(57)【要約】光の流れを処理する光処理機器。この機器は、たとえば、光ファイバケーブル（３０）から放出された光入力を含む。一般に、複数の波長帯の光が放出され、軸に平行な方向に送られる。この機器は、互いに離間した規定位置に位置決めされた複数の受容器（３６−１〜３６−ｎ）も含む。回折部材（１０）を使用して、軸に平行に送られた複数の波長帯の光を回折させる。本発明の一実施形態では、この回折部材は、制御可能な回折格子である。これらの波長帯は、選択的に回折を受けて様々な受容器に至る。この機器は、任意の１つの波長帯が回折して向かう特定の受容器を独立して変更するように、回折部材を選択的に調節するためのコントローラ（３４）をさらに含む。
2004530166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）それぞれ別個の関連する範囲の側副波長をもつ複数の波長帯を含む光を、ほぼ軸に沿って送信する放出器と、
（ｂ）複数の空間的に位置決めされた受容器と、
（ｃ）前記受容器のいくつかに前記波長帯を回折させる回折部材と、
（ｄ）各波長帯が回折して向かう受容器を独立して変更するように、前記回折部材を選択的に調節するコントローラとを備える、光を処理する機器。
【請求項２】
前記回折部材が制御可能な回折格子である、請求項１に記載の機器。
【請求項３】
前記制御可能な回折格子が、前記コントローラによってそれぞれ個々に制御可能な複数の回折素子を備える、請求項２に記載の機器。
【請求項４】
前記素子が、各素子から放出される前記波長帯の光の相対的な位相を調節することによって回折を行う、請求項３に記載の機器。
【請求項５】
前記コントローラがプログラム可能である、請求項２に記載の機器。
【請求項６】
前記コントローラによって前記回折素子が制御されてその相対位置が変わり、それによって、前記波長帯の回折が行われる、請求項５に記載の機器。
【請求項７】
前記回折素子が反射性である、請求項５に記載の機器。
【請求項８】
前記回折素子が透過性である、請求項５に記載の機器。
【請求項９】
前記素子が、前記波長帯の振幅を調節することによって回折を行う、請求項２に記載の機器。
【請求項１０】
（ａ）それぞれ別個の波長帯を有し、ともに伝搬する複数の光信号を送信する光入力部と、
（ｂ）複数の光出力部と、
（ｃ）複数の回折素子を含む可変制御可能な回折格子部材であって、各素子により処理される前記ともに伝搬する光信号の相対位相シフトおよび振幅の１つが個々に制御される部材と、
（ｄ）各波長帯を制御するように可変回折格子部材に動作可能に接続されて、ともに伝搬する複数の光信号を、１つまたは複数の選択した前記光出力部に方向づけるコントローラとを備える、光処理器。
【請求項１１】
ともに伝搬する光信号が通信情報を規定する、請求項１０に記載の光処理器。
【請求項１２】
ともに伝搬する光信号を前記可変回折格子部材上に方向づけるように、前記光入力部と前記可変回折格子部材の中間に光学系をさらに備える、請求項１０に記載の光処理器。
【請求項１３】
ともに伝搬する光信号を、それに対応するように選択した光出力部上に方向づけるように、前記可変回折格子部材と光出力部の中間に光学系をさらに備える、請求項１２に記載の光処理器。
【請求項１４】
前記光入力部が、光ファイバの放出端面を含む、請求項１０に記載の光処理器。
【請求項１５】
前記光出力部が、それぞれの光ファイバの端面を含む、請求項１０に記載の光処理器。
【請求項１６】
前記光入力部が、光導波路の発光領域を含む、請求項１０に記載の光処理器。
【請求項１７】
前記光出力部が、それぞれの光導波路の入力面を含む、請求項１０に記載の光処理器。
【請求項１８】
前記可変回折格子部材の前記素子が反射性である、請求項１０に記載の光処理器。
【請求項１９】
前記可変回折格子部材の前記素子が透過性である、請求項１０に記載の光処理器。
【請求項２０】
前記格子部材によって前記回折素子が制御されてその相対位置が変わり、それによって、ともに伝搬する光信号のそれぞれの波長帯の回折が行われる、請求項１０に記載の光処理器。
【請求項２１】
別個の波長帯を有し、ともに伝搬する光信号を送信する複数の光入力部を備える、請求項１０に記載の光処理器。
【請求項２２】
前記コントローラが電気的に動作する、請求項１０に記載の光処理器。
【請求項２３】
（ａ）軸に沿って光を方向づけるステップと、
（ｂ）異なる方向に光の各波長帯を回折させるステップと、
（ｃ）受容器への各波長帯の方向を、他の波長帯とは独立に選択的に変えるステップとを含む、入力部から放出される光を処理し、その光の複数の別個の波長帯をそれぞれ、所望の受容器に向ける方法。
【請求項２４】
各波長帯を複数の受容器の異なる１つに方向変更することができるステップをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
複数の回折格子素子を含む回折格子を設けるステップと、
入射光の波長帯を所定の出力位置に方向づけるのに必要な各回折格子素子の位置および向きを計算するステップと、
計算した位置にかつ計算した向きで回折格子素子を位置決めして、各波長帯の光を所定の出力位置に回折させるステップとを含む、入射光の複数の波長帯のうち特定の波長帯を方向づける方法。
【請求項２６】
（ａ）複数の光入力部であって、各光入力部が１つまたは複数のともに伝搬する光信号を送信し、各信号が別個の波長帯を有する光入力部と、
（ｂ）光出力部と、
（ｃ）複数の素子を含む可変制御可能な回折格子部材であって、各素子により処理される前記ともに伝搬する光信号の相対位相シフトおよび振幅の１つが個々に制御される部材と、
（ｄ）各波長帯を制御するように可変回折格子部材に動作可能に接続されて、ともに伝搬する複数の光信号を、前記光出力部に方向づけるコントローラとを備える、光処理器。
【請求項２７】
前記コントローラが、各波長帯を制御するように可変回折格子部材に動作可能に接続されて、ともに伝搬する複数の光信号を、複数の光出力部に方向づける、請求項２６に記載の光処理器。
【請求項２８】
（ａ）入射光を回折させるための複数の格子素子を備える制御可能な回折格子と、
（ｂ）各格子素子の位置を選択的に調節するコントローラとを備え、各波長帯の光を個々にかつ選択的に所望の位置に回折させる方向を制御する、放出器から送信された入射光の複数の帯域のうち１つの波長帯を方向づけるための波長選択性の光スイッチ。
【請求項２９】
前記コントローラが、１つまたは複数の前記回折素子を調節するように構成され、前記回折素子の調節により、各波長帯の光が個々にかつ選択的に所定の位置に回折する方向が変わる、請求項２８に記載のスイッチ。
【請求項３０】
前記コントローラが、前記格子素子のそれぞれの位置を静電的に調節する、請求項２８に記載のスイッチ。
【請求項３１】
複数の回折格子素子を含む回折格子を設けるステップと、
入射光の波長帯を所望の出力位置に方向づけるのに必要な複数の回折格子素子の位置を決定するステップと、
決定された位置に複数の回折格子素子を位置決めして、ある波長帯の光を、他の波長帯とは独立に所定の出力位置に選択的に回折させるステップとを含む、複数の波長帯の入射光を方向づける方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、おおまかには、光の処理に関する。ただし、より詳細には、それぞれ異なる波長帯を有する複数の個々の光の流れを、１つまたは複数の別個の出力部または受容器（ｒｅｃｅｐｔｏｒ）に向けて方向づけることに関する。本発明により、所望のとおりに各波長帯の方向を変更して、それらの帯域を異なる出力位置に方向づけることができる。本発明による機器および方法は、光通信システムに関連する光の送信制御、より詳細には、プログラム可能な波長選択スイッチでの使用に特に有用である。
【背景技術】
【０００２】
連邦政府の後援による研究または開発に関するステートメント
本発明は、国防高等研究プロジェクト局（Ｄｅｆｅｎｓｅ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｐｒｏｊｅｃｔ  Ａｇｅｎｃｙ）が締結した契約番号Ｎ６６００１−９７−Ｃ−８６２０および米国エネルギー省が締結した契約番号ＤＥ−ＡＣ０４−９４ＡＬ８５０００に基づき、政府援助によって行われた。政府は、本発明の一定の権利を有する。
【０００３】
一般に、光通信システムには、情報を符号化して光ビームに載せ、この光を、細い透明な光ファイバその他の光コンポーネントによって送信することを伴う。光ファイバ通信では、通信用銅線を通す従来型の電気通信に比べて利点が得られる。たとえば、光ファイバは、電気信号ではなく光信号を送信するので、電気ノイズの影響を受けない。さらに、光通信で用いる光の周波数は、従来型の銅線で用いる電気信号の周波数よりもはるかに高いので、光通信システムの通信量は、銅線通信システムの通信量よりも、はるかに多くなり得る。
【０００４】
すでに光ファイバシステムの通信量は多いが、通信量の増加要求は、光信号を選択的に方向づけ、かつ切り替えることができるように求められているのと同様に、絶えず増大している。こうした要求の増大に対応する試みとして、ＷＤＭ（波長分割多重）が開発された。ＷＤＭでは、光ファイバその他のコンポーネントによる共通の経路を辿るいくつかの波長帯の光を、各帯域が異なる情報を載せた状態で、同時に利用することができる。たとえば、光ビームは、それぞれ異なる波長帯（たとえば、１．５５１０、１．５５２０、１．５５３０および１．５５４０マイクロメートル付近の波長帯）を有する４つの光の流れを含むことができる。この４つの流れはすべて、それぞれ異なる情報を載せた状態で、光ファイバによる単一の経路に沿って送ることができる。このため、単一の波長帯からなる単一の光の流れに使用するファイバに比べて、単一の光ファイバを使用して４倍の情報を送ることができる。
【０００５】
光の流れはそれぞれ、たとえば、毎秒１０ギガビットという極めて速い速度で情報を運ぶように変調することができるので、４つの別個の波長帯からなる４つの光の流れが同時に送られるＷＤＭ伝送では、単一の光ファイバで、約４倍大きいデータレート、すなわち、毎秒約４０ギガビットが得られるはずである。
【０００６】
光通信その他のシステムでは、光ビームを分離し、方向変更し、別々の光ビームを合成することが望ましい。光学の技術分野の技術者にはよく知られているように、たとえば、ミラーおよびレンズを使用して、光ビームを分離し、方向変更し、合成することが可能である。ミラーは小型化することができ、その位置を切り替えかつ制御して、光ビームの方向の所望の制御を行うことができる。しかし、この技術では、光ビーム全体を同じように制御し、光ビームを構成する異なった波長帯からなる個々の光の流れを個々にかつ別々に制御することができない。光ビーム中の異なる波長帯からなる個々の光の流れをさらに分離するために、波長選択フィルタ、プリズムおよび従来型回折格子など周知の光デバイスを用いることができる。これらのデバイスの制限は、異なる波長の光が、決まったやり方で、また、柔軟にすなわち選択的に制御することができないやり方で処理されることである。たとえば、従来型の回折格子は、定義による固定された角度関係で光を回折させ、短い波長は入力ビームに対して小さい角度で方向づけられ、長い波長は大きい角度で方向づけられることはよく知られている。この角度の関係は固定されており、それによって、異なる波長帯の光の流れを方向づける際に回折格子の有用性が制限される。すなわち、回折格子は、異なる範囲の波長を有する２つの光の流れの間のこの角度関係を再構成するように変更したり切り替えたりすることができない。回折格子を切り替えて、この２つの流れの角度方向を逆転させたり、異なる波長帯を有する光の流れをともに同じ方向に向けたりすることができない。
【０００７】
最近になって、制御可能すなわちプログラム可能な回折格子デバイス技術が示された。制御可能な回折格子は、回折格子素子を動かす際に用いる静電システムを使用することがある。一般に、こうしたデバイスは、少なくとも１つの方向に個々に変位させて、格子デバイスに対して光の流れの回折を集合的に制御することができる格子素子アレイを含む。一般に、格子素子は、素子の少なくとも一部が弾性材料製となるように構築される。反射性の被覆を素子の一方の面に付着させて、光の流れを回折させる。
【０００８】
この素子は、電子または磁気の力を加えて素子を撓ませることができるように、導電性または磁性材料も含む。ある種の方式で個々の素子が撓むと、この素子アレイに対する光の流れの回折が変化する。回折角の変化により、光の流れが向けられる方向が変わる。
【０００９】
Ｂｕｔｌｅｒ他の米国特許第５，９０５，５７１号は、相関分光器および光処理器（ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）を形成するための光学機器を開示している。この特許は、隣接する格子素子の高さが変化する複数の制御可能な格子素子を備える、基板上に形成した回折性光学素子と、入射光ビームとの２つの異なる相関関係を得るために、２つの回折状態を切り替える変調手段とを教示している。この回折性光学素子を、相関分光法に使用する。光相関機能を行わせるために、単一の入力光ビームを、指定した単一の出力方向に回折させる。この教示では、単一の特定の角度方向θを選択して、入射光に対する回折光を得る。また、この機器を使用して、この角度θで回折する異なった波長の強度を変更する。この特許を参照により本明細書に組み込む。
【００１０】
Ｂｌｏｏｍ他の米国特許第５，６７７，７８３号は、光ビームを変調するための変形可能な格子機器を記載している。この特許は、光ディスプレイとして使用するために、視野コーン中に回折する決定可能な波長をもつ入力光線の強度を変調することを教示している。
【００１１】
これらのデバイスはどれも、単一の入力ビームから複数の入力波長範囲を分離し、それらを複数の出力位置に選択的に方向づけるように利用されていない。また、これらのデバイスはどれも、複数の入力ビームから複数の入力波長範囲を分離し、それらを単一の出力位置あるいは複数の出力位置に選択的に方向づけるように利用されていない。
【００１２】
したがって、役に立つやり方で光を処理する方法および機器に関して、まだ満たされていない追加の要求が存在する。従来技術では、異なる波長帯からなる個々の光の流れの方向を選択的に制御する必要が明らかになっている。１つまたは複数の光源から１つまたは複数の出力部に、異なる波長帯からなる個々の光の流れを方向づけ、複数の方向からなる異なる組の間で選択的に切り替えることが求められている。
【００１３】
本発明では、これらの問題および指示を検討し、従来技術の要求に対処する。本発明は、ある帯域の光を処理して、問題を解決し、従来技術により必要とされる目標の達成を実現するための機器である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、光ビームの複数の各入力波長帯を分離し、選択的に意図する出力部に方向づけることである。本発明の別の目的は、ある規定した波長帯が方向づけられる出力受容器を選択して切り替えることである。こうした切替えは、１つの波長帯について、他の波長帯とは独立に実施される。
【００１５】
本発明の別の目的は、異なる入力波長帯を、選択的に共通の出力部に方向づけることである。本発明の別の目的は、単一の波長帯を分離し、複数の出力部に方向づけることができるようにすることである。本発明の別の目的は、複数の入力光ビームの複数の入力波長帯をそれぞれ、選択的に意図する出力部に方向づけることである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、これらの目的を達成するための光を処理する機器および方法である。光源から軸に沿って光ビームを送る。この光ビームは、それぞれ異なる波長帯を有する個々の光の流れを含む。ある波長帯のこのような光の流れは、情報を載せている信号を含み得る。この機器は、規定した位置に配置された複数の受容器も含む。光源から送られたこれらの波長帯の光を回折させるために、回折部材を設ける。この回折部材により、これらの波長帯が回折を受けて１つまたは複数の受容器に至る。この部材を選択的に調節して、選択した波長帯の回折を他の波長帯とは独立に行うことができるように、コントローラを設ける。それによって、このコントローラは、１つまたは複数の受信者（ｒｅｃｉｐｉｅｎｔ）に方向づけられる１つまたは複数の選択波長帯に含まれる信号を方向づけるように働く。たとえば、信号は、音声やデータなどの情報を含むことがあり、１つの波長帯で伝達されることがある。
【００１７】
この機器は、少なくとも１つの光ファイバ型放出器を備えることができる。さらに、回折部材は、ある波長帯をもちかつある信号を載せた少なくとも１つの出力光の流れを回折させ、その信号を所定の受容器に向けて送るように動作する複数の格子素子を含み得る。
【００１８】
本発明に従って使用する回折部材は、入射光を回折させるための複数の格子素子と、これらの回折素子を装着する支持部と、これらの回折素子を選択的に調節する手段とを備えることができる。これらの素子は、光学的に反射性あるいは透過性としてよい。この調節により、各素子から反射するか、あるいは各素子を透過する光の反射位相が変化し、それによって、各波長帯の光を、個々にかつ選択的に所定の受容器に方向づけるという方向の制御が行われる。
【００１９】
本発明は、１つまたは複数の特定の波長帯の入射光を方向づける方法を含む。この方法は、複数の回折格子素子を有する制御可能な回折格子を設けるステップを含む。所定の波長帯の入射光を所定の出力受容器に方向づけるのに必要な回折格子素子の調節値を確定する。このような調節は、たとえば、各素子の位置の調節であり得る。回折格子素子アレイまたは群は、この確定した位置に位置決めされ、所定の波長帯の光を所定の出力受容器に回折させるように全体として機能する。
【００２０】
本発明は、複数の入力波長帯で機能するように設計することができる。以下に示すように、所望のとおりにステップを追加することができる。反射性素子を利用する回折格子では、第１の所定の波長帯を第１の所定の出力受容器に方向づけ、追加の所定の各波長帯を、指定した出力受容器に方向づけるのに必要な格子素子の位置を確定する。これらの回折格子素子は、この確定した位置に位置決めされて、各入力波長帯の光を指定した組の出力受容器に回折させる。
【００２１】
この実施形態は、複数の出力信号の方向を切り替えて、それらの信号を独立して同じ受容器または異なる出力受容器に送信するのにも利用する。この方法は、こうした機能を容易にするための追加のステップを含み得る。このスイッチの第１配置では、この機器は、入力波長帯を第１の指定した組の出力受容器に向けるのに必要な第１の組の格子素子位置を確定する。このスイッチの第２配置では、この機器は、入力波長帯を第２の所望の組の出力受容器に向けるのに必要な第２の組の格子素子位置を確定する。したがって、これら２つの確定した組の位置間で格子素子を切り替えることによって、入力波長帯が、これら２つの組の出力受容器間で切り替えられる。
【００２２】
複数の波長帯を含む単一の入力光ビームの場合に加えて、本発明の機器は、複数の別々の放出器からの複数の入力ビーム中の入力波長帯を方向づけ、かつ切り替えるように利用することができる。
【００２３】
したがって、本発明は、従来技術の問題を解決し、従来技術の指示に対処するために改善された機器および方法である。上記で論じた利益ならびにその他の利益は、添付の図面を参照して行う以下の説明から明らかであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明は、光を処理する機器および方法である。この機器は、異なる波長帯を有し、図３に示すような入力ファイバ３０などの１つまたは複数の光入力部から放出される１つまたは複数の光信号を、規定位置に位置決めされた１つまたは複数の光出力部に分配し方向づけるように機能する。これらの光信号は、互いに独立に所望の出力位置に分配し方向づけることができる。これらの信号の分配パターンは、任意に選択することができ、１つの分配パターンから別の分配パターンに切り替え、再配置することができる。こうした切替えを行う際に、各光信号を他の信号とは独立に方向変更することができる。
【００２５】
本発明の特定の実施形態に関して以下で論じるように、制御可能な回折格子１０内の、図１、２ａおよび２ｂの格子素子１４の位置は、同一平面構成の素子１４で画定される面にほぼ直交する方向に変えることができる。このような位置調節は、１つまたは複数の光入力部から放出される光の光学的位相シフト（あるいは、あまり理想的ではないが、振幅の調節）が生じるように機能する。こうした処理の制御は、図３に示すコントローラ３４を使用して行われる。以下で論じるように、格子素子１４は、反射性または透過性のいずれかとすることができる。いずれの場合でも、位相シフトまたは振幅調節は、このコントローラ３４によって制御される。再度、このような調節により、光の流れの様々な波長帯を個々に制御することができる。
【００２６】
任意の所望の分配パターンを生成するように求められる各格子素子１４ごとに、位相シフトの組を計算することができる。そのために、様々な回折モデルを利用することができる。最も簡単なモデルであり、個々の格子素子の幅が、その上に結像される波長よりも大きいときに使用するのが、フラウンホーファー回折である。このモデルでは、格子素子１４のアレイからの回折は、格子アレイにより入射光波長帯に与えられた位相プロフィールをフーリエ変換することによって求まる。したがって、位相プロフィールの設計問題は、あるプロフィールのフーリエ変換が、適切な空間的かつスペクトル的な特性を示すものを見つけるのと等価である。このタイプの計算は、「位相回復」問題として周知のものである。
【００２７】
１つの入力方向、１つの波長および１つの出力方向からなる極めて簡単な切替えの応用例では、アレイによって生成される位相プロフィールは、単一の空間周波数を含むだけでよい。複数の入力波長および複数の出力方向からなるより複雑な切替えの応用例では、位相プロフィールは多数の空間周波数を含む必要がある。このような場合、ＩＦＦＴ（反復高速フーリエ変換）、シミュレーテッドアニーリング（ｓｉｍｕｌａｔｅｄ  ａｎｎｅａｌｉｎｇ）、遺伝的アルゴリズムなど適切な偏向プロフィール（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ｐｒｏｆｉｌｅ）を決定するのに利用することができる複数の位相回復アルゴリズムがある。
【００２８】
フラウンホーファー回折の方式では、フーリエ変換および逆フーリエ変換を用いて、（格子アレイに沿った位置空間尺度と定義する）ｘ空間と、次式で定義されるｕによるｕ空間の間を行き来する。
【００２９】
【数１】
2004530166.tif 000003
【００３０】
ただし、θは出射回折角、λは考慮する波長であり、入射放射には垂直入射を仮定する。光学的な切替えを行うには、一連の入力波長（λi）を、異なる回折角（θj）のところに位置する一続きのあらかじめ規定した出力ポートに方向づけなければならない。したがって、次式で与えられる１組のｕ空間上の点のそれぞれに、入射光エネルギーの所望のフラクション（ｆｒａｃｔｉｏｎ）を回折させるように、ｘ空間の位相プロフィールφ（ｘ）を設計しなければならない。
【００３１】
【数２】
2004530166.tif 000004
【００３２】
このｕ空間上の点の組に所望の強度を分配することにより、所望のｕ空間スペクトルが規定される。ｕ空間スペクトルの平方根をとることからＩＦＦＴアルゴリズムを開始して、ｕ空間の振幅プロフィールを求める。このｕ空間の振幅プロフィールを任意の位相プロフィールと合成して、複素ｕ空間プロフィールを求める。このプロフィールをｘ空間にフーリエ変換し、それによって、複素ｘ空間プロフィールが得られる。ｘ空間プロフィールの位相を保持しながら、ｘ空間プロフィールの振幅を、既知の入力強度プロフィールを表すプロフィールで置き換える。次いで、ｘ空間プロフィールを変換してｕ空間に戻し、振幅を所望のｕ空間振幅で置き換える。この場合も、位相は保持する。ｘ空間プロフィールを変換することによって得られたｕ空間振幅プロフィールが、所望のｕ空間振幅に収束するまで、この手順を繰り返す。この時点で、ｘ空間位相プロフィールは、格子アレイによって生成されるべき位相プロフィールになっている。
【００３３】
前に述べたように、格子素子１４は、反射性または透過性のいずれかとすることができる。図８および９にそれぞれ、これら２つのタイプの回折を概略的に示す。図８に、入射光を回折させる一連の格子素子１４を示す。各素子により、個々に制御可能な相対位相シフトφ1〜φNが生成される。本発明に本質的なことではないが、図８に示す格子素子１４は、同一平面構成で示されている。ただし、この場合も、格子素子の相対位置を（一般に、図８に示すように上下させて）調節して相対位相シフトを調節し、それによって、受容器が位置決めされている所望の空間的位置に各波長帯を回折させることができることを理解されたい。
【００３４】
図９に、格子素子１４’が透過性である場合の状況を示す。これは、素子１４’が、たとえば液晶の場合にあり得る例である。入射光は、格子素子１４’によって回折を受け、各素子により、個々に制御された相対位相シフトφ1〜φNが得られる。図８の場合と同様に、図９の格子素子１４’は、同一平面構成で示されている。この場合も、これらの素子１４’によって回折を受ける光の相対位相シフトを（一般に、各液晶素子に電圧を印加して光路長を調節することによって）調節して、各波長帯が回折して向かう空間的位置を変えることができる。
【００３５】
次に、図１、２ａおよび２ｂを参照すると、制御可能な回折格子１０が示されている。これらの図に、本発明に従って使用する制御可能な回折格子の構造を示す。図１は、本発明とともに使用することができる制御可能な回折格子デバイスの上部平面図である。ただし、図には特定の制御可能な回折格子構造を示すが、本発明に従って光を回折させるために他の構造が特に企図されることを理解されたい。たとえば、回折素子として、前に論じた液晶などを使用することもできるはずである。
【００３６】
図に示すデバイスは、一般に、入射光を回折させるための素子１４のアレイを含む。図には、格子素子を装着する支持部と、入射光に対して格子素子の位置を選択的に調節して、各波長帯の光が回折する方向を変えることができ、波長帯を個々に選択的に所望の受容器に方向づけるための手段も示す。このデバイスでは、ベース基板１２が回折格子を支持する。個々の回折素子は、それぞれ回折表面１６を有する格子素子１４と、弾性層２０と、導電層１３により電気的な制御電圧Ｖに接続された電極２８によってもたらされる、格子素子１４の位置を調節する手段とを備える。格子素子１４と弾性層２０は、支持部材１８によって互いに離間しており、弾性層２０は、支持部材２４によってベース基板１２から離間している。このデバイスは、電気的な絶縁をもたらす追加の層１５および１７、接地電極２６および弾性層２０への接地接続部１９も備える。図１、２ａおよび２ｂに示すものに類似のデバイスの具体的な詳細が、Ｒｉｃｃｏ他の米国特許第５，７５７，５３６号およびＥｌｍｅｒ  Ｈｕｎｇ他の米国特許出願番号０９／５３７，９３６に論じられている。これらを参照により本明細書に組み込む。
【００３７】
図３〜７に示すように、本発明に従って構成される機器は、様々な機能を提供することができる。たとえば、この機器は、単一の入力ビームを取得し、それを、それぞれ異なる波長帯を有し、信号を形成する複数の出力光の流れに分離し、その出力光の流れを異なる出力受容器に方向づけることができる。入力光ビームは、光ファイバ端部、光導波路または他の光源から放出することができるはずである。一般に、各出力受容器を画定するように光出力ファイバを配置する。出力受容器は、光検出器または光導波路によっても画定することができる。各出力信号の方向は、選択的かつ独立して調節することができ、それによって、出力信号が任意の１本または複数本の出力ファイバに入るようにすることができる。
【００３８】
さらに、信号からの光を制御可能な回折格子１０に当てる前に、光コリメートデバイス３２でコリメートすることができ、格子１０で回折した光を、出力ファイバ３６に方向づけながら、光集束デバイス３８で集束させることができる。コリメートデバイス３２および集束デバイス３８はそれぞれ、レンズ、ミラー、開口など１つまたは複数の光学素子を含んでよい。
【００３９】
図３〜５に、本発明で可能な様々なデバイスの動作のいくつかの例を示す。たとえば、図３に示すように、出力信号λ1は最も左の出力ファイバ３６−１に向けられ、λ2は中央の出力ファイバ３６−２に、λnは最も右の出力ファイバ３６−ｎに向けられる。図４では、出力信号の方向は、動作格子部材１４によって変更されており、異なる出力ファイバに入るように示されている。図４に示すように、出力信号λ1は最も右の出力ファイバ３６−ｎに向けられ、λ2は最も左の出力ファイバ３６−１に、λnは中央の出力ファイバ３６−２に向けられる。これらの方向の変更は、前に述べた方法で計算した位相シフトが得られるように、異なる格子素子１４の位置を精確に配置することによって、また、コントローラ３４によって実施されるものとして行われる。出力信号の方向を変更するために、前に述べたように計算した新しい配置になるように格子素子の位置を再構成する。
【００４０】
図５に、本発明によるデバイスで可能な他の２つのタイプの出力動作を示す。図に示すように、出力信号λ1およびλnはともに、最も左の出力ファイバ３６−１に向けられ、λ2は中央の出力ファイバ３６−２および最も右の出力ファイバ３６−ｎに向けられる。信号λ1およびλnをこのように方向づけることは、特定の出力ファイバ３６−１に接続されているユーザが一度に大量の情報を受信することができることを示している。信号λ2をこのように方向づけることは、幾人かのユーザが、同時に同じ情報を受信できることを示している。
【００４１】
本発明のデバイスを使用して、いくつかのファイバまたはその他の光源から、同時に入力ビームを受け取ることもできる。図６では、このデバイスは、複数の入力源からいくつかの入力信号を取得し、それらを選択的にいくつかの出力ファイバ３６−１〜３６−ｎに方向づける。図７では、このデバイスは、複数本の入力ファイバ３０からいくつかの入力信号を取得し、それらを単一の出力ファイバ３６に方向づける。代替実施形態では、ファイバ３０は、個々の導波路のアレイで置き換えることができる。
【００４２】
コントローラ３４は、個々の格子素子が適切な位置になるようにその動きを指示し、それによって、出力信号を正しい出力ファイバ３６に方向づけるデバイスである。コントローラ３４は、プログラム可能な波長選択スイッチ１０の格子素子１４にアドレスし、それらを作動させる１つまたは複数の電子制御回路を含み得る。コントローラ３４は、マイクロプロセッサ、または外部のマイクロプロセッサやコンピュータからコントローラにアクセスする手段を含むこともできる。
【００４３】
ここで示すように、格子素子の調節により、各素子から回折した光の相対的な光学的位相が変わり、そのため、各波長帯または複数の波長帯の光が個々にかつ選択的に所望の受容器に向けられる方向が変わるように、入射光に対して格子素子の位置を選択的に調節することによって、格子素子の位置が与えられる。ただし、当技術分野で周知の任意の手段を用いて、格子素子の位置決めを行うことができる。
【００４４】
図２ａおよび２ｂに、制御可能な回折格子１０の動作を示す。制御可能な回折格子１０の動作中、各格子素子１４は、下にあるベース１２に対してほぼ直交する方向に平行移動する。平行移動は、１つまたは複数の作動電極２８に電圧を印加し、それによって、１つまたは複数の作動電極２８と、接地され得る弾性部材２０の間にエアギャップコンデンサ（ａｉｒ  ｇａｐ  ｃａｐａｃｉｔｏｒ）が形成されることによってもたらされる。得られた静電引力により、弾性部材２０が撓む傾向があり、格子素子１４を作動電極２８に向かって移動させる。着地電極（ｌａｎｄｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）２６により、弾性部材２０が、１つまたは複数の作動電極２８に接触するのが妨げられる。格子素子の電気機械的な特性を較正することによって、所望の位置に各格子素子を動かすのに必要な電圧を計算することができる。
【００４５】
図３〜７に示す回折動作の実施にかかわりなく、本発明により、単一の波長帯の光または複数の波長帯の光の選択的かつ独立な方向づけおよび方向変更を実施することができることが理解されよう。これは、他の帯域の光の状態とは無関係に行うことができる。したがって、本発明により、現在、当技術分野で周知のものよりも汎用性がかなり高くなる。
【００４６】
この開示は、多くの点で、単なる例であることが理解されよう。本発明の範囲を超えることなく、特に形状、サイズ、材料および部品の配置という事項で、細部に変更を加えることができる。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲の表現で定義されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の機器および方法の一実施形態とともに使用するのに適した制御可能な回折格子の平面図である
【図２】図２ａは、本発明に従って使用することができる制御可能な回折格子中の格子素子を示す立面図である。図２ｂは、本発明に従って使用することができる制御可能な回折格子中の格子素子を示す立面図である。
【図３】入力光ビームを、それぞれ異なる波長帯を有する複数の光学的な個々の流れの光に分離し、次いで、別々の光出力ファイバに方向づける、本発明による機器の動作を示す概略図である。
【図４】それぞれ異なる波長帯を有する個々の光の流れに載せられた出力光信号が、異なる組合せの光出力ファイバに切り替えられる、図３に示す実施形態を示す概略図である。
【図５】光出力信号の１つが複数本の光出力ファイバに向けられ、複数の光信号が合成され、１本の光出力ファイバに向けられる動作を示す概略図である。
【図６】複数の光入力信号が方向変更され、複数本の光出力ファイバに供給される、本発明による機器の動作を示す概略図である。
【図７】複数の光信号が１本の光出力ファイバに供給される、本発明による機器の動作を示す概略図である。
【図８】反射性格子素子を使用して入射光の流れを回折させる制御可能な回折格子の形態の回折部材を示す機能上の概略図である。
【図９】透過性格子素子を使用して入射光の流れを回折させる制御可能な回折格子の形態の回折部材を示す機能上の概略図である。
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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