(57)【要約】シングル・モード・ファイバへの光波のシングル・モード全般についてのカット・オフ減少を使用する光ファイバ減衰器であって、ピクセル化された液晶素子のような素子を含み、この素子は入力光信号の断面を横切る位相を空間的に変更することができる。そうした空間的位相変更は、伝播する波のモード構造における変化に等しい。シングル・モード出力ファイバ内を伝播する信号は、一層高い次元のモードがもともと存在する低い次元のモードへ混合される範囲にしたがって減衰される。このモードが一層高いモードへ完全に変換されるとき、この波は出力シングル・モード・ファイバへ入るのを効果的に完全にブロックされ、減衰は高い。減衰のレベルは、最低次元のモード以外の諸モードへ変換される波の部分により決定され、こうして液晶素子のピクセルへ加えられる電圧により制御できる。
2004522188.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
減衰すべき入力光信号を受信する入力ファイバと、
前記減衰される光信号を出力する出力ファイバと、
前記入力ファイバと前記出力ファイバの間の光道に配置された少なくとも一つの位相変更素子と、
前記少なくとも一つの素子の少なくとも部分を通る前記光の位相を変更するように動作する駆動源とを含み、
前記位相変更素子の前記動作が前記素子の光軸の回転により実行される可変光減衰器。
【請求項２】
請求項１による可変光減衰器であって、前記少なくとも一つの素子の前記少なくとも部分を通じて通過する光の位相の前記変化が前記入力光信号の少なくとも部分の前記モード構造を偏光するように動作されて、これにより、前記入力光信号の前記部分が前記出力ファイバ内を自由に伝播できないようにした前記可変光減衰器。
【請求項３】
請求項２による可変光減衰器であって、前記入力光信号が実際に基本的なモード構造を有し、また前記出力ファイバが一つのシングル・モード・ファイバでって、前記入力光信号の少なくとも部分の前記モード構造が一層高い次元のモードへ変更され、これにより、前記入力信号の前記部分が前記出力ファイバを通じて自由に伝播できないようにする前記可変光減衰器。
【請求項４】
前記少なくとも一つの位相変更素子が少なくとも一つの液晶素子である請求項１ないし請求項３のいずれかによる可変光減衰器。
【請求項５】
前記少なくとも一つの液晶素子は直交して配列された並列配置の液晶の直列ペアを有し、これにより、前記光信号の偏光方向に対して前記減衰器が低感度であるようにされた請求項４記載の可変光減衰器。
【請求項６】
前記少なくとも一つの液晶素子がツイスト・ジオメトリの液晶の直列ペアを含み、これらツイスト・ジオメトリの液晶は同一の全体的ネジリ角を有するがネジリ方向が逆であり、これにより、前記クリスタルの間の前記遷移においてネジリ構造の相互配列が９０度になり、これにより、前記減衰器が前記光信号の偏光の方向に低感度であるようにされた請求項４記載の可変光減衰器。
【請求項７】
前記少なくとも一つの液晶素子が、少なくとも二つの直交配列ピクセルに分割された液晶を含み、これにより、前記減衰器が前記光信号の偏光の方向に低感度であるようにされた請求項４記載の可変光減衰器。
【請求項８】
電気光学素子、熱光学素子および磁気光学素子からなるグループから前記位相変更素子が選択される請求項１ないし３のいずれかに記載の可変光減衰器。
【請求項９】
前記素子における少なくとも一つのピクセルにより、前記位相変更素子の前記部分が定義される請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の可変光減衰器。
【請求項１０】
前記少なくとも一つのピクセルが二つのピクセルであって、前記素子の対向する半分に配置された請求項９記載の可変光減衰器。
【請求項１１】
前記少なくとも一つのピクセルが四つのピクセルであって、前記素子内の対向する１／４内に配置され、前記ピクセルの対角線上に配置された二つを通過する光の位相を変更するように前記駆動源が動作できる請求項９記載の可変光減衰器。
【請求項１２】
前記少なくとも一つのピクセルは前記素子を横切って走るいくつかのストリップ・ピクセルのアレイであって、前記アレイが前記素子をほぼ等しいピクセル化された領域とピクセル化されていない領域へ分割する請求項９記載の可変光減衰器。
【請求項１３】
前記入力ファイバと前記出力ファイバは、それらの間の伝送により光が通過するように配置された請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の可変光減衰器。
【請求項１４】
反射面を更に含み、前記入力ファイバと前記出力ファイバは、それらの間の反射により光が通過するように配置された請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の可変光減衰器。
【請求項１５】
前記反射面が前記位相変更素子の後ろ側に形成される請求項１４記載の可変光減衰器。
【請求項１６】
前記少なくとも一つのピクセルは、前記少なくとも一つのピクセルの領域上に実質的に配置された少なくとも一つのピクセル化された電極により形成されている請求項９ないし請求項１５のいずれかに記載の可変光減衰器。
【請求項１７】
前記少なくとも一つのピクセルの領域から離れて配置された少なくとも一つの電極により、前記少なくとも一つのピクセルが形成される請求項９ないし請求項１５のいずれかに記載の可変光減衰器。
【請求項１８】
前記少なくとも一つの液晶素子は、半波プレートをそれらの上に配置された並列に整列された液晶の直列ペアを含み、これにより、前記減衰器が前記光信号の偏光の方向に低感度であるようにされた請求項４記載の可変光減衰器。
【請求項１９】
前記半波プレートが前記液晶素子の一つの基板として作用できる請求項１８記載の可変光減衰器。
【請求項２０】
前記半波プレートが前記液晶素子の一つの整列層として作用できる請求項１８記載の可変光減衰器。
【請求項２１】
前記少なくとも一つの液晶素子は前記液晶素子に近接して配置された１／４波プレートを有する液晶を含み、また、反射面を含み、前記入力ファイバと前記出力ファイバはそれらの間の反射により光が通過するように配置された請求項４記載の可変光減衰器。
【請求項２２】
前記反射面が前記１／４波プレートの後ろ側に形成される請求項２１記載の可変光減衰器。
【請求項２３】
前記１／４波プレートが前記液晶素子の基板として作用する請求項２１記載の可変光減衰器。
【請求項２４】
前記１／４波プレートが前記液晶素子の整列層として作用する請求項２１記載の可変光減衰器。
【請求項２５】
入力ファイバ、出力ファイバおよび前記入力ファイバから前記出力ファイバへ通過する光の断面の部分の位相を変化するように動作できる少なくとも一つの位相変更素子を含む光学デバイスであって、モード変換器として動作できる前記光学デバイス。
【請求項２６】
入力ファイバ、出力ファイバ、および前記入力ファイバから前記出力ファイバへ出力する光の断面の部分の前記位相を変化するように作用できる少なくとも一つの位相変更素子を含む光減衰器であって、前記光が前記入力ファイバから前記出力ファイバへ伝送により通過する前記光減衰器。
【請求項２７】
前記入力ファイバから前記出力ファイバへ通過する光の前記断面の前記部分の位相の前記変化は、前記出力ファイバ内に光が自由に伝播できないように前記光の前記モード構造を変化するものである請求項２６記載の光減衰器。
【請求項２８】
前記入力ファイバはシングル・モード・ファイバであり、また、前記出力ファイバはシングル・モード・ファイバであって、前記光の少なくとも部分における前記モード構造が一層高次元のモードへ変更されて、これにより、前記光の前記部分が前記出力ファイバ内に自由に伝播できないようにした請求項２７記載の光減衰器。
【請求項２９】
前記少なくとも一つの位相変更素子は、少なくとも一つの液晶素子である請求項２５ないし請求項２８のいずれかに記載の光減衰器。
【請求項３０】
前記少なくとも一つの液晶素子は、直交して配列された並列配置の液晶の直列ペアを含み、これにより前記減衰器が前記光の方向に低感度であるようにされた請求項２９記載の光減衰器。
【請求項３１】
前記少なくとも一つの液晶素子は、ツイスト・ジオメトリ液晶の直列ペアを含み、これらは同一の全体的ねじり角を有するがねじり方向が逆であり、前記クリスタルの間の遷移においてツイスト構造の相互整列が９０度であるように配置され、これにより、前記減衰器が前記光の偏光の方向に低感度であるようにされた請求項２９記載の光減衰器。
【請求項３２】
少なくとも二つの直交して整列されたピクセルに分割された液晶を前記少なくとも一つの液晶素子が含み、これにより、前記減衰器が前記光の偏光の方向に低感度であるようにされた請求項２９記載の光減衰器。
【請求項３３】
前記少なくとも一つの位相変更素子がピクセル化されている請求項２５ないし請求項３２のいずれかによる光減衰器。
【請求項３４】
前記光の断面の部分の前記位相における前記変化は、前記少なくとも一つの位相変更素子に関連する電極により実行される請求項２５ないし請求項３３のいずれかによる光減衰器。
【請求項３５】
前記減衰器が可変減衰器である請求項３４記載の光減衰器。
【請求項３６】
前記少なくとも一つの液晶素子が並列配列された液晶素子の直列ペアとともにその間に配置された半波プレートを含み、これにより、前記減衰器が前記光信号の偏光の方向に低感度であるようにされた請求項２９記載の可変光減衰器。
【請求項３７】
前記半波プレートが前記液晶素子の一つの基板として作用する請求項３６記載の可変光減衰器。
【請求項３８】
可変光減衰器に使用する集積位相変更素子であって、ピクセル化された位相変更素子と、少なくとも一つの検出素子と、前記ピクセル化された位相変更素子の少なくとも一つを通る光の通過において導入される相変化を制御する駆動回路とを含む前記集積位相変更素子。
【請求項３９】
減衰すべき複数の入力光信号を受信する複数の入力ファイバと、
前記減衰される複数の光信号を出力する複数の出力ファイバであって、前記出力ファイバは、一般に前記入力ファイバに対向して整列しているものと、
前記入力ファイバの一つと前記出力ファイバの一つの間の光道に配置された少なくとも一つの位相変更素子と、
前記少なくとも一つの素子の少なくとも部分を通過する光の前記位相を変更するように動作できる駆動源を含み、
前記位相変更素子の前記動作が前記素子の光軸の回転により実行される前記マルチ・チャネル可変光減衰器。
【請求項４０】
前記少なくとも一つの位相変更素子が複数の位相変更素子を含むピクセル化されたシングル素子の部分である請求項３９記載のマルチ・チャネル可変光減衰器。
【請求項４１】
複数の入力ファイバと、前記入力ファイバに一般に対向して整列された複数の出力ファイバと、前記複数の入力ファイバの少なくとも一つから前記複数の出力ファイバの少なくとも一つへ通過する光の断面の部分の前記位相を変更するように動作できる少なくとも一つの位相変更素子を含み、前記光は伝送により前記入力ファイバから前記出力ファイバへ通過するマルチ・チャネル可変光減衰器。
【請求項４２】
前記少なくとも一つの位相変更素子は、複数の位相変更素子を含むピクセル化されたシングル素子の部分である請求項４１記載のマルチ・チャネル可変光減衰器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光減衰器の分野に関し、特に、光ファイバ・アプリケーションに使用するのに適した電子的に可変な減衰器に関する。
【背景技術】
【０００２】
可変減衰器は、光ファイバ・テストと測定の計装において、また光ファイバ通信システムにおいて重要な構成要素である。そうしたシステム内で光減衰器を使用するための要件は、転送される光の強度を光減衰器が変化させるときに光ビームの空間的、温度的、スペクトル的、または偏光的分布を感知できるほど変化させないことと、光減衰器が偏光の影響を受けないことである。
【０００３】
多くのタイプの可変減衰器が先行技術に説明されてきた。可動または回転可能なぼかし中立密度フィルタを使用したものや、光学通路に挿入された可動吸収部のような機械的に可変な減衰器は、嵩張って複雑で遅いので、敏速応答の光通信用には不適当である。
【０００４】
電子的に制御される光ファイバ減衰器が多くの先行技術の特許に説明されてきた。米国特許第６，０５５，１０４号には、偏光ビーム・スプリッタと偏光回転子を使用する可変減衰器が説明されており、この偏光回転子はファラデイ回転子、磁気光学効果クリスタル、または液晶であり得る。同様な偏光回転方式と制御素子を使用する種々の減衰器が、米国特許第５，９９９，３０５号、第５，９７８，１３５号、第５，９７３，８２１号、第５，９６３，２９１号、第５，８６７，３００号、第５，７２７，１０９号、およびこれらの特許文書に引用された多数の先行文献に説明されている。
【０００５】
全てこれらの可変減衰器は、少なくとも３つの光学素子、１つの偏光素子、１つの電気光学偏光制御素子および１つの分析素子を、通常それらが包含することにおいて、一般に複雑である。更に、これら先行技術の減衰器は、減衰される波の偏光の操作についてのそれらの作業に依存するので、それらが光信号の偏光特性を変えて、それらの進行中の伝送における信号の可能な伝播に影響することが決してないように、それらの設計と構築において注意しなければならない。特に、減衰器の設計は、入力信号の偏光の変化により減衰が変わることがないようにしなければならない。これは、偏光に依存する損失をできるだけ少なくすべきことを意味し、これは、信号の２つの直交偏光の減衰を等しくすることにより一般に達成される。
【０００６】
Ｆ．Ｗａｎｇ他の米国特許第６，１７５，６６７号、「偏光低感度高速電気光学変調器」において、片側に反射導体ミラー電極と、反対側に小さな間隙により直線に沿って分離された一対の透明導体電極を含む、光の偏光低感度振幅変調のために光ファイバ・ケーブルと共に使用する装置が説明されている。入力ファイバからの光が透明電極へ向けられて、電気光学層を通じてミラーへ向けられ、そこから光が反射されて、出力ファイバへ再収束される。各々の透明電極の間に電圧を加えて、ビームの半分の光学通路長さを電極が変化させることを反映させることにより、光が出力ファイバ上で再収束されるときに、通路の長さおよび２つの半分の間の位相の相違によって、２つの半分が建設的にまたは破壊的に干渉する。この電気光学層は、使用される効果のタイプによって、その屈折率または伝播方向における電圧を加えるその長さを変化して、これにより希望する位相シフトを導く。
【０００７】
上記の装置は、その基本的な形式において、偏光の影響を受けない長所を有するが、それは、一つの大きな不利な点を有する。等方性物質の屈折率または長さを変えるために使用される電気光学効果は、一般に小さな効果または低感度の効果であって、従って、適当な位相遅延を得るためには、電気光学層が厚くなければならない。その代わりとして比較的高い電圧を電極の間に加えなければならず、そうした電圧を発生し制御し使用するのに伴う全ての問題を生ずる。Ｗａｎｇ他の特許の説明によれば、厚い層はまたスプリット電極の間の交差点において、実質的な縁取りフィールドを結果し、実際これが装置を偏光に敏感にさせる。この電圧問題を克服するために、また、多層構造および偏光感度問題を克服するために、１／４波電極を追加することが、Ｗａｎｇ他の特許に示唆されているが、しかしこれらの追加は、装置の構造を複雑にする。さらに当技術において知られているように、厚い層の使用は、たとえ分割されていても一般に装置に対してより高い挿入損失を結果する。
【０００８】
こうして、低い制御電圧で動作し、低い挿入損失を有し、入力光信号の偏光に対して低感度な単純で電子的に制御可能な可変減衰器への需要が存在する。
【０００９】
これらおよび他の部分で指摘される刊行物の各々の開示は、本明細書に取り込まれている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、コンパクトで、偏光に低感度で、低電圧で動作可能であり、波長に左右されず、構築および運転が単純で、製造コストが安い新しい可変光ファイバ減衰器を提供することを追及する。この減衰器は、シングル・モード・ファイバに至る光波のシングル・モード伝播のためのカット・オフ現象を採用する。シングル・モード・ファイバの寸法は、最低次元の伝播モード、一般に基本モードで、理想的にはガウス断面を有する伝播モードのみをサポートできるものであることが、知られている。より高い次元のモードを有する波は、シングル・モード・ファイバの小さな寸法まで伝播することができず、こうして強い減衰を受ける。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
こうして、本発明の好ましい実施例により提供されるのは、光波の断面の部分の位相を変化できる素子からなる可変減衰器である。そうした、空間的相変化は、伝播波のモード構成における変化と同等である。前記の素子は、好ましくは、二つの近接配置されたシングル・モード・ファイバの両端の間に配置され、これにより、一つのファイバからもう一つのファイバへ結合するあらゆる光の波頭がこの素子を横切らなければならないようにされている。この素子が動作されない限り、伝播の最低モードが変わらず、減衰器は入力ファイバから出力ファイバへ本質的に減衰されない信号を転送する。通過する波における位相分布が変化されるように素子が動作されれば、もともと存在した低次のモードへ高次モードが混合される範囲に従って、信号が減衰される。このモードが一層高次のモードへ完全に変換される場合は、出力シングル・モード・ファイバへの入力からこの波が効果的に完全にブロックされ、減衰は、高い。減衰のレベルは、最低次元モード以外のモードへ変換される波の部分により決定される。より高い次元のモードにおいて、出力ファイバへ入る光は自由に伝播できず、ファイバのクラッディングへリークして散乱されてしまうか、またはファイバの外部ジャケットにより吸収される。
【００１２】
モード変化を遂行する一つの好ましい素子は、液晶素子である。そうした素子においては、光軸を光の伝播方向に平行な方向から垂直な方向へ、またはその反対に回転することにより、加えられた制御電圧が、素子を横切る光の位相を変化する。そうした液晶における光軸の回転は、低い電圧により、非常に薄い素子において、達成できる。液晶を通る通路の光軸に対する光の偏光方向を適当に配置することによって、異常方向および平常方向における屈折率の使用を切り替え、これにより、効果的な相変化を生成できる。液晶素子の屈折率自体の変化により位相を制御する試みは、何もなされない。この点において、伝播媒体のみかけの屈折率自体の変化により相変化が実行されるＷａｎｇ他の先行技術の装置とは、この装置は全く異なる。
【００１３】
液晶素子の断面は、好ましくはピクセルに分割されて、各ピクセル部分を独立にスイッチできるようにされる。液晶素子内のピクセル・パターンの選択は、横断する波に加えられる相変化の空間パターンを決定し、従って素子により発生されるより高い次元のモードを決定する。減衰器により転送されるモード変換された光学的なパワーの部分は、スイッチされたピクセルにより分担される相変化の程度によって異なる。位相変化が僅かなときは、入射波の小部分のみが、選択されたより高い次元のモードへ変換される。位相変化がπであるときは、入射波の全てが、選択されたより高い次元のモードへ変換されて、減衰が最大になる。この状況は、ピクセル・パターンが対称的であって、結果の位相パターンが反対称であるときに存在する。こうして、液晶素子を横切って加えられる電圧が装置の減衰を制御する。理解すべきは、液晶素子が便利で低コストで広く利用できる素子であるが、位相変更素子は、ファラディ効果、磁気光学効果、電気光学効果、または、他の適当な光電気効果に基づくようなあらゆる適当なタイプであり得ることである。さらに、ビーム・パスの中間で追加の媒体・パスを挿入することにより、または、ビームの半分のビーム・パスを増加させるために、反射ミラーを動かすことにより、たとえば相変化を導入するＭＥＭＳ装置などの微小機械手段を使用することが可能である。
【００１４】
たとえば、シングル・モード・ファイバのローカルな複屈折の小さなレベルに結合したファイバ自体の物理的回転のような多くの知られたメカニズムのために、ファイバを通る光の伝送は、伝送される信号の偏光のミキシングを結果する。従って、減衰器動作の非常に重要な局面は、それが偏光に低感度であることであり、その理由は、入力信号の偏光が一般に未知であり、混合され、時間と共に変動するからである。本発明による減衰器は、その運転において、伝送される光の偏光特性に直接に依存していないので、この減衰器は、正しく設計されれば、こうして、本質的に偏光から独立したものになり得る。そうするために、この減衰器は、全ての偏光状態において、一様に動作する必要がある。しかしながら、液晶装置の動作は、通常入力光の偏光に依存している。たとえば、並列ネマチック液晶セルへ加えられた電界は、セル境界上で整列層に並行である偏光の線形成分の位相にのみ影響する。この理由により、たとえば、ある液晶を本発明の減衰器における位相シフト素子として使用する場合に、あらゆる固有の偏光効果を好ましく自己相殺または自己補償するように選択し配置しなければならない。
【００１５】
本発明の減衰器において、偏光低感度は、いくつかの好ましい方法の一つにより確実にされる。第１の方法は、入射波が分割される両方の直角位相成分が同一の相変化を受けるように、位相変更素子または複数の素子を最適化することによる。これは二つの同一の位相変更素子を直列に使用して、入力信号の二つの直交偏光成分について各々が相補的な相変化を供給するか、または同一の全体的ねじり角を有するが、ねじり方向が逆の一対の直列ツイスト・ジオメトリ・ネマチック液晶を交互に使用して、前記液晶の間の遷移において、ねじり構造の相互アライメントが９０度であるように配置して、信号の二つの直交偏光成分について、この組み合わせが全体として同一の相変化を有するようにして達成される。もう一つの好ましい方法は、直交する整列層を有し、少なくとも２重の対称を有する、別々のピクセルを有する液晶素子を使用して、入力信号の直交成分の一つにおける素子の一部分から起こる位相のあらゆる変化が、素子の対称的に反対の部分から起こるもう一つの直交成分における位相の同一変化により補償されるようにすることである。結果として、それに入射する光の偏光方向に関係なく、位相変更素子は、同一の仕方で、波面を横切る相対的な位相分布に作用し、こうして、偏光に低感度の動作を結果する。
【００１６】
上述の可変光減衰器は、導波モードで動作する。本発明の他の好ましい実施例によれば、それはまた、自由空間モードで動作するように構築できる。
【００１７】
さらに、上述の可変光減衰器は、反射装置のみが説明されるＷａｎｇ他に示された先行技術の装置とは異なって、伝送モードまたは反射モードで動作するように構築できる。
【００１８】
さらに、上述の可変光減衰器は、離散構成要素から構築される。本発明の他の好ましい実施例によれば、可変光減衰器は、また、シリコンなどの単一の半導体基板上に検出器、液晶装置、駆動回路および全てワンチップ上に集積された制御エレクトロニクスと共に、集積光学技法により構築され、液晶自体がチップ上に密接に装着される。
【００１９】
さらに上述の可変光減衰器はピクセルに分割された位相変更素子の断面により構築され、それにより、各ピクセル部分を別々に制御またはスイッチできるように、構築される。理解すべきは、本出願を通して、また特許請求の範囲において、ピクセルという用語の使用は、この用語が、通常理解されるように素子の表面の離散ピクセル化された電極により定義されるピクセルに限定されることを意図するものではなく、好ましくは、素子の単数または複数の部分が、他の部分とは別に制御または切り替えられるようにした、あらゆる方法について言及する。これらの部分は、こうして「ピクセル」と用語を付けられる。一つの好ましい実施例において、そうしたピクセルは、スイッチされるピクセルから離れて配置された電極またはスイッチされるピクセルの上に直接にはない電極により、その素子へ誘導される電界として、定義される。
【００２０】
さらに、上記の光減衰器は、可変光減衰器である。本発明の他の好ましい実施例によれば、この減衰器は、装置内で使用される固定位相素子により、所定の減衰値を有する固定減衰器であり得る。
【００２１】
さらに、本発明の他の好ましい実施例によれば、減衰されるべき入力光信号を受信する入力ファイバ、減衰された光信号を出力する出力ファイバ、入力ファイバと出力ファイバの間の光路に配置された少なくとも一つの位相変更素子、および少なくとも一つの素子の少なくとも部分を通る光の位相を偏光するように動作する駆動電源からなる可変光減衰器が供給される。
【００２２】
上記の可変光減衰器において、少なくとも一つの素子の少なくとも部分を通る光の位相の変化は、入力光信号の少なくとも部分のモード構造を変えるように動作して、これにより、その入力光信号のその部分が出力ファイバ内を自由に伝播できないようにできる。
【００２３】
本発明の更にもう一つの好ましい実施例によれば、上述の可変光減衰器において、入力光信号は有効に基本的なモード構造を有し、また出力ファイバはシングル・モード・ファイバであって、これにより、入力光信号少なくとも部分のモード構造がより高次のモードへ変更され、結果として、入力信号のその部分が出力ファイバを通じて自由に伝播できないようにできる。
【００２４】
本発明の更に他の好ましい実施例によれば、上述のような可変光減衰器が供給され、少なくとも一つの位相変更素子が液晶素子である。この少なくとも一つの位相変更素子は、好ましくは並列に配列された液晶の直列のペアであって、光信号の偏光の方向に減衰器が低感度であるように、直交して配列されるか、または同一の全体的ねじり角を有するが、ねじり方向が逆の、直列の一対のツイスト・ジオメトリ液晶であって、前記液晶の間を遷移するのに際して、ねじり構造の相互配列が９０度であって、これにより、光信号の偏光方向に減衰器が低感度であるか、または液晶が少なくとも二つの直交配置されたピクセルに分割されて、これにより、光信号の偏光の方向に減衰器が低感度であるようにされている。
【００２５】
本発明の更なる好ましい実施例によれば、上述のような可変光減衰器が供給され、そこで位相変更素子は電気光学素子であったり、またはファラディ効果素子または光磁気素子である。
【００２６】
更に、素子の部分は、好ましくは素子上の少なくとも一つのピクセル、または二つのピクセル、または４つのピクセルにより定義される。後者の場合駆動ソースは、４つのピクセルの対角線の反対側にある２つのものを通過する光の位相を偏光するように動作できる。
【００２７】
本発明の更に他の好ましい実施例により提供されるものには、上述のような可変光減衰器があり、そこで入力ファイバと出力ファイバは、それらの間の伝送により光が通過し、または減衰器もまた反射面を含み、入力ファイバと出力ファイバは、それらの間の反射により、光が通過するように配置されている。この反射面は、好ましくは位相変更素子の後ろ側に形成される。
【００２８】
更に、上述の可変光減衰器において、前記少なくとも一つのピクセルは、前記少なくとも一つのピクセルの上に実質的に配置された少なくとも一つのピクセル化された電極により形成されるか、または、前記少なくとも一つのピクセルから離れて配置された少なくとも一つの電極により形成される。
【００２９】
本発明の更なる好ましい実施例によれば、入力ファイバ、出力ファイバ、および入力ファイバから出力ファイバへ通過する光の断面の部分の位相を変化するように動作できる少なくとも一つの位相変更素子からなる光減衰器も供給される。
【００３０】
その上、入力ファイバから出力ファイバへ通過する光の断面の部分の位相の変化は、光が出力ファイバ内で自由に伝播できないように、光のモード構造を偏光するようにすることが好ましい。
【００３１】
更に、入力ファイバは、好ましくはシングル・モードのファイバであって、出力ファイバは、シングル・モードのファイバであり、少なくとも光の部分のモード構造は、より高い次元のモードへ変更され、これにより、光の部分が出力ファイバ内に自由に伝播できない。
【００３２】
本発明のなお更なる好ましい実施例によれば、上述のような光減衰器が供給され、そこで少なくとも一つの位相変更素子が液晶素子である。
【００３３】
更に、少なくとも一つの位相変更素子は、好ましくは並列に配列された液晶の直列のペアであって、減衰器が光の偏光の方向に低感度であるように直角に配列され、または、ツイスト・ジオメトリ液晶の直列のペアであって、全体的には同一のねじり角を有するが、逆方向のねじりを有し、これら液晶の間の遷移において、ツイスト構造の相互整列が９０度であって、これにより、減衰器が光の偏光の方向に低感度であるようにされ、または、少なくとも二つの直角に整列されたピクセルに分割された液晶であって、これにより、光の偏光の方向に減衰器が低感度であるようにされている。
【００３４】
本発明のなお更なる好ましい実施例によれば、上述の可変光減衰器において、前記少なくとも一つの液晶素子は、それらの間に配置された半波プレートを有する並行配列液晶の直列ペアからなり、これにより、光信号の偏光方向に対して減衰器が低感度であるようにされている。この半波プレートは、カバー・プレートまたは基板または液晶素子の一つのための整列層として作用し得る。
【００３５】
代案として好ましいのは、液晶素子の少なくとも一つが、その液晶に近接して配置された１／４波プレートを有する液晶からなり、また、反射面を組み込んでおり、その入力ファイバと出力ファイバは、それらの間の反射により光が通過するように配置されている。一層好ましい実施例によれば、この反射面は、１／４波プレートの後ろ側に形成され、または、それが、カバー・プレートまたは基板または液晶素子のための整列層として作用し得る。
【００３６】
さらに、本発明の他の好ましい実施例によれば、前記少なくとも一つの位相変更素子が、ピクセル化されている。
【００３７】
本発明の好ましい実施例によれば、さらに、上述のような光減衰器が供給され、光の断面の部分の位相の変化は、少なくとも一つの位相変更素子に関連する電極により実行される。そのとき減衰器は、好ましくは可変減衰器である。
【００３８】
さらに、本発明のもう一つの好ましい実施例によれば、上述のような光減衰器が供給され、入力ファイバと出力ファイバは、それらの間の伝送により光が通過するように配置され、または代りに光減衰器も反射面を含み、入力ファイバと出力ファイバはそれらの間の反射により光が通過するように配置される。
【００３９】
本発明の更に好ましい実施例によれば、可変光減衰器に使用される集積位相変更素子であって、ピクセル化された位相変更素子、少なくとも一つの検出器素子、およびピクセル化された位相変更素子のピクセルの少なくとも一つを通じて光の通過に導入される相変化を制御する駆動回路からなる。
【００４０】
本発明の更に他の好ましい実施例によれば、入力ファイバ、出力ファイバおよび前記入力ファイバから前記出力ファイバへ通過する光の断面の部分の位相を変化するように動作する少なくとも一つの位相変更素子を含む光モード変換機が供給される。さらに、装置が入力信号をそこへ変換するモードをサポートできるように出力ファイバが選択される場合は、上述の可変光減衰器の実施例の多くは、モード変換機として動作できる。そうした実施例は、これらの減衰器の実施例において、変換されるモードの伝播を防止するように、出力ファイバのタイプが特別に選択され、こうして、入力信号を減衰する一方でこのモード変換機の実施例が変換されたモードを伝播できるようにすることにおいて、減衰器の諸実施例と異なる。それから、出力ファイバが高モード・ファイバになるように選択される。さらに好ましい実施例によれば、そうしたモード変換機は、自由空間伝播により動作することさえできる。
（好ましい実施例の詳細な説明）
【００４１】
さて、図１を参照すると、本発明の好ましい実施例において構築され動作する可変光ファイバ減衰器の略図が示されている。この減衰器はシングル・モード光ファイバ１０、１２の二つの部分からなり、これらの端部の間に液晶素子１４が配置されていて、これにより、ファイバの一端から他端へ通過する光が液晶フィルムを横切らなければならないようになっている。液晶素子１４は、好ましくはその面に配置された透明電極１６、１８を有し、これにより、可変電池２０を電極の間を横切ってつなぐだけで、スイッチングを達成できる。これらの電極はピクセル化されていて（この側面図には見えないが図２と図３Ａおよび下記の図３Ｂに示されている）、これにより、液晶素子のあらかじめ選択された諸部分を別々にスイッチできる。ファイバ端部と液晶素子は、しっかりと接触して保持され、好ましくは外部スリーブ２２およびスリーブ内側のシーラント物質２４が、諸構成要素を応力なしで密封して支持する。電極へ電圧が加えられていないときは、液晶全体が光学的に一様であって、液晶の光路長にしたがって、それを横切る光へ一様な位相シフトを導入する。ファイバ１０内の実質的に全ての入力光パワーは、あらゆる空間的な微分位相変化なしに出力ファイバ１２へ通過し、結果として、実質的に挿入損失なしに出力ファイバを通じて伝播することができる。液晶位相変更素子の厚さは数ミクロンであればよいので、挿入損失を非常に小さなレベルへ減少させることができる。
【００４２】
図１の減衰器の動作は、図２を参照することにより明らかになるが、図２は、そうした可変光減衰器に使用するのに好ましい液晶素子の断面３０の光伝播の方向における図面である。素子の表面上の各電極は、その電極を二分する二つのピクセルを有する。好ましくは、ピクセル３２の一つに制御電圧が加えられて、その最大設計値において、そのピクセルの下にある液晶を修正して、そのピクセルを通過している光を、電圧を加えることなしにその位相に対してπまで位相シフトする。他のピクセル３４の下の液晶は偏光されない。液晶素子を通過する光の全体は、したがって、それが反対称フィールド分布を有するように変換され、これは、ファイバの対称的な基本的最低次元モードへ結合することができない。この光は、ＨＥ12へ変換されて、より高い次元の非対称モードになり、これは、ファイバ内を伝播できない。その時、減衰器は、その最大値にあって、理想的に光の通過を完全にブロックする。加えられる電圧の中間的な値については、ピクセル３２を通過している光のための追加的な位相シフトがπよりも小さいときに、光の一部分のみが反対称的な高次元モードへ変換されて、こうして光が、部分的に減衰される。こうして、伝送される光のレベルは、加えられる電圧の関数である。理解すべきは、図２の電極構造は、各面に二つの別々の電極を有し、各々が面の半分のピクセルをカバーするものに関して説明されているが、実際には、より高い次元の非対称モードを発生させるために、素子の一つの半分のみが好ましい位相制御電極への需要がある。
【００４３】
さて、図３Ａと図３Ｂを参照すると、本発明において好ましく使用するための他の好ましいピクセル配列が示されている。図３Ａに示す実施例において、液晶は４つのピクセルに分割され、これは、二つの直径方向反対の半分のみに位相シフトを素子を分割することが記述されているＷａｎｇ他の米国特許第６，１７５，６６７号に示された先行技術の変調素子と異なっている。図３Ａの実施例の制御電圧は、二つの対角線上反対のピクセル３６と３８へ加えられる。わかりやすくするために、図３Ａに駆動電圧が、別々のソースから来るように図式的に示されているが、一般には、それらが、一つのソースから来ることを理解すべきである。
【００４４】
図３Ｂに示す好ましい実施例において、液晶は、ストリップ電極４０により素子を横切って走る偶数のストリップ・ピクセルへ分割され、これは、素子をほぼ同等のピクセル化された領域とピクセル化されていない領域に分割する。これらのストリップ電極と液晶のバック電極の間に制御電圧が加えられて、素子を通過する光ビームを高次元のマルチ・モード構成へ変換するように動作する。このジオメトリの有利な点は、横断ビーム４２がストリップ・ピクセル化ジオメトリと重複する方法のゆえに生じる。図３Ａの実施例と比較して、またビームの非常に小さな動作さえ、加えられる位相シフトの対称性を覆して、減衰器の動作に干渉するかもしれない図２の実施例と比較して、より一層に素子に対するビームの横断動作の影響が大きく減少される。
【００４５】
上述のより高次な次元のモード・パターンをそれぞれ生み出す図２、図３Ａ、図３Ｂに示すピクセル構成のみに関して、本発明を説明してきたが、減衰器に対する出力において、シングル・モード・ファイバにより伝播できない他のモード構造を液晶素子が生み出す場合にも、本発明が同等に動作できることを理解すべきである。
【００４６】
図２、図３Ａ、図３Ｂに示す実施例を、位相を変化させることが望ましい液晶装置のピクセル化された領域上に配置された透明ピクセル化電極を使用して、説明してきた。図４は本発明のさらなる好ましい実施例を示し、それらのエリア自体から離れて配置された電極により、ピクセル化された領域が定義される。図４は、本発明の更なる好ましい実施例による液晶素子４３の側面の略図であり、液晶を制御するために電解に加えられる電極４４は、クリスタルの側面に配置されている。電極パターンとそれらへ加えられる制御電圧は、フィールド勾配が素子を横切って設定されことにより、位相が変えられるピクセル領域をこの素子が定義し、そうでない他のピクセル領域を定義するようにされる。これらの電極は光信号が通過する素子の中心領域をカバーしないので、それらは透明である必要がない。
【００４７】
さらに、図２、図３Ａ、図３Ｂにピクセル構造とそれらの駆動電圧を図式的に示したが、液晶をピクセル化し、駆動電圧回路を供給するために、公知のマイクロエレクトロニクスの方法と技法を使用できることを理解すべきである。
【００４８】
さらに、上記の実施例は、位相変更素子として液晶素子を使用し、そこに作用する制御パラメータとして駆動電圧を使用して説明してきたが、他のタイプの位相変更素子および電流駆動など適当な他の形式の駆動制御を使用しても、本発明を実施できることを理解すべきである。
【００４９】
さらに、横断する光ビーム全体にわたる相変化を制御する単一の液晶素子を使用して、上記の好ましい実施例を説明してきたが、素子の他のいかなる適当なジオメトリ配列におけるビーム上の位相を空間的に偏光することも可能である。これらの配列のいくつかを図５Ａないし図５Ｃに示す。
【００５０】
図５Ａは位相変更素子４５、４６の直列ペアの概略図であり、各位相変更器が、それを通過するビームの部分の位相を制御する。ピクセル・ジオメトリと駆動配列は、従ってそうした実施例においては一層単純になる。
【００５１】
図５Ｂは更なる好ましい実施例であって、二つの素子４７と４８はオフセットしていて、位相を制御されるビームの異なった空間位置の各々がその固有の位相制御素子を通過するようになっている。
【００５２】
図５Ｃは、更にもう一つの好ましい実施例であって、一つの位相変更素子４９のみが使用されるが、図２および図３の実施例とは異なって、この素子は、ビームの一部分のみがそれを通過するように配置されている。その部分は、それから単一素子４９により相変化され、こうして減衰器の動作に必要な一層高い次元のモードを発生する。
【００５３】
本発明の上述の実施例の減衰器の動作の説明において、入力ファイバおよび出力ファイバへ何度か言及するが、反対に詳細に述べた場合を除いて、これらの減衰器は、上記および後続の実施例の説明において無指向性装置であって、いずれかの端部から入射する光信号により、等しく良好に動作することを理解すべきである。
【００５４】
与えられた制御電圧について達成される減衰値は、構成要素について知られた温度制御技法の使用により安定化でき、これにより、安定性と性能を改良できる。そうするために好ましい方法には、周囲よりも上の温度において、構成部品の安定を保持する過熱素子の使用またはペルチェ過熱／冷却素子によることが含まれる。
【００５５】
さて図６を参照すると、本発明のもう一つの好ましい実施例の略図であって、図１に示したものと類似しているが、導波管のような構造ではなく、自由空間で実行される。この減衰器は、図１と同様にシングル・モード光ファイバの二つの部分入力部１０および出力部１２から構成される。入力ファイバ１０の端部から現れる信号は自由空間に発散し、レンズ５０により並行にされる。この信号は、それから位相変更素子５２を横切って、第２のレンズ５４により出力ファイバ１２の端部へ焦点に集められる。前述の実施例においてと同様に、位相変更素子５２は、電圧５６に加えられる変数により制御されて、素子を横切る波のモード・パターンを変化させる。位相変更素子５２は、好ましくはピクセル化された液晶装置である。
【００５６】
さて図７を参照すると、本発明による可変光減衰器のもう一つの実施例の略図であって、図６に示したものと類似しているが、図６に示したような通常のレンズによる自由空間の実施例ではなく、光のコリメートされたビームを作り出すのにＧＲＩＮレンズ・ロッド５５を使用する。それから、好ましくは第２のＧＲＩＮレンズ・ロッド５８を使用して、位相修正ビームの焦点を出力ファイバ１２へ合わせる。この実施例は、図６のそれよりもはるかにコンパクトで集積度の高い方法で構築できる長所を有する。
【００５７】
さて図８を参照すると、本発明のもう一つの好ましい実施例により構築され動作する可変光減衰器の略図である。この実施例は、反射の実施例であって、入出力装置として、デュアル・ファイバ・コリメータ６０を使用する。減衰される信号は、ファイバ６２により入力されて、デュアル・ファイバ・コリメータ６０により、コリメート済み出力ビーム６４に変換される。この出力ビームは、好ましくはピクセル化された液晶素子である電気的に可変な位相変更素子６６を横切り、そして、この素子６６の後ろ側で反射されるが、それは、この後ろの面の反射性コーティング６８によるか、または、この位相変更素子の後ろにある別のミラー素子による。この空間的に位相修正された反射ビームは、デュアル・ファイバ・コリメータ６０へ再入力し、そして、出力ファイバ６９から再結合し得るこの信号のレベルは、より高い次元の非対称性モードへ変換済みの入力光の部分に依存する。この方法で、可変位相変更装置６６へ電圧を加えることにより、減衰レベルを変えることができる。
【００５８】
さて図９を参照すると、本発明のもう一つの好ましい実施例の略図であって、図８に示したものと似ているが、デュアル・ファイバ・コリメータを使用する代わりに、自由空間内で実行される。この減衰器への入出力信号は、二つのシングル・モード・ファイバ８０および８２の端部を介してであって、これらは互いにある角度で配列され、図８に示したものと類似の反射性可変位相変更素子８４の正面に近接して配置される。この反射性位相変更素子は、好ましくはピクセル化された液晶装置であって、二つのファイバ端部の間の二等分角におけるその法線に整列されていて、これにより、位相素子８４を通る入力ファイバ・パスから放射される光が、位相変更素子の設定により偏光されるそのモード構造を有するようにされ、そして、出力ファイバ８２へ反射して戻り、その伝播されるレベルは、出力光におけるより高い次元の非対称モードの範囲によって異なる。
【００５９】
さて図１０を参照すると、固定ファイバ光減衰器の略図であって、本発明のもう一つの好ましい実施例により構築され動作する。この実施例は図１に示したものに似ているが、位相変更素子８６が固定され、図１のようにサポート・スリーブ８８が、電気的制御信号を何も運ぶ必要がない点が異なる。この減衰値は、装置内で使用される固定位相変更素子に従って、あらかじめ決められている。したがって、この実施例は構成において特に簡単である。
【００６０】
さらに本発明の他の好ましい実施例によれば、より高い次元の非対称モードへの伝送される光の変換は、非対称位相シフティング素子を使用する代わりにビーム・パスへ非対称減衰フィルムを挿入することによっても達成できる。そうした実施例は、また図１０に示される装置によっても表現されるが、この実施例については、８６とマークされた素子が非対称減衰素子である。先行技術の減衰器において減衰フィルムの使用が知られているが、発明者の知識の限りでは、そうしたフィルムは吸収により直接に伝送信号を減衰させるために使用される。本発明のこの実施例によれば、比較的低い減衰で、非対称フィルムがビームの対称性を損なうことができ、これにより、伝播の基本的モードが抑制され、シングル・モード出力ファイバを通じての伝送が、光道内の減衰フィルムから結果するよりもパワーにおいて直接減衰の効果を遥かに超えて減衰される。
【００６１】
さて、図１１を参照すると、本発明のもう一つの好ましい実施例により可変光減衰器として使用するための、集積反射位相変更素子の略図である。この集積素子は、上記の反射減衰実施例のいずれにおいても使用できるが、特に図９に示したものにおいて使用できる。この素子が上述のそれらのものと異なる点は、それが好ましくは光検出器素子と電子回路を組み込んでおり、これにより、この素子を所定レベルでの減衰を維持するための集積フィールド・バック・コントローラとして使用できることである。この素子は、シリコン基板９０上に好ましく構成され、その上に全ての光電子素子と回路が集積される。この基板は、好ましくは集積回路ヘッド９１の上に装着され、入力出力および電源の接続をするためにソケット・ピン９０により装着される。入出力ファイバ６４が集積ハウジングのフロント・カバーへ光学的に取り付けられ、また、一つまたはそれ以上の検出器９９がそのユニットへの入り口に近くのファイバの周辺に配置される。この検出器または複数の検出器からの出力信号は検出器増幅回路９７へ入力され、検出器増幅回路９７は好ましくはシリコン基板上に実行される。
【００６２】
液晶デバイスなどの位相変更素子９４が、好ましくは基板の正面で装置に組み込まれて、薄いガラス・カバー・プレート９３により保護され、ガラス・カバー・プレート９３も好ましくは透明スイッチング電極を組み込んでいて、素子のピクセルを定義する。こうして液晶物質は、ガラス・フロント・カバー・プレート９３とシリコン基板のフロント表面９８の間にサンドイッチされる。電極の駆動回路９５が、好ましくはシリコン基板に組み込まれる。シリコン基板のフロント表面９８は光学的に研磨されて、減衰器のために反射面を供給する。検出器回路９７からの増幅された電子出力信号が液晶素子の制御信号として使用されて、装置全体の減衰レベルを決定する。
【００６３】
減衰の変化は、出力ファイバへ入る反射光からクラッディング８８へ漏洩する光のレベルにより検出される。この方法での漏洩する光のレベルは、位相シフティング素子により酸化される位相シフトにより、そのモードが劣化されてしまっているので、出力ファイバへ結合されない光のレベルに比例していて、この光のレベルは、こうして装置の減衰レベルに比例する。図１１において、反射され位相シフトされた光は伝播の一層高い次元の非対称モードを有するので、従って、接続ファイバ６４へ逆に伝播して戻ることが不可能であり、側面８８へ偏向されて示され、そこでそれは、ファイバの側面に位置する一つまたはそれ以上の検出ユニット９９により検出される。この信号は、検出器の減衰された出力信号しだいであり、関連の集積シリコン増幅器回路へ入力され、そこでそれは希望する減衰レベルに対応する外部供給の基準レベル信号と比較され、またシリコン回路へ入力される。この結果の差の信号が増幅されて可変電圧を発生し、これを使用して、液晶位相変更素子９４の関連の空間部分へ誘導される相変化を調整し、こうして一定で安定した出力レベルを維持する。
【００６４】
位相変更素子自体は事前に校正されて、これにより、完全可変光減衰器ユニットにより生成される減衰が、そのユニットに加えられる基準電圧の充分に定義された関数になる。こうして、特定電圧を加えることが入力光信号の対応する減衰へ導く。加えられる電圧と減衰の間の正確な対応を確実にするために、ユニットの温度安定化が必要である。ユニットからの所定出力レベルを入力信号レベルの変化に関係なく維持するために、入射光の小さな部分がシリコン基板のピンホールまたはバック・リークを通じて通過できるのが望ましく、これが基板上の検出器９６により検出されて、入力パワー・レベルのあらゆる変化を補償するためのフィード・バック信号として利用され、一方位相素子に加えられる電圧が減衰レベルを決定する。出力信号は、これら二つの信号の積を実効的に一定にすることにより、一定に維持される。こうしてこのユニットは、コンパクトな寸法のシングル・チップ集積可変光学減衰器として使用され、その減衰レベルは入力電圧によりプリセット可能であり、その減衰すなわち出力レベルは電子的フィード・バックにより一定レベルに維持できる。これらの機能は全てシングル・チップ上に集積され、こうして製造コストを低く保つ。理解すべきは、シリコン構成要素に関して実施例を説明してきたが、ガリウム砒素、ゲルマニウム、燐化インジウムまたはいずれか他の適当な半導体物質など、あらゆる他の好ましい光電子基板上にそのまま容易に実施できることである。
【００６５】
本発明による減衰器は、多くの先行技術の減衰器と異なって、伝送される光の偏光属性の操作にそれらの動作が直接に依存していないので、偏光の独立性を確実にするための条件について付属的な用件を考慮することなく、上記の実施例を減衰器としての動作構造に関連して説明してきた。これらの要件は、要約の部に指摘してきたが、液晶の動作が入射光の偏光に一般に依存するので、位相変更素子として液晶を使用する実施例に特に関係がある。
【００６６】
さて、図１２Ａないし図１２Ｃを参照すると、位相変更液晶素子の多くの好ましい構成が示されているが、これらは偏光に低感度の動作により本発明の減衰器を供給する。
【００６７】
図１２Ａにおいて、一対の同一の並列ネマチック液晶ＸおよびＹの好ましい実施例が示され、上に示した光減衰器のいずれかの適当な実施例において、位相変更素子のシングル・ピクセルとして共に直列に使用される。これら二つのクリスタルは同一であるが、しかし互いに他に対して９０度回転していて、これにより、これら二つの素子のネマチック・チェーンの整列層が直交するようになっている。両方の素子に同一の電界が加えられて、両方に同一の相変化を作用する。理解すべきは、図１２Ａに示す一対の液晶素子が本発明の完全な位相変更素子のピクセルの一つのみを示すのであって、また、入射信号ビームにおける空間相変化を作用させるためには、少なくとも二つのそうしたピクセルにより完全な位相変更素子が構成されることである。図示された素子のペアを通過する光の偏光へのその作用は、完全な位相変更素子のいずれかのピクセルを通過する光の偏光への作用の一例としてとられたものである。
【００６８】
いずれかの偏光方向の入射光信号は二つの直交偏光成分に分割され、これらは、ＰXおよびＰyと記述され、ここでｘおよびｙは、それぞれ第１および第２の液晶素子の整列方向である。さて図１２Ａを参照すると、ＰXがページの外を指示して示され、Ｐyが、ページの平面内に垂直に示されている。これら成分の各々は下記の式により、与えられる角Φにより、液晶素子を通過中に位相シフトされる。
【数１】
2004522188.tif 000003
【００６９】
ここで、ｎは光の偏光方向に関する素子の屈折率であり、ｄは伝播方向における素子の長さであり、λは光の波長である。成分ＰXは液晶素子Ｘの整列方向に並行であり、したがってその位相は素子を通過中にｎ１・ｄ・２π／λλに等しい角Φ１によりシフトされていて、ここでｎ１は、平行に偏光された光についてのこの素子の屈折率である。素子Ｘを通過した後にＰX成分が素子Ｙを通過し、その位相は従ってｎ２・ｄ・２π／λに等しい角Φ２によりシフトされていて、ここでｎ２は、垂直に偏光された光についてのこの素子の屈折率である。両方の素子を通過中の成分ＰXついての位相シフトは、こうして、（ｎ１＋ｎ２）ｄ・２π／λである。
【００７０】
一方、成分Ｐyは、第１素子Ｘを通過中にｎ２・ｄ・２π／λの位相シフトを受け、素子Ｙを通過中にｎ１・ｄ・２π／λの位相シフトを受け、Φ１＋Φ２＝（ｎ１＋ｎ２）ｄ・２π／λの全位相シフトを結果し、これは成分Ｐxが受けるものと同一である。正味の結果は、二つの液晶素子を通過するときに厳密に同一の位相変化を両方の成分が受けるということである。
【００７１】
あらゆる入射光の偏光方向は、素子の方位に関してそうした二つの直交する成分へ分解できるので、入射偏光方向に関係なく、この要素の組合せが常に入力光に対する同一の全位相シフトを与える。同一位相シフトを受けるので、この二つの成分はこうして減衰器を通じて同一の光伝送損失を結果し、これにより、減衰器は、偏光から独立する。入射光に与えられる位相シフトの実際の値は、これらの要素の両方に同一の空間的にピクセル化した電界を加えることにより、上述の仕方で変化する。
【００７２】
上述の構造は、ジョーンズ・マトリックス用語法を使用することにより、数学的に表現できる。ＭｘとＭｙは、それぞれ下記のように表現されるＸ要素とＹ要素のマトリックス表現である。
【数２】
2004522188.tif 000004
【００７３】
Ｘ要素とＹ要素の両方を通過する効果の全体的なジョーンズ・マトリックスＭTは、下記のように書くことができる。
【数３】
2004522188.tif 000005
【００７４】
この式から明らかになることは、上述の構造についてＭTが入力偏光方向を変更せず、しかし、入力偏光かかわりなく、Φ１＋Φ２に等しい相変化を導入するだけであることである。
【００７５】
さて図１２Ｂを参照すると、本発明のもう一つの好ましい実施例による要素配列の略図であり、この実施例は、上述の可変光減衰器の偏光低感度動作を確実にするものである。図１２Ａに示した実施例と同様に図１２Ｂにおいても、完全な位相変化要素の１ピクセルを通じての光信号の通過のみについて、偏光に対する独立の効果を示す。この実施例において、ツイスト・ジオメトリを有するが各々が全体的に同一のネジリ角を有する二つの液晶要素１１８と１１９が使用される。それらは互いに直列に配列されているが、ネジリ方向が逆であって、一つの要素を通過する波は時計方向のねじりに出会い、もう一つの要素を通過するときは半時計方向のネジリに出会う。これら二つの要素は、一つからもう一つへの遷移に際して、ネジリ構造の相互配列が９０度であるように配置されている。こうして図１１Ａは、図１２Ｂの特別な場合であって、そこではネジリ角が０であることに注意すべきである。図１２Ｂにおいて、全ネジリ角が３０度であることが指示され、図面において回転方向が明らかになるように、ネジリの絵画的表現が３０度以上に誇張されて製図されている。図１２Ａの実施例と同様に、あらゆる偏光方向の入力光信号を二つの直交する偏光成分に分解できる。これらの要素は、それらの素子ジオメトリと加えられたいずれかのフィールドに従ってその特性的な相変化を与える上に、各要素の全体のねじり角により各要素の偏光方向を回転させる。しかしながら、第１要素を通過する光の各成分の回転は、第２要素の通過でそれに与えられる逆回転により、相殺される。こうして、たとえば、要素１１８における点Ａ４からＡ３への横切るのに際して、与えられる１０度の回転は、要素１１９におけるＢ３からＢ４へ横切るのに与えられる逆回転により相殺され、これら二つの要素の長さ全体にわたり同様である。こうして、これら二つの出力成分は、再結合されるときに、強度と偏光において入力信号を再生するが、しかし、要素のジオメトリに従って、また、加えられたいずれかのフィールドにしたがって位相変化が加えられている。いずれかの入射偏光方向を有する光は、要素の方位に関して二つの直交する成分に分割できるので、図１２Ｂに示す要素の組合せは、入射偏光方向に関係なく、入力光に対して常に同一の全位相シフトを与える。図１２Ｂの好ましい例における諸要素が３０度の全ネジリを有するものとして、示されているが、両方の要素が同一のネジリ角を有し、これらの要素が逆回転方向に配列され、整合するインターフェイスにおいてクリスタル整列が直角であるならば、本発明はあらゆる全ネジリ角に対して作用することを理解すべきである。
【００７６】
図１２Ａにおいて、ジョーンズ・マトリックス形式を使用して、前記と同様な仕方で、ＭAiおよびＭBiを下記のように表現できる。
【数４】
2004522188.tif 000006
【００７７】
ここで、ｌは、バーチャル層ＡｉおよびＢｉの厚さであり、また、ｎ１およびｎ２は、それぞれ液晶の異常または正常な屈折率である。この式を使用して、全ての層の通過についての全体のジョーンズ・マトリックスを下記のように書くことができる。
【数５】
2004522188.tif 000007
【００７８】
したがって再び明らかになることは、図１２Ｂに示した構造が入力偏光方向を変えず、入力偏光にかかわりなく、希望する相変化を誘導するのみであることである。このことは、さらに互いに補償する層のあらゆる数の直交するペアへ拡張できる。
【００７９】
さて、図１２Ｃを参照すると、位相変更液晶素子が上述の実施例のいずれかの減衰器を、入力光の偏光に低感度にすることを確実にする更なる実施例が図式的に示されている。図１２Ｃは、整列層の直交する二つのピクセルへ分割された液晶素子１２０の正面の図である。ピクセル１２２において、複数の層が、ｘ方向に整列され、またピクセル１２４ではｙ方向に整列されている。以前と同様にあらゆる偏光方向の入力光信号を二つの直行偏光成分、ＰXおよびＰyで記されるものに分割できる。入射光信号の伝送の効果は、いまや二つの異なった行為のピクセルに分けて、考えられる。
【００８０】
図１２Ａの実施例の説明の術語を用いると、その整列方向がＸ方向に平行な横断ピクセル１２２において、偏光ＰXの成分は、ｎ１・ｄに平行な位相シフトを受ける。偏光Ｐyの成分は、ｎ２・ｄに平行な位相シフトを受ける。他方において、整列方向がＹ方向に平行な横断ピクセル１２４では、偏光ＰXの成分がｎ２・ｄに比例する位相シフトを受け、一方では、偏光成分Ｐyがｎ１・ｄに平行な位相シフトを受ける。二つのピクセルからの光を加えることから結果するＰX成分の出力強度は、こうして、（ｎ１＋ｎ２）・ｄに比例する。二つのピクセルからの光を加えることから結果するＰyの出力強度もまた（ｎ１＋ｎ２）・ｄに比例する。こうして、ＰXおよびＰy成分は、両方とも（ｎ１＋ｎ２）・ｄに比例する同一の位相シフトを受ける。両方のピクセルを通過した後の光を結合した後の正味の結果は、入力信号の両方の成分が厳密に同一の全体的相変化を受けており、二つの成分の相対的な振幅を決定する入射信号の最初の偏光方向に依存していないことである。
【００８１】
作業において、液晶を横切る電界を加えると、それからこの電界の方向へ向かって両方のピクセルにおける整列方向の回転を結果する。こうして、減衰は、加えられる電界により変化する。この好ましい実施例によれば、この電極についてピクセル化する必要がない。この実施例における電極の機能は、素子の表面の全体にわたる電界を加えることだけである。これらの素子は、好ましくはそれを通る電界なしの位相変化が２π倍数であるように構築され、これにより、いずれかの電界を加えることなしには、減衰がその名目上０の値にあるようにする。
【００８２】
理解すべきは、図１２Ｃの２つのピクセルの実施例で上述した偏光補償効果は、光が通過する要素の表面内にピクセルが対称的に配置されて、一つの方向に配列されたあるピクセルが、それを補償する直行方向に対応するピクセルを有している限り、どんな数のピクセルでも動作できることである。
【００８３】
さて、図１３を参照すると、本発明の更なる好ましい実施例により、可変減衰器の偏光に低感度の動作を実施するための更なる方式が図解されている。この減衰器は、光信号の通路に直列に配列された一対の本質的に同一な液晶素子１３０および１３２からなり、それらの間に配置された半波プレート１３４を有する。この半波プレートは、それを通過する光の偏光を９０度まで回転させるように動作する。その最も単純な実施例において、各液晶素子は光ビームの断面の半分において一対の電極１３６、１３８を有し、これにより、素子の各々が二つのピクセルに分割され、可変位相状態と固定位相状態のものになるようにされている。こうして、フィールドが何も加えられていないときに各素子の両方のピクセルは同一配列を有し、これらの素子の上の部分に示されたようなものであり、これらの素子は、両方の半分を通過する光に対して一様に振舞う。こうして、通過する光のモード・パターンが影響されず、デバイスの減衰はその挿入値に固定されたままである。減衰器の代わりの実施例において、これら液晶素子の両方の半分に別々の電極があり、それらの間の差別的な電圧が上半分と下半分を通過する光の間の位相シフトの差異を決定する。
【００８４】
図１３の図面は、液晶素子の電極へ電圧を加えて、低い方のピクセルを通じての遷移における相変化が、変動することを図解する。電圧Ｖは、両方の素子の電極に同時的に加えられる。代わりに好ましいのは、二つの素子の各々に別々の電圧を加えて、これにより二つの素子の間の小さな製造の差が補償される得るようにすることである。最大電圧が加えられると、各スイッチされたピクセルの液晶の分子がそれらの垂直方位１３９へ回転され、整列された分子の屈折率における変化のために、各スイッチされたピクセルを通る光が一つの異なった相変化を受ける。スイッチされていないピクセルに関するこの追加の位相変化は、伝播する光のモード構造に影響して、こうして出力の減衰を導入する。この電圧がその定格最大であるとき、減衰がその最大値になるように配置される。
【００８５】
図１２に示す実施例に関して前述したように、あらゆる偏光方位の入力光信号は、二つの直交する偏光成分Ｐxおよびｐyと記されるものに分割できる。入射光信号の伝送の効果は、今や二つの直交した方位の偏光成分について別々に考察される。これら二つの成分は、第１素子１３０の通過において変化しない。半波プレートを通じての通過において、各方位は９０度回転されて、Ｐx成分がＰyになり、また、ｐy成分がｐxになる。これら二つの成分は、それから第２素子１３２を通る通過において変化しない。従って、これら二つの成分の出力におけるベクトルの追加は入力信号と同一の強度を有するが、しかし、入力信号のそれに対して、９０度回転された偏光方位を伴う。あらゆるランダムな入力偏光方位を有する光は、本書に議論したＰxおよびＰyのように素子の方位に対して二つの直交する成分に分解できるので、入射偏光方位に関わりなく、これらのピクセルの通過が同一の全体的効果を生成する。
【００８６】
図１３の下側ピクセルのスイッチされた場合に、入射光を直交する偏光成分へ分割する同一の手順が遂行される。上述のようにスイッチされたピクセルの動作が、追加の位相シフトを導入する。半波プレートを通過するときに９０度の追加的な相変化を光が受けた後に、偏光へ導入されるあらゆる回転効果は、第２素子のスイッチされた下側ピクセルを通過することにより、厳密に補償される。こうして、出力光の偏光は、上述のスイッチされていないピクセルと全く同様に同一の強度を有するが、その偏光方向は９０度だけ回転されている。こうして減衰器は、入射光の偏光方向に関わりなく、その相変化を受け、減衰器の偏光を低感度にする。
【００８７】
二つのピクセルに分割される液晶素子に関して、上記の実施例を説明してきたが、光ビームの断面のいずれか他の対称的分割を使用して本発明を実施し、これにより、素子内に発生された位相変化により伝播ビームが変えられるようにすることもできることを理解すべきである。
【００８８】
減衰器の動作の説明をわかりやすくするために二つの液晶素子および空間的に別々のウエーブ・プレートにより図３を示してきたが、理解すべきは、この実施例により実際に構築される減衰器は、二つの別々の液晶素子が一つの集積セルに好ましく接着され、中間に半分の位相のプレートがサンドウィッチされ、これにより、丈夫でコンパクトな構成が確実にされることを理解すべきである。代わりに好ましいのは、位相プレートがカバー・プレートとして組み込まれ、または、基板または液晶素子の一つの整列層として組み込まれることで、これにより構成を一層単純化することができる。
【００８９】
本発明の更なる好ましい実施例によれば、上述の可変減衰器は、反射モードで使用するために構成され得る。この実施例は図１６に示されている。この実施例の構成は、その能動的な部品が１／４波プレートに結合されたただ一つの液晶素子から構成されているので、特に単純である。液晶素子１４０は、図１３の伝送実施例においてと同様に、好ましくはその断面の半分に配置されたピクセル化された透明電極構造１４２を有する。それから、素子を通って伝送される光が、好ましくは液晶素子に密接して配置された１／４波プレート１４４を横切る。１／４波プレートの更なる面に反射コーティング１４６が配置され、これにより、１／４波プレートを通じて光が反射されて戻る。この反射性コーティングもまた別々のミラー素子上に好ましく組み込まれることができる。こうしてウエイブ・プレートは、完全に一回りする光のための半波プレートとして振舞い、９０度でそれを横切る光の偏光を回転させる。上述の伝送実施例においてと同様に、このウエイブ・プレートもまたリアー・カバー・プレートまたは、基板または液晶素子の整列層として好ましく組み込まれ得る。図８の実施例に関して前述したように、減衰器の入出力装置として、デュアル・ファイバ・コリメータ１４８が使用される。減衰器の動作のその他の面は、上述のそれらのものに類似している。
【００９０】
伝送の場合に半波プレートを使用し、反射の場合に１／４波プレートを使用して、図１３と図１４に示す実施例を説明してきた。一般に使用できるようにするために、あらゆる奇数の半波長および一つの半波長とぴったりではないものに対応する位相の相違により、現れる入射光の通常および異常な構成要素に結果する波長を記述するために、本出願では、半波プレートという用語を使用し、特許請求を使用していることを理解すべきである。同様に、図１４の１／４波プレートは、それを通過する正常および異常な構成要素の間のあらゆる奇数の１／４波長に対応する位相の相違を紹介することを理解すべきである。更に、図１３および図１４に説明した単純なウエブ・プレートの代わりに、正しく要求される角度により偏光を回転するあらゆる他の構成要素を好ましく使用できることを理解すべきである。
【００９１】
さらに理解すべきは、減衰器の偏光から独立させるための上記全ての実施例は、これにより達成するための装置の例にすぎないことである。単数または複数の位相シフティング素子を通じての光の位相シフトが、偏光の二つの直交する方向に一致するように配置された全ての適切な実施例もまた、本発明の可変減衰器の偏光に独立した動作を確実にするのに適している。
【００９２】
さて、図１５Ａないし図１５Ｄを参照すると、本発明による一層好ましい実施例により構築され動作するいくつかのマルチ・チャネルまたはマルチ・ポート可変光減衰器（ＶＯＡ）が図解されている。
【００９３】
図１５Ａの好ましい実施例において、マルチ・ポートＶＯＡは、図７に説明したものと同様に個別の伝送ＶＯＡ１５０のアレイから構成される。ファイバ１５４の入力アレイの到着ファイバ１５２の各々の光学出力が上述のもののようにピクセル化された位相変更素子１５６へコリメートされ、入力される。位相変更素子１５６は、好ましくは液晶素子により構成される。これら位相変更素子の各々の出力はコリメータ１５８へ入力されて、そのチャネルのファイバ１６０への出力にされる。各ピクセル化された位相変更素子１５６は、別々に整列されてそのチャネルのために最適な効率を供給する。
【００９４】
図１５Ｂの好ましい実施例が図１５Ａのマルチ・ポートＶＯＡから異なる点は、各チャネルのために個別のピクセル化された位相変更素子を使用する代わりに単一の大きな位相変更素子アレイ１６２を使用することにより、多数のチャネルが指向されることである。位相変更素子のエリアは、各チャネルがその固有のサブ・ピクセル化された位相変更素子を有するようにピクセル化され、これにより各チャネルのＶＯＡが他と独立に動作することである。位相変更素子アレイ１６２は、好ましくは、液晶デバイスで構成される。アレイ１６２のピクセル化された領域が素子の製造中に固定されるので、マルチ・ポートＶＯＡの整列は、素子１６２の固有ピクセル化エリアに反対側で別々に各独立のチャネルに整列することにより達成される。代わりに好ましいのは、充分な製造精度が供給できれば、ピクセル化素子アレイ１６２の各側の正しく整列された位置に、完全な入力および出力のファイバ・アレイを固定できることである。
【００９５】
図１５Ｃの好ましい実施例によるマルチ・ポートＶＯＡが、図１５Ａおよび図１５Ｂ実施例のそれらと異なる点は、図８に説明したものと同様にデュアル・ファイバ・コリメータ１６４を含むＶＯＡのアレイから構築された反射的な実施例であることである。図１５Ｃに示す実施例は、図１５Ｂのそれと同様に単一の広域位相変更素子を使用し、これは、後ろ側に反射層１６６を組み込んでもいる。理解すべきは、図１５Ａの実施もまた同様に反射モードで動作するのに、適合できることである。
【００９６】
さて図１５Ｄを参照すると、本発明のもう一つの好ましい実施例による送信マルチ・チャネルＶＯＡであり、出力ファイバ・アレイ１７６に対して、他のマルチ・チャネルＶＯＡの実施例に示したＧＲＩＮレンズ・コリメーティングではなく、レンズ１７２、１７４を介してファイバ・アレイ１７０からの自由空間伝播を使用する。こうして、この実施例は実質上、図６に示した実施例のマルチ・チャネル・バージョンである。位相変更素子１６２は、図１５Ｂの実施例に示したものに類似している。
【００９７】
本発明は、上記に詳細に示し説明してきたことに限定されないことを、当業者は理解すべきである。むしろ、本発明の範囲は、上記に説明した種々な特徴の組み合わせおよびサブ組み合わせの両方を含むと共に、上記の説明を読むことにより当業者に想起される本発明の変形と修正であって、先行技術ではないものを含む。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
添付図面と共に前記詳細な説明を読むことにより、本発明を一層完全に理解できる。
【図１】本発明の好ましい実施例により構築され動作する可変光ファイバ減衰器の略図である。
【図２】図１に示した可変光減衰器に使用するピクセル化された液晶素子の断面の光伝播方向における図である。
【図３Ａ】図２に示したものの代わりの好ましいピクセル配列を示し、ここで液晶は、それぞれ４つのピクセルおよびピクセル化されたストリップへ分割されている。
【図３Ｂ】図２に示したものの代わりの好ましいピクセル配列を示し、ここで液晶は、それぞれ４つのピクセルおよびピクセル化されたストリップへ分割されている。
【図４】本発明の更なる好ましい実施例による液晶素子の側面の略図であって、液晶を制御するために電界を加える電極がクリスタルの側面に配置されている。
【図５Ａ】入力ビーム上の位相を空間的に変えるために、位相変更素子を配列することについて図１に示したものと異なるいくつかの方法を図示する。
【図５Ｂ】入力ビーム上の位相を空間的に変えるために、位相変更素子を配列することについて図１に示したものと異なるいくつかの方法を図示する。
【図５Ｃ】入力ビーム上の位相を空間的に変えるために、位相変更素子を配列することについて図１に示したものと異なるいくつかの方法を図示する。
【図６】本発明による光減衰器のもう一つの好ましい実施例の略図であって、図１に示したものに類似しているが、自由空間で実行されるものである。
【図７】本発明によるもう一つの好ましい実施例の略図であって、図６に示したものに類似しているが、しかし、図６に示された通常のレンズによる自由空間の実施例の代わりに、光のコリメートされたビームを生成するためにＧＲＩＮ（グレーデッド・インデックス）レンズを使用するものである。
【図８】反射による実施例において、デュアル・ファイバ・コリメータを使用する本発明のもう一つの好ましい実施例による可変光減衰器の略図である。
【図９】本発明のもう一つの好ましい実施例の略図であって、図８に示したものに類似しているが、デュアル・ファイバ・コリメータを使用する代わりに入力ファイバと出力ファイバの端部から自由空間において実行されるものである。
【図１０】本発明のもう一つの好ましい実施例により構築され動作する固定光ファイバ減衰器の略図である。
【図１１】本発明により可変光減衰制御要素として使用するための集積位相変更素子の好ましい実施例の略図である。
【図１２Ａ】偏光に低感度の動作により本発明の減衰器を供給する位相変更液晶素子のいくつかの好ましい構成を示す。
【図１２Ｂ】偏光に低感度の動作により本発明の減衰器を供給する位相変更液晶素子のいくつかの好ましい構成を示す。
【図１２Ｃ】偏光に低感度の動作により本発明の減衰器を供給する位相変更液晶素子のいくつかの好ましい構成を示す。
【図１３】本発明の更なる好ましい実施例により伝送可変減衰器の偏光に低感度の動作を実施する更なる方式を図解し、光信号のパス内に逐次配列された一対の液晶素子を組み込んでおり、それらの間に半波プレートを配置したものである。
【図１４】図１３に示した可変減衰器の反射による実施例を図解し、１／４波プレートを使用して、構築されている。
【図１５Ａ】本発明によるマルチ・チャネルＶＯＡの好ましい実施例を図解する。
【図１５Ｂ】本発明によるマルチ・チャネルＶＯＡの好ましい実施例を図解する。
【図１５Ｃ】本発明によるマルチ・チャネルＶＯＡの好ましい実施例を図解する。
【図１５Ｄ】本発明によるマルチ・チャネルＶＯＡの好ましい実施例を図解する。
【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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