(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に情報通信目的のため、同一の光ファイバに連続的に導入される異なる周波数の光信号を伝送および処理する装置において、
前記ファイバ（２）は、光を周波数に従って分割する構造（１）を有し、前記構造（１）は、前記ファイバ（２）を介して導入される光信号（３）を、前記光信号（３）の周波数に従って分割し、前記光信号（３）の周波数に従って、前記光信号（３）を互いに空間的に補正して外部に放射し、
前記放射された信号（Ｖi）は、さらなる処理のため、適切な装置（６）を用いて、前記ファイバ（２）の外部にある空間平面（４）上に、前記光信号（３）の各々の周波数に割当てられた位置（ｘ）に投影されることを特徴とする装置。
【請求項２】
前記ファイバ（２）は部分的に周波数分配構造（１）として形成され、前記光信号（３）を前記光信号（３）の周波数に従って分割し、前記光信号（３）を、周波数に依存して互いに空間的に補正して放射することを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
投影／集束装置（６）を備え、前記放射された信号を前記空間平面（４）に投影することを特徴とする請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記空間平面には前記空間平面に投影された信号を受けるための少なくとも１つの集束要素が備えられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の装置。
【請求項５】
信号が到達する前記空間平面のすべての位置にそれぞれ集束要素が備えられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の装置。
【請求項６】
前記集束要素は光ファイバ（９）の端にあり、信号をさらに処理するために使用されることを特徴とする請求項４又は５に記載の装置。
【請求項７】
前記光信号は前記空間平面（４）の線状に配置された位置に投影されることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の装置。
【請求項８】
前記空間平面（４）の形は、個々の各信号（Ｖi）がその周波数に依存して一定の予め規定された時間的ずれをもって前記空間平面に到達するように構成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の装置。
【請求項９】
前記空間平面（４）の形および配置は、前記光信号が周期的に同時に前記空間平面に到達するように構成されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１０】
前記周波数分配（分割）構造はファイバグレーティング構造（５）として構成され、光ファイバにおけるそのグレーティング要素が斜めか、または螺旋状のいずれかに配置されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１１】
前記周波数分配構造は光ファイバにおける光子水晶構造（７）として構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１２】
ファイバから減結合された信号の走行時間の差を時間的遅延により調整するために、少なくとも１つの遅延要素を備えていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１３】
前記遅延要素は燐光／蛍光物質であり、個々のパルス走行時間の差を残光により調整することを特徴とする請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記空間平面に沿って、前記物質が積層された投影スクリーンが配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記遅延要素は、その長さが所望の遅延に対応する光ファイバ（９）であることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれか１つに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
本発明は、同一の光ファイバに連続的に導入される異なる周波数の光信号を伝送および処理する装置に関する。
光情報伝送は、多くの場合、単一の２進コード化光パルスの連続により行われる。伝送周波数は今日すでに秘密の伝達のための電子データ処理および特に複雑な暗号化や暗号解読化を許さない範囲に進出しているため、時間的ビット伝送速度を１または多次元の空間的区域に入力し、さらに光学的に並行処理する光学要素に高い需要がある。光学的並行処理は、画像または図案に配置されている大量の２進信号またはアナログ信号を同時に変換する状態にあり、それで従来の電子計算機よりも相当に迅速に作動する。
並行処理により、たとえばフーリエ変換など一定の操作のため、きわめて高い時間の節約が達成される。光フーリエ変換は機械的モデル認識の重要な構成要素であるため、通信の完全な暗号化と暗号解読化が光学的に簡単にかつきわめて迅速に行うことができるとみられる。時間的パルス連続を並行処理の目的で空間的に配置された平面に複写する周知の電子構成要素は、たとえばブラウン管の基礎として構成することができる。直接、本発明の基礎となる先行技術とはみなされず、代替の解決とみなされるドイツ特許（ＤＥ）１９６０９２３４Ｃ２（クープス）から周知のように、電子ビームは現在、多ギガヘルツ域の信号を読むためにマイクロ管においてのみ十分に迅速に偏向することができる。別の方法では、光の偏光を用いて交互に単一の光パルスをコード化する。第１、第３、第５等々、すなわち各奇数のパルスは、たとえば垂直に、偶数のパルスはすべて水平直線に偏光される。次に偏光させるビーム分割器を用いてそのつど少なくとも偶数と奇数のパルスが局地的に分割される。カスケードが高い分割度を可能とする。この方法の利点は、分離要素−ビーム分割器−が純粋に受動的であることにある。パルスがたとえば電子光学的に偏光コード化された後には、能動的回路は不要となる。この方法の欠点は明らかにカスケード段階当たりの並行チャネル数がわずか２本と少ないことである。
本発明の課題は、光ファイバにおいて連続的に発生し、周波数コード化された光信号をさらに並行処理することを可能にする冒頭に述べたような装置を提供することである。この装置は多くのコストをかけずに製造可能であり、簡単にかつ場所をとらずに据付け可能である。
このように分割され投影された信号は、直ちに空間平面上に配置したスクリーンで可視化されるか、または空間平面に沿って配置された光ファイバの受光端の配置、または空間平面に配置されたＣＣＤアレイなど別の結合要素でさらに処理を行うことができる。
ファイバの周波数分配構造は分光計として配置され、光パルスを局地的に互いに分離し、空間平面上に配置することができる。この目的のためには特にプリズム分光計、グリッド分光計が適しているが、二ビーム干渉計または多ビーム干渉計も適している。
本発明による装置を使用するには、個々の連続する光パルスが偏光コード化の代わりに周波数コード化を有することが必要である。一方では、遠距離通信の光窓内における光の周波数は簡単に１００ｎｍほど変化させることができ、他方では半導体レーザは当てられた電圧の変化で数ナノメートルほど調子が狂うため、原則として光パルスを広範囲の異なる周波数に関係づける可能性がある。そのために、多くの半導体レーザを異なる中心周波数で電気的に切換え可能にその放射周波数で変化させる必要がある。こうして発生する異なる周波数の光パルスは、次に情報伝送のために２進コード化され、伝送グラスファイバに供給される。したがって、情報はパルスの順に刻印され、このうち第１のは周波数Ｖ１を有する。この場合、たとえばＶ１＜Ｖ２Ｖ３＜．．．＜Ｖｉ＜Ｖｉ＋１．．．＜Ｖｎが有効である。
本発明の第１の構成では、ファイバは部分的に周波数分配構造として構成され、光信号の周波数に従って光信号を分割し、光信号の周波数に依存して互いに空間的に移動して（補正を与えて）放射するようになっている。
これによりきわめてコンパクトな構成が達成されるが、これはファイバ自体の光伝導範囲が機能要素として機能し、構造物を製造するためにファイバ上の別の上部構造物が過剰となるためである。
空間平面は平坦であり、または一定の効果を達成するため、たとえば投影された信号の補正や投影の修正のために、別の形を有することができる。さらに、空間平面の曲げや傾斜により、または追加の遅延要素の使用により、ファイバにおいて連続的に発生する信号の時間的充填が達成されるため、信号は同時に空間平面から減少するとともに、実際にさらに並行処理することができる。
別の従属クレームにおいて実施される措置により、本発明の別の有利な構造および改善が可能である。
本発明の実施例は多数の図面を用いて示され、以下の記述において詳細に述べる。すなわち、
図１は、光ファイバの端において光を分配する受動的光構成要素の使用法を示し、
図２は、光ファイバから光を減結合する対角線に配置されたファイバグレーティングの使用法を示し、
図３は、光ファイバから光を減結合する別の対角線に配置されたファイバグレーティングの使用法を示し、
図４は、ファイバグレーティングの螺旋状配置を示し、
図５は、光の周波数分配のために光ファイバに食刻した光水晶の使用法を示し、
図６は、異なる周波数の光パルス間に発生する遅延を示すとともに、
図７は、マトリック上の光パルスの同時投影を保証するための遅延要素の使用法を示す。
図面の同一部分には同じ参照符号が付されている。
図面において、光ファイバの部分としてマイクロ技術で製造される構造物は、レンズやプリズムなどシミュレートされる光要素の図により記号化されている。以下に使用される光要素のマイクロ技術による製造について詳細に述べる。マイクロ構造物の光作用は通常、レンズ、プリズム等と比較可能である。したがって、使用される要素は本文中でもこれらの符号を含む。
本発明では、光ファイバ内で連続的に伝導される周波数コード化パルスを分割するために、通過した光をスペクトルで局地的に分配し、これを空間的に配置された平面に投影する受動的光学的に有効な構造を使用する。図１はこの目的のための光構成要素１の使用法を示す。ここで問題となるのは、たとえばプリズムを基礎とする分光計であり、これは光ファイバ２またはその端に組み込まれ、このとき光ファイバは光パルスとしての周波数コード化ディジタルまたはアナログ情報３を伝送し、このパルスは線形またはファイバ区域４上に投影される。ファイバグレーティングは周波数コード化光パルスの空間的分配のために分光器としても使用することができる。このようなファイバグレーティングは、たとえば米国特許第５，５４６，４８１号（メルツら）より周知である。
図２および図３には、ファイバから光を減結合する（切り離す、分断する）ために、斜めに内接されたグレーティング５が螺旋状に配置されていることが示されている。たとえばドイツ特許（ＤＥ）１９６３０７０５Ａ１（クープス）より周知のアナモフィックレンズのような適切に集束する要素６により、単一周波数（色）のビームは線形区域４に点状に集中する。このとき各周波数Ｖｉは別の集束点を有する。空間平面４はファイバ２に対して並行の位置にあり、空間内で曲げられ、または傾斜することもある。
レンズ６に関しては、これらも直接、光ファイバに装着することができる。このようなレンズの製造方法は、たとえばドイツ特許（ＤＥ）１９７１３３７４（クープスら）より周知である。斜めに内接されたブラッグ−ファイバグレーティングを有する光ファイバにおいては、ファイバの光ジャケットにレンズを装着することができる。使用すべきレンズは円筒形光ジャケットの表面に取付けられ、蒸着工程後、大きな焦点深度を有する粒子線石版術または輝度変調マスクを有するＸ線石版術により仕上げることができる。さらに、レンズは重合によっても製造することができる。すなわちビーム重合により、ファイバから回析により出る光の影響下に吸収され、または蒸着されるモノマーの表面に仕上げることができる。このときレンズ形状の造型のための材料供給は穴マスクにより調節すべきである。
図３に示された光ファイバ２では、斜めに内接されたグレーティング５が連続して光ファイバ２に配置された異なる周期の多くのグレーティングからなることにより特徴づけられる。各グレーティングは唯一の周波数の光を光ファイバ２から減結合し、放射するように配置されている。それにより図２の場合におけるように、集束要素６により光ファイバ２の外の単一光ファイバの線状配置が空間平面４上で達成される。
図４は、斜めに内接されたグレーティング５が光ファイバ２において螺旋階段状に配置されている光ファイバを示す。それにより、および適切な集束要素６（ここには図はないが、他の図におけるものに対応する）と関連して、パルスがここでは平坦な空間平面４、たとえばこれに沿ってスクリーンを配置することができ、一列ずつおよび段ごとに投影される。螺旋形のグレーティング群の各工程は、並んで個々のスリットを走るおよそ一列に対応する。列に並んで位置する場所は、わずかに異なるたわみ面のあるファイバ２の連続して位置するグレーティングに対応する。スリットの重なり合って位置する場所は螺旋階段の直接連続して位置するねじの螺旋のグレーティングに対応する。グレーティングの螺旋状配置の代わりに、光ファイバ２も螺旋に巻かれ、または回転され（図なし）、こうして光ファイバの区域配置の同じ効果を発揮する。
図５に示されているように、光発生ファイバグレーティングに代えて、周波数分配要素は光子水晶（フォトニッククリスタル）７として構成される。光子水晶は数百ナノメートルのグリッド定数（格子定数）を有する水晶であり、屈折率差がファイバグレーティングにおけるよりもはるかに大きいため、上述したファイバグレーティングとは対照的にはるかに少ない単一要素（グレーティング構成要素）からなる。そのほか共振効果がその効率を増大させる。光子水晶およびその製造法は論文「高密度の総合光学系を可能にする三次元付加石版術により製造される光子水晶」、ＳＰＩＥ、第２８４９／２９巻（米国、デンバー、１９９６年）の中でＨ．クープスにより扱われ、これは本願中に言及される。光子水晶はファイバグレーティングと同じく、周波数選択的鏡、プリズムまたはビーム分割器として形成することもできる。
光子水晶は図１のようにグラスファイバの端に応用され、または図４のようにグラスファイバ２の食刻された小さなチャネルまたは穴８に取付けられる。このグラスファイバ２の小さなチャネルまたは穴８の製造方法が、たとえば名称「光子水晶を有するＤプロフィルファイバによる波長減結合」のドイツ特許（ＤＥ）１９７１３３７１（クープスら）より周知であり、本願中でも言及される。上記の特許において、Ｄプロフィルファイバの光はファイバ表面の下部に直接、伝送される。このファイバ表面において、石版術および乾式食刻により、化学的湿式食刻もしくはレーザまたはイオンアブレーションにより、ほんの数マイクロメートルの幅の切込みが行われる。その後、付加的三次元石版術により光子水晶が正確に光の進路に差し込まれ、伝送される光に対する水晶の選択的効果に基づき、スペクトルの小さな一部をファイバ内にまたはファイバから結合することができる。小さなスペクトル範囲を含むこの光は、一定の波長を有する限り、光子水晶による媒体が光を透過するか、またはもっぱら物質の内部で伝わり続けるため、ファイバから片側へ減結合することができる。水晶の特別な性質に基づき、このようにして光の一部がファイバから９０°未満の角度で反射される。三次元構成されたレンズを用いて、この光はさらに先へ導くファイバにも偏向させることができる。
チャネルまたは穴から光子水晶はファイバ２からの周波数Ｖｉの光も偏向させる。光子水晶７の適切なグリッド定数（格子定数）によりグラスファイバ２の連続して位置する穴には異なる周波数とともに光パルスがファイバ２から減結合され、集束する要素とともに空間平面４に投影され、もしくは別の波長ガイドまたは検出器に結合される。
図６および図７に示された例では、情報伝送は上述した周波数分配要素を用いて、すなわち個々の光パルスの連続により行われる。この連続の各々は、周波数分配構造物（ここでは細かい平行線を引いた領域として示されている）により空間的に互いに分離され、たとえば空間平面４に沿って配置されたスクリーンに投影される光パルスの数からなる。図６により容易にわかるように、パルスＶｉはスクリーンの特定の位置においてのみ同時に（時間遅延デルタｔに移動）スクリーン上に到着する。個々の光パルス連続のいくつかのための遅延機構として、スクリーンは傾けることができ、または場合により曲げて、急に輝くことで同時にすべてのパルスを示すことができる。
遅延は傾けたり曲げたり（または両方）する代わりに、パルスのすべてのパルス連続が到着するまで長く残光する蛍光材または燐光材でスクリーンを塗ることでも行うことができる。個々のパルス連続に部分的に重なる望ましくない強い残光を回避するために、個々の連続を分割する電気または電子光学回路要素を使用しなければならない。
図７が示すように、単一パルスは光の結合のために減結合され、空間平面４に沿って配置された光ファイバ９の端１１により捕捉され、マトリックス１０上に投影される。個々の各グラスファイバ９はそれらから捕捉されたパルスを遅延区間（遅延間隔）として使用するため、周波数連続のパルスは同時にマトリックス１０上に複写される。さらに光学的処理を行うには、パルス連続の広帯域性を斟酌する検出器が必要となる。他の遅延要素はエアギャップもしくはグラスプリズムまたは傾斜指標プリズムとして形成することができる。
グラスファイバ９の代わりに検出器を直接使用することができる。一連の各インパルスは分割されて検出され、さらに並行電子処理のための遅延は電気的方法で行われる。
【図１】
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【図２】
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【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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