(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学信号に光学的に結合され得る少なくとも１つのミラーアレイ（７５，３２０，３４０）及び光学要素（８０、３３０）とからなる光学スイッチにおいて、
前記光学要素は前記少なくとも１つのミラーアレイから反射された前記光学信号（７２、３１５’、３２５’）の一部を受信するよう配置され、
前記光学要素は、曲面鏡面を有し、反射された前記光学信号（７２’、３１５’、３２５’）の一部のレイリーレンジＺＲより大きい距離Ｚだけ前記少なくとも１つのミラーアレイから離間しており、
前記曲面鏡面は反射された前記光学信号の一部の曲率に基いて選択された曲率半径を有していることを特徴とする光学スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載の光学スイッチにおいて前記曲面鏡面はＺ＋（ＺＲ2／Ｚ）に等しい曲率半径を有している光学スイッチ。
【請求項３】
請求項１に記載の光学スイッチにおいて、前記光学要素はミラー（１３０）である光学スイッチ。
【請求項４】
請求項１に記載の光学スイッチにおいて、前記曲面鏡面は凹面（１８０）である光学スイッチ。
【請求項５】
請求項１に記載の光学スイッチにおいて、前記曲面鏡面は凸面である光学スイッチ。
【請求項６】
請求項３に記載の光学スイッチにおいて、前記ミラーはマンジャン鏡面である光学スイッチ。
【請求項７】
請求項３に記載の光学スイッチにおいて、前記ミラーは複合マンジャン鏡面である光学スイッチ。
【請求項８】
請求項１に記載の光学スイッチにおいて、前記光学要素は両凸レンズ（３３０）でる光学スイッチ。
【請求項９】
請求項１に記載の光学スイッチにおいて、前記光学要素は両凸レンズ（４３０）を有する平面ミラーである光学スイッチ。
【請求項１０】
請求項８に記載の光学スイッチにおいて、前記両凸レンズは更にそこにパターン化されたミラーを含むものである光学スイッチ。
【請求項１１】
請求項１に記載の光学スイッチにおいて、前記光学要素と前記少なくとも１つのミラーアレイとは、前記少なくとも１つのミラーアレイへの制御信号に応答して第１のポート（１６０）と第２のポート（２００）との間に光学信号を経路づけするよう協働している光学スイッチ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光学スイッチにおいて、前記少なくとも１つのミラーアレイは、複数の反射素子を含み、該反射素子の少なくとも１つは前記制御信号に応答して前記光学信号を再方路するよう構成され、それにより前記経路付けをしている光学スイッチ。
【請求項１３】
請求項１１に記載の光学スイッチにおいて、前記少なくとも１つのミラーアレイは、前記光学要素を間に挟んで第２のＭＥＭＳミラーアレイ（４４０）に光学的に結合している第２のＭＥＭＳミラーアレイ（４２０）を含む光学スイッチ。
【請求項１４】
請求項１１に記載の光学スイッチにおいて、前記第１と第２のポートとは分離している入力と出力ポートである光学スイッチ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願は、１９９９年１２月１日付けで出願された仮米国特許出願第６０／１６８，２８２号の優先権を主張するもので、言及をもって本明細書中に組み込む。
本発明は、一般にミラーアレイに関し、特に信号ルータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
信号ルーティングは、ネットワーク設計において不可欠な要素である。信号ルーティングは、ある場所から別の場所に信号を向けることに関する。従来、信号ルーティングは、半導体スイッチング素子を使用していた。しかしながら、より優れた帯域幅を提供するより高速かつより応答性に優れたネットワークの商業的なドライブにより、半導体スイッチング素子は、ボトルネックであるとして識別されてきた。半導体素子の切り換え速度に限界がある結果として、業界では、光学系信号ルーティング素子を含むより多数の電気光学要素に依存するネットワークを開発しつつある。
【０００３】
信号ルータ用に提案された１つのクラスの電気光学要素は、超小型（マイクロ）電気機械システム（ＭＥＭＳ）系ミラーアレイである。ＭＥＭＳ系ミラーアレイ、その動作および製作についてのさらなる情報として、Aksyukらの米国特許第５，９１２，０９４号、Aksyukらの米国特許第５，９９４，１５９号およびAksyukらの米国特許第５，９９５，６８８号を参照されたい。これらは、すべて本出願人に譲渡されるものであり、言及をもってこれらを本明細書中に組み込む。主として、ＭＥＭＳ系ミラーアレイにおける１つ以上の鏡面は、対応する一連の制御信号により始動される静電力により動作可能に制御される。一連の制御信号に応答して、この１つ以上の鏡面は、一対の軸を中心として特定座標に対して傾けられる。傾き機構、およびＭＥＭＳミラーアレイに関するその動作の詳細については、本出願人にすべて譲渡される１９９９年１０月８日付けで出願された米国特許出願第０９／４１５，１７８号に見られ、言及をもってこれを本明細書中に組み込む。
【０００４】
図１を参照すると、光学信号を反射するＭＥＭＳ系ミラーアレイ１０を上面図が示される。アレイ１０は、共通基板２０上に形成された２×２マトリクス状の鏡面１５である。アレイ１０の１つ以上の鏡面１５は、一連の制御信号に応答して、第１および／または第２の軸２５および３０を中心に傾く。したがって、入射する光学信号は、受信された一連の制御信号により決定されるアレイ１０のそれぞれの鏡面１５の傾きにより特定される方向に反射され得る。鏡面１５が反射された入射光学信号を方向付けることができるために、アレイ１０を、光学信号ルータ内部で使用することが可能である。
【０００５】
ＭＥＭＳ系ミラーアレイを用いた光学信号ルータを設計するために、配慮がさらに要求される。光学信号をルーティングするために、１つ以上の鏡面がステアリングレンジ(steering range)内で傾き可能である。１つ以上の鏡面がそのステアリングレンジ内で傾き得る角度は、一連の各制御信号の電圧に対応する。これらの制御信号は、１５０Ｖもの電圧に到達することにより、鏡面は、そのステアリングレンジ全体内で傾き可能となり得る。さらに、ＭＥＭＳ系ミラーアレイの鏡面は、互いに対して約１ｍｍに接近して配置される。したがって、高電位電圧および鏡面間の密接な間隔が可能であることにより、ＭＥＭＳ系ミラーアレイの製造またはパッケージング中に導入される不要な粒子が、隣接する鏡面の導電性素子間のアークを容易に引き起こす場合がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
これらの制限の結果として、光学信号をルーティングするためにそれぞれの鏡面が、そのステアリングレンジより小さい有効範囲を必要とするＭＥＭＳ系ミラーアレイに対する要望がある。また、光学信号をルーティングする際に、各鏡面を位置決めするために１５０Ｖより小さい制御信号を必要とするＭＥＭＳ系ミラーアレイの必要性がある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
複数個の第１のポートと複数個の第２のポートとの間に光学信号を向ける光学素子が開示される。この光学素子は、たとえばＭＥＭＳ系ミラーアレイ等少なくとも１個のミラーアレイを有する。該アレイにおける１つ以上の鏡面は、一連の制御信号に応答して、第１および／または第２の軸を中心として傾けてもよい。本明細書では、ＭＥＭＳ系ミラーアレイの鏡面の傾きの最大範囲をステアリングレンジという。各鏡面の傾きを制御することによって、光学信号は、第１の複数個の１つのポートから第２の複数個の別のポートにルーティングされ得る。本発明の目的において、光学信号は、平行光にされたガウスビームである。一実施形態において、光学信号は、波長が１５５０ｎｍである。
【０００８】
光学装置は、少なくとも１個の曲面反射要素を有する。この曲面反射要素により、ＭＥＭＳ系ミラーアレイの１つ以上の鏡面が、第１の複数個の任意のポートから第２の複数個の任意のポートに光学信号をルーティング可能である。反射要素の曲面は、球面、放射線または円錐状の少なくとも１つであっても良い。典型的な反射要素８０を図３に示す。球面の凹型の曲面により反射要素８０を設計することによって、反射要素８０とミラーアレイ７５との間の分離距離は、光学信号を散乱することなく、レイリーレンジ(Rayleigh range)ＺRを越えて変位距離Ｚだけ伸長され得る。本願明細書では、レイリーレンジＺRは、ガウス光ビームの最も狭い点、すなわち腰部からビームの直径が２の平方根だけ拡大する距離までの距離とする。一実施形態において、レイリーレンジＺRは約５０ｍｍであり、変位距離Ｚは約２０．７ｍｍであり、反射要素８０の曲率半径は約１４１．５ｍｍである。
【０００９】
典型的な反射要素８０の曲率は、変位距離Ｚの伸長距離からミラーアレイ７５の典型的鏡面に光学信号が再び反射することを可能としている。伸長距離において、光ビームは、その腰部（最も狭い部分）を通過し、広がり始める。しかしながら、アレイ７５により受光された光学信号の反射は、散乱しない。広がる光学信号の曲率が反射要素８０の曲率に一致しているため、光学信号は散乱しない。光学信号を散乱することなくレイリーレンジを超えて分離を伸ばすと、アレイ７５における各鏡面は、反射要素８０により光学信号をルーティングするためにステアリングレンジより少ない有効範囲が必要である。本発明の一実施形態において要求される有効範囲は、ステアリングレンジが約１０，４度の図２Ａの平面反射要素６５と比べ、約７．５度である。これらおよび他の利点および目的は、特許請求の範囲および添付図面とともに読み進められる詳細な説明から、当業者にとって明らかとなろう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
添付図面を参照して非制限の実施形態の以下の説明を読み進めていくことにより、本発明がよりよく理解されよう。
【００１１】
なお、当該適用例の図面は、同一寸法ではなく、単に概略的な表現にすぎないため、本発明の具体的なパラメータまたは構造上の詳細を描くことを意図するものではなく、本明細書中の情報を検討することによって当業者が判断できるようにしたものである。
【００１２】
図２Ａを参照すると、固定面鏡面を用いた光学素子４０の断面図が示されている。光学スイッチング素子４０は、４５で表す入出力ポートの第１部分から複数の光学信号を受信し、該信号を入出力ポート４５の第２部分に戻す。鏡面のアレイ５５を固定面鏡面６５と併用することで、該複数のうち少なくとも１つの光学信号をルーティングできる。入出力ポート４５は、ミラーアレイ５５とレイリーレンジＺRだけ間隔を持って設けられる。同様に、ミラーアレイ５５と面鏡面６５は、レイリーレンジＺRだけ間隔を持って設けられている。光学信号は、幅が約０．５ｍｍ、波長が約１５５０ｎｍのポート４５から発信すると、レイリーレンジＺRが約５０ｎｍになるようなガウス分布を有する。レイリーレンジＺRによる分離により、アレイ５５から発信した光学信号は、その腰部において鏡面６５に到達し、またはその逆も可能であり、これにより、散乱を回避できる。
【００１３】
図１および本明細書においてこれに付随する本文に詳細に示すように、アレイ５５における１つ以上の鏡面は、一対の軸を中心とした具体的な座標に対して位置決めできる。アレイ５５における各鏡面の位置または傾きは、入射光学信号が反射し得る方向を確立する。各鏡面が傾き得る最大範囲をステアリングレンジΦとする。ステアリングレンジΦは、以下の数式により数学的に表すことができる。
【００１４】
【数１】
0003762215.tif 000002
ここで、Ｄはミラーアレイ５５の幅である。アレイ５５の各鏡面のステアリングレンジが距離ＺRに反比例することは当業者には明らかであるはずである。このように、距離ＺRが長いほど、必要とされるステアリングレンジはより短いものになる。素子４０の一実現例において、ステアリングレンジΦは約１０．４度であり、幅Ｄは約１８．４ｍｍである。
【００１５】
各鏡面をそのステアリングレンジΦ内に位置決めする際の具体的な座標は、受信された一連の制御信号に一致する。たとえばバッファ等、補助的な電子機器の追加により、１つの信号が具体的な座標およびアレイの鏡面それぞれの位置決めを制御し得ることについても、当業者には本開示から明らかとなるはずである。このように、本開示の目的のために、制御信号は、一連の制御信号と交換可能に使用できる。
【００１６】
以下は、入出力ポート４５の第１部分から入出力ポート４５の第２部分に光学信号４７’’’を介して光学信号４７をルーティングする際の、ミラーアレイ５５と面鏡面６５との相互作用を表している。制御信号を受信すると、アレイ５５における第１の典型的鏡面４９は、光学信号４７を受信して反射するように位置決めされる。第１の典型的鏡面４９は、光学信号４７’を面鏡面６５上に送り出す。光学信号４７’は、面鏡面６５の位置の範囲５１ａ〜５１ａ’内に送られる。鏡面６５は、面鏡面６５の表面に対して法線に関する入射角で、送り出された光学信号４７’を典型的鏡面４９から受信する。反射の法則を用いて、光学信号４７’’は、入射角と等しい角度で面鏡面６５で反射する。反射の法則とともに幾何光学についてのさらなる情報のために、O'Sheaの「近代光学設計の要素(Elements of Modern Optical Design)」（Wiley & Sones 1985（以下、「O'Shea」））（言及をもって本明細書中に組み込む）を参照されたい。面鏡面６５により反射された光学信号４７’’は、アレイ５５の位置の方に戻る。本例では、面鏡面６５上の位置５１ａにより、光学信号４７’’は、第２の典型的鏡面５３の方に送り出される。第２の典型的鏡面５３は、制御信号に応答して、光学信号４７’’を受信して反射するように位置決めされる。光学信号４７’’を受信すると、第２の典型的鏡面５３は、光学信号４７’’’を入出力ポート４５の第２部分に反射する。したがって、アレイ５５の第１および第２の典型的鏡面４９および５３を位置決めすることによって、光学信号４７を入出力ポート４５の第１部分から入出力ポート４５の第２部分に光学信号４７’’’だけルーティングすることは、これにより完了する。なお、ミラーアレイ５５の複数の鏡面を面鏡面５４と併用することにより、複数の光学信号をルーティングし得ることは、図２およびこれに付随する本文において当業者には明らかとなるはずである。
【００１７】
図２Ｂを参照して、典型的鏡面４９のステアリングレンジΦを描いた断面図が示される。光学信号を面鏡面６５上の位置５１ａに反射するために、典型的鏡面４９は、反時計回りにΦ／２の角度だけ傾く。同様に、典型的鏡面４９が入射光学信号を面鏡面６５上の位置５１ａ’に反射するために、鏡面４９は、時計回りにΦ／２の角度だけ傾く。したがって、典型的鏡面４９のステアリングレンジは、Φ／２とΦ／２の計、すなわちΦである。
【００１８】
また、時計回りにΦ／２の角度だけ傾くことによって、鏡面４９は、その中立位置から距離χだけ変位されることも分かるはずである。同様に、鏡面４９は、反時計回りにΦ／２の角度だけ傾く際に距離χだけ変位される。上述のように、鏡面４９は、受信された制御信号からの電圧に応答して傾く。鏡面４９によりχだけ移動した距離は、受信された制御信号の電圧に一致する。したがって、鏡面４９を距離χ移動させるためには、受信された制御信号から１５０Ｖの電圧が必要になるといえる。約１０．４度のステアリングレンジΦの場合、鏡面４９が移動する距離χは、約２２．８μｍである。
【００１９】
図３Ａおよび図３Ｂを参照すると、本発明の原理を利用した光学スイッチング素子７０の断面図が示されている。光学スイッチング素子７０は、ミラーアレイ７５と、曲面凹面反射要素８０と、を含む。一実施形態において、反射要素８０は、曲率半径を有する球面形状鏡面である。代替例において、放射線または円錐形状鏡面を曲面反射要素８０として使用してもよい。
【００２０】
ミラーアレイ７５は、図２Ａの光学素子４０と比較して、曲面反射要素８０とレイリーレンジＺRより長い距離だけ間隔を置いて配置される。アレイ７５および反射要素８０は、レイリーレンジＺRおよび変位距離Ｚの計に等しい距離だけ離れている。アレイ７５と反射要素８０の分離が大きくなると、ミラーアレイ７５と反射要素８０との間で反射される光学信号が散乱しない。光学信号が広がる曲率が反射要素８０の曲率に等しいため、光学信号は散乱しない。したがって、反射要素８０の曲率半径は、変位距離ＺおよびレイリーレンジＺRに一致し、この関係は、以下の数式で表される。
【００２１】
【数２】
0003762215.tif 000003
ここで、Ｒは曲率半径である。半径Ｒが所与のレイリーレンジＺRに合わせて増大するのにともなって反射要素８０により生成される変位距離Ｚが増大することは、上記の数式から当業者には明らかとなるはずである。本発明の一実施形態において、光学信号は、幅が約０．５ｍｍの光源から発信し、レイリーレンジＺRが約５０ｍｍ、変位距離Ｚが約２０．７ｍｍおよび曲率半径Ｒが約１４１．５ｍｍになる。
【００２２】
アレイ７５における各鏡面は、図２Ａのアレイ５５の各鏡面のステアリングレンジΦより小さい有効範囲が必要となる。変位距離Ｚによりアレイ７５と曲面反射要素８０との間にさらに間隔を置いた結果、アレイ７５における各鏡面の有効範囲は小さくなる。アレイ７５における各鏡面の有効範囲は、入射角βの１／２と出射角αの１／２の計に等しい。角度範囲内で光学信号を反射または再送出するためには、鏡面を所望の角度範囲の角度の１／２傾ける必要があることは、反射および幾何光学の法則から当業者には明らかとなるはずである。O'Sheaを参照されたい。図３Ｂに示すように、アレイ７５における各鏡面の有効範囲は、各鏡面が入射光学信号β／２を受信するために必要とされる傾きと、各鏡面が出射光学信号α／２を送出するために必要とされる傾きとの計に等しい。
【００２３】
入射角βは、アレイ７５における各鏡面が、アレイ７５の一端からアレイ７５の他端まで光学信号を送出するのに必要とされる角度である。説明の目的のために、入射角βにより、光学信号は、第１の典型的鏡面８２から第２の典型的鏡面８４に送出されることが可能になる。入射角βは、以下の数式により数学的に表される。
【００２４】
【数３】
0003762215.tif 000004
ここで、Ｄはアレイ７５の幅である。上記の数式から、入射角βは、変位距離Ｚに反比例し、変位距離Ｚが増加すると入射角βは減少し、またその逆もある。本発明の一実施形態において、アレイ７５の幅Ｄは、約１８．４ｍｍであり、入射角βは約３．７５度である。
【００２５】
出射角αは、曲面反射要素８０から出射した光学信号を受信するようにアレイ７５における各鏡面が位置決めされるのに必要とされる角度である。出射角αは、以下の数式により表される。
【００２６】
【数４】
0003762215.tif 000005
ここで、出射角αは、変位距離の存在により形成される。出射角αが変位距離Ｚに比例し、変位距離Ｚが増加すると反射角のずれαは増加し、またその逆もあることが当業者には明らかとなるはずである。本発明の一実施形態において、アレイ７５の幅Ｄは、約１８．４ｍｍであり、出射角αは約３．７５度である。
【００２７】
また、α／２の角度に時計回りに傾けることによって、第１の典型的鏡面８２は、その中立位置から距離ｙαだけ変位されることも分かるはずである。鏡面８２も、β／２の角度に反時計回りに傾くと、その中立位置から距離ｙβだけ変位される。上述のように、鏡面８２は、受信された制御信号からの電圧に応答して傾く。鏡面８２により移動した距離ｙαまたはｙβは、受信された制御信号の電圧にそれぞれ一致する。したがって、鏡面８２を距離ｙαまたはｙβ移動させるためには、受信された制御信号から約１３０Ｖの電圧が必要とされ得る。一実施形態において、入射角βおよび出射角αは、ともに約３．７５度に等しく、距離ｙαおよびｙβは、ともに約１６．４μｍに等しい。
【００２８】
以下は、光学スイッチング素子７０により出射信号７２’’’を介して入射した光学信号７２をルーティングする際の、ミラーアレイ７５と曲面反射要素８０との間の相互作用を表している。制御信号を受信すると、アレイ７５における第１の典型的鏡面８２は、入射光学信号７２を受信して反射するように位置決めされる。第１の典型的鏡面８２は、光学信号７２’を曲面反射要素８０上に送り出す。光学信号７２’は、典型的鏡面８２により、曲面反射要素８０の位置の範囲７４ａ〜７４ａ’内に送られる。曲面反射要素８０は、曲面反射要素８０の表面に対して法線に関する入射角で、送り出された光学信号７２’を典型的鏡面８２から受信する。反射の法則を用いて、光学信号７２’’は、入射角と等しい角度で曲面反射要素８０で反射する。光学信号７２’’は、アレイ７５上の位置の方に戻る。本例では、曲面反射要素８０上の位置７４ａにより、光学信号７２’’は、第２の典型的鏡面８４の方に送り出される。第２の典型的鏡面８４は、制御信号に応答して、光学信号７２’’を受信して反射するように位置決めされる。光学信号７２’’を受信すると、第２の典型的鏡面８４は、光学信号７２’’’を反射する。したがって、アレイ７５の第１および第２の典型的鏡面８２および８４をともに位置決めすることによって、光学スイッチング素子８０は、入射した光学信号７２を出射した光学信号７２’’’にルーティングする。なお、ミラーアレイ７５の複数の鏡面を曲面反射要素８０と併用することにより、複数の光学信号をルーティングし得ることは、本明細書の開示に鑑みて当業者には明らかとなるはずである。
【００２９】
図４を参照すると、図３Ａおよび図３Ｂの光学素子７０の原理を用いて、光学信号をルーティングする光学素子１００の断面図が示される。光学素子１００は、入出力ポート１１０の第１部分から入出力ポート１１０の第２部分に複数の光学信号をルーティングする。本構成において、入出力ポート１１０の第１および第２部分は、単一ハウジング内に構成される。しかしながら、代替の構成も使用可能であることは、以下の開示から当業者には明らかとなるはずである。
【００３０】
複数の光学信号の各光学信号は、鏡面１２０のアレイを曲面凹面反射要素１３０と併用することでルーティングされる。ミラーアレイ１２０は、レイリーレンジだけポート１１０から間隔を置いて配置される。ミラーアレイ１２０には、マトリクス状の反射体が設けられている。一実施形態において、マトリクス状の反射体は、ＭＥＭＳ系ミラーアレイにより実現される。アレイ１２０の各鏡面は、制御信号に応答した位置まで傾く。アレイ１２０の典型的鏡面が特定位置まで傾けられると、典型的鏡面は、反射の法則により、入射した光学信号を曲面反射要素１３０上の特定の位置に送り出すことができる。説明の目的のために、ミラーアレイ１２０は、第１および第２のそれぞれ典型的鏡面１２５および１３５を含む。
【００３１】
反射要素１３０は、曲面凹面形状である。反射要素１３０の曲率により、アレイ１２０と要素１３０との間で反射される光エネルギーを散乱することなく、アレイ１２０と要素１３０との間隔がレイリーレンジＺRと変位距離Ｚとの計まで増大することが可能である。広がり光学信号の曲率が反射要素１３０の曲率に一致しているため、光学信号は散乱しない。レイリーレンジＺR、変位距離Ｚおよび曲率半径Ｒは、上記で詳述した数式において表されるように、互いに数学的に相関する。本発明の一実施形態において、曲面反射要素１３０は、球面形状鏡面である。しかしながら、本開示を検討すれば、各種の代替例が、当業者にとって明らかとなろう。
【００３２】
以下は、入出力ポート１１０の第１部分から入出力ポート１１０の第２部分に入射光学信号１１５をルーティングする際の、ミラーアレイ１２０と曲面反射要素１３０との間の相互作用を表している。制御信号を受信すると、アレイ１２０における第１の典型的鏡面１２５は、入射光学信号１１５を受信して反射するように位置決めされる。第１の典型的鏡面１２５は、光学信号１１５’を曲面反射要素１３０上に送り出す。光学信号１１５’は、典型的鏡面１２５により、曲面反射要素１３０上の位置の範囲１１７ａ〜１１７ａ’内に送られる。曲面反射要素１３０は、曲面反射要素１３０の表面に対して法線に関する入射角で、送り出された光学信号１１５’を典型的鏡面１２５から受信する。反射の法則を用いて、光学信号１１５’’は、入射角と等しい角度で曲面反射要素１３０で反射する。光学信号１１５’’は、アレイ１２０上の位置の方に戻る。本例では、曲面反射要素１３０上の位置１１７ａにより、光学信号１１５’’は、第２の典型的鏡面１３５の方に送り出される。第２の典型的鏡面１３５は、制御信号に応答して、光学信号１１５’’を受信して反射するように位置決めされる。光学信号１１５’’を受信すると、第２の典型的鏡面１３５は、光学信号１１５’’’を反射する。したがって、アレイ１２０の第１および第２の典型的鏡面１２５および１３５をともに位置決めすることによって、光学スイッチング素子１００は、入射した光学信号１１５を入出力ポート１１０の第１部分から入出ポート１１０の第２部分にルーティングする。なお、ミラーアレイ１２０の複数の鏡面を曲面反射要素１３０と併用することにより、複数の光学信号をルーティングし得ることは、本明細書の開示に鑑みて当業者には明らかとなるはずである。
【００３３】
典型的鏡面１２５および１３５を含む、アレイ１２０における各鏡面は、図２Ａのアレイ５５の各鏡面のステアリングレンジΦより小さい有効範囲が必要である。アレイ１２０における各鏡面の有効範囲は、変位距離Ｚによりアレイ１２０と曲面反射要素１３０との間にさらに間隔を置いた結果、アレイ１２０における各鏡面の有効範囲は小さくなる。アレイ１２０における各鏡面の有効範囲は、各鏡面が入射光学信号β／２を受信するために必要とされる傾きと、各鏡面が出射光学信号α／２を送出するために必要とされる傾きとの計に等しい。時計回りにα／２の角度に傾き、かつ反時計回りにβ／２の角度に傾くことによって、アレイ１２０の各鏡面は、その中立位置から特定の移動距離だけ移動する。
【００３４】
本発明の一実施形態において、光学信号は、幅が約０．５ｍｍおよび波長が約１５５０ｎｍのポート１１０から発信し、レイリーレンジＺRが約５０ｍｍ、変位距離Ｚが約２０．７ｍｍおよび曲面反射要素１３０の曲率半径Ｒが約１４１．５ｍｍ、アレイ１２０の幅Ｄが約１８．４ｍｍ、そして入射角および出射角βおよびαがそれぞれ約３．７５度に等しくなる。入射角および出射角βおよびαがそれぞれ約３．７５度に等しい場合、各鏡面は、時計回りに傾くとともに反時計回りに傾く際に約１６．４μｍ移動する。
【００３５】
図５Ａ〜図５Ｄを参照すると、曲面反射要素のいくつかの実施形態の断面図が示される。これらの実現例は、光学信号を分散せずに、ミラーアレイと曲面反射要素の距離をレイリーレンジを越えて伸長するためにミラーアレイとともにそれぞれ使用され得る。これらの実施形態は、図５Ａの凸面鏡面と、図５Ｂの収束反射光学信号を生成する両凸レンズを有する平面鏡面と、図５Ｃのマンジャン（Mangin）鏡面と、図５Ｄの複合マンジャン鏡面を含む。レンズおよび鏡面設計について一般的であり、またマンジャン鏡面について具体的である、さらに詳細な情報については、Smithの「近代レンズ設計：光源マニュアル(Modern Lens Design: A Resource Manual)」McGraw-Hill 1992（以下「Smith」）（言及をもって本明細書中に組み込む）を参照されたい。なお、図５Ａ〜図５Ｄに図示の例は単なる例示にすぎずこれをもってすべてとするものではないことは当業者には明らかであるはずである。光学信号を分散せずに、本明細書中に詳しく記載した信号をルーティングする光学素子において使用される場合、図５Ａ〜図５Ｄに示す曲面反射要素のそれぞれは、特に選択された曲面反射要素の曲率半径に一致する距離でミラーアレイと間隔を置いて配置される。この曲率半径Ｒ、レイリーレンジＺRおよび変位距離Ｚの関係は、上記で詳述した数式において表される。
【００３６】
図６を参照すると、光学信号をルーティングするための光学素子１５０の断面図が示される。光学素子１５０は、第１のポート１６０から第２のポート２００に複数の光学信号をルーティングする。第１および第２のポート１６０および２００は、本実施形態において、図４の入出力ポート１１０のように同位置に配置されない。
【００３７】
光学スイッチ１５０は、第１および第２のミラーアレイ１７０および１９０を曲面反射要素１８０と組み合わせたものを備える。各ミラーアレイには、マトリクス状の反射体または鏡面が設けられている。第１および／または第２の鏡面レイ１７０および／または１９０は、共通基材上に形成されたＭＥＭＳ系ミラーアレイにより実現されてもよい。ミラーアレイ１７０および１９０それぞれは、制御信号に応じて、傾斜しても良い。一旦ミラーアレイ１７０が位置決めされると、第１のポート１６０からの１つ以上の入射光学信号が、反射の法則により、曲面反射要素８０上の特定位置（複数も可）に送り出される。
【００３８】
曲面反射要素１８０は、凹面形状である。要素１８０の曲率により、ミラーアレイ１７０と反射要素１８０との間およびミラーアレイ１９０と反射要素１８０との間で反射される光エネルギーを分散せずに、アレイ１７０と反射要素１８０との間の間隔、およびアレイ１９０と反射要素１８０との間の間隔が、レイリーレンジＺRと変位距離Ｚとの計に増大可能である。本発明の一実施形態において、曲面反射要素１８０は、球面形状鏡面である。しかしながら、本開示を検討すれば、各種の代替例が、当業者にとって明らかとなろう。
【００３９】
以下は、第１のポート１６０から第２のポート２００に一対の入射光学素子１６５および１７５をルーティングする際の、ミラーアレイ１７０、曲面反射要素１８０およびミラーアレイ１９０間の相互作用を表している。制御信号を受信すると、第１および第２の典型的鏡面２０５および２１０は、入射光学信号１６５および１７５を受信して反射するようにそれぞれ位置決めされる。第１の典型的鏡面２０５は、光学信号１６５’を曲面反射要素１８０上に送り出し、第２の典型的鏡面２１０は、光学信号１７５’を曲面要素１８０上に送り出す。光学信号１６５’は、典型的鏡面２０５により、曲面反射要素１８０上の位置の範囲２３０ａ〜２３０ａ’内に送られる。同様に、光学信号１７５’は、典型的鏡面２１０により、曲面反射要素１８０上の位置の範囲２３０ａ〜２３０ａ’ ’内に送られる。曲面反射要素１８０は、曲面反射要素１８０の表面に対して法線に関する入射角で、送り出された光学信号１６５’を典型的鏡面２０５から受信する。光学信号１７５’は、曲面反射要素１８０の表面に対して法線に関する入射角で、典型的鏡面２１０から曲面反射要素１８０により受信される。反射の法則を用いて、光学信号１６５’’および１７５’’は、入射角と等しい角度で曲面反射要素１８０でそれぞれ反射する。次いで、光学信号１６５’’は、第２のアレイ１９０上の第１の位置の方向に送り出され、光学信号１７５’’は、第２のアレイ１９０上の第２の位置の方向に送り出される。本例では、曲面反射要素１８０上の位置２３０ａ’により、光学信号１６５’’は、第２のアレイ１９０上の第３の典型的鏡面２１５の方に送り出され、曲面反射要素１８０上の位置２３０ａ’ ’により、光学信号１７５’’は、第２のアレイ１９０上の第４の典型的鏡面２２０の方に送り出される。第３の典型的鏡面２１５は、制御信号に応答して、光学信号１６５’’を受信して反射するように位置決めされる。第４の典型的鏡面２２０は、制御信号に応答して、光学信号１７５’’を受信して反射するように位置決めされる。光学信号１６５’’および１７５’’を受信すると、第３および第４の典型的鏡面２１５および２２０は、光学信号１６５’’’および１７５’’’を反射する。したがって、アレイ１９０の第３および第４の典型的鏡面２１５および２１０をともに位置決めすることによって、光学スイッチング素子１５０は、入射した光学信号１６５および１７５を第１のポート１６０から第２のポート２００にルーティングする。なお、ミラーアレイ１７０および１９０の複数の鏡面ならびに曲面反射要素１８０を使用することにより、複数の光学信号をルーティングし得ることは、本明細書の開示に鑑みて当業者には明らかとなるはずである。
【００４０】
図７を参照すると、光学信号をルーティングするための光学素子３００の断面図が示される。光学素子３００は、第１のポート３１０から第２のポート３５０に複数の光学信号をルーティングする。本発明の一実施形態において、光学信号は、第１のポート３１０から第２のポート３５０に送り出される。代替の実施形態において、多数の光学信号を第１のポート３１０の第１部分から第２のポート３５０の第１部分に送り出すとともに、他の光学信号を第１のポート３１０の第２部分から第２のポート３５０の第２部分に送出し、ポート３１０がポート３５０からの光学信号を送出および受信するとともにポート３５０がポート３１０からの光学信号を送出および受信する構成としてもよい。
【００４１】
光学スイッチ３００は、第１および第２のミラーアレイ３２０および３４０を光学要素３３０と組み合わせたものである。各ミラーアレイ３２０および３４０には、マトリクス状の反射体または鏡面が設けられている。第１および／または第２のミラーアレイ３２０および／または３４０は、ＭＥＭＳ系ミラーアレイにより実現されてもよい。光学要素３３０は、両凸の光学レンズにより実現される。しかしながら、本開示を検討すれば、各種の代替例が、当業者にとって明らかとなろう。ミラーアレイ３２０および３４０は、それぞれ制御信号に応答して傾くようにしてもよい。一旦ミラーアレイ３２０が位置決めされると、第１のポート３１０からの少なくとも１つの入射光学信号が、反射の法則により、両凸光学レンズ３３０を通ってアレイ３４０に、次いで第２のポート３５０に送り出される。
【００４２】
両凸光学レンズ３３０は、収束特性を有する。この収束特性により、アレイ３２０と光学レンズ３３０との間隔ならびにアレイ３４０と光学レンズ３３０との間隔が、レイリーレンジＺRおよび変位距離Ｚの計に増大可能である。しかしながら、分離が増大することで、アレイ３２０の鏡面と光学レンズ３３０との間およびアレイ３４０の鏡面と光学レンズ３３０との間で反射される光エネルギーを分散することはない。
【００４３】
以下は、第１のポート３１０から第２のポート３５０に一対の入射光学素子３１５および３２５をルーティングする際の、第１のミラーアレイ３２０、両凸光学レンズ３３０および第２のミラーアレイ３４０間の相互作用を表している。制御信号を受信すると、第１および第２の典型的鏡面３５５および３６０は、入射光学信号３１５および３２５を受信して反射するようにそれぞれ位置決めされる。第１の典型的鏡面３５５は、第１の典型的鏡面３５５の位置に応じて、両凸光学レンズ３３０の方に３１５ａ’と３１５ｂ’の範囲内で光学信号３１５を送り出す。同様に、第２の典型的鏡面３６０は、第２の典型的鏡面３６０の位置に応じて、両凸光学レンズ３３０の方に３２５ａ’と３２５ｂ’の範囲内で光学信号３２５を送り出す。
【００４４】
両凸光学レンズ３３０は、第１および第２の典型的鏡面３５５および３６０から反射された光学信号を、第２のミラーアレイ３４０の方に送り出す。第１の典型的鏡面３５５について、光学信号３１５が３１５ａ’の経路を取る場合、レンズ３３０は、光学信号３１５ａ’’を形成する。この結果、光学信号３１５ａ’’は、レンズ３３０により、ミラーアレイ３４０上の第３の典型的鏡面３６５の方に送り出される。典型的鏡面３６５は、光学信号３１５ａ’’を受信し、ポート３５０の第１部分の方に送り出される反射光学信号３４５を形成する。代替例において、光学信号３１５が３１５ｂ’の経路を取る場合、レンズ３３０は、ミラーアレイ３４０上の第４の典型的鏡面３７０の方に送り出される光学信号３１５ｂ’’を形成する。典型的鏡面３７０は、光学信号３１５ｂ’’を受信し、ポート３５０の第２部分の方に送り出される反射光学信号３３５を形成する。第２の典型的鏡面３６０について、光学信号３２５が３２５ａ’の経路を取る場合、レンズ３３０は、光学信号３２５ａ’’を形成する。この結果、光学信号３２５ａ’’は、レンズ３３０により、第４の典型的鏡面３７０の方に送り出される。典型的鏡面３７０は、光学信号３２５ａ’’を受信し、ポート３５０の第２部分の方に送り出される反射光学信号３３５を形成する。代替では、光学信号３２５が３２５ｂ’の経路を取る場合、レンズ３３０は、光学信号３２５ｂ’’を形成する。光学信号３２５ｂ’’は、第３の典型的鏡面３６５の方に送り出される。典型的鏡面３６５は、光学信号３２５ｂ’’を受信し、ポート３５０の第１部分の方に送り出される反射光学信号３４５を形成する。なお、ミラーアレイ３２０および３４０上の複数の鏡面ならびに両凸レンズ要素３３０を使用することにより、複数の光学信号をルーティングし得ることは、本明細書の開示に鑑みて当業者には明らかとなるはずである。
【００４５】
図８ＡおよびＢを参照すると、光学信号をルーティングするための光学スイッチング素子４００の断面図が示される。光学素子４００は、第１および第２のポート４１０および４５０の間に複数の光学信号をルーティングする。より詳細には、素子４００は、第１のポート４１０の第１部分から第２のポート４５０の第１部分、そして第２のポート４５０の第２部分から第１のポート４１０の第２部分に光学信号をルーティングする。また、素子４００は、第１のポート４１０の第３部分から第１のポート４１０の第４部分および第２のポート４５０の第３部分から第１のポート４１０の第４部分にも光学信号をルーティングする。
【００４６】
光学スイッチ４００は、第１および第２のミラーアレイ４２０および４４０を光学要素４３０と組み合わせたものである。各ミラーアレイ４２０および４４０には、マトリクス状の反射体または鏡面が設けられている。第１および／または第２のミラーアレイ４２０および／または４４０は、ＭＥＭＳ系ミラーアレイにより実現されてもよい。光学要素４３０は、両面パターン形成の鏡面４３５を埋め込んだ両凸の光学レンズを有する。図８Ｂに示すように、パターン形成された鏡面４３５は、非反射のレンズ部分４３６を反射の鏡面部分４３８と交互に配置した市松状の構成である。反射の鏡面部分４３８は、両面反射式であり、アレイ４２０から発信した典型的な光学信号が反射してアレイ４２０に戻るとともに、アレイ４４０から発信した典型的な光学信号が反射してアレイ４４０に戻る。レンズ部分４３６および反射鏡面部分４３８の寸法は、少なくとも、パターン形成された鏡面４３５の部分４３６または４３８に接近する際の光ビームの寸法に等しいことが好適である。一実施形態において、非反射のレンズ部分４３６および反射の鏡面部分４３８は、それぞれ０．５ｍｍ×０．５ｍｍの寸法である。
【００４７】
両凸光学レンズ４３０は、収束特性を有する。この収束特性により、アレイ４２０と光学レンズ４３０との間隔ならびにアレイ４４０と光学レンズ４３０との間隔が、レイリーレンジＺRおよび変位距離Ｚの計に増大可能である。しかしながら、分離が増大することで、アレイ４２０の鏡面と光学レンズ４３０との間およびアレイ４４０の鏡面と光学レンズ４３０との間で反射される光エネルギーを分散することはない。
【００４８】
以下は、光学信号４１５および４５５をルーティングする際の、第１のミラーアレイ４２０、両凸光学レンズ４３０および第２のミラーアレイ４４０間の相互作用を表している。しかしながら、ミラーアレイ４２０および４４０上の複数の鏡面ならびにレンズ４３０を使用することにより、複数の光学信号をルーティングし得ることは、本明細書の開示に鑑みて当業者には明らかとなるはずである。制御信号を受信すると、ミラーアレイ４２０の第１の典型的鏡面４７５は、光学信号４１５を受信して反射するように位置決めされる。第１の典型的鏡面４７５は、第１の典型的鏡面４７５の位置に応じて、両凸光学レンズ４３０の方に４１５ａ’と４１５ｂ’の範囲内で光学信号４１５を送り出す。光学信号４１５が４１５ａ’の経路を取る場合、光学信号４１５ａ’は、両凸光学レンズ４３０の非反射のレンズ部分４３６を通過し、光学信号４１５ａ’’を形成する。この結果、光学信号４１５ａ’’は、レンズ４３０により、ミラーアレイ４４０の第２の典型的鏡面４９５の方に送り出される。典型的鏡面４９５は、光学信号４１５ａ’’を受信し、制御信号に応答して、ポート４５０の第１部分の方に送り出される反射光学信号４４５を形成するように位置決めされている。代替では、光学信号４１５が４１５ｂ’の経路を取る場合、光学信号４１５ｂ’は、レンズ４３０の鏡面部分４３８で反射され、光学信号４１５ｂ’’を形成する。この結果、光学信号４１５ｂ’’は、レンズ４３０の鏡面部分４３８により、アレイ４２０の第３の典型的鏡面４８０の方に送り出される。典型的鏡面４８０は、光学信号４１５ｂ’’を受信し、制御信号に応答して、ポート４１０の第２部分の方に送り出される反射光学信号４２５を形成するように位置決めされる。
【００４９】
同様に、制御信号を受信すると、ミラーアレイ４４０の第４の典型的鏡面５００は、光学信号４５５を受信して反射するように位置決めされる。典型的鏡面５００は、第４の典型的鏡面５００の位置に応じて、両凸光学レンズ４３０の方に４５５ａ’と４５５ｂ’の範囲内で光学信号４５５を送り出す。光学信号４５５が４５５ａ’の経路を取る場合、光学信号４５５ａ’は、両凸光学レンズ４３０の非反射レンズ部分４３６を通過し、光学信号４５５ａ’’を形成する。この結果、光学信号４５５ａ’’は、レンズ４３０により、アレイ４２０の第３の典型的鏡面４８０の方に送り出される。典型的鏡面４８０は、光学信号４５５ａ’’を受信し、制御信号に応答して、ポート４１０の第２部分の方に送り出される反射光学信号４２５を形成するように位置決めされる。代替では、光学信号４５５が４５５ｂ’の経路を取る場合、光学信号４５５ｂ’は、レンズ４３０の鏡面部分４３８で反射され、光学信号４５５ｂ’’を形成する。この結果、光学信号４５５ｂ’’は、レンズ４３０の鏡面部分４３８により、アレイ４４０の第２の典型的鏡面４９５の方に送り出される。典型的鏡面４９５は、光学信号４５５ｂ’’を受信し、制御信号に応答して、ポート４５０の第２部分の方に送り出される反射光学信号４４５を形成するように位置決めされる。
【００５０】
図示の実施形態を参照して特定の発明を説明してきたが、本記載は、これを限定の意味で解釈されることを意図していない。本発明を説明してきたが、特許請求の範囲に記載される本発明の精神から逸脱しない限り、図示の実施形態の各種変形例ならびに本発明の追加実施形態が、当業者にとって明らかとなることが理解されるであろう。したがって、記載された本発明は、入出力ポート間で光学信号をルーティングする光学スイッチに適用されたが、たとえば液晶素子を含む、電磁界エネルギーを舵取りするビームの関するいずれの装置にも適用可能であることが当業者には明らかとなるはずである。したがって、特許請求の範囲は、本発明の真の範囲に包含されるような変形例または実施形態をいずれか網羅することが想到される。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロ電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）系ミラーアレイの上面図である。
【図２Ａ】ＭＥＭＳ系ミラーアレイを使用した光学スイッチング素子の断面図である。
【図２Ｂ】図２ＡのＭＥＭＳ系ミラーアレイの典型的鏡面の断面図である。
【図３Ａ】本発明の原理を利用した光学スイッチング素子の断面図である。
【図３Ｂ】図３Ａの光学スイッチング素子の典型要素の断面図である。
【図４】本発明の一実施形態の断面図である。
【図５Ａ】本発明の別の一実施形態の断面図である。
【図５Ｂ】本発明の別の一実施形態の断面図である。
【図５Ｃ】本発明の別の一実施形態の断面図である。
【図５Ｄ】本発明の別の一実施形態の断面図である。
【図６】本発明の別の一実施形態の断面図である。
【図７】本発明の別の一実施形態の断面図である。
【図８Ａ】本発明の別の一実施形態の断面図である。
【図８Ｂ】図８Ａの実施形態において使用される要素の断面図である。
【符号の説明】
７０          光学素子
７２          入射光学信号
７２”’      出射信号
７５          ミラーアレイ
８０          曲面反射要素
８２、８４    鏡面
【図１】
0003762215.tif 000006
【図２Ａ】
0003762215.tif 000007
【図２Ｂ】
0003762215.tif 000008
【図３Ａ】
0003762215.tif 000009
【図３Ｂ】
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【図４】
0003762215.tif 000011
【図５Ａ】
0003762215.tif 000012
【図５Ｂ】
0003762215.tif 000013
【図５Ｃ】
0003762215.tif 000014
【図５Ｄ】
0003762215.tif 000015
【図６】
0003762215.tif 000016
【図７】
0003762215.tif 000017
【図８Ａ】
0003762215.tif 000018
【図８Ｂ】
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