JP5558821B2 - 周波数変調構造及び凍結した衝撃波の使用方法 - Google Patents

Description

本発明は光子結晶の分野、および電磁放射周波数の変調のための装置に関する。

広い連続的なダイナミック範囲を有する電磁放射の周波数をシフトする装置を生成することは困難な技術的問題である。この問題を解決する１つの従来の試みはより高い高調波を発生するため非線形結晶を有するレーザを使用することである。しかしながら、発生された周波数は連続的な範囲を有するのではなくディスクリートな高調波ステップである。

問題に取り組む別の試みは周波数のドップラシフトを使用することである。これは周波数の上方または下方への連続的なシフトを生成するが、周波数シフトの限定された範囲について可能にするだけである。さらに、ドップラシフトはその周波数シフトにおいて弁別せず、全ての周波数は同じ量をシフトされる。

電磁放射をシフトする第３の方法は周波数をシフトするために空洞同調を使用することである。しかしながら空洞同調は高価であり、いずれにしても周波数シフトは限定された量しか得られない。

Reel等の米国特許第6,809,856号明細書には、衝撃波が伝播する光子結晶に放射を入力することにより電磁放射の周波数を変調する方法が記載されている。しかしながら光子結晶を通過して衝撃波を伝播させる方法は通常、結晶を破壊し、この方法は一度限りの使用しか適さない。さらに伝播する衝撃波は光子結晶により出力される放射中に不所望な雑音を発生する。

前述の説明から、周波数変調の分野に改良の余地があることが分かる。

本発明の特徴によれば、電磁放射の周波数を変更する方法は、内部に構成された静止した衝撃波を有する光子バンドギャップ構造中で音響パルスを発生し、電磁放射を光子バンドギャップ構造中に入力し、電磁放射を静止した衝撃波に維持しながら音響パルスの作用により電磁放射を変調するステップを含んでいる。

本発明の別の特徴によれば、電磁放射周波数変調装置は静止した衝撃波を有する光子バンドギャップ構造と、その光子バンドギャップ構造に結合された音響パルス発生器とを含んでいる。

前述及び関連する結果を実現するために、本発明は以下十分に説明され、特に特許請求の範囲で指摘されている特性を含んでいる。以下の説明と添付図面は本発明のある例示的な実施形態を詳細に説明している。これらの実施形態は例示であり、本発明の原理を使用することができる種々の方法の幾つかに過ぎない。本発明の他の目的、利点、優れた特徴は添付図面を伴って考慮するとき本発明の以下の詳細な説明から明白になるであろう。

本発明の１実施形態による周波数変調装置の概略図。 図１の装置の光子バンドギャップ構造の概略図。 本発明の別の実施形態による熱シグナチャ放射を変調する装置の概略図。 周波数変調装置に縦続する光子バンドギャップ構造を含んでいる本発明のさらに別の実施形態を示す周波数図。

添付図面は実寸大ではない。

電磁放射の周波数を変調するためのシステムおよび方法は光子バンドギャップ構造中の凍結した衝撃波を使用する。凍結された衝撃波構造は、衝撃波として機能し構造内ではその位置をシフトしない格子定数の不連続を提供する。さらに、変調装置または構造は光子バンドギャップ構造の１端部に結合されているピエゾ電気トランスデューサのような音響パルス発生器を含んでいる。この音響パルス発生器は光子バンドギャップ構造中で周期的なパルスを発生するように駆動されることができる。光子バンドギャップ構造中の凍結された衝撃波、欠陥または不連続は入来する電磁放射を位置に保持するために使用される。光子バンドギャップ構造を通過する音響パルスは放射を増加または減少のいずれかでドップラシフトする。周波数シフトされた放射はその後光子バンドギャップ構造の凍結された衝撃波部から排除される。１次元構造では、光子バンドギャップ構造は異なる屈折率を有する材料の交番層から作られることができる。光子バンドギャップ構造の２次元および３次元のバージョンも生成されることができる。

図１を参照すると、周波数変調装置またはシステム10が示されている。この周波数変調装置10は一端で音響パルス発生器14と、反対側の端部で入力／出力構造16と結合されている光子バンドギャップ構造12を含んでいる。光子バンドギャップ構造12は光子バンドギャップ欠陥24の両側に１対の光子バンドギャップ結晶20と22を含んでいる光子バンドギャップファイバであってもよい。

光子バンドギャップ欠陥24は光子バンドギャップ構造12内で凍結された衝撃波26として機能する。凍結された衝撃波はこの用語がここで使用されるとき、衝撃波として動作し、動作中の衝撃波がスナップショットの凍結された時間として観察される場合に移動する衝撃波がもつ特性と類似の特性を有している材料中の固定されたパターンとして規定される。凍結された衝撃波はまた静止した衝撃波とも呼ばれる。凍結された衝撃波26はこれが光子バンドギャップ構造12内で動かないという意味で凍結されている。凍結された衝撃波26は光子バンドギャップ結晶20と22の間のインターフェース28の空間位置で固定された状態である。

図１に示されている１次元構造では、光子バンドギャップ結晶20と22はそれぞれ異なる屈折率を有する材料の交番層で作られている。第１の光子バンドギャップ結晶20は材料の一連の層30で作られており、第２の光子バンドギャップ結晶22は材料の層32で作られている。層30と32は通常光子バンドギャップ結晶20と22との間のインターフェース28に平行である。層30は層32と同じ厚さを有することができる。その代りとして層30は層32よりも薄いか厚くてもよい。

層30と32は異なる屈折率を有する誘電材料の交番タイプから作られることができる。広範囲の種々の適切な誘電材料が使用されてもよいことが認識されよう。シリコンと二酸化シリコンは層30と32の適切な材料の例である。層30と32の厚さは関係する放射の波長にしたがって、広範囲の値のいずれかに設定されることができる。適切な厚さは可視光の１ミクロンの分数の値から赤外線放射の数ミクロンの放射波長程度およびテラヘルツ周波数放射の百ミクロン程度である。

図２は光子バンドギャップ結晶22の間のインターフェース28の領域における光子バンドギャップ構造12の概略図である。欠陥24は光子バンドギャップ結晶20と22の層30と32のパターンの局部的変化であってもよい。第１の光子バンドギャップ結晶20は２つのタイプの交番層、層30aと30bを有する層30を含んでいる。層30aは屈折率ｎ_１を有する第１の材料から作られる。層30bは屈折率ｎ_２を有する第２の材料から作られる。同様に、第２の光子バンドギャップ結晶22は層32aと32bの交番材料の層32を有する。層32aと32bは層30aと30bと同じ材料から作られることができる。広範囲の異なる屈折率の比が所望の光子バンドギャップにしたがって可能であることが認められるが、隣接する層間の屈折率は約２以上の比であることができる。

層30と32は変調されている電磁放射の波長にほぼ等しい大きさを有することができる。光子バンドギャップ欠陥24は異なる厚さを有する層であることができ、パターン30と32に変化を生じ、凍結された衝撃波26を発生する。したがって、格子間隔は光子バンドギャップ欠陥24において変化されることができる。これは光子バンドギャップ構造12の特性にほぼ段階的な不連続を発生するが、ある程度まで、凍結された衝撃波26についての格子勾配のような材料特性は、凍結された衝撃波26のいずれかの面の不連続と異なる値の間で変移する幾つかの曲線または勾配を有することができる。層30と32の材料は金属、ガラス、プラスティック、またはこのような材料の組合せのような広範囲の適切な材料のいずれかであってもよい。

凍結された衝撃波26の領域には材料の１０以上の層が存在することができる。凍結された衝撃波のいずれかの側面の結晶領域は百以上の層のように材料の多数の層を有することが予測される。

光子バンドギャップ欠陥24は入来する電磁放射の上方向または下方向変換のために実効的にダイナミックに圧搾された空洞になる。光子バンドギャップ構造12の格子定数はインターフェース28を横切って変化する。１次元構造では、この格子定数は光子バンドギャップ結晶20と22の層30と32の厚さにより決定される。これは凍結された衝撃波26の両側上にバンドギャップを固定し、生じ得る周波数変調の量を決定する。

音響パルス発生器14は第１の光子バンドギャップ結晶20と接触している。このパルス発生器14は周期的なパルスを第１の光子バンドギャップ結晶20に与える適切な材料を含むことができる。音響パルス発生器14は適切なピエゾ電気材料、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）でよい。周期的な電気パルスまたは信号40は適切な駆動装置36により音響パルス発生器14へ送信されることができる。周期的な信号40はその後、音響パルス発生器14中に周期的な振動を生成し、音響パルス発生器14は次に第１の光子バンドギャップ結晶20に周期的な音響パルス44の送信と伝播を行わせる。周期的な信号40の周波数は所望される出力周波数速度にしたがって任意のまたは広範囲の周波数範囲であってもよい。周期的な信号は例えば１Ｈｚ乃至１ＭＨｚの程度の周波数を有することができる。他の適当な周波数値が使用されることもできることが認められよう。

音響パルス44は圧縮波として光子バンドギャップ構造12を伝播する。音響パルス44が凍結された衝撃波26に到達するとき、凍結された衝撃波26は移動中の衝撃波頭により生じる方法と類似した方法で転移および／または圧縮と減圧を経験する。音響パルス44は凍結された衝撃波26に衝突する電磁放射にドップラシフトするように作用し、入来する電磁放射の周波数を上方または下方にシフトする。

パルス発生器14は音響パルス44を生成するための任意の種々の装置または機構であることができる。例えばレーザパルスは誘電材料中で音響パルスを発生するために使用されることができ、したがってレーザはパルス発生器14として機能できる。種々の機械的装置または機構は光子バンドギャップ構造12中で音響パルス44を発生するために使用されることができる。その例にはオブジェクトによる衝撃、爆発または地震が含まれている。したがってここで使用される装置と方法はセンサのように衝撃、爆発および／または地震を検出するために使用されることができることが認められよう。出力信号は衝撃、爆発または地震により生じる音響パルスと合致した変調について検査されることができる。

概説すると、周波数変調装置10は振動センサとしてまたは振動センサにおいて使用されることができ、振動は種々のソースの任意のものからである。振動自体は周波数変調を光子バンドギャップ構造12で行わせる音響パルス44として作用する。行われる変調の量とタイプの特性は音響パルス44を発生する振動にしたがうことができる。したがって変調された出力信号の検査によって、検出された振動に関する情報を得ることが可能になる。

入力／出力構造16は電磁波を伝播する任意の種々の適当な構造であることができる。このような構造の１例は適切なプラスティックまたはシリコン化合物から作られた光ファイバである。入力／出力構造16は任意の種々の適当な方法により第２の光子バンドギャップ結晶22に取り付けられることができる。

変調装置またはシステム10の一般的な動作について説明する。電磁放射の入力信号50は第２の光子バンドギャップ結晶22を通って入力／出力構造16から（光子バンドギャップ結晶20と22の間のインターフェース28における）光子バンドギャップ欠陥24の凍結された衝撃波26へ進行する。入来する電磁放射50は２つの領域の光子バンドギャップにより制御された時間期間に凍結された衝撃波26で捕捉され保持される。構造12のバンドギャップの下部から光子バンドギャップ12の上部へまたはその逆方向のように、電磁放射の周波数も変更される。光子バンドギャップ構造12における周波数変換の量は、層30と32の厚さおよび／または組成を変化する等によりバンドギャップサイズを調節して同調されることができる。音響パルス44により生じるドップラシフトはまた凍結された衝撃波26で生じる周波数シフトに影響する。音響パルス44の周波数の変化は周波数シフトの量に影響する。入力信号50の帯域幅はさらに凍結された衝撃波26内で増加または減少されることもできる。

音響パルス44は、放射がもはやバンドギャップ欠陥により制限されなくなるまで、即ち放射が出力される電磁放射52として排出されるときに、電磁放射の周波数を増加させる。凍結された衝撃波26と音響パルス44の組合された作用は入来する電磁放射50の変調と、出力される電磁放射52としての放射の排出を生じさせる。出力される放射52は入来する電磁放射50の周波数からシフトされた周波数を有する。この周波数のシフトはバンドギャップサイズにしたがって、例えば入来周波数の約１５−２０％程度である。

出力された放射52はまた周波数の簡単なシフト以外の方法で変調されることもできる。これは入来する放射50の周波数範囲に関して出力される放射52の周波数範囲を狭めるか広くする役目を行うことができる。したがって狭い帯域の放射は広い帯域の放射へ変換されることができ、その逆も可能である。

前述の装置10と方法20の別の可能な使用は、複数のオブジェクトからの複数の熱シグナチャ放出を変調することである。複数のオブジェクトの熱シグナチャ、即ち、所定の温度と組成を有するオブジェクトにより自然に発せられた放射の複数の波長を変更することが望ましい場合があることが認識されよう。熱シグナチャを変更することは、例えば赤外線（ＩＲ）検出方法によるオブジェクトの検出をより難しくする。プランク放射が装置10への入力電磁放射として使用されるならば、装置10は入力放射のスペクトルを圧縮しシフトし、これは熱シグナチャの制御に有用であり得る。

図３は熱シグナチャ放射を変調するための装置10の使用を示している。プランクエネルギ60、即ち、オブジェクトから発生された熱エネルギは入力電磁放射である。これは装置10によって狭い帯域の出力電磁放射62へ変調される。熱ＩＲ放射を放射する表面構造は実時間で放射された放射線を変調するために装置10の概念を使用する装置で被覆されることができる。凍結された衝撃波を含む材料は構造的材料の表面の一部であってもよい。

電磁放射のスペクトルの圧縮において、高い周波数放射はその周波数を相対的に変更されていない状態にすることができる。低い周波数放射はその周波数を、高い周波数放射の周波数程度までより上方にシフトさせることができる。

２以上の周波数変調装置10はより大きい周波数シフト量を得るために（直列結合で）共に縦続されることができる。装置10は１つの装置から出力された電磁放射が第２の装置の入力電磁放射になるように共に結合されることができる。この縦続は単一の装置を使用して可能であるよりも大きい周波数シフトを得ることを可能にする。さらに、共に縦続接続された多数の装置は電磁放射の周波数帯域幅を狭め、あるいは広げるような、他のタイプの周波数変調でより大きいフレキシブル性を可能にする。テラヘルツ（ＴＨｚ）レベルへの周波数シフトはこのような縦続により実現可能である。

凍結された衝撃波装置の縦続が図４に示されており、ここでは縦続システム80は１対の光子バンドギャップ結晶構造82と84を含んでおり、これは前述の光子バンドギャップ構造12（図１）に構造が類似してもよい。レーザのような電磁放射源88からの入力電磁放射信号86は増加された周波数の中間信号90を発生するために第１の光子結晶82により変調される。この中間信号90はその後、第２の光子結晶構造84中へ導入され、この光子結晶構造84はさらに周波数を出力信号92の周波数へ増加する。

縦続システム80で示されているような縦続は３以上の段を含むことができ、出力信号のより大きな操作（出力信号の周波数のより大きな増加または減少等）を可能にすることが認識されよう。種々の音響パルスのタイミングは縦続システムの各付加的なレベルにおいて入力信号の到着と一致するように制御されることができる。

ここで説明した構造及び方法は光信号の広範囲の機会変調を生成することが認められるであろう。

装置及び方法を１次元周波数変調に関して前述した。装置及び方法は適切な変形により２次元及び３次元構造に応用可能であることが認識されるであろう。例えば中心の凍結された衝撃波を有する球形構造が構成されることができる。

本発明をある実施形態または複数の実施形態に関して示し説明したが、この明細書と添付図面を読み理解した上で、等価の変更および変形が当業者により行われることは明白である。特に前述の素子（コンポーネント、アセンブリ、装置、組成等）により行われる種々の機能に関して、このような素子を説明するために使用される用語（「手段」の参照を含む）はここで示された本発明の例示的な実施形態の機能を行う説明された構造に構造的には等価でなくても、他に指示がなければ、説明した素子の特定された機能を行う（即ち機能的に等価である）任意の素子に対応する。さらに、本発明の特定の特徴を１以上の幾つかの示された実施形態だけに関して前述したが、このような特徴は任意の与えられたまたは特別な応用で所望であり有効であるように、他の実施形態の１以上の他の特性と組み合わせられることができる。さらに、特許請求の範囲に関して、種々の請求項で述べられている特徴はこれらが同じ実施形態に関してここで説明されているか否かにかかわらず、これらが同じ請求項または一連の請求項の特徴として述べられていなくても、実施可能な最大の範囲まで組合せ可能であると考えられる。
以下に、本願出願時の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］内部に構成された静止した衝撃波（26）を有する光子バンドギャップ構造（12）中で音響パルス（44）を発生し、
電磁放射を光子バンドギャップ構造に入力し、
電磁放射を静止した衝撃波に維持しながら音響パルスの作用によって電磁放射を変調するステップを含んでいる電磁放射の周波数を変更する方法。
［２］変調は電磁放射の周波数帯域を狭めることを含んでいる前記［１］記載の方法。
［３］前記発生するステップは光子バンドギャップ構造に結合されているピエゾ電気材料（14）による音響パルスの発生を含んでいる前記［１］または［２］記載の方法。
［４］前記入力するステップは光子バンドギャップ構造に結合されて動作するオブジェクトからの熱放射の入力を含み、
前記周波数の変更する方法はオブジェクトの熱シグナチャを変更する方法の少なくとも一部である前記［１］乃至［３］のいずれか１つに記載の方法。
［５］前記変調はそれぞれ静止した衝撃波を有する１以上の付加的な光子バンドギャップ構造へ電磁放射を通過することにより電磁放射を変調し、光子バンドギャップ構造は直列に結合されている前記［１］乃至［４］のいずれか１つに記載の方法。
［６］静止した衝撃波を有する光子バンドギャップ構造と、
光子バンドギャップ構造に結合されている音響パルス発生器（14）とを具備している前記［１］乃至［５］のいずれか１つに記載の方法を実行するための電磁放射周波数変調装置（12）。
［７］光子バンドギャップ構造は１次元構造であり、
光子バンドギャップ構造は異なる屈折率の材料の交番層（30と32）を含み、
静止した衝撃波は層において不連続（24）である前記［６］記載の装置。
［８］音響パルス発生器は光子バンドギャップ構造に接続されているピエゾ電気材料を含んでいる前記［６］または［７］記載の装置。
［９］さらに光子バンドギャップ構造に接続されている光ファイバ（16）を具備し、
音響パルス発生器と光ファイバは光子バンドギャップ構造の対向するそれぞれの端部に接続されている前記［６］乃至［８］のいずれか１つに記載の装置。
［１０］光子バンドギャップ構造は多次元構造である前記［６］記載の装置。
［１１］さらに付加的な静止した衝撃波を含む付加的な光子バンドギャップ構造を具備し、
その光子バンドギャップ構造は入力電磁放射の周波数を変調するために逐次的に動作するよう直列に結合されている前記［６］乃至［１０］のいずれか１つに記載の装置。

Claims (11)

1. 電磁放射の周波数を変更する方法であり、前記方法は、
   内部に形成された欠陥（26）を有する光子バンドギャップ構造（12）中で音響パルス（44）を発生するステップと、
   電磁放射を前記光子バンドギャップ構造に入力するステップと、
   前記入力された電磁放射を前記欠陥に維持しながら、前記欠陥における前記音響パルスの作用によって前記電磁放射を変調するステップとを具備する、方法。
2. 前記変調するステップは前記電磁放射の周波数帯域を狭めることを含んでいる請求項１記載の方法。
3. 前記発生するステップは前記光子バンドギャップ構造に結合されているピエゾ電気材料（14）による音響パルスの発生を含んでいる請求項１または２記載の方法。
4. 前記入力するステップは光子バンドギャップ構造に結合されて動作するオブジェクトからの熱放射を入力するステップを含み、
   前記周波数を変更する方法は、前記オブジェクトの熱シグナチャを変更する方法の少なくとも一部である請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記変調するステップは前記欠陥を有する光子バンドギャップ構造へ電磁放射を通過させることにより前記電磁放射を変調し、前記変調された電磁放射を前記光子バンドギャップ構造と直列に結合された１以上の付加的な光子バンドギャップ構造へ通過させることにより前記変調された電磁放射を、さらに変調させる、請求項１乃至４のいずれか１項記載の方法。
6. 欠陥を有する光子バンドギャップ構造と、
   前記光子バンドギャップ構造に結合されている音響パルス発生器（14）とを具備している請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法を実行するための電磁放射周波数変調装置（12）。
7. 前記光子バンドギャップ構造は１次元構造であり、
   前記光子バンドギャップ構造は異なる屈折率の材料の複数の交番層（30と32）を含み、
   欠陥は前記複数の交番層において不連続（24）である請求項６記載の電磁放射周波数変調装置。
8. 前記音響パルス発生器は前記光子バンドギャップ構造に接続されているピエゾ電気材料を含んでいる請求項６または７記載の電磁放射周波数変調装置。
9. さらに前記光子バンドギャップ構造に接続されている光ファイバ（16）を具備し、
   前記音響パルス発生器と前記光ファイバは前記光子バンドギャップ構造の対向するそれぞれの端部に接続されている請求項６乃至８のいずれか１項記載の電磁放射周波数変調装置。
10. 前記光子バンドギャップ構造は多次元構造である請求項６記載の電磁放射周波数変調装置。
11. 欠陥を含む１つ以上の付加的な光子バンドギャップ構造をさらに具備し、
    前記１つ以上の付加的な光子バンドギャップ構造は、前記光子バンドギャップ構造で変調された電磁放射を、前記１つ以上の付加的な光子バンドギャップ構造へ通過させ、前記変調された電磁放射の周波数を、さらに変調するように直列に結合されている請求項６乃至１０のいずれか１項記載の電磁放射周波数変調装置。

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