DE112006000484T5

DE112006000484T5 - Elektromagnetisches Gerät mit integraler nicht-linearer Komponente

Info

Publication number: DE112006000484T5
Application number: DE112006000484T
Authority: DE
Inventors: Daniel W. Encino Hillis; Nathan P. Medina Myhrvold; Clarence T. Bellevue Tegreene; Lowell L. Livermore Wood jun.
Original assignee: Searete LLC
Current assignee: Searete LLC
Priority date: 2005-02-28
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2008-01-10
Also published as: US20090321620A1; KR101308234B1; US7952061B2; US7555217B2; US20060239688A1; KR20070114182A; GB0717033D0; US7825364B1; WO2006094081A2; WO2006094081A3; US20100270460A1; US7957648B2; GB2439228A; GB2439228B; US20100232810A1

Abstract

Eine elektromagnetisch antwortende Vorrichtung, umfassend:
a. mindestens ein Antennenelement, das in der Größe angepasst ist, um mit elektromagnetischer Energie bei mindestens einer optischen Frequenz wechselzuwirken; und
b. mindestens ein nicht-lineares elektrisches Element, welches Bestandteil des Antennenelements ist.

Description

Die vorliegende Anmeldung ist verwandt mit, beansprucht das frühest mögliche effektive Anmeldedatum von (zum Beispiel beansprucht die frühest möglichen Prioritätsdaten für andere als provisorische Patentanmeldungen; beansprucht Vorteile nach 35 USC § 119 (e) für provisorische Patentanmeldungen) und schließt durch Bezug in ihrer Gänze den gesamten Gegenstand der folgenden gelisteten Anmeldung(en) ein (die „verwandten Anmeldungen") in dem Grad wie ein solcher Gegenstand nicht hiermit inkonsistent ist; die vorliegende Anmeldung beansprucht auch die frühest möglichen effektiven Anmeldedatum(en) von und beinhaltet auch durch Bezugnahme in ihrer Gänze die gesamten Gegenstände von irgendeiner und allen Stammanmeldungen, Stammanmeldungen der Stammanmeldungen etc. der verwandten Anmeldung(en) in dem Grad, dass ein solcher Gegenstand nicht hiermit inkonsistent ist. Das US-Patentamt (USPTO) hat eine Notiz veröffentlicht mit dem Inhalt, dass die Computerprogramme des USPTO es erfordern, dass Patentanmelder sowohl auf eine Seriennummer Bezug nehmen als auch anzeigen, ob eine Anmeldung eine Fortsetzung oder eine teilweise Fortsetzung ist. Der vorliegende Patentanmelder hat unten einen spezifischen Bezug auf die Anmeldung(en) angegeben, aus denen Priorität beansprucht wird, wie es das Gesetz vorsieht. Der Anmelder versteht, dass das Gesetz eindeutig ist in seiner spezifischen Referenzsprache und dass es weder eine Seriennummer noch irgendeine Charakterisierung als eine „Fortsetzung" oder „teilsweise Fortsetzung" fordert. Trotzdem versteht der Anmelder, dass die Computerprogramme des USPTO bestimmte Dateneintragungsanforderungen haben und deswegen bestimmt der Anmelder die vorliegende Anmeldung als eine teilweise Fortsetzung ihrer Stammanmeldung, aber weist ausdrücklich darauf hin, dass solche Bezeichnungen nicht in irgendeiner Weise als irgendein Kommentar und/oder Eingeständnis gewertet werden sollen, ob die vorliegende Anmeldung irgendwelches neues Material zusätzlich zum Material der Stammanmeldung(en) enthält oder nicht.
Verwandte Anmeldungen:

1. Für die Erfüllung der außerhalb des Gesetzes liegenden Anforderungen des USPTO stellt die vorliegende Anmeldung eine teilweise Fortsetzung der US-Anmeldung-Nr. 11/069,593 dar mit dem Titel „optical antenna assembly", die W. Daniel Hillis, Nathan P. Myhrvold, Clarence T. Tegreene und Lowell L. Wood, Jr. als Erfinder nennt, angemeldet am 28. Februar 2005.
2. Für die Erfüllung der außerhalb des Gesetzes liegenden Anforderungen des USPTO stellt die vorliegende Anmeldung eine teilweise Fortsetzung der US-Anmeldung-Nr. 11/263,555 dar mit dem Titel „Multi Wavelength Electromagnetic device", die W. Daniel Hillis, Nathan P. Myhrvold, Clarence T. Tegreene und Lowell L. Wood, Jr. als Erfinder nennt, angemeldet am 31. Oktober 2005.
3. Für die Erfüllung der außerhalb des Gesetzes liegenden Anforderungen des USPTO stellt die vorliegende Anmeldung eine teilweise Fortsetzung der US-Anmeldung-Nr. 11/263,554 dar mit dem Titel „optical antenna with Phase control", die W. Daniel Hillis, Nathan P. Myhrvold, Clarence T. Tegreene und Lowell L. Wood, Jr. als Erfinder nennt, angemeldet am 31. Oktober 2005.
4. Für die Erfüllung der außerhalb des Gesetzes liegenden Anforderungen des USPTO stellt die vorliegende Anmeldung eine teilweise Fortsetzung der US-Anmeldung-Nr. 11/263,540 dar mit dem Titel „Electromagnetic device with frequency downconverter", die W. Daniel Hillis, Nathan P. Myhrvold, Clarence T. Tegreene und Lowell L. Wood, Jr. als Erfinder nennt, angemeldet am 31. Oktober 2005.
5. Für die Erfüllung der außerhalb des Gesetzes liegenden Anforderungen des USPTO stellt die vorliegende Anmeldung eine teilweise Fortsetzung der US-Anmeldung Nr. 11/263,656 mit dem Titel „optical attena with optical reference", die W. Daniel Hillis, Nathan P. Myhrvold, Clarence T. Tegreene und Lowell L. Wood, Jr. als Erfinder nennt, angemeldet am 31. Oktober 2005.

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Antennen und verwandte Komponenten und Systeme bei oder nahe optischen Frequenzen.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer optischen Antennenanordnung, die konfiguriert ist, um optische Energie zu empfangen;
2 ist ein schematisches Diagramm einer anderen Ausführungsform einer optischen Antennenanordnung, die konfiguriert ist, Licht zu emittieren;
3 ist ein verallgemeinertes Querschnittsdiagramm eines Teils einer Ausführungsform einer optischen Antennenanordnung;
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils einer anderen Ausführungsform einer optischen Antennenanordnung;
5a ist eine isometrische Darstellung eines Teils einer anderen Ausführungsform einer optischen Antennenanordnung, die mit Nanoröhrchen hergestellt wird;
5b ist eine Ansicht von oben von einem der optischen Antennenelemente der optischen Antennenanordnung, die in 5a gezeigt wird;
6 ist eine Ansicht einer Ausführungsform eines Interferenzmusters, das durch eine Mehrzahl von optischen Antennenelementen erzeugt wird;
7 ist eine Ansicht einer anderen Ausführungsform eines Interferenzmusters, das durch die Mehrzahl von optischen Antennenelementen der 6 erzeugt wird, bei welchem jene relative Phase von einem der optischen Antennenelemente verschoben ist;
8 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform des optischen Antennenelements und eines zugehörigen Detektors, bei welchem der Detektor als eine Diode konfiguriert ist;
9 ist eine Seitenansicht einer anderen Ausführungsform des optischen Antennenelements und eines zugehörigen Detektors, bei welchem der Detektor als ein Transistor konfiguriert ist;
10 ist eine Seitenansicht von noch einer anderen Ausführungsform des optischen Antennenelements und eines zugehörigen Detektors, bei welcher der Detektor als eine Schottky-Diode konfiguriert ist;
11 ist eine allgemeine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Oszillatorschaltkreises, der verwendet werden kann, um ein Signal zu erzeugen;
12 ist ein schematisches Diagramm eines Rückkopplungselements;
13 ist eine diagrammatische Darstellung eines Teils einer optischen Antennenanordnung, die separate optische Antennenelemente hat, die positioniert sind, um ein Referenzsignal zu empfangen;
14 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Anordnung von empfangenden optischen Antennenelementen;
15 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Anordnung von erzeugenden optischen Antennenelementen;
16 ist ein schematisches Diagramm einer anderen Ausführungsform von optischen Antennenelementen, einschließend einen Referenz-Erzeuger einer ebenen Wellenform;
17 ist eine Ansicht von oben einer Ausführungsform einer optischen Antennenanordnung;:
18 ist eine Ansicht von oben von einer anderen Ausführungsform einer optischen Antennenanordnung;
19 ist eine Ansicht von oben von noch einer anderen Ausführungsform einer optischen Antennenanordnung;
20 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Streuergeräts einer optischen Antenne;
21 ist eine Ansicht einer Ausführungsform eines Beleuchtungssystems;
22 ist eine diagrammatische Darstellung einer Ausführungsform von Anordnungen von optischen Antennenelementen; und
23 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Anordnung von optischen Antennenelementen gemäß einem Gitter.
Detaillierte Beschreibung
Diese Offenbarung beschreibt eine Anzahl von Ausführungsformen von einer oder mehr optischen Antennenelementen, die in einer optischen Antennenanordnung angeordnet werden können. Die optische Antennenanordnung kann eine Anordnung der optischen Antennenelemente umfassen. Solche Anordnungen von optischen Antennenelementen können in bestimmten Ausführungsformen entweder in einem nicht gleichförmigen oder einem gleichförmigen Muster räumlich angeordnet werden, um die gewünschten Charakteristiken der optischen Antennenanordnung zu liefern und/oder Licht zu erzeugen oder zu empfangen, das eine gewünschte Antwort hat. Die Konfiguration der Anordnungen von optischen Antennenelementen innerhalb der optischen Antennenanordnung kann die Form, die Stärke, den Betrieb und die Charakteristiken der Wellenform beeinflussen, die durch die optische Antennenanordnung empfangen oder erzeugt wird.
Optische Antennenelemente können konfiguriert werden, um entweder Licht zu erzeugen oder zu empfangen. Tatsächlich kann die physikalische Struktur eines erzeugenden optischen Antennenelements identisch zu jener eines empfangenden optischen Antennenelements sein. Demnach kann ein einzelnes optisches Antennenelement oder eine Anordnung von solchen Elementen verwendet werden, um Licht zu erzeugen und/oder zu empfangen. Diese Offenbarung umfasst dabei eine Beschreibung der Struktur oder der zugehörigen Charakteristiken einer Anzahl von Ausführungsformen von erzeugenden und empfangenen optischen Antennenanordnungen. Die empfangende optische Antennenanordnung, wie mit Bezug auf 1 beschrieben, arbeitet, um empfangenes Licht (des sichtbaren oder nahezu sichtbaren Spektrums) in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Das er zeugende Antennenelement wandelt, wie mit Bezug auf 2 beschrieben, ein elektrisches Signal in entsprechendes erzeugtes Licht um.
Innerhalb dieser Offenbarung zeigt der Begriff „optisch", wie er in der Bezeichnung „optische Antenne" angewandt wird, an, dass die Antenne Energie erzeugt oder empfängt oder anderweitig mit Energie wechselwirkt bei oder nahe optischen Frequenzen. Dieses Licht und/oder Energie kann in/aus elektrischen Signalen umgewandelt werden, die entlang leitenden oder ähnlichen Pfaden transportiert werden können. Die fundamentale Physik solcher optischen Antennenelemente kann deswegen sich auf die Umwandlung von Energie zwischen elektromagnetischen Wellen verlassen, die sich durch ein Medium wie Luft oder Vakuum ausbreiten und elektrische Signale, die entlang eines elektrisch leitfähigen oder ähnlichen Weges und/oder umgekehrt laufen. Eine Anzahl von Publikationen, die sich auf Nanostrukturen beziehen, werden in der Publikation beschrieben „Nano optics publication 1997 to 2005" gedruckt am 22. Dezember 2004; S.1 bis 7; Nano optics publications; im Web: http//nanooptics.uni-graz.at/ol/ol_publi.html.
Anwendungen für optische Antennenanordnungen umfassen, aber sind nicht darauf begrenzt, Kameras, Teleskope, Beamformer, Solarzellen, Detektoren, Projektoren und Lichtquellen.
In dieser Offenbarung beziehen sich die Begriffe „sichtbares" oder „optisches Licht" oder einfach „Licht" auch auf „nahe sichtbares" Licht so wie das nahe Infrarot, Infrarot, ferne Infrarot und das nahe und das ferne ultraviolette Spektrum. Darüber hinaus können viele Prinzipien auf viele Spektren von elektromagnetischer Strahlung ausgeweitet werden, bei denen das Verfahren, elektronische Komponenten oder andere Faktoren nicht den Betrieb bei solchen Frequenzen ausschließen, einschließlich Frequenzen, die außerhalb von Bereichen liegen, die typischerweise als optische Frequenzen betrachtet werden.
Innerhalb dieser Offenbarung ist der Begriff „regelmäßig", wenn er sich auf eine Mehrzahl oder einer Anordnung von optischen Antennenelementen bezieht, nicht auf einen im Wesentlichen gleichen Abstand zwischen oder innerhalb verschiedener Komponenten begrenzt. Vielmehr kann ein regelmäßiger Abstand an Befestigungspunkten oder anderen Orten der Komponenten erfüllt sein, die sich nicht parallel zueinander erstrecken. Außerdem kann die Abmessung von individuellen Komponenten klein in vielen Ausführungsformen sein, und kleinere Abweichungen von der exakten Platzierung oder Trennung können noch als regelmäßig betrachtet werden. Weiterhin kann sich regelmäßig auf Abstände, Merkmale, Entfernungen oder andere Aspekte von individuellen oder Gruppen von Komponenten beziehen.
Ähnlich fordert der Begriff „gleichförmig" keine exakte Gleichförmigkeit der Größe, der Merkmale, des Abstands, der Verteilung oder anderer Aspekte, die als gleichförmig betrachtet werden können. Das Verändern einer Konfiguration von optischen Antennenelementen durch Reduzieren der Wahrscheinlichkeit von optischen Antennenelementen, sich dort zu formen, das Bilden von kürzeren optischen Antennenelementen in einer besonderen Bereich, das Entfernen von optischen Antennenelementen aus einem besonderen Gereicht etc. kann den Effekt des Änderns von optischen Charakteristiken der optischen Antennenanordnung haben.
Um Licht effizient zu erzeugen oder zu empfangen, sind die effektiven Längen der optischen Antennenelemente normalerweise gleich einem ganzzahligen Vielfachen einer Viertelwellenlänge des erzeugten oder empfangenen Lichts (λ/4). Die physikalische Längenabmessung von Einzelwellenlänge-Versionen der optischen Antennenelemente kann ungefähr gleich der effektiven Wellenlänge des erzeugten oder empfangenen Lichts sein. Wegen der genauen Wellenlänge von vielen der relevanten Bereiche des Lichts können viele Ausführungsformen der optischen Antennenelemente hergestellt werden, um präzise zu sein (zum Beispiel innerhalb der Mikro- oder Nanoskala) und es trotzdem erlauben, dass die Antennenelemente mit der elektromagnetischen Strahlung koppeln, die bei einer ähnlichen Lichtwellenlänge auftritt wie innerhalb des sichtbaren Spektrums.
In einigen Fällen können optische Antennenanordnungen (einschließlich jener, die konfiguriert sind, um Licht zu empfangen und/oder Licht zu erzeugen) konstruiert werden, um eine Vielzahl von Effizienzen zu liefern, größtenteils basierend auf der Kohärenz von Licht, das durch mehrere eingeschlossene optische Antennenelemente und Kohärenzen erzeugt wird. Licht aus vielen Kohärenz erzeugenden oder empfangenden optischen Antennenelementen kann in Phase sein in einer Anzahl von Orten oder bei verschiedenen Winkelbereichen. In solchen Konfigurationen kann seine Wellenamplitude sich kohärent an einer oder mehrere Orten oder Winkeln addieren oder interferieren relativ zu der Anordnung der optischen Antennenelemente. In anderen Anwendungen kann es wünschenswert sein, eine optische Antennenanordnung zu konfigurieren, um Licht zu erzeugen, das aus der Phase ist an einer oder mehrer räumlichen Stellen oder Winkelbereichen relativ zu der optischen Antennenanordnung und deswegen im Wesentlichen inkohärentes Licht oder teilweise kohärentes Licht an einigen oder allen räumlichen Stellen oder Winkelbereichen relativ zu der Anordnung zu erzeugen oder zu empfangen.
Die Beziehung zwischen zwei benachbarten optischen Antennenelementen, wie sie in einer Antennenanordnung existieren, wird hier beschrieben, um anzuzeigen, wie das Licht von Reihen von optischen Antennenelementen konstruktiv oder destruktiv interferiert. Diese konstruktive und destruktive Interferenz ist oft relevant für solche Probleme einer optischen Antennenanordnung wie Wellenphasen, Beamforming und Strahllenken (beam steering), wie in dieser Offenbarung beschrieben. Die Beziehung zwischen den beiden benachbarten optischen Antennenelementen kann im Prinzip zu entweder gleichförmigen oder nicht gleichförmigen Anordnungen ausgedehnt werden, abhängig von der gewünschten Wellenform. Darüber hinaus, während solche Prinzipien für den Betrieb, das Verständnis und/oder die Charakteristiken von vielen Ausführungsformen relevant sein kön nen, kann eine Vielzahl von anderen Konstruktionsprinzipien in solchen Konstruktionen und/oder Analysen verwendet werden.
Licht, das erzeugt oder empfangen wird von Paaren von nah beieinander liegenden erzeugenden optischen Antennenelementen oder nah beieinander liegenden empfangenden optischen Antennenelementen kann an einer Anzahl von Orten relativ zu den optischen Antennenelementen destruktiv interferieren, und Licht kann an anderen räumlichen Orten konstruktiv interferieren. Daher können die jeweiligen erzeugenden oder empfangenden optische Antennenelemente Licht von einer oder mehr räumlichen Stellen oder Winkelbereichen erzeugen oder empfangen. Die relativen Phasenbeziehungen des Lichts, das durch das optische Antennenelement erzeugt wird oder empfangen wird, bestimmt zu großen Teilen jene räumlichen Stellen relativ zu der Anordnung, an denen das kombinierte optische Signal größtenteils in Phase ist und deswegen die Amplitude der kombinierten. Signale aus der Anordnung von optischen Antennenelementen beiträgt, um die höchste Intensität an jedem Punkt entlang dieses Bereichs der Wellenform zu haben. Destruktive Interferenz zwischen benachbarten Paaren von optischen Antennenelementen kann eine reduzierte Amplitude oder Gain in entsprechenden Bereichen erzeugen.
Das Anpassen der relativen Phasen der erzeugenden oder empfangenden optischen Antennenelemente kann Gain entlang entsprechenden Pfaden relativ zu der optischen Antennenanordnung steuern, bei der das Licht erzeugt oder empfangen wird. In einigen Anwendungen können die Phasen gesteuert werden, um einen relativ hohen Gain entlang eines begrenzten Bereichs von Richtungen zu erzeugen. In einem ausstrahlenden Fall kann dieser Prozess als „Beamforming" bezeichnet werden. Ein zugehöriger Prozess beinhaltet dass Ändern der Richtung des Gains. Dieser Prozess kann als „Strahllenken (beamsterring)" bezeichnet werden. Viele Ausführungsformen der optischen Antennenanordnung können phasenverschobende Anordnungen von optischen Geräten sein, die Beamformig- und/oder Strahllenkungs-Techniken verwenden.
In vielen Ausführungsformen umfasst eine optische Antennenanordnung 100, wie mit Bezug auf die beiden 1 und 2 beschrieben, eine Anzahl von optischen Antennenelementen 102, die in einer im Wesentlichen ebenen Anordnung angeordnet werden können, um die optische Antennenanordnung 100 zu bilden, obwohl die Strukturen, Verfahren und Systeme, die hier beschrieben werden, nicht auf Ausführungsformen beschränkt sind, die ebene oder im wesentlichen ebene Anordnungen haben. Die Anordnung von optischen Antennenelementen 102 kann entweder regelmäßig oder unregelmäßig sein und kann zweidimensional oder dreidimensional sein. In einem Zugang kann eine dreidimensionale Anordnung durch das Aufeinanderstapeln von zwei oder mehr zweidimensionalen Anordnungen erreicht werden. Die Anordnung der Antennenelemente und die Konfiguration von individuellen optischen Antennenelementen kann variiert werden gemäß den hier beschriebenen Prinzipien, um eine Vielzahl von Frequenzbereichen Strahlmustern oder anderen Betriebseigenschaften zu erzeugen.
Beispiele von empfangenden optischen Antennenanordnungen
Dieser Teil der Offenbarung beschreibt eine Anzahl von Ausführungsformen einer empfangenden optischen Antennenanordnung, wie sie mit Bezug auf 1 beschrieben wird. Ein nachfolgender Teil der Offenbarung beschreibt eine Anzahl von Ausführungsformen einer erzeugenden optischen Antennenanordnung, wie sie mit Bezug auf 2 beschrieben wird. Verschiedene Ausführungsformen der optischen Antennenanordnung einschließlich der Ausführungsformen gemäß 1 und 2 können entweder in einer empfangenden oder erzeugenden Konfiguration angeordnet werden, wie mit Bezug auf die 1, 2, 3, 4, 5a oder 5b beschrieben wird. Die Relevanz das Anordnungen von optischen Antennenelementen, die gleichförmig oder nicht gleichförmig beabstandet sind, innerhalb der optischen Antennenanordnung wird in dieser Offenbarung beschrieben. Verschiedene Ausführungsformen der Detektor- und Lichtquellenkonfigurationen, durch welche Licht in oder aus elektrischen Signalen übergeht, wird ebenfalls hier beschrieben.
Die optische Antennenanordnung 100, die als ein Empfänger konfiguriert wird, kann auf eine Anzahl von verschiedenen Anwendungen angewendet werden, einschließlich aber nicht darauf begrenzt, einen Lichtdetektor, eine Lichtsensor, eine Kamera etc. Die optische Antennenanordnung 100, die als ein Empfänger konfiguriert ist, umfasst eine Mehrzahl von optischen Antennenelementen 102, die jeweils an einen entsprechenden Phasenanpasser („Φ-Anpasser") 104 über eine jeweilige Leitungsstruktur gekoppelt wird, welche als ein einzelner elektrischer Leiter 105 dargestellt wird. Elektrische Signale können entlang der Leitungsstruktur von dem Φ-Anpasser 104 zu einem Kombinierer 106 entlang laufen.
Ein Fachmann wird erkennen, dass eine Vielzahl von Zugängen zu leitenden Strukturen angemessen sein kann, um Signale zu oder von den Antennenelementen 102 zu transportieren. Ein Beispiel eines Nanoteilchens-Wellenleiters wird im Artikel von J. R. Krenn beschrieben: „Nanoparticle Waveguides Watching Energy Transfer"; News & Views; April 2003; S. 1–2, Band 2; Nature Materials, der hier durch Bezug eingeschlossen wird. Ein Beispiel einer Technik, um Millimeterwellen in einen Mirkometer-Wellenleiter zu „quetschen" wird in dem Artikel beschrieben: A.P. Hibbins, J.R. Sambles; „Squeezing Millimeter Waves into Microns"; Physical Review Letters; 9. April 2004, S. 143904-1/143904-4; Volume 92, Nummer 14; The American Physical Society, hier durch Bezug eingeschlossen. Zusätzliche Referenzen, die hier und weiter unten beschrieben und eingeschlossen sind, analysieren und charakterisieren die Ausbreitung von Energie entlang verschiedenen leitenden Strukturen wie Leitern bei höheren Frequenzen einschließlich jener bei oder nahe optischen Frequenzen und jener, die sich auf die Aufbreitung von Plasmonen entlang von leitenden Strukturen beziehen. Einige von solchen Pfaden können Leiter umfassen, können als ein Halbleiter oder dielelektrisches Material gebildet werden oder können eine Kombination davon umfassen. Darüber hinaus können Materialien, die als Dielektrika oder Leiter bei einer Frequenz charakterisiert werden können, sehr verschieden bei anderen Frequenzen operieren. Das tatsächliche Material, das die elektrischen Signale trägt oder leitet, wird von einer Vielzahl von Faktoren abhängen einschließlich der Frequenz der sich ausbreitenden Energie. Trotzdem der Klarheit der Darstellung für den gegenwärtigen Teil dieser Beschreibung halber werden die verschiedenen leitenden Strukturen diagrammatisch dargestellt und hier als der elektrische Leiter 105 bezeichnet, obwohl der Begriff Leiter nicht als begrenzt auf Materialien aufgefasst werden sollte, die typischerweise als elektrische Leiter bei relativ niedrigen Frequenzen betrachtet werden.
Der Φ-Anpasser 104 für jedes Licht empfangende optische Antennenelement 102 ist fähig zur Anpassung der relativen Phase des elektrischen Signals relativ zu dem Licht, welches als ein Signal empfangen wird, welches am Kombinierer 106 durch jedes besondere optische Antennenelement 102 gebildet wird. Die Φ-Anpasser 104 sind der Klarheit der Darstellung halber diagrammatisch in 1 und 2 dargestellt. Ein Fachmann wird erkennen, dass eine Vielzahl von Strukturen den Φ-Anpasser 104 funktional implementieren kann, einschließlich in einer relativ direkten Implementierung Wellenleiter, welche Materialien aufweisen mit einer festen oder elektrisch steuerbaren effektiven dielektrischen Konstante und/oder optischen Übertragungsdistanzen. Andere verschiedene beispielhafte Ausführungsformen des Φ-Anpassers 104 werden in größerem Detail weiter unten beschrieben werden.
In einem Zugang steuert der Φ-Anpasser 104 die effektive Zeit, die für ein Signal benötigt wird, um von dem besonderen optischen Antennenelement 102 zu dem Kombinierer 106 zu gelangen und demnach die relative Phase eines Signals, das durch den elektrischen Leiter 105 übertragen wird. Durch das Anpassen der relativen Phase des Signals, welches durch jeden der Mehrzahl von Φ-Anpassern 104 läuft, können die relativen Phasen der Signale, die von den optischen Antennenelementen 102 zu dem Kombinierer zugeführt werden, angepasst werden.
In einer Ausführungsform gelangen Signale, die von jedem Φ-Anpasser 104 ausgegeben werden an den Kombinierer 106 für jede empfangende optische Antennenanordnung 100. Ein Φ-Anpasser 104 gehört zu jedem Licht empfangenden optischen Antennenelement 102 und der Φ-Anpasser 104 wird konfiguriert, um die relative Phase des Lichts anzupassen, das erzeugt oder empfangen wird, durch das Wirken als ein festes oder variables Verzögerungselement. Es wird deshalb daran gedacht, dass in einer Ausführungsform jeder Φ-Anpasser 104 als eine Signalverzögerungskomponente konfiguriert werden kann, welche die Dauer, die für ein Signal benötigt wird, um durch den Φ-Anpasser 104 zu gelangen, um einige Prozent der Wellenlänge des Lichts, das durch andere korrespondierende optische Antennenelemente 102 empfangen oder erzeugt wird, verzögert, wodurch die relativen Phasen der Signale, die von den verschiedenen optischen Antennenelementen erzeugt werden, verändert werden. Die Ausführungsformen der empfangenden optischen Antennenanordnung 100, wie mit Bezug auf 1 beschrieben, umfassen den Kombinierer 106, welcher Signale aus verschiedenen optischen Antennenelementen mischt oder anderweitig kombiniert, um ein Output-Signal (nicht gezeigt) zu erzeugen, welches dem Betrag der Lichtenergie entspricht, der beider entsprechenden optischen Wellenlänge von jedem optischen Antennenelement 102 empfangen wird.
Während der Kombinierer 106 diagrammatisch als ein operationeller Block, der an die Φ-Anpasser 104 gekoppelt ist, dargestellt wird, wird ein Fachmann erkennen, dass eine Vielzahl von Konfigurationen die Funktionalität schaffen kann, die durch den Kombinierer realisiert wird. Einige solche Konfigurationen können sogar optische Freiraum- oder Radiowellen-(Radiofrequenz)-Techniken verwenden, um ein Signal zu erzeugen, das eine Funktion der Signale aus den Φ-Anpassern 104 ist. In einigen Konfigurationen kann das Signal eine Kombination der Signale von den Φ-Anpassern 104 sein oder kann eine nichtlineare, Wurzel- oder andere Funktion solcher Signale sein wie eine abwärts gewandelte Wurzelgesetz-Kombination, eine Phasen- oder frequenzmodulierte Version oder sogar eine integrierte Summe solcher Signale.
In einigen Ausführungsformen kann der Kombinierer 106 konfiguriert werden, einen Addier-Schalter, einen Multiplizier-Schalter, einen Misch-Schalter oder eine andere arithmetische Konfiguration zu umfassen, abhängig von der Funktionalität der optischen Antennenanordnung 100. Der Kombinierer kann auch einen Signalverstärker umfassen, der die Signalstärke, die an den Kombinierer 106 angelegt wird, auf ein Niveau (z.B. bei vorbestimmten Frequenzen) verstärkt, welches ausreichend ist, um das Signal zu einem anderen Gerät zu übertragen oder zu einem Bildverarbeiter, der die Information bestimmt, die durch die verschiedenen Signale dargestellt wird. In vielen Ausführungsformen kann der Kombinierer 106 zu einem Computer wie einem Signalverarbeitungssteil eines analogen oder digitalen Computers gehören oder darin integriert sein. Daher funktioniert das Computergerät als ein Signalverarbeiter, um Signale, welche zu dem Licht, das von den verschiedenen optischen Antennenelementen 102 empfangen wird, gehören, zu analysieren, auszuwerten, zu speichern oder anderweitig zu verarbeiten.
In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Computergerät in den Kombinerer 106 integriert sein und in verschiedenen Ausführungsformen kann das Computergerät als ein vollwertiger Computer für allgemeinen Zwecke konfiguriert sein, wie zum Beispiel ein Personalcomputer (PC), ein Laptop oder ein Computergerät in einem Netzwerk. In alternativen Ausführungsformen kann das Computergerät, welches als Teil des Kombinerers 106 enthalten ist, konfiguriert werden als ein Mikroprozessor, Mikrocomputer, ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC), ein gewidmeter, analoger oder digitaler Schaltkreis oder ein anderes solches Gerät. Das Computergerät kann deswegen konfiguriert sein als ein Computer für einen allgemeinen Zweck, ein Computer für einen speziellen Zweck oder irgendeine andere Art von Computer, die konfiguriert ist, um mit der vorliegenden spezifischen Aufgabe umzugehen. In verschiedenen Ausführungsformen umfasst der Kombinerer 106 einen Multiplexer und/oder einen Abwärtswandler, der einen oder mehr Aspekte von Signalen aus einer Vielzahl von optischen Antennenelementen 102 oder einer Vielzahl von Mengen von optischen Antennenele menten 102 kombiniert. Während der Kombinierer 106 Abwärtswandler hier diagrammatisch dargestellt wird, können eine Anzahl von Strukturen oder Materialien als Kombinierer, Multiplexer oder Abwärtswandler arbeiten, typischerweise durch ein nichtlineares oder lineares Mischen von Signalen.
Beispiele von solchen Abwärtswandlern, die bei oder nahe optischen Frequenzen arbeiten, werden beschrieben durch: J. Ward, E. Schlecht, G. Chattopadhhyay, A. Maestrini, J. Gill, F. Maiwald, H. Javadi, und I. Mehde; „Capability of THz sources based an Schottky diode frequency multiplier chains"; 2004 IEEE MTT-S Digest; Januar 2004; S. 1587–1590 J. Ward, G. Chattopadhhyay, A. Maestrini, E. SChlecht; J. Gill, H. Javadi, O. Pukala; F. Maiwald; I. Mehdi; „Tunable All-Solid-State Local Oscillators to 1900 GHz", 22. Dezember 2004, wobei jede von ihnen durch Bezug eingeschlossen werden.
Die ein oder mehr Aspekte der Signale können durch eine Mehrzahl von Frequenzbereichen, eine Mehrzahl von Zeit-Stichproben oder eine Mehrzahl von anderen trennbaren oder unterscheidbaren Merkmalen für die Signale charakterisiert werden, welche von eine Mehrzahl von optischen Antennenelementen in ein einzelnes Signal ausgehen, welches zu einer entfernten Stelle zum Verarbeiten übertragen werden kann, oder alternativ kann das Verarbeiten vor Ort durchgeführt werden. Der Output aus dem Kombinierer 106 kann zu einer entfernten Stelle übertragen werden, wie dies der Fall wäre, wenn die optische Antennenanordnung 100 als ein Teil eines Netzwerkes konfiguriert ist. In verschiedenen Ausführungsformen der optsichen Antennenordnung kann eine Vielfalt von Komponenten stromaufwärts oder stromabwärts des Kombinierers 106 operativ angekoppelt werden, um bei der Bearbeitung oder Übertragung der Datensignale, die durch den Kombinierer erzeugt werden, zu helfen.
Eine andere Ausführungsform eines Abwärtswandlers umfasst einen optischen Abwärtswandler, der wie andere Arten von Abwärtswandlern die Frequenz der Signale verringert. Ein Beispiel eines optischen Abwärtswandlers ist ein optisches Gerät, welches das Signal, welches abwärts gewandelt werden soll mit einem zweiten optischen Signal, welches durch einen zugehörigen Oszillator 107 erzeugt werden kann, mischt. Das Mischen der optischen Signale, um eine Anzeige der Information, die von einem oder mehr Signalen getragen wird, bei einer niedrigeren Frequenz zu erzeugen, ist bekannt. Ein Beispiel eines solchen Mischen bei polyrmerbasierten Materialien wird beschrieben in Yacoubian, et al, E-O Polymer Based Integrated Optical Acoustic Spectrum Analyzer, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 6, No. 5 September/Oktober 2000.
Andere Beispiele von optischen Abwärtswandeln auf heterodyne oder homodyne Weise werden beschrieben durch Yao in Phase-to-Amplitude Modulatouin Conversion Using BRillouin Selective Side Band Amplification, IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 10. Nr. 2, Februar 1998; Hossein-Zadeh und Levi, Presentation at CLEO 2004, 19. Mai 2004, betitelt Self-Homodyne RF-Optical Microdisk Receiver, wobei jedes durch Bezug hier eingeschlossen wird. Andere Zugänge zum Abwärtswandeln und/oder Detektierung werden weiter unten in dieser Beschreibung beschrieben.
Während der Abwärtswandler als eingeschlossen im Kombinierer gezeigt wird, kann der Abwärtswandler zwischen die optischen Antennenelemente 102 und die Φ-Anpasser 104 gestellt werden, kann zwischen die Φ-Anpasser 104 und den Kombinierer 106 gestellt werden oder kann selbst die Φ-Anpasser 104 umfassen. In bestimmten Ausführungsformen kann der Abwärtswandler operativ an den Kombinierer gekoppelt werden, wobei die Frequenz der elektromagnetische Strahlung, welche dem Kombinierer 106 zugeführt wird, auf ein Niveau reduziert wird, das entlang eines elektrischen Leiters ausgebreitet werden kann. In anderen Ausführungsformen wird daran gedacht, dass ein Mischer stromabwärts des Kombinierers 106 angewendet werden kann.
Zurückkommend auf ein allgemeine Beschreibung der Ausführungsform, die in 1 dargestellt ist, zeigt eine Wellenfront 120 eine im Allgemeinen ebene Ori entierung der Lichtwellen an, welche ankommen an und/oder empfangen werden von der jeweiligen empfangenden optischen Antennenanordnung 100. Während die hineinkommende Welle als eben in dieser Beschreibung dargestellt wird wegen der Deutlichkeit der Darstellung, können die Ausführungsformen hier zum Betrieb mit einer Vielfalt von Input-Wellenformaten konfiguriert werden einschließlich nicht kohärenten Wellen und nicht ebenen Wellen. Darüber hinaus ist in dieser Offenbarung der Begriff „eben", wie er auf Wellenformen angewendet wird, nicht auf die strengsten Definition von eben beschränkt und kann auch jede im Wesentliche ebene Oberfläche einschließen einschließlich jener, die nicht einen unendlichen Krümmungsradius haben oder jene, die zum Beispiel kleine Oberflächenunregelmäßigkeiten aufweisen. Für die empfangende optische Antennenanordnung 100 wird die Wellenfront 120 als sich in einer Richtung nach unten bewegend illustriert, wie es durch den Pfeil 124 angezeigt wird.
Die empfangende optische Antennenanordnung 100 wandelt die Lichtenergie der Wellenfront 120 in elektrische Energie um, die sich entlang eines elektrisch leitenden Pfades oder eines signalausbreitenden Pfades fortpflanzt. Die empfangende optische Antennenanordnung 100 kann dabei als ein optischer Meßfühler betrachtet werden, welcher empfangene Lichtenergie in eine verschiedene Form wandelt.
Durch das Anpassen der relativen Verzögerung der verschiedenen optischen Antennenelemente unter Verwendung der Φ-Anpasser 104 kann die Empfindlichkeit, Richtungsabhängigkeit, der Gain oder andere Aspekte der optischen Antennenanordnung 100 kontrolliert variiert werden. In bestimmten erzeugenden Ausführungsformen kann dies eine Beamforming- und/oder strahllenkende Funktion bereitstellen.
In einem Zugang können die Φ-Anpasser 104 auch konfiguriert werden, um selektiv Signale aus ihrem jeweiligen optischen Antennenelement zu blockieren oder zu verringern, wie weiter unten beschrieben werden wird. Demnach können in bestimmten Ausführungsformen die Φ-Anpasser 104 die Licht erzeugenden oder Licht empfangenden Wirkungen eines bestimmten optischen Antennenelements funktional verändern. Das Entfernen (oder Abkoppeln) von bestimmten optischen Antennenelementen aus bestimmten Anordnungen von optischen Antennenelementen kann eine ansonsten regelmäßig beabstandete Anordnung stärker unregelmäßig beabstandet oder schwach besetzt machen. Alternativ kann das Entfernen von bestimmten Elementen den Gain der optischen Antennenanordnung entlang von ausgewählten Pfaden funktional steuern, die Breite der zentralen Strahlungskeule und/oder der seitlichen Strahlungskeule variieren oder andere Charakteristiken verändern, die von der Frequenz abhängen. Konstruktionserwägungen, die sich auf die Anzahl, die Position, den Abstand und andere Aspekte der optischen Antennenelemente beziehen, werden weiter unten beschrieben werden.
In vielen Ausführungsformen der empfangenden optischen Antennenanordnung 100, wie sie mit Bezug auf 1 beschrieben wird, kann jedes der optischen Antennenelemente 102 konfiguriert werden, um Signale zu empfangen, die in Amplitude oder der Phase bei verschiedenen räumlichen Richtungen über die Anordnung variieren. Beispiele schließen ein, aber sind nicht darauf begrenzt, ein Teleskop, eine Kamera, ein Bilddetektor, ein Empfangsteil eines Faxgeräts, einen Kommunikationsempfänger, einen Bildkopierer oder ähnliches.
Andere Ausführungsformen der empfangenden optischen Antennenanordnung können angeordnet werden, um ein im Wesentlichen gleichförmiges Bild über der gesamten Fläche der Anzeige zu empfangen. Beispiele dieser Ausführungsformen schließen ein, aber sind nicht darauf begrenzt, Bewegungsdetektoren, Anwesenheitsdetektoren, Tageszeitdetektoren, Zeitmessdetektoren, die zu Sportveranstaltungen gehören, oder ähnliches. Die besondere Konfiguration der verschiedenen Komponenten wie der Kombinierer kann konstruiert werden, um die Art der Wellenformbilder zu berücksichtigen, die durch die optische Antennenanordnung 100 empfangen werden kann, wie auch die Gleichförmigkeit des Wellenformbildes.
Es wird daran gedacht, dass irgendeine Konfiguration einer solchen optischen Antennenanordnung, die elektrische Signale als Antwort auf empfangenes Licht erzeugt, wie sie durch die enthaltenden Ansprüche beansprucht wird innerhalb des beabsichtigten Umfangs der empfangenden optischen Antennenanordnung liegt.
Beispiele von signalerzeugenden optischen Antennenelementen
2 zeigt ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer erzeugenden optischen Antennenanordnung 100, die konfiguriert wird, um entweder kohärente Lichtenergie oder inkohärente Lichtenergie abzustrahlen. Viele der Komponenten und Techniken, die in dieser Beschreibung mit Bezug auf empfangende optische Antennenanordnungen beschrieben werden, betreffen auch die erzeugenden optischen Antennenanordnungen und umgekehrt. Verschiedene Ausführungsformen der erzeugenden optischen Antennenanordnung 100 können in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet werden, die einschließen, aber nicht darauf begrenzt sind, eine Lichtquelle, eine Anzeige und/oder eine Vielzahl von anderen Anwendungen, die das Richten von Licht auf räumliche Stellen relativ zu jener Anordnung betreffen.
In dieser Offenbarung können die empfangenden und erzeugenden Ausführungsformen der optischen Antennenanordnung 100 mit den gleichen Referenzzeichen versehen werden, da viele Komponenten von beiden Konfigurationen identisch oder ähnlich sein können und in einigen Fällen beide Konfigurationen tatsächlich austauschbar verwendet werden können. Jedoch können bestimmte Komponenten der erzeugenden optischen Antennenanordnung für die verbleibende optische Antennenanordnung (zum Beispiel das Aufweisen einer verschiedenen Schaltung und/oder verschiedenen Wahl von Vorspannungen) verschieden konfiguriert werden, um verschiedene Betriebscharakteristiken bereitzustellen.
Während eine Ausführungsform der optischen Antennenanordnung 100 konfiguriert werden kann, um kohärente Strahlung an bestimmten Stellen zu erzeugen, ähnlich zu einem Laser oder holographischen Geräten, können andere Ausführungsformen der optischen Antennenanordnung inkohärentes Licht erzeugen. Solch eine Lichtquelle könnte ausrichtbar und steuerbar sein, um kohärentes oder inkohärentes Licht zu verschiedenen Zeiten und/oder verschiedenen räumlichen Orten oder entlang ausgewählten Pfaden zu erzeugen. In verschiedenen Ausführungsformen der optischen Antennenanordnung 100 kann die Vielzahl von optischen Antennenelementen 102, die innerhalb der erzeugenden optischen Antennenanordnung 100 eingeschlossen sind, in einer Reihe angeordnet werden. In anderen Ausführungsformen kann die optische Antennenanordnung 100 eine oder eine Anzahl von diskreten optischen Antennenelementen 102 umfassen. Jedes optische Antennenelement 102 kann individuell befestigt oder operativ gekoppelt werden über einen unterschiedlichen Φ-Anpasser 104.
Die Ausführungsform der erzeugenden optischen Antennenanordnung 100, wie sie mit Bezug auf 2 beschrieben wird, umfasst das ein oder mehr optische Antennenelemente 102, entsprechende Φ-Anpasser 104, die elektrischen Leiter 105 und einen Signalteiler 205. Der Signalteiler 205 stellt diagrammatisch eine Komponente oder eine Menge von Komponenten dar, die Signale unter den verschiedenen optischen Antennenelementen 102 verteilen. Jedoch wird ein Fachmann erkennen, dass der Signalteiler 205 tatsächlich Funktionen umfassen kann, wie Signal kombinieren in einigen Ausführungsformen. Zum Beispiel, wie für einige Ausführungsformen hier beschrieben und wie in 2 dargestellt, kann der Signalteiler 205 verschiedene Signale mit Signalen von einem zugehörigen Oszillator 206 kombinieren.
In einer Ausführungsform gibt der Signalteiler 205 ein elektrisches Signal aus, das eine Kombination eines Informationssignals und des Signals aus dem Oszillator ist. Das ausgegebene Signal breitet sich entlang des elektrischen Leiters 105 zu dem Φ-Anpasser 104 aus. Der Φ-Anpasser 104 erzeugt eine phasenangepasste Version des Signals, um das jeweilige optische Antennenelement 102 anzusteu ern. Der Output des optischen Antennenelements 102 korrespondiert daher zu dem Informations- und dem Oszillatorsignal.
Abhängig von der Ausführungsform der erzeugenden optischen Antennenanordnung 100 kann ein variierendes oder konstantes Beleuchtungsniveau über sämtlichen optischen Antennenelementen 102 innerhalb der optischen Antennenanordnung 100 erzeugt werden. Zum Beispiel wenn die optische Antennenanordnung 100 als eine Lichtquelle konfiguriert wird, dann kann jedes der optischen Antennenelemente 102 relativ breitbandiges Licht erzeugen an seinem jeweiligen räumlichen Ort. In anderen Zugängen bezüglich einer Lichtquelle können die optischen Antennenelemente 102 zugeordnet werden, um selektiv Licht in einem oder mehreren engen Bändern oder bei einer oder mehr im wesentlichen diskreten Frequenzen zu erzeugen. Wenn das Licht in einem oder mehr engen Bändern ist, können die optischen Antennenelemente 102 hinreichend einander zugeordnet werden, um kohärente Lichtenergie zu erzeugen.
In verschiedenen Anzeigegerät-Ausführungsformen kann es wünschenswert sein, eine variierende Lichtkonfiguration über die optische Antennenanordnung 100 zu liefern, um ein Bild durch Variieren der Amplitude und/oder Farbe des Lichts von den jeweiligen oder Mengen von optischen Antennenelementen 102 anzuzeigen.
Wenn die optische Antennenanordnung 100 als eine optische Anzeige konfiguriert ist, dann kann die Intensität des Signals von jedem der optischen Antennenelemente 102 auf der Basis eines individuellen Elements oder gemäß einer Gruppierung von Elementen gesteuert werden, um eine steuerbare Beleuchtung an entsprechenden räumlichen Stellen zu liefern. Wenn das Muster der Beleuchtung zu einem ausgewählten Bild gehört, kann die abgestrahlte Lichtenergie eine sichtbare Anzeige erzeugen. In einigen Zugängen können die optischen Antennenelemente 102 konfiguriert werden, Licht bei einer oder mehr sichtbaren Wellenlängen zu erzeugen, sodass das sichtbare Bild direkt sichtbar oder auf einer Bildoberfläche wie einem Schirm oder Diffusor sichtbar sein kann. In anderen Zugängen kann das imitierte Licht bei Frequenzen sein, die nicht direkt für Menschen sichtbar sind und in sichtbares Licht durch Wellenlängenwandlung gewandelt werden. In einem einfachen Zugang zur Wellenlängenwandlung trifft das emittierte Licht auf einen Leuchtstoff, der abhängig von der Konfiguration aufwärts wandelnd oder abwärts wandelnd sein kann, und der Leuchtstoff emittiert sichtbares Licht mit einem Energieniveau, welches zu dem Niveau des emittierten nicht sichtbaren Lichts korrespondiert.
Wenn das vom optischen Antennenelement 102 emittierte Licht kohärent ist, kann der Gain, wie hierin beschrieben, gesteuert werden, um den Strahl-Gain richtungsmäßig zu steuern, um eine Abtaststrahl-Anzeige zu erzeugen.
Wie mit Bezug auf die in 1 dargestellte empfangende Konfiguraion der optischen Antennenanordnungen beschrieben, passen die Φ-Anpasser 104 effektiv die relative Durchlaufzeit für ein Signal (in beiden Richtungen) zwischen dem entsprechenden optischen Antennenelement 102 und dem zugehörigen Signalteiler 205 an. In der erzeugenden Konfiguration der optischen Antennenanordnung 100 kann der Φ-Anpasser 104 dadurch die relative Phase des Lichts ändern, welches durch die entsprechenden erzeugenden optischen Antennenelemente erzeugt wird. Eine solche Phasensteuerung kann es der erzeugenden optischen Antennenanordnung 100 erlauben, als ein Strahllenker und/oder Beamformer zu wirken, um die Richtungen oder den Winkel-Gain relativ zu der Anordnung von optischen Antennenelementen 102 zu steuern.
In der Ausführungsform der optischen Antennenanordnungen 100, wie sie mit Bezug auf 2 beschrieben wird, erzeugt der Oszillator 206 ein elektrisches oder optisches Signal, das an das jeweilige optische Antennenelement 102 geliefert werden kann. Wenn das Signal, das von dem Oszillator 206 erzeugt wird, ein elektrisches Signal ist, kann das Signal das optische Antennenelement 102 direkt ansteuern, oder die Frequenz kann niedriger sein als die, welche von dem opti schen Antennenelement 102 emittiert werden soll. In solchen Konfigurationen kann ein Aufwärtswandler, wie er weiter unten beschrieben werden wird, die Frequenz des elektrischen Signals in die Frequenz des Lichts aus jedem optischen Antennenelement umwandeln. Signale, die von jedem Oszillator 206 ausgegeben werden, können deswegen dem einen oder mehr entsprechenden Φ-Anpassern 104 zugeführt werden, die zu jeder der erzeugenden optischen Antennenanordnung 100 gehören. Jeder Φ-Anpasser 104 kann dann die relative Phase des Lichts anpassen, das durch die entsprechenden optischen Antennenelemente 102 erzeugt werden soll. Daher wirkt jeder Φ-Anpasser 104 als ein variables Verzögerungselement der Signale, die dem optischen Antennenelement 102 zugeführt werden.
Der Signalteiler 205 ist in 2 gezeigt als zugehörig zum Oszillator 206. Einige Ausführungsformen der optischen Antennenanordnung 100 verwenden einen Oszillator 206, um ein Signal zu erzeugen, das sinusförmig sein kann mit einer bestimmten Frequenz, das dann ein Referenz- oder Trägersignal sein kann. Der Oszillator 206 kann in einer Anzahl von verschiedenen Ausführungsformen konfiguriert werden, wie weiter unten mit Bezug auf 11, 12 und 13 beschrieben wird. Es wird betont, dass die verschiedenen Ausführungsformen des Oszillators, wie sie in dieser Offenbarung beschrieben werden, in ihrer Natur illustrativ sind und nicht beabsichtigt sind, einschränkend im Umfang zu sein. Daher können andere Ausführungsformen der Oszillatoren betrachtet werden, dass sie innerhalb des beabsichtigten Umfangs der vorliegenden Offenbarung liegen.
In verschiedenen lichterzeugenden Ausführungsformen wie eine Lichtquelle kann ein einzelner Oszillator 206 ein Signal erzeugen, das sinusförmig ist, welches an ein individuelles, mehrere oder sämtliche optische Antennenelemente 102 innerhalb der optischen Antennenanordnung 100 geliefert werden kann. In alternativen Ausführungsformen wie einer Anzeige kann jede der Reihen der Anzeigebildelemente (Pixel) durch ein oder mehr optische Antennenelemente 102 definiert werden, sodass jedes (oder jede Gruppe von) der optischen Antennenelemente 102 zu einem bestimmten Oszillator 206 gehört. Wenn im Wesentlichen gleichförmige Beleuchtungsniveaus über die mehreren optischen Antennenelemente geliefert werden sollen, können weniger Oszillatoren 206 verwendet werden, die jeweils ein konsistentes Signal an mehrere optische Antennenelemente liefern. In jenen Ausführungsformen der erzeugenden optischen Antennenanordnung 100, die ein im wesentlichen gleichförmiges Lichtniveau über eine gesamte Anordnung verteilen (wie in dem Fall, wenn die erzeugende optische Antennenanordnung 100 als eine Lichtquelle benutzt wird), kann der Signalteiler 205 mit einem Oszillator-Schaltkreis konfiguriert werden, der ein identisches Input-Signal an jedes der erzeigenden optischen Antennenelemente 102 leitet.
Wie oben bemerkt, ist in einigen Zugängen der Strahlteiler 205 funktional konfiguriert, um ein Input-Signal aufzuteilen wie das Informationssignal in zwei oder mehr Output-Signale, die identisch sein können. Jedes der Output-Signale steuert ein entsprechendes erzeugendes optisches Antennenelement 102 an oder kann ein Trägersignal bilden, das mit einem anderen Signal (wie einem Signal aus dem Oszillator 206) kombiniert werden kann, um das entsprechende optische Antennenelement 102 anzusteuern.
Solch eine Ausführungsform kann noch Φ-Anpasser 104 verwenden. In einem Zugang passt jeder Φ-Anpasser 104 die Zeit, um das korrespondierende optische Antennenelement 102 zu erreichen, für das Oszillatorsignal an und demnach die relative Phase jenes optischen Antennenelements. Die Φ-Anpasser 104 in der erzeugenden Konfiguration der entsprechenden optischen Antennenelemente 102 ändern dadurch die Phase des Lichts über die Anordnung der Elemente innerhalb des optischen Antennenanordnung 100. Solch eine Phasensteuerung kann bekannte Techniken, um die effektive Richtung von emittierter Energie für lokalisierte oder Richtungsbeleuchtung zu kontrollieren, verwenden.
Verschiedene Ausführungsformen der erzeugenden optischen Antennenanordnung 100 können einen Aufwärtswandler umfassen, der zu dem Strahlteiler 205 gehört. Der Aufwärtswandler wirkt, um Licht zu einer Frequenz eines empfan genden elektrischen Signals zu überführen, so wie es gemäß dem Informationsinhalt in ein Signal bei optischen Frequenzen moduliert sein kann. Solch ein Aufwärtswandler ist typischerweise ein nichtlineares, Wurzelgesetz- oder ähnliches Gerät, das einen Output produziert, welcher eine Funktion des informationstragenden Signals und eines zweiten Signals wie eines, welches von dem Oszillator 206 geliefert werden kann, ist. Ein Beispiel einer nicht-aktiven Form eines Aufwärtswandlers kann gefunden werden in T. J. Yen, W.J. Padilla, N. Fang, D.C. Vier, D.R. Smith, J.B. Pendry, D.N. Basov, X. Zhang; „Terahertz Magnetic Response from Artificial Materials"; Science Magazine Reports, 5. März 2004; Seiten 1494–1496; Volume 303, welches hierin durch Bezug eingeschlossen wird.
Andere Ausführungsformen der erzeugenden optischen Antennenanordnung 100 umfassen einen Oszillator, der Signale bei optischen Frequenzen direkt erzeugt, wodurch er die Notwendigkeit für einen separaten Aufwärtswandler umgeht.
Es wird auch in verschiedenen Ausführungsformen daran gedacht, dass eine Mischer-Schaltung, ein Multiplizierer, ein nichtlinearer Schaltkreis oder eine andere geeignete Frequenzwandlungskonfiguration die Frequenz des elektrischen Signals aufwärts wandeln oder abwärts wandeln kann, das durch den Signalkombinierer 205 übertragen oder empfangen werden soll, von optischen Frequenzen zu Frequenzen, die einfacher durch konventionelle Schaltungen verarbeitet werden können. Ein Beispiel eines Geräts, welches Oberwellen eines Eingangsignals erzeugt, wird beschreiben im Artikel: S. Takahashi, A.V. Zayats; „Near-field second harmonic generation at a metal tip apex"; Applied Physics Letters; 13. Mai 2002; Seiten 3479–3481; Volume 80, Nummer 19, American Institute of Physics, welcher hier durch Bezug eingeschlossen wird.
Es wird daran gedacht, dass jede Konfiguration einer optischen Antennenanordnung, die Licht als Antwort auf ein empfangenes elektrisches Signal erzeugt, wie sie durch die Ansprüche beansprucht wird, innerhalb des beabsichtigten Umfangs der erzeugenden optischen Antennenanordnung liegen kann.
Beispiele von Herstellungstechniken für eine optische Antennenanordnung
Viele Ausführungsformen der optischen Antennenelemente 112 können winzig (in der Mikro- oder Nanoskala) sein, da sie ähnliche physikalische Abmessungen, wie ganzzahlige Vielfache oder Brüche der Wellenlänge λ des Lichts haben, an welches die optischen Antennenelemente ankoppeln (zum Beispiel λ, λ/2 oder λ/4). Daher wird jedes empfangende oder erzeugende optische Antennenelement 102 wie es mit Bezug auf die jeweilige 1 oder 2 beschrieben wird, konfiguriert, um entsprechend Licht zu empfangen oder Licht zu erzeugen innerhalb des sichtbaren Bereichs wie auch nahe dem sichtbaren Lichtspektrum. Typischerweise sind sichtbare Wellenlängen von der Größenordnung 400–700 nm. In vielen Fällen können Wellenlängen nahe dem sichtbaren Bereich als zwischen 300 nm bis etwa 1900 nm liegend betrachtet werden. Jedoch können andere optische Bereiche anwendbar sein. Zum Beispiel können die hier beschriebenen Prinzipien und Strukturen in einigen Fällen zu wesentlich kürzeren Wellenlängen übertragen werden, wie jene von bekannten photolithographischen Techniken. Solche Wellenlängen. können gegenwärtig in der Ordnung von einigen zig Nanometern, zum Beispiel 40 nm sein, obwohl von zukünftigen Herstellungstechniken erwartet werden kann, dass sie diese zu Bereichen von einzelnen Nanometern oder sogar kleiner reduzieren. Die hier dargelegten Prinzipien sollten auf solche Abmessungen anpassbar sein, indem sie Nanoskala-Effekte berücksichtigen. Ähnlich ist die Grenze der oberen Wellenlänge (untere Frequenz) nicht notwendig auf sichtbare oder nahe sichtbare Wellenlängen beschränkt. Tatsächlich können diese Prinzipien, Strukturen und Verfahren, die hier beschrieben werden, bei Wellenlängen im nahen Infrarot (zum Beispiel ungefähr 700–5000 nm), mittleren Infrarot (zum Beispiel ungefähr 5000 nm–25 μm) oder fernen Infrarot (zum Beispiel ungefähr 25–350 μm) anwendbar sein. Ein Fachmann wird erkennen, dass diese Bereiche näherungsweise gelten. Zum Beispiel wird das obere Ende des mittleren Infrarotbereichs manchmal bei ungefähr 30 oder 40 μm definiert und das obere Ende des fernen Infrarotbereichs wird manchmal bei ungefähr 250 μm definiert.
Ein Viertel-Wellenlänge-optisches-Antennenelement 102 hat eine effektive Länge, die im Wesentlichen ein Viertel der Wellenlänge des empfangenden/erzeugenden Lichts für das zugehörige Medium ist. Ein Halb-Wellenlänge-optisches-Antennenelement 102 hat eine effektive Länge, die im Wesentlichen die Hälfte der Wellenlänge des empfangenden/erzeugten Lichts für das zugehörige Medium ist. Ein Fachmann wird erkennen, dass die Wellenlänge von der Konfiguration und zugehörigen Medien abhängt, einschließlich der effektiven dielektrischen Konstante der Medien, durch welche die Signale sich ausbreiten.
Die individuellen optischen Antennenelemente 102 können in Feldern angeordnet werden, um die optischen Antennenanordnungen zu bilden und demnach können die optischen Antennenelemente innerhalb der Nano- oder Mikroskala hergestellt werden. Es wird deswegen daran gedacht, dass viele Anwendungen einer optischen Antennenanordnung eine große Anzahl von optischen Antennenelementen betreffen, die in einem Feld angeordnet werden. Als solches verwendet ein Herstellungszugang Halbleiterverarbeitungstechniken, um eine Anzahl von Elementen herzustellen, welche ein gut gesteuerte Position und/oder Abmessungen haben.
Solche Herstellungszugänge können in Fällen ausgewählt werden, bei denen es geringe Betriebs- und Konfigurationsvariationen zwischen den individuellen optischen Antennenelementen gibt, obwohl andere Systeme auch solche Techniken verwenden können.
Geeignete Halbleiterverarbeitungstechniken umfassen, aber sind nicht darauf begrenzt, Lithographie (wie Photolithographie, Elektronenstrahllithographie), Nanoröhrchenzüchten, Selbstzusammenbau (self-assembly) oder Herstellung von anderen Nanostrukturen. Andere bekannte Techniken, die verwendet werden können, um große Anordnungen von optischen Antennenelementen herzustellen, können innerhalb des beabsichtigten Umfangs der vorliegenden Offenbarung sein.
Die verschiedenen Ausführungsformen der optischen Antennenanordnung 100 können deswegen als eine optische Antenne betrachtet werden, die Lichtenergie „einfängt" oder „erzeugt", wie mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben. Wie aus der obigen Beschreibung ersehen werden kann, kann die Phasensteuerung der individuellen optischen Antennenelemente es erlauben, dass der Gain der optischen Antennenanordnung unabhängig von konventionellen optischen Fokussier- oder Bearbeitungstechniken definiert werden kann wie solchen mit Linsen oder mit Beugungs-, Brechungs- oder Reflexionselementen einschließlich linkshändigem Material. Jedoch schließen die Prinzipien, Strukturen und Verfahren, die hier beschrieben werden, nicht notwendigerweise den Gebrauch von konventionelleren optischen Fokussier-, Form-, Verfahrens- oder anderen Techniken wie Linsen, Beugungselementen, Phasenplättchen, Filtern, Aperturen, Polarisierern oder anderen konventionellen Komponenten oder Systemen aus.
Die typische Analyse von Photonenabstrahlern oder -empfängern wurde traditionell als ein Bereich der Quantenphysik betrachtet, wie er oft durch die Schrödigergleichung charakterisiert wird. Während eine solche Analyse für viele Aspekte der hier beschriebenen Geräte und Systeme anwendbar sein kann, wird die Konstruktion und die Charakteristiken der optischen Antennenanordnung 100 typischerweise eher eine Maxwellsche Analyse und Konstruktion involvieren. Daher können viele Antennentechniken und -gleichungen, die auf Antennenkonstruktionen, Wellenausbreitungen, Kopplungen und andere Aspekte von Mikrowellen- und andere elektromagnetische Strahlungsspektren zutreffen, relativ direkt auf die Konstruktionen und Systeme angewendet werden, welche hier beschrieben werden. Zum Beispiel können die Konstruktionen, Konzepte und Analyse einer optischen Antennenanordnung Phasenanordnung-Techniken (phase array techniques) für synthetische Aperturen oder andere antennenbezogene Konzepte verwenden, um Energie bei optischen Frequenzen zu detektieren, zu erzeugen, auszurichten oder anderweitig damit wechselzuwirken.
3 zeigt diagrammatisch eine Seitenansicht einer verallgemeinerten Ausführungsform der optischen Antennenanordnung 100, wie sie mit Bezug auf 1 und/oder 2 beschrieben wird. Die optische Antennenanordnung 100 kann hergestellt werden unter Verwendung einer Vielfalt von Halbleiterverarbeitungstechniken oder anderen geeigneten Techniken. In bestimmten Ausführungsformen trägt das Substrat 202 oder der Trägerkörper solche Elemente wie den Φ-Anpasser 104, den Kombinierer 106, den Signalteiler 205 und den Oszillator 206, wie sowohl in 1 als auch in 2 beschrieben, obwohl diese in 3 der Direktheit der Darstellung halber weggelassen werden. In dieser Offenbarung kann der Begriff „trägt" im physikalischen statt im signaltreibenden Kontext auf eine Komponente angewendet werden wie auf das optische Antennenelement, welches an das Substrat 202 individuell befestigt oder operativ gekoppelt ist, im Substrat integriert oder enthalten, operativ gekoppelt an eine intermediäre Struktur, die das optische Antennenelement an das Substrat befestigt oder an irgendeine Art von Anordnung, bei der das Substrat als tragend oder unterstützend betrachtet werden kann. Zusätzlich kann das Substrat 202 in verschiedenen Ausführungsformen beträchtlich verschieden von konventionellen Halbleitersubstraten konfiguriert werden. Zum Beispiel können Materialien wie Polymere, Metalle, Gummi, Glas oder Mineralien das Substrat bilden, das die optischen Antennenelemente trägt. Zusätzlich kann in bestimmten Ausführungsformen eine Art von Feld verwirklicht werden, um das optische Antennenelement in der Position bezüglich zueinander zu halten, zusätzlich zu oder unabhängig von der physikalischen strukturellen Unterstützung.
Das Substrat kann auch zusätzliche Komponenten in einigen Konfigurationen umfassen wie Aufwärtswandler, Abwärtswandler, Mischer und/oder Entmischer, welche mit Bezug auf bestimmte Figuren beschrieben werden. Eine Reihe von optischen Antennenelementen 102 kann hinter oder neben jedem optischen Antennenelement 102, das in 3 gezeigt wird, positioniert werden, wodurch eine zweidimensionale Anordnung von optischen Antennenelementen 102 gebildet wird.
Wenn die Elemente 102 in einer relativ zueinander gestapelten Anordnung positioniert werden können, können mehrere Substrate oder ein oder mehrere Schichten, die auf den Substraten gebildet werden, welche jeweils eine zweidimensionale Anordnung von optischen Antennenelementen enthalten, in festen oder variablen Positionen relativ zueinander positioniert werden. In einigen Fällen können die zweidimensionalen Anordnungen durch variables Beabstanden zwischen den Reihen von optischen Antennenelementen 102 oder andere nicht gleichförmige Anordnungen erhalten werden. Solche zweidimensionalen Anordnungen können gestapelt, gelegt, gebildet oder anderweitig zusammengebaut oder hergestellt werden mit einer gestapelten, geschichteten oder anderen dreidimensionalen Anordnung, um eine dreidimensionale Anordnung von optischen Antennenelementen zu bilden. Solch dreidimensionalen Anordnungen können verwendet werden für eine Vielfalt von Zwecken zum Beispiel als eine Gruppe von kooperierenden, optischen Antennenelementen.
In anderen Anwendungen können ein oder mehrere Schichten von optischen Antennenelementen als ein Referenzwellenform-Erzeuger arbeiten. Die Referenzwelle kann ein antreibendes Signal zum Abwärtswandeln oder Mischen liefern, kann als eine relative Phasenkontrolle operieren oder kann eine Referenzwelle liefern, gegenüber welcher einlaufende oder auslaufende Wellen verglichen werden können. In einem Zugang kann die Energie der Referenzwelle gleichzeitig mit jener der einlaufenden Welle zugeführt werden, um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das zu einer linearen oder nichtlinearen Kombination von einlaufenden und Referenzwellen korrespondiert. In einem relativ direkten Zugang entspricht das elektrische Signal der Summe der Amplituden von Referenzwelle und einlaufender Welle. Wenn zwei Wellen im Wesentlichen die gleiche Frequenz haben, kann die Summe eine kohärente Summe sein und relative Phaseninformation liefern.
Eine Vielfalt von Anordnungen von unregelmäßigen oder regelmäßigen optischen Antennenelementkonfigurationen können mit Bezug auf diese Offenbarung be schrieben werden. In einer Ausführungsform ist der Abstand zwischen jeder Reihe und/oder Spalte der optischen Antennenelemente 102 relativ gleichförmig, um reguläre Anordnungen von optischen Antennenelementen 102 zu erzeugen. Alternativ kann jedes der optischen Antennenelemente unregelmäßig beabstandet sein, um relativ ungleichförmige Anordnungen von optischen Antennenelementen zu erzeugen. Eine Vielfalt von regelmäßigen oder unregelmäßigen Anordnungen von optischen Antennenelementen kann ausgewählt werden abhängig von dem gewünschten Antennen-Gain und dem Strahlungsmuster. Wenn die relativen Phasen von einlaufenden oder auslaufenden Wellen bestimmt oder gesteuert werden können, kann der Gain oder die Richtungsabhängigkeit der optischen Antennenanordnung gesteuert werden unter Verwendung von Beamforming- und Strahllenkungskonzepten. Die Konstruktion, das Material oder die Konfiguration der optischen Antennenelemente kann ausgewählt werden basierend auf der besonderen. Konstruktion oder Anwendung der Anordnung des optischen Antennenelements.
In einer Ausführungsform können lithographische Zugänge eine große Anzahl von verschiedenen Ausführungsformen von Anordnungen von optischen Antennenelementen 102 oder diskreten optischen Antennenelementen erzeugen. Die Komplexität jedes optischen Antennenelements reicht von relativ einfachen optischen Antennenkonfigurationen mit Dipol, einschließlich zum Beispiel Nanoröhrchen oder leitende oder dielektrische Pfeiler bis zu jenen einschließlich Bögen, Kurven, Unstetigkeiten oder anderen unregelmäßigen Konfigurationen. Lithographische Techniken können verwendet werden, um die optischen Antennenelemente oder andere Teile der optischen Antennenanordnung in eine komplexere Form zu bringen, um zum Beispiel Kurven, Winkel, diskontinuierliche Strukturen zu bilden, wie sie verwendet werden können, um Impedanz, kapazitive Strukturen, Phasensteuerstrukturen, Dioden, Transistoren, Kondensatorstrukturen, leitende Strukturen, Widerstandstrukturen, Gitterlücken oder andere Strukturen herzustellen, einschließlich jener, die komplexer sein können oder Kombinationen solcher Strukturen umfassen. Als ein Beispiel sind Strukturen basierend auf Nanoröhrchen entwickelt wurden mit integralen Bögen, von denen gezeigt wurde, dass sie fähig sind, nichtlineare elektrische Antworten bereitzustellen. Solche Strukturen können gleichzeitig als optische Antennenelemente und nichtlineare Geräte wirken. Lithographische Techniken können deswegen verwendet werden, um wiederholt eine Anzahl von Anordnungen aus ähnlichen oder unähnlichen Komponenten schnell und genau herzustellen.
In einem typischen photolithographischen Prozess wird eine schützende Photolackschicht auf ein Substrat oder ein anderes ebenes Objekt aufgetragen, das aus einem Halbleitermaterial oder Metall gebildet wird. Die Photolackschicht ist gestaltet, wie es allgemein bekannt ist, mit einer Vielzahl von auf Photographie basierenden Entwicklungsprozessen. Ein belichteter Bereich des Materials wird dann geätzt oder anderweit entfernt zum Beispiel durch Innenstrahl- oder Elektronenstrahl-Abtragen. Während diese Ausführungsform eines Prozesses hier offenbart wird, kann auch eine Anzahl von anderen Herstellungstechniken angemessen sein. Zum Beispiel direkte Elektronenstahllithographie, Abhebetechniken, Nanozüchten oder andere Techniken können ausgewählt werden, abhängig von der besonderen Konfiguration, Anwendung, Abmessungen oder anderen Faktoren.
4 zeigt eine Ausführungsform einer optischen Antennenanordnung 100, bei welcher ringförmige optische Antennenelemente 102 auf dem Substrat 202 gebildet werden unter Verwendung von lithographischen Techniken, sodass die Materialien gemäß bekannten Techniken aufgetragen werden können. Das Auftragen kann in einer Vielfalt von Konfiguration angemessen sein einschließlich jener, bei denen die optischen Antennenelemente 102 von einer Größenordnung eines Bruchteils der Wellenlänge des einlaufenden oder auslaufenden Lichts sind.
Während die optischen Antennenelemente 102 der 4 als ringförmig dargestellt sind, können auch andere geometrische oder nicht geometrische Formen ausgewählt werden.
In einer Ausführungsform kann jedes optische Antennenelement 102 mit Metallen wie Gold, Silber, Aluminium oder Kupfer gebildet werden. Das Material des Antennenelements kann zum Beispiel durch elektrochemische Ablagerungen, ein PVD-Verfahren (physical-vapor-deposition), CVD-Verfahren (chemical vapor-deposition) geliefert werden oder kann auf eine Vielzahl von Arten wachsen. In verschiedenen Ausführungsformen können die optischen Antennenelemente auch aus Halbleiter- oder ähnlichen Materialien geformt werden wie kohlenstoff- oder siliziumbasierten Materialien, welche typischerweise dotiert werden können oder anderweitig mit zusätzlichen Materialien kombiniert werden können. In einer Ausführungsform kann das Metall und/oder die Halbleitermaterialien des optischen Antennenelements so ausgewählt werden, dass sie eine relativ hohe Elektronenbeweglichkeit haben. Materialien mit hoher Elektronenbeweglichkeit sind entwickelt wurden, um bei relativ hohen Frequenzen betrieben zu werden. Zum Beispiel wurde über Geräte mit hoher Elektronenbeweglichkeit im Terahertz-Bereich berichtet.
Die minimal erreichbaren Abmessungen von Merkmalen, welche durch Halbleiter- oder ähnliche Herstellungstechniken hergestellt werden, verringern sich ständig. Das gegenwärtige Niveau der Abmessungen kann viele Ausführungsformen von optischen Antennenelementen herstellen. Zum Beispiel haben Hersteller von integrierten Schaltkreisen kommerzielle Geräte mit Abmessungen unter 100 nm freigegeben und Pläne für Abmessungen von wenigen 10 nm angekündigt. Es wird erwartet, dass die Präzision, Steuerung der Abmessungen, Herstellbarkeit und andere Aspekte der hier beschriebenen Strukturen und Verfahren von solchen technologischen Entwicklungen profitieren können. Solche technologischen Entwicklungen lösen die Erwartungen aus, optische Antennenelemente herzustellen, die Abmessungen von der Ordnung von wenigen 10 Nanometern haben. In einigen Fällen können optische Antennenelemente hohe vertikale Längenverhältnisse haben, zum Beispiel 10:1 oder größer. Ein optisches Antennenelement mit Dipol oder eine nicht regelmäßige Antenne von 700 nm, 350 nm oder 175 nm ist deswegen realisierbar unter Verwendung von gegenwärtigen Technologien.
Eine andere Technologie, welche verwendet werden kann, um eine Anzahl von Ausführungsformen von optischen Antennenelementen zu erzeugen, ist die Elektronenstrahllithographie. Unter Verwendung von Elektronenstrahltechniken kann der Benutzer präzise die Form und die Abmessungen eines Merkmals, welches produziert wird, steuern. Viele Ausführungsformen von Elektronenstrahltechniken liefern eine höhere Präzision als gegenwärtige lithographische Techniken und stellen das Bilden von Merkmalen bereit, welche Abmessungen bis zu ein paar Nanometer haben. Daher gibt es eine Vielfalt von Techniken, um eine Anordnung von winzigen optischen Antennenanordnungen zu bilden. Eine relativ direkte Technik beinhaltet das Herstellen der optischen Antennenelemente als Metalllinien auf einem im Wesentlichen gleichförmigen Halbleiter, Siliziumsubstrat oder alternativ auf einem komplexen Substrat wie einem Silizium-auf-Isolator (SOI)-Substrat), einen Silizium-auf-Saphir-Substrat, einem Silizium-auf-Diamant-Substrat oder auf irgendeiner anderen geeigneten Konfiguration eines Substrats (oder einem anderen Element, das konfiguriert ist, um die relative Position der optischen Antennenelemente zu halten) unter Verwendung von konventionellen Halbleiterherstellungszugängen. Andere Materialien einschließlich Halbleitern, Dielektrika oder Leiter können das Substrat bilden.
5a und 5b zeigen eine Ausführungsform der optischen Antennenanordnung 100, welche jeweils eine Mehrzahl von Nanoröhrchen umfasst, die die Anordnung von optischen Antennenelementen 102 bilden, wie sie von dem Substrat 202 getragen wird. Optische Antennenanordnungen können eine große Zahl und Vielfalt von Konfigurationen von optischen Antennenelementen umfassen und können als Dipole, gekrümmte Strukturen, diskontinuierliche Strukturen etc. geformt werden und können gezüchtet werden unter Verwendung von kohlenstoffbasierter Nanostrukturtechnologie (zum Beispiel unter Verwendung von kohlenstoffbasierten oder anderen Nanoröhrchen). Eine große Anzahl von Nanoröhrchen kann gezüchtet werden, um eine Anordnung von optischen Antennenelementen zu bilden, indem Nanostrukturtechniken verwendet werden zum Beispiel durch das Aufweisen von kleinen Vertiefungen, welche am Anfang unter Verwendung von solchen Techniken wie Lithographie als ein Muster auf einem Substrat gebildet werden. Die Stellen der ein oder mehr Vertiefungen entsprechen den gewünschten Stellen der Nanoröhrchen, die gezüchtet werden sollen. Das gemusterte Substrat wird dann in eine Ablagerungskammer (deposition chamber) gestellt, solange wie es gewünscht es, abhängig von der Länge der Nanoröhrchen. Die Stellen der gemusterten Vertiefungen können in dieser Offenbarung als „Keimbereiche" 504 bezeichnet werden, da die Nanoröhrchen selektiv an den Stellen der gemusterten Vertiefungen gezüchtet werden können. Typischerweise bilden Nanoröhrchen dünne Strukturen, welche im Durchmesser von einem bis zu 10 Molekülen für verschiedene Ausführungsformen der Nanoröhrchen reichen. Während die beispielhafte Ausführungsform hier als 1 bis 10 Moleküle einschließend beschrieben wird, übertreffen in manchen Anwendungen die Durchmesser der Nanoröhrchen solche Abmessungen.
Bei Nanoröhrchen kann jedes optische Antennenelement 102 an der Stelle eines Defekts in einem Substrat gezüchtet werden. In verschiedenen Ausführungsformen können die Nanoröhrchen in einem Winkel mit Bezug auf die Oberfläche gezüchtet werden (einschließlich parallel zur Oberfläche). Jedes optische Antennenelement kann eine verschiedene oder sogar zufällige Winkelorientierung mit Bezug auf die Oberfläche des Substrats haben. In verschiedenen Ausführungsformen kann jedes Nanoröhrchen als gerade ausgerichtet hergestellt werden oder mit einer Krümmung hergestellt werden. In dieser Offenbarung kann die Krümmung als eine nicht regelmäßige Antennenkonfiguration betrachtet werden, die von der regelmäßigen Dipol-Antennenkonfiguration verschieden ist. Die Dauer des Wachsens und die Wachtumsrate bestimmen die resultierende gewünschte Höhe, Winkel und Krümmung von jedem Nanoröhrchen.
In verschiedenen Ausführungsformen können bestimmte Nanoröhrchen sogar gekreuzt werden oder gekreuzt und verbunden werden, um einen Knotenpunkt zu bilden. Wenn daher gewünscht wird, dass ein Nanoröhrchen einer bestimmten Höhe gebildet wird, kann es dem Nanoröhrchen erlaubt werden, für eine vorbestimmte Zeitdauer zu wachsen, die zu jener Länge und Wachstumsrate korrespondiert. Solche Zugänge sind angewendet worden, um nichtlineare Geräte zu produzieren wie Transistoren, Dioden und Feldemissionstrukturen, wie zum Bespiel beschrieben in M. Ahlskog, R. Tarkiainen, L. Roschier, und P. Hakonen, Singleelectron transistor made of two crossing multiwalled carbon nanotubes and its noise properties, Applies Physics Letters Vol 77(24), S. 4037–4039, 11. Dezember 2000, und Cumings and Zettl, Field emission and current-voltage properties of boron nitride based filed nanotubes.
5b zeigt eine Ansicht von oben einer Ausführungsform von Nanoröhrchen, wie sie in 5a gezeigt wird. Mehrere Nanoröhrchen, die eine Anordnung bilden, können zu einer gleichförmigen Höhe oder verschiedenen Höhen gezüchtet werden wie es gewünscht wird. Viele Ausführungsformen von Nanoröhrchen können kohlenstoffbasiert sein, obwohl irgendein anderes geeignetes Material, welches verwendet werden kann, innerhalb des beabsichtigten Umfangs der vorliegenden Offenbarung ist.
Die Anordnung von optischen Antennenelementen 102, wie sie mit Bezug auf 5a und 5b beschrieben wird, kann deswegen in einem eindimensionalen, zweidimensionalen oder dreidimensionalen Nanostrukturmuster angeordnet werden und kann entweder in einem regelmäßigen oder in einem unregelmäßigen Muster gebildet werden. Die Ausführungsformen der optischen Antennenelemente 102, welche mit Bezug auf die 3, 4 und 5a beschrieben werden, können verwendet werden, um entweder die erzeugenden oder die empfangenden optischen Antennenelemente 102 innerhalb der entsprechenden erzeugenden oder empfangenden optischen Antennenanordnung 100 herzustellen. Eine Anzahl von verschiedenen Ausführungsformen der Muster der optischen Antennenelemente 102, die eine Anordnung in der optischen Antennenanordnung 100 bilden, wird später in dieser Offenbarung beschrieben.
Eine Anzahl von auf Nanoröhrchen basierenden Herstellungstechniken für ein optisches Antennenenelement kann kristaline Verfahren verwenden, kann Polymere verwenden oder kann sogar biologisch inspirierte Polymere verwenden (sowie Desoxyribonukleinsäure (DNA) oder Proteine). Die Struktur der resultierenden Nanoröhrchen kann kristallin sein. In verschiedenen Ausführungsformen können die Nanoröhrchen konzeptionell als eine kristalline Struktur gebildet werden durch das Formen einer ebenen Graphen-Schicht in einen Zylinder und das Bedecken der Enden des Zylinders mit einem Halbkugel-„Buckyball". Andere Konfigurationen von und Verfahren für das Bilden von Nanoröhrchen oder ähnlichen Strukturen können auch innerhalb des beabsichtigten Umfangs der vorliegenden Offenbarung sein. Die kristallinen Zugänge (einschließlich aber nicht daraufbegrenzt Nanoröhrchen oder andere Nanostrukturen) könnten geeigneter sein für optische Antennenelemente, welche in einem Muster angeordnetet werden. können, welches senkrecht zu der Ebene ist, die durch die Wellenform gebildet wird, entweder für ein erzeugendes oder empfangendes optisches Antennenelement. Es kann jedoch auch eine Anzahl von verschiedenen Konfigurationen der Antennenkonstruktion geben. Viele Konstruktionen für eine optische Antennenanordnung können zu ihrem Vorteil existierendes Wissen über optische Systeme nutzen, welche zum Beispiel in Mikrowellen-Millimeterbereich arbeiten. Abhängig von der besonderen Ausführungsform könnten solche optischen Antennenanordnungen entweder für Breitband- oder Schmalband-Antennenanwendungen angewendet werden.
Eine Anzahl von verschiedenen Konfigurationen einer empfangenden optischen Antennenanordnung kann als Detektoren arbeiten. Eine Ausführungsform der optischen Antennenanordnung simuliert die menschliche Sehkraft durch das Bereitstellen von drei Anordnungen von abgestimmten optischen Antennenelementen, wobei jede dieser drei Anordnungen optimiert oder abgestimmt wird für das Arbeiten bei Lichtfrequenzen, die durch die menschliche Sehkraft besonders nachweisbar ist (rote, grüne und blaue Wellenlänge des Lichts). Jede der drei Anordnungen der optischen Antennenelemente kann als ein unterschiedlicher Ring gebildet werden. Zum Beispiel in einer Ausführungsform einer optischen Antennenanordnung bilden drei Anordnungen von optischen Antennenelementen 102 drei konzentrische Ring-Anordnungen (oder andere Formen von Anordnungen), die jeweils als rotes, grünes und blaues Licht empfangende Ringe (nicht gezeigt) konfiguriert/gefärbt werden können.
Während das obige eine Ausführungsform der empfangenden optischen Antennenanordnung beschreibt, welche eine Mehrzahl von Lichtfrequenzen nachweist, die zu Farben wie rot, grün und blau korrespondieren, ist es ebenfalls innerhalb des beabsichtigten Umfangs der vorliegenden Offenbarung, optische Antennenanordnungen mit vielen Farben bereitzustellen, welche andere Bereiche von vielfarbigen Licht erzeugen oder empfangen. Solche vielfarbigen erzeugenden oder empfangenden optischen Antenneanordnungen können anwendbar sein, um Projektor-Anwendungen anzuzeigen, wie es wahrscheinlich ist für die nächste Generation von Fernsehen, Anzeigeprojektion, Computer, Theater und andere ähnliche Anwendungen. In anderen Frequenzbereichen können die vielfarbigen oder zweifarbigen empfangenden oder erzeugenden optischen Antennenanordnungen konfiguriert werden, um in anderen sichtbaren Lichtbereichen oder Infrarot- oder Ultraviolettbereichen zu arbeiten.
Erzeugende oder empfangende optische Antennenanordnungen können konfiguriert sein, um Licht einer Vielzahl von unterschiedlichen Frequenzen, Frequenzbereichen oder Kombinationen von Frequenzen oder Frequenzbereichen zu erzeugen/zu empfangen, während sie innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung bleiben. Zum Beispiel kann es gewünscht sein, optische Antennenelemente zu verwenden, welche Licht im nahen Infrarot- oder nahen Ultraviolett-Spektrum erzeugen oder empfangen, wie es nützlich sein kann für eine Vielzahl von Anwendungen einschließlich thermischem Abbilden, ultravioletter Beleuchtung oder Detektion oder irgendeiner anderen angemessenen Anwendung. In anderen Ausführungsformen kann es gewünscht sein, Licht zu erzeugen/zu empfangen unter Verwendung einer einzelnen Frequenz. Eine solche Übertragung oder Detektion kann mehr Selektivität, eine vereinfachte Detektion, synchronen Betrieb und/oder reduzierte Kosten oder Komplexität liefern. Die besondere Lichtanwendung sollte betrachtet werden, wenn die Frequenz der erzeugten oder der empfangenen optischen Energie bestimmt wird.
Beispiele von Phasentechniken für optische Antennen
6 zeigt eine Ausführungsform von Signalen, die sinusförmig sein können, welche von einer Mehrzahl von optischen Antennenelementen 102a und 102b erzeugt werden, welche zusammen einen zugehörigen Signalstärkegraphen bilden. 7 zeigt eine Ausführungsform von 6, bei welcher das erzeugte Licht mit der höchsten Amplitude um ein paar Grad in Bezug auf 6 nach oben strahlgelenkt wird. Während eine Anordnung von optischen Antennenelementen 102 typischerweise eine große Anzahl von Elementen umfassen würde, werden nur zwei optische Antennenelemente 102a und 102b in, 6 und 7 dargestellt: wegen der Deutlichkeit beim Beschreiben von bestimmten Beamforming und Strahllenkungstechniken. Diese Konzepte können auch auf viel größere Anordnungen von optischen Antennenaggregaten 100 ausgedehnt werden. Jedes optische Antennenelement 102a und 102b strahlt Signalmuster aus, wie sie in den 6 und 7 als entsprechende Signallinien 702a und 702b dargestellt werden.
Die entsprechenden Signallinien 702a und 702b, welche durch die optische Antennenelemente 102a und 102b erzeugt werden, werden in der Zeichnung als in einem im Allgemeinen kugelförmigen Muster ausgestrahlt gezeigt. Ein Fachmann wird erkennen, dass das tatsächliche Emissionsmuster von jedem der Elemente einschließlich Amplitude und Phase von der Konfiguration des individuellen Antennenelements und von den Materialien und/oder Strukturen der umgebenden oder der nahe beiliegenden individuellen Elemente abhängen kann. Demnach können andere Muster als die kugelförmigen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung sein, obwohl das kugelförmige ausgewählt wurde wegen der Klarheit der Darstellung für die vorliegenden Konzepte. Weiterhin wird die Beschreibung, Ausbreitung und Wechselwirkung von Wellen hier vereinfacht auf einen Fall, bei dem die Wellen typischerweise von derselben Wellenlänge sind. Dieser Aspekt eignet sich in vielen Fällen für eine kohärente Wechselwirkung. Ein Fachmann wird erkennen, dass Variationen in der Frequenz, Frequenzunterschiede, nicht kohärente Konzepte und andere Arten von Wechselwirkung und verwandte Techniken und Prinzipien für bestimmte Konfigurationen oder Anwendungen der Verfahren und Strukturen, die hier beschrieben werden, anwendbar sein können.
Ebenfalls werden in den 6 und 7 nur zwei Dimensionen des sphärischen Musters der Signallinien 702a und 702b gezeigt wegen der Deutlichkeit der Darstellung, obwohl typischerweise solche Konfigurationen in drei Dimensionen unter Verwendung von bekannten Techniken zum Analysieren von Strahlausbreitung und Interferenz analysiert werden würden. Jede Signallinie 702a und 702b stellt zum Beispiel einen Kamm eines sinusförmigen Musters dar, welches durch die jeweiligen optischen Antennenelemente 102a und 102b gebildet wird. Der Ort, an dem sich die Signallinien 702a und 702b schneiden, stellt jene Phasenschnittpunkte 704 dar, bei denen die Signallinien 702a und 702b einander entsprechen (beide einen Kamm haben) und demnach in Phase sein können.
6 und 7 illustrieren eine Anzahl von Phasenschnittlinien 706, die durch viele der Phasenschnittpunkte 704 durchlaufen. Die größte und typischerweise die stärkste der Phasenschnittlinien 706a entspricht einer Hauptstrahlungskeule 708, wie es im Signalstärke-Plot gezeigt wird.
Die Phasenschnittlinien 706a, 706b und 706c bestimmen die Orte, an denen die Wellen sich konstruktiv addieren, um Amplitudenspitzen zu bilden. Zwei zusätzliche Phasenschnittlinien 706b und 706c entsprechen den Seiten-Strahlungskeulen 710 in dem Signalstärke-Plot in 6 und 7. An jeder Stelle entlang der Phasenschnittlinien 706a, 706b und 706c addieren sich die Signale von den beiden optischen Antennenelementen 102a und 102b konstruktiv. Demnach korrespondieren die Phasenschnittlinien 706a, 706b und 706c typischerweise zu den Berei chen mit der höchsten Lichtamplitude der optischen Antennenanordnung. Während 6 und 7 eine vereinfachte Darstellung der kohärenten Wechselwirkung geben und zeigen, wie das Bilden der Hauptstrahlungskeule 708 wie auch der Seitenstrahlungskeulen 710 oder die allgemeine Richtung der Phasenschnittlinien 706a, 706b und 706c aus Antennenmustertechniken und -konzepten folgen, werden oft die Erhältlichkeit von vielen Elementen und die Steuerung der Elementpositionierung größere Flexibilität bei der relativen Position, der Anzahl, der Orientierung und anderen Charakteristiken der Antennenanordnung erlauben. Konstruktionen, welche eine solche Flexibilität erlauben, können entwickelt werden unter Verwendung von konventionellen analytischer oder computerbasierter Techniken zum Konstruieren oder Analysieren von Anordnungen von Antennenelementen.
Darüber hinaus während 6 und 7 beide erzeugende Antennenmuster gemäß den erzeugenden optischen Antennenelementen 102a und 102b zeigen, können solche Antennenmuster-Konzepte auch auf empfangende optische Antennenelemente anwendbar sein. Antennenmuster sowohl für die erzeugenden als auch für die empfangenden optischen Antennenelemente 102a und 102b entsprechen zu großen Teilen der relativen Phase und Amplitude der Lichtwellen, wie es durch die entsprechenden Signallinien 702a und 702b angezeigt wird. Zum Beispiel zeigt 7, dass das Ändern der Phasen der entsprechenden Signallinien 702a und 702b den Ort der Phasen-Schnittlinien 706a, 706b und 706c wie auch die Charakteristiken der Hauptstrahlungskeule 708 und der Seitenstrahlungskeule 710 (charakterisiert durch den Ort, die relative Größe, Breite und anderer Merkmale) verändern kann. 7 illustriert den Effekt des Verschiebens der Phase der Welle, die von den unteren optischen Antennenelementen erzeugt oder empfangen wird, um einen bestimmten Betrag mit Bezug auf die Wellen, welche von dem oberen optischen Antennenelement erzeugt/empfangen werden.
Daher wird die Phase des unteren optischen Antennenelements 102b mit Bezug auf die Phase des oberen optischen Antennenelements 102a um 180° verändert (z. B. nach vorne gelenkt). Dieser Prozess der Phasenverschiebung des Signals, das bei mindestens einem der optischen Antennenelemente 102 erzeugt wird, mit Bezug auf ein anderes der optischen Antennenelemente, um die Richtungsabhängigkeit der optischen Antennenanordnung zu steuern, wird hier der Einfachheit halber als Strahllenken bezeichnet, obwohl das Konzept der Steuerung der Struktur, Richtung und/oder Form des Antennenmusters auch in anderen Kontexten als dem Richten eines Energiestrahls angesprochen werden kann.
Ein Fachmann wird erkennen, dass andere Aktionen bzgl. der Steuerung der Phase oder relativen Phase auch auf andere Effekte gerichtet werden können, einschließlich einer möglichen Strahlungskeulen-Optimierung, Wellenkopplung oder anderen Effekten. Darüber hinaus hat die vorliegende Diskussion die Polarisationseffekte oder Orientierung des E-Feldes ausgelassen, um die Darstellung der Konzepte und Prinzipien zu vereinfachen. Ein Fachmann wird erkennen, dass eine Vielfalt von analytischen, experimentellen und anderen Techniken wie auch eine Vielfalt von Strukturen angewendet werden können, um Polarisationseffekte zu konstruieren, zu implementieren, zu analysieren oder anderweitig zu behandeln oder zu verstehen.
Das Strahllenken kann auch die relativen Positionen der Hauptstrahlungskeule 708 und der Seitenstrahlungskeule 710 mit Bezug auf die optischen Antennenelemente 102a und 102b verschieben. Es wird darauf hingewiesen, dass z. B. die Hauptstrahlungskeule 708 und die Seitenstrahlungskeulen 710, wie sie mit Bezug auf 7 beschrieben werden, im Allgemeinen in einer Richtung entgegen des Uhrzeigersinns rotiert werden, wenn sie mit 6 verglichen werden. In einem vereinfachten Beispiel wird das Vergrößern einer Steigung der Phasendifferenz zwischen Wellen aus verschiedenen optischen Antennenelementen das Verschieben der Hauptstrahlungskeulen und/oder der Seitenstrahlungskeulen erhöhen. Während das Konzept des Strahlungslenkens rechnerisch komplizierter werden kann, wenn die Anzahl der optischen Antennenelemente in einer Anordnung vergrößert wird, können konventionelle Zugänge noch immer verwendet werden.
Diese Offenbarung liefert eine Anzahl von Ausführungsformen von Techniken, durch welche Strahllenken, Beamforming, Steuerung des Antennenmusters oder andere adaptive Antennentechniken auf optische Antennenanordnungen 100 angewendet werden können. Andere Ausführungsformen von Strahllenkungs- und Beamforming-Techniken über eine Vielzahl von Anordnungen von optischen Antennenelementen 102 können innerhalb des beabsichtigten Umfangs der vorliegenden Offenbarung sein.
Wie oben bemerkt, können bei einigen Anwendungen die optischen Antennenelemente gemäß photolithografischen oder ähnlichen Techniken hergestellt werden und können von einer Größenordnung eines Teils einer optischen Wellenlänge oder von wenigen optischen Wellenlängen sein. Folglich kann bei einigen.
Konfigurationen eine optische Antennenordnung eine große Anzahl, mehrere Tausende oder sogar Millionen von Antennenelementen 102, umfassen. Darüber hinaus kann bei einigen Konfigurationen eine Anordnung aus 1.000 mal 1.000 Elementen eine Querschnittsfläche von der Größenordnung von 1 mm mal 1 mm haben. Solch eine kleine Anordnung kann nützlich sein als eine Komponente einer Vielzahl von Licht einfangenden Geräten oder Systemen wie Kameras, Kopierern, Scanner, optischen Detektoren und kann nützlich sein in vielen anderen Licht einfangenden Konfigurationen. Zusätzlich können Komponenten dieser Größe nützlich sein in Licht emittierenden Anwendungen, die von der Beleuchtung bis zur kohärenten Strahlerzeugung reichen.
Während kompakte Anordnungen Abstände zwischen den Elementen von einer Größenordnung eines Teils einer Wellenlänge bis zu wenigen Wellenlängen haben können, ist es bei einigen Anwendungen wünschenswert, größere Abstände zwischen den Elementen zu haben. Solche Anordnungen mit vergrößertem Abstand zwischen den optischen Antennenelementen können bei solchen Anwendungen wie Radar mit synthetischer Apertur(SAR)-Systemen, ausgedünnten Antennenanordnungen, Radioteleskopen oder ähnlichem angewandt werden.
Software wurde entwickelt für und unterstützt die sog. „synthetischen Apertur-Techniken" und interferometrischen Zugänge. Eine solche Software kann z. B. in Verbindung mit dem optischen Antennensteuergerät 1700 laufen, wie es unten mit Bezug auf die 20, 17, 18 und 19 beschrieben wird.
Ausführungsformen von empfangenden und modellierenden Zugängen
In Ausführungsformen von optischen Antennenelementen 102, die Licht wie in Bezug auf 1 beschrieben empfangen, ist es oft erwünscht, elektrische Energie zu detektieren oder anderweitig zu verarbeiten, welche innerhalb oder in der Umgebung von einem oder mehreren optischen Antennenelementen 102 erzeugt wird als Antwort auf das optische Antennenelement. In vielen Ausführungsformen kann es nützlich sein, die elektrische Energie bei Frequenzen, welche die Frequenz des einfallenden Lichts erreichen, zu bearbeiten oder die elektrische Energie synchron zu verarbeiten. Während konventionelle kommerzielle elektronische Geräte typischerweise nicht synchron mit optischen Frequenzen arbeiten, können die Prinzipien, nach denen solche Geräte entworfen und hergestellt werden, ausdehnbar sein auf solche Frequenzen, obwohl viele Effekte, wie die Eindringtiefe, die bei niedrigen Frequenzen ignoriert werden können, bei solchen höheren Frequenzen bedeutend werden können. Tatsächlich werden solche Analysen in der Literatur, die sich auf „Plasmonen" oder „Polaritonen" bezieht, regelmäßig dargestellt und bestätigt.
Innerhalb der Offenbarung umfassen die Signale (sowohl bei den übertragenden als auch den empfangenden Ausführungsformen der optischen Antennenanordnungen) jede Ausbreitung einschließlich Polaritonen und photonischer. Daher wenn in dieser Offenbarung Bezug genommen wird auf einen Energietransport oder ein Ausbreiten entlang eines elektrischen Pfads, ist es beabsichtigt, dass es Ausbreitung innerhalb, daneben, außerhalb, parallel dazu, durch und irgendeinen anderen bekannten Leitungsmechanismus relativ zu einem elektrischen Pfad umfassen kann.
Beispiele von Oberflächen-Plasmonen, Polaritonen und verwandten Strukturen, Herstellungstechniken und Analysen können gefunden werden in: „Terahertz surface plasmon polaritons"; THz SPP's; gedruckt am 22. Dezember 2004; Seiten 1–4; Fundstelle: http.//www-users.rwth-aachen./jaime.gomez/spp.html; N. Ocelic, R. Hillenbrand, „Subwavelength-scale tailoring of surface phonon polaritons by focused ion-beam implantation"; Nature Materials-Letters; September 2004; Seiten 606–609; Band 3; Nature Publishing Group,; M. Salerno; J. R. Krenn, B. Lamprecht, G. Schider, H. Ditlbacher, N. Felidj, A. Leitner, F. R. Aussenegg; „Plasmon polaritons in metal nanostructures: the optoelectronic route to nanotechnology"; Opto-Electronics Review; 22. Dezember 2004; Seiten 217–224; Band 10; Nr. 3; G. Schider; J. R. Krenn, A. Hohenau; H. Ditlbacher, A. Leitner, F. R. Aussenegg, W. L. Schaich; I. Puscasu; B. Monacelli, G. Boreman; „Plasmon dispersion relation auf Au and Ag nanowires"; Physical Review B; 2003; Seiten 155427-1/155427-4; Band 68, Nr. 15; The American Physical Society; und N. Stoyanov, D. Ward, T. Feurer, K. Nelson; „Terahertz polariton propagation in patterned materials"; Nature Materials-Letters; Oktober 2002; Seiten 95–98; Band 1; Nature Publishing Group; und J. P. Kottmann, Olivier J. F. Martin; „Plasmon resonant coupling in metallic nanowires"; Optics Express; 4. Juni 2001; Seiten 655–663; Band 8, Nr. 12, wobei jede von ihnen hier durch Bezug eingeschlossen wird.
Beispiele von Oberflächen-Plasmon-Analyse, Strukturen, Techniken und Entwürfen in Beziehung zu optischen Gebieten und Anteilen können gefunden werden in: S. Bozhevolnyi, I. Smolyaninov; A. Zayats; „Near-field microscopy of surface-plasmon polaritons: Localization and internal interface imaging"; Physical Review B, 15. Juni 1995; Seiten 17916–17924; Fig. 3, 5, 7, 9, 11; Band 51, Nr. 24; The American Physical Society; W. L. Barnes; W. A. Murray, J. Dintinger, E. Devaux, T. W. Ebbesen; "Surface Plasmon Polaritons and Their Role in the Enhanced Transmission of Light through Periodic Arrays of Subwavelength Holes in a Metal Film" Physical Review Letters; 12. März 2004; Seiten 107401-1/107401-4; Band 92, Nr. 10; The American Physical Society; H. Ditlbacher, J. R: Krenn, G. Schider, A. Leitner; F. R. Aussenegg; „Two-dimensional optics with surface plasmon polaritons"; Applied Physics Letters; 2. September 2002; Seiten 1762-1764; Band 81, Nr. 10; American Institute of Physics, H. Cao, A. Nahata; Resonantly enhanced transmission of terahertz radiation through a periodic array of subwavelength apertures"; Optics Express; 22. März 2004; Seiten 1004–1010; Band 12, Nr. 6; I. I. Smolyaninov; A. V: Zayats, C.C. Davis; "Near-field second harmonic generation from a rough metal surface"; Physical Review B; 15. Oktober 1997; Seiten 9290–9293; Band 56; Nr. 15; The American Physical Society, wobei jede von ihnen hier durch Bezug eingeschlossen wird.
In einem anderen, Zugang können solche Analysen auf Materialien mit negative Beugung oder linkshändige Materialien anwendet werden, wie beschrieben bei R. Ruppin; „Surface polartions and extinction properties of a left-handed material cylinder"; Journal of Physics: Condensed Matter; 13. August, 2004; Seiten 5991–5998; Band 16; IOP Publishing Ltd.,. und T. J. Yen, W. J Padilla, N. Fang, D. C: Vier, D. R. Smith, J. B. Pendry, D. N. Basov, X. Zhang; „Terahertz Magnetic Response from Artificial Materials", Reports; 5. März 2004; Seiten 1494–1496; Band 303; Science Magazine; wobei jede von ihnen hier durch Bezug eingeschlossen wird.
Mit Polaritonen kann Energie so betrachtet werden, dass sie benachbart, intern und/oder extern zu einer führenden Oberfläche ausgebreitet wird, wie ein Metall, ein Nano-Röhrchen, ein photonischer Kristall oder ein anderes Material.
Beim Betrachten der optischen Antennenanordnung wird die relativ hohe Frequenz des Lichts die Analyse und die Konstruktion beeinflussen. Licht, das eine Wellenlänge von z.B. 500 nm hat, hat eine Frequenz von ca. 600 THz und Licht, welches eine Wellenlänge von 30 Mikrometer hat, hat eine Frequenz von ca. 10 THz, und Licht, das eine Wellenlänge von 300 Mikrometern hat, hat eine Frequenz von ca. 1 THz. Ein Fachmann wird erkennen, dass viele kommerziell erhältliche Komponenten, welche typischerweise für Anordnungen für niedrigere Frequenzen verwendet werden, noch nicht erhältlich sind bei optischen Frequenzen. Doch da die Größenordnung der optischen Antennenelemente reduziert wird innerhalb einer oder wenigen Größenordnungen relativ zu der Wellenlänge der optischen Wellen, skalieren die Kapazität, die Induktivität und andere Parameter ebenfalls. Wenn die Betriebsfrequenzen der erhältlichen Komponenten ansteigen, wird erwartet, dass sich die Einfachheit und Herstellungsfähigkeit von solchen Geräten verbessert. Mehr Details bzgl. des Betriebs von bestimmten Ausführungsformen solcher Komponenten werden unten diskutiert mit Bezug auf das Mischen.
Darüber hinaus werden mehrere Techniken erhältlich zum Integrieren von elektronischen oder nicht-linearen. Merkmalen in die optische Antennenanordnung. Wie oben bemerkt, ist z. B. über Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die diodenartige Merkmale haben, berichtet worden. Ähnlich ist eine Anzahl von nicht-linearen Geräten wie Transistoren integriert worden oder analysiert worden in Verbindung mit Mikro- oder mit Nanoskala-Strukturen wie Nanoröhrchen; und in einigen Fällen wurden sie als arbeitend in Tetrahertz-Bereichen beschrieben. Beispielhafte Techniken. und Beschreibungen können in den Ahlskog- und Cumings-Referenzen gefunden werden, die oben beschrieben wurden, wie auch in:
J. U. Lee. P. P. Gipp, C. M. Heller; „Carbon nanotube p-n junction diodes"; Applied Physics Letters; 5. Juli 2004; Seiten 145–147; Band 85; Nr. 1; American Institute of Physics; C. Lu, Q. Fu, S. Huang, J. Liu; „Polymer Electrolyte-Gated Carbon Nanotube Field-Effect Transistor"; Nano Letters; 12. März 2004; Seiten 623–627; Band 4; Nr. 4; American Chemical Society; J. Guo; M. Lundstrom, S. Datta; "Performance projections for ballistic carbon nanotube field-effect transistors"; Applied Physics Letters; 29. April 2002; Seiten 3192–3194; American Institute of Physics; Z. Yao, H. W. C. Postma; L. Balents; C. Dekker, "Carbon nanotube intramolecular junctions"; Letters to Nature; 18. November 1999; Seiten 273–276; Band 402; Macmillan Magazines Ltd.; J. Guo, S. Datta, M. Lundstrom; „A Numerical Study of Scaling Issues for Schottky Barrier Carbon Nanotube Transistors", School of Electrical and Computer Engineering – Purdue University; gedruckt am 22. Dezember 2004; Seiten 1–26; A. Javey; J. Guo; M. Paulsson; Q. Wang; D. Mann, M. Lundstrom, H. Dai; „High-Filed Quasiballistic Transport in Short Carbon Nanotubes"; Physical Review Letters; 12. März 2004; Seiten 106804-1 106804-4, Band 92; Nr. 10; The American Physical Society; A. Javey, J. Guo, D. B. Farmer, Q. Wang, E. Yenilmez, R. G. Gordon, M. Lundstrom, H. Dai; "Self-Aligned Ballistic Molecular Transistors and Electrically Parallel Nanotube Arrays"; Nano Letters; 23. Juni 2004; Seiten 1319–1322; Band 4, Nr. 7; American Chemical Society; A. Javey, J. Guo; D. B. Farmer, Q. Wang, D. Wang, R. G: Gordon, M. Lundstrom, H. Dai; "Carbon Nanotube Field-Effect Transistors with Integrated Ohmic Contacts. and. High – k Gate Dielectrics"; Nano Letters; 20. Februar 2004; Seiten 447–450; Band 4, Nr. 3; American Chemical Society; J. Guo, J. Wang, E. Polizzi, S. Datta, Mark Lundstrom; "Electrostatics of Nanowire Transistors"; School of Electrical and Computer Engineering-Purdue University; gedruckt am 22. Dezember 2004; Seiten 1–23; A Javey; J. Guo, Q. Wang, M. Lundstrom, H. Dai; „Ballistic carbon nanotube field-effect transistors"; Nature; 7. August 2003; Seiten 654–657; Band 424; Nature Publishing Group; J. Guo, S. Goasguen, M. Lundstrom, S. Datta; "Metal-insulator-semiconductor electrostatics of carbon nanotubes"; Applied Physics Letters; 19. August 2002; Seiten 1486–1488; Band 81, Nr. 8, American Institute of Physics; S. Li, Z. Yu, S. Yen, W. C. Tang, P. J. Burke; "Carbon Nanotube Transistor Operation at 2.6 GHz"; Nano Letters; 23. März 2004; Seiten 753–756; Band 4, Nr. 4; American Chemical Society; I.Y. Lee, X. Liu, b. Kosko, C. Zhou; "Nanosignal Processing: Stochastic Resonance in Carbon Nanotubes That Detect Subthreshold Signals"; Nano Letters; 11. November, 2003; Seiten 1683–1686; Band 3, Nr. 12; American Chemical Society; wobei jede von ihnen hier durch Bezug eingeschlossen wird.
Ein Beispiel eines Detektors wird beschrieben in W. Knap, Y. Deng, S. Rumyantsev, und M. S. Shur; „Resonant detection of subterahertz and terahertz radiation by plasma waves in submicron field-effect transistors"; Applied Physics Letters; 9. Dezember 2002; Seiten 4637–4639; Band 81; Nr. 24; American Institute of Physics; und in J. Ward, F. Maiwald; G. Chattopadhhyay, E. Schlecht, A. Maestrini, J. Gill, I. Mehdi; „1400–1900 GHz Local Oscillators for the Herschel Space Observatory"; 22. Dezember, 2004; wobei jede von ihnen hier durch Bezug eingeschlossen wird.
Antennenelemente mit integrierten nichtlinearen Geräten können entweder als optische Antennenelemente 102 oder Mischer oder beides arbeiten. In einem Zugang für einen Mischer kann die elektrische Energie gemischt werden oder anderweitig mit einem zweiten elektrischen Signal verglichen werden, welches als Antwort auf ein optisches Signal mit Referenzfunktion erzeugt wird. In einigen Zugängen, wie beim Heterodynen, kann ein Hochfrequenzsignal mit einem Referenzsignal in einem nichtlinearem Gerät, einer Diode oder einem Transistor gemischt werden, um Signale zu produzieren, die eine Frequenz haben, die zu einer Differenz zwischen dem Hochfrequenzsignal und dem Referenzsignal korrespondiert. In einem Zugang wird das Referenzssignal mit einem lokalen Oszillator erzeugt gemäß den Techniken wie jenen, die z. B. beschrieben werden in: A. Maestrini, J. Ward, J. Gill; G. Chattopadhyay, F. Maiwald, K. Ellis, H. Javadi; I. Mehdi; „A Planar-Diode Frequency Tripler at 1.9 THz", 2003 IEEE MTT-S Digest; Januar 2003; Seiten 747–750; J. Ward, G. Chattoppadhyay, M. Maestrini, E. Sclecht; J. Gill, H. Javadi, D. Pukala; F. Maiwald; I. Mehdi; „Tuneable All-Solid-State Local Oscillators to 1900 GHz"; 22. Dezember 2004; wobei jede von ihnen hier durch Bezug eingeschlossen wird.
In einigen Anwendungen kann der Informationsinhalt des optischen Signals synchron nachgewiesen werden durch optische oder elektrische Zugänge. In einem optischen Zugang wird das optische Referenzsignal an eine oder mehrere Anten nenelemente zugeführt, um ein elektrisches Signal mit Referenzfunktion zu erzeugen.
Das elektrische Signal mit Referenzfunktion und das elektrische Signal, das zum empfangenen optischen Signal korrespondiert, können gemischt werden in einem nichtlinearen oder ähnlichem signalverarbeitenden Gerät wie einem Transistor, einer Diode oder einem Bolometer, um eine abwärts gewandeltes Signalkomponente zu erzeugen, welche weiterverarbeitet werden kann. Wie oben bemerkt, kann das nichtlineare Gerät Bestandteil oder integriert sein in die optischen Antennenelemente 102.
In einigen Zugängen kann es angemessen sein, die hineinkommende optische Energie ohne spezifische Phaseninformation zu verarbeiten. In einem solchen Zugang wandeln die Antennenelemente 102 einkommendeoptische Energie in elektrische Energie um und die elektrische Energie wird integriert oder akkumuliert über eine gewisse Zeitdauer. Ein Beispiel eines Strahlungsdetektors, welcher den Bolometer-Effekt verwendet wird in dem Artikel beschrieben: G.N. Gol'tsman, A.D. Semenov; V.P. Gousev; M.A. Zorin; I.G. Gogidze; E.M. Gershenzon; P.T. Lang; W.J. Knott; K.F. Renk; „Sensitive picosesond NbN detector for radiation from millimetre wavelengths to visible light"; Supercond. Sci. Technol.; 1991; S. 453–456; IOP Publishing Ltd., welches durch Bezug eingeschlossen wird, wie auch die anderen Referenzen die vorher hier eingeschlossen wurden.
In einigen Zugängen kann die akkumulierte elektrische Energie nachgewiesen werden durch Verwendung von konventionellen elektronischen Techniken. In anderen Zugängen kann elektrische Energie nachgewiesen und/oder gemessen werden unter Verwendung von photonischen Techniken, welche ähnlich sind zu jenen die beschrieben werden in G. Schider, J.R. Krenn, A. Hohenau, H. Ditlbacher, A. Leitner, F.R. Aussenegg, W.L. Schaich; I. Puscasu, B. Monacelli, G. Boreman; „Plasmon dispersion relation of Au and Ag nanowires"; Physical Review B; 2003, S. 155427-1/155427-4; Volume 8, Nummer 15; J.R. Krenn; „Nanoparticle Waveguides Watching energy transfer"; News & Views; April 2003; S. 1-2; Volume 2; Nature Materials; or Nature Materials-Letters; September 2004; S. 606–609; Volume 3; Nature Publishing Group, wobei jede von ihnen durch Bezug eingeschlossen wird.
Wie vorher bemerkt, können verschiedene Ausführungsformen der Signalverarbeitungskomponenten, welche zu jedem optischen Antennenelement gehören können, als Dioden, Transistoren oder andere Komponenten, wie in diese Offenbarung beschrieben, konfiguriert werden. In der Ausführungsform der 8 wird der optische Detektor 804 als eine Diode 808 konfiguriert. Es kann eine Vielfalt von Ausführungsformen von Dioden 808 geben, die verwendet werden können. In 8 wird die Diode 808 in konventioneller Weise dargestellt mit einem p-Bereich 810, welcher benachbart zu einem n-Bereich 812 positioniert ist, obwohl eine Vielfalt von Strukturen anwendbar sein kann. Solche p-Bereiche 810 und n-Bereiche 812 werden typischerweise durch Dotieren gemäß bekannten Techniken gebildet. Ein Fachmann wird erkennen, dass andere Dioden- oder andere nichtlineare Strukturen für bestimmte Anwendungen angemessen sein können. Zum Beispiel werden planare Diodenmultiplikatoren, Schottky-Dioden, Feldemissionsgeräte und HEMT-Geräte weiter unten und in verschiedenen Referenzen, die hier eingeschlossen sind, beschrieben. In vielen Fällen kann die besondere Komponente spezifisch entworfen werden, um mit ihren entsprechenden einen oder mehreren optischen Antennenelementen 102 wechselzuwirken.
Zum Beispiel korrespondiert in vielen Ausführungsformen die Größe des elektrischen Signals, welches durch die ein oder mehreren optischen Antennenelemente 102 erzeugt wird, zu der Amplitude der optischen Welle, die mit ihm wechselwirkt. In einigen Anwendungen wird das Signal sich in einer Weise ausbreiten, die zu seiner Frequenz und der Struktur der optischen Antennenelemente 102 und des elektrischen Leiters korrespondiert. Wenn zum Beispiel das elektrische Signal eine sehr hohe Frequenz hat, ist es wahrscheinlich, dass es in der Art eines Plasmons übertragen wird. Das Plasmon wird durch den elektrischen Leiter oder durch das optische Antennenelement geführt zu oder nahe von der nichtlinearen Komponente, bei der das Plasmon eine Änderung in einem elektrischen Feld erzeugen kann, um sie herum, benachbart oder anderweitig wechselwirkend mit der Komponente. Die Komponente antwortet auf die Wechselwirkung durch das Erzeugen eines entsprechenden elektrischen Outputsignals. Eine Vielzahl von Wechselwirkungszugängen kann anwendbar sein.
Die optischen Antennenelemente und ihre zugehörigen Signalverarbeitungskomponenten, wie sie mit Bezug auf die 8 und 9 beschrieben werden, können ein nichtlineares Gerät wie eine Diode oder einen Transistor umfassen, welches darin integriert oder an die optischen Antennenelemente gekoppelt ist. Wie in der diagrammatischen Darstellung in 8 gezeigt wird, trägt der n-Bereich 812 der Diode 808 ein optisches Antennenelement 102. Der n-Bereich 812 wird in ein Substrat 202. integriert, welches einen p-Bereich 810 umfasst. Wie bekannt ist, kann das Zusammenfügen von n- und p-Bereichen eine Diode bilden, wodurch ein nichtlineares Gerät gebildet wird. Wie ebenfalls bekannt ist, können nichtlineare Geräte wie Dioden Teile eines Gleichrichtungs- oder Signalverarbeitungsschaltkreises sein. Während die diagrammatische Darstellung der 8 die Diode als physikalisch getrennt davon und das optische Antennenelement 102 tragend zeigt, kann die Diode auch in die Diode integriert werden, wie weiter unten bemerkt wird. Obwohl darüber hinaus die dargestellte Diode 808 der 8 eine p-n-Verbindung umfasst, können andere Konfigurationen einschließlich jener, welche Schottky-Dioden umfassen, bei manchen Konfigurationen angemessener sein. Auf solche Dioden und Integrationen in Wellenleiter, Nanoröhrchen und andere Komponenten wird weiter unten Bezug genommen und in einigen der Referenzen, die hier durch Bezug eingeschlossen sind.
In einer Implementierung mit Transistor, die in 9 dargestellt ist, umfasst ein optischer Detektor 804, welcher auf das elektrische Signal im optischen Antennenelement 102 antwortet, einen Transistor 908. Die Ausführungsform des Transistors 908, die in Bezug auf 9 beschrieben wird, ist ein Feldeffekttransistor (FET), wie durch die Bezeichnung der Terminale (eine Quelle 910, ein Gate 912 und ein Draine 914) angezeigt wird, obwohl andere Transistorkonfigurationen in einigen Konfigurationen angemessen sein können, wie unten bemerkt wird.
In dieser Ausführungsform wird das optische Antennenelement 102 an das Gate 912 angekoppelt und die Quelle 910 und der Drain 914 können in konventioneller Weise unter eine Vorspannung gesetzt werden. Die Details des unter Vorspannung Setzens, und andere elektronische Schaltkreistechniken können diagrammatisch dargestellt werden, da die Details des elektronischen Schaltkreises von der Anwendung, der Frequenz und der Konfiguration abhängen werden. Spezifische Beispiele eines elektronischen Schaltkreises, der an transistorartige Elemente bei Frequenzen im fernen Infrarot gekoppelt wird, werden für Wellen, welche an einer Antennenstruktur ankommen, beschrieben in: J.C. Pearson, I. Mehdi, E. Schlecht, F. Maiwald, A. Maestrini, J. Gill, S. Martin, D. Pukala, J. Ward, J. Kawamura, W.R. McGrath, W.A. Hatch, D. Harding, H.G. Leduc, J. A. Stern, B. Bumble, L. Samoska, T. Gaier, R. Ferber, D. Miller, A. Karpov, J. Zmuidzinas, T. Phillips, N. Erickson, J. Swift, Y.-H. Chung, R. Lai, H. Wang; „THz Frequency Receiver Instrumentation for Herschel's Heterodyne Instrument for Far Infrared (HIFI)"; 22. Dezember 2004, welche hier durch Bezug eingeschlossen werden.
Ähnlich wurden die Kopplung von Nanoröhrchen an Transistoren und die Integration von Nanoröhrchen mit Transistoren in den folgenden Referenzen beschrieben: zum Beispiel A. Javey, J. Guo, D. B. Farmer, W. Wang, E. Yenilmez, R. Gordon, M. Lundstrom, und H. Dai, „Self-Aligned Ballistic Molecular Transistors und Electrically Parallel Nanotube Arrays," Nano Letters, Vol. 4, S. 1319, 2004; A. Javey, J. Guo, D. B. Farmer et al., „Carbon Nanotube Field-Effect Transistors With Integrated Ohmic Contacts und High-k Gate Dielectrics," Nano Letters, Vol. 4, S. 447, 2004; J. Guo, J. Wang, E. Polizzi, Supriyo Dattta and M. Landstrom und H. Dai, „Electrostatics of Nanowire Transistors," IEEE Transactions an Nanotechnology, vol. 2, S. 329, Dezember 2003; und A. Javey, J. Guo, Q. Wang, M. Lundstrom und H. Dai, "Ballistic Carbon Nanotube Field-Effect Transistors," Nature, vol. 424, S. 654, 2003, wobei jedes von ihnen durch Bezug eingeschlossen wird.
Zurückkehrend zu der Beschreibung des beispielhaften Transistors 908: Nach der Ankunft einer optischen Welle bei dem optischen Antennenelement erzeugt das induzierte elektrische Signal im optischen Antennenelement 102 eine Veränderung in einem Feld in dem Gate 912 des Transistors, welches einen korrespondierenden verstärkenden Output gemäß den Prinzipien des Transistorsbetriebs erzeugt. Der Transistor kann konfiguriert werden, für zusätzlichen Gain, Selektivität oder Wechselwirkung mit dem elektronischen Schaltkreis. Zum Beispiel können die Kanalbreite und andere Parameter konfiguriert werden, um bei einer Frequenz resonant zu sein, die zu der Frequenz einer Input-Welle korrespondiert. Ein Beispiel für Transistoren, die für einen resonanten Betrieb konfiguriert sind, wird beschrieben in: V. Ryzhii, I. Khymrova, M. Shur; "Terahertz photomixing in quantum well structures using resonant excitation of plasma oscillations";. Journal of Applied Physics; 15. Februar 2002; S. 1875–1881; Volume 91, Nummer 4; American Institute of Physics und in W. Knap, Y. Deng, S. Rumyantsev, M.S. Shur; "Resonant detection of subterahertz und terahertz radiation by plasma waves in submicron field-effect transistors", Applied Physics Letters; 9. Dezember 2002, S. 4637–4639; Vol. 81., Nummer 24; American Institute of Physics.
Es wird bemerkt, dass die Komponenten der traditionellen Diode (siehe 8) oder einer Schottky-Diode 1003 (10) oder des Transistors, welcher mit dem optischen Antennenelement 102 assoziiert ist (siehe 9) entweder auf oder im Substrat 202, wie in den 3, 4, 5a und 5b gezeigt, ausgebildet sein können. Da Gerätegeschwindigkeiten sich wegen Verbesserungen in der Technologie erhöhen, kann das bestimmte Gerät, welches ausgewählt wird, um mit der optischen Antennenanordnung assoziiert zu sein, variieren abhängig von der Anwendung, Konfiguration, Frequenz, Herstellungserwägungen oder anderen Erwägungen. Daher sind in dieser Offenbarung die besonderen Verarbeitungs- oder Mi schungsgeräte, die hier beschrieben werden, illustrativ in ihrer Natur und nicht begrenzend im Umfang.
Darüber hinaus können viele Ausführungsformen der optischen Antennenelementen 102, wie sie relativ zu den 8 und 1 bis 5b beschrieben werden, teilweise oder ganz aus Metallhalbleitern, Kohlenstoff oder anderen Materialien gebildet werden, die mit Herstellungsprozessen für viele Arten von elektronischen Komponenten kompatibel sind. Folglich können Teile der optischen Antennenelemente 102 entsprechen oder Bestandteil sein mit Teilen der ein oder Shotky-Dioden, Transistoren oder anderen Komponenten. Zum Beispiel wenn ein optisches Antennenelement 102 ein Metall ist, kann es Bestandteil sein von oder tatsächlich eine Elektrode der Schottky-Diode 1003 bilden, wie in 10 gezeigt.
In einer Anzahl von Ausführungsformen können Signalverarbeitungstechniken verwendet werden, um Information, die von einer optischen Antenne stammt zu verarbeiten und/oder an einen anderen Ort zu übertragen. Eine Signalverarbeitungstechnik, die besonders anwendbar ist, ist die Wandlung zwischen der Zeitachse und der Frequenzachse. Zum Beispiel können die nachgewiesenen Intensitätswerte für eine empfangende optische Antennenanordnung gesampelt werden und die quantisierten gesampelten Werte gewandelt werden, wie zum Beispiel mit einer Fouriertransformation oder einem schnellen Fouriertransformation-Filter, um Information in Frequenzbereichen zu erhalten, die repräsentativ für das Licht ist, welches von allen optischen Antennenelementen über der empfangenden optischen Antennenanordnung empfangen wird. Diese Information im Frequenzbereich kann verarbeitet, gespeichert oder übertragen werden zu einem verschiedenen Ort, abhängig von der gewünschten Verwendung der empfangenden optischen Antennenanordnung.
Eine inverse Operation kann ein erwünschtes Lichtsignal oder Bild erzeugen, wobei die übertragende optische Antennenanordnung Informationen im Frequenzbereich auf solch ein Gerät anwendet, so dass das Gerät selektiv das Äquivalent ei ner räumlichen Fouriertransformation eines beabsichtigten Bildes emittiert. Wie bekannt ist, kann eine konventionelle Linse als ein räumliches fouriertransformierendes Gerät wirken und demnach die Wellen, die durch die optische Antennennanordnung emittiert werden, in ein „Realworld-Bild" wandeln, welches durch die Information, die der optischen Antennenanordnung zugeführt wird, dargestellt wird.
In einer Ausfürungsform kann das Steuergerät der optischen Antennen 1700, wie es mit Bezug auf 19 beschrieben wird, die Information im räumlichen Frequenzbereich erzeugen, die der optischen Antennenanordnung zugeführt werden soll, von der Wandlung eines Realworld-Bildes von einer analytischen Quelle, wie optische Konstruktion, Modellierung oder Analysesoftware oder von Information, die von einer anderen Quelle geliefert wird.
Beispiele von Oszillatoren.
In vielen Ausführungsformen der erzeugenden optischen Antennenanordnungen, die Licht erzeugen, wie sie mit Bezug auf 2 beschrieben werden, kann der elektrische Schaltkreis ein Trägersignal erzeugen (entweder ein elektrisches oder optisches Signal), welches verwendet wird, um das Licht zu erzeugen. Viele Ausführungsformen eines Oszillators können verwendet werden, um ein sinusförmiges Trägersignal und/oder Referenzsignal zu erzeugen. Beispiele von Oszillatoren, die bei oder nahe optischen Frequenzen arbeiten, können gefunden werden in: J.C. Pearson, I. Mehdi, E. SChlecht, F. Maiwald, A. Maestrini, J. Gill, S. Martin, D. Pukala, J. Ward, J. Kawamura, W.R. McGrath, W.A. Hatch, D. Harding, H.G. LeDuc, J.A. Stern, B. Bumble, L. Samoska, T. Gaier, R. Ferber, D. Miller, A. Karpov. J. Zmuidzinas, T. Phillips, N. Erickson, J. Swift, Y.-H. Chung, R. Lai, and H. Wang, Proceedings SPIE, Astronomical Telescopes und Instrumentation, Waikoloa, Hawaii, 22.–28 August 2002; John Ward, Frank Maiwald, Goutam Chattopadhyay, Erich Schlecht, Alain Maestrini, John Gill, und Imran Mehdi, 1400–1900 GHz Local Oscillators for the Herschel Space Observatory, Proceedings, Fourteenth International Symposium an Space Terahertz Technology, S. 94–101, Tucson, Arizona, 2003; John Ward, Goutam Chattopadhay, Alain Maestrini, Erich Schlecht, John Gill, Hamid Javadi, David Pukala, Frank Maiwald, and Imran Mehdi, "Tunable All-Solid-State Local Oscillators to 1900 GHz," Proceedings, Fifteenth International Symposium an Space Terahertz Technology, Amherst, Massachusetts, 2004, wobei jedes durch Bezug hier eingeschlossen wird.
11 zeigt eine verallgemeinerte Darstellung eines Rückkopplungssystems, welches als ein Oszillator 1102 arbeiten kann. Solche grundlegenden diagrammatischen Strukturen werden normalerweise beschrieben in einer Vielfalt von Technologien, wie jene die sich auf Steuersysteme, Antennensysteme, Mikrowellensysteme oder Analogschaltkreise beziehen. Allgemein gesprochen kommt ein Inputsignal an dem Summierer Σ an, bei dem es mit einem Rückkopplungssignal aus einem Rückkopplungselement f₁ kombiniert wird, um ein kombiniertes Signal zu erzeugen, das ein Gain-Element G antreibt. Das Gain-Element G verstärkt das kombinierte Signal um ein Outputsignal V_OUT zu erzeugen.
Wenn der Schleifen-Gain größer als 1 ist, wird das Outputsignal des Systems anwachsen, bis ein anderer Systemparameter den gesamten Schleifen-Gain begrenzt. Wenn das System als ein Oszillator gedacht ist, kann das Rückkopplungselement f1 ein Frequenzfilter sein, so dass die gesamten Systemschwingungen sinusförmig bei einer ausgewählten Frequenz sind.
Während eine grundlegende Form des Oszillators 1102 diagrammatisch in 11 dargestellt wird, wird ein Fachmann erkennen, dass die tatsächliche Oszillatorkonfiguration von der besonderen Anwendung abhängen wird, einschließlich der Betriebsfrequenz, der Art des Gain-Elements, dem gewünschten oder erhältlichen Qualitätsfaktor Q von verschiedenen Komponenten und Filtern oder anderen Betriebs- und Konstruktionserwägungen. Zum Beispiel kann die Frequenz als Teil oder als Ganzes durch eine Frequenz-selektive Komponente bei dem Gain-Element G bestimmt werden. Demnach können Bezugnahmen auf das Rückkopp lungselement f1 hier anwendbar sein, auf den nach vorne gerichteten Gain-Anteil des Systems statt auf oder zusätzlich zum Rückkopplungsanteil des Systems.
Darüber hinaus können Systeme, die mehr als eine Rückkopplungsschleife haben, Systeme, die eine separate Antriebsquelle für den Gain haben und Systeme, die Gain- und Rückkopplungsanteile haben, die Bestandteile einer einzelnen Komponente sind, für bestimmte Anwendungen angemessen sein. Außerdem können Oszillatoren oder Signalquellen auch durch eine Vielfalt von anderen diagrammatischen oder konzeptionellen Darstellungszugängen dargestellt werden.
In einem allgemeinen Fall kann das Oszillator-Outputsignal V_OUT ein oder mehr Antennennelemente antreiben, wie anderswo hier beschrieben wird. Wenn das optische Signal V_OUT bei optischen Frequenzen liegt, kann es ein Trägersignal, ein Treibersignal oder ein Referenzsignal direkt liefern oder es kann frequenzgewandelt werden, um ein Trägersignal, Referenzsignal oder Treibersignal für das optische Antennenelement zu erzeugen.
Während das Rückkopplungselement f₁ als ein grundlegender diagrammatischer Block in 11 dargestellt wird, zeigt 12 repräsentativ eine Art von Struktur 1202, die teilweise die Systemfrequenz der Oszillation und Q definieren kann. Bei diesem System empfangt ein Molekül oder eine andere Struktur, wie ein Quantenpunkt, der ein separates Element sein kann oder in einer größeren Struktur wie einem Kristallgitter eingeschlossen sein kann, Inputenergie. Die empfangene Energie kann als Teil aus dem Systemoutput V_OUT kommen, wie in 12 gezeigt. Die Struktur 1202 hat eine Resonanz bei einer Frequenz, die teilweise durch hier physikalischen und elektromagnetischen Charakteristiken bestimmt wird, wie die zugänglichen Quantenzustände der Elektronen oder Massen der Moleküle. Ein Fachmann wird erkennen, dass 12 nur darstellend für molekulare Strukturen ist, wobei ein Kern N von Elektronen e-umgeben wird. Die Energieniveaus, Bindekräfte und andere Aspekte der Molekularstruktur definieren Resonanzen, bei welchen das Molekül natürlich antworten wird. 12 wird für die Deutlichkeit der Darstellung angegeben. Darüber hinaus brauchen sich Oszillatoren nicht auf natürliche Frequenzen der Moleküle bei vielen Anwendungen zu verlassen. Zum Beispiel wurden Oszillatoren, die molekulare oder auf einem Quantenpunkt basierende Resonatoren verwenden, bei einer Vielzahl von Frequenzen erzeugt. Zum Beispiel ist das Laeserlicht-Strahlen, welches auf Quantenpunkt-Schwingungen basiert, beschrieben in: „Lasing from InGaAs/GaAs quantum dots with extended wavelength and well-defined harmonic-oscillator energy levels," G. Park, O. B. Shchekin, D. L. Huffaker, and D. G. Deppe, Applied Physics Letters Vol 73(23) S. 3351–3353.7. Dezember 1998.
In einigen Implementierungen kann das Rückkopplungselement f1 eine Mehrzahl von separaten oder integralen Strukturen, Komponenten oder Elementen umfassen, welche Rückkopplung und/oder Frequenzselektivität liefern. Wie oben bemerkt, können solche Strukturen im Rückkopplungsanteil des Systems, in dem nach vorne gerichteten Gain-Anteil des Systems oder in beiden sein.
Während die Beschreibung der 11 den Oszillator darstellt, können andere Quellen eines Trägersignals, Referenzsignals oder Treibersignals in vielen Fällen angemessen sein. Zum Beispiel verwendet eine Ausführungsform eines Systems, welches das Referenzsignal mit einem empfangenden Signal mischt, ein separat erzeugtes Referenzsignal bei der optischen Frequenz. In einem Zugang erzeugt ein Laser wie ein Mikrolaser, ein Laserdiode, ein Farblaser oder eine andere Art von bekanntem Laser das Referenzsignal.
Bei solchen Systemen ist das Outputsignal typischerweise ein optischer Strahl bei einer Frequenz von der Größenordnung von 10 zu 100 Terahertz. Die Art der ausgewählten Laser kann von der gewünschten Wellenlänge, Leistung, Kosten, Transportierbarkeit oder anderen Aspekten abhängen.
In einer Konfiguration wird das Signal von der Referenzquelle in Richtung der ein oder mehr optischen Antennenelemente 102 gelenkt. Wie oben beschrieben, wan deln die optischen Antennenelemente Energie in dem einfallenden Referenzstrahl in ein elektrisches Referenzsignal um, welches durch einen Teil des optischen Antennenelements 102 getragen wird.
Das Signal aus der Referenzquelle kann demselben optischen Element zugeführt werden, das als ein empfangendes optisches Antennenelement arbeitet, um eine Antwort in dem optischen Antennenelement 102 zu erzeugen, die zusammengesetzt ist aus der Antwort, die zu dem empfangenden optischen Signal gehört und der Antwort die zu dem optischen Referenzsignal gehört. Ein Beispiel eines optischen Referenzsignals, das mit einem zweiten Signal gemischt wird, um eine Dipolantenne zu treiben, wird im Artikel beschrieben: I. C. Mayorga, M. Mikulics; M. Marso; P. Kordos; A. Malcoci; A. Stoer; D. Jaeger; R. Gusten; „THz Photonic Local Oscillators"; September 2003; Max-Planck-Institut for Radioastronomy, welcher hier durch Bezug eingeschlossen. wird und wie er von der Webseite: „http://damir.iem.csic.es/workshop/files/03092003_17h50_Camera.pdf" erhalten werden kann.
Alternativ kann, wie in 13 gezeigt, das Signal aus einer Referenzquelle 1302 den optischen Antennenelementen 102a zugeführt werden, die verschieden von den optischen Antennenelementen 102 sind, welche als empfangende optische Antennenelemente arbeiten. Das elektrische Signal, das zu dem empfangenden optischen Signal korrespondiert und das elektrische Signal, das zu dem optischen Referenzsignal korrespondiert, können dann beide an einen elektrischen Leiter 1304 gekoppelt werden wie einen Wellenleiter, eine Komponente oder ein Polaritonen ausbreitendes Material, welches einen Output erzeugt, der eine Zusammensetzung des elektrischen Signals ist. Solch ein Zugang kann anwendbar sein in einer Vielzahl von anderen physikalischen Konfigurationen und kann komplementär zu den Zugängen sein, die unten mit Bezug auf die 15 und 16 beschrieben werden.
In einem anderen alternativen Zugang kann ein Referenzignal gebildet werden gemäß dem optischen Bestrahlen eines Halbleiters oder eines nichtlinearen optischen Materials, welches seinerseits eine Polaritonen-Ausbreitung erzeugt, wie es gefunden werden kann in: N. Stoyanov, D. Ward, T. Feurer, K. Nelson; „Terahertz polariton propagation in patterned materials"; Nature Materials-Letters; Oktober 2002; S. 95–98; Volume 1; Nature Publishing Group, welches hier durch Bezug eingeschlossen wird. In einem solchen Zugang liefern die erzeugten Polaritonen, die an einem optischen Antennenelement oder an einer elektronischen Komponente ankommen, eine Phasenreferenz für elektrische Signale, die durch das optische Antennenelement erzeugt werden.
Beispiele von Phasenvergleichen
14 zeigt diagrammatisch eine Ausführungsform eines Phasenvergleichers 1400, welcher eine kombinierte optische Antennenelementanordnung 1402 und einen Referenzwellenform-Erzeuger 1404 umfasst, welcher eine Referenzwellenform 1407 erzeugt, die als von links nach rechts laufend in 14 dargestellt wird. Ein Fachmann wird erkennen, dass die diagrammatisch dargestellten Komponenten einen Anteil einer optischen Antennenanordnung bilden, wie hier oben beschrieben wurde. Jedes optische Antennenelement 102 in der Anordnung kann erzeugen und/oder empfangen irgendeine gegebene Phase mit Bezug auf das andere optische Antennenelement an irgendeiner gewünschten räumlichen Stelle. Die Steuerung der relativen Phasen zwischen den optischen Antennenelementen kann das Beamforming, die Gainsteuerung oder andere Merkmale ermöglichen, wie oben beschrieben.
In einer empfangenden Konfiguration, wie in 14 dargestellt, umfasst die kombinierte optische Antennenelementanordnung 1402 eine Anzahl von empfangenden optischen Antennenelementen 102 und entsprechenden Vergleichern Cx (wobei X = 1, 2, 3, ... n). Jeder Vergleicher Cx empfängt auch die Referenzwellenform 1407 bei einer entsprechenden relativen Phase. In der empfangenden Konfi guration vergleicht der Vergleicher die Phase des Signals, das vom optischen Antennenelement 102 empfangen wird, relativ zu der Referenzwellenform 1407, um die relative Phase des empfangenden Signals an jedem optischen Antennenelement 102 zu bestimmen.
Wenn die Richtung des interessierenden Feldes gesteuert werden soll, können die Vergleicher Cx entsprechende Phasenanpasser ΔΦ_X umfassen, die die Phasen der entsprechenden Signale, die von den entsprechenden optischen Antennenelementen empfangen werden, verschieben. Ein Fachmann wird erkennen, dass dieselbe grundlegende Struktur auf eine übertragende oder erzeugende Ausführungsform angewendet werden kann, wobei die Kombinierer statt der Vergleicher eingeschlossen würden. Darüber hinaus ist die Darstellung der 14 diagrammatisch und einige Aspekte, die separat als Bestandteil der 14 dargestellt wer den, können in einer oder mehr Komponenten in einigen Konfigurationen realisiert werden. Zum Beispiel kann der Phasenvergleicher Bestandteil der optischen Antennenelemente oder Kombinierer sein in einigen Konfigurationen, und die Phasenanpasser können Bestandteil einer einzelnen Komponente oder einiger Komponenten sein, die von den Kombinierern separat sein können. Darüber hinaus können die Vergleicher oder Phasenanpasser aktive oder passive Strukturen sein.
Zusätzlich können die relativen Positionen und/oder Orientierungen der Geräte oder Komponenten verändert werden oder sogar umgedreht werden abhängig von der ausgewählten Systemarchitektur. Zum Beispiel können die Phasenanpasser positioniert werden, um die Phase des Referenzsignals in einer empfangenden Konfiguration zu steuern oder können positioniert werden, um die Phase der erzeugten Signale anzupassen, nachdem die Signale durch ihre jeweiligen optischen Antennenelemente emittiert werden können.
In der Ausführungsform des Erzeugers der ebenen Referenzwellenform 1404, wie mit Bezug auf 14 beschrieben, kommt die Referenzwellenform aus einer Richtung an, die im Wesentlichen parallel zu einer Ebene ist, die die Anordnung von optischen Antennenelementen (zum Beispiel von links nach rechts in 14) umfasst, sodass jedes der optischen Antennenelemente die ebene Referenzwellenform bei einer entsprechenden relativen Zeit erhält. Bei solchen Konfiguration, bei denen die Referenzwellenform sich in oder bei einem Winkel ausbreitet, der nicht senkrecht zu einer Ebene ist, welche die optischen Antennenelemente enthält oder parallel dazu ist, wie in 14 dargestellt, wird die relative Zeitdifferenz zumindest teilweise eine Funktion des Abstands zwischen den Elementen und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Referenzwellenform sein.
Bei der Konfiguration der 15 kommt die Referenzwelle bei allen optischen Antennenelementen oder Kombinierern 1502 in Wesentlichen gleichzeitig an. Hier wird die Referenzwellenform als sich parallel ausbreitend zu der zentralen Richtung der erzeugten oder empfangenden Wellenform dargestellt, obwohl andere Orientierungen gewählt werden können abhängig von Konstruktionserwägungen. Die zugeführte Referenzwellenform bewegt sich deswegen im Allgemeinen nach oben, wie es mit Bezug auf 15 dargestellt wird. In dieser Darstellung kommt die Referenzwellenform demnach orthogonal relativ zu der Ebene an, welche die optischen Antennenelemente enthält. Winkel, die nicht parallel oder orthogonal zu der Ebene liegen, welche die optischen Antennenelemente enthält, können auch ausgewählt werden. Ein Zugang zum Bereitstellen der Referenzwellenform wurde oben mit Bezug auf 13 beschrieben, obwohl die Referenzwellenform auch ein Signal sein kann, welches entlang eines Leiters transportiert werden kann, wie eine Welle von Polaritonen, die definierte relative Phasen haben. Solche Wellen sind in der Literatur dargestellt und abgebildet wurden, zum Beispiel: David W. Ward, Eric Statz, Jaime D. Beers, Nikolay Stoyanov, Thomas Feurer, Ryan M. Roth, Richard M. Osgood, and Keith A. Nelson, „Phonon-Polariton Propagation, Guidance, and Control in Bulk and Patterned Thin Film Ferroelectric Crystals," in Ferroelectric Thin Films XII: MRS Symposium Proceedings, Vol. 797, edited by A. Kingon, S. Hoffmann-Eifert, I.P. Koutsaroff, H. Funakubo, and V. Joshi (Materials Research Society, Pittsburgh, PA, 2003) S. W5.9.1-6.
Ebenfalls können, obwohl der Bezug oben zu einer Ebene genommen wurde, welche die optischen Antennenelemente enthält, andere nicht ebenen Strukturen ausgewählt werden einschließlich gekrümmten, geschichteten oder anderen Konfigurationen. In jeder dieser Konfiguration können ein oder mehr Referenzsignale an die optischen Antennenelemente geliefert werden. Obwohl weiterhin 14 das Referenzsignal als aus einer Richtung ankommend darstellt, die senkrecht zu einer Ebene ist, welche die optischen Antennenelemente enthält und 15 das Referenzsignal als von „hinter" den optischen Antennenelementen ankommend zeigt, kann das Referenzsignal bei einigen Zugängen von der „Vorderseite" der optischen Antennenelemente kommen. Dies bedeutet, dass das Referenzsignal und das erzeugte oder empfangende Signal von derselben allgemeinen. Seite der optischen Antennenanordnung ankommen oder sich entfernen. Darüber hinaus können andere Ausführungsformen mehr als ein Referenzsignal verwenden und Kombinationen von Referenzsignalen verwenden.
Außerdem muss die Referenzwellenlänge keine ebene Wellenform sein, oder nicht einmal eine im Wesentlichen ebene Wellenform sein. Zum Beispiel können nicht ebene Wellenformen in einigen Anwendungen wünschenswert sein. Ein relativ direkter Zugang zum Erzeugen einer nicht ebenen Referenzwellenform ist es, eine nichtgleichförmige Phasenverzögerungsstruktur einzubauen wie nicht gleichförmige Phasenplättchen oder eine aktive Anordnung von Phasenverzögerungsstrukturen zwischen dem Erzeuger der Referenzwellenform 1404. Wenn die optische Antennenelementanordnung 1402 als ein optischer Empfänger konfiguriert wird, können Signale aus dem Erzeuger für die ebene Referenzwellenform 1404, die von den verschiedenen optischen Antennenelementen bei verschiedenen Zeiten (und deswegen Signale, die bei verschiedenen Phasen empfangen werden) empfangen werden, überwacht werden oder angepasst werden oder anderweitig betrachtet werden. Als ein Beispiel kann man annehmen, dass die Phase eines Signals, welches bei einem ersten optischen Antennenelement 102 relativ zu dem Referenzsignal erzeugt oder empfangen wird, sich von der Phase eines Signals eines zweiten optischen Antennenelements 102 unterscheidet.
Wenn die Referenzwellenform aus Polaritonen gebildet wird, kann die Referenzwellenform eine Zusammensetzung sein, welche aus einer Menge von Polaritonen-Erzeugern gebildet wird wie eine Menge von ausstrahlenden Strukturen oder eine Menge von Aperturen in einem Material.
In einer Ausführungsform können die Phasenanpasser ΔΦ_R durch ein elektronisches Steuergerät gesteuert werden, um zum Beispiel zu umfassen einen Computer für einen allgemeinen Zweck, einen Mikrokontroller, einen Mikroprozessor, einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis oder irgendeine andere Art von computerbasierten, logikbasierten, mechanischem Steuergerät, elektromechanischem Steuergerät oder eine andere Art von Steuergerät. Das Steuergerät kann optional einen Input von dem Benutzer haben, um die Beamforming-, Strahllenkungs- oder andere Operationen zu steuern. Das Phasenanpassen der Signale kann gemäß einer Vielfalt von bekannten Techniken erreicht werden, die an die verwendeten Frequenzen angepasst werden können. In einem konkreten Fall kann eine Maske mit fester Phase definiert werden, um eine passive Art der Phasensteuerung zu liefern. Ein solcher Zugang zur Phasensteuerung wird beschrieben in: „Coherent optical control over collective vibrations travelling at light-like speeds," R.M. Koehl and K.A. Nelson, J. Chem. Phys. 114, 1443–1446 (2001); "Spatiotemporal coherent control of lattice vibrational waves," T. Feurer, J.C. Vaughan, and K.A. Nelson, Science, 299 374–377 (2003; and "Typesetting of terahertz waveforms," T. Feurer, J.C. Vaughan, T. Hornung, and K.A. Nelson, Opt. Lett. 29, 1802–1804 (2004), wobei jedes von ihnen hier durch Bezug eingeschlossen wird.
In solch einem Fall können die Phasenanpasser ΔΦ_R von mindestens einem der beiden optischen Antennenelemente angepasst werden, um die relativen Phasen zu reduzieren, zu limitieren oder anderweitig zu steuern. Der Betrag, die Richtung oder ein anderer Aspekt der relativen Phasen kann gemäß der gewünschten Antwort der Antennenanordnung 100 bestimmt werden. Zum Beispiel können Paare von Elementen angeregt werden und die relativen Minima und Maxima der Fernfeld-Muster können bestimmt werden. Alternativ kann der allgemeine Gain der optischen Antennenelemente entlang Pfaden überwacht werden und die relativen Phasen von 1, 2 oder mehr optischen Antennenelementen angepasst werden gemäß einem intelligenten Suchzugang, um das Strahlmuster gemäß einer bestimmten Menge der Kriterien zu verwirklichen (zum Beispiel Niveaus von Seitenstrahlungskeulen, Gain der zentralen Strahlungskeule oder ähnliche Kriterien).
16 zeigt eine andere Ausführungsform eines Phasenvergleichers 1600, welcher die Phase eines Referenzsignals vergleicht und anpasst, dass durch mehrere empfangende optische Antennenelemente erzeugt wird, (statt eines Referenzsignals, welches empfangen wird, wie in der Ausführungsform der 14 und 15). Die relativen Phasen der relativen optischen Antennenelemente 102 können angepasst werden durch Anpassen der entsprechenden Phasenanpasser ΔΦ_T. Der Phasenvergleicher 1600 der 16 unterscheidet sich von dem Phasenvergleicher 1400 der 14 dadurch, dass der Erzeuger einer ebenen Referenzwelle 1604 konfiguriert wird, eine Referenzwelle zuzuführen, welche senkrecht zu der Orientierung der optischen Antennenelemente der kombinierten sichtbare Frequenzen erzeugenden Elementanordnung 1602 ist. Daher können die Referenzwellen bei jedem der mehreren empfangenden optischen Antennenelemente 102 zu einer verschiedenen Zeit empfangen werden, die der Zeit entspricht, die von der Referenzwelle benötigt wird, um zu jedem entsprechenden optischen Antennenelement von einem vorangehenden optischen Antennenelement zu laufen.
Beispiele von regelmäßigen Konfigurationen von optischen Antennenelementen
Optische Antennenelemente können hergestellt werden gemäß einer Vielfalt von Techniken einschließend, aber nicht darauf begrenzt, Photolithographie, Lithographie, Züchten von Nanostrukturen und Befestigen von separat gezüchteten Nanostrukturen auf einem Substrat oder einer anderen Unterstützung. Optische Antennenelemente können entweder als regelmäßig oder unregelmäßig klassifiziert werden. Wie oben beschrieben, bezieht sich in dieser Offenbarung der Begriff „gleichförmig" auf regelmäßige oder statistisch regelmäßige Anordnungen von optischen Antennenelementen, die sich im Wesentlichen kontinuierlich über einen Teil oder über die Gänze einer optischen Antennenanordnung erstrecken.
Konzeptionell ist es vielleicht eine einfache Konfiguration von optischen Antennenelementen, jene zu betrachten, bei welchen jedes optische Antennenelement gleichförmig beabstandet von dem benachbarten optischen Antennenelement ist und jedes optische Antennenelement sich im Wesentlichen senkrecht zum Substrat oder einem anderen Unterstützungsmittel erstreckt. Da die Abmessungen jedes optischen Antennenelements typischerweise winzig sind, kann es sein, dass der Abstand der optischen Antennenelemente nicht exakt regelmäßig ist. Außerdem kann es bei manchen Ausführungsformen schwierig sein zu garantieren, dass die optischen Antennenelemente sich im Wesentlichen senkrecht zum Substrat oder dem Unterstützungsmittel erstrecken. Daher bezieht sich der Begriff „regelmäßig" bei vielen Ausführungsformen auf den Ort der Befestigung der optischen Antennenelemente über dem Substrat. Zum Beispiel kann das Züchten von optischen Antennenelementen aus einer Anzahl von regelmäßig beabstandeten Keimstellen einen im Wesentlichen regelmäßige Anordnung von optischen Antennenelementen innerhalb einer optischen Antennenanordnung erzeugen, obwohl viele der optischen Antennenelemente sich mit Bezug auf das Substrat bei anderen Winkeln als senkrechten erstrecken, wie es in 22 dargestellt wird. Für eine große Anzahl von optischen Antennenelementen und eine begrenzte oder angemessene Verteilung von Winkeln, bei denen die optischen Antennenelemente sich aus der Unterstützungsstruktur erstrecken, können die gesamten resultierenden Betriebscharakteristiken von vielen Ausführungsformen der optischen Antennen anordnung im Wesentlichen wiederholbare, vorhersehbare und/oder bestimmbare elektromagnetische Charakteristiken haben.
Eine große Anzahl von anderen Herstellungstechniken kann verwendet werden, um regelmäßige Anordnungen von optischen Antennenelementen zu erzeugen. Zum Beispiel können Techniken für lithographische Muster, Elektronenstrahllithographie oder Nanostruktur-Epitaxie verwendet werden. Gezüchtete Nanostrukturen können getrennt werden und mit dem Unterstützungsmittel wiederverbunden werden, um eine statisch regelmäßige Konfiguration von optischen Antennenelementen zu erzeugen.
Eine andere Ausführungsform einer regelmäßigen optischen Antennenanordnung wird in 23 dargestellt, bei welcher eine Anzahl von gemusterten Rechtecken 2304 in einer im Wesentlichen horizontalen Konfiguration über dem Substra oder dem Unterstützungsmittel gebildet wird. Die gemusterten Rechtecke 2304 können in einer Ausführungsform gebildet werden unter Verwendung von Lithographie, Photolithographie oder einer anderen Ätz-, Wachsums- oder anderen Herstellungstechnik.
Der Abstand und die Abmessung der gemusterten Rechtecke werden ausgewählt, um der beabsichtigten Betriebsfrequenz der optischen Antennenelemente zu entsprechen. Typische Photoleiter- oder Verarbeitungstechniken können verwendet werden, um die Strukturen zu erzeugen, wie sie allgemein Fachleuten für Halbleiterverarbeitung bekannt sind.
Obwohl die Ausführungsform der 23 rechteckige optische Antennenelemente 2304 umfasst, kann für manche Konfigurationen eine Vielzahl von anderen Strukturen angemessen sein einschließlich jener, die hexagonale, kreisförmige, elliptische oder andere Querschnitte haben. Darüber hinaus können, obwohl die optischen Antennenelemente 2400 als Strukturen dargestellt werden, die sich aus einer Basis erstrecken, andere Strukturen wie Vertiefungen, Aperturen oder Hohl räume oder Strukturen, die sich seitlich oder in anderen Richtungen erstrecken, angemessen sein.
Beispiele von Anwendungen bei Systemen
Diese Offenbarung stellt nun eine Anzahl von verschiedenen Ausführungsformen einer Mehrzahl von optischen Antennenelementen 102 bereit, die in einer Anordnung konfiguriert werden können. Eine Anzahl von Ausführungsformen von optischen Antennenanordnungen kann betriebsbereit sein, um Wellen zu erzeugen, die für interferometrische Anwendungen geeignet sind.
Interferometrische Anwendungen einschließlich auf Interferenz basierende optische Abbildung oder Messung umfassen Teleskope einschließlich jener, die es Astronomen erlaubt haben, den Durchmesser von Sternen zu messen, Distanzmessen, photolithographische Anwendungen, Oberflächentopologie, Gesehwindigkeitsmessungen, Messungen der Oberflächentopologie, Distanzmessungen und eine Vielzahl von anderen Anwendungen. Die Konfigurationen solcher Interferometer können ähnliche Prinzipien anwenden wie jene, die mit Bezug auf 6 und 7 beschrieben werden.
Zusätzlich zu allgemeinen Messanwendungen können kohärente Techniken konfiguriert werden, um eine Vielfalt von Ausführungsformen eines holographischen Projektors bereitzustellen, wie unten beschrieben, einschließlich holographischen Geräten zur Bilddarstellung. Eine Ausführungsform der optischen Interferometer, die mit Bezug auf diese Offenbarung beschrieben werden, umfasst Festkörper-Interferometer. Solche Festkörper-Interferometer im optischen Bereich arbeiten durch das Mischen des empfangenen Lichts und das Extrahieren der Phaseninformation aus dem gemischten Signal, ohne den optischen Bereich zu verlassen. Ein Aspekt von bestimmten Ausführungsformen der optischen Interferometer kann gekennzeichnet werden als Betrieb als ein „digitales Interferometer". In einem Zugang umfasst ein digitales optisches Interferometer ein digitales Berech nungsgerät, das selektiv die Amplitude und/oder Phase einer Anzahl von optischen Antennenelementen steuert. Die ausgewählte relative Phase und/oder Amplitude kann analytisch bestimmt werden durch Berechnungen oder andere Zugänge, kann empirisch bestimmt werden oder kann aus dem Speicher gelesen werden. In einer Ausführungsform können die Festkörper-Interferometer im optischen Bereich auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) basieren. In einer anderen Ausführungsform können solche Festkörper-Interferometer im optischen Bereich konfiguriert werden, dass sie durch das sich Stützen auf nicht-MEMS optische Schaltechniken arbeiten.
Eine Vielfalt von Zugängen kann zum Vorbereiten und Erzeugen von Daten angemessen sein, um sie im Speicher zu speichern oder sie an ein Berechnungsgerät zu liefern. In einer Anwendung werden die Daten durch das Aufnehmen eines Bildes einschließlich Phaseninformation mit einem auf einer optischen Antennenanordnung basierenden Gerät oder mit einer anderen Art von holographischem Gerät erzeugt.
Eine Vielzahl von numerischen Techniken wie jene, die für die konventionelle Phasenanordnungen und holographische Techniken bekannt sind, können angewendet werden, um die digitalen Daten für die aufgenommenen, dargestellten oder projizierten Bilder zu erzeugen. In einem Zugang, bei dem jedes optische Antennenelement ein Signal erzeugt, welches eine ankommende Welle anzeigt, wird der Input gesampelt, typischerweise bei einer Frequenz, die der Frequenz des empfangenden Lichts nahe kommt, ihr im Wesentlichen gleicht oder sie übertrifft und die gesampelten Daten werden digital verarbeitet. Computertechniken und Hardware erhöhen kontinuierlich die Verarbeitungsgeschwindigkeit, um die Genauigkeit und Leistungsfähigkeit von digitalem Abbilden zu verbessern.
In einigen Anwendungen werden die Daten und die Information an einer ersten Stelle oder Menge von Stellen aufgenommen und dann zu einer zweiten Stelle überführt, an der das Bild dargestellt wird als eine Anzeige oder holographisch dargestelltes Bild. Darüber hinaus können die Daten oder die Information, die erzeugt werden soll, komprimiert oder ersetzt oder ergänzt werden durch repräsentative Daten, um die Geschwindigkeit zu erhöhen oder die Systembelastung für Informationsübertragung zu verringern.
Die Anzahl, die Anordnung, die Stelle, das Material und andere Eigenschaften der optischen Antennenelemente können stark variieren abhängig von besonderen Konstruktionsüberlegungen. Jedoch als eine exemplarische Ausführungsform einer Anwendung, die kohärente Abbildungs- oder interferometrische Zugänge verwenden kann, kann eine empfangende optische Antennenanordnung ähnlich wie ein miniaturisiertes sog. Keck-Teleskop arbeiten oder ein Radioteleskop mit sehr großer Anordnung (very large array, VLA), welches Wellen bei optischen Frequenzen verwendet.
Verschiedene hier beschriebene Techniken, die sich auf Interferometer beziehen, können auch angewendet werden, um Kameras zu entwerfen und zu konstruieren, die als Detektoren konfiguriert werden können, wie oben beschrieben. Der grundlegende Interferometerzugang könnte deswegen auf Detektoren angewendet werden, die eine regelmäßige oder unregelmäßige Anordnung von optischen Antennenelementen oder Mengen von Anordnungen von optischen Antennenelementen bilden. Abhängig von verschiedenen Konstruktionsüberlegungen können die Abmessungen der Anordnung von Briefmarkengröße bis zur Größe einer Anschlagtafel reichen und sogar außerhalb dieser Abmessungen. Bei manchen Abmessungen eines physikalischen optischen Antennenelements können die optischen Antennenelemente der optischen Antennenanordnung als selbsttragend hergestellt werden und es kann angemessen sein, das Substrat getrennt von den optischen Antennenelementen herzustellen. In anderen Ausführungsformen können die optischen Antennenelemente separat von einem Substrat oder einer Menge von Substraten unterstützt werden.
Eine Ausführungsform der empfangenden optischen Antennenanordnung kann konfiguriert werden, um eine Ausführungsform eines extrem „dünnen" Abbilders zu bilden. In einem solchen Zugang kann die Betriebsschaltung in einer separaten Struktur angeordnet werden oder kann eine integrierte Betriebsschaltung haben. In einer Anwendung kann der Abbilder als ein Teil einer Kamera konfiguriert werden, der es der Kamera erlaubt, Merkmale zu besitzen, die sich von konventionellen Kameras unterscheiden. In einem Zugang können zusätzliche Teile der optischen Antennenanordnung wie ein Phasensteuerungs-Aggregat Richtungsabhängigkeit oder Gain liefern, welcher einen Teil der konventionellen Fokussieroptik in einer Kamera ergänzen oder ersetzen kann. In einigen Anwendungen kann die Funktionalität des Bilddarstellers ausreichend sein, um die konventionelle Optik vollständig zu ersetzen. In anderen Anwendungen kann die Funktionalität des Abbilders eine Kombination von konventioneller Optik und eine Anordnung von optischen Antennenelementen einschließen.
Wenn die optische Antennenanordnung ohne separate diskrete Optik verwendet wird oder mit Mikrooptik konfiguriert wird, kann die optische antennenbasierte Kamera mit einer Dicke konfiguriert werden, die zu der Dicke eines halbleiterbasierten Chips korrespondiert, welcher in der Kamera integriert ist (zum Beispiel eine Abmessung von der Ordnung von einem oder wenigen mm haben) und kann abhängig von der Anwendung eine akzeptable effektive Aperturgröße, Brennweite oder andere Eigenschaften haben.
In einer Ausführungsform liefert, wie oben beschrieben, das digitale Abtasten eine effektive Fouriertransformation durch das Steuern/Aktivieren von ausgewählten Elementen oder Phasensteuerungen. Dies kann ein selbstkorrelierendes optisches Bildgerät erlauben. Während die obigen Beschreibungen periodisch beabstandete Anordnungen von Elementen umfassen, können andere Konfigurationen ausgewählt werden. In einer Ausführungsform bilden ein oder mehr optische Antennenelemente 102 einen ringförmigen Ring auf einem Substrat 202, wie es unten mit Bezug auf 17 diagrammartig dargestellt wird.
Diese Konfiguration einschließlich Phasel-Abgriffen 1702 liefert eine diskrete Menge von Phasenrichtungen, die die relative Phase anpassen können. Dies kann als eine Phasenabtastungsversion von Pixeln angesehen werden. Die Menge von Abgriffen definiert effektiv die „Phasel", die Licht von verschiedenen Teilen des Rings der optischen Antennenelemente mischen. Die Anzahl und Abstand der Phaseln bestimmen die Winkelauflösung teilweise.
Eine solche Ausführungsform des Interferometers im elektrischen Bereich kann unter Verwendung von bestimmten digitalen Zugängen implementiert werden. Zum Beispiel können Phasel-Abgriffe als Φ–Anpasser konfiguriert werden, die sich auf Verzögerungslinien verlassen, deren Verzögerungszeit individuell verändert werden kann. Ein anderer Zugang zur Phasenkontrolle involviert das physikalische Modifizieren der relativen Positionen oder Abmessungen der optischen Antennenelemente 102.
Noch ein anderer Aspekt der Φ-Anpasser 104 umfasst Zugänge, die die relativen Signalverzögerungen mit etwas anderem als physikalischer Länge steuert (zum Beispiel das Verändern von Materialeigenschaften, das Konstruieren von Wellenleitern mit reduzierten Ausbreitungsgeschwindigkeiten etc.). Ein Beispiel einer solchen Analyse im Mikrowellenbereich, die im Wesentlichen auf die optische Antennenanordnung direkt anwendbar wäre, wird beschrieben in: Chiang, et al., Microwave Phase Conjugation Using Antenna Arrays, IEEE Transactoins an Microwave Theory and Techniques, Vol 46, No. 11 (November 1998), die Beispiele von Analysen von Mikrowellen-Antennenanordnungen mit 8 und 40 Elementen angibt und die hier durch Bezug eingeschlossen wird. Während eine solche Konstruktion oder Steuerung analytisch durchgeführt werden kann, können empirische oder statistische Zugänge auch anwendbar sein. Zum Beispiel können statistische Zugänge zum Beamforming oder zur Richtungsbestimmung auf die optische Antennenanordnung angewendet werden.
Eine andere Ausführungsform eines Geräts, das auf einer optischen Antennenanordnung basiert, verwendet Abtasttechniken. In einer Ausführungsform wird ein Bild angezeigt oder aufgenommen durch Abtasten und Steuern auf einer Pixel für Pixel Basis. Das Abtasten kann durch ein physikalisches Gerät geschehen, wie zum Beispiel ein MEMS, einen akustooptischen oder ähnlichen Scanner, kann durch das Steuern von Phase und Amplitude der Signale bei jedem entsprechenden optischen Antennenelement implementiert werden oder kann eine Kombination von beidem sein.
Viele Signalschalt- oder Modulationstechniken können Selektivität von Signalen aus entsprechenden oder Gruppen von optischen Antennenelementen bereitstellen. Zum Beispiel wendet ein beispielhafter Zugang Interferenz von Signalen an mit einer Struktur wie einem Mach-Zehnder-Interferometer, um selektiv etwas oder alles des Signals von entsprechenden optischen Antennenelementen zu entsprechenden erwünschten Orten zu übertragen.
In einem vereinfachten Beispiel von Interferenz gemäß der Struktur der 13 läuft Energie zum Beispiel von dem linken optischen Antennenelement 102A (links nach rechts), mischt sich mit einem Signal von dem rechten optischen Antennenelement 102. Wenn die Signale dieselbe Amplitude haben und eine halbe Wellenlänge phasenversetzt sind bei einer gegebenen Stelle, wird in erster Ordnung das Nettosignal an der Stelle im Wesentlichen Null sein. Die Amplitude wird variieren abhängig von der Amplitude des entsprechenden Signals relativ zu der Amplitude des Referenzsignals und/oder der relativen Phasen der Signale.
Statt zu versuchen in allen Richtungen von einer Menge von optischen Antennenelementen sind zu detektieren, die innerhalb einer Ebene positioniert sind, kann es erwünscht sein, bei einigen Ausführungsformen der optischen Antennenanordnung, eine Mehrzahl von Antennenanordnungen zu verwenden, wobei jede ein entsprechendes Betrachtungsfeld hat. Jede der Antennenanordnungen kann ein festes Betrachtungsfeld haben oder kann abtastbar sein. Darüber hinaus können die entsprechenden Betrachtungsfelder nicht überlappend oder teilweise überlappend sein.
Wenn die Betrachtungsfelder separat sind, kann es vorteilhaft sein, die relativen Phasen innerhalb eines kleineren Bereichs zu variieren, wenn sie mit dem Phasenbereichen verglichen werden, die dem Adressieren eines größeren Betrachtungsfeldes entsprechen. Das Richten der entsprechenden optischen Antennenanordnung hin zu entsprechenden Orientierungen kann es einem Gesamtsystem erlauben, einen breiten Bereich von Betrachtungsfeldern zu überwachen oder Licht über einen relativ breiten Bereich auszustrahlen. In einigen Fällen kann die Größe der Anordnungen von optischen Antennenelementen es erlauben, dass eine Mehrzahl von Anordnungen in einer einzelnen Einheit oder wenigen Einheiten zusamm mengestellt wird. Dies kann ein kompaktes System ermöglichen mit einem relativ großen Betrachtungsfeld.
Betrachte eine zweidimensionale Anordnung von Phasel-Abgriffen, die als Φ-Anpasser 104 konfiguriert werden können in der Ausführungsform, wie sie mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben wird. Der Kombinierer 106, wie er mit Bezug auf 1 beschrieben wird, wird konfiguriert, um den Input aus irgendeiner Gruppe von optischen Antennenelementen zu mischen, die die gewünschte Kombination von Phasenverzögerungen zwischen einem minimalen Wert und einem maximalen Wert haben.
Ein relativ einfacher Zugang zum Erhöhen der Antwortgeschwindigkeit der Phasel-Abgriffe (zum Beispiel der Φ-Anpasser 104) umfasst das Beliefern von jedem der Phasel-Abgriffe mit einer Menge von diskreten Phasenverzögerungen, wobei jede einer entsprechenden im Wesentlichen festen Winkelerhöhung oder relativen Phasen entspricht. Die relativen Phasen zwischen entsprechenden optischen Antennenelementen 102 können angepasst werden durch selektives Koppeln von ein oder mehr der diskreten Phasenverzögerungen.
Nachdem Signale aus einer Mehrzahl von empfangenden optischen Antennenelementen 102 abwärts gewandelt werden (zum Beispiel durch Mischen), wird der Output des abwärts gewandelten Signals mit angemessener elektronischer Schalttechnik verarbeitet. In einem Zugang umfasst die elektronische Schaltung einen Analog-Digital-(A/D)-Wandler, der ein digitales Signal erzeugt, welches für das abwärts gewandelte Signal repräsentativ ist. Während die beschriebene Implementierung eine elektronische Schaltung einschließlich des A/D-Wandlers verwendet, kann eine Vielfalt von anderen Zugängen zum Verarbeiten oder der anderweitigen Behandlung der abwärts gewandelten Signale angemessen sein einschließlich analogem Filtern, Abtasten oder anderen bekannten Zugängen.
Beispiele von Konfigurationen von regelmäßigen und unregelmäßigen Anordnungen von optischen Antennenelementen
In vielen Ausführungsformen der optischen Antennenanordnung kann eine Anordnung von optischen Antennenelementen in einem Muster verschieden von einer N×N-Matrix angeordnet werden, wobei jede Stelle ein oder mehr Antennenelemente umfasst. Ein früher beschriebenes Beispiel ist die Ringanordnung aus 17.
In einer anderen Anordnung kann eine Menge von Antennenelementen gemäß einer N×N-Matrix von Positionen angeordnet werden, wobei ein oder mehr der Positionen in der Matrix leer sind. In einigen Fällen kann ein wesentlicher Anteil, der mehr als die Hälfte der Positionen sein kann, leer sein. Das Positionieren, die Antwort, die Konstruktion und andere Merkmale einer solchen Konstruktion können bestimmt werden gemäß den Techniken für dünn besetzte Anordnungen von Antennenstrukturen. Beispiele von solchen Analysen können zum Beispiel gefunden werden in: Athley Optimization of Element Position for Direction Finding with Sparse Arrays, self-identified as published at IEEE Proceedings of the 11^th Workshop an Statistical Signal Processing, 6.–8 August 2001 (Singapore).
Eine weniger als volle (zweidimensionale) Anordnung von optischen Antennenelementen kann die Herstellung und die Berechnung in einigen Anwendungen vereinfachen, während sie im Wesentlichen dieselbe Information liefert wie eine volle Anordnung von optischen Antennenelementen. Eine dünn besetzte Anordnung kann im Wesentlichen dasselbe Betrachtungsfeld adressieren und im Wesentlichen dieselbe Information aufnehmen durch sequenzielles Adressieren einer Menge von Betrachtungsfeldern. In einem Zugang umfasst eine solche Anordnung eine Menge von zugehörigen Φ-Anpassern 104, die als Phasel-Abgriffe konfiguriert werden oder individuell steuerbare Verzögerungslinien, wie sie mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben werden. Der Output von den verschiedenen relativ wenigen Mengen von optischen Antennenelementen kann kombiniert werden, um eine Menge von Informationen zu erzeugen, die jene von dichter besetzten Anordnungen approximiert.
Eine Anzahl von Ausführungsformen der optischen Antennenanordnung kann Anordnungen von optischen Antennenelementen umfassen, die einen periodischen oder aperiodischen Abstand der optischen Antennenelemente haben. Die Auswahl von periodischem oder aperiodischem Abstand, der Abstand zwischen Elementen oder die Auswahl der Muster kann teilweise von der Form, den Seitenstrahlungskeulen, dem Gain, der Komplexität oder anderen Konstruktionsüberlegungen abhängen. Zum Beispiel kann in einigen Zugängen der Gain oder das Antennenstrahlmuster zu einer hohen Richtungsabhängigkeit ausgerichtet werden, um Kommunikation zwischen zwei Orten mit relativ geringer Leistung zu ermöglichen. Dies kann die Wahrscheinlichkeit eines Abhörens durch einen Dritten reduzieren oder den Leistungsverbrauch in einigen Anwendungen reduzieren.
Zum Beispiel können in einer Ausführungsform der empfangenden optischen Antennenanordnung die optischen Antennenelemente direkt auf einem Halbleiter-Wafer gebildet werden. In einem Zugang kann ein Teil der elektronischen Schaltung oder Teile der Antennenanordnung als Bestandteil des Halbleiter-Wafers gebildet werden.
In einer Ausführungsform kann eine Mehrzahl von optischen Antennenelementen angeordnet werden, um ein Muster zu bilden, welches im Allgemeinen eine Form eines ringförmigen Rings hat, welcher im Allgemeinen kreisförmig sein kann oder eine andere Form haben kann. In einer Ausführungsform folgt der ringförmige Ring im allgemein dem Randbereich des mindestens einen Teils des Chips. In solch einer Konfiguration ist ein Anteil des Steuerschaltkreises oder andere Teile der Antennenanordnung wie Phasenanpasser, Mischer oder Kombinierer, welche mit den Antennenelementen assoziiert sind, teilweise oder ganz durch den ringförmigen Ring umgeben. Der effektive Durchmesser oder andere Querschnittsabmessungen des ringförmigen Rings definiert dadurch die effektive Apertur der optischen Antennenelemente.
Regelmäßig geformte Anordnungen sind nicht auf N×N-Quadrate oder M×N-der N×M-Rechtecksanordnungen begrenzt. Darüberhinaus sind die Anordnungen nicht auf kreisförmige Ringe, Quadrate oder Rechtecke beschränkt. Eine Vielfalt. von Anordnungen kann gemäß den Antennen-Konstruktionsprinzipien in einer Vielfalt von zweidimensionalen oder dreidimensionalen Konfigurationen entwickelt werden.
Zum Beispiel umfassen verschiedene Ausführungsformen der Muster der optischen Antennenanordnungen, sind aber nicht darauf begrenzt, Mengen von optischen Antennenelementen, die als ein gestreckter Dipol, eine sinusförmige Form, eine wiederholbare Kurve, ringförmige Ringe oder andere mathematische oder anderweitig analytisch definierbare Anordnungen angeordnet sind.
Andere Ausführungsformen der optischen Antennenanordnung-Konfigurationen umfassen, aber sind nicht darauf begrenzt, nicht wiederholbare Kurven, Teile der optischen Antennenanordnungen, die auf verschiedenen Schichten gebildet werden, Teile der optischen Anordnungen bei verschiedenen Höhen (zum Beispiel in einer nicht waagerechten Schicht), gekrümmte oder U-förmige Strukturen, dis kontinuierliche Anteile von optischen Antennenanordnungen, die kapazitive, induktive oder passende Strukturen etc. bilden.
Darüber hinaus sind die optischen Antennenelemente nicht notwendiger Weise auf das Positionieren auf einer einzelnen Höhe begrenzt und Muster können sich auf mehr als einer Höhe schneiden. Zum Beispiel können die optischen Antennenelemente in verschiedenen Schichten des Substrats angeordnet werden oder können unregelmäßig in der Tiefe verteilt werden.
Wie oben beschrieben zeigt 17 ein Beispiel einer Anordnung von optischen Antennenelementen 102, die in einem unregelmäßigen Muster angeordnet sind. Die Zahl der optischen Antennenelemente, die den Ring bilden, kann von einem Paar bis zu einer großen Zahl (zig, Hunderten, Tausenden oder mehr) reichen, abhängig von verschiedenen Konstruktionserwägungen wie Leistungen, Auflösung, Kosten, Größe, Herstellbarkeit oder andere Faktoren. Die Entwürfe der optischen Antennenelemente 102, wie sie mit Bezug auf die 17 bis 19 beschrieben werden, können beabsichtigt sein, um entweder als empfangende oder erzeugende optische Antennenelemente oder als Element, dass sowohl erzeugt als auch empfangt, konfiguriert zu werden, wie mit Bezug auf die 1 und 2 beschrieben.
Der Durchmesser des Rings nähert die effektive Apertur von jeder optischen Antennenanordnung 100 an. Schaltkreis- und andere Elemente können benachbart liegen oder in einigen Konfigurationen Bestandteil von den entsprechenden optischen Antennenelementen sein. Jedoch in dem in 17 gezeigten Zugang verbinden Verzögerungslinien (Phasel-Abgriffe 1702) optische Antennenelemente mit einem optischen Antennensteuergerät 1700. In dieser Ausführungsform nutzen optische Antennenelemente, die gegenüberliegend positioniert sind, entsprechende Paare von Verzögerungslinien 1702, obwohl andere Anordnungen ausgewählt werden können. Die Verzögerungslinien können fest sein oder können variable Verzögerungen haben. In einem Zugang zur variablen Verzögerung, wie er in dieser Ausführungsform beschrieben wird, hat jede Verzögerungslinie ein oder mehr Phasel-Abgriffe (z.B. der Φ-Anpasser 104, wie er mit Bezug auf 1 und 2 beschrieben wird), die an- und ausgeschaltet werden können unter der Steuerung des zentralen Schaltkreises oder unter andere Steuerung, Der Betrieb der optischen Antennenanordnung 100 wird durch die optische Antennensteuereinheit 1700 gesteuert. In dieser Ausführungsform kann jedes gegenüberliegende Paar von optischen Antennenelementen als Tandem betrieben werden. Das optische Antennensteuergerät 1700 kann arbeiten unter Verwendung von so vielen Paaren von optischen Antennenelementen 102, wie es gewünscht wird, von einem Paar bis zu der Anzahl von Paaren von optischen Antennenelementen, die in der optischen Antennenanordnung 100 vorliegen.
18 zeigt eine andere Ausführungsform. der optischen Antennenanordnung 100, die ein anderes unregelmäßiges Muster von optischen Antennenelementen 102 in zwei im Allgemeinen spiralförmigen Muster 1802, 1804 zeigt. Jedes optische Antennenelement 102 in jedem der spiralförmigen Muster hat einen entsprechenden Abstand von einem geometrischen Zentrum des Musters, der sich vergrößert, wenn sich die Distanz entlang der Spirale vergrößert. Wie in 18 dargestellt, vergrößert sich die Distanz zu jedem optischen Antennenelement im Allgemeinen, wenn man dem spiralförmigen Muster 1802, 1804 entgegen dem Uhrzeigersinn folgt, obwohl andere Spiralformen und Richtungen angemessen sein können, abhängig von der Konfiguration.
19 zeigt auch eine andere Ausführungsform einer optischen Antennenanordnung 100, die das selektive Verwenden von Mengen von Antennenelementen zeigt, um die effektive Antennenapertur oder andere Charakteristiken zu steuern. In diesem Beispiel kann ein Paar von gegenüberliegenden optischen Antennenelementen 102 verbunden werden oder operational gekoppelt werden an das optische Antennensteuergerät 1700 durch entsprechende Leiter 1902 und 1904. Der Abstand dieses ersten Paars von gegenüberliegenden optischen Antennenelemen ten 104 definiert einen ersten Apertur-Abstand 1910. Ein anderes Paar von gegenüberliegenden optischen Antennenelementen 102 wird verbunden oder operational gekoppelt an das optische Antennensteuergerät 1700 durch entsprechende Leiter 1906 und 1908. Der Abstand des zweiten Paars von gegenüberliegenden optischen Antennenelementen 102 definiert einen zweiten Apertur-Abstand 1912. Die Ausführungsform der optischen Antennenanordnung 100, wie sie mit Bezug auf 19 beschrieben wird, kann deswegen den ersten Apertur-Abstand 1910 und/oder den zweiten Apertur-Abstand 1912 verwenden.
Während die Anzahl der optischen Antennenelemente oder Paaren von gegenüberliegenden optischen Antennenelementen, wie sie in den Figuren gezeigt wird, hier dargestellt wird als ein oder wenige Elemente oder Paare von Elementen, versteht es sich, dass die Anzahl und exakte Konfiguration der optischen Antennenelemente innerhalb irgendeiner besonderen optischen Antennenanordnung eine Konstruktionsauswahl ist und Variationen davon innerhalb des beabsichtigten Umfangs der vorliegenden Offenbarung sind. Zusätzlich sind andere regelmäßige Muster, nicht regelmäßige Muster oder Mischungen davon von optischen Antennenelementen, um eine Anordnung zu bilden, innerhalb des beabsichtigten Umfangs der vorliegenden Offenbarung.
20 zeigt eine Ausführungsform des optischen Antennensteuergeräts 1700, wie es oben mit Bezug auf die 17, 18 und 19 beschrieben wird. Das optische Antennensteuergerät 1700, dessen Komponenten in 3 gezeigt werden, umfasst eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU) 2002, Speicher 2004, Schaltkreisanteil 2006 und Input-Output-Schnittstelle (I/O) 2008, die einen Bus umfassen kann (nicht gezeigt). Das optische Antennensteuergerät 1700 kann ein Computer für einen allgemeinen Zweck, ein Mikroprozessor, ein Mikrosteuergerät oder irgendeine andere geeignete Form von Computersteuergerät oder Steuerkreis sein, welches in Hardware, Software und/oder Firmware implementiert werden kann. Die CPU 2002 führt das Verarbeiten und die arithmetischen Operationen für das optische Antennensteuergerät 1700 durch. Das optische Antennensteuergerät 1700 steuert die Signalverarbeitung, Berechung, Zeitaufnahme und andere Prozesse, die zu dem erzeugenden oder empfangenen Licht aus der optischen Antennenanordnung 100 gehören.
Verschiedene Ausführungsformen des Speichers 2004 umfassen RAM-Speicher und Nur-Lese-Speicher (ROM), welche zusammen die Computerprogramme, Rechengrößen, gewünschte Wellenformen, Muster von gegenüberliegenden optischen Antennenelementen, Operatoren, Abmessungswerte, Betriebstemperaturen und Konfigurationen und andere Parameter, welche den Betrieb der optischen Antenne steuern, speichern. Der Bus stellt digitale Informationsübertragung zwischen der CPU 2002, dem Schaltkreis-Anteil 2006, dem Speicher 2004 und dem I/O 2008 bereit. Der Bus verbindet auch das I/O 2008 mit Anteilen der optischen Antennenanordnung 100, die entweder digitale Information von dem einen oder mehroptischen Antennenelementen 102...empfangen oder dahin digitale Information übertragen.
Der I/O 2008 liefert eine Schnittstelle, um die Übertragungen der digitalen Information zwischen jeder der Komponenten in dem optischen Antennensteuergerät 1700 zu steuern. Der I/O 2008 liefert auch eine Schnittstelle zwischen den Komponenten des optischen Antennensteuergeräts 1700 in verschiedenen Teilen der optischen Antennenanordnung 100. Der Schaltkreis-Anteil 2006 umfasst alle anderen Nutzer-Schnittstellengeräte (wie Anzeige und Tastatur).
In einer anderen Ausführungsform kann das optische Antennensteuergerät 1700 als ein Computer für einen bestimmten Zweck konstruiert werden wie ein anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis (ASIC), ein Mikroprozessor, ein Mikrocomputer oder ähnliches.
In einer Ausführungsform werden auch mehrere Schichen der optischen Antennenanordnung bereitgestellt. Die Schichten können wesentliche Kopien voneinander sein oder können unterschiedliche Konfigurationen, Abstände, Eigenschaften oder andere Merkmale haben. In einer anderen Ausführungsform kann die effektive Breite des ringsförmigen Rings der optischen Antennenelemente angepasst werden durch das Anpassen der Anzahl von aktiven optischen Antennenelementen, die in jeder Reihe enthalten sind oder alternativ durch das Aktivieren oder Deaktivieren von bestimmten der mehreren ringförmigen Ringe der optischen Antennenelemente.
Das optischen Antennensteuergerät 1700, wie es mit Bezug auf die 17, 18, 19 und 20 beschrieben wird, kann konfiguriert werden, um bestimmte der optischen Antennenelemente zu aktivieren oder zu deaktivieren. Daher kann die Konfiguration und Elementdichte der Anordnung von optischen Antennenelementen 102 innerhalb der optischen Antennenanordnung 100 extrem schnell gesteuert werden durch eine Programmierung des optischen Antennensteuergeräts 1700. Die Wiederholung von bestimmten der optischen Antennenelemente oder Redundanz kann. auch Fehlertoleranz liefern, physikalische Unvollkommenheiten kompensieren, Effekte von Schadstoffen, wie Staub oder Schmutz, verringern, Wellenlängenselektivität hinzufügen oder andere Konstruktionsfreiheiten bereitstellen.
Reflektions-, Brechungs-, Phasenverzögerungs-, Beugungs- und/oder andere optische Techniken können mit der optischen Antennenanordnung und den hier beschriebenen Zugängen kombiniert werden. Zum Beispiel können Brechungslinsen positioniert werden, um eine Krümmung für die Wellen zu liefern, die an der Anordnung von optischen Antennenelementen ankommen, oder ein für Wellenlängen selektiver Filter kann Licht bei bestimmten Wellenlängen verringern, um die Wellenlängen-Selektivität der optischen Antennenanordnung zu erhöhen.
In bestimmten Ausführungsformen kann es gewünscht werden, eine kratzfeste Beschichtung über einem oder einer Anordnung von optischen Antennenelementen bereitzustellen, um sie zu schützen und den fortgesetzten Betrieb der optischen Antennenelemente zu garantieren. Eine Beschichtung eines geeigneten Beschichtungsmaterials wie künstlichem Saphir, Silikon oder Diamant, kann abgelagert werden oder anderweitig positioniert werden über irgendeinem Teil oder im Wesentlichen der gesamten Anordnung von optischen Antennenelementen. Bei einigen Anwendungen kann eine Beschichtung wie ein Diamant, über beiden Seiten bereitgestellt werden, wodurch ein kontinuierlicher Betrieb des optischen Antennenelements bereitgestellt wird. Bei bestimmten Ausführungsformen kann der Steuer-Schaltkreis oder andere Schaltkreise Bestandteil von oder in großer Nähe der Antennenanordnung sein und daraufhin durch eine solche Beschichtung geschützt werden. Die Konzepte der Beschichtung können hinreichend einfach und selbsterklärend sein und werden nicht in irgendeiner Figur beschrieben.
Beispiele von Anwendungen
Ein optisches System 250, welches diagrammatisch in 21 gezeigt wird, umfasst eine erzeugende optische Antennenordnung 100a, die dieselbe sein kann wie sie mit Bezug auf 2 beschrieben wird, welche Beleuchtung für ein Objekt 252 liefert. Zusätzlich kann die Ausführungsform eine empfangende optische Antennenanordnung 100b, wie sie mit Bezug auf 1 beschrieben wird, umfassen, die Licht einfangen kann, welches von der Oberfläche des angestrahlten Objekts 252 reflektiert wird. Wie diagrammatisch in dem optischen System 250 dargestellt wird, beleucht Licht, welches von einem erzeugenden optischen Antennenelement 102a erzeugt wird, ein Objekt 252. Ein zweites optisches Antennenelement 102b fangt dann einen Teil des Lichts ein, welches von dem Objekt reflektiert wird. Ein Fachmann wird erkennen, dass die diagrammatische Darstellung der 21 eine vereinfachte Darstellung von Beleuchtung ist und Licht von der Umgebung eingefangen, und dass das Licht, welches auf das Objekt trifft, typischerweise eine Funktion des Lichts sein wird, welches von mehr als einem optischen Antennenelement ausgestrahlt wird. Ähnlich kann in einigen Anwendungen jedes optische Antennenelement 102a, 102b sowohl als ein Signalerzeuger als auch als ein Signalempfänger arbeiten. Die vereinfachte Darstellung wird hier für die Deutlichkeit der Darstellung präsentiert.
Wenn die erzeugende optische Antennenanordnung 100a konfiguriert wird, optische Energie zu konzentrieren oder optische Energie auf einen oder mehrere Bereiche zu richten, wie oben beschrieben, kann die optische Antennenanordnung selektiv eine oder mehrere räumliche Stellen oder Winkelbereiche beleuchten. Ähnlich kann in einer Ausführungsform die empfangende optische Antennenanordnung 100b Licht selektiv aus einem oder mehr Bereichen oder Winkelbereichen empfangen. In einigen Zugängen kann eine einzige optische Antennenanordnung konfiguriert werden, um selektiv optische Energie zu lenken und optische Energie von ausgewählten räumlichen Stellen oder Winkelbereichen zu empfangen.
In einer Ausführungsform kann eine kombinierte Beleuchtungs- und Empfangstechnik unter Verwendung von optischen Antennenanordnungen konfiguriert werden, um ähnlich zu einem optischen Entfernungsmesser oder einen LIDAR-artigen System zu arbeiten.
In einigen Fällen werden die Selektivität, der Gain und andere Betriebsaspekte durch selektive Polarisation oder durch das Hinzufügen von zusätzlichen optischen Strukturen wie Beugungselementen, Linsen oder anderen bekannten optische Komponenten angepasst. Während die obige Ausführungsform in vielen Fällen als ein kohärentes System beschrieben worden ist, kann in manchen Fällen eine optische Antennenanordnung angepasst werden, um mit nicht kohärenter oder nur teilweiser kohärenter Lichtenergie zu arbeiten.
Oft ist die Beleuchtung oder die beleuchtete Abbildung im optischen Bereich entweder breitbandig (z. B. ein Kamerablitz, der Licht ausgibt, um eine breite Mischung von Mischfrequenzen zu haben, wie weißes Licht) oder schmalbandig (z. B. Licht, das mit einem Laser erzeugt wird, der eine oder eine kleine Anzahl von Frequenzen hat). In einer Ausführungsform kann eine optische Antennenanordnung konfiguriert werden, um Licht selektiv aus zwei, drei oder mehr Bändern zu liefern oder zu empfangen. In einem Zugang können die Bänder Primärfarben- Bänder wie rote, grüne und blaue Wellenlängen sein. Ein Mehrband-Zugang wie Licht mit sichtbaren und/oder nahsichtbaren Frequenzen kann auch in verschiedenen Bildaufnahme- oder Abtastanwendungen verwendet werden. In jedem dieser Zugänge können die Antennenelement-Größen, Abstände, Orientierung und andere Charakteristiken optimiert werden gemäß den Konstruktionskriterien. Bei einigen Zugängen können Mengen von Antennenelementen jedem Wellenlängenbereich gewidmet werden.
Während ein großer Teil der obigen Diskussion von beispielhaften Ausführungsformen sich auf Licht mit sichtbaren oder infraroten Wellenlängen konzentriert hat, können viele der hier beschriebenen Verfahren, Prinzipien, Strukturen und Prozesse auch auf andere Wellenlängenbänder angewendet oder übertragen werden. Zum Beispiel können Wellenlängen im fernen Infrarot und in den Millimeterwellenbereich hinein Materialien in Tiefen durchdringen, die verschieden und in manchen Fällen größer sind als bei sichtbaren Wellenlängen. Solche Wellenlängenbänder können z. B. gewählt werden, um Objekte abzubilden oder um das Abbilden von Objekten zu erweitern. In einem Zugang können Wellenlängen von der Größenordnung von einem oder wenigen Millimeter das Abbilden bei Tiefen erlauben, die verschieden sind von jenen bei sichtbaren Wellenlängen. Ähnlich können ultraviolette Implementierungen realisiert werden, wenn es photolithografische Techniken oder andere Herstellungstechniken ermöglichen.
Schlussfolgerung
Während einige Ausführungsformen der Anwendung von optischen Antennenelementen in dieser Offenbarung beschrieben worden sind, wird betont, dass diese Anwendungen nicht beabsichtigt sind, einschränkend im Umfang zu sein. Irgendein Gerät oder eine Anwendung, welche die Verwendung von optischen Antennenelementen betrifft, wie in dieser Offenbarung beschrieben wird, ist innerhalb des beabsichtigen Umfangs der vorliegenden Offenbarung.
Verschiedene Ausführungsformen der optischen Antennenelemente können in solchen Ausführungsformen von Kommunikationssystemen eingeschlossen sein wie Telekommunikationssystemen, Computersystemen, Audiosystemen, Videosystemen, Telefonkonferenzsystemen und/oder hybriden Kombinationen von bestimmten dieser Systeme. Die Ausführungsformen des Statusanzeigers, wie er mit Bezug auf die Beschreibung beschrieben wird, sind ihrer Natur nach illustrativ und nicht begrenzend im Umfang.
Fachleute werden erkennen, dass der technische Fortschritt sich bis zu einem Punkt entwickelt hat, bei dem in vielen Fällen wenig Unterschied verbleibt zwischen Hardware-, Firmware- und Software-Implementierungen von Systemaspekten; die Verwendung von Hardware, Firmware oder Software ist im Allgemeinen (aber nicht immer, da in bestimmten Kontexten die Wahl zwischen Hardware und Software bedeutsam werden kann) eine Konstruktionswahl, die Kostenfragen gegenüber Effizienzfragen abwägt. Fachleute werden erkennen, dass es verschiedene Mittel gibt, durch welche Prozesse und/oder Systeme und/oder andere Technologien, die hier beschrieben. werden, beeinflusst werden können (z. B. Hardware, Software und/oder Firmware) und dass das bevorzugte Mittel mit dem Kontext, in dem die Prozesse und/oder Systeme und/oder andere Technologien verwendet werden, variieren wird. Zum Beispiel wenn ein Implementierender bestimmt, dass Geschwindigkeit und Genauigkeit entscheidend sind, kann der Implementierende sich für hauptsächlich Hardware- und/oder Firmware-Mittel entscheiden; alternativ, wenn Flexibilität entscheidend ist, kann der Implementierende sich hauptsächlich für eine Software-Implementierung entscheiden oder noch einmal alternativ kann sich der Implementierende für eine Kombination aus Hardware, Software und/oder Firmware entscheiden. Demnach gibt es einige mögliche Mittel, durch welche die Prozesse und/oder Geräte und/oder andere Technologien, die hier beschrieben werden, beeinflusst werden, wobei keines von ihnen inhärent dem anderen überlegen ist, indem die Frage, welches Mittel verwendet werden soll, eine Auswahl ist, die abhängig ist von dem Kontext, in welchem das Mittel verwendet wird und den spezifischen Belangen (z. B. Geschwindigkeit, Flexibilität oder Vorhersehbarkeit) des Implementierenden, wobei jedes davon variieren kann.
Die vorangegangene detaillierte Beschreibung hat verschiedene Ausführungsformen der Geräte und/oder Prozesse durch den Gebrauch von Blockdiagrammen, Flussdiagrammen und/oder Beispielen erläutert. Insofern solche Blockdiagramme, Flussdiagramme und/oder Beispiele eine oder mehr Funktionen und/oder Operationen enthalten, wird es von Fachleuten verstanden werden, dass jede Funktion und/oder Operation innerhalb von solchen Blockdiagrammen, Flussdiagrammen oder Beispielen individuell und/oder kollektiv implementiert werden kann durch einen weiten Bereich von Hardware, Software, Firmware und nahezu jeder Kombination davon. In einer Ausführungsform können einige Teil des hier beschriebenen Gegenstands über anwendungsspezifische integrierte Schaltkreise (ASICs), Feld-programmierbare Gate-Arrays (FPGAs), digitale Signalprozessoren (DSPs). und andere integrierte Formate implementiert werden. Jedoch werden Fachleute erkennen, dass einige Aspekte der hier offenbarten Ausführungsformen als Ganzes oder teilweise äquivalent implementiert werden können in Standardintegrierten Schaltkreisen, als ein oder mehr Computerprogramme, die auf einem oder mehr Computer laufen (z. B. als ein oder mehr Programme, die auf einem oder mehr Computersystemen laufen), als ein oder mehr Programme, die auf einem oder mehr Prozessoren laufen (z. B. als ein oder mehr Programme, die auf einem oder mehr Mikroprozessoren laufen), als Firmware oder nahezu jede Kombination davon, und dass das Entwerfen der Schaltung und/oder das Schreiben des Codes für die Software oder Firmware klarerweise innerhalb der Fähigkeiten eines Fachmanns im Lichte dieser Offenbarung ist. Zusätzlich werden Fachleute erkennen, dass die Mechanismen des hier beschriebenen Gegenstands geeignet sind, als ein Programmprodukt in einer Vielzahl von Formen verteilt zu werden und dass eine illustrative Ausführungsform des hier beschriebenen Gegenstands ebenfalls zutrifft, unabhängig von der besonderen Art der signaltragenden Medien, die verwendet werden, um die Verteilung durchzuführen. Beispiele von signaltragenden Medien schließen ein, aber sind nicht darauf begrenzt, die Folgen den: Medien von aufnehmender Art, wie Floppy Disks, Festplattenlaufwerke, CD-ROMs, digitale Kassette und Computerspeicher; und Übertragungsmedien wie digitale und analoge Kommunikationsverbindungen unter Verwendung von TDM- oder IP-basierten Kommunikationsverbindungen (z. B. Paketverbindungen).
Alle der obigen US-Patente, der US Patentanmeldungsveröffentlichungen, der US-Patentanmeldungen, der ausländischen Patente, der ausländischen Patentanmeldungen und der Nichtpatent-Veröffentlichungen, auf die in dieser Beschreibung Bezug genommen wird und/oder die in irgendeinem Anmeldeformular aufgeführt werden, werden hier durch Bezug in ihrer Gänze eingeschlossen.
Die hier beschriebenen Aspekte zeigen verschiedene Komponenten, die darin enthalten sind oder mit verschiedenen anderen Komponenten verbunden sind. Es soll verstanden werden, dass solche geschilderten Architekturen nur beispielhaft sind und dass tatsächlich viele andere Architekturen implementiert werden können, die dieselbe Funktionalität erreichen. In einem konzeptionellen Sinn ist jede Anordnung von Komponenten, um dieselbe Funktionalität zu erreichen, effektiv „zusammengehörig", so dass die gewünschte Funktionalität erreicht wird. Demnach können irgendwelche zwei Komponenten, die hier kombiniert werden, um eine bestimmte Funktionalität zu erreichen, als „zusammengehörig" zueinander gesehen werden, so dass die gewünschte Funktionalität erreicht wird unabhängig von den Architekturen oder dazwischen liegenden Komponenten. Ähnlich können irgendwelche zwei Komponenten, die auf diese Weise assoziiert werden, als „operativ verbunden" gesehen werden oder „operativ gekoppelt" zueinander, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen und irgendwelche zwei Komponenten, die geeignet sind, so miteinander assoziiert zu werden, können ebenfalls als „operativ koppelbar" zueinander gesehen werden, um die gewünschte Funktionalität zu erreichen. Spezifische Beispiele von operativ koppelbar umfassen, aber sind nicht darauf begrenzt, physikalisch zusammenpassende und/oder physikalisch wechselwirkende Komponenten, Struktur und/oder drahtlos potentiell wechselwir kende und/oder drahtlos wechselwirkende Komponenten oder Strukturen und/oder logisch wechselwirkende und/oder logisch potentiell wechselwirkende Komponenten oder Strukturen und/oder elektromagnetisch potentiell wechselwirkende und/oder elektromagnetisch wechselwirkende Komponenten oder Strukturen.
Es versteht sich für Fachleute, dass die Begriffe, die in der Offenbarung verwendet werden, einschließlich der Zeichnungen und der angehängten Ansprüche, im Allgemeinen als „offene" Begriffe beabsichtigt sind. Zum Beispiel sollte der Begriff „einschließend" als „einschließend, aber nicht begrenzt auf" interpretiert werden; der Begriff „habend" sollte als „mindestens habend" interpretiert werden und der Begriff „schließt ein" sollte als „schließt ein, aber ist nicht darauf begrenzt" interpretiert werden etc. In dieser Offenbarung und den angehängten Ansprüchen sind die Begriffe „ein", „der" und „mindestens einer" beabsichtigt, einschließend auf ein oder mehr jener Elemente angewendet zu werden.
Weiterhin ist in den Fällen, bei denen eine Vereinbarung analog zu „mindestens ein von A, B, C etc" verwendet wird, eine solche Konstruktion in dem Sinne beabsichtigt, wie ein Fachmann die Vereinbarung verstehen würde (zum Beispiel „ein System, das mindestens eines von A, B, C hat", würde einschließen, aber nicht darauf begrenzt sein auf Systeme, die A alleine, B alleine, C alleine, A und B zusammen, A und C zusammen, B und C zusammen und/oder A, B und C zusammen etc. haben). In jenen Fällen, bei denen eine Vereinbarung analog zu „mindestens eines von A, B, oder C etc." verwendet wird ist im Allgemeinen solch eine Konstruktion in dem Sinne beabsichtigt, wie der Fachmann die Vereinbarung versteht (zum Beispiel „ein System, welches zumindest eins von A, B, oder C hat", würde einschließen, aber nicht darauf begrenzt sein, Systeme, die A alleine haben, B alleine, C alleine, A und B zusammen, A und C zusammen, B und C zusammen und/oder A, B und C zusammen etc.).
Fachleute werden verstehen, das die hier beschriebenen spezifischen beispielhaften Prozesse und/oder Geräte und/oder Technologien repräsentativ für allgemeinere Prozesse und/oder Geräte und/oder Technologien sind, die hier anderswo gelehrt werden wie in den Ansprüchen, die hier und/oder anderswo bezüglich der vorliegenden Anmeldung eingereicht werden.
Innerhalb dieser Offenbarung können Elemente, die ähnliche Funktionen in einer ähnlichen Art in verschiedenen Ausführungsformen durchführen, in den Figuren mit denselben oder ähnlichen Bezugszeichen versehen werden. Die obige Offenbarung stellt, wenn sie in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen genommen wird, eine Anzahl von Ausführungsformen von Anordnungen von optischen Antennenelementen dar, die in optischen Antennenaggregaten eingeschlossen sind. Andere leichte Veränderungen von diesen offenbarten Ausführungsformen, die innerhalb des Umfangs der angehängten Ansprüche sind, sind auch innerhalb des beabsichtigten Umfangs der vorliegenden Erfindung.
Zusammenfassung
Eine optische Antennenanordnung, die eine Mehrzahl von optischen Antennenelementen umfasst, wobei jedes der optischen Antennenelemente in einem regelmäßigen Muster angeordnet und von einem Unterstützungskörper getragen wird. Das regelmäßige Muster der Mehrzahl von optischen Antennenelementen ist ungleichförmig. Bestimmte der optischen Antennenelemente werden konfiguriert, um auf eine oder mehr Lichtwellen zu antworten.

Claims

Eine elektromagnetisch antwortende Vorrichtung, umfassend: a. mindestens ein Antennenelement, das in der Größe angepasst ist, um mit elektromagnetischer Energie bei mindestens einer optischen Frequenz wechselzuwirken; und b. mindestens ein nicht-lineares elektrisches Element, welches Bestandteil des Antennenelements ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Antennenelement ein Nanoröhrchen umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Nanoröhrchen eine Diskontinuität einer Art umfasst, welche eine nichtlineare elektrische Antwort erzeugt.
Die Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Diskontinuität eine Krümmung ist, die Bestanteil des Nanoröhrchens ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, umfassend einen elektrischen Nachweis-Schaltkreis, der auf eine Oberwelle von mindestens einer optischen Frequenz reagiert.
Die Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Vorrichtung mindestens eine Mehrzahl von Antennenelementen umfasst.
Die Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei eine erste Teilmenge der Antennenelemente auf eine erste optische Frequenz reagiert und eine zweite Teilmenge der Antennenelemente, welche verschieden von der ersten Teilmenge ist, auf eine zweite optische Frequenz, welche verschieden von der ersten optischen Frequenz ist, reagiert.
Die Vorrichtung nach Anspruch 7, weiter umfassend eine dritte Teilmenge von Antennenelementen, die auf eine dritte optische Frequenz reagiert, die verschieden von der ersten und zweiten Frequenz ist.
Eine optische Nachweis-Struktur, umfassend: eine Anordnung von passiven Gain-Elementen, die auf elektromagnetische Energie bei mindestens einer optischen Frequenz reagieren, wobei jedes der passiven Gain-Elemente ein integrales nicht-lineares Gerät umfasst, welches reagierend ist; und mindestens ein Leitelement, das an jedes der integralen nichtlinearen Geräte gekoppelt ist, und konfiguriert ist, um elektromagnetische Energie bei einer Oberwelle der mindestens einen optischen Frequenz zu leiten.
Das optische Nachweisgerät nach Anspruch 9, wobei jedes der passiven Gain-Elemente ein Monopol umfasst.
Die optische Nachweisvorrichtung nach Anspruch 9, wobei jedes der passiven Gain-Elemente ein Nanoröhrchen umfasst.
Das optische Nachweisgerät nach Anspruch 9, wobei jedes der mindestens einen Leitmittel konfiguriert wird, um Plasmonen-Ausbreitung zu unterstützen.
Die optische Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei jedes der mindestens einen Leitmittel integral mit dem passiven Gain-Element ist.
Die optische Nachweisvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Anordnung mindestens drei passive Gain-Elemente umfasst, die in einem im Wesentlichen geradlinigen Muster angeordnet sind.
Die optische Nachweisvorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Anordnung mindestens drei passive Gain-Elemente umfasst, die mindestens auf einer Achse in einer (sin x)/x-Verteilung angeordnet sind.
Ein Verfahren zum Nachweisen von elektromagnetischer Energie bei optischen Frequenzen, umfassend: Konzentrieren einer Mehrzahl von ausgewählten Teilen einer elektromagnetischen Energie in einer entsprechenden Mehrzahl von physikalischen Gain-Strukturen; und Erzeugen von entsprechenden Signalen, die ausgewählte Teile der elektromagnetischen Energie durch Frequenzwandeln der konzentrierten elektromagnetischen Energie innerhalb der physikalischen Gain-Strukturen anzeigen.
Das Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Frequenzwandeln der konzentrierten elektromagnetischen Energie das Induzieren einer Quadratwurzel-Antwort umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 16, weiter umfassend das Verarbeiten der entsprechenden erzeugten Signale, um ein Signal zu erzeugen, welches die elektromagnetische Energie bei optischen Frequenzen anzeigt.
Das Verfahren nach Anspruch 18, weiter das Kombinieren der entsprechenden erzeugten Signale umfassend.
Das Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei das Kombinieren der entsprechenden erzeugten Signale dem Verarbeiten der entsprechenden. erzeugten Signale vorangeht.
Das Verfahren nach Anspruch 16, weiterhin umfassend das Kombinieren jedes der entsprechenden erzeugten Signale mit einem Phasenreferenzsignal.
Das Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Phasenreferenzsignal ein geleitetes Signal ist.
Das Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Phasenreferenzsignal ein Freiraum-Signal ist.
Das Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Kombinieren von jedem der entsprechenden erzeugten Signale mit einem Phasen-Referenzsignal das Mischen jedes der entsprechenden erzeugten Signale mit dem Phasen-Referenzsignal innerhalb eines gemeinsamen Geräts umfasst.
Ein Verfahren zum Erzeugen von optischem Gain, umfassend: Empfangen eines Teils einer elektromagnetischen Welle bei einer optischen Frequenz mit einem Antennenelement und Erzeugen eines abwärts gewandelten Signals, welches der elektromagnetischen Welle innerhalb des Antennenelements entspricht.
Das Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Erzeugen eines abwärts gewandelten Signals, welches der elektromagnetischen Welle innerhalb des Antennenelements entspricht, das Erzeugen einer nicht-linearen Antwort innerhalb des Antennenelements umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 25, wobei das Erzeugen einer nichtlinearen Antwort innerhalb des Antennenelements das Erzeugen eines elektromagnetischen Potenzials über einen Bereich des optischen Antennenelements umfasst, welcher eine nichtlineare Antwort auf elektrische Potenziale hat.