JP2004515805A - 同調可能な光学フィルタ - Google Patents
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Abstract
本発明は、入力放射ビーム（４０ａ）をフィルタして、それに対応するフィルタされた出力放射（４０ｂ）を発生するための可動フィルタプレート（２０）及びその関連光学領域（３０）を備えた同調可能な光学フィルタ（１０）に関する。上記光学領域（３０）は、空間的に変化するフィルタ特性を有する。上記フィルタプレート（２０）及びその関連光学領域（３０）をビーム（４０ａ）に対して移動して、ビーム（４０ａ）をフィルタするのに使用するための光学領域（３０）の一部分を選択し、ひいては、フィルタ（１０）を同調するために、圧電作動素子（７０ａ−７０ｄ）が設けられ、これらの作動素子（７０ａ−７０ｄ）は、電気信号により駆動されたときに、フィルタプレート（２０）の表面に繰り返し係合するか又は繰り返しスライド接触して横方向の力を与え、光学領域（３０）をビーム（４０）に対し少なくとも１つの次元において移動するよう動作する。作動素子（７０ａ−７０ｄ）の繰り返しの係合又は繰り返しのスライド接触は、バックラッシュの減少、及び既知の同調可能な光学フィルタに比して微細な調整分解能の少なくとも一方をフィルタ（１０）に与えることができる。フィルタ（１０）は、光学フィルタの再同調を含むシステム再構成が時々必要になる光通信システムに使用するのに特に適している。
Description
【０００１】
【技術分野】
本発明は、例えば、波長分割多重化（ＷＤＭ）光通信システムに使用するための同調可能な光学フィルタに係る。
【０００２】
【背景技術】
従来の光通信システムは、光ファイバ導波路を経て相互接続された複数の空間的に分散されたノードを備えている。ノード間で情報を通信するために情報保持光学放射が導波路により導波される。本発明における光学放射は、自由空間波長が実質的に１５０ｎｍないし５μｍの範囲の電磁放射として定義される。
【０００３】
情報は、しばしば、波長分割多重化（ＷＤＭ）の状態で光学放射に変調され、即ち情報は、多数のチャンネルに細分化され、各チャンネルが、それに対応する範囲の光学放射波長に変調される。例えば、１．５μｍ自由空間波長の光学放射が使用される場合には、チャンネルに関連した波長範囲は、０．８ｎｍの間隔で逐次に離間することができる。特定のチャンネルに関連した放射を分離するためにシステムには光学放射フィルタが従来使用されている。
【０００４】
システムが再構成不能な場合には、光学フィルタが、製造時に特定チャンネルの放射波長にセットされる。しかしながら、通信システムを再構成できることが次第に要求され、従って、このようなシステムは、少なくとも多数のチャンネルの範囲にわたって同調できる光学フィルタを含むことが必要になる。
【０００５】
機械的に同調可能な光学放射フィルタが、例えば、研究室又は天体用分光計で知られているが、このようなフィルタは、従来、例えば、再構成が必要なときにチャンネル間を選択するために頻繁な同調調整が要求される近代的な光通信システムに使用するには、コストがかかり過ぎ、信頼性が低く、かさばる上に、低速であると考えられる。更に、精密なメカニズムは、頻繁に調整されると磨耗の問題があり、このような磨耗は、機械的なバックラッシュを引き起こし、これは、調整の精度を制限し、更に、このようなバックラッシュは、長期間のメカニズム使用に伴い悪化することが知られている。その結果、従来、熱同調式の光学放射フィルタ及び電子的にスイッチ可能な光学フィルタが、同時代の光通信システムに使用されている。
【０００６】
米国特許第５，４５９，７９９号には、ＷＤＭ通信システムに使用するための同調可能な光学フィルタが開示されている。このフィルタは、反射格子の直列構成体を備え、各格子は、その格子に関連した対応チャンネルの波長範囲を越える放射を阻止するように動作できる。更に、これら格子は、相互に異なるチャンネルを阻止するように製造され、従って、フィルタは、通常、その構成体に入力するＷＤＭ放射より成る全チャンネルを阻止するように動作できる。各反射格子に対してそれを離調するための電極又は加熱素子が設けられ、この電極又は素子に印加される制御信号は、それに関連した格子の波長範囲を、その直列構成体を経て選択的に送信されるべき１つ以上の所望のチャンネルに一致しないようにシフトさせることができる。この構成体は、連続的に同調できない欠点があり、その同調は、その格子の放射阻止帯域巾に対応する個別の波長ステップで切り換えられるだけである。このような個別のステップは、将来、より細かい波長ステップが必要とされ、例えば、チャンネル波長間隔が０．８ｎｍから０．４ｎｍへ減少されるべき場合に、このようなフィルタを含む通信システムをアップグレードすべき場合の制約となる。更に、微同調分解能を得るために、この直列構成体は、多数の反射格子を組み込むことが必要となり、これは、構成体を複雑にすると共に、製造コストを高める。
【０００７】
本発明者は、光通信システムが、連続的に同調できるフィルタか、又は少なくともシステムの将来のアップグレードに対処するに充分な微細な波長ステップで同調できるフィルタを組み込むのが望ましいと分かった。更に、光通信システム設計における従来の慣習とは対照的に、本発明者は、機械的に調整可能な光学フィルタを、将来の光通信システムに受け入れられる性能を発揮するように適応させることができると分かった。
【０００８】
しかしながら、１つ以上のフィルタ要素を、それら要素を通してフィルタされるべき光ビームに対して正確に移動させるための従来のメカニズムは、かさばる上に、製造コストがかかる傾向があり、例えば、従来の機械的に調整可能な光学フィルタは、光学格子のような１つ以上の光学フィルタ要素を、フィルタされるべき光ビームに対して作動するために、ステップモータ及びスクリュードライブを使用している。更に、このようなメカニズムは、頻繁な調整を受けるときには動作寿命を制限することになり、このような頻繁な調整は、機械的なバックラッシュの形態で明白である。従って、光通信システム設計の分野における当業者にとって、電子的に同調可能な光学フィルタは、このようなシステムにおける機械的に同調可能な光学フィルタよりも技術的に好ましい。
【０００９】
本発明者は、１つ以上のフィルタ要素を経てフィルタされるべき光放射ビームに対してそれらのフィルタ要素を段々にスティクショナル（ｓｔｉｃｔｉｏｎａｌ）（即ち静摩擦的（ｓｔａｔｉｃ ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ））に移動することに基づく作動メカニズムを使用した別の形式の機械的に同調可能な光学フィルタを案出できると分かった。
【００１０】
【発明の開示】
従って、本発明の第１の特徴によれば、入力放射をフィルタして、それに対応するフィルタされた出力放射を発生するための可動フィルタ手段であって、空間的に変化するフィルタ特性を有するフィルタ手段と、入力放射をフィルタするのに使用する上記フィルタ手段の一部分を選択し、ひいては、フィルタを同調するために、入力放射に対してフィルタ手段を移動する作動手段とを備えた同調可能な光学フィルタにおいて、上記作動手段は、１つ以上の作動素子を含み、これらの作動素子は、第１段階において、駆動方向に比較的ゆっくりと撓んで、上記フィルタ手段に係合すると共にそれとの完全な摩擦接触を維持することにより、駆動方向に入力放射に対して上記フィルタ手段を移動するための横方向の力を与えるように動作し、そして第２段階において、上記第１の駆動方向とは相互に逆の方向に比較的迅速に撓んで、上記フィルタ手段との摩擦接触が失われそして上記フィルタ手段が変位位置に保たれるように動作することを特徴とする同調可能な光学フィルタが提供される。
【００１１】
本発明は、公知の同調可能な光学フィルタに比して、改善された調整分解能、簡単且つ低コストの構造、並びに減少されたバックラッシュの１つ以上を与えることができるという効果を発揮する。
フィルタを簡単な構成にするために、上記フィルタ手段は、空間的に変化するフィルタ特性を有するフィルタ構造体と、このフィルタ構造体が接続される可動の支持部材とを備え、上記１つ以上の作動素子は、この可動支持部材に繰り返し係合するように動作できるのが好ましい。このようなフィルタ手段は、フィルタ構造体を、入力放射をフィルタするのに最適なものとし、一方、支持部材を、１つ以上の作動素子に繰り返し係合するのに最適なものとすることができる。フィルタ構造体は、支持部材の表面に形成又は支持することできるし、又は支持部材に機械的に結合することもできる。
【００１２】
フィルタ構造体が支持部材の表面に形成又は支持されるときには、支持部材は、温度の関数としてのフィルタ構造体の光学的同調特性の変化を補償するように選択された熱膨張係数を有するのが好ましい。このような補償は、フィルタがその周囲温度の変化に応答してより安定な同調特性を示すよう確保する上で助けとなる。
１つの実施形態では、上記フィルタ構造体は、フィルタ特性が実質的に周囲方向に変化するような部分的又は完全な環状に構成され、そして１つ以上の作動素子は、同調のために入力放射に対してフィルタ構造体を回転作動するように動作する。フィルタ構造体の回転作動は、フィルタをよりコンパクトに形成できるようにする。
【００１３】
上記フィルタ構造体は、便利にも、空間的に変化するフィルタ特性を与えるために個別フィルタ領域のアレーより成る。このようなアレーは、各領域が、例えば、フィルタが受け入れられる通信システムの波長分割多重化（ＷＤＭ）チャンネルに対応するフィルタ特性もつことができ、従って、フィルタをチャンネルごとに同調できるという利点を与える。
上記アレーは、作動手段が、フィルタを同調するためにフィルタ手段を一次元で作動できればよく、ひいては、フィルタの構成が比較的簡単であるという利点を与える一次元アレーであるのが好ましい。
【００１４】
或いは又、上記アレーは、二次元アレーでもよい。この二次元アレーは、一次元アレーを使用する場合に比してフィルタをよりコンパクトにできるという潜在的な利点を与える。
最も頻繁に選択される領域は、フィルタ手段において比較的密接に相互に接近して配置されて、平均的に同調の目的で入力放射に対してフィルタ手段を移動する必要のある距離を減少し、これにより、フィルタの再同調応答時間を改善するのが効果的である。従って、上記アレーは、構造体において一緒に集群化された最も頻繁に選択される領域を含むのが好ましい。
【００１５】
上記領域、例えば、フィルタ特性が、光通信システムのＷＤＭチャンネルに対応する場合には、フィルタが、システム内の若干の波長ドリフトに対処する微細な度合いの同調制御を与えるという利点がある。それ故、各領域は、フィルタを微同調するのに使用するための空間的に変化するフィルタ特性を有するのが便利である。
上記領域は、１つ以上の光学格子及び多層光学エタロンを含むのが好ましい。上記領域は、入力放射の反射及び透過の少なくとも一方を行って、フィルタされた出力放射を与えるように動作できるのが便利であり、このような反射及び透過は、フィルタの機械的設計に融通性を与える。
【００１６】
比較的低コストで且つコンパクトな組立体を与えるために、上記可動支持部材は、外部部材間に取り付けられた平面部材であり、そして上記作動素子は、外部部材と可動の平面支持部材との間に介在されるのが好ましい。第１のこのような構成体では、上記作動素子は、外部部材に接合され、そして可動の平面支持部材に繰り返し係合してそこに繰り返し横方向力を与え、外部部材に対して支持部材を移動し、ひいては、入力放射に対してフィルタ構造体を移動して、フィルタを同調するように動作できるのが好ましい。この第１の構成体は、１つ以上の作動素子が支持部材に接合される場合に必要になる１つ以上の作動素子への柔軟な電気的接続の必要性を回避する。或いは又、作動素子は、可動の支持部材に接合され、そして外部部材に繰り返し係合してそこに繰り返し横方向力を与え、外部部材に対して支持部材を移動するように動作できるのが好ましい。
【００１７】
作動素子の繰り返しの係合を達成するために、作動素子は、圧電、静磁気、静電気、電磁及び熱膨張作用の１つ以上を使用するのが好ましい。コストを低減しそしてコンパクトさを得るために、作動素子は、１つ以上のマイクロ加工された要素、例えば、シリコンマイクロ加工要素を含むのが好ましい。
低コスト、コンパクトさ、及び比較的低電圧駆動の要件に対して、各作動素子は、多層圧電構造体を含むのが好ましい。更に、入力放射に対するフィルタ手段の満足な段階的移動を得るために、１つ以上の作動素子は、横方向及び垂直の両力成分で支持部材又は外部部材の表面に繰り返し係合するのが望ましい。このような係合を得るために、圧電構造体の各層は、層の主面に対して非垂直の方向に分極されるのが好ましい。或いは又、圧電構造体の各層は、非等方性結晶配向を有し、そして層の主面に実質的に垂直な方向に分極されて、励起時に主面に対して非垂直方向に動作するのが有利である。
【００１８】
１つの実施形態において、上記支持部材は、多角形断面のバーより成り、これに対し１つ以上の作動素子がそれに関連した力を与えるように動作できる。実際に、本発明者は、このバーが実質的に三角形断面のバー及び実質的に長方形断面のバーの少なくとも１つであるのが特に有利であると分かった。
本発明の第２の特徴によれば、本発明の第１の特徴に基づくフィルタに使用するためのフィルタ構造体であって、入力放射をフィルタするための個別フィルタ領域のアレーより成るフィルタ構造体が提供される。
【００１９】
本発明の第３の特徴によれば、光学フィルタを同調する方法において、このフィルタは、入力放射をフィルタしてそれに対応するフィルタされた出力放射を発生するためのフィルタ手段であって、空間的に変化するフィルタ特性を有するフィルタ手段と、入力放射をフィルタするのに使用する上記フィルタ手段の一部分を選択するために、入力放射に対して上記フィルタ手段を移動する作動手段とを備え、上記方法は、上記作動手段に１つ以上の作動素子を設け、そしてこの１つ以上の素子を、第１段階において、１つ以上の電気的駆動信号で駆動方向に比較的ゆっくりと撓ませるように駆動して、上記フィルタ手段に係合させると共に、それとの完全な摩擦接触を維持することにより、駆動方向に入力放射に対し上記フィルタ手段を移動するための横方向の力を与え、そして第２段階では、上記１つ以上の素子を上記第１駆動方向とは相互に逆の方向に比較的迅速に撓ませるように駆動して、上記フィルタ手段との摩擦接触が失われそして上記フィルタ手段が変位位置に保たれるようにする段階を備えたことを特徴とする方法が提供される。
【００２０】
【発明を実施するための最良の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図１及び２は、本発明の第１実施形態による同調可能な光学フィルタの平面図であり、このフィルタは、１０で一般的に示されている。このフィルタ１０は、フィルタプレート２０を備え、この上に、光放射の入力ビーム４０ａをフィルタして、それに対応するフィルタされた出力放射ビーム４０ｂを与えるための光学領域３０が形成される。
【００２１】
この領域３０は、図示されたように左から右への方向で変化する空間的に変化する格子周期を有する格子構造体である。或いは又、この領域は、空間的に変化する層厚みを有する多層回折構造体でもよい。フィルタプレート２０は、スペーサ部材６０ａ、６０ｂで離間された上下の外部プレート５０ａ、５０ｂ間にスライド可能に取り付けられる。これらの外部プレート５０ａ、５０ｂは、スペーサ部材６０ａ、６０ｂに接合されて一体的な組立体を形成する。圧電素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄが、外部プレート５０ａ、５０ｂの内方を向いた主面に接合され、これら素子７０は、フィルタプレート２０に当接する。ビーム４０ａ、４０ｂがフィルタプレート２０に効率的にアクセスできるように、相互に整列された穴８０ａ、８０ｂが外部プレート５０ａ、５０ｂに各々形成される。
【００２２】
フィルタプレート２０は、溶融シリカ材料から製造され、これは研磨されて鏡仕上げとされ、その主面の平行度は１０μｍより良好である。溶融シリカを使用するのに代わって、比較的低い熱膨張係数、例えば、５ｐｐｍ／℃未満の熱膨張係数を示す材料でプレート２０を製造することもできる。実際に、プレート２０を製造するのに使用される材料が、光学領域３０の温度に伴う光学特性の変化を実質的に補償する熱膨張係数を有する場合に特に有利である。適当な低熱膨張係数の材料は、米国のイーグル・アロイズ・コープから入手できるＫｏｖａｒ、Ｉｎｖａｒ及びＳｕｐｅｒ Ｉｎｖａｒを含む。
【００２３】
外部プレート５０ａ、５０ｂ及びスペーサ部材６０ａ、６０ｂは、シリカ又はシリコンから製造され、或いは外部プレート５０ａ、５０ｂ及びそれに関連したスペーサ部材６０ａ、６０ｂは、硬質金属、例えば、研磨されたステンレススチールで製造することもできる。フィルタプレート２０の熱膨張係数は、外部プレート５０ａ、５０ｂ及びスペーサ部材６０ａ、６０ｂの対応熱膨張係数と例えば１ｐｐｍ／℃以内で実質的に一致するのが好ましい。
【００２４】
動作中に、入力放射ビーム４０ａは、穴８０ａを経て伝播し、そして光学領域３０の一部分に入射する。領域３０は、ビーム４０ａのフィルタされた部分を、フィルタされたビーム４０ｂとして透過し、これは、フィルタプレート２０を経て伝播し、次いで、穴８０ｂを経てフィルタ１０から離れるように伝播する。フィルタ１０を同調するために、フィルタプレート２０及び光学領域３０は、素子７０により左から右への方向（図で見て）に並進移動される。矢印９０で示された左側（ＬＨＳ）方向にフィルタ１０を同調するために、素子７０ａ、７０ｃは、穴８０ａ、８０ｂに対してＬＨＳ方向に領域３０を移動する少なくとも１つの電気信号によって駆動される。逆に、矢印９０で示された右側（ＲＨＳ）方向にフィルタ１０を同調するために、素子７０ｂ、７０ｄは、矢印９０で示すＲＨＳ方向に領域３０を移動する少なくとも１つの電気信号により駆動される。素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄを駆動するのに使用される１つ以上の信号は、制御電子回路（図示せず）において発生される。動作中、比較的弱い外部の力が、フィルタプレート２０に向かう方向に、外部プレート５０ａ、５０ｂの外方を向いた主面に垂直に加えられて、フィルタプレート２０への素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄの接触が確保される。
【００２５】
素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄに加えられる１つ以上の信号は、これら素子に対してフィルタプレート２０を段階的に移動させる。このような移動において、駆動信号は、２つの異なる段階を含む。
（ａ）第１段階では、１つ以上の素子が第１の駆動方向に比較的ゆっくり撓みながら、フィルタプレート２０との完全な摩擦接触を保持し、ひいては、フィルタプレート２０にモーメントを与え；そして
（ｂ）第２段階では、１つ以上の素子が、第１方向とは相互に逆の第２方向に比較的迅速に撓み、その間に１つ以上の素子とプレート２０との接触が瞬間的に失われる一方、素子は、第１段階を開始する前の以前の位置へ復帰し、接触が失われるのは、フィルタプレート２０及び外部プレート５０ａ、５０ｂが素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄより著しく大きな慣性を有するからである。
【００２６】
従って、素子７０ａ、７０ｃは、第１段階中にはＬＨＳ方向に比較的ゆっくりと撓まされて、フィルタプレート２０をＬＨＳ方向に作動し、そして第２段階中にはＲＨＳ方向に比較的迅速に撓まされる。同様に、素子７０ｂ、７０ｄは、第１段階中にはＲＨＳ方向に比較的ゆっくりと撓まされて、フィルタプレート２０をＲＨＳ方向に作動し、そして第２段階中にはＬＨＳ方向に比較的迅速に撓まされる。素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄは、特定の作動方向を持つように各々分極される。従って、素子７０ａ、７０ｃは、図１及び２に示すようにフィルタプレート２０をＬＨＳ方向に駆動する配向で分極されて外部プレート５０ａ、５０ｂに接合される。更に、素子７０ｂ、７０ｄは、フィルタプレート２０を図示されたＲＨＳ方向に駆動する配向で分極されて外部プレート５０ａ、５０ｂに接合される。
【００２７】
素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄは、各々、スタックに一緒に接合された鉛ジルコネートチタネート（ＰＺＴ）のような圧電材料の１つ以上の層より成る。これらの層は、例えば、チバ・ガイギーから入手できるもののような低クリープ硬質エポキシ樹脂を使用してのりづけすることもできるし、又は比較的低融点の共融半田を使用して半田付けすることもできる。
素子７０ａの作動段階が図３に２００で示されている。素子７０ａは、第１層Ｂ及び第２層Ａを含み、これらは、外部プレート５０ａに接合される。外部プレート５０ａから離れた第１層Ｂの端面は、フィルタプレート２０の主面にスティクショナル（ｓｔｉｃｔｉｏｎａｌ）（静摩擦的（ｓｔａｔｉｃ ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ））接触で当接するように構成される。素子７０ａの製造中に、層Ａ、Ｂの主面に、制御回路から駆動信号を受け取るための金属電極（図示せず）が付着され、駆動信号は、外部プレート５０ａの主面に対して垂直方向に配向された素子７０ａに電界を発生する。外部プレート５０ａの主面における金属接続トラック（図示せず）は、素子７０ａから制御回路へ接続され、これら接続トラックは、真空蒸着された金属トラック、例えば、２μｍ厚みのアルミニウムトラックである。
【００２８】
素子７０ａは、矢印２１０で示された方向に分極され、素子７０ａが外部プレート５０ａに接合されるときには、外部プレート５０ａの主面に対して非垂直に配向される。素子７０ａは、これに電界が印加されると、図３の段階２で示すように撓み、即ちそれ自身剪断すると共に太くなる。
或いは又、素子７０ａは、矢印の方向に非等方性結晶配向を有するが、層Ａ、Ｂの主面に平行な平面に対して垂直な方向に分極された圧電多結晶材料より成ってもよい。
以下、図３を参照して、フィルタプレート２０を作動する素子７０ａの動作について説明する。
【００２９】
段階１では、２５０で示すグラフに示されたように時間ｔ０に素子７０ａにまたがって印加されるバイアス電圧は、ほぼゼロである。素子７０ａは、図示されたように非偏向状態であり、外部プレート５０ａ及びフィルタプレート２０上のポイントＰ１及びＰ２は、各々整列する。
段階２では、時間周期ｔ０ないしｔ１の間に、素子７０ａにまたがったバイアス電圧が次第に増加して、素子７０ａを、図示されたように軸Ｘ及びＺにおいて各々剪断させそして太くさせる。層Ｂの離れた主面とフィルタプレート２０との間の接触が段階２の間に維持される。段階２の間に、フィルタプレート２０は、図示されたようにＬＨＳ方向に並進移動され、従って、ポイントＰ１及びＰ２は、もはや整列しない。更に、外部プレート５０ａは、フィルタプレート２０ａから更に離れるように移動される。段階２の終わりには、時間ｔ１に、大きさＶＢのバイアス電圧が素子７０ａ間に現れる。
【００３０】
段階３では、時間周期ｔ０ないしｔ１よりも短い時間周期ｔ１ないしｔ２の間に、素子７０ａ間のバイアス電圧は、ＶＢからほぼゼロまで急速に減少される。素子７０ａは、プレート５０ａ、２０より比較的慣性が低いことにより、素子７０ａは、プレート５０ａ、２０がそれらのモーメントを変化させる機会をもつ前に、段階１におけるそのオリジナル形状まで収縮することができる。段階３の間に、素子７０ａは、プレート２０との接触を解離する。その結果、ポイントＰ１及びＰ２は、段階３の間には、段階２の終わりのように相互に不整列に保たれる。
【００３１】
段階４では、時間周期ｔ２ないしｔ３の間に、素子７０ａ間にほぼゼロのバイアスが維持され、フィルタプレート７０が素子７０ａに再係合接触する機会を与える。フィルタプレート２０が素子７０ａに再び接触すると、ポイントＰ１及びＰ２は、外部プレート５０ａに対するフィルタプレート２０のＬＨＳ横方向並進移動に対応して図示されたように不整列となる。
実際に、段階２及び４は、素子７０ａに印加されるバイアス電圧の時間的変化が鋸歯状波形に類似したものとなるように非常に短くすることができる。しかしながら、最も正確な移動のためには、グラフ２５０に示す波形が好ましく、即ち周期ｔ１ないしｔ２は、周期ｔ０ないしｔ１の１％ないし２０％の範囲である。
【００３２】
もし必要であれば、素子が作動されるときに素子７０ａをプレート２０に連続的に係合するように弾性バイアス力を付与することができる。このような動作モードでは、層Ｂは、プレート２０と繰り返しスライド可能に接触する。
図３を参照して素子７０ａの動作を以上に説明したが、素子７０ａないし７０ｄを駆動するための多数のスキムを採用できることが明らかであろう。例えば、素子７０ａ、７０ｃは、それらがプレート２０に同時に繰り返し係合してそれをＬＨＳ方向に作動するように同期して同相で駆動することができる。或いは又、素子７０ａ、７０ｃは、同期するが相互に位相ずれして駆動されて、ある素子が引っ込む間に他の素子が完全に延びた状態に達するようにしてもよい。同様に、素子７０ｂ、７０ｄは、それらがプレート２０に同時に繰り返し係合してそれをＲＨＳ方向に作動するように同期して同相で駆動することができる。或いは又、素子７０ｂ、７０ｄは、同期するが相互に位相ずれして駆動されて、ある素子が引っ込む間に他の素子が完全に延びた状態に達するようにしてもよい。
【００３３】
更に、層Ｂは、その露出した面に、プレート２０に係合するための極微の張り出し部を設けてもよいことが明らかであり、この極微の張り出し部は、その周期が３ｎｍないし３０ｎｍの範囲であり、即ち１０ｎｍ程度である。同様に、プレート２０も、素子７０ａないし７０ｄに係合する場所に、３ｎｍないし３０ｎｍの範囲、即ち１０ｎｍ程度の周期で極微な張り出し部を設けることができ、プレート２０のこの極微な張り出し部は、層Ｂの張り出し部と平行に整列されてそれと協働し、従って、素子７０ａないし７０ｄは、張り出し部によって画成されるステップサイズを与えるように動作できる。張り出し部は、例えば、イオンビームミリング技術により有機ポリマー感光レジストを経て金属層へと並進移動される軟Ｘ線又は深ＵＶ干渉縞を利用することにより形成できる。ポリマー感光レジストは、半導体産業で日常使用されており、シップレー・インクのような会社により製造されている。張り出し部は、素子７０ａないし７０ｄとプレート２０との間にある形式の歯付き協働係合を与え、ひいては、高い制御精度を与えるように動作できる。
【００３４】
実際には、約５００ＫＨｚ周波数の適当な鋸歯状駆動信号が素子７０ａないし７０ｄの１つ以上に印加されたときには３ｍｍ／ｓないし５ｍｍ／ｓ程度の作動速度を達成でき、各スティクション（ｓｔｉｃｔｉｏｎ）ステップは、実質的に１０ｎｍに対応することが明らかである。１つ以上の圧電素子７０ａないし７０ｄの１つの撓みに対応する各スティクションステップのサイズは、制御回路から印加される駆動信号の振幅を変調することにより変更できる。従って、駆動信号の振幅及び周波数の両方を制御することにより、５ｍｍ／ｓ程度の作動速度及び数ｎｍ以内のステップサイズ調整を達成することができる。このような性能は、同調可能な光学フィルタの従来の機械的移動を著しく改善し、そして次のものを与える。
− 多数の電子的に同調可能なフィルタ、例えば、熱的に同調可能なフィルタより高度な安定性；及び
− 多数の従来の機械的に同調可能な光学フィルタより速い応答。
【００３５】
図４には、圧電層３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ及びガード層３２０の５層スタックとして実施される素子７０ａが側面図において３００で示されている。圧電層３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄは、２つの真空蒸着された金属接続トラック３３０、３４０に電気的に並列に接続され、そしてこれら圧電層は、図示されたように、インターリーブ式に相互接続される。スタックの最も外側の電極３５０がフィルタプレート２０の移動により磨耗するのを防止するために、スタックは、フィルタプレート２０に接触するガード層３２０を備えている。圧電プレート３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄの並列接続は、素子７０ａを圧電材料の単一層として実施する場合に比して所与の印加駆動電圧に対して強い電界を発生することができる。しかしながら、図４に示す並列接続は、上記制御回路内に含まれる出力ドライバへの容量性負荷を増加するが、素子７０ａを駆動するために例えば論理ゲート及びドライバから数ボルト振幅の控え目な信号で良いようにする。
【００３６】
図１及び２に示す光学フィルタ１０は、一次元の直線軌道において外部プレート５０ａ、５０ｂに対してフィルタプレート２０を作動するように働く。本発明は、光学プレートを二次元において作動するよう適用することもできる。本発明の第２の実施形態が図５に示されており、別の同調可能な光学フィルタが平面図において４００で一般的に示されている。又、同調可能なフィルタ４００は、その端面図において４０５で示されている。Ｘ−Ｙ直交基準軸は、４１０で示されており、平面図においてフィルタ４００に関連される。
【００３７】
同調可能なフィルタ４００は、２つの外部プレート４４０ａ、４４０ｂ間にスライド可能に取り付けられたフィルタプレート４２０を備え、外部プレートは、スペーサ部材４５０により図示されたように離間構成に維持される。外部プレート４４０ａ、４４０ｂ及びスペーサ部材４５０は、一体的な組立体を形成する。フィルタプレート４２０は、３５個のフィルタ領域、例えば、フィルタ領域４３０のアレーを含む。フィルタプレート４２０に向かって外部プレート４４０ａ、４４０ｂの主面に接合されるのは、圧電素子４８０ａないし４８０ｈであり、これらの素子４８０ａないし４８０ｈは、同調可能なフィルタ１０の素子７０ａ、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄと構造が同一であり、そしてフィルタプレート４２０と外部プレート４４０ａ、４４０ｂとの間に介在される。外部プレート４４０ａ、４４０ｂは、アクセス穴４６０ａ、４６０ｂを含み、これらを経て放射ビーム４７０がフィルタプレート４２０に当たりそしてそこから退出する。
【００３８】
素子４８０ａないし４８０ｈは、図３を参照して述べたように動作し、即ちステップ式にスティクショナル作動して、フィルタプレート４２０を穴４６０ａ、４６０ｂ、ひいては、ビーム４７０に対して移動する。本明細書において、スティクショナル運動とは、２つの表面間に静摩擦（スティクション）を使用してそれら表面間に横方向の力を与える運動を意味するものと理解されたい。素子４８０ａ、４８０ｂ、４８０ｅ、４８０ｆは、駆動されると、フィルタプレート４２０をｙ軸に対して平行に移動するように動作する。同様に、素子４８０ｃ、４８０ｄ、４８０ｇ、４８０ｈは、駆動されると、フィルタプレート４２０をｘ軸に平行な方向に移動するように動作する。
【００３９】
素子４８０ｇ、４８０ｈは、制御回路からの信号で駆動されたときにフィルタプレート４２０をＬＨＳ方向に移動するためにそれらの非垂直分極方向をＬＨＳのｘ方向に配向している。逆に、素子４８０ｃ、４８０ｄは、駆動時にプレート４２０をＲＨＳ方向に作動するためにそれらの非垂直の分極方向をＲＨＳのｘ方向に配向している。
同様に、素子４８０ａ、４８０ｂは、制御回路からの信号で駆動されたときにフィルタプレート４２０を上方のｙ方向に移動するために、それらの非垂直の分極方向をＵＰのｙ方向に配向している。逆に、素子４８０ｅ、４８０ｆは、駆動時にフィルタプレート４２０を下方のｙ方向に作動するために、それらの非垂直の分極方向をＤＯＷＮのｙ方向に配向している。
【００４０】
フィルタプレート４２０におけるアレーの領域は、回折格子であり、各領域は、その領域にわたって実質的に一定である相互に異なるフィルタ特性を与える。或いは又、これらの領域は、ある範囲の異なるフィルタ特性を与えるために層厚み及び層の数が領域ごとに変化する多層光学構造体より成ってもよい。更に、各領域内に与えられる光学フィルタ特性は、空間的に一定であってもよいし、或いは各領域は、各領域に対して光学的に同調可能な素子を形成するように空間的に等級付けされてもよい。例えば、各領域は、フィルタ４００が、光学的フィルタ作用を遂行するために光通信システムに組み込まれたときに波長分割多重チャンネルに対応し、即ち各領域は、光通信システムの特定のＷＤＭチャンネルに対応し、各領域は、その領域にわたって比較的僅かな量だけ空間的に変化する光学的フィルタ特性を有し、これにより、ＷＤＭチャンネル間に迅速な同調を与えると共に、各チャンネル内に比較的僅かな範囲の同調調整を与えることができる。更に、フィルタ４００は、ＷＤＭ光通信システムに組み込まれる場合に、そのシステムがより多くのチャンネルを含むようにアップグレードされるか、又はチャンネル間隔が例えば０．８ｎｍの間隔から新方式の０．４ｎｍ間隔へ切り換えられる場合に、そのフィルタプレート４２０を、領域が新方式に同調されるところのアレーを含む対応する交換プレートと置き換えるだけで、このフィルタ４００をアップグレードできるという利点を与える。
【００４１】
フィルタ４００は、フィルタ１０に比して、物理的によりコンパクトに形成できるという利点を与える。更に、動作の観点から、フィルタ４００は、フィルタ１０のように領域例えば領域４３０が直線的なシーケンスで配置された場合よりも迅速にチャンネルからチャンネルへと同調することができる。領域は、それらがフィルタするように設計された放射波長の関数として増加する順序又は減少する順序で空間的に配列することができる。或いは又、より迅速なチャンネルスイッチングを達成できるように、頻繁に選択される領域をフィルタプレート４２０上に一緒に集群化することもできる。
【００４２】
動作中に、外部プレート４４０ａ、４４０ｂの外側に向いた主面に、フィルタプレート４２０に向けて比較的弱い力を加えて、駆動時に上述したように瞬間的な解離が生じるとき以外、素子４８０ａないし４８０ｈがフィルタプレート４２０に接触状態に維持されるよう確保することができる。
外部プレート４４０ａ、４４０ｂと、フィルタプレート４２０は、溶融シリカ又はクオーツで製造されるのが好ましく、それらの表面は、鏡仕上げに研磨されて１０μｍ未満の誤差で平行となった後にそこに領域のアレーが形成される。
【００４３】
本発明の第３の実施形態が図６に示されており、更に別の同調可能な光学フィルタが平面図において５００で一般的に示されている。この同調可能なフィルタ５００は、端面図において５０５でも示されている。ｘ−ｙ直交基準軸は、５１０で指示され、平面図においてフィルタ５００に関連される。
同調可能なフィルタ５００は、２つの外部プレート５２０ａ、５２０ｂ間にスライド可能に取り付けられたフィルタプレート５３０を備え、外部プレートは、スペーサ部材５４０により図示されたように離間構成に維持される。外部プレート５２０ａ、５２０ｂ及びスペーサ部材５４０は、一体的な組立体を形成する。フィルタプレート５３０は、５個の細長いフィルタ領域、例えば、細長いフィルタ領域５６０の直線アレーを含む。フィルタプレート５３０に向かって外部プレート５２０ａ、５２０ｂの主面に接合されるのは、圧電素子５５０ａないし５５０ｈであり、これらの素子５５０ａないし５５０ｈは、同調可能なフィルタ１０の素子７０ａ、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄと構造が同一であり、そしてフィルタプレート５３０と外部プレート５２０ａ、５２０ｂとの間に介在される。外部プレート５２０ａ、５２０ｂは、アクセス穴５８０ａ、５８０ｂを含み、これらを経て放射ビーム５７０がフィルタプレート５３０に当たりそしてそこから退出する。
【００４４】
素子５５０ａないし５５０ｈは、図３を参照して述べたように動作し、即ちステップ式にスティクショナル作動して、フィルタプレート５３０を穴５８０ａ、５８０ｂ、ひいては、ビーム５７０に対して移動する。素子５５０ａ、５５０ｄ、５５０ｅ、５５０ｈは、駆動時に、フィルタプレート５３０をｘ軸に平行な方向に移動するように動作する。同様に、素子５５０ｂ、５５０ｃ、５５０ｆ、５５０ｇは、駆動時に、フィルタプレート５３０をｙ軸に平行な方向に移動するように動作する。
【００４５】
素子５５０ａ、５５０ｈは、制御回路からの信号で駆動されたときにフィルタプレート５３０をＬＨＳ方向に移動するためにそれらの非垂直分極方向をＬＨＳのｘ方向に配向している。逆に、素子５５０ｄ、５５０ｅは、駆動時にプレート５３０をＲＨＳ方向に作動するためにそれらの非垂直の分極方向をＲＨＳのｙ方向に配向している。
同様に、素子５５０ｂ、５５０ｃは、制御回路からの信号で駆動されたときにフィルタプレート５３０を上方のｙ方向に移動するためにそれらの非垂直の分極方向をＵＰのｙ方向に配向している。逆に、素子５５０ｆ、５５０ｇは、駆動時にフィルタプレート５３０を下方のｙ方向に作動するために、それらの非垂直の分極方向をＤＯＷＮのｙ方向に配向している。
【００４６】
フィルタプレート５３０における直線アレーの細長い領域は、回折格子であり、各領域は、相互に異なるフィルタ特性を与える。或いは又、これらの領域は、ある範囲の異なるフィルタ特性を与えるために層厚み及び層数が領域ごとに変化する多層光学構造体より成ってもよい。更に、各領域内では、光学フィルタ特性は、各領域に対してある程度の光学的な同調性を与えるようにｘ方向に空間的に等級付けされる。例えば、各領域は、フィルタ５００が光学的なフィルタ作用を遂行するために光通信システムに組み込まれるときに、ある範囲の波長分割多重チャンネルに対応することができる。
【００４７】
フィルタ５００は、フィルタ１０に比して物理的によりコンパクトに形成できるという利点を与える。更に、フィルタ５００は、広範囲の波長にわたり潜在的に連続的に同調することもできる。更に、動作の観点から、フィルタ４００は、フィルタ１０のように領域例えば領域５６０が直線的なシーケンスで配置された場合より迅速にチャンネルからチャンネルへと同調することができる。例えば、フィルタ５００は、領域５６０を操作してその第１端をビーム５７０に整列させるように同調することができ、領域５６０の第２の端において別の波長にフィルタ５００を同調することが必要になった場合には、領域５６０の全波長分だけフィルタプレート５３０を並進移動するのではなく、制御回路が領域５６０の隣接領域を操作して、他の波長のフィルタ作用を与えることができる。
【００４８】
動作中に、フィルタ５００に対して同様に、外部プレート５２０ａ、５２０ｂの外側に向いた主面に、フィルタプレート５３０に向けて比較的弱い力を加えて、駆動時に特に図３を参照して上述したように瞬間的な解離が生じるとき以外、素子５５０ａないし５５０ｈがフィルタプレート５３０に接触状態に維持されるよう確保することができる。
外部プレート５２０ａ、５２０ｂと、フィルタプレート５３０は、溶融シリカ又はクオーツで製造されるのが好ましく、それらの表面は、鏡仕上げに研磨されて１０μｍ未満の誤差で平行となった後にそこに領域のアレーが形成される。
【００４９】
以上、プレートをベースとする同調可能な光学フィルタ１０、４００、５００について述べた。本発明によるスティクショナルモードの動作は、他の形式の部材を使用して達成することもできる。図７は、別の同調可能な光学フィルタを６００で示している。このフィルタ６００の側面図が６１０で示されている。このフィルタ６００は、６個の圧電素子６３０ａないし６３０ｆとスライド接触状態に保持された細長い三角形部材６２０を備えている。素子６３０ａないし６３０ｄは、アングル状の指示部材６３５に接合され、そして素子６３０ｅ、６３０ｆは、支持プレート６４５に接合される。これら支持プレート６４５及び支持部材６３５は、適当な手段（図示せず）により方向６８０に互いに相対的に移動することが防止される。支持部材６３５及び支持プレート６４５には、比較的弱い力Ｆ１及びＦ２が各々加えられ、素子６３０ａないし６３０ｆの１つ以上に駆動信号が印加されるときに瞬間的な時間を除き、素子６３０ａないし６３０ｆが部材６２０に接触維持されるよう確保する。素子６３０ａ、６３０ｃ、６３０ｅは、フィルタ６００に関連した制御回路（図示せず）からの信号により駆動されたときに、細長い部材６２０を矢印６８０で指示されたＬＨＳ方向に作動するように、それらの圧電分極軸を配向する。同様に、素子６３０ｂ、６３０ｄ、６３０ｆは、制御回路からの信号で駆動されたときに、部材６２０を矢印６８０で示されたＲＨＳ方向に作動するように、それらの圧電分極軸を配向する。レンズのような光学部品（図示せず）は、光放射ビーム６７０を形成するように配置され、この光放射ビームは、動作中に、領域６６０に入射し、そしてそれを経て透過されるときにフィルタされる。
【００５０】
細長い部材６２０は、その一端が、細長いフィルタ領域６６０を支持するフィルタプレート６５０に取り付けられる。フィルタ領域６６０は、解決格子より成り、その周期は、領域６６０に沿って空間的に変化して、その領域に、空間的に変化する光学フィルタ特性を与える。
フィルタ６００は、細長い部材６２０の作動構成体を使用して、プレート６５０で示された既存設計の光学フィルタプレートを作動できるという利点を与える。従って、フィルタ６００は、直線的作動及び光学フィルタプレートを使用した現在の光学フィルタのアップグレードとして使用することができる。
【００５１】
細長い三角形部材６２０の使用について説明したが、フィルタ６００は、他の形式の可動部材、例えば、細長い方形断面部材又は細長い六角形断面部材を使用することもできる。但し、これら形式の部材に当接して作動するために圧電素子用の適当な支持構造体が設けられねばならない。
更に別の形式の同調可能な光学フィルタが本発明者によって案出された。例えば、図８は、本発明の第５の実施形態に基づく同調可能な光学フィルタを示し、このフィルタは、７００で示されている。又、このフィルタ７００は、端面図において７１０でも示されている。このフィルタ７００は、平面段７２０を備え、この段７２０に一体的な直交翼部材７３０を有し、図示されたように「Ｔ」字型断面の段が形成される。平面段７２０は、傾斜した細長い縁を含み、この縁は、相補的な支持部材５２５ａ、５２５ｂにおける細長い「Ｖ」字型の溝に係合される。この支持部材５２５ａ、５２５ｂは、例えば、板バネを使用して、力Ｇ１、Ｇ２を加えることにより平面段７２０に向かって弾力でバイアスされ、バックラッシュが減少される。翼７３０が段７２０に接合するところから離れた段７２０の露出上面には、光学的フィルタ領域７４０が形成され、その格子周期は、段７２０の移動方向７８０に領域７４０に沿って空間的に変化する。或いは又、領域７４０は、その光学特性が領域７４０に沿って空間的に変化する多層光学構造体でもよく、この構造体は、例えば、層厚み又は層の屈折率が領域７４０に沿って空間的に変化する多層エタロン反射構造体でもよい。
【００５２】
翼部材７３０は、該翼部材７３０の両主面において支持部材７６０ａ、７６０ｂにより側面処理されている。各支持部材７６０ａ、７６０ｂには、図３を参照して上述したように翼部材７３０をスティクショナルに作動できる２つの圧電素子７７０ａ、７７０ｂが接合される。これらの素子７７０ａ、７７０ｂは、翼部材７３０の主面に垂直に内方に向かう力Ｈ１、Ｈ２により翼部材７３０と接触状態に保持される。素子７７０ａ、７７０ｂは、これらの素子がその関連制御電子回路からの駆動信号で駆動されるときに、スティクショナルな運動中に、翼部材７３０と瞬間的にゆるく接触するだけである。
【００５３】
圧電素子７７０ａは、該素子の分極の方向が矢印７８０で示すＬＨＳ方向に向けて配向されるように支持部材７６０ａ、７６０ｂに接合される。この配向の結果として、素子７７０ａは、これに印加された信号により駆動されたときに、翼部材７３０を作動し、ひいては、段７２０を支持部材７２５ａ、７２５ｂ、７６０ａ、７６０ｂに対してＬＨＳ方向に作動するように動作し、これらの支持部材は、実質的に相互に一定の空間関係で機械的に保持される。
【００５４】
同様に、圧電素子７７０ｂは、該素子の分極の方向が矢印７８０で示すＲＨＳ方向に向けて配向されるように支持部材７６０ａ、７６０ｂに接合される。この配向の結果として、素子７７０ｂは、これに印加された信号により駆動されたときに、翼部材７３０を作動し、ひいては、段７２０を支持部材７２５ａ、７２５ｂ、７６０ａ、７６０ｂに対してＲＨＳ方向に作動するように動作する。
【００５５】
本発明の範囲から逸脱せずに、光学フィルタ１０、４００、５００、６００、７００に対して変更がなされ得ることが当業者に明らかであろう。例えば、圧電素子を使用して放射ビームに対して光学フィルタをスティクショナルに移動することについて説明したが、図３に示す撓み運動を与えることのできる他の形式の素子を使用することもできる。静電素子、静磁気素子、電磁素子、及び熱で撓む素子、例えば、バイモルを、別個に又は付加的に使用して、スティクショナルな運動を与えることもできる。静電、電磁、熱又は圧電作動構造体を使用するシリコンのマイクロ加工素子が、本発明にとって特に適している。
【００５６】
フィルタ１０、４００、５００、６００、７００に使用された圧電素子は、その関連制御電子回路により時間的に順次に駆動されて、１つの素子が作動を与える間にある素子が接触して弱く保持することができる。逆に、圧電素子は、任意の瞬間に２つ以上のグループで駆動される一方、非駆動素子が弱く接触して保持するようにしてもよい。素子を駆動するために選択される方式は、上述した光学的フィルタプレート又は段を作動すべき精度及び速度に依存する。
【００５７】
フィルタ１０、４００、５００、６００、７００内に含まれる圧電素子は、フィルタ領域３０、４３０、５６０、６６０、７４０に対して移動するフィルタの支持部分に各々接合されたが、素子をフィルタ領域に対して固定の相対的位置に保つように接合し、そして支持部分に対してスティクショナルに作動することができ、例えば、同調可能なフィルタ１０では、素子７０ａ、７０ｄをフィルタプレート２０に接合し、そして外部プレート５０ａ、５０ｂの内方を向いた主面とスライド係合状態で作動することができ、このような構成では、フィルタプレート２０からの柔軟な導体を関連制御回路に接続することが必要となる。
【００５８】
更に、フィルタ１０、４００、５００、６００、７００は、作動構造体、例えば、フィルタ１０のプレート２０を回転式に取り付けて、その関連圧電素子がそれら構造体を回転するように動作し、それら構造体に向けられる光ビームに対してそれら構造体上の光学領域を移動することによりフィルタの同調を行うように変更できることも明らかである。例えば、図９及び１０には、本発明による同調可能な光学フィルタが８００で示されており、これは、２つの支持プレート８２０、８３０間に回転可能に取り付けられた円形フィルタプレート８１０を備え、このフィルタプレート８１０の両主面と、支持プレート８２０、８３０との間には圧電素子８４０ａ、８４０ｂ、８４０ｃ、８４０ｄが含まれる。支持プレート８２０、８３０は、円形プレート８１０に２つの位置で当接するように動作するスペーサ部材８５０、８６０により一緒に接続される。バイアス部材８７０、即ち支持プレート８２０、８３０及びスペーサ部材８５０、８６０に対して弾力で取り付けられるコンプライアントな燐青銅スプリングが、円形プレート８１０の第３の位置に当接するように配置される。このバイアス部材８７０は、円形プレート８１０がスペーサ部材８５０、８６０及び支持プレート８２０、８３０に対してその平面内を横方向に移動するのを防止するように動作する。円形プレート８１０は、圧電素子８４０ａ、８４０ｂ、８４０ｃ、８４０ｄにより平面を外れた方向に移動することが実質的に防止される。もし必要であれば、円形プレート８１０に向かう方向に支持プレート８２０、８３０にバイアス力を加えて、バックラッシュを防止する助けとすると共に、素子８４０ａ、８４０ｂ、８４０ｃ、８４０ｄを動作中に円形プレート８１０と繰り返しスライド接触状態に維持して、円形プレート８１０を、フィルタされるべき入力光ビーム８８０に対して回転作動させるように確保することができる。このバイアス力を加えない場合には、素子８４０ａ、８４０ｂ、８４０ｃ、８４０ｄは、動作中に、円形プレート８１０と繰り返し接触され、これをビーム８８０に対して回転作動させる。円形部材８１０は、支持プレート８２０、８３０の穴８９０を経てアクセスできる環状のフィルタ領域８８５を含む。この領域８８５は、空間的に変化する光学フィルタ特性を有する。更に、この領域８８５は、完全な環状であるように構成することができる。或いは又、任意であるが、フィルタ領域８８５は、例えば、個別領域に細分化して、個別フィルタ領域の弧状アレーとし、各領域が相互に異なる光学フィルタ特性を有するようにしてもよい。
【００５９】
フィルタ８００は、円形プレート８１０が、中央部材と整列するように配置された中央穴を含み、中央部材の回りでプレート８１０が動作中に素子８４０ａ、８４０ｂ、８４０ｃ、８４０ｄにより回転作動されるように変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１の実施形態に基づく同調可能な光学フィルタの平面図である。
【図２】
図１に示す同調可能なフィルタの側面図である。
【図３】
図１及び２に示す同調可能なフィルタの光学格子を保持するフィルタプレートの段階的移動を示す図である。
【図４】
図１ないし３に示すフィルタプレートを作動するのに使用できる多層圧電素子における電気的接続を示す図である。
【図５】
本発明の第２の実施形態に基づく同調可能な光学フィルタであって、フィルタされるべき光ビームに対して二次元的に移動できる光学フィルタ要素を含み、この要素がフィルタ領域の二次元アレーを組み込んでいるような光学フィルタを示す図である。
【図６】
本発明の第３の実施形態に基づく同調可能な光学フィルタであって、フィルタされるべき光ビームに対して二次元的に移動できる光学フィルタ要素を含み、この要素が一連の平行な細長い格子フィルタを組み込んでいるような光学フィルタを示す図である。
【図７】
本発明の第４の実施形態に基づく同調可能な光学フィルタであって、フィルタされるべき光ビームに対して光学フィルタ要素を移動するための作動可能な三角形部材を含むようなフィルタを示す図である。
【図８】
本発明の第５の実施形態に基づく同調可能な光学フィルタであって、光学フィルタ領域に直交接続される平面部材を含み、この平面部材が、フィルタされるべき光ビームに対して光学フィルタ領域を移動するように作動される光学フィルタを示す図である。
【図９】
本発明の第６の実施形態に基づく同調可能な光学フィルタであって、フィルタされるべき光ビームに対して回転作動されるように構成されたフィルタ構造体を含むフィルタを示す平面図である。
【図１０】
図９に示す同調可能なフィルタの側面図である。
【技術分野】
本発明は、例えば、波長分割多重化（ＷＤＭ）光通信システムに使用するための同調可能な光学フィルタに係る。
【０００２】
【背景技術】
従来の光通信システムは、光ファイバ導波路を経て相互接続された複数の空間的に分散されたノードを備えている。ノード間で情報を通信するために情報保持光学放射が導波路により導波される。本発明における光学放射は、自由空間波長が実質的に１５０ｎｍないし５μｍの範囲の電磁放射として定義される。
【０００３】
情報は、しばしば、波長分割多重化（ＷＤＭ）の状態で光学放射に変調され、即ち情報は、多数のチャンネルに細分化され、各チャンネルが、それに対応する範囲の光学放射波長に変調される。例えば、１．５μｍ自由空間波長の光学放射が使用される場合には、チャンネルに関連した波長範囲は、０．８ｎｍの間隔で逐次に離間することができる。特定のチャンネルに関連した放射を分離するためにシステムには光学放射フィルタが従来使用されている。
【０００４】
システムが再構成不能な場合には、光学フィルタが、製造時に特定チャンネルの放射波長にセットされる。しかしながら、通信システムを再構成できることが次第に要求され、従って、このようなシステムは、少なくとも多数のチャンネルの範囲にわたって同調できる光学フィルタを含むことが必要になる。
【０００５】
機械的に同調可能な光学放射フィルタが、例えば、研究室又は天体用分光計で知られているが、このようなフィルタは、従来、例えば、再構成が必要なときにチャンネル間を選択するために頻繁な同調調整が要求される近代的な光通信システムに使用するには、コストがかかり過ぎ、信頼性が低く、かさばる上に、低速であると考えられる。更に、精密なメカニズムは、頻繁に調整されると磨耗の問題があり、このような磨耗は、機械的なバックラッシュを引き起こし、これは、調整の精度を制限し、更に、このようなバックラッシュは、長期間のメカニズム使用に伴い悪化することが知られている。その結果、従来、熱同調式の光学放射フィルタ及び電子的にスイッチ可能な光学フィルタが、同時代の光通信システムに使用されている。
【０００６】
米国特許第５，４５９，７９９号には、ＷＤＭ通信システムに使用するための同調可能な光学フィルタが開示されている。このフィルタは、反射格子の直列構成体を備え、各格子は、その格子に関連した対応チャンネルの波長範囲を越える放射を阻止するように動作できる。更に、これら格子は、相互に異なるチャンネルを阻止するように製造され、従って、フィルタは、通常、その構成体に入力するＷＤＭ放射より成る全チャンネルを阻止するように動作できる。各反射格子に対してそれを離調するための電極又は加熱素子が設けられ、この電極又は素子に印加される制御信号は、それに関連した格子の波長範囲を、その直列構成体を経て選択的に送信されるべき１つ以上の所望のチャンネルに一致しないようにシフトさせることができる。この構成体は、連続的に同調できない欠点があり、その同調は、その格子の放射阻止帯域巾に対応する個別の波長ステップで切り換えられるだけである。このような個別のステップは、将来、より細かい波長ステップが必要とされ、例えば、チャンネル波長間隔が０．８ｎｍから０．４ｎｍへ減少されるべき場合に、このようなフィルタを含む通信システムをアップグレードすべき場合の制約となる。更に、微同調分解能を得るために、この直列構成体は、多数の反射格子を組み込むことが必要となり、これは、構成体を複雑にすると共に、製造コストを高める。
【０００７】
本発明者は、光通信システムが、連続的に同調できるフィルタか、又は少なくともシステムの将来のアップグレードに対処するに充分な微細な波長ステップで同調できるフィルタを組み込むのが望ましいと分かった。更に、光通信システム設計における従来の慣習とは対照的に、本発明者は、機械的に調整可能な光学フィルタを、将来の光通信システムに受け入れられる性能を発揮するように適応させることができると分かった。
【０００８】
しかしながら、１つ以上のフィルタ要素を、それら要素を通してフィルタされるべき光ビームに対して正確に移動させるための従来のメカニズムは、かさばる上に、製造コストがかかる傾向があり、例えば、従来の機械的に調整可能な光学フィルタは、光学格子のような１つ以上の光学フィルタ要素を、フィルタされるべき光ビームに対して作動するために、ステップモータ及びスクリュードライブを使用している。更に、このようなメカニズムは、頻繁な調整を受けるときには動作寿命を制限することになり、このような頻繁な調整は、機械的なバックラッシュの形態で明白である。従って、光通信システム設計の分野における当業者にとって、電子的に同調可能な光学フィルタは、このようなシステムにおける機械的に同調可能な光学フィルタよりも技術的に好ましい。
【０００９】
本発明者は、１つ以上のフィルタ要素を経てフィルタされるべき光放射ビームに対してそれらのフィルタ要素を段々にスティクショナル（ｓｔｉｃｔｉｏｎａｌ）（即ち静摩擦的（ｓｔａｔｉｃ ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ））に移動することに基づく作動メカニズムを使用した別の形式の機械的に同調可能な光学フィルタを案出できると分かった。
【００１０】
【発明の開示】
従って、本発明の第１の特徴によれば、入力放射をフィルタして、それに対応するフィルタされた出力放射を発生するための可動フィルタ手段であって、空間的に変化するフィルタ特性を有するフィルタ手段と、入力放射をフィルタするのに使用する上記フィルタ手段の一部分を選択し、ひいては、フィルタを同調するために、入力放射に対してフィルタ手段を移動する作動手段とを備えた同調可能な光学フィルタにおいて、上記作動手段は、１つ以上の作動素子を含み、これらの作動素子は、第１段階において、駆動方向に比較的ゆっくりと撓んで、上記フィルタ手段に係合すると共にそれとの完全な摩擦接触を維持することにより、駆動方向に入力放射に対して上記フィルタ手段を移動するための横方向の力を与えるように動作し、そして第２段階において、上記第１の駆動方向とは相互に逆の方向に比較的迅速に撓んで、上記フィルタ手段との摩擦接触が失われそして上記フィルタ手段が変位位置に保たれるように動作することを特徴とする同調可能な光学フィルタが提供される。
【００１１】
本発明は、公知の同調可能な光学フィルタに比して、改善された調整分解能、簡単且つ低コストの構造、並びに減少されたバックラッシュの１つ以上を与えることができるという効果を発揮する。
フィルタを簡単な構成にするために、上記フィルタ手段は、空間的に変化するフィルタ特性を有するフィルタ構造体と、このフィルタ構造体が接続される可動の支持部材とを備え、上記１つ以上の作動素子は、この可動支持部材に繰り返し係合するように動作できるのが好ましい。このようなフィルタ手段は、フィルタ構造体を、入力放射をフィルタするのに最適なものとし、一方、支持部材を、１つ以上の作動素子に繰り返し係合するのに最適なものとすることができる。フィルタ構造体は、支持部材の表面に形成又は支持することできるし、又は支持部材に機械的に結合することもできる。
【００１２】
フィルタ構造体が支持部材の表面に形成又は支持されるときには、支持部材は、温度の関数としてのフィルタ構造体の光学的同調特性の変化を補償するように選択された熱膨張係数を有するのが好ましい。このような補償は、フィルタがその周囲温度の変化に応答してより安定な同調特性を示すよう確保する上で助けとなる。
１つの実施形態では、上記フィルタ構造体は、フィルタ特性が実質的に周囲方向に変化するような部分的又は完全な環状に構成され、そして１つ以上の作動素子は、同調のために入力放射に対してフィルタ構造体を回転作動するように動作する。フィルタ構造体の回転作動は、フィルタをよりコンパクトに形成できるようにする。
【００１３】
上記フィルタ構造体は、便利にも、空間的に変化するフィルタ特性を与えるために個別フィルタ領域のアレーより成る。このようなアレーは、各領域が、例えば、フィルタが受け入れられる通信システムの波長分割多重化（ＷＤＭ）チャンネルに対応するフィルタ特性もつことができ、従って、フィルタをチャンネルごとに同調できるという利点を与える。
上記アレーは、作動手段が、フィルタを同調するためにフィルタ手段を一次元で作動できればよく、ひいては、フィルタの構成が比較的簡単であるという利点を与える一次元アレーであるのが好ましい。
【００１４】
或いは又、上記アレーは、二次元アレーでもよい。この二次元アレーは、一次元アレーを使用する場合に比してフィルタをよりコンパクトにできるという潜在的な利点を与える。
最も頻繁に選択される領域は、フィルタ手段において比較的密接に相互に接近して配置されて、平均的に同調の目的で入力放射に対してフィルタ手段を移動する必要のある距離を減少し、これにより、フィルタの再同調応答時間を改善するのが効果的である。従って、上記アレーは、構造体において一緒に集群化された最も頻繁に選択される領域を含むのが好ましい。
【００１５】
上記領域、例えば、フィルタ特性が、光通信システムのＷＤＭチャンネルに対応する場合には、フィルタが、システム内の若干の波長ドリフトに対処する微細な度合いの同調制御を与えるという利点がある。それ故、各領域は、フィルタを微同調するのに使用するための空間的に変化するフィルタ特性を有するのが便利である。
上記領域は、１つ以上の光学格子及び多層光学エタロンを含むのが好ましい。上記領域は、入力放射の反射及び透過の少なくとも一方を行って、フィルタされた出力放射を与えるように動作できるのが便利であり、このような反射及び透過は、フィルタの機械的設計に融通性を与える。
【００１６】
比較的低コストで且つコンパクトな組立体を与えるために、上記可動支持部材は、外部部材間に取り付けられた平面部材であり、そして上記作動素子は、外部部材と可動の平面支持部材との間に介在されるのが好ましい。第１のこのような構成体では、上記作動素子は、外部部材に接合され、そして可動の平面支持部材に繰り返し係合してそこに繰り返し横方向力を与え、外部部材に対して支持部材を移動し、ひいては、入力放射に対してフィルタ構造体を移動して、フィルタを同調するように動作できるのが好ましい。この第１の構成体は、１つ以上の作動素子が支持部材に接合される場合に必要になる１つ以上の作動素子への柔軟な電気的接続の必要性を回避する。或いは又、作動素子は、可動の支持部材に接合され、そして外部部材に繰り返し係合してそこに繰り返し横方向力を与え、外部部材に対して支持部材を移動するように動作できるのが好ましい。
【００１７】
作動素子の繰り返しの係合を達成するために、作動素子は、圧電、静磁気、静電気、電磁及び熱膨張作用の１つ以上を使用するのが好ましい。コストを低減しそしてコンパクトさを得るために、作動素子は、１つ以上のマイクロ加工された要素、例えば、シリコンマイクロ加工要素を含むのが好ましい。
低コスト、コンパクトさ、及び比較的低電圧駆動の要件に対して、各作動素子は、多層圧電構造体を含むのが好ましい。更に、入力放射に対するフィルタ手段の満足な段階的移動を得るために、１つ以上の作動素子は、横方向及び垂直の両力成分で支持部材又は外部部材の表面に繰り返し係合するのが望ましい。このような係合を得るために、圧電構造体の各層は、層の主面に対して非垂直の方向に分極されるのが好ましい。或いは又、圧電構造体の各層は、非等方性結晶配向を有し、そして層の主面に実質的に垂直な方向に分極されて、励起時に主面に対して非垂直方向に動作するのが有利である。
【００１８】
１つの実施形態において、上記支持部材は、多角形断面のバーより成り、これに対し１つ以上の作動素子がそれに関連した力を与えるように動作できる。実際に、本発明者は、このバーが実質的に三角形断面のバー及び実質的に長方形断面のバーの少なくとも１つであるのが特に有利であると分かった。
本発明の第２の特徴によれば、本発明の第１の特徴に基づくフィルタに使用するためのフィルタ構造体であって、入力放射をフィルタするための個別フィルタ領域のアレーより成るフィルタ構造体が提供される。
【００１９】
本発明の第３の特徴によれば、光学フィルタを同調する方法において、このフィルタは、入力放射をフィルタしてそれに対応するフィルタされた出力放射を発生するためのフィルタ手段であって、空間的に変化するフィルタ特性を有するフィルタ手段と、入力放射をフィルタするのに使用する上記フィルタ手段の一部分を選択するために、入力放射に対して上記フィルタ手段を移動する作動手段とを備え、上記方法は、上記作動手段に１つ以上の作動素子を設け、そしてこの１つ以上の素子を、第１段階において、１つ以上の電気的駆動信号で駆動方向に比較的ゆっくりと撓ませるように駆動して、上記フィルタ手段に係合させると共に、それとの完全な摩擦接触を維持することにより、駆動方向に入力放射に対し上記フィルタ手段を移動するための横方向の力を与え、そして第２段階では、上記１つ以上の素子を上記第１駆動方向とは相互に逆の方向に比較的迅速に撓ませるように駆動して、上記フィルタ手段との摩擦接触が失われそして上記フィルタ手段が変位位置に保たれるようにする段階を備えたことを特徴とする方法が提供される。
【００２０】
【発明を実施するための最良の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
図１及び２は、本発明の第１実施形態による同調可能な光学フィルタの平面図であり、このフィルタは、１０で一般的に示されている。このフィルタ１０は、フィルタプレート２０を備え、この上に、光放射の入力ビーム４０ａをフィルタして、それに対応するフィルタされた出力放射ビーム４０ｂを与えるための光学領域３０が形成される。
【００２１】
この領域３０は、図示されたように左から右への方向で変化する空間的に変化する格子周期を有する格子構造体である。或いは又、この領域は、空間的に変化する層厚みを有する多層回折構造体でもよい。フィルタプレート２０は、スペーサ部材６０ａ、６０ｂで離間された上下の外部プレート５０ａ、５０ｂ間にスライド可能に取り付けられる。これらの外部プレート５０ａ、５０ｂは、スペーサ部材６０ａ、６０ｂに接合されて一体的な組立体を形成する。圧電素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄが、外部プレート５０ａ、５０ｂの内方を向いた主面に接合され、これら素子７０は、フィルタプレート２０に当接する。ビーム４０ａ、４０ｂがフィルタプレート２０に効率的にアクセスできるように、相互に整列された穴８０ａ、８０ｂが外部プレート５０ａ、５０ｂに各々形成される。
【００２２】
フィルタプレート２０は、溶融シリカ材料から製造され、これは研磨されて鏡仕上げとされ、その主面の平行度は１０μｍより良好である。溶融シリカを使用するのに代わって、比較的低い熱膨張係数、例えば、５ｐｐｍ／℃未満の熱膨張係数を示す材料でプレート２０を製造することもできる。実際に、プレート２０を製造するのに使用される材料が、光学領域３０の温度に伴う光学特性の変化を実質的に補償する熱膨張係数を有する場合に特に有利である。適当な低熱膨張係数の材料は、米国のイーグル・アロイズ・コープから入手できるＫｏｖａｒ、Ｉｎｖａｒ及びＳｕｐｅｒ Ｉｎｖａｒを含む。
【００２３】
外部プレート５０ａ、５０ｂ及びスペーサ部材６０ａ、６０ｂは、シリカ又はシリコンから製造され、或いは外部プレート５０ａ、５０ｂ及びそれに関連したスペーサ部材６０ａ、６０ｂは、硬質金属、例えば、研磨されたステンレススチールで製造することもできる。フィルタプレート２０の熱膨張係数は、外部プレート５０ａ、５０ｂ及びスペーサ部材６０ａ、６０ｂの対応熱膨張係数と例えば１ｐｐｍ／℃以内で実質的に一致するのが好ましい。
【００２４】
動作中に、入力放射ビーム４０ａは、穴８０ａを経て伝播し、そして光学領域３０の一部分に入射する。領域３０は、ビーム４０ａのフィルタされた部分を、フィルタされたビーム４０ｂとして透過し、これは、フィルタプレート２０を経て伝播し、次いで、穴８０ｂを経てフィルタ１０から離れるように伝播する。フィルタ１０を同調するために、フィルタプレート２０及び光学領域３０は、素子７０により左から右への方向（図で見て）に並進移動される。矢印９０で示された左側（ＬＨＳ）方向にフィルタ１０を同調するために、素子７０ａ、７０ｃは、穴８０ａ、８０ｂに対してＬＨＳ方向に領域３０を移動する少なくとも１つの電気信号によって駆動される。逆に、矢印９０で示された右側（ＲＨＳ）方向にフィルタ１０を同調するために、素子７０ｂ、７０ｄは、矢印９０で示すＲＨＳ方向に領域３０を移動する少なくとも１つの電気信号により駆動される。素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄを駆動するのに使用される１つ以上の信号は、制御電子回路（図示せず）において発生される。動作中、比較的弱い外部の力が、フィルタプレート２０に向かう方向に、外部プレート５０ａ、５０ｂの外方を向いた主面に垂直に加えられて、フィルタプレート２０への素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄの接触が確保される。
【００２５】
素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄに加えられる１つ以上の信号は、これら素子に対してフィルタプレート２０を段階的に移動させる。このような移動において、駆動信号は、２つの異なる段階を含む。
（ａ）第１段階では、１つ以上の素子が第１の駆動方向に比較的ゆっくり撓みながら、フィルタプレート２０との完全な摩擦接触を保持し、ひいては、フィルタプレート２０にモーメントを与え；そして
（ｂ）第２段階では、１つ以上の素子が、第１方向とは相互に逆の第２方向に比較的迅速に撓み、その間に１つ以上の素子とプレート２０との接触が瞬間的に失われる一方、素子は、第１段階を開始する前の以前の位置へ復帰し、接触が失われるのは、フィルタプレート２０及び外部プレート５０ａ、５０ｂが素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄより著しく大きな慣性を有するからである。
【００２６】
従って、素子７０ａ、７０ｃは、第１段階中にはＬＨＳ方向に比較的ゆっくりと撓まされて、フィルタプレート２０をＬＨＳ方向に作動し、そして第２段階中にはＲＨＳ方向に比較的迅速に撓まされる。同様に、素子７０ｂ、７０ｄは、第１段階中にはＲＨＳ方向に比較的ゆっくりと撓まされて、フィルタプレート２０をＲＨＳ方向に作動し、そして第２段階中にはＬＨＳ方向に比較的迅速に撓まされる。素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄは、特定の作動方向を持つように各々分極される。従って、素子７０ａ、７０ｃは、図１及び２に示すようにフィルタプレート２０をＬＨＳ方向に駆動する配向で分極されて外部プレート５０ａ、５０ｂに接合される。更に、素子７０ｂ、７０ｄは、フィルタプレート２０を図示されたＲＨＳ方向に駆動する配向で分極されて外部プレート５０ａ、５０ｂに接合される。
【００２７】
素子７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄは、各々、スタックに一緒に接合された鉛ジルコネートチタネート（ＰＺＴ）のような圧電材料の１つ以上の層より成る。これらの層は、例えば、チバ・ガイギーから入手できるもののような低クリープ硬質エポキシ樹脂を使用してのりづけすることもできるし、又は比較的低融点の共融半田を使用して半田付けすることもできる。
素子７０ａの作動段階が図３に２００で示されている。素子７０ａは、第１層Ｂ及び第２層Ａを含み、これらは、外部プレート５０ａに接合される。外部プレート５０ａから離れた第１層Ｂの端面は、フィルタプレート２０の主面にスティクショナル（ｓｔｉｃｔｉｏｎａｌ）（静摩擦的（ｓｔａｔｉｃ ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ））接触で当接するように構成される。素子７０ａの製造中に、層Ａ、Ｂの主面に、制御回路から駆動信号を受け取るための金属電極（図示せず）が付着され、駆動信号は、外部プレート５０ａの主面に対して垂直方向に配向された素子７０ａに電界を発生する。外部プレート５０ａの主面における金属接続トラック（図示せず）は、素子７０ａから制御回路へ接続され、これら接続トラックは、真空蒸着された金属トラック、例えば、２μｍ厚みのアルミニウムトラックである。
【００２８】
素子７０ａは、矢印２１０で示された方向に分極され、素子７０ａが外部プレート５０ａに接合されるときには、外部プレート５０ａの主面に対して非垂直に配向される。素子７０ａは、これに電界が印加されると、図３の段階２で示すように撓み、即ちそれ自身剪断すると共に太くなる。
或いは又、素子７０ａは、矢印の方向に非等方性結晶配向を有するが、層Ａ、Ｂの主面に平行な平面に対して垂直な方向に分極された圧電多結晶材料より成ってもよい。
以下、図３を参照して、フィルタプレート２０を作動する素子７０ａの動作について説明する。
【００２９】
段階１では、２５０で示すグラフに示されたように時間ｔ０に素子７０ａにまたがって印加されるバイアス電圧は、ほぼゼロである。素子７０ａは、図示されたように非偏向状態であり、外部プレート５０ａ及びフィルタプレート２０上のポイントＰ１及びＰ２は、各々整列する。
段階２では、時間周期ｔ０ないしｔ１の間に、素子７０ａにまたがったバイアス電圧が次第に増加して、素子７０ａを、図示されたように軸Ｘ及びＺにおいて各々剪断させそして太くさせる。層Ｂの離れた主面とフィルタプレート２０との間の接触が段階２の間に維持される。段階２の間に、フィルタプレート２０は、図示されたようにＬＨＳ方向に並進移動され、従って、ポイントＰ１及びＰ２は、もはや整列しない。更に、外部プレート５０ａは、フィルタプレート２０ａから更に離れるように移動される。段階２の終わりには、時間ｔ１に、大きさＶＢのバイアス電圧が素子７０ａ間に現れる。
【００３０】
段階３では、時間周期ｔ０ないしｔ１よりも短い時間周期ｔ１ないしｔ２の間に、素子７０ａ間のバイアス電圧は、ＶＢからほぼゼロまで急速に減少される。素子７０ａは、プレート５０ａ、２０より比較的慣性が低いことにより、素子７０ａは、プレート５０ａ、２０がそれらのモーメントを変化させる機会をもつ前に、段階１におけるそのオリジナル形状まで収縮することができる。段階３の間に、素子７０ａは、プレート２０との接触を解離する。その結果、ポイントＰ１及びＰ２は、段階３の間には、段階２の終わりのように相互に不整列に保たれる。
【００３１】
段階４では、時間周期ｔ２ないしｔ３の間に、素子７０ａ間にほぼゼロのバイアスが維持され、フィルタプレート７０が素子７０ａに再係合接触する機会を与える。フィルタプレート２０が素子７０ａに再び接触すると、ポイントＰ１及びＰ２は、外部プレート５０ａに対するフィルタプレート２０のＬＨＳ横方向並進移動に対応して図示されたように不整列となる。
実際に、段階２及び４は、素子７０ａに印加されるバイアス電圧の時間的変化が鋸歯状波形に類似したものとなるように非常に短くすることができる。しかしながら、最も正確な移動のためには、グラフ２５０に示す波形が好ましく、即ち周期ｔ１ないしｔ２は、周期ｔ０ないしｔ１の１％ないし２０％の範囲である。
【００３２】
もし必要であれば、素子が作動されるときに素子７０ａをプレート２０に連続的に係合するように弾性バイアス力を付与することができる。このような動作モードでは、層Ｂは、プレート２０と繰り返しスライド可能に接触する。
図３を参照して素子７０ａの動作を以上に説明したが、素子７０ａないし７０ｄを駆動するための多数のスキムを採用できることが明らかであろう。例えば、素子７０ａ、７０ｃは、それらがプレート２０に同時に繰り返し係合してそれをＬＨＳ方向に作動するように同期して同相で駆動することができる。或いは又、素子７０ａ、７０ｃは、同期するが相互に位相ずれして駆動されて、ある素子が引っ込む間に他の素子が完全に延びた状態に達するようにしてもよい。同様に、素子７０ｂ、７０ｄは、それらがプレート２０に同時に繰り返し係合してそれをＲＨＳ方向に作動するように同期して同相で駆動することができる。或いは又、素子７０ｂ、７０ｄは、同期するが相互に位相ずれして駆動されて、ある素子が引っ込む間に他の素子が完全に延びた状態に達するようにしてもよい。
【００３３】
更に、層Ｂは、その露出した面に、プレート２０に係合するための極微の張り出し部を設けてもよいことが明らかであり、この極微の張り出し部は、その周期が３ｎｍないし３０ｎｍの範囲であり、即ち１０ｎｍ程度である。同様に、プレート２０も、素子７０ａないし７０ｄに係合する場所に、３ｎｍないし３０ｎｍの範囲、即ち１０ｎｍ程度の周期で極微な張り出し部を設けることができ、プレート２０のこの極微な張り出し部は、層Ｂの張り出し部と平行に整列されてそれと協働し、従って、素子７０ａないし７０ｄは、張り出し部によって画成されるステップサイズを与えるように動作できる。張り出し部は、例えば、イオンビームミリング技術により有機ポリマー感光レジストを経て金属層へと並進移動される軟Ｘ線又は深ＵＶ干渉縞を利用することにより形成できる。ポリマー感光レジストは、半導体産業で日常使用されており、シップレー・インクのような会社により製造されている。張り出し部は、素子７０ａないし７０ｄとプレート２０との間にある形式の歯付き協働係合を与え、ひいては、高い制御精度を与えるように動作できる。
【００３４】
実際には、約５００ＫＨｚ周波数の適当な鋸歯状駆動信号が素子７０ａないし７０ｄの１つ以上に印加されたときには３ｍｍ／ｓないし５ｍｍ／ｓ程度の作動速度を達成でき、各スティクション（ｓｔｉｃｔｉｏｎ）ステップは、実質的に１０ｎｍに対応することが明らかである。１つ以上の圧電素子７０ａないし７０ｄの１つの撓みに対応する各スティクションステップのサイズは、制御回路から印加される駆動信号の振幅を変調することにより変更できる。従って、駆動信号の振幅及び周波数の両方を制御することにより、５ｍｍ／ｓ程度の作動速度及び数ｎｍ以内のステップサイズ調整を達成することができる。このような性能は、同調可能な光学フィルタの従来の機械的移動を著しく改善し、そして次のものを与える。
− 多数の電子的に同調可能なフィルタ、例えば、熱的に同調可能なフィルタより高度な安定性；及び
− 多数の従来の機械的に同調可能な光学フィルタより速い応答。
【００３５】
図４には、圧電層３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ及びガード層３２０の５層スタックとして実施される素子７０ａが側面図において３００で示されている。圧電層３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄは、２つの真空蒸着された金属接続トラック３３０、３４０に電気的に並列に接続され、そしてこれら圧電層は、図示されたように、インターリーブ式に相互接続される。スタックの最も外側の電極３５０がフィルタプレート２０の移動により磨耗するのを防止するために、スタックは、フィルタプレート２０に接触するガード層３２０を備えている。圧電プレート３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄの並列接続は、素子７０ａを圧電材料の単一層として実施する場合に比して所与の印加駆動電圧に対して強い電界を発生することができる。しかしながら、図４に示す並列接続は、上記制御回路内に含まれる出力ドライバへの容量性負荷を増加するが、素子７０ａを駆動するために例えば論理ゲート及びドライバから数ボルト振幅の控え目な信号で良いようにする。
【００３６】
図１及び２に示す光学フィルタ１０は、一次元の直線軌道において外部プレート５０ａ、５０ｂに対してフィルタプレート２０を作動するように働く。本発明は、光学プレートを二次元において作動するよう適用することもできる。本発明の第２の実施形態が図５に示されており、別の同調可能な光学フィルタが平面図において４００で一般的に示されている。又、同調可能なフィルタ４００は、その端面図において４０５で示されている。Ｘ−Ｙ直交基準軸は、４１０で示されており、平面図においてフィルタ４００に関連される。
【００３７】
同調可能なフィルタ４００は、２つの外部プレート４４０ａ、４４０ｂ間にスライド可能に取り付けられたフィルタプレート４２０を備え、外部プレートは、スペーサ部材４５０により図示されたように離間構成に維持される。外部プレート４４０ａ、４４０ｂ及びスペーサ部材４５０は、一体的な組立体を形成する。フィルタプレート４２０は、３５個のフィルタ領域、例えば、フィルタ領域４３０のアレーを含む。フィルタプレート４２０に向かって外部プレート４４０ａ、４４０ｂの主面に接合されるのは、圧電素子４８０ａないし４８０ｈであり、これらの素子４８０ａないし４８０ｈは、同調可能なフィルタ１０の素子７０ａ、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄと構造が同一であり、そしてフィルタプレート４２０と外部プレート４４０ａ、４４０ｂとの間に介在される。外部プレート４４０ａ、４４０ｂは、アクセス穴４６０ａ、４６０ｂを含み、これらを経て放射ビーム４７０がフィルタプレート４２０に当たりそしてそこから退出する。
【００３８】
素子４８０ａないし４８０ｈは、図３を参照して述べたように動作し、即ちステップ式にスティクショナル作動して、フィルタプレート４２０を穴４６０ａ、４６０ｂ、ひいては、ビーム４７０に対して移動する。本明細書において、スティクショナル運動とは、２つの表面間に静摩擦（スティクション）を使用してそれら表面間に横方向の力を与える運動を意味するものと理解されたい。素子４８０ａ、４８０ｂ、４８０ｅ、４８０ｆは、駆動されると、フィルタプレート４２０をｙ軸に対して平行に移動するように動作する。同様に、素子４８０ｃ、４８０ｄ、４８０ｇ、４８０ｈは、駆動されると、フィルタプレート４２０をｘ軸に平行な方向に移動するように動作する。
【００３９】
素子４８０ｇ、４８０ｈは、制御回路からの信号で駆動されたときにフィルタプレート４２０をＬＨＳ方向に移動するためにそれらの非垂直分極方向をＬＨＳのｘ方向に配向している。逆に、素子４８０ｃ、４８０ｄは、駆動時にプレート４２０をＲＨＳ方向に作動するためにそれらの非垂直の分極方向をＲＨＳのｘ方向に配向している。
同様に、素子４８０ａ、４８０ｂは、制御回路からの信号で駆動されたときにフィルタプレート４２０を上方のｙ方向に移動するために、それらの非垂直の分極方向をＵＰのｙ方向に配向している。逆に、素子４８０ｅ、４８０ｆは、駆動時にフィルタプレート４２０を下方のｙ方向に作動するために、それらの非垂直の分極方向をＤＯＷＮのｙ方向に配向している。
【００４０】
フィルタプレート４２０におけるアレーの領域は、回折格子であり、各領域は、その領域にわたって実質的に一定である相互に異なるフィルタ特性を与える。或いは又、これらの領域は、ある範囲の異なるフィルタ特性を与えるために層厚み及び層の数が領域ごとに変化する多層光学構造体より成ってもよい。更に、各領域内に与えられる光学フィルタ特性は、空間的に一定であってもよいし、或いは各領域は、各領域に対して光学的に同調可能な素子を形成するように空間的に等級付けされてもよい。例えば、各領域は、フィルタ４００が、光学的フィルタ作用を遂行するために光通信システムに組み込まれたときに波長分割多重チャンネルに対応し、即ち各領域は、光通信システムの特定のＷＤＭチャンネルに対応し、各領域は、その領域にわたって比較的僅かな量だけ空間的に変化する光学的フィルタ特性を有し、これにより、ＷＤＭチャンネル間に迅速な同調を与えると共に、各チャンネル内に比較的僅かな範囲の同調調整を与えることができる。更に、フィルタ４００は、ＷＤＭ光通信システムに組み込まれる場合に、そのシステムがより多くのチャンネルを含むようにアップグレードされるか、又はチャンネル間隔が例えば０．８ｎｍの間隔から新方式の０．４ｎｍ間隔へ切り換えられる場合に、そのフィルタプレート４２０を、領域が新方式に同調されるところのアレーを含む対応する交換プレートと置き換えるだけで、このフィルタ４００をアップグレードできるという利点を与える。
【００４１】
フィルタ４００は、フィルタ１０に比して、物理的によりコンパクトに形成できるという利点を与える。更に、動作の観点から、フィルタ４００は、フィルタ１０のように領域例えば領域４３０が直線的なシーケンスで配置された場合よりも迅速にチャンネルからチャンネルへと同調することができる。領域は、それらがフィルタするように設計された放射波長の関数として増加する順序又は減少する順序で空間的に配列することができる。或いは又、より迅速なチャンネルスイッチングを達成できるように、頻繁に選択される領域をフィルタプレート４２０上に一緒に集群化することもできる。
【００４２】
動作中に、外部プレート４４０ａ、４４０ｂの外側に向いた主面に、フィルタプレート４２０に向けて比較的弱い力を加えて、駆動時に上述したように瞬間的な解離が生じるとき以外、素子４８０ａないし４８０ｈがフィルタプレート４２０に接触状態に維持されるよう確保することができる。
外部プレート４４０ａ、４４０ｂと、フィルタプレート４２０は、溶融シリカ又はクオーツで製造されるのが好ましく、それらの表面は、鏡仕上げに研磨されて１０μｍ未満の誤差で平行となった後にそこに領域のアレーが形成される。
【００４３】
本発明の第３の実施形態が図６に示されており、更に別の同調可能な光学フィルタが平面図において５００で一般的に示されている。この同調可能なフィルタ５００は、端面図において５０５でも示されている。ｘ−ｙ直交基準軸は、５１０で指示され、平面図においてフィルタ５００に関連される。
同調可能なフィルタ５００は、２つの外部プレート５２０ａ、５２０ｂ間にスライド可能に取り付けられたフィルタプレート５３０を備え、外部プレートは、スペーサ部材５４０により図示されたように離間構成に維持される。外部プレート５２０ａ、５２０ｂ及びスペーサ部材５４０は、一体的な組立体を形成する。フィルタプレート５３０は、５個の細長いフィルタ領域、例えば、細長いフィルタ領域５６０の直線アレーを含む。フィルタプレート５３０に向かって外部プレート５２０ａ、５２０ｂの主面に接合されるのは、圧電素子５５０ａないし５５０ｈであり、これらの素子５５０ａないし５５０ｈは、同調可能なフィルタ１０の素子７０ａ、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ、７０ｄと構造が同一であり、そしてフィルタプレート５３０と外部プレート５２０ａ、５２０ｂとの間に介在される。外部プレート５２０ａ、５２０ｂは、アクセス穴５８０ａ、５８０ｂを含み、これらを経て放射ビーム５７０がフィルタプレート５３０に当たりそしてそこから退出する。
【００４４】
素子５５０ａないし５５０ｈは、図３を参照して述べたように動作し、即ちステップ式にスティクショナル作動して、フィルタプレート５３０を穴５８０ａ、５８０ｂ、ひいては、ビーム５７０に対して移動する。素子５５０ａ、５５０ｄ、５５０ｅ、５５０ｈは、駆動時に、フィルタプレート５３０をｘ軸に平行な方向に移動するように動作する。同様に、素子５５０ｂ、５５０ｃ、５５０ｆ、５５０ｇは、駆動時に、フィルタプレート５３０をｙ軸に平行な方向に移動するように動作する。
【００４５】
素子５５０ａ、５５０ｈは、制御回路からの信号で駆動されたときにフィルタプレート５３０をＬＨＳ方向に移動するためにそれらの非垂直分極方向をＬＨＳのｘ方向に配向している。逆に、素子５５０ｄ、５５０ｅは、駆動時にプレート５３０をＲＨＳ方向に作動するためにそれらの非垂直の分極方向をＲＨＳのｙ方向に配向している。
同様に、素子５５０ｂ、５５０ｃは、制御回路からの信号で駆動されたときにフィルタプレート５３０を上方のｙ方向に移動するためにそれらの非垂直の分極方向をＵＰのｙ方向に配向している。逆に、素子５５０ｆ、５５０ｇは、駆動時にフィルタプレート５３０を下方のｙ方向に作動するために、それらの非垂直の分極方向をＤＯＷＮのｙ方向に配向している。
【００４６】
フィルタプレート５３０における直線アレーの細長い領域は、回折格子であり、各領域は、相互に異なるフィルタ特性を与える。或いは又、これらの領域は、ある範囲の異なるフィルタ特性を与えるために層厚み及び層数が領域ごとに変化する多層光学構造体より成ってもよい。更に、各領域内では、光学フィルタ特性は、各領域に対してある程度の光学的な同調性を与えるようにｘ方向に空間的に等級付けされる。例えば、各領域は、フィルタ５００が光学的なフィルタ作用を遂行するために光通信システムに組み込まれるときに、ある範囲の波長分割多重チャンネルに対応することができる。
【００４７】
フィルタ５００は、フィルタ１０に比して物理的によりコンパクトに形成できるという利点を与える。更に、フィルタ５００は、広範囲の波長にわたり潜在的に連続的に同調することもできる。更に、動作の観点から、フィルタ４００は、フィルタ１０のように領域例えば領域５６０が直線的なシーケンスで配置された場合より迅速にチャンネルからチャンネルへと同調することができる。例えば、フィルタ５００は、領域５６０を操作してその第１端をビーム５７０に整列させるように同調することができ、領域５６０の第２の端において別の波長にフィルタ５００を同調することが必要になった場合には、領域５６０の全波長分だけフィルタプレート５３０を並進移動するのではなく、制御回路が領域５６０の隣接領域を操作して、他の波長のフィルタ作用を与えることができる。
【００４８】
動作中に、フィルタ５００に対して同様に、外部プレート５２０ａ、５２０ｂの外側に向いた主面に、フィルタプレート５３０に向けて比較的弱い力を加えて、駆動時に特に図３を参照して上述したように瞬間的な解離が生じるとき以外、素子５５０ａないし５５０ｈがフィルタプレート５３０に接触状態に維持されるよう確保することができる。
外部プレート５２０ａ、５２０ｂと、フィルタプレート５３０は、溶融シリカ又はクオーツで製造されるのが好ましく、それらの表面は、鏡仕上げに研磨されて１０μｍ未満の誤差で平行となった後にそこに領域のアレーが形成される。
【００４９】
以上、プレートをベースとする同調可能な光学フィルタ１０、４００、５００について述べた。本発明によるスティクショナルモードの動作は、他の形式の部材を使用して達成することもできる。図７は、別の同調可能な光学フィルタを６００で示している。このフィルタ６００の側面図が６１０で示されている。このフィルタ６００は、６個の圧電素子６３０ａないし６３０ｆとスライド接触状態に保持された細長い三角形部材６２０を備えている。素子６３０ａないし６３０ｄは、アングル状の指示部材６３５に接合され、そして素子６３０ｅ、６３０ｆは、支持プレート６４５に接合される。これら支持プレート６４５及び支持部材６３５は、適当な手段（図示せず）により方向６８０に互いに相対的に移動することが防止される。支持部材６３５及び支持プレート６４５には、比較的弱い力Ｆ１及びＦ２が各々加えられ、素子６３０ａないし６３０ｆの１つ以上に駆動信号が印加されるときに瞬間的な時間を除き、素子６３０ａないし６３０ｆが部材６２０に接触維持されるよう確保する。素子６３０ａ、６３０ｃ、６３０ｅは、フィルタ６００に関連した制御回路（図示せず）からの信号により駆動されたときに、細長い部材６２０を矢印６８０で指示されたＬＨＳ方向に作動するように、それらの圧電分極軸を配向する。同様に、素子６３０ｂ、６３０ｄ、６３０ｆは、制御回路からの信号で駆動されたときに、部材６２０を矢印６８０で示されたＲＨＳ方向に作動するように、それらの圧電分極軸を配向する。レンズのような光学部品（図示せず）は、光放射ビーム６７０を形成するように配置され、この光放射ビームは、動作中に、領域６６０に入射し、そしてそれを経て透過されるときにフィルタされる。
【００５０】
細長い部材６２０は、その一端が、細長いフィルタ領域６６０を支持するフィルタプレート６５０に取り付けられる。フィルタ領域６６０は、解決格子より成り、その周期は、領域６６０に沿って空間的に変化して、その領域に、空間的に変化する光学フィルタ特性を与える。
フィルタ６００は、細長い部材６２０の作動構成体を使用して、プレート６５０で示された既存設計の光学フィルタプレートを作動できるという利点を与える。従って、フィルタ６００は、直線的作動及び光学フィルタプレートを使用した現在の光学フィルタのアップグレードとして使用することができる。
【００５１】
細長い三角形部材６２０の使用について説明したが、フィルタ６００は、他の形式の可動部材、例えば、細長い方形断面部材又は細長い六角形断面部材を使用することもできる。但し、これら形式の部材に当接して作動するために圧電素子用の適当な支持構造体が設けられねばならない。
更に別の形式の同調可能な光学フィルタが本発明者によって案出された。例えば、図８は、本発明の第５の実施形態に基づく同調可能な光学フィルタを示し、このフィルタは、７００で示されている。又、このフィルタ７００は、端面図において７１０でも示されている。このフィルタ７００は、平面段７２０を備え、この段７２０に一体的な直交翼部材７３０を有し、図示されたように「Ｔ」字型断面の段が形成される。平面段７２０は、傾斜した細長い縁を含み、この縁は、相補的な支持部材５２５ａ、５２５ｂにおける細長い「Ｖ」字型の溝に係合される。この支持部材５２５ａ、５２５ｂは、例えば、板バネを使用して、力Ｇ１、Ｇ２を加えることにより平面段７２０に向かって弾力でバイアスされ、バックラッシュが減少される。翼７３０が段７２０に接合するところから離れた段７２０の露出上面には、光学的フィルタ領域７４０が形成され、その格子周期は、段７２０の移動方向７８０に領域７４０に沿って空間的に変化する。或いは又、領域７４０は、その光学特性が領域７４０に沿って空間的に変化する多層光学構造体でもよく、この構造体は、例えば、層厚み又は層の屈折率が領域７４０に沿って空間的に変化する多層エタロン反射構造体でもよい。
【００５２】
翼部材７３０は、該翼部材７３０の両主面において支持部材７６０ａ、７６０ｂにより側面処理されている。各支持部材７６０ａ、７６０ｂには、図３を参照して上述したように翼部材７３０をスティクショナルに作動できる２つの圧電素子７７０ａ、７７０ｂが接合される。これらの素子７７０ａ、７７０ｂは、翼部材７３０の主面に垂直に内方に向かう力Ｈ１、Ｈ２により翼部材７３０と接触状態に保持される。素子７７０ａ、７７０ｂは、これらの素子がその関連制御電子回路からの駆動信号で駆動されるときに、スティクショナルな運動中に、翼部材７３０と瞬間的にゆるく接触するだけである。
【００５３】
圧電素子７７０ａは、該素子の分極の方向が矢印７８０で示すＬＨＳ方向に向けて配向されるように支持部材７６０ａ、７６０ｂに接合される。この配向の結果として、素子７７０ａは、これに印加された信号により駆動されたときに、翼部材７３０を作動し、ひいては、段７２０を支持部材７２５ａ、７２５ｂ、７６０ａ、７６０ｂに対してＬＨＳ方向に作動するように動作し、これらの支持部材は、実質的に相互に一定の空間関係で機械的に保持される。
【００５４】
同様に、圧電素子７７０ｂは、該素子の分極の方向が矢印７８０で示すＲＨＳ方向に向けて配向されるように支持部材７６０ａ、７６０ｂに接合される。この配向の結果として、素子７７０ｂは、これに印加された信号により駆動されたときに、翼部材７３０を作動し、ひいては、段７２０を支持部材７２５ａ、７２５ｂ、７６０ａ、７６０ｂに対してＲＨＳ方向に作動するように動作する。
【００５５】
本発明の範囲から逸脱せずに、光学フィルタ１０、４００、５００、６００、７００に対して変更がなされ得ることが当業者に明らかであろう。例えば、圧電素子を使用して放射ビームに対して光学フィルタをスティクショナルに移動することについて説明したが、図３に示す撓み運動を与えることのできる他の形式の素子を使用することもできる。静電素子、静磁気素子、電磁素子、及び熱で撓む素子、例えば、バイモルを、別個に又は付加的に使用して、スティクショナルな運動を与えることもできる。静電、電磁、熱又は圧電作動構造体を使用するシリコンのマイクロ加工素子が、本発明にとって特に適している。
【００５６】
フィルタ１０、４００、５００、６００、７００に使用された圧電素子は、その関連制御電子回路により時間的に順次に駆動されて、１つの素子が作動を与える間にある素子が接触して弱く保持することができる。逆に、圧電素子は、任意の瞬間に２つ以上のグループで駆動される一方、非駆動素子が弱く接触して保持するようにしてもよい。素子を駆動するために選択される方式は、上述した光学的フィルタプレート又は段を作動すべき精度及び速度に依存する。
【００５７】
フィルタ１０、４００、５００、６００、７００内に含まれる圧電素子は、フィルタ領域３０、４３０、５６０、６６０、７４０に対して移動するフィルタの支持部分に各々接合されたが、素子をフィルタ領域に対して固定の相対的位置に保つように接合し、そして支持部分に対してスティクショナルに作動することができ、例えば、同調可能なフィルタ１０では、素子７０ａ、７０ｄをフィルタプレート２０に接合し、そして外部プレート５０ａ、５０ｂの内方を向いた主面とスライド係合状態で作動することができ、このような構成では、フィルタプレート２０からの柔軟な導体を関連制御回路に接続することが必要となる。
【００５８】
更に、フィルタ１０、４００、５００、６００、７００は、作動構造体、例えば、フィルタ１０のプレート２０を回転式に取り付けて、その関連圧電素子がそれら構造体を回転するように動作し、それら構造体に向けられる光ビームに対してそれら構造体上の光学領域を移動することによりフィルタの同調を行うように変更できることも明らかである。例えば、図９及び１０には、本発明による同調可能な光学フィルタが８００で示されており、これは、２つの支持プレート８２０、８３０間に回転可能に取り付けられた円形フィルタプレート８１０を備え、このフィルタプレート８１０の両主面と、支持プレート８２０、８３０との間には圧電素子８４０ａ、８４０ｂ、８４０ｃ、８４０ｄが含まれる。支持プレート８２０、８３０は、円形プレート８１０に２つの位置で当接するように動作するスペーサ部材８５０、８６０により一緒に接続される。バイアス部材８７０、即ち支持プレート８２０、８３０及びスペーサ部材８５０、８６０に対して弾力で取り付けられるコンプライアントな燐青銅スプリングが、円形プレート８１０の第３の位置に当接するように配置される。このバイアス部材８７０は、円形プレート８１０がスペーサ部材８５０、８６０及び支持プレート８２０、８３０に対してその平面内を横方向に移動するのを防止するように動作する。円形プレート８１０は、圧電素子８４０ａ、８４０ｂ、８４０ｃ、８４０ｄにより平面を外れた方向に移動することが実質的に防止される。もし必要であれば、円形プレート８１０に向かう方向に支持プレート８２０、８３０にバイアス力を加えて、バックラッシュを防止する助けとすると共に、素子８４０ａ、８４０ｂ、８４０ｃ、８４０ｄを動作中に円形プレート８１０と繰り返しスライド接触状態に維持して、円形プレート８１０を、フィルタされるべき入力光ビーム８８０に対して回転作動させるように確保することができる。このバイアス力を加えない場合には、素子８４０ａ、８４０ｂ、８４０ｃ、８４０ｄは、動作中に、円形プレート８１０と繰り返し接触され、これをビーム８８０に対して回転作動させる。円形部材８１０は、支持プレート８２０、８３０の穴８９０を経てアクセスできる環状のフィルタ領域８８５を含む。この領域８８５は、空間的に変化する光学フィルタ特性を有する。更に、この領域８８５は、完全な環状であるように構成することができる。或いは又、任意であるが、フィルタ領域８８５は、例えば、個別領域に細分化して、個別フィルタ領域の弧状アレーとし、各領域が相互に異なる光学フィルタ特性を有するようにしてもよい。
【００５９】
フィルタ８００は、円形プレート８１０が、中央部材と整列するように配置された中央穴を含み、中央部材の回りでプレート８１０が動作中に素子８４０ａ、８４０ｂ、８４０ｃ、８４０ｄにより回転作動されるように変更することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の第１の実施形態に基づく同調可能な光学フィルタの平面図である。
【図２】
図１に示す同調可能なフィルタの側面図である。
【図３】
図１及び２に示す同調可能なフィルタの光学格子を保持するフィルタプレートの段階的移動を示す図である。
【図４】
図１ないし３に示すフィルタプレートを作動するのに使用できる多層圧電素子における電気的接続を示す図である。
【図５】
本発明の第２の実施形態に基づく同調可能な光学フィルタであって、フィルタされるべき光ビームに対して二次元的に移動できる光学フィルタ要素を含み、この要素がフィルタ領域の二次元アレーを組み込んでいるような光学フィルタを示す図である。
【図６】
本発明の第３の実施形態に基づく同調可能な光学フィルタであって、フィルタされるべき光ビームに対して二次元的に移動できる光学フィルタ要素を含み、この要素が一連の平行な細長い格子フィルタを組み込んでいるような光学フィルタを示す図である。
【図７】
本発明の第４の実施形態に基づく同調可能な光学フィルタであって、フィルタされるべき光ビームに対して光学フィルタ要素を移動するための作動可能な三角形部材を含むようなフィルタを示す図である。
【図８】
本発明の第５の実施形態に基づく同調可能な光学フィルタであって、光学フィルタ領域に直交接続される平面部材を含み、この平面部材が、フィルタされるべき光ビームに対して光学フィルタ領域を移動するように作動される光学フィルタを示す図である。
【図９】
本発明の第６の実施形態に基づく同調可能な光学フィルタであって、フィルタされるべき光ビームに対して回転作動されるように構成されたフィルタ構造体を含むフィルタを示す平面図である。
【図１０】
図９に示す同調可能なフィルタの側面図である。
Claims (30)
- 入力放射（４０ａ；４７０；５７０；６７０；７５０；８８０）を受け取りそしてフィルタして、それに対応するフィルタされた出力放射を発生するための可動フィルタ手段（３０；４３０；５６０；６６０；７４０；８８５）であって、空間的に変化するフィルタ特性を有するフィルタ手段と、入力放射をフィルタするのに使用する上記フィルタ手段の一部分を選択し、ひいては、フィルタを同調するために、入力放射に対してフィルタ手段を移動する作動手段とを備えた同調可能な光学フィルタ（１０；４００；５００；６００；７００；８００）において、上記作動手段は、１つ以上の作動素子（７０ａ−７０ｄ；４８０ａ−４８０ｈ；５５０ａ−５５０ｈ；６３０ａ−６３０ｆ；７７０ａ，７７０ｂ）を含み、これらの作動素子は、第１段階において、駆動方向に比較的ゆっくりと撓んで、上記フィルタ手段に係合すると共にそれとの完全な摩擦接触を維持することにより、駆動方向に入力放射に対して上記フィルタ手段を移動するための横方向の力を与えるように動作し、そして第２段階において、上記第１の駆動方向とは相互に逆の方向に比較的迅速に撓んで、上記フィルタ手段との摩擦接触が失われそして上記フィルタ手段が変位位置に保たれるように動作することを特徴とする同調可能な光学フィルタ。
- 上記フィルタ手段は、空間的に変化するフィルタ特性を有するフィルタ構造体（３０；４３０；５６０；６６０；７４０；８８５）と、このフィルタ構造体が接続される可動の支持部材（２０；４２０；５３０；６２０；６５０；７２０；８１０）とを備え、上記１つ以上の作動素子は、この支持部材に繰り返し係合して、この支持部材に繰り返し横方向力を与えるように動作できる請求項１に記載のフィルタ。
- 上記支持部材は、温度の関数としての上記フィルタ構造体の光学的同調特性の変化を実質的に補償するように選択された熱膨張係数を有する請求項２に記載のフィルタ。
- 上記フィルタ構造体（８８５）は、フィルタ特性が実質的に周囲方向に変化するような部分的又は完全な環状に構成され、そして上記１つ以上の作動素子（８４０ａ−８４０ｄ）は、入力放射に対して支持部材を回転作動するように動作する請求項２又は３に記載のフィルタ（８００）。
- 上記フィルタ構造体は、個別フィルタ領域（４３０；５６０）のアレーより成る請求項２又は３に記載のフィルタ（４００；５００）。
- 上記アレーは、一次元アレーである請求項５に記載のフィルタ（５００）。
- 上記アレーは、二次元アレーである請求項５に記載のフィルタ（４００）。
- 上記アレーは、構造体に一緒に集群化される最も頻繁に選択される領域を含む請求項５ないし７のいずれかに記載のフィルタ。
- 各領域は、フィルタを微同調するのに使用するための空間的に変化する光学特性を有する請求項２ないし８のいずれかに記載のフィルタ。
- 上記領域は、１つ以上の光学的格子及び多層光学エタロンを含む請求項２ないし９のいずれかに記載のフィルタ。
- 上記領域は、入力放射の反射及び透過の少なくとも一方を行って出力放射を与えるように動作できる請求項１０に記載のフィルタ。
- 上記可動の支持部材（２０；４２０；５３０；８１０）は、外部部材（５０ａ，５０ｂ；４４０ａ，４４０ｂ；５２０ａ，５２０ｂ；８２０，８３０）間に取り付けられた平面部材であり、そして上記作動素子（７０ａ−７０ｄ；４８０ａ−４８０ｈ，５５０ａ−５５０ｈ；８４０ａ−８４０ｄ）は、上記外部部材と上記可動の平面支持部材との間に介在される請求項２ないし１１のいずれかに記載のフィルタ（１０；４００；５００；８００）。
- 上記外部部材に対する上記平面部材のスライド移動におけるバックラッシュを減少するために上記平面部材に向けられた上記外部部材に力を与えるための弾力性バイアス手段を備えた請求項１２に記載のフィルタ。
- 上記作動素子（７０ａ−７０ｄ；４８０ａ−４８０ｈ，５５０ａ−５５０ｈ；８４０ａ−８４０ｄ）は、上記外部部材（５０ａ，５０ｂ；４４０ａ，４４０ｂ；５２０ａ，５２０ｂ；８２０，８３０）に接合され、そして上記可動の平面支持部材に繰り返し係合してそこに繰り返し横方向力を与え、上記フィルタ構造体を上記外部部材に対して移動するように動作できる請求項１２又は１３に記載のフィルタ（１０；４００；５００；８００）。
- 上記作動素子は、上記可動の平面支持部材に接合され、そして上記外部部材に繰り返し係合してそこに繰り返し横方向力を与え、上記フィルタ構造体を上記外部部材に対して移動するように動作できる請求項１２又は１３に記載のフィルタ。
- 上記可動の支持部材（６２０；７２０，７３０）は、多角形断面のバーより成り、これに対し上記１つ以上の作動素子（６３０ａ−６３０ｆ；７７０ａ，７７０ｂ）がそれに関連した力を与えるように動作できる請求項２ないし６のいずれか又は請求項８ないし１１のいずれかに記載のフィルタ（６００；７００）。
- 上記バーは、実質的に三角形断面のバー（６２０）及び実質的に長方形断面のバー（７２０，７３０）の少なくとも１つである請求項１６に記載のフィルタ。
- 上記作動素子は、圧電、静磁気、静電気、電磁及び熱膨張作用の１つ以上を使用する請求項１ないし１７のいずれかに記載のフィルタ。
- 上記作動素子は、１つ以上のマイクロ加工された要素より成る請求項１８に記載のフィルタ。
- 上記マイクロ加工された要素は、シリコンのマイクロ加工要素を含む請求項１９に記載のフィルタ。
- 各作動素子は、多層（Ａ，Ｂ；３１０ａ−３１０ｄ）圧電構造体より成る請求項１８に記載のフィルタ。
- 各層は、層（Ａ，Ｂ）の主面に対して非垂直方向（２１０）に分極される請求項２１に記載のフィルタ。
- 各層は、層の主面に対して非垂直方向に配置された非等方性配向された結晶構造を有し、そしてこの構造は、上記主面に実質的に垂直に確立された電界により励起されるように構成される請求項２１に記載のフィルタ。
- 上記作動素子の少なくとも１つは、その少なくとも１つの素子の電極（３５０）を繰り返しのスティクショナル移動による磨耗から保護するためのガード層（３２０）をその外面に含む請求項１８ないし２３のいずれかに記載のフィルタ。
- 上記作動素子の少なくとも１つは、その外面に形成された張り出し部を含み、これは、上記支持部材の表面の対応する張り出し部に係合される請求項２ないし２４のいずれかに記載のフィルタ。
- 上記張り出し部は、極微の張り出し部である請求項２５に記載のフィルタ。
- 上記張り出し部は、リソグラフ及びエッチングプロセスにより転写されるＸ線又は紫外線干渉パターンを使用することにより形成される請求項２５又は２６に記載のフィルタ。
- 上記張り出し部は、３ないし３０ｎｍの範囲の周期的間隔で形成される請求項２７に記載のフィルタ。
- 入力放射をフィルタするための個別フィルタ領域のアレーより成る請求項１に記載のフィルタに使用するためのフィルタ構造。
- 光学フィルタを同調する方法において、このフィルタは、入力放射をフィルタしてそれに対応するフィルタされた出力放射を発生するためのフィルタ手段であって、空間的に変化するフィルタ特性を有するフィルタ手段と、入力放射をフィルタするのに使用する上記フィルタ手段の一部分を選択するために、入力放射に対して上記フィルタ手段を移動する作動手段とを備え、上記方法は、上記作動手段に１つ以上の作動素子を設け、そしてこの１つ以上の素子を、第１段階において、１つ以上の電気的駆動信号で駆動方向に比較的ゆっくりと撓ませるように駆動して、上記フィルタ手段に係合させると共に、それとの完全な摩擦接触を維持することにより、駆動方向に入力放射に対して上記フィルタ手段を移動するための横方向の力を与え、そして第２段階においては、上記１つ以上の素子を上記第１の駆動方向とは相互に逆の方向に比較的迅速に撓ませるように駆動して、上記フィルタ手段との摩擦接触が失われそして上記フィルタ手段が変位位置に保たれるようにする段階を備えたことを特徴とする方法。
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