JP2005505795A

JP2005505795A - 電磁場変換システム

Info

Publication number: JP2005505795A
Application number: JP2003536793A
Authority: JP
Inventors: グリュックスタッド，ジェスパー; ソレンセン，ソーキルド
Original assignee: Riso National Laboratory
Current assignee: Riso National Laboratory
Priority date: 2001-10-17
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2005-02-24
Also published as: US20040258353A1; WO2003034118A1; US7292749B2; EP1438616A1

Abstract

例えば導波路間のモードを結合させるために、又は微細構造導波路へモードを結合させるために、第１の電磁場を、所望の第２の電磁場に変換するシステムが提供される。システムは、第１の電磁場の少なくとも１部を受け取るとともに、受け取った場を所望の電磁場に変換するように構成される複素空間電磁場変換器を備える。第１及び第２の場の少なくとも１つは、微細構造導波路のモードに整合する。特定の導波路の所望の複雑なモードを励起するのに入射する光ビームの全ての影響を利用することができることは、本発明の重要な利点である。入射ビームのパワーは、ある特定のモードに結合され、その他のモードに結合されないようにすることができ、高いモード抑制比を得ることができることは、本発明の別の重要な利点である。
【選択図】図１

Description

【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、例えば電磁場を電磁導波路に結合させるために第１の電磁場を所望の第２電磁場に変換するシステムに関する。
【０００２】
（発明の背景）
発光ダイオード又は半導体レーザーによって放射された光を光ファイバ、例えばシングルモードファイバに結合させるために、突き合わせ結合又はレンズ結合が用いられることが周知である。突き合わせ結合は、ファイバが光源近くに配置される、直接の結合である。突き合わせ結合では、レーザーとファイバのモードのサイズを整合させる試みがなされていないので、その効率は、レーザーに対してわずか約１０％である。例えば、レーザーのモードサイズが約１μｍで、シングルモードファイバのモードサイズが６−９μｍの範囲である。結合効率は、ファイバ端をテーパー状にして、ファイバ先端部にレンズを形成することにより改善することができる。
【０００３】
レンズ結合設計において、球を用いてレーザー光を平行にして、ファイバコアに集束させる共焦設計では、結合効率は、７０％を超すこともある。ファイバコアの位置合わせは、共焦設計では、その重要度が比較的低い。なぜなら、スポットサイズをファイバのモードサイズに整合させるからである。
【０００４】
これらの結合アプローチは、光ファイバ内の１次モードの励起に非常に適している。なぜなら、１次モードの位相は、ファイバ断面にわたって変化せず、むしろ、対称な位相及び振幅の波面を有する電磁場、例えばレーザーによって放射された光ビーム内の電磁場と適合するからである。しかし、２次モードの位相分布は、通常、大きさは対称であるが、ファイバの対称軸の周りで符号が異なる。
さらに高次のモードでは、その位相は、ファイバ断面にわたって符号を数回変化させる。高次モードを励起させるには、一般に、ファイバ断面の一部（すなわち、位相が符号が変化させない領域）に入射電磁ビームを集束させる。これは、達成可能な結合効率を、照射領域とファイバコアの全断面領域の間の比にほぼ等しい値に制限する。これは、これら２つのモードのプロット間の重なり積分（すなわち、内積）によって分かる。
【０００５】
W.Q.Thornburg, B.J.Corrado, and X.D.Zhu, Optics Letters, vol.19, No.7, April 1, 1994による「光位相シフターを用いた、光ファイバへの高次モードの選択的発射(Selective launching of higher-order modes into an optical fiber with an optical phase shifter)」では、入射ビームの偏光及び位相面が所望のモードに整合するように、ビームを２つに分けたうちの１つの位相をシフトさせることにより、弱くガイドされた、円筒対称のステップインデックスファイバに２次モードを励起させる結合アプローチが開示されている。
【０００６】
Jes Broeng, Stig E. Barkou, Anders Bjarklev, Thomas Sondergaard, and Erik Knudsen, DOPS-NYT 2-2000の「結晶ファイバテクノロジ(Crystal fibre technology)」及びJes Broeng, Stig E. Barkou, Anders Bjarklev, Thomas Sondergaard, and Pablo M Marbeitoの「光ファイバでのフォトニックバンドギャップ効果による導波(Waveguidance by the photonic band gap effect in optical fibres)」で開示された例に関しては、Bath大学の物理学科のPhilip Russell教授とそのチームが光ファイバを作る新しいアプローチを発明した。この新しいアプローチによって生産された光ファイバでは、微細な誘電体パイプの束がファイバの縦軸に沿って延びる。従って、ファイバの断面には、結晶中の原子のような配列に並ぶ空孔が示され、それゆえに、この結晶ファイバは、微細構造又は空孔のある(holey)ファイバとしても知られる。誘電体は、シリカ、ドープされたシリカ、ポリマーなどでよい。
【０００７】
インデックスガイド結晶ファイバでは、アレイの中心部で１以上の空孔が欠けている。
空孔がないと、中心部のガラスは、その周囲よりも高い密度を有し、中心部、すなわち、コアに入る光は、従来のファイバと同程度に閉じ込められる。有利な点は、この効果を得るのに、２つの異なる種類のガラスを必ずしも用いる必要がないことである。また、別の利点は、従来のファイバよりも、はるかに狭いコア内に光を絞り込むことができるか、又は大きなモード領域のシングルモードファイバを作ることができることである。
フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）のモードサイズ及び一般のモードの性質の大きなテイラービリティ（taylorability）がある。
【０００８】
フォトニックバンドギャップ効果によって動作するフォトニック結晶ファイバでは、空孔がフォトニック結晶に配列され、どのモードもファイバを通って伝搬しないバンドギャップが形成される。フォトニック結晶の周期性を局所的に破壊することにより、周囲のバルクのフォトニック結晶とは異なる光学特性を有する空間領域を形成することができる。このような欠陥領域が周囲の完全に周期性を有する微細構造の禁制ギャップに該当する周波数を有するモードを支持するならば、これらのモードは、その欠陥に強く閉じ込められるであろう。欠陥領域がその周囲よりも高い屈折率を有することは、必ずしも必要でないことに注意することは重要である。周囲の材料がフォトニックバンドギャップ効果を示すのであれば、屈折率が小さい欠陥領域であっても、光を閉じ込めることができ、従って、非常に特殊な導波路として働く。この欠陥は、理論上は長距離にわたって損失なく導波させることができる空気充填チューブにしてもよい。
【０００９】
フォトニック結晶ファイバは、従来のファイバよりも大きな波長範囲（例えば、ＵＶ光から中赤外波長まで。すなわち、シリカが利用することができる全波長範囲）においてシングルモード動作を支持することができ、フォトニック結晶ファイバは、非常に広い波長範囲に渡って非常に平坦なゼロ付近（near-zero）散乱を有するように設計することができることが示されてきた。さらに、フォトニック結晶ファイバは、シングルモード動作で非常に大きな正の散乱(positive dispersion)を有するように生産することができる。これは、負の散乱(negative dispersion)を有するファイバシステムでの散乱管理に利用することができる。また、この逆も成り立つ。
【００１０】
フォトニック結晶は、誘電率が周期変動する構造である。誘電体は、シリカ、ドープされたシリカ、ポリマーなどでよい。特定の周期性を有するフォトニック結晶を製造することにより、特定の用途に対してフォトニックバンドギャップの性質を設計することができる。例えば、フォトニックバンドギャップの中心波長は、ほぼフォトニック結晶の周期性に（オーダーが）ほぼ等しく、フォトニックバンドギャップの幅は、フォトニック結晶内の誘電率の差に比例する。一般の参考文献としては、J.D.Joannopoulos et al., フォトニック結晶(Photonic Crystals), Princeton University Press, Princeton, 1955を参照のこと。フォトニック結晶がその周期性について欠陥を包含することにより、フォトニックバンドギャップ内の周波数を有する局所的な電磁モードを支持することができる。例えば、ダイアモンド格子の格子位置に誘電体球によって形成された３次元フォトニック結晶内では、球の欠如が欠陥を作り出す。欠如した球のすぐ近くでは、フォトニック結晶は、もはや周期性を有さず、フォトニックバンドギャップ内の周波数を有する局所的な電磁モードが存在することがある。この欠陥モードは、欠如したボイド（void）から離れて伝搬することができず、欠陥の近傍に局在化する。このように、欠陥をフォトニック結晶に導入することにより、共振空胴（すなわち、特定の周波数を有する電磁放射線を領域内に閉じ込める、結晶の領域）が形成される。一連の欠陥は、組み合わさって、フォトニック結晶内に導波路を形成することがある。このようなフォトニック結晶の導波路は、実質的に損失なく、急なカーブ、例えば９０°の曲がりを含むことがある。例えばＵＳ５，５２６，４４９は、光電子集積回路に組み込まれたフォトニック結晶をベースとした導波路を開示する。
【００１１】
前述の結晶ファイバは、欠陥を支持する電磁モードを有する２次元フォトニック結晶の例である。結晶ファイバの設計者は、非常に多くの設計オプションが入手可能である。予備成形チューブの形状、チューブの密度、チューブの配置、同一のファイバに種々のタイプのチューブを利用することなどを注意深く選択することにより、設計者は、所望の特性（例えば、伝送損失、散乱、非線形性、モード構造、マイクロ又はマクロ曲げ損失など）を有する導波路を提供することができる。種々の設計の例は、ＷＯ９９／６４９０３、ＷＯ９９／６４９０４、及びＷＯ００／６０３９０に開示されている。
【００１２】
１次元フォトニック結晶の例は、ＵＳ６，１３０，７８０にあり、表面と、表面に垂直な方向に沿った屈折率変化とを有し、表面に垂直な方向に沿って入射する電磁エネルギーに対するフォトニックバンドギャップを定める周波数範囲が存在する全方向反射器を開示する。この構造は、どの伝搬状態も入射波に結合することがないという基準をさらに満たし、それゆえに、誘電体構造は、全ての入射角及び偏光に対して、所定の周波数範囲では完璧な反射器として働く。
【００１３】
ＷＯ００／６５３８６では、同軸オムニガイドを指定し、ＵＳ６，１３０，７８０に開示された全方向誘電体反射器をベースとする全誘電体同軸導波路が開示されている。
同軸オムニガイド内での光の半径方向の閉じ込めは、全方向反射の結果であり、全内面反射によるものではない。これは、同軸オムニガイドは、光ファイバよりもはるかに急なコーナーに沿って光を伝搬するのに用いることができることを意味する。また、同軸オムニガイド内での電磁場の半径方向の減衰は、光ファイバの場合よりもはるかに大きい。
従って、同軸オムニガイドの外側半径は、クロストークを引き起こすことなく、光ファイバのクラッド層の半径よりもはるかに小さくすることができる。
【００１４】
（本発明の要約）
以下において、微細構造導波路は、電磁場の伝搬のための欠陥と、随意的に隙間のボイドを有する１、２、３次元のフォトニック結晶、例えば、インデックスガイド結晶ファイバ、フォトニックバンドギャップ結晶ファイバ、同軸オムニガイド、ポリマー光ファイバ、ポリマー結晶ファイバ、空孔アシスト光ガイドファイバ（例えば、T. Hasegawa et.al Proc.27^th Eur. Conf. On Opt. Comm., ECOC'01-Amsterdamの「全ベクトル有限要素法による空孔アシスト光ガイドファイバのモデリング及び設計最適化(Modeling and design optimization of hole-assisted light guide fiber by full-vector finite element method)」で開示されている。）、中空光ファイバ（例えば、S.Choi et.all, Proc.27^th Eur. Conf. On Opt. Comm., ECOC'01-Amsterdamの「ギガビットＬＡＮ通信用光ファイバをベースとした新しいモード変換器(A new mode converter based on hollow optical fiber for gigabit LAM communication)」で開示されている。）、集積光回路内の導波路、例えばフォトニック結晶ベースの平面導波路、スラブ導波路構造など、表面プラズモンポラリトンベースの導波路、共振器、結合キャビティ導波路、結合共振器光導波路、光ワイヤ導波路（すなわち、非常にきつく閉じ込められた導波路）、結合器、パワースプリッタ、コンバイナ、例えば３ｄｂ結合器など、を示す。微細構造導波路は、電磁場を受動的に伝搬させてもよく、能動素子（例えば、希土類元素をドープしたファイバ増幅器、例えばＥｒをドープしたファイバ増幅器など、ラマン増幅器、ブリユアン増幅器など）の一部を形成してもよい。
【００１５】
微細構造導波路を通って伝搬する所望のモードが高次であるとき、伝搬する電磁場又は波の位相は、導波路の断面にわたって、その符号を少なくとも１度変化させる。前述のように、このようなモードは、一般に、入射光ビームを導波路の端の領域（位相がその符号を変化させない領域）に集束させることによって励起させる。
【００１６】
従って、高い結合効率で微細構造導波路内に所望のモードを励起させることができる結合アプローチが必要である。他のモードを励起させることなく所望のモードを励起させる（すなわち、所望のモード以外のモードを抑制する一方で、所望のモードへの効率的な結合を保持する）システムが必要である。
【００１７】
同様に、微細構造導波路から放射された高次モードを、従来の導波路（例えば、シングルモードステップインデックスファイバ、グレーデッドインデックスファイバ（例えば、放物線状インデックスファイバ、例えばマルチモード放物線状インデックスファイバ））内のモードに整合するモードに変換するアプローチが必要である。
【００１８】
本発明によれば、この目的及び他の目的は、所定の第１の電磁場を所望の第２の電磁場に変換する複素空間電磁場変換器を利用して達成される。
【００１９】
これらの場の少なくとも１つは、微細構造導波路のモードに整合することができる。
【００２０】
例えば、第１の電磁場は、微細構造導波路の出力端から放射することができる。
【００２１】
例えば、半導体レーザーから放射された光ビームは、微細構造導波路のモードに整合する第２の電磁場に変換することができる。
【００２２】
現在の開示では、問題となっている電磁場が、問題となっているモードの位相がその符号を変化させない導波路の断面領域と、導波路の伝搬領域の全断面との間の比を超える結合効率で導波路のモードを励起させると、電磁場は、微細構造導波路のモードに整合するといわれている。
【００２３】
本発明の好ましい実施形態では、整合する場は、問題となっているモードの場に実質的に等しい。
【００２４】
本発明の重要な利点は、特定の導波路の所望のモードを励起させるのに、入射光ビームの全ての影響を利用することができることである。導波路端部の照射は、もはや、問題となっているモードの位相がその符号を変えない導波路端部の一部に制限する必要がない。
【００２５】
入射ビームのパワーを、ある特定のモードに結合させ、その他のものには結合させないようにすることができ、高いモード抑制比を達成することができることが本発明の重要な別の利点である。
【００２６】
電磁放射線は、電磁スペクトラムの何れの周波数範囲（すなわち、ガンマ周波数範囲、紫外範囲、可視範囲、赤外範囲、通信帯域、遠赤外範囲、Ｘ線範囲、マイクロウェーブ範囲、ＨＦ（高周波）範囲など）のものであってもよい。
【００２７】
好ましくは、電磁放射線は、電磁放射線のコヒーレントなソース（例えばレーザー、半導体レーザー、歪み多量子井戸レーザー、垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）、メーザー、位相ロックレーザーダイオードアレイ、発光ダイオード、パルスレーザー、例えばサブピコ秒レーザーなど）によって生成される。しかし、高圧アークランプ、例えばＨｇランプ、Ｘｅランプなども用いることができる。白熱ランプでさえ、電磁放射線のソースとして用いることができる。
【００２８】
複素空間電磁場変換器は、衝突する場を、反射、屈折若しくは回折又はこれらの組合せによって、変調することができる。さらに、複素空間電磁場変換器は、位相、振幅、偏光若しくはモードの場の径、又はこれらの組合せを変調することができる。
【００２９】
複素空間電磁場変換器は、屈折素子、例えば所望の位相変調を与える表面構造を有する屈折素子（例えば、表面がエッチングされた構造又は小型レーザーアレイ、球レンズ、半球レンズ、非球面レンズ、すなわち円対称でないレンズ、アモルフィック光学部品(amorphic optics)、所望の位相変調を与えるように変形されたミラー、屈折性位相板、ＧＲＩＮ（グレーデッドインデックス）材料、ビームスプリッタなど。）を備えることができる。
【００３０】
複素空間電磁場変換器は、空間光変調器を備えることができる。
【００３１】
空間光変調器は、解像要素（ｘ，ｙ）を備え、各解像要素（ｘ，ｙ）は、入射する電磁放射線の位相及び／又は振幅を、所定の複素値ａ（ｘ，ｙ）ｅⁱΦ^(x,y)で変調する。すなわち、解像要素（ｘ，ｙ）に入射する電磁場の振幅にａ（ｘ，ｙ）を掛け、対応する位相にΦ（ｘ，ｙ）を加える。振幅変調ａ（ｘ，ｙ）を１にセットして、位相変調を得ることができ、Φ（ｘ，ｙ）を１にセットして、振幅変調を得ることができる。さらに、空間光変調器は、各解像要素（ｘ，ｙ）ごとに場のベクトル成分を選択的に変調することにより、入射電磁場の偏光を変調することができる。
【００３２】
各解像要素は、光学的に、又は電気的にアドレス指定することができる。電気的なアドレス指定法は、各解像要素が、電子回路によりアドレス指定され、アドレス指定された解像要素によって生成される、位相及び／又は振幅変化に対応する制御信号を受け取るという点で、固体状態メモリのアドレス指定法に類似している。光学的アドレス指定法は、光ビームを各解像要素に向けることによって、各解像要素のアドレス指定を行い、光ビームの強度は、光ビームが照射された解像要素によって生成される変調変化に対応する。
【００３３】
空間光変調器（ＳＬＭ）は、固定位相マスク、液晶ディスプレイ技術をベースとした液晶デバイス、ＭＥＭＳ（マイクロ電気機械システム）、ＭＯＥＭＳ（マイクロ光電気機械システム）、例えば動的ミラー装置、デジタルマクロミラーアレイ、変形可能なミラー装置など、膜空間光変調器、レーザーダイオードアレイ（一体化された光源及び位相変調器）、スマートピクセルアレイなどにすることができる。
【００３４】
セイコーエプソンは、透明な液晶要素の解像マトリックスを有する伝送用液晶ＳＬＭ（ＬＣ−ＳＬＭ）を生産し、各要素の誘電率は、屈折率、従って、その要素の光路長を変化させるために、電気的に変調することができる。
【００３５】
メドウラーク(Meadowlark)は、平行に位置合わせされた液晶（ＰＡＬ−ＳＬＭ）を高い充填比で生産する。しかし、このデバイスは、非常に解像度が低く、わずか１３７個の位相変調要素のみを含む。
【００３６】
浜松フォトニクスは、ＶＧＡ又はＸＧＡの解像度を有し、動的に制御可能なＰＡＬ−ＳＬＭを生産する。
【００３７】
テキサスインストルメンツは、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）を生産する。デジタルミラーデバイスは、ミラーのアレイを有し、各ミラーは、２つの位置の間で傾斜可能である。
【００３８】
複素空間電磁場変換器は、回折光学素子（ＤＯＥ）、例えばホログラム光学素子（ＨＯＥ）を備えることができる。ＤＯＥは、回折原理で動作する。従来の光学素子は、光を曲げるために、この形状を利用する。ＤＯＥは、入射波に応答して、所望の波を形成するために再結合する複数の電磁波を生成する回折格子又は干渉縞パターンを備える。回折格子又は干渉縞パターンは、点又は線の散乱体の格子、及び／又は類似の屈折率変調の格子にすることができる。
【００３９】
ＤＯＥは、回折格子、レンズ、非球面又はその他のタイプの光学素子として機能し得る。大きな光学開口、軽い重量、低いコストは、ＤＯＥの主な特徴である。ＤＯＥは、従来の光学素子では不可能であった独特の光学特性を有することができる。
【００４０】
数多くの異なる光学素子は、互いに干渉することなく、同じ物質を共有することができる。従って、単一のＤＯＥは、同時に、レンズ、ビームスプリッタ及びスペクトルフィルタとして用いることができる。
【００４１】
回折素子は、厚さが数μｍしかない薄いフィルムに形成されるので、非常に軽量である。回折素子は、物質の任意の形状で製造することができる。回折素子は、狭い波長帯域にわたって動作するように作ることができる。
【００４２】
ＤＯＥの製造と複製は、比較的容易で安価である。なぜなら、表面の精密な成形が不要だからである。
【００４３】
リアルタイムに再生利用可能な記録媒体を用いることにより、所望のシステム機能を、繰り返し記録し、消去することができる。
【００４４】
従来のホログラフィでは、物体ビームと参照ビームとの間に干渉が生じる。この干渉は、写真用乳剤に記録される。
【００４５】
１より多くの独立の干渉パターンは、クロストークを引き起こさずに、同じ記録媒体に格納することができる。
【００４６】
ホログラムは、再生ビームの振幅に変化を与える吸収型にすることができる。位相型ホログラムは、屈折率又は媒体の厚さの変化により、再生ビームに位相変化を与える。位相ホログラムは、振幅ホログラムに対して、ホログラム媒体内でのエネルギー散逸がなく、回折効率が高いという利点を有する。写真用乳剤に記録されたホログラムは、照射波の振幅と位相の両方を変化させる。記録された干渉縞面の形状は、干渉ビームの相対的な位相による。
【００４７】
ボリューム（厚い）ホログラムは、それぞれブラッグ条件をみたす乳剤の深さに記録された３次元回折格子の重ね合わせとみなすことができる。ボリュームホログラムの回折格子面は、屈折率及び／又は吸収率に最大の変化を与える。ブラッグ条件の結果は、再生ビームが正確に参照ビームと一致すると、ボリュームホログラムが、物体の元の位置に虚像を再生することである。しかし、共役像及び高次の回折は欠如している。
【００４８】
ホログラム光学素子は、干渉分光的に生成されたホログラム、コンピュータが生成したホログラム（キノフォーム(kinoforms)を含む）、Ｅビーム描画ホログラム、エッジ照射ホログラム、導波路結合ホログラム、深表面緩和ホログラム、微細加工ホログラム、及びフレネルゾーン板を備えることができる。
【００４９】
（好ましい実施形態の詳細な説明）
図１は、本発明の一般原理を図解し、第１の電磁場は、第１のセットの導波路１，２，・・・ｍから放射された電磁場の重ね合わせにより生成される。複素空間電磁場変換器からなるシステム１は、第１の電磁場を、第２のセットの導波路１，２，・・・ｍの所望の伝搬モードの重ね合わせである所望の第２の電磁場に変換する。
【００５０】
図２は、第１の電磁場６、すなわち、レーザー２により放射され、コリメータ３により平行にされた光ビームを、微細構造導波路１０を通って伝搬する所望の第２の電磁場８に変換する４ｆ光学系１を示す。複素空間電磁場変換器４、例えば空間光変調器（ＳＬＭ）は、複素空間電磁場変換器４と、焦点距離ｆ₁を有するフーリエ変換レンズ５とを通って伝わる第１の電磁場６を受け入れるように配置される。複素空間電磁場変換器４は、レンズ５の前焦平面に配置される。焦点距離ｆ₂を有する別のフーリエ変換レンズ７は、４ｆ光学系でよく知られているように、その前焦平面がレンズ５の後焦平面と一致するように配置される。システムの倍率は、ｆ₂/ｆ₁である。変換された電磁場８は、レンズ７の後焦平面９で生成され、微細構造導波路１０に入力される。複素空間電磁場変換器４の表面は、フーリエ変換レンズ５、７により導波路１０の端面に投影されることが分かる。例えば（ｘ，ｙ）は、導波路１０の端部で、（ｘ'，ｙ'）に投影される。上述のように、空間光変調器の各解像要素（ｘ，ｙ）は、入射する電磁放射線の位相及び振幅を、所定の複素値ａ（ｘ，ｙ）ｅⁱΦ^(x,y)で変調する。さらに、空間光変調器は、各解像要素（ｘ，ｙ）ごとに場のベクトル成分を選択的に変調することにより、入射する電磁場の偏光を変調する。このように、各ベクトル成分に対するａ（ｘ，ｙ）及びΦ（ｘ，ｙ）の値は、所望の導波路モードの導波路端部での対応する位置（ｘ'，ｙ'）での振幅及び位相の値から決定され、それによって、平行にされた電磁場６は、微細構造導波路１０の所望のモードに合った所望の電磁場８に変換される。
【００５１】
システム１は、レンズ５のフーリエ面、すなわち、レンズ７の前焦平面に複素空間電磁場変換器４を配置し、レンズ５を取り除くことにより、簡素化してもよい。これには、複素空間電磁場変換器４が入射する電磁場６を、導波路１０の所望のモードのフーリエ変換された場に変換することが必要である。なぜなら、レンズ７は複素空間電磁場変換器の出力面で場のフーリエ変換を行うからである。この場合、複素空間電磁場変換器４の解像度、すなわち、解像要素の数は、図１の４ｆシステムのものよりも、はるかに多くなければならない。
【００５２】
レンズ５，７は、複合レンズ、ダブレット、アクロマート、ｆ-シータレンズ、顕微鏡レンズ、顕微鏡対物レンズ、グレーデッドインデックスレンズ、非球面及び/又は非円形対称レンズなどであってもよい。さらに、レンズ５，７は、球レンズであってもよく、この場合、システムを小型化することができる。
【００５３】
複素空間電磁場変換器４は、空間光変調器（ＳＬＭ）、例えば位相のみの空間光変調器（ＰＯＳＬＭ）（場の振幅が変調されない）、振幅及び位相を変調する複素空間光変調器又は電磁場のベクトル成分も修飾する偏光変調器であってもよい。
【００５４】
微細構造導波路は、インデックスガイド結晶ファイバ、フォトニックバンドギャップ結晶ファイバ、同軸オムニガイド、ポリマー光ファイバ、ポリマー結晶ファイバ、空孔アシスト光ガイドファイバ、中空光ファイバ集積光回路内の導波路、例えばフォトニック結晶ベースの平面導波路、スラブ導波路構造など、表面プラズモンポラリトンベースの導波路、共振器、結合キャビティ導波路、結合共振器光導波路、光ワイヤ導波路（すなわち、非常に厳しい閉じ込めを行う導波路）、結合器、パワースプリッタ、コンバイナ、例えば３ｄＢ結合器などであってもよい。微細構造導波路は、電磁場を受動的に伝搬させてもよく、能動素子（例えば、希土類元素をドープしたファイバ増幅器、例えばＥｒをドープしたファイバ増幅器など、ラマン増幅器、ブリユアン増幅器など）の一部を形成してもよい。
【００５５】
本発明による別のシステムは、フレネル面に光学素子を有するように設計してもよいことは明らかである。
【００５６】
図３は、図２に示すシステムに似た４ｆ光学系を示す。しかし、図３では、変換される電磁場６は、微細構造導波路１０により放射される。複素空間電磁場変換器４は、微細構造導波路１０のモードを、シングルモードステップインデックスファイバ１２のモードに変換する。もちろん、シングルモードステップインデックスファイバ１２は、上述のファイバの何れと置換してもよい。
【００５７】
図４は、図３で図解するシステムを、図１１で図解するシステムと結合させ、それによって、各複素空間電磁場変換器のシステム要求は、前に図解したシステムと比較して低くすることができる。例えば、ＰＯＳＬＭは、振幅及び位相変調の両方を提供するのに用いることができる。
【００５８】
図５は、例として挙げるフォトニックバンドギャップ結晶ファイバの微細構造を概略的に示す。図６は、フォトニックバンドギャップ結晶ファイバの伝搬モード断面の位相分布を概略的に示す。この場合、位相は、ファイバ断面での角度位置の関数として、符号を６回変える。本発明の好ましい実施形態では、複素空間電磁場変換器４は、動的に調節可能である。例えば、空間光変調器の解像要素（ｘ，ｙ）は、ａ（ｘ，ｙ）及びΦ（ｘ，ｙ）の変調値が調節されるように、アドレスをとることができる。このように、第１の電磁場６が導波路１０により放射される場合、又は変換された第２の場が導波路１０に結合される場合の何れも場合でも、空間光変調器の変調パターンａ（ｘ，ｙ）ｅⁱΦ^(x,y)は、その位相パターンが導波路１０のモードの位相パターンと一致するまで回転することができる。また、導波路１０の種々の所望のモードに選択的に整合するように変調パターンを調節してもよく、また、所望により可能性のある別のモードを強力に抑制して、所望のモードを選択的にオン又はオフさせてもよい。
【００５９】
図４で図解した伝搬モードは、例示であることに注意すべきである。ファイバの断面を横切って半径方向及び接線方向に任意の数の位相変化を有する伝搬モードを有するファイバを提供してもよい。
【００６０】
図７及び８は、複素空間電磁場変換器としてのアナログホログラムの利用法を図解する。図７では、微細構造導波路１０の所望のモードの光１４は、導波路１０の端部から放射され、平行参照ビーム２４と干渉してホログラム２２の表面に衝突する。参照ビームは、半導体レーザー、別の微細構造導波路、従来の光ファイバなどによって放射することができる。図８では、共役した参照ビーム２６をホログラム２２に向かって放射することにより、所望のモードが導波路１０内で励起され、それによって、所望のモードの平行電磁場１６が、導波路１０の中に結合されて、再生される。図７で図解する光学式記録のセットアップをする必要を無くすために、ホログラム２２の干渉縞パターンをコンピュータで生成してもよいことは、明らかである。
【００６１】
図９及び１０は、複素空間電磁場変換器としてのボリュームホログラム２２の利用法を図解する。図９では、微細構造導波路１０の所望のモードの光１４は、導波路１０の端部から放射され、レンズ２０によって平行にされ、ホログラム２２に衝突して、平行参照ビーム２４_iと干渉する。導波路１０の種々の所望のモードは、それぞれの参照ビーム２４₁，２４₂，・・・２４_nでボリュームホログラム２２上に記録することができる。また、参照ビームは、半導体レーザー、別の微細構造導波路、従来の光ファイバなどで放射することができる。図１０では、所望のモードの１つは、対応する共役参照ビーム２６ｉを放射することによって導波路１０内で選択的に励起され、それによって、所望のモードの平行電磁場１６が、導波路１０の中に結合されて、再生される。
【００６２】
回折光学素子では、電磁場を変換する干渉縞パターンは、別の機能的干渉縞パターン、例えばビーム分割干渉縞パターンと組み合わさることができる。このように、入射する場６は、数個の導波路によって生成することができ、同様に、変換された電磁場は、複数の導波路に導くことができる。また、回折光学素子と組み合わせて、導波路結合器、スイッチなどが設けられてもよい。動的に再書き込み可能な媒体に記録されている動的な光学素子は、導波路間に動的スイッチングを提供することができる。
【００６３】
図１１は、別の４ｆ光学系を示し、変換される電磁場６は、微細構造導波路１０によって放射される。また、複素空間電磁場変換器４は、第１のフーリエ変換レンズ５のフーリエ面（これは、第２のレンズ７の前焦平面と一致する。）に配置される。複素空間電磁場変換器４は、平行電磁場に所定のフィルタ関数ａ（ｘ，ｙ）ｅⁱΦ^(x,y)を掛け、フーリエ変換された入射場６にフィルタ関数を掛けて変換されたフーリエが同軸のオムニガイド３０の所望のモードに整合するようにする。
【００６４】
図１１では、同軸のオムニガイドは、検出器で置き換えることができる。複素空間電磁場変換器４のフィルタ機能は、入射平行場６が相関関数に整合するときにピーク出力を提供する相関関数で置き換えることができる。これは、導波路１０の伝搬モードが特定の影響に反応して変化する導波路検知システムに利用することができる。この変化は、例えばひずみ、回転、傾き、オフセット、温度などに関連した適当な相関関数を利用して検出することができる。中空コア導波路、例えば空気コアフォトニック結晶ファイバ、空孔アシスト光ガイドファイバ、単一ホールコアドープファイバなどでは、これは、特定の物質の存在の検出、圧力検出などに利用することができる。
【００６５】
図１２では、変換される電磁場６は、微細構造導波路１０によって放射される。複素空間電磁場変換器４は、導波路１０の縦軸に垂直に配置される。導波路によって放射される電磁場６は、導波路から現れるとき、拡張した領域に広がる。場６が複素空間電磁場変換器４を通過するとき、振幅及び／又は位相は、変化する。集束レンズ７は、場を同軸オムニガイド３０に集束させる。
【００６６】
図１３は、複数の複素空間電磁場変換器４、４'を備える、本発明によるシステムを示す。微細構造導波路１０によって放射された電磁場は、レンズ５によって平行にされ、２つの複素空間電磁場変換器４，４'を通過し、最終的に、レンズ７によって同軸オムニガイド３０に集束される。
【００６７】
図１４は、一体化して導波路モジュールにされた、本発明によるシステムを概略的に示す。統合は、ＧＲＩＮレンズ３４とマイクロホログラム３５を利用して行う。前述のシステムは、全て、一体化して、１つの導波路結合モジュール（例えば一体化された導波路を有するウエハ用フリップフロップモジュール、又は、例えば光ファイバなどに融合可能なファイバ結合モジュール）にすることができる。
【００６８】
図１５は、微細構造導波路１０の端面３６又はシングルモードファイバ３２の端面と一体化された複素空間電磁場変換器３８を図解する。図では、変換器３８は、明確化のみのために、端面３６から離して示している。動作中のシステムでは、変換器３８は、端面３６に配置され、微細構造ファイバ１０とシングルモードファイバ３２は、例えば接着剤で融合されて一体になる。微細構造ファイバ１０を通って伝搬するモードの位相変動３７は、図６と同じ方法で端面に図解されている。複素空間電磁場変換器３８は、微細構造導波路１０のモードを、シングルモードステップインデックスファイバ３２のモードに変換するように構成される。従って、光は、シングルモードファイバ３２から微細構造導波路１０に向かって進むことができ、又は光は、微細構造導波路１０からシングルモードファイバ３２に向かって進むことができる。図解した例では、変換器３８の位相シフトは、πに等しい。すなわち、πでマークした領域を通って伝搬する電磁場と、周囲の領域を通って伝搬する伝搬する電磁場の移動距離の差は、波長の半分である。しかし、特定の物質、例えば微細構造ファイバ１０の物質は、所望の電磁場変換に必要な位相シフトを提供する高さプロファイルで、ファイバ１０又はファイバ３２の端面３６上に堆積させることができる。図解した例では、ステップされた高さプロファイルを示したが、所望の形状の高さプロファイルを提供することができることは明らかである。高さが小さい（すなわち、半波長のオーダーである）ので、高さプロファイルは、２つのファイバ１０、３２の融合に機械的には影響を与えない。代わりに、ファイバは、ファイバの端面で所望の高さプロファイルを与えるように劈開することができる。
【００６９】
所望の変換は、端面の表面を変化させることなく、すなわち、例えば端面に材料をドープすることによって高さ又は深さプロファイルを形成することなく、問題となるファイバの端面に材料を設けて、所望の屈折率プロファイルを形成することによっても与えられる。
【００７０】
所望の位相シフトは、微細構造ファイバ１０の端面３７、又はファイバ３２の端面から材料を除去、例えばエッチングして、所望の位相シフトを与える深さプロファイルを形成することによっても与えられる。さらに、追加又は除去された材料は、所望の高さ又は深さプロファイルと組合せて、所望の位相、振幅及び偏光変換がなされるように、所望の屈折率プロファイルを有してもよく、複屈折性であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の一般原理を図解する。
【図２】本発明による電磁場変換用４ｆ光学系システムを示す。
【図３】本発明による電磁場変換用の別の４ｆ光学系システムを示す。
【図４】図３で図解されるシステムと図１１で図解されるシステムの組合せを概略的に示す。
【図５】例示のフォトニック結晶ファイバの微細構造を概略的に示す。
【図６】図５のフォトニック結晶ファイバの伝搬モードの断面の位相分布を概略的に示す。
【図７】複素空間電磁場変換器としてのアナログホログラムの利用法を図解する。
【図８】複素空間電磁場変換器としてのアナログホログラムの利用法を図解する。
【図９】複素空間電磁場変換器としてのボリュームホログラムの利用法を図解する。
【図１０】複素空間電磁場変換器としてのボリュームホログラムの利用法を図解する。
【図１１】複素空間電磁場変換器４が第１のフーリエ変換レンズ５のフーリエ面に配置されている別の４ｆ光学系を示す。
【図１２】１つのレンズを有する電磁場変換用光学系を示す。
【図１３】複数の複素空間電磁場変換器４、４'を備える、本発明によるシステムを示す。
【図１４】一体化して導波路モジュールにされた、本発明によるシステムを示す。
【図１５】導波路の端面に一体化された複素空間電磁場変換器を図解する。

Claims

第１の電磁場の少なくとも一部を受け取るように配置されると共に、受け取った場を所望の電磁場に変換するように構成されている複素空間電磁場変換器を備え、第１及び第２の場の少なくとも１つは、微細構造導波路のモードに整合する、第１の電磁場を所望の第２の電磁場に変換するシステム。
微細構造導波路は、微細構造光ファイバである請求項１に記載のシステム。
光ファイバは、フォトニックバンドギャップファイバである請求項２に記載のシステム。
微細構造導波路は、一体化された光デバイスの一部である請求項１に記載のシステム。
複素空間電磁場変換器は、解像要素（ｘ，ｙ）を備え、
各解像要素（ｘ，ｙ）は、入射する電磁放射線の位相及び振幅を、所定の複素値ａ（ｘ，ｙ）ｅⁱΦ^(x,y)で変調する請求項１に記載のシステム。
複素空間電磁場変換器は、入射する電磁放射線の偏光をさらに変調する請求項５に記載のシステム。
各解像要素は、電気的にアドレス指定される請求項５に記載のシステム。
各解像要素は、光学的にアドレス指定される請求項５に記載のシステム。
複素空間電磁場変換器は、空間光変調器である請求項５に記載のシステム。
複素空間電磁場変換器は、回折光学素子を備える請求項１に記載のシステム。
複素空間電磁場変換器は、ホログラム光学素子を備える請求項９に記載のシステム。
ホログラム光学素子は、フレネルホログラム光学素子である請求項１１に記載のシステム。
第１の電磁場は、少なくとも２つの光源によって生成される請求項１に記載のシステム。
第２の電磁場は、少なくとも２つの導波路の所望の伝搬モードに整合する請求項１に記載のシステム。
第２の電磁場は、少なくとも２つの導波路の所望の伝搬モードに整合する請求項１３に記載のシステム。
スイッチングをさらに備える請求項１３に記載のシステム。
複素空間電磁場変換器は、動的に調節可能である請求項１に記載のシステム。
第２の電磁場は、第２の場を導波路の所望のモードと整合させるために回転可能である請求項１に記載のシステム。
システムを一体化して導波路モジュールにするためにＧＲＩＮレンズとマイクロホログラム３５を備える請求項１に記載のシステム。
導波路モジュールは、光ファイバに融合可能なファイバ結合モジュールである請求項１９に記載のシステム。
複素空間電磁場変換器は、フレネル回折光学素子を備える請求項１０に記載のシステム。
複素空間電磁場変換器は、フーリエ回折光学素子を備える請求項１０に記載のシステム。
複素空間電磁場変換器は、導波路の端面に一体化される請求項１に記載のシステム。
物質がファイバの端面に配置され、得られる屈折率プロファイルが、所望の電磁場変換に必要な位相及び振幅シフトを与える請求項２３に記載のシステム。
物質がファイバの端面に堆積され、得られる高さプロファイルが、所望の電磁場変換に必要な位相及び振幅シフトを与える請求項２４に記載のシステム。
物質がファイバの端面に堆積され、得られる高さプロファイルが、所望の電磁場変換に必要な位相及び振幅シフトを与える請求項２３に記載のシステム。
物質は、所望の偏光シフトを与える複屈折性である請求項２６に記載のシステム。
材料がファイバの端面から除去され、得られる深さプロファイルが、所望の電磁場変換のための位相、振幅及び偏光シフトを与える請求項２３に記載のシステム。