JP2007504506A - チューナブル光学コンポーネントにおける偏光依存の影響の低減のための方法及びデバイス - Google Patents

Abstract

ポリマーゲルの表面変調及びプリズム設計に基づいたダイナミカル光学コンポーネントにおける偏光依存の影響は、このようなコンポーネントを使用する光又は情報キャリアに光学効果の損失を与える。本発明は、このような偏光の影響を補償する方法及びデバイスを提供する。
【選択図】図１ａおよび図１ｂ

Description

本発明は一般に、ポリマーゲル又はメンブレンの表面変調に基づいたダイナミカル光学コンポーネントにおける偏光依存の影響を低減するためのデバイス及び方法に関し、具体的には、当該光学コンポーネントと連絡する入射光又は情報キャリアからの所望されない反射を修正、除去又は連れ出すデバイス及び方法に関する。

コンポーネント、特に多数のサブパーツを含むより進歩したコンポーネントについて、そのコストが高いことは、光通信システムの開発及び全光ネットワークの導入の速度を遅くしている。結果として、必要な仕様を有するが低コストの組み立て及び製造方法が使用されるのを可能にする、コスト効率のよいコンポーネントを開発することが必要である。

ダイナミックコンポーネント又はチューナブルコンポーネントは、光ファイバー通信システム及びこのようなシステムが含むモジュールにおいて特に要求される。ポリマーゲル（又はメンブレン）の表面変調に基づいた、性能がよく低コストでかつ高度に拡張可能なダイナミック光学コンポーネントは、ノルウェー特許出願２００２ ４２６５号中に報告されている。

光通信システムにおける光の偏光状態は、システムコンポーネント（特に光ファイバー）に対する環境の影響及びシステムのトポグラフィーにおける変化に起因して、経時的に変動する。従って、個々のコンポーネント及びモジュール（これらからシステムが構築される）の両方の性能は、入射光の偏光状態に可能な限り依存すべきでなく、かつ偏光状態を可能な限りほとんど変化させないべきである。これらの要件は、最大転送距離、転送され得る情報の最大速度、及びネットワーク中で通過され得るノードの最大数を保証する。

いくつかの光学系が、光ファイバーコンポーネントへの適用を有するチューナブル回折格子について提案されている。公知方法の１つは、Ｌｉｇｈｔ Ｃｏｎｎｅｃｔ及びＳｉｌｉｃｏｎ Ｌｉｇｈｔ Ｍａｃｈｉｎｅｓのような会社からの回折ＭＥＭＳ（Ｄ−ＭＥＭＳ）である。

これらのデバイスは、少なくとも２つの別個のピースからなる可動な回折格子に基づく。固定反射底面及び薄いブレード（エッチングされたシリコンで作製されている）の可動なセット（すなわち格子）が提供される。これらのブレードは、適切な電場の印加によって上下に動かされ得る。その結果が回折格子であり、ここで、この格子の有効な位相シフトは、ブレード及びその下の反射面の相対的な位置によって与えられる。この配置は、有効な可変光減衰器を作製するために使用され得るが、ブレードのセットはシリコンから加工されなければならない。これは高価なプロセスであり、このプロセスの収率は、システムのサイズが増大するにつれて劇的に低下する。従って、Ｄ−ＭＥＭＳで製造されたコンポーネントは、有効でかつ性能がよいが高価である。

米国特許第３，５２７，５２２号は、無反射ガラスバッキングプレートが取り付けられたガラスプリズム、透明電極及び変形可能な材料（例えばシリコンゴム）を含む光変調デバイスを開示する。アドレス可能な電極を有する基板は、該変形可能なシリコンゴムの表面と平行に配置され、この材料と基板との間にはエアギャップが存在する。

チューナブル回折格子技術
本発明は、ＬＣＤ又はＬＣＯＳの製造方法において見出されるのと同じ製造の容易さで、Ｄ−ＭＥＭＳの解決法の性能を有することを目的とする。本発明は、チューナブル表面回折格子に基づく。このような格子の例は、文献及び特許中に開示されている。例えば、本発明者らの好ましい実施形態は、ノルウェー特許出願２００２ ４２６５号中に記載された配置に基づく。

製造及び組み立てに関与する材料又はプロセスに起因する制約を補償するために、本発明者らは本発明に従う方法及びデバイスを提案し、当該方法及びデバイスは、例えばノルウェー特許出願２００２ ４２６５号中に見出されるようなチューナブル回折格子のデバイス及びシステムにおいて、偏光依存の影響を低減する。

本発明は、ノルウェー特許出願２００２ ４２６５号中に例示されるようなダイナミック光学コンポーネントにおいて、入射光又は情報キャリアにおける偏光の直交状態に対する影響の差異の最小化を提供し、ここで、光調整能は、ポリマーゲルフィルム又はメンブレンの表面変調によって達成される。

１／２波長板を含むダブルパス又はマルチパスの構成
本発明の実施形態の例において、ポリマーベース又はメンブレンベースのモジュレータを通る光路の中間又は中間付近に１／２波長板が挿入される。１／２波長板は当業者に公知である。１／２波長板の効果は、伝播の方向に対して横断する平面において直交偏光を９０°回転させることである。この１／２波長板の前後の光路における偏光の影響が類似であるか又は同一に近い場合、直交偏光は、全体として同じか又は類似の偏光の影響（偏光依存性損失、偏光モード分散など）を経験する。生じる影響は、モジュレータが入射光の偏光状態に依存した影響を有さず、偏光状態において最小限の変化しか生じないことである。

このようなシングルパスの実施形態の例は、図１ａ及び図１ｂ中に見出され得る。図１ａはこの実施形態の端面図を示し、一方、図１ｂはこの実施形態の上面図を示す。２つのプリズム１０１及び１０２が互いに隣接して結合され、結合しているプリズム表面間に１／２波長板１００が存在する。図１ｂ中、ゲル表面（又はメンブレン）は円１０３として示される。

１／２波長板１００は、透過性及び反射性の両方であり得る。両方のタイプが、本発明の実施形態の例において利用され得る。

光又は情報キャリアはまた、変調されたゲル（又はメンブレン）表面に、２回より多く当たってもよい。変調されたゲル（又はメンブレン）表面からの４回の反射を有するマルチパス構成及び含まれる１／２波長板１００の例が図２中に示される。

この実施形態の例において、回折間の距離は非常に小さく、フレネル近似が使用される。多重反射の興味深い効果は、高いダイナミック減衰レンジを維持しつつ、ゲルの振幅がｎ分の１に低くなり得、電場がほぼｎ分の１に小さくなり得ることである。

この実施形態の例において、この１／２波長板は、４つの異なった結合するプリズム形状部１１０、１１１、１１２及び１１３を含むプリズム配置の内部に配置され、ここで、プリズム部分１１２は、１／２波長板１００のためのカービングを含む。異なる部分は、図２中に示されるように結合される。変調する電場を構成する電極を備える基板１１５は、遠位部材１１４によって間隔を空けられて、光学コンポーネントのゲル又はメンブレン部分に隣接している。

残留共鳴効果の低減又は抑制
プリズムとポリマー（メンブレン）との間の屈折率整合が充分に最適化されない場合、プリズム−ポリマー（又はメンブレン）界面に対する光の垂直でない入射に起因して、小さい残留偏光効果が生じ得る。

入射光の偏光状態は、２つの成分（入射面に対して平行な１つの成分（ｐ偏光として公知）及び入射面に対して垂直な１つの成分（ｓ偏光として公知））に分解され得る。入射面は、入射光線の方向及びプリズム−ゲル（メンブレン）界面に対する垂線によって規定される。ゲル（メンブレン）間の屈折率における差異Ｄｎが図３中に示されるとおりである場合、ノルウェー特許出願２００２４２６５号中に記載されるような完全なモジュレータの一部分のみが含められる。上記特許出願において、プリズムとゲル（メンブレン）との間に適用されるＩＴＯ層の厚さは、典型的には波長の数分の１にすぎず、従ってあまり影響を有さない。

標準的な教科書が、反射及び屈折の間の偏光の影響を研究するのに必要な式を与えている。「Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ」の第７版、第１．５章、３８〜５３頁、Ｍａｘ Ｂｏｒｎ及びＥｍｉｌ Ｗｏｌｆ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｐｒｅｓｓを参照のこと。

ゲル（メンブレン）とプリズムとの間の屈折率における差異Δｎが非常に小さい場合（例えば、図３中に示されるようにΔｎ＝０．０４４）、４５°の入射角について、ｓ偏光した光についての強度反射係数Ｒ_ｓはほぼ１０−３であり得、一方、ｐ偏光した光についての反射率はほぼ３オーダー小さい大きさであり得ることが見出され得る。

ｓ偏光における強度Ｉ０を有する入射コヒーレント光は、図３中に示されるような２つの主要な反射を経験する：強度成分Ｉ_１は、１０^−３のオーダーの反射係数Ｒ_ｓでプリズム−ゲル界面から反射される。大きい方の成分Ｉ_２は、上記のような電極からの電場によってセットアップされたゲル上の表面パターンによって反射される。０次の反射光についての反射係数はχである。

Ｉ_１とＩ_２との間の干渉効果は、アウトプットシグナルにおいて波長依存性を生じ、これは、周知のファブリ・ペロー共振器からのアウトプットにおいて観察されるものと類似する。ここで、いわゆる有効な自由スペクトル領域（ＦＳＲ）は、入射角及びゲル（又はメンブレン）の厚さによって与えられる。波長応答における振動は、

の振幅を有する。１０ｄＢの所望の減衰について、波長変動の振幅は約１ｄＢである。

本発明に従う実施形態の他の例において、ファブリ・ペロー共振器のいわゆるフィネス（ｆｉｎｅｓｓｅ）は低減される。実施形態の例において、これは以下によって実施される：
１．プリズム−ゲル（メンブレン）界面を非平坦にする（反射光Ｉ_１を散乱させる）。
２．プリズム−ゲル（メンブレン）表面を、ゲル−エアギャップ表面（又はメンブレン−ギャップ）に対して僅かに非平行にする。
３．一方又は両方の表面に湾曲を導入する。
４．プリズム−ポリマー（メンブレン）界面に反射防止コーティングを導入する。
５．プリズム、ポリマー（メンブレン）のいずれか又は両方の屈折率を修正する。

１．プリズム−ゲル（メンブレン）界面を部分的に散乱させる
ゲル−プリズム（メンブレン）界面において表面波面誤差Δφを導入することによって、反射ビームＩ_１は、Δφ_１＝２Δφの波面位相誤差を経験し、透過ビームは、Δφ_２＝２（ｎ_{ｐｒｉｓｍ}−ｎ_ｇｅｌ）Δφの波面位相誤差を経験する。ゲル（メンブレン）とプリズムとの間の屈折率の差異は典型的には非常に小さい（例えば０．０４４）ので、反射ビームＩ_１は、２０倍多くの表面波面位相誤差を受ける。従って、０次の透過ビームをほんの僅かだけ乱しつつ、反射ビームを減衰又は散乱させることが可能である。本発明に従う３つの可能な方法は以下である：
１．光学品質が達成される前にプリズムの研磨プロセスを停止させる
２．研磨したプリズム表面の化学的エッチング
３．既に研磨したプリズム表面の後からのスクラッチング

２及び３．非平行な又は湾曲したゲル（メンブレン）表面
非平行なプリズム−ゲル（メンブレン）及びゲル−エア（メンブレン）表面、又は１つ若しくは両方のゲル（メンブレン）表面の湾曲は、製造プロセスの間に作製され得る。その影響は、上記Ｉ_１成分が、Ｉ_２に対して平行な方向に反射されるのではなく、むしろ非平行なビームとして広がることである。

可能な解決法は、製造の間にゲル（又はメンブレン）を成形し、それによって、得られる層が平行な表面を有するのではなく楔形の形状であるようにすることである。例が図４中に与えられる。図４中に示される角度αについての典型的な範囲は、モジュレータのアウトプットにおけるオプティクスの特徴に依存して、１／１０°から１°近くまでであり得る。

非平行なゲル表面（メンブレン）はまた、修正されたプリズムの形状によって、及び修正されたプリズムをゲル（又はメンブレン）の表面に結合させ、それによって所望の非平行な形状のゲル表面を形成することによって達成され得る。６つの可能なプリズム設計の例が図５中に示される。ゲル又はメンブレンの表面は、製造プロセスの間に容易に平坦にされ得る。そして、ゲルを結合することになるプリズム表面のスロープ又はある種の凹面型若しくは凸面型の形状のいずれかを導入し、それによって所望の形状を形成することが好ましい。このスロープ又は凸面若しくは凹面の形状は、１次元又は２次元であり得る。図５中に示されるようなプリズム設計の変形１において、プリズム１５４は楔形形状のセクション１５１を伴って形成された表面１５０を有する。ゲル又はメンブレンが隣接する表面は、点線１５３によって示される。図５中の変形２は、楔形形状のセクションのスロープが、プリズム表面１５０に対して任意の所望の方向であり得ることを示す。変形３、４、５及び６は、楔形形状のセクションがカービングとしてプリズム１５４の表面１５０上にどのように形成され得るかを示す。

本発明の実施形態のなお別の例において、楔形形状のセクション及び１／２波長板の両方が、１つの同じ光学コンポーネント中に提供される。

４．プリズム−ポリマー（メンブレン）界面に反射防止コーティングを導入する
一実施形態において、１つ又はいくつかのさらなる層（通常、反射防止コーティング即ちＡＲコーティングと称される）が、プリズムの表面と、ポリマーフィルムの隣のＩＴＯ層との間に付加され得る。図６を参照のこと。ＩＴＯ層の厚さは、典型的には波長の数分の１にすぎず、従ってあまり影響を有さない。このＡＲコーティングは、その屈折率が、プリズムの屈折率とポリマーフィルム（メンブレン）の屈折率との間の範囲内であるように設計される。これにより、ｓ偏光及びｐ偏光した光がプリズムを離れてポリマーフィルムに入る際に見られる有効な反射率が低減される。Ｉ_１で表示された光線の強度は、ＡＲコーティングが存在しない場合と比較して低下する。

なお別の実施形態において、ＩＴＯ層の屈折率は、ＡＲコーティングとしての機能を果たすために修正され得るか、又は、バイアス電極及びＡＲコーティングの両方として作用し得る材料がＩＴＯの代わりに使用され得る。

５．プリズム、ポリマー（メンブレン）のいずれか又は両方の屈折率を修正する
プリズム及びポリマー（メンブレン）の屈折率における差異は、一方又は両方の屈折率を修正することによって低減され得る。これは、製造の間にそれぞれの材料に適切なドーパントを添加することによって実施され得る。

図１ａは、本発明のシングルチャネルを有するダブルパス実施形態の例を示す。 図１ｂは、本発明のシングルチャネルを有するダブルパス実施形態の例を示す。 図２は、本発明のマルチパス実施形態の例を示す。 図３は、反射がどのように干渉効果をもたらし得るかを示す。 図４は、本発明の実施形態の別の例を示す。 図５は、本発明の実施形態の例に従うプリズム設計の例を示す。 図６は、本発明の実施形態の別の例に従うプリズム設計の例を示す。

Claims (15)

1. ダイナミカル光学コンポーネントにおいて偏光依存の影響を低減するための方法であって、該光学コンポーネントは、透明プリズムの表面に隣接して取り付けられたゲル層又はメンブレンと、個々にアドレス可能な電極のセットを有する基板と、を有し、該基板は、該プリズムとは反対の側を向いた該ゲル又はメンブレンの表面から適切な間隔を置いて配置されており、当該方法は、
   該光学コンポーネントと連絡する入射光又は情報キャリアを提供する工程と、
   該入射光又は情報キャリアにおける偏光の直交状態に対する影響の差異を最小化するための手段を、入射光ビーム又は情報キャリアビームにおいて該光学コンポーネントの内部に配置することによって、該手段を提供する工程と、
   を含む、方法。
2. 直交状態に対する影響を最小化するための前記手段が、前記ゲルと前記プリズムとの間又は前記メンブレンと前記プリズムとの間の界面表面における入射光又は情報キャリアの減衰又は散乱によって提供される、請求項１に記載の方法。
3. 前記減衰又は散乱が、光学品質が達成される前に前記プリズムの研磨プロセスを停止させることによって、又は該研磨されたプリズム表面の化学的エッチングによって、又は該研磨されたプリズム表面の機械的スクラッチングによって提供される、請求項２に記載の方法。
4. 直交状態に対する影響を最小化するための前記手段が、前記プリズムに隣接して取り付けられた前記ゲル又はメンブレンの表面の少なくとも一部を、該プリズムとは反対の側を向いた該ゲル又はメンブレンの表面と非平行に配置することによって提供される、請求項１に記載の方法。
5. 前記非平行の配置が、前記ゲル又はメンブレンの表面に隣接して取り付けられた前記プリズムの表面の少なくとも一部を所望の形状に形成することによって提供される、請求項４に記載の方法。
6. 前記非平行の配置が、製造の間に前記ゲル又はメンブレンを楔形の形状にすることによって提供される、請求項４に記載の方法。
7. 直交状態に対する影響を最小化するための前記手段が、前記光ビーム又は情報キャリアビームの経路の中間に挿入された１／２波長板によって提供される、請求項１に記載の方法。
8. 直交状態に対する影響を最小化するための前記手段が、前記プリズムの表面上の反射防止配置によって提供される、請求項１に記載の方法。
9. 直交状態に対する影響を最小化するための前記手段が、前記ゲル若しくは前記プリズム又はその両方の製造の間に適切なドーパントを添加し、それによって該ゲル若しくは該プリズム又はその両方の屈折率を変更することによって提供される、請求項１に記載の方法。
10. 透明プリズムの表面に隣接して取り付けられたゲル層又はメンブレンと、個々にアドレス可能な電極のセットを有する基板と、を有し、該基板が、該プリズムとは反対の側を向いた該ゲル又はメンブレンの表面から適切な間隔を置いて配置されており、ここで、該透明プリズムの表面が散乱性にされている、光学コンポーネント。
11. 前記透明プリズムの表面が、該透明プリズムの表面に隣接して取り付けられた前記ゲル又はメンブレンの所望の形状を規定するカービングを備えて作製されている、請求項８に記載の光学コンポーネント。
12. 前記透明プリズムの表面が、該透明プリズムの表面中のキャビティ中に配置された１／２波長板を含む、請求項８に記載の光学コンポーネント。
13. 前記ゲル又はメンブレンが楔形の形状である、請求項８に記載の光学コンポーネント。
14. 前記プリズムの表面が反射防止配置と共に配置されている、請求項８に記載の光学コンポーネント。
15. 前記プリズム若しくは前記ゲル又はその両方が、該ゲル若しくは該プリズム又はその両方の屈折率を変化させる適切なドーパントを添加して製造されている、請求項８に記載の光学コンポーネント。
    

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