JP4205856B2 - 電気的に同調可能な光学的フィルタ - Google Patents
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Description
【０００１】
【技術分野】
本発明は、マイクロ波又は光学的周波数における入力放射ビームの周波数成分を空間的に分離するのに特に使用できる電気的に同調可能な光学的フィルタに係る。より詳細には、本発明は、スタリングスペクトル分析器又は波長分割マルチプレクサ及びデマルチプレクサとして使用できる装置に係る。
【０００２】
【背景技術】
スペクトル分析器を形成する方法は２つある。その一方のケースでは、分析されるべき入力信号が同調可能なフィルタに通され、このフィルタが必要な周波数レンジにわたり走査される。次いで、フィルタの送信周波数に対する送信が測定されてスペクトルを与える。このようなシステムは、走査スペクトル分析器として知られている。或いは又、入力信号は、多数の同一の低電力信号に分割され、その各々が１組の等離間されたフィルタから異なるフィルタに通される。フィルタセットの出力電力が、必要なスペクトルを与える。このようなシステムは、スタリング(staring)スペクトル分析器として知られている。
【０００３】
研究室で使用されている従来のＲＦスペクトル分析器は、走査スペクトル分析器である。これは、走査スペクトル分析器が高い分解能で広い範囲の周波数をカバーでき且つ必要に応じて容易に再構成できるからである。しかしながら、走査スペクトル分析器は、一度に１つの周波数しか「見る」ことができないので、急速に変化しない入力信号を測定する場合しか有効でない。例えば、入力信号が高速パルスを含む場合には、走査スペクトル分析器は、パルスが到着したときに正しい周波数を見ていなければ、ある周波数のパルスを容易に見落としてしまう。
【０００４】
スタリングスペクトル分析器は、この問題を克服する。しかしながら、特に、周波数チャンネルの数が多い場合には、走査スペクトル分析器より製造が困難である。スプリッタは狭帯域成分となり勝ちであるから、著しい歪を伴うことなく広帯域の電気的ＲＦ信号を多数の仕方で分割することは困難である。又、ＲＦフィルタは、フィルタ帯域巾の逆数に比例する時間だけ信号を遅延しなければならないために、このような成分が非常に大きくなり、そして従来の技術を使用して約１００ＭＨｚ以下の分解能を充分低いロスで得ることを困難にする。
【０００５】
光学的な方法を使用して走査型及びスタリング型の両スペクトル分析器を形成することができる。走査型の光学スペクトル分析器の一例は、走査型ファブリペロット干渉計であり、これは、互いに近付いたり離れたりする（通常、鋸歯状の駆動電圧を用いて）２つの平行な（又は同焦点の）プレートを備えている。時間に対してプロットした出力強度が光学スペクトルを与える（「光学的電子装置の紹介(Introduction to optical electronics)」、Ａ．ヤリフ著（ホルト・レインハート・アンド・ウイルソン、１９７６年）を参照）。
【０００６】
格子型干渉計は、光学的スタリングスペクトル分析器の一例である。これは、入力ビームを数百本のビームに分割し、各ビームの位相を、その位置に直線的に依存する量だけ変化させ（格子を用いて）、そして位相シフトされた全てのビームを出力検出アレー上で再結合することにより動作する。位相シフトのために、検出器アレーの異なる位置において異なる光学的周波数が位相的に再結合する。
【０００７】
別の形式のスタリング光学スペクトル分析器は、音響−光学装置であり、これは、分析されるべき信号を使用して音響−光学トランスジューサを駆動し、これにより、透明な圧電及び電気−光学材料（例えば、ニオブ酸リチウム）に音波を放射する。音波は、このような材料において屈折率波を設定することができ、その材料を通過する光線を、ＲＦ周波数に正比例する量だけ回折させる。実際に、この形式のスペクトル分析器は、主として、音波が電磁波よりも非常にゆっくりと進行するので、非常に高い分解能を与えることができ、短い装置において長い遅延を得ることができる。しかしながら、周波数は、音響ロスのために数ＧＨｚ以下に制限される傾向となる。
【０００８】
通常、多数の異なる波長を１つのファイバに結合（マルチプレクス）したり又は分割（デマルチプレクス）したりするために、低分解能光学干渉計の種々の光学導波管バージョンが実証されている。しかしながら、これらは、能動的な装置ではなくて受動的な装置であり、光学的な位相シフトを制御するために正確なリソグラフィー及び設計で作られる。しかしながら、リソグラフィーの不正確さは不可避であり、このようなシステムで得られる分解能を制限する。
【０００９】
本発明の分野に、ＵＫ２２６９６７８Ａがある。これは、導波管が同じ長さの複数の岐路に分割された半導体基体上に形成された干渉計同調型フィルタを開示している。各岐路は、それを通して送信される光の振幅及び位相を変調するために電気的に制御可能な振幅及び位相制御素子を有している。このフィルタは、複数のマルチプレクスされた光信号から所定波長の光信号を選択するという機能を有する。各岐路を経て送信された光は、再結合されて単一の装置出力となる。それ故、ＵＫ２２６９６７８Ａに開示された装置は、１つの波長しか装置から出力されず、他の波長は基体中に失われるという欠点がある。従って、この装置は、スペクトル分析器として使用するのに適しておらず、又、異なる波長の多数の出力が必要とされる用途にも適していない。
【００１０】
【発明の開示】
本発明によれば、一次放射ビームの周波数成分を空間的に分離するための装置は、一次放射ビームを、各々位相φをもつ複数の二次放射ビームに分離するための手段と、二次放射ビームを出力へ各々送信するための導波管アレーを形成する複数の電気的にバイアス可能な導波管とを備え、各導波管は、対応する光学的遅延時間をもつ関連光学的遅延線を有し、光学的遅延時間は、各々異なるものであり、更に、各導波管を経て送信される二次放射ビームの位相φを電界の変化により変えられるように各導波管にわたって可変電界を付与するための手段を備え、これにより、各導波管から出力される二次放射ビームは、伝播領域において、少なくとも１つの他の導波管から出力される二次放射ビームと干渉して、その伝播領域の種々の位置に１つ以上の最大値を含む干渉パターンを形成する。
この装置は、少なくとも２つの出力を発生するのが好ましい。
【００１１】
又、この装置は、一次放射ビームにＲＦ変調を適用する手段も備えている。それ故、この装置は、光学的スタリングスペクトル分析器又はＲＦスペクトル分析器として使用することができ、放射パルスが到着したときに装置が正しい周波数で走査しない場合にある周波数の信号が欠落することのある走査スペクトル分析器に勝る効果を発揮する。更に、この装置は、ＲＦ変調手段の使用により光学周波数及びマイクロ波周波数の両方を走査するように使用することができ、そして１つ以上の電気的にバイアス可能な導波管にわたり付与される電界を変化することにより使用中に能動的に制御することができる。それ故、各導波管を経て送信される放射の位相を変えられるので、付与電界を変えることにより、設計上の不正確さを使用中に修正することができる。これは、ビームをマルチプレクス及びデマルチプレクスするのに使用される受動的な装置に勝る効果を与える。
【００１２】
好ましい実施形態では、導波管出力の各隣接対が、導波管の対応隣接対間の光学的時間遅延差に比例する量だけ離間される。これは、異なる光学周波数に対応する異なる最大強度が伝播領域において良好に定められた角度で生じ、そして２つの異なる周波数成分に対する最大値間の角度差が２つの周波数成分間の周波数差にほぼ比例するという効果を有する。
更に別の実施形態では、導波管が導波管アレーにわたる光学的時間遅延について実質的に直線的な変化を有する。
通常、導波管アレーにわたる光学的時間遅延差は、少なくとも１００ピコ秒であり、そして少なくとも１０ナノ秒であってもよい。
【００１３】
伝播領域は、自由空間の領域であってもよいし、又はスラブ導波管であってもよい。スラブ導波管は、二次放射ビームを例えばチップに拘束するので効果的に使用することができる。
電気的にバイアス可能な導波管は、グループIII-Vの半導体導波管である。例えば、ＧａＡｓ又はＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ導波管を使用することができる。
電気的にバイアス可能な導波管は、光学的遅延線と共に一体に形成することができ、そして装置は、単一チップに形成することができる。或いは又、電気的にバイアス可能な導波管の各々は、電気的にバイアス可能な導波管及び光ファイバの遅延長さを含んでもよい。
一次放射ビームを複数の二次放射ビームに分離するための手段は、マルチモード干渉スプリッタである。
【００１４】
電気的にバイアス可能な導波管の各々は、電気的にバイアス可能な導波管部分にわたり電界を変化するための独立した手段を有する。例えば、電気的にバイアス可能な各導波管は、独立した可変電源を有する。
又、装置は、伝播領域内に配置された１つ以上の出力導波管を含み、各出力導波管は、１つ以上の導波管から出力された選択された周波数の二次放射ビームを受け取る。
それに加えて又はそれとは別に、装置は、レーザ空洞を有する入力レーザも備え、電気的にバイアス可能な導波管は、各導波管にわたり付与される電界の変化によりレーザの選択的な波長同調を可能にするようにレーザ空洞の一部分を形成する。
【００１５】
本発明の第２の特徴によれば、一次放射ビームの周波数成分を空間的に分離する方法は、（ｉ）一次放射ビームを、各々位相φをもつ複数の二次放射ビームに分離し、（ii）導波管アレーを形成する複数の電気的にバイアス可能な導波管の１つを経て二次放射ビームの各々を送信し、各導波管は、対応する光学的遅延時間をもつ関連光学的遅延線を有し、光学的遅延時間は、各々異なるものであり、(iii) 電気的にバイアス可能な各導波管にわたり可変電界を付与し、（iv）電気的にバイアス可能な各導波管を経て送信される二次放射ビームの位相φが変化するように電気的にバイアス可能な各導波管にわたり電界を変化させ、（ｖ）二次放射ビームを伝播領域へ出力し、該伝播領域内でそれらビームは１つ以上の他の二次放射ビームと干渉し、そして（vi）伝播領域において種々の位置に１つ以上の最大値を含む干渉パターンを形成するという段階を含む。
この方法は、更に、（vii）伝播領域における各最大値の位置から一次入力ビームの周波数成分を推定する段階も含む。
【００１６】
【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。
本発明に使用することのできる電気−光学導波管装置の一部分が図１に示されている。この電気−光学導波管装置及びその動作は、米国特許第５，２３９，５９８号に開示されている。要約すれば、全体的に１で示された装置は、通常１ｘ１０18ｃｍ-3のドープ濃度をもつ強くドープされたｎ型（ｎ＋）ＧａＡｓ基体２を備えている。この層２の上には、同様のドーパント種及び濃度を有するｎ+ＧａxＡｌ1-xＡｓのクラッド層３が設けられる。
【００１７】
クラッド層３は、導波管コア層４で取り巻かれている。この層４は、ｎ-（非ドープ、残留ｎ型）ＧａＡｓで構成される。これらの層は、全てＧａxＡｌ1-xＡｓ系であると考えることができる。層４は、その上面６へと延びるグルーブ５を有し、このグルーブは、装置１の前面から、横及び縦の縁（各々７及び８）をもつ平行な後面（図示せず）へ、完全でないにしろほぼ延びている。グルーブ５間にリブ型導波管９が形成される。通常、導波管９は、巾が２．６μｍで、長さが３ｍｍである。図１は、２つの導波管９（３つのグルーブ５）しか示していないが、実際に、完全な装置には非常に多数の導波管が含まれる。
【００１８】
導波管９の各々には、アルミニウム層１０及びボンドパッド１１が被覆され、これはＤＣバイアス電源１２に接続される。それ故、各導波管９は、個々にアドレスされる。装置１の前面１３及び後面７、８は、光学クオリティの面を形成するように入念にへき開される。
動作に際し、装置１は、後面７、８の導波管層４の領域において小さなスポット（例えば、直径２μｍ）に収束された放射（線２０で示す）が当てられる。これは、通常、導波管の端から５００μｍである。次いで、光線は、スポットから導波管９へと発散する。導波管９から放出する光ビームは、発散する矢印２１で示されている。放射する光ビーム２１は、図１の下部に示すように、位置２４に中心最大強度２２をそして２つ以上の付随的な最大値２３を有する共通の遠フィールド回折パターンを形成するように合成される。
【００１９】
各導波管９は、水平及び垂直の光伝播モードをサポートする。導波管９は、実質的に最低次の水平及び垂直モードに拘束された光出力強度を発生し、それより高次の水平及び垂直モードの出力は禁止される。その結果、導波管９の組合体は、実質的に最低次の空間的モードから発生する遠フィールド回折パターンを形成する。装置を経て伝播する光の振舞いについての詳細な説明は、米国特許第５，２３９，５９８号を参照されたい。
【００２０】
各導波管９における屈折率及び光学経路長さは、導波管コア層の材料４が電気−光学的（即ち、電気−屈折的）特性を有するので、電源１２により供給される電界に依存する。従って、導波管９のアルミニウム層１０における電圧が変化すると、その光出力の位相が変化する。遠フィールド回折パターンは、導波管９からの位相及び振幅作用のベクトル和であり、主たる最大値２４の位置は、導波管の電圧を変えることにより変化する。それ故、各導波管の電極に印加される電圧を制御することにより、遠フィールド回折パターンのビームを形成及び走査し、又は電子的に収束することができる。装置１により発生される遠フィールド回折パターンは、空気中では０．５ｍｍ未満又はＧａＡｓ媒体中では１．８ｍｍ未満の範囲で完全に形成される。２０Ｖ領域の導波管電圧で２０°までのビーム操向を達成することができる。
【００２１】
本発明は、入力放射ビームにおける異なる周波数の成分を空間的に分離するための装置に係り、この装置は、電気−光学導波管のアレーを備え、各導波管は、異なる光学的遅延の関連光学遅延線を有する。通常、電気−光学導波管は、図１に示す電気−光学導波管アレーの構造を有し、電極金属から光を遠ざけることにより光学的ロスを減少するためにｎ-ＧａxＡｌ1-xＡｓ（１ｘ１０15ｃｍ-3）の付加的な上部クラッド層を有している。図１に示す従来の装置では、各個々の導波管に印加される電圧を変えることにより遠フィールドビームを操向することができる。従って、遠フィールド回折パターンは、電子的に操向できる。本発明においては、遠フィールド回折パターンは、各導波管の遅延長さが異なるので、周波数で操向可能であり且つ電子的に操向可能である。それ故、遅延長さが短くて、例えば、５００μｍである場合には、装置を光学的スペクトル分析器として使用することができ、そして遅延線が長く、例えば、１０ｃｍである場合には、装置をマイクロ波スペクトル分析器として使用することができる。
【００２２】
図２は、本発明による装置３０の１つの好ましい実施形態を示す回路図である。この装置は、ｎ路スプリッタ３１と、ｎ個の光学移相器３２とを備えている。例えば、光学移相器３２は、図１に示す電気−光学導波管装置１である。装置３０は、アレーにわたる遅延長さが直線的に変化するｎ個の光学遅延線のアレー３４と、出力の直線的整相アレー３４も備えている。装置３０からの出力スペクトルは、これを記録、処理、表示又は記憶するために、ＴＶカメラ又はスタリング直線検出器アレー３７で見ることができる。走査されるべき放射ビーム３５は、装置３０に直接入力することができる。或いは、ビーム３５は、電気−光学輝度変調器３６により変調されてもよい。電気−光学輝度変調器３６の機能は、以下で詳細に説明する。
【００２３】
本発明の１つの実施形態では、図２に概略的に示された装置３０は、単一チップ上に形成することができる。単一チップ装置の例として、１６導波管の単一チップＧａＡｓ装置について以下に説明する。
図３は、単一チップの１６チャンネルＧａＡｓ電気−光学導波管装置のマスク図である。装置３０は、ビーム３５が入力される入力導波管３９と、入力ビーム３５をｎ個の異なる出力に分割するための１ないし１６路マルチモード干渉スプリッタ４０とを備えている。例えば、これは、米国特許第５，４１０，６２５号に開示されたマルチモード干渉スプリッタである。又、装置３０は、光学的位相制御用の１６個の電気−光学導波管４１も備え、各電気−光学導波管４１は、各導波管４１にわたり電界を付与するための電極４２を有する。これは、各導波管４１を個々にアドレスできるようにする。
【００２４】
各電気−光学導波管４１には、光学的遅延線４３が組合わされ、その各々は、異なる長さである。電気−光学導波管アレーにわたる遅延長さは実質的に直線的に変化するのが好ましい。遅延線４３の出力には、密接に離間された出力導波管アレー４４がある。この出力導波管アレーは、水平の黒い線４４のアレーとして図示されており、その各々は、遅延線４３に関連して出力位置４６を有する。
実際には、形成時に、各電気−光学導波管４１、それに関連した遅延線４３、及びそれに関連した出力導波管４４は、１つの導波管として形成され、装置は、各々異なる長さ（即ち異なる遅延）をもつ電気−光学導波管のアレーとなる。各々異なる光学的長さをもつ電気−光学導波管のアレーは、ここでは、電気−光学導波管遅延線のアレーと称することにする。又、要素４１、４３及び４４が単一チップ上に分離されるような装置を構成することもできる。通常、電気−光学導波管４１は、図１に示す構造形態を有し、そして図中では光学スプリッタ４０から延びる水平の黒い線として表わされる。
【００２５】
使用中、入力レーザ（図示せず）からの連続波放射３５は、マルチモード干渉スプリッタ４０において装置３０に入力され、ここで、入力ビームが１６のチャンネルに分割される。１６個の分割信号の各々は、電気−光学導波管４１（又は移相器）の１つを経て関連遅延線４３へ通され、そして出力導波管アレーを形成する出力導波管４４へ通される。それ故、１組の１６本の出力ビーム４５が位置４６において出力導波管４４から、それらが干渉する領域、ここでは伝播領域と称する、へ放出される。通常、伝播領域は、スラブ導波管（図示せず）であり、放出ビーム４５は、チップ上に拘束されるが、あたかも自由空間にあるかのように伝播する。或いは又、伝播領域は、自由空間の領域でもよい。
位置４６に出力される各出力導波管４４からの出力ビーム４５は、伝播領域において、他の出力導波管４４からのほとんどの又は全ての出力ビーム４５と干渉し、異なる周波数成分が伝播領域の異なる位置に最大強度を形成する。通常、数ミリメーター程度の距離における干渉パターン、即ち遠フィールド回折パターンは、特定の光波長を感知するカメラを使用して見ることができる。
【００２６】
出力導波管４４は、通常、１００μｍ以下の間隔で至近離間され、そして好ましくは、隣接出力位置４６間が例えば５ないし２０μｍという分離で至近離間される。各出力導波管４４の出力位置４６は、実質的な直線Ｌに沿って配置される。好ましくは、出力導波管４４は、２つの隣接する出力位置４６間の中心−中心ピッチが、これら２つの隣接する出力導波管間の光学時間遅延差に正比例するように離間される。これは、異なる光学周波数に対応する最大強度が伝播領域において良好に定められた角度で生じ、そして２つの異なる周波数の光学ビームに対する最大値と最大値との間の角度差が２つのビーム間の周波数差に正比例するように確保する。
【００２７】
更に別の好ましい実施形態では、出力位置４６は、等離間され、そして対応的に等離間された各対の隣接導波管遅延線間の対応光学時間遅延差を有し、光学遅延線４３は、アレーにわたる遅延長さがほぼ直線的に変化する。通常、これは、０ないし１ナノ秒の時間遅延の広がりに対応する（即ち、ｎ番目の導波管の相対的な遅延は、ｎ／１６ナノ秒であり、但し、ｎ＝１ないし１６である）。この実施形態では、装置３０は、１ＧＨｚのチャンネル分離を有する１６チャンネルのスペクトル分析器として動作することができる。隣接遅延線間の光学的時間遅延差が１００ｐｓ程度である場合には、これは、１０ＧＨｚの自由スペクトル範囲（即ち最大動作周波数範囲）を与えると共に、遅延線の数をＮとすれば、１０ＧＨｚ／Ｎの分解能を与える。それ故、最大遅延線長さと最小遅延線長さとの間の差は、装置で得ることのできる周波数分解能を決定する。
【００２８】
図３に示すＧａＡｓチップデバイスの形態を有する装置では、１．０６４μｍの入力ダイオードポンプ型Ｎｄ：ＹＡＧレーザビームに対して結果が得られている。電気−光学導波管４１に印加される電圧が、最初に、１６本の出力ビーム４５全部が同相であるようにセットされた場合には、遠フィールド回折パターンの単一の主ビームと２つのサイドローブとを与える（出力強度パターンの周期性により）。これは、単一の主ビーム４７ａ及び２つのサイドローブ４７ｂを示す図４（ａ）に示されている。主ビーム４７ａ及びサイドローブ４７ｂは、次いで、１６本の出力ビームの位相をアレーにわたり直線的に変化させることにより走査される。
例えば、位相がアレーにわたり３６０°／１６（即ち２２．５°）でステップする（均一の開始状態から）場合には、ビームが主ビーム対第１サイドローブの分離距離の１／１６で操向する。更に一般的には、位相がｎｘ２２．５°でステップする場合には、ｎ＝１６のときにアレーの出力ビームが再び同相となるために（最初の状態のように）元のパターンが再現されるまで、ビームは、主ビーム対第１サイドローブの分離距離のｎ／１６で操向する。
【００２９】
実際に、位相は、各導波管の電極に印加される電圧を適当に選択することにより０ないし３６０°の範囲内の値に常にセットされる。同じ長さの導波管ではなく、追加の遅延線を使用する効果は、入力光学波長又は周波数を変更した場合にもビームを操向できることである。これは、従来の電気−光学導波管では得られないが、本発明の装置では、入力波長を変化したときに、主ビームが電子的に走査されるために出力位相も同様にアレーにわたって直線的に変化するので、可能となる。例えば、直線的な０ないし１ナノ秒の導波管遅延線セットを有する装置の場合には、入力光学ビームの１ＧＨｚの周波数変化が、主ビーム対第１サイドローブ分離の１／１６にわたってビームを操向する。というのは、１ＧＨｚの光学周波数の変化が１ナノ秒当たり厳密に１サイクルの変化に対応し、又は１ナノ秒遅延線における３６０°の位相シフトに対応するからである。
【００３０】
ｎ番目の導波管の遅延は、ｎｘ２２．５°の対応位相シフトを与え、これは、主ビーム対第１サイドローブ分離の１／１６にわたってビームを操向するための必要な位相セットである。従って、この装置は、電子的走査に勝る多数の効果を有する周波数依存性のビーム走査を与える。更に、一緒に実施される２つの形式の走査が装置に更なる効果を与える。この装置は、１６チャンネルの装置として説明するが、実際には、使用するチャンネルの数は、それより少なくても多くてもよい。
この装置の特に有効な用途は、スタリングスペクトル分析器である。この装置は、光学的スペクトル分析器又はＲＦスペクトル分析器として動作することができる。図２を参照すれば、ＲＦスペクトル分析の場合に、分析されるべき入力放射ビーム２０は、装置３０に入る前に電気−光学周波数変調器３６に通される。それ故、変調器３６に付与されたマイクロ波信号５０は、入力波２０に周波数成分を追加し、これらは、遅延線整相アレー４１、４３により異なる角度（変調周波数に比例する）にわたって偏向される。
【００３１】
平衡型電気−光学変調器３６を使用して、より高い高調波の付加を回避すると共に、遠フィールド回折パターンから入力ビームの周波数を除去できるようにするのが重要である。輝度変調器をナルに設定することにより、入力ビームを抑制して変調側波帯のみを示すことができる。これは、入力ビームの周波数がスペクトルから除去された図４(ｂ)及び４(ｃ)に示したスペクトルに示されている。
図５は、遠フィールド回折パターンにわたる距離の関数として出力導波管アレーの強度を、３つの異なる周波数の入力レーザに対して示している（曲線４８、４９、５０）。これは、電気−光学導波管に組合わせて遅延線を使用する付加的な効果を示す。即ち、ビームは、入力光学波長又は周波数が変更される場合に、及び導波管に印加される電圧を変更することにより、操向することができる。
【００３２】
図６は、輝度変調器３６がナルにセットされた状態で３つの異なるＲＦ周波数２ＧＨｚ、３ＧＨｚ及び５ＧＨｚに対する遠フィールド回折パターンの輝度走査（各々曲線５１、５２、５３）を示す。搬送波ビームは抑制され、そして変調側波帯のみが走査に存在する。図７は、図６に示す輝度走査を拡張スケール（任意の単位）で示すもので、変調信号がない場合の輝度走査（ピーク５４）も示されている。多数の異なる周波数を使用して、入力ビームを変調する場合には、それらが全て回折パターンにおいて同時に観察される。それ故、装置は、従来の走査スペクトル分析器のように周波数範囲にわたって走査しない。
【００３３】
図２の光学変調器３６がない状態では、装置は、本質的に、電気的に同調可能な光学的分光計として動作する。これは、解像力が格子巾及びピッチにより制限された従来の光学的格子型分光計を用いて達成されるものより優れた任意の高い光学的分解能を与えることができる。又、性能は、走査型のファブリ・ペロットのエタロン干渉計分光計の性能に一致するが、各々スタリングであってスペクトルの測定に走査を必要としない任意の数の出力チャンネルで光学的スペクトルを分析できるという効果を有する。
【００３４】
この装置の別の用途は、電気的に制御可能な波長分割マルチプレクサ／デマルチプレクサである。これは、光ファイバテレコミュニケーションの分野で特に使用される。波長分割マルチプレクス／デマルチプレクスは、多数の至近離間された波長のレーザビームを光ファイバに対して合成し、そしてそれらを他方の端において分離するのに使用される。従来の波長分割マルチプレクサ／デマルチプレクサでは、これが受動的に達成され、これは、必要な周波数にセットするために高い精度で装置を構成しなければならないことを意味する（Ｙ．イノウエ、インテグレーテッド・フォトニック・リサーチ１９９６、コンファレンス・プロシーディングズ、１９９６年４月、ボストン、ＵＳＡ、論文ＩＭＣ１、第３２−３５ページ、及びＣ．バンダム氏等のインテグレーテッド・フォトニック・リサーチ１９９６、コンファレンス・プロシーディングズ、１９９６年４月、ボストン、ＵＳＡ、論文ＩＭＣ６、第５２−５５ページ）。
【００３５】
本発明の装置は、波長分割マルチプレクサ／デマルチプレクサとして使用することができ、そして電気−光学導波管の電極に印加される電圧を微同調することにより能動的な整列を行えるという点で既知のマルチプレクサに勝る効果を発揮する。中心波長の能動的な制御、及び個々の導波管位相シフトの微細な制御は、波長分割マルチプレクシングにおいて重要である。というのは、実際に、充分な精度をもつ受動的装置を形成することは困難だからである。
実際に、波長分割マルチプレクシング／デマルチプレクシングにおいて、周波数分離は、あまり大きくする必要がなく、スペクトル分析器に必要とされるほぼ１ＧＨｚの典型値に対して、通常約５０−１００ＧＨｚである。これは、光学的遅延長さがスペクトル分析器の用途のように長くなくてよいことを意味する。例えば、１００ＧＨｚの分解能については、最大と最小の遅延長さ間の差が８００μｍとなる。
【００３６】
又、この装置は、オンチップレーザの波長を制御するのにも使用できる。受動的な導波管遅延のアレーを使用する装置のバージョンが、Ｍ．ジルンギブル氏等のインテグレーテッド・フォトニック・リサーチ１９９６、コンファレンス・プロシーディングズ、１９９６年４月、ボストン、ＵＳＡ、論文ＩＭＣ６、第５２−５５ページ、及びＬ．Ｈ．スピークマン氏等のインテグレーテッド・フォトニック・リサーチ１９９６、コンファレンス・プロシーディングズ、１９９６年４月、ボストン、ＵＳＡ、論文ＩＭＣ３、第１３６−１３９ページに掲載されている。しかしながら、これらの装置は、波長を任意の所要値にセットするに充分な精度で設計及び構成することが困難である。
【００３７】
本発明の場合には、アレーが、波長フィルタとして働くように、レーザ空洞の一部分として使用される。例えば、図３を参照すれば、利得領域は、ｎ路スプリッタ４０の前で入力導波管３９に配置され、そして反射器（図示せず）は、伝播領域に配置される。反射器は、１つの特定周波数の光だけを遅延線のアレー４３へ戻すように配置され、従って、空洞利得は、選択された周波数に対して最大であり、それ故、装置は、空洞利得が充分に高ければ、反射される光学的周波数に対応する波長においてレーザ作用する。受動的なアレーではなく、本発明の電気的に同調可能な装置のアレーを使用することにより、レーザ周波数は、アレーの分解能範囲内の精度でいかなる必要な値にも正確にセットすることができる。通常、これは、１００ＭＨｚ未満である。レーザ波長は、一定に保持されてもよいし、又は電気−光学導波管の電極に印加される電圧を調整することにより電子的に同調されてもよく、従って、１つの波長においてのみレーザ空洞へフィードバックを与える。この装置は、２つの入力レーザ周波数の微細な同調を必要とするマイクロ波周波数の発生に特に使用できる。
【００３８】
図３に示す本発明の実施形態は、単一チップのＧａＡｓデバイスについて説明した。実際には、単一チップ上に装置を製造するのが便利であるが、電気的にバイアス可能な導波管アレーから個別のチップ上に遅延線アレーを展開することもできる。他のIII-V半導体導波管技術、例えば、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰを使用することもできる。
本発明の別の実施形態では、装置は、電気−光学導波管がファイバベース素子と組合わせて使用されたファイバベースの装置である。例えば、図２を参照すれば、光学的遅延線３２は、異なる長さの光ファイバである。同様に、ｎ路スプリッタ３１は、ファイバ素子又はガラスブロックである。光ファイバが使用される場合には、ＧａＡｓチップではなく、ニオブ酸リチウムに形成された電気−光学導波管を有するのが好ましい。
【００３９】
図２を参照すれば、装置は、分割された入力ビームが、遅延線３３に通過する前に、電気的にバイアス可能な導波管に通されるように構成される。しかしながら、この装置は、位相制御及び遅延機能が実施される順序を逆転して、遅延機能が位相制御の前に導入されるように構成されてもよい。例えば、ファイバベースの装置では、これは、ｎ路スプリッタ３１と、電気的にバイアス可能な導波管３２との間に光ファイバ遅延線３３を配置することにより達成される。同様に、図３を参照すれば、単一チップデバイスの場合には、変化する遅延線長さ４３が、位相制御を実施するために電極４２の前に配置される。
入力ビームを発生する入力レーザ、電気−光学変調器、ｎ路スプリッタ、及び移相アレーは、全て、単一チップ上に使用することができる。これは、小型で軽量で且つ丈夫な装置を、必要とされるチャンネル数のみに依存する寸法で製造できるようにする。
【００４０】
この装置は、電気−光学材料及び外部の遅延線媒体の透明度により制限される広いスペクトル範囲にわたり容易に動作することができる。現在のＧａＡｌＡｓ技術は、０．７μｍないし１０μｍの波長範囲をカバーすることができる。又、この装置は、入力の光学的変調装置と共に使用したときに、ＲＦスペクトル分析を行うことができる。
同調可能なＣＷレーザビームを入力として装置が使用される場合には、装置が電子的な走査を行うと共に、装置に使用される移相器を調整せずにわずかに波長を変化させて走査を行う。更に、直線的アレーが出力ファイバに接続されそしてこれらファイバが二次元アレーに形成される場合には、直線的アレーの各入力間に短い遅延を構成することによりｘ−Ｙ走査能力を得ることができる。直線的アレーは、非常に高い波長感度をもつことが必要であり（長い遅延を用いて）、従って、自由スペクトル範囲（又は計画された走査角度）を越えるときには、次の走査が、第１の走査軸に直角に僅かな量だけ変位される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 既知の電気−光学導波管装置の概略斜視図である。
【図２】 本発明の回路図である。
【図３】 アレーにわたり可変光学遅延を有する単一チップＧａＡｓ導波管アレー装置のマスク図である。
【図４ａ】 入力変調を行わずに入力レーザビームに対して図３の電気−光学導波管装置から得られる遠フィールド回折パターンの赤外線カメラ写真である。
【図４ｂ】 ＲＦ変調を行う場合に入力レーザビームに対して図３の電気−光学導波管装置から得られる遠フィールド回折パターンの赤外線カメラ写真である。
【図４ｃ】 ＲＦ変調を行う場合に入力レーザビームに対して図３の電気−光学導波管装置から得られる遠フィールド回折パターンの赤外線カメラ写真である。
【図５】 入力変調を行わない場合の入力レーザビームに対する遠フィールド回折パターンの走査線を示す図で、入力レーザの波長を変化させる効果を示す図である。
【図６】 非変調の入力ビームが存在せず且つ変調側波帯が３つの異なる周波数に対して存在する場合の遠フィールド強度パターンの走査線を示す図である。
【図７】 回折側波帯の作用を除去するために図６の走査線を拡張スケールで示した図である。
【技術分野】
本発明は、マイクロ波又は光学的周波数における入力放射ビームの周波数成分を空間的に分離するのに特に使用できる電気的に同調可能な光学的フィルタに係る。より詳細には、本発明は、スタリングスペクトル分析器又は波長分割マルチプレクサ及びデマルチプレクサとして使用できる装置に係る。
【０００２】
【背景技術】
スペクトル分析器を形成する方法は２つある。その一方のケースでは、分析されるべき入力信号が同調可能なフィルタに通され、このフィルタが必要な周波数レンジにわたり走査される。次いで、フィルタの送信周波数に対する送信が測定されてスペクトルを与える。このようなシステムは、走査スペクトル分析器として知られている。或いは又、入力信号は、多数の同一の低電力信号に分割され、その各々が１組の等離間されたフィルタから異なるフィルタに通される。フィルタセットの出力電力が、必要なスペクトルを与える。このようなシステムは、スタリング(staring)スペクトル分析器として知られている。
【０００３】
研究室で使用されている従来のＲＦスペクトル分析器は、走査スペクトル分析器である。これは、走査スペクトル分析器が高い分解能で広い範囲の周波数をカバーでき且つ必要に応じて容易に再構成できるからである。しかしながら、走査スペクトル分析器は、一度に１つの周波数しか「見る」ことができないので、急速に変化しない入力信号を測定する場合しか有効でない。例えば、入力信号が高速パルスを含む場合には、走査スペクトル分析器は、パルスが到着したときに正しい周波数を見ていなければ、ある周波数のパルスを容易に見落としてしまう。
【０００４】
スタリングスペクトル分析器は、この問題を克服する。しかしながら、特に、周波数チャンネルの数が多い場合には、走査スペクトル分析器より製造が困難である。スプリッタは狭帯域成分となり勝ちであるから、著しい歪を伴うことなく広帯域の電気的ＲＦ信号を多数の仕方で分割することは困難である。又、ＲＦフィルタは、フィルタ帯域巾の逆数に比例する時間だけ信号を遅延しなければならないために、このような成分が非常に大きくなり、そして従来の技術を使用して約１００ＭＨｚ以下の分解能を充分低いロスで得ることを困難にする。
【０００５】
光学的な方法を使用して走査型及びスタリング型の両スペクトル分析器を形成することができる。走査型の光学スペクトル分析器の一例は、走査型ファブリペロット干渉計であり、これは、互いに近付いたり離れたりする（通常、鋸歯状の駆動電圧を用いて）２つの平行な（又は同焦点の）プレートを備えている。時間に対してプロットした出力強度が光学スペクトルを与える（「光学的電子装置の紹介(Introduction to optical electronics)」、Ａ．ヤリフ著（ホルト・レインハート・アンド・ウイルソン、１９７６年）を参照）。
【０００６】
格子型干渉計は、光学的スタリングスペクトル分析器の一例である。これは、入力ビームを数百本のビームに分割し、各ビームの位相を、その位置に直線的に依存する量だけ変化させ（格子を用いて）、そして位相シフトされた全てのビームを出力検出アレー上で再結合することにより動作する。位相シフトのために、検出器アレーの異なる位置において異なる光学的周波数が位相的に再結合する。
【０００７】
別の形式のスタリング光学スペクトル分析器は、音響−光学装置であり、これは、分析されるべき信号を使用して音響−光学トランスジューサを駆動し、これにより、透明な圧電及び電気−光学材料（例えば、ニオブ酸リチウム）に音波を放射する。音波は、このような材料において屈折率波を設定することができ、その材料を通過する光線を、ＲＦ周波数に正比例する量だけ回折させる。実際に、この形式のスペクトル分析器は、主として、音波が電磁波よりも非常にゆっくりと進行するので、非常に高い分解能を与えることができ、短い装置において長い遅延を得ることができる。しかしながら、周波数は、音響ロスのために数ＧＨｚ以下に制限される傾向となる。
【０００８】
通常、多数の異なる波長を１つのファイバに結合（マルチプレクス）したり又は分割（デマルチプレクス）したりするために、低分解能光学干渉計の種々の光学導波管バージョンが実証されている。しかしながら、これらは、能動的な装置ではなくて受動的な装置であり、光学的な位相シフトを制御するために正確なリソグラフィー及び設計で作られる。しかしながら、リソグラフィーの不正確さは不可避であり、このようなシステムで得られる分解能を制限する。
【０００９】
本発明の分野に、ＵＫ２２６９６７８Ａがある。これは、導波管が同じ長さの複数の岐路に分割された半導体基体上に形成された干渉計同調型フィルタを開示している。各岐路は、それを通して送信される光の振幅及び位相を変調するために電気的に制御可能な振幅及び位相制御素子を有している。このフィルタは、複数のマルチプレクスされた光信号から所定波長の光信号を選択するという機能を有する。各岐路を経て送信された光は、再結合されて単一の装置出力となる。それ故、ＵＫ２２６９６７８Ａに開示された装置は、１つの波長しか装置から出力されず、他の波長は基体中に失われるという欠点がある。従って、この装置は、スペクトル分析器として使用するのに適しておらず、又、異なる波長の多数の出力が必要とされる用途にも適していない。
【００１０】
【発明の開示】
本発明によれば、一次放射ビームの周波数成分を空間的に分離するための装置は、一次放射ビームを、各々位相φをもつ複数の二次放射ビームに分離するための手段と、二次放射ビームを出力へ各々送信するための導波管アレーを形成する複数の電気的にバイアス可能な導波管とを備え、各導波管は、対応する光学的遅延時間をもつ関連光学的遅延線を有し、光学的遅延時間は、各々異なるものであり、更に、各導波管を経て送信される二次放射ビームの位相φを電界の変化により変えられるように各導波管にわたって可変電界を付与するための手段を備え、これにより、各導波管から出力される二次放射ビームは、伝播領域において、少なくとも１つの他の導波管から出力される二次放射ビームと干渉して、その伝播領域の種々の位置に１つ以上の最大値を含む干渉パターンを形成する。
この装置は、少なくとも２つの出力を発生するのが好ましい。
【００１１】
又、この装置は、一次放射ビームにＲＦ変調を適用する手段も備えている。それ故、この装置は、光学的スタリングスペクトル分析器又はＲＦスペクトル分析器として使用することができ、放射パルスが到着したときに装置が正しい周波数で走査しない場合にある周波数の信号が欠落することのある走査スペクトル分析器に勝る効果を発揮する。更に、この装置は、ＲＦ変調手段の使用により光学周波数及びマイクロ波周波数の両方を走査するように使用することができ、そして１つ以上の電気的にバイアス可能な導波管にわたり付与される電界を変化することにより使用中に能動的に制御することができる。それ故、各導波管を経て送信される放射の位相を変えられるので、付与電界を変えることにより、設計上の不正確さを使用中に修正することができる。これは、ビームをマルチプレクス及びデマルチプレクスするのに使用される受動的な装置に勝る効果を与える。
【００１２】
好ましい実施形態では、導波管出力の各隣接対が、導波管の対応隣接対間の光学的時間遅延差に比例する量だけ離間される。これは、異なる光学周波数に対応する異なる最大強度が伝播領域において良好に定められた角度で生じ、そして２つの異なる周波数成分に対する最大値間の角度差が２つの周波数成分間の周波数差にほぼ比例するという効果を有する。
更に別の実施形態では、導波管が導波管アレーにわたる光学的時間遅延について実質的に直線的な変化を有する。
通常、導波管アレーにわたる光学的時間遅延差は、少なくとも１００ピコ秒であり、そして少なくとも１０ナノ秒であってもよい。
【００１３】
伝播領域は、自由空間の領域であってもよいし、又はスラブ導波管であってもよい。スラブ導波管は、二次放射ビームを例えばチップに拘束するので効果的に使用することができる。
電気的にバイアス可能な導波管は、グループIII-Vの半導体導波管である。例えば、ＧａＡｓ又はＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ導波管を使用することができる。
電気的にバイアス可能な導波管は、光学的遅延線と共に一体に形成することができ、そして装置は、単一チップに形成することができる。或いは又、電気的にバイアス可能な導波管の各々は、電気的にバイアス可能な導波管及び光ファイバの遅延長さを含んでもよい。
一次放射ビームを複数の二次放射ビームに分離するための手段は、マルチモード干渉スプリッタである。
【００１４】
電気的にバイアス可能な導波管の各々は、電気的にバイアス可能な導波管部分にわたり電界を変化するための独立した手段を有する。例えば、電気的にバイアス可能な各導波管は、独立した可変電源を有する。
又、装置は、伝播領域内に配置された１つ以上の出力導波管を含み、各出力導波管は、１つ以上の導波管から出力された選択された周波数の二次放射ビームを受け取る。
それに加えて又はそれとは別に、装置は、レーザ空洞を有する入力レーザも備え、電気的にバイアス可能な導波管は、各導波管にわたり付与される電界の変化によりレーザの選択的な波長同調を可能にするようにレーザ空洞の一部分を形成する。
【００１５】
本発明の第２の特徴によれば、一次放射ビームの周波数成分を空間的に分離する方法は、（ｉ）一次放射ビームを、各々位相φをもつ複数の二次放射ビームに分離し、（ii）導波管アレーを形成する複数の電気的にバイアス可能な導波管の１つを経て二次放射ビームの各々を送信し、各導波管は、対応する光学的遅延時間をもつ関連光学的遅延線を有し、光学的遅延時間は、各々異なるものであり、(iii) 電気的にバイアス可能な各導波管にわたり可変電界を付与し、（iv）電気的にバイアス可能な各導波管を経て送信される二次放射ビームの位相φが変化するように電気的にバイアス可能な各導波管にわたり電界を変化させ、（ｖ）二次放射ビームを伝播領域へ出力し、該伝播領域内でそれらビームは１つ以上の他の二次放射ビームと干渉し、そして（vi）伝播領域において種々の位置に１つ以上の最大値を含む干渉パターンを形成するという段階を含む。
この方法は、更に、（vii）伝播領域における各最大値の位置から一次入力ビームの周波数成分を推定する段階も含む。
【００１６】
【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。
本発明に使用することのできる電気−光学導波管装置の一部分が図１に示されている。この電気−光学導波管装置及びその動作は、米国特許第５，２３９，５９８号に開示されている。要約すれば、全体的に１で示された装置は、通常１ｘ１０18ｃｍ-3のドープ濃度をもつ強くドープされたｎ型（ｎ＋）ＧａＡｓ基体２を備えている。この層２の上には、同様のドーパント種及び濃度を有するｎ+ＧａxＡｌ1-xＡｓのクラッド層３が設けられる。
【００１７】
クラッド層３は、導波管コア層４で取り巻かれている。この層４は、ｎ-（非ドープ、残留ｎ型）ＧａＡｓで構成される。これらの層は、全てＧａxＡｌ1-xＡｓ系であると考えることができる。層４は、その上面６へと延びるグルーブ５を有し、このグルーブは、装置１の前面から、横及び縦の縁（各々７及び８）をもつ平行な後面（図示せず）へ、完全でないにしろほぼ延びている。グルーブ５間にリブ型導波管９が形成される。通常、導波管９は、巾が２．６μｍで、長さが３ｍｍである。図１は、２つの導波管９（３つのグルーブ５）しか示していないが、実際に、完全な装置には非常に多数の導波管が含まれる。
【００１８】
導波管９の各々には、アルミニウム層１０及びボンドパッド１１が被覆され、これはＤＣバイアス電源１２に接続される。それ故、各導波管９は、個々にアドレスされる。装置１の前面１３及び後面７、８は、光学クオリティの面を形成するように入念にへき開される。
動作に際し、装置１は、後面７、８の導波管層４の領域において小さなスポット（例えば、直径２μｍ）に収束された放射（線２０で示す）が当てられる。これは、通常、導波管の端から５００μｍである。次いで、光線は、スポットから導波管９へと発散する。導波管９から放出する光ビームは、発散する矢印２１で示されている。放射する光ビーム２１は、図１の下部に示すように、位置２４に中心最大強度２２をそして２つ以上の付随的な最大値２３を有する共通の遠フィールド回折パターンを形成するように合成される。
【００１９】
各導波管９は、水平及び垂直の光伝播モードをサポートする。導波管９は、実質的に最低次の水平及び垂直モードに拘束された光出力強度を発生し、それより高次の水平及び垂直モードの出力は禁止される。その結果、導波管９の組合体は、実質的に最低次の空間的モードから発生する遠フィールド回折パターンを形成する。装置を経て伝播する光の振舞いについての詳細な説明は、米国特許第５，２３９，５９８号を参照されたい。
【００２０】
各導波管９における屈折率及び光学経路長さは、導波管コア層の材料４が電気−光学的（即ち、電気−屈折的）特性を有するので、電源１２により供給される電界に依存する。従って、導波管９のアルミニウム層１０における電圧が変化すると、その光出力の位相が変化する。遠フィールド回折パターンは、導波管９からの位相及び振幅作用のベクトル和であり、主たる最大値２４の位置は、導波管の電圧を変えることにより変化する。それ故、各導波管の電極に印加される電圧を制御することにより、遠フィールド回折パターンのビームを形成及び走査し、又は電子的に収束することができる。装置１により発生される遠フィールド回折パターンは、空気中では０．５ｍｍ未満又はＧａＡｓ媒体中では１．８ｍｍ未満の範囲で完全に形成される。２０Ｖ領域の導波管電圧で２０°までのビーム操向を達成することができる。
【００２１】
本発明は、入力放射ビームにおける異なる周波数の成分を空間的に分離するための装置に係り、この装置は、電気−光学導波管のアレーを備え、各導波管は、異なる光学的遅延の関連光学遅延線を有する。通常、電気−光学導波管は、図１に示す電気−光学導波管アレーの構造を有し、電極金属から光を遠ざけることにより光学的ロスを減少するためにｎ-ＧａxＡｌ1-xＡｓ（１ｘ１０15ｃｍ-3）の付加的な上部クラッド層を有している。図１に示す従来の装置では、各個々の導波管に印加される電圧を変えることにより遠フィールドビームを操向することができる。従って、遠フィールド回折パターンは、電子的に操向できる。本発明においては、遠フィールド回折パターンは、各導波管の遅延長さが異なるので、周波数で操向可能であり且つ電子的に操向可能である。それ故、遅延長さが短くて、例えば、５００μｍである場合には、装置を光学的スペクトル分析器として使用することができ、そして遅延線が長く、例えば、１０ｃｍである場合には、装置をマイクロ波スペクトル分析器として使用することができる。
【００２２】
図２は、本発明による装置３０の１つの好ましい実施形態を示す回路図である。この装置は、ｎ路スプリッタ３１と、ｎ個の光学移相器３２とを備えている。例えば、光学移相器３２は、図１に示す電気−光学導波管装置１である。装置３０は、アレーにわたる遅延長さが直線的に変化するｎ個の光学遅延線のアレー３４と、出力の直線的整相アレー３４も備えている。装置３０からの出力スペクトルは、これを記録、処理、表示又は記憶するために、ＴＶカメラ又はスタリング直線検出器アレー３７で見ることができる。走査されるべき放射ビーム３５は、装置３０に直接入力することができる。或いは、ビーム３５は、電気−光学輝度変調器３６により変調されてもよい。電気−光学輝度変調器３６の機能は、以下で詳細に説明する。
【００２３】
本発明の１つの実施形態では、図２に概略的に示された装置３０は、単一チップ上に形成することができる。単一チップ装置の例として、１６導波管の単一チップＧａＡｓ装置について以下に説明する。
図３は、単一チップの１６チャンネルＧａＡｓ電気−光学導波管装置のマスク図である。装置３０は、ビーム３５が入力される入力導波管３９と、入力ビーム３５をｎ個の異なる出力に分割するための１ないし１６路マルチモード干渉スプリッタ４０とを備えている。例えば、これは、米国特許第５，４１０，６２５号に開示されたマルチモード干渉スプリッタである。又、装置３０は、光学的位相制御用の１６個の電気−光学導波管４１も備え、各電気−光学導波管４１は、各導波管４１にわたり電界を付与するための電極４２を有する。これは、各導波管４１を個々にアドレスできるようにする。
【００２４】
各電気−光学導波管４１には、光学的遅延線４３が組合わされ、その各々は、異なる長さである。電気−光学導波管アレーにわたる遅延長さは実質的に直線的に変化するのが好ましい。遅延線４３の出力には、密接に離間された出力導波管アレー４４がある。この出力導波管アレーは、水平の黒い線４４のアレーとして図示されており、その各々は、遅延線４３に関連して出力位置４６を有する。
実際には、形成時に、各電気−光学導波管４１、それに関連した遅延線４３、及びそれに関連した出力導波管４４は、１つの導波管として形成され、装置は、各々異なる長さ（即ち異なる遅延）をもつ電気−光学導波管のアレーとなる。各々異なる光学的長さをもつ電気−光学導波管のアレーは、ここでは、電気−光学導波管遅延線のアレーと称することにする。又、要素４１、４３及び４４が単一チップ上に分離されるような装置を構成することもできる。通常、電気−光学導波管４１は、図１に示す構造形態を有し、そして図中では光学スプリッタ４０から延びる水平の黒い線として表わされる。
【００２５】
使用中、入力レーザ（図示せず）からの連続波放射３５は、マルチモード干渉スプリッタ４０において装置３０に入力され、ここで、入力ビームが１６のチャンネルに分割される。１６個の分割信号の各々は、電気−光学導波管４１（又は移相器）の１つを経て関連遅延線４３へ通され、そして出力導波管アレーを形成する出力導波管４４へ通される。それ故、１組の１６本の出力ビーム４５が位置４６において出力導波管４４から、それらが干渉する領域、ここでは伝播領域と称する、へ放出される。通常、伝播領域は、スラブ導波管（図示せず）であり、放出ビーム４５は、チップ上に拘束されるが、あたかも自由空間にあるかのように伝播する。或いは又、伝播領域は、自由空間の領域でもよい。
位置４６に出力される各出力導波管４４からの出力ビーム４５は、伝播領域において、他の出力導波管４４からのほとんどの又は全ての出力ビーム４５と干渉し、異なる周波数成分が伝播領域の異なる位置に最大強度を形成する。通常、数ミリメーター程度の距離における干渉パターン、即ち遠フィールド回折パターンは、特定の光波長を感知するカメラを使用して見ることができる。
【００２６】
出力導波管４４は、通常、１００μｍ以下の間隔で至近離間され、そして好ましくは、隣接出力位置４６間が例えば５ないし２０μｍという分離で至近離間される。各出力導波管４４の出力位置４６は、実質的な直線Ｌに沿って配置される。好ましくは、出力導波管４４は、２つの隣接する出力位置４６間の中心−中心ピッチが、これら２つの隣接する出力導波管間の光学時間遅延差に正比例するように離間される。これは、異なる光学周波数に対応する最大強度が伝播領域において良好に定められた角度で生じ、そして２つの異なる周波数の光学ビームに対する最大値と最大値との間の角度差が２つのビーム間の周波数差に正比例するように確保する。
【００２７】
更に別の好ましい実施形態では、出力位置４６は、等離間され、そして対応的に等離間された各対の隣接導波管遅延線間の対応光学時間遅延差を有し、光学遅延線４３は、アレーにわたる遅延長さがほぼ直線的に変化する。通常、これは、０ないし１ナノ秒の時間遅延の広がりに対応する（即ち、ｎ番目の導波管の相対的な遅延は、ｎ／１６ナノ秒であり、但し、ｎ＝１ないし１６である）。この実施形態では、装置３０は、１ＧＨｚのチャンネル分離を有する１６チャンネルのスペクトル分析器として動作することができる。隣接遅延線間の光学的時間遅延差が１００ｐｓ程度である場合には、これは、１０ＧＨｚの自由スペクトル範囲（即ち最大動作周波数範囲）を与えると共に、遅延線の数をＮとすれば、１０ＧＨｚ／Ｎの分解能を与える。それ故、最大遅延線長さと最小遅延線長さとの間の差は、装置で得ることのできる周波数分解能を決定する。
【００２８】
図３に示すＧａＡｓチップデバイスの形態を有する装置では、１．０６４μｍの入力ダイオードポンプ型Ｎｄ：ＹＡＧレーザビームに対して結果が得られている。電気−光学導波管４１に印加される電圧が、最初に、１６本の出力ビーム４５全部が同相であるようにセットされた場合には、遠フィールド回折パターンの単一の主ビームと２つのサイドローブとを与える（出力強度パターンの周期性により）。これは、単一の主ビーム４７ａ及び２つのサイドローブ４７ｂを示す図４（ａ）に示されている。主ビーム４７ａ及びサイドローブ４７ｂは、次いで、１６本の出力ビームの位相をアレーにわたり直線的に変化させることにより走査される。
例えば、位相がアレーにわたり３６０°／１６（即ち２２．５°）でステップする（均一の開始状態から）場合には、ビームが主ビーム対第１サイドローブの分離距離の１／１６で操向する。更に一般的には、位相がｎｘ２２．５°でステップする場合には、ｎ＝１６のときにアレーの出力ビームが再び同相となるために（最初の状態のように）元のパターンが再現されるまで、ビームは、主ビーム対第１サイドローブの分離距離のｎ／１６で操向する。
【００２９】
実際に、位相は、各導波管の電極に印加される電圧を適当に選択することにより０ないし３６０°の範囲内の値に常にセットされる。同じ長さの導波管ではなく、追加の遅延線を使用する効果は、入力光学波長又は周波数を変更した場合にもビームを操向できることである。これは、従来の電気−光学導波管では得られないが、本発明の装置では、入力波長を変化したときに、主ビームが電子的に走査されるために出力位相も同様にアレーにわたって直線的に変化するので、可能となる。例えば、直線的な０ないし１ナノ秒の導波管遅延線セットを有する装置の場合には、入力光学ビームの１ＧＨｚの周波数変化が、主ビーム対第１サイドローブ分離の１／１６にわたってビームを操向する。というのは、１ＧＨｚの光学周波数の変化が１ナノ秒当たり厳密に１サイクルの変化に対応し、又は１ナノ秒遅延線における３６０°の位相シフトに対応するからである。
【００３０】
ｎ番目の導波管の遅延は、ｎｘ２２．５°の対応位相シフトを与え、これは、主ビーム対第１サイドローブ分離の１／１６にわたってビームを操向するための必要な位相セットである。従って、この装置は、電子的走査に勝る多数の効果を有する周波数依存性のビーム走査を与える。更に、一緒に実施される２つの形式の走査が装置に更なる効果を与える。この装置は、１６チャンネルの装置として説明するが、実際には、使用するチャンネルの数は、それより少なくても多くてもよい。
この装置の特に有効な用途は、スタリングスペクトル分析器である。この装置は、光学的スペクトル分析器又はＲＦスペクトル分析器として動作することができる。図２を参照すれば、ＲＦスペクトル分析の場合に、分析されるべき入力放射ビーム２０は、装置３０に入る前に電気−光学周波数変調器３６に通される。それ故、変調器３６に付与されたマイクロ波信号５０は、入力波２０に周波数成分を追加し、これらは、遅延線整相アレー４１、４３により異なる角度（変調周波数に比例する）にわたって偏向される。
【００３１】
平衡型電気−光学変調器３６を使用して、より高い高調波の付加を回避すると共に、遠フィールド回折パターンから入力ビームの周波数を除去できるようにするのが重要である。輝度変調器をナルに設定することにより、入力ビームを抑制して変調側波帯のみを示すことができる。これは、入力ビームの周波数がスペクトルから除去された図４(ｂ)及び４(ｃ)に示したスペクトルに示されている。
図５は、遠フィールド回折パターンにわたる距離の関数として出力導波管アレーの強度を、３つの異なる周波数の入力レーザに対して示している（曲線４８、４９、５０）。これは、電気−光学導波管に組合わせて遅延線を使用する付加的な効果を示す。即ち、ビームは、入力光学波長又は周波数が変更される場合に、及び導波管に印加される電圧を変更することにより、操向することができる。
【００３２】
図６は、輝度変調器３６がナルにセットされた状態で３つの異なるＲＦ周波数２ＧＨｚ、３ＧＨｚ及び５ＧＨｚに対する遠フィールド回折パターンの輝度走査（各々曲線５１、５２、５３）を示す。搬送波ビームは抑制され、そして変調側波帯のみが走査に存在する。図７は、図６に示す輝度走査を拡張スケール（任意の単位）で示すもので、変調信号がない場合の輝度走査（ピーク５４）も示されている。多数の異なる周波数を使用して、入力ビームを変調する場合には、それらが全て回折パターンにおいて同時に観察される。それ故、装置は、従来の走査スペクトル分析器のように周波数範囲にわたって走査しない。
【００３３】
図２の光学変調器３６がない状態では、装置は、本質的に、電気的に同調可能な光学的分光計として動作する。これは、解像力が格子巾及びピッチにより制限された従来の光学的格子型分光計を用いて達成されるものより優れた任意の高い光学的分解能を与えることができる。又、性能は、走査型のファブリ・ペロットのエタロン干渉計分光計の性能に一致するが、各々スタリングであってスペクトルの測定に走査を必要としない任意の数の出力チャンネルで光学的スペクトルを分析できるという効果を有する。
【００３４】
この装置の別の用途は、電気的に制御可能な波長分割マルチプレクサ／デマルチプレクサである。これは、光ファイバテレコミュニケーションの分野で特に使用される。波長分割マルチプレクス／デマルチプレクスは、多数の至近離間された波長のレーザビームを光ファイバに対して合成し、そしてそれらを他方の端において分離するのに使用される。従来の波長分割マルチプレクサ／デマルチプレクサでは、これが受動的に達成され、これは、必要な周波数にセットするために高い精度で装置を構成しなければならないことを意味する（Ｙ．イノウエ、インテグレーテッド・フォトニック・リサーチ１９９６、コンファレンス・プロシーディングズ、１９９６年４月、ボストン、ＵＳＡ、論文ＩＭＣ１、第３２−３５ページ、及びＣ．バンダム氏等のインテグレーテッド・フォトニック・リサーチ１９９６、コンファレンス・プロシーディングズ、１９９６年４月、ボストン、ＵＳＡ、論文ＩＭＣ６、第５２−５５ページ）。
【００３５】
本発明の装置は、波長分割マルチプレクサ／デマルチプレクサとして使用することができ、そして電気−光学導波管の電極に印加される電圧を微同調することにより能動的な整列を行えるという点で既知のマルチプレクサに勝る効果を発揮する。中心波長の能動的な制御、及び個々の導波管位相シフトの微細な制御は、波長分割マルチプレクシングにおいて重要である。というのは、実際に、充分な精度をもつ受動的装置を形成することは困難だからである。
実際に、波長分割マルチプレクシング／デマルチプレクシングにおいて、周波数分離は、あまり大きくする必要がなく、スペクトル分析器に必要とされるほぼ１ＧＨｚの典型値に対して、通常約５０−１００ＧＨｚである。これは、光学的遅延長さがスペクトル分析器の用途のように長くなくてよいことを意味する。例えば、１００ＧＨｚの分解能については、最大と最小の遅延長さ間の差が８００μｍとなる。
【００３６】
又、この装置は、オンチップレーザの波長を制御するのにも使用できる。受動的な導波管遅延のアレーを使用する装置のバージョンが、Ｍ．ジルンギブル氏等のインテグレーテッド・フォトニック・リサーチ１９９６、コンファレンス・プロシーディングズ、１９９６年４月、ボストン、ＵＳＡ、論文ＩＭＣ６、第５２−５５ページ、及びＬ．Ｈ．スピークマン氏等のインテグレーテッド・フォトニック・リサーチ１９９６、コンファレンス・プロシーディングズ、１９９６年４月、ボストン、ＵＳＡ、論文ＩＭＣ３、第１３６−１３９ページに掲載されている。しかしながら、これらの装置は、波長を任意の所要値にセットするに充分な精度で設計及び構成することが困難である。
【００３７】
本発明の場合には、アレーが、波長フィルタとして働くように、レーザ空洞の一部分として使用される。例えば、図３を参照すれば、利得領域は、ｎ路スプリッタ４０の前で入力導波管３９に配置され、そして反射器（図示せず）は、伝播領域に配置される。反射器は、１つの特定周波数の光だけを遅延線のアレー４３へ戻すように配置され、従って、空洞利得は、選択された周波数に対して最大であり、それ故、装置は、空洞利得が充分に高ければ、反射される光学的周波数に対応する波長においてレーザ作用する。受動的なアレーではなく、本発明の電気的に同調可能な装置のアレーを使用することにより、レーザ周波数は、アレーの分解能範囲内の精度でいかなる必要な値にも正確にセットすることができる。通常、これは、１００ＭＨｚ未満である。レーザ波長は、一定に保持されてもよいし、又は電気−光学導波管の電極に印加される電圧を調整することにより電子的に同調されてもよく、従って、１つの波長においてのみレーザ空洞へフィードバックを与える。この装置は、２つの入力レーザ周波数の微細な同調を必要とするマイクロ波周波数の発生に特に使用できる。
【００３８】
図３に示す本発明の実施形態は、単一チップのＧａＡｓデバイスについて説明した。実際には、単一チップ上に装置を製造するのが便利であるが、電気的にバイアス可能な導波管アレーから個別のチップ上に遅延線アレーを展開することもできる。他のIII-V半導体導波管技術、例えば、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰを使用することもできる。
本発明の別の実施形態では、装置は、電気−光学導波管がファイバベース素子と組合わせて使用されたファイバベースの装置である。例えば、図２を参照すれば、光学的遅延線３２は、異なる長さの光ファイバである。同様に、ｎ路スプリッタ３１は、ファイバ素子又はガラスブロックである。光ファイバが使用される場合には、ＧａＡｓチップではなく、ニオブ酸リチウムに形成された電気−光学導波管を有するのが好ましい。
【００３９】
図２を参照すれば、装置は、分割された入力ビームが、遅延線３３に通過する前に、電気的にバイアス可能な導波管に通されるように構成される。しかしながら、この装置は、位相制御及び遅延機能が実施される順序を逆転して、遅延機能が位相制御の前に導入されるように構成されてもよい。例えば、ファイバベースの装置では、これは、ｎ路スプリッタ３１と、電気的にバイアス可能な導波管３２との間に光ファイバ遅延線３３を配置することにより達成される。同様に、図３を参照すれば、単一チップデバイスの場合には、変化する遅延線長さ４３が、位相制御を実施するために電極４２の前に配置される。
入力ビームを発生する入力レーザ、電気−光学変調器、ｎ路スプリッタ、及び移相アレーは、全て、単一チップ上に使用することができる。これは、小型で軽量で且つ丈夫な装置を、必要とされるチャンネル数のみに依存する寸法で製造できるようにする。
【００４０】
この装置は、電気−光学材料及び外部の遅延線媒体の透明度により制限される広いスペクトル範囲にわたり容易に動作することができる。現在のＧａＡｌＡｓ技術は、０．７μｍないし１０μｍの波長範囲をカバーすることができる。又、この装置は、入力の光学的変調装置と共に使用したときに、ＲＦスペクトル分析を行うことができる。
同調可能なＣＷレーザビームを入力として装置が使用される場合には、装置が電子的な走査を行うと共に、装置に使用される移相器を調整せずにわずかに波長を変化させて走査を行う。更に、直線的アレーが出力ファイバに接続されそしてこれらファイバが二次元アレーに形成される場合には、直線的アレーの各入力間に短い遅延を構成することによりｘ−Ｙ走査能力を得ることができる。直線的アレーは、非常に高い波長感度をもつことが必要であり（長い遅延を用いて）、従って、自由スペクトル範囲（又は計画された走査角度）を越えるときには、次の走査が、第１の走査軸に直角に僅かな量だけ変位される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 既知の電気−光学導波管装置の概略斜視図である。
【図２】 本発明の回路図である。
【図３】 アレーにわたり可変光学遅延を有する単一チップＧａＡｓ導波管アレー装置のマスク図である。
【図４ａ】 入力変調を行わずに入力レーザビームに対して図３の電気−光学導波管装置から得られる遠フィールド回折パターンの赤外線カメラ写真である。
【図４ｂ】 ＲＦ変調を行う場合に入力レーザビームに対して図３の電気−光学導波管装置から得られる遠フィールド回折パターンの赤外線カメラ写真である。
【図４ｃ】 ＲＦ変調を行う場合に入力レーザビームに対して図３の電気−光学導波管装置から得られる遠フィールド回折パターンの赤外線カメラ写真である。
【図５】 入力変調を行わない場合の入力レーザビームに対する遠フィールド回折パターンの走査線を示す図で、入力レーザの波長を変化させる効果を示す図である。
【図６】 非変調の入力ビームが存在せず且つ変調側波帯が３つの異なる周波数に対して存在する場合の遠フィールド強度パターンの走査線を示す図である。
【図７】 回折側波帯の作用を除去するために図６の走査線を拡張スケールで示した図である。
Claims (18)
- 一次放射ビーム(35)を受け取りそして一次放射ビーム(35)の周波数成分を空間的に分離するための装置であって、一次放射ビームを、各位相θ1を各々有する複数の二次放射ビームに分離するための手段(31;40)と、二次放射ビームを出力へ各々送信するための、導波管アレーを形成する複数の電気的にバイアス可能な導波管(32;41)とを備え、各導波管(32;41)は、対応する光学的遅延時間をもつ関連光学的遅延線(33;43)を有し、光学的遅延時間は各々異なるものであり、更に、各導波管(32;41)を経て送信される各二次放射ビームの位相θ1を電界の変化により変えられるように各導波管(32;41)にわたって可変電界を付与するための手段(42)を備え、上記導波管(32;41)は、各導波管(32;41)から出力される二次放射ビームが、少なくとも１つの他の導波管から出力される二次放射ビームと干渉して、伝播領域に干渉パターンを形成するように構成され、この干渉パターンは伝播領域の種々の位置に１つ以上の最大値を含み、そして上記装置は少なくとも２つの出力を発生するような装置において、
一次放射ビーム(35)にＲＦ変調を適用するための手段(36,50)を更に備え、一次放射ビームに適用されたＲＦ変調を分析するためのスタリングスペクトル分析器を形成することを特徴とする装置。 - 導波管出力の各隣接対は、導波管の対応隣接対間の光学的時間遅延差に比例する量だけ離間される請求項１に記載の装置。
- 上記導波管(32;41)は、導波管アレーにわたる光学的時間遅延が実質的に直線的に変化する請求項２に記載の装置。
- 導波管アレーにわたる光学的時間遅延差は少なくとも１００ピコ秒である請求項２又は３に記載の装置。
- 導波管アレーにわたる光学的時間遅延差は、少なくとも１０ナノ秒である請求項４に記載の装置。
- 伝播領域は、自由空間の領域である請求項１に記載の装置。
- 伝播領域は、スラブ導波管である請求項１に記載の装置。
- 電気的にバイアス可能な導波管(32;41)は、グループIII-Vの半導体導波管である請求項１に記載の装置。
- 電気的にバイアス可能な導波管は、ＧａＡｓ導波管である請求項８に記載の装置。
- 電気的にバイアス可能な導波管は、ＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ導波管である請求項８に記載の装置。
- 電気的にバイアス可能な導波管(32;41)及びそれに関連した光学的遅延線は、一体に形成される請求項１に記載の装置。
- 単一チップ上に形成される請求項１に記載の装置。
- 導波管アレーは、関連光ファイバ遅延線(33;43)を各々有する電気的にバイアス可能な導波管(32;41)のアレーより成る請求項１に記載の装置。
- 一次放射ビームを複数の二次放射ビームに分離するための上記手段は、マルチモード干渉スプリッタ(40)である請求項１に記載の装置。
- 電気的にバイアス可能な導波管(32;41)の各々は、電気的にバイアス可能な各導波管(32;41)にわたり電界を変化させる独立した手段(42)を有する請求項１に記載の装置。
- 電気的にバイアス可能な各導波管(32;41)は、独立した可変電源を有する請求項１５に記載の装置。
- 更に、伝播領域内に配置された１つ以上の出力導波管(44)を備え、各出力導波管は、１つ以上の導波管(32;41)から出力される選択された周波数の二次放射ビームを受け取る請求項１に記載の装置。
- 一次放射ビーム(35)の周波数成分を空間的に分離する方法において、
（ｉ）一次放射ビーム(35)にＲＦ変調を適用し、
（ii）一次放射ビーム(35)を、各位相θ1を各々有する複数の二次放射ビームに分離し、
（iii）導波管アレーを形成する複数の電気的にバイアス可能な導波管(32;41)の１つを経て二次放射ビームの各々を送信し、各導波管は、対応する光学的遅延時間をもつ関連光学的遅延線(33;43)を有し、光学的遅延時間は各々異なるものであり、
（iv）各導波管(32;41)にわたって可変電界を付与し、
（ｖ）各導波管(32;41)を経て送信される二次放射ビームの各位相θ1が変化するように各導波管(32;41)にわたり電界を変化させ、
（vi）二次放射ビームを伝播領域へ出力し、それらビームは、１つ以上の他の二次放射ビームと干渉して、伝播領域において種々の位置に１つ以上の最大値を含む干渉パターンを形成し、そして
（vii）伝播領域における各最大値の位置から一次放射ビームの周波数成分を推定する、
という段階を含むことを特徴とする方法。
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