JP4530536B2 - セグメント化された複合回折格子 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の分野
多くの光通信システムは波長分割多重化（ＷＤＭ）を用いた単一の光ファイバで利用できるデータレートを増大させている。他の光通信システムは光コード分割多重アクセス（「ＯＣＤＭＡ」）を用いてデータレートを増大させている。ＯＣＤＭＡシステムは、種々のチャネルが種々の波長を用いるＷＤＭシステムとは異なり、種々の時間コードを有する種々の通信チャネルを符号化している。
【０００２】
米国特許第５１８２３１８号及び米国特許出願０９／２２７０９７号は複数の正弦波状のサブ格子を含む複数プロファイルを有する回折格子について記述しており、各サブ格子は特定の振幅及び空間位相を有している。このような回折格子は、光パルスを特定の入射方向から特定の出射方向に偏向することができ、同時に予め定めたフィルタリング機能により入射パルスのフーリェスペクトラムを多重化することができる。出力信号は入射波形と回折格子の符号化された時間波形との間のクロス相関となる。これらの回折格子は入射ビームを受光し、１つ又はそれ₁ の出射方向に伝播するスペクトル的にフィルタされた出力ビームを発生する。このデバイスのフィルタリング機能は、回折格子のプロフィルを選択することにより編成される。適切に編成することにより、多重伝達機能が達成され、各々はそれ自身の特定の入射方向及び出射方向を有している。
【０００３】
発明の概要
本発明の概念によれば、予め定めた複素値化されたスペクトラル伝達関数を入射光波に適用して出射方向に伝搬するフィルタリングされた光波を発生する装置であって、当該装置が、空間的に個別に構成された複数のサブ格子を具え、各サブ格子が回折素子の周期的なアレイを含む装置を開示する本発明の別の概念は、このような光学装置を製造する方法を含む。このような光学装置を１つ又はそれ以上含む回折格子装置は、例えば特定のコードを有する光信号を時間的に符号化するＯＣＤＭＡデータリングに用いることができ、同一のリングを介して複数のコード化されたチャネルを同時に送信し、システムの出力部において個別のチャネルにデードすることができる。この光学装置は、プログラム可能スペクトラルフィルタリングに用いることができる。
【０００４】
本発明の別の概念において、セグメント化された回折格子は、一端から他端にわたって配列された一連の空間的に個別に構成されたサブ格子を具える。各サブ格子は格子構造（ライン又は複数の一般的な素子）の周期的なアレイを有する。このセグメント化された回折格子の全伝播関数は、（ａ）各サブ格子の空間周期（空間周波数）、（ｂ）各サブ格子の振幅、（ｃ）各サブ格子の最後の回折格子構造と次のサブ格子の初めの回折格子構造との間の間隔、及び（ｄ）各サブ格子の光路長及び透明度、又は各サブ格子と光路長及び透明度を制御するために用いる付加的な材料層との組み合せを制御することにより決定される。
【０００５】
詳細な説明
図１Ａはセグメント化された複合回折格子を用いて光多重化及び多重分離を行うＯＣＤＭＡ通信システム９の線図である。短パルスレーザ１０からコヒーレントな光ビーム１２を発生する。ビームスプリッタ１３は光ビーム１２をビーム１５，１６に分割する。ビーム１５，１６は各変調器１５ａ，１６ａにより変調され、これにより各変調されたビーム１５ｂ，１６ｂを発生する。ビーム１５ａ，１６ａの変調は図１Ａにおいては図示されていない外部データ流によりそれぞれ行う。ビーム１５ｂ，１６ｂは、時間特性が複合回折格子１９の設計した入力パルスに整合するビット流により、レーザ源１０の作動特性、変調器１５ａ，１６ａの動作、又はこれら２つの組合せにより構成される。
【０００６】
ビーム１５ｂ，１６ｂの各々は、各ビーム毎にに相違する角度で複合回折格子１９に入射する。複合回折格子１９は、ビーム１５ｂ，１６ｂに対してそれぞれ作用し、ビームのビーム１５ｂ，１６ｂ毎に光伝送体１１（例えば、光ファイバのような）に個別の出力時間コードを発生する２個の重なり合うセグメント化された回折格子１９₁₅，１９₁₆₍ 図１Ａにおいて図示せず）を具える。（符号化技術及び複合回折格子１９の詳細については後述する）組み合された符号化ビームは光伝送体１１を介して第２の複合回折格子１９ａに伝送される。
【０００７】
複合回折格子１９ａも、光伝送体１１から受信した時間コードに対して作用して各出力ビーム１５ｃ，１６ｃを発生する２個の重なり合ったセグメント化された回折格子１９ａ₁₅，１９ａ₁₆（図１Ａにおいて図示せず）を具える。ビーム１５ｃ，１６ｃはビーム１５ａ，１５ａと同一に変調されている。デコーディング技術及び複合回折格子１９ａについては後述する）ビーム１５ｃ，１６ｃは検出器１５ｄ，１６ｄにより検出され、変調器１５ａ，１６ａを駆動する信号と対応する電気信号に変換される。
【０００８】
図１Ａの通信システムに関して示すように、２本のビームは光伝送体に沿って伝搬する１本の符号化されたビームに結合される（多重化）。このような形式の他のシステムとして、３本、４本又はそれ以上のビームを１本のビームに多重化することができる。結合された符号化ビームは伝送システムに沿って伝送され、その後多重分離される。
【０００９】
図１Ｂは図１Ａの通信システムを通るビーム１６ａの伝送状態を示す。ビーム１６ｂはレンズ６ａによりコリメートされ、ビーム１６ｂは複合回折格子１９内に含まれる２次元のセグメント化された回折格子１９₁₆の全作動幅に入射する。（複合回折格子１９はセグメント化された回折格子１９₁₅をも含む）図１Ｂに示すように、複合回折格子１９は、その異なる面に対応するセグメント化された回折格子１９₁₅，１９₁₆を具える。他の実施例として、このセグメント化された回折格子は単一の表面上の単一の層に結合することができ、この単一の層の光学性能は個々のサブ格子の光学性能を加算することにより決定される。
【００１０】
ビーム１６ｂは第２のレンズにより光伝送体１１に集束される。空間フィルタ８ａにより行われる空間フィルタリング（又は光伝送体１１に入射させることにより行う）によりセグメント化された回折格子１９₁₆の作動的角度出力チャネルが選択される。光伝送体１１を通過した後、レンズ７ａはビーム１６ｂを受光し、セグメント化された回折格子をその作動幅にわたって照明し、複合格子１９ａを透過したビーム１６ｃはコリメータレンズ７ｂにより集束される。レンズ７ｂに後続する空間フィルタ８ｂがセグメント化された回折格子１９ａ₁₆の作動的角度出力チャネルを選択する。複合回折格子１９ａはビーム１５ｂ用のセグメント化された回折格子１９ａ₁₅も具え（図１Ｂにおいては図示されていない）、これらセグメント化された回折格子１９ａ₁₅，１９ａ₁₆は異なる面に存在することができ或いは重なり合うことができる。図１Ｂはビーム１６ｂの光路だけを図示するが、ビーム１５ｂの光路も同様である。
【００１１】
通信システム９は、ビーム１５ｂ，１６ｂの各々をコリメートすると共にこれらビームにより複合回折格子１９の対応するセグメント化された格子１９₁₅及び１９₁₆を異なる角度で照明する機構を含む。各入射ビームに対するレンズ６ａのような個別のレンズにより、ビームをコリメートすると共にセグメント化された格子を照明する例示的な機構を構成する。或いは、単一のレンズ及びこの単一のレンズへの入射条件の制御を用いることができる。空間制御の一例として、単一レンズの前側焦点面に配置され回折格子条件を満たす程度の十分に小さな開口を有する空間フィルタを具えることである。複合回折格子１９ａの出射側に、複合回折格子１９ａと、例えばレンズ７ｂ及び空間フィルタ８ｂのような複数の作動的角度出力チャネルを選択する適切な空間フィルタ機構とを具えるセグメント化された回折格子の角度出力を空間フーリェ分解する機構が存在する。単一のレンズが空間フーリェ分解を行う例示的な機構を構成する。単一レンズの焦点面に位置する開口により作動角度チャネルを選択することができる。作動的角度チャネルを選択する他の方法を用いることもできる。
【００１２】
セグメント化された回折格子１９₁₅，１９₁₆及び１９ａ₁₅，１９ａ₁₆をそれぞれ有する複合回折格子１９，１９ａは、１つ又はそれ以上の方向からの光ビームを受光し、これら光ビームを光ビームの時間波形に依存する態様で１つ又はそれ以上の出射方向に進行させる。特定の入射方向及びこの入射方向と関連する１つの出射方向を検討するに、回折格子の機能は以下のように要約される。入射光ビームの各スペクトラル成分の一部は振幅及び位相が制御されて出射方向にマップされ。複合回折格子は複素値化されたスペクトラル伝達関数を入射光ビームに適用し、出射方向に伝播する入射ビームのフィルタリングされた成分を発生する。フィルタリング機能のスペクトラル分解能は、セグメント化された回折格子の物理的な大きさ及び回折格子に対する光ビームの入射角及び出射角により決定される。各入射方向と各出射方向との間のスペクトラルマッピングは、各マッピングのためのセグメント化された回折格子を用いてほぼ独立してプログラムすることができる。このようなマッピングは、参考として記載する米国特許第５１８２３９４号に記載されている。図１Ａの通信システムにおいて、スペクトラル伝達関数は各セグメント化された回折格子により決定する。
【００１３】
図２Ａは、セグメント化された回折格子１９₁₅，１９ａ₁₅，１９₁₆，１９ａ₁₆と同様なセグメント化された回折格子２０の一例を示す。（複合回折格子１９，１９ａはこのような重なり合い又は結合された２個のセグメント化された回折格子をそれぞれ含む。）単一のセグメント化された回折格子の設計は後述することにし、２個又はそれ以上のセグメント化された回折格子を含む複合回折格子は単一のセグメント化された回折格子の設計手法を繰り返し適用することにより設計される。
【００１４】
セグメント化された回折格子２０は、Ｎ個の空間的に独立したサブ格子２０_iを有し、ここでｉ＝１からＮとし、本例ではＮ＝８とする。他の実施例において、Ｎは８以下又は８以上とすることができる。図２Ｂはセグメント化された回折格子２０の断面図である。図２Ｂに示すように、サブ格子２０_i 各々は、サブ格子２０_i のそれぞれに対して独立して選択した振幅、位相及び周期を有する。（図２Ｂは６個のサブ格子２０_i だけを示す）サブ格子２０_i の構造は、セグメント化された回折格子２０及び関連する光入射及び出射方向を表す座標軸２２及び角度に関して数学的に規定する。便宜を図るため、座標軸２２の原点はセグメント化された回折格子２０の中心２３となるように選択する。セグメント化された回折格子の面はｘ−ｙ面と一致するように設定する。図３Ａを参照するに、入射ライン３１は座標中心２３を通過し入射方向に平行とし、出射ライン３３は座標中心２３を通過し出射方向に平行とする。入射ライン３１及び出射ライン３３は、入射／出射面と称する面を規定する。本明細書において用いる数学的な記述として、ｚ軸は入射／出射面内に位置する。他の実施例において、ｚ軸は入射／出射面内に存在しない。
【００１５】
図３Ａ及び図３Ｂは入射／出射面内における入射角（θ_in）及び出射角（θ_out ）を示す。入射（出射）方向とｚ軸との間の角度はθ_in（θ_out ）とし、ここで角度は図３Ａに示すように正の角度とする。図３Ｂはｘ−ｙ面内で測定した入射／出射面とｘ軸との間の角度θ_a を示す。従って、図３Ａ及び図３Ｂは、セグメント化された回折格子の特定の入射及びフィールド方向及び出射フィールド方向に対する幾何学的配置を示す。セグメント化された回折格子に関して、溝法線はセグメント化された回折格子の面内に存在し原点を通る溝と直交するラインとして規定する。上述したように、溝法線は入射／出射面内に含まれｘ軸と平行とする。別の実施例において、溝法線は入射／出射面に対して別の位置に設定することができる。
【００１６】
入射／出射面がｚ軸を含む場合、入射した光ビームを出射方向に方向決めすると共にスペクトル的にフィルタリングする回折格子構造（溝）は、入射／出射面と直交すると共にセグメント化された回折格子２０の面内又は面上に存在する。同一又は異なるθ_a 値を有する複数のセグメント化された回折格子は同一の基板上側にオーバラップして共通に位置することができる。複合回折格子は単一のセグメント化された回折格子、複数の空間的に重なり合ったセグメント化された回折格子、又は単一の基板上に形成された空間的に重なり合ったセグメント化された回折格子と空間的に分離したセグメント化された回折格子との組合せを含むことができる。
【００１７】
複合回折格子２０は透過型のセグメント化された回折格子を用いるが、反射型のセグメント化された回折格子を用いることもできる。各入射光ビームは相互作用するように構成した各セグメント化された回折格子の動作幅にわたって入射する。図１Ａ〜１Ｂを参照するに、複合回折格子１９及びセグメント化された回折格子１９₁₅，１９₁₆はほぼ平面としｘ−ｙ座標面に平行に配置する。簡単な単一の間隔の回折格子の場合、セグメント化された回折格子は非平面の面形状として構成することができる。例えば、セグメント化された回折格子は、非平面（例えば、凹面又は凸面）の基板上に支持することができる。非平面の形状を用いることにより、入射光ビームの空間波面を制御するだけでなく回折格子をセグメント化することにより生ずるスペクトラル制御を行うことができる。
【００１８】
単一のセグメント化された回折格子は、並んで配置され空間的に分離された一連のＮ個のサブ格子の形態として製造され、その集合的な間隔はセグメント化された回折格子の動作幅を規定する。入射／出射面がｘ軸を含む場合、各サブ格子は入射／出射面と直交する面内に配置した回折構造（例えば、溝）の周期的なアレイを有する。Ｎ個の空間的に順次するサブ格子内の回折構造間の間隔は、必ずしも同一とする必要はないが、典型的には同一にする。Ｎ個のサブ格子は、各々が複合回折格子面の特定のサブセクションを占め、サブ格子が溝法線に沿って順次通過するように書き込まれ又は形成される。特定のセグメント化された回折格子のサブ格子は、典型的には（必ずしもその必要はないが）溝法線と直交する同一のスパン、すなわち同一の高さを有する。各サブ格子の最後の回折構造と順次するサブ格子の最初の回折構造（溝）との間の空間的な間隔は、後述するように制御することができる。
【００１９】
溝の位置を制御することにより、隣接するサブ格子の相対的な空間位相が制御される。回折構造体の振幅も所定のサブ格子内において制御される。サブ格子の間隔及び振幅を制御する形態は回折格子のスペクトラル伝達関数を決定する。セグメント化された回折格子を構成する種々のサブ格子の光学厚さは、位相マスクに加えて基板の厚さを変えることにより或いは回折格子のスペクトラル伝達関数を付加的に制御する当該技術分野において既知の手段により制御することができる。空間的に分離したサブ格子の下側の光学厚さ或いはサブ格子間の間隔を変えることは入射方向から出射方向に伝達される光の相対位相を制御するように作用する。サブ格子間にアクティブデバイスを付加して、サブ格子とサブ格子との間隔をダイナミックに変化させることによりスペクトルフィルタリング機能をダイナミックに再プログラムすることができる。塗布することを含むサブ格子の光学厚さを制御するアクティブデバイスを付加して、スペクトルフィルタリング機能をダイナミックに再プログラムする別の手段を構成することができる。
【００２０】
図２Ａ〜２Ｂに示すセグメント化された回折格子は８個のサブ格子２０_i を有する。サブ格子２０_i は基本的に溝法線に沿って等しい範囲にある。しかしながら、異なる範囲のサブ格子を用いることができる。セグメント化された回折格子２０は透過型の位相格子とするが、反射型の、振幅型の、又は他の一般化された物理的な回折格子とすることもできる。
【００２１】
サブ格子ＺＯ_j の位置に対する透過光位相シフトとの関係を以下の式で表わす。
【数２】

ここでｘ′は溝法線に沿う空間位置座標を表し、ｘ_i はｉ番目のサブ格子溝パターンの空間的な位置シフトであり、関数ｆ_i は指定の溝プロファイルを表わし２πの周期の周期性を有し０と１との間で変調され、φ_i は基板の厚さの変化又は重なり合う位相マスクの変化により導入された光学的位相シフト量であり、Ａ_iは実数値の振幅因子でありｘ_i およびｘ_i ^b はサブ格子ｉのエッジ位置であり、Ａ_i はｉ番目のサブ格子の空間周期である。予め形成した空間的間隔の外側においてｈ_i （ｘ′）＝０とする。添字ｉの範囲は１からとし、個々のサブ格子を示す。用いるサブ格子についてパラメータＡ_i , φ_i , ｘ_i 及びΛ_i を特定することにより、広い範囲にわたるスペクトラルフィルタリング関数を符号化することができる。
【００２２】
特定の予め定めたスペクトラル伝達関数を形成するために必要なパラメータＡ_i , φ_i , ｘ_i 及びΛ_i は種々の方法で選択される。例えば、セグメント化された回折格子はＮ個の伝達係数によって近似される予め定めたスペクトラル伝達関数Ｔ_(D) （ここで、νは光周波数とする）を形成するように構成することができ、各伝達係数はＴ（ν）の非零の幅で集合的に間隔が形成されているＮ個の連続する周波数チャネルのうちの１つの周波数チャネルに対応する。ここでＴ（ν）は周波数ν₀ に中心を有する幅δνの特有のスペクトラル領域にわたって非零となる。この目的を達成するようにＴ（ν）を近似するため、セグメント化された回折格子はほぼＮ個のサブ格子を必要とする。予め定めた分解能でフィルタリングするため、サブ格子は近似的にｃ／〔δν(sinθin＋ sinθout)〕の空間幅を必要とし、ここで、ｃは真空中での光束である。回折格子の全体の幅は、サブ格子が連続する場合、近似的にＮｃ／〔δν(sinθin＋ sinθout)〕により与えられる。例えば、δν＝１００ＧＨｚとし、θｉｎ＝０とし、θｏｕｔ＝４５°とし、Ｎ＝８とすると、Ｔ（ν）のセグメント化された回折格子の全体の空間幅は約３．４ｃｍとなる。
【００２３】
セグメント化された回折格子を構成するＮ個のサブ格子の全てについてのパラメータ（Ａ_i , φ_i , ｘ_i 及びΛ_i ）はスペクトラル伝達関数Ｔ（ν）を決定する。サブ格子のパラメータを与えれば、セグメント化された回折格子のスペクトル伝達関数を決定することができる。これとは反対に、予め定めたスペクトラル伝達関数が与えられる場合、対応するセグメント化された回折格子を作成するために必要なサブ格子のパラメータを決定することができる。尚、ここに記載した数式は、説明を促するためある仮定を含んでいるが、式はは一般化することができるものと解すべきである。
【００２４】
セグメント化された回折格子によりサブ格子のパラメータの式で表わされるスペクトラル伝達関数Ｔ（ν）についての説明を初めに行なう。（１）Ａ_i ＜＜１又はＡ_i ＝Ａ＝一定、（２）格子出力は正又は負の１次（ｍ＝±１）のいずれかとし、（３）Ｎ個のサブ格子は等しい間隔幅（ｄ＝ｘ_i ^b −ｘ_i ^a ＝一定）及び等しい間隔周期（Λ_i ＝Λ＝一定）を有すると共に連続するとの仮定のもとで、セグメント化された回折格子のスペクトラル伝達関数Ｔ（ν）はサブ格子パラメータの和として以下のように表わすことができる。
【数３】

ここで
【数４】

及び
【数５】

Ｆ（ν）はサブ格子の空間フーリエ変換であり、
【数６】

ここで、ｊは
【外１】

であり、Ｃは溝プロファイルに依存する定数であり、ｘ′の原点の選択に依存する位相因子を含む。関数sin ｃ(x) ＝ sin(x) ／ｘとする。数（２ａ）〜（２ｅ）の記載において、出力信号はサブ格子のプラス１（ｍ＝１）又はマイナス１（ｍ＝−１）の回折次数から取り出すものとする。高次（正又は負）に関しても同様な表現を得ることができる。
【００２５】
特有の伝達関数を有するセグメント化された回折格子を設計するため、各サブ格子のパラメータを決定する。これを行なうため、式（２ａ）をａ_i について解き以下の式を得る。
【数７】

式（２ａ）からＡ_i はａ_i の振幅に等しい。上記式から明らかなように、量ｘ_i及びφ_i は共にａ_i の位相を決定する。式（２ｂ）及び（３）に含まれるｘ_i 及びφ_i の適切な組み合わせは回折格子の設計者において適切に選択することができる。パラメータΛは、周知の回折の式ｓｉｎ（θin) ＋ｓｉｎ（θout)＝ｍλ／Λを用いて、搬送周波数ν₀ の光がθｉｎからθｏｕｔへ最も強く回折されるように選択する。ここで、λ₀ ＝ｃ／ν₀ は所望の伝達関数の中心周波数とする。角度θｉｎ及びθout はＴ（ν）についての設計者の入力とする。数学的に、Λは、数式βν₀ Λ＝ｍの解として選択する。
【００２６】
変形例として、サブ格子のパラメータを得るより一般的な解法は、所望の伝達関数を発生する連続する格子プロファイルを計算することである。ｘ′の関数としての回折格子の透過位相が以下の式で与えられる場合、
【数８】

θout 方向の回折格子のスペクトラル伝達関数はＴ（υ）となる。ここで、Ｄは回折格子の幅である。θｉｎ、θｏｕｔ及びＴ（υ）は設計者の入力である。式（４）により与えられる連続する透過位相プロファイルをオブ格子の製造に含まれるセグメント化された位相プロファイルに変換する必要がある。構成するサブ格子を規定するパラメータに直接マップされ得る一定の位相セグメントを表わすパラメータは以下のように決定することができる。連続する表面位相プロファイルｈ（ｘ′）は、ゆるやかに変化する振幅及び位相シフトを有する搬送波空間変調により構成される。サブ格子ｉの物理的な範囲にわたる空間位相シフトの代表的な平均が決定され、φ_i 及びｘ_i の値は式（４）から決定された空間位相シフトに整合するように適切に調整され組み合される。同様に、サブ格子ｉの物理的な範囲内で式（４）から与えられる格子振幅の代表的な値が決定され、Ａ_i はこの格子振幅に等しくなるように設定する。空間周期Λ_i は式（４）により与えられるｈ（ｘ′）の搬送波変調周期に等しく設定する。この手法の変形例は、各サブ格子の範囲内の空間搬送波、振幅及び位相を個別に決定することである。この手法により、サブ格子毎にΛ_i を変化させることができる。
【００２７】
光入力波形と基準光波形との間の光学的なクロス相関機能を行なうセグメント化された回折格子の場合、回折格子のスペクトラル伝達関数は基準光波形のスペクトラルの複素共役となる必要がある。ここで、光クロス相関の機能とは、作動出射方向における回折格子から出射する電界が、（ａ）作動入射方向に沿って回折格子に入射する入射光波形と（ｂ）共役なスペクトラムが回折格子のスペクトラル伝達関数と一致する特定の基準光波形との間の時間クロス相関を表わすことを意味する。
【００２８】
時間プロファイルが、光波の振幅及び位相が一定である一連のＭ個の連続する時間スライスとして表わされる光パルスのような基準光波形について検討する。各時間スライスｉ（ｉ＝１，--- Ｍ）において、電界は一定の振幅Ｂ_i 及び位相φ_i を有する。従って、基準波形は、各時間スライスの光搬送波周波数及びこの波形の全時間期間の複素数の組〔Ｂ₁ ｅｘｐ（ｊφ₁ ）〕、Ｂ₂ ｅｘｐ（ｊφ₂）〕--- Ｂ_M ｅｘｐ（ｊφ_M ）〕により決定される。図３Ｃは、セグメント化された回折格子４２に入射した形態〔Ｃ₁ ｅｘｐ（ｊφ′₁ ），Ｃ₂ ｅｘｐ（ｊφ′₂ ），Ｃ₃ ｅｘｐ（ｊφ′₃ ）_, Ｃ₄ ｅｘｐ（ｊφ′₄ ）の時間符号化された光パルス４０を線図的に示す。
【００２９】
光波がセグメント化された回折格子４２のような回折格子に入射した場合、セグメント化された回折格子４２は、用いた特定のθin及びθout についての回折格子スペクトラル伝達関数によって表されるように入射した光波をスペクトル的に濾波する。セグメント化された回折格子が基準光波に対してクロス相関の機能を行なう場合、サブ格子は基準光波の「時間反転した」複素共役となるパラメータを有する必要がある。例えば、８個のセグメントを有するサブメント化された回折格子の場合、
【数９】

となり、サブ格子のパラメータは、式（２ａ）〜（３）の仮定が整合する場合、式（２ｂ）により与えられるａ_i と関連する。クロス相関の操作を用いて光信号の多重化及び多重分離することができる。
【００３０】
格子セグメントの回折効率は、セグメント化された回折格子の溝プロファイルに依存する。スペクトラル伝達関数の大きさ及び式（２ｅ）の定数Ｃは回折効率に依存する。
【００３１】
以下の事項は図１Ａの通信システム９で用いた複合回折格子１９，１９ｂを特定する。上述したように、複合回折格子１９，１９ａは、それぞれ２個の重なり合ったセグメント化された回折格子１９₁₅１９₁₆と１９_a15,１９_a16 とを具える。複合回折格子１９は符号化されていないデータ流を受信し、時間符号化されたデータを共通のチャネルに出力する。複合回折格子１９ａは時間符号化されたデータを受信し、個別の時間コードを個別の出力方向に出力と共に同時に時間符号化をストリップオフする。複合回折格子１９ａはクロス相関処理を行う。一例として、複合回折格子 １９，１９ａはそれぞれ２個の重なり合ったセグメント化された回折格子１９₁₅，１９₁₆と１９_a15,１９_a16 を具え、位置に対する全透過光位相シフトは二個のセグメント化された回折格子の透過光位相シフト関数の和となる。一例として、溝のプロファイルは、５０％のデューディサイクルを有する正方形（正方形波）の溝プロファイルとする。サブ格子の振幅は、第１及び第２セグメント化された回折格子についてＡ_i ＝π／２とし、複合回折格子１９，１９ａの回折効率は作動出力方向において約２０％とする。このような透過形回折格子を、屈折率η₀ ＝１．５０基板上にエッチング形成する場合Ａ_i ＝π／２の位相変調に相当するエッチング深さは、１．５４μｍの搬送波波長に対して０．７７μｍとなる。本例において、入射／出射面はｚ軸を含んでいる。複合回折格子１９，１９ａは８個のサブ格子を有し、各サブ格子は１ｍｍの幅を有し、従って格子全体の幅は８ｍｍとなる。複合回折格子１９，１９ａを構成するセグメント化された回折格子１９₁₅，１９₁₆，１９_a15,１９_a16 はθ_a ＝0 °を有し、１９５Ｔｚの搬送波周波数（約１λ＝１．５４μｍの搬送周波長）を有する光データ流について設定されている。
【００３２】
複合回折格子１９の第１のセグメント化された回折格子により制御される光データチャネルは、入射角θ_in＝１７．９４°及び出射角θ_out ＝０°を有するように特定されている。第１のセグメント化された回折格子の全てのサブ格子について、格子間隔はΛ＝５μｍとする。第１のセグメント化された回折格子は、θτ_p ＝１ｐｓの時間時に短い符号化されたパルスを受光し、θ_out ＝０°の多重化された出射方向に時間的に符号化されたパルスを発生するように設計されている。時間期間が約Ｉ_p ＝８ｐｓで以下の時間コードを有する出力パルスを発生させるため、
【数１０】

第１のセグメント化された回折格子の対応するサブ格子ｘ_i 及びφ_i パラメータは、〔ｘ₁ ，ｘ₂ ，・・・，ｘ₈ 〕＝〔0.0 μｍ，0.0 μｍ，0.0 μｍ，-1.67μｍ, 1.67μｍ, 0.0 μｍ，1.67μｍ, 1.67μｍ〕及び〔φ₁ ，φ₂ ・・・φ₈〕＝〔０，０，０，０，０，０，０，０〕とする。
【００３３】
第２のセグメント化された回折格子は、以下の共通の仕様を有する８個のサブ格子の組で構成する。Λ＝３μｍ、θ_in＝30.89 °、θ_a ＝０°、及びθ_out ＝０°第１のセグメント化された回折格子と同様に、第２のセグメント化された回折格子は、入射方向に移動する最適時間期間Δτ_p ≒1.71ｐｓのデータビットを受光し、時間期間がτ_p ＝１３．７の時間的に符号化されたビットをその出射方向に発生する。これら第１及び第２のセグメント化された回折格子は共通の出射方向を有する。第２のセグメント化された回折格子からの符号化された出力ビットが以下の形態を有する場合、
【数１１】

第２のセグメント化された回折格子の対応するサブ格子パラメータは〔ｘ₁ ，ｘ₂ ，・・・，ｘ₈ 〕＝〔0.0 μｍ，1.0 μｍ，10μｍ，0.0 μｍ,-1.0 μｍ, 0.0 μｍ，-1.0μｍ〕及び〔φ₁ ，φ₂ ・・・φ₈ 〕＝〔０，０，０，０，０，０，０，０〕となる。第２のセグメント化された回折格子のフィルタリング帯域幅はδ_v ≒１／Δτ_p すなわち０．６ＴＨｚである。
【００３４】
光伝送体１１を共通に伝播する多重化されたビームは複合回折格子１９ａにより多重分離する。図１Ａ〜図１Ｂお多重分離複合回折格子１９ａは、設計的に複合回折格子１９と同一である。回折格子１９ａに対する入射角がθ_in＝０°の場合、多重分離された出力ビームは第１及び第２の基準光波に対してそれぞれ角度θ_out ＝−１７．９４°及びθ_out ＝−３０．８９°で集光される。これらの回折格子仕様を用いる場合、図１Ａのレーザ１０は、好ましくは１ｐｓ（２個のセグメント化された回折格子の最小Δτｐにより与えられる）の最大時間パルス幅（ＦＷＨＭ）を有する。
【００３５】
リソグラフィ（光学的又は電子ビーム）を用いることにより、基板上に点対点で表面プロファイルを形成してセグメント化された回折格子及び複合回折格子を形成することができ、サブ格子の空間位相シフトを有するセグメント化された回折格子は透過又は反射表面上に直接形成することができる。この技術を用いることによりサブ格子の振幅の制御も可能である。さらに、種々のホログラフィ技術を用いて制御された表面プロファイル特性を有するサブ格子順次に又は同時に記録することができる。
【００３６】
図４は格子基板を空間的に位置決めすることにより制御された空間位相を有するサブ格子を製造するためのセグメント化された回折格子（及び複合回折格子）の製造方法を示す。標準のホログラム記録で用いられる２本のビーム間の角度又は２本のビームの波長を用いて格子周期を制御することができる。空間位相シフトは格子基板を平行移動することにより露光と露光との間に導入することができる。従って、幅ｄ＝Ｄ／Ｎ（ここで、Ｄは全格子長である）の開口マスク４５をＮ回移動し各マスク位置毎に記録材料を露光することにより、図４に示すように、Ｎ個のサブ格子を記録することができる。露光と露光との間で格子基板を溝法線に沿ってシストする。サブ格子ｉの露光に先立って固定された基準位置に対して基板を距離ｘ_i だけシフトする。サブ格子の露光毎に書込ビームの強度を制御することによりサブ格子の振幅Ａ_i を制御することができる。
【００３７】
空間位相シフトを有するサブ格子から成るセグメント化された回折格子の同様な製造方法は、光学厚さにより符号化されたサブ格子位相シフトを有する位相−コードマスクを用いる単一の露光ホログラフィを用いる。マスクは２本の干渉ビームのうちの一方のビーム中に基板と近接して配置する。これらのビームが基板の反対側から入射する場合、この位相−マスクは格子基板に直接接触させることができる。
【００３８】
図５は制御された空間位相シフトを有するＮ個のサブ格子を有する回折格子を製造するホログラフィ法を示す。この技術は２本の書込ビーム５１，５３間の位相差φ_i を制御する。書込ビーム５１，５３の強度を制御することにより、基板の振幅も制御することができる。光学的を位相差はビームがオーバラップするサンプル上の干渉パターンの位置を決定し、その強度は干渉パターンの変調振幅を制御する。サブ格子は、サンプル領域全体を干渉パターンで照明することにより記録されるが、幅ｄの開口を利用することにより開口の背後の領域だけを露光し記録することができる。サンプルに対して開口をＮ回空間的にシフトすることにより一連のＮ個のサブ格子を形成することができ、各格子はｉ番目のサブ格子の露光中に用いた位相差φ_i により決定される位相を有する。
【００３９】
図６は「マスタ位相マスク」と称されているサブ格子の製造方法を示す。この方法において、単一の書込ビームはマスタ位相マスク回折格子６３と協働させる。マスタ格子６３に入射する書込ビーム６１が回折されて、ビーム６５，６７のような１本又はそれ以上の特別な出射ビームが発生する。書込ビーム６１と。回折したビームとか互いに干渉して干渉パターンが発生し、この干渉パターンを用いてマスタ格子のほぼ複製を記録することができる。この回折格子の性能により、マスタ格子を用いて回折格子の形成に必要な干渉パターンを発生することができる。各サブ格子の位相は、マスタ格子を平行移動することにより或いは基板を順次マスクして露光することにより導入される。
【００４０】
位相シフトφ_i は基板の光学厚さを選択することにより制御することができる。図７は、サブ格子が厚さの変化する基板に形成される２個のセグメント化された回折格子を示す。基板の厚さの変化によりサブ格子のパラメータφ_i が制御される。より一般的には、φ_i は、サブ格子基板の光路長を変化させる当該技術分野で既知のいかなる手段も利用することができる。例えば、サブ格子の基板の屈折率の変化によりφ_i が制御される。
【００４１】
種々の製造方法によりφ_i を制御することができる。リソグラフィにより、溝のプロファイルだけでなく表面レベル（つまり、基板厚さ）を変化させることができる。プログラムされたリソグラフィによる表面レベルの変化によりφ_i が制御される。各サブ格子が占める空間領域にわたって特定された光学厚さを有するように形成された基板に対して、ボログラフィ的、リソグラフィ的又は機械的レーリング法を実施することができる。光学厚さを制御することは、エッチング又は薄膜コーティングを含む当該技術分野において既知のいかなる方法によって達成できる。尚、これらの方法に限定されるものではない。
【００４２】
各サブ格子についてのφ_i の値は、一定厚さの基板に配置した個別の位相マスクを用いて制御することもできる。
【００４３】
回折格子は、フーリェ合成法を用いて、各々がセグメント化された回折格子の幅全体にわたって間隔形成するように複数の周期的な格子を重ね合わせることにより製造することもできる。周期的な格子は、加算された場合にセグメント化された回折格子のプロファイルを形成する相対位相、振幅、及び空間周期を有する。周期的な格子は所望の格子プロファイルを有するフーリェ素子とする。多くのフーリェ素子はサブ格子を一層鮮明に規定する。
【００４４】
回折格子はホログラフィ法又はリソグラフィ法により製造することができる。感光性基板を複数回ホログラフィ露光し、各露光が特定の周期格子を形成することにより所望の格子プロファイルを記録することができる。リソグラフィ法によりマルチパス書き込みを行い、各パスを用いて１つの周期的な格子を書き込む。
【００４５】
リソグラフィ法及びボログラフィ法により、回折格子は、パワーを適切な回折次数に分布させる鋸波、方形波、正弦波、又は他の格子形状のような格子形状を含む任意の変調プロファイルを有することができる。図８は、鋸波変調プロファイルを有する図２Ｂに示す回折格子と同様な回折格子の線図である。
【００４６】
本明細書で提示したセグメント化された回折格子についての説明は、利得格子、吸収性格子、ファイバ格子及び周波数選択性材料の格子を含むものである。
【００４７】
ダイナミックな回折格子も形成することができる。上述した実施例において、回折格子はスタテックである。以下において、スペクトラルフィルタリング機能に関してダイナミックに再プログラムされる回折格子の実施例について説明する。上述した実施例において、複合回折格子（及びセグメント化された回折格子）のスペクトラル伝達関数は、サブ格子のＡ_i ，φ_i ，ｘ_i 及びΛ_i により決定されていた。一般的に、これらパラメータの１つ又はそれ以上のパラメータをダイナミックに制御することが当該技術分野において既知の手段により回折格子をダイナミックに再プログラムすることができる。種々の方法により回折格子をダイクロイックに再構成することができ、例えば基板又はコーティング層の屈折率を制御することによりφ_i 及びＡ_i を制御することができる。上述した方法により形成された回折格子は、例えば電界の印加、加圧、流体供給、又は光照射を含む当該技術分野において既知の標準の手段により屈折率が制御される材料を被着することができる。上側層の屈折率を制御する手段が回折格子を構成するサブ格子と基本的に一致する空間領域に対して種々の作用を行う場合、φ_i 又はＡ_i のいすれかを制御することができる。φ_i だけを制御する場合、上側層を基板の溝と反対側に形成することができる。当該技術分野で既知の手段により導入される上側層の光学厚さを変化させることにより、φ_i も変化させることができる。上側層の回折格子の側の溝に形成する（溝内に充填する）場合、φ_i 及びＡ_i の両方を制御することができる。Ａ_i は溝と上側層との間の屈折率差を変えることにより制御することができる。φ_i は、（上側層が基板の溝とは反対側に形成される場合）、上側層の光路長を制御することにより制御することができる。比ΔＡ_i／Δφ_i は、上側層の厚さを調整することにより変えることができる。ここで、ΔＡ_i （Δφ_i ）は上側層の屈折率の所定の変化により導入されるＡ_i （φ_i ）の変化である。Ａ_i だけの制御は基板の両側への上側層の形成及び上側層の輪郭形成を含む種々の方法により達成できるので、２個の層の屈折率の変化により導入される光路差が相殺されφ_i の変化も相殺される。他方において、位相サブ格子の振幅の変化は１つの上側層だけの屈折率変化により支配され、相殺することはない。Ａ_i だけの制御は格子の溝側に２つの別々に制御される上側層を積層することにより達成できる。両方の層を通過する際の光路差は一定になるように設定される。
【００４８】
複素φ_i は基板又は上側層の透過率を制御することにより制御することができる。式（１）のｈ_i （ｘ’）を再度検討し、一般化された回折格子の複素振幅透過率関数を規定し、以下に示す、
ｈ_i （ｘ’）＝ｅｘｐ（ｊｈ_i （ｘ’）） （５）
この式において、ｈ_i （ｘ’）を複素数であるとして利得回折格子又は吸収回折格子を上述した処理に含ませることができる。振幅因子Ａ_i が複素数であると考えた場合、虚数部は回折格子の振幅の損失又は減衰を示す。さらに、φ_i が複素数となるように一般化することにより、基板透過率の変化又は重ね合わされた振幅マスクの変化によりサブ格子に吸収又は利得を導入することができる。
【００４９】
前述した回折格子は、例えば液晶振幅変調器又は電気吸収性材料を用いることを含む当該技術分野において既知の標準の手段により光透過性が制御される材料を上側形成することができる。上側層の透過率を制御する手段が、セグメント化された回折格子を構成するサブ格子と基本的に一致する空間領域に作用する場合、φ_i の虚数部を制御することができる。φ_i を変化させることは、式（１〜４）において説明した伝達関数Ｔ（ν）を変化させることができる。
【００５０】
図１Ａに示す通信システムにおいては、ＯＣＤＭＡ符号化を用いて２個の光チャネルが多重化されている。図９に示すように、別のチャネルを符号化、多重化、及び多重分離することができる。図９に示す実施例において、４個のチャネル９０１、９０２、９０３及び９０４が変調器９０１ａ〜９０４ａにより変調され、複合回折格子９１９により多重化され、光伝送体９１１に送信され、複合回折格子９１９ａにより多重分離され、検出器９０１ｄ〜９０４ｄにより検出されている。複合回折格子９１９，９１９ａは、前述した形式の４個の重なり合ったセグメント化された回折格子を具える。
【００５１】
本発明を実施例に基づいて説明したが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく当業者にとって種々の形式的な変更及び細部の変形が可能であるものと理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 多重化された通信システムの線図である。
【図１Ｂ】 図１Ａの光路の線図である。
【図２Ａ】 セグメント化された回折格子の平面図である。
【図２Ｂ】 図２Ａのセグメント化された回折格子の線図的断面図である。
【図３Ａ】 図２Ａ〜２Ｂのセグメント化された回折格子に入射する光ビームの入射角及び出射角を示す線図である。
【図３Ｂ】 入射光ビーム及び出射ビームを含む面とｘ軸とのなす角度を示し、角度はｘ−ｙ面内で測定する。
【図３Ｃ】 ４個の連続する等しい幅のサブ格子を有するセグメント化された回折格子に入射する時間的にコード化された光パルスを示す。
【図４】 セグメント化された回折格子の製造方法を示す。
【図５】 セグメント化された回折格子の別の製造方法を示す。
【図６】 セグメント化された回折格子の別の製造方法を示す。
【図７】 異なる光学厚さを有する２個のサブ格子の断面図である。
【図８】 鋸波形状を揺する２個のサブ格子の断面図である。

Claims (14)

1. 複数の光データストリームを多重化及び多重分離する光通信システムにおいて、当該光通信システムは、
   マルチプレクサと、
   デマルチプレクサと、
   前記マルチプレクサと前記デマルチプレクサとの間の光伝送手段と、
   データストリーム毎に変調され、それぞれ異なる予め定められた基準光波形であって、各基準光波形が時間コードを規定する一連の時間スライスを有し、各時間スライス内の前記基準光波形の振幅及び位相が一定である基準光波形に従う各光ビームを、前記マルチプレクサに向けるように機能する複数の光学的手段と、
   を備え、
   前記マルチプレクサは２つ以上のセグメント化された回折格子を含む複合回折格子を備え、各セグメント化された回折格子は、予め定められた各基準光波形のスペクトラルの複素共役に対応するスペクトラル伝達関数を有し、前記マルチプレクサは、各光データストリームを作動入射方向に沿って各セグメント化された回折格子に向け、各セグメント化された回折格子の時間コードで符合化されたデータストリームにそれぞれ対応する複数の出射ビームを生成し、組み合わされた時間符合化ビームを形成するために前記出射ビームを前記光伝送手段に結集させることにより複数の光データストリームを多重化し、
   前記デマルチプレクサは２つ以上のセグメント化された回折格子を含む複合回折格子を備え、各セグメント化された回折格子は、前記マルチプレクサの各セグメント化された回折格子の予め定められた基準光波形のスペクトラルの時間反転複素共役に対応するスペクトラル伝達関数を有し、前記デマルチプレクサは、複数の光データストリームを生成するように、前記デマルチプレクサの複合回折格子の各出射方向に沿って前記光伝送手段に到達する時間符合化されたビームの一部を向けることにより前記組み合わされた時間符合化ビームを多重分離し、前記デマルチプレクサの前記複合回折格子の前記セグメント化された回折格子は、各データストリームが各データストリームを符号化するために用いられる時間コードごとに固有の方向に出射されるように構成されている、
   光通信システム。
2. 請求項１に記載の通信システムにおいて、前記各セグメント化された回折格子は、空間的に個別に構成されたサブ格子を備え、各サブ格子は回折素子の周期的なアレイを有している通信システム。
3. 請求項２に記載の通信システムにおいて、各サブ格子が基板の厚さ変化又は重ね合された位相マスクにより導入された振幅、空間位相シフト、空間周期、及び光学的位相シフト（Ａ_i ，ｘ_i , Λ_i ，φ_i ）を有し、ｊは−１のルートとし、ｍを回折次数とし、νを入射光波の周波数とし、Ｆi （ν）をサブ格子の空間フーリエ変換とし、β＝（sinθ_in＋sinθ_out ）／Ｃとし、Ｃを真空中の光速とし、θ_in及びθ_out を入射光波の伝播方向及びフィルタリングされた光波の伝播方向とサブ格子に対する法線とのなす角度とし、ｄをサブ格子の幅とした場合に、前記複素値化されたスペクトラルフィルタリング関数Ｔ（ν）を適用する各サブ格子の振幅及び位相パラメータが、
   

   

   に基づいて決定され、Ａ_i がａ_i の振幅により決定され、ｘ_i 及びφ_i がａ_i の位相により決定される通信システム。
4. 請求項２に記載の通信システムにおいて、前記サブ格子が、前記予め定めたスペクトラル伝達関数を入射光波に適用するように位置する通信システム。
5. 請求項２に記載の通信システムにおいて、前記様々なサブ格子のそれぞれの振幅が前記スペクトラル伝達関数を制御する通信システム。
6. 請求項２に記載の通信システムのセグメント化された回折格子において、前記サブ格子が光学厚さを有すると共に厚さを有する基板に形成され、前記サブ格子の光学厚さが基板の厚さ変化により制御される通信システムのセグメント化された回折格子。
7. 請求項２に記載の通信システムにおいて、さらに、サブ格子の光学厚さ、サブ格子の透過率、及びサブ格子の配置を含むサブ格子パラメータをダイクロイックに変化させるアクティブデバイスを具え、前記サブ格子を前記スペクトラル伝達関数に対応するようにダイクロイックに再編成するように構成した通信システム。
8. 請求項２に記載の通信システムにおいて、前記サブ格子を透過型回折格子とした通信システム。
9. 請求項２に記載の通信システムにおいて、前記サブ格子を反射型回折格子とした通信システム。
10. 請求項２に記載の通信システムにおいて、前記サブ格子は平面を有する通信システム。
11. 請求項２に記載の通信システムにおいて、前記サブ格子は、入射光波を所望の出射空間波面にマップするように非平面を有する通信システム。
12. 請求項２に記載の通信システムにおいて、前記セグメント化された回折格子は重ね合わされている通信システム。
13. 請求項２に記載の通信システムにおいて、前記セグメント化された回折格子は、単一の層を形成するために結合されている通信システム。
14. 光通信システムを動作させる方法であって、当該方法が、
    データストリーム毎に変調され、それぞれ異なる予め定められた基準光波形であって、各基準光波形が時間コードを規定する一連の時間スライスを有し、各時間スライス内の前記基準光波形の振幅及び位相が一定である基準光波形に従う各光ビームの形で、複数の光データストリームを提供するステップと、
    ２つ以上のセグメント化された回折格子であって、各セグメント化された回折格子が、予め定められた基準光波形のスペクトラルの複素共役に対応するスペクトラル伝達関数を有するセグメント化された回折格子を含む複合回折格子を備えるマルチプレクサに前記光ビームを向けるステップと、
    前記マルチプレクサによって、各光データストリームを各セグメント化された回折格子に作動入射方向に沿って向けること、各セグメント化された回折格子の時間コードで符合化されたデータストリームにそれぞれ対応する複数の出射ビームを生成すること、そして、２つ以上のセグメント化された回折格子であって、各セグメント化された回折格子が、前記マルチプレクサの各セグメント化された回折格子の予め定められた基準光波形のスペクトラルの時間反転複素共役に対応するスペクトラル伝達関数を有するセグメント化された回折格子を含む複合回折格子を備えるデマルチプレクサへの光伝送手段を通るように前記出射ビームを組み合わされた時間符合化ビームに結集させることにより複数の光データストリームを多重化するステップと、
    前記デマルチプレクサによって、複数の光データストリームを生成するように、前記デマルチプレクサの複合回折格子の各出射方向に沿って前記光伝送手段に到達する時間符合化されたビームの一部を向けることにより前記組み合わされた時間符合化ビームを多重分離するステップであって、各データストリームが、前記デマルチプレクサの前記複合回折格子の前記セグメント化された回折格子によって、各データストリームを符号化するために用いられる時間コードごとに固有の方向に出射されるステップと
    を含む光通信システムを動作させる方法。

Images