JP7228168B2 - 光サーキュレータ - Google Patents

Description

本発明は、一般に、光サーキュレータの分野に関する。具体的な実施形態は、例えば、一次元以上にわたる光の方向づけに基づく、環境の空間プロファイルの推定を容易にするシステムおよび方法に関する。

空間プロファイリングとは、所望の原点から見た環境のマッピングである。視野内の各々の点またはピクセルは、環境の表現を形成するために距離に関連付けられる。空間プロファイルは、環境内の物体および／または障害物の識別に有用であり、それによって、タスクの自動化を容易にできる。

空間プロファイリングの１つの技術は、特定の方向において、環境に光を送り込むステップと、その方向から、例えば、環境内の反射表面によって、反射された任意の光を検出するステップとを含む。反射光は、反射面までの距離を決定するための関連情報を搬送する。特定の方向と距離との組み合わせは、環境の表現において点または画素を形成する。上述のステップは、複数の異なる方向に対し繰り返されて、表現の他の点または画素を形成でき、それによって、所望の視野内の環境の空間プロファイルの推定を容易にする。

本明細書中の先行技術への言及は、この先行技術が任意の権限における共通の一般的知識の一部を形成すること、または、この先行技術が当業者によって、他の先行技術の一部と理解されること、関連すると見なされること、および／もしくは、組み合わされることが合理的に予測できることを承認するものでも、任意の形態で示唆するものではなく、かつ、そのように見なされるべきものでもない。

光サーキュレータが開示される。また、光学システムも開示されている。また、環境の空間プロファイルの推定を容易にするための光学システムも開示されている。光学システムは、光サーキュレータを有する構成にできる。

いくつかの実施形態では、光サーキュレータは、（例えば、光源から）光を受信する入力ポートと、環境に光を送信し、環境から光を受信する双方向ポートと、（例えば、受信機に）光を出力する出力ポートとを備える。出力ポートは、入力ポートから空間的に変位されている。コアは、入力ポートから双方向ポートへ、および双方向ポートから出力ポートへの光の方向を生じさせる。コアは、光を別個の偏光に分離し、一方または双方の偏光をコアを通して方向づけることにより、光の方向を生じさせる。

特定の実施形態では、光サーキュレータは、光を受信する入力ポートと、光を出力し、入力ポートから空間的に変位された出力ポートと、入力ポートから出射光路への光の方向を生じさせ、入射光路から出力ポートへの光の方向を生じさせるコアとを備え、出射光路および入射光路は少なくとも部分的に重なるように空間的に配置される。

特定の実施形態では、光サーキュレータは、１以上の入力ポートおよび１以上の出力ポートを備え、かつ、１以上の入力ポートおよび１以上の出力ポートと光学的に連通している、第１複屈折結晶と、第１複屈折結晶に続く非相反偏光回転素子と、および非相反偏光回転素子に続く第２複屈折結晶とを備える。第１複屈折結晶は、光サーキュレータを通る光の進行方向に対して横切る第１軸に対してゼロ以外の第１量だけ回転される第１表面を有し、第２複屈折結晶は、第１軸に対して、第１量またはゼロ以外の第２量だけ回転される第２表面を有し、第１表面および第２表面は、反対方向に回転される。

特定の実施形態では、光サーキュレータは、１以上の入力ポートおよび１以上の出力ポートと、１以上の入力ポートおよび１以上の出力ポートと光学的に連通し、第１複屈折結晶と、第１複屈折結晶に続く非相反偏光回転素子と、非相反偏光回転素子に続く第２複屈折結晶とを有する光学アセンブリとを備える。非相反偏光回転素子は、半波長板素子等の第１部品と、ファラデー回転子等の第２部品とを有する。第１部品は、光サーキュレータを通る光の進行方向に対して横切る第１軸に対してゼロ以外の第１量だけ回転される第１表面を有し、第２部品結晶は、第１軸に対して、第１量またはゼロ以外の第２量だけ回転される第２表面を有し、第１表面および第２表面は、反対方向に回転される。

特定の実施形態では、環境の空間プロファイルの推定を容易にするためのシステムは、複数の波長チャネルのうちから選択された１以上の波長チャネルでの出射光を提供する光源と、環境によって反射された出射光の少なくとも一部に対応する入射光を検出する光検出器と、光サーキュレータと、ビームステアラとを備える。光サーキュレータは、１以上の入力ポートを介して出射光を受信し、受信した出射光を双方向ポートを介して出射経路に向けて送信し、入射経路上の入射光を双方向ポートを介して受信し、受信した入射光を出力ポートを介して光検出器に送信し、出射経路および入射経路は、少なくとも部分的に重なり合うように空間的に配置され、出力ポートは、１以上の入力ポートから空間的に変位されている。ビームステアラは、環境の方向の出射経路上の出射光を、複数の波長チャネルのうちの選択された１以上の出射方向に基づく、それぞれ１以上の出射方向に方向づけ、環境から入射経路上に反射した入射光を光サーキュレータの方向に方向づける。検出された光に関連する１以上の特性は、１以上の出射方向に関連する環境の空間プロファイルの推定のための情報を有する。

特定の実施形態では、光学システムは、出射光を提供する光源と、入射光を受信する受光器と、光サーキュレータとを備える。光サーキュレータは、１以上の入力ポートを介して出射光を受信し、受信した出射光を双方向ポートを介して自由空間環境にある出射経路に直接送信し、入射光を双方向ポートを介して、出射経路および入射経路は少なくとも部分的に重なり合うように空間的に配置された、自由空間環境にある入射経路上で受信し、受信した入射光を１以上の出力ポートを介して受光器に送信し、１以上の出力ポートは、１以上の入力ポートから空間的に変位されている。

特定の実施形態では、光サーキュレータは、１以上の入力ポートと、１以上の出力ポートと、１以上の入力ポートおよび１以上の出力ポートと光学的に連通する光アセンブリとを備える。光学アセンブリは、第１複屈折結晶と、第１複屈折結晶に続く非相反偏光回転素子と、非相反偏光回転素子に続く第２複屈折結晶とを有する。光学アセンブリは、１以上の入力ポートから光を受信し、光サーキュレータを通る光の進行方向に対し実質的に垂直とならないように回転された第１表面と、１以上の入力ポートから光を受信し、第１表面から変位され、第１表面とは反対方向に、光サーキュレータを通る光の進行方向に実質的に垂直とならないように回転された第２表面とを有する。

本開示のさらなる態様、および前の段落で記載された態様のさらなる実施形態は、実施例として与えられ、添付の図面を参照した以下の記載、並びに添付の特許請求の範囲から明らかにする。

環境の空間プロファイルの推定を容易にする、開示されたシステム構成を示す図である。 光サーキュレータの一例を示す図である。 光サーキュレータの他の例を示す図である。 光サーキュレータの他の例を示す図である。 光サーキュレータの他の例を示す図である。 光サーキュレータの他の例を示す図である。 環境の空間プロファイルの推定を容易にする、別の開示されたシステム構成を示す図である。 光サーキュレータの一例を示す図である。 光サーキュレータの一例を示す図である。 環境の空間プロファイルの推定を容易にする、別の開示されたシステム構成を示す図である。 環境の空間プロファイルの推定を容易にする、別の開示されたシステム構成を示す図である。 光サーキュレータの一例を示す図である。

本明細書に開示されるのは、光サーキュレータの形態である。光サーキュレータは、高い指向性を提供する特性を有する。光サーキュレータの応用例は、空間プロファイル推定のためのシステムにおけるものである。光サーキュレータの別の応用例は、例えば、ドップラー効果に基づく、自由空間光通信または自由空間測定のためのシステムにおけるものである。

また、本明細書で開示されるのは、光検出および測距（ＬｉＤＡＲ）系の技術に基づき、環境の空間プロファイルの推定を容易にするためのシステムおよび方法である。以降において、「光」は、光学周波数を有する電磁放射線を含むものであり、遠赤外線、赤外線、可視光線、および紫外線を含むものである。一般的に、ＬｉＤＡＲは、環境内に光を透過するステップと、続いて環境によって戻される反射光を検出するステップとを含んでいる。光が視野内の反射面に往復するのに要する時間を決定し、距離を決定することによって、環境の空間プロファイルの推定が形成できる。一の構成では、本開示は、鉛直方向に沿うような、一次元にわたる光の方向づけに基づく空間プロファイル推定を容易にする。別の構成では、水平方向に沿うような、別次元において一次元的に方向づけられた光をさらに方向づけることによって、本開示は、二次元における光の方向づけに基づく空間プロファイル推定を容易にする。

本発明者らは、ＬｉＤＡＲシステムが、別個の送信光路および受信光路、または別の方法で整列されていない送信光路および受信光路を有し、そうでない場合において反射信号を抑制するクロストークを低減している場合、システムの視線（一次元の場合）または視野（二次元の場合）における、１以上の検出ブラインドスポットが生じることを認識している。この欠点を認識した状態で、本発明者らは、同軸にまたは別の方法で整列された送信光路および受信光路によって、このようなブラインドスポットおよびクロストークを減少させることが可能な多数の光学的設計を考案してきた。これらの光学的設計は光サーキュレータを用い、（光源に結合された）その入力ポートと（光検出器に結合された）出力ポートとの間に、例えば、７０ｄＢ以上、７５ｄＢ以上、８０ｄＢ以上、８５ｄＢ以上、または９０ｄＢ以上の高度の指向性を提供し、さらに環境との間で光を送受信するための双方向ポートを提供している。いくつかの実施形態では、光学的設計は、単一の入力ポートおよび単一の出力ポートを有している。

他の実施形態は複数の入力ポートを有しており、各々の入力ポートは、対応する出力ポートと、双方向ポートとを有している。複数の入力ポートおよび複数の出力ポートは、単一の光サーキュレータに設けることができる。

特定の実施形態は、複数の双方向ポートを有しており、各々の双方向ポートは、１以上の対応する出力ポートと、１以上の対応する入力ポートとを有している。複数の双方向ポートは、それぞれ別個のサーキュレータを形成してもよいし、同一のサーキュレータコアを用いてもよい。

複数の入力ポート、出力ポート、および双方向ポートを有する実施形態は、複数のターゲットの同時検出を可能にする。

［システム例１］
一般的な形態では、図１に示されるように、記載のシステム１００は、（例えば、λ_１～λ_Ｎを中心とした）１以上の波長チャネルで、出射光１２０を提供する１以上の光源１０２を有している。例えば、光源１０２は、一度に１つの波長チャネルを選択的に出力するレーザを有する構成にできる。システム１００は、また、入射光１３０を検出する１以上の光検出器１０４と、光サーキュレータ１０６と、ビームステアラ１０８とを有している。入射光１３０は、環境１１０によって反射された出射光１２０の少なくとも一部に対応している。光サーキュレータ１０６は、（ａ）１以上の入力ポート１０６Ａを介して出射光１２０を受信し、（ｂ）受信した出射光１２０を１以上の双方向ポート１０６Ｂを介して自由空間環境にある出射経路１２５に向けて送信し、（ｃ）双方向ポート１０６Ｂを介して自由空間環境にある入射経路１３５上で入射光を受信し、（ｄ）受信した入射光１３０を１以上の出力ポート１０６Ｃを介して１以上の光検出器１０４に送信する。自由空間において透過する光については、光ファイバ、光管、または同様の構造を含む任意の形式の光導波路に限定された光透過ではないと解釈すべきである。

ビームステアラ１０８は、（ａ）環境１１０の方向の出射経路１２５上の出射光１２０を、選択された波長チャネルおよび／または選択されたサーキュレータの入力ポートに基づく１以上のそれぞれの出射方向に方向づけ、（ｂ）環境１１０から入射経路１３５に反射される入射光１３０を光サーキュレータ１０６に方向づける。ビームステアラ１０８は、良好な発散特性でビームサイズを拡大する拡張光学素子１０８Ａ（拡張光学システム）を有する構成にできる。一変形例では、ビームステアラ１０８は、波長依存の角度分散を提供する、回折格子、プリズムまたはグリズムのような分散要素１０８Ｂを有する構成にできる。ビームステアラ１０８の例は、ＷＯ ２０１７／０５４０３６ Ａ１として２０１７年４月６日に公開された、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＡＵ２０１６／０５０８９９号を含む本出願人の同時係属出願の１以上に開示されており、その全体が引用により本明細書に組み込まれる。検出された光に関連する１以上の特性は、（例えば、処理装置１０５による）１以上の出射方向に関連する環境の空間プロファイルの推定のための情報を有している。

光サーキュレータ１０６は、出射経路１２５および入射経路１３５が少なくとも部分的に重なるように空間的に配置され、さらに、出力ポート１０６Ｃが１以上の入力ポート１０６Ａから空間的に変位されるように構成される。少なくとも部分的に重なった出射経路および入射経路は、前述のブラインドスポットを回避する実施形態を容易にし、さらに、入出力ポートと光サーキュレータ１０６との間の空間的変位、および光導波路の介在または仲介のない自由空間への直接的な連通により、指向性が改善され、反射信号の抑制が回避される。

光サーキュレータ１０６は、多数の方法で実現できる。以下においては、光サーキュレータ１０６の実施例を説明する。本明細書では、「ポート」は、アパーチャ等の光ビームが通過する空間内の領域を示すことを目的とするものか、あるいは示すものであり、ポートを規定するために物理的構成要素の存在は、必ずしも要しない。いくつかの実施形態において、光サーキュレータは、光ファイバを光サーキュレータのポートに位置合わせすべく、Ｖ溝アレイ１０７またはファイバの束等の光学アレイを有するか、あるいは光学アレイに接続されている。特に、入力ポート１０６Ａのうちの１以上および／または出力ポート１０６Ｃのうちの１以上は、光ファイバをポートと整列させるべく、Ｖ溝アレイまたはファイバの束と関連づけられている。

図示するように、いくつかの実施形態では、光ファイバからの光ビームは、光サーキュレータ１０６に直接的に供給される。すなわち、ファイバと光サーキュレータとの間には、１以上のレンズ等のモード拡張光学部品は配置されていない。このようなモード膨張光学部分がないことの１つの利点は、システムに戻るその部品の表面での光の反射を排除できることであり、その結果、指向性を改善できる。いくつかの実施形態では、指向性は、任意の１以上の重なる出射経路および入射経路を導入し、光サーキュレータを自由空間に直接通信し、１以上の光導波路から、少なくとも光サーキュレータの入力ポートに光を直接通信することによって、能動的な影響を受けうる。

システム１００の一実施形態は、単一の光サーキュレータ１０６を有する。他の実施形態は、複数の光サーキュレータ１０６を有する。例えば、一実施形態では、複数の光サーキュレータ１０６が並列に動作し、１以上の光検出器１０４による検出用の並列光路が提供される。したがって、システム１００は、複数の入力ポート１０６Ａのアレイと、複数の双方向ポート１０６Ｂのアレイとを有している。いくつかの実施形態では、入力ポート１０６Ａの数は、双方向ポート１０６Ｂの数に等しい。他の実施形態では、双方向ポートと異なる数の入力ポートがある。ポートのアレイは、単一の光源１０２および単一のビームディレクタ１０８に光結合できる。他の実施形態では、複数の光源１０２および／または複数のビームディレクタ１０８が提供され、それぞれが、ポートのサブセットと光結合されている。

並列ポートを有する実施形態では、システム１００は、第１ポートが第１波長で、あるいは、第１波長範囲にわたって光結合し、かつ、第２ポートが、第１波長および第１波長範囲とそれぞれ異なる、第２波長で、あるいは第２波長範囲にわたって光結合するように構成できる。例えば、並列ポートが複数の光サーキュレータ１０６を横切って設けられる場合、各々の光サーキュレータは、それぞれの波長または波長範囲で動作するように構成できる。一実施形態では、ポートまたは光サーキュレータのうちの１以上は、ポートまたは光サーキュレータのうちの別の１つが作動する１以上の波長または波長範囲で、作動しないように構成される。

一例では、図２に示すように、光サーキュレータ２００は、図１の光サーキュレータ１０６とすることができ、１つの入力ポート２０６Ａと、１つの双方向ポート２０６Ｂと、１つの出力ポート２０６Ｃと、（ポート２０６Ｂからポート２０６Ｃに進む）入射ビーム２０８から（ポート２０６Ａからポート２０６Ｂに進む）出射ビーム２０６を変位させるビーム変位器２０４とを備える。ビーム変位器２０４は、複屈折素子に関連するウォークオフ角２１０によって、出射ビーム２０６からの入射ビーム２０８を変位させるためのオルトバナジウム酸イットリウム（ＹＶＯ_４）のような複屈折素子を含む。出射ビーム２０６は、入力ポート２０６Ａを介してビーム変位器２０４に入るときに、第１偏光２０６’（例えば、通常のビームまたはｏビーム）に回転されるか、あるいは、その他の場合は第１偏光２０６に維持される。一方、入射ビーム２０８は、双方向ポート２０６Ｂを介してビーム変位器２０４に入るときに、第１偏光２０６’に直交する第２偏光２０８’（例えば、異常ビームまたはｅビーム）に回転されるか、あるいは、そうでない場合は、第２偏光２０８’に維持される。

ビーム変位器２０４は、その入力ポート２０６Ａを介して第１偏光２０６’（例えば、ｏビーム）に方向づけた成分を有する出射ビーム１２０を受信し、受信した出射光２０６をその双方向ポート２０６Ｂを介して送信し、その双方向ポート２０６Ｂを介して反射光１３５を受信し、例えば、第１偏光２０６’（例えば、ｅビーム）に直交する、第１偏光とは異なる第２偏光２０８’に方向づけた成分を有する受信した反射光２０８を、その出力ポート２０６Ｃを介して検出器１０４に送信する。変位角は、本明細書では「ウォークオフ角」と称される。一実施形態では、ビーム変位器２０４は、反射光１３５の偏光解除状態を用いて、第２直交偏光２０８’を実現する。別の実施形態では、光サーキュレータ２００は、出射偏光２０６’を入射偏光２０８’に回転させるために、ビーム変位器２０４の双方向ポート２０６Ｂの後に、１以上の波長板（図示せず）を有している。例えば、波長板は、双方向ポート２０６Ｂの直後に配置された、第１偏光２０６’に対して４５度に方向づけた四分の一波長板とすることができる。この例では、比較的低い材料コストで、所望の回転が実現できる。四分の一波長板は、第１偏光２０６’に対して４５度以外の角度（例えば、２５度）で方向づけてもよく、そうでない場合に光検出器１０４を抑制し得る高反射性ターゲットからの鏡面反射の低減を容易にする。別の実施形態では、光サーキュレータ２００は、出射偏光２０６’を入射偏光２０８’へ回転させるために、ビーム変位器２０４の双方向ポート２０６Ｂの後の任意の場所に非相反偏光回転素子を有する構成にできる。例えば、非相反偏光回転素子は、ファラデー回転子と、双方向ポート２０６Ｂの直後に位置し、偏光２０６’に対し２２．５度で方向づけた半波長板とすることができる。

一実施形態では、光源１０２は、偏波保持（ＰＭ）光ファイバを介して、ビーム変位器２０４にその入力ポート２０６Ａで光結合される。同一の実施形態または異なる実施形態では、検出器１０４は、マルチモード（ＭＭ）光ファイバを介して、ビーム変位器２０４にその出力ポート２０６Ｃで光結合される。同一の実施形態または異なる実施形態では、光サーキュレータ２００は、ポート２０６Ａ、２０６Ｂ、および２０６Ｃへの光の集束および／またはポートからの光のコリメートを行う非球面レンズ（図示せず）などの１以上の集束素子を有している。一実施形態では、四分の一波長板等の波長板は、１以上の集束素子の各側に設けられている。

光サーキュレータ２００は、複数のファイバを高い精度で相互に相対位置に保持する１以上のガラス基板（本明細書では、「Ｖ溝アレイ」と称する）等の、光路を整列させる１以上の基板を有する構成にできる。例えば、Ｖ溝アレイを用いて、ＰＭ光ファイバおよびＭＭ光ファイバの各々を、ビーム変位器２０４の対応する入出力ポートに整列させることができ、これによりファイバアレイを形成できる。Ｖ溝アレイを用いることにより、それらの空間的分離を最小限に抑えつつ、入力ポートと出力ポートとの間のクロストークを減少させた実施形態が容易となりうる。さらに、その使用により、一般的には＋／－１μｍ以内のＰＭファイバとＭＭファイバとの間の正確な位置決めを与え、実質的な空間的重複を可能にし、Ｖ溝アレイが設計によって結晶寸法に整合された際の能動的な位置合わせを回避する。

いくつかの実施形態では、光サーキュレータ２００の光学素子は、クロストーク性能および収集効率の必要な組み合わせを実現するように構成される。例えば、光学素子は、９０％以上の収集効率と組み合わせて、７０ｄＢ以下のクロストーク、または８０ｄＢ以下のクロストークを実現するように構成できる。

図３に示すように、別の例では、光サーキュレータ３００（前と同様、図１の光サーキュレータ１０６であってもよい）は、コア３０２を有する。図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、および、図３Ｄの実施形態においては、左から右の順に、コア３０２は、第１複屈折結晶３０２Ａ、第１複屈折結晶３０２Ａに続く非相反偏光回転素子３０２Ｂ、および非相反偏光回転素子３０２Ｂに続く第２複屈折結晶３０２Ｃを有している。一構成では、非相反偏光回転素子３０２Ｂは、非相反偏光回転素子３０２Ｂ_１と、非相反性を促進する半波長板３０２Ｂ_２とを有している。

２つの複屈折結晶３０２Ａおよび３０２Ｃは、図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、および図３Ｄの実施形態によって示されるように、同一または逆位のウォークオフ角度を有しており、ｏビームおよびｅビームの再結合を容易にしうる。第１構成では、逆位のウォークオフ角度で、非相反偏光回転素子３０２Ｂは、出射ビームを回転させるが、入射ビームを回転させないように設定される。第２構成では、同一のウォークオフ角度で、非相反偏光回転素子３０２Ｂは入射ビームを回転させるが、出射ビームを回転させないように設定される。

光サーキュレータ３００は、２つの方法のうちの１つを利用できる。第１利用においては、図３Ａに例示されているように、ポート３０６Ｃは、（例えば、垂直偏光成分と水平偏光成分との両方を有する）任意の偏光状態を有する出射光１２０を受信する入力ポートである。光サーキュレータ３００Ａは、光源１０２からの出射光を伝送するために入力ポート３０６Ｃに光結合された光ファイバ（例えば、ＳＭファイバ）を有する構成にできる。出射経路１２５に向かって進行する出射光１２０（実線を参照）に対し、第１複屈折結晶３０２Ａは、ｅビーム成分からウォークオフ角度だけｏビームを分離する。この進行方向において、ファラデー回転子は半波長板を補償し、０度の正味の回転を与えるため、非相反偏光回転素子３０２Ｂは、各成分に影響を与えない状態となる。次いで、第２複屈折結晶３０２Ｃは、双方向ポート３０６Ｂにおいて２つの成分を再結合して、出射経路１２５に沿った出射光１２０を形成する。

入射経路１３５上を進行する光（点線および破線を参照）に対して、第２複屈折結晶３０２Ｃは、ｅビーム成分からウォークオフ角度だけｏビームを分離する。この進行方向において、ファラデー回転子は半波長板と調和し、９０度の正味の回転をもたらすため、非相反偏光回転素子３０２Ｂは各成分の偏波を回転させる。次いで、第１複屈折ウェッジ３０２Ａは、成分をさらに分離する。次いで、分離されたビームは、それぞれポート３０６Ａおよび３０６Ｚで収集され、それぞれ、入射光１０３Ａおよび１０３Ｚを形成する。光サーキュレータ３００Ａは、入力ポート３０６Ｃに光結合され、光源１０２からの出射光を伝送する光ファイバ（例えば、ＰＭファイバ）を有する構成にできる。検出器１０４は、マルチモード光ファイバを介して、その出力ポート３０６Ａおよび３０６Ｚの一方または双方で、コア３０２に光結合される。光サーキュレータ３００Ａは、ＰＭ光ファイバおよびＭＭ光ファイバの各々を、対応する入力ポートおよび出力ポートに整列させるべく、Ｖ溝アレイ（図示せず）を有する構成にできる。

この第１利用では、光ファイバが単一の入力偏光（例えば、垂直偏光）を伝送するＰＭファイバである場合、反射光の偏光状態の検出により（例えば、入力偏光と比較して、入射光１３０Ａおよび１３０Ｚの相対受信力を検出することによって）、反射光の偏光解消率の検出が容易とする。検出された偏光解消率に基づいて、反射面は、金属であるか、あるいは金属である可能性がより高いことを判定できる。例えば、検出された脱分極率が脱分極率の閾値を超えると判定された場合、反射面は金属性であるか、または金属性である可能性がより高いと判定できる。反対に、検出された脱分極率が脱分極率の閾値未満であると判定された場合、反射面は非金属であるか、または非金属である可能性がより高いと判定できる。代替的または付加的に、反射光の偏光状態の検出に基づいて、鏡面反射面（例えば、逆反射器）を検出することができる。

図３Ｂに示されているように、第２利用では、ポート３０６Ａおよび３０６Ｚの一方または双方は、それぞれ、ｏビーム１２０Ａおよびｅビーム１２０Ｚのための入力ポートである。図３Ｂでは、出射光（例えば、光源１０２からの光）は、破線および点線で示され、入射経路上に到着する光（例えば、環境１１０からの光）は、実線で示されている（すなわち、図３Ａの逆である）。光サーキュレータ３００Ｂは、入力ポート３０６Ａおよび３０６Ｚに光結合され、光源１０２からの出射光を伝送するＰＭファイバを有する構成にできる。第２利用における動作は、入力ポートおよび出力ポートが入れ替わり、分解された偏光状態が順方向と逆方向との間で入れ替わっていることを除き、第１利用の動作と同様である。したがって、光サーキュレータ３００Ａに関する説明は、軽微な修正をすれば、光サーキュレータ３００Ｂに適用可能である。

この第２利用では、例えば、検出力および感度要件に応じて、ｅビームおよびｏビームの一方または双方を用いることができる。同一または異なる変形例では、検出器１０４は、マルチモード光ファイバを介して、コア３０２にその出力ポート３０６Ｃで光結合される。代替的または付加的に、ＰＭ光増幅器（例えば、エルビウムドープファイバ増幅器）は、必要ではない。代わりに、偏光ビームスプリッタファイバを用いて、光を２つのＰＭファイバに結合することができる。

図３Ｃ及び図３Ｄは、図３Ａおよび図３Ｂと類似の方法における代替的な利用を示す図である。図３Ｃおよび図３Ｄにおいては、図１を参照して説明した構成要素と同様の構成要素には、図１と同じ符号が付されている。図３Ｃでは出射光（例えば、光源１０２からの光）は実線で示され、入射経路上に到着する光（例えば、環境１１０からの光）は破線および点線で示され、図３Ｄではこれらの表示は逆となっている。

光サーキュレータ３００Ａまたは３００Ｂは、ＳＭ光ファイバ、ＰＭ光ファイバ、およびＭＭ光ファイバの各々をコア３０２の対応する入出力ポートに整列すべく、Ｖ溝アレイ（図示せず）を有する構成にできる。光サーキュレータ３００Ａまたは３００Ｂは、入力ポートに光を集束させ、および／または、出力ポートから光をコリメートするために、非球面レンズ（図示せず）などの１以上の集束素子を有する構成にできる。

［システム例２］
一般的な形態においては、図４に図示されるように、記載のシステム４００は、光サーキュレータ３０２’、例えば、本明細書に記載される光サーキュレータから選択される光サーキュレータを有している。一実施形態では、光サーキュレータ３０２’は、複数の光サーキュレータ、例えば、本明細書に記載される光サーキュレータから選択される複数の光サーキュレータを含む。

いくつかの実施形態では、光サーキュレータ３０２’は、図３Ｂを参照して記載されるように、複数の光サーキュレータ３０２を有している。光サーキュレータ３０２’における各々の光サーキュレータ３０２は、Ｖ溝アレイ１０７’によって配置された光ファイバケーブルを介して、１以上の光源からの２つの入力光信号を受信する。したがって、各々のファイバ光ケーブルからの出力光は、光サーキュレータ３０２’に直接供給される。

いくつかの実施態様において、光サーキュレータ３０２’は、複数の光源のそれぞれに対して同じコアが用いられるように、十分な大きさの開口を有している。

いくつかの実施態様において、それぞれの光源とＶ溝アレイ１０７’との間にスプリッター１０９が設けられており、それぞれの光ファイバケーブルを介して２つの光信号を供給している。

図４に示した例では、第１出射光路１２５Ａおよび第２出射光路１２５Ｂは、ビームステアラ１０８’を介して環境に光を供給しており、２つの信号の例においては、デュアルビームステアラである。環境から反射した光は、光サーキュレータ３０２’における、それらに関連づけた光サーキュレータ３０２によって、２つの光検出器のうちの１つに方向づけられる。自由空間への遷移、および自由空間からの遷移は、光サーキュレータの双方向ポートでなされ、これは、システム例１で説明したように、双方向ポートに導波路があるシステムに比べて、指向性を改善できる。

一実施形態では、デュアルビームステアラ１０８’は、出射光路１２５Ａ、１２５Ｂからの光の方向を別個に制御する。別の実施形態では、出射光路１２５Ａ、１２５Ｂからの光の方向は、例えば、固定角のオフセットによる相関性がある。

別の実施形態では、光サーキュレータ３０２’における光サーキュレータ３０２からの光を検出すべく、単一の光検出器が提供されている。次いで、処理装置１０５（図１参照）が、検出された光を識別する。

他の例では、１以上の光サーキュレータに接続された、３以上の光源を提供できる。これらの実施例または他の実施例では、光サーキュレータ３０２からの別の形態の光サーキュレータを用いることができる。いくつかの例では、光サーキュレータは、同じ形式のものである。他の実施例では、光サーキュレータは、異なる形式のもの（例えば、図３Ａで説明したもの、および図３Ｂで説明したもの）である。

図５に図示されるように、別の例においては、光サーキュレータ５００（前と同様、図１の光サーキュレータ１０６であってもよい）は、コア５０２を有する。図５の実施形態においては、左から右へ順に、コア５０２は、第１複屈折素子５０２Ａと、第１複屈折素子５０２Ａに続く非相反偏光回転素子５０２Ｂと、非相反偏光回転素子５０２Ｂに続く第２複屈折結晶５０２Ｃとを有している。一構成では、非相反偏光回転素子５０２Ｂは、非相反性を促進すべく、半波長板素子５０２Ｂ_１と、ファラデー回転子５０２Ｂ_２とを有している。

図５Ａの側面図および図５Ｂの上面図で示されるように、第１複屈折素子５０２Ａは、（図ではｙ軸と示される）１つの軸において、α_１（度）だけ角度を付して設けられている。図示された実施形態では、ｙ軸における回転は、時計回り方向である。半波長板５０２Ｂ_１は、（図中のｘ軸で指定される）別の軸において、α_２（度）だけ時計回りに角度を付して提供される。ファラデー回転子５０２Ｂ_２は、ｘ軸において、反時計回りにα_３（度）だけ角度を付して提供され、第２複屈折クリスタル５０２Ｃは、ｙ軸において、反時計回りにα_４（度）だけ角度を付される。図５に示す実施形態を含むいくつかの実施形態では、ｘ軸およびｙ軸が実質的に横方向である。

いくつかの実施形態では、図５に示される実施形態を含み、１つの方向に１つの軸で回転されるすべての素子に対して、実質的に同じ回転範囲だけ同じ軸で反対方向に回転される対の素子がある。いくつかの実施形態では、１以上の非回転素子は、回転素子と組み合わせて提供できる。いくつかの実施形態では、この回転素子の対を促進すべく、偶数（例えば、図５の実施形態では４つ）の回転素子がある。

ある実施形態では、回転の範囲は、異なる軸における素子について実質的に同一であり、例えば、角度α_１、α_２、α_３、およびα_４の値は同一である（すなわち、α_１＝α_２＝α_３＝α_４）。他の実施形態では、回転の範囲は、異なる軸で回転される素子間で異なっている。例えば、いくつかの実施形態では、角度α_１はα_４に等しいが、α_２はα_３と異なる。角度付けまたは回転されることによって、素子の回転の範囲は、実質的にゼロ以外であることも含め、ゼロ以外となることは理解されるであろう。

選択される素子の回転角度は、指向性および収集効率を改善すべく最適化できる。例えば、角度は、光サーキュレータ５００に入射する、コリメートされない光ビームによって導入される光学収差を一定の水準に維持すべく、および／または、システムへ反射する光反射を緩和すべく選択できる。素子間に形成される角度は、約１２度～約３０度の範囲にできる。角度の例は、１１．８度、１２．５度、１５度、１７．５度、２０度、２５度、および３０度を含む。

いくつかの実施形態では、回転方向は反転される。例えば、図５において時計回りに回転された各々の素子は、代替的に、反時計回りに回転され、反時計回りに回転された各々の素子は、代替的に、時計回りに回転される。

他の構成では、回転軸は横方向ではない。例えば、コアの構成要素は、全て同じ軸に回転できる。コアの構成要素は、例えば、全て図５のｙ軸またはｘ軸の一方に回転してもよい。別の例では、回転軸は、別個の量、例えば、１２０度だけオフセットできる。その例において、コアは、互いに１２０度オフセットされた３つの軸に沿って、対になって回転し、対が反対方向に回転された６つの素子を有する構成にできる。

いくつかの実施形態では、図５Ａにおいて、ｔとして示した複屈折結晶５０２Ａおよび／または５０２Ｃの厚さは、約１ｍｍ～約１．５ｍｍである。一例では、複屈折結晶５０２Ａおよび５０２Ｃの厚さ（ｔ）は、クラッド厚さが約１２５μｍのファイバを用いる場合約１．３０４ｍｍにでき、ピッチは約１２７μｍに制限される。

いくつかの実施形態では、複屈折結晶５０２Ａおよび５０２Ｃの厚さが低減されることにより、指向性および収集効率に利点をもたらすことができる。厚さｔを減少させるために、ファイバアレイピッチは、例えば、クラッド厚さを減少したファイバを用いることによって減少される。一例では、複屈折結晶５０２Ａおよび５０２Ｃの厚さ（ｔ）は、クラッド厚さが約８０μｍに低減されたクラッドファイバを用いることによって、約０．８５ｍｍに低減され、ファイバアレイピッチは約８２μｍの低減される。いくつかの実施形態では、複屈折結晶５０２Ａおよび／または５０２Ｃの厚さは、約０．８０ｍｍまたは０．８５ｍｍと、約０．９０ｍｍまたは約１．００ｍｍとの間である。

２つの複屈折結晶５０２Ａおよび５０２Ｃはｏビームおよびｅビームの再結合を容易にするために、等しくかつ反対のウォークオフ角を有する可能性がある。例示として、反対のウォークオフ角度を有する１つの配置において、非相反偏光回転素子５０２Ｂは出射ビームを回転させるが、入射ビームを回転させないように設定される。別の構成では等しいウォークオフ角度で、非相反偏光回転素子５０２Ｂは入射ビームを回転させるが、出射ビームを回転させないように設定される。

光サーキュレータ５００は、コアを通る様々なポートおよび光路と共に用いることができる。例えば、光サーキュレータ５００は、上述の実施例２に記載のものに対応する２つの方法の一方で用いることができる。例えば、コアに光結合されたファイバアレイは、光源に接続された２つのポートと、光検出器に接続された１つのポートと、光源に接続された１つのポートまたは光検出器または各々の光検出器に接続された２つのポートとを有する構成にできる。

加えて、または代替的に、半波長板およびファラデー回転子の順序は、交換してもよい。すなわち、非相反偏光回転素子５０２Ｂは、ファラデー回転子５０２Ｂ_１と、半波長板素子５０２Ｂ_２とを有している。

側面が実質的に平行である光サーキュレータ５００の素子が、図５では示されているが、他の実施形態では、素子は平行ではない側面を有している。角度が付された素子の１以上の表面（第１表面）は、光サーキュレータを通る光の進行方向に対して回転され、その結果、その表面は、光の進行方向に対して実質的に横方向ではなくなる。他の表面（第２表面）は、光の進行方向に対して横方向に方向づけてもよいし、第１表面および第２表面は、２つの表面は楔形または台形形状を形成する異なる角度であってもよい。

光サーキュレータ５００は、ＳＭ光ファイバ、ＰＭ光ファイバ、および／またはＭＭ光ファイバの各々をコア５０２の対応する入力ポートおよび出力ポートに整列させるべく、Ｖ溝アレイ（図示せず）を有する構成にできる。光サーキュレータ５００は、入力ポートに光を集束させ、かつ／または、出力ポートから光をコリメートすべく、非球面レンズおよび／または放物面鏡（図示せず）等の１以上の集束素子を有する構成にできる。

［システム例３］
図６に図示されるように、別の形態では、記載のシステム７００は、光サーキュレータ５０２’、例えば、本明細書に記載される光サーキュレータから選択される光サーキュレータを有している。一実施形態では、光サーキュレータ５０２’は、複数の光サーキュレータ、例えば、本明細書に記載される光サーキュレータから選択される複数の光サーキュレータを有している。いくつかの実施形態では、光サーキュレータ５０２’は、図５で説明されるように、１以上の光サーキュレータ５０２を含む。

いくつかの実施態様において、集積素子７０１は、各チャネルの偏波が独立したファイバ偏波ビームスプリッタ２０９と、３チャネルＶ溝ファイバアレイ２０７とを有する。ＦＰＢＳ及びファイバアレイの集積化により、製造コストを低減し、整列を容易にすることができる。また、ＦＰＢＳの使用により、単純でスケーラブルな光サーキュレータ設計を容易にすることができる。例えば、光サーキュレータに用いられる半波長板は、分割結晶または結晶のアレイではなく均一な結晶として選択でき、これにより、各々の部分は、偏光状態を分離し、各偏光状態を別個に処理するように設計される。集積素子７０１は、光源１０２からの光１２０がポート７０１Ａを介して集積素子７０１に供給され、検出器１０４が、集積素子７０１にその出力ポート７０１Ｂで光結合されるように配置される。偏波が異なる２つの光ビーム２２５Ａおよび２２５Ｂは、それぞれ、ポート７０１Ｃおよび７０１Ｅを介して集積素子７０１から出力される。光ビーム２２５Ａおよび２２５Ｂは、光サーキュレータ５０２’に直接供給される。すなわち、ファイバアレイと光サーキュレータとの間には、１以上のレンズのようなモード拡張光学部品は配置されていない。このようなモード膨張光学部品がないことの１つの利点は、そのような部品の表面における光反射がシステムに戻るのを排除できることであり、その結果、指向性を改善できる。ポート７０１Ｄは、光サーキュレータ５０２’から光を受信する。集積素子７０１に関連するポート、すなわち、ポート７０１Ａ、７０１Ｂ、７０１Ｃ、７０１Ｄ、および７０１Ｅは、ファイバコネクタおよび／または光スプライシングによって形成できる。

一実施形態では、光検出器１０２からの出射光は、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）を介して集積素子７０１に伝送される。ＦＰＢＳ ２０９の出力ファイバは、偏光維持ファイバ（ＰＭＦ）とすることができる。光検出器に接続された受信ファイバは、ＳＭＦ、ＰＭＦ、ＭＭファイバ（ＭＭＦ）、ダブルクラッドファイバ（ＤＣＦ）、およびフォトニックランタン（ＰＬ）を含む様々なファイバタイプから選択できる。選択は、システムに採用された受信方法および検出方法に基づいたものとすることができる。

いくつかの実施形態では、コリメート素子２１０は、光サーキュレータ５０２’と連通して設けられ、光サーキュレータ５０２’の出力ポートに向かう光をコリメートする。

一実施形態では、コリメート素子２１０は、１以上のレンズである。レンズは比較的大きな焦点距離を有してもよく、および／または、反射防止コーティングを被覆して、レンズ表面での反射をシステムに戻るのを制限してもよい。

別の実施形態では、コリメート素子２１０が図７に示されるように、放物面鏡である。一構成では、コリメート要素２１０として９０度の放物面鏡を用いることができる。他の構成では、放物面鏡は、４５度等の他の反射角度であってもよい。放物面鏡は、反射がシステム内に戻らないようにしつつ、光をコリメートすることができる。

さらに別の実施形態では、コリメート素子２１０は集束格子である。

さらに他の実施形態では、コリメート素子２１０は、レンズ、放物面鏡、および集束格子のうちの少なくとも２つの組合せを有する構成にできる。組み合わせは、１以上のレンズ、および／または、１以上の放物面鏡、および／または、１以上の集束格子を有する構成にできる。

図６に示す例では、出射光路１２５は、単一ビームステアラまたはデュアルビームステアラ等のビームステアラ２０８を介して、環境に光を供給する。環境から反射した光は、光サーキュレータ５０２’によって検出器１０４に方向付けられる。次いで、処理装置１０５は、検出した光を識別する。

他の例では、１以上の光サーキュレータに接続された２つまたは複数の光源が設けられた構成にできる。これらの実施例または他の実施例では、光サーキュレータ５０２と別の形態の光サーキュレータを用いることができる。いくつかの例では、光サーキュレータは同じ形式のものである。他の例では、光サーキュレータが異なる形式のものである。

別の例では、図８に示すように、光サーキュレータ８００（前と同様に、図１の光サーキュレータ１０６であってもよい）は、第１複屈折素子８０２Ａと、第１複屈折素子８０２Ａに続く第１非可逆偏光回転素子８０２Ｂと、第１非可逆偏光回転素子８０２Ｂに続く第２複屈折素子８０２Ｃと、第２複屈折素子８０２Ｃに続く第２非可逆偏光回転素子８０２Ｄと、第２非可逆偏光回転素子８０２Ｄに続く第３複屈折素子８０２Ｅとを有する。第１複屈折素子８０２Ａ、第２複屈折素子８０２Ｃ、および第３複屈折素子８０２Ｅは、それぞれ、入力ポート８０６Ａで受光された出射光に対して、４５度に整列された光軸を有している。第１複屈折素子８０２Ａ、第２複屈折素子８０２Ｃ、および第３複屈折素子８０２Ｅの各々は、複屈折ウェッジとすることができる。

この例では、非相反偏光回転素子８０２Ｂおよび８０２Ｄには、水晶アレイがある。これは、均一な結晶を用いることができる形態の他の例とは対照的である。一構成においては、非相反偏光回転素子８０２Ｂは、非相反性を促進すべく、１以上のファラデー回転子および／または半波長板を有する構成にできる。

光サーキュレータ８００は、出射光１２０を受信する入力ポート８０６Ａを有している。第１複屈折素子８０２Ａは、入力ポート８０６Ａにおける受信した光を、ウォークオフ角度だけｏビームとｅビームとに分離する。第１非可逆偏光回転素子８０２Ｂは、ｅビームを回転させてその偏光をｏビームの偏光に整列させ、偏向されることなく平行に、両方のｏビームを第２複屈折素子８０２Ｃに渡す。第２非相反偏光回転素子８０２Ｄは、元のｏビームの偏光をｅビームの偏光に回転させるが、回転したｏビームを回転したままにする。第３複屈折素子８０２Ｅは、回転したｏビームを偏向するが、回転したｅビームは偏向しない。回転されたｏビーム及びｅビームは、出射経路１２５に続く双方向ポート８０６Ｂで組み合わされる。入射経路１３５に続く反射光は、第３複屈折素子８０２Ｅによってｏビームとｅビームとに分離される。次いで、第２非可逆偏光回転素子８０２Ｄは、ｏビームをさらに回転させて、その偏光をｅビームの偏光に整列させ、両方のｅビームを偏向する第２複屈折素子８０２Ｃに渡す。偏向されたｅビームの一方は、第１非相反偏向回転素子８０２Ｂによって回転され、その偏光をｏビームの偏光と整列させ、次いで、出力ポート８０６Ｃにおいて、回転させないｅビームと結合される。

一変形例では、光源１０２は、シングルモード光ファイバを介して、光サーキュレータ８００にその入力ポート８０６Ａで光結合される。同一の変形例または異なる変形例では、検出器１０４は、マルチモード（ＭＭ）光ファイバまたはＳＭファイバまたはＰＭファイバまたはＤＣファイバを介して、光サーキュレータ８００にその出力ポート８０６Ｃで光結合される。マイクロレンズアレイ（図示せず）は、必要に応じて結晶アレイを適切に通過させるために、光サーキュレータ８００の入出力ポート用の光をコリメートする。光サーキュレータ８００は、ＳＭ光ファイバおよびＭＭ光ファイバのうちの１以上を、対応する入力ポート８０６Ａおよび出力ポート８０６Ｃに整列させるべく、Ｖ溝アレイ（図示せず）などの光学アレイを有する構成にできる。双方向ポート８０６Ｂは、コリメート素子を介してサーキュレータを自由空間に結合する。

本開示の構成が説明されたため、説明した構成のうちの１以上が、以下の利点のうちの１以上を有することは、当業者には明らかである：
・出射経路１２５と出射経路１３５とを重ねることにより、検出線または視野内のブラインドスポットを回避する実施形態を容易にする
・出射経路１２３および入射経路１３５の容易な整列により、例えば、実施形態がより大規模な製造を受け入れることを容易にする。
・（１以上の）入力ポートと出力ポートとの間の高い指向性は、反射信号の抑制を回避する実施形態を容易にする。
・収集効率が高い
・光サーキュレータ構造が比較的単純であり、かつ／または、拡張性がある

本明細書に開示され、定義された本発明は、本文または図面から言及され、または明らかな個々の特徴の複数の代替的な組合せのすべてに及ぶことが理解されるのであろう。これらの異なる組み合わせの全ては、本発明の様々な代替態様を構成する。

Claims (7)

1. 環境の空間プロファイルの推定を容易にするためのシステムであって、
   出射光を提供する光源と、
   前記環境によって反射された前記出射光の少なくとも一部に対応する入射光を検出する１以上の光検出器と、
   １以上の入力ポートを介して前記出射光を受信し、
   受信した前記出射光を双方向ポートを介して自由空間環境にある出射経路に直接送信し、
   前記入射光を前記双方向ポートを介して、前記出射経路と少なくとも部分的に重なり合うように空間的に配置された、前記自由空間環境にある入射経路上で受信し、
   前記１以上の入力ポートから空間的に変位した１以上の出力ポートを介して、受信した前記入射光を前記光検出器に送信する
   光サーキュレータと、
   前記環境の方向の前記出射経路上の前記出射光を１以上の出射方向に方向づけ、
   前記環境から入射経路上に反射した入射光を前記光サーキュレータの方向に方向づける
   前記自由空間環境にあるビームステアラと
   を備え、
   検出された光に関連する１以上の特性は、１以上の出射方向に関連する前記環境の前記空間プロファイルを推定するための情報を有しており、
   前記１以上の出力ポートは、前記１以上の光検出器に、直交する偏光に分離されたそれぞれの光ビームを提供する２の出力ポートを有するか、あるいは、
   前記１以上の入力ポートは、前記光源から、直交する偏光に分離されたそれぞれの光ビームを受信する２の入力ポートを有するか
   のいずれかであり、
   前記光源は、前記光サーキュレータの前記１以上の入力ポートにそれぞれ直接的に光結合された、１以上の入力光ファイバを有する
   システム。
2. 前記光サーキュレータは、
   前記入射経路から前記１以上の出力ポートに向かう前記入射光の入射ビームを、前記１以上の入力ポートから前記出射経路に向かう前記出射光の異常偏光ビームおよび通常偏光ビームの一方または双方から変位させるためのコアを有する
   請求項１に記載のシステム。
3. 前記１以上の入力光ファイバはそれぞれシングルモード入力光ファイバであり、
   前記光検出器は、前記光サーキュレータの前記出力ポートに光結合された出力光ファイバを有し、
   前記出力光ファイバは、マルチモードファイバを有する
   請求項１に記載のシステム。
4. 前記光源と前記光サーキュレータとの間に、集積ファイバ偏光ビームスプリッタとＶ溝ファイバアレイとを備える
   請求項１に記載のシステム。
5. 前記光サーキュレータの前記１以上の入力ポートに光結合され、前記光源からの出射光を伝送する１以上の偏波保持ファイバを備える
   請求項１に記載のシステム。
6. 前記２の出力ポートは、前記入射光の偏光解消率の検出を容易にする
   請求項５に記載のシステム。
7. 前記検出された光に関連する前記１以上の特性は、前記偏光解消率の検出率をさらに含み、前記偏光解消率の検出率に基づいて、前記入射光が、金属性の面、非金属性の面、または鏡面により反射されたこと判定する
   請求項６に記載のシステム。

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