Iteration absorption threshold Holding optical quantizer

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に、光学量子化器に関し、更に特定すれば、光入力ビームの伝搬路内に配置し、入力ビームの強度を示す一連の指示信号を与える、連鎖状光学閾値化（スレッシュホールディング：ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ）デバイスを用いた光学量子化器に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】処理の高速化、チャネル帯域幅の拡大、
および伝送信頼性の向上に対する必要性を含む、信号処理技術における進歩の結果、光学領域およびそこに存在するこれらのパラメータに対する大きな潜在的可能性が次第に注目されることとなった。 しかしながら、電気および無線周波数に基づく技術と比較して、光学技術は、
多くの分野において必要な技術的高度性に欠けている。
即ち、ディジタル光学部品を用いた高速、広帯域幅処理素子に対する要望は、多くの基本的な光学素子や、ＲＦ
領域では容易に利用可能な技術が欠如することによって、満たされていない。 【０００３】光学アナログーディジタル（Ａ／Ｄ）変換器は、このように基本的な設計要件を未だに満たしていないデバイスの１つである。 現在のディジタル光学システムは、電気／ＲＦ領域におけるディジタル変換が不可欠である。 このため、光学領域およびＲＦ領域間での変換および逆変換が必要となるが、これらは光学領域のみにおける変換よりも低速であり、損失が大きく、しかもノイズが多くなる。 ＲＦ技術には殆どまたは全く頼らずに光アナログ信号を光ディジタル信号に変換する光学デバイスがあれば、システムの複雑性を緩和し、高速および広帯域幅処理の発展をもたらすであろう。 アナログ光入力信号を取り込み、その入力信号の強度に対応する符号化した量子化出力を発生する光学量子化器は、光学Ａ
／Ｄ変換器の必要かつ重要な部分である。 【０００４】１９９８年８月１１日に出願された、「Ｕ
ｐｐｅｒ−Ｆｏｌｄｉｎｇ Ｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅ−Ａ
ｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｎａｌ
ｏｇ−Ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ａ
ｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆＰｅｒｆｏｒｍｉｎｇ Ｃｏ
ｎｖｅｒｓｉｏｎ（上方折返し連続近似光アナログーディジタル変換器および変換を行なう方法）」と題し、本願の譲受人に譲渡されている米国特許出願第０９／１３
３，１３８号は、光信号を減算する必要なく、光学領域内においてアナログーディジタル変換を行なう光学Ａ／
Ｄ変換器に関する。 更に、本願と同時に出願された、
「Ｄｅｌａｙｅｄ Ｐｕｌｓｅ Ｓａｔｕｒａｂｌｅ
Ａｂｓｏｒｂｅｒ−Ｂａｓｅｄ Ｄｏｗｎｗａｒｄ−Ｆ
ｏｌｄｉｎｇ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａ／Ｄ（遅延パルス可飽和アブソーバを用いた下方折返し光Ａ／Ｄ）」と題し、同様に本願の譲受人に譲渡されている米国特許出願は、光学スレッシュホールディング・デバイスおよび可飽和アブソーバの使用を採用し、同様に光学領域内におけるアナログーディジタル変換を行なう光学Ａ／Ｄ変換器に関する。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】効率的で費用効果が高く、しかも信頼性があり、光学Ａ／Ｄ変換器に使用するのに適した光学量子化器が求められている。 したがって、本発明の目的は、かかる光学量子化器を提供することにある。 【０００６】 【課題を解決するための手段】本発明の教示によれば、
量子化する光入力ビームの伝搬経路内に配置した、連鎖状光学スレッシュホールディング・デバイスを採用した光量子化器を開示する。 各光スレッシュホールディング・デバイスは、それに入射する光ビームの強度が、当該デバイスに設計された所定のスレッシュホールド・レベルを超過する場合に、飽和し透明となる。 入力ビームが光学スレッシュホールディング・デバイスを飽和させた場合、デバイスは、飽和を識別する指示信号を出力する。 すると、入力ビームは、この飽和によって発生するいくらかの減衰を伴って伝搬し、光学スレッシュホールディング・デバイスを通過し、連鎖内にある後続の光学スレッシュホールディング・デバイスに入射する。 最終的に、多数回の飽和によって生ずる入力ビームの減衰が、次の光学スレッシュホールディング・デバイスのスレッシュホールド・レベル未満にビーム強度を低下させる。 指示信号の数が、入力ビームの強度指示を与える。 【０００７】特定の一実施形態では、光学スレッシュホールディング・デバイスは、光制御ビームを受光する可飽和アブソーバ（ｓａｔｕｒａｂｌｅ ａｂｓｏｒｂｅ
ｒ）である。 可飽和アブソーバが飽和して透明になると、制御ビームはスレッシュホールディング・デバイスを通過し、光指示ビームとなる。 望ましければ、光検出器を備え、光指示ビームを電気的表現に変換することができる。 代替実施形態では、光学スレッシュホールディング・デバイスは、逆バイアスｐ−ｉ−ｎレイアウトに構成した半導体可飽和アブソーバであり、この場合入力ビームは、可飽和アブソーバ内において電子／ホール電荷キャリアを発生し、電流を発生し、これを指示信号として測定することができる。 半導体可飽和アブソーバが飽和すると透明となり、最大数の電荷キャリアが発生される。 【０００８】本発明の更に別の目的、利点および特徴は、添付図面と関連付けた以下の説明および添付した特許請求の範囲から明らかとなろう。 【０００９】 【発明の実施の形態】以下に論ずる反復吸収スレッシュホールディング光学量子化器に関する好適な実施形態は、性質上単なる一例に過ぎず、本発明あるいはその用途または使用を限定することを意図するものでは決してない。 【００１０】図１は、本発明の一実施形態による、反復吸収光学量子化器１０の概略ブロック図である。 量子化器１０は、最小値、例えば０（ゼロ）と、何らかの既知の最大値、例えば正規化した１との間の強度を有するアナログ光入力ビーム１２を、適当な光源（図示せず）から受光する。 一実施形態では、入力ビーム１２は、アナログＲＦ信号で変調される。 ビーム１２の変調は、アナログおよびディジタル双方の適当な信号であれば、そのいずれでも可能である。 量子化器１０の出力は、複数の指示ビームであり、光ビーム１２の強度指示を与える。
この強度指示は、以下で論ずるように、量子化器１０における段１４の数に直接関係する分解能を有する。 段１
４の数がＭである場合、量子化器１０は、０と各段のスレッシュホールド強度のＭ倍との間で、入力ビーム１２
の強度を量子化することができる。 当業者には明らかであろうが、量子化器１０は、アナログーディジタル（Ａ
／Ｄ）変換器に直接用いるのに適している。 ２進検出および変換回路のようなその他の処理回路だけでなく、量子化器１０と共にサンプル・ホールド回路（図示せず）
も用いて、Ａ／Ｄ変換器を完成させることも可能である。 しかしながら、当業者には理解されようが、量子化器１０はＡ／Ｄ変換器に限定される訳ではなく、光強度表現を必要とするその他のデバイスにも別の用途がある。 【００１１】量子化器１０は、複数の段１４を含み、各段１４は、光学スレッシュホールディング・デバイス（ＯＴＤ：ｏｐｔｉｃａｌ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄｉｎｇ
ｄｅｖｉｃｅ）として作用する可飽和アブソーバ（吸収体）１６を含む。 これらは、光ビーム１２の伝搬経路に沿って配置されているので、ビーム１２は各段１４における各可飽和アブソーバ１６に導かれる。 可飽和アブソーバは公知の光学デバイスであり、通常状態では全体的に不透明であるが、アブソーバのスレッシュホールド・レベルを超過する強度を有する光ビームがそれに入射すると、アブソーバは飽和し透明になる。 このような特性を呈するこの種の可飽和アブソーバは、当技術分野では、そのモード・ロック・レーザ（ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋ
ｌａｓｅｒ）において使用することが、公知である。
可飽和アブソーバの論述は、米国特許第５，３０３，２
５６号に見出すことができる。 【００１２】アブソーバ１６は、ビーム１２の強度を測定し、当該アブソーバ１６に設計された所定のスレッシュホールド・レベルを超過する場合、ビーム１２は次の段１４に進む。 したがって、光ビーム１２がある段１４
におけるアブソーバ１６に入射したときの強度が十分に大きい場合、図示のように、続いて次の段１４におけるアブソーバ１６等に入射する。 ビーム１２が次のアブソーバ１６を飽和させるのに十分高い強度を有していない場合、アブソーバ１６によって吸収され通過しない。 当業者には認められるように、ここに記載する特性を有する光学スレッシュホールディング・デバイスであればそのいずれでも使用可能であることから、可飽和アブソーバを非限定的な一例として用いたものである。 米国特許第５，３３７，１８０号および第４，９３４，７８２号は、適用可能な別の種類の光学スレッシュホールディング・デバイスを開示する。 【００１３】更に、量子化器１０は、レーザ・ビーム２
０を発生する制御レーザ１８を含む。 レーザ・ビーム２
０は、スプリッタ２４によって、複数の指示ビーム２２
に分割され、図示のように、別々の分割指示ビーム２２
が各段１４内のアブソーバ１６に向かって導かれる。 スプリッタ２４は、ここに記載する目的に適していれば、
当技術分野において公知の光スプリッタのいずれでも可能である。 あるいは、各段１４毎に、別個の指示ビームを発生する別個の制御レーザを備えることも可能である。 指示ビーム２２は、ビーム１２の伝搬方向に対してある方向からアブソーバ１６に入射するので、ビーム２
２はビーム１２と結合せず、ビーム１２の信号強度を不明確にしない。 この例では、指示ビーム２２および入力ビーム１２は、アブソーバ１６において互いに対してほぼ９０°に配向されている。 また、効率的な動作のためには、ビーム１２およびレーザ・ビームの波長は同一またはほぼ同一とすべきであろうが、これは全ての用途にとって必須という訳ではない。 可飽和アブソーバにはある波長範囲でのみ動作するものもあるので、入力ビーム１２および指示ビーム２２の波長をほぼ同一とする必要がある場合もあり得る。 【００１４】ビーム１２の強度がアブソーバ１６を飽和させこれを透明にするのに十分高い場合、指示ビーム２
２は、吸収されることなく、アブソーバ１６を通過する。 しかしながら、入力ビーム１２がアブソーバ１６を飽和させない場合、指示ビーム２２はアブソーバ１６によって吸収され、通過しない。 指示ビーム２２の強度は、それ自体ではアブソーバ１６を飽和させる程高くなく、一実施形態では、指示ビーム２２の強度は、入力ビーム１２の強度が０よりも大きい場合、それよりも遥かに小さい。 したがって、実用的な目的では、指示ビーム２２の強度は、アブソーバ１６を飽和させることに関しては無視することができる。 【００１５】ビーム１２の強度がアブソーバ１６を飽和させるのに十分大きい場合でも、ビーム１２内の光は、
その少量が飽和プロセスによってアブソーバ１６に吸収される。 したがって、ビーム１２がアブソーバ１６を通過する毎に、ビーム１２の強度は連続的に減衰し、強度が低下して行く。 ビーム１２の強度が量子化器１０の最大分解能よりも高くないと仮定すると、ビーム１２は最終的にはアブソーバ１６の１つによって吸収される。 これまでの段１４におけるアブソーバ１６を通過する指示ビーム２２の回数が、入力ビーム１２の強度表現を与える。 入力ビーム１２の強度が高い程、より多くの指示ビーム２２が通過する。 量子化器１０の出力は、「温度計コード（ｔｈｅｒｍｏｍｅｔｅｒ ｃｏｄｅ）」のように活性化される１組の指示ビーム２２である。 量子化器１０の出力は、入力ビーム１２ではなく、指示ビーム２
２である。 【００１６】各アブソーバ１６毎にスレッシュホールド・レベルを注意深く設計し、いくつかの段１４，例えば、１６段を備えることにより、ビーム１２の強度について精度の高い表現を得ることができる。 一実施形態では、段１４の数は、Ａ／Ｄへの適用のために２の累乗とし、量子化器１０の「温度計コード」出力を２進ワード出力に容易に変換可能とする。 アブソーバ１６に対するスレッシュホールド・レベルの設計選択は、量子化器１
０の性能および有用性に影響を及ぼす。 アブソーバ１６
の各々が同じスレッシュホールド・レベルを有し、ビーム１２に同じ減衰を与えるように設計した場合、量子化器１０から線形な強度対量子化マッピングが得られる。
言い換えると、強度２Ｉを有する入力ビームは、強度Ｉ
を有する入力ビームよりも、２倍多くの指示ビーム２２
を活性化する。 他の用途では、線形マッピングが望ましくない場合もあり、したがって、アブソーバ１６は、個々の用途に応じて非線形マッピングまたは非均一マッピングが得られるように、カスタム設計することができる。 【００１７】アブソーバ１６を通過した指示ビーム２２
は、別の光学素子（図示せず）に導き、量子化器１０と共に使用するアナログーディジタル変換のような、個々の用途に応じた光学処理を行なうことができる。 あるいは、指示ビーム２２は、各段１４における別個の光検出器３０に導き、指示ビーム２２を対応する電気信号に変換し、電気信号を必要とする用途に対応することも可能である。 【００１８】図２は、量子化器１０の代替実施形態である、量子化器３６の概略ブロック図である。 汎用光学スレッシュホールディング・デバイス１６を使用する代わりに、量子化器３６は、複数の段４０の各々において、
半導体可飽和アブソーバ３８を特別に用いている。 半導体可飽和アブソーバは、光エネルギを吸収し、入射光子から電子／ホール電荷対を形成する。 半導体可飽和アブソーバ３８は、逆バイアスｐ−ｉ−ｎ構造として構成し、逆バイアスが、この光子吸収プロセスによって、アブソーバ３８内で光電流を誘導する。 負の電圧電位をアブソーバ３８に印加して逆バイアスを与える。 一旦アブソーバ３８が可能な電子／ホール対全てを発生すると、
飽和し透明となる。 アブソーバ３８が飽和すると、逆バイアスの場合その最大電流を生成する。 したがって、半導体可飽和アブソーバを用いると、それが吸収する入射光の強度に比例する電気信号を生成することができ、指示電流を生成することができる。 【００１９】先に論じた量子化器１０の場合と同様、アブソーバ３８の各々は、ビーム４２が各段４０におけるアブソーバ３８に入射するように、入力ビーム４２の伝搬経路に沿って配置されている。 ビーム４２の強度がアブソーバ３８の飽和スレッシュホールド・レベルよりも高い場合、アブソーバ３８は透明となり、多少の強度減衰を伴って、ビーム４２を通過させる。 最終的に、減衰によって、ビーム４２の強度は、次の段４０におけるアブソーバ３８の飽和スレッシュホールド・レベルよりも低下する。 【００２０】ビーム４２がアブソーバ３８に入射すると、電子／ホール電荷キャリアが形成され、アブソーバ３８に印加される逆バイアスによって、キャリアによって発生した電流が、アブソーバ３８のｎ層に接続されているトランジスタ４４に流れる。 これによって、トランジスタ４４のエミッタ上に電圧電位が形成される。 これが、発生した電流の尺度となる。 電流または電圧スレッシュホールディング回路４６を備え、可飽和アブソーバ３８からの電流を測定する。 ビーム４２がアブソーバ３
８に入射しなければ、電流は発生しない。 連鎖内でビーム４２を受光する最後のアブソーバ３８は、飽和せず、
飽和したアブソーバが発生する電流よりも少ない電流を発生するので、これはスレッシュホールディング回路４
６によって区別することができる。 トランジスタ４４およびスレッシュホールディング回路４６は、アブソーバ３８において電流の尺度を与えるのに適した電流検出デバイスであればそのいずれとでも置換することができる。 このことは、当業者には理解されるであろう。 したがって、電流の尺度は、先に論じた指示ビーム２２と同様に作用し、ビーム４２の強度指示を与える。 しかしながら、この実施形態では、光学的指示は得られない。 アブソーバ３８の各々のスレッシュホールド・レベルは、
先に論じたように、ビーム４２の強度の所望の指示を与えるように設計することができる。 【００２１】量子化器１０，３６は、サンプリングせずに入力信号に対する量子化を行なうという点で、殆どのＡ／Ｄ変換器の設計とは相違する。 この「量子化−アナログ」動作は、サンプリングと組み合わせ、従来型のＡ
／Ｄ変換器を作成することができる。 しかしながら、本発明の量子化器は、サンプリングをせずに、光強度／空間変換も可能にする。 かかる変換により、空間光学処理環境を得ることができる。 【００２２】サンプリングは、連鎖状アブソーバの前、
または種々の指示出力上のいずれでも行なうことができる。 連鎖の前にサンプリングを行なう場合、連鎖状アブソーバは、Ｎ個の指示出力を生成するように動作し、これらの出力の内Ｍ個がオンとなる。 Ｍ対Ｎの比率は、入力強度サンプルの最大受容強度に対する比率の量子化値である。 指示信号を生成した後にサンプリングを行なう場合、種々の出力間で可変サンプリング・レートが可能となる。 これにより、ＭＳＢ出力に対するＬＳＢ出力のサンプリングを高速化することが可能となる。 【００２３】先に論じた量子化器では、量子化器に関連する有限応答時間があることを除いて、入力ビームの変調信号の具体的な周波数は重要ではない。 また、信号をサンプリングする際にも、変換器に関連する有限処理時間があり、信号を適切にサンプリングするには、光学Ａ
／Ｄに対してナイキスト条件を満たさなければならない。 【００２４】これまでの説明は、本発明の例示としての実施形態を単に開示し記載したに過ぎない。 かかる説明から、および添付した図面および特許請求の範囲から、
種々の変化、変更および変形が、特許請求の範囲に規定した本発明の精神および範囲から逸脱することなく可能であることを、当業者は容易に認めよう。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施形態による反復吸収光学スレッシュホールディング量子化器の概略平面図である。 【図２】本発明の別の実施形態による反復吸収光学量子化器の概略平面図である。 【符号の説明】 １０ 量子化器１２ アナログ光入力ビーム１６ 可飽和アブソーバ１８ 制御レーザ２０ レーザ・ビーム２２ 指示ビーム２４ スプリッタ３０ 光検出器３６ 量子化器３８ 半導体可飽和アブソーバ４２ ビーム４４ トランジスタ４６ 電圧スレッシュホールディング回路

フロントページの続き (72)発明者 ジュアン・シー・カリロ，ジュニアー アメリカ合衆国カリフォルニア州90504, トーランス，ウエスト・ハンドレッドエ イティフォース・ストリート 4036 (72)発明者 マーク・キンティス アメリカ合衆国カリフォルニア州90266, マンハッタン・ビーチ，ヴーアヒーズ・ アベニュー 1636 (72)発明者 エリザベス・ティー・クンキー アメリカ合衆国カリフォルニア州90266, マンハッタン・ビーチ，アルマ・アベニ ュー 2801 (72)発明者 ローレンス・ジェイ・レムボ アメリカ合衆国カリフォルニア州90503, トーランス，ウエスト・ハンドレッドナ インティース・ストリート 5530，ナン バー141 (72)発明者 スティーヴン・アール・パーキンズ アメリカ合衆国カリフォルニア州90710, ハーバー・シティ，パロス・ヴァーデ ス・ドライブ・ノース 1501 (72)発明者 デイヴィッド・エル・ロリンズ アメリカ合衆国カリフォルニア州90250, ホーソーン，ガーキン・アベニュー 15000 (72)発明者 エリック・エル・アプトン アメリカ合衆国カリフォルニア州90278, リダンド・ビーチ，カーティス・アベニ ュー 2516，ナンバー１ (72)発明者 ブルース・エイ・ファーガソン アメリカ合衆国カリフォルニア州90278, リダンド・ビーチ，ヴェイル・アベニュ ー 2306エイ (56)参考文献 特開 昭57−92320（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl. ⁷ ，ＤＢ名) G02F 7/00