Method of holding an optical hold device and an optical input pulse

申请号 JP22729299 申请日 1999-08-11 公开(公告)号 JP3522600B2 公开(公告)日 2004-04-26
申请人 ノースロップ・グラマン・スペイス・アンド・ミッション・システムズ・コーポレーション; 发明人 エリザベス・ティー・カンキー; エリック・エル・アプトン; スティーヴン・アール・パーキンズ; デイヴィッド・エル・ロリンズ; ブルース・エイ・ファーガソン; マーク・キンティス; リチャード・エイ・フィールズ; ローレンス・ジェイ・レムボ;
摘要
权利要求
  • (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】 光ホールド装置であって、 電気入力、光入力及び光出力を備えた光変調器と、 前記光出力に接続されて入力パルスを受け取る共振器入力、及び部分的に透過である共振器出力を備えた光共振器と、 前記共振器出力に結合された光経路とを備えていることを特徴とする光ホールド装置。 【請求項2】 請求項1記載の光ホールド装置において、前記光共振器が利得媒体を備えていることを特徴とする光ホールド装置。 【請求項3】 光入力を保持する方法であって、 光共振器に入力を提供し、出力を前記光共振器から得るステップと、 パルス化された光信号を前記入力に結合するステップと、 前記出力を前記光経路に結合するステップとからなることを特徴とする光ホールド装置。
  • 说明书全文

    【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、光信号処理装置に関する。 特に、本発明は、光入信号の時間遅延したサンプルを1又は複数の光出力線上に与える光ホールド(保持)装置に関する。 【0002】 【従来の技術】光学的なシステムは、その性質により極度に高速である光信号を、操作し処理することができる。 例を挙げると、継続時間が0.5ps(0.5x1
    -12 s)未満であり反復速度が10GHz(10x1
    9 Hz)を超えるレーザが存在し、広く入手可能である。 光パルスは、典型的には、2つの光処理素子の間を、ほぼ光速で(例えば、光ファイバを用いて)伝搬する。 【0003】光処理素子によって達成される処理速度は、従来の電子的な処理素子によって達成される処理速度をはるかに上まわっている。 しかし、電子的な処理素子は、信じがたいほどに多様な信号操作及び処理機能を実現してはいるのであるが、その機能のほとんどは、同等の光処理素子では得られない。 その1つの例として、
    通常のマイクロプロセッサがある。 マイクロプロセッサは、ほとんどどのような機能でも実現するようにプログラムすることができるが、特に、コストと入手可能性とを考慮すると、光処理素子に対する類似物(analog)を有していない。 従って、多くの場合に、光処理素子は、
    電子的な処理を介して得ることができる広範囲で多様な機能を利用するためには、どこかの地点で、電子的な処理素子とのインターフェースを有していなければならない。 光信号は、光処理素子と電子的処理素子との間にあるインターフェースにおいて、電子信号に変換される。 【0004】 【発明が解決しようとする課題】多くの可能性のある例の1つとして、電子的なアナログ・デジタル(A/D)
    コンバータは、デジタル処理システムにおける、非常に一般的で非常に有用な構築ブロックである。 しかし、一般的に入手できるA/Dコンバータは、単純に、光処理素子によって与えられる高速の信号と共に機能するのには、速度が十分ではない。 このために、電子的なA/D
    コンバータを用いる前に、光信号を、電子的なA/Dコンバータ(又は、それ以外の処理素子)に適した速度まで「減速させる」ための機構が要求される。 このような機構は、「光ホールド装置」と称される。 【0005】しかし、従来、光ホールド装置は、入手することができなかった。 その結果として、光処理装置は、電子的処理装置と共には用いないことにするか、又は、電子的処理装置が作用することができる程度の(例えば、パルス幅と周波数とに関して)より低速な信号を搬送することによって、その本来の能力よりも低い能力で利用され(underutilized)ていた。 【0006】この産業分野では、電子的な処理素子とのインターフェースを有する光ホールド装置に対する必要性が、以前から、存在している。 本発明の目的は、光ホールド装置を提供することである。 【0007】本発明の別の目的は、それぞれが独立の遅延を有する複数の出力を含む光ホールド装置を提供することである。 本発明の別の目的は、1つの出力を用いる光ホールド装置を提供することである。 【0008】本発明の更に別の目的は、光共振器(opti
    cal resonator)の空洞(cavity)を光ホールド装置のための構築ブロック(building block)として用いることである。 【0009】本発明の更にまた別の目的は、1xN型光スプリッタ(1xN optical splitter)とN個の遅延光出力とを用いて光ホールド装置を実現することである。 本発明の更にまた別の目的は、光ホールド装置のN個の遅延出力を1つの出力に合成することである。 【0010】 【課題を解決するための手段】本発明の光ホールド装置のある実施例は、電気的入力、光入力及び光出力を有する光変調器を含む。 また、1つの光入力とN個の光出力とを有する1xN型光スプリッタも、含まれている。 スプリッタの光入力は、変調器の光出力に接続されている。 好ましくは、1xN型スプリッタは、光増幅器スプリッタである。 N個の光出力は、それぞれが、この1x
    N型スプリッタの光入力に加えられる入力信号のコピーである出力信号を与える。 更に、N個の光経路は、N個の光出力に個別的に結合され、N個の出力信号の中の1
    つを受け取る。 それぞれの光経路には、例えば、出力信号を搬送するN個の光経路のいずれかに位置している光遅延素子によって生じる伝搬遅延が関連付けられる。 光遅延素子は、その光遅延素子が位置している光経路の伝搬遅延を延長するように機能する。 【0011】本発明による光ホールド装置は、例えば、
    光ファイバを用いて光経路を実現することができる。 関連する光遅延素子は、光経路の長さを延長させる様々な長さを有する光ファイバを提供することによって実現することができる。 N個の光入力と1つの光出力とを有し、オプショナルである光コンバイナ(図示せず)を設け、N個の出力信号のそれぞれを含む1つの合成された光信号出力を作成することが可能である。 【0012】別の実施例では、光ホールド装置は、電子入力、光入力及び光出力を有する光変調器を含む。 更に、光学的な空洞が設けられ、変調器の光出力に接続される。 この光学的空洞は、部分的に反射的(reflectiv
    e)であり部分的に透過的(transmissive)である空洞出力を含み、この空洞出力には、光経路が接続されている。 【0013】光学的空洞は、利得媒体(gain medium)
    を含むこともある。 光学的空洞の中で信号を増幅するのに加え、利得媒体は、利得制御入力の命令に従って(例えば、増幅をゼロに設定することによって)、光学的空洞の中の信号を除去することもできる。 これとは異なり、又は、利得媒体に加えて、光学的空洞は、光スイッチ入力の制御の下で、(例えば、信号を吸収することによって、又は、信号を空洞の外に反射することによって)光学的空洞における信号を除去する光スイッチを含むこともありうる。 【0014】 【発明の実施の形態】ここで図1を参照すると、光ホールド装置100の1つの実施例が図解されている。 光ホールド装置100は、全体的には、入力部102と出力部104とを含んでいる。 入力部102は、1x5型の増幅器スプリッタ106と、電子吸収変調器(EAM)
    108と、衝突パルス・モード固定レーザ(CPM)1
    10とを含む。 出力部104は、5つの光経路112a
    −e(集合的に、「光経路112」と称する)と、光経路112と関連する追加的な伝搬遅延114a−e(集合的に「遅延114」と称する)とを含む。 【0015】図1には、また、光ホールド装置100の動作に関係する多数の信号が示されている。 無線周波数(RF)入力信号116が、EAM108の電子的入力に与えられ、パルス化された信号118が、EAM10
    8の光入力に与えられ、EAM自身は、変調された出力120を生じる。 特に、1つの入力パルス122がラベリングされ、RF入力信号値124によって変調されて、変調された出力パルス126を生じるように示されている。 遅延ゼロの出力信号128、第1の遅延出力信号130、第2の遅延出力信号132、第3の遅延出力信号134、そして第4の遅延出力信号136も、図解されている。 変調された出力信号126が遅延されたものが、遅延を有する変調された出力パルス138−14
    6として図解されている。 【0016】動作においては、RF入力信号116とパルス化された信号118とが、EAM108への入力として与えられる。 任意の信号源(例えば、衛星受信機)
    が、RF入力信号116を発生することができる。 また、RF入力信号116は、RF周波数成分だけから構成されている必要はないことに注意すべきである。 むしろ、RF入力信号116は、更に高周波である成分や、
    直流にまで至る更に低周波である成分を含むこともありうる。 【0017】RF入力信号116の場合のように、パルス化された信号118は、様々な信号源を用いて発生させることができる。 図1には、CPMレーザ110がパルス化された信号118を発生するという特定の例が図解されている。 CPMレーザ110は、例えば、幅が0.5psでありパルス・レートが10GHzであるパルスを発生することができる。 パルス・レートは、サンプリング定理を満足するためには、RF入力信号116
    の最も高い周波数成分の少なくとも2倍であることが好ましい。 パルス幅は、その幅が無限に狭い(infinitely
    narrow)衝撃関数を可能な限り類似する程度まで小さいことが好ましい。 【0018】EAM108(例えば、米国カリフォルニア州レドンド・ビーチ(Redondo Beach)所在のTRW
    社から市販されている)は、RF入力信号116を用いてパルス化された信号を変調し、変調された出力120
    を生じる。 それぞれの個別的な入力パルス(例えば、入力パルス122)が、ある特定の瞬間にEAM108に入るたびに、EAM108は、その瞬間におけるRF入力信号116(例えば、RF入力信号値124)に比例する出力パルス(例えば、変調された出力パルス12
    6)を生じる。 変調された出力120は、それによって、RF入力信号116のサンプルを表現する。 【0019】変調された出力120は、次に、1x5型の増幅器スプリッタ106に入る。 1x5型の増幅器スプリッタ106は、この1x5型の増幅器スプリッタ1
    06に与えられた入力パルスのコピーである光信号をそれぞれが搬送している5つの光出力を与える光スプリッタである。 図1に示されているように、入力パルスは、
    変調された出力120によって与えられる。 それぞれの光信号は、増幅器スプリッタ106によって増幅され、
    それによって、その電力は、入力パルスの電力とほぼ等しくなる。 【0020】増幅器スプリッタ106は、多くの変形が可能である。 例えば、スプリットの際の損失によってそれ以降の処理素子の減衰された光出力と共に機能する能力が阻害されないような応用例では、増幅を伴わないスプリッタによって代用することができる。 更に、増幅が実際に必要とされる場合であっても、増幅は、スプリッタ自体の内部で生じる必要はない。 換言すると、増幅を伴わないスプリッタを用い、その後で、例えば、光経路112の1つ又は複数に沿って、光増幅器を設けることも可能である。 用いることができる適切な光増幅器の例として、半導体光増幅器がある。 【0021】更に、図1に開示されている光ホールド装置のアーキテクチャを、1xN型スプリッタに拡張することは容易である。 例えば、応用例によっては、入力パルスを10の同一のコピーに分けることが必要なこともある。 その場合には、1x10型のスプリッタを、1x
    5型の増幅器スプリッタ106の代わりに用いることができる。 まとめると、1x5型の増幅器スプリッタ10
    6は、光ホールド装置100と共に用いるのに適した多くのタイプ及び構成のスプリッタの中の1つに過ぎない。 【0022】本発明と共に用いるのに特に適した増幅器スプリッタが、1997年5月30日に出願され、"Act
    ive Multimode Optical Signal Splitter"と題する、この出願の優先権主張の基礎となった米国出願と同時継続中である米国特許出願第08/866,656号に開示されている。この同時継続中の米国出願は、その全体をこの出願において援用する。 【0023】更に図1を参照すると、光ホールド装置1
    00の出力部104は、5つの光経路112と、関連する光遅延素子114とを含むように示されている。 光経路112は、例えば、光ファイバを用いて構築される。
    ただし、光エネルギに経路を提供するそれ以外の材料であっても、適切である(例えば、半導体導波管や結晶構造など)。 【0024】光経路112のそれぞれは、オプションとして、光遅延素子を含みうる。 図1では、光経路112
    b−eは、伝搬遅延を光経路112b−eそれぞれに導入する光遅延素子を含んでいる。 本発明のある実施例では、光経路112は、光ファイバであり、光遅延素子1
    14b−eは、光ファイバの追加的な長さ又は部分である。 光ファイバの追加的な部分は、光ファイバ112b
    −eと関連する経路の長さ全体を、従って、光経路11
    2b−eと関連する伝搬遅延を、増加させる。 【0025】光遅延素子は、例えば、光経路と接続された光ファイバの全く別の部分として実現されることは、
    必要ない。 そうではなく、光経路112は、異なる長さへの発端(outset)として作成することができる。 そのような場合には、光遅延素子(ファイバの追加的な長さ)は、光経路の中に既に作成されたものとして、ビルトインされる。 【0026】光経路112aは光ファイバの追加的部分を有しておらず、従って、それと関連する追加的な伝搬遅延を有していないことに注意すべきである。 換言すると、光経路112aと関連する光ファイバの長さは、それがもちろんいくらかの測定可能(finite)な伝搬遅延を有しているにもかかわらず、遅延がゼロである基準と考えられる。 光経路112b−eのそれぞれは、遅延がゼロである基準の光経路112aの長さを超えて長さが延長され、従って、伝搬遅延114b−eを含むものと考えられる。 【0027】このように、伝搬遅延114b−eは、光が光経路112aを通過して伝搬するのに要する時間を超えて、光エネルギが光経路112b−eを通過して伝搬するのに要する時間を表す。 図1では、光経路112
    bは、20psの伝搬遅延114bを有し、光経路11
    2cは、40psの伝搬遅延114cを有し、光経路1
    12dは、60psの伝搬遅延114dを有し、光経路112eは、80psの伝搬遅延114eを有する。 伝搬遅延114b−eは、20psに限定されているのではなく、要求される任意の遅延と一致するように(又は、遅延がゼロとなるように)相互に独立に自由に選択することができる。 【0028】伝搬遅延114b−eを導入する光遅延素子は、光経路112を伸長させる以外の様々な方法を用いて(又は、複数の方法の組合せとして)、実現することができる。 一例を挙げると、半導体導波管を、光経路112の中に挿入することができる。 半導体導波管は、
    要求される遅延114b−eが非常に小さいときに、特に有用である。 半導体導波管を構築するプロセスは非常に正確なものであるから、半導体導波管においては、非常に小さな遅延を、非常に厳密な公差をもって実現することができる。 別の例としては、光経路112は、光経路112とは異なる屈折率を有する材料の一部に結合されることもありうる。 材料内の伝搬速度の差(その屈折率によって示される)によって、それぞれの光経路11
    2に対する必要な伝搬遅延が生じる。 【0029】更に、図1には、1x5型の増幅器スプリッタ106によって提供される変調された出力120のコピーに対するそれぞれの伝搬遅延114a−eの効果が示されている。 遅延がゼロである出力信号128は、
    光経路112a上の変調された出力120のコピーが、
    光経路112aに内在する伝搬遅延によって、非常に僅かに遅延を受けることを示している。 第1の遅延出力信号130、第2の遅延出力信号132、第3の遅延出力信号134及び第4の遅延出力信号は、それぞれが、遅延がゼロである出力信号128から、20ps、40p
    s、60ps及び80psだけ遅延している。 【0030】結果的に、例えば変調された出力パルス1
    26などの、それぞれの変調されたパルスは、光経路1
    12において20psの間隔で、(遅延を受けた変調された出力パルス138−146として)5回反復する。
    変調された出力パルス126は、実際には、時間がおよそ0.2nsにおける単一のパルスから、時間が0.2
    nsから0.28nsまで存在する「拡大された」(br
    oadened)パルスに延長されている。 換言すると、光ホールド装置100は、変調された出力パルス126を、
    80psの間、ホールド(保持)していることになる。
    このように、追加的な処理素子(例えば、電子的なA/
    Dコンバータ)は、遅延を有する変調された出力パルス138−146によって表されるホールド(保持)されたものを用いて機能することにより、変調された出力パルス126に対して作用する追加的な時間を有する。 【0031】遅延を有する変調された出力パルス138
    −146は、現実には、パルスであって、連続的な波形ではない。 しかし、遅延素子114b−eと、スプリッタ106によって提供される出力の数とを調節して、より低速の電子的処理素子が変調された出力パルスのパルスとしての性質(pulse nature)を認識することを阻止するのに必要な程度まで、任意の時間周期にわたってパルスを近接させることが可能である。 更には、遅延を有する変調された出力パルス138−146のそれぞれを、例えば、Nx1型のコンバイナを用いて1つの出力に合成することもできる。 【0032】一般に、この単一の出力が、遅延素子11
    4a−eによって提供される遅延時間の全体にわたって連続するN個の同一の変調された出力パルスを搬送する。 この単一の出力は、図2における空洞出力信号21
    2とほぼ同じような外観を有している。 この単一の出力は、例えば、電子的な処理素子が複数の入力線上に分散されている入力波形に対して作用できない場合に、有用である。 【0033】ここで、図2を参照すると、光ホールド装置200の第2の実施例が図解されている。 また、電子吸収変調器(EAM)108と衝突パルス・モード固定レーザ(CPM)110とが、図2に示されている。 既に述べたように、RF入力信号116が、EAM108
    の電気入力に与えられ、パルス化された信号118(C
    PMによって発生されたもの)が、EAM108の光入力に与えられ、EAM自体は、変調された出力120を生じる。 【0034】更に、光空洞202が提供され、これは、
    空洞入力204と、光経路(図示せず)に接続された光出力206とを含む。 光空洞202は、また、利得媒体208、光スイッチ210又はこれら両方を含みうる。
    例示的な空洞出力信号212と、この空洞出力信号21
    2を形成するパルスが3つ(第1のパルス214、第2
    のパルス216及び第3のパルス218)もまた、示されている。 【0035】光空洞202の1つの可能性のある構成には、空洞入力204に向いた透過性の表面と光空洞20
    2の内部に面している反射性の表面とを用いる第1のミラー220が含まれる。 更に、基本的には反射性であり部分的に透過性である、光空洞202の内部を向いた表面を含む第2のミラー222が設けられる。 ファブリ・
    ペロ(Fabry-Perot)型の空洞が、そのような光空洞の1つの例であり、一般的に、本発明において用いるのに適している。 【0036】ファブリ・ペロ型の空洞は、光共振器と称されるのが一般的である。 異なるタイプの光共振器を用いて、光共振器202に代えることもできる。 これには、リング・レーザ共振器、再循環(recirculating)
    遅延線、分散型ブラッグ反射器などが含まれる。 【0037】光空洞202によって、光エネルギが第1
    のミラー220を通過することが可能となる。 光エネルギの大部分は、その後で、第1のミラー220と第2のミラー222との間で(そして、更に、光空洞202の内部の追加的な反射性コーティングで)反射される。 しかし、空洞の中の光エネルギが第2のミラー222に到達するたびに、光エネルギの一部が、部分的に透過性である第2のミラー222を通過する。 これによって、空洞出力信号212を形成する出力パルスが、発生される。 【0038】3つの出力パルスが、図2に示されている。 例えば、第1の出力パルス214は、光エネルギの第1のパルスが光空洞202に入り第2のミラー222
    を部分的に通過して伝搬した後で、光空洞出力206において生じる。 従って、第1の出力パルス214が発生される以前の遅延は、光空洞202を横断する際の伝搬遅延である。 【0039】結果的に、光エネルギは、第2のミラー2
    22から反射して、第1のミラー220に戻る方向に伝搬し、そして、第2のミラー222の方向に伝搬して戻る。 第2のミラー222を通過する光エネルギは、このようにして、第2の出力パルス216を形成する。 第1
    の出力パルス214と第2の出力パルス216との間の遅延は、光空洞202を横断する際の伝搬遅延の2倍である。 同様にして、第3の光パルスは、第2の出力パルス216の後に生じ、光空洞202を横断する際の伝搬遅延の2倍である。 【0040】所定の数の出力パルスが光空洞出力206
    において(1つの入力パルスから)生じた後で、光空洞202におけるエネルギは、除去される。 次に、別の入力パルスが、光空洞202に導入され、出力パルスの別のシーケンスを生じる。 この目的のために、光スイッチ210が開閉され、光空洞202にエネルギを吸収するか、又は、エネルギを、光空洞202の外の経路に沿って、光空洞202の中に導く。 【0041】光空洞202にはいるそれぞれの入力パルスに対して、結果的な出力パルスは、振幅が等しいことが好ましい。 しかし、第2のミラー222は光空洞20
    2におけるエネルギの一部を第1のミラーに返却するだけなので、利得媒体が光空洞202に配置され、第2のミラー222による損失を補償(account for)する。 【0042】適切な利得媒体の例には、半導体光増幅器、液体染料(liquid dyes)、エルビウム(Erbium)
    が添加されたファイバ増幅器が含まれる。 光空洞202
    におけるエネルギは、光スイッチ210を動作させる代わりに、又は、光スイッチを動作させるのに加えて、利得媒体をオフに切り換えることによって、除去することができることにも注意すべきである。 例えば、エルビウム・ファイバ増幅器と関連するポンプ・レーザーは、ある期間の間オフに切り換えて、その利得をゼロにすることもできる。 【0043】このように、出力信号212は、光空洞2
    02へのそれぞれの入力パルスに対して、一連の出力パルスを提供する。 1つの入力パルスに対する出力パルスは、それぞれが、ほぼ等しい振幅を有し、前の出力パルスからの所定の遅延を伴って現れる。 実際には、単一の入力パルスは、所定の遅延に「出力パルス数マイナス1」を乗算した時間の間、保持されている。 従って、例えば、より低速の処理素子は、保持された出力に対して、作用することができる。 【0044】本発明の特定の構成要素、実施例及び応用例を以上で示し説明したが、本発明は、それらに限定されることはない。 というのは、当業者にとっては、特に以上の説明に照らせば、複数の修正が可能であるからである。 従って、そのような修正をカバーし、本発明の精神と範囲とに含まれる特徴を組み入れることは、冒頭の特許請求の範囲の想定するところである。

    【図面の簡単な説明】 【図1】1xN型スプリッタと独立の遅延を有するN個の光経路とを含む光ホールド装置の実施例を図解している。 【図2】光学的空洞を用い単一の光出力を生じる光ホールド装置の第2の実施例を示している。 【符号の説明】 図1:ハイブリッド型光アパーチャ・アーキテクチャ110:衝突パルス・モード固定レーザ(CPM) 108:電子吸収変調器106:1x5型増幅器スプリッタ114a:0psの遅延114b:20psの遅延114c:40psの遅延114d:60psの遅延114e:80psの遅延図2:光空洞増幅器ベースのアパーチャ・アーキテクチャ110:衝突パルス・モード固定レーザ(CPM) 108:電子吸収変調器220:第1のミラー208:利得媒体210:光スイッチ222:第2のミラー202:光空洞

    フロントページの続き (72)発明者 リチャード・エイ・フィールズ アメリカ合衆国カリフォルニア州90278, リドンド・ビーチ,ロビンソン・ストリ ート 2006 (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・カンキー 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90278, リドンド・ビーチ,ウォラコット・スト リート 1723 (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, リドンド・ビーチ,カーティス・アベニ ュー 2516,ナンバー 1 (56)参考文献 特開 平7−221706(JP,A) 特開 平7−162394(JP,A) 特開 平5−284117(JP,A) 特開 平2−10734(JP,A) 特開 平5−268170(JP,A) 特開 平7−131441(JP,A) 特開 平5−244095(JP,A) 特開 平3−154032(JP,A) 特開 平9−167870(JP,A) 米国特許5109449(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl. 7 ,DB名) H04B 10/00 - 10/28 H04J 14/00 - 14/08 G02B 6/00 321

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