DE69720164T2

DE69720164T2 - Optisches Interferometer und Signalsynthesierer mit Verwendung des Interferometers

Info

Publication number: DE69720164T2
Application number: DE69720164T
Authority: DE
Inventors: Susumu Hiki-gun Ogawa; Hrvoje Iruma-gun Petek; Hisashi Hiki-gun Nagano; Albert Kokubunji-shi Heberle; Tatsuya Hiki-gun Tomaru
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-12-26
Filing date: 1997-12-18
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2017-12-19
Also published as: EP0851205A2; US6091495A; US6587278B1; DE69720164D1; EP0851205A3; EP0851205B1

Description

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Technisches Gebiet:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Interferometer und einen Signal-Synthesizer und insbesondere ein optisches Interferometer, das auf eine optoelektronische Einrichtung zur Durchführung von Signalprozessen für Operationen oder die Kommunikation angewandt wird, die optische Pulse und einen das optische Interferometer verwendenden Signal-Synthesizer verwenden.
Stand der Technik:
Das An-/Abschalten von optischen Austrittspulsen durch Verwendung des Phasenunterschieds zwischen zwei optischen Wegen eines Mach-Zehnder-Interferometers ist eine wohlbekannte Technik. Da jedoch bisher ein langer Puls mit Sub-Nanosekundendauer oder dergleichen verwendet wurde, ist das Spektrum des Pulses sehr schmal. Außerdem steuert das herkömmliche Mach-Zehnder-Interferometer zwar die Intensitäten der optischen Austrittspulse, hat jedoch Schwierigkeiten bei der Steuerung ihrer Spektren. Aus GB-2147695 ist ein optisches Interferometer mit einem einzigen Austrittslichtweg und einer Rückführungs-Lichtweglängensteuerung bekannt.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Im Stand der Technik besteht insofern ein Problem, dass zwar eine Intensitätsmodulation an den optischen Austrittspulsen bezüglich relativ langer Pulse von Sub-Nanosekundendauer oder dergleichen durchgeführt wird, aber die Steuerung der Spektren der optischen Austrittspulse oder die effektive Synthese von Signalen durch Zerlegen des Spektrums und Steuern jeder Spektralkomponente noch nicht berücksichtigt wurde.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein optisches Interferometer, das eine Steuerung von Spektren und eine Steuerung von optischen Austrittspulsen durch kombinierte Verwendung eines gesteuerten stabilen Interferometers und eines Femtosekundenpulses mit einer großen Bandbreite ermöglicht, sowie einen das optische Interferometer verwendenden Signal-Synthesizer und ein Signalübertragungsverfahren bereitzustellen.
Typische Beispiele für verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung werden kurz gezeigt. Die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung und die spezifischen Konfigurationen dieser gehen aus der folgenden Beschreibung hervor.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Obwohl die der Beschreibung folgenden Ansprüche den Gegenstand, der als die Erfindung betrachtet wird, genau aufzeigen und deutlich beanspruchen, wird anngenommen; dass die Erfindung, die Aufgaben und Merkmale der Erfindung und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile besonders gut aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verständlich werden. Es zeigen:
1A: ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines phasenverriegelten Interferometers gemäß der vorliegenden Erfindung;
1B: ein Diagramm zur Beschreibung eines Spektrums eines in das in 1A gezeigte phasenverriegelte Interferometer eingegebenen optischen Pulses;
1C: ein Diagramm zur Beschreibung einer Zeiteigenschaft des optischen Eingangspulses;
2A bis 2D: jeweils Diagramme von Beispielen für Spektren des in das in 1A gezeigte phasenverriegelte Interferometer eingegebenen optischen Pulses und von Spektren von optischen Austrittspulsen;
3: ein Diagramm eines Beispiels für eine Konfiguration eines Kommunikationsgeräts gemäß einer Ausführungsform, bei der ein phasenverriegeltes Interferometer gemäß der vorliegenden Erfindung als Signal-Synthesizer verwendet wird;
4: ein Diagramm eines Beispiels für eine Konfiguration eines Kommunikationsgeräts gemäß einer weiteren Ausführungsform, bei der ein phasenverriegeltes Interferometer gemäß der vorliegenden Erfindung als ein Signal-Synthesizer verwendet wird;
5: ein Diagramm einer weiteren Ausführungsform, bei der ein phasenverriegeltes Interferometer gemäß der vorliegenden Erfindung als ein Signal-Synthesizer verwendet wird;
6A und 6B: jeweils Drauf- und Seitenansichten eines Blockschaltbilds einer Ausführungsform, bei der der in 5 gezeigte Signal-Synthesizer auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist;
7A und 7B: jeweils Querschnittsansichten von Beispielen für räumliche Lichtmodulatoren, die auf den in 6 gezeigten Signal-Synthesizer angewandt werden;
8: ein Diagramm einer Modifikation eines Teils der Konfiguration des in 6 gezeigten Signal-Synthesizers; und
9: ein Diagramm einer Ausführungsform einer weiteren Konfiguration eines optischen Zweiwege-Interferometers.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGS-FORMEN
Um die obige Aufgabe zu lösen, wird in der vorliegenden Erfindung eine optische Wegsteuervorrichtung zum stabilen Steuern eines optischen Weglängenunterschieds zwischen aufgeteilten optischen Pulsen bereitgestellt. Man erhält stabile optische Austrittspulse durch Halten des optischen Weglängenunterschieds in einer vorbestimmten Beziehung, und jeweilige Spektren der resultierenden optischen Austrittspulse werden durch Modulationssignale gesteuert, wodurch es möglich wird, Signale für die optische Kommunikation zu synthetisieren. Es kann somit eine gemultiplexte optische Kommunikation durchgeführt werden.
Ein in ein Mach-Zehnder-Interferometer einfallender Femtosekundenpuls wird in zwei optische Wege aufgespaltet, mit anschließender Re-Synthese, die wiederum als zwei komplementäre Austrittspulse ausgegeben werden. Das gewöhnlich verwendete Interferometer kann aufgrund von Fluktuationen des optischen Weglängenunterschieds, die in dem Interferometer auftreten, keine im Phasenbereich stabilisierten Austrittspulse erhalten. Gemäß einem Verfahren der vorliegenden Erfindung, wird ein Monochrometer bereitgestellt, das Fluktuationen eines im Interferometer auftretenden optischen Weglängenunterschieds auf der Grundlage eines von zwei von dem Interferometer erzeugten optischen Austrittspulsen überwacht, um dadurch eine Rückmeldung über den optischen Weglängenunterschied im Interferometer zu bewirken, so dass eine Stabilisierung im Phasenbereich bereitgestellt wird. Gemäß einem weiteren Verfahren der vorliegenden Erfindung wird ein Interferometer bereitgestellt, das aus einem Halbleiter besteht, und eine strikte Temperaturregelung wird durchgeführt, um die Fluktuationen im Phasenbereich zu stabilisieren. Wenn es dann noch notwendig ist, wird eine Rückmeldung zum Justieren der Länge des optischen Weges auf einem optischen Weg bewirkt, um die Fluktuationen des optischen Weglängenunterschieds sowie die Temperaturregelung zu kompensieren.
Wenn Femtosekundenpulse jeweils mit einem Breitenspektrum in das Interferometer eingekoppelt werden, das auf diese Weise im Phasenbereich stabilisiert ist, interferieren sie bei jeder Wellenlänge verschieden. Außerdem kann man das Spektrum jedes optischen Austrittspulses steuern und eine größere Informationsmenge auf einen Puls aufladen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann das optische Zweiwege-Interferometer, zum Beispiel das Mach-Zehnder-Interferometer, den optischen Weglängenunterschied mit einer Auflösung der Mittenwellenlänge des optischen Eingangsimpulses von 1/20 oder weniger, d. h. innerhalb von Sub-Femtosekunden bei Beschreibung durch Zeit, steuern. Als Folge kann das Spektrum jedes aus dem Interferometer in Bezug auf den Eingangs-Femtosekundenpuls ausgegebenen Pulses stabil gesteuert werden.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung insbesondere mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
[Ausführungsform I]
1A ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines phasenverriegelten Interferometers gemäß der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Ausführungsform illustriert ein phasenverriegeltes Interferometer 50, das ein optisches Zweiwege-Interferometer 5 und eine Einrichtung zur Durchführung einer Rückmeldung zur Überwachung von Fluktuationen eines in dem Interferometer entwickelten optischen Weglängenunterschieds und zur Kompensierung der Fluktuationen umfasst.
Das optische Zweiwege-Interferometer 5 umfasst zwei optische Wege 7 und 7', die durch einen Strahlverzweiger 4 gebildet werden, Spiegel 6 und einen Strahlverzweiger 4. Ein optischer Weg 7' ist nichts anderes als die Konfiguration eines einfachen optischen Weges. In dem anderen optischen Weg 7 ist der Spiegel 6 an einem piezoelektrisch angesteuerten optischen Objektträger angebracht, der mit einer Frequenz von einigen tausend Hertz und mit einer Amplitude von etwa 1/40 der Wellenlänge eines optischen Eingangsimpulses vibriert. Außerdem ist der piezoelektrisch angesteuerte optische Objektträger 1 zur Kompensation 2 an einem piezoelektrisch angesteuerten optischen Objektträger angebracht. Der piezo-gesteuerte optische Objektträger 2 führt eine Feinjustierung der Position des Spiegels 6 gemäß einem Positionssteuersignal durch, das später beschrieben wird, um dadurch dessen optische Weglänge zu justieren oder zu steuern. Weiterhin ist in dem optischen Weg 7 ein motorgesteuerter optischer Objektträger 13 zur Grobjustierung der optischen Weglänge angeordnet. Unter der Steuerung des motorgesteuerten optischen Objektträgers 13 kann ein vorbestimmter Interferenzstatus in dem Anfangszustand des Interferometers erzeugt werden. Nebenbei bemerkt sind die optischen Objektträger 1, 2 und 13 zur Steuerung der optischen Weglänge in dem optischen Weg 7 in 1A vorgesehen. Es ist selbstverständlich, dass die optischen Objektträger 1 und 2 in dem optischen Weg 7 und der optische Objektträger 13 in dem optischen Weg 7' vorgesehen werden und sich die optischen Objektträger 1 und 2 in dem optischen Weg 7 bzw. 7' befinden können.
Als Quelle optischer Pulse, die in das optische Zweiwege-Interferometer 5 eingegeben werden, wurde ein durch einen Argonlaser gepumpter Femtosekunden-Titan-Saphir-Laser verwendet. Die Breite eines von dem Laser ausgegebenen Pulses beträgt 10 fs. Der vorliegende Laserpuls wird durch einen Kristall des Typs β – B_aB ₂O₄ (BBO) geleitet, um dadurch zweite Oberschwingungen (mit dem Wellenlängenbereich von 370 nm bis 410 nm) zu erzeugen (Impulsbreite im Bereich von 12 fs bis 15 fs). Danach wurde ein durch ein Prismenpaar komprimierter Puls 3 erhalten. Beispiele für eine Spektralkurve des Eingangspulses bzw. des optischen Pulses 3 und eine Zeitkurve davon sind in 1B bzw. 1C dargestellt.
Wenn der optische Eingangspuls 3 in das Mach-Zehnder-Interferometer 5 mit den Strahlverzweigern 4 und den Spiegeln 6 eingekoppelt wird, entsteht Interferenz gemäß dem Unterschied zwischen den optischen Wegen in dem Interferometer 5, so dass optische Austrittspulse mit komplementären Spektren λ₁ und λ₂ aus den optischen Wegen 7 und 7' erhalten werden können. Die Phase des Ausgangssignals der optischen Wege 7 und 7' unterscheidet sich um π (1/2 eines optischen Zyklus). Der aus einem (7') der beiden optischen Wege 7 und 7' in dem Interferometer erhaltene optische Austrittspuls λ₂ wird durch ein Spektroskop (z. B. ein Beugungsgitter) 8 geleitet, und die Intensität einer vorbestimmten Wellenlänge in dem Spektrum (1B) wird durch einen Fotodetektor 9 gemessen. Wenn die Differenz zwischen den optischen Weglängen des Interferometers 5 fluktuiert, variiert die Intensität des von dem Spektroskop 8 erzeugten Ausgangssignals, und daher variiert das Ausgangssignal des Fotodetektors 9. Man kann somit Fluktuationen des optischen Weglängenunterschiedes des Interferometers 5 überwachen. Der piezogesteuerte optische Objektträger 1 wird durch einen Oszillator 12 in Vibration versetzt, und man kann eine mit der Vibration des optischen Intensitätsausgangssignals des Fotodetektors 9 aus einem Einfangverstärker 10 synchronisierte Komponente erhalten. Der Einfangverstärker 10 erfasst eine Variation des optischen Weglängenunterschieds aus einer Variation im Ausgangssignal des Fotodetektors 9 und kompensiert die erfasste Variation und gibt ein Kompensationssignal 11 an den optischen Objektträger 2 aus, um so den optischen Weglängenunterschied konstant zu halten. Somit war es möglich, das Interferometer zu steuern, um so das Spektrum des aus dem Interferometer ausgegebenen optischen Pulses 7 immer konstant zu halten. Da der piezogesteuerte optische Objektträger 1 durch den Oszillator 12 in Vibration versetzt wird, kann die vorliegende Ausführungsform eine hohe Empfindlichkeit gegenüber der Änderung des optischen Weglängenunterschieds bieten.
Obwohl sie in der oben erwähnten Beschreibung ausgelassen wurde, gibt die Bezugszahl 14 in 1A ein Beispiel für einen Teil zum Eingeben eines Modulationssignals an. Dieser Teil entspricht einer Additionsschaltung, die ein Signal S zu dem Ausgangssignal des Einfangverstärkers 10 addiert. Wenn das Signal S zu dem Ausgangssignal des Einfangverstärkers 10 addiert wird, wäre also ein Fehler durch seine Addition so, als ob er in dem optischen Weglängenunterschied entstanden wäre. Zum Beispiel wird der Unterschied zwischen den beiden optischen Wegen 7 und 7' umgekehrt, so dass die optischen Austrittspulse der Spektren λ₂ und λ₁ aus den optischen Wegen 7 bzw. 7' erhalten werden. Die Additionsschaltung führt nämlich dazu, dass einer notwendig ist , wenn das Interferometer als Signal-Synthesizer verwendet wird, indem der optische Weglängenunterschied des als die Ausführungsform gezeigten Interferometers 5 gesteuert wird. Dies wird später beschrieben.
2A bis 2D sind jeweils Diagramme von Beispielen für Spektren der optischen Pulse, die in das in 1A gezeigte phasenverriegelte Interferometer 50 eingegeben werden, und für Spektren der optischen Austrittspulse.
Mit Bezug auf 2A zeigt eine dicke durchgezogene Linie 3 das Spektrum eines einfallenden Pulses an. Die Symbole λ₁ und λ₂ zeigen jeweils Ausgangsspektren zu dem Zeitpunkt an, an dem die Phase des optischen Weglängenunterschieds des Interferometers 2nπ und 2nπ + π ist (wobei n eine beliebige ganze Zahl ist, aber in 2A n = 36 angegeben ist), wobei die von dem Spektroskop 8 erfaßte Frequenz etwas von der Mittenfrequenz (7,544 × 10¹⁴ Hz) des einfallenden Pulses verschoben ist. Mit Bezug auf 2B zeigt eine dicke durchgezogene Linie 3 das Spektrum eines einfallenden Pulses an. Die Symbole λ₁ und λ₂ geben jeweils Ausgangsspektren zu dem Zeitpunkt an, an dem die Phase des optischen Weglängenunterschiedes des Interferometers 2nπ und 2nπ + π beträgt (mit n = 36), wobei die erfasste Frequenz des Spektroskops 8 auf die Mittenfrequenz (7,544 × 10¹⁴ Hz) des einfallenden Pulses eingestellt ist. Selbst wenn die Phase des optischen Weglängenunterschiedes des Interferometers auf 2nπ + π/2 und 2nπ – π/2 (mit n = 36) eingestellt wird, wobei die erfasste Frequenz des Spektroskops 8 auf die Mittenfrequenz (7,544 × 10¹⁴ Hz) des einfallenden Pulses eingestellt ist, können ähnliche Ausgangsspektren wie die in 2A gezeigten erhalten werden. 2C und 2D zeigen jeweils die Zustände der beiden Pulse in dem Interferometer 5 zu dem Zeitpunkt, zu dem die Zeitdifferenz zwischen den beiden Pulsen groß gemacht wird (größer als n = 36). Die Anzahl von Spitzen der Frequenz im Ausgangsspektrum kann durch Einstellen von n auf willkürlicher Basis beliebig eingestellt werden.
[AUSFÜHRUNGSFORM II]
3 ist ein Blockschaltbild eines Signal-Synthesizers zur Steuerung von Pulsen λ₁ und λ₂ , die von einem phasenverriegelten Interferometer 50 ausgegeben werden, gemäß dem 1/0 eines Modulationssignals S und ein Beispiel, bei dem durch den Signal-Synthesizer eine Kommunikation hergestellt wird.
Wie in Bezug auf 1A beschrieben, wäre, wenn eine Spannung mit einem geeigneten Betrag an die Additionsschaltung 14 als Reaktion auf das 1/0 des Modulationssignals S angelegt werden würde, der Fehler so, als ob er entsprechend in dem optischen Weglängenunterschied aufgetreten wäre. Zum Beispiel wird die Differenz zwischen den beiden optischen 7 und 7' umgekehrt, so dass man die optischen Austrittspulse mit den Spektren λ₁ und λ₂ aus ihren jeweiligen optischen Wegen 7 und 7' erhalten kann. Das phasenverriegelte Interferometer kann nämlich durch Steuern des optischen Weglängenunterschiedes des Interferometers 5 als der Signal-Synthesizer konstruiert werden. Ein einfallender Puls 3 wird dem phasenverriegelten Interferometer 50 zugeführt, und ein einem zu übertragenden Signal entsprechendes Signal wird an das phasenverriegelte Interferometer 50 angelegt. Das Spektrum des optischen Austrittspulses, der gemäß dem Signal S von dem Interferometer 50 erstellt wird, führt zu λ₁ oder λ₂ . Es ist nämlich möglich, ein Signal zu erzeugen, dass einem optischen Austrittspuls eines Spektrums λ₁ oder λ₂ entsprechend 0 oder 1 des Signals S entspricht. In diesem Fall kann ein beliebiger der optischen Wege 7 und 7' verwendet werden. Dieser Signalpuls wird durch ein optisches Übertragungs- oder Transfermedium 19 geleitet, um so zu Signalempfangspunkten übertragen zu werden. Signale an den Empfangspunkten werden folgendermaßen erfasst: Optische Pulse 21, die gemäß der Wellenlänge durch ein Beugungsgitter 20 zu verschiedenen Positionen gebeugt werden, werden durch ihre entsprechenden Fotodetektoren 22 erfasst, wodurch es möglich wird, das Signal von 0 oder 1 zu bestimmen. Obwohl als das optische Transfermedium 19 die Atmosphäre verwendet werden kann, kann man auch einen Wellenleiterkanal oder Wellenleiter oder eine Lichtwellenleiterfaser verwenden.
[AUSFÜHRUNGSFORM III]
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein aus einem optischen Weg 7 oder 7' eines phasenverriegelten Interferometers 50 erhaltenes Ausgangsspektrum so eingestellt, dass es eine Anzahl von Mittenfrequenzen aufweist (siehe 2C und 2D), und wird so gesteuert, dass es konstant gehalten wird. Der von einem beliebigen der optischen Wege 7 und 7' erhaltene optische Austrittspuls wird durch Prismen 61 und 62 räumlich in parallele Strahlen getrennt. Danach wird auf optische Wege der parallelen Strahlen ein Absorptionslichtmodulator 63 platziert. Als der Lichtmodulator 63 wurde ein eindimensional raumabhängiger Lichtmodulator mit einem Flüssigkristall verwendet, der später als ein spezifisches Beispiel beschrieben werden wird. Dem Lichtmodulator 63 wird ein Signal S zur Steuerung des An- und Abschaltens von Frequenzen entsprechend jeweiligen Orten oder Stellen für den Lichtmodulator 63 zugeführt. Nachdem die parallelen Strahlen wieder durch Prismen 64 und 65 gesammelt wurden, werden sie durch ein optisches Transfermedium 19 geleitet. Hier können anstelle der Prismen 62 und 64 Linsen verwendet werden. Nachdem die jeweiligen Wellenlängen durch ein Prisma 66 räumlich getrennt wurden, erfasst ein positionsabhängiger eindimensionaler Fotodetektor 67 das zu übertragende Signal. Positionsinformationen über das An- und Abschalten der optischen Pulse an dem optischen Modulator 63 können nämlich zu dem Fotodetektor 67 übertragen werden.
Die vorliegende Ausführungsform hat den Fall beschrieben, bei dem ein beliebiger der optischen Wege 7 und 7' verwendet wird. Wenn ähnliche Einrichtungen für die optischen Austrittspulse aus den jeweiligen optischen Wegen bereitgestellt werden, dann kann das Signal jedoch zweimal übertragen werden. Da das Signal auf der Empfangsseite in diesem Fall bei allen Wellenlängen getrennt werden kann, kann die Übertragung selbst in einen Übertragungsweg integriert werden. Das elektrische Signal zur Steuerung des Lichtmodulators 63 wird nämlich gemäß der vorliegenden Ausführungsform in das An/Aus der Lichtintensität umgesetzt, um dadurch eine Übertragung eines Signals in Wellenlängen-Mehrfachform zu ermöglichen.
[AUSFÜHRUNGSFORM IV]
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein phasenverriegeltes Interferometer erläutert, das beide der oben erwähnten optischen Wege 7 und 7' benutzt und diese auf einem Halbleitersubstrat anbringt. 5 ist ein Blockschaltbild einer einfachen Konfiguration des phasenverriegelten Interferometers, wobei gerade Signalverläufe an jeweiligen Eingangs-/Ausgangspositionen nebeneinander zusammen mit der Konfiguration des phasenverriegelten Interferometers dargestellt sind. Die Bezugszahl 100 zeigt ein Mach-Zehnder-Interferometer der beiden optischen Wege an, in das ein optischer Puls 3 mit dem kontinuierlichen Spektrum und der Zeitkurve von 1B und 1C eingekoppelt wird. Das Ausgangssignal des Interferometers 100 wird in zwei aufgeteilt, deren jeweilige Spektren zu diskreten Spektren wie λ₁ und λ₂ führen. Man beachte nun, dass die jeweiligen Spitzen des Spektrums λ₁ jeweils in die Frequenzen f₁, f₃, f₅, ... fallen, während die jeweiligen Spitzen des Spektrums λ₂ jeweils in Frequenzen f₂, f₄, f₆, ... fallen. Die Bezugszahlen 200 und 300 zeigen Viel-Kanal-Modulatoren an, in die optische Pulse mit den Spektren λ₁ bzw. λ₂ eingekoppelt werden. Jeder Kanal des Viel-Kanal-Modulators 200 und 300 entspricht dem Modulationskanal einer spezifischen Frequenz. Den Viel-Kanal-Modulatoren 200 und 300 werden jeweils Modulationssignale S₁ und S₂ zugeführt, und sie modulieren die optischen Eintrittspulse als Antwort auf diese Signale. Infolgedessen führen die modulierten optischen Pulse zu optischen Signalen mit Spektren, die mit den Bezugszahlen 201 bzw. 301 gekennzeichnet sind. Die Bezugszahl 400 zeigt einen optischen Koppler an, der zum Beispiel einen Halbspiegel verwendet. Der Koppler 400 re-synthetisiert die optischen Signale mit den Spektren 201 und 301 und erzeugt aus diesen die Endausgabe 401. Dem optischen Spektrum der Endausgabe 401 fehlen Teile, wie in der Zeichnung gezeigt, teilweise in Assoziation mit den Modulationssignalen S₁ und S₂ . Die Austrittspulssignalform 402, die die Zeitkurve angibt, weicht stark von der ursprünglichen Eintrittspulssignalform 3 ab. Gemäß den in die Viel-Kanal-Modulatoren 200 und 300 eingegebenen Modulationssignalen wird eine willkürliche Pulssignalform erzeugt. Die Endausgabe 401 resultiert aus der Synthese der optischen Pulse mit den Spektren 201 und 301. Es kann ein beliebiges der beiden Ausgangssignale des optischen Kopplers 400 verwendet werden.
6A und 6B zeigen eine spezifische Ausführungsform, die auf einem Halbleitersubstrat angebracht ist. Die vorliegende Ausführungsform zeigt einen Signal-Synthesizer, der durch optisch transparente Dreifachschichten implementiert. wird, die auf dem Halbleitersubstrat vorgesehen sind. Die Bezugszahl 2000 zeigt ein Halbleitersubstrat an. Die transparenten Dreifachschichten 1003, 1002 und 1001 sind auf dem Halbleitersubstrat 2000 geschichtet. Die Brechungsindizes dieser Dreifachschichten werden jeweils als n₃, n₂ und n₁ für die Schicht 1003 auf der Substratseite definiert, wobei die Schicht 1002 als Zwischenschicht und die Schicht 1001 als die äußerste Schicht ausgebildet ist, wobei n₁ < n₂ und n₃ < n₂ gilt. Von außerhalb einzuführendes Licht wird in die Zwischenschicht 1002 fokussiert und kann sich ausbreiten, wobei das Licht in dieser Schicht eingeschlossen ist. Die hier verwendeten Dreifachschichten können zum Beispiel als ein Polymerfilm ausgebildet werden, und zusätzlich kann sie durch eine Halbleiterschicht ausgebildet werden. Ein Beispiel, in dem ein optisches Element aus solchen Dreifachschichten konstruiert wird, wurde in 9 mit dem Titel „Optical Micromachine" in OYOBUTURI (Japanische Gesellschaft für angewandte Physik), Band 66, Nr. 1, S. 9–14, eingeführt. Die Bezugszahl 3000 zeigt eine Konstanttemperatureinrichtung an. Das Halbleitersubstrat 2000 wird auf der Konstanttemperatureinrichtung 3000 angeordnet. Der auf der Oberseite des Halbleitersubstrats 2000 angebrachte Signal-Synthesizer wird nämlich bei der vorliegenden Ausführungsform auf einer konstanten Temperatur gehalten.
Das einfallende Licht bzw. der einfallende optische Puls mit dem in 1B gezeigten Spektrum wird in einen Wellenleiter 101 eingeführt, der durch die transparenten Dreifachschichten 1001, 1002 und 1003 gebildet wird. Der Teil, mit Ausnahme der Wellenleiterstruktur, weist keine Dreifachschichten auf. Durch den Wellenleiter 101 wird das einfallende Licht in einen optischen Weg eingeführt, der das Interferometer 100 bildet. Da der andere Wellenleiter 102 den Wellenleiter 101 kontaktiert, um so einen Aufspaltungsweg in dem Interferometer 100 zu bilden, wird das einfallende Licht entsprechend den Wellenleitern 101 und 102 in zwei optische Wege aufgeteilt. Diese beiden optischen Wege werden an Positionen, an denen ihre optischen Weglängen voneinander verschieden sind, wieder in Kontakt miteinander gebracht. Als Folge entsteht Interferenz in dem oben beschriebenen einfallenden Licht, und daher erhält man Signalformen der Spektren λ₁ und λ₂ (siehe 5) aus den Austrittspunkten der optischen Wege 101 und 102. Der Spitze-Spitze-Frequenzunterschied jeder Signalform kann abhängig von der Justierung jeder optischen Weglänge wie oben beschrieben bestimmt werden. Falls weiter erforderlich, wird eine Brechungsindexsteuerung mit der Bezugszahl 110 in den optischen Signalweg 101 eingefügt. Die Brechungsindexsteuerung 110 kann äquivalent die wesentliche Länge des optischen Weges 101 feinjustieren. Die Brechungsindexsteuerung 110 wird durch die Spannung gesteuert, die an jede Elektrode angelegt wird, die an einem oberen Teil des optischen Weges 101 vorgesehen ist, um dadurch den Brechungsindex zu steuern. Wenn das Interferometer 100 analog zu 1A stabilisiert werden soll, dann wird ein optischer Weg 106 als Überwachungsvorrichtung verwendet, entsprechend dem optischen Weg 7'. Das Kompensationssignal 11 wirkt in diesem Fall auf die Brechungsindexsteuerung 110 oder den Temperaturregler. Das aus dem optischen Weg 101 emittierte Licht und das aus dem optischen Weg 102 emittierte Licht wird in die Viel-Kanal-Modulatoren 200 bzw. 300 eingeführt. In den Viel-Kanal-Modulatoren 200 und 300 werden alle durch gestrichelte Linien in der Zeichnung dargestellten Regionen aus dreifach aufgestapelten Schichten aufgebaut. Außerdem sind die Viel-Kanal-Modulatoren 200 und 300 im Wesentlichen bezüglich Konfiguration miteinander identisch. Das Licht bzw. optische Pulse, die aus den optischen Wegen 101 und 102 in die Viel-Kanal-Modulatoren 200 und 300 eingekoppelt werden, werden durch Ausschnitte 210 und 310 mit plankonkaven Formen, die als plankonvexe Linsen wirken, auf parallele Lichtstrahlen eingestellt. Die durch die Ausschnitte 210 und 310 durchgelassenen parallelen Lichtstrahlen werden jeweils in Ausschnitte 211 und 311 eingeführt, die als Beugungsgitter dienen. Das Licht oder optische Pulse, die durch die Beugungsgitter 211 oder 311 in jede Frequenz aufgespalten werden, werden an den räumlichen Lichtmodulatoren 231 und 331 fokussiert, wobei jede Frequenz durch die Ausschnitte 221 und 321, die als plankonvexe Linsen wirken, verläuft. Wie in 7A und 7B beschrieben, worin Teile der räumlichen Lichtmodulatoren 231 und 331 in Form von Querschnitten gezeigt sind, lassen die räumlichen Lichtmodulatoren 231 und 331 das Licht bzw. optische Pulse, die optischer Modulation unterzogen werden, mit jeder Frequenz durch, da Spaltungen zur Veränderung der Absorption bzw. des Brechungsindex jeweils an jeder Frequenz zugeordnete Fokussierungsteile angelegt werden. Die durch die räumlichen Lichtmodulatoren 231 und 331 übertragenen optischen Pulse werden jeweils in Ausschnitte 251 und 351 eingeführt, die durch Ausschnitte 241 und 341, die als plankonvexe Linsen wirken, als Beugungsgitter dienen, und dort werden sie wieder zu den parallelen Lichtstrahlen zusammengeführt. Die wieder zu den parallelen Lichtstrahlen zusammengeführten optischen Pulse werden auf ihren jeweiligen optischen Wegen 103 und 104 durch Ausschnitte 261 und 361, die als plankonvexe Linsen wirken, fokussiert. Die in die optischen Wege 103 und 104 eingeführten optischen Pulse werden von dem optischen Koppler 400 gekoppelt, so dass eine Signalform wie das in 5 gezeigte Spektrum 401 entsteht.
7A und 7B sind jeweils Querschnittsansichten der Teile der räumlichen Lichtmodulatoren 231 und 331, gesehen von Positionen entlang den Linien A–A in 6A. Die Bezugszahl 2000 gibt ein Halbleitersubstrat an. Die Bezugszahlen 1003, 1002 und 1001 geben jeweils in drei Schichten geschichtete transparente Schichten an. Ihre Brechungsindizes sind als n₃, n₂ und n₁ definiert (mit n₁ < n₂ und n₃ < n₂) . Die Bezugszahlen 85 zeigen jeweils Elektroden an, die auf der transparenten Schicht 1001, die der obersten Schicht entspricht, vorgesehen sind, wobei die Elektrode 85 und das Substrat 2000 elektrisch isoliert sind. Das durch den räumlichen Lichtmodulator 231 übertragene Licht weist nur Frequenzkomponenten von f = f₁, f₃, f₅, ... auf, wie in dem Spektrum λ₁ . Die für die Modulation notwendige Positionierung der Elektroden ist wie in 7A dargestellt. Ähnlich weist das durch den räumlichen Lichtmodulator 331 übertragene Licht nur Frequenzkomponenten von f = f₂, f₉, f₆, ... auf, wie im Fall des Spektrums λ₂ . Die Positionen der Elektroden, die für die Modulation notwendig sind, sind wie in 7B gezeigt dargestellt. In 7A und 7B sind verschiedene Schraffierungen in abwechselnder Reihenfolge dargestellt, um deutlich die Frequenzen des durch die transparente Zwischenschicht 1002 durchgelassenen Lichts auszudrücken. Wenn die (zwischen den Elektroden 85 und dem Halbleitersubstrat 2000 angelegten) Spannungen für die Elektroden 85 der räumlichen Lichtmodulatoren 231 und 331 gemäß den Modulationssignalen S₁ und S2 gesteuert werden, dann kann eine beliebige Modulation durchgeführt werden.
In der in 6A gezeigten Ausführungsform können alle transparenten Schichten in plankonkaven Formen ausgeschnitten werden, um die plankonvexen Linsen zu bilden, und ihr schrittweises Schneiden kann die Beugungsgitter bilden. Deshalb kann das Ganze auf dem Halbleitersubstrat konfiguriert werden.
Bei der vorliegenden Ausführungsform ermöglicht die Temperaturregelung des Halbleitersubstrats mit hoher Genauigkeit die Implementierung eines gesteuerten stabilen Interferometers. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann das in 1A beschriebene Steuersystem (zur Überwachung der Fluktuationen des optischen Weglängenunterschiedes des Interferometers gemäß dem optischen Austrittspuls und dadurch zur Durchführung einer Rückmeldung über den optischen Weglängenunterschied in dem Interferometer) weggelassen werden. Natürlich kann auch eine Rückmeldung, die die Fluktuationen des optischen Weglängenunterschieds kompensiert, und eine Steuerung der an die Brechungsindexsteuerung 110 von 6A angelegten Spannung vorgenommen werden sowie eine strikte Temperaturregelung des Halbleitersubstrats.
Eine spektroskopische Funktion, die aus den Ausschnitten 210 und 310 besteht, die als die plankonvexen Linsen dienen, wobei die Ausschnitte 211 und 311 als die Beugungsgitter und die Ausschnitte 221 und 321 als die plankonvexen Linsen dienen, die in der Ausfüh rungsform von 6A verwendet werden, kann auch unter Verwendung eines in 8 gezeigten Wellenleitergitters durchgeführt werden. Das Wellenleitergitter wird in 2 des Beitrags „Multifrequency Laser for Dense WDM Applications" offengelegt, der bei der europäischen Konferenz über integrierte Optik 1997 nach dem Einreichen der vorliegenden Anmeldung vorgestellt wurde. Licht fällt ein oder wird von dem linken Ende in der Zeichnung aus eingegeben und wird sukzessive durch einen Freiraumbereich, einen Wellenleiter und einen weiteren Freiraumbereich übertragen. Dann wird Licht in jeden jeder Frequenz zugeordneten Wellenleiter eingeführt und schließlich durch eine eingebettete Schicht verstärkt. Es ist leicht verständlich, dass, wenn man dies umgekehrt verwendet, eine Lichtsammelfunktion, die aus den Ausschnitten 241 und 341, die als die plankonvexen Linsen dienen, den Ausschnitten 251 und 351, die als die Beugungsgitter dienen, und den Ausschnitten 261 und 361, die als die plankonvexen Linsen dienen, besteht, auf dieselbe Weise wie oben beschrieben erzielt werden kann.
9 ist ein Diagramm einer Ausführungsform einer anderen Konfiguration des optischen Zweiwege-Interferometers. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der in 6A gezeigten Ausführungsform des Interferometers 100, da die Länge der beiden optischen Wege im Wesentlichen gleich ausgebildet ist und der Brechungsindex eines dieser beiden optischen Wege verändert wird, so dass die optischen Wege äquivalent voneinander verschiedene Längen aufweisen. In der Zeichnung zeigen die Bezugszahlen 101 und 102 jeweils optische Wege an, die den in der Ausführungsform von 6A dargestellten ähnlich sind. Die Bezugszahl 105 zeigt eine Elektrode an. Der Brechungsindex kann gesteuert werden, indem man die an die Elektrode 105 angelegte Spannung (die zwischen der Elektrode 105 und dem Halbleitersubstrat 2000 angelegt wird) steuert. Als Folge können äquivalent die optischen Weglängen auch dann verschieden voneinander wiedergegeben werden, wenn die optischen Wege bezüglich der Länge strukturell miteinander identisch sind. Die vorliegende Ausführungsform hat den Vorteil, dass sie Fluktuationen bei der Herstellung durch Steuerung berücksichtigen kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung erhält man ein stabiles Interferometer mit einer Auflösung von 1/20 oder weniger der Mittenwellenlänge eines optischen Eintrittspulses. Außerdem kann das Interferometer der vorliegenden Erfindung die Spektren der bei Eingabe von Femtosekundenpulsen erhaltenen Austrittspulse steuern.
Da das Ausgangssignal des Interferometers in diskrete Spektren gebracht werden kann, kann man Licht so justieren, dass es in einem lichtunmodulierbaren Bereich auf einem räumlichen Lichtmodulator nicht existiert. Wenn beide optische Wege des Interferometers für die Signalsynthese verwendet werden, dann kann eine optische Synthetisierung vollständig an einem kontinuierlichen Spektrum über den gesamten Umfang des Spektrums bewirkt werden.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug auf die Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, soll die vorliegende Beschreibung nicht im einschränkenden Sinne aufgefasst werden. Für Fachleute werden bei Bezugnahme auf die vorliegende Beschreibung verschiedene Modifikationen der Ausführungsbeispiele sowie andere Ausführungsformen der Erfindung ersichtlich sein. Die Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.

Claims

Optisches Interferometer (50) mit: einem optischen Zweiwege-Interferometer (5) mit Vorrichtungen (1, 2) zum Steuern der Länge von einem der zwei optischen Wege in dem Interferometer, wobei die Vorrichtung mit zwei optischen Wegen (7, 7') für Austrittslicht aus dem Interterometer angeordnet sind, Vorrichtungen (8, 9) zum Erfassen von Fluktuationen im optischen Weglängenunterschied im Interterometer, wobei die Vorrichtungen (8, 9) in einem der beiden optischen Wege (7, 7') für Austrittslicht aus dem optischen Zweiwege-Interferometer (5) angeordnet sind, und einer Vorrichtung (10) zum Justieren des optischen Weglängenunterschieds, um die erfassten Fluktuationen zu kompensieren, damit der Betrieb des Interferometers stabilisiert ist.
Interterometer nach Anspruch 1, wobei die Justiervorrichtung (10) eine Vorrichtung umfasst, die automatisch ein den Fluktuationen entsprechendes Signal (S) an die Steuervorrichtung zurückführt.
Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Erfassungsvorrichtung eine Vorrichtung (8) zum spektroskopischen Aufspalten eines von einem der zwei optischen Wege für Austrittslicht erhaltenen optischen Austrittspuls in seine spektralen, optischen Pulse, und eine Vorrichtung umfasst, die Intensitätsänderungen jedes aufgespalteten optischen Pulses erfasst.
Interferometer nach Anspruch 3, wobei die Erfassungsvorrichtung eine weitere Erfassungsvorrichtung (9) umfasst, die die Intensität einer vorgegebenen Wellenlängenkomponente von jedem aufgespalteten optischen Puls erfasst.
Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Justiervorrichtung weiterhin eine Vorrichtung umfasst, die als Antwort auf zu synthetisierende Signale ein Signal für die optische Wegunterschiedsjustiervorrichtung bereitstellt, das zu dem Ergebnis der Änderung im optischen Weglängenunterschied äquivalent ist.
Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das optische Zweiwege-Interferometer auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, und einen ersten optischen Weg (101) zum Empfangen von einfallendem Licht und einen zweiten optischen Weg (102) umfasst, der nach einem einmaligen Kontakt mit dem ersten optischen Weg, um das einfallende Licht aufzuspalten, von dem ersten optischen Weg getrennt ist, und der dann mit dem ersten optischen Weg wieder in Kontakt gebracht wird, so dass sich ihre optische Weglänge voneinander unterscheidet, wobei die optischen Wege (101, 102) durch drei aufeinander geschichtete Schichten (1001, 1002, 1003) gebildet sind, wobei die dazwischen liegende Schicht (1002) einen höheren Brechungsindex aufweist als die beiden anderen Schichten (1001, 1003), und die Justiervorrichtung (110) mit dem Halbleitersubstrat verbunden ist.
Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der optische Weglängenunterschied dadurch erreicht wird, dass die optischen Weglängen oder die Brechungsindizes variiert werden.
Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das optische Zweiwege-Interferometer optische Objektträger umfasst, und die optische Weglängen-Steuervorrichtung durch einen piezoelektrischen Aktuator angetrieben wird.
Interferometer nach Anspruch 6, wobei die optische Wegunterschiedsjustiervorrichtung so angeordnet ist, dass sie die an einen der optischen Wege angelegte Spannung steuert, oder dass sie die Temperatur in einem Teil des einen optischen Weges steuert, um den Brechungsindex des optischen Weges zu ändern.
Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das derart angeordnet ist, dass im Betrieb die Phase des optischen Weglängenunterschieds willkürlich gesetzt ist.
Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Betrieb der optische Puls, der an das optische Zweiwege-Interferometer angelegt wird, ein Femtosekundenpuls ist.
Optischer Signalsynthesizer mit einem Interferometer nach einem der Ansprüche 3 bis 5, mit weiterhin einer Vorrichtung zum Umwandeln des aufgespalteten optischen Pulses in parallele Lichtstrahlen, die derart angeordnet ist, dass sie im Betrieb die optischen Wege der entsprechenden Wellenlängen des parallelen Lichts entsprechend den angelegten Signalen an- und abschaltet.
Synthesizer nach Anspruch 12, weiterhin umfassend eine Vorrichtung zum unabhängigen An- und Abschalten der optischen Wege der entsprechenden Wellenlängen des parallelen Lichts, die unabhängig voneinander aus dem austretenden optischen Puls erhalten werden, der von den zwei optischen Wegen für Austrittslicht des Interferometers erhalten wird, und eine Vorrichtung, die die in einem optischen Weg an/abgeschalteten parallelen Lichtstrahlen synthetisiert, und die zwei optischen Wege zu einem optischen Weg kombiniert.
Optischer Synthesizer mit einem Interferometer nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 9, wobei das Interferometer so angeordnet ist, dass es das einfallende Licht in zwei Lichtstrahlen aufspaltet und weiterhin umfasst: eine Vorrichtung, die jeden gespaltenen Lichtstrahl gemäß seinen Frequenzen zerlegt, eine Modulationsvorrichtung, die das resultierende zerlegte Licht einer Modulation durch räumliche Lichtmodulatoren entsprechend jeder Frequenz unterwirft, und eine Re-Synthetisiervorrichtung zum Re-Synthetisieren einer Ausgabe der Modulationsvorrichtung, und eine Vorrichtung zum Koppeln der re-synthetisierten Strahlen, wobei die entsprechenden Vorrichtungen auf einem Halbleitersubstrat vorhanden sind.
Synthesizer nach Anspruch 14, wobei die Modulationsvorrichtung und die Re-Synthetisiervorrichtung Viel-Kanal-Modulatoren sind, die auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, und die Koppelvorrichtung ein auf dem Halbleitersubstrat ausgebildeter optischer Koppler für das zu synthetisierende Licht aus einem dritten und vierten optischen Weg ist, um die re-synthetisierten entsprechenden Strahlen zu empfangen.
Synthesizer nach Anspruch 15, wobei jeder Viel-Kanal-Modulator, der auf dem Halbleitersubstrat vorhanden ist, aus drei aufeinander geschichteten Schichten gebildet ist, wobei die dazwischen liegende Schicht einen höheren Brechungsindex als die zwei anderen Schichten aufweist, und der derart konstruiert ist, dass in Kaskadenform folgendes angeordnet ist: ein als Konvexlinse dienender Ausschnitt, ein als Beugungsgitter dienender Ausschnitt, ein als Konvexlinse dienender Ausschnitt, ein räumlicher Lichtmodulator zum Variieren des Brechungsindexes an einer Fokussierposition, die der Frequenz gemäß einem modulierten Signal entspricht, ein als Konvexlinse dienender Ausschnitt, ein als Beugungsgitter dienender Ausschnitt, und ein als Konvexlinse dienender Ausschnitt.
Signalübertragungsverfahren, folgende Schritte umfassend: Anlegen eines optischen Femtosekunden-Pulses an einen optischen Weg eines optischen Zweiwege-Interferometers, Stabilisieren eines optischen Weglängenunterschieds im Interferometer, indem ein optischer Puls, der von einem der optischen Wege für Austrittslicht aus dem Spektrometer erhalten wird, erfasst wird, Steuern des Spektrums von jedem optischen Austrittslichtpuls aus dem Spektrometer gemäß einem zu übermittelnden Signal, Übermitteln der gesteuerten optischen Pulse, und Erstellen eines Übertragungssignals, indem die übermittelten optischen Pulse optisch gekoppelt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Stabilisierungsschritt dadurch ausgeführt wird, dass Intensitätsänderungen einer vorgegebenen Frequenzkomponente des austretenden optischen Pulses, der von dem optischen Weg erhalten wird, erfasst werden, wodurch der optische Weglängenunterschied justiert wird.
Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, wobei das Interferometer auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, und der Stabilisierungsschritt dadurch ausgeführt wird, dass die Temperatur des Halbleitersubstrats gesteuert wird.