JP2005519290A

JP2005519290A - 光パルスアナライザ

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Publication number: JP2005519290A
Application number: JP2003573808A
Authority: JP
Inventors: ヘルスコヴィッツ・ヴァルダ; ティプリス・メナヘム
Original assignee: アエリスフォトニクス（イスラエル）リミテッド
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2005-06-30
Also published as: WO2003075490A1; AU2002234855A1; US20050152016A1; EP1483852A1

Abstract

パルス列中のパルスが実質上同一形状を有する、パルス列中の光パルスを特徴付ける為の方法であって、
a）一パルスあたり一フォトンを検出する確率が実質上１未満の状態で前記パルス列中のパルスからフォトンを検出すること；
b）第一フォトンとその後の第二フォトンの検出の間の時間経過を決定し、その経過時間を記憶手段に記憶すること；
c）上記b）を繰返し、複数の時間経過を蓄積すること；及び
d）前記パルスを特徴付けるために前記複数の時間経過を使用すること、
を含む方法。

Description

本発明は、光波形のパワースペクトルを決定するための方法および装置に関するものであり、詳細には、光信号中のデータを符号化するデジタル波形のパワースペクトルを決定するための装置および方法に関するものである。

光通信ネットワークは、光ファイバを備える光リンクを介して送信機と受信機の間で伝送され、通常０か１で表される光のパルス形式のデジタルデータを、ネットワーク中の送信機と受信機の間で伝送させる。所定の伝送速度において、送信機によって送信されたパルス列中の各パルスは、時間的に隣接し、伝送速度によって決定される実質上同一の継続時間を有する一連の時間周期（繰返し周期と称す）間において伝送される。パルス列中の各パルスは、自己のパルス繰返し周期内に送信される。送信の際には、各パルスは、明確に規定された形状と、パルス繰返し周期以下のパルス幅とを有する。結果として、各パルスの光エネルギーは、実質上、各パルスの繰返し周期に制限される。

しかし、パルスは光ファイバ中を伝播するので、光ファイバを形成している物質との相互作用の結果として、通常は減衰や分散を被る。減衰は光パルスのエネルギー量を減少させ、分散は光パルスのエネルギーを再配分し一般的にそのパルスを時間軸方向に引き伸ばす。光ファイバを伝播中にパルスが被る減衰や分散は、パルスが示すデジタル符号の識別を困難にする程度にまで、パルスの形状及び／又は強度を変化させてしまう可能性がある。さらに、多くの場合、パルスが光ファイバ分の長さを伝播した後は、ネットワーク中の送信機により送信されたパルス列中のパルスのエネルギーがそのパルス列中のその他のパルスの繰返し周期に現れる程度にまで、分散がそのパルスのエネルギーを時間的に広げる。そのパルスのエネルギーはもはや自己の繰返し周期に制限されず、他のパルスの繰返し周期へと広がり、それらのエネルギーと重なり合う。同じ所定の繰返し周期中の複数のパルスの光エネルギーの重ね合わせによって、その所定の繰返し周期で送信された当初のパルスが示そうとしたデジタル符号の識別がより困難となる。符号の識別を妨げるこのエネルギーの重ね合わせは、シンボル間干渉（inter-symbol interference: ISI）と称される。

許容通信品質を維持するために、光通信ネットワークは、ネットワーク中の様々な光リンク上を伝送される光パルスの品質をしばしば監視し、監視の結果に応じて、パルスの減衰や分散を補正し及び／又は軽減しても良い。伝送中の光パルスの品質を光経路上で監視するために、多くの場合、光パルスのパワースペクトルを測定する方法及び装置が使用されている。伝送速度が約10Gbpsまででは、光通信ネットワーク中の光パルスのパワースペクトルを測定・監視するために、例えば自己相関器や自己相関法が比較的有効な装置または技術として用いられている。

ところが、10Gbpsに近い伝送速度については、光パルスのパワースペクトルを監視するための自己相関器は割高である。さらに、通信ネットワークは、伝送速度約2.5Gbpsから約40Gbps及びそれ以上迄の多様な通信プロトコルを同時にサポートするように計画されている。そのような通信ネットワークをサポートするために、上述のような伝送速度で伝送される光パルスのパワースペクトル特性を測定するための方法や装置が必要となる。

本発明の幾つかの実施形態の一側面は、光通信ネットワークにおいてデータを送信するために用いられ、パルス繰返し周期により特徴付けられる一連のパルスの状態で伝送される光パルスのパワースペクトルを決定するための方法を提供することに関する。

本発明の幾つかの実施形態の一側面は、一連の光パルス中の光パルスのパワースペクトルを決定するための装置（以下「パルスアナライザ」と称す）、を提供することに関する。

本発明の幾つかの実施形態では、パルス列は約10Gbps、或いは10Gbpsよりも大きな伝送速度でデータを伝送する。本発明の幾つかの実施形態では、パルス列は約40Gbps、或いは40Gbpsよりも大きな伝送速度でデータを伝送する。本発明の幾つかの実施形態では、パルス列は約160Gbps、或いは160Gbpsよりも大きな伝送速度でデータを伝送する。

本発明の実施形態によると、パルスアナライザは、選択的に、第一光センサと第二光センサ、光ディレクタ、及び以下「クロック」と称す時間間隔の長さを測定するための装置、を備える。各光センサはシングルフォトン検出モードで作動し、シングルフォトンの入射に反応して出力信号を発生する。例えば、アバランシェ型フォトダイオード（APDs）、金属‐半導体‐金属（MSM）フォトダイオード、光電子増倍管（PMTs）等の形式の既知技術の光センサを、ガイガー検出モードで作動させて、本発明の実施に使用することができる。これらの光センサは商業上たやすく入手でき、また比較的安価である。

パルス列中の光パルスのパワースペクトルを決定するために、本発明の実施形態によれば、パルス列の各パルス中のエネルギーの第一部分と第二部分が光ディレクタによって分けられ、それぞれ第一光センサ、第二光センサへと送られる。各光センサへ導かれるエネルギーの各部分は、どの単パルスからも一つよりも多いフォトンが第一光センサまたは第二光センサへと到達する確率が十分に小さくなるように決められている。パルス列中のパルスからの第一フォトンが第一光センサに入射すると、光センサは第一信号を発生させ、この第一時間にクロックをオンにする。クロックは、パルス列中の光パルスからの第二フォトンが第二フォトセンサに入射するまで、オンの状態を維持する。第二光センサは第二フォトンに反応して第二信号を発生させ、この第二時間にクロックをオフにする。これらの第一時間と第二時間は、自己相関間隔（autocorrelation interval）を定義するために用いられ、自己相関間隔は、繰返し周期に繰返し周期を法（modulo）とした第二時間を加え、繰返し周期を法とした第一時間を引いた時間に等しくなる。この自己相関間隔はメモリに記憶される。

多数の自己相関間隔の値が蓄積されるまで、クロックは、パルス列中の光パルスからのフォトンにより繰り返しオン・オフされる。自己相関間隔の確率密度関数（probability density function: pdf）を所望の統計的精度の範囲内で定義できるように、蓄積すべき自己相関間隔の値の数が決定される。確率密度関数を処理することにより光パルスを特徴づけるパワースペクトルが決定される。選択的には、パワースペクトルを処理することによりパルス列に対する自己相関関数が決定される。

ガイガーモードで光センサを作動させたとき、光センサがシングルフォトンの入射に応じて発生する信号のジッタと幅は、一般に、実質上、光センサ内を光電子が通過する時間の広がりにのみ依存して決まる。光センサによってはその時間の広がりが極めて小さいものもあり、適切なガイガーモード光センサでは、光センサにフォトンが入射する時間を約１ピコ秒の分解能で測定することができる。結果として、本発明の実施形態では、１０ピコ秒未満のパルス幅を有する光パルスのパワースペクトル特性を測定するために、比較的安く、商業的に入手できる光素子を使用することができる。

本発明の実施形態によるパワースペクトルの決定方法では、通常、最大伝送速度までは、光パルスのデータ伝送速度に依存しない。その最大伝送速度は、一般的に、第一フォトンとその後の第二フォトンの光センサ上での到達の時間間隔を決定する精度により決まる。

それゆえ、本発明の実施形態によれば、パルス列中のパルスが実質上同一形状を有する、パルス列中の光パルスを特徴付ける為の方法であって、a）一パルスあたり一フォトンを検出する確率が実質上１未満の状態で前記パルス列中のパルスからフォトンを検出すること；b）第一フォトンとその後の第二フォトンの検出の間の時間経過を決定し、その経過時間を記憶手段に記憶すること；c）上記b）を繰返し、複数の時間経過を蓄積すること；及び、d）前記パルスを特徴付けるために前記複数の時間経過を使用すること、を含む方法を提供する。

選択的には、前記パルス列が一定のパルス繰返し周期により特徴付けられ、各パルスは自己の繰返し周期内で同一の時間上の位置に位置付けられている。

選択的には、複数の時間経過を使用することは、時間経過から、第一のフォトン及び第二のフォトンが検出されるパルスの繰り返し周期間における繰り返し周期数倍した繰り返し周期に等しい時間を引いた時間に等しい時間間隔を各時間経過について決定し、パルスを特徴付ける為に、決定された複数の時間間隔を用いることを含む。

選択的には、前記複数の時間間隔を使用することは、時間間隔の確率密度関数を決定することを含む。選択的には、その方法は、前記確率密度関数のフーリエ変換を決定することを含む。選択的には、その方法は、前記フーリエ変換を使用し、前記パルスのパワースペクトルを決定することを含む。選択的には、その方法は、前記パワースペクトルを使用し、前記パルス列に対する自己相関関数を決定することを含む。

本発明の幾つかの実施形態では、一パルスあたり一フォトンを検出する確率が１％未満である。本発明の幾つかの実施形態では、一パルスあたり一フォトンを検出する確率が0.5％未満である。本発明の幾つかの実施形態では、一パルスあたり一フォトンを検出する確率が0.１％未満である。

本発明の幾つかの実施形態では、前記パルス列が伝送速度約10Gbps以上でデータを伝送する。本発明の幾つかの実施形態では、前記パルス列が伝送速度約40Gbps以上でデータを伝送する。本発明の幾つかの実施形態では、前記パルス列が伝送速度約160Gbps以上でデータを伝送する。

本発明の幾つかの実施形態では、前記時間経過を決定することが、約１０ピコ秒以下の精度で前記時間経過を決定することからなる。本発明の幾つかの実施形態では、前記時間経過を決定することが、約２ピコ秒以下の精度で前記時間経過を決定することからなる。

さらに、本発明の実施形態によれば、パルス列中の光パルスを特徴付ける為のパルスアナライザであって、一フォトンの入射に反応して出力信号を発生させる少なくとも一つの光センサ；パルス列中の各光パルスから光を受信し、一つの光パルスから前記少なくとも一つの光センサ中の一光センサに一フォトンが到達する確率が実質上１未満となるような強度の状態で、光パルスからの光を前記少なくとも一つの光センサのそれぞれに導く光ディレクタ；オフの場合に前記少なくとも一つの光センサからの出力信号に反応してオンとなり、オンの場合に前記少なくとも一つの光センサからの出力信号に反応してオフとなるクロック；及び、前記クロックの切り替わる複数回数の各々において前記クロックがオンになりその後オフとなる間の時間経過に応じて少なくとも一つの信号を受信し、前記時間経過を使用して光パルスの特性を決定するプロセッサ、を含むパルスアナライザを提供する。

選択的に、前記プロセッサは、前記クロックがオンとなる時間の複数の各々について前記信号から、前記クロックがオンとなる時間とその次にオフとなる時間の間の時間経過を決定し、その決定された時間経過を用いて前記パルスを特徴付ける。

本発明の幾つかの実施形態では、前記パルス列が一定のパルス繰返し周期を有し、各光パルスが自己の繰返し周期内で時間的に同一の位置に位置づけられている。選択的には、前記プロセッサが、時間経過から、第一フォトンが検出されたパルスの属する繰返し周期と第二フォトンが検出されたパルスの属する繰返し周期の間の繰返し周期の数を繰返し周期に掛けた時間を引いた時間に等しい各経過時間に対する時間間隔を決定し、その決定された複数の時間間隔を使用してパルスを特徴付ける。

選択的には、前記プロセッサが、前記複数の時間間隔を使用し、前記時間間隔に対する確率密度分布を決定する。選択的には、前記プロセッサが、前記確率密度分布のフーリエ変換を決定し、そのフーリエ変換を使用して前記パルスの特性を決定する。選択的には、前記プロセッサが、前記フーリエ変換を使用し、前記パルスのパワースペクトルを決定する。選択的には、前記プロセッサが、前記パワースペクトルを使用し、前記パルス列に対する自己相関関数を決定する。

本発明の幾つかの実施形態では、前記少なくとも一つの光センサは第一光センサと第二光センサを含み、第一光センサが発生する出力信号は前記クロックをオンにし、第二光センサが発生する出力信号は前記クロックをオフにする。本発明の幾つかの実施形態では、前記少なくとも一つの光センサはガイガーモードで作動する。

本発明の幾つかの実施形態では、前記クロックが時間−デジタル変換器からなる。

本発明の幾つかの実施形態では、一光パルスあたり一フォトンが光センサに到達する確率が1％未満である。本発明の幾つかの実施形態では、一光パルスあたり一フォトンが光センサに到達する確率が0.5％未満である。本発明の幾つかの実施形態では、一光パルスあたり一フォトンが光センサに到達する確率が0.1％未満である。

図１は光パルス列２２中のパルスを分析するパルスアナライザ２０の模式図である。なお、パルス列２２は光パルス２４からなり、その一部分のみ図示している。パルス列２２はパルス繰返し周期T₀を有し、各パルス２４はそのパルス繰返し周期内に送信され、パルス幅TはT≦T₀の関係を有する。また、各パルス２４は時間tの関数として強度I(t)を有する。さらに、各パルス２４は、パルス繰返し周期の開始時間から同じ遅延時間経過時に発生するものとする。I(t)がt<0及びt>Tのとき0であり、一般的な損失はないものと仮定したとき、各パルスの強度を規格化すると、

となると仮定する。

パルスアナライザ２０は、パルス列２２中の各パルス２４からの光を受信し、そのパルス列２２中の２つの異なるパルス２４の光を受信する様子が図１に模式的に示されている。時間t₁では、パルスアナライザ２０がパルス列２２のｋ番目の繰返し周期内のｋが付されたパルス２４からの光を受信していることが示されている。時間t₂では、パルスアナライザ２０がパルス列２２のｋ+n番目の繰返し周期内のｋ+nが付されたパルス２４からの光を受信していることが示されている。

パルスアナライザ２０は、選択的に、光ディレクタ３０、第一光センサ３１と第二光センサ３２、クロック３４、及びプロセッサ３６を備える。クロック３４は選択的に、技術的に知られている様々な装置のいずれを用いてもよい。例えば、時間間隔を測定するための高分解能で適切な時間‐デジタル変換器（Time to Digital Converter: TDC）などが挙げられる。光ディレクタ３０は選択的に、光カプラ３８、第一光減衰器４１及び第二光減衰器４２を備える。パルスアナライザ２０が各パルス２４から受信した光は、光カプラ３８により受け取られる。光カプラ３８はその受信光の一部分を第一減衰器４１へ入射させるように導き、受信光の第二部分を第二減衰器４２へ入射させるように導く。その後、第一減衰器４１が送信した光は第一光センサ３１に入射し、第二減衰器４２が送信した光は第二光センサ３２に入射する。

光センサ３１，３２はガイガー検出モードで作動し、各センサは入射したシングルフォトンに反応して出力信号を発生する。光センサ３１，３２は、アバランシェ型フォトダイオード（APDs）、金属‐半導体‐金属（MSM）フォトダイオード、光電子増倍管（PMT）のいずれでもよい。商業的に入手可能であり本発明の実施に適切な光センサは、例として、日本の富士通製「FDP15U51KS」と称される光センサと、USのEG&G製「30733E」と称される光センサである。ガイガーモードで作動する光センサFDP15U51KSについては、そのセンサに入射するフォトンに応じてフォトセンサにより発生される信号は、フォトセンサでのフォトンの到来時間を１ピコ秒以内で決定するために用いることができる。

第一減衰器４１による減衰率は、一つのパルス２４から１つよりも多いフォトンが第一光センサ３１に到達する確率が１未満となるように調整されている。同様に、第二減衰器４２による減衰率は、一つのパルス２４から一つよりも多いフォトンが第二光センサ３２に到達する確率が１未満となるように調整されている。所定の光強度においてフォトンが第一光センサ３１に到達する割合が、その強度の因子α倍に等しいならば、一つのフォトンがパルス２４の継続する時間tに第一光センサに到達する確率はαI(t)である。一つよりも多いフォトンがパルス２４の継続時間中に第一光センサに到達する確率の条件は、αT₀<<1を必要とする。本発明には、減衰器４１の減衰率は、一つのフォトンがパルス２４から第一光センサ３１に到達する確率が約１％よりも小さくなるように調整される実施形態が含まれる。選択的には、減衰器４１の減衰率は、一つのフォトンがパルス２４から第一光センサ３１に到達する確率が約0.5％よりも小さくなるように調整される。選択的には、減衰器４１の減衰率は、一つのフォトンがパルス２４から第一光センサ３１に到達する確率が約0.1％よりも小さくなるように調整される。

同様に、所定の光強度においてフォトンが第二光センサ３２に到達する割合が、その所定の強度の因子β倍に等しいならば、一つのフォトンが時間tに第二光センサに到達する確率はβI(t)であり、またβT₀<<1である。本発明には、減衰器４２の減衰率は、一つのフォトンがパルス２４から第二光センサ３２に到達する確率が約１％よりも小さくなるように調整される実施形態が含まれる。選択的には、減衰器４２の減衰率は、一つのフォトンがパルス２４から光センサ３２に到達する確率が約0.5％よりも小さくなるように調整される。選択的には、減衰器４２の減衰率は、一つのフォトンがパルス２４から光センサ３２に到達する確率が約0.1％よりも小さくなるように調整される。

クロックが既にオン状態でなければ、選択的にはクロック３４をリセットした後、第一光センサ３１からの出力パルスはクロック３４をオンにする。クロック３４が既にオフ状態でなければ、第二光センサ３２からの出力パルスはクロック３４をオフにする。クロック３４がオンの時に第一光センサ３１からの出力パルスがクロック３４に到達しても、クロック３４はオフにはならない。クロック３４がオフの時に第二光センサ３２からの出力パルスがクロック３４に到達しても、クロックはオンにならない。クロック３４がオン、続いてオフになる毎に、プロセッサ３６はオンとなる時間とオフとなる時間の間の時間経過（time lapse）を測定し、以下に説明するように、その時間経過を記憶して計算処理を行い、パルス２４の特性を決定する。

本発明の幾つかの実施形態では、αとβが独立して調整されるよう、減衰器４１，４２の減衰率は互いに無関係に調整される。αとβの独立した調整を用いることにより、光センサ３１，３２の感度の差に対する補正を行うことができる。さらに、クロックオン時に発生するジッタを原因とする、クロック３４のオン−オフの時間経過測定時の誤差は、αがβよりも十分に小さくなるように減衰器４１の減衰率を調整することによって減少させることができると考えられる。

例として、図１では時間t₁において、クロック３４はオフと仮定され、ｋ番目の繰返し周期中のパルス２４（パルスｋ）からのシングルフォトン５１が、第一光センサ３１に入射する様子を模式的に示している。選択的にリセットさせたクロック３４に対し、第一光センサ３１はフォトン５１に応じて信号を発生させ、クロック３４をオンにする。なお、フォトン５１は第一光センサ５１にのみ入射し、第二光センサ５２には入射しない。しかし、フォトン５１が第一光センサ３１よりもむしろ第二光センサ３２に入射するようであっても、フォトン５１はクロック３４に何の影響も与えないであろう。クロック３４はオフの状態を維持したまま、第一光センサ３１に入射するフォトンによりオンにされることを待っているであろう。

時間t₂においては、k+n番目の繰返し周期中のパルス２４からのシングルフォトン５２が、第二光センサ３２に入射し、その入射に反応して光センサが出力信号を発生する様子を模式的に示している。時間t₂に第二光センサ３２に入射するフォトンは、時間t₁以来、第二光センサに３２に入射する最初のフォトンである。従って、時間t₁以降、クロック３４はオンを継続しており、第二光センサにより発生した信号がクロック３４をオフにする。なお、フォトン５２が第二光センサ３２よりもむしろ第一光センサ３１に入射するようであっても、フォトン５２はクロック３４に何の影響も与えず、クロック３４はオフにされないであろう。クロック３４はオンの状態を維持したまま、第二光センサ３２に入射するフォトンによってオフにされることを待っているであろう。

プロセッサ３６は時間t₂とt₁の間の時間差に応じるクロック３４からの少なくとも一つの信号を受信し、その信号から自己相関間隔ΔT=ΔT₁+ΔT₂を決定する。ΔT₁はt₁からk+1番目の繰返し周期の開始時間(k+1)T₀までの時間範囲である（便宜と簡便のため、ｋ番目の繰返し周期は時間(k-1)T₀ではなくkT₀で開始する）。ΔT₂は、k+n番目の繰返し周期の開始時間(k+n)T₀から時間t₂までの時間範囲である。ΔT、ΔT₁、ΔT₂とk番目、(k+n)番目の繰返し周期中の光パルス２４との間の関係を、挿入図６０に示した。挿入図６０では、時間(k+1)T₀と(k+n)T₀の境界線を一致させており、k番目、(k+n)番目の繰返し周期とそれぞれのパルス２４を、その境界線を介して互いに隣接して配置させている。表示の明瞭化のため、k番目、(k+n)番目の繰返し周期とそれぞれのパルス２４の要素と形状は、パルス列２２のサイズと比して拡大されている。

なお、時間t₂とt₁の間の時間差を測定し、その結果より自己相関間隔ΔTを決定するためには、必ずしもクロック３４がt₁のときオン、t₂のときオフとなる必要はない。本発明には、クロック３４が通常時にオンである場合の実施形態も含まれる。クロック３４は、フォトンが第一光センサ３１に入射することにより時間t₁でオフになり、その後、フォトンが第二光センサ３２に入射することにより時間t₂でオンとなる。時間t₁とt₂の時間の差分は、時間t₁−t₂間のクロック３４がオフ状態である継続時間から求められる。

パルスアナライザ２０は、パルス列２２に対する複数の自己相関間隔ΔTを蓄積し、その結果から、確率密度関数f(ΔT)を算出する。例として、αT₀=βT₀=10^-3、T₀=100ピコ秒、光センサ３１，３２のカウントレートを約10MHz、パルスアナライザ２０が約5MHzのレートで自己相関間隔の値を蓄積するものと想定する。関数f(ΔT)は、以下に述べるようにパルス２４に対するパワースペクトルに関連し、また本発明の実施形態によれば、パルス２４に対するパワースペクトルを決定するために用いられる。

本発明には、第一光センサ３１と第二光センサ３２の代わりに単一の光センサを用いる実施形態も含まれる。光センサに入射する第一フォトンがクロック３４をオンにし、続いて入射する第二フォトンがクロック３４をオフにする。ところが、本発明のこのような実施形態では、時間t₂に光センサに入射するフォトンに反応して光センサがクロック３４をオフにする信号を発生するためには、t₂とt₁の時間差が光センサの回復時間（recovery time）よりも大きくなければならない。結果として、クロック３４がオン・オフを繰り返すことができる周波数の上限であり且つ自己相関間隔ΔTを取得可能なデータ取得レートは、1/T_Rが限界となる。ここで、T_Rは光センサの回復時間である。本発明の実施形態によれば、二つの光センサを使用することによって、光センサの回復時間に実質上依存することなくクロック３４をオフにすることができ、その結果として、1/T_Rよりも大きなデータ取得レートが可能となる。

ｋ番目の繰返し周期中に第一光センサ３１により検出されクロック３４をオンにするフォトン５１については、その繰返し周期の開始時間からt_k後の時間範囲dt内にそのフォトンが検出される確率は、I(t_k)dtである。(k+n)番目の繰返し周期中に第二光センサ３２により検出されクロック３４をオフにするフォトン５２については、その(k+n)番目の繰返し周期の開始時間からΔT₂以下の時間に検出されるフォトンの累積確率（cumulative probability）は、

である。ΔT₂をΔT₂=(ΔT-ΔT₁)=ΔT-(T₀-t_k)と置き換えると、

となる。後者の積分は、フォトン５１が検出される所定の時間t_kにおいて、自己相関間隔がΔT以下である場合の累積確率である。その結果、時間t_kの全ての可能性のある値についての、ΔTに対する累積確率であるF(ΔT)は、

と表さすことができる。F(ΔT)をΔTに関して微分し、t<0またはt>T₀のときI(t)=0となることを考慮すると、確率密度関数f(ΔT)は、

となる。

便宜を図るため、t=t_k、y=(ΔT-T₀)と置くと、

となる。一方、強度I(t)をフーリエ変換すると、

となる。このとき、

である。u=-(t+y)と置くと、２重積分は、

となる。前述の定義からy+T₀=ΔTとして、

と記述することができる。

従って、蓄積したΔTの値からプロセッサ３６が生成する確率密度関数f(ΔT)は、関数|I(ω)|²e^-jωT0の逆フーリエ変換と同様である。逆フーリエ変換の式はf(ΔT)=F^-1{|I(ω)|²e^-jωT0}で表され、式中ではF^-1が逆フーリエ変換を示す。確率密度関数f(ΔT)はI(t)の位相シフトパワースペクトル|I(ω)|²を備え、式|I(ω)|²=F{f(ΔT)}e^-jωT0で表される。本発明の実施形態によれば、プロセッサ３６は、f(ΔT)のフーリエ変換から、光パルス２４を特徴付けるI(t)のパワースペクトルを決定する。時間波形に対するパワースペクトルは、その波形の自己相関関数のフーリエ変換であるので、本発明の幾つかの実施形態では、f(ΔT)から導かれるパワースペクトルは光パルス２４の自己相関関数の決定に用いられる。

なお、パルス列２２のパワースペクトルを決定することが繰返し周期T₀の定数値を想定することになる一方で、変化する繰返し周期に対する光パルス列のパルスを特徴付けるためにパワースペクトルを決定することが可能である。それぞれのパルスが実質上同じ形状であり、且つ、各繰返し周期の開始時間、および繰返し周期の開始時間に対する各パルスの開始時間が決定されるならば、相応する自己相関間隔を求めることができ、その結果、パワースペクトルが決定される。

本出願の明細書及び請求項中では、備える、含む、有する（comprise, include, have）とその活用形のそれぞれの動詞は、その動詞の対象が必ずしもその動詞の対象の部材、組成、要素或いは部分の完全なリストではないことを示すために使用されている。

本発明は、例として提供され且つ何ら発明の範囲を限定するものではない実施形態の詳細な説明を使って記載されている。記載された実施形態は異なる特徴を含むものであり、発明の全ての実施形態にその特徴全てが要求されているわけではない。本発明の幾つかの実施形態は、それらの特徴またはそれらの特徴の可能な組み合わせの幾つかのみを利用するものである。記載されている本発明の実施形態の変形と、記載されている実施形態中で言及された特徴の組み合わせ含む本発明の実施形態とは、当業者が想到するものであろう。発明の範囲は特許請求の範囲の請求項によってのみ制限される。

本発明の実施形態をなんら限定するものでない実施例を、本明細書に添付した図面を参考にして、以下に説明する。図面中の構成要素と機構の寸法は、表示上の便宜と明瞭化のために選択され、必ずしもその示すものではない。
図１は、本発明の実施形態による、パルス列中の光パルスを測定するパルスアナライザを示す模式図である。

符号の説明

２０パルスアナライザ
２２パルス列
２４パルス
３０光ディレクタ
３１第一光センサ
３２第二光センサ
３４クロック
３６プロセッサ
３８光カプラ
４１第一減衰器
４２第二減衰器
５１フォトン
５２フォトン

Claims

パルス列中のパルスが実質上同一形状を有する、パルス列中の光パルスを特徴付ける為の方法であって、
a）一パルスあたり一フォトンを検出する確率が実質上１未満の状態で前記パルス列中のパルスからフォトンを検出すること；
b）第一フォトンとその後の第二フォトンの検出の間の時間経過を決定し、その経過時間を記憶手段に記憶すること；
c）上記b）を繰返し、複数の時間経過を蓄積すること；及び
d）前記パルスを特徴付けるために前記複数の時間経過を使用すること、
を含む方法。
前記パルス列が一定のパルス繰返し周期により特徴付けられ、各パルスは自己の繰返し周期内で同一の時間上の位置に位置付けられている、請求項１に記載の光パルスを特徴付ける方法。
複数の時間経過を使用することは、時間経過から、第一のフォトン及び第二のフォトンが検出されるパルスの繰り返し周期間における繰り返し周期数倍した繰り返し周期に等しい時間を引いた時間に等しい時間間隔を各時間経過について決定し、パルスを特徴付ける為に、決定された複数の時間間隔を用いることを含む、請求項２に記載の光パルスを特徴付ける方法。
前記複数の時間間隔を使用することは、時間間隔の確率密度関数を決定することを含む請求項３に記載の方法。
前記確率密度関数のフーリエ変換を決定することを含む請求項４に記載の方法。
前記フーリエ変換を使用し、前記パルスのパワースペクトルを決定することを含む請求項５に記載の方法。
前記パワースペクトルを使用し、前記パルス列に対する自己相関関数を決定することを含む請求項６に記載の方法。
一パルスあたり一フォトンを検出する確率が１％未満である前記請求項のいずれかに記載の方法。
一パルスあたり一フォトンを検出する確率が0.5％未満である請求項８に記載の方法。
一パルスあたり一フォトンを検出する確率が0.1％未満である請求項９に記載の方法。
前記パルス列が伝送速度約10Gbps以上でデータを伝送する前記請求項のいずれかに記載の方法。
前記パルス列が伝送速度約40Gbps以上でデータを伝送する請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
前記パルス列が伝送速度約160Gbps以上でデータを伝送する請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
前記時間経過を決定することが、約１０ピコ秒以下の精度で前記時間経過を決定することを含む前記請求項のいずれかに記載の方法。
前記時間経過を決定することが、約２ピコ秒以下の精度で前記時間経過を決定することを含む請求項１２に記載の方法。
パルス列中の光パルスを特徴付ける為のパルスアナライザであって、
一フォトンの入射に反応して出力信号を発生させる少なくとも一つの光センサ；
パルス列中の各光パルスから光を受信し、一つの光パルスから前記少なくとも一つの光センサ中の一光センサに一フォトンが到達する確率が実質上１未満となるような強度の状態で、光パルスからの光を前記少なくとも一つの光センサのそれぞれに導く光ディレクタ；
オフの場合に前記少なくとも一つの光センサからの出力信号に反応してオンとなり、オンの場合に前記少なくとも一つの光センサからの出力信号に反応してオフとなるクロック；及び
前記クロックの切り替わる複数回数の各々において前記クロックがオンになりその後オフとなる間の時間経過に応じて少なくとも一つの信号を受信し、前記時間経過を使用して光パルスの特性を決定するプロセッサ、
を含むパルスアナライザ。
前記プロセッサは、前記クロックがオンとなる時間の複数の各々について前記信号から、前記クロックがオンとなる時間とその次にオフとなる時間の間の時間経過を決定し、その決定された時間経過を用いて前記パルスを特徴付ける、請求項１６に記載のパルスアナライザ。
前記パルス列が一定のパルス繰返し周期を有し、各光パルスが自己の繰返し周期内で時間的に同一の位置に位置づけられている、請求項１７に記載のパルスアナライザ。
前記プロセッサが、時間経過から、第一フォトンが検出されたパルスの属する繰返し周期と第二フォトンが検出されたパルスの属する繰返し周期の間の繰返し周期の数を繰返し周期に掛けた時間を引いた時間に等しい各経過時間に対する時間間隔を決定し、その決定された複数の時間間隔を使用してパルスを特徴付ける、請求項１８に記載のパルスアナライザ。
前記プロセッサが、前記複数の時間間隔を使用し、前記時間間隔に対する確率密度分布を決定する、請求項１９に記載のパルスアナライザ。
前記プロセッサが、前記確率密度分布のフーリエ変換を決定し、そのフーリエ変換を使用して前記パルスの特性を決定する、請求項２０に記載のパルスアナライザ。
前記プロセッサが、前記フーリエ変換を使用し、前記パルスのパワースペクトルを決定する、請求項２１に記載のパルスアナライザ。
前記プロセッサが、前記パワースペクトルを使用し、前記パルス列に対する自己相関関数を決定する、請求項２２に記載のパルスアナライザ。
前記少なくとも一つの光センサは第一光センサと第二光センサを含み、第一光センサが発生する出力信号は前記クロックをオンにし、第二光センサが発生する出力信号は前記クロックをオフにする、請求項１６から２３のいずれかに記載のパルスアナライザ。
前記少なくとも一つの光センサはガイガーモードで作動する、請求項１６から２４のいずれかに記載のパルスアナライザ。
前記クロックが時間−デジタル変換器からなる、請求項１６から２５のいずれかに記載のパルスアナライザ。
一光パルスあたり一フォトンが光センサに到達する確率が1％未満である、請求項１６から２５のいずれかに記載のパルスアナライザ。
一光パルスあたり一フォトンが光センサに到達する確率が0.5％未満である、請求項２７に記載のパルスアナライザ。
一光パルスあたり一フォトンが光センサに到達する確率が0.1％未満である、請求項２７に記載のパルスアナライザ。
前記パルス列が伝送速度約10Gbps以上でデータを伝送する、請求項１６から２９のいずれかに記載のパルスアナライザ。
前記パルス列が伝送速度約40Gbps以上でデータを伝送する、請求項１６から２９のいずれかに記載のパルスアナライザ。
前記パルス列が伝送速度約160Gbps以上でデータを伝送する、請求項１６から２９のいずれかに記載のパルスアナライザ。