JP2007515086A - 全光型信号処理の方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明の重要な利点は、例えば、本発明を使用して、複数の波長チャネルを同時に、すなわち並列に処理する光学装置を実現することができるという事実を含む。本発明は、共振器機構の一つの偏光モードの光路長が入力光の波長と整合することを必要とするが、時間的な信号長の要求、すなわち入力光データの転送速度に関する継続時間についての要求を全く持たない。例えば、共振器内での適当な量の複屈折を選択することにより、データ転送速度を整合させる。従って、共振器の長さが使用される全ての波長に整合し、その複屈折がデータ転送速度に適当であれば、本発明の方法は、同時に複数の波長を並列処理することを可能にする。

Description

本発明は、光信号処理における方法に関するものであり、前記方法を実施するための光学装置に関するものである。特に、本発明は、光学共振器機構に基づく全光型フィルタに関するものであり、この光学共振器機構は、入力光の電磁エネルギーを一時的に格納する能力を持ち、それゆえ、光入力信号についての高速な摂動にもかかわらず、幾らかの時間の間、フィルタが所望の状態にとどまっていることができるように、その過去についての幾らかの記憶を持つ。そのようなフィルタは、「低速」全光型フィルタと呼ばれるであろう。例えば、光信号分析、光クロックの復元、或いは、例えば光マイクロ波生成のような、より低周波の入力信号から高周波出力を作り出すために、本発明を利用することができる。

（定義）
光の周波数は、典型的には、電磁界の波長の逆数、すなわちν＝ｃ／（ｎλ）と理解され、ここで、νは周波数、ｃは真空中での光の速度、ｎは媒体の屈折率、及びλは波長である。しかしながら、本出願の文脈の中では、周波数という語は、時間的に周期的な光の強度変化の速度に向けられており（例えば、パルス周波数）、それゆえ、波長とは関係がない。この概念的な違いを強調するために、この強度変化の速度は、以後、単に周波数ｆと呼び、電磁界の基本的な物理特性としての周波数νを波長λの観点で論じる。言い換えると、以後、周波数ｆは、光の時間パルスに関するものであり、このパルスは、波長λ、及び前記波長に対応する周波数νを持つ光から形成される。

歴史的な理由のため、光学共振器は、時々、光学キャビティと呼ばれる。これらの２つの表現を、文書全体にわたって、同義的に使用する。

電気信号処理
帯域通過フィルタリングは、伝統的に電気的手段によって作成され、それゆえ、従来の方法により処理される光信号は、フィルタリングを実施できる前に、光‐電気変換を必要とする。さらに、光学的手段によって信号が伝送される場合には、そのフィルタ信号を光学領域に変換し戻さなければならない。電気領域への変換、及び電気領域からの変換は、信号周波数が４０ＧＨｚを超えている時はいつでも、現在の最新技術では大変なことである。その往復の変換はまた、更なるコストを生み出し、光信号の質を劣化させる可能性がある。例えば、米国特許第４,７３７,９７０号は、電気領域においてキャビティ共振器を利用したクロック復元装置を開示している。従って、本発明は、電気領域への変換、及び電気領域からの変換を全く必要とせず、それゆえ前記変換に関する如何なる問題も取り除く全光型変換を目指すものである。

全光型信号処理
全光型信号処理は、伝統的に、様々な波長の光を扱うものであり、そこでは例えば、ＷＤＭ（波長分割多重）システム内の異なるチャネルが、様々な波長帯を持つ光学フィルタを使って、互いに分離される。

光の波長ではなく、時間的な入力信号の周波数に基づく光学処理は、はるかに少ししか成されないが、それもまた従来技術より知られている。リング共振器は、全通過光学フィルタの構築のために使用され（Ａｚａｎａ及びＣｈｅｎ他著, ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ １４, ２００２）、マッハ‐ツェンダ干渉計とともに、典型的には、全光型フィルタの基本構成要素と考えられる。リング共振器及びマッハ‐ツェンダ干渉計の直列接続を使用して、フーリエ変換、及び他の光学関数を実施することができる。光学共振器を、全光型信号処理（Ｌｅｎｚ他著, ＩＥＥＥ Ｊ.Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ., ３４, Ａｕｇ．１９９８）、及びクロック復元（Ｊｉｎｎｏ及びＭａｔｓｕｍｏｔｏ著, ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ., ４, Ａｐｒ．１９９２）のために使用した。Ｊｉｎｎｏによって成されたクロック復元は、単純な光学共振器に基づくものであって、その光路長は、１）入射光の波長、及び２）データ周波数と綿密に整合していた。しかしながら、その装置は、一より多くの波長（或いは、ＷＤＭチャネル）を同時に処理する能力については、非常に制限されている。

幾つかの他の全光型フィルタリング手法が、以下の特許文献において示されている。米国特許第５,４４６,５７３号は、非線形リング共振器の使用に基づく全光型再生器を開示している。米国特許第６,０２８,６８７号は、変調光入力信号からクロックを復元するための、２つの共振器ミラー間のレーザ装置を開示している。ここでは、双方向の多重／逆多重構成要素が共振器内に配置された。米国特許第６,３８８,７５３号は、非線形干渉計を利用した全光型ビット位相センサを開示しており、ここでは、非線形材料の屈折率が変化する。

（本発明の要約）
基本的かつ一般的に表現すると、本発明は、光入力信号の処理が少なくとも以下のステップを含む方法に依存している：１）前記共振器の一方が入力信号と整合し、他方が入力信号と不整合であるように配置された２つの実質的に並列で独立した複合単極共振器を含む光学共振器機構を、前記入力信号の少なくとも一部で励起させるステップ、及び２）前記光学共振器機構の整合、及び不整合の両方の共振器が前記線形偏光出力信号の形成に寄与するように、偏光に基づいて、少なくとも１つの光出力信号を前記光学共振器機構の出力からさらに分離するステップ。

例えば、単一の光学複屈折共振器を使うことにより、本方法を実際に実施することができ、その出力はさらに、該複屈折共振器の出力から少なくとも１つの方向の偏光を選択する適当に配置された偏光選択装置に向けられる。そのような実施形態では、２つの仮想で独立な共振器として、整合及び不整合な共振器が、その複屈折性のため、前記共振器機構の内側に形成されるようになる。

後で示すように、幾つかの方法で、かつ様々な形式の光学要素を使用して、偏光分離又は選択の装置又は手段を伴った整合、及び不整合な共振器を実現することができる。本方法を実施する全ての光学装置が、入力光信号の様々な形式の帯域通過フィルタリングを生成し、従って、様々な全光型信号処理使用例のための有用なツールを提供する。

本発明の重要な利点は、例えば、本発明を使用して、複数の波長チャネルを同時に、すなわち並列に処理する光学装置を実現することができるという事実を含む。本発明は、共振器機構の一つの偏光モードの光路長が入射光の波長と整合することを必要とするが、時間的な信号長の要求、すなわち入力光データの転送速度に関する継続時間についての要求を全く持たない。例えば、共振器内での適当な量の複屈折を選択することにより、データ転送速度を整合させる。従って、共振器の長さが使用される全ての波長に整合し、その複屈折がデータ転送速度に適当であれば、本発明の方法は、同時に複数の波長を並列処理することを可能にする。

本発明の１つの見込みのある用途を、全光型クロック復元に見出すことができる。しかしながら、後で異なる波長を互いに分離できるならば、上で言及した並列性は、全ての用途について当てはまる。

本発明の最も大きな利点は、その具体的な用途によって変わる。全光型クロック復元のために使用される時、本方法は、共振器長（ＷＤＭチャネル分離）とデータ転送速度との間の依存性から解放される。この解放は、全く並列なシステムを実際に構築する可能性を与える。米国特許第５,４４６,５７３号、米国特許第６，０２８，６８７号、又は米国特許第６,３３８,７５３号と比較する時、本発明は、より少数の光学要素を必要とし、従って、構成の単純性を与え、コストを節約する。特に、本発明は、充分な信号レベル及び動作を提供するために、何らかの光学活性媒体（半導体光増幅器、又はレーザ源）の使用を必ずしも必要とするわけではない。その最も単純な形では、本発明は、一つの偏光選択要素を伴った一つの複屈折共振器機構の使用のみを必要とする。例えば、米国特許第５，４４６，５７３号は、２つのレーザ源から構成される非線形リング、及び４つの位相変調器を必要とする。米国特許第６,０２８,６８７号は、光学共振器内に、光学多重／逆多重要素、及び少なくとも２つの半導体光増幅器を必要とする。米国特許第６,３３８,７５３号は、その屈折率が外部光パルスによって変化する非線形干渉計を必要とし、これは、実際には、動作中のシステム内に構築される充分高エネルギーのレーザを意味する。本発明のより詳細を、前述の説明において、及び本発明の選択された実施形態を説明する添付図面において示す。また、添付の特許請求の範囲によって、本発明の好ましい実施形態、及び可能性のある変形が、当業者により明らかとなるであろう。

以下において、理論的かつ数学的な説明の目的は、ただ単に、当業者に対して本発明をより良く説明するためのツールとしての役目をすることであることを、理解すべきである。それゆえ、たとえ、その理論が全ての点において完璧ではなかったとしても、それにもかかわらず、それは、本発明の基礎を成す現象の出願人の最も良い理解を表している。

（本発明の詳細な説明）
以下では、複屈折共振器機構を参照して、主に本発明を説明しており、そこでは、その複屈折性により、単一の物理キャビティ内に、整合及び不整合な共振器が形成される。しかしながら、本発明はそのような実施形態に限定されないが、別個の整合な共振器、及び不整合な共振器を使用して、本発明を実現することもできる。そのような実施形態の一例を、後で図１９に与える。

図１、１６、１９及び２０では、偏光軸は、実線及び破線の両方を使って、「交差」記号で示される。

光学共振器は単極複素フィルタとして動作するということが、まさに従来技術より知られている。光学、デジタル電子等のいずれかの領域で動作する複素単極共振器は、一般的には、純実信号を複素信号に変換することができる。励起の波長が共振器と整合する時のみ、それは、虚部の全くない低域通過フィルタリング機能を持ち、それゆえ、信号処理目的のために直接使用することができる。そのかわりに、波長及びデータの転送速度の両方が整合する場合には、それは帯域通過フィルタとして動作する。しかしながら、励起の波長が共振器と整合しないとき、それは常に、複素帯域通過フィルタとして動作する。実部、及び虚部の両方が、等しい利得で、信号スペクトルの狭い帯域のみを通過するが、それらは、位相についてπ／２異なる。信号の実部と虚部との間の四分の一の位相のずれのため、光出力は常に、振幅の二乗（すなわち、輝度）として測定される一方で、出力は平滑化され、共振器を帯域通過フィルタとして直接使用することはできない（後で、これを図式的に示す）。

実部、及び虚部を互いに分離することができた、或いはそれらのうちの一方を除去することができた場合には、波長不整合の場合にもまた、共振器の帯域通過特性を効果的に利用することができるであろう。本発明は、これを行う新奇かつ創意に富んだ方法を提供する。

本発明のかぎは、１）入力信号の少なくとも一部分によって、共振器の一方が入力信号と整合し、他方の共振器が入力信号と不整合であるように配置された２つの実質的に並列で独立した複合単極共振器を備える光学共振器機構を励起させ、及び２）前記光学共振器機構の前記整合な共振器、及び不整合な共振器の両方が前記出力信号の形成に寄与するように、偏光に基づいて、少なくとも１つの光出力信号を前記光学共振器機構の出力からさらに分離することによる、光学複合単極共振器の潜在的な帯域通過フィルタリング能力を使用する新奇な方法にある。

後で示すように、例えば、偏光ビームスプリッタと組合された複屈折共振器を使用することにより実現することのできるような機構は、不整合な光学領域の実部を増幅し、虚部を除去することができるであろう。それゆえ、このような共振器‐偏光子セットアップの出力は、複合単極共振器のフィルタリング特性に高く依存することができる。

図１は、システム内に入射された光ビームＢｉｎを２つの別個の光学アームＢｏｕｔ１,Ｂｏｕｔ２に分けるために、複屈折光学共振器ＯＲを偏光ビームスプリッタＰＢＳと組合せた、本発明の一実施形態を概略的に説明する。後で示すように、様々な異なる方法で、この基本的なセットアップを実現することができる。

以下で、光学共振器の幾つかの基本原理を最初に論じる。複合単極共振器の実部及び虚部の伝達関数を示し、共振器の輝度出力を示す。特に、共振器ＯＲの複屈折性の因果関係、及び共振器出力における偏光ビームスプリッタＰＢＳの包含の効果、を説明する。最後に、様々な光励起形式を使用した、本発明によるシステムの選択例を、幾つかの応用例とともに示す。

光学共振器、及びフェーザ
光学共振器の内側の電界の振幅、及び位相を、図２に示すようなフェーザで示すことができる。時間ｔ＝０において、電界Ｅ_in（０）を共振器内に注入する。一往復の後、係数ｒ∈［０，１］によって電界の振幅が低減され、位相のずれφ（以下で、位相のずっれφは、２πの法であると理解される）を伴った。さらに、新たな電界成分が加えられ、全電界Ｅ（１）＝ｒｅ^iφＥ_in（０）＋Ｅ_in（１）を与える。ｎ回の往復の後、キャビティ内電界は、

となる。ここで、ｎ＝ｔ／ｔ_rtは往復の数であり、ｔ_rtは一往復の継続時間である。単極複素フィルタとしての光学共振器は、位相のずれφのある共振器の内側に、複素電界を作り出すであろう。位相のずれφ＝０°及びφ＝１０°を持つ任意の共振器（ｒ＝０．９９）における、一定注入下でのエネルギーの増大を、図３、及び４にそれぞれ示している。

位相が一致する（φ＝０°）時、共振器内でエネルギーが増大し始め、正味電界は全く虚部を持たない。ここで、共振器は低域通過フィルタとして動作し、光の強度について時定数τ＝ｌ／（-ｃ ｌｎｒ）を持ち、ここで、ｃは媒体内での光の速度であり、ｌはファブリ‐ぺロ共振器のワンパス長であり、ｒは共振器内での光の強度のワンパス損失率である。

位相が一致しない時、電界は複素数になり、フェーザは収束螺旋ループを描く。図４に見られるように、及び従来技術より知られるように、因果信号の実部及び虚部は、ヒルベルト変換によってつなげられる。

共振器のインパルス応答は、

である。ここで、ｕ（ｎ）は、応答の因果性による階段関数（ヘビサイド関数）である。実部及び虚部のインパルス応答のフーリエ変換は、伝達関数

及び

を与える。ここで、ω＝２πｆ＝２π／ｎは、ｒａｄ／ｎの単位で表された角周波数である。ｒ＝０．９９９で、φ＝０．１、及びφ＝０における伝達関数を図５に示す。位相がずれている時の光学共振器の帯域通過フィルタリング特性、及び位相が一致している時の低域通過特性が、明らかである。キャビティのフィネスの増大、すなわちｒ→１により、フィルタはますます選択的になる。

ここで、周期的入力について、時間領域において、共振器のフィルタリング特性を示す。図６に示すような、周期Ｔ＝１８８．５を持つパルスの列を仮定する。信号の周波数分解は、それが１／３０ｒａｄ ｎ^-1において基本角周波数を持ち、その第二高調波は抑制され、０．１ｒａｄ ｎ^-1において第三高調波を持つことを、明らかにする。位相のずれφ＝０．１、及びｒ＝０．９９９を持つ共振器内に、そのような信号が送り込まれるとき、信号の実部及び虚部がこの第三高調波成分を反映すると同時に、他の全ての周波数成分が大いに抑制される、ということを予想できるであろう。これは、図７の上部より明らかとなる。信号の実部と虚部との間で、振幅は殆ど同じで、位相が四分の一ずれているので、複素信号の絶対値はほぼ一定のままである。フェーザ表現では、ベクトルは、ほぼ一定の半径を持つ単なる円を描くであろう。従って、図７の下部に示すように、強度出力Ｉ∝ＥＥ^*は平らになる。波長不整合の時、そのような共振器は、帯域通過フィルタとして殆ど使用可能ではないことが明らかである。しかしながら、信号の実部、又は虚部のいずれかを除去することができた場合には、その状況は変わるであろう。

光学共振器の複屈折、及び偏光ビームスプリッタ
光学共振器ＯＲが複屈折である時、共振器の内側の経路長は、直交偏光成分について一様でない。この形式の共振器を偏光ビームスプリッタＰＢＳと組合せ、かつ循環電界が位相整合成分、及び位相不整合成分を持つ時、電界成分の虚部を除去することができる。言い換えると、本発明により、システム出力は、不整合な共振器の実部電界に強く依存することができ、そのようなシステムは、光信号帯域通過フィルタとして働く。

位相整合な共振器のｘ軸、及び位相不整合な共振器のｙ軸を定め、そのずれの量をφというφで表す。キャビティ内電界は、

及び

である。図８に示すように、入力界は共振器ＯＲの複屈折の軸に対して角度αを持ち、偏光ビームスプリッタＰＢＳは、角度θにより出力電界を分けると仮定する。偏光ビームスプリッタＰＢＳの出力Ｂｏｕｔ１及びＢｏｕｔ２は、以下で、光学アーム１及び２と、簡潔にラベル付けされる。これは、特に偏光ビームスプリッタについてあてはまるが、本発明は、偏光ビームスプリッタの使用に限定されないが、如何なる適当な偏光分離又は選択手段も用いることができることに注意すべきである。偏光ビームスプリッタＰＢＳの出力輝度が、

であることを示すことができ、ここで、Ｉ_x＝Ｅ_xＥ^* _x, Ｉ_y＝Ｅ_yＥ^* _y,及びＩ_b＝Ｅ_xＥ^* _y＋Ｅ^* _xＥ_y＝２Ｅ_xＲｅＥ_yである。示すように、電界Ｅ_xが共振器と整合する時、振動又はうなりの項Ｉ_bは、虚数電界ＩｍＥ_yとは独立している。

この効果を示すため、前の場合と同じパルス励起を共振器で使用し、そこでは、ｘ軸は位相整合し（φ＝０）、ｙ軸は位相不整合であり（φ＝０．１）、反射率はｒ＝０．９９９、入力偏光の角度はα＝４５°、及び偏光ビームスプリッタＰＢＳの角度はθ＝４５°である。図９の上部では、励起Ｅ_inの単一周期と対照して、輝度成分Ｉ_x、Ｉ_y、及びＩ_bを示す。その振動項は、虚数成分がないことを明らかに示しており、電界の実数成分はＥ_xで増幅される。図９の下部では、最終出力アームが振動信号を示しており、それは偶然にも入力パルス周波数の第三高調波である。

また他の形式の信号についても、その動作を実証することができる。図１０に示すような、周期Ｔ＝１２５．７を持つガウスパルスの列を、前で使用されたのと同じ共振器内に送り込む。周波数分解の第二高調波は、ちょうど共振器の共振周波数であり、それゆえ、この第二高調波成分がフィルタを通過することを予想することができる。これはまさに、図１１に示すように生じるものである。同じパルス列の周期がわずかに変化して（Ｔ＝１００）、従って、共振周波数の周波数成分が、前で紹介された共振器内に全く送り込まれない場合には、そのフィルタ出力は基本的には平坦である。この効果については図１２及び１３を参照せよ、そこでは、前記効果がどの当業者にも明らかになる。

応用例、全光型多波長クロック復元
１つの本発明の面白い応用例を、全光型クロック復元において見出すことができる。ファブリ‐ぺロ共振器の使用により全光型クロック復元を生み出す従来技術の解決策と比較するとき、本発明の機構は、複数の波長において同時に動作できるその能力のため、より優れている。クロック周期Ｔ＝６２．８を持つデータのバースト（ビットの半分がランダムに落とされる）が、図１４に示すように、共振器ＯＲ内に送り込まれる。共振器ＯＲの出力を図１５に示す。明瞭にするため、アーム１（Ｂｏｕｔ１）のみをプロットする。このケースは、本発明のシステムの特性を非常によく示している。それは、不整合な偏光成分の共振周波数と一致する角周波数を、選択的に選別し、これに加えて、共振器のフィネスに依存した幾らかの時間の間、その動作を維持する。光学共振器を、一時のエネルギー貯蔵装置と考えることができる。ここで、それは、それが所定の時間の間集めた振動を蓄積、及び維持する。

以下では、幾つかの波長における同時の選択を生み出す計算例を与える。

λ＝１５５０ｎｍの波長領域において動作する、セットされたＤＷＤＭチャネル（Δν＝１００ＧＨｚ）を仮定する。各チャネルにおけるデータ転送速度は、ｆ＝４０ＧＨｚである。共振器媒体は、屈折率ｎ＝１．５を有する。以下で、複数波長におけるシステムの同時動作のために必要なファブリ‐ぺロ共振器長ｌ、複屈折率度Δｎ、及びワンパス輝度損失率ｒを特定する。

共振器のｘモードは、ＤＷＤＭシステムのチャネル分離と一致するようにセットされる、すなわちΔν＝ｃ／（２ｎｌ）であり、これは、共振器長ｌ＝１ｍｍを与える。当業者には明らかなように、長さがｌの整数倍である時、ＤＷＤＭチャネルはまた共振器モードとも整合するであろう。

フィルタリングされる周波数は、ｘモード及びｙモードの屈折率の差に依存しており、

それは、λ＝１５５０．００ｎｍにおいてΔｎ＝３．１・１０^-4であるのに必要な複屈折率度を特定する。

式８で示すように、フィルタリングされる周波数は、光の波長に依存する。異なるチャネルがわずかに異なる波長を持つ限り、フィルタリングされる周波数もまた変化する。フィルタリングされる信号周波数の差分は、波長の変化の関数で表現することができる。

波長の観点で、チャネル分離を、ｄλ＝−λ²ｄν／ｃ＝−０．８ｎｍと表現することができ、それは、以下の表１により、フィルタリング周波数のずれに変換される。

ファブリ‐ぺロ共振器の通過帯は、

と定義される。そのフィルタは、フィルタリング周波数ｆのずれが共振器の通過帯内にとどまるＤＷＤＭチャネルにおいて動作する。これは、ｄｆ＜０．５δνのとき生じる。

表１

様々な損失率ｒにおける通過帯、及び同時処理可能なチャネル数を、以下に表２で示す。

表２

わかるように、損失率が低ければ低いほど（ミラー反射率が高ければ高いほど）、共振器は、より少数のチャネルを処理することができる。高い損失率（低いミラー反射率）は、処理されるより多数のチャネルを与えるが、復元の能力はより低くなる（共振器のエネルギー貯蔵は損失が多い）。処理されるチャネル数と、クロック信号を復元する能力との間で、折り合いをつけなければならない。

この状況は、複屈折の波長依存Δｎ（λ）の適当な調整により、補償することができる。

図１６に概略的に示すように、１つの可能性のあるセットアップは、第一の偏光コントローラＰＣ１、ファイバツイストの能力を持つファブリ‐ぺロ型ファイバ光学共振器ＯＲ、第二の偏光コントローラＰＣ２，及び偏光ビームスプリッタＰＢＳを含む。

第一の偏光コントローラＰＣ１は、偏光の角度（方位）が共振器ＯＲの複屈折の軸とは異なるように、入射光の偏光状態をセットする。万一、それらが完全に一致する場合には、その出力において振動はまったく観測できず、それと同時に、全てのエネルギーが、整合或いは不整合な共振器モードのいずれかに向けられる。

この実施形態では、切断、或いは研磨されたファイバ端を高反射絶縁コーティングでコーティングすることにより、ファイバ光学共振器ＯＲを構築する。フリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）が入射光のチャネル間隔と一致するように、ファイバ長を選択する。ｘモードの光路長を入射光のチャネルと整合したまま保つために、共振器の光路長を調整する。本発明の状況において、前述の整合は、簡単にモードロッキングと呼ばれ、それはまた、ファイバ共振器に加えて、他の形式の共振器にも適用される。そのかわりに、又は共振器の長さを調整するほかに、入射光の波長を調節することによって、モードドッキングを実現することもできる。共振器は、低い内部損失を持つことが好ましく、高反射の誘電ミラーを持つ。共振器を構成する光ファイバを撚ることにより、複屈折度、従って、ずれの角周波数を調整することができる。角周波数のずれの量は、入力データの角周波数と等しいはずである。

第二の偏光コントローラＰＣ２は、偏光ビームスプリッタＰＢＳが２つの出力アームＢｏｕｔ１，Ｂｏｕｔ２の間で適当に信号を分けるように、共振器ＯＲの出力の偏光状態をセットする。

処理された信号が複数の波長（チャネル）を持つ場合には、各チャネルは、データ周波数がチャネルごとの角度のずれの度合いと一致するはずである。位相は異なるであろう。後で、チャネルを互いに分離したいと思うかもしれないが、この思索、及び関連手法は、本発明の技術的範囲を超えている。

以下では、本発明を実施するセットアップの様々な部分についてのいくらかの変形及び代替を列挙した。これらは、既に説明したクロック復元の応用例に適用されるが、この文書において説明する他の応用例、及び光学セットアップにもまた、必要に応じて変更を加えて、適用可能である。さらに、本発明はこれらの変形及び代替によってもさらに限定されると考えるべきではないが、本発明は、本出願に添付された特許請求の範囲で示したようにのみ制限されるべきである。

共振器ＯＲは、ファブリ‐ぺロ型である必要はないが、例えば、ファイバループ共振器（弱い入力、及び出力結合を持つことが好ましい）とすることもできるであろう。それはまた、微小‐リング、‐球、‐環状、又は光学的バンドギャップ共振器とすることもできる。このような「非ファブリ‐ぺロ」ループ、又はリング型の共振器では、光学媒体は、光が複数の往復の反射なく実質的に１つの共通の方向にのみ伝わる、少なくとも一部は閉じている光学円を形成するように配置される。

共振器ＯＲのキャビティ媒体は、通常の単一モードファイバ、或いは偏光維持ファイバから構成されることができる。しかしながら、また、全く光ファイバ構成要素を用いることなく、セットアップを完全に構築することもできる。必要とされる光機能は、自由空間光学部品、或いは内蔵光学部品で実現することができる。それゆえ、共振器ＯＲは、例えば、コーティングされた絶縁材、一対の自由空間誘電ミラー、或いはさらには半導体デバイスとすることもできるであろう。キャビティ媒体は、他の光学的に透過な、絶縁な、或いは半導体の材料よりもむしろ、単純に、空気、或いは透明な気体又は液体とすることができる。本発明は、可視波長にのみ限定されるのではなく、可視波長よりも短い或いは長い如何なる光波長でも広く使用することができるということに、注目すべきである。入射光のある程度の干渉性が必要とされることもまた、当業者には明らかである。

共振器ＯＲの「ミラー」は、例えば、誘電スタックミラー、金属ミラー、ファイバループミラー、ファイバカプラ（実際にはミラーではなく、効率の悪い入力ポート）、又は様々な形式の導波管結合器とすることができる。さらに、前記ミラーは、ｘ及びｙ方向において、異なる反射率を持つことができる。高反射ミラーが、典型的には望まれる。

光は、必ずしも、前述のミラーを通って共振器ＯＲ内で結合されないが、エバネッセント結合、又はこの技術分野で知られている如何なる他の光学結合方法もまた使用することができる。例えば、プリズムを平面導波管内に配置して、入力結合を実現することもできる。

キャビティ媒体の撚り合わせだけでなく、応力、張力、曲げ、又は他の構造的変形によってもまた、共振器ＯＲ内の複屈折率度を調整することができる。また、温度、及び電気光学効果を使って、キャビティ媒体／材料に依って、共振器の複屈折に影響を及ぼすこともできる。例えば、キャビティ媒体が気体、又は真空である場合には、端ミラー、或いは対応するキャビティ成形反射器の変形によって、共振器の複屈折性を変化させることができる。

既に言及したように、共振器機構は、複屈折キャビティに基づく必要はなく、そのかわりに、一方は入射光と整合し、他方は入射光と不整合である２つの物理的に別個の共振器から形成することもできる。入射光の偏光状態は、偏光分離手段の後に利用可能な最終出力信号の形成にこれらの共振器の両方が関係するようであることを、求められる。

入射光の偏光が既に共振器ＯＲに適していて、かつ偏光ビームスプリッタＰＢＳの選択角が適切、又は調整できる場合には、図１６に概略的に示すような、共振器ＯＲの前及び後の偏光コントローラＰＣ１、ＰＣ２は、全く必須ではないであろう。

偏光分離手段は、ビームスプリッタＰＢＳ、又はこの技術分野で既知の任意の光学構成要素、或いは構成要素のセットとすることができ、それは、入射光から少なくとも１つの分光成分を選択、又は分離する。光の偏光成分を様々な光学アームにわけることはなおさら必須ではないが、これらの成分の１つは、分離処理の間に、吸収される、さもなければ捨てられるであろう。可能性のある装置は、以下のものを含むが、それらに限定されない：ウォラストンプリズム、グラン‐フーコー偏光子、ニコルプリズム、ロションプリズム、絶縁コーティング偏光子、ワイヤグリッド偏光子、ポリマベースのフィルム偏光子、単一偏波モード伝送ファイバ、光子偏光プリズムセパレータ。偏光分離手段は、独立した光学構成要素として構成される必要はないが、それ／それらは、例えば、共振器機構の出力側に直接内蔵することもできる。

共振器ＯＲの複屈折が波長依存である場合、抽出周波数は、入力チャネルごとに変わるであろう、すなわち、入力チャネル１についてデータ転送速度はｘｘＧＨｚ、チャネル２についてはｙｙＧＨｚ等というようになる。

モードロッキングは、能動的、或いは受動的とすることができる。例えば、光源が共振器ＯＲの付近にある場合には、共振器ＯＲから外に漏れる光を使用して、いくらかの光を干渉光源（典型的には、レーザ）に送り戻すことができる。しかしながら、セットアップの正しい動作のために、典型的には、共振機ＯＲを入射光／光源で実質的にモードロックする必要がある。

本発明によるシステムの励起は、入射光の強度の変化、その偏光の変化、（またｘ軸が位相不整合となるような）共振器長の変化、或いは共振器媒体の屈折率の変化によるものであろう。光源、（光の強度又は偏光を変調する）外部変調器、又は共振器の入力ポートの結合強度により、励起を生み出すことができる。また、入力ポート結合強度を変調することもできる。励起の形は、矩形パルス、ガウスパルス、ソリトン（ｓｅｃｈ）の列のように周期的、又はデータのストリームのように非周期的であるとすることができる。他の形式の入力信号もまた、使用することができる。それゆえ、励起は、入射光自身の特性によるものとすることができる、或いはまた、共振器機構の特性を変えることにより、励起を遂行することもできる。

応用例，信号の周波数成分の分析
少なくとも１つの光センサ（フォトダイオード）、及びそのセンサ出力を読み取る手段を装備するとき、図１６において概略的に説明したセットアップを、入力信号のＲＦ成分の分析のために使用することができる。少なくとも１つの光信号の出力Ｂｏｕｔ１及び／又はＢｏｕｔ２を検出するように、フォトダイオード、又は他の形式の高速光センサを配置することが好ましい。光周波数の位相のずれが、徐々に０からπになるように、共振器ＯＲの複屈折度を（例えば、撚りあわせるこよによって）掃引する。各光周波数のずれが信号の特定の無線周波数に対応している間、出力信号Ｂｏｕｔ１、Ｂｏｕｔ２の振幅を、その掃引の間に読み取る。従って、入力信号Ｂｉｎの信号周波数についての情報を得ることができる。この構成では、光信号の質を検査するために、単極複合共振器の周波数選択性を利用する。

応用例，より高い高調波信号の生成
適当な光学的光源をさらに装備されたとき、上で説明した前のケースのセットアップ（図１６）を、光マイクロ波生成のために使用することができる。既に、本出願の前のほうで説明及び示したように、入力信号が、矩形パルス列の何らかの奇数高調波のようなより高い高調波成分を含む場合には、例えば矩形パルスの列のような、そのより高い高調波を抽出することができる。

応用例，複屈折の測定
本発明による共振器システムのフィルタリング特性は、光学共振器ＯＲ内の複屈折度に依存する。この特性を、以下の方法で、わずかな複屈折の測定のために使用することができる。

複数の周波数の範囲、又は周波数の連続帯を含む光信号Ｂｉｎでシステムを励起するとき、周波数の出力振動より、フィルタリング周波数の変化を特定することができる。周波数の連続帯を持つ信号の例は階段関数であり、複数の周波数を持つ信号は、例えば周期的なシンク信号である。

パラメータ値：ｒ＝０．９９及びθ＝７５°を持つシステムは、複屈折の変化の影響を受けやすい。このシステムは、入力階段関数で励起される。アーム１からのシステムの輝度出力Ｂｏｕｔ１を、３つの異なる位相のずれの値、すなわちφ₀＝０，φ₁＝１０°，及びφ₂＝２０°において、図１７に示す。示すように、振動周波数は、複屈折の変化に依存する。励起が変わらぬまま持続する限り、振動は減衰するであろう。

検討される光学システムの初期状態、すなわち、その複屈折がわかっている場合には、振動周波数の変化が、複屈折の変化の表れである。時間が進むにつれて振動が減衰する一方で、いくらかの時間間隔で励起が繰り返されるはずである。

複屈折を測定する代替の方法は、その基本周波数又はその高調波の幾つかが共振器システムのフィルタリング周波数と一致する周期信号で、システムを励起させることである。励起周波数は、例えば電圧制御発振器を使うことにより、フィルタ伝送の最大値を能動的に追跡している。フィルタの出力振幅が低減する場合には、出力振幅がその最大値に再び到達するように、励起周波数を調整する。従って、励起の周波数は、光学システムの複屈折を表すものである。

応用例，小型実施形態
本発明はまた、図１８で概略的に説明した小型光学機構として実現することができる。その両方の光学端が絶縁反射コーティングでコーティングされた小型（寸法がたった数ｍｍ）ファブリ‐ぺロエタロンとして、光学共振器ＯＲを実現することができる。偏光選択要素ＰＢＳは、小型サイズの偏光ビームスプリッタ、又はポリマフィルム偏光子である。一実施形態により、ＰＢＳを、光学共振器ＯＲの直後に接合、又は直接内蔵することができるであろう。図１８では、ＰＢＳのたった１つの光学アームを利用し、有効光を半導体光増幅器ＳＯＡで増幅し、次に出力に向ける。入力及び出力は、焦点を合わせるためのレンズ、或いは光伝送のための導波管のような更なる光学要素も、当然備えることができるであろう。光学共振器ＯＲの温度は、一又はそれ以上の熱電冷却器ＴＥＣ１で調整され、それは、光学共振器ＯＲの温度を所望の値に安定させる。共振器の伝送モードを安定に保ち、光学共振器ＯＲを入射光の波長でモードロックされたままに保つために、これは必要とされる。図１８には示されていないが、デバイスパッケージＰは、更なる熱電冷却器、又は温度調整器をさらに含むことができる。光学共振器ＯＲの複屈折は、実際には、例えば二又はそれ以上の熱電冷却器で制御することができる。二又はそれ以上の温度調整器を光学共振器ＯＲに接続する時、それらを使用して温度勾配を作り出すことができ、それは、光学共振器ＯＲ上に複屈折を誘導する。温度差、及び平均温度を制御することにより、光学共振器ＯＲの複屈折、及びモードロック特性を同時に調整することができる。そのかわりにまた、その電界が複屈折の量を誘導及び制御する一対の電極を、複屈折の制御のために使用することもできる。

他の応用例、及び更なる変形
全光型フィルタリングに関連付けられる多種多様な応用例のために、本発明を使用することができる。しかしながら、自動回帰性、すなわちフィルタの「記憶力」のため、フィルタリングは非常に高速な変化に適用されない。特定の応用例において、これは、制限ではなく、望まれる特徴である。

また、数個の選択された実施形態に関して、本発明を示し、説明する一方で、これらの実施形態はただの例でしかなく、当業者は、本出願で具体的に説明したもの以外の技術詳細を利用するが、その一方でなおも本発明の技術的範囲内にとどまっている他の実施形態を構成することもできるということを理解すべきである、ということを強調する必要がある。それゆえ、当業者は、本発明の技術的範囲から逸れることなく、共振器機構、偏光選択要素、及び前記構成部品から入る又は出る光を完全に結合する関連光学構成要素の光学設計、並びにそれらの相互構成及び動作における様々な割愛、及び置き換え、及び変更を成すことができるということを、理解すべきである。

例えば、本発明により、セットアップの開始において、第一の偏光ビームスプリッタＰＢＳ１を配置し、次に２つの共振器ＯＲ１及びＯＲ２（一方は整合、他方は不整合）を配置し、それらの出力をさらに、更なる偏光ビームスプリッタＰＢＳ２によって結合することもまた可能である。この実施形態を概略的に図１９に示す。ビームスプリッタＰＢＳ１及びＰＢＳ２の偏光軸を実線で示している。システム全体の原則の偏光軸を特定するＰＢＳ１の偏光軸を、システムの他の部分では破線で示す。構成要素Ｍ１〜Ｍ３はミラーである。ここで、共振器機構は、単一の複屈折共振器機構ではなく、２つの物理的に別個の共振器ＯＲ１及びＯＲ２を備える。

送信において動作する、本発明によるセットアップを、上記の例で示した。しかしながら、反射において動作する実施形態もまた可能であることも、当業者には明らかなはずである。従って、ポート（典型的には、ミラー）を通って共振器内に入射する光が同じポートから出力するように、共振器機構ＯＲを実現することができる。上で与えられた例では、入力、及び出力に対して別々のポートで、共振器を配置した。本発明による光学セットアップの性能を最適化する一般的な方法として、出力における振動が最大化されるように、共振器機構の偏光軸に対して、入射光の線形偏光の角を調整することができる。同様に、共振器配置後の偏光分離要素の角度を、同じ目的のために調整することができる。

光増幅光学要素又は光増幅手段を、共振器機構の前に、後に、或いはその中に、配置することができる。そのような要素は、共振器と偏光分離手段との間に配置することが好ましい。適当な光増幅要素は、例えば、能動光ファイバ、及び他の能動導波管を含み、それらは典型的には、希土類要素ドープ材料の使用に基づいている。もう１つの可能性は、図１８に示すような、様々な半導体光増幅器（ＳＯＡ）装置の使用である。図２０は、微小球共振器の使用に基づく、本発明による装置のさらに１つの可能な実施形態を、概略的に説明する。入射光Ｂｉｎを共振器ＯＲ内で結合するように導波管を配置し、もう１つの導波管は、共振器から出た光を偏光ビームスプリッタＰＢＳにつなぐ。

図２１は、光学的バンドギャップ構造を使って、本発明による装置をどのように製造することができるか、を示している。より一般的な語で表現すると、光散乱周期微細構造の使用により、装置を製造することができる。そのような装置は、数十マイクロメートルの最小値のサイズで構築することができる。（ガラス、シリコン、又は適当なポリマーのような）固体状態の基板媒体は、周期微細構造のベースとして働くことができる。微細構造の欠損ローに沿って、入射光Ｂｉｎを誘導することができる。光学共振器ＯＲは、二又はそれ以上の微細構造を使って形成できる、或いはリング形状に形成でき、外部結合光を光学的偏光プリズムビームスプリッタＰＢＳに誘導することができる。図２１は単に例証であり、微細構造の形、サイズ、ピッチ、縦横比等は、使用される波長、及び光学設計に依存する。

本発明による光信号周波数フィルタの基本セットアップ。 キャビティ内電界のフェーザ表現。 ｒ＝０．９９、かつ位相が一致している、すなわちφ＝０°の時の、キャビティ内電界のステップ‐パルス応答。電界は、全く虚数成分を持たない。 ｒ＝０．９９、かつ位相のずれφ＝１０°の時の、キャビティ内電界のステップ‐パルス応答。位相のずれのため、電界は複素数である。電界の実部及び虚部は、正弦曲線で振動し、位相のずれπ／２を有する。 ｒ＝０．９９９で、φ＝０．１及びφ＝０における伝達関数。 周期Ｔ＝１８８．５を持つパルス列（上部）。信号の周波数分解（下部）は、角周波数０．１ｒａｄ ｎ^-1においてエネルギーピークを持つことを明らかにしている。破線は、矩形信号のフーリエ変換を表しており、円は、正確なエネルギー密度の位置、及び周期信号の大きさを示しており、ピークは、信号の計算ＦＦＴの解を示している。 角周波数φ／３での方形パルス励起における共振器応答。電界の実部及び虚部（上部）は、入力励起の第三高調波成分への強い依存性を示している。電界の強度（下部）は平らであり、共振器のフィルタリング特性を反映しない。比較のため、入力励起の一周期（破線）を示す。 共振器は、軸ｘ及びｙの記号で表される、複屈折の２つの軸を持つ。入力電界の偏光は、複屈折の軸に対して角αを持ち、偏光ビームスプリッタは、角度θにより出力電界を分ける。 ｘ軸は整合（φ＝０）、ｙ軸は位相不整合（φ＝０．１）、反射率はｒ＝０．９９９、入力偏光の角度はα＝４５°、偏光ビームスプリッタＰＢＳの角度はθ＝４５°のときの、共振器でのシステム応答。上部では、単一周期の励起Ｅ_inと対照して、輝度成分Ｉ_x、Ｉ_y、及びＩ_bを示している。下部では、最終出力アームが振動信号を示し、それは偶然にも、入力パルス周波数の第三高調波である。 共振器の入力として使用される、周期Ｔ＝１２５．７を持つガウスパルス列の特性。 図１０で定めたパルスに対するシステム応答。 共振器の入力として使用される、周期Ｔ＝１００を持つガウスパルス列の特性。 図１２で定めたパルスに対するシステム応答。 共振器の入力として使用される、ランダムなデータのバースト。 図１４で定めたパルスに対するシステム応答。 共振器機構の前及び後の偏光コントローラを使用した、本発明による装置の実施形態。 パラメータ値ｒ＝０．９９、及びθ＝７５°を持つシステムは、複屈折の変化の影響を受けやすい。本システムを、階段関数で励起する。３つの異なる位相のずれの値、すなわちφ₀＝０、φ₁＝１０°、及びφ₂＝２０°における、アーム１からのシステム輝度出力Ｂｏｕｔ１を示す。 本発明による装置の小型実施形態。 ２つの別個の共振器を用いるセットアップの前に第一の偏光ビームスプリッタを持ち、その２つの別個の共振器の出力がもう１つの偏光ビームスプリッタによってさらに結合される、本発明による装置の実施形態。 微小球共振器の使用に基づく、本発明による装置の実施形態。 光学的バンドギャップ構造の使用に基づく、本発明による装置の実施形態。

Claims (26)

1. 光入力信号の光信号処理における方法であって、該入力信号の処理が少なくとも、
   第一の共振器が前記入力信号の波長と整合し、第二の共振器が前記入力信号の波長と不整合であるように配置された少なくとも２つの実質的に並列で、独立した複合単極共振器を備える光学共振器機構を、前記入力信号の少なくとも一部で励起するステップと、
   前記光学共振器機構の前記第一及び第二の共振器の両方が、前記線形偏光出力信号の形成に寄与するように、偏光に基づいて、少なくとも１つの光出力信号を、前記光学共振器機構の出力からさらに分離するステップと
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記第二の共振器に対応する不整合な電界の虚部を除去する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記光入力信号が、実質的に干渉性で、前記光学共振器機構でモードロックされる
   ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記共振器機構が実質的に単一の共振器キャビティであり、
   該単一のキャビティの複屈折性に基づいて、該単一キャビティ内に、前記独立した第一及び第二の共振器がキャビティ内共振器として形成される
   ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 前記方法を適用して、より低い周波数の光入力信号から、より高い周波数の光出力信号を生成する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記方法を全光型クロック復元に適用する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 前記方法を適用して、光入力信号の信号周波数成分を分析する
   ことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
8. 前記方法を適用して、マイクロ波で、或いはより高い周波数の範囲において、出力信号を生成する
   ことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
9. 前記方法を、前記光学共振器機構の複屈折性の測定に適用する
   ことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
10. 光入力信号の光信号処理のための光学装置であって、該装置は、該入力信号の処理のために少なくとも
    前記入力信号の少なくとも一部で励起され、第一の共振器が該入力信号の波長と整合し、第二の共振器が該入力信号の波長と不整合であるように配置された少なくとも２つの実質的に並列で、独立した複合単極共振器を備える光学共振器機構と、
    前記光学共振器機構の前記第一及び第二の共振器の両方が、前記線形偏光出力信号の形成に寄与するように、少なくとも１つの光出力信号を、前記光学共振器機構の出力からさらに分離する偏光分離手段と
    を備えることを特徴とする装置。
11. 前記第二の共振器に対応する不整合な電界の虚部を、除去するようにした
    ことを特徴とする、請求項１０に記載の光学装置。
12. 前記光入力信号を、実質的に干渉性で、前記光学共振器機構でモードロックするようにした
    ことを特徴とする、請求項１０に記載の光学装置。
13. 前記共振器機構が、実質的に単一の共振器キャビティであり、
    該単一のキャビティの複屈折性に基づいて、該単一のキャビティ内に、前記独立した第一及び第二の共振器がキャビティ内共振器として形成される
    ことを特徴とする、請求項１０に記載の光学装置。
14. 前記光学共振器機構が、前記のような単一の共振器の光学媒体がキャビティ成形反射手段間に配置される一又はそれ以上のファブリ‐ぺロ型共振器を備える
    ことを特徴とする、請求項１０に記載の光学装置。
15. 前記のような単一の共振器の光学媒体が少なくとも一部は閉じている光学円を形成するように配置された、一又はそれ以上のループ又はリング型共振器を、前記光学共振器が備える
    ことを特徴とする、請求項１０に記載の光学装置。
16. 前記光学媒体が、固体材料、液体材料、気体材料、又は真空のうちの材料の１つ、或いはそれらの組合せで、部分的に、或いは完全に構成される
    ことを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の光学装置。
17. 前記固体材料が、絶縁材料、又は半導体材料である
    ことを特徴とする、請求項１６に記載の光学装置。
18. 前記光学共振器機構が、少なくとも１つのファイバ、或いは導波管共振器を備える
    ことを特徴とする、請求項１４又は１５に記載の光学装置。
19. 前記偏光分離手段が、ウォラストンプリズム、グラン‐フーコー偏光子、ニコルプリズム、ロションプリズム、絶縁コーティング偏光子、ワイヤグリッド偏光子、ポリマベースフィルム偏光子、単一偏波モード送信ファイバ、又は光学的偏光プリズムセパレータ、のうちの一又はそれ以上の光学要素の使用に基づいている
    ことを特徴とする、請求項１０に記載の光学装置。
20. 前記偏光分離手段が、偏光ビームスプリッタ、又は偏光ビームセレクタである
    ことを特徴とする、請求項１９に記載の光学装置。
21. 前記装置が、前記共振器機構に入る前、前記共振器機構内、前記共振器機構の後であるが前記偏光分離手段の前、前記偏光分離手段内、又は前記偏光分離手段の後、の一又はそれ以上の位置において、光の偏光状態を変えるための手段をさらに備える
    ことを特徴とする、請求項１０に記載の光学装置。
22. 前記装置が、能動光増幅手段をさらに備える
    ことを特徴とする、請求項１０に記載の光学装置。
23. 前記能動光増幅手段が、半導体光増幅器を備える
    ことを特徴とする、請求項２２に記載の光学装置。
24. 前記能動光増幅手段が、希土類ドープ導波管を備える
    ことを特徴とする、請求項２２に記載の光学装置。
25. 前記装置が、部分的に、又は完全に、小型光学構成要素で作り上げられた
    ことを特徴とする、請求項１０に記載の光学装置。
26. 前記装置が、部分的に、又は完全に、光散乱周期微細構造の使用によって作り上げられた
    ことを特徴とする、請求項１０に記載の光学装置。

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