JP2020099048A - 多波長光ビームをコヒーレントに再結合する装置及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】多波長光ビームをコヒーレントに再結合する装置及びシステムを提供する。【解決手段】第１の基本ビームＦ１と第２の基本ビームＦ２をコヒーレントに再結合する基本装置１５であって、第１の基本ビームＦ１及び第２の基本ビームＦ２が各々注入される第１の入力及び第２の入力と、第１と第２の基本ビームのコヒーレント再結合に対応する出力ビームを配信する出力と、基本ビームの経路のうち１つに配置され、経路に可変遅延を誘導すべく構成された遅延線ＤＬと、第１の２×２結合器Ｃｏｍｂ、位相変調器ＰＳ及び第２の２×２結合器Ｃｏｍｂ’を含む可変カプラＶＣと、相補ビームから誤差信号εを生成すべく構成された制御検知器Ｄｅｔと、適用する遅延及び位相差を誤差信号から決定するフィードバックループＢＡとを含んでいる。【選択図】図３

Description

本発明は、空間多モード伝搬チャネルを介した光通信の分野に関する。本発明は特に、波動が地球と衛星の間の大気層等、何らかの擾乱媒体に当たって通過する際に、情報の波動ベクトルの位相面が多少なりとも歪む自由空間において見られる。別の実施形態によれば、多モードファイバを通過して伝搬中に空間モード間の結合によりビームの歪みが生じる。

より正確には、本発明は多波長光ビームのコヒーレント再結合（及び適宜分割）に基づいて、受光及び適宜受光／発光を行う装置及びシステムに関する。

情報を搬送する光ビームの位相面が自由空間を通過する移動により歪んだ場合に解決すべき課題は、これらの歪みに依らず最適なリンクバジェットを維持することである。

第１の解決策は、適応光学機器（例：変形可能な鏡）を用いて光波面の歪みを補償して、典型的には検知器に接続された単一モードファイバへの光注入を最適化するものである。本方式には、瞳孔全体を処理でき、発光（補償前）及び受光の両ケースを扱うことができ、広帯域（ＷＤＭ適用が可能）であるという利点がある。対照的に、適応光学的ループの速度が制約され（ベストケースでｍｓ単位）、約１ｋＨｚ又はより大きい帯域幅の大気歪みには不充分であることが分かる。

第２の解決策は、空間多様性を有すると言われるアーキテクチャにおいて、多開口望遠鏡を用いるものである。各「副望遠鏡」が入射ビームの一部を受光し、本方法の原理は空間多様性により干渉（スペックル）に起因する空間減衰を回避できるようにすると仮定することである。乱気流に依らず、少なくとも１個の副望遠鏡が非ゼロ信号を収集する。各望遠鏡の下流に配置された検知器に配信された信号が電気的（非コヒーレント的）に集計される。本方法の主な短所は、各検知器のノイズが集計され、副望遠鏡と同数の検知器を必要とすることである。更に、本方法ではリンクの信号対雑音比を向上させることができない。

文献米国特許第７９７４５４３号明細書に記述された第３の解決策では、モード／基本ビームのコヒーレント再結合に基づく受光システムに使用が提案されている。システムは、入射ビームをサンプリングするためのマイクロレンズのマトリクスアレイを含み、前記マトリクスアレイは、図１に示すように再結合される２^Ｍ本のビームで表され、カスケード状に配置された複数の基本２×１再結合装置を含むコヒーレント再結合装置１０に結合されている。各基本装置は２個の入力、例えば１と２又は３と４を含んでおり、ビームのうち１つの経路に配置された位相シフタ１６の、及び検知器１３により検出される出力１２を有する２×２カプラ１１の再結合される２本のビームに対応している。検知器１３により検出された信号は電子機器１５（１５ａ、１５ｂ．．．）を用いて最小化されるため、位相シフタ１６（１６ａ、１６ｂ．．．）がビーム２に位相シフトを適用してカプラ１１の第２の出力１７に強め合う干渉を生じさせることができる。

最終出力１８は、２^Ｍ本の初期ビームの全てを単一ビームに結合する。最大信号１８が求められる。

米国特許第７９７４５４３号明細書

この種のシステムの制約の一つは、図２に示すように、システムが処理可能な入射ビームのスペクトル帯域の幅を制限する位相シフタ（要素１６）を用いる必要があることである。更に、単一要素の使用により、最適な効果を得る観点から再結合される２個の信号の振幅及び位相の両方を等化することができない。

図２において以下の状況を考慮する。点光源Ｓから光場Ｅ_０が発光されて、２個の異なる経路Ｔ１、Ｔ２を辿って検知器Ｄに到達する。第１の経路Ｔ１は長さＬ_１を有し、第２の経路Ｔ２は長さＬ_２を有している。簡潔に、検知器Ｄから光源Ｓを分離する媒体は非分散的、すなわち屈折率が波長に依存しないと仮定する。再び簡潔のため、２個の経路が同一の減衰性を有すると仮定しており、従って検知器に入射する光場は、経路Ｔ１又は経路Ｔ２のいずれを辿ったかに依らず同一強度を有している。従って検知器側での光場の式は以下の通りである。
Ｅ_ＤＥＴ＝Ｅ_{ｔｒａｊｅｔ１}＋Ｅ_{ｔｒａｊｅｔ２}
Ｅ_ＤＥＴ＝Ｅ_０（ｔ−τ_１）＋Ｅ_０（ｔ−τ_２）
ここで、τ_１及びτ_２は光が経路Ｔ１及びＴ２の各々を移動するのに要する時間である。すなわち、

Ｅ_０が特定のスペクトル成分（例えば変調側波帯、又は実際にＥ_０がＷＤＭ周波数コムを含んでいるケース）を有するケースについて以下で考える。検知器から周波数ωで出力された電気信号のスペクトルの成分は従って次式で表される。

ここで、経路１及び２から発せられた光場間の光学位相差を制御する（上述の文献の位相シフタ１６のような）手段が存在すると仮定される。従って検知器側の光場は次式のように書くことができる。
Ｅ_ＤＥＴ＝Ｅ_０（ｔ−τ_１）×ｅ^−ｉφ＋Ｅ_０（ｔ−τ_２）
ここでφは、受光信号を最大化する目的で調節可能である。ここで周波数ωでの信号ｉ_ＤＥＴは次式に等しい。

受光信号を最大化するには以下の条件を満たす必要がある。
ｃｏｓ［ω（τ_１−τ_２）＋φ］＝１
すなわち
φ＝ω（τ_２−τ_１）＋ｋ２π

従って、上述の条件が注目する周波数ωに依存すること、及び特に単一光搬送波（非ＷＤＭ）への適用はこの周波数の付近での適用に限られることが分かる。典型的に、位相変調器に対して、約１ミクロンの位相変調に対応して、典型的にミリメートルサイズの成分、及び屈折率の変化が１０^−３のオーダーである材料を有する１〜２×λの偏差がある。

又、発光／受光アーキテクチャの場合、発光及び受光システムのレーザーは、近いが同一ではない周波数（典型的には数ｎｍの差異）を有していることが求められ、これは例えば衛星に搭載されたシステムのケースでは恐らく重大な短所であり、又はレーザダイオードの老朽化への対応が求められる。

本発明の目的の一つは、コヒーレントな広スペクトル帯域再結合を実現可能にする基本再結合装置を提供することにより上述の短所を克服し、従ってＷＤＭアーキテクチャと互換性を有する広帯域受光システム（及び適宜受光／発光システム）を実施可能にすることである。

本発明の主題の一つは、情報を搬送するチャネルを各々形成するＭ個の波長を含むスペクトルを有する、歪まされた入射ビームをサンプリングすることにより得られる第１の基本ビームと第２の基本ビームをコヒーレントに再結合する基本装置であって、前記歪みが前記第１と第２の基本ビームの間に遅延を誘導しており、基本装置は、
−再結合される第１の基本ビーム及び第２の基本ビームが各々注入される第１の入力及び第２の入力と、
−第１と第２の基本ビームのコヒーレント再結合に対応する出力ビームを配信する出力と、
−前記基本ビームの経路のうち１つに配置されていて、前記経路に可変遅延を誘導すべく構成された遅延線と、
−第１の２×２結合器、位相変調器及び第２の２×２結合器を含んでいて、第２の結合器が、基本装置の出力を形成すると共に前記出力ビームを配信する主出力、及び出力ビームと相補的なビームを配信する相補出力を有する可変カプラと、
−相補出力に接続されていて、位相変調器が第１及び第２の基本ビームの強度を等化する位相差を適用すべく構成されている場合、且つ遅延線が前記第１と第２の基本ビームの間の前記遅延を補償する遅延を適用すべく構成されている場合にゼロまで減少する誤差信号を相補ビームから生成すべく構成された制御検知器と、
−適用する遅延及び位相差を誤差信号から決定すべく構成されたフィードバックループとを含んでいる。

別の態様によれば、本発明は、単一の再結合ビームを得るべくカスケード状に配置された本発明による複数の基本装置を含み、前記歪んだビームをサンプリングすることにより得られたＮ本（Ｎは厳密に正の偶整数）の基本ビームをコヒーレントに再結合する装置に関する。

更に別の態様によれば、本発明は、
−前記入射ビームをＮ本の基本ビームにサンプリングすべく構成されていて入射ビームを空間非多重化する装置と、
−本発明によるＮ本の基本ビームをコヒーレントに再結合する装置と、
−Ｍ個の波長が各々情報搬送用の１個のチャネルを形成するようにＭ本のビームを形成すべく波長を非多重化する装置と、
−前記Ｍ本のビームに関連付けられたＭ個の検知器とを含む受光システムに関する。

本発明による受光システムの一実施形態によれば、基本ビームの回折が制限される。

一実施形態によれば、空間非多重化装置は、入射ビームを空間サンプリングすべく構成されたマイクロレンズのマトリクスアレイを含んでいる。

別の実施形態によれば、空間非多重化装置は多開口望遠鏡を含んでいる。

別の実施形態によれば、空間非多重化装置は、Ｎ個の空間モードへの分解を実行すべく構成されたＮ個の位相板を含んでいる。

別の態様によれば、本発明は、本発明による受光システム及び、
−Ｍ個の波長でＭ本のビームを生成すべく構成されたＭ個のレーザー源及びＭ個の関連変調器と、
−多波長ビームを形成する波長多重化装置と、
−多波長ビームをＮ本の基本発光ビームにコヒーレントに分割する装置、すなわち本発明によるコヒーレント再結合装置とほぼ同一であるが、逆方向に用いられて各遅延線及び各位相変調器が各々逆向きの遅延及び逆向きの位相差を、受光システムのコヒーレント再結合装置の各フィードバックループにより決定される遅延及び位相差に適用することにより、Ｎ本の基本発光ビームを、Ｎ本の初期基本ビームと共役であるＮ本のビームに各々対応させる装置と、
−空間非多重化装置とほぼ同一であるが、逆方向に用いられてＮ本の基本発光ビームを、入射ビームの共役に対応する発光ビームに変換して、前記歪みを予め補償する空間多重化装置とを含む発光システムを含む受光／発光システムに関する。

受光／発光システムの一実施形態によれば、コヒーレント再結合装置とコヒーレント分割装置は同一であり、空間非多重化装置と空間多重化装置は同一であって、一方で波長非多重化装置及びＭ個の検知器と、他方でＭ個のレーザー源、Ｍ個の関連変調器及び波長多重化装置とが循環器によりコヒーレント再結合／分割装置に結合されていて、本システムは更に、受光と発光に交互に使用すべく構成されている。

以下の記述で本発明の装置の実施形態の複数の例を提示する。これらの例は本発明の範囲を限定しない。これらの実施形態の例は、本発明の本質的な特徴、及び注目する実施形態に関する追加的な特徴の両方を有している。本発明に対する理解が深まると共に、本発明の他の特徴、目的及び利点は、非限定的な例として示す添付の図面を参照しながら以下の詳細な記述から明らかになろう。

既に記述したように、従来技術によるモード／基本ビームのコヒーレント再結合に基づく受光システムを示す。 既に記述したように、光場Ｅ０が点光源Ｓから発光されて、２個の異なる経路Ｔ１及びＴ２を辿って検知器Ｄに到達する状況を示す。 本発明による基本コヒーレント再結合装置を示す。 波長の倍数で表される残留遅延の値の関数として、ＷＤＭチャネル毎の最適組み合わせ効果を示す。 １０×λに等しい残留遅延の場合における、検知器により検出された強度を位相の関数として、最適化対象である各チャネル毎に示す。 ３５×λに等しい残留遅延の場合における、検知器により検出された強度を位相の関数として、最適化対象である各チャネル毎に示す。 カスケード状に配置された複数の基本装置を含み、単一の再結合ビームが得られるようにする本発明によるコヒーレント再結合装置を示す。 コヒーレント再結合装置を用いる本発明による受光システムを示す。 本発明による受光／発光システムの第１の実施形態を示す。 本発明による受光／発光システムの第２の実施形態を示す。

明快さのため、全ての図面を通じて同一要素を同一参照符号で示している。

本発明による基本コヒーレント再結合装置１５を図３に示す。

装置は、典型的には大気の層を通過する自由空間伝搬、又は脱分極の程度が小さい多モードファイバを通過する移動により、歪まされた入射ビームＦｉｄをサンプリングすることにより得られた第１の基本ビームＦ１及び第２の基本ビームＦ２を再結合する。歪みに起因して、ビームＦ１及びＦ２は異なる振幅及び異なる位相を有している。

Ｉ_０を入射ビームＦｉｄの強度、Ｉ１をＦ１の強度及びＩ２のＦ２の強度、但しＩ１＝ρ１．Ｉ_０及びＩ２＝ρ２．Ｉ_０とする。

Ｆｉｄのスペクトルは広く（周波数コム又は帯域）、且つ各々がチャネル搬送情報を形成している（例えばＷＤＭアーキテクチャ）少なくともＭ個の波長λ_１、λ_２、．．．λ_Ｍ（Ｍは少なくとも２に等しい）を含んでいる。

本発明による基本装置１５は、２個の等化レベル以外は文献米国特許第７９７４５４３号明細書に記述されているものと同種のアーキテクチャを有している。装置は、再結合されるＦ１及びＦ２が各々注入された第１の入力Ｉｎｐｕｔ１及び第２の入力Ｉｎｐｕｔ２、及び最大化（強め合う干渉）しようとする第１及び第２の基本ビームのコヒーレント再結合に対応する出力ビームを配信している出力Ｏｕｔを含んでいる。

歪みにより誘導された２本の基本ビームＦ１とＦ２の間の遅延Ｒ_１２に第１の段階が作用することにより、後述するように波長とは独立に、絶対位相補償を実現することができる。基本装置１５はこの目的のため、基本ビームの経路のうち１つの、本例ではＦ２の、経路に配置されていて、この経路に可変遅延を誘導すべく構成された遅延線ＤＬを含んでいる。

第２の段階は２本のビーム間の振幅差に作用する。基本装置１５はこの目的のため、２入力及び２出力を含むマッハツェンダー干渉計すなわちＭＺＩアーキテクチャの第１の２×２結合器Ｃｏｍｂ、位相変調器ＰＳ及び第２の２×２結合器Ｃｏｍｂを含む可変カプラＶＣを含んでいる。Ｆ１とＦ２は第１の結合器の後で混合されるため、ＰＳはＭＺＩの２本のアームのどちらに配置されていてよい。図３に示すように、第１の結合器Ｃｏｍｂの入力は、一方が遅延線により遅延された２本の基本ビームである。位相変調器は、Ｃｏｍｂの２出力の一方に配置されている。

第２の結合器Ｃｏｍｂ’は、基本装置１５の出力Ｏｕｔを形成すると共に出力ビームが配信される主出力、及び出力ビームと相補的なビームを配信する相補出力を有している。

制御検知器Ｄｅｔが相補出力Ｓｃに接続されている。制御検知器の信号は、可変カプラＶＣの結合係数が強度比ρ_２／ρ_１を補償する場合、且つ遅延線ＤＬが２本のビーム間の遅延、すなわちチャネル１と２の間の絶対位相シフトを補償する場合にゼロまで減少する。

従って、検知器Ｄｅｔは、相補ビームから、位相変調器ＰＳがＦ１及びＦ２の各々の強度を等化する位相差を適用すべく構成され、且つ遅延線ＤＬがＦ１とＦ２の間の遅延Ｒ_１２を補償する遅延を適用すべく構成されている場合にゼロまで減少する誤差信号εを生成する。

最後に、フィードバックループＢＡが、誤差信号εから、遅延線を介して適用される遅延及び位相変調器を介して適用される位相差を決定すべく構成されている。検知器／フィードバックループは共に、相補信号を最小化し、従って出力信号を最大化すべくＤＬ及びＰＳに作用する。

２本のビームＦ１とＦ２の間の遅延に作用する事実により、波長から独立したコヒーレント再結合を実現することができる。図２の状況に戻り、経路Ｔ１及びＴ２から発せられた光場の遅延素子による補償の場合、検知器が受光する光場の式は以下の通りである。
Ｅ_ＤＥＴ＝Ｅ_０（ｔ−τ_１−τ）×ｅ^−ｉφ＋Ｅ_０（ｔ−τ_２）
ここでτは可調遅延である。

ここで周波数ωにおける信号ｉ_ＤＥＴは次式に等しい。

受光信号を最大化するには以下の条件を満たさなければならない。
ｃｏｓ［ω（τ_１−τ_２＋τ）］＝１
すなわち
τ＝τ_２−τ_１

今回は最適化条件が光学周波数に依存しないため、レーザーの周波数に依らず、従って広帯域及び／又はＷＤＭ信号或いは潜在的に大きく異なる波長の２個の発光／受光レーザーにおいても同様に、受光信号を最適化できることが分かる。

遅延補償の精度に関して、遠隔通信において送信信号を妨害しないために、シンボル持続時間よりも良好又は同等の残留遅延δτ（補償後の残留遅延）と称する遅延の精度を補償しなければならず、シンボル持続時間は１ビットの情報の持続時間、又は変調周波数の逆数（単一搬送波長に適合）として定義される。

１０ＧＨｚで変調された単一波長λ（単一チャンネル）信号の場合、シンボル持続時間は１００ｐｓに等しい。従って典型的にはλ＝１５５０ｎｍ（遠隔通信で典型的に用いる波長）で２０００×λの位相シフトに対応する１０ｐｓ（シンボル時間の１／１０）の最大残留遅延が必要である。波長の倍数単位で表すこの遅延は、光が１０ｐｓの時間で速度ｃ＝３×１０^８ｍ．ｓ^−１で進む距離を計算することにより得られ、波長の倍数で表す。すなわち、

実際には、２種類の遅延、例えば各種のチャネル間のファイバ長の差異に起因する固定すなわち静的遅延及び、例えば大気擾乱に起因する動的遅延がある。

大気の伝搬（動的歪み）に起因する遅延差は２０００×λよりもはるかに小さく、システム（ファイバ長等）の構造的遅延の静的補償は充分である。

対照的に、ファイバ間の長さの差異は数千又は数万個のλに対応しているため、修正する必要がある。しかしこれらは移動しないため、静的補償を一回行えば充分である。

従って、モノλの場合、位相調整にサーボコントロール又はフィードバックループを用いる必要がなく、較正で充分である。

複数の波長が使用されている場合、再結合は、波長とは独立に（白色光干渉の条件）機能するならば、遅延の完全な等化が必要な干渉的処理であるため、チャネル間の残留遅延への許容度は大幅に低下する。

実際には、上述の許容度はＷＤＭスペクトルの強度に依存する。従って、２００ＧＨｚの間隔を置いた１０個のＷＤＭチャネル（１〜１０）の典型的なケースで、図４に（誤差信号の最小化により得られた）ＷＤＭチャネル毎の最適組み合わせ効果ＣＥｆｆをλ（λ＝１．５５μｍ）の倍数として表す残留遅延δτの値の関数として示す。１０×λの残留遅延δτが９９％よりも高い平均再結合効果（全てのＷＤＭチャネルにわたる平均）に至ることが分かる。

対照的に、残留遅延が３５×λである場合、平均再結合効果は９０％（スペクトルの両端でのチャネルでは８０％）に低下する。スペクトル全体にわたり９０％を得るには、２０×λよりも良好に遅延を等化する必要がある。従って、大気を通過する伝搬、熱効果、機械的不具合又は他の影響に起因する遅延変動は典型的に２０λよりも大きいため、再結合されるチャネル間の遅延の変動を動的に修正する必要がある。従って、本発明に記述するような遅延の修正により動的に再結合する装置が必要である。

約２０λの残留遅延は、ファイバ（圧電モジュールにより延伸されたファイバ）又は鏡（圧電チップ上の鏡）等、従来の要素で製造された可変遅延線と互換性を有している。

典型的に、圧電チップに巻付けられたファイバにより動的遅延を修正して、帯域幅を１０ｋＨｚ、精度を１／２０ミクロン以上、及び偏差を１００λ超とすることができる。

制御検知器により受光された信号がゼロまで減少するのは、遅延が正確に補償され、従って動的サーボ制御に適した誤差信号を配信するという条件が満たされた（白色光干渉）場合だけである。

図５に、１０×λの残留遅延δτの場合において、検知器Ｄｅｔが検知した強度ＩをＰＳにより適用された位相の関数として、最適化対象である各チャネル毎に示す（すなわち、遅延線ＤＬは１０λの残留誤差δτを有する２個のチャネル間の遅延差を補償する）。サーボ制御（誤差信号ε）の調整を可能にするのは強度の最小値５１であるのに対し、最大値５０が装置の出力に配信される。曲線５２は、１０個のチャネルにわたる平均を取った強度を示す。

装置では、１０λの残留遅延が受容できることが分かる。

図６に、３５×λの残留遅延δτの場合に各チャネル毎に検知器Ｄｅｔが検知した強度Ｉを示す。強度の最小値６１はサーボ制御の調整を可能にするのに対し、最大値６０は装置の出力に配信される。曲線６２は、１０個のチャネルにわたる平均を取った強度を示す。再結合効果は低下しており、３５λの残留遅延が減衰した装置誤差信号につながることを明らかに示している。

基本装置１５は、図７に示すように単一の再結合ビームＦｒｅｃｏｍｂが得られるようにコヒーレント再結合装置２０を形成すべくカスケード状に配置されることを意図されている。

歪んだ入射ビームＦｉｄはＮ本の基本ビームＦ１、Ｆ２、ＦＮにサンプリングされることを考慮されており、Ｎは厳密に正の偶整数である。

図７に、３個の基本装置１５からなる、Ｎ＝４（より大きい数に容易に一般化できる）の場合の装置２０を示す。入射ビームは２×２に再結合される。

可変遅延線ＤＬ１、ＤＬ２は第１に、一方でビームＦ１及びＦ２と、他方でＦ３及びＦ４との間の光学遅延（絶対位相）を調整可能にする。

第２に、本例では各々が調整可能な位相シフト（ＰＳ１又はＰＳ２）を有するマッハツェンダー干渉計（ＭＺＩ）からなる２個の調節可能なカプラは、１〜２（ＰＳ１）及び３〜４（ＰＳ２）の範囲の強度比を補償する。

強度検知器（Ｄｅｔ１、Ｄｅｔ２）が、ＤＬ１／ＰＳ１及びＤＬ２／ＰＳ２を調整する誤差信号を生成すべくＭＺＩの相補出力に配置されている。

２個のＭＺＩの出力を結合する仕方は同じであり、遅延を調整すべく遅延線ＤＬ３、次いで強度比を結合及び調整する別のＭＺＩが設けられている。

Ｉ_ｋ＝ρ_ｋＩ_０に等しい入射強度Ｉ_ｋの場合、制御検知器に配信された信号がゼロならばＩ_{ｒｅｃｏｍｂ}＝Ｉ_０Σρ_ｋに等しい結合強度を有するビームＦ_{ｒｅｃｏｍｂ}が装置から出力される。

別の態様によれば、本発明はまた、図８に示すような本発明による装置２０を用いる受光システム１００にも関する。

上述のマルチλシステムは、異常入射波面を、波面が平坦な複数のサブビームに分解（空間非多重化）し、次いでサブビームを同位相に戻し、収集した光力、従ってリンクバジェットを波長に依らず最大化する目的で装置２０を用いてコヒーレント結合技術を実行することに基づいている。

図８の受光システム１００は、各々が変調信号を搬送するＭ個の多重化された波長λ_１、λ_２、．．．λ_Ｍ）（変調器ｍｏｄ１、ｍｏｄ２．．．及びマルチプレクサλＭＵＸ）からなる発光端ビームを自由空間内に発光するＷＤＭリンクのケースを示す。大気ＦＳを通過する伝搬の後で、ビームは大幅に歪んだ振幅及び位相を有し、受光時に入射ビームＦｉｄを形成している。

システム１００は第１に、ＦｉｄをＮ個の基本ビームにサンプリングすべく構成されていて入射ビームＦｉｄを空間非多重化する装置１４を含んでいる。基本ビームは異なる振幅及び異なる位相を有している。好適には、基本ビームは、単一モードファイバ又は光集積回路に容易に結合できるように回折が制限されている。

複数の装置が異常ビームを空間非多重化する機能を実行してもよい。

第１の空間非多重化装置１４は、異常ビームの空間サンプリングすることにより入射ビームをピクセル化するマイクロレンズのマトリクスアレイを含んでいる。空間サンプリングピッチ（ピクセルのサイズ）は、各基本ビームの回折が制限されるように選択されている。極めて小さいピクセルサイズ、従って多数の基本ビームが必要であることが判明し得る。

第２の装置は、各基本ビームの先端／傾斜方式が修正された多開口望遠鏡を含んでいる。

最後に、第３の装置は、Ｎ個の位相板を用いてＮ個の空間モードへの分解を実行すべく構成されている。異常ビームが高空間モードの基礎に分解されると仮定して、位相板は次いで、自由伝搬及び位相板を通過する移動を介してこれらの高モードをガウシアンモードに変換すべく設計されている。

受光システム１００はまた、上述の装置のようにＮ本の基本ビームをコヒーレントに再結合する装置２０を含んでいる。ここで、Ｎ本の基本ビームが光学的に加算（コヒーレント和）される前に、基本ビーム間の光学遅延及び振幅の変動を補償すること、及びビームＦｒｅｃｏｍｂを形成することが課題である。装置２０は従って、全ての光学エネルギーを単一の検知器に集中させることにより、非コヒーレント方式と比較して信号対雑音比を向上させることができる。

ビーム和Ｆｒｅｃｏｍｂは次いで、各々が情報搬送チャネルを形成するＭ個の波長でＭ本のビームを形成すべく波長非多重化装置λＤＥＭＵＸにより非多重化される。次に、Ｍ本のビームの各々がＭ個の検知器ＰＤ_１、ＰＤ_２、．．．ＰＤ_Ｍ（Ｍ個のＷＤＭチャネルの場合）に伝送される。コヒーレント再結合を採用し、且つ広スペクトル帯域又は周波数コムにわたり極めて良好な再結合効果を有する受光システム（ＷＤＭアーキテクチャ）がこのように得られる。

更に、上述のシステムは、光集積技術と互換性を有し、２×２スイッチ（制御情報受光器（検知器）、及び任意選択的にＷＤＭ受光器を含む）及びデマルチプレクサ（例えばカスケード型非対称ＭＺＩ又は平面フェーズドアレイ）の機能を光チップに集積することが可能である。

光集積方式により、適応光学的方式に比べてシステムが簡素且つ安価になる。

別の態様によれば、本発明はまた、上述のような受光システム１００及び発光システム２００を含む受光／発光システム３００に関し、その二つの実施形態を図９及び１０に示す。

発光システムは、Ｍ個のレーザー源Ｌ_１、Ｌ_２、．．．Ｌ_Ｍ、及びＭ個の波長でＭ本のビームであって各々が情報搬送チャネルを形成するビームを生成すべく構成されたＭ個の関連変調器ｍｏｄ_１、ｍｏｄ_２、．．．ｍｏｄ_Ｍ、及び多波長ビームを形成すべく波長多重化装置λＭＵＸを含んでいる。

システム２００はまた、多波長ビームをＮ本の基本発光ビームＦ_１’，Ｆ_２’，．．．Ｆ_Ｎ’にコヒーレントに分割する装置２０’を含み、装置はコヒーレント再結合装置２０とほぼ同一であるが、逆方向に用いられて各遅延線及び各位相変調器が各々逆向きの遅延及び逆向きの位相差を、受光システム１００のコヒーレント再結合装置２０の各フィードバックループにより決定される遅延及び位相差に適用することにより、Ｎ本の基本発光ビームを、Ｎ本の初期基本ビームと各々共役であるＮ本のビームＦ_１’，．．．Ｆ_Ｎ’に対応させる。

最後に、システム２００は、空間非多重化装置１４とほぼ同一であるが、逆方向に用いられてＮ本の基本発光ビームＦ１’ ，．．．ＦＮ’を、入射ビームＦｉｄの共役に対応する発光ビームＦｅに変換して、歪みを予め補償する空間多重化装置１４’を含んでいる。

換言すれば、受光端コヒーレント結合のために決定された振幅及び遅延重みをここで用いて、大気擾乱を逆方向に予め補償可能にする重み付け法則をＮ本の基本発光ビームに適用する。

図９の実施形態において、システム１００、２００は各々異なる装置２０／２０’ 及び１４／１４’を有している。

図１０の実施形態において、コヒーレント再結合装置２０とコヒーレント分割装置２０’は同一であり、空間非多重化装置１４と空間多重化装置１４’は同一である。

一方で波長非多重化装置λＤＥＭＵＸ及びＭ個の検知器ＰＤ_１、ＰＤ_２、ＰＤ_Ｍと、他方でＭ個のレーザー源Ｌ_１、Ｌ_２、．．．Ｌ_Ｍ、Ｍ個の関連変調器ｍｏｄ_１、ｍｏｄ_２、ｍｏｄ_Ｍ及び波長多重化装置λＭＵＸが次いで、循環器ＯＣによりコヒーレント再結合／分割装置に結合される。

原理的には、システム２００は二方向に機能すること、すなわち発光と受光を同時に行うことが可能である。しかし、成分レベルでは、発光信号は受光信号よりも極めて強いのに対し、本装置は受光信号を最適化すべく構成されている。従って発光の寄生的反射が受光の最適化、従って成分の調整を妨害することがあり得る。その場合、本システムは発光／受光モードで交互に動作する。

１０ コヒーレント再結合装置
１１ カプラ
１２，１７ 出力
１３ 検知器
１４ 空間非多重化装置
１４’ 空間多重化装置
１５，１５ａ，１５ｂ 基本装置
１６，１６ａ，１６ｂ 位相シフタ
１８ 最終出力
２０ コヒーレント再結合装置
２０’ コヒーレント分割装置
５０，６０ 最大強度
５１，６１ 最小強度
５２，６２ 平均強度
１００ 受光システム
２００ 発光システム
３００ 受光／発光システム
ＢＡ フィードバックループ
ＣＥｆｆ 最適組み合わせ効果
Ｃｏｍｂ，Ｃｏｍｂ’ 結合器
Ｄ，Ｄｅｔ 検知器
ＤＬ 遅延線
ＤＬ１，Ｄｌ２ 可変遅延線
Ｅ_０ 光場
Ｆ１，Ｆ２ 基本ビーム
Ｆ３，Ｆ４ ビーム
Ｆ_１’， Ｆ_２’，．．．Ｆ_Ｎ’ 基本発光ビーム
Ｆｅ 発光ビーム
Ｆｉｄ 入射ビーム
ＦＳ 大気
Ｉ_０、Ｉ_１，Ｉ_２ 強度
Ｉ_ｋ 入射強度
Ｉ_{ｒｅｃｏｍｂ} 結合強度
Ｉｎｐｕｔ１，Ｉｎｐｕｔ２ 入力
Ｌ_１，Ｌ_２，．．．Ｌ_Ｍ レーザー源
ｍｏｄ_１，ｍｏｄ_２，．．．ｍｏｄ_Ｍ 変調器
ＭＺＩ マッハツェンダー干渉計
ＯＣ 循環器
Ｏｕｔ 出力
ＰＤ_１，ＰＤ_２，ＰＤ_Ｍ 検知器
ＰＳ 位相変調器
ＰＳ１，ＰＳ２ 位相シフト
Ｒ_１２ 遅延
Ｓ 点光源
Ｓｃ 相補出力
Ｔ１，Ｔ２ 経路
ＶＣ 可変カプラ
δτ 残留遅延
ε 誤差信号
λ_１，λ_２，．．．λ_Ｍ 波長
λＭＵＸ 波長多重化装置
λＤＥＭＵＸ 波長非多重化装置

Claims (9)

1. 情報を搬送するチャネルを各々形成するＭ個の波長（λ_１、λ_２、．．．λ_Ｍ）を含むスペクトルを有する、歪まされた入射ビーム（Ｆｉｄ）をサンプリングすることにより得られる第１の基本ビーム（Ｆ１）と第２の基本ビーム（Ｆ２）をコヒーレントに再結合する基本装置（１５）であって、前記歪みが前記第１と第２の基本ビームの間に遅延（Ｒ_１２）を誘導しており、前記基本装置が、
   −再結合される前記第１の基本ビーム（Ｆ１）及び第２の基本ビーム（Ｆ２）が各々注入される第１の入力（Ｉｎｐｕｔ１）及び第２の入力（Ｉｎｐｕｔ２）と、
   −前記第１と第２の基本ビームのコヒーレント再結合に対応する出力ビームを配信する出力（Ｏｕｔ）と、
   −前記基本ビームの経路のうち１つに配置されていて、前記経路に可変遅延を誘導すべく構成された遅延線（ＤＬ）と、
   −第１の２×２結合器（Ｃｏｍｂ）、位相変調器（ＰＳ）及び第２の２×２結合器（Ｃｏｍｂ’）を含んでいて、前記第２の結合器が、前記基本装置（１５）の前記出力（Ｏｕｔ）を形成すると共に前記出力ビームを配信する主出力、及び前記出力ビームと相補的なビームを配信する相補出力（Ｓｃ）を有する可変カプラ（ＶＣ）と、
   −前記相補出力（Ｓｃ）に接続されていて、前記位相変調器（ＰＳ）が前記第１及び第２の基本ビームの強度を等化する位相差を適用すべく構成されている場合、且つ前記遅延線（ＤＬ）が前記第１と第２の基本ビームの間の前記遅延（Ｒ_１２）を補償する遅延を適用すべく構成されている場合にゼロまで減少する誤差信号（ε）を前記相補ビームから生成すべく構成された制御検知器（Ｄｅｔ）と、
   −前記適用する遅延及び位相差を前記誤差信号から決定すべく構成されたフィードバックループ（ＢＡ）とを含む基本装置（１５）。
2. 単一の再結合ビーム（Ｆｒｅｃｏｍｂ）を得るべくカスケード状に配置された請求項１に記載の複数の基本装置（１５）を含み、前記歪んだビーム（Ｆｄ）をサンプリングすることにより得られたＮ本（Ｎは厳密に正の偶整数）の基本ビーム（Ｆ_１、Ｆ_２、．．Ｆ_Ｎ）をコヒーレントに再結合する装置（２０）。
3. −前記入射ビーム（Ｆｉｄ）をＮ本の基本ビームにサンプリングすべく構成されていて前記入射ビームを空間非多重化する装置（１４）と、
   −請求項２に記載のＮ本の基本ビームをコヒーレントに再結合する装置（２０）と、
   −Ｍ個の波長が各々情報搬送用の１個のチャネルを形成するようにＭ本のビームを形成すべく波長を非多重化する装置（λＤＥＭＵＸ）と、
   −前記Ｍ本のビームに関連付けられたＭ個の検知器（ＰＤ_１、ＰＤ_２、ＰＤ_Ｍ）とを含む受光システム（１００）。
4. 前記基本ビームの回折が制限される、請求項３に記載の受光システム。
5. 前記空間非多重化装置（１４）が、前記入射ビームを空間サンプリングすべく構成されたマイクロレンズのマトリクスアレイを含んでいる請求項３に記載の受光システム。
6. 前記空間非多重化装置（１４）が多開口望遠鏡を含んでいる、請求項３に記載の受光システム。
7. 前記空間非多重化装置（１４）が、Ｎ個の空間モードへの分解を実行すべく構成されたＮ個の位相板を含んでいる、請求項３に記載の受光システム。
8. 請求項３〜７のいずれか１項に記載の受光システム（１００）及び、
   −Ｍ個の波長でＭ本のビームを生成すべく構成されたＭ個のレーザー源（Ｌ_１、Ｌ_２、．．．Ｌ_Ｍ）及びＭ個の関連変調器（ｍｏｄ_１、ｍｏｄ_２、ｍｏｄ_Ｍ）と、
   −多波長ビームを形成する波長多重化装置（λＭＵＸ）と、
   −前記多波長ビームをＮ本の基本発光ビーム（Ｆ’_１、Ｆ’_２、．．Ｆ’_Ｎ）にコヒーレントに分割する装置（２０’）、すなわち請求項２に記載のコヒーレント再結合装置（２０）とほぼ同一であるが、逆方向に用いられて各遅延線及び各位相変調器が各々逆向きの遅延及び逆向きの位相差を、前記受光システム（１００）のコヒーレント再結合装置（２０）の各フィードバックループにより決定される遅延及び位相差に適用することにより、前記Ｎ本の基本発光ビーム（Ｆ_１’、．．．Ｆ_Ｎ’）を、前記Ｎ本の初期基本ビームと共役であるＮ本のビームに各々対応させる装置（２０’）と、
   −前記空間非多重化装置（１４）とほぼ同一であるが、逆方向に用いられて前記Ｎ本の基本発光ビーム（Ｆ_１’、．．．Ｆ_Ｎ’）を、前記入射ビーム（Ｆｉｄ）の共役に対応する発光ビーム（Ｆｅ）に変換して、前記歪みを予め補償する空間多重化装置（１４’）とを含む発光システム（２００）を含む受光／発光システム（３００）。
9. −前記コヒーレント再結合装置（２０）と前記コヒーレント分割装置（２０’）が同一であり、
   −前記空間非多重化装置（１４）と前記空間多重化装置（１４’）が同一であって、
   −一方で前記波長非多重化装置（λＤＥＭＵＸ）及び前記Ｍ個の検知器（ＰＤ_１、ＰＤ_２、ＰＤ_Ｍ）と、他方で前記Ｍ個のレーザー源（Ｌ_１、Ｌ_２、．．．Ｌ_Ｍ）、前記Ｍ個の関連変調器（ｍｏｄ_１、ｍｏｄ_２、ｍｏｄ_Ｍ）及び前記波長多重化装置（λＭＵＸ）とが循環器（ＯＣ）によりコヒーレント再結合／分割装置に結合されていて、
   前記システムが更に、受光と発光に交互に使用すべく構成されている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の受光／発光システム。

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