JP2975969B2 - 光ファイバ通信システムと光ファイバ変調器 - Google Patents
光ファイバ通信システムと光ファイバ変調器Info
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
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- G02F1/0131—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on electro-mechanical, magneto-mechanical, elasto-optic effects based on photo-elastic effects, e.g. mechanically induced birefringence
- G02F1/0134—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour based on electro-mechanical, magneto-mechanical, elasto-optic effects based on photo-elastic effects, e.g. mechanically induced birefringence in optical waveguides
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- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B10/00—Transmission systems employing electromagnetic waves other than radio-waves, e.g. infrared, visible or ultraviolet light, or employing corpuscular radiation, e.g. quantum communication
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は全般に光ファイバ通信シ
ステム及び光ファイバ変調器に関し、特に温度変化と光
ファイバの位置の変化の影響を受けない光ファイバ通信
システムに関する。
ステム及び光ファイバ変調器に関し、特に温度変化と光
ファイバの位置の変化の影響を受けない光ファイバ通信
システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】光ファイバ内の光波の位相を変調するた
めに変調器が使用されており、それらの変調器は音波、
例えば超音波を使用してファイバを非摂動値から周期的
に圧縮及び伸長して周期的にファイバの密度を増減して
いる。それによりファイバの屈折率は周期的に変化す
る。音波の波長が光ビームの面積に比較して大きい場
合、光線は均一に変化する屈折率を有するように見える
領域と相互作用する。領域の光学的厚さは物理的厚さと
屈折率をかけたものである。屈折率が正弦的に変化する
ならば、光学的厚さもそのようになり、光信号の位相を
測定すると、屈折率の変化、従って摂動を生じた音波に
比例した正弦摂動を持つ。
めに変調器が使用されており、それらの変調器は音波、
例えば超音波を使用してファイバを非摂動値から周期的
に圧縮及び伸長して周期的にファイバの密度を増減して
いる。それによりファイバの屈折率は周期的に変化す
る。音波の波長が光ビームの面積に比較して大きい場
合、光線は均一に変化する屈折率を有するように見える
領域と相互作用する。領域の光学的厚さは物理的厚さと
屈折率をかけたものである。屈折率が正弦的に変化する
ならば、光学的厚さもそのようになり、光信号の位相を
測定すると、屈折率の変化、従って摂動を生じた音波に
比例した正弦摂動を持つ。
【０００３】振幅Ｓの音響ひずみ波が無摂動の屈折率
「ｎ」を有する領域を走行すると、「ｎ」の変化はほぼ
△（１／ｎ2）＝△Ｂで与えられる。ここでＢは比逆誘
電率（impermeability）として知られており、△Ｂ＝ｐ
*Ｓ である。ここでＳは音響ひずみでｐは光ひずみ係数
である。光ひずみ係数は光波及び音波が相互作用する物
質の物性で決まる数である。完全な形では、これは物質
内の屈折率ｎは必ずしも全方向で同一ではないことを考
慮にいれたテンソルないし行列方程式で表される。この
非等方性を有する物質のよい例が天然の方解石である。
下記の分析は任意の物質で完全３次元テンソル分析及び
光ファイバが受ける温度及び位置の変化や他の環境条件
の変化に拡張することが出来る。 他のテンソル成分に
関する本質的に同じ解に加えることが可能な、全問題の
成分についての分析なので、以下の疑似一次元分析にお
いても、本質的な一般性が損なわれることはない。
「ｎ」を有する領域を走行すると、「ｎ」の変化はほぼ
△（１／ｎ2）＝△Ｂで与えられる。ここでＢは比逆誘
電率（impermeability）として知られており、△Ｂ＝ｐ
*Ｓ である。ここでＳは音響ひずみでｐは光ひずみ係数
である。光ひずみ係数は光波及び音波が相互作用する物
質の物性で決まる数である。完全な形では、これは物質
内の屈折率ｎは必ずしも全方向で同一ではないことを考
慮にいれたテンソルないし行列方程式で表される。この
非等方性を有する物質のよい例が天然の方解石である。
下記の分析は任意の物質で完全３次元テンソル分析及び
光ファイバが受ける温度及び位置の変化や他の環境条件
の変化に拡張することが出来る。 他のテンソル成分に
関する本質的に同じ解に加えることが可能な、全問題の
成分についての分析なので、以下の疑似一次元分析にお
いても、本質的な一般性が損なわれることはない。
【０００４】音波が光波に対してある角度をなす場合、
音波は、光波に干渉して、光波の位相及び偏光を変化さ
せる可能性があり、これは、音波ビームと光ビームの相
対的方向、時には、絶対的方向によって決まることにな
る。
音波は、光波に干渉して、光波の位相及び偏光を変化さ
せる可能性があり、これは、音波ビームと光ビームの相
対的方向、時には、絶対的方向によって決まることにな
る。
【０００５】次の重要な概念は、音波によって、３つの
異なる効果が生じるということである。光信号がＺ方向
（紙面に垂直）に進行し、Ｙ方向にはゼロであるシステ
ムを想定されたい。さらに、該システムには、Ｘ方向に
おけるある成分、及び、Ｙ方向におけるある成分に偏光
があるものとする。次に、Ｘ−Ｙ平面における音波が光
波と交差するものと仮定する。第１に、音波がＸ方向に
進行中であるものとする。それによって、Ｘ方向におけ
る有効密度が変化し、従って、Ｘ−Ｘ間で結合が生じる
が、この正味の効果は、光ビームのＸ成分の位相が変化
することである。第２に、Ｘ方向において物質を圧縮す
ると、類推では、Ｙ方向の外側に膨れ出る。従って、Ｙ
方向の信号も、程度は異なるが、影響を受けることにな
る。
異なる効果が生じるということである。光信号がＺ方向
（紙面に垂直）に進行し、Ｙ方向にはゼロであるシステ
ムを想定されたい。さらに、該システムには、Ｘ方向に
おけるある成分、及び、Ｙ方向におけるある成分に偏光
があるものとする。次に、Ｘ−Ｙ平面における音波が光
波と交差するものと仮定する。第１に、音波がＸ方向に
進行中であるものとする。それによって、Ｘ方向におけ
る有効密度が変化し、従って、Ｘ−Ｘ間で結合が生じる
が、この正味の効果は、光ビームのＸ成分の位相が変化
することである。第２に、Ｘ方向において物質を圧縮す
ると、類推では、Ｙ方向の外側に膨れ出る。従って、Ｙ
方向の信号も、程度は異なるが、影響を受けることにな
る。
【０００６】第３の、変調器にとって最も関連性の深い
効果は、Ｘ及びＹ方向の偏光内で位相が変化するだけで
なく、それによって、Ｘ偏光からの信号の一部がＹ偏光
の信号の一部に結合したり、あるいは、この逆になった
りする可能性があるということである。従って、音波の
利用によって、光信号の偏光間における結合が可能にな
る。これについては、交差結合として、あるいは、△Ｂ
6 項として後述するが、ここで、△Ｂ6 項は、逆誘電率
テンソルの項である。
効果は、Ｘ及びＹ方向の偏光内で位相が変化するだけで
なく、それによって、Ｘ偏光からの信号の一部がＹ偏光
の信号の一部に結合したり、あるいは、この逆になった
りする可能性があるということである。従って、音波の
利用によって、光信号の偏光間における結合が可能にな
る。これについては、交差結合として、あるいは、△Ｂ
6 項として後述するが、ここで、△Ｂ6 項は、逆誘電率
テンソルの項である。
【０００７】確固たる、ありふれた類推によれば、標準
的な偏光子と光信号が利用されることになる。一般性を
損なわずに、Ｘ方向の偏光軸（偏光子を通る光が影響を
受けない偏光方向）を備えた偏光板を想定する。Ｘ方向
に対して角度θに偏光した振幅Ａの光信号が偏光子にぶ
つかると、偏光板を通って出てくる光は、振幅がＡｃｏ
ｓ（θ）となり、Ｘ方向の偏光を示す。最も重要なの
は、θ＝０゜の場合、信号の１００％が通過し、θ＝９
０゜の場合、通過する信号がなくなるという点に留意す
ることである。
的な偏光子と光信号が利用されることになる。一般性を
損なわずに、Ｘ方向の偏光軸（偏光子を通る光が影響を
受けない偏光方向）を備えた偏光板を想定する。Ｘ方向
に対して角度θに偏光した振幅Ａの光信号が偏光子にぶ
つかると、偏光板を通って出てくる光は、振幅がＡｃｏ
ｓ（θ）となり、Ｘ方向の偏光を示す。最も重要なの
は、θ＝０゜の場合、信号の１００％が通過し、θ＝９
０゜の場合、通過する信号がなくなるという点に留意す
ることである。
【０００８】従って、第２の偏光子が、偏向軸がＸ方向
に対して角度φをなすようにして、第１の偏光子の後に
配置されると、第１の偏光子から出てくるビームは、Ｘ
方向に偏りを示すので、このプロセスが繰り返される。
このビームは、第２の偏光子から出てくると、振幅がｃ
ｏｓ（φ）だけ減少し、Ｘ方向から角度φだけ偏ること
になる。やはり、この第２の偏光子が、Ｙ方向とアライ
ンメントがとれる場合、Ｘ方向とＹ方向が垂直であれ
ば、φ＝９０゜で、ｃｏｓ（φ）＝０になるので、信号
の通過はゼロになる。
に対して角度φをなすようにして、第１の偏光子の後に
配置されると、第１の偏光子から出てくるビームは、Ｘ
方向に偏りを示すので、このプロセスが繰り返される。
このビームは、第２の偏光子から出てくると、振幅がｃ
ｏｓ（φ）だけ減少し、Ｘ方向から角度φだけ偏ること
になる。やはり、この第２の偏光子が、Ｙ方向とアライ
ンメントがとれる場合、Ｘ方向とＹ方向が垂直であれ
ば、φ＝９０゜で、ｃｏｓ（φ）＝０になるので、信号
の通過はゼロになる。
【０００９】上述の交差結合は、２つの交差した偏光板
の間に、第３の偏光板を配置するのと同じ一般的効果を
生じるものである。第３の偏光板が、他の偏光板のいず
れか任意のほうと平行であれば、変化は生じない。しか
し、例えば、Ｘ方向から角度θといった、中間角度をな
すように配置され、第１の偏光子から出てくる信号が、
Ｘ方向において振幅Ａを示すものと仮定した場合、該信
号は、この中間偏光子を通過すると、振幅がＡｃｏｓ
（θ）になり、Ｘ方向から角度θだけ偏ることになる。
該信号は、次に、Ｙ方向の配向が施された軸から角度
（９０゜−θ）をなすように、Ｙ方向の配向が施された
偏光子にぶつかることになる（Ｘ及びＹ方向は９０゜離
れているので）。従って、入力信号は、さらに、振幅Ａ
ｃｏｓ（θ）から［Ａｃｏｓ（θ）］ｃｏｓ（９０゜−
θ）に減少するが、これは、Ａｃｏｓ（θ）ｓｉｎ
（θ）と同じである。従って、θ＝０または９０度を除
けば、非ゼロ成分が、交差結合される。この効果は、θ
＝４５゜の場合に最も効率がよい。
の間に、第３の偏光板を配置するのと同じ一般的効果を
生じるものである。第３の偏光板が、他の偏光板のいず
れか任意のほうと平行であれば、変化は生じない。しか
し、例えば、Ｘ方向から角度θといった、中間角度をな
すように配置され、第１の偏光子から出てくる信号が、
Ｘ方向において振幅Ａを示すものと仮定した場合、該信
号は、この中間偏光子を通過すると、振幅がＡｃｏｓ
（θ）になり、Ｘ方向から角度θだけ偏ることになる。
該信号は、次に、Ｙ方向の配向が施された軸から角度
（９０゜−θ）をなすように、Ｙ方向の配向が施された
偏光子にぶつかることになる（Ｘ及びＹ方向は９０゜離
れているので）。従って、入力信号は、さらに、振幅Ａ
ｃｏｓ（θ）から［Ａｃｏｓ（θ）］ｃｏｓ（９０゜−
θ）に減少するが、これは、Ａｃｏｓ（θ）ｓｉｎ
（θ）と同じである。従って、θ＝０または９０度を除
けば、非ゼロ成分が、交差結合される。この効果は、θ
＝４５゜の場合に最も効率がよい。
【００１０】こうしたシステムに不足する点は、いくら
よく言っても、極めて効率が悪く、最悪の場合、音波と
偏光との角度が、０または９０゜であれば、完全に無効
になるということである。この効果は、基本的に言え
ば、光信号の２つの偏光モードまたは光の状態は、通
常、直交する、あるいは、換言すると、通常、これらの
間には結合が生じないということである。音波の導入
は、これら直交モード間に中間偏光子を配置するような
ものであり、この結果、結合を生じさせることが可能に
なる。ただし、それは、この中間角度の最適な選択及び
維持にかかっている。
よく言っても、極めて効率が悪く、最悪の場合、音波と
偏光との角度が、０または９０゜であれば、完全に無効
になるということである。この効果は、基本的に言え
ば、光信号の２つの偏光モードまたは光の状態は、通
常、直交する、あるいは、換言すると、通常、これらの
間には結合が生じないということである。音波の導入
は、これら直交モード間に中間偏光子を配置するような
ものであり、この結果、結合を生じさせることが可能に
なる。ただし、それは、この中間角度の最適な選択及び
維持にかかっている。
【００１１】ファイバ中の光波の偏光面が、圧縮及び伸
長方向に対してある角度をなす場合、この結果として、
ファイバ内を進行する光波の偏光面に変調を生じること
になった。次に、この変調が、検光子によって検出さ
れ、これに後続する受光器が、その光波を受信して、変
調を表した出力電気信号を発生する。ここで温度の変
化、光ファイバの位置、及び、光ファイバが受ける他の
環境条件に起因する、光ファイバに沿った偏光面の変化
のため、問題が発生する。
長方向に対してある角度をなす場合、この結果として、
ファイバ内を進行する光波の偏光面に変調を生じること
になった。次に、この変調が、検光子によって検出さ
れ、これに後続する受光器が、その光波を受信して、変
調を表した出力電気信号を発生する。ここで温度の変
化、光ファイバの位置、及び、光ファイバが受ける他の
環境条件に起因する、光ファイバに沿った偏光面の変化
のため、問題が発生する。
【００１２】ある種の変調器はファイバでｘ方向に縦の
音波を励起して伝搬する。音波によるファイバの周期的
な圧縮や伸長により、送信された光波の偏光状態はシフ
トする。特定例として、ｘ方向に対して45度偏光された
光波がその偏光をｘ方向に関して135 度にシフトするこ
とがある。光送信ファイバの出力に検光子を配置してそ
の出力を受光器に加えると、振幅変調信号が変換器によ
り生成され、その周波数は電気駆動信号の周波数に依存
する。変調器に対する駆動電力を変化させ、極端な場合
には変調器を信号に対応してオンオフすることで信号を
送信することが出来る。上述したように、偏光状態（円
形ないし線形）は長いファイバ通信システムでは容易に
変化し得る。正確な励起及び検波角が維持されなけれ
ば、ゼロ出力応答も有り得る。
音波を励起して伝搬する。音波によるファイバの周期的
な圧縮や伸長により、送信された光波の偏光状態はシフ
トする。特定例として、ｘ方向に対して45度偏光された
光波がその偏光をｘ方向に関して135 度にシフトするこ
とがある。光送信ファイバの出力に検光子を配置してそ
の出力を受光器に加えると、振幅変調信号が変換器によ
り生成され、その周波数は電気駆動信号の周波数に依存
する。変調器に対する駆動電力を変化させ、極端な場合
には変調器を信号に対応してオンオフすることで信号を
送信することが出来る。上述したように、偏光状態（円
形ないし線形）は長いファイバ通信システムでは容易に
変化し得る。正確な励起及び検波角が維持されなけれ
ば、ゼロ出力応答も有り得る。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】従って本発明の目的は
改良形の光ファイバ通信システムを提供することであ
る。本発明の別の目的は、入力光波の偏光角に依存しな
い確実な方法でファイバを圧縮、伸長することでファイ
バ内を走行する光波を変調する光通信システムを提供す
ることである。本発明の更に別の目的は、１本の光ファ
イバに沿って通過する光波をファイバを中断せずに変調
する改良形の光ファイバ変調器を提供することである。
本発明の別の目的は、ファイバを中断せずにファイバに
沿って変調器を配置してファイバに沿った選択位置から
ファイバの終端に通信することのできる光通信システム
を提供することである。本発明の別の目的は、光波に対
する励起角に依存しない光ファイバ変調器を含む光通信
システムを提供することである。本発明の更なる目的
は、非変調出力信号の偏光方向が確実な光ファイバ変調
器を含む光ファイバ通信システムを提供することであ
る。本発明の別の目的は、構成が簡単な光ファイバ変調
器を提供することである。
改良形の光ファイバ通信システムを提供することであ
る。本発明の別の目的は、入力光波の偏光角に依存しな
い確実な方法でファイバを圧縮、伸長することでファイ
バ内を走行する光波を変調する光通信システムを提供す
ることである。本発明の更に別の目的は、１本の光ファ
イバに沿って通過する光波をファイバを中断せずに変調
する改良形の光ファイバ変調器を提供することである。
本発明の別の目的は、ファイバを中断せずにファイバに
沿って変調器を配置してファイバに沿った選択位置から
ファイバの終端に通信することのできる光通信システム
を提供することである。本発明の別の目的は、光波に対
する励起角に依存しない光ファイバ変調器を含む光通信
システムを提供することである。本発明の更なる目的
は、非変調出力信号の偏光方向が確実な光ファイバ変調
器を含む光ファイバ通信システムを提供することであ
る。本発明の別の目的は、構成が簡単な光ファイバ変調
器を提供することである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、光ファイ
バに沿って走行する光波を変調することで１箇所から他
の箇所に情報を送信する光通信システムと、光波を受信
する受信器で達成する。そして光ファイバが前記箇所間
で延長し、ファイバの一端に光波が導入され、ファイバ
に沿って他端に走行する。被変調電気信号に対応する変
調器は前記光波の偏光状態を変え、偏光の変化は前記フ
ァイバの出力端で検出して被変調出力信号を出す。本発
明は更に、互いに関してある空間角で配置された音響変
換器を含み、光ファイバを通して音波を走行させてファ
イバをファイバの軸に関して２つの角度、即ち好ましく
は垂直に、圧縮、伸長しかつその屈折率を増減して前記
圧縮、伸長領域を通過してファイバ軸に沿って走行する
光波の偏光状態を変調する、光ファイバに沿って送信さ
れた光波の偏光状態を電気信号に対応して変える変調器
を意図している。
バに沿って走行する光波を変調することで１箇所から他
の箇所に情報を送信する光通信システムと、光波を受信
する受信器で達成する。そして光ファイバが前記箇所間
で延長し、ファイバの一端に光波が導入され、ファイバ
に沿って他端に走行する。被変調電気信号に対応する変
調器は前記光波の偏光状態を変え、偏光の変化は前記フ
ァイバの出力端で検出して被変調出力信号を出す。本発
明は更に、互いに関してある空間角で配置された音響変
換器を含み、光ファイバを通して音波を走行させてファ
イバをファイバの軸に関して２つの角度、即ち好ましく
は垂直に、圧縮、伸長しかつその屈折率を増減して前記
圧縮、伸長領域を通過してファイバ軸に沿って走行する
光波の偏光状態を変調する、光ファイバに沿って送信さ
れた光波の偏光状態を電気信号に対応して変える変調器
を意図している。
【００１５】
【実施例】図１に典型的な光通信システムを示す。この
システムは光ファイバ11を有している。入力カプラ12は
レーザ13からの入力光波をファイバ11の一端に結合して
光波がファイバに沿って出力が検光子16と受光器17に導
かれる出力カプラ14に向かって走行するようにする。フ
ァイバ内の光波はその偏光状態を変調する光ファイバ変
調器18を通過して走行する。後述するように、光ファイ
バ変調器は光ファイバの屈折率を２つの空間角で変調し
て光波の偏光状態を変える。
システムは光ファイバ11を有している。入力カプラ12は
レーザ13からの入力光波をファイバ11の一端に結合して
光波がファイバに沿って出力が検光子16と受光器17に導
かれる出力カプラ14に向かって走行するようにする。フ
ァイバ内の光波はその偏光状態を変調する光ファイバ変
調器18を通過して走行する。後述するように、光ファイ
バ変調器は光ファイバの屈折率を２つの空間角で変調し
て光波の偏光状態を変える。
【００１６】図示する通信システムでは、高周波生成器
21は、入力信号情報23に従って高周波信号を変調する高
周波変調器22に印加する高周波電気信号を生成する。高
調波変調器22の出力は、所定の位相関係の光学的変調器
の２つの変換器（後述）に信号を加えるハイブリッドス
プリッタ24に加える。変換器は最適解では45度の空間角
で走行し、更に最適信号相互作用では時間的に90度位相
を異にして走行する２つの超音波を生成する。空間的に
光波の偏光面と超音波の１つとの角が０ないし90度なら
ば、それは他の超音波に対して45度であり、それと最適
に相互作用する。時間的に超音波は90度離れて駆動さ
れ、実質的にそれらが重ならないようにする。それらが
同位相で駆動されるならば、２つの成分間の中間方向に
走行する合成超音波が効率的に作成されてしまう。90度
位相を異にして駆動されるならば、第１の波が最大ない
し最小振幅のとき、他はゼロ振幅となる。つまり、重な
って打ち消し合ってしまうことはない。同様に第２の波
が最大ないし最小振幅にあれば、第１の波はゼロ振幅と
なろ。図式的に云えば、Ｘ方向に物質を圧縮する第１の
音波を考えると、最大圧縮では第２の波は中間サイクル
にあり、光波に影響を与えない。１／４時間サイクル
後、第１の波は中間サイクルにあり、第２の波は極にあ
り、圧縮はＸ方向から45度の方向となる。更に１／４サ
イクル後、第１の波は最大伸長にあり、第２の波は再び
中間サイクルにあり、圧縮角を効果的に90度にする。
21は、入力信号情報23に従って高周波信号を変調する高
周波変調器22に印加する高周波電気信号を生成する。高
調波変調器22の出力は、所定の位相関係の光学的変調器
の２つの変換器（後述）に信号を加えるハイブリッドス
プリッタ24に加える。変換器は最適解では45度の空間角
で走行し、更に最適信号相互作用では時間的に90度位相
を異にして走行する２つの超音波を生成する。空間的に
光波の偏光面と超音波の１つとの角が０ないし90度なら
ば、それは他の超音波に対して45度であり、それと最適
に相互作用する。時間的に超音波は90度離れて駆動さ
れ、実質的にそれらが重ならないようにする。それらが
同位相で駆動されるならば、２つの成分間の中間方向に
走行する合成超音波が効率的に作成されてしまう。90度
位相を異にして駆動されるならば、第１の波が最大ない
し最小振幅のとき、他はゼロ振幅となる。つまり、重な
って打ち消し合ってしまうことはない。同様に第２の波
が最大ないし最小振幅にあれば、第１の波はゼロ振幅と
なろ。図式的に云えば、Ｘ方向に物質を圧縮する第１の
音波を考えると、最大圧縮では第２の波は中間サイクル
にあり、光波に影響を与えない。１／４時間サイクル
後、第１の波は中間サイクルにあり、第２の波は極にあ
り、圧縮はＸ方向から45度の方向となる。更に１／４サ
イクル後、第１の波は最大伸長にあり、第２の波は再び
中間サイクルにあり、圧縮角を効果的に90度にする。
【００１７】実際上、１音響ビームシステムは、作動す
るが光波が音波と相互作用する時に光学的偏光角に依存
する固定位置偏光子をもたらす。本発明の２ビームシス
テムはファイバを圧縮、伸長してひずみを効果的に音響
周波数で回転する。光信号が線形に、円形にあるいは楕
円形に偏光されていても、ひずみは常に入力光信号の一
部を、直交偏光状態に結合する。
るが光波が音波と相互作用する時に光学的偏光角に依存
する固定位置偏光子をもたらす。本発明の２ビームシス
テムはファイバを圧縮、伸長してひずみを効果的に音響
周波数で回転する。光信号が線形に、円形にあるいは楕
円形に偏光されていても、ひずみは常に入力光信号の一
部を、直交偏光状態に結合する。
【００１８】ファイバないしバルク部品を使用すること
で、ファイバの遠端から信号が生じると、信号を常に線
形偏光信号に変えることが出来る。ベースライン光搬送
波を出口で直線偏光信号になるように調節すると、交差
結合信号は常に直交直線偏光成分に出て来る。同様に、
出力ビーム搬送波を円偏光になるように調節すると、交
差結合信号は逆回転の円偏光となる。円偏光ビームはい
くつかの方法で分解して交差結合信号を情報搬送波とし
て抽出することが出来る。より一般的には、どんな偏光
の出力信号でも、それを調節ないし測定して一部の特定
の偏光状態で搬送される情報を抽出するいくつかの方法
がある。
で、ファイバの遠端から信号が生じると、信号を常に線
形偏光信号に変えることが出来る。ベースライン光搬送
波を出口で直線偏光信号になるように調節すると、交差
結合信号は常に直交直線偏光成分に出て来る。同様に、
出力ビーム搬送波を円偏光になるように調節すると、交
差結合信号は逆回転の円偏光となる。円偏光ビームはい
くつかの方法で分解して交差結合信号を情報搬送波とし
て抽出することが出来る。より一般的には、どんな偏光
の出力信号でも、それを調節ないし測定して一部の特定
の偏光状態で搬送される情報を抽出するいくつかの方法
がある。
【００１９】通信システムでは、高周波変調器22はハイ
ブリッドスプリッタ24に加える出力信号が周波数変調信
号となる周波数変調器とすることが出来る。図10Ａ、10
Ｂにそれぞれ周波数変調入力信号と周波数変調出力信号
とを示す。変調器は、入力情報がパルスコード化される
パルスコード変調器とすることもでき、、出力検波器は
復調して入力信号情報23を出すことのできるパルス変調
出力を出すために検出する光エネルギーのバーストを検
出する。この例として図11Ａ，11Ｂに、それぞれパルス
幅変調入力信号とパルス幅変調出力信号とを示す。
ブリッドスプリッタ24に加える出力信号が周波数変調信
号となる周波数変調器とすることが出来る。図10Ａ、10
Ｂにそれぞれ周波数変調入力信号と周波数変調出力信号
とを示す。変調器は、入力情報がパルスコード化される
パルスコード変調器とすることもでき、、出力検波器は
復調して入力信号情報23を出すことのできるパルス変調
出力を出すために検出する光エネルギーのバーストを検
出する。この例として図11Ａ，11Ｂに、それぞれパルス
幅変調入力信号とパルス幅変調出力信号とを示す。
【００２０】図２に空間角φ、Θでファイバ11を横切る
縦の超音波を誘起するために取り付けた音響変換器32、
33を有する分割キャピラリを含む変調器を示す。これは
ファイバを２つの空間方向に圧縮、伸長してその屈折率
を変え、それによりファイバ11のこの領域を通過して走
行する光波の偏光状態を変調する。本発明者らは互いに
関して角φ−Θの２つの変換器を使用することでその偏
光状態に関係なく変調器を通過して走行する光波を変調
できることを見い出した。しかしその変調は図２に示す
ように変換器の間の角φ−Θと入力信号の位相角αに依
存する。変換器が互いに関して空間的に45度離れてお
り、変換器に対する信号が90度異なるときに信号復元は
最適となる。入力波の偏波は、変換器の空間分離が０度
あるいは90度の倍数でない限り変調され、変換器が光フ
ァイバの中心から等距離の時、励起信号の位相は０度よ
り大で 180度より小となる。より一般的に、光ファイバ
での音波の相対的位相は０度より大で 180度より小であ
るべきである。位相は電気信号の位相と光ファイバの中
心からの変換器の距離の両方に依存する。
縦の超音波を誘起するために取り付けた音響変換器32、
33を有する分割キャピラリを含む変調器を示す。これは
ファイバを２つの空間方向に圧縮、伸長してその屈折率
を変え、それによりファイバ11のこの領域を通過して走
行する光波の偏光状態を変調する。本発明者らは互いに
関して角φ−Θの２つの変換器を使用することでその偏
光状態に関係なく変調器を通過して走行する光波を変調
できることを見い出した。しかしその変調は図２に示す
ように変換器の間の角φ−Θと入力信号の位相角αに依
存する。変換器が互いに関して空間的に45度離れてお
り、変換器に対する信号が90度異なるときに信号復元は
最適となる。入力波の偏波は、変換器の空間分離が０度
あるいは90度の倍数でない限り変調され、変換器が光フ
ァイバの中心から等距離の時、励起信号の位相は０度よ
り大で 180度より小となる。より一般的に、光ファイバ
での音波の相対的位相は０度より大で 180度より小であ
るべきである。位相は電気信号の位相と光ファイバの中
心からの変換器の距離の両方に依存する。
【００２１】図３−６を更に特に参照すると、変調器は
図３に示すように半分のキャピラリをラップしたキャピ
ラリから構成されている。キャピラリの外面は適切な装
置で蒸着により表面上に形成した約50オングストローム
のチタンで被覆されており、それに続いて図６に示すよ
うに金の2000オングストロームの膜で下部の変換器接触
ないし接地面37を形成している。それらの蒸着は約 200
度Ｃに加熱したキャピラリで行う。これは接地面で方位
のよく揃った金をもたらし過程の次のステップで加える
方位のよく揃った酸化亜鉛を生じることが分かってい
る。金の蒸着の直後、基板をスパッタリングシステムに
取り付け、金の上に約６ミクロンの酸化亜鉛層38を蒸着
する。この厚さは 400ＭＨｚの作動周波数での半波長厚
さに対応する。変調器をその他の周波数で作動する場
合、この厚さを選択してその特定周波数の共振をもたら
す。変換器として働く部分はマスキング及びエッチング
手法により上部導電電極39で規定されている。この例で
は図５に示すように変換器は長くて細く、ファイバの軸
に平行に長くなっている（これは必要ではないが）。
図３に示すように半分のキャピラリをラップしたキャピ
ラリから構成されている。キャピラリの外面は適切な装
置で蒸着により表面上に形成した約50オングストローム
のチタンで被覆されており、それに続いて図６に示すよ
うに金の2000オングストロームの膜で下部の変換器接触
ないし接地面37を形成している。それらの蒸着は約 200
度Ｃに加熱したキャピラリで行う。これは接地面で方位
のよく揃った金をもたらし過程の次のステップで加える
方位のよく揃った酸化亜鉛を生じることが分かってい
る。金の蒸着の直後、基板をスパッタリングシステムに
取り付け、金の上に約６ミクロンの酸化亜鉛層38を蒸着
する。この厚さは 400ＭＨｚの作動周波数での半波長厚
さに対応する。変調器をその他の周波数で作動する場
合、この厚さを選択してその特定周波数の共振をもたら
す。変換器として働く部分はマスキング及びエッチング
手法により上部導電電極39で規定されている。この例で
は図５に示すように変換器は長くて細く、ファイバの軸
に平行に長くなっている（これは必要ではないが）。
【００２２】変調器での重要な考察は、ファイバに対し
て良好な音響接触を為しそれによりファイバを通して音
波の良好な伝達をもたらし、音響共振をもたらすことの
あるキャピラリとファイバ間の界面での反射を最小にす
ることである。従って音響インピーダンスがファイバの
インピーダンスに相当する接触材料を備えることが望ま
しい。液体ガリウム材が石英キャピラリと石英ファイバ
間の接触を提供するのに好ましい。しかしガリウムはガ
ラスにくっつかず結合を低下する酸化膜を形成する。本
発明者らはそれらの問題を２つの方法で克服できること
を見出した。１つの方法は金属薄膜をファイバとキャピ
ラリの両方の表面に蒸着することで、おそらく3000オン
グストロームの厚さのインジウムの薄い層が望ましい。
インジウムはガリウムにかなり容易に濡れるという利点
を持っている。２番目の方法は希塩酸などの酸性融剤を
用いてガリウム上の酸を一時的に除去することである。
別の可能性としてインジウムすずはんだ合金を用いてよ
り永久的な結合を為すことである。この場合、インジウ
ム／すず合金はニッケル表面に蒸着出来、ニッケル被覆
キャピラリに対してファイバを押しつけ、はんだが溶解
するまで両方を加熱する。全ての場合にキャピラリの装
着中に酸化亜鉛変換器をワックスその他の材料で保護す
ることによりそれらの破損を避けるように注意すること
が重要である。第３の可能性としてキャピラリ壁とファ
イバの間の界面に適切なグリースを用いることがある。
て良好な音響接触を為しそれによりファイバを通して音
波の良好な伝達をもたらし、音響共振をもたらすことの
あるキャピラリとファイバ間の界面での反射を最小にす
ることである。従って音響インピーダンスがファイバの
インピーダンスに相当する接触材料を備えることが望ま
しい。液体ガリウム材が石英キャピラリと石英ファイバ
間の接触を提供するのに好ましい。しかしガリウムはガ
ラスにくっつかず結合を低下する酸化膜を形成する。本
発明者らはそれらの問題を２つの方法で克服できること
を見出した。１つの方法は金属薄膜をファイバとキャピ
ラリの両方の表面に蒸着することで、おそらく3000オン
グストロームの厚さのインジウムの薄い層が望ましい。
インジウムはガリウムにかなり容易に濡れるという利点
を持っている。２番目の方法は希塩酸などの酸性融剤を
用いてガリウム上の酸を一時的に除去することである。
別の可能性としてインジウムすずはんだ合金を用いてよ
り永久的な結合を為すことである。この場合、インジウ
ム／すず合金はニッケル表面に蒸着出来、ニッケル被覆
キャピラリに対してファイバを押しつけ、はんだが溶解
するまで両方を加熱する。全ての場合にキャピラリの装
着中に酸化亜鉛変換器をワックスその他の材料で保護す
ることによりそれらの破損を避けるように注意すること
が重要である。第３の可能性としてキャピラリ壁とファ
イバの間の界面に適切なグリースを用いることがある。
【００２３】変調器を作動する際、変換器はキャピラリ
の表面上に互いに関して望ましくは45度で形成され、変
換器を90度異なる位相で励起して変換器を通過して直交
偏光状態に走行する光波部分を変調する。波は光ファイ
バ11に沿って走行し、前述したように検光子16は変調器
で加えられる変調にしたがって変調される出力光信号を
もたらす。受光器は光信号変調を出力変調信号に変換す
る。
の表面上に互いに関して望ましくは45度で形成され、変
換器を90度異なる位相で励起して変換器を通過して直交
偏光状態に走行する光波部分を変調する。波は光ファイ
バ11に沿って走行し、前述したように検光子16は変調器
で加えられる変調にしたがって変調される出力光信号を
もたらす。受光器は光信号変調を出力変調信号に変換す
る。
【００２４】図７−９に入力信号を抽出するいくつかの
方法を示す。最も単純なものは図７に示してあるが、検
光子16に加える前に線形に偏光する非変調出力フィール
ドを作るためにファイバ偏光制御装置41を用いる。検光
子16は偏光子とすることもできる。図８のより確実な手
法は、出力信号をファイバビームスプリッタ42で２つの
部分に分割して２つの出力ラインに従って受光器17ａ、
17ｂの正面で直角に偏光した検光子16ａ、16ｂを配置
し、２つの受光器の出力を加えることである。最後に同
様な結果は、図９に示すように１本のファイバの正面で
各々の面上に受光器17ａ、17ｂを有する偏光ビームスプ
リッタ43を用いることで得られる。
方法を示す。最も単純なものは図７に示してあるが、検
光子16に加える前に線形に偏光する非変調出力フィール
ドを作るためにファイバ偏光制御装置41を用いる。検光
子16は偏光子とすることもできる。図８のより確実な手
法は、出力信号をファイバビームスプリッタ42で２つの
部分に分割して２つの出力ラインに従って受光器17ａ、
17ｂの正面で直角に偏光した検光子16ａ、16ｂを配置
し、２つの受光器の出力を加えることである。最後に同
様な結果は、図９に示すように１本のファイバの正面で
各々の面上に受光器17ａ、17ｂを有する偏光ビームスプ
リッタ43を用いることで得られる。
【図１】 本発明の光ファイバ通信システムのブロック
図である。
図である。
【図２】 互いに関してφ−Θの空間角で配置され互い
に相対的に時間位相αで駆動される１対の変換器による
光ファイバの圧縮と伸長を例示した図である。
に相対的に時間位相αで駆動される１対の変換器による
光ファイバの圧縮と伸長を例示した図である。
【図３】 本発明の実施例に適用する音響変換器で、半
分にラップして変調器を形成したキャピラリを示す。
分にラップして変調器を形成したキャピラリを示す。
【図４】 光ファイバに適用してファイバ内に伸長及び
圧縮波を励起してその屈折率を変調する図３の変調器と
共に、ファイバを押さえるたまの半割りキャピラリを示
す。
圧縮波を励起してその屈折率を変調する図３の変調器と
共に、ファイバを押さえるたまの半割りキャピラリを示
す。
【図５】 光ファイバに適用する光変調器を示す側面図
である。
である。
【図６】 音響変換器を示すキャピラリの一部の拡大図
である。
である。
【図７】 変調信号を復元する１つのシステムを示す。
【図８】 変調信号を復元する第２のシステムを示す。
【図９】 変調信号を復元する第３のシステムを示す。
【図10】 周波数変調入力信号（Ａ）、出力信号（Ｂ）
を示す。
を示す。
【図11】 パルス幅変調入力信号（Ａ）、出力信号
（Ｂ）を示す。
（Ｂ）を示す。
11: 光ファイバ 23: 入力信号情報 12: 入力カプラ 24: ハイブリッドスプ
リッタ 13: HeNeレーザ 32、34: 音響変換器 14: 出力カプラ 37: 接地面 16: 検光子 38: 酸化亜鉛層 17: 検波器 39: 上部導電電極 18: 光変調器 41: ファイバ偏光制御
装置 21: 高周波生成器 42: ファイバビームス
プリッタ 22: 高周波変調器
リッタ 13: HeNeレーザ 32、34: 音響変換器 14: 出力カプラ 37: 接地面 16: 検光子 38: 酸化亜鉛層 17: 検波器 39: 上部導電電極 18: 光変調器 41: ファイバ偏光制御
装置 21: 高周波生成器 42: ファイバビームス
プリッタ 22: 高周波変調器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 キノー・ゴードン・エス アメリカ合衆国カリフォルニア州 94305 スタンフォード （番地なし) スタンフォード ユニバーシティー内 (72)発明者 ハウエル・エム・ダッフ アメリカ合衆国カリフォルニア州 94305 スタンフォード （番地なし) スタンフォード ユニバーシティー内 (72)発明者 ディゴネット・ミッチェル アメリカ合衆国カリフォルニア州 94305 スタンフォード （番地なし) スタンフォード ユニバーシティー内 (56)参考文献 特開 昭62−10618（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−213922（ＪＰ，Ａ)
Claims (14)
- 【請求項１】 光を伝送する光ファイバと、電気信号の
印加によって音波を発生する2 個の音響変換器とからな
り、２個の音響変換器は、それぞれの音響変換器から発
生するそれぞれの音波が光ファイバを横断して走行する
それぞれの走行方向のなす角がゼロ又は９０度の整数倍
とならない角度に配置され、かつ2 個の音響変換器から
それぞれ発生し到達するそれぞれの音波の位相差が光フ
ァイバ上でゼロでなく、かつ１８０度未満の所定の位相
であり、かかるそれぞれの音波が光ファイバを圧縮・伸
長させ、当該光ファイバを伝播している光波に対して偏
光状態を変化させることによる変調を与えることを特徴
とする光ファイバ変調器。 - 【請求項２】 前記２個の音響変換器は、実質的に光フ
ァイバと同一の音響インピーダンスを有する基体に取り
付けられて前記2 個の音響変換器を光ファイバに結合す
る請求項１記載の光ファイバ変調器。 - 【請求項３】 前記2 個の音響変換器は前記光ファイバ
からそれぞれ等距離である請求項２記載の光ファイバ変
調器。 - 【請求項４】 前記２個の音響変換器から発生するそれ
ぞれの音波が光ファイバを横断して走行するそれぞれの
走行方向のなす角が実質的に４５度であり、2 個の音響
変換器からそれぞれ発生し到達する音波の互いの位相差
が実質的に９０度である請求項１記載の光ファイバ変調
器。 - 【請求項５】 前記2 個の音響変換器から発生するそれ
ぞれの音波が光ファイバを横断して走行するそれぞれの
走行方向のなす角が４５度になるように、前記2個の音
響変換器は前記基体に取付けられ、電気信号は前記2 個
の音響変換器にそれぞれ90度の位相差で加えられる請求
項３記載の光ファイバ変調器。 - 【請求項６】 光ファイバに沿って走行する入力光波を
特定箇所で入力信号によって変調することにより変調光
を生成し、他の箇所では前記変調光を受信して、前記入
力信号を復調して出力信号を生成することにより、前記
２つの箇所間で通信を行う光ファイバ通信システムにお
いて、前記特定の箇所では、前記入力信号の印加によっ
て音波を発生する２個の音響変換器を用いて、それぞれ
の音波が光ファイバを横断して走行するそれぞれの走行
方向のなす角がゼロ又は９０度の整数倍とならない角度
で、かつ前記2 個の音響変換器からそれぞれ発生し到達
する それぞれの音波の位相差が光ファイバ上でゼロでな
く、かつ１８０度未満の所定の位相となるように、音波
を光ファイバに与えて光ファイバを圧縮・伸長させ、光
ファイバを伝播している光波に対して偏光状態を変化さ
せることによる変調を与えることを特徴とする光ファイ
バ通信システム。 - 【請求項７】 前記2 個の音響変換器にそれぞれ入力さ
れる入力信号は、入力する以前にそれぞれ２分割して特
定の位相関係に調整することを特徴とする請求項６記載
の光ファイバ通信システム。 - 【請求項８】 光ファイバ偏光制御装置を用いて検光子
に加える前の非変調出力光を直線偏光にして出力信号を
抽出する手段を含む請求項６記載の光ファイバ通信シス
テム。 - 【請求項９】 変調光がファイバビームスプリッタで２
分割され、かかる分割変調光を、互いの偏光面が直角と
なるように２つの受光器の前にそれぞれ設置された検光
子を介して２つの受光器で受け、かかる受光器の出力を
加えることにより出力信号を生成する手段を含む請求項
６記載の光ファイバ通信システム。 - 【請求項１０】 変調光が偏光ビームスプリッタで２分
割され、かかる分割変調光をそれぞれ受光器で受け、か
かる受光器の出力を加えることにより出力信号を生成す
る手段を含む請求項６記載の光ファイバ通信システム。 - 【請求項１１】 光を伝送する光ファイバと、かかる光
ファイバを機械的に保持する基体と、電気信号の印加に
よって音波を発生する２個の音響変換器とからなり、前
記基体は光ファイバと同一の音響インピーダンスの材質
で構成され、前記2 個の音響変換器は、それぞれの音響
変換器から発生するそれぞれの音波が光ファイバを横断
して走行するそれぞれの走行方向のなす角がゼロ又は９
０度の整数倍とならない角度をもつように前記基体に取
付けられ、かつ上記2 個の音響変換器からそれぞれ発生
し到達するそれぞれの音波の位相差が光ファイバ上で互
いにゼロでなく、かつ１８０度未満の所定の位相となる
ように、前記2 個の音響変換器に入力電気信号が印加さ
れて光ファイバを圧縮・伸長させ、光ファイバ中を伝送
する光に対して偏光状態を変化させることによる変調を
与えることを特徴とする光ファイバ変調器。 - 【請求項１２】 前記2 個の音響変換器は前記光ファイ
バから等距離に取付けされた請求項１１記載の光ファイ
バ変調器。 - 【請求項１３】 光を伝播する光ファイバと、かかる光
ファイバを保持する基体と、電気信号の印加によって音
波を発生する2 個の音響変換器とからなり、前記2 個の
音響変換器から発生するそれぞれの音波が光ファイバを
横断して走行するそれぞれの走行方向のなす角が４５度
になるように前記基体に配置され、かつ2個の音響変換
器からそれぞれ発生し到達するそれぞれの音波の位相差
が光ファイバ上で互いに９０度の関係になるように、前
記２個の音響変換器に入力電気信号が印加されて光ファ
イバを圧縮・伸長させ、光ファイバ中を伝送する光に対
して偏光変化の変調を与えることを特徴とする光ファイ
バ変調器。 - 【請求項１４】 2 個の音響変換器は互いに光ファイバ
を横断して走行するそれぞれの音波の走行方向のなす角
が４５度になるように前記基体に取付けられ、かつ2 個
の音響変換器に入力される入力電気信号が互いに９０度
の位相差に設定されている請求項１３記載の光ファイバ
変調器。
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