JP4068846B2 - レーザーパルス成形装置 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、パルス成形装置に関する。詳述すると、パルス成形装置は、光バックプレーン装置に関連するマスターパルスの成形に好適である。
【０００２】
本発明は、高速デジタル通信用ルーター／スイッチに必要とされる光スイッチングのための新しいアーキテクチャーの開発に利用可能である。
【０００３】
英国特許出願第９９３０１６３．２（発明の名称："Data Compression Apparatus and Method Therefor"）は、光スイッチングシステムにおける光バックプレーン、例えば、光ファイバーの動作について記載している。詳述すると、この９９３０１６３．２出願は、毎秒１０ギガビットのデータパケットを毎秒１．２８テラビットの圧縮されたパケットに変換する圧縮方法を開示している。圧縮されたパケットはその後、ＩＰルーターまたはＡＴＭスイッチのような装置の光ファイバーバックプレーン上に時分割多重化される。
【０００４】
圧縮方法の本質的部分は、チャープされたマスターレーザーパルスを発生することである。これは通常、５ナノメートル（ｎｍ）の波長にわたってチャープする５ナノ秒（ｎｓ）のパルスである。理想的なパルスの形状、実質的に一定の出力を有するパルスを、上述したパラメータを用いて図１に示す。
【０００５】
チャープしたマスターレーザーパルスは、直接、チャープを発生するレーザーにより発生可能である。しかしながら、現在において好ましい方法は、非常に狭いパルスを有するレーザーを使用し、このパルスを、例えば、ある長さの光ファイバーまたはブラッグファイバー格子のような分散性伝送媒体に伝播させることによりチャープさせるものである。
【０００６】
図２は、長さが約１００フェムト秒（ｆｓ）の極短レーザーパルスのパルス波形を示す。このパルスのスペクトルを図３に示す。このパルスは、後で分散性媒体を通過させることにより、図４に示すようなチャープしたパルスを発生できる。チャープしたパルスは、光フィルターに通して開始部及び終了部の波長をブロックすることにより、必要な５ｎｍの波長にわたりチャープするパルスを得ることができる。
【０００７】
その結果得られる切側（側部が切取られた）パルスを図５に示すが、これを図１の理想的なパルスと比較されたい。５ｎｍの帯域幅より高いそして低い波長をブロックするにあたり、光フィルターはこれらの波長５１０に対応する時点においてパルスを減衰させる。切側チャープパルス５００は出力レベルが一定でないことがわかる。
【０００８】
図５のパルスのピーク５０２とエッジ５０４との間の出力差は、狭い極短パルスを用いると減少することが可能であり、パルスのスペクトルが広くなる。しかしながら、このアプローチには、切側プロセスで失われる元のレーザー出力量が極短パルスを短くするにつれて増加するという問題点がある。
【０００９】
従って、本発明の目的は、ただ狭い極短パルスの使用による追加的出力ロスを伴わずに一定出力の切側パルスの発生を可能にすることである。
【００１０】
従って、本発明は、反復性の入力光パルスを成形して各々の光出力が実質的に一定の出力光パルスを発生させるパルス成形装置であって、制御信号の制御下に各入力光パルスに作用して成形済み出力光パルスを発生する変調器と、制御信号を発生する手段とより成り、制御信号発生手段は、それ自体、成形済み出力光パルスをサンプリングして成形済み出力光パルスの光出力に対応するサンプル信号を発生するサンプリング手段と、サンプル信号の値に応じて変調器の制御信号を発生する手段とより成り、変調器はサンプリング手段が成形済み出力光パルスをサンプリングする前に入力光パルスに作用し、パルス成形装置はさらに、デジタル化手段と、メモリー手段と、処理手段と、デジタル−アナログ変換手段とを備え、サンプル信号はデジタル化された後、メモリー手段に記憶され、処理手段がデジタル化されたサンプル信号につき複数のフィードバック値を計算し、フィードバック値がデジタル−アナログ変換手段によりアナログフィードバック信号に変換され、アナログフィードバック信号が後続の入力光パルスを成形するために変調器の制御信号として使用されることを特徴とするパルス成形装置を提供する。
【００２２】
本発明は、さらに、反復性の入力光パルスを成形して各々の光出力が実質的に一定の出力光パルス（８１６）を発生させるパルス成形装置であって、制御信号の制御下に各入力光パルスに作用して成形済み出力光パルスを発生する変調器と、制御信号を発生する手段とより成り、制御信号発生手段は、それ自体、入力光パルスをサンプリングして入力光パルスの光出力に対応するサンプル信号を発生するサンプリング手段と、サンプル信号の値に応じて変調器の制御信号を発生する手段とより成り、サンプリング手段は、変調器が入力光パルスに作用する前に入力光パルスをサンプリングすることを特徴とするパルス成形装置を提供する。
【００２３】
この装置は、サンプル信号を増幅し、調整可能な利得の制御下で増幅済み信号を発生する増幅器手段をさらに備え、増幅済み信号が変調器の制御信号として使用される。
【００２４】
この装置はさらに、増幅器手段の利得を調整するための別のサンプル信号を発生するための別のサンプリング手段を変調器の後に備えている。
【００２５】
この別のサンプリング手段は別の出力スプリッター手段と別の光検知器とを有し、この光スプリッター手段は、サンプルパルスのサンプル部分を分割して別の光検知器へ送り、別の光検知器が別のサンプル信号を発生させる。
【００２９】
本発明をさらによく理解するために、添付図面を参照して理解するために例示的な添付図面を参照されたい。
【００３０】
図面において、同様な参照符号は同様な特徴部分を示す。
【００３１】
図１乃至５は、上述したように、入来切側チャープレーザーパルスの形成について示したものである。
【００３２】
図６は、システム入力が光ファイバー上で到達する切側光パルス５００である光成形システム６００を示す。切側パルス５００は、変調器６０２を通される。変調器６０２は、この信号を制御信号制御電圧６３４に従って減衰させる。変調器６０２の後で、光ファイバーからサンプリング手段６２０により光出力のサンプリングが行われ、サンプルがサンプル信号６３０へ変換される。通常、サンプリング手段は、光出力スプリッター６０４と、光検知器６０６とを備えており、光出力スプリッター６０４は、光出力の小部分を分岐させ、この小部分を光検知器６０６へ送り込み、光検知器６０６が光出力のこの小部分をサンプル信号６３０へ変換する。サンプル信号６３０は、入来パルス５００の光出力に対応する。
【００３３】
以下において、サンプル信号６３０は、光出力に比例する電圧を有する電気信号であると仮定する。所望の出力レベルと等価のオフセット電圧６１０を、サンプル信号６３０から減算する（６０８）。減算プロセスの出力は、変調器６０２の制御に使用可能なエラー信号６３０を表す。
【００３４】
エラー信号６３２は、変調器６０２の駆動に用いる高利得の反転増幅器６１２へ送られる。反転増幅器の選択にあたり、変調器６０２は駆動電圧が増加すれば減衰が減少するようなものであると仮定された。上述のアプローチにおいて、変調器６０２の挙動は、閉ループにおいて前のパルスからの増幅フィードバック信号６３４により制御される。
【００３５】
閉ループ構成６００において、サンプリング手段６２０、減算器６０８及び増幅器６１２は、変調器６０２のフィードバックパスの一部を形成し、このパスは、入力レベルとは無関係に変調器６０２にからの出力信号レベル６１６を設定レベル６１０に保持しようとする効果がある。一般的に、変調器６０２は、減衰能力を有するが利得を与えることはできない。従って、サンプル信号６３０が小さすぎると、増幅されたエラー信号６３４が正になるが、変調器６０２からの信号レベル６１６を増加させない。
【００３６】
閉ループフィードバックを用いる利点は、非常に簡単に構成可能であって、増幅器の利得のようなファクターの変動に対してロバストであることである。しかしながら、切側パルス５００を完全に矯正するために、フィードバックループは、通常は１ギガヘルツ（ＧＨｚ）以上の非常に広い帯域幅を持つ必要がある。これは、フィードバックループ全体の遅延時間が通常は０．５ナノ秒よりも小さくなければならないことを意味する。１ナノ秒よりも短い遅延時間は、閉ループフィードバックの実現に多くの制約を課す。実際、閉ループパルス成形システム６００は、ただ、相互接続部の遅延が大きくなりすぎるのを回避するために、単一パッケージに一体化する必要があるであろう。
【００３７】
切側パルスが反復性を有する場合、閉フィードバックループの遅延の問題は、デジタルフィードバックにより克服することができる。デジタルフィードバックを用いると、システムは、各パルス間でなくて、多数のパルスにわたる期間に適応することができる。
【００３８】
図７は、デジタルフィードバックループ７００を示す。図６と同様な態様で、切側パルス５００は変調器６０２を通過し、この変調器６０２が制御電圧７３４に従ってそのパルスを減衰させる。変調器６０２を通過後、光出力がサンプリング手段６２０により光ファイバーからサンプリングされて、サンプル信号６３０へ変換される。直接に減算器６０８へ送り込まれず、サンプリング手段６２０からのサンプル信号６３０は、デジタル化器７０２によりデジタル信号に変換される。デジタル化パルスの波形７３０はその後、メモリー（図示せず）に記憶される。例えば、コンピュータのような処理手段７０４が、所望の出力レベル６１０に従ってパルス波形７３０の各サンプリング点につきフィードバック値７３２を計算する。このようにして計算したこれらのフィードバック値７３２はその後、デジタル−アナログコンバータ（ＤＡＣ）７０６へ送られ、このコンバータが所要のアナログフィードバック電圧７３４を後続のパルスに適用する。通常、計算により求めたフィードバック値７３２またはアナログフィードバック電圧７３４は、メモリー手段（図示せず）に記憶される。このようにすると、デジタルフィードバックループ７００は、パルスの長さより非常に長い期間にわたってアナログフィードバック電圧７３４を適応させることができる。
【００３９】
本発明の第２の実施例は、図８に示すフィードフォーワード方式を実現したものである。フィードフォーワードでは、サンプリング手段６２０によるパルス出力の測定は、パルス波形の矯正前に行われる。出力測定値８３０はその後、利得を制御できる（８０４）増幅器８０２へ印加される。増幅器８０２の出力８３２はその後、減衰量が印加電圧に比例する変調器８０６を駆動するために使用される。
【００４０】
フィードフォーワード方式では、利得８０４を最良の結果を与えるように調整する必要がある。一旦セットすると、利得８０４は、システムの温度が変化しても維持しなければならない。さらに、矯正前のパルス特性が変化すれば、利得８０４を調整する必要があるが、両方の状況で、変調器の後に別のサンプリング手段を組み込んで、パルスの矯正品質をモニターし、増幅器の利得を必要に応じて調整する必要があろう。
【００４１】
印加電圧と減衰量との間が線形の関係にある変調器の使用は不可能であるか、または都合が良くないであろう。その場合、得られる矯正品質は非線形性が矯正されなければ劣化するであろう。フィードフォーワード方式の利点は、変調器の制御信号とパルスとの間の遅延を（関連のパスに遅延を導入することにより）マッチできる点にある。従って、フィードフォーワード回路には、閉フィードバック方式のループ遅延時間の制約が存在しない。
【００４４】
本発明は、英国特許出願第９９３０１６３．２号に記載された実施例だけでなく、一般的な光パルスのパルス成形に適用されることがわかるであろう。さらに、波長の範囲及びナノ秒の時間スケールは例示的であって、本発明の範囲を記載した値に限定する意図はない。
【００４５】
サンプル信号８３２のような種々の信号を電気信号の文脈で説明したが、光または音響信号のような等価的な非電気信号を、本発明の範囲から逸脱することなく使用できることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、理想的なマスターレーザーパルスの波形を示す。
【図２】 図２は、極短レーザーパルスの波形を示す。
【図３】 図３は、図２の極短レーザーパルスの出力スペクトルを示す。
【図４】 図４は、分散性媒体を伝播した後のチャープパルスの波形を示す。
【図５】 図５は、パルスの開始部及び終了部の波長をフィルターにより除去した後の図４R>４のチャープパルスの切側波形を示す。
【図６】 図６は、本発明によらない閉ループパルス成形システムを示す。
【図７】 図７は、本発明の第１の実施例によるデジタルループパルス成形システムを示す。
【図８】 図８は、本発明の第２の実施例によるフィードフォーワードパルス成形システムを示す。

Claims (18)

1. 反復性の入力切側光パルス（５００）の振幅を、各々の光出力が実質的に一定である出力光パルス（７１６）が得られるように制限するためのパルス成形装置（７００）であって、パルス成形装置（７００）は、
   制御信号（７３４）の制御下に各入力切側光パルスに作用して出力光パルスを発生する変調器（６０２）と、
   制御信号を発生する手段とより成り、
   制御信号発生手段は、それ自体、
   出力光パルスの一部をサンプリングして出力光パルスの光出力に対応するサンプル信号を発生するサンプリング手段（６２０）と、
   サンプル信号の値に応じて変調器のための制御信号を発生する手段（７０６）とより成る、
   パルス成形装置（７００）において、
   変調器はサンプリング手段が出力光パルスをサンプリングする前に入力切側光パルスに作用し、パルス成形装置はさらに、デジタル化手段（７０２）と、メモリー手段と、処理手段と、デジタル−アナログ変換手段（７０６）とを備え、サンプル信号がデジタル化され、デジタル化されたサンプル信号（７３０）がメモリー手段に記憶され、処理手段がデジタル化されたサンプル信号に対して複数のフィードバック値を計算し、該フィードバック値はデジタル−アナログ変換手段（７０６）によりアナログフィードバック信号（７３４）に変換され、該アナログフィードバック信号が後続の入力光パルスを成形するために変調器の制御信号として使用されることを特徴とするパルス成形装置（７００）。
2. 複数のフィードバック値が所定のオフセット信号（６１０）に従って計算される請求項１の装置。
3. 複数のフィードバック値がメモリー手段に記憶され、アナログフィードバック信号が複数の入力光パルスについて変調器を制御するためにそのまま使用される請求項１または２の装置。
4. 反復性の入力切側光パルス（５００）の振幅を、各々の光出力が実質的に一定である出力光パルス（８１６）が得られるように制限するためのパルス成形装置（８００）であって、パルス成形装置（８００）は、
   制御信号（８３２）の制御下に各入力切側光パルスに作用して出力光パルスを発生する変調器（８０６）と、
   制御信号を発生する手段（６０６、８０２、８０４）とより成り、
   制御信号発生手段は、それ自体、
   入力切側光パルスの一部をサンプリングして入力切側光パルスの光出力に対応するサンプル信号（８３０）を発生するサンプリング手段（６２０）と、
   サンプル信号の値に応じて変調器の制御信号を発生する手段（８０２）とより成る、
   パルス成形装置（８００）において、
   サンプリング手段は、変調器が入力光パルスに作用する前に入力光パルスをサンプリングすることを特徴とするパルス成形装置（８００）。
5. サンプル信号を増幅し、調整可能な利得（８０４）の制御下で増幅済み信号を発生する増幅器手段（８０２）をさらに備え、増幅済み信号が変調器の制御信号として使用される請求項４の装置。
6. 増幅器手段の利得を調整するための別のサンプル信号を発生するための別のサンプリング手段を変調器の後に備えた請求項５の装置。
7. 別のサンプリング手段は別の出力スプリッター手段と別の光検知器とを有し、この光スプリッター手段は、成形済み出力光パルスの別のサンプル部分を分割して別の光検知器へ送り、別の光検知器が別のサンプル信号を発生させる請求項６の装置。
8. サンプル信号は、入力光パルスの光出力に比例する大きさを有する請求項４乃至７のうち任意の請求項の装置。
9. サンプリング手段（６２０）は出力スプリッター手段（６０４）と光検知器（６０６）とを有し、出力スプリッター手段は、サンプルされたパルスのサンプル部分を分割して光検知器へ送り、光検知器がサンプル信号（６３０）を発生させる請求項１の装置。
10. サンプル信号は、サンプルされたパルスの光出力に比例する大きさを有する請求項９の装置。
11. サンプル信号から所定のオフセット信号を減算することによりエラー信号を発生させる請求項１０の装置。
12. 所定のオフセット信号は所定の大きさを有する請求項１１の装置。
13. サンプリング手段（６２０）は出力スプリッター手段（６０４）と光検知器（６０６）とを有し、出力スプリッター手段は、サンプルされたパルスのサンプル部分を分割して光検知器へ送り、光検知器がサンプル信号（８３０）を発生させる請求項４の装置。
14. 増幅器手段をさらに備え、エラー信号が増幅器手段へ送られて、変調器の制御信号として使用される増幅信号を発生させる請求項１３の装置。
15. サンプル信号は電気信号である請求項１または４の装置。
16. サンプル信号の大きさは電圧で表される請求項１５の装置。
17. 別のサンプル信号は電気信号である請求項１５の装置。
18. 別のサンプル信号の大きさは電圧で表される請求項１７の装置。

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