JPH02502586A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 光学装置 この発明は光学装置に関し、特に光増幅器、光変調器、又は光論理部材に用いら れるに限定されない光学装置に関する。

この明細書には、第１組及び第２組の結合ボートを存する光クロスカップラ（ｃ ｒｏｓｓ−ｃｏｕｐｌｅｒ）と、第１組のポートへ光学的に結合される先導波路 とを備えた装置が干渉結合ループにより記述されている。光クロスカップラは、 与えられた組のポートの内の１つのポートで受信された光信号を、他の一組のポ ートの２つのポートへ分ける。この様な装置において、第２組のポートの１つの ポートに入射される光は、クロスカップラの結合比率により決定される相対的な 強度で２つの部分へ分けられる。これらのクロスカップラ部分は、導波路の回り を反対方向へったわって（ｔｒａｖｅｌ）クロスカップラへ再び入れられる第１ 組のポートの各々のポートが出されている。

これらの２つの部分は、２つの出力を得る為に再び一緒にされる第２組の２つの ポートへ各々クロス結合される。光学（ｏｐｔｌｃａｌ）という用語は、光ファ イバのような絶縁性の先導波路１こより伝達させることができる可視部分の各端 部の赤外線や紫外線のそれらの部分を可視部分と合わせた一般的に知られた電磁 スペクトルの一部であると言う意味で用いられている。

よく知られているように、５０　：　５０の結合比率を有する線形干渉結合ルー プはミラーとして作用し、第２組のポートの１つのポートにおけるクロスカップ ラに入射される信号は、同一のポートから全て出され、第２組のポートの他のポ ートからは出力されない。これは、導波路を反対方向へ進んでいる２つの信号部 分が再びカップラに入射された時、２つの信号部分には相対的な位相ずれがない 為である。そして、２つの信号部分は第２組のポートで有害無害に干渉し、クロ スカップリングの２つの部分で分かれる。１９８７年サンデすエゴで開催された Ｐｒｏｃ　Ｏ−Ｅ　ＦｉｂｒｅにおけるＮ、　　Ｊ、　　ドーラン（Ｄｏｒａｎ ）氏、Ｋ、　　Ｊ、ブロク（Ｂｌｏｗ）氏、Ｄ、ウッド（Ｗｏｏｄ）氏らによる 「全ての光プロセッシングの為のソリトン論理部材（Ｓｏｌｉｔｏｎ　ｌｏｇｉ ｃ　ｅｌｅａ＋ｅｎｔｓ　ｆ’ｏｒ　ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎｇ）Ｊと題した論文で、出力を得る為にシリカ（ｓｉｌｉｃａ）の屈折率の 瞬時のカー（Ｋｅｒｒ）非線形性が用いられた干渉結合ループが開示されている 。５０　：　５０の結合比率でないカップラが設けられている入力ポートへ入射 される光強度の作用する出力を設ける為である。光信号の２つの部分はループを 回ってれは、自己位相変調（ｓｅｌｆ−ｐｈａｓｅ　ｗｏｄｕｒａｔｉｏｎ）に 応じて、２つの部分で異なった強度や伝わる距離に応じて位相ずれが生じる。カ ップラでの戻ってきた異なった位相ずれ信号により、異なった強度の信号が第１ 組ポートの２つのポートから出力される。この第１組ポートの２つのポートは論 理部材、光増幅器、光変調器などを有した種々の適用ができる。

パルス化された信号を用いるこのよく知られた装置のを使用には、いくつかの欠 点がある。この効果は部分的に光強度を変化させる為に瞬時（約５　ｆｓ）に反 応されるので、自己位相変調（ＳＰＭ）は、通過するパルスの部分的な強度によ り変化される。ＧＨｚのオーダーように早いので、パルス制御は通常スクエアで はなく、種々のＳＰＭは、不完全なスイッチングンは及びオフの対比比率で生み 出されることによりこの装置の特性を低下させる。上述の参照した紙が補正され ると、パルスモードの操作での効率は、群速度散乱効果により、パルスは成形さ れ、ソリトン効果メ（ｓｏｌｉｔｏｎ　ｒｅｇｉａ＋ｅ）内かまたは近くに伝達 されるので充分なパワーである。シリカにおけるカー効率は小さく　（Ｎ２　＝ ３．２Ｘ１０−”　ｃシＷ−１）、そのシリカは、ソリトン伝達を達成させる為 に必要な充分な散乱の必要性が一緒にされて、比較的長い非線形導波路（１ｍか ら４ｍ）、及び高いパワー強度、正確なパルス形状を要求する。更に、このよう なよく知られた装置が２つ又はそれ以上の信号の流れの間の論理操作の為に用い られるとき、たぶん非常に離れて起こるであろう非常に厳しい実際上の限定のコ ヒーレントとなるであろう。

この発明の目的は、これらの欠点をなくすことにある。

光学装置は、１つの組の１つのボートで受信される光パルス信号が他の組の各ボ ート内にほぼ等しく接合された第１及び第２組光接合ポートを有する接合手段と 、この第１組ポートと共に光学的に接合される先導波路であって、この先導波路 は上記第１組ポートの間に等しくない距離で配置された物質部分を有すると共に 、非線形部分に通過させる為に第１カウンタ伝達パルスの非線形部分での効率が 第１パルスに応じて第２カウンタ伝達パルス位相を変化させるのに十分である緩 和時間を有する非線形屈折率を有している光導波路とを備えている。

非線形部材は、第１組のポートの１つのボートにより近く配置され、入力パルス からクロスカップラへ分割された１つのパルス部分（「第１」カウンタ伝達パル ス）は、他の／クルレス部分（「第２」カウンタ伝達パルス）が到達する前に到 達される。第１パルスが非線形部材を横切るとき屈折率が変化される。この第１ パルスが緩和時間の大きさの為にこの部材を離れた後にある時間変化が継続され る。第２ノくレスは非線形部分を交差し、第１パルスによる経験とは異なった平 均屈折率を経験する。よく知られたソリトンレジメ干渉結合ル−プにおいて、こ の相対的位相ずれは、入力光＜／レスの強度の発振機能である移動特性が先出さ れる。しかし、比較的長い緩和時間（いわゆる全体のレスポンス）を有する非線 形屈折率である材料を用いることにより、即座のカー（Ｋｅｒｒ）反応、及び自 己位相変調に応じたよく知られた装置に対比して、第１パルスがループを回って 伝えられる第２ノくレスの位相に影響を与えるので、全てのパルスの効率的スイ ッチングがノくレス形状又はスペクトルの質に関係なくにソリトン効果が支持さ れない散乱が無視できる部分で達成される。更に、以下に記述される相互にコヒ ーレントである必要がないノくレスを用いて光学論理操作を行うことができる。

この発明の操作原理及び実施例は、添付した図面の例のみによって説明され、そ の図面は、 第１図は、この発明に係る干渉結合ループの概略的な図；第２図は、ＸＯＲゲー トに用いられる第１図に示される装置の概略的な図である。

この発明の操作の原理は、第１図を参照して最初に分析される。第１図には、第 １組のボート６．８と第２組のボート１０．１２とを有する５０　：　５０のク ロスカップラ４を備えた干渉結合ループ（１ｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ　ｃ ｏｕｐｌｅｄ　１ｏｏｐ）　２が示されている。ポート１０．１２は、長さＬの 光導波路１４：；より共に光学的に接合されている。光導波路１４は、積分非線 形屈折率反応を有する物質の長さ１の部分１６を含んでいる。その物質は、ボー ト１０から長さｘ、　　Ｌでの先導波路の中間点に近い端部に位置される。全て の参照等式は、これら付録（Ａｐｐｅｎｄｉｘ）　Ａである。

干渉結合ループ２の為の接合等式は、等式（１ａ）、（１ｂ）である。

位相速度分散での無視できる効果を有する導波路１４の長さ特性及び他の特性を 仮定すれば、導波路１４の周囲を移動すると共にボート１０．１２に到着される カウンター伝達ノくレス（ｃｏｕｎｔｅｒ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ　ｐｕｌｓ ｅｓ）　　（図示しな（す！よ、等式（２ａ）、（２ｂ）でのポート１０．１２ に達する各パルスに関連している。等式（ｌａ）、（ｌｂ）を用いて、Ｅ２−０ とすると、等式（３ａ）、（３ｂ）が得られる。

更に、カウンター伝達パルスが部材１６内で重ならないと仮定すると、コヒーレ ント干渉効果は除かれ、導波路は部分１６の外で無視できる非線形性を有し、１ くくＬで、等式４式％ パルスの位相ずれの量が異なるのは、部分１６での第２７ぐルス到着の為の位相 積分が部分１６での第１パルスの効果を有している為である。複数の組のパルス が一連の入力パルスからｔＲ＜ｌ及びｔＲ＞＞ｌである反復レートＲを有する装 置へ発生されると、等式（４）は、等式（５ａ）、（５ｂ）を代入すると等式（ ５）で示されるように書くことができる。

これらのパルスは、非線形部材１６で重なると仮定出来ない為に、パルス継続が ｔＥよりもより小さいと仮定すると、等式（３）に代入させるべき位相ずれの為 の値は、等式（６ａ）、（６ｂ）により与えられる。

つまり、（３ｂ）、（６ａ）、（６ｂ）を−緒ニシテ、（１）からＥ３　（ｔ） 　、Ｅ４　（ｔ）へ代入すると、装置の為の移動特性を簡易な形態で示した等式 （８）から（７ａ）により置き換えると、等式（７）が得られる。

これらの結果からたくさんの重要な結論が引き出される。

装置は平均パワー変動の効果から免れているので、第１に、移動特性は、熱非線 形性の量に独立である。これは、他の配置例えば、マツクゼンダ（Ｍａｃｈ−Ｚ ｅｈｎｄｅｒ）に比較して、遅い熱非線形性が要求される速い非線形性よりも優 勢又は無効にさせる。第２に、等式（８）はループ反射率が入力パルスエネルギ ーにより変化し、ポート８を介しての伝達がＥｌの１００％で到達するのを示し ている。その時、入射エネルギーは以下のようであり、装置移動特性が入力パル スのトータルエネルギーのみに依存する場合がパルスの形状に独立で、パルスの 間の時間の機能として変化しないところの整数ｍｈｏのときの（２ｍ＋１）πに 等式（１）が等しい。この理由は、付録Ａでの分析から分かることであり：位相 因子は各々の時間に依存し、位相因子は等式（７ａ）により規定される独立因子 の時間によりのみ異なり、最初に全ての入力パルスが１００％の効率でスイッチ され、言い換えると、操作が全てのパルスで行われる。よく知られたソリトン装 置に比較して、このような効率的なスイッチングが特別な品質又は入力パルス形 状に関係なく達成される。

この発明における装置とよく知られた非線形干渉結合ループとの原理的な基本的 な差は、生じされた反射率変化が瞬時の強度よりもパルス強度容器（ｅｎｖｅｌ ｏｐｅ）を越えた積分に依存されることである。非線形物質は、第１伝達パルス からのパルスエネルギー情報が保持された短時間記憶部材として考えることが可 能である。それは、第１パルスに対する位相のずれ及び、第１パルスへ異なった 光通路長さを識別する為に第２カウンタ伝達パルスの為である。

１９８７年バルチモアＣＢａ１ｔｉｎ＋ｏｒｅ）での郵便締切りのＴｈｕＵ１５ −１のレーザ及び電気光学学会会報（Ｐｒｏｃ、Ｃｏｎｆ　Ｌａ５ｅｒｓａｎｄ 　Ｅｌｅｅｔｒｏ−ｏｐｔｌｃｓ）におけるユモト（Ｙｕｉｏｔｏ）氏らによる ｒＣｄ　ＳＸ　Ｓｅ、−、がドープされたガラスでの２５ピコ秒（ｐｓ）の光双 安定スイッチングの観測（Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　ｏｆ　２５ｐｓＯｐｔｉｃ ａｌ　Ｂ１５ｔａｂｌｅ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｉｎ　Ｃｄ　Ｓｘ　５ｅｌ−Ｘ 　Ｄｏｐｅｄ　Ｇｌａｓｓ）Ｊと層された論文では、有効パルスエネルギー強度 が６０μＪ　ｃｍ−２の為の約６■の有効パルスを越えて約１０−４の反射率変 化を起こすバルクサンプルのＣｄ　ＳＸ　Ｓｅ１−ｘがドープされたガラスが記 述されている。電子緩和時間ｔ１−−５０ｐｓ　（出願人が計測した）を有し、 ドープされたファイバがバルクサンプルとして比較できる非線形性を有している と仮定すると、３ｍｍの長さを有し、１００　ｍｍの導波路（構成に便利なよう に選択された）内に２μｍの直径のファイバコアを有しているこの非線形物質は 、約３ｐＪの入射５ｐｓの光パルスのスイッチングを完全にさせるように計算さ れる。この装置は、正確な位置にドープされたファイバを有する融合された（ｆ ｕｓｅｄ）カップラ４を作る為のシリカの光フアイバ内に半導体がドープされた 短い長さのモノモードのファイバ１６をバット接続（ｂｕｔｔ−ｊｏｌｎｔｉｎ ｇ）させることにより製造できる。

第２パルスでの第１パルスの最大効果の為、部分１６で僅かな時間でも第１及び 第２のパルスが重らないように導波路１４の中間点Ｍにできるだけ非線形部分１ ６が近く配置されなければならない。もしこの距離がこれよりも長いなら、非線 形性での第１パルスのこの効果は、与えられた入射パルス強度の為この位相での 効果が少ないので第２パルス通過する時間により更に減衰する。

もし長い部分１６が使用されたなら単位増加長さの相対的寄与は第２パルスの相 対的位相ずれを指数的に減少させる寄与を有することは特筆すべきことである。

広い期間のみの場合その部分の長さでの実際の正確な限界を示すｎ、ｔＥ／ｃの 部分１６の最大効果の長さ１．、、が期待できる。長い部分が増加すると、効率 が減少して新たなロスが増える。

ｔＥ　−５０ｐ　ｓであるので、 １、ｔｔ　”　（３Ｘ１０’　Ｘ５０Ｘ１０−”　ｍ）／１．５■１０ｍｍ。

この発明の示された実施例では長さは３ｍｍに選択された。

コアの直径が２μｍのモノモードファイバ内に６００％ｍで５ｐｓのレーザ源を 設けるために、期待される必要なスイッチングパルスエネルギーは以下に記述さ れる。

ユモト氏らによる参照論文によると、 ６０ｕＪ／ｃＭ２の入射パルスエネルギの強度においてである。

ところで、Ｅ−パルスエネルギであり、Ａ−有効パルスコア領域である。等式（ ９）に代入すると、ここで、ｔＤ−２５１）５％　ｔＥ−５０ｐｓｓλ−６００ ％ｍ。

１　＝３ｍｍ、Ｆｏ　−６０μＪ／ｃｍ−２、Ａ−１，６Ｘ１０−”　ｍ２であ ると、Ｅ−３，２ｐＪとなる。

トータルのループの長さは、機械的制限により決められ、この場合適切には１０ ０ｍｍである。

非線形部分１６は１つのパルスから他のパルスへ最大交差効率を達成させるため の最適位置に近く位置させなければならず、ｔＥは、ｔ、Ｒ＜１により制限され るにもかかわらず、ｔＬに応じて大きくしなければならない。１Ｅの値の範囲を より小さくできるなら、第２のパルスの残りの効率もより小さくさせることがで きる。短いパルス継続時間によって、中間点により近い位置に非線形部分を位置 させることができ、与えるパルスエネルギーの為、より小さいｔＥの為に切り替 えることができる。

装置の製造よりも部分１６の最適な位置を決定する為には、導波路の部分は、装 置の働きをモニタするとき変化される可変である空気通路の長さにより置き換え ることができる。

この発明は、上述された実施例に制限されず、カップラの他の形態や、光ファイ バから形成されるような導波路でない他の導波路、例えば半導体がドープされた ガラスから形成されたプラナ−導波路で構成される。また、他の非線形物質を非 線形部材に用いることもでき、例えば、キャリア再結合時間（ｃａｒｒｉｅｒ　 ｒｅｃｏｉｂｌｎａｔｌｏｎ　ｔｉｍｅｓ）が１−１０００ｐｓの使用可能なｍ −■の半導体を見付けることができる。

等式（８）により示された非線形移動特性は、パルスクリッピング（ｐｕｌｓｅ 　ｃｌｉｐｐｉｎｇ）　、異なった利得（ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｇａｉｎ） 、自己スイッチング（ｓｅｌ　ｆ’−ｓｗｉｔｃｈｌｎｇ）などの種々の信号処 理機能を行う為に使用できる。ポート１．２に同時に供給される相互にコヒーレ ントな入力パルスにより、更に、操作は光学増幅（ｏｐｔｉｃａｌ　ａｍｐｌｉ ｆｉｃａｔｉｏｎ）、クロススイッチング（ｃｒｏｓｓ−ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ） 、光論理機能（ｏｐｔｌｃａｌ−１ａｇｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎｓ）などを行うこ ともできる。相互コヒーレンスの為の要求は、これまでの知られた光学装置では 、実際に適用される際の限定が厳しいが、この発明にかかる装置は、使用される 幾つかの方法において、入力パルスにより高速度の全ての光論理操作を行う為に 使用することができる。この入力パルスは、第２図に示され、以下に説明される ように相互にコヒーレントではない。

第２図において、符号Ａ％Ｂにより示された２つの入力パルスは一連のカップラ ４、ポート６に供給され、符号Ｃで示された出力信号は、ポート２から出力され た後検出される。

パルスＡ％Ｂは、継続時間が同様であり、重ならずに互いにできるだけ近接され る。論理ｉｉｏを示す入力パルスが存在するなら、論理量１を示す入力パルスは 存在しない。パルスＡ１Ｂの各々は、等式（９）を満たす為に要求されるエネル ギーを有するように配置される。

等式（１４）に示されるように、パルスはエネルギー的に等しくなければならず 、相互にコヒーレントである必要はない。入力パルスＡ％Ｂは、重ならないので 、ファイバループ内のパルスＡ、Ｂに一致するカウンタ伝達パルスの各組は、互 いの分離した組内でカップラにおいて干渉する。ポート１２からのパルスの組が 部材１６に到着する前にポート１２からパルスの組が部材１６を交差するような 位置に部材１６は配置される。上述から独立して分析すると、ただ１つのパルス は入力（Ａ−１、Ｂ−０、又はＡ−０、Ｂ−１）として存在し、等しいエネルギ ーのパルスがポート８（Ｃ−１）から伝達される。もし入力パルスが存在するな ら（Ａ−Ｂ−１）、カウンタ伝達パルスＡ同士の間の発生されたパルスずれ、お よびカウンター伝達パルスＢ同士の間の発生されたパルスずれが共に２πである のでパルスが伝達されない（Ｃ−０）。入力パルスがない（Ａ−Ｂ−０）と出力 パルスもない（Ｃ−０）。この結果、排他０Ｒ（ｅｘｃｌｕｓｉｖｅ−ＯＲ）の 論理操作を示す。

付録Ａ Ｅｔａ−Ｅｓｏ／Ｊ′￥＋ｉ　Ｅ４ｏ／ｆ丁　　　　　　　　（１ａ）Ｅ２゜＝ 　ｉ　Ｅ　３０／　Ｊ丁子Ｅ　ａ　ｏ／　ｆ丁（１ｂ　）Ｅ　ｓ　−Ｅ　ｓ　／ 　ｆ丁＋　ｉ　Ｅ　２　／　−１’−丁　　　　　　（１ｃ））：４−ｉＥ、／ ７丁壬子２／ｆ丁　　　　　　　（１ｄ）Ｅ　４０−　Ｅ　ｓ　　ｅＸｐ［ｉ　 （βＬ十ψ（ｔ））コ　　　　　　　　　　　　（２ａ）Ｅ　Ｓｏ−Ｅ　ａ　ｅ ｘｐ［：ｉ　（βＬ＋ψ−（ｔ））］、　　　　　　（２ｂ）βは伝達係数であ り、ψ、φ′は非線形部材１６により発生された非線形位相のずれである。

Ｅ　ｒｏ−１／２（ｅｘｐ［ｉψ（ｔ）］＋ｅｘｐ［：ｉψ−（ｔ）］）ｅｘｐ （１βＬ）　Ｅ。

（３ａ） Ｅ２０＝Ｉ川ｅｘｐ［ｉψ（ｔ）］−ｅｘｐ［ｉψ−（ｔ）］）ｅｘｐ（ｉ７９ Ｌ）　Ｅ　ｌτ１−を−χＬ１τ２−ｔ−（１−χ）Ｌ／νであり、χＬと、（ １−χ）Ｌはポート１０．１２からの部分１６の各々１６での光信号のトータル 強度であり、ｔＴ％ｔ、Ｈは各々部材１６の熱的及び電子的非線形性による緩和 時閉であり、ｎ７％ｎ［は各々熱的及び電子的非線形性の係数である。

ところで、 ｆｄｔは装置がシングルサイクル、例えば、非線形部材に入射されるカウンター 伝達パルスの組により操作されているときの積分である。

ところで、 シルパルスＡ％Ｂでの積分を示している。

国際調査報告 ””自＾”””””ＰＣＴ／ＧＢＰａ１０ｉＯＥ！６国″７査報告　　　。Ｂ　 ｓａｐ：。８６

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．１つの組の１つのポートで受光される光パルス信号が他の組の各ポート内に ほぼ等しく接合された第１及び第２組の光結合ポートを有する接合手段と、 上記第１組のポートと共に光学的に接合される光導波路であって、この光導波路 は上記第１組ポートの間に等しくない距離で配置された物質部分を有すると共に 、非線形部分を通過させる為に第１カウンタ伝達パルスの非線形部分での効率が 第１パルスに応じて第２カウンタ伝達パルスの位相を変化させるのに十分である 緩和時間を有する非線形屈折率を有している光導波路と、 を備えていることを特徴とする光学装置。
2. ２．上記非線形部分は、所定の入力パルスの為に上記非線形部分で重なる上記カ ウンタ伝達パルスを防止するために上記光導波路の中央点からわずかに離れた位 置に配置されることを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
3. ３．上記非線形部分は、ＣｄＳｘＳ１−ｘがドープされたガラスであることを特 徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
4. ４．上記光導波路は、モノモードの光ファイバであることを特徴とする請求項１ 乃至３のいずれか１項に記載の光学装置。
5. ５．上記光導波路は、プラナー（ｐｌａｎａｒ）導波路であることを特徴とする 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学装置。