JP3195343B2 - 干渉計 - Google Patents

干渉計

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、干渉計に関し、特に第１および第２の入力
ポートおよび第１および第２の出力ポートを有する４ポ
ート光結合器が第１および第２の出力ポートを結合する
光結合手段を有するサグナックループ干渉計に関する。
そのような干渉計の入力ポートに結合された光入力信
号は光結合器によって２つの部分に分割され、それらの
部分は戻って再び結合器において結合するために例えば
光ファイバのような結合手段の周囲に反対方向に伝播す
る。光学的に線形の光結合手段に対して、結合手段に沿
った光路は２つの部分に対して同じである。50:50分割
のために、これらの部分は入力信号がもとの入力ポート
から出てくるように再結合する。入力信号はサグナック
干渉計によって「反射」されるといわれている。このた
めに、この形態はしばしばループミラーとして記述され
る。
国際特許出願WO 88/02875号明細書では、入力信号の
反対方向に伝播する部分における相対位相シフトを得る
ために結合手段に沿った２つの反対の伝播方向の対称性
が壊れるサグナック干渉計が記載されている。これは例
えば50:50以外の結合率および結合手段を構成する光学
的に非線形の光ファイバ導波体を与えることによって達
成されることができる。この場合において、導波体端部
に結合された信号部分の強度は等しくない。入力信号が
光ファィバループを回って伝播するとき光部分の自己位
相変調を生成するために十分な強度を有するならば、導
波体を回って反対方向に伝播する信号部分はカー効果に
より異なる屈折率を経験する。これは異なる位相シフト
を信号に経験されるので、信号が結合手段に反射されて
戻るときに強度依存性の相対位相シフトを有する。
相対位相シフトの強度依存性は、入力ポートにおける
出力が入力信号の強度の振動関数である装置を生じる。
第２の入力ポート（入力信号が結合されないポート）を
出る信号は干渉計によって「伝送」されるといわれる。
完全な切替えは50:50以外の分割では得ることはできな
いが、この特性は論理素子、光増幅器、光スイッチ等を
含む種々の応用に使用されることができる。
この形態の欠点は必要な位相シフトを生成するために
大きい光パワーループ長積が必要であるので、現在利用
可能な光ファイバ材料の小さいカー効果係数が用途を制
限することである。
この欠点を除去する既知の方法は文献（“Nonlinear
Amplifying Loop Mirror"M E Fermann,F H Haberl,M Ho
fer,H Hochreiter,Optics Letters vol 15 no 13,1990
年７月１日）に開示されたような50:50結合器を有する
サグナックループを有するループ中に非対称的に位置さ
れた光増幅器を含むことである。増幅器の設定は入力信
号の反対方向に伝播する部分がループを回る大きい比率
のトランシットに対して異なる強度を有することを与え
る。増幅された部分は光ファイバの非線形方式を活性化
するために十分な強度を有するならば、必要な強度依存
切替えを生じる反対方向に伝播する部分間に強度依存相
対位相シフトが存在する。
前述の従来技術において、十分に大きい強度ループ長
積を達成するためにファイバループは306mであった。
本発明によると、請求項１の前提部分に従った種類の
サグナック干渉計は、結合手段が非線形光増幅器を含
み、増幅器に到達する際に異なる強度を有する反対方向
に伝播する部分を与える光減衰手段が備えられているこ
とを特徴とする。
非対称光減衰手段を含むことによって、非線形増幅器
による増幅の前に反対方向に伝播する部分の一方が他方
以上に減衰される。２つの成分が異なる時間に増幅器を
通過するならば、異なる平均内部強度、したがって異な
る屈折率を発生する。これは利得媒体内の２つの成分に
よって経験された利得および位相変化を異ならせる。位
相差は長い光ファイバに依存することなく必要な切替え
を行うために光結合手段における干渉を変更する。
サグナックループ干渉計のループ長およびループ内の
非線形増幅器の位置は増幅器を通るパルスを一時的に分
離する必要性によってのみ制限される。
好ましい実施例において、前記手段は第１の出力ポー
トと光増幅器の間、並びに第２の出力ポートと光増幅器
の間に異なる量の光減衰を与える光減衰のソースを具備
する。これは確立したパッケージ技術を使用する簡単な
堅牢な干渉計を与える。
非線形増幅器は半導体レーザ増幅器であることが都合
がよい。この実施例において、光結合器は光ファイバに
結合するために結合器の出力ポートにスプライス接合す
る必要がない光増幅器に結合された光ファイバから形成
された光ファイバ結合器であってもよい。
光増幅器は入力ポート間において実質上完全に切替え
るように再結合するために光結合器に到達する際に２つ
の部分が同じ強度を有することを保証するように同調さ
れることができる。光増幅器における強度の非対称を与
える別の方法は別の光増幅器を含むことである。この場
合において、２つの増幅器は同じツインストライプ増幅
器結合器の部分であることが都合がよい。
本発明は最も広範囲の概念においてこの非対称が得ら
れる特別の方法に依存しないので、本発明の技術的範囲
内において光増幅器における強度の非対称を得るように
他の手段を工夫することができる。
本発明の動作の原理および例示した実施例は添付図面
を参照して以下説明される。
図１は従来の対称的サグナック干渉計ループミラーの
概略図である。
図２は動作特性を決定するために実験装置に設けられ
た本発明のサグナック干渉計の概略図である。
図３は図２の実施例の特性の決定の理論的および実験
的結果のグラフである。
図４は本発明のサグナック干渉計の別の実施例の概略
図。
図５は本発明のさらに別の実施例の概略図。
図１に示されたサグナック干渉計はループ４に形成さ
れた単一のシリカ光ファイバ２によって限定される。光
ファイバ部分は第１および第２の入力ポート8,10と第１
および第２の出力ポート12,14とを有する結合器６を形
成する。結合器６はポート８または10のいずれかで受信
された動作波長における光信号の等しい部分を各出力ポ
ート12,14に結合するように構成されている。同様に、
ポート12または14のいずれかによって受信され結合器に
到着する光信号はポート8,10に均等に結合される。
図１に示された装置はミラーとして作用する。すなわ
ち、光入力E1が入力ポート８に結合されるとき、全ての
信号はよく知られているようにポート８に戻される。こ
れは結合器６において係合して戻すと同時に反射する２
つの反対方向に伝播するフィールドに入力が分割される
ためである。光路長はループが静止しているとき両方の
伝播フィールドに対して正確に同じである。なぜなら伝
播フィールドは同じ光路だが反対方向に追従するからで
ある。
図２を参照すると、本発明のサグナック干渉計19は標
準単一モード通信シリカ光ファイバ22,24から形成され
た50:50光ファイバ結合器20を具備し、光ファイバの端
部26,28は半導体レーザ増幅器30に光学的に結合され
る。結合器は第１および第２の入力ポート34,36および
第１および第２の出力ポート38,40を有する。ファイバ2
2,24は増幅器30と共に結合器20の第１および第２の出力
ポート38,40を光学的に結合する干渉計の結合手段を構
成する。
増幅器30の各側に位置される偏光制御装置42,44は完
全に切替えて増幅器利得および干渉を最大にするように
結合器20の入力ポート34,36の一方に導入された信号の
反対方向に伝播する部分の偏光を整列する。
光入力信号の反対方向に伝播する部分に対して異なる
光路長を得るために、反対方向に伝播する部分は異なる
時間で且つ異なる強度で増幅器30を通過しなければなら
ない。この実施例において、前者はファイバ24がファイ
バ22より長い、この場合ファイバ24が17mでファイバ22
が10mであるように結合手段を形成することによって達
成される。パルスが増幅器30に同時に到着することを避
けるために必要なファイバ長の差は干渉計によって切替
えられる特別のパルス列の知識から簡単に定めることが
できる。後者は反対方向に伝播信号が結合器20から増幅
器30に伝播するときに反対方向に伝播信号の光減衰の非
対称によって達成される。増幅器は信号が光結合器にお
いて再結合するとき等しい強度の同じ部分を得るように
同調される。
ファイバ22,24にそれぞれスプライスされる95:5の光
ファイバ結合器の対46,48は監視タップを設け、それに
よって結合器46,48に結合された光パワーメーター50,52
およびスペクトル分析器54,56は入力信号の反対方向に
伝播する部分をサンプルすることができる。
図２に示されたこの実験装置において、試験入力信号
は10μｓの繰返し速度で波長1.52μｍで10nsのパルスを
生成する10nsのパルス発生器60によって駆動された電流
変調DFBレーザ58から得られる。レーザ58の出力はレン
ズを設けた光ファイバ62を介して光アイソレータ64に結
合され、偏光制御装置66を介してポート68,70,72,74を
有する４ポート結合器76のポート68に結合される。
レーザ58の波長は増幅器30の利得スペクトルの２つの
共振特性間に位置するように温度を調整された。パルス
パワーはレーザ58とファイバとの間の変換をするために
配置されたピエゾ電気変換段61を使用して調節された。
結合器76のポート74は入力パルスをサグナック干渉計
19に結合する光ファイバ78によって結合器20のポート34
に結合される。
サグナック干渉計19によって反射された光信号は結合
器20のポート34を出て、光ファイバ78を介して結合器76
に戻される。反射された信号の１部分は結合器76の出力
ポート70に結合された第１のPIN FET受信機80に結合さ
れる。
サグナック干渉計19によって伝送されたポート36から
出る光信号は第２のPIN FET受信機82に結合される。
受信機80,82からの電気出力は反射および伝送された
サグナック干渉計信号のレベルを測定するためにサンプ
リングオシロスコープ84の２つの入力に接続される。
増幅器30を通って伝播した後に増幅器30のファセット
から反射された後進波信号はまた受信機80,82によって
測定された。これらの信号は切替えられたパルスの各側
に時間的にオフセットされ、干渉計出力ポート34,36に
おいて等しい成分を生成するので、相対損失を決定する
ために使用されることができ、反対方向に伝播する部分
が増幅器30に到達するときの異なる強度を有し、また２
つの受信機8,82の異なる応答特性を有する手段を構成す
る。入力パワーは受信機80により結合器76の終端されて
いないポート72からの反射を測定することによって監視
された。パルスが過渡キャリア効果によりエラーを回避
し始めた後では全てのパルスレベル測定は2nsであっ
た。
固有の光ファイバおよび増幅器結合損失は光増幅器30
の各端部分に結合された光信号の２つの部分のパワーに
おいて3.6dBの差を与えた。この差は主としてファイバ2
2,24の端部26,28を増幅器30に結合する際の挿入損失の
差によるものである。これは増幅器30の片側に対して増
幅器と直列に接続されたディスクリートな減衰器を含む
必要をなくした。
結合器20から増幅器30に通過するときの反対方向に伝
播する部分の光減衰の非対称により、さらに反対方向に
伝播する部分は異なる時間に増幅器30を通過することに
より、増幅器30の内部の異なる平均強度、すなわち異な
るキャリア密度および屈折率を発生する。これらの効果
についての説明は例えば文献（Mukai,T;Yamamoto,Y;Kim
ura,T“Optical Direct Amplification for Fiber Tran
smission":Rev.Elec.Commun.Lab.,O'Mahony,M.J.;Denni
ng,I.D.“Comparison of Active and Passive Bistabil
ity in Semiconductors",IEEE,J.Quantum Electron.,Vo
l.QE−21,No.9,1985年９月）に記載されている。光路長
の相違による２つの伝播部分間の位相差は反射モードと
伝送モード間において干渉計の強度依存切替えを行うた
めに結合器36における干渉を変更する。
入力信号Eiに対するポート34からの反射信号Erおよび
ポート36からの伝送信号Eiは次の式によって与えられ
る。
ここで、Ａは減衰であり、GHおよびGLは２つの方向に
おける増幅器パワー利得であり、φＨおよびφＬは増幅
器を通過するとき入力信号により経験された位相変化で
ある。
理想的な進行波増幅器が使用されるならば、各パルス
に対する単一パス利得および位相変化は式（１）および
（２）に置き換えられる。近似的進行波（NTW）増幅器
に対しては、ゼロでないファセット反射率によって形成
された共振空洞を考慮しなければならない。NTW増幅器
の利得および位相特性は良く知られており、例えば文献
（M.J.“Time dependentanalysis of active and passi
ve optical bistability in semiconductors"IEE PROCE
EDINGS,Vol.132,Pt.J,No.6,1985年12月）および（Golds
tein,J.A.;Garmire,E.M.“On the dynamic response of
nonlinear Fobry−Perot interferometers",ibid.,QE
−17,366−374頁,1981年）に記載されている。
図３は干渉計19への入力パワーに対する伝送および反
射信号の実験の結果を示す。決定論的なパルスパワーの
伝送信号のシャープな転移は入力の小さい変化によって
出力信号の大きい変化を発生するから切替え適用に対し
て理想的である。図３はまたNTW増幅器パラメータの推
定値（飽和パワーは1.5mWであり、不飽和利得は25.6dB
であり、ファセット反射率は0.02であり、ファセット結
合損失は5dBである）に基づいた理論的予測を示す。測
定された切替えコントラストは予測されたものよりもは
るかに大きいことが見られる。このモデルは切替え特性
が増幅器バイアスおよび使用された減衰器および結合器
の組合わせを調節することによって処理されることがで
きることを示す。
装置は主として全ての低パワーの光切替えに適用され
る。得られたシャープな切替え転移によって、装置はレ
ベル検出、パルス再生、および光論理装置等の処理に使
用するのに適切である。非可逆ループミラーは必要なら
ばもっと応答速度の速い非線形材料を使用して構成され
ることができる。
代りに、本発明は光路長の非対称を反対方向に伝播す
る部分に与えるために別の光増幅器を使用することがで
きる。増幅器は例えばエルビウムドープされたファイバ
増幅器であってもよい。
図４に示されたような干渉計90は図２に示された干渉
計19と同じであり、半導体レーザ増幅器30と直列に接続
された増幅器102の付加を除いては同一の参照番号が同
一の素子に用いられている。
図５を参照すると、干渉計はストライプ152,154から
構成されるツインストライプレーザ増幅結合器150を具
備する。ストライプは機能的に別個の増幅部分156.158,
160,162および相互作用交差結合領域164,166を有する。
各々は所望の利得および交差結合を与えるように別々に
制御されることができる。利得領域156,160は入力ポー
トを提供し、光ファイバ168,170にそれぞれ結合され
る。利得領域158,162は結合手段を構成する光ファイバ
ループ172によって光学的に結合される。
利得領域は非線形である。利得領域158,162は一方が
他方より少ない利得を与え、ループ172の２つの反対方
向に伝播信号を供給するために結合領域164,166によっ
て分割される入力における信号部分が等しい強度を有し
て結合領域164,166に反射するように同調されることが
できる。利得領域は非線形であるので、反対方向に伝播
する部分は入力パルスの強度の関数である非線形増幅器
の差動位相シフトを経験する。それ故に、ファイバ168
における入力パルスの強度依存切替えをファイバ168,17
0に与える。
上述の実施例において、50:50でない光結合器は結合
手段の装置、すなわちサグナックループが結合手段を回
って伝播した後に光結合器に反射して戻される等しい強
度の反対方向に伝播する部分を与える。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 オニール、アラン・ウイリアム イギリス国、アイピー４・２ジェイビ ー、サフォーク、イプスウイッチ、セメ テリー・ロード 36、レイケルス・コー ト ２ (56)参考文献 Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏ ｌ．15 Ｎｏ．13（１ Ｊｕｌｙ 1990）ｐｐ．752−754 Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌ ｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏｌ．55 Ｎｏ．１ （３ Ｊｕｌｙ 1989）ｐｐ．25−26 Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖｏ ｌ．14 Ｎｏ．14（15 Ｊｕｌｙ 1989）ｐｐ．754−765 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ ｒｓ，Ｖｏｌ．26 Ｎｏ．21（11 Ｏｃ ｔｏｂｅｒ 1990）ｐｐ．1779−1781 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅ ｒｓ，Ｖｏｌ．26 Ｎｏ．24（22 Ｎｏ ｖｅｍｂｅｒ 1990）ｐｐ．2008−2009 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G02F 1/35 - 1/365 H01S 3/108 ＥＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ) ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＰＩ（ＤＩＡＬＯＧ)

Claims (7)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】第１および第２の入力ポートおよび第１お
    よび第２の出力ポートを有する４ポート光結合器と、第
    １および第２の出力ポートを結合する光結合手段とを具
    備し、入力ポートのいずれか１つと結合された光信号が
    光結合器によって２つの部分に分割され、それら２つに
    分割された部分は結合手段を廻って反対方向に伝搬する
    サグナックループ干渉計において、 前記結合手段は非線形半導体レーザ増幅器と反対方向に
    伝播する光信号部分の光強度を非対称に変化させるよう
    に構成された手段とを含み、前記光強度を非対称に変化
    させる手段は反対方向に伝播する光信号の２つの部分の
    一方の光強度が非線形半導体レーザ増幅器の増幅に先立
    って他方の反対方向に伝播する光信号部分より大きく減
    衰あるいは増幅されて反対方向に伝播する光信号部分が
    異なった時間に異なった強度で前記非線形半導体レーザ
    増幅器に到達するように構成され、前記非線形半導体レ
    ーザ増幅器は反対方向に伝播する光信号部分間に位相差
    を与えるように構成されていることを特徴とする干渉
    計。
  2. 【請求項２】前記非対称強度変化手段は第１の出力ポー
    トと非線形半導体レーザ増幅器の間、並びに第２の出力
    ポートと非線形半導体レーザ増幅器の間に異なる量の光
    減衰を与える光減衰ソースを具備している請求項１記載
    の干渉計。
  3. 【請求項３】非線形半導体レーザ増幅器が１対の光ファ
    イバの間に直列に接続され、結合手段における光減衰の
    差は各光ファイバと非線形半導体レーザ増幅器の間の異
    なった結合損失によって与えられる請求項２記載の干渉
    計。
  4. 【請求項４】さらに、非線形半導体レーザ増幅器の各側
    上に位置し、光ファイバを廻って伝播する光信号の偏光
    を制御する第１および第２の偏光制御装置を具備してい
    る請求項３記載の干渉計。
  5. 【請求項５】前記非対称強度変化手段が光増幅器を具備
    している請求項１記載の干渉計。
  6. 【請求項６】光結合器および非線形半導体レーザ増幅器
    および非対称強度変化手段の光増幅器は単一のツインス
    トライプレーザ増幅結合器の一部である請求項５記載の
    干渉計。
  7. 【請求項７】第１および第２の入力ポートと第１および
    第２の出力ポートを有する４ポート光結合器と、第１お
    よび第２の出力ポートを結合する光結合手段とを含むサ
    グナックループ干渉計の前記第１および第２の入力ポー
    トの一方の入力ポートに光信号を供給し、 光結合器中において光信号を第１の部分と第２の部分に
    分割して、第１の部分を第１の方向に前記光結合手段を
    通過させ、第２の部分を第１の方向と反対の第２の方向
    に前記光結合手段を通過させ、各第１および第２の部分
    を光結合器中において再結合させ，光学的に干渉させ、
    供給された光信号強度に依存して供給された光信号をそ
    の光信号の供給された入力ポートに反射して戻す第１の
    モードから、供給された光信号を光信号の供給されなか
    った入力ポートへ伝送する第２のモードへ干渉計を切換
    える光信号の切換え方法において、 第１および第２の出力ポートを結合する前記光結合手段
    は、継続接続された非線形半導体レーザ増幅器および光
    強度を変化させる手段を具備しており、 光信号の第１の部分を光結合手段の非線形半導体レーザ
    増幅器および光強度を変化させる手段を順次通過させ、
    それと共に光信号の第２の部分を前記第１の部分と反対
    方向へ光結合手段を通過させて前記非線形半導体レーザ
    増幅器および前記光強度を変化させる手段を前記光信号
    の第１の部分と反対の順序で順次通過させ、それら光信
    号の第１および第２の部分は再結合する前に位相差を与
    えられて異なった時間に、異なった強度で非線形半導体
    レーザ増幅器に到達することを特徴とする光信号の切換
    え方法。
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