JPH06504407A - 干渉計 - 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】 干渉計 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ポ一ト光結合器が第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か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Ｗ０８ｇ１０２８７５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アイバ導 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。入力信号が光フアイバループを 回って伝播するとき先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せるので、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、 光スィ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ア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（“Ｎｏｎ１ｉｎ！ａｒ　Ａｍ−ｐｌｉｆ ｙｉｎｇ　Ｌｏｏｐ　Ｍｉｒｒｏｒ”　Ｍ　Ｅ　Ｆ！ｒｍａｎｎ、　Ｆ　ＨＨａ ｂｅｒｌ、Ｍ　Ｈｏｆｅｒ　。

ＨＢｏｃｈｒｅｉｊｅｒ、０ｐｊｉｃｓ　Ｌｅｊｔｅｒｓ　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。増幅器の設置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で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先ファイバ結 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。光フアイバ部分は第１および第２の入力ポート８．１ （ｌ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、６において結合して戻 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 出カポ−１３８，４０を有する。ファイバ２２．２４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。

先人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の光フアイバ結合器の 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Ｉｏｎｓ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ボ一ト結合器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は人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の出力ポードア０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によって伝送されポート３６から出る光信号は第２のＰＩ Ｎ　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８０．８２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２２．２４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（Ｍｕ ｋａ　ｉ、　Ｔ；Ｙａｍａａ＋ｏｔｏ、　Ｙ；Ｋｉｍｕｒａ、　Ｔ　“０ｐｔｉ ｃａｌ　ＤｉｒｅｃｔＡｍｐｌｉｆｉｃａｊｉｏｎ　ｆｏｒ　Ｆｉｂｅｒ　Ｔｒ ａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ”　：　Ｒｅｖ、ＥＩｅｃ、Ｃｏｍｍｕｎ、　Ｌａｂ、　 、　Ｏ’Ｍａｈｏｎｙ、　Ｍ、　Ｊ、　；　Ｄｅｎｎｉｎｇ、　１．　Ｄ、　” Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｏｆ　Ａｃｊｉｗｅ　ａｎｄ　Ｐａ５ｓｉｖｅ　Ｂ１５ ｆａｂｉｌ自ｙ　ｉｎ　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ’　、　ＩＥＥＥ、　Ｊ 。

Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｌ、Ｖｏｌ、　ＱＥ−２１，Ｎｏ、９．１９ ８５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Ｅ、に対するポート３４からの反射信号Ｅ　およびｒ ポート３６からの伝送信号Ｅ　は次の式によって与えられる。

Ｅ、−Ｅ、Ａβ（１−β）（ｃ；Ｈ，ＧＬ＋２、瞑ｃｏｓ　（φ９−φ、）］　 （１＞Ｅ、・Ｅｌ／４〔β２にＦｌ中（ｌ−β）！にＬ−２β（ｘ−ｐ）、／２ ：石ンラ丁ｃｏｓ（φ９−φ工）］　（２）ここで、Ａは減衰であり、Ｇ　およ びＧＬは２つの方向におり ける増幅器パワー利得であり、φ　およびφ、は増幅器を通■ 遇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バス利得およ 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うレテオ リ、例えば文献（Ｍ、Ｊ、　“Ｔｉｍｅｄｅｐｅｎｄｅｎｔａｎｊｌｙｓｉｓ　 ｏｌ　ｘｃｔｉｖｔ　ａｎｄ　ｐａｓｓｉｖｅ　ｏｐ目ｃａｔ　ｂｉｓｊａｂｉ ｌｉｊ７　ｉｎｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｊｏｒｓ″ＩＥＥ　ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧ Ｓ、　Ｖｏｌ、　１３２．　Ｐｊ、　Ｉ、　Ｎｏ、　６．１９８５年１２月）お よび（Ｇｏｌｄｓｆｅｉｎ、　Ｊ、　Ａ、　；Ｇａｒｍｉｒｅ、　Ｅ、　Ｍ、“ Ｏｎ　ｔｈｅｄＹ口ａｍｉｃ　ｒｚｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ　ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　 Ｆａｂｒ７−Ｐｅｔｏｔ　ｉｎｆｅｒｆｅｒｏｍｅ−Ｉｅｒｓ”　、　１ｂｉｄ 、　、　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人力の小さい変化に 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、干渉計はストライブ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。

ストライブ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、１７１７にそれぞれ結合される。利得領域 １５８．１６１は結合手段を構成する光フアイバループ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１ ５２．１５０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１５０．１５２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１６ ８．１７０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。

入力　（ｌＪＷ） 、　＋ａ　、＋、ＰＣＴ／ＧＢ　９１１０１４６７フロントページの続き （７２）発明者　オニール、アラン・ウィリアムイギリス国、アイビー４・２ジ エイビー、サフォーク、イブスウィッチ、セメテリー・ロード　３６、レイケル ス・コート　２

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 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 しているサグナックループ干渉計において、 結合手段は非線形光増幅器を含み、反対方向に伝播する部分が増幅器に到達する とき異なる強度を有するようにする手段が設けられていることを特徴とする干渉 計。
2. ２．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ソースを具備している請求項１記 載の干渉計。
3. ３．光増幅器は半導体レーザである請求項１または２記載の干渉計。
4. ４．光結合手段は１対の光ファイバの間に直列に接続された光増幅器を具備し、 結合手段における光減衰の差は各光ファイバと光増幅器の間に生じる結合損失の 差によって与えられる請求項１乃至３のいずれか１項記載の干渉計。
5. ５．光ファイバ周辺に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 御装置が光増幅器の各側に設けられている請求項４記載の干渉計。
6. ６．光結合器は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 器である請求項４または５記載の干渉計。
7. ７．１以上の光減衰ソースは非線形である請求項１乃至６のいずれか１項記載の 干渉計。
8. ８．光結合器は５０：５０光結合器である請求項１乃至７のいずれか１項記載の 干渉計。
9. ９．前記手段は別の光増幅器を具備している請求項１乃至８のいずれか１項記載 の干渉計。
10. １０．光結合器および第１および第２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１部分である請求項９記載の干渉計。