(57)【要約】  入力光ビームのコヒーレント検出の光学装置。該装置は、入力光ビームを第１成分と第２成分とに分割するビームスプリッタと、第２成分を受信するように構成され、入力光ビームの第２成分において意図した遅延を課す光遅延装置と、光遅延装置によって課された遅延を有する第２成分を受信するように結合された適合ビームコンバイナと、ビームスプリッタからの第１成分とを含む。適合ビームコンバイナは、それによって受信した第１成分と第２成分との差を表す第１出成分と、それによって受信した第１成分と第２成分との和を表す第２出成分との２つの出成分を有する。適合ビームコンバイナから第１出成分と第２出成分とを受信して検出する検出器の構成が提供される。
2005509130.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光ビームをコヒーレント検出する光学装置であって、
（ａ）最小信号周波数成分を備える情報内容を有する前記入力光ビームを第１成分と第２成分とに分割するビームスプリッタと、
（ｂ）前記第２成分を受信するように構成され、前記入力光ビームの前記第２成分において意図した遅延を課す光遅延装置と、
（ｃ）（ｉ）前記光遅延装置によって課された遅延を有する前記第２成分と、
（ｉｉ）前記ビームスプリッタからの前記第１成分と、
を受信するように結合された適合ビームコンバイナであって、
第１出光成分が、当該適合ビームコンバイナによって受信された前記第１成分と前記第２成分との差を表し、第２出光成分が、当該適合ビームコンバイナによって受信された前記第１成分と前記第２成分との和を表す２つの出光成分を有する適合ビームコンバイナと、
（ｄ）前記適合ビームコンバイナから前記第１出成分および前記第２出成分を受信し、検出する検出器構成と、
を備える光学装置。
【請求項２】
前記光入力ビームが、
（ｅ）探査レーザと、
（ｆ）超音波励起パルスの影響を受ける試験中の仕掛かり品と、
（ｇ）前記探査レーザから光ビームを受信して、前記レーザビームの第１成分を前記仕掛かり品に向け、仕掛かり品から反射された前記第１成分と共に第２成分を前記ビームスプリッタに向けるビームディレクタと、
（ｈ）前記レーザビームの前記第１成分の経路に配置された４分の１波プレートと、
を備え、
前記レーザビームの前記第１成分が、前記光ビームの前記第１成分に対応し、前記レーザビームの前記第２成分が、前記光ビームの前記第２成分に対応する、請求項１に記載の光学装置。
【請求項３】
前記仕掛かり品が、超音波励起パルスによって振動される、請求項２に記載の光学装置。
【請求項４】
前記光遅延装置によって課される前記遅延が、最小信号周波数成分の逆数より大きい、請求項１から３のいずれか１つに記載の光学装置。
【請求項５】
前記光遅延装置が、ある長さの光ファイバである、請求項１から３のいずれか１つに記載の光学装置。
【請求項６】
前記入力光ビームが、光通信システムの送信器によって生成される、請求項１に記載の光学装置。
【請求項７】
サンプリング表面を有する仕掛かり品の振動を検出する方法であって、
（ａ）波長を有する光のビームを生成することと、
（ｂ）前記ビームを第１ビームと第２ビームとに分割することと、
（ｃ）前記第１ビームを前記サンプリング表面の上に向けて、最小信号周波数成分を有するデータで前記サンプリング表面によって散乱させることと、
（ｄ）前記最小信号周波数成分の逆数より大きい時間期間だけ、前記第２ビームを遅延させることと、
（ｅ）前記散乱された第１ビームの少なくとも一部と、前記遅延された第２ビームとを、適合ビームスプリッタに向けること、
（ｆ）前記第１ビームおよび前記第２ビームを光検出器に向け、前記振動サンプリング表面を表す電気出力信号を獲得することと、
を備える方法。
【請求項８】
前記生成された光のビームが、偏光されたコヒーレント光ビームであり、前記第１成分および前記第２成分が、共伝播して、前記適合ビームスプリッタに当たるとき、共偏光される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第１ビームおよび前記第２ビームが、前記第２ビームが前記遅延ステップによって遅延された直後に、共伝播せず、かつ共偏光されずに、前記第１ビームおよび前記第２ビームのそれぞれが、他のビームと同じ偏光を有することを保証するために、前記第１ビームおよび前記第２ビームが、偏光補正ステップを独立して受ける、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記振動が、小さい音表面偏向である、請求項７から９のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１１】
前記振動が、超音波表面振動である、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
試験表面を有する材料に関する音振動を感知する装置であって、
（ａ）所定の波長を有する光のコヒーレント共偏光ビームを生成するための光生成源と、
（ｂ）前記生成された光ビームを受信して、前記生成された光ビームを少なくとも第１光ビームと第２光ビームとに分割し、最小信号周波数成分を有するデータで前記第１ビームを少なくとも散乱させることができる試験材料試験表面に、前記第１光ビームを向けるためのビーム分割装置と、
（ｃ）前記第１ビームおよび前記第２ビームの少なくとも一方を、最小信号周波数成分の逆数より大きい遅延で遅延させる光遅延装置と、
（ｄ）前記受信表面に対して第１角度において前記散乱された第１光ビームの少なくとも一部を受信し、前記受信表面に対して、前記第１角度とは異なる第２角度において前記第２光ビームを受信し、前記第１ビームおよび前記第２ビームを干渉させて、前記第１ビームと前記第２ビームとの間に位相シフト差を導入し、前記受信表面によって受信された前記第１ビームの少なくとも一部と、前記第２ビームの少なくとも一部とを備える共伝播光波を生成するための受信面を有する適合ビームスプリッタと、
（ｅ）前記適合ビームスプリッタ手段から共伝播光ビームを受信して、前記振動試験表面を表す電気出力信号を生成するための光検出器とを備える装置。
【請求項１３】
前記第１ビームおよび前記第２ビームのそれぞれが、前記適合ビームコンバイナに当たるとき、他のビームと同じ偏光を有することを保証するために、偏光補正装置をさらに含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記偏光補正装置が、前記第１ビームおよび前記第２ビームに関連付けられた経路において直列に構成された偏光ビームスプリッタと９０°ビーム回転子とを含む、請求項１３に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームにおいて位相変調信号を検出するのに効果的であるが、光ビームが異常経路を横断するときに誘起される雑音には比較的影響されない光検出器に関する。異常経路は、（ｉ）乱流大気、（ｉｉ）相対プラットフォーム運動、または（ｉｉｉ）信号の比較的周波数の低い逸脱を誘起する他の人為物によって生じる。逸脱は、近ＤＣから数百キロヘルツの範囲にわたることがあるが、所望の位相符号化データまたは他の情報は、数ＧＨｚの範囲にある可能性がある。本発明は、材料を試験するための機械および方法、通信システムおよび方法などを含めて、多くの応用分野および方法において使用することが可能である。
【背景技術】
【０００２】
本発明の光検出器は、レーザ通信、遠隔感知、および非破壊試験の応用分野において使用することができる。遠隔感知および高帯域幅（数ＧＨｚ）の光通信受信器は、極端なビームワンダ、静的および動的光学ひずみ（乱流、スペックル、マルチモードファイバにおけるモード分散）、および／または相対プラットフォーム運動の条件化で動作することができる光検出器を必要とする。固定リンクが必要とされる応用分野に対して、傍受および検出の可能性が低い二重フィルタシステムを使用することができる。
【０００３】
製造分野では、重要構成要素の光学試験およびプロセス制御が必要である。レーザベース超音波（ＬＢＵ）は、これらの必要性に応じる実行可能な手法を表し、従来の技術の光起電力センサは、そのような診断システムの重要な構成要素を形成することができるが、本発明により、そのようなセンサをさらにより良好な性能で実施することが可能になる。ＬＢＵシステムは、検査時間を著しく低減して、製品の信頼性を増大することができ、本発明を使用するとき、厳密に制御された実験室環境の他に、劣悪な工場環境において動作することができる。これは、本発明が、工場内の振動、相対プラットフォーム運動、および／または温度および粒子の濃度の変動を補償することができるということによる。
【０００４】
従来の技術は、単一空間モード光チャネル（ファイバネットワークなど）に適している単一モード光ファイバ遅延線を含む。そのような従来の技術のシステムは、特にマルチモードビームの場合、妥当な効率では機能しない。
【０００５】
マルチ空間モードシステムについて、従来の技術は、ファブリ−ペロー干渉計を含む。これは、大型で高価であり（特に大きな視野が必要である場合）、光位相偏向のためにサーボ制御を必要とする。
【０００６】
従来の技術は、ホモダイン干渉計を開示している、Ｋｌｅｉｎらへの米国特許第５，９００，９３５号を含む。この従来の技術のシステムでは、光ビームは、２つの経路を介してホログラフィ要素に向けられる。経路の一方は、光ビームを反射するサンプルを含む。２つの経路の光路長は、サンプルを照明するために使用するレーザのコヒーレンス長未満に維持されなければならず、これにより、サンプルが試験装置から取ることができる距離に対して厳しい制限が課される。
【０００７】
本発明は、大型の従来の技術の干渉計を、実時間波面整合要素と統合されたコンパクトなマルチモードファイバ遅延線と置き換える。この遅延線は、最大直角位相検出のために、自動的に偏向される（したがって、サーボ制御システムは必要とされない）。
【０００８】
従来の技術は、隔離された２波ミキサ、ならびに隔離された二連ポンプ位相共役ミラーをも含み、両方とも、実時間ビームクリーンアップ（または波面整合）要素として使用される。これらのシステムは、振幅が大きい位相偏差の場合、性能が低下するが、その理由は、実時間格子は、この場合消去されることがあるからである。
【０００９】
従来の技術は、マルチモード光ファイバ時間遅延線１２５と光起電力センサ１３９との統合をさらに含む（図１および米国特許第５，６８４，５９２号を参照されたい）。このコンパクトなシステムは、非常に逸脱したマルチ空間モードビームをコヒーレントに検出することもできる。しかし、光起電力センサの帯域幅は、約１００ＭＨｚに限定されており、これにより、数ＧＨｚの帯域幅チャネル能力が必要とされる可能性がある多くの通信システムにおいて使用するには、システムの有用性が限定される。さらに、検出感度は電子雑音により限定され、ショット雑音の限度より鋭敏ではない大きさの程度である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、高性能適合光学組合せ要素をマルチ空間モードファイバ遅延線と統合することによって、これらのすべての制限を克服する。さらに、１対のそのような遅延線を使用することによって、短コヒーレンス長の源を使用することができる。従来の技術は、この点に関して、光起電力センサを含む。このセンサは、二重ファイバ遅延線（図３参照）と統合されており、したがって、正味のシステムは、帯域幅が限定される。最後に、マルチモード光ファイバ遅延線は、利得が追加されているために、増幅マルチモード光ファイバ（Ｅｒドープガラスなど）の形態とすることができる。本発明は、短コヒーレンス源の使用と、極端な仕掛かり品（すなわち仕掛かり品の多くの光波長）の揺れおよびビームワンダと、低反射率仕掛かり品（または他の伝播経路損失など）と、レーザ振幅の揺らぎ（仕掛かり品の反射率の変化、揺れなどによる）とを含めて、様々な劣悪な工場条件において実施することができる頑強なセンサを提供する。本発明は、センサが受信強度レベルの揺らぎを許容しなければならない遠隔感知およびレーザ通信の応用分野のための頑強なセンサをも提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
簡単かつ一般的には、本発明は、入力光ビームのコヒーレント検出を行う光学装置を提供する。該装置は、入力光ビームを第１成分と第２成分とに分割するビームスプリッタと、第２成分を受信するように構成され、入力光ビームの第２成分において意図した遅延を課す光遅延装置と、光遅延装置によって課された遅延を有する第２成分を受信するように結合された適合ビームコンバイナと、ビームスプリッタからの第１成分とを含む。適合ビームコンバイナは、２つの出成分を有する。第１出成分は、適合ビームコンバイナによって受信された第１成分と第２成分との差を表し、第２出成分は、適合ビームコンバイナによって受信された第１成分と第２成分との和を表す。適合ビームコンバイナから第１出成分および第２出成分を受信して検出する検出器の構成が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の第１実施形態は、図２に示すように、（１）レーザ１８などの光源と、（２）本明細書では検出遅延線と呼ぶことがあるマルチモード光ファイバ遅延線１２５と、（３）１対の従来の光検出器１６０、１６５と、（４）適合ビームコンバイナ１４０との４つの基本的な要素を有する。本発明の第２実施形態は、（１）空間モードの数を第１（すなわち検出）遅延線と整合させる必要のない本明細書では伝送遅延線と呼ぶことがある、第２光ファイバ遅延線と、（２）検出時間遅延線のどちらかのレッグまたは両方のレッグにおいて使用することができるファイバ増幅器との追加の光学要素を含む。
【００１３】
マルチモード光ファイバ遅延線１２５は、受動遅延線とすることができ、または、マルチモード光ファイバ増幅器によって提供することができる。遅延線の一実施形態では、遅延は、遅延線として役立つマルチモード光ファイバの規定長によって生じる。他の実施形態では、このファイバは、増幅光学要素の形態とすることができ、したがって、ビームがファイバを横断する際に、信号を増強することができる。例として、ファイバは、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）とすることができ、雑音の抑制と信号の増強とに備えるのに必要な長さを有する（ファイバ長の選択については以下を参照）。ファイバ増幅器は、使用する場合、光ポンプ源（通常、レーザダイオードまたはファイバレーザ）をも必要とする。他の実施形態では、遅延線は、１組のマルチモードファイバループを備え、組の各ループは、同じ点を接続し、さらに、各ループは、異なる物理長を有する。選択したループは、電気光学的に適所に適切に切り替えることができる。どのループを切り替えるかの選択は、作業の所望の超音波周波数と、システムによって抑制すべき背景位相雑音の最大カットオフ周波数とに依存する。
【００１４】
ファイバ長は、超音波信号（最小信号周波数成分を有する）がファイバを通過するのに要する時間より長くあるべきである。さらに、ファイバ長は、位相雑音（最高雑音周波数成分を有する）が同じファイバ長を通過するのに要する時間より短くあるべきである。所望の超音波周波数の範囲は、通常、１００ｋＨｚから１ＧＨｚの大きさなので、これは、ファイバ長（Ｌ＝（ｃ／ｎ）ｔ、ｃは高速、ｔは最低周波数成分の逆数、ｎは光ファイバの誘導モードの実効屈折率である）が、それぞれ、約２ｋｍから２０ｃｍの範囲、またはそれ以上にあるはずであることを意味する。また、雑音周波数成分は、＜１Ｈｚから約５０ｋＨｚの範囲にあるので、ファイバ長は、４ｋｍ未満の範囲にあるはずである。したがって、これらの条件の両方とも、同時に満たすことができる。これらのすべての場合において、ファイバは、受動または能動に関係なく（ＥＤＦＡなど）市販されている。光ファイバ切替えネットワーク（１組のファイバループの場合）も利用可能である。
【００１５】
図４に関して記述する第３実施形態では、光源１９は、レーザ１８（割愛することができる）によって提供されず、光源１９は、データを光で伝送する光通信システムの送信器とすることが可能である。当然、適切なレーザを光通信システム送信器の構成要素として使用することが有望である。
【００１６】
本発明の第１実施形態について、時間遅延干渉分光法を使用して超音波を検出するシステムおよび方法に関連して記述する。しかし、本発明は、通信システムなど他の応用分野にも使用することができるので、この応用分野に限定されるものではない。
【００１７】
第１実施形態のレーザ１８（図２参照）は、位相変調情報をレーザビーム上に符号化する空間１６の領域（遠隔ファイバセンサ、高帯域幅位相変調器、または非破壊試験における仕掛かり品１０の振動表面など）を探査する。変調の周波数は、ＭＨｚの領域から数ＧＨｚの領域にわたることがあり、位相の深度の偏差は、数波長から波長の断片（０．００１波長未満）の範囲にある。レーザビームは、乱流大気、非常に異常なプレート、マルチモード光ファイバセンサ、または相対プラットフォーム運動など、すべて雑音を生じる高度に異常性の経路（ビームワンダ、スペックルなどを誘起することがある）を横断した可能性がある。この雑音は、数百万の空間モードまたはスペックルの形態にあることがある。異常性の時間スケールは、近ＤＣから数百ＫＨｚの範囲にわたることがあり、位相偏差は、数波から数百万波の範囲にある。
【００１８】
仕掛かり品１０において非破壊試験の応用に使用するとき、レーザ１８からの探査ビーム２０は、好ましくは偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であるビームディレクタ３６にミラー３４によって向けられる。このディレクタは、１つの偏光成分を伝送して、直交成分を反射する。例示のために、探査ビーム２０の偏光は、探査ビームがＰＢＳ３６によって表面１６に向かって反射されるように選択されている。探査ビーム２０は、拡大され、レンズ３８および４０によってコリメートされて、４分の１波プレートであることが好ましい偏光回転子４２を通過する。この回転子は、直線偏光を円偏光に変換する。焦点レンズ４４が、探査ビーム２０を仕掛かり品１０の表面１６上に収束させる。米国特許第５，６８４，５４２号においてより完全に説明されているように、超音波パルスまたは波１２が、好ましくはレーザ超音波励起パルス１１を仕掛かり品１０の異なる表面上に照射することによって、仕掛かり品１０において生成される。レンズ４４の焦点距離は、読出し表面１６における探査ビーム２０の直径が、超音波誘起表面振動の一様部分（通常１ｍｍ未満）と同等またはそれ未満であるように選択されることが好ましい。
【００１９】
仕掛かり品１０は、非破壊試験を受ける物体とすることができ、または仕掛かり品１０は、探査ビーム２０による調査を受ける任意の物体とすることができる。たとえば、仕掛かり品１０は、車両を備えることができ、車両を検査する目的は、その性質を認識し、および／またはそれを識別することである。車両は、通常、使用時に振動する１つまたは複数のエンジンを有する。エンジンの振動は、車両の本体に伝達され、探査ビーム２０によって感知することができる。第２振動は、仕掛かり品１０を識別する、または識別するのを補助することができ（たとえば、仕掛かり品がある種の車両である場合）、または仕掛かり品の欠陥を感知するのを補助することができる（たとえば、仕掛かり品が、製造されている物体である場合）。仕掛かり品が、使用時に自然に振動する場合、励起パルス１１で励起する必要がない可能性がある（使用時に振動している間に検査することを想定する）。仕掛かり品１０が、通常、検査されるときに振動しない場合、探査ビーム２０による検査を実施するために、好ましくは超音波励起パルス１１によって、超音波で振動される。いずれにしろ、仕掛かり品１０は振動し、探査ビーム２０を使用して、その振動を感知する。上述した「最小信号周波数成分」は、そのような実施形態では、対象とする最低振動周波数である。仕掛かり品１０は、仕掛かり品１０の振動の性質をサンプリングするために使用することができる表面１６を有する。
【００２０】
表面１６から反射されたとき、探査ビームは、超音波１２によって読出し表面１６上に生じたまたは誘起された振動によって位相変調される。表面１６は、反射探査ビーム４６がその円偏光をほぼ維持するように十分小さいと想定される。反射探査ビーム４６は、レンズ４４、４０、および３８と、やはり４分の１波プレート４２とを再び通過して、この円偏光を再び直線偏光に変換する。この直線偏光は、探査ビームの当初の直線偏光状態がＰＢＳ３６を励起しているので、それと直交する。反射ビームの偏光は、この段階で回転されるので、この回転により、反射探査ビーム４６は、ＰＢＳ３６を通過することが可能になる。
【００２１】
反射ビーム４６は、所望の位相変調情報を含むが、経路の異常性のために動的にひずんだマルチ空間モードとなる可能性が非常に高い。ビーム４６の光の一部（約５０％）は、ビームスプリッタ１２０によってビーム分割されて、入射ビームの空間モードの数と同等あるいはそれより多いモードの数を有するマルチモードファイバ遅延線１２５に結合される。レンズ１７２を使用して、光を光ファイバの内外に結合する。遅延線１２５の長さは、検出されることが望ましい最低周波数の逆数の大きさである。たとえば、１０ＭＨｚの低周波数カットオフでは、ファイバ長は、約２０メートル（ｃｘ１００ｎｓｅｃ／１．５）の大きさである。ここで、ｎ＝１．５であり、これは、ほぼ、光ファイバにおける誘導モードの屈折率である。ファイバ遅延線１２５の出力は、遅延ビーム１３５であり、これは、ビームスプリッタ１２０からの基本基準ビーム１３０と共に、適合ビームコンバイナ１４０に向けられる。適合ビームコンバイナ１４０は、２波ミキサ、二連ポンプ位相共役ミラー、または閉鎖ループ適合光システム（サーボ制御幾何形状に構成された波面エラーセンサを有する空間光変調器など）を備えることができる。これらの場合のすべてにおいて、それぞれ電場振幅Ｓ１およびＳ２を有する２つのマルチモードビーム１３０、１３５は、組み合わされて、出力ビーム１５０、１５５の波面整合対となる。ビームコンバイナ１４０から出現するビームは、共伝播平面波とすることができ、または両方とも異常波として出現することができるが、同じ波面と伝播方向とを有する。ビームのこの対は、それぞれ、コヒーレント検出のために従来の２乗光検出器１６０、１６５に当たる。ビーム１５０、１５５の対の間の相対位相は、適合ビームコンバイナ１４０の作用によって直角（最大感度について）であるように設定される。このシステムの結果として、緩慢に変化するひずみは、事実上、遅延線の共通モード態様によって消去されるが（すなわち、遅延線の伝播時間は、大きく偏位している場合でも、緩慢に変化するひずみより迅速である）、急速に変化する微分位相情報は、ビームコンバイナ１４０を通過し、そこで、波面整合ビームの１つの上に出現する。次いで、検出器の２乗応答は、位相情報を復調し、検出器およびその増幅段階からの所望の出力信号となる。適合ビームコンバイナ１４０は、また、時間遅延ファイバの振動（マイクロホニックス、熱効果など）ならびにビームワンダなど、緩慢に変化する非微分位相変化を追跡する。したがって、システムは、非常に頑強である。非遅延ビーム１３０と遅延ビーム１３５の両方の検出について、随意選択のファイバ増幅器が示されている。
【００２２】
適合ビームコンバイナ１４０は、大型の光屈折結晶（ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＣｄＴｅ、チタン酸バリウム、ＢＳＯなど）、または薄い非線形媒体（光屈折多重量子井戸（ＭＱＷ）装置、ポリマーなど）の形態とすることができる２波ミキサである。後者の場合、ブラッグ条件は、非常に寛大であり、したがって、装置に形成された実時間格子によって、１ギガヘルツを超える帯域幅を回折させることができる。半導体の場合では、移動度は比較的高く、したがって、１００ｋＨｚの雑音（この大きさでの動的振動）を追跡または補償することができる。また、これらのビームコンバイナの感度は、ショット雑音限度の２倍であり、非常に鋭敏で頑強なコヒーレント検出器となることが、別々の実験において示されている。
【００２３】
従来の技術のシステムについては、すでに議論しているが（図１参照）、従来の技術は、本発明の適合ビームコンバイナ１４０および光検出器１６０、１６５の代わりに、検出要素として光起電力センサ１３９を使用しており、その結果、本発明と比較して、検出感度と検出帯域幅とが劣っている。
【００２４】
図２では、１対の整合検出器１６０、１６５が提供されており、それぞれ、ビームコンバイナ１４０のゼロ次および１次の回折出力「ポート」の各々から組み合わされた（すなわち波面が整合された）信号を検出し、それにより、共通モード（追加の雑音）を補償することができる。検出器１６０、１６５の出力は、増幅器／プロセッサ１７０において組み合わされる。レンズＬ（図６参照）を適合ビームコンバイナ１４０とそれぞれの検出器１６０、１６５との間で使用して、適合ビームコンバイナから出るビームをそれぞれの検出器に収束させることができる。
【００２５】
図２に示す基本的なシステムの他に、図４によって示す本発明の第２実施形態では、送信器セクションにおいて、第２光遅延線１７５を使用することができる。遅延線１２５、１７５の長さが整合されている（すなわち、２つの遅延線が同一の時間遅延を有する）場合、非常に短いコヒーレンス長のレーザ源１９を使用することができ、その結果、システムのコストはより安くなり、ならびに傍受または検出することが非常に困難になる。従来の技術のシステムについては、すでに議論したが（図３参照）、従来の技術は、本発明の適合ビームコンバイナ１４０および光検出器１６０、１６５の代わりに、検出要素として光起電力センサを使用しており、その結果、検出感度と検出帯域幅とが劣っていた。本発明により、より高い検出感度（１桁大きい）および帯域幅（３桁大きい）が可能になる。
【００２６】
図２に示すような光増幅器１７３を所望であれば使用することができる。たとえば、時間遅延レッグ１３５または遅延されていない基準レッグ１３０である、光増幅器を受信レッグの１つにおいて使用することが可能である。前者の場合では、マルチモードファイバ遅延線自体は、マルチモードファイバ増幅器の形態とすることができる。後者の場合では、非遅延レッグは、短い光増幅器を含むことができる。他の変形形態は、両方のレッグ１３０、１３５が、それぞれ、さらにより優れた性能のために光増幅器１７３を含むものである。この場合の利点は、システムの補償帯域幅が改善されることであるが、その理由は、（ビームコンバイナ装置１４０の）光屈折応答が、その要素に関する光の強度の関数であるからである。この修正の欠点は、自然雑音と、ファイバ増幅器によって生じるモード雑音とが追加されることにある可能性がある。この場合、非遅延レッグにおいて単一モードファイバ増幅器を使用して、空間モードの損失をより高い利得増幅器で補償することができる。次いで、追加の利得を使用して、ビーム組合せ要素がより迅速に応答し、システムのモード自然雑音をより小さくすること可能にすることができる。
【００２７】
図５は、本発明の第３実施形態を示す。この実施形態は、図２の実施形態にある程度類似しているが、この実施形態では、光源は、図５の光通信システムおよび装置などの送信器とすることができる源１９であり、通信受信器として機能する。受信信号２１は、レンズ、光ファイバケーブル２２などの適切な光学構成要素を介して結合することが可能であり、受信信号２１が遅延成分（遅延線１２５を進行する）と非遅延成分（経路１３０を進行する）とに分割されるとき、ビームスプリッタ１２０に伝達される。この実施形態では、上述した「最小信号周波数成分」は、光通信システムにおいて対象とする最低周波数とすることが可能である。
【００２８】
受信信号は、大気を横断し、および／または作成された信号、またはさらに多くの空間モード（数千から数百万）を有することができる高度にマルチモードのファイバを横断する可能性がある。この状況では、位相変調ビームは、自由空間経路を横断して、または高度にマルチモードのファイバを伝播して、その後、図５の受信器に入る。受信器は、マルチモードファイバの形態の時間遅延レッグ１２５を使用するので、広い視野と、多くの付随する動的変動空間モード（たとえば、大気経路による波面のひずみによる）とに対応することができる。したがって、適合ビームコンバイナ１４０は、所望の位相変調で符号化され、ならびに大気によって（またはマルチモードファイバ２２によって）ひずんだ２つのビームを見る。ビームの一方は、長さが時間遅延の単一ビットに等しいマルチモードファイバ１２５を通って伝播することによってさらにひずむ。たとえば、１Ｇｂ／ｓのデータ率では、遅延線のファイバ長は、約３０ｃｍである。これらの２つのひずみビーム（遅延されたビームと遅延されていないビーム）は、両方とも、適合ビームコンバイナ１４０（ちなみに、ＭＱＷまたは他の実時間ホログラフィックカプラの形態とすることができる）に当たる。次いで、ビーム１５０、１５５は、図５に示すように出現し、そこで、共通モード拒否（二重検出器１６０、１６５）システムを使用して検出される。２つの成分間の微分位相シフトを比較することによって、この例では送信器１９によって受信信号に関して位相変調されている符号化データは、容易に復調される。本発明は、大気のひずみなどのために生じることがある空間の異常性を追跡する。図５に示す他の構成要素は、図２に示した対応する要素と同じであり、したがってすでに記述しているので、さらにまたはより詳細には記述しない。
【００２９】
図２、４、および５の実施形態では、適合ビームコンバイナ１４０および光検出器１６０、１６５の構成は、同じであり、実際、適合ビームコンバイナ１４０に当たるビーム１３０、１３５は、適切に偏光されているという暗黙の仮定に基づいている。この仮定は、すべての実施形態について適切であるとは限らない。実際、一般的には、２つのビーム１３０および１３５は、単一偏光を有さず、または精確に位置合わせされた平行な偏光状態を有さない可能性があることがしばしばであり得る。２波ミキサ１４０は、受信ビーム１３０および１３５が互いに平行な偏光を有するときに、通常最も効率的であり、そのような純粋に平行な平行位置合わせ偏光ビームからのあらゆる逸脱は、２波ミキサ１４０を出る２つのビーム１５０および１５５の結合効率および波面整合能力の損失をもたらす。そのような偏光平行の欠如は、いくつかの方式で生じることがある。たとえば、光ファイバ１２５が偏光を保存していない場合、その出力は、無作為偏光を呈示する可能性が高い。光ファイバが偏光を保存している場合でも、そのファイバとあらゆる他の光ファイバとが適切に位置合わせされていない場合、出力ビームは平行偏光配向を呈示せず、２波ミキサ１４０では結合が非効率的になる。
【００３０】
図６に示すように適合ビームコンバイナ１４０および光検出器１６０、１６５の構成を修正して、２波ミキサまたは適合ビームコンバイナ１４０が、平行偏光状態を有する純粋に偏光されたビームのみを「見る」ことを保証することが可能である。図６を参照すると、偏光ビームスプリッタＰＢＳおよび９０°回転要素は、各ビーム１３０および１３５の経路に配置される。経路１３０のＰＢＳ１３１と経路１３５のＰＢＳ１３６とは、１つの直線偏光のビームを通過させて、直線偏光状態が通過したビームに対して垂直である（すなわち、９０°回転している）ビームを反射する。次いで、反射ビームは、経路１３０に関連付けられた９０°回転要素１３２と、経路１３５に関連付けられた９０°回転要素１３７とによって、通過ビームと同じ偏光状態に後方回転される。このようにして、９０°回転要素を出るビームは、ＰＢＳを出る通過ビームと同じ偏光を有する。次いで、これらの４つのビームは、共通平行偏光配向のビームのみを「見る」ミキサ１４０において組み合わされる。ビームをミキサ１４０に向けるために、ミラーまたはプリズム１３３および１３８を必要に応じて使用する。また、レンズＬを、必要に応じて様々な光路において使用することが可能である。たとえば、適合ビームコンバイナ１４０と関連する検出器１６０および１６５との間においてレンズを使用することが可能である。
【００３１】
本発明についてその好ましい実施形態に関して記述してきたが、当業者なら、この段階で修正を思いつくであろう。したがって、本発明は、添付の請求項によって要求される場合を除いて、以上の開示に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】光起電力センサを使用する従来の時間遅延ファイバベース干渉受信器を示す図である。
【図２】適合ビームコンバイナを２波ミキサとして使用する時間遅延ファイバベースコヒーレント検出システムを示す図である。
【図３】光起電力を使用する従来の二重ファイバ時間遅延線システムを示す図である。
【図４】適合ビームコンバイナを２波ミキサとして使用する二重ファイバ時間遅延システムを示す図である。
【図５】通信応用分野において、適合ビームコンバイナを２波ミキサとして使用する時間遅延ファイバベースコヒーレント検出システムを示す図である。
【図６】適合ビームコンバイナと関連する検出器との代替構成を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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