(57)【要約】  干渉計は、分配位置で、入力光ビームを第1ビーム及び第2ビームに分配する手段、並びに、再結合位置で、第1ビームと第2ビームとを再結合させる手段を有する。当該干渉計は、第1ビームが、分配位置から再結合位置までの第1光路長(OPL)を進行し、かつ第2ビームが、分配位置から再結合位置までの第2光路長(OPL)を進行するように設計されている。さらに当該干渉計は、入力光ビームが時間間隔を含むデータ転送速度で変調されるとき、第1OPLと第2OPLとの光路長の差異は、時間間隔に光速を乗じた値にほぼ等しくなるようにも設計される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
分配位置で、入力光ビームを第1ビームと第2ビームに分配する分配手段；並びに、
再結合位置で、前記第1ビームと前記第2ビームとを再結合させる再結合手段；
を有する干渉計であって、
前記第1ビームが、前記分配位置から前記再結合位置までの第1光路長(OPL)を進行し、
前記第2ビームが、前記分配位置から前記再結合位置までの第2光路長(OPL)を進行し、
前記入力光ビームが、2の隣接するデータ符号間の一定時間間隔で変調された位相変調データを有するとき、前記第1OPLと前記第2OPLとの光路長差は前記時間間隔に光速を乗じた値にほぼ等しくなる、
干渉計。
【請求項２】
前記再結合手段が、前記第1ビームを反射させるように位置設定されている第1反射体を有し、さらに前記第2ビームを反射させるように位置設定されている第2反射体を有する、請求項1に記載の干渉計。
【請求項３】
前記第1反射体及び前記第2反射体のうちのいずれか1が、前記第1OPLと前記第2OPLとの前記光路長差を、前記時間間隔に光速を乗じた値にほぼ等しくするのに十分な距離だけ、前記分配位置から隔離されている、請求項2に記載の干渉計。
【請求項４】
前記第1反射体及び前記第2反射体のうちのいずれか1が、前記第1OPLと前記第2OPLとの前記光路長差を、前記時間間隔に光速を乗じた値にほぼ等しくするのに十分な距離だけ、少なくとも1のスペーサによって前記分配位置から隔離されている、請求項2に記載の干渉計。
【請求項５】
前記少なくとも1のスペーサが、小さな熱膨張係数(CTE)を有する材料を有する、請求項4に記載の干渉計。
【請求項６】
前記少なくとも1のスペーサが、大きな熱膨張係数(CTE)を有する材料を有する、請求項4に記載の干渉計。
【請求項７】
前記第1反射体及び前記第2反射体のうちのいずれか1が、前記第1OPLと前記第2OPLとの前記光路長差を、前記時間間隔に光速を乗じた値にほぼ等しくするのに十分な距離だけ前記分配位置から隔離されている、隔離された反射体で、
該隔離された反射体は、前記距離を調節する距離調節手段に固定した状態で取り付けられている、
請求項2に記載の干渉計。
【請求項８】
前記距離調節手段が熱アクチュエータを有する、請求項7に記載の干渉計。
【請求項９】
前記熱アクチュエータが、熱電クーラー又はヒーターに固定された状態で接続している、請求項8に記載の干渉計。
【請求項１０】
前記距離調節手段が圧電アクチュエータを有する、請求項7に記載の干渉計。
【請求項１１】
前記第1OPL又は前記第2OPLを調節する熱的に調節可能な位相変調器をさらに有する、請求項2に記載の干渉計。
【請求項１２】
前記第1反射体が反射コーティングを有し、
前記第2反射体が反射コーティングを有する、
請求項2に記載の干渉計。
【請求項１３】
前記材料が、ゼロデュア（登録商標）及びULE（商標）からなる群から選択される、請求項5に記載の干渉計。
【請求項１４】
前記材料が約0.05ppm/℃のCTEを有する、請求項5に記載の干渉計。
【請求項１５】
前記材料の温度を調節する温度調節手段をさらに有する、請求項6に記載の干渉計。
【請求項１６】
前記温度調節手段が、熱電クーラー及びヒーターからなる群から選択される、請求項15に記載の干渉計。
【請求項１７】
前記分配手段が無偏光ビームスプリッタ(NPB)を有する、請求項1に記載の干渉計。
【請求項１８】
前記分配手段及び前記再結合手段が1のビームスプリッタを有する、請求項1に記載の干渉計。
【請求項１９】
時間間隔を含むデータ転送レートで変調される入力光ビームを供する手順；
分配位置で、前記入力ビームを、第1ビームと第2ビームに分配する手順；及び
再結合位置で、前記第1ビームと前記第2ビームとを再結合する手順；
を有する方法であって、
前記第1ビームは、前記分配位置から前記再結合位置までの第1光路長(OPL)を進行し、
前記第2ビームは、前記分配位置から前記再結合位置までの第2光路長(OPL)を進行し、
前記入力光ビームが、2の隣接するデータ符号間の一定時間間隔で変調された位相変調データを有するとき、前記第1OPLと前記第2OPLとの光路長差は前記時間間隔に光速を乗じた値にほぼ等しくなる、
方法。
【請求項２０】
前記の再結合する手順が、前記第1ビームを反射するように位置設定されている第1反射体によって実行され、さらに前記第2ビームを反射するように位置設定されている第2反射体によって実行される、請求項19に記載の方法。
【請求項２１】
前記第1反射体及び前記第2反射体のうちのいずれか1が、前記第1OPLと前記第2OPLとの間の前記光路長差を、前記時間間隔に光速を乗じた値にほぼ等しくするのに十分な距離だけ、前記分配位置から隔離されている、請求項20に記載の方法。
【請求項２２】
前記第1反射体及び前記第2反射体のうちのいずれか1が、前記第1OPLと前記第2OPLとの間の前記光路長差を、前記時間間隔に光速を乗じた値にほぼ等しくするのに十分な距離だけ、少なくとも1のスペーサによって前記分配位置から隔離されている、請求項20に記載の方法。
【請求項２３】
前記第1反射体及び前記第2反射体のうちのいずれか1が、前記第1OPLと前記第2OPLとの間の前記光路長差を、前記時間間隔に光速を乗じた値にほぼ等しくするのに十分な距離だけ前記分配位置から隔離されている、隔離された反射体で、
該隔離された反射体は、前記距離を調節する距離調節手段に固定した状態で取り付けられている、
請求項20に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気通信における差分位相偏移変調(DPSK)に関する。より具体的には本発明は、DPSKでの、位相変調信号の強度変調信号への変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
位相偏移変調(PSK)は、参照信号（搬送波）の位相を変化、すなわち変調させることによって、データを伝搬するデジタル変調法である。如何なるデジタル変調方法も、有限数の各独立した信号を用いることで、デジタルデータを表現する。PSKの場合では、有限数の位相が用いられる。これらの位相の各々は、固有のバイナリビットパターンに割り当てられる。大抵の場合各位相は、同数のビットを符号化する。各ビットパターンは、特定の位相によって表される符号を生成する。変調器によって用いられる符号セット用に特別に設計された復調器は、受信信号の位相を決定し、かつその位相が表す符号にすることで、元のデータを復元する。このためには、受信器は、受信信号の位相と参照信号の位相とを比較できる必要がある。そのような系はコヒーレントと呼ばれる。
【０００３】
あるいは、ビットパターンを波の位相を設定するのに用いる代わりに、波の位相を特定量だけ変化させるのに用いて良い。よって復調器は、位相そのものではなく受信信号の位相変化を決定する。この方法は連続する位相間の差異に依存するため、差動位相偏移変調(DPSK)と呼ばれる。DPSKは、従来のPSKよりも実装するのが大幅に単純化できる。その理由は、復調器が、受信信号の正確な位相を決定するのに参照信号の複製を有することを必要としないからである（それは非コヒーレントな方法である）。
【０００４】
電気通信技術においては、差動位相偏移変調(DPSK)は、受信部で位相変調信号を強度変調信号に変換するための復号方法を必要とする。復号方法は、2の連続するビットの位相を比較することによって実現可能である。原理上、入力信号ビームの再結合前では、その方法は、入力信号ビームを、小さく減衰する2のチャネルに分配する。入力信号ビームの再結合後では、2のチャネルからのビームは、建設的又は破壊的干渉を起こす。干渉強度が測定され、かつ強度変調信号となる。これを実現するため、一のチャネルは、他のチャネルよりも、1ビットでの光子飛行時間に等しい距離だけ長い光路を有する。たとえば40ギガビット/秒の系においては、1ビットは25psであり、光はその期間中に7.5mm進行する。この例では、2チャネル間の光路差(OPD)は7.5mmである。
【０００５】
2チャネル間で所望のOPDを有するマッハ-ツェンダー型干渉計が、復号目的で現在用いられている。光学干渉特性のため、OPDの変化は干渉強度に大きな影響を及ぼしうる。しかも各アームでの光路は、その差異よりもはるかに長い。従って、OPDの変化が1波長のごくわずか、たとえば10nm、よりもはるかに小さいことを保証するため、各アームにおいて光路を維持する高度な温度制御が必要となる。このことは、特に長い光路を有する干渉計にとっては困難でかつ費用を要してしまうものである。
【特許文献１】米国特許第6816315号明細書
【特許文献２】米国特許第6587204号明細書
【特許文献３】米国特許出願第10/796512号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、受信信号の位相変化（つまり連続する位相間の差異）を決定するDPSK復調器の提供である。
【０００７】
他の目的は、新規のマイケルソン型干渉計に係る様々な開示された実施例をDPSK復調器として用いて、受信信号の位相変化を決定することである。
【０００８】
これら及び他の目的は、本明細書での開示に基づいて明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、DPSK復調器として用いられる新規のマイケルソン型干渉計に係る様々な実施例である。これらの干渉計は、受信信号の位相変化を決定するのに用いられる。復調器では、入力ビームは、ビームスプリッタで2の部分に分配される。その2のビームは、それぞれ異なる光路を進行し、かつ各対応する反射体によって戻される。OPLがそれぞれ異なるため、一の戻されたビームは、他の戻されたビーム対して時間遅延を有する。2のOPL間の差異は、遅延が、2連続するビット又はデータ符号の時間遅延にほぼ等しいことを保証するように設計されている。
【００１０】
本発明の一般的実施例は、分配位置で、入力光ビームを第1ビーム及び第2ビームに分配する手段、並びに、再結合位置で、第1ビームと第2ビームとを再結合させる手段を有する干渉計である。当該干渉計は、第1ビームが、分配位置から再結合位置までの第1光路長(OPL)を進行し、かつ第2ビームが、分配位置から再結合位置までの第2光路長(OPL)を進行するように設計されている。さらに当該干渉計は、入力光ビームが時間間隔を含むデータ転送速度で変調されるとき、第1OPLと第2OPLとの光路長の差異は、時間間隔に光速を乗じた値にほぼ等しくなるようにも設計される。
【００１１】
当該干渉計の特定実施例では、再結合手段は、第1ビームを反射するように設けられている第1反射体を有して良く、かつ再結合手段は、第2ビームを反射するように設けられている第2反射体をさらに有して良い。この実施例では、反射体のうちの一は、分配位置からある距離だけ隔離されている。その距離は、第1OPLと第2OPLとの光路長差が、時間間隔に光速を乗じた値にほぼ等しくなるのに十分な距離である。反射体の隔離は、小さな又は大きな熱膨張係数(CTE)を有することが可能な少なくとも1のスペーサによって実現されて良い。他の実施例では、隔離された反射体は、距離を固定する手段に固着される。
【００１２】
本発明はまた、本明細書で説明した干渉計の様々な実施例を用いる方法にも関する。当該方法の一般的実施例は、時間間隔を含むデータ転送レートで変調される入力光ビームを供する手順；分配位置で、前記入力ビームを、第1ビーム及び第2ビームに分配する手順；及び再結合位置で、前記第1ビームと前記第2ビームとを再結合するする手順、を有する。前記第1ビームは、前記分配位置から前記再結合位置までの第1光路長(OPL)を進行する。前記第2ビームは、前記分配位置から前記再結合位置までの第2光路長(OPL)を進行する。前記第1OPLと前記第2OPLとの光路長差は、前記時間間隔に光速を乗じた値にほぼ等しい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施例が図1に図示されている。この実施例は、ビームスプリッタコーティング12を有するビームスプリッタ10によって形成されるマイケルソンベースの遅延ラインを有する干渉計(DLI)を図示している。光学ガラス素子14は、ビームスプリッタの右側に貼り付けられている。素子14は、たとえば当技術分野で既知となっている屈折率整合接着剤によって貼り付けられて良い。長さがLであって、熱膨張係数(CTE)の小さい材料で作られるスペーサ16及び17は、光学素子14の右側に貼り付けられている。スペーサの右側には、基板20上に設けられたミラーコーティング18が貼り付けられている。第2光学ガラス素子22は、ビームスプリッタ10の上部に貼り付けられている。素子14及び素子22が、同一材料からなり、かつ同一厚さであるとき、ミラーコーティング18とミラーコーティング24との間での往復の光路差は2×Lである。ここでLはスペーサ16の長さである。入力信号26は、ビームスプリッタの左側に入射する。ビームスプリッタコーティング12は、光を2のビームに分配する。各ビームキャリアは、全出力の約50%を有する。各ビームが、それに対応するミラーによって反射された後、各ビームは、それぞれに対応する復路でビームスプリッタに衝突する。従って2のビームは4のビームに分配される。左へ進むビームと下へ進むビームの両方で干渉が生じ、DLIの2の出力ビームが生成される。自由スペクトル領域(FSR)とOPDとの間の関係は、
FSR=c/(OPD)
である。ここでcは光速である。DLIスペクトルが温度変化しないようにするため、スペーサ用材料のCTEは極端に小さくなければならない。たとえばゼロデュア（登録商標）又はULE（商標）のような材料が用いられて良い。両材料とも約0.05ppm/℃のCTEを有する。
【実施例１】
【００１４】
図1を参照することで理解できる第2実施例は、熱的に調節可能なDLIである。スペーサ16及び17に用いられる材料は、温度変化によってOPDが増加又は減少するように、適切な大きさのCTEを有していなければならない。それに従ってDLIのスペクトルがシフトする。DLIの温度は、熱電クーラー(TEC)又はヒーターによって調節されて良い。
【実施例２】
【００１５】
図2は、他の型の熱的に調節可能なDLIを図示している。この場合では、ミラーコーティング29を有するミラー基板28（ミラーコーティング29とアクチュエータの間にある）が、熱アクチュエータ30上に設けられている。熱アクチュエータは、適切なCTEを有する材料である。TEC32は、アクチュエータへ熱を供する、又はアクチュエータから熱を除去する、ことで温度を調節するのに用いられる。図2に図示されているように、TECの左側はアクチュエータに接続し、TECの右側はヒートシンク34に接続する。アクチュエータの温度が上昇するとき、ミラーは、熱膨張によって左側へ移動する。所与の温度変化について、ミラーの移動を最大にするには、アクチュエータのCTEは大きくなければならない。しかもこの装置の応答時間は、熱がアクチュエータにわたって伝搬するのに要する時間によって決定される。従って応答時間を最小にするには、たとえばアルミニウム又は銅のような熱伝導率の高い材料が推奨される。ミラー基板28及びアクチュエータ30の複合機能に代わって、上にミラーコーティングが設けられた窒化アルミニウムが用いられても良い。その理由は、上にミラーコーティングが設けられた窒化アルミニウムは、高い熱伝導率、低いCTE及び優れた表面品質を有するからである。
【００１６】
図2のDLIは、ガラス全体が加熱又は冷却されることでスペクトルが調節される図1の調節可能な実施例よりも、はるかに速い調節速度及び低電力消費を有する。
【実施例３】
【００１７】
図3は、圧電調節DLIを図示している。右側のミラーが圧電アクチュエータ40に設けられている。電圧がアクチュエータにわたって印加されるとき、アクチュエータの長さは、印加電圧の大きさに従って変化する。装置の周波数応答は、容易に1kHzより大きくすることができる。この方法の利点は、高速及び低電力消費である。
【実施例４】
【００１８】
図4は、図1に図示された装置に似た構造を有するDLIを図示している。この場合では、光路中に挿入された熱的に調節可能な位相変調器50が存在し、その位相変調器の温度はTEC又はヒーターによって調節されて良い。なおTEC又はヒーターは図示されていない。この装置のスペーサは低CTE材料である。唯一の感熱性部分は、光路中に挿入された位相変調窓である。窓材料は光学的に透明でなければならない。g因子は温度の関数である。
【００１９】
位相変調器の屈折率及び厚さをそれぞれn及びL0とすると、片道の光路長は、
OPL=L+(n-1)L0
である。温度が変化するとき、OPLの変化は、
d[OPL]/dT=dL/dT+(n+1)*dL0/dT+L0*dn/dT
=0+L0[(n-1)α+dn/dT]
=L0g
よって、
g=[(n-1)α+dn/dT]
である。ここでαは位相変調器の熱膨張係数である。上式の導出において、スペーサ材料は熱膨張しない、つまりdL/dT =0であると仮定した。g因子は材料特性である。溶融シリカガラス及びシリコンについては、g因子はそれぞれ、約100ppm/℃及び200ppm/℃である。材料が厚さ100μmのシリコンの場合、1℃温度を変化させることによって、OPLを20nmだけ変化させることが可能である。
【００２０】
図4の実施例は、図1の調節可能な実施例よりも、低い電力消費及び速い調節速度を有する。TEC/ヒーターは、スペーサ全体ではなく、位相変調窓50の薄い部分にのみ適用される。図5は、単一スペーサ(17)であるマイケルソンベースの遅延ラインを有する干渉計を図示している。位相変調窓は、特許文献1に教示されているように構成されて用いられるときに、調節性を供することができる。
【００２１】
マイケルソンDLIの偏光依存特性は、ビームスプリッタコーティングによって決定される。PDF（偏光依存周波数シフト）を最小化するため、ビームスプリッタ上のコーティングは、偏光依存する位相(PDP)を最小化しなければならない。これを実現するため、コーティングは対称性を有していなければならない。特許文献2及び特許文献3を参照のこと。
【００２２】
図6に図示されているように、マイケルソン干渉計が、1のビームスプリッタ50並びに2のミラー52及び54を有することは周知である。光56がコヒーレントな光源（レーザーのような）から供されるとき、干渉強度は、
I=A+Bcos(4πLν/c)
と表すことができる。ここで、cは光速、νは光源の光周波数、A及びBは、2のミラー及びビームスプリッタによって決定される2の定数で、Lは、2のアーム間のOPDの1/2に等しい。所与のνについて、干渉強度はLの関数である。-5℃から70℃までの温度範囲にわたって、2のミラーを確実に、つまり1波長の数分の1未満の範囲内で、保持することが課題である。2のミラーによって反射される2のビームは、ビームスプリッタで建設的又は破壊的干渉を起こし、図6において57及び59で示されている2の出力ビームを生成する。これら2の出力ビームの干渉強度は相補的である。ビームスプリッタコーティングから対応する検出器（51及び53）までの飛行時間が重要であることにも留意すべきである。その飛行時間の時間差は、1ビットの経過時間よりもはるかに小さくなければならない。QDPSK実施例で用いた場合については、本発明は、0°、90°、180°及び270°の位相変化を特定するように設計される。
【実施例５】
【００２３】
ガラス材料によって引き起こされる恐れのある熱及び分散に係る問題を緩和するため、2のアームは同一のガラス長を有していなければならないので、これらのOPDは主として、空気中での光路差に起因する。このOPDは、必要な時間遅延に相当する距離に等しい。密閉条件では、空気中の光路は用いられているスペーサによる影響を受ける。（調節性は、密閉されたチャンバ内部にガスを供し、かつたとえば真空/圧力ポンプのようなチャンバ内部の圧力を変化させる機構を供することによって供されて良い。）図7に図示されているように、たとえばゼロデュア（登録商標）又はULE（商標）のような熱膨張しない材料をスペーサ60として用いることで、OPDの変化は最小化又は緩和できる。2のビームは、ガラス中で同一の光路長を有するので、熱膨張しないスペーサによるこの設計は非熱的である。多くの変化型がこの設計から導かれて良い。たとえば1対のスペーサを1のアームから除去することによって、同一の機能が実現されて良い。この設計は、先に図1を参照した際に論じられた。図8は、図1と似た実施例を図示している。ただし右側アーム内のミラー80が光学素子82の背面上に設けられていることは除く。図9は図8と似ている。ただし図9の実施例は、ウエッジ光学素子94及び96上に、それぞれ反射防止コーティング90及び92を有する点で図8の実施例と異なっている。ウエッジ及びARコーティングは、それらの表面が反射するのを防止する。図9では、右側アームは、上に反射防止コーティングを有するウエッジ光学素子を有する。上部アームは、同一の反射防止ウエッジによって構築されて良い。図10は、延びた上部アーム及びミラーコーティング102を有するビームスプリッタ100を供する。この実施例の右側アームは図9の右側アームと同一である。
【００２４】
本発明の上記記載は、例示及び説明目的で提示されており、本発明を開示された実施形態に厳密に限定することを意図していない。多くの修正型及び変化型が上述の教示から可能である。たとえばQDPSKの実施例での利用については、本発明は、0°、90°、180°及び270°の位相変化を特定するように設計されて良い。開示されている実施例は、本発明の原理及びその実際的応用について説明することで、他の当業者が、様々な実施例及び考えられる特定用途に適した様々な変化型で本発明を最善に利用できるようにすることのみを意味している。本発明の技術的範囲は、「特許請求の範囲」の請求項によって定義される。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】マイケルソンベースの遅延ラインを有する干渉計を図示している。
【図２】高速で熱調節されるDLIを図示している。
【図３】圧電調節が可能なDLIを図示している。
【図４】光路中に挿入された熱調節される位相変調器を含む、マイケルソンベースの遅延ラインを有する干渉計を図示している。
【図５】単一スペーサであるマイケルソンベースの遅延ラインを有する干渉計を図示している。
【図６】特定の距離を置いて設けられている2の検出器を有する、従来技術のマイケルソン干渉計を図示している。
【図７】OPDの変化を最小にするスペーサとして熱膨張係数が0の材料を用いている様子を図示している。
【図８】両光路中に第2表面ミラーを有する、マイケルソンベースの遅延ラインを有する干渉計を図示している。
【図９】両光路中に第2表面ミラー、及び一のアーム中にウエッジ光学素子上に反射防止コーティングを有する、マイケルソンベースの遅延ラインを有する干渉計を図示している。
【図１０】延長した上部アームを有するビームスプリッタを図示している。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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