(57)【要約】位相変調された光信号を復調するよう構成される光受信器に関する。一例において、光信号受信器は、到来光信号を受信し、到来光信号の受信に応答して出力光信号を発するよう構成され、到来光信号の位相変調に対応する位相遷移を出力光信号の強度変調に変えるよう更に構成される光共振器と、出力光信号を電気信号に変換するよう構成される光電変換器と、到来信号における位相遷移を示す電気信号内のパルスを検出するよう構成されるパルス検出器と、パルス検出器によって検出されたパルスに関連したタイミング情報を記録するよう構成されるメモリとを含む。
2021513306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
到来光信号を受信し、該到来光信号を受信することに応答して出力光信号を発するよう構成される光共振器であり、前記到来光信号の位相変調に対応する位相遷移を前記出力光信号の強度変調に変えるよう更に構成される前記光共振器と、
前記出力光信号を電気信号に変換するよう構成される光電変換器と、
前記到来光信号の位相変調における前記位相遷移を示す前記電気信号内のパルスを検出するよう構成されるパルス検出器と、
前記パルス検出器によって検出された前記パルスに関連したタイミング情報を記録するよう構成されるメモリと
を有する光信号受信器。
【請求項２】
前記パルス検出器は、前記出力光信号における一時ピークに基づき前記パルスを検出するよう構成される、
請求項１に記載の光信号受信器。
【請求項３】
前記パルス検出器は、前記電気信号の電圧を第１閾電圧と比較することによって前記電気信号内の前記パルスを検出するよう更に構成される、
請求項１に記載の光信号受信器。
【請求項４】
前記パルスは少なくとも、第１の大きさを有する第１パルスと、第２の大きさを有する第２パルスとを含み、前記第１パルス及び前記第２パルスは、前記到来光信号における異なる量の位相遷移に対応し、
前記パルス検出器は、前記電気信号の電圧を前記第１閾電圧とは異なる第２閾電圧と更に比較することによって前記第１パルスを前記第２パルスと区別するよう更に構成される、
請求項３に記載の光信号受信器。
【請求項５】
時間測定モジュールを更に有し、
前記パルス検出器は、夫々のパルスを検出することに応答してトリガ信号を前記時間測定モジュールへ供給するよう更に構成され、
前記時間測定モジュールは、前記トリガ信号を受信することに応答して前記タイミング情報を記録するように前記メモリを制御するよう構成される、
請求項３に記載の光信号受信器。
【請求項６】
前記タイミング情報を処理することによって前記到来光信号の前記位相変調に符号化された情報を決定するよう構成されるプロセッサを更に有する、
請求項５に記載の光信号受信器。
【請求項７】
平滑化された電気信号を供給するように前記電気信号を平滑化するよう構成される平滑化コンポーネントを更に有し、
前記パルス検出器は、前記平滑化された電気信号が前記第１閾電圧を超えることを検出することによって前記電気信号内の前記パルスを検出するよう構成される、
請求項５に記載の光信号受信器。
【請求項８】
前記パルス検出器はアナログコンパレータを含む、
請求項３に記載の光信号受信器。
【請求項９】
前記光共振器はファブリ・ペローのエタロンである、
請求項１に記載の光信号受信器。
【請求項１０】
前記光電変換器はフォトダイオードを含む、
請求項１に記載の光信号受信器。
【請求項１１】
前記到来光信号の前記位相変調は、バイナリ位相シフトキーイングであり、
前記パルスの夫々は、同じ大きさを有する、
請求項１に記載の光信号受信器。
【請求項１２】
位相変調された到来光信号を受信し、該到来光信号を受信することに応答して、強度変調された出力光信号を発するよう構成される光共振器であり、前記出力光信号の強度変調が前記到来光信号の位相変調を表す、前記光共振器と、
前記出力光信号を電気信号に変換するよう構成される光電変換器と、
前記到来光信号における位相遷移を示す前記電気信号内の第１パルスを検出し、該第１パルスを検出することに応答して第１トリガ信号を供給するよう構成される閾検出器と、
時間測定コンポーネント及びメモリを含み、前記時間測定コンポーネントが、前記第１トリガ信号を受信することに応答して、前記第１パルスに関連したタイミングデータを記録するように前記メモリを制御するよう構成される、プロセッサと
を有する光信号受信器。
【請求項１３】
前記光電変換器はフォトダイオードを含む、
請求項１２に記載の光信号受信器。
【請求項１４】
前記光共振器はファブリ・ペローのエタロンである、
請求項１２に記載の光信号受信器。
【請求項１５】
前記閾検出器はアナログコンパレータを含み、
前記閾検出器は、前記電気信号の電圧を第１閾電圧と比較することによって前記第１パルスを検出するよう構成される、
請求項１２に記載の光信号受信器。
【請求項１６】
前記第１パルスは第１の大きさを有し、
前記閾検出器は、前記電気信号の電圧を前記第１閾電圧とは異なる第２閾電圧と比較することによって、前記第１の大きさとは異なる第２の大きさを有する第２パルスを検出し、該第２パルスを検出することに応答して第２トリガ信号を供給するよう更に構成される、
請求項１５に記載の光信号受信器。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
光信号は、光の様々な特性、例えば、その振幅、位相、周波数、波長、などを変えるように光源（しばしば、レーザー源）を変調することによって、情報を運ばせられ得る。光波は、可視スペクトル帯域、赤外線スペクトル帯域、又は電磁スペクトルの他の領域にあってよい。いくつかの場合に、無線周波数信号などの、基礎信号は、振幅、位相、若しくは周波数変調、又はそれらの任意の組み合わせにより変調されてよく、光源は、基礎信号によって変調されてよい。光受信器は、光波を受け、光波の特性又は変動、例えば、振幅、位相遷移、などを測定し、それらから、基礎信号及び情報が回復され得る。
【０００２】
様々な光信号は、振幅又は他の変調とともに、位相変調を含んでよく、これは、伝送される通信データなどの情報を符号化してよく、あるいは、光信号の発生源に関する情報、光信号が移動した光チャネルに関する情報、対象物との光信号の相互作用に関する情報、及び／又は光信号が相互作用した１つ以上の対象物に関する情報などの他の情報を含んでもよい。位相変調を復調することが可能な受信器は、非常に複雑であり、精密な光学部品、局所発振器、グレーティング（ファイバ・ブラッグ・グレーティングなど）、及び／又は遅延干渉計（Delay  Line  Interferometers，ＤＬＩ）などを必要とする可能性がある。
【発明の概要】
【０００３】
態様及び例は、光共振器及びパルス検出器を使用した位相符号化された光信号の復調のためのシステム及び方法を対象とする。
【０００４】
一実施形態に従って、光信号受信器は、到来光信号を受信し、到来光信号を受信することに応答して出力光信号を発するよう構成され、到来光信号の位相変調に対応する位相遷移を出力光信号の強度変調に変えるよう更に構成される光共振器と、出力光信号を電気信号に変換するよう構成される光電変換器と、到来光信号の位相変調における位相遷移を示す電気信号内のパルスを検出するよう構成されるパルス検出器と、パルス検出器によって検出されたパルスに関連したタイミング情報を記録するよう構成されるメモリとを有する。
【０００５】
一例において、パルス検出器は、出力光信号における一時ピークに基づきパルスを検出するよう構成される。
【０００６】
他の例において、パルス検出器は、電気信号の電圧を第１閾電圧と比較することによって電気信号内のパルスを検出するよう更に構成される。一例において、パルスは少なくとも、第１の大きさを有する第１パルスと、第２の大きさを有する第２パルスとを含み、第１パルス及び第２パルスは、到来光信号における異なる量の位相遷移に対応し、パルス検出器は、電気信号の電圧を第１閾電圧とは異なる第２閾電圧と更に比較することによって第１パルスを第２パルスと区別するよう更に構成される。光信号受信器は、時間測定モジュールを更に含んでよい。一例において、パルス検出器は、夫々のパルスを検出することに応答してトリガ信号を時間測定モジュールへ供給するよう更に構成され、時間測定モジュールは、トリガ信号を受信することに応答してタイミング情報を記録するようにメモリを制御するよう構成される。光信号受信器は、タイミング情報を処理することによって到来光信号の位相変調に符号化された情報を決定するよう構成されるプロセッサを更に有してよい。一例において、光信号受信器は、平滑化された電気信号を供給するように電気信号を平滑化するよう構成される平滑化コンポーネントを更に有し、パルス検出器は、平滑化された電気信号が第１閾電圧を超えることを検出することによって電気信号内のパルスを検出するよう構成される。他の例において、パルス検出器はアナログコンパレータを含む。
【０００７】
一例において、光共振器はファブリ・ペローのエタロン（Fabry-Perot  etalon）である。
【０００８】
他の例において、光電変換器はフォトダイオードを含む。
【０００９】
他の例において、到来光信号の位相変調は、バイナリ位相シフトキーイングであり、パルスの夫々は、同じ大きさを有する。
【００１０】
他の実施形態に従って、光信号受信器は、位相変調された到来光信号を受信し、到来光信号を受信することに応答して、強度変調された出力光信号を発するよう構成され、出力光信号の強度変調が到来光信号の位相変調を表す、光共振器と、出力光信号を電気信号に変換するよう構成される光電変換器と、到来光信号における位相遷移を示す電気信号内の第１パルスを検出し、第１パルスを検出することに応答して第１トリガ信号を供給するよう構成される閾検出器と、時間測定コンポーネント及びメモリを含み、時間測定コンポーネントが、第１トリガ信号を受信することに応答して、第１パルスに関連したタイミングデータを記録するようにメモリを制御するよう構成される、プロセッサとを有する。
【００１１】
一例において、光電変換器はフォトダイオードを含む。
【００１２】
他の例において、光共振器はファブリ・ペローのエタロンである。
【００１３】
一例において、閾検出器はアナログコンパレータを含み、閾検出器は、電気信号の電圧を第１閾電圧と比較することによって第１パルスを検出するよう構成される。他の例において、第１パルスは第１の大きさを有し、閾検出器は、電気信号の電圧を第１閾電圧とは異なる第２閾電圧と比較することによって、第１の大きさとは異なる第２の大きさを有する第２パルスを検出し、第２パルスを検出することに応答して第２トリガ信号を供給するよう更に構成される。
【００１４】
更なる他の態様、例、及び利点は、以下で詳細に論じられる。本明細書で開示される実施形態は、本明細書で開示される原理の少なくとも１つと一致したいずれかの様態で他の実施形態と組み合わされてよく、「実施形態」、「いくつかの実施形態」、「代替の実施形態」、「様々な実施形態」、「一実施形態」、などへの言及は、必ずしも相互排他的ではなく、記載されている特定の特徴、構造、又は特性が少なくとも１つの実施形態に含まれる可能性があることを示すよう意図される。本明細書中のかような語の出現は、必ずしも全てが同じ実施形態を参照しているわけではない。本明細書で記載されている様々な態様及び実施形態は、記載されている方法又は機能のいずれかを実行する手段を含んでよい。
【００１５】
少なくとも１つの実施形態の様々な態様は、添付の図を参照して以下で論じられる。図は、実寸通りであるよう意図されない。図は、様々な態様及び実施形態の実例及び更なる理解をもたらすよう意図され、本明細書の部分に組み込まれそれを構成するが、本開示の制限の定義として意図されない。図中、様々な図で表されている夫々の同じか又はほぼ同じ構成要素は、同じ番号によって表される。明りょうさのために、あらゆる構成要素があらゆる図でラベルを付されなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】Ａ〜Ｃは、様々な変調スキームについての位相コンスタレーションの概略図である。
【図２】様々な例に従う光受信器のブロック図である。
【図３】光共振器の例の概略図である。
【図４】様々な例に従って、パルスが検出され得る出力波形である。
【図５】様々な例に従う他の光受信器のブロック図である。
【図６】様々な例に従う他の光受信器のブロック図である。
【図７】様々な例に従う他の光受信器のブロック図である。
【図８】様々な例に従う他の光受信器のブロック図である。
【図９】光受信器の様々な例とともに使用され得る検出回路の例の概略図である。
【図１０】様々な例に従う他の光受信器のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本明細書で記載される態様及び例は、位相符号化された光信号の復調のためのシステム及び方法を提供する。特に、システムの特定の例には、位相符号化された光信号を１つ以上の強度符号化された光信号に変換するための、ファブリ・ペローのフィルタ／共振器、マイクロリング、又は他の共振器などの光共振器を備えた受信器がある。強度符号化された光信号は、（例えば、フォトダイオードなどの光電変換器によって）電気信号に容易に変換され、そして、従来のアプローチに比べて受信システムのより低いコスト及び複雑さで、受信された光信号における位相変化を決定するように処理され得る。
【００１８】
本明細書で記載される態様及び例は、受信された光信号における位相遷移によって引き起こされるパルス（過渡、じょう乱）を検出するよう電気信号を処理するために、閾検出器のようなパルス検出器を含む。かようなパルスのタイミング及び振幅（任意）を検出することは、受信された光信号に関する位相変調情報の回復を可能にし得る。いくつかの実施形態で、例えば、閾検出器による、パルスの検出は、パルスに関するタイミング情報を記録又は記憶するようトリガを生成し得る。様々な態様及び実施形態は、電気信号の複雑な処理及び／又は高いレートサンプリングを必要とせずに位相変調情報の回復を可能にし、よって、受信システムの複雑さ及びコストを低減し得る。
【００１９】
様々な態様及び実施形態は、干渉性の、位相符号化された（すなわち、位相変調された）光信号の復調のための改善されたシステム及び方法を対象とする。光信号は、いくつかの場合に他の変調（例えば、振幅変調）を有してもよい。ある例では、システムは、光信号の受信された位相遷移を光出力での強度変化に変換する、ファブリ・ペローのフィルタ／共振器、光ファイバループ、又は光ファイバマイクロリングなどの１つ以上の光共振器を含む。従って、光共振器からの強度変化の解析は、受信された光信号の様々な位相遷移の決定を可能にし、それによって、受信された光信号を復調し得る。
【００２０】
光共振器からの出力強度の変化は、３つのパラメータ、すなわち、到来光信号（例えば、位相、振幅）の変化、共振器（ファブリ・ペローのエタロン、マイクロリング）の光学的長さ、並びに光共振器の吸収、反射、及び他の２次特性の組み合わせ、に依存し得る。特定の実施形態は、エタロンなどの様々な光共振器を含んでよい。特に、特定の実施形態に従って、１つ以上のエタロンは、伝送ビーム光の波長の整数倍に等しい実効（往復）長さを有してよく（エタロンはチューニングされる）、あるいは、様々な例において、受信された長さと合っていなくてもよい。どんなエタロン又は光共振器が使用されようとも、到来光信号における位相遷移に対する光共振器の応答は、光共振器の出力での様々な強度変化の検出が、到来光信号で起こった位相遷移の決定、従って、その復調を可能にし得るように、特性を示され得る（例えば、知られ得る）。様々な実施形態で、光共振器からの出力光信号は、電気信号に変換されてよく、電気信号の振幅変化は、それによって、光共振器の応答を示す。
【００２１】
当然、本明細書で論じられている方法及び装置の実施形態は、以下の説明で示されるか又は添付の図面で表される構成要素の構成及び配置の詳細に本願において制限されない。方法及び装置は、他の実施形態での実施が可能であり、様々な方法で実施又は実行されることができる。具体的な実施の例は、本明細書で単に例示のために与えられており、限定であるよう意図されない。また、本明細書で使用されている表現及び用語は、説明のためであって、限定として見なされるべきではない。「含む」、「有する」、「備える」、「包含する」、「伴う」及びそれらの変形の本明細書中の使用は、それらの前に挙げられているアイテム及びその同等物に加えて追加のアイテムを網羅するよう意図される。「又は」への言及は、「又は」を用いて記載されている如何なる語も、記載されている語の１つ、１つよりも多く、及び全てのうちのいずれかを示し得るように、包含的なものとして解釈されるべきである。前後、左右、上下、上方下方、及び垂直水平への如何なる言及も、目下のシステム及び方法又はそれらの構成要素をいずれか１つの位置的又は空間的位置付けに制限するものではなく、記載の便宜上のものである。
【００２２】
本開示のために、かつ、当業者によって理解されるように、光、光信号（light  signal）、光信号（optical  signal）との語は、本明細書中で同義的に使用され、一般に、所与の媒質（何もない空間、例えば、真空であってよく、あるいは、大気、例えば、空気、又はファイバ若しくは他の光学部品などの他の媒質であってもよい）を通って伝播する電磁気信号を指し得る。光、光信号（light  signal）、光信号（optical  signal）との語は、周波数若しくは波長、帯域、干渉性、スペクトル密度、品質係数、などのような、光の何らかの特定の特性を示すよう意図されず、電波、マイクロ波、赤外線、可視、及び／又は紫外線電磁放射、あるいは、光学分野で従来処理される他の非電離電磁放射を含んでよい。
【００２３】
様々な実施形態で、システム及び方法は、受信された光信号における位相遷移を表す強度変化を有している出力光信号を供給する光共振器に基づく。本明細書で記載されている態様及び実施形態から外れることなしに、様々な光共振器が、到来光信号にチューニングされるか又はそれからデチューニングされてよく、それに応答して、変化する出力信号遷移を示し得る。様々な実施形態で、光共振器は、正確な伝送レート又は正確な光波長にチューニングされる必要がない。
【００２４】
図１Ａ〜１Ｃは、ＱＰＳＫ（図１Ａ）及びＱＡＭ（図１Ｂ〜１Ｃ）を含む様々な変調スキームについての信号コンスタレーションの例を表す。示されているコンスタレーションは、Ｍ−ＰＳＫ及びＱＡＭの低次及び高次コンスタレーションと同様に、本明細書で記載されているシステム及び方法によって、少なくとも部分的に、適応され、検出され、復調され得る。各コンスタレーション上の各点は、特定の振幅Ａ及び位相Φを有する光信号を表す。各コンスタレーション上の１つの点から他の点への遷移は、振幅の変化、位相の変化、又は両方を含み得る。例えば、変調遷移１１０は、ΔＡ＝Ａ２−Ａ１の振幅の変化と、Δφ＝φ２−φ１の位相の変化とを含む。振幅及び位相の変化を追う受信器はまた、それによって、例えば、任意の開始位相を参照して、受信された光信号の絶対振幅及び位相を追跡し得る。
【００２５】
如何なる位相又は振幅シフトも、光共振器の出力信号の変化を引き起こし得る。例えば、位相シフトは、過渡的なじょう乱を引き起こす可能性があり、一方、振幅シフトは、出力信号を新しい出力強度レベルに安定させる可能性がある。特定の位相シフトは、より低い振幅の位相シフトによって引き起こされるよりも大きいじょう乱を出力信号に引き起こす可能性がある。例えば、より大きい位相シフトは、より小さい位相シフトよりも大きいじょう乱を引き起こす場合がある。更に、一方向における位相シフトは、逆方向における同じ大きさの位相シフトよりも特定の共振器で大きいじょう乱を引き起こす可能性がある。例えば、負の位相シフトに対する正の位相シフトは、光共振器で異なったじょう乱を引き起こす場合がある。
【００２６】
光共振器で共振応答を生じさせない波長は、それでもなお出力光信号を構築する。かような条件の下で、光共振器は、チューニングされないか、又は特定の波長からデチューニングされるもの、として記載されることがある。デチューニングされた光共振器に達する位相遷移は、共振の欠如にかかわらず、出力信号にじょう乱を引き起こす。その上、デチューニングされた光共振器に達する振幅変化は、定常状態の出力信号レベルの変化を引き起こす。従って、チューニング又はデチューニングされた光共振器のいずれかに届く光信号の位相及び振幅変化は、光共振器からの出力信号の強さを変化させ得る。出力強さのかような変化は、到来光信号の位相及び振幅変化を決定するよう検出及び解釈されてよく、それによって、到来信号を復調する。
【００２７】
図２を参照すると、本明細書で論じられる様々な例に従って、光受信器２００の例が表されている。表されている受信器２００は、光信号２１０を受信し、光共振器２３０及びデジタル処理サブシステム２５０を含み、デジタル処理サブシステム２５０は出力２７０を供給する。光共振器２３０は、光電変換器（ＯＥＣ）２４２によってデジタル処理サブシステム２５０へ結合されてよく、光電変換器２４２は、例えば、電気信号２４４をアナログ−デジタル変換器（ＡＤＣ）２４６へ供給する。
【００２８】
光共振器２３０の例には、ファブリ・ペローのエタロン、マイクロリング、又は他のタイプの共振器が含まれ得る。光共振器２３０は、受信された光信号の変調を表す、位相遷移などの遷移を検知し、該遷移を出力光信号、例えば、出力光信号２３２の強度変調に変えることができるコンポーネントである。光共振器２３０は光共振器２３０で保持又は蓄積される光信号エネルギとの到来光信号２１０の相互作用によって、部分的に、到来光信号２１０の変調を変換する。
【００２９】
光共振器２３０によって受信される光信号は、光信号エネルギが連続的に共振器に届き、共振器内に存在するエネルギを蓄積するように累積又は合計し、一定のレートで共振器から現れる定常状態エネルギ保存条件を確立し得る。光信号の到来する位相、周波数、又は振幅の変化は、定常状態条件を乱す可能性があり、共振器から現れる光の強さは、それによって、定常状態条件が再確立されるまで乱される。従って、到来光信号２１０の位相、周波数、又は振幅の変化は、出現する光信号２３２の強さの変化を引き起こす。例えば、到来光信号２１０の大きい位相遷移は、出現する光信号２３２の大きい（しかし、一時的な）強度変化を引き起こす。同様の動作は、エタロン、光学ループ、マイクロリング、又は他の光共振器で起こる。従って、光共振器２３０は、光信号２１０のための復調器又は変調変換器として機能する。出現する光信号２３２は、そのため、強度変調された形ではあるが、到来光信号２１０と同じ情報コンテンツを運ぶことができる。
【００３０】
出現する、強度変調された光信号２３２は、光電変換器、例えば、ＯＥＣ２４２によって、電気信号に変換され得る。ＯＥＣ２４２は、例えば、フォトダイオードなどの光検出器を含んでよい。従って、ＯＥＣ２４２の出力は、強度変調された光信号２３２を表す振幅変調された電気信号２４４であってよく、アナログ−デジタル変換器、例えば、ＡＤＣ２４６によって、デジタル形式へ変換されてよい。デジタル信号は、デジタル処理のためにデジタル処理サブシステム２５０へ供給される。デジタル処理サブシステム２５０は、光信号２１０の情報搬送コンテンツを取り出すようデジタル信号を処理する。
【００３１】
光受信器２００などのシステムが、ＡＤＣ２４６をクロッキングする同期タイミング基準を有さない場合に、非同期クロッキングが使用されてよい。クロッキングが非同期であるとき、ＡＤＣクロックとシンボルレートとの間の周波数及び位相関係は不確かであり、ドリフトしやすくなる。この非同期関係、例えば、ＡＤＣクロックをシンボルレートと同期させることができないこと、を補償するために、いくつかの場合に、オーバーサンプリングが使用されてもよい。非同期に信号をサンプリングするとき、選択されたサンプリングレート及び分解能は、信号の振幅変化が見逃されることも部分的にしか検出されないこともないことを確かにするほど十分に高くなければならない。振幅変化を識別することができないことがシンボルエラー及び起こり得るデータ損失を引き起こす可能性があるということで、理想的には、サンプルレートは、夫々の振幅変化の十分な範囲が捕捉されることを確かにするように選択される。従って、オーバーサンプリングは様々な場合に使用され得る。係数Ｎによるオーバーサンプリングは、処理及び記憶すべきサンプルをＮ倍にし、かようなシステムをより複雑かつ高価なものとする。図５〜１０に関連して、以下で更に詳細に論じられる光受信器の様々な態様及び実施形態は、非同期システムをオーバーサンプリングすることに代わるものを提供する。
【００３２】
上述されたように、適切な光共振器は、エタロン、マイクロリング、又は他の構造を含んでよい。エタロンの少なくとも一例の若干の詳細は、図３に関連して論じられる。図３は、本明細書で記載される態様及び実施形態に従う光共振器２３０として使用され得るエタロン３００の例を表す。特に、エタロン３００は、受信された光信号２１０の位相及び／又は振幅変調を出力光信号２３２の強度又は振幅変調に変換するために使用されてよい。強度又は振幅変調された出力光信号２３２は、次いで、上述されたように、電気信号２４４に変換され得る。エタロン３００は、受信された光信号２１０における位相及び／又は振幅遷移に応答して、出力強度の変化を示す。
【００３３】
エタロン３００は、光信号エネルギを内部３０４に反射する半反射面３０６、３０８を備えた内部３０４を含む。入力側３０２は、光信号２１０などの光信号エネルギが内部３０４に入ることを可能にする。それによって、入力側３０２は開口を形成し、これを通って到来光信号２１０が受信される。出力側３２２は、内部３０４からのトラップされた光信号エネルギの一部が出力光信号、例えば、出力光信号２３２として現れることを可能にするように、少なくとも部分的に半反射面３０６の動作によって、光出力を形成する。従って、半反射面３０６は、（内部３０４から）半反射面３０６に届く光信号エネルギが、部分的に内部３０４へ反射され、部分的に出力側３２２へ透過されるように、半透過性である。エタロン３００は、様々なレベルの反射率の半反射面３０６、３０８を有してよい。ある例では、反射率は、内部３０４へ反射される光振幅の割合として表されてよく、あるいは、内部３０４へ反射される光強さの割合として表されてもよい。エタロン３００は、本明細書で記載される態様及び実施形態に従う適切な光共振器の一例である。
【００３４】
本開示の全体を通した語「エタロン」の使用は、限定であるよう意図されず、本明細書で使用されるように、平行ミラーと同様に、間に様々な媒体が挟まれた、反射面を備えたプレートを含め、複数の構造のいずれを含んでもよく、キャビティ、干渉計、などとも呼ばれることがある。その上、エタロン構造は、ラミネート、レイヤ、フィルム、コーティング、などとして形成されてもよい。
【００３５】
いくつかの例で、エタロンは、同一平面上及び／又は同一線上にない反射面（半反射面を含む）を含んでよい。例えば、いくつかの例で、エタロンの内部反射面は、若干の湾曲を含んでよく、反対の面も、２つの面の間の距離がエタロンの様々な領域にわたって実質的に一定であるように、湾曲されてよい。他の例では、エタロンは、面間の距離が様々な領域で変化する非線形又は非平面の面を有してよく、様々な波長について様々な領域で、依然として、本明細書で論じられる例における使用に適した光共振器として機能し得る。従って，エタロンは、表面に一致するよう、あるいは、異なる波長に応答する、又は特定の例では、所与の波長について、異なる到来角に応答する様々な領域を有するよう、目的を持って設計されてよい。
【００３６】
様々な実施形態において、光学ループ又はマイクロリングも、１つ以上の導波路から形成された適切な光共振器であってよく、導波路の少なくとも１つは、ループの“周り”を回る光信号エネルギが１つ以上の波長でのループの寸法と位相整列され得るような閉ループである。従って、ループを回る光信号エネルギは、特定の周波数（波長）で、それ自身と建設的又は破壊的に干渉する可能性があり、そのような建設的又は破壊的な干渉は、到来光信号の位相変化によって乱される可能性がある。
【００３７】
特定の例に従って、光共振器、例えば、エタロン３００は、入力信号に基づいて定常状態出力信号を生成し、入力信号の変調が起こるまで出力信号の所与のレベルを保つ。位相変調が入力信号で起こるとき、自己干渉（建設的又は破壊的）が、位相に依存した過渡的なじょう乱を出力信号の強さにおいて引き起こし得る。かような過渡的なじょう乱は、エタロン（又は他の光共振器）のチューニングに依存し得る。従って、エタロン３００は、受信された光信号の波長λに対して、様々なチューニングの状態を有してよい。例えば、チューニングされたエタロンは、半波長の整数倍である光学的内部寸法３０２、例えば、Ｌ＝ｎλ／２、を有してよい。デチューニングされたエタロンは、わずかにより大きい寸法、例えば、Ｌ＝ｎλ／２＋ε、を有することによって正にデチューニングされても、あるいは、わずかにより小さい寸法、例えば、Ｌ＝ｎλ／２−ε、を有することによって負にデチューニングされてもよい。いくつかの実施形態で、寸法偏差εは、８分の１波長の公称値、例えば、ε＝λ／８、を有してよい。他の実施形態では、寸法偏差は、１０分の１波長、例えば、ε＝λ／１０、又は１２分の１波長、例えば、ε＝λ／１２、の公称値を有してもよい。いくつかの実施形態で、デチューニングの効果は、位相進み対位相遅れに対する、例えば、エタロン３００による、より大きい若しくはより小さい応答性、及び／又はより大きい位相遷移対より小さい遷移に対する応答性を引き起こすことであり得る。様々なエタロン又は他の光共振器は、例えば、様々な波長及び／又は入射角の到来光信号における位相遷移に対して、様々な望ましい応答を有するよう設計されてよい。従って、他の実施形態は、種々の公称寸法偏差εを有してよく、如何なる寸法偏差εも、様々な実施形態でより正確であってもなくてもよい。その上、特定の波長に関して正にデチューニングされた光共振器は、他の波長に関しては負にデチューニングされた光共振器であってもよい。いくつかの実施形態で、正及び負にデチューニングされた共振器寸法は、２つの光共振器に関して、どの波長が光共振器のいずれかで共振を生成し得るかに関係なく、互いに２εだけデチューニングされているものとして同等に記載され得る。チューニングされた共振器の動作、並びに様々なチューニング及び／又はデチューニングされた共振器を用いて位相変調を検出及び復調すること、の更なる詳細は、２０１７年１０月５日付けで「SYSTEMS  AND  METHODS  FOR  DEMODULATION  OF  PSK  MODULATED  OPTICAL  SIGNALS」と題されて出願された同時係属の米国特許出願第１５／７２５４５７号において、及び２０１７年１１月１７日付けで「DEMODULATION  OF  QAM  MODULATED  OPTICAL  BEAM  USING  FABRY-PEROT  ETALONS  AND  MICRORING  DEMODULATORS」と題されて出願された同時係属の米国特許出願第１５／８１６０４７号において見つけられ得る。なお、これらの特許出願の夫々は、その全文を参照により本願に援用される。
【００３８】
図４は、受信された光信号における様々な位相遷移に応答する光共振器からの出力強度波形４００の例を表す。例えば、光共振器は、実質的にじょう乱なしで到来光信号を受信しているときに保たれる定常状態出力レベル４１０と、到来光信号における位相遷移によって引き起こされる多数のパルス４２０（例えば、過渡的なじょう乱）とを有してよい。様々なパルス４２０は、より大きい又はより小さい大きさであってよく、一般に、正又は負のパルスであってよく、光共振器の設計、到来光信号の波長及び入射角、パルス４２０を引き起こす位相遷移（例えば、方向及び大きさ）、並びに／又は更なる因子に依存してよい。例えば、位相におけるより大きい変化は、パルス４２０ｂを、位相におけるより小さい変化によって引き起こされるパルス４２０ａよりも大きくし得る。その上、一方向における位相変化は、正のパルス４２０ａを引き起こし、一方、他の方向における位相変化は、負のパルス４２０ｃを引き起こし得る。パルス４２０の様々な大きさ及び方向は、到来光信号の期待される位相遷移に依存し得る。例えば、位相符号化された情報は、どの位相遷移が起きたかがパルスの大きさ及び方向により示されるように、起こり得る位相遷移の離散的な組によって表されてよい。
【００３９】
例えば、差動バイナリ位相シフトキーイング（Differential  Binary  Phase  Shift  Keyed，ＤＢＰＳＫ）信号は、到来信号における１８０度の位相遷移のみを有することができ（潜在的に、光チャネル又は他の効果による若干の変化を伴う）、かようなシステムでは、夫々のパルス４２０は、実質的に同じであり、例えば、特定の大きさの正のパルスであることができる。従って、パルス４２０が現れたとの検出は、１８０度の位相遷移が到来光信号で起きたことを示し、よって、位相遷移に符号化された情報の回復を可能にする。本明細書で記載される態様及び実施形態に従うシステム及び方法は、そのようなパルスを（例えば、閾検出を用いて）検出し、到来光信号における位相遷移のシーケンスが復調され得るように、パルスのタイミングを記録してよい。例えば、第１閾値４３０は、ＤＢＰＳＫ信号によって引き起こされる夫々の正のパルス４２０ａ、４２０ｂ、４２０ｅ、４２０ｆを検出するのに十分であることができる。かようなバイナリ位相シフトの例では、負のパルスは存在しなくてもよいことが理解されるべきである。例えば、パルス４２０ｃ、４２０ｄ、４２０ｇは現れない。従って、負のパルスを検出又は識別することも、変化する大きさのパルスを検出又は識別することも必要とされ得ない。
【００４０】
４位相シフトキーイング（Quadrature  Phase  Shift  Keying，ＱＰＳＫ）のような、高次の位相変調を有している到来光信号は、１８０度又は９０度の位相遷移を有することができ、位相遷移は、いくつかの例では、正又は負の方向のいずれかで起こり得る。上記のような光共振器のチューニングなどの様々な因子に応じて、ＱＰＳＫの例における夫々の起こり得る位相遷移は、異なる大きさ及び／又は方向を有するパルス４２０を引き起こし得る。従って、様々な実施形態において、第２閾値４４０は、より大きいパルス４２０ｂ、４２０ｅを、より小さいパルス４２０ａ、４２０ｆと区別するために、適用されてよい。同様に、負の閾値４５０、４６０が、いくつかの実施形態において、負のパルスを検出し識別するために適用されてもよい。
【００４１】
図５は、閾検出器２６０を含む光受信器２００ａの例を表す。閾検出器は、ＯＥＣ２４２から電気信号２４４を受信する。電気信号２４４は、到来光信号２１０における位相遷移を示すパルス、例えば、パルス４２０を含んでよい。閾検出器２６０は、パルスを検出するために、ＯＥＣ２４２の出力と比較するための基準電圧２６２を含んでよい。パルスが検出されるとき、閾検出器２６０は、トリガ信号２６４を供給することによって、パルスの検出（例えば、ＯＥＣ２４２の出力が、第１閾値４３０のような閾電圧を超える、との検出）を示してよく、トリガ信号２６４は、時間測定２８０に、タイミングデータをメモリ２９０に記憶させる。様々な例で、タイミングデータは、如何なるタイプのタイミングデータであってもよい。例えば、タイミングデータは、パルス間の差分時間、Δｔ１、Δｔ２、Δｔ３、Δｔ４などであってよく、あるいは、タイムスタンプ、若しくは、様々な実施形態では、他の形のタイミングデータ、又はそれらの組み合わせであってよい。パルスのタイミングデータは、到来光信号２１０における位相遷移のタイミングに対応し、これは、翻って、到来光信号２１０によって運ばれている位相符号化された情報を示す。従って、パルスのタイミングデータからは、位相符号化された情報が回復され得る。様々な実施形態で、閾検出器２６０は、パルスを検出するために、電圧比較、電流比較、エネルギ比較、若しくはそれらの任意の組み合わせ、又は他の定量化できる比較を行ってよい。その上、様々な実施形態は、閾値との量の比較に基づく検出の代わりに又はそれに加えて他の形のパルス検出を含んでもよい。
【００４２】
いくつかの実施形態で、ＯＥＣ２４２からの出力電気信号２４４は、閾検出器２６０へ供給される前に、増幅、積分、平均化、又は別なふうに処理若しくは平滑化されてよい。図６に示される光受信器２００ｂの更なる例を参照して、平滑化コンポーネント２６６は、閾検出器２６０に対して、ＯＥＣ２４２の出力の移動平均を表す信号を供給してよい。様々な実施形態で、平滑化コンポーネント２６６は、積分コンポーネントを含んでよく、かつ／あるいは、例えば、偽陽性又は誤ったパルス検出の数を減らすように、他の形の信号平滑化を含んでもよい。いくつかの実施形態において、閾検出器２６０（又はより一般的に、パルス検出器）は、リセット信号２６８を平滑化コンポーネント２６６へ供給してよい。リセット信号２６８は、任意に、パルスが検出されたとの同じトリガ信号２６４であってよい。リセット信号２６８は、平滑化コンポーネント２６６に、その機能、例えば、様々な実施形態では、積分値をゼロ化すること又は移動平均を再起動することなど、をリセット又は再起動せる。
【００４３】
図７は、光受信器２００ｂに類似した光受信器２００ｃの更なる例を表し、閾検出器２６０はアナログコンパレータ（その例は、以下で更に詳細に論じられる）であり、平滑化コンポーネント２６６は電圧積分器である。プロセッサ７００は、図７では割り込み信号として参照されるトリガ信号２６４を受信し、割り込みに基づいて様々な処理を実行し、例えば、割り込みのタイミングを記憶する。このタイミングは、到来光信号における位相遷移のタイミングに対応する。
【００４４】
図８は、光受信器２００ｃに類似した光受信器２００ｄの更なる例を表し、１よりも多いパルス特性の検出及び識別に対応する。閾検出器２６０は、異なる大きさ、若しくは異なる方向（例えば、正又は負）、又はそれらの２つの組み合わせの２つの相異なるパルスを検出するよう構成されるアナログコンパレータであり、第１の大きさのパルスが検出されることを示す第１トリガ信号２６４ａと、第２の大きさ（又は方向）のパルスが検出されることを示す第２トリガ信号２６４ｂとを供給する。従って、第１トリガ信号２６４ａは、第１のタイプのパルスが現れたことを示し、第２トリガ信号２６４ｂは、第２のタイプのパルスが現れたこと示す。様々な実施形態において、更なるタイプのパルスを示すように、追加のトリガパルスが供給されてもよい。夫々の相異なるタイプのパルスは、上述されたように、異なるパルス遷移が到来光信号で起きたことを示し得る。いくつかの実施形態において、第１トリガ信号２６４ａ及び第２トリガ信号２６４ｂは、各々のパルスタイプが現れたことを示すよう独立して作動してよく、あるいは、他の実施形態では、第１トリガ信号２６４ａ及び第２トリガ信号２６４ｂは、例えば、第１トリガ信号２６４ａが、パルスが現れたことを示し、第２トリガ信号２６４ｂが、そのパルスがより高い又はより低い大きさであったかどうかを示すなど、協調して作動してもよい。様々な実施形態において、様々なタイプの平滑化、平均化、積分、増幅、及び閾値又はパルス検出が、到来光信号における位相遷移を検出又は決定し、更には、光信号の位相において符号化された情報を回復するように、様々な様態で設けられてよい。
【００４５】
図９は、到来光信号における位相遷移を示すパルスを有している（例えば、ＯＥＣ２４２からの）電気信号２４４に対して平滑化及び閾検出を実行し得る回路９００の少なくとも１つの例を表す。回路９００において、分圧器９１０は、２つの閾電圧９１２ａ、９１２ｂを供給し、平滑化コンポーネント２６６は、電気信号２４４に応答して充電（及び／又は放電）するキャパシタＣ１を含む。平滑化された電気信号２４４は、閾電圧９１２ａ、９１２ｂの夫々とコンパレータ９２０ａ、９２０ｂによって夫々比較され、コンパレータ９２０からの出力はロジック回路９３０へ供給され、ロジック回路９３０は各々のトリガ信号２６４を供給する。この例では、トリガ信号２６４ａは、低閾電圧９１２ａに応答し、ロジック回路９３０は、より高いトリガ信号２６４ｂがより高いパルス（高閾電圧９１２ｂを超える）に応答するために必要になる更なるタイミングと整列するよう遅延（ｚ−１）を含む。従って、より低いトリガ信号２６４ａは、電気信号２４４が高閾電圧９１２ｂにまで高まっているときに、誤って“ロー”（low）パルスを示さない。その上、ロジック回路９３０は、どちらか一方の電圧閾値が満足されるときはいつでも、リセット信号２６８を平滑化コンポーネント２６６へ供給する。リセット信号２６８は、平滑化回路に、トランジスタＱ１及び抵抗Ｒ３を通じてキャパシタＣ１を放電することによって、リセットさせる。
【００４６】
従って、回路９００は、図４のパルス４２０ａ、４２０ｂ、４２０ｅ、４２０ｆのようなパルスを検出し、パルスの発生を示しかつ大きさによってパルスを区別するトリガ信号２６４ａ、２６４ｂを供給する。例えば、低閾電圧９１２ａは、図４の閾値４３０と対応してよく、トリガ信号２６４ａは、より低いパルス４２０ａ及び４２０ｆの発生を示してよい。同様に、高閾電圧９１２ｂは、図４の閾値４４０と対応してよく、トリガ信号２６４ｂは、より高いパルス４２０ｂ及び４２０ｅの発生を示してよい。
【００４７】
様々な実施形態は、より多数の閾電圧（それによって、パルス振幅）の閾検出を含んでよく、かつ／あるいは、正のパルスに加えて又はそれに代えて、同じ方法で、負のパルスの閾検出を含んでもよい。回路９００は、閾検出器２６０として適切であり得る閾検出回路の一例にすぎず、様々な実施形態は、より一般的に、到来光信号における位相遷移を表すパルスを検出し、それによって、かような位相遷移によって符号化されている情報の決定を可能にする他の形の閾検出器又はパルス検出器を含んでもよい。
【００４８】
図１０は、図２の光受信器２００及び図５の光受信器２００ａの組み合わせに類似した光受信器２００ｅの更なる例を表す。光受信器２００ｅにおいて、ＡＤＣ２４６は、光受信器２００と同様に、電気信号２４４をデジタル化するが、デジタルサンプルは、それらが到来光信号における位相遷移を表さない限り、必ずしも処理又は記憶されない。パルス検出器（例えば、閾検出器２６０）は、位相遷移が起きる場合を示すために使用され、トリガ信号２６４は、次いで、例えば、波形レコーダ２４８によって、デジタル信号の記録をトリガするために使用されてよい。様々な実施形態において、デジタル化されたサンプルは、記録されるのではなく、図２のデジタル処理サブシステム２５０と同様のデジタル処理サブシステムによって処理されてよい。様々な実施形態において、ＡＤＣ２４６は、電気信号２４４のサンプルをデジタル化すべきことをトリガ信号２６４が示すまで、アイドル状態であってよい。様々な実施形態において、ＡＤＣ２４６は、連続的にサンプルを供給してよく、トリガ信号２６４は、サンプルのグループ（例えば、ウィンドウ）を記録又は処理させ得る。かようなウィンドウは、トリガ信号２６４から一定量の時間後方に及んでよく、かつ／あるいは、トリガ信号２６４から一定量の時間前方に及んでよい。検出されたパルスに関連した、従って、ＡＤＣ２４６からのサンプルに関連したタイミングは、上記の方法と同様の方法で、時間測定２８０及びメモリ２９０によって、又は代替の手段によって記録されてよい。
【００４９】
本明細書で説明される態様及び実施形態の利点は数多くある。例えば、本明細書に記載のものに従う光学部品は、結晶又は高価なコーティングではなく、コーティング又は非コーティングのガラスを可能にするなど、従来のシステムに必要なものよりも低コストであるか又は複雑性が低くなり得る。位相変調を強度変調に変換するためのエタロンなどの光共振器の使用は、改善された信号対雑音特性を提供できるフィルタリング（例えば、共振寸法による不要な信号の除去など）を組み込むように有利に設計され得る。本明細書に記載されたものに従う態様及び実施形態は、適応光学系が機能しなくなるであろう極端な収差又はじょう乱で満足に動作することができる。更に、本明細書に記載されたものに従う態様及び実施形態は、サイズ、重量、電力、及びコストの要件が低い自由空間光通信を実現し、無人航空機及びマイクロ衛星などのプラットフォームのサポートを改善することができる。
【００５０】
到来光信号の変調によって引き起こされる出力強度への変化は、エタロン又はマイクロリングの寸法長さなどの光共振器の共振物理寸法と、それがどれだけ正確に製造されるか例えば、エタロンが１つ以上の波長にどれだけうまくチューニングされるかとによって変化し得ることが理解されるべきである。寸法が短いチューニングされたエタロンからの出力強度は、より大きな共振寸法を持つチューニングされたエタロンと比較して、入力信号の遷移によってより直ちに乱され、そのような遷移の後、より直ちに定常状態を再確立する。その上、より正確な許容誤差で製造されたエタロン、すなわち、特定の波長により正確にチューニングされたエタロンは、それほど正確でない許容誤差で製造されたエタロンと比較して、より高い定常状態出力信号強度を供給することができ、かつ、入力信号における遷移に対してより高い感度を示し得る。如何なるかような要因も、位相遷移から生じるパルスの形状に影響を与える可能性があるが、パルス検出コンポーネントは、必要に応じて、変化する応答パルスに適応するよう設計されてよい。
【００５１】
様々な実施形態は、特定の設計基準に基づいて、様々な動作特性に適応するように、様々なエタロン寸法及び許容誤差を有し得る。いくつかの例で、様々なエタロン寸法及び許容誤差は、どれくらい強く及び／又はどれくらい速くエタロンが到来光信号の遷移に応答するかと、どれくらい速く及び／又はどれくらい強くエタロンが遷移後に定常状態への回帰に近づくかとを交換し又はバランスを取るよう選択されてよく、このようにして電気信号、例えば、電気信号２４４におけるパルスの形状に作用する。その上、様々なエタロン寸法及び許容誤差は、特定のデータレート及び／又は特定の波長に対して受信器を最適化するよう選択されてよい。
【００５２】
特定の実施形態は、１つの光信号の他に対する選択性を更に提供するように様々な更なる態様又は構成要素を組み込んでよい。例えば、特定の波長の光は、周波数選択フィルタや周波数選択コーティングの使用を通じて、及び／又は光共振器若しくは他の共振構造の周波数選択寸法若しくは他の特徴の選択によって、選ばれ又は拒絶されてよい。
【００５３】
光信号は、様々なソース及び／又はプロセスにより位相及び／又は振幅変調されてよい。位相符号化の検出及び決定は、多くの目的にとって有用であり得る。レーザービームのようなコヒーレント光信号は、通信される情報を光信号上で符号化するために、例えば、データ通信送信器によって目的を持って変調されてよい。多数のプロセスは、コヒーレント光源を位相及び／又は振幅変調してよく、これから、プロセスに関する情報が、変調された光信号の適切な復調（例えば、解釈）によって回復されてよい。例えば、様々な測定システムは、光信号を送信し、反射された信号を解析して、寸法、動き、以上、などを決定し得る。位相変調された光信号の復調が有益であり得る様々なシステムの例には、通信システムに加えて、目標指示装置（target  designators）、レーザー誘導システム、レーザーサイト（laser  sight）、レーザースキャナ、３Ｄスキャナ、ホーミングビーコン（homing  beacons）及び／又は測量システムがある。それらの例のいくつかで、光信号は、自由空間信号パス（例えば、free  space  optical，ＦＳＯ）若しくはファイバ又は他の導波路システムを介して到来し得る。本明細書で開示される態様及び例に従う位相及び／又は振幅変調された光信号の復調のためのシステム及び方法は、有利なことに、光信号から有用な情報を受信、検出、回復、などを行うために、上記の光学システムのいずれか又は他に適用されてよい。
【００５４】
少なくとも１つの実施形態の様々な態様をこのように記載してきたが、当然ながら、様々な変更、修正、及び改善が、当業者に容易に想到可能である。かような変更、修正、及び改善は、本開示の部分であるよう意図され、本開示の適用範囲内にあるよう意図される。従って、上記の説明及び図面は、単なる例に過ぎない。
【００５５】
［関連出願の相互参照］
本願は、２０１８年３月９日付けで出願された同時係属の米国特許仮出願第６２／６４０８３０号の関連出願であり、米国特許法第１１９条及びＰＣＴ条約第８条の下でこの仮出願に基づく優先権を主張する。なお、先の仮出願は、その全文を参照により本願に援用される。
【図１Ａ】
2021513306.tif 000003
【図１Ｂ】
2021513306.tif 000004
【図１Ｃ】
2021513306.tif 000005
【図２】
2021513306.tif 000006
【図３】
2021513306.tif 000007
【図４】
2021513306.tif 000008
【図５】
2021513306.tif 000009
【図６】
2021513306.tif 000010
【図７】
2021513306.tif 000011
【図８】
2021513306.tif 000012
【図９】
2021513306.tif 000013
【図１０】
2021513306.tif 000014
【国際調査報告】
2021513306.tif 000015
2021513306.tif 000016