(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号ビームとして光信号を伝送するための手段と、
光電子受信機と、を含み、
前記光電子受信機は、
各々が前記伝送される光信号ビームの一部分に反応し、第１の電気信号を発生するために動作し、前記伝送された光信号を受けるためにアレイに配列された複数の第１の光電子検出器手段と、
プローブ・ビームを伝播するための光装置と、を有し、前記複数の第１の電気信号は前記プローブ・ビームの伝播特性を変化させる作用をし、
前記変化された伝播特性に応答しそして伝送された光信号内に含まれる情報に対応する合成信号を発生させるために動作する第２の光電子検出器手段と、
を有し、
前記合成信号が、乱流媒体によって生じた変動に対して比較的鈍感であることを特徴とする、
乱流媒体を通過する時に変動する光信号と共に使用するための光電子通信システム。
【請求項２】
前記第１の電気信号は、前記プローブ・ビームと同期して前記光装置に到達するように時間補償されることを特徴とする、請求項１記載の光電子通信システム。
【請求項３】
前記第１の光電子検出器手段は、小範囲高速フォトダイオードを含むことを特徴とする、請求項１記載の光電子通信システム。
【請求項４】
各々が光信号ビームの選択された部分に反応しそして第１の電気信号を発生させるために動作し、前記光信号ビームを受けるためにアレイに配列された複数の第１の光電子検出器と、
プローブ・ビームを伝播させるための伝播特性を有し、前記伝播特性を変えるように作用する前記複数の第１の電気信号に応答しそして受信された光信号内に含まれる情報に対応する第２信号を発生させるために動作する光装置と、
を含み、
前記第２信号が、乱流媒体によって生じた変動に対して比較的鈍感であることを特徴とする、
乱流媒体を通過する時に変動する光信号を受信するための光電子受信機。
【請求項５】
光信号ビームを集め且つ該光信号ビームの複数の部分を伝播する手段と、
各々が前記光信号ビームの選択された部分に応答しそして各々が前記情報の一部を表す複数の電気信号を生じさせるために動作し、前記光信号ビームを受けるためにアレイに配列された複数の第１光電子検出器手段と、
光プローブ・ビームを生成するための手段と、
前記複数の電気信号に応答しそして前記情報に対応して前記光プローブ・ビームの特性を変化させるために動作する手段と、
前記変化された特性に応答しそして前記受信された光信号内に含まれる情報を表す出力電気信号を発生させるために動作する第２光電子検出器と、
を含み、
前記出力電気信号が、乱流媒体によって生じた変動に対して比較的鈍感であることを特徴とする、
乱流媒体を通過する時に変動する情報を保持している光信号を受信するための光電子受信機。
【請求項６】
前記情報は変調されることを特徴とする、請求項５に記載の光電子受信機。
【請求項７】
前記集めるための手段が、複数のレンズレットおよび複数の光ファイバを含むことを特徴とする、請求項５に記載の光電子受信機。
【請求項８】
前記複数の電気信号に応答する前記手段は、前記光プローブ・ビームを伝播させるための手段を含むことを特徴とする請求項５記載の光電子受信機。
【請求項９】
前記複数の第１の光電子検出器手段の前記各々は、光電子検出器およびストリップ線路を含むことを特徴とする請求項５に記載の光電子受信機。
【請求項１０】
各々が前記光プローブ・ビームを受け取る調整可能レッグおよび参照レッグを有する干渉計をさらに備え、前記調整可能レッグは、前記参照レッグを通して伝播する前記光プローブ・ビームの位相に関係して前記光プローブ・ビームの位相を変化させるように前記複数の電気信号に応答することを特徴とする請求項５記載の光電子受信機。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［関連する出願への相互参照］
本出願は、これと共に同時に提出され、本発明と同じ譲受人に譲渡され、そしてその内容がここに参考文献として取り入れられる、Ｓｔｅｐｈｅｎ  Ｐａｌｅｓｅによる「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｕｓｉｎｇ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｒａｎｓｃｒｉｐｔｉｏｎ  Ｍａｔｅｒｉａｌ（光転写材料を使用する光通信システム）」と題された係属中の米国特許出願第＿＿（ＴＲＷ登録番号１１−０９６４）号に関連する。
【０００２】
また、これと共に同時に提出され、本発明と同じ譲受人に譲渡され、その内容がここに参考文献として取り入れられる、Ｓｔｅｐｈｅｎ  Ｐａｌｅｓｅによる「Ｔｉｍｅ  Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ  ＦｏｒＣｏｎｔｒｏｌｉｎｇ  Ｔｉｍｉｎｇ  Ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｉｇｎａｌｓ  （光信号のタイミングを制御するための時間補償アーキテクチャ）」と題された係属中の米国特許出願第＿＿（ＴＲＷ登録番号１１−０９８４）号に関連する。
【０００３】
また、これと共に同時に提出され、本発明と同じ譲受人に譲渡され、その内容がここに参考文献として取り入れられる、Ｓｔｅｐｈｅｎ  Ｐａｌｅｓｅによる「Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ｆｏｒ  Ａｄｄｉｎｇ／Ｓｕｂｔｒａｃｔｉｎｇ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｉｇｎａｌｓ（光信号を加算／減算するための電気光学装置」と題された係属中の米国特許出願第＿＿（ＴＲＷ登録番号１１−０９８５）号に関連する。
【０００４】
また、これと共に同時に提出され、本発明と同じ譲受人に譲渡され、その内容がここに参考文献として取り入れられる、Ｓｔｅｐｈｅｎ  Ｐａｌｅｓｅによる「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ  Ｃａｐａｂｌｅ  ｏｆ  Ｐｅｒｆｏｒｍｉｎｇ  Ａｄｄｉｔｉｏｎ／Ｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ（加算／減算を実行することができる光相互接続）」と題された係属中の米国特許出願第＿＿（ＴＲＷ登録番号１１−０９８６）号に関連する。
【０００５】
【発明の属する技術分野】
本発明は、概して光電子通信システムに関係し、特に、光ファイバ・アレイおよび光検出器アレイを持った受信機を使用する乱流媒体における光電子通信システムに関係する。
【０００６】
【従来の技術】
電気通信産業は、通信システムの稼働帯域幅を増大させるために電子工学およびフォトニクスの両方を利用する、混成のプラットホームへと急速に変わりつつある。今日の通信システムは、光ファイバ・ネットワーク、ファイバ増幅器、光ダイオード送信機、および高速半導体受信機から成る。このアーキテクチャは、光ファイバの領域ではよく機能するけれども、遠隔の用途にとって必要とされる、これらの信号の自由空間伝搬には、光ファイバ・ネットワーク帯域幅を一致させる際に問題がある。
【０００７】
大気、水、あるいは他の乱流媒体を介しての信号の自由空間伝搬は、変動する歪みおよび収差を招く。これらの変動する歪みは、光通信システム内で一般的に利用される小範囲高速検出器上に信号ビームを集束させる妨げとなる。例えば、１ｍの焦点距離を備えた０．０５ｍのコレクション・ディッシュ（ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ  ｄｉｓｈ）を含む光送信機は、１００倍の回折限界光通信ビームのために、その光を２００ミクロンの直径内に集中させるだろう。これとよく似た収差は、１．５ミクロンの波長での大気伝播によって引き起こされることができるだろう。この範囲は、従来の通信システムで使用された高速半導体フォトダイオード検出器の範囲よりおよそ３００倍大きい。１つの方法は、小さな高速受信機上に集束させることを可能にする近接回折限界信号ビームを得るために、適応できる光学あるいは位相共役技術で、変動する歪みを修正することである。これらの技術には、遅い応答時間、限界位相面修正、効率的な共役のために要求されるあるいは高い信号強度に難点がある。別の方法は、歪められた信号ビームの重要な破片が受信機によって収集されることができるように光受信機の中に広範囲検出器を使用することである。この方法は多くの利点を持つが、検出器の時間応答と、検出器の範囲がしばしば本質的に連動させられるために、実装するには困難であることが分かった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、必要とされるものは、個々の検出器エレメントの広い固有帯域幅を保持しながら、広い有効範囲の受信機を提供する、光電子受信機アーキテクチャにおいて統合された高速の小範囲検出器を備えた光電子通信システムである。
【０００９】
さらに、その光電子受信機が時間補償された電気信号を発生することが望ましい。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
大気のような乱流媒体を介しての光信号の伝送は、光の歪みおよび収差のために変動する空間強度パターンを生み出す。図１Ａ、１Ｂおよび１Ｃに関して、３つの図は、それぞれ時刻ｔ1、ｔ2およびｔ3の３つの瞬間に乱流媒体を通して伝送される１つの光信号について示されたものである。時刻で異なるこれらの歪みは、光通信システムの中で一般的に利用される、数字１０で示された単一の小さな高速検出器上に、信号ビームを集束させることを不可能にする。本発明は、検出器アレイでもって、歪められた信号の十分に大きなサブアレイ（数字１２で示される）、あるいは歪められた信号全体（数字１４で示され、図１Ａ、１Ｂおよび１Ｃの中の周囲を包む）のいずれかを集めることを含む。集められた信号は、変動する歪みに対して一様であり、そのことによって、光学的に伝送される高帯域信号の自由空間伝搬における問題を取り除く。
【００１１】
本発明は、時間応答（高帯域）を維持しつつ有効な検出器範囲を増大させるために、好適には時間補償された読み取り（プローブ）ビーム手法でもって、光電子相互接続を利用する高速で小範囲の光検出器を受信機に結合することを含む。広い有効範囲の検出器は信号ビームの全部を捕らえ、そうすることで乱流媒体を介しての光信号伝送に関する問題を取り除く。この検出器アレイは、直接的に時間的パルスを測定するけれども、それは、時間的に位相変調あるいは周波数変調された信号ソースの両方に対して適用可能である。位相変調された情報は、位相変調を時間情報に換算するために、光検出器アレイの前に光干渉計を要求するだろう。
【００１２】
別の側面で、本発明はまた、別個の伝送ビームおよび読み取り（プローブ）ビームを使用することを含む。分断されたアーキテクチャは、光波長の各々がそれら自身の個々の機能に対して最適化されることを可能にする。例えば、読み取りビームは、分散することがないファイバ伝播、最も高い光検出器効率、あるいは最速の時間応答を可能にすることができ、また一方で、乱流媒体を介しての信号のスループットを増大させるような伝送波長が選択されることが可能である。
【００１３】
上述された構造は、アレイ内の光検出器の各々からの電界を結合するために光電子サンプリングを利用する。光電子サンプリングは、電界および光プローブ・ビームに関して適切に配向された複屈折軸を持つ電気光学材料（例えばＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｉＯ3、ＧａＡｓ、あるいは複屈折ポリマ）を利用する。プローブ・ビームは、リアルタイム信号処理を提供する持続波か、あるいは高速時間ゲート制御された検出器性能を提供するパルス（つまり、モードロック、Ｑスイッチ）波のいずれかであり得る。電気光学結晶の複屈折軸に対応する電界および光プローブ・ビーム偏光配向（ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）に依存して、該電界は光プローブ・ビーム上の時間依存する偏光回転あるいは時間依存する位相変化を誘発するようにされる。この変化は、電界強度に応じて変わり、したがって光検出器上に入射する光の強度に応じて変わる。一般的に電気光学的反応は、プローブ・ビームの構成に応じて、電界強度の二次式（ホモダイン構成）か、あるいは一次式（ヘテロダイン構成）のどちらかになりうる。電気光学サンプリングの時間分解能は、電界が存在する領域を横切る光プローブ・ビームの伝播遅延によって、および材料に依存し一般的に３〜１０ＴＨｚ区域に生じる光学的フォノン・バンドによって、制限される。これは、最大周波数の半分で全幅周期に対して、１００〜３００ｆｓにそれぞれ相当する。今日の高帯域通信システムで利用される約１５ミクロンの直径を持つ小範囲の光検出器にとって、個々のエレメントを横切る伝播遅延は、ほぼ１００ｆｓ程度になるだろう。個々の光検出器エレメントの時間応答、光検出器アレイの有効範囲、アレイの時間応答（帯域幅）に依存して、異なる時間補償の構成が、受信機に採用され得る。
【００１４】
固有の検出器エレメント応答時間を５ｐｓとし、検出器アレイ要件を６ｐｓ未満の時間分解能と仮定すると、以下のアーキテクチャのための光検出器アレイの有効範囲の計算は、（１）時間補償なしで、有効な検出器範囲は３３倍まで増大させられることができ、（２）光学エレメントがファイバーの各行（あるいは列）を横切る信号を補償するために利用してファイバの各行（あるいは列）の１エレメントがプローブ・ビームと一致する時間となる、１次元時間補償にとって、有効な検出器範囲は１０００倍まで増大させ得るということを示す。光学エレメントは、光学くさび、あるいは積重ね光プレートであってもよく、（３）光学エレメントが各光検出器エレメントで信号を補償するために利用される２次元時間補償（つまりエレメント毎の時間補償）にとって、時間分解能に関して有効な受信機範囲に限界はなくなる。この２次元の光学エレメントは、階段状光学くさびであるか、あるいはその時間補償は、光ファイバ長それ自身を調整する望ましい方法によって達成されることができるだろう。
【００１５】
エレメント毎に時間補償された装置の時間分解能は、今のところ、現在の光検出器エレメントの速度、すなわち５ｐｓ、６０ＧＨｚ、によって制限される。しかしながらこの速度が、組立て技術の進歩、他の材料の使用、あるいは新しい構成のいずれかを通して増大するにつれて、電気光学のサンプリング相互接続は、１０ＴＨｚのデータ速度に相当する１００ｆｓ程度の時間分解能をサポートすることができるだろう。
【００１６】
稼働帯域幅をさらに増大させるために利用することができる、多くの技術がある。光ファイバ・システムの中で使用されるものと同種の波長多重化が、この受信機の稼働帯域幅を増やすためにも適用されることができる。バルクあるいはファイバ・ブラッグ回折格子、音響光学あるいは電気光学デフレクタ、プリズム、あるいは干渉フィルタといったような、スペクトルで選択する光学エレメントが、異なる検出器アレイに、異なる波長を送るために利用されるだろう。したがって受信機帯域幅が、信号波長の数につれて直線的に増加するだろう。例えばファイバ・ベースの波長多重化は、１００倍以上のファクタによって、帯域幅を拡張した。
【００１７】
本発明では、情報を符号化するために、参照ビームの振幅変調が、信号ビームの時間変調あるいは位相変調に加えて利用されることができるだろう。例えば、６４：１以上の信号対雑音レベルでもって、パルスあたり１ビットの代わりに、６のファクタによってのトータルの帯域幅増加を可能にする６ビットの情報が、符号化され得るであろう。検出器有効範囲は、究極的には時間分解能ではなく信号対雑音の制約によって制限されるだろう。信号対雑音比を増大させる多くの方法がある。例えば、信号ビームはファイバ・アレイに入る前に、半導体ゲイン媒体の中で光学的に増幅されることができ、ファイバそれ自体が光増幅器としての役目を果たすことができ、また、検出器アレイは熱的に冷却されうる。
【００１８】
乱れた環境を通過する光信号と共に使用するための光電子通信システムを一般に提供し、光信号を伝送するための光送信機と光電子受信機を含む本発明によって、従来技術の持つ先の欠点および他の欠点が対処され克服される。光電子受信機は、光信号を集束させて、それの複数部分を伝播させるための光反射器と、複数の第１の光電子検出器手段であって、その各々が光信号の選択された部分に反応し、各々が情報の一部を表す複数の電気信号を発生させる働きをする第１の光電子検出器手段と、光プローブ・ビームを生成するためのプローブ・レーザと、前記複数の電気信号に反応し、情報に応じて光プローブ・ビームの特性を変える働きをする手段と、前記変えられた特性に反応し、受信された光信号に含まれた情報を表している出力あるいは合成された信号を発生する働きをする第２の検出器とからなる。前記出力信号は電気的信号でも光信号でもよい。
【００１９】
別の側面で、本発明は、光信号を受信するための光電子的受信機を提供し、時間補償のアーキテクチャで整えられた高速で小範囲の検出器を含む。
本発明の先述の、およびさらなる特徴および利点が、下の詳細な説明および添付図面から明白になるだろう。図および記述された説明の中で、数字が本発明の様々なエレメントを示し、図および記述された説明の双方を通して、同じ数字は同じエレメントを参照する。
【００２０】
【発明の実施の態様】
図２のブロック図で示されるように、本発明は数字２０によって大まかに示される光電子通信システムを提供する。手短かに言えばシステム２０は、衛星２２と地上局２４および２６との間で、例えば大気である乱流媒体２８を介して通信を行う。代替的に、乱流媒体が水である潜水艦どうしの間での通信であってもよいし、あるいは送信所と受信所の間を直線で見通せる経路がある限り、乱流媒体が空気である、航空機または地上局間の通信であってもよい。
【００２１】
システム２０は、各地上局２４、２６にて光送信機３０および光電子受信機３２を含み、衛星２２に搭載された２つの送信機／受信機の組立を含む。
前に記述されたように、大気２８を介しての伝送は、光の歪みおよび収差により変動する空間の強度パターンを生み出す。時刻によって異なるこれらの歪み（図１を参照）が、今日の光通信システムで一般的に利用される単一の小高速検出器１０上に信号ビームを集束させることを不可能にする。本発明は、検出器アレイでもって、光信号の十分に大きなサブアレイ１２か、あるいは歪められた信号１４全体のいずれかを集めることを含む。サブアレイ１２は、数字１０によって示されるような単一の検出器によって集めることができるであろう出力の約１４０倍を集めるだろう。その集められた信号は、変動する歪みに対して一様であり、そのために、光学的に伝送される高帯域信号の自由空間伝搬での問題が取り除かれる。特に、その変動は、（検出器１０によって集められた）６０％平均の変動から５％未満平均の変動に減少させられると計算される。
【００２２】
また図３および４を参照すると、光送信機３０は、光信号を発生するレーザ源３６と、光信号を変調するための変調器３８、変調された光信号を増幅するための増幅器４０、および光信号を地上局の方向へ向け放射するための光エレメント４２を含む。
【００２３】
好適な実施形態では、レーザ源３６が、スペクトルのうちの紫外線部分、可視部分および赤外線部分における、大気伝搬領域にて作動するであろう、エルビウム・ファイバ・レーザおよび/または半導体レーザである。これらの特性を備え、赤外領域の１．５ミクロンで作動し、１０ワットの信号を発生するエルビウム・ファイバ・レーザが、Ｌｕｃｅｎｔ社およびＩＲＥ−Ｐｏｌｕｓによって販売されている。変調器３８は、Ｎｅｗ  Ｆｏｃｕｓ社によって販売されているニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ3）電気光学変調器であり、増幅器４０はファイバ光増幅器である。光送信エレメント４２は、レンズ・アレイ６２の中の１つのレンズあるいはレンズレット（ｌｅｎｓｌｅｔ）を含み、そのような１つは、Ｍｅｍｓ  Ｏｐｔｉｃａｌによって製造されている。
【００２４】
続いてより詳細に記述されるであろう、偏光された光信号が伝送される場合、光送信機３０はまた、光送信するアンテナ４２に未変調の参照信号を提供する参照アーム４６を含む。参照アーム４６は、光信号の一部を増幅するための増幅器４８と、増幅された光信号の偏光をフリップするための１／２波長板５０とを含む。これは、一方が情報を保持し、他方が参照を保持する２つの直交する偏光信号を両方とも同じ波長で受信機３２に伝送することを可能にする。
【００２５】
また、図１２に示され詳細に記述される偏光多重化を参照すると、受信機は受信信号を信号アーム２５６および参照アーム２５８に分割するための偏光子２５４を含む。光ファイバ・アレイ７４は、信号成分を発生されるために、光増幅器２６４および信号の電気−光相互接続２６６に信号を提供する。同様に、参照光アレイ２６０は、参照成分を発生させるために、光増幅器２６８および参照電気−光相互接続２７０に参照を提供する。信号プロセッサ１０６は、所望されるように２つの信号を処理する。
【００２６】
また図４を参照すると、レーザ源３６によって生成される増幅変調光ビームが、相互接続５８の開口部に取り付けられた光送信機ファイバ・アレイ５６を通して伝播されるような統合された組立として、送信機３０および受信機３２が示される。個々のファイバは、波長によって受信ビーム６８から伝送ビーム６４を分離するために、ブラッグ回折格子５９を含む。代替的に、ファラデー回転子が、ビーム伝播の方向に基づいて、伝送ビームと受信ビームを分離するために使用され得る。伝播されたビームは、それがレンズレット６０あるいはレンズレット・アレイ６２のレンズに到達するまで、開口部から自由空間内に発散する。一般的に、シングルモード・ファイバについては、発散は１０度である。レンズレット６０はビームを平行にし、それを光信号６４として、乱流媒体２８を通して、選択された光受信機３２に向けて自由空間の中へと伝送する。
【００２７】
受信機３２では、数字６６で大まかに示される信号ビームが、レンズレット・アレイ６２上で範囲６８のまわりに境界線を描くように示される。信号ビーム６６は、レンズレット・アレイ６２によって集められる。各受信レンズレット７０は、光信号放射の集合部分（線を収束させることにより示される）を、ビームレット（ｂｅａｍｌｅｔｓ）として、相互接続５８の開口部を通し、光ファイバのアレイ７４中の個々の光ファイバ７２上に集束させる。光ファイバ７２は、図５に示すような、光電子コンバータ８０即ちフォトダイオードに信号ビームを伝播させる。
【００２８】
好適な実施形態では、レンズレット・アレイ６２が、プラスチックで組立てられ、辺の合計の大きさが１と１００センチメートルの間にある１５ｘ１５のレンズレットの正方マトリクスを含む。代替的に、そのマトリクスは、もっとよい充填ファクタを得るために長方形、六角形、あるいは八角形であることが出来、レンズレットの数は、送信所と受信所との間の距離に基づいて選択され得るであろう。また、レンズレット・アレイ６２および相互接続５８は、１センチメートル未満の自由空間で隔てられる。
【００２９】
図５に関しては、光電子検出器８０のアレイが示される。図６は、そのアレイ中の１つの光電子検出器８０を示す。数字１〜１０によって示されるように、そのアレイの中に１０個の検出器８０があり、その各々の端が光ファイバのアレイ７４の内の１つのファイバ７２に取り付けられる。各ファイバ７２は、受信された光ビームの一部を１つの検出器８０上に伝播する。検出器８０は、光信号を電気信号に変換する小範囲の高速半導体フォトダイオードを含む。５ｐｓという固有の応答時間を持ち、６ｐｓ未満の時間分解能という検出器アレイ要件を持つ検出器にとって、有効な検出器範囲は３３倍まで増大させられることができる。代替的に、その検出器は、光電陰極マイクロチャネル、超伝導の検出器、あるいは他の任意の光活性複合素子であってもよい。
【００３０】
電気光学結晶８２あるいは導波管は、検出器８０に垂直方向に、長手方向に延びている。プローブ・レーザ８４は、シングルモード光ファイバ８８および結晶８２を通って長手方向に、数字８６として図解的に示されるプローブ・ビームすなわち読み取りビームを生成する。プローブ・ビームは、高速時間ゲート制御された検出器性能を提供するために、リアルタイム信号処理を提供する持続波ビームか、あるいはモードロックあるいはＱスイッチの実施形態におけるような、パルス・ビームのいずれかでありうる。非導電性基板８５上に形成されるマイクロストリップ線路８４は、結晶に対して垂直に延びて結晶をサポートし、光検出器８０によって発生された電気信号を伝播して、その結果、光プローブ・ビーム８６と相互作用する。ストリップ線路８４は、時間分解能を低下させるであろう、ストリップ線路を後退伝播する反射を防止するために、５０オームの負荷８９で終結する。基板８５は、ノイズあるいは外来の信号がストリップ線路８４上の電気信号と干渉するのを防止するためにグランドに接続される。
【００３１】
特に、ストリップ線路８４によって運ばれる電気信号は、電気光学結晶８２の下面を貫通する図６内の曲がった矢線９０によって図解的に示される電界を生成し、プローブ・ビーム８６上に時間依存の偏光回転あるいは位相変化を誘発する。その回転は、ストリップ線路信号によって生成される電界９０に対する結晶軸の配向に依存する。光検出器８０からの各信号は、プローブ・ビーム８６の全体的な偏光回転に寄与する。これらの変化は、λ／２波長板９４および偏光子９６でもって、ファイバ９２上で、振幅変調された信号に変換される。λ／２波長板９４は、ホモダイン、またはヘテロダイン反応のいずれかに対し調整され得る。ヘテロダイン操作では、波長板９４が、未変調プローブ・ビーム８６の一部が波長板を通り抜けることができるよう調整される。これは、信号と混合する局所電場をセット・アップし、線形操作のために使用される。
【００３２】
偏光子９６は、プローブ・ビーム８６上で誘発される偏光回転を、時間依存振幅変調に変換する。ホモダイン操作のために、光検出器８０上に発生された電圧がない場合に光が通り抜けて漏れないように、波長板９４が調整され、偏光子９６が交差される。ヘテロダインおよびホモダイン操作の両方のために、偏光子９６は、電気光学効果によって発生する、プローブ・ビーム８６の位相および偏光の変化を分析する。プローブ高速光検出器１００は、信号プロセッサ１０６への適用するための出力１０４につながる導体１０２上で、振幅変調されたプローブ・ビームを、合成された電気信号に変換する。これは、送信機３０によって伝送された光信号６４を表す。各々の信号光検出器８０は、プローブ・ビーム８６の偏光回転の合計に寄与する。代替的に、合成された出力信号が光となるように、光信号は増幅されて、直接的に地上ベースの光ファイバーネットワーク（示されていない）を通して送信されることが出来る。
【００３３】
動作において、変調器３８は、衛星２２に搭載されたレーザ源３６によって生成される信号に対して、振幅または位相変調を行う。ＡＭまたはＦＭ光信号は、増幅され、受信機３２に向けて、アレイ６２内のレンズレット６０を通して自由空間に伝送される。伝送された光ビーム６４は、それが大気を通り抜けるにつれて、歪められ、空間強度の中で変動する。
【００３４】
地球局２４の受信機３２では、各レンズレット７０が、ＡＭまたはＦＭ変調された変動する光ビーム６４の各部分を集める。レンズレットのアレイ６２によって集められる全体が、受信信号ビーム６６として示される。各レンズレット７０は、各々の集めたエネルギーを、収束するビームレットとして、光信号をアレイ内の光電子検出器８０に伝播する、関連する光ファイバ７２上に集中させる。検出器は光信号を電気信号に変換する。その電気信号は、５０オーム負荷８９へ、ストリップ線路８４を下って伝播される。伝播する電気信号は、ストリップ線路８４の外側に電界９０を生成する。その電界は、電気光学結晶８２の表面を貫通し、時間依存の偏光回転あるいは位相変化をプローブ・ビーム８６上に誘発する。アレイ内の各検出器８０は、各々の光ファイバーによって運ばれた受信光信号に対応して、回転変化または位相変化を誘因する。λ／２波長板９４および偏光子９６は、合成されたプローブビームへの回転または位相変化の合計を、時間依存の変調光信号に変換するよう調整される。プローブ高速検出器１００は、これを、衛星送信機３０によって伝送された変調光信号を表わす電気信号に変換する。これは、所望されるように電気信号を復調し、さらなる処理を行う信号プロセッサ１０６に印加される。
【００３５】
光電子検出器アレイ１１０の代替的な実施形態が、図７に示される。装置１１０のエレメントの多くが、上に記述された図５および６に示された装置内の同じ部分と一致しており、従って、図７の装置の各部には、上述され図１に示された装置の同じ部分に適用された参照番号に対応する参照番号が適用されている。
【００３６】
図５で示される構造と図７で示される構造との間の根本的な差は、図７で示される構造がマッハ・ツェンダ干渉計１２０を含んでいることと、λ／２波長板あるいは偏光子を組み込んでいないということである。各々の信号光検出器８０が、プローブ・ビーム８６の位相変化の合計に寄与する。ファイバ・ベースのマッハ・ツェンダ干渉計１２０は、参照レッグ１２２と、電気光学結晶８２を通るプローブ・ビームの経路を含む調整可能レッグ１２４とを含む。上述されたように、結晶を通るプローブ・ビームの通過は、光電子検出器８０によって発生された電気信号に依存して変化した。
【００３７】
本発明のシステムと方法は、他の多くのタイプの光干渉計を利用することができる。光干渉計は、別個の２つの光学通路へ光を分割し、次に、強め合う干渉および弱め合う干渉を表すことができる光出力を生成するように、この光を干渉計を用いて再結合する。光の波長、および干渉計の２つのレッグの相対的な光路長が、光が組み合わされる場合に起こる干渉の特定状態を決定する。この干渉の状態が、出力であるか、あるいは光強度出力が無くなる場合である弱め合う干渉であるどうかを決定する。干渉計の２つの光路長のうちの１つが調整可能となされる場合、干渉の状態は、強め合う干渉状態と弱め合う干渉状態の間で連続的に変化されることができる。干渉計１２０は、この位相変化を、プローブ高速光検出器１００によって検出される、時間依存の振幅変調に変換する役割をする。
【００３８】
動作において、光電子検出器８０上の光が、次々にプローブ・ビーム中の位相遅れを引き起こす。検出器８０上に光がない場合、位相遅れは生じない。このことが結果的に干渉計１２０の均衡を失わせて、光検出器１００に信号を供給する。
【００３９】
代替的に、所望のように、強め合うか弱め合うように発生される干渉パターンを変化するために、参照レッグの長さはλ／２だけ変化させることが出来、またその光信号は、増幅され、光検出器へ送られる代わりに光ファイバ・ネットワークを介して送信されることも可能である。したがって、その合成された信号は光である。
【００４０】
ここで図８および９を参照すると、光電子検出器アレイ１５０のさらに別の実施形態が示される。この実施形態は、光電子速度マッチド検出器アレイ（ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｖｅｌｏｃｉｔｙ  ｍａｔｃｈｅｄ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ  ａｒｒａｙ）と呼ばれる。この構成では、検出器８０のアレイが直線的に配列される。エレメントの多くは、記述され図５および図６に示されたものと同一であり、同じの数字が、同じのエレメントに適用されている。図９は、アレイ内の１つの光電子検出器８０を示す。示されるように、速度マッチド検出器８０は、Ｒｏｃｈｅｓｔｅｒ大学によって販売されているものが望ましく、光信号によって後ろから照らされる。信号が、光ファイバ７２および基板８５を通して検出器８０に伝送されることに注意すべきである。これは、検出器への光ファイバーの接続を容易にする。一般に、検出器にできるだけファイバを近づけることが望ましい。信号ビームの紫外線波長に対しては、後ろからの照明が最もよく作動することが発見されたが、そうでない場合は、前からの照明が使用される。
【００４１】
この光電子速度マッチ検出器アレイと図５に示された実施形態との間の根本的な差は、数字１６０で示された電気信号、および光プローブ・ビーム８６が同じ方向に伝播することである。
【００４２】
プローブ・ビーム８６の幅ｘと、光検出器８０の間の距離ｙとの比が、横縦比として定義される。相対的な横縦比は、要求されるアレイ時間応答、個々の光検出器８０の時間応答、およびマイクロストリップ線路８４と、電気光学結晶８２を通るプローブ・ビーム８６の伝播との間で達成される速度マッチングの度合いに依存する。ｘ＝５ミリメートルで、ｙ＝２０ミクロンの場合に、よい結果が得られることができると信じられている。
【００４３】
この実施形態では、信号ビーム６６が、光検出器８０に、光ファイバ７２および基板８５材料を通して伝送される。これは、終端抵抗８９までマイクロストリップ線路８６を下って伝播する電気的なパルスを発生する。伝播する電界９０は、電気光学結晶８２を貫通し、プローブ・ビーム上に、時間依存の偏光回転あるいは位相変化を誘発する。速度マッチ構成では、電気信号１６０および光プローブ・ビーム８６が、同方向に伝播するして、より小さな走行時間の広がり（高周波応答）および/またはより長い有効水晶長さ（プローブ・ビームの増加された変調度差）を導く。
【００４４】
２つの時間補償アーキテクチャが、図１０および１１に示され、引き続き記述されるであろう。時間補償の方法論は、読み取り光ビームが伝播するために必要とされる時間により、直列の読み取りビーム形態において生じる光の遅れを修正するための手段を提供する。
【００４５】
ｎが材料の屈折率で、ｄが距離で、ｃが光速とすると、この伝播時間はｔ＝ｎｄ／ｃである。大きなアレイでは、この伝播遅延は、受信機の時間応答をひどく低下させ得る。例えば、直径１５ミクロンの検出器の千個のエレメント・アレイなら、読み取りに９０ｐｓかかるだろう。これは一般的な光検出器の時間応答より２０倍遅い。時間補償アーキテクチャで、伝播遅延が蓄積しないように、光検出器への信号ビームの到着が、読み取り（プローブ）ビームの到着と同期するように（図１０で示されるように行毎に、あるいは図１１で示されるようにエレメント毎のいずれかで）なされる。これは受信機の帯域幅の低下を回避する。これは、所定のやり方で、等価な（補償する）光の遅延を信号ビーム６６に差し込むことにより達成される。
【００４６】
図１０は、図５、７および８で示される装置のような、数字２００で大まかに図解される、直列の光電子読み取り装置のための１次元時間補償システムを示す。システム２００の多くの部分、上に記述された図５および７で図解された装置内の同じ部分と構造において同一であり、従って、上述され、図５および７に示された装置の同じ部分に適用された参照番号に対応する参照番号が、図１０内のシステムの各部に適用されている。集められた光信号６６は、時間補償エレメント（ＴＣＥ）２０２に到着する。ＴＣＥ２０２は、数社の光装置製造業者から商業的に利用可能である種類の光学くさびを含む。光学くさびは、（ｍ、ｉ）マトリクスとして構成される。ＴＣＥ２０２が光ファイバ・アレイ７４の前面に横たわっている。時刻ｔs＝ｔosでの光信号が、ＴＣＥ２０２を通って伝わり、時刻ｔs＝ｔos＋ｔcm＋ｎfｄfmi／ｃにファイバの終端の光電子検出器（示されていない）に伝播する、ただし、ｔcmはＴＣＥ２０２のｍ行での遅延時間で、ｎfは光ファイバ７２の屈折率で、ｄfmiはｍ行のｉ列での光ファイバの長さで、ｃは光速とする。
【００４７】
ファイバ７２が同じ長さで、時間補償エレメントが含まれない場合、プローブ・ビーム８６および信号ビーム６６は、アレイの時間分解能を低下させるｎ1ｄ11mi／ｃに等しい時間エラーを蓄積する。ｔcm＝ｎ1ｄm1miを持つ時間補償光エレメント２０２は、時間的劣化が減少されるように、アレイの各行のポイントでプローブ・ビーム８６および光信号ビーム６６を同期するために作用する。
【００４８】
このように、各行が補償される。なかでも特に、各行の中の中心エレメントはプローブ・ビーム８６と同期させられる。各行の中の他のエレメントは同期されていないことに注意すべきである。したがって、この技術は、そのことに関係するあるいくつかの時間分解能エラーを持ち、それは時間ジッタに類似するだろう。正方形のファイバ束７４に対しては、１次元の時間補償スキームは、同じ時間分解能（周波数帯域幅）で、ファイバの数が二乗される（つまり、１０のファイバが１００のファイバになる）ことを可能にする。
【００４９】
図１１は、エレメント毎の時間補償アーキテクチャを示す。光信号ビーム６６は時刻ｔs＝ｔosにファイバ・アレイ７４に到着し、時刻ｔs＝ｔos＋ｎfｄfm／ｃにファイバの終端に伝播する、ただし、ｎfはファイバ７２の屈折率、ｄfmはファイバｍの長さ、ｃは光速である。
【００５０】
ファイバ７２が同じ長さで、時間補償エレメントが含まれない場合、プローブ・ビーム８６および信号ビーム６６は、アレイの時間分解能を低下させるｎ1ｄ1m／ｃに等しい時間エラーを蓄積する。しかしながら、本発明に従って、ファイバの長さが、ｎf（ｄfm−ｄf1）＝ｎ1ｄ1mとなるように調整されるので、プローブおよび信号ビームがアレイ中の各ポイントで同期させられる。したがって、この実施形態は、プローブ・ビームの光読み取りを低下させない。
【００５１】
図１２を参照すると、偏光多重化のための光アーキテクチャ２５０が示される。図示されるように、偏光された光源ビーム６４が、衛星２２で参照アーム４６を介して光送信機３０によって生成される。従って、光源ビーム６４は、直交する２つの偏光信号を発生し、その両方が同じ波長で、その一方の信号ビームが情報を保持し、他方の参照ビームが参照を保持する。受信機３２は、偏光の直交性を調整するために半波長板２５２を含む。
【００５２】
適切に調整された時、偏光された信号ビームの混合は全く発生しない。これにより、受信機の偏光が送信機に合わされる。偏光子２５４は、受信された光源ビーム６６を、その信号成分２５６およびその参照成分２５８に分割する役割をする。信号ビーム成分２５６は、光ファイバ・アレイ７４に与えられ、次に、前に記述されたように処理のために個々のファイバ７２を通して検出器アレイに与えられる。参照ビーム成分２５８は、アレイ７４と同様の構成を持つ参照光ファイバ・アレイ２６０に与えられ、次に、参照検出器アレイ２６２に与えられる。アレイ２６２およびそれに続く信号処理コンポーネントは、前に記述された検出器アレイと同様である。この構成は、信号ビームと参照ビームを同時に受信することを可能にする。両方のビームは、それらが同じ光の経路に沿って伝播しているので、同じ収差および歪みを保持している。この構成は、未変調のバックグラウンドを除去するのに役立ち、受信機帯域幅を増大させることができる振幅変調スキームを可能にする。
【００５３】
従って、光電子通信システムおよび受信機と、渦巻き環境を通過する光信号を受け取るための方法が提供される。このシステムでは、受信機が、伝送された光信号を表わす電気信号を発生するように構成される光電子検出器のアレイを含む。また、時間補償アーキテクチャが開発された。
【００５４】
上記の教えの観点から見て、明らかに、本発明の多くの変更および変形が可能である。したがって、添付された特許請求の範囲内で、特に上に記述されたものとは別のやり方で、本発明が実行されうることが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１Ａ，ＢおよびＣは、１つの光信号が３つの異なる時刻に、大気のような乱流媒体を通して伝送される時の光信号パターンを示す図である。
【図２】本発明に従った光電子通信システムのブロック図である。
【図３】光送信機および光受信機のブロック図である。
【図４】本発明に従った光送信機および光電子受信機を図解的に示す透視図である。
【図５】本発明に従った光電子受信機の中で使用される光検出器の光電子アレイを示す図解である。
【図６】図５で示される光電子光検出器アレイのうちの１つのエレメントの図解である。
【図７】本発明に従った光電子受信機の中で使用される光検出器の光電子的アレイの別の実施形態である。
【図８】本発明に従った光電子受信機の中で使用される光検出器の光電子アレイの代替的な実施形態を示す図解である。
【図９】図８で示される光電子光検出器アレイの１つのエレメントの図解である。
【図１０】本発明に従った光電子光検出器と共に使用するための、時間補償を提供するための構成を示す図解である。
【図１１】本発明に従った光電子光検出器と共に使用するための、時間補償を提供するための別の実施形態の図解である。
【図１２】本発明に従った偏光多重化を提供するよう構成された光電子受信機の一部の図解である。
【符号の説明】
１０  高速検出器
３０  光送信機
３２  光電子受信機
５６  光送信機ファイバ・アレイ
５８  相互接続
５９  ブラッグ回折格子
６０  レンズ・レット
６２  レンズレット・アレイ
７２  光ファイバ
７４  光ファイバ・アレイ
８２  電気光学結晶
８４  プローブ・レーザ
８５  非導電性基板
９２  光ファイバ
９４  波長板
９６  偏光子
１００  プローブ高速光検出器
１０６  信号プロセッサ
１２０  マッハ・ツェンダ干渉計
１２２  参照レッグ
１２４  調整可能レッグ
１５０  光電子検出器アレイ
２００  １次元時間補償システム
２０２  時間補償エレメント（ＴＣＥ）
２５２  半波長板
２５４  偏光子
２６０  参照光ファイバ・アレイ
【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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【図１１】
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【図１２】
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