JPH11289124A - 自由空間における光通信システムのための量子光学的増幅装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来の光増幅装置は、体積および重量が大き
く、構成が複雑で大量の熱を発し、しかも増幅率が悪い
という問題点があった。 【解決手段】 そこで本発明による量子光学的増幅装置
は、自由空間における光通信システムに関する変調光の
量子光学的増幅装置であって、偏光角により選択的に反
射する膜（１０４），（１０６）と、これらにより互い
に境界設定される近接の複数の結晶（６６），（６
８），および（７０）とからなる。光線（４）は、四分
の一波長板（８６），（８８），（９０），（９２），
および（９４）における結晶の端面領域で繰り返し反射
して、偏向角を９０度だけ回転する。この光増幅装置に
よれば、簡単な構成のため、小型にして軽量かつ機械的
に頑健であって、しかも光を結晶内の励起領域中を繰り
返し反射・通過させることにより高い光増幅率が得られ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、変調光を量子光学
的に増幅する装置に関し、とりわけ光学的な自由空間に
おける通信システムに関する。

【０００２】

【発明の背景】近未来において、人工衛星間、ならびに
人口衛星および地上ステーション間の自由空間における
光通信システムは、既存のマイクロ波技術の重要な補完
要素となり、しかも人工衛星に搭載する重量を節減す
る。いわゆる光端末は、１つまたはいくつかの望遠鏡か
らなり、この望遠鏡は、相手方ステーションの方向にあ
る光学的レシーバの視野角の範囲領域を限定し、伝播信
号を指向性高く発信する。さらに、光端末は、いくつか
の移動可能な鏡を有し、これにより発信および受信方向
を調整する。光端末にとって、送信プロセスを構成する
相手方ステーションの光送信出力を直接に検出するだけ
でなく、受信した光とローカルな発信レーザの同一周波
数を有する光に、可干渉に重ね合わせることは重要な機
能である。というのも、検出すべき信号に対する高い感
度だけでなく、背景輻射による干渉の強度も重要だから
である。

【０００３】レーザダイオードは、ファイバ光通信で広
範囲に応用されたため、高度に開発が進んでいるが、さ
らに少なくとも、強度変調動作を行う簡単なシステムに
置き換わるものであることを示し、加えて空間および重
量の点で節減する。しかし、これまで行われてきたよう
に、単一の光周波数上でしか動作しないにもかかわら
ず、付属的に取り付けた大きな共鳴装置の複雑な構成に
よらなければ、まだ可干渉性の送信プロセスに適したも
のではない。その理由は、この送信された光周波数のス
ペクトル幅が依然としてあまりにも大きいためである。
ファイバ光学的な可干渉性送信システムによれば、通常
の商業利用できるレーザダイオードで動作するが、案内
される送信方向により、比較的大きな光出力が検出され
る。

【０００４】しかし、自由空間送信における干渉的に存
在する背景輻射、これと同様に、極めて弱い受信信号エ
ネルギによれば、未変調信号の光学的バンド幅が変調バ
ンド幅よりも相当に狭いことを要件とする。この要件
は、大きさが小さく重量が軽いレーザダイオードにより
励起される固体レーザを用いると、最も適合する要件で
ある。動作に必要なレーザシステムを、自由空間で光通
信するために端末に統合しようとするこれまでの試みに
ついて、カールソンらの他、マーシャレックらによって
開示されてきた（Ｒ．Ｔ．カールソンらによる「モノリ
シックなガラスブロックのレーザ通信端末：着想および
試験結果に関するハードウェア的な立証」ＳＰＩＥ２３
８１号、自由空間レーザ通信技術VII、２月７−８，１
９９５年、カリフォルニア州サンノゼ、９０頁から１０
２頁。Ｒ．Ｇ．マーシャレックらによる「低地球軌道の
人工衛星配列のための軽量・高速データ速度レーザ通信
端末」ＳＰＩＥ２３８１号、自由空間レーザ通信技術VI
I、２月７−８，１９９５年、カリフォルニア州サンノ
ゼ、７２頁から８２頁。）。

【０００５】両方の著者グループは、端末の光学的装置
に機械的に接続し、コリメートされた光線により光学的
装置内に光放射を案内するレーザシステムについて記述
している。しかし、先行技術においてはレーザダイオー
ドが用いられている。

【０００６】レーザダイオードにより励起される固体レ
ーザは、嵩が大きく、効率が低く、匹敵するレーザダイ
オードよりも大量の不要な熱を発生する。光学システム
の近くで発生する熱量が増大すると、光学装置の安定し
た動作に対する障害となることが立証されている。

【０００７】レーザダイオードにより励起される固体レ
ーザの変調能力が不充分ならば、さらなる問題を提起す
ることになる。光増幅媒体は、レーザダイオードと比べ
ると、励起エネルギの供給後も比較的長い間励起状態を
維持する。さらに、このようなレーザの共鳴装置は、レ
ーザダイオードよりも相当に大きい。その結果、例え
ば、約１００ｋＨｚのカットオフ周波数が増幅変調のた
めには典型的なものとなる。低いカットオフ周波数を有
する電気光学的なモジュレータを使って、高い光出力を
処理しなければならないので、これに要求される外部変
調は実現するのは非常に困難である。

【０００８】レーザ光の外部変調は、高いカットオフ周
波数で、光が導波路内に案内されるモジュレータ内で実
施される。これにより、変調電圧を供給する電極間の相
互微小距離を実現し、よって低い変調電圧を許容する。
光導波路の狭い断面に起因する光学的強度の増大に伴
い、この方法では低い光出力しか得られず、変調された
光信号はさらに増幅する必要がある。このようにするた
めには、例えば、エルビウムがドープされたファイバ増
幅装置を用いて、例えば、変調された光信号をさらに増
幅する手段により、ファイバで案内された光通信で自ら
を立証したプロセスおよび装置を用いることが必要であ
る（Ｔ．アラキ、Ｍ．ヤジマ、Ｓ．ナカモリ、Ｙ．ヒサ
ダによる「中間軌道の高速データ光通信」ＳＰＩＥ２３
８１号、自由空間レーザ通信技術VII、２月７−８，１
９９５年、カリフォルニア州サンノゼ、２６４頁から２
７２頁。）。

【０００９】レーザダイオード励起の固体レーザの代わ
りに、とりわけさらに光を増幅するために、適当な搬送
波増幅装置も利用することができる。スペクトル幅が狭
いために自由空間における光通信にとって極めて有用
な、とりわけレーザダイオード励起のネオジウムＹＡＧ
固体レーザに関して、同一技術のレーザ動作装置が利用
できる。増幅すべき光は増幅結晶に案内され、そこで光
線のフォトンは、限定された確率で、物質特有の性質に
依存して長時間に亙って比較的に安定した、光学的に励
起状態にある原子に当たる。この比較的安定した状態
は、原子の励起状態とより低いレーザ準位との間の差異
と同じエネルギを有するフォトンによって妨害され、こ
れにより関連する原子は、同一の波長（つまり同じエネ
ルギ）および位相を有するフォトンを追加的に放出す
る。

【００１０】原子の励起状態はいわゆる励起光により誘
導され、励起光は、増幅される光よりも一般に短波長を
有し、そのフォトンが有するエネルギに対応して原子を
励起状態に転移させる。このとき原子は、比較的に安定
した状態から、非励起状態のより低いレーザ準位と、増
幅される光のフォトンエネルギに相当するエネルギ差を
有する状態に自発的に変化する。光が増幅媒体中を伝播
する際に、増幅すべき光が数多くの励起原子に出会う
と、光の増幅率が高くなる。したがって、励起原子の体
積密度を相当に高くすることが必要である。しかし、単
位時間当たりの励起原子の特定領域は、その励起状態に
ある平均寿命が限られているため、より低いレーザ準位
に自発的に移行し、この過程で生じるフォトンは、光を
増幅する際に消失していくものなので、増幅すべき光が
存在しなくても、励起原子の体積密度状態を高く維持す
るためには、高い強度を有する光を継続的に媒体に注入
する必要がある。励起光の励起強度が低ければ、このよ
うな装置の増幅率は高くなるが、実効性は極めて小さ
い。一方、増幅すべき光の強度がすでに高い場合、すな
わち、大部分のフォトンが増幅媒体を通過し、励起原子
の密度が小さくなる場合、追加的なフォトンの励起発光
の割合が高くなるので、増幅率は低くなる。

【００１１】励起光により励起された各原子は、短い平
均時間後、増幅すべき光のフォトンにより誘導されてよ
り低いレーザ準位に転移する。励起原子は、比較的に長
い平均寿命を有するので、高い強度における実効性およ
びより低い増幅率が高くなり、その結果、より低いレー
ザ準位への自発的で役に立たない転移が生じる確率は比
較的に小さい。

【００１２】より低いレーザ準位への誘導転移が同時に
起こる確率が高い場合、高い増幅率を得るためには、増
幅媒体中の励起原子密度が低いにもかかわらず、励起原
子がより低いレーザ準位に誘導転移する際に生じる追加
的なフォトンの平均数を大きくする必要がある。これは
主に、増幅すべき光を、励起光を照射した増幅媒体の領
域中の経路をできるだけ何度も通過するように導波する
ことにより実現される。励起原子の体積密度が一定なら
ば、増幅すべき光の各フォトンに対して追加的に誘導発
光するフォトンの発生確率は、増幅媒体中の通過する回
数に乗じて得られる。

【００１３】したがって、励起エネルギが小さくとも、
比較的に高い増幅率を得ることが可能となる。しかし、
公知技術による装置によれば、相当の空間および質量を
必要とするいくつかの要素から構成されていたため、空
間伝播通信に特有の要件をあまり満足するものではなか
った。またいくつかの改良品では、機械的な安定性が不
充分であるという問題を残した（Ｔ．Ｊ．ケイン、Ｅ．
Ａ．Ｐ．チェン、Ｂ．ニューエンによる「ダイオード励
起のネオジウム：５２ｄＢゲインＹＡＧ増幅装置」ＳＰ
ＩＥ２３８１号、自由空間レーザ通信技術VII、２月７
−８，１９９５年、カリフォルニア州サンノゼ、２７３
頁から２８４頁。Ｔ．Ｅ．オルソン、Ｔ．Ｊ．ケイン、
Ｗ．Ｍ．グロスマン、Ｈ．プレズマンによる「多数ダイ
オード励起ネオジウム：1.96μｍおよび1.32μｍＹＡＧ
光学装置」光学レター６巻５号１９９４年５月６０５頁
から６０８頁）。

【００１４】空間通信技術の応用装置のさらなる問題
は、励起光を形成するのに用いられるダイオードレーザ
が限られた寿命を有することにある。したがって、レー
ザダイオード励起による固体レーザ装置およびレーザ励
起の光学的増幅装置において、故障したレーザダイオー
ドを代替できるようにするため、いくつかのレーザダイ
オードを保有しておく必要がある。

【００１５】しかし、レーザダイオードを余分に保有す
ると、個々のレーザダイオードが発する光を切り換える
光学的装置が必要となる。

【００１６】

【発明の概要】したがって、以下に詳述する本発明の目
的は、先行技術が有する問題点を回避しつつ、複数経路
を有する固体増幅装置を採用することにより、高い増幅
率および実効性をもって量子光学的に光を増幅すること
にある。

【００１７】低い光エネルギで動作する、レーザダイオ
ードにより励起される固体レーザからの光は、光学的な
分離装置を通過すると、一般に、広域帯情報信号で位相
変調するために導波モジュレータに入射する。変調信号
は、その後さらに光学的に増幅されるが、レーザダイオ
ードにより励起される増幅装置、またはドープされた光
学的ファイバにより実現される。本発明のダイオードレ
ーザにより励起される増幅装置の基本部品は、適当な形
状を有するレーザ媒体（以下、結晶という。）からな
り、関連する２つのビームに沿ったレーザダイオードか
らの励起光で励起される。増幅すべき光は、このように
して結晶に入射すると、励起された結晶から出射するま
でに、いくつかの反射膜での反射により、励起光による
励起領域に沿って、結晶内を何度も伝播する。反射膜
は、結晶の側面に直接に固定するか、あるいは結晶面の
ごく近傍に配置した各四分の一波長板上の結晶面と反対
側に配置する。

【００１８】この発想によるさらなる改善点は、偏光角
により選択的に反射する膜により分離される２つの結晶
からなる増幅媒体を有することにあって、増幅すべき光
は、励起光により励起された結晶領域を８回通過し、そ
の他の結晶を２回通過する。この過程では、１つの鏡と
ともに、２つの、結晶面上に鏡と一体となった四分の一
波長板が利用される。

【００１９】両方の増幅装置には、レーザダイオードに
よる励起光が供給される。励起光を、余分に供給された
いくつかのレーザダイオードから多重モードの光ファイ
バに案内することができ、その出力は、ビーム形成光学
装置を通じて増幅装置の結晶内に案内することができ
る。

【００２０】さらに詳述する改良は、２つの関連して設
けた四分の一波長板を有する追加的な結晶、および関連
する偏光角により選択的に反射する膜を、さらに詳述す
る改良点による量子光学的な増幅装置の結晶間に挿入
し、ここで励起光は四分の一波長板、および波長により
選択的に通過させる鏡を通過する。このとき、増幅すべ
き光が通過する光学的励起領域の通過回数は、各々２回
づつ増加する。

【００２１】この装置によれば、増幅すべき光が光学的
励起領域を通過する回数を多くすることができるので、
高い増幅率が得られるという利点を有する。加えて、量
子光学的な増幅装置によるこうした構造は、とりわけ機
械的に頑健であり、質量および空間の増加分は比較的に
小さい。量子光学的な増幅装置の４準位システムに関す
るさらなる利点は、１つの光学的な励起領域において光
励起エネルギが損失または低減しても、増幅すべき光の
媒体は光を吸収しないということにある。したがって、
１つの光励起領域に関する異なる励起光源を検出するた
めの、特有の機械的に動作する光学的なスイッチング装
置を利用しなくて済むので、光励起領域を形成するため
に、余分に設けた励起光源を異なる位置に配置すること
ができる。

【００２２】本発明の細部、特性、および利点は、クレ
ームおよびクレームを組み合わせることにより得られる
特性のみならず、好適な実施例に関する以下の説明から
も享受できる。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１は、単一結晶２の形態で実施
された量子光学的な増幅装置を示す。光線４は偏光ビー
ムスプリッタ６に入射する。そして入射光がファラデ回
転子８を通過すると、光線４の偏向角が４５度回転する
ようにしてある。符号１２で示すように、図面平面に平
行な偏光角を有する光線４は、レンズ１０を通過して、
結晶２の偏光角により選択的に反射する膜１４における
ポイント１６に導かれる。このような状況に調整するた
めには、結晶２の膜１４および偏光ビームスプリッタ６
に関し、偏光ビームスプリッタ６が図面平面に対して偏
向角を４５度だけ回転するように設定する必要がある。
光線４は、ポイント１６を通過すると、ライン２６に沿
って四分の一波長板１８の方向に、媒体であるより光屈
折率の大きい結晶２を通過して伝播する。四分の一波長
板１８は、結晶２の適当な表面に直接に固定される。光
線４が反対方向にできるだけ完全に反射するように、結
晶面上に四分の一波長板１８は被膜処理される。他方、
注入光線２４は、できるだけ損失を少なくして四分の一
波長板１８を通過する。注入光線２４は、結晶２の一部
領域を光学的に励起することにより、光線４とできるだ
け重なり合う光線４を光学的に増幅する。

【００２４】四分の一波長板を経由する２つの経路によ
り、結晶２内の戻り光線４の偏光角は、結晶４の表面１
４のポイント１６で四分の一波長板１８の方へ屈折する
光線４の偏光角と直交関係にある。光線４は、結晶２内
のライン２６に沿って、表面１４に向かって伝播し、偏
光角により選択的に反射し、その結果、鏡２０の方向に
向かいポイント１６で反射する。鏡２０は、鏡に向かっ
て伝播してきた光線４のできるだけ多くの部分を、ライ
ン２８に沿って反対方向に反射する。そして結晶２をラ
イン２８に沿って光学的に励起するために、さらに励起
光源２２のできるだけ多くの部分が、波長選択的なもの
として構成される鏡２０を通過して結晶内に導かれる。
あるいは、鏡２０を結晶面上に直接に被膜してもよい。
鏡２０での反射の後、光線４は、偏光角がそのままで、
ライン２８に沿ってポイント１６の方向に伝播し、表面
１４上で２回目に反射し、ライン２６に沿って四分の一
波長板１８の方向に伝播する。このときの光線の偏光角
は、ポイント１６で結晶内に屈折する光線４の偏向角と
は直交する。光線４は、再度、結晶２上の四分の一波長
板１８および通過経路上で反射すると、再びポイント１
６の方向に伝播し、偏光角は最初に結晶に入射した光線
４の偏向角と比して平行となる。こういう理由で、光線
は、ポイント１６において反射せず、レンズ１０の方向
に屈折する。ファラデ回転子を通過する光線は、光線４
の反射光とともに、入射光と比して直交方向に偏光さ
れ、偏光ビームスプリッタ６でライン３０の方向に伝播
する。光線４は、結晶２の光学的に励起された領域を合
計６回通過する。光線４は、ライン２６に沿って関連す
る光学的励起領域を合計４回通過する。このとき各伝播
方向、およびこれに関連して互いに直交する２つの偏向
角が、利用される。光放射は、ライン２８に沿って関連
する光学的励起領域を、同一の直線偏光を有する２つの
反対の伝播方向に通過する。

【００２５】光線４は、図２の装置内の光学的励起領域
を通過する。図１の装置のように、光線４はまず、偏光
ビームスプリッタ６、ファラデ回転子８、そしてレンズ
１０を通過して、符号１２で示す偏光角で第１の結晶３
２に入射する。光線は、ライン３８に沿って伝播する
と、偏光角により選択的に反射する膜３６を通過して第
２の結晶３４に達し、ライン４０に沿って四分の一波長
板４２の方向に伝播する。この四分の一波長板４２は、
図１の四分の一波長板１８と設計上同等のものである。
励起光源４４の実施例は同様に、図１の励起光源２４の
実施例と同等のものである。ライン３８および４０に沿
って第１の四分の一波長板４２の方向に向かって伝播し
てきた光線４は、この四分の一波長板４２で反射する
と、偏向角が９０度回転し、ライン４０に沿って反対方
向に伝播し、偏光角により選択的に反射する膜３６で反
射して、第２の四分の一波長板４８の方向に伝播する。
この四分の一波長板４８の実施例は、図１の四分の一波
長板１８と同等のものである。励起光源５０は、上述の
励起光源すべての実施例と同等のものである。光線４
は、四分の一波長板４８で反射した後、偏向角を再び９
０度回転して、ライン４６に沿って四分の一波長板４８
から、偏光角により選択的に反射する膜３６に向かって
伝播し、そして第１の結晶３２を通過してライン５２に
沿って鏡５４の方向に伝播する。この実施例における鏡
５４は、図１の鏡２０と同等のものであり、励起光源５
６は、これまでの実施例のものと同等のものである。光
線４は、鏡５４で反射した後、膜３６で反射することな
く、再び反対方向に向かって結晶３２および３４を通過
する。さらに光線４は、四分の一波長板４８で反射する
と、偏向角が９０度回転するので、膜３６で反射し、ラ
イン４６および４０に沿って四分の一波長板４２の方向
に向かって伝播する。光線４は、次に四分の一波長板４
２で反射した後は、偏向角が再び９０度回転しているの
で、膜３６で反射することなく、ライン４０および３８
に沿って結晶３４および３２を通過する。結晶３２から
出射する光線４は、図１で説明した手法で分離される。
この実施例では、光線４は、光学的励起領域を合計１０
回通過する。２つの伝播方向および偏向角を有する光線
は、結晶３４内のライン４０に沿って４回通過し、同様
にライン４６に沿っても４回通過する。２つの伝播方向
および符号１２で示す偏向角を有する光線は、結晶３２
内のライン４０に沿って２回通過する。

【００２６】図２の鏡５４と第３の四分の一波長板６４
で置き換えると、この装置に入射する光線と出射ビーム
とを分離するための光学的分離装置が必要なくなり、装
置の質量および体積を相当に低減することができる。

【００２７】図３で示す実施例では、光線４は、偏光ビ
ームスプリッタを通過して符号５８で示す偏向角で放射
し、レンズ１０を通過し、偏光角により選択的に反射す
る膜３６で反射することなく、ライン３８および４０に
沿って結晶３２および３４を通過する。光線は、四分の
一波長板４２で反射すると、偏向角が９０度回転して、
ライン４０に沿って反対方向に伝播するので、偏光角に
より選択的に反射する膜３６で反射して、四分の一波長
板４８の方向に伝播する。光線は、ライン４６に沿って
伝播して四分の一波長板４８で反射すると、偏向角が９
０度回転してライン４６に沿って反対方向に伝播する。
光線は、膜３６で反射することなく結晶３２に入射し、
ライン５２に沿って四分の一波長板６４の方向に伝播す
る。この四分の一波長板６４は、四分の一波長板４２お
よび４８の実施例と同等のものである。光線４は、四分
の一波長板６４で反射すると、偏向角が９０度回転し
て、ライン５２に沿って反対方向に伝播するので、偏光
角により選択的に反射する膜３６で反射して、ライン３
８の方向に伝播して、結晶３２から、レンズ１０を通過
して、偏光ビームスプリッタによりライン３０の方向に
出射する。結晶３２から出射した光線４は、符号６０で
示す偏向角を有する。この実施例では、光線４は、結晶
３２および３４の光学的励起領域を６回通過する。ライ
ン４０、４６、および５０に沿って四分の一波長板４
２、４８、および６４に入射する側に配置される光学的
励起領域は、互いに直交する各々の偏向角を有する伝播
方向に光を通過させる。

【００２８】図４で示す装置によると、光線４が光学的
励起領域を通過する回数をもっと増やすことができる。
光線４は、偏光ビームスプリッタ６、ファラデ回転子
８、およびレンズ１０を通過すると、符号１２で示す偏
向角を有し、まずライン７２、７４、および７６に沿っ
て結晶６６、６８、および７０を通過し、第１および第
２の偏光角により選択的に反射する膜１０２および１０
４で反射することはない。光線４は、四分の一波長板８
６で反射すると、偏向角が９０度回転して、ライン７６
に沿って反対方向に伝播し、偏光角により選択的に反射
する膜１０４でライン７８の方向に反射する。さらに光
線４は、四分の一波長板８８で反射すると、再び偏向角
が９０度回転して、ライン７８および８０に沿って反対
方向に伝播し、結晶７０から６８に入射する際には反射
しない。光線４は、四分の一波長板９０で反射すると、
偏向角が９０度回転して、ライン８０に沿って反対方向
に伝播し、偏光角により選択的に反射する膜１０４で反
射して、ライン７４で示す経路上に伝播する。そして光
線４は、偏光角により選択的に反射する膜１０６でライ
ン８２の方向に反射し、四分の一波長板９４で反射する
と、再び偏向角が９０度回転して、反対方向に伝播す
る。光線４は、ライン８２および８４に沿って鏡９２の
方向に伝播し、この鏡で偏向角をそのままにして反対方
向に伝播する。光線４が再度、偏光角により選択的に反
射する膜１０６で反射せずに、通過すると、再び四分の
一波長板９４で反射して、偏向角が９０度回転し、ライ
ン８２に沿って偏光角により選択的に反射する膜１０６
の方向に伝播して反射し、ライン７４に沿って伝播し
て、別の偏光角により選択的に反射する膜１０４で反射
することにより、ライン８０に沿って四分の一波長板９
０の方向に伝播する。このとき光線４の偏向角が９０度
回転しているので、光線４は、偏光角により選択的に反
射する膜１０４では反射することなく、ライン８０およ
び７８に沿って通過する。光線４は、四分の一波長板８
８で反射すると、ライン７８に沿って偏光角により選択
的に反射する膜１０４の方向に伝播し、ライン７６に沿
って四分の一波長板８６の方向に反射する。光線４は、
四分の一波長板８６で反射すると、偏向角が９０度回転
する。したがって光線４は、反射することなく、偏光角
により選択的に反射する膜１０４および１０６を通過
し、ライン７６、７４、および７２に沿って通過し、レ
ンズ１０を通過した後、ファラデ回転子８および偏光ビ
ームスプリッタ６により分割される。この実施例では、
光線４は、光学的励起領域を合計１８回通過する。この
通過回数は、光線４が四分の一波長板８６、８８、９
０、および９４の入射側に配置された光学的励起領域を
各々４回づつ通過し、鏡９２の入射側に配置された光学
的励起領域を２回通過したことを合算した回数である。

【００２９】図５は、この装置の別の実施例を示し、図
４の基本的機能を示し、質量および体積の大きいファラ
デ回転子を省略したものである。符号５８で示す偏向角
を有する光線４は、偏光ビームスプリッタ６２およびレ
ンズ１０を通過すると、まずライン７２、７４、および
７６に沿って結晶６６、６８、および７０を通過して、
偏光角により選択的に反射する膜１０６および１０４で
反射することはない。光線４は、四分の一波長板８６で
反射すると、偏向角が９０度回転し、らいん７６に沿っ
て反対方向に伝播し、偏光角により選択的に反射する膜
１０４でライン７８の方向に反射する。光線４は、四分
の一波長板８８で反射すると、反対方向に伝播し、再び
偏向角が９０度回転し、ライン７８および８０の方向に
伝播する。光線４は、結晶７０から結晶６８に入射する
際、反射することはない。光線４は、四分の一波長板９
０で反射すると、偏向角が９０度回転し、ライン８０の
方向に伝播し、四分の一波長板１０４でライン７４で示
す伝播経路に反射する。さらに光線４は、偏光角により
選択的に反射する膜１０６でライン８２の方向に反射
し、四分の一波長板９４で反対方向に反射し、偏向角は
９０度回転する。光線４は、ライン８２および８４に沿
って四分の一波長板１１０の方向に伝播する。ここで光
線４は、偏向角が９０度回転して、ライン８４に沿って
反対方向に伝播し、偏光角により選択的に反射する膜１
０６でライン７２の方向に反射する。光線４は、結晶６
６から出射すると、レンズ１０を通過し、符号６０で示
す偏向角が結晶６６に入射する光線４と比して直交して
いるので、偏光ビームスプリッタ６２でライン３０の方
向に反射する。図５で示す装置では、光線４は、結晶６
６、６８、および７０の光学的励起領域を合計１０回通
過する。この通過回数は、光線４が四分の一波長板８
６、８８、９０、および９４と、鏡１１０の入射側に配
置された光学的励起領域を各々２回づつ通過したことを
合算した回数である。各通過時において、光線４は両方
向に互いに直交する偏向角を有する。

【００３０】図４および５で示す装置は、結晶６８、偏
光角により選択的に反射する膜１０４、四分の一波長板
９０，９４、および励起光源９８，１０２を追加した量
子光学的増幅装置とすることにより、光線４を任意の通
過回数だけ光学的励起領域に通過させることができる。

【００３１】上記説明上の実施例で記述した結晶２、３
２、３４、６６、６８、および７０が、その材料を任意
に選択できるが、例えばバナジウム酸ネオジウム−イッ
トリウムのような光学的に等方性でなく光学的に単軸材
料であるならば、増幅すべき光線に対して、結晶の光軸
を垂直方向に調整する必要がある。結晶がそのように切
断された場合、グラン・フーコのプリズムの原理によ
り、図２ないし６の装置で光線を増幅するのに必要であ
った、偏光角による選択的な反射を実現することがで
き、これは単純で光学的に等方性空間による手段でもあ
る。加えて、隣接する結晶の異なる光軸方向によるグラ
ン・テーラのプリズムを実施することも可能である。

【００３２】図２ないし５で示す結晶３２、４３、６
６、６８、および７０の外形形状は、ここに示す形状に
限定されるものではない。例えば、図６は、図３を４５
度偏向ビームスプリッタキューブで構成した変形物であ
る。光学的同一軸結晶を採用する場合、ここでもこの実
施例を用いて、偏光角により選択的に反射する膜３６を
グラン・フーコのプリズムまたはグラン・テーラのプリ
ズムのように光学的等方性空間として構成することがで
きる。四分の一波長板６４はさらに、鏡で置換して、図
２で示す装置から類推される構成を実現することができ
る。加えて、図４および５の装置から類推される構成
も、結晶１６０および１６１と、偏光角により選択的に
反射する膜３６とからなるキューブを数珠繋ぎにするこ
とで実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 図１は、単一の結晶からなる量子光学的な増
幅装置を示す。

【図２】 図２は、２つの結晶からなる量子光学的な増
幅装置を示す。

【図３】 図３は、ファラデ回転子を有さない２つの結
晶からなる量子光学的な増幅装置を示す。

【図４】 図４は、３つの結晶からなる量子光学的な増
幅装置を示す。

【図５】 図５は、ファラデー回転子を有さない２つの
結晶からなる量子光学的な増幅装置を示す。

【図６】 図６は、２つの結晶からなる別の量子光学的
な増幅装置の変化物を示す。

【符号の説明】

４…光線、６…偏光ビームスプリッタ、８…ファラデ回
転子、１０…レンズ、２，３２，３４，６６，６８，７
０，１６０，１６１…結晶、１４，３６，１０４，１０
６…偏光角により選択的に反射する膜、２４，４２，４
４，４８，５０，６４，８６，８８，９８，１０２，１
１０…四分の一波長板、２２，５６，６４，１００…鏡

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 トーマス・グラフ スイス、ツェーハー−3012ベルン、アーホ ルンヴェーク９番 (72)発明者 ジャン−ミシェル・マヨール スイス、ツェーハー−1400イヴェルドン− レ−バン、リュ・ビュレ６番

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 自由空間通信システムにおける変調光の
   量子光学的増幅装置であって、 結晶（２）と、四分の一波長板（２４）と、鏡（２０）
   と、からなり、 励起光が四分の一波長板（２４）および鏡（２０）を介
   して結晶（２）に案内されることを特徴とする量子光学
   的増幅装置。
2. 【請求項２】 変調光の量子光学的増幅装置であって、 結晶（３２）と、四分の一波長板（４２）および（４
   ８）と、鏡（５４）と、偏光角により選択的に反射する
   膜（３６）と、からなり、 偏光角により選択的に反射する膜（３６）が、結晶（３
   ２）および（３４）の間においてその後の光進行を決定
   することを特徴とする量子光学的増幅装置。
3. 【請求項３】 鏡（５４）を四分の一波長板（６４）で
   置換することを特徴とする請求項２の量子光学的増幅装
   置。
4. 【請求項４】 四分の一波長板（９０）および（９４）
   が固定された別の結晶（６９）を２つの結晶（６６）お
   よび（７０）の間に挿入し、２つの結晶（６６）および
   （７０）に対する２つの出射光の進行が、偏光角により
   選択的に反射する膜（１０４）および（１０６）により
   決定されることを特徴とする請求項２または４の量子光
   学的増幅装置。
5. 【請求項５】 結晶（６８）のほかに、同一種類の別の
   結晶が結晶（６６）および（７０）により挟み込み、偏
   光角により選択的に反射する膜（１０４）および（１０
   ６）で互いに境界を定めることを特徴とする請求項４の
   量子光学的増幅装置。
6. 【請求項６】 光軸が、増幅すべき光すべての領域と垂
   直または平行になるように切断した光学的同軸結晶を備
   えたことを特徴とする上記請求項のいずれかの量子光学
   的増幅装置。
7. 【請求項７】 光学的同軸結晶（３２，３４）または
   （１６０，１６１）と協働して、グラン・フーコのプリ
   ズムまたはグラン・テーラのプリズムのように光が偏光
   角により選択されることを特徴とする上記請求項のいず
   れかの量子光学的増幅装置。
8. 【請求項８】 量子光学的増幅装置が、組み合わせると
   立方体形状要素を有する結晶（１６０，１６１）で構成
   されていることを特徴とする上記請求項のいずれかの量
   子光学的増幅装置。