JPS6388414A - 光駆動移相器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈発明の背景〉 この発明は一般には信号送信用の搬送波を変調すること
に関しており、そしてより詳細には、光信号送信におい
て利用される光ビームを位相／周波数シフトすることに
関する。

光学周波数範囲における電磁放ＧＦＩ線は情報伝達のた
めの搬送波信号として、まずます利用されるようになっ
ている。電磁搬送波信号は代表的には（辰幅変調され、
あるいは周波数変調されることがでさて、搬送波によっ
て情報を伝達する。搬送波が光ビームである場合、種々
の電気光学装置を利用して搬送波信号を変調している。

周波数変調には、搬送波信号における周波数変化おるい
は位相シフトが含まれることは理解されるでおろう。

光ビームを輝度変調する、Ｖなわち振幅変調する１つの
従来の装置は、ポッケルス（ＰｏｃｋｅＩｓ）セルであ
る。印加された電界における屈折特性の変化を受ける結
晶が与えられる。この結晶を付勢するために、比較的高
電圧の駆動装置が必要とされる。なお、搬送波の強度は
ポッケルス効果を表わす結晶の温度感度によって制限さ
れ、そして搬送波信号は変調器を横断する間に減衰され
ることもあり得る。ざらに、結晶応答時間は制限され、
よって伝送され得る情報内容および立上がり時間パルス
特性を制限する。

なお別の光ビーム変調装置はファラデー効果を利用する
。この効果において、光ビームの偏光は、印加された磁
界の方向に向ってそれが物質を通過する場合、回転する
ことができる。磁界については、動作周波数およびパル
ス立上がり時間は誘電性の影響によって制限される。こ
こでも再び、搬送波光ビームは電力および情報搬送特性
が制限される。

従来技術についてのこれらのおよび他の諸問題は本装置
によって処理され、そして信号搬送波伝送のための改良
された光ビーム搬送波移相器が提供される。従って、本
発明の１つの目的は広範囲の信号変調特性を得ることで
おる。

本発明のもう１つの目的は変調パルスに対する立上がり
時間を減少することである。

なお別の目的は搬送波信号に対する出力能力を増大させ
ることでおる。

ざらにもう１つの目的は変調菰買において比較的低電圧
の駆動装置を使用できるようにすることである。

この発明のその他の目的、利点および新規な特徴は以下
の説明から明らかになろう。

〈発明の概要〉 前述のおよび他の目的を達成するために、そして本明細
書に具体化され、広く説明された本発明の目的に従えば
、この発明の装置は光駆動移相器からなる。この光駆動
移相器には変調室が設けられているが、それは少なくと
も３つの電子エネルギー状態、すなわち基底状態、準安
定状＠および、第１の光波長に対応する準安定状態から
の遷移エネルギーを有する遷移状態を備えるガスを有し
ている。第１の光手段は第１のビーム通路に沿った第１
の波長での変調光によって変調室を照明するが、この第
１のビーム通路は第１の光ビームの強度によって決定す
ることのできる屈折率を有するガスの容量を限定する。

次に、第２の光ビームは、第１のビーム通路の少なくと
も一部分を横断する第２のビーム通路に沿った伝送光ビ
ームによって変調室を照明する。第１の光ビームの強度
を変える手段が設けられており、これは伝送光ビームを
位相シフトするガス屈折率を変えるのに有効でおる。

本発明を別の面で特徴づけるとすれば、選択された波長
の光によって遷移状態に励起できる媒質を備えるガス容
♀を有する先駆ｖＪ移相器が提供される。変調手段は、
ガス６硲を介する可変強度での選択された波長で、第１
の光の通路を形成する。伝送手段はガス６昂を介する選
択可能な周波数で、かつ少なくとも第１の光通路と部分
的に一致する第２の光の通路を形成する。

本発明をざらに別の面で特徴づけるとすれば、光駆動移
相器は、選択された波長の光の強度に関数的に関連する
可変屈折率によって光路を画定するための選択された波
長の光を有する第ル−ザ手段を具備した光駆動移相器が
提供される。第２レーザ手段は、前記光路の少なくとも
一部分を横断するよう整列されていて、可変屈折率によ
って位相シフトを行なう。

本発明についてなお別の面で特徴づけるとすれば、励起
レーザ強度に関数的に関連する相対的分布を備える少な
くとも３つの電子エネルギー状態を有する媒質を備えた
光駆動移相器を有している。変調手段は可変強度を有す
る励起レーザを発生して、媒質内に第１の光路を画定す
る。信＠搬送手段は第２の光路沿いに第２レーザを発生
するが、この第２光路は第１の光路と少なくとも部分的
に一致しており、相対的な状態ポピユレーションが第１
光路に沿った励起し−ザの強度によって変化する場合、
媒質屈折率を変えることによって、位相シフトをもたら
す。

〈発明の詳細な説明〉 この明細日に組入れられ、その一部となっている添付の
図面は本発明の実施態、様を示しており、そして記述と
共に、発明の詳細な説明する働きをする。

本発明の良好な実施態様においては、光ビーム搬送波信
号のための移相器が与えられるが、この場合、位相シフ
トは、共（辰し−１１光を使用することによってガス媒
質の屈折率の変動に基づいており、ガス原子の電子エネ
ルギー状態ポピユレーションを変更する。ガス媒質の屈
折率は、ガスにとって利用できるエネルギー状態の準位
の電子のポピユレーションに関数的に関連する。これら
のポピユレーションは、励起光ビームの強度によって決
定される。この励起光ビーム周波数は選択されて、電子
を準安定状態から遷移状態へと移動させるが、この遷移
状態は基底状態に減衰する。このようにして、ポピユレ
ーションの準位、従って屈折率は、変調光ビームの強度
を変えることによって変調され得る。

励起されたガス媒質上に入射する第２の光ビームの波長
は屈折率に逆比例的に関連する。従って以下に述べるよ
うに、励起されたガスを含む所定の通路沿いの波長数は
、波長が変るにつれて変化し、そして第２の光ビームが
横断するガスの通路を介して位相シフトを誘導すること
になる。さらに、屈折率が時間によって変化する場合、
第２の光ビームにおける周波数シフトが誘導されて、第
２のご一ムを周波数変調する。

位相シフト 媒質を通過する光ビームは、その媒質の屈折率を変える
ことによって、位相および周波数がシフトされ）ｑる。

Ｌ＝媒質における光路の長さ λ＝光ビームの真空波長 ｎ＝媒質の屈折率 Ｎλ＝ガス電池電池液長の数 λ′＝媒質における波長＝λ／ｎ とすると、 となる。

１つの波長に沿った位相変化Ａφは２πラジアンで必り
、すなわちＡφ＝２πＡＮλＩとなる。

ｆｓ質に沿うと、 ＝２π（シ０．ビシｉｎ’ 一２πＡν ここで ω＝角速度 ν＝周波数 である。

従って、 そして 先ず第１図では、４つの電子状態を有する元素の簡単な
エネルギー準位図が示されている。

適切なガス媒質は少なくとも準安定状態（準位１）、遷
移状態（準位２）、および基底状態（準位３）を有する
。俊述するように、１つ以上の代わりのエネルギー準位
（例えば準位４）も、比較的安定したポピユレーション
を有していれば利用することができる。電子は準位１と
準位２の間は励起および減衰によって、準位２から準位
３までは減衰によって移動することができる。同様に、
準位３の基底状態から準位１の準安定状態へと、電子は
無線周波数おるいはｄｃ励起によって移動することがで
きる。可変状態ポピユレーションを得るためには少なく
とも３状態系が必要とされることを理解すべきである。

なぜならば、２状態系における状態ポピユレーションで
は、吸収状態がほぼ定常状態条件を得る際に等化する傾
向があるからである。

第１図に示されるように、準位１から準位２への状態変
化は、準位１と準位２の間のエネルギー差に対応するエ
ネルギーで光子を発生するλ１，２における波長で光を
供給することによって、発生させることができる。

最初に、全原子が準安定状態（準位１）にあると考えれ
ば、屈折率は次のように表わされる。

ここで ｆｉｎ＝準安定状態１をより高い状態準位に接続する遷
移の発振器強度 λ１ｏ＝遷移の波長 λ　＝屈折率が測定される光の波長 ξ１−状態１にけおる原子のフラクションＮ　＝ガスお
るいは蒸気における原子の密度ε。＝自由空間の誘電率 ｅ　＝電子の電荷 ｍ＝電子質母 Ｃ＝真空における光の速度。

この通常の公式化は、波長λの電磁放射線に対する共振
波長λ、の原子双極子発振器の応答から導出される。式
（３）における加算は、準安定状態（準位１）と、準位
２および準位４のようなより高い準位との間のすべての
可能な遷移にわたっている。遷移エネルギー波長は、λ
１．と称されるが、この場合、第１の指標は下方状態を
示し、そして第２の指標は上方準位を示す。

波長λ１，２のレーザ光が、準安定状態（準位１）から
より高い準位遷移への遷移エネルギーと共振して与えら
れる場合、より高い遷移が分布（ｐｏｐｕｌａｔｅ＞す
るようになる。この実施例においては、励起レーザ光は
波長λ１，２を有し、準位２を分布させる。さらに、準
位２が短い寿命、すなわち数ナノ秒で、そして基底状態
（準位３）への強い減衰路を有する場合、準安定状態（
準位１）が消失され基底状態（準位３）が分布される反
転が発生する。

レーザからのこの共振波長光λ１，２を与えることの最
終結果は、準安定状態の消失およびガス状媒質の発生と
なるが、この媒質中では励起レーザ光に露光されたすべ
ての原子は、基底状態に戻っている。この消失プロセス
の割合はレーザ光の強度と、準位２と３の間での遷移率
との関数となっている。すべての原子が励起レーザ光の
通路に沿って基底状態にある場合、屈折率は下記のよう
に現わすこができる。

ここで ξ３−状態３における原子のフラクションｆ３．□−準
位３からより高い準位への遷移の発振器強度。

λ３．ｍ＝準位３からより高い準位への遷移の波長 ｎ２は通常１に非常に近いので、式（４）は次のように
単純化することができる。

レーザ光オフとレーザ光オンの間の屈折率の仝体的変化
は下記で与えられる。

注目すべきことに、準安定準位１以外にも多缶は変化し
ないので、屈折率の変化に対する準安定レベルの寄与は
相殺される。従って、問題は単純な３準位系に簡約され
る。

屈折率の入射光強度への依存性を示すために、式（７）
はさらに変形することができる。すなわち、ξ１＋ξ３
＝１（準位１と３だけが有意に分布できる） ξ３＝１−ξ１であるので、 式（７）に代入すると次のようになる。

ξ１およびξ３は時間依存性であるので、位相シフト／
単位時間を得るために微分することが準安定状態（準位
１）の相対的ポピユレーションの変化の割合を決定する
ために、下記の関数を思い出す必要がおる。

ξ１＋ξ２＋ξ３＝１ ここで、ξ１．ξ２．ξ３は３準位問題にとっての分布
因子である。

各項を微分し、かつ結合し直重ことによって、下記が与
えられる。

また、 ここで、 ξ１ωＢ１２＝ｍ導吸収を介する状態１から状態２への
ポンピング原子の割合 ξ１＝状態１における原子のフラクションω　＝与えら
れたレーザ光の電力密度 Ｂ１２”＝Ｗ導吸収に対するアインシュタインのＢ係数 Ａ２１ξ２＝準位２の基底状態１へ戻る減衰率Ａ２１＝
２→１遷移に対する減衰率 ξ２＝状態２における原子のフラクションＡ２３ξ２−
準位２の準位３への減衰率Ａ２３−２→３遷移の減衰率 放出の割合 Ｂ２１＝ＦＡ導放出に対するアインシュタインのＢ係数 Ｑｌ　、　ｇ２−縮退因子 そして 式（１１）および式Ｑ２）を式（１０）に代入し、そし
て書き直ずと、次のようになる。

典型的には、Ａ２１＜Ａ２３そしてωＢ２１＜Ａ２３、
そこで式（１３）は次のように単純化される。

そこで、波長λ１，２の励起レーザ光はレーザ光の吸収
率に等しい割合で準安定状態（準位１）を消失させる。

従って、 Ａ２１゜ となる。

ここで ■＝時間平均されたレーザ光の強度 ｇ（ν）＝均等に広がった線の幅 となる。ここで λ＝与えられたレーザ光の中心波長 ｈ＝ニブランク数 式（１４）に代入すると、 従って、準位１のポピユレーションの変化率は与えられ
たレーザ光の強度に関して直線的に減少する。レーザビ
ームは、吸収状態が消失している吸収媒質を介してホー
ルを「バーン（ｂｕｒｎ）　Ｊするので、光路の長さは
因子にはならないことが理解されであろう。従って、励
起レーザ光に対する媒質の吸収の長さは比較的長く、そ
して長い長さのガス・セルを利用することができる。

時間による位相の変化に対する最終の式は、式（Ｉ５）
を墨本位相変化公式、式（１）に代入することによって
、次に与えられる。

〈良好な実施態様の詳細な説明〉 次に、第２図では位相シフト変調器がブロック図で示さ
れている。同調できる色素レーザで必ることが望ましい
第１光源１２は、変調光ビームとして設けられている。

色素レーザ１２は、ガス容量３２におけるガスに対する
準安定遷移状態エネルギー差との共鳴のために選択され
る。

ポッケルス・セル１４は変調器駆動装置１６によって駆
動され、色素レーザ１２の出力の強度を変える。

次いで、可変強度出力レーザビーム２２は、反射鏡２４
および反射鏡２６からの反射によってガス・セル３２、
従ってガス容量３２を介して、指向されることができる
。適切なガス・セル３２とは、例えばアルゴンのにうな
山ガスから選択された適切な、励起できるガス状媒質を
使用して、各端部に窓を有する約１０ＣＩＩＩの長さが
あればよい。このガス状媒質は、それが励起されて準安
定状態を分布する場合、および出力レーザビーム２２が
オフになる場合に、第１の屈折率を定める。

出力レーザビーム２２がオンでおる場合、波長λ１，２
を有するビーム２２は、ガス・セル３２を介する第１の
光路３４が画定する。第１光路３４に沿ってガス原子の
エネルギー状態が分イ５され、そして上述のように、第
１光路３４沿いに第２の屈折率を定める。ガス・セル３
２内のガス原子の拡散によって、レーザビーム２２がオ
フである場合、準安定状態が分布されて、ガスを再供給
する。

次に、第２の光ビーム３８は反射鏡２６の開口部２８を
介し、さらにガス・セル３２を介して伝送され得る。こ
の第２の光ビーム３８は信号搬送ビームであって、変調
レーザビーム２２とは異なる波長を有し、そして長距離
にわたる伝送のために比較的高い電力を有することがで
きる。第１光路３４は第２光路４２からやや軸方向に発
散しており、従って第２光路４２は、ガス状媒質３２を
横断する場合に、第１光路３４の内にある方が望ましい
。

変調光ビーム２２の強さは、第１光路３４沿いにガス・
セル３２の屈折率を変える。この変化は高周波応答であ
り、それによって短い立上がり時間を有するパルス化位
相シフトを）ｑることが可能となる。ざらに、ポッケル
ス・セルあるいはファラデー効実装置のような通常の変
調器は１ラジアン以下の限定位相変調となっている。こ
こで述べる装置は１０〜１００ラジアンの位相変調可能
性を有すると期待されている。送信機光ビームすなわら
搬送波信号光ビーム３８は、次いで変調レーザ光ど一ム
２２の強度変調によって、位相シフ１〜され、従って周
波数変調される。

次いで、ガス・セル３２内の電力吸収は、変調光ビーム
２２からのみとなっており、それは比較的低電力であっ
てよい。ざらに、ガス原子の状態遷移は、１μ秒の時間
フレームでの変調を可能にする所望の変調に対して短く
なっている時間内に発生する。高電力、高周波数の光信
号装置が与えられている。

【図面の簡単な説明】

第１図は代表的な３Ｑ位電子状態図、第２図は本発明の
一実施例態様による光駆動移相器の略図である。 １２・・・色素レーザ、１４・・・ポッケルス・セル、
１６・・・変調器駆動装置、２２・・・変調レーザビー
ム、２４．２６・・・反ｒＡ鏡、３２・・・ガス・セル
、３４．４２・・・光路、３８・・・信号搬送ビーム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、基底状態と、準安定状態と、第１の光の波長に対応
   する前記準安定状態からの遷移エネルギーを有する遷移
   状態とを含む少なくとも３個の電子エネルギー状態を備
   えたガスを有する変調室と；第１のビーム通路に沿つて
   前記第１の波長における変調光で前記変調室を照明する
   第１の光源と；前記第１のビーム通路の少なくとも一部
   分を横断する第２のビーム通路に沿って伝送光ビームで
   前記変調室を照明する第２の光源と；光学回路とからな
   り、前記第１のビーム通路は前記第１の光源の強度によ
   って決定されうる屈折率をもつ前記ガスの容量を規定し
   、前記光学回路は前記ガス屈折率を変えるのに有効な第
   １の光源の強度を変えて前記伝送光を位相シフトするこ
   とを特徴とする光駆動移相器。 ２、前記第１の光源の強度を変える前記光学回路はポッ
   ケルス・セルを含む特許請求の範囲第１項記載の光駆動
   移相器。 ３、前記第１の光源は色素レーザーである特許請求の範
   囲第１項記載の光駆動移相器。