ホーム > 特許ランキング > アトークロン，エルエルシー
知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-02-01
(45)【発行日】2024-02-09
(54)【発明の名称】損失媒体を通した超短パルスレーザー通信のための方法及び装置
(51)【国際特許分類】
H04B 10/112 20130101AFI20240202BHJP
G01S 7/481 20060101ALI20240202BHJP
G01S 17/95 20060101ALI20240202BHJP
G02F 1/01 20060101ALI20240202BHJP
【ＦＩ】
H04B10/112
G01S7/481 A
G01S17/95
G02F1/01 B
【請求項の数】
19
(21)【出願番号】P 2021546001
(86)(22)【出願日】2019-05-20
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-03-24
(86)【国際出願番号】 US2019033132
(87)【国際公開番号】W WO2020162960
(87)【国際公開日】2020-08-13
【審査請求日】2022-05-16
(31)【優先権主張番号】16/269,106
(32)【優先日】2019-02-06
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】521348085
【氏名又は名称】アトークロン，エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】100114775
【弁理士】
【氏名又は名称】高岡 亮一
(74)【代理人】
【識別番号】100121511
【弁理士】
【氏名又は名称】小田 直
(74)【代理人】
【識別番号】100202751
【弁理士】
【氏名又は名称】岩堀 明代
(74)【代理人】
【識別番号】100208580
【弁理士】
【氏名又は名称】三好 玲奈
(74)【代理人】
【識別番号】100191086
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 香元
(72)【発明者】
【氏名】チャフィー，トーマス，マルコム
(72)【発明者】
【氏名】シャヨフスキ，ポール，エフ．
(72)【発明者】
【氏名】フライシャウアー，ロバート，ピー．
【審査官】鴨川 学
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２０１３／０１８２６２０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特表２０１８－５３５４３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１１－０２２５８９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０４Ｂ １０／１１２
Ｇ０１Ｓ ７／４８１
Ｇ０１Ｓ １７／９５
Ｇ０２Ｆ １／０１
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
損失媒体を通じる強化された伝搬のために自由空間光ビームを生成するための光通信又はセンサ装置用のシステムであって、前記システムは、ビームを生成する超短パルスレーザー（ＵＳＰＬ）ソースと、
前記ＵＳＰＬソースの内部又は外部のどちらかに動作可能に配列され、且つ、データ変調光出力を生成するために、前記ＵＳＰＬソースによって生成されたビームにデータ変調を行うように構成された変調器であって、前記データ変調光出力は、１ナノ秒以下のパルス持続時間、１キロワット以上のピーク光パルス電力、及び秒あたり少なくとも１ギガビットのデータ容量を各々有するデータ変調光パルスを備え、前記データ変調は、光伝送プラットフォームへの送信のためにデータを運ぶ、変調器と、
前記データ変調光出力を受信して前記自由空間光ビームに変換するように構成された第１の光学送受信機であって、前記自由空間光ビームは、前記損失媒体を通じて前記光伝送プラットフォームへ送信され、前記光伝送プラットフォームは、前記第１の光学送受信機から遠隔距離に位置する、第１の光学送受信機と、
前記自由空間光ビームを受信し、受信された自由空間光ビームを光検出器へ送達するように構成された第２の光学送受信機と、
を備え、
前記光伝送プラットフォームは、前記自由空間光ビームを受信し、前記自由空間光ビームを、局地的に使用されるか又は光学的に若しくはなんらかの他の手段のどちらかによって別の場所に再送されることになる変調電子信号に変換し、
前記損失媒体は、前記自由空間光ビームに光学的に損傷した大気条件を与える、水エアロゾル、乱気流、及び清浄空気シンチレーションのうちの少なくとも１つを備える、システム。
【請求項2】
前記データ変調光出力は、赤外線中心波長を伴うパルススペクトルバンドを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項3】
前記パルス持続時間は１ピコ秒未満である、請求項１に記載のシステム。
【請求項4】
前記パルス持続時間は１００フェムト秒未満である、請求項１に記載のシステム。
【請求項5】
前記パルス持続時間は１フェムト秒未満である、請求項１に記載のシステム。
【請求項6】
前記ピーク光パルス電力は５キロワット以上である、請求項１に記載のシステム。
【請求項7】
前記ピーク光パルス電力は１０キロワット以上である、請求項１に記載のシステム。
【請求項8】
前記パルス持続時間は１００フェムト秒以下であり、前記ピーク光パルス電力は１０キロワットよりも大きい、請求項１に記載のシステム。
【請求項9】
１つより多くのデータチャネルを前記自由空間光ビームに多重化する光マルチプレクサをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項10】
前記データ変調は、インパルスコーディング変調を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項11】
前記データ変調光出力は、赤外線中心波長を伴うパルススペクトルバンドを有する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項12】
前記損失媒体は水エアロゾルを備え、前記システムは、前記ＵＳＰＬソースと同じ平均電力を有する連続波レーザーを使用して生成される自由空間光ビームと比較して２５ｄＢ以上の改善された信号ピークツーフェードを提供する、請求項１に記載のシステム。
【請求項13】
前記ＵＳＰＬソースは、少なくとも１ＧＨｚの繰り返し率をさらに有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項14】
前記自由空間光ビームの前記第２の光学送受信機への送信の前に、異なる偏光の光信号を多重化する偏光依存マルチプレクサコンポーネントをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項15】
前記第２の光学送受信機内で第２の変調光信号として受信された異なる偏光の光信号を逆多重化する偏光依存デマルチプレクサコンポーネントをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項16】
前記偏光依存デマルチプレクサコンポーネントによって逆多重化された光信号は、ネットワーク使用のために異なる光ネットワークに各々インタフェースされる、請求項１５に記載のシステム。
【請求項17】
方法であって、超短パルスレーザー（ＵＳＰＬ）ソースにおいて、ビームを生成することと、
前記ＵＳＰＬソースの内部又は外部のどちらかに動作可能に配列された変調器において、データ変調光出力を生成するためにデータ変調を前記ビームに行うことであって、前記データ変調光出力は、１ナノ秒以下のパルス持続時間、１キロワット以上のピーク光パルス電力、及び秒あたり少なくとも１ギガビットのデータ容量を各々有するデータ変調光パルスを備え、前記データ変調は、光伝送プラットフォームへの送信のためにデータを運ぶことと、
第１の光学送受信機において、前記データ変調光出力を受信して自由空間光ビームに変換することであって、前記自由空間光ビームは、損失媒体を通じて前記光伝送プラットフォームへ送信され、前記光伝送プラットフォームは、前記第１の光学送受信機から遠隔距離に位置することと、
第２の光学送受信機において、前記自由空間光ビームを受信し、受信された自由空間光ビームを光検出器へ送達することと、
前記第１の光学送受信機において、前記データ変調光出力を受信することと、
前記第１の光学送受信機を使用して、前記損失媒体を通じて前記自由空間光ビームを前記光伝送プラットフォームへ送信することであって、前記損失媒体は、前記自由空間光ビームに光学的に損傷した大気条件を与える、水エアロゾル、乱気流、及び清浄空気シンチレーションのうちの少なくとも１つを備えることと、
を備える、方法。
【請求項18】
前記ＵＳＰＬソースは、前記ＵＳＰＬソースと同じ平均電力を有する連続波レーザーを使用して生成される自由空間光ビームと比較して少なくとも１０ｄＢの改善された信号ピークツーフェード測定値を提供する、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
前記データ変調光出力は、赤外線中心波長を伴うパルススペクトルバンドを有し、前記損失媒体は、前記自由空間光ビームの中心波長をさらに赤方へ偏移させて、前記ＵＳＰＬソースによって出力された中心波長よりも長い第２の中心波長を形成し、前記方法は、前記光検出器を使用して前記第２の中心波長で前記自由空間光ビームの一部を検出することをさらに備える、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本願は、内容が本明細書で参照により援用されるＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＵＬＴＲＡ－ＳＨＯＲＴ ＰＵＬＳＥＤ ＬＡＳＥＲ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ ＴＨＲＯＵＧＨ Ａ ＬＯＳＳＹ ＭＥＤＩＵＭと題し、２０１９年２月６日に出願された米国特許出願第１６／２６９１０６号の利益を主張する。
本願は、内容が本明細書で参照により援用されるＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＵＬＴＲＡ－ＳＨＯＲＴ ＰＵＬＳＥＤ ＬＡＳＥＲ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ ＴＨＲＯＵＧＨ Ａ ＬＯＳＳＹ ＭＥＤＩＵＭと題し、２０１９年２月６日に出願された米国特許出願第１６／２６９１０６号の利益を主張する。
【0002】
本明細書に説明される主題は、光通信、リモートセンシング、パワービーミング（ｐｏｗｅｒ ｂｅａｍｉｎｇ）などを含む自由空間光（ＦＳＯ）無線伝送に関し、より詳細には、霧、雲（つまり、水エアロゾル）、大気ビームワンダ、蛍光効果などを含む場合があるが、これらに限定されるものではない要因のために、光学的に損傷した大気条件を通したビーム伝搬のための超短パルスレーザー（ＵＳＰＬ）ソースを使用した波長伝搬のために実現できる強化された光伝送効率に関する。
【背景技術】
【0003】
民間部門及び商業部門と政府部門の両方からの電気通信サービスに対する需要の爆発的な伸びは、現在利用可能な電気通信ネットワークに対して前例のない負担を課している。代替のネットワーク配信技術及びトポロジーがないと、全体的な効果的なネットワーク速度は制限される可能性があり、一方ネットワーク内のボトルネックの発生はますます頻繁になる。
【0004】
双方向自由空間光（ＦＳＯ）通信ネットワークは、実現可能な場合、マイクロ波リンク、ワイヤ、又はケーブルシステムの用途に有用な代替策を提供することができる。そのようなネットワークは、共通の技術プラットフォームの光ファイバ伝送システムとの共有、多くの現代の通信システムの基幹回線のために、現在のネットワークアーキテクチャ及び将来のネットワークアーキテクチャに対してトランスペアレントである可能性がある。ＦＳＯ通信システムは、一般に共通の光ファイバコンポーネントを共用する場合があり、商用の光コンポーネントは、多くの場合、自由空間光用途と光ファイバ用途の両方に活用できる。自由空間光データの主要な相違点は、伝搬の媒体が光ファイバではなく大気である点である。
【0005】
現在の最先端技術の光ファイバコンポーネントを活用すると、自由空間光データリンクは、現在の短距離及び長距離の高速光ネットワークに完全に統合することができる。自由空間データリンクは、ＳＯＮＥＴ ＯＣ－４８アーキテクチャなどの、例えば現在の１５５０ｎｍ波長光技術プラットフォームを活用する同期光ネットワーキング（ＳＯＮＥＴ）システムアーキテクチャを完全に達成することができる。さらに、そのようなシステムは、より高いデータレート及び構成に拡大することもできる。光データリンクシステムは、電磁気スペクトルの規制されていない区分で動作することによって恩恵を受ける場合がある。マイクロ波スペクトル及びＲＦスペクトルとは異なり、光データリンクは、一般に、特別な賃貸料金又は関税の発行を必要としない場合がある。さらに、システムの動作波長のため、目の安全性に関連する問題は通常、最小限に抑えることができる。さらに、領土通行権に関連する自由空間光データリンクを操作する際に特別な予防措置又は許可は通常、必要とされない。また、固定ケーブルシステムの耕起（ｐｌｏｗｉｎｇ）及び溝堀りに関連する費用も回避することができる。
【0006】
より最近では、ＦＳＯ通信技術は、１５５０ｎｍ光波長伝送バンド内で成し遂げられた商業的な進歩を利用している。エルビウムファイバドープ増幅器（ＥＦＤＡ）技術は、許容光減衰のための全体的な効果的な光バジェットを強化し、それによって大気を通した伝送システムの到達を拡大するためにシステム設計構成に組み込まれている。
【0007】
高出力光増幅器は、地上自由空間伝送システム及び光ファイバシステムに有用である。中継器距離は、地上ファイバシステム及び海底ファイバシステムで拡張され、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）伝送アーキテクチャが導入されている。高出力Ｅｒ／Ｙｂ光増幅器の到来により、光ファイバ伝送で見られる同様の進展も、光無線システム及び自由空間レーザー通信システムで実現されている。４．４ｋｍの伝送距離にわたって１０Ｇｂｐｓで動作する４チャネル１５５０ｎｍ波長分割多重（ＷＤＭ）自由空間光データリンクの結果が報告されるのと同様に、２．４ｋｍの伝送スパンにわたり２．５Ｇｂｐｓで動作する単一チャネル１５５０ｎｍ自由空間光データリンクのための実験的な伝送結果が報告されている。
【0008】
いくつかの商用及び軍用のＦＳＯ通信システムが開発され、現在運用中であるが、地上用途に対するそれらの性能は、霧、雨、雪、煙、及び乱気流を含む悪天候の影響により引き起こされる大気と関連する光減衰効果によって制限されている。これらの影響は、高信頼度及び中断のない可用性が必要とされる典型的な状況では、ＦＳＯ通信の適用を相対的に短い光伝送距離（約数百メートル）に制限している。
【0009】
１９９７年８月４日に、大気により引き起こされる望ましくない減衰の影響からの救済を約束した、Ｍｏｔｏｒｏｌａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎに譲渡された特許出願（出願番号第０８／９０５，７６０号）が出願され、２００３年にこの出願に対して特許（米国第６，０４３，９２０号）が付与された。第２段、２２から３５行目に、以下が記載されている。
「本発明の方法及び装置は、これらの狭いパルス幅信号の新規に発見された特徴をレーザー通信フィールドに適用する。好ましい実施形態によれば、きわめて狭い幅の変調されたレーザーパルスは、重大な減衰を被ることなく損失媒体を通して伝送することができる。したがって、本発明の方法及び装置は、以前は損失が多すぎて高速レーザー通信を促進しないと見なされていた媒体を通じてきわめて高速の通信を可能にする。例えば、本発明の方法及び装置は、空気、水、水蒸気、固体障害物、粒子懸濁液、ガラス繊維、及び他の媒体を通したレーザー通信に使用できるであろう。」
しかしながら、この主張は、以下の記述（第２段、１６から２１行）によって裏付けられていたにすぎなかった。
「現代のレーザー技術は、狭幅パルスの生成を可能にし、実験は、これらの狭幅パルスが、それらが先行技術が被っていたよりも実質的に少ない減衰で媒体を貫通することを可能にする特性を有することを示している。」
「本発明の方法及び装置は、これらの狭いパルス幅信号の新規に発見された特徴をレーザー通信フィールドに適用する。好ましい実施形態によれば、きわめて狭い幅の変調されたレーザーパルスは、重大な減衰を被ることなく損失媒体を通して伝送することができる。したがって、本発明の方法及び装置は、以前は損失が多すぎて高速レーザー通信を促進しないと見なされていた媒体を通じてきわめて高速の通信を可能にする。例えば、本発明の方法及び装置は、空気、水、水蒸気、固体障害物、粒子懸濁液、ガラス繊維、及び他の媒体を通したレーザー通信に使用できるであろう。」
しかしながら、この主張は、以下の記述（第２段、１６から２１行）によって裏付けられていたにすぎなかった。
「現代のレーザー技術は、狭幅パルスの生成を可能にし、実験は、これらの狭幅パルスが、それらが先行技術が被っていたよりも実質的に少ない減衰で媒体を貫通することを可能にする特性を有することを示している。」
【0010】
発行されたこの特許の請求項１は非常に広範であり、２００フェムト秒未満のパルス幅を有する未指定の波長のレーザー光の変調されたパルスを有する（大気などの）任意の損失媒体を通じた任意の無線リンクを介した通信に適用可能である。
【0011】
Ａｔｔｏｃｈｒｏｎ．ＬＬＣ及び他の場所で行われた研究に基づいて、本特許、及び具体的には、本請求項は、本特許の期間が２０１７年に期限切れとなった後でさえ、他者により一度も確証又は再生されなかった建設的な具体化に基づいていたと推定される。しかしながら、長年にわたり、超短光パルスを使用する様々な媒体における光減衰の削減の可能性の主題に対しては多大な議論が行われてきた。例えば、２０００年１０月６日に出願され、２００３年６月２４日に発行された米国特許第６，５８３，９１１ Ｂ１号では、発明者、Ｄ．Ｒ．Ａｌｅｘａｎｄｅｒが、以下を記載した、持続時間中１００フェムト秒未満、及び０．７５から０．８５ミクロン）の範囲の波長を有する超短レーザーパルスを使用した広範囲な実験室試験に関して報告した。
「．．．データは、パルス波伝送が連続波よりもより有益であった旨の表示を示さなかった。」
この事実データは、Ｍｏｔｏｒｏｌａ特許でなされた主張に直接的に矛盾していた。
「．．．データは、パルス波伝送が連続波よりもより有益であった旨の表示を示さなかった。」
この事実データは、Ｍｏｔｏｒｏｌａ特許でなされた主張に直接的に矛盾していた。
【0012】
その後、２００５年及び２００６年に、Ｕｌｆ Ｏｓｔｅｒｂｅｒｇらが、２つの論文［Ｕ．Ｊ．Ｇｉｂｓｏｎ、Ｕ．Ｌ．Ｏｓｔｅｒｂｅｒｇ、「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｅｃｕｒｓｏｒｓ ａｎｄ Ｂｅｅｒ’ｓ Ｌａｗ Ｖｉｏｌａｔｉｏｎｓ； Ｎｏｎ－Ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ Ｌｏｓｓｅｓ ｉｎ Ｗａｔｅｒ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １３ ６（２００５）、及びＡ．Ｅ．Ｆｏｘ、Ｕ．Ｏｓｔｅｒｂｅｒｇ、「Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｏｎ－Ｅｘｐｏｎｅｎｔｉａｌ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｕｌｔｒａ－ｆａｓｔ Ｐｕｌｅｓ ｉｎ Ｗａｔｅｒ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ １４ ８（２００６）］を公開し、ＵＳＰＬビームの吸収が、ベールの法則（損失媒体中での光ビームの指数減衰）に従わない場合があることを示唆した。これらの結果は、著者により、フェムト秒レーザーパルスの光吸収損失が、実質的には、同じ波長で動作しているＣＷレーザーよりも低いことを示唆するために使用された。６５０から８００ｎｍの範囲の波長は、研究作業の実験部分で使用されていると報告されていた。したがって、最初は、あたかも１９９７年に出願されたＭｏｔｏｒｏｌａ特許米国６，０４３，９２０に報告された異常に低い光減衰に関する基本的な推定が、それがいくぶん憶測的であり、米国６，５８３，９１１ Ｂ１にＡｌｅｘａｎｄｅｒによって提示されたデータと矛盾してるとしても、Ｕｌｆ Ｏｓｔｅｎｂｅｒｇの研究により、おそらく事後確証されたように見えた。
【0013】
しかしながら、「Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｗａｔｅｒ」と題する、Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｎｅｂｒａｓｋａ［Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｎｅｂｒａｓｋａ－Ｌｉｎｃｏｌｎｎ； ＤｉｇｉｔａｌＣｏｍｍｏｎ＠Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｎｅｂｒａｓｋａ－Ｌｉｎｃｌｏｎ；Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇからのＦａｃｕｌｔｙ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ］からＪｉａｎ Ｃｈａｏ Ｌｉらによって２００７年に公開された重要な論文は、具体的にＯｓｔｅｒｂｅｒｇらによって示された上記の結論及び説明に異議を唱えている。この論文は、Ｏｓｔｅｒｂｅｒｇらによって観察されたサブベールの法則（非指数関数的）は、単にＵＳＰＬの広いスペクトルバンドのためにすぎず、レーザーパルスの短さとは関連していないと結論付けている。Ｌｉらは、同じサブベールの効果が、ＵＳＰＬと同じ広いスペクトルバンドを有するコヒーレントではないＣＷ光源について報告されるであろうと指摘した。したがって、サブベールの法則の吸収を、水中のフェムト秒パルスのより低い減衰に直接的に帰すことはできない。これは、同様にして、再度米国６，０４３，９２０のＭｏｔｏｒｏｌａで発明者によって教示された損失媒体を通して拡張された伝送のために超短パルスを使用することのいかなる優位点にも疑問を投げかけている。
【0014】
質問「大気を通じて強化された伝送にＵＳＰＬを使用することのいかなる優位点があるのか」に対する明確な答えは、「Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ Ｌｏｗ－Ｐｏｗｅｒ（６０ｍＷ） Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ Ｆｒｅｅ Ｓｐａｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｙｔｅｍ Ｏｖｅｒ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ＣＷ Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ」［Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ６４５７、Ｆｒｅｅ－Ｓｐａｃｅ Ｌａｓｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｔｅｃｎｏｌｏｇｉｅｓ ＸＩＸ ａｎｄ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｖｅｓ、６４５７０Ｘ（２００７年２月１２日）］と題する２００７年の論文でのＰａｕｌ Ｃｏｒｒｉｇａｎらの研究に由来すると思われる。そして、上記質問に対する答えは、光散乱については僅差で「はい」であり、光吸収については「いいえ、まだである」となると思われる。本論文の著者は、その結論で以下を述べている。
「安定した物質の伝送及び散乱の特性が既知になる（通常、２つの異なる測定で決定される）と、相違点は吸収である。この［散乱効果から吸収効果を分離すること］は、実際の霧がそうであるようにシミュレーション自体が不安定であるので、シミュレーションされた霧の中では特に行うことが困難である。しかしながら、この強化された伝搬が大気による超高速パルスの吸収の異なる物理特性に関連していることを示す現在の測定又は主張はない。
ここでは、Ｃｏｒｒｉｇａｎらによるこの研究が、以前に報告された研究者によって使用された波長よりも長い波長（１５６０ｎｍ）で実施されたことを指摘するべきである。したがって、上述の他の結果の一部又はすべてと比較して、これらの結果に対する異なる説明がある場合がある。
「安定した物質の伝送及び散乱の特性が既知になる（通常、２つの異なる測定で決定される）と、相違点は吸収である。この［散乱効果から吸収効果を分離すること］は、実際の霧がそうであるようにシミュレーション自体が不安定であるので、シミュレーションされた霧の中では特に行うことが困難である。しかしながら、この強化された伝搬が大気による超高速パルスの吸収の異なる物理特性に関連していることを示す現在の測定又は主張はない。
ここでは、Ｃｏｒｒｉｇａｎらによるこの研究が、以前に報告された研究者によって使用された波長よりも長い波長（１５６０ｎｍ）で実施されたことを指摘するべきである。したがって、上述の他の結果の一部又はすべてと比較して、これらの結果に対する異なる説明がある場合がある。
【0015】
上記の立証されていない結果及び以後の矛盾及び論議のすべてと直面すると、ＦＳＯ通信の伸びが制限されていること、及び期限切れとなったＭｏｔｏｒｏｌａ特許（米国６，０４３，９２０）の特許請求の範囲に基づく単一の商用システムがまだ生産されていないことは驚くべきことではない。明確に、超短レーザーパルスを使用することが、悪条件下で地域の自由空間光通信を実質的に改善するであろうかどうかを、決定的に証明することは有益であろう。そして、結果が肯定的である場合、これは、主要な突破口を表し、ＦＳＯ通信の将来の採用に実質的に好ましい影響を与えるであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0016】
２０１３年に、「ＡＤＶＡＮＣＥＳ ＩＮ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ：Ｎｅｗ ＦＳＯ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ １０Ｇｂｐｓ／ｓｅｃ ａｎｄ ｂｅｙｏｎｄ ｂａｃｋｈａｕｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ」と題するＩｓａａｃ ＫｉｍらによるＬａｓｅｒ Ｆｏｃｕｓの２０１３年号での記事の公開により、上記のこの論議に関するターニングポイントが起こった。この記事は以下を報告した。
「ニュージャージー州ドーバーの米国陸軍のＰｉｃａｔｉｎｎｙ Ａｒｓｅｎａｌの５００ｍの無線試験施設でＡｔｔｏｃｈｒｏｎ，ＬＬＣによって実行された実験は、ＵＳＰレーザーベースのＦＳＯシステムが、霧の中のレガシーＣＷ ＦＳＯシステムと比べて、受信出力での最大２５ｄＢの増加を有することを立証した。」また、これらの著者は、レガシーＦＳＯシステムは、最高１．５ｋｍまでの距離では、晴天又は曇天でうまく機能するが、霧の存在は、効果的なリンク距離を２００ｍに減ずる可能性がある［Ｉ．Ｉ．Ｋｉｍ、Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ、２６、１９－２１（２００９）。］」と言及している。
「ニュージャージー州ドーバーの米国陸軍のＰｉｃａｔｉｎｎｙ Ａｒｓｅｎａｌの５００ｍの無線試験施設でＡｔｔｏｃｈｒｏｎ，ＬＬＣによって実行された実験は、ＵＳＰレーザーベースのＦＳＯシステムが、霧の中のレガシーＣＷ ＦＳＯシステムと比べて、受信出力での最大２５ｄＢの増加を有することを立証した。」また、これらの著者は、レガシーＦＳＯシステムは、最高１．５ｋｍまでの距離では、晴天又は曇天でうまく機能するが、霧の存在は、効果的なリンク距離を２００ｍに減ずる可能性がある［Ｉ．Ｉ．Ｋｉｍ、Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ、２６、１９－２１（２００９）。］」と言及している。
【0017】
この研究では、ＵＳＰＬシステム及びＣＷレーザーシステムは並べて同時に操作され、そのレーザービームは同じ試験範囲上の隣接する光路を介して移動する。著者はさらに、
「これらの新しいＵＳＰ ＦＳＯシステムの出力は、１５５０ｎｍで、平均出力電力が５０ｍＷで、１Ｇｂｉｔ／秒［データ］繰り返し率で、受動的にモードロックされた１００ｆｓパルスによって生じる。超短パルスのストリームは、外部で変調されてギガビットイーサネット信号を生成する。Ｐｉｃａｔｉｎｎｙ Ａｒｓｅｎａｌｊの実験では、送信側で単一の直径３インチの望遠鏡が使用され、類似した３インチの望遠鏡が受信側でも使用された。」と続けている。
「これらの新しいＵＳＰ ＦＳＯシステムの出力は、１５５０ｎｍで、平均出力電力が５０ｍＷで、１Ｇｂｉｔ／秒［データ］繰り返し率で、受動的にモードロックされた１００ｆｓパルスによって生じる。超短パルスのストリームは、外部で変調されてギガビットイーサネット信号を生成する。Ｐｉｃａｔｉｎｎｙ Ａｒｓｅｎａｌｊの実験では、送信側で単一の直径３インチの望遠鏡が使用され、類似した３インチの望遠鏡が受信側でも使用された。」と続けている。
【0018】
Ｉｓａａｃ Ｋｉｍらが到達した結論は以下の通りである。
「私たちのプロタイプのＵＳＰレーザーベースのＦＳＯシステムの予備試験では、２５ｄＢの追加マージンが、１Ｇｂｉｔ／秒でのリンク可用性を３ｋｍ［の範囲］で９９．５％に改善する。
「私たちのプロタイプのＵＳＰレーザーベースのＦＳＯシステムの予備試験では、２５ｄＢの追加マージンが、１Ｇｂｉｔ／秒でのリンク可用性を３ｋｍ［の範囲］で９９．５％に改善する。
【0019】
２０１０年及び２０１１年にＰｉｃａｔｉｎｎｙ Ａｒｓｅｎａｌ試験中にこれらの重要な結果を得たことに続き、特許出願（出願番号第１３／７３７，８９８号）が、２０１３年１月１６日に、以下を説明する広範な特許請求の範囲とともに、Ａｔｔｏｃｈｒｏｎ ＬＬＣによって出願された。
「光通信装置であって、
各々が約１ナノ秒以下（請求項１）又は１ピコ秒以下（請求項３）又は１フェムト秒以下（請求項４）．．．の持続時間を有する光パルスを含む、ビームを生成する超短パルスレーザー（ＵＳＰＬ）ソースと
を含む」
しかしながら、付与された特許請求項の範囲は、実質的には、出願の審査の過程の間に請求項のすべてに加えられた以下の条項により制限されていた。
「前記光学送受信機が、大気要素を検出し、前記検出された大気要素の浮遊微小粒子シグネチャの後方散乱信号の分析を可能にするように構成されて、大気浸透を強化する前記ＵＳＰＬソースによって生成された前記ビームの調整を可能にする。」
「光通信装置であって、
各々が約１ナノ秒以下（請求項１）又は１ピコ秒以下（請求項３）又は１フェムト秒以下（請求項４）．．．の持続時間を有する光パルスを含む、ビームを生成する超短パルスレーザー（ＵＳＰＬ）ソースと
を含む」
しかしながら、付与された特許請求項の範囲は、実質的には、出願の審査の過程の間に請求項のすべてに加えられた以下の条項により制限されていた。
「前記光学送受信機が、大気要素を検出し、前記検出された大気要素の浮遊微小粒子シグネチャの後方散乱信号の分析を可能にするように構成されて、大気浸透を強化する前記ＵＳＰＬソースによって生成された前記ビームの調整を可能にする。」
【0020】
実際に、発明がこの制限的な条項なしに行われたことが、出願されたＡｔｔｏｃｈｒｏｎ特許出願から明らかではなかったために、元の出願のより広範な特許請求の範囲は許可されなかった。特に、Ｐｉｃａｔｉｎｎｙ ＡｒｓｅｎａｌでＡｔｔｏｃｈｒｏｎ ＬＬＣによって得られたフィールド試験結果は、明細書に言及もされていなかった。しかし、たとえそれらがそのように取り入れられていたとしても、Ｐｉｃａｔｉｎｎｙ Ａｒｓｅｎａｌでのフィールド試験中にＡｔｔｏｃｈｒｏｎ ＬＬＣの研究者によって観察され、報告された優れたシステム性能が、（１）Ｐｉｃａｔｉｎｎｙ Ａｒｓｅｎａｌ試験中に基準として使用されたＣＷレーザービームよりも、その既知のより低いコヒーレンスのためにＵＳＰＬビームに対する大気乱流の影響の減少、及び／又は（２）ＣＷレーザービーム若しくは受信ビットあたりの匹敵するエネルギーに比較して、より高いピークパルスのレーザービームを検出するときの既知の改善された信号対雑音比（Ｌ．Ｂｉｏｖｉｎら、「Ｒｅｃｅｉｖｅｒ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｂｙ Ｉｍｐｕｌｓｉｖｅ Ｃｏｄｉｎｇ」、ＩＥＥＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＬＥＴＴＥＲＳ、第９巻、第５号、１９９７年５月）、又は（３）他の既知の要因などの１つ以上のすでに周知の効果に単に起因していたことは明らかではなかったであろう。
【0021】
本願の目的の１つは、２０１０年及び２０１１年のＰｉｃａｔｉｎｎｙ Ａｒｓｅｎａｌでの試験中に観察された重要な結果、及び２０１７年１０月に最終的に完了した、記録データの広範な分析によって明らかにされた追加の結果のすべてを要約することである。これらの結果は印象的である。濃霧状態の間、及び蛍光効果を引き起こす晴れた温かい天気の間、ＵＳＰＬシステムの性能は、両方の場合に、同じ試験範囲にわたって、及び事実上、ＵＳＰＬのビーム経路と全く同じ光路上で動作する並列ＣＷレーザーＦＳＯシステムと比較して、受信信号マージンの２５ｄＢよりも大きい優位性を示した。さらに、ＣＷシステムに優るＵＳＰＬ位システムの観察された少なくとも２５ｄＢの優位性係数は、より強力なレーザー源が評価されるときにありそうに見えるはるかに大きい係数に対する、おそらく下限にすぎない。
【0022】
上述された、ＣＷシステムに優るＵＳＰＬシステムの少なくとも２５ｄＢの優位性係数は、多くのタイプの通信システムの性能を説明するための慣習であるように、対数項で表されることに留意されたい。線形項では、これは３１６以上の係数に同等である（ｌｏｇ１０３１６＝１０×２．５＝２５ｄＢ）。このようにして表されるとき、これが、任意の報告された先行技術又は既知の物理特性に基づいて、予測されなかった非常に大きい係数であることは明らかである。
【0023】
観察された結果の一部又はすべてを説明する可能性があるいくつかの理論があるが、まだ理解されていない又は広く受け入れられていないなんらかの非線形光現象が、ＵＳＰＬ対ＣＷレーザー試験結果と関連する、観察された大きい優位性係数に寄与する可能性がある。また、Ａｔｔｏｃｈｒｏｎ ＬＬＣでの予備試験は、これが当てはまることも示唆する。具体的には、観察された優位性係数は、約１キロワット未満のより低いピーク電力レベルを有する超短レーザーパルスを使用するときには現れない。しかし、１キロワットで又は１キロワットを超えて光ピーク電力で操作される、パルス幅が１ナノ秒より短い超短レーザーパルスを使用するとき、優位性係数は明らかになる。そして、これらの効果は、ピークパルス光パワーレベルが５～１０キロワット以上の範囲にあるときに相当になる。
【0024】
この新しい洞察の利点をＦＳＯ通信に入れると、なぜ期限切れとなったＭｏｔｏｒｏｌａ特許（６，０４３，９２０）の立証されていない請求項が長年にわたりそのように論議の的となっているのかが明らかになる。フェムト秒パルスを使用することの有益な効果は、１キロワット以上の範囲の、及び好ましくは１０キロワット以上の範囲の高いピーク光パワーを有するレーザーソースを使用するときにだけ実現できる。そして、Ｍｏｔｏｒｏｌａの特許の請求項のすべてが、「レーザーパルスを生成するために前記変調された［電気］パルスストリームを［ＣＷ」レーザー［ビーム］に印加することであって、前記パルスストリームの各パルスのパルス幅が２００フェムト秒以下である、印加することと、前記損失媒体を通じて前記レーザー光パルスを検出器に向けること］に限定されていることを明確に留意されたい。現実は、これらの条件を満たすことができるであろう唯一の方法は、２００フェムト秒未満のパルスが、外部光ビーム変調器を使用して切り分けられるであろう少なくとも１キロワットの平均出力電力を有するＣＷレーザーから開始することであろう。そのような高出力レーザーは、構築し、操作するのが現実的ではなく、商用ＦＳＯ通信システムでの使用にははるかに高価すぎるであろう。しかしながら、はるかにより控えめな平均出力電力であるが、１キロワットを超える非常に高いピークパルス電力を有するＦＳＯ通信システムでのＵＳＰＬソースの使用は、本発明の本質である。これが、連続波（ＣＷ）レーザー及びすべてのタイプのより低出力のパルスレーザーの使用に優る大気伝送における予想外の改善につながる。
【0025】
ＵＳＰＬのパルスのスペクトル幅が多大な幅を有する場合があることが指摘されるべきである。例えば、１５６０ｎｍの中心波長を有するＵＳＰＬは、数百ナノメートル以上、広がるスペクトル帯域幅を有する可能性がある。これは、任意のレーザーのパルスの最小周波数スペクトル幅Δｆとその一時的なパルス幅Δｔとの間の基本的な相互関係に起因する。すなわち、Δｆ＝１／Δｔである。そして、波長λはこの関係によって定義されるので、λ＝ｃ／ｆであり、ここでｃは真空中の光の速度であり、ｆはレーザーの中心周波数であり、この関係を微分すると、Δλ＝（－ｃ／ｆ２）Δｆ＝－（λ２／ｃ）（１／Δｔ）となる。例えば、λ＝１５６０ｎｍであり、パルス幅Δｔが２０フェムト秒である場合、次いでこの方程式を使用すると、最小スペクトル幅Δλは４０６ｎｍに等しくなるであろう。同様に、１０フェムト秒パルス幅のＵＳＰＬの場合、最小スペクトル幅は、２倍の大きさ、８１２ｎｍとなるであろう。そして、１００フェムト秒のＵＳＰＬの場合、パルス幅は８１ｎｍの最小スペクトル幅を有するであろう。
【0026】
以下は、観察された重要な結果を要約する。
１．晴天大気効果によるＵＳＰＬパルスの伝搬の不測の利点：
晴天大気効果（シンチレーション、ビームワンダ、乱気流による『意図された』中心波長（１５５０ｎｍ）の（ＣＷレーザーに対する）ＵＳＰＬリンクマージンの～３０ｄＢ＋の改善
２．水エアロゾル（霧、雲など）によるＵＳＰＬの伝搬の不測の利点：
水エアロゾル（霧、雲など）による『意図された』中心周波数（１５５０ｎｍ）の（ＣＷレーザーに対する）ＵＳＰＬリンクマージンの３０ｄＢ＋の改善
３．高密度水エアロゾルでの『より深い赤外線』波長への波長シフトの不測の利点（伝搬の改善）
重水エアロゾル（キロメートルあたり～１００から～１５０ｄＢの減衰『に、又は近づく』ことのある）で、及びＣＷレーザービームがその検出レベル以下（つまり、光パワーメータのノイズフロア以下）に減衰された後、及び（１５５０ｎｍに中心が置かれた）ＵＳＰＬ出力スペクトルの最も強力な部分もその検出レベル以下に減衰された後、（スペクトルの１５５０ｎｍ部分よりも～５ｄＢ低い平均電力出射した）ＵＳＰＬビームの残りの１５７１ｎｍ部分は、検出レベルの完全に１５ｄＢ上で、且つ安定していた（時間内の低レベルの変動）。
４．ＵＳＰＬパルス受信『ピークツーフェード（ｐｅａｋ－ｔｏ－ｆａｄｅ）』電力レベルでの不測の利点
ＵＳＰＬビームの受信電力変動－より低い減衰の期間中であるが、最も重要なことには、天気の影響により増加又は減少する減衰の期間中のどちらか－は、ＣＷレーザービーム）の電力変動と比較して非常に短期間（通常、１秒の期間）にわたって数十ｄＢ、実質的に少なかった。及び、
５．真の離散ゼロ復帰高ピーク電力パルスを使用するインパルスコーディングの利点
任意の種類の『インパルスコーディング』変調での信号キャリヤとして超短パルスを使用することによる、光検出器でのリンクマージン改善の最大１０ｄＢの、及び１０ｄＢを超える改善。
１．晴天大気効果によるＵＳＰＬパルスの伝搬の不測の利点：
晴天大気効果（シンチレーション、ビームワンダ、乱気流による『意図された』中心波長（１５５０ｎｍ）の（ＣＷレーザーに対する）ＵＳＰＬリンクマージンの～３０ｄＢ＋の改善
２．水エアロゾル（霧、雲など）によるＵＳＰＬの伝搬の不測の利点：
水エアロゾル（霧、雲など）による『意図された』中心周波数（１５５０ｎｍ）の（ＣＷレーザーに対する）ＵＳＰＬリンクマージンの３０ｄＢ＋の改善
３．高密度水エアロゾルでの『より深い赤外線』波長への波長シフトの不測の利点（伝搬の改善）
重水エアロゾル（キロメートルあたり～１００から～１５０ｄＢの減衰『に、又は近づく』ことのある）で、及びＣＷレーザービームがその検出レベル以下（つまり、光パワーメータのノイズフロア以下）に減衰された後、及び（１５５０ｎｍに中心が置かれた）ＵＳＰＬ出力スペクトルの最も強力な部分もその検出レベル以下に減衰された後、（スペクトルの１５５０ｎｍ部分よりも～５ｄＢ低い平均電力出射した）ＵＳＰＬビームの残りの１５７１ｎｍ部分は、検出レベルの完全に１５ｄＢ上で、且つ安定していた（時間内の低レベルの変動）。
４．ＵＳＰＬパルス受信『ピークツーフェード（ｐｅａｋ－ｔｏ－ｆａｄｅ）』電力レベルでの不測の利点
ＵＳＰＬビームの受信電力変動－より低い減衰の期間中であるが、最も重要なことには、天気の影響により増加又は減少する減衰の期間中のどちらか－は、ＣＷレーザービーム）の電力変動と比較して非常に短期間（通常、１秒の期間）にわたって数十ｄＢ、実質的に少なかった。及び、
５．真の離散ゼロ復帰高ピーク電力パルスを使用するインパルスコーディングの利点
任意の種類の『インパルスコーディング』変調での信号キャリヤとして超短パルスを使用することによる、光検出器でのリンクマージン改善の最大１０ｄＢの、及び１０ｄＢを超える改善。
【0027】
また、上記の利点が、単独で又は組み合わせてのどちらかでＵＳＰＬ通信システム及びセンサシステムの全体的な可用性を実質的に高めるために著しく寄与したことにも留意されたい。
【0028】
本明細書に説明する主題は、所望される構成に応じて、システム、装置、方法、及び／又は製品内で具現化することができる。上記説明に説明された実施態様は、本明細書に説明される主題と一致するすべての実施態様を表していない。代わりに、実施態様は、説明される主題に関連する態様と一致するいくつかの例にすぎない。いくつかの変形形態が上記に詳細に説明されているが、他の変更形態又は追加も考えられる。特に、追加の特徴及び／又は変形は、本明細書に説明されたものに加えて提供することができる。例えば、上述された実施態様は、開示された特徴の様々な組合せ及びサブコンビネーション、及び／又は上記に開示された、いくつかの追加の特徴の組み合わせ及びサブコンビネーションを対象とする場合がある。さらに、添付の図に示される、及び／又は本明細書に説明される論理的な流れは、所望の結果を達成するために、図示されている特定の順序又は順序を必ずしも必要としない。
【図面の簡単な説明】
【0029】
本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成する添付図面は、本明細書に開示される主題の特定の態様を示し、説明とともに、開示される実施態様と関連付けられた原則のいくつかを説明するのに役立つ。ＵＳＰＬが図示又は説明されるすべての場合において、これらのレーザーからのピーク出力電力は１キロワット以上であること、及びそのパルス幅が１ナノ秒以下であることが仮定されるべきである。
【0030】
【図1】遠隔光受信端末への伝送のための光源としてＵＳＰＬソースの自由空間結合を含む光通信プラットフォームの例を示す図である。
【図2】遠隔光受信端末への伝送のための光源としてＵＳＰＬソースのファイバ結合を含む光通信プラットフォームの例を示す図である。
【図3】遠隔光受信端末への伝送のための外部変調器へのＵＳＰＬソースのファイバ結合を含む光通信プラットフォームの例を示す図である。
【図4】遠隔光受信端末への伝送のためのファイバ媒体を通る外部変調器へのＵＳＰＬソースのファイバ結合を含む光通信プラットフォームの例を示す図である。
【図5】双曲面ミラー製作技術又は従来のニュートン設計のどちらかのタイプである場合がある、送信側要素及び又は受信側要素の例を示す図である。
【図6】遠隔光受信端末への伝送のための強化光送信出射パワーを増加させるために識別され、使用される光ファイバ増幅器要素の例を示す図である。
【図7】遠隔光受信端末への伝送のためのポイントツーポイント構成での、伝送のための外部変調器にファイバ結合されたＵＳＰＬレーザーデバイスの例を示す図である。
【図8】ポイントツーマルチポイント構成で、伝送のための外部変調器に結合されたファイバであるＵＳＰＬレーザーデバイスの例を示す図である。
【図9】追跡及び位置合わせ（ポインティング）ビーコンソースとしての機能を果たすＵＳＰＬソースの使用例を示す図である。
【図10】偏光多重化ＵＳＰ－ＦＳＯ（ＰＭ－ＵＳＰ－ＦＳＯ）機能を提供するために、送信された光信号に多重化されるＵＳＰＬレーザーソースの偏光の例を示す図である。
【図12】調査の主題である浮遊微小粒子との相互作用によって後方散乱される、前方に伝搬されたデータ信号からの光を含む光の例を示す図である。
【図13】本主題、つまりＵＳＰＬレーザーソース及び検出感度を高めるための光受信技術の実施態様と一致する検出感度を改善するための光学受信技術としてのＵＳＰＬレーザーソースの例を示す図である。
【図14】任意選択で、目標識別のためのレンジファインダ及びスポッティング装置としてデータ信号からの光を含む、赤外線波長範囲全体で活用され、操作されるＵＳＰＬ－ＦＳＯ送受信機の例を示す図である。
【図15】本主題の実施態様と一致するＵＳＰＬパルスマルチプライヤデバイスの例を示す図である。
【図16】本主題の実施態様と一致する高パルスレートＵＳＰＬストリームの生成のためのデバイスの別の例を示す図である。
【図17】従来の伝送ネットワーキング要素からＵＳＰＬ－ＲＺを生成するための光学デバイスの別の例を示す図である。
【図18】１００Ｇｂｐｓ出力を与えるために１０×ＴＤＭタイプの信号システムの生成のためのＵＳＰＬパルスマルチプライヤデバイスを実装する例を示す図である。
【図19】大容量ネットワークでの使用のためにパルス繰り返し率を拡張するためのＵＳＰＬパルスマルチプライヤデバイスの別のタイプの一例を示す図である。
【図20】大容量ネットワークでの使用のためにパルス繰り返し率を拡張するためのＵＳＰＬパルスマルチプライヤデバイスの別のタイプを実装する例を示す図である。
【図21】フィードバック再生システムを有する能動モードロックされた線形ファイバレーザーの例、つまりファイバリフレクタ（ＦＲ）、波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）、エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）、光結合器（ＯＣ）、光検出器（ＰＤ）、位相ロックループ（ＰＬＬ）及びマッハツェンダー（ＭＺＭ）を示す図である。
【図22】カーボンナノチューブ飽和可能吸収体を使用する受動モードロック済み線形ファイバレーザーの例、つまりファイバリフレクタ（ＦＲ）、光結合器（ＯＣ）、可飽和吸収体（ＳＡ）を示す図である。
【図23】カーボンナノチューブ飽和可能吸収体を使用する受動モードロック済み線形ファイバレーザーの例、つまりファイバリフレクタ（ＦＲ）、光結合器（ＯＣ）、可飽和吸収体（ＳＡ）を示す図である。
【図24】光パルスをＵＳＰＬソースから生じたパルス関係に安定化する際に使用するための時間遅延安定化機構の例、つまり光結合器（ＯＣｉｎ、ＯＣｏｕｔ）、光検出器（ＰＤｉｎ、ＰＤｏｕｔ）、高域フィルタ（ＨＰＦ）、低域通過フィルタ（ＬＰＦ）、位相ロックループ（ＰＬＬ）、位相コンパレータ（ＰＣ）、分周器（Ｉ／Ｎ）、クロックデータ復旧システム（ＣＤＲ）、圧電アクチュエータ（ＰＺ１．．ＰＺＮ）、加算演算増幅器を示す図である。
【図26】ＴＤＭマルチプレクサが、並列時間遅延チャネルを使用し、パルス列を多重化し、遅延チャネルを互いに対して「一致」させる、時間領域多重化（ＴＤＭ）の例を示す図である。（出力多重化パルス列の周波数は、理想的には、環境変化に可能な限り鈍感であるため、フィードバックループ制御システムは、出力繰り返し率を含む任意の変動について遅延を補正することができ、フィードバックは相互接続を通して提供できる。
【図27】個々のＭＦＣ回路を制御するための圧電変換器とともにファイバベースのコリメータの使用の例を示す図である。
【図28】テラビット／秒（又はそれ以上）にマルチプライヤフォトニックチップを提供するためにＵＳＰＬ変調ソースからＴＤＭチップのタイミングの例を示す図である。
【図29】テラビット／秒（又はそれ以上）にＷＤＭ構成で動作するマルチプライヤフォトニックチップを提供するために、ＵＳＰＬ変調ソースからのＴＤＭチップのタイミングの例を示す図である。
【図30】再帰線形偏光調整を使用して全ファイバロックシステムのパルス幅を制御し、同期自己再生機構を使用して空洞の繰り返し率を同時に安定化することができ、繰り返し率及びパルス幅の同調性を提供することもできるコンピュータ支援システムの構造の例を示す図である。
【図31】十分に特徴付けられ、十分にモードロックされたレーザーのより低い繰り返し率のパルス列が、パルスの十分に決定された部分が取り出され、出力パルス列の所望されるパルス間間隔に等しい光学遅延を有する光ループ内で「再循環」され、方向性結合器の出力に再結合される統合光方向性結合器に結合できるパルス逓倍技術による、修正されたパルスインタリーブ方式の例を示す図である。
【図32】本主題の実施態様と一致する方法の特徴を示すプロセスフローチャートである。
【図33】本主題の実施態様と一致する方法の特徴を示す別のプロセスフローチャートである。
【図34】本主題の実施多様と一致する方法の特徴を示す別のプロセスフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0031】
図１は、移送用の光源として自由空間結合されたＵＳＰＬデバイスを使用するための現在の主題の実施態様と一致する光通信プラットフォーム１００の例を示す。図１に示されるように、ＵＳＰＬソース１０２は、外部ソース要素１０４によって直接的に変調される。ＵＳＰＬソースからの光パワーは、任意選択で光学望遠鏡によって自由空間１１０を横切って送信側要素１０６に結合することができる。送信側要素１０６は、任意選択で双曲面ミラー製作技術、従来のニュートン設計などによって形成された光学部品を含む場合がある。受信機システムでの相互受信望遠鏡は、光受信を提供できる。本主題の実施態様と一致して、各光伝送プラットフォームは、双方向ユニットとして動作するように設計することができる。言い換えると、光通信プラットフォーム１００の送信側要素１０６も、受信側要素として機能することができる。一般的に、明示的に別段の定めをした場合を除き、説明した送信側要素１０６は、受信要素としても動作する、及びその逆も同じと見なすことができる。送信機能と受信機能の両方を実行する光学素子は、本明細書では、光学送受信機と呼ばれる場合がある。
【0032】
図２は、図１の光通信プラットフォーム１００を含む、本主題の実施態様と一致する光通信システム２００の例を示す。また、図２には、送信側要素１０６から遠隔の距離に位置する受信側望遠鏡である場合がある第２の補完的な受信要素２０４も示されている。上記のように、送信側要素１０６と受信側要素２０４の両方とも双方向である場合があり、各々が、光通信システム２００におけるデータ伝送の瞬時の方向に応じて送信側要素１０６と受信側要素２０４の両方として機能することができる。この特徴は、明示的に別段の定めをした場合を除き、送信側要素及び受信側要素について本開示全体に適用する。送信側要素１０６及び受信側要素２０４のどちらか又は両方とも、光学望遠鏡又は光情報を送信及び受信するための他のデバイスである場合がある。
【0033】
図３は、ファイバ媒体３０４を通して外部変調器３０２にファイバ結合され、任意選択で、ファイバ媒体、自由空間接続などである可能性がある追加の伝送媒体３０６を通して送信側要素１０６に接続されたＵＳＰＬソース１０２を使用するための本主題の実施態様と一致する光通信プラットフォーム３００の例を示す。ＵＳＰＬソース１０２は、ＵＳＰＬソース１０２からの光パワーが送信側要素１０６にファイバ結合される、又は同等な光学望遠鏡を介して処理されるように、外部変調器３０２によって外部で変調することができる。
【0034】
図４は、図３の光通信プラットフォーム３００を含む、本主題の実施態様と一致する光通信システム４００の例を示す。また、図４には、図２に関連して上述したように、送信側要素１０６から遠隔距離に位置する受信望遠鏡である場合がある第２の補完的受信望遠鏡２０４も示される。
【0035】
図５は、本主題の実施態様と一致する光通信アーキテクチャ５００の例を示す。図５のアーキテクチャ５００は、図４の要素を含み、第１の光通信プラットフォーム３００に接続された第１の通信ネットワーク５０２をさらに含む。受信側要素２０４は、任意選択で第１の光通信プラットフォーム３００のコンポーネントに類似したコンポーネントを含む場合がある第２の光通信プラットフォーム５０４の一部である。第２の通信ネットワーク５０６は、データが送信側要素１０６と受信側要素２０４との間で光学的に伝送される、又は各々が、光学ネットワーキング特徴及び電気ネットワーキング特徴の１つ以上を含む場合がある第１の通信ネットワークと第２の通信ネットワーク５０２、５０６の間で渡されるように、第２の光通信プラットフォーム５０４に接続することができる。
【0036】
図６は、本主題の実施態様と一致する光通信システム６００の例を示す。光通信プラットフォーム６０２の一部として、ＵＳＰＬソース１０２は、例えば光ファイバ２０２又は他の伝送媒体を通して外部変調器３０２にファイバ結合される。ＵＳＰＬソース１０２からの光は、上述したのと同様に送信側要素１０６を介して伝搬される。任意選択で光ファイバ増幅器要素である場合がある、光増幅器要素６０４は、光送信出射出力を高めるために使用することができ、任意選択で外部変調器３０２と送信側要素１０６との間に配置され、任意選択でファイバ媒体、自由空間接続などである場合がある追加の伝送媒体３０６を介して一方又は両方に接続される場合がある。また、図６には、光通信プラットフォーム６０２から遠隔距離に位置する第２の補完的な受信要素２０６も示される。受信側要素２０４を含む第２の光通信プラットフォーム５０４も、光増幅器要素６０４を含む場合があることは容易に理解される。第１の及び第２の通信ネットワーク５０２、５０６は、それぞれ２つの光通信プラットフォーム６０２、５０４に接続することができる。
【0037】
図７は、本主題の実施態様と一致する光通信システム７００の例を示す。図６に示される光通信プラットフォーム６０２は、本実施態様では受信側要素２０４及び光前置増幅器７０４を含む場合がある第２の光通信プラットフォーム７０２と通信することができる。また、光通信プラットフォーム６０２に示されるものに類似する他のコンポーネントも、それらは図７では示されていないが、第２の光通信プラットフォーム７０２に含まれる場合がある。双方向光通信プラットフォームが、受信した光信号を増幅するための光前置増幅器７０４と、送信した光信号をブーストするための光増幅器要素６０４の両方を含む場合があることも理解されたい。図７に示される実施態様及び本主題の他の実施態様と一致して、例えばエルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）、高出力エルビウム－イッテルビウムドープファイバ増幅器（Ｅｒ／Ｙｂ－ＤＦＡ）又は半導体光増幅器（ＳＯＡ）を含む場合があるが、これに限定されるものではない同等物の１つ以上を使用して、送信側要素１０６と受信側要素２０４（逆の場合も同じ）との間のデータリンク用の光バジェットを強化するために、光増幅（例えば、光増幅器要素６０４又は光前置増幅器７０４のどちらか又は両方）を含む。
【0038】
図８は、本主題の実施態様と一致する光通信システム８００の例を示す。図６に示される光通信プラットフォーム６０２は、本実施態様では、図７に示されるものに類似した受信側要素２０４及び光前置増幅器７０４を含む場合もある第２の光通信プラットフォーム８０２と通信する場合がある。図８に示されるように、第２の光通信プラットフォーム８０２は、受信側要素２０４で受信され、光前置増幅器によって増幅された、増幅され、電気的に回復されたデータを受信できる光受信機回路網８０４をさらに含む場合がある。複数のクロックソース８０６は、必要に応じて、複数の通信ネットワーク８１０との複数の遠隔マルチポイントネットワーク接続にインタフェースすることができる。同様に、クロックソース及び複数の通信ネットワークの補完的なセットは、光通信プラットフォーム６０２と連動して（例えば、図８に図示された単一の通信ネットワーク５０２の代わりに）操作することができる。
【0039】
図９は、本主題の実施態様と一致する光通信システム９００の例を示す。また、最初に図６に関して本明細書で説明された光通信プラットフォーム６０２の要素と同様の要素を特徴とする場合がある光通信プラットフォーム９０２も、追跡及び位置合わせ（ポインティング）ビーコンソースとしての機能を果たす追加のＵＳＰＬソース９０４を含む場合がある。また、第２の光通信プラットフォーム９０６も、追跡及び位置合わせ（ポインティング）ビーコンソースとしての機能を果たす追加のＵＳＰＬソース９１０を含む場合がある。追跡及び位置合わせ（ポインティング）ビーコンソース９０４、９１０は、任意選択でデータ伝送送信で使用される利用可能な通信ソースから発信する場合もあれば、別個の専用のＵＳＰＬソースによって提供される場合もある。さらに、各ＵＳＰＬビーコンソース９０４、９１０は、帯域内ソース又は帯域外ソースを含み、それによって利用可能な光増幅ソースの、又は専用の光増幅リソースからの優位点を可能にすることができる。
【0040】
図１０は、ＵＳＰＬソースが送信した光信号に偏光多重化され、それによって偏光多重化ＵＳＰ－ＦＳＯ（ＰＭ－ＵＳＰ－ＦＳＯ）機能を提供する二重偏光ＵＳＰＬ－ＦＳＯ光データリンクプラットフォーム１００１の例を示す。２つのＵＳＰＬソース１０２及び１００２は、それぞれ直接的に変調されたか、又は外部で変調されたかのどちらかの変調コンポーネント１００４、１００６にファイバ結合される。各それぞれの変調信号は、光増幅器コンポーネント１０１０、１０１２によって光学的に増幅され、続いて光偏光状態が偏光コンポーネント１０１４、１０１６を使用して調整される。偏光状態信号は、上述の送信要素１０６に類似する場合がある光出射プラットフォームコンポーネント１０２２にインタフェースするために偏光依存マルチプレクサ（ＰＤＭ）コンポーネント１０２０にファイバ結合される。ＰＤＭ１０２０は、光出射プラットフォームコンポーネント１０２２を介した伝送のために、異なる偏光状態の光を単一のパルス列に多重化する。ＵＳＰＬ光ビーコン９０４は、例えば上述したものと類似した受信側要素２０４を含む場合がある受信プラットフォーム１０２４で第２のＵＳＰＬ光ビーコン９０６に沿って、又は第２のＵＳＰＬ光ベーコン９０６と連動して動作するために、図９に関して上述された機能に類似した機能を提供するために含まれる場合がある。上述されたように、受信側要素２０４並びに受信プラットフォーム１０２４の他の特徴及びコンポーネントは、一般に、双方向リンクが確立されるように、伝送機能をサポート可能である場合がある。受信側要素２０４によって回復された受信信号は、増幅要素１０３０、１０３２を使用して追加の光増幅のために２つの要素を提供することができる適切な偏光依存デマルチプレクサ１０２６にインタフェースされる光信号を提供できる。増幅要素１０３０、１０３２によって提供される各光増幅信号は、ネットワーク使用のために適切な光ネットワーク１０３４、１０３６にインタフェースされる場合がある。
【0041】
図１１Ａは、ＵＳＰＬ－ＦＳＯ送受信機を見通し内光通信（例えば、レーザー通信）用途での使用のために利用できるシステム１１００の例を示し、図１１Ｂは、ＵＳＰＬ－ＦＳＯ送受信機を見通し外レーザー通信用途での使用のために利用できるシステム１１５０の例を示す。透過光が大気を通過するとき、送信要素から送信された光信号の散乱のために、本主題のいくつかの実施態様の優位点を実現することができる。この散乱は、見通し外通信の使用を可能にできる。さらに、そのような通信システムで使用される無線は、光が２００から２８０ｎｍの波長で発射するＵＶ－Ｃバンドのソーラーブラインド部分で動作することができる。このバンドでは、太陽放射線が環境を通って伝搬するとき、太陽放射線は地球の大気によって強力に減衰される。これは、それが地上に近づくにつれ、背景雑音放射線の量が劇的に低下し、低出力通信リンク動作が可能になることを意味する。他方、酸素、オゾン、及び水などの環境要素は、通信放送を弱める又は中断し、使用を単距離用途に制限する場合がある。
【0042】
ＵＶ波が大気を通って拡散すると、ＵＶ波は、通常、多種多様な信号経路の中に強く散乱される。信号散乱は、見通し外状態で動作しているＵＶシステムには必須であり、通信性能は、伝送ビームポインティング及び受信機の視界に高度に依存する場合がある。図１１Ａに示される見通し内配置１１００は、図１１Ｂに示される見通し外配置１１５０とは帯域幅のサイズで異なる場合がある。紫外線通信は、より強く送信機ビーム位置及び受信機の視界に依存する場合がある。結果として、例えば補足設備を用いて実験して、ＵＶ－Ｃ信号を強化することによって、ポインティング頂点角度を精緻化することは、有利である場合がある。
【0043】
図１２は、ＵＳＰＬソース１０２が光ファイバコンポーネント２０２によって、光信号を送信及び受信できる光出射要素１２０２にファイバ結合されるリモートセンシングシステム１２００の例を示す。光出射要素１２０２を通るデータ信号からの光を含む、前方に伝搬された光の一部は、調査の対象である浮遊微小粒子との相互作用によって後方散乱される。光後方散乱信号は、光出射要素１２０２又は類似する受信アパーチャを通して検出され、図１２の検出回路網１２０４などを通して検出及び分光学的な分析のために伝えられる。中で調査が行われるターゲット大気領域１２０６内の微粒子のシグネチャは、例えば紫外分光法、赤外分光法、ラマン分光法など所定の分光学的較正測定値を使用するなど、従来の手法によって較正することができる。この実施態様と一致して、光学システムは、関心のあるスペクトル範囲で動作するＵＳＰＬレーザーソースを使用して、解像度及び検出感度の性能の強化を提供するＬｉＤＡＲ計器として操作することができる。スペクトル範囲の調整可能性は、大気中の化学成分を評価及び分析するのに役立つ場合がある。
【0044】
ＵＳＰＬ－ＦＳＯ送受信機は、１つの理想的な点での受信信号に焦点を当てた双曲線ミラー製作技術又は従来のニュートン設計のどちらかによって製造された光伝送端末を利用して、イオン化検出技術及び非イオン化検出技術を使用する浮遊微小粒子のシグネチャのリモートセンシング及び検出のために活用できる。また、特定の適合は、これらの周波数及びイオン化プロセスで発生することが示されている制御可能イオン化を含む、遠隔領域のイオン化プロービングに関連付けることができ、イオン化プロセスは、特に天気及び雲での大気貫通の深さを調整するために離れて集束することができる。
【0045】
図１３は、検出感度を改善するためにのＵＳＰＬソース及び光受信技術の使用の例を示す。Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮＩＳＴ）米国の研究者は、最大１００ｋｍの距離にわたって、ナノメートル精度を有する複数のオブジェクトを指摘できるレーザー測距システムを構築した。ＬＩＤＡＲ（光検出及び測距）システムは、地球上での精度製造から完全な構成で衛星のネットワークを維持することまでの用途を有することができるであろう（Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ＤＯＩ：１０．１０３８／ＮＰＨＯＴＯＮ第２００９．９４）。ＮＩＳＴデバイスは、２つのコヒーレント広帯域ファイバレーザ周波数コムを使用する。周波数コムは、パルス列を横切って延びるきわめてコヒーレントなキャリヤも含む安定した一連の短パルスを出力する。つまり、周波数コムは、干渉測定及び飛行時間測定を同時に行うために用いることができ、それによって用途に特殊な状況のための分析能力を強化する。
【0046】
図１３に示される配置では、２つの位相ロック周波数コム１３０１及び１３０２が、マルチヘテロダインとしても知られるコヒーレントな線形光サンプリング構成で使用され、一方の周波数コムが両方の距離経路を測定し、一方、他方の周波数コムが第１のコムを鑑みて符号化された距離情報を提供することを意味する。一方の周波数コム１３０１からのパルスは、ファイバの中から発射し、２つのガラスプレート、つまり基準１３０３及びターゲット１３０４に向けることができる。プレート１３０３及び１３０４は、パルスの特定の部分（例えば、約４％）をファイバに反射して戻し、２つの新しいパルスを効果的に作成できる。２つのパルス間の時間分離１３０１は、可動ターゲットプレートと基準プレートとの間の距離を示すことができる。第２の周波数コム１３０２は、第１の周波数コムとしっかりと位相ロックされるが、わずかに異なる反復率を有する。ソースが干渉するときの連続するパルス間の異なる遅延のため、第２の周波数コムは、第１のコムの電場から光のわずかに異なる部分をサンプリングできる。
【0047】
図１３を参照して説明された技術を使用することにより、２つのコヒーレントな広帯域ファイバレーザーソースを、専用の自由空間光学顕微鏡設計にファイバ結合された各ＵＳＰＬソースを有する、概説された構成の範囲内で使用される２つの適切なＵＳＰＬソースで置き換えることを可能にすることができる。そのようにすることによって、全体的な効率、光学的測距及び精度を著しく改善することができる。
【0048】
現在利用可能なＵＳＰＬ光パルス列は、ＵＳＰＬレーザーソースの本来のパルス繰り返し率で動作し、通常、５０ＭＨｚ以下に制限され、それによって光伝送の最大データレートの上限を定める。結果として、ＵＳＰＬレーザーソースを活用する光学システムは、５０Ｍｂｐｓ以下の低データレート用途に制限される。ＵＳＰＬの運用速度を上げるための手段を有することは、５０Ｍｂｐｓを超えるデータ移送のための解決策を提供するために必要である。
【0049】
図１４は、ＵＳＰＬソース１０２が、光信号を送信及び受信できる光出射要素１２０２に光ファイバコンポーネント２０２によってファイバ結合される、リモートセンシングシステム１４００の例を示す。データ信号からの光を含む光出射要素１２０２によって前方に伝搬された光は、大気領域１２０６内で調査の対象である既知及び未知のターゲットとの相互作用によって後方散乱される。データ信号からの光を含む光学後方散乱信号は、光出射要素１２０２又は同様の受信アパーチャを通して検出され、図１４の検出回路網及び分光分析コンポーネント１４０２を通して検出分析のために伝えられる。調査中の領域１２０６内の微粒子のシグネチャは、例えば、距離測定分析を実行できる場合に較正できる。図１４のシステム１４００は、ターゲット識別及び調査の用途の目的でレンジファインダ及びスポッティング装置として赤外波長範囲にわたって活用及び操作されるＵＳＰＬ－ＦＳＯ送受信機を含む場合がある。
【0050】
図１５は、ＵＳＰＬソース１０２からの出力の繰り返し率を上げることができる光パルスマルチプライヤモジュール１５００を示す。パルス幅が１０～１００フェムト秒の典型的なＵＳＰＬは、例えば５０ＭＨｚの繰り返し率を有する。ＵＳＰＬ１０２からの出力は、ＵＳＰＬフォトニックチップパルスマルチプライヤモジュール１５０４に入力１５０２として送り込むことができる。この例では、フォトニックチップは、入力を個別の光学部材に分割する２０，０００：１スプリッタ要素１５０６を含む場合がある。スプリッタ要素１５０６の反対側の各光学部材は、５０ＭＨｚのパルス列を含む。各光学部材は、次いで遅延コントローラ（ファイバループ又はレンズアレイのどちらか）１５１０を通過し、遅延コントローラ１５１０は、時間で、例えば数ピコ秒、その部材のパルス列を遅延させる。連続する光学部材は、それによって増分ピコ秒、遅延する。固有の時間遅延を有するこれらのパルス列のすべては、２０，０００：１光コンバイナ要素１５１２を利用する時分割多重化に類似したやり方で単一のパルス列に結合される。スプリッタ及びコンバイナの必要とされる比率は、必要とされるアプリケーションに必要な光学設計を与えるために制御することができる。最終的な出力１５１４は、繰り返し率が１ＴＨｚの１０～１００フェムト秒パルスのパルス列である。このＴＨｚパルス列は、次いで図２８に示されるような１０又は１００ＧｉｇＥ信号によって変調され、１０ＧｉｇＥシステムの場合１ビットあたり１００フェムト秒パルス、及び１００ＧｉｇＥシステムの場合、１ビットあたり１０フェムト秒パルスを生じさせる場合がある。引用されたアプリケーションは、１０及び１００Ｇｂｐｓの特定のデータレートに限定されるのではなく、検討中のアプリケーションによって必要とされるように動作することができる。これらの数は、例示の目的のためにすぎない。本主題の実施態様は任意の乗数を使用して、フォトニックチップパルスマルチプライヤモジュール１５０４を介してＵＳＰＬの繰り返し率を任意の繰り返し率に上げることができる。強化されたＵＳＰＬ繰り返し率の生成で使用される他の例は、本提出物の中に示される。
【0051】
図１６は、高パルスレートＵＳＰＬ光ストリームの生成、送信及び受信のためのシステム１６００を示す。例えば、図１５に関して説明されたものと同様である場合がある光チップ多重化モジュール１６１０は、本願で使用することができる。ＵＳＰＬパルス逓倍を達成するためのこの手法では、信号１６０１、１６０２、１６０３、１６０４（４つの信号は図１６に示されているが、任意の数が本主題の範囲内であることが理解される）によって説明される一連の１０ＧｉｇＥルータ接続（１０ＧｉｇＥは、限定的な特徴となることを意図していない）が、光チップ多重化モジュール１６１０にインタフェースされる。動作中、光チップ多重化モジュール１６１０は、１０ＧｉｇＥルータ１６０１、１６０２、１６０３、１６０４と接続するために全二重（Ｔｘ及びＲｘ）をサポートできる。光チップ多重化モジュール１６１０は、進入光信号１６０１、１６０２、１６０３、１６０４のために、ＵＳＰＬソース１６９０から出力されたＵＳＰＬ信号１６８５による効率的な変調を提供できる。光チップ多重化モジュール１６１０は、これらの進入光信号を変調し、多重化する能力を提供できる。
【0052】
受信側デバイスが配置された遠隔受信サイトで、送信側装置での送信側要素１６６０を介して送信されたすべての信号は、適切な受信機要素１６６５を使用して回復することができる。光チップ多重化モジュール１６７５の補完的なセットは、一連のルータ１６０１’、１６０２’、１６０３’、１６０４’（再び、そのような４つのルータの説明は、限定的となることを意図していない）への送達用の要素によって、図示されるように、受信されたデータストリームを逆多重化するために必要な機能を提供できる。エンドツーエンドネットワーク接続性は、ネットワークエンドポイント要素を通じて明示することができる。
【0053】
図１７は、光チップが、現在入手可能なそのバージョンが非常に高価である場合がある波長分割多重（ＷＤＭ）システムに相互接続される例のシステム１７００を示す。各１０ＧｉｇＥ信号は独自の波長で他のそのような信号とは無関係に実行するので、ＷＤＭシステムは、１０ＧｉｇＥ（又は他の速度）のルータ１７０１との必要に応じたタイミング又は同期を必要としない利点を有する。１０ＧｉｇＥルータとのＴＤＭ光チップのタイミング又は同期は、ＴＤＭ光チップでは重要な場合がある。ＧｂＥスイッチ１７０１は、ＵＳＰＬソース１７０２を直接的に又はＵＳＰＬ本書内で上記に詳説されたパルスマルチプライヤモジュールを使用することによってのどちらかで変調するために、スイッチ１７０１から必要な電気ＲＦ信号１７０５を提供することができる。典型的なＲＺ出力１７１０は、外部変調器１７２０に結合することができ、外部変調器１７２０は、スイッチ１７０１のためのＮＲＺクロックソースを使用して変調することができ、それによってＲＺ変調スペクトル１７３０を生じさせる。容易に入手可能な設備を使用した変換プロセスは、ＵＳＰＬソース及びその利点を地上長距離ネットワークスペクトルに導入するための機能を提供できる。
【0054】
光チップシステムが２つの遠隔１０ＧｉｇＥスイッチ間を無事に橋渡しするためには、光チップシステムは、通常、簡略な１本のファイバのように作動しなければならない。したがって、ＴＤＭチップのタイミングは、１０ＧｉｇＥスイッチ１７０１によって駆動される場合がある。能動モードロックされたＵＳＰＬ（つまり、４０ＧＨｚ、１ピコ秒パルス幅）と受動モードロックされたＵＳＰＬ（つまり、５０ＭＨｚ、１００フェムト秒パルス幅）の両方とも、ＲＦタイミング信号によって駆動される場合がある。
【0055】
Ｌ
図１８は、光ファイバ又は自由空間光学部品のどちらかを使用して光チップ設計を実行することができるきわめて高いデータレート操作など、高いパルス繰り返しデータレート操作への前進の別の手法を支持できるデバイス１８００を示す。５０ＭＨｚのＵＳＰＬソース１８０１は、ファイバループ又はオフセットレンズのどちらかを使用して設計できる一連の光学遅延コントローラ要素１８０２にインタフェースされて、（６４Ｂ／６６Ｂ符号化のために１０Ｇｂｐｓよりも大きい）１０ＧｉｇＥライン速度である、正確に１０．３１３ＧｂｐｓのＲＺ出力ストリームを生成する。スプリッタ要素１８０３は、可変光学遅延線１８０４とともに、入信光信号越１８０１を（この例では）２０６の経路に分割する機能を提供する。設計を通じて十分な遅延が導入された後、すべての信号は、コンバイナ要素１８０５を通してともに多重化される。このように行う上で、各々が同一且つ隣接するパルス間で等しく離間された一連の光信号は、変調のためにパルスの連続体を形成する。すべての光進入（ｉｎｇｒｅｓｓ）信号は、Ｅ－Ｏ変調器要素１８０６に入る前に、例えば典型的な光増幅技術を使用してプリエンファシス技術によって調整されて、コンバイナ要素１８０５から各退出（ｅｇｒｅｓｓ）信号に一様なパワースペクトルを生じさせることができる。調整された退出信号は、次いでＥ－Ｏ変調器要素１８０６に結合され、１０ＧｉｇＥ信号ソース要素１８０７からの利用可能なＮＲＺ信号で変調される。１０ＧｉｇＥ変調出力１８０９は、ＥＤＦＡに、次いでＦＳＯシステム（又は光ファイバシステム）のＴＸにインタフェースできる。（検出器の後の）Ｒｘ側は、変調され、増幅された出力１８１０として１０ＧｉｇＥスイッチに直接的に送り込むことができる。
図１８は、光ファイバ又は自由空間光学部品のどちらかを使用して光チップ設計を実行することができるきわめて高いデータレート操作など、高いパルス繰り返しデータレート操作への前進の別の手法を支持できるデバイス１８００を示す。５０ＭＨｚのＵＳＰＬソース１８０１は、ファイバループ又はオフセットレンズのどちらかを使用して設計できる一連の光学遅延コントローラ要素１８０２にインタフェースされて、（６４Ｂ／６６Ｂ符号化のために１０Ｇｂｐｓよりも大きい）１０ＧｉｇＥライン速度である、正確に１０．３１３ＧｂｐｓのＲＺ出力ストリームを生成する。スプリッタ要素１８０３は、可変光学遅延線１８０４とともに、入信光信号越１８０１を（この例では）２０６の経路に分割する機能を提供する。設計を通じて十分な遅延が導入された後、すべての信号は、コンバイナ要素１８０５を通してともに多重化される。このように行う上で、各々が同一且つ隣接するパルス間で等しく離間された一連の光信号は、変調のためにパルスの連続体を形成する。すべての光進入（ｉｎｇｒｅｓｓ）信号は、Ｅ－Ｏ変調器要素１８０６に入る前に、例えば典型的な光増幅技術を使用してプリエンファシス技術によって調整されて、コンバイナ要素１８０５から各退出（ｅｇｒｅｓｓ）信号に一様なパワースペクトルを生じさせることができる。調整された退出信号は、次いでＥ－Ｏ変調器要素１８０６に結合され、１０ＧｉｇＥ信号ソース要素１８０７からの利用可能なＮＲＺ信号で変調される。１０ＧｉｇＥ変調出力１８０９は、ＥＤＦＡに、次いでＦＳＯシステム（又は光ファイバシステム）のＴＸにインタフェースできる。（検出器の後の）Ｒｘ側は、変調され、増幅された出力１８１０として１０ＧｉｇＥスイッチに直接的に送り込むことができる。
【0056】
図１９は、本主題の実施態様と一致するＵＳＰＬパルス逓倍のために使用できるデバイス１９００の別の例を示す。この手法と一致して、１０×ＴＤＭシステムは、１００Ｇｂｐｓ出力を与えるように構成される。ＴＤＭデマックスチップは、個々の１０ＧｉｇＥ信号を分割するために通信リンクの受信側にある場合があり、図１９に示される設計に対する相互手法を含む場合がある。
【0057】
図１８でのように、５０ＭＨｚのＵＳＰＬソース１８０１は、ファイバループ又はオフセットレンズのどちらかを使用して設計できる一連の光学遅延コントローラ要素１８０２にインタフェースされて、（６４Ｂ／６６Ｂ符号化のために１０Ｇｂｐｓよりも大きい）１０ＧｉｇＥライン速度である、正確に１０．３１３ＧｂｐｓのＲＺ出力ストリームを生成する。スプリッタ要素１８０３は、可変光学遅延線１８０４とともに、入信光信号越１８０１を（この例では）２０６の経路に分割する機能を提供する。設計を通じて十分な遅延が導入された後、すべての信号は、コンバイナ要素１８０５を通してともに多重化される。しかしながら、図１８に示される単一の変調器要素１８０６の代わりに、コンバイナ要素１８０５からの１０．３１３ＧＨｚのＲＺ出力１９０１は、この場合、光信号を１０の並列経路に分割する１０ｘスプリッタである場合がある第２のスプリッタ要素１９１０に送り込まれる。この設計の他の実施態様は、設計によって必要とされるように、様々な分割比をサポートできる。第２のスプリッタ要素１９１０から出る光路は、指定された光学遅延線１９２０に個々に接続される。各個別遅延経路は、１０×１０ＧｉｇＥ信号ソース要素１９３１からの利用可能なＮＲＺ信号で変調された光変調器１９３０のセットのうちの専用の光変調器に接続されて、一連の変調光信号１９３５を生じさせる。識別された光コンバイナ１９４０は、単一の光パルス列１９５０を提供する。単一の光パルス列１９５０の中の一連の光パルスは、ネットワーク使用のための所望される光調整のために適切な光増幅器にインタフェースできる。
【0058】
図２０は、本主題の実施態様と一致するＵＳＰＬパルス逓倍のために使用できるデバイス２０００の別の例を示す。図示されるデバイス２０００は、低繰り返し率チャネル内パルスの変調によってネットワークアプリケーションに高ＵＳＰＬパルス繰り返しデータレートを達成する能力を与えることができる。遅延コントローラで各チャネルの直接的な変調を適用することによって、電子技術の現在の速度制限によって制約されない変調方式の作成を有益に達成することができる。本主題の実施態様は、現在の標準的な電子変調速度で（図２０の例では、１００×１０ＧｉｇＥ信号入力２００１の速度で）個々のチャネルを別々に変調し、チャネルを単一周波数の高繰り返し率パルスストリームに時分割多重化することによって、システムのデータ伝送能力を強化するための機構を提供することができる。この手法では、光電子変調器（４０Ｇｂｐｓ）の速度で制限される現在の標準は、約Ｎ桁、強化することができ、Ｎは時分割多重装置のチャネル数である。例えば、各チャネル振幅が現在の標準的なデータレートで変調された１００のチャネルＴＤＭは、最大４Ｔｂｓの速度でのデータレートを提供できる場合がある。Ｎは、光パルス自体の幅によって制限される場合がある。情報が１ビット／パルスで運ばれる制限では、１ビットによって占有されるタイムスロットは、パルス自体の幅である（その意味では、ＲＺシステムはＲＺに収束するであろう）。例えば、この方式では、４０ＧＨｚ繰り返し率の４０ｆｓパルス幅レーザーは、２５Ｔｂｐｓの最大速度で情報を運ぶことができる。この手法は、４０Ｇｂｐｓチャネル変調方式（つまり、２５ｐｓあたり１ビット）で使用することができ、単一の伝送ではＮ－６２５チャネルの容量に相当する場合があり、これは、２５ｐｓの時間間隔内に収まる４０ｆｓ時間間隔の数である場合がある。この手法の重大な優位点は、既存のデータレートが制限された変調器とインタフェースしつつも、そうでなければ制限されているデータ容量変調方式を「光学的に強化する」能力である。例えば、マッハツェンダ―干渉計に基づいた振幅変調器は、ＴＤＭ ＩＣパッケージに容易に統合することができ、その中で必要とされるのは、チャネルを２つの別々の経路に分岐させ、小さな位相変調期（非線形結晶）を経路のうちの１つに加え、干渉のために経路を結合する能力である。
【0059】
図２０は、マルチポート光スプリッタ要素２０２０に結合されたＵＳＰＬソース２０１０を含む。識別された光ポートの数は、本明細書に説明又は図示されるものに限定される必要はない。一連の光学遅延線２０３０は、マルチポート光スプリッタ要素２０３０からの各並列経路間で必要とされる光学遅延を提供し、特定のアプリケーションに合わせることができる。光学遅延線２０３０からの光学遅延経路は、光コンバイナ要素２０３５を使用して互いに合計される。要素２０４０を通して表示される結果として生じる結合された光データストリームは、要素２０１０によって識別された元のＵＳＰＬソースのパルス繰り返し率の倍数的に増加する強化を表す。パルス繰り返し率のさらなる強化は、入信信号２０４０が、要素２０４１によって識別された経路に限定されない一連の経路に分割される、光スプリッタによって説明される要素２０４１の使用を通じて達成される。第２の遅延コントローラ２０４５を介して、光学遅延は、光学遅延経路２０４２の第２のセットによって識別されるようにデバイス内の各経路に導入され得る。各並列経路２０４２は、同様にして変調要素２０４４によって、信号入力２００１によって識別された利用可能なＲＦ信号ソース要素で変調される。光コンバイナ要素２０５０は、すべての入信信号を信号データストリーム２０６０に統合する。
【0060】
光プリエンファシス技術及びディエンファシス技術は、一様な又は非対称な光パワー分布のために光スペクトルをカスタム調整するために、説明された要素の各セグメント内に導入することができる。プリエンファシス又はディエンファシスは、エルビウムドープ光増幅器（ＥＤＦＡ）など、一般に使用されている光増幅器を使用して達成できる。
【0061】
図２１は、アプリケーションに適切に必要とされるクロック及びデータストリームを生成するために使用できるモードロックされたＵＳＰＬソース２１０１を含むシステム２１００の例を示す。モードロックされたレーザーは、デジタル通信システムにおけるクロックのための高性能、高フィネスソースの選択を表す場合がある。この点で、モードロックされたファイバレーザー－線形構成又はリング構成のどちらかの－は、それらがＵＳＰＬソース領域でのパルス幅及びＧＨｚほど高い繰り返し率を達成できるので、選択の魅力的な候補となる場合がある。それに加えて、ファイバは、２～３例を挙げると、コンパクトさ、低コスト、熱雑音に対する低い感度、低ジッタ、回折又は空気中の埃の汚染と関連する問題がないことを提供する。通信の状況では、パルス幅は、システムの利用可能な帯域幅を決定する場合があり、繰り返し率はデータレートを制限する。パルス幅は、レーザー空洞の固有の特徴－つまり、全体的なグループ－速度分散（ＧＶＤ）、及び（受動システムの場合）可飽和吸収体の選択－又は（能動モードロックシステムの場合）能動素子の帯域幅によって決定することができる。パルス列の繰り返し率は、ファイバの長さによって制約される。例えば、リニアレーザーの場合、レーザーの基本モードＶＯＳＣは、以下として表すことができる
【数1】
【0062】
ここで、ｃは真空中の光の速度であり、ｎｇは、平均群屈折率であり、Ｌは空洞の長さである。したがって、平均群屈折率が１．４７の長さ１０ｃｍのファイバレーザー空洞要素２１１０は、１ＧＨｚの繰り返し率を有するであろう。厳密に受動的なシステムでは、モードロックは、可飽和吸収体を使用することによって達成できる。能動的なレーザーでは、レーザーの繰り返し率を上げるために振幅変調器要素２１５０を挿入することができる（高調波モードロック）。モードロックＵＳＰＬソースを使用して高繰り返し率のクロックを達成するためには、（ｉ）図２１に示されるような空洞内振幅マッハツェンダ―変調器（ＭＺＭ）２１５０、及び（ｉｉ）低閾値可飽和吸収体の１つ以上を使用することが可能である。「高調波モードロック」として知られるこれらの技術は、空中の用途、宇宙の用途、又は海底の用途のいずれかでの地上システム、海底システム、又はＦＳＯシステムのために、ファイバベースのプラント分散システム内又はＦＳＯシステム内で利用することができる。
【0063】
図２１の中で詳説されるのは、光ＷＤＭデバイス２１０５に結合された９８０ｎｍのポンプ要素２１０２である。エルビウムドープ光増幅器２１１０又は同等物は、非線形環境を作り出して、光ＵＳＰＬ空洞のどちらかの端部の２つのファラデー反射器２１０１と２１６０との間に確立された閉鎖空洞内でモードロックされたパルス列放出を取得するために使用できる。デバイスの動作は、１００Ｇｂｐｓを超える自己完結型の一連の光パルスを確立することが可能であり、モジュールの出力ポート２１７０で本質的に高度に同期される。高利得非線形媒体を達成するために、ＥＤＦＡ２１１０を特別に設計することができる。位相ロックループ２１３０は、自己完結型の高繰り返し率パルス発生器のコンポーネント２１２０、２１３０、２１５０による信号の変調を通じて同期されたクロックソースを維持することによって動作において有利な安定性を提供することができる。
【0064】
その寸法（線形レーザーの場合は長さ、及びリングレーザーの場合は外周）によって制限されるレーザーで高繰り返し率を達成するために、基本モードの倍数の空洞内生成を刺激することが必要となる場合がある。能動の場合、空洞に挿入された振幅変調器は、「閾値ゲーティング」デバイスとして動作するシステムの損失を変調する。この手法が成功するためには、駆動信号がレーザーに対して発振の外部周波数を「強制する」のを回避するために、変調器に対する制御信号を、レーザー自体の発振の基準とすることが必要となる場合がある。これは、レーザーの繰り返し率を追跡してロックし（ｔｒａｃｋ－ａｎｄ－ｌｏｃｋ）、信号を再生するために、位相ロックループ要素２１３０又は同期発振器回路の導入によって実現することができる。ＰＬＬの場合、ＲＦ出力は、入力信号の倍数に設定することができ（このデバイスが携帯電話技術で使用されていると同じだけ）、レーザーの繰り返し率を上げることができる。信号は、次いでパルス発生器のトリガのために、又は低域通過フィルタと連動して使用できる。レーザー空洞の外部のＭＺ振幅変調器２１５０は、モードロックされたレーザーから生じるパルス列でオン／オフキーイング（ＯＯＫ）変調を生じさせるために使用できる。
【0065】
図２２は、制御信号ＮＲＺ信号２２１０が、示されるようにビットシーケンスから作られる振幅変調器２２０５が存在するために、入力パルス列２２０１に導入された損失変調の影響を示す図の描写２２００を示す。デバイス２２２０の出力で結果として生じる信号は、用途がＲＺデータストリームから利益を得る場合がある電気通信及び科学の用途で使用するためのＮＲＺからＲＺへの変換器デバイスを表す。所与のパルス繰り返し率でのクロック信号２２０１（光入力）は、変調器２２０５を通過する。同時に、１及び０のシーケンスから成る制御信号は、変調器要素２２１５のＲＦポートに印加することができる。変調器要素２２１５が最小伝送時にバイアスをかけられるとき、制御信号がない場合、光信号が経験する損失は、その最大値になる場合がある。ＲＦ信号（１）が存在する場合、損失は最小に低下し（オープンゲート）、このようにしてオン／オフキーイング変調デバイスとして機能する。出力光信号のパルス幅は、通常、情報の単一Ｎビットが占めるタイムスロットよりもはるかに小さく（ＮＲＺ方式の半クロック期間よりも少ない）、このシステムを要素２２２０によって識別Ｓされるように、真にＲＺにする。
【0066】
図２３は、可飽和吸収体（ＳＡ）デバイス２３３０を使用して高パルス繰り返し率を有する高光高調波ＵＳＰＬパルスストリームの生成のための例のシステム２３００を示す。ＳＡデバイス２３３０は、いくつかの例では、カーボンナノチューブを含む場合がある。カーボンナノチューブＳＡ（ＣＮＴ－ＳＡ）を使用する受動モードロックされたファイバレーザーは、基本繰り返し率の高い高調波を生成するその能力のために高繰り返し率ソースの別の魅力的なオプションになる。説明された手法では、閉じられた自己完結型の光空洞が確立され、その中で２つのファラデー反射器２３０１及び２３５０が光空洞を形成する。高図２３には出力エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）２３１０が示されているが、非線形光空洞を生成する任意の反転媒体も使用できる。例えば図２３に示される９８０ＮＭポンプレーザーなどのシードレーザー２３１５は、高繰り返し率の光列を生成する際に使用できる。特に、任意の適切なポンプレーザーは、必要とされる光波長及びパルス繰り返し率の観点から検討され得る。ＳＡ要素２３３０は、設計要件を通じて、要求に応じて、必要とされる光パルス特性２３５０を確立するために空洞内に配置することができる。
【0067】
図２３は、本主題の１つ以上の実施態様で使用できるレーザーの例の概略図を示す。図２２に示す能動レーザーとは異なり、ここでは、ＭＺ変調器をＳＡ要素２３３０で置き換えることができる。本明細書に説明される技術に類似した技術は、空中の用途、宇宙の用途、又は海底の用途のいずれかでの地上システム、海底システム、又はＦＳＯシステムのために、ファイバベースのプラント分散システム内で又はＦＳＯシステム内で利用できる。
【0068】
図２４は、ＴＤＭが並列時間遅延チャネルを使用してパルス列を多重化する時間領域多重化（ＴＤＭ）を提供する手法を示す。いくつかの例では、遅延チャネルが互いに対して「一致」するように遅延チャネルを操作することが重要になる場合がある。出力された多重化パルス列の周波数は、理想的には可能な限り環境の変化に反応しない場合がある。そのために、提案されているフィードバックループ制御システムは、出力繰り返し率の安定性を損なういかなる変動についても遅延ユニットを補正するための設計である。
【0069】
図２４は、遅延制御システム２４００の例の図を示す。制御ループは、本主題と一致するいくつかの方法の１つに実装できる。図２４は、例示のために１つの可能性を説明する。入力パルス列は、ＴＤＭに入り、各々が独自の遅延線を有するＮ個の経路に多重化する。経路が低「曲げ損失」のファイバ導波路から作られる場合、次いで各経路は半径Ｒの円筒形の圧電アクチュエータ（ＰＺ）に巻き付けることができる。アクチュエータは、一般に、制御電圧（Ｖｃ）の結果として半径方向に拡大する。Ｖｃに直線的に比例するこの拡大ΔＲは、ファイバの長さΔＬ＝２πＮΔＲの変化を生じさせ、ＮはＰｚの周りのファイバの巻き数である。テラヘルツ多重化の場合、パルス間の（したがってＰＺ１）の遅延は１ピコ秒でなければならない。これには、２００ミクロンに等しい長さの変化が必要となる場合があり、１巻きの場合、ＰＺアクチュエータはΔＲ＝３２．５ミクロンに相当する。大部分の市販の圧電アクチュエータは、非常に線形であり、この範囲内で十分に動作する。したがって、制御機構は、各々が第１の遅延の倍数に相当する巻き数、つまり（３２、６４、９６ミクロンなど）を有し、単一の電圧Ｖｃで制御されるいくつかのＰＺアクチュエータに基づく場合がある。制御電圧は、１／Ｎ分周器を使用して出力信号の周波数を、位相コンパレータ（ＰＣ）を使用して入力信号の周波数と比較するフィードバックシステムによって決定される。（図２４のτＲＴを有する波形で表される）「ゆっくりとした」入力光信号の周波数は、光検出器ＰＤｉｎを使用してＲＦ信号に変換される。電子ジッタの影響を低減するために、「微分器」（又は高域フィルタ）をパルスの前縁を急峻にするようにＲＦ信号に印加することができる。位相ロックループは、信号を追跡してロックするために、及び信号を５０％デューティーサイクル波形に再生するために使用される。同様に、出力側で、光信号は、光検出器ＰＤｏｕｔによってピックアップされ、高域フィルタにかけられ、クロック及びデータ回復システムのクロック出力ポートを使用して、再生される。入力信号の周波数のＮ倍の周波数を有する出力信号のクロックは、位相コンパレータに行く前にＮ倍の分周器に送られる。位相コンパレータから、入力信号と出力信号との間の不一致を表すＤＣ電圧レベル（ＰＬＬ回路のアーキテクチャで使用されるものと同じだけ）は、アクチュエータの補正の方向を示す。低域通過フィルタは、時間定数をシステムに追加してスプリアスノイズに対するその非感受性を強化する。
【0070】
ＣＤＲは、ＰＬＬと対照的に、出力信号が変調される場合もあれば、変調されない場合もあるように、出力で有利に使用することができる。このシステムは、非変調方式と「ＴＤＭ内変調」（つまり、各遅延経路に１つの変調器）方式の両方で機能するように設計することができる。しかしながら、これは遅延線の長さでの変動を補償する完全に決定論的な手法である。理想的には、及び実際的な観点では、遅延経路はすべて同じ「熱レベル」の基準とされるべきである。つまり同時に同じ熱変化に反応すべきである。各線が異なる変動を検知する場合、このシステムはリアルタイムでそれを補正することはできないであろう。
【0071】
代替策では、完全に統計的な手法は、制御電圧をアクチュエータに送達するために演算増幅器回路（Ｓ１．．．ＳＮ）を合計すること含む場合がある。そのような手法を使用して、入力電圧（Ｖ１からＶＮ）は、線間の長さの不一致を補償するために使用することができ、完全に静的な意味ではそうでなければ、入力電圧はシステムに対する初期の微調整に使用できる。また、手法は、通常、使用されるファイバの曲げ損失要件を補償する又は少なくとも考慮に入れる必要がある。市場に出たばかりのいくつかの新しいファイバは、数ミリメートルにすぎない臨界半径を有する場合がある。
【0072】
各経路遅延線が、スプリアス局在ノイズのために温度の異なる変動を検知する、又は相互に関連していない長さの変化を経験する場合、上述した手法は、そのまま、リアルタイム補正を実行する際に困難に苦しむ場合がある。完全に統計的な意味で動作するよりロバストな手法は、本主題のいくつかの実施態様と一致して使用することができる。そのような手法では、加算演算増幅器回路（Ｓ１．．．ＳＮ）は、制御電圧をアクチュエータに送達するために使用できる。この場合、入力電圧（Ｖ１からＶＮ）は、完全に統計的な意味で遅延線間の長さの不一致を補償するために使用することができ、そうでなければ、入力電圧は、システムに対する初期に微調整（較正）に有用であるにすぎない場合がある。
【0073】
再び図２４を参照すると、要素２４０１として識別された入信ＵＳＰＬソースは、光結合器要素２４０３に結合され、その結果、結合器の１つのレッグが２４０１の操作データレートでの動作に選択された光フォトダイオードに接続する。要素２４０４、２４０５、及び２４０６によって、説明された標準的な電子フィルタリング技術を使用すると、入信ＵＳＰＬ信号の電気方形波表現が、要素２４０７によって抽出され、識別される。結合器２４０３の第２の光レッグは、２４１０によって識別された適切な光スプリッタ要素にインタフェースされ、２４１０への入信信号は、２０６の並列光経路に分割される。また、示されているのは、スプリッタ要素２４１０の並列分岐の各々に並列接続で確立された可変レート光学遅延線である。並列圧電電気素子は、要素２４２Ｎによって識別され、図の中のフィードバック回路網を通して電子的に制御される。Ｖｃによって識別された制御電圧は、電子回路網要素２４８０及び２４７５とともにフォトダイオード２４８５を通して生成される。クロック及びデータ回復（ＣＤＲ）要素２４７５は、ＰＺ要素の各々を制御する際に使用されるクロックソースを生成する。２４２Ｎとして識別された光路は、適切な遅延が要素２４１０の各レッグに導入された後に結合される。パルス乗算されたＵＳＰＬ信号２４９０は、それによって生成される。
【0074】
図２５Ａは、ファイバＰＺアクチュエータ２５００の概略図を示し、図２５Ｂは、そのようなアクチュエータの半径対電圧のグラフ２５９０を示す。全体で、これらの図面は、誘導された光学遅延を通して、入信ＵＳＰＬパルス列のパルス栗菓子率を上げるためのＰＺアクチュエータの動作を示す。ＵＳＰＬ信号のためのパルス繰り返し率生成を強化するための要素としての使用のために示されているが、同じ技術は、光学遅延を必要とする、又は光学遅延の恩恵を受ける他の光学デバイスにも使用できる。デバイスの基本構造は、ファイバベースのＰＺアクチュエータ２５０１である。電圧２５５０が電極２５２０に印加されるとき、ファイバ内で電圧によって誘発された応力が生じ、ファイバを通って移動する光信号の時間遅延を引き起こす。印加電圧を変えることによって、図２５Ｂのグラフ２５９０に示されるように、光学遅延対印加電圧の性能曲線が得られる。
【0075】
図２６は、例の統計補正器２６００の特徴を示す図を示す。図２６に示される粗補正コントローラ２６４０は、すべての遅延線によって同時にピックアップされる長さの変動を補正できる、前項で説明されたシステムに相当する。上述のように、これらの変動は、「内部遅延線」スプリアス変動よりもはるかに遅い時間スケールで発生すると予想される。この後者の影響は、システムに導入された期間ごとのジッタとして出現する場合がある。この種のジッタは、ＲＦスペクトルアナライザ（ＲＦＡ）を使用して監視することができ、システムの繰り返し率の線に、アナライザが連続するパルス間の不均一な時間間隔から生じる雑音の多い周波数を混ぜ合わせた結果である「サイドライン」（又はサイドバンド）を表示させる。１つのそのようなパターンは、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）を使用して処理し、次いでニューラルネットワーク（ＮＮ）マシンに送ることができる値の配列として保存することができる。ニューラルネットワークマシンは、ニューラルネットワークマシンが入力及び出力の新しいセットに適応することによって外部のイベントからパターンを本質的に学習できるようにする、優れた適応性特性をもつことが知られている。この場合の入力のセットは、「不完全な観察」、つまりＲＦＡによって検出されるＴＤＭシステムの「雑音が多い」出力のセットから生成し、ＡＤＣ（｛ｆ１，ｆ２，．．．，ｆＮ｝、ここでｆ１はＲＦＡによってピックアップされた周波数成分である）によってデジタルアレイに変換することができる。出力のセットは、システムに対する外部摂動に起因する、望ましくない過剰な周波数雑音から出力周波数セットを取り除くために必要とされる補正（｛Ｖ１，Ｖ２，．．．，ＶＮ｝、ここではＶ１は、加算演算増幅器に対する補償入力電圧である）から生成することができる。ｆ、Ｖが周波数、電圧アレイである、十分に多数の｛ｆ，Ｖ｝の対を用いて、チャネル内雑音の存在と関連付けられた基本的なパターンを学習するようにＮＮマシンを訓練するための統計セットを構築することができる。これらのマシンは、いくつかの製造メーカからＩＣフォーマットで市販される、又はソフトウェアとして実装され、コンピュータフィードバック制御機構と併せて使用される場合がある。単層パーセプトロンタイプのニューラルネットワーク、又はＡＤＡＬＩＮＥ（適応線形ニューロン又は後の適応線形要素）は、タスクを達成するために十分であるべきである。
【0076】
図２４に関して上記に提供された説明と同様に、統計補正器要素２６７０は、図２４の電気回路網要素２４８０及び２４７５並びにフォトダイオード２４８５に類似している、又はそれらと類似した機能を提供する電子回路網を含む場合がある。図２６に示す手法の場合、ＲＦスペクトルアナライザ２６９５は、ニューラルネットワーク２６７０及び粗補正コントローラ要素２６４０とともに、並列の一連のＰＺ要素２６２Ｎに導入された光学遅延の要件を実行するために使用される。
【0077】
図２７は、要素２７９５及び２７２Ｎによって識別された圧電ディスク（ＰＺ）モジュールを通して性能、精度、及び解像度を改善することができる、本主題の実施態様と一致する手法の概念及び機能を示し、セラミックディスクによって囲まれたコンパクトなマイクロファイバベースコリメータ（ＭＦＣ）２７９５が光学遅延線を得るために使用される。ＵＳＰＬパルス列の本来のパルス繰り返し率を上げるための技術を示しているが、示されている設計はそのような用途に限定されるのではなく、光学遅延が必要とされるどこでも光セクタ内の他のニーズに適用又は拡張することができる。そうする際に、より制御された量の時間遅延が、回路の各ＭＦＣ要素内に導入できる。利用するＭＦＣ要素を使用することによる改善は、応答、解像度、及び大量生産手段における必要とされる電圧応答を迅速に再現することの達成を改善することができる。図２７内で識別された概念は、ＵＳＰＬパルス対パルスジッタを低減する際に使用するため、及びデータ暗号化のニーズのために補完的な対にされたユニットとしての機能を果たすことができる正確に製造された要素に組み込むことができる。
【0078】
図２７を更に参照すると、特定のパルス繰り返し率を有するＵＳＰＬソース２７０１は、スプリッタ要素２７０５によって識別されるように（２０６以外の数である場合がある）事前に選択された数の光路２７１Ｎに分割される。適切に制御された遅延２７３Ｎは、２７９５及び２７２Ｎによって説明された要素を使用して、分割された光路２７１Ｎの各並列レッグに導入される。結果として生じる遅延した経路２７４Ｎが、光コンバイナ要素２７６０を通してともに追加される。パルス乗算されたＵＳＰＬ信号２７８０が生じる。
【0079】
ファイバが圧電アクチュエータの「周りに巻き付けられた」いくつかの以前に利用可能であったＴＤＭ設計の１つの潜在的な不利な点は、機構が使用されるファイバの曲げ損失要件に準拠しなければならないことである。いくつかの市場に出たばかりの新しいファイバは、わずか数ミリメートルの臨界半径を有する。この問題を補正するために、本主題の実施態様は、ファイバを巻き付けた円筒形の圧電素子の代わりに、微細加工されたエアギャップＵブラケットを使用できる。図２７は、この原理を示している。この手法では、圧電アクチュエータ（ＰＺ１，．．．、ＰＺＮ）は、マイクロファイバコリメータ（ＭＦＣ）及び圧電材料から作られたマイクロリングを使用して構築されたエアギャップＵブラケット構造によって置き換えることができる。しかしながら、この場合、圧電アクチュエータは長手方向に拡大し、制御電圧（Ｖ１、Ｖ２，．．．，ＶＮ）に応えて、コリメータ間のエアギャップ距離を増加させる（又は減少させる）。円筒形の圧電の場合のように、単一電圧Ｖｃは、各チャネルの利得（Ｇ１，Ｇ２，．．．，ＧＮ）が相応して調整されて、各ラインに正しい拡大を与えるのであれば、すべての圧電デバイスを駆動するために使用することができる。理想的には、システムに対する固有のバイアス（つまり、演算増幅器間の本質的相違）を除き、利得調整は、τＲＴ／Ｎの倍数である拡大を提供するためにＧ１、２Ｇ１、３Ｇ１などであるべきである。そのような手法を実装する別の方法は、チャネルで複数の圧電リングを使用することである場合がある。そのようにして、１、２、３、Ｎ個の圧電リングが、同じ利得ですべての増幅器を用いて同じ電圧によって駆動される。
【0080】
図２８は、２つの遠隔１０ＧｉｇＥスイッチの間に無事に橋を架けるために光チップシステム２８００の概念的な提示を提供する。理想的には、そのような接続は、単純な１つのファイバと同様に実行できる。ＴＤＭチップのタイミングは、１０ＧｉｇＥスイッチによって駆動できる。
【0081】
図２８を参照すると、２８０６によって識別された所定の本来のパルス繰り返し率を有するＵＳＰＬソース２８０５は、光パルスマルチプライヤチップ２８０７に接続する。要素２８０７は、入信パルス繰り返し率信号２８０６を、２８０１で識別された高速ネットワークイーサネットスイッチを用いた操作に適切なレベルに変換するように設計されている。スイッチ２８０１は、関心のあるデータレートで、標準電気光学変調器２８２０を介して信号２８０９を変調するために使用される基準信号２８０２を提供する。結果として生じるＲＺ光信号は、要素２８４０に示されるように生成される。
【0082】
１０ＧｉｇＥスイッチから実行されるタイミングを有することの代替策は、マルチプライヤフォトニックチップを用いて、ＵＳＰＬをテラビット／秒（又はより速く）構築し、次いでこのテラビット／秒信号を１０ＧｉｇＥスイッチから直接的に変調することである。各ビットは、１００程度のパルスを有する。この手法の優位点は、別個のタイミング信号がスイッチからＵＳＰＬに実行される必要を排除することである可能性がある。マルチプライヤチップを介したＵＳＰＬは、単にテラビット／秒パルスを送り出さなければならない。もう１つの優位点は、マルチプライヤチップの出力が、正確に１０．３１３又は１０３．１２Ｇｂｐｓである必要がないことである。出力は単に約１テラビット／秒でのレートでなければならない。各１０ＧｉｇＥビットが１００又は１０１又は９９のパルスを有する場合、この制限は問題ではない。別の優位点は、各ビットが多くの１０ＵＳＰＬを有するため、１０ＧｉｇＥ信号が大気伝搬（霧及びシンチレーション）優位点を有することである。別の利点は、受信機端部で実現できる。そのビットがその単一のビットの中に１００程度のＵＳＰＬ信号を有する場合、検出器がビットを検出する方がより容易であるはずである。これは、受信機感度の改善につながり、このようにしてＦＳＯシステムに改善された範囲を可能にするであろう。追加の優位点は、１００ＧｉｇＥにアップグレードすることが、１０ＧｉｇＥスイッチを１００ＧｉｇＥスイッチで置き換えるほど単純である可能性があるという点で実現できる。この場合、各ビットは約１０パルスを有する。
【0083】
純粋に信号処理の観点から、この手法は、単一の伝送ストリームで結合されたデータ及びクロックを送信する効率的な方法を明示する。光パルスストリームを使用するビットの「サンプリング」とほぼ同様に、この手法は、ビット「サイズ」が、それが運ぶパルスの最大数によって決定され、したがってビットが受信側端部に到達するとビットをカウントするための基礎を確立する優位点を有する。言い換えると、ビット単位が、Ｎ個のパルスに適合できるタイムスロットを有する場合、システムのクロックは、５番目の後ごとに「情報の１個の新しいビット」として確立することができる。
【0084】
本明細書に説明される技術に類似した技術は、空中の用途、宇宙の用途、又は海底の用途のいずれかでの地上システム、海底システム、又はＦＳＯシステムのために、ファイバベースのプラント分散システム内で又はＦＳＯシステム内で活用することができ、初めて、ＵＳＰＬソースから光ネットワーク要素への相互接続が、ネットワーキングアプリケーションのためにどのようにして達成されるのかを示している。
【0085】
図２９は、図２８内に反映された設計概念のための概念的なネットワーク拡張を示すシステム２９００を示す。各々が専用光スイッチ及びＵＳＰＬレーザーマルチプライヤチップを通して変調された複数のＵＳＰＬソース２９０１、２９０２、２９０３（３つが示されているが、任意の数が本主題の範囲内にあることに留意されたい）として、回路はＷＤＭ配置で構成される。図２８に関して説明されるように、各イーサネットスイッチからの電気信号は、光路ごとに専用光変調器２９１１、２９２２、２９２８を変調するために使用できる。システムの各セグメントの光パワーは、増幅の目的で光増幅要素２９３１、２９３２、２９３３によって提供できる。増幅された各ＵＳＰＬ経路は、次いでネットワーク２９５０への移送のために適切な光コンバイナ２９４０にインタフェースし、必要に応じて、自由空間ベース又はファイバベースのどちらかにすることができる。ＷＤＭモジュールからの出力は、次いでＦＳＯ移送のために送信側要素１０２に、又はファイバプラント設備の中に構成できる。
【0086】
本明細書に説明される技術は、空中の用途、宇宙の用途、又は海底の用途のいずれかでの地上システム、海底システム、又はＦＳＯシステムのために、ファイバベースのプラント分散システムの中で又はＦＳＯシステムの中で活用することができ、初めて、ＵＳＰＬソースからの光ネットワーク要素への相互接続がネットワーキングアプリケーションのためにどのようにして達成されるのかを示している。
【0087】
図３０は、再帰直線偏光調整を使用して全ファイバモードロックレーザーのパルス幅を制御し、同期自己再生機構を使用して空洞の繰り返し率の同時に安定化するコンピュータ援用システムの構成を含むための本主題の実施態様のための実験の設定の概略図を示す。また、設計は、繰り返し率、及びパルス幅の調整能力も提供できる。
【0088】
ファイバリングレーザーは、内側の青いループで表され、すべての空洞内ファイバ分岐は、（暗褐色でコーディングされた）ファイバグレーティングコンプレッサの一部であるループの外側の正の高分散ファイバを除き、青でコーディングされる。外側のループは、フィードバックアクティブシステムを表す。
【0089】
図３０は、すべてがパルス繰り返し率の制御及びパルス幅の制御を提供するために役立つ、ミラー（Ｍ１、Ｍ）、回折格子（Ｇ１、Ｇ２）、長さ（Ｌ１、Ｌ２）、第二高調波発生器（ＳＨＧ）、光電子増倍管（ＰＭＴ）、ロックイン増幅器（ＬＩＡ）、データ取得システム（ＤＡＣ）、検出器（ＤＥＴ）、クロック抽出機構（ＣＬＫ）、周波数対電圧コントローラ（ＦＶＣ）、高圧ドライバ（ＨＶＤ）、基準信号（ＲＥＦ）、パルス発生器（ＰＧＥＮ）、振幅変調器（ＡＭ）、アイソレータ（ＩＳＯ）、圧電アクチュエータ（ＰＺＴ）、光結合器（ＯＣ）、偏光子（ＰＯＬ）、及び偏光制御器（ＰＣ）を通してパルス幅の制御及びパルス繰り返し率制御を提供するＵＳＰＬモジュールの特徴を示すシステム３０００の図である。
【0090】
受動モードロック機構は、モードロックファイバレーザー出使用できる非線形偏光回転（ＮＰＲ）に基づく場合がある。この機構では、伝搬パルスで楕円形に偏光した光を生じさせるために、弱複屈折シングルモードファイバ（ＳＭＦ）を使用できる。パルスはファイバに沿って移動するにつれ、パルスは、強度に依存する偏光回転が発生する非線形効果を経験する。パルスが偏光制御器（ＰＣ）３００１に到達するまでに、パルスの高強度部分の偏光状態は低強度部分よりも多くの回転を経験する。制御器は、パルスの高強度偏光コンポーネントを回転させ、その向きを可能な限り偏光子（ＰＯＬ）の軸に位置合わせする機能を実行することができる。結果的に、パルスが偏光子を通過すると、そのより低い強度のコンポーネントは高強度のコンポーネントよりも多くの減衰を経験する。したがって、偏光子から出るパルスは狭められ、プロセス全体が高速可飽和吸収体（ＦＳＡ）として機能する。この非線形効果は、ループの群速度分散（ＧＶＤ）連動して機能し、数回の往復の後、安定性の状況が発生し、受動モードロックが達成される。光ループの全体的なＧＶＤは、異なるタイプのファイバ（シングルモード、分散シフト、偏光維持など）を使用し、レーザーの平均ＧＶＤへのその寄与を強化することによって、許容誤差内で、特定の所望されたパルス幅を生成するように調整することができる。
【0091】
ＰＣからの線形偏光回転の能動制御は、レーザーの性能を大きく改善することができる。これは、パルス幅の進化を見つけ出すフィードバックシステムを使用して達成できる。図１の外側ループによって表されるこのシステムは、圧縮、結果的にパルスの平均出力を最大限にするために使用できる。ＯＣを通ってファイバリングレーザーから出てくるパルスは、数ピコ秒のオーダーの幅を有することが予想される。ファイバグレーティングコンプレッサを使用する外部パルス圧縮方式が、パルスを１００ｆｓｅｃ未満に狭めるために使用される。この技術は、多くの報告された実験で広範囲に使用され、高エネルギー、高出力のＵＳＰＬパルスにつながる。ここで、狭められたパルスは第二高調波発生器（ＳＨＧ）結晶に集束され、光電子増倍管（ＰＭＴ）を使用して検出される。ロックイン増幅器（ＬＩＡ）は、データ取得カード（ＤＡＣ）に出力信号を提供する。この信号は、パルスのピーク電力の増加又は減少を追跡することによってパルス幅の変動をたどる。同様の技術は、過去にも、その場合空間光変調器が代わりに使用された点を除き、無事に使用されていた。ここでは、プログラム可能サーボ機構が、ＰＣでアクチュエータを使用して線形偏光回転を直接的に制御する。ＤＣ信号データがＤＡＣによって提供された状態で、（ＬＡＢＶＩＥＷ又はＭＡＴＬＡＢ ＳＩＭＵＬＩＮＫなどであるが、これらに限定されない）意思決定ソフトウェアを、同様にして偏光子の軸を基準にして入力パルスの回転の角度を調整するサーボ機構を制御するために開発することができる。アクチュエータによって実行されるこれらの調整は、応力誘起複屈折を使用して達成される。例えば、パルス幅が減少する場合、機構はそれを補償するために一定の方向の線形角度回転をたどるようにアクチュエータに促し、パルスが増加する場合、機構は反対方向に作動し、両方とも平均出力電力を最大限にすることを目的としている。
【0092】
光学振動の繰り返し率に同期し、振幅変調器（ＡＭ）への駆動信号として使用される自己再生フィードバックシステムは、レーザーの往復時間を調節できる。能動システムでは、振幅変調器は、往復時間と同期して、損失を変調することによって閾値ゲートデバイスとして働く。最近の報告では、この技術はモードロックレーザーを無事に安定化させることができる。光検出器（ＤＥＴ）によって光結合器（ＯＣ）から採取された信号は、位相ロックループ又は同期発振器など、クロック抽出機構（ＣＬＫ）によって電子的にロックされ、再生することができる。再生された信号は、パルス発生器（ＰＧｅｎ）をトリガし、パルス発生器は、次いで変調器を駆動するために使用される。完全に同期した状況では、ＡＭは、往復時間（ＴＲＴ）ごとに、パルスがそれを通過するたびに「開く」。ＣＬＫはＴＲＴの変動をたどるため、ＡＭの駆動信号は相応して変わる。
【0093】
外部基準信号（ＲＥＦ）は、空洞の繰り返し率を調整するために使用できる。外部基準信号は、ミキサーを使用してＣＬＫからの回復信号、及び空洞の長さを調節できる圧電（ＰＺＴ）システムを駆動するために使用される出力と比較することができる。空洞の長さを調節するためのＰＺＴシステムのそのような使用は、周知の概念であり、類似した設計は、すでに実験的に成功裏に立証されている。ここで、線形周波数－電圧変換器（ＦＶＣ）は、ＰＺＴの高圧ドライバ（ＨＶＤ）へ入力信号を提供するために較正され得る。ＰＺＴは、ＲＥＦ信号の繰り返し率に一致するために空洞の長さを調整する。例えばＲＥＦ信号がその周波数を増加させる場合、ＦＶＣの出力は減少するため、圧電－シリンダに対するＨＶ駆動レベルも減少し、強制的に圧電シリンダを収縮させ、結果としてレーザーの繰り返し率を高めることになる。基準の繰り返し率が減少すると、正反対のことが発生する。
【0094】
負の分散回折格子の対を使用して、パルスの幅を「変換－制限された」値に調整することが可能である。このチャープパルス圧縮技術は十分に確立されており、６ｆｓほど狭いパルス圧縮の報告がなされている。この考えは、グレーティングペアパルスコンプレッサを、回折格子間の分離を設定する線に沿って並進する移動段に取り付けることである。距離が変かするにつれ、圧縮係数も変化する。
【0095】
本主題の実施態様と一致するデータ変調方式の例では、受動でモードロックされたレーザーは、データ変調速度を変更するための柔軟性を制限する超高速パルス源として使用することができる。システムのデータレートをスケールアップするためには、パルス源の基本繰り返し率を上げる必要がある。従来、受動でモードロックされたレーザーの繰り返し率は、レーザー空洞長を短くすることによって、又はレーザーの高調波モードロックによってのどちらかで上げられてきた。両方の技術とも空洞内パルスピーク電力を減少させ、より長いパルス幅及びより不安定なモードロックにつながる。
【0096】
この問題を解決する１つの手法は、パルス逓倍と呼ぶ技術によって改良されたパルスインタリーブ方式の使用を伴う。図３１はこの概念を示す。十分に特徴付けられ、十分にモードロックされたレーザー３１０１のより低い繰り返し率パルス列が、パルスの十分に決定された部分が取り出され、出力パルス列内の所望されるパルス間間隔に等しい光学遅延３１５０を有する光ループ内で「再循環」され、方向性結合器の出力に再結合される統合光方向性結合器３１８０に結合される。例えば、１０ＭＨｚのパルス列から１ＧＨｚのパルス列を生成するためには、１ｎｓの光学遅延が必要とされ、列内の１００番目のパルスが１０ＭＨｚのソースからの入力パルスと一致することを可能にするためには、光学遅延は、正確に制御されなければならない可能性がある。光学遅延ループは、信号減衰を補償するための光学利得３１２０、パルス幅を復元するための分散補償３１６０、及び能動光学遅延制御３１５０を含む。パルス逓倍が発生すると、出力パルス列は、生成されたＲＺ信号３１９０にデータストリーム３１８２でＯＯＫ変調され３１７５、パルスエネルギーを入力パルス列と同じレベルまで（又は所望される出力パルスエネルギーレベルまで）上げるためにエルビウムドープファイバ増幅器３１８５内で増幅される。
【0097】
本明細書に説明される特徴の１つ以上は、単独で解釈されるのか、それとも組み合わせて解釈されるのかに関わりなく、本主題の様々な態様又は実施態様に含めることができる。例えば、いくつかの態様では、光無線通信システムは、ピコ秒タイプ、ナノ秒タイプ、フェムト秒タイプ、及びアト秒タイプのレーザー源の１つ以上を任意選択で含む場合がある、少なくとも１つのＵＳＰＬレーザー源を含む場合がある。光無線通信システムは、光伝送システムにファイバ結合又は自由空間結合することができ、ポイントツーマルチポイント通信システムアーキテクチャのための１つ以上の変調技術を使用して変調することができ、及び／又は双曲面ミラー製作技術、従来のニュートンミラー製作技術、又は機能上同等若しくは類似した）他の技術の１つ以上によって製造された光伝送端末又は望遠鏡を活用できるＵＳＰＬ源を含む場合がある。また又は代わりに、受信光信号の不明瞭課を最小限に抑える、低減するなどのために、非球面非球面光学設計が使用できる。
【0098】
本主題の実施態様と一致する自由空間光伝送システムは、１つの理想的な点で受信信号を集束するＵＳＰＬレーザーを利用できる。いくつかの実施態様では、一方の望遠鏡又は光を集束し、送達するための他の光学素子は、送信側要素と見なされる場合があり、第１の望遠鏡、又は第１の望遠鏡又は他の光学素子から遠隔に配置された、光を集束し、受光するための他の光学素子は光データリンクを作成するために受信側要素として機能することができる。両方の光通信プラットフォームとも、送信機能と受信機能の両方を提供するために必要なコンポーネントを任意選択で含む場合があり、ＵＳＰＬ光学送受信機と呼ばれる場合がある。望遠鏡又は光を集束し、送達するための他の光学素子のどちらか又は両方とも、光ファイバを介して又は送信側要素への自由空間結合によってのどちらかを通して送信側ＵＳＰＬソースに結合できる。望遠鏡又は光を集束し、受光するための他の光学素子のどちらか又は両方とも、光ファイバ又は光受信機への自由空間結合のどちらかによって受信エンドポイントに結合できる。１つ以上のＵＳＰＬソースを含む自由空間光（ＦＳＯ）無線通信システムは、光通信ネットワーク内で、光ファイバ長距離ネットワークと連動して（及び光通信ネットワーク内で光通信ネットワーク内でトランスペアレントに使用され、（オン／オフキーイング（ＯＯＫ）、非ゼロ復帰（ＮＲＺ）及びゼロ復帰（ＲＺ）変調技術を使用して、１５５０ｎｍ光通信バンド内で使用できる）、光通信ネットワーク内で（及び差動位相偏移変調（ＤＰＳＫ）変調技術を使用して変調できる）、光通信ネットワーク内で（及び一般的に使用される自由空間光学送受信機端末を使用するポイントツーポイント通信システムアーキテクチャのために一般的に使用される変調技術を使用して変調できる）、Ｄ－ＴＥＫ検出技術を活用して光通信ネットワーク内で、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）及び高出力エルビウム－イッテルビウムドープファイバ増幅器（Ｅｒ／Ｙｂ－ＤＦＡ）と連動して使用するための通信ネットワーク内で、光通信ネットワーク内で（及びポイントツーマルチポイント通信システムアーキテクチャのために一般的に使用される変調技術を使用して変調できる）などで使用できる。
【0099】
ＵＳＰＬ技術は、いくつかの態様では、自動追跡機能で使用するための、及び操作中の端末の同時位置合わせ（ｃｏ－ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）を維持するための光学追跡及びビームステアリングを提供するためのビーコン源として活用できる。受信端末で抽出された、回復されたクロック及びデータは、ネットワークの範囲を拡張する際に使用するためのマルチホップスパンに使用できる。光ネットワークは、ＷＤＭ構成でも同様の利点を備え、それによってキャリヤデータリンクの有効光帯域幅の大きさを拡大できる。また又は代わりに、ＵＳＰレーザー源は、偏光多重化ＵＳＰ－ＦＳＯ（ＰＭ－ＵＳＰ－ＦＳＯ）機能を提供するために送信された光信号に偏光多重化することもできる。受信端末で抽出された、回復されたクロック及びデータは、ネットワーク範囲を拡張する際に使用するためのマルチホップスパンに使用することができ、データレート不変操作を提供するために一般的で大きい帯域幅範囲の操作を含む場合がある。光前置増幅器又は半導体光増幅器（ＳＱＡ）は、光受信機の前に使用することができ、代わりに又は受信端末で抽出された、回復されたクロック及びデータと組み合わせて、ネットワーク範囲を拡大する際に使用するための、データレート不変操作を提供するための一般的に大きい帯域幅版の操作を有するマルチホップスパンに使用することができる。端末同時位置合わせは操作中に維持することができ、その結果、ＵＳＰＬ技術によって、ＵＳＰＬデータソースの使用によって性能及び端末同時位置合わせでの著しい改善を実現するだけではなく、ＵＳＰＬレーザービーコンの使用によって送受信機位置合わせを維持する改善された手法を提供することができる。
【0100】
ＵＳＰＬ－ＦＳＯ送受信機は、いくつかの態様では、１つの理想的な点で受信信号を集束する、双曲面ミラー製作技術又は従来のニュートン設計のどちらかによって製造された光伝送端末を利用して、イオン化検出技術又は非イオン化検出技術を使用し得る空中伝搬要素のシグネチャのリモートセンシング及び検出を実行するために利用できる。本主題の実施態様と一致するＵＳＰＬ－ＦＳＯ送受信機は、見通し外のレーザー通信用途で利用できる。本主題の実施態様と一致するＵＳＰＬ－ＦＳＯ送受信機は、（ＮＬＯＳ技術を可能にする）散乱効果が発生する距離の調整、ＤＴｅｃｈ検出方式を使用して検出感度を改善するための受信技術、及び周波数コムを含むブロードバンド検出器を介した帯域幅改善を可能にできる。本主題の実施態様と一致するＵＳＰＬ－ＦＳＯ送受信機は、入信光学波面補正（ＡＯ－ＵＳＰＬ－ＦＳＯ）を実行するための補償光学技術（ＡＯ）と併せて利用できる。本主題の実施態様と一致するＵＳＰＬ－ＦＳＯ送受信機は、赤外波長範囲全体で活用し、動作することができる。本主題の実施態様と一致するＵＳＰＬ－ＦＳＯ送受信機は、シングルモードファイバ構成とマルチモードファイバ構成の両方で、光アドドロップ技術及び光多重化技術と併せて活用できる。本主題の実施態様と一致するＵＳＰＬ－ＦＳＯ送受信機は、ｈｙ識別及び調査用途のためにレンジファインダ及びスポッティング装置として赤外波長範囲全体で活用し、操作することができる。
【0101】
本主題の他の態様では、例えば１０ＧｉｇＥ、１００ＧｉｇＥなどの接続のような一連のスイッチドネットワーク接続が、例えば時分割多重化（ＴＤＭ）を介してなど、光ファイバ又は自由空間光学部品のどちらかを介してある点から別の点に接続できる。
【0102】
本主題の実施態様と一致するモードロックされたＵＳＰＬソースは、クロックストリームとデータストリームの両方を生成するために使用できる。モードロックされたレーザーは、デジタル通信システムにおけるクロックのための高性能、高性能、高フィネスソースの選択を表す場合がある。この点で、モードロックされたファイバレーザー－線形構成又はリング構成のどちらかの－は、それらがＵＳＰＬソース領域でのパルス幅及びＧＨｚほど高い繰り返し率を達成できるので、選択の魅力的な候補となる場合がある。
【0103】
高調波発生は、カーボンナノチューブ可飽和吸収体を使用して達成できる。カーボンナノチューブ可飽和吸収体（ＣＮＴ－ＳＡ）を使用する受動モードロックファイバレーザーは、基本繰り返し率の高調波を容易に生成できるその能力のため、高繰り返し率ソースのオプションになる。
【0104】
ＦＳＯは、地上用途、宇宙用途、及び海底用途で使用できる。
【0105】
スプリッタからアパーチャへの条件付き経路長制御は、重要なパラメータである場合がある。ＴＤＭマルチプレックスは、アパーチャからソースの経路間での相対的な一時的な時間遅延を制御するために、本主題の実施態様と一致して用いることができる。各パルス列は、並列時間遅延チャネルを使用して制御できる。この技術は、ＷＤＭシステムだけではなくＴＤＭシステムも用いる従来の多重送信ＦＳＯアパーチャシステムを制御するために使用できる。ＵＳＰＬレーザーパルス間間隔は、ＴＤＭシステムとＷＤＭシステムの両方の正確な時間要件に合わせて維持及び制御できる。説明された技術は、ＴＤＭファイバベースシステム及びＷＤＭファイバベースシステムで使用できる。本明細書に説明されるＴＤＭマルチプレクサの使用は、送信された光信号に一意の暗号化手段を実装するために使用できる。補完的なＴＤＭマルチプレクサは、入信受信信号を反転させ、それによってパルス信号の一意のシグネチャを回復するために利用できる。本明細書で説明されるＴＤＭマルチプレクサは、ＷＤＭ暗号化のためにＷＤＭパルス特性を制御するために活用することができる。ＴＤＭマルチプレクサは、共通のソース信号に接続された複数のアパーチャが一定の経路長を維持するために制御されたパルス間の時間遅延を有することができる従来のＦＳＯシステムで使用できる。ＴＤＭマルチプレクサは、ＴＤＭファイバベースのシステム及びＦＳＯベースのシステムに使用できる。ＴＤＭマルチプレクサは、ＵＳＰＬソースのための光パルス列関係性を制御するための有効化技術である場合がある。ＴＤＭマルチプレクサは、同じパルス関係性を得るために神経補正率の測定によって光リンク全体で大気リンク特性化ユーティリティとして使用することができる。
【0106】
ＰＺディスクの任意の組み合わせは送信機で使用することができ、ファイバベースとＦＳＯベースの両方のＵＳＰＬベースシステムのための無限数の暗号化組合せを有することができる。タイミングは、１０ＧｉｇＥスイッチ又は同等物から、及びＵＳＰＬを、マルチプライヤフォトニックチップを用いてテラビット／秒（又はそれより速い）速度に構築するために実行することができ、このテラビット／秒信号は、１０ＧｉｇＥスイッチから直接的に変調することができる。ＷＤＭ構成で動作しているとき、ファイバベースシステムへ又はＦＳＯネットワーク要素へのどちらかへのインタフェースを含めることができる。
【0107】
システムは、超高速光パルス列を受け入れることができ、入力光パルスのものと同一のパルス幅、スペクトルコンテンツ、チャープ特性を有し、入力パルスのパルス繰り返し率の整数倍であるパルス繰り返し率を有する光パルスの列を生成することができる。これは、能動的に制御可能な光結合係数を有する２×２光結合器内の入力パルス電力の部分をタップし、このタップしたパルスを、光増幅、光分離、光学遅延（経路長）制御、光位相及び振幅の変調、並びにデバイスの出力で時間パルス幅を最小限に抑えるために光学遅延線内で光パルスが経験する時間及びスペクトルの進化の補償を備えた光学遅延線で１往復にわたって再循環し、この電力を２×ｘ光結合器と再結合することによって達成することができる。
【0108】
受動光学遅延制御又は能動光学遅延制御は、希土類ドープ光ファイバ及び／又は希土類ドープ集積光学素子及び／又は電気的にもしくは光学的に励起した半導体光増幅を利用する光学利得を使用できるのと同様に、使用できる。分散補償は、ファイバブラッググレーティング及び／又はボリュームブラッググレーティングを使用して提供できる。遅延線を横切る波長分割多重化データ変調は、遅延線を横切るパルスのパルスコードデータ変調と同様に訴えることができる。
【0109】
ＵＳＰＬ方形波パルスの合成による従来のＵＳＰＬソースの調整は、ＦＳＯ用途のために、マイクロリソグラフィ振幅技術及び位相マスク技術を活用して達成できる。この技術を用いてパルスを制御及び能動的に制御するための技術及び類似した手法を使用してパルス幅を調整できる能力は、ＦＳＯ伝送リンクを通した伝搬効率を改善し、それによってシステムの可用性及び受信光パワーレベルを向上させることができる。
【0110】
能動的なプログラム可能パルス整形器は、ＵＳＰＬ能動的に制御するために使用することができ、パルス幅は、変化する環境を通る伝搬を最大限にするために現実の大気条件に一致することを含む場合がある。ＦＳＯ用途では、以下の技術つまり、フーリエ変換パルス整形、液晶モジュラー（ＬＣＭ）アレイ、液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）技術、音響光学変調器（ＡＯＭ）を使用するプログラマブルパルス整形、音響光学プログラム可能分散フィルタ（ＡＯＰＤＦ）、及び偏光パルス整形の１つ以上を使用することができ、以下の技術を使用して光時間スペクトルを適応させる。
【0111】
図３２は、１つ以上が本主題の実施態様に表示される場合がある方法の特徴を示すプロセスフローチャート３２００を示す。３２０２で、各々が約１ナノ秒以下の持続時間を有する光パルスのビームが生成される。３２０４で、変調信号がビームに印加されて、変調光信号を生成する。遠隔受信装置への送信のためにデータを運ぶ変調信号。変調光信号は、３２０６で、光通信プラットフォーム内の光学送受信機で受信され、３２１０で、変調信号は第２の光通信装置による受信のために光学送受信機を使用して送信される。
【0112】
図３３は、その１つ以上が本主題の実施態様に現れる場合がある方法の特徴を示す別のプロセスフローチャート３３００を示す。３３０２で、各々が約１ナノ秒以下の持続時間を有する光パルスのビームが、例えばＵＳＰＬソースを使用して生成される。光パルスのビームは、３３０４で、光学送受信機を介してターゲット大気領域に向かって伝送される。３３０６で、ターゲット大気領域内の１つ以上のオブジェクトから光パルスのビームの光学後方散乱の結果として光学送受信機で受信された光情報が分析される。
【0113】
図３４は、その１つ以上が本主題の実施態様に現れる場合がある方法の特徴を示す別のプロセスフローチャート３４００を示す。３４０２で、光パルスを含む第１のビーム及び第２のビームが、例えば、ＵＳＰＬソースによって生成される。３４０４で、第１の変調信号は、第１の変調光信号を生成するために第１のビームに印加され、第２の変調信号は、第２の変調光信号を生成するために第２のビームに印加される。第１の変調光信号の第１の偏光状態は、３４０６で調整される。任意選択で、第２の変調光信号の第２の偏光状態も調整することができる。３４１０で、調整された第１の偏光状態を有する第１の変調光信号は、第２の変調振動で多重化される。３４１２で、第２の変調信号とともに、調整された第１の偏光状態を有する多重化された第１の変調光信号は、第２の光通信装置による受信のために光学送受信機によって送信される。
【0114】
本明細書に説明される主題の１つ以上の態様又は特徴は、デジタル電子回路網、集積回路網、特別に設計された特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）コンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、及び／又はそれらの組合せで実現することができる。これらの様々な態様又は特徴は、ストレージシステム、少なくとも１つの入力装置、及び少なくとも１つの出力装置からデータ及び命令を受け取り、ストレージシステム、少なくとも１つの入力装置、及び少なくとも１つの出力装置にデータ及び命令を送信するために結合された、特殊目的又は汎用である場合がある、少なくとも１つのプログラム可能プロセッサを含むプログラム可能システム上で実行可能及び／又は解釈可能である１つ以上のコンピュータプログラムでの実施態様を含む場合がある。
【0115】
また、プログラム、ソフトウェア、ソフトウェアアプリケーション、アプリケーション、コンポーネント、又はコードとも呼ばれる場合があるこれらのコンピュータプログラムは、プログラム可能プロセッサのために機械命令を含み、高水準手続きプログラミング言語及び／又はオブジェクト指向プログラミング言語で、及び／又はアセンブリ言語／機械言語で実装できる。本明細書で使用される場合、用語「機械可読媒体」は、機械可読信号として機械命令を受け取る機械可読媒体を含むプログラム可能プロセッサに機械命令及び／又はデータを提供するために使用される、例えば磁気ディスク、光ディスク、メモリ、及びプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）など、任意のコンピュータプログラム製品、装置、及び／又はデバイスを指す。用語「機械可読信号」は、プログラム可能プロセッサに機械命令及び／データを提供するために使用される任意の信号を指す。例えば、非一時的なソリッドステートメモリ又は磁気ハードドライブ又は任意の同等な記憶媒体が格納するであろうように、機械可読媒体は、そのような機械命令を非一時的に格納することができる。例えば、１つ以上の物理プロセッサコアと関連付けられたプロセッサキャッシュ又は他のランダムアクセスメモリが格納するであろうように、機械可読媒体は、そのような機械命令を一時的に格納することができる。
【0116】
ユーザーとの対話を提供するために、本明細書に説明される主題の１つ以上の態様又は特徴は、ユーザーに情報を表示するための、例えば陰極線管（ＣＲＴ）又は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）又は発光ダイオード（ＬＥＤ）モニタなどの表示装置、並びにユーザーがそれによって入力をコンピュータに提供し得る、例えばマウス又はトラックボールなどのキーボード及びポインティングデバイスを有するコンピュータで実装できる。ユーザとの対話のために他の種類のデバイスを使用することもできる。例えば、ユーザに提供されるフィードバックは、例えば視覚的なフィードバック、聴覚フィードバック、又は触覚フィードバックなどの任意の形の感覚フィードバックであってよく、ユーザからの入力は、音響入力、音声入力、又は触覚入力を含むが、これらに限定されるものではない任意の形で受け取られ得る。他の考えられる入力装置は、タッチスクリーン又はシングルポイントもしくはマルチポイントの抵抗性トラックパッドもしくは容量性トラックパッドなどの他のタッチセンサデバイス、音声認識ハードウェア及びソフトウェア、光学式スキャナ、光ポインタ、デジタル画像取込装置、及び関連する通訳ソフトウェアなどを含むが、これらに限定されるものではない。アナライザから遠隔のコンピュータは、アナライザとリモートコンピュータとの間のデータ交換（例えば、リモートコンピュータでアナライザからデータを受け取ること、及び較正データ、動作パラメータ、ソフトウェアのアップグレード若しくは更新などの情報の送信）を可能にするために、有線ネットワーク又は無線ネットワークを介してアナライザにリンクすることができる。
【0117】
本明細書に説明される主題は、所望される構成に応じて、システム、装置、方法、及び／又は製品で具現化することができる。上記説明で説明された実施態様は、本明細書に説明される主題と一致するすべての実施態様を表していない。代わりに、実施態様は、説明された主題に関連する態様と一致するいくつかの例にすぎない。いくつかの変形形態が上記に詳細に説明されているが、他の変更形態又は追加も考えられる。特に、本明細書に説明されるものに加えて、追加の特徴及び／又は変形形態を提供することができる。例えば、上述された実施態様は、開示された特徴の様々な組合せ及びサブコンビネーション、及び／又は上記に開示された、いくつかの追加の特徴の組み合わせ及びサブコンビネーションを対象とする場合がある。さらに、添付の図に示される、及び／又は本明細書に説明される論理的な流れは、望ましい結果を達成するために、示されている特定の順序、又は順序を必ずしも必要としない。他の実施態様も、以下の特許請求の範囲の範囲内にある場合がある。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】