可飽和吸収キャビティによる高レベルの全光再生用受動部品
本発明は、例えば、ディジタルデータ送信に使用される、光信号の全光再生を可能にする可飽和吸収体受動部品、並びに再生方法及び再生を実施するデバイスに関する。本発明は、前記部品を製造するための方法及びシステムにも関する。本発明は、前記部品を製造する方法及びシステムにも関する。本発明は、リアミラーを称される第1のミラー(M1)と、入射信号側に位置する第2のミラー(M2)との間に形成される可飽和吸収共振キャビティ(C1)における反射によって動作する光信号を処理するための光学部品であって、前記第2のミラーの反射率が前記リアミラーの反射率以上である前記光学部品を提案する。第2の実施態様では、前記部品は第3のミラー(M3)を含み、そして、第3のミラー(M3)は、第2のキャビティ中に設定され、そして、高レベル及び低レベルの再生をモノリシックに実施する。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【0001】
本発明は、例えば、ディジタルデータ送信に使用される、光信号の全光再生を可能にする可飽和吸収体受動部品、並びに再生方法及び再生を実施するデバイスに関する。本発明は、前記部品を製造するための方法及びシステムにも関する。
【0002】
本発明の内容は、特に、極めて高い速度の長距離光通信用の信号及び光パルスの再生についてである。
【0003】
例えば、データ通信又は電気通信ネットワークの多数の分野で、長距離にわたる光経路(一般的に、光ファイバ)によるディジタル信号の送信を使用する。送信又は処理の間で、これらの信号は、特に、形状及び振幅の劣化を被ることになり、検出及び解釈がより困難になる。
【0004】
このような劣化は、例えば、数百キロメートルの地上波転送ネットワーク、及び、更には4千もしくは6千キロメートルを超える大洋横断海底リンク又は太平洋横断リンクの長距離にわたって生じる。このような劣化はまた、例えば、ファイバの品質不良、又は、外乱もしくは干渉を生成する複数の中間処理の困難な送信環境において生じることができる。
【0005】
より具体的には、光ファイバにおけるパルスの伝搬は、パルスの時間的プロファイル及び伝搬損失に起因するエネルギーの減衰にも有害な変形をもたらす。この減衰はしばしば、パルスへのエネルギーを回復するために、送信ラインにそって周期的に配列された光増幅器の使用を必要とする。この増幅段階は、特に、強度雑音を追加することによって、パルスの時間的形状を修正する。
【0006】
図1aは、このような劣化パルスに典型的な時間的プロファイルを示す。パルス受信の間に、効率的な情報送信にとって妨害であるか、又は、これと両立不可能でありうる、エラーレートを検出の間に導入することによって、強度雑音は、パルスの低レベル(「0」)と高レベル(「1」)の区別に悪影響を与える。
【0007】
現在の電気通信技術は、10Gb/s程度の速度で変調されるか、又は、レーザーによって放射されるディジタル単色信号の光ファイバ送信を使用する。信号劣化を改善するために、「3R」再生とも称される再増幅、再成形及び再タイミングを含む信号再生動作を実行するオプトロエレクトロニックデバイスが介在する。これらの動作は電子部品によって実行され、光信号から電子信号へ、及びこの反対の変換を必要とする。
【0008】
このような機器は目下のところ複雑で、高価で、大規模であり、また電源を必要とする。
【0009】
更に、新規の送信技術段階は現在、40Gb/s程度の速度で送信を実行する機器の開発によって準備中である。この技術は、毎秒1テラビット程度の全体の速度(例えば、各々40Gb/sの32個のチャネル)を許容する波長分割多重化(WDM)の使用を想定している。この新規の技術は更に、信号再生プロセスを改良できるという利点を高める。
【0010】
このために、全光タイプ(つまり、光電子変換を必要としない)、及び、受動タイプ(つまり、任意の外部エネルギー源なしでパルス自体のエネルギーを唯一のエネルギー源として使用する)の、再生方法が提案されてきた。
【0011】
FR2835065は、例えば、本明細書中でRegen0と称される、低レベルのパルスの再生を許容する部品を提案している。このRegen0再生機能は、反射時に動作し、そして、可飽和吸収性の非線形光学材料を使用する部品によって得られる。
【0012】
部品の反射率(reflectivity)Rは、部品によって反射される入力電力率Pinを表す。反射率の非線形性は、RはPinに左右されるという事実によって表される。出力時には、パルス電力はPout=R(Pin)・Pinである。パルスの入力電力は、部品の飽和電力Psat程度であると想定され、それは、光非線形性が生成される際の通常の電力である。
【0013】
パルスの時間的プロファイルでのこのようなRegen0再生の原理における効果は、特定の他の制約を考慮せずに、図1bに図示されている。このような再成形効果は、原則として図2aに表されているような入力電力Pinによる依存性を表す反射率によって得られる。飽和電力Psat未満では、出力電力はゼロ:Pout=0であり、雑音は排除される。この飽和電力以上では、反射電力は不変:Pout=Pinである。理想的には、Regen0機能によって、例えばパルス検出用閾値をPsatに位置決めすることによって、パルスのコントラストを最大化し、かつパルスのエラーフリー検出を可能にすることができる。
【0014】
実際、このような反射率R(Pin)は、可飽和吸収体層を含有する半導体に基づいたFabry−Perotキャビティの従来技術により得ることができる。これらのキャビティは、反射率Rbのリアミラー及びより低い反射率Rfのフロントミラーによって構成される。低レベルRegen0の再生機能は、以下のインピーダンス適合条件:
《式1》
を可能な限り満たすように部品の構成を配列することによって得られる。
【0015】
対応する反射率は図2bに図示されている。低電力での低反射率は低パルスレベルの部分的排除を保証するのに対して、高電力での高反射率は高パルスレベルの反射を促進する。最終的に、パルスコントラストの増大と、これらの高レベルと低レベルの良好な区別とは理想的に予想され、検出エラーレートの削減をもたらす。
【0016】
しかしながら、これらの技術は、特に、既存の技術(10Gb/s)の簡略化及び改良並びに新規の技術(40Gb/s)の開発及び工業化を妨げる特定の制限を有している。
【0017】
これらの技術は低レベルパルス形状、つまり「0」の形状のみを再生するという事実によって、技術はハイレベルのこれらのパルスにある雑音を改良も増大もせず、信号検出の外乱の原因のままである。
【0018】
更に、「0」の再生は、図6の底部に見られるように、反射率R(Pin)の常に正の勾配ゆえに、「1」での相対雑音δPout/Poutを増幅する。これは、特に、送信ラインに沿ったこのような再生器の連結の間の低レベルと高レベルの区別、つまり「アイダイアグラム(eye diagram)」の閉鎖を可能にする偏差の低下をもたらす。結果として、この技術によって、バイナリエラーレートを増大するという危険性なしで多数の再生器を連結することはできず、これは求められる効果と反対である。
【0019】
本発明の目的は、例えば、満足のいく品質の送信を維持するのに必要な再生器の複雑さ、脆弱性、感度、コスト又は空間要件を削減することによって、従来技術の欠点を改良することである。
【0020】
より具体的には、本発明は、可能ならば受動的に送信される信号の「1」の形状の全光再生を得ることを目的としている。
【0021】
本発明は、可能ならば同一部品中で組み合わされる送信信号の「1」及び「0」両方の形状の受動全光再生を得ることを目的としている。
【0022】
波長多重化を使用するWDM送信技術で使用可能な構成及び空間要件におけるこれらの利点の全部又は一部を得ることも目的である。
【0023】
本発明の目的の1つは、特に、速度40Gb/sの技術と特に両立可能な、高速応答時間と結びついたこれらの利点の全部又は一部を得ることである。
【0024】
もう1つの目的は、将来の技術に必要な応答時間を達成することなく、受動全光再生技術の実施を可能にする確実かつ堅固な構成におけるこれらの利点の全部又は一部を得ることである。これは、例えば、10Gb/s以下の現在の技術で使用される部品の改良に関する問題でもある。また、例えば新たな部品への研究を進めるか、又は、より大きなシステムにおける経時的な受動全光再生の容量及び問題を研究するために、基礎的又は工業的研究を伴う部品の必要性を満たすという問題でもある。
【0025】
本発明は、非線形反射率R(Pin)によって信号の高レベルパルスの受動再生の機能を保証する、部品(好ましくは、モノリシックのコンポーネント)を提案する。
【0026】
このために、本発明は、フロントミラーよりも反射率の低いリアミラーの使用からなる完全反直観構成(counter-intuitive configuration)の可飽和吸収キャビティ(absorption cavity)の使用を提案する。
【0027】
前記キャビティは光信号の反射で使用される、つまり入射信号は、前記キャビティに注入されて、共鳴後に、信号が入ってきた通常の方向で、再度出て行く。このキャビティ内では、信号の最初と最後の反射が前記リアミラーの反射方向に生じる。
【0028】
従って、第1のいわゆるリアミラーと、前記入射光信号側に位置する第2のミラーとの間に形成される可飽和吸収共振キャビティ(saturable absorption resonant cavity)における前記信号の反射によって動作する光信号を処理するための光学部品(optical component)が得られ、ここで、前記第2のミラーの反射率は前記リアミラーの反射率以上である。
【0029】
第1の実施態様では、高レベルの信号の再生を実行するために前記部品が使用される。本実施態様は、次に、受動全光ソリューションによるいわゆる「Regen1」機能を保証する。この構成では、第2のミラーは「フロントミラー」と称されることもできる。
【0030】
前記Regen1部品は、原則として反射率を有し、前記反射率は、図3aに表されており、そして、実際に図3bに図示されているように得られる。この機能は低電力を不変のものにする。他方、入力電力の逆数に対する反射率の依存性(つまり、飽和電力を超える1/Pin)は高パルスレベルでの雑音の抑制を保証する。次に、出力電力は一定であって飽和電力に等しい、すなわち、Pout=Psat=一定である。図1cは、原則的に、図1aの雑音パルスで得られる効果を示している。
【0031】
次いで、Regen1タイプの前記部品は、Regen0機能を実行する部品(例えば、前記タイプの部品)と結合することができる。好ましくは、本発明は、まず部品Regen0を介し、次いで部品Regen1を介する信号の通過を提案する。
【0032】
第2の実施態様では、本発明は、高レベル及び低レベルのパルス再生の受動機能を非線形反射率R(Pin)によって保証する、部品(好ましくは、モノリシックコンポーネント)を提案する。
【0033】
このために、本発明は、第1のミラー上に(つまり、第2のミラーに対する入射光信号と同じ側に)もう1つの可飽和吸収体キャビティ(absorber cavity)を追加することを提案する。従って、前記部品は第2のミラーと、前記第2のミラーに対する光信号の反射と同じ側に位置する第3のミラーとの間に形成される第2の可飽和吸収共振キャビティを備えている。この構成では、第3のミラーは「フロントミラー」と称され、第2のミラーは「中間ミラー」と称されることができる。
【0034】
この第2の実施態様では、前記部品は、「1」及び「0」の同時再生に対する受動全光ソリューション、つまり「Regen10」と称される一体化機能を提供する。
【0035】
前記部品Regen10は、原則的に図4aに表される必要反射率を有しており、実際に得られる結果は図4bに図示される。電力が飽和電力Psat未満である低レベルの雑音は、反射率がゼロになると排除される。電力が飽和電力Psatより大きい高レベルの雑音は、1/Pinへの反射率の依存によって排除される。雑音及び累積パルスで得られる効果は原則として図1dに示される。
【0036】
本発明は、前記部品の使用によって光信号を再生するための方法、並びに、前記方法を実施するデバイス及び前記デバイスを備える通信システムを提案する。本発明は、前記部品を製造するための方法及びシステムにも関する。
【0037】
高レベルのパルスの再生(「Regen1」機能)について、本発明は、特に、前記「Regen0」機能を得るための既知の技術と同じタイプの利点を提供する。これらの利点は、特に、非キャビティ可飽和吸収体と比較して飽和電力が低い、波長分割多重化(WDM)システムで動作可能なスペクトル帯域に関して表されており、将来の極めて高い速度の用途(例えば、160Gbit/s)向けの反射、コスト、コンパクト性及び開発ポテンシャルを有する構成において熱的に好ましい構造である。
【0038】
本発明は、パルス自体のエネルギー以外の任意の外部エネルギーを提供することなく、「1」を受動的に再生すること、つまりこれらの高レベルの雑音を低減することを可能にする。更に、この再生はマルチチャネルモードで生じ、同一部品によって複数のチャネルを同時に処理することを可能にする。
【0039】
更に、本発明は、モノリシックコンポーネントによって「0」及び「1」の両方のレベルの雑音を低減し、ほとんど空間を必要とせず、2つの異なる部品の生産及び結合よりも低いコスト及び複雑性の複数の機能を組み合わせることによって、「0」及び「1」を同時かつ受動的に再生できるようにする。
【0040】
高レベル及び低レベルを同時に再生できるということによって、更に、既知の「Regen0」技術の特定の有害な効果(例えば、前記「アイダイアグラム」の閉鎖)を回避又は制限することができる。
【0041】
従って、高レベルを再生可能にすることによって、本発明は、信号の形状を完全に再生するデバイスの生産を許容することで技術的障害を克服することができる。これらのデバイスは受動的かつ全光的に動作可能であり、これによって、エネルギー供給のない隔離位置に配置可能なコンパクト装置の設計が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0042】
本発明の他の特徴及び利点は、非制限的な実施態様に関する詳細な説明及び添付の図面から明らかになる。
【図1】1グループのパルスに関する時間関数としての電力曲線を示す図である。図1aは、コントラストが制限された雑音入力パルスの場合を示しており、図1bは、低レベル形状の再生後の同一パルスの場合を簡略的に示しており、図1cは、高レベル形状の再生後の同一パルスの場合を簡略的に示しており、そして、図1dは高レベル及び低レベル形状の再生後の同一パルスの場合を簡略的に示す。
【図2】従来技術(Regen0)による部品についての、受信電力の関数である反射率を示す図である。図2aは原則として効果を表す形態であり、そして、図2bは実践に近い形態である。
【図3】本発明の第1の実施態様によるRegen1タイプの部品についての、受信電力の関数である反射率を示す図である。図3aは原則として効果を表す形態であり、そして、図3bは実践に近い形態である。
【図4】本発明の第2の実施態様によるRegen10タイプの部品についての、受信電力の関数である反射率を示す図である。図4aは原則として効果を表す形態であり、そして、図4bは実践に近い形態である。
【図5】従来技術によるRegen0タイプの部品で実行される実験的測定と、本発明の設計に使用されるモデルの予測との比較を、入力電力の関数である反射率について示す図である。
【図6】入力電力の関数として、Regen0タイプに近い構成の可飽和吸収体光キャビティの算出反射率及び出力電力を示す図である。
【図7】本発明の第1の実施態様によるRegen1タイプの部品の可飽和吸収体光キャビティを示す図である。
【図8】入力電力の関数として、本発明の第1の実施態様によるRegen1タイプの部品の可飽和吸収体光キャビティの算出反射率及び出力電力を示す図である。
【図9】本発明の第2の実施態様によるRegen10タイプの部品の可飽和吸収体光キャビティを示す図である。
【図10】図10は、入力電力の関数として、本発明の第2の実施態様によるRegen10タイプの部品の可飽和吸収体光キャビティの算出反射率及び出力電力を示す図である。
【図11】本発明の第2の実施態様によるRegen10タイプの部品の、ブラッグミラー及び量子井戸を備えた可飽和吸収体光キャビティの構造の実際的な実施例を示す図である。
【図12】入力電力の関数として、図11の実際的な構造例の算出反射率及び出力電力を示す図である。
【図13】図14の共鳴における、図11の構造例の電界の振幅の分布を示す図である。
【図14】図11の実際的な構造例の反射率の算出スペクトル依存性を示す図である。
【0043】
本発明は、材料及びそれらの組み合わせの光学態様の数学的モデリングによるディジタルシミュレーションで定量化及び試験された。
【0044】
低レベルのパルスの再生(「Regen0」機能)を実行する部品の材料サンプルに対して、反射率測定が実行されたことの定量的な報告が測定によって可能になる。図5に図示されるように、この数学的モデルは、これらの実測定値と、これらの同一材料サンプルについて予測する値とを比較することによって調整及び検証された。これらの材料サンプルは、フロントミラーの反射率特徴Rf=0.88と、リアミラーのRb=0.95(Rf≦Rb)と、InPでエピタキシャルにされる5個のInGaAs量子井戸の飽和吸収率と等しい飽和吸収率αL1=3.85%とを有している。
【0045】
図6は、入力パルスPinの電力の関数として、反射率R(Pin)及び出力電力Poutの予測値を示す。これらを予測するのに使用される実際的なモデルは、複素部分(complex part)を有する光指数の材料層の積層についてマックスウェル方程式の解に基づいている。使用される実際的な吸収飽和の法則は、αL(P)=αL0/(1+P/Psat)であり、式中、Pは、量子井戸のレベルでのキャビティ中の電磁波の(強度とリンクした)電力を表す。
【0046】
曲線Poutは、線形依存性Pout=αPin(式中、αは定数である)に対応する破線と比較される。対数尺度に対する破線の一定勾配は、Pinに関して、相対雑音がPoutに追加されない境界事例に対応する。対数尺度に対するPoutの勾配が破線よりも小さい場合、Poutでの相対雑音はPinにおけるそれよりも小さく、本発明によって生成される、光制限タイプの効果に対応する。
【0047】
従来技術について記載する図6の場合のように、対数尺度に対するPoutの勾配が破線よりも大きい場合、Poutでの相対雑音は再生器の通過ごとに増大され、これは有害である。この図は、従来技術によるRegen0部品が高レベルのパルスを再生しないだけではなく、使用される入力電力にかかわらず「1」での雑音をかなり劣化させることを示す。
【0048】
本発明の第1の実施態様では、図7は、Regen1タイプの部品の構造を図示する。この部品は、反射率Rbの第1のミラーM1(又はリアミラーMb)と、反射率Rfの第2のミラーM2(この場合はフロントミラーMfと称される)との間に形成されるいわゆるFabry−Perotキャビティを備えている。これら2つのミラーは、全吸収率がαL1に等しい(つまり、長さ「L1」にわたる吸収率「α」に対応する)可飽和吸収材料に設定される。この可飽和吸収体は、2つの位相層(phase layer)φ1及びφ2によって2つのミラーの各々から分離される。キャビティは、パルスの吸収によって生成される熱を除去する基板Sに戴置される。パルスの全光再生に関する従来技術について、このキャビティは、オリジナルの反直観特徴Rf≧Rb、つまりリアミラー(Mb)の反射率より大きなフロントミラー(Mf)の反射率によって設計されている。
【0049】
従って、RbとRfとの関係は、従来技術で必要であるとされているインピーダンス適合関係(前記関係(1))にはもはや対応しておらず、それどころか、RbとRfとの関係は「リターン」又は「リバース」キャビティについて説明している点で極めて明確である。この具体的な特徴によって高レベルのパルスの全光再生が可能になる。
【0050】
部品Regen1の生成は既知の半導体エピタキシー技術と、これらの材料に適用される異なる既知の技術的方法とを使用する。可飽和吸収体は非制限的に構成可能であり、そして、InP又はGaAsバリアに挿入され、かつ部品の動作波長(つまり、現在の光通信に使用される部品について約1.3〜1.55μm)で吸収するInGaAs量子ドット又はボックスのうちの1つ以上の平面、1つ以上のInGaAs又はGaAlAs量子井戸、1つ以上の固体GaInAs又はGaAlAs層によって例証として示されることが可能である。
【0051】
量子井戸の場合、通常入射反射率の偏光依存を最小化するために、バリアにおける共通原子及び好ましくは共通アニオンを有する本発明の半導体量子井戸による、量子井戸の吸収二色性及び界面における結晶異方性に起因する依存が選択されることになり、それは、例えば、InAlAsバリア間のInGaAs量子井戸である。吸収の偏光依存は、文書:Investigations of giant “forbidden”optical anisotropy in GaInAs−InP quantum well structures,O.Krebs,W.Seidel,J.P.Andre,D.Bertho,C.Jouanin,P.Voisin,Semicond.Sci.Technol.12(1997)938−942に記載されている。
【0052】
吸収は可飽和性であり、すなわち、吸収体材料を通過する波の電力(又は、強度)が無限になる傾向がある場合に、吸収はゼロになる傾向がある。実際、実験的可飽和吸収は、式:αL(Pin)=αL0/(1+Pin/Psat)(式中、αL0は照明がある場合の材料の吸収率である)によって飽和電力付近で説明可能な依存性を表している。時間の観点から、可飽和吸収はより迅速になり、低温エピタキシャル成長を使用することによって、あるいは、不純物の取り込み、又は、重もしくは軽イオンによる層の照射を使用することによって、ピコ秒又はサブピコ秒の応答時間である。
【0053】
ミラー及び可飽和吸収層だけではなく、他の層も、可能な限り、動作波長で透過的である。
【0054】
キャビティのミラーは1未満の反射率を有しており、そして、損失がないと考えられている。リアミラーMbは好ましくは金属製であり、他のミラーは、反射されない波エネルギーを通過させるタイプである。実際、ミラーにおける残渣損失の存在は本発明の概念を変更しない。例証として、かつ非制限的に、ミラーは、半導体層のエピタキシー又は誘電層の堆積のいずれかによる既知の技術による「ブラッグミラー」の形態で生成可能である。基板Sへの異なる層の積層、並びに、キャビティ及び可飽和吸収体からなる構造の移送は既知の技術に従って実行される
【0055】
図8は、関係Rf≧Rbで図7に表されている本発明の第1の実施態様による部品Regen1についての反射率R(Pin)と出力電力Poutの依存性とを示している。従って、従来技術によるインピーダンス適合関係は、生成されない。検討事例は非制限的な実施例であり、Rf=0.96、Rb=0.95及びαL1=3.85%に等しい反射率特徴を有している。0.95〜0.96より高い反射率を使用することができるのが好ましく、そして、本発明による部品の損失の有用な低減をもたらすことができる点に注目されたい。従って検討事例は通常の値を有している。
【0056】
曲線Poutの勾配のキャンセルは、これらのレベルでの雑音を排除することによって、高レベルのパルスの再生を保証することができる。全電力において、勾配1の破線よりも対数尺度において小さい曲線Poutの勾配は、本発明が低レベルのパルスに雑音を追加しないことを示している。従って、本発明による第1の部品の反射率は、Regen1タイプの再生を保証することができる。
【0057】
互いにそれほど異ならない値(0.96及び0.95)を有する反射率Rf及びRbによって必要効果が取得可能であるのに対して、従来技術によるRegen0動作に影響するインピーダンス適合関係(1)は、この同等性からかけ離れた複数の対の値、例えば0.88及び0.95を提供する点に注目すべきである。リアミラーのRbより大きなフロントミラーの反射率Rfによって定義する本発明の特徴は、従って、これら2つの値が実質的に等しいか、ごくわずかに反転されている場合を排除しない。
【0058】
好都合なことに、高レベル及び低レベルを再生するためのRegen10再生機能を簡単かつ効率的に生成するために、本発明によるRegen1部品は従来技術によるRegen0部品と連結可能である。
【0059】
好ましくは、再生機能の組成がRegen10機能を生成するように、Regen1部品はRegen0部品の後に配置される。
【0060】
本発明の第2の実施態様によると、図9は、Regen10タイプの部品の構造を図示している。この部品は、反射率Rmのいわゆる中央つまり中間ミラーMmを共有する2つの結合Fabry−Perotキャビティによって形成される。これらのキャビティのうちの第1のC1は、第1のミラーM1(リアミラーMbと称される)と、この場合はこの中間ミラーMmによって構成される第2のミラーM2との間に形成される。これらのキャビティのうちの第2のC2は、この同じ中間ミラーMmと、第3のミラーM3(この場合はフロントミラーMfと称される)との間に形成される。これらのキャビティC2及びC1の各々はそれぞれ可飽和吸収材料αL1及びαL2に設定され、これらの吸収体材料の各々はそれぞれ、αL1に対する2つの位相層φ1、φ2と、αL2に対するφ3、φ4によって隣接ミラーから分離されている。位相層によって導入される位相シフトφ1+φ2及びφ3+φ4は、動作波長が反射率共鳴にスペクトル的に対応するように選択される。この構造は、電磁エネルギーの一部をこの構造から除去することができる、本発明の動作波長において透過的な基板Sにある。
【0061】
3つのミラーMf、Mm及びMbは部分的に透過的であり、それぞれ反射率Rf、Rm及びRbを有しており、理想的には1−Rf、1−Rm及び1−Rbを透過する。これらは、例えば半導体のエピタキシャル成長によって生成される誘電層又はブラッグミラーから生成されることができる。反射率は、高レベル及び低レベルのパルスの全光かつ同時再生を得られるように、以下の2つの関係:Rm≧Rf及びRm≧Rbを満たす。前記構造の反射率は、以下:
《式2》
のように記述される。
【0062】
機能Regen10を保証する本発明による部品の設計は、従って、3つの反射率Rf、Rm、Rbと2つの可飽和吸収率αL1及びαL2との判断を伴う。
【0063】
特に、有用な実施例では、非常に低い入力電力においてゼロ反射率を表す図9のRegen10部品について、これらのパラメータの選択は、以下のいわゆるインピーダンス適合関係:
《式3》
を満たすことによって判断可能である。
【0064】
実際、この関係を正確に満たすことは必ずしも求められてはおらず、最良のRegen10再生機能を保証するためには、例えば入射電力によって反射率の依存性を調整することが好ましい。
【0065】
図10は、以下の値について、前述され、かつ前記解析式(2)から予測された部品の反射率及び出力電力を説明している。
【表1】
【0066】
反射率曲線の形状は、図4bに表されているようなRegen10機能について求められる形状を満たす。定量的に、低入力電力における(対数尺度に対する)1より大きな勾配Poutはパルスのコントラストを増大させるのに対して、Poutの平坦域は高レベルのパルスでの雑音を排除する。この平坦域は、Pin:R(Pin)=α/Pin(a=定数)に反比例する反射率R(Pin)に対応しており、これは、必要な光制限タイプ効果を有している。
【0067】
図11は、本発明の第2の実施態様によるRegen10タイプの部品の実施例を構成する構造を示しており、左側に図示し、右側に記号を表示している。前記実施例は制限的とみなされるべきではなく、特に、このような部品カテゴリを生成及び実施するための技術と両立可能な構成を有するRegen10タイプの部品を具体的に設計可能であることを示すことができる。この部品は、例えば有機金属化学気相位相堆積(organometallic chemical vapour phase deposition)によって第4級InGaAIAs及びバイナリInPのサブミクロン層を交互配列(alternation)しているエピタキシャル半導体に基づく3つのブラッグミラーM1、M2及びM3から形成される。これらの層は、第1のミラーM1(又はMb)に11対を、第2のミラーM2(又はMm)には25対を、第3のミラーM3(又はMf)には8対をナンバリングする。これら3つのミラーは、1.55μmの通信波長での吸収率を提供するために選択される同一の方法及び厚さに従ってエピタキシャルされた、バリアBA(この場合、InAIAsからなる)と交互配列している、一連の量子井戸QW(この場合、InGaAsからなる)に設定される。第1のシリーズαL1は7個の量子井戸及び8個のバリア層BAを含有している。第2のシリーズαL2は21個の量子井戸及び22個のバリア層BAを含有している。ミラー及び一連の量子井戸は、InPからなる位相層φ1、φ2、φ3及びφ4によって分離されている。この構造自体は、1.55μmの波長で透過的な基板S上でエピタキシャルされる。
【0068】
異なる層は以下の厚さを有している:
【表2】
【0069】
アセンブリは、図13の横座標「z」に沿って実質的にスケーリングするように表されているおよそ11μmの厚さを表している。
【0070】
本実施例は以下の反射率及び吸収率の値を有している:
【表3】
【0071】
図12は、本実施例について取得された、入力電力の関数である反射率と出力電力の依存性とを示している。異なる層の積層は解析式(2)から推定された機能に非常に近い再生機能をもたらし、そして、本実施例の構造の動作が、高レベル及び低レベルの再生を可能にするRegen10特徴を有することを示している。
【0072】
図13は、同実施例の構造の厚さ「z」にわたる分布において、共鳴波長(1550nm)における電界Eの2乗モジュールの分布を示している。電界Eは、エピタキシャル半導体の異なる層間の界面における複数の反射によって構造に確立される反伝搬波の間の干渉から生じる。この構造の厚さの光指数プロファイルは参照として右側の縦座標に表されており、図面の上部に現れている。電界は2連の量子井戸のレベルで最大であるため、この吸収の飽和電力を最小化することができる。
【0073】
図14は、先行の実施例での、そして、低強度の場合における、第2の実施態様の本発明によるRegen10部品のスペクトル応答を図示している。波長値の低電力インピーダンス適合を保証するためにブラッグミラー及び一連の量子井戸における層の数が選択されると、反射率Rは波長1.55μmでキャンセルされることが分かる。このインピーダンス適合は、従来技術で使用されている関係(1)とは異なる関係である、「Regen10」部品について本発明によって提案された関係(3)に従って反射率値を決定することにより得られる。低強度レジームスペクトルについて得られる曲線は、低強度でゼロ反射率を提供するタイプのインピーダンス適合が、この部品について取得可能であることを示す。
【0074】
波長が1.55μmからずれると、選択された厚さに対するこの波長の不一致に起因する相違がキャビティに導入される。共鳴について予測される中高スペクトル幅は13.6nmであり、部品が低強度レジームで使用可能な通常の波長範囲を示す。
【0075】
本発明による部品は、特に、受動全光タイプの、多数のタイプの光信号処理デバイスを生成するために使用可能であり、例えば以下のタイプである:
−高レベルの信号を受動的に再生するための、本発明による部品を備える電気通信光信号処理デバイス;
−低レベルの信号を受動的に再生するための第2の部品少なくとも1つにより先行される、高レベルの電気通信光信号を受動的に再生するための、本発明による第1の部品少なくとも1つを備える電気通信光信号処理デバイスであって、前記第2の部品が、反射率Rbのリアミラーと反射率Rfのフロントミラー間に挿入される、吸収率α0Lの吸収体によって形成される少なくとも1つの可飽和吸収体キャビティ(absorber cavity)を備えており、前記反射率は、インピーダンス適合関係Rf=exp(−2α0L)Rbに実質的に準拠している、前記電気通信光信号処理デバイス;
−高レベル及び低レベルの信号を受動的に再生するための、本発明による少なくとも1つのモノリシックコンポーネントを備える電気通信光信号処理デバイス。
【0076】
更に、本発明による部品は、一定の幅(通常、5〜20nmの幅)のスペクトル範囲を処理するために製造可能である。従って、前記デバイスは、コスト、複雑さ及び空間要件が制限されたマルチチャネルバージョンで生成可能である。
【0077】
前記デバイスは、例えば、チャネル速度40Gb/sの次世代の、場合によっては160Gb/s程度の速度の次世代の通信システムを確立するために使用可能である。
【0078】
本発明による部品又はデバイスは、例えば、動作を簡略化するために、あるいはシステムをよりコンパクトに、より確実に、より効率的に、より経済的にするために、あるいは将来のシステムとの互換性を改良するために、既存のシステム又は類似の性能を有するシステムに統合することもできる。
【0079】
前記部品又はデバイスは、例えば研究室又は工業的妥当性において、開発中のシステム、あるいは、前記システムで使用可能な他の部品の容量及び制限をテストするためにも非常に有用である。
【0080】
当然、本発明は前記の実施例に制限されず、これらの実施例に、本発明の範囲を逸脱することなく多数の調整を行うことができる。
【発明の詳細な説明】
【0001】
本発明は、例えば、ディジタルデータ送信に使用される、光信号の全光再生を可能にする可飽和吸収体受動部品、並びに再生方法及び再生を実施するデバイスに関する。本発明は、前記部品を製造するための方法及びシステムにも関する。
【0002】
本発明の内容は、特に、極めて高い速度の長距離光通信用の信号及び光パルスの再生についてである。
【0003】
例えば、データ通信又は電気通信ネットワークの多数の分野で、長距離にわたる光経路(一般的に、光ファイバ)によるディジタル信号の送信を使用する。送信又は処理の間で、これらの信号は、特に、形状及び振幅の劣化を被ることになり、検出及び解釈がより困難になる。
【0004】
このような劣化は、例えば、数百キロメートルの地上波転送ネットワーク、及び、更には4千もしくは6千キロメートルを超える大洋横断海底リンク又は太平洋横断リンクの長距離にわたって生じる。このような劣化はまた、例えば、ファイバの品質不良、又は、外乱もしくは干渉を生成する複数の中間処理の困難な送信環境において生じることができる。
【0005】
より具体的には、光ファイバにおけるパルスの伝搬は、パルスの時間的プロファイル及び伝搬損失に起因するエネルギーの減衰にも有害な変形をもたらす。この減衰はしばしば、パルスへのエネルギーを回復するために、送信ラインにそって周期的に配列された光増幅器の使用を必要とする。この増幅段階は、特に、強度雑音を追加することによって、パルスの時間的形状を修正する。
【0006】
図1aは、このような劣化パルスに典型的な時間的プロファイルを示す。パルス受信の間に、効率的な情報送信にとって妨害であるか、又は、これと両立不可能でありうる、エラーレートを検出の間に導入することによって、強度雑音は、パルスの低レベル(「0」)と高レベル(「1」)の区別に悪影響を与える。
【0007】
現在の電気通信技術は、10Gb/s程度の速度で変調されるか、又は、レーザーによって放射されるディジタル単色信号の光ファイバ送信を使用する。信号劣化を改善するために、「3R」再生とも称される再増幅、再成形及び再タイミングを含む信号再生動作を実行するオプトロエレクトロニックデバイスが介在する。これらの動作は電子部品によって実行され、光信号から電子信号へ、及びこの反対の変換を必要とする。
【0008】
このような機器は目下のところ複雑で、高価で、大規模であり、また電源を必要とする。
【0009】
更に、新規の送信技術段階は現在、40Gb/s程度の速度で送信を実行する機器の開発によって準備中である。この技術は、毎秒1テラビット程度の全体の速度(例えば、各々40Gb/sの32個のチャネル)を許容する波長分割多重化(WDM)の使用を想定している。この新規の技術は更に、信号再生プロセスを改良できるという利点を高める。
【0010】
このために、全光タイプ(つまり、光電子変換を必要としない)、及び、受動タイプ(つまり、任意の外部エネルギー源なしでパルス自体のエネルギーを唯一のエネルギー源として使用する)の、再生方法が提案されてきた。
【0011】
FR2835065は、例えば、本明細書中でRegen0と称される、低レベルのパルスの再生を許容する部品を提案している。このRegen0再生機能は、反射時に動作し、そして、可飽和吸収性の非線形光学材料を使用する部品によって得られる。
【0012】
部品の反射率(reflectivity)Rは、部品によって反射される入力電力率Pinを表す。反射率の非線形性は、RはPinに左右されるという事実によって表される。出力時には、パルス電力はPout=R(Pin)・Pinである。パルスの入力電力は、部品の飽和電力Psat程度であると想定され、それは、光非線形性が生成される際の通常の電力である。
【0013】
パルスの時間的プロファイルでのこのようなRegen0再生の原理における効果は、特定の他の制約を考慮せずに、図1bに図示されている。このような再成形効果は、原則として図2aに表されているような入力電力Pinによる依存性を表す反射率によって得られる。飽和電力Psat未満では、出力電力はゼロ:Pout=0であり、雑音は排除される。この飽和電力以上では、反射電力は不変:Pout=Pinである。理想的には、Regen0機能によって、例えばパルス検出用閾値をPsatに位置決めすることによって、パルスのコントラストを最大化し、かつパルスのエラーフリー検出を可能にすることができる。
【0014】
実際、このような反射率R(Pin)は、可飽和吸収体層を含有する半導体に基づいたFabry−Perotキャビティの従来技術により得ることができる。これらのキャビティは、反射率Rbのリアミラー及びより低い反射率Rfのフロントミラーによって構成される。低レベルRegen0の再生機能は、以下のインピーダンス適合条件:
《式1》
を可能な限り満たすように部品の構成を配列することによって得られる。
【0015】
対応する反射率は図2bに図示されている。低電力での低反射率は低パルスレベルの部分的排除を保証するのに対して、高電力での高反射率は高パルスレベルの反射を促進する。最終的に、パルスコントラストの増大と、これらの高レベルと低レベルの良好な区別とは理想的に予想され、検出エラーレートの削減をもたらす。
【0016】
しかしながら、これらの技術は、特に、既存の技術(10Gb/s)の簡略化及び改良並びに新規の技術(40Gb/s)の開発及び工業化を妨げる特定の制限を有している。
【0017】
これらの技術は低レベルパルス形状、つまり「0」の形状のみを再生するという事実によって、技術はハイレベルのこれらのパルスにある雑音を改良も増大もせず、信号検出の外乱の原因のままである。
【0018】
更に、「0」の再生は、図6の底部に見られるように、反射率R(Pin)の常に正の勾配ゆえに、「1」での相対雑音δPout/Poutを増幅する。これは、特に、送信ラインに沿ったこのような再生器の連結の間の低レベルと高レベルの区別、つまり「アイダイアグラム(eye diagram)」の閉鎖を可能にする偏差の低下をもたらす。結果として、この技術によって、バイナリエラーレートを増大するという危険性なしで多数の再生器を連結することはできず、これは求められる効果と反対である。
【0019】
本発明の目的は、例えば、満足のいく品質の送信を維持するのに必要な再生器の複雑さ、脆弱性、感度、コスト又は空間要件を削減することによって、従来技術の欠点を改良することである。
【0020】
より具体的には、本発明は、可能ならば受動的に送信される信号の「1」の形状の全光再生を得ることを目的としている。
【0021】
本発明は、可能ならば同一部品中で組み合わされる送信信号の「1」及び「0」両方の形状の受動全光再生を得ることを目的としている。
【0022】
波長多重化を使用するWDM送信技術で使用可能な構成及び空間要件におけるこれらの利点の全部又は一部を得ることも目的である。
【0023】
本発明の目的の1つは、特に、速度40Gb/sの技術と特に両立可能な、高速応答時間と結びついたこれらの利点の全部又は一部を得ることである。
【0024】
もう1つの目的は、将来の技術に必要な応答時間を達成することなく、受動全光再生技術の実施を可能にする確実かつ堅固な構成におけるこれらの利点の全部又は一部を得ることである。これは、例えば、10Gb/s以下の現在の技術で使用される部品の改良に関する問題でもある。また、例えば新たな部品への研究を進めるか、又は、より大きなシステムにおける経時的な受動全光再生の容量及び問題を研究するために、基礎的又は工業的研究を伴う部品の必要性を満たすという問題でもある。
【0025】
本発明は、非線形反射率R(Pin)によって信号の高レベルパルスの受動再生の機能を保証する、部品(好ましくは、モノリシックのコンポーネント)を提案する。
【0026】
このために、本発明は、フロントミラーよりも反射率の低いリアミラーの使用からなる完全反直観構成(counter-intuitive configuration)の可飽和吸収キャビティ(absorption cavity)の使用を提案する。
【0027】
前記キャビティは光信号の反射で使用される、つまり入射信号は、前記キャビティに注入されて、共鳴後に、信号が入ってきた通常の方向で、再度出て行く。このキャビティ内では、信号の最初と最後の反射が前記リアミラーの反射方向に生じる。
【0028】
従って、第1のいわゆるリアミラーと、前記入射光信号側に位置する第2のミラーとの間に形成される可飽和吸収共振キャビティ(saturable absorption resonant cavity)における前記信号の反射によって動作する光信号を処理するための光学部品(optical component)が得られ、ここで、前記第2のミラーの反射率は前記リアミラーの反射率以上である。
【0029】
第1の実施態様では、高レベルの信号の再生を実行するために前記部品が使用される。本実施態様は、次に、受動全光ソリューションによるいわゆる「Regen1」機能を保証する。この構成では、第2のミラーは「フロントミラー」と称されることもできる。
【0030】
前記Regen1部品は、原則として反射率を有し、前記反射率は、図3aに表されており、そして、実際に図3bに図示されているように得られる。この機能は低電力を不変のものにする。他方、入力電力の逆数に対する反射率の依存性(つまり、飽和電力を超える1/Pin)は高パルスレベルでの雑音の抑制を保証する。次に、出力電力は一定であって飽和電力に等しい、すなわち、Pout=Psat=一定である。図1cは、原則的に、図1aの雑音パルスで得られる効果を示している。
【0031】
次いで、Regen1タイプの前記部品は、Regen0機能を実行する部品(例えば、前記タイプの部品)と結合することができる。好ましくは、本発明は、まず部品Regen0を介し、次いで部品Regen1を介する信号の通過を提案する。
【0032】
第2の実施態様では、本発明は、高レベル及び低レベルのパルス再生の受動機能を非線形反射率R(Pin)によって保証する、部品(好ましくは、モノリシックコンポーネント)を提案する。
【0033】
このために、本発明は、第1のミラー上に(つまり、第2のミラーに対する入射光信号と同じ側に)もう1つの可飽和吸収体キャビティ(absorber cavity)を追加することを提案する。従って、前記部品は第2のミラーと、前記第2のミラーに対する光信号の反射と同じ側に位置する第3のミラーとの間に形成される第2の可飽和吸収共振キャビティを備えている。この構成では、第3のミラーは「フロントミラー」と称され、第2のミラーは「中間ミラー」と称されることができる。
【0034】
この第2の実施態様では、前記部品は、「1」及び「0」の同時再生に対する受動全光ソリューション、つまり「Regen10」と称される一体化機能を提供する。
【0035】
前記部品Regen10は、原則的に図4aに表される必要反射率を有しており、実際に得られる結果は図4bに図示される。電力が飽和電力Psat未満である低レベルの雑音は、反射率がゼロになると排除される。電力が飽和電力Psatより大きい高レベルの雑音は、1/Pinへの反射率の依存によって排除される。雑音及び累積パルスで得られる効果は原則として図1dに示される。
【0036】
本発明は、前記部品の使用によって光信号を再生するための方法、並びに、前記方法を実施するデバイス及び前記デバイスを備える通信システムを提案する。本発明は、前記部品を製造するための方法及びシステムにも関する。
【0037】
高レベルのパルスの再生(「Regen1」機能)について、本発明は、特に、前記「Regen0」機能を得るための既知の技術と同じタイプの利点を提供する。これらの利点は、特に、非キャビティ可飽和吸収体と比較して飽和電力が低い、波長分割多重化(WDM)システムで動作可能なスペクトル帯域に関して表されており、将来の極めて高い速度の用途(例えば、160Gbit/s)向けの反射、コスト、コンパクト性及び開発ポテンシャルを有する構成において熱的に好ましい構造である。
【0038】
本発明は、パルス自体のエネルギー以外の任意の外部エネルギーを提供することなく、「1」を受動的に再生すること、つまりこれらの高レベルの雑音を低減することを可能にする。更に、この再生はマルチチャネルモードで生じ、同一部品によって複数のチャネルを同時に処理することを可能にする。
【0039】
更に、本発明は、モノリシックコンポーネントによって「0」及び「1」の両方のレベルの雑音を低減し、ほとんど空間を必要とせず、2つの異なる部品の生産及び結合よりも低いコスト及び複雑性の複数の機能を組み合わせることによって、「0」及び「1」を同時かつ受動的に再生できるようにする。
【0040】
高レベル及び低レベルを同時に再生できるということによって、更に、既知の「Regen0」技術の特定の有害な効果(例えば、前記「アイダイアグラム」の閉鎖)を回避又は制限することができる。
【0041】
従って、高レベルを再生可能にすることによって、本発明は、信号の形状を完全に再生するデバイスの生産を許容することで技術的障害を克服することができる。これらのデバイスは受動的かつ全光的に動作可能であり、これによって、エネルギー供給のない隔離位置に配置可能なコンパクト装置の設計が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0042】
本発明の他の特徴及び利点は、非制限的な実施態様に関する詳細な説明及び添付の図面から明らかになる。
【図1】1グループのパルスに関する時間関数としての電力曲線を示す図である。図1aは、コントラストが制限された雑音入力パルスの場合を示しており、図1bは、低レベル形状の再生後の同一パルスの場合を簡略的に示しており、図1cは、高レベル形状の再生後の同一パルスの場合を簡略的に示しており、そして、図1dは高レベル及び低レベル形状の再生後の同一パルスの場合を簡略的に示す。
【図2】従来技術(Regen0)による部品についての、受信電力の関数である反射率を示す図である。図2aは原則として効果を表す形態であり、そして、図2bは実践に近い形態である。
【図3】本発明の第1の実施態様によるRegen1タイプの部品についての、受信電力の関数である反射率を示す図である。図3aは原則として効果を表す形態であり、そして、図3bは実践に近い形態である。
【図4】本発明の第2の実施態様によるRegen10タイプの部品についての、受信電力の関数である反射率を示す図である。図4aは原則として効果を表す形態であり、そして、図4bは実践に近い形態である。
【図5】従来技術によるRegen0タイプの部品で実行される実験的測定と、本発明の設計に使用されるモデルの予測との比較を、入力電力の関数である反射率について示す図である。
【図6】入力電力の関数として、Regen0タイプに近い構成の可飽和吸収体光キャビティの算出反射率及び出力電力を示す図である。
【図7】本発明の第1の実施態様によるRegen1タイプの部品の可飽和吸収体光キャビティを示す図である。
【図8】入力電力の関数として、本発明の第1の実施態様によるRegen1タイプの部品の可飽和吸収体光キャビティの算出反射率及び出力電力を示す図である。
【図9】本発明の第2の実施態様によるRegen10タイプの部品の可飽和吸収体光キャビティを示す図である。
【図10】図10は、入力電力の関数として、本発明の第2の実施態様によるRegen10タイプの部品の可飽和吸収体光キャビティの算出反射率及び出力電力を示す図である。
【図11】本発明の第2の実施態様によるRegen10タイプの部品の、ブラッグミラー及び量子井戸を備えた可飽和吸収体光キャビティの構造の実際的な実施例を示す図である。
【図12】入力電力の関数として、図11の実際的な構造例の算出反射率及び出力電力を示す図である。
【図13】図14の共鳴における、図11の構造例の電界の振幅の分布を示す図である。
【図14】図11の実際的な構造例の反射率の算出スペクトル依存性を示す図である。
【0043】
本発明は、材料及びそれらの組み合わせの光学態様の数学的モデリングによるディジタルシミュレーションで定量化及び試験された。
【0044】
低レベルのパルスの再生(「Regen0」機能)を実行する部品の材料サンプルに対して、反射率測定が実行されたことの定量的な報告が測定によって可能になる。図5に図示されるように、この数学的モデルは、これらの実測定値と、これらの同一材料サンプルについて予測する値とを比較することによって調整及び検証された。これらの材料サンプルは、フロントミラーの反射率特徴Rf=0.88と、リアミラーのRb=0.95(Rf≦Rb)と、InPでエピタキシャルにされる5個のInGaAs量子井戸の飽和吸収率と等しい飽和吸収率αL1=3.85%とを有している。
【0045】
図6は、入力パルスPinの電力の関数として、反射率R(Pin)及び出力電力Poutの予測値を示す。これらを予測するのに使用される実際的なモデルは、複素部分(complex part)を有する光指数の材料層の積層についてマックスウェル方程式の解に基づいている。使用される実際的な吸収飽和の法則は、αL(P)=αL0/(1+P/Psat)であり、式中、Pは、量子井戸のレベルでのキャビティ中の電磁波の(強度とリンクした)電力を表す。
【0046】
曲線Poutは、線形依存性Pout=αPin(式中、αは定数である)に対応する破線と比較される。対数尺度に対する破線の一定勾配は、Pinに関して、相対雑音がPoutに追加されない境界事例に対応する。対数尺度に対するPoutの勾配が破線よりも小さい場合、Poutでの相対雑音はPinにおけるそれよりも小さく、本発明によって生成される、光制限タイプの効果に対応する。
【0047】
従来技術について記載する図6の場合のように、対数尺度に対するPoutの勾配が破線よりも大きい場合、Poutでの相対雑音は再生器の通過ごとに増大され、これは有害である。この図は、従来技術によるRegen0部品が高レベルのパルスを再生しないだけではなく、使用される入力電力にかかわらず「1」での雑音をかなり劣化させることを示す。
【0048】
本発明の第1の実施態様では、図7は、Regen1タイプの部品の構造を図示する。この部品は、反射率Rbの第1のミラーM1(又はリアミラーMb)と、反射率Rfの第2のミラーM2(この場合はフロントミラーMfと称される)との間に形成されるいわゆるFabry−Perotキャビティを備えている。これら2つのミラーは、全吸収率がαL1に等しい(つまり、長さ「L1」にわたる吸収率「α」に対応する)可飽和吸収材料に設定される。この可飽和吸収体は、2つの位相層(phase layer)φ1及びφ2によって2つのミラーの各々から分離される。キャビティは、パルスの吸収によって生成される熱を除去する基板Sに戴置される。パルスの全光再生に関する従来技術について、このキャビティは、オリジナルの反直観特徴Rf≧Rb、つまりリアミラー(Mb)の反射率より大きなフロントミラー(Mf)の反射率によって設計されている。
【0049】
従って、RbとRfとの関係は、従来技術で必要であるとされているインピーダンス適合関係(前記関係(1))にはもはや対応しておらず、それどころか、RbとRfとの関係は「リターン」又は「リバース」キャビティについて説明している点で極めて明確である。この具体的な特徴によって高レベルのパルスの全光再生が可能になる。
【0050】
部品Regen1の生成は既知の半導体エピタキシー技術と、これらの材料に適用される異なる既知の技術的方法とを使用する。可飽和吸収体は非制限的に構成可能であり、そして、InP又はGaAsバリアに挿入され、かつ部品の動作波長(つまり、現在の光通信に使用される部品について約1.3〜1.55μm)で吸収するInGaAs量子ドット又はボックスのうちの1つ以上の平面、1つ以上のInGaAs又はGaAlAs量子井戸、1つ以上の固体GaInAs又はGaAlAs層によって例証として示されることが可能である。
【0051】
量子井戸の場合、通常入射反射率の偏光依存を最小化するために、バリアにおける共通原子及び好ましくは共通アニオンを有する本発明の半導体量子井戸による、量子井戸の吸収二色性及び界面における結晶異方性に起因する依存が選択されることになり、それは、例えば、InAlAsバリア間のInGaAs量子井戸である。吸収の偏光依存は、文書:Investigations of giant “forbidden”optical anisotropy in GaInAs−InP quantum well structures,O.Krebs,W.Seidel,J.P.Andre,D.Bertho,C.Jouanin,P.Voisin,Semicond.Sci.Technol.12(1997)938−942に記載されている。
【0052】
吸収は可飽和性であり、すなわち、吸収体材料を通過する波の電力(又は、強度)が無限になる傾向がある場合に、吸収はゼロになる傾向がある。実際、実験的可飽和吸収は、式:αL(Pin)=αL0/(1+Pin/Psat)(式中、αL0は照明がある場合の材料の吸収率である)によって飽和電力付近で説明可能な依存性を表している。時間の観点から、可飽和吸収はより迅速になり、低温エピタキシャル成長を使用することによって、あるいは、不純物の取り込み、又は、重もしくは軽イオンによる層の照射を使用することによって、ピコ秒又はサブピコ秒の応答時間である。
【0053】
ミラー及び可飽和吸収層だけではなく、他の層も、可能な限り、動作波長で透過的である。
【0054】
キャビティのミラーは1未満の反射率を有しており、そして、損失がないと考えられている。リアミラーMbは好ましくは金属製であり、他のミラーは、反射されない波エネルギーを通過させるタイプである。実際、ミラーにおける残渣損失の存在は本発明の概念を変更しない。例証として、かつ非制限的に、ミラーは、半導体層のエピタキシー又は誘電層の堆積のいずれかによる既知の技術による「ブラッグミラー」の形態で生成可能である。基板Sへの異なる層の積層、並びに、キャビティ及び可飽和吸収体からなる構造の移送は既知の技術に従って実行される
【0055】
図8は、関係Rf≧Rbで図7に表されている本発明の第1の実施態様による部品Regen1についての反射率R(Pin)と出力電力Poutの依存性とを示している。従って、従来技術によるインピーダンス適合関係は、生成されない。検討事例は非制限的な実施例であり、Rf=0.96、Rb=0.95及びαL1=3.85%に等しい反射率特徴を有している。0.95〜0.96より高い反射率を使用することができるのが好ましく、そして、本発明による部品の損失の有用な低減をもたらすことができる点に注目されたい。従って検討事例は通常の値を有している。
【0056】
曲線Poutの勾配のキャンセルは、これらのレベルでの雑音を排除することによって、高レベルのパルスの再生を保証することができる。全電力において、勾配1の破線よりも対数尺度において小さい曲線Poutの勾配は、本発明が低レベルのパルスに雑音を追加しないことを示している。従って、本発明による第1の部品の反射率は、Regen1タイプの再生を保証することができる。
【0057】
互いにそれほど異ならない値(0.96及び0.95)を有する反射率Rf及びRbによって必要効果が取得可能であるのに対して、従来技術によるRegen0動作に影響するインピーダンス適合関係(1)は、この同等性からかけ離れた複数の対の値、例えば0.88及び0.95を提供する点に注目すべきである。リアミラーのRbより大きなフロントミラーの反射率Rfによって定義する本発明の特徴は、従って、これら2つの値が実質的に等しいか、ごくわずかに反転されている場合を排除しない。
【0058】
好都合なことに、高レベル及び低レベルを再生するためのRegen10再生機能を簡単かつ効率的に生成するために、本発明によるRegen1部品は従来技術によるRegen0部品と連結可能である。
【0059】
好ましくは、再生機能の組成がRegen10機能を生成するように、Regen1部品はRegen0部品の後に配置される。
【0060】
本発明の第2の実施態様によると、図9は、Regen10タイプの部品の構造を図示している。この部品は、反射率Rmのいわゆる中央つまり中間ミラーMmを共有する2つの結合Fabry−Perotキャビティによって形成される。これらのキャビティのうちの第1のC1は、第1のミラーM1(リアミラーMbと称される)と、この場合はこの中間ミラーMmによって構成される第2のミラーM2との間に形成される。これらのキャビティのうちの第2のC2は、この同じ中間ミラーMmと、第3のミラーM3(この場合はフロントミラーMfと称される)との間に形成される。これらのキャビティC2及びC1の各々はそれぞれ可飽和吸収材料αL1及びαL2に設定され、これらの吸収体材料の各々はそれぞれ、αL1に対する2つの位相層φ1、φ2と、αL2に対するφ3、φ4によって隣接ミラーから分離されている。位相層によって導入される位相シフトφ1+φ2及びφ3+φ4は、動作波長が反射率共鳴にスペクトル的に対応するように選択される。この構造は、電磁エネルギーの一部をこの構造から除去することができる、本発明の動作波長において透過的な基板Sにある。
【0061】
3つのミラーMf、Mm及びMbは部分的に透過的であり、それぞれ反射率Rf、Rm及びRbを有しており、理想的には1−Rf、1−Rm及び1−Rbを透過する。これらは、例えば半導体のエピタキシャル成長によって生成される誘電層又はブラッグミラーから生成されることができる。反射率は、高レベル及び低レベルのパルスの全光かつ同時再生を得られるように、以下の2つの関係:Rm≧Rf及びRm≧Rbを満たす。前記構造の反射率は、以下:
《式2》
のように記述される。
【0062】
機能Regen10を保証する本発明による部品の設計は、従って、3つの反射率Rf、Rm、Rbと2つの可飽和吸収率αL1及びαL2との判断を伴う。
【0063】
特に、有用な実施例では、非常に低い入力電力においてゼロ反射率を表す図9のRegen10部品について、これらのパラメータの選択は、以下のいわゆるインピーダンス適合関係:
《式3》
を満たすことによって判断可能である。
【0064】
実際、この関係を正確に満たすことは必ずしも求められてはおらず、最良のRegen10再生機能を保証するためには、例えば入射電力によって反射率の依存性を調整することが好ましい。
【0065】
図10は、以下の値について、前述され、かつ前記解析式(2)から予測された部品の反射率及び出力電力を説明している。
【表1】
【0066】
反射率曲線の形状は、図4bに表されているようなRegen10機能について求められる形状を満たす。定量的に、低入力電力における(対数尺度に対する)1より大きな勾配Poutはパルスのコントラストを増大させるのに対して、Poutの平坦域は高レベルのパルスでの雑音を排除する。この平坦域は、Pin:R(Pin)=α/Pin(a=定数)に反比例する反射率R(Pin)に対応しており、これは、必要な光制限タイプ効果を有している。
【0067】
図11は、本発明の第2の実施態様によるRegen10タイプの部品の実施例を構成する構造を示しており、左側に図示し、右側に記号を表示している。前記実施例は制限的とみなされるべきではなく、特に、このような部品カテゴリを生成及び実施するための技術と両立可能な構成を有するRegen10タイプの部品を具体的に設計可能であることを示すことができる。この部品は、例えば有機金属化学気相位相堆積(organometallic chemical vapour phase deposition)によって第4級InGaAIAs及びバイナリInPのサブミクロン層を交互配列(alternation)しているエピタキシャル半導体に基づく3つのブラッグミラーM1、M2及びM3から形成される。これらの層は、第1のミラーM1(又はMb)に11対を、第2のミラーM2(又はMm)には25対を、第3のミラーM3(又はMf)には8対をナンバリングする。これら3つのミラーは、1.55μmの通信波長での吸収率を提供するために選択される同一の方法及び厚さに従ってエピタキシャルされた、バリアBA(この場合、InAIAsからなる)と交互配列している、一連の量子井戸QW(この場合、InGaAsからなる)に設定される。第1のシリーズαL1は7個の量子井戸及び8個のバリア層BAを含有している。第2のシリーズαL2は21個の量子井戸及び22個のバリア層BAを含有している。ミラー及び一連の量子井戸は、InPからなる位相層φ1、φ2、φ3及びφ4によって分離されている。この構造自体は、1.55μmの波長で透過的な基板S上でエピタキシャルされる。
【0068】
異なる層は以下の厚さを有している:
【表2】
【0069】
アセンブリは、図13の横座標「z」に沿って実質的にスケーリングするように表されているおよそ11μmの厚さを表している。
【0070】
本実施例は以下の反射率及び吸収率の値を有している:
【表3】
【0071】
図12は、本実施例について取得された、入力電力の関数である反射率と出力電力の依存性とを示している。異なる層の積層は解析式(2)から推定された機能に非常に近い再生機能をもたらし、そして、本実施例の構造の動作が、高レベル及び低レベルの再生を可能にするRegen10特徴を有することを示している。
【0072】
図13は、同実施例の構造の厚さ「z」にわたる分布において、共鳴波長(1550nm)における電界Eの2乗モジュールの分布を示している。電界Eは、エピタキシャル半導体の異なる層間の界面における複数の反射によって構造に確立される反伝搬波の間の干渉から生じる。この構造の厚さの光指数プロファイルは参照として右側の縦座標に表されており、図面の上部に現れている。電界は2連の量子井戸のレベルで最大であるため、この吸収の飽和電力を最小化することができる。
【0073】
図14は、先行の実施例での、そして、低強度の場合における、第2の実施態様の本発明によるRegen10部品のスペクトル応答を図示している。波長値の低電力インピーダンス適合を保証するためにブラッグミラー及び一連の量子井戸における層の数が選択されると、反射率Rは波長1.55μmでキャンセルされることが分かる。このインピーダンス適合は、従来技術で使用されている関係(1)とは異なる関係である、「Regen10」部品について本発明によって提案された関係(3)に従って反射率値を決定することにより得られる。低強度レジームスペクトルについて得られる曲線は、低強度でゼロ反射率を提供するタイプのインピーダンス適合が、この部品について取得可能であることを示す。
【0074】
波長が1.55μmからずれると、選択された厚さに対するこの波長の不一致に起因する相違がキャビティに導入される。共鳴について予測される中高スペクトル幅は13.6nmであり、部品が低強度レジームで使用可能な通常の波長範囲を示す。
【0075】
本発明による部品は、特に、受動全光タイプの、多数のタイプの光信号処理デバイスを生成するために使用可能であり、例えば以下のタイプである:
−高レベルの信号を受動的に再生するための、本発明による部品を備える電気通信光信号処理デバイス;
−低レベルの信号を受動的に再生するための第2の部品少なくとも1つにより先行される、高レベルの電気通信光信号を受動的に再生するための、本発明による第1の部品少なくとも1つを備える電気通信光信号処理デバイスであって、前記第2の部品が、反射率Rbのリアミラーと反射率Rfのフロントミラー間に挿入される、吸収率α0Lの吸収体によって形成される少なくとも1つの可飽和吸収体キャビティ(absorber cavity)を備えており、前記反射率は、インピーダンス適合関係Rf=exp(−2α0L)Rbに実質的に準拠している、前記電気通信光信号処理デバイス;
−高レベル及び低レベルの信号を受動的に再生するための、本発明による少なくとも1つのモノリシックコンポーネントを備える電気通信光信号処理デバイス。
【0076】
更に、本発明による部品は、一定の幅(通常、5〜20nmの幅)のスペクトル範囲を処理するために製造可能である。従って、前記デバイスは、コスト、複雑さ及び空間要件が制限されたマルチチャネルバージョンで生成可能である。
【0077】
前記デバイスは、例えば、チャネル速度40Gb/sの次世代の、場合によっては160Gb/s程度の速度の次世代の通信システムを確立するために使用可能である。
【0078】
本発明による部品又はデバイスは、例えば、動作を簡略化するために、あるいはシステムをよりコンパクトに、より確実に、より効率的に、より経済的にするために、あるいは将来のシステムとの互換性を改良するために、既存のシステム又は類似の性能を有するシステムに統合することもできる。
【0079】
前記部品又はデバイスは、例えば研究室又は工業的妥当性において、開発中のシステム、あるいは、前記システムで使用可能な他の部品の容量及び制限をテストするためにも非常に有用である。
【0080】
当然、本発明は前記の実施例に制限されず、これらの実施例に、本発明の範囲を逸脱することなく多数の調整を行うことができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1のいわゆるリアミラー(M1)と、入射信号側に位置する第2のミラー(M2)との間に形成される可飽和吸収共振キャビティ(C1)における反射によって動作する光信号を処理するための光学部品であって、前記第2のミラーの反射率が前記リアミラーの反射率以上である前記光学部品。
【請求項2】
金属タイプであって基板側に位置する第1のいわゆるリアミラー(M1)と、第2のミラー(M2)との間の基板に形成される可飽和吸収共振キャビティ(C1)における反射によって動作する光信号を処理するための光学部品であって、前記第2のミラーの反射率が前記リアミラーの反射率以上である前記光学部品。
【請求項3】
第2のミラー(M2)の反射率が厳密には前記リアミラー(M1)の反射率より大きいことを特徴とする、請求項1又は2に記載の部品。
【請求項4】
第2のミラー(M2)と、前記第2のミラーに対する入射信号側に位置する第3のミラー(M3)との間に形成される第2の可飽和吸収共振キャビティ(C2)を備えることを特徴とする、請求項1又は3に記載の部品。
【請求項5】
第2のミラー(M2)の反射率が第3のミラー(M3)の反射率以上であることを特徴とする、請求項4に記載の部品。
【請求項6】
可飽和吸収体(αL1、αL2)が、バリア層(BA)と、量子井戸を生成する層(QW)との少なくとも1つの交互配列を備えることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の部品。
【請求項7】
少なくとも1つの量子井戸層(QW)が半導体から生成され、その化学組成が、そこへ隣接する少なくとも1つのバリア層(BA)と共通の少なくとも1つの原子又はアニオンを有することを特徴とする、請求項6に記載の部品。
【請求項8】
可飽和吸収体(αL1、αL2)が、量子ドット又はボックスの平面を生成する少なくとも1つの層を備えることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載の部品。
【請求項9】
ミラー(M1、M2)のうちの少なくとも一方が、反射しない電磁エネルギーの大部分を通過させるように生成されることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の部品。
【請求項10】
リアミラー(M1)が、反射しない電磁エネルギーの大部分を通過させるように生成され、そして、前記リアミラーが、部品の動作波長で、基板により受信される電磁エネルギーの大部分を通過させる前記基板(S)上に戴置されることを特徴とする、請求項1又は3〜8のいずれか一項に記載の部品。
【請求項11】
ミラー(M1、M2、M3)のうちの少なくとも1つが、ブラッグミラーを形成する半導体層のエピタキシーによって生成されることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項に記載の部品。
【請求項12】
ミラー(M1、M2、M3)のうちの少なくとも1つが、ブラッグミラーを形成する誘電層を堆積することによって生成されることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一項に記載の部品。
【請求項13】
請求項1〜12のいずれか一項に記載の少なくとも1つの部品を備える、電気通信光信号を処理するためのデバイス。
【請求項14】
請求項1〜12のいずれか一項に記載の少なくとも1つの部品(Regen1、Regen10)を備える、マルチチャネル電気通信光信号を処理するためのデバイス。
【請求項15】
少なくとも1つの第2の部品(Regen0)により先行される、請求項1〜12のいずれか一項に記載の少なくとも1つの第1の部品(Regen1、Regen10)を備える電気通信光信号を処理するためのデバイスであって、
前記第2の部品が、反射率Rbのリアミラーと反射率Rfのフロントミラーとの間に挿入される吸収率α0Lの吸収体によって形成される少なくとも1つの可飽和吸収体キャビティを備えており、前記反射率が、インピーダンス適合関係Rf=exp(−2α0L)Rbに実質的に準拠する前記デバイス。
【請求項16】
請求項4〜12のいずれか一項に記載の少なくとも1つのモノリシックコンポーネント(Regen10)を備える、電気通信光信号を処理するためのデバイス。
【請求項17】
請求項1〜12のいずれか一項に記載の光信号を処理するための光学部品を生成する方法であって、
第1のいわゆるリアミラー(M1)と、入射信号側に位置する第2のミラー(M2)との間に可飽和吸収共振キャビティ(C1)を形成する層を積層することを含み、そして、前記第2のミラーの反射率が前記リアミラーの反射率以上であることを含む、前記方法。
【請求項18】
少なくとも1つの層が低温エピタキシャル成長によって形成されることを特徴とする、請求項17に記載の方法。
【請求項19】
少なくとも1つの層への不純物の組み込みを含むことを特徴とする、請求項17又は18に記載の方法。
【請求項20】
少なくとも1つの層のイオン照射を含むことを特徴とする、請求項17〜19のいずれか一項に記載の方法。
【請求項21】
高レベルの前記信号の再生を実行するための、請求項1〜16のいずれか一項に記載の少なくとも1つの部品又はデバイスを使用する、電気通信信号を処理するための方法。
【請求項22】
請求項17〜20のいずれか一項に記載の方法を実施する製造システム。
【請求項23】
請求項1〜16のいずれか一項に記載の少なくとも1つの部品又はデバイスを備える電気通信システム。
【請求項1】
第1のいわゆるリアミラー(M1)と、入射信号側に位置する第2のミラー(M2)との間に形成される可飽和吸収共振キャビティ(C1)における反射によって動作する光信号を処理するための光学部品であって、前記第2のミラーの反射率が前記リアミラーの反射率以上である前記光学部品。
【請求項2】
金属タイプであって基板側に位置する第1のいわゆるリアミラー(M1)と、第2のミラー(M2)との間の基板に形成される可飽和吸収共振キャビティ(C1)における反射によって動作する光信号を処理するための光学部品であって、前記第2のミラーの反射率が前記リアミラーの反射率以上である前記光学部品。
【請求項3】
第2のミラー(M2)の反射率が厳密には前記リアミラー(M1)の反射率より大きいことを特徴とする、請求項1又は2に記載の部品。
【請求項4】
第2のミラー(M2)と、前記第2のミラーに対する入射信号側に位置する第3のミラー(M3)との間に形成される第2の可飽和吸収共振キャビティ(C2)を備えることを特徴とする、請求項1又は3に記載の部品。
【請求項5】
第2のミラー(M2)の反射率が第3のミラー(M3)の反射率以上であることを特徴とする、請求項4に記載の部品。
【請求項6】
可飽和吸収体(αL1、αL2)が、バリア層(BA)と、量子井戸を生成する層(QW)との少なくとも1つの交互配列を備えることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか一項に記載の部品。
【請求項7】
少なくとも1つの量子井戸層(QW)が半導体から生成され、その化学組成が、そこへ隣接する少なくとも1つのバリア層(BA)と共通の少なくとも1つの原子又はアニオンを有することを特徴とする、請求項6に記載の部品。
【請求項8】
可飽和吸収体(αL1、αL2)が、量子ドット又はボックスの平面を生成する少なくとも1つの層を備えることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載の部品。
【請求項9】
ミラー(M1、M2)のうちの少なくとも一方が、反射しない電磁エネルギーの大部分を通過させるように生成されることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の部品。
【請求項10】
リアミラー(M1)が、反射しない電磁エネルギーの大部分を通過させるように生成され、そして、前記リアミラーが、部品の動作波長で、基板により受信される電磁エネルギーの大部分を通過させる前記基板(S)上に戴置されることを特徴とする、請求項1又は3〜8のいずれか一項に記載の部品。
【請求項11】
ミラー(M1、M2、M3)のうちの少なくとも1つが、ブラッグミラーを形成する半導体層のエピタキシーによって生成されることを特徴とする、請求項1〜10のいずれか一項に記載の部品。
【請求項12】
ミラー(M1、M2、M3)のうちの少なくとも1つが、ブラッグミラーを形成する誘電層を堆積することによって生成されることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一項に記載の部品。
【請求項13】
請求項1〜12のいずれか一項に記載の少なくとも1つの部品を備える、電気通信光信号を処理するためのデバイス。
【請求項14】
請求項1〜12のいずれか一項に記載の少なくとも1つの部品(Regen1、Regen10)を備える、マルチチャネル電気通信光信号を処理するためのデバイス。
【請求項15】
少なくとも1つの第2の部品(Regen0)により先行される、請求項1〜12のいずれか一項に記載の少なくとも1つの第1の部品(Regen1、Regen10)を備える電気通信光信号を処理するためのデバイスであって、
前記第2の部品が、反射率Rbのリアミラーと反射率Rfのフロントミラーとの間に挿入される吸収率α0Lの吸収体によって形成される少なくとも1つの可飽和吸収体キャビティを備えており、前記反射率が、インピーダンス適合関係Rf=exp(−2α0L)Rbに実質的に準拠する前記デバイス。
【請求項16】
請求項4〜12のいずれか一項に記載の少なくとも1つのモノリシックコンポーネント(Regen10)を備える、電気通信光信号を処理するためのデバイス。
【請求項17】
請求項1〜12のいずれか一項に記載の光信号を処理するための光学部品を生成する方法であって、
第1のいわゆるリアミラー(M1)と、入射信号側に位置する第2のミラー(M2)との間に可飽和吸収共振キャビティ(C1)を形成する層を積層することを含み、そして、前記第2のミラーの反射率が前記リアミラーの反射率以上であることを含む、前記方法。
【請求項18】
少なくとも1つの層が低温エピタキシャル成長によって形成されることを特徴とする、請求項17に記載の方法。
【請求項19】
少なくとも1つの層への不純物の組み込みを含むことを特徴とする、請求項17又は18に記載の方法。
【請求項20】
少なくとも1つの層のイオン照射を含むことを特徴とする、請求項17〜19のいずれか一項に記載の方法。
【請求項21】
高レベルの前記信号の再生を実行するための、請求項1〜16のいずれか一項に記載の少なくとも1つの部品又はデバイスを使用する、電気通信信号を処理するための方法。
【請求項22】
請求項17〜20のいずれか一項に記載の方法を実施する製造システム。
【請求項23】
請求項1〜16のいずれか一項に記載の少なくとも1つの部品又はデバイスを備える電気通信システム。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図12】
【図13】
【図14】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図12】
【図13】
【図14】
【図11】
【公表番号】特表2009−544996(P2009−544996A)
【公表日】平成21年12月17日(2009.12.17)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−521299(P2009−521299)
【出願日】平成19年7月25日(2007.7.25)
【国際出願番号】PCT/FR2007/001282
【国際公開番号】WO2008/012437
【国際公開日】平成20年1月31日(2008.1.31)
【出願人】(509026024)ユニヴェルシテ パリ スュッド オンズ (3)
【氏名又は名称原語表記】UNIVERSITE PARIS SUD 11
【出願人】(509025832)サントル ナシオナル ドゥ ラ ルシェルシェ シアンティフィク (6)
【氏名又は名称原語表記】CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
【Fターム(参考)】
【公表日】平成21年12月17日(2009.12.17)
【国際特許分類】
【出願日】平成19年7月25日(2007.7.25)
【国際出願番号】PCT/FR2007/001282
【国際公開番号】WO2008/012437
【国際公開日】平成20年1月31日(2008.1.31)
【出願人】(509026024)ユニヴェルシテ パリ スュッド オンズ (3)
【氏名又は名称原語表記】UNIVERSITE PARIS SUD 11
【出願人】(509025832)サントル ナシオナル ドゥ ラ ルシェルシェ シアンティフィク (6)
【氏名又は名称原語表記】CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
【Fターム(参考)】
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