JPH02126124A - 光雑音測定装置 - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光の雑音をその光が持つ量子限界であるショ
ット雑音レベルと比較した絶対雑音量を測定する装置に
関するものである。

［従来の技術］ 従来、光の雑音は光検波器で光を検波し、検波器出力電
流に含まれるゆらぎ成分を高周波電力計、スペクトラム
アナライザ等で測定している。

従って、測定された雑音量はその光が持つショット雑音
レベルの校正を行っていないので、測定されたある雑音
量に対しての相対値をとり、相対雑音量として表わされ
ている。

レーザなどの出力光の雑音特性を評価するような場合に
は、その光が持っているショット雑音と比較して絶対雑
音量を測定する必要がある。このような時には、ショッ
ト雑音以外に過剰な雑音を含まない別の光源（量子限界
の光、例えばＬＥＤ光源等）を用意して、測定しようと
する光と等しい光量でショット雑音レベルを測定してい
る。しかし、別の光源を用いると、測定波長の違い、波
長の広がりなどの影響による光検波器の応答特性の違い
が誤差となり、正確なショット雑音レベルの校正ができ
ないという欠点がある。

ショット雑音レベルを正確に測定する方法としてバラン
スドミキサがある。第６図にバランスドミキサの構成を
示す。１は入射光ビームＡ。、２はビームスプリッタ、
３はビームスプリッタの他の入力端から入射する量子力
学的な真空場のゆらぎ成分Ｃ１４および５は光検波器、
■、および１２はそれぞれ光検波器の検波電流のゆらぎ
成分、６は差動増幅器でｉ、と１２とを差合成する。１
０は差合成後の出力電流のゆらぎ成分、７はレベルメー
タである。

観測時間をＴ、ビームスプリッタ２の反射率をε、光検
波器４および５の量子効率をそれぞれηｈη２とすると
、それぞれの光検波器の出力電流のゆらぎ成分Ｉｔと１
２は、 １ｔ−（２ｅｙ）１／Ｔ）１丁−丁］］Ａｏ［（１−ｅ
　　ｅ・　Ｊ−Ｃ［＝−η−］−２１−τ）Δ入。・　
Δ己＋　　１−　η１　　εη、Δ６ｉ　　　　　　（
ｔ）’Ｉｚ・（２ｅ１１　２／Ｔ）　、ｌ−？「−−−
ズー丁−’ｎ　　八。［ｆ−／−７１−）−フ′−〕：
■＝ニー７１−）＋Ｆ■７寄届−ムπ１丁］青）Δ入。

−Δｅ＋　　１−　η２１−ε　η２Δ５２］　　　　
（２）となる。（１）　、　（２）式の［］の中の第１
項は入射光が持つゆらぎ成分（振幅雑音成分）、第２項
はビームスプリッタの他の入力端から入射する量子力学
的な真空場のゆらぎ成分、第３項はそれぞれの光検波器
の量子効率が１でないために光検波器に侵入する真空場
のゆらぎ成分（ΔＤ）である。差合成の出力電流■。は
、 １、−１．−１２ −（２ｅ　　（７７１”７７２）／Ｔ）　　５１″−ｔ
ミー−−＝ＣＩ−＝−ｔ１−】ＡＯ［（η、Ｆ■７ｉワ
τ ｎ　　２　Ｊ−云−７１−丁＝＝−一１−］）／　　４
−コ「〒＋７７、　　ΔＡ、＋２ΔＣη１１−η１　ε
　ηＩ＋η２　ΔＤ１１η２１−η２１−ε　η、＋η
２　ΔＤ２］　　（３）となる。いま、検波器３．４の
量子効率とビームスプリッタ２の反射率をそれぞれ、 η＝η、＝η２冨１．ε＝０．５　　　　　　　（４）
とすれば、差合成後の出力電流Ｉ。は、１、−（２ｅη
／Ｔ）＾０ΔＣ（Ｄ となり、入射光の持つ振幅雑音成分Δ八。はなくなり、
ビームスプリッタの他の入力端から入射する真空場のゆ
らぎ成分Ｃと入射光量Ａ。どの積の量子雑音、すなわち
入射光のショット雑音レベルと同じ雑音量を示す。

［発明が解決しようとする課題］ しかし、バランスドミキサでは差動増幅器が差合成しか
しないので、ショット雑音レベルを精密に測定できる・
けれども、光の雑音成分を測定することはできない。

本発明は光の雑音測定において、相対雑音量を測定する
のではなく、その光が持っている量子限界であるショッ
ト雑音し・ベルと比較して絶対雑音量を測定する装置を
提供するものである。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、被測定光を２つに分岐し、２つの光をそれぞ
れ独立に２つの光検波器で検波し、２つの光検波器の出
カイ３号のうち、１つの信号を遅延させる遅延回路と、
遅延した信号と他の信号とを差合成する回路を具（ｆｉ
ｉ　したことを特徴とする。

さらに、本発明は、被測定光を２つに分岐し、２つの光
をそれぞれ独立に２つの光検波器で検波し、２つの光検
波器の出カイへ号のうち、１つの信号を遅延させる遅延
回路と、遅延１７た信号と他の信号とを和合成する回路
を具備したことを特徴とする。

［作　用］ バランスドミキサの回路で差合成回路の代わりに和合成
する回路を用いたならば、和合成後の出力？ｉ￥流■。

は、 ■。す、＋Ｉ。

−（２ｅ　　（η、＋η２）／Ｔ）　　ｒτ−任コロー
雇［（η、ｆ］でコロ７７ ”）２１τ７Ｔ「ｌゴ）／　Ｆ冗〒’ＱｚＡＡ。

となる。同様に、式（４）の条件では、和合成後の出力
電流■。は、 Ｉｏ−（２ｅη／Ｔ）八。　ΔΔ。　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　（７）となり、入射光の振幅雑音
成分だけを示し、入射光が量子限界のコヒーレント状態
ならば、ショット雑音レベルになる。

このように、バランスドミキサを用いて２つの検波器の
出力の和と差の成分を同時に測定できるならば、従来の
技術ではできない光の雑音をその光が持つショット雑音
レベルと比較した絶対測定か可能になる。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図は、本発明の動作原理を示すブロック図である。

第６図と同一部分は同一参照番号で示し、説明を省略す
る。

８は遅延回路である。いま、光検波器の量子効率η１．
ｎ２とビームスプリッタの反射率ｅが式（４）の関係を
満たし、遅延回路８の遅延時間をτとする。周波数をΩ
とすると、Ω１．、τ−２Ｎπ（Ｎは正の整数）のとき
に、１１と１２は同相となるので、差動増幅器６の出力
電流は■。Ｉｎ・ｌｌ−Ｉ２であるから、差合成になり
、式（５）よりショット雑音レベルを示す。

一方、Ω。、τ＝　（２Ｎ＋１）πのときには、１１と
１２は逆相となるので、差動増幅器６の出力電流は１ｏ
ｏｕｔ４１◆１２であるから、和合成になり、式（７）
より入射光の振幅雑音成分だけを示す。

第２図（Ａ）　、　ＣＢ）に出力電流↑。の変化を示す
。縦軸は雑音量、横軸はΩτ９曲線９およびｌＯは雑音
量で破線１１はショット雑音レベルを示す。第２図（八
）は被測定光の雑音がショット雑音レベルより大ぎい過
剰雑音状態の場合で、Ωτ＝　（２Ｎ＋１）πのときに
曲線９はショット雑音レベルより大ぎくて最大になり、
過剰雑音レベルを示す。第２図（Ｂ）は被測定光の雑音
かショット雑音レベルより小さい振幅スクィーズド状態
の場合で、同じΩτのときに曲線ｌＯはショット雑音レ
ベルより小さく最小になり、振幅スクィーズドレベルを
示す。

従って、レベルメータ７にスペクトラムアナライザなど
の周波数選択レベルメータを用いて出力電流Ｉ。を測定
すれば、入射光の振幅雑音量とショット雑音レベルを精
密に測定できる。

第３図は、本発明の実施例を示すブロック図で、１２は
波長板、１３は遅延回路８と同じ損失特性を持つ損失補
償回路であり、ビームスプリッタ２に偏光ビームスプリ
ッタを用いた。

一般に、光検波器の量子効率η０．η２とビームスプリ
ッタの反射率εが式（４）の関係を満たすことは困難で
あり、さらに、それぞれの光検波器の量子効率は等しく
ない。そこで差合成時における式（３）の［］の中の第
１項をＴにしてショク１〜雑音レベルのみを測定する条
件は、ηｌ　（１６）−η２ｃとなる。そこで入用光の
（福光状、聾を波長板１２によって変化させ、偏光状態
の違いによる偏光ビームスプリッタ２の反射率を調整し
、この条件を満たす。遅延回路には損失があり、その損
失が周波数特性を持っている。このため差合成回路の入
力電流Ｉ、とＩ２は等しくならない。このような場合に
は、式（３）の［］の中の第１項が雫にならずショット
雑音レベルに誤差が生じる。そこで、この遅延回路８の
損失特性と同じ損失を与えるために、損失補償回路１３
を用い、Ｉ１と夏、を等しくする。

第４図に、第３図に示した実施例の構成で、レベルメー
タ７にスペクトラムアナライザを用いて、半導体レーザ
の雑音特性を測定した実験結果を示す。柑軸は測定され
た雑音電力、横軸は周波数１曲線１４および１５は測定
値であり、遅延回路８の遅延時間は約５０ナノ秒である
。従って、第２図に示した雑音量の変化の周期は約２０
ＭＨｚになるので、２０ＭＩＩｚの整数倍の周波数で逆
相になり、光の雑音を、１０ＭＨｚの奇数倍で同相にな
り、ショット雑音レベルを示す。

曲線１４は光の？１を音がショット雑音レベルより大き
い過剰雑音状態の光なので、曲線の周期の山でショット
雑音レベルより大きい光の雑音レベルを、谷でショット
雑音１ノベルを示している。曲線１５は振幅スクィーズ
ト状態の光なので、山谷が反転し、谷でショク１−雑音
レベルより小さい光の雑音レベルを、山てショット雑音
レベルを示している。

第５図は、本発明の他の実施例を示すブロック図で、１
６は和合成回路、１７は遅延回路と逆の損失周波数特性
を持つ損失補償回路、１８は遅延回路８と１７とで生じ
た損失と同し損失を与える減衰器である。同相条件ΩＩ
ｎτ＝２Ｎπのときに和合成回路１６の出力電流は■。

ｏｕｔ”Ｉｌ”１２となり、光の雑音成分を測定し、逆
相条件Ω。ｕｔτ−（２Ｎ＋１）πのときに和合成回路
１６の出力電流はＩ。ｏｕｔ・■ビＩ２となり、ショッ
ト雑音レベルを測定する。補償損失回路１７と減衰畳重
８は遅延回路の損失特性を補償するために用いる。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明による光の雑音測定装置は
周波数軸」二でその光が持つショット５１を音レベルと
その光の振幅雑音を同時に測定できるので、光の雑音の
絶対評価が可能になる利点がある。特に、振幅スクィー
ズド状態のようなショット雑音レベルより小さな雑音を
持つ光の雑音測定ではショット雑音レベルの校正に有効
である。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明の動作原理を示すブロック図、第２図は
周波数軸上での雑音量の変化を示す特性図、 第３図は本発明の第１の実施例のブロック図、第４図は
本発明の構成による雑音測定の実験結果を示す図、 第５図は本発明の第２の実施例のブロック図、第６図は
バランスドミキサの構成を示すブロック図である。 ！・・・入射光、 ２・・・ビームスプリッタ、 ３・・・ビームスプリッタの解放端から入射する真空場
のゆらぎ成分、 ４．５・・・光検波器、 ６・・・差ｒ＃Ｊ増幅器、 ７・・・レベルメータ、 ８・・・遅延回路、 １２・・・波長板、 １３・・・損失補償回路、 １６・・・和合成回路、 １７・・・損失補償回路、 １８・・・減衰器。 ７良音量の変イし亡示す巳 第２図 ○ ．３００ 否５皮委ｉ（Ｍ）−１ｚ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）被測定光を２つに分岐し、該２つの光をそれぞれ独
   立に２つの光検波器で検波し、該２つの光検波器の出力
   信号のうち、１つの信号を遅延させる遅延回路と、遅延
   した信号と他の信号とを差合成する回路を具備したこと
   を特徴とする雑音測定装置。 ２）被測定光を２つに分岐し、該２つの光をそれぞれ独
   立に２つの光検波器で検波し、該２つの光検波器の出力
   信号のうち、１つの信号を遅延させる遅延回路と、遅延
   した信号と他の信号とを和合成する回路を具備したこと
   を特徴とする雑音測定装置。