JP2002305340A - 掃引レーザ用波長校正装置及び方法 - Google Patents
掃引レーザ用波長校正装置及び方法Info
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Abstract
迅速に校正する。 【解決手段】 掃引レーザ12からの光出力は、結合器14
及び16を介して、光電気信号変換器17及びガス吸収セル
28に供給される。光電気信号変換器17は、電気信号の各
点に対応する波長が正確に既知になるように、所定光波
長レンジにわたって掃引レーザの光波長と循環的である
電気信号を発生する。ガス吸収セル28は、掃引光出力か
ら既知のスペクトル吸収線を発生し、検出器30で検出す
る。このスペクトル吸収線を電気信号の校正基準とす
る。
Description
ザ(swept laser)に関し、特に、ピコメータの確度で
掃引レーザの波長を実時間で校正する装置及び方法に関
する。
(構成要素)が商業的に利用できるようになるにしたが
って、実質的に益々複雑になってきている。これらコン
ポーネントの多くは、分布帰還型(distributed feedba
ck: DFB)レーザ及びエルビウム・ドープト・ファイバ
増幅器(erbium-doped fiber amplifier: EDFA)の如き
能動要素である。他のコンポーネントは、マルチプレク
サ/ディマルチプレクサ及びファイバ・ブラッグ・グレ
ーティング(fiber Bragg grating: FBG:ファイバのコ
ア部の屈折率を周期的に変化させたもの)の如き受動要
素である。しばしば、これら受動コンポーネントで最も
関心のある特性は、スペクトル伝送及び/又は反射であ
る。
を測定するために、この業界は、2つの異なる技術を制
定した。これら技術の一方は、ブロードバンド(スペク
トル的に明るい)ソース(光源)を用いて、そのコンポ
ーネントの入力端を照明し、伝送されたか又は反射され
た光のスペクトル内容を光スペクトラム・アナライザ
(OSA)を用いて測定する。他の技術は、同調可能な
レーザ(掃引レーザ)を受動コンポーネントへの入力と
して用い、この受動コンポーネントの出力端にパワー・
メータの如きブロードバンド検出器を用いる。波長メー
タによる測定によりレーザの波長変化を検出すると、パ
ワー・メータは、輝度の差を記録して、このコンポーネ
ントの波長依存伝送又は反射を測定する。
は、最良のスペクトル分解能及びダイナミック・レンジ
を提供する。この理由により、同調レーザによる方法
は、問題が残るが、最もうまくいく方法であると広く信
じられている。最も重要な問題の1つは、波長校正を迅
速に且つ精度良く行えるかということである。この試験
の最も一般的な構成は、同調可能なレーザと、マイケル
ソン干渉計による標準波長メータとを有する。この試験
手順では、レーザの波長を増加させて、停止させる。パ
ワー・メータが光パワーを読み取り、波長メータがその
光の波長を測定し、このプロセスを繰り返す。
よる波長測定に必要な時間である。典型的なマイケルソ
ン干渉計は、正確な波長を測定するために、数千もの縞
(光干渉による縞)を必要とする。取込みのために、多
くのフリンジを走査するには、50ミリ秒以上の時間が
かかる。また、波長メータは、これら縞の高速フーリエ
変換(FFT)を行い、波長を計算しなければならな
い。この処理には、例えば、更に50ミリ秒もかかる。
この場合、同調レーザの波長を測定するのに、約0.1
秒がかかる。
ナノメートル(2,000ピコメートル)のレンジにわ
たって試験し、波長に2ピコメートル・ステップで指標
が付けられている場合、レーザは1000倍でステップ
し、波長校正を行うために各ステップに0.1秒が必要
となる。総合試験時間は、約100秒、即ち、1.67
分である。1ピコメートルの分解能による走査は、時間
を2倍にする。また、この走査が20ナノメートルのレ
ンジにまで延びると、その時間は、更に10倍も長くな
る。100ナノメートル・レンジの走査は、2.78時
間も必要とする。数百又は数千ものかかる受動コンポー
ネントを試験する結果、テスト・ステーションが生産効
率を制限するボトルネックとなってしまう。使用期間中
の最初にレーザを校正した後に、再校正の前のしばらく
の間、波長メータを用いることなく、レーザを掃引す
る。この結果、確度は、各掃引の前に校正するほどでは
ない。しかし、これは、校正に必要な時間と、結果の所
望確度との妥協である。
維持しながら、掃引レーザの波長を迅速に測定できる方
法が必要とされている。
をほぼ実時間で校正できる装置及び方法を提供するもの
である。
(swept laser)用の波長校正装置であって;電気信号
の各点に対応する波長が正確に既知になるように、所定
光波長レンジにわたって掃引レーザの光波長と循環的で
ある電気信号を掃引レーザの掃引光出力から発生する発
生手段(17)と;掃引光出力から、既知のスペクトル
吸収線を用いて電気信号用の校正基準を与える基準手段
(28、30)とを具えている。また、本発明は、掃引
レーザ用の波長校正方法であって;電気信号の各点に対
応する波長が正確に既知になるように、所定光波長レン
ジにわたって掃引レーザの光波長と循環的な電気信号を
掃引レーザの掃引光信号から発生する発生ステップ(1
7)と;既知のスペクトル吸収線を用いて電気信号用の
校正基準を掃引光信号から与える基準ステップ(28、
30)とを具えている。
実時間で校正する装置及び方法であって、掃引光出力の
波長と循環的な電気信号、即ち、この波長の変動と同方
向に敏感に変動する電気信号をこの掃引光出力から発生
し(17)、所定レンジの波長内で既知の吸収線(エネ
ルギーが媒体を透過する際に吸収される波長又は周波数
の微少な範囲)を用いて電気信号を校正する(28、3
0)。掃引レーザを校正する1つの方法(図2)は、掃
引光出力を偏光器(18)に入力する。この偏光器は、
ファイバ(20)の高複屈折部分の一端に結合してお
り、この複屈折部分の固定モードに対して45度の方向
を向いている。この高複屈折ファイバの他端は、偏光ビ
ーム・スプリッタ(22)に結合している。この偏光ビ
ーム・スプリッタは、直交偏光モードを分離する。この
ビーム・スプリッタからの出力を検出(24、26)
し、その電気的出力を合成して、循環的電気信号を形成
する。この循環的電気信号を発生する他の方法(図3)
は、1対の不揃いの長さの経路(21、23)を有する
不平衡干渉計に掃引光出力を入力する。これら2つの経
路からの出力は、結合器を介して、光受信器(27)に
入力され、循環的電気信号を得る。いずれの方法でも、
循環的電気信号の任意の点は、その点における掃引光出
力の波長に正確に対応する。基準手段では、平衡経路に
おいて、波長の所定レンジ内の既知のスペクトル吸収線
を有するガスを含むガス吸収セル(28)は、掃引光出
力を受ける。スペクトル線が検出器(30)により検出
されて、既知の波長で循環的電気信号に対する校正基準
を発生する。既知の複数スペクトル線の間の位相差と、
所望点に対する既知の第1スペクトル線の間の位相差と
に基づいて、既知の複数の校正基準の間を補間して、循
環的電気信号における他の点を校正する。なお、本明細
書では、「循環的」とは、同方向に密接に変化すること
を意味する。よって、光波長と循環的な電気信号とは、
光波長の変化と同方向に密接に変化する電気信号を意味
する。また、掃引レーザとは、同調可能なレーザであ
り、その光出力の波長(又は周波数)を掃引できるレー
ザである。よって、掃引光出力とは、その波長が掃引さ
れている(波長が順次変化する)光出力である。
付図を参照した以下の詳細説明から更に明らかになろ
う。
用波長校正装置のブロック図である。掃引レーザ(同調
可能なレーザ)12は、掃引光出力を第1結合器(カッ
プラ)14に供給する。この第1結合器14は、掃引光
出力を正面パネル・コネクタ及び第2結合器16に供給
する。第2結合器16は、掃引光出力を光電気信号変換
器(発生手段)17に供給する。この光電気信号変換器
17にて、掃引光出力は、ほぼ正弦波の循環的な電気信
号に変換される。光電気信号変換器17の一例を図2に
示す。結合器16からの掃引光出力は、偏光器18を介
して高複屈折(highly birefringent: HiBi)ファイバ
20の一部に入力する。このファイバ20は、偏光状態
を維持するように設計されている。偏光器18は、Hi
Biファイバ20の固有モードに対して、即ち、偏光軸
に対して45度になるように向けられている。HiBi
ファイバ20の他端には、偏光ビーム・スプリッタ22
が設けられ、この偏光ビーム・スプリッタ22は、Hi
Biファイバの偏光軸に対して45度の方向になってい
る。HiBiファイバ20は、入力偏光器18及び出力
偏光ビーム・スプリッタ22と結合している。この出力
偏光ビーム・スプリッタ22に結合した2個の検出器2
4及び26は、スプリッタ22からの出力を受けて、電
気信号を発生する。この電気信号は、HiBiファイバ
の長さに応じて、光信号の波長と循環的に変化し、即
ち、この波長の変化と同方向に密接に変化し、その周期
は約80ピコメートルである。
光電気信号変換器17を実現する他の方法は、図3に示
すように、結合器16からの掃引光信号を干渉計19に
入力することである。干渉計19は、不揃いの長さの、
即ち不平衡の1対の経路21及び23を有し、自由スペ
クトル・レンジ(free spectral range: FSR)は、
例えば、約80ピコ・メートルである。干渉計19から
の光信号出力は、光受信器27に入力する。光受信器2
7の出力は、電気信号であり、経路21、23の長さの
差に応じて、80ピコメートルのオーダの周期で、波長
が循環的に変化する。
第2結合器16からの掃引光出力を受けて、他の検出器
30への出力を発生する。この検出器30は、光電気信
号変換器17が発生した循環電気信号用の校正基準を与
える。これらにより、同調可能なレーザ(掃引レーザ)
12の出力の波長を正確且つほぼ実時間で、ピコメート
ルの精度での校正が可能になる。なお、ガス吸収セル2
8及び検出器30が基準手段を校正する。
る。 (1)エンコーダが波長に拘束されるのと同様に、掃引
光信号の波数(波長の逆数)と循環的な電気信号を掃引
光信号から発生する。 (2)ガス吸収セル28からの既知のスペクトル吸収線
を用いて、循環的電気信号を校正する。
偏光コンポーネント18、22及びHiBiファイバ2
0がどのように循環的電気信号を発生するかを理解する
ために、光学システムを表すジョーンズ・マトリクス
(Jones matrix)を考察する。偏光器18を通過した後
に、HiBiファイバ20に入力する光に対するジョー
ンズ・マトリクスは、次のようになる。 |E| | | |0| HiBiファイバ20のジョーンズ・マトリクスは、次
のようになる。
ァイバ20における速い軸(fast axis)と遅い軸(slo
w axis)との間の総合位相遅延の半分であり、θは、偏
光の入力状態とHiBiファイバの速い軸との間の角度
である。また、SQRTは、二乗の平方根を意味し、*は、
乗算を意味する。
・マトリクスは、一方の出力に対して |10| | | |00| となり、他方の出力に対して |00| | | |01| となる。上述の式を組み合わせると、偏光ビーム・スプ
リッタ22の第1脚部(leg)における電界Eout(λ)
は、次式のようになる。
設定し、その結果を簡略化すると、次のようになる。 Pout1= E2cos(φ'(λ))2 同様に、偏光ビーム・スプリッタ22からの第2出力
は、次式のようになる。
ここでの仮定が、損失のない理想的な光学コンポーネン
トであることを示している。検出器24、26は、二乗
検波器であるので、その電流は、光パワーに比例する。
複合信号Sigは、検出器の電流を引いたものを、それら
の和で除算して求まる。すなわち、 Sig = (Pout1 - Pout2) / (Pout1 + Pout2) = (E2cos(φ'(λ))2 - E2sin(φ'(λ))2 )/ (E2cos(φ'(λ))2 + E2sin(φ'(λ) )2) = 2cos(φ'(λ))2 -1 この出力信号は、正規化されて、+1及び−1の間で正
弦波的に変化する値を有するので、これは、望ましい状
態を表す。HiBiファイバ20の速い軸及び遅い軸の
間の位相遅延φ(λ)は、次のようになる。 φ(λ) = 2πLΔn/λ なお、Lは、ファイバの物理的な長さであり、Δnは、
速い軸のインデックス(屈折率)と遅い軸のインデック
スとの間の差であり、λは、真空中の光の波長で ある。φ'(λ)=0.5φ(λ)であり、波数kをk=2π/ λのように定義して、式Sigを置換すると次のようにな
る。 Sig = 2cos(LkΔn/2)2 - 1 波数の関数として描くと、複合出力信号は、周期K=2π/
LΔnの正弦波となる。
の速い軸と遅い軸とのインデックスの差が0.0003
88であるHiBiファイバ20の一片における複合信
号32を示す。この校正に対する自由スペクトル・レン
ジ(FSR)は、大雑把に3.239cm-1であり、1,5
50ナノメートルの波長にて約0.124ナノメートル
である。100ナノメートルにわたってレーザを走査す
る際、約800サイクルとなる。図3に示す干渉計19
を用いて、比較可能な信号を光受信器27から発生す
る。
の経路21、23の間の位相差φは、約φ=2πΔLn/λ
となる。なお、ΔLは、これら2個の経路の長さの差で
ある。干渉計19からの出力Sigは、 Sig=A0 2cos2(πΔLn/λ) であり、A0 2は、干渉計への信号入力である。したがっ
て、波数の関数(1/λ)としての干渉計19の出力は、
簡単な二乗正弦波の関数である。
モードの間のインデックスの差とを知ることにより、又
は、干渉計19の2つの経路21、23の長さの差を知
ることにより、波形の単一の点のみを校正する必要があ
り、その後、サイクルを計数することにより、他の任意
の波長を校正できる。しかし、ファイバ20の長さ、又
は、経路21、23の長さは、環境条件、主に温度によ
り変化し、Δnは、環境条件と波長とにより変化する。
これら変化は、他の条件では大きく変化しないかもしれ
ないが、ナノメートル確度で校正する際に、これらの影
響を無視できない。
てきた場合である。この第2脚部は、例えば、アセチレ
ン又はシアン化水素を含んだガス吸収セル28を有す
る。これらガスは、1550ナノメートルの光波長付近
で多くの吸収線を有し、電気通信に用いるソースの校正
に理想的である。図5は、図4の循環波形32の校正
に、吸収スペクトル34をどのように用いるかを示す。
この例の場合、点で示すサンプル36の波長を求める。
変化させる)場合、レーザの位置を相関させるいくつか
の種類の指針がある。この指針は、掃引レーザ12にて
回折格子を回転させるのに用いるステップ・モータから
のステップでもよい。図5の水平軸は、掃引レーザ12
における内側からの信号を表す。この信号が変化する
と、できるだけ線形が望ましいにもかかわらず、レーザ
の波長が未知の方法で変化する。波長の変化の結果、光
電気信号変換器17からの循環波形32がほぼ正弦波的
に変化すると共に、ガス吸収セル28における吸収に応
じて光パワーも変化する。吸収線34は、既知の波長に
あるが、これらは、水平軸に沿った座標により循環波形
32と関連するので、これらを用いて循環波形32の校
正ができる。なお、図5において、複数の吸収線を太い
縦線で示す。
の位置から求まる2つの既知の波数を表すと仮定する。
また、Δφ1が循環波形32により求まる2つの既知の
波数の間の位相と仮定する。図5の例の場合、最も左側
の吸収線34の波長が1531.588ナノメートルで
あり、右側の次の吸収線の波長が1530.976ナノ
メートルであり、これらは、アセチレンのP(11)及
びP(10)ラインに対応する。循環波形32を試験す
ることにより、2個の校正波長の間隔は、11.19サ
イクルであることが判る。Δφ2を、吸収線スペクトル
34からの既知の第1波数と、所望の未知の波数との間
の位相差に定義すると、サンプル36の場所における波
数kunknownが次のように求まる。 kunknown = k1known + Δφ2((k2known - k1known)/Δ
φ1) 図5の位相差から読み取って、k1known =41023.991c
m-1、k2known =41040.391cm -1、Δφ1=11.19*2π及び
Δφ2=5.14*2πの場合、サンプル36の未知の波数
は、41031.524cm-1となり、これは、1531.307
ナノメートルである。このアルゴリズムを用いると、循
環波形32の総ての点(サンプル)の波数及び波長を計
算することができる。これは、同調可能なレーザ12の
掃引における総てのステップでの波長を計算できること
を意味する。
の波数の間の差を高確度で、典型的には、1ピコメート
ルのエラー未満で求める。これは、未知の波数の校正に
よるエラーは、校正に用いる吸収線34と、位相を測定
する際の不確実さとの間の隔たりに応じて決まることを
意味する。位相を高確度で測定する技術が存在し、アセ
チレン及びシアン化水素のセルにおける吸収線34の間
の間隔は、0.5ナノメートルのオーダである。よっ
て、既存のアルゴリズムは、絶対的な校正エラーの可能
性を1ピコメートルのオーダに維持できる。このアルゴ
リズムは、吸収線34の間を補間した場合が最も正確で
あるが、外挿の場合も、外挿された波数に対して、又
は、掃引を行うのに必要な期間中、電気信号の循環特性
が大きく変化しなければ、合理的な精度(確度)であ
る。
び受信器27の回路における信号対ノイズ比(SNR)
を適切に維持しながら、掃引レーザ12をできるだけ速
く掃引することにより決まる。掃引レーザ12及びこれ
ら検出器24、26、30の間の光損失は、10dB以
下のオーダで比較的小さくなければならない。これは、
レーザ出力が1dBmならば、検出器において−10d
Bmでなければならないことを意味する。ピコメートル
毎にサンプリングする間、0.1秒内で10ナノメート
ルを走査するには、大雑把に、0.1秒内の10,00
0個のサンプル、即ち、1秒当たり10万個のサンプル
を集める必要がある。よって、受信器回路の帯域幅は、
100kHzのオーダでなければならない。良好に設計
された受信器/検出器のフロント・エンドは、ノイズ等
化パワーが−80dBmで、数百KHzの帯域幅であ
り、SNRは、約70dBでなければならない。これ
は、レーザ12を高速に同調できると仮定して、1秒で
最も広いスペクトルを走査できるとすれば、総ての精密
な位相測定に対して適切以上となる。
かし、これは、1回の処理であり、上述の如く、比較的
簡単であり、直接的なアルゴリズムである。合理的な能
力のあるデジタル信号プロセッサ(DSP)による校正
には、たぶん数秒で充分である。よって、1ピコメート
ルの分解能及びピコメートルの確度による30ナノメー
トルの走査の全時間は、4又は5秒未満に完了できる。
これは、マイケルソン干渉計により同調可能なレーザを
校正するのに要する時間に対して、大幅な改善である。
校正は、掃引レーザの波長により循環的に変化する電気
波形を形成し、既知のスペクトル線により循環電気波形
を校正するので、既知の吸収スペクトル線の間を内挿す
るか、又は外挿して、その循環波形の点をその波長とし
て正確に求めることができる。
ック図である。
号循環を発生する偏光維持ファイバのループを示すブロ
ック図である。
号循環を発生する干渉計のブロック図である。
出力を示す図である。
合わさった正弦波出力を示す図である。
Claims (8)
- 【請求項1】 掃引レーザ用の波長校正装置であって、 電気信号の各点に対応する波長が正確に既知になるよう
に、所定光波長レンジにわたって上記掃引レーザの光波
長と循環的である上記電気信号を上記掃引レーザの掃引
光出力から発生する発生手段と、 上記掃引光出力から、既知のスペクトル吸収線を用いて
上記電気信号用の校正基準を与える基準手段とを具えた
掃引レーザ用波長校正装置。 - 【請求項2】 上記発生手段は、 上記掃引レーザからの上記掃引光出力を入力とし、不揃
いの長さの2つの光経路を有する不平衡干渉計と、 該不平衡干渉計からの光出力を上記循環的な電気信号に
変換する手段とを具えることを特徴とする請求項1の掃
引レーザ用波長校正装置。 - 【請求項3】 上記発生手段は、 上記掃引レーザからの上記掃引光出力を入力とする偏光
器と、 該偏光器が上記ファイバの固有モードに対して45度の
向きになるように、上記偏光器の出力の一端に結合され
たファイバの高複屈折部分と、 上記ファイバの固有モードに対して45度の方向にある
上記ファイバの高複屈折部分の他端に結合された偏光ビ
ーム・スプリッタと、 夫々が上記偏光ビーム・スプリッタの各出力端に結合
し、その合成が上記電気信号である複数の出力電気信号
を夫々発生する1対の検出器とを具えた請求項1の掃引
レーザ用波長校正装置。 - 【請求項4】 上記基準手段は、 所定光波長レンジ内で既知のスペクトル吸収線を有する
ガスを含み、入力端が上記掃引レーザからの上記掃引光
出力を受けるガス吸収セルと、 上記ガス吸収セルからの上記既知のスペクトル吸収線を
上記校正基準に変換する検出器とを具えた請求項1、2
又は3の掃引レーザ用波長校正装置。 - 【請求項5】 掃引レーザ用の波長校正方法であって、 電気信号の各点に対応する波長が正確に既知になるよう
に、所定光波長レンジにわたって上記掃引レーザの光波
長と循環的な上記電気信号を上記掃引レーザの掃引光信
号から発生する発生ステップと、 既知のスペクトル吸収線を用いて上記電気信号用の校正
基準を上記掃引光信号から与える基準ステップとを具え
た掃引レーザ用波長校正方法。 - 【請求項6】 上記発生ステップは、 上記掃引光信号を不平衡干渉計内の長さが不揃いの2つ
の平行な光経路により伝送し、 上記不平衡干渉計からの出力を上記循環的な電気信号に
変換することを特徴とする請求項5の掃引レーザ用波長
校正方法。 - 【請求項7】 上記発生ステップは、 上記掃引光信号を偏光器に入力し、 該偏光器がファイバの固有モードに対して45度の向き
になるように、上記偏光器の出力の一端に上記ファイバ
の高複屈折部分を結合し、 上記ファイバの固有モードに対して45度の方向にあり
1対の出力端を有する偏光ビーム・スプリッタを上記フ
ァイバの高複屈折部分の他端に結合し、 上記偏光ビーム・スプリッタの上記1対の出力端から、
上記1対の出力の合成として上記電気信号を取り出すこ
とを特徴とする請求項5の掃引レーザ用波長校正方法。 - 【請求項8】 上記基準手ステップは、 所定光波長レンジ内の既知のスペクトル吸収線を有する
材料を含むガス吸収セルに上記掃引光信号を入力し、 上記ガス吸収セルから上記既知のスペクトル吸収線を上
記校正基準として検出することを特徴とする請求項5、
6又は7の掃引レーザ用波長校正方法。
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