JP2006308531A - 波長分散測定方法および装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】被測定素子の光路長差変動に対して耐性を持つ波長分散測定の実現。
【解決手段】波長可変光源からの光を２光束に分岐し、２光束の一方を第１光周波数シフタおよび被測定素子を含む第１光路に伝搬させ、他方の光束を第２光周波数シフタを含む第２光路に伝搬させる。第１光路を伝搬した光と第の光路を伝搬した光とを合波し干渉させて測定干渉信号を取得する。参照光源からの参照光を２光束に分岐し、参照光の２光束の一方の光束を第１光路に伝搬させ、他方の光束を第２光路に伝搬させる。第１光路を伝搬した参照光と第２光路を伝搬した参照光とを合波し干渉させて参照干渉信号を取得する。参照干渉信号に対する測定干渉信号の相対位相を波長可変光源の波長を変化させつつ記録し、記録された相対位相を光周波数について微分して、被測定素子の波長分散を測定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ピコ秒程度またはそれ以下の光パルスを扱う光素子、特に光ファイバが装着された光素子の波長分散特性を、波長可変光源を用いて測定する波長分散測定の方法および装置に関する。
ここで「波長分散」とは、その光部品を伝搬する光の波長（または周波数）に依存して、その光の伝搬速度が変化する現象をいう。本発明は特に、このような波長分散を高い波長分解能（光周波数分解能）で測定する方法および装置として好適である。
ピコ秒以下の時間幅の光パルスの発生・伝達または処理に関る光学素子において、その波長分散特性が光パルスの形状に大きく影響し得ることは、すでに良く知られている。すなわち、波長分散特性のうちで、群速度または群遅延分散と称される部分が、光パルスの変形に直接関与する。光学素子における光信号の伝搬速度（群速度）が光の波長毎に異なると、その光学素子の通過に要する時間、いわゆる群遅延時間が波長に依存して変化する。ここで、例えば、長波長ほど群遅延時間が短い光学素子を光パルスが通過する場合、その通過後にはパルス中の短波長成分が長波長成分に対して相対的に遅れることとなり、結果的に光パルスの時間幅の拡がりをきたす。以上が、群速度分散または群遅延分散による光パルスの変形の直観的な説明である。
一般に光学素子が、光の角周波数ω（波長λとの間に、ｃを真空中の光速度として、ω＝２πｃ／λの関係がある）について伝達関数Ｔ（ω）を持つとき、その光学素子の群遅延時間τ（ω）と群遅延分散Ｄ（ω）は、Ｔ（ω）の位相φ（ω）を用いて、各々次式で表される。
τ（ω）＝ｄφ（ω）／ｄω （１）
Ｄ（ω）＝ｄτ（ω）／ｄω （２）
例えば、一定の群遅延分散Ｄを持つ光学素子において、パルス幅（全半値幅）ｔｐのガウス型の光パルスの通過後の時間幅は、ｔｐ［１＋（４Ｄ１ｎ２／ｔ２ ｐ)２］1/2に拡がることが知られている。これから明らかなように、光パルスの拡がりの抑制のためには、Ｄ＝０、すなわち光学素子の群遅延分散Ｄを零にすることが必要である。
さて、上記の式（２）により、群遅延時間τ（ω）を測定すれば、その微分を取ることにより群遅延分散Ｄを知ることができる。この様な群遅延時間の測定に用いられる測定器が、波長分散測定器である。現在最も普及している変調法による波長分散測定器の構成例を、図１１に示す。この従来の変調法による測定方法に関する文献は、例えば、非特許文献１に見出される。以下に、図１１を参照しつつ、その従来の波長分散測定方法についてその概要を述べる。
図１１の構成において、波長可変光源７０１を出射した波長λの単色連続光は、変調信号源７３２により駆動される変調器７３１を通過するが、その際に変調器７３１において変調信号源７３２による変調周波数ｆを持つ正弦波状の強度変調を受ける。変調器７３１を出力した正弦波変調光は、被測定素子７０２を通過した後、光検出器７３３によって光電変換される。かくして光検出器７３３から出力される周波数ｆの正弦波を、位相計７３４に給電し、変調信号源７３２から出力した正弦波に対する位相遅れΦを位相計７３４で読み取る。この相対位相Φから、次式（３）により、その波長λにおける群遅延時間τが求められる。
τ＝Φ／（２πｆ） （３）
このような測定を、波長可変光源７０１の波長λを順次変化させつつ行なうことにより、各波長λまたは光（角）周波数ωについての群遅延時間τ（ω）が得られる。
図１１の従来構成では、しかしながら、被測定素子７０２を通過する光は、厳密には単色光ではない。良く知られているように、変調器７３１における変調によって、入射単色光の線スペクトルの両側には、各々上記の変調周波数ｆの間隔を置いた側帯波が生成される。これら側帯波を含んだ光が、その被測定素子７０２を通過している。その結果、本測定での波長分解能は、光周波数にして変調周波数ｆの程度となることは明らかである。
ここで、上記の式（３）を考察すると、群遅延時間τは変調周波数ｆに反比例している。そのため、群遅延時間τの検出感度を上げようとすると、高い変調周波数を用いることが必要となる。位相計７３４の位相比較精度は、現実的に、２πの１／１０００〜１／３０００程度である。従って、例えば１ｐs （ピコ秒）の群遅延時間の検出には、少なくとも０．３〜１ＧＨｚの変調を必要とする。このように、波長分解能は、変調周波数ｆに制限される結果、高い波長分解能と高い群遅延時間精度とを同時に得ることはできない。ただ、特性が波長に対して急峻に変化するような光学素子では、一般に群遅延時間の大きな変化も伴うのであるから、この制約は必ずしもそれ自体不都合なわけではない。
図１１に示す従来構成における真の不都合は、被測定素子７０２に応じて、または同一の被測定素子７０２にあっても各波長における特性の急峻さに応じて、適切な波長分解能の下での測定を行い難い点にある。なぜならば、図１１の構成では、波長分解能が、位相計７３４の電気的特性の制約により、大幅な変更が困難な変調周波数ｆによって決まってしまうからである。
これに加えて、この従来方法では、波長分解能は、被測定素子７０２の伝達関数Ｔ（ω）の大きさ、即ちその素子における損失、若しくは利得の波長依存性の影響をこうむるという問題がある。これを説明すると、線スペクトルの両側に生じる２つの上記側帯波に対する振幅透過率をａ＋、ａ−で表わすとし、これら両者に差があると、位相計７３４の読みに、δΦ＝ tan−1［（ａ＋−ａ−)／(ａ＋＋ａ−）］だけの偏差を生ずる。この偏差は、いずれかの側帯波が失われると、π／４、群遅延時間にすれば、１／（８ｆ）にも及ぶ。逆に、この偏差を位相計７３４の上述した実用精度（位相比較精度）内に留めるためには、２つの側帯波間の損失（利得）差を、０．１１〜０．０４ｄＢ以内に抑える必要がある。この条件を充たすためには、いきおい変調周波数ｆの値を低く設定せざるを得ず、その結果、必然的に群遅延時間精度の低下を招くことになる。
さらに、この従来方法では、大きな損失を持つ被測定素子７０２を取扱うのが難しかった。これは、その被測定素子７０２の損失により光検出器７３３への入射光量が大幅に低下すると、その低下に比例してその光検出器７３３から出力する正弦波電気信号のレベルが減少するので、後段の位相計７３４による位相比較に困難を来すからであった。この結果、この従来方法では、被測定素子７０２に許容される損失は、実用的に３０ｄＢ内外に留まっていた。
この従来方法に伴う上述した諸問題は、変調光の波形観測に基づいて、群遅延時間を直接測定しようとする方針（コンセプト）そのものに起因している。光検出器７３３への入射光量の大幅な低下は、正確な（強度）波形観測を阻害するので、許されなかった。また、変調側帯波という光周波数を異にする光を同時に伝搬させるので、それら光の周波数間隔、即ち変調周波数、或いはそれら光に対する損失・利得、の均一性が問題となっていた。この観点に立って、この従来方法の問題点を克服すべく、干渉法による分散測定方法が提案されている。この干渉法による分散測定方法による構成例を図１２に示す。この干渉法に関する初期の文献は、例えば、非特許文献２に見出される。以下に図１２を参照しつつ、干渉法による従来の波長分散測定方法についてその概要を述べる。
図１２の構成において、波長可変光源７０１を出射した波長λの単色連続光は、前段の光カップラー７０３により二分されて、その一方の単色連続光は被測定素子７０２を通過した後、後段の光カップラー７０４に達する。前段の光カップラー７０３により二分された他方の単色連続光は、参照遅延部７０５を通過の後、後段の光カップラー７０４に達する。後段の光カップラー７０４に達した２つの光は合波されて干渉し、続いて光検出器７０６に入射して光電変換される。光検出器７０６から出力された干渉信号は、波形記録器７３５により記録される。
このような測定を、波長可変光源７０１の波長λを変化させつつ行なうことにより、各波長λまたは光（角）周波数ωについての干渉信号ＳΣ（ω）が得られる。この干渉信号は、次式（４）により表される。
Figure 2006308531
ここで、Ｅ（ω）、Ｓ（ω）は、被測定素子７０２を通過した光の電界および強度、また、Ｅｒ（ω）、Ｓｒ（ω）は、参照遅延部７０５を通過した光の電界および強度、ΔＴは参照遅延部７０５による遅延時間である。
干渉法によるこのような信号の解析手法が、非特許文献３に開示されている。上記の式（４）の信号に逆フーリエ変換を施し、“見なし時間”τ上の時系列に変換すると、３つの孤立した波形に分離することができる。そのうちの、中心に位置する波形は、直流的加算項Ｓ（ω）＋Ｓｒ（ω）に由来し、両光電界Ｅ（ω）、Ｅｒ（ω）の自己相関関数の和になる。
その中心に位置する波形の左右には、上記の式（４）の右辺第３項の干渉項に由来する、２つの“波形”ｇｃ（τ＋ΔＴ）、およびｇｃ ＊（−τ＋ΔＴ）が現れる。これらはいずれも、次式（５）の２つの光電界Ｅ（ω）、Ｅｒ（ω）の相互相関関数から誘導された波形である。
Figure 2006308531
うち左側のｇｃ（τ＋ΔＴ）を抜きだし、“見なし時間”上、ΔＴだけ遅らせれば、上記の式（５）の相互相関関数ｇｃ（τ）が、独立した形で得られる。これにフーリエ変換を施せば、光周波数軸上にコリレーションＧｃ（ω）＝Ｅ（ω）Ｅｃ ＊（ω）が得られる。
今、両光電界Ｅ（ω）、Ｅｒ（ω）の間の差異は、Ｅ（ω）に乗ぜられている被測定素子７０２の伝達関数Ｔ（ω）のみであり、そのため、そのコリレーションは
Ｇｃ（ω）＝Ｔ（ω）Ｓ（ω） （６）
に帰される。これから、被測定素子７０２の伝達関数Ｔ（ω）が得られる。この伝達関数の位相φ（ω）から、上記の式（１）に従って群遅延時間τ（ω）が得られる。この際、複素数の伝達関数Ｔ（ω）の大きさ（絶対値）ａ（ω）＝｜Ｔ（ω）｜から数値的に独立に、その位相φ（ω）＝arg Ｔ（ω）を算定できる。また、伝達関数の大きさａ（ω）は、光の振幅についての損失・利得であり、通常の光（強度）についての損失・利得の１／２乗である。従って、仮にコリレーションＧｃ（ω）を観測する光検出器７０６に、上述した図１１の従来例と同様の３０ｄＢのダイナミックレンジを仮定すると、許容レンジは、大きさａについて３０ｄＢ、その２乗で与えられる損失については６０ｄＢとなる。このようにして、今まで述べた従来例の干渉法では、被測定素子７０２における大損失も許容し、また損失若しくは利得の波長依存性の影響をこうむることのない群遅延時間の測定が実現されている。
しかしながら、上述した従来の干渉法による波長分散測定方法には、以下のような問題がある。
その第１の点は、一般に、波長可変光源７０１を出射した波長λの単色連続光は、前段の光カップラー７０３により二分され、後段のカップラー７０４に達して合波されるまでの、２つの光路の間の長さ変動の影響をこうむる点にある。即ち、従来の干渉法では、前段の光カップラー７０３により二分されてたどる、被測定素子７０２側の光路Ａと参照遅延部７０５側の光路Ｂの双方の長さに高い安定性が要求される。波長分散測定器は、いうまでもなく、被測定素子７０２を含めた光路一般の群遅延を測定するので、その光路の長さが、群遅延測定精度程度には安定していることが、当然に要請される。実際、図１１に示した変調法においては、群遅延時間の目標精度に光速を乗じた程度、典型的には１００μｍ前後の光路長の安定性で足りる。しかるに、これに対して、図１２の従来の干渉法では、測定波長の数１０分の１、例えば測定波長が可視〜近赤外波長域の場合、優に０．１μｍ以下の長さ安定度が要求される。この値は測定波長のみで決まり、群遅延時間の目標精度には全然依らない。
ここで、被測定素子７０２側の光路Ａと参照遅延部７０５側の光路Ｂの長さの変動が、どのような効果を持つかについて説明を加える。この効果を見るためには、上記の式（４）において、参照遅延部７０５による時間遅延ΔＴが変動したとして、その影響を見ればよい。なぜなら、上記２つの光路Ａ，Ｂの相対的な長さ変動は、その変動値を光速で除すと、時間遅延ΔＴの変動と等価となるからである。
上記の式（４）において、ΔＴは
Figure 2006308531
の形で、干渉項中に現れている。ここで、ΔＴが２π／ω変化しただけで、角括弧内の位相が２π回り、干渉項の持ち得る全ての情報が失われてしまう。このΔＴの変動を、光速を乗ずることで光路長の変化に引き直すと、丁度光の波長λに等しくなる。このため、２つの光路Ａ，Ｂの相対的な長さの差、すなわち光路長差には、光の波長の数１０分の１の、所謂、干渉計精度の安定度が要求される。
光路長にその程度の干渉計精度の安定性を持たせることは、被測定素子７０２以外の箇所については、技術的に十分達成可能である。しかしながら、被測定素子７０２についての対処には、以下の理由で大きな困難を伴う。本来、被測定素子７０２は、それ自体は測定装置には属さず、非破壊的に交換・装着されるべき性質の要素であり、そのため、光路長の安定化のために、その素子自体に改変を加えることは許されない。その光路長安定化のためには、振動対策、あるいは温度安定化といった受動的な対策を、施すことができるに留まる。このような対策も、被測定素子７０２の装着が繁雑、あるいは温度到達までの待機が長時間に及ぶと、単位時間当たりに処理できる被測定素子７０２の個数、即ち測定器の実質的なスループットの低下を招く。そのため、安定化策は軽微に留めざるを得ず、現実的に、被測定素子７０２の光路長に長期にわたる干渉計精度の安定性は、望み得ない。
このような事情下での測定を実現するために、従来の干渉法では、いきおい短時間のうちに測定を終了する構成を採らざるを得ない。すなわち、被測定素子７０２の光路長が一定に留まっている間に、測定を完了することで、その光路長変動に対処する訳である。測定は、波長可変光源７０１の波長λを変化させつつ行なうのであるから、その短時間測定はその光源の波長を高速に掃引することに他ならない。ここに、少なくとも以下の２つの問題が懐胎される。
それら問題の第１は、測定感度の制限である。確かに、波長が高速に掃引され、測定が短時間に完了することは、測定器として高いスループットが得られることであり、それ自体は望ましい性質である。しかし、その反面、過度に短い測定時間は、信号対雑音比の低下を来す。一般に、信号対雑音比は、信号採取時間の平方根に比例して向上するからである。波長可変光源７０１を高速に掃引しつつ行う従来例方法の測定容態においては、その光源の波長を時間的に連続的に変化させつつ、所定の波長（光周波数）に達した時刻の、その光検出器７０６からの干渉信号出力を、波形記録器７３５に記録する。ここにおいて、その干渉信号出力電圧の読み取り・採取に関るサンプリングゲート時間を長くして、実質的な信号採取時間を増そうとすると、測定点に対する波長純度が低下する。なぜならば、その光源の波長は常に変化しているからである。一般に高速掃引光源下における測定時間の利用効率は、隣接波長点間の光源波長の移動時間に対する上記サンプリングゲート時間の比となる。測定点の波長純度の確保のために、この値は通常１／１０程度以下に留める必要がある。言い換えれば、実際の信号採取時間は全測定時間の１割程度であって、残余の９割は光源の波長が所定値に達するのを、ただ待ち続けていることになる。このため、被測定素子７０２が大損失を有するなど、光が微弱になる場合には、長い測定時間をかけて高感度の測定を行うことが困難であった。
加えて、従来の干渉法では、隣接波長点の間隔が、測定波長分解能の目標値の１／３に設定される必要がある。このことは、上述した干渉信号の解析手法において、逆フーリエ変換後の見なし時系列上で、３つの孤立した波形を分離して得るための要件である。そのため、測定波長範囲を目標波長分解能で除した数の、更に３倍の測定点数を要する。元来、測定時間の利用効率が１／１０程度に満たない上に、３倍細かい波長点について信号測定を行うのであるから、個々の波長点についての信号採取時間は、尚更短くならざるを得ない。この結果、高い信号対雑音比での測定が非常に困難となる。
また、光路長変動対策のために、全測定時間が制限されているのであるから、測定点数が増せば、当然、個々の波長点に割り当てる信号採取時間を減らさざるを得ない。同一の波長分解能でも測定波長範囲が増せば測定波長点数は増し、また、同一の測定波長範囲については波長分解能を高めれば測定波長点数が増す。前者の測定波長範囲の増加については、狭い波長範囲毎の信号測定を行った後に、得られた群遅延データを組み合わせて、総体として広い波長範囲についての測定を実現する方策がとれる。しかし、後者の波長分解能の向上についてはそのような便法は採り難く、個々の波長点の信号採取時間をあえて保とうとするならば、その分、一回の測定の掃引波長範囲を狭めざるを得ない。これはいささか繁雑である。
しかも、本来目的とする群遅延に対する精度を保とうとする場合には、個々の波長点の信号採取時間を単に保持するだけでは全く不十分であり、波長分解能の２乗に反比例して信号採取時間を増す必要がある。この結果、従来の干渉法の場合、一回の掃引当りの波長範囲は、目標波長分解能の３乗に比例して狭くなってしまう。多数のこのような狭い波長範囲の測定結果を組み合わせるのは、大変繁雑である。その上、同時に波長可変光源７０１を高速に掃引する際の、掃引速度を変える必要も生ずるが、実際のところ、掃引速度の設定可能範囲には制限がある。そのため、従来の干渉法では波長分解能の高い測定に多大の困難が伴う。
従来の干渉法の問題の第２は、測定波長点精度に係わる問題である。上記第１の問題は、仮に波長可変光源７０１が理想的であっても生ずる問題であった。ところが、その波長可変光源７０１は、特に設定波長の精度において、理想からはほど遠い現状にある。そのため、測定波長点の個々について、波長可変光源７０１が実際に出力した光の波長を、別個の高精度波長計によって記録するか、さらに歩を進めてその波長計の読みをその光源に帰還して波長確度を高めることが望ましい。ところが、高速波長掃引動作を行う波長可変光源には、実際にこれが行えない。なぜなら、現状の適用可能な高精度波長計は、長い測定時間を要するからである。例えば、干渉縞係数法に基づく波長計の場合には、干渉計の鏡の機械的掃引を伴い、その掃引の速度制限により、１ＧＨｚの光周波数確度の測定には１００ｍｓ程度を要し、測定時間は波長（光周波数）確度に反比例して増加する。こうした測定頻度は、高速掃引動作中の波長可変光源７０１の刻々の出力波長の較正には、全く不十分である。
他に、格段に迅速な高精度波長測定方法として、波長安定化基準光源との合波時の干渉信号を計数するビート法が考えられるが、このビート法においては、計数可能な光周波数差の上限により、測定波長範囲が限られている。例えば、２０ＧＨｚまでのビートを計数し得たとしても、１．５μｍ波長帯での測定範囲は、僅かに０．１５ｎｍに過ぎない。この測定波長範囲は、波長可変光源７０１の波長変化を追跡するためは、全く不足しており、従って、従来の干渉法では、このようなビート法による波長較正も行い得ない。
刻々の、すなわち測定波長点毎の波長較正を行えない結果、従来法では、高い波長確度が期待できない。同時に、参照遅延部７０５の遅延量ΔＴが大きい場合には、これにより伝達関数の位相、ひいては群遅延時間にも高い測定精度は望めない。なぜならば、大きなΔＴの下では、測定に関る位相には、ωΔＴの光周波数（波長）に依存して急峻に変化する項が重畳され、測定波長点の僅かな偏差が大きな位相偏差を生ずるからである。
ここで、従来法でこの問題を看過し得ない理由は、従来法には、必ず大きなΔＴに設定されねばならないという制約があるからである。すなわち、上記の式（４）の信号に関る上記解析方法は、必ず、被測定素子７０２における最大の群遅延を更に越えるΔＴを用いることを要請する。この結果、従来法では、測定波長点の波長精度を非常に高く保つことが、常に枢要であるにもかかわらず、各点の波長を測定中に実際に較正する手段を欠いている。このような事情により、従来法は、波長可変光源７０１の性能に全面的に依拠せざるを得ず、適用可能な波長可変光源が極めて限定され、さらにその光源の動作如何によっては、測定結果に大きな誤差を生じるおそれを多分に有している。
以上述べたところの、波長可変光源７０１の高速掃引に伴う問題に加えて、従来の干渉法には、上述した干渉信号解析方法に付随する制限がある。先ず、既に述べたように、参照遅延部７０５の遅延量ΔＴは、必ず被測定素子７０２における最大の群遅延よりも大きい必要があり、これを裏返すと、遅延量ΔＴが一定の参照遅延部７０５の下では、測定可能な被測定素子７０２の遅延量、即ち長さが限られる。長い被測定素子７０２の許容のためには、遅延量ΔＴを大きめに設定せざるを得ない。しかし、その場合は、短尺の被測定素子７０２に対しては、ΔＴが過大となり、上述したように、波長可変光源７０１の波長誤差に伴う測定誤差の発生を、いたずらに招くこととなる。
さらに問題となる点を説明する。信号解析法におけるフーリエ変換について、測定点を等刻み（均一の刻み）の光周波数に対して設けることが、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）アルゴリズムの使用上、好都合である。しかしながら、このために、被測定素子７０２の波長特性の最も急峻な部分に対してのみ必要な光周波数刻みでのデータ採取を、波長掃引範囲の全てにわたって強いられることとなる。
さらに実際は、類似の事情が上述した参照遅延量ΔＴに関る条件にも、暗黙裏に含まれている。大きな遅延量ΔＴに伴う位相変化ωΔＴを一意的に分解するためには、隣接測定点間の位相変化をπ未満に留める必要があり、測定光周波数間隔Δνは、必然的に、１／（２ΔＴ）未満に細かく設定されねばならない。この条件に上述した遅延量ΔＴの設定条件を組み合わせる結果、個々の被測定素子７０２に対してのみならず、測定可能な最も急峻な波長特性、即ち最大の群遅延を有する被測定素子の測定に必要な測定光周波数刻みで、常に、全波長掃引範囲についてデータ採取を行わざるを得ない。これは、極めて非効率的である。
このような干渉信号のデータ処理に関る問題の所以は、従来法が同一周波数の光の干渉を観測している点にある。今、同一光周波数の２光が合波・干渉して静的な干渉光を生成したと想定すると、一般に、その干渉光の大きさを観測しただけでは、２光の大きさもそれらの間の相対的位相差も知ることはできない。さらに仮に、その２光の大きさが与えられたとしても、相対的位相差には、符号の不定性が残る。なぜならば、干渉光の大きさは、その位相差を引数とする余弦関数に比例し、その余弦関数は偶関数だからである。この事実のため、従来例の干渉法においては、全データ点についての干渉信号の採取完了後に、データ解析により、初めて各波長点での相対的位相差を求め得るものであった。
干渉光の大きさから、一般に相対的位相差を求めるには、位相差に意図的な変化を与えつつ、少なくとも３回、大きさを測定する必要がある。この変化を９０°ステップで静的に与える方法は、４位法として良く知られているが、それ以外に、２光間の遅延を掃引するか、または、２光間に光周波数の差を設けても同様の効果を得ることができる。特に後者の２光間に光周波数の差を設ける場合では、一定の光周波数差ΔＦを設け、時間的に正弦波的に変化する干渉光の大きさと、周波数ΔＦの基準正弦波とを共に位相計に与えれば、２光間の相対的位相差を直接、位相計の読みとして得ることができる。すなわち、各波長点毎の相対的位相差が、何らのデータ解析を経ることなく、個々に直に得られることが知られている。このように干渉する２光の間に、光周波数の差を設ける干渉計は、ヘテロダイン干渉計と称され、これと対照的に、従来例の干渉計は、ホモダイン干渉計と呼ばれる。
ヘテロダイン干渉計は、従来から（光路）長さ計測の目的で広く用いられている。このような計測目的で用いる場合、基準となる固定光路長差の干渉計による干渉信号を上記位相計に与える基準正弦波とし、測距すべき光路を１つの腕（測距腕）とする別の干渉計による干渉信号の位相を求めることが行われる。このような構成は、例えば、非特許文献４に開示されている。
上記のような長さ計測構成の測距腕に、被測定素子を挿入し、光源の波長を変化させつつ、干渉信号の位相を記録すれば、波長分散測定法に転用できる。これによれば、被測定素子の伝搬位相は、個々の波長点に対し、上記で説明したように位相計の読みとして直ちに得られるので、測定波長点の選び方は全く任意となる。かくして、従来の干渉法における干渉信号のデータ処理に関る問題は解消される。しかしながら、上述したより大きな問題は、何らの解決も見ることがない。依然として、被測定素子の光路長変動に耐性を持たず、その結果、高速の波長掃引を強いられることに変わりない。
Luis Zenteno "Group delay dispersion measurements in InGaAsp 1.3-μm optical amplifiers" IEEE Journal of Lightwave Technology 誌、７巻（１９８９年）、１号３９−４４頁、 M. S. Leong and et. al "Direct measurement of second-order dispersion in short optical fibers using whitelight Interfermetry"Electronics Letters 誌、２０巻（１９８４年）、１８号７５１−７５２頁 Mitsuo Takeda and et. al "Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry" Journal of Optical Society of America 誌、７２巻（１９８２年）、１号１５６−１６０頁 Dai Xiaoil and et. al "High-accuracy absolute distance measurement by means of wavelengh scanning heterodyne interferometry" Measurement Science Technology 誌、9 巻（１９９８年）、１０３１−１０３５頁
以上述べたように、従来の干渉法による波長分散測定方法には、
（１）被測定素子の光路長変動に耐性を有さず、高速の波長掃引を強いられる結果、測定時間を長くとって感度を改善することが不可能であり、
（２）さらに、同じ理由により、掃引中の波長較正が行えないため、波長確度が非保証であり、
また、加えてホモダイン干渉計による方法においては、
（３）干渉信号のデータ処理に伴い、均一の光周波数刻みによる極めて多点の測定を常に要し、被測定素子に適応して測定点の密度を調整して効率的に測定する自由度を欠く、
という解決すべき課題があった。
本発明の目的は、従来技術における上記のような課題を解決し、被測定素子の光路長差変動に対して耐性を持ち、測定時間を任意に長くとって高感度化が可能であり、かつ現行の波長計による掃引中の波長較正も可能であり、さらに、測定点毎の位相が随時得られ、任意の波長点分布についての測定を実行できる、波長分散測定方法および波長分散測定装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の波長分散測定方法は、波長可変光源を用いて被測定素子の波長分散を測定する方法であって、前記波長可変光源からの光を２光束に分岐し、前記２光束の一方の光束を第１の光周波数シフタおよび前記被測定素子を含む第１の光路に伝搬させ、前記２光束の他方の光束を前記第１の周波数シフタの周波数シフトとは異なる周波数シフトを有する第２の光周波数シフタを含む第２の光路に伝搬させ、前記第１の光路を伝搬した光と前記第２の光路を伝搬した光とを合波し干渉させて測定干渉信号を取得し、参照光源からの参照光を２光束に分岐し、参照光の前記２光束の一方の光束を前記第１の光路に伝搬させ、参照光の前記２光束の他方の光束を前記第２の光路に伝搬させ、前記第１の光路を伝搬した参照光の光束と前記第２の光路を伝搬した参照光の光束とを合波し干渉させて参照干渉信号を取得し、前記参照干渉信号に対する前記測定干渉信号の相対位相を前記波長可変光源の波長を変化させつつ記録し、記録された前記相対位相を光周波数について微分して、前記被測定素子の波長分散を測定することを特徴とする。
前記波長可変光源に由来する光と、前記参照光源に由来する光を、伝搬方向の差異に基づいて分離して受光し、個別の干渉信号を得るために、前記波長可変光源からの光と、前記参照光源からの光が、前記第１の光路および前記第２の光路において、互いに逆方向に伝搬する構成をとることができる。
このとき、逆行する光による光源への影響を防ぐために、前記波長可変光源からの光と前記参照光源からの光に、前記２光束への分岐の前に、それぞれ光アイソレータを作用させるのが好ましい。
同じく、個別の干渉信号を、偏光の差異に基づいて分離して得るために、前記波長可変光源からの光と、前記参照光源からの光が、前記第１の光路および前記第２の光路において、互いに直交する偏波を有する構成をとることもできる。
同じく、個別の干渉信号を、波長の差異に基づいて分離して得るために、前記第１の光路を伝搬した光と前記第２の光路を伝搬した光の合波・干渉光に、波長分波器を作用させて、前記測定干渉信号と前記参照干渉信号を分離して得る構成をとることもできる。
同じく、個別の干渉信号を、時刻の差異に基づいて分離して得るために、前記波長可変光源からの光と前記参照光源からの光から、第１の光スイッチにより交番的に一者が選択され、その光が前記２光束に分岐されて前記第１の光路と前記第２の光路を伝搬し、それら２光の合波・干渉光から、前記第１の光スイッチに同期した第２の光スイッチにより、前記測定干渉信号と前記参照干渉信号を分離して得る構成をとることもできる。
被測定素子における反射に伴う波長分散を測定するために、前記波長可変光源からの光と前記参照光源からの光から、光スイッチにより交番的に一者が選択され、その選択された光が前記２光束に分岐されて前記第１の光路と前記第２の光路を伝搬し、それら２光の合波・干渉光を再び前記光スイッチに戻し、前記波長可変光源に戻る光として前記測定干渉信号を、また、前記参照光源に戻る光として前記参照干渉信号を、それぞれ得る構成をとることもできる。
この場合、前記２光束の一方の光束が前記第１の光路を伝搬し前記被測定素子内で反射して該光路を戻り、前記２光束の他方の光束が前記第２の光路を伝搬し該光路の端部で反射して該光路を戻り、前記第１の光路を伝播して戻った光と前記第２の光路を伝播して戻った光とを合波・干渉させた２光の合波・干渉光を再び前記光スイッチに戻す構成をとることもできる。
直交する２つの偏波毎の波長分散を同時に測定するために、前記測定干渉光を直交２偏波に分離し、各偏波について測定干渉信号を得る構成を付加し、前記参照干渉信号に対する偏波毎の測定干渉信号の相対位相を前記波長可変光源の波長を変化させつつ記録することもできる。
上記目的を達成するため、本発明の波長分散測定装置は、波長可変光源と、参照光源と、前記波長可変光源および前記参照光源からの光をそれぞれ２光束に分岐する光分波手段と、前記２光束の一方の光束が伝搬する第１の光周波数シフタおよび波長分散測定の対象である被測定素子を含む第１の光路と、前記２光束の他方の光束が伝搬する前記第１の周波数シフタの周波数シフトとは異なる周波数シフトを有する第２の光周波数シフタを含む第２の光路と、前記第１の光路を伝搬した光と前記第２の光路を伝搬した光とを合波し干渉させて測定干渉信号および参照干渉信号を取得する光合波手段と、前記参照干渉信号に対する前記測定干渉信号の相対位相を前記波長可変光源の波長を変化させつつ記録し、記録された前記相対位相を光周波数について微分して、前記被測定素子の波長分散を測定する位相計とを具備することを特徴とする。
ここで、前記光分波手段と前記光合波手段はそれぞれ同一機能の第１と第２の光合分波手段であり、前記波長可変光源からの光と、前記参照光源からの光が、前記第１の光路および前記第２の光路において、互いに逆方向に伝搬するように、前記波長可変光源からの光が前記第１の光合分波手段に入射され、前記参照光源からの光が前記第２の光合分波手段に入射される配置構成とすることができる。
また、前記波長可変光源からの光と前記参照光源からの光に、前記２光束への分岐の前に作用させる、それぞれ個別の光アイソレータを有することは好ましい。
また、前記光合波手段から得られる前記測定干渉信号と前記参照干渉信号とを分離する波長分波器を有することは好ましい。
あるいはまた、前記波長可変光源からの光と前記参照光源からの光とを前記光分波手段に対して交番的に選択出射する第１の光スイッチと、前記第１の光路と前記第２の光路それぞれ伝搬してきた２光の合波・干渉光を、前記第１の光スイッチに同期して交番的に別々のポートへ選択出射する第２の光スイッチとを有する構成とすることができる。
これに代えて、前記波長可変光源からの光と前記参照光源からの光とを前記光分波手段に対して交番的に選択出射する光スイッチと、前記第１の光路を伝搬した光と前記第２の光路を伝搬した光とを合波・干渉させた２光の合波・干渉光を再び前記光スイッチに戻す光学手段とを有する構成としてもよい。
あるいは、前記測定干渉光を直交２偏波に分離して各偏波についてそれぞれ測定干渉信号を取得する偏波分離器を有する構成も好ましい。
本発明によれば、被測定素子の光路長差変動に耐性を持つので、測定時間を任意に長くとって感度の高い計測が行える。また、本発明では、現行の波長計による掃引中の波長較正も可能で、波長可変光源に自体には、著しく高い光周波数確度を要求しないので、波長可変光源を自由度に選択して、伝達関数の位相、ひいては群遅延時間について高精度の測定が行える。さらに、本発明では、測定点毎の位相が随時得られるので、任意に選んだ波長点分布について、効率的に測定を行える。
また、非測定素子の損失の許容量（感度）として、従来例の干渉法は従来例の変調法に比べて略１００倍の損失許容量があるが、本発明では、その従来例の干渉法の約１０倍の損失許容量がある。
さらに、本発明では、測定光と参照光を分離・検出するために、光路の差異、伝搬方向の差異、偏光の差異、波長の差異、さらに時刻の差異に基づく構成が存し、実施上の広い自由度を有する。さらに、本発明に係る参照光源は、固定波長光源で十分であり、波長安定度が高い例えば半導体ＤＦＢレーザを用いて低コストに実施できるので、工業的に大きな効果が得られる。
（基本構成）
従来の干渉法におけるホモダイン干渉計に替えて、ヘテロダイン干渉計を用いれば、測定波長点毎の位相が随時得られ、任意の波長点分布についての測定が実現する。しかしながらこれだけでは、依然として、被測定素子の光路長変動に耐性を持たず、結果、高速の波長掃引を強いられることに変わりはない。
その問題の根源は、旧来のヘテロダイン干渉計において、位相の比較のために位相計に与える基準信号として、別個に設けた固定光路長差の干渉計による干渉信号を用いていることにある。固定光路長差に対して、被測定素子の光路長が変動にすれば、必然的に測定される伝搬位相は変化し、この変化は波長の変化に伴う位相変化と原理的に区別できない。この問題の解決のためには、被測定素子の光路長の変動に追随して変化する干渉信号を上記基準信号として用いることが必要である。
ここにおいて、本発明者は考究を進め、被測定素子を含む干渉計に、別個に設けた固定波長光を伝搬させ、その固定波長光による干渉信号を、基準信号として上記位相計に与えれば、被測定素子の光路長変動の影響が著しく緩和され、従来法に関る問題に十分な解決を与えることを見出すに至ったものである。
以下に、本発明のかかる原理に基づく本発明の基本構成を、図面を参照して詳述する。
図１は、本発明の波長分散測定方法の基本構成を示す。図１において、波長可変光源１０１から出力された光（測定光）は、前段の半透鏡（ハーフミラー）１０３に達し、２光束に分岐される。半透鏡１０３で分岐されたうちの一方の光束は、第１の光周波数シフタ１０８に入射し、ここでこの周波数シフタの駆動周波数Ｆだけ光周波数が上方に遷移されて、その周波数シフタ１０８を出射し、さらに被測定素子１０２を通過し、第１の反射鏡１１３を経て後段の半透鏡１０４に達する光路をたどる。半透鏡１０３で分岐されたうちの他方の光束は、第２の反射鏡１１４を経て第２の光周波数シフタ１０９に入射し、ここでその周波数シフタの駆動周波数Ｆ＋ΔＦだけ光周波数が上方に遷移されて、その周波数シフタ１０９を出射し、さらに参照遅延部１０５を通過し、後段の半透鏡１０４に達する光路をたどる。各々、後段の半透鏡１０４に達したこれら測定光の２光束は、その半透鏡１０４において再び合波された後、第１の開口１１５を経て第１の光検出器１０６により受光・検出される。
一方、波長可変光源１０１に対してほぼ直角方向に配置された参照光源１０７から出力された光（参照光）は、上記の前段の半透鏡１０３に達して２光束に分岐される。半透鏡１０３で分岐されたうちの一方の光束は、上記の第１の光周波数シフタ１０８に入射し、ここで光周波数がＦだけ上方に遷移され、さらに上記の被測定素子１０２を通過し、上記の第１の反射鏡１１３を経て上記の後段の半透鏡１０４に達する光路をたどる。半透鏡１０３で分岐されたうちの他方の光束は、上記の第２の反射鏡１１４を経て上記の第２の光周波数シフタ１０９に入射し、ここで光周波数がＦ＋ΔＦだけ上方に遷移され、さらに上記の参照遅延部１０５を通過し、上記の後段の半透鏡１０４に達する光路をたどる。各々、後段の半透鏡１０４に達したこれら参照光の２光束は、その半透鏡１０４において再び合波された後、第２の開口１１６を経て第２の光検出器１１０により受光・検出される。
第２の光検出器１１０の出力（参照干渉信号）は、位相ロックループ(ＰＬＬ)１１１を経て振幅が安定化され、周波数ΔＦの基準正弦波として位相計１１２に供給される。他方、上記の第１の光検出器１０６の出力（測定干渉信号）は、位相計１１２に給電され、参照干渉信号（周波数ΔＦの基準正弦波）に対する、測定干渉信号の相対位相が、位相計１１２の読みとして得られる。
位相計１１２の読みとして得られる上記相対位相を、位相計１１２内の、または外部の記録装置（図示しない）で記録しつつ、波長可変光源１０１の波長を掃引する。かくして得られた測定波長（光周波数）点毎の位相データは、位相測定の常として、値域（−π，π）に折り畳まれている。これに、先ず、連続性を仮定した上で位相を滑らかに開くアンラップ操作（phase unwrapping process）を施した後、前述の式（１）に則って数値微分を施せば、被測定素子１０２の群遅延時間が得られる。
被測定素子１０２の挿入前について上記の相対位相を、測定装置固有の背景データとしてあらかじめ記録して置き、その被測定素子１０２の挿入後の相対位相から、その背景データを減算した後に、上記の数値微分を施せば、上記２つの半透鏡１０３，１０４の間の２つの光路の位相不平衡の影響を除去して、被測定素子１０２の群遅延時間が正確に得られる。この際、上記のアンラップ操作は、減算前の相対位相の各々、あるいは減算後に得られた相対位相の差、のいずれに対して行っても良い。また、装置固有の背景データの採取は、原理的には、測定装置の組立て後、例えば製品出荷前に、一回だけ実施すれば事足りる。このような装置固有の偏差の除去は、本発明に限らず、従来の干渉法でも行える一般的な手法である。
次に、本発明により、被測定素子１０２の光路長変動への耐性が付与される理由を、図２を参照しつつ詳述する。図２は本発明による光路長変動への耐性の原理を示す図であり、干渉信号の時間波形を描いたグラフである。グラフ最上段の波形Ａは、第１の光検出器１０６が出力する測定干渉信号を示す。この測定干渉信号は、周波数２πΔＦｔの正弦波であり、その位相φ（λｓ）は、前段の半透鏡１０３にて２光束に分岐され、後段の半透鏡１０４に達して再び合波される迄の２つの光路の間の伝搬位相の差の、測定波長λｓにおける値となる。グラフにおいて上から２段目の波形Ｂは、第２の光検出器１１０の出力する参照干渉信号であり、同じく周波数２πΔＦｔの正弦波であり、参照波長λｒにおける上記２つの光路の伝搬位相差φ（λｒ）をその位相として持つ。これら２つの同一周波数の正弦波（２πΔＦｔ）の間の位相差、すなわち上記相対位相は、φ（λｓ）−φ（λｒ）であり、これが位相計１１２の読みとして得られて記録される。すなわち、２光路の伝搬位相差の、測定波長λｓと参照波長λｒにおける差分が、直接、位相計１１２の読みとして得られる。
この構成において、参照波長λｒを一定に保ちつつ、測定波長λｓだけを変化させれば、各測定波長点における伝搬位相差の差分が得られる。今、参照波長λｒは一定であるから、測定波長λｓの関数としての伝搬位相差を、加算定数φ（λｒ）だけの不定性をもって定め得ることとなる。上記の式（１）の示すように、群遅延に寄与するのは伝搬位相φの波長（光周波数）による変化であるから、このφ（λｒ）の不定性は、波長分散測定法には何らの不都合も来さない。
被測定素子１０２の伝搬位相は、２つの光路の一方に加算的に付加されるので、その被測定素子１０２の挿入前後の伝搬位相差測定の差をとることにより、被測定素子１０２だけの伝搬位相が単離され、前述のように、これに上記の式（１）に則った数値微分を施すことで、その被測定素子１０２の郡遅延時間τ（ω）が得られる。以上が、本発明による被測定素子１０２の群遅延時間の測定原理である。
ここで、被測定素子１０２、あるいはより一般的に上記２つの光路の何処かにおいて、遅延時間の変動Δτを伴う光路長変動が生じた場合を考えるとしよう。図２のグラフにおいて下から２段目の波形Ｃは、この場合の第２の光検出器１１０からの参照干渉信号を示している。その参照信号の位相φ（λｒ）は、遅延時間変動Δτに伴いωｒΔτだけ増加し、その結果、参照干渉信号は図中上から２段目の状態から、時間的に進んで現れることとなる。なおここで、ωｒは参照波長λｒの光角周波数である。このような位相変化による信号の移動（進み）は、図２で２周期近くに及んでおり、このような大きな位相変化をきたす光路長変動は、従来の干渉法の全く許容し得ないものであった。
図２のグラフの最下段の波形Ｄは、上記のように光路長変動が生じた場合に、第１の光検出器１０６から出力される測定干渉信号を示している。その測定干渉信号の位相φ（λｓ）は、この場合、ωｓΔτだけ増加し、上記参照干渉信号と同様に、図中最上段の状態に比して時間的に進んで現れることとなる。ここで、ωｓは測定波長λｓの光角周波数である。このような測定干渉信号上の位相変化も、言うまでもなく、従来の干渉法では全く許容し得ないものであった。
これに対し、本発明が依拠するのは、これら光路長変動に非常に敏感な２つの干渉信号の間の、相対位相であることに注目されたい。その相対位相の上記光路長変動による変動は、上記２つの干渉信号の位相の進みの間の差であるから、（ωｓ−ωｒ）Δτと算定される。この相対位相の変動（ωｓ−ωｒ）Δτと元々の測定干渉信号の位相変動ωｓΔτの比ρとして、次式（７）を得る。
Figure 2006308531
ωｓ、ωｒは共に正であるから、常に比｜ρ｜＜１である。すなわち、相対位相においては光路長変動の影響が、元々の干渉信号に比して抑圧されて現れる。
しかも、現在得られる波長掃引光源を用いる本発明の波長分散測定においては、波長差λｓ−λｒが、波長λｓないしλｒ自体に比べて極く小さいのが通例である。本発明の方法を必要とするような高波長分解能を必要とする被測定素子は、そもそも狭帯域の素子であって、広い帯域について波長分散の測定を要求することは希である。したがって、実際には、測定波長λｓの掃引範囲は比較的狭くて良く、加えて、一般的に、参照波長λｒも被測素子の動作波長範囲内に設定されるべきものである。なぜなら、動作波長範囲外の光を被測定素子が伝達することは、一般に保証されないからである。これらの理由の結果、上記の比ρは、本発明の測定対象として想定される種類の被測定素子における、動作帯域とその中心波長の比に近似することとなる。
想定される被測定素子として、例えば一般的な波長多重通信用の光濾波器にあっては、帯域／中心波長比は１／１００以下、高密度波長多重通信用の光濾波器に至っては、１／１０００以下である。したがって、上記の比ρは、高々１％以下であり、そのため、本発明によれば、従来例の干渉法に比して、少なくとも１００倍以上の光路長変動を許容できることになる。そのため、例え、図２に例示したような２周期近くの干渉信号の移動が生じていたとしても、本発明における相対位相へのそれによる影響は、高々０．０２周期分の差異にとどまる。この値は、本発明による干渉法の測定を阻害しない範囲に十分おさまっている。
但し、僅か０．０２周期分であっても位相角としては７．２°の差異であるから、そのときの光路長変動は、位相計１１２の読みに十分に反映され検知される。このことは群遅延時間を測定する波長分散測定器として、当然の振舞いである。光路長変動により、被測定素子１０２中の伝搬遅延の変化が、実際に生じているのであり、これが例え数波長分の長さ、例えば、１．５μｍ波長帯では１０ｆｓ（フェムト秒）台の伝搬遅延の変化であっても、なお位相計１１２で検知される。このことは、本発明の干渉法の群遅延時間検出能の高さの証左に他ならない。
逆に、本発明においては、どこまでの相対位相の変化が許容され得るかを次に考察する。一般に位相は、２πを法（modulus）とする剰余系としてのみ測定可能である。このような位相測定に伴う事情のために、本発明の上述の動作においても、アンラップ操作が必要である。ここで、位相角にしてπ（ラジアン）以上、即ち光路長変動により、半周期分以上の相対位相の差異が隣接測定点との間に生じると、上記のアンラップ操作が正しく行えず、相対位相値が不定となり、測定は失敗に帰する。
このような事態に立ち至る光路長変動量は、本発明の場合、少なくとも波長の５０倍以上である。これは例えば、１．５μｍ波長帯では、７５μｍ、伝搬遅延にして２５０ｆｓに相当し、このような大きい光路長変化が、隣接測定点間で突然発生することは、自然に放置された状態の被測定素子において、現実にはあり得ない。従って、本発明によれば、慮外の光路長変動により測定が失敗に帰するという可能性は殆んどなく、その結果、光路長変動による測定失敗への懸念は払拭され、実用上、光路長変動に耐性を有する測定方法が実現される。
ここまでで、本発明の基本構成とその動作原理をつまびらかにしたので、以下では、図面を参照して、本発明の各種の実施形態について詳述する。
まず、前述の式（７）から分かるように、本発明では、参照波長λｒが測定波長λｓに近い程、光路長変動への耐性が高い。一方、一般に本発明では、参照光と測定光を、各々個別の光検出器で受光する必要があり、しかもこの際、各光検出器への所期の目的外の光の混入の抑圧が非常に重要である。図１の基本構成では、参照光と測定光の２光を空間的に分離して、伝搬させて検出している。このような構成では、２光の完全な分離検出が容易に行える。しかしながら、この基本構成では、２光が被測定素子１０２中で別個の平行光路に沿って伝搬しており、場合によっては、これが問題となる局面（ケース）があると考えられる。その第１は、被測定素子１０２が非常に細い場合には、２光をその後に分離可能なように被測定素子１０２中を平行に伝搬させることは実際には困難である。その第２は、２光は厳密には被測定素子１０２中で異なる光路をたどるから、万一、光路長変動がこれら２光路に等しい変化を与えない場合、そのような光路長変動へは耐性を持たない。このような事態は、空間的に大きい不均一を示す被測定素子１０２では、容易に起こり得る。このような問題の払拭のためには、参照光と測定光の２光が被測定素子中で同一の光路をたどることが必要であり、これを行うと同時に、２光を分離検出するための実施形態の構成が、以下のように種々考え得る。
（第１の実施形態）
被測定素子中で、参照光と測定光の２光に同一の光路をたどらせる構成において、２光を分離する方策として、伝搬方向による分離または偏波による分離が考えられる。これらを各々行なった構成を、図３および図４に示す。
図３は、本発明の第１の実施形態における、伝搬方向による分離を利用した構成例を示す。図３において、波長可変光源３０１から出力された光（測定光）は、第１の半透鏡３０３に達して２光束に分岐される。第１の半透鏡（ハーフミラー）３０３で分岐されたうちの一方の光束は、第１の光周波数シフタ３０８に入射し、ここでその周波数シフタの駆動周波数Ｆだけ光周波数が上方に遷移されて、周波数シフタ３０８を出射し、さらに被測定素子３０２を通過し、第１の反射鏡３１３を経て第２の半透鏡３０４に達する光路をたどる。第１の半透鏡３０３で分岐されたうちの他方の光束は、第２の反射鏡３１４を経て第２の光周波数シフタ３０９に入射し、ここでその周波数シフタの駆動周波数Ｆ＋ΔＦだけ光周波数が上方に遷移されて、周波数シフタ３０９を出射し、さらに参照遅延部３０５を通過して、上記の第２の半透鏡３０４に達する光路をたどる。各々、第２の半透鏡３０４に達したこれら測定光の２光束は、第２の半透鏡３０４において再び合波された後、第１の光検出器３０６により受光・検出され、電気信号に変換される。
一方、第２の半透鏡３０４の近傍に配置された参照光源３０７から出力された光（参照光）は、上記の第２の半透鏡３０４に達して２光束に分岐される。第２の半透鏡３０４で分岐されたうちの一方の参照光束は、上記の第１の反射鏡３１３を経て被測定素子３０２を通過し、さらに第１の光周波数シフタ３０８に入射し、ここで光周波数がＦだけ上方に遷移され、上記の第１の半透鏡３０３に達する光路をたどる。すなわち、被測定素子３０２において、測定光の第１の光束と同一の光路を、その第１の光束に対して相対する方向（逆方向）に伝搬する。またここで、第１の光周波数シフタ３０８は、相反的な素子であるので、遡行する向きに入射した参照光に対しても、測定光に対するのと同一の光周波数の変化を与える。この作用は、下記の第２の光周波数シフタ３０９においても同様である。第２の半透鏡３０４で分岐されたうちの参照光束の他方は、参照遅延部３０５を通過し、第２の光周波数シフタ３０９に入射し、ここで光周波数がＦ＋ΔＦだけ上方に遷移され、さらに第２の反射鏡３１４を経て第１の半透鏡３０３に達する光路をたどる。各々、第１の半透鏡３０３に達したこれら参照光の２光束は、第１の半透鏡３０３において再び合波された後、第２の光検出器３１０により受光・検出され、電気信号に変換される。
第２の光検出器３１０の出力（参照干渉信号）は、位相ロックループ（ＰＬＬ）３１１を経て振幅が安定化され、周波数ΔＦの基準正弦波として位相計３１２に供給される。第１の光検出器３０６の出力（測定干渉信号）は位相計３１２に給電され、参照干渉信号（周波数ΔＦの基準正弦波）に対する測定干渉信号の相対位相が、位相計３１２の読みとして得られる。位相計３１２の読みとして得られる相対位相を、位相計３１２内の、または外部の記録装置（図示しない）で記録しつつ、波長可変光源３０１の波長を掃引する。このようして得られた測定波長（光周波数）点毎の位相データに、アンラップ操作を施した後、前述の式（１）に則って数値微分を施せば、被測定素子３０２の群遅延時間が得られる。被測定素子３０２の挿入前について、相対位相を、測定装置固有の背景データとしてあらかじめ記録しておき、その被測定素子３０２の挿入後の相対位相から、その背景データを減算した後に、上記の数値微分を施せば、２つの半透鏡３０３，３０４の間の２つの光路の位相不平衡の影響を除去して、被測定素子３０２の群遅延時間が正確に得られる。
図４は、本発明の第１の実施形態における、偏波による分離を利用した構成例を示す。図４において、波長可変光源３０１から出力された光（測定光）は、紙面に平行な偏波面を有する。この測定光が第１の半透鏡３０３に達して２光束に分岐される。第１の半透鏡３０３で２光束に分岐されたうちの一方の測定光の光束は、第１の光周波数シフタ３０８に入射し、ここで光周波数が遷移されてから出射し、その後、被測定素子３０２を通過し、第１の反射鏡３１３を経て第２の半透鏡３０４に達する光路をたどる。第１の半透鏡３０３で２光束に分岐されたうちの他方の測定光の光束は、第２の反射鏡３１４を経て第２の光周波数シフタ３０９に入射し、ここで光周波数が遷移されてから出射し、その後、参照遅延部３０５を通過し、第２の半透鏡３０４に達する光路をたどる。各々、第２の半透鏡３０４に達したこれら測定光の２光束は、第２の半透鏡３０４において再び合波された後、第１の偏光子３１５および第２の偏光子３１６に達する。
ここで第１の偏光子３１５は、波長可変光源３０１が有する偏光を透過するように設定され、その背後には第１の光検出器３０６が設置されている。一方、第２の偏光子３１６は、波長可変光源３０１が有する偏光を透過しないように設定され、その背後には第２の光検出器３１０が設置されている。従って、第２の半透鏡３０４で合波された測定光の２光束は、第１の光検出器３０６のみにより受光・検出され、その光検出器３０６に測定干渉信号の発生が現れる。
一方、参照光源３０７は第１の半透鏡３０３の近傍に波長可変光源３０１とほぼ直角方向に配置され、その参照光源３０７から出力された光（参照光）は、紙面は垂直な偏波面を有し、この参照光が第１の半透鏡３０３に達して２光束に分岐される。第１の半透鏡３０３で２光束に分岐されたうちの一方の参照光の光束は、第１の光周波数シフタ３０８に入射してここで光周波数の遷移を受け、被測定素子３０２を通過し、さらに第１の反射鏡３１３を経て第２の半透鏡３０４に達する光路をたどる。第１の半透鏡３０３で２光束に分岐されたうちの参照光の光束の他方は、第２の反射鏡３１４を経て第２の光周波数シフタ３０９に入射してここで光周波数の遷移を受け、さらに参照遅延部３０５を通過し、第２の半透鏡３０４に達する光路をたどる。各々、第２の半透鏡３０４に達したこれら参照光の２光束は、第２の半透鏡３０４において再び合波された後、第１の偏光子３１５および第２の偏光子３１６に達する。
ここで参照光の偏波は、測定光の偏波に直交しているので、第２の半透鏡３０４において合波された参照光の２光束は、２つの偏光子３１５および３１６のうち、第２の偏光子３１６のみを透過して、第２の光検出器３１０のみにより受光・検出され、その光検出器３１０に参照干渉信号の発生が現れる。
その後、測定干渉信号および参照干渉信号からの、被測定素子３０２の群遅延時間の算出動作については、上述の図３の構成の動作に徴して明らかであるから、その説明は割愛する。
（第２の実施形態）
参照光と測定光の２光が、被測定素子中で同一の光路をたどるのであれば、光ファイバ等の光路が導波路構造によって規定されている試料も測定対象にできる。しかし、これら導波型の光素子に、図３、図４に示した構成におけるような空間を伝搬する光束を結合して伝搬させようとすると、それに関わる光軸の調整が実際には容易でない。また、その結合に関る光学部品の特性、例えばレンズの分散も問題となる。そこで、本発明を適用した装置の測定用干渉計の全てを、始めからこのような導波型の素子、典型的には、光ファイバ部品を用いて構築する構成が考えられる。このような構成においては、被測定素子への光の結合は、光ファイバ同士の突合に帰され、極めて容易にこれを行うことができる。しかし、このような光ファイバ干渉計構成においては、被測定素子のみならず干渉計を構成する他所の光ファイバ部分においても光路長変動が生じ得るので、光路長変動に無対策の方法では、その導入が難しかった。
これに対して、本発明は、既に述べた通り、光路長変動への耐性が高いため、このような光ファイバ干渉計構成を懸念なく導入することができる。
また、導波型の部品が使用可能なことにより、参照光と測定光の２光の分離・検出については、第１の実施形態の構成と比べて、より選択の幅が拡がる。例えば、アレイ導波路構成の波長分離器を用いれば、近接した波長の２光を容易に分離することができる。本発明の第２の実施形態として、そのような波長分離素子を用いて、波長による２光の分離を行った導波型構成の例を図５に、また第１の実施形態の伝搬方向による分離を、光ファイバ干渉計を用いて行なった導波型構成の例を、図６に示す。
図５において、波長可変光源４０１から出力された光（測定光）と、参照光源４０７から出力された光（参照光）とが、第１の波長合分波器４１７によって合波された後、第１の光カップラー４０３に達して２光束に分岐される。第１の光カップラー４０３で分岐されたうちの一方の光束は、第１の光周波数シフタ４０８に入射し、ここでその周波数シフタの駆動周波数Ｆだけ光周波数が上方に遷移されて、周波数シフタ４０８を出射し、さらに被測定素子４０２を通過して、第２の光カップラー４０４に達する。第１の光カップラー４０３で分岐されたうちの他方の光束は、第２の光周波数シフタ４０９に入射し、ここでその周波数シフタの駆動周波数Ｆ＋ΔＦだけ光周波数が上方に遷移されて、周波数シフタ４０９を出射し、さらに参照遅延部４０５を通過し、第２の光カップラー４０４に達する光路をたどる。各々、第２の光カップラー４０４に達したこれら２光は、第２の光カップラー４０４において再び合波された後、第２の波長合分波器４１８に入射する。
第２の波長合分波器４１８は、測定光と参照光を波長の差異によって分離し、前者の測定光を第１の光検出器４０６に、後者の参照光を第２の光検出器４１０に供給する。これにより、合波され、あとで分離された測定光の２光束は、第１の光検出器４０６のみにより受光・検出され、その光検出器４０６に測定干渉信号の発生が現れる。一方、合波され、あとで分離された参照光の２光束は、第２の光検出器４１０のみにより受光・検出され、その光検出器４１０に参照干渉信号の発生が現れる。その後、これら測定干渉信号および参照干渉信号からの、被測定素子４０２の群遅延時間の算出動作については、既述の第１の実施形態に準ずるので、その詳細な説明は省略する。
次に、図６の構成を説明する。図６において、波長可変光源４０１から出力された光（測定光）は、第１の光アイソレータ４１９を通過した後、第１の光カップラー４０３に達して２光束に分岐される。第１の光カップラー４０３で分岐されたうちの測定光の一方の光束は、第１の光周波数シフタ４０８に入射し、ここで光周波数が遷移されて出射し、さらに被測定素子４０２を通過し、第２の光カップラー４０４に達する。第１の光カップラー４０３で分岐されたうちの測定光の他方の光束は、第２の光周波数シフタ４０９に入射し、ここで光周波数が遷移されて出射し、参照遅延部３０５を通過した後、第２の光カップラー４０４に達する。各々、第２の光カップラー４０４に達したこれら測定光の２光束は、第２の光カップラー４０４において再び合波された後、第１の光検出器４０６により受光・検出される。
第２の光カップラー４０４において合波された測定光は、第１の光検出器４０６のみならず、第２の光アイソレータ４２０側の光路にも供給される。この測定光が、もし参照光源４０７に注入されると、その光源の動作に影響を及ぼし得る。実はこの防止のために、第２の光アイソレータ４２０が挿入されている。すなわち、第２の光アイソレータ４２０は非相反素子であって、参照光源４０７から第２の光カップラー４０４に向かって伝搬する光は透過するが、それに逆行する光は阻止する。これにより、合波された測定光が、参照光源４０７に達することを防いでいる。
一方、参照光源４０７から出力された光（参照光）は、第２の光アイソレータ４２０を通過した後、第２の光カップラー４０４に達して２光束に分岐される。第２の光カップラー４０４で分岐されたうちの参照光の一方の光束は、被測定素子４０２を通過し、さらに第１の光周波数シフタ４０８に入射し、ここで光周波数の遷移を受けた後に、第１の光カップラー４０３に達する。第１の光周波数シフタ４０８は相反的な素子であるので、相対する向き（逆方向）に入射した参照光に対しても、測定光に対するのと同一の光周波数の変化を与える。この作用は、以下の第２の光周波数シフタ４０９においても同様である。第２の光カップラー４０４で分岐されたうちの参照光の他方の光束は、参照遅延部４０５を通過し、さらに第２の光周波数シフタ４０９に入射して、ここで光周波数の遷移を受け、然る後、第１の光カップラー４０３に達する。各々、第１の光カップラー４０３に達したこれら参照光の２光束は、第１の光カップラー４０３において再び合波された後、第２の光検出器４１０により受光・検出される。ここで、合波された参照光が、波長可変光源４０１に達することが無いように、第１の光アイソレータ４１９が波長可変光源４０１の前面に挿入されているのである。
第１の光検出器４０６に発生した測定干渉信号、および、第２の光検出器４１０に発生した参照干渉信号からの、被測定素子４０２の群遅延時間の算出動作については、既述の第１の実施形態に準ずるので、その詳細な説明は省略する。
（第３の実施形態）
上述の第２の実施形態によれば、光ファイバ等の導波型の光素子の測定が実現されるが、しかし、未だ十分に一般的な解決には至っていない。例えば、図５の第２の実施形態の第１の構成においては、測定光と参照光を波長の差異によって分離するので、参照光に等しいかまたは非常に近い波長での測定が行えない。他方、図６の第２の実施形態の第２の構成においては、被測定素子中を双方向に光が通過する必要があるため、例えば光アイソレータの如き、一方向性の光素子を被測定素子として測定することは困難である。
より汎用的に、参照光と測定光の２光の分離・検出を行う方法として、両光に時刻の差異を設ける、所謂時間多重法が適用できる。このような時刻による２光の切換・分離を行う構成例を、本発明の第３の実施形態として、図７および図８に示す。
図７において、波長可変光源５０１から出力された光（測定光）と、参照光源５０７から出力された光（参照光）は、第１の光スイッチ５２１の２つの入力端に各々入射する。第１の光スイッチ５２１は、切換信号源５２３によって駆動され、上記２つの入力端を交番的に出力端に接続する。その結果、第１の光スイッチ５２１の出力端には、波長可変光源５０１の出力光と参照光源５０７の出力光が、時間的に交互に伝達されて現れる。
このような時間多重された光は、第１の光カップラー５０３に達して２光束に分岐される。第１の光カップラー５０３で分岐されたうちの一方の光束は、第１の光周波数シフタ５０８に入射し、ここでその周波数シフタの駆動周波数Ｆだけ光周波数が上方に遷移されて、周波数シフタ５０８を出射し、さらに被測定素子５０２を通過して、第２の光カップラー５０４に達する光路をたどる。第１の光カップラー５０３で分岐されたうちの他方の光束は、第２の光周波数シフタ５０９に入射し、ここでその周波数シフタの駆動周波数Ｆ＋ΔＦだけ光周波数が上方に遷移されて、周波数シフタ５０９を出射し、さらに参照遅延部５０５を通過し、第２の光カップラー５０４に達する光路をたどる。各々、第２の光カップラー５０４に達したこれら２光は、第２の光カップラー５０４において再び合波された後、第２の光スイッチ５２２の入力端に入射する。
第２の光スイッチ５２２は、上記の切換信号源５２３によって駆動され、第２の光スイッチ５２２の入力端が交番的に２つの出力端に接続する。その結果、第２の光スイッチ５２２の２つの出力端には、波長可変光源５０１に由来する光と参照光源５０７に由来する光が、時間多重を解かれて現れる。
第２の光スイッチの２つの出力端には、第１の光検出器５０６と第２の光検出器５１０が各々接続されている。２つの光スイッチ５２１，５２２は、同一の切換信号源５２３によって同期して駆動されるので、波長可変光源５０１からの測定光は第１の光検出器５０６に、また、参照光源５０７からの参照光は第２の光検出器５１０に供給される。これにより、第２の光カップラー５０４において合波された測定光の２光束は、第１の光検出器５０６のみにより受光・検出され、第１の光検出器５０６に測定干渉信号の発生が現れる。一方、第２の光カップラー５０４において合波された参照光の２光束は、第２の光検出器５１０のみにより受光・検出され、第２の光検出器５１０に参照干渉信号の発生が現れる。
その後、測定干渉信号および参照干渉信号からの、被測定素子５０２の群遅延時間の算出動作については、既述の第１の実施形態に準じて行う。ただ、この際、位相計５１２の所期の動作のためには、位相計５１２の２つの入力端に、比較される２つの正弦波が同時に供給される必要がある。この条件を充たすために、切換信号源５２３の発生する切換信号の周波数Ｎは、位相計５１２に与えられる正弦波の周波数ΔＦに比して、十分高い必要がある。実用的には、２つの周波数ＮとΔＦとの間に、１０倍程度以上の差を設けるのが良い。即ち、例えば、１００ｋＨｚのΔＦに対しては、光スイッチ５２１，５２２の切換周波数を、１ＭＨｚ以上にすれば十分である。この程度の速度の切換型光スイッチは、例えば電気光学効果等に基づく公知の技術によって容易に実現できる。
以上述べた図７の第１の構成においては、光スイッチ５２１および５２２の２個の光スイッチを要する。光路を折り返す構成によれば、１個だけの光スイッチを用いて等価な動作を行わせることができる。この第２の構成例を、図８に示す。
図８において、波長可変光源５０１から出力された光（測定光）は、第１の光サーキュレーター５２４に入射する。第１の光サーキュレーター５２４は、３つの端子を有し、各端子からの入射光を、図８中の矢印の向きに隣接した端子に伝達して出射する機能を持つ。従って、第１の光サーキュレーター５２４に入射した測定光は、光スイッチ５２１に接続された端子から出射される。一方、参照光源５０７から出力された光（参照光）は、第２の光サーキュレーター５２５に入射し、上記第１の光サーキュレーター５２４と同様の機能により、光スイッチ５２１に接続された端子から出射される。
光スイッチ５２１は、切換信号源５２３によって駆動され、２つの分枝端子を交番的に主枝端子に接続する。その結果、光スイッチ５２１の主枝端子には、波長可変光源５０１の出力光と参照光源５０７の出力光が、時間的に交互に伝達されて現れる。
このような時間多重された光は、第３の光サーキュレーター５２６に入射し、第１の光サーキュレーター５２４と同様の機能により、第１の光カップラー５０３に接続された端子から出射され、第１の光カップラー５０３に達して２光束に分岐される。第１の光カップラー５０３で分岐されたうちの一方の光束は、第１の光周波数シフタ５０８に入射し、ここでその周波数シフタの駆動周波数Ｆだけ光周波数が上方に遷移されて、周波数シフタ５０８を出射し、さらに被測定素子５０２を通過して、第２の光カップラー５０４に達する光路をたどる。第１の光カップラー５０３で分岐されたうちの他方の光束は、第２の光周波数シフタ５０９に入射し、ここでその周波数シフタの駆動周波数Ｆ＋ΔＦだけ光周波数が上方に遷移されて、周波数シフタ５０９を出射し、その後、参照遅延部５０５を通過し、第２の光カップラー５０４に達する光路をたどる。各々、第２の光カップラー５０４に達したこれら２光は、第２の光カップラー５０４において再び合波された後、光ファイバーを介して上記の第３の光サーキュレーター５２６に戻される。
戻されたその合波光は、第３の光サーキュレーター５２６の機能により、光スイッチ５２１の主枝端子に戻される。光スイッチ５２１の主枝端子は、この復路時にあっても、上記の往路時と同じ分枝端子への接続を保持している。その結果、光スイッチ５２１の２つの分枝端子には、波長可変光源５０１に由来する光と参照光源５０７に由来する光が、時間多重を解かれて現れる。即ち、測定光は第１の光サーキュレーター５２４に、また、参照光は第２の光サーキュレーター５２５に戻される。これら光は、その光サーキュレーター５２４、および５２５の機能により、各々対応する、第１の光検出器５０６、および第２の光検出器５１０にそれぞれ供給される。以上の動作により、第２の光カップラー５０４において合波された測定光の２光束は、第１の光検出器５０６のみにより、受光・検出され、第１の光検出器５０６に測定干渉信号の発生が現れる。一方、第２の光カップラー５０４において合波された参照光の２光束は、第２の光検出器５１０のみにより受光・検出され、第２の光検出器５１０に参照干渉信号の発生が現れる。
その後、測定干渉信号および参照干渉信号からの、被測定素子５０２の群遅延時間の算出動作については、上述の第３の実施形態の第１の構成に準じて行う。
（第４の実施形態）
以上で本発明の主要な実施形態について説明した。以下では、本発明の波長分散測定方法に付加的な機能を加えた実施形態を本発明の第４の実施形態として説明する。第４の実施形態において、２つの偏波を同時に分離測定する第１の構成を図９に、光ファイバグレーティング（ＦＢＧ）のような反射型の素子を被測定素子として測定する第２の構成を図１０に示す。
２つの偏波の同時測定機能は、比較的容易に付与し得る。図４に示した第１の実施形態の第２の構成、即ち、参照光と測定光の２光を、それぞれの偏波に基づいて分離・検出する構成を除けば、上記各実施形態の全ての構成にその同時測定機能を付加することができる。ここでは、その一例として、図６に示した第２の実施形態の第２の構成に２つの偏波の同時測定機能を付加した場合を、図９に例示する。
図９において、波長可変光源６０１から出力された光（測定光）は、第１の光アイソレータ６１９を通過した後、第１の光カップラー６０３に達して２光束に分岐される。第１の光カップラー６０３で分岐されたうちの一方の光束は、第１の光周波数シフタ６０８に入射し、ここで光周波数が遷移されて出射し、その後、被測定素子６０２を通過し、第２の光カップラー６０４に達する。第１の光カップラー６０３で分岐されたうちの他方の光束は、第２の光周波数シフタ６０９に入射し、ここで光周波数が遷移されて出射し、参照遅延部６０５を通過した後、第２の光カップラー６０４に達する。各々、第２の光カップラー６０４に達したこれら測定光の２光束は、第２の光カップラー６０４において再び合波される。
第２の光カップラー６０４で合波された測定光は、偏波分離器６２７に入射し、ここで互いに直交する２つの偏光成分に分離され、この各々の偏波成分が、２つの第１の光検出器６０６、および第３の光検出器６２８により受光・検出される。この際、参照遅延部６０５側の光路を経た測定光は、上記直交する２つの偏光成分の両方を有することが必要である。これを安定に実現するためには、第１の光アイソレータ６１９から偏波分離器６２７までの光路を、偏波保持型の導波路により形成し、その導波路にその主軸から４５°若しくは１３５°回転した偏光面を持つように、波長可変光源６０１の出力を結合・入射すれば良い。
一方、参照光源６０７から出力された光（参照光）は、第２の光アイソレータ６１９を通過した後、第２の光カップラー６０４に達して２光束に分岐される。第２の光カップラー６０４で分岐されたうちの参照光の一方の光束は、被測定素子６０２を通過し、さらに第１の光周波数シフタ６０８に入射し、ここで光周波数の遷移を受けた後に、第１の光カップラー６０３に達する。第２の光カップラー６０４で分岐されたうちの参照光の他方の光束は、参照遅延部６０５を通過し、さらに第２の光周波数シフタ６０９に入射して、ここで光周波数の遷移を受け、然る後、第１の光カップラー６０３に達する。各々、第１の光カップラー６０３に達したこれら参照光の２光束は、第１の光カップラー６０３において再び合波された後、第２の光検出器６１０により受光・検出される。以上の動作において、第１の光アイソレータ６１９、および第２の光アイソレータ６２０の機能は、上述した第２の実施形態の第２の構成に準ずる。
第２の光検出器６１０の出力（参照干渉信号）は、位相ロックループ６１１を経て振幅が安定化され、２つの位相計６１２および６２９にそれぞれ、周波数ΔＦの基準正弦波として供給される。一方、第１の光検出器６０６の出力（第１の測定干渉信号）は、第１の位相計６１２に給電され、参照干渉信号に対する、第１の測定干渉信号の相対位相、即ち１つの偏波成分の相対伝搬位相が、第１の位相計６１２の読みとして得られる。また、第３の光検出器６２８の出力（第２の測定干渉信号）は、第２の位相計６２９に給電され、参照干渉信号に対する、第２の測定干渉信号の相対位相、即ち他の偏波成分の相対伝搬位相が、第２の位相計６２９の読みとして得られる。これら読みとして得られる２つの相対位相を適切な記録手段（図示しない）を用いて記録しつつ、波長可変光源６０１の波長を掃引する。このようにして得られた測定波長（光周波数）点毎の２つの位相データに、各々アンラップ操作を施した後、前述の式（１）に則って数値微分を施せば、被測定素子６０２の、２つの直交偏波成分毎の群遅延時間が得られる。
被測定素子６０２の挿入前について上記２つの相対位相を、測定装置固有の背景データとしてあらかじめ記録しておき、被測定素子６０２の挿入後の２つの相対位相から、その背景データをそれぞれ減算した後に、上記の数値微分を施せば、２つの光カップラー６０３，６０４の間の２つの光路の位相の不平衡、および偏波依存性の影響を除去して、被測定素子６０２の群遅延時間が偏波成分毎に正確に得られる。
次に、図１０の第２の構成を説明する。反射型の素子の測定機能は、図３に示した第１の実施形態の第１の構成、ならびに図５に示した第２の実施形態の第１の構成、即ち、参照光と測定光の２光を、伝搬方向に基づいて分離・検出する構成を除けば、上記の各実施形態の全ての構成に付加することができる。ただし、被測定素子および参照遅延部の中点において光路を折り返し、反射により戻る光の分離に光サーキュレーターを用いる必要がある。上記においてこれに最も近似した構成は、図８に示した第３の実施形態の第２の構成である。そこで、ここでは、その第３の実施形態の第２の構成に、反射型素子の測定機能を付加した場合を、図１０に例示する。
図１０において、波長可変光源６０１から出力された光（測定光）は、第１の光サーキュレーター６２４に入射する。第１の光サーキュレーター６２４に入射した測定光は、上述した光サーキュレーターの機能により光スイッチ６２１に接続された端子から出射される。一方、参照光源６０７から出力された光（参照光）は、第２の光サーキュレーター６２５に入射し、同様の光サーキュレーターの機能により、光スイッチ６２１に接続された端子から出射される。
光スイッチ６２１は、切換信号源６２３によって駆動され、２つの分枝端子を交番的に主枝端子に接続する。その結果、光スイッチ６２１の主枝端子には、波長可変光源６０１の出力光と参照光源６０７の出力光が、時間的に交互に伝達されて現れる。
このような時間多重された光は、光カップラー６０３に達して２光束に分岐される。光カップラー６０３で分岐されたうちの一方の光束は、第１の光周波数シフタ６０８に入射し、ここでその周波数シフタの駆動周波数Ｆだけ光周波数が上方に遷移されて、周波数シフタ６０８を出射し、被測定素子６０２に入射する。被測定素子６０２で反射した時間多重光は、第１の光周波数シフタ６０８を再び通過した後、光カップラー６０３に戻る。光カップラー６０３で分岐されたうちの他方の光束は、第２の光周波数シフタ６０９に入射し、ここでその周波数シフタの駆動周波数Ｆ＋ΔＦだけ光周波数が上方に遷移されて、周波数シフタ６０９を出射し、その後、参照遅延部６０５を通過して端面鏡（反射鏡）６３０に達する。端面鏡６３０で反射された光は、参照遅延部６０５を経て、第２の光周波数シフタ６０９を再び通過し、光カップラー６０３に戻る。
各々、光カップラー６０４に戻ったこれら２光は、光カップラー６０４において再び合波された後、光スイッチ６２１の主枝端子に戻される。光スイッチ６２１の主枝端子は、この復路時にあっても、上記往路時と同じ分枝端子への接続を保持している。その結果、光スイッチ６２１の２つの分枝端子には、波長可変光源６０１に由来する光と参照光源６０７に由来する光が、時間多重を解かれて現れる。即ち、測定光は第１の光サーキュレーター６２４に、また、参照光は第２の光サーキュレーター６２５に戻される。これら戻り光は、光サーキュレーター６２４、および６２５の機能により、各々、対応する第１の光検出器６０６、および第２の光検出器６１０に供給される。以上の動作により、光カップラー６０３において合波された測定光の２光束は、第１の光検出器６０６のみにより受光・検出され、第１の光検出器６０６に測定干渉信号の発生が現れる。一方、光カップラー６０３において合波された参照光の２光束は、第２の光検出器６１０のみにより受光・検出され、第２の光検出器６１０に参照干渉信号の発生が現れる。
その後、測定干渉信号および参照干渉信号からの、被測定素子５０２の群遅延時間の算出動作については、上述の第３の実施形態の第２の構成に準じて行えば良い。但し、本例の場合には、位相計６１２に与えられる正弦波の周波数は、２ΔＦであるので、上述の第３の実施形態の場合の２倍になる。これは本構成では、分岐された２光束の各々が、再び合波される迄に、都合２回、同一の周波数シフタを通過するためである。この結果、本例の場合の光スイッチ６２１の切換周波数は、上述の第３の実施形態の場合の、２倍とするのが望ましい。
以上論述したように、参照光と測定光の２光の分離・検出に関る方式のうちで、２つの偏波の同時測定機能と、反射型の素子の測定機能の２つの付加機能の両方を共に行えるのは、平行光路による空間的な分離、波長による分離、および時間による分離の３つである。これらの３つの方策の内で、導波型光素子に適用可能なのは後の２者（波長による分離、および時間による分離）であり、さらに参照光と測定光を同一の波長とできるのは、時間による分離法による場合である。従って、時間による分離方式は、本発明の実施形態中、最も汎用性に富むといえる。
（その他の実施形態）
上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形、上述した実施形態の部分的組み合わせは、全て本発明の実施形態に含まれる。
本発明の波長分散測定の基本構成を示す光路図である。 本発明による光路長変動への耐性の原理を示す波形図である。 本発明の第１の実施形態における測定光と参照光が対向伝搬する構成を示す光路図である。 本発明の第１の実施形態における測定光と参照光を偏波分離する構成を示す光路図である。 本発明の第２の実施形態における測定光と参照光を波長分離する構成を示す光路図である。 本発明の第２の実施形態における測定光と参照光が対向伝搬する構成を示す光路図である。 本発明の第３の実施形態における測定光と参照光を時間分離する第１の構成を示す光路図である。 本発明の波長分散測定方法の第３の実施形態における測定光と参照光を時間分離する第２の構成を示す光路図である。 本発明の第４の実施形態における２つの偏波を同時に分離測定する構成を示す光路図である。 本発明の第４の実施形態における反射型の被測定素子を測定する構成を示す光路図である。 従来の波長分散測定の変調法の構成例を示す光路図である。 従来の波長分散測定の干渉法の構成例を示す光路図である。
符号の説明
１０１ 波長可変光源
１０２ 被測定素子
１０３，１０４ 半透鏡
１０５ 参照遅延部
１０６ 光検出器
１０７ 参照光源
１０８，１０９ 光周波数シフタ
１１０ 光検出器
１１１ 位相ロックループ
１１２ 位相計
１１３，１１４ 反射鏡
１１５，１１６ 開口
３０１ 波長可変光源
３０２ 被測定素子
３０３，３０４ 半透鏡
３０５ 参照遅延部
３０６ 光検出器
３０７ 参照光源
３０８，３０９ 光周波数シフタ
３１０ 光検出器
３１１ 位相ロックループ
３１２ 位相計
３１３，３１４ 反射鏡
３１５，３１６ 偏光子
４０１ 波長可変光源
４０２ 被測定素子
４０３，４０４ 光カップラー
４０５ 参照遅延部
４０６ 光検出器
４０７ 参照光源
４０８，４０９ 光周波数シフタ
４１０ 光検出器
４１１ 位相ロックループ
４１２ 位相計
４１７，４１８ 波長合分波器
４１９，４２０ アイソレータ
５０１ 波長可変光源
５０２ 被測定素子
５０３，５０４ 光カップラー
５０５ 参照遅延部
５０６ 光検出器
５０７ 参照光源
５０８，５０９ 光周波数シフタ
５１０ 光検出器
５１１ 位相ロックループ
５１２ 位相計
５２１，５２２ 光スイッチ
５２３ 切換信号源
５２４，５２５，５２６ 光サーキュレーター
６０１ 波長可変光源
６０２ 被測定素子
６０３，６０４ 光カップラー
６０５ 参照遅延部
６０６ 光検出器
６０７ 参照光源
６０８，６０９ 光周波数シフタ
６１０ 光検出器
６１１ 位相ロックループ
６１２ 第１の位相計
６１９，６２０ アイソレータ
６２１ 光スイッチ
６２３ 切換信号源
６２４，６２５ 光サーキュレーター
６２７ 偏波分離器
６２８ 光検出器
６２９ 第２の位相計
６３０ 端面鏡
７０１ 波長可変光源
７０２ 被測定素子
７０３，７０４ 光カップラー
７０５ 参照遅延部
７０６ 光検出器
７３１ 変調器
７３２ 変調信号源
７３３ 光検出器
７３４ 位相計
７３５ 波形記録器

Claims (16)

  1. 波長可変光源を用いて被測定素子の波長分散を測定する方法において、
    前記波長可変光源からの光を２光束に分岐し、
    前記２光束の一方の光束を第１の光周波数シフタおよび前記被測定素子を含む第１の光路に伝搬させ、
    前記２光束の他方の光束を前記第１の周波数シフタの周波数シフトとは異なる周波数シフトを有する第２の光周波数シフタを含む第２の光路に伝搬させ、
    前記第１の光路を伝搬した光と前記第２の光路を伝搬した光とを合波し干渉させて測定干渉信号を取得し、
    参照光源からの参照光を２光束に分岐し、
    参照光の前記２光束の一方の光束を前記第１の光路に伝搬させ、
    参照光の前記２光束の他方の光束を前記第２の光路に伝搬させ、
    前記第１の光路を伝搬した参照光の光束と前記第２の光路を伝搬した参照光の光束とを合波し干渉させて参照干渉信号を取得し、
    前記参照干渉信号に対する前記測定干渉信号の相対位相を前記波長可変光源の波長を変化させつつ記録し、
    記録された前記相対位相を光周波数について微分して、前記被測定素子の波長分散を測定する
    ことを特徴とする波長分散測定方法。
  2. 前記波長可変光源からの光と、前記参照光源からの光が、前記第１の光路および前記第２の光路において、互いに逆方向に伝搬する
    ことを特徴とする請求項１に記載の波長分散測定方法。
  3. 前記波長可変光源からの光と前記参照光源からの光に、前記２光束への分岐の前に、それぞれ個別の光アイソレータを作用させる
    ことを特徴とする請求項２に記載の波長分散測定方法。
  4. 前記波長可変光源からの光と、前記参照光源からの光が、前記第１の光路および前記第２の光路において、互いに直交する偏波を有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の波長分散測定方法。
  5. 前記第１の光路を伝搬した光と前記第２の光路を伝搬した光の合波・干渉光に、波長分波器を作用させて、前記測定干渉信号と前記参照干渉信号を分離して得る
    ことを特徴とする請求項１に記載の波長分散測定方法。
  6. 前記波長可変光源からの光と前記参照光源からの光とが、第１の光スイッチにより交番的に選択出射され、
    前記交番的に選択出射され光が２光束に分岐され、
    前記２光束の一方の光束が前記第１の光路を伝搬し、
    前記２光束の他方の光束が前記第２の光路を伝搬し、
    前記第１の光路と前記第２の光路それぞれ伝搬してきた２光の合波・干渉光を、前記第１の光スイッチに同期して交番的に別々のポートへ選択出射する第２の光スイッチにより、前記測定干渉信号と前記参照干渉信号を分離して取得する
    ことを特徴とする請求項１に記載の波長分散測定方法。
  7. 前記波長可変光源からの光と前記参照光源からの光とが、光スイッチにより交番的に選択出射され、
    前記交番的に選択出射され光が２光束に分岐され、
    前記２光束の一方の光束が前記第１の光路を伝搬し、
    前記２光束の他方の光束が前記第２の光路を伝搬し、
    前記第１の光路を伝搬した光と前記第２の光路を伝搬した光とを合波・干渉させた２光の合波・干渉光を再び前記光スイッチに戻し、
    前記光スイッチを介して前記波長可変光源に戻る光として前記測定干渉信号を取得し、
    前記光スイッチを介して前記参照光源に戻る光として前記参照干渉信号を得る
    ことを特徴とする請求項１に記載の波長分散測定方法。
  8. 前記測定干渉光を直交２偏波に分離して、各偏波についてそれぞれ測定干渉信号を取得し、
    前記参照干渉信号に対する偏波毎に前記測定干渉信号の相対位相を前記波長可変光源の波長を変化させつつ記録する
    ことを特徴とする請求項１から３、および５から７のいずれかに記載の波長分散測定方法。
  9. 前記波長可変光源からの光と前記参照光源からの光とが、光スイッチにより交番的に選択出射され、
    前記交番的に選択出射され光が２光束に分岐され、
    前記２光束の一方の光束が前記第１の光路を伝搬し前記被測定素子内で反射して該光路を戻り、
    前記２光束の他方の光束が前記第２の光路を伝搬し該光路の端部で反射して該光路を戻り、
    前記第１の光路を伝播して戻った光と前記第２の光路を伝播して戻った光とを合波・干渉させた２光の合波・干渉光を再び前記光スイッチに戻し、
    前記光スイッチを介して前記波長可変光源に戻る光として前記測定干渉信号を取得し、
    前記光スイッチを介して前記参照光源に戻る光として前記参照干渉信号を得る
    ことを特徴とする請求項１に記載の波長分散測定方法。
  10. 波長可変光源と、
    参照光源と、
    前記波長可変光源および前記参照光源からの光をそれぞれ２光束に分岐する光分波手段と、
    前記２光束の一方の光束が伝搬する第１の光周波数シフタおよび波長分散測定の対象である被測定素子を含む第１の光路と、
    前記２光束の他方の光束が伝搬する前記第１の周波数シフタの周波数シフトとは異なる周波数シフトを有する第２の光周波数シフタを含む第２の光路と、
    前記第１の光路を伝搬した光と前記第２の光路を伝搬した光とを合波し干渉させて測定干渉信号および参照干渉信号を取得する光合波手段と、
    前記参照干渉信号に対する前記測定干渉信号の相対位相を前記波長可変光源の波長を変化させつつ記録し、記録された前記相対位相を光周波数について微分して、前記被測定素子の波長分散を測定する位相計と
    を具備することを特徴とする波長分散測定装置。
  11. 前記光分波手段と前記光合波手段はそれぞれ同一機能の第１と第２の光合分波手段であり、前記波長可変光源からの光と、前記参照光源からの光が、前記第１の光路および前記第２の光路において、互いに逆方向に伝搬するように、前記波長可変光源からの光が前記第１の光合分波手段に入射され、前記参照光源からの光が前記第２の光合分波手段に入射される配置構成を有することを特徴とする請求項１０に記載の波長分散測定装置。
  12. 前記波長可変光源からの光と前記参照光源からの光に、前記２光束への分岐の前に作用させる、それぞれ個別の光アイソレータを有することを特徴とする請求項１１に記載の波長分散測定装置。
  13. 前記光合波手段から得られる前記測定干渉信号と前記参照干渉信号とを分離する波長分波器を有することを特徴とする請求項１０に記載の波長分散測定装置。
  14. 前記波長可変光源からの光と前記参照光源からの光とを前記光分波手段に対して交番的に選択出射する第１の光スイッチと、
    前記第１の光路と前記第２の光路それぞれ伝搬してきた２光の合波・干渉光を、前記第１の光スイッチに同期して交番的に別々のポートへ選択出射する第２の光スイッチと
    を有することを特徴とする請求項１０に記載の波長分散測定装置。
  15. 前記波長可変光源からの光と前記参照光源からの光とを前記光分波手段に対して交番的に選択出射する光スイッチと、
    前記第１の光路を伝搬した光と前記第２の光路を伝搬した光とを合波・干渉させた２光の合波・干渉光を再び前記光スイッチに戻す光学手段と
    を有することを特徴とする請求項１０に記載の波長分散測定装置。
  16. 前記測定干渉光を直交２偏波に分離して各偏波についてそれぞれ測定干渉信号を取得する偏波分離器を有することを特徴とする請求項１０から１５のいずれかに記載の波長分散測定装置。
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