JP2008070385A - 掃引レーザ用波長校正装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】掃引レーザ12からの光出力の波長を正確且つ迅速に校正する。
【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。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、掃引レーザ（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。

光通信ネットワークは、コンポーネント（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 feedback: 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。

受動光学コンポーネントのスペクトル特性を測定するために、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。

これら２つの技術では、同調可能なレーザは、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。

この手順の本質的な課題は、波長メータに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。

受動コンポーネントのスペクトル特性を２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。

よって、良好な確度を維持しながら、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。

したがって、本発明は、掃引レーザの波長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。

本発明は、掃引レーザ（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（１７）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。

本発明は、掃引レーザに対して波長をほぼ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、３０）。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。

本発明の目的、利点及び新規な特徴は、添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。

よって、本発明による掃引レーザ用波長校正は、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。

図１は、本発明による掃引レーザ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、ＨｉＢｉ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、ＨｉＢｉ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２４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。

より簡単で、より安定し、ノイズの少ない光電気信号変換器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２７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。

再び図１を参照する。ガス吸収セル２８も第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２８及び検出器３０が基準手段を校正する。

この校正のアプローチは、次の２つである。

（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。

図２に示すように、波長の変化に応じて、偏光コンポーネント１８、２２及びＨｉＢｉファイバ２０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。

なお、λは、光の波長であり、φ'(λ)は、ＨｉＢｉファイバ２０における速い軸（fast axis）と遅い軸（slow 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。

偏光ビーム・スプリッタ２２のジョーンズ・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。

この式を拡張し、その複素共役と乗算し、θ＝４５度に設定し、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。

また、Pout2= E²sin(φ'(λ))²となる。

これら２つの出力式の和は、１に等しく、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。

図４は、長さが５０メートルで、ファイバの速い軸と遅い軸とのインデックスの差が０．０００３８８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、１,５５０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。

同様に、図３の干渉計１９において、２個の経路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。

ファイバ２０の正確な長さと、複数の固有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。

これは、第２結合器１６の第２脚部が入ってきた場合である。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。

掃引レーザ１２が走査を行う（波長を順次変化させる）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。

k1_known及びk2_knownが吸収スペクトル３４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k_unknownが次のように求まる。

k_unknown = k1_known + Δφ₂((k2_known - k1_known)/Δφ₁)図５の位相差から読み取って、k1_known =41023.991cm^-1、k2_known =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。

校正エラーを見積もるために、複数の既知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。

適切な精度は、検出器２４、２６、３０及び受信器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−１０ｄＢｍ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１０,０００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。

波形を取り込んで、これらを校正する。しかし、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。

本発明による掃引レーザ用波長校正装置のブロック図である。 本発明により、掃引レーザ波長を有する電気信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。 本発明により、掃引レーザ波長を有する電気信号循環を発生する干渉計のブロック図である。 本発明による循環電気信号発生器からの正弦波出力を示す図である。 本発明により、既知の吸収スペクトル線と重ね合わさった正弦波出力を示す図である。

符号の説明

１２ 掃引レーザ（同調可能なレーザ）
１４ 第１結合器
１６ 第２結合器
１７ 光電気信号変換器
１８ 偏光器
２０ ファイバ
２１ 経路
２３ 経路
２４ 検出器
２６ 検出器
２７ 光受信器
２８ ガス吸収セル
３０ 検出器
３２ 複合信号（循環波形）
３４ 吸収スペクトル（吸収線）
３６ サンプル

Claims (8)

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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
8. 上記基準ステップは、
   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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