JP2011017649A

JP2011017649A - 光スペクトル計測装置

Info

Publication number: JP2011017649A
Application number: JP2009163206A
Authority: JP
Inventors: Takashi Kurokawa; 隆志黒川; Tatsutoshi Shioda; 達俊塩田
Original assignee: Nagaoka University of Technology NUC; Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Current assignee: Nagaoka University of Technology NUC; Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Priority date: 2009-07-09
Filing date: 2009-07-09
Publication date: 2011-01-27
Anticipated expiration: 2029-07-09
Also published as: JP5807222B2

Abstract

【課題】
幅広い周波数範囲での掃引が可能な光スペクトル計測装置を提供する。
【解決手段】
コム光密度低減器１２は、周波数コム光要素を、それぞれ２つごとに選択した２つの低密度周波数コム光Ｃ₁，Ｃ₂に配分し、Ｃ₁，Ｃ₂の１つを順次選択して出射し、掃引用変調器１３は、Ｃ₁，Ｃ₂を入射し掃引を行い、ビート生成器１４は、掃引用変調器１３から出射された低密度周波数コム光Ｃ₁，Ｃ₂に特定周波数の参照光を加えてビートを生成し、受光器１４はビート生成器１３の出射光を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、周波数コム光を用いた光スペクトル計測装置に関し、高分解能で広帯域な周波数範囲での掃引が可能な光スペクトル計測装置に関する。

従来、周波数コム光を用いた光スペクトル計測装置として図７に示す構成の装
置が知られている（特許文献１等参照）。
この光スペクトル計測装置８では、光コム光源８１が、たとえば４ＴＨｚの範囲で、コム間隔が１０ＧＨｚの光周波数コムを発生する。

波長可変フィルタ８２は、光周波数コムを入射し、この光周波数コムを構成する成分光のうち１つの成分光を通過させる。
ＳＳＢ光変調器８３は、波長可変フィルタ８２からの成分光を入射し、所定掃引幅（１０ＧＨｚ）で周波数掃引（たとえば数ｋＨｚから１ＭＨｚ程度）された信号を試料８５に照射する。そして、受光器８４は、試料８５からの透過光を受光する。

なお、図示しない制御装置は、波長可変フィルタ８２の通過特性を制御信号により変更制御し、かつＳＳＢ変調器８３に与える掃引信号を制御するとともに、受光器８４が検出した信号をスペクトラムとして解析し、解析結果をディスプレイ等に出力する。
図７の光スペクトル計測装置８では、図８（Ａ）に示すように、計測範囲が４ＴＨｚの設定してあり、コム間隔は概ね１０ＧＨｚである。波長可変フィルタ８２により、光周波数コムのうちから１つのコム成分（図８（Ｂ）ではＦｎ）を抽出する（切り出す）。この光スペクトル計測装置８によれば、計測範囲は大幅に拡大する。

そして、図８（Ｃ）に示すように、ＳＳＢ変調装置８３により、連続的な掃引が行われ、最終的には１００ｋＨｚ以下の計測精度が実現される。

特開２００７−２１２４２７

しかし、図７に示した光スペクトル計測装置８では、ＳＳＢ変調器８３は波長が大きく変わると印加電圧を調整しなおさねばならない。このため、一度に大きな波長範囲を測定する場合には不向きである。
また、図７に示した光スペクトル計測装置８では、波長可変フィルタ８２では、１つのコムのみを切り出さねばならないが、このようなフィルタを安価に作成することは容易ではない。

本発明の目的は、上記の問題を解決するために提案されたものであって、幅広い周波数範囲での掃引が可能な光スペクトル計測装置を提供することである。

本発明は、〔１〕から〔４〕を要旨とする。
〔１〕
周波数コム光源と、コム光密度低減器と、掃引用変調器と、ビート生成器と、受光器とを備え、前記ビート生成器の入射光側に試料がセットされる光スペクトル計測装置において、
前記コム光密度低減器は、前記周波数コム光源が生成する周波数コム光を構成する周波数コム光要素を、それぞれ所定数ごとに選択した複数の低密度周波数コム光（典型的には、Ｎごとに選択したＮの低密度周波数コム光。ただし、Ｎは２以上の整数）に配分し、当該分配した低密度周波数コム光の中から１つを順次選択して出射し、
前記掃引用変調器は、前記コム光密度低減器からの低密度周波数コム光を入射し、当該低密度周波数コム光を構成する周波数コム光要素のそれぞれについて掃引を行い、
前記ビート生成器は、前記各周波数コム光要素がそれぞれ掃引されてなる前記掃引用変調器から出射された低密度周波数コム光に特定周波数の参照光を加えてビートを生成し、
前記受光器は前記ビート生成器の出射光を検出する、
ことを特徴とする光スペクトル計測装置。

〔２〕
前記コム光密度低減器が、１または２以上の、インターリーバと光切換器との組から構成され、
前記インターリーバは、前記周波数コム光源が生成する周波数コム光を、それぞれ所定数ごとに選択した複数の低密度周波数コム光に配分して出射し、
前記光切換器は、インターリーバから出射される前記複数の低密度周波数コム光の中から１つを順次選択して出射する、
ことを特徴とする〔１〕に記載の光スペクトル計測装置。

〔３〕
前記掃引用変調器として光位相変調器を用いたことを特徴とする〔１〕または〔２〕に記載の光スペクトル計測装置。

〔４〕
前記受光器は、
前記ビート生成器の出射光を受光して電気信号に変換する光電変換器と、
前記光電変換器の低周波成分を通過させるローパスフィルタと、
を含むことを特徴とする〔１〕から〔３〕の何れかに記載の光スペクトル計測装置。

本発明の光スペクトル計測装置によれば、インターリーバにより高密度の周波数コム光を低密度化して処理を行うので、幅広い周波数範囲での掃引が可能となる。また、波長可変フィルタを使用していないので、幅広い周波数範囲でのスペクトルを一度に測定することができる。

また、掃引用変調器として光位相変調器を使用することで、調整が簡単ないし不要とできるし、高分解能かつ低損失の周波数掃引を行うことができる。
これにより、安定した測定結果を得ることができる。

さらに、掃引用変調器とビート生成器と受光器とをユニットとして複数備える構成では、単一試料についてのマルチパス測定、あるいは複数試料の同時測定を行うこともできる。

図１は本発明の光スペクトル計測装置の一実施形態を示す説明図である。（Ａ）はＮ＝２のときの周波数コム光を示す図、（Ｂ），（Ｃ）は低密度周波数コム光を示す図である。（Ａ）はビート生成器の具体的構成を示す図、（Ｂ）は受光器の具体的構成を示す図である。コム光密度低減器が、１つのインターリーバと１つの光切換器から構成され、周波数コム光源が生成するコム光要素を２つごとに選択して２つの低密度周波数コム光を生成する光スペクトル計測装置を示す図である。コム光密度低減器が、２つのインターリーバと２つの光切換器から構成され、周波数コム光源が生成するコム光要素を４つごとに選択して２つの低密度周波数コム光を生成する光スペクトル計測装置を示す図である。（Ａ）はコム光密度低減モジュールから構成したコム光密度低減器を示す図であり、（Ｂ）は周波数コム光と、中間密度周波数コム光と、低密度周波数コム光との周波数配置関係を示す図である。従来の周波数コム光を用いた光スペクトル計測装置の説明図である。（Ａ）は周波数コム光を示す図、（Ｂ）は光周波数コムのうちから１つのコム成分を切り出した様子を示す図、（Ｃ）は切り出したコム成分についてＳＳＢ変調装置により、連続的な掃引を行なう様子を示す図である。

図１は本発明の光スペクトル計測装置の一実施形態を示す説明図である。
図１において、光スペクトル計測装置１は、周波数コム光源１１と、コム光密度低減器１２と、掃引用変調器１３と、ビート生成器１４と、受光器１５と、制御装置１６と、表示出力装置１７とがこの順で接続されおり、ビート生成器１４の入射光側には試料１８がセットされている。

周波数コム光源１１は周波数コム光Ｌ１を生成し、このコム光Ｌ１をコム光密度低減器１２に出力する。
コム光密度低減器１２は、制御装置１６からの制御信号ＳＷにより動作するもので、周波数コム光Ｌ１を構成する周波数コム光要素を、それぞれ所定数ごとに選択した複数の低密度周波数コム光（典型的には、Ｎごとに選択したＮの低密度周波数コム光。ただし、Ｎは２以上の整数）に配分し、当該分配した低密度周波数コム光の中から１つを順次選択して出射する。

図１ではコム光密度低減器１２の出射光をＬ２で示す。なお、コム光密度低減器１２は、図４，図５において後述するようにインターリーバと光切換器とから構成できる。

Ｎの低密度周波数コム光をＣ₁，Ｃ₂，・・・，Ｃ_Nとすると、これらは以下のように表わすことができる。
Ｃ₁：｛Ｘ₀，Ｘ₀±Ｎ，Ｘ₀±２Ｎ，・・・・｝，
Ｃ₂：｛Ｘ₀±１，Ｘ₀±（Ｎ＋１），Ｘ₀±（２Ｎ＋１），・・・・｝，
Ｃ₃：｛Ｘ₀±２，Ｘ₀±（Ｎ＋２），Ｘ₀±（２Ｎ＋２），・・・・｝，
・・・
Ｃ_N：｛Ｘ₀±（Ｎ−１），Ｘ₀±（Ｎ＋（Ｎ−１）），Ｘ₀±（２Ｎ＋（Ｎ−１）），・・・・｝

ここで、中括弧内の数字は、周波数コム光要素に負を含む連続番号を付与したときの当該番号であり、Ｘ₀は周波数コム光を構成する周波数コム光要素に付された任意番号である。

図２（Ａ）にＮ＝２のときの周波数コム光Ｌ１を示し、図２（Ｂ），（Ｃ）に低密度周波数コム光Ｃ₁，Ｃ₂を示す。図２（Ａ）〜（Ｃ）では、Ｘ₀＝０としてある。

掃引用変調器１３は制御装置１６からの制御信号ＳＷＰにより動作するもので、コム光密度低減器１２の出射光Ｌ２（低密度周波数コム光Ｃ₁，Ｃ₂，・・・，Ｃ_Nの何れか１つ）を入射し、当該低密度周波数コム光を構成する周波数コム光要素のそれぞれについて掃引を行う。掃引用変調器１３として光位相変調器を用いることで、より高分解能の周波数掃引を行うことができる。

ビート生成器１４は制御装置１６からの制御信号ＴＷにより動作するもので、各周波数コム光要素がそれぞれ掃引されてなる掃引用変調器１３から出射された低密度周波数コム光Ｌ３に特定周波数の参照光Ｌｒｅｆを加えてビートを生成する。

ビート生成器１４は、図３（Ａ）に示すように、参照用光源１４１と、合波器１４２とから構成することができる。合波器１４２は、低密度周波数コム光Ｌ３と、参照用光源１４１が発生する参照用光Ｌｒｅｆとを合波してＬ４として出射する。

受光器１５は、ビート生成器１４の出射光Ｌ４を検出する。受光器１５は、図３（Ｂ）に示すように、光電変換器１５１とローパスフィルタ１５２とビート検出器１５３とから構成できる。光電変換器１５１は、ビート生成器１４の出射光Ｌ４を受光してビート電気信号Ａ１に変換し、ローパスフィルタ１５２は高次のビート電気信号を除去した信号Ａ２を生成し、ビート検出器１５３は低次のビート信号Ａ２の電圧値等を検出してデジタル処理等の処理が可能な情報に変換する。

制御装置１６は、受光器１５が検出した信号をスペクトラムとして解析し、前述したようにコム光密度低減器１２と、掃引用変調器１３と、ビート生成器１４に制御信号を送出する。
表示出力装置１７は、制御装置１６による解析をディスプレイに表示し、あるいはプリンタに出力する。

図４は本発明の光スペクトル計測装置の具体的な実施形態を示す説明図である。
図４における、光スペクトル計測装置１は、周波数コム光源１１と、コム光密度低減器１２と、掃引用変調器１３と、ビート生成器１４と、受光器１５と、制御装置１６と、表示出力装置１７とがこの順で接続されおり、ビート生成器１４の入射光側には試料１８がセットされている。

周波数コム光源１１は周波数コム光Ｌ１を生成し、このコム光Ｌ１をコム光密度低減器１２に出力する。コム光密度低減器１２においてインターリーバ１２１は、周波数コム光源１１からの周波数コム光Ｌ１を受光し、低密度周波数コム光Ｃ₁，Ｃ₂を生成する。光切換器１２２は、制御信号１６からの制御信号（切換信号ＳＷ）により、Ｃ₁，Ｃ₂の何れかを選択して掃引用変調器１３に送出する。

掃引用変調器１３は、光切換器１２２の出射光Ｌ２（低密度周波数コム光Ｃ₁またはＣ₂）を入射し、制御信号１６からの制御信号（掃引信号ＳＷＰ）に基づき、Ｃ₁またはＣ₂を構成する周波数コム光要素のそれぞれについて掃引を行う。

上述したように、ビート生成器１４は、掃引用変調器１３からの掃引された低密度周波数コム光Ｌ３に、制御信号（検波用信号ＴＷ）により与えられる特定周波数の参照光Ｌｒｅｆを加えてビートを生成し受光器１５に送出し、受光器１５は、ビート生成器１４の出射光Ｌ４を検出する。

そして、制御装置１６は、受光器１５が検出した信号をスペクトラムとして解析し、表示出力装置１７は、解析をディスプレイに表示し、あるいはプリンタに出力する。

図５は、コム光密度低減器を２段に構成した光スペクトル計測装置１を示す説明図であり、コム光密度低減器１２をコム光密度低減モジュール１２Ａ，１２Ｂとから構成してある。

コム光密度低減器１２Ａにおいてインターリーバ１２１Ａは、周波数コム光源１１からの周波数コム光Ｌ１を受光し、低密度周波数コム光Ｃ₀₁，Ｃ₀₂を生成する。光切換器１２２Ａは、制御信号１６からの制御信号（切換信号ＳＷ１）により、Ｃ₀₁，Ｃ₀₂の何れかを選択してコム光密度低減器１２Ｂに送出する。

インターリーバ１２Ｂは、低密度周波数コム光Ｃ₀₁を入力しているときは低密度周波数コム光Ｃ₁，Ｃ₃を生成し、低密度周波数コム光Ｃ₀₂を入力しているときは低密度周波数コム光Ｃ₂，Ｃ₄を生成する。そして、光切換器１２２Ｂは、制御信号１６からの制御信号（切換信号ＳＷ２）により、低密度周波数コム光Ｃ₀₁を入力しているときは低密度周波数コム光Ｃ₁，Ｃ₃の何れかを、低密度周波数コム光Ｃ₀₂を入力しているときは低密度周波数コム光Ｃ₂，Ｃ₄の何れかを掃引用変調器１３に送出する。図６に、周波数コム光Ｌ１と、中間密度周波数コム光Ｃ₀₁，Ｃ₀₂と、低密度周波数コム光Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄との周波数配置関係を示す。

掃引用変調器１３は、コム光密度低減器１２の出射光Ｌ２（低密度周波数コム光Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄）を入射し、制御信号１６からの制御信号（掃引信号ＳＷＰ）に基づきＣ₁，Ｃ₂，Ｃ₃，Ｃ₄を構成する周波数コム光要素のそれぞれについて掃引を行う。

ビート生成器１４は、掃引用変調器１３からの掃引された低密度周波数コム光Ｌ３に、制御信号（検波用信号ＴＷ）により与えられる特定周波数の参照光Ｌｒｅｆを加えてビートを生成し受光器１５に送出し、受光器１５は、ビート生成器１４の出射光Ｌ４を検出する。

本発明の光スペクトル計測装置は、ガス成分の検出，結晶構造解析検出、流体速度検出等、幅広い分野での応用が可能である。

１光スペクトル計測装置
１１周波数コム光源
１２コム光密度低減器
１２Ａ，１２Ｂコム光密度低減モジュール
１３掃引用変調器
１４ビート生成器
１５受光器
１６制御装置
１７表示出力装置
１８試料
１２１，１２１Ａ，１２１Ｂインターリーバ
１２２，１２２Ａ，１２２Ｂ光切換器
１４１参照用光源
１４２合波器
１５１光電変換器
１５２ローパスフィルタ

Claims

周波数コム光源と、コム光密度低減器と、掃引用変調器と、ビート生成器と、受光器とを備え、前記ビート生成器の入射光側に試料がセットされる光スペクトル計測装置において、
前記コム光密度低減器は、前記周波数コム光源が生成する周波数コム光を構成する周波数コム光要素を、それぞれ所定数ごとに選択した複数の低密度周波数コム光（典型的には、Ｎごとに選択したＮの低密度周波数コム光。ただし、Ｎは２以上の整数）に配分し、当該分配した低密度周波数コム光の中から１つを順次選択して出射し、
前記掃引用変調器は、前記コム光密度低減器からの低密度周波数コム光を入射し、当該低密度周波数コム光を構成する周波数コム光要素のそれぞれについて掃引を行い、
前記ビート生成器は、前記各周波数コム光要素がそれぞれ掃引されてなる前記掃引用変調器から出射された低密度周波数コム光に特定周波数の参照光を加えてビートを生成し、
前記受光器は前記ビート生成器の出射光を検出する、
ことを特徴とする光スペクトル計測装置。
前記コム光密度低減器が、１または２以上の、インターリーバと光切換器との組から構成され、
前記インターリーバは、前記周波数コム光源が生成する周波数コム光を、それぞれ所定数ごとに選択した複数の低密度周波数コム光に配分して出射し、
前記光切換器は、インターリーバから出射される前記複数の低密度周波数コム光の中から１つを順次選択して出射する、
ことを特徴とする請求項１に記載の光スペクトル計測装置。
前記掃引用変調器として光位相変調器を用いたことを特徴とする請求項１または２に記載の光スペクトル計測装置。
前記受光器は、
前記ビート生成器の出射光を受光して電気信号に変換する光電変換器と、
前記光電変換器の低周波成分を通過させるローパスフィルタと、
を含むことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の光スペクトル計測装置。