JP2011513711A - 波長可変レーザの高精度波長測定と制御 - Google Patents
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Abstract
Description
1.方向性:波長測定がレーザの同調の方向についての情報を含むこと。
2.連続性:測定は、時間的にも連続的に、またレーザの同調範囲の全域に亘っても連続的に行うことができること。
3.高い正確度:分光技術及び光監視技術のような応用分野にとっては、サブ−ピコメートル(pm)レベルまでの正確度が望ましく、またいくつかの場合はそれが極めて重要となる。
4.高い精度:精度が最大で制御の正確度に等しくなければ、正確度はほとんど意味を持たない。正確度より数桁もよい精度があれば有利となる応用分野は多い。
5.絶対情報:絶対情報がなければ、相対波長測定値が得られるだけである。測定波長と実際の波長との間に未知の波長オフセットが存在することになろう。
6.ゼロまたは無視できるドリフト:短時間または長時間のドリフトに敏感な応用分野は多い。
7.短い待ち時間:この要請は制御システムおいて波長測定を利用する場合に特に当てはまる。待ち時間とは、レーザから光が出射してからレーザアクチュエータへ適当な訂正信号を入力するまでにかかる時間のことをいう。誤差信号の計算に要する時間が全待ち時間の大部分を占める。その待ち時間は帰還ループの帯域幅に反比例する。待ち時間を低減するためにより高い周波数での制御が利用できる。
図3に示した波長計42は、待ち時間が非常に短くドリフトが小さな、絶対測定であり、連続性および方向性を持つ測定であり、究極的に正確でかつ精密な波長測定であることを含む、[背景技術]にて記述した望ましい波長測定の特性のすべてを達成する。制御システムに集積化されると、波長設定値は既知でありよく理解されているものと仮定されるので、誤差信号は波長測定信号と同じこれらの望ましい特性のすべてを有し、波長可変レーザの究極的に精密な波長制御を可能にする。設定値波形が周期的性質を持つときは、これらの特性(この場合は適合しないので「待ち時間」は省く。)のすべては駆動されるアクチュエータの応答の位相反転が起こる周波数以上でも達成される。
Q(t)=KQ+AQcos(θ(t)+φ0)
ここでKI、KQは信号オフセット、AI、AQは振幅、φ0はIチャネルに対してQチャネルに与えられる位相オフセット、およびθは波長計の位相である。Iがx軸上にプロットされQがy軸上にプロットされた図6から分かるように、3x3結合器の場合には、両信号は楕円を形成し、その楕円はレーザの波長が増加の方向に走査されると1方向に追跡され、レーザが減少の方向に走査されると他方向に追跡される。図5Aおよび5Bに示した3x3結合器37の3出力端子の中でIとQが任意に選択されるのに依存して、楕円に沿った時計方向の動きは波長の増大、または減少のどちらかに対応する。この関係は、ハードウェア実装時に決められ(すなわち、3x3出力端子のどれが「I」および「Q」として引き出され識別されるかで決められ)、それゆえ、製造後は変わらない。
T信号は波長計の温度であり、TDC部品103は、温度からデジタルへの変換器である。上記したドリフト修正のための、波長計としての干渉計の温度測定法が用いられる場合にのみ、これらの部品(および60も)は必要である。アナログ電子回路ブロック104は、増幅器、電圧−電流変換器、フィルタなどのような部品を含み、DAC105の出力をフィルタにかけ、その範囲を対象のアクチュエータの入力範囲に変換する。デジタル−アナログ変換105およびアナログ信号調整104には、できるだけ、または実用上大きな誤差信号のダイナミックレンジが利用できるように、特別の注意が必要である。このことは以下により詳しく論じられる。誤差信号は直接的にDACを駆動するために用いることもでき、または誤差信号を適当な制御信号に変換するために制御アルゴリズム106を用いることもできる。このような制御アルゴリズムのために用いられる技術は制御システム理論の範疇でよく理解されており、本明細書の範囲を超えている。
y=cos(θ0−φ0)
ここでθ0は、波長計の位相設定値(光周波数の設定値に比例する。)。IおよびQ信号からDCオフセット63を除去すると、つぎに、非常に高速の帰還ループ内で用いることのできる誤差信号が、乗算器110、112および引き算器111を用いて次のように計算される。
この誤差信号のグラフは図17に示されている。現在の波長計の位相が設定値のほぼπ/4ラジアン以内である限り、誤差信号は光周波数にほぼ直線的である。上記の式の誤差信号は、アナログ電子回路ですべて計算することができる。波長計のFSRが注意深く選ばれていることは、誤差信号の周りの帰還ループを閉じるときに重要である。FSRのほぼ4分の1に亘って誤差信号が直線的であるので、FSRは、レーザがオープン・ループ動作にある時の(すなわち、帰還制御下ではない時の)レーザ光源の光の周波数雑音の少なくとも4倍に選ばれるべきである。
ここでは、図26Aおよび26Bの上2つのグラフに太線で示された所望の光周波数の波形νdes(t)のフーリエ変換である。システムは非線形であるので、この駆動する電圧に対するシステムの実際の結果の応答νobs(t)(図26Aおよび26Bにおける細線で示されている。)は所望の波長曲線からはかなり異なる。図26Cは、図26Aおよび26Bに示された応答を発生する、計算された差動制御信号を示す。
ここで、γは1より小さい帰還定数である。収束を保証するために、典型的には、1よりはるかに小さく、たとえば10分の1のような値が用いられる。いくつかの場合には、伝達関数は繰り返しプロセスに不安定性をもたらすゼロ点を持つ場合もある。それ故、正しい方向への修正を指示するために、伝達関数の位相のみを用いるのが有用である場合もある。この場合、繰り返しの式は
この繰り返しプロセスの最終結果の一例を図27Aおよび27Bに示す。小さな約10kHzの振動が帰還制御信号によって励振されるが、プロセスの更なる改善と放物線と回転点へのよりおだやかな遷移とによってこれは除去できる。この非因果律的、周期的信号法を用いて、高度に共振的で非線形なアクチュエータの非常に高い走査速度での、非常に厳しい制御が達成される。上記したガスセル修正法は、最適駆動形式のための繰り返し検索と並行して走らせることができる。レーザがこの高速掃引モードで動作しているという背景でこの全体のプロセスは、ファームウェアに縮小され、連続的に動作する。
本出願は、2008年2月21日出願の米国特許仮出願第61/030,429号と2009年1月22日出願の米国特許仮出願第61/146,448号の優先権と利益を主張するものであり、これらの出願は参照することによりその全体がここに取り込まれているものとする。
Claims (56)
- 波長可変レーザの波長を高速、低遅延かつ高い絶対精度でもって測定する装置であって、
それぞれ相対的な位相が実質的に0°でも180°でもない少なくとも2つの出力を有する干渉計と、
前記波長可変レーザの波長の可変範囲内にある少なくとも1つのスペクトル上の特徴値であって、前記装置が設置されることを想定された環境において変動しないスペクトル上の特徴値を有した波長標準器と、
前記波長標準器の前記スペクトル上の特徴値と、前記干渉計からの前記少なくとも2つの出力とを使用して、前記波長可変レーザの波長についての絶対的な測定値を生成する電子回路と
を備えたことを特徴とする装置。 - 前記波長可変レーザの波長についての絶対的な測定値についてのダイナミックレンジは160dBのオーダーであることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記波長可変レーザの波長についての絶対的な測定値は、数ピコメートル以下のオーダーの高い正確度を有し、かつ、数フェムトメートル以下のオーダーの高い精度を有し、そのドリフトは数ピコメートル以下のオーダーであることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記干渉計は、マッハ・ツェンダ干渉計、マイケルソン干渉計または光集積回路に形成された干渉計であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記波長標準器はガスセルを含み、前記少なくとも1つのスペクトル上の特徴値は前記ガスセルの吸収線のデータを含むことを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記少なくとも2つの出力は同位相(I)信号と直角位相(Q)信号であり、前記電子回路は、前記同位相(I)信号と前記直角位相(Q)信号を前記波長可変レーザの波長の相対的な測定値を表す連続的な位相信号に変換することを特徴とする請求項5に記載の装置。
- 前記電子回路は、前記連続的な位相信号をドリフトについて補償することを特徴とする請求項6に記載の装置。
- 前記電子回路は標準校正回路を含み、前記標準校正回路は、前記ガスセルの吸収線のデータを用いて前記連続的な位相信号の中に蓄積された縮尺と追跡に関する誤差を校正して、前記波長可変レーザの波長の絶対的な測定値を生成することを特徴とする請求項6に記載の装置。
- 前記標準校正回路は、前記連続的な位相信号に基づいて前記ガスセルの吸収線のデータを線形化することを特徴とする請求項8に記載の装置。
- 前記標準校正回路は、前記ガスセルの吸収線のデータにおける1つ以上のガスセル線を識別することを特徴とする請求項8に記載の装置。
- 前記標準校正回路は、整合フィルタを用いて前記ガスセルの吸収線のデータをフィルタリングし、フィルタリングされたデータの微分係数を決定することにより、前記1つ以上のガスセル線を識別することを特徴とする請求項8に記載の装置。
- 前記標準校正回路は、前記ガスセルの吸収線のデータにおいて隣接した2つのガスセル線の値間の差を使用して、前記波長可変レーザの波長の絶対的な測定値を識別することを特徴とする請求項8に記載の装置。
- 前記標準校正回路は、隣接した複数のガスセル線の値の間の差の1次の適合線を決定し、観測された波長間の差を前記波長可変レーザの波長の絶対的な測定値にマッピングすることを特徴とする請求項12に記載の装置。
- 前記標準校正回路は、前記1次の適合線に関連した誤差を校正することを特徴とする請求項13に記載の装置。
- レーザ出力を制御する波長可変レーザ制御システムであって、
所定の波長範囲内において波長を掃引される波長可変レーザと、
請求項1に記載の波長を測定する前記装置と、
前記装置によって測定された前記波長可変レーザの波長の絶対的な測定値と、予め設定された波長の設定値とを比較し、前記波長可変レーザの波長を制御する際に基礎となる誤差信号を生成する比較器と
を備えることを特徴とする波長可変レーザ制御システム。 - 前記誤差信号は、前記波長の掃引方向を示す方向情報と、絶対的な波長の誤差情報を示す信号であり、
前記誤差信号は、数ピコメートル以下のオーダーの高い正確度と、数フェムトメートル以下のオーダーの高い精度とをもち、ドリフトは数ピコメートル以下のオーダーであることを特徴とする請求項15に記載の波長可変レーザ制御システム。 - 前記誤差信号は低遅延を有し、前記低遅延は、前記誤差信号を生成し、かつ、前記レーザ出力の波長を制御するために使用されるフェードバックループの帯域幅に対して反比例する遅延時間であることを特徴とする請求項15に記載の波長可変レーザ制御システム。
- 前記電子回路によって生成される前記誤差信号のダイナミックレンジは、160dBのオーダーであることを特徴とする請求項15に記載の波長可変レーザ制御システム。
- 前記誤差信号をデジタル値としてデジタル的に決定して生成するデジタルフィードバックループと、
前記波長可変レーザの波長を制御するためのアナログの制御信号であって、前記デジタル値としての前記誤差信号から前記アナログの制御信号を生成するデジタルアナログ変換器と
をさらに備え、
前記デジタルアナログ変換器は16ビット以下のデジタルアナログ変換器であることを特徴とする請求項15に記載の波長可変レーザ制御システム。 - 前記デジタルアナログ変換器からの出力を積分して、前記波長可変レーザの波長を制御するために供給される前記アナログの制御信号を生成する積分器をさらに備えることを特徴とする請求項19に記載の波長可変レーザ制御システム。
- 前記波長可変レーザの波長を制御するためのアナログの制御信号であって、前記デジタル値としての前記誤差信号から前記アナログの制御信号を生成するデジタルアナログ変換器をさらに備え、
前記デジタルアナログ変換器は、デルタシグマ型のデジタルアナログ変換器であることを特徴とする請求項15に記載の波長可変レーザ制御システム。 - 前記誤差信号をアナログ値として生成して、前記波長可変レーザの波長を制御するアナログフィードバックループをさらに備えることを特徴とする請求項15に記載の波長可変レーザ制御システム。
- 前記アナログフィードバックループは、アナログ減算器に結合した第1のアナログ乗算器と、第2のアナログ乗算器を含むことを特徴とする請求項22に記載の波長可変レーザ制御システム。
- 干渉計からの2つの出力のそれぞれについて予め設定された設定値を生成する回路をさらに備え、
前記第1のアナログ乗算器と、前記第2のアナログ乗算器は、前記2つの出力をそれぞれ対応する設定値と乗算し、
前記アナログ減算器は、前記第1のアナログ乗算器と、前記第2のアナログ乗算器とからそれぞれ出力された値の間の差に基づいて、前記アナログの誤差信号を生成することを特徴とする請求項23に記載の波長可変レーザ制御システム。 - 前記干渉計からの2つの出力が、前記波長を測定する前記装置によって規定された楕円状の点を追跡することを保証するように、前記設定値が予め設定されていることを特徴とする請求項23に記載の波長可変レーザ制御システム。
- 前記誤差信号をデジタル値として決定して生成するデジタルフィードバックループと、
前記誤差信号をアナログ値として生成して、前記波長可変レーザの波長を制御するアナログフィードバックループと
をさらに備えることを特徴とする請求項15に記載の波長可変レーザ制御システム。 - 前記波長可変レーザは、
制御信号によって制御される複数のレーザアクチュエータを備え、
前記複数のレーザアクチュエータは、
ピエゾアクチュエータと、
MEMSモータと、
レーザダイオードと
のうちの2つ以上を含み、
前記デジタルフィードバックループは、前記複数のレーザアクチュエータのうちの1つを低い周波数応答でもって制御し、
前記アナログフィードバックループは、前記複数のレーザアクチュエータのうちの他のものを高い周波数応答でもって制御することを特徴とする請求項26に記載の波長可変レーザ制御システム。 - 前記波長の前記設定値は、時間とともに周期的に変動する設定値関数に基づいて決定される値であり、
前記波長可変レーザ制御システムは、さらに、
前記誤差信号を使用して、所望の周期的な設定値の波長信号を生成するように、前記設定値関数を制御する回路を備えることを特徴とする請求項15に記載の波長可変レーザ制御システム。 - 前記波長可変レーザ制御システムは、因果律に基づいて制御システムであることを特徴とする請求項15に記載の波長可変レーザ制御システム。
- 前記波長可変レーザ制御システムは、因果律に基づかない制御システムであることを特徴とする請求項15に記載の波長可変レーザ制御システム。
- 波長可変レーザの波長を高速、低遅延かつ高い絶対精度でもって測定する方法であって、
それぞれ相対的な位相が実質的に0°でも180°でもない少なくとも2つの出力を生成する干渉計を使用してレーザ出力を検出するステップと、
前記波長可変レーザの波長の可変範囲内にある少なくとも1つのスペクトル上の特徴値であって、前記装置が設置されることを想定された環境において変動しないスペクトル上の特徴値を有した波長標準器へ、前記レーザ出力を供給するステップと、
前記波長標準器の前記スペクトル上の特徴値と、前記干渉計からの前記少なくとも2つの出力とを使用して、前記波長可変レーザの波長についての絶対的な測定値を生成するステップと
を有することを特徴とする方法。 - 前記波長可変レーザの波長についての絶対的な測定値についてのダイナミックレンジは160dBのオーダーであることを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 前記波長可変レーザの波長についての絶対的な測定値は、数ピコメートル以下のオーダーの高い正確度を有し、かつ、数フェムトメートル以下のオーダーの高い精度を有し、そのドリフトは数ピコメートル以下のオーダーであることを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 前記波長標準器はガスセルを含み、前記少なくとも1つのスペクトル上の特徴値は前記ガスセルの吸収線を含むことを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 前記少なくとも2つの出力は同位相(I)信号と直角位相(Q)信号であり、
前記方法は、
前記同位相(I)信号と前記直角位相(Q)信号を前記波長可変レーザの波長の相対的な測定値を表す連続的な位相信号に変換するステップをさらに有することを特徴とする請求項34に記載の方法。 - 前記連続的な位相信号をドリフトについて補償するステップをさらに有することを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 前記ガスセルの吸収線のデータを用いて前記連続的な位相信号の中に蓄積された縮尺と追跡に関する誤差を校正して、前記波長可変レーザの波長の絶対的な測定値を生成するステップをさらに有することを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 前記連続的な位相信号に基づいて前記ガスセルの吸収線のデータを線形化するステップをさらに有することを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 前記ガスセルの吸収線のデータにおける1つ以上のガスセル線を識別するステップをさらに有することを特徴とする請求項31に記載の方法。
- 1つ以上のガスセル線を識別するために、
整合フィルタを用いて前記ガスセルの吸収線のデータをフィルタリングするステップと、
前記フィルタリングされたデータの微分係数を決定するステップと
を有することを特徴とする請求項39に記載の方法。 - 前記ガスセルの吸収線のデータにおいて隣接した2つのガスセル線の値間の差を決定するステップと、
前記差を使用して、前記波長可変レーザの前記絶対的な測定値を特定するステップと
を有することを特徴とする請求項39に記載の方法。 - 隣接した複数のガスセル線の値の間の差の1次の適合線を決定し、観測された波長間の差を前記波長可変レーザの波長の絶対的な測定値にマッピングするステップを有することを特徴とする請求項41に記載の方法。
- 前記1次の適合線に関連した誤差を校正するステップをさらに有することを特徴とする請求項42に記載の方法。
- レーザ出力を制御する方法であって、
所定の波長範囲内において波長可変レーザの波長を掃引するステップと、
それぞれ相対的な位相が実質的に0°でも180°でもない少なくとも2つの出力を生成する干渉計を使用してレーザ出力を検出するステップと、
前記波長可変レーザの波長の可変範囲内にある少なくとも1つのスペクトル上の特徴値であって、前記装置が設置されることを想定された環境において変動しないスペクトル上の特徴値を有した波長標準器へ、前記レーザ出力を供給するステップと、
前記波長標準器の前記スペクトル上の特徴値値と、前記干渉計からの前記少なくとも2つの出力とを使用して、前記波長可変レーザの波長についての絶対的な測定値を生成するステップと、
前記波長可変レーザの波長を測定する装置によって測定された前記絶対的な測定値と、予め設定された波長の設定値とを比較し、前記波長可変レーザの波長を制御する際に基礎となる誤差信号を生成するステップと、
前記誤差信号に基づいて前記波長可変レーザの波長を制御するステップと
を有することを特徴とする方法。 - 前記誤差信号は、前記波長の掃引方向を示す方向情報と、絶対的な波長の誤差情報を示す信号であり、
前記誤差信号は、数ピコメートル以下のオーダーの高い正確度と、数フェムトメートル以下のオーダーの高い精度とをもち、ドリフトは数ピコメートル以下のオーダーであることを特徴とする請求項44に記載の方法。 - 前記誤差信号のダイナミックレンジは、160dBのオーダーであることを特徴とする請求項44に記載の方法。
- デジタルフィードバックループを使用して、前記誤差信号をデジタル値としてデジタル的に決定して生成するステップをさらに有することを特徴とする請求項44に記載の方法。
- デジタルアナログ変換器を使用して、前記波長可変レーザの波長を制御するためのアナログの制御信号であって、前記デジタル値としての前記誤差信号から前記アナログの制御信号を生成するステップをさらに有し、
前記デジタルアナログ変換器は16ビット以下のデジタルアナログ変換器であることを特徴とする請求項47に記載の方法。 - 前記デジタルアナログ変換器からの出力を積分して、前記波長可変レーザの波長を制御するために供給される前記アナログの制御信号を生成するステップをさらに有することを特徴とする請求項48に記載の方法。
- デジタルアナログ変換器を使用して、前記波長可変レーザの波長を制御するためのアナログの制御信号であって、前記デジタル値としての前記誤差信号から前記アナログの制御信号を生成するステップをさらに有し、
前記デジタルアナログ変換器はデルタシグマ型のデジタルアナログ変換器であることを特徴とする請求項44に記載の方法。 - アナログフィードバックループを使用して、前記誤差信号をアナログ値として生成し、前記波長可変レーザの波長を制御するステップをさらに有することを特徴とする請求項44に記載の方法。
- 前記アナログフィードバックループは、アナログ減算器に結合した第1のアナログ乗算器と、第2のアナログ乗算器を含み、
前記方法は、
干渉計からの2つの出力のそれぞれについて予め設定された設定値を生成するステップをさらに有し、
前記第1のアナログ乗算器と、前記第2のアナログ乗算器は、前記2つの出力をそれぞれ対応する設定値と乗算し、
前記アナログ減算器は、前記第1のアナログ乗算器と、前記第2のアナログ乗算器とからそれぞれ出力された値の間の差に基づいて、前記アナログの誤差信号を生成することを特徴とする請求項44に記載の方法。 - 記干渉計からの2つの出力が、前記波長を測定する前記装置によって規定された楕円状の点を追跡することを保証するように、前記設定値が予め設定されていることを特徴とする請求項52に記載の方法。
- デジタルフィードバックループを使用して、前記誤差信号をデジタル値として決定して生成するステップと、
アナログフィードバックループを使用して、前記誤差信号をアナログ値として生成して、前記波長可変レーザの波長を制御するステップと
をさらに有することを特徴とする請求項44に記載の方法。 - 前記波長可変レーザは、制御信号によって制御される複数のレーザアクチュエータを備え、
前記デジタルフィードバックループは、前記複数のレーザアクチュエータのうちの1つを低い周波数応答でもって制御し、
前記アナログフィードバックループは、前記複数のレーザアクチュエータのうちの他のものを高い周波数応答でもって制御することを特徴とする請求項54に記載の方法。 - 前記波長の前記設定値は、時間とともに周期的に変動する設定値関数に基づいて決定され、
前記方法は、さらに、
前記誤差信号を使用して、所望の周期的な設定値の波長信号を生成するように、前記設定値関数を制御するステップを有することを特徴とする請求項44に記載の方法。
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