JP2012042439A - 閉鎖系光回路の光信号増幅装置、吸光分析装置、および光メモリ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信号強度の減衰が少なく安定した光信号が得られる閉鎖系光回路の信号光増幅装置を提供する。
【解決手段】閉鎖系光回路或いは光周回回路として機能する環状光ファイバ１４に介挿され、それを周回する増幅光のスペクトルのうち第１波長λ１を含まない波長域の一部の通過を抑制する通過波長抑制域Ｒを変化させ得る波長可変フィルタ２２を有し、その波長可変フィルタ２２による上記増幅光のスペクトルの一部の通過を抑制する通過波長抑制域Ｒを変化させることにより、前記閉鎖系光回路内を伝播する増幅光のスペクトル内のうちの発振波長域Ｈを変更する発振域制御装置２６を、含むことから、波長可変フィルタ２２による増幅光のスペクトルの一部の通過を抑制する通過波長抑制域Ｒを変化させることにより、増幅光のスペクトルのうちの発振波長域Ｈを第１波長λ１に近接させることができるので、減衰の少ない強い第１波長の信号光ＬＳが安定して得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、閉鎖系に構成された光伝播経路内を繰り返し伝播する光を増幅して繰り返し数或いは繰り返し時間を長くすることができる閉鎖系光回路の信号光増幅装置に関するものである。

特許文献１および特許文献２に示されているように、光透過性を有する物質の吸光特性を利用して試料を分析する装置として、所謂キャビティリングダウン法を用いた吸光分析装置や、光信号を所定時間記憶させる光メモリなどには、光源から入力された第１波長の光が閉じられた光伝播経路内で繰り返し伝播させられる閉鎖系光回路が用いられる。たとえば、環状の光伝播経路に沿って光が周回的に伝播させられる光周回回路や、線状の光伝播経路に沿って光が往復的に伝播させられる光往復回路がそれである。このような閉鎖系光回路内において、パルス状レーザ光である入力光が繰り返し伝播させられた結果、その閉鎖系光回路内の伝播光の一部（十分の１乃至百分の１程度）が外部へ順次取り出される信号光は、時間経過に伴って強度が減衰するとともに、その減衰波形にノイズが混入してＳ／Ｎ比が低いという問題があった。このため、たとえば吸光分析装置では、パルス状レーザ光である入力信号の入力当初から上記信号光が１／ｅの光強度まで減衰するまでの時間であるリングダウンタイムが短く、しかも正確に得られないし、或いは、減衰率も同様に正確に得られないので、測定精度が十分に得られなかった。また、たとえば光メモリでは、記憶時間が十分に得られなかった。

特開２００４−３３３３３７号公報 特開２００７−０９３５２９号公報

これに対して、本発明者は、上記閉鎖系光回路から順次取り出される光信号の減衰やＳ／Ｎ比の低下を解消することを意図して、光増幅器を上記閉鎖系光回路内に介挿することで、その閉鎖系光回路内で繰り返し伝播する光を繰り返し増幅させることを着想し、そのように構成した閉鎖系光回路の信号光増幅装置を試作した。このような信号光増幅装置では、光増幅器を用いて閉鎖系光回路内で繰り返し伝播する光のゲインを高めようとすると、パルス状レーザ光である第１波長の入力光の波長とその波長に隣接する周囲波長の周囲光（自然光）とを含む相対的に幅広のスペクトル（波長帯）を有する大きなゲインの増幅光が閉鎖系光回路内で発生させられるので、その一部を閉鎖系光回路から外部へ取り出した増幅光から第１波長の光を通過させる波長選択器を通して第１波長の信号光すなわち出力光を得るように構成される。

しかしながら、上記のように閉鎖系光回路内に光増幅器を設けて上記信号光の減衰を少なくしてそのＳ／Ｎ比を高めようとすると、閉鎖系光回路内で繰り返し伝播する増幅光のスペクトルのうち最大ゲイン部分が発振し、その発振部分では極端に強弱を有する不安定な光となるので、閉鎖系光回路から取り出されて波長選択された第１波長の信号光はそのゲインは大きいかも知れないが、そのＳ／Ｎ比が十分に改善されず、安定した信号光が得られないという問題があった。このため、吸光分析装置では、測定が不安定となって測定精度が損なわれるという問題があり、光メモリでは、光信号が不安定となって記憶時間が十分に得られないという問題があった。

本発明は以上の事情を背景としてなされたものであり、その目的とするところは、信号強度の減衰が少なく安定した光信号が得られる閉鎖系光回路の信号光増幅装置を提供することにある。

本発明者は以上の事情を背景として種々検討を重ねた結果、光増幅器が介挿された閉鎖系光回路内において繰り返し伝播する光のスペクトルのうちの一部を局部的にカットし又はスペクトル全体を減衰させると、その光のスペクトルの発振が比較的局所的となって信号のベースラインが低下するとともに、そのカット又は抑制部分の波長域を移動させ又は減衰量を変化させると、上記増幅光のスペクトルの発振部分が移動する現象を見いだした。また、そのような現象を利用して、上記増幅光のスペクトルのうちの第１波長の信号光に近接して発振部分を移動させると、減衰が少なく且つ強い信号光が安定して得られるという事実を見いだした。本発明はこのような知見に基づいてなされたものである。

すなわち、請求項１に係る発明の要旨とするところは、（ａ）光源からの第１波長の光が入力されて閉鎖された光伝播経路内で繰り返し伝播させられる閉鎖系光回路と、該閉鎖系光回路に介挿され、前記第１波長の光を増幅して該第１波長の光および該第１波長に隣接する波長帯を有する周囲光を含む増幅光とするとともに、該増幅光のスペクトルの一部を発振させる光増幅器と、前記閉鎖系光回路から出力される前記増幅光の一部から前記第１波長の信号光を選択する波長選択器とを備え、該波長選択器により選択された該第１波長の信号光を周期的に出力する閉鎖系光回路の信号光増幅装置であって、（ｂ）前記閉鎖系光回路内で前記光増幅器により増幅された前記増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域を変更可能な発振域制御素子を有し、該発振域制御素子を用いて該増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域を前記第１波長から所定範囲内の位置に設定する発振域設定装置を、含むことにある。

また、請求項２に係る発明の要旨とするところは、請求項１に係る発明において、（ｃ）前記発振域設定装置は、前記閉鎖系光回路に介挿されて前記増幅光のスペクトルのうち前記第１波長を含まない波長域の一部の通過を抑制する通過波長抑制域を変化させ得る波長可変フィルタを有し、該波長可変フィルタによる前記増幅光のスペクトルの一部の通過を抑制する通過波長抑制域を変化させることにより、前記増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域を前記第１波長に隣接する位置に設定するものである。

また、請求項３に係る発明の要旨とするところは、請求項１または２に係る発明において、（ｄ）前記発振域設定装置は、前記閉鎖系光回路に介挿されて前記増幅光のゲインを変化させ得る可変減衰器を有し、該可変減衰器による前記増幅光のゲインを変化させることにより、前記増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域を前記第１波長に隣接する位置に設定するものであることにある。

また、請求項４に係る発明の要旨とするところは、請求項２に係る発明において、（ｅ）前記発振域設定装置は、前記周期的に出力される信号光の数または出力時間に基づいて前記波長可変フィルタの通過波長抑制域を手動操作又は自動操作にしたがって設定される通過波長抑制域操作器を、有することにある。

また、請求項５に係る発明の要旨とするところは、請求項３に係る発明において、（ｆ）前記発振域設定装置は、前記周期的に出力される信号光の数または出力時間に基づいて前記可変減衰器の減衰率を手動操作又は自動操作に従って設定する減衰率操作器を、有することにある。

また、請求項６に係る発明の要旨とするところは、１乃至５のいずれか１の発明において、（ｇ）前記閉鎖系光回路は、前記増幅光が環状の光伝播経路に沿って繰り返し周回させられる光周回回路であり、（ｈ）前記光増幅器および前記発振域制御素子は、該光周回回路に介挿されていることにある。

また、請求項７に係る発明の要旨とするところは、１乃至５のいずれか１の発明において、（ｉ）前記閉鎖系光回路は、前記増幅光が線状の光伝播経路に沿って繰り返し往復させられる光往復回路であり、（ｊ）前記光増幅器および前記発振域制御素子は、該光往復回路に介挿されていることにある。

また、請求項８に係る発明の吸光分析装置の要旨とするところは、（ｋ）請求項１乃至７のいずれか１の閉鎖系光回路の信号光増幅装置と、（ｌ）被測定試料を保持して前記閉鎖系光回路に介挿され、該被測定試料を通して該閉鎖系光回路内で繰り返し伝播させる試料保持器とを、含み、（ｍ）前記第１波長の光の入力に応答して前記閉鎖系光回路から周期的に出力される前記信号光の減少特性に基づいて該試料保持器に保持された被測定試料の成分を分析することにある。

また、請求項９に係る発明の光メモリ装置の要旨とするところは、（ｎ）請求項１乃至７のいずれか１の閉鎖系光回路の信号光増幅装置を、含み、（ｏ）前記発振域設定装置は、前記閉鎖系光回路から周期的に出力される信号光の大きさが飽和し且つ該信号光の数が可及的に多くなるように前記発振域制御素子により前記増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域を設定して、該信号光を周期的に出力させるものであることにある。

また、請求項１０に係る発明の吸光分析装置の要旨とするところは、（ｐ）請求項１乃至７のいずれか１の閉鎖系光回路の信号光増幅装置と、被測定試料を保持して前記閉鎖系光回路に介挿され、該被測定試料を通して該閉鎖系光回路内で繰り返し伝播させる試料保持器とを、含み、経時的に減衰する前記信号光を前記第１波長の光の入力に応答して前記閉鎖系光回路から周期的に出力するキャビティリングダウン装置と、（ｑ）請求項１乃至７のいずれか１の閉鎖系光回路の信号光増幅装置を、含み、前記発振域設定装置は、前記閉鎖系光回路から周期的に出力される信号光の大きさが飽和し且つ該信号光の数が可及的に多くなるように前記発振域制御素子により前記増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域を設定して、該信号光を所定期間持続させる光メモリ装置と、（ｒ）前記キャビティリングダウン装置から周期的に出力される信号光が制御光として入力されるとともに、前記光メモリ装置から周期的に出力される信号光が入力光として該キャビティリングダウン装置からの信号光と同期して入力され、該制御光を該入力光で変調した出力光を出力する３端子光増幅器とを、含むことにある。

請求項１に係る発明の閉鎖系光回路の信号光増幅装置によれば、（ｂ）前記閉鎖系光回路内で前記光増幅器により増幅された前記増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域を変更可能な発振域制御素子を有し、該発振域制御素子を用いて該増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域を前記第１波長から所定範囲内の位置に設定する発振域設定装置を、含むことから、その発振域制御素子による前記増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域の変更により、その増幅光のスペクトルのうちの発振波長域を第１波長に近接させることができるので、減衰の少ない強い第１波長の信号光が安定して得られるようになる。

また、請求項２に係る発明の閉鎖系光回路の信号光増幅装置によれば、（ｃ）前記発振域設定装置は、前記閉鎖系光回路に介挿されて前記増幅光のスペクトルのうち前記第１波長を含まない波長域の一部の通過を抑制する通過波長抑制域を変化させ得る波長可変フィルタを有し、該波長可変フィルタによる前記増幅光のスペクトルの一部の通過を抑制する通過波長抑制域を変化させることにより、前記増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域を前記第１波長に隣接する位置に設定するものであることから、その波長可変フィルタによって前記増幅光のスペクトルの一部の通過を抑制する通過波長抑制域を変化させることにより、その増幅光のスペクトルのうちの発振波長域を第１波長に近接させることができるので、減衰の少ない強い第１波長の信号光が安定して得られるようになる。

また、請求項３に係る発明の閉鎖系光回路の信号光増幅装置によれば、（ｄ）前記発振域設定装置は、前記閉鎖系光回路に介挿されて前記増幅光のゲインを変化させ得る可変減衰器を有し、該可変減衰器による前記増幅光のゲインを変化させることにより、前記増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域を前記第１波長に隣接する位置に設定するものであることから、その可変減衰器によって前記増幅光のゲインを変化させることにより、その増幅光のスペクトルのうちの発振波長域を第１波長に近接させることができるので、減衰の少ない強い第１波長の信号光が安定して得られるようになる。

また、請求項４に係る発明の閉鎖系光回路の信号光増幅装置によれば、（ｅ）前記発振域設定装置は、前記周期的に出力される信号光の数または出力時間に基づいて前記波長可変フィルタの通過波長抑制域を手動操作又は自動操作にしたがって設定される通過波長抑制域操作器を、有することから、増幅光のスペクトルのうちの発振波長域を第１波長に近接させるように、手動操作又は自動操作にしたがってその通過波長抑制域操作器により波長可変フィルタの通過波長抑制域が設定されることにより、減衰の少ない強い第１波長の信号光が安定して得られるようになる。

また、請求項５に係る発明の閉鎖系光回路の信号光増幅装置によれば、（ｆ）前記発振域設定装置は、前記周期的に出力される信号光の数または出力時間に基づいて前記可変減衰器の減衰率を手動操作又は自動操作に従って設定する減衰率操作器を、有することから、増幅光のスペクトルのうちの発振波長域を第１波長に近接させるように、手動操作又は自動操作にしたがってその減衰率操作器により前記可変減衰器の減衰率が設定されることにより、減衰の少ない強い第１波長の信号光が安定して得られるようになる。

また、請求項６に係る発明の閉鎖系光回路の信号光増幅装置によれば、（ｇ）前記閉鎖系光回路は、前記増幅光が環状の光伝播経路に沿って繰り返し周回させられる光周回回路であり、（ｈ）前記光増幅器および前記発振域制御素子は、該光周回回路に介挿されていることから、第１波長の入力光およびその増幅光が繰り返し周回させられる光周回回路において、前記波長可変フィルタによる前記増幅光のスペクトルの一部の通過を抑制する通過波長抑制域を変化させることにより、増幅光のスペクトルのうちの発振波長域を第１波長に近接させることができるので、減衰の少ない強い第１波長の信号光が安定して得られるようになる。

また、請求項７に係る発明の閉鎖系光回路の信号光増幅装置によれば、（ｉ）前記閉鎖系光回路は、前記増幅光が線状の光伝播経路に沿って繰り返し往復させられる光往復回路であり、（ｊ）前記光増幅器および前記発振域制御素子は、該光往復回路に介挿されていることから、第１波長の入力光およびその増幅光が繰り返し往復させられる光往復回路において、前記波長可変フィルタによる前記増幅光のスペクトルの一部の通過を抑制する通過波長抑制域を変化させることにより、増幅光のスペクトルのうちの発振波長域を第１波長に近接させることができるので、減衰の少ない強い第１波長の信号光が安定して得られるようになる。

また、請求項８に係る発明の吸光分析装置によれば、（ｋ）請求項１乃至７のいずれか１の閉鎖系光回路の信号光増幅装置と、（ｌ）被測定試料を保持して前記閉鎖系光回路に介挿され、該被測定試料を通して該閉鎖系光回路内で繰り返し伝播させる試料保持器とを、含み、（ｍ）前記第１波長の光の入力に応答して前記閉鎖系光回路から周期的に出力される前記信号光の減少特性に基づいて該試料保持器に保持された被測定試料の成分を分析することから、安定した試料の吸光特性或いはそれに基づく成分の測定が得られ、吸光分析の測定精度が高められる。

また、請求項９に係る発明の光メモリ装置によれば、（ｎ）請求項１乃至７のいずれか１の閉鎖系光回路の信号光増幅装置を、含み、（ｏ）前記発振域設定装置は、前記閉鎖系光回路から周期的に出力される信号光の大きさが飽和し且つ該信号光の数が可及的に多くなるように前記発振域制御素子により前記増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域を設定して、該信号光を周期的に出力させるものであることから、安定した信号光が比較的長時間記憶される。

また、請求項１０に係る発明の吸光分析装置によれば、（ｐ）請求項１乃至７のいずれか１の閉鎖系光回路の信号光増幅装置と、被測定試料を保持して前記閉鎖系光回路に介挿され、該被測定試料を通して該閉鎖系光回路内で繰り返し伝播させる試料保持器とを、含み、経時的に減衰する前記信号光を前記第１波長の光の入力に応答して前記閉鎖系光回路から周期的に出力するキャビティリングダウン装置と、（ｑ）請求項１乃至７のいずれか１の閉鎖系光回路の信号光増幅装置を、含み、前記発振域設定装置は、前記閉鎖系光回路から周期的に出力される信号光の大きさが飽和し且つ該信号光の数が可及的に多くなるように前記発振域制御素子により前記増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域を設定して、該信号光を所定期間持続させる光メモリ装置と、（ｒ）前記キャビティリングダウン装置から周期的に出力される信号光が制御光として入力されるとともに、前記光メモリ装置から周期的に出力される信号光が入力光として該キャビティリングダウン装置からの信号光と同期して入力され、該制御光を該入力光で変調した出力光を出力する３端子光増幅器とを、含むことから、３端子光増幅器ではキャビティリングダウン装置からの信号光が入力したときには光メモリ装置からの入力光によって強められた信号光が出力光として出力され、信号光が入力しないときには前記３端子光増幅器の増幅ゲインが低くされ出力光の大きさが一層小さくされるので、出力光の信号ベースラインが一層低下して高い変調度すなわち高Ｓ／Ｎ比の出力光が得られる。

本発明の一実施例の信号光増幅装置を含む吸光分析装置の要部構成を説明する略図である。 図１の吸光分析装置において、その閉鎖系光回路の光信号増幅装置から順次出力される信号光の大きさが減少するリングダウン波形を示す図である。 図１の吸光分析装置において、アンモニアガスの濃度測定に用いられる予め記憶されたアンモニアガスのゲージ圧力ＭＰａと減衰曲線の傾き指数βとの関係を示す図である。 図１の吸光分析装置において、環状光ファイバに介挿される光増幅器から出力される増幅光のパワースペクトルを示す図である。 図１の吸光分析装置において、環状光ファイバに介挿される光増幅器の構成例を説明する斜視図である。 図１の吸光分析装置において、環状光ファイバに介挿される容器状の試料保持装置の構成を説明する断面図である。 図１の吸光分析装置において、波長通過抑制域Ｒの位置が第１位置に設定されている場合のリングダウン波形を示す図である。 図１の吸光分析装置において、波長通過抑制域Ｒの位置が第１位置に設定されている場合の増幅光のスペクトルを示す図である。 図１の吸光分析装置において、波長通過抑制域Ｒの位置が第１位置に設定されている場合に増幅光から抽出された信号光のスペクトルを示す図である。 図１の吸光分析装置において、波長通過抑制域Ｒの位置が第２位置に設定されている場合のリングダウン波形を示す図である。 図１の吸光分析装置において、波長通過抑制域Ｒの位置が第２位置に設定されている場合の増幅光のスペクトルを示す図である。 図１の吸光分析装置において、波長通過抑制域Ｒの位置が第２位置に設定されている場合に増幅光から抽出された信号光のスペクトルを示す図である。 図１の吸光分析装置において、波長通過抑制域Ｒの位置が第３位置に設定されている場合のリングダウン波形を示す図である。 図１の吸光分析装置において、波長通過抑制域Ｒの位置が第３位置に設定されている場合の増幅光のスペクトルを示す図である。 図１の吸光分析装置において、波長通過抑制域Ｒの位置が第３位置に設定されている場合に増幅光から抽出された信号光のスペクトルを示す図である。 本発明の他の実施例（実施例２）の信号光増幅装置を含む吸光分析装置の要部構成を説明する略図であって、図１に相当する図である。 本発明の他の実施例（実施例３）の信号光増幅装置を含む吸光分析装置の要部構成を説明する略図であって、図１に相当する図である。 発明の他の実施例（実施例４）の信号光増幅装置を含む光メモリ装置の要部構成を説明する略図である。 図１８の実施例の光メモリ装置において順次出力される、信号記憶期間ＭＴ内で一定値に飽和する信号光すなわち出力パルス列を示す図である。 本発明の他の実施例（実施例５）の信号光増幅装置を含む吸光分析装置の要部構成を説明する略図であって、図１に相当する図である。 図２０の実施例の吸光分析装置の光周往復路において、それに介挿された可変減衰器の減衰量を零としたときに得られる増幅光のスペクトルを示す図である。 図２０の実施例の吸光分析装置光往復回路において、それに介挿された可変減衰器の減衰量を３．３ｄＢとしたときに得られる増幅光のスペクトルを示す図である。 本発明の他の実施例（実施例６）の信号光増幅装置を含む吸光分析装置の要部構成を説明する略図であって、図１に相当する図である。 本発明の他の実施例（実施例７）の信号光増幅装置を含む吸光分析装置の要部構成を説明する略図である。 図２４の実施例に含まれる３端子光増幅器の構成を説明する図である。 図２５の３端子光増幅器の作動を説明するタイムチャートである。

以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。尚、以下の説明に用いる図面において各部の寸法比等は必ずしも正確に描かれていない。

図１は、本発明の一実施例の吸光分析装置１０の構成の要部を示す略図である。図１において、吸光分析装置１０は、所定波長たとえば１５１２ｎｍの第１波長λ１を有するパルス状レーザ光Ｌを出力するレーザ光源１２と、レーザ光源１２から入力された第１波長λ１の入力光を周回させることによって繰り返し伝播させる環状の閉鎖系光回路（光周回回路）として機能する環状光ファイバ１４と、入力ファイバ１３および出力ファイバ１５とその環状光ファイバ１４に設けられ、レーザ光源１２と環状光ファイバ１４との間を光学的に結合してそのレーザ光源１２から出力される第１波長λ１の入力光を環状光ファイバ１４内に入力し、且つ環状光ファイバ１４と出力ファイバ１５との間を光学的に結合してその環状光ファイバ１４内を周回して繰り返し伝播する増幅光の一部を取り出す光カプラ１８と、上記環状光ファイバ１４内に介挿され、その環状光ファイバ１４内の周回光を増幅する光増幅器２０と、上記環状光ファイバ１４内に介挿された波長可変フィルタ２２およびその通過波長抑制域（カット波長帯）を移動させる通過波長抑制域手動操作器２４を有して、環状光ファイバ１４内を周回する光増幅器２０により増幅された増幅光のスペクトルのうちの一部の波長域を抑制して、その増幅光のスペクトルの発振波長域Ｈを第１波長λ１から所定範囲内の位置に設定する発振域制御装置２６と、上記光カプラ１８により環状光ファイバ１４から取り出された増幅光のスペクトルのうち第１波長λ１付近たとえば１５１２ｎｍ±６．５ｎｍの信号光ＬＳを抽出する波長選択フィルタ２８と、波長選択フィルタ２８により抽出された第１波長λ１の信号光ＬＳをアッテネータ（信号減衰器）３０を通して検出する、ホトダイオード、ホトトランジスタなどの半導体ホトセルから成る信号検出装置として機能する光検出器３２と、ガス、液体などの試料３４を保持或いは収容した状態で環状光ファイバ１４の環状の光伝播経路に介在させられ、その試料３４を通して第１波長λ１の光を繰り返し伝播させる容器状の試料保持装置３６と、マイクロコンピュータなどから構成され、光検出器３２により検出された第１波長λ１の信号（出力）光ＬＳの減衰波形の減衰状態を示すリングダウンタイムτ或いは減衰率ｋを算出し、そのリングダウンタイムτ或いは減衰率ｋに基づいて試料３４の数密度ｎ或いは吸光率Δｋを算出する電子制御装置３８と、その電子制御装置３８において算出された減衰曲線、吸光率Δｋ、分析結果などを表示する表示装置４０とを備えている。

上記の吸光分析装置１０は、閉鎖系光回路の信号光増幅装置４２を備えるものである。その閉鎖系光回路の信号光増幅装置４２は、閉鎖系光回路として機能する環状光ファイバ１４と、その環状光ファイバ１４に介挿されてその環状光ファイバ１４内の周回光を増幅する光増幅器２０と、波長可変フィルタ２２およびその通過波長抑制域（カット波長帯）を移動させる通過波長抑制域手動操作器２４を有して上記環状光ファイバ１４内に介挿され、環状光ファイバ１４内を周回する光増幅器２０により増幅された増幅光のスペクトルのうちの一部の波長域を抑制する発振域制御装置２６と、その環状光ファイバ１４から出力される増幅光の一部から第１波長λ１の信号光（出力光）ＬＳを選択する波長選択器として機能する波長選択フィルタ２８とを、有し、第１波長λ１の入力光およびその増幅光を周回させつつ、その一部を外部へ導出する波長選択フィルタ２８により選択された第１波長λ１の信号光ＬＳを出力するように構成されている。

上記レーザ光源１２は、たとえば、直流電源１２a と、たとえばＡｌＧａＡｓ系やＩｎＧａＡｓＰ系の化合物半導体が基板上にエピタキシャル成長させられることにより一対の反射層の間に発光層が介在した状態で構成されたレーザダイオードであって、その直流電源１２a から供給される駆動電流に従って一定波長λ１のレーザ光を出力するレーザダイオード１２b と、そのレーザダイオード１２b へ直流電源１２a から供給される駆動電流を開閉するための、トランジスタ、ＦＥＴなどの半導体スイッチング素子から成るドライバ１２c と、そのドライバ１２c を所定の周波数で開閉するための開閉制御信号を出力するパルスジェネレータ１２d とを備え、たとえば１５１２ｎｍの第１波長λ１を有し、２０乃至４０ｎｓ程度のパルス幅を有する単発のパルス状レーザ光Ｌ、或いは、所定周波数たとえば２７乃至９８ｋＨｚの周波数を有するパルス状レーザ光Ｌを出力する。

光カプラ１８は、たとえば光ファイバのコアが相互に並行状態で溶着されることにより構成されたものであり、入力ファイバ１３を介して伝播するパルス状の第１波長λ１の単色光を環状光ファイバ１４内へ取り込むため、および、環状光ファイバ１４内を周回して繰り返し伝播する増幅光の一部を取り出すためのたとえば取込み時の結合係数５：５および取出し時の結合係数９：１をそれぞれ備えている。この光カプラ１８は、２分割形式に構成されていてもよいし、ハーフミラーなどの他の形式の光取入装置或いは取出装置に替えられ得る。

上記環状光ファイバ１４は、図１に示すように、光ファイバを１回または複数回環状に周回させることにより構成されているが、複数のミラーから構成されもよいし、ＰＬＤＣなどの導波路から構成されてもよい。この環状の光ファイバにより、パルス状レーザ光から成る入力光或いはその増幅光を同じ経路で繰り返し伝播させる環状の閉鎖系伝播経路が構成されている。上記光増幅器２０、波長可変フィルタ２２、および試料収容装置３６は、その環状の光ファイバに直列に接続されている。

上記光増幅器２０は、量子井戸、歪超格子、量子ドットから構成された活性層（ＰＮ接合層）を有する１段或いは２段の半導体光増幅器ＳＯＡや、希土類元素たとえばエルビウムがドープされた１段或いは２段の光ファイバアンプなどから構成される。この光増幅器２０では、第１波長λ１の入力光が入力されると、その第１波長λ１の光と、その第１波長λ１に隣接する波長帯を有する周囲光（自然光）とを含み、第１波長λ１を含む波長帯であってその第１波長λ１付近のゲインが大きいスペクトルを有する増幅光が出力される。その増幅光は、発振域制御装置２６が設けられない場合は、たとえば図４に示すように、第１波長λ１を中心とした幅広い帯域の強度分布を有し、その分布の中央部では発振波長域Ｈが形成されている。

図５は、上記光増幅器２０が半導体光増幅器ＳＯＡとして機能するチップ状の半導体素子から構成された場合の構成例を示している。光増幅器２０は、化合物半導体たとえばインジウム燐ＩｎＰから構成される半導体基板２０ａと、その上にエピタキシャル成長させられたIII-V 族混晶半導体から成り、ホトリソグラフィーにより所定幅に形成された相対的に屈折率の高い多層膜から成る光導波路２０ｂと、その光導波路２０ｂ内の多層膜の一部を構成するｐｎ接合であって、バルク、多重量子井戸、歪み超格子、量子ドットのいずれかから構成されたｐｎ接合層である活性層２０ｃと、光導波路２０ｂの上面に固着された上部電極２０ｅと、半導体基板２０ａの下面に固着された下部電極２０ｆとを、備えている。上部電極２０ｅと下部電極２０ｆとの間に注入電流が流される状態では、所定の第１波長λ１の入力光が入射されて上記光導波路２０ｂ内を伝播させられる過程で活性層２０ｃを通過させられるとき、誘導放射作用による光増幅を受け、出力される。同時に、所謂相互利得変調作用により、第１波長λ１を中心とするその第１波長λ１以外の周囲波長帯を有する周囲光（自然発生光）を含む図４に示す増幅光が発生させられて出力される。上記上部電極２０ｅと下部電極２０ｆとの間には、２３０ｍＡ程度の注入電流（励起電流）が付与される。

上記活性層２０ｃが多重井戸から構成される場合は、たとえば、半導体基板２０ａからエピタキシャル成長させられることにより格子整合された１００ｎｍ程度の６対のＩｎＧａＡｓおよびＩｎＧａＰにより構成され、その活性層２０ｃの上には、組成（屈折率）が段階的に変化させられたグリン（ＧＲＩＮ）構造のガイド層（２０００Å）が順次設けられる。この活性層２０ｃのデバイス長は、たとえば６００μｍ程度である。

前記アッテネータ（信号減衰器）３０は、波長選択フィルタ２８により選択させた第１波長λ１の信号光ＬＳの大きさを、光検出器３２の検出ゲインに応じて調整するためのものであるため、必ずしも設けられていなくてもよいが、たとえば１０ｄＢ程度の減衰となるように設定されている。

試料収容装置３６は、たとえば図６に示すように、試料３４を収容した状態で環状光ファイバ１４に直列に介在させられる遮光性の容器３６ａと、その容器３６ａ内の試料３４を挟んで端面が対向する一対の光ファイバ（環状光ファイバ１４の端部）３６ｂと、それら光ファイバ３６ｂの端面近傍に配設された一対のコリメータレンズ３７とを備えている。これにより、環状光ファイバ１４内において容器３６ａ内に保持された試料３４を通してパルス状レーザ光である入力光が繰り返し通過させられるようになっている。なお、上記試料３４には、構成元素、不純物、物質の濃度などの解析のためにそれを含むガス、液体、透光性の固体が用いられる。また、上記一対の光ファイバ３６ｂの端面を球面状にそれぞれ加工することにより上記一対のコリメータレンズ３７を省略することができる。

上記波長可変フィルタ２２は、所定幅たとえば６乃至１０ｎｍ程度の波長帯の通過波長抑制域の信号をカット（遮断）或いはゲインを低下させるノッチフィルタであると同時に、その波長帯を移動させることができるように構成されている。波長可変フィルタ２２は、たとえば、増幅光を通過させる回折格子と、その回折の光軸に対する角度を通過波長抑制域手動操作器２４或いは電子制御装置３８からの指令信号に従って作動する電動機により変更操作されるマイクロメータとを備えることで、その回折格子を通過する光のうちの所定波長域の光を除去すると同時にその波長域を移動させるように構成される。また、波長可変フィルタ２２は、音波発生素子から供給される超音波に従ってその周波数に対応する定在波に基づく密度差で回折格子を二次元導波路内に構成する超音波格子と、通過波長抑制域手動操作器２４により駆動されるポテンショメータなどからの出力電圧、或いは電子制御装置３８からの指令信号に従って電圧を出力するＤ／Ａ変換器付電圧発生装置から出力される電圧に従ってその超音波発生素子に供給される駆動信号の周波数を変更する駆動回路とを備え、その超音波回折格子の格子定数を上記周波数にしたがって変更することで、その回折格子を通過する光のうちの所定波長域の光を除去すると同時にその波長域を移動させるように構成される。さらに、波長可変フィルタ２２は、たとえば、内部にネマティック液晶が充填されたエタロンと、そのエタロン内に設けられた液晶に電圧を印加する電極と、通過波長抑制域手動操作器２４により駆動されるポテンショメータなどからの出力電圧、或いは電子制御装置３８からの指令信号に従って電圧を出力するＤ／Ａ変換器付電圧発生装置とを備え、その電極に上記出力電圧を付与して液晶の実質的屈折率を変化させることで、その液晶を通過する光のうちの所定波長域の光を除去すると同時にその波長域を移動させるように構成される。

電子制御装置３８は、所謂マイクロコンピュータから構成されており、予め記憶されたプログラムに従って光検出器３２により検出された出力光、すなわち波長選択フィルタ２８を通過した第１波長λ１の信号光ＬＳを演算処理し、リングダウン分光法を用いて試料３４の成分等を特定する。すなわち、電子制御装置３８は、試料３４を試料収容装置３６内に未だ収容しないときにパルス状レーザ光である入力光が取り込まれたときに光検出器３２から順次得られるパルス群（列）の大きさの減衰波形を算出するとともに、その減衰波形からそのリングダウンタイムτ_０を予め求め、次いで、試料３４を試料収容装置３６内に未だ収容しないときにパルス状レーザ光Ｌである入力光が取り込まれたときに光検出器３２から得られるパルス群（列）の減衰波形を算出するとともに、その減衰波形からそのリングダウンタイムτを算出し、たとえば（４）式に示す予め記憶された関係から実際のそれらリングダウンタイムτ_０およびτに基づいて試料３４の数密度ｎを算出して試料３４を特定する。

本実施例に用いられる分光分析測定の原理および上記（４）式の導出方法を以下に説明する。環状光ファイバ１４において周回させられるパルス状のレーザ光である入力光およびその増幅光の一部は、周回する毎に光カプラ１８から所定の割合たとえば１／１０乃至１／１００の取出割合で順次取り出されるので、パルス状レーザ光である入力光が取り込まれる毎にたとえば図２に示すように上記順次取り出された信号光ＬＳすなわちパルス群（列）の減衰波形すなわちリングダウン波形が時系列的に観測される。この波形は、時間経過に伴って減衰し、その減衰率は、周回させられるパルス状である入力光およびその増幅光が透過する試料３４の物質状態に応じて変化する。上記波形は、その初期値の強度をＩ_０とすると、次式（１）の時間関数Ｉ（ｔ）で表わされるものである。
Ｉ（ｔ）＝Ｉ_０ｅｘｐ−（１／τ_０）ｔ ・・・（１）
ここで、（１／τ_０）は減衰率である。τ_０は強度が１／ｅとなるまでの時間すなわち時定数であり、基準リングダウンタイムとも称される。第１光カプラ１８における光の取出割合をＲ、光速をｃ、キャビティ長（周回長）をＬとすると、τ_０は次式（２）で示される。
τ_０＝Ｌ／ｃ（１−Ｒ） ・・・（２）
次いで、試料をある吸光物質としたときのリングダウンタイムτ、その試料の物質の吸収断面積をσ、物質の数密度をｎとすると、（１）式は（３）式に書き換えられる。（２）式から（４）式が得られる。
Ｉ（ｔ）＝Ｉ_０ｅｘｐ−（ｔ／τ_０−σｎｃｔ） ・・・（３）
ｎ＝１／σｃ（１／τ−１／τ_０） ・・・（４）
これにより、吸収断面積σが既知である水等の媒質の振動回転遷移を対象とし、τ_０とτとを測定で求めることにより、（４）式を用いて物質の数密度ｎを算出することができる。

吸光分析装置１０では、光検出器３２によって順次検出された信号光ＬＳの強度（パワー）は図２の実線に示すような減衰波形が表示装置４０に表示される。図２の曲線はτを求めるための減衰曲線の近似曲線である。また、演算制御装置３８は、その実線で示される減衰曲線の初期値時点とその初期値の１／ｅとなる時点との間の時間を計測することでリングダウンタイムτを測定し、（４）式からリングダウンタイムτに基づいて試料３４の数密度ｎを算出し、又は、たとえば図３の直線に示す予め記憶された関係から傾き指数β（＝１／τ）に基づいて試料３４の圧力（すなわち密度或いは濃度）を算出し、表示装置４０に表示させる。

ここで、本実施例の吸光分析装置１０では、一定条件の予備測定により表示装置４０に予め表示された周期的に出力される信号光ＬＳの数に基づいて、波長可変フィルタ２２の通過波長抑制域Ｒが通過波長抑制域手動操作器２４の手動操作にしたがって設定される発振域制御装置２６が設けられており、その表示装置４０に表示される所定以上の大きさの信号光ＬＳの数或いは所定以上の大きさの信号光ＬＳの表示時間が長くなるように、増幅光のスペクトルのうちの発振波長域が第１波長に近接するように、通過波長抑制域手動操作器２４の手動操作にしたがって波長可変フィルタ２２の通過波長抑制域Ｒが予め設定（移動）されており、減衰の少ない高強度の第１波長λ１の信号光ＬＳが安定して得られるようになっている。

図７乃至図９、図１０乃至図１２、図１３乃至図１５は、環状光ファイバ１４を周回する増幅光のスペクトルのうち第１波長よりも大きい波長帯の一部が波長可変フィルタ２２によって１５６０乃至１５６８ｎｍ程度の波長帯の波長通過抑制域Ｒについてゲインが低下させられたとき、上記波長可変フィルタ２２の通過波長抑制域の設定（移動）値に対応して変化する、光検出器３２により検出された第１波長λ１の信号光ＬＳの経時的変化を示すリングダウン観測波形、光周回路の増幅光のスペクトル、および、波長選択フィルタ２８を通過した波形を、それぞれ示している。図７乃至図９、図１０乃至図１２、図１３乃至図１５は、波長可変フィルタ２２による波長通過抑制域（カット波長帯）Ｒの位置が短波長側（左側）に順次ずらされた場合のものである。図８、図１１、図１４の増幅光のスペクトルのうちの第１波長λ１よりも大きい波長の帯域においてノッチ状に凹んだ部分は、波長可変フィルタ２２によって１５６０乃至１５６８ｎｍ程度の波長帯の一部の波長通過抑制域Ｒのゲインが−６５ｄＢ程度まで大幅に低下させられた部分を示している。この図８、図１１、図１４からは上記波長通過抑制域Ｒのずらし量は０．５乃至１．５ｎｍ程度の小さなものであり、図８の波長通過抑制域Ｒの位置を第１位置、図１１の波長通過抑制域Ｒの位置を第２位置、図１４の波長通過抑制域Ｒの位置を第３位置とすると、第３位置は相対的に短波長側（第１波長側）に位置し、第１位置は相対的に長波長側に位置し、第２位置は第１位置と第３位置との中間に位置している。

上記図８、図１１、図１４の増幅光のスペクトルは、図４に示す増幅光に比較して、発振域制御装置２６によるスペクトルの一部の波長通過抑制域Ｒのカット（遮断）が行われることによって発振波長域Ｈが局所的に小さくされると同時に発振波長域Ｈ以外の部分とのゲインの差が大きくされるとともに、スペクトル全体の幅が小さくされている。

図８、図１１、図１４から明らかなように、増幅光のスペクトルのうちの波長可変フィルタ２２による１５６０乃至１５６８ｎｍの波長帯の通過波長抑制域Ｒを短波長側へ移動させるほど、増幅光のスペクトルのうちのギザギザで示される発振波長域Ｈが第１波長λ１側（短波長側）へ接近させられるとともに、図９、図１２、図１５に示されるようにその増幅光のスペクトルから波長選択フィルタ２８により抽出される第１波長の信号光ＬＳのゲインが大きく得られ、また、図７、図１０、図１３に示されるように観測される信号光ＬＳのうちの所定以上の大きさの信号光ＬＳが個数が多く得られ且つその所定以上の大きさの信号光ＬＳが得られる持続時間が長くされている。本実施例の吸光分析装置１０では、図１３乃至図１５に示される波形が得られるように、換言すれば、増幅光のスペクトルのうちのギザギザで示される発振波長域Ｈが第１波長λ１を含まない範囲でその第１波長λ１に可及的に接近するように、波長可変フィルタ２２の通過波長抑制域Ｒの位置およびゲインが設定されている。

上述のように、本実施例の吸光分析装置１０によれば、閉鎖系光回路或いは光周回回路として機能する環状光ファイバ１４に介挿され、それを周回する増幅光のスペクトルのうち第１波長λ１を含まない波長域の一部の通過を抑制する通過波長抑制域を変化させ得る波長可変フィルタ２２を有し、その波長可変フィルタ２２による上記増幅光のスペクトルの一部の通過を抑制する通過波長抑制域Ｒを変化させることにより、閉鎖系光回路内を伝播する増幅光のスペクトル内のうちの発振波長域Ｈを変更する発振域制御装置２６を、含むことから、波長可変フィルタ２２による増幅光のスペクトルの一部の通過を抑制する通過波長抑制域Ｒを変化させることにより、増幅光のスペクトルのうちの発振波長域を第１波長λ１に近接させることができるので、減衰の少ない強い第１波長λ１の信号光ＬＳが安定して得られる。

また、本実施例の吸光分析装置１０によれば、第１波長λ１の入力光の入力に応答して波長選択器として機能する波長選択フィルタ２８から周期的に出力される信号光ＬＳの経時的変化を表示する表示装置４０を含み、発振域制御装置２６は、その表示装置４０に表示された周期的に出力される信号光ＬＳの数に基づいて波長可変フィルタ２２の通過波長抑制域Ｒを手動操作にしたがって設定する通過波長抑制域手動操作器２４を、有することから、増幅光のスペクトルのうちの発振波長域Ｈが第１波長λ１に近接し且つ第１波長λ１を含まないように、手動操作にしたがって波長可変フィルタ２２の通過波長抑制域Ｒが設定されることにより、減衰の少ない高強度の第１波長λ１の信号光ＬＳが安定して得られるようになる。

また、本実施例の吸光分析装置１０によれば、閉鎖系光回路に対応する環状光ファイバ１４は、増幅光が環状の光伝播経路に沿って繰り返し周回させられる光周回回路であり、前記光増幅器２０および波長可変フィルタ２２は、その光周回回路に介挿されていることから、第１波長λ１の入力光およびその増幅光が繰り返し周回させられる光周回回路において、波長可変フィルタ２２による増幅光のスペクトルの一部の通過を抑制する通過波長抑制域Ｒを変化させることにより、増幅光のスペクトルのうちの発振波長域Ｈを第１波長λ１を含まない範囲でその第１波長λ１に近接させられているので、減衰の少ない強い第１波長λ１の信号光ＬＳが安定して得られるようになる。

また、本実施例の吸光分析装置１０によれば、試料３４を保持して閉鎖系光回路に対応する環状光ファイバ１４に介挿され、その試料３４を通してその環状光ファイバ１４内で繰り返し伝播させる試料収容装置３６とを、含み、第１波長λ１の光の入力に応答して環状光ファイバ１４から周期的に出力される信号光ＬＳの減少特性に基づいて試料収容装置３６に保持された試料３４の成分を分析することから、試料３４の安定した吸光特性の測定或いはそれに基づく成分の測定が正確に得られ、吸光分析の測定精度が高められる。

次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、実施例相互に共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。

図１６の吸光分析装置５０は、実施例１（図１）の吸光分析装置１０と比較して、閉鎖系光回路が増幅光を線状の光伝播経路に沿って繰り返し往復させる光往復回路である点、光増幅器２０および波長可変フィルタ２２がその光往復回路に介挿されている点で、相違するが、その他の構成は同様である。上記の光往復回路は、たとえば一端にミラー５２を備え、他端にミラー付半導体光増幅器５４とを備える有端光ファイバ５６により形成される。ミラー付半導体光増幅器５４は、実施例１の光増幅器２０が半導体光増幅器ＳＯＡから構成された場合のものと同様に構成されている。本実施例において、閉鎖系光回路の信号光増幅装置４２は、実施例１のものに比較して、環状光ファイバ１４により形成された光周回回路が、有端光ファイバ５６により形成された光往復回路である点で相違するが、他は同様に構成されている。

本実施例では、レーザ光源１２から出力された第１波長λ１の光は光カプラ１８により有端光ファイバ５６により構成された光往復回路に取り込まれ、そこで、ミラー付半導体光増幅器５４により第１波長λ１の光から増幅された増幅光がより繰り返し伝播させられることで一部発振させられるとともに、波長可変フィルタ２２によってその増幅光のスペクトルのうち第１波長λ１とは異なる部分の一部が通過波長抑制域Ｒのゲインが抑制される。そして、その光往復回路内を繰り返し伝播する増幅光が光カプラ１８により取り出され、波長選択フィルタ２８によって第１波長λ１の信号光ＬＳが抽出される。このため、前述の実施例１と同様に、第１波長λ１の入力光およびその増幅光が繰り返し往復させられる光往復回路において、波長可変フィルタ２２による増幅光のスペクトルの一部の通過を抑制する通過波長抑制域Ｒが変化させられることにより、増幅光のスペクトルのうちの発振波長域Ｈを第１波長λ１に近接させることができるので、減衰の少ない強い第１波長λ１の信号光ＬＳが安定して得られるようになる。

図１７の吸光分析装置６０は、実施例１の吸光分析装置１０と比較して、波長可変フィルタ２２による増幅光のスペクトルの一部の通過を抑制する通過波長抑制域Ｒを変化させることにより、閉鎖系光回路内を周回して伝播する増幅光のスペクトル内のうちの発振波長域を変更する発振域制御装置２６は、波長可変フィルタ２２の通過波長抑制域Ｒを手動操作にしたがって設定する通過波長抑制域手動操作器２４に替えて、電子制御装置３８からの指令信号に従って回折格子の角度を変更操作さするためのマイクロメータを駆動する電動機６２を備える点で、相違する。本実施例の電子制御装置３８は、波長可変フィルタ２２の通過波長抑制域Ｒのゲインを、たとえば表示装置４０に表示された周期的に出力される信号光ＬＳの数に基づいてそれら信号光ＬＳの数を可及的に多くするように予め設定する。これにより、たとえば図１３乃至図１５に示される波形が得られ、増幅光のスペクトルのうちのギザギザで示される発振波長域Ｈが第１波長λ１を含まない範囲でその第１波長λ１に接近させられる。

本実施例の吸光分析装置６０によれば、第１波長λ１の入力光の入力に応答して波長選択フィルタ２８から周期的に出力される信号光ＬＳの経時的変化を検出する光検出器３２を含み、発振域制御装置２６は、その光検出器３２により検出された、周期的に出力される信号光ＬＳの数に基づいて波長可変フィルタ２２の通過波長抑制域Ｒを自動的に設定する電動機（通過波長抑制域自動制御器）６２を、有することから、周回する増幅光のスペクトルのうちの発振波長域Ｈが第１波長λ１に可及的に近接するように、電子制御装置３８から指令される電動機６２の自動制御操作にしたがって波長可変フィルタ２２の通過波長抑制域Ｒが設定されることにより、減衰の少ない高強度の第１波長λ１の信号光ＬＳが安定して得られる。すなわち、本実施例の吸光分析装置６０によれば、前述の実施例１の吸光分析装置１０と同様に波長可変フィルタ２２の通過波長抑制域Ｒのゲインが、電子制御装置３８によって増幅光のスペクトルのうちのギザギザで示される発振波長域Ｈが第１波長λ１を含まない範囲でその第１波長λ１に可及的に接近させられるように、すなわち表示装置４０に表示される所定以上の大きさの信号光ＬＳの数或いは所定以上の大きさの信号光ＬＳの表示時間が長くなるように自動的に設定されるので、その実施例１の吸光分析装置１０と同様の効果が得られる。

図１８は、光メモリ装置７０を示している。この光メモリ装置７０は、閉鎖系光回路が増幅光を環状の光伝播経路に沿って繰り返し周回させる光周回回路を環状光ファイバ１４で構成した図１に示す吸光分析装置１０と、閉鎖系光回路が増幅光を線状の光伝播経路に沿って繰り返し往復させる光往復回路を、一対のミラー５２および５４とそれらの間に設けられた有端光ファイバ５６とにより形成した図１６に示す吸光分析装置５０と、同様に構成されるが、閉鎖系光回路に試料収容装置３６が設けられていない点、および、閉鎖系光回路に介挿された波長可変フィルタ２２の設定が異なる点で、相違している。

図１８の光メモリ装置７０は、試料収容装置３６が設けられていない点以外は、図１に示す吸光分析装置１０と同様の構成を備えている。この光メモリ装置７０の波長可変フィルタ２２では、その通過波長抑制域Ｒの信号のゲインが、増幅光のスペクトルのうちのギザギザで示される発振波長域Ｈが第１波長λ１を含まない範囲でその第１波長λ１に接近させられるように設定され、減衰の少ない強い第１波長λ１の信号光ＬＳが安定して得られるようになっている。同時に、アッテネータ３０による減衰を最小限とし、および／または、光検出器３２の感度を高めることにより、図１９に示すように、表示装置４０にて観測される信号光ＬＳの大きさが可及的に飽和するように設定されている。

本実施例の光メモリ装置７０によれば、図１９に示すように、信号光ＬＳの大きさが飽和する期間すなわち信号記憶期間ＭＴが得られるので、その信号記憶期間ＭＴの間は、信号光ＬＳが記憶されていつでも読み出すことができる。また、本実施例によれば、前述と同様に、波長可変フィルタ２２において周回する増幅光のスペクトルの一部の波長抑制域のゲインが閉鎖系光回路から周期的に出力される信号光ＬＳの大きさが飽和し且つその信号光ＬＳの数が可及的に多くなるように設定されることから、減衰の少ない強い第１波長λ１の信号光ＬＳが安定して得られるので、上記信号記憶期間ＭＴが比較的長時間となるとともに、その期間ＭＴ内において安定した信号光ＬＳが比較的長時間記憶される利点がある。

次に、閉鎖系光回路において、波長可変フィルタ２２に替えて可変減衰器８２を適用する場合の実施例を以下に説明する。この可変減衰器８２は、波長可変フィルタ２２と同様に、光周回回路および光往復回路のいずれの閉鎖系光回路にも、また、吸光分析装置および光メモリ装置のいずれにも適用できるが、以下において、吸光分析装置の光往復回路に適用した場合について説明する。

図２０の吸光分析装置８０は、実施例２（図１６）の吸光分析装置５０と比較して、増幅光を線状の光伝播経路に沿って繰り返し往復させる光往復回路に設けられた波長可変フィルタ２２を有する発振域制御装置２６に替えて、可変減衰器８２およびその可変減衰器８２の減衰率を変化させる減衰率操作器８４を有する発振域制御装置８６が設けられている点で、相違するが、その他の構成は同様である。また、本実施例において、閉鎖系光回路の信号光増幅装置４２は、実施例１のものに比較して、環状光ファイバ１４により形成された光周回回路が、有端光ファイバ５６により形成された光往復回路である点、および、発振域制御装置２６に替えて、可変減衰器８２およびその可変減衰器８２の減衰率を変化させる減衰率操作器８４を有する発振域制御装置８６が設けられている点で相違するが、他は同様に構成されている。

上記可変減衰器８２としては、光量減衰レベルに分布を有する光学フィルタと支持装置によって移動可能に支持されたその光学フィルタの位置を移動させることにより、位置固定の通過位置を通過する通過光に与える減衰を変化させるように構成された機械式のものや、導波路中に形成された対称型マッハツェンダ−干渉回路の２本のアームの一方に加熱ヒータ又は電磁石を設け、熱光学効果又は磁気光学効果を利用して位相制御することで通過光に減衰を与える非機械式のものが知られている。上記減衰率操作器８４は、可変減衰器８２が機械式である場合は、光学フィルタを移動させるために手動操作されるダイヤル操作器或いは電子制御装置３８からの指令に従って光学フィルタを駆動する電動機から構成される。また、減衰率操作器８４は、可変減衰器８２が非機械式である場合は、加熱ヒータ又は電磁石に制御電流を供給する電源回路の出力電流を制御するために手動操作されるダイヤル操作器或いは電子制御装置３８からの指令に従って電流を制御する駆動回路から構成される。上記可変減衰器８２の減衰量の設定は、前述の波長可変フィルタ２２と同様に、増幅光のスペクトルのうちのギザギザで示される発振波長域Ｈが第１波長λ１を含まない範囲でその第１波長λ１に可及的に接近するように行われる。

本実施例では、レーザ光源１２から出力された第１波長λ１の光は光カプラ１８により有端光ファイバ５６により構成された光往復回路に取り込まれ、そこで、ミラー付半導体光増幅器５４により第１波長λ１の光から増幅された増幅光がより繰り返し伝播させられることで一部発振させられるとともに、その増幅光のスペクトルの全体のゲインが可変減衰器８２によって変更される。そして、その光往復回路内を繰り返し伝播する増幅光が光カプラ１８により取り出され、波長選択フィルタ２８によって第１波長λ１の信号光ＬＳが抽出される。第１波長λ１の入力光およびその増幅光が繰り返し往復させられる光往復回路において、可変減衰器８２による増幅光のスペクトルの全体のゲインが抑制されることにより、増幅光のスペクトルのうちの発振波長域Ｈを第１波長λ１に近接させることができるので、前述の実施例と同様に、減衰の少ない強い第１波長λ１の信号光ＬＳが安定して得られるようになる。

図２１は、上記光往復回路内に設けられた可変減衰器８２の設定によりその減衰がない状態とされた場合における、その光往復回路内を繰り返し伝播する増幅光のスペクトルを示す図である。図２２は、上記光往復回路内に設けられた可変減衰器８２の設定により３．３ｄＢの減衰状態とした場合のその光往復回路内を繰り返し伝播する増幅光のスペクトルを示す図である。両者を比較すると明らかなように、可変減衰器８２によって増幅光のスペクトルに３．３ｄＢの減衰を付与すると、発振波長域Ｈが第１波長λ１側（短波長側）にずらされているので、図１の実施例１等と同様に、減衰の少ない強い第１波長λ１の信号光ＬＳが安定して得られ、試料３４の安定した吸光特性の測定或いはそれに基づく成分の測定が正確に得られ、吸光分析の測定精度が高められる。

さらに、閉鎖系光回路において、波長可変フィルタ２２に加えて可変減衰器８２を適用する場合の実施例を以下に説明する。このような波長可変フィルタ２２および可変減衰器８２を共に閉鎖系光回路に設ける場合も、光周回回路および光往復回路のいずれの閉鎖系光回路にも、また、吸光分析装置および光メモリ装置のいずれにも適用できるが、以下において、吸光分析装置の光周回回路に適用した場合について説明する。

図２３の吸光分析装置９０は、図１の実施例１の吸光分析装置１０と比較して、増幅光を線状の光伝播経路に沿って繰り返し周回させる環状光ファイバ１４に、波長可変フィルタ２２を有する発振域制御装置２６だけでなく、可変減衰器８２およびその可変減衰器８２の減衰率を変化させる減衰率操作器８４を有する発振域制御装置８６が設けられている点で、相違するが、その他の構成は同様である。また、本実施例において、閉鎖系光回路の信号光増幅装置４２は、実施例１のものに比較して、波長可変フィルタ２２を有する発振域制御装置２６に加えて、可変減衰器８２およびその可変減衰器８２の減衰率を変化させる減衰率操作器８４を有する発振域制御装置８６が設けられている点で相違するが、他は同様に構成されている。

本実施例の吸光分析装置９０によれば、前述の吸光分析装置１０と同様の効果が得られるのに加えて、表示装置４０に表示される所定以上の大きさの信号光ＬＳの数或いは所定以上の大きさの信号光ＬＳの表示時間が長くなるように、波長選択フィルタ２２および可変減衰器８２を設定操作することによって、増幅光のスペクトルの発振波長域Ｈを可及的に第１波長λ１に接近させられるので、設定操作が容易となる利点がある。すなわち、波長選択フィルタ２２の操作では、その通過波長抑制域Ｒの位置を０．５乃至１．５ｎｍ程度のオーダで僅かに移動させることが求められる微妙なものであるが、可変減衰器８２では、その減衰量を変化させる操作は容易であるため、両者の操作を組み合わせることで、設定操作が容易となる。

さらにまた、図２４の吸光分析装置１００は、（a）共通のレーザ光源１２と、（b）図１、１６、１７、２０、或いは２３の吸光分析装置１０、５０、６０、８０、或いは９０に含まれる信号光増幅装置４２と試料３４を保持して閉鎖系光回路に介挿され、その試料３４を通してその閉鎖系光回路内で繰り返し伝播させる試料収容装置３６とを、含み、経時的に減衰する信号光ＬＳを第１波長λ１の光の入力に応答して周期的に出力するキャビティリングダウン装置１０２と、（c）発振域設定装置２６が、閉鎖系光回路から周期的に出力される信号光ＬＳの大きさが飽和し且つその信号光ＬＳの数が可及的に多くなるように発振域制御素子（波長可変フィルタ２２或いは可変減衰器８２）により増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域Ｈを設定して、信号光ＬＳを所定期間持続させる図１８の光メモリ装置７０と、（d）光メモリ装置７０から周期的に出力される第１波長λ１の信号光ＬＳが第１入力光Ｌinとして入力されるとともに、キャビティリングダウン装置１０２から周期的に出力される第１波長λ１の信号光ＬＳが制御光Ｌc として光メモリ装置７０からの第１入力光Ｌinと同期して入力され、その制御光Ｌc をその第１入力光Ｌinで変調した出力光を出力する３端子光増幅器１０４とを備えている。

上記３端子光増幅器１０４は、たとえば図２５に示すものであり、負帰還増幅することにより、上記制御光Ｌc と同じ波長を有し、且つその第１入力光Ｌinの第１周囲光Ｌs1により強度変調された出力光Ｌout を出力する。３端子光増幅器１０４は、光ファイバ１３２を介して第１波長λ1 のパルス状の第１入力光Ｌinとして入力されると、その第１入力光Ｌinの強度Ｉinに応じてその第１波長λ１以外の光すなわち第１波長λ１の第１周囲光Ｌs1の光強度増幅特性が変調され、その第１入力光Ｌinを増幅した光とその第１入力光Ｌinの強度Ｉinに対して強度反転したその第１波長λ１以外の光すなわち第１周囲光Ｌs1とを出力する第１半導体光増幅素子１４０と、この第１半導体光増幅素子１４０から出力される光を受けてその光のうちの第１波長λ１以外の光すなわち第１周囲光Ｌs1を反射により分離するとともに、その第１周囲光Ｌs1を光ファイバ１３１を介して第２波長λ２の第２入力光である制御光Ｌc と合波して第２半導体光増幅素子１４２へ出力する波長選択素子である第３光ファイバグレーティングデバイスＦＧＤ３と、その第３光ファイバグレーティングデバイスＦＧＤ３からの周囲光Ｌs1および第２波長λ２の第２入力光である制御光Ｌc の合波光が入力されると、相互利得変調により制御光Ｌc を第１入力光Ｌinの周囲光Ｌs1により変調し且つ増幅した出力光Ｌout とその制御光Ｌc の強度Ｉc に対して強度反転したその第２波長λ２以外の光すなわち第２周囲光Ｌs2とを出力する第２半導体光増幅素子１４２と、光ファイバ１３９に設けられ、その第２半導体光増幅素子１４２からの光が導入されると、その光のうちの制御光Ｌc が増幅された第１波長λ１の出力光Ｌout を透過させるが、その光のうちの第１波長λ１以外の光すなわち第２周囲光Ｌs2を反射する第２光ファイバグレーティング部１４６を有し、その反射光を上記第２半導体光増幅素子１４２へ再入力させるための出力用光ファイバである第２光ファイバグレーティングデバイスＦＧＤ２とを、備えた負帰還増幅型３端子光信号増幅器（光トライオード）である。

なお、第２波長λ２および第１波長λ１は相互にその周囲光の波長帯に含まれる波長であるか、或いは、第２波長λ２および第１波長λ１は同一波長である。たとえば、第１波長λ１が１５５１ｎｍであるとき、第２波長λ２は第１周囲光Ｌs1の波長帯に含まれる波長、或いは同じ波長１５５１ｎｍに設定される。制御光Ｌc の第２波長λ２が１５５１ｎｍであれば、出力光Ｌout の波長は１５５１ｎｍとなる。上記第１半導体光増幅素子１４０および第２半導体光増幅素子１４２は、たとえば図５に示すチップ状の素子から互いに同様に構成されている。

以上のように構成された吸光分析装置１００では、図２６に示されるように、光メモリ装置７０のパルス列が第１入力光Ｌinとして３端子光増幅器１０４に入力されると、相互利得変調によって第１半導体光増幅素子１４０からは位相反転した第１周囲光Ｌs1が出力されて第２半導体光増幅素子１４２に入力されてその利得がそれに応じたタイミングで高められる。この第２半導体光増幅素子１４２からは第１周囲光Ｌs1の集光の一部である位相反転した第１波長λ１の光が発生すると同時に、その第２半導体光増幅素子１４２に入力された制御光Ｌc が増幅されて、それらの相乗効果により高い強度の第１波長λ１の出力光Ｌout が出力される。この出力光Ｌout は、上記キャビティリングダウン装置１０２からのから周期的に出力される第１波長λ１の信号光ＬＳよりも高Ｓ／Ｎ比で低雑音であるため、測定精度が一層高められる。

以上、本発明の一実施例を図面に基づいて説明したが、本発明はその他の態様においても適用される。

たとえば、前述の実施例では、信号光増幅装置４２が吸光分析装置１０、５０、６０、８０、９０および光メモリ装置７０に適用された場合について説明されていたが、他の用途にも適用することができる。

また、前述の実施例の信号光増幅装置４２において、閉鎖系光回路として、環状光ファイバ１４が構成する光周回回路、および有端光ファイバ５６が構成する光往復回路が用いられていたが、それら光周回回路および光往復回路は、ミラーなどの光学素子から空間内に環状或いは直線状に形成されたものであってもよい。

その他一々例示はしないが、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を加えた態様で実施することができる。

１０、５０、６０、８０、９０、１００：吸光分析装置
１２：レーザ光源
１４：環状光ファイバ（光周回回路、閉鎖系光回路）
１８：光カプラ
２０：光増幅器
２２：波長可変フィルタ（発振域制御素子）
２４：通過波長抑制域手動操作器（通過波長抑制域操作器）
２６：発振域制御装置（発振域設定装置）
２８：波長選択フィルタ（波長選択器）
３２：光検出器（信号検出装置）
３４：試料（被測定試料）
３６：試料収容装置（試料保持器）
３８：演算制御装置
４０：表示装置（信号表示装置）
４２：信号光増幅装置
５６：有端光ファイバ（光往復回路、閉鎖系光回路）
６２：電動機（通過波長抑制域操作器）
７０：光メモリ装置
８２：可変減衰器（発振域制御素子）
８４：減衰率操作器
８６：発振域制御装置（発振域設定装置）
１０２：キャビティリングダウン装置
１０４：３端子光増幅器

Claims (10)

1. 光源からの第１波長の光が入力されて閉鎖された光伝播経路内で繰り返し伝播させられる閉鎖系光回路と、該閉鎖系光回路に介挿され、前記第１波長の光を増幅して該第１波長の光および該第１波長に隣接する波長帯を有する周囲光を含む増幅光とするとともに、該増幅光のスペクトルの一部を発振させる光増幅器と、前記閉鎖系光回路から出力される前記増幅光の一部から前記第１波長の信号光を選択する波長選択器とを備え、該波長選択器により選択された該第１波長の信号光を周期的に出力する閉鎖系光回路の信号光増幅装置であって、
   前記閉鎖系光回路内で前記光増幅器により増幅された前記増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域を変更可能な発振域制御素子を有し、該発振域制御素子を用いて該増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域を前記第１波長から所定範囲内の位置に設定する発振域設定装置を、
   含むことを特徴とする閉鎖系光回路の信号光増幅装置。
2. 前記発振域設定装置は、前記閉鎖系光回路に介挿されて前記増幅光のスペクトルのうち前記第１波長を含まない波長域の一部の通過を抑制する通過波長抑制域を変化させ得る波長可変フィルタを有し、該波長可変フィルタによる前記増幅光のスペクトルの一部の通過を抑制する通過波長抑制域を変化させることにより、前記増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域を前記第１波長に隣接する位置に設定するものである請求項１の閉鎖系光回路の信号光増幅装置。
3. 前記発振域設定装置は、前記閉鎖系光回路に介挿されて前記増幅光のゲインを変化させ得る可変減衰器を有し、該可変減衰器による前記増幅光のゲインを変化させることにより、前記増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域を前記第１波長に隣接する位置に設定するものである請求項１または２の閉鎖系光回路の信号光増幅装置。
4. 前記発振域設定装置は、前記周期的に出力される信号光の数または出力時間に基づいて前記波長可変フィルタの通過波長抑制域を手動操作又は自動操作にしたがって設定される通過波長抑制域操作器を、有することを特徴とする請求項２の閉鎖系光回路の信号光増幅装置。
5. 前記発振域設定装置は、前記周期的に出力される信号光の数または出力時間に基づいて前記可変減衰器の減衰率を手動操作又は自動操作に従って設定する減衰率操作器を、有することを特徴とする請求項３の閉鎖系光回路の信号光増幅装置。
6. 前記閉鎖系光回路は、前記増幅光が環状の光伝播経路に沿って繰り返し周回させられる光周回回路であり、
   前記光増幅器および前記発振域制御素子は、該光周回回路に介挿されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１の閉鎖系光回路の信号光増幅装置。
7. 前記閉鎖系光回路は、前記増幅光が線状の光伝播経路に沿って繰り返し往復させられる光往復回路であり、
   前記光増幅器および前記発振域制御素子は、該光往復回路に介挿されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１の閉鎖系光回路の信号光増幅装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか１の閉鎖系光回路の信号光増幅装置と、
   被測定試料を保持して前記閉鎖系光回路に介挿され、該被測定試料を通して該閉鎖系光回路内で繰り返し伝播させる試料保持器とを、含み、
   前記第１波長の光の入力に応答して前記閉鎖系光回路から周期的に出力される前記信号光の減少特性に基づいて該試料保持器に保持された被測定試料の成分を分析することを特徴とする吸光分析装置。
9. 請求項１乃至７のいずれか１の閉鎖系光回路の信号光増幅装置を、含み、
   前記発振域設定装置は、前記閉鎖系光回路から周期的に出力される信号光の大きさが飽和し且つ該信号光の数が可及的に多くなるように前記発振域制御素子により前記増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域を設定して、該信号光を周期的に出力させるものであることを特徴とする光メモリ装置。
10. 請求項１乃至７のいずれか１の閉鎖系光回路の信号光増幅装置と、被測定試料を保持して前記閉鎖系光回路に介挿され、該被測定試料を通して該閉鎖系光回路内で繰り返し伝播させる試料保持器とを、含み、経時的に減衰する前記信号光を前記第１波長の光の入力に応答して前記閉鎖系光回路から周期的に出力するキャビティリングダウン装置と、
    請求項１乃至７のいずれか１の閉鎖系光回路の信号光増幅装置を、含み、前記発振域設定装置は、前記閉鎖系光回路から周期的に出力される信号光の大きさが飽和し且つ該信号光の数が可及的に多くなるように前記発振域制御素子により前記増幅光のスペクトルに含まれる発振波長域を設定して、該信号光を所定期間持続させる光メモリ装置と、
    前記キャビティリングダウン装置から周期的に出力される信号光が制御光として入力されるとともに、前記光メモリ装置から周期的に出力される信号光が入力光として該キャビティリングダウン装置からの信号光と同期して入力され、該制御光を該入力光で変調した出力光を出力する３端子光増幅器と
    を、含むことを特徴とする吸光分析装置。

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