JP2014196912A - 光周波数特性測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】精密な波長可変を行うと共に、偏波依存性も含めた測定を容易に行うことが可能な光周波数特性測定装置及び方法を提供する。【解決手段】特定の波長の光波を出力する基準光源と、基準光源からの出力光の偏光状態を調整する偏波制御手段ＰＣと、偏波制御手段ＰＣからの出力光を分岐し、分岐された各出力光が入力される２つのＳＳＢ変調器と、ＳＳＢ変調器からの各出力光を各出力光の偏光方向が直交するように合波する偏波合成手段（半波長板ＨＷＰと偏光ビームスプリッタＰＢＣ）、ＳＳＢ変調器に周波数可変の変調信号を供給する信号供給手段（ＲＦ信号源，９０?位相差回路）と、偏波合成手段からの出力光を被測定物に照射し、被測定物を透過または反射した光波を検出する光検出手段とを備え、光検出手段は、被測定物に照射される出力光に含まれる２種類の偏光状態を個別に検出し、信号供給手段による複数の周波数に対応する検出データを出力する。【選択図】図２

Description

本発明は、光周波数特性測定装置及び方法に関し、特に、被測定物に光波を照射し、該被測定物からの透過光又は反射光により該被測定物の光周波数特性を測定する光周波数特性測定装置及び方法に関する。

物質の屈折率や光の透過・反射特性など様々な物理量の測定や、物質分析に利用される光吸収スペクトル分析など各種の測定・分析を行うため、従来、光スペクトルを用いた各種の測定方法・装置が提案されている。

測定対象物の波長依存性を測定する一般的手法としては、波長可変光源やスペクトルアナライザを用いる方法がある。また、特許文献１に示すように、ＳＳＢ変調器を使って波長シフトを行う精密測定方法も提案されている。

さらに、波長可変光源や広帯域光源を使った偏光依存性の波長特性を評価する方法として、特許文献２では波長可変光源と偏波コントローラを用いたものが、また、特許文献３ではＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光を用いた光源と偏波アナライザ、さらに光の波長とパワーを計測する光スペクトルアナライザを用いる構成が、各々示されている。

しかしながら、波長可変光源や光スペクトルアナライザを用いる方法は、可変ステップが数百ＭＨｚ程度で、精密な測定は難しい。

ＳＳＢ変調器を用いた光周波数可変では精密測定は可能であるが、波長依存性と同時に偏光依存性を安定的に測定することは困難である。図１はある共振器の透過特性を測定した結果であるが、偏光が混合しているため、Ｐ偏光とＳ偏光の２種類の透過特性が同時に見えている。そのため、評価対象の偏光依存性を評価できない。

また、偏光依存性を同時に測定するには、例えば手動で偏波面を調整する偏波コントローラを使うことが一般的であるが、逐一直交する独立な偏光状態を作り出すことは容易でないし、調整時間も掛る。また、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を使った偏波変調器や液晶を使う偏光調整も考えられるが、被測定物に照射するまでの間に、他の光ファイバや空間光学系を経由する必要がある。光ファイバを伝搬している間に偏光状態が動くことがあり、安定的な２つの直交する偏光状態を作り出すことは難しい。仮に、光ファイバとＬＮ偏波変調器を一体化したとしても、変調器全体の構造や制御が複雑化しサイズが大きくなるという問題がある。

特開２００４−２４５７５０号公報 特開２０１２−１７７５８０号公報 特開２００４−１１９６５２号公報

本発明が解決しようとする課題は、上記の問題を解決し、ＳＳＢ変調器を用いて精密な波長可変を行うと共に、偏波依存性も含めた測定を容易に行うことが可能な光周波数特性測定装置及び方法を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の光周波数特性測定装置及び方法は以下の技術的特徴を有する。
（１） 特定の波長の光波を出力する基準光源と、該光源からの出力光の偏光状態を調整する偏波制御手段と、該偏波制御手段からの出力光を分岐し、分岐された各出力光が入力される２つのＳＳＢ変調器と、該ＳＳＢ変調器からの各出力光を各出力光の偏光方向が直交するように合波する偏波合成手段と、該ＳＳＢ変調器に周波数可変の変調信号を供給する信号供給手段と、該偏波合成手段からの出力光を被測定物に照射し、該被測定物を透過または反射した光波を検出する光検出手段とを備え、該光検出手段は、該被測定物に照射される出力光に含まれる２種類の偏光状態を個別に検出し、該信号供給手段による複数の周波数に対応する検出データを出力することを特徴とする光周波数特性測定装置である。

（２） 上記（１）に記載の光周波数特性測定装置において、前記２つのＳＳＢ変調器の各出力光を個別にオン・オフする制御手段を備え、該光検出手段は、該制御手段によるオン・オフの切り替えに対応して、前記２種類の偏光状態を個別に検出することを特徴とする。

（３） 上記（１）又は（２）に記載の光周波数特性測定装置において、該光検出手段は、偏波分離手段を備え、分離された各々の偏波について個別に検出することを特徴とする。

（４） 特定の波長の光波を出力する基準光源と、該光源からの出力光の偏光状態を調整する偏波制御手段と、該偏波制御手段からの出力光を分岐し、分岐された各出力光が入力される２つのＳＳＢ変調器と、該ＳＳＢ変調器からの各出力光を各出力光の偏光方向が直交するように合波する偏波合成手段と、該ＳＳＢ変調器に周波数可変の変調信号を供給する信号供給手段と、該偏波合成手段からの出力光を被測定物に照射し、該被測定物を透過または反射した光波を検出する光検出手段とを用い、該光検出手段は、該被測定物に照射される出力光に含まれる２種類の偏光状態を個別に検出し、該信号供給手段による複数の周波数に対応する検出データを出力することを特徴とする光周波数特性測定方法である。

本発明は、特定の波長の光波を出力する基準光源と、該光源からの出力光の偏光状態を調整する偏波制御手段と、該偏波制御手段からの出力光を分岐し、分岐された各出力光が入力される２つのＳＳＢ変調器と、該ＳＳＢ変調器からの各出力光を各出力光の偏光方向が直交するように合波する偏波合成手段と、該ＳＳＢ変調器に周波数可変の変調信号を供給する信号供給手段と、該偏波合成手段からの出力光を被測定物に照射し、該被測定物を透過または反射した光波を検出する光検出手段とを備え、該光検出手段は、該被測定物に照射される出力光に含まれる２種類の偏光状態を個別に検出し、該信号供給手段による複数の周波数に対応する検出データを出力することを特徴とする光周波数特性測定装置及び方法であるため、ＳＳＢ変調器を用いた精密な波長可変ができると共に、変調器の出力部あるいは被測定物の前に偏波コントローラなどの他の偏光を切り替えるためのデバイスや偏光子などの光学素子を用いずに容易に偏波特性を測定することが可能となる。

Ｐ偏光とＳ偏光の透過特性が重なりあった状態を説明するグラフである。 本発明の光周波数特性測定装置の一例を示す図である。 本発明の光周波数特性測定装置に使用される空間系ブロックの一例を示す図である。 本発明の光周波数特性測定装置に用いられる被測定物に照射される光波の例を示す図である。

以下、本発明について好適例を用いて説明する。
図２は、本発明の一実施例に係る光周波数特性測定装置について説明する図である。本発明では、特定の波長の光波を出力する基準光源（安定光源）と、該光源からの出力光の偏光状態を調整する偏波制御手段（ＰＣ）と、該偏波制御手段からの出力光を分岐し、分岐された各出力光が入力される２つのＳＳＢ変調器と、該ＳＳＢ変調器からの各出力光を各出力光の偏光方向が直交するように合波する偏波合成手段（半波長板ＨＷＰと偏光ビームスプリッタＰＢＣ）、該ＳＳＢ変調器に周波数可変の変調信号を供給する信号供給手段（ＲＦ信号源，９０°位相差回路）と、該偏波合成手段からの出力光を被測定物に照射し、該被測定物を透過または反射した光波を検出する光検出手段（不図示）とを備え、該光検出手段は、該被測定物に照射される出力光に含まれる２種類の偏光状態を個別に検出し、該信号供給手段による複数の周波数に対応する検出データを出力することを特徴とする光周波数特性測定装置及び方法である。

基準光源である安定光源には、レーザ光源が利用できる。安定光源からの出射光は、偏波制御手段である偏波コントローラ（ＰＣ，例えば偏光板）を通過して特定の偏光面を持った光波となり、ＬＮ基板で構成された光変調部に入射する。

光変調部では、特許文献１に示したＳＳＢ変調部が２器併設される構成となっている。ＳＳＢ変調部は、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）などの電気光学効果を有する基板に、光導波路と変調電極を形成している。光導波路は、Ｔｉなどの熱拡散やリッジの形成により構成できる。変調電極は、基板上に直接又はバッファ層を介してＴｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などで、形成される。

本発明に用いるＳＳＢ変調器（ネスト型変調器）を２器並べ、さらに大きなＭＺＭ構造に入れ子状に配置している。これらを一つの基板に集積して形成するモノリシック集積構造となっている。光変調部に入射した光は、同じ光強度（１：１）の２つの光波に分岐され、各ＳＳＢ変調器に導入される。このように一つの基板に２つのＳＳＢ変調器を設けることで、２つのＳＳＢ変調器の特性を揃え、各ＳＳＢ変調器から出力される変調光の特性をほぼ同じに設定することが可能となる。

ＳＳＢ変調器では、特許文献１に示した変調方法と同様に、一方の副マッハツェンダー型導波路の変調電極にＲＦ信号（周波数Δｆ）を印加し、他方の副マッハツェンダー型光導波路の変調電極に同じＲＦ信号で９０°の位相差を有する変調信号が印加される。これにより、ＳＳＢ変調器に入射した光波は、Δｆだけ周波数変化した光波となって出力される。

各ＳＳＢ変調器には、制御回路からのオン・オフの制御信号が印加される変調電極が設けられており、例えば、制御回路からオフ信号が印加される場合には、２つの副マッハツェンダー型導波路の２アームをそれぞれ伝搬する光波間の位相差をπとなるように設定する。

光変調部（ＬＮ基板）から出射した２つの光波は、互いに直交する偏光状態になるようにして合波される。このためには、一方の出力光については１／２波長板（ＨＷＰ）を透過させ、一方はそのままの状態として、偏波合成部で合波される。偏波合成部には、複屈折板や偏光ビームスプリッタ（ＰＢＣ）を利用することが可能である。

光変調部に入射する光波や出射する光波に対しては、必要に応じて集光レンズやコリーメートレンズが配置・利用されている。また、光変調部から出射する光波は、図２に示すような空間光学系で合波することも可能であるが、ＰＬＣ（平面型光回路）を用いて構成することも可能である。

特に、ＬＮ基板上に形成される光導波路の途中に波長板を組み込むのは、以下の理由で困難が多い。
（１）基板に波長板を配置するための溝加工する場合に、ＬＮ等は脆性が大きいため端面が粗くなり、ロスが大きくなる。ロス差は計測に悪影響を与えることとなる。
（２）仮に溝をうまく作れても、波長板を透過する際に生じる２つの出力光の遅延を補償するには、数ｍｍレベルの導波路長差を設けねばならない。Ｔｉ拡散導波路の比屈折率は小さく、この差を補償するのは現実的に困難となる。

図３に示すように、波長板と偏波合成用光学部品を組み合わせて空間系ブロックを構成した場合には、２つの出射光の光路長差が、Ｌ１，Ｌ２で発生する。この場合、屈折率を考慮した光路長Ｌ１＝Ｌ２となるように構成することは、設計上容易に行うことが可能であり、空間光学系の方が本発明に好適であると言える。

合波された２つの光波は、Ｐ偏光もＳ偏光も共に、同じΔｆの周波数だけシフトした光波となっている。

次に、本発明の光周波数特性測定装置に用いる照射光の切り替えについて説明する。図２に示す制御回路は、２つのＳＳＢ変調器の各出力光を個別にオン・オフする制御手段の役割を果たしている。一方のＳＳＢ変調器の出力をオン状態とし、他方のＳＳＢ変調器の出力をオフ状態とすることで、Ｐ偏光又はＳ偏光の一方を選択的に被測定物に照射することができる。

被測定物を透過又は反射した光波を検出する光検出手段は、制御手段によるオン・オフの切り替えに対応して、Ｐ偏光又はＳ偏光の２種類の偏光状態を個別に検出することができる。図４（ａ）に示すように、例えば、Ｐ偏光を選択した場合、Ｓ偏光は殆ど抑制され、このような照射光を被測定物に照射することで、Ｐ偏光に対応した物性状態を検出することが可能となる。また、図４（ｂ）のように、Ｓ偏光を選択することも可能である。

光検出手段では、Ｐ偏光とＳ偏光とが時間的に切り替えて制御できるため、被測定物からの透過光や反射光を偏波分離する必要はないが、必要に応じて、Ｐ偏光とＳ偏光とを同時に照射し、光検出手段に偏波分離手段を設け、分離された各々の偏波について個別に検出するよう構成することも可能である。

本発明では、ＳＳＢ変調器に印加するＲＦ信号源の周波数を連続的又は段階的に変化させることで、異なる周波数の光波を被測定物に照射できると共に、制御回路でＰ偏光又はＳ偏光の照射を選択的に切り替えることも可能であるため、被測定物の周波数依存性及び偏波依存性を高速かつ精密に測定することが可能となる。また、高速ゆえに測定時間が短くなるため、安定な評価が可能となる。

なお、制御回路は、オン・オフの切り替えだけでなく、光変調部の温度ドリフトやＤＣドリフトによる光変調部の特性が変化するのを抑制するため、ドリフト制御回路を兼ね備えることも可能である。特に、２つのＳＳＢ変調器が同一基板に形成されているため、一方のドリフト状態を検出することで、２つのＳＳＢ変調器のドリフトを同時に制御するよう構成することも可能である。

以上、本発明について実施例を基に説明したが、本発明はこれらに限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能であることはいうまでもない。

本発明によれば、ＳＳＢ変調器を用いて精密な波長可変を行うと共に、偏波依存性も含めた測定を容易に行うことが可能な光周波数特性測定装置を提供することが可能となる。

Claims (4)

1. 特定の波長の光波を出力する基準光源と、
   該光源からの出力光の偏光状態を調整する偏波制御手段と、
   該偏波制御手段からの出力光を分岐し、分岐された各出力光が入力される２つのＳＳＢ変調器と、
   該ＳＳＢ変調器からの各出力光を各出力光の偏光方向が直交するように合波する偏波合成手段と、
   該ＳＳＢ変調器に周波数可変の変調信号を供給する信号供給手段と、
   該偏波合成手段からの出力光を被測定物に照射し、該被測定物を透過または反射した光波を検出する光検出手段とを備え、
   該光検出手段は、該被測定物に照射される出力光に含まれる２種類の偏光状態を個別に検出し、該信号供給手段による複数の周波数に対応する検出データを出力することを特徴とする光周波数特性測定装置。
2. 請求項１に記載の光周波数特性測定装置において、前記２つのＳＳＢ変調器の各出力光を個別にオン・オフする制御手段を備え、該光検出手段は、該制御手段によるオン・オフの切り替えに対応して、前記２種類の偏光状態を個別に検出することを特徴とする光周波数特性測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の光周波数特性測定装置において、該光検出手段は、偏波分離手段を備え、分離された各々の偏波について個別に検出することを特徴とする光周波数特性測定装置。
4. 特定の波長の光波を出力する基準光源と、
   該光源からの出力光の偏光状態を調整する偏波制御手段と、
   該偏波制御手段からの出力光を分岐し、分岐された各出力光が入力される２つのＳＳＢ変調器と、
   該ＳＳＢ変調器からの各出力光を各出力光の偏光方向が直交するように合波する偏波合成手段と、
   該ＳＳＢ変調器に周波数可変の変調信号を供給する信号供給手段と、
   該偏波合成手段からの出力光を被測定物に照射し、該被測定物を透過または反射した光波を検出する光検出手段とを用い、
   該光検出手段は、該被測定物に照射される出力光に含まれる２種類の偏光状態を個別に検出し、該信号供給手段による複数の周波数に対応する検出データを出力することを特徴とする光周波数特性測定方法。

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