JP2016122071A - 光源装置、安定化方法及び計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源からの光の周波数を安定化させるのに有利な光源装置を提供する。
【解決手段】光源からの光を変調する変調器と、前記変調器からの光を検波して復調信号を生成する検波器と、前記復調信号を用いて前記光の周波数を基準周波数に安定化させるフィードバック回路と、前記変調器で発生する残留強度雑音が最大値に向かうように、前記変調器の温度を制御する温度制御部と、前記残留強度雑音に起因して前記復調信号に含まれる周波数誤差を補正する補正部と、を有することを特徴とする光源装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置、安定化方法及び計測装置に関する。

光波干渉計測システムや高密度波長多重光伝送システムに用いられる光源においては、射出する光の周波数を所定の周波数に安定化させることが要求されている。光の周波数を安定化する技術（周波数安定化）としては、例えば、位相変調器で変調した光を周波数基準としてのガスセルに入射させ、発生する変調周波数成分の強度変調がゼロになるように光源を制御する方法がある。

このような位相変調器を用いた場合、偏光のミスアライメントやエタロン効果に起因して、変調周波数成分の強度雑音（残留強度雑音）が発生する。残留強度雑音は、位相変調器の内部の電気光学結晶の電圧印加方向（変調軸）と電圧印加方向に垂直な方向（非変調軸）との屈折率差や結晶長に依存しているため、温度変動の影響を受ける。このような強度雑音を含む復調信号をフィードバックして利用する光源では、残留強度雑音に対応する周波数誤差が発生する。

そこで、残留強度雑音を含む光を分岐して差動検出することで、強度雑音の影響を低減する光周波数安定化光源が提案されている（特許文献１参照）。また、ＬＮ（ニオブ酸リチウム：ＬｉＮｂＯ_３）で発生する残留強度雑音が最小となるように、ＬＮ位相変調器を温度制御する技術も提案されている（非特許文献１参照）。

特開２００８−８４８８８号公報

Ｋｅｎｊｉ Ｎｕｍａｔａ，ｅｔｃ． "Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−ｆｅｅｄ ｂａｃｋ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅｓ ａｔ １５７２ｎｍ ｆｏｒ ｌｉｄａｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ"， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｖｏｌ．５０， Ｎｏ．７， Ｍａｒｃｈ， ２０１１

しかしながら、特許文献１に開示された周波数安定化光源では、２つのディテクターと、差動増幅器とが必要となる。従って、外乱によって無偏光ビームスプリッター（ＮＰＢＳ）の分岐比が変動すると、残留強度雑音が正確にキャンセルされずに周波数誤差が発生してしまうため、光の周波数を高精度に安定化させることが困難である。

一方、非特許文献１に開示された技術は、残留強度雑音が最小となるようにＬＮ位相変調器を温度制御しているが、残留強度雑音が最小となる領域（最小値近傍）では、温度による残留強度雑音の敏感度が非常に大きくなる。従って、残留強度雑音が温度変動の影響を容易に受けてしまうため、十分な周波数安定性を実現することが困難である。

本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされ、光源からの光の周波数を安定化させるのに有利な光源装置を提供することを例示的目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面としての光源装置は、光源からの光を変調する変調器と、前記変調器からの光を検波して復調信号を生成する検波器と、前記復調信号を用いて前記光の周波数を基準周波数に安定化させるフィードバック回路と、前記変調器で発生する残留強度雑音が最大値に向かうように、前記変調器の温度を制御する温度制御部と、前記残留強度雑音に起因して前記復調信号に含まれる周波数誤差を補正する補正部と、を有することを特徴とする。

本発明の更なる目的又はその他の側面は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、例えば、光源からの光の周波数を安定化させるのに有利な光源装置を提供することができる。

本発明の一側面としての光源装置の構成を示す概略図である。 残留強度雑音の影響を説明するための図である。 残留強度雑音と光変調器の温度との関係を説明するための図である。 本発明の一側面としての計測装置の構成を示す概略図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の一側面としての光源装置１００の構成を示す概略図である。光源装置１００は、射出する光（レーザ光）の周波数を基準周波数に安定化させる周波数安定化光源であって、例えば、光波干渉計測システムや高密度波長多重光伝送システムに用いられる。

光源装置１００は、光源１０１と、光分波器１０２と、光変調器１０３と、周波数発生器１０４と、吸収セル１０５と、フォトディテクタ１０６と、Ｉ／Ｖアンプ１０７と、同期検波器１０８と、フィードバック回路１０９と、ＬＤドライバ１１０とを有する。また、光源装置１００は、温調機構１１１と、温度制御部１１２と、補正部１１３とを有する。

光源１０１は、連続発振の光を発生させる。光源１０１は、本実施形態では、分布帰還型レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ：ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）で構成されている。

光分波器１０２は、光源１０１で発生した光（のパワー）の一部を分離する。光分波器１０２は、本実施形態では、−１０ｄＢファイバカプラで構成されている。光分波器１０２で分離された一部の光は、周波数が安定化された光として、光源装置１００から射出される。また、光分波器１０２で分離された他の光は、光源１０１からの光の周波数を安定化させるために用いられる。

光変調器１０３は、光源１０１からの光、詳細には、光分波器１０２で分離された他の光を変調する。光変調器１０３は、本実施形態では、ＬＮ（ニオブ酸リチウム：ＬｉＮｂＯ_３）位相変調器で構成されている。

周波数発生器１０４は、光変調器１０３に印加する電気信号を発生させる。周波数発生器１０４は、光変調器１０３に変調信号、即ち、変調周波数を規定する信号を入力する。

吸収セル１０５は、光変調器１０３で変調された光を通過させる周波数基準素子である。吸収セル１０５は、本実施形態では、アセチレン（^１３Ｃ_２Ｈ_２）ガスが封入されたガスセルで構成されている。

フォトディテクタ１０６は、吸収セル１０５から出力される強度変調された光を受光する。Ｉ／Ｖアンプ１０７は、フォトディテクタ１０６からの出力を電流値から電圧値に変換する電流電圧変換アンプである。

同期検波器１０８は、吸収セル１０５から出力される強度変調された光を同期検波して復調信号を出力（生成）する。同期検波器１０８は、本実施形態では、ミキサーと、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）とを含むロックインアンプで構成されている。

フィードバック回路１０９は、同期検波器１０８から出力される復調信号がゼロとなるように、ＬＤドライバ１１０を介して、光源１０１を制御する。換言すれば、フィードバック回路１０９は、光源１０１から射出される光の周波数を吸収セル１０５の吸収線又は透過スペクトルに安定化させる。ＬＤドライバ１１０は、光源１０１から射出される光の周波数を制御するために、光源１０１の電流調整や温度調整などを行う。

温調機構１１１は、光変調器１０３を加熱及び冷却する。温調機構１１１は、本実施形態では、ペルチェ素子で構成されている。温度制御部１１２は、温調機構１１１を介して（即ち、温調機構１１１の温度を制御することで）、光変調器１０３の温度を制御する。温度制御部１１２は、本実施形態では、光変調器１０３で発生する残留強度雑音が最大値に向かうように、例えば、残留強度雑音が最大値の近傍、或いは、最大値となるように、光変調器１０３の温度を制御する。

補正部１１３は、光変調器１０３で発生する残留強度雑音に起因して同期検波器１０８から出力される復調信号に含まれる周波数誤差を補正（校正）する。補正部１１３は、本実施形態では、光変調器１０３で発生する残留強度雑音、例えば、残留強度雑音の最大値に応じて発生する復調信号の変化量に対応する信号を復調信号に与える（加減算する）。

光源装置１００は、本実施形態では、吸収セル１０５を構成する^１３Ｃ_２Ｈ_２ガスセルの吸収線の１つを利用して、１．５μｍ帯に安定化させた光を出力する。光源装置１００は、光変調器１０３としてＬＮ位相変調器を用いているため、光変調器１０３に入射する光の偏光のミスアライメントに起因して、変調軸方向の光と非変調軸方向の光とが干渉することがある。また、結晶端面がエタロンのようになることに起因して、干渉が生じることがある。これらの干渉は、残留強度雑音を発生させる原因となる。光源装置１００では、このような強度雑音を含む復調信号をフィードバックして利用するため、残留強度雑音に対応する周波数誤差が発生してしまう。

図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照して、残留強度雑音の影響について説明する。図２（ａ）は、吸収セル１０５のガス吸収線（光の周波数［Ｈｚ］に対する透過率［％］）を示すグラフである。図２（ｂ）は、残留強度雑音が復調信号に与える影響を示すグラフである。図２（ａ）に示すガス吸収線のピーク（周波数）を基準周波数とする。図２（ｂ）では、残留強度雑音の影響を受けていない、即ち、残留強度雑音が発生していない場合の復調信号を実線で示し、残留強度雑音の影響を受けている、即ち、残留強度雑音が発生している場合の復調信号を点線で示している。

図２（ａ）及び図２（ｂ）を参照するに、残留強度雑音が発生していない場合には、復調信号のゼロクロス点とガス吸収線のピークとが一致する。一方、残留強度雑音が発生している場合には、光の周波数とは無関係に信号強度［Ｖ］に変調が生じ、復調信号が上下（信号強度の±方向）に変化する。このように変化した復調信号のゼロクロス点に安定化された光は、復調信号の変化量に応じた周波数誤差を含むことになる。

光変調器１０３に入射する光の偏光のミスアライメントによって発生する残留強度雑音は、以下の式（１）に示す関係を満たす。

従って、残留強度雑音（の量）は、光変調器１０３の内部の電気光学結晶の変調軸方向と非変調軸方向との屈折率差や結晶長に依存しているため、温度変動の影響を容易に受ける。ここで、ＬｉＮｂＯ_３の結晶長を５０ｍｍとし、ＬｉＮｂＯ_３の結晶の変調軸方向の屈折率ｎ_ｅを２．１４、ＬｉＮｂＯ_３の結晶の非変調軸方向の屈折率ｎ_ｏを２．２２とする。また、ＬｉＮｂＯ_３の結晶の変調軸方向の屈折率温度敏感度ｄｎ_ｅ／ｄＴを３．７×１０^−５とし、ＬｉＮｂＯ_３の結晶の非変調軸方向の屈折率温度敏感度ｄｎ_ｏ／ｄＴを３．３×１０^−５とし、ＬｉＮｂＯ_３の結晶の熱膨張率ｄＬ／ｄＴを７．２×１０^−７とする。

このような条件において、光変調器１０３に入射する光の偏光のミスアライメントによって発生する残留強度雑音と、光変調器１０３の温度との関係について、図３（ａ）及び図３（ｂ）を参照して説明する。図３（ａ）には、残留強度雑音と光変調器１０３の温度との関係が実線（第１軸）で示されている。また、実線で示す残留強度雑音の傾きが破線（第２軸）で示されている。残留強度雑音の±符号は、残留強度雑音の位相が反転する様子を示している。図３（ｂ）は、図３（ａ）と同様に、残留強度雑音と光変調器１０３の温度との関係を示している。ここで、残留強度雑音の最大値の近傍とは、残留強度雑音の敏感度が最大値の１／１０倍となる範囲、即ち、残留強度雑音の傾き（第２軸）が最大値に対して±１０％の範囲とする。

残留強度雑音の最小値における温度敏感度は、０．４［％］／０．１［Ｋ］であり、光変調器１０３の温度に対して非常に敏感である。一方、残留強度雑音の最大値の近傍での温度敏感度は、０．０５［％］／０．１［Ｋ］であり、光変調器１０３の温度に対して非常に鈍感である。そこで、本実施形態では、温調機構１１１及び温度制御部１１２によって、光変調器１０３で発生する残留強度雑音が最大値に向かうように、例えば、最大値の近傍になるように、光変調器１０３の温度を制御している。これにより、残留強度雑音の温度変動の影響を低減することが可能となる。

光変調器１０３を構成する一般的なＬＮ位相変調器は、入力側及び出力側に偏波保持ファイバが接続されているため、光は、偏波保持ファイバを介して位相変調部分に導かれる。但し、ファイバコネクタのキー方向と偏波保持ファイバの応力保持方向との角度誤差が±３度程度あることから、ファイバコネクタなどを用いて光学系を複数箇所接続する際には、ＬＮ位相変調器の前段で大きな入射角度誤差が発生してしまう。このような場合には、ＬＮ位相変調器に接続されている偏波保持ファイバの直前、本実施形態では、光分波器１０２と光変調器１０３との間に、光変調器１０３に入射する光の偏光方向を一定方向に限定するための偏光子を配置すればよい。換言すれば、光変調器１０３に入射する光の偏光が変動しないように、偏波保持ファイバの応力保持方向、或いは、偏波保持ファイバの応力保持方向に垂直な方向に入射偏光を限定する必要がある。

残留強度雑音（の最大値）に応じて発生する復調信号の変化量は予め取得（計測）し、例えば、その情報を補正部１１３に設けられた記憶部に記憶させる。補正部１１３は、記憶部に記憶された情報を参照して、復調信号の変化量に対応する信号を与える（加減算する）ことで、残留強度雑音に起因する周波数誤差を補正する。なお、残留強度雑音に応じて発生する復調信号の変化量は、光変調器１０３の温度を数℃変化させた際に発生する誤差信号の最大変化量から求めればよい。また、残留強度雑音の最大値での光源装置１００と同一の吸収線に周波数が安定化された別の光源装置とのビート周波数計測によって周波数誤差を計測し、周波数が安定化された光を用いる計測装置などの装置側で周波数誤差を補正してもよい。

光源装置１００の動作について説明する。光源１０１からの光は、光分波器１０２を介して、周波数が安定化された光と、周波数を安定化するために光変調器１０３に入射する光とに分波される。光変調器１０３に入射した光は、周波数発生器１０４の出力、即ち、変調信号を用いて、例えば、１０［ＭＨｚ］に変調（周波数変調）され、吸収セル１０５に入射する。

吸収セル１０５を通過して強度変調された光は、フォトディテクタ１０６で電気信号に変換され、Ｉ／Ｖアンプ１０７を介して、同期検波器１０８に供給される。周波数発生器１０４の出力、即ち、変調信号は、同期検波器１０８にも供給される。同期検波器１０８は、周波数発生器１０４からの変調信号を用いて、Ｉ／Ｖアンプ１０７の出力から変調周波数成分（１ｆ成分）を同期検波する。

同期検波器１０８からの出力は、図２（ｂ）に示すようなガス吸収線を１次微分した形状となり、復調信号として、フィードバック回路１０９を介して、ＬＤドライバ１１０に帰還される。この際、光変調器１０３は、上述したように、最大の残留強度雑音が発生する状態に温調されている。従って、周波数弁別が３．６×１０^７［Ｈｚ／Ｖ］である場合、０．１［Ｋ］の温度変動によって発生する残留強度雑音の変化は０．０５［％］であり、復調信号の変化量にして０．１［ｍＶ］、周波数誤差にして３．６［ｋＨｚ］に相当する。一方、同一の条件において、最小の残留強度雑音が発生する状態に光変調器１０３を温調している場合には、０．１［Ｋ］の温度変動によって発生する残留強度雑音の変化は０．４［％］となり、本実施形態に比べて、１０倍程度の周波数誤差になってしまう。

補正部１１３は、光変調器１０３で定常的に発生する残留強度雑音の最大値（０．８％）に対応する周波数誤差を補正する。例えば、残留強度雑音の最大値に対応する復調信号の変化量が１．５［ｍＶ］であれば、これを打ち消すような信号を、補正部１１３から復調信号に与えればよい。

このように、本実施形態の光源装置１００では、光変調器１０３で発生する残留強度雑音が最大値の近傍になるように、光変調器１０３の温度を制御することで、光変調器１０３の温度変動による変調信号の変化を低減している。また、光変調器１０３で定常的に発生する残留強度雑音に対応する周波数誤差を、補正部１１３からの信号によって補正している。従って、光源装置１００は、光変調器１０３で発生する残留強度雑音の影響を低減して、高精度に周波数が安定化された光を射出することができる。

＜第２の実施形態＞
図４は、本発明の一側面としての計測装置２００の構成を示す概略図である。計測装置２００は、参照面２０１と被検面２０２との間の距離（幾何学的距離）を計測する光波干渉計測システムである。計測装置２００は、光源装置１００と、干渉光学系２０３と、ビームスプリッタ２０４と、検出部２０５と、処理部２０６とを有する。

計測装置２００において、光源装置１００からの光、即ち、周波数が安定化された光は、ビームスプリッタ２０４に入射する。ビームスプリッタ２０４は、光源装置１００からの光を２つの光に分割し、一方の光を参照面２０１に入射させ、他方の光を被検面２０２に入射させる。参照面２０１で反射された光（参照光）は、ビームスプリッタ２０４で反射され、検出部２０５に入射する。一方、被検面２０２で反射された光（被検光）は、ビームスプリッタ２０４を透過して検出部２０５に入射する。検出部２０５は、参照光と被検光とによって生成される干渉光（干渉縞）を検出する。処理部２０６は、検出部２０５で検出された干渉光に基づいて、参照面２０１と被検面２０２との間の距離を求める。

本実施形態の計測装置２００によれば、残留強度雑音の影響を低減させて高精度に周波数が安定化された光を射出する光源装置１００を用いているため、参照面２０１と被検面２０２との間の距離を常に高精度に計測することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されないことはいうまでもなく、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１００：光源装置 １０１：光源 １０３：光変調器 １０５：吸収セル １０８：同期検波器 １０９：フィードバック回路 １１１：温調機構 １１２：温度制御部 １１３：補正部

Claims (10)

1. 光源からの光を変調する変調器と、
   前記変調器からの光を検波して復調信号を生成する検波器と、
   前記復調信号を用いて前記光の周波数を基準周波数に安定化させるフィードバック回路と、
   前記変調器で発生する残留強度雑音が最大値に向かうように、前記変調器の温度を制御する温度制御部と、
   前記残留強度雑音に起因して前記復調信号に含まれる周波数誤差を補正する補正部と、
   を有することを特徴とする光源装置。
2. 前記温度制御部は、前記残留強度雑音が前記最大値となるように、前記変調器の温度を制御することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記補正部は、前記残留強度雑音に応じて発生する復調信号の変化量に対応する信号を、前記復調信号に与えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記補正部は、前記最大値に応じて発生する復調信号の変化量に対応する信号を、前記復調信号に与えることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 前記補正部は、前記残留強度雑音に応じて変化する復調信号の変化量に関する情報を記憶する記憶部を含むことを特徴とする請求項３又は４に記載の光源装置。
6. 前記変調器に入射する光の偏光方向を一定方向に限定するための偏光子を更に有することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の光源装置。
7. 光源からの光を変調する変調器と、前記変調器からの光を検波して復調信号を生成する検波器とを備える光源装置において、前記光の周波数を基準周波数に安定化させる安定化方法であって、
   前記変調器で発生する残留強度雑音が最大値に向かうように、前記変調器の温度を制御する第１工程と、
   前記残留強度雑音に起因して前記復調信号に含まれる周波数誤差を補正する第２工程と、
   を有することを特徴とする安定化方法。
8. 前記第２工程では、前記残留強度雑音に応じて変化する復調信号の変化量を、前記復調信号に与えることを特徴とする請求項７に記載の安定化方法。
9. 前記残留強度雑音に応じて変化する復調信号の変化量を予め取得する工程を更に有することを特徴とする請求項８に記載の安定化方法。
10. 参照面と被検面との間の距離を計測する計測装置であって、
    請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の光源装置と、
    前記光源装置からの光を２つに分割し、一方の光を前記参照面に入射させ、他方の光を前記被検面に入射させ、前記参照面からの光と前記被検面からの光との干渉光を生成する干渉光学系と、
    前記干渉光を検出する検出部と、
    前記検出部で検出された前記干渉光に基づいて、前記距離を求める処理部と、
    を有することを特徴とする計測装置。

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