JP2849959B2 - 光干渉計 - Google Patents

光干渉計

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JP2849959B2 JP17815391A JP17815391A JP2849959B2 JP 2849959 B2 JP2849959 B2 JP 2849959B2 JP 17815391 A JP17815391 A JP 17815391A JP 17815391 A JP17815391 A JP 17815391A JP 2849959 B2 JP2849959 B2 JP 2849959B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は光ファイバジャイロや重
力波検出などに用いられる光干渉計に関し、さらに詳し
くは光干渉計に対して入力される計測用プローブ光の光
強度の時間的変化に応じて、計測用プローブ光に位相調
整角を与えることができる光干渉計に関する。
【0002】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】光フ
ァイバジャイロ等の光干渉計の応用において、高感度を
要求される場合には光のショット雑音が高感度化の障害
となる。このような量子雑音を低減し、高い信号対雑音
比を得るために、光干渉計にスクイズド光を適用するこ
とが提案されている。
【0003】スクイズド状態の光は真空ゆらぎを下回る
雑音電力を有するものであり、その生成法としては縮退
パラメトリック増幅器を用いる方法等が知られている
が、このような方法は装置の大型化等の欠点があった。
【0004】これに対して、本発明で対称とする光スク
イーザは、長さの対称なアームのそれぞれに非線形媒質
が挿入され、50%の分岐比を持つビームスプリッタによ
って構成される非線形対称マッハツェンダ型の構造を有
するものである。
【0005】図8は光干渉計へのそのようなスクイーザ
の適用の従来例である。同図において、後段の光干渉計
においては6によりオフセット位相としてπ/2が与え
られ、両方のアームの長さの差が検出される。また最後
に減算器9を用いることによって高感度のバランス型と
なっている。この光干渉計の前段にスクイーザが用いら
れている。
【0006】スクイーザに対してはビームスプリッタ1
を介してポンプ光βのみが入力され、そのポンプ光は非
線形媒質(カー媒質)2a,2bを介して光スプリッタ
3から出力される。両アームに非線形媒質2a,2bが
存在しない場合には光スクイーザから出力される光はポ
ンプ光のみであるが、非線形媒質を用いることによって
ビームスプリッタ3からは下方向にポンプ光が、右方向
に近似的なスクイズド真空場となった信号光が出力され
る。スクイーザから出力されたポンプ光は位相調整器5
によって適切な位相Ψが与えられた後に、干渉計による
計測のプローブ光として利用され、ビームスプリッタ3
から右方向に出力されたスクイズド信号光は干渉計に入
力され、雑音低減に使われる。
【0007】しかしながら、図8に示した光干渉計にお
いて、5で計測のプローブ光、すなわちポンプ光に与え
られる位相調整角Ψは本来ポンプ光のβ2、すなわち光
強度の関数である。このため光強度が時間的に変動する
場合には、5で与えられるΨの値を一定としたままでは
Ψの値が適当な値でなくなり、その結果雑音の増加を伴
うという問題点があった。
【0008】本発明は、光スクイーザを用いた光干渉計
において、光強度の時間的変化に合わせて位相調整角Ψ
を変化させることによって、雑音を低減させることであ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】図1は本発明の原理ブロ
ック図である。同図は一方の入力ポートに計測用プロー
ブ光が、他方の入力ポートに雑音低減のためのスクイズ
ド光が入力される光干渉計において、計測用プローブ光
の光強度の時間的変化による雑音を低減させるための原
理ブロック図である。
【0010】図1において、位相調整手段10は、例え
ばカー媒質とスペーサとによって構成され、計測用プロ
ーブ光の光強度の時間的変化に応じて計測用プローブ光
に位相調整角を与えるものであり、光干渉計11の計測
用プローブ光の入力ポートの前段に備えられる。
【0011】
【作用】本発明においては、例えば図8で5によって計
測用プローブ光の時間的変化に応じて位相調整角Ψを変
化させる。
【0012】この時最適の位相調整角Ψは光の強度Iの
関数として次式によって与えられることが知られてい
る。
【0013】
【数3】
【0014】 ここで、Kは光スクイーザ内のカー媒質の非線形効果の
大きさ(カー定数)・・・・・・・・・・(1) (Optics Letters, Vol.16, No.1, pp.171) このようなΨの値を作るために、例えばカー媒質を用い
ることができる。図1の位相調整手段10の一部として
カー媒質を用い、さらにスペーサを併用することによっ
て雑音が大きくなる範囲、すなわち光強度Iの値が大き
い範囲でカー媒質とスペーサとの効果が近似的に上式の
最適のΨを満足するように設定することによって、雑音
を低減させることが可能となる。
【0015】
【実施例】本発明を適用する光干渉計の構成は、実質的
に図8と同一であるので、その説明を省略する。
【0016】前述のように、本発明において最適の位相
調整角Ψは(1) 式で与えられる。なお前述の参考文献で
は位相調整角Ψが一定であるために、この位相調整角を
ポンプ光、あるいはスクイズド光のどちらに対して入れ
ることもでき、実際に参考文献においてはスクイズド光
側に入れられている。これに対して、本発明においては
非線形の位相変化をポンプ光強度に応じて与える必要が
あり、図8に示すように位相調整器5はポンプ光側に入
れられる。従って、(1) 式における位相調整角は参考文
献において与えられている式とは符号が逆となってい
る。
【0017】(1) 式の位相調整角を作るに際して位相変
調器を使うことも当然可能であるが、これについては後
述することとし、まずカー媒質を用いる実施例について
説明する。カー媒質は光の強度に比例して屈折率が変化
する特性を持っており、光の強度を直接的に変化させる
ことによって、それを屈折率、従って位相変化に変換す
ることができる。
【0018】一方、(1) 式で与えられる最適位相調整角
Ψは非線形であるので、その一部を線形近似する必要が
ある。光の強度Iが時間的に変動した場合雑音が増加す
るが、その増加は当然光強度が大きい範囲の方が大きく
なる。従って、カー媒質によって実現される特性が光強
度Iの値が大きい範囲で近似的に(1) 式を満たすように
することにより、雑音低減の効果が大きくなる。
【0019】図2はΨ−I特性の直線近似の説明図であ
る。最適位相調整角Ψは、(1) 式に従ってIが0から増
加するにつれてπ/4からπ/2の間の範囲で非線形に
増加するが、その特性を光強度の最大値IM における曲
線の傾きを用いて近似する。
【0020】まず、図2において光強度の最大値IM
対するΨの値(最大値)をΨM とし、点(IM ,ΨM
におけるΨ−I曲線の傾き 外1 を求める。(1) 式の
右辺
【0021】
【外1】
【0022】の第1項をΨI とするとdΨ/dIとdΨ
I /dIとは等しく、また(1) 式から
【0023】
【数4】
【0024】となる。両辺をIについて微分すると
【0025】
【数5】
【0026】従って、点(IM ,ΨM )における傾き
は、
【0027】
【数6】
【0028】であり、この点を通る近似直線の方程式は
【0029】
【数7】
【0030】で与えられる。(2) 式は、最適位相調整角
として、一定位相として
【0031】
【数8】
【0032】を付加し、さらに光強度に比例する成分
【0033】
【数9】
【0034】を与えればよいことを示している。この一
定位相は例えばスペーサにより、また光強度に比例する
成分はカー媒質によって発生することができる。カー媒
質の非線形効果の大きさは
【0035】
【数10】
【0036】とすればよい。図3は、位相調整部の実施
例の構成ブロック図である。同図は、図8において最適
位相調整角を与える位相調整部5に相当する。この位相
調整部はカー媒質15とスペーサ16によって構成され
る。(2) 式の近似直線の傾きはカー媒質15の長さ 外
2 に比例し、またその切片は例えばスペーサ16の厚
さによって与
【0037】
【外2】
【0038】えられる。なお、このスペーサ16は単に
位相を合わせるだけのものであり、特別な枝を使う必要
はなく、空気を用いることもできる。すなわち単に光路
長を調整するだけのものである。
【0039】図4は位相調整部として位相変調器を用い
る実施例である。この実施例は光強度Iの時間変化があ
らかじめ分かっている場合に適用される。同図(a) に示
すように、光強度の時間変化があらかじめ分かっている
場合には(1) 式に従って最適位相調整角Ψが計算され、
同図(b) に示すようなΨの波形が得られる。
【0040】このΨの波形が図4(c) に示す位相変調器
18によって実現されるように、駆動電源19の駆動電
圧波形を設定することによって、光強度の変化に応じて
最適位相調整角が与えられる。
【0041】しかしながら、このような方式は光強度I
の時間変化があらかじめ分かっている場合にのみ適用さ
れ、またその変化が早い場合には位相変調器18の動作
が追いつかないという欠点があり、図2および図3で説
明したカー媒質を用いる方式の方が性能的に優れてい
る。
【0042】以上においては、図8においてポンプ光に
与えられる位相調整角Ψを光強度の時間的変化に合わせ
て最適とする方式を説明したが、光干渉計の雑音を低減
させる観点からはビームスプリッタ4に対してポンプ光
の入力ポートとは異なる入力ポートから入力されるスク
イズド光の性能も大きな問題となる。このため、光スク
イーザのビームスプリッタ3から右方向に出力されるス
クイズド光の安定化も必要である。そこで、このスクイ
ーザから出力されるスクイズド光の安定化方式につい
て、次に説明する。
【0043】前述のようにビームスプリッタ3からは下
方向に入力ポンプ光が、右方向にスクイズド状態の信号
光が出力されるが、例えばスクイーザの両方のアームの
バランスが崩れると、ポンプ光の一部が右方向に出力さ
れ、信号光の強度が強くなる。その結果スクイズド光が
壊されてしまうという問題点があり、これを解決するた
めにはビームスプリッタ3から右方向に出力される信号
光の強さを最小とする必要があり、これによって光スク
イーザの安定性が保たれる。
【0044】図5は本発明における信号光強度検出方式
の実施例である。同図においては光スクイーザにはビー
ムスプリッタ20を介してポンプ光のみが入力され、そ
のポンプ光は両アーム上の非線形媒質21,22を通し
てビームスプリッタ23によって再び合波され、ポンプ
光は下方向に、スクイズド状態の信号光は右方向に出力
される。出力された信号光の一部はビームスプリッタ2
4によって分岐され、光検出器25によってその強度が
検出される。
【0045】図6はスクイーザへのフィードバック信号
作成回路の実施例である。同図は、図5において得られ
た信号光強度検出信号によって、例えば光スクイーザの
アームに挿入されるポッケルス素子等の電気光学素子に
対する制御信号となるフィードバック信号を作成する回
路を示している。図6において、例えば図5の光検出器
25からの検出信号はロックインアンプ30に入力され
る。一方、ロックインアンプ30には、変調成分として
発振器31からの電圧が入力され、ロックインアンプ3
0によって取られた同調成分はバイアスとして、また発
振器31の出力は変調成分としてフィードバック信号に
用いられる。ロックインアンプの出力する同調成分はイ
ンダクタンス32を介して、また発振器31の出力する
変調成分はコンデンサ33を介して、フィードバック信
号として、例えば加算して用いられる。
【0046】図7は光スクイーザの安定化方式の実施例
である。図7においては、対称型のアームの片方にピエ
ゾ素子を用いたミラー35が挿入されている。ピエゾ素
子に対して図6のロックインアンプ30の出力をインダ
クタンス32を介して、また発振器31の出力をコンデ
ンサ33を介して加算して印加し、光検出器25の出力
が最小となるようにミラーを動かすことによって、光ス
クイーザの安定化が行われる。
【0047】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば入力ポンプ光の光強度の時間的変化に応じて最適位
相調整角を与えることができ、光干渉計における雑音低
減が可能となる。さらに光スクイーザの安定化を併用す
ることによって、光干渉計に入力させるスクイズド光の
性能が向上し、一層の雑音低減が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理ブロック図である。
【図2】Ψ−I特性の直線近似を説明する図である。
【図3】位相調整部の実施例の構成を示すブロック図で
ある。
【図4】位相調整部として位相変調器を用いる実施例の
説明図である。
【図5】信号光強度検出方式の実施例を示す図である。
【図6】スクイーザへのフィードバック信号作成回路の
実施例を示す図である。
【図7】光スクイーザの安定化方式の実施例を示す図で
ある。
【図8】光スクイーザを用いた光干渉計の構成を示すブ
ロック図である。
【符号の説明】
1,3,4,7 ビームスプリッタ 2a,2b 非線形媒質 5 位相調整部 10 位相調整手段 11 光干渉計 15 カー媒質 16 スペーサ 18 位相変調器

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 1つの入力ポートに計測用プローブ光
    が、該1つの入力ポートと異なる入力ポートに雑音低減
    のためのスクイズド光が入力される光干渉計(11)に
    おいて、 該計測用プローブ光の入力ポートの前段に、該計測用プ
    ローブ光の光強度の時間的変化に応じて、該計測用プロ
    ーブ光に位相調整角を与える位相調整手段(10)を備
    えたことを特徴とする光干渉計。
  2. 【請求項2】 前記光強度の時間変化I(t)に対し
    て、前記位相調整角を、前記スクイズド光を作成する光
    スクイーザ内のカー媒質の非線形効果の大きさをKとし
    て、 【数1】 とすることを特徴とする請求項1記載の光干渉計。
  3. 【請求項3】 前記光強度I(t)の最大値IM に対す
    る位相調整角Ψ(t)の最大値ΨM を用いて、該Ψ
    (t)をI(t)の一次関数 【数2】 とすることを特徴とする請求項2記載の光干渉計。
  4. 【請求項4】 前記位相調整手段(10)がカー媒質と
    スペーサとによって構成れることを特徴とする請求項1
    記載の光干渉計。
  5. 【請求項5】 前記カー媒質が石英ファイバによって構
    成されることを特徴とする請求項4記載の光干渉計。
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