JP3055909B2 - 光学的輻射線の波長を決定する方法および装置 - Google Patents

光学的輻射線の波長を決定する方法および装置

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【発明の詳細な説明】 本発明は光学的輻射線、たとえば可視光線の波長を決
定する方法および装置、すなわち波長計に関する。
光学的輻射線の波長を測定し、波長を安定化しまたは
制御することを必要とする多くの場合が存在する。通常
の測定方法には、モノクロメータを使用することまたは
波長を線源の温度の測定から測定することが含まれてい
る。しかしながら、ある場合には、そのような方法に必
要な装置は一般的に嵩高で、高価または実用上精度が不
十分である。このことはとくに光学繊維センサおよび通
信装置に対してとくにそうである。
そのような波長計の使用が有用な場合の例は、光学繊
維ジヤイロスコープである。ジヤイロスコープの目盛要
素(すなわち加えられた回転速度に対する測定された回
転速度である)は波長に依存する。問題は、光学繊維ジ
ヤイロスコープに使用するのにきわめて適した、端部放
射発光ダイオード(ELEDs)のようなある種の光源から
の光の波長は温度とともに変化し、光学繊維ジヤイロス
コープの目盛要素をいちじるしく温度に依存させる、こ
とである。
本発明の第1の目的は、光学繊維ジヤイロスコープに
組込まれるのに適し、波長を安定化しかつ/またはジヤ
イロの目盛要素を修正するのに使用される出力を発生す
る別の形式の波長計を提供することである。
本発明の別の目的は、複合光学技術を使用して製造し
うる波長計を提供することである。
さらに第3番目の目的は、光学繊維ジヤイロスコープ
に使用する複合光学装置における付加的機能として実施
可能で、その主要の機能すなわち装置を通る光の位相変
調の機能を保有し、それにより前記付加的機能が比較的
小さな付加的経費でできる、波長計を提供することであ
る。
本発明の第1の特徴によれば、光学的輻射線の波長を
決定する方法であつて、前記方法が、輻射線を波長とと
もに変化し一定波長でゼロになる正味位相変調効果を有
する多数の波長依存位相変調器を通し、ついでその波長
と前記一定波長との差を決定するように輻射線の正味位
相変調を決定することを含む、前記方法が提供される。
本発明の第2の特徴によれば、光学的輻射線の波長を
決定する装置であつて、前記装置が、光学的輻射線を波
長とともに変化し一定の波長でゼロになる正味位相変調
効果を有する多数の波長依存位相変調をうけさせる位相
変調器を備え、さらに、輻射線によつて実施される正味
位相変調を決定する位相測定装置を含む前記装置が提供
される。
本発明の第3の特徴によれば、波長の制御可能な光学
的輻射線源、線源からの輻射線を輻射線の波長とともに
変化し輻射線の一定波長においてゼロになる正味位相変
調効果を有する多数の波長依存位相変調器に通す位相変
調装置および、前記輻射線によつて実施される正味位相
変調の変化に応答し前記輻射線源によつて生じた輻射線
の波長を対応して制御する波長調節装置を備えた光学装
置が提供される。
本発明の第4番目の特徴によれば、一定の物理的パラ
メータを測定する光学的装置であつて、前記装置が 光学的輻射をうけ前記物理的パラメータに依存する輻
射線の特性を生ずる光学的トランスジユーサ装置、 トランスジユーサから前記輻射線をうけ前記パラメー
タを決定するため前記特性を測定する測定装置、 前記光学的輻射線をうけ輻射線を輻射線の波長ととも
に変化し輻射の一定波長においてゼロになる正味位相変
調効果を有する多数の波長依存位相変調器を通す位相変
調装置、および 位相変調装置から光学的輻射線をうけ、輻射によつて
実施される正味位相変調を決定し、前記決定に係わりな
く、前記測定装置に輻射線の波長に関する情報を供給す
る位相感知装置 を備えた前記光学的装置が提供される。
本発明の第5番目の特徴によれば、使用中光を伝達す
るため貫通する導波管を有する基礎層、導波管にほゞ平
行に設けられ前記基礎層によつて支持される2つの連鎖
位相変調装置を備え、前記変調装置はそれぞれ一対のほ
ゞ平行に延びる長い電極を有し、使用中、電圧が各対の
前記電極に加えられるとき、前記光にいちじるしく異な
る位相差を与えるように、各変調器に対して前記導波管
を通る光の場と重なる電場が作られ、また変調器の大き
さおよびそこに加えられる各電圧はある一定波長の光に
対しては正味位相シフトが生じないように決定される波
長計波長計が提供される。
以下、例示として図面に基づいて説明する。
第1図において、全体的に符号1で示す位相変調器は
ニオブ酸リチウムの基層2を有し、その中に単一モード
導波管3が設けられている。導波管の上には珪素層4が
設けられ、その上に2つの電極5,6が設けられている。
電極を横切つて電圧が加えられると電場が形成され、導
波管3の屈折率を変化する。導波管を通るいかなる光も
加えられた電圧に従う位相シフトをうける。この位相シ
フトの大きさは導波管の長さ、電気光学的定数、材料の
屈折率、波長および電極の構造に依存する。
第2図において、本発明による波長計10は第1図と同
様に2つの位相変調器11,12を有する。それぞれ電極構
造が異なる2つの変調器は直列に、電圧V1,V2によつて
加えられる位相シフト変換が特定の波長で互いに打消す
ように、接続される。特定の波長に対する打消しは同じ
電圧(すなわちV1=V2)を両方の電極に加えかつ電極
13,14;15,16の相対的長さを選択することにより、また
は異つた電圧を各変調器に加えることによりもしくは両
方を組合わせることによつて達成される。
各変調器11または12によつて導入された位相シフト
は、それぞ電極13,14;15,16間の電場の重なりおよび導
波管に沿つて移動する光の場のモードに依存する。もし
変調器11,12の電場が異なるとき、それらは導波管に別
々に光学モードで重なる。しかして、1方の変調器は一
層長くする必要があり、そうでなければ交互に一方の電
極の電圧を大きくして2つの位相変調器を互いに打消し
合う必要がある。しかしながら、位相シフトは導波管に
沿つて移動する光のモード形状に依存する。モード形状
は導波管に依存する。しかして、波長に関する変化が各
変調器で異なるならば、打消しは第3図に示すように1
つの波長でだけ起るように配置される。
一般的に、変調器の位相は下記のパラメータのいずれ
かの組合わせを変化することにより、変更することがで
きる。
(a) 電極に対する導波管の位置、 (b) 各変調器の対の電極の長さ、 (c) 電極に加えられる電圧、および/または (d) 導波管の構造。
異なつた変調器構造が第4図に示されている。変調器
17,18は、導波管の案内モードに関して、電場の重なり
が異るため、異なつている。これは変調器17が一層強い
重なりが生ずることにおいて変調器18とは異つている。
変調器19の構造は2つの外側電極が一緒に接続され、信
号は内側電極に加えられる。これら変調器のいずれか2
つは一緒に直列に接続され、それらの位相シフト対波長
特性が異なるため波長計として使用される。これらの例
は、Zカツトニオブ酸リチウム複合光学装置に適用され
る。しかしながら、同じ理論がたとえばxカツトニオブ
酸リチウム、ガリウム砒素または燐酸インジウムから作
られた他の型式の複合光学装置に適用することができ
る。
上記記載はモード形状が波長に関して変化するため概
略であり、波長計はモード形状の変化に対応するが波長
には直接対応しない。それにも係わらず、モード形状と
波長との関係は波長計を作るのに十分な強さを有する。
温度に対する変化は体系的で、複合光学装置の温度を測
定することにより補償することができる。
実際、上記波長計が使用されるべき装置は、波長変化
を特徴とする位相シフトを測定することができる。その
装置は干渉計または他の装置を備えることができ、その
ような装置は、干渉計および偏光計または他の装置を備
え、その中に、波長計が設けられる干渉計または偏光計
をその中に添加することができる。位相シフトは、たと
えばサイン波形によつて、変調するのが好ましい。
単なる例示として、波長計への可能な応用は光学繊維
ジヤイロフコープであり、その1形式が第5図に示され
ている。ここに、光が光源20から繊維カツプラ21に、つ
いで偏光計22へ、さらに別の光学的出力分割器23(カツ
プラまたはY接合)についでいくつかの位相変調器24,2
5,26および27に伝達される。光はついで光学繊維コイル
28の両端に伝達される。戻り光は変調器、光学的出力分
割器、偏分波器およびカツプラを通つて戻り、探知器29
に達する。そのような配置は光学繊維ジヤイロスコープ
サグナツク干渉計の補助光学装置である。複合光学装置
は1つまたは多数の変調器およびカツプラ、偏分波器の
組合わせもしくはIII−V半導体の場合複合光学装置光
源および探知器を含む。
信号変調器30は全体的に31で示された複合光学チツプ
上の変調器24の電極を付勢する。信号の目的は、コイル
の周りを通る非相互位相シフトが2つの波形間に存在す
るかどうかを決定することである。可能な波形は、Tを
コイルの周りの時間遅れとするとき、振幅±π/4、周波
数1/2Tの方形波である。非相互シフトが発生すると、こ
れはレート復調器32の波形を同期復調することによつて
探知することができる。レート復調器の出力33はループ
フイルタ34によつて複合され、セロダイン電圧制御振動
器(VCO)35を付勢し、その出力36はレート復調器によ
つて生じた非相互性を解消する。VCOの出力は変調器25
に伝達されレート復調器によつて得られる非相互性を解
消する。セレダインVCOの出力は、mを整数とすると
き、ピーク振幅2mπの理想的ピークを有する鋸歯状波で
ある。振幅はピーク位相復調器37によつて制御され、復
調器37はセロダイン波形の再設定と同期して生ずる誤差
パルスによつて付勢される。誤差は、22mπにおけるセ
ロダイン振幅VCOを制御するためピーク位相ループフイ
ルタ38の出力である。
そのような光学繊維ジヤイロスコープは正確な波長測
定を要する通常の装置であり、それに対して提案された
波長計が適している。
波長計信号発生器39は2つのサイン信号40,41をそれ
ぞれ、2つの波長計変調器26,27に中央には正味の変調
が探知器に探知されないように出力する。変調周波数は
レートループの閉鎖ループ応答より高いように、またシ
ヤイロスコープのレート復調器のバンド幅より短いよう
に選択される。
波長復調器43は信号33を信号40に対して復調する。合
成信号44はリンク45が接続されるときゼロにされる。
波長計信号発生器と同期して復調されるレート復調出
力の信号は、装置の波長誤差の大きさである。出力は種
々の方法で使用することができる。たとえば、(図示し
ない)マイクロプロセツサによつて観察され目盛要素を
修正する。そうでなければ、(同様に図示しない)光源
における(ペルテイエのような)波長制御装置の制御信
号として使用することができる。他の例では、波長計に
送られる信号の電圧比は閉鎖ループ中で制御され、新し
いゼロが得られる。電圧比は目盛要素を修正されたマイ
クロプロセツサによつて読取ることができる。
第5図に示す繊維ジヤイロ装置は使用される波長計の
周波数信号発生器39は、サグナツク干渉計で使用される
とき、干渉計に使用されるとき感度を上げるため、信号
発生器30の周波数を比較的高く(たとえば0.1と0.9倍の
間)にする必要がある。
波長計信号発生器は、第5図に示す装置に使用すると
き、疑似ランダム信号を使用することができる。この利
点は準高調波または高調波ロツクインを形成する異つた
ループを回避しうることである。
第5図に示す繊維ジヤイロ装置はサグナツク干渉計の
一方のアームに関連した波長計を有するが、変調器(信
号ならびに波長計)はプツシユ−プル装置(すなわち各
半分は複合光学装置のいずれかの側に)、または2つの
装置の組合わせに使用することができる。さらに、波長
計はマツハ・ツアーンダ干渉計(または他の型の干渉計
または偏光計)に同様に使用することができ、光源また
は探知器とサグナツク干渉計との間で導波管の1つに設
置されるかまたはサナツク干渉計とはまつたく別に設置
される。後の構造は光源にもつとも近いカツプラの明い
た脚からの光を使用し、そこに光源出力の半分は吸収さ
れ装置に失われる。
さらに別の応用では、前記のように使用される波長計
はコヒーレント通信装置または光学センサを有する。
測定される波長は装置建設の前または後のいすれかに
決定される。
変調器の相対的位置は重要でない。いかなる組合わせ
は重要でない。本発明を実施するため、いかなる組合わ
せもしうることかできる。
さらに、電気的または光学的プツシユ・プル装置は波
長計のメータに、普通に使用される。
【図面の簡単な説明】
第1図はZカツトリチウムニオベート結晶で作られた位
相変調器の断面図、第2図は第1図に示すような2つの
位相変調器を含む波長計の図、第3図は第2図の波長計
用の波長に対する正味位相シフトのグラフ、第4図はい
くつかの異つた位相変調器の断面図、第5図は第2図の
波長計を含む光学繊維ジヤイロスコープのブロツク線
図。 1……位相変調器,2……基層,3……導波管,4……珪素
層,5,6……電極,10……波長計,11,12……位相変調器,1
3,14,15,16……電極,17,18……位相変調器,20……光源,
21……繊維カツプラ,22……偏光器,23……出力分割器,2
4,25……位相変調器,26,27……波長計変調器,28……光
学繊維コイル,29……探知器,30……信号変調器,31……
複合チツプ,32……レート復調器,34……変調器,35……
電圧制御振動器,38……ループフイルタ,39……波長計信
号発生器,43……波長復調器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−161124(JP,A) 特開 昭59−24224(JP,A) 特開 昭60−218622(JP,A) 特開 昭60−221732(JP,A) 特開 昭61−70526(JP,A) 特開 平1−191488(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01J 9/00 - 9/04 G01C 19/72

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光学的輻射線の波長を決定する方法であつ
    て、前記方法が、輻射線を波長とともに変化し一定の波
    長でゼロになる正味位相変調効果を有する多数の波長依
    存位相変調器を通し、ついでその波長と前記一定波長と
    の差を決定するように輻射線の正味位相変調を決定する
    ことを含む、前記方法。
  2. 【請求項2】光学的輻射線の波長を決定する装置であつ
    て、前記装置が、光学的輻射線を波長とともに変化し一
    定の波長でゼロになる正味位相変調効果を有する多数の
    波長依存位相変調をうけさせる位相変調器を備え、さら
    に、輻射線によつて実施される正味位相変調を決定する
    位相測定装置を含む、前記装置。
  3. 【請求項3】波長の制御可能な光学的輻射線源、線源か
    らの輻射線を輻射線の波長とともに変化し輻射線の一定
    波長においてゼロになる正味位相変調効果を有する多数
    の波長依存位相変調器に通す位相変調装置および、前記
    線源によつて実施される正味位相変調の変化に応答し前
    記輻射線源によつて生じた輻射線の波長を対応して制御
    する波長調節装置を備えた光学装置。
  4. 【請求項4】測定された波長の差が測定および補償可能
    な温度の関数とすることのできる請求項1記載の方法。
  5. 【請求項5】一定の物理的パラメータを測定する光学的
    装置であつて、前記装置が 光学的輻射をうけ前記物理的パラメータに依存する輻射
    線の特性を生ずる光学的トランスジユーサ装置、 トランスジユーサ装置から前記輻射線をうけ前記パラメ
    ータを決定するため前記特性を測定する測定装置、 前記光学的輻射線をうけ輻射線を輻射線の波長とともに
    変化し輻射線の一定波長においてゼロになる正味位相変
    調効果を有する多数の波長依存位相変調器を通す位相変
    調装置、および 位相変調装置から光学的輻射線をうけ、輻射線によつて
    実施される正味位相変調を決定し、前記決定に係わりな
    く、前記測定装置に輻射線の波長に関する情報を供給す
    る位相感知装置 を備えた前記光学的装置。
  6. 【請求項6】使用中光を伝達するため貫通する導波管を
    有する基礎層、導波管にほゞ平行に設けられ前記基礎層
    によつて支持される2つの連鎖位相変調装置を備え、前
    記変調装置はそれぞれ一対のほゞ平行に延びる長い電極
    を有し、使用中、電圧が各対の前記電極に加えられると
    き、前記光にいちじるしく異なる位相差を与えるよう
    に、各変調器に対して前記導波管を通る光の場と重なる
    電場が作られ、また変調器の大きさおよびそこに加えら
    れる各電圧はある一定波長の光に対しては正味位相シフ
    トが生じないように決定される波長計。
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DE69318534T2 (de) * 1992-08-25 1998-11-19 Toshiba Kawasaki Kk Gerät zur messung der optischen wellenlänge

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