JP3113295B2

JP3113295B2 - キャビティ測定方法及び装置

Info

Publication number: JP3113295B2
Application number: JP2992991A
Authority: JP
Inventors: 治雄米谷
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-02-25
Filing date: 1991-02-25
Publication date: 2000-11-27
Anticipated expiration: 2015-11-27
Also published as: JPH04268442A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光学系の光路中に存在
するキャビティの光路長及び実効反射率を測定するキャ
ビティ測定方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えばアナログ光伝送においては、光路
中に不用意にキャビティが配置されてると、波形が歪ん
で高調波が発生し、他の周波数の通信を妨害する虞があ
る。このため、光路中に不都合なキャビティが存在する
かどうかを調べ、存在する場合にはキャビティの光学特
性を調べることが重要となる。

【０００３】図９は、従来のキャビティ測定原理を示
す。同図（Ａ）において、キャビティ１０は例えばガラ
ス板である。パルス光源１２から同図（Ｂ）に示すよう
なパルス光を射出させ、ハーフミラー１４を介してキャ
ビティ１０に垂直にあてると、キャビティ１０の端面１
０ａ及び１０ｂでその一部が反射され、さらにハーフミ
ラー１４で反射されて光検出器１６で検出される。光検
出器１６の出力は、同図（Ｃ）に示す如くなり、端面１
０ａで反射されたパルス光と端面１０ｂで反射されたパ
ルス光の時間差Δｔを測定することにより、キャビティ
１０の端面間の光路長Ｌを知得することができる。ま
た、パルス光源１２から放射されたパルス光の強度と光
検出器１６で検出されたパルス光の強度との比を測定す
ることにより、端面１０ａ及び１０ｂにおける反射率を
知得することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、キャビ
ティ１０の光路長Ｌが数ｍｍの場合には時間差Δｔが極
めて小さくなり、一方、端面１０ａ及び１０ｂでの反射
率が１％以下の場合には、光検出可能な程度にパルス光
源１２から出力されるパルス光の幅を広くする必要があ
るため、このような測定は困難であった。すなわち、パ
ルス光の時間幅をＴＷとし、光束をｃとすると、端面１
０ａで反射されたパルス光と端面１０ｂで反射されたパ
ルス光とを識別可能にするためには、２Ｌ／ｃ＞ＴＷと
する必要があり、例えば、Ｌ＝５ｍｍとすると、ＴＷ＜
３３ｐｓとする必要があるため、光検出が困難であっ
た。従来のキャビティ測定装置では、端面１０ａ及び１
０ｂの反射率が１％以下の場合、端面間の光路長Ｌが少
なくとも数ｃｍセンチ以上ないと、キャビティ１０のこ
れら光路長Ｌ及び反射率を測定することができなかっ
た。

【０００５】本発明の目的は、このような問題点に鑑
み、向かい合う端面間の光路長が数ｍｍでこれら端面の
実効反射率が１％以下のキャビティであっても、キャビ
ティの光路長及び実効反射率を測定することが可能なキ
ャビティ測定方法及び装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段及びその作用】図１は、本
発明に係るキャビティ測定装置の原理構成を示す。この
キャビティ測定装置は、次のような構成要素を備えてい
る。

【０００７】１は電流源であり、直流バイアス電流Ｉ_op
と変調電流Ｉ_mとを重畳した電流を出力する。２は半導
体レーザであり、電流源１の出力が供給されてレーザ光
を放射する。３は光検出器であり、該レーザ光を検出す
る。４はスペクトラムアナライザであり、光検出器３の
出力信号のスペクトル分布を測定する。４は歪率算出手
段であり、スペクトラムアナライザ４の出力に基づいて
高調波歪率を算出する。５は温度制御手段であり、半導
体レーザ２の温度Ｔを変化させる。６は周期測定手段で
あり、温度Ｔを変化させたときの歪率Ｄの周期（複数周
期を含む）に相当する温度変化ΔＴを測定する。７は変
換手段であり、温度変化ΔＴに相当するレーザ光の波長
変化Δλを実質的に求める。実質的にとは、波長変化Δ
λの代りにこれに相当した波数変化又は角周波数変化等
を求めるのを含む意味である。８はキャビティ光路長算
出手段であり、該レーザ光の光路中に存在するキャビテ
ィ１０の光路長Ｌを波長変化Δλに基づいて算出する。
９は反射率算出手段であり、該レーザ光の光路中に存在
するキャビティ１０の実効反射率Ｒを実質的に光路長Ｌ
及び歪率Ｄに基づいて算出する。この場合の実質的にと
は、光路長Ｌの代りにこれに関連した波長変化Δλ等を
用いるのを含む意味である。

【０００８】また、本発明に係るキャビティ測定方法で
は、直流バイアス電流Ｉ_opと変調電流Ｉ_mとを重畳した
電流を半導体レーザ２に供給し、半導体レーザ２から放
射された光を光検出器３で検出し、光検出器３の出力信
号の高調波歪率Ｄを測定し、半導体レーザ２の温度Ｔを
変化させて歪率Ｄの周期に相当する温度変化ΔＴを測定
し、温度変化ΔＴに相当するレーザ光の波長変化Δλを
実質的に求め、レーザ光の光路中に存在するキャビティ
１０の光路長Ｌ及び実効反射率Ｒを歪率Ｄ及び波長変化
Δλに基づいて算出する。

【０００９】上記キャビティ測定方法及び装置の作用は
次の通りである。なお、歪率は、最も感度の高い２次歪
率Ｄ₂についてのみ考える。この２次歪率Ｄ₂は次式で表
される。

【００１０】Ｄ₂＝Ｎ_cso（ｍＲ）²×｛（２πη（Ｉ_op−Ｉ_th）τ｝⁴×｛cos（ωτ）｝²×｛ｅｘｐ（−πΔντ）｝² ・・・（１）ここに、Ｎ_cso：変調電流Ｉ_mが複数の正弦波電流を重畳したもの
である場合、２次相互変調歪の組合わせ数で
あって、正弦波電流が１つの場合には１ｍ：変調信号の光変調度Ｐ_m0／Ｐ_op（図３） η：半導体レーザ２０のＦＭ変調効率（Ｈｚ／ｍＡ）Ｉ_op：半導体レーザ２０に供給する直流バイアス電流
（レーザ動作点電流）Ｉ_th：半導体レーザ２０のしきい値電流 τ：キャビティ往復時間であって、光速をｃとすると、
τ＝２Ｌ／ｃ ω：レーザ光の中心角周波数 Δν：レーザ光のスペクトル線幅（半値全幅）である。

【００１１】通常はΔν＝１〜５０ＭＨｚであり、ま
た、Ｌ＝１〜１００ｍｍの場合にはτ＝５〜５００ｐｓ
となる。したがって、上式（１）においてｅｘｐ（−π
Δντ）≒１となり、次式が近似的に成立する。

【００１２】Ｄ₂＝Ｎ_cso×（ｍＲ）²×｛（２πη（Ｉ_op−Ｉ_th）τ｝⁴×｛cos（ωτ ）｝² ・・・（２）角周波数ωをΔωだけ変化させたときに２次歪率Ｄ₂が
１周期変化するとすれば、次式が成立する。

【００１３】 Δω×τ＝π ・・・（３）この式（３）にτ＝２Ｌ／ｃを代入すると、光路長Ｌは
次式で表される。

【００１４】Ｌ＝πｃ／（２Δω）・・・（４）レーザ光の中心波長をλとすると、λ＝２πｃ／ω、Δ
λ＝２πｃΔω／ω²であるから、式（４）は次式で表
すことができる。

【００１５】Ｌ＝λ²／（４Δλ）・・・（５）ここで、半導体レーザ２の出力光の中心波長λは、半導
体レーザ２の温度Ｔを変化させると例えば図７に示すよ
うに変化する。したがって、半導体レーザ２の温度Ｔを
変化させながら２次歪率Ｄ₂を測定し、２次歪率Ｄ₂の１
周期変化に相当する半導体レーザ２の温度変化ΔＴを測
定し、この温度変化ΔＴに相当する波長変化Δλを求め
れば、上式（５）から光路長Ｌが求まる。

【００１６】光路長Ｌが求まれば、τ＝２Ｌ／ｃが求ま
り、さらに、上式（２）から実効反射率Ｒが求まる。

【００１７】本発明によれば、後述の試験例に示すよう
に、向かい合う端面間の光路長Ｌが数ｍｍでこれら端面
の実効反射率Ｒが１％以下のキャビティ１０であって
も、キャビティ１０のこれら光路長Ｌ及び実効反射率Ｒ
を測定することが可能となる。

【００１８】上記実効反射率Ｒは、例えば、レーザ温度
Ｔを変化させたときに得られる歪率Ｄの極大値Ｄ_mを用
いて算出する。

【００１９】この構成の場合、実効反射率Ｒの測定精度
が向上する。例えばＤ＝Ｄ₂の場合には、Ｄの極大値を
Ｄ_2mとすると、上式（２）から次式が成立する。

【００２０】Ｒ²＝Ｄ_2m／［Ｎ_cso×ｍ²×｛（２πη（Ｉ_op−Ｉ_th）τ｝⁴］・・（６）上記変調電流Ｉ_mは、例えば、相互変調歪率を大きく
するために、互いに周波数ｆが異なる複数の正弦波電流
を重畳したものである。

【００２１】この構成の場合、測定感度が高くなり、キ
ャビティ１０の実効反射率Ｒ及び光路長Ｌの測定精度が
向上する。

【００２２】

【実施例】以下、図面に基づいて本発明の実施例を説明
する。

【００２３】（１）第１実施例図２はキャビティ測定装置の構成を示す。

【００２４】半導体レーザ２０には、そのしきい値電流
Ｉ_thよりも大きい動作点電流Ｉ_opが直流バイアス電源２
２から供給される。このＩ_opには、正弦波変調信号源２
４からコンデンサ２６を介して変調電流Ｉ_m0ｓｉｎ2πf
tが重畳される。したがって、半導体レーザ２０に供給
される電流Ｉ及び半導体レーザ２０の光出力Ｐは、図３
に示す如くなる。

【００２５】半導体レーザ２０から放射されたレーザ光
は、コリメータ２８を通って平行化され、光アイソレー
タ３０を介しキャビティ１０を通って光検出器３２で検
出される。キャビティ１０からの反射光が半導体レーザ
２０に入射すると半導体レーザ２０の特性が変化するの
で、これを防止するために、光アイソレータ３０が用い
られている。光アイソレータ３０から出射したレーザ光
は、不図示の光ファイバに通してもよい。

【００２６】光検出器３２の出力は、高周波アンプ３４
で増幅された後、スペクトラムアナライザ３６に供給さ
れて、図４に示すようなスペクトル分布が測定される。
検出光に変調周波数ｆの整数倍の高調波が含まれるの
は、キャビティ１０を透過した直接光Ｌ１と、キャビテ
ィ１０の端面１０ｂで反射された後端面１０ａで反射さ
れた遅れ光Ｌ２とが干渉して、波形が歪むためである。

【００２７】この波形歪みは、レーザ光の波長λが一定
の場合には、端面１０ａ及び１０ｂの実効反射率Ｒ及び
端面１０ａと１０ｂとの間の光路長Ｌにより定まる。実
効反射率Ｒは、端面１０ａの反射率をＲ１、端面１０ｂ
の反射率をＲ２とすると、（Ｒ１Ｒ２）^1/2で表され
る。レーザ光の波長λが変化すると、上式（１）に従っ
て波形歪の量が変化する。一方、レーザ光の波長λは、
半導体レーザ２０の温度を変えると変化する。そこで、
次のような構成を備えている。

【００２８】半導体レーザ２０の近くに、ペルチエ効果
により発熱又は吸熱するペルチェ素子３８を配置し、温
度調節器４０からペルチェ素子３８へ電流を供給してい
る。また、半導体レーザ２０の温度を検出するために、
半導体レーザ２０の近くに温度検出器４２が配置されて
いる。温度検出器４２の出力は、直流アンプ４４を通っ
て増幅された後、Ａ／Ｄ変換器４６でデジタル値に変換
され、温度調節器４０にフィードバックされるととも
に、マイクロコンピュータ４８へ供給される。温度調節
器４０は、検出温度がマイクロコンピュータ４８から供
給される設定温度に近づくように、ペルチェ素子３８へ
供給する電流を制御する。

【００２９】マイクロコンピュータ４８には、キャビテ
ィ１０の光学特性定数Ｌ及びＲを決定するために必要な
定数が、キーボード５０から供給される。マイクロコン
ピュータ４８は、スペクトラムアナライザ３６、Ａ／Ｄ
変換器４６及びキーボード５０から供給されるデータに
基づいて、キャビティ１０の光学特性定数Ｌ及びＲを求
め、その結果を表示器５２へ供給して表示させる。

【００３０】次に、マイクロコンピュータ４８のソフト
ウエア構成を図５に基づいて説明する。以下において、
括弧内の数値は図５中のステップ識別番号である。

【００３１】（１００）キーボード５０を操作して次の
定数、ｍ：変調信号の光変調度Ｐ_m0／Ｐ_op（図３） η：半導体レーザ２０のＦＭ変調効率（Ｈｚ／ｍＡ）Ｉ_op：半導体レーザ２０に供給する直流バイアス電流
（レーザ動作点電流）Ｉ_th：半導体レーザ２０のしきい値電流 λ：レーザ光の中心波長 α：半導体レーザ２０の温度Ｔに対する波長λの変化率
（図７参照）をマイクロコンピュータ４８に読み込ませる。

【００３２】（１０２）直流バイアス電源２２及び正弦
波変調信号源２４をオンにして、半導体レーザ２０から
レーザ光を放射させる。

【００３３】（１０４）半導体レーザ２０の初期設定温
度を温度調節器４０へ供給する。Ａ／Ｄ変換器４６から
の検出温度がこの設定温度に一致しかつ安定すると、温
度調節器４０に供給する設定温度を徐々に上昇又は下降
させて、半導体レーザ２０の温度を変化させることによ
り、半導体レーザ２０から放出されるレーザ光の中心波
長λを変化させる。このような動作と並行して、次のス
テップ１０６及び１０８の処理を行う。

【００３４】（１０６）２次歪率Ｄ₂の極大値Ｄ_2m、及
び、２次歪率Ｄ₂の１周期変化に相当する温度変化ΔＴ
を検出する。

【００３５】（１０８）この温度変化ΔＴに相当する波
長λの変化Δλ＝αΔＴを算出する。

【００３６】（１１０）上式（５）を用いて光路長Ｌを
算出する。

【００３７】（１１２）上式（６）を用いて実効反射率
Ｒを算出する。

【００３８】以上のようにして、キャビティ１０の光路
長Ｌ及び実効反射率Ｒを容易に求めることができる。

【００３９】（２）第２実施例図６は第２実施例のキャビティ測定装置の構成を示す。

【００４０】このキャビティ測定装置では、２次歪率Ｄ
₂を大きくして測定感度を高めるために、互いに角周波
数が異なる複数の正弦波電流を重畳したものを変調信号
源２４Ａから出力させている。すなわち、変調信号源２
４Ａは、Ｉ_m0sin(2πf+kβ)tの正弦波電流を出力する２
４ｋ（ｋ＝０〜ｎ）と、これらの出力を重畳する混合器
２５とからなる。

【００４１】また、キャビティ１０と光検出器３２との
間には、光検出器３２の出力が飽和しないようにするた
めに、光アッテネータ５４が配置されている。さらに、
高周波アンプ３４とスペクトラムアナライザ３６との間
には、スペクトラムアナライザ３６の出力の飽和を防ぐ
ために、特定の高調波のみを通過させるバンドパスフィ
ルタ５６を接続している。

【００４２】他の点は上記第１実施例と同一である。

【００４３】（３）試験例図６に示すキャビティ測定装置を用いて試験を行った。
試験条件は次の通りである。

【００４４】半導体レーザ２０：２次相互変調歪率が−６０〜−７０ｄＢのもの波長λ＝１．５５μｍ（ω＝１．２２×１０¹⁵）レーザ光のスペクトル線幅（半値全幅）Δν＝３０ＭＨ
ｚしきい値電流Ｉ_th＝１５ｍＡＦＭ変調効率η＝３００ＭＨｚ／ｍＡ α：０．０９８８ｎｍ／℃ （図７）直流バイアス電源２２：５４ＭＨｚ付近に大きな雑音を生じないもの動作点電流Ｉ_op＝５０ｍＡ変調信号源２４Ａ：５５．２５〜３１３．２５ＭＨｚの間の約６．６１５Ｍ
Ｈｚ等間隔の正弦波信号を４０チャンネル出力（ｎ＝３
９）各正弦波電流の振幅は同一で各正弦波について光変調度
ｍ＝０．０３２２次相互変調歪率−７０ｄＢ以下温度調節器４０：０．１℃以下の設定精度をもつものバンドパスフィルタ５６：５４ＭＨｚ付近のみの信号を通すもの（２次相互変調歪率を測定する周波数は５４ＭＨｚで、
この場合、２次相互変調歪組合わせ数Ｎ_CSO＝２９）図８はこれらの条件の下での温度Ｔと２次相互変調歪率
Ｄ₂との関係の実測値をグラフで示す。この場合、ΔＴ
＝１．３℃、Δλ＝０．１３ｎｍ、Ｄ_2m＝−４４ｄＢと
なり、Ｌ＝４．５ｍｍ、Ｒ＝−２７ｄＢを得た。この結
果は、Ｌ及びＲを他の方法で直接測定した値とよく一致
していた。

【００４５】

【発明の効果】以上説明した如く、本発明に係るキャビ
ティ測定方法及び装置によれば、向かい合う端面間の光
路長Ｌが数ｍｍでこれら端面の実効反射率Ｒが１％以下
のキャビティであっても、キャビティのこれら光路長Ｌ
及び実効反射率Ｒを測定することができ、したがって、
各種光学系の光路中に好ましくないこのような短キャビ
ティが不用意に配置されているかどうか及びその好まし
くない程度を知得することができるという優れた効果を
奏する。

【００４６】キャビティの実効反射率を、レーザ温度を
変化させたときに得られる歪率の極大値を用いて算出れ
ば、実効反射率の測定精度が向上するという効果を奏す
る。また、変調電流を、互いに周波数が異なる複数の正
弦波電流を重畳したものにして、相互変調歪率を大きく
すれば、キャビティの実効反射率Ｒ及び光路長Ｌの測定
精度が向上するという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るキャビティ測定装置の原理構成を
示すブロック図である。

【図２】第１実施例のキャビティ測定装置の構成図であ
る。

【図３】半導体レーザの変調入出力特性図である。

【図４】スペクトラムアナライザにより得られる検出信
号スペクトル分布図である。

【図５】マイクロコンピュータのソフトウエア構成を示
す、キャビティ測定手順のフローチャートである。

【図６】第２実施例のキャビティ測定装置の構成図であ
る。

【図７】半導体レーザの温度に対する波長の変化の実測
値を示すグラフである。

【図８】半導体レーザの温度に対する歪率の変化の実測
値を示すグラフである。

【図９】従来のキャビティ測定原理説明図である。

【符号の説明】

１０キャビティ１０ａ、１０ｂ端面２０半導体レーザ２２直流バイアス電源２４、２４０〜２４ｎ正弦波変調信号源２４Ａ変調信号源２８コリメータ３０光アイソレータ３２光検出器３４高周波アンプ３６スペクトラムアナライザ３８ペルチェ素子２５混合器５４光アッテネータ５６バンドパスフィルタ

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01M 11/00 - 11/02 G01B 11/14 G01N 21/41 G01N 21/55 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) 実用ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ) 特許ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】直流バイアス電流（Ｉ_op）と変調電流
（Ｉ_m）とを重畳した電流を半導体レーザ（２）に供給
し、該半導体レーザから放射された光を光検出器（３）
で検出し、該光検出器の出力信号の高調波歪率（Ｄ）を
測定し、該半導体レーザの温度（Ｔ）を変化させて該歪
率の周期に相当する温度変化（ΔＴ）を測定し、該温度
変化に相当するレーザ光の波長変化（Δλ）を実質的に
求め、該レーザ光の光路中に存在するキャビティ（１
０）の光路長（Ｌ）及び実効反射率（Ｒ）を該歪率及び
該波長変化に基づいて算出することを特徴とするキャビ
ティ測定方法。
【請求項２】前記実効反射率（Ｒ）を、前記レーザ温
度（Ｔ）を変化させたときに得られる前記歪率（Ｄ）の
極大値（Ｄ_m）を用いて算出することを特徴とする請求
項１記載のキャビティ測定方法。
【請求項３】前記変調電流（Ｉ_m）は、相互変調歪率
（Ｄ）を大きくするために、互いに周波数（ｆ）が異な
る複数の正弦波電流を重畳したものであることを特徴と
する請求項１又は２に記載のキャビティ測定方法。
【請求項４】直流バイアス電流（Ｉ_op）と変調電流
（Ｉ_m）とを重畳した電流を出力する電流源（１）と、
該電流源の出力が供給されてレーザ光を放射する半導体
レーザ（２）と、該レーザ光を検出する光検出器（３）
と、該光検出器の出力信号のスペクトル分布を測定する
スペクトラムアナライザ（４）と、該スペクトラムアナ
ライザの出力に基づいて高調波歪率（Ｄ）を算出する歪
率算出手段（４）と、該半導体レーザの温度（Ｔ）を変
化させる温度制御手段（５）と、該温度を変化させたと
きの該歪率の周期に相当する温度変化（ΔＴ）を測定す
る周期測定手段（６）と、該温度変化に相当するレーザ
光の波長変化（Δλ）を実質的に求める変換手段（７）
と、該レーザ光の光路中に存在するキャビティ（１０）
の光路長（Ｌ）を該波長変化に基づいて算出するキャビ
ティ光路長算出手段（８）と、該レーザ光の光路中に存
在するキャビティの実効反射率（Ｒ）を実質的に該光路
長及び該歪率に基づいて算出する反射率算出手段（９）
と、を有することを特徴とするキャビティ測定装置。