JP3193705B2 - 超音波光周波数シフタ及びそれを用いたマイケルソン型スペクトル線幅測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、レーザ光のスペ
クトル線幅を高分解能で測定する測定装置に係り、特に
マイケルソン型干渉光学計を該測定装置の測定光学系に
取り入れることにより、該測定光学系の構成を簡素化す
る一方、測定原理をスペクトル線幅の高分解能測定方法
として従来からよく知られている遅延自己ホモダイン法
又はヘテロダイン法と同一とし、次世代の光コヒーレン
ト通信用の半導体レーザや超精密光計測システムの光周
波数安定化光源用半導体レーザのスペクトル線幅測定に
も十分対応できるようにして、しかも小型高性能化を可
能としたマイケルソン型スペクトル線幅測定装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザのスペクトル線幅を測定す
る主な方法としては、第１に光スペクトルアナライザの
測定光学系に代表される回折格子やファブリ・ペロ干渉
計等を使った分光方法、第２に２つのレーザ光の出力間
のビート信号を測定するヘテロダイン法、第３に検波器
への局部発振入力として、被測定レーザ自身の、時間τ
だけ前の光出力を利用する遅延自己ホモダイン法又はヘ
テロダイン法などがある。

【０００３】第１の方法は、回折格子に被測定光（被測
定レ−ザ光ともいう。)を入射させたとき、その被測定光
に含まれている異なった波長がそれぞれ違った回折角で
反射するという原理を用いた波長分離方法や、反射率が
高く精度のよい平行板を２枚向かい合わせて多重反射を
起こすようにし、さらにその２枚の平行板間の距離を微
少に変えることが可能な構造とすることにより、非常に
狭帯域の掃引型フィルタを構成し、被測定光を各波長ご
とに分離するような空間周波数による分光方法である。

【０００４】第２の方法は、被測定光と、該被測定光と
発振波長が非常に近く、かつ周波数が極度に安定化さ
れ、さらに該被測定光と全く相関を持たない局部発振用
レーザ光とをヘテロダイン干渉させ、そのとき、発生す
るビート信号をスペクトルアナライザに表示させること
によりリアルタイムで線幅を測定する方法である。

【０００５】第３の方法は、1980年に「半導体レーザの
発振スペクトルの新しい高分解能測定法（大越等：ＯＱ
Ｅ−５０）」として報告された方法である。この第３の
方法は、マッハ−ツェンダ干渉計を測定光学系の基本と
しており、その測定光学系は被測定光を第１のビームス
プリッタにより２つの光に分岐し、その分岐した一方の
光をファイバ中で遅延させ、他方の光は無変調状態又は
音響光学変調器により周波数変調した状態のどちらかで
空中を伝搬させた後、一方の光と他方の光とを第２のビ
ームスプリッタで混合し、ホモダイン検波又はヘテロダ
イン検波をする構成となっている。

【０００６】しかし、この第３の方法は、第２の方法が
とっているわずかに周波数の異なった光によってビート
ダウンし、スペクトル線幅を測定する方法とは原理的に
異なり、半導体レーザから出力される光が持つ発振スペ
クトルのゆらぎをパワースペクトル密度に換算し、その
自己相関の結果をスペクトルアナライザ上に表示させて
スペクトル線幅を測定するものである。そのため遅延時
間によって周波数分解能が決定され、該遅延時間と周波
数分解能とは反比例の関係を持つようになる。ただし、
第２のビームスプリッタで混合する時に２つの光がコヒ
ーレント長内で相関関係をもたず、独立の２つの光とし
て扱えるようにするためファイバ中を伝搬する光の光路
長と空中を伝搬する光の光路長との差は、被測定光のコ
ヒーレント長よりも充分長くする必要があるなどの制約
がある。

【０００７】

【発明が解決しようする課題】第１の方法では、回折格
子の機械的作製精度つまり、単位長さ当たりの回折格子
間隔や高精度平行板の平行平面度と反射率等の機械的要
因からその周波数分解能が決定されるため、最高分解能
が10ＭHZ程度で留まってしまう。そのため光コヒーレン
ト通信で必要とされている１ＭHZ以下の線幅を持つ半導
体レーザの線幅測定には、この第１の方法では対応でき
ないという課題がある。

【０００８】第２の方法では、被測定レーザ光と、該被
測定レーザ光と発振波長が近く、かつ周波数が極度に安
定化された局部発振用レーザから出力されるレーザ光と
をヘテロダイン干渉させることにより線幅を測定するた
め、被測定光に応じた周波数を持つ局部発振用レーザの
超安定化装置が測定毎に必要となる上に、該局部発振用
レーザから出力されるレーザ光の線幅を何らかの方法で
あらかじめ測定しておく必要があるという課題がある。

【０００９】第３の方法では、被測定光自身の時間τだ
け前の光出力を局部発振用レーザの代りに利用するため
に第２の方法で必要な被測定半導体レーザ光と発振波長
が近く、かつ周波数が極度に安定化した局部発振用レー
ザを必要としない上に、遅延時間の調整だけで、その周
波数分解能を調節できる。例えば、遅延時間を与える光
ファイバの長さを10kmとしたとき、周波数分解能は５KH
z とすることができ、また光ファイバの長さを20kmとし
たとき、周波数分解能2.5kHzとすることができる。しか
も局部発振用レーザとして線幅をあらかじめ測定してお
く必要がないなど他の方法にない優れた特徴を有する。

【００１０】しかしながら、この第３の方法では、測定
光学系に光が一方向に伝搬するマッハ−ツェンダ干渉計
を基本的に採用している。そのため周波数分解能を高く
とるために遅延時間を多く与えようとした場合、光ファ
イバが１方向の遅延回路としてしか利用されていないこ
とから非常に長い光ファイバが必要となり、光ファイバ
によるコストが過大となっている。しかもそれに伴い構
成部品が重複した構成となっている。

【００１１】さらに、精度良く線幅を測定したい場合、
線幅の非常に細い半導体レーザのスペクトル測定ではス
ペクトルアナライザの１／ｆ雑音を避けるためにヘテロ
ダイン法による測定により、一方、光周波数シフタのシ
フト量が有限であるために該光周波数シフタのシフト量
よりも線幅の太いスペクトル測定ではスペクトルアナラ
イザの折り返しを避けるためホモダイン法による測定を
必要とする。このためヘテロダイン法とホモダイン法の
切り替えがスペクトル線幅測定装置には必要となるが、
測定光学系をマッハ−ツェンダ干渉計を基本構成とした
遅延自己ホモダイン法又はヘテロダイン法においては、
光周波数シフタを駆動させたときと駆動させないときの
光軸が異なっているためにこれを解決するための光学系
が大きくなることも加わってコストがかかってしまうと
いう課題がある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで、この発明では、
信号検出器への局部発振入力となる被測定レーザ自身の
時間τだけ前の光出力を、遅延自己ホモダイン法又はヘ
テロダイン法の測定光学系における基本構成となってい
るマッハ−ツェンダ型光学干渉計ではなく、マイケルソ
ン型光学干渉計の構成により得られるようにし、この結
果遅延時間を与えるための光ファイバを双方向の遅延回
路として利用し、光ファイバの長さを実効的に２倍とす
る。

【００１３】さらに、光の分岐と混合検波を１つの四端
子方向性結合器で行う手段をとり、またヘテロダイン法
によって線幅測定を行う場合に必要な周波数変調器の構
造を反射型で、かつ入射光と同一の光軸上に変調光が出
射するものを利用する。

【００１４】これらの手段を採用したことにより、この
本発明では、遅延自己ホモダイン法又はヘテロダイン法
と同様な測定原理を有しながら、言い替えれば非常に高
い分解能を所持しながら、光ファイバの長さや構成部品
がマッハ−ツェンダ干渉計型の測定光学系に対し約半分
で構成でき従来の課題の解決が可能となる。

【００１５】

【作用】この発明のように、自己相関によるビート信号
スペクトルから被測定レーザのスペクトル線幅を精度良
く測定する方法の分解能は、遅延時間に依存しているこ
とが知られている。

【００１６】一般に１つの光源から出力された光を２つ
の光路に分けたとき、該２つの光路における光の遅延時
間差が被測定光のコヒーレント時間より充分に長い場
合、２つの光路を通った光の間には相関がなくなること
は良く知られている。したがって、遅延を与えるための
光ファイバの長さを充分に長くとれば、第３のポートと
第４のポートとからファイバカップラに戻ってきた光の
間には、相関はないと言える。このとき、２つの光の雑
音の統計的性質はもともと１つの光源から出力されたも
のであるため等しい。よって、この２つの光を第３のポ
ートと第４のポートとからファイバカップラにより混合
光としたときに得られるパワースペクトルから被測定光
の線幅測定が可能となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】第１図は、本発明に係る第１の実
施の形態であるマイケルソン型スペクトル線幅測定装置
の構成図である。四端子方向性結合器（本実施の形態で
は、ファイバカップラを使用する）20の各端子に設けた
第１、第２、第３及び第４のポートを１、２、３、４で
それぞれ示す。被測定光をファイバカップラ20の第１の
ポート１に導入するための光入力端子を５で示す。この
光入力端子（コネクタ）５から被測定光を入力し、第１
のポート１に入った該被測定光は、ファイバカップラ20
の中に取り込まれ同じ位相で２分岐された後、該光入力
端子５と相対する第３のポート３及び第４のポート４に
出力される。第３のポート３に出力された光は、その終
端面に設けられた第２の反射鏡８で反転（反射ともい
う）された後、再び第３のポート３を透過してファイバ
カップラ20に導入される。

【００１８】一方、第４のポート４に出力された光は遅
延を与えるための光ファイバ７を通過した後、該光ファ
イバ７の終端面に設けられた第１の反射鏡６で反転（反
射ともいう）され再び該遅延を与えるための光ファイバ
７を通過することにより、被測定光が持つスペクトル間
の相関性を除き得るだけ遅延された後、第４のポート４
を介し、ファイバカップラ20に導入される。このファイ
バカップラ20で反射され戻ってきた第３のポート３と第
４のポート４のそれぞれの光は混合され、第１のポート
１と第２のポート２に分岐される。第２のポート２に出
力された混合光つまり、スペクトル線幅成分の信号を持
った光は受光器９で電気信号に変換され、電気信号出力
端子10から外部に出力する。

【００１９】第２図は、本発明に係る第２の実施の形態
であるマイケルソン型スペクトル線幅測定装置の構成図
である。光入力端子５から入力し、第１のポート１に入
った被測定光はファイバカップラ20の中に取り込まれて
同じ位相で２分岐された後、光入力端子５と相対する第
３のポート３及び第４のポート４に出力される。第３の
ポート３に出力された光は、その終端面に設けられたハ
ーフミラ21で一部反射され残りの光は光ファイバ22へ伝
搬していく。反射した光は再び第３のポート３を透過し
てファイバカップラ20に導入される。また光ファイバ22
へ伝搬した光は光出力端子23から被測定光のモニタとし
て外部に取り出される。

【００２０】一方、第４のポート４に出力された光は遅
延を与えるための光ファイバ７を透過した後、該遅延を
与えるための光ファイバ７の終端面に設けられた反射鏡
50で反射され再び該遅延を与えるための光ファイバ７を
透過して測定光のスペクトル間の相関性を除き得るだけ
遅延された後、第４のポート４を介し、ファイバカップ
ラ20に導入される。反射鏡50で反射されファイバカップ
ラ20に戻ってきた第３のポート３と第４のポート４のそ
れぞれの光は混合され、その混合光つまりスペクトル線
幅成分の信号を持った光が第２のポート２に出力され
る。第２のポート２に出力された該混合光は受光器９で
電気信号に変換され、電気信号出力端子10から外部に信
号を出力する。そのため、この構成は被測定光のモニタ
言い替えれば被測定光の入力パワーやサイドモードを測
定しながらスペクトル線幅の測定が可能である。つま
り、この実施の形態では、入射光そのものを観測できる
ようにするために第１の実施の形態における第１又は第
２の反射鏡６、８のいずれかをハーフミラ21で置換し、
該ハーフミラ21で反射する光は受光器９に送り、該ハー
フミラ21で透過した光はモニター光として取り出すこと
ができる

【００２１】第３図は、本発明に係る第３の実施の形態
である超音波光周波数シフタの構成図を示す。入射光61
は、光透過性を有する超音波伝達媒体基板31の側面に設
けられた光入出力用側面32にその光軸が垂直となるよう
に入射した光を示す。信号源62から何も信号が出力され
ていない場合、超音波伝達媒体基板31内での入射光61の
光軸方向は変化することなく直進する。直進した光63
は、光入出力用側面32と平行で、かつ超音波伝達媒体基
板31の相対する位置にある第１の反射鏡36を有する第１
の反射側面37で、その光軸は変わることなく反射され、
第１の反射光64となり入射光61の透過した光路を逆方向
に進んで出力光68となる構成となっている。したがっ
て、入射光61の周波数と同じ周波数を持った該出力光68
が入射光61と同一の光軸上に出力されることになる。

【００２２】一方、信号源62から励起子34例えば、圧電
性基板の共振周波数を持った信号が出力されている場
合、超音波65が該圧電性基板に励振され、超音波入力用
側面33より超音波伝達媒体基板31内を進行型の粗密波と
して伝搬する。この超音波65は、入射光61とブラッグ回
折条件が満たされるようにその進行方向は調整されてい
る。また超音波65が端面反射すると、前記超音波伝達媒
体基板31内に超音波65の定在波が生じ、それが原因とな
って周波数変調しなくなるので、それを除くために超音
波65の進行方向にある超音波伝達媒体基板31の側面を斜
研磨して超音波散乱側面35を形成している。光入出力用
側面32から超音波伝達媒体基板31に入射した入射光61
は、超音波65と相互作用をすることにより光軸方向がブ
ラッグ回折条件を満たす方向に変化する。このとき、入
射光の周波数は超音波65により、その周波数分だけ一度
目の周波数変調を受ける。ブラッグ回折により、光軸が
変化した回折光66は、その光軸方向と垂直になるように
設けられた第２の反射鏡38を備えた第２の反射側面39で
反射され、第２の反射光67となる。第２の反射光67は、
回折光66と同じ光路をとるために再び超音波65でブラッ
グ回折を受け、その光軸が入射光61と同一となる。しか
も、このとき、２度目の周波数変調が反射光67にかか
り、光入出力用側面32から外部へ出力される構成となっ
ている。したがって、入射光61の周波数に超音波の２倍
の周波数を加えた周波数を持った出力光68が入射光61と
同一の光軸上に出力されることになる。

【００２３】以上述べたように、この超音波光周波数シ
フタは、同一の光軸上で周波数変調のかかった光と周波
数変調のかかっていない光を切り替えて出力することが
可能な構成となっている。

【００２４】第４図は、本発明に係る第４の実施の形態
であるマイケルソン型スペクトル線幅測定装置の構成図
である。光入力端子５から入力し、第１のポート１に入
った被測定光はファイバカップラ20の中に取り込まれて
同じ位相で２分岐された後、光入力端子５と相対する第
３のポート３及び第４のポート４に出力される。第３の
ポート３に出力された光は、その終端面に設けられた超
音波光周波数シフタ内で反射された後、再び第３のポー
ト３を透過してファイバカップラ20に導入される。

【００２５】一方、第４のポート４に出力された光は遅
延を与えるための光ファイバ７を透過した後、該遅延を
与えるための光ファイバ７の終端面に設けられた反射鏡
50で反転（反射ともいう）され、再び該光ファイバ７を
透過して測定光のスペクトル間の相関性を除き得るだけ
遅延された後、第４のポート４を介し、ファイバカップ
ラ20に導入される。反射鏡50で反射され、ファイバカッ
プラ20に戻ってきた第３のポート３と第４のポート４の
それぞれの光は混合され、その一部の混合光つまりスペ
クトル線幅成分の信号を持った光が第２のポート２に出
力される。第２のポート２に出力された混合光は、受光
器９で電気信号に変換され、出力端子10から外部に出力
する構成となっている。

【００２６】したがって、この構成は信号源62からの信
号のON,OFFによりホモダイン法又はヘテロダイン法のス
ペクトル線幅測定が可能な構成となっている。ただし、
この第４の実施の形態においては、ホモダイン法又はヘ
テロダイン法による測定を可能とするために用いる光周
波数変調器として第３の実施の形態で示した超音波光周
波数シフタを利用した測定装置を示したが、これに限定
されるものではない。つまり、光周波数変調器は入射光
の光軸と同一の光軸上に変調光及び無変調光の両方を出
射する構成のものを用いれば実現可能である。

【００２７】第５図は、本発明に係る第５の実施の形態
であるマイケルソン型スペクトル線幅測定装置の構成図
である。光入力端子５から入力し、第１のポート１に入
った被測定光は、ファイバカップラ20の中に取り込まれ
て同じ位相で２分岐された後、光入力端子５と相対する
第３のポート３および第４のポート４に出力される。第
３のポート３に出力された光は、その終端面に設けられ
たハーフミラ21で一部反射され、残りの光は光ファイバ
22へ伝搬していく。反射した光は、再び第３のポート３
を透過してファイバカップラ20に導入される。また、光
ファイバ22へ伝搬した光は光出力端子23から被測定光の
モニタとして外部に取り出される。

【００２８】一方、第４のポート４に出力された光は遅
延を与えるための光ファイバ７を透過した後、該遅延を
与えるための光ファイバ７の終端面に設けられた超音波
光周波数シフタ内で反射され再び該遅延を与えるための
光ファイバ７を透過して測定光のスペクトル間の相関性
を除き得るだけ遅延された後、第４のポート４を介し、
ファイバカップラ20に導入される。反射鏡50で反転（反
射ともいう）されファイバカップラ20に戻ってきた第３
のポート３と第４のポート４の光は混合され、その混合
光つまりスペクトル線幅成分の信号を持った光が第２の
ポート２に出力される。第２のポート２に出力された混
合光は受光器９で電気信号に変換され、電気信号出力端
子10から外部に出力される。そのため、この構成は被測
定光のモニタつまり、被測定光の入力パワーやサイドモ
ードを測定しながらホモダイン法又はヘテロダイン法の
スペクトル線幅の測定が可能な構成である。ただし、本
実施の形態においては、ホモダイン法又はヘテロダイン
法による測定を可能とするために用いる光周波数変調器
として第３の実施の形態で示した超音波光周波数シフタ
を利用した測定装置を示したが、これに限定されるもの
ではない。つまり、光周波数変調器は入射光の光軸と同
一の光軸上に変調光及び無変調光の両方を出射する構成
のものを用いれば実現可能である。

【００２９】

【発明の効果】以上、述べたように、従来の遅延自己ホ
モダイン法の基本測定光学系をマイケルソン型干渉計に
置き換え、さらに、反射型の超音波周波数変調器を使う
ことにより遅延を与えるための光ファイバが従来のもの
と比較し半分で済むこと、四端子方向性結合器（ファイ
バカップラ）が１個で済むこと、それらに伴い部品点数
が少なくなることに加え、ホモダイン法又はヘテロダイ
ン法における両測定を行う場合に光軸が同一となるよう
にすることができる。このことにより従来型の遅延自己
ホモダイン法に対して小型で低価格の測定器が実現でき
るようになった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る第１の実施の形態を示す図であ
る。

【図２】本発明に係る第２の実施の形態を示す図であ
る。

【図３】本発明に係る第３の実施の形態を示す図であ
る。

【図４】本発明に係る第４の実施の形態を示す図であ
る。

【図５】本発明に係る第５の実施の形態を示す図であ
る。

【符号の説明】

１ 第１のポ−ト ２ 第２のポ−ト ３ 第３のポ−ト ４ 第４のポ−ト ５ 光入力端子 ６ 第１の反射鏡 ７ 光ファイバ ８ 第２の反射鏡 ９ 受光器 １０ 電気信号出力端子 ２０ 四端子方向性結合器（ファイバカップラ） ３１ 超音波伝達媒体基板 ３２ 光入出力用側面 ３３ 超音波入力用側面 ３４ 励起子 ３５ 超音波散乱側面 ３６ 第１の反射鏡 ３７ 第１の光の反射側面 ３８ 第２の反射鏡 ３９ 第２の光の反射側面 ５０ 反射鏡

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光入出力用側面(32)、超音波入力用側面
   (33)、超音波散乱側面(35)、第１の光の反射側面(37)及
   び第２の光の反射側面(39)を有する超音波伝達媒体基板
   (31)と； 該超音波伝達媒体基板に超音波を励起するため前記超音
   波入力用側面に接触して設けられた励起子(34)と； 該超音波伝達媒体基板に超音波が励起されていないと
   き、該超音波伝達媒体基板の前記光入出力用側面から入
   射された光と同一の光軸を持つ反射光を該光入出力用側
   面から出射せしめるため前記第１の光の反射側面に備え
   られた第１の反射鏡(36)と； 該超音波伝達媒体基板に超音波が励起されたとき、前記
   光入出力用側面から入射され、該超音波によってブラッ
   グ回折された光を反射させ、入射された光と同一の光軸
   を持つ反射光を前記光入出力用側面から出射せしめるた
   め前記第２の光の反射側面に備えられた第２の反射鏡(3
   8)とを備えた超音波光周波数シフタ。
2. 【請求項２】 第１のポート(1) に光源からの光が入力
   され、該第１のポートから入力された光を第３のポート
   (3) 及び第４のポート(4) に出力し、該第３のポートか
   ら入力された光を第２のポート(2) 及び前記第１のポー
   トに出力し、前記第４のポートから入力された光を該第
   １のポート及び該第２のポートに出力する四端子方向性
   結合器(20)と； 前記第４のポートに、その一方の端子が接続された遅延
   を与えるための光ファイバ(7) と； 該光ファイバの他方の端子に接続された請求項１の超音
   波光周波数シフタと； 前記第３のポートに接続され、該
   第３のポート内を伝搬する光の伝搬方向を反転する反射
   鏡(50)と； 前記超音波光周波数シフタと該反射鏡とで反転され、前
   記第２のポートで混合された混合光を受光して電気信号
   に変換する受光器(9) とを備えたマイケルソン型スペク
   トル線幅測定装置。
3. 【請求項３】 第１のポート(1) に光源からの光が入力
   され、該第１のポートから入力された光を第３のポート
   (3) 及び第４のポート(4) に出力し、該第３のポートか
   ら入力された光を第２のポート(2) 及び前記第１のポー
   トに出力し、前記第４のポートから入力された光を該第
   １のポート及び該第２のポートに出力する四端子方向性
   結合器(20)と； 前記第４のポートに、その一方の端子が接続された遅延
   を与えるための光ファイバ(7) と； 該光ファイバの他方の端子に接続され、該光ファイバ内
   を伝搬する光の伝搬方向を反転する反射鏡(50)と； 前記第３のポートに接続された請求項１の超音波光周波
   数シフタと； 該反射鏡と該超音波光周波数シフタ とで反転され、前記
   第２のポートで混合された混合光を受光して電気信号に
   変換する受光器(9) とを備えたマイケルソン型スペクト
   ル線幅測定装置。