JP3810531B2

JP3810531B2 - 光位相特性測定装置及び測定方法

Info

Publication number: JP3810531B2
Application number: JP26206497A
Authority: JP
Inventors: 進町田; 軍陳; 曙東蒋; 喜久山本
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; Nippon Telegraph and Telephone Corp; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Nippon Telegraph and Telephone Corp; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 1997-09-26
Filing date: 1997-09-26
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2017-09-26
Also published as: JPH11101694A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光位相を測定する装置及びその測定方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光の位相を測定する方法としては、ホモダイン位相検波法または、ヘテロダイン検波後の位相検出が用いられている。しかし、いずれの方法も、基本的には干渉計を構成しているために、干渉計を安定化しなければならない。
【０００３】
この干渉計の安定化は、干渉計の位相変動を安定させるために、被測定信号の位相変化と、干渉計の位相変動を分離して、高感度な位相特性の測定を行うことは困難である。
【０００４】
また、波長の異なる光源を用いて、干渉計の変動を検出する方法が用いられるが、構成が複雑になることに加えて、干渉計内の光路を完全に一致させることが困難であると共に、検出された二つの位相信号から、目的とする位相信号を抽出するには、複雑な処理を必要とする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来の技術では、光の位相の測定には、干渉計を安定化したり、二つの波長の異なる光源を必要とするために、測定方法に問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題点を除去し、干渉計を安定化することなく、単一の光源を用いて、高感度、かつ高安定な光位相の測定を行うことができる光位相特性測定装置及びその測定方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕光位相特性測定装置において、光源の出力光の基本波成分を分岐する光分岐器と、この光分岐器の出力のどちらか一方の光路に配置される被測定試料と、前記光分岐器の出力の他方に高調波を発生させる手段と、前記被測定試料からの出力光の光路差を変調する手段と、前記光分岐器からの出力光と前記光路差が変調された出力光とを合波する光合波器と、この光合波器の出力光を基本波成分と高調波成分に分波する光分波器と、この光分波器の出力の基本波成分を検波する第１の光検波器と、前記光分波器の出力の高調波成分を検波する第２の光検波器と、前記二つの光検波器の出力交流信号の位相差を検出する手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
〔２〕光位相特性測定方法において、光源の出力光の基本波を分岐する光分岐器と、この光分岐器の出力のどちらか一方の光路に被測定試料を配置し、前記光分岐器の出力の他方に高調波を発生させる手段を配置し、前記被測定試料からの出力光の光路差を変調する手段と、前記光分岐器からの出力光と前記光路差が変調された出力光とを合波する光合波器と、この光合波器の出力光を基本波成分と高調波成分に分波する光分波器と、この光分波器の基本波成分を検波する第１の光検波器と、前記光分波器の出力の高調波成分を検波する第２の光検波器と、前記二つの光検波器の出力交流信号の位相差を検出する手段とを配置し、光源の出力光の基本波を前記光分岐器で分岐後、どちらか一方に配置した高調波を発生させる手段で発生させた高調波成分と、他方に配置した被測定試料で発生させた高調波成分と、前記被測定試料を介する方の光路差を変調して、前記基本波成分と高調波成分をそれぞれ別にホモダイン検波を行い、光路差の変調によって発生する交流信号成分間の位相を測定することを特徴とする。
【０００９】
〔３〕上記〔１〕記載の光位相特性測定装置において、前記高調波を発生させる手段の高調波の次数をＮとしたときに、基本波成分を検波する第１の光検波器の出力交流信号の周波数をＮ倍にする手段と、前記高調波成分を検波する第２の光検波器の出力と前記交流信号の周波数のＮ倍の信号との位相差を測定する手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
〔４〕上記〔２〕記載の光位相特性測定方法において、前記高調波を発生させる手段の高調波の次数をＮとしたときに、基本波成分を検波する第１の光検波器の出力交流信号の周波数をＮ倍にし、前記高調波成分を検波する第２の光検波器の出力と前記交流信号の周波数のＮ倍の信号との位相差を測定することを特徴とする。
【００１１】
〔５〕上記〔１〕記載の光位相特性測定装置において、前記検波器出力信号の交流成分を通過させる共振器と、この共振器の出力交流成分の波形を三角波状に変換する手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
〔６〕上記〔２〕記載の光位相特性測定方法において、前記検波器出力信号の交流成分を通過させる共振器と、この共振器の出力交流成分の波形を三角波状に変換する手段とを配置し、光路差の変調によって発生する交流信号を、前記光路差を変調する手段に帰還して、自励発振状態にして、交流信号を発生することを特徴とする。
【００１３】
〔７〕上記〔５〕記載の光位相特性測定装置において、前記検波器出力信号の交流成分を通過させる共振器と、この共振器の出力交流成分の周波数と同じ周波数で発振する手段とを備えたことを特徴とする。
【００１４】
〔８〕上記〔６〕記載の光位相特性測定方法において、前記検波器出力信号の交流成分を通過させる共振器と、この共振器の出力交流成分の周波数と同じ周波数で発振する手段と光路差の変調によって発生する交流信号を、自励発振状態で発振する発振器に注入同期して交流信号を発生することを特徴とする。
【００１５】
上記のように構成したので、
光の位相測定において、ホモダイン干渉計を安定化せずに、干渉計の光路差を変調することによって発生する、基本波成分と高調波成分の二つの交流信号間の位相差を測定することができる。
【００１６】
ホモダイン干渉計の不安定性の原因は、干渉計の光路差の変動による位相変化である。一般的に、この位相変化を検出して、負帰還制御によって干渉計を安定化しているために、測定のための位相信号と負帰還制御信号を分離することは困難である。
【００１７】
いま、干渉計を安定化させずに、一方の光路差を変調すると、その変調速度と振幅にしたがって干渉縞が変化し、交流信号が発生する。
【００１８】
この交流信号の振幅は干渉計の可視度に一致しているために、非常に安定である（参考文献：特願平８−１８５２３５号）。
【００１９】
しかし、干渉計が安定化されていないために生じる不安定性は、この交流信号の位相に変換されるので、このままでは、安定に位相特性を測定することはできない。
【００２０】
そこで、別の光源で位相変化を相互に参照する方法を採用する。いま、光源の出力光によって発生させたＮ次高調波（周波数がＮ倍、波長が１／Ｎ）を用いるとすると、基本波とＮ次高調波との間では位相関係が保たれるために、前記交流信号の間の位相に強い相関を持つ。
【００２１】
いま、高調波発生器で２次高調波を発生させるとする。ここで、光路差の変調波形を三角波で行い、その周期を１００Ｈｚ、振幅を基本波の波長の１０倍とする。基本波成分と２次高調波成分を分波器で分離して、それぞれホモダイン検波を行うと、基本波成分で発生する交流信号の周波数は２ｋＨｚ、２次高調波成分で発生する交流信号の周波数は、波長が１／２になるために、４ｋＨｚとなり、それぞれの交流信号の間では位相相関が保存される。
【００２２】
したがって、この二つの交流信号間の位相差の変化を測定すれば、被測定試料の光位相特性を測定することができる。
【００２３】
この干渉計はホモダイン検波方式であるため、一方の光路を局部発振光として十分な光量を用いれば、他方の光路の信号光の強度を非常に小さくすることが可能で、高感度な位相特性の測定と同時に振幅特性も測定可能である。
【００２４】
さらに、ここで用いる光検波器は、光路差を変調したときに発生する交流信号を検波するに必要な帯域幅で十分であり、広帯域特性を必要としない。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２６】
まず、本発明の第１実施例について説明する。
【００２７】
図１は本発明の第１実施例を示す光位相特性測定装置の全体構成図である。
【００２８】
この図に示すように、光位相測定装置は、光源１、高調波発生装置２、光分岐器３、ミラー４、被測定試料５、光路差変調用信号発生器６、光路差変調用ミラー７、光合波器８、光分波器９，１０、光検波器１１，１２，１３，１４（第１の光検波器１１，１２、第２の光検波器１３，１４）、差動増幅器１５，１６、位相検出器１７により構成される。
【００２９】
ここで、高調波発生装置２は基本波から高調波を発生させる手段に、光路差変調用信号発生器６、光路差変調用ミラー７は光路差を変調する手段に、光検波器１１，１２と差動増幅器１５は、基本波成分を検波する手段に、光検波器１３，１４と差動増幅器１６は高調波成分を検波する手段にそれぞれ対応する。
【００３０】
光分岐器３は基本波成分と高調波成分を同時に分岐するものであり、光合波器８は基本波成分と高調波成分を同時に合波するものであり、ハーフミラー、無偏光ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタ、光方向性結合器などが使用可能である。
【００３１】
光路差変調用ミラー７は光波長の数倍程度の振動が得られれば十分であり、ピエゾ素子に光学ミラーを張り付けたものが使用可能である。さらに、この作用は光の位相を連続的に変化させるもので、同等の位相変化が得られるものならばどのようなものでも良い。
【００３２】
光分波器９，１０は基本波成分と高調波成分を分波するもので、分光プリズム、ダイクロイックミラーなどが使用可能である。
【００３３】
光分波器９，１０の出力の光検波器として、１個の光検波器を用いる方法もあるが、この実施例に示すように、２個の光検波器１１，１２と差動増幅器１５、及び光検出器１３，１４と差動増幅器１６の組合せによるバランスド検波による構成の方が、光源１の出力光の持つ振幅雑音が抑圧され、測定系の雑音がショット雑音レベルになるので、ＳＮ比が改善されて高感度になることは明らかである。
【００３４】
図１において、いま、光源１からの出力光から、高調波発生装置２で２次高調波（以下、ＳＨＧ波と呼ぶ）を発生させるとする。通常の場合には、高調波の発生効率が小さいために、高調波発生装置２の出力には基本波成分と２次高調波成分が含まれる。この二つの成分を光分岐器３で分岐し、一方はホモダイン検波の局部発振光としてミラー４で反射され、光合波器８に導かれる。光分岐器３で分岐されたもう一方は、信号光として被測定試料５に入射し、その出力は光路差変調用信号発生器６で作動する光路差変調用ミラー７で反射され、光合波器８に導かれる。
【００３５】
光合波器８で合波された二組の光信号は光分波器９，１０でそれぞれ基本波成分とＳＨＧ波成分に分波される。光分波器９，１０で分波された基本波の成分は光検波器１１，１２で検波され、差動増幅器１５で光路差の変調によって生じた交流信号成分を増幅して、位相検出器１７に導かれる。また、光分波器９，１０で分波されたＳＨＧ波の成分は光検波器１３，１４で検波され、差動増幅器１６で光路差の変調によって生じた交流信号成分を増幅して、位相検出器１７に導かれ、基本波成分とＳＨＧ波成分の位相差を測定する。
【００３６】
このとき、ＳＨＧ波成分の検波器出力の交流信号の周波数は、基本波成分の二倍になっているために、位相検出器１７には、ロックインアンプリファイアを使用し、差動増幅器１６のＳＨＧ波成分を信号入力端子に、差動増幅器１５の基本波の検波成分を参照信号入力端子に接続して、２ｆモードで動作させる。このようにすれば、基本波成分に対する高調波成分の位相差を直接測定することができる。
【００３７】
次に、本発明の第１実施例を用いて被測定試料の位相特性を測定する方法について説明する。
【００３８】
（１）高調波発生装置２で高調波を発生させる。
【００３９】
（２）光分岐器３の分岐比を調整して、基本波及び高調波に対して、必要かつ十分な局部発振光側の光量を設定する。
【００４０】
（３）信号光側に設置した被測定試料５からの透過光、反射光、または発光光の信号波成分は、光路差変調用ミラー７で光路差を変調して、光合波器８で局部発振光成分と合波する。
【００４１】
（４）光合波器８のそれぞれの出力光を光分波器９，１０で基本波成分と高調波成分とに分波し、それぞれを光ホモダイン検波する。
【００４２】
（５）光検波後の、光路差の変調による二つの交流信号は、位相検出器１７で基本波成分と高調波成分との間の位相差を求める。
【００４３】
次に、本発明の第２実施例について説明する。
【００４４】
図２は本発明の第２実施例を示す位相特性測定装置の全体構成図である。なお、第１実施例と同じ部分には同じ符号を付してそれらの説明は省略する。
【００４５】
この実施例の特徴は、被測定試料５で発生する高調波成分を用いて、試料の位相特性を測定するもので、高調波発生装置２′は、光分岐器３とミラー４と光合波器８の間、つまり、局部発振光側のみに用いる。
【００４６】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
【００４７】
図３は本発明の第３実施例を示す光位相特性測定装置の要部構成図であり、本発明の第１実施例に基づいたものであるが、第２実施例においても実施が可能である。
【００４８】
この図に示すように、周波数逓倍器１８が基本波成分による交流信号の周波数をＮ倍にする手段に、位相検波器１９が位相差を検出する手段に相当する。このような構成では、位相検波器１９の二つの入力信号の周波数は等しくなり、通常の位相検波器の使用が可能である。
【００４９】
次に、本発明の第４実施例について説明する。
【００５０】
図４は本発明の第４実施例を示す光位相特性測定装置の要部構成図であり、本発明の第１実施例に基づいたものであるが、第２実施例においても実施が可能である。
【００５１】
この図に示すように、分波器２０は被検波手段の出力信号の基本波成分と高調波成分を分離する電気回路である。この実施例の特徴は、第１、第２実施例で用いた光分波器９，１０を用いずに、一つの光を検波する手段で基本波成分と高調波成分を同時に検波し、この光検波器１１，１２の出力の基本波成分とＳＨＧ波成分を分波器２０で分波して、二つの出力交流信号間の位相差を測定するものである。
【００５２】
次に、本発明の第５実施例について説明する。
【００５３】
図５は本発明の第５実施例を示す光位相特性測定装置の要部構成図であり、本発明の第１実施例に基づいたものであるが、第２実施例においても実施が可能である。
【００５４】
第１〜４実施例では、光路差変調用の信号は、光路差変調用信号発生器６の波形が三角波であるために、三角波の頂点で光路差の変調が折り返され、位相が不連続の交流信号が発生して、位相測定の不安定性の要因になる。
【００５５】
そこで、この実施例では、図５に示すように、基本波に対する、差動増幅器１５の出力交流信号を、共振器２１で基本波成分のみを分離して、波形変換回路２２で、その波形を三角波に変換して、光路差変調用ミラー７に接続する。
【００５６】
このような構成では、光路差変調用ミラー７は自励発振状態になる。この自励発振状態では、光路差変調用ミラー７は基本波の位相が１８０度だけ変化する量しか変化しないために、発生する交流信号の位相は連続的になり、安定した位相測定が可能になる。さらに、波形変換回路２２は、共振器２１の出力が正弦波になるために、これを三角波状の波形に変換するために用いている。
【００５７】
次に、本発明の第６実施例について説明する。
【００５８】
図６は本発明の第６実施例を示す光位相特性測定装置の要部構成図であり、本発明の第１実施例に基づいたものであるが、第２実施例においても実施が可能である。
【００５９】
本発明の第５実施例では、基本波による交流成分が存在しないときには、自励発振の状態にはならない。そこで、基本波による交流成分の振幅が不十分の時には、自励発振状態で発振し、基本波による交流成分の振幅が十分大きくなったときには、この交流信号の周波数に同期して発振する注入同期発振器２３を用いて、安定した光路差変調用信号を発生させるものである。
【００６０】
ここで、上記した第２実施例による実験結果について説明する。
【００６１】
第２実施例の実験結果である光源にパルスレーザを用いて、被測定試料であるＳｉ表面で発生する第２高調波（ＳＨＧ波）の振幅及び位相特性を測定した結果を図７、８に示す。この図７は被測定試料を回転したときのＳＨＧ波の強度の変化を示したもので、横軸に試料の回転角、縦軸にＳＨＧ波の強度を示す。この結果から、回転角１２０度毎に大きなＳＨＧ波のピークと、その中間に小さなピークが測定されていることが分かる。
【００６２】
図８はこのときのＳＨＧ波の位相特性を測定した図であり、横軸に試料の回転角、縦軸に位相角を示している。
【００６３】
この図においては、大きな振幅を示すピークの位相に対して、小さい振幅の位相差が１８０度になっていることを示している。
【００６４】
このように、この実施例では基本波成分の位相を参照して、被測定試料で発生するＳＨＧ波の位相を測定することができる。さらに、参考文献（特願平８−１８５２３５号）のホモダイン検波法を用いているので、微小な振幅の検出も同時に行うことができる。
【００６５】
この実験では、パルス幅の非常に狭い光パルスを光源に用いたので、光分波器の出力から光合波器入力までの二つの光路において、使用部品の屈折率分散で生じる、基本波とＳＨＧ波の到達時間差は、どちらか一方の光路に屈折率分散を持つ媒質を挿入して補正した。
【００６６】
さらに、第２実施例で信号光の偏光方向を半波長（λ／２）板などで変化させたときには、局部発振光側の高調波発生装置２′の出力側に、ＳＨＧ波に対しては０またはλで、かつ基本波に対しては、λ／４になる波長板を挿入して、基本波を円偏光にすることにより、基本波成分を安定に発生させることができる。
【００６７】
また、前記波長板を基本波に対してλ／２になる波長板を挿入して、信号光側の半波長板と同期して回転させる方法も、同様な効果を得ることができた。
【００６８】
なお、第１実施例及び第２実施例ではマッハツェンダー形干渉計での構成を示したが、マイケルソン形干渉計などの構成でも同様の動作を行わせることができる。さらに、構成部品も光ファイバを用いた部品の使用も可能である。
【００６９】
このように構成したので、
（１）光源の基本波と位相相関を持った高調波を用い、光路差を変調して発生する交流信号成分を測定する際に、干渉計を安定化する必要がなく、しかも、非常に安定である。
【００７０】
（２）ホモダイン検波法を用いるので、非常に高感度であり、振幅特性も同時に測定することが可能である。
【００７１】
（３）光検波器の周波数特性に広帯域特性を必要とせず、構成も簡単である。
【００７２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００７３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００７４】
（Ａ）干渉計を安定化することなく、単一の光源を用いて、高感度かつ高安定な光位相の測定を行うことができる。すなわち、光源の基本波と位相相関を持った高調波を用い、光路差を変調して発生する交流信号成分を測定しているために、干渉計を安定化する必要がなく、しかも、非常に安定である。
【００７５】
（Ｂ）ホモダイン検波法を用いているので、非常に高感度であり、振幅特性も同時に測定することが可能である。
【００７６】
（Ｃ）光検波器の周波数特性に広帯域特性を必要とせず、構成も簡単である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す光位相特性測定装置の全体構成図である。
【図２】本発明の第２実施例を示す光位相特性測定装置の全体構成図である。
【図３】本発明の第３実施例を示す光位相特性測定装置の要部構成図である。
【図４】本発明の第４実施例を示す光位相特性測定装置の要部構成図である。
【図５】本発明の第５実施例を示す光位相特性測定装置の要部構成図である。
【図６】本発明の第６実施例を示す光位相特性測定装置の要部構成図である。
【図７】本発明の第２実施例による実験結果を示す図である。
【図８】本発明の第２実施例による試料回転角に対する位相角の特性を示す図である。
【符号の説明】
１光源
２，２′ 高調波発生装置
３光分岐器
４ミラー
５被測定試料
６光路差変調用信号発生器
７光路差変調用ミラー
８光合波器
９，１０光分波器
１１，１２，１３，１４光検波器
１５，１６差動増幅器
１７位相検出器
１８周波数逓倍器
１９位相検波器
２０分波器
２１共振器
２２波形変換回路
２３注入同期発振器

Claims

光位相特性測定装置において、
（ａ）光源の出力光の基本波成分を分岐する光分岐器と、
（ｂ）該光分岐器の出力のどちらか一方の光路に配置される被測定試料と、
（ｃ）前記光分岐器の出力の他方に高調波を発生させる手段と、
（ｄ）前記被測定試料からの出力光の光路差を変調する手段と、
（ｅ）前記光分岐器からの出力光と前記光路差が変調された出力光とを合波する光合波器と、
（ｆ）該光合波器の出力光を基本波成分と高調波成分に分波する光分波器と、
（ｇ）該光分波器の出力の基本波成分を検波する第１の光検波器と、
（ｈ）前記光分波器の出力の高調波成分を検波する第２の光検波器と、
（ｉ）前記二つの光検波器の出力交流信号の位相差を検出する手段とを備えたことを特徴とする光位相特性測定装置。
光位相特性測定方法において、
光源の出力光の基本波を分岐する光分岐器と、該光分岐器の出力のどちらか一方の光路に被測定試料を配置し、前記光分岐器の出力の他方に高調波を発生させる手段を配置し、前記被測定試料からの出力光の光路差を変調する手段と、前記光分岐器からの出力光と前記光路差が変調された出力光とを合波する光合波器と、該光合波器の出力光を基本波成分と高調波成分に分波する光分波器と、該光分波器の基本波成分を検波する第１の光検波器と、前記光分波器の出力の高調波成分を検波する第２の光検波器と、前記二つの光検波器の出力交流信号の位相差を検出する手段とを配置し、
光源の出力光の基本波を前記光分岐器で分岐後、どちらか一方に配置した高調波を発生させる手段で発生させた高調波成分と、他方に配置した被測定試料で発生させた高調波成分と、前記被測定試料を介する方の光路差を変調して、前記基本波成分と高調波成分をそれぞれ別にホモダイン検波を行い、光路差の変調によって発生する交流信号成分間の位相を測定することを特徴とする光位相特性測定方法。
請求項１記載の光位相特性測定装置において、前記高調波を発生させる手段の高調波の次数をＮとしたときに、基本波成分を検波する第１の光検波器の出力交流信号の周波数をＮ倍にする手段と、前記高調波成分を検波する第２の光検波器の出力と前記交流信号の周波数のＮ倍の信号との位相差を測定する手段とを備えたことを特徴とする光位相特性測定装置。
請求項２記載の光位相特性測定方法において、前記高調波を発生させる手段の高調波の次数をＮとしたときに、基本波成分を検波する第１の光検波器の出力交流信号の周波数をＮ倍にし、前記高調波成分を検波する第２の光検波器の出力と前記交流信号の周波数のＮ倍の信号との位相差を測定することを特徴とする光位相特性測定方法。
請求項１記載の光位相特性測定装置において、前記検波器出力信号の交流成分を通過させる共振器と、該共振器の出力交流成分の波形を三角波状に変換する手段とを備えたことを特徴とする光位相測定装置。
請求項２記載の光位相特性測定方法において、前記検波器出力信号の交流成分を通過させる共振器と、該共振器の出力交流成分の波形を三角波状に変換する手段とを配置し、光路差の変調によって発生する交流信号を、前記光路差を変調する手段に帰還して、自励発振状態にして、交流信号を発生することを特徴とする光位相測定方法。
請求項５記載の光位相特性測定装置において、前記検波器出力信号の交流成分を通過させる共振器と、該共振器の出力交流成分の周波数と同じ周波数で発振する手段とを備えたことを特徴とする光位相測定装置。
請求項６記載の光位相特性測定方法において、前記検波器出力信号の交流成分を通過させる共振器と、該共振器の出力交流成分の周波数と同じ周波数で発振する手段と光路差の変調によって発生する交流信号を、自励発振状態で発振する発振器に注入同期して交流信号を発生することを特徴とする光位相測定方法。