JP4006509B2 - コヒーレンス長の短い光源の光子エクセスノイズを削減するための方法と装置 - Google Patents
コヒーレンス長の短い光源の光子エクセスノイズを削減するための方法と装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、広い意味では超蛍光(superfluorescent)レーザー光源の改良に関するものであり、その中でも特に、超螢光光源またはコヒーレンス長の短いレーザー光源の光子エクセスノイズの削減に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、レーザー放射の分野において、インコヒーレント光源から放射される光については光束(signal intensity)がランダムな変動を示すことが知られ、このランダムな変動は、光源の線幅を形成する要素でありランダムな位相を持つ各種フーリエ成分同士のうなりに起因する、ということが知られるようになってきた。こうした変動は、光子エクセスノイズあるいは波相互作用ノイズとして知られている。2種類の雑音成分、ショットノイズと光子エクセスノイズとは、あらゆるレーザー光源に含まれる。
【０００３】
光ファイバージャイロスコープあるいは光時間遅延反射率計（OTDR）などのように、コヒーレンス長の短い光源、例えば、広帯域ファイバー光源や超光発光ダイオードを用いている装置は、ＳＮ比が低いことが難点となっている。光強度を強くしても、必ずしもＳＮ比が向上するわけではない。ショットノイズは単純に平均強度に比例し、光子エクセスノイズの方は光源強度の２乗に比例して大きくなるためである。
【０００４】
先行技術においても、レーザー光源のＳＮ比を改善するために様々な手法が試みられている。「Optics Letters誌, Vol.16,No.3(1991年12月1日号)」のp.1902に掲載されている記事「1.06μm all-fiber gyroscope with noise subtractor (1.06μmのノイズ減算器付き全ファイバージャイロスコープ)／R.P.Moeller、W.K.Burns共著」には、ノイズ減算のために光学的かつ電子的な構成を用いた手法が解説されている。この方法は、複数のファイバー遅延コイル、検出器、増幅器、乗算器、減算器および偏光子を含む付属的設備を用いるものである。別の試みとしては、「IEEE Photonics Technology Letters誌 Vol.3 No.3（1991年3月号）」の p.281に掲載されている記事「Excess Noise Reduction in Fiber Gyroscope Using Broader Spectrum Rinwidth Er-Doped Superflourescent Fiber Laser(広帯域スペクトルのリンウィドスエルビウムをドープした超蛍光ファイバーレーザーを利用したファイバージャイロスコープのエクセスノイズ削減)／K.Iwatsuki著」で解説されている手法がある。これは、希土酸化物をドープした超蛍光レーザー物質を用いてエクセスノイズの削減を図るものである。さらに別の試みとして、米国特許 No.5,311,603「Highly Efficient Superflourescent and Fiber Laser/Amplifier for Interferometric Sensors(干渉応用センサー用の効率のよい超蛍光およびファイバーレーザー／増幅器)（1994年5月10日発行）／発明者Bernard G. Fidric（本発明の発明者）」のように、光源自体の改善によって問題の解決を図るものもある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の手法では、多くの付属設備あるいは特別な光源を必要とするという問題がある。
本発明は、上記の問題に鑑み、簡単で、直接的、そして効率的な、レーザー光源の光子エクセスノイズ削減のための方法と装置とを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の方法は、コヒーレンス長の短い単一モード光源に含まれる光子エクセスノイズを削減する方法であり、あるレベルの光子エクセスノイズを含む光源をパワー強度のより低い複数の成分に分割し、強度の低い成分の各々がより低いレベルの光子エクセスノイズとより低いレベルの光とを含むようにする、という分割ステップと、パワー強度の低い成分の各々に固有の光路を与え、各光路には異なる時間遅延を付加し、各々の異なる時間遅延はいずれも前記単一モード光源のコヒーレンス時間よりも大きくなるようにする、という光路を与えるステップと、 前記のパワー強度の低い成分を再び結合するステップであって、再結合されるパワー強度の低い成分の光強度のほとんどが検出器に届く一方で、光子エクセスノイズレベルは相関しないままである、という再結合ステップとを有し、再結合された光は、より低いレベルの光子エクセスノイズを含み、光源と同じ強度に近い一方でＳＮの高くなった光が作られること、を特徴とする。
【０００７】
また、本発明の装置は、コヒーレンス長の短い単一モード光源の中に含まれる光子エクセスノイズを削減する装置であり、あるレベルの光子エクセスノイズを含む光源をパワー強度のより低い複数の成分に分割し、強度の低い成分の各々がより低いレベルの光子エクセスノイズとより低いレベルの光とを含むようにする、という分割手段と、パワー強度の低い成分の各々に個々に対応する複数の光路であって、各光路は異なる時間遅延を有し、各々の時間遅延はいずれも前記単一モード光源のコヒーレンス時間よりも大きくなる、という光路と、前記のパワー強度の低い成分を再び結合する手段であって、再結合されるパワー強度の低い成分の光強度のほとんどが検出器に届く一方で、光子エクセスノイズレベルは相関しないままである、という再結合手段とを有し、再結合された光は、より低いレベルの光子エクセスノイズを含み、光源と同じ強度に近い一方でＳＮの高くなった光が作られること、を特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に従って、本発明の、コヒーレンス長の短い光源の光子エクセスノイズ(excess photon noise)を削減するための方法と装置の好適な実施の形態を説明する。
（実施の形態）
レーザー放射について生じるノイズの総量は、Henry Hodaraの論文「Statistics of Thermal and Laser Radiation in Proceedings of the IEEE(IEEE処理における熱およびレーザー放射の統計学)（1965年7月）」のP.696に記載されている通り、下記の式によって表される：
【０００９】
【数１】
【００１０】
上の式において、Acはコヒーレンスエリアであり、τcは波面のコヒーレンス時間である。
式の右辺における第1項は、ショットノイズを示す。２乗されている第2項は、光子エクセスノイズを示す。更にHodaraは、ノイズ総量をセルごとの位相変動を用いた式で表している：
【００１１】
【数２】
【００１２】
なお、上記の式は下記のように書き換えることができる：
【００１３】
【数３】
【００１４】
数1の不等号を逆にした場合、τcとτ とが、光線幅B1および検出器の帯域幅B2と反比例の関係にある点に着目すれば、ノイズ総量を次の式で表すこともできる：
【００１５】
【数４】
【００１６】
ここで、エクセスノイズまたはビートノイズ（上の式に<n>2として示されている）の要因について考えてみる。ある光源が、時間領域において短いコーヒレンスを持つとすると、コーヒレンス長が短いとは線幅が広いことを意味するので、その光源は多数の周波数成分を有することになる。これらの周波数成分はすべて、お互いにインコーヒレント（非干渉）である。そして、これら周波数成分は、ある時は同相であり、その場合は加算されるが、逆にお互いの位相が一致しない時もあり、その場合は減算される。結果として、成分同士が互いに衝突し、エクセスビートノイズあるいはエクセスノイズが発生する。このノイズ発生は周期的なものではない。このノイズの発生はランダムである。こうしたノイズは、周波数成分の間の周波数差に等しい周波数において表れるが、こうしたノイズ発生も周期的ではない。成分同士が加算される場合もあれば、成分同士が加算されない場合もあるからだ。
【００１７】
コヒーレンス長の短い光源の特徴は、ショットノイズ<n>に加えてエクセスノイズ<n>2の発生量が大きいことである。ショットノイズは、光子の平均数に比例する。ショットノイズはノイズの主要な発生源である。ショットノイズは、光子の平均数、すなわち平均強度に比例する。しかし、ノイズ総量<Δn2>は、光子数あるいは強度に応じて変化する。その強度の変化は、数1に示す通り、第２項<n>2であるエクセスノイズを含み、エクセスノイズは強度の２乗に比例する。相対強度ノイズ(relative intensity noise)は、信号の強度(strength)またはパワー(power)に対するエクセスノイズの比率である。本発明は、コヒーレンス長が短いレーザー光源のみを対象とする。
【００１８】
「コヒーレンス長が短い」という言葉の意味は、相対的なものである。例えば、ヘリウム-ネオン（He:Ne）レーザーのコヒーレンス長は、2メートルから数十メートルである。一方、超光発光ダイオードレーザーや超蛍光ファイバーレーザーの光源のコヒーレンス長は、30〜200マイクロメータ（1ミリメートルをはるかに下回る長さ）しかない。「コヒーレンス長が短い」という言葉が相対的なものであることは、この例からも明らかである。
【００１９】
エクセスノイズはファイバー光学式ジャイロのランダムウォークを制限するので、レーザー放射の中にエクセスノイズが存在すると、光学式ジャイロスコープの操作に支障が出る。10マイクロワットから20マイクロワットの光源信号から生じるノイズ総量のうちエクセスノイズの割合は、例えばジャイロ検出器上では、ショットノイズの割合よりも大きいので、信号強度を更に強くしても、光学式ジャイロのランダムウォークはさほど改善されない。強度を２倍にするとノイズも２倍になるからである。そのため、ＳＮ比も改善されない。しかし、エクセスノイズがほとんどなく、ショットノイズによる影響だけを考えればよいのなら、広域帯光源の強度が増せば増すだけ、信号の強度も増し、光学式ジャイロのランダムウォークは小さくなる。なぜならこの場合、ＳＮ比は強度の平方根に比例するからである。
【００２０】
このことは、エクセスノイズの低減や除去の観点から見ると、重要な動機である。エクセスノイズが除去され、光源信号のノイズがショットノイズだけになれば、広帯域ファイバー光源をさらに励起して光学式ジャイロスコープのランダムウォークを減少させることで、信号強度を増すことができるからだ。
単偏光のためには、上記の数4におけるAc/A=1の近視野の、単一の空間モード光ビームを選ぶ。
図1は、このような関係を利用してエクセスノイズの要因を削減する第１の好適な手法を図示している。コヒーレンス長の短い光源11は、光ファイバー入力ライン15を通して偏光維持カプラー（PMC）13に光エネルギーを供給する（入力２）。光ファイバーライン17経由でのPMC13への入力（入力１）は存在しない。偏光維持カプラー13は、入力ライン15で受け取った光エネルギーを二等分し、出力線19、21に一つずつ出力する。偏光維持カプラー13は、非偏光の短コヒーレンス光源11から信号を取り出し、それを２つの成分、垂直偏光成分と水平偏光成分とに分割するものとする。PMC 13が3 dBスプリッタならば有効である。ファイバー19および21は、偏光維持ファイバー（PM）である。両ファイバー19,21は長さが異なるため、ファイバー19に入った信号の転送時間とファイバー21に入った信号の転送時間とは異なってくる。光路における時間遅延のずれΔτは、光源11のコヒーレンス時間τcよりも充分に大きくなければならない。光源は超蛍光なので、光源のコヒーレンス長は、上述の通り1ミリメートル未満である。よって、2つの光路19、21の長さの差も、非常に小さいものでよい。光路長の差は1ミリメートルを超えていれば充分である。
【００２１】
長さの異なる2本のPM光ファイバー19,21の、もう一端には、偏光ビームスプリッティングカプラー（PBSC）23が備えられる。PBSC 23からの出力は、出力ファイバー27に向けて行われる。下側出力ファイバー25からは、光はまったくあるいはほとんど出力されない。PBSCと複屈折ファイバー19,21は光を偏光させるので、PBSC 23からファイバー27への出力は偏光させられる。PBSC 23が出力する光は、直線偏光させられる。この光は、出力ファイバー27を通って検出器に提供される。
【００２２】
偏光ビーム分割／結合カプラーを使用すれば、直線偏光させられた２つの光セグメントを分割または結合することができる。PBSC 23は、光路19、21経由で受け取った偏光成分を結合して、両ラインから得た強度を残らず、直線偏光された光信号として一方のポート27から出力する。図1のPBSC 23のような偏光ビーム分割カプラーは、2つの入力ファイバーを９０度の角度で重ね合わせて、2つの線形に偏光された入力成分を結合する。このようなカプラーは、公知であり、Photonetics社から市販されている。コヒーレンス長の短い光源11から、ファイバー19、21に最初に送り込まれた強度を残らず回復するのが、こうしたカプラーの機能である。
【００２３】
PBSC 23は、PMC 13によって分割された2つの偏光成分を再び結合する。しかし、2つの偏光成分は、転送の形式または遅延時間が不一致であり遅延時間のずれは光源11のコヒーレンス長より長くなっているで、両偏光成分の中のエクセスノイズは互いに相関しない。したがって、再結合の段階で、エクセスノイズは元の状態よりも弱くなる。例えば、ノイズ振幅が等しく相関しない2つのノイズ源の場合：
【００２４】
【数５】
【００２５】
στは、ノイズ振幅総量（標準偏差）を示す。
σ1は、１つめのノイズ源のノイズ振幅を示す。
σ2は、２つめのノイズ源のノイズ振幅を示す。
対照のために、相関する２つのノイズ源のノイズ総量の違いを表す式を示す：
【００２６】
【数６】
【００２７】
相関するノイズ源のノイズ振幅の方が大きいことが分かる。
次に図２を参照する。ここには、単一の光源信号を、相関しないノイズ内容を有する複数の光成分に分割する方法として、別の好適な実施の形態を示している。図を見れば明らかなように、光源は単一モードファイバー31である。これは円錐形とする。ファイバー31の終端からの一定距離（レイリーレンジと呼ばれる）を過ぎると、光は、円錐状に伝播して行く。同位相波面は、弧状に見える。図においては、弧35、37、38、39、41が光の伝播の様子を示している。平らな面状である検出器33を、ファイバー31の先端から充分に離れた位置に置くと、ファイバー31先端から伝播する光の同位相波面35、37、38、39、41は、検出器表面に円弧状の同位相波面として到達する。これはすなわち、図３で検出器の中央55に入る光は、検出器の外輪47の位置に入る光より早く検出器33に到達する、ということである。
【００２８】
伝播する波の同位相波面間の発散角度を大きくするためには、直径がなるべく小さいモード場にするのがよい。直径の小さいモード場を作るには、たとえば、コアの直径を先細りにしたりアークをフラッシュさせたりしてファイバー31の終端にコーン効果を生じさせることによって、コアの直径を小さくするとよい。ファイバー31の終端の発散角度をより小さくする方法として、ここでは、この2例を示すにとどめる。
【００２９】
ファイバー31は、検知器33から距離をおいて配置する。その距離は、空間コヒーレントセルをいくつか作れるだけのものであり、しかも、ここに生成されるセルの光路による遅延が光源31のコヒーレンス長と比べて長くなければならない。検出器33（図3）は、様々な外輪（47、49、51、53と55）を持つように構成される。各外輪とその直前の外輪との距離は、光源31のコヒーレンス長よりも長くなっている。これらの外輪は、例えば、個別の検出器として、あるいはセグメント化された検出器として、構成されてもよい。
【００３０】
検出器外輪サイズの半径が大きくなるにつれ帯域幅は小さくなると考えられる。そうした傾向への対策としては、それぞれの外輪をセグメント化したり幅を小さくしたりすることで、半径が大きくなっても外輪の面積が一定に保たれるようにすればよい。伝播する光の同位相波面の外輪距離と光発散角度とがともに作用して、検出器33上にｎ個の空間コヒーレンスセルが作り出される。ノイズがいくつかの外輪に分割されるのに対し、信号の方は、検出器が受け取った光をまとめることで、実質的にすべてが回復される。
必要なレイリーレンジは、単一モードファイバー31のコアの直径によって変わってくる。コアの直径が小さいほど、レイリーレンジも小さくなる。両者のこのような関係は、Anthony Sigmanによる論文 "Lasers" に式とともに記述されている。その式を以下に示す：
レイリーレンジは、ガウスウエスト(gaussian waist)から伝播するビームについて、"ニアフィールド領域"またはフレネル領域と、"ファアフィールド領域"またはフラウンホファー領域との間のおおよその境界を示すものである。
【００３１】
【数７】
【００３２】
a:単一モードファイバーのコアの半径
v:正規化周波数
図１〜３で示した２つの好適な実施の形態を見て分かるように、本発明の基本的な思想は、全体の強度を損なうことなく、エクセスノイズのレベルだけを低減させようというものである。エクセスノイズ低減のために、まず光束をエクセスノイズともども分割する。光束を複数成分に分割する一方で、ノイズ成分間の遅延差を光源のコヒーレンス長よりも長くすることによって、ノイズ成分が相関しないようにする。そのうえで、相関しないノイズ成分ともども光成分を結合すると、強度はもとのままでノイズのみ低減された光信号が得られる。しかしながら、遅延を大きくしすぎると、エクセスノイズが相関しないようにするための処理の結果として、肝心の光信号がデグラデーションを起こし始めるので、注意が必要である。また、検出器の帯域幅にも注意を払わねばならない。
【００３３】
図１の好適な実施の形態では、偏光維持ファイバーを使用しているが、偏光維持ファイバーは本発明の必須要件ではない。非偏光の単一空間モード光ビームの場合、Ac/A = 1/2である。
図４は、さらに別の好適な実施の形態を示すもので、ここでは複数の光路ファイバーが用いられている。光59は、第１カプラー61に入り、そこでｎ個の成分に分割される。図４の例では、光59が５つの成分に分けられ、それぞれの成分は、カプラーアーム63、65、67、 69、71に入っていく。各カプラーアームは、それぞれ別個の光路であり、その光路長も異なる。各々のアームは、第２のカプラー73につながり、カプラー73は、各アーム経由で入力されてきた5つの成分の全てを検出器81表面に向けて送り出す。
【００３４】
図５は、図４に示す好適な実施の形態に若干の変更を加えたもので、カプラーアーム63、65、67、69、71の代わりに、個別の検出部99、101、103、105、107を備える検出器81が用いられる。
いずれの場合でも、上述のようにカプラーアームファイバーの長さが異なるので、光成分が再結合される際にエクセスノイズは相関しない。
【００３５】
偏光および非偏光の信号単一空間モードの伝播だけでなく、お互いが適正に遅延するP種類の伝播モードを使用することによっても、本発明は実現可能である。それは、光路距離の差分がその光源のコヒーレンス長よりも大きい、ということを意味する。そのような場合、Ac/A = 1/ｐという式が成り立つ。これによって、図６に示すマルチモードファイバー117の使用が可能となる。このファイバー117は、単一モードファイバーなどの非偏光光源113からの光源信号115を受け取るものである。図中のマルチモードファイバー117には、4つのモード119、121、123、125がある。マルチモードファイバーの各モードセグメントはそれぞれ遅延を生じさせ、それによって、マルチモードファイバー117を通して伝播する光は各モードごとに、伝播速度が異なってくる。マルチモードファイバーに十分な長さがあれば、モード間に相関は発生せず、光の各モードや各成分に伴うエクセスノイズも相関しない。マルチモードファイバー117には充分な長さを持たせて、各種モード間に充分な遅延が生じるようにする必要があるが、その場合、充分な遅延とは、光源113のコヒーレンス長よりも大きいということである。
【００３６】
マルチモードファイバー117の出力箇所で、光源129は検出器127につなげられる。特性の一致するオプティカルセメントや、その他の適当な結合手段が使用できる。しかし、結合手段に何を用いるかは本発明の本質的な問題ではない。用途によっては、エアギャップも利用可能であろうが、その場合には、反射効果が生じないように注意しなければならない。反射光がファイバー117に再入するのを妨ぐためには、適当に角度をつけるかコーティングすればよい。なお、検出器としては、New Jersey州 West TrentonのEpitaxx社、またはCalifornia州ChatsworthのOCP社などから市販されているものが使用できる。
【００３７】
上記の通り、本発明はその目的を達成するために、単一モード光源を複数の成分に分け、それらの成分を別々の光路に通すことを特徴とする。光路が別々であるとは、例えば、偏光モード、空間モードおよびλ光路が、それぞれの光路で異なっているということである。そのため、光路が異なれば、結果として光信号の伝播における時間遅延も異なってくる。遅延については、光源のコヒーレンス長より大きくなるようにする。この結果、光子エクセスノイズは光源信号ともども複数の光路に分割される。各光路を通過した光源信号を再結合すると、再結合された光源信号の強度は、元の単一モード光源と同じ強度に戻る。しかし、光子エクセスノイズについては、複数の光路を通過した光子ノイズ同士が相関しないため、元の光源が持っていたノイズよりも低いレベルになる。よって、再結合された光源における光子エクセスノイズは、元の光源の光子エクセスノイズよりも低いレベルにとどまる。相関しないように分割された光成分を再結合したうえで光信号を検出する方法をとれば、もとの光源と強度が等しく、ＳＮ比がより高い光信号が得られるのである。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の方法は、コヒーレンス長の短い単一モード光源における光子エクセスノイズを削減する方法であり、前記光源を複数の成分に分割し、各成分には固有の光路を与え、各光路には異なる時間遅延を付加し、各々の異なる時間遅延はいずれも前記単一モード光源のコヒーレンス時間よりも大きくなるようにする分割ステップと、前記の分割された光源成分を再び結合し、前記単一モード光源の強度のほとんどが検出器に届くようにする再結合ステップとを有するので、元の光源の強度は保ったまま、光子エクセスノイズのみを削減できる。
【００３９】
そのためには、前記分割ステップは、単一モード光源を複数の偏光成分に分割する処理を含み、前記再結合ステップが、この偏光光成分を再び結合する処理を含むこととする。
または、前記分割ステップは、複数ある成分が検知器に曲波面を伝播する複数の空間コヒーレントセルとなり、しかも各セルの光路遅延が光源のコヒーレンス長よりも長くなるように、検知器から一定距離に単一モードファイバーの出力側終端を位置決めする処理を含むこととする。
【００４０】
または、前記分割ステップが、光源を複数の非偏光成分に分割する処理を含み、各成分はそれぞれが専用の光結合器用光路に振り分けられ、前記光結合器用光路の長さはそれぞれ異なることとする。
または、前記再結合ステップが、光カプラー光路の出力を光検知器上で束ねる処理を含むこととする。
【００４１】
または、前記分割ステップが、前記単一モード光源を複数の異なるモードに分割し、各モードを異なる速度で伝播させる処理を含むこととする。
あるいは、前記再結合ステップが、光源から出た複数の異なるモードを検知器につなぐ処理を含むこととする。
一方、本発明の装置は、コヒーレンス長の短い単一モード光源の中の光子エクセスノイズを削減する装置であり、光源を複数の成分に分割し、各成分を別々の光路に通し、各光路がそれぞれ異なる時間遅延を与え、各時間遅延が光源のコヒーレンス時間より大きくなるようにする分割手段と、前記の分割された成分を再結合し、光源の強度の大部分が検出器に届くようにする再結合手段とを有するので、元の光源の強度は保ったまま、光子エクセスノイズのみを削減できる。
【００４２】
そのためには、前記分割手段が、光源を偏光成分に分割する偏光維持カプラーと、各々が前記偏光成分のいずれかに対応する複数の複屈折ファイバーパスとを含むこととする。
または、前記偏光維持カプラーが、単一モード光源を縦方向偏光光と水平方向偏光光とに分割することとする。
【００４３】
または、前記再結合手段が、偏光成分を再結合するために接続された偏光ビーム分割カプラーを含むこととする。
または、前記分割手段が、検出器からレイリー範囲と等しいかより大きい距離に置かれる単一モードファイバーの出力側端部を含むこととする。
または、前記再結合手段が、表面に複数のリングを有し、これらリングが各々独立した検出器であるような検出器を含むこととする。
【００４４】
または、前記分割手段が、光源を複数の非偏光成分に分割し、各光成分を別々の光路に向けて、各光路が異なる長さであるようにする、光分割カプラーから成ることとする。
または、前記再結合手段が、各光路上で光成分を受け取って、出力内容を光検知器に送り出すカプラーから成ることとする。
【００４５】
または、前記分割手段が、充分な長さのマルチモードファイバーを含むこととする。
または、前記再結合手段が、光検知器を含むこととする。
あるいは、前記マルチモードファイバーの出力側端部は、オプティカルセメントによって光検知器に接着されることとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の好適な実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の第２の好適な実施の形態を示す図である。
【図３】図2の中の検出器を示す図である
【図４】本発明の第３の実施の形態を示す図である
【図５】図4の実施の形態の別の構造を示す図である
【図６】本発明のさらに別の好適な実施の形態を示す図である
【符号の説明】
１１，３１，１１３ 光源
１３ 偏光維持カプラー
１９，２１ ファイバー
２３ 偏光ビームスプリティングカプラー
３３，８１，１２７ 検出器
６１，７３ カプラー
９９，１０１，１０３，１０５，１０７ 検出部
１１７ マルチモードファイバー
【発明が属する技術分野】
本発明は、広い意味では超蛍光(superfluorescent)レーザー光源の改良に関するものであり、その中でも特に、超螢光光源またはコヒーレンス長の短いレーザー光源の光子エクセスノイズの削減に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近、レーザー放射の分野において、インコヒーレント光源から放射される光については光束(signal intensity)がランダムな変動を示すことが知られ、このランダムな変動は、光源の線幅を形成する要素でありランダムな位相を持つ各種フーリエ成分同士のうなりに起因する、ということが知られるようになってきた。こうした変動は、光子エクセスノイズあるいは波相互作用ノイズとして知られている。2種類の雑音成分、ショットノイズと光子エクセスノイズとは、あらゆるレーザー光源に含まれる。
【０００３】
光ファイバージャイロスコープあるいは光時間遅延反射率計（OTDR）などのように、コヒーレンス長の短い光源、例えば、広帯域ファイバー光源や超光発光ダイオードを用いている装置は、ＳＮ比が低いことが難点となっている。光強度を強くしても、必ずしもＳＮ比が向上するわけではない。ショットノイズは単純に平均強度に比例し、光子エクセスノイズの方は光源強度の２乗に比例して大きくなるためである。
【０００４】
先行技術においても、レーザー光源のＳＮ比を改善するために様々な手法が試みられている。「Optics Letters誌, Vol.16,No.3(1991年12月1日号)」のp.1902に掲載されている記事「1.06μm all-fiber gyroscope with noise subtractor (1.06μmのノイズ減算器付き全ファイバージャイロスコープ)／R.P.Moeller、W.K.Burns共著」には、ノイズ減算のために光学的かつ電子的な構成を用いた手法が解説されている。この方法は、複数のファイバー遅延コイル、検出器、増幅器、乗算器、減算器および偏光子を含む付属的設備を用いるものである。別の試みとしては、「IEEE Photonics Technology Letters誌 Vol.3 No.3（1991年3月号）」の p.281に掲載されている記事「Excess Noise Reduction in Fiber Gyroscope Using Broader Spectrum Rinwidth Er-Doped Superflourescent Fiber Laser(広帯域スペクトルのリンウィドスエルビウムをドープした超蛍光ファイバーレーザーを利用したファイバージャイロスコープのエクセスノイズ削減)／K.Iwatsuki著」で解説されている手法がある。これは、希土酸化物をドープした超蛍光レーザー物質を用いてエクセスノイズの削減を図るものである。さらに別の試みとして、米国特許 No.5,311,603「Highly Efficient Superflourescent and Fiber Laser/Amplifier for Interferometric Sensors(干渉応用センサー用の効率のよい超蛍光およびファイバーレーザー／増幅器)（1994年5月10日発行）／発明者Bernard G. Fidric（本発明の発明者）」のように、光源自体の改善によって問題の解決を図るものもある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の手法では、多くの付属設備あるいは特別な光源を必要とするという問題がある。
本発明は、上記の問題に鑑み、簡単で、直接的、そして効率的な、レーザー光源の光子エクセスノイズ削減のための方法と装置とを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の方法は、コヒーレンス長の短い単一モード光源に含まれる光子エクセスノイズを削減する方法であり、あるレベルの光子エクセスノイズを含む光源をパワー強度のより低い複数の成分に分割し、強度の低い成分の各々がより低いレベルの光子エクセスノイズとより低いレベルの光とを含むようにする、という分割ステップと、パワー強度の低い成分の各々に固有の光路を与え、各光路には異なる時間遅延を付加し、各々の異なる時間遅延はいずれも前記単一モード光源のコヒーレンス時間よりも大きくなるようにする、という光路を与えるステップと、 前記のパワー強度の低い成分を再び結合するステップであって、再結合されるパワー強度の低い成分の光強度のほとんどが検出器に届く一方で、光子エクセスノイズレベルは相関しないままである、という再結合ステップとを有し、再結合された光は、より低いレベルの光子エクセスノイズを含み、光源と同じ強度に近い一方でＳＮの高くなった光が作られること、を特徴とする。
【０００７】
また、本発明の装置は、コヒーレンス長の短い単一モード光源の中に含まれる光子エクセスノイズを削減する装置であり、あるレベルの光子エクセスノイズを含む光源をパワー強度のより低い複数の成分に分割し、強度の低い成分の各々がより低いレベルの光子エクセスノイズとより低いレベルの光とを含むようにする、という分割手段と、パワー強度の低い成分の各々に個々に対応する複数の光路であって、各光路は異なる時間遅延を有し、各々の時間遅延はいずれも前記単一モード光源のコヒーレンス時間よりも大きくなる、という光路と、前記のパワー強度の低い成分を再び結合する手段であって、再結合されるパワー強度の低い成分の光強度のほとんどが検出器に届く一方で、光子エクセスノイズレベルは相関しないままである、という再結合手段とを有し、再結合された光は、より低いレベルの光子エクセスノイズを含み、光源と同じ強度に近い一方でＳＮの高くなった光が作られること、を特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、図面に従って、本発明の、コヒーレンス長の短い光源の光子エクセスノイズ(excess photon noise)を削減するための方法と装置の好適な実施の形態を説明する。
（実施の形態）
レーザー放射について生じるノイズの総量は、Henry Hodaraの論文「Statistics of Thermal and Laser Radiation in Proceedings of the IEEE(IEEE処理における熱およびレーザー放射の統計学)（1965年7月）」のP.696に記載されている通り、下記の式によって表される：
【０００９】
【数１】
上の式において、Acはコヒーレンスエリアであり、τcは波面のコヒーレンス時間である。
式の右辺における第1項は、ショットノイズを示す。２乗されている第2項は、光子エクセスノイズを示す。更にHodaraは、ノイズ総量をセルごとの位相変動を用いた式で表している：
【００１１】
【数２】
なお、上記の式は下記のように書き換えることができる：
【００１３】
【数３】
数1の不等号を逆にした場合、τcとτ とが、光線幅B1および検出器の帯域幅B2と反比例の関係にある点に着目すれば、ノイズ総量を次の式で表すこともできる：
【００１５】
【数４】
ここで、エクセスノイズまたはビートノイズ（上の式に<n>2として示されている）の要因について考えてみる。ある光源が、時間領域において短いコーヒレンスを持つとすると、コーヒレンス長が短いとは線幅が広いことを意味するので、その光源は多数の周波数成分を有することになる。これらの周波数成分はすべて、お互いにインコーヒレント（非干渉）である。そして、これら周波数成分は、ある時は同相であり、その場合は加算されるが、逆にお互いの位相が一致しない時もあり、その場合は減算される。結果として、成分同士が互いに衝突し、エクセスビートノイズあるいはエクセスノイズが発生する。このノイズ発生は周期的なものではない。このノイズの発生はランダムである。こうしたノイズは、周波数成分の間の周波数差に等しい周波数において表れるが、こうしたノイズ発生も周期的ではない。成分同士が加算される場合もあれば、成分同士が加算されない場合もあるからだ。
【００１７】
コヒーレンス長の短い光源の特徴は、ショットノイズ<n>に加えてエクセスノイズ<n>2の発生量が大きいことである。ショットノイズは、光子の平均数に比例する。ショットノイズはノイズの主要な発生源である。ショットノイズは、光子の平均数、すなわち平均強度に比例する。しかし、ノイズ総量<Δn2>は、光子数あるいは強度に応じて変化する。その強度の変化は、数1に示す通り、第２項<n>2であるエクセスノイズを含み、エクセスノイズは強度の２乗に比例する。相対強度ノイズ(relative intensity noise)は、信号の強度(strength)またはパワー(power)に対するエクセスノイズの比率である。本発明は、コヒーレンス長が短いレーザー光源のみを対象とする。
【００１８】
「コヒーレンス長が短い」という言葉の意味は、相対的なものである。例えば、ヘリウム-ネオン（He:Ne）レーザーのコヒーレンス長は、2メートルから数十メートルである。一方、超光発光ダイオードレーザーや超蛍光ファイバーレーザーの光源のコヒーレンス長は、30〜200マイクロメータ（1ミリメートルをはるかに下回る長さ）しかない。「コヒーレンス長が短い」という言葉が相対的なものであることは、この例からも明らかである。
【００１９】
エクセスノイズはファイバー光学式ジャイロのランダムウォークを制限するので、レーザー放射の中にエクセスノイズが存在すると、光学式ジャイロスコープの操作に支障が出る。10マイクロワットから20マイクロワットの光源信号から生じるノイズ総量のうちエクセスノイズの割合は、例えばジャイロ検出器上では、ショットノイズの割合よりも大きいので、信号強度を更に強くしても、光学式ジャイロのランダムウォークはさほど改善されない。強度を２倍にするとノイズも２倍になるからである。そのため、ＳＮ比も改善されない。しかし、エクセスノイズがほとんどなく、ショットノイズによる影響だけを考えればよいのなら、広域帯光源の強度が増せば増すだけ、信号の強度も増し、光学式ジャイロのランダムウォークは小さくなる。なぜならこの場合、ＳＮ比は強度の平方根に比例するからである。
【００２０】
このことは、エクセスノイズの低減や除去の観点から見ると、重要な動機である。エクセスノイズが除去され、光源信号のノイズがショットノイズだけになれば、広帯域ファイバー光源をさらに励起して光学式ジャイロスコープのランダムウォークを減少させることで、信号強度を増すことができるからだ。
単偏光のためには、上記の数4におけるAc/A=1の近視野の、単一の空間モード光ビームを選ぶ。
図1は、このような関係を利用してエクセスノイズの要因を削減する第１の好適な手法を図示している。コヒーレンス長の短い光源11は、光ファイバー入力ライン15を通して偏光維持カプラー（PMC）13に光エネルギーを供給する（入力２）。光ファイバーライン17経由でのPMC13への入力（入力１）は存在しない。偏光維持カプラー13は、入力ライン15で受け取った光エネルギーを二等分し、出力線19、21に一つずつ出力する。偏光維持カプラー13は、非偏光の短コヒーレンス光源11から信号を取り出し、それを２つの成分、垂直偏光成分と水平偏光成分とに分割するものとする。PMC 13が3 dBスプリッタならば有効である。ファイバー19および21は、偏光維持ファイバー（PM）である。両ファイバー19,21は長さが異なるため、ファイバー19に入った信号の転送時間とファイバー21に入った信号の転送時間とは異なってくる。光路における時間遅延のずれΔτは、光源11のコヒーレンス時間τcよりも充分に大きくなければならない。光源は超蛍光なので、光源のコヒーレンス長は、上述の通り1ミリメートル未満である。よって、2つの光路19、21の長さの差も、非常に小さいものでよい。光路長の差は1ミリメートルを超えていれば充分である。
【００２１】
長さの異なる2本のPM光ファイバー19,21の、もう一端には、偏光ビームスプリッティングカプラー（PBSC）23が備えられる。PBSC 23からの出力は、出力ファイバー27に向けて行われる。下側出力ファイバー25からは、光はまったくあるいはほとんど出力されない。PBSCと複屈折ファイバー19,21は光を偏光させるので、PBSC 23からファイバー27への出力は偏光させられる。PBSC 23が出力する光は、直線偏光させられる。この光は、出力ファイバー27を通って検出器に提供される。
【００２２】
偏光ビーム分割／結合カプラーを使用すれば、直線偏光させられた２つの光セグメントを分割または結合することができる。PBSC 23は、光路19、21経由で受け取った偏光成分を結合して、両ラインから得た強度を残らず、直線偏光された光信号として一方のポート27から出力する。図1のPBSC 23のような偏光ビーム分割カプラーは、2つの入力ファイバーを９０度の角度で重ね合わせて、2つの線形に偏光された入力成分を結合する。このようなカプラーは、公知であり、Photonetics社から市販されている。コヒーレンス長の短い光源11から、ファイバー19、21に最初に送り込まれた強度を残らず回復するのが、こうしたカプラーの機能である。
【００２３】
PBSC 23は、PMC 13によって分割された2つの偏光成分を再び結合する。しかし、2つの偏光成分は、転送の形式または遅延時間が不一致であり遅延時間のずれは光源11のコヒーレンス長より長くなっているで、両偏光成分の中のエクセスノイズは互いに相関しない。したがって、再結合の段階で、エクセスノイズは元の状態よりも弱くなる。例えば、ノイズ振幅が等しく相関しない2つのノイズ源の場合：
【００２４】
【数５】
στは、ノイズ振幅総量（標準偏差）を示す。
σ1は、１つめのノイズ源のノイズ振幅を示す。
σ2は、２つめのノイズ源のノイズ振幅を示す。
対照のために、相関する２つのノイズ源のノイズ総量の違いを表す式を示す：
【００２６】
【数６】
相関するノイズ源のノイズ振幅の方が大きいことが分かる。
次に図２を参照する。ここには、単一の光源信号を、相関しないノイズ内容を有する複数の光成分に分割する方法として、別の好適な実施の形態を示している。図を見れば明らかなように、光源は単一モードファイバー31である。これは円錐形とする。ファイバー31の終端からの一定距離（レイリーレンジと呼ばれる）を過ぎると、光は、円錐状に伝播して行く。同位相波面は、弧状に見える。図においては、弧35、37、38、39、41が光の伝播の様子を示している。平らな面状である検出器33を、ファイバー31の先端から充分に離れた位置に置くと、ファイバー31先端から伝播する光の同位相波面35、37、38、39、41は、検出器表面に円弧状の同位相波面として到達する。これはすなわち、図３で検出器の中央55に入る光は、検出器の外輪47の位置に入る光より早く検出器33に到達する、ということである。
【００２８】
伝播する波の同位相波面間の発散角度を大きくするためには、直径がなるべく小さいモード場にするのがよい。直径の小さいモード場を作るには、たとえば、コアの直径を先細りにしたりアークをフラッシュさせたりしてファイバー31の終端にコーン効果を生じさせることによって、コアの直径を小さくするとよい。ファイバー31の終端の発散角度をより小さくする方法として、ここでは、この2例を示すにとどめる。
【００２９】
ファイバー31は、検知器33から距離をおいて配置する。その距離は、空間コヒーレントセルをいくつか作れるだけのものであり、しかも、ここに生成されるセルの光路による遅延が光源31のコヒーレンス長と比べて長くなければならない。検出器33（図3）は、様々な外輪（47、49、51、53と55）を持つように構成される。各外輪とその直前の外輪との距離は、光源31のコヒーレンス長よりも長くなっている。これらの外輪は、例えば、個別の検出器として、あるいはセグメント化された検出器として、構成されてもよい。
【００３０】
検出器外輪サイズの半径が大きくなるにつれ帯域幅は小さくなると考えられる。そうした傾向への対策としては、それぞれの外輪をセグメント化したり幅を小さくしたりすることで、半径が大きくなっても外輪の面積が一定に保たれるようにすればよい。伝播する光の同位相波面の外輪距離と光発散角度とがともに作用して、検出器33上にｎ個の空間コヒーレンスセルが作り出される。ノイズがいくつかの外輪に分割されるのに対し、信号の方は、検出器が受け取った光をまとめることで、実質的にすべてが回復される。
必要なレイリーレンジは、単一モードファイバー31のコアの直径によって変わってくる。コアの直径が小さいほど、レイリーレンジも小さくなる。両者のこのような関係は、Anthony Sigmanによる論文 "Lasers" に式とともに記述されている。その式を以下に示す：
レイリーレンジは、ガウスウエスト(gaussian waist)から伝播するビームについて、"ニアフィールド領域"またはフレネル領域と、"ファアフィールド領域"またはフラウンホファー領域との間のおおよその境界を示すものである。
【００３１】
【数７】
a:単一モードファイバーのコアの半径
v:正規化周波数
図１〜３で示した２つの好適な実施の形態を見て分かるように、本発明の基本的な思想は、全体の強度を損なうことなく、エクセスノイズのレベルだけを低減させようというものである。エクセスノイズ低減のために、まず光束をエクセスノイズともども分割する。光束を複数成分に分割する一方で、ノイズ成分間の遅延差を光源のコヒーレンス長よりも長くすることによって、ノイズ成分が相関しないようにする。そのうえで、相関しないノイズ成分ともども光成分を結合すると、強度はもとのままでノイズのみ低減された光信号が得られる。しかしながら、遅延を大きくしすぎると、エクセスノイズが相関しないようにするための処理の結果として、肝心の光信号がデグラデーションを起こし始めるので、注意が必要である。また、検出器の帯域幅にも注意を払わねばならない。
【００３３】
図１の好適な実施の形態では、偏光維持ファイバーを使用しているが、偏光維持ファイバーは本発明の必須要件ではない。非偏光の単一空間モード光ビームの場合、Ac/A = 1/2である。
図４は、さらに別の好適な実施の形態を示すもので、ここでは複数の光路ファイバーが用いられている。光59は、第１カプラー61に入り、そこでｎ個の成分に分割される。図４の例では、光59が５つの成分に分けられ、それぞれの成分は、カプラーアーム63、65、67、 69、71に入っていく。各カプラーアームは、それぞれ別個の光路であり、その光路長も異なる。各々のアームは、第２のカプラー73につながり、カプラー73は、各アーム経由で入力されてきた5つの成分の全てを検出器81表面に向けて送り出す。
【００３４】
図５は、図４に示す好適な実施の形態に若干の変更を加えたもので、カプラーアーム63、65、67、69、71の代わりに、個別の検出部99、101、103、105、107を備える検出器81が用いられる。
いずれの場合でも、上述のようにカプラーアームファイバーの長さが異なるので、光成分が再結合される際にエクセスノイズは相関しない。
【００３５】
偏光および非偏光の信号単一空間モードの伝播だけでなく、お互いが適正に遅延するP種類の伝播モードを使用することによっても、本発明は実現可能である。それは、光路距離の差分がその光源のコヒーレンス長よりも大きい、ということを意味する。そのような場合、Ac/A = 1/ｐという式が成り立つ。これによって、図６に示すマルチモードファイバー117の使用が可能となる。このファイバー117は、単一モードファイバーなどの非偏光光源113からの光源信号115を受け取るものである。図中のマルチモードファイバー117には、4つのモード119、121、123、125がある。マルチモードファイバーの各モードセグメントはそれぞれ遅延を生じさせ、それによって、マルチモードファイバー117を通して伝播する光は各モードごとに、伝播速度が異なってくる。マルチモードファイバーに十分な長さがあれば、モード間に相関は発生せず、光の各モードや各成分に伴うエクセスノイズも相関しない。マルチモードファイバー117には充分な長さを持たせて、各種モード間に充分な遅延が生じるようにする必要があるが、その場合、充分な遅延とは、光源113のコヒーレンス長よりも大きいということである。
【００３６】
マルチモードファイバー117の出力箇所で、光源129は検出器127につなげられる。特性の一致するオプティカルセメントや、その他の適当な結合手段が使用できる。しかし、結合手段に何を用いるかは本発明の本質的な問題ではない。用途によっては、エアギャップも利用可能であろうが、その場合には、反射効果が生じないように注意しなければならない。反射光がファイバー117に再入するのを妨ぐためには、適当に角度をつけるかコーティングすればよい。なお、検出器としては、New Jersey州 West TrentonのEpitaxx社、またはCalifornia州ChatsworthのOCP社などから市販されているものが使用できる。
【００３７】
上記の通り、本発明はその目的を達成するために、単一モード光源を複数の成分に分け、それらの成分を別々の光路に通すことを特徴とする。光路が別々であるとは、例えば、偏光モード、空間モードおよびλ光路が、それぞれの光路で異なっているということである。そのため、光路が異なれば、結果として光信号の伝播における時間遅延も異なってくる。遅延については、光源のコヒーレンス長より大きくなるようにする。この結果、光子エクセスノイズは光源信号ともども複数の光路に分割される。各光路を通過した光源信号を再結合すると、再結合された光源信号の強度は、元の単一モード光源と同じ強度に戻る。しかし、光子エクセスノイズについては、複数の光路を通過した光子ノイズ同士が相関しないため、元の光源が持っていたノイズよりも低いレベルになる。よって、再結合された光源における光子エクセスノイズは、元の光源の光子エクセスノイズよりも低いレベルにとどまる。相関しないように分割された光成分を再結合したうえで光信号を検出する方法をとれば、もとの光源と強度が等しく、ＳＮ比がより高い光信号が得られるのである。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の方法は、コヒーレンス長の短い単一モード光源における光子エクセスノイズを削減する方法であり、前記光源を複数の成分に分割し、各成分には固有の光路を与え、各光路には異なる時間遅延を付加し、各々の異なる時間遅延はいずれも前記単一モード光源のコヒーレンス時間よりも大きくなるようにする分割ステップと、前記の分割された光源成分を再び結合し、前記単一モード光源の強度のほとんどが検出器に届くようにする再結合ステップとを有するので、元の光源の強度は保ったまま、光子エクセスノイズのみを削減できる。
【００３９】
そのためには、前記分割ステップは、単一モード光源を複数の偏光成分に分割する処理を含み、前記再結合ステップが、この偏光光成分を再び結合する処理を含むこととする。
または、前記分割ステップは、複数ある成分が検知器に曲波面を伝播する複数の空間コヒーレントセルとなり、しかも各セルの光路遅延が光源のコヒーレンス長よりも長くなるように、検知器から一定距離に単一モードファイバーの出力側終端を位置決めする処理を含むこととする。
【００４０】
または、前記分割ステップが、光源を複数の非偏光成分に分割する処理を含み、各成分はそれぞれが専用の光結合器用光路に振り分けられ、前記光結合器用光路の長さはそれぞれ異なることとする。
または、前記再結合ステップが、光カプラー光路の出力を光検知器上で束ねる処理を含むこととする。
【００４１】
または、前記分割ステップが、前記単一モード光源を複数の異なるモードに分割し、各モードを異なる速度で伝播させる処理を含むこととする。
あるいは、前記再結合ステップが、光源から出た複数の異なるモードを検知器につなぐ処理を含むこととする。
一方、本発明の装置は、コヒーレンス長の短い単一モード光源の中の光子エクセスノイズを削減する装置であり、光源を複数の成分に分割し、各成分を別々の光路に通し、各光路がそれぞれ異なる時間遅延を与え、各時間遅延が光源のコヒーレンス時間より大きくなるようにする分割手段と、前記の分割された成分を再結合し、光源の強度の大部分が検出器に届くようにする再結合手段とを有するので、元の光源の強度は保ったまま、光子エクセスノイズのみを削減できる。
【００４２】
そのためには、前記分割手段が、光源を偏光成分に分割する偏光維持カプラーと、各々が前記偏光成分のいずれかに対応する複数の複屈折ファイバーパスとを含むこととする。
または、前記偏光維持カプラーが、単一モード光源を縦方向偏光光と水平方向偏光光とに分割することとする。
【００４３】
または、前記再結合手段が、偏光成分を再結合するために接続された偏光ビーム分割カプラーを含むこととする。
または、前記分割手段が、検出器からレイリー範囲と等しいかより大きい距離に置かれる単一モードファイバーの出力側端部を含むこととする。
または、前記再結合手段が、表面に複数のリングを有し、これらリングが各々独立した検出器であるような検出器を含むこととする。
【００４４】
または、前記分割手段が、光源を複数の非偏光成分に分割し、各光成分を別々の光路に向けて、各光路が異なる長さであるようにする、光分割カプラーから成ることとする。
または、前記再結合手段が、各光路上で光成分を受け取って、出力内容を光検知器に送り出すカプラーから成ることとする。
【００４５】
または、前記分割手段が、充分な長さのマルチモードファイバーを含むこととする。
または、前記再結合手段が、光検知器を含むこととする。
あるいは、前記マルチモードファイバーの出力側端部は、オプティカルセメントによって光検知器に接着されることとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の好適な実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の第２の好適な実施の形態を示す図である。
【図３】図2の中の検出器を示す図である
【図４】本発明の第３の実施の形態を示す図である
【図５】図4の実施の形態の別の構造を示す図である
【図６】本発明のさらに別の好適な実施の形態を示す図である
【符号の説明】
１１，３１，１１３ 光源
１３ 偏光維持カプラー
１９，２１ ファイバー
２３ 偏光ビームスプリティングカプラー
３３，８１，１２７ 検出器
６１，７３ カプラー
９９，１０１，１０３，１０５，１０７ 検出部
１１７ マルチモードファイバー
Claims (18)
- コヒーレンス長の短い単一モード光源に含まれる光子エクセスノイズを削減する方法であって、
あるレベルの光子エクセスノイズを含む光源をパワー強度のより低い複数の成分に分割し、強度の低い成分の各々がより低いレベルの光子エクセスノイズとより低いレベルの光とを含むようにする、という分割ステップと、
パワー強度の低い成分の各々に固有の光路を与え、各光路には異なる時間遅延を付加し、各々の異なる時間遅延はいずれも前記単一モード光源のコヒーレンス時間よりも大きくなるようにする、という光路を与えるステップと、
前記のパワー強度の低い成分を再び結合するステップであって、再結合されるパワー強度の低い成分の光強度のほとんどが検出器に届く一方で、光子エクセスノイズレベルは相関しないままである、という再結合ステップとを有し、
再結合された光は、より低いレベルの光子エクセスノイズを含み、光源と同じ強度に近い一方でＳＮの高くなった光が作られること、
を特徴とする、コヒーレンス長の短い単一モード光源における光子エクセスノイズを削減する方法。 - 前記分割ステップが、単一モード光源を複数の偏光成分に分割する処理を含み、前記再結合ステップが、この偏光光成分を再び結合する処理を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
- 前記分割ステップが、複数ある成分が検知器に曲波面を伝播する複数の空間コヒーレントセルとなり、しかも各セルの光路遅延が光源のコヒーレンス長よりも長くなるように、検知器から一定距離に単一モードファイバーの出力側終端を位置決めする処理を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
- 前記分割ステップは、光源を複数の非偏光成分に分割する処理を含み、各成分はそれぞれが専用の光カプラー光路に振り分けられ、前記光カプラー光路の長さはそれぞれ異なることを特徴とする請求項１記載の方法。
- 前記再結合ステップは、光カプラー光路の出力を光検知器において束ねる処理を含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
- 前記分割ステップが、前記単一モード光源を複数の異なるモードに分割し、各モードを異なる速度で伝播させる処理を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
- 前記再結合ステップが、光源から出た複数の異なるモードを検知器につなぐ処理を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
- コヒーレンス長の短い単一モード光源の中に含まれる光子エクセスノイズを削減する装置であって、
あるレベルの光子エクセスノイズを含む光源をパワー強度のより低い複数の成分に分割し、強度の低い成分の各々がより低いレベルの光子エクセスノイズとより低いレベルの光とを含むようにする、という分割手段と、
パワー強度の低い成分の各々に個々に対応する複数の光路であって、各光路は異なる時間遅延を有し、各々の時間遅延はいずれも前記単一モード光源のコヒーレンス時間よりも大きくなる、という光路と、
前記のパワー強度の低い成分を再び結合する手段であって、再結合されるパワー強度の低い成分の光強度のほとんどが検出器に届く一方で、光子エクセスノイズレベルは相関しないままである、という再結合手段とを有し、
再結合された光は、より低いレベルの光子エクセスノイズを含み、光源と同じ強度に近い一方でＳＮの高くなった光が作られること、
を特徴とする、コヒーレンス長の短い単一モード光源における光子エクセスノイズを削減する装置。 - 前記分割手段が、光源を偏光成分に分割する偏光維持カプラーと、各々が前記偏光成分のいずれかに対応する複数の複屈折ファイバーパスとを含むことを特徴とする請求項８記載の装置。
- 前記偏光維持カプラーが、単一モード光源を縦方向偏光光と水平方向偏光光とに分割することを特徴とする請求項９記載の装置。
- 前記再結合手段が、偏光成分を再結合するために接続された偏光ビーム分割カプラーを含むことを特徴とする請求項９記載の装置。
- 前記分割手段が、検出器からレイリーレンジと等しいかより大きい距離に置かれる単一モードファイバーの出力側端部を含むことを特徴とする請求項８記載の装置。
- 前記再結合手段が、表面に複数のリングを有し、これらリングが各々独立した検出器であるような検出器を含むことを特徴とする請求項１２記載の装置。
- 前記分割手段が、光源を複数の非偏光成分に分割し、各光成分を別々の光路に向けて、各光路が異なる長さであるようにする、光分割カプラーから成ることを特徴とする請求項１２記載の装置。
- 前記再結合手段が、各光路上で光成分を受け取って、出力内容を光検知器に送り出すカプラーから成ることを特徴とする請求項１４記載の装置。
- 前記分割手段が、各光路にそれぞれ異なる時間遅延が与えられ、各時間遅延が光源のコヒーレンス時間より大きくなるのに充分な長さのマルチモードファイバーを含むことを特徴とする請求項８記載の装置。
- 前記再結合手段が、光検知器を含むことを特徴とする請求項１６記載の装置。
- 前記マルチモードファイバーの出力側端部が、オプティカルセメントによって光検知器に接着されていることを特徴とする請求項１７記載の装置。
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