JP4414341B2 - ブリュアン散乱を用いた光スペクトル分析装置およびそれに関連する測定方法 - Google Patents
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Description
本発明は、誘導ブリュアン(Brillouin)散乱効果を利用した光信号スペクトル分析装置と、同じブリュアン散乱効果による光信号増幅を利用した測定方法とに関する。本発明の装置は、ブリュアン散乱効果を用いることで、検査される信号(試験信号)の特定の光スペクトル成分を選択的に光増幅し、特定の動的解像度、感度、及び範囲で測定を行うことができるものである。
欧州特許第EP−1−199549−A1号に、光ファイバー内部でブリュアン散乱効果を用いて分光学的測定を行う装置が開示されている。上記特許は、本願に記載の発明と類似の発明分野の最も新しい背景を成すものとなっている。
特定の条件下において、光線又は光信号が物的手段によって十分な強度で伝播するとき、この物的手段による伝播では非線形性の反応が起こり、自発的ブリュアン散乱として知られる効果が起こる。この効果によって、入射信号の一部の光は入射信号の方向と反対方向に散乱される。この後方散乱光線は、ドップラー効果の影響を受けるために、入射光と比較して、その波長に小さいシフト(ΔλD)が見られる。
(1)光ファイバーの第2光通路に備えられ、光出力信号が、外部テスト信号発生源に影響を与えることを防止する光分離器と、
(2)上記光サーキュレーターと上記光ファイバーリンクとの間に備えられ、テスト信号及びプローブ信号の偏光状態の違いによってブリュアン散乱効果の効率が低下することを防止する偏光調節器とを備えている。
(3)上記周波数可変光源の出射口に備えられ、印加されるプローブ信号の強度を増加させ、それによって装置の感度及びダイナミックレンジを改善する光増幅器と、
(4)測定感度を可能な限り高めるために、測定方法における同期検出システムを使用可能な、ひとつ又はそれ以上の振幅又は偏光変調器とを備えていてもよい。
(1)光源又は波長可変レーザーから発せられる光プローブ信号を光ファイバーリンクの一端へ導入する工程と、
(2)分析・測定の対象である光テスト信号を外部源から導入し、光ファイバーの反対側の端部に入力される前に光分離器に通す工程と、
(3)光サーキュレーターと光ファイバーリンクへのプローブ信号入力部との間に備えられた偏光調節器を用いて、テスト信号の偏光配置に合わせてプローブ信号の偏光配置を最適化する工程と、
(4)プローブ信号とテスト信号とを、光ファイバー内で相互作用させることで、出力信号を発生させる工程と、
(5)光ファイバーリンクのプローブ信号入力部の端部に備えられた光サーキュレーターを用いて、プローブ信号と出力信号とを分離する工程と、
(6)直射光線検出システム(direct light detection system)を用いて出力信号を検出する工程と、
(7)光源又は可変レーザーと、検出システムとに接続された制御システムを用いて、データの収集と分析を行う工程とが含まれる。
(8)プローブ信号が光源又は可変レーザーから出力された後であって、及びプローブ信号が光サーキュレーターに入力されるより前に、光増幅器を用いてプローブ信号を増幅する工程と、
(9)検出システムに同期して、プローブ信号及び/又はテスト信号の、振幅又は偏光を変調する工程とが行われても良い。
上記の記述および図面を参照して、図1に示されるように、本発明は、ブリュアン散乱による増幅を用いて光スペクトル12を分析する装置および関連する測定方法に関連するものであって、狭周波数帯可変光源1、光ファイバーリンク2、光サーキュレーター4、偏光調節器5、光分離器6、検出システム3、及び制御・データ収集システム7を含んでいる。
(1)プローブ信号Aは、選択された物的手段中において、ブリュアン散乱を励起するのに十分なエネルギーのスペクトル密度(光ファイバー内において、ミリワットの範囲内)を有していなければならない。
(2)プローブ信号Aは、ブリュアン散乱増幅スペクトルのプロファイル(gB)よりも狭いスペクトル幅でなければならない。これは、ブリュアン散乱増幅スペクトルのプロファイルによって、分光学技術上の解像度(近赤外領域(λ〜1.5μm)に対しておよそ0.05pm)が実際に決定されるからである。
(3)プローブ信号Aを作成する光源1は、実際面では、プローブ信号Aの中心波長を変えることができる、すなわち、波長可変性のものでなければならない。これによって、出力信号はスペクトルの種々の点を通って移動でき、それによって、種々の波長付近でテスト信号が有する強度レベルを知ることができる。
(4)光源1の調節特性は、本発明の測定方法において、スペクトルの範囲、正確性、再現性、及び、対応する同様の特性を直接的に決定する。現在、可変外部共振器型半導体レーザーを用いることで、測定解像度よりもずっと小さなスペクトル幅を実現することが可能であり、高精度・高再現性を持って、約100nmの可変範囲を得ることが可能となっている。
(1)ブリュアン散乱効果の相互作用を行う物的手段として用いられる、光ファイバー2は、相互作用において光ビームすなわちプローブ信号及びテスト信号の空間的コヒーレンスを維持するために、測定波長の範囲において、シングルモードのものでなければならない。
(2)ブリュアン散乱効果の効率は、(光線の光パワーが同じである場合、)相互作用する光線の有効面積に反比例する。したがって、光ファイバーのコア面積が小さいほど、効率が増すことになる。具体的には、λ〜1.5μmの光線には、通常のシングルモードの光ファイバーと比較して有効面積がおよそ半分である、「分散シフト」(dispsersion-shifted)型又はそれに類似した光ファイバーを用いることが好ましい。
(3)ファイバーの長さに従って蓄積されるブリュアン散乱方法における最大限の収率を得るためには、数キロメートルの長さの光ファイバー2が用いられる。
(1)上記可変光源1の出射口に備えられ、プローブ信号Aの使用される強度を増加させる光増幅器8。
(2)偏光調節器5とファイバーリンク2との間に備えられ、検出システム3と同期して動作する、第1の振幅又は偏光変調器9。この第1変調器の代わりに、検出システム3と同期して動作する、第2の振幅又は偏光変調器14を、分離器6とファイバーリンク2との間に備えても良い。また、偏光調節器5とファイバーリンク2との間に第1変調器を備え、さらに、分離器6とファイバーリンク2との間に第2変調器を備えても良い。また、上記波長可変光源1の出射口に備えられ、プローブ信号Aの使用される強度を増幅する光増幅器8と偏光調節器5と、光ファイバーリンク2との間に備えられ、検出システム3と同期して動作する、第1振幅又は偏光変調器9とが含まれる場合の偏光変調を行う場合、一つめの場合であって、偏光変調を行う場合は、第1変調器9の代わりに、偏光調節器5により変調を行っても構わない。
(1)ブリュアン効果に関する幅のみにより決定される高スペクトル解像度(λ〜1.5μmの近赤外領域、幅約0.05pm)、
(2)(測定系の反応時間約1msに対して)最小検出可能パワーが約1nW/pmという高感度、及び
(3)ブリュアン散乱による増幅時の総増幅率を用いてシステムの感度を調整することによって80dB以上の広いダイナミックレンジを有する、という性能を発揮する。
(1)光源または可変レーザー1より発せられる光プローブ信号Aを、光ファイバーリンク2の一方の端部へ導入する工程と、
(2)外部源10より発せられる、分析対象であり測定対象であるテスト信号Bを、光分離器6を通して光ファイバー2の反対側の端部の入力部に導入する工程と、
(3)光サーキュレーター4と、光ファイバーリンク2におけるプローブ信号Aの入力部との間に備えられる、偏光調節器5を用いて、プローブ信号Aの偏光配置を、テスト信号Bの偏光配置にて最適化する工程と、
(4)プローブ信号Aとテスト試信号Bとを光ファイバーリンク2中で相互作用させて出力信号Cを生成する工程と、
(5)光ファイバーリンク2におけるプローブ信号Aの入力部に備えられた光サーキュレーター4を用いて、プローブ信号Aと出力信号Cとを分離する工程と、
(6)直射光検出システム3を用いて出力信号Cを検出する工程と、
(7)光源又は可変レーザー1と検出システム3とに接続された制御システム7を用いてデータの収集・分析を行う工程とが含まれる。
(8)プローブ信号が光源又は可変レーザー1から発せられた後であってプローブ信号Aが光サーキュレーター4に入力される前に、光増幅器8を用いてプローブ信号を増幅する工程と、
(9)偏光調節器5と光ファイバーリンク2との間に備えられて検出システム3と同期して動作する第1変調器9を用いて、プローブ信号Aの振幅又は偏光変調を行う工程とが行われてもよい。
Claims (17)
- ブリュアン散乱を利用した光スペクトル分析装置であって、
上記装置は、
光プローブ信号(A)を生成し、上記光プローブ信号(A)の波長が可変である光源(1)、
光ファイバーリンク(2)、
上記光ファイバーリンク(2)の一方の端部に備えられる光サーキュレーター(4)、
上記光ファイバーリンク(2)の他方の端部に備えられる第2光通路(6)、
直射光検出システム(3)、及び、
上記光源(1)より発せられる光プローブ信号(A)の波長掃引を行う制御システム(7)を備え、
上記光ファイバーリンク(2)は、上記光源(1)より発せられる上記光プローブ信号(A)を、上記光サーキュレーター(4)を用いて受け取ることができ、
上記光ファイバーリンク(2)は、外部源(10)より発せられてそのスペクトル(12)が測定対象となる光テスト信号(B)を上記第2光通路(6)を用いて受け取ることができ、
上記光ファイバーリンク(2)は、上記光プローブ信号(A)と、光テスト信号(B)とが、ブリュアン散乱による相互作用を引き起こすのに適した物的手段として利用され、
上記光プローブ信号(A)の強度に応じた増幅率で上記ブリュアン散乱による相互作用により増幅された光テスト信号(B)のスペクトル成分の大きさに応じた光出力信号(C)を上記光サーキュレーター(4)から得て、上記光出力信号(C)は上記直射光検出システム(3)へと送信され、
上記直射光検出システム(3)は、上記光出力信号(C)の強度に比例した電気信号を得、上記電気信号は、上記制御システム(7)へ送られ、
上記制御システム(7)は、上記光プローブ信号(A)の波長に応じて光テスト信号(B)のスペクトル成分の測定を行うとともに、上記光テスト信号のスペクトル(12)を得、
上記光テスト信号(B)は、上記第2光通路(6)を通じて、上記光ファイバーリンクの、上記光プローブ信号(A)が入力される端部とは反対側の端部へ入力され、
上記第2光通路(6)は、上記外部源(10)に影響を与えうる光信号を妨げるように挿入された光分離器(6)を備えており、
上記装置は、上記光サーキュレーター(4)と上記光ファイバーリンク(2)との間に、上記光プローブ信号(A)及び上記光テスト信号(B)の偏光状態の差異によってブリュアン散乱効果の効率が低下するのを抑える偏光調節器(5)を備えることを特徴とする、ブリュアン散乱を利用した光スペクトル分析装置。 - 前記光源は、外部共振器型半導体レーザー型であることを特徴とする、請求項1に記載の装置。
- 前記光源(1)の光出射口に、前記光プローブ信号(A)の印加強度を増加させて測定感度を向上させる光増幅器(8)を備えることを特徴とする請求項1または2に記載の装置。
- 前記直射光検出システム(3)と同期して動作する少なくともひとつの変調器(9・14)を備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の装置。
- 前記偏光調節器(5)と前記光ファイバーリンク(2)との間に、前記光プローブ信号(A)の変調を行えるように、第1変調器(9)を備えることを特徴とする請求項4に記載の装置。
- 前記光ファイバーリンク(2)と前記分離器(6)との間に、前記光テスト信号(B)の変調を行えるように、第2変調器(14)を備えることを特徴とする請求項4に記載の装置。
- 前記偏光調節器(5)と前記光ファイバーリンク(2)との間に第1変調器(9)を備え、さらに、上記光ファイバーリンク(2)と前記分離器(6)との間に第2変調器(14)を備えることを特徴とする請求項4に記載の装置。
- 前記変調器(9・14)が、振幅又は偏光変調を行うことができることを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載の装置。
- 前記第1変調器(9)が偏光変調を行うことを特徴とする請求項5または7に記載の装置。
- 前記光ファイバーリンク(2)は、測定波長域、又は、動作波長帯域に対してシングルモードの光ファイバーであることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載の装置。
- 前記偏光調節器(5)が、前記光プローブ信号(A)を変調する第1変調器(9)の機能を担いうることを特徴とする請求項1〜4,6のいずれか1項に記載の装置。
- 上記直射光検出システムは、上記光出力信号(C)の検出を0周波数で行うことを特徴とする請求項1に記載の装置。
- ブリュアン散乱による信号の選択的な光増幅に対する光信号の分光学的な測定方法であって、
(イ)光プローブ信号(A)を生成し、上記光プローブ信号(A)の波長が可変である光源(1)から発せられる光プローブ信号(A)を、光サーキュレーター(4)を通過させた後で光ファイバーリンク(2)の一方の端部へ導入する工程、
(ロ)外部源(10)から発せられ、分析対象であり測定対象であると共に、上記光ファイバーリンク(2)の他方の端部を伝送する光テスト信号(B)を、光ファイバーリンク(2)へ導入する工程、
(ハ)上記光プローブ信号(A)と上記光テスト信号(B)とを相互作用させ、上記光プローブ信号(A)の強度に応じた増幅率で上記ブリュアン散乱による相互作用により増幅された光テスト信号(B)のスペクトル成分の大きさに応じた光出力信号(C)を発生させる工程、
(ニ)上記光出力信号(C)の強度に比例した電気信号を得る直射光検出システム(3)を用いて上記光出力信号(C)を検出する工程、及び、
(ホ)上記光源(1)と上記直射光検出システム(3)とに接続され、上記光源(1)より発せられる光プローブ信号(A)の波長掃引を行う制御システム(7)を用いてデータの収集及び分析を行う工程を含み、
上記光プローブ信号(A)と上記光テスト信号(B)とを相互作用させるために、
上記光テスト信号(B)を、(イ)光分離器(6)を通過させた後、上記光ファイバーリンク(2)の、上記光プローブ信号(A)が導入されるのとは反対側の端部を通して上記光ファイバーリンク(2)へ導入する工程、
(ヘ)上記光サーキュレーター(4)と、上記光ファイバーリンク(2)の上記光プローブ信号(A)の入力部との間に備えられた、偏光調節器(5)を用いて、上記光プローブ信号(A)の偏光配置を、上記光テスト信号(B)の偏光配置にて最適化する工程、
(ト)上記光プローブ信号(A)と上記光テスト信号(B)とを相互作用させて上記光出力信号(C)を生成する工程、及び
(チ)上記光ファイバーリンク(2)の、上記光プローブ信号(A)が入力される端部に備えられた上記光サーキュレーター(4)を用いて、上記光プローブ信号(A)と上記光出力信号(C)とを分離する工程が行われることを特徴とする、ブリュアン散乱による信号の選択的な光増幅に対する光信号の分光学的な測定方法。 - 前記光プローブ信号(A)が前記光源(1)から出力された後であって前記光サーキュレーター(4)に入射される前に、光増幅器(8)を用いて、上記光プローブ信号(A)の増幅を行う工程を含むことを特徴とする請求項13に記載の測定方法。
- 前記偏光調節器(5)と前記光ファイバーリンク(2)との間に備えられ、前記直射光検出システム(3)と同期して動作する第1変調器(9)を用いて、前記光プローブ信号(A)の変調を行う工程を含むことを特徴とする請求項13または14に記載の測定方法。
- 前記光分離器(6)と前記光ファイバーリンク(2)との間に備えられ、前記直射光検出システム(3)と同期して動作する第2変調器(14)を用いて、前記光テスト信号(B)の変調を行う工程を含むことを特徴とする請求項13または14に記載の測定方法。
- 前記偏光調節器(5)と前記光ファイバーリンク(2)との間に備えられ、前記直射光検出システム(3)と同期して動作する第1変調器(9)を用いて、前記光プローブ信号(A)の変調を行う工程、及び、
前記光分離器(6)と上記光ファイバーリンクとの間に備えられ、上記直射光検出システム(3)と同期して動作する第2変調器(14)を用いて、前記光テスト信号(B)の変調を行う工程を含むことを特徴とする請求項13または14に記載の測定方法。
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