JP4586033B2 - 光ヘテロダイン干渉装置およびその光路長差測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ヘテロダイン干渉装置において、被測定物に対する位相測定を正しく行えるようにするための技術に関する。

光ファイバや光部品等の各種特性を求めるために、従来から図７に示す構成の光ヘテロダイン干渉装置１０が用いられている。

この光ヘテロダイン干渉装置１０は、波長可変光源１１から出射された周波数ｆｏの光Ｐを光分波器１２で２分岐し、その一方の光Ｐａを被測定物１を含む光路Ｌ１に出射し、他方の光Ｐｂを被測定物１を含まない光路Ｌ２側に出射する。

ここで、光路Ｌ２側には周波数シフタ１３が挿入されている。周波数シフタ１３は例えば音響光学型の素子からなり、信号発生器１４から出力される所定周波数ｆａの電気の駆動信号Ｅａを受けて、周波数ｆｏで入力された光Ｐｂを周波数ｆｏ＋ｆａの光Ｐｃに変換する。なお、この周波数シフタ１３は光路Ｌ１側の被測定部１の前段あるいは後段に挿入されていてもよい。

そして、光路Ｌ１側で被測定物１から出射された光Ｐａ′（以下、信号光と記す）と、光路Ｌ２の周波数シフタ１３から出射された光Ｐｃ（以下、参照光と記す）は光合波器１５で合波され、その合波光Ｐｄが光電変換器１６に入力されて、電気の信号Ｅｄに変換される。

ここで、信号光Ｐａ′の電界成分をＥｓ、振幅をＡｓ、周波数をｆｓ、初期位相をφｓ、参照光Ｐｃの電界成分をＥｒ、振幅をＡｒ、周波数をｆｒ、初期位相をφｒとすると、両光の電界成分は、次のように表される。

Ｅｓ＝Ａｓ・cos（２πｆｓｔ＋φｓ）
Ｅｒ＝Ａｒ・cos（２πｆｒｔ＋φｒ）

そして、この２つの光が合波されたときの光の強度Ｉは、次式（１）で表される。

Ｉ＝＜｜Ｅｒ＋Ｅｓ｜^２＞
＝（Ａｒ^２＋Ａｓ^２）
＋２Ａｒ・Ａｓ・cos［２π（ｆｒ−ｆｓ）ｔ＋（φｒ−φｓ）］
……（１）
ここで、記号＜ ＞は時間平均を示す。

上記式（１）で表される光の強度Ｉは、周波数ｆｒ、ｆｓが固定であれば、（Ａｒ^２＋Ａｓ^２）を中心として、振幅２Ａｒ・Ａｓ、ビート周波数ｆbo（＝ｆｒ−ｆｓ）で正弦状に変化する。

上記構成の光ヘテロダイン干渉装置１０で、光電変換器１６の出力信号Ｅｄが前記光の強度Ｉに比例している。また、周波数ｆｒ＝ｆｏ＋ｆａ、ｆｓ＝ｆｏであるから、波長可変光源１１の出射光Ｐの周波数ｆｏに関わらず、ビート周波数ｆboは信号発生器１４から周波数シフタ１３に与えられる駆動信号Ｅａの周波数ｆａに等しい。

したがって、被測定物１に与える光の波長に対して、光電変換器１６の出力信号Ｅｄの振幅や位相の変化を求めることで、被測定物１の波長に対する各種特性を把握することができる。

なお、上記構成の光ヘテロダイン干渉装置は、例えば次の特許文献１に開示されている。

特開２００６−２６６７９６号公報

しかしながら、上記構成の光ヘテロダイン干渉装置１０では、光分波器１２と光合波器１５の間の２つの光路Ｌ１、Ｌ２の長さに差がある状態で、波長可変光源１１の出射光の波長を可変すると、光路長差による位相変化が生じ、これが２π以上変化して位相の回転が生じると、正しく位相測定することができなくなってしまう。

本発明は、この問題を解決し、光分波器と光合波器の間の２つの光路の長さの差を容易に求めることができ、この光路長差をなくして、被測定物に対する位相測定を正しく行うことができる光ヘテロダイン干渉装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１の光ヘテロダイン干渉装置は、
波長可変光源（１１）と、
前記波長可変光源の出射光を受けて、被測定物を含む第１光路（Ｌ１）と前記被測定物を含まない第２光路（Ｌ２）へ出射する光分波手段（１２）と、
前記第１光路を経た光と前記第２光路を経た光とを受けて合波する光合波手段（１５）と、
前記第１光路を経て前記光合波手段に入射される光と前記第２光路を経て前記光合波手段に入射される光の間に所定周波数（ｆａ、｜ｆａ−ｆａ′｜）の差を付与する周波数差付与手段（１３、４３、１４、４４）と、
前記光合波手段で合波された光を受ける光電変換器（１６）とを有し、
前記光電変換器の出力信号に基づいて、前記被測定物の特性を求める光ヘテロダイン干渉装置において、
前記波長可変光源の出射光の周波数を一定速度（α）で掃引させる光周波数掃引手段（３１）と、
前記光周波数掃引手段によって前記波長可変光源の出射光の周波数が前記一定速度で掃引されている間に前記光電変換器から出力される信号の周波数（ｆｂ）を検出する周波数検出手段（３２）と、
前記周波数検出手段によって検出された周波数と前記所定周波数との差（Δｆ）を求め、該差に基づいて前記第１光路と前記第２光路の長さの差（ΔＬ）を、
ΔＬ＝ｃ・Δｆ／（α・ｎ） （ｃは光速、ｎは光路の屈折率）
の演算によって算出する光路長差算出手段（３３）とを設けたことを特徴としている。

また、本発明の請求項２の光ヘテロダイン干渉装置は、請求項１記載の光ヘテロダイン干渉装置において、
前記周波数差付与手段は、
信号発生器（１４）と、入射光の光周波数を前記信号発生器の出力信号の周波数分だけシフトして出射する周波数シフタ（１３）とにより構成されていることを特徴としている。

また、本発明の請求項３の光ヘテロダイン干渉装置は、請求項１または請求項２記載の光ヘテロダイン干渉装置において、
前記第１光路と第２光路の少なくとも一方に光路長可変手段（２１）が挿入され、該光路長可変手段により、前記光路長差算出手段によって算出された光路長差を相殺できるようにしたことを特徴としている。

また、本発明の請求項４の光ヘテロダイン干渉装置の光路長差測定方法は、
波長可変光源（１１）から出射された光を分波して被測定物を含む第１光路（Ｌ１）と前記被測定物を含まない第２光路（Ｌ２）に分け、前記第１光路を経た光と前記第２光路を経た光の間に所定周波数（ｆａ、｜ｆａ−ｆａ′｜）の差を与えて合波し、該合波した光を光電変換器（１６）に入射し、その出力信号に基づいて前記被測定物の特性を求める光ヘテロダイン干渉装置における前記第１光路と第２光路の長さの差を測定するための光路長差測定方法であって、
前記波長可変光源の出射光の周波数を一定速度（α）で掃引させるとともに、該掃引中に前記光電変換器から出力される信号の周波数（ｆｂ）を検出する段階（Ｓ１〜Ｓ３）と、
前記検出された周波数と前記所定周波数との差（Δｆ）を求め、該差に基づいて前記第１光路と第２光路の長さの差（ΔＬ）を、
ΔＬ＝ｃ・Δｆ／（α・ｎ） （ｃは光速、ｎは光路の屈折率）
の演算によって算出する段階（Ｓ４、Ｓ５）とを含むことを特徴としている。

このように、本発明では、波長可変光源の出射光の周波数を一定速度で掃引させたときに、光分波手段と光合波手段の間の２つの光路の長さの差によって光電変換器の出力信号の周波数が、所定周波数から別周波数に変化するという性質を利用しているため、その周波数変化量から容易に光路長差を求めることができ、その光路長差を見込むあるいは相殺処理することにより、被測定物に対する位相測定を正しく行うことができる。

（第１の実施形態）
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した光ヘテロダイン干渉装置２０の構成を示している。

図１に示しているように、この光ヘテロダイン干渉装置２０は、前記した従来の光ヘテロダイン干渉装置１０と同様に、波長可変光源１１から出射された周波数ｆｏの光Ｐを光分岐手段としての光分波器１２で２分岐し、その一方の光Ｐａを光ファイバ等の被測定物１を含む光路Ｌ１に出射し、他方の光Ｐｂを被測定物１を含まない光路Ｌ２側に出射して、その光路Ｌ２側に周波数差付与手段として挿入された周波数シフタ１３に信号発生器１４からの周波数ｆａの駆動信号Ｅａを与えて、周波数ｆｏ＋ｆａの参照光Ｐｃに変換し、被測定物１から出射された信号光Ｐａ′とともに光合波手段としての光合波器１５に入射して合波し、その合波光Ｐｄを光電変換器１６に入射して、電気の信号（干渉信号）Ｅｄに変換している。

ただし、この光ヘテロダイン干渉装置２０では、周波数シフタ１３側が挿入されている光路Ｌ２に、その光路長を変化させることができる光路長可変手段２１が設けられている。

光電変換器１６から出力される干渉信号Ｅｄは、ロックインアンプ１７に入力されて、信号Ｅａで同期検波（ベクトル検波）され、その出力Ｘ、Ｙが被測定物１の特性を求めるための演算処理を行う演算処理部４０に与えられる。

また、干渉信号Ｅｄは、Ａ／Ｄ変換器１８でデジタル値に変換されて、光路長差測定部３０に入力される。

光路長差測定部３０は、被測定物１に対する測定を行う前に、光分波器１２と光合波器１５の間の光路Ｌ１、Ｌ２の長さの差ΔＬを求めて、その差ΔＬを相殺処理するためのものであり、波長可変光源１１の出射光Ｐの周波数ｆｏを一定速度で掃引させる光周波数掃引手段３１と、出射光Ｐの周波数ｆｏが一定速度で掃引されている間に光電変換器１６から出力される干渉信号Ｅｄの周波数（ビート周波数）ｆｂを検出する周波数検出手段３２と、その検出されたビート周波数ｆｂと、非掃引中に周波数差付与手段によって与えられる周波数差（この場合、信号発生器１４の出力信号の周波数ｆａ）との差Δｆを求め、この差Δｆに基づいて光分波器１２と光合波器１５の間の２つの光路Ｌ１、Ｌ２の長さの差ΔＬを算出する光路長差算出手段３３とを有している。

次に、光路長差ΔＬと位相変化との関係について説明する。
光路長差ΔＬのとき、波長可変光源１１から波長λ１の光Ｐを入射したときに得られる干渉信号Ｅｄの位相と、波長λ２の光Ｐを入射したときの干渉信号Ｅｄの位相との差Δθは、次の式（２）で表される。

Δθ＝［（ΔＬ／λ１）−（ΔＬ／λ２）］・２π・ｎ
＝ΔＬ［（λ２−λ１）／λ１・λ２］・２π・ｎ ……（２）
ただし、ｎは屈折率

一方、波長λ１、λ２の光の周波数ｆ１、ｆ２の差Δｆは、次式（３）、
Δｆ＝ｆ１−ｆ２＝ｃ（λ２−λ１）／λ１・λ２ ……（３）
ｃは光速
で表される。

式（３）を式（２）に代入すると、位相差Δθは、
Δθ＝ΔＬ・Δｆ・２π・ｎ／ｃ ……（４）
となる。

したがって、光路長差ΔＬは、
ΔＬ＝ｃ・Δθ／（Δｆ・２π・ｎ） ……（５）
となり、周波数差Δｆに対する位相変化量Δθが判れば、光路長差ΔＬを求めることができる。

ただし、光路長差ΔＬが大きい場合、僅かな周波数変化Δｆでも２π以上の位相変化が生じてしまい、微小で精密な波長制御が必要となり、現実的にその位相変化量を求めることが困難である。

そこで、本実施形態では、前記したように波長可変光源１１の出射光Ｐの周波数ｆｏを一定速度で掃引することにより、大きな光路長差ΔＬであっても正確に求められるようにしている。

即ち、図１において光路長差ΔＬがない状態で、波長可変光源１１の出射光Ｐの周波数ｆｏを一定の速度で例えば高くなる方向に掃引させた場合、図２の（ａ）のように、光路Ｌ１から光合波器１５に入射される光Ｐａ′と光路Ｌ２から光合波器１５に入射される光Ｐｃの周波数差（ビート周波数ｆｂ）は、周波数シフタ１３に入力されている信号Ｅａの周波数ｆａに等しい。

また、光路Ｌ１が光路Ｌ２より長い場合には、図２の（ｂ）のように、光路Ｌ１から光合波器１５に入射される光Ｐａ′の周波数変化が、光路長差ΔＬに相当する時間Δｔだけ遅れる（右にシフトする）。

したがって、両光路Ｌ１、Ｌ２の出射光Ｐａ′、Ｐｃの周波数差（ビート周波数ｆｂ）は、ｆａ＋Δｆとなる。

ここで、遅延時間Δｔは、Δｔ＝ｎ・ΔＬ／ｃであるから、光路長差ΔＬは、
ΔＬ＝（ｃ／ｎ）・Δｔ ……（６）
と表すことができる。

光Ｐの周波数掃引速度をΔｆ／Δｔ＝αで一定とすると、式（６）は、次式（７）となる。

ΔＬ＝ｃ・Δｆ・／（α・ｎ） ……（７）

したがって、ビート周波数ｆｂの周波数ｆａからの変化量Δｆを検出することにより、位相と無関係に光路長差ΔＬを求めることができる。

上記光路長差測定部３０は、上記原理に基づいて光路長差ΔＬを求めている。
即ち、図３の処理手順に示すように、光周波数掃引手段３１により波長可変光源１１の出射光Ｐの周波数ｆｏを一定速度αで掃引させ（Ｓ１）、その間に光電変換器１６から出力された干渉信号Ｅｄの波形データを図示しないメモリに記憶しておく（Ｓ２）。

次に、この記憶したデータに対して、周波数検出手段３２が例えばＦＦＴ（高速フーリエ変換処理）あるいは周波数計数処理を行い、ビート周波数ｆｂ′を検出する（Ｓ３）。

そして、光路長差算出手段３３により、検出されたビート周波数ｆｂ′と、非掃引中におけるビート周波数ｆbo（この場合周波数ｆａと等しい）との差Δｆを求め（Ｓ４）、この差Δｆを上記式（７）に代入（他のパラメータは既知とする）することで、光路長差ΔＬを算出する（Ｓ５）。

そして、この算出された光路長差ΔＬ分の光路長の補正処理を光路長可変手段２１により自動的に行う(Ｓ６)、あるいは手動で行うことにより、光分波器１２と光合波器１５との間の２つの光路の長さの差がなくなり、この状態で被測定物１の特性を測定するために波長可変光源１１の波長を可変しても光路長差による位相変化はほとんど発生せず、各波長毎のロックインアンプ１７の出力Ｘ、Ｙに対する所定の演算処理で、被測定物１の特性を正確に得ることができる。

なお、この実施形態では周波数シフタ１３が挿入されている光路Ｌ２側に光路長可変手段２１を設けていたが、被測定物１が挿入されている光路Ｌ１側に設けてもよい。

また、図４に示す光ヘテロダイン干渉装置２０′のように、光路長可変手段２１を省略し、光路長差算出部３０によって前記同様に算出された光路長差ΔＬを演算処理部４０に与えて、被測定物１の特性を測定する際に、算出された光路長差ΔＬを見込んで演算処理を行うようにしてもよい。

また、上記実施形態では、周波数シフタ１３と信号発生器１４とを被測定物１を含まない光路Ｌ２側に挿入して、光合波器１５で合波される光の間に所定周波数の差を付与していたが、反対に周波数シフタ１３を被測定物１が含まれる光路Ｌ１側に挿入してもよい。

（第２実施形態）
また、前記実施形態では、周波数シフタ１３と信号発生器１４とを一組だけ用いて、一方の光路の光の周波数をシフトしていたが、図５に示すように、光路Ｌ２側だけでなく、光路Ｌ１側に挿入した周波数シフタ４３に、信号発生器４４から周波数ｆａ′の信号Ｅａ′を与え、光合波器１５で合波される光の間に、｜ｆａ−ｆａ′｜の周波数差を付与してもよい。

この場合、ビート周波数を大幅に低下させることができ、より高い位相分解能を得ることができる。ただし、この場合には、信号Ｅａ、Ｅａ′をミキサ４５で混合して、その混合成分からフィルタ４６により差の周波数成分の信号Ｅａ″を抽出してロックインアンプ１７に与える。

（第３の実施形態）
また、図６に示すように、光源５１から出射された波長固定の基準光Ｐｕを光合波器５２により波長可変光源１１からの出射光Ｐと合波し、その合波光Ｐ′を光分波器１２に与え、光合波器１５からの出射光Ｐｄを波長分波器５３に入射して、波長可変光源１１の出射光Ｐを周波数シフトした成分からなる光Ｐｅと、基準光Ｐｕを周波数シフトした成分のみからなる光Ｐｆと分けて、それぞれ光電変換器１６、５４に入射して、光電変換器１６、５４から出力されるビート周波数ｆｂの干渉信号Ｅｅ、Ｅｆを得て、ロックインアンプ１７において、基準光Ｐｕに対応した干渉信号Ｅｆを基準信号として干渉信号Ｅｅを同期検波して、被測定物１の特性を表す信号Ｘ、Ｙを得る構成としてもよい。

この実施形態の場合、ロックインアンプ１７に基準信号として入力される信号が、干渉信号Ｅｅと同等の光路を経た光によって得られた干渉信号Ｅｆであるため、被測定物１側の光路に対する外乱で干渉信号Ｅｅが変動した場合であっても、干渉信号Ｅｆも同等の影響を受けることになり、得られる信号Ｘ、Ｙへの影響を抑圧できるという利点がある。

なお、この実施形態では、周波数差付与手段を構成する周波数シフタ１３、４３を２つの光路Ｌ１、Ｌ２に挿入しているが、第１実施形態と同様に、一方の光路のみに周波数シフタを挿入してもよい。

本発明の実施形態の構成図 実施形態の動作原理を説明するための図 本発明の光路長差測定方法の手順を示すフローチャート 他の実施形態の構成図 他の実施形態の構成図 他の実施形態の構成図 光ヘテロダイン干渉装置の要部構成図

符号の説明

１……被測定物、１１……波長可変光源、１２……光分波器、１３、４３……周波数シフタ、１４、４４……信号発生器、１５……光合波器、１６……光電変換器、１７……ロックインアンプ、１８……Ａ／Ｄ変換器、２０、２０′……光ヘテロダイン干渉装置、２１……光路長可変手段、３０……光路長差測定部、３１……光周波数掃引手段、３２……周波数検出手段、３３……光路長差算出手段、４０……演算処理部、４５……ミキサ、４６……フィルタ、５１……光源、５２……光合波器、５３……波長分波器、５４……光電変換器

Claims (4)

1. 波長可変光源（１１）と、
   前記波長可変光源の出射光を受けて、被測定物を含む第１光路（Ｌ１）と前記被測定物を含まない第２光路（Ｌ２）へ出射する光分波手段（１２）と、
   前記第１光路を経た光と前記第２光路を経た光とを受けて合波する光合波手段（１５）と、
   前記第１光路を経て前記光合波手段に入射される光と前記第２光路を経て前記光合波手段に入射される光の間に所定周波数（ｆａ、｜ｆａ−ｆａ′｜）の差を付与する周波数差付与手段（１３、４３、１４、４４）と、
   前記光合波手段で合波された光を受ける光電変換器（１６）とを有し、
   前記光電変換器の出力信号に基づいて、前記被測定物の特性を求める光ヘテロダイン干渉装置において、
   前記波長可変光源の出射光の周波数を一定速度（α）で掃引させる光周波数掃引手段（３１）と、
   前記光周波数掃引手段によって前記波長可変光源の出射光の周波数が前記一定速度で掃引されている間に前記光電変換器から出力される信号の周波数（ｆｂ）を検出する周波数検出手段（３２）と、
   前記周波数検出手段によって検出された周波数と前記所定周波数との差（Δｆ）を求め、該差に基づいて前記第１光路と前記第２光路の長さの差（ΔＬ）を、
   ΔＬ＝ｃ・Δｆ／（α・ｎ） （ｃは光速、ｎは光路の屈折率）
   の演算によって算出する光路長差算出手段（３３）とを設けたことを特徴とする光ヘテロダイン干渉装置。
2. 前記周波数差付与手段は、
   信号発生器（１４）と、入射光の光周波数を前記信号発生器の出力信号の周波数分だけシフトして出射する周波数シフタ（１３）とにより構成されていることを特徴とする請求項１記載の光ヘテロダイン干渉装置。
3. 前記第１光路と第２光路の少なくとも一方に光路長可変手段（２１）が挿入され、該光路長可変手段により、前記光路長差算出手段によって算出された光路長差を相殺できるようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の光ヘテロダイン干渉装置。
4. 波長可変光源（１１）から出射された光を分波して被測定物を含む第１光路（Ｌ１）と前記被測定物を含まない第２光路（Ｌ２）に分け、前記第１光路を経た光と前記第２光路を経た光の間に所定周波数（ｆａ、｜ｆａ−ｆａ′｜）の差を与えて合波し、該合波した光を光電変換器（１６）に入射し、その出力信号に基づいて前記被測定物の特性を求める光ヘテロダイン干渉装置における前記第１光路と第２光路の長さの差を測定するための光路長差測定方法であって、
   前記波長可変光源の出射光の周波数を一定速度（α）で掃引させるとともに、該掃引中に前記光電変換器から出力される信号の周波数（ｆｂ）を検出する段階（Ｓ１〜Ｓ３）と、
   前記検出された周波数と前記所定周波数との差（Δｆ）を求め、該差に基づいて前記第１光路と第２光路の長さの差（ΔＬ）を、
   ΔＬ＝ｃ・Δｆ／（α・ｎ） （ｃは光速、ｎは光路の屈折率）
   の演算によって算出する段階（Ｓ４、Ｓ５）とを含むことを特徴とする光ヘテロダイン干渉装置の光路長差測定方法。

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