JP4589620B2 - 光波長基準装置 - Google Patents

Description

この発明は、光波長基準装置に関するものであり、特に、光通信波長帯の光波の波長計測器やレーザ共振器を用いた波長安定化光源に対して波長基準を与える光波長基準装置に関するものである。

従来、光の絶対波長（あるいは周波数）の安定化技術として、原子または分子の吸収スペクトルの中心を波長基準とし、単一縦モードのレーザ光源から得られるレーザ波長を、この光波長基準と一致させる制御技術が研究されており、このような光波長の基準器として原子あるいは分子を封じた光波長基準セルが開発されている。

図１３は、従来の光通信波長帯における光波長基準装置の構成の一例を示す模式図である。同図において、この光波長基準装置１００は、光通信波長の１．５μｍ帯に吸収スペクトルを有するアセチレン分子あるいはシアン化水素分子を封じた光波長基準セル１０１と、光波長基準セル１０１を挟んで一対の全反射鏡を対向させて配置させたファブリー・ペロー光共振器１０２とによって構成されている。

ファブリー・ペロー光共振器１０２を構成するのは、光波長基準セル１０１にてドップラーフリーな線幅の細い飽和吸収線を光波長基準として用いるためであり、光波長基準セル１０１内における光の強度を増幅し、光波長基準セル１０１内の分子の光吸収効果の飽和特性に基づいて光出力波長を観測している。

図１４は、従来の光波長基準装置を用いた波長安定化レーザ光の構成の一例を示す構成図である。同図において、安定化光源である波長可変レーザ１０５からの出力光は光波長基準装置１０３に入力され、波長可変レーザ１０５の発振波長と光波長基準装置１０３の基準波長との差を、ファブリー・ペロー光共振器１０２の共振器長を可変するための圧電素子１０４ａ、光検出器１１２、信号発生器１１３、およびロックインアンプ１１４から成る位相敏感検波系により検出し、その検出信号を負帰還回路１１５を用いて圧電素子１０５ｂの印加電圧にフィードバックすることによりファブリー・ペロー光共振器１０２の共振波長を光波長基準装置１０３の基準波長に安定化させている。また、周波数変調器１０６、光分岐器１０７、信号発生器１０８、光検出器１０９、電気ミキサー１１０、および負帰還回路１１１から構成されるもう一つの負帰還制御系により、ファブリー・ペロー光共振器１０２の共振器長に同期させて波長可変レーザ１０５の共振器長を負帰還制御している。このとき、波長可変レーザ１０５の共振器長は、光分岐器１０７で分岐された光波長基準装置１０３からの戻り光によって制御される。このように、従来の波長安定化レーザでは、これらの２つの負帰還制御系を用いて波長可変レーザ１０５の発振波長を光波長基準装置１０３の基準波長に安定化させている。

つぎに、上述した位相敏感検波系により行われる処理について説明する。ここで、図１５は、位相敏感検波の概念を説明するための説明図である。圧電素子１０４ａに信号発生器１１３からの変調信号を印加することにより、ファブリー・ペロー光共振器１０２の共振器長は変調され、また同時に、この共振器長と同期して波長可変レーザ１０５の共振器長も変更される。したがって、波長可変レーザ１０５から信号発生器１１３の変調周波数で周波数変調された変調レーザ光が出力される。図１５の横軸は、この変調レーザ光の中心波長λ_Sであり、縦軸は光波長基準装置１０３からの光出力Ｐ₀である。また、Ｋ１は、光波長基準セル１０１の吸収特性の一例を示す特性カーブである。この特性カーブＫ１において、ポイントＡ１に対応する波長光では、ポイントＡ２、Ａ３に対応する波長光よりも吸収特性が大であることを意味している。一方、横軸の下部に示す波形は、光波長基準セル１０１に印加される変調レーザ光を示すものである。位相敏感検波出力では、変調レーザ光そのものが印加点を中心に変調周波数ｆ_mにて変調（微少変動）されているので、同図に示すように、印加点を中心に波長変動が生じた波形となる。

さて、図１５に示すカーブＫ１上のポイントＡ１に対応する波長光が入射する場合では、縦軸の左側に示すような周波数２ｆ_mのビート周波数の出力が検出され。一方、カーブＫ１上のポイントＡ２またはＡ３に対応する波長光が入射する場合では、変調周波数ｆ_mのビート周波数の出力が検出される。

図１６は、位相敏感検波系から出力される出力波形の概要を示した図である。いま、横軸に変調レーザ光の中心波長λ_Sをとり、縦軸に位相敏感検波系の出力の変調周波数ｆ_mに同期した成分をとると、図１５のポイントＡ１では、周波数ｆ_mに同期した成分が観測されないのに対し、同図のポイントＡ２、Ａ３では周波数ｆ_mに同期した成分が観測されるため、図１６に示すカーブＫ２のようになる。したがって、変調周波数ｆ_mに同期した成分がゼロとなるように、より詳細には、位相敏感検波して得られる吸収特性の微分信号に基づいて波長可変レーザ１０５と光波長基準装置１０３とを制御することで、安定した光波長基準装置として機能させることができる。

なお、上述した光波長基準装置は、光波長基準セルに対して変調レーザ光を入力するタイプの基準装置であった。これに対して、光波長基準セルを外部の磁場から遮蔽するための光波長基準セルを磁気シールド槽で覆い、光波長基準を得るための入射信号として上記変調レーザ光に代えて磁場変調をかけた光を用いた装置も存在する（例えば、特許文献１）。

特開平１０−２９００４１号公報（第４−５頁、図１など）

しかしながら、従来の光波長基準セル装置を用いて構成した波長安定化レーザ光源においては、光波長基準セル装置を構成するファブリー・ペロー光共振器の長さとレーザ光源の共振器長とを同期させる必要があった。そのため、この波長安定化レーザ光源においては、レーザ光源の共振器長とファブリー・ベロー光共振器の長さを同期させる制御系と、ファブリー・ペロー光共振器の共振波長を光波長基準セルの波長基準に同期する制御系を同時に動作させる必要があり、その構成が複雑であった。

また、波長基準となる分子吸収スペクトルの中心を検出するために、上述したような周波数変調光を用いなければならなかった。そのため、安定化させたいレーザ光自身が周波数変動しているので、応用面において、例えば、波長計測を行う場合において、その分解能や測定精度が低下してしまうため、その有用性が制限されるといった問題点があった。

一方、上記の特許文献１では、より高安定な波長安定化周波数を得るためにＬＤ発振光を無変調光を用いることを特徴としているが、その代償として上述したような磁場変調をかけた光を用いるようにしている。そのため、磁場変動の影響を抑制するため磁気シールド槽や、ゼーマン変調用コイルなどが必要であり、構造が精密かつ複雑になり、かつ、制御系の構成も複雑になるといった欠点を有していた。また、これらの構造や制御系の複雑さに伴ってコストも増大するといった欠点も存在していた。

この発明は、上述した従来の欠点に鑑みてなされたものであり、安定化させたいレーザ光自身を変調することなく、波長安定性に優れた光波長基準装置を提供することを目的とする。また、簡易な構造を有し、簡易な制御系で構成された光波長基準装置を提供することを目的とする。さらに、従来よりもより小型化した光波長基準装置を提供することを目的とする。

そこで、上述した課題を解決するため、本発明では、光波長基準セルの両端面をブリュスター窓とし、光波長基準セルの外部に対向するように配置した一対の全反射鏡を用いて光波長基準セル中を光が低損失で複数回往復する構造にして、光波長基準セル内の分子と光波の相互作用距離を増大させるようにしているので、ファブリー・ペロー光共振器を用いなくとも、波長安定性に優れ、簡易な構造と簡易な制御系で構成された光波長基準装置を提供するものである。

また、本発明では、ブリュスター窓が形成された光波長基準セルの端面により、光波長基準セルの材質（ガラス）と空気との間を光が１回通過するごとに生じるフレネル反射を約４％を抑制することができるようにし、光波長基準セル中を光が複数回数往復させた場合でも、従来法で発生した大きな光損失を、大幅に低減させるようにしている。その結果、光強度をほとんど低減させることなく波長基準セル中の分子と光波の相互作用距離を増大させることができ、従来よりもより小型化した光波長基準装置を提供するものである。

すなわち、本発明の請求項１にかかる光波長基準装置は、ブリュスター窓で形成された入射面および出射面を具備し、該入射面から入射した所定の光波長帯の入射光を吸収させるための吸収物質が封入されてなる光波長基準セルと、前記光波長基準セルの入射面と出射面とを挟んで対向させて配置した一対の全反射鏡とを備え、前記入射光を前記光波長基準セル内に入射させ、該光波長基準セルからの透過光を前記一対の全反射鏡により多重反射させ、該光波長基準セル中を複数回往復させた多重反射光を該光波長基準セルの外部に出力することを特徴とする。

また、本発明の請求項２にかかる光波長基準装置は、上記の発明において、前記光波長基準セルの内部に入射光を入射させるための入力端および前記多重反射光を該光波長基準セルの外部に出力させるための出力端にそれぞれ接続された偏波保持型光ファイバをさらに備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項３にかかる光波長基準装置は、ブリュスター窓で形成された入射面および出射面を具備し、該入射面から入射した所定の光波長帯の入射光を吸収させるための吸収物質が封入されてなる光波長基準セルと、前記光波長基準セルの入射面と出射面とを挟んで対向させて配置した一対の全反射鏡と、前記光波長基準セルの内部に入射光を入射させるとともに、該光波長基準セルの外部に前記多重反射光を出力させるための入出力端に接続された第１の偏波保持型光ファイバと、前記第１の偏波保持型光ファイバに接続され、前記光波長基準セルに光源からの光を導き、該光波長基準セルからの戻り光を光源とは異なる光路に分離出力するための偏波保持型光サーキュレータと、前記偏波保持型光サーキュレータに接続され、入射光の入力レベルを調整するための光増幅器と、前記光波長基準セルの外部に前記多重反射光を一時的に出力させるための第２の偏波保持型光ファイバと、前記第２の偏波保持型光ファイバに接続され、一時的に出力された多重反射光を前記光波長基準セルに再入射させるための偏波保持型光ファイバブラッググレーティングとを備えたことを特徴とする。

また、本発明の請求項４にかかる光波長基準装置は、上記の発明において、前記光波長基準セル内の分子の吸収特性が飽和領域に達しない程度の状態に設定されるように前記光波長基準セルへの入射光強度を前記光増幅器の増幅率および／または該偏波保持型光ファイバブラッググレーティングの反射率にて制御することを特徴とする。

また、本発明の請求項５にかかる光波長基準装置は、上記の発明において、前記光波長基準セル内の分子にホールバーニングを生じさせ、かつ、前記偏波保持型光ファイバブラッググレーティングからの戻り光が線形微弱光となるように前記光波長基準セルへの入射光強度を前記光増幅器の増幅率および／または該偏波保持型光ファイバブラッググレーティングの反射率にて制御することを特徴とする。

また、本発明の請求項６にかかる光波長基準装置は、上記の発明において、前記光増幅器が、エルビウム添加ファイバ光増幅器であることを特徴とする。

また、本発明の請求項７にかかる光波長基準装置は、上記の発明において、前記所定の光波長帯が光通信波長帯であることを特徴とする。

また、本発明の請求項８にかかる光波長基準装置は、上記の発明において、前記吸収物質がアセチレン分子またはシアン化水素分子であることを特徴とする。

この発明にかかる光波長基準装置によれば、光波長基準セルの両端面をブリュスター窓とし、光波長基準セルの外部に対向するように配置した一対の全反射鏡を用いて光波長基準セル中を光が低損失で複数回往復する構造にして、光波長基準セル内の分子と光波の相互作用距離を増大させるようにしているので、ファブリー・ペロー光共振器を用いずになくとも、波長安定性に優れ、従来よりもより小型化した光波長基準装置を提供することができるという効果を奏する。

以下、図面を参照して、この発明の実施の形態である光波長基準装置について説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１−１は、実施の形態１にかかる光波長基準装置の構成を示す模式図（上面図）であり、図１−２はその側面図である。これらの図に示す光波長基準装置は、自身への入射光および自身からの出射光の反射を防ぐためにブリュスター角の傾斜がつけられた光波長基準セルの端面（ブリュスター窓）２ａ，２ｂが形成され、光通信波長帯（１．５μｍ帯）に吸収スペクトルを有するアセチレン分子あるいはシアン化水素分子が封入された光波長基準セル２と、偏波保持型光ファイバ３に光を結合させるための光結合器４ａ，４ｂと、光波長基準セル２の内部を光が複数回往復するために光波長基準セル２を挟んでその両端に対向させて配置した一対の全反射鏡５と、光波長基準セル２および全反射鏡５を収めた外箱６とを備えている。

また、図１−１に示すように、入射光の入射位置（光結合器４ａの取り付け位置）と出射光の取り出し位置（光結合器４ｂの取り付け位置）とは、上面から見て外箱６の短手方向に変位させている。その理由は、光波長基準セル２の内部を複数回往復させた光を取り出すためである。そのため、光結合器４ａ，４ｂに結合させる偏波保持型光ファイバ３をそれぞれ所定の角度（α）だけ傾きをもたせている。なお、この入射傾角α（あるいは出射傾角）は、全反射鏡５によって反射させられた光同士が相互に遮られることなく光波長基準セル２内を効率よく往復するための角度であり、全反射鏡５の間隔や、光のビーム径などによって決定される。詳細については、後述する。

図２は、本発明の光波長基準装置を用いて波長安定化レーザ光を得るための構成の一例を示す模式図である。同図において、レーザ装置２０からレーザ光（無変調レーザ光）が位相変調器２１に入力され、位相変調器２１にて位相変調された変調レーザ光が光波長基準装置１に入力される。光波長基準装置１の光出力（Ｐ₀）は、位相敏感検波手段２２で検波される。位相敏感検波手段２２は、光波長基準装置１からの光出力（Ｐ₀）が小さくなるようにレーザ装置２０を制御する。このようにして、レーザ装置２０から出力される無変調レーザ光が所望の波長帯の出力、すなわち光波長基準出力となる。

ここで、図１４に示した従来の光波長基準装置を用いて波長安定化レーザ光を得る場合と比較する。当該従来技術では、レーザ装置１０３から出力されるレーザ光は変調レーザ光でなければならなかった。このことは、ファブリー・ペロー光共振器を用いることに関係している。すなわち、ファブリー・ペロー光共振器を用いて制御系を構成する場合には、レーザ光源の共振器長とファブリー・ペロー光共振器長とを同期させる必要があるため、レーザ光源から出力されるレーザ光は必然的に変調レーザ光とならざるを得なかった。一方、本発明では、レーザ装置２０から出力されるレーザ光は無変調レーザ光を用いることができる。なぜなら、本発明では、ファブリー・ペロー光共振器を用いずに構成できるので、図２に示すように、レーザ装置２０からの無変調光出力を位相変調器２１で位相変調し、この位相変調出力を光波長基準装置１に出力するような構成をとることができるからである。

つぎに、本発明の動作機構について説明する。図１−１および図１−２において、偏波保持型光ファイバ３からの単一偏波光が光結合器４ａにより平行ビームにコリメートされ、ブリュスター窓２ａを介して光波長基準セル２に入射し、入射光の一部が光波長基準セル２の内部の分子に吸収され、その一部がブリュスター窓２ｂより出射される。この出射光は、光波長基準セル２の外部に配置された一方の全反射鏡５により反射され、ブリュスター窓２ｂを介して再び光波長基準セル２に戻り、この戻り光は光波長基準セル２の内部の分子との相互作用の後にブリュスター窓２ａより出射された後、光波長基準セル２の外部に配置された他方の全反射鏡５により反射され、再び光波長基準セル２ヘ戻る。この動作を複数回繰り返した後に光波長基準セル２の外部へ光結合器４ｂを介し、偏波保持型光ファイバ３に結合されて出力される。

つぎに、光が光波長基準セル２を１回通過するごとに受ける光損失について考える。図３−１および図３−２は、ブリュスター窓が形成された光波長基準セル２の端面（入射面）へ光が入射する様子を模式的に示すものである。より詳細には、図３−１は、ＴＭ波の光がブリュスター角θで入射する様子を示す斜視図であり、図３−２は、その側面図である。ここで、入射光軸をブリュスター窓に投影した軸をｘ軸とし、ブリュスター窓の平面内においてｘ軸に直交する軸をｙ軸とし、このｘｙ平面に対して直交する軸にｚ軸を定義する。このように定義すれば、光の電界成分Ｅ_TMおよび光の磁界成分Ｈ_TMは、それぞれ、Ｅ_TM＝（Ｅ_x，０，Ｅ_z）およびＨ_TM＝（０，Ｈ_y，０）で表すことができる。

図４−１は、図３−１に対して、入射光軸とｙ軸を含む平面内において、光が入射角αの角度をもって入射した様子を示す斜視図であり、図４−２は、その側面図である。ここで、この入射角αは、図１−１および図１−２において、光波長基準セル２の出力端側に配置した全反射鏡５によって光が遮られることなく偏波保持型光ファイバ３に光結合するために必要な角度である。いま、対向する一対の全反射鏡の間隔をＬとし、光のビーム径をｗとすれば、必要な最小角度α_minは次式で与えられる。

このとき、入射光の電界はｙ軸成分を含まないため入射角αに依らず一定であるのに対し、磁界の成分は入射角αに依存したｘ成分、ｙ成分およびｚ成分を有する。

ここで、光波長基準セル２を１回通過する際の光損失は、空気とブリュスター窓の境界面が４個所あることを考慮すれば、光が空気からブリュスター窓に入射する際に光が受ける反射損失を４倍することで算出できる。つぎに、この空気−ブリュスター窓間の光反射率を算出することを試みる。

図５は、図４−１の斜視図上にｘｙ平面およびｘ'ｙ'平面の回転座標系を定義した図である。図５に示すように、入射角αで入射する光の光軸をブリュスター窓の平面に投影したｘ’軸と元のｘ軸とが成す角度φだけｘｙ座標を回転したｘ'ｙ'座標を用いることにより、入射光をＴＥ波とＴＭ波とに分離して表記することができるため、光反射率の算出が容易になる。以下、ｘｙｚ座標系において入射光の電磁界を定義し、つぎにｘ'ｙ'ｚ座標に座標変換して、空気−ブリュスター窓の境界面における光反射率を導出する。

図５において、入射光の電磁界はｘｙｚ座標系において次式で表記できる。

ここで、Ｅ₀は電界の振幅であり、Ｗは波動インピーダンスである。また、入射光の波数ベクトルｋはその大きさをｋ₀とすると、次式で与えられる。ただし、（ ）の中は、それぞれｘ方向、ｙ方向、ｚ方向の成分を示している。

また、座標の回転角φは、入射光軸の入射角αを用いて次式で与えられる。

つぎに、ｘ'ｙ'ｚ座標において、入射光の電磁界を記述すると、上記の式（１）〜（３）は次式のように表記できる。

ここで、角度θ'は、ｘ'ｚ平面における入射光軸とｚ軸の成す角度であり、ブリュスター角θと次式の関係で与えられる。

ところで、屈折率の異なる２つの誘電体境界面におけるＴＥ波、ＴＭ波に対する光電界の反射・透過の問題は一般的によく知られており、例えば、誘電体領域１、２における屈折率をそれぞれｎ_l、ｎ₂とすると、境界面における光電界の反射率は次式で与えられる。

そこで、式（６）におけるＴＭ波およびＴＥ波の成分比率を考慮することにより、式（１０）を用いて光反射率Ｒは次式で求められる。

前述したように、光波長基準セル２を１回通過するごとに空気とブリュスター窓の境界面が４個所あることを考慮すれば、光波長基準セル２の光損失は、式（１１）の光反射率Ｒを用いて次式で与えられる。

例えば、光波長基準セル２のブリュスター窓が石英ガラスで構成されている場合、ｎ_l＝１．０（空気）、ｎ₂＝１．５（ガラス）であることから、ブリュスター角θは、θ＝ｔａｎ^-1（ｎ_l／ｎ₂）＝５６．３度となる。この条件のもとで、光の入射角αをパラメータとして、式（９）、式（１１）および式（１２）を用いて光損失（１回通過相当）を算出した結果が図６である。同図において、比較のために光波長基準セル２の各端面がブリュスター窓でない場合（すなわち、θ＝０度）の算出結果も示している。

例えば、対向して配置した全反射鏡の間隔Ｌが１５０ｍｍで、入射光のビーム径ｗが２ｍｍの場合に、入射角αは、式（１）から、ｔａｎ^-1（ｗ／２Ｌ）＝０．３８度以上に設定する必要がある。そこで、入射角αを１度とし、この入射角における光損失を図６から求める。まず、光波長基準セル２の各端面がブリュスター窓でない場合には、約０．７ｄＢ（約１５％）の損失があるが、ブリュスター窓の場合には、約３．５×１０^-4ｄＢ（約０．００８％）の損失しかない。

図７は、入射角（α）が１度のときに光波長基準セル内部の光通過回数に対する光損失の関係を算出した結果を示すグラフである。例えば、全反射鏡５により光波長基準セル２の内部を光が１０往復（２０回通過）する場合を考える。光波長基準セル２の各端面がブリュスター窓でない場合には、約１４．２ｄＢ（約９６．２％）もの損失があるのに対して、ブリュスター窓の場合には、たかだか約０．００７ｄＢ（約０．１６％）の損失しかない。このように、ブリュスター窓を備えることにより実用上問題のないレベルにまで損失を抑制できることがわかる。

つぎに、光波長基準セル２の内部を光が通過することができる最大通過回数について考える。この最大通過回数は、光波長基準セル２の断面の直径（楕円形の場合は長軸長）をＤとすると、光のビーム径ｗを用いて２×（Ｄ／ｗ−１）で与えられる。例えば、光波長基準セル２の断面の直径Ｄが２０ｍｍであり、光のビーム径ｗが２ｍｍの場合、最大通過回数は１８回となる。このとき波長基準セルの長さが１００ｍｍである場合、光と光波長基準セル２の内部分子との相互作用距離は１．８ｍであり、非常に長い相互作用長を実現できる。このため光波長基準セル２の内部圧力を下げることができ、線幅の狭い吸収線の観測が可能となる。

最後に、光波長基準装置１の入出力端における光ファイバ結合について考える。本発明の光波長基準セル２の端面（入出射面）がブリュスター窓で形成されているため、入射光の備波状態をＴＭ波に固定することが重要であり、光波長基準セル２との光結合には偏波保持型光ファイバ３が好適である。偏波保持型光ファイバ３を用いることにより偏波保存型セルとなり安定性が大幅に向上する。

なお、上述の実施の形態では、図１−１に示すように、光波長基準装置１への光の入射角に所定の角度だけ傾きをもたせているが、図８−１および図８−２に示す光波長基準装置１４のように、入射角に傾きをもたせないで入射させることもできる。この場合、図１−１に示す光波長基準装置１と同等のサイズで、同等の最大通過回数を実現するためには、図８−１に示すように、全反射鏡５の傾斜角をα／２に設定すればよい。

以上説明したように、この実施の形態の光波長基準装置によれば、光波長基準セルの両端面をブリュスター窓とし、光波長基準装置の入出力端は、偏波保持型光ファイバで結合することにより光波長基準セル内の光損失および各種光ファイバ素子と本装置の接続損失を低減させることができる。

また、この実施の形態の光波長基準装置によれば、光波長基準セルの外部に配置した対向する全反射鏡を用いて光波長基準セル中を光が複数回往復する構造にして光波長基準セル内の分子と光波の相互作用距離を増大させることにより、低圧力セルとして圧力幅を減少させることができるので、ファブリー・ペロー光共振器を用いずに狭い吸収線を観測することができる。その結果、従来、波長安定化光源を構成する際に必要であった２つの制御系を１つにすることができる。

さらに、この実施の形態の光波長基準装置によれば、ブリュスター窓で形成された光波長基準セルの両端面により、光波長基準セルの材質（ガラス）と空気との間を光が１回通過するごとに生じるフレネル反射を約４％抑制することができる。このため、光波長基準セルの内部を光が複数回数往復させた場合に、従来法では大きな光損失が発生するが、本発明では、その光強度をほとんど減衰させることなく光波長基準セルの内部分子と光波との相互作用距離を増大させることができる。このように、光波長基準セルの構成に多重反射機構を用いることにより、光波長基準セルを小型化し、かつ、高感度化することができる。

また、この実施の形態の光波長基準装置によれば、波長基準となる分子吸収スペクトルの中心を検出するための位相敏感検波系を構成する際に、レーザ光源の共振器長を変調する必要がなく、レーザ装置からの出力光を外部で周波数変調する構成が可能となるため、無変調のレーザ出力光を得ることができ、様々な光計測に応用する場合の波長分解能や測定精度を増大させることができる。

（実施の形態２）
図９−１は、実施の形態２にかかる光波長基準装置の構成を示す模式図（上面図）であり、図９−２はその側面図である。同図に示すこの実施の形態の光波長基準装置１１は、実施の形態１の構成に加え、光波長基準装置１１の光結合器４ｂ側（反射端側）の偏波保持型光ファイバ３に接続された偏波保持型光ファイバブラッググレーティング１０を備えている。一方、光波長基準装置１１の光結合器４ａ側（入力端側）では、光源からの光を光波長基準セル２に入射させるとともに、光波長基準セル２からの戻り光を出射光として出力させるための偏波保持型光サーキュレータ７と、偏波保持型光サーキュレータ７に接続されるエルビウム添加ファイバ光増幅器８とを備えている。なお、その他の構成は、図１−１および図１−２に示す実施の形態１の構成と同一または同等であり、これらの部分には同一符号を付して示している。

この実施の形態の光波長基準装置１１では、光源からの光をエルビウム添加ファイバ光増幅器８で増幅し、偏波保持型光サーキュレータ７を介して光波長基準セル２に入射することにより、光波長基準セルからの出射光をその入射光と分岐して外部へ抽出することができる。また、光波長基準セル２の入力端側に設置したエルビウム添加ファイバ光増幅器８の増幅度と、その反射端側に設置した偏波保持型光ファイバブラッググレーティング１０の反射率を調整することで、吸収線の測定感度を増大させることができる。

なお、偏波保持型光ファイバブラッググレーティング１０の帯域は、数ＧＨｚと広く、一方、図１５などに示される光波長基準セル２の吸収特性の帯域は数百ＭＨｚ程度のオーダーである。したがって、偏波保持型光ファイバブラッググレーティング１０に対する温度制御などの複雑な制御機構は不要である。

以上説明したように、この実施の形態の光波長基準装置によれば、偏波保持型光ファイバブラッググレーティングにより反射した光を光波長基準セルの反射端側から逆方向に入射させ、光を双方向に伝搬させることで光波長基準セルの内部分子と光波との相互作用距離を２倍に拡大することができ、単方向に伝搬させる光波長基準装置と比較して、さらに高精度な光波長基準装置を実現することができる。また、この相互作用距離を２倍に拡大することができるので、実施の形態１と同等の性能を実現する場合に、装置をより小型化することができる。

なお、この実施の形態の光波長基準装置１１では、光波長基準セル２の反射端側から光を逆方向に戻す機構として偏波保持型光ファイバブラッググレーティング１０を用いる構成としたが、その他にも、例えば光波長基準セル２の内部の光結合器４ｂの位置に全反射鏡や光減衰器などを用いてレベル調整された反射光を入力側に戻すような構成としてもよい。

また、この実施の形態では、図１−１に示す光波長基準装置１のように光結合器４ａに結合させる偏波保持型光ファイバ３を所定の角度（α）をもたせて入射させる場合を示したが、図８−１に示す光波長基準装置１４のように、入射角をもたせずに入射させてもよいことは言うまでもない。

（実施の形態３）
図１０−１は、実施の形態３にかかる光波長基準装置の構成を示す模式図（上面図）であり、図１０−２はその側面図である。同図に示すこの実施の形態の光波長基準装置１２は、構成に関して言えば、実施の形態２と同一または同等であるが、光波長基準セル２への入射光強度が異なる点が実施の形態２との相違点である。以下、実施の形態３の動作機構について説明する。

光波長基準セル２への光の入射強度がある程度まで高められると、ホ−ルバーニングと呼ばれる現象が生ずる。この状態において、入射光と反対向きに弱い線形微弱光を入射すると、セル内分子の吸収特性に飽和吸収線と呼ばれる鋭いディップが現れる。この実施の形態では、この飽和吸収線を利用して、高精度な光波長基準出力を得ようとするものである。

図１１は、光波長基準セルにホールバーニングが生じたときの吸収特性の波形を概念的に示す図である。同図において、横軸は変調レーザ光の中心波長λ_Sであり、縦軸は光波長基準装置１２からの光出力Ｐ₀である。この特性カーブＫ３では、中央付近に上述の飽和吸収線が生じている。同図に示すように、ホールバーニングが生じていないときの吸収特性の極小値近傍の波形（同図の破線）に比べて、ホールバーニングが生じているときの吸収特性の波形（すなわち飽和吸収線）の方が急峻な特性を有しているので、より狭い吸収線（飽和吸収線幅）の観測が可能となる。

なお、ホールバーニングが生じているときに、入射光と反対向きの再入射光の強度を大きくし過ぎると、検出感度が低下してしまう。図１２は、再入射光の強度と検出精度との関係を説明するための図である。再入射光の強度が微弱な場合にはＫ３（実線）で示されるように飽和吸収線を生じさせることができるのでより狭い吸収線の観測が可能となる。

一方、再入射光の強度が比較的強い場合には、Ｋ４（破線）で示されるように飽和吸収線の中心部の両側が持ち上がった状態となり、飽和吸収線の波形が鈍ってしまう。この状態では、高感度な観測をすることができず、狭い吸収線の観測が不可能となる。逆に、波形Ｋ３の極値付近の特性が劣化するので、実施の形態２で観測できた狭い吸収線（線形吸収線幅）の観測もできなくなるので、再入射光のレベル調整が重要である。

この再入射光の強度を最適に設定する上で、特に重要な役割を果たすのが、エルビウム添加ファイバ光増幅器８および偏波保持型光ファイバブラッググレーティング１０である。実施の形態２では、線形吸収線幅の観測を行うために、光波長基準セル２の内部分子を飽和させないようにエルビウム添加ファイバ光増幅器８の増幅度と、偏波保持型光ファイバブラッググレーティング１０の反射率を最適に設定することで、狭い吸収線を観測することができた。

これに対して、この実施の形態では、飽和吸収線幅の観測を行うために、光波長基準セル２の内部分子を飽和領域に遷移させてホールバーニングの状態を生じさせるとともに、再入射光によって生ずる飽和吸収線のＳＮ比を劣化させないようにエルビウム添加ファイバ光増幅器８の増幅度と、偏波保持型光ファイバブラッググレーティング１０の反射率を最適に設定することで、さらに狭い吸収線の観測が可能となる。

このように、この実施の形態の光波長基準装置１１では、光源からの光をエルビウム添加ファイバ光増幅器８で増幅し、偏波保持型光サーキュレータ７を介して光波長基準セル２に入射することにより、光波長基準セルからの出射光をその入射光と分岐して外部へ抽出することができる。また、光波長基準セル２の入力端に設置したエルビウム添加ファイバ光増幅器８の増幅度と、その出力端に設置した偏波保持型光ファイバブラッググレーティング１０の反射率を調整することで、最適な飽和吸収線の測定が可能となる。

以上説明したように、この実施の形態の光波長基準装置によれば、光波長基準セルの内部分子を飽和領域に遷移させてホールバーニングの状態を生じさせるとともに、再入射光によって生ずる飽和吸収線のＳＮ比を劣化させないようにエルビウム添加ファイバ光増幅器８の増幅度と、偏波保持型光ファイバブラッググレーティング１０の反射率を最適に設定するようにしているので、さらに高精度な光波長基準装置を実現することができる。

なお、この実施の形態の光波長基準装置１１では、光波長基準セル２の出力端側から逆方向に戻す機構として偏波保持型光ファイバブラッググレーティング１０を用いる構成としたが、その他にも、例えば光波長基準セル２の内部の光結合器４ｂの位置に全反射鏡や光減衰器などを用いてレベル調整された反射光を入力側に戻すような構成としてもよい。

また、この実施の形態では、図１−１に示す光波長基準装置１のように光結合器４ａに結合させる偏波保持型光ファイバ３を所定の角度（α）をもたせて入射させる場合を示したが、図８−１に示す光波長基準装置１４のように、入射角をもたせずに入射させてもよいことは言うまでもない。

以上のように、本発明にかかる光波長基準装置は、波長安定化レーザ光源や光波長計測装置などに有用であり、特に、これらの波長安定化レーザ光源や光波長計測装置などの小型化、高安定化、高感度化、高精度化に寄与する。

実施の形態１にかかる光波長基準装置の構成を示す模式図（上面図）である。 実施の形態１にかかる光波長基準装置の構成を示す模式図（側面図）である。 本発明の光波長基準装置を用いて波長安定化レーザ光を得るための構成の一例を示す模式図である。 ＴＭ波の光がブリュスター角θで入射する様子を示す斜視図である。 ＴＭ波の光がブリュスター角θで入射する様子を示す側面図である。 入射光軸とｙ軸を含む平面内において、光が入射角αの角度をもって入射した様子を示す斜視図である。 入射光軸とｙ軸を含む平面内において、光が入射角αの角度をもって入射した様子を示す側面図である。 図４−１の斜視図上にｘｙ平面およびｘ'ｙ'平面の回転座標系を定義した図である。 光の入射角αをパラメータとして、式（９）、式（１１）および式（１２）を用いて光損失（１回通過相当）を算出した結果の一例を示すグラフである。 入射角（α）が１度のときに光波長基準セル内部の光通過回数に対する光損失の関係を算出した結果の一例を示したグラフである。 実施の形態１の変形例の構成を示す模式図（上面図）である。 実施の形態１の変形例の構成を示す模式図（側面図）である。 実施の形態２にかかる光波長基準装置の構成を示す模式図（上面図）である。 実施の形態２にかかる光波長基準装置の構成を示す模式図（側面図）である。 実施の形態３にかかる光波長基準装置の構成を示す模式図（上面図）である。 実施の形態３にかかる光波長基準装置の構成を示す模式図（側面図）である。 光波長基準セルにホールバーニングが生じたときの吸収特性の波形を概念的に示す図である。 再入射光の強度と検出精度との関係を説明するための図である。 従来の光通信波長帯における光波長基準装置の構成の一例を示す模式図である。 従来の光波長基準装置を用いた波長安定化レーザ光の構成の一例を示す構成図である。 位相敏感検波の概念を説明するための説明図である。 位相敏感検波系から出力される出力波形の概要を示した図である。

符号の説明

１，１１，１２，１４，１０３ 光波長基準装置
２，１０１ 光波長基準セル
２ａ，２ｂ ブリュスター窓
３ 偏波保持型光ファイバ
５ 全反射鏡
６ 外箱
７ 偏波保持型光サーキュレータ
８ エルビウム添加ファイバ光増幅器
１０ 偏波保持型光ファイバブラッググレーティング
２０ レーザ装置
２１ 位相変調器
２２ 位相敏感検波手段
１０２ ファブリー・ペロー光共振器
１０４ａ，ｂ 圧電素子
１０５ 波長可変レーザ
１０６ 周波数変調器
１０７ 光分岐器
１０８，１１３ 信号発生器
１０９，１１２ 光検出器
１１０ 電気ミキサー
１１１，１１５ 負帰還回路
１１４ ロックインアンプ

Claims (6)

1. ブリュスター窓で形成された入射面および出射面を具備し、該入射面から入射した所定の光波長帯の入射光を吸収させるための吸収物質が封入されてなる光波長基準セルと、
   前記光波長基準セルの入射面と出射面とを挟んで対向させて配置され、前記光波長基準セルからの透過光を多重反射させる一対の全反射鏡と、
   前記光波長基準セルの内部に入射光を入射させるとともに、前記一対の全反射鏡により多重反射された多重反射光を前記光波長基準セルの外部に戻り光として出力させるための第１入出力端に接続された、第１の偏波保持型光ファイバと、
   前記第１の偏波保持型光ファイバに接続され、前記光波長基準セルに光源からの光を前記第１の偏波保持型光ファイバを通じて導き、前記光波長基準セルからの前記戻り光を前記第１の偏波保持型光ファイバを通じて受け取って前記光源からの光の光路とは異なる光路に分離出力するための偏波保持型光サーキュレータと、
   前記偏波保持型光サーキュレータに接続され、入射光の入力レベルを調整すべく前記光源からの光を増幅して前記偏波保持型光サーキュレータに入射させる光増幅器と、
   前記第１入出力端から前記光波長基準セルに入射されて前記一対の全反射鏡により多重反射された多重反射光を出力させる第２入出力端に接続され、前記光波長基準セルの外部に、前記第２入出力端から出力された多重反射光を一時的に出力させるための第２の偏波保持型光ファイバと、
   前記第２の偏波保持型光ファイバに接続され、一時的に出力された多重反射光を反射して、前記第２の偏波保持型光ファイバを通じて、前記第２入出力端からの出射方向とは逆方向に前記第２入出力端から前記光波長基準セルに再入射させるための偏波保持型光ファイバブラッググレーティングと、
   を備え、
   前記偏波保持型光サーキュレータは、前記光増幅器により増幅された前記光源からの光を前記第１の偏波保持型光ファイバに導き、
   前記一対の全反射鏡は、前記偏波保持型光ファイバブラッググレーティングで反射されて前記第２入出力端から前記光波長基準セルに再入射した光を多重反射して、前記戻り光として前記第１入出力端に導き、
   前記光増幅器の増幅率および前記偏波保持型光ファイバブラッググレーティングの反射率にて前記光波長基準セルへの入射光強度が制御される
   ことを特徴とする光波長基準装置。
2. 前記光波長基準セル内の分子の吸収特性が飽和領域に達しない程度の状態に設定されるように前記光波長基準セルへの入射光強度を前記光増幅器の増幅率および前記偏波保持型光ファイバブラッググレーティングの反射率にて制御することを特徴とする請求項１に記載の光波長基準装置。
3. 前記光波長基準セル内の分子にホールバーニングを生じさせ、かつ、前記偏波保持型光ファイバブラッググレーティングからの戻り光が線形微弱光となるように前記光波長基準セルへの入射光強度を前記光増幅器の増幅率および前記偏波保持型光ファイバブラッググレーティングの反射率にて制御することを特徴とする請求項１に記載の光波長基準装置。
4. 前記光増幅器が、エルビウム添加ファイバ光増幅器であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光波長基準装置。
5. 前記所定の光波長帯が光通信波長帯であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光波長基準装置。
6. 前記吸収物質がアセチレン分子またはシアン化水素分子であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光波長基準装置。

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