JP4932905B2 - 光学スペクトルの複素解析のための方法および装置 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

〔技術分野〕
本発明は、誘導ブリルアン散乱を用いて試験信号自身から同時に抽出された２つの単色光スペクトル成分間にヘテロダイン効果を生じさせる技術を用いることによって、分析される光信号または試験信号の光学スペクトル位相を得ることが可能な装置、およびこれに関連した処理に関するものである。

〔現状の技術〕
欧州特許文献ＥＰ−Ａ１−１５１９１７１号には、米国特許文献ＵＳ２００５／００６８５３３Ａ１号にも公開されているが、局部光学発振器と、分析された光学スペクトルの選択された成分との間に生じるヘテロダイン効果を用いることによって、光学スペクトルの複素解析、つまり当該光学スペクトル位相の複素解析の処理を行うことが開示されている。また、上記文献は、この光学スペクトル分析線に沿って、現状の技術の再検討を含むものである。

米国特許文献ＵＳ−Ｂ１−５１４６３５９号には、局部発振器からの信号で順次混合され、最終的な処理がなされ、再び混合された複数の信号を１つの信号に分離する２段階位相ダイバーシティ受信機が開示されている。この受信機は、最終的な復調工程、および、信号の数組の光ファイバー導線において生成される遅延に起因した歪みを補償するために、当該信号にヘテロダイン効果を生じさせる処理を含んでいる。

国際特許文献ＷＯ ２００４／０４４５３８号には、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）による光学スペクトル分析のための装置、および、そのブリルアン散乱自身の効果によって生じる信号の光増幅、特に、分析された信号または試験信号の光学スペクトルの決められた成分の選択的な光増幅を用いた、当該装置に関連した測定方法が開示されている。

〔本発明の簡単な説明〕
本発明は、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）を用いて同時に得られるスペクトルの２つの異なる成分（ＤＯＳ）間に生じるヘテロダイン効果を用いて、試験信号（ＳＵＴ）の光学スペクトル位相を得ることを特徴としている。

本特許の対象である装置は、図面の図１に図示された５つに区別された部材の基本形からなる。
ａ）測定されるための、波長差が制御されるスペクトル範囲に沿って移動可能な２つの単色線（ＤＭＳ）によって形成された信号を供給することが可能な光源（ＳＵＲ）。
ｂ）分析された光信号（ＳＵＴ）と、光源（ＳＵＲ）によって生成された２つの単色信号（ＤＭＳ）との間で相互作用させることが可能な誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）に基づく高分解能光学スペクトル分析器。
ｃ）２つのスペクトル成分（ＤＯＳ）間にヘテロダイン効果が生じさせ、波長差に比例した周波数と、試験信号（ＳＵＴ）から得られる２つのスペクトル成分の位相差に比例した位相とを有する電気信号（ＤＥＳ）を供給する、光電子検知システム（ＨＦ）。
ｄ）検知された電気信号（ＤＥＳ）に含まれる試験信号（ＳＵＴ）の位相情報を抽出することが可能な電気位相分析器（ＥＰＡ）。
ｅ）信号を処理し、装置の各部材を制御するデータ処理ユニット（ＣＰＵ）。なお、このユニットは、分析された光信号（ＳＵＴ）のより完全な情報を供給するために、他のパラメータをさらに処理することができる。具体的には、例えば、試験信号の振幅が部材ｂ）または外部装置から得られる場合には、スペクトルの完全で複雑な情報が得られる。また、その情報は、振幅、位相および周波数において、また、それらのうちの可能な組合せの何れにおいても、試験信号（ＳＵＴ）およびその全ての変調の一時的な発生を知ることが可能となる。

本発明に係る処理は、次の工程からなる。
・光源（ＳＵＲ）を用いて、少なくとも１つの整調可能なレーザー源（ＴＬＳ）からの制御されたスペクトル差Δλで、波長λ_１およびλ_２における２つの単色光プローブ信号（ＤＭＳ）を生成する工程。
・光スペクトル分析器の出力において、λ_１＋Δλ_Ｄおよびλ_２＋Δλ_Ｄを中心とした２つの成分によって形成された拡散光信号（ＤＯＳ）を生成する誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）によって相互に作用する、上記光スペクトル分析器における上記光信号（ＤＭＳ）および光試験信号（ＳＵＴ）を取り込む工程。なお、Δλ_Ｄは、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）特有のドップラーシフトである。
・プローブとして作用する２つの単色信号（ＤＭＳ）の波長差Δλに比例した主周波数（γ_１）と、拡散光信号（ＤＯＳ）の２つの成分の位相差に比例した位相Φとを有する電気信号を生成する光電子検知器（ＨＦ）に、上記２つの拡散光信号（ＤＯＳ）を導く工程。
・電気位相分析器（ＥＰＡ）によって上記位相Φを測定し、登録する工程。

〔本発明の詳細な説明〕
光信号の分光組成は、測定されるための光信号（ＳＵＴ）と高度な単色参照信号（プローブ信号）との間での誘導ブリルアン（ＳＢＳ）の相互作用によって生じる散乱ビームを測定することにより実現される。近赤外線領域において、ピコメートルよりも小さい分解能を有する試験信号の振幅におけるスペクトル分析は、プローブ信号の波長の変化によって得られる。この装置は、当該装置に関連した測定技術と同様、国際特許文献ＷＯ ２００４／０４４５３８号に記載されており、図１の部材ｂ）に相当する。

２スペクトル線（ＤＭＳ）からなるプローブ信号が、１つの単色プローブ信号を用いる代わりに用いられる場合、試験信号（ＳＵＴ）とのブリルアン（ＳＢＳ）の相互作用後、プローブ信号（ＤＭＳ）の２スペクトル線と同様の波長差を互いの間で維持している２つのスペクトル線によって形成される拡散光信号（ＤＯＳ）が生成される。

この２つの拡散光信号（ＤＯＳ）は、波長差に比例した周波数と、光検知器（ＨＦ）においてヘテロダイン効果を生じさせることによって、拡散信号（ＤＯＳ）の２つのスペクトル成分の位相差に比例した位相とを有する電気信号（ＤＥＳ）を生成する。

言い換えれば、本発明は、２つのスペクトル成分を選択し、そのヘテロダイン効果を用いて当該２つのスペクトル成分の間の光学位相差を測定するために、ブリルアン散乱効果を用いることに基づくものである。

この解決法が光学スペクトル位相の測定を提供することの利点は、高分解能レベルおよび高信号レベルを有する２つのスペクトル成分を選択するために、ブリルアン散乱効果の優れた特性を利用することに基づいている。

検知された電気信号（ＤＥＳ）の位相を得るためには、拡散光信号（ＤＯＳ）の位相、つまり試験信号（ＳＵＴ）の位相に対応した情報を抽出する電気位相分析器（ＥＰＡ）を有することが必要である。

従って、本発明を実現するための装置は、以下の構成となる。
ａ）測定されるスペクトル範囲に沿って移動可能な２つの制御されたスペクトル分離単色線（ＤＭＳ）によって形成された、参照信号またはプローブ光信号を生成する光源（ＳＵＲ）。
ｂ）測定される試験信号（ＳＵＴ）とプローブ信号（ＤＭＳ）の２つの単色線とが互いに作用する誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）効果に起因して、２つのスペクトル線によって形成された拡散光信号（ＤＯＳ）を生成する、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）に基づく高分解能光学スペクトル分析器。
ｃ）上記２つのスペクトル成分（ＤＯＳ）間にヘテロダイン効果が生じ、検知された電気信号（ＤＥＳ）をその出力に供給する光電子検知システム（ＨＦ）。
ｄ）上記検知された電気信号（ＤＥＳ）に含まれた上述の試験信号（ＳＵＴ）からの位相情報を抽出するための電気位相分析器（ＥＰＡ）として動作するモジュール。
ｅ）信号を処理し、装置の各部材を制御するデータ処理ユニット（ＣＰＵ）。

本発明の原理に従って、上述の光源は、上記２つの生成された単色線（ＤＭＳ）の波長間の差（γγ）を制御するように構成されている。

２つのプローブ信号（ＤＭＳ）を生成し、電気位相分析器（ＥＰＡ）における位相情報を抽出するために、次の実現可能な技術が提案されている。

Ａ．２つの単色信号源（ＳＵＲ）（部材Ａ）
Ａ１：電気信号（ＧＥＳ）によって指示された外部の電子−光モジュレータを用いる。適切な動作状況では、上記モジュレータを指示する電気信号（ＧＥＳ）の周波数から２つの周波数によって区別され、かつ、分離された２つのスペクトル線が実現される。図２。

Ａ２：２つのスペクトル線を実現するために、非対称受動マッハ−ツェンダ干渉計内に整調可能なレーザーからの単色信号を注入し、上記干渉計の２つのアームに沿って飛行時間差を調整する。なお、２つのスペクトル線の分離は、波長において、整調可能なレーザーのスキャン速度に依存している。図３。

Ａ３：２つの整調可能なレーザーを同期させることにより、それら放出の波長差がスキャンを通して一定に維持される。図４。

Ｂ．電気位相分析器（ＥＰＡ）
Ｂ１：参照電気信号（ＲＥＳ）を用いた分析技術であり、検知された電気信号（ＤＥＳ）を当該参照電気信号（ＲＥＳ）と比較するためのものである。

Ｂ１ａ：参照信号（ＲＥＳ）として、モジュレータを指示する電気信号（ＧＥＳ）を用いる。この技術は、Ａ１と共に適用されるだけである。

この検知技術は、参照信号（ＲＥＳ）の周波数が、検知された電気信号（ＤＥＳ）の周波数の半分であることが特徴である。両信号の比較を可能とするために、検知された電気信号（ＤＥＳ）の周波数が、位相情報を失うことなく参照信号（ＲＥＳ）の周波数に変換される（図５）か、または、参照信号（ＲＥＳ）が重畳される（図６）。

Ｂ１ｂ：独立した光検知器（ＩＰ）に２つの単色信号（ＤＭＳ）の電力を向けることにより、２つの単色信号（ＤＭＳ）から参照信号を得る。

この検知技術では、情報を含む検知された電気信号（ＤＥＳ）は、周波数において参照信号（ＲＥＳ）と同時に発生し、求められた位相情報は、同じ周波数を有する信号を比較することにより得られる（図７）。

Ｂ２：アナログ−デジタル変換および信号処理に基づく分析技術であり、そのために、ＦＰＧＡ、ＤＳＰ、または、デジタル信号とアナログ信号とを変換し、それらの計算処理を行うことが可能な他の装置等のプログラマブル論理装置を用いている。

これらの技術を組み合わせることによって得られる装置は、光信号（ＳＵＴ）のスペクトル位相を測定することを可能にする。なお、上記装置は、対応する部材または関連機器を有し、２つのスペクトル成分（ＤＯＳ）間にヘテロダイン効果を生じさせることが可能な誘導ブリルアン（ＳＢＳ）相互作用（部材ｂ）および光電子検知器部材（ＨＦ）（部材ｃ）を可能にする装置である。

ここでの説明に加えて、光試験信号（ＳＵＴ）のスペクトルの位相情報に加えてその振幅に関する情報が利用可能である場合には、光スペクトルの完全な測定が実現され、その（複素スペクトルの）真数部分と虚数部分との両方を得ることができるだろう。

光信号（ＳＵＴ）のこの複素スペクトルは、振幅、位相および周波数において、また、それらのうちの可能な組合せの何れにおいても、試験信号およびその全ての変調の一時的な発生を示す情報を得ることを目的として、例えばＩＦＦＴ等の数値変換技術を用いた上記装置のデータ処理ユニット（ＣＰＵ）（部材ｅ）によって分析されることを可能とする。

図１は、好ましい一実施形態における上記装置を形成する構成を示す図である。 ２つの単色信号源（ＳＵＲ）として用いられる外部の電子−光モジュレータを示すものである。 図３は、非対称受動マッハ−ツェンダ干渉計の使用からなる上記２つの単色信号源（ＳＵＲ）を得るための第１の変形例を示すものである。 図４は、２つの整調可能なレーザーの同期およびそれら放出の波長差の制御に基づく第２の変形例を示すものである。 図５は、上記装置の構成である電気位相分析器（部材ｄ）の実施を示すものである。 図６は、上記装置の構成である電気位相分析器（部材ｄ）の実施を示すものである。

Claims (17)

1. 光学スペクトル位相の分析を行うための装置であって、
   ａ）測定されるスペクトル範囲に沿って移動可能な、少なくとも２つの制御されたスペクトル分離単色線（ＤＭＳ）によって形成された光プローブ信号を生成する光源（ＳＵＲ）と、
   ｂ）測定される試験信号（ＳＵＴ）と上記プローブ信号の少なくとも２つの単色線（ＤＭＳ）とが互いに作用し、２つのスペクトル線によって形成された拡散光信号（ＤＯＳ）を生成する、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）に基づく高分解光学スペクトル分析器と、
   ｃ）上記少なくとも２つのスペクトル成分（ＤＯＳ）間にヘテロダイン効果を生じさせ、検知された電気信号（ＤＥＳ）をその出力に供給する光電子検知システム（ＨＦ）と、
   ｄ）上記検知された電気信号（ＤＥＳ）に含まれた上述の試験信号（ＳＵＴ）の位相情報を抽出する電気位相分析器（ＥＰＡ）として動作するモジュールと、
   ｅ）上記信号を処理し、上記装置の各部材を制御するデータ処理ユニット（ＣＰＵ）と、を含む装置。
2. 上記光源（ＳＵＲ）は、上記少なくとも２つの生成された単色線（ＤＭＳ）の波長差（γγ）を制御するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. ２つの単色光信号（ＤＭＳ）を生成する上記光源（ＳＵＲ）は、整調可能なレーザー源（ＴＬＳ）によって生成された上記光プローブ信号を重畳するように構成されており、そのために、２つの単色プローブ信号（ＤＭＳ）が生成されるようなモジュレータの動作点を適切に確立するために、上記装置または当該装置の外部に含まれた信号源からの連続的な電気信号または正弦整流信号をさらに受信するように構成された正弦電気信号発生器が生成した電気参照信号（ＧＥＳ）によって制御される光信号モジュレータを含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. ２つの単色光信号（ＤＭＳ）を生成する光源（ＳＵＲ）は、測定されるスペクトル範囲に沿って、２つの単色線（ＤＭＳ）間のスペクトル分離を必ず一定に保つために調整される、１以上の整調可能なレーザー源（ＴＬＳ）によって形成されていることを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 上述の整調可能なレーザー源（ＴＬＳ）のスペクトルの重畳に適用されるマッハ−ツェンダ型電子−光学モジュレータ（ＭＺＭ）を含むことを特徴とする請求項３に記載の装置。
6. 上記電気位相分析器（ＥＰＡ）は、参照信号（ＧＥＳ）と同じ周波数に、光検知器（ＨＦ）から得られた上記検知された電気信号（ＤＥＳ）の周波数の変換を行い、２つの拡散光信号（ＤＯＳ）の２つのスペクトル成分の位相差に比例した位相Φを発生する幾つかの電子部品を含み、さらに、同じ周波数である２つの電気信号間の位相を測定する装置を含むことを特徴とする請求項３に記載の装置。
7. 光検知器（ＨＦ）から得られた上記検知された電気信号（ＤＥＳ）の周波数を、上記参照信号（ＧＥＳ）の周波数に変換するように構成されている、不要な信号を除去するための電気周波数混合器および／または電気フィルタを含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 光検知器（ＨＦ）から得られた上記検知された電気信号（ＤＥＳ）の周波数の参照信号（ＧＥＳ）の周波数への変換、および／または、上記２つの電気信号（ＤＥＳ）と（ＧＥＳ）との間の位相の検知に適用されている、プログラミングされたＤＳＰ装置および／またはＦＰＧＡ装置を含むことを特徴とする請求項６に記載の装置。
9. 上記ＤＳＰ装置またはＦＰＧＡ装置の少なくとも１つは、上記参照電気信号（ＧＥＳ）の生成に適用されることを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 検知器を含み、
    上記２つの単色プローブ信号（ＤＭＳ）の電力の一部は、上記参照電気信号（ＧＥＳ）の生成のために、当該検知器へと向けられることを特徴とする請求項３に記載の装置。
11. 自装置は、外部の信号源が光試験信号（ＳＵＴ）を生成するために変調した正弦信号、方形信号、ＰＲＢＳ信号等の電気信号を生成するための手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置。
12. 請求項１〜１１の何れか１項に記載の装置を用いて、光学スペクトル位相を得るための方法であって、
    光源（ＳＵＲ）を用いて、少なくとも１つの整調可能なレーザー源（ＴＬＳ）からの制御されたスペクトル差Δλで、波長λ_１およびλ_２における２つの単色光プローブ信号（ＤＭＳ）を生成する工程と、
    光スペクトル分析器の出力において、λ_１＋Δλ_Ｄおよびλ_２＋Δλ_Ｄ（Δλ_Ｄは、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）特有のドップラーシフト）を中心とした２つの成分によって形成された拡散光信号（ＤＯＳ）を生成する誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）によって相互に作用する、上記光スペクトル分析器における上記光信号（ＤＭＳ）および光試験信号（ＳＵＴ）を取り込む工程と、
    プローブとして作用する２つの単色信号（ＤＭＳ）の波長差Δλに比例した主周波数（γ_１）と、拡散光信号（ＤＯＳ）の２つの成分の位相差に比例した位相Φとを有する電気信号を生成する光電子検知器（ＨＦ）に、上記２つの拡散光信号（ＤＯＳ）を導く工程と、
    電気位相分析器（ＥＰＡ）によって上記位相Φを測定し、登録する工程と、
    を含むことを特徴とする方法。
13. 電力分割器または切替器を用いて、誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）に基づく上記試験信号によって生成された光学スペクトルの振幅の分析を、同時にまたは交互に行うことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 電気位相分析器（ＥＰＡ）によって得られたデータを取得し、試験信号（ＳＵＴ）の光学スペクトルの複素スペクトル、真数部分および虚数部分、係数および位相、またはこれらに相当するものを、データ処理ユニット（ＣＰＵ）を用いて計算することを特徴とする請求項１２または１３に記載の方法。
15. 試験信号（ＳＵＴ）の一時的な放出をサンプリングする、すなわち、試験信号（ＳＵＴ）の振幅、電力、位相、チャープ、または、これら大きさの組み合わせを長時間分析することを特徴とする請求項１２から１４の何れか１項に記載の方法。
16. 非対称受動マッハ−ツェンダ干渉計（ＭＺＩ）の線形波長スキャンモードにおいて、整調可能なレーザー源（ＴＬＳ）が生成した光信号を取り込むことによって２つの単色信号（ＤＭＳ）を得ることにより、様々な遅延を有するセクションによって信号が送信され、２つの単色スペクトル成分（そのスペクトル差は、遅延差と整調可能なレーザー源（ＴＬＳ）のスキャン速度とに比例している）がその出力で得られることを特徴とする請求項１２から１５の何れか１項に記載の方法。
17. プログラミングされたＤＳＰ装置、ＦＰＧＡ装置またはコンピュータを用いた信号の複素スペクトルの計算処理を用いて、光試験信号（ＳＵＴ）の一時的な放出を得ることを特徴とする請求項１２から１６の何れか１項に記載の方法。

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