JP4934691B2

JP4934691B2 - 分光システム

Info

Publication number: JP4934691B2
Application number: JP2009060103A
Authority: JP
Inventors: 直文清水; キョンファンオ
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2012-05-16
Anticipated expiration: 2029-03-12
Also published as: JP2010210593A

Description

本発明は、分光システムに関する。

従来、ミリ波やテラヘルツ波である電磁波の透過スペクトルまたは反射スペクトルを測定する分光システムとして、例えば図８に示すような装置がある（非特許文献１参照）。

このシステムでは、２台の波長可変光源２１、２２から発生する波長λ_１（周波数＝Ｃ／λ_１、Ｃ：光速）、λ_２（周波数＝Ｃ／λ_２）の光を合波分波器２３で一旦合波後、２つに分波させ、その一方を送信部２４、他方を受信部２５に導入する。

図９は、送信部２４に導入される光信号のスペクトルを示す図である。波長の異なる２つの光が合波されたことにより、その周波数差の唸りが生じている。送信部２４は光伝導スイッチと電磁波放射用アンテナで構成されており、図９で示される光信号が入力されると、図１０に示すように唸り周波数ｃ（１／λ_１―１／λ_２）に対応する電磁波（ミリ波やテラヘルツ波）を発する。送信部２４で発生したミリ波やテラヘルツ波は、この例では、被測定物Ｓを透過し、受信部２５に導入される。

受信部２５は光伝導スイッチと電磁波受信用アンテナで形成されており、図９で示される光信号が入射された状態で、電磁波受信用アンテナにミリ波やテラヘルツ波の電磁波が到来すると、その強度に比例した光電流が流れる。波長可変光源２１、２２の波長を掃引した時に、受信部２５で検出される光電流強度の変化は、受信部２５に到来するミリ波やテラヘルツ波の各周波数における電磁波の強度を表す。これは被測定物Ｓに対するミリ波・テラヘルツ波電磁波の透過または反射スペクトルである。この例では、合波分波器２３で波長λ１、λ２の波長を波長計２６、２７で測定し、波長可変光源２１、２２の掃引時の波長精度を高めている。

"Tunable CW Terahertz source with High-Precision Frequency Control,"A. J. Deninger, T. Goubel, D. Schoenherr, A. Roggenbuck, F. Kison, and P. Meissner, The Joint 33nd International Conference on Infrared and Millimeter Waves and 16th International Conference on Terahertz Electronics, T4B3.1418.

非常に小さな反射係数を持つ物体の反射スペクトルの測定や、非常に小さな透過係数を持つ物体の透過スペクトルの測定では、受信信号強度は非常に小さくなるため、高感度の受信器が要求される。図８の装置は、受信器２５の光伝導スイッチがミキサとして動作する一種のホモダイン受信機を構成している。ホモダイン受信機では検出された信号は直流信号に変換される。しかしながら、直流信号は、電源などから発生する低周波雑音の影響を大きく受けるため、ホモダイン受信機の低雑音化は非常に困難である。このような場合、通常、図１２に示すように、受信信号をミキサ３１と局部発振器３２を用いて、中間周波数帯と呼ばれる，もとの信号より低い周波数帯の信号に一旦変換し、中間周波数帯増幅器３３で増幅し、バンドパスフィルタ３４で雑音成分を除去した後、電力検出器３５でそのパワーを測定するという形式を取る。これは、ヘテロダイン受信方式と呼ばれるものである。測定系の低雑音化、高感度化には、ホモダイン方式よりもヘテロダイン方式が有望である。ところで、発振波長を掃引可能な波長可変レーザ光源には通常、発振波長に揺らぎが存在する。つまり、図８の装置で使用されるような、波長可変光源２１、２２には、一般的に発振波長に揺らぎが存在する。その値は発振波長の０．０００１％程度である。波長の制御という点で考えた場合、この値は十分に小さい値であるといえる。しかし、送信部で発生するミリ波・テラヘルツ波で考えた場合、送信部から発せられる信号のスペクトルは、図１１に示すように１００ＭＨｚ程度と大きな帯域幅を持ってしまう。図８の装置に、ヘテロダイン受信方式を採用した場合、図１２に示す中間周波数帯増幅器の出力は、図１３に示すように、受信信号自体の大きな帯域幅をそのまま受け継ぎ、非常に大きな帯域幅を持った信号となってしまう。ヘテロダイン受信方式が高感度を実現できるのは、周波数的に低い中間周波数帯で数ｋＨｚレベルの狭い透過帯域を有するバンドパスフィルタ３４により、電力検出器３５に到達する雑音成分を極力抑えているからであるが、図１１に示すような信号が入力した場合、中間周波数帯に変換された信号のスペクトルは、図１３に示すように非常に広い帯域幅を占有することとなり、狭い透過帯域によって雑音帯域を狭くすることが不可能となる。

つまり、ヘテロダイン方式を採用した場合、中間周波数帯信号の周波数帯域幅を狭くすることができず、十分な低雑音化、高感度化が不可能であった。

従って、図８に示すようなミリ波・テラヘルツ波電磁波の透過または反射スペクトルを測定する分光システムでは、ヘテロダイン受信方式による受信器の高感度化が不可能で、非常に小さな反射係数を持つ物体の反射スペクトルの測定や、非常に小さな透過係数を持つ物体の透過スペクトルの測定は不可能であった。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、低雑音で高感度な分光システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の分光システムは、周波数固定の光信号を発生する周波数固定光源と、基準信号を発生する基準信号発生器と、前記周波数固定光源で発生した光信号を、前記基準信号の周波数を空けて並ぶ複数のモード光からなる多モード光に変調する光変調器と、前記多モード光から第１の前記モード光と前記第１のモード光の周波数より低い周波数を有する第２の前記モード光を取り出す分波器と、周波数可変の光信号を発生する周波数可変光源と、前記周波数可変光源で発生した光信号を、該光信号の周波数を有する第１および第２の光信号に分波する光スプリッタと、前記第１のモード光と前記第１の光信号を当該第１のモード光と当該第１の光信号とからなる第１の光ビート信号に合波する第１の光カップラと、前記第２のモード光と前記第２の光信号を当該第２のモード光と当該第２の光信号とからなる第２の光ビート信号に合波する第２の光カップラと、前記第１の光ビート信号を前記第１のモード光の周波数から前記第１の光信号の周波数を差し引いて得られる差に等しい周波数を有する第１の電磁波に変換する第１のフォトミキサと、前記第２の光ビート信号を前記第２のモード光の周波数から前記第２の光信号の周波数を差し引いて得られる差に等しい周波数を有する第２の電磁波に変換する第２のフォトミキサと、前記第１の電磁波を照射された検体を経た第１の電磁波を、該第１の電磁波の周波数から前記第２の電磁波の周波数を差し引いて得られる差に等しい周波数を有する電磁波に変換するミキサとを含み、前記第２のモード光の周波数は、前記周波数固定光源で発生した光信号の周波数に等しいことを特徴とする。

本発明によれば、ミキサによる変換後の電磁波は、周波数可変光源で発生した光信号の周波数の揺らぎに影響を受けず、狭い周波数帯域幅を有する。よって、狭い周波数帯域幅の電磁波のみを通過させるバンドパスフィルタを使用でき、電磁波のみを得ることができる。そのような電磁波においては雑音が少なく、よって感度を高めることができる。

本実施の形態に係る分光システムの構成を示すブロック図である。多モード光１０４のスペクトルを示す図である。光ビート信号３０１Ａのスペクトルを示す図である。光ビート信号３０１Ｂのスペクトルを示す図である。電磁波４０１Ａのスペクトルを示す図である。電磁波４０１Ｂのスペクトルを示す図である。電磁波４０２のスペクトルを示す図である。従来の分光システムの構成を示すブロック図である。送信部２４に導入される光信号のスペクトルを示す図である。送信部２４から発生する電磁波のスペクトルを示す図である。送信部２４から発生する電磁波のスペクトルの拡大図である。ヘテロダイン受信方式のブロック構成を示す図である。中間周波数帯増幅器の出力を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態に係る分光システムの構成を示すブロック図である。

分光システムは、ミリ波やテラヘルツ波の電磁波の透過スペクトルを測定するものである。分光システムは、光信号１０１を発生する周波数固定光源（単一波長狭線幅光源ともいう）１と、基準信号１０２を発生する基準信号発生器２と、光信号１０１を多モード光１０４に変調する光変調器３と、多モード光１０４から第１のモード光１０３（モード光１０３Ａという）と第２のモード光１０３（モード光１０３Ｂという）を取り出す分波器４と、レーザ光である光信号２０１を発生する周波数可変光源（波長可変光源ともいう）５と、光信号２０１を光信号２０１Ａおよび光信号２０１Ｂに分波する光スプリッタ６と、モード光１０３Ａと光信号２０１Ａを光ビート信号３０１Ａに合波する光カップラ７と、モード光１０３Ｂと光信号２０１Ｂを光ビート信号３０１Ｂに合波する光カップラ８と、光ビート信号３０１Ａを電磁波（ミリ波又はテラヘルツ波）４０１Ａに変換するフォトミキサ９と、光ビート信号３０１Ｂを電磁波（ミリ波又はテラヘルツ波）４０１Ｂに変換するフォトミキサ１０と、電磁波４０１Ａを照射された検体Ｓを経た電磁波４０１Ａ’を通過させ、電磁波４０１Ｂを反射するカップラ１１と、カップラ１１を反射した電磁波４０１Ｂを用いて、カップラ１１を通過した電磁波４０１Ａ’を電磁波４０２に変換するミキサ（ミリ波又はテラヘルツ波用のミキサ）１２とを含む。本実施の形態では、さらに、電磁波４０２を増幅する増幅器１３と、基準信号１０２の中心周波数および周波数帯域幅を有する電磁波を通過させるように設定されたバンドパスフィルタ１４と、バンドパスフィルタ１４を通過した電磁波４０２Ａの電力を検出する電力検出器１５が設けられている。

周波数固定光源１には、発振波長１．５ミクロンのＤＦＢレーザを用いることができる。周波数固定光源１から発生する光信号１０１の周波数ｆ_０［Ｈｚ］のは、変更不可能となっている。

基準信号発生器２には、汎用のマイクロ波又はミリ波帯のシンセサイザを用いることができる。基準信号発生器２から発生する基準信号１０２は、中心周波数ｆ_ＲＥ［Ｈｚ］と周波数帯域幅ｆｗ［Ｈｚ］を有する。

光変調器３には、強度変調タイプや位相変調タイプのものを用いることができる。分波器４には、アレー導波路回折格子や空間回折格子、ファイバブラッググレーディングなどを用いることができる。

周波数可変光源５には、市販の１．５ミクロン帯の光源を用いることができる。周波数可変光源５から発生する光信号２０１の周波数ｆ_ＴＬＳは、変更および掃引可能となっている。そのため、周波数ｆ_ＴＬＳの揺らぎを抑制するのは困難であるが、周波数ｆ_ＴＬＳは揺らぎを有していてもよい。周波数ｆ_ＴＬＳの揺らぎの影響を排除できるからである。詳しくは後述する。

光カップラ７、８には、ミリ波又はテラヘルツ帯の電磁波に対して半透明な誘電体フィルム、ワイヤーグリッド、硝子などを用いることができる。フォトミキサ９、１０には、フォトコンダクティブスイッチや高周波動作のフォトダイオードを用いることができる。ミキサ１２には、ショットキバリアダイオードなど高周波で動作する各種ダイオード、超伝導ミキサなどを用いることができる。

（分光システムの動作）
次に、分光システムの動作を説明する。

周波数固定光源１は、周波数ｆ_０の光信号１０１を発生する。基準信号発生器２は、周波数ｆ_ＲＥの基準信号１０２を発生する。光変調器３は、光信号１０１を多モード光１０４に変調する。

図２は、多モード光１０４のスペクトルを示す図である。多モード光１０４は、周波数ｆ_ＲＥを空けて並ぶ複数のモード光１０３からなる。多モード光１０４は、周波数ｆ_０＋ｆ_ＲＥのモード光１０３であるモード光１０３Ａ、周波数ｆ_０のモード光１０３であるモード光１０３Ｂを含む。分波器４は、多モード光１０４からモード光１０３Ａとモード光１０３Ｂを取り出す（分光する）。

一方、周波数可変光源５は、周波数ｆ_ＴＬＳの光信号２０１を発生する。光スプリッタ６は、光信号２０１を周波数ｆ_ＴＬＳを有する光信号２０１Ａおよび周波数ｆ_ＴＬＳを有する光信号２０１Ｂに分波する。

光カップラ７は、モード光１０３Ａと光信号２０１Ａを光ビート信号３０１Ａに合波する。

図３は、光ビート信号３０１Ａのスペクトルを示す図である。光ビート信号３０１Ａは、モード光１０３Ａと光信号２０１Ａとからなる。

光カップラ８は、モード光１０３Ｂと光信号２０１Ｂを光ビート信号３０１Ｂに合波する。

図４は、光ビート信号３０１Ｂのスペクトルを示す図である。光ビート信号３０１Ｂは、モード光１０３Ｂと光信号２０１Ｂとからなる。

フォトミキサ９は、光ビート信号３０１Ａを電磁波４０１Ａに変換する。

図５は、電磁波４０１Ａのスペクトルを示す図である。電磁波４０１Ａは、モード光１０３Ａの周波数ｆ_０＋ｆ_ＲＥから、光信号２０１Ａの周波数ｆ_ＴＬＳを差し引いて得られる差に等しい周波数ｆ_０＋ｆ_ＲＥ−ｆ_ＴＬＳを有する。

フォトミキサ１０は、光ビート信号３０１Ｂを電磁波４０１Ｂに変換する。

図６は、電磁波４０１Ｂのスペクトルを示す図である。電磁波４０１Ｂは、モード光１０３Ｂの周波数ｆ_０から、光信号２０１Ａの周波数ｆ_ＴＬＳを差し引いて得られる差に等しい周波数ｆ_０−ｆ_ＴＬＳを有する。

ミキサ１２は、電磁波４０１Ａを照射された検体Ｓを通過した電磁波４０１Ａ’を電磁波４０２に変換する。

図７は、電磁波４０２のスペクトルを示す図である。電磁波４０２は、電磁波４０１Ａの周波数ｆ_０＋ｆ_ＲＥ−ｆ_ＴＬＳから電磁波４０１Ｂの周波数ｆ_０−ｆ_ＴＬＳを差し引いて得られる差に等しい中心周波数ｆ_ＲＥを有する。

増幅器１３は、電磁波４０２を増幅する。

バンドパスフィルタ１４は、増幅後の電磁波４０２の中の、中心周波数ｆ_ＲＥと周波数帯域幅ｆｗを有する電磁波（電磁波４０２Ａ）を通過させる。つまり、電磁波４０２の全周波数成分（電磁波４０２Ａ）を通過させ、電磁波４０２以外の周波数をもつノイズなどを遮断する。

電力検出器１５は、電磁波４０２Ａの電力を検出する。電力は、検体Ｓの材質や状態などを反映したものとなる。

上記のように、電磁波４０２は、中心周波数ｆ_ＲＥつまり周波数可変光源５で発生する光信号２０１の周波数ｆ_ＴＬＳに依存しない中心周波数を有する。つまり、電磁波４０２は、周波数ｆ_ＴＬＳの揺らぎに影響を受けない。つまり、揺らぎで周波数帯域幅が広くなるということがないので、つまりは、電磁波４０２は、狭い周波数帯域幅を有する。よって、バンドパスフィルタ１４も、その狭い周波数帯域幅を有する電磁波のみを通過させるように設定できる。そのようなバンドパスフィルタ１４を通過した電磁波４０２Ａにおいては、雑音が少ない。よって、電力検出器１５は、電力を高い感度で検出することができる。

また、電磁波４０２は、基準信号１０２の周波数帯域幅ｆｗに等しい周波数帯域幅を有する。よって、基準信号１０２の周波数帯域幅ｆｗを狭くすれば（例えば、数キロヘルツにすれば）、電磁波４０２の周波数帯域幅はさらに狭くなる。よって、バンドパスフィルタ１４も、そのようなさらに狭い周波数帯域幅を有する電磁波のみを通過させるように設定でき、電力をさらに高い感度で検出することができる。

さて、本実施の形態では、さらに、周波数可変光源５が、周波数ｆ_ＴＬＳを変化させる。いわゆる、周波数掃引が実行されるが、電磁波４０２の中心周波数ｆ_ＲＥは、周波数ｆ_ＴＬＳの揺らぎに影響を受けず、一定である。よって、電力検出器１５は、検体Ｓの材質や状態などを反映した電力のスペクトルを高い感度で検出できる。

以上説明したように、本実施の形態では、周波数可変光源５から発生する光信号２０１の周波数ｆ_ＴＬＳが揺らぎを有していたとしても、電力検出器１５による電力検出の対象である電磁波４０２Ａにおいては、その揺らぎの影響がない。周波数ｆ_ＴＬＳを掃引した場合でも同様である。よって、本実施の形態によれば、バンドパスフィルタ１４を、狭い周波数帯域幅を有する電磁波のみを通過させるように設定でき、高感度なスペクトル測定を実現できる。

なお、本実施の形態では、ミリ波やテラヘルツ波の電磁波の透過スペクトルを測定したが、反射スペクトルを測定してもよい。

また、本実施の形態では、モード光１０３Ａとモード光１０３Ｂの間隔を周波数ｆ_ＲＥに等しくしたが、間隔を周波数ｆ_ＲＥのｎ（ｎ＝２以上の整数）倍としてもよい。

１…周波数固定光源
２…基準信号発生器
３…光変調器
４…分波器
５…周波数可変光源
６…光スプリッタ
７…光カップラ
８…光カップラ
９…フォトミキサ
１０…フォトミキサ
１１…カップラ
１２…ミキサ
１３…増幅器
１４…バンドパスフィルタ
１５…電力検出器
１０１、２０１、２０１Ａ、２０１Ｂ…光信号
１０２…基準信号
１０３、１０３Ａ、１０３Ｂ…モード光
１０４…多モード光
３０１Ａ、３０１Ｂ…光ビート信号
４０１Ａ、４０１Ａ’、４０１Ｂ、４０２…電磁波
Ｓ…検体（被測定物）

Claims

周波数固定の光信号を発生する周波数固定光源と、
基準信号を発生する基準信号発生器と、
前記周波数固定光源で発生した光信号を、前記基準信号の周波数を空けて並ぶ複数のモード光からなる多モード光に変調する光変調器と、
前記多モード光から第１の前記モード光と前記第１のモード光の周波数より低い周波数を有する第２の前記モード光を取り出す分波器と、
周波数可変の光信号を発生する周波数可変光源と、
前記周波数可変光源で発生した光信号を、該光信号の周波数を有する第１および第２の光信号に分波する光スプリッタと、
前記第１のモード光と前記第１の光信号を当該第１のモード光と当該第１の光信号とからなる第１の光ビート信号に合波する第１の光カップラと、
前記第２のモード光と前記第２の光信号を当該第２のモード光と当該第２の光信号とからなる第２の光ビート信号に合波する第２の光カップラと、
前記第１の光ビート信号を前記第１のモード光の周波数から前記第１の光信号の周波数を差し引いて得られる差に等しい周波数を有する第１の電磁波に変換する第１のフォトミキサと、
前記第２の光ビート信号を前記第２のモード光の周波数から前記第２の光信号の周波数を差し引いて得られる差に等しい周波数を有する第２の電磁波に変換する第２のフォトミキサと、
前記第１の電磁波を照射された検体を経た第１の電磁波を、該第１の電磁波の周波数から前記第２の電磁波の周波数を差し引いて得られる差に等しい周波数を有する電磁波に変換するミキサと
を含み、
前記第２のモード光の周波数は、前記周波数固定光源で発生した光信号の周波数に等しいことを特徴とする分光システム。
前記ミキサによる変換後の電磁波を増幅する増幅器を含むことを特徴とする請求項１記載の分光システム。
前記増幅器による増幅後の電磁波の一部を通過させるバンドパスフィルタを含むことを特徴とする請求項２記載の分光システム。
前記バンドパスフィルタは、前記基準信号の中心周波数および周波数帯を有する電磁波を通過させるように設定されたことを特徴とする請求項３記載の分光システム。
前記バンドパスフィルタを通過した電磁波の電力を検出する電力検出器を含むことを特徴とする請求項３または４記載の分光システム。