JP5470320B2 - Laser light coherence length measuring method and measuring apparatus - Google Patents

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本発明は、レーザ光のコヒーレンス長を測定するレーザ光コヒーレンス長測定方法及び測定装置に関する。   The present invention relates to a laser beam coherence length measuring method and a measuring apparatus for measuring the coherence length of a laser beam.

従来のレーザ光のコヒーレンス長測定方法としては、非特許文献1に記載のレーザ光のスペクトル測定法が知られている。この方法では、被測定レーザを2分岐し、一方を用意した十分な長さの光ファイバによって伝送させ、もう一方を音響光学素子などに通して周波数を一定量だけシフトさせる。その後両者を合波し、受光素子により受光して、その受光信号のビートスペクトル幅を測定する。このビートスペクトル幅の1/√2が、レーザ光の発振スペクトル線幅(以下、レーザ光スペクトル線幅)であることが知られており、測定したビートスペクトル幅からレーザ光スペクトル線幅を測定することができる。尚、このレーザ光スペクトル線幅をΔνとすると、レーザ光のコヒーレンス時間は1/Δνとなる。また、このコヒーレンス時間に光速度定数を乗算すればコヒーレンス長が得られる。   As a conventional method for measuring the coherence length of laser light, the laser light spectrum measuring method described in Non-Patent Document 1 is known. In this method, the laser to be measured is split into two, and is transmitted by a sufficiently long optical fiber prepared for one, and the other is passed through an acoustooptic device or the like to shift the frequency by a certain amount. Thereafter, both are combined, received by the light receiving element, and the beat spectrum width of the received light signal is measured. It is known that 1 / √2 of the beat spectrum width is an oscillation spectrum line width of the laser beam (hereinafter referred to as a laser beam spectrum line width), and the laser beam spectrum line width is measured from the measured beat spectrum width. be able to. If this laser beam spectral line width is Δν, the coherence time of the laser beam is 1 / Δν. Also, the coherence length can be obtained by multiplying the coherence time by the light velocity constant.

但し、上記の方法では、分岐されたレーザ光の一方を十分に長い光ファイバに通して十分な時間遅延を与えてからもう一方と合波する必要があり、被測定レーザ光のコヒーレンス長よりも十分に長い遅延が要求される。このため、測定時には不明であるレーザ光のコヒーレンス長よりも長い遅延が得られていることを前提条件となっている。したがって、測定結果は、レーザ光スペクトル線幅の一定の推測を可能にするものの、その測定結果は不確実性を含んだものにならざるを得なかった。この懸念は、特にスペクトル線幅が狭い(コヒーレンス時間が長い)レーザ光を測定する場合に顕著であり、近年においてファイバレーザなどの数KHz程度のスペクトル線幅を有するレーザが商用化されている状況では、その測定のあいまいさが問題となっている。   However, in the above method, it is necessary to pass one of the branched laser beams through a sufficiently long optical fiber to give a sufficient time delay and then combine the other with the other, which is longer than the coherence length of the laser beam to be measured. A sufficiently long delay is required. For this reason, it is a precondition that a delay longer than the coherence length of the laser beam, which is unknown at the time of measurement, is obtained. Therefore, although the measurement result enables a constant estimation of the spectral line width of the laser beam, the measurement result has to be uncertain. This concern is particularly noticeable when laser light with a narrow spectral line width (long coherence time) is measured. In recent years, lasers having a spectral line width of about several kilohertz, such as fiber lasers, have been commercialized. Then, the ambiguity of the measurement is a problem.

T. Okoshi, K. Kikuchi, and A. Nakayama, “Novel method for high resolution measurement of laser output spectrum,” Electronics Letters, Vol. 16, No. 16, pp. 630-631, 1980T. Okoshi, K. Kikuchi, and A. Nakayama, “Novel method for high resolution measurement of laser output spectrum,” Electronics Letters, Vol. 16, No. 16, pp. 630-631, 1980 Y. Koshikiya, X. Fan, and F. Ito, “Long range and cm-level spatial resolution measurement using coherent optical frequency domain reflectmetry with SSB-SC modulator and narrow linewidth fiber laser”, IEEE/OSA J. Lightwave Technol. Vol. 26, No. 18, pp. 3287-3294, 2008Y. Koshikiya, X. Fan, and F. Ito, “Long range and cm-level spatial resolution measurement using coherent optical frequency domain reflectmetry with SSB-SC modulator and narrow linewidth fiber laser”, IEEE / OSA J. Lightwave Technol. Vol 26, No. 18, pp. 3287-3294, 2008

以上述べたように、従来のレーザ光のコヒーレンス長測定技術では、レーザ光のコヒーレンス長よりも長い遅延が得られていることが前提条件となっているため、レーザ光スペクトル幅の推測は可能であるものの、その測定結果に不確実性が含まれている。
本発明は、上記の事情に着目してなされたもので、レーザ光のスペクトル線幅が狭く、コヒーレンス時間が長いレーザ光のコヒーレンス時間をより正確に測定することのできるレーザ光コヒーレンス長測定方法及び測定装置を提供することを目的とする。
As described above, the conventional laser beam coherence length measurement technique is premised on that a delay longer than the coherence length of the laser beam is obtained. There are uncertainties in the measurement results.
The present invention has been made paying attention to the above circumstances, and a laser beam coherence length measuring method capable of more accurately measuring the coherence time of a laser beam having a narrow spectral line width of the laser beam and a long coherence time, and It aims at providing a measuring device.

本発明に係るレーザ光コヒーレンス測定方法は、以下のような態様の構成とする。
(1)遅延時間τの関数である被測定レーザ光のコヒーレンス関数γ(τ)を測定するレーザ光コヒーレンス測定方法であって、被測定レーザ光の周波数を線形に掃引し、前記周波数掃引されたレーザ光を2系統に分岐し、分岐された一方のレーザ光を光ファイバに入射して当該光ファイバで生じたレイリー散乱光を取り込み、前記レイリー散乱光と前記分岐された他方のレーザ光とを合波し、前記合波によって生じる光電流を検出し、前記検出された光電流の電流値をフーリエ変換してそのパワースペクトルを算出し、前記光電流の検出ならびにそのパワースペクトルの解析を複数回繰り返し行うことにより前記パワースペクトルのアンサンブル平均を遅延τの関数として求め、前記パワースペクトルのアンサンブル平均の遅延τにおける標準偏差を算出し、この標準偏差が遅延τにおけるコヒーレンス関数の絶対値に比例することを利用してコヒーレンス関数の絶対値を求める態様とする。
The laser beam coherence measurement method according to the present invention has the following configuration.
(1) A laser light coherence measuring method for measuring a coherence function γ (τ) of a laser beam to be measured that is a function of a delay time τ, wherein the frequency of the laser beam to be measured is linearly swept and the frequency sweep is performed. The laser beam is branched into two systems, one of the branched laser beams is incident on an optical fiber, the Rayleigh scattered light generated in the optical fiber is captured, and the Rayleigh scattered light and the other branched laser beam are And the photocurrent generated by the multiplexing is detected, the current value of the detected photocurrent is Fourier transformed to calculate its power spectrum, and the photocurrent is detected and the power spectrum is analyzed multiple times. The ensemble average of the power spectrum is obtained as a function of the delay τ by repeating, and the standard deviation of the ensemble average delay τ of the power spectrum is obtained. It is calculated and the manner of obtaining the absolute value of the coherence function by utilizing the fact that the standard deviation is proportional to the absolute value of the coherence function in the delay tau.

(2)(1)の方法において、前記コヒーレンス関数の絶対値が1/eになる遅延τをもってコヒーレンス時間を求める態様とする。
本発明に係るレーザ光コヒーレンス測定装置は、以下のような態様の構成とする。
(3)遅延時間τの関数である被測定レーザ光のコヒーレンス関数γ(τ)を測定するレーザ光コヒーレンス測定装置であって、前記被測定レーザ光の周波数を線形に掃引する周波数掃引手段と、前記周波数掃引されたレーザ光を2系統に分岐する光分岐手段と、前記分岐された一方のレーザ光を光ファイバに入射し当該光ファイバに生じるレイリー散乱光を取り込むレイリー散乱光取得手段と、前記光ファイバで生じたレイリー散乱光と前記光分岐手段で分岐された他方のレーザ光とを合波する光合波手段と、前記合波によって生じる光電流を検出する光電流検出手段と、前記検出された光電流の電流値をフーリエ変換してそのパワースペクトルを算出するパワースペクトル算出手段と、前記光電流検出手段及びパワースペクトル算出手段それぞれの検出結果及び算出結果に基づいて前記レーザ光のコヒーレンス関数の絶対値を求める解析手段とを具備し、前記解析手段は、前記光電流の検出ならびにそのパワースペクトルの解析を複数回繰り返し行うことにより前記パワースペクトルのアンサンブル平均を遅延τの関数として求め、前記パワースペクトルのアンサンブル平均の遅延τにおける標準偏差を算出し、この標準偏差が遅延τにおけるコヒーレンス関数の絶対値に比例することを利用して前記コヒーレンス関数の絶対値を求める態様とする。
(2) In the method of (1), the coherence time is obtained with a delay τ in which the absolute value of the coherence function is 1 / e.
The laser beam coherence measuring apparatus according to the present invention has the following configuration.
(3) A laser light coherence measuring apparatus for measuring a coherence function γ (τ) of a laser beam to be measured that is a function of the delay time τ, a frequency sweeping means for linearly sweeping the frequency of the laser beam to be measured; Optical branching means for branching the frequency-swept laser light into two systems, Rayleigh scattered light acquisition means for entering the one of the branched laser lights into an optical fiber and capturing Rayleigh scattered light generated in the optical fiber, and Optical multiplexing means for combining Rayleigh scattered light generated in the optical fiber and the other laser beam branched by the optical branching means, photocurrent detection means for detecting a photocurrent generated by the multiplexing, and the detected A power spectrum calculating means for calculating a power spectrum by Fourier-transforming a current value of the photocurrent, the photocurrent detecting means and the power spectrum calculating means; Analysis means for obtaining an absolute value of the coherence function of the laser beam based on the detection result and the calculation result, and the analysis means repeatedly detects the photocurrent and analyzes the power spectrum thereof a plurality of times. To obtain an ensemble average of the power spectrum as a function of delay τ, calculate a standard deviation in the delay τ of the ensemble average of the power spectrum, and use that the standard deviation is proportional to the absolute value of the coherence function in the delay τ. In this manner, the absolute value of the coherence function is obtained.

(4)(3)の装置において、前記解析手段は、前記コヒーレンス関数の絶対値が1/eになる遅延τをもってコヒーレンス時間を求める態様とする。   (4) In the apparatus of (3), the analyzing means obtains the coherence time with a delay τ at which the absolute value of the coherence function is 1 / e.

以上のように、本発明は、測定値に対して統計処理を行うことにより、従来よりも信頼性を向上させることを特徴とする。具体的には、C-OFDRを応用して周波数掃引された被測定レーザ光のレイリー散乱強度を測定し、これによって得られたレイリー散乱強度の絶対値の標準偏差を算出し、τ(コヒーレンス時間)におけるコヒーレンス関数の絶対値を求める。このように、本発明によれば、用意した光ファイバの全長の光の往復時間よりもτが小さい場合であっても、コヒーレンス関数の絶対値を求めることが可能となる。さらに、その値が1/eに減ずるτを求めることにより、レーザ光のコヒーレンス時間を求めることも可能となる。   As described above, the present invention is characterized in that the reliability is improved as compared with the prior art by performing statistical processing on the measured value. Specifically, the Rayleigh scattering intensity of the laser beam to be measured, frequency-swept using C-OFDR, is measured, the standard deviation of the absolute value of the Rayleigh scattering intensity obtained by this measurement is calculated, and τ (coherence time) ) To obtain the absolute value of the coherence function. Thus, according to the present invention, the absolute value of the coherence function can be obtained even when τ is smaller than the round-trip time of the light of the full length of the prepared optical fiber. Further, by obtaining τ whose value is reduced to 1 / e, it is possible to obtain the coherence time of the laser beam.

本発明によるレーザ光コヒーレンス測定では、従来技術に対して以下の優位性を持つ。
第1に、本発明によれば、コヒーレンス時間と同程度の光ファイバ長により測定が可能な上、仮にコヒーレンス時間がそれよりもはるかに長かった場合には、そのこと自体が測定により明らかにされるので、より長い光ファイバに置き換えて測定をやり直すなどの処置を取ることができる。よって、本発明は、従来技術よりも信頼性に優れた測定結果を提供するといえる。
The laser light coherence measurement according to the present invention has the following advantages over the prior art.
First, according to the present invention, measurement can be performed with an optical fiber length comparable to the coherence time, and if the coherence time is much longer than that, the measurement itself becomes clear by measurement. Therefore, it is possible to take measures such as re-measurement by replacing with a longer optical fiber. Therefore, it can be said that the present invention provides a measurement result that is more reliable than the prior art.

第2に、本発明によれば、単にコヒーレンス時間が測定されるだけでなく、そのコヒーレンス関数の絶対値の全容が遅延時間τの関数として掌握される。これにより、レーザ光の性質をより詳しく調査することができる。
したがって、本発明によれば、レーザ光のスペクトル線幅が狭く、コヒーレンス時間が長いレーザ光のコヒーレンス時間をより正確に測定することのできるレーザ光コヒーレンス長測定方法及び測定装置を提供することができる。
Secondly, according to the present invention, not only is the coherence time measured, but the entire absolute value of the coherence function is grasped as a function of the delay time τ. Thereby, the property of the laser beam can be investigated in more detail.
Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a laser beam coherence length measurement method and a measurement apparatus that can more accurately measure the coherence time of a laser beam with a narrow spectral line width of the laser beam and a long coherence time. .

本実施形態に係るレーザ光コヒーレンス測定方法を適用した測定装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the measuring apparatus to which the laser beam coherence measuring method which concerns on this embodiment is applied. 図1に示す測定装置の周波数掃引装置によって与えられる周波数変調の波形を表す図である。It is a figure showing the waveform of the frequency modulation provided by the frequency sweep apparatus of the measuring apparatus shown in FIG.

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。
図1は本実施形態のレーザ光コヒーレンス測定装置の構成を示すブロック図である。図1において、1は被測定レーザ光源であり、ここで発生された被測定レーザ光は周波数掃引装置2により、図2に示すように所定の期間内で規定幅の周波数掃引を受けた後、光分岐器3−1によって2系統に分岐される。分岐された一方の系統の伝送光は光サーキュレータ4によって光ファイバ5に導かれ、他方の系統の伝送光は光合波器3−2に導かれる。続いて、上記光ファイバ5内で生じた後方レイリー散乱光は光サーキュレータ4を経て光合波器3−2に導かれ、他方の伝送光と合波された後、バランス型受光素子6に受光される。
Embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiment described below is an example of the configuration of the present invention, and the present invention is not limited to the following embodiment.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a laser beam coherence measuring apparatus according to the present embodiment. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a laser light source to be measured, and the laser light to be measured generated here is subjected to a frequency sweep of a specified width within a predetermined period as shown in FIG. The light is branched into two systems by the optical branching device 3-1. The branched transmission light of one system is guided to the optical fiber 5 by the optical circulator 4, and the transmission light of the other system is guided to the optical multiplexer 3-2. Subsequently, the backward Rayleigh scattered light generated in the optical fiber 5 is guided to the optical multiplexer 3-2 through the optical circulator 4, and is combined with the other transmission light, and then received by the balance type light receiving element 6. The

上記バランス型受光素子6で得られた受光信号はデータ取得装置7によって所定のサンプリング周期でデータ化された後、パワースペクトル解析装置8によってビートスペクトル幅が解析されて順次メモリ装置9に蓄積される。コヒーレンス関数解析装置10は、所定の周期でメモリ装置9に蓄積されたビートスペクトル幅のデータを読み込んで被測定レーザ光のコヒーレンス関数を解析し、その解析結果からレーザ光のコヒーレンス長を求める。上記周波数掃引装置2の掃引期間及びデータ取得装置7のデータ取得期間は、いずれも制御装置11から出される指示に従って決定される。   The light reception signal obtained by the balance type light receiving element 6 is converted into data at a predetermined sampling period by the data acquisition device 7, and then the beat spectrum width is analyzed by the power spectrum analysis device 8 and sequentially stored in the memory device 9. . The coherence function analyzer 10 reads beat spectrum width data stored in the memory device 9 at a predetermined period, analyzes the coherence function of the laser beam to be measured, and obtains the coherence length of the laser beam from the analysis result. Both the sweep period of the frequency sweep device 2 and the data acquisition period of the data acquisition device 7 are determined according to instructions issued from the control device 11.

上記構成において、以下にその測定方法とその手順について説明する。
まず、被測定レーザ光源1が発する時間長Tのレーザ光の電界振幅E’(t)を以下のように表すこととする。
In the above configuration, the measurement method and procedure will be described below.
First, the electric field amplitude E ′ (t) of the laser beam of time length T emitted from the laser light source 1 to be measured is expressed as follows.

Figure 0005470320
ここで、
Figure 0005470320
here,

Figure 0005470320
すなわち、式(1)はレーザ1から取り出される電界振幅のi番目のアンサンブルを意味している。以下に説明する本発明の実施形態において測定されるレーザ光のコヒーレンス関数γ(τ)は、
Figure 0005470320
That is, Equation (1) means the i-th ensemble of the electric field amplitude extracted from the laser 1. The coherence function γ (τ) of the laser beam measured in the embodiment of the present invention described below is

Figure 0005470320
で与えられる量である。かっこ記号の< >はアンサンブル平均を意味し、多くのアンサンブルに対する平均を表す。尚、*は位相共役を意味する。
ここで、式(2)で表される量が持つ意味を考察しておく。もともとのレーザ光の電界は式(1)で表わされるが、これは中心周波数ωiを中心として位相揺らぎθi(t)を持っている。しかるに、式(2)においては、中心周波数ωiは現われておらず、位相揺らぎθi(t)のみに関係する量であることがわかる。すなわち、電界振幅のいくつかのアンサンブルを集めたときに、仮にそのアンサンブル間で中心周波数ωiが変化(ドリフト)していたとしても、その効果は式(2)には現れず、1つのアンサンブルの中で観測される位相揺らぎθi(t)(すなわち発振周波数の揺らぎ)が測定されることになる。よって本発明で測量されるものは、レーザ光が一定時間Tだけ発振した時の位相もしくは周波数の揺らぎ幅を意味しており、これはレーザ光のスペクトルの広がりを評価する際には極めて有用な尺度になると考えられる。
Figure 0005470320
Is the amount given by. The parenthesis <> means an ensemble average, which represents the average for many ensembles. Note that * means phase conjugation.
Here, the meaning of the quantity represented by the formula (2) will be considered. The original electric field of the laser beam is expressed by equation (1), which has a phase fluctuation θ i (t) with the center frequency ω i as the center. However, in the equation (2), it can be seen that the center frequency ω i does not appear and is an amount related only to the phase fluctuation θ i (t). That is, even if several ensembles of electric field amplitude are collected, even if the center frequency ω i changes (drifts) between the ensembles, the effect does not appear in the equation (2), and one ensemble The phase fluctuation θ i (t) (that is, fluctuation of the oscillation frequency) observed in is measured. Therefore, what is measured in the present invention means the fluctuation width of the phase or frequency when the laser beam oscillates for a certain time T, which is extremely useful for evaluating the spread of the spectrum of the laser beam. It is considered to be a scale.

被測定レーザ光源1から発せられた光は、周波数掃引装置2によって、図2に示すように、その周波数が時間に対してT秒間線形に掃引される。周波数掃引幅をΔFで表す。周波数掃引装置2としては、例えば非特許文献2に記載の単一側波帯変調器を用いることにより実現することができる。すなわち、周波数掃引装置2により周波数掃引された光波の電界振幅は、式(4)で表される。   The frequency of the light emitted from the laser light source 1 to be measured is swept linearly for T seconds with respect to time by the frequency sweep device 2 as shown in FIG. The frequency sweep width is represented by ΔF. The frequency sweep device 2 can be realized by using, for example, a single sideband modulator described in Non-Patent Document 2. That is, the electric field amplitude of the light wave swept by the frequency sweeping device 2 is expressed by Expression (4).

Figure 0005470320
周波数掃引されたレーザ光は、光分岐器3−1により2分岐され、一方は光サーキュレータ4を介して光ファイバに入射される。光ファイバ5内ではレイリー散乱と呼ばれる光散乱が生じ、その散乱光は光ファイバを逆方向に伝搬してサーキュレータ4に戻り、光合波器3−2に向かって進行する。分岐されたもう一方のレーザ光は、そのまま光合波器3−2に向かって進行する。光合波器3−2ではこれらのレーザ光が合波される。
Figure 0005470320
The frequency-swept laser light is branched into two by an optical branching device 3-1, and one is incident on an optical fiber via an optical circulator 4. Light scattering called Rayleigh scattering occurs in the optical fiber 5, and the scattered light propagates in the opposite direction through the optical fiber, returns to the circulator 4, and travels toward the optical multiplexer 3-2. The other branched laser light travels toward the optical multiplexer 3-2 as it is. In the optical multiplexer 3-2, these laser beams are multiplexed.

本構成は、同じく非特許文献2に説明されているコヒーレント光周波数領域反射計(Coherent Optical Frequency Domain Reflectometry:以下C-OFDR)と呼ばれる反射分布測定装置の構成を応用したものであり、光ファイバ内の1つの反射点zmまでの光の往復時間をτとすると、i番目の光電界のアンサンブルE”i(t)がこの反射点からの散乱されることによってバランス受光素子6に生じる光電流は、式(5)により表される。 This configuration is an application of the configuration of a reflection distribution measuring device called a coherent optical frequency domain reflectometer (hereinafter referred to as C-OFDR), which is also described in Non-Patent Document 2. If the round-trip time of light up to one reflection point z m is τ m , the ensemble E ″ i (t) of the i-th optical electric field is scattered from this reflection point and is generated in the balance light receiving element 6 The current is expressed by the equation (5).

Figure 0005470320
ここで複素数rmは反射点zmのレイリー反射係数であり、ランダムな値をとる確率変数である。
式(2)より、
Figure 0005470320
Here, the complex number r m is the Rayleigh reflection coefficient of the reflection point z m and is a random variable that takes a random value.
From equation (2)

Figure 0005470320
実際の光電流は反射点zmの近傍の多数の反射点からの散乱光の和によって生じるから、観測される光電流の大きさは、
Figure 0005470320
Since the actual photocurrent is generated by the sum of scattered light from a number of reflection points near the reflection point z m , the magnitude of the observed photocurrent is

Figure 0005470320
と表される。データ取得装置7は、式(7)で表される光電流を数値化して取得し、データとして格納する。
C-OFDRでは、光ファイバの距離zmからの散乱光の強度は、式(7)で表現される光電流のパワースペクトルにより算出される。C-OFDRの距離分解能は、遅延時間τmに換算して1/ΔFであり、典型値として例えばΔF=10GHzと仮定すると、距離分解能に相当する遅延時間差は100psとなり、これは今考えているレーザのコヒーレンス時間(典型的には1μsまたはそれ以上)と比べて非常に小さいものである。C-OFDRが観測する距離zmにおける散乱光強度は、式(7)において、この距離分解能に相当する遅延時間差1/ΔFにわたる範囲で、mについて和を取ったものである。
Figure 0005470320
It is expressed. The data acquisition device 7 obtains the photocurrent expressed by the equation (7) in numerical form and stores it as data.
In C-OFDR, the intensity of scattered light from the optical fiber distance z m is calculated from the power spectrum of the photocurrent expressed by Equation (7). The distance resolution of C-OFDR is 1 / ΔF in terms of delay time τ m. Assuming that ΔF = 10 GHz as a typical value, for example, the delay time difference corresponding to the distance resolution is 100 ps. It is very small compared to the laser coherence time (typically 1 μs or more). The scattered light intensity at the distance z m observed by C-OFDR is the sum of m in the range over the delay time difference 1 / ΔF corresponding to this distance resolution in the equation (7).

パワースペクトル解析装置8は、上記光電流のパワースペクトルを算出する。すなわち、   The power spectrum analyzer 8 calculates the power spectrum of the photocurrent. That is,

Figure 0005470320
とすると、
Figure 0005470320
Then,

Figure 0005470320
式(7)の光電流のパワースペクトルは、式(10)で表される。
Figure 0005470320
The power spectrum of the photocurrent of Expression (7) is expressed by Expression (10).

Figure 0005470320
制御装置11により、上記の一連の測定は繰り返し行われる。この繰り返し測定の目的は、上記のパワースペクトルを多数取得することによって、そのアンサンブル平均
Figure 0005470320
The control device 11 repeatedly performs the above series of measurements. The purpose of this repeated measurement is to obtain the ensemble average by acquiring a number of the above power spectra.

Figure 0005470320
を求めることにある。よって繰り返しの回数は大きければ大きいほど精度よくアンサンブル平均を求めることができるが、現実的には測定回数には限度があり、許容される測定時間等の制約から決定されるものである。メモリ装置9には繰り返し測定されたパワースペクトラムが格納される。
Figure 0005470320
Is to seek. Therefore, the larger the number of repetitions, the more accurately the ensemble average can be obtained. However, in practice, there is a limit to the number of measurements, and it is determined based on restrictions such as an allowable measurement time. The memory device 9 stores a power spectrum measured repeatedly.

ここで、上記において求められたパワースペクトルのアンサンブル平均と、本発明で測定される光源のコヒーレンス関数との関係を考察する。
まず式(9)より、
Here, the relationship between the ensemble average of the power spectrum obtained in the above and the coherence function of the light source measured in the present invention will be considered.
First, from equation (9):

Figure 0005470320
であることがわかる。よって、それらのアンサンブル平均は、適当な比例係数を除きお互いに等しい。すなわち、
Figure 0005470320
It can be seen that it is. Thus, their ensemble averages are equal to each other except for an appropriate proportionality factor. That is,

Figure 0005470320
Kは適当な比例係数であるが、以下の説明には影響しないため、以後1とおくことにする。このことより、光電流のアンサンブル平均は式(13)のように表すことができる。
Figure 0005470320
K is an appropriate proportional coefficient, but does not affect the following explanation, so it will be set to 1 hereinafter. From this, the ensemble average of the photocurrent can be expressed as in equation (13).

Figure 0005470320
ここで、ni,mはそのアンサンブル平均(iについての平均)が0であるような、相関をもたない複素数、すなわち
Figure 0005470320
Where n i, m is an uncorrelated complex number whose ensemble average (average for i) is 0, ie

Figure 0005470320
である。
一方、γ(τm)はiには依存しない、すなわち繰り返し測定の間で一定の値をとる複素数である。式(13)を式(11)に代入し、Aの値は何であっても以下の説明に影響しないため、Aを1とおくと、
Figure 0005470320
It is.
On the other hand, γ (τ m ) is a complex number that does not depend on i, that is, takes a constant value between repeated measurements. Substituting equation (13) into equation (11) and whatever the value of A does not affect the following description, if A is set to 1,

Figure 0005470320
となる。そして、式(14)より、
Figure 0005470320
It becomes. And from equation (14),

Figure 0005470320
であるから
Figure 0005470320
Because

Figure 0005470320
考えているτmの範囲ではコヒーレンス関数の絶対値はほとんど変化しないので、
Figure 0005470320
Since the absolute value of the coherence function hardly changes in the range of τ m we are thinking about,

Figure 0005470320
となる。したがって、
Figure 0005470320
It becomes. Therefore,

Figure 0005470320
である。これを式(15)に代入すると、
Figure 0005470320
It is. Substituting this into equation (15) gives

Figure 0005470320
となる。
次に、遅延τm=0、すなわち距離0におけるパワースペクトルを計算する。遅延0においては完全にコヒーレントであるので、繰り返し測定の間に観測されるパワースペクトルは常に同じでiには依存しない。従って、この場合はiによらず、
Figure 0005470320
It becomes.
Next, the power spectrum at delay τ m = 0, that is, distance 0 is calculated. Since it is completely coherent at delay 0, the power spectrum observed during repeated measurements is always the same and does not depend on i. Therefore, in this case, regardless of i,

Figure 0005470320
とおいてよい。したがって、式(11)より、
Figure 0005470320
It ’s okay. Therefore, from equation (11):

Figure 0005470320
となる。
ここで式(16)と式(18)により求められた<aim)>と<ai(0)>を比較する。これらのパワースペクトルは、ランダムな確率変数であるレイリー散乱係数rmの関数である。すなわち、光ファイバの観測点近傍の複数のランダムな反射の干渉によって与えられ、その結果このパワースペクトルは遅延τmによりランダムに変動する。この変動は、いわゆるスペックルと呼ばれて知られている現象であり、式(18)における右辺はこの変動を含むパワースペクトルを与えている。
Figure 0005470320
It becomes.
Here, <a im )> and <a i (0)> obtained by the equations (16) and (18) are compared. These power spectrum is a function of the Rayleigh scattering coefficient r m is a random random variable. That is, it is given by interference of a plurality of random reflections in the vicinity of the observation point of the optical fiber, and as a result, this power spectrum varies randomly with the delay τ m . This variation is a phenomenon known as so-called speckle, and the right side in the equation (18) gives a power spectrum including this variation.

次に、式(16)をみると、第1項   Next, looking at equation (16), the first term

Figure 0005470320
は、式(18)に類似していることがわかる。相違点は、まず全体が|γ(τm)|2倍になっている。次に括弧{ }内の第2項にexp(jφmn)が付加されているが、これはrmがもともとランダムな確率変数であるから、変動の統計量を変えるものではない。
Figure 0005470320
Is similar to equation (18). The difference is that the entire first is | γ (τ m) | is doubled. Then exp paragraph 2 in brackets {} (jφ mn) but is added, this is because there is r m is originally random random variables, does not change the statistic fluctuation.

また、式(16)の第2項   Also, the second term of equation (16)

Figure 0005470320
については、完全にインコヒーレントな成分であり、干渉によるスペックルを生じることはなく、τmには依存しない均一なパワースペクトルを与えるだけである。
以上のことから、式(16)の変動の振幅を見る限り、式(18)の|γ(τm)|2倍になっていることがわかる。よって、両者の標準偏差を、σ0とστとすると、
Figure 0005470320
Is a completely incoherent component, does not cause speckle due to interference, and only gives a uniform power spectrum independent of τ m .
From the above, as far as the amplitude of the variation of formula (16), formula (18) | γ (τ m ) | it can be seen that the doubled. Therefore, if the standard deviation of both is σ 0 and σ τ ,

Figure 0005470320
または
Figure 0005470320
Or

Figure 0005470320
の関係があることがわかる。
以上の考察により、コヒーレンス関数解析装置10は、遅延0の近傍のパワースペクトルの標準偏差と遅延τの付近での標準偏差とを解析する。これより式(19)または式(20)を用いて、任意の遅延τにおけるコヒーレンス関数の絶対値|γ(τ)|を求めることができる。さらに、その値が1/eに減ずるτを求めることにより、レーザ光のコヒーレンス時間を求めることも可能となる。
Figure 0005470320
It can be seen that there is a relationship.
Based on the above consideration, the coherence function analysis apparatus 10 analyzes the standard deviation of the power spectrum near the delay 0 and the standard deviation near the delay τ. From this, the absolute value | γ (τ) | of the coherence function at an arbitrary delay τ can be obtained using Expression (19) or Expression (20). Further, by obtaining τ whose value is reduced to 1 / e, it is possible to obtain the coherence time of the laser beam.

以上のように、本発明によるコヒーレンス関数並びにコヒーレンス時間測定方法は、従来技術に対して以下の優位性を持つ。
第1に、コヒーレンス時間と同程度の光ファイバ長により測定が可能な上、仮にコヒーレンス時間がそれよりもはるかに長かった場合には、そのこと自体が測定により明らかにされるので、より長い光ファイバに置き換えて測定をやり直すなどの処置を取ることができる。よって、本発明は、従来技術よりも信頼性に優れた測定結果を提供することができる。
As described above, the coherence function and the coherence time measuring method according to the present invention have the following advantages over the prior art.
First, it is possible to measure with an optical fiber length comparable to the coherence time, and if the coherence time is much longer than that, the measurement itself will be revealed by the measurement. It is possible to take measures such as replacing the fiber with another measurement. Therefore, the present invention can provide measurement results that are more reliable than the prior art.

第2に、単にコヒーレンス時間が測定されるだけでなく、そのコヒーレンス関数の絶対値の全容が遅延時間τの関数として掌握される。これにより、レーザ光の性質をより詳しく調査することができる。
尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成を削除してもよい。さらに、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
Second, not only is the coherence time measured, but the entire absolute value of the coherence function is captured as a function of the delay time τ. Thereby, the property of the laser beam can be investigated in more detail.
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some configurations may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different example embodiments may be combined as appropriate.

1…被測定レーザ光源、2…周波数掃引装置、3−1…光分岐器、3−2…光合波器、4…光サーキュレータ、5…光ファイバ、6…バランス型受光素子、7…データ取得装置、8…パワースペクトル解析装置、9…メモリ装置、10…コヒーレンス関数解析装置、11…制御装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Measuring laser light source, 2 ... Frequency sweep apparatus, 3-1 ... Optical branching device, 3-2 ... Optical multiplexer, 4 ... Optical circulator, 5 ... Optical fiber, 6 ... Balance type light receiving element, 7 ... Data acquisition Device: 8 ... Power spectrum analysis device, 9 ... Memory device, 10 ... Coherence function analysis device, 11 ... Control device.

Claims (4)

遅延時間τの関数である被測定レーザ光のコヒーレンス関数γ(τ)を測定するレーザ光コヒーレンス測定方法であって、
被測定レーザ光の周波数を線形に掃引し、
前記周波数掃引されたレーザ光を2系統に分岐し、
分岐された一方のレーザ光を光ファイバに入射して当該光ファイバで生じたレイリー散乱光を取り込み、
前記レイリー散乱光と前記分岐された他方のレーザ光とを合波し、
前記合波によって生じる光電流を検出し、
前記検出された光電流の電流値をフーリエ変換してそのパワースペクトルを算出し、
前記光電流の検出ならびにそのパワースペクトルの解析を複数回繰り返し行うことにより前記パワースペクトルのアンサンブル平均を遅延τの関数として求め、
前記パワースペクトルのアンサンブル平均の遅延τにおける標準偏差を算出し、
この標準偏差が遅延τにおけるコヒーレンス関数の絶対値に比例することを利用してコヒーレンス関数の絶対値を求めることを特徴とする光レーザコヒーレンス測定方法。
A laser beam coherence measurement method for measuring a coherence function γ (τ) of a laser beam to be measured which is a function of a delay time τ,
The frequency of the laser beam to be measured is swept linearly,
Branching the frequency-swept laser light into two systems;
One of the branched laser beams is incident on an optical fiber, and Rayleigh scattered light generated in the optical fiber is captured.
Combining the Rayleigh scattered light and the other branched laser light;
Detecting the photocurrent generated by the multiplexing;
Fourier transform the current value of the detected photocurrent to calculate its power spectrum,
Obtaining the ensemble average of the power spectrum as a function of the delay τ by repeatedly detecting the photocurrent and analyzing the power spectrum multiple times,
Calculating the standard deviation of the ensemble average delay τ of the power spectrum;
An optical laser coherence measurement method characterized in that an absolute value of a coherence function is obtained by utilizing the fact that this standard deviation is proportional to the absolute value of a coherence function at a delay τ.
前記コヒーレンス関数の絶対値が1/eになる遅延τをもってコヒーレンス時間を求めることを特徴とする請求項1に記載のレーザ光コヒーレンス測定方法。   2. The laser light coherence measurement method according to claim 1, wherein the coherence time is obtained with a delay τ at which the absolute value of the coherence function is 1 / e. 遅延時間τの関数である被測定レーザ光のコヒーレンス関数γ(τ)を測定するレーザ光コヒーレンス測定装置であって、
前記被測定レーザ光の周波数を線形に掃引する周波数掃引手段と、
前記周波数掃引されたレーザ光を2系統に分岐する光分岐手段と、
前記分岐された一方のレーザ光を光ファイバに入射し当該光ファイバに生じるレイリー散乱光を取り込むレイリー散乱光取得手段と、
前記光ファイバで生じたレイリー散乱光と前記光分岐手段で分岐された他方のレーザ光とを合波する光合波手段と、
前記合波によって生じる光電流を検出する光電流検出手段と、
前記検出された光電流の電流値をフーリエ変換してそのパワースペクトルを算出するパワースペクトル算出手段と、
前記光電流検出手段及びパワースペクトル算出手段それぞれの検出結果及び算出結果に基づいて前記レーザ光のコヒーレンス関数の絶対値を求める解析手段と
を具備し、
前記解析手段は、前記光電流の検出ならびにそのパワースペクトルの解析を複数回繰り返し行うことにより前記パワースペクトルのアンサンブル平均を遅延τの関数として求め、前記パワースペクトルのアンサンブル平均の遅延τにおける標準偏差を算出し、この標準偏差が遅延τにおけるコヒーレンス関数の絶対値に比例することを利用して前記コヒーレンス関数の絶対値を求めることを特徴とする光レーザコヒーレンス測定装置。
A laser beam coherence measuring apparatus for measuring a coherence function γ (τ) of a laser beam to be measured which is a function of a delay time τ,
Frequency sweeping means for linearly sweeping the frequency of the laser beam to be measured;
Optical branching means for branching the frequency-swept laser light into two systems;
Rayleigh scattered light acquisition means for entering one of the branched laser lights into an optical fiber and taking in Rayleigh scattered light generated in the optical fiber;
Optical multiplexing means for multiplexing Rayleigh scattered light generated in the optical fiber and the other laser beam branched by the light branching means;
Photocurrent detection means for detecting a photocurrent generated by the multiplexing;
A power spectrum calculation means for calculating a power spectrum by Fourier-transforming a current value of the detected photocurrent;
Analyzing means for obtaining the absolute value of the coherence function of the laser beam based on the detection results and the calculation results of the photocurrent detection means and the power spectrum calculation means, respectively.
The analysis means obtains an ensemble average of the power spectrum as a function of the delay τ by repeatedly detecting the photocurrent and analyzing the power spectrum thereof, and calculates a standard deviation in the delay τ of the ensemble average of the power spectrum. An optical laser coherence measuring apparatus, characterized in that the absolute value of the coherence function is calculated by utilizing the fact that the standard deviation is proportional to the absolute value of the coherence function at the delay τ.
前記解析手段は、前記コヒーレンス関数の絶対値が1/eになる遅延τをもってコヒーレンス時間を求めることを特徴とする請求項3に記載のレーザ光コヒーレンス測定装置。   4. The laser light coherence measuring apparatus according to claim 3, wherein the analyzing unit obtains a coherence time with a delay τ in which an absolute value of the coherence function is 1 / e.
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