JP6230029B2 - 光学デバイスのインパルスレスポンス測定装置および測定方法 - Google Patents

Description

この発明は、光学デバイスのインパルスレスポンスを測定するための測定装置および測定方法に関する。

従来、光学デバイスのインパルスレスポンスを測定する方法として、非特許文献１に記載された方法が知られている。この方法は以下のようなものである。すなわち、狭線幅ＣＷ（Continuous Wave）レーザをマスターレーザとして、２つの周波数コム発生光源を同期させる。２つの周波数コム光源の一方をプローブ光とし、もう一方をローカル光とする。参照経路を伝搬したプローブ光と被測定デバイスを伝搬したプローブ光をローカル光と干渉させ、それらの干渉信号を測定する。プローブ光とローカル光は狭線幅ＣＷレーザによって同期しているため、被測定デバイスを伝搬したプローブ光とローカル光との干渉信号の位相は、参照経路を伝搬したプローブ光とローカル光との干渉信号の位相に対し、参照経路と被測定光デバイスとの間の遅延分だけ位相がシフトしている。周波数解析によってこの位相シフト量を解析することで、インパルスレスポンスを測定する。

I. Coddington et al., "Rapid and precise absolute distance measurements at long range," Nature Photonics, 3, 351-356, 2009.

ところが、非特許文献１に記載された方法では、参照経路を伝搬したプローブ光と被測定デバイスを伝搬したプローブ光のペアを測定する期間において、プローブ光とローカル光とを同期させる必要がある。また、プローブ光とローカル光とが同期していても、測定距離が長くなって、ローカル光とプローブ光との光路長差がそれらレーザ光のコヒーレンス長よりも大きくなると、干渉信号は得られなくなる。このため、非特許文献１に記載された方法では、マスターレーザの線幅を数Hzにまで狭くしていた。しかしながら、数Hzの狭線幅レーザを用意することは簡単なことではない。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、狭線幅レーザをマスターレーザとしてプローブ光とローカル光とを同期させることなく、長距離に及ぶ被測定光デバイスのインパルスレスポンスを解析できるようにした、光学デバイスのインパルスレスポンス測定装置および測定方法を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の第１の態様は、プローブパルスレーザ光源から出力されたプローブパルス光を被測定光学デバイスに入力し、当該被測定光学デバイスから出力されたプローブパルス光とローカルパルスレーザ光源から出力されたローカルパルス光とを干渉させ、その干渉信号をもとに前記被測定光学デバイスのインパルスレスポンスを測定する、光学デバイスのインパルスレスポンス測定装置であって、前記被測定光学デバイスから出力されたプローブパルス光および前記ローカルパルス光をそれぞれ二分岐する光分岐部と、前記二分岐された各パルス光の一方を互いに干渉させ、目的とする干渉信号を出力する第１の光干渉部と、前記二分岐された各パルス光の他方をそれぞれ共通の連続発振光源から出力された連続発振光と干渉させ、参照用の第１及び第２の干渉信号を出力する第２および第３の光干渉部と、前記第２および第３の光干渉部から出力された参照用の第１及び第２の干渉信号をもとに、前記プローブパルス光とローカルパルス光との間の相対的な位相雑音を算出し、当該算出された位相雑音に基づいて前記目的とする干渉信号に含まれる位相雑音を補償し、当該補償された干渉信号をもとに前記被測定光学デバイスのインパルスレスポンスを求める信号処理部を具備するようにしたものである。

この発明の第２の態様は、前記信号処理部に、前記第２の光干渉部から出力された参照用の第１の干渉信号から、前記プローブパルス光と連続発振光との相対的な位相雑音を算出する手段と、前記第３の光干渉部から出力された参照用の第２の干渉信号から、前記ローカルパルス光と連続発振光との相対的な位相雑音を算出する手段と、前記第１の干渉信号から算出された相対的な位相雑音から、前記第２の干渉信号から算出された相対的な位相雑音を減算することで、前記プローブパルス光とローカルパルス光との間の相対的な位相雑音を算出する手段と、前記算出された前記プローブパルス光とローカルパルス光との間の相対的な位相雑音に基づいて、前記目的とする干渉信号に含まれる位相雑音を補償し、当該補償された干渉信号をもとに前記被測定光学デバイスのインパルスレスポンスを求める手段とを備えるようにしたものである。

この発明の第１及び第２の態様によれば、プローブパルス光とローカルパルス光との間の相対的な位相雑音を共通の連続発振光との干渉を用いて測定し、信号処理部によってプローブパルス光とローカルパルス光との間の相対的な位相雑音を補償することで、被測定デバイスのインパルスレスポンスを測定するようにしている。このため、狭線幅レーザをマスターレーザとして、プローブパルスレーザ光源とローカルパルスレーザ光源とを同期させる必要がなくなる。また、信号処理によって、プローブパルス光とローカルパルス光との間の相対的な位相雑音を補償するため、狭線幅レーザのコヒーレンスによって被測定デバイスの長さが制限されることもなくなる。

すなわちこの発明によれば、狭線幅レーザをマスターレーザとしてプローブ光とローカル光とを同期させることなく、長距離に及ぶ被測定光デバイスのインパルスレスポンスを解析できるようにした、光学デバイスのインパルスレスポンス測定装置および測定方法を提供することができる。

この発明の一実施形態に係る光学デバイスのインパルスレスポンス測定装置の構成を示すブロック図。

以下、図面を参照してこの発明に係わる実施形態を説明する。
［一実施形態］
（構成）
図１は、この発明の一実施形態に係る光学デバイスのインパルスレスポンス測定装置の構成を示すブロック図であり、１はプローブパルスレーザ光源、２は被測定デバイス、３はローカルパルスレーザ光源をそれぞれ示している。

プローブパルスレーザ光源１から出力されたプローブパルス光Ｐ１は被測定デバイス２に入射される。これにより被測定デバイス２からは当該デバイスの光学特性の影響を受けたプローブパルス光Ｐ２が出力され、当該プローブパルス光Ｐ２は第１の光分岐器５−１により二分岐されて、その一方が第１の光９０度ハイブリッド７−１に、他方が第２の光９０度ハイブリッド７−２にそれぞれ入射される。

一方、ローカルパルスレーザ光源３から出力されたローカルパルス光Ｐ３は第２の光分岐器５−２により二分岐され、その一方が上記第１の光９０度ハイブリッド７−１に、他方が第３の光９０度ハイブリッド７−３にそれぞれ入射される。

また、本実施形態の測定装置はＣＷ（Continuous Wave）光源４を備えている。このＣＷ光源４から出力された連続発振光（ＣＷ光）は第３の光分岐器５−３により二分岐され、その一方が第１の光路長調整部６−１を介して上記第２の光９０度ハイブリッド７−２に、他方が第２の光路長調整部６−２を介して上記第３の光９０度ハイブリッド７−３にそれぞれ入射される。

第１の光９０度ハイブリッド７−１は、上記入射されたプローブパルス光Ｐ２をローカルパルス光Ｐ３と干渉させ、その干渉光の同相成分および直交成分をそれぞれバランス型受光器８−１，８−２に入射する。バランス型受光器８−１，８−２は、上記プローブパルス光Ｐ２とローカルパルス光Ｐ３との干渉光の同相成分および直交成分を受光して光電流からなる干渉信号に変換し、当該干渉信号の同相成分および直交成分をデータ取得部９へ出力する。

第２の光９０度ハイブリッド７−２は、上記入射されたプローブパルス光Ｐ２を上記光路長調整部６−１を通過したＣＷ光と干渉させ、その干渉光の同相成分および直交成分をそれぞれバランス型受光器８−３，８−４に入射する。バランス型受光器８−３，８−４は、それぞれ上記プローブパルス光Ｐ２とＣＷ光との干渉光の同相成分および直交成分を受光して光電流からなる干渉信号に変換し、当該干渉信号の同相成分および直交成分をデータ取得部９に出力する。

第３の光９０度ハイブリッド７−３は、上記入射されたローカルパルス光Ｐ３を上記光路長調整部６−２を通過したＣＷ光と干渉させ、その干渉光の同相成分および直交成分をそれぞれバランス型受光器８−５，８−６に入射する。バランス型受光器８−５，８−６は、それぞれ上記ローカルパルス光Ｐ３とＣＷ光との干渉光の同相成分および直交成分を受光して光電流からなる干渉信号に変換し、当該干渉信号の同相成分および直交成分をデータ取得部９に出力する。

データ取得部９は、上記バランス型受光器８−１，８−２から出力された干渉信号の同相成分および直交成分、上記バランス型受光器８−３，８−４から出力された干渉信号の同相成分および直交成分、および上記バランス型受光器８−５，８−６から出力された干渉信号の同相成分および直交成分を、上記ローカルパルスレーザ光源３から出力される、ローカルパルス光Ｐ３と同期したクロック信号Ｐ４に同期してそれぞれ取り込む。

インパルスレスポンス解析部１０は、上記データ取得部９により取り込まれた各干渉信号のうち、上記被測定デバイス２から出力されたプローブパルス光Ｐ２をＣＷ光と干渉させることで得られた干渉信号から両光間の相対的な位相雑音を算出すると共に、上記ローカルパルス光Ｐ３をＣＷ光と干渉させることで得られた干渉信号から両光間の相対的な位相雑音を算出する。そして、これらの位相雑音の差を計算することで、上記被測定デバイス２から出力されたプローブパルス光Ｐ２と上記ローカルパルス光Ｐ３との間の相対的な位相雑音を算出する。次に、この相対的な位相雑音と、上記プローブパルス光Ｐ２と上記ローカルパルス光Ｐ３との間の干渉信号とから、被測定デバイス２のインパルスレスポンスを算出する。

（動作）
次に、以上のように構成されたインパルスレスポンス測定装置の動作を説明する。
先ず、第１の光９０度ハイブリッド７−１に着目する。プローブパルス光Ｐ２とローカルパルス光Ｐ３とのスペクトルは重なり合っているものとして、プローブパルス光Ｐ２とローカルパルス光Ｐ３との干渉を考える。

プローブパルス光Ｐ１のパルス列およびローカルパルス光Ｐ３のパルス列の複素電界振幅をそれぞれＥ_p(t)，Ｅ_L(t)とすると、これらは以下のように表される。

ここで、Ｔはプローブパルス列の周期、Ｔ＋ΔＴはローカルパルス列の周期、ΔＴはローカルパルス列の周期のプローブパルス列の周期に対する差分、ｖ_p はプローブパルス光Ｐ１の中心周波数、ｖ_L はローカルパルス光Ｐ３の中心周波数、θp(t) はプローブパルス光Ｐ１の位相雑音、θ_L(t) はローカルパルス光Ｐ３の位相雑音を表す。

次に、被測定デバイス２のインパルスレスポンスをｈ(t) とすると、ｈ(t) は次式のように表わされる。但し、ｔ_i (i=1,2,…)は所定間隔の時刻列を表し、ｈ(Δｔi)は時刻ｔ＝Δｔ_iにおけるインパルスレスポンスの値を表す。

被測定デバイス２に入力されたプローブパルス光Ｐ１は、被測定デバイス２のインパルスレスポンスによって波形が変化するが、被測定デバイス２から出力されるプローブパルス光Ｐ２は、被測定デバイス２のインパルスレスポンスｈ(t) とプローブパルス光Ｐ１の畳み込みとして以下のように表される。

すなわち、式(1) および式(3) から、被測定デバイス２から出力されるプローブパルス光Ｐ２は次式で表される。

また、インパルスレスポンスｈ(t) の時間スケールの間、プローブパルス光Ｐ１の位相雑音θ_p(t) は一定であると考えてよい。このため、式(4) は下記のように近似できる。

第１の光９０度ハイブリッド７−１においては、被測定デバイス２から出力されたプローブパルス光Ｐ２（Ｅ′_p(t) ）と、式(2) で表されるローカルパルス光Ｐ３とが干渉する。プローブパルス光Ｐ２（Ｅ′_p(t) ）の周期とローカルパルス光Ｐ３の周期との間には差分ΔＴがある。このため、プローブパルスＰ２（Ｅ′_p(t) ）はローカルパルス光Ｐ３で等価時間サンプリングされる。

式(5) のｈ(Δｔ_i) はタイムステップΔＴで等価時間サンプリングされるが、位相項（振動項）であるexp{j[２πｖ_p(ｔ−Δｔ_i)＋θ_p(t)]} はローカルパルス光Ｐ３の周期Ｔ＋ΔＴの間隔でサンプリングされる。バランス型受光器８−１，８−２は干渉信号の同相成分と直交成分を検出し、光電流として出力する。

データ取得部９は、ローカルパルス光Ｐ３に同期したクロック信号Ｐ４をクロックとして、上記バランス型受光器８−１，８−２から光電流として出力された干渉信号を取り込む。ここで、干渉信号をＳ₁、干渉信号の同相成分および直交成分をそれぞれＩ₁ ，Ｑ₁とすると、これらは次式で表される。

次に、第２および第３の光９０度ハイブリッド７−２，７−３に着目し、ＣＷ光源４から出力されるＣＷ光とプローブパルス光Ｐ２との干渉、およびＣＷ光源４から出力されるＣＷ光とローカルパルス光Ｐ３との干渉を考える。

ＣＷ光源４から出力されるＣＷ光と、プローブパルス光Ｐ２およびローカルパルス光Ｐ３とのスペクトルは重なり合っているものとする。光路長調整手段６−１，６−２では、第２および第３の光９０度ハイブリッド７−２，７−３に入力されるＣＷ光の位相雑音が等しくなるように光路長が調整される。ＣＷ光源４から出力されるＣＷ光の複素電界振幅Ｅcw(t) を次式のように表す。なお、Ａcwは振幅、ｖcwは中心周波数、θcw(t) は位相雑音を表している。

ＣＷ光と式(4) で表されるプローブパルス光Ｐ２とは、第２の光９０度ハイブリッド７−２において干渉する。バランス型受光器８−３，８−４は、上記ＣＷ光とプローブパルス光Ｐ２との干渉信号の同相成分と直交成分を検出し、光電流として出力する。データ取得手段９は、ローカルパルス光Ｐ３と同期したクロック信号Ｐ４に同期して、上記ＣＷ光とプローブパルス光Ｐ２との干渉信号の同相成分と直交成分を取り込む。この結果、ローカルパルス光Ｐ３の周期Ｔ＋ΔＴごとに上記干渉信号の同相成分と直交成分が取り込まれる。

いま、干渉信号をＳ₂ 、当該干渉信号Ｓ₂ の同相成分と直交成分をそれぞれＩ₂ ，Ｑ₂ とすると、これらは次式で表される。なお、ａは干渉信号Ｓ₂の振幅を表す。

さらに、第３の光９０度ハイブリッド７−３における、ＣＷ光源４から出力されるＣＷ光とローカルパルス列Ｐ３との干渉についても、同様の議論が成り立つ。すなわち、ＣＷ光とローカルパルス列Ｐ３との干渉信号をＳ₃ 、当該干渉信号Ｓ₃ の同相成分と直交成分をそれぞれＩ₃ ，Ｑ₃ とすると、これらは次式で表される。なお、ｂは干渉信号Ｓ₃の振幅を表す。

インパルスレスポンス解析部１０は以下の解析処理を行う。すなわち、先ず式(9) と式(10)より、干渉信号Ｓ₂ の位相項θ₂ を抽出する。この位相項θ₂ は以下のように表される。

ここで、式(13)の第１項は、プローブパルス光Ｐ２とＣＷ光源４から出力されるＣＷ光との間の周波数オフセットを表す項である。この周波数オフセットは、時間に対して線形的に変化するため、信号処理によって除去できる。この結果、プローブパルス光Ｐ２とＣＷ光源４から出力されるＣＷ光との相対的な位相雑音θ2 ^〜が得られる。この位相雑音θ2 ^〜は以下のように表される。

同様の解析を式(11)と式(12)の組についても行い、干渉信号Ｓ₃ の位相項θ₃ を抽出する。この位相項θ₃ は以下のように表される。

ここで、式(15)の第１項は周波数オフセット表す項であり、信号処理によって除去でき、これによりローカルパルス光Ｐ３とＣＷ光源４から出力されるＣＷ光との相対的な位相雑音θ₃ ^〜が得られる。この位相雑音θ₃ ^〜は下式により表される。

そして、式(14)から式(17)を引くことで、プローブパルス光Ｐ２とローカルパルス光Ｐ３との間の相対的な位相雑音Δθが算出される。この相対的な位相雑音Δθは以下のように表される。なお、この相対的な位相雑音Δθは、干渉信号Ｓ₁ の位相項に含まれるプローブパルス光Ｐ２とローカルパルス光Ｐ３との相対的な位相雑音を表す。

次に、式(7) と式(18)を用いて下記の演算を行うことで、被測定デバイス２のインパルスレスポンスを下式のように解析できる。
Ｓ₁ exp(−Δθ)＝ｈ(t) (19)

（効果）
以上詳述したように一実施形態では、プローブパルス光Ｐ２とローカルパルス光Ｐ３との間の相対的な位相雑音を共通のＣＷ光との干渉を用いて測定し、インパルスレスポンス解析部１０の信号処理によってプローブパルス光Ｐ２とローカルパルス光Ｐ３との間の相対的な位相雑音を補償することで、被測定デバイス２のインパルスレスポンスを測定するようにしている。このため、狭線幅レーザをマスターレーザとして、プローブパルスレーザ光源１とローカルパルスレーザ光源３とを同期させる必要がなくなる。また、信号処理によって、プローブパルス光Ｐ２とローカルパルス光Ｐ３との間の相対的な位相雑音を補償するため、狭線幅レーザのコヒーレンスによって被測定デバイスの長さが制限されることもなくなる。

［他の実施形態］
前記実施形態では、ＣＷ光源４と第２の光９０度ハイブリッド７−２との間と、ＣＷ光源４と第３の光９０度ハイブリッド７−３との間の光路長差をゼロにするために、両方の光路に光路長調整部６−１，６−２を配置した。しかし、いずれか一方の光路にのみ光路長調整部を配置して光路長差を無くすようにしてもよい。

その他、装置の構成とインパルスレスポンス解析部による信号処理の手順と処理内容等についても、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施可能である。

要するにこの発明は、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要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１…プローブパルスレーザ光源、２…被測定デバイス、３…ローカルバルスレーザ光源、４…ＣＷ光源、５−１，５−２，５−３…光分岐器、６−１，６−２…光路長調整部、７−１，７−２，７−３…光９０度ハイブリッド、８−１〜８−６…バランス型受光器、９…データ取得部、１０…インパルスレスポンス解析部。

Claims (4)

1. プローブパルスレーザ光源から出力されたプローブパルス光を被測定光学デバイスに入力し、当該被測定光学デバイスから出力されたプローブパルス光とローカルパルスレーザ光源から出力されたローカルパルス光とを干渉させ、その干渉信号をもとに前記被測定光学デバイスのインパルスレスポンスを測定する、光学デバイスのインパルスレスポンス測定装置であって、
   前記被測定光学デバイスから出力されたプローブパルス光および前記ローカルパルス光をそれぞれ二分岐する光分岐部と、
   前記二分岐された各パルス光の一方を互いに干渉させ、目的とする干渉信号を出力する第１の光干渉部と、
   前記二分岐された各パルス光の他方をそれぞれ共通の連続発振光源から出力された連続発振光と干渉させ、参照用の第１及び第２の干渉信号を出力する第２および第３の光干渉部と、
   前記第２および第３の光干渉部から出力された参照用の第１及び第２の干渉信号をもとに、前記プローブパルス光とローカルパルス光との間の相対的な位相雑音を算出し、当該算出された位相雑音に基づいて前記目的とする干渉信号に含まれる位相雑音を補償し、当該補償された干渉信号をもとに前記被測定光学デバイスのインパルスレスポンスを求める信号処理部と
   を具備することを特徴とする光学デバイスのインパルスレスポンス測定装置。
2. 前記信号処理部は、
   前記第２の光干渉部から出力された参照用の第１の干渉信号から、前記プローブパルス光と連続発振光との相対的な位相雑音を算出する手段と、
   前記第３の光干渉部から出力された参照用の第２の干渉信号から、前記ローカルパルス光と連続発振光との相対的な位相雑音を算出する手段と、
   前記第１の干渉信号から算出された相対的な位相雑音から、前記第２の干渉信号から算出された相対的な位相雑音を減算することで、前記プローブパルス光とローカルパルス光との間の相対的な位相雑音を算出する手段と、
   前記算出された前記プローブパルス光とローカルパルス光との間の相対的な位相雑音に基づいて、前記目的とする干渉信号に含まれる位相雑音を補償し、当該補償された干渉信号をもとに前記被測定光学デバイスのインパルスレスポンスを求める手段と
   を備えることを特徴とする請求項１記載の光学デバイスのインパルスレスポンス測定装置。
3. プローブパルスレーザ光源から出力されたプローブパルス光を被測定光学デバイスに入力し、当該被測定光学デバイスから出力されたプローブパルス光とローカルパルスレーザ光源から出力されたローカルパルス光とを干渉させ、その干渉信号をもとに前記被測定光学デバイスのインパルスレスポンスを測定する、光学デバイスのインパルスレスポンス測定方法であって、
   前記被測定光学デバイスから出力されたプローブパルス光および前記ローカルパルス光をそれぞれ二分岐する工程と、
   前記二分岐された各パルス光の一方を互いに干渉させ、目的とする干渉信号を出力する工程と、
   前記二分岐された各パルス光の他方をそれぞれ共通の連続発振光源から出力された連続発振光と干渉させ、参照用の第１及び第２の干渉信号を出力する工程と、
   前記出力された参照用の第１及び第２の干渉信号をもとに、前記プローブパルス光とローカルパルス光との間の相対的な位相雑音を算出し、当該算出された位相雑音に基づいて前記目的とする干渉信号に含まれる位相雑音を補償し、当該補償された干渉信号をもとに前記被測定光学デバイスのインパルスレスポンスを求める信号処理工程と
   を具備することを特徴とする光学デバイスのインパルスレスポンス測定方法。
4. 前記信号処理工程は、
   前記出力された参照用の第１の干渉信号から、前記プローブパルス光と連続発振光との相対的な位相雑音を算出する工程と、
   前記出力された参照用の第２の干渉信号から、前記ローカルパルス光と連続発振光との相対的な位相雑音を算出する工程と、
   前記第１の干渉信号から算出された相対的な位相雑音から、前記第２の干渉信号から算出された相対的な位相雑音を減算することで、前記プローブパルス光とローカルパルス光との間の相対的な位相雑音を算出する過程と、
   前記算出された前記プローブパルス光とローカルパルス光との間の相対的な位相雑音に基づいて、前記目的とする干渉信号に含まれる位相雑音を補償し、当該補償された干渉信号をもとに前記被測定光学デバイスのインパルスレスポンスを求める工程と
   を備えることを特徴とする請求項３記載の光学デバイスのインパルスレスポンス測定方法。