JP6264547B2 - 光信号生成装置、距離測定装置、分光特性測定装置、周波数特性測定装置及び光信号生成方法 - Google Patents

Description

本発明は光信号の生成手法に係り、特に繰り返し周波数の異なる複数種類の光コムの生成に関する。

測長技術としてリニアエンコーダや光の干渉を利用した様々な手法が提案されており、測定環境やニーズに応じた適切な手法が採用されている。例えば白色光やレーザ光の干渉を利用した干渉計は、測定対象までの距離をナノメートルのオーダーで精度良く測定することが可能であり、工業分野や医療分野において広く活用されている。

また近年では「光コム（光周波数コム）」と呼ばれる特殊な光の干渉を利用した測長技術も提案されており、例えば特許文献１は、繰り返し周波数の異なる２種類の光コムの干渉を利用した光へテロダイン距離計を開示する。光コムは、周波数の異なる複数の光成分であって一定の繰り返し周期で離散する複数の光成分の集合によって構成される。この光コムの干渉を利用することで、基準点（原点）から測定対象までの絶対距離を高精度に計測することができる。

特開２０１３−１７８１６９号公報

上述のように測長技術として様々な手法が提案されているが、とりわけ測定結果の信頼性及び測定の簡易性が担保される手法によって計測が行われることが好ましい。

例えばリニアエンコーダを用いる測長装置によれば測定対象の絶対位置を計測することが可能であるが、アッベの原理に則っていないため測定精度及び信頼性が必ずしも十分ではない。

またＨｅ−Ｎｅ（ヘリウム−ネオン）レーザ等のレーザ干渉を利用した測長装置では、絶対的な距離の測定可能範囲が使用レーザの半波長程度であるため、長距離を測定する場合には半波長以下の変位を積算することで測定対象までの絶対距離を求める必要がある。したがって測定の途中でレーザが遮られてしまうと、それまでの積算結果が無駄になり、変位量の積算を開始した基準点（原点）に戻って測定をやり直す必要があるため、非常に不便である。

また特許文献１に開示の装置のように複数台の光源（光周波数コム光源）を用いて計測を行う場合、光源間の位相ロックが必要になる。この位相ロックを行うためには専用の電子回路等によって光源同士を同調させる必要があるため、装置構成が複雑になりコストも高くなる。また複数台の光周波数コム光源を位相ロックした場合、光コムの周波数揺らぎや強度揺らぎは光源間で多少異なるため、そのような周波数揺らぎ及び強度揺らぎをキャンセルすることが好ましいが、実際には周波数揺らぎ及び強度揺らぎを完全にキャンセルすることは非常に難しい。またヘテロダイン干渉計等において周波数の異なる干渉光（参照光及び測定光）の各々の周波数が大きくなると、ビートダウン後の周波数揺らぎが大きくなってしまい、厳密な測定が難しくなる。

本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、光信号を用いた計測を簡易且つ高精度に行うことを可能にする光信号の生成手法及びその応用を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、第１の光コムを生成する第１の光周波数コム生成部と、第１の光コムを受光して第１の光コムから第２の光コムを生成する第２の光周波数コム生成部と、第１の光コムを受光して第１の光コムから第３の光コムを生成する第３の光周波数コム生成部とを備える光信号生成装置に関する。

本態様によれば、第１の光コムから第２の光コム及び第３の光コム（光信号）が生成され、第２の光コム及び第３の光コムの光学特性は第１の光コムの光学特性に基づいて決定される。このように１つの光コム（第１の光コム）から複数の光コムを生成することで、光学特性の安定化を図ることができ、装置構成を単純化できる。また第２の光コムと第３の光コムとの間で光学特性に相関を持たせることが可能であり、例えば第２の光コムと第３の光コムとの間でオフセット周波数を揃えることもできる。

望ましくは、第１の光コム、第２の光コム及び第３の光コムの各々は、周波数の異なる複数の光周波数成分を含み、第２の光コム及び第３の光コムの各々は、第１の光コムに含まれる複数の光周波数成分の一部に対応する。

本態様によれば、第２の光コムに含まれる光周波数成分及び第３の光コムに含まれる光周波数成分は、それぞれ第１の光コムに含まれる光周波数成分の一部に対応する。

望ましくは、第１の光コムに含まれる複数の光周波数成分は、ｆ_０１＋ｍ_１×ｆ_ｒ１（ただし、ｆ_０１はオフセット周波数を表し、ｆ_ｒ１は繰り返し周波数を表し、ｍ_１は０以上の整数を表す）で表され、第２の光コムに含まれる複数の光周波数成分は、ｆ_０２＋ｍ_２×ｆ_ｒ２（ただし、ｆ_０２はオフセット周波数を表し、ｆ_ｒ２は繰り返し周波数を表し、ｍ_２は０以上の整数を表す）で表され、第３の光コムに含まれる複数の光周波数成分は、ｆ_０３＋ｍ_３×ｆ_ｒ３（ただし、ｆ_０３はオフセット周波数を表し、ｆ_ｒ３は繰り返し周波数を表し、ｍ_３は０以上の整数を表す）で表され、ｆ_ｒ２＝ｎ×ｆ_ｒ１及びｆ_ｒ３＝ｈ×ｆ_ｒ１（ただし、ｎ及びｈは整数であってｎ≠ｈを満たす）が満たされる。

本態様によれば、第２の光コムの繰り返し周波数及び第３の光コムの繰り返し周波数は第１の光コムの繰り返し周波数の整数倍に調整される。

望ましくは、｜ｎ−ｈ｜＝１を満たす。

本態様のように「ｎ」と「ｈ」との差の絶対値を「１」とすることで、第２の光コムに含まれる光周波数成分と第３の光コムに含まれる光周波数成分との周波数ずれを非常に小さくすることができる。これにより、例えば第２の光コム及び第３の光コムを重畳させてビート信号を作る場合に、周波数低減（ビートダウン）を効果的に行うことができる。

望ましくは、第２の光周波数コム生成部及び第３の光周波数コム生成部は、ファブリー・ペロー・エタロンを有する。

本態様によれば、比較的簡単な構成を有するファブリー・ペロー・エタロンによって第２の光周波数コム生成部及び第３の光周波数コム生成部が構成される。

望ましくは、光信号生成装置は、第１の光コムを分割する光束分割部を更に備え、光束分割部によって分割された第１の光コムは第２の光周波数コム生成部及び第３の光周波数コム生成部によって受光される。

本態様によれば、簡単な構成で、第２の光周波数コム生成部及び第３の光周波数コム生成部に第１の光コムを確実に供給することができる。

本発明の他の態様は、上記の光信号生成装置と、光信号生成装置から出射される第２の光コム及び第３の光コムを用いて測定対象までの距離を測定する測長装置とを備える距離測定装置に関する。

本態様によれば、光学特性に関して相関を有する第２の光コム及び第３の光コムを用いて、測定対象までの絶対的な距離を精密に測定することが可能である。

本発明の他の態様は、上記の光信号生成装置と、光信号生成装置から出射される第２の光コム及び第３の光コムを用いて測定対象のスペクトル特性を計測する分光計測装置とを備える分光特性測定装置に関する。

本態様によれば、光学特性に関して相関を有する第２の光コム及び第３の光コムを用いて、測定対象のスペクトル特性を精密に測定することが可能である。

本発明の他の態様は、上記の光信号生成装置と、光信号生成装置から出射される第２の光コム及び第３の光コムを用いて測定対象の周波数特性を計測する周波数計測装置とを備える周波数特性測定装置に関する。

本態様によれば、光学特性に関して相関を有する第２の光コム及び第３の光コムを用いて、測定対象の周波数特性を精密に計測することが可能である。

本発明の他の態様は、第１の光コムを生成するステップと、第１の光コムを受光して第１の光コムから第２の光コムを生成するステップと、第１の光コムを受光して第１の光コムから第３の光コムを生成するステップとを含む光信号生成方法に関する。

本発明によれば、第１の光コムから第２の光コム及び第３の光コムが生成され、第２の光コムと第３の光コムとの間で光学特性に相関を持たせることができる。このような第２の光コム及び第３の光コム（光信号）を用いることで、各種の計測を簡易且つ高精度に行うことができる。

光信号生成装置及び計測装置の構成例を示すブロック図である。 光コムの概念図を示し、（ａ）は第１の光コムを示し、（ｂ）は第２の光コムを示し、（ｃ）は第３の光コムを示す。 第１の光周波数コム生成部の構成例を示すブロック図である。 第２の光周波数コム生成部及び第３の光周波数コム生成部の構成例を示す側面図である。 エタロンの透過特性の一例を示すグラフである。 エタロンによって構成される第２の光周波数コム生成部から出射される第２の光コムの概念図（（ａ）参照）と、エタロンによって構成される第３の光周波数コム生成部から出射される第３の光コムの概念図（（ｂ）参照）である。 従来の光コムを示し、（ａ）は第１の光コムを示し、（ｂ）は第２の光コムを示す。 本実施形態の光信号生成装置が接続される計測装置の概略構成を示すブロック図であり、光信号生成装置の適用例の基本的な機能を示す。 距離測定装置の概略構成図を示す。 繰り返し周波数の異なる２種類の光コムの関係例を示す図であり、（ａ）は繰り返し周波数が１５ＧＨｚの光コム（第２の光コム）を示し、（ｂ）は繰り返し周波数が１４．９ＧＨｚの光コム（第３の光コム）を示す。 図１０の一部を拡大して示した概略図であり、（ａ）は繰り返し周波数が１５ＧＨｚの光コムを示し、（ｂ）は繰り返し周波数が１４．９ＧＨｚの光コムを示し、横軸は長さを示す。 光ヘテロダイン距離計の一例を示す。 他の測長計の一例を示す。 分光特性測定装置の一例を示す。 ２種類の光コムを利用して測定対象レーザの絶対周波数を測定する原理を説明する図であり、（ａ）は第２の光コムを示し、（ｂ）は第３の光コムを示し、横軸は周波数を示す。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。以下の実施形態は繰り返し周波数の異なる２種類の光コムを発生させる光信号生成装置及びその応用に関するが、３種類以上の光コムを発生させる光信号生成装置及びその応用についても同様の装置構成で対応しうる。

＜光信号生成装置＞
図１は、光信号生成装置１０及び計測装置２０の構成例を示すブロック図である。

光信号生成装置１０は、第１の光コムＣ１を生成する第１の光周波数コム生成部１２と、第１の光コムＣ１から第２の光コムＣ２を生成する第２の光周波数コム生成部１６と、第１の光コムＣ１から第３の光コムＣ３を生成する第３の光周波数コム生成部１８とを備える。

第１の光周波数コム生成部１２から出射される第１の光コムＣ１は光束分割部１４に入射し、光束分割部１４は第１の光コムＣ１を分割する。光束分割部１４によって分割された第１の光コムＣ１は、第２の光周波数コム生成部１６及び第３の光周波数コム生成部１８の各々に入射して受光される。なお、光束分割部１４として任意のデバイスを利用することができ、例えば後述のビームスプリッタ等によって光束分割部１４を構成してもよい。

第２の光周波数コム生成部１６及び第３の光周波数コム生成部１８は、それぞれ受光した第１の光コムＣ１から第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３を生成する。

図２は光コムの概念図を示し、（ａ）は第１の光コムＣ１を示し、（ｂ）は第２の光コムＣ２を示し、（ｃ）は第３の光コムＣ３を示す。図２の横軸は周波数ｆを示し、縦軸は光強度を示す。

第１の光コムＣ１、第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３の各々は、周波数の異なる複数の光周波数成分を含み、それぞれの光周波数成分の周波数（ｆ）は、オフセット周波数（ｆ_０）及び繰り返し周波数（ｆ_ｒ）によって「ｆ＝ｆ_０＋ｍ×ｆ_ｒ（「ｍ」は０以上の整数を表す）」によって表される。

特に本実施形態の第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３の各々は、第１の光コムＣ１に含まれる複数の光周波数成分の一部に対応する。すなわち、第１の光コムＣ１に含まれる複数の光周波数成分が「ｆ_０１＋ｍ_１×ｆ_ｒ１（ただし、ｆ_０１はオフセット周波数を表し、ｆ_ｒ１は繰り返し周波数を表し、ｍ_１は０以上の整数を表す）」で表され、第２の光コムＣ２に含まれる複数の光周波数成分が「ｆ_０２＋ｍ_２×ｆ_ｒ２（ただし、ｆ_０２はオフセット周波数を表し、ｆ_ｒ２は繰り返し周波数を表し、ｍ_２は０以上の整数を表す」）で表され、第３の光コムＣ３に含まれる複数の光周波数成分が「ｆ_０３＋ｍ_３×ｆ_ｒ３（ただし、ｆ_０３はオフセット周波数を表し、ｆ_ｒ３は繰り返し周波数を表し、ｍ_３は０以上の整数を表す）」で表される場合、「ｆ_ｒ２＝ｎ×ｆ_ｒ１」及び「ｆ_ｒ３＝ｈ×ｆ_ｒ１」（ただし、「ｎ」及び「ｈ」は整数であって「ｎ≠ｈ」を満たす）が満たされる。この場合、後述のビート信号解析を考慮すると、「｜ｎ−ｈ｜＝１」、「ｆ_ｒ１＜ｆ_ｒ２」及び「ｆ_ｒ１＜ｆ_ｒ３」を満たすことが好ましい。

また本実施形態の第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３は同一の第１の光コムＣ１から作られるため、オフセット周波数が共通し、「ｆ_０２＝ｆ_０３」を満たす。したがって、第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３の間において位相ロックは不要である。

したがって第１の光コムＣ１の規則的に並ぶ光周波数成分（図２（ａ）参照）のうちの一部に対応する周波数成分であって、繰り返し周波数ｆ_ｒ２を満たす複数の光周波数成分によって第２の光コムＣ２が構成され（図２（ｂ）参照）、繰り返し周波数ｆ_ｒ３を満たす複数の光周波数成分によって第３の光コムＣ３が構成される（図２（ｃ）参照）。

これらの関係を満たす第１の光コムＣ１、第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３を生成する手段は特に限定されない。例えば、後述のリング共振器を有する第１の光周波数コム生成部１２（図１参照）によって第１の光コムＣ１を生成し、ファブリー・ペロー・エタロン（以下「エタロン」と呼ぶ）を有する第２の光周波数コム生成部１６及び第３の光周波数コム生成部１８によって第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３を生成することが可能である。

図３は、第１の光周波数コム生成部１２の構成例を示すブロック図である。

本例の第１の光周波数コム生成部１２は、エルビウムドープ非線形ファイバを含むリング共振器によって構成される。具体的には、再結合発光原理を利用した半導体レーザ（レーザダイオード）２３、波長分割多重カプラ２４、出力カプラ２６、波長板２７及び偏光子２８が光ファイバ５１によって繋がれており、特に光ファイバ５１の一部はエルビウム添加光ファイバ２９となっている。

この第１の光周波数コム生成部１２では半導体レーザ２３によって励起され、半導体レーザ２３から出射した光は、光ファイバ５１内を伝搬し、増幅、位相同期及び周波数同期される。増幅、位相同期及び周波数同期された励起光は、パルスとなって出力カプラ２６から光束分割部１４に向かって出射する。

なお光アイソレータ２５は、単一方向（図３中の矢印参照）にのみ光を通過させる性質を有し、光ファイバ５１（リング共振器）内で逆方向に反射された光の進行を防ぐ。また波長板２７及び偏光子２８は、光の波長及び偏向をコントロールする。

図４は、第２の光周波数コム生成部１６及び第３の光周波数コム生成部１８の構成例を示す側面図である。本例の第２の光周波数コム生成部１６及び第３の光周波数コム生成部１８は、ファブリー・ペロー干渉計のうち干渉間距離が固定されたエタロン３０によって構成される。

エタロン３０は一対の反射プレート３２を備え、反射プレート３２間は入射光が反射を繰り返す反射域３４となっている。エタロン３０に光が入射すると、対向する反射プレート３２間で入射光は反射を繰り返し、干渉効果によって特定の波長成分（周波数成分）が強められて反射プレート３２を透過してエタロン３０から出射する。エタロン３０から出射される光の特性は、通常、自由スペクトル領域（フリースペクトルレンジ：Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ：ＦＳＲ）とフィネス（Ｆｉｎｅｓｓｅ）により特定される。

図５は、エタロン３０の透過特性の一例を示すグラフである。図５の横軸はフリンジ次数（ｍ、ｍ＋１、ｍ＋２）を示し、縦軸はエタロン３０（反射プレート３２）からの透過率を示す。一般に、透過帯域の間隔（隣接する透過率ピークの間隔）に基づく「自由スペクトル領域（ＦＳＲ）」と透過ピークの半値全幅である「周波数分解能（ＦＷＨＭ）」とに基づいてエタロン３０の特性が定まり、フィネスＦは「Ｆ＝ＦＳＲ／ＦＷＨＭ」によって定まる。このようにフィネスは干渉縞の鋭さ（シャープネス）の程度を示す指標となる。

図６は、エタロン３０によって構成される第２の光周波数コム生成部１６から出射される第２の光コムＣ２の概念図（（ａ）参照）と、エタロン３０によって構成される第３の光周波数コム生成部１８から出射される第３の光コムＣ３の概念図（（ｂ）参照）である。なお図６（ａ）及び図６（ｂ）の横軸は周波数ｆを示し、縦軸は光強度を示す。

図６に示すように、第１の光コムＣ１に含まれる複数の光周波数成分の一部に対応する周波数成分が、第２の光周波数コム生成部１６及び第３の光周波数コム生成部１８のそれぞれからコム状に出射されて第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３を構成する。

例えば「ｆ_ｒ１＝０．１ＧＨｚ」、「ｆ_ｒ２＝１５ＧＨｚ」及び「ｆ_ｒ３＝１４．９ＧＨｚ」を満たすケースについて説明する。この場合、第１の光コムＣ１の複数の光周波数成分は、１５ＧＨｚの第２の光コムＣ２の光周波数成分と１５０個毎に一致する。また、第１の光コムＣ１の複数の光周波数成分は、１４．９ＧＨｚの第３の光コムＣ３の光周波数成分と１４９個毎に一致する。

このように、第１の光コムＣ１の繰り返し周波数ｆ_ｒ１の整数倍に対応する光周波数成分のみが第２の光周波数コム生成部１６及び第３の光周波数コム生成部１８から出射されるように、第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３の自由スペクトル領域がコントロールされる。これにより、１台の第１の光周波数コム生成部１２によって生成される光コム（第１の光コムＣ１）から繰り返し周波数の異なる複数の光コム（第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３）を高精度に生成することができる。

特に本実施形態では、比較的シンプルな構成を有するエタロンを使うことで、１台の第１の光周波数コム生成部１２から繰り返し周波数の異なる複数種類の光コムを生成することができるため、複数台の光周波数コム生成装置によって複数種類の光コムを生成する場合に比べてコストを抑えることができる。また、複数台の光周波数コム生成装置によって複数種類の光コムを生成するケースでは、一方の光コム（図７（ａ）参照）と他方の光コム（図７（ｂ）参照）との間の位相をロックするための電子回路が必要であったが、本実施形態によれば位相ロックが不要となり、装置構成の複雑化を抑えることができる。

＜応用例＞
上述の光信号生成装置（光信号生成方法）で生成される繰り返し周波数の異なる複数の光コム（第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３）を使った各種の計測手法例について説明する。

図８は、本実施形態の光信号生成装置１０が接続される計測装置２０の概略構成を示すブロック図であり、基本的な機能を示す。

光信号生成装置１０で生成された繰り返し周波数の異なる光コム（第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３）のうち、一方（第２の光コムＣ２）は測定系４２に入射し、他方（第３の光コムＣ３）は、測定系４２を経ることなく、参照光として光混合系４４に入射する。測定系４２では第２の光コムＣ２を使って測定対象の各種の状態量が測定され、測定光（第２の光コムＣ２）は測定系４２から光混合系４４に入射する。光混合系４４では、測定光（第２の光コムＣ２）と参照光（第３の光コムＣ３）との干渉光の周波数差に相当する周波数を持つビート信号が干渉光として作られる。このビート信号は光混合系４４から信号選択系４６に入射する。

信号選択系４６では、ビート信号から所望の信号成分が選択及び抽出される。信号選択系４６で選別された信号成分は選択信号として信号解析系４８に送られ、信号解析系４８は選択信号の解析を行って測定系４２における測定データが導出される。

以下、より具体的な応用例について説明する。

＜距離測定装置＞
本例の距離測定装置は、上述の光信号生成装置１０と、光信号生成装置１０から出射される第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３を用いて測定対象までの距離を測定する測長装置とを備える。

図９は、距離測定装置５０の概略構成図を示す。本例の距離測定装置５０は、ヘテロダイン干渉測長システムに基づいており、参照光と測定光との干渉によるビート信号から測定対象６０までの距離を測定する。

すなわち本例の距離測定装置５０は、ロックインアンプ６２に接続される光周波数コム光源５２と、光ファイバ５１を介して光周波数コム光源５２に接続するビームスプリッタ５３と、光ファイバ５１を介してビームスプリッタ５３に接続する２つのアイソレータ５４と、光ファイバ５１及びコネクタ５５を介して一方のアイソレータ５４と接続される参照光用エタロン５６と、光ファイバ５１及びコネクタ５５を介して他方のアイソレータ５４と接続される測定光用エタロン５７とを備える。図９に示す光周波数コム光源５２、ビームスプリッタ５３、参照光用エタロン５６及び測定光用エタロン５７は、それぞれ図１の第１の光周波数コム生成部１２、光束分割部１４、第３の光周波数コム生成部１８及び第２の光周波数コム生成部１６に対応し、光信号生成装置１０を構成する。

参照光用エタロン５６は光ファイバ５１及びコネクタ５５を介して光検出器６１に接続し、測定光用エタロン５７は光ファイバ５１及びコネクタ５５を介して測定系（サーキュレータ５８及びコリメータ５９）に接続される。測定系のサーキュレータ５８は光ファイバ５１を介して光検出器６１に接続し、光検出器６１はロックインアンプ６２に接続し、ロックインアンプ６２は演算装置６３に接続する。本例の測長装置２１は、これらのサーキュレータ５８、コリメータ５９、光検出器６１、ロックインアンプ６２及び演算装置６３を含む。

光周波数コム光源５２から発せられる第１の光コムＣ１はビームスプリッタ５３によって分割され、分割後の一方の第１の光コムＣ１はアイソレータ５４を介して参照光用エタロン５６に入射し、分割後の他方の第１の光コムＣ１はアイソレータ５４を介して測定光用エタロン５７に入射する。測定光用エタロン５７及び参照光用エタロン５６は、それぞれ受光した第１の光コムＣ１から固有の繰り返し周波数を持つ光コム（第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３）を生成する（図６（ａ）及び（ｂ）参照）。

測定光用エタロン５７で生成された第２の光コムＣ２は、サーキュレータ５８によってコリメータ５９に誘導され、コリメータ５９によって平行光に整えられた状態で測定対象６０に照射される。測定対象６０によって反射される第２の光コムＣ２（測定光）は、コリメータ５９を介してサーキュレータ５８に入射し、サーキュレータ５８によって光検出器６１に誘導される。

光検出器６１には参照光用エタロン５６で生成される第３の光コムＣ３（参照光）と測定対象６０で反射された第２の光コムＣ２（測定光）とが入射し、光検出器６１はこれらの参照光及び測定光が重畳されたビームの光強度を検出し、光強度に対応する信号レベルを持つ電気信号（ビート信号Ｓ１）を生成する。

光検出器６１で生成されたビート信号Ｓ１はロックインアンプ６２に入力され、光周波数コム光源５２からロックインアンプ６２に供給される参照信号Ｓ２とビート信号Ｓ１との位相差がロックインアンプ６２において検出される。そして演算装置６３において、ロックインアンプ６２で検出されたビート信号Ｓ１と参照信号Ｓ２との位相差に基づいて測定対象６０までの距離Ｌが算出される。

参照光用エタロン５６から光検出器６１までの距離を「参照光（第３の光コムＣ３）の光路長」とし、測定光用エタロン５７からサーキュレータ５８、コリメータ５９、測定対象６０、コリメータ５９及びサーキュレータ５８を介して光検出器６１までの距離を「測定光（第２の光コムＣ２）の光路長」とすると、ロックインアンプ６２で検出される上記の位相差は参照光の光路長と測定光の光路長との差に対応する。図９に示す距離測定装置５０の場合、「サーキュレータ５８〜コリメータ５９〜測定対象６０」の光路を第２の光コムＣ２（測定光）は往復するため、ロックインアンプ６２で検出されるビート信号Ｓ１と参照信号Ｓ２の位相差は、サーキュレータ５８から測定対象６０までの距離（光路長差）Ｌの２倍である「２Ｌ」に相当する。

距離測定装置５０は上述のようにして測定対象６０までの距離Ｌを測定・算出することができ、特に光コムを利用することによって測定対象６０までの絶対距離を算出することができる。

具体例として、光周波数コム光源５２（第１の光周波数コム生成部）から発せられる第１の光コムＣ１の繰り返し周波数を０．１ＧＨｚ（１００ＭＨｚ）とし、測定光用エタロン５７（第２の光周波数コム生成部）から発せられる第２の光コムＣ２の繰り返し周波数を１５ＧＨｚとし、参照光用エタロン５６（第３の光周波数コム生成部）から発せられる第３の光コムＣ３の繰り返し周波数を１４．９ＧＨｚとしたケースについて説明する。図１０は、繰り返し周波数の異なる２種類の光コムの関係例を示す図であり、（ａ）は繰り返し周波数が１５ＧＨｚの光コム（第２の光コムＣ２）を示し、（ｂ）は繰り返し周波数が１４．９ＧＨｚの光コム（第３の光コムＣ３）を示す。図１０において横軸は長さＤを示す。

図１０において、繰り返し周波数が１５ＧＨｚの光コム（１５ＧＨｚ光コム：波長＝９．９９３ｍｍ）と繰り返し周波数が１４．９ＧＨｚの光コム（１４．９ＧＨｚ光コム：波長＝１０．０６０ｍｍ）との一致する箇所を０番目（０ｍｍ）とすると、１５０番目の１５ＧＨｚ光コムと１４９番目の１４．９ＧＨｚ光コムが１５００ｍｍにおいて再び一致する。

例えば、ある被測定距離において参照鏡（コーナーリフレクター）を１１ｍｍ程度動かすことで生成される干渉縞の位置に基づいて、被測定長さを判定することができる。１４．９ＧＨｚと１５ＧＨｚとの干渉縞の差から信号の番号を判定することができ、絶対的な長さを計測することができる。例えば、第２の光コムＣ２の繰り返し周波数１５ＧＨｚと第３の光コムＣ３の繰り返し周波数１４．９ＧＨｚとの距離的な間隔が６７μｍ（＝１０．０６０ｍｍ−９．９９３ｍｍ）であり、形成される干渉縞の位置の差が１３４０μｍである場合、１３４０μｍ／６７μｍ＝２０から、その干渉縞が２０番目の信号によるものであることが分かる。

図１１は、図１０の一部を拡大して示した概略図であり、（ａ）は繰り返し周波数が１５ＧＨｚの光コムを示し、（ｂ）は繰り返し周波数が１４．９ＧＨｚの光コムを示し、横軸は長さＤを示す。

図１１に示すように、０番目で一致する１５ＧＨｚ光コムと１４．９ＧＨｚ光コムとは徐々にずれていき、７５０番目において両者のずれ量は約５．０ｍｍとなって最大になる。したがって、この例における理想的なコヒーレンス長は約５．０ｍｍとなり、スペクトル幅Δλが０．５ｎｍの場合にはコヒーレンス長は約４．８０ｍｍとなる。

なお絶対距離を算出する場合、合成波長における位相変化から導き出される測長結果を考慮することで、絶対距離を高精度に算出することができる。例えば基本ビート信号を構成する波長λ_ｓ０による測長結果と、相互に異なる波長λ１、波長λ２、波長λ３及び波長λ４の合成波長による測長結果とを組み合わせることで絶対光路長を精度良く算出することができる。一例として、λ_ｓ０を３ｍとし、λ１とλ２の合成波長を１５ｍｍ（＝λ１×λ２／（λ２−λ１））とし、λ１とλ３との合成波長を７５μｍ（＝λ１×λ３／（λ３−λ１））とし、λ１とλ４との合成波長を１．５μｍ（＝λ１×λ４／（λ４−λ１）＝λ１）とすることができる。

なお本実施形態に係る光信号生成装置１０を利用した距離測定装置５０は特に限定されず、例えば図１２に示す光ヘテロダイン距離計等にも応用可能である。

図１２は、光ヘテロダイン距離計６８の一例を示す。図１２に示す光ヘテロダイン距離計６８を構成する要素のうち、図９に示す距離測定装置５０を構成する要素と同一又は類似する要素には、同一の符号を付し、その要素に関する詳細な説明は省略する。例えば本例の光ヘテロダイン距離計６８における光信号生成装置１０は、図９の距離測定装置５０における光信号生成装置１０と同じ構成を有し、光周波数コム光源５２、ビームスプリッタ５３、参照光用エタロン５６及び測定光用エタロン５７を有する。

参照光用エタロン５６から出射される第３の光コムＣ３（参照光）は、コリメータ５９によって平行光に整えられてビームスプリッタ６６を透過し、コリメータ５９を介して光検出器６１に入射する。一方、測定光用エタロン５７から出射される第２の光コムＣ２（測定光）は、コリメータ５９を介してビームスプリッタ６６に入射し、ビームスプリッタ６６を透過して直進する。ビームスプリッタ６６を通過した測定光は、測定対象６０に照射され、測定対象６０によって反射され、ビームスプリッタ６６に再び入射する。測定対象６０からの測定光はビームスプリッタ６６によって反射され、コリメータ５９を介して光検出器６１に入射する。

光検出器６１が参照光及び測定光からビート信号Ｓ１を生成し、ロックインアンプ６２が光周波数コム光源５２からの参照信号Ｓ２とビート信号Ｓ１とから参照光と測定光との位相差を検出し、演算装置６３がその位相差に基づいて測定対象６０までの距離Ｌを算出する点は、図９の距離測定装置５０と同様である。なお本例の光ヘテロダイン距離計６８においても、「測定対象６０までの距離Ｌ」は、参照光と測定光との光路長差に対応する。したがって、測定光用エタロン５７からビームスプリッタ６６までの光路長と参照光用エタロン５６からビームスプリッタ６６までの光路長を同じにすることで、ビームスプリッタ６６から測定対象６０までの距離が「測定対象６０までの距離Ｌ」となる。

なお図８〜９及び図１２とは異なる測長方式の測長計に本発明を適用してもよく、例えば図１３に示す測長計に本発明が適用されてもよい。図１３に示す測長計を構成する要素のうち、上述の装置を構成する要素と同一又は類似する要素には、同一の符号を付し、その要素に関する詳細な説明は省略する。

本例の測長計では、光周波数コム光源５２から発せられる第１の光コムＣ１は図示しないビームスプリッタによって分割され、第１エタロン５６ａ及び第２エタロン５７ａに入射する。

第１エタロン５６ａは第１の光コムＣ１から第２の光コムＣ２を生成して出力し、また第２エタロン５７ａは第１の光コムＣ１から第３の光コムＣ３を生成して出力し、出力された第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３は図示しないミキサによって合成（混合）されて合成光となる。この合成光は、サーキュレータ８０により誘導されてビームスプリッタ８１に入射し、参照光８９と測定光８８に分割される。なお「第１エタロン５６ａ及び第２エタロン５７ａ」と「サーキュレータ８０」との光スイッチ９０を設けて、サーキュレータ８０に入射させる光成分（光コム）を切り替え可能としてもよい。

参照光８９は、コリメータ８２に入射して平行光に整えられ、その後、ステージ８５の参照光照射部８６に照射される。一方、測定光８８は、コリメータ８３に入射して平行光に整えられ、測定対象６０に照射される。

ステージ８５及び参照光照射部８６は、図示しない圧電素子等によって所定の振幅（例えば１２ｍｍの振幅）及び所定の周波数で正弦波振動させられ、参照光に正弦波状の位相変調が与えられる。

参照光照射部８６によって反射された参照光８９はコリメータ８２を介してビームスプリッタ８１に入射し、測定対象６０によって反射された測定光８８はコリメータ８３を介してビームスプリッタ８１に入射し、ビームスプリッタ８１において参照光８９と測定光８８とは合成される。合成された測定光８８及び参照光８９は、サーキュレータ８０に誘導されて光検出器６１に入射する。

参照光照射部８６によって反射される参照光８９は位相変調されているため、測定光８８及び参照光８９の合成光はこの位相変調に対応する干渉光となって干渉縞を生じる。光検出器６１は、入射する干渉光に対応する電圧信号を負信号カット部（図示省略）に出力し、負信号カット部は、入力する電圧信号の負信号をカットし、正弦波状の位相変調に対応する電圧信号（電圧波形）をロックインアンプ（図示省略）から出力する。なお、カット部の代わりに、絶対値部が設けられてもよい。

ロックインアンプには、参照光に位相変調を与えるステージ８５及び参照光照射部８６の振動周波数（正弦波信号）が加えられており、光検出器６１から出力される電気信号を位相検波する位相検波部として機能し、負信号カット部から入力する入力信号と正弦波信号とを掛け合わせることにより、入力信号の正弦波信号（参照信号）に対する信号位相の関数である電圧信号（直流値）を出力する。そしてこのロックインアンプから出力される電圧信号に基づいて演算装置（図示省略）が被測定長さを算出する。

なお各光路（光ファイバ）はコネクタ５５によって接続されており、例えばサーキュレータ８０とビームスプリッタ８１との間、ビームスプリッタ８１とコリメータ８３との間、ビームスプリッタ８１とコリメータ８２との間、等にコネクタ５５が設けられる。

＜分光特性測定装置＞
本例の分光特性測定装置は、上述の光信号生成装置１０と、光信号生成装置１０から出射される第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３を用いて測定対象のスペクトル特性を計測する分光計測装置とを備える。

図１４は、分光特性測定装置７０の一例を示す。図１４に示す分光特性測定装置７０を構成する要素のうち、図９に示す距離測定装置５０を構成する要素及び図１２に示す光ヘテロダイン距離計６８を構成する要素と同一又は類似する要素には、同一の符号を付し、その要素に関する詳細な説明は省略する。例えば本例の分光特性測定装置７０における光信号生成装置１０は、図９の距離測定装置５０及び図１２の光ヘテロダイン距離計６８における光信号生成装置１０と同じ構成を有し、光周波数コム光源５２、ビームスプリッタ５３、参照光用エタロン５６及び測定光用エタロン５７を有する。

本例の分光計測装置２２は光検出器６１及び演算装置６３を有する。測定光用エタロン５７からの第２の光コムＣ２（測定光）は、測定対象６０に照射され、測定対象６０からビームスプリッタ６６を透過して光検出器６１に入射する。一方、参照光用エタロン５６からの第３の光コムＣ３（参照光）は２つのビームスプリッタ６６により反射されて光検出器６１に入射する。光検出器６１は受光した測定光及び参照光のビート信号を生成し、演算装置６３はこのビート信号を解析して測定対象６０の分光特性を算出する。なお、分光特性の解析手法は任意の手法を用いることができ、公知の分光解析法を利用することができる。

＜その他の装置＞
上述の光ヘテロダイン距離計６８及び分光特性測定装置７０以外の任意の計測装置２０（図１参照）に対しても光信号生成装置１０を適用することができる。

例えば上述の光信号生成装置１０と、光信号生成装置１０から出射される第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３を用いて測定対象の周波数特性を計測する周波数計測装置とを備える周波数特性測定装置に対して本発明を適用してもよい。

図１５は、２種類の光コムを利用して測定対象レーザ７６の絶対周波数を測定する原理を説明する図であり、（ａ）は第２の光コムＣ２を示し、（ｂ）は第３の光コムＣ３を示し、横軸は周波数ｆを示す。

上述のように、第２の光コムＣ２に含まれる複数の光周波数成分は「ｆ_０２＋ｍ_２×ｆ_ｒ２（ただし、ｆ_０２はオフセット周波数を表し、ｆ_ｒ２は繰り返し周波数を表し、ｍ_２は０以上の整数を表す」）で表され、第３の光コムＣ３に含まれる複数の光周波数成分は「ｆ_０３＋ｍ_３×ｆ_ｒ３（ただし、ｆ_０３はオフセット周波数を表し、ｆ_ｒ３は繰り返し周波数を表し、ｍ_３は０以上の整数を表す）」で表される。これらの第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３を使って測定対象レーザ７６の周波数を測定する場合、第２の光コムＣ２に含まれる１つの光周波数成分と測定対象レーザ７６との周波数差（図１５（ａ）の「Δ１」参照）と、第３の光コムＣ３に含まれる１つの光周波数成分と測定対象レーザ７６との周波数差（図１５（ｂ）の「Δ２」参照）とを測定することで、測定対象レーザ７６の絶対周波数が一義的に決定される。

この計測法において、従来の手法では第２の光コムＣ２と第３の光コムＣ３との間でオフセット周波数（ｆ_０２及びｆ_０３）が異なっているため、このオフセット周波数の調整に手間が掛かり不便であった。

一方、上述の光信号生成装置１０によれば、１台の光周波数コムレーザー生成装置（図１の「第１の光周波数コム生成部１２」）から発せられる光コム（第１の光コムＣ１）から、繰り返し周波数の異なる光コム（第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３）が生成される。したがって、第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３は、繰り返し周波数（ｆ_ｒ２及びｆ_ｒ３）が異なっていても、オフセット周波数（ｆ_０２及びｆ_０３）が同じ値になるため、従来必要とされていたオフセット周波数の調整が不要になり、利便性が非常に高い。

このように周波数特性測定装置において上述の光信号生成装置１０を採用することで、従来と同様の周波数計測装置（図１の「計測装置２０」参照）を用いることができる一方で、任意のレーザ周波数の絶対値を精密且つ一義的に決定することができる。特に、１台の光周波数コムレーザー生成装置を光源とするため、第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３も安定しており、不安定な測定対象レーザ７６の周波数の計測及び校正を精度良く行うことができる。また光コム（第２の光コムＣ２及び第３の光コムＣ３）は繰り返し周波数が高いため、光コムの櫛（光周波数成分）の次数の決定が容易である。

１０…光信号生成装置、１２…第１の光周波数コム生成部、１４…光束分割部、１６…第２の光周波数コム生成部、１８…第３の光周波数コム生成部、２０…計測装置、２１…測長装置、２２…分光計測装置、２３…半導体レーザ、２４…波長分割多重カプラ、２５…光アイソレータ、２６…出力カプラ、２７…波長板、２８…偏光子、２９…エルビウム添加光ファイバ、３０…エタロン、３２…反射プレート、３４…反射域、４２…測定系、４４…光混合系、４６…信号選択系、４８…信号解析系、５０…距離測定装置、５１…光ファイバ、５２…光周波数コム光源、５３…ビームスプリッタ、５４…アイソレータ、５５…コネクタ、５６…参照光用エタロン、５６ａ…第１エタロン、５７…測定光用エタロン、５７ａ…第２エタロン、５８…サーキュレータ、５９…コリメータ、６０…測定対象、６１…光検出器、６２…ロックインアンプ、６３…演算装置、６６…ビームスプリッタ、６８…光ヘテロダイン距離計、７０…分光特性測定装置、７６…測定対象レーザ、８０…サーキュレータ、８１…ビームスプリッタ、８２…コリメータ、８３…コリメータ、８５…ステージ、８６…参照光照射部、８８…測定光、８９…参照光、９０…光スイッチ

Claims (10)

1. 第１の光コムを生成する第１の光周波数コム生成部と、
   前記第１の光コムを受光して当該第１の光コムから第２の光コムを生成する第２の光周波数コム生成部と、
   前記第１の光コムを受光して当該第１の光コムから第３の光コムを生成する第３の光周波数コム生成部とを備え、
   前記第１の光コムに含まれる複数の光周波数成分は、ｆ_０１＋ｍ_１×ｆ_ｒ１（ただし、ｆ_０１はオフセット周波数を表し、ｆ_ｒ１は繰り返し周波数を表し、ｍ_１は０以上の整数を表す）で表され、
   前記第２の光コムに含まれる複数の光周波数成分は、ｆ_０２＋ｍ_２×ｆ_ｒ２（ただし、ｆ_０２はオフセット周波数を表し、ｆ_ｒ２は繰り返し周波数を表し、ｍ_２は０以上の整数を表す）で表され、
   前記第３の光コムに含まれる複数の光周波数成分は、ｆ_０３＋ｍ_３×ｆ_ｒ３（ただし、ｆ_０３はオフセット周波数を表し、ｆ_ｒ３は繰り返し周波数を表し、ｍ_３は０以上の整数を表す）で表され、
   ｆ_ｒ２＝ｎ×ｆ_ｒ１及びｆ_ｒ３＝ｈ×ｆ_ｒ１（ただし、ｎ及びｈは整数であってｎ≠ｈを満たす）が満たされる光信号生成装置。
2. 前記第１の光コム、前記第２の光コム及び前記第３の光コムの各々は、周波数の異なる複数の光周波数成分を含み、
   前記第２の光コム及び前記第３の光コムの各々は、前記第１の光コムに含まれる前記複数の光周波数成分の一部に対応する請求項１に記載の光信号生成装置。
3. ｜ｎ−ｈ｜＝１を満たす請求項１又は２に記載の光信号生成装置。
4. 第１の光コムを生成する第１の光周波数コム生成部と、前記第１の光コムを受光して当該第１の光コムから第２の光コムを生成する第２の光周波数コム生成部と、前記第１の光コムを受光して当該第１の光コムから第３の光コムを生成する第３の光周波数コム生成部とを備える光信号生成装置と、
   前記光信号生成装置から出射される前記第２の光コム及び前記第３の光コムを用いて測定対象までの距離を測定する測長装置とを備える距離測定装置。
5. 前記第１の光コム、前記第２の光コム及び前記第３の光コムの各々は、周波数の異なる複数の光周波数成分を含み、
   前記第２の光コム及び前記第３の光コムの各々は、前記第１の光コムに含まれる前記複数の光周波数成分の一部に対応する請求項４に記載の距離測定装置。
6. 前記第１の光コムに含まれる複数の光周波数成分は、ｆ_０１＋ｍ_１×ｆ_ｒ１（ただし、ｆ_０１はオフセット周波数を表し、ｆ_ｒ１は繰り返し周波数を表し、ｍ_１は０以上の整数を表す）で表され、
   前記第２の光コムに含まれる複数の光周波数成分は、ｆ_０２＋ｍ_２×ｆ_ｒ２（ただし、ｆ_０２はオフセット周波数を表し、ｆ_ｒ２は繰り返し周波数を表し、ｍ_２は０以上の整数を表す）で表され、
   前記第３の光コムに含まれる複数の光周波数成分は、ｆ_０３＋ｍ_３×ｆ_ｒ３（ただし、ｆ_０３はオフセット周波数を表し、ｆ_ｒ３は繰り返し周波数を表し、ｍ_３は０以上の整数を表す）で表され、
   ｆ_ｒ２＝ｎ×ｆ_ｒ１及びｆ_ｒ３＝ｈ×ｆ_ｒ１（ただし、ｎ及びｈは整数であってｎ≠ｈを満たす）が満たされる請求項４又は５に記載の距離測定装置。
7. ｜ｎ−ｈ｜＝１を満たす請求項６に記載の距離測定装置。
8. 前記第２の光周波数コム生成部及び前記第３の光周波数コム生成部は、ファブリー・ペロー・エタロンを有する請求項４〜７のいずれか一項に記載の距離測定装置。
9. 前記第１の光コムを分割する光束分割部を更に備え、
   前記光束分割部によって分割された前記第１の光コムは前記第２の光周波数コム生成部及び前記第３の光周波数コム生成部によって受光される請求項４〜８のいずれか一項に記載の距離測定装置。
10. 第１の光コムを生成するステップと、
    当該第１の光コムから第２の光コムを生成するステップと、
    当該第１の光コムから第３の光コムを生成するステップとを含み、
    前記第１の光コムに含まれる複数の光周波数成分は、ｆ_０１＋ｍ_１×ｆ_ｒ１（ただし、ｆ_０１はオフセット周波数を表し、ｆ_ｒ１は繰り返し周波数を表し、ｍ_１は０以上の整数を表す）で表され、
    前記第２の光コムに含まれる複数の光周波数成分は、ｆ_０２＋ｍ_２×ｆ_ｒ２（ただし、ｆ_０２はオフセット周波数を表し、ｆ_ｒ２は繰り返し周波数を表し、ｍ_２は０以上の整数を表す）で表され、
    前記第３の光コムに含まれる複数の光周波数成分は、ｆ_０３＋ｍ_３×ｆ_ｒ３（ただし、ｆ_０３はオフセット周波数を表し、ｆ_ｒ３は繰り返し周波数を表し、ｍ_３は０以上の整数を表す）で表され、
    ｆ_ｒ２＝ｎ×ｆ_ｒ１及びｆ_ｒ３＝ｈ×ｆ_ｒ１（ただし、ｎ及びｈは整数であってｎ≠ｈを満たす）が満たされる光信号生成方法。

Images