JPH03216530A - 導波路分散測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野１ 本発明は、ピコ秒以下の時間幅の光パルスを発生するた
めの導波路型光源または該光パルスを増幅する導波路型
光増幅器または該光パルスを伝達する導波路の各々、ま
たはそれらの集合体の波長分散特性を高精度に測定する
方法および装置に関するものである。

［従来の技術ｌ 近年、ピコ秒以下の時間幅の光パルスの発生技術の開発
が盛んに進められている。その結果、時間幅の短いパル
スの発生または伝達に際しては、その発生・増幅または
伝達に使用する導波路型部品、または該部品の集合体で
ある光学路の波長分散特性がパルスの形状に大きく影響
することが明らかになってきた。すなわち、例えば、波
長分散特性が急激に変化するような光学路を短い時間暢
の光パルスが通過すると、波形が著しく変形を受けると
いう現象が起きる．また、波長分散特性が急激に変化す
る光学部品を用いたのでは時間幅の短い光パルスの発生
自体がそもそも困難であるというような問題がある。こ
れを防ぐためには、上記の波長分散特性を最小に抑える
必要があり、このような波長分散特性の制御のためにも
該分散特性の測定法の開発が強く望まれる状況にあった
． 時間幅の短い光パルスの変形に直接関与するのは、導波
路型部品または該部品の集合体である光学路（以下これ
らを総称して光導波系という）の波長分散特性のうちで
も群速度分散と呼ばれる部分である．短光パルスが光導
波系を通過する際に光信号の伝播速度（群速度）が光の
波長ごとに異なると、該光導波系通過に要する時間いわ
ゆる群遅延時間が波長に依存するようになる．ここで、
例えば、群遅延時間が長波長ほど短い光導波系を光パル
スが通過する場合を考えると、通過後にはパルス中の短
波長成分が相対的に長波長成分に対して遅れることにな
り、結果的にパルスの時間幅が広がってしまうことにな
る．これが群速度分散によるパルスの変形の直観的な説
明である。

光の角周波数ω（波長えとの間に２πＣ／λの関係があ
る．Ｃは真空中の光速度である）に対する光導波系の波
長分散特性なθ（ω）とするとき、群遅延時間τ（ω）
および群速度分散Ｄ（ω）は各々次のように表される。

て（ω）＝ｄθ（ω）／ｄω　　　　（１）Ｄ《ω）＝
ｄτ（ω）／ｄω　　　　　（２）そして、例えば、一
定の群速度分散Ｄを持つ先導波系において、幅Ｔのガウ
ス型のパルスの該光導波系通過後のパルス幅は Ｔ　（ｔ　＋４　［Ｄ／Ｔ”　）　８）　１／”に広が
ることが知られている。これから明らかなように、パル
スの広がりを抑えるためには、Ｄ＝０、すなわち光導波
系の群速度分散をゼロにすることが必要である。

さて、（２）式より、群遅延時間を測定すれば、その微
分を取ることにより群速度分散を知ることができ、この
原理に基づく群速度分散測定方法が第４図に示すように
提案されていた．次に、この従来法について概要を説明
する。すなわち，この従来法では、先導波系の群遅延時
間を干渉計を用いて測定するようになっている． 第４図において、白色光源ｌの発生する平行光束から可
変光学フィルタ２により特定の波長帯域が抽出され、更
に偏光子３により所望の向きの直線偏光成分が取り出さ
れる．この光束が、半透鏡４および７、固定鏡５および
６、プリズム入射用固定鏡８および９、可動プリズムｌ
Ｏから構成されるマツハツェンダ干渉計に入射する．被
測定光導波系ｌ２は結合レンズｌ３およびｌ４を介して
上記マツハツェンダ干渉計の腕の一方に挿入されている
．この干渉計を出射した光の光強度を光検出器１１によ
り測定する。マツハツェンダ干渉計の両方の腕の間の相
対的光路長差を可動プリズムｌＯの移動により変化させ
ると，光検出器１１の出力信号には光の干渉現象に起因
する振動が現われる．マツハツエンダ干渉計の両方の腕
の間の相対的光路長差を光速度で除した数値を干渉計の
遅延時間差と称し，上記振動（干渉信号）の振幅が最大
となる遅延時間差を求め、その値を被測定光導波系の群
遅延時間と見做す。そして可変光学フィルタ２の中心波
長を変化させて以上の測定を繰り返すことにより、各波
長に対する遅延時間を求めてい《。

本従来法による測定結果の典型例を第５図に示す．図中
には、可変光学フィルタの中心波長を１．３μｍ．１４
μＩおよび１．５μ騰に設定した場合の干渉信号が表示
されている。各々の干渉信号が最大となる遅延時間を滑
らかに結んだ線（太線）が各波長に対する群遅延時間で
ある。

１発明が解決しようとする課題ｌ 次いで、かかる従来技術の問題点について議論しよう。

上述した従来の方法では、干渉信号が最大となる遅延時
間差が測定しようとする群遅延時間に常に正し《一致す
るのは，被測定光導波系の透過特性 Ｔ（ω）＝ＩＴ（ω）ｌｅｘｐ　　［ｉθ（ω）］（ｉ
は虚数単位） に対し以下の条件の満たされる場合に限られる．すなわ
ち、可変光学フィルタの中心波長ω。、透過帯域幅Δに
対し、 ＩＴ（ω）１〜一定　　　　　　　　　（３》θ（ω）
〜θ（ω。）＋（ω一ω。）で（ω。）（１ω−ω。１
〈Δ）（４） 《３》式は、非測定光導波系の吸収がフィルタの帯域幅
中で変化しないことを要請する．続＜（４）式の条件は
、フィルタの帯域中での被測定光導波系の位相変化は、
すべて測定しようとしている群遅延時間に起因すると見
做せることを意味する。すなわち、別の言い方をすると
、より高次（ωについて２次以上）の項が無視できるほ
ど小さいことが要請されているのである．解析学の教え
るところによれば、光導波系の透過特性ＩＴ（ω》　１
および位相特性θ（ω）が連続的に変化しさえすれば（
これは自然界で一般に満たされる）、フィルタの透過帯
域幅Δを十分に小さく取れば、常に上記の２条件を満足
することは可能である．ところが、以下に述べるところ
により透過帯域幅Δを必要以上に小さく取ることは望ま
しくない。

第５図のような干渉信号の振幅が最大となる遅延時間を
高精度に求めるには、干渉信号の包絡線の幅が狭いほう
が有利である。ところが、ここで包絡線の幅は、上紀フ
ィルタの透過帯域幅Δに反比例することがすぐにわかる
．従って、測定精度の観点からは、透過帯域幅Δを大き
く取ることが必要である。かくして、かかる従来の方法
では、測定法の原理的妥当性を保つためにΔを小さ《取
る必要がある一方で、測定精度を高くするためにはΔを
大きくするのが望ましいという、Δの大きさについての
相反する要請が生じることになる。

従来の技術ではこの両要請の妥協点として最適の透過帯
域幅Δを決めようとしていたが、ここで問題となるのは
、第１の要請の内容に被測定量τ（光導波系の群遅延時
間）自体が含まれていることであった。つまり、先導波
系の群遅延時間の変化の激しい波長では相対的にフィル
タの透過帯域幅は狭く取るのが望ましいが、測定に先立
ってこのような最適化を行うことは不可能である。つま
り、ある波長での先導波系の群遅延時間の変化が激しい
か否かは測定を待って初めて明らかになるのである。

結果としては，厳密な帯域幅の最適化は非現実的で、測
定精度に多少の犠牲を払い、安全を見込んで小さめに設
定した帯域幅をもって全波長の測定を行なわざるを得な
い． ところが、時として、光導波系の群遅延時間の変化が見
込み以上の激しい箇所があると、第６図に示すような干
渉信号を得る結果となる．この結果は，■．３μ■帯で
発振する半導体レーザに発振しきい値以下の電流注入を
行なったものを被測定光導波系として得られたものであ
る．ここで、第６図の波長１．３０μ園および１．３５
μ鵬の場合をみると、干渉信号は単峰性ですらな《、字
義通り振幅の最大点を与える遅延時間を強引に求めても
上記波長における正確な群遅延時間は得られないわけで
ある．その理由は、レーザ共振器の多重干渉効果により
、例えば本例の波長１．３０μｌ付近では、波長が僅か
０．００１　ｕｔｓ変化する間に群遅延時間は実は０．
６ｐｓ以上変化しているはずだからである。

本例では、フィルタの帯域幅を０．０１μ簡に設定して
いるので、この急速な群遅延時間の変化は完全に平均化
されてしまって全く検知できない。この場合、正しい畔
遅延時間を得るためには、フィルタの帯域幅を少な《と
も１００倍狭《設定し直したうえで再測定を行うことが
必要ということになる。

上述したように、従来法では、可変光学フィルタの帯域
幅の設定を、被測定光導波系の特性に応じて変化させる
という見通しの悪い手続きを免れない。このため、時と
して、第６図の例に見られるように、再測定が必要とな
っていた。ただでさえ、測定波長点ごとに干渉計の遅延
時間の掃引が必要なうえ、かくのごとき再測定まで迫ら
れるので、上記従来技術は測定の迅速性を欠くものと言
わざるを得ない。さらに按ずるに、測定が上首尾になさ
れる場合には、必ず、広い幅を有する干渉信号の包絡線
の、判然としに《い最大点の、幅に比して微小なシフト
から群遅延時間を測定することになっていた。このため
、高い精度を得ることが困難であった． 上に述べたような従来の技術の問題点が何に起因するも
のであるかという点について、本発明者が鋭意検討した
結果、上記問題点は、従来法においては、その測定が観
測される干渉信号の振幅の絶対値（包絡線）のみに注目
し、その干渉信号の位相に含まれる情報を使うことなく
捨て去っていることに起因するものであることを突き止
めた。

この点を理解するために，従来法でフィルタの帯域幅を
無限に狭くした場合を考えてみよう。この場合には、干
渉信号の振幅は至る所で一定となり、明らかに従来法で
は何の情報も得られない．しかし、この場合においても
干渉信号には被測定光導波系の位相特性分だけの位相ず
れが生じているわけで、それを検出することができれば
、測定波長における被測定光導波系の位相特性が測定可
能となることがわかる。そして、このような測定を波長
を変えつつ行ない、各波長における位相持性の変化率（
微分）を取れば、式（１）の定義により被測定光導波系
の各波長における群遅延時間を得ることができるのは明
らかであろう。

この思考実験から判明することは、光導波系の位相特性
というものが、本来、干渉信号の位相に最も良《反映さ
れるという事実である。従来法では、この個別の波長に
ついてそれぞれ得られる干渉信号を、フィルタの帯域幅
にわたってすべて重畳してできた干渉信号の包絡綿から
、間接的に個別の干渉信号間の位相差を推定していたの
に他ならないのである。そして、この推定を正しく行な
う条件が式（３）および《４｝で表されていたわけであ
る。一方、干渉信号の位相を直接測定する方法にあって
は、か《のどとき被測定光導波系の位相特性に依存する
ような条件は原理的に存在しないのである。

以上の点に鑑みて、本発明の目的は、上記従来法の問題
点を解決し、迅速かつ高精度に光導波系の分散を測定す
ることのできる測定方法および装置を提供することにあ
る。

］課題を解決するための手段１ 本発明は、以上の考察に基づいて、干渉信号の位相を測
定することによって、被測定分散光導波系の分散特性を
測定する， すなわち，本発明方法は、広い連続スペクトルを有する
平行光束を第１および第２の光束に分岐し、該第１の光
束を被測定光導波系を配置した第１の光路に通過させ、
前記第２の光束を光路長が可変である光学路を配置した
第２の光路を通過させ、前記被測定光導波系を通過した
第１の出力光と前記光学路を通過した第２の出力光とを
結合して干渉光を生じさせ、その干渉光の強度を検出し
、前記光学路の光路長を変化させつつ、前記第１の光路
と前記第２の光路との間の相対的光路長差が一定量変化
する度毎に、前記干渉光の強度の検出出力を時系列の形
態で記録し、その記録されたデータをフーリエ変換して
得られる周波数領域での位相情報から前記被測定光導波
系の波長分散特性を測定することを特徴とする。

本発明装置の第１形態は、広い連続スペクトルを有する
平行光束を発生する光源と、該光源から発生する平行光
束を第１および第２の光束に分岐する分岐手段と、前記
第１の光束を第１の結合レンズを介して被測定光導波系
を通過させ、第２の結合レンズにより再び平行光束とす
る第１の光路と、前記第２の光束を第３レンズを通過さ
せ、および該第３レンズの後側焦点の位置に前側焦点が
一致するように配置された第４レンズにより再び平行光
束とする第２の光路と、該第２の光路に挿入され、当該
第２の光路の光路長を可変とする光学手段と、前記第１
および第２の光束を結合して干渉光を取り出す結合手段
と、該結合手段から得られる干渉光の強度を電気信号に
変換する光検出器と，前記光学手段により前記第２の光
路の光路長を変化させつつ、前記第１の光路と前記第２
の光路との間の相対的光路長差が一定量変化する度毎に
、前記光検出器からの出力を時系列の形態で記録する記
録手段と、該記録手段により記録されたデータをフーリ
エ変換して周波数領域での位相情報を得る手段とを具え
、前記第３レンズと第４レンズのいずれか一方が、前記
第１の結合レンズと光学的性質が同一であって、かつ他
方が前記第２の結合レンズと光学的性質が同一であるよ
うに構成し、前記位相情報から、前記被測定光導波系の
波長分散特性を測定するようにしたことを特徴とする。

本発明装置の第２形態は、広い連続スペクトルを有する
平行光束を発生する光源と、該光源から発生する平行光
束を第１および第２の光束に分岐する分岐・結合手段と
、前記第１の光束を第１の結合レンズを介して被測定光
導波系を通過させ、第２の結合レンズにより再び平行光
束とし、その平行光束を固定鏡で反射し、前記第２の結
合レンズを介して再度前記被測定光導波系を通過させ，
前記第１の結合レンズにより平行光束となし、その平行
光束を前記分岐・結合手段に導く第１の光路と、前記第
２の光束を第３レンズを通過させ、および該第３レンズ
の後側焦点の位置に前側焦点が一致するように配置され
た第４レンズにより再び平行光束となし、その平行光束
を可動鏡で反射させ，その反射光を前記第４レンズを通
過させてから前記第３レンズにより平行光束となし、そ
の平行光束を前記分岐・結合手段に戻す第２の光路と、
前記分岐・結合手段において、前記第１および第２の光
束を結合して取り出される干渉光の強度を電気信号に変
換する光検出器と、前記可動鏡の位置を前記第２の光路
に平行な方向に移動させつつ、前記第１の光路と前記第
２の光路との間の相対的光路長差が一定量変化する度毎
に、前記光検出器からの出力を時系列の形態で記録する
記録手段と、該記録手段により記録されたデータをフー
リエ変換して周波数領域での位相情報を得る手段と、を
具え、前記第３レンズと第４レンズのいずれか一方が前
記第１の結合レンズと光学的性質が同一であって、かつ
他方が前記第２の結合レンズと光学的性質が同一である
ように構成し、前記位相情報から、前記被測定光導波系
の波長分散特性を測定するようにしたことを特徴とする
。

本発明装置の第３形態は、広い連続スペクトルを有する
平行光束を発生する光源と、該光源から発生する平行光
束を第１および第２の光束に分岐する分岐・結合手段と
、前記第１の光束を第１の結合レンズを介して被測定光
導波系を通過させ、第２の結合レンズにより再び平行光
束とし、その平行光束を固定鏡で反射し、前記第２の結
合レンズを介して再度前記被測定光導波系を通過させ、
前記第１の結合レンズにより平行光束となし、その平行
光束を前記分岐・結合手段に導く第１の光路と、前記第
２の光束を第３レンズを通過させ、および該第３レンズ
の後側焦点の位置に前側焦点が一致するように配置され
た第４レンズにより再び平行光束となし、その平行光束
を可動鏡で反射させ、その反射光を前記第４レンズを通
過させてから前記第３レンズにより平行光束となし、そ
の平行光束を前記分岐・結合手段に戻す第２の光路と、
前記分岐・結合手段において、前記第１および第２の光
束を結合して取り出される干渉光の強度を電気信号に変
換する第１の光検出器と、長さの基準光源としての直線
偏光の単色光源と、該単色光源からの直線偏光を、前記
分岐・結合手段を介して前記第１の光路の前記固定鏡に
導いて反射させて再び前記分岐・結合手段に導くと共に
、前記第２の光路を介して円偏光に変換して前記分岐・
結合手段に導《手段と、前記分岐・結合手段から得られ
る干渉光を互いに９０度の位相差を有する２つの偏光成
分に分離する手段と、当該２つの偏光成分をそれぞれ個
別に受光して電気信号に変換する第２および第３の光検
出器と、該２つの光検出器からの２つの電気信号に応じ
て、前記第１および第２の光路間の光路長差が、前記基
準光源の光波長により定められた一定量だけ変化する度
毎にトリガパルスを発生する手段と、前記可動鏡の位置
を前記第２の光路に平行な方向に移動させつつ、前記ト
リガパルスのタイミングで前記第１の光検出器からの出
力を時系列の形態で記録する記録手段と、該記録手段に
より記録されたデータをフーリエ変換して周波数領域で
の位相情報を得る手段とを具え、前記第３レンズと第４
レンズのいずれか一方が前記第１の結合レンズと光学的
性質が同一であって、かつ他方が前記第２の結合レンズ
と光学的性質が同一であるように構成し、前記位相情報
から、前記被測定光導波系の波長分散特性を測定するよ
うにしたことを特徴とする。

【作　用１ 本発明によれば、白色光源の発生する光を平行光束とし
、この平行光束を被測定光導波系を干渉計の一方の光路
に挿入し、この光導波系への光結合に用いる結合レンズ
と光学的性質の同一な補正レンズを干渉計の他方の光路
に挿入し、その干渉計に入射して生じた干渉光の強度を
、光検出器にて電気信号に変換して測定し、ここで、干
渉計の相対的光路長差が一定量変化する度毎に光検出器
からの出力を逐一時系列的に記録し、その記録データを
フーリエ変換して得られる周波数領域での位相情報から
、被測定光導波系の波長分散特性を測定するようにした
ので、被測定光導波系の分散特性を、結合レンズの分散
特性の影響を受けずに，必要な全波長にわたって、迅速
かつ高精度に測定することができる。

［実施例１ 以下に図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図に本発明の第１実施例の構成を示す。

第１図において、白色光源１の発生する平行光束から偏
光子３により所望の向きの直線偏光成分が取り出される
。この光束が、半透鏡４および７、固定鏡５および６、
プリズム入射用固定鏡８および９、可動プリズムｌＯか
ら構成されるマツハツェンダ干渉計に入射する．被測定
光導波系ｌ２は結合レンズｌ３およびｌ４を介して上記
マツハツエンダ干渉計の腕の一方に挿入されている．こ
の構成では、被測定光導波系ｌ２以外の光学要素の分散
の影響を極力取り除くために、可動プリズムｌＯを含む
干渉計の腕に結合レンズｌ３およびｌ４の分散を補正す
るための補正レンズｌ５およびｌ６を挿入し、さらに可
動プリズムｌＯ自体としても分散の小さい表面反射型の
ものを用いる。干渉計を出射した光の光強度を光検出器
１１により測定する。

マツハツェンダ干渉計の両方の腕の間の相対的光路長差
を可動プリズム１０の移動により変化させると、光検出
器１１の出力信号には光の干渉現象に起因する振動が現
われる。この信号を逐一波形記憶装置ｌ７に記録する。

しかる後、記録された信号を計算機ｌ８によりフーリエ
解析する．フーリエ解析の結果として得られた各周波数
毎の、すなわち各フーリエ成分の位相が先導波系ｌ２の
位相特性を与える．ここで、周波数と波長の間は既に説
明した一定の関係で結ばれているので、波長分散特性が
得られたことになる。

以上の手続きによって光導波系の位相特性が得られる理
由について詳しく議論する前に、本発明と従来方法との
差異につき一言述べる．まず，見して、本発明では従来
法にあった可変光学フィルタ２が使用されていないこと
が理解されるであろう．しかし、可変光学フィルタ２が
使用されていないことをもってして本発明が従来法の一
部であると理解するとしたらそれは全くの誤りである。

すなわち、従来法においては、可変光学フィルタ２は欠
くべからざる構成要素であるのに対し、本発明ではこの
フィルタは全く不用である。

前述した本発明における測定手順に示されたごとく、本
発明では、全部の波長に対する測定は、可動プリズム１
０を１周期分移動させることによって、すなわち１回の
干渉計の掃引のうちに終了する。もしも、本発明におい
て何らかのフィルタが用いられるものとすると、１回の
干渉計掃引によって得られる位相特性はそのフィルタの
透過帯域内の波長に対するものに制限されてしまい、こ
のような方法は本発明の利点を寧ろ減殺するものとなる
。

本発明と従来法との差異の最たるものは、先に簡単に述
べたごとく、本発明では干渉信号を位相を含めて検出す
ることを原理としているのに対し、従来法では干渉信号
の振幅（包絡線）のみを用いていたことに存する．この
ため、本発明では干渉信号を逐一記録するのに対し、従
来法では、干渉信号の振幅変化だけを記録すれば、すな
わち包絡線だけを観察すれば、原理的に十分であった．
これら両方式の根本的相違は、本発明では光導波系の位
相特性を直接測定するのに対し、従来法では位相特性の
微分である群遅延時間（式（１）参照）が直接測定量と
されていることに存するとも言えるわけである。

第２図は、本発明で用いる干渉計の形式を第１ずの実施
例におけるマツハツェンダ干渉計からマイケルソン干渉
計に変えるようにした本発明の第２実施例を示す。

第２図において、白色光源１の発生する平行光束から偏
光子３により所望の向きの直線偏光成分が取り出される
．この光束が、半透鏡４、固定鏡２０および可動鏡ｌ９
から構成されるマイケルソン干渉計に入射する．被測定
光導波系ｌ２は結合レンズｌ３および１４を介して上記
マイケルソン干渉計の腕の一方に挿入されている．この
構成では、被測定光導波系ｌ２以外の光学要素の分散の
影響を極力取り除くために、可動鏡ｌ９を含む干渉計の
腕に結合レンズ１３およびｌ４の分散を補正するための
補正レンズｌ５およびｌ６を挿入し、さらに半透鏡４の
ガラスの分散を相殺する補正板２ｌをも配置する．この
干渉計を出射した光の光強度を光検出器１ｌにより測定
する。マイケルソン干渉計の両方の腕の間の相対的光路
長差を可動鏡１９の移動により変化させると、光検出器
１１の出力信号には光の干渉現象に起因する振動が現わ
れる。この信号を逐一波形記憶装置ｌ７に記録し、しか
る後、記録された信号を計算機１８によりフーリエ解析
する。フーリエ解析の結果として得られた各周波数毎の
、すなわちフーリエ成分の位相が光導波系ｌ２の位相特
性を与える。

ここで、本発明の第１および第２実施例の構成に共通な
本発明の原理について詳述する。

今、干渉計の遅延時間差の掃引を−■からＴまで行ない
（第１図の実施例では可動鏡プリズムｌＯを後退し、第
２図の実施例では可動鏡ｌ９を後退する）、この掃引中
、波形記憶装置ｌ７は、時間刻みΔＴ（相対的光路長差
で表現するときには、このΔＴに光速度を乗ずればよい
）ごとに干渉信号を逐一採取するものとする。採取され
たデータ点数ＮはＮ＝　２Ｔ／Δ丁となる。この信号デ
ータを計算機ｌ８によってフーリエ変換すると、サンプ
リング定理により、各周波数の刻みΔω；π／（２Ｔ）
をもって、ω＝Ｏからω＝π／Δ丁までＮ／２個のフー
リエ成分に分解される。ここで現われたωの上端は、良
く知られたナイキスト周波数を角周波数の形に表したも
のである。この上端ω８は、被測定光導波系ｌ２の位相
特性をある波長域で測定しようとしたときには、波長域
の短波長λ，に対応する光の角周波数ω，＝２πＣ／λ
，よりも大きいことが必要である． さて、被測定光導波系ｌ２がない場合の干渉信号をフー
リエ変換して得た出力は、光源１から発生した光のスペ
クトルＵ（ω）に等しい．ここで、スペクトルは常に正
の実数であることに注意されたい。すなわち、被測定光
導波系ｌ２のない場合（ブランクサンプル）、干渉信号
のフーリエ変換結果の複素数としての位相は必ず０であ
る。次に、ここで透過特性Ｔ（ω）＝ＩＴ（ω）ＩＸｅ
ｘｐ　［　ｉθ（ω）ｌの光導波系ｌ２が干渉計の腕の
一方に挿入された場合には、上記フーリエ変換結果はＴ
（ω）Ｕ（ω冫となるので、この結果の複素数としての
位相はＴ（ω）の位相にＵ（ω）の位相を加えたものに
等し《なる。ここで、Ｔ（ω）の位相はθ（ω）であり
、一方上述のごと《、Ｕ（ω）の位相はＯなので、上記
フーリエ変換の結果の位相は正に先導波系ｌ２の位相特
性θ（ω）に等しくなることがわかる．かくしてフーリ
エ変換の結果の位相が、直接、被測定光導波系ｌ２の位
相特性を与えることがわかる。ここでの議論では、フー
リエ変換の結果が恰も連続変数関数のように扱ったが、
前述したように、実際に得られるのは刻みΔω間隔での
離散的な周波数についての値である。その場合でも、先
導波系の位相特性がΔω間隔での離敗的な角周波数につ
いて求まると読み換えれば、ここでの議論が妥当する。

間隔Δωはデータ点数Ｎに反比例するので、干渉計の掃
引範囲を大きくしてＮを増せば、いくらでも細かい（角
）周波数刻みをもって光導波系１２の位相特性を求める
ことが可能である。

さて、良《知られているように、離散データ（標本化デ
ータとも呼ばれる）のフーリエ変換では、原信号中にナ
イキスト周波数を越える周波数成分が存在すると、それ
が折り返されてナイキスト周波数以下の部分と重なって
しまう．これを折り返し（ａｌｉａｓｉｎｇ：エイリア
シング）と呼ぶ．この現象が生ずると上記議論が成り立
たず、正しい測定が行なわれない．これを避けるために
は次の２つの方法が考えられる．第１の方法は、光源ｌ
の直後にナイキスト周波数以上の（より短波長の）光成
分を阻止する光学フィルタを挿入する方法である．第２
の方法は、信号を採取する際の遅延時間の刻みΔＴを十
分小さくすることにより、ナイキスト周波数を、光源１
の持つ光成分，または光検出器１１の感度域、または半
透鏡４のガラスの透過域よりも高く（より短波長に）設
定する方法である。

これら２つの方法は、実は本質的には同じであり、まと
めて、分岐光路以外の何処かで光の帯域の制限を行なう
ということができる．ここで、分岐光路とは、光源から
の光が半透鏡４で分岐された後、分岐された２光束が再
びｌ光束に合流されるまでに辿る光路を言う．分岐光路
上で両光束に対し等し《ない影響が加わると、本発明実
施例ではその影響がすべて被測定光導波系ｌ２に起因す
ると認識される．従って、上配帯域制限は分岐光路上で
行なわれるべきではない．その理由は、現実に存在する
いかなる波長制限手段においても、分岐光路内でそれを
実行しようとして干渉系の両方の腕に均等に影響を与え
るように各々個別の素子を挿入したとしても、本発明方
法の感度を越えて十分相等しい影響を、分岐光路の各々
に挿入した個別の素子によって及ぼすことを期待しがた
いからである． さて，既に説明したように本発明では、先導波系の位相
特性の測定波長域の短波長端λ，に対して ΔＴ〈λＬ／（２０）　　　　　　（ｃは光速度）を満
たす一定の遅延時間間隔ΔＴおきに干渉信号を測定する
ことが必要である．この式は、ナイキスト（角）周波数
についての上述の条件ω８〉ω，から導かれる。干渉計
の遅延時間差は、同光路長差を光速度で除したものなの
で、この遅延時間間隔を光路長差の刻みΔＬに換算する
と，次の条件 ΔＬ〈λＬ／２ が導かれる。これにより、例えば、先導波系の分散特性
を波長１μ閣以上の波長で測定する場合、本発明では、
少なくとも５００止より細かい光路長差の刻みで測定を
行なうことが必要であることがわかる．このためには、
最低数十ｎｍの精度で干渉計の光路長差を測定すること
が不可欠である。

本発明を実施するにあたって、高精度な光路長差測定を
行うためには、以下の方法を用いることができる。一つ
は、すでに世上広《用いられている２周波Ｈｅ−Ｎｅ安
定化レーザを利用する測長法である．この方法では分解
能５〜ｌＯ正が達成されているので、この技術を適用す
れば本発明の必要とする精度の光路長差の測定が実現で
きる．ただ、この測長法では、干渉計内の半透鏡４に（
第１図の実施例ではさらに半透過鏡７にも）特殊な偏光
特性が要求されるので、寧ろ次の第二の測長方法が有利
である。

第二の方法では、長さの基準光源に直線偏光の単色レー
ザ光源、例えばＨｅ−Ｎｅレーザを用いる。

そして干渉計の片方の腕でこの直線偏光を円偏光に変換
し、生じた干渉光を偏光を分離して測定することにより
、互いに９０度の位相差を有する２つの干渉信号を得る
。この信号を用いれば、基準光源の波長の５０分の１以
上の測長分解能が容易に達成されるようになる． その他、上記円偏光変換手段を用いず、単一の干渉信号
に対して位相口ックルーブ（ＰＬＬ）を使用して高分解
能を得ることもできる。ただしこの第三の方法では、干
渉計の掃引速度について、それ以外の方法に比して高い
均一性が要求される。干渉計の光路長差の測定方法とし
ては、以上例示した３方法の他に本発明の精神を逸脱し
ない範囲で任意の方法を用いることができることは言う
までもない． 本発明の第１の実施例と第２の実施例との差異について
述べる。第１の実施例では、白色光束は干渉計の一方の
腕に置かれた被測定光導波系ｌ２を１回のみ通過する。

他方、第２の実施例では、白色光束は被測定光導波計１
２を往復の計２回通過する．従って、第２の実施例では
分散特性に対する感度が第１の実施例の２倍だけ高い．
これと表裏一体の関係にあることであるが、平行光束を
結合レンズにより被測定光導波系に結合する際に蒙る光
の損失は第２の実施例では第１の実施例の２倍になる。

以上より、両実施例の得失を述べれば、第１の実施例で
は結合損失の影響が小さいが、感度も低く、他方、第２
の実施例では感度は高いが、結合損失の影響が大きい。

次に，第２の実施例の構成のさらに詳細な実施例として
、上記第二の方法で光路長差刻みを測定するように構成
した第３実施例を第３図に示す。

第３図において、マイケルソン干渉計は、キューブビー
ムスブリッタ２２、可動鏡１９，固定鏡２０から構成さ
れる。キューブビームスブリツタ２θにおいては、透過
光と反射光の通過するガラスのみ厚みが常に相等しいの
で、第２図における補正板２ｌが不用となる。マイケル
ソン干渉計の腕の一方には、被測定光導波系ｌ２が結合
レンズｌ３およびｌ４を介して挿入される。被測定光導
波系ｌ２以外の光学要素の分散の影響を極力取り除《た
めに、干渉計の他方の腕には結合レンズｌ３および１４
の分散を補正するための補正レンズ１５および１６が挿
入される。

白色光源ｌとしては、ハロゲンランプを用い、４００ｎ
ｍに波長の下限を有する滑らかなスペクトルの光を得た
場合を具体的に考えてみる。

発生される光のスペクトルは４００１〜１．６μｌにわ
たって平坦である。一方、干渉計出射後の白色光を測定
する光検出器１ｌには可視光域ではシリコン光検出器、
また近赤外光域ではゲルマニウム光検出器の利用が推奨
される。シリコン光検出器の感度領域は３００ｎＩＩ１
−１１００ｎｍにわたっているので、これを用いた場合
には上記光源と組み合わせて被測定光導波系の分散特性
を４００ｎｍ〜１１００ｎｍにわたって一挙に測定する
ことができるようになる。現在の極短光パルス発生光源
の波長域は概ね４５０ｎｍ以上なので、それに用いられ
る光導波系の特性は４００ｎｍ近辺の波長以上で測定で
きれば良く、上記波長下限は十分にこの実用上の要求を
満たしている。

一方、上記上限より長波長の分散特性の測定が必要な場
合には、１．１　ＬＬｍ−１．３μ−に感度領域を持つ
ゲルマニウム光検出器を用いれば良い．このように光源
および光検出器に起因する帯域制限により波長３２０ｎ
ｍ以下の光による干渉信号は検出器の電圧信号出力には
現われないので、上述した折り返し現象を防ぐためには
、１６０ｎａ未満の干渉計光路長差の刻みで干渉信号の
測定を行なえば良い。特にゲルマニウム光検出器を用い
て近赤外光領域の測定を行なう場合は、可視光（　８０
０ｒｖより短波長》を阻止する光学フィルタを上に述べ
たように分岐光路上以外の何処かに挿入して光の帯域を
制限することにより、干渉系光路長差の刻みを４００ｒ
＋ｍ未満とすれば良いように構成するのが効率的であ．
る。

この先路長差刻みを高精度に測定するための測定法とし
て、本実施例では上述した第二の測定法を採用している
。長さの基準光源には波長６３２．　８ｒ＋ｍで発振す
る直線偏光のＨｅ−Ｎｅレーザ２３を用いる。測長範囲
は高々数ｃｆｆｌ以下なので、このレーザは波長の安定
化されていないもので十分である。

レーザ光は紙面に対して４５度の方向に直線偏光してお
り、反射鏡２４により上記白色光と平行に干渉計に入射
する。このレーザ光は干渉計中の被測定光導波系ｌ２は
通過しない。レーザ光は、干渉計の被測定光導波系ｌ２
の挿入されていないほうの腕において、８分の１波長板
２５を通過する。そして、可動鏡ｌ９での反射前後にお
いて計２回８分の１波長板２５を通過することにより、
４分の１波長板の通過と等価な効果が生じ、直線偏光が
円偏光に変換される。

干渉計を出射したレーザ光は反射鏡２６を経て、偏光ビ
ームスブリッタ２７に入射し、紙面に垂直な偏光成分と
紙面に水平な成分とに分離され、個別の光検出器２８．
　２９により各成分の光強度が電圧値に変換される。こ
の２つの電圧信号がトリガ発生器３０に入力する。トリ
ガ発生器３０は上記信号に基づいて、干渉計光路長差が
６３２．８ｎｍ／４すなわち１５ｇ．　２ｎｍ変化する
毎に１発のトリガ電圧パルスを発生するものとする。近
赤外光域に測定波長領域を限定する場合には、この電圧
パルスを２分周し干渉計光路長差が３１６．４ｎｍ変化
する毎に１発のトリガ電圧パルスを得るようにする． このトリガ電圧パルスは波形記憶装置ｌ７に供給され，
波形記憶装置ｌ７はトリガ電圧パルスの加わった時刻の
光検出器１１の出力電圧値を記憶する。波形記憶装置ｌ
７には、記憶された電圧信号値を読み出し、更にフーリ
エ変換の計算を行なう計算機１８が接続されている． 次に，近赤外域に測定波長域を限定した場合について、
本実施例の装置の動作を述べる．既に述べたように、こ
の場合には、光検出器１１としてゲルマニウム光検出器
を用い、可視光を阻止する光学フィルタを挿入し，さら
にトリガ電圧パルスの発生は３１６．４ｎｍの干渉計光
路長差変化毎に行なわれる．まず、可動鏡ｌ９を、干渉
計光路長差が測定しようとする光路長差の下限に等しく
なる位置まで前進させる。ここで波形記憶装ｉｔｌ７の
記憶を消去し，書き込み位置を波形記憶装置ｌ７の先頭
番地にリセットする。次に可動鏡１９を緩慢に後退する
と、干渉計光路長差が３１６．４ｎｍ変化する毎に波形
記憶装置ｌ９にトリガ電圧信号が供給され光検出器１１
の出力信号電圧値が記憶されていく．ここで緩慢にとは
、発生されるトリガ信号の繰り返し波形記憶装置ｌ７の
変換・書き込み動作が追随できる範囲の掃引速度を言う
．例えば波形記憶装置ｌ７の変換・書き込み速度が２０
ｋＨｚの場合、最大可能な干渉計光路長差変化速度は２
０ｋ　Ｘ　３１６．４ｎｍ　＝６．　３２８ｍｍ／秒と
なり、可動鏡ｌ９の移動速度の上限はこの半分の３。１
６４ｍｍ／秒である。これは、可動鏡１９の表面で光が
折り返すため、この可動鏡ｌ９の移動量が２倍の光路長
変化になるからである．測定に必要な光路長差変化範囲
は測定波長域における被測定光導波系１２の群遅延時間
の全変化量の２倍程度である。例えば第５図に例示され
た光導波系では、測定波長域を上記１．１μ１〜１．６
μ閣としても群遅延時間の全変化量は４ｐｓ内外であり
、従って必要な光路長差変化範囲は高々８ｐｓＸｃ＝２
．　４１ａ■　（Ｃは真空中の光速度）程度である。こ
の範囲を上の可動鏡ｌ９の移動速度の上限値をもって掃
引すると、信号測定に要する時間はわずか０．４秒弱と
なり、余裕をもって掃引を遅めにしても１秒以内に信号
測定が容易に完了される．この際採取されるデータ点数
Ｎは約８０００点であり、このデータのフーリエ変換の
計算は計算機ｌ８により５秒程度で実行できる．従って
、本実施例による測定手順は．全部１０秒以内で遂行で
き、極めて迅速な測定方法が実現された。

最後に、この場合の群遅延時間の測定精度を試算すると
、フーリエ変換の結果はＮ／２　＝４０００点の周波数
成分を有するので、この範囲内で群遅延時間が総量２〜
４ｐｓ変化すれば、周波数成分データ点間の平均の群遅
延時間変化はｌｆｓとなり、これが上記測定条件におけ
る精度の目安を与える．さらに第６図に例示された光導
波系においては、１．３０μ禦付近で右側に徐々に減衰
しつつ繰り返す副ピークが十分小さくなるように、例え
ば、３２ｐｓ程度の光路長差変化範囲が必要で、これに
伴い採取するデータ点数は６４０００点となる。この場
合でも全測定は１分３０秒以内に終了し、群遅延時間が
波長０．　Ｉｎ園毎に求められることになる。これによ
り、上述の波長Ｉｎ−で繰り返す０．　６ｐｓの急速な
群遅延時間変化を明瞭に観測できる。

１発明の効果ｌ 以上から明らかなように、本発明によれば、白色光源の
発生する光を平行光束とし、この平行光束を被測定光導
波系を干渉計の一方の光路に挿入し、この光導波系への
光結合に用いる結合レンズと光学的性質の同一な補正レ
ンズを干渉計の他方の光路に挿入し、その干渉計に入射
して生じた干渉光の強度を、光検出器にて電気信号に変
換して測定し、ここで，干渉計の相対的光路長差が一定
量変化する度毎に光検出器からの出力を逐一時系列的に
記録し、その記録データをフーリエ変換して得られる周
波数領域での位相情報から、被測定光導波系の波長分散
特性を測定するようにしたので、被測定光導波系の分散
特性を、結合レンズの分散特性の影響を受けずに、必要
な全波長にわたって、迅速かつ高精度に測定することが
できる．

【図面の簡単な説明】

第ｌ図は本発明の第１実施例を示す構成図、第２図は本
発明の第２実施例を示す構成図、第３図は本発明の第３
実施例を示す構成図、第４図は従来法の一例を示す構成
図 第５図および第６図は従来法による測定例を示す図であ
る． ｌ・・・白色光源、 ２・・・可変光学フィルタ、 ３・・・偏光子、 ４．７・・・半透鏡、 ５．６・・・固定鏡、 ８．９・・・プリズム入射用固定鏡、 １０・・・可動プリズム、 １１，２８．２９・・・光検出器、 １２・・・被測定光導波系、 １３．　１４・・・結合レンズ、 １５．　１６・・・補正用レンズ、 ｌ７・・・波形記憶装置、 ｌ８・・・計算機、 ｌ９・・・可動鏡、 ２０・・・固定鏡、 ２ｌ・・・補正板、 ２２・・・キューブビームスプリツタ、２３・＝　Ｈｅ
−Ｎｅレーザ、 ２４．　２６・・・反射鏡、 ２５・・・８分の１波長板、 ２７・・・偏光ビームスブリッタ ３０・・・トリガ発生器。 第１；知ミ方乞イタＪの１」鴫ｐ八区 第ｌ図 第２実ふＬイ列の旧１ハＪ田 第２図 第３大４社１列の１１八図 第３図 イ走来例の墳広図 第４図 イ疋七枳；壬と　１１ろ式ν′ｊ定イタＪ　と示１　レ
コ第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）広い連続スペクトルを有する平行光束を第１および
   第２の光束に分岐し、 該第１の光束を被測定光導波系を配置した第１の光路に
   通過させ、 前記第２の光束を光路長が可変である光学路を配置した
   第２の光路を通過させ、 前記被測定光導波系を通過した第１の出力光と前記光学
   路を通過した第２の出力光とを結合して干渉光を生じさ
   せ、 その干渉光の強度を検出し、 前記光学路の光路長を変化させつつ、前記第１の光路と
   前記第２の光路との間の相対的光路長差が一定量変化す
   る度毎に、前記干渉光の強度の検出出力を時系列の形態
   で記録し、その記録されたデータをフーリエ変換して得
   られる周波数領域での位相情報から前記被測定光導波系
   の波長分散特性を測定することを特徴とする導波路分散
   測定方法。 ２）広い連続スペクトルを有する平行光束を発生する光
   源と、 該光源から発生する平行光束を第１および第２の光束に
   分岐する分岐手段と、 前記第１の光束を第１の結合レンズを介して被測定光導
   波系を通過させ、第２の結合レンズにより再び平行光束
   とする第１の光路と、 前記第２の光束を第３レンズを通過させ、および該第３
   レンズの後側焦点の位置に前側焦点が一致するように配
   置された第４レンズにより再び平行光束とする第２の光
   路と、 該第２の光路に挿入され、当該第２の光路の光路長を可
   変とする光学手段と、 前記第１および第２の光束を結合して干渉光を取り出す
   結合手段と、 該結合手段から得られる干渉光の強度を電気信号に変換
   する光検出器と、 前記光学手段により前記第２の光路の光路長を変化させ
   つつ、前記第１の光路と前記第２の光路との間の相対的
   光路長差が一定量変化する度毎に、前記光検出器からの
   出力を時系列の形態で記録する記録手段と、 該記録手段により記録されたデータをフーリエ変換して
   周波数領域での位相情報を得る手段とを具え、前記第３
   レンズと第４レンズのいずれか一方が、前記第１の結合
   レンズと光学的性質が同一であつて、かつ他方が前記第
   ２の結合レンズと光学的性質が同一であるように構成し
   、前記位相情報から、前記被測定光導波系の波長分散特
   性を測定するようにしたことを特徴とする導波路分散測
   定装置。 ３）広い連続スペクトルを有する平行光束を発生する光
   源と、 該光源から発生する平行光束を第１および第２の光束に
   分岐する分岐・結合手段と、 前記第１の光束を第１の結合レンズを介して被測定光導
   波系を通過させ、第２の結合レンズにより再び平行光束
   とし、その平行光束を固定鏡で反射し、前記第２の結合
   レンズを介して再度前記被測定光導波系を通過させ、前
   記第１の結合レンズにより平行光束となし、その平行光
   束を前記分岐・結合手段に導く第１の光路と、 前記第２の光束を第３レンズを通過させ、および該第３
   レンズの後側焦点の位置に前側焦点が一致するように配
   置された第４レンズにより再び平行光束となし、その平
   行光束を可動鏡で反射させ、その反射光を前記第４レン
   ズを通過させてから前記第３レンズにより平行光束とな
   し、その平行光束を前記分岐・結合手段に戻す第２の光
   路と、 前記分岐・結合手段において、前記第１および第２の光
   束を結合して取り出される干渉光の強度を電気信号に変
   換する光検出器と、 前記可動鏡の位置を前記第２の光路に平行な方向に移動
   させつつ、前記第１の光路と前記第２の光路との間の相
   対的光路長差が一定量変化する度毎に、前記光検出器か
   らの出力を時系列の形態で記録する記録手段と、 該記録手段により記録されたデータをフーリエ変換して
   周波数領域での位相情報を得る手段と、 を具え、前記第３レンズと第４レンズのいずれか一方が
   前記第１の結合レンズと光学的性質が同一であって、か
   つ他方が前記第２の結合レンズと光学的性質が同一であ
   るように構成し、前記位相情報から、前記被測定光導波
   系の波長分散特性を測定するようにしたことを特徴とす
   る導波路分散測定装置。 ４）広い連続スペクトルを有する平行光束を発生する光
   源と、 該光源から発生する平行光束を第１および第２の光束に
   分岐する分岐・結合手段と、 前記第１の光束を第１の結合レンズを介して被測定光導
   波系を通過させ、第２の結合レンズにより再び平行光束
   とし、その平行光束を固定鏡で反射し、前記第２の結合
   レンズを介して再度前記被測定光導波系を通過させ、前
   記第１の結合レンズにより平行光束となし、その平行光
   束を前記分岐・結合手段に導く第１の光路と、 前記第２の光束を第３レンズを通過させ、および該第３
   レンズの後側焦点の位置に前側焦点が一致するように配
   置された第４レンズにより再び平行光束となし、その平
   行光束を可動鏡で反射させ、その反射光を前記第４レン
   ズを通過させてから前記第３レンズにより平行光束とな
   し、その平行光束を前記分岐・結合手段に戻す第２の光
   路と、 前記分岐・結合手段において、前記第１および第２の光
   束を結合して取り出される干渉光の強度を電気信号に変
   換する第１の光検出器と、 長さの基準光源としての直線偏光の単色光源と、 該単色光源からの直線偏光を、前記分岐・結合手段を介
   して前記第１の光路の前記固定鏡に導いて反射させて再
   び前記分岐・結合手段に導くと共に、前記第２の光路を
   介して円偏光に変換して前記分岐・結合手段に導く手段
   と、 前記分岐・結合手段から得られる干渉光を互いに９０度
   の位相差を有する２つの偏光成分に分離する手段と、 当該２つの偏光成分をそれぞれ個別に受光して電気信号
   に変換する第２および第３の光検出器と、 該２つの光検出器からの２つの電気信号に応じて、前記
   第１および第２の光路間の光路長差が、前記基準光源の
   光波長により定められた一定量だけ変化する度毎にトリ
   ガパルスを発生する手段と、 前記可動鏡の位置を前記第２の光路に平行な方向に移動
   させつつ、前記トリガパルスのタイミングで前記第１の
   光検出器からの出力を時系列の形態で記録する記録手段
   と、 該記録手段により記録されたデータをフーリエ変換して
   周波数領域での位相情報を得る手段と を具え、前記第３レンズと第４レンズのいずれか一方が
   前記第１の結合レンズと光学的性質が同一であって、か
   つ他方が前記第２の結合レンズと光学的性質が同一であ
   るように構成し、前記位相情報から、前記被測定光導波
   系の波長分散特性を測定するようにしたことを特徴とす
   る導波路分散測定装置。