JPH04120402A - 光集積型干渉計 - 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］ 本発明は、レーザ光の干渉を利用して、位置・変位・速
度等を測定する干渉計、更に詳細には光導波路を用いて
干渉光学針を構成した光集積型干渉計に関するものであ
る。

［従来技術］ 従来、高精度の位置・変位及び速度を計測するためのヘ
テロダイン干渉計は、第６図のように光源であるＨｅ−
Ｎｅレーザ７１、ハーフミラ−７２、λ／２板７４、ミ
ラー７５、ブラッグセル７６、ハーフミラ−７７、偏光
ビームスプリッタ７８、λ／４板７９、光検出器８０と
から構成されている。Ｈｅ−Ｎｅレーザ７１から発せら
れた光は紙面に平行方向に偏光した直線偏光であり、ハ
ーフミラ−７２により２つのビームに分けられる。

２つのビームのうち一方のビームは、偏光ビームスプリ
ッタ７８、λ／４板７９を通して移動被測定物８２に照
射される。この移動被測定物８２によりドツプラーシフ
トｆＳを受けた反射光、即ち信号光は、再びλ／４板７
９を通過することにより偏光面が９０°回転し、紙面に
垂直方向となり、偏光ビームスプリッタ７８により反射
される。これに対し、他方のビームは、λ／２板７４に
より偏光面か９０°回転し、紙面に垂直方向となり、ミ
ラー７５で反射されブラッグセル７６に入射する。ブラ
ッグセル７６は、音響光学効果を用いた光変調器であり
、駆動回路８４により励振される周波数ｆＲの弾性波に
より回折された１次光は、ｆＲだけ周波数シフトが与え
られ参照光となる。

信号光と参照光をハーフミラ−７７により合波し、干渉
させることによりヘテロダイン検波をすると、光検出器
８０には、ドツプラービート周波数ｆＲ±ｆｓで振動す
る信号が検出される。これを増幅器８６で増幅し、スペ
クトラムアナライザ８８でドツプラービート周波数ｆＲ
±ｆｓを測定することにより、被測定物８２である移動
物体の移動方向と同時にその速度が計測できる。また、
速度を時間積分することにより被測定物８２の変位も計
測することができる。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、これらのヘテロダイン干渉光学系は、通
常光学ベンチ等の防震台の上に必要な光学部品を配置固
定して構成されており、部品間の微妙な光軸調整か必要
であり、また、光学系か大型で重いため生産性、信頼性
が匹いという問題点かあった。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたもの
であり、その目的とするところは、薄膜導波技術を用い
て干渉光学系の主要部を１つの基提洪することにある。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するために本発明の光集積型干渉計は、
光源から発せられた光を２つに分波する第１光導波路と
、２つに分波された光のうち、−方の光の周波数を一定
量だけシフトする周波数シフタと、２つに分波された光
のうち、もう一方の光を被測定物に照射し、被測定物か
らの反射光を光導波路に導く手段と、周波数シフタの出
力光と、被測定物からの反射光を合波干渉させる第２光
導波路と、合波干渉した光を検出する光検出器とから構
成されている。

また、前記周波数シフタが磁気光学効果を有する光導波
路と、前記光導波路に鋸歯状に変化する磁界を印加する
手段からなるとよい。

［作用］ 上記の構成を有する本発明の光集積型干渉計では、光源
であるレーザから発せられた周波数ｆ。

の光は、２つに分けられ、その一方の光を磁気光学効果
による位相シフトを利用した変調器すなわち、周波数シ
フタにより変調することによりその周波数を一定量ｆＲ
だけシフトさせ、周波数がｆｏ十ｆＲの参照光とする。

また、もう一方の光は、被測定物に照射され、被測定物
から反射することにより、ｆｓだけドツプラーシフトを
受け、周波数がｆｏ＋ｆｓとなった信号光となる。この
参照光と信号光を光導波路により合波干渉させ検出する
と、光検出器には、ドツプラービート周波数ｆＲ−ｆｓ
で振動する信号が検出される。

［実施例コ 以下、本発明を具体化した一実施例を図面を参照して説
明する。

光集積型干渉計は、第１図のようにＧＧＧ　（Ｇｄ３Ｇ
ａ、ｏ＋ｔ）等の基板１１上に形成されたＢｉ　　：Ｙ
ＩＧ　　（ＢｉｘＹｓ−ｘ　Ｆｅ６　（）Ｈ２）、Ｂｉ
　　：Ｇｄ　Ｉ　Ｇ　（Ｂ　ｉｚ　Ｇｄ５−ｘ　Ｆ　ｅ
６０１２　）等の磁気光学効果を有する磁性薄膜１２、
半導体レーザ１３、光アイソレータ１４、集積レンズ１
５、光ファイバ１７、Ｓｉフォトダイオード等の光検出
器１８とから構成されている。磁性薄膜１２には、膜厚
が他の部分に対して厚くなったリッジ部分２１が設けら
れており、リッジ型導波路２１を形成している。レーザ
光はこのリッジ型導波路２１に沿って伝搬する。このリ
ッジ型導波路２１はよく知られたフォトリソグラフィー
を用いて作製される。すなわち、基板１１上に磁性薄膜
１２を液相成長法、スパッタ法等の薄膜形成手段で作製
し、その上にフォトレジストを塗布する。そして、所定
の導波路形状にバターニングした後プラズマエツチング
、スパッタエツチング、或いは熱リン酸を用いたウェッ
トエツチング等によりリッジ２１となる部分以外の部分
を所定の厚さたけエツチングする。最後に、フォトレジ
ストを取り除くことにより、リッジ型導波路２１が形成
される。

半導体レーザ１３から発せられたレーザ光は、光を一方
向のみに通す光アイソレータ１４を伝搬し、集束レンズ
１５によって集束され、リッジ型導波路２１に入射する
。この時、リッジ型導波路２１を伝搬するレーザ光は、
磁界の振動方向が薄膜面に平行な７Ｍモードとなるよう
に半導体レーザ１３は取り付けられている。リッジ型導
波路２１を伝搬したレーザ光は、一端が２つの分岐導波
路に分かれたリッジ型導波路から成るＹ分岐２３により
２つに分岐され、それぞれ分岐導波路２４゜２５を伝搬
する。

分岐導波路２４の上には、５ｉ０２等から成るバッファ
層３１及びＡ７等の金属から成る電極３２が設けられ周
波数シフタ３３を構成している。

発振器３４により電極３２に電流を流すことにより、分
岐導波路２４には、レーザ光の伝搬方向に垂直で、薄膜
面に平行な磁界が印加される。この磁界により、分岐導
波路２４か磁化され、磁気光学効果による位相シフトか
Ｔ　Ｍモートに対して生じる。すなわち、磁界か印加さ
れていないときの７Ｍモードの伝搬定数をβ、磁界を印
加したときの伝搬定数をβとすると β−β＋γ　　　　　　　　　　（１）で表わされる。

ここでγか磁気光学効果による位相シフト量である。第
１図に示すように光の伝搬方向にＺ軸、薄膜面に垂直方
向にＸ軸をとると、γは、 γ−２ωｏＦｗｏｆＲ龜ｚｚｅ’ｘｅｉ＊］ｄｘ、、　
　（２）で与えられる。但し、ω。はレーザ光の角周波
数、ε０は真空の誘電率、ｉ、、６．　　は７Ｍモード
の電界のＸ成分及び２成分、ε、Ｌ□は磁性薄膜１２の
比誘電率テンソルの非対角成分の１つ、＊は複素共役、
Ｒｅは複素数の実数部を表わす。５ａはファラデー回転
係数θＦと εｘ、ｚ−ｊ　　（２ｎ１／ｋ）θＦ　　　　（３）と
いう関係がある。但し、ｎ、は磁性薄膜１２の屈折率、
ｋは真空中でのレーザ光の波数でレーザ光の波長をλと
すると、 ｋ−２π／λ　　　　　　　　　（４）で与えられる。

更に、磁性薄膜１２の磁化か飽和しない範囲では、磁性
薄膜１２の磁化は印加磁界Ｈ１すなわち電極３２に流す
電流■に比例するので、比例定数をＶとすると、 θＦ−Ｖ　Ｉ　　　　　　　　　　　（５）となる。

（３）式を（２）式に代入すると、 ｒ−２ｚｗ。ε、。（２ｎ＋／ｋ）０２丁Ｒｅ［ｊ６：
ｇｓ］ｄ、ｚ＝ＡθＦ　　　　　　　　　　　　　（６
）となる。但し、Ａは定数である。

分岐導波路２４において電極３２によって磁界が印加さ
れている部分の長さをｌとすると、位相シフトを受けた
７Ｍモードの電界は、 ｅｚ−Ｅｚｓｉｎ　［ωｏｔ士（β十ｒ）１］−Ｅ：Ｘ
−５ｉｎ　［乙ｖｏｔ＋Ａθｐｉ＋ρ１コ　　　（７）
となる。ここで、 θＦ−ωＲｔ／　（Ａｊ？）　　　　　　（８）すなわ
ち、（５）式より Ｉ−ｕＲｔ／　（ＡＡ’Ｖ）　　　　　　　（９）とな
るように電極３２に電流■を流すと６ｚ−ＥｘＳ’ｍ［
（ｗｏ”ｕＲ）ｔ”＃］　　　　（１０）となリレーザ
光の角周波数は、ω。−２πｆｏからω０＋ωＲ−２π
（ｆｏ＋ｆＲ）へ、すなわちレーザ光の周波数はｆｏか
らｆＲたけシフトし、ｆｏ＋ｆＲとなる。但し、電極３
２に流す参照信号の電流は第２図のように振幅２π／　
（Ａ６Ｖ）、周期２π／ωＲの鋸歯状波としても同様の
周波数シフトが得られる。

このようにして、分岐導波路２４に入射した第３図（ａ
）のように周波数ｆｏをもつレーザ光は、周波数シフタ
３３により第３図（ｂ）のように周波数がｆＲだけシフ
トし、周波数がｆ。十ｆＲの参照光となる。

分岐導波路２５を伝搬したレーザ光は、先ファイバ１７
へ入射し、更に光ファイバ１７の先端に設けられたセル
フォックレンズ４１により平行光となり、移動している
被測定物４３へ照射される。

被測定物４３から反射したレーザ光は、被測定物４３の
表面におけるレーザ光照射部分の変位の速度に応じて周
波数ｆｓたけドツプラーシフトを受け、周波数か第３図
（Ｃ）のようにｆ。＋ｆｓとなり、再びセルフォックレ
ンズ４１を通して光ファイバ１７へ入射する。このｆＳ
だけドツプラーシフトを受けた信号光は、光ファイバ１
７から分岐導波路４５へ伝搬し、Ｙ分岐４６により、周
波数シフタ３３でｆＲだけ周波数シフトを受けた参照光
と合波される。この合波されたレーザ光は、干渉により
その振幅がドツプラービート周波数ｆＲ−ｆｓで振動し
ており、これを光検出器１８で検出することによりヘテ
ロダイン検波が行われ、第３図（ｄ）のようにドツプラ
ービート周波数ｆＲｆ’；で振動する信号が得られる。

光検出器１８の出力信号を周波数シフタ３３の電極３０
に印加する電流の基本周波数ｆＲと比較し、ドツプラー
シフトｆｓを求めることにより移動被測定物４３の表面
の変位の方向と同時にその速度を計測することができる
。尚、被測定物４３の表面変位の方向が逆になると第３
図（ｅ）のように参照先の周波数シフトｆＲに対し、ｒ
Ｒ＋ｒ６の位置にドツプラービートが生じる。更に、ド
ツプラーシフ）ｆｓから求めた被測定物４３の表面の変
位の変化速度を時間積分することにより変位量も計測す
ることができる。尚、光ファイバ１７がら分岐導波路２
５へ戻ったレーザ光は、リッジ型導波路２１、集束レン
ズ１５を伝搬し、光アイソレータ１４へ入射するが、光
アイソレータ１４は半導体レーザ１３から集束レンズ１
５の方向の一方向のみに光を伝送するので、光ファイバ
１７からの戻り光は、通過できず、半導体レーザ１３に
は達しない。従って、半導体レーザ１３において戻り光
による雑音の発生がないため、Ｓ／Ｎのよい測定が可能
となる。

以上本発明の一実施例を図面を参照して詳細に説明した
が、本発明はこの実施例に限定されず種々の変更が可能
である。

すなわち基板、磁性薄膜、バッファ層、電極の材料につ
いては特に限定しない。例えば、基板にサファイア、ガ
ラス等を磁性薄膜に希土類鉄ガーネットの他に、Ｃｄ　
Ｍ　ｎ　Ｔ　ｅ等の半磁性甲導体や、ファラデー回転ガ
ラス、ＴＡＧ　（Ｔｂ３　Ａ１２ｂ　０１２）等の常磁
性体等を、バッファ層にＺｎＯ，Ａ４Ｎ等の酸化物、窒
化物等を電極にＡｕ等を用いてもよい。また、導波路は
リッジ型である必要はなく、例えば埋込み型、誘電体装
荷型、拡散型等でもよく、レーザ光が厚さ方向だけでな
く横方向にも閉じ込めることができればその形状につい
ては特に限定しない。

また、周波数シフタのみ磁性薄膜を用い、他の部分は磁
気光学効果を有しない誘電体を用いてもよい。

また、周波数シフタに磁界を印加するための電極の形状
についても限定しない。更に、外部に電磁石、コイルを
設けて磁界を印加してもよい。

また、光の分離をＹ分岐導波路ではなく、第４図のよう
に２つの導波路を平行に形成した方向性結合器５１によ
り行ってもよい。このとき、２つの光導波路の平行部分
の長さを調整することにより、分岐比を変化させること
ができる。

また、第５図のように磁性薄膜１２の上に全面にわたっ
てバッファ層６１を設けてもよい。半導体レーザ１３を
光導波路に直接結合し、バッファ層６１にフェライト等
の磁界印加手段６２を設け、レーザ光の伝搬方向に垂直
な面内で膜面から傾いた磁界を印加し、一方向性モード
変換器６５を形成してもよい。すなわち、半導体レーザ
１３から発せられた光は、電界の振動方向か薄膜面に平
行なＴＥモードとなるようにする。このＴＥモードは、
Ａ１等の金属クラッド６７を通過し、一方向性モード変
換器により７Ｍモードに変換される。

この一方向性モード変換器６５は、半導体レーザ１３か
らＹ分岐２３へ伝搬するレーザ光に対してのみモード変
換が生じ、それとは逆の方向へ伝搬するレーザ光にはモ
ード変換が生じないという特性を有している。以下の動
作は、第１図に示した実施例と全く同様である。光ファ
イバ１７から半導体レーザ１３へ進行する光は、一方向
性モード変換器６５でモード変換されず７Ｍモードのま
ま戻るが、金属クラッド６７の下のクラッド層６１は他
の部分よりも膜厚か小さくなっているため、金属クラッ
ド６７て吸収され減衰するので半導体レーザ］３には戻
らす、Ｓ／Ｎのよい安定した計測を行うことができる。

［発明の効果］ 以上詳述したことから明らかなように、本発明によれば
、薄膜導波技術を用いて、レーザ光の分波器、合波器、
周波数シフタ等の干渉光学系の主要部を１つの基板上に
集積化しているため、光軸調整が不要で、且つ小型、安
定で信頼性の高い光集積型干渉計を製造することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図から第５図までは本発明を具体化した実施例を示
すもので、第１図は本発明の一実施例である光集積型干
渉計の構成図、第２図は周波数シフタの電極に印加され
る電流の波形を示す図、第３図は本発明の一実施例であ
る光集積型干渉計におけるレーザ光の周波数の関係を示
す説明図、第４図は光集積型干渉計の他の実施例を示す
主要部上面図、第５図は光集積型干渉計の他の実施例を
示す構成図、第６図は従来のヘテロダイン１−６計の光
学系を示すブロック図である。 図中、１１は基板、１２は磁性薄膜、１３は甲導体レー
ザ、１８は光検出器、２１はリッジ型導波路、２３．４
６はＹ分岐、２４，２５．４５は分岐導波路、３３は周
波数シフタである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光源からの光を２つに分波する第１光導波路と、２
   つに分波された光のうち一方の光の周波数を一定量だけ
   シフトする周波数シフタと、他方の光を被測定物に照射
   し、前記被測定物からの反射光を光導波路に導く手段と
   、前記周波数シフタからの出力光と、前記被測定物から
   の反射光を合波干渉させる第２光導波路と、前記合成干
   渉した光を検出する光検出器とから成ることを特徴とす
   る光集積型干渉計。 ２、請求項１記載の光集積型干渉計において、周波数シ
   フタが磁気光学効果を有する光導波路と前記光導波路に
   鋸歯状に変化する磁界と印加する手段から成ることを特
   徴とする光集積型干渉計。