JPH06112572A - 光共振器および光周波数掃引光源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光周波数を高い精度で掃引でき、しかも有効
可干渉距離の長い光波を発生できるようにする。 【構成】 光共振器内に光増幅器１６および光周波数シ
フタ１７を備え、この光共振器に入力された単独パルス
光に対して光周波数が一定の差ずつシフトパルス列を出
力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光計測における光周波数
の制御に関する。特に、共振周波数の変調や掃引などの
制御が可能な光共振器に関する。本発明は光周波数領域
反射測定の光源に利用するに適する。

【０００２】

【従来の技術】光を利用した高い距離分割能を有する分
布センシング技術のひとつとして、光のキャリア周波数
に位置の情報を反映させ、その反射強度に物理量を反映
させる光周波数領域反射測定法が従来から知られてい
る。この光周波数領域反射測定法を実施するための測定
装置の構成例を図９に示し、光周波数の変化例を図１０
に示す。

【０００３】図９に示した測定装置は、光源９１、光方
向性結合器９２、９３、ヘテロダイン受信器９４および
スペクトラムアナライザ９５を備える。光源９１は連続
狭線幅レーザ光源であり、光周波数が掃引された出力
光、すなわち光周波数が時間の経過とともに変化する出
力光を、方向性結合器９２および９３を経由して被測定
物体９６に入射する。光方向性結合器９２は光源９１の
出力光を分岐し、参照光としてヘテロダイン受信器９４
に入射させる。光方向性結合器９２は、被測定物体９６
内で反射または後方散乱された光波を信号光としてヘテ
ロダイン受信器９４に入射させる。ヘテロダイン受信器
９４は、参照光を局部発振光として信号光の強度を測定
する。

【０００４】ここで、光源９１の光周波数を、図１０に
示すように、一定の時間Ｔごとに一定の掃引レートＣで
掃引する。このように光周波数を時間に対して直線的に
掃引すると、信号光と参照光との周波数差はこれらの光
の光路長差に比例した一定の値となる。また、参照光強
度が一定であるため、信号光強度との積に比例するビー
ト信号強度から、被測定物体９６の物理量の大きさを知
ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】光周波数を制御、変調
または掃引するために、従来は、光源の物理的パラメー
タの制御による直接変調方式や、外部変調器の変調信号
の制御による外部変調方式が利用されていた。しかし、
これらの方式では、高い周波数制御性、特に掃引精度を
実現することは困難である。光計測、特に上述したよう
な光周波数領域反射測定に利用する場合、この周波数掃
引精度の劣悪さは重大な障害となる。

【０００６】例えば、従来の光周波数領域反射測定で
は、信号光と参照光との光路長差が２〜３ｍ程度と比較
的短い場合には設定どおりの距離分解能を得ることがで
きた。しかし、二つの光の光路長差が長くなると、周波
数掃引の直線性からのずれのために、一定の光路長差に
対応するはずの周波数差が広がりをもつようになってし
まう。このため、距離分解能の著しい低下を招き、距離
分解能および損失測定精度が補償される実質的な測定可
能範囲を広くとることはできなかった。

【０００７】周波数制御性が比較的優れた光源として分
布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−ＬＤ）も知られている
が、光源の可干渉距離の点で問題がある。すなわち、光
周波数領域反射測定における光源として狭線幅ＤＦＢ−
ＬＤを利用した場合、干渉信号強度の低下により約１０
ｍ程度の測定可能範囲しか得られず、本来必要とされる
数１００ｍ〜１ｋｍの範囲にわたっての測定は不可能で
あった。

【０００８】可干渉距離の長いものとしてＹＡＧレーザ
などが知られているが、このような光源で高精度に周波
数を制御できるものは知られていない。したがって、光
周波数領域反射測定の測定範囲を広くできるものの、そ
の全測定範囲にわたって高い距離分解能を得ることは困
難であった。

【０００９】このように、光周波数領域反射測定は、そ
の潜在的な可能性は高いものの、その要求条件を満たす
光源が現時点では存在しないため、本格的な実用技術と
して発展することはなかった。

【００１０】本発明は光周波数領域反射測定に利用する
ことのできる光源を提供することを目的とする。さらに
本発明は、光周波数を高精度に掃引でき、しかも可干渉
距離の長い光を発生することのできる光共振器を提供す
ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の第一の観点は光
共振器であり、その内部の光路上に光増幅器と光周波数
シフタとを備えたことを特徴とする。

【００１２】光共振器としては、複数のハーフミラーお
よびミラーにより構成した光リング回路を用いてもよ
く、二入力二出力の光結合器の一方の出力と一方の入力
とを光学的に結合した光ループ回路を用いてもよく、二
つのハーフミラーを用いたファブリペロー型のものを用
いてもよい。

【００１３】光路中にはさらに、外部からの制御信号に
より伝搬光を断続する光スイッチを備えることがよい。
光スイッチは、周波数シフタと共通の音響光学素子によ
り構成されていてもよい。

【００１４】本発明の第二の観点はこのような光共振器
を利用した光周波数掃引光源であり、光増幅器、光周波
数シフタおよび光スイッチが共振光路上に設けられた光
共振器と、この光共振器に繰り返し矩形パルス光を入射
する光入射手段と、光共振器の出力に時系列的に異なる
周波数が繰り返し得られるように、矩形パルス光のタイ
ミングと光共振器に設けられた光スイッチの動作タイミ
ングとを時間的に同期制御する制御手段とを備えたこと
を特徴とする。

【００１５】制御手段は、矩形パルス光が入射する直前
に光スイッチを断とする構成であることがよい。

【００１６】光入射手段は、光共振器の一周期分の光路
長、すなわち光リング回路または光ループ回路の場合に
はその一周の光路長、ファブリペロー型の場合にはその
往復の光路長と実質的に等しい空間的長さの矩形パルス
光を発生するように構成されることがよい。

【００１７】

【作用】光共振器の光路中に光増幅器および光周波数シ
フタを設け、この光共振器に入力された単独パルス光に
対して、光周波数が一定の差でシフトしたパルス列を出
力する。すなわち、入力パルス光の光周波数をシフトさ
せて増幅し、その一部を出力光とするとともに、その残
りの光についてその光周波数をさらにシフトさせて増幅
し、その一部を再び出力光とする。これを残りの光につ
いて繰り返すことにより、光強度がほぼ一定に保たれた
まま、光周波数が順次一定の差で変化する。このとき、
入力パルスを矩形波とし、その空間的な長さを光共振器
長（ファブリペロー型の場合にはその二倍）に等しくす
ると、時間に対して階段状に周波数掃引された実質的な
連続光を得ることができる。パルス列の周波数シフト量
は、光共振器として光リング回路または光ループ回路を
用いた場合には周波数シフタによる周波数シフトｆに等
しく、ファブリペロー型のものを用いた場合には周波数
シフトｆの二倍となる。

【００１８】また、光共振器中に光スイッチを設け、そ
れをオフにすることにより外部出力光を遮断できる。

【００１９】このような光共振器は、繰り返し矩形パル
スを発生する手段、例えば連続光を発生する光源および
それを矩形パルス光にする光変調器、と組み合わせて使
用するとにより、光周波数が順次変化する光周波数掃引
光源として利用できる。この場合、光共振器の出力に時
系列的に異なる周波数が得られるように、矩形パルス光
のタイミングと光共振器に設けられた光スイッチの動作
タイミングとを時間的に同期制御する。具体的には、矩
形パルス光が入射する直前に光スイッチを断とする。こ
れにより光共振器が初期化され、矩形パルス光の光周波
数から再び周波数を掃引できる。入射する矩形パルス光
の空間的長さが光共振器の一周期分の光路長に等しけれ
ば、出力光が途切れることはない。

【００２０】

【実施例】図１は本発明第一実施例の光共振器を示すブ
ロック構成図である。

【００２１】この実施例は本発明を光リング回路で実施
したものであり、狭線幅光源１１から光変調器１２を経
由した入射光が導入される入射光結合手段としてハーフ
ミラー１３を備え、外部に出力光を導出する出力光結合
手段としてハーフミラー１４を備え、さらに、ハーフミ
ラー１３、１４との間でリング状の光路を形成するよう
に配置されたミラー１５を備える。

【００２２】ここで本実施例の特徴とするところは、そ
の内部の光路の伝搬光を増幅する光増幅器１６と、その
光路の伝搬光にあらかじめ定められた周波数シフトを与
える光周波数シフタ１７とを備えたことを特徴とする。
ハーフミラー１３、１４はそれぞれ一定の反射係数およ
び透過係数をもつ。

【００２３】狭線幅光源１１は連続光を出力し、光変調
器１２はこの連続光をパルス幅ａ、繰り返し周期ｂの矩
形パルス光にし、ハーフミラー１３から光共振器に入射
する。この入射パルス光は、光共振器を周回するたび
に、周波数シフタ１７により一定の周波数シフトを受け
る。ハーフミラー１３、１４における反射時の損失や光
周波数シフタ１７の挿入損失などの損失は光増幅器１６
により補償され、パルス光は周波数シフトを受けながら
光共振器内を多数回にわたり周回する。この結果、ハー
フミラー１４からは、光周波数が一定の差ずつシフトし
た光パルス列が出力される。さらに、入射する矩形パル
ス光の空間的な長さと光共振器長とを等しくしておく
と、出力光パルス列が瞬断なく時間的に連続し、実質的
な連続光を得ることができる。出力光パルス列の強度
は、光共振器中の損失と増幅利得とが釣り合う状態でほ
ぼ安定する。

【００２４】光変調器１２としては、例えば音響光学素
子、ＬｉＮｂＯ₃ 変調器などを用いる。光周波数シフタ
１７としては、例えば音響光学素子を用いる。光増幅器
１６としては、例えば半導体レーザ増幅器、光ファイバ
増幅器などを用いる。

【００２５】この実施例では光増幅器１６と光周波数シ
フタ１７とをハーフミラー１４とミラー１５との間に配
置したが、これらを別の位置に配置してもよく、光増幅
器１６と光周波数シフタ１７とを別々の位置に配置して
もよい。例えば、光増幅器１６をミラー１５とハーフミ
ラー１３との間に配置し、光周波数シフタ１７を同じく
ミラー１５とハーフミラー１３との間、またはハーフミ
ラー１３とハーフミラー１４との間に配置してもよい。
また、動作上の問題がなければ、光増幅器１６と光周波
数シフタ１７との位置関係を逆にすることもできる。さ
らに、ミラーの数を増やして多角形の光共振器を構成す
ることもできる。

【００２６】図２は本発明第二実施例の光共振器を示す
ブロック構成図である。

【００２７】この実施例は、外部から入射光が導入され
る入射光結合手段および外部に出力光を導出する出力光
結合手段として二入力二出力の光方向性結合器２１を備
え、この光方向性結合器２１の一方の出力と一方の入力
とを光学的に結合して光ループ回路２２を構成してい
る。この光ループ回路２２により構成される共振光路上
には、第一実施例と同様に、その光路の伝搬光を増幅す
る光増幅器１６と、その光路の伝搬光にあらかじめ定め
られた周波数シフトを与える光周波数シフタ１７とを備
える。

【００２８】この実施例の動作は、狭線幅光源１１から
出力され光変調器１２により成形された矩形パルス光
が、光方向性結合器２１から光ループ回路２２に結合
し、この光ループ回路２２を周回して光方向性結合器２
１から外部に出力されることを除いて、第一実施例の動
作と同等である。

【００２９】図３は本発明第三実施例の光共振器を示す
ブロック構成図である。

【００３０】この実施例は本発明をファブリペロー型の
光共振器で実施したものであり、外部から入射光が導入
される入射光結合手段としてハーフミラー３２を備え、
外部に出力光を導出する出力光結合手段としてハーフミ
ラー３３を備え、これらのハーフミラー３２、３３が互
いに向き合って配置される。ハーフミラー３２、３３は
それぞれ両面からの垂直光入射に対して一定の反射係数
および透過係数をもち、ハーフミラー３３は光増幅器１
６の出力光の一部を透過、一部を垂直に反射する。

【００３１】狭線幅光源１１の出力した連続光は、光変
調器１２によりパルス幅ａ、繰り返し周期ｂの矩形パル
ス光に成形され、光変調器１２への反射光を防ぐアイソ
レータ３１を介してハーフミラー３２から光共振器に入
射する。この入射光は、光周波数シフタ１７により一定
の周波数シフトが与えられ、光増幅器１６により増幅さ
れる。この光増幅器１６の出力光は、その一部がハーフ
ミラー３３を透過し、その一部が垂直に反射される。

【００３２】この実施例では、矩形パルス光が光共振器
内を往復するので、ハーフミラー３２、３３間の光路長
と入射矩形パルス光の空間的な長さの半分の値とを等し
くしておくと、二つのハーフミラー３２、３３で合計２
〔Ｎ＋１〕回反射された複製パルス光の先端が合計２Ｎ
回反射された複製パルス光の後端と瞬断なく時間的に連
続する。したがって、時間に対して階段状に周波数掃引
された実質的な連続光が得られる。また、このときの出
力光パルス列の周波数シフト量は、周波数シフタ１７に
よる周波数シフトｆの二倍の値となる。

【００３３】図４は本発明第四実施例を示すブロック構
成図であり、図５ないし図６はこの実施例の動作を示す
波形図である。

【００３４】この実施例に示す光共振器は、外部からの
制御信号により共振光路を断続する光スイッチ４２を備
えたことが第三実施例と異なる。

【００３５】上述した第一実施例ないし第三実施例で
は、一個の矩形パルス光に対して光周波数を階段状に掃
引した光パルス列を出力できる。しかし、それを停止さ
せることはできない。そこで、光スイッチ４２を設け、
外部からの制御信号により停止させる。光スイッチ４２
と光周波数シフタ１７とをひとつの音響光学素子で兼用
することもできる。

【００３６】また、矩形パルス光のタイミングに同期さ
せてオン、オフ制御すれば、光周波数の掃引を繰り返し
行うことができる。すなわち、外部制御装置４１からの
制御信号により、時系列的に異なる周波数が繰り返し得
られるように、矩形パルス光のタイミングと光スイッチ
４２の動作タイミングとを時間的に同期制御する。これ
について図５ないし図６を参照して説明する。

【００３７】図５は光変調器１２が出力する繰り返し矩
形パルス光と光スイッチ４２の動作との時間的な関係を
示す。

【００３８】光変調器１２は、外部制御装置４１の制御
により、空間的な幅がハーフミラー３２、３３間の光路
長の二倍に対応する時間幅ａの矩形パルス光を時間周期
ｂで繰り返し発生する。光スイッチ４２は、同じく外部
制御装置４１の制御により、入射矩形パルス光と時間的
に同期してオン状態となる。また、オン状態が時間ｂ−
ａだけ続いた後には再びオフ状態となり、光共振器内に
ひとつ前の矩形パルス光の複製が残存しないように、時
間ａにわたりオフ状態を続ける。このようにして、時間
ａだけの瞬断時間をおいて、規則的に周波数掃引が繰り
返される。

【００３９】図６は出力パルス列の強度を示す。

【００４０】上述した実施例の光共振器から得られる外
部出力光は、時間幅ａのオリジナルな矩形パルス光（入
射矩形パルス光の一部またはその光周波数が一度だけシ
フトしたもの）を先頭とし、その多数回の複製を後ろに
連ねることにより構成される疑似的な連続光であり、そ
の強度は光増幅器１６のパラメータによって定まる一定
値に自動的に安定化することができる。光共振器の出力
光の有効可干渉時間はほぼ時間ｂの程度となり、光源線
幅で決まる本来の可干渉時間を大きく上回ることができ
る。これは、光路長差が大きくなっても、光波は自分自
信の複製と干渉することになるため、位相の相関の観点
からみた光路時間差はａ程度にしかならないからであ
る。したがって、この光共振器を光周波数領域反射測定
の光源に利用すれば、光源の可干渉距離で測定可能範囲
が限られていた従来法に比べ、測定可能範囲を広くとる
ことができる。

【００４１】図７は出力光の光周波数の時間的変化を示
す。

【００４２】上述した実施例の光共振器から出力される
合成光波の光周波数は、時間に対して継続時間ａ、周波
数変化２ｆの一定の段差を有する段階関数状に掃引され
る。その周波数掃引速度は完全に一定値２ｆ／ａに保た
れ、この光共振器を光周波数領域反射測定の光源に利用
すると、従来の欠点であった周波数掃引の非直線性に由
来する距離分解能、損失測定精度の低下は全く生じな
い。さらに、外部周波数変調なので、使用する光源に周
波数制御性が要求されることはない。

【００４３】共振光路上に光スイッチを設ける構成につ
いてファブリペロー型の場合を例に説明したが、第一実
施例や第二実施例に示した構成でも共振光路上に光スイ
ッチを設けることができる。その場合の動作は、出力光
の周波数段差が２ｆではなくｆであること、したがって
周波数掃引速度もｆ／ａであること、入射矩形パルス光
の空間的な幅を光共振器の光路長に一致させること、な
どを除いて実質的に同等である。

【００４４】本発明の光共振器は、上述の実施例で説明
した狭線幅光源１１および光変調器１２、さらには第四
実施例で説明した外部制御装置４１を組み合わせてひと
つの光周波数掃引光源とし、図９に示した光周波数領域
反射測定装置の光源９１として用いることができる。

【００４５】また、本発明の光共振器を光周波数分割多
重伝送装置の光周波数安定化装置に利用することもでき
る。このような利用例を図８に示す。この利用例は、本
願と同一の発明者および出願人による特許出願、特願平
４−１５５２５４（本件出願時未公開）に示された装置
と同等のものであり、互いに光周波数の異なる複数の搬
送波光を発生する光源８７と、この光源８７の出力を多
重化する結合器８８とにより光周波数分割多重伝送装置
が構成され、この装置の光源８７が発生する複数の搬送
波光の光周波数を相対的に安定化するため、発光周波数
が安定化された周波数基準光源８１と、この周波数基準
光源８１の出力光を繰り返しパルス光に変調する光変調
器８３と、この光変調器８３からのパルス光が入射する
光共振器８４と、この光共振器８４の出力に時系列的に
異なる周波数が得られるように光変調器８３と光共振器
８４とを同期動作させる同期制御装置８２と、光共振器
８４から得られる光周波数を基準として光源８７の各搬
送波光の光周波数を安定化するためのヘテロダイン受信
器８５および光源制御装置８６を備える。この例では、
光源８７がｎ個の半導体レーザＬＤ１〜ＬＤｎを備え、
光源制御装置８６は半導体レーザＬＤ１〜ＬＤｎの各々
の光周波数を制御する。

【００４６】光共振器８４として本発明の光共振器、特
に第四実施例のように光スイッチが設けられた光共振器
を用いると、その光共振器の遅延時間の周期で周波数の
異なるパルス光が得られ、それぞれの光周波数、または
その幾つかの光周波数で、対応する搬送波光の光周波数
を時分割に安定化することができる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光共振器
は、周波数掃引精度に極めて優れ、有効可干渉距離が長
く、等価的な周波数掃引周波数連続光波を発生すること
ができる。したがって、この等価的な連続光波を光周波
数掃引反射測定に利用することにより、距離分解能およ
び損失測定精度を高めることができ、しかも測定可能範
囲を拡大することができる。また、周波数掃引精度が高
く時間に対する周波数シフト量が正確なので、複数の搬
送波光の光周波数を相対的に安定化するための基準とし
ても利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第一実施例の光共振器を示すブロック構
成図。

【図２】本発明第二実施例の光共振器を示すブロック構
成図。

【図３】本発明第三実施例の光共振器を示すブロック構
成図。

【図４】本発明第四実施例を示すブロック構成図。

【図５】光変調器が出力する繰り返し矩形パルス光と光
スイッチの動作との時間的な関係を示す図。

【図６】出力パルス列の強度を示す図。

【図７】出力光の光周波数の時間的変化を示す図。

【図８】本発明利用例の光周波数安定化装置を示すブロ
ック構成図。

【図９】光周波数領域反射測定装置の構成例を示すブロ
ック図。

【図１０】光周波数領域反射測定における光周波数の変
化例を示す図。

【符号の説明】

１１ 狭線幅光源 １２、８３ 光変調器 １３、１４、３２、３３ ハーフミラー １５ ミラー １６ 光増幅器 １７ 光周波数シフタ ２１、９２、９３ 光方向性結合器 ２２ 光ループ回路 ３１ 光アイソレータ ４１ 外部制御装置 ４２ 光スイッチ ８１ 周波数基準光源 ８２ 同期制御装置 ８４ 光共振器 ８５、９４ ヘテロダイン受信器 ８６ 光源制御装置 ８７ 光源 ８８ 結合器 ９１ 光源 ９５ スペクトラムアナライザ ９６ 被測定物体

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 外部から入射光が導入される入射光結合
   手段と、 外部に出力光を導出する出力光結合手段とを備えた光共
   振器において、 その内部の光路の伝搬光を増幅する光増幅器と、その光
   路の伝搬光にあらかじめ定められた周波数シフトを与え
   る光周波数シフタとを備えたことを特徴とする光共振
   器。
2. 【請求項２】 外部からの制御信号により上記光路を断
   続する光スイッチを備えた請求項１記載の光共振器。
3. 【請求項３】 請求項２記載の光共振器と、 この光共振器に繰り返し矩形パルス光を入射する光入射
   手段と、 上記光共振器の出力に時系列的に異なる光周波数が繰り
   返し得られるように、上記矩形パルス光のタイミングと
   上記光共振器内の光スイッチの動作タイミングとを時間
   的に同期制御する制御手段とを備えた光周波数掃引光
   源。
4. 【請求項４】 上記光入射手段は、上記光共振器の一周
   期分の光路長と実質的に等しい空間的長さの矩形パルス
   光を発生するように構成された光周波数掃引光源。