JPH0739971B2 - 干渉形波長測定装置 - Google Patents

干渉形波長測定装置

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JPH0739971B2
JPH0739971B2 JP3134755A JP13475591A JPH0739971B2 JP H0739971 B2 JPH0739971 B2 JP H0739971B2 JP 3134755 A JP3134755 A JP 3134755A JP 13475591 A JP13475591 A JP 13475591A JP H0739971 B2 JPH0739971 B2 JP H0739971B2
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optical
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マルティン・ヴェンドラー
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リテフ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフトウング
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/02Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/10Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type
    • G02B6/12Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings of the optical waveguide type of the integrated circuit kind
    • G02B6/12004Combinations of two or more optical elements

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  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、異方性基板に集積型光
学素子を用いた光波長の干渉測定用装置に関し、詳述す
れば、光ビームを分割した後の光路が互いに異なった所
定の光路長を示すように構成した干渉形波長測定装置に
関する。
【0002】
【従来の技術】非平衡式光干渉計では、一本の光ビーム
が少なくとも二本のビーム成分に分割され、光路長が互
いに異なった所定光路を進行した後に再び一本の光ビー
ムに結合される、即ち、重ね合わされるようになってい
る。分割されたビーム成分が再び重合する際に光の干渉
作用が起こるので、重合後の光ビームの強度は重合前の
ビーム成分の位相差の関数で表される。
【0003】非平衡式光干渉計は、光源からの光波長の
安定化や、光波長の測定、光の周波数の分析、周波数変
調光学信号の復調などに使われている。
【0004】このような光干渉計が正常に動作するため
には、屈折率と光の進む道筋の長さの差との積として定
まる光路長の差が変化しないようにすることが不可欠で
ある。換言すれば、温度変化に伴う屈折率変化や長さの
変化により光路長の差に影響が及ぼされるようであって
はならない。この点については、干渉計を温度制御す
る、即ち、干渉計を能動的に制御して常時同一温度に維
持することが行われている。この他に、光学照射干渉計
全体を、熱膨張係数の非常に小さい材料で構成すること
も行われている。
【0005】現今の光干渉計の分野では、光学素子や光
電子素子などの小型化及び集積化に対して開発努力がな
されており、その過程で開発された集積型光学素子で
は、光は導波管ないし導光路(waveguide)を介して案内
されると共に、変調、重合、検出されるようになってい
る。この場合、導光路と電極とからなる構造体を、例え
ばニオブ酸塩リチウムや、種々の半導体、ガラス、ガー
ネットなどの透明材料からなる基板の表面に設けてい
る。
【0006】このような集積型光学素子の製造に用いら
れている大部分の材料は人工単結晶材で、種々の特性の
中でも、結晶方向によっては熱膨張と屈折率の温度依存
変化量とが異なり、無視できない問題をはらんでいる。
従って、集積型光学素子を利用した非平衡式温度補償型
干渉計を従来公知の技術で製造するのは容易ではない。
素子を温度制御することも考えられるが、大抵の用途に
おいては省エネ効果が期待できないこと、それに、温度
範囲が広大であることから実用的ではない。
【0007】
【発明の目的と構成】従って、本発明は、温度補償作用
を能動的に制御しなくても、一旦設定した光路長の差が
比較的広大な温度範囲に亙って変化することのない、集
積型光学素子を用いた光波長の干渉測定用装置を提供す
るのを目的としたものである。
【0008】本発明は、異方性基板に集積型光学素子を
用い、光ビームを分割した後の光路が互いに異なった所
定の光路長を示すように構成した波長の干渉測定用集積
型光学装置において、温度変化が起こっても光路長の差
が変化しないように、基板の軸と波長とに対する幾何学
的位置を鑑みて光路を選定したのを特徴とするものであ
る。
【0009】本発明は原理的には簡単なものであって、
要するに、長さの比が一定だとして、共に等しく大きく
膨張する材料であって、互いに異なった熱膨張係数と長
さとを有する二つの材料を例にとれば簡単に説明できる
ことである。従って、この場合での長さの差の絶対値は
常時一定である。
【0010】本発明が動作するためには、互いに異なっ
た二つの物理現象のいずれかを利用している。即ち、所
定の異方性材料が異なった空間方向にそれぞれの大きさ
で熱膨張する現象か、または、所定の異方性材料にあっ
ては、互いに異なった光の偏光方向に関する屈折率が、
所定の光学伝播方向にそれぞれの大きさで温度に依存し
て変化(温度依存変化)するとの物理学的知見のいずれか
を利用している。同様に、異方性材料に関するこの二つ
の現象を組み合わせて利用することも可能であるのは言
うまでもない。
【0011】本発明によれば、温度により特定化されて
方向に依存して長さが変化するか、或いは屈折率が変化
する(temperature-specified direction-dependent len
gthchange and/or refractive index change)材料から
なる基板上に光学的に不均一な長いアームもしくは光路
を有する、集積型光学素子を利用した干渉計を構成する
ことができる。従って、能動的制御を行わなくても、こ
れらの互いに異なった変化係数を利用することにより温
度補償を達成することが出来る。
【0012】平衡式干渉計の二本のアームないし光路
が、異なった方向に方向に依存して熱膨張する集積型光
学素子基板の表面上の二つの等しい長導光路内を延在す
るようにすれば、光路長は異なった大きさで変化する。
このような状態においては、平衡式干渉計でさえ、温度
変化に対して安定状態に保持することは出来ない。それ
に対して、本発明によれば、アームないし光路長が互い
に異なっていると、二つの導光路の光路長が所定の長さ
の比にあれば、その光路長が正確に同量だけ変化するよ
うな場合では光路長の差は温度の影響で変化することは
ない。
【0013】尚、本発明の好ましい実施例を詳述するに
当たっては、本発明をマイケルソン干渉計に適用したも
のとして説明する。しかし、本発明はこの特定の干渉計
のみならず、例えばマッハ-ツェンダー干渉計などのそ
の他の温度補償型干渉計にも適用できるものである。
【0014】
【実施例】図1は、それぞれの開放端がミラー被覆(反
射膜が被覆)されている二本の導光路と一つの結合子と
を備えた集積型光学素子を利用したマイケルソン干渉計
を示している。このマイケルソン干渉計は、本発明の基
本概念を説明するために例示したものに過ぎず、それを
以て本発明の適用範囲を限定するものではない。
【0015】図1に示したマイケルソン干渉計は、チタ
ン拡散型単モード導光路が形成されたX形切込み付きLi
NbO3基板1を備えている。入射側導光路2は付属コネク
タ4を介して、波長が例えば830ナノメーターの光源に
接続されたおり、また、出射側導光路3は付属コネクタ
4'を介して検出器(図示せず)に接続されている。
【0016】結合域5においては、例えばX偏光の光
が、入射側導光路2から出射側導光路に亙って部分的に
重ね合わされる。二本の導光路2,3は、結合域5から
隔てたところにおける基板の端部において反射膜6,6'
により閉鎖されている。
【0017】二本の導光路からの光にして、反射膜6,
6'から反射された光は結合域5において互いに干渉す
る。位相差にもよるが、光は導光路2や導光路3を何回
も透過する。そこから生ずる強度信号は付属コネクタ
4'を介して検出器により検出される。
【0018】結合域5における位相関係は、結合域5と
反射膜6との間の光路L1と結合域5と反射膜6'との間
の光路L1'の差、即ち、光路長差L1-L1'及び、導光路
に沿う屈折率nと光の波長の関数で表される。LiNbO3
晶はZ方向に比べて2倍の大きさでY方向に熱膨張す
る。他方、X偏光の場合での二本の光路L1,L1'屈折率
は等量変化する。
【0019】例えば図示のようにY軸に対して45度方向
からの二本の光路L1,L1'の変位角が±10度に選ばれ
ていると、(表1)に示した絶対値が得られる。
【0020】
【表1】
【0021】そこで、温度変化が生じてパラメーターL
1・nとL1'・nの絶対値が共にδだけ変化すると、(数
1)が示すように光路長差L1・n-L1'・nは一定にな
る。
【0022】
【数1】
【0023】光路が温度依存変化を起こす場合では、最
初の近似に対しては(数2)が当てはまる。
【0024】
【数2】
【0025】尚、上記の説明は、本発明の範囲において
考えられる幾つかの構成の内の一例にすぎない。
【0026】原理的には光の偏光方向や、例えば円盤形
ウェハーなどの基板の結晶断面(crystal cut)、光の伝
播方向、干渉計の種類などは無関係である。数式の解を
求めることは見かけ上常に可能である。基板の材料は、
そこに導光路を形成することが可能であること、また、
光路長と屈折率のいずれか一方、叉は、両方が、温度変
化の最中における異なった空間方向における異なった強
度に応じて変化する条件を単に満たすだけにすぎない。
この場合での理論的な説明の如何は状況に応じて異なる
ことがあるが、前述の例は本発明の原理を容易に理解で
きるように、簡単な状況について理論的に説明したもの
である。
【0027】本発明をもっと正確に理論的に説明すれ
ば、屈折率の角度依存性、屈折率の温度依存変化量、角
度に対する熱膨張係数の依存性の三つの数式が必要であ
ると同時に重要である。このために要する数式と材料の
定数については公知であって、適当な文献においてあら
ゆる材料について見出すことができる。従って、特定の
材料に対する屈折率n(θ)、その温度依存変化係数d
(θ)、熱膨張係数α(θ)などは、公知文献から見出すこ
とができる。
【0028】これにより、二つの光路の温度依存変化が
等しいことを示す基本的な数式が成り立つ。この場合、
干渉計は任意の数の直線部分(straight partial sectio
ns)で構成されており、総計で全ての干渉計のアームを
構成することになる。実際としては、各アームはできる
だけ少数の直線部分で構成されている。
【0029】
【数3】
【0030】所望の光路長差は、(数4)に示すように求
められる。
【0031】
【数4】
【0032】従来例では、集積型光学素子を利用して光
を分割するのに、下記の二つの方法が行われている。
【0033】一つは偏光依存分割(Y分岐、指向性結合
子)で、この場合では入射光強度は、その偏光状態とは
無関係に二つの導光路に割り当てている。この様な結合
子を用いると、結晶の主軸と平行に偏光した光を用いる
のが慣習になっている。
【0034】もう一つは、偏光依存性分割(偏光依存指
向性結合子)で、光軸に対して直交する方向に偏光され
た入射光強度の成分が一方の導光路に、また、それに対
して直交する方向に偏光された光が他方の導光路に導光
されるようになっている。結晶主軸に対して45度偏光
された光がこの種の結合子に入射されると、互いに直交
する方向に偏光された光が二つの干渉計のアームに伝播
することになる。
【0035】それに、本発明によれば、現に集積型光学
素子を利用して構成された下記二種の公知構成の光干渉
計において温度安定化を計ることができる。 1)一つの結合子と、その端部に反射膜被覆が施されて
いる二本の導光路成分とからなるマイケルソン干渉計。
光が供給されるのと同一結合子から情報信号が得られる
(図1を参照のこと)。
【0036】2)結合子において入射光が二本の導光路
に割り当てられ、それぞれの光路を進行した後、別の結
合子において重ね合わされるように構成されているマッ
ハ-ツェンダー干渉計。この構成においては、所望の干
渉計出力信号は、前記別の結合子の下流側において得ら
れるようになっている(図2を参照のこと)。
【0037】構成するに当たっては、下記の三つの基本
原理がある。
【0038】第1原理 全ての光路に対して屈折率の温度依存変化量が同一とな
るように入射光の偏光方向を選ぶ。この場合、二本の干
渉計アームをその熱膨張係数から鑑みて区別する一方、
両アームについて屈折率とその温度依存変化量が同一に
なるようにする。このためには極軸が表面(X叉はYカ
ット面)と平行な結晶ウェハーが必要である。光の偏光
方向は、両方の導光路においても光軸に対して直交して
いなければならない。
【0039】この場合での理論式は(数5)に示した通り
である。
【0040】
【数5】
【0041】前述の二種の干渉計は何れも、この原理に
従って構成することができる。図1は、偏光非依存性結
合子(polarization-independent coupler)を用い、この
第1原理に従って動作する導光路成分を各アーム毎に備
えているマイケルソン干渉計を示している。
【0042】第2原理 偏光方向が互いに直交する光が二本の光路を伝播するよ
うに光路間の結合域を構成する。この結果、屈折率の温
度依存変化量が光の伝播方向毎に異なる、即ち、屈折率
とその温度依存変化量のみが二本のアームについて異な
ることになる。このためには、結晶ウェハーとしては、
その表面に対して平行な全ての方向について熱膨張係数
が同一となるようにカットしたものが必要である。この
場合、極軸は表面(Zカット面)に対して直交する。二
本の導光路における光の偏光方向は互いに直交していな
ければならず、それ故に偏光依存性結合子が使われる。
【0043】この様な場合での理論式は(数6)に示した
通りである。
【0044】
【数6】
【0045】前述の二種の干渉計は何れも、この原理に
従って構成することができる。
【0046】図2は、アーム毎に三本の導光路成分を備
え、この第2原理に従って動作するマッハ-ツェンダー
干渉計を示している。このマッハ-ツェンダー干渉計
は、Zカットを施したLiNbO3基板1にチタンを拡散した
単モード導光路が形成されていて、この第2原理の一例
を示している。基板の表面に対して45度偏光した光は、
ビーム光学系を利用した入射側導光路2にレンズ7を介
して入射される。また、ビーム光学系を利用して、前述
のように入射された光は、出射側導光路3を進行した
後、別のレンズ7'を介して出射し、その後、偏光器8
を経て検出器(図示せず)に検出される。結合子9は、
表面に対して平行な方向に偏光された光が、直線状導光
路成分L1,L2,L3からなる干渉計アームに導かれるよ
うに構成されている。他方、それに対して直交する方向
に偏光された光は、直線状導光路成分L1,L2,L3から
なる他方の干渉計アームに導かれるようになっている。
また、別の結結合子9'のところでは、二本のアームか
らの光が互いに重ね合わされ、その後出射側導光路3へ
と導かれるようになっている。
【0047】重合されて一本になった光の偏光方向は、
二つの偏光方向間での位相差の関数、従って、二本のア
ーム間の長さの差の関数であって、偏光器において強度
情報に変換される。
【0048】光の波長が例えば830ナノメーターであ
れば、(表2)に示した値が得られる。
【0049】
【表2】
【0050】第3原理 屈折率の温度依存変化量が偏光方向毎に異なるように入
射光の偏光方向を選ぶ。換言すれば、屈折率とその温度
依存変化量及び熱膨張量とが二本の干渉計アーム毎に異
なるようにしている、と言える。このためには、極軸が
表面(XないしYカット面)に対して平行になっている結
晶ウェハーが必要である。偏光方向としては、少なくと
も何れか一方の干渉計アームにおいては表面に対して平
行でなければならない。
【0051】理論式は(数7)で表される。
【0052】
【数7】
【0053】前述の二種の干渉計は何れも、この原理に
従って構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 単一結合子と、その端部に反射膜被覆が施さ
れている二本の導光路成分を備え、かつ、集積型光学素
子を利用したマイケルソン干渉計を示す。
【図2】 干渉計への入射光が第1結合子において二本
の導光路に分割され、それぞれの光路を進行した後に第
2結合子において重ね合わされるようになっている、集
積型光学素子を利用したマッハ-ツェンダー干渉計を示
す。
【符号の説明】
1・・・・基板 2・・・・入射側導光路 3・・・・出射側導光路 4・・・・コネクタ 4'・・・・コネクタ 5・・・・結合域 6・・・・反射膜 6'・・・・反射膜 7・・・・レンズ 7'・・・・レンズ 8・・・・偏光器 9・・・・結合子 9'・・・・結合子
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−235016(JP,A) 特開 平2−68501(JP,A) 特開 昭62−35221(JP,A)

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 異方性基板に集積型光学素子を用いて波
    長の干渉測定を行う装置であって、一本の光ビームを分
    割した後の光路が互いに異なった光路長を有し、それぞ
    れの光路の方向が前記基板の結晶軸を鑑み、また、入射
    光の偏光方向からみた光路長をも鑑みて、温度変化の発
    生時に前記光路長の差に変動が生じないように選ばれて
    いることを特徴とする干渉形波長測定装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載のものであって、前記そ
    れぞれの光路の幾何学配置とその光路長とが、異なった
    空間方向での異なった熱膨張係数を有する基板の異方性
    素材を鑑みて選ばれていることを特徴とする干渉形波長
    測定装置。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載のものであって、前記そ
    れぞれの光路の幾何学配置とその光路長とが、異なった
    空間方向での屈折率の異なった変化量を有する基板の異
    方性素材を鑑みて選ばれていることを特徴とする干渉形
    波長測定装置。
  4. 【請求項4】 請求項1に記載のものであって、前記そ
    れぞれの光路の幾何学配置とその光路長とが、異なった
    空間方向での異なった熱膨張係数を有する基板の異方性
    素材を鑑みて、また、異なった空間方向での屈折率の異
    なった変化量を有する基板の異方性素材をも鑑みて選ば
    れていることを特徴とする干渉形波長測定装置。
  5. 【請求項5】 請求項1から4までの何れか一項に記載
    のものであって、前記測定装置がマイケルソン干渉計を
    備えていることを特徴とする干渉形波長測定装置。
  6. 【請求項6】 請求項1から4までの何れか一項に記載
    のものであって、前記測定装置がマッハ-ツェンダー干
    渉計を備えていることを特徴とする干渉形波長測定装
    置。
JP3134755A 1990-06-07 1991-06-06 干渉形波長測定装置 Expired - Lifetime JPH0739971B2 (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE90110835.7 1990-06-07
EP90110835A EP0460268B1 (de) 1990-06-07 1990-06-07 Integrierte optische Einrichtung zur interferometrischen Vermessung von Lichtwellen

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH04232429A JPH04232429A (ja) 1992-08-20
JPH0739971B2 true JPH0739971B2 (ja) 1995-05-01

Family

ID=8204068

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP3134755A Expired - Lifetime JPH0739971B2 (ja) 1990-06-07 1991-06-06 干渉形波長測定装置

Country Status (5)

Country Link
US (1) US5311279A (ja)
EP (1) EP0460268B1 (ja)
JP (1) JPH0739971B2 (ja)
CA (1) CA2039226C (ja)
DE (1) DE59008904D1 (ja)

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