KR20010075299A - 광위상 검출기 - Google Patents

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KR20010075299A
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optical
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laser
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detector
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KR1020017003686A
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루이스마이리온
윌슨레베카
샘플피터
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스켈톤 에스. 알.
더 세크러터리 오브 스테이트 포 디펜스
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    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
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    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
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Abstract

광위상 검출기(optical phase detector)는 2개의 광입력을 수신하고 2개의 조합된 광출력을 만드는 결합 수단, 2개의 조합된 광출력을 검출하고 대응하는 2개의 전기 신호를 만드는 수단, 및 2개의 전기 신호 사이의 차이를 측정하고 2개의 광입력 사이에 위상차의 표시를 제공하는데 사용될 수 있는 출력 차이 신호를 발생하는 수단을 구비한다. 광위상 검출기는 선형화된 응답을 제공하도록 광위상 검출기로의 광입력의 위상을 변조하는 전압-동조가능 전기광학 위상 변조기를 구비한다. 이러한 배열에서, 출력 차이 신호는 전기광학 위상 변조기에 인가되는 전압을 변화시킴으로서 일정한 레벨로 유지될 수 있고, 인가되는 전압은 2개의 광입력 사이에 위상차의 표시를 제공한다. 응용은 주파수 판별기, 다양한 센서, 및 레이저 안정화 장치를 포함한다.

Description

광위상 검출기{Optical phase detector}
종래에, 위상차는 간섭 주름 패턴 (fringe pattern)을 형성하도록 2개의 빔을 간섭시키고 상대적인 위상의 변화로 인해 카메라면을 따라 이동할 때 주름 패턴을 측정함으로서 광학적으로 측정될 수 있다. 이러한 측정에서 불편한 점은 위상 또는 위치를 정확하게 측정하기 위해 주름 사이의 보간과 주름 카운트에 의존한다는 점이다. 이 처리는 비교적 느리고 정확하지 못하다. 이러한 검출기는 광파장 일부까지의 위치를 정확하게 측정하기 위해 레이저 방법과 같은 변위 측정 구조에서 사용될 수 있다.
광학적 기술은 이전에 두개의 안정된 레이저를 혼합함으로서 마이크로파 방사를 발생하는 것과, 간단한 광시스템이 복잡한 마이크로파 기능을 실행하는데 사용되는 위상 어레이 안테나 빔 형성에 사용되었다. 안정화된 마이크로파 방사의 발생을 위해 공지된 기술은 RF, 마이크로파 또는 mm-파 (millimetre wave) 주파수 판별기 회로에 광섬유 지연선을 포함함으로서 이루어진다. 이는 안정된 두 출력의주파수 차이가 정확하게 제어될 수 있게 하므로, RF, 마이크로파 또는 mm-파 출력이 안정화될 수 있다 (UK 특허 출원 9523518.0). 본 시스템에서, 레이저의 주파수는 드리프트 (drift) 될 수 있지만, 그들 사이의 주파수 사이는 일정하게 유지된다. 시스템의 목적은 RF 주파수에서 안정된 방사를 제공하는 장치를 제공하는 것이다.
많은 응용에서, 높은 스펙트럼 순도 (즉, 안정성)의 레이저 방사가 요구된다. 이러한 응용은 기본적인 물리적 연구, 예를 들면 중력 검출, 광화학, 휘도 여기 스펙트로스코피 (luminescence excitation spectroscopy), 흡수 및 라만 (Raman) 스펙트로스코피, 및 광섬유 통신, 센서 , 레이저 레이더, 레이저 공기 속도 표시기, 및 레이저 진동계와 같은 응용을 포함한다. 그러나, 이미 공지된 주파수 (또는 파장)의 레이저 및 높은 스펙트럼 순도 (예를 들면, 좁은 대역폭)는 가격이 비싸고 복잡해지는 경향이 있다. 높은 스펙트럼 순도는 특정한 기체 레이저로 얻어질 수 있지만, 유사한 또는 뛰어난 성능의 고체 레이저가 필요하다. 고체 레이저는 레이저 다이오드 및 다이오드 펌프 YAG 레이저를 포함한다. 가장 널리 사용되는 레이저 디바이스는 레이저 다이오드이다. 비록 이들 디바이스가 비교적 저렴하지만, 이 종류의 디바이스는 특히, 때때로 여러개의 모드를 동시에 지지하는 Fabry-Perot etalon 설계에서 특별히 열악한 스펙트럼 안정성을 갖는다.
다수의 응용에서는 열악한 스펙트럼질의 문제점을 극복하고 단일 레이저의 주파수 출력을 안정화시킬 수 있는 것이 유용하다. 더욱이, 일부 응용에서는 매우 순수한 레이저 방사가 요구된다.
외부 구성성분으로 레이저 출력을 안정화시키는 것은 이전에 [음적 전기 피드백에 의한 AlGaAs 레이저의 서브 kHz 라인폭 및 FM 잡음 감소 (FM noise reduction and sub kilohertz linewidth of an AlGaAs laser by negative electrical feedback), M. Ohutso 등, IEEE Journal of Quantum Electronics 26 (1990) pp231-241]에서 보고되었다. 이 시스템에서, 외부 구성성분은 하나 이상의 매우 섬세한 FP (Fabry-Perot) 간섭계이다. 레이저의 안정화는 FM 잡음을 검출하는 간섭계 또는 간섭계의 반사 특성을 사용하여 이루어진다. 이어서, 레이저 출력을 정정하도록 이 신호를 피드백하는데 전기적 피드백이 사용된다. 그러나, 그 시스템은 비용면에서 불리한 복합 자유-공간 시스템이다. 또한, 시스템이 자유 공간에서 동작하기 때문에, 진동, 공기 순환, 먼지와 같은 외부 계수 및 온도 변화에 대해 특히 민감하다.
본 발명은 두 입력 신호 사이의 위상차를 측정하는 광위상 검출기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 광주파수 판별기 및 레이저 안정 장치에서의 사용을 포함하는 광위상 검출기의 응용에 관한 것이다.
도 1은 종래의 광위상 검출기를 도시하는 도면.
도 2는 상대적인 광위상의 함수로 도 1의 광위상 검출기의 검출 출력 레벨을 설명하는 도면.
도 3은 상대적인 광위상의 함수로 도 2에 도시된 검출기 출력 사이의 차동 출력 레벨을 설명하는 도면.
도 4는 도 1에 도시된 광위상 검출기의 선형 버전을 도시하는 도면.
도 5는 전기적인 피드백 루프를 포함하는 도 4에 도시된 선형화 광위상 검출기를 도시하는 도면.
도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시된 바와 같이, 피드백으로 선형화된 광위상 검출기를 사용하여 구해진 실험적인 결과를 도시하는 도면.
도 7은 도 1의 광위상 검출기에 포함된 검출기의 실제 전기 회로예를 도시하는 도면.
도 8은 도 1에 도시된 광위상 검출기를 포함하는 본 발명의 레이저 안정화 장치를 도시하는 도면.
도 9는 (a) 1319 nm에서 동작하는 Lightwave Electronics Series 123 섬유-연결 다이오드-펌프 고체 비평면 링 레이저 및 (b) 1550 nm에서 동작하는 E-Tek DFB 레이저, 타입 LDPM에 대해, 본 발명의 레이저 안정화 장치를 사용하여 구해진 안정화 레이저 출력 및 비안정화 레이저 출력에 대한 위상 잡음 측정을 도시하는 도면.
도 10은 도 8에 도시된 레이저 안정화 장치를 도시하는 것으로, 장치의 피드백 루프 (feedback loop)에 차동 증폭기 또는 전기광학 위상 변조기를 더 구비하는 도면.
도 11a는 광주파수 합성기를 제공하도록 도 10의 장치에서 위상 변조기에 인가될 수 있는 톱니 (SAWTOOTH) 전압 파형의 예를 도시하고, 도 11b는 톱니 파형 전압이 인가되는 전기광학 위상 변조기의 위상 변화를 도시하는 도면.
도 12는 도 10에 도시된 장치를 사용하여 구해진 실험 결과를 도시하는 도면.
도 13은 도 5에 도시된 광위상 검출기가 센서에서 사용되는 방법을 설명하는 도면.
도 14는 도 5에 도시된 광위상 검출기가 광학 벡터 볼트 미터에 사용되는 방법을 설명하는 도면.
도 15는 도 14에 도시된 광학 벡터 볼트미터와 도 10에 도시된 장치가 테스트하에 있는 시스템의 전송 측정을 위해 광학 네트워크 분석기에 사용되는 방법을 설명하는 도면.
도 16은 도 14에 도시된 광학 벡터 볼트미터와 도 10에 도시된 장치가 테스트하에 있는 시스템의 반사 측정을 위해 광학 네트워크 분석기에 사용되는 방법을 설명하는 도면.
도 17은 자유 공간 광학을 사용하는 광위상 검출기의 기체 센서 응용에 대한 도면.
본 발명의 목적은 이러한 문제점을 극복한 레이저 안정화 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 또 다른 목적은 레이저 안정화 장치에 포함될 수 있는 광위상 검출기를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 특성에 따라, 광위상 검출기는;
2개의 광입력을 수신하고 2개의 조합된 광출력을 제공하는 수단,
2개의 광출력을 검출하고 조합된 광출력 각각의 강도를 전기 신호로 변환하는 검출 수단,
2개의 전기 신호 사이의 차이를 측정하고 출력 차이 신호를 발생하는 수단,및
광위상 검출기로의 한 광입력의 위상을 변조시키고, 실질적으로 선형 응답을 가지므로, 사용시 출력 차이 신호가 그에 인가되는 전압을 변화시킴으로서 실질적으로 일정한 레벨로 유지되고, 두 광입력 사이에 위상차 표시를 제공하는 전압-제어 전기광학 위상 변조기를 구비한다.
광위상 검출기는 2개의 광입력을 수신하고 2개의 조합된 광출력을 제공하는 결합 수단을 포함할 수 있다. 결합 수단은 2개의 광입력으로부터 2개의 조합된 광출력을 제공하는 수단으로, 결합 수단은 각 광입력으로부터 2개의 중간 광출력을 제공하고, 각 광입력으로부터 만들어진 2개의 중간 광출력은 위상 직각 (phase quadrature) 상태에 있고, 중간 광출력은 조합되어 2개의 조합된 광출력을 형성한다. 예를 들면, 결합기는 광섬유 결합기, 또는 집적 광도파관 결합기와 같은 다른 결합된 도파관 디바이스가 될 수 있다.
바람직하게, 일정 레벨은 실질적으로 0 V이다. 전기광학 위상 변조기에 인가되는 전압이 두 광입력 사이에 위상차의 표시를 제공하므로, 이는 전기광학 위상 변조기를 구동하는데 요구되는 전압이 두 광입력 사이의 위상차에 직접 비례함에 따라 광위상 검출기가 선형화되는 이점을 제공한다. 광위상 검출기 출력으로부터의 피드백 루프 (feedback loop)를 통해 전기광학 변조기에 이 전압을 인가하는 것이 바람직하다. 그러므로, 광위상 검출기는 출력 차이 신호를 전기광학 위상 변조기에 피드백시키는 수단을 더 구비하여, 전기광학 위상 변조기에 인가되는 전압이 실질적으로 일정한 레벨로 차이 신호를 유지하도록 출력 차이 신호에 응답하여 변한다.
광위상 검출기는 두 광입력 신호 사이의 상대적인 위상차를 나타내는 전기적 출력 신호를 제공하는 이점을 제공한다. 이는 입력의 높은 광주파수로 인하여 종래의 전기적 위상 검출기로 이루어질 수 없다.
더욱이, 비록 위상차가 간섭 주름 패턴 (fringe pattern)을 형성하도록 2개의 빔을 간섭시키고 상대적 위상의 차이로 인하여 카메라면을 따라 이동될 때 주름 패턴을 측정함으로서 광학적으로 측정될 수 있지만, 이는 위상 또는 위치를 정확하기 측정하기 위해 주름 사이의 보간 및 주름 카운트에 의존한다. 본 발명의 광위상 검출기는 직접적인 전기 신호가 적어도 360°인 확장 범위에 걸쳐 위상차의 선형 측정을 제공하는 것과 같이 출력이 발생되므로 유리하다.
전기광학 위상 검출기는 집적된 광학적 기판상에 광도파로를 구비하고, 기판은 유리하게 니오브화 리튬, 탄탈화 리튬, 또는 비화 갈륨이다. 전기광학 위상 변조기의 주파수 응답은 적어도 1 MHz, 바람직하게 적어도 1 GHz이다. 다른 방법으로, 전기광학 위상 변조기는 압전 물질을 운반하는 광섬유의 형태를 취할 수 있다. 예를 들면, 압전 물질은 광섬유에 피착되거나, 다른 방법으로 부착될 수 있다. 광섬유는 외부 클래딩 (cladding)이 제거될 수 있다.
바람직하게, 결합 수단으로의 두 광입력은 실질적으로 동일한 진폭을 갖는다. 2개의 광입력은 똑같은 방사원, 예를 들면 단일 레이저로부터 유도될 수 있다. 이러한 배열에서, 광위상 검출기는 똑같은 방사원으로부터의 두 광입력 사이의 위상차이에 의존하는 전기 출력을 제공하므로, 상대적인 위상차의 측정을 제공한다. 다른 방법으로, 일부 응용에서, 두 광입력은 바람직하게 똑같은 진폭을 갖는 다른 두 방사원으로부터 유도될 수 잇다.
광위상 검출기는 또한 두 입력의 분극이 실질적으로 똑같은 것을 확인하도록 광위상 검출기에 입력 중 적어도 하나의 분극을 변조시키는 분극 변조 수단을 구비할 수 있다. 전형적으로, 분극 변조 수단은 광섬유 또는 집적된 광학적 분극 변조기가 될 수 있다.
광위상 검출기는 2개의 광검출기를 구비할 수 있고, 이들 각각은 광출력 중 하나의 강도를 검출하고, 대응하는 광출력에 응답하여 전기 출력 신호를 발생한다. 바람직하게, 광검출기는 정합된 광검출기이다.
본 발명의 제2 특성에 따라, 주파수 판별기 장치는;
여기서 설명된 바와 같은 광위상 검출기,
방사원으로부터 주요 광입력을 수신하여 2개의 주요 광출력을 제공하는 수단, 및
2개의 주요 광출력 사이에 상대적인 지연을 도입하는 수단을 구비하고,
그들 사이에 상대적인 지연을 갖는 2개의 주요 광출력은 광위상 검출기에 입력을 제공한다.
예를 들어, 주파수 판별기는 주요 광입력으로부터 2개의 주요 광출력을 만드는 주요 결합 수단을 포함할 수 있다. 바람직하게, 2개의 주요 광출력은 실질적으로 똑같은 진폭을 갖는다.
주파수 판별기 장치에서, 광위상 검출기로부터의 전기적인 출력은 상대적인지연을 제공하는 입력 레이저의 광주파수 (또는 파장) 측정을 제공하므로, 실질적으로 안정된다.
바람직하게, 2개의 주요 광출력 사이에 상대적인 지연을 도입하는 수단은 다른 광경로 길이를 갖는 2가지 길이의 광섬유를 구비한다. 예를 들면, 한 길이의 광섬유는 주요 광출력 중 하나가 전송되는데 사용되고, 다른 주요 광출력은 무시할만간 길이의 광섬유를 통해 전송된다. 다른 방법으로, 또 다른 종류의 지연 매체, 예를 들면 직접된 광지연 라인이 사용될 수 있다.
하나 이상의 길이의 광섬유는 단일 모드 광섬유, 온도 안정 단일 모드 광섬유, 또는 온도 안정 분극 유지 광섬유가 될 수 있다. 온도-안정 광섬유의 사용은 장치가 개선된 온도 안정성을 갖는다는 이점을 제공한다. 다른 방법으로, 또는 부가하여, 온도 안정성을 이루도록, 장치는 온도-안정 오븐에 수납될 수 있다.
여기서 기술된 바와 같은 광위상 검출기를 구비하는 주파수 판별기 장치는 측정치가 광섬유 지연 라인에 인가될 때 예를 들면, 온도, 압력, 또는 장력 중 하나를 측정하는 센서를 제공한다. 이는 장치의 상대적인 광학적 지연이 실질적으로 0인 경우 센서 응용에서 유리하다.
본 발명의 또 다른 특성에 따라, 방사원으로부터 출력을 안정화시키는 레이저 안정화 장치는;
주파수를 갖는 방사원으로부터 주요 광입력을 수신하고 2개의 주요 광출력을 제공하는 입력 수단을 구비하는 주파수 판별기 장치,
2개의 주요 광출력 사이에 상대적인 지연을 도입하고, 상대적인 지연을 갖는2개의 주요 광출력이 광위상 검출기로 입력되고, 광위상 검출기가 2개의 광입력을 수신하여 2개의 조합된 광출력을 제공하는 결합 수단, 2개의 조합된 광출력의 강도를 검출하고 조합된 광출력 각각의 강도를 전기 신호로 변환하는 검출 수단, 및 두 전기 신호 사이의 차이를 측정하고 출력 차이 신호를 발생하는 수단을 구비하는 수단, 또한
주파수 판별기의 광위상 검출기로부터의 출력 차이 신호를 방사원로 피드백하는 피드백 수단을 구비한다.
방사원은 레이저가 될 수 있고, 레이저는 출력 차이 신호가 동조 지점 (tuning point)으로 피드백되도록 적절한 동조 지점을 갖는다. 주요 광입력을 수신하는 입력 수단은 결합기 또는 빔 스플리터 (splitter)와 같은 입력 결합 수단이 될 수 있다.
본 장치는 공지된 장치 보다 덜 복잡하므로, 구성하는데 비용이 더 저렴하다. 이는 또한 자유 공간 광학 문제점을 피하게 된다. 또한, 레이저 안정화 장치는 예를 들면, 차동 지연 시간의 선택을 통하여 요구조건에 따라 변화될 수 있는 좁은 주파수 범위에서 넓은 주파수 범위에 걸쳐 레이저로부터의 출력을 안정화시킬 수 있다.
레이저 안정화 장치의 한 실시예에서, 장치는 하나 이상의 추가 주파수 판별기를 포함할 수 있고, 각 주파수 판별기는 연관된 광위상 검출기에서 방사원로 전기적 출력을 피드백하기 위해 대응하는 피드백 수단을 갖는다. 다른 주파수 판별기로부터의 광위상 검출기로부터의 출력은 방사원의 다른 제어점으로 피드백될 수있다.
본 장치는 또한 온도-안정 광섬유 또는 다른 지연 수단의 사용을 통한 온도 안정화 뿐만 아니라 단기 안정화가 출력 레이저 스펙트럼에 부여될 수 있게 한다. 본 장치는 또한 진동 및 먼지에 비교적 민감하다.
레이저 안정화 장치 일부를 형성하는 광위상 검출기는 광위상 검출기로의 한 광입력 위상을 변조시키는 전압-제어 전기광학 위상 변조기를 포함하고, 전기광학 위상 변조기는 실질적으로 선형 응답을 갖는다.
본 발명은 또한 여기서 설명된 바와 같은 레이저 안정화 장치를 사용하여 레이저로부터의 출력을 안정화하는 방법에 관련된다.
본 발명의 광위상 검출기는 또한 nm 변위를 측정할 수 있는 변위 측정 구조에서 레이저 방법과 같은 다른 응용에도 사용될 수 있다. 본 발명의 이 특성은 위치를 정확하게 측정하는 주름 사이의 보간 및 주름의 카운트에 의존하는 공지된 변위 측정 구조를 통해 이점을 제공한다.
본 발명의 또 다른 특성에 따라, 광주파수 합성기는;
여기서 설명된 바와 같은 레이저 안정화 장치, 및
레이저 출력의 주파수를 변화시키는 수단을 구비한다.
광주파수 합성기의 일부를 형성하는 레이저 안정화 장치는 주요 광출력이 전송되는 2가지 길이의 광섬유를 포함하고, 두 광섬유는 다른 광경로 길이를 갖는다.
바람직하게, 광주파수 합성기는 한 길이의 광섬유 경로에 배열된 전기광학 위상 변조기를 포함할 수 있고, 여기서 전기광학 위상 변조기에 톱니 (SAWTOOTH)형전압 파형을 인가하는 것은 레이저 출력의 주파수 변화를 상승시킨다. 전형적으로, 전기광학 위상 변조기는 한 길이의 광섬유와 일렬로 배열될 수 있다.
광주파수 합성기는 또한 전기광학 위상 변조기에 전압을 인가하도록, 톱니형 전압 파형을 제공하는 전압 소스를 구비할 수 있다.
다른 방법으로, 광주파수 합성기는 차동 증폭기를 구비할 수 있고, 광위상 검출기로부터의 출력은 차동 증폭기의 입력에 피드백되고, 차동 증폭기로부터의 출력은 레이저에 피드백된다.
광주파수 합성기 일부를 형성하는 레이저 안정화 장치에 포함된 광위상 검출기는 바람직하게 전기광학 위상 변조기를 포함할 수 있지만, 반드시 포함할 필요는 없다.
본 발명의 또 다른 특성에 따라, 입력 레이저 신호와 기준 신호를 비교하는 광학 벡터 볼트미터 (optical vector voltmeter)는;
여기서 설명된 바와 같은 광위상 검출기,
입력 레이저 신호를 수신하고 입력 레이저 신호의 진폭에 의존하여 출력 신호를 발생하는 광검출기,
그 출력으로 기준 신호와 입력 레이저 신호 사이의 위상차 측정을 제공하는 전기광학 위상 변조기를 구비한다.
바람직하게, 광학 벡터 볼트미터에 포함된 광위상 검출기는 전기광학 위상 변조기를 포함한다. 이는 적어도 360°로 커버되는 선형 출력이 있다는 이점을 갖는다.
본 발명의 또 다른 특성에 따라, 다수의 주파수에서 시스템의 전송 또는 반사 진폭 및 위상을 측정하는 광학 네트워크 분석기는;
다수의 주파수에서 기준 신호를 발생하는 광주파수 분석기, 및
시스템에 의해 전송 또는 반사된 신호와 기준 신호를 입력으로 수신하는 여기서 설명된 바와 같은 광학 벡터 볼트미터를 구비한다.
광네트워크 합성기에 포함된 광주파수 합성기는 여기서 설명된 종류이거나 종래의 광주파수 합성기이다.
상술된 본 발명의 특성으로, 단일 모드 광섬유, 광섬유를 유지하는 분극, 온도 안정 단일 모드 광섬유, 또는 온도 안정 분극 유지 광섬유가 사용될 수 있다.
본 발명의 특성이 섬유내 응용인 것으로 여기서 설명되지만, 본 발명의 모든 특성은 광경로 일부 또는 모두에서 자유 공간 광학을 사용할 수 있다. 예를 들면, 자유 공간 광학은 기체 센서에서 사용될 수 있다. 유사하게, 집적 광학이 사용될 수 있다.
본 발명의 한 특성의 목적은 실질적으로 똑같은 주파수의 두 광입력 사이에 위상차 또는 상대적인 위상에 의존하는 전기 출력 신호를 만들 수 있는 광위상 검출기를 제공하는 것이다.
도 1을 참조하면, 본 명세서 전반에 걸쳐 (1)이라 칭하여지는 광위상 검출기는 두 입력(3, 4)을 결합시키기 위한 50/50 섬유 광방향성 결합기(2)를 구비한다. 검출기(1)는 또한 2개의 광검출기(5a, 5b) 및 차동 증폭기(6)를 구비한다. 동작시, 두 입력(3, 4)은 방향성 결합기(2)를 통해 광위상 검출기(1)에 입력된다. 50/50 단일 모드 섬유 광방향성 결합기는 2개의 결합된 광섬유를 구비하는 중심 부분(10)을 갖는다.
결합기로의 입력(3, 4)은 이 중심 부분(10)에서 순간 결합에 의해 결합되어, 2개의 조합된 출력(11, 12)이 발생된다. 이들 조합 출력(11, 12)은 두 입력 신호(3, 4) 사이의 위상차에 따라 진폭 (및 강도)이 변하게 된다. 바람직하게, 입력 신호(3, 4)는 실질적으로 똑같은 진폭을 갖는다.
결합기의 기능은 두 출력(11, 12)을 형성하도록 조합된 두 입력 각각으로부터 2개의 중간 출력 (즉, 총 4개)을 제공하는 것이다. 각 입력 신호는 2개의 중간 광출력으로 상승되고, 각 입력으로부터 주어진 두 중간 출력이 위상 직각 (phase quadrature) (즉 실질적으로 90°의 위상차를 갖는) 상태라는 사실은 중요한 특성이다. 각 입력으로부터의 중간 출력은 조합 출력(11, 12)을 제공하도록 쌍으로 조합된다. 결합기는 이 기능을 제공하는 결합 수단이 될 수 있다. 이상적으로, 이 결합기는 종래의 섬유내 결합기와 같이 결합된 도파관 디바이스이지만, 다른 결합기 디바이스가 사용될 수 있다.
전형적으로, 광위상 검출기로의 두 광입력(3, 4)은 레이저 (도시되지 않은)와 같은 똑같은 소스로부터 유도될 수 있다. 광입력(3, 4)은 단일 모드 광섬유를 통해 레이저로부터 위상 검출기로 취해지는 것이 바람직하다. 다른 방법으로, 두 방사 빔은 레이저로부터 취해지고 광위상 검출기(1)에 순차적으로 입력되도록 렌즈를 통해 단일 모드 광섬유로 연결될 수 있다.
결합기(2)로부터의 각 출력 신호(11, 12)는 각 광입력 (즉, 입력 11, 12)의 강도를 대응하는 전기 출력 신호(7a, 7b)로 변환하는 분리된 검출기(5a, 5b)에 전해진다. 검출기(5a, 5b)로부터 출력된 전기 신호(7a, 7b)는 이어서 수신한 입력 신호 사이의 전압 차이에 비례하는 출력(20)을 만드는 차동 증폭기(6)에 전해진다. 바람직하게, 검출기는 정합된다 (즉, 가능한한 동일하게). 예를 들면, 이들은 똑같은 배치 (batch) 또는 똑같은 칩에 만들어질 수 있다. 간략하게, 검출기로의 전기 연결은 도 1에서 도시되지 않는다.
광위상 검출기(1)는 검출기(5a, 5b)로부터의 두 출력 신호(7a, 7b)가 결합기(2)에 입력되는 두 광학 신호(3, 4)의 상대적인 위상에 의존한다는 사실을 사용한다. 즉, 검출기(5a, 5b) 및 차동 증폭기(6)는 실질적으로 균형잡힌 광검출기 회로 (일반적으로 (32)라 칭하여지는)를 제공하고, 차동 증폭기(6)로부터 출력된 전압은 두 입력 신호(3, 4) 사이의 위상차 측정을 제공한다. 이는 입력(3, 4)의 진폭이 실질적으로 똑같을 것을 요구한다. 입력(3, 4)의 진폭이 변화되면, 측정을 분리하여 측정하고 전기적으로 변화 정정하는 것이 가능하다.
두 광입력(3, 4) 사이의 위상차를 측정하기 위해, 두 입력(3, 4)의 분극이 똑같음을 확인하는 것이 중요하다. 이는 입력 신호(3, 4) 중 하나 또는 둘 모두의 경로에 분극 제어기를 포함함으로서 이루어질 수 있다. 예를 들어, 입력 신호(3, 4)가 광섬유를 통해 레이저로부터 위상 검출기(1)에 연결되면, 섬유 광학 분극 제어기는 입력 경로(3, 4) 중 하나 또는 둘 모두에서 사용될 수 있다. 다른 방법으로, 집적된 광위상 검출기에서는 집적 광학 분극 변조기가 사용된다. 분극 유지광섬유 및 결합기도 또한 광위상 검출기(1)를 통해 사용될 수 있다.
광위상 검출기(1)의 이러한 작용은 도 2 및 도 3에서 설명된다. 도 2는 각 검출기로부터의 출력(7a, 7b)이 두 광입력(3, 4) 사이의 상대적인 위상으로 변하는 방법을 도시한다. 두 검출기(5a, 5b)로부터의 출력 신호(7a, 7b) 진폭은 싸인파로 상대적인 위상에 따라 변하고, 비교적 반위상이다. 그러므로, 광위상 검출기(1)는 두 입력 신호(3, 4) 사이의 위상차 측정인 DC 출력 전압을 제공한다.
도 3은 입력(3, 4)의 상대적인 광위상에 따라 싸인파로 변하는 검출기 출력(7a, 7b) 쌍의 차동 출력(20)을 도시한다. 출력(20)은 쌍극이고, 특별히 이후 보다 상세히 논의될 일부 응용에서 유용하다. 그러나, 본 발명의 제1 특성에 따라, 개선된 광위상 검출기는 선형 응답을 갖는 광위상 검출기를 제공하는 전압 제어 전기광학 위상 변조기를 포함한다. "전압-제어" 전기광학 위상 변조기는 또한 "전압-동조가능" 전기광학 위상 변조기라 칭하여질 수 있다.
전형적으로, 전기광학 위상 변조기는 니오브화 리듐, 탄탈화 리튬, 비화 갈륨, 또는 다른 전기광학 물질과 같은 집적 광학 기판상에 광도파로를 구비할 수 있다. 금속 전극을 통해 도파로에 걸쳐 전압을 인가함으로서, 도파로를 통과하는 방사 위상이 변조될 수 있다. 니오브화 리튬이나 탄탈화 리튬을 구비하는 전기광학 위상 변조기의 응답은 매우 선형적이다. 부가하여, 이러한 전기광학 위상 변조기의 주파수 응답은 매우 빨라서, 전형적으로 1 GHz 이상이다.
도 4는 본 발명의 한 특성에 따라 수동적으로 동작하는 광위상 검출기(30)를 도시한다. 광위상 검출기(30)는 선형화 응답을 갖고, 입력 경로(3, 4) (도 4에서는 입력 3) 중 하나에 전압 제어 전기광학 위상 변조기(35)를 구비한다. 전기광학 위상 변조기(35)는 실질적으로 인가된 전압(36)에 따라 광위상의 선형 변화를 갖는다. 이 전압이 수동적으로 (또는 자동적으로) 차동 증폭기로부터 일정한 (이상적으로는 0인) 출력(20)을 유지하도록 조정되면, 변조기(35)로 인가된 전압(36)은 광입력(3, 4) 사이에 상대적인 위상의 직접적인 선형 측정을 제공한다. 실제로는 인가된 전압(36)의 자동, 수동과 반대되는, 조정이 매우 바람직하다. 전기광학 위상 변조의 범위는 적어도 360°가 될 수 있다.
전기광학 위상 변조기(35)는 광위상 검출기(1)로의 입력(3, 4) 중 하나의 경로에 놓인다. 차동 증폭기(6)로부터의 출력(20)은 이때 전압-동조 전기광학 변조기에 적절한 전압을 인가함으로서 일정한 레벨로 설정된다. 바람직하게, 출력(20)은 진폭 변화에 민감하지 않은 측정을 이루는 0 V로 유지될 수 있다.
전기광학 위상 변조기의 응답이 특히, 니오브화 리튬 및 탄탈화 리튬 디바이스에서 매우 선형이므로, 차동 증폭기 출력을 0으로 설정하는데 요구되는 전압은 상대적인 위상의 유용한 측정을 제공한다. 전기광학 위상 변조기의 주파수 응답은 전형적으로 1 MHz 내지 1 GHz이다. 일부 응용에서는 1 GHz를 넘는 주파수 응답을 갖는 전기광학 위상 변조기를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 전압 조절은 수동적으로, 또는 전기적 피드백 루프를 통해 이루어질 수 있다. 전기광학 위상 변조기를 포함하면, 위상 변조기가 선형화되고 (즉, 차동 증폭기를 일정 전압으로 유지하기 위해 전기광학 변조기를 동조시키는데 요구되는 전압은 측정된 위상차에 직접 비례한다) 동작 범위가 적어도 360°로 확장되는 이점을 제공한다. 차이 신호가 0에 가깝게 유지되면, 광위상 검출기는 입력 광신호의 진폭 변화에 민감해지지 않는 이점을 또한 갖는다. 부가하여, 전기광학 변조기(35)의 주파수 응답이 매우 빠르므로, 위상 측정이 신속하게 결정될 수 있다. 그러므로, 위상 검출기는 동적 측정에 안정된다. 실제로, 광위상 검출기의 응답 속도는 검출기 또는 피드백 전자부품에 의해 제한될 수 있다.
다른 방법의 실시예에서, 전기광학 위상 변조기는 압전막, 예를 들면 ZnO막이 피착된 광섬유의 형태를 취할 수 있고, 광섬유는 외부 클래딩 (cladding)이 벗겨진다. 섬유상의 ZnO에 걸쳐 전압을 인가함으로서, 위상 쉬프트가 유도될 수 있다. 이 실시예는 집적 광위상 쉬프터의 크기, 비용, 및 삽입 손실을 방지하는데 유리하다.
도 5는 피드백 증폭기(44) 및 필터(46)를 구비하여, 전자 피드백 루프를 포함하는 선형 광위상 검출기(30)의 실시예를 도시한다. 도면에 도시된 바와 같이, 피드백 증폭기(44) 및 필터(46)는 분리된 구성성분이 될 수 있지만, 다른 방법으로 필터는 안정되도록 주의하여 설계된 증폭기 특성 자체로부터 유도될 수 있다. 전기광학 위상 변조기(35)에 인가되는 전압(36)은 선형화된 출력을 제공한다. 위상 검출기의 본 실시예의 이점은 작동자가 필요없고 동작시 비교적 빠르고 정확하다는 것이다. 도 6a 및 도 6b는 도 5에 도시된 디바이스를 사용하여 구해진 실험 결과를 도시한다. 측정은 Tektronix 2430 디지털 오실로스코프로부터 직접 얻어진 것이다. 실선은 측정된 점들에 대해 최상으로 피티 (fitting) 처리된 것이다. 이 특성은 도 3의 비선형 (싸인파) 응답과 비교될 수 있다.
도 5에 도시된 광위상 검출기는 또한 확장된 동작 범위를 가지므로 도 1에 도시된 것 보다 이점을 제공한다. 도 1에 도시된 광위상 검출기에서, 출력은 비선형 (싸인파)이므로, 가장 명백한 동작 범위는 180°이다. 본 발명의 광위상 검출기는 매우 선형적인 응답을 갖고, 도 6b에 도시된 바와 같이 범위가 적어도 360°로 확장될 수 있다. 예를 들면, 이후 설명될 바와 같이, 벡터 볼트미터 또는 네트워크 분석기 응용에서 360° 보다 더 큰 동작 범위를 갖는 것이 특히 중요하다. 일부 광위상 검출기(30)의 회로도가 도 7에 도시된다. 비선형 광위상 검출기(1) (즉, 도 1에 도시된 바와 같이)에서, 검출기(5a, 5b)는 순 출력 신호(20)가 입력(11, 12) 사이의 상대적인 위상에 의존하여 0에 대해 싸인파로 변하도록 배열된다. 그래서, 검출기로부터 쌍극 (bipolar) 신호(20)가 출력된다 (도 3에 도시된 바와 같이). 전형적으로, 검출기(5a, 5b)는 역바이어스 PIN 디바이스이지만, 저잡음 검출기가 사용될 수 있다. 상업적으로 이용가능한 광검출기 GAP 60 또는 GAP 100이 적절한 디바이스이다. 레지스터 R1의 값 (도 7에 도시된)은 이득, 즉 피크 (peak) 대 피크의 쌍극 출력 전압을 결정한다. 전형적으로, 검출기에 걸쳐 인가된 전압 (+V, -V)은 ±9 V가 될 수 있다.
광검출기(5a, 5b)가 아주 동일하지 않으면, 광검출기의 감도를 등화시키는 수단이 위상 검출기에 포함될 수 있다. 하나 또는 둘 모두의 검출기에서 바이어스 전압은 광검출기 감도에 섬세한 조절을 제공하도록 변화되는 것으로 발견되었다.
선형화된 광위상 검출기(30)는 두 입력 사이의 위상차 측정인 DC 출력 전압을 제공한다. 이는 입력의 높은 광주파수로 인하여 종래의 전기 위상 검출기로는이루어질 수 없다. 더욱이, 본 발명의 광위상 검출기는 직접적인 전기 신호가 위상차 측정을 제공할 때 출력이 발생되므로 유리하다. 그러므로, 검출기는 수 nm 정도의 변위를 측정하는 고정확도 변위 측정 장치에 사용될 수 있다. 이는 특히 레이저 방법에서 유용하다. 예를 들면, 광위상 검출기로부터의 출력은 똑같고 안정된 레이저로부터 유도되는 두 입력 신호 사이의 위상차 측정을 제공하고, 여기서 입력 신호 중 하나는 옮겨진 표면이나 물체로부터 반사된다. 위상차는 표면이나 물체의 변위 표시를 제공하는데 사용될 수 있다. 입력 레이저는 이후 설명될 본 발명의 레이저 안정화 장치에 의해 안정화될 수 있다.
광위상 검출기는 또한 2개의 독립적인 레이저, 예를 들면 고전력 동조가능 레이저 및 저전력 안정 레이저를 위상 동기 (phase lock)시키는데 사용될 수 있다. 이는 2개의 다른 레이저로부터 광위상 검출기로 레이저 출력을 입력하고 (즉, 도 1 및 4에 도시된 입력 3 및 4) 동조가능한 레이저의 동조점에 연결된 피드백 루프를 사용함으로서 이루어진다.
본 발명의 광위상 검출기의 특성은 주파수 판별기에서 또한 사용될 수 있다. 일반적으로, 주파수 판별기는 이상적으로 일정한 진폭의 입력 신호를 사용하고, 입력 주파수가 고정된 주파수와 다른 양에 비례하거나 그에 의존하는 출력 전압을 제공한다.
도 8을 참고로, 이후 설명될 바와 같은 본 발명의 또 다른 특성에 따라 레이저 안정화 장치가 도시된다. 일반적으로 (60)이라 칭하여지는 점선내에 둘러싸인 장치 일부는 광위상 검출기(1) (도 1에 도시된 바와 같은)와, 레이저(43)로부터출력(42)을 수신하는 50/50 섬유 광방향 결합기(41)를 포함하는 주파수 판별기를 형성한다. 판별기(60)는 또한 결합기(41)로부터 두 출력 신호(52, 53) 사이의 상대적인 지연을 도입하는 수단을 포함한다. 바람직하게, 이는 2가지 길이의 광섬유(50, 51)를 통해 이루어질 수 있고, 이들 각각은 결합기(41)로부터 출력 신호(52, 53) 중 하나를 수신하고, 한 광섬유는 상대적인 지연을 도입하기 위해 다른 하나 보다 더 길다. 실제로, 한 길이의 광섬유가 매우 짧으면 편리하다. 바람직하게, 하나 이상의 길이의 광섬유(50, 51)는 장치에 개선된 온도 안정성을 제공하는 온도-안전 광섬유이다. 다른 방법으로, 또는 부가하여, 온도 안정성을 이루기 위해, 장치는 온도-안전 오븐에 수납될 수 있다. 섬유내 분극 변조기와 같은 분극 변조기는 앞서 논의된 바와 같이 한 경로 또는 두 경로 (5051) 모두에 포함될 수 있다.
비록 광위상 검출기내의 전기광학 변조기(35)가 도 8에서 레이저 안정화 장치 일부를 형성하는 주파수 판별기(60)에 도시되지 않지만, 전기광학 변조기(35)는 포함될 수 있고, 특히 다른 판별기 응용에서 중요할 수 있는 것으로 이해하게 된다.
주파수 판별기(60)의 기능은 제1 결합기(41)를 통해 레이저 출력(43)을 실질적으로 동일한 2개의 출력빔(52, 53)으로 나누고, 서로 관련된 한 신호를 지연시키고, 또한 두 신호(52, 53) 사이의 광학적 위상차를 측정하는 것이다. 이는 본 발명의 광위상 검출기를 통해 이루어질 수 있다. 이는 문제의 광주파수가 너무 높기 때문에 종래의 전기적 위상 검출기를 사용하여 행해질 수 없다.
제1 결합기(41)로부터의 한 출력(53)은 광섬유(51)를 통해 제2 50/50 섬유 광학 결합기(2)에 연결되어, 광위상 검출기(1) 일부를 형성한다. 다른 출력(52)은 이 결합기(2)에 연결되기 이전에 더 긴 광섬유 (예를 들면, 지연선 50)를 통해 전해진다. 다른 방법으로, 또 다른 종류의 지연 매체, 예를 들면 집적 광지연선이 사용될 수 있다. 앞서 논의된 바와 같이, 제2 결합기(2)로부터의 출력 (광위상 검출기(1)내에 포함된)은 결합기(2)에 입력되는 신호의 상대적인 위상에 의존하여 레벨이 변한다. 그러므로, 광위상 검출기(1)는 두 입력 사이의 상대적인 위상에 의존하는 DC 출력 전압을 제공한다. 예를 들어, 지연선이 Td초의 지연을 가지면, 위상 쉬프트는 입력 레이저 신호 주파수에서 매 1/Td변화마다 2π 라디언 (radian) 만큼 변하게 된다. 그러므로, 주파수 판별기(60)는 주파수에서 매 1/Td변화를 반복하는 제어 특성으로 동작한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 판별기 출력 전압(20) (즉, 차동 증폭기(6)로부터의 출력 전압)은 두 입력 신호의 상대적인 광위상에 따라 싸인파로 변한다.
광위상 검출기가 약 0 V 주위에서 동작하도록 배열되면, 앞서 설명된 바와 같이, 쌍극 출력 신호가 만들어진다. 제1 결합기로의 입력 주파수가 시간에 따라 변하면, 이는 쌍극 출력 신호를 변화시키게 된다. 증가된 레이저 출력 주파수에 대해, 판별기로부터의 쌍극 출력 신호는 한 극성이 되고, 감소된 레이저 출력 주파수에 대해, 판별기로부터의 신호는 반대 극성이 된다. 쌍극 출력의 크기는 위상 쉬프트 및 입력 레이저의 주파수 쉬프트 정도에 의존한다. 전형적으로, 피크 대피크 전압은 +/-0.1-10 V의 범위에 있다.
주파수 판별기는 예를 들어, 레이저의 출력 스펙트럼을 측정하기 위해 자체 유용한 응용을 갖는다. 주파수 판별기(60)로부터의 전기적 출력은 섬유 (50, 51) 사이의 상대적인 지연이 알려지고 실질적으로 안정된 한, 입력 레이저의 광주파수 (또는 파장)의 측정을 제공하는데 사용될 수 있다. 이는 주파수 (또는 파장) 측정을 제공하지만, 위상이 단지 모듈로 (modulo) 2π 측정이므로 모호하다. 또 다른 모호성은 최대 명확한 위상 범위가 π이므로 도 3에 도시된 싸인파 응답에서도 발생된다. 그러나, 이는 작은 주파수 범위에 걸친 유용한 측정이다. 지연선 길이는 요구되는 감도를 설정하도록 조절될 수 있다. 이상적으로, 위상 편위는 선형성을 유지하도록 0 부근의 수 도 범위내에 유지된다. 다른 방법으로, 또한 바람직하게, 선형화된 광위상 검출기(30) (도 5에 도시된 바와 같은)는 선형성 및 범위를 유지하도록 판별기(60)내에서 사용될 수 있다.
주파수 판별기의 쌍극 출력 신호는 또한 레이저 출력에서 위상 편차를 정정하는 수단으로 사용될 수 있다. 다시 도 8을 참고로, 이 정정 처리는 레이저 안정화 장치를 통해 (외부 점선내에서 일반적으로 (70)이라 칭하여지는) 이루어질 수 있다. 레이저 안정화 장치(70)는 주파수 판별기(60) 및 피드백 회로를 구비한다. 안정화되는 레이저 출력(42)은 결합기(41)에 의해 바람직하게 똑같은 진폭을 갖는 두 신호로 분할된다. 바람직하게, 레이저(43)로부터의 출력(42)은 레이저(43)로 다시 반사되는 빛의 악영향을 제거하도록 광절연기(62)를 통과한다. 판별기(60)로부터의 출력(20)은 이어서 레이저(43)로 다시 피드백되어, 피드백 회로를 통해 주파수를 변화시킨다. 레이저 안정화 장치(70)에서는 어느 한 방향의 주파수 쉬프트가 레이저 출력(42)을 안정화하게 정정될 수 있도록 판별기 출력(20)이 쌍극 출력인 것이 중요하다.
피드백 회로는 제어 루프 증폭기(72) 및 루프 필터(74)를 구비한다. 판별기(60)로부터의 출력(20)은 제어 루프 증폭기(72)에 의해 증폭되어, 에러 신호를 만들도록 루프 필터(74)를 통과한다. 이 에러 신호는 이어서 레이저(43)의 주파수를 제어하는데 사용될 수 있다. 정확한 신호의 에러 신호는 주파수 변동을 줄이고, 위상 잡음 스펙트럼을 개선하도록 주파수 제어점에 인가된다. 레이저로부터 "안정화된" 출력(76)은 판별기(60) 이전 경로에 위치하는 추가 결합기(78)를 사용함으로서 그 장치로부터 취해질 수 있다.
레이저 다이오드와 같은 반도체 레이저의 경우, 피드백은 레이저 주파수가 전류에 따라 변하므로 레이저 전류를 변화시킴으로서 적용될 수 있고, 지배적인 메카니즘은 전류 주입으로 유효 굴절률이 변화되는 것으로 인해 굴절률의 변화이다. 다른 방법으로, 빛을 흡수하지 않지만 판별기 출력으로부터 유도된 인가 전압으로 굴절률을 변화시키는 역바이어스 섹션을 레이저 공동 (laser cavity)에 설립하는 것이 가능하다.
레이저 안정화 장치의 기능은 차동 증폭기의 출력을 실질적으로 0으로 감소시켜, 주파수 판별기의 안정된 동작점 중 하나에서 레이저 주파수를 유지하는 것이다. 레이저는 결국 가장 근접한 안정 동작점에 고정되고, 고정이 이루어지면, 시스템은 그 특정 주파수에서 레이저 주파수의 제어를 유지한다. 그러므로, 그 시스템은 레이저의 스펙트럼 안정성을 개선하는데 사용될 수 있다.
측정은 Series 2000 LNC Laser 및 LOLA (Locking Accessory)에 의해 제어되는 Lightwave Electronics Series 123 섬유-연결 다이오드-펌프 고체 비평면 링 레이저 (Fibre-coupled Diode-pumped solid state non-planar ring laser)에 대해 구해졌다. 레이저는 작은 변조도에 대해 100 kHz의 대역폭 및 30 MHz를 넘는 동조 범위의 주파수 제어 입력을 갖고, 5 kHz의 인용 라인폭을 갖는다. 도 9a는 레이저 안정화 장치(70)를 사용할 때 얻어진 위상 잡음 측정과 비교해, 판별기로부터의 출력에서 측정된 저주파수 스펙트럼을 도시하고, 자유 운행 조건 (o)에서 (즉, 레이저 출력을 직접 측정) 오프셋 (offset) 주파수의 함수로 위상 잡음 (dBc/Hz)을 도시한다. 측정은 약 5 kHz (즉, 스펙트럼면에서 순수한)의 인용 라인폭을 이미 갖는 레이저에 대해 근접한 위상내 잡음 성능에서 상당한 개선을 나타낸다. 이 측정에서는 차동 지연이 1 μs이었다. 부가하여, 도 9b는 레이저 안정화 장치(70)를 사용할 때 얻어진 위상 잡음 측정과 비교해, 자유 운행 조건에서 (즉, 개방 루프 (open loop), 레이저 출력을 직접 측정하는) 오프셋 주파수의 함수로 위상 잡음 (dBc/Hz)를 비교하여 E-Tek DFB 레이저에 대해 얻어진 유사한 스펙트럼이다. 이 측정에서는 차동 지연이 5 ns이었다.
높은 스펙트럼 순도의 레이저가 비교적 값비싼 경향이 있으므로, 시스템은 덜 비싸고 스펙트럼적으로 덜 순수한 레이저가 비교적 깨끗하고 용이하게 개선될 수 있게 한다. 그러므로, 이 시스템을 사용하여 저비용의 반도체 레이저가 개발될 수 있다.
가장 공통적이고, 값싸고, 널리 사용되는 레이저는 레이저 다이오드이지만, 이는 특별히 Fabry-Perot etalon 설계의 경우에서 특별히 열악한 스펙트럼 안정성을 갖는다. 그러므로, 레이저 안정화 장치는 특히 이들 디바이스 뿐만 아니라 DFB 레이저의 스펙트럼 안정성을 개선하는데 유용하다. 이는 또한 예를 들어 높은 해상도의 스펙트로스코피 (spectroscopy) 및 주파수 표준에서 매우 유용한 안정 레이저를 개선하는데 사용될 수 있다. 특히, 얻어질 수 있는 위상 잡음 개선 정도는 지연 시간의 선택으로 규정된다. 전형적으로, 지연선은 요구되는 스펙트럼 개선 정도를 제공하는데 필요한 범위 및 감도에 의존하여, 제1 결합기로부터 출력 신호 사이에 10 μs까지의 상대적인 지연을 도입할 수 있다. 지연 시간은 또한 판별기의 개방 루프 이득이 지연 시간의 역수에 접근하는 주파수에서 1 이하로 감소되도록 선택되어야 한다. 예를 들면, 1 μs의 지연 시간 동안, 판별기의 개방 루프 이득은 약 1 MHz의 입력 주파수에서 1 이하가 되어야 한다. 레이저 다이오드와 같은 레이저가 더 큰 오프셋 주파수에서 높은 잡음 레벨을 가지면, 광대역 루프 (및 짧은 지연)가 사용되어야 한다. 그래서, 더 낮은 성능 레이저에 대해서는 훨씬 더 높은 루프 대역폭이 요구된다. 더 낮은 판별기 이득은 제어 루프 증폭기의 이득을 증가시킴으로서 보상될 수 있다. 증폭기로부터의 존슨 잡음 (Johnson noise)은 이러한 이득 증가에서 제한 계수가 될 수 있다.
통상적으로, 레이저 다이오드는 각 면 또는 미러 (mirror)로부터 하나씩 2개의 출력을 갖고, 제2 출력은 통상적으로 전력 레벨을 모니터하는데 사용된다. 그러나, 두 광검출기 중 하나에 입력으로 제2 출력을 사용하는 것이 가능하므로, 제1결합기에 대한 필요성을 경감시킨다. 그러나, 본 실시예는 레이저로부터의 두 출력이 강하게 상관된 경우에만 사용될 수 잇다.
본 발명의 다른 실시예에서, 레이저 안정화 장치는 평행하게 2개 이상의 루프를 구비할 수 있다. 예를 들어, 제2 출력은 레이저(43)로부터 취해지거나 출력(42)으로부터 분할되어, 제1 피드백 루프와 다른 이득 대역폭을 갖는 제2 루프를 통해 전해진다. 각 루프는 이때 입력 레이저를 피드백시키고 제어하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 각 루프와 다른 피드백 신호가 레이저에서 분리된 온도 및 주파수 제어점을 제어하는데 사용되거나, 레이저에서 똑같은 제어점으로 조합되어 피드백될 수 있다. 다른 방법으로, 판별기(60)로부터의 출력은 분할되어, 한 분할 신호가 한 제어 루프 증폭기 및 루프 필터 배열을 통해 레이저(43)에 피드백되고, 다른 신호가 제2 제어 루프 증폭기 및 루프 필터를 통해 레이저에서 다른 제어 포트에 피드백될 수 있다.
본 발명의 레이저 안정화 장치는 섬유내 시스템이므로, 자유 공간 시스템 보다 진동, 온도 변화, 및 먼지와 같은 외부 계수에 덜 민감하다는 이점이 있다. 이는 앞서 논의된 바와 같이, 온도-안정 광섬유가 사용되는 경우 특히 그러하다. 장치는 또한 공지된 디바이스로 어어질 수 있는 것과 비교해 더 효율적인 Q-값을 갖고, Q-값은 섬유 길이에 의존하므로, 간접적으로 원래의 레이저 안정성에 의존하게 된다. 더욱이, 섬유 광지연선의 길이, 및 상대적인 지연은 요구되는 스펙트럼 개선 정도에 의존하여 감도 및 범위를 변화시키기 위해 선택될 수 있다. 장치는 예를 들면, 섬유 광통신 시스템에서 보다 효율적으로 사용되도록 허용하기 위해 레이저 다이오드 및 다른 형태의 레이저로부터 출력을 안정화시키는데 특히 유용하다.
도 10을 참고로, 예를 들면, 정보를 전송하거나 안정화된 레이저의 주파수를 느리게 스위프 (sweep) 처리하도록 레이저를 주파수 변조하는 것이 때로 바람직하다. 이는 이후 설명될 바와 같이 전기광학 위상 변조기(80) 또는 차동 증폭기 배열(82, 83)를 도입함으로서 실행될 수 있다. 예를 들면, 전기광학 위상 변조기(80)는 레이저 안정화 장치(70)에서, 예를 들면 지연선(50, 51) 중 하나에 (도 10에서는 지연선 50) 포함될 수 있다. 다른 방법으로, 전기광학 위상 변조기(80)는 이전에 설명된 바와 같이 광위상 검출기 자체의 일부를 형성할 수 있다. 사용시, 레이저 주파수는 광위상 검출기(1)의 차동 증폭기(6)가 0 V로 유지되도록 레이저(43)를 먼저 안정화시키고, 이어서 적절한 전압 파형을 전기광학 위상 변조기(80)에 인가함으로서 변조될 수 있다. 전기광학 위상 변조기의 위상 쉬프트 선형성은 높은 충실도의 주파수-변조 출력을 보장한다.
이 기술의 적용은 라인 형태의 정확한 측정을 이루도록 원자 흡수선을 통해 천천히 입력 레이저 주파수를 스위프 처리하는 것이다. 이는 레이저의 스펙트럼 안정성으로 인해 매우 좁은 선의 측정에 특히 유용하다.
도 10의 장치는 또한 안정화된 레이저 출력(76)을 안정화된 광합성기로 변환하는데 사용될 수 있다. 본 응용에서, 위상 변조기(80)에 인가되는 전압 파형은 "톱니형 (SAWTOOTH)" 전압 파형의 형태를 갖고, 그 위상은 360°에 걸쳐 천천히 선형적으로 스위프 처리되어, 360°를 통해 신속하게 다시 스위치된다. 그러나, 다른 파형도 또한 본 응용에서 사용될 수 있다. 적절한 파형은 시간에 따라 천천히증가되고, 이어서 신속하게 초기 전압 레벨로 감소되는 것을 포함한다. 그러므로, 증가 레벨은 SAWTOOTH 파형의 경우에서와 같이 시간에 따라 선형적으로 변할 필요가 없다. 본 명세서를 위해, 시간에 따라 천천히 증가되는 전압 레벨을 갖고 360°를 통해 (반대 방향으로) 신속하게 다시 스위치되는 것으로 이어지는 파형은 톱니형 파형이라 칭하여진다. 이러한 파형은 천천히 증가되는 전압 레벨이 계단형인 파형을 포함한다. 톱니형 파형은 360°에 걸쳐 선형적으로 스위프 처리되거나 되지 않을 수 있다. 전형적으로, 파형이 360°를 통해 다시 스위치된 시간 스케일은 ns 정도이다.
예를 통해, 도 11a는 이를 위해 전기광학 위상 변조기(80)에 인가될 수 있는 톱니 전압 파형 (시간의 함수로)의 예를 도시하고, 도 11b는 시간에 따른 변조기(80) 위상의 대응하는 변화를 도시한다. 스위칭 처리 동안, 레이저 주파수는 먼저 전압 파형 (즉, 변조기 펄스)의 느린 변화로 이어지지만, 피드백 루프 필터 (즉, 72, 74)가 이 속도로 응답하지 않기 때문에, 360° 만큼 위상을 신속하게 감소시키는 것으로 이어지지 않는다. 다른 말로 하면, 360°를 통한 스위치는 레이저 및 피드백 루프가 신속한 변화에 응답할 수 없으므로 순효과를 갖지 못한다. 부가하여, 광위상 검출기(1)의 출력은 그 응답이 360° 주기이므로 (도 3에 도시된 바와 같이) 360°의 위상 변화에 의해 영향을 받지 않는다. 그러므로, 레이저 출력(76)은 새로운 주파수에 남아있다. 이 처리는 레이저의 전체 동조 범위를 커버할 때까지 여러번 반복될 수 있다. 반대 방향의 주파수 변화는 전압 파형 기울기를 반대로 함으로서 이루어질 수 있다.
도 10에 도시된 장치를 사용하여, 안정화된 레이저 출력(76)은 적절한 전압(86)을 위상 변조기(80)에 인가함으로서 요구되는 주파수로 제어될 수 있다. 일부 환경에서는 이것이 유용하다. 예를 들면, 이는 작은 주파수 범위에 걸친 응답이 일련의 주파수 간격으로 보다는 연속적인 선형 스위프로 측정되도록 허용한다.
전기광학 위상 변조기에 대한 다른 방법으로, 차동 증폭기는 유사한 레이저 동조 기능을 제공하는 피드백 루프에 포함될 수 있다. 예를 들어, 도 10을 참고로, 차동 증폭기(82)는 X에서 신호 경로에 포함될 수 있다. 다른 방법으로, 차동 증폭기는 제어 루프 증폭기(72) 자체의 일부를 형성하거나, 제어 루프 증폭기(72)에 앞서는 경로에 놓일 수 있다. 이들 중 한 배열에서, 판별기(60)로부터의 출력(20)을 0 V로 유지하기 보다는 차동 증폭기(82)로의 입력(83)이 일정한 값, 1 V로 설정될 수 있다. 피드백 루프의 차동 증폭기(82)는 제어 루프 증폭기(72) 및 루프 필터(74)를 통과한 이후에 판별기(60)로부터의 출력 전압과 1 V 사이의 차이를 측정한다. 차동 출력(84)은 이어서 루프 필터의 출력이 1 V로 접근하도록 주파수가 변화되는 입력 레이저(43)를 제어하도록 피드백된다. 이는 또한 주파수 변조 기능을 허용한다. 이 수단을 통해, 레이저는 예를 들면, 좁은 스펙트럼 라인폭 및 형상의 측정을 가능하게 하도록 주파수에서 스위프 처리될 수 있다.
차동 증폭기가 제어루프 증폭기(72) 자체의 일부를 형성하거나 제어 루프 증폭기(72) 이전에 경로에 배치되면, 증폭기가 각 경우에서 필터의 다른 측에 위치하므로, 동작 특성은 차동 증폭기가 X에 위치하는 배열과 달라지는 것으로 이해된다.전기광학 위상 변조기(80) 대신에 차동 증폭기(82)를 사용하는 것은 더 값싼 접근법으로, 비선형 응답을 갖는 광위상 변조기 (도 1, 도 8, 및 도 10에 도시된 바와 같이) 대신에 선형화된 광위상 검출기 (도 5에 도시된 바와 같이)를 사용함으로서 개선될 수 있다. 그러나, 전기광학 위상 변조기(80)의 사용은 바람직한 접근법이고, 이는 연구실에서 설립되어 테스트되었다.
도 12는 전기광학 변조기(80)를 포함하여 도 10에 도시된 광합성기를 사용하여 구해진 결과를 도시한다. 도면은 (76)에서의 광합성기 출력을 안정된 고정 레이저 주파수의 출력과 혼합함으로서 전기적 스펙트럼 분석기에서 측정되는 8개의 스펙트럼을 구비한다. 이러한 설명에서, 판별기 차동 지연은 1 ms이므로, 연속적인 레이저 주파수는 1 MHz 떨어져있다. 그러나, 이해가는 플롯을 제공하기 위해, 스펙트럼은 위상 변조기의 10개 "싸이클" 마다 취해졌다 (즉, 10개의 톱니 파형 싸이클 및 10 MHz 간격 마다). 도 11에 도시된 플롯상의 스케일은 10 dB/간격 (수직 방향) 및 10 MHz/간격 (수평 방향)으로 단일 측면대역 위상 잡음 dBc/Hz이다.
비록 도 12는 1 MHz 만큼 간격을 둔 주파수 "콤 (comb)"의 매 제10 멤버를 도시하지만, 합성기는 적절한 전압을 변조기(80)에 인가함으로서 인접한 콤 주파수 사이의 주파수에 동조될 수 있는 것으로 이해된다. 예를 들면, 컴퓨터 프로세서 및 4-비트 디지털 대 아날로그 변환기(DAC)를 사용함으로서 16개 단계가 제공될 수 있고, 그에 의해 DAC는 컴퓨터 프로세서로부터의 디지털 제어를 전기광학 위상 변조기(80)에 인가되는 아날로그 전압으로 변환한다. 이는 22.5°의 위상 단계를 도입하고, 제16 단계는 도 12에서 1 MHz에 대응하는 360°이다.
광주파수 합성기는 또한 프로그램가능한 기능을 제공하도록 구역 플레이트 렌즈 (zone plate lens) 또는 회절 격자와 같은 회절 소자와 조합되어 사용될 수 있다. 예를 들면, 광주파수 합성기로부터의 출력은 그 초점이 파장에 의존하는 위상 반전 구역 플레이트 렌즈를 비추는데 사용될 수 있다. 광주파수 합성기 일부를 형성하는 전기광학 위상 변조기(80)에 인가된 전압을 변화시킴으로서, 합성기로부터의 출력 파장은 변화될 수 있고, 렌즈의 초점도 변화될 수 있다. 이는 예를 들면, 컴팩트 디스크와 같은 광학적 메모리의 다른 층을 억세스하는데 사용될 수 있다. 다른 방법으로, 광주파수 합성기는 레이저 출력을 "조종 (steer)"하는 회절 격자를 비추는데 사용될 수 있다. 이는 예를 들면, 홀로그램 (hologram)을 억세스하는 수단으로 사용될 수 있다.
도 13은 측정치가 광섬유(50) (또는 51)의 특성을 수정시키는 센서 응용에서 본 발명의 선형화된 광위상 검출기(30) (도 4에 도시된 바와 같은)가 사용되는 방법을 도시한다. 예를 들면, 센서는 온도, 압력, 장력, 변위, 진동, 자기장이나 자기장 그레디언트 (gradient), 전류, 전기장, 전압, 화학적 종류, 생화학적 매개변수, 의학적 매개변수, 또는 통신 특성 중 하나를 측정하는데 사용될 수 있다. 예를 들면, 도 13을 참고로, 차동 증폭기(6)로부터의 출력(20)이 전기광학 위상 변조기(35)에 인가되는 전압(36)을 변화시킴으로서 0 V에 설정되면, 광섬유 지연선(50)의 온도 변화 (또는 다른 측정치)는 위상 변화를 상승시켜, 위상 검출기로부터의 출력이 변화된다. 전기광학 변조기(35)의 전압(36)이 차동 증폭기(6)로부터의 출력(20)을 0 (또는 0에 매우 근접한) V로 유지하도록 변화되는 양은 온도 변화 (또는 다른 측정치)의 표시를 제공한다. 이러한 측정 출력은 전형적으로 매우 선형적이다.
비록 센서를 통해 온도에 안정된 광섬유를 사용하는 것이 유리하지만, 온도 센서 응용에 대해서는 지연선(50)에 대해 온도 안정 광섬유의 사용이 적절하지 않다. 이러한 구조에서는 안정된 입력 레이저(43)가 사용되어야 한다. 안정화된 레이저 입력은 앞서 설명된 바와 같이 본 발명의 레이저 안정화 장치를 사용하여 이루어질 수 있다.
주파수 판별기 응용과 구별되게 센서 응용에서는 두 광섬유(50, 51)가 상대적인 지연을 갖기 보다는 실질적으로 똑같은 지연을 갖는다. 일부 환경에서는 이것이 이로울 수 있다. 예를 들어, 섬유(50)에서 압력을 측정하면, 온도 변화는 섬유(50, 51)에 모두 공통되므로, 지연이 동일한 경우 소거된다. 유사하게, 시스템은 덜 안정된 레이저를 사용할 수 있다. 또한, 추후 설명될 바와 같이, 섬유내 장치 보다 자유-공간 배열로 센서를 실시하는 것이 가능하다.
본 발명의 광주파수 합성기는 또한 배급된 광섬유 센서의 개선된 형태로 사용될 수 있다. 종래 섬유 광학 센서는 광섬유의 길이를 따라 배급된 브래그 (Bragg) 격자의 어레이를 사용한다. 각 격자는 이어서 브래그 주파수에 가깝게 동조된 동조가능 레이저를 통해 문의될 수 있다. 배급된 섬유 광학 센서 배열에서 본 발명의 광주파수 합성기를 사용함으로서, 레이저의 개선된 안정성으로 인해, 부가하여 레이저 주파수가 높은 정확도로 설정될 수 있는 것으로 인해 이점이 얻어진다. 결과적으로, 증가된 수의 브래그 격자로 이러한 센서를 실시하는 것이 가능하여, 더 많은 수의 문의점이 사용되도록 허용한다. 이와 같이 섬세하게 동조되는 기능의 추가 이점은 격자의 전체적인 왜곡이 좁은 주파수 간격으로 감지될 수 있는 것이다. 예를 들어, 다른 경로가 측정치에 의해 다르게 영향을 받으면, 주기적 격자의 반사 대역폭이 증가된다.
도 14를 참고로, 선형화된 광위상 검출기 (도 5에 도시된 바와 같은)는 또한 광주파수에서 동작되는 광학 벡터 볼트미터 (vector voltmeter)(90)에서 사용될 수 있다. 광학적 벡터 볼트미터는 적어도 360°의 동작 범위를 갖는 선형화된 광위상 검출기 (점선으로 둘러싸인)를 구비한다. 벡터 볼트미터의 기능은 두 입력(92, 94)을 취하고 두 출력을 발생하는 것으로, 하나 (출력 100)는 미지 입력의 절대 진폭이고 다른 하나 (출력 102)은 기준 입력(94)에 대한 미지 입력 신호(92)의 위상이다. 미지 입력 신호(92)는 분할되어 한 부분이 진폭 출력(100)을 제공하도록 검출기(96)에 입력된다. 전형적으로, 검출기 전류는 광강도에 따라 선형적으로 변하고, 그로부터 진폭이 용이하게 유도된다. 분할된 입력 신호의 제2 부분(93)은 기준 입력 신호(94)와 함께 선형화된 광위상 검출기(30)에 입력된다. 차동 증폭기(6)로부터의 출력은 피드백 증폭기 및 필터(44, 46)를 통해 전기광학 위상 변조기(35)에 피드백된다. 전기광학 위상 변조기(35)에 인가되는 전압은 차동 증폭기(6)를 0에 매우 가까운 일정한 값으로 유지하도록 피드백 루프를 통해 조절된다. 전기광학 위상 변조기 입력 전압은 위상 출력(102)을 제공한다. 이는 미지 입력(92)과 기준 입력(94) 사이에 상대적인 위상의 직접 선형 측정을 제공한다.
도 15는 도 14에 도시된 광학 벡터 볼트미터(90) 및 도 10에 도시된 장치가테스트하에 있는 시스템의 전송 측정을 위해 광학적 네트워크 분석기에서 사용되는 방법을 설명하는 도면이다 (예를 들면, 미지 특성의 광섬유). 광학적 네트워크 분석기는 테스트하의 시스템(110)에 합성된 주파수 입력을 제공하고, 광주파수 합성기(108)가 주파수에서 스텝 및/또는 스위프될 때 전형적으로 일련의 주파수에서 시스템(110)의 전송 진폭 및 위상을 측정할 수 있다는 점을 제외하면, 광학 벡터 볼트미터와 유사하다. 광학 벡터 볼트미터에서와 같이, 선형화된 광위상 검출기는 적어도 360°의 동작 범위를 갖도록 배열된다. 본 발명의 광학적 네트워크 분석기는 여기서 설명된 바와 같은 광주파수 합성기를 포함하는 것에 제한되지 않고, 임의의 광주파수 합성기 장치를 포함할 수 있다.
도 15를 참고로, 광학적 네트워크 분석기는 출력이 분할되는 광합성기(108)를 포함한다. 광합성기의 동작은 도 10을 참고로 상기에 설명되었다. 도 10에 도시된 안정화된 레이저 출력(76)은 분할된 광합성기 출력을 제공한다. 분할된 신호 중 한 부분(76a)은 상술된 바와 같이 테스트항의 시스템(110)으로 전송되고, 광학 벡터 볼트미터(90)에 전송된다(92) (입력 SYS) (즉, 도 14에서 입력 신호(92)는 광학 벡터 볼트미터(90)로 전송된다). 분할된 신호 중 다른 부분(76b)은 광학 벡터 볼트미터(90)의 기준 부분 (입력 REF)으로 입력된다 (즉, 도 14의 기준 신호(94)). 광학 벡터 볼트미터(90)로부터의 출력(100, 102)은 네트워크 분석기 출력을 형성한다. 전형적으로, 광주파수의 범위에 걸쳐 측정이 이루어진다 (앞서 설명된 바와 같이, 광합성기를 스위프 및/또는 스텝 처리함으로서). 그룹 지연과 같은 다른 특성은 위상 및 주파수 측정을 사용하여 디지털적으로 계산될 수 있다. 결과는 VDU에 또는 디지털 형태로 디스플레이될 수 있다.
다른 다양한 측정도 또한 가능하다. 예를 들면, 테스트하의 시스템(110)에 의해 반사되는 신호의 진폭 및 위상은 기본적으로 도 15에 도시된 광학적 네트워크 분석기의 재배열인 도 16에 도시된 광학적 네트워크 분석기를 사용하여 측정될 수 있다. 본 실시예에서, 입력 신호(76)는 테스트하의 시스템(110)에 전송되고 (방향성 결합기(112)를 통해), 광학 벡터 볼트미터(90)에 기준 신호 (REF)를 제공한다. 그러나, 본 실시예에서, 시스템(110)으로부터 다시 반사되는 신호(114)는 결합기(112)를 통해 광학 벡터 볼트미터(90)에 다른 입력을 제공한다. 실제로, 시스템은 또한 로드 (load) T로 종료된다.
장치를 통해 사용되는 광섬유 뿐만 아니라 하나 이상의 지연선(50, 51)을 연결시키기 위해 본 발명의 장치에서 (예를 들면, 레이저 안정화 시스템, 광합성기, 주파수 판별기, 광학 벡터 볼트미터, 광학적 네트워크 분석기, 광위상 검출기, 또는 센서 응용) 온도 안정 섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 온도 안정 섬유는 상업적으로 이용가능하다. 온도 안정 섬유의 사용은 주변 온도의 변화가 광지연 경로에 감소된 영향을 갖게 되므로, 레이저 출력의 주파수가 더 높은 정도로 안정화될 수 있게 한다. 다른 방법으로, 섬유는 온도 제어 환경에 배치되거나, 광경로 길이가 일정한 지연 주기를 유지하기 위해 섬유와 직렬로 보조 온도 의존 경로를 포함할 수 있다. 다른 방법으로, 또는 추가 안정성에 부가하여, 장치는 온도 안정 오븐에서 동작될 수 있다. 분극 유지 광섬유, 온도 안정 단일 모드 광섬유, 및 온도 안정 분극 유지 광섬유가 또한 사용될 수 있다.
비록 여기서 설명되는 종류의 대부분 광학 측정은 섬유 광학을 사용하여 불변적으로 실행되지만, 섬유 광통신에서 사용되는 매체에서는 설명된 종류의 응용이 자유 공간 광학을 사용하여 실행될 수 있는 일부 환경이 있다. 본 발명의 다양한 특성으로 도시된 장치는 이 방법으로 실시될 수 있다. 예를 들면, 기체 센서 응용에서는 분산이 실제 위상 쉬프트를 발생시키기 때문에 대기에 기체 종류가 존재하는 것이 흡수선과 연관된 분산을 통해 검출될 수 있다. 도 17a를 참고로, 도 13에 도시된 장치는 다른 방법으로 렌즈로 방사를 조준하여 초점을 다시 맞춤으로서 자유 공간 (섬유내에 반대되는)에서 레이저빔을 사용하여 실시된다.
도 17에 도시된 센서는 레이저 방사빔(76)을 수신하고 2개의 출력 방사빔을 제공하는 입력 결합기(178)나 빔 스플리터 (beam splitter), 빔 조준을 실행하는 렌즈(180, 182), 및 도 5에 도시된 위상 검출기의 입력 경로(3, 4)에 방사빔의 초점을 다시 맞추는 렌즈(190, 192)를 포함한다. 앞서 논의된 바와 같이, 이 응용에서는 2개의 자유 공간 경로(194, 196) (도 13에서 경로(50, 51)에 대응하는)가 실질적으로 똑같은 길이이고, 하나는 순수한 공기를 포함하고 (경로 196), 다른 하나는 기체로 오염된다 (경로 194). 전형적으로, 경로(194, 196)는 속이 빈 튜브이다.
다른 방법의 실시예에서, 도 10을 참고로, 레이저 안정화 장치에서 판별기의 일부를 형성하는 광위상 검출기는 입력(4)의 경로에 제2 전기광학 경로 변조기를 포함할 수 있다. 이 경우, DC 전압은 레이저의 주파수를 설정하도록 제1 전기광학 위상 변조기(35)에 인가되고, RF 전압은 제2 전기광학 위상 변조기에 인가될 수 있다. 이는 RF 변조를 레이저 주파수에 적용하는 편리한 방법을 제공한다. 다른 이점은 또한 장치내의 제2 전기광학 위상 변조기를 포함함으로서 얻어질 수 있다. 도 4 및 도 5의 광위상 검출기는 또한 입력 신호(4)의 경로에 제2 전기광학 위상 변조기를 포함할 수 있다. 이 방법으로, 예를 들면, "동조" 범위는 그에 영향을 주는 방식으로 전기광학 위상 변조기를 배열함으로서 "동조" 범위가 2배까지 확장될 수 있다.
본 명세서에서, "광학적 (optical)"이란 말은 가시 파장에 제한되는 것으로 의도되지 않고, 예를 들면 적외선 파장 및 자외선 파장을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (42)

  1. 2개의 광입력(3, 4)을 수신하고 2개의 조합된 광출력(11, 12)을 만드는 수단(2),
    2개의 조합된 광출력의 강도를 검출하고 조합된 광출력(11, 12) 각각의 강도를 전기 신호로 변환하는 검출 수단(32), 및
    2개의 전기 신호 사이의 차이를 측정하고 출력 차이 신호(20)를 발생하는 수단(6)을 구비하는 광위상 검출기 (optical phase detector)(30)에 있어서;
    광위상 검출기는 광위상 검출기로의 한 광입력의 위상을 변조하는 전압-제어 전기광학 위상 변조기(350)를 더 구비하고, 전기광학 위상 변조기는 실질적으로 선형인 응답을 갖고, 그에 의해, 사용시, 출력 차이 신호(20)는 전기광학 위상 변조기(35)에 인가되는 전압(36)을 변화시킴으로서 실질적으로 일정한 레벨로 유지되고, 인가된 전압은 두 광입력(3, 4) 사이에서 위상차의 표시를 제공하는 것을 특징으로 하는 광위상 검출기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    2개의 광입력(3, 4)을 수신하고 2개의 조합된 광출력(11, 12)을 만드는 결합 수단(2)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광위상 검출기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    결합 수단(2)은 광입력(3, 4) 각각으로부터 2개의 중간 광출력을 만들고, 각 광입력으로부터 만들어진 2개의 중간 광출력은 위상 직각 (phase quadrature) 상태이고,
    중간 광출력은 2개의 광출력(11, 12)을 형성하도록 조합되는 것을 특징으로 하는 광위상 검출기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 한 항에 있어서,
    전기광학 위상 변조기(35)에 출력 차이 신호를 피드백 (feedback)하는 수단(44, 46)을 더 구비하고, 전기광학 변조기에 인가되는 전압은 차이 신호를 실질적으로 일정한 레벨로 유지하도록 출력 차이 신호에 응답하여 변하는 것을 특징으로 하는 광위상 검출기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    실질적으로 일정한 레벨은 0 V인 것을 특징으로 하는 광위상 검출기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 한 항에 있어서,
    전기광학 위상 변조기(35)는 집적된 광학 기판상에 광도파로 (optical waveguide)를 구비하는 것을 특징으로 하는 광위상 검출기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    기판은 니오브화 리튬 (lithium niobate), 탄탈화 리튬 (lithium tantalate), 또는 비화 갈륨 (gallium arsenide)인 것을 특징으로 하는 광위상 검출기.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 한 항에 있어서,
    전기광학 위상 변조기(35)는 압전 물질을 운반하는 광섬유의 형태를 취하는 것을 특징으로 하는 광위상 검출기.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 한 항에 있어서,
    전기광학 위상 변조기(35)의 주파수 응답은 적어도 1 MHz인 것을 특징으로 하는 광위상 검출기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    전기광학 위상 변조기(35)의 주파수 응답은 적어도 1 GHz인 것을 특징으로 하는 광위상 검출기.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 한 항에 있어서,
    광입력(3, 4)은 실질적으로 동일한 진폭을 갖는 것을 특징으로 하는 광위상 검출기.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 한 항에 있어서,
    광입력(3, 4)은 똑같은 방사원으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 광위상 검출기.
  13. 제 1 항 내지 제 11 항 중 한 항에 있어서,
    광입력(3, 4)은 다른 방사원으로부터 얻어지는 것을 특징으로 하는 광위상 검출기.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 한 항에 있어서,
    2개의 광입력(3, 4)을 수신하는 광섬유 결합기(2)를 구비하는 것을 특징으로 하는 광위상 검출기.
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 한 항에 있어서,
    두 입력의 분극 (polarisation)가 실질적으로 똑같음을 보장하도록 광위상 검출기로의 입력 중 적어도 하나의 분극을 변조하는 분극 변조 수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광위상 검출기.
  16. 제 15 항에 있어서,
    분극 변조 수단은 섬유-광학 분극 변조기 또는 집적 광학 분극 변조기 중 하나인 것을 특징으로 하는 광위상 검출기.
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 한 항에 있어서,
    각각이 2개의 광출력(11, 12) 중 하나의 강도를 검출하고, 대응하는 광출력(11, 12)에 응답하여 전기적 출력 신호(7a, 7b)를 발생하는 2개의 광검출기(5a, 5b)를 구비하는 것을 특징으로 하는 광위상 검출기.
  18. 제 17 항에 있어서,
    광검출기(5a, 5b)는 정합되는 것을 특징으로 하는 광위상 검출기.
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 한 항의 광위상 검출기(30)를 구비하는 주파수 판별기 장치(60)에 있어서;
    한 주파수를 갖는 방사원(43)로부터 주요 광입력(42)을 수신하고, 2개의 주요 광출력(52, 53)을 만드는 입력 수단(41),
    2개의 주요 광출력(52, 53) 사이에 상대적인 지연을 도입하는 수단(50, 51)을 더 구비하고,
    그 사이에 상대적인 지연을 갖는 2개의 주요 광출력은 입력(3, 4)을 광위상 검출기(1; 30)에 제공하는 것을 특징으로 하는 주파수 판별기 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    방사원(43)로부터 주요 광입력(42)을 수신하는 입력 결합 수단(41)을 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 판별기 장치.
  21. 제 19 항 또는 제 20 항 중 한 항에 있어서,
    2개의 주요 광출력 사이에 상대적인 지연을 도입하는 수단은 다른 광경로 길이를 갖는 2가지 길이의 광섬유(50, 51)를 구비하는 것을 특징으로 하는 주파수 판별기 장치.
  22. 제 19 항 또는 제 20 항 중 한 항에 있어서,
    2개의 주요 광출력 사이에 상대적인 지연을 도입하는 수단은 주요 광출력 중 하나가 전송되는 한가지 길이의 광섬유를 구비하는 것을 특징으로 하는 주파수 판별기 장치.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항 중 한 항에 있어서,
    한가지 이상의 길이의 광섬유는 단일 모드 광섬유, 분극 유지 광섬유, 온도 안정 단일 모드 광섬유, 또는 온도 안정 분극 유지 광섬유 중 하나인 것을 특징으로 하는 주파수 판별기 장치.
  24. 제 19 항 내지 제 23 항 중 한 항의 장치(60)를 구비하고, 제 4 항의 광위상 검출기(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는 센서.
  25. 제 24 항에 있어서,
    2개의 주요 광출력 사이의 상대적인 광지연은 실질적으로 0인 것을 특징으로 하는 센서.
  26. 제 24 항 또는 제 25 항 중 한 항에 있어서,
    센서의 일부를 형성하는 광섬유(50)에 인가되는 온도, 압력, 또는 장력의 변화 중 하나를 측정하는 것을 특징으로 하는 센서.
  27. 방사원(43)로부터의 출력(42)을 안정화시키는 레이저 안정화 장치(70)에 있어서,
    한 주파수를 갖는 방사원(43)로부터 주요 광입력(42)을 수신하고 2개의 주요 광출력(52, 53)을 만드는 입력 수단, 2개의 주요 광출력(52, 53) 사이에 상대적인 지연을 도입하는 수단(50, 51), 및 광위상 검출기(1; 30)을 구비하고, 광위상 검출기(1; 30)가 2개의 광입력(52, 53)을 수신하고 2개의 조합된 광출력(11, 12)을 만드는 수단, 2개의 조합된 광출력(11, 12)의 강도를 검출하고 조합된 광출력(11, 12) 각각의 강도를 전기 신호로 변환하는 검출 수단(32), 및 두 전기 신호 사이에 차이를 측정하고 출력 차이 신호(20)를 발생하는 수단(6)을 구비하는 주파수 판별기 장치(60), 및
    주파수 판별기(60)의 광위상 검출기(1; 30)로부터의 출력 차이 신호(20)를 방사원(43)에 피드백하는 피드백 수단(72, 74)을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 안정화 장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    제 19 항에서와 같은 하나 이상의 추가 주파수 판별기 장치(60)를 구비하고, 각 주파수 판별기 장치는 연관된 광위상 검출기(1; 30)로부터의 전기 출력을 방사원(43)에 피드백하기 위해 대응하는 피드백 수단(72, 74)을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 안정화 장치.
  29. 제 28 항에 있어서,
    다른 주파수 판별기의 광위상 검출기(1, 30)로부터의 출력은 방사원(43)상의 다른 제어점으로 피드백되는 것을 특징으로 하는 레이저 안정화 장치.
  30. 제 27 항 내지 제 29 항 중 한 항에 있어서,
    광위상 검출기(30)는 광위상 검출기(30)로의 한 광입력의 위상을 변조하는 전압-제어 전기광학 위상 변조기(35; 80)를 포함하고, 전기광학 위상 변조기(35; 80)는 실질적으로 선형인 응답을 갖는 것을 특징으로 하는 레이저 안정화 장치.
  31. 제 27 항 내지 제 29 항 중 한 항에 있어서,
    차동 증폭기(82)를 포함하고, 광위상 검출기(1; 30)로부터의 출력은 차동 증폭기(82)의 입력에 피드백되고, 차동 증폭기(82)로부터의 출력은 소스로 피드백되는 것을 특징으로 하는 레이저 안정화 장치.
  32. 제 27 항 내지 제 31 항 중 한 항에 있어서,
    레이저 안정화 장치의 일부를 형성하는 광위상 검출기(1; 30)는 2개의 광입력(3, 4)을 수신하고 2개의 조합된 광출력(11, 12)을 만드는 결합 수단(2)을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 안정화 장치.
  33. 레이저로부터의 출력을 안정화하는 제 27 항의 레이저 안정화 장치(70), 및
    레이저 출력의 주파수를 변화시키는 수단(80; 82)을 구비하는 것을 특징으로 하는 광주파수 합성기.
  34. 제 33 항에 있어서,
    2개의 주요 광출력(52, 53) 사이에 상대적인 지연을 도입하는 2개의 광섬유(50, 51)를 포함하고, 2개의 광섬유는 다른 광경로 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 광주파수 합성기.
  35. 제 34 항에 있어서,
    광섬유(50, 51) 중 한가지 길이의 경로에 배열된 전기광학 위상 변조기(80)를 구비하고, 전기광학 위상 변조기(80; 35)에 톱니형 (SAWTOOTH) 전압 파형을 인가하는 것은 레이저 출력의 주파수 변화를 일으키는 것을 특징으로 하는 광주파수합성기.
  36. 제 35 항에 있어서,
    전기광학 위상 변조기(80; 35)에 전압을 인가하도록 톱니형 전압 파형을 제공하는 전압원을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광주파수 합성기.
  37. 제 33 항에 있어서,
    차동 증폭기(82)를 구비하고, 광위상 검출기(1; 30)로부터의 출력은 차동 증폭기(82)의 입력에 피드백되고, 차동 증폭기로부터의 출력은 레이저에 피드백되는 것을 특징으로 하는 광주파수 합성기.
  38. 제 33 항에 있어서,
    광위상 검출기(30)는 전기광학 위상 변조기(35; 80)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광주파수 합성기.
  39. 입력 레이저 신호(92)와 기준 신호(94)를 비교하는 광학 벡터 볼트미터 (optical vector voltmeter)(90)에 있어서;
    제 4 항 또는 제 5 항의 광위상 검출기(30), 및
    입력 레이저 신호(92)를 수신하고, 입력 레이저 신호(92)의 진폭에 의존하여 출력 신호를 발생하는 광검출기(96)를 구비하고,
    전기광학 위상 변조기(35)로부터의 출력은 기준 신호(94)와 입력 레이저 신호(92) 사이에 위상차의 측정을 제공하는 것을 특징으로 하는 광학 벡터 볼트미터.
  40. 다수의 주파수에서 시스템(110)의 전송 또는 반사된 진폭 및 위상을 측정하는 광학적 네트워크 분석기에 있어서;
    다수의 주파수에서 기준 신호(76)를 발생하는 광주파수 합성기, 및
    시스템(110)에 의해 전송 또는 반사된 신호와 기준 신호(76)를 입력으로 수신하는 제 39 항의 광학 벡터 볼트미터(90)를 구비하는 것을 특징으로 하는 광학적 네트워크 분석기.
  41. 제 40 항에 있어서,
    광주파수 합성기는 제 33 항 내지 제 38 항 중 한 항에서 청구된 것임을 특징으로 하는 광학적 네트워크 분석기.
  42. 방사원(43)로부터의 출력(42)을 안정화시키는 방법에 있어서;
    입력 수단(41)을 구비하는 주파수 판별기 장치(60)를 제공하는 단계,
    한 주파수를 갖는 방사원으로부터 주요 광입력(42)을 입력 결합 수단(41)에 입력하고, 2개의 주요 광출력(52, 53)을 만드는 단계,
    2개의 주요 광출력(52, 53) 사이에 상대적인 지연을 도입하는 단계,
    2개의 주요 광출력을 광위상 검출기(1; 30)에 입력하고, 2개의 광입력(3,4)을 수신하는 결합 수단(2)을 구비하여, 2개의 조합된 광출력(11, 12)을 만드는 단계,
    2개의 조합된 광출력(11, 12)의 강도를 검출하는 단계,
    조합된 광출력(11, 12) 각각의 강도를 전기 신호로 변환하는 단계,
    2개의 전기 신호 사이에 차이를 측정하고, 출력 차이 신호(20)를 발생하는 단계, 및
    주파수 판별기(60)의 광위상 검출기(1)로부터 방사원(43)에 출력 차이 신호(20)를 피드백하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 방법.
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