(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
感光性素子を有するＴＨｚ送信器と、
感光性素子を有するＴＨｚ受信器と、
可変的に調節可能な時間位置又は位相位置を有する信号を生成する機構と
を備え、
前記機構は、
第１波長を有する第１光成分、及び前記第１波長とは異なる第２波長を有する第２光成分を生成する少なくとも１つの光源と、
前記第１光成分の位相を変化させる位相変調器と、
第１光成分及び第２光成分を結合する共通の光ファイバと、
前記位相変調器の前段に接続され、変調されていない第１光成分及び第２の光成分からのビート信号の一部分を分離するカプラーと
を有し、
前記第１光成分及び前記第２光成分を重畳することによりビート信号を生成し、
前記ＴＨｚ送信器及び前記ＴＨｚ受信器は、前記ビート信号、又は前記ビート信号の分離された部分、又は前記ビート信号あるいは前記ビート信号の分離された部分の再成形によって生じる光信号によって活性化され、
前記位相変調器は、前記少なくとも１つの光源と前記ＴＨｚ受信器又は前記ＴＨｚ送信器の前記感光性素子との間であり、前記少なくとも１つの光源から離れた前記光ファイバの端部、又は、前記光ファイバの途中に配置され、
前記位相変調器は、前記第１光成分及び前記第２光成分の両者に対して透明であり、前記第１光成分の前記位相を、前記第２光成分の位相とは無関係に、又は、前記第２光成分の前記位相よりも大きく、選択的に変化させ、
前記ＴＨｚ受信器は前記位相変調器の前段で分離された前記一部分により活性化されるとともに、前記ＴＨｚ送信器は前記位相変調器から出力された前記ビート信号により活性化される、又は前記ＴＨｚ送信器は前記位相変調器の前段で分離された前記一部分により活性化されるとともに、前記ＴＨｚ受信器は前記位相変調器から出力された前記ビート信号により活性化される
ＴＨｚ測定システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの光源は、シングルモードレーザである２つのレーザ、又はデュアルモードレーザによって実施される請求項１に記載のＴＨｚ測定システム。
【請求項３】
前記レーザの少なくとも一方、又は前記デュアルモードレーザは、前記第１光成分及び前記第２光成分の少なくとも一方の前記波長を変化させるように波長可変である請求項２に記載のＴＨｚ測定システム。
【請求項４】
前記位相変調器は、可動部の機械的動作を伴わずに前記第１光成分の前記位相を変化させるように電気的に制御される請求項１から３のいずれか１項に記載のＴＨｚ測定システム。
【請求項５】
前記位相変調器は、前記第１光成分の前記位相を少なくともπ変化させる請求項４に記載のＴＨｚ測定システム。
【請求項６】
前記位相変調器は偏光依存性を有し、
前記少なくとも１つの光源は、互いに偏光の異なる前記第１光成分及び前記第２光成分を生成し、前記第１光成分及び前記第２光成分の前記偏光が前記位相変調器の２つの主軸に対応するように前記光ファイバによって前記位相変調器に接続され、
前記機構は、前記位相変調器の後段に配置されて前記第１光成分及び前記第２光成分のうち透過された部分を重畳する偏光子を備える請求項１から５のいずれか１項に記載のＴＨｚ測定システム。
【請求項７】
前記位相変調器は、
前記第２光成分を反射し、前記第１波長の光を透過する波長選択反射器と、
前記第１光成分を反射する付加反射器と、
前記第１光成分の前記位相を変化させ、前記波長選択反射器及び前記付加反射器の間に設けられる位相変調領域と、
を有する請求項１から５のいずれか１項に記載のＴＨｚ測定システム。
【請求項８】
前記位相変調器は、
少なくとも３つの出力を有し、前記出力のうち２つが前記位相変調器の入力及び出力に対応し、前記出力のうちの３つ目が前記波長選択反射器に光学的に結合される循環器又は光ファイバカプラをさらに有する請求項７に記載のＴＨｚ測定システム。
【請求項９】
前記波長選択反射器は、干渉フィルタ、又はＤＢＲによって実施される請求項７又は８に記載のＴＨｚ測定システム。
【請求項１０】
前記波長選択反射器及び前記付加反射器の少なくとも一方は、前記位相変調領域とモノリシック構造を形成する請求項７から９のいずれか１項に記載のＴＨｚ測定システム。
【請求項１１】
前記機構は、前記位相変調器の後段に接続されるパルス圧縮器を備える請求項１から１０のいずれか１項に記載のＴＨｚ測定システム。
【請求項１２】
前記位相変調器の後段に接続され、光学的な前記ビート信号を電気信号に変換する検出ユニットを前記ＴＨｚ受信器は形成する請求項１から１１のいずれか１項に記載のＴＨｚ測定システム。
【請求項１３】
前記検出ユニットは、前記カプラーにより分離された前記一部分及び前記位相変調器から出力される前記ビート信号の両者を検出する請求項１２に記載のＴＨｚ測定システム。
【請求項１４】
前記ビート信号のビート周波数に対応する周波数において電磁放射線を生成する非線形部品を形成して、前記ＴＨｚ送信器を形成する、請求項１から１３のいずれか１項に記載のＴＨｚ測定システム。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか１項に記載のＴＨｚ測定システムを含み、
前記ビート信号の再成形によって生じる信号、又は前記ビート信号の分離された部分に影響を及ぼすように配置される試料を備えるセンサ機構。
【請求項１６】
前記ビート信号に対応する信号、又は、前記ビート信号を変換して得られる信号を生成し、
前記信号の時間位置又は位相位置が、前記位相変調器を制御することにより変化する、
請求項１から１４のいずれか１項に記載のＴＨｚ測定システム、又は請求項１５に記載のセンサ機構の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、請求項１に記載のプリアンブルに従った、可変的に調節可能な時間位置又は位相位置を有する信号を生成する機構に関する。これによって生成される時間変位可能な信号は、光学的なビート信号、又は、そのような光信号を変換して得られる電気信号、又は、対応する周波数の電磁放射線によって与えられる信号である。
【０００２】
変調された信号の時間位置及び／又は位相位置を設定することは、光学的及び電気的メトロロジーにおいて頻繁に必要とされる機能である。干渉効果による光波の位相位置、つまり、マイクロメートル領域の距離、及びフェムト秒領域の時間が問題となる。この目的のための、半導体を基礎とした電気的に制御可能な位相シフタは既にある。
【０００３】
もし、０．１ｍｍから１０ｃｍ程度のオーダーの電磁波の泳動距離に対応して、ナノ秒領域からピコ秒領域のより大きな遅延が必要な場合、通常の解決法は、機械的な長さを変化させることによって電磁波の泳動距離を変化させることである。移動可能な反射ミラー、段階的な複数の長さを用いた迅速な距離の切替、ファイバを伸張させること、又は波長調整と組み合わせてファイバの分散を利用することが、通常、実現可能なものとして挙げられる。そのような光学機械的な遅延線は、例えば、光学的自己相関測定ステーション、ポンプ−プローブ実験、又は光学的テラヘルツシステムで使用されている。しかしながら、機械的な調節を必要とする遅延線は、遅く、大きく、重く、衝撃の影響を受け易く、そして高価である。また、電気的で高速な制御によるコンパクトで丈夫な半導体チップに基づいた、ピコ秒領域及びナノ秒領域の遅延に対する解決法が熱望されている。
【０００４】
この目的に対し、独国特許出願公開第１０  ２００６  ０５８  ３９５  Ａ１号明細書は、可変的に調節可能な時間位置又は位相位置を有する信号を生成する機構を提案している。この機構は、第１波長を有する第１光成分、及び第１波長とは異なる第２波長を有する第２光成分を生成する２つのレーザ、並びに、第１光成分の位相を変化させる位相変調器を含み、２つの光成分を重畳することによってビート信号を生成するように構成される。従って、その原理は、わずかに波長の異なる２つのレーザ波を重畳することによって、波長差に応じた周波数を持つビート信号を生じさせることにある。レーザ波の一方を選択的に位相変調することによってビート信号の位相位置をシフトさせることができる。この場合、半導体に基づいた、コンパクトな電気光学的位相変調器を高周波数で使用することにより、レーザ波の位相変調が可能である。ビート信号の周波数に応じて、位相変調によってピコ秒領域又はミリメートル領域での時間シフトを実現することができる。ビート周波数１００ＧＨｚにおいてレーザ波の一方をπだけ位相変調すると、ビート信号をπ、すなわち５ｐｓ又は１．５ｍｍシフトさせる。１０ＧＨｚのビート周波数における５０ｐｓ又は１５ｍｍのビート信号シフトは、１ＴＨｚにおける５００ｆｓ又は１５０μｍに対応する。こうして時間変調されたビート信号は、時間的に安定な信号に相関付けられるか、あるいは、検出ユニットによって電気信号に変換され、電気信号として利用される。従って光学的なビート信号は、レーザ波の高速位相変調を、数倍大きな信号の時間変調又は泳動距離変調に変換するための手段として働く。
【０００５】
独国特許出願公開第１０  ２００６  ０５８  ３９５  Ａ１号明細書に記載される従来技術においては、２つのレーザと位相変調器とが、２つの光成分を重畳するために必要とされるカプラとともに、共通の１つのチップ上に実現されている。この場合、異なる光部分に対する個々の光路における位相の不安定性を避けるために、機構全体をこのように統合的に設計する必要があった。そのような位相の不安定性は、拡大されて大きな時間不安定性及び光路距離の不安定性を生じさせ、また、実際同じように、所望の効果による一方の光成分の位相シフトが過度に大きなビート信号のシフトにつながるので、何としても避けなければならない。この問題は、上記の従来技術においては、１つのチップ上で統合的に設計することで解決されている。何故なら、その結果、個々の光路が非常に短くなり、位相が非常に安定になるためである。２つの光成分を重畳した後では、位相の不安定性はもはや重要ではない。何故なら、位相の不安定性は、両方の光成分に対してほとんど同一の効果を持ち、ビート信号にはもはや実質的な影響を及ぼさないからである。従って、干渉効果を生じることなく、例えばガラスファイバ中でビート信号を伝導することができる。これとは対照的に、上記の従来技術においてカプラの前段及びカプラ間にてチップ上に実現された光路を、光ファイバによって置き換えることは、ビート信号の安定性に劇的な影響を及ぼさずにはいられない。何故なら、例えば、数センチメートルの距離からの手の熱放射が、光ファイバ中の光の位相に大きな影響を与えるためである。
【０００６】
従って、上記の従来技術においては、レーザ、カプラ、及び位相変調器に対して独立した部品を使用することが不可能であり、全てが１つのチップ上に統合されなくてはならない。そのため、一方では、入手の容易な部品を使用することができないために開発コストの高騰を招き、他方では、チップ上に統合された部品は、概して、個々に最適化された部品ほど特性が良好ではない。
【発明の概要】
【０００７】
従って、本発明の根本的な目的は、可変的に調節可能な時間位置又は位相位置を有する信号を生成し、１つのチップ上に統合された形態で実現される必要が無く、通常の部品、特に、広い波長領域で波長可変な既存の高性能レーザ又は半導体レーザを使用して実現される機構を提供することである。さらに本発明の目的は、比較的容易に実現され、高精度で実行され、干渉しにくい、時間位置又は位相位置が可変的に調節可能な信号を生成する方法を提供することである。
【０００８】
この目的は、請求項１のプリアンブルの構成とともに請求項１の特徴的な構成を有する機構、及び、請求項１７による本機構の使用による本発明によって満足される。本発明の有利な実施形態及び更なる発展が、従属請求項の構成から生じる。
【０００９】
提案される機構はまた、第１波長を有する第１光成分及び第１波長とは異なる第２波長を有する第２光成分を生成する少なくとも１つの光源と、第１光成分の位相を変化させ、２つの光成分を重畳することによってビート信号を生成するように構成される位相変調器とを備える。この機構は、光成分の両者を結合する共通の光ファイバをさらに備える。位相変調器は、少なくとも１つの光源から離れた側のこの光ファイバの端部、又は、光ファイバの途中に配置される。位相変調器は、光成分の両者に対して透明であり、第２光成分の位相とは無関係に、又は、第２光成分の位相よりも大きく、第１光成分の位相を選択的に変化させるように構成される。この場合、通常は２つの波長の間のごく小さな波長差、及び波長差に応じたビート信号のビート周波数を、所望する遅延時間に応じて選択することができる。
【００１０】
これにより実現される基本的な概念は、光ファイバに対する外的影響による屈折率や偏光の変化等の干渉効果が光成分の両者に対してほとんど同じ影響を及ぼし、ビート信号が実質的に影響を受けないように、光成分の両者に対する信号経路の大部分を共通のファイバによって実施することである。この点において、本発明は、従来の部品を使用しながらも、丈夫で安価な設計を有利に実現することができる。
【００１１】
少なくとも１つの光源は、例えば、２つの光成分のうち対応する一方を生成する、好ましくはシングルモードレーザである２つのレーザによって実現することができる。これに代わって、両方の光成分を生成するデュアルモードレーザを使用することにより、ビート信号を非制御状態で変化させかねない、光成分の一方のみに対する望ましくない影響を特に簡単に排除することができる。この場合、２つの光成分の少なくとも一方の波長を変化させるように、少なくとも一方のレーザ又はデュアルモードレーザを調整することができれば、ビート信号の周波数又はパルス長を調節できるので、特に有利である。一方では、例えばＴＨｚ領域のような様々な周波数領域に対処することが可能であり、他方では、ビート信号の非常に多様な時間変調及び距離変調を、位相変調器の所定の制御によって設定することができる。
【００１２】
提案する変調技術は、２つの光成分から取得されるビート信号の制御に基づいている。しかしながら、多くの場合、制御可能なパルスが必要である。従って、本発明の有利な実施形態にける機構は、位相変調器の後段に接続され、例えばウルトラロング半導体光増幅器、又は特に高性能の非線形ガラスファイバによって実現される、パルス圧縮器を備える。
【００１３】
ここで提案する機構においては、ビート信号の所望の時間変調、つまり、その時間位置又は位相位置の変化は、光成分の一方のみを変調する、又は一方を主として変調する選択的位相変調器によって達成される。すなわち、位相変調器を相応に制御することにより、第２光成分の位相とは無関係に、又は第２光成分の位相よりも大きく、第１光成分の位相を選択的に変化させることができる。この場合位相変調器は、好ましくは、第１光成分の位相、又は光成分の間の相対的な位相を、少なくともπ、好ましくは２π変化させるように構成される。この場合位相変調器は、好ましくはＭＨｚ又はＧＨｚ領域にまで達する、可能な限りの高速性を有する。第１光成分の位相又は相対的な位相が、対応するように構成された制御ユニットによって、鋸歯状の周期関数においてそれぞれ２πあるいは２πの倍数だけシフトされることが特に有利である。実質的に所望する限り連続的に、且つ、位相変調器の各動作点に依存した初期位相とは実際無関係に、ビート信号をシフトさせることができる。
【００１４】
できる限り単純で丈夫な設計という点に関して位相変調器は、第１光成分の位相を変化させるために、純粋に電気的に、つまり、可動部の動作を伴わずに制御されるべきである。この目的に対し、様々な電気光学的位相変調器を使用することができる。
【００１５】
第１の可能性は、多くの変調器の非常に高い偏光依存性を利用するという考えに基づくものである。例えば（線形）ポッケルス効果は、一般的には偏光依存性である。例えば、特定波長の光に対する位相変調器の効率がバンド端からのこの波長の距離に依存し、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光が別々に設計できる場合には、その他の効果も偏光依存性を持つことができる。例えばこれは、いわゆる量子井戸構造、及び、歪み層構造の場合である。ビート信号を生成するためには同一偏光の波又は波の一部分が重畳されなければならない。一方、偏光依存効果を利用しながら所望の選択的位相変調を行うためには、光成分は、互いに異なる偏光、好ましくは直交する偏光で位相変調器に入射されなければならないので、そのような変調器の偏光依存性を利用するためには、さらなる手段が必要である。本発明の好ましい実施形態によれば、位相変調器は偏光依存性である。少なくとも１つの光源は、通常は直交した互いに異なる偏光で２つの光成分を生成するように構成され、２つの光成分の偏光が位相変調器の２つの主軸に対応するように光ファイバによって位相変調器へ接続される。位相変調器の後段に配置され、２つの光成分の透過した部分を重畳するための偏光子を本機構は備える。特定の環境において偏光子は、例えば、モードスプリッタ、偏光変換器、及びカプラの組み合わせ等、直交偏光の光部分を重畳するための多様な構成によって置き換えられてよい。この点については、位相変調器が光波の位相に及ぼす影響が光波の偏光に依存する場合、位相変調器は偏光依存性とみなせる。この場合、所定の制御により確定する位相遅延又は時間遅延を位相変調器が実現させるような偏光方向は、主軸と呼ばれる。
【００１６】
好ましくは透過された部分を重畳するように設けられる偏光子は、偏光依存性吸収器、又は偏光依存性増幅器として実現され、典型的には、単純な偏光フィルタである。この目的のために、偏光子の偏光方向は、両方の光成分の偏光に対し個別の非消失角を含む。これは、典型的にはそれぞれ４５°の角度であるが、特定の状況下では、この値とは異なる角度であるか、あるいは、光成分の強度差を補償するための調節可能な角度である。すなわち、ビート波の相対振幅は、偏光子を回転させることによる角度設定の影響を受け、特に、同一の値に設定されて最適なビート信号を生じ得る。偏光フィルタは、偏光子によって遮断される各部分と、偏光子によって透過される部分とに両方の光成分をベクトル的に分割するので、２つの光成分の透過された部分は、同じ偏光を有し、重畳してビート信号を形成することができる。ある偏光の光に対してより大きな電気光学的効果を有する、あるいは好ましくは、ある偏光の光に対してのみ電気光学的効果を有する物質に基づいて、又は、量子井戸半導体層あるいはＴＥ偏光波とＴＭ偏光波とに対して異なるバンド間隔を有する歪み層半導体層を有する導波路構造に基づいて、本発明の本実施形態の位相変調器を実現することができる。
【００１７】
本発明の他の実施形態によれば、位相変調器は、第２光成分を反射し、第１波長の光を透過する波長選択反射器と、第１光成分を反射する付加反射器とを備え、２つの反射器の間に設けられ、第１光成分の位相を変化させるための位相変調領域を有する。この位相変調領域は、例えば、従来の電気光学的位相変調器によって実現することができる。上記の付加反射器は、例えば、単純なミラーコートによって実現することができる。異なる偏光を有する２つの光成分を生成することができない場合、例えば、デュアルモードレーザを使用する場合に、本実施形態は特に好ましい。本実施形態においては、位相変調器の制御によって位相が変化されない第２光成分は、位相変調領域に到達する前に、位相変調領域の前段に設けられた波長選択反射器によって反射される。対照的に第１光成分は、位相変調領域を通過した後に付加反射器によってのみ反射され、続いて再び位相変調領域を通過する。異なる反射器にて反射された２つの光成分を重畳することにより、非位相変調波と（２回）位相変調波とから成り、位相変調領域を制御することによって所望の様式で変位させることのできるビート信号が再び生じる。
【００１８】
さらに、本実施形態における位相変調器は、少なくとも３つの出力を有する循環器又はファイバカプラを有してもよい。これらの出力のうち２つは位相変調器の入力及び出力に対応し、第３の出力は波長選択反射器に光学的に結合される。これにより、波長選択反射器が配置される側から、２つの反射器及びそれらの間に配置された位相変調領域から成るグループへと光成分を供給し、そこで反射された光成分及びそこから再び放出される光成分を互いに再度重畳して位相変調器の出力へ導くことが、単純な様式で達成される。２つの反射器を伴う位相変調領域の入力信号及び出力信号は、こうして容易に分離することができる。
【００１９】
波長選択反射器は、例えば、干渉フィルタ、又は分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）、又は受動型帰還レーザ（ＰＦＬ）、又はＤＦＢ（分布帰還型）構造によって実現することができる。これに代えて、様々な分散型傾斜フィルタを使用してもよい。それぞれの場合において、反射性の高いストップバンドが第２波長に対して適合され、非反射領域は必然的に第１波長を含む。
【００２０】
２つの光成分がそれぞれ個別の光路を有する場所においては、位相の不安定性を可能な限り避けなくてはならない。この目的のために、例えば、位相変調領域の表面である変調器平面に、蒸着又は接着接合によって波長選択反射器及び／又は付加反射器を直接に付けることができる。これは、単純な干渉型傾斜フィルタが波長選択反射器として使用される場合に特に当てはまる。ＩＩＩ−Ｖ族物質系、又は安価なポリマあるいはシリコン物質に基づいた分散構造を有するハイブリッドな統合においては、ＤＢＲ構造又はＤＦＢ構造を有するモノリシックな統合もまた波長選択反射器として有利である。可能な限り位相安定性を高くすることについては、波長選択反射器、又は付加反射器、又は好ましくは両方の反射器が、位相変調領域とモノリシック構造を形成する場合に、少なくとも有利である。付加反射器は、最も単純な場合においては、対応する変調器平面の簡単なミラーコートによって実現することができる。
【００２１】
選択的位相変調器をどのようにして実現するかには関わらず、提案する機構では両方の光成分に対して共通な光ファイバを使用するので、２つの光成分に対して別々の光路を用いることが大幅に避けられるため、生成信号の設定時間位置又は位相位置が、例えば温度差又は機械的歪みによる機構の複数の光路干渉に影響されにくいという利点がもたらされる。
【００２２】
提案される機構は、通常、ビート信号を電気信号又は電磁波によって与えられる信号に変換するための検出ユニットを位相変調器の下流側に備える。よってこの信号は、ビート信号に従って調節可能な時間位置又は位相位置を有し、例えば、位相変調器を制御する信号に対する相対的時間相関における、電気測定システムの時間制御に使用することができる。この場合、検出ユニットは１つの検出器で実施されるか、あるいは複数の検出器を含んでもよい。
【００２３】
光成分の両者からのビート信号であって、位相変調器によってまだ変調されていない部分を分離するために、位相変調器の前段に接続されるカプラがさらに設けられ、好ましくは検出ユニットが、この部分と位相変調器から出力されるビート信号との両者を検出するように構成される場合、本機構は特に有利である。好ましくは、検出ユニットは、上記の分離された部分と、第１光成分の位相が変調されたビート信号との相関、すなわち、ビート信号の時間位置又は位相位置との相関を決定するように適合される。このため、上記の部分と変調されたビート信号とを重畳するために、さらにカプラが設けられてよい。
【００２４】
この場合、上記の分離された部分の光路中に、又は、位相変調器によってシフトされたビート信号の光路中に試料が配置されて、好ましいセンサ機構が得られる。試料によって生じる相関信号の変化が検出ユニットによって決定され、これにより、試料の特性についての結論が導き出される。
【００２５】
本発明の特に有利な実施形態における機構は、ビート信号のビート周波数に対応する周波数で電磁放射線を生成する非線形部品、例えば光混合器を備える。この周波数は、好ましくはＴＨｚ領域にある。従って、非線形部品は、特にＴＨｚ送信器を形成することができる。よって本機構は、例えば、特にＴＨｚ放射線に対する分光計、反射率計、又はその他のセンサ機構に使用することができる。この場合、位相変調器の前段において分離された放射線の部分は、好ましくは、対応する受信器の活性化に利用され、放射線のコヒーレントな検出を可能とする。従って本機構は、特に、コヒーレントなＴＨｚ測定システムを形成することができる。そのようなＴＨｚ測定システムの一般的な設計については、ここに記載された時間シフト可能な活性化信号の生成に関する点を除いて、例えば米国特許第６，３４８，６８３Ｂ１号明細書に記載されている。送信器及び受信器は入れ換えることが当然可能なので、位相変調器の前段で分離された放射線の部分が送信器の活性化に使用され、一方、時間位置及び位相位置がシフトされた部分が受信器の活性化に使用されてよい。電磁放射線を生成する非線形部品は、必ずしも元のビート信号に従う必要は無く、むしろその代わりに、そこから取得される圧縮パルス信号の影響を受けてもよい。よって、生成された電磁放射線は、ビート周波数とは異なる周波数を当然含んでもよい。
【００２６】
このような全ての点から見て、位相シフタとも呼ばれる位相変調器を制御することによって時間位置又は位相位置が変化させられる信号であって、ビート信号に対応する信号、又はビート信号を変換することにより得られる信号を生成するような、ここに記載される機構を使用することにより有利なプロセスがもたらされる。特にこのプロセスは、試料を検査するための測定プロセスであってよく、また特に、ビート信号又はビート信号の分離された部分によりＴＨｚ送信器を活性化することによって得られるＴＨｚ放射線に試料が露出されるようなプロセスであってよい。そのような測定プロセスを用いて、信号の時間位置又は位相位置に対する、検出信号の対応する依存性を評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
図１から図８を参照して本発明の実施形態を以下に説明する。
【００２８】
【図１】本発明による機構の動作の概略的な説明である。
【００２９】
【図２】そのような機構の実施形態の概略的な説明である。
【００３０】
【図３】別の実施形態における類似の機構に対応する説明である。
【００３１】
【図４】図３の実施形態の変形形態の概略的な説明である。
【００３２】
【図５】パルス圧縮器をさらに含む類似の機構を概略的に示す。
【００３３】
【図６】センサ機構の概略を示す。
【００３４】
【図７】２つのパルス圧縮器をさらに含む類似のセンサ機構を示す。
【００３５】
【図８】図６及び図７に対応する、コヒーレントＴＨｚ検出用測定構造であるセンサ機構の概略的な説明である。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
ビート信号を生成する機構が図１に概略的に示されている。このビート信号の時間位置又は位相位置は変調することが可能、つまり、可変的に調節可能である。この機構は２つのシングルモードレーザ１及び１'を備え、少なくともその一方は波長可変である。レーザ１から出力される第１光成分２、及び、レーザ１'によって生成される第２光成分２'が、光学カプラ３において重畳される。この場合、第１光成分２は第１波長を有し、第２光成分２'は、第１波長とはわずかに異なる第２波長を有するので、カプラ３によってビート信号が生成される。光成分２及び２'の両者を含むこのビート信号は、カプラ３の２つの出力において、対応する共通の光ファイバ４及び４'に結合される。選択的位相変調器５は、光ファイバ４の端部、又は途中に配置される。この位相変調器５は光成分２及び２'の両者に対して透明であり、位相変調器５を制御する制御信号に応じて、第２光成分２'の位相とは独立して第１光成分２の位相を選択的に変化させる特性、又は、第１光成分２の位相を第２光成分２'の位相よりも少なくとも大きく変化させる特性を持つ。従って、光ファイバ４又は位相変調器５から出力されるビート信号の時間位置又は位相位置を、位相変調器５の制御に応じて変化させることができる。この様子は、図１の右側の２つの図に示されており、ビート信号は、一方では消失位相シフトを示し（上図）、一方では第１光成分２がπだけ位相シフトされた様子を示す（下図）。
【００３７】
位相変調器５は、電気光学的位相シフタであって、純粋に電気的に制御可能である。つまり、可動部が動くことなく、第１光成分２の位相を少なくとも２πシフトさせることができる。この場合、位相変調器５は、ＭＨｚ領域又はＧＨｚ領域の非常に高い周波数で制御することが可能であり、２つの光成分２及び２'の間の相対位相の変化（図１の右側ではΔΦで示される）も、対応するように鋸歯状の関数においてプログラムされた制御ユニットによって、それぞれ２π調節することが可能である。図１に示される機構中のカプラ３は、位相変調器５によってまだ変調されていない光成分２及び２'の両者からのビート信号の一部分を分離する役割も果たす。この部分は、光ファイバ４'を通じて導かれ、例えば、参照信号として用いられる。
【００３８】
２つのレーザ１及び１'の代わりに、他の実施形態においては、デュアルモードレーザを用いて２つの光成分２及び２'を生成することもできる。従って、位相シフトされた参照信号が必要でなければ、ビート信号を生成するためにカプラ３を設けなくともよい。
【００３９】
そのような機構の実施形態が図２に示される。繰り返し出てくる構成に対しては、図２及びこの後の図において、同一の参照番号が付されている。デュアルモードレーザ１"は、ここでは光成分２及び２'の両者に対して共通の光ファイバ４によって位相変調器５に接続されており、２つの光成分２及び２'の光源として働く。デュアルモードレーザ１"、あるいはその代わりに、異なる波長の２つの光波を生成するために使用可能な他の光源は、２つの光成分２及び２'のうち少なくとも一方の波長を調節できるように設計されている。図２に示される機構は、さらに、位相変調器５の後段に配置され、位相変調器が出力するビート信号を電気信号に変換する検出ユニット６を備える。検出ユニット６も、光成分２及び２'の両者に対して共通の光ファイバによって、あるいは、その他の様式によって、位相変調器５の出力に光学的に結合される。このようにして生成された電気信号の時間位置又は位相位置は、位相変調器５による光学的なビート信号の時間位置又は位相位置に従って調節される。このようにして生成された電気信号は、例えば、電気測定信号の時間制御に使用することができる。
【００４０】
図２に示される実施形態における位相変調器５は、偏光に対する依存性を持つ。デュアルモードレーザ１"は、それぞれ単色の２つの光成分２及び２'を生成する。光成分２及び２'は、互いにわずかに波長が異なり、直交した偏光を有し、２つの光成分２及び２'の偏光が偏光依存性を有する位相変調器５の２つの主軸に対応するように、光ファイバ４によって位相変調器５に結合される。偏光子７は、偏光子７を透過した２つの光成分２及び２'の一部分を重畳する。偏光子７は、偏光依存性によって第１光成分２の位相のみをシフトさせる位相変調器５の出力に設けられる。偏光子７は、最も単純な場合には簡単な偏光フィルタによって実現することができる。この場合偏光子７は、偏光子７の偏光方向が、光成分２及び２'両者の偏光に対して通常４５°である非消失角をそれぞれ含むように配置される。これにより、２つの光成分２及び２'の透過した部分からのビート信号が偏光子７から出力され、その時間位置及び位相位置は、位相変調器５を制御することによって調節することができる。偏光子７は、光成分２及び２'の間の強度差を相殺するべく上記の角度が調整できるように、回転可能に設計されてもよい。偏光依存性吸収器の代わりに、偏光依存性増幅器を偏光子７として使用することもできる。ＴＥ偏光波とＴＭ偏光波に対して異なるバンド幅を有する量子井戸半導体層あるいは電気光学的効果を有する材料に基づいた歪み半導体層を有する導波路構造によって、ある１つの偏光の光専用の位相変調器５が実現される。
【００４１】
時間において又は位相位置に関してシフト可能な信号を生成するための機構の類似した別の実施形態を図３に示す。この場合、同一の偏光を有する２つの光成分２及び２'をデュアルモードレーザ１"が生成するので、位相変調器５には、第１光成分２の位相を選択的に変調できるように、別の設計が要求される。この場合の機構は、第２光成分２'のみを反射し第１波長の光を透過する波長選択反射器８、並びに、第１光成分２を反射する付加反射器９を有する。第１光成分２の位相を変化させるための位相変調領域１０は、２つの反射器８及び９の間に設けられ、従来の位相シフタによって実現され、第１光成分２の位相を所望の程度遅延させるように、電圧を加えることによって制御可能である。
【００４２】
波長選択反射器８及び付加反射器９は、位相変調領域１０とともにモノリシック構造を形成する。付加反射器９は、位相シフタの上部平面の単純なミラーコートによって実現される。波長選択反射器８は、ここでは単純な干渉フィルタで実施され、第２波長に対して適合された非常に反射性の高いストップバンドを有し、一方、この反射器８の非反射領域は第１波長を含む。もちろん、干渉フィルタの代わりに別の分散型傾斜フィルタを使用することもできる。位相変調器５は循環器１１を備える。循環器１１は３つの出力を有し、デュアルモードレーザ１"から来る光を２つの反射器８及び９を伴う位相変調領域１０へ方向付け、次いで、そこから戻る反射光を、検出ユニット６へ案内される位相変調器５の出力へと導く。これらの出力のうち２つは位相変調器５の入力及び出力に対応し、第３の出力は波長選択反射器８に光学的に結合される。ここに示した機構の変形として、循環器１１の代わりに、少なくとも３つの出力を有する光ファイバカプラを使用することもできる。
【００４３】
図４には、図３の機構の変形形態が示されている。波長選択反射器８はＰＦＬによって実施される。ＰＦＬに所望の透過特性及び反射特性を持たせるように選択された制御電流ＩｔｒａｎｓがＰＦＬに加えられる。ＰＦＬのストップバンドは、反射器８の右隣に示されており、その中に第２光成分２'の波長λ２が位置する。位相変調領域１０を形成する位相シフタは、制御電圧Ｕによって通常の様式で制御され、第１光成分２の位相を所望する程度遅延させる。第１光成分の波長λ１はＰＦＬのストップバンド外にあるので、ここではまた単純なミラーコートによって実現される付加反射器９にて第１光成分２が反射される。波長選択反射器８は、ＰＦＬの代わりに、ＤＦＢ構造又はＤＢＲによって実現することもできる。ここでは、波長選択反射器８及び付加反射器９も位相変調領域１０とモノリシック構造を形成する。また、ポリマ形式、又はシリコンベースの、ＩＩＩ−Ｖ族半導体物質を有する波長選択反射器８が位相変調領域１０と統合されるハイブリッド構造も考えられる。
【００４４】
図５には、既に記載した機構と類似の機構が示されている。繰り返しとなる構成は、再び同一の参照番号で描かれている。さらにここには、選択的位相変調器５を制御する電気制御１１が示されている。本実施形態においては、ビート信号をパルスに再成形するパルス圧縮器１２が、位相変調器５と検出ユニット６との間に接続されている。従って、この機構を使用して、電気制御１１を用いた対応する制御により、位相変調器５によって時間位置を変化させることのできる信号を、連続するパルスから生成することができる。パルス圧縮器１２は、ウルトラロング半導体光増幅器又は非線形ガラスファイバである。
【００４５】
上記した種類の機構を、試料１３を検査するセンサ機構にどのようにして拡張できるかを図６に示す。繰り返しとなる構成は、再び同一の参照番号が付されており、個別に説明はしない。デュアルモードレーザ１"の代わりに、わずかに波長の異なる２つの光成分２及び２'を生成するための別の光源、例えば、図１及び図５のシングルモードレーザ１及び１'を当然使用することができる。ここでのカプラ３は、２つの光成分２及び２'を重畳して得られるビート信号の一部分を分離する役割を果たす。この場合検出ユニット６は、この分離された部分と位相変調器５から出力されるビート信号との両者を検出するように構成される。検出ユニット６は、位相変調器５において第１光成分の位相を変調することによる、光ファイバ４中のビート信号の位相変調に対する両者の相関を決定する相関器１４を含む。ここで試料１３はカプラ３によって分離された部分の光路に配置されるので、位相変調器５から出力されるビート信号が参照信号として働く。同様に、位相変調器５から出力されるビート信号の光路中に試料が配置されてもよい。その場合、光ファイバ４'を介して案内される分離された部分が参照信号として働くことができる。どちらの場合においても、試料１３によって生じ、検出ユニット６によって決定される相関信号の変化は、相関器１４を有する検出ユニット６によって決定されてよい。
【００４６】
図７に示されるセンサ機構は、光ファイバ４'の途中における試料１３の前と、位相変調器５の出力の後段との両方に、それぞれパルス圧縮器１２が接続される点においてのみ図６のセンサ機構とは異なる。これにより、試料１３を通過する信号と、位相変調器５によって時間位置が変更された参照信号との両者が、それぞれ連続したパルスに再成形される。
【００４７】
上記した２つのセンサ機構と大部分において同じ構成を使用する別のセンサ機構を図８に示す。このセンサ機構は、カプラ３によって分離されるビート信号の一部分によって活性化され、ＴＨｚ送信器を形成する非線形部品によって実現される光混合器１５をさらに有する。ビート信号のビート周波数に対応し、ここではＴＨｚ領域、特に０．１ＴＨｚから１０ＴＨｚ領域の周波数を有する電磁放射線が、光混合器１５によって生成される。この場合検出ユニット６は、ＴＨｚ受信器によって実施される。光ファイバ４を介して伝導され、位相変調器５によって位相位置が設定された光学的なビート信号によって、ＴＨｚ受信器は活性化される。位相変調器５はまた、光ファイバ４'中で光混合器１５の前段に接続されてもよい。その場合、光混合器１５は、位相変調器５から出力される位相シフトされたビート信号によって活性化され、一方、位相が操作されていない対応するビート信号がＴＨｚ受信器を活性化させる役割を果たす。
［項目１］
第１波長を有する第１光成分（２）、及び前記第１波長とは異なる第２波長を有する第２光成分（２'）を生成する少なくとも１つの光源と、
前記第１光成分（２）の位相を変化させる位相変調器（５）と、
２つの光成分（２、２'）を結合する共通の光ファイバ（４）と、
を備え、
前記２つの光成分（２、２'）を重畳することによりビート信号を生成し、
前記位相変調器（５）は、前記少なくとも１つの光源から離れた前記光ファイバ（４）の端部、又は、前記光ファイバ（４）の途中に配置され、
前記位相変調器（５）は、前記２つの光成分（２、２'）の両者に対して透明であり、前記第１光成分（２）の前記位相を、前記第２光成分（２'）の位相とは無関係に、又は、前記第２光成分（２'）の前記位相よりも大きく、選択的に変化させる、
可変的に調節可能な時間位置又は位相位置を有する信号を生成する機構。
［項目２］
前記少なくとも１つの光源は、好ましくはシングルモードレーザである２つのレーザ（１、１'）、又はデュアルモードレーザ（１"）によって実施される項目１に記載の機構。
［項目３］
前記レーザ（１、１'）の少なくとも一方、又は前記デュアルモードレーザ（１"）は、前記光成分（２、２'）の少なくとも一方の前記波長を変化させるように波長可変である項目２に記載の機構。
［項目４］
前記位相変調器（５）は、可動部の機械的動作を伴わずに前記第１光成分（２）の前記位相を変化させるように電気的に制御され、好ましくは前記第１光成分（２）の前記位相を少なくともπ変化させる項目１から３のいずれか１項に記載の機構。
［項目５］
前記位相変調器（５）は偏光依存性を有し、
前記少なくとも１つの光源は、互いに偏光の異なる前記２つの光成分（２、２'）を生成し、前記２つの光成分（２、２'）の前記偏光が前記位相変調器（５）の２つの主軸に対応するように前記光ファイバ（４）によって前記位相変調器（５）に接続され、
前記機構は、前記位相変調器（５）の後段に配置され、前記２つの光成分（２、２'）のうち透過された部分を重畳する偏光子（７）を備える項目１から４のいずれか１項に記載の機構。
［項目６］
前記位相変調器（５）は、
前記第２光成分（２'）を反射し、前記第１波長の光を透過する波長選択反射器（８）と、
前記第１光成分（２）を反射する付加反射器（９）と、
前記第１光成分（２）の前記位相を変化させ、前記２つの反射器（８、９）の間に設けられる位相変調領域（１０）と、
を有する項目１から４のいずれか１項に記載の機構。
［項目７］
前記位相変調器（５）は、
少なくとも３つの出力を有し、前記出力のうち２つが前記位相変調器（５）の入力及び出力に対応し、前記出力のうちの３つ目が前記波長選択反射器（８）に光学的に結合される循環器（１１）又は光ファイバカプラをさらに有する項目６に記載の機構。
［項目８］
前記波長選択反射器（８）は、干渉フィルタ、又はＤＢＲ、又はＰＦＬ、又はＤＦＢ構造によって実施される項目６又は７に記載の機構。
［項目９］
前記波長選択反射器（８）及び前記付加反射器（９）の少なくとも一方は、前記位相変調領域（１０）とモノリシック構造を形成する項目６から８のいずれか１項に記載の機構。
［項目１０］
前記位相変調器（５）の後段に接続されるパルス圧縮器（１２）を備える項目１から９のいずれか１項に記載の機構。
［項目１１］
前記位相変調器（５）の後段に接続され、光学的な前記ビート信号を電気信号に変換する検出ユニット（６）を備える項目１から１０のいずれか１項に記載の機構。
［項目１２］
前記位相変調器（５）の前段に接続され、変調されていない２つの光成分（２、２'）からのビート信号の一部分を分離するカプラ（３）を備え、
前記検出ユニット（６）は、前記一部分及び前記位相変調器（５）から出力される前記ビート信号の両者を検出する項目１１に記載の機構。
［項目１３］
前記分離された一部分の光路中、又は、前記位相変調器（５）によってシフトされた前記ビート信号の光路中に、試料（１３）が配置される項目１２に記載の機構。
［項目１４］
前記ビート信号のビート周波数に対応する周波数を有する電磁放射線を生成する非線形部品を備える項目１から１２のいずれか１項に記載の機構。
［項目１５］
項目１から１４のいずれか１項に記載の機構を含み、
前記ビート信号、又は前記ビート信号の分離された部分、又は前記ビート信号あるいは前記ビート信号の分離された部分の再成形によって生じる光信号によって活性化される感光性素子を有するＴＨｚ送信器と、
前記ビート信号の分離された部分、又は前記ビート信号、又は前記ビート信号あるいは前記ビート信号の分離された部分の再成形によって生じる光信号によって活性化される感光性素子を有するＴＨｚ受信器と、
を備え、
前記位相変調器（５）は、前記少なくとも１つの光源と前記ＴＨｚ受信器の前記感光性素子との間、又は、前記少なくとも１つの光源と前記ＴＨｚ送信器の前記感光性素子との間に配置される、
ＴＨｚ測定システム。
［項目１６］
項目１から１４のいずれか１項に記載の機構、又は項目１５に記載のＴＨｚ測定システムを含み、
前記ビート信号、又は前記ビート信号の分離された部分、又は前記ビート信号あるいは前記ビート信号の分離された部分の再成形によって生じる信号に影響を及ぼすように配置される試料と、
を備えるセンサ機構。
［項目１７］
前記ビート信号に対応する信号、又は、前記ビート信号を変換して得られる信号を生成し、
前記信号の時間位置又は位相位置が、前記位相変調器（５）を制御することにより変化する、
項目１から１４のいずれか１項に記載の機構、又は項目１５に記載のＴＨｚ測定システム、又は項目１６に記載のセンサ機構の使用。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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