(57)【要約】      （修正有）【課題】広帯域幅の周波数範囲にわたる長期間における光路差(OPD)でのファイバ安定化のための動作可能なシステムを実現する。【解決手段】レーザ105から生成された光ビームを第１、第２の光ビームに分割し、第１の光ビームを調整可能な光学望遠鏡145まで循環させ、第２の光ビームを基準光学望遠鏡175まで循環させる。第１の循環するビームを第１の光ビームと調整可能な光学望遠鏡145のビームとに分割し、第２の循環するビームを第２の光ビームと基準光学望遠鏡175のビームとに分割する。さらに、第１の光ビームおよび第２の光ビームを干渉計190に入力し、干渉計から正弦波信号を出力する。正弦波信号をフィルタリングして、高周波および低周波の信号を生成し、低周波信号を使用することによって変換ステージ140を制御し、高周波信号を使用することによってファイバストレッチャ170を制御する。【選択図】図１
2014194526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光路差でのファイバ安定化のための方法であって、
レーザ（１０５）によって光ビームを放射することと、
ビームスプリッタ（１２０）によって、前記光ビームを第１の光ビームと第２の光ビームに分割することと、
調整可能な光学望遠鏡（１４５）の変換ステージ（１４０）での第１のミラー（１５０）によって、前記第１の光ビームを反射することと、
第１のダイクロイックビームスプリッタ（１５５）によって、第１の循環するビームを、前記第１の光ビームと調整可能な光学望遠鏡のビームとに分割することと、
基準光学望遠鏡（１７５）に関連する第２のミラー（１８０）によって、前記第２の光ビームを反射することと、
第２のダイクロイックビームスプリッタ（１８５）によって、第２の循環するビームを、前記第２の光ビームと基準光学望遠鏡のビームとに分割することと、
前記第１の光ビームおよび前記第２の光ビームを干渉計（１９０）に入力することと、
一体となって正弦波信号を形成する同相信号および直交信号を前記干渉計（１９０）から出力することと、
高周波信号および低周波信号を生成するために、少なくとも１つのプロセッサ（１４２）によって前記正弦波信号をフィルタリングすることと、
ステージ制御装置（１７２）を用いて、前記低周波信号を使用することによって前記変換ステージを制御することと、
ファイバストレッチャ制御装置を用いて、前記高周波信号を使用することによってファイバストレッチャ（１３５）を制御することと
を含む、方法。
【請求項２】
両眼画像を生成するために、前記調整可能な光学望遠鏡のビームおよび前記基準光学望遠鏡のビームを、望遠鏡受光干渉計（１９０）に入力することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第１の増幅器（１１７）を用いて前記同相信号を増幅することと、第２の増幅器（１２２）を用いて前記直交信号を増幅することとをさらに含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
フィルタバッファカード（１２７）を用いて、少なくとも１つの所定の周波数帯に収まるよう、前記同相信号および前記直交信号を事前フィルタリングすることをさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記ファイバストレッチャ制御装置がファイバストレッチャ電源（１９７）である、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
高周波信号および低周波信号を形成するための前記正弦波信号の前記フィルタリングが、前記正弦波信号を積分することによって実行される、請求項１〜５に記載の方法。
【請求項７】
光路差でのファイバ安定化のためのシステムであって、
光ビームを放射するためのレーザ（１０５）と、
前記光ビームを第１の光ビームと第２の光ビームに分割するためのビームスプリッタ（１２０）と、
前記第１の光ビームを反射するための、調整可能な光学望遠鏡（１４５）の変換ステージ（１４０）での第１のミラー（１５０）と、
第１の循環するビームを、前記第１の光ビームと調整可能な光学望遠鏡のビームとに分割するための第１のダイクロイックビームスプリッタ（１５５）と、
前記第２の光ビームを反射するための、基準光学望遠鏡（１７５）に関連する第２のミラー（１８０）と、
第２の循環するビームを、前記第２の光ビームと基準光学望遠鏡のビームとに分割するための第２のダイクロイックビームスプリッタ（１８５）と、
前記第１の光ビームおよび前記第２の光ビームを受光し、一体となって正弦波信号を形成する同相信号および直交信号を出力するための干渉計（１９０）と、
高周波信号および低周波信号を生成するために前記正弦波信号をフィルタリングするための、少なくとも１つのプロセッサと、
前記低周波信号を使用することによって前記変換ステージを制御するためのステージ制御装置と、
前記高周波信号を使用することによってファイバストレッチャを制御するためのファイバストレッチャ制御装置と
を備える、システム。
【請求項８】
前記調整可能な光学望遠鏡のビームおよび前記基準光学望遠鏡のビームを受光し、両眼画像を生成するための、望遠鏡受光干渉計をさらに備える、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記同相信号を増幅するための第１の増幅器と、
前記直交信号を増幅するための第２の増幅器と
をさらに備える、請求項７または８に記載のシステム。
【請求項１０】
少なくとも１つの所定の周波数帯に収まるよう、前記同相信号および前記直交信号を事前フィルタリングするためのフィルタバッファカードをさらに備える、請求項７から９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１１】
前記ファイバストレッチャ制御装置がファイバストレッチャ電源である、請求項７から１０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１２】
前記正弦波信号をフィルタリングして高周波信号と低周波信号を形成するために、前記少なくとも１つのプロセッサが前記正弦波信号を積分する、請求項７から１１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１３】
前記ステージ制御装置が圧電制御装置である、請求項７から１２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１４】
前記調整可能な光学望遠鏡のビームおよび前記基準光学望遠鏡のビームを受光し、両眼画像を生成するための、望遠鏡受光干渉計をさらに備える、請求項７から１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記同相信号を増幅するための第１の増幅器と、
前記直交信号を増幅するための第２の増幅器と
をさらに備える、請求項７から１４のいずれか一項に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光路差（ＯＰＤ）でのファイバ安定化に関する。詳細には、本開示は、広帯域幅の周波数範囲にわたる長期間におけるＯＰＤでのファイバ安定化に関する。
【発明の概要】
【０００２】
本開示は、広帯域幅の周波数範囲にわたる長期間におけるＯＰＤでのファイバ安定化のための方法、システム、および装置に関する。１つまたは複数の実施形態では、本開示は、ＯＰＤでのファイバ安定化のための方法を教示する。開示されたこの方法に、レーザ、光ビームによって放射することを含む。この方法はさらに、ビームスプリッタによって、この光ビームを第１の光ビームと第２の光ビームに分割することを含む。また、この方法は、第１のサーキュレータによって、第１の光ビームを、ファイバストレッチャを介して、調整可能な光学望遠鏡の変換ステージにまで循環させることを含む。さらに、この方法は、変換ステージの第１のミラーによって、第１の光ビームを反射させることを含む。さらに、この方法は、第１のサーキュレータによって、第１の光ビームと調整可能な光学望遠鏡のビームを含む第１の循環するビームを、第１のダイクロイックビームスプリッタにまで循環させることを含む。また、この方法は、第１のダイクロイックビームスプリッタによって、第１の循環するビームを、第１の光ビームと調整可能な光学望遠鏡のビームとに分割することを含む。さらに、この方法は、第２のサーキュレータによって、第２の光ビームを基準光学望遠鏡にまで循環させることを含む。さらに、この方法は、第２のミラーによって、第２の光ビームを反射させることを含む。さらに、この方法は、第２のサーキュレータによって、第２の光ビームおよび基準光学望遠鏡のビームを含む第２の循環するビームを、第２のダイクロイックビームスプリッタにまで循環させることを含む。また、この方法は、第２のダイクロイックビームスプリッタによって、第２の循環するビームを、第２の光ビームおよび基準光学望遠鏡のビームに分割することを含む。
【０００３】
さらに、この方法は、第１の光ビームおよび第２の光ビームを干渉計に入力することを含む。さらに、この方法は、一体となって正弦波信号を形成する同相信号および直交信号を干渉計から出力することを含む。さらに、この方法は、少なくとも１つのプロセッサによって、高周波信号と低周波信号を含む広帯域幅の信号を形成するために正弦波信号をフィルタリングすることを含む。この方法はさらに、ステージ制御装置を用いて、低周波信号を使用することによって変換ステージを制御することを含む。さらに、この方法は、ファイバストレッチャ制御装置を用いて、高周波信号を使用することによってファイバストレッチャを制御することを含む。
【０００４】
１つまたは複数の実施形態では、この方法はさらに、両眼画像を生成するために、調整可能な光学望遠鏡のビームおよび基準光学望遠鏡のビームを、望遠鏡受光干渉計に入力することを含む。少なくとも１つの実施形態では、干渉計はマイケルソン干渉計である。実施形態によっては、この方法はさらに、第１の増幅器を用いて同相信号を増幅すること、および第２の増幅器を用いて直交信号を増幅することを含む。
【０００５】
少なくとも１つの実施形態では、この方法はさらに、フィルタバッファカードを用いて、少なくとも１つの所定の周波数帯に収まるよう、同相信号および直交信号を事前フィルタリングすることを含む。実施形態によっては、ファイバストレッチャ制御装置は、ファイバストレッチャ電源である。１つまたは複数の実施形態では、高周波信号および低周波信号を形成するための正弦波信号のフィルタリングは、この正弦波信号を積分することによって実行される。実施形態によっては、ステージ制御装置は、圧電制御装置である。
【０００６】
１つまたは複数の実施形態では、ＯＰＤでのファイバ安定化用のシステムは、光ビームを放射するためのレーザを備える。このシステムはさらに、この光ビームを第１の光ビームと第２の光ビームに分割するためのビームスプリッタを備える。また、システムは、第１の光ビームを、ファイバストレッチャを介して、調整可能な光学望遠鏡の変換ステージにまで循環させ、第１の光ビームと調整可能な光学望遠鏡のビームを含む第１の循環するビームを、第１のダイクロイックビームスプリッタにまで循環させるための第１のサーキュレータを備える。さらに、このシステムは、第１の光ビームを反射させるための第１のミラーを変換ステージに備える。また、このシステムは、第１の循環するビームを、第１の光ビームと調整可能な光学望遠鏡のビームとに分割するための第１のダイクロイックビームスプリッタを備える。さらに、このシステムは、第２の光ビームを、基準光学望遠鏡にまで循環させ、第２の光ビームおよび基準光学望遠鏡のビームを含む第２の循環するビームを、第２のダイクロイックビームスプリッタにまで循環させるための第２のサーキュレータを備える。また、このシステムは、第２の光ビームを反射するための第２のミラーを備える。さらに、このシステムは、第２の循環するビームを、第２の光ビームと基準光学望遠鏡のビームとに分割するための第２のダイクロイックビームスプリッタを備える。
【０００７】
さらに、このシステムは、第１の光ビームおよび第２の光ビームを受光し、一体となって正弦波信号を形成する同相信号および直交信号を出力するための干渉計を備える。また、このシステムは、正弦波信号をフィルタリングして高周波信号と低周波信号を形成する、少なくとも１つのプロセッサを備える。さらに、このシステムは、低周波信号を使用することによって変換ステージを制御するためのステージ制御装置を備える。さらに、このシステムは、高周波信号を使用することによってファイバストレッチャを制御するためのファイバストレッチャ制御装置を備える。
【０００８】
少なくとも１つの実施形態では、このシステムはさらに、調整可能な光学望遠鏡のビームおよび基準光学望遠鏡のビームを受光し、両眼画像を生成するための、望遠鏡受光干渉計を備える。実施形態によっては、このシステムはさらに、同相信号を増幅するための第１の増幅器、および直交信号を増幅するための第２の増幅器を備える。少なくとも１つの実施形態では、このシステムはさらに、少なくとも１つの所定の周波数帯に収まるよう、同相信号および直交信号を事前フィルタリングするためのフィルタバッファカードを備える。実施形態によっては、正弦波信号をフィルタリングして高周波信号と低周波信号を形成するために、少なくとも１つのプロセッサが正弦波信号を積分する。
【０００９】
１つまたは複数の実施形態では、ＯＰＤでのファイバ安定化用の装置は、光ビームを放射するためのレーザを備える。この装置はさらに、この光ビームを第１の光ビームと第２の光ビームに分割するためのビームスプリッタを備える。さらに、この装置は、第１の光ビームを、ファイバストレッチャを介して、調整可能な光学望遠鏡の変換ステージにまで循環させ、第１の光ビームと調整可能な光学望遠鏡のビームを含む第１の循環するビームを、第１のダイクロイックビームスプリッタにまで循環させるための第１のサーキュレータを備える。また、この装置は、第１の光ビームを反射させるための第１のミラーを変換ステージに備える。さらに、この装置は、第１の循環するビームを、第１の光ビームと調整可能な光学望遠鏡のビームとに分割するための第１のダイクロイックビームスプリッタを備える。また、この装置は、第２の光ビームを、基準光学望遠鏡にまで循環させ、第２の光ビームおよび基準光学望遠鏡のビームを含む第２の循環するビームを、第２のダイクロイックビームスプリッタにまで循環させるための第２のサーキュレータを備える。さらに、この装置は、第２の光ビームを反射するための第２のミラーを備える。また、この装置は、第２の循環するビームを、第２の光ビームと基準光学望遠鏡のビームとに分割するための第２のダイクロイックビームスプリッタを備える。
【００１０】
さらに、この装置は、第１の光ビームおよび第２の光ビームを受光し、一体となって正弦波信号を形成する同相信号および直交信号を出力するための干渉計を備える。また、この装置は、正弦波信号をフィルタリングして高周波信号と低周波信号を形成する、少なくとも１つのプロセッサを備える。さらに、この装置は、低周波信号を使用することによって変換ステージを制御するためのステージ制御装置を備える。さらに、この装置は、高周波信号を使用することによってファイバストレッチャを制御するためのファイバストレッチャ制御装置を備える。
【００１１】
少なくとも１つの実施形態では、この装置はさらに、調整可能な光学望遠鏡のビームおよび基準光学望遠鏡のビームを受光し、両眼画像を生成するための、望遠鏡受光干渉計を備える。１つまたは複数の実施形態では、この装置はさらに、同相信号を増幅するための第１の増幅器、および直交信号を増幅するための第２の増幅器を備える。実施形態によっては、この装置はさらに、少なくとも１つの所定の周波数帯に収まるよう、同相信号および直交信号を事前フィルタリングするためのフィルタバッファカードを備える。
【００１２】
第１項。光路差でのファイバ安定化のための方法であって、
レーザによって光ビームを放射することと、
ビームスプリッタによって、この光ビームを第１の光ビームと第２の光ビームに分割することと、
調整可能な光学望遠鏡の変換ステージでの第１のミラーによって、第１の光ビームを反射することと、
第１のダイクロイックビームスプリッタによって、第１の循環するビームを、第１の光ビームと調整可能な光学望遠鏡のビームとに分割することと、
基準光学望遠鏡に関連する第２のミラーによって、第２の光ビームを反射することと、
第２のダイクロイックビームスプリッタによって、第２の循環するビームを、第２の光ビームと基準光学望遠鏡のビームとに分割することと、
第１の光ビームおよび第２の光ビームを干渉計に入力することと、
一体となって正弦波信号を形成する同相信号および直交信号を干渉計から出力することと、
高周波信号および低周波信号を生成するために、少なくとも１つのプロセッサによって正弦波信号をフィルタリングすることと、
ステージ制御装置を用いて、低周波信号を使用することによって変換ステージを制御することと、
ファイバストレッチャ制御装置を用いて、高周波信号を使用することによってファイバストレッチャを制御することと
を含む、方法。
【００１３】
第２項。両眼画像を生成するために、調整可能な光学望遠鏡のビームおよび基準光学望遠鏡のビームを、望遠鏡受光干渉計に入力することをさらに含む、第１項に記載の方法。
【００１４】
第３項。この干渉計がマイケルソン干渉計である、第１項に記載の方法。
【００１５】
第４項。第１の増幅器を用いて同相信号を増幅することと、第２の増幅器を用いて直交信号を増幅することとをさらに含む、第１項に記載の方法。
【００１６】
第５項。フィルタバッファカードを用いて、少なくとも１つの所定の周波数帯に収まるよう、同相信号および直交信号を事前フィルタリングすることをさらに含む、第１項に記載の方法。
【００１７】
第６項。ファイバストレッチャ制御装置がファイバストレッチャ電源である、第１項に記載の方法。
【００１８】
第７項。高周波信号および低周波信号を形成するための正弦波信号のフィルタリングが、この正弦波信号を積分することによって実行される、第１項に記載の方法。
【００１９】
第８項。ステージ制御装置が圧電制御装置である、第１項に記載の方法。
【００２０】
第９項。光路差でのファイバ安定化のためのシステムであって、
光ビームを放射するためのレーザと、
この光ビームを第１の光ビームと第２の光ビームに分割するためのビームスプリッタと、
第１の光ビームを反射するための、調整可能な光学望遠鏡の変換ステージでの第１のミラーと、
第１の循環するビームを、第１の光ビームと調整可能な光学望遠鏡のビームとに分割するための第１のダイクロイックビームスプリッタと、
第２の光ビームを反射するための、基準光学望遠鏡に関連する第２のミラーと、
第２の循環するビームを、第２の光ビームと基準光学望遠鏡のビームとに分割するための第２のダイクロイックビームスプリッタと、
第１の光ビームおよび第２の光ビームを受光し、一体となって正弦波信号を形成する同相信号および直交信号を出力するための干渉計と、
高周波信号および低周波信号を生成するために正弦波信号をフィルタリングするための、少なくとも１つのプロセッサと、
低周波信号を使用することによって変換ステージを制御するためのステージ制御装置と、
高周波信号を使用することによってファイバストレッチャを制御するためのファイバストレッチャ制御装置と
を備える、システム。
【００２１】
第１０項。調整可能な光学望遠鏡のビームおよび基準光学望遠鏡のビームを受光し、両眼画像を生成するための、望遠鏡受光干渉計をさらに備える、第９項に記載のシステム。
【００２２】
第１１項。この干渉計がマイケルソン干渉計である、第９項に記載のシステム。
【００２３】
第１２項。同相信号を増幅するための第１の増幅器と、
直交信号を増幅するための第２の増幅器と
をさらに備える、第９項に記載のシステム。
【００２４】
第１３項。少なくとも１つの所定の周波数帯に収まるよう、同相信号および直交信号を事前フィルタリングするためのフィルタバッファカードをさらに備える、第９項に記載のシステム。
【００２５】
第１４項。ファイバストレッチャ制御装置がファイバストレッチャ電源である、第９項に記載のシステム。
【００２６】
第１５項。正弦波信号をフィルタリングして高周波信号と低周波信号を形成するために、少なくとも１つのプロセッサが正弦波信号を積分する、第９項に記載のシステム。
【００２７】
第１６項。ステージ制御装置が圧電制御装置である、第９項に記載のシステム。
【００２８】
第１７項。光路差でのファイバ安定化のための装置であって、
光ビームを放射するためのレーザと、
この光ビームを第１の光ビームと第２の光ビームに分割するためのビームスプリッタと、
第１の光ビームを反射するための、調整可能な光学望遠鏡の変換ステージでの第１のミラーと、
第１の循環するビームを、第１の光ビームと調整可能な光学望遠鏡のビームとに分割するための第１のダイクロイックビームスプリッタと、
第２の光ビームを反射するための、基準光学望遠鏡に関連する第２のミラーと、
第２の循環するビームを、第２の光ビームと基準光学望遠鏡のビームとに分割するための第２のダイクロイックビームスプリッタと、
第１の光ビームおよび第２の光ビームを受光し、一体となって正弦波信号を形成する同相信号および直交信号を出力するための干渉計と、
高周波信号および低周波信号を生成するために正弦波信号をフィルタリングするための、少なくとも１つのプロセッサと、
低周波信号を使用することによって変換ステージを制御するためのステージ制御装置と、
高周波信号を使用することによってファイバストレッチャを制御するためのファイバストレッチャ制御装置と
を備える、装置。
【００２９】
第１８項。調整可能な光学望遠鏡のビームおよび基準光学望遠鏡のビームを受光し、両眼画像を生成するための、望遠鏡受光干渉計をさらに備える、第１７項に記載の装置。
【００３０】
第１９項。この干渉計がマイケルソン干渉計である、第１７項に記載の装置。
【００３１】
第２０項。同相信号を増幅するための第１の増幅器と、
直交信号を増幅するための第２の増幅器と
をさらに備える、第１７項に記載の装置。
【００３２】
各特徴、機能、および利点は、本発明の様々な実施形態において独立して実現することができ、または、さらに他の実施形態において組み合わせてもよい。
【００３３】
本開示の上記その他の特徴、態様および利点は、以下の説明および添付特許請求の範囲、および添付図面に関して、よりよく理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本開示の少なくとも１つの実施形態による、広帯域幅の周波数範囲にわたる長期間における光路差（ＯＰＤ）でのファイバ安定化のための、開示されたシステムを示す概略図である。
【図２】本開示の少なくとも１つの実施形態による、図１の開示されたシステムの詳細をさらに示す概略図である。
【図３】本開示の少なくとも１つの実施形態による、広帯域幅の周波数範囲にわたる長期間におけるＯＰＤでのファイバ安定化のための、開示された方法を示す流れ図である。
【図４】本開示の少なくとも１つの実施形態による、図１の開示されたシステム用の望遠鏡構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
本明細書において開示される方法および装置により、広帯域幅の周波数範囲にわたる長期間における光路差（ＯＰＤ）でのファイバ安定化のための動作可能なシステムが実現する。本開示の目的は、２つの光ファイバに結合された基準レーザを使用しながら、光路差（ＯＰＤ）および光学分散を最小にして、光ファイバを介して２つの望遠鏡から光を集めることである。基準レーザビームは、各光ファイバに沿って放射され、また逆反射され、次いで計測干渉計に送られる。干渉計出力が集められ、中央処理装置によって処理され、ここで集められた位相誤り信号が２つの別々の周波数帯域に分離される。制御装置アーキテクチャが周波数帯を分割し、その結果、広帯域（たとえば、直流（ＤＣ）〜５キロヘルツ（ｋＨｚ））のＯＰＤ制御ループにより、光ファイバの経路長が、数桁の波長に合致し、波の１／２５未満に固定されるように維持される。
【００３６】
イメージング感度を向上させるために、互いに数メートル離して配置されたいくつかの望遠鏡を利用する天文学界において干渉計技法が開発されてきた。最小の光路差（ＯＰＤ）で光を集めるために、１組の移動可能なミラーが（乱気流を低減させるために）真空トンネル内に設けられて、２つの望遠鏡間でのＯＰＤの変動に合わせて調整する。集められた光は干渉計に送られる。次いで、干渉計出力を使用して、制御プロセスを用いてＯＰＤの変動を調整する。この標準の方法は、真空トンネル内に機器を配置することで、極めて高価になる可能性がある。さらに、真空トンネルを使用すると、結果としてシステムを持ち運びまたは移動することができなくなる。
【００３７】
本開示は、受動合成／干渉計イメージングに必要な、この従来の方法で使用される主要技術を利用する。一例として、１００メートル離れて配置された、１メートル径の２つの望遠鏡が利用される。これら２つの望遠鏡により、１メートル径の単一の望遠鏡の１００倍の空間解像度を実現することができる。他の実装形態では、望遠鏡の直径は１メートルでなくてもよく、離して配置する距離は１００メートルでなくてもよいことに留意されたい。本開示は、この従来技術を利用するが、従来おこなわれてきたように各区間に真空トンネルを使用する代わりに、各区間（すなわち、望遠鏡から検出器まで光を導く経路）には光ファイバを利用する。各区間で光ファイバを使用することにより、インフラストラクチャコストを著しく低減できるようになり、望遠鏡を移動すること、または可搬型のイメージングシステムを構築することが可能になる。本開示により、各区間に光ファイバを利用するとき、コンパクトなイメージングシステムが作製され、これを軍用プラットフォーム（たとえば、航空機、衛星、船舶、および地上車両）に一体化することができる。このイメージング技法で光ファイバ区間を利用することの利益を享受するために、２つの光ファイバ区間のＯＰＤをロックするための信頼性の高い頑強な方法が必要とされる。残念ながら、ＯＰＤ制御に関して言えば、光ファイバは、環境条件に対して従来の真空トンネルよりも困難が多く影響を受けやすい。
【００３８】
本開示は、光ファイバ区間のＯＰＤを制御およびロックし、それにより、光ファイバを利用することの著しい利益を実現するためのシステムおよび方法を教示する。具体的には、本開示では、２つの光ファイバに結合された基準レーザを利用する。レーザによって生成される光ビームは、各ファイバに沿って放射され、また逆反射され、次いで計測干渉計に送られる。干渉計出力が集められ、中央処理装置によって処理され、ここで集められた位相誤り信号が２つの別々の周波数帯域に分離される。この制御設計では、ＯＰＤを制御するのに別々の周波数帯を利用する。低周波成分（直流（ＤＣ）から１〜５ヘルツ（Ｈｚ）まで）を制御するために、一方の周波数帯が使用される。高周波成分（１〜５ヘルツ（Ｈｚ）から１０ｋＨｚまで）を制御するために、もう一方の周波数帯が使用される。光ファイバのＯＰＤは、外乱の影響を非常に受けやすくなることがある。開示されたシステム設計で対処する具体的な外乱は、熱外乱（ＤＣから１〜５Ｈｚまで）、機械振動（１〜５Ｈｚから１ｋＨｚまで）、および音響振動（２Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）である。使用される光ファイバのタイプを慎重に選択することにより、これらの外乱のいくらかは、完全ではないが最小限に抑えることができる。本開示は、リストに記載された周波数帯での影響を取り除くシステムを提供することにより、これらの外乱の影響を最小限に抑えることができる方式を教示する。各周波数帯に特有の影響を取り除くことを意図されたＯＰＤアクチュエータを慎重に制御することによって、これが実行する。フィードバック信号として干渉計出力を使用することによって、これらのアクチュエータが個別にサーボ制御される。次いで、個々の制御ループが、非常に長い期間にわたって影響を最小限に分散させて、ＯＰＤ変動を波長のごく一部にまで安定化することができる。
【００３９】
これまでのところ、計測用レーザビームをファイバに注入し、振動する逆反射器からビームを反射させ、それにより一時的に変調された制御信号を生成することによって、光ファイバでのＯＰＤ安定化が、従来実現されている。この変調によってファイバ上に雑音が付加されることがあるが、この変調は、変調プロセスによって制限された周波数制御とすることができる。さらに、従来ファイバストレッチャ（ＤＣ〜５ｋＨｚ）を利用して、ＯＰＤを制御する。ファイバが５０マイクロメートルを超えて伸びると、分散効果によって、ファイバを通過する光の質に悪影響を及ぼし始める。ファイバストレッチャ制御装置を使用して、ファイバ伸長の影響を補償する。
【００４０】
本開示により、光源または逆反射器を変復調する必要性がなくなり、それにより既存の信号に雑音が付加されないことに留意されたい。またこの方式により、ファイバの伸長を基準レーザの１波未満に制限することによって、分散効果が最小限に抑えられる。低周波段によって長期間のドリフトが制御される。
【００４１】
以下の説明では、このシステムをより完全に説明するため、数多くの詳細について述べる。しかし、これら具体的な詳細を用いることなく開示されたシステムを実施してもよいことが、当業者には明白になろう。その他の例では、システムを必要以上に曖昧にしないよう、よく知られた特徴については詳細に説明してこなかった。
【００４２】
図１は、本開示の少なくとも１つの実施形態による、広帯域幅の周波数範囲にわたる長期間における光路差（ＯＰＤ）でのファイバ安定化のための、開示されたシステム１００を示す概略図である。この図では、レーザ１０５が、第１の光ファイバ１１０に光ビームを放射する。第１の光ファイバ１１０は、第２の光ファイバ１１５とともに、３デシベル（３ｄＢ）ビームスプリッタ１２０に接続される。３ｄＢビームスプリッタ１２０は、放射された光ビームを半分に分割し、この光ビームの半分（第１の光ビームと呼ぶ）を第１の光ファイバ１１０に出力し、光ビームのもう半分（第２の光ビームと呼ぶ）を第２の光ファイバ１１５に出力する。
【００４３】
第１のサーキュレータ１２５は、任意選択として１束のファイバ１３０（たとえば、ｘｘｘメートルのファイバ）およびファイバストレッチャ１３５を介して、調整可能な光学望遠鏡１４５の変換ステージ１４０まで第１の光ビームを循環させる。第１の光ビームは、変換ステージ１４０上の第１のミラー１５０から反射して戻る。第１のサーキュレータ１２５は、反射した第１の光ビームおよび調整可能な光学望遠鏡のビームを含む第１の循環するビームを、第１のダイクロイックビームスプリッタ１５５まで循環させる。第１のダイクロイックビームスプリッタ１５５は、第１の循環するビームを、第１の光ビームと調整可能な望遠鏡のビームに分割する。
【００４４】
第２のサーキュレータ１６０は、任意選択として１束のファイバ１６５（たとえば、ｘｘｘメートルのファイバ）および任意選択としてファイバストレッチャ１７０を介して、基準光学望遠鏡１７５まで第２の光ビームを循環させる。第２の光ビームは、基準光学望遠鏡１７５の第２のミラー１８０から反射して戻る。第２のサーキュレータ１６０は、反射した第２の光ビームおよび基準光学望遠鏡のビームを含む第２の循環するビームを、第２のダイクロイックビームスプリッタ１８５まで循環させる。第２のダイクロイックビームスプリッタ１８５は、第２の循環するビームを、第２の光ビームと基準望遠鏡のビームに分割する。
【００４５】
調整可能な望遠鏡のビームおよび基準望遠鏡のビームは、両眼画像を生成するのに使用される望遠鏡受光干渉計１９０に入力される。第１の光ビームは、ミラー１９０で反射し、ＯＰＤ干渉計光学台（たとえば、マイケルソン干渉計）１９５に入力される。干渉計光学台１９５の内部では、第１の光ビームが偏光度２２．５度の半波長（λ／２）板を通過し、これにより、第１の光ビームは、その円偏波成分（Ｓ１およびＰ１）が互いに同相になる。第２の光ビームは、干渉計光学台１９５に入力される。干渉計光学台１９５の内部では、第２の光ビームが４分の１波長（λ／４）板を通過し、これにより、第２の光ビームは、その円偏波成分（Ｓ２およびＰ２）が互いに９０度位相がずれる。
【００４６】
次いで、第１の光ビームおよび第２の光ビームは、偏光ビームスプリッタ１０７を通過する。Ｓ１およびＳ２の成分を有し、各成分が同相（すなわち、Ｓ１＋Ｓ２＝Ｉ（同相））であるビームが、干渉計光学台１９５から出力される。Ｐ１およびＰ２の成分を有し、各成分が直交（すなわち、Ｐ１（９０度）＋Ｐ２＝Ｑ（直交））であるビームが、干渉計光学台１９５から出力される。
【００４７】
高帯域（ＤＣ〜１．５メガヘルツ（ＭＨｚ））検出器１１７が、同相ビーム（すなわち、Ｓ１およびＳ２の成分を有するビーム）を検出し、増幅された同相信号を生成する。別の高帯域（ＤＣ〜１．５ＭＨｚ）検出器１２２が、直交ビーム（すなわち、Ｐ１およびＰ２の成分を有するビーム）を検出し、増幅された直交信号を生成する。同相信号と直交信号を合わせて正弦波信号を形成することに留意されたい。増幅された同相信号は、フィルタバッファカード１２７上の（利得が１（Ｇ＝１）の）フィルタ１３２でフィルタリングされ、増幅された直交信号は、フィルタバッファカード１２７上の（利得が１（Ｇ＝１）の）フィルタ１３７でフィルタリングされる。フィルタリングされた同相信号およびフィルタリングされた直交信号は、処理用のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）シャーシ１４２に入力される。
【００４８】
ＦＰＧＡ  ＤＳＰシャーシ１４２の内部では、アナログフィルタリングされた同相信号が、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）１５２に入力されて、デジタル同相信号を生成する。また、アナログフィルタリングされた直交信号は、ＡＤＣ１４７に入力されて、デジタル直交信号を生成する。デジタル同相信号およびデジタル直交信号は、処理するために、ＤＳＰ１５７に（または代替的に、サンプリングレートが２０ｋＨｚを超える１．０ｋＨｚ超のアナログ制御ループに）入力される。処理の後に、ＤＳＰ１５７は、デジタルウーファコマンド信号およびデジタルツィータコマンド信号を出力する。デジタルウーファコマンド信号は、デジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）１６２に入力されて、アナログウーファコマンド信号（ＤＣ〜５Ｈｚ）を生成する。また、ツィータコマンド信号は、ＤＡＣ１６７に入力されて、アナログツィータコマンド信号（５Ｈｚ〜１０ｋＨｚ）を生成する。
【００４９】
アナログウーファコマンド信号は、ステージ制御装置１７２に入力される。ステージ制御装置１７２は、ＯＰＤを訂正するためにアナログウーファ信号によって変換ステージ１４０を制御する（すなわち、前後にスライドさせる）ための信号（たとえば電圧）を送出する。アナログツィータ信号は、フィルタバッファカード１９２上の（利得が１（Ｇ＝１）の）フィルタ１８２に入力される。フィルタリングされたアナログツィータ信号は、ファイバストレッチャ電源１９７に入力される。ファイバストレッチャ電源１９７は、ＯＰＤを訂正するためにファイバストレッチャ１３５を制御するための信号（たとえば電圧）を送出する。
【００５０】
図２は、本開示の少なくとも１つの実施形態による、図１の開示されたシステム１００の詳細をさらに示す概略図２００である。システム１００の詳細をより簡略化するために、この図では、検出器１１７、１２２およびフィルタ１３７、１３２を通過する各ビーム／信号（すなわち、同相ビーム／信号または直交ビーム／信号）のうちの１つのみを示すことに留意されたい。したがって、この図では、ビーム（すなわち、同相ビームまたは直交ビームのいずれか）が検出器１１７、１２２に入力される。検出器１１７、１２２は、このビームを検出し、増幅された信号を生成する。増幅された信号は、フィルタバッファカード１２７に入力される。フィルタバッファカード１２７は、増幅された信号をフィルタリングして、フィルタリングされた増幅信号を生成する。次いで、アナログフィルタリングされた増幅信号が、ＡＤＣ１４７、１５２に入力されて、デジタル信号を生成する。
【００５１】
デジタル正弦波信号が計数回路２０５によってスケーリングされ、半波長分シフトされ（２１０）、ノッチフィルタ２１５を介して送られる。結果として得られる信号は、複数のスイッチ２２０の位置に応じて、ウーファ経路またはツィータ経路のいずれかを介して送られる。ウーファ／ツィータ制御装置２２５が、スイッチ２２０の位置を制御する。図２では、信号がウーファ経路に進むようになる位置にスイッチ２２０が示してあることに留意されたい。信号がツィータ経路とウーファ経路の両方に進むためには、スイッチ２２０は、図２に示してあるのとは反対の位置に設定されることになる。ノッチフィルタ２１５の出力およびスイッチ２２０への入力において、ウーファ制御装置とツィータ制御装置の両方に送られる広帯域誤り信号が存在する。現在スイッチ２２０で示すように、まずウーファ制御装置が閉じられて動作停止する。ウーファループの設計は、ＤＣ〜５Ｈｚに対応することになる。ウーファ誤りがほぼゼロになると、スイッチが反転して、次にウーファとツィータの両方が結合される。
【００５２】
信号がツィータ経路を通過するとき、高帯域誤り信号が積分器によって積分される（ｗｔｂｗ／ｓ、ここでｗｔｂｗ＝２＊π＊ｆｔｂｗであり、ｆｔｂｗ＝５Ｈｚ〜２０ｋＨｚである）（２２５）。次いで、積分された信号は、制御ループ２３０を介して供給される。制御ループ２３０は、デジタルツィータコマンド信号を生成する。デジタルツィータコマンド信号は、ＤＡＣ１６７に入力されて、アナログツィータコマンド信号を生成する。アナログツィータコマンド信号は、圧電増幅器に入力され、ここで増幅およびフィルタリング処理される。次いで、増幅されたアナログツィータコマンド信号は、制御フィードバックループを含むファイバストレッチャ電源１９７に入力される。ファイバストレッチャ電源１９７は、ＯＰＤを訂正するためにファイバストレッチャ１３５を制御するための信号（たとえば電圧）を送出する。
【００５３】
信号がウーファ経路を通過するとき、デジタル信号がＤＡＣ１６２に入力されて、アナログ信号を生成する。次いで、このアナログ信号は、ステージ制御装置１７２に入力される。ステージ制御装置１７２の内部では、アナログ信号がＡＤＣ２４０に入力されて、デジタル信号を生成する。次いで、このデジタル信号は、積分器によって積分される（ｗ０／ｓ、ここでｗ０＝２＊π＊ｆ０であり、ｆ０は約１〜５Ｈｚである）（２４５）。結果として得られる信号は、制御フィードバックループ２５０を介して送られて、制御信号を生成する。ステージ制御装置１７２は、ＯＰＤを訂正するためにアナログウーファ信号によって変換ステージ１４０を制御する（すなわち、前後にスライドさせる）ための制御信号（たとえば電圧）を送出する。
【００５４】
図３は、本開示の少なくとも１つの実施形態による、広帯域幅の周波数範囲にわたる長期間におけるＯＰＤでのファイバ安定化のための、開示された方法３００を示す流れ図である。方法３００の開始３０５において、レーザが光ビームを放射する（３１０）。次いで、ビームスプリッタが、この光ビームを第１の光ビームと第２の光ビームに分割する（３１５）。
【００５５】
第１のサーキュレータが、ファイバストレッチャを介して、調整可能な光学望遠鏡の変換ステージまで第１の光ビームを循環させる（３２０）。次いで、変換ステージ上の第１のミラーが、第１の光ビームを反射する（３２５）。次いで、第１のサーキュレータは、第１の光ビームおよび調整可能な光学望遠鏡のビームを含む第１の循環するビームを、第１のダイクロイックビームスプリッタまで循環させる（３３０）。第１のダイクロイックビームスプリッタは、第１の循環するビームを、第１の光ビームと調整可能な光学望遠鏡のビームに分割する（３３５）。
【００５６】
第２のサーキュレータは、第２の光ビームを基準光学望遠鏡まで循環させる（３４０）。次いで、第２のミラーが、第２の光ビームを反射する（３４５）。次いで、第２のサーキュレータは、第２の光ビームおよび基準光学望遠鏡のビームを含む第２の循環するビームを、第２のダイクロイックビームスプリッタまで循環させる（３５０）。第２のダイクロイックビームスプリッタは、第２の循環するビームを、第２の光ビームと基準光学望遠鏡のビームに分割する（３５５）。
【００５７】
第１の光ビームおよび第２の光ビームが干渉計に入力される（３６０）。干渉計は、同相信号および直交信号を出力し、これらの信号が一体となって正弦波信号を形成する（３６５）。次いで、少なくとも１つのプロセッサが、この正弦波信号をフィルタリングして高周波信号および低周波信号を形成する（３７０）。ステージ制御装置は、低周波信号を使用することによって変換ステージを制御する（３７５）。ファイバストレッチャ制御装置は、高周波信号を使用することによってファイバストレッチャを制御する（３８０）。次いで、方法３００が終了する（３８５）。
【００５８】
図４は、本開示の少なくとも１つの実施形態による、図１の開示されたシステム１００用の望遠鏡構成４００を示す概略図である。具体的には、この図には、基本的な望遠鏡の幾何学的配列が示してあり、ここで、別々の望遠鏡４１０、４２０間のＯＰＤが、これら２つの望遠鏡４１０、４２０間の光学的位相コヒーレンスを維持するように制御される。望遠鏡４１０は基準光学望遠鏡であり、望遠鏡４２０は調整可能な光学望遠鏡である。動作中、ＯＰＤ台４３０上の干渉計を用いてＯＰＤが検出され、制御装置は必要な訂正を決定する。低周波ＯＰＤは、移動可能な光学台４４０を用いて訂正される。高周波ＯＰＤは、光ファイバケーブル４６０を伸長させるファイバストレッチャ４５０を使用することによって訂正される。
【００５９】
ある種の例示的な実施形態および方法を本明細書において開示してきたが、開示された技術の真の精神および範囲から逸脱することなく、このような実施形態および方法の変形ならびに修正を加えることができることが、前述の開示から当業者には明らかにできる。開示された技術には他の多くの例が存在するが、それぞれ詳細についてのみ互いに異なるだけである。したがって、開示された技術は、添付の特許請求の範囲ならびに準拠法の規則および原理が必要とする範囲にのみ限定すべきものである。
【符号の説明】
【００６０】
１００  システム
１０５  レーザ
１０７  偏光ビームスプリッタ
１１０  第１の光ファイバ
１１５  第２の光ファイバ
１１７  検出器
１２０  ３ｄＢビームスプリッタ
１２２  検出器
１２５  第１のサーキュレータ
１２７  フィルタバッファカード
１３０  ファイバ
１３２  フィルタ
１３５  ファイバストレッチャ
１３７  フィルタ
１４０  変換ステージ
１４２  フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）シャーシ
１４５  調整可能な光学望遠鏡
１５０  第１のミラー
１５２  アナログデジタル変換器
１５５  第１のダイクロイックビームスプリッタ
１５７  ＤＳＰ
１６０  第２のサーキュレータ
１６２  デジタルアナログ変換器
１６５  ファイバ
１７０  ファイバストレッチャ
１７２  ステージ制御装置
１７５  基準光学望遠鏡
１８０  第２のミラー
１８２  フィルタ
１８５  第２のダイクロイックビームスプリッタ
１９０  望遠鏡受光干渉計  ミラー
１９２  フィルタバッファカード
１９５  ＯＰＤ干渉計光学台
１９７  ファイバストレッチャ電源
２００  概略図
２０５  計数回路
２１０  波
２１５  ノッチフィルタ
２２０  スイッチ
２２５  ウーファ／ツィータ制御装置
２３０  制御ループ
２４５  積分器
２５０  制御フィードバックループ
３００  方法
４００  望遠鏡構成
４１０  望遠鏡
４２０  望遠鏡
４３０  ＯＰＤ台
４４０  光学台
４５０  ファイバストレッチャ
４６０  光ファイバケーブル
【図１】
2014194526.tif 000003
【図２】
2014194526.tif 000004
【図３】
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【図４】
2014194526.tif 000006
【外国語明細書】
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2014194526000002.pdf
2014194526000003.pdf
2014194526000004.pdf