(57)【要約】  遅延自己へテロダイン法による被測定レーザ光の光角度変調測定において、光強度変調の影響を受けることなく、かつ校正を必要とせず、干渉計の安定化を必要とせずに、光角度変調の時間波形を正確に測定できる装置及び方法を提供する。遅延自己ヘテロダイン法による光角度変調測定装置において、被測定レーザ光を入力するヘテロダイン干渉計と、ヘテロダイン干渉計の出力光を受光してヘテロダイン検波を行い、ビート信号を出力する光検出器と、ビート信号の位相を復調する位相復調器と、ビート信号の位相から光角度変調の時間波形を求める時間波形解析装置とを設ける。遅延自己ヘテロダイン法による光角度変調測定方法において、光角度変調された被測定レーザ光をヘテロダイン干渉計に入力し、その出力光を光検出器によりヘテロダイン検波を行い、ビート信号の位相を復調することにより、光角度変調の時間波形を求める。【選択図】図１
2018070442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
遅延自己ヘテロダイン法による光角度変調測定装置であって、信号発生器により光角度変調された被測定レーザ光を入力するヘテロダイン干渉計と、該ヘテロダイン干渉計の出力光を受光してヘテロダイン検波を行う光検出器と、該光検出器から出力されるビート信号の位相を復調する位相復調器と、前記ビート信号の位相から、光角度変調の時間波形を求める時間波形解析装置とを備えることを特徴とする光角度変調測定装置。
【請求項２】
前記光角度変調の時間波形は、光周波数変調及び光位相変調のうちの少なくともいずれかの時間波形であることを特徴とする請求項１記載の光角度変調測定装置。
【請求項３】
前記光角度変調が光周波数変調である場合は、前記時間波形解析装置は、前記ビート信号の位相に［２πτｄ］−１（ただし、τｄは前記ヘテロダイン干渉計における遅延時間）を乗じて、前記被測定レーザ光の光周波数変調の時間波形を求めることを特徴とする請求項１又は２記載の光角度変調測定装置。
【請求項４】
前記光角度変調が光位相変調である場合は、前記時間波形解析装置は、前記ビート信号の位相に［２πτｄ］−１（ただし、τｄは前記ヘテロダイン干渉計における遅延時間）を乗じた後、時間に対する積分を計算して、前記被測定レーザ光の光位相変調の時間波形を求めることを特徴とする請求項１又は２記載の光角度変調測定装置。
【請求項５】
前記ヘテロダイン干渉計の遅延時間は、前記被測定レーザ光の光周波数、又は光位相が変化する時間に比べて、無視できるほど小さい値に設定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の光角度変調測定装置。
【請求項６】
前記ヘテロダイン干渉計は、入力した前記被測定レーザ光を２分岐する第１の光方向性結合器と、周波数シフトがｆＳの光周波数シフタを配置した第１の光路と、遅延時間がτｄの光遅延媒体を備えた第２の光路と、第１の光路の出力と第２の光路の出力を合流する第２の光方向性結合器とを備えるマッハツェンダー型干渉計であり、
前記ヘテロダイン干渉計の出力光は前記第２の光方向性結合器の出力光であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の光角度変調測定装置。
【請求項７】
前記ヘテロダイン干渉計は、前記被測定レーザ光を入力する周波数シフトがｆＳの光周波数シフタと、遅延時間がτｄの光遅延媒体と、光方向性結合器とを備え、該光周波数シフタの０次回折光を該光遅延媒体に入力し、該光方向性結合器により該光周波数シフタの１次回折光と、該光遅延媒体との出力光とを合波して出力するマッハツェンダー型干渉計であり、
前記ヘテロダイン干渉計の出力光は、前記光方向性結合器の出力光であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の光角度変調測定装置。
【請求項８】
遅延自己ヘテロダイン法による光角度変調測定方法であって、光角度変調された被測定レーザ光をヘテロダイン干渉計に入力し、該ヘテロダイン干渉計の出力光を光検出器により受光してヘテロダイン検波を行い、該光検出器から出力されるビート信号の位相を復調して、光角度変調の時間波形を求めることを特徴とする光角度変調測定方法。
【請求項９】
前記光角度変調が光周波数変調である場合は、前記ビート信号の位相に［２πτｄ］−１（ただし、τｄは前記ヘテロダイン干渉計における遅延時間）を乗じて、前記被測定レーザ光の光周波数変調の時間波形を求めることを特徴とする請求項８記載の光角度変調測定方法。
【請求項１０】
前記光角度変調が光位相変調である場合は、前記ビート信号の位相に［２πτｄ］−１（ただし、τｄは前記ヘテロダイン干渉計における遅延時間）を乗じた後、時間に対する積分を計算して、前記被測定レーザ光の光位相変調の時間波形を求めることを特徴とする請求項８記載の光角度変調測定方法。
【請求項１１】
前記ヘテロダイン干渉計の遅延時間は、前記被測定レーザ光の光周波数又は光位相が変化する時間に比べて、無視できるほど小さい値に設定することを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか１項記載の光角度変調測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光センシング等に有用なレーザ光源の光周波数変調又は光位相変調の高精度な測定に適する光角度変調測定装置及び測定方法に関する。光角度変調は、光周波数変調と光位相変調の総称である。
【背景技術】
【０００２】
近赤外域に発光波長を有する半導体レーザは、大容量光ファイバ通信システムの光源だけでなく、各種の光センシング用光源として幅広く利用されている。半導体レーザは注入電流を変調することにより、出力光の強度や周波数を変調できることから、ヘテロダイン又はホモダイン検波と組み合わせて、様々な高感度センシングシステムに利用されている。また、レーザの外部に位相変調器を配置して出力光を位相変調し、光センシングシステムの高感度化、高機能化を図る手法も広く利用されている。【０００３】
光周波数の直接変調を利用する高感度センシングシステムの一例として、ライダ（Ｌｉｄａｒ：Ｌａｓｅｒ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ）が挙げられる。図９は、代表的な方式であるＦＭＣＷ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ）ライダの原理を説明する図である。以下、原理を説明する。三角波を発生する信号発生器２を用いて、レーザ１の光周波数を変調する。半導体レーザの場合は、注入電流により光周波数を直接変調できる。レーザ１の出力光を２分し、一方を信号光、他方を局発光とする。信号光を測定対象物１１に照射し、反射して戻ってきた信号光と局発光を合波し、光検出器４に入力してビート信号を検出する。三角波で変調した光周波数は、アップ、ダウンチャープを周期的に繰り返す。反射して戻ってきた信号光と局発光との間には時間差が発生し、光周波数がチャープしているため、光検出器４の出力には時間差に比例した周波数を有するビート信号（ビート信号波形１２参照）が発生する。したがって、ビート信号周波数を測定すれば、時間差、すなわち測定対象物１１までの距離を知ることができる。アップ、ダウンチャープの両方を使用するのは、測定対象物１１が運動している場合に、ドップラーシフトから移動速度を求めるためである。【０００４】
ＦＭＣＷライダにより測定されるビート信号周波数ｆＢから、測定対象物１１までの距離Ｌは次式により計算することができる。【０００５】
【数１】
2018070442.tif 000003
【０００６】
ここで、ｃは光速度、Δｆはチャープ帯域幅、Ｔｍは変調周期である。（１）式において、２Δｆ／Ｔｍは単位時間当たりの周波数変化、すなわち、チャープ率を表す。ビート信号周波数から距離を算出するためには、チャープ率を事前に求めておく必要がある。【０００７】
図１０は、ＦＭチャープパルス圧縮ライダの原理を説明する図である。以下、原理を説明する。信号発生器２を用いて、信号光用レーザ１ａの光周波数を三角波で変調する点は、ＦＭＣＷライダと同様である。無変調の局発光用レーザ１ｂを用いて局発光を発生する。測定対象物１１で反射して戻ってきた光と局発光を合波し、光検出器４ａに入力してビート信号を検出する。ＦＭＣＷライダの場合と異なり、局発光の光周波数は変調されていないので、ビート信号は周波数が時間とともに変化するチャープ信号となる（図１０のビート信号波形１２参照）。光検出器４ａの出力をマッチトフィルタ１３に入力して、チャープ信号をパルスに変換して出力し（図１０のマッチトフィルタ出力波形１５参照）、パルス発生の時刻から測定対象物１１までの距離を求めることができる。マッチトフィルタ１３のインパルス応答１４は、チャープするビート信号を時間反転した波形になっており、チャープ信号を圧縮してパルスを発生する機能を有する。アップ、ダウンチャープは、移動速度を求めるためである。ＦＭチャープパルス圧縮ライダでは、信号光と局発光の発生に独立したレーザを使用するため、両者の間の平均周波数を一定に保つ必要がある。このため、ビート周波数制御用の光検出器４ｂを用いて平均周波数を検出し、光検出器４ｂの出力を局発光用レーザ１ｂに帰還して、周波数制御を行う。【０００８】
ＦＭＣＷライダとＦＭチャープパルス圧縮ライダにおける距離分解能Ｒは、次式により表すことができる。【０００９】
【数２】
2018070442.tif 000004
【００１０】
ここで、ｃは光速度、Δｆはチャープ帯域幅である。距離分解能はチャープ帯域幅に反比例するので、高い分解能を得るためには、大きなチャープ帯域幅が必要である。例えば、分解能１０ｃｍ、１ｃｍを得るのに必要なチャープ帯域幅は、それぞれ１．５ＧＨｚ、１５ＧＨｚである。チャープ帯域幅に加えて、チャープの直線性も重要である。ライダによる距離測定では、光周波数が時間に比例して増加（アップチャープ）、または減少（ダウンチャープ）することを利用しているが、チャープが時間に対して非線形である場合は、ビート周波数が不規則に変化し、距離測定の誤差となる。注入電流により直接変調した半導体レーザにおいては、非線形チャープが顕著に現れることが知られており、レーザ素子や駆動回路の周波数応答特性が主な原因である。【００１１】
外部位相変調に基づく高感度センシングとして、セロダイン変調を利用した光ジャイロスコープやライダ速度計が挙げられる。セロダイン変調では、レーザ外部に配置した位相変調器を用いて、透過光に位相偏移２πの鋸波変調を与えることにより、位相変調周波数に相当する周波数シフトを与えることができる。セロダイン変調の実現には、光位相が時間に比例して線形に増加すること、及び位相偏移が正確に２πであることが求められるが、位相変調器や駆動回路の周波数応答特性により、光位相変調波形が劣化することが知られている。【００１２】
上述した２つのライダシステムとセロダイン変調の例から明らかなように、直接周波数変調や外部位相変調を利用するセンシングシステムにおいては、分解能や精度などの性能が、変調特性に大きく依存する。所望のセンシング性能を得るためには、レーザ光源や位相変調器の変調特性を把握して、駆動回路や信号処理回路を適切に設計し、変調特性の影響を抑えるような工夫が必要である。変調特性を把握するためには、光周波数変調又は光位相変調の時間波形やスペクトルを正確に測定できる技術が必要になる。【００１３】
光ファイバ通信に用いられる波長１５５０ｎｍ帯のレーザ光は、光周波数がおよそ１９３ＴＨｚである。このような極めて高い周波数の電磁波を、直接電気信号に変換して計測することは困難である。光角度変調の時間波形を測定するためには、光信号を電気的に処理可能な周波数帯の信号に変換することが必要である。透過率や反射率が光周波数又は光位相に依存する光学系にレーザ光を入射し、透過光又は反射光の強度変化から光角度変調の時間波形を測定することができる。図１１に、従来技術の、マッハツェンダー干渉計による光角度・強度変換を利用した光角度変調測定装置を示す。例えば、図１１に示すマッハツェンダー型干渉計においては、干渉計の出力光強度は、入射光の周波数と位相に対して正弦波状の変化を示す。入射光の周波数又は位相に対して、出力光強度が線形に変化する部分を利用することにより、光角度変調の時間波形を測定することが可能である（非特許文献１）。信号発生器２を用いて変調したレーザ１の出力を光方向性結合器７ａにより２分岐し、光遅延媒体９により一方の光に時間τｄの遅延を与えた後、光方向性結合器７ｂにより合流して、光検出器４により受光する。光遅延媒体９としては、空間の光路や光ファイバを利用できる。図１１に示すように、マッハツェンダー型干渉計における２つの光路の位相差がπ／２になるように設定すれば、光検出器４の出力には、光周波数又は光位相の変化にほぼ比例する電気信号が現れ、時間波形解析装置６を用いて、光角度変調の時間波形を測定することができる。【００１４】
本発明者は、遅延自己ヘテロダイン法を用いた周波数雑音測定装置及び測定方法を提案した（特許文献１参照）。図１２は、従来技術の、遅延自己ヘテロダイン法を用いた光周波数雑音測定装置を表す図である。図１２に示すように、被測定レーザ光であるレーザ１の出力光をヘテロダイン干渉計３に入力し、該ヘテロダイン干渉計３の出力光を光検出器４により受光する。光検出器４から出力されるビート信号をベクトル信号解析装置１６に入力し、周波数復調して周波数雑音に対するパワースペクトル密度を求める。さらに、信号処理装置１７を用いて、ビート信号のパワースペクトル密度に［２（１−ｃｏｓ（２πｆτｄ））］−１（ただし、ｆはフーリエ周波数、τｄはヘテロダイン干渉計における遅延時間）を乗じて、被測定レーザ光の周波数雑音パワースペクトル密度を求める。ヘテロダイン干渉計３は、例えば、一方の光路に周波数シフトがｆＳの光周波数シフタを備え、他方の光路に遅延時間がτｄの光ファイバを備えたマッハツェンダー型干渉計を用いることができる。ヘテロダイン干渉計３の遅延時間τｄは、所望のフーリエ周波数域に依存する。広帯域測定を行う場合は、遅延時間τｄを変えて、異なるフーリエ周波数域に対するパワースペクトル密度を取得する。また、光周波数シフタを用いない遅延自己ホモダイン法を用いた測定法も報告されており（非特許文献２）、測定原理は遅延自己ヘテロダイン法と同様である。【００１５】
特許文献１と同様のヘテロダイン干渉計を用いて、光周波数変調を制御する方法も報告されている（非特許文献３、４）。具体的には次のとおりである。周波数変調されたレーザ光を干渉計に入射してビート信号を発生し、デジタル位相・周波数検出器を用いて、ビート信号と参照信号の位相差を検出する。参照信号の周波数を所望する値に設定し、検出した位相差が０になるようにレーザ光源の負帰還制御を行う。これにより光周波数変調における非線形チャープを補償することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２０１２−０８８１７４号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】Ｗ．Ｖ．Ｓｏｒｉｎ他、“Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｄｏｍａｉｎ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  ａｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ＦＭ  ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ、”Ｊ．  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．、ｖｏｌ．１０，ｎｏ．６、ｐｐ．７８７−７９３（１９９２）
【非特許文献２】Ｔ．Ｎ．Ｈｕｙｎｈ他、“Ｄｅｌａｙｅｄ  ｓｅｌｆ−ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ  ｐｈａｓｅ  ｎｏｉｓｅ  ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ  ｗｉｔｈ  ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｐｈａｓｅ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ、” ＩＥＥＥ  Ｐｈｔｏｎ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．、ｖｏｌ．２４、ｎｏ．４、ｐｐ．２４９−２５１（２０１２）
【非特許文献３】Ｐ．Ａ．Ｒｏｏｓ他、“Ｕｌｔｒａｂｒｏａｄｂａｎｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｃｈｉｒｐ  ｌｉｎｅａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、”Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、ｖｏｌ．３４、ｎｏ．２３、ｐｐ．３６９２−３６９４（２００９）
【非特許文献４】Ｗ．Ｘｉｅ他、“Ｆｏｕｒｉｅｒ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍ−ｌｉｍｉｔｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ  ｏｖｅｒ  ｓｅｖｅｒａｌ  ｔｅｎｓ  ｏｆ  ｌａｓｅｒ  ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ｌｅｎｇｔｈ”Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、ｖｏｌ．４１、ｎｏ．１３、ｐｐ．２９６２−２９６５（２０１６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
非特許文献1の光角度変調測定装置では、以下の問題がある。まず、図１１に示した光角度変調測定装置を用いて測定される光角度変調の時間波形について、数式を用いて説明する。ここでは、光周波数変調の場合について説明するが、光位相変調の場合も同様である。【００１９】
被測定レーザ光であるレーザ１の出力光の電界を次式により表す。【００２０】
【数３】
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【００２１】
（３）式において、Ｅ０は電界の振幅、ν０は中心周波数を表し、振幅は一定とする。φ（ｔ）は瞬時位相であり、光位相変調を表す。光周波数変調ν（ｔ）は次式により瞬時位相φ（ｔ）と関係づけられる。【００２２】
【数４】
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【００２３】
マッハツェンダー型干渉計における２つの光路間の遅延時間をτｄとする。２つの光路の位相差がπ／２、すなわち、２πν０τｄ＝π／２であり、かつ遅延時間τｄの間の位相変化が小さい条件の下で、光検出器４により受光される光強度は次式で表すことができる。【００２４】
【数５】
2018070442.tif 000007
【００２５】
変調により生じる位相変化の時間に比べて、遅延時間τｄが無視できるほど小さい場合、光検出器４から出力される交流信号は次式で表すことができる。【００２６】
【数６】
2018070442.tif 000008
【００２７】
（６）式において、ξはマッハツェンダー型干渉計の特性と光検出器４の感度により決まる定数である。（６）式は、光検出器４の出力の交流信号が光周波数変調ν（ｔ）に比例することを表しており、光検出器４の出力の交流信号から光周波数変調の時間波形を測定できることを示している。【００２８】
以上ではマッハツェンダー型干渉計を用いた例を説明したが、ファブリペロー干渉計や原子・分子吸収線など、透過率や反射率が光周波数又は光位相に依存する媒体であれば、同様の測定が可能である。干渉計による光角度・強度変換を用いる方法はレーザの光角度変調に時間波形の測定に利用されているが、以下の問題を有している。【００２９】
第１の問題は、光強度変調の影響である。（６）式を導出する過程では、被測定レーザ光の振幅を一定とした。しかしながら、注入電流により直接変調した半導体レーザにおいては、光周波数に加えて光強度も同時に変調されるため、光検出器４の出力に光強度変調に起因する成分が現れる。光検出器４の出力において、光強度変調と光周波数変調の成分を分離することは困難であり、光角度変調測定の大きな誤差要因となる。【００３０】
第２の問題は、光学系における光周波数又は光位相から、光強度への変換係数の校正である。（６）式が示すように、光検出器４の出力の交流信号は、被測定レーザ光の光周波数変調に比例するが、比例係数は干渉計の特性と光検出器４の感度に依存するため、測定に先だって変換係数の校正を行う必要がある。被測定レーザ光の光周波数を掃引して光検出器４の出力光強度を測定すれば、比例係数を校正することができるが、被測定レーザ光の掃引時の光周波数変化を正確に知る必要がある。干渉計の物理的な長さから比例係数を見積もることも可能であるが、干渉計を光ファイバやガラスなどで構成した場合は、入射光の波長に対する屈折率も考慮する必要があり、手続きが煩雑になる。また、干渉計の透過特性は本質的に非線形であり、チャープの線形性を測定する際の誤差要因となる。【００３１】
第３の問題は、光遅延媒体９と干渉計の光路長の安定性である。マッハツェンダー型干渉計の場合は２つの光路の位相差をπ／２に設定する必要がある。位相差は入射光の中心周波数と遅延時間、すなわち干渉計の物理的長さに依存する。これらは外乱等により容易に変化するので、測定時間内に位相差を安定に保つことは一般的に困難である。このため図１１に示すように、光検出器４の出力信号の一部を光遅延媒体９に帰還して、位相差がπ／２になるように制御を行う必要がある。【００３２】
以上、光周波数変調の場合を説明したが、光位相変調に適用した場合の問題も同様である。【００３３】
特許文献１の光周波数雑音測定装置では、以下の問題がある。まず、図１２に示した光周波数雑音測定装置を用いた測定について、数式を用いて説明する。被測定レーザ光であるレーザ１の出力光の電界を（３）式により表す。特許文献１に記載されているように、マッハツェンダー型ヘテロダイン干渉計を用いた場合、光検出器４から出力されるビート信号の周波数は、次式により表すことができる。【００３４】
【数７】
2018070442.tif 000009
【００３５】
（７）式の第１項は定数であり、光周波数シフタにより与えられる周波数シフトを表す。ベクトル信号解析装置１６は、（７）式から周波数シフトｆＳを差し引いた光周波数雑音に起因する成分である第２項と第３項を検出し、これをμ（ｔ）で表す。【００３６】
【数８】
2018070442.tif 000010
【００３７】
ここで、ν（ｔ）は被測定レーザ光の周波数雑音であり、（８）式はμ（ｔ）が、時刻ｔと時刻ｔ−τｄにおける被測定レーザ光の周波数雑音の差であることを示している。【００３８】
特許文献１の光周波数雑音測定装置では、ベクトル信号解析装置１６を用いて、次式により表されるパワースペクトル密度を計算する。【００３９】
【数９】
2018070442.tif 000011
【００４０】
さらに、信号処理装置１７を用いて、（９）式のビート信号のパワースペクトル密度に、［２（１−ｃｏｓ（２πｆτｄ））］−１を乗じて、被測定レーザ光の周波数雑音パワースペクトル密度Ｓν（ｆ）を求める。【００４１】
特許文献１の周波数雑音測定装置及び測定方法では、非特許文献１の光角度変調測定装置の３つの問題を解決して、被測定レーザ光の周波数雑音パワースペクトル密度の測定を可能にする。【００４２】
しかしながら、特許文献１の周波数雑音測定装置及び測定方法は、本質的に光周波数雑音のパワースペクトル密度の測定を目的とした、周波数領域の測定技術である。光センシングシステムにおいて重要な光角度変調特性、すなわち、チャープ帯域や線形性を評価するためには、パワースペクトル密度ではなく、時間波形の測定が必要である。特許文献１の周波数雑音測定装置及び測定方法では、（８）式により表される光周波数の差μ（ｔ）を検出することはできるが、光周波数変調の時間波形ν（ｔ）と、光位相変調の時間波形φ（ｔ）を求めることはできない。【００４３】
非特許文献３と４に記載されているデジタル位相・周波数検出器では、光周波数の差μ（ｔ）と参照信号の位相差に比例する信号を出力する。位相差の検出範囲は−２πから＋２πの範囲に制限されるため、光周波数変調の時間波形ν（ｔ）と、光位相変調の時間波形φ（ｔ）を測定することはできない。【００４４】
本発明は、レーザの光角度変調測定における上述の問題を解決しようとするものであり、遅延自己へテロダイン法によるレーザの光角度変調測定において、光強度変調の影響を受けることなく、校正を必要とせず、干渉計の安定化を行うことなく、光角度変調の時間波形を測定できる装置及び方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００４５】
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。【００４６】
本発明の装置は、遅延自己ヘテロダイン法による光角度変調測定装置であって、信号発生器により光角度変調された被測定レーザ光を入力するヘテロダイン干渉計と、該ヘテロダイン干渉計の出力光を受光してヘテロダイン検波を行う光検出器と、該光検出器から出力されるビート信号の位相を復調する位相復調器と、前記ビート信号の位相から、光角度変調の時間波形を求める時間波形解析装置とを備えることを特徴とする。
前記光角度変調測定装置において、前記光角度変調の時間波形は、具体的には、光周波数変調及び光位相変調のうちの少なくともいずれかの時間波形である。
前記光角度変調測定装置において、前記光角度変調が光周波数変調である場合は、前記時間波形解析装置は、前記ビート信号の位相に［２πτｄ］−１（ただし、τｄは前記ヘテロダイン干渉計における遅延時間）を乗じて、前記被測定レーザ光の光周波数変調の時間波形を求めることを特徴とする。
前記光角度変調測定装置において、前記光角度変調が光位相変調である場合は、前記時間波形解析装置は、前記ビート信号の位相に［２πτｄ］−１（ただし、τｄは前記ヘテロダイン干渉計における遅延時間）を乗じた後、時間に対する積分を計算して、前記被測定レーザ光の光位相変調の時間波形を求めることを特徴とする。
前記光角度変調測定装置において、前記ヘテロダイン干渉計の遅延時間は、前記被測定レーザ光の光周波数、又は光位相が変化する時間に比べて、無視できるほど小さい値に設定することが望ましい。
前記光角度変調測定装置において、例えば、前記ヘテロダイン干渉計は、入力した前記被測定レーザ光を２分岐する第１の光方向性結合器と、周波数シフトがｆＳの光周波数シフタを配置した第１の光路と、遅延時間がτｄの光遅延媒体を備えた第２の光路と、第１の光路の出力と第２の光路の出力を合流する第２の光方向性結合器とを備えるマッハツェンダー型干渉計であり、前記ヘテロダイン干渉計の出力光は前記第２の光方向性結合器の出力光であることを特徴とする。
前記光角度変調測定装置において、例えば、前記ヘテロダイン干渉計は、前記被測定レーザ光を入力する周波数シフトがｆＳの光周波数シフタと、遅延時間がτｄの光遅延媒体と、光方向性結合器とを備え、該光周波数シフタの０次回折光を該光遅延媒体に入力し、該光方向性結合器により該光周波数シフタの１次回折光と、該光遅延媒体との出力光とを合波して出力するマッハツェンダー型干渉計であり、前記ヘテロダイン干渉計の出力光は、前記光方向性結合器の出力光であることを特徴とする。【００４７】
本発明の方法は、遅延自己ヘテロダイン法による光角度変調測定方法であって、光角度変調された被測定レーザ光をヘテロダイン干渉計に入力し、該ヘテロダイン干渉計の出力光を光検出器により受光してヘテロダイン検波を行い、該光検出器から出力されるビート信号の位相を復調して、光角度変調の時間波形を求めることを特徴とする。
前記光角度変調測定方法は、前記光角度変調が光周波数変調である場合は、前記ビート信号の位相に［２πτｄ］−１（ただし、τｄは前記ヘテロダイン干渉計における遅延時間）を乗じて、前記被測定レーザ光の光周波数変調の時間波形を求めることを特徴とする。
前記光角度変調測定方法は、前記光角度変調が光位相変調である場合は、前記ビート信号の位相に［２πτｄ］−１（ただし、τｄは前記ヘテロダイン干渉計における遅延時間）を乗じた後、時間に対する積分を計算して、前記被測定レーザ光の光位相変調の時間波形を求めることを特徴とする。
前記光角度変調測定方法は、前記ヘテロダイン干渉計の遅延時間は、前記被測定レーザ光の光周波数又は光位相が変化する時間に比べて、無視できるほど小さい値に設定することが望ましい。
【発明の効果】
【００４８】
本発明の光角度変調測定装置では、遅延自己ヘテロダイン法による光角度変調測定装置において、被測定レーザ光を入力するヘテロダイン干渉計と、該ヘテロダイン干渉計の出力光を受光してヘテロダイン検波を行う光検出器と、該光検出器から出力されるビート信号の位相を復調する位相復調器と、前記ビート信号の位相から、光角度変調の時間波形を求める時間波形解析装置とを設けたことにより、光角度変調の時間波形を正確に測定することができる。【００４９】
本発明の光角度変調測定方法では、遅延自己ヘテロダイン法を用いて、光角度変調された被測定レーザ光をヘテロダイン干渉計に入力し、該ヘテロダイン干渉計の出力光を光検出器により受光してヘテロダイン検波を行い、該光検出器から出力されるビート信号の位相を復調して、光角度変調の時間波形を求めることにより、光角度変調の時間波形を正確に測定することができる。【００５０】
また、本発明の装置や方法では、ヘテロダイン干渉計により生成されるビート信号の位相を測定するため、光強度変調の影響を受けない。このため、注入電流により直接変調した半導体レーザ光源に適用可能である。また、本発明の装置や方法によれば、光角度・光強度変換の校正が不要であり、煩雑な手続きを必要としない。また、本発明の装置や方法では、交流信号であるビート信号を検出するため、干渉計の光路長安定化が不要であり、装置が簡素化できる。【００５１】
本発明の装置や方法では、遅延自己ヘテロダイン法を用いて、位相復調器によりビート信号の位相を検出するため、光角度変調の時間波形を求めることが可能である。従来の特許文献１の周波数雑音測定技術では、所望のフーリエ周波数域に応じて、遅延時間τｄを設定し、τｄ間の周波数差を検出する。一方、本発明の光角度変調測定装置及び測定方法では、光周波数が変化する時間に比べて、無視できるほど小さい値に遅延時間τｄを設定すれば、τｄ間の位相差を検出し、位相差と周波数の近似関係を利用して、光周数変調と光位相変調の時間波形を算出できる。このため、特許文献１の周波数雑音測定技術では困難であった時間波形の測定が可能になる。さらに、本発明の光角度変調測定装置及び測定方法では、ビート信号をアナログ復調して位相差を検出することができるため、非特許文献３と４では困難であった時間波形の測定が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明に係る光角度変調測定装置を説明する図である。
【図２】第１の実施の形態に係る光角度変調測定装置を説明する図である。
【図３】第２の実施の形態に係る光角度変調測定装置を説明する図である。
【図４】第２の実施の形態における、三角波信号により光周波数変調を行った場合の時間波形を表す図である。
【図５】第２の実施の形態における、変調電流振幅と周波数偏移の関係を表す図である。
【図６】第２の実施の形態における、図４に示した時間波形と理想的な線形チャープを比較した図である。
【図７】第２の実施の形態における、光位相変調測定に使用する装置を説明する図である。
【図８】第２の実施の形態における、鋸波信号により光位相変調を行った場合の時間波形を表す図である。
【図９】従来技術の、ＦＭＣＷライダの原理を説明する図である。
【図１０】従来技術の、ＦＭチャープパルス圧縮ライダの原理を説明する図である。
【図１１】従来技術の、マッハツェンダー干渉計による光角度・強度変換を利用した光角度変調測定装置を説明する図である。
【図１２】従来技術の、遅延自己ヘテロダイン法を用いた光周波数雑音測定装置を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明では、ヘテロダイン干渉計と、光検出器と、位相復調器と、時間波形解析装置とを用いて、遅延自己ヘテロダイン法により光角度変調の時間波形を測定する。図１は、本発明に係る光角度変調測定装置を説明する図である。図１に示すように、信号発生器２により光角度変調された被測定レーザ光であるレーザ１の出力光を、ヘテロダイン干渉計３に入力する。ヘテロダイン干渉計３の出力光を光検出器４により受光してヘテロダイン検波を行い、ビート信号を出力する。光検出器４の出力信号であるビート信号を位相復調器５に入力して、ビート信号の瞬時位相を検出し、時間波形解析装置６用いて、被測定レーザ光の光角度変調の時間波形を求める。
【００５４】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態を図１と図２を参照して、以下説明する。第１の実施の形態は、図１の光角度変調測定装置において、ヘテロダイン干渉計３として、マッハツェンダー型干渉計を用いたものである。図２は、第１の実施の形態を説明する図である。信号発生器２により光角度変調した、被測定レーザ光であるレーザ１の出力光を、光方向性結合器７ａにより２分岐し、一方は光周波数シフタ８に、他方は光遅延媒体９に入力する。光周波数シフタ８によりｆＳの周波数シフトを受けた光と、光遅延媒体９により時間τｄの遅延を受けた光を、光方向性結合器７ｂにより合波して出力する。
【００５５】
光周波数シフタ８として音響光学変調器を用いることができる。該音響光学変調器においては、音響波の進行方向に対する入射光の角度を調整することにより、出力される回折光の周波数シフトを正（アップシフト）、または負（ダウンシフト）のいずれかに選ぶことができる。光周波数変調測定はシフトの方向には依存しないので、ここではアップシフトの場合を説明する。
【００５６】
以下に、マッハツェンダー型干渉計の場合を例として、光検出器４から出力されるビート信号について、数式を用いて説明する。第２の実施形態として後述する場合についても、基本的にマッハツェンダー型干渉計の場合と同様である。
【００５７】
被測定レーザ光であるレーザ１の出力光の電界を（３）式により表す。図２の光検出器４から出力される信号は、次式により表すことができる。
【００５８】
【数１０】
2018070442.tif 000012
【００５９】
ここで、ξは光検出器４の感度により決まる定数である。（１０）式の括弧内の第１項は直流成分、第２項は周波数ｆＳのビート信号に対応する。位相復調器５により検出されるビート信号の位相φＢ（ｔ）は、（１０）式より次式のように求められる。
【００６０】
【数１１】
2018070442.tif 000013
【００６１】
（１１）式の第１項は定数であり、第２項と第３項は被測定レーザ１の光角度変調に起因する。（１０）式により表される光検出器４の出力信号から、位相φＢ（ｔ）を求めるには、位相復調器５を用いる。位相復調器として、例えば、位相アンラップ機能を有するアナログ復調器を用いることができる。該アナログ復調器を用いる場合は、−２πから＋２πの範囲に制限されない任意の大きさの位相検出が可能である。
【００６２】
光周波数又は光位相が変化する時間に比べて、遅延時間τｄが無視できるほど小さい場合、位相の時間微分係数は次式で近似することができる。
【００６３】
【数１２】
2018070442.tif 000014
【００６４】
位相の時間微分係数と瞬時周波数は（４）式により関係づけられるので、ビート信号の位相は次式により表すことができる。
【００６５】
【数１３】
2018070442.tif 000015
【００６６】
ここでν（ｔ）は光周波数変調を表す。（１３）式の中辺及び右辺における、第１項は被測定レーザの中心周波数と遅延時間により決まる直流成分、第２項は光周波数変調に起因する交流成分を表す。（１３）式の左辺及び右辺がほぼ等しいことから、左辺のビート信号の位相φＢ（ｔ）と右辺第２項の光周波数変調ν（ｔ）の関係から、光周波数変調ν（ｔ）を求められることが分かる。従って、本実施の形態では、時間波形解析装置６を用いて、（１３）式から第１項の直流成分を除去し、［２πτｄ］−１を乗じることにより、被測定レーザの光周波数変調の時間波形を求めることができる。
【００６７】
光位相変調の時間波形を求める場合の手順は、以下のとおりである。光周波数変調ν（ｔ）と瞬時位相φ（ｔ）は（４）式により関係づけられるので、（１３）式により求めた光周波数変調の時間波形を、次式を用いて光位相変調の時間波形に変換することができる。
【００６８】
【数１４】
2018070442.tif 000016
【００６９】
位相復調器５の出力から光周波数又は光位相の時間波形を求める一連の処理は、時間波形解析装置６を用いて行う。
【００７０】
本実施の形態の光角度変調測定装置及び方法では、遅延自己ヘテロダイン法により得られるビート信号の位相を復調して測定を行うので、光強度変調の影響を受けることはない。また、光周波数変調の時間波形をビート信号の位相と関係づけて求めるため、校正が不要である。さらに、ヘテロダイン検波によりビート信号を測定するため、干渉計の安定化が不要である。
【００７１】
本実施の形態の光角度変調測定装置及び方法では、光周波数又は光位相が変化する時間に比べて、遅延時間τｄを無視できるほど小さく設定して、ビート信号の位相をアナログ復調して測定するため、時間波形の観測が可能である。光周波数又は光位相変調のパワースペクトル密度が必要な場合は、時間波形からフーリエ変換により求めることができる。
【００７２】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態を図１および図３〜図８を参照して、以下説明する。第２の実施の形態は、図１の光角度変調測定装置において、ヘテロダイン干渉計３として、マッハツェンダー型干渉計を用いたものである。図３は第２の実施の形態を説明する図である。信号発生器２により光角度変調した被測定レーザ光であるレーザ１の出力光を、周波数シフトｆＳの光周波数シフタ８に入力する。光周波数シフタ８は周波数シフトを受けない０次回折光と、ｆＳの周波数シフトを受けた１次回折光を同時に出力する。光遅延媒体９により時間τｄの遅延を受けた０次回折光と、１次回折光とを、光方向性結合器７により合波して出力し、光検出器４により受光する。光検出器４以降の構成は第１の実施の形態と同じである。なお、光遅延媒体９を１次回折光の光路に配置した場合でも、動作は同じである。ビート信号の振幅を増大するためには、０次回折光と１次回折光の強度差を小さくすることが望ましく、それぞれの回折光の強度と光遅延媒体９の挿入損失を考慮して配置する位置を決定すればよい。
【００７３】
第１の実施の形態であるマッハツェンダー型干渉計に比べて、第２の実施の形態であるマッハツェンダー型干渉計は、被測定レーザ光を入力して２分岐する光方向性結合器が不要であることが特徴である。このため、装置が簡素化され、第１の実施の形態では使用していない０次回折光を有効に利用することができる。
【００７４】
〈光周波数変調測定の実施例〉
第２の実施の形態の装置を用いて行った光周波数変調測定の実施例を説明する。なお、ここでは第２の実施の形態の例を示すが、第１の実施の形態についても同様に実施することができる。
【００７５】
被測定レーザ光として、波長１５５２．１ｎｍ、出力５ｍＷの半導体レーザを用いた。被測定レーザ光は専用の温度・注入電流コントローラで駆動し、信号発生器２とコントローラの電流変調機能を利用して、周波数変調を行った。周波数シフトが５００ＭＨｚの光周波数シフタ８を用い、光遅延媒体９として長さ２ｍの光ファイバ（遅延時間１０ｎｓ）を用い、光方向性結合器７を用いてヘテロダイン干渉計３を構成した。ヘテロダイン干渉計３の出力光を、応答帯域は４０ｋＨｚ−８００ＭＨｚの光検出器４に入力した。光検出器４から出力されるビート信号を広帯域デジタイザ（分解能１２ｂｉｔ、サンプリング速度２ＧＳ／ｓ、アナログ帯域１ＧＨｚ）に入力して記録した後、ソフトウェア処理によりアナログ位相復調と時間波形の計算を行った。
【００７６】
図４は、三角波信号により光周波数変調を行った場合の時間波形を表す図である。図４では、変調周波数は１２ｋＨｚ、変調電流振幅はそれぞれ８、２０、３２、４４、５６、６８ｍＡｐｐである。レーザの注入電流に印加した三角波信号に近い波形になっていることがわかる。三角波による周波数変調は、ＦＭＣＷライダやＦＭチャープパルス圧縮ライダにおいて用いられる変調形式であるので、三角波信号による光角度変調の時間波形を正確に測定することにより、ライダ等のセンシングシステムの性能を向上させることができる。
【００７７】
図５は、変調電流振幅と周波数偏移の関係を表す図である。変調電流振幅に比例して、周波数偏移は２２０ＭＨｚ／ｍＡの割合で増加している。変調電流振幅６８ｍＡｐｐにおいて、周波数偏移は１５．０ＧＨｚまで増大し、ＦＭＣＷライダやＦＭチャープパルス圧縮ライダにおいて、分解能１ｃｍを得るのに必要なチャープ帯域幅になっている。このときのビート信号の位相変化は３０８πｒａｄであり、アナログ復調における位相アンラップが、有効に機能していることがわかる。
【００７８】
本実施の形態の光角度変調測定装置及び方法においては、ヘテロダイン干渉計３の遅延時間の間に発生する位相変化を検出している。（１２）式、および（１３）式が示すように、単位時間当たりの位相変化が光周波数に対応するので、遅延時間を小さくすることにより、より大きな周波数変化の測定が可能になる。例えば、ヘテロダイン干渉計３に用いる光ファイバの長さを、１／１０の０．２ｍ（遅延時間１ｎｓ）に設定すれば、１５０ＧＨｚ以上の周波数偏移の測定が可能になる。
【００７９】
ライダによる距離測定においては、光周波数が時間に比例して増加（アップチャープ）又は減少（ダウンチャープ）することを前提にしている。ところが、時間に対する周波数変化が非線形である場合、一定値であるはずのビート周波数が変化し、距離算出に誤差を生じる。特に、直接周波数変調した半導体レーザでは、注入電流に対する周波数応答特性が平坦ではないため、非線形チャープが生じることが知られている。
【００８０】
図６は、図４に示した時間波形と、理想的な線形チャープを比較した図である。実線は測定値、点線は線形チャープ波形を表す。測定値は線形チャープ波形からわずかにずれており、ダウンチャープと比較して、アップチャープの誤差が大きいことがわかる。図６の一点鎖線は線形チャープからの誤差を表し、アップチャープで１．６ＧＨｚ、ダウンチャープで０．６８ＧＨｚの誤差を生じている。
【００８１】
〈光位相変調測定の実施例〉
次に、第２の実施の形態の装置を用いて行った光位相変調測定の実施例を説明する。なお、ここでは第２の実施の形態の例を示すが、第１の実施の形態についても同様に実施することができる。
【００８２】
図７は、光位相変調測定に使用した装置を説明する図である。レーザ１の出力光として、波長１５５２．１ｎｍ、出力１５ｍＷの外部共振器型半導体レーザを用いた。出力光を光位相変調器１０に入力して、位相変調を行った。光位相変調器１０は、信号発生器２から発生する鋸波信号により駆動した。鋸波による位相変調は、セロダイン変調に用いられる。測定装置は、ヘテロダイン干渉計３と、光検出器４と、位相復調器５と、時間波形解析装置６とを備え、先に説明した光周波数変調測定の実施例と比べて、光位相変調の時間波形を最終的に求める点を除き同じである。図７では、光位相変調器１０により光位相変調された出力光が被測定レーザ光である。
【００８３】
図８は、鋸波信号により光位相変調を行った場合の時間波形を表す図であり、測定した光周波数と、これを積分して求めた光位相の時間波形を表している。変調周波数は５００ｋＨｚ、変調電圧振幅は１０．２Ｖｐｐである。光位相変調器１０をレーザの外部に配置しているため、図４に示した光周波数変調の場合に比べて、光周波数変化は小さい。光位相変化の方向が反転するところで、スパイク状の周波数変化が起きている。積分により求めた光位相の時間波形は、鋸波に近い形状になっているが、光位相変調器１０の応答特性により、波形劣化を生じていることがわかる。
【００８４】
本実施の形態の光角度変調測定装置及び方法において、変調周波数の上限は、変調信号の帯域幅と、時間波形解析装置６のサンプリング速度とアナログ帯域に依存する。先に説明した光周波数変調および光位相変調測定の実施例においては、サンプリング速度２ＧＳ／ｓ、アナログ帯域１ＧＨｚであるので、変調信号の帯域幅は１ＧＨｚ以内に制限される。三角波変調の場合、３１次高調波の振幅が基本波のおよそ１／１０００になるので、変調周波数３０ＭＨｚ程度が上限となる。
【００８５】
上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明の装置や方法を、種々のレーザ出力光の光角度変調測定に利用することより、レーザ光源の光周波数、又は光位相変調の時間波形を正確に測定することが可能になる。これにより、ライダシステムなどに用いられるレーザ光源の精密な評価が可能になり、光センシングの性能向上に有用である。
【符号の説明】
【００８７】
１    レーザ
１ａ    信号光用レーザ
１ｂ    局発光用レーザ
２    信号発生器
３    ヘテロダイン干渉計
４、４ａ、４ｂ    光検出器
５    位相復調器
６    時間波形解析装置
７、７ａ、７ｂ    光方向性結合器
８    光周波数シフタ
９    光遅延媒体
１０  光位相変調器
１１  測定対象物
１２  ビート信号波形
１３  マッチトフィルタ
１４  マッチトフィルタのインパルス応答
１５  マッチトフィルタ出力波形
１６  ベクトル信号解析装置
１７  信号処理装置
【図１】
2018070442.tif 000017
【図２】
2018070442.tif 000018
【図３】
2018070442.tif 000019
【図４】
2018070442.tif 000020
【図５】
2018070442.tif 000021
【図６】
2018070442.tif 000022
【図７】
2018070442.tif 000023
【図８】
2018070442.tif 000024
【図９】
2018070442.tif 000025
【図１０】
2018070442.tif 000026
【図１１】
2018070442.tif 000027
【図１２】
2018070442.tif 000028
【国際調査報告】
2018070442.tif 000029
2018070442.tif 000030
2018070442.tif 000031
2018070442.tif 000032