(57)【要約】【課題】光吸収媒体の吸収係数が小さくても高い精度で安定した波長ロックを実現する波長制御器を提供する。【解決手段】波長制御器１０は、ループ光路を構成する光結合器１２、光吸収セル１３及び光分岐器１４を備えている。光検出器１５は、光分岐器１４から出力された分岐光を検出して検出信号ＤＳを出力する。波長推定部４０は、検出信号ＤＳの減衰波形をサンプリングし、当該サンプリングされた減衰波形を基にレーザ光パルスの現在の波長を推定する。制御信号生成部４６は、当該推定された現在の波長と目標波長との間の差分を低減させるフィードバック制御信号を生成する。【選択図】図３
2017198536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一連のレーザ光パルスが入力される光入力端を有し、該光入力端に入力された各レーザ光パルスを減衰させる光吸収媒体を含む光吸収セルと、
前記光吸収セルから出力された透過光パルスを第１の分岐光パルスと第２の分岐光パルスとに分割する光分岐器と、
前記第２の分岐光パルスを前記光入力端から前記光吸収セルに入力させる光結合器と、
前記第１の分岐光パルスを電気信号に変換して出力する光検出器と、
前記光検出器の出力信号の減衰波形をサンプリングし、当該サンプリングされた減衰波形を基に前記一連のレーザ光パルスの現在の波長を推定する波長推定部と、
当該推定された現在の波長と目標波長との間の差分を低減させるフィードバック制御信号を生成する制御信号生成部と
を備え、
前記光吸収セル、前記光分岐器及び前記光結合器は、前記光入力端に入力された各レーザ光パルスを複数回循環させるループ光路を構成していることを特徴とする波長制御器。
【請求項２】
請求項１記載の波長制御器であって、前記一連のレーザ光パルスのパルス周期は、当該各レーザ光パルスが前記ループ光路を複数回循環して前記減衰波形を形成する期間よりも長いことを特徴とする波長制御器。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の波長制御器であって、
前記波長推定部は、
前記減衰波形をサンプリングするサンプリング部と、
前記サンプリング部でサンプリングされた複数の減衰波形を積算して積算波形を生成する積算処理部と、
前記積算波形に基づいて前記一連のレーザ光パルスの現在の波長を推定する波長演算部と
を含むことを特徴とする波長制御器。
【請求項４】
請求項３記載の波長制御器であって、前記波長推定部は、前記積算波形を正規化して正規化波形を生成する正規化部を更に含み、
前記波長演算部は、前記正規化波形に基づいて前記一連のレーザ光パルスの現在の波長を推定することを特徴とする波長制御器。
【請求項５】
請求項４記載の波長制御器であって、前記波長推定部は、前記正規化波形を予め用意された減衰関数でフィッティングして減衰曲線を算出するフィッティング部を更に含み、
前記波長演算部は、前記減衰曲線に基づいて前記一連のレーザ光パルスの現在の波長を推定することを特徴とする波長制御器。
【請求項６】
請求項５記載の波長制御器であって、前記減衰曲線は、減衰型の指数関数であることを特徴とする波長制御器。
【請求項７】
請求項４記載の波長制御器であって、前記波長推定部は、前記正規化波形の減衰強度を検出する減衰強度検出部を更に含み、
前記波長演算部は、前記減衰強度に基づいて前記一連のレーザ光パルスの現在の波長を推定することを特徴とする波長制御器。
【請求項８】
請求項１から請求項７のうちのいずれか１項記載の波長制御器であって、前記光入力端に入力されるべき一連のレーザ光パルスを短パルス化する強度変調器を更に備えることを特徴とする波長制御器。
【請求項９】
請求項１から請求項８のうちのいずれか１項記載の波長制御器であって、前記光結合器よりも前段に配置された光増幅器を更に備えることを特徴とする波長制御器。
【請求項１０】
請求項１から請求項８のうちのいずれか１項記載の波長制御器であって、前記光分岐器の光出射端と前記光結合器の光入射端との間に配置されて前記ループ光路の一部を構成する光増幅器を更に備えることを特徴とする波長制御器。
【請求項１１】
一連のレーザ光パルスを外部のターゲットに向けて照射して当該ターゲットで反射した散乱光を受光し、その受光結果を基に当該ターゲットの濃度を算出する差分吸収ライダ部と、
前記一連のレーザ光パルスを入力とする請求項１から請求項１０のうちのいずれか１項記載の波長制御器と
を備え、
前記差分吸収ライダ部は、前記波長制御器で生成されたフィードバック制御信号に応じて、前記一連のレーザ光パルスの波長を前記目標波長に一致させることを特徴とする差分吸収ライダ装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の差分吸収ライダ装置であって、前記差分吸収ライダ部は、前記波長制御器に入力されるべき一連のレーザ光パルスを増幅する光増幅器を含むことを特徴とする差分吸収ライダ装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の差分吸収ライダ装置であって、
前記差分吸収ライダ部は、
連続波のレーザ光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光をパルス化して前記一連のレーザ光パルスを生成する光変調器と
を含み、
前記光増幅器は、前記光変調器よりも後段に配置されている
ことを特徴とする差分吸収ライダ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光の波長を制御する技術に関し、特に、ライダ（ＬＩＤＡＲ：ＬＩｇｈｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  Ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ）装置で使用されるレーザ光の波長を制御する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
ライダ装置は、計測対象となるターゲットにレーザ光を照射してそのターゲットで反射した散乱光を観測し、その観測結果を基に当該ターゲットに関する物理情報（たとえば、濃度、温度、距離または速度）を取得する手段として広く使用されている。この種のライダ装置の一種として、気体などの分子または原子の濃度測定を行う差分吸収ライダ（ＤＩＡＬ：ＤＩｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｌｉｄａｒ）装置が知られている。差分吸収ライダ装置は、基本的に、ターゲットである分子の光吸収量が大きい波長のレーザ光と、そのターゲットの光吸収量が小さい波長のレーザ光とを使用し、これらレーザ光の波長にそれぞれ対応する散乱光の受信強度比に基づいて当該ターゲットの濃度を計測することができる。
【０００３】
このような差分吸収ライダ装置では、ターゲットの濃度を高精度に算出するためには、前述の２種類のレーザ光の波長のうち少なくとも一方を特定の波長と一致させる（すなわち、特定の波長にロックする）回路構成が必要である。特に、ターゲットの光吸収量が大きい方の波長のレーザ光については、このレーザ光の波長を、ターゲットの光の吸収線の中心波長に精度良くロックすることが望ましい。波長ロック回路を有する差分吸収ライダ装置は、たとえば、特許文献１（特開２００７−２４８１２６号公報）に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２４８１２６号公報（たとえば、図１及び段落００１７〜００２４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記したレーザ光の波長をロックする方法としては、たとえば、位相変調されたレーザ光を、ターゲットと同種の光吸収媒体（たとえば、炭酸ガスなどの基準ガス）が封入された光吸収セルに透過させ、その透過レーザ光の検出強度を基にフィードバック制御用の誤差信号を生成し、更にこの誤差信号を用いてレーザ光源の出力波長を制御する方法が考えられる。しかしながら、当該波長に対する光吸収媒体の吸収線強度が小さいと、当該波長に対する光吸収媒体の光の吸収係数が小さいので、高精度な誤差信号を得ることが難しい。この場合、高い精度で安定した波長ロックを実現することができないという課題がある。
【０００６】
上記に鑑みて本発明の目的は、光吸収媒体の吸収係数が小さい場合でも、高い精度で安定した波長ロックを実現することができる波長制御器及び差分吸収ライダ装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様による波長制御器は、一連のレーザ光パルスが入力される光入力端を有し、該光入力端に入力された各レーザ光パルスを減衰させる光吸収媒体を含む光吸収セルと、前記光吸収セルから出力された透過光パルスを第１の分岐光と第２の分岐光とに分割する光分岐器と、前記第２の分岐光を前記光入力端から前記光吸収セルに入力させる光結合器と、前記第１の分岐光を電気信号に変換して出力する光検出器と、前記光検出器の出力信号の減衰波形をサンプリングし、当該サンプリングされた減衰波形を基に前記レーザ光パルスの現在の波長を推定する波長推定部と、当該推定された現在の波長と目標波長との間の差分を低減させるフィードバック制御信号を生成する制御信号生成部とを備え、前記光吸収セル、前記光分岐器及び前記光結合器は、前記光入力端に入力された各レーザ光パルスを複数回循環させるループ光路を構成していることを特徴とする。
【０００８】
本発明の他の態様による差分吸収ライダ装置は、一連のレーザ光パルスを外部のターゲットに向けて照射して当該ターゲットで反射した散乱光を受光し、その受光結果を基に当該ターゲットの濃度を算出する差分吸収ライダ部と、前記一連のレーザ光パルスを入力とする前記波長制御器とを備え、前記差分吸収ライダ部は、前記波長制御器で生成されたフィードバック制御信号に応じて、前記一連のレーザ光パルスの波長を前記目標波長に一致させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ループ光路におけるレーザ光パルスの循環により生成された減衰波形に基づいて、レーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することができる。その推定された現在の波長を用いてフィードバック制御信号が生成されるため、光吸収媒体の光の吸収係数が小さい場合でも、高い精度で安定した波長ロックを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る実施の形態１である差分吸収ライダ装置の概略構成を示す図である。
【図２】波長に対する光吸収量分布の一例を概略的に示すグラフである。
【図３】図１に示した信号処理部の構成を概略的に示す機能ブロック図である。
【図４】実施の形態１の強度変調器に入力されるレーザ光パルスの波形の例を示す図である。
【図５】短パルス化されたレーザ光パルスの波形の例を示す図である。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂは、検出信号の減衰波形の例を概略的に示すグラフである。
【図７】実施の形態１におけるフィッティング部で得られた減衰曲線の３つの例を示すグラフである。
【図８】オン波長とオフ波長とにそれぞれ対応する減衰曲線の例を示すグラフである。
【図９】減衰曲線の例を示すグラフである。
【図１０】飽和領域を有する減衰曲線の例を示すグラフである。
【図１１】飽和領域を有する減衰曲線の例を示すグラフである。
【図１２】実施の形態１における波長制御器の第１変形例の構成の一部を概略的に示す図である。
【図１３】実施の形態１における波長制御器の第２変形例の構成の一部を概略的に示す図である。
【図１４】本発明に係る実施の形態２である差分吸収ライダ装置の概略構成を示す図である。
【図１５】本発明に係る実施の形態３である差分吸収ライダ装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る種々の実施の形態について詳細に説明する。なお、図面全体において同一符号を付された構成要素は、同一構成及び同一機能を有するものとする。
【００１２】
実施の形態１．
図１は、本発明に係る実施の形態１である差分吸収ライダ装置１の概略構成を示す図である。図１に示されるように、差分吸収ライダ装置１は、一連のレーザ光パルスを外部空間におけるターゲットに向けて照射して当該ターゲットで反射した散乱光を受光する差分吸収ライダ部２０と、当該一連のレーザ光パルスの波長を目標波長に一致させるフィードバック制御（以下「波長ロック」ともいう。）を実行する波長制御器１０とを備えて構成されている。
【００１３】
差分吸収ライダ部２０は、計測対象となるターゲット（たとえば、炭酸ガス、オゾンまたは水蒸気などの気体分子）の光吸収量が小さい波長λｏｆｆ（以下「オフ波長λｏｆｆ」ともいう。）のレーザ光をターゲットに向けて照射し、そのターゲットの光吸収量が大きい波長λｏｎ（以下「オン波長λｏｎ」ともいう。）のレーザ光をターゲットに向けて照射する。図２は、波長に対する光吸収量分布の一例を概略的に示すグラフである。図２に示される光吸収量分布は、オン波長λｏｎで極大ピークを形成する。これに対し、オフ波長λｏｆｆでの光吸収量はほとんど無い。差分吸収ライダ部２０は、ターゲットによる光吸収量がオン波長λｏｎとオフ波長λｏｆｆとの間で異なる現象を利用して、当該ターゲットの濃度を測定することができる。
【００１４】
図１に示されるように、差分吸収ライダ部２０は、オフ波長λｏｆｆの連続波レーザ光を光導波路Ｇ１に出力する第１レーザ光源２１Ａと、この第１レーザ光源２１Ａを駆動する光源駆動部２２Ａと、オン波長λｏｎの連続波レーザ光を光導波路Ｇ２に出力する第２レーザ光源２１Ｂと、この第２レーザ光源２１Ｂを駆動する光源駆動部２２Ｂとを備えている。光源駆動部２２Ｂは、波長制御器１０から供給された波長制御信号ＣＴＲに応じて第２レーザ光源２１Ｂの出力波長λｏｎを所定の目標波長Λｏｎに一致させる（言い換えれば、出力波長λｏｎを目標波長Λｏｎにロックする）機能をも有している。目標波長Λｏｎは、予め観測された吸収線の中心波長に設定されている。この機能により、第２レーザ光源２１Ｂの出力波長λｏｎを目標波長Λｏｎに同調させることが可能となる。第１レーザ光源２１Ａ及び第２レーザ光源２１Ｂとしては、それぞれ、たとえば単一モードで連続発振可能な半導体レーザダイオードを含む光源を使用すればよい。以下、連続波（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ  Ｗａｖｅ）レーザ光を「ＣＷレーザ光」と呼ぶこととする。
【００１５】
図１に示される差分吸収ライダ部２０は、更に、光スイッチ２３、光分岐器２４、光変調器２５、光分岐器２６、光増幅器２７、光サーキュレータ２８、送受信光学系２９、光合波器３１、バランスドレシーバ３２、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）３３及び信号処理部３４を備えている。
【００１６】
光スイッチ２３は、信号処理部３４から供給される切替制御信号ＳＷに応じて、光導波路Ｇ１から入力されたオフ波長λｏｆｆのレーザ光と、光導波路Ｇ２から入力されたオン波長λｏｎのレーザ光との間を切り替えて光分岐器２４に出力する。光分岐器２４は、光スイッチ２３から入力されたＣＷレーザ光を２つの分岐レーザ光に分割し、一方の分岐レーザ光を光導波路Ｇ３に出力し、他方の分岐レーザ光を光導波路Ｇ４に出力する。
【００１７】
光変調器２５は、光導波路Ｇ３から入力された分岐レーザ光を周波数シフトし、次に、その周波数シフトされた分岐レーザ光にパルス変調を施して一連のレーザ光パルスを生成して出力する。レーザ光パルスのパルス幅は、たとえば、数百ナノ秒から数千ナノ秒の範囲内となるように制御される。このような光変調器２５は、たとえば、音響光学変調素子（ＡＯＭ：Ａｃｏｕｓｔｏ−Ｏｐｔｉｃ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を用いて構成可能であるが、これに限定されるものではない。
【００１８】
光分岐器２６は、光変調器２５から出力されたレーザ光パルスを２分割して光導波路Ｇ５，Ｇ６に出力する。光導波路Ｇ５に出力されたレーザ光パルスは、波長制御器１０に入力される。一方、光導波路Ｇ６に出力されたレーザ光パルスは、光増幅器２７で増幅された後に、送受信光分離部をなす光サーキュレータ２８を介して送受信光学系２９に供給される。光増幅器２７は、たとえば、ＥＤＦＡ（Ｅｒｂｉｕｍ  Ｄｏｐｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）などの光ファイバ増幅器を用いて構成可能である。送受信光学系２９は、光サーキュレータ２８から光導波路Ｇ７を介して入力されたレーザ光パルスを、所定の光強度、ビームサイズ及びビーム形状を有するように成形して外部空間内のターゲットに照射する。送受信光学系２９は、たとえば光学望遠鏡により構成可能である。
【００１９】
ターゲットで反射した散乱光は、送受信光学系２９で受信される。光サーキュレータ２８は、送受信光学系２９から入力された受信光を光導波路Ｇ８に出力する。光合波器３１は、光導波路Ｇ４から入力されたＣＷレーザ光と、光導波路Ｇ８から入力された受信光とを合波して合波光信号を生成し、この合波光信号をバランスドレシーバ３２に出力する。
【００２０】
バランスドレシーバ３２は、光ヘテロダイン検波器で構成されている。バランスドレシーバ３２は、光合波器３１から入力された合波光信号をヘテロダイン検波し、その検波結果を示すアナログ電気信号をＡ／Ｄ変換器３３に供給する。Ａ／Ｄ変換器３３は、入力されたアナログ電気信号をディジタル信号に変換し、信号処理部３４に供給する。
【００２１】
信号処理部３４は、オン波長λｏｎのレーザ光パルスのターゲットへの照射に応じて入力されたディジタル信号と、オフ波長λｏｆｆのレーザ光パルスのターゲットへの照射に応じて入力されたディジタル信号とに基づいて、当該ターゲットの濃度を算出することができる。濃度算出には、ＤＩＡＬ（ＤＩｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  Ｌｉｄａｒ）による公知の濃度測定アルゴリズムを使用すればよい。また、信号処理部３４は、光スイッチ２３に対して切替制御信号ＳＷを供給する制御機能をも有している。
【００２２】
次に、波長制御器１０の構成について説明する。図１に示されるように、波長制御器１０は、強度変調器１１、光結合器１２、光吸収セル１３、光分岐器１４、光検出器１５及び信号処理部１６を含んで構成されている。図３は、図１に示した信号処理部１６の概略構成を示す機能ブロック図である。
【００２３】
強度変調器１１は、光導波路Ｇ５から入力された一連のレーザ光パルスを短パルス化（すなわち、レーザ光パルスのパルス幅を短く）する機能を有する。図４は、強度変調器１１に入力されるレーザ光パルスの波形の例を示す図である。図４は、パルス周期Ｔ及びパルス幅Δτ０を有するレーザ光パルスの波形を概略的に示す図である。図５は、図４に示したレーザ光パルスを短パルス化して得られたレーザ光パルスの波形の例を示す図である。図５に示されるレーザ光パルスは、パルス周期Ｔと、パルス幅Δτ０よりも短いパルス幅Δτとを有している。強度変調器１１は、たとえば、数百ナノ秒から数千ナノ秒の範囲内のパルス幅Δτ０を有するレーザ光パルスを、数ナノ秒程度のパルス幅Δτを有するレーザ光パルスに変換することができる。強度変調器１１は、たとえば公知のＬＮ強度変調器を用いて構成可能である。
【００２４】
図３を参照すると、光吸収セル１３は、強度変調器１１から光結合器１２を介して一連のレーザ光パルスが入力される光入力端と、当該光吸収セル１３の内部を透過した透過光パルスを出力する光出力端とを有する。光吸収セル１３は、それら光入力端と光出力端との間に、主にターゲットと同種の気体分子からなる光吸収媒体が封入された領域を有する。この光吸収セル１３に入力されたレーザ光パルスは、光吸収媒体内を伝搬する過程で減衰する。
【００２５】
光分岐器１４は、光吸収セル１３の光出射端から入力された透過光パルスを２つの分岐光パルスに分割する。一方の分岐光パルス（第１の分岐光パルス）は光導波路Ｇ１１に出力され、他方の分岐光パルス（第２の分岐光パルス）は光導波路Ｇ１２に出力される。この光導波路Ｇ１２は、光分岐器１４の光出力端と光結合器１２の光入力端との間を接続するように配置されている。光結合器１２は、光導波路Ｇ１２の光出力端を光吸収セル１３の光入力端と光学的に結合する光学部材である。よって、図３に示されるように、光結合器１２、光吸収セル１３、光分岐器１４及び光導波路Ｇ１２によって、ループ光路が構成される。
【００２６】
１個のレーザ光パルスがそのループ光路を１回循環する度に、光分岐器１４は１個の分岐光パルスを出力する。仮に１個のレーザ光パルスが最後まで消滅せずにそのループ光路を１０００回循環することができたとすれば、光分岐器１４は、時間の経過とともに次第に強度が減衰する１０００個の分岐光パルスを連続的に出力することとなる。
【００２７】
光検出器１５は、光導波路Ｇ１１から入力された分岐光パルスをアナログ電気信号（以下「検出信号」という。）ＤＳに変換し、この検出信号ＤＳを信号処理部１６に出力する。ここで、パルス周期Ｔ（図５）は、当該パルス周期Ｔ内に、１個のレーザ光パルスがループ光路を複数回循環して十分に減衰することができる時間長に設定されている。よって、検出信号ＤＳは、パルス周期Ｔごとに、時間の経過とともに減衰する減衰波形を示すものとなる。
【００２８】
信号処理部１６は、制御対象であるオン波長λｏｎに対応する検出信号ＤＳが入力されたときに動作する。信号処理部１６は、図３に示されるように、検出信号ＤＳの減衰波形をサンプリングして当該サンプリングされた減衰波形を基にレーザ光パルスの現在の波長を推定する波長推定部４０と、当該推定された現在の波長と目標波長Λｏｎとの間の差分を低減させるフィードバック制御信号を生成する制御信号生成部４６と、このフィードバック制御信号を、アナログ信号である波長制御信号ＣＴＲに変換するＤ／Ａ変換器（ＤＡＣ）４７とを含んで構成されている。波長推定部４０は、Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）４１、積算処理部４２、正規化部４３、フィッティング部４４及び波長演算部４５を含む。
【００２９】
Ａ／Ｄ変換器４１は、検出信号ＤＳを所定の時間分解能でディジタル信号に変換するサンプリング回路である。図６Ａ及び図６Ｂは、検出信号ＤＳの減衰波形の例を概略的に示すグラフである。これらのグラフにおいて、縦軸は、検出信号ＤＳの強度を示し、横軸は、パルス周期Ｔごとにカウントされる時間τを示している。図６Ａに示される減衰波形は、時間の経過とともに強度が減衰する多数のパルス波形の集合体である。図６Ａの例では、Ａ／Ｄ変換器４１の時間分解能が高いので、個々のパルス波形の形状を識別することができる。一方、図６Ｂは、図６Ａの場合よりも、Ａ／Ｄ変換器４１の時間分解能が低い場合の減衰波形を示すグラフである。図６Ｂの例では、その時間分解能が低いため、個々のパルス波形を識別することができない。
【００３０】
図３を参照すると、積算処理部４２は、Ａ／Ｄ変換器４１でサンプリングされた複数の減衰波形を積算して積算波形を生成する機能を有する。Ａ／Ｄ変換器４１は、パルス周期Ｔごとに１つの減衰波形を出力する。積算処理部４２は、複数のパルス周期を通じて連続的に入力された複数の減衰波形を積算することにより積算波形のデータを生成することができる。正規化部４３は、この積算波形を当該積算波形の最大値で正規化することで正規化波形のデータを生成する。
【００３１】
そして、フィッティング部４４は、その正規化波形を予め用意された減衰関数でフィッティングすることにより減衰曲線を算出する。フィッティングは、公知の最小自乗法を用いて実行することが可能である。光強度の減衰には、光分岐器１４を構成する光カプラの挿入損失、光分岐器１４の分岐比、光吸収セル１３内の光吸収媒体の光の吸収係数、その光吸収媒体のモル濃度、及び、光吸収セル１３内の光の伝搬長といった種々のパラメータが影響を与えるので、これらパラメータを考慮してフィッティングに適した減衰関数が決定されればよい。ランベルト・ベール（Ｌａｍｂｅｒｔ−Ｂｅｅｒ）の法則によれば、或る波長の光が気体分子の中を通過するとき、その光の強度は指数関数的に減衰することが知られているので、フィッティングに使用される減衰関数として減衰型の指数関数を使用することができる。ただし、本発明は、減衰型の指数関数に限定されるものではない。差分吸収ライダ装置１の想定される使用環境に応じて、多項式関数などの他の種類の減衰関数が使用されてもよい。減衰関数は、予め実験または計算機シミュレーションを実行することにより決定することが可能である。
【００３２】
図７は、フィッティング部４４で得られた減衰曲線の３つの例を示すグラフである。このグラフにおいて、縦軸は、減衰曲線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の強度（正規化強度）を示し、横軸は、パルス周期単位でカウントされる時間τを示している。正規化強度の最大値は「１」である。図７に示されるように、減衰曲線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、τ＝０を始点として時間の経過とともに指数関数的に減衰している。光吸収量が多くなるほど、減衰曲線の減衰速度が大きくなる。よって、減衰曲線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３に対応する３つの波長のうち、最も光吸収量の多い波長は、減衰曲線Ｄ１に対応する波長である。たとえば、基準値１／ｅ（ｅ：自然対数の底）に対応する減衰曲線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の観測時間τ１，τ２，τ３に着目すると、光吸収量が多くなるほど、観測時間はτ＝０の時点に近づいていくことが分かる。図８は、オン波長λｏｎとオフ波長λｏｆｆとにそれぞれ対応する減衰曲線Ｄｏｎ，Ｄｏｆｆの例を示すグラフである。図８に示されるように、基準値１／ｅに対応する減衰曲線Ｄｏｎ，Ｄｏｆｆの観測時間τｏｎ，τｏｆｆに着目すると、観測時間τｏｎは、観測時間τｏｆｆよりもτ＝０の時点に近いことが分かる。また、減衰曲線Ｄｏｎの減衰速度は、減衰曲線Ｄｏｆｆの減衰速度よりも大きい。
【００３３】
次に、図３に示される波長演算部４５は、予め用意された変換テーブルを参照しまたは変換関数を用いて、フィッティング部４４で得られた減衰曲線の特性値に対応する波長を判定し、レーザ光パルスの現在の波長をその判定された波長と推定する。ここで、変換テーブルは、減衰曲線の特性値と波長との間の対応関係を定めるルックアップテーブルである。変換関数は、減衰関数の特性値が入力値として与えられたときに当該入力値に対応する波長を算出するものである。図９は、３種類の減衰曲線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の特性値を説明するためのグラフである。図９に示される判定時間τｐは、強度変調器１１から出力された１個のレーザ光パルスがループ光路内を所定回数以上循環することができるように予め設定された時間である。波長演算部４５は、その判定時間τｐにおける減衰曲線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３の正規化強度値Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３を特性値として利用することができる。波長演算部４５は、予め用意された変換テーブルまたは変換関数を用いて、特性値に対応する波長を取得することが可能である。
【００３４】
制御信号生成部４６は、波長演算部４５で判定された現在の波長と目標波長Λｏｎとの間の差分を低減させるフィードバック制御信号を生成する。図９の例では、減衰曲線Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３にそれぞれ対応する３つの波長のうち最も目標波長Λｏｎに近い波長は、減衰曲線Ｄ１に対応する波長である。
【００３５】
ところで、積算処理部４２で生成された積算波形の一部が飽和することがある。この場合、仮に、正規化部４３が当該積算波形の飽和した部分の強度最大値を用いて積算波形を正規化したとしても、フィッティングに適した正規化波形を得ることが難しい。このため、積算波形の一部が飽和する場合には、正規化部４３は、飽和領域を避けた時間τＮにおける強度値を用いて正規化波形を生成することが望ましい。図１０は、飽和領域を避けた時間τＮにおける強度値を用いて生成された正規化波形の一例を示す図である。この場合、波長演算部４５は、図１１に示されるように、時間τＮよりも後の時間を判定時間τｐとして利用する。これにより、積算波形の一部が飽和したとしても、レーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することができる。
【００３６】
このような信号処理部１６のハードウェア構成は、たとえば、ワークステーションまたはメインフレームなどのＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）内蔵のコンピュータ構成を有する情報処理装置により実現可能である。あるいは、上記信号処理部１６のハードウェア構成は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）またはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）などのＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）を有する情報処理装置により実現されてもよい。
【００３７】
次に、実施の形態１における波長制御器１０の変形例について説明する。図１２は、波長制御器１０の第１変形例の構成の一部を概略的に示す図である。この第１変形例は、光結合器１２よりも前段に配置された光増幅器５１を有しており、この光増幅器５１は、強度変調器１１と光結合器１２との間に設けられている。
【００３８】
光増幅器５１は、光吸収セル１３に入力すべきレーザ光パルスの強度を大きくするので、光増幅器５１が無い場合と比べると、レーザ光パルスが消滅せずにループ光路内を循環することができる回数が多くなる。この結果、光増幅器５１が無い場合と比べると、正規化波形の減衰速度が小さくなり、その正規化波形がτ＝０の時点からほぼ零強度付近に減衰するまでの期間（以下「減衰期間」という。）が長くなる。よって、正規化部４３は、よりフィッティングに適した正規化波形を生成することができる。これにより、波長演算部４５は、光増幅器５１が無い場合よりも、レーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することが可能である。光増幅器５１としては、ＥＤＦＡなどの光ファイバ増幅器または半導体光増幅器（ＳＯＡ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を使用すればよい。
【００３９】
また、図１３は、実施の形態１における波長制御器１０の第２変形例の構成の一部を概略的に示す図である。この第２変形例では、光結合器１２の入力端と光分岐器１４の出力端との間を接続する光導波路内に光増幅器５２が設けられている。すなわち、光増幅器５２の光入力端は、光導波路Ｇ１２ａを介して光分岐器１４の光出力端と接続され、光増幅器５２の光出力端は、光導波路Ｇ１２ｂを介して光結合器１２の光入力端と接続されている。
【００４０】
光増幅器５２は、ループ光路内を循環するレーザ光パルスの強度を大きくするので、光増幅器５２が無い場合と比べると、レーザ光パルスが消滅せずにループ光路内を循環することができる回数が多くなる。この結果、光増幅器５２が無い場合と比べると、正規化波形の減衰速度が小さくなり、その正規化波形の減衰期間が長くなる。よって、正規化部４３は、よりフィッティングに適した正規化波形を生成することができる。これにより、波長演算部４５は、光増幅器５２が無い場合よりも、レーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することが可能である。光増幅器５２としては、ＥＤＦＡなどの光ファイバ増幅器または半導体光増幅器を使用すればよい。
【００４１】
以上に説明したように実施の形態１の波長制御器１０は、光吸収セル１３における光吸収媒体の吸収係数が小さい場合でも、ループ光路内のレーザ光パルスの循環により生成された減衰波形に基づいてレーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することができる。したがって、高い精度で安定した波長ロックを実現することができる。
【００４２】
実施の形態２．
次に、本発明に係る実施の形態２の差分吸収ライダ装置１Ａについて説明する。図１４は、この差分吸収ライダ装置１Ａの概略構成を示す図である。図１４に示されるように、この差分吸収ライダ装置１Ａは、上記実施の形態１の波長制御器１０と同一構成を有する波長制御器１０と、差分吸収ライダ部２０Ａとを備えている。
【００４３】
本実施の形態の差分吸収ライダ部２０Ａの構成は、光分岐器２６及び光増幅器２７の配置が異なる点を除いて、上記実施の形態１の差分吸収ライダ部２０の構成と同じである。すなわち、本実施の形態の差分吸収ライダ部２０Ａでは、光増幅器２７は、光変調器２５と光分岐器２６との間に介在している。光分岐器２６は、光増幅器２７から出力されたレーザ光パルスを２分割して光導波路Ｇ５，Ｇ６ａに出力する。光導波路Ｇ５に出力されたレーザ光パルスは、波長制御器１０に入力される。一方、光導波路Ｇ６ａに出力されたレーザ光パルスは、光サーキュレータ２８を介して送受信光学系２９に供給される。
【００４４】
光増幅器２７は、波長制御器１０に入力されるレーザ光パルスの強度を大きくする。このため、光増幅器２７が無い場合と比べると、波長制御器１０のループ光路内をレーザ光パルスが消滅せずに循環することができる回数が多くなる。この結果、光増幅器２７が無い場合と比べると、正規化部４３（図３）で生成される正規化波形の減衰速度が小さくなり、その正規化波形の減衰期間が長くなる。よって、正規化部４３は、よりフィッティングに適した正規化波形を生成することができる。これにより、波長演算部４５は、光増幅器５２が無い場合よりも、レーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することが可能である。
【００４５】
なお、実施の形態１と同様に、実施の形態２でも、図１２及び図１３に示した光増幅器５１，５２のうちの一方または双方を有するように波長制御器１０の構成が変形されてよい。
【００４６】
実施の形態３．
次に、本発明に係る実施の形態３について説明する。図１５は、実施の形態３の差分吸収ライダ装置１Ｂの概略構成を示す図である。この差分吸収ライダ装置１Ｂは、実施の形態１の差分吸収ライダ部２０と同一構成の差分吸収ライダ部２０と、波長制御器１０Ｂとを備えている。この波長制御器１０Ｂの構成は、実施の形態１の信号処理部１６に代えて図１５の信号処理部１６Ｂを有する点を除いて、実施の形態１の波長制御器１０の構成と同じである。また、信号処理部１６Ｂの構成は、実施の形態１の波長推定部４０に代えて図１５の波長推定部４０Ｂを有する点を除いて、実施の形態１の信号処理部１６の構成と同じである。更に、波長推定部４０Ｂの構成は、実施の形態１のフィッティング部４４及び波長演算部４５に代えて図１５の減衰強度検出部４４Ｂ及び波長演算部４５Ｂを有する点を除いて、上記実施の形態１の波長推定部４０の構成と同じである。
【００４７】
上述のとおり、正規化部４３は、積算処理部４２で生成された積算波形を当該積算波形の最大値で正規化することで正規化波形のデータを生成する。本実施の形態の減衰強度検出部４４Ｂは、この正規化波形の減衰期間内の所定観測時間（たとえば当該正規化波形の最大値に対応する時間よりも後の判定時間τｐ）における当該正規化波形の強度値を減衰強度として検出する。光吸収セル１３を含むループ光路での光吸収量が多いほど、正規化波形の減衰速度が大きくなり、減衰強度が小さくなる。波長演算部４５Ｂは、予め用意された変換テーブルを参照しまたは変換関数を用いて、その減衰強度に対応する波長を取得し、レーザ光パルスの現在の波長を当該取得された波長と推定することができる。ここで、変換テーブルは、減衰強度と波長との間の対応関係を定めるルックアップテーブルである。変換関数は、減衰強度が入力値として与えられたときに当該入力値に対応する波長を算出するものである。制御信号生成部４６は、波長演算部４５Ｂで推定された現在の波長と目標波長Λｏｎとの間の差分を低減させるフィードバック制御信号を生成する。
【００４８】
以上に説明したように実施の形態３の波長制御器１０Ｂは、光吸収セル１３における光吸収媒体の吸収係数が小さい場合でも、正規化部４３で生成された正規化波形の減衰強度に基づいてレーザ光パルスの現在の波長を高い精度で推定することができる。したがって、高い精度で安定した波長ロックを実現することができる。
【００４９】
なお、実施の形態３の差分吸収ライダ部２０に代えて、上記実施の形態２の差分吸収ライダ部２０Ａが使用されてもよい。また、実施の形態１と同様に、実施の形態３でも、図１２及び図１３に示した光増幅器５１，５２のうちの一方または双方を有するように波長制御器１０Ｂの構成が変形されてよい。
【００５０】
以上、図面を参照して本発明に係る種々の実施の形態について述べたが、これら実施の形態は本発明の例示であり、これら実施の形態以外の様々な形態を採用することもできる。たとえば、上記光導波路Ｇ１〜Ｇ８，Ｇ１０〜Ｇ１２，Ｇ１２ａ，Ｇ１２ｂ，Ｇ６ａは、光ケーブルで構成することができるが、これに限定されるものではない。
【００５１】
また、上記実施の形態１，２，３は、第２レーザ光源２１Ｂの出力波長λｏｎのみをロックする構成を有しているが、これに限定されるものではない。たとえば、オン波長λｏｎのレーザ光パルスが光導波路Ｇ５に入力される期間内に第２レーザ光源２１Ｂの出力波長λｏｎをロックし、オフ波長λｏｆｆのレーザ光パルスが光導波路Ｇ５に入力される期間内に第１レーザ光源２１Ａの出力波長λｏｆｆをロックするように上記実施の形態１，２，３の構成が変形されてもよい。
【００５２】
なお、本発明はその発明の範囲内において、上記実施の形態１，２，３の自由な組み合わせ、各実施の形態の任意の構成要素の変形、または各実施の形態の任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００５３】
Ｇ１〜Ｇ８，Ｇ１０〜Ｇ１２，Ｇ６ａ，Ｇ１２ａ，Ｇ１２ｂ  光導波路、１，１Ａ, １Ｂ  差分吸収ライダ装置、１０，１０Ｂ  波長制御器、１１  強度変調器、１２  光結合器、１３  光吸収セル、１４  光分岐器、１５  光検出器、１６  信号処理部、２０，２０Ａ  差分吸収ライダ部、２１Ａ  第１レーザ光源、２１Ｂ  第２レーザ光源、２２Ａ，２２Ｂ  光源駆動部、２３  光スイッチ、２４  光分岐器、２５  光変調器、２６  光分岐器、２７  光増幅器、２８  光サーキュレータ、２９  送受信光学系、３１  光合波器、３２  バランスドレシーバ、３３  Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）、３４  信号処理部、４０，４０Ｂ  波長推定部、４１  Ａ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）、４２  積算処理部、４３  正規化部、４４  フィッティング部、４５，４５Ｂ  波長演算部、４６  制御信号生成部、４７  Ｄ／Ａ変換器（ＤＡＣ）、５１，５２  光増幅器。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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