JP2006266796A - 光ヘテロダイン干渉装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 位相検出の感度を改善するとともに、装置の経済化を図った光ヘテロダイン干渉装置を提供する。
【解決手段】 入射光を２つに分岐して周波数の異なる２つの光を出射する光分岐手段１４及び異なる光路を通って入射される上記２つの光を合波して干渉光を出射する光カプラ６を有するマッハツェンダ型干渉計３０と、干渉光をヘテロダイン検波する受光器８と、その検波信号の位相検出を行う同期検波器１５とを備えた光ヘテロダイン干渉装置において、光分岐手段１４は、周波数ｆ_１の超音波を発生させる超音波発生器１４ｂと、周波数ｆ_２の超音波を発生させる超音波発生器１４ｃと、周波数ｆ_１の超音波で駆動される音響光学周波数シフタ（ＡＯＦＳ）１４ｄと、周波数ｆ_２の超音波で駆動されるＡＯＦＳ１４ｅとを有し、出射する上記２つの光の周波数差がこの２つの超音波の周波数差と同一になるようにし、かつ、同期検波器１５がロックインアンプで構成される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、干渉計から出射される干渉光の位相から例えば被測定物の位相特性を測定する光ヘテロダイン干渉装置に関し、特にマッハツェンダ型干渉計内に音響光学周波数シフタ（ＡＯＦＳ： Acousto-Optic Frequency Shifter ）を配置して、分岐した２つの光にヘテロダイン検波のための周波数差を与えるようにした光ヘテロダイン干渉装置に関する。

従来、マッハツェンダ型干渉計内にＡＯＦＳを配置して、分岐した２つの光にヘテロダイン検波のための周波数差を与えるようにした光ヘテロダイン干渉装置として、マッハツェンダ型干渉計がその光路に光ファイバを用いて構成される光ファイバ干渉計で、被測定物の位相特性から波長分散を測定するものがあった。（例えば、非特許文献1参照）

この種の光ヘテロダイン干渉装置の概略構成を図４に示す。波長可変光源１は、例えば波長可変レーザであり、制御手段１３から出力される制御信号ａに基づいて所定の周波数範囲の測定光を順次発振して光カプラ３へ出射する。また、光源２は、例えばレーザであり、波長可変光源１の発振周波数とは異なる固定周波数の参照光を発振して光カプラ３へ出射する。光カプラ３は、上記測定光及び参照光を合波して波長多重し、その波長多重光をＡＯＦＳ４ｂへ出射する。

ＡＯＦＳ４ｂは、超音波発生器４ａから入力される周波数ｆ_１の超音波によって駆動され、光カプラ３から入射される波長多重光を２つの光に分岐するとともに、その分岐した２つの光にヘテロダイン検波のための周波数差（ビート信号の周波数となる）を与えて出射する。すなわち、ＡＯＦＳ４ｂは、光カプラ３からの波長多重光を２つの光に分岐して、一方は０次の回折に基づく第１経路の光として被測定物１０を介して光カプラ６へ出射し、また他方は超音波の周波数ｆ_１分だけ周波数シフトした＋１次の回折に基づく第２経路の光として遅延器５へ出射する。周波数関係を具体的に示すと、入射される波長多重光の周波数をν（波長可変光源１の発振周波数）及びν_０（参照光の固定周波数）とすると、第１経路の光の周波数はν及びν_０、第２経路の光の周波数はν＋ｆ_１及びν_０＋ｆ_１となる。そして、それらが光カプラ６で合波された後にヘテロダイン検波されるとビート信号の周波数ｆ_１の電気信号が出力される。

遅延器５は、例えば光ファイバ遅延線で構成され、マッハツェンダ型干渉計の２つのアームで光路長をできる限り合わせるために、第２経路の光を、第１経路の光が被測定物１０によって遅延される時間にほぼ等しい時間分遅延させて光カプラ６へ出射する。光カプラ６は、被測定物１０を介して入射される第１経路の光と遅延器５を介して入射される第２経路の光とを合波して、測定光に基づく干渉光と参照光に基づく干渉光とを光分波器７へ出射する。

なお、超音波発生器４ａ及びＡＯＦＳ４ｂは光分岐手段４を構成し、そしてこの光分岐手段４、被測定物１０、遅延器５及び光カプラ６はマッハツェンダ型干渉計２０を構成している。したがって、光分岐手段４は、入射光を２つに分岐して別々の光路を通してから結合（干渉）させるマッハツェンダ型干渉計における、入射光を２つに分岐する手段であり、また光カプラ６は、別々の光路を通してから結合（干渉）させる手段である。マッハツェンダ型干渉計２０は、自身がその光路に光ファイバを含んで構成される光ファイバ干渉計であったり、又はその光路長を合わせる遅延器５が光ファイバ遅延線であったりする場合、温度変化や振動などに起因した光ファイバの揺らぎによる位相変動を生じやすい。それを改善するために、測定光と参照光とを波長多重して同時にマッハツェンダ型干渉計２０へ入射して、測定光における位相変動を参照光における位相変動で相殺している。

光分波器７は、光カプラ６から入射される測定光と参照光とが波長多重してなる波長多重光の干渉光を受けて、それぞれの周波数（波長）に分波し、測定光の干渉光を受光器（ＰＤ）８に、参照光の干渉光を受光器（ＰＤ）９に出射する。受光器８は、光分波器７から入射される測定光の干渉光を受けてヘテロダイン検波し上述の第１経路の光のうちの周波数νの光及び第２経路の光のうちの周波数ν＋ｆ_１の光との周波数差（ｆ_１）のビート信号を第１の電気信号に変換する。また、受光器９は、光分波器７から入射される参照光の干渉光を受けてヘテロダイン検波し上述の第１経路の光のうちの周波数ν_０の光及び第２経路の光のうちの周波数ν_０＋ｆ_１の光の周波数差（ｆ_１）のビート信号を第２の電気信号に変換する。同期検波器であるＲＦロックインアンプ１１は、上記第２の電気信号を同期信号ｂとして受け、この同期信号ｂに基づいて上記第１の電気信号の位相検出を行う。処理手段１２は、制御手段１３から入力される制御信号ａをトリガにして、ＲＦロックインアンプ１１から入力される位相信号のデータ処理を行い被測定物の位相特性から波長分散を求める。制御手段１３は、測定光の周波数を可変制御するための制御信号ａを発生して波長可変光源１及び処理手段１２に出力する。

第51回応物連合会「二波長ヘテロダインファイバー干渉計による波長分散評価」28p-R-12（2004.3）：小川憲介、ティ ティ レイ（DNRI）

しかしながら、このような従来の光ヘテロダイン干渉装置では、マッハツェンダ型干渉計２０の光分岐手段４を、超音波発生器４ａからＡＯＦＳ４ｂに入力される超音波の周波数ｆ_１がヘテロダイン検波される周波数（ビート信号の周波数）と等しくなるように構成しているために、ヘテロダイン検波される周波数を超音波の周波数より低くすることができない。その結果、ヘテロダイン検波されたビート信号の電気信号から位相検出を行う同期検波器として、超音波の周波数とほぼ同じ周波数帯域（数１０〜数１００ＭＨｚ）のＲＦロックインアンプを用いざるを得ず、ＲＦロックインアンプに比べ感度が約６０ｄＢ良く、かつ経済的な、約１００ＫＨｚ以下で動作する通常のロックインアンプが使用できないという問題があった。換言すると、ビート信号の周波数を通常のロックインアンプが使用できる約１００ＫＨｚ以下にすることができれば、同期検波器にＲＦロックインアンプを用いずに済むために、同期検波器での位相検出の感度を約６０ｄＢ改善でき、また同期検波器の経済化が図れるともに、ビート信号の周波数が低いために受光器等の経済化も図れることとなる。また、位相検出に位相敏感検出器（ＰＳＤ：Phase Sensitive Detector）を用いた場合においても、周波数が２ＭＨｚ以下であれば小型のものが使用できる。

本発明は、これらの課題を解決し、位相検出の感度を改善するとともに、装置の経済化を図った光ヘテロダイン干渉装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光ヘテロダイン干渉装置では、入射光である周波数可変の測定光を受けて、２つに分岐するとともに互いに周波数の異なる第１経路の光及び第２経路の光として出射する光分岐手段（１４）並びに被測定物を介して入射される前記第１経路の光と前記被測定物を介さないで入射される前記第２経路の光とを合波して干渉光を出射する光結合手段（６）を有するマッハツェンダ型干渉計（３０）と、
前記干渉光を受けてヘテロダイン検波し前記第１経路の光と前記第２経路の光の周波数差のビート信号を電気信号に変換する受光器（８）と、前記ビート信号の周波数とほぼ同じ周波数の同期信号に基づいて前記電気信号の位相検出を行う同期検波器（１５）と、前記測定光の瞬時周波数に対応する、前記同期検波器から出力される位相信号のデータ処理を行って前記被測定物の光周波数−位相特性を求める処理手段（１２）とを備えた光ヘテロダイン干渉装置において、前記光分岐手段は、周波数ｆ_１の第1の超音波を発生させる第１の超音波発生器（１４ｂ）と、周波数ｆ_２の第２の超音波を発生させる第２の超音波発生器（１４ｃ）と、前記第1の超音波で駆動される第1の音響光学周波数シフタ（１４ｄ）と、前記第２の超音波で駆動される第２の音響光学周波数シフタ（１４ｅ）とを有し、前記第１経路の光と前記第２経路の光との周波数差が前記第1の超音波と前記第２の超音波との周波数差と同一になるようにし、かつ、前記同期検波器がロックインアンプで構成されている。

また、本発明の請求項２の光ヘテロダイン干渉装置では、入射光である周波数可変の測定光を受けて、２つに分岐するとともに互いに周波数の異なる第１経路の光及び第２経路の光として出射する光分岐手段（１４）並びに被測定物を介して入射される前記第１経路の光と前記被測定物を介さないで入射される前記第２経路の光とを合波して干渉光を出射する光結合手段（６）を有するマッハツェンダ型干渉計（３０）と、前記干渉光を受けてヘテロダイン検波し前記第１経路の光と前記第２経路の光の周波数差のビート信号を電気信号に変換する受光器（８）と、前記ビート信号の周波数とほぼ同じ周波数の同期信号に基づいて前記電気信号の位相検出を行う同期検波器（１５）と、前記測定光の瞬時周波数に対応する、前記同期検波器から出力される位相信号のデータ処理を行って前記被測定物の光周波数−位相特性を求める処理手段（１２）とを備えた光ヘテロダイン干渉装置において、前記光分岐手段は、高周波交流信号と低周波交流信号との間で振幅変調を行うことにより、前記高周波交流信号の周波数を中心周波数とし、前記低周波交流信号の周波数分シフトしたサイドバンド周波数成分でなる第１の超音波と第２の超音波を発生させる第３の超音波発生器（１４ｇ）と、前記第１の超音波と前記第２の超音波で駆動される第３の音響光学周波数シフタ（１４ｆ）とを有し、前記第１経路の光と前記第２経路の光との周波数差が前記第１の超音波と前記第２の超音波との周波数差と同一になるようにし、かつ、前記同期検波器がロックインアンプで構成されている。

また、本発明の請求項３の光ヘテロダイン干渉装置では、上述した請求項１の光ヘテロダイン干渉装置において、前記光分岐手段は、更に、前記入射光である前記測定光を受けて２つに分岐し、一方の光を前記第１の音響光学周波数シフタに、他方の光を前記第２の音響光学周波数シフタにそれぞれ出射する第１の光カプラ（１４ａ）を有し、前記第１の音響光学周波数シフタは、前記第１の光カプラから入射される一方の光の周波数を前記第1の超音波の周波数ｆ_１分周波数シフトして前記第１経路の光として出射し、かつ、前記第２の音響光学周波数シフタは、前記第１の光カプラから入射される他方の光の周波数を前記第２の超音波の周波数ｆ_２分周波数シフトして前記第２経路の光として出射している。

また、本発明の請求項４の光ヘテロダイン干渉装置では、上述した請求項１〜３のいずれかの光ヘテロダイン干渉装置において、前記マッハツェンダ型干渉計は、更に、前記光分岐手段と前記光結合手段との間に設けられ、該光分岐手段から出射された前記第２経路の光が前記光結合手段に到達するまでの時間と、前記第１経路の光が前記被測定物を介して前記光結合手段に到達するまでの時間とがほぼ等しくなるように、前記第１経路の光又は前記第２経路の光を遅延させる遅延器（５）を備えている。

また、本発明の請求項５の光ヘテロダイン干渉装置では、上述した請求項１〜４のいずれかの光ヘテロダイン干渉装置において、更に、前記第１の超音波発生器から出力される前記第１の超音波と前記第２の超音波発生器から出力される前記第２の超音波とを受けて混合し、又は前記第３の超音波発生器から出力される前記第１の超音波と前記第２の超音波とを受けて混合し、該第１の超音波と該第２の超音波との差周波数の信号を発生して前記同期検波器に前記同期信号として出力するミキサ（１６）を備えている。

また、本発明の請求項６の光ヘテロダイン干渉装置では、周波数可変の測定光と当該測定光の出力周波数と異なる固定周波数の参照光とを波長多重してなる波長多重光を受けて、当該波長多重光を分岐するとともに、第１経路の光と第２経路の光とを出力する光分岐手段（１４）であって、当該第１経路の光及び当該第２経路の光はそれぞれ測定光に基づく測定光成分と参照光に基づく参照光成分とからなり、前記第１経路の光に含まれる測定光成分の周波数と前記第２経路の光に含まれる測定光成分の周波数とが異なるとともに、前記第１経路の光に含まれる参照光成分の周波数と前記第２経路の光に含まれる参照光成分の周波数とが同じだけ異なる光分岐手段（１４）並びに被測定物を経由する前記第１経路の光と前記被測定物を経由しない前記第２経路の光とを合波する光結合手段（６）を有するマッハツェンダ型干渉計（３０）と、前記測定光成分と前記参照光成分とを周波数分波する光分波器（７）と、該光分波器で分波された、前記第１経路の光の測定光成分と前記第２経路の光の測定光成分とからなる第１の干渉光を第１の電気信号に変換する第１の受光器（８）と、前記光分波器で分波された、前記第１経路の光の参照光成分と前記第２経路の光の参照光成分とからなる第２の干渉光を第２の電気信号に変換する第２の受光器（９）と、前記第２の電気信号を同期信号として前記第１の電気信号の位相検出を行う同期検波器（１５）と、前記測定光の出力周波数に対応した、前記同期検波器から出力される位相信号をデータ処理して、前記被測定物の光周波数−位相特性を求める処理手段（１２）とを備えた光ヘテロダイン干渉装置において、前記光分岐手段は、周波数ｆ_１の第１の超音波を発生させる第１の超音波発生器（１４ｂ）と、周波数ｆ_２の第２の超音波を発生させる第２の超音波発生器（１４ｃ）と、前記第１の超音波で駆動される第１の音響光学周波数シフタ（１４ｄ）と、前記第２の超音波で駆動される第２の音響光学周波数シフタ（１４ｅ）とを有し、前記第１経路の光の測定光成分と前記第２経路の光の測定光成分との周波数差、及び前記第１経路の光の参照光成分と前記第２経路の光の参照光成分との周波数差が、前記第１の超音波と前記第２の超音波との周波数差と同一になるようにし、かつ、前記同期検波器がロックインアンプで構成されている。

また、本発明の請求項７の光ヘテロダイン干渉装置では、上述した請求項６の光ヘテロダイン干渉装置において、前記マッハツェンダ型干渉計は、更に、前記光分岐手段と前記光結合手段との間に設けられ、該光分岐手段から出射された前記第２経路の光が前記光結合手段に到達するまでの各時間と、前記第１経路の光が前記被測定物を介して前記光結合手段に到達するまでの各時間とがほぼ等しくなるように、前記第１経路の光又は前記第２経路の光を遅延させる遅延器（５）を備えている。

また、本発明の請求項８の光ヘテロダイン干渉装置では、上述した請求項６又は７の光ヘテロダイン干渉装置において、前記マッハツェンダ型干渉計は、その光路中に光ファイバを含んで構成される光ファイバ干渉計であるようにしている。

また、本発明の請求項９の光ヘテロダイン干渉装置では、上述した請求項１〜５のいずれかの光ヘテロダイン干渉装置において、更に、所定の周波数範囲内で周波数可変の前記測定光を順次発振させ、前記光分岐手段へ前記入射光として出射する波長可変光源（１）と、該波長可変光源からの測定光の周波数を可変するための制御信号を当該波長可変光源に出力する制御手段（１３）とを備えている。

また、本発明の請求項１０の光ヘテロダイン干渉装置では、上述した請求項６〜８のいずれかの光ヘテロダイン干渉装置において、更に、所定の周波数範囲内で周波数可変の前記測定光を順次発振させる波長可変光源（１）と、該波長可変光源からの測定光の周波数を可変するための制御信号を当該波長可変光源に出力する制御手段（１３）と、前記測定光の周波数とは異なる固定周波数の前記参照光を発振させる光源（２）と、前記波長可変光源から出射される前記測定光と前記光源から出射される前記参照光とを受け合波することによって波長多重し、得られた前記波長多重光を前記光分岐手段へ前記入射光として出射する第２の光カプラ（３）とを備えている。

また、本発明の請求項１１の光ヘテロダイン干渉装置では、周波数可変の測定光と当該測定光の出力周波数と異なる固定周波数の参照光とを波長多重してなる波長多重光を受けて、当該波長多重光を分岐するとともに、第１経路の光と第２経路の光とを出力する光分岐手段（１４）であって、当該第１経路の光及び当該第２経路の光はそれぞれ測定光に基づく測定光成分と参照光に基づく参照光成分とからなり、前記第１経路の光に含まれる測定光成分の周波数と前記第２経路の光に含まれる測定光成分の周波数とが異なるとともに、前記第１経路の光に含まれる参照光成分の周波数と前記第２経路の光に含まれる参照光成分の周波数とが同じだけ異なる光分岐手段（１４）並びに被測定物を経由する前記第１経路の光と前記被測定物を経由しない前記第２経路の光とを合波する光結合手段（６）を有するマッハツェンダ型干渉計（３０）と、前記測定光成分と前記参照光成分とを周波数分波する光分波器（７）と、該光分波器で分波された、前記第１経路の光の測定光成分と前記第２経路の光の測定光成分とからなる第１の干渉光を第１の電気信号に変換する第１の受光器（８）と、前記光分波器で分波された前記第１経路の光の参照光成分と前記第２経路の光の参照光成分とからなる第２の干渉光を、前記測定光の出力周波数に対応した前記第１の電気信号の位相量を検出するための同期信号となる第２の電気信号に変換する第２の受光器（９）とを備えた光ヘテロダイン干渉装置において、前記光分岐手段は、周波数ｆ_１の第１の超音波を発生させる第１の超音波発生器（１４ｂ）と、周波数ｆ_２の第２の超音波を発生させる第２の超音波発生器（１４ｃ）と、前記第１の超音波で駆動される第１の音響光学周波数シフタ（１４ｄ）と、前記第２の超音波で駆動される第２の音響光学周波数シフタ（１４ｅ）とを有し、前記第１経路の光の測定光成分と前記第２経路の光の測定光成分との周波数差、及び前記第１経路の光の参照光成分と前記第２経路の光の参照光成分との周波数差が、前記第１の超音波と前記第２の超音波との周波数差と同一になるようにし、かつ、当該第１の超音波と第２の超音波との周波数差が２ＭＨｚ以下であるようにしている。

また、本発明の請求項１２の光ヘテロダイン干渉装置では、入射光である周波数可変の測定光を受けて、２つに分岐するとともに互いに周波数の異なる第１経路の光及び第２経路の光として出射する光分岐手段（１４）並びに被測定物を介して入射される前記第１経路の光と前記被測定物を介さないで入射される前記第２経路の光とを合波して干渉光を出射する光結合手段（６）を含むマッハツェンダ型干渉計（３０）と、前記干渉光を受けて、前記第１経路の光と前記第２経路の光との周波数差のビート信号とほぼ同じ周波数の同期信号に基づいて、前記測定光の出力周波数に対応する位相変化量が検出されるべき電気信号を出力する受光器（８）とを備えた光ヘテロダイン干渉装置において、前記光分岐手段は、周波数ｆ_１の第１の超音波を発生させる第１の超音波発生器（１４ｂ）と、周波数ｆ_２の第２の超音波を発生させる第２の超音波発生器（１４ｃ）と、前記第１の超音波で駆動される第１の音響光学周波数シフタ（１４ｄ）と、前記第２の超音波で駆動される第２の音響光学周波数シフタ（１４ｅ）とを有し、前記第１経路の光と前記第２経路の光との周波数差が、前記第１の超音波と前記第２の超音波との周波数差と同一になるようにし、かつ、当該第１の超音波と第２の超音波との周波数差が２ＭＨｚ以下であるようにしている。

本発明の請求項１及び２の光ヘテロダイン干渉装置では、光分岐手段はヘテロダイン検波される周波数を超音波の周波数より低くすることができる構成とし、かつ、同期検波器は約１００ＫＨｚ以下で動作する通常のロックインアンプを使用するようにしたので、従来の同期検波器にＲＦロックインアンプを用いなければならない場合に比べ、位相検出の感度を約６０ｄＢ改善でき、また同期検波器の経済化が図れるともに、ビート信号の周波数が低いために受光器等の経済化も図れる。

本発明の請求項３の光ヘテロダイン干渉装置では、光分岐手段は第１の音響光学周波数シフタと第２の音響光学周波数シフタとを並列に配置するようにしたので、この２つの音響光学周波数シフタで生じる位相特性（波長分散）をキャンセルすることができる。

本発明の請求項４及び７の光ヘテロダイン干渉装置では、遅延器によってマッハツェンダ型干渉計の２つの光路長を合わせるようにしたので、位相測定精度を上げることができる。

本発明の請求項６の光ヘテロダイン干渉装置では、光分岐手段はヘテロダイン検波される周波数を超音波の周波数より低くすることができる構成とし、かつ、同期検波器は約１００ＫＨｚ以下で動作する通常のロックインアンプを使用するようにしたので、従来の同期検波器にＲＦロックインアンプを用いなければならない場合に比べ、位相検出の感度を約６０ｄＢ改善でき、また同期検波器の経済化が図れるともに、ビート信号の周波数が低いために受光器等の経済化も図れる。また、測定光と参照光とを波長多重して同時にマッハツェンダ型干渉計へ入射して、干渉計の不安定性により生じる測定光における位相変動を参照光における位相変動で相殺するようにしたので、例えマッハツェンダ型干渉計がその光路中に光ファイバを含んで構成される光ファイバ干渉計であったとしても、その光ファイバの温度変化や振動などに起因して生じる揺らぎによる位相変動を改善することができる。

本発明の請求項８の光ヘテロダイン干渉装置では、マッハツェンダ型干渉計をその光路中に光ファイバを含んで構成される光ファイバ干渉計とするようにしたので、光路が空間で構成される干渉計を用いる場合に比べ装置の小型化、経済化が可能となる。

本発明の請求項１１及び１２の光ヘテロダイン干渉装置では、光分岐手段はヘテロダイン検波される周波数を超音波の周波数より低くすることができる構成とし、かつ、そのヘテロダイン検波される周波数を２ＭＨｚ以下であるようにしたので、同期検波器に位相敏感検出器（ＰＳＤ：Phase Sensitive Detector）を用いる場合においても小型のものが使用できる。

以下に本発明の実施形態を記載する。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態の光ヘテロダイン干渉装置の構成を図１に示す。従来の光ヘテロダイン干渉装置と同一要素には同一符号を付し詳細説明は省略する。波長可変光源１は、例えば波長可変レーザであり、制御手段１３から出力される制御信号ａに基づいて所定の周波数範囲（例えば波長で１５２５〜１６２０ｎｍ）の測定光（周波数ν）を順次発振して光カプラ３へ出射する。また、光源２は、例えばレーザであり、波長可変光源１の発振周波数とは異なる固定周波数（例えば波長で１６２５ｎｍ）の参照光（周波数ν_０）を発振して光カプラ３へ出射する。光カプラ３は、上記測定光及び参照光を合波して波長多重し、その波長多重光をマッハツェンダ型干渉計３０の光分岐手段１４へ出射する。

光分岐手段１４は、光カプラ１４ａ、周波数ｆ_１の超音波を発生する超音波発生器１４ｂ、この周波数ｆ_１の超音波によって駆動されるＡＯＦＳ１４ｄ、周波数ｆ_２の超音波を発生する超音波発生器１４ｃ、及びこの周波数ｆ_２の超音波によって駆動されるＡＯＦＳ１４ｅで構成されており、光カプラ３から入射される波長多重光を２つの光に分岐するとともに、その分岐した２つの光にヘテロダイン検波のための周波数差（ビート信号の周波数となる）を与えて、それぞれ第１経路の光、第２経路の光として出射する。すなわち、光カプラ１４ａは、光カプラ３からの波長多重光を２つの光に分岐して、一方をＡＯＦＳ１４ｄに、他方をＡＯＦＳ１４ｅにそれぞれ出射する。ＡＯＦＳ１４ｄは、上記一方を超音波の周波数ｆ_１分周波数シフトさせてなる第１経路の光を、被測定物１０を介して光カプラ６へ出射する。また、ＡＯＦＳ１４ｅは、上記他方を超音波の周波数ｆ_２分周波数シフトさせてなる第２経路の光を遅延器５へ出射する。なお、第１経路の光及び第２経路の光は、それぞれ測定光からなる成分(測定光成分)と参照光からなる成分(参照光成分)とからなる。この第１実施形態では、第１経路の光のうちの測定光成分、参照光成分の周波数は、それぞれν＋ｆ_１、ν_０＋ｆ_１であり、第２経路の光のうちの測定光成分、参照光成分の周波数は、それぞれν＋ｆ_２、ν_０＋ｆ_２である。このように構成された光分岐手段１４は、ＡＯＦＳ１４ｄ及びＡＯＦＳ１４ｅを並列に配列しているので、この２つのＡＯＦＳ１４ｄ、１４ｅで生じる位相特性（波長分散）をキャンセルすることができる。

具体的な超音波の周波数の例としては、超音波の周波数ｆ_１は８０．０５ＭＨｚ、超音波の周波数ｆ_２は８０ＭＨｚである。そして、これらの超音波の周波数に基づく第１経路の光及び第２経路の光が光カプラ６で合波された後にヘテロダイン検波されると、周波数ｆ_１−ｆ_２（＝０．０５ＭＨｚ）の第１の電気信号（測定光成分の場合）が出力される。すなわち、第１経路の光及び第２経路の光の測定光成分同士の周波数差［（ν＋ｆ_１）−（ν＋ｆ_２）］は、２つの超音波の周波数差（ｆ_１−ｆ_２）と同一の０．０５ＭＨｚとなる。これは、後述する同期検波器として、約１００ｋＨｚ以下で動作する通常のロックインアンプ１５が使用できる周波数である。

遅延器５は、例えば光ファイバ遅延線で構成され、マッハツェンダ型干渉計の光路長を合わせるために、第２経路の光を、第１経路の光が被測定物１０によって遅延される時間に対応する時間分遅延させて光カプラ６へ出射する。なお、遅延器５は可変できるものであってもよいし、また第１経路に設けてもよい。ただし、この遅延器５は、干渉計の光路長を合わせて位相測定精度をあげるのに有効であるが、必ずしも必須ではない。光カプラ６は、被測定物１０を介して入射される第１経路の光（波長多重光をそれぞれｆ_１だけ周波数シフトした光）と遅延器５を介して入射される第２経路の光（波長多重光をそれぞれｆ_２だけ周波数シフトした光）とを合波して波長多重光の干渉光を光分波器７へ出射する。

なお、光分岐手段１４、被測定物１０、遅延器５及び光カプラ６はマッハツェンダ型干渉計３０を構成している。したがって、光分岐手段１４は、入射光を２つに分岐して別々の光路を通してから結合（干渉）させるマッハツェンダ型干渉計における、入射光を２つに分岐する手段であり、また光カプラ６は、別々の光路を通してから結合（干渉）させる手段である。マッハツェンダ型干渉計３０は、自身がその光路に光ファイバを含んで構成される光ファイバ干渉計であったり、又はその光路長を合わせる遅延器５が光ファイバ遅延線であったりする場合、温度変化や振動などに起因した光ファイバの揺らぎによる位相変動を生じやすい。それを改善するために、測定光と参照光とを波長多重して同時にマッハツェンダ型干渉計３０へ入射して、位相検出時に干渉計の不安定性により生じる測定光における位相変動を参照光における位相変動で相殺している。なお、被測定物１０としては、光ファイバ、ＦＧＢセンサ等の光部品が対象である。

光分波器７は、光カプラ６から入射される測定光成分同士の第１の干渉光と参照光成分同士の第２の干渉光とを受けて、それぞれの周波数（波長）、例えば１５２５〜１６２０ｎｍの波長帯域と１６２５ｎｍの波長とに分波し、測定光成分同士の干渉光を受光器（ＰＤ）８に、参照光成分同士の干渉光を受光器（ＰＤ）９に出射する。受光器８は、光分波器７から入射される測定光成分同士の干渉光を受けてヘテロダイン検波し周波数ν＋８０．０５ＭＨｚの光及び周波数ν＋８０ＭＨｚの光の周波数差０．０５ＭＨｚのビート信号を第１の電気信号に変換する。また、受光器９も、同様に、光分波器７から入射される参照光成分同士の干渉光を受けてヘテロダイン検波し周波数差０．０５ＭＨｚのビート信号を第２の電気信号に変換する。

ロックインアンプ１５は、同期検波器であり、上記第２の電気信号を同期信号ｂとして受け、この同期信号ｂに基づいて上記第１の電気信号の位相検出を行う。このロックインアンプ１５は、約１００ＫＨｚ以下で動作する通常のロックインアンプであり、従来例の数１０〜数１００ＭＨｚで動作するＲＦロックインアンプ１１とは当業者間で区別されている。通常のロックインアンプは、ＲＦロックインアンプに比べて、位相検出の感度が約６０ｄＢ良く、また経済的である点で優っている。処理手段１２は、制御手段１３から入力される制御信号ａをトリガにして、ロックインアンプ１５から入力される位相信号のデータ処理を行い被測定物の位相特性から伝播遅延時間、波長分散、温度などの物理量等を求める。制御手段１３は、測定光の周波数を可変制御するための制御信号ａを発生して波長可変光源１及び処理手段１２に出力する。

なお、上記第１実施形態では、波長可変光源１から出射される測定光と光源２から出射される参照光とを合波して波長多重する光カプラ３と、この光カプラ３から入射される波長多重光を２つの光に分岐する光カプラ１４ａとを、機能的に区別してそれぞれを別の光カプラで構成しているが、１つの光カプラでも構成できることは自明である。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態の光ヘテロダイン干渉装置の構成を図２に示す。第２実施形態は、マッハツェンダ型干渉計が光ファイバ干渉計ではなく、また例え光ファイバ干渉計であったとしても光ファイバの揺らぎによる位相変動が無視でき、参照光を用いて測定光に基づくビート信号の位相変動を相殺しなくてもよい場合の構成である。第１実施形態の図１とは、下記の(１)、（２）のみ異なり他は同一である。したがって詳細説明は省略する。（１）参照光の発振、合波、分波及びヘテロダイン検波に係わる要素、つまり光源２、光カプラ３、光分波器７及び受光器９を備えていない。（２）超音波発生器１４ｂから出力される周波数ｆ_１の超音波と超音波発生器１４ｃから出力される周波数ｆ_２の超音波とを受けて混合し、これら２つの超音波の差周波数信号を発生して同期検波器としてのロックインアンプ１５に同期信号ｂとして出力するミキサ（ＭＩＸ）１６を備えている。

なお、上述の第１実施形態、第２実施形態の光分岐手段１４としては、図１、図２に示したものの他に、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すものでもよい。すなわち、図３（ａ）においては、ＡＯＦＳ１４ｄ及びＡＯＦＳ１４ｅが直列に配列されている。先ず、ＡＯＦＳ１４ｄは、入射光（周波数ν）を２つの光に分岐して、一方は０次の回折光を第１経路の光（周波数ν）として出射し、他方は超音波発生器１４ｂから入力される超音波の周波数ｆ_１分だけ周波数シフトした＋１次の回折光（周波数ν＋ｆ_１）をＡＯＦＳ１４ｅへ出射する。次に、ＡＯＦＳ１４ｅは、ＡＯＦＳ１４ｄからの＋１次の回折光を超音波発生器１４ｃから入力される超音波の周波数ｆ_２分だけさらに周波数シフトした−１次の回折光（周波数ν＋ｆ_１−ｆ_２）を第２経路の光として出射する。これにより、第１経路の光と第２経路の光の周波数差はｆ_１−ｆ_２となる。

また、図３（ｂ）においては、図３（ａ）と同様に、ＡＯＦＳ１４ｄ及びＡＯＦＳ１４ｅが直列に配列されている。先ず、ＡＯＦＳ１４ｄは、入射光（周波数ν）を２つの光に分岐して、一方は０次の回折光（周波数ν）をＡＯＦＳ１４ｅへ出射する。他方は超音波発生器１４ｂから入力される超音波の周波数ｆ_１分だけ周波数シフトした＋１次の回折光（周波数ν＋ｆ_１）を第１経路の光として出射する。次に、ＡＯＦＳ１４ｅは、ＡＯＦＳ１４ｄからの０次の回折光を超音波発生器１４ｃから入力される超音波の周波数ｆ_２分だけ周波数シフトした＋１次の回折光（周波数ν＋ｆ_２）を第２経路の光として出射する。これにより、第１経路の光と第２経路の光の周波数差はｆ_１−ｆ_２となる。

また、図３（ｃ）においては、超音波発生器１４ｇは、周波数（ｆ_１＋ｆ_２）／２の高周波信号と周波数（ｆ_２−ｆ_１）／２の低周波信号との間で振幅変調を行い、中心周波数が（ｆ_１＋ｆ_２）／２で（ｆ_１＋ｆ_２）／２±（ｆ_２−ｆ_１）／２＝ｆ_１，ｆ_２のサイドバンド周波数でなる２周波数成分の信号、すなわち周波数ｆ_１の第１の超音波と周波数ｆ_２の第２の超音波とを発生してＡＯＦＳ１４ｆに出力する。ＡＯＦＳ１４ｆは、入射光（周波数ν）を周波数ｆ_１分だけ周波数シフトした回折光（周波数ν＋ｆ_１）を第１経路の光として出射するとともに、周波数ｆ_２分だけ周波数シフトした回折光（周波数ν＋ｆ_２）を第２経路の光として出射する。これにより、第１経路の光と第２経路の光の周波数差はｆ_１−ｆ_２となる。

本発明の第１実施形態の構成を示す図 本発明の第２実施形態の構成を示す図 本発明の第１実施形態及び第２実施形態の光分岐手段１４の別の構成を示す図 従来例の概略構成を示す図

符号の説明

１・・・波長可変光源、２・・・光源、３，６，１４ａ・・・光カプラ、４，１４・・・光分岐手段、４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｇ・・・超音波発生器、４ｂ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ・・・音響光学周波数シフタ（ＡＯＦＳ）、５・・・遅延器、７・・・光分波器、８，９・・・受光器（ＰＤ）、１０・・・被測定物、１１・・・ＲＦロックインアンプ、１２・・・処理手段、１３・・・制御手段、１６・・・ミキサ（ＭＩＸ）、１５・・・ロックインアンプ、２０，３０・・・マッハツェンダ型干渉計。

Claims (12)

1. 入射光である周波数可変の測定光を受けて、２つに分岐するとともに互いに周波数の異なる第１経路の光及び第２経路の光として出射する光分岐手段（１４）並びに被測定物を介して入射される前記第１経路の光と前記被測定物を介さないで入射される前記第２経路の光とを合波して干渉光を出射する光結合手段（６）を有するマッハツェンダ型干渉計（３０）と、
   前記干渉光を受けてヘテロダイン検波し前記第１経路の光と前記第２経路の光の周波数差のビート信号を電気信号に変換する受光器（８）と、
   前記ビート信号の周波数とほぼ同じ周波数の同期信号に基づいて前記電気信号の位相検出を行う同期検波器（１５）と、
   前記測定光の瞬時周波数に対応する、前記同期検波器から出力される位相信号のデータ処理を行って前記被測定物の光周波数−位相特性を求める処理手段（１２）とを備えた光ヘテロダイン干渉装置において、
   前記光分岐手段は、周波数ｆ_１の第1の超音波を発生させる第１の超音波発生器（１４ｂ）と、周波数ｆ_２の第２の超音波を発生させる第２の超音波発生器（１４ｃ）と、前記第1の超音波で駆動される第1の音響光学周波数シフタ（１４ｄ）と、前記第２の超音波で駆動される第２の音響光学周波数シフタ（１４ｅ）とを有し、前記第１経路の光と前記第２経路の光との周波数差が前記第1の超音波と前記第２の超音波との周波数差と同一になるようにし、かつ、
   前記同期検波器がロックインアンプで構成されたことを特徴とする光ヘテロダイン干渉装置。
2. 入射光である周波数可変の測定光を受けて、２つに分岐するとともに互いに周波数の異なる第１経路の光及び第２経路の光として出射する光分岐手段（１４）並びに被測定物を介して入射される前記第１経路の光と前記被測定物を介さないで入射される前記第２経路の光とを合波して干渉光を出射する光結合手段（６）を有するマッハツェンダ型干渉計（３０）と、
   前記干渉光を受けてヘテロダイン検波し前記第１経路の光と前記第２経路の光の周波数差のビート信号を電気信号に変換する受光器（８）と、
   前記ビート信号の周波数とほぼ同じ周波数の同期信号に基づいて前記電気信号の位相検出を行う同期検波器（１５）と、
   前記測定光の瞬時周波数に対応する、前記同期検波器から出力される位相信号のデータ処理を行って前記被測定物の光周波数−位相特性を求める処理手段（１２）とを備えた光ヘテロダイン干渉装置において、
   前記光分岐手段は、高周波交流信号と低周波交流信号との間で振幅変調を行うことにより、前記高周波交流信号の周波数を中心周波数とし、前記低周波交流信号の周波数分シフトしたサイドバンド周波数成分でなる第１の超音波と第２の超音波を発生させる第３の超音波発生器（１４ｇ）と、前記第１の超音波と前記第２の超音波で駆動される第３の音響光学周波数シフタ（１４ｆ）とを有し、前記第１経路の光と前記第２経路の光との周波数差が前記第１の超音波と前記第２の超音波との周波数差と同一になるようにし、かつ、
   前記同期検波器がロックインアンプで構成されたことを特徴とする光ヘテロダイン干渉装置。
3. 前記光分岐手段は、更に、前記入射光である前記測定光を受けて２つに分岐し、一方の光を前記第１の音響光学周波数シフタに、他方の光を前記第２の音響光学周波数シフタにそれぞれ出射する第１の光カプラ（１４ａ）を有し、
   前記第１の音響光学周波数シフタは、前記第１の光カプラから入射される一方の光の周波数を前記第1の超音波の周波数ｆ_１分周波数シフトして前記第１経路の光として出射し、かつ、前記第２の音響光学周波数シフタは、前記第１の光カプラから入射される他方の光の周波数を前記第２の超音波の周波数ｆ_２分周波数シフトして前記第２経路の光として出射することを特徴とする請求項１に記載の光ヘテロダイン干渉装置。
4. 前記マッハツェンダ型干渉計は、更に、前記光分岐手段と前記光結合手段との間に設けられ、該光分岐手段から出射された前記第２経路の光が前記光結合手段に到達するまでの時間と、前記第１経路の光が前記被測定物を介して前記光結合手段に到達するまでの時間とがほぼ等しくなるように、前記第１経路の光又は前記第２経路の光を遅延させる遅延器（５）を備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ヘテロダイン干渉装置。
5. 前記第１の超音波発生器から出力される前記第１の超音波と前記第２の超音波発生器から出力される前記第２の超音波とを受けて混合し、又は前記第３の超音波発生器から出力される前記第１の超音波と前記第２の超音波とを受けて混合し、該第１の超音波と該第２の超音波との差周波数の信号を発生して前記同期検波器に前記同期信号として出力するミキサ（１６）を備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ヘテロダイン干渉装置。
6. 周波数可変の測定光と当該測定光の出力周波数と異なる固定周波数の参照光とを波長多重してなる波長多重光を受けて、当該波長多重光を分岐するとともに、第１経路の光と第２経路の光とを出力する光分岐手段（１４）であって、当該第１経路の光及び当該第２経路の光はそれぞれ測定光に基づく測定光成分と参照光に基づく参照光成分とからなり、前記第１経路の光に含まれる測定光成分の周波数と前記第２経路の光に含まれる測定光成分の周波数とが異なるとともに、前記第１経路の光に含まれる参照光成分の周波数と前記第２経路の光に含まれる参照光成分の周波数とが同じだけ異なる光分岐手段（１４）並びに被測定物を経由する前記第１経路の光と前記被測定物を経由しない前記第２経路の光とを合波する光結合手段（６）を有するマッハツェンダ型干渉計（３０）と、
   前記測定光成分と前記参照光成分とを周波数分波する光分波器（７）と、
   該光分波器で分波された、前記第１経路の光の測定光成分と前記第２経路の光の測定光成分とからなる第１の干渉光を第１の電気信号に変換する第１の受光器（８）と、
   前記光分波器で分波された、前記第１経路の光の参照光成分と前記第２経路の光の参照光成分とからなる第２の干渉光を第２の電気信号に変換する第２の受光器（９）と、
   前記第２の電気信号を同期信号として前記第１の電気信号の位相検出を行う同期検波器（１５）と、
   前記測定光の出力周波数に対応した、前記同期検波器から出力される位相信号をデータ処理して、前記被測定物の光周波数−位相特性を求める処理手段（１２）とを備えた光ヘテロダイン干渉装置において、
   前記光分岐手段は、周波数ｆ_１の第１の超音波を発生させる第１の超音波発生器（１４ｂ）と、周波数ｆ_２の第２の超音波を発生させる第２の超音波発生器（１４ｃ）と、前記第１の超音波で駆動される第１の音響光学周波数シフタ（１４ｄ）と、前記第２の超音波で駆動される第２の音響光学周波数シフタ（１４ｅ）とを有し、前記第１経路の光の測定光成分と前記第２経路の光の測定光成分との周波数差、及び前記第１経路の光の参照光成分と前記第２経路の光の参照光成分との周波数差が、前記第１の超音波と前記第２の超音波との周波数差と同一になるようにし、かつ、
   前記同期検波器がロックインアンプで構成されたことを特徴とする光ヘテロダイン干渉装置。
7. 前記マッハツェンダ型干渉計は、更に、前記光分岐手段と前記光結合手段との間に設けられ、該光分岐手段から出射された前記第２経路の光が前記光結合手段に到達するまでの各時間と、前記第１経路の光が前記被測定物を介して前記光結合手段に到達するまでの各時間とがほぼ等しくなるように、前記第１経路の光又は前記第２経路の光を遅延させる遅延器（５）を備えたことを特徴とする請求項６に記載の光ヘテロダイン干渉装置。
8. 前記マッハツェンダ型干渉計は、その光路中に光ファイバを含んで構成される光ファイバ干渉計であることを特徴とする請求項６又は７に記載の光ヘテロダイン干渉装置。
9. 所定の周波数範囲内で周波数可変の前記測定光を順次発振させ、前記光分岐手段へ前記入射光として出射する波長可変光源（１）と、
   該波長可変光源からの測定光の周波数を可変するための制御信号を当該波長可変光源に出力する制御手段（１３）とを備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光ヘテロダイン干渉装置。
10. 所定の周波数範囲内で周波数可変の前記測定光を順次発振させる波長可変光源（１）と、
    該波長可変光源からの測定光の周波数を可変するための制御信号を当該波長可変光源に出力する制御手段（１３）と、
    前記測定光の周波数とは異なる固定周波数の前記参照光を発振させる光源（２）と、
    前記波長可変光源から出射される前記測定光と前記光源から出射される前記参照光とを受け合波することによって波長多重し、得られた前記波長多重光を前記光分岐手段へ前記入射光として出射する第２の光カプラ（３）とを備えたことを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の光ヘテロダイン干渉装置。
11. 周波数可変の測定光と当該測定光の出力周波数と異なる固定周波数の参照光とを波長多重してなる波長多重光を受けて、当該波長多重光を分岐するとともに、第１経路の光と第２経路の光とを出力する光分岐手段（１４）であって、当該第１経路の光及び当該第２経路の光はそれぞれ測定光に基づく測定光成分と参照光に基づく参照光成分とからなり、前記第１経路の光に含まれる測定光成分の周波数と前記第２経路の光に含まれる測定光成分の周波数とが異なるとともに、前記第１経路の光に含まれる参照光成分の周波数と前記第２経路の光に含まれる参照光成分の周波数とが同じだけ異なる光分岐手段（１４）並びに被測定物を経由する前記第１経路の光と前記被測定物を経由しない前記第２経路の光とを合波する光結合手段（６）を有するマッハツェンダ型干渉計（３０）と、
    前記測定光成分と前記参照光成分とを周波数分波する光分波器（７）と、
    該光分波器で分波された、前記第１経路の光の測定光成分と前記第２経路の光の測定光成分とからなる第１の干渉光を第１の電気信号に変換する第１の受光器（８）と、
    前記光分波器で分波された前記第１経路の光の参照光成分と前記第２経路の光の参照光成分とからなる第２の干渉光を、前記測定光の出力周波数に対応した前記第１の電気信号の位相量を検出するための同期信号となる第２の電気信号に変換する第２の受光器（９）とを備えた光ヘテロダイン干渉装置において、
    前記光分岐手段は、周波数ｆ_１の第１の超音波を発生させる第１の超音波発生器（１４ｂ）と、周波数ｆ_２の第２の超音波を発生させる第２の超音波発生器（１４ｃ）と、前記第１の超音波で駆動される第１の音響光学周波数シフタ（１４ｄ）と、前記第２の超音波で駆動される第２の音響光学周波数シフタ（１４ｅ）とを有し、前記第１経路の光の測定光成分と前記第２経路の光の測定光成分との周波数差、及び前記第１経路の光の参照光成分と前記第２経路の光の参照光成分との周波数差が、前記第１の超音波と前記第２の超音波との周波数差と同一になるようにし、かつ、当該第１の超音波と第２の超音波との周波数差が２ＭＨｚ以下であることを特徴とする光ヘテロダイン干渉装置。
12. 入射光である周波数可変の測定光を受けて、２つに分岐するとともに互いに周波数の異なる第１経路の光及び第２経路の光として出射する光分岐手段（１４）並びに被測定物を介して入射される前記第１経路の光と前記被測定物を介さないで入射される前記第２経路の光とを合波して干渉光を出射する光結合手段（６）を含むマッハツェンダ型干渉計（３０）と、
    前記干渉光を受けて、前記第１経路の光と前記第２経路の光との周波数差のビート信号とほぼ同じ周波数の同期信号に基づいて、前記測定光の出力周波数に対応する位相変化量が検出されるべき電気信号を出力する受光器（８）とを備えた光ヘテロダイン干渉装置において、
    前記光分岐手段は、周波数ｆ_１の第１の超音波を発生させる第１の超音波発生器（１４ｂ）と、周波数ｆ_２の第２の超音波を発生させる第２の超音波発生器（１４ｃ）と、前記第１の超音波で駆動される第１の音響光学周波数シフタ（１４ｄ）と、前記第２の超音波で駆動される第２の音響光学周波数シフタ（１４ｅ）とを有し、前記第１経路の光と前記第２経路の光との周波数差が、前記第１の超音波と前記第２の超音波との周波数差と同一になるようにし、かつ、当該第１の超音波と第２の超音波との周波数差が２ＭＨｚ以下であることを特徴とする光ヘテロダイン干渉装置。

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