JP2012013662A - Optical interferometer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ファラデー効果を利用した可変光位相器を一方の光路に組み込んだ光干渉計に関するものである。この技術は、例えば光ファイバ通信や光計測などの分野における光位相を応用した技術などに有用である。 The present invention relates to an optical interferometer in which a variable optical phase shifter using the Faraday effect is incorporated in one optical path. This technique is useful, for example, for a technique that applies optical phase in fields such as optical fiber communication and optical measurement.
光干渉計は、外部入力光を複数の光に分け、異なる光路を進んだ光を再び重ね合わせて干渉を起こさせる光学系であり、得られた干渉光の強度を解析することにより様々な物理量を測定する装置などに利用されている。光干渉計には、光学系の構成により、マッハ・ツェンダ干渉計やマイケルソン干渉計などがある。 An optical interferometer is an optical system that divides external input light into multiple light beams and superimposes light beams traveling in different optical paths to cause interference. By analyzing the intensity of the obtained interference light, various physical quantities can be obtained. It is used in devices that measure The optical interferometer includes a Mach-Zehnder interferometer and a Michelson interferometer depending on the configuration of the optical system.
マッハ・ツェンダ干渉計は、外部入力光を２つに分けて、別々の光路を通してから再度重ね合わせて外部出力光とする方式であり、マイケルソン干渉計は、外部入力光を２つに分けて、それぞれの光を反射鏡で折り返して重ね合わせて外部出力光とする方式である。これらの光干渉計では、２つに分けた光の位相差が干渉光の強度として観測される。このことは、光の波長の変化を計測する場合には都合がよいが、光の位相を観測する場合には不都合を生じる。 The Mach-Zehnder interferometer is a system that divides external input light into two parts and superimposes them again after passing through separate optical paths to make external output light. Michelson interferometer divides external input light into two parts. In this method, each light is folded by a reflecting mirror and overlapped to obtain external output light. In these optical interferometers, the phase difference of the light divided into two is observed as the intensity of the interference light. This is convenient when measuring changes in the wavelength of light, but causes inconvenience when observing the phase of light.
例えば、光ファイバ通信では、情報を伝送するための変調方式として、高速化（ワイドバンド化）に適しているという点から、情報を位相に乗せる位相変調方式が有望視されている。この位相変調では、位相を変化させる位相変調器や位相の変化を検出する位相復調器が必要となる。この場合、光の波長の変化による位相のずれを補償できなければ、位相の変化を正しく検出することができない。 For example, in optical fiber communication, a phase modulation method that puts information on a phase is promising as a modulation method for transmitting information because it is suitable for high speed (wide band). This phase modulation requires a phase modulator that changes the phase and a phase demodulator that detects the change in phase. In this case, the phase change cannot be correctly detected unless the phase shift due to the change in the wavelength of the light can be compensated.
ところで、光通信や光測定の分野では、光スイッチや光減衰器などの光デバイスが使用されるが、これらの中にはマッハ・ツェンダ型干渉計などに可変光位相器（位相シフタ）を組み合わせて構成されるものもある。例えば、特許文献１には、マッハ・ツェンダ干渉計と位相シフタを用いた差分４位相偏移変調の技術が開示されている。 By the way, optical devices such as optical switches and optical attenuators are used in the fields of optical communication and optical measurement. Among these, variable optical phase shifters (phase shifters) are combined with Mach-Zehnder interferometers. Some are configured. For example, Patent Document 1 discloses a technique of differential quadrature phase shift keying using a Mach-Zehnder interferometer and a phase shifter.
従来、光の位相を制御する可変光位相器としては、導波路構造を用いた熱光学位相シフタ、導波路構造の電気光学結晶を用いた電気光学位相シフタ、液晶を用いた液晶光学位相シフタが知られている。しかし、熱光学位相シフタの場合、熱光学効果を利用しているため、応答速度が遅く、雰囲気温度の影響を受け易い。電気光学位相シフタの場合には、電気光学結晶と光ファイバの屈折率差が大きいため、損失（特に挿入損失）が大きくなる。液晶光学位相シフタの場合は、液晶を利用しているため、応答速度が遅いことが問題となる。 Conventionally, as a variable optical phase shifter for controlling the phase of light, a thermo-optic phase shifter using a waveguide structure, an electro-optic phase shifter using an electro-optic crystal of a waveguide structure, and a liquid crystal optical phase shifter using a liquid crystal Are known. However, in the case of a thermo-optic phase shifter, since the thermo-optic effect is used, the response speed is slow and it is easily affected by the ambient temperature. In the case of an electro-optic phase shifter, the loss (especially insertion loss) increases because the difference in refractive index between the electro-optic crystal and the optical fiber is large. In the case of a liquid crystal optical phase shifter, since a liquid crystal is used, a slow response speed becomes a problem.
本発明が解決しようとする課題は、光の波長の変化による位相のずれを補償し、位相の観測・位相の検出に適した光干渉計を提供することである。本発明が解決しようとする他の課題は、外部温度などの影響を受け難くし、応答速度を速めることである。 The problem to be solved by the present invention is to provide an optical interferometer suitable for phase observation and phase detection by compensating for a phase shift due to a change in the wavelength of light. Another problem to be solved by the present invention is to make it less susceptible to external temperature or the like and increase the response speed.
本発明は、外部入力光を２つの光路の光に分ける第１のビームスプリッタと、２つに分けた一方の光路に挿入されるファラデー効果を利用した透過型の可変光位相器と、２つの光路に分けた光を再度重ね合わせる第２のビームスプリッタを具備し、前記可変光位相器は、入力した直線偏光を円偏光に変換する第１の四分の一波長板と、その円偏光を、偏光面を回転させながら透過させる可変ファラデー回転子と、該可変ファラデー回転子を透過した円偏光を直線偏光に変換して出力する第２の四分の一波長板を備え、この第２の四分の一波長板から出力する光の位相を、前記可変ファラデー回転子のファラデー回転角に応じて変化させる構造とし、前記第２のビームスプリッタは、２つに分けた他方の光路の光と前記可変光位相器の透過光とを重ね合わせて外部出力光とするようにしたことを特徴とする光干渉計である。 The present invention includes a first beam splitter that divides external input light into two light paths, a transmission-type variable optical phase shifter that utilizes the Faraday effect inserted into one of the two optical paths, and two A second beam splitter for superimposing again the light divided into the optical path, the variable optical phase shifter; a first quarter-wave plate for converting the input linearly polarized light into circularly polarized light; and the circularly polarized light A variable Faraday rotator that transmits while rotating the polarization plane, and a second quarter-wave plate that converts circularly polarized light transmitted through the variable Faraday rotator into linearly polarized light and outputs the linearly polarized light. The phase of the light output from the quarter-wave plate is changed in accordance with the Faraday rotation angle of the variable Faraday rotator, and the second beam splitter includes the light of the other optical path divided into two Transmitted light of the variable optical phase shifter and It has as an external output light by superposing an optical interferometer according to claim.
この場合、前記可変光位相器は、その入力側に、入力光を互いに直交する２つの直線偏光に偏光分離する第１の偏光子を、その出力側に、互いに直交する２つの直線偏光を偏光合成して出力光とする第２の偏光子を備えた構造とし、それによって偏波無依存型としてもよい。 In this case, the variable optical phase shifter polarizes the first polarizer that separates the input light into two linearly polarized lights orthogonal to each other on the input side, and the two linearly polarized lights orthogonal to each other on the output side. A structure including a second polarizer to be combined into output light may be provided, thereby making it polarization independent.
また本発明は、外部入力光を２つの光路の光に分けるビームスプリッタと、２つに分けた一方の光路に挿入されるファラデー効果を利用した反射型の可変光位相器と、２つに分けた他方の光路の光を折り返す反射鏡を具備し、前記可変光位相器は、入力した直線偏光を円偏光に変換する四分の一波長板と、その円偏光を、偏光面を回転させながら透過させる可変ファラデー回転子と、該可変ファラデー回転子を透過した円偏光を反射して光路を逆進させる反射体を備え、前記四分の一波長板を逆進して出力する光の位相を、前記可変ファラデー回転子のファラデー回転角に応じて変化させる構造とし、前記ビームスプリッタは、２つに分けた他方の光路の戻り光と前記可変光位相器の戻り光とを重ね合わせて外部出力光とするようにしたことを特徴とする光干渉計である。 The present invention also provides a beam splitter that divides external input light into two light paths, a reflection-type variable optical phase shifter that uses the Faraday effect inserted into one of the two light paths, and two parts. The variable optical phase shifter includes a quarter-wave plate for converting the input linearly polarized light into circularly polarized light, and rotating the polarization plane of the circularly polarized light. A variable Faraday rotator to be transmitted; and a reflector for reflecting the circularly polarized light transmitted through the variable Faraday rotator and reversing the optical path, and reversing the quarter-wave plate to output the phase of the output light. The beam splitter is configured to change in accordance with the Faraday rotation angle of the variable Faraday rotator, and the beam splitter superimposes the return light of the other optical path divided into two and the return light of the variable optical phase shifter to external output. What was light An optical interferometer, characterized.
この場合、前記可変光位相器は、その入出力側に、入力光を互いに直交する２つの直線偏光に偏光分離すると共に、互いに直交する２つの直線偏光を偏光合成して出力光とする偏光子を備えた構造とし、それによって偏波無依存型としてもよい。 In this case, the variable optical phase shifter polarizes and separates the input light into two linearly polarized lights orthogonal to each other on the input / output side, and combines the two linearly polarized lights orthogonal to each other into a polarizer to produce output light. Thus, it may be a polarization independent type.
なお、外部から光干渉計への光入出力には、光コリメータを使用するのがよい。 An optical collimator is preferably used for light input / output from the outside to the optical interferometer.
本発明の光干渉計は、２つに分けた一方の光路に可変光位相器を挿入し、該可変光位相器で光の位相を調整するものであるから、温度など周囲環境の変化に伴う光路の伸縮や光の波長の変化による位相のずれを補償することができる。本発明は光路長を物理的に変えるものではないので、装置全体を温調器に収容して更に温度制御を行うといった従来の大掛かりな設備が不要となり、省電力化並びに応答性の改善が可能となる。これによって、光の位相を観測したり光の位相を検出するのに適した光干渉計が得られる。 In the optical interferometer of the present invention, a variable optical phase shifter is inserted into one of the two optical paths, and the phase of the light is adjusted by the variable optical phase shifter. It is possible to compensate for the phase shift due to the expansion and contraction of the optical path and the change in the wavelength of light. Since the present invention does not physically change the optical path length, it eliminates the need for conventional large-scale equipment such as the entire apparatus being housed in a temperature controller for further temperature control, and can save power and improve responsiveness. It becomes. Thereby, an optical interferometer suitable for observing the phase of light or detecting the phase of light can be obtained.
また本発明は、可変光位相器で位相を変える方式であるから、一つ前の信号光の位相と次の信号光の位相との差を検出する差動の光干渉計が実現できる。また、可変光位相器で干渉計の出力を制御することも可能となる。 In addition, since the present invention is a method of changing the phase with a variable optical phase shifter, a differential optical interferometer that detects the difference between the phase of the previous signal light and the phase of the next signal light can be realized. It is also possible to control the output of the interferometer with a variable optical phase shifter.
しかも本発明ではファラデー効果を利用した可変光位相器を用いているので、高速制御が可能であり、しかも温度等の環境条件による影響も受け難い。 In addition, since the variable optical phaser using the Faraday effect is used in the present invention, high-speed control is possible, and it is hardly affected by environmental conditions such as temperature.
（第１実施例）
本発明に係る光干渉計の第１実施例を図１に示す。これは、透過型の可変光位相器を用いるマッハ・ツェンダ型の例である。外部入力光を２つの光路の光に分ける第１のビームスプリッタと、２つに分けた一方の光路に挿入されるファラデー効果を利用した透過型の可変光位相器１２と、２つの光路に分けた光を再度重ね合わせる第２のビームスプリッタ１４を具備している。ここでは外部入力光として直線偏光を想定しており、ビームスプリッタとしては例えばハーフミラーを用いる。第１のビームスプリッタ１０によって外部入力光を２つの光路の光に分け、該第１のビームスプリッタ１０の透過光は第１の反射鏡１６で反射されて、第２のビームスプリッタ１４に導かれる。他方、第１のビームスプリッタ１０の反射光は、第２の反射鏡１８で反射されて、可変光位相器１２を透過して第２のビームスプリッタ１４に導かれる。このようにして第２のビームスプリッタ１４に達した２つの光は、偏光方向が同じ状態で合波されて外部出力光となる。
(First embodiment)
A first embodiment of an optical interferometer according to the present invention is shown in FIG. This is an example of a Mach-Zehnder type using a transmission type variable optical phase shifter. A first beam splitter that divides external input light into two light paths, a transmission-type variable
ここでは可変光位相器１２は、入力した直線偏光を円偏光に変換する第１の四分の一波長板２０と、その円偏光を、偏光面を回転させながら透過させる可変ファラデー回転子２２と、該可変ファラデー回転子２２を透過した円偏光を直線偏光に変換して出力する第２の四分の一波長板２４を備えている。可変ファラデー回転子２２は、ファラデー素子（磁気光学結晶）と、それに外部磁界を印加する電磁石などの外部磁界印加手段からなり、印加する外部磁界の方向と強度によって透過光のファラデー回転角を任意に変えることができる構造である。前方からの入力光は、第１の四分の一波長板２０、可変ファラデー回転子２２、第２の四分の一波長板２４を順次透過した後、後方への出力光となる。可変ファラデー回転子２２によるファラデー回転角に応じて、第２の四分の一波長板２４から出力する光の位相を変化させ、出力光とする。そして、前記第２のビームスプリッタ１４は、可変光位相器１２を通る下側光路の光と、可変光位相器１２を通らない上側光路の光を重ね合わせて外部出力光とする。
Here, the variable
この可変光位相器の動作を図２により説明する。同図のＡとＢは、同じ可変光位相器１２であって、位相制御状態だけが異なる。Ａは、ファラデー回転角が０度の場合を示しており、Ｂは、ファラデー回転角が９０度の場合を示している。
The operation of this variable optical phase shifter will be described with reference to FIG. A and B in the figure are the same variable
この場合、入力光は直線偏光であって、第１の四分の一波長板２０は、その直線偏光の偏光方向に対して、光学軸が面内で４５度回転していることにより、その直線偏光を円偏光に変換する。この変換は可逆である。可変ファラデー回転子２２は、第１の四分の一波長板２０にて直線偏光から変換された円偏光を透過させる。この可変ファラデー回転子２２は、例えば同図のＡとＢに示すように、ファラデー回転角を４５度＋０度から４５度＋９０度まで無段階で変化させることができ、円偏光が透過する場合は円偏光の位相を＋０度から＋９０度まで無段階で変化させることができる。この位相の変化は、ファラデー素子への印加磁界の方向と強度によって操作することができ、その印加磁界は電磁石への通電電流によって制御することができる。可変ファラデー回転子２２を透過した円偏光は、第２の四分の一波長板２４で直線偏光に変換される。このとき、可変ファラデー回転子２２にて偏光面の相対的な方向が制御された円偏光は、第２の四分の一波長板２４でその偏光面の方向に対応した位相で直線偏光に変換される。従って、可変ファラデー回転子２２のファラデー回転角を変化させることにより、円偏光から直線偏光に変換された出力光の位相を変化させることができる。例えば、同図のＡとＢとでは９０度の位相差が生じているが、この位相差は可変ファラデー回転子２２の回転角に応じて連続的に変化する。
In this case, the input light is linearly polarized light, and the first
このように出力光の位相変化は、可変ファラデー回転子２２でのファラデー回転角の変化によってもたらされる。前述のように、可変ファラデー回転子２２のファラデー回転角は、印加磁界の方向と強度によって連続的に可変させることができるが、その印加磁界の方向と強度は励磁コイルの通電電流によって任意の大きさに高速で可変制御することができる。これによって、光位相の連続可変と高速制御が可能であるとともに、温度等の環境条件からの影響を受け難い可変光位相器１２を構成することができる。
Thus, the phase change of the output light is caused by the change of the Faraday rotation angle in the
可変光位相器を備えていない通常のマッハ・ツェンダ型光干渉計では、上側光路の光路長Ｌ１と下側光路の光路長Ｌ２が等しい（Ｌ１＝Ｌ２）場合、同位相で合成されるので光は強め合って出力される。Ｌ１−Ｌ２＝λ×ｎ（波長の整数倍）の場合も、同様に、光は強め合って出力される。一方、Ｌ１−Ｌ２＝λ／２（波長の半分）の場合は、逆位相で合成されるので出力する光は弱め合う。更に、Ｌ１−Ｌ２＝λ／２＋λ×ｎ（ｎ：整数）の場合も、光は弱め合って出力する。ここで、波長λが変化した場合は、光路長Ｌ１とＬ２の関係が変わらなくても、λ×ｎ、λ／２＋λ×ｎが変化するため、光の出力は変化する（但し、Ｌ１＝Ｌ２の場合は除く）。即ち、波長の変化が、重ね合わせでの位相のずれになる。そこで、図１に示すように、一方の光路に可変光位相器を挿入することにより、破線で示す位相状態を実線で示す位相状態に変化させることができ、光の波長の変化による位相のずれを補償することができる。 In a normal Mach-Zehnder type optical interferometer without a variable optical phase shifter, when the optical path length L1 of the upper optical path and the optical path length L2 of the lower optical path are equal (L1 = L2), they are combined in the same phase. Are output in an intensified manner. Similarly, when L1−L2 = λ × n (integer multiple of wavelength), the light is output intensified. On the other hand, when L1−L2 = λ / 2 (half the wavelength), since the light is synthesized in the opposite phase, the output light is weakened. Further, in the case of L1-L2 = λ / 2 + λ × n (n: integer), the light is attenuated and output. Here, when the wavelength λ changes, even if the relationship between the optical path lengths L1 and L2 does not change, λ × n and λ / 2 + λ × n change, so the light output changes (however, L1 = L2 Except for). That is, the change in wavelength becomes a phase shift in superposition. Therefore, as shown in FIG. 1, by inserting a variable optical phase shifter in one optical path, the phase state indicated by the broken line can be changed to the phase state indicated by the solid line, and the phase shift due to the change in the wavelength of the light Can be compensated.
なお、図１に示す実施例において、外部入力光が直線偏光ではない場合には、偏光分離型のビームスプリッタを用いると共に、一方の光路（例えば、第１のビームスプリッタと第１の反射鏡との間）に二分の一波長板を挿入する。第１のビームスプリッタによって外部入力光を互いに直交する２つの直線偏光に分け、該第１のビームスプリッタの透過光は二分の一波長板で偏光方向を直交した方向に変換され、第１の反射鏡で反射されて第２のビームスプリッタに導かれる。他方、第１のビームスプリッタの反射光は、第２の反射鏡で反射されて、可変光位相器を透過して第２のビームスプリッタに導かれる。このようにして第２のビームスプリッタに達した２つの光は偏光方向が揃い、合波されて外部出力光となる。挿入した二分の一波長板は、偏光方向を変える機能を果たしている。 In the embodiment shown in FIG. 1, when the external input light is not linearly polarized light, a polarization separation type beam splitter is used, and one of the optical paths (for example, the first beam splitter and the first reflecting mirror) is used. Insert a half-wave plate in between. The first beam splitter divides the external input light into two linearly polarized lights orthogonal to each other, and the transmitted light of the first beam splitter is converted into a direction orthogonal to the polarization direction by a half-wave plate, and is reflected by the first reflection. Reflected by the mirror and guided to the second beam splitter. On the other hand, the reflected light of the first beam splitter is reflected by the second reflecting mirror, passes through the variable optical phase shifter, and is guided to the second beam splitter. In this way, the two lights reaching the second beam splitter have the same polarization direction and are combined to become external output light. The inserted half-wave plate functions to change the polarization direction.
図３は、本発明の光干渉計に用いることができる透過型の可変光位相器の他の例を示している。光干渉計は、図１に示すようなマッハ・ツェンダ型を前提としている。図１で用いた可変光位相器との主たる相違点は、入力光を直交する２つの直線偏光に偏光分離する第１の偏光子２６と、直交する２つの直線偏光を偏光合成する第２の偏光子２８を備えている点である。これにより可変光位相器は偏波無依存型となる。光干渉計における第１及び第２のビームスプリッタはハーフミラーなどでよい。
FIG. 3 shows another example of a transmissive variable optical phase shifter that can be used in the optical interferometer of the present invention. The optical interferometer is based on a Mach-Zehnder type as shown in FIG. The main difference from the variable optical phase shifter used in FIG. 1 is that a
Ａに示す例は、第１の偏光子２６、第１の四分の一波長板３０、可変ファラデー回転子３２、第２の四分の一波長板３４、第２の偏光子２８を、その順に配列した構成である。第１の偏光子２６は、入力光を互いに直交する２つの直線偏光に偏光分離する。第１の四分の一波長板３０は、偏光分離された２つの直線偏光をそれぞれ円偏光に変換する。この第１の四分の一波長板３０は、各光路について光学軸の向きが異なる２枚を並置した構造である。可変ファラデー回転子３２は、２つの円偏光をそれぞれその位相を変化させながら透過させる。第２の四分の一波長板３４は、可変ファラデー回転子３２を透過した２つの円偏光をそれぞれ直線偏光に変換する。この第２の四分の一波長板３４も、各光路について光学軸の向きが異なる２枚を並置した構造である。第２の偏光子２８は、第２の四分の一波長板３４から出力する２つの直線偏光を偏光合成する。この第２の偏光子２８にて偏光合成される出力光の位相が、上記可変ファラデー回転子３２の回転角に応じて変化することになる。
The example shown in A includes a
Ｂに示す例は、第１の偏光子２６、第１の補償素子３６、第１の四分の一波長板３０、可変ファラデー回転子３２、第２の四分の一波長板３４、第２の補償素子３８、第２の偏光子２８を、その順に配列した構成である。前記Ａとの相違点は、このＢに示す例では、第１の偏光子２６の偏光分離出光路に、該第１の偏光子２６にて発生する偏波モード分散を補償する第１の補償素子（複屈折結晶）３６を、また第２の偏光子２８の偏光合成入光路に、該第２の偏光子２８にて発生する偏波モード分散を補償する第２の補償素子（複屈折結晶）３８を介在させている点である。
In the example shown in B, the
偏波モード分散は偏光モード間で光の群速度が異なることにより生じるが、複屈折によって偏光の分離・合成を行う偏光子では、偏光モード（偏波成分軸方向）の違いによる光の伝播速度差によって偏波モード分散が生じる。前記Ｂの構成では、この偏波モード分散を、光の伝播速度が遅い偏波成分軸である遅軸と、速い偏波成分軸である速軸に対して、上記遅軸には速軸、上記速軸には遅軸がそれぞれ配されるように設置した補償素子（複屈折結晶）によって補償している。 Polarization mode dispersion is caused by the difference in the group velocity of light between polarization modes, but in a polarizer that separates and combines polarized light by birefringence, the propagation speed of light due to the difference in polarization mode (direction of polarization component axis) The difference causes polarization mode dispersion. In the configuration of B, the polarization mode dispersion is obtained by comparing the slow axis, which is a polarization component axis where light propagation speed is slow, and the fast axis, which is a fast polarization component axis, with the fast axis being the fast axis, The fast axis is compensated by a compensating element (birefringent crystal) installed so that the slow axis is arranged.
（第２実施例）
本発明に係る光干渉計の第２実施例を図４に示す。これは、反射型の可変光位相器を用いるマイケルソン型の例である。外部入力光を２つの光路の光に分けるビームスプリッタ５０と、２つに分けた一方の光路に挿入されるファラデー効果を利用した反射型の可変光位相器５２と、２つに分けた他方の光路の光を折り返す反射鏡５４を具備している。ここでは外部入力光として直線偏光を想定しており、ビームスプリッタとしては例えばハーフミラーを用いる。ビームスプリッタ５０によって外部入力光を互いに直交する２つの光路の光に分け、該ビームスプリッタ５０の反射光は反射鏡５４で反射して光路を逆進し、前記ビームスプリッタ５０に達する。ビームスプリッタ５０の透過光は、可変光位相器５２に入り、その終端で反射され折り返して前記ビームスプリッタ５０に達する。このようにして、ビームスプリッタに達したこれら２つの光は、偏光方向が同じ状態で合波されて外部出力光となる。
(Second embodiment)
FIG. 4 shows a second embodiment of the optical interferometer according to the present invention. This is an example of a Michelson type using a reflection type variable optical phase shifter. A
可変光位相器５２は、入力した直線偏光を円偏光に変換する四分の一波長板６０と、その円偏光を、偏光面を回転させながら透過させる可変ファラデー回転子６２と、該可変ファラデー回転子６２を透過した円偏光を反射する反射鏡６４を備えている。可変ファラデー回転子６２は、ファラデー素子（磁気光学結晶）と、それに外部磁界を印加する電磁石の組み合わせなどからなり、透過光のファラデー回転角を任意に変えることができる構造である。前方からの入力光は、四分の一波長板６０、可変ファラデー回転子６２を順次透過した後、反射鏡６４で反射され、再び可変ファラデー回転子６２、四分の一波長板６０を逆進して出力光となる。可変ファラデー回転子６２のファラデー回転角に応じて、四分の一波長板６０から出力する光の位相を変化させ、出力光とする。ビームスプリッタ５０は、可変光位相器５２を通って折り返す光と、可変光位相器５２を通らない光を重ね合わせて外部出力光とする。
The variable
ところで、可変光位相器を備えていない通常のマイケルソン型光干渉計では、入力光の波長がλ１の場合、上側の往復光路長をＬ１、右側の往復光路長をＬ２としたとき、Ｌ１−Ｌ２＝λ１×ｎとなるように構成されており、強め合った光が出力される。しかし、入力光の波長がλ２に変化すると、Ｌ１−Ｌ２≠λ２×ｎとなるため、光干渉計からは強め合った光は出力されなくなる。ここで、一方の光路に可変光位相器を挿入して光の位相を（λ２／λ１×２π×ｎ）シフトさせると、見掛け上の光路長差をＬ１−Ｌ２＝λ２×ｍとすることができ、光干渉計からは強め合った光が出力される。なお、位相は周期性を有するので、λ２／λ１×２π×ｎは−π〜０〜＋πの位相に置き換えることができ、そのため可変光位相器の位相シフト量も−π〜０〜＋πで十分となる。 By the way, in a normal Michelson type optical interferometer without a variable optical phase shifter, when the wavelength of the input light is λ1, when the upper round-trip optical path length is L1, and the right round-trip optical path length is L2, L1- L2 = λ1 × n, so that intensified light is output. However, when the wavelength of the input light changes to λ2, since L1−L2 ≠ λ2 × n, the intensified light is not output from the optical interferometer. Here, when a variable optical phase shifter is inserted in one of the optical paths to shift the phase of the light by (λ2 / λ1 × 2π × n), the apparent optical path length difference may be L1−L2 = λ2 × m. Intensified light is output from the optical interferometer. Since the phase has periodicity, λ2 / λ1 × 2π × n can be replaced with a phase of −π to 0 to + π. Therefore, the phase shift amount of the variable optical phase shifter is also sufficient to be −π to 0 to + π. It becomes.
なお、図４に示す実施例において、外部入力光が直線偏光ではない場合には、偏光分離型のビームスプリッタを用いると共に、一方の光路（例えば、反射鏡で反射される光路）に四分の一波長板を挿入する。ビームスプリッタによって外部入力光を互いに直交する２つの光路の光に分け、ビームスプリッタの反射光は、四分の一波長板を透過し、反射鏡で反射して光路を逆進し、再び四分の一波長板を透過して前記ビームスプリッタに達する。ビームスプリッタの反射光は、四分の一波長板を往復する過程で偏光方向を直交した方向に変換される。ビームスプリッタの透過光は、可変光位相器に入り、その終端で反射され折り返して前記ビームスプリッタに達する。このようにして、ビームスプリッタに達したこれら２つの光は偏光方向が揃い、合波されて外部出力光となる。上記の四分の一波長板は、偏光方向を変える機能を果たしている。 In the embodiment shown in FIG. 4, when the external input light is not linearly polarized light, a polarization-separated beam splitter is used and one quarter of the optical path (for example, the optical path reflected by the reflecting mirror) is used. Insert a single wave plate. The beam splitter splits the external input light into two light paths that are orthogonal to each other. The reflected light from the beam splitter passes through the quarter-wave plate, reflects off the reflecting mirror, travels back through the light path, and is divided into quarters again. Through one wavelength plate to reach the beam splitter. The reflected light of the beam splitter is converted into a direction orthogonal to the polarization direction in the process of reciprocating the quarter-wave plate. The transmitted light of the beam splitter enters the variable optical phase shifter, is reflected at the terminal end thereof, and returns to the beam splitter. In this way, these two lights that have reached the beam splitter have the same polarization direction and are combined to become external output light. The quarter-wave plate described above functions to change the polarization direction.
図５は、本発明の光干渉計に用いる反射型の可変光位相器の他の例を示している。光干渉計は、図４に示すようなマイケルソン型を前提としている。図４で用いた可変光位相器との相違点は、これらの可変光位相器は、入力光を直交する２つの直線偏光に偏光分離・合成する偏光子を備えている点である。これにより可変光位相器は偏波無依存型となり、そのため光干渉計におけるビームスプリッタはハーフミラーなどでよい。 FIG. 5 shows another example of a reflective variable optical phase shifter used in the optical interferometer of the present invention. The optical interferometer is based on the Michelson type as shown in FIG. The difference from the variable optical phase shifter used in FIG. 4 is that these variable optical phase shifters include a polarizer that separates and combines input light into two linearly polarized light beams that are orthogonal to each other. As a result, the variable optical phase shifter becomes a polarization independent type, and therefore the beam splitter in the optical interferometer may be a half mirror or the like.
Ａに示す例は、偏光子７０、四分の一波長板７２、可変ファラデー回転子７４、反射鏡７６を、その順に配列した構成である。偏光子７０は、入力光を互いに直交する２つの直線偏光に偏光分離する。四分の一波長板７２は、偏光分離された２つの直線偏光をそれぞれ円偏光に変換する。この四分の一波長板７２は、各光路について光学軸の向きが異なる２枚を並置した構造である。可変ファラデー回転子７４は、２つの円偏光をそれぞれ位相を変化させながら透過させ、各透過光は反射鏡７６に達して反射する。戻り光（２つの円偏光）は、可変ファラデー回転子７４でそれぞれ位相を変化させながら透過し、四分の一波長板７２で２つの円偏光をそれぞれ直線偏光に変換し、偏光子７０で２つの直線偏光を偏光合成する。この偏光子７０にて偏光合成する出力光の位相が、上記可変ファラデー回転子７４の回転角に応じて変化することになる。
In the example shown in A, a
Ｂに示す例が、前記Ａに示す例と異なる点は、偏光子７０と四分の一波長板７２との間に、補償素子（複屈折結晶）７８を介在させている点である。即ち、偏光子７０、補償素子７８、四分の一波長板７２、可変ファラデー回転子７４、反射鏡７６を、その順に配列した構成である。補償素子（複屈折結晶）７８は、偏光子７０にて発生する偏波モード分散を補償する機能を果たしている。
The example shown in B is different from the example shown in A in that a compensation element (birefringent crystal) 78 is interposed between the
図６は、本発明の光干渉計に用いる反射型の可変光位相器の他の例を示している。光干渉計は、図４に示すようなマイケルソン型を前提としている。これらの可変光位相器は、入力光を直交する２つの直線偏光に偏光分離・合成する偏光子を備えている。これにより可変光位相器は偏波無依存型となる。光干渉計におけるビームスプリッタはハーフミラーなどでよい。 FIG. 6 shows another example of a reflective variable optical phase shifter used in the optical interferometer of the present invention. The optical interferometer is based on the Michelson type as shown in FIG. These variable optical phase shifters include a polarizer that separates and synthesizes input light into two linearly polarized lights orthogonal to each other. As a result, the variable optical phase shifter becomes a polarization independent type. The beam splitter in the optical interferometer may be a half mirror.
Ａに示す例は、偏光子７０、第１の四分の一波長板７２、可変ファラデー回転子７４、第２の四分の一波長板８０、プリズム８２を、その順に配列した構成である。偏光子７０は、入力光を互いに直交する２つのの直線偏光に偏光分離する。第１の四分の一波長板７２は、偏光分離された２つの直線偏光をそれぞれ円偏光に変換する。この第１の四分の一波長板７２は、各光路について光学軸の向きが異なる２枚を並置した構造である。可変ファラデー回転子７４は、２つの円偏光をそれぞれ位相を変化させながら透過させ、第２の四分の一波長板８０は、２つの円偏光をそれぞれ直線偏光に変換する。そしてプリズム８２で上段光路と下段光路を入れ替え、戻り光とする。戻り光は、第２の四分の一波長板８０で直線偏光を円偏光に変換し、２つの円偏光は可変ファラデー回転子７４でそれぞれ位相を変化させながら透過し、第１の四分の一波長板７２で２つの円偏光をそれぞれ直線偏光に変換し、偏光子７０で２つの直線偏光を偏光合成する。この偏光子７０にて偏光合成される出力光の位相が、前記可変ファラデー回転子７４の回転角に応じて変化する。
In the example shown in A, a
Ｂに示す例は、偏光子７０、四分の一波長板７２、可変ファラデー回転子７４、レンズ８４、反射鏡７６を、その順に配列した構成である。偏光子７０は、入力光を互いに直交する２つのの直線偏光に偏光分離する。四分の一波長板７２は、偏光分離された２つの直線偏光をそれぞれ円偏光に変換する。この四分の一波長板７２は、各光路について光学軸の向きが異なる２枚を並置した構造である。可変ファラデー回転子７４は、２つの円偏光をそれぞれ位相を変化させながら透過させ、レンズ８４で向きを変え、該レンズ８４の焦点に位置する反射鏡７６で反射して上段光路と下段光路を入れ替え、戻り光とする。戻り光（２つの円偏光）は、可変ファラデー回転子７４でそれぞれ位相を変化させながら透過し、四分の一波長板７２で２つの円偏光をそれぞれ直線偏光に変換し、偏光子７０で２つの直線偏光を偏光合成する。この偏光子７０にて偏光合成される出力光の位相が、前記可変ファラデー回転子７４の回転角に応じて変化する。
The example shown in B is a configuration in which a
これら図６のＡ及びＢに示す構成では、往路と復路で光路を入れ替えるため、本質的に偏波モード分散が生じることはなく、補償素子を組み込む必要はなくなる。 In the configurations shown in FIGS. 6A and 6B, since the optical path is switched between the forward path and the return path, there is essentially no polarization mode dispersion, and there is no need to incorporate a compensation element.
図４に示すように、マイケルソン型光干渉計の場合、反射型の可変光位相器を組み込むと、その内部の反射部材が利用できるため、反射鏡は１個で済む。しかし、反射型ではなく、透過型の可変光位相器を用いることも可能である。その場合は、当然のことながら、両方の光路にそれぞれ反射鏡を設けることになる。 As shown in FIG. 4, in the case of a Michelson type optical interferometer, when a reflection type variable optical phase shifter is incorporated, a reflection member inside the reflection type variable optical phase shifter can be used. However, it is also possible to use a transmissive variable optical phaser instead of a reflective type. In that case, as a matter of course, a reflecting mirror is provided in each of the optical paths.
図７は、透過型の可変光位相器を用いるマイケルソン型光干渉計の例を示している。外部入力光を２つの光路の光に分けるビームスプリッタ５０と、２つに分けた一方の光路に挿入されるファラデー効果を利用した透過型の可変光位相器８６と、２つに分けた両方の光路の光をそれぞれ折り返す反射鏡５４，８８を具備している。光源９０からの光を光ファイバ９２で導き、レンズ９４で平行光束にして外部入力光とし、ビームスプリッタ５０に入力する。該ビームスプリッタ５０から得られる外部出力光は、光パワー受光器９６で検出される。
FIG. 7 shows an example of a Michelson type optical interferometer using a transmission type variable optical phase shifter. A
この光干渉計は、可変光位相器を構成している可変ファラデー回転子の電磁石への通電電流により、図８に示すような光強度特性を呈する。この特性から、可変光位相器によって光干渉計の光出力強度を制御できることが確認できる。このことは、可変光位相器で光の位相をシフトさせて、光の波長の変化を補償した光干渉計が実現できることを示している。 This optical interferometer exhibits a light intensity characteristic as shown in FIG. 8 due to an energizing current to the electromagnet of the variable Faraday rotator constituting the variable optical phase shifter. From this characteristic, it can be confirmed that the optical output intensity of the optical interferometer can be controlled by the variable optical phase shifter. This indicates that an optical interferometer that compensates for the change in the wavelength of the light by shifting the phase of the light with a variable optical phase shifter can be realized.
１０ 第１のビームスプリッタ
１２ 可変光位相器
１４ 第２のビームスプリッタ
１６，１８ 反射鏡
２０ 第１の四分の一波長板
２２ 可変ファラデー回転子
２４ 第２の四分の一波長板
５０ ビームスプリッタ
５２ 可変光位相器
５４ 反射鏡
６０ 四分の一波長板
６２ 可変ファラデー回転子
６４ 反射鏡
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|---|---|---|---|---|
| CN104298045A (en) * | 2014-08-19 | 2015-01-21 | 北京航空航天大学 | Raman laser system and optical path difference automatic adjusting method based on frequency modulation continuous wave |
| CN109709685A (en) * | 2019-03-14 | 2019-05-03 | 曲阜师范大学 | A kind of non-polarized Raman laser turns the device of linearly polarized laser |
| CN110146993A (en) * | 2018-02-13 | 2019-08-20 | 李卫 | A kind of method and apparatus for the biasing of fibre ring interferometer passive phase |
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