JP6202499B2 - 光位相測定方法、光位相測定装置および光通信装置 - Google Patents
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Description
オフアクシス・デジタルホログラフィでは、1つのホログラムから物体光の複素振幅を算出することができる(非特許文献1)。図1に示されるように、一様な強度分布および一様な位相分布を有する平面波である参照光が、物体光に対して角度θだけずれた状態で物体光と干渉した場合、物体光O(式(1))および参照光R(式(2))のホログラムHは、式(3)のように表される。
一方、オンアクシス・デジタルホログラフィは、撮像素子の解像度を最大限に引き出すことができる。このため、近年、オンアクシス・デジタルホログラフィは、高精細かつ高精度に物体光の複素振幅を検出できる潜在能力を有する手法として、最も広く研究および開発されている。オンアクシス・デジタルホログラフィでは、0次光および±1次光の3つの光波がそれぞれ同一の角度に伝搬するため、空間フィルタによりこれらを効果的に分離することができない。そのため、オンアクシス・デジタルホログラフィでは、位相シフト干渉法と呼ばれる位相測定方法が用いられる。
[1]物体光に含まれる位相情報を測定する光位相測定方法であって、第1光強度検出部および第2光強度検出部において、試験物体光の強度分布を検出する工程と、前記試験物体光と干渉しうる参照光の位相を変化させて、互いに位相が異なる第1参照光および第2参照光を生成する工程と、前記第1光強度検出部において、前記第1参照光の強度分布を検出するとともに、前記第2光強度検出部において、前記第2参照光の強度分布を検出する工程と、物体光および前記第1参照光から第1ホログラムを生成するとともに、前記物体光および前記第2参照光から第2ホログラムを生成する工程と、前記第1光強度検出部において、前記第1ホログラムの強度分布を検出するとともに、前記第2光強度検出部において、前記第2ホログラムの強度分布を検出する工程と、前記第1光強度検出部において検出された前記試験物体光の強度分布、前記第1参照光の強度分布および前記第1ホログラムの強度分布、ならびに前記第2光強度検出部において検出された前記試験物体光の強度分布、前記第2参照光の強度分布および前記第2ホログラムの強度分布、に基づいて前記物体光に含まれる位相情報を算出する工程と、を有する、光位相測定方法。
[2]前記参照光は、前記物体光の一部から空間フィルタリングにより低空間周波数成分を抽出することで生成される、[1]に記載の光位相測定方法。
[3]物体光に含まれる位相情報を測定する光位相測定装置であって、物体光と干渉しうる参照光の位相を変化させて、互いに位相が異なる第1参照光および第2参照光を生成する参照光生成部と、前記物体光および前記第1参照光から第1ホログラムを生成する第1ホログラム生成部と、前記物体光および前記第2参照光から第2ホログラムを生成する第2ホログラム生成部と、試験物体光の強度分布、前記第1参照光の強度分布および前記第1ホログラムの強度分布を検出する第1光強度検出部と、前記試験物体光の強度分布、前記第2参照光の強度分布および前記第2ホログラムの強度分布を検出する第2光強度検出部と、前記第1光強度検出部において検出された前記試験物体光の強度分布、前記第1参照光の強度分布および前記第1ホログラムの強度分布、ならびに前記第2光強度検出部において検出された前記試験物体光の強度分布、前記第2参照光の強度分布および前記第2ホログラムの強度分布、に基づいて前記物体光に含まれる位相情報を算出する処理部と、を有する、光位相測定装置。
[4]前記物体光の一部から空間フィルタリングにより低空間周波数成分を抽出することで前記参照光を生成する第2参照光生成部をさらに有する、[3]に記載の光位相測定装置。
[5]前記第2参照光生成部は、前記物体光を2つに分割する第1ビームスプリッタと、前記第1ビームスプリッタにより分割された一方の物体光の偏光状態を45°の直線偏光に変換する1/2波長板と、前記第1ビームスプリッタにより分割された他方の物体光の偏光状態を円偏光に変換する1/4波長板と、45°の直線偏光の前記物体光および円偏光の前記物体光のうちの一方の前記物体光から低空間周波数成分を抽出して前記参照光を生成する空間フィルタと、を有する、[4]に記載の光位相測定装置。
[6]相手方の通信装置から光ファイバを介して送信されたパイロット光を受信し、前記パイロット光に含まれる空間モード伝播情報を測定する、[3]〜[5]のいずれか一項に記載の光位相測定装置と、前記光位相測定装置で測定された空間モード伝播情報に基づき、前記光ファイバにおけるモードの変換および回転を解消できる光複素振幅を算出する位相共役計算部と、前記光複素振幅を含む光に時系列信号を加えた光を前記光ファイバを介して前記相手方の通信装置に送信する送信部と、を有する光通信装置。
本発明に係る位相測定方法は、物体光に含まれる位相情報を測定する光位相測定方法であって、i)第1光強度検出部および第2光強度検出部において、試験物体光の強度分布を検出する工程と、ii)前記試験物体光と干渉しうる参照光の位相を変化させて、互いに位相が異なる第1参照光および第2参照光を生成する工程と、iii)前記第1光強度検出部において、前記第1参照光の強度分布を検出するとともに、前記第2光強度検出部において、前記第2参照光の強度分布を検出する工程と、iv)物体光および前記第1参照光から第1ホログラムを生成するとともに、前記物体光および前記第2参照光から第2ホログラムを生成する工程と、v)前記第1光強度検出部において、前記第1ホログラムの強度分布を検出するとともに、前記第2光強度検出部において、前記第2ホログラムの強度分布を検出する工程と、vi)前記第1光強度検出部において検出された前記試験物体光の強度分布、前記参照光の強度分布および前記第1ホログラムの強度分布、ならびに前記第2光強度検出部において検出された前記試験物体光の強度分布、前記参照光の強度分布および前記第2ホログラムの強度分布、に基づいて前記物体光に含まれる位相情報を算出する工程と、を有する。
これまでに提案されてきた位相シフト干渉法(2ステップ法)は、ホログラムを空間的に分割したり(並列位相シフト干渉法)、複数の撮像素子を用いたり(ホログラフィックダイバーシティ干渉法)することを想定せず、事前に測定できる参照光は1つであることを前提にしていた。これに対し、本発明に係る位相測定方法は、位相シフトデジタルホログラフィにおいてどうしても生じてしまう2つのホログラム間での物体光および参照光の強度分布の不一致を補償することによって、高精度な位相測定を実現する。
図18は、従来の逐次位相シフト干渉法(2ステップ法;非特許文献6)の概要を示す図である。この方法では、物体光および参照光による、互いに位相が異なる2つのホログラム(ホログラム1およびホログラム2)の強度分布を取得する前に、1つの参照光の強度分布を測定する。これらの3つの強度分布から、物体光の複素振幅(位相および強度)を測定する。ただし、この方法は、図6に示される1つの撮像素子(図18では「CCD1」と表記)を含む逐次位相シフト干渉計を用いることを前提としているため、事前に測定された1つの参照光の強度分布しか考慮することができない。このため、ホログラフィックダイバーシティ干渉法(2ステップ法)において、光学素子や撮像素子、光路の歪みなどに対応することができない。また、並列位相シフト干渉法(2ステップ法)においては、隣り合うピクセルのホログラム情報を1組の位相シフトホログラムとして取り扱う。このとき、参照光値として隣り合うピクセルのどちらか一方の値を用いるため、隣り合うピクセル間における参照光の変化を考慮して位相情報の測定を行うことができない。このため、並列位相シフト干渉法(2ステップ法)では、大きな測定誤差が生じてしまうおそれがある。
図21は、本発明に係る位相測定方法の手順を示す模式図である。図21に示されるように、本発明に係る位相測定方法は、位相測定の準備を行う前処理工程と、実際のホログラム測定を行う位相評価工程とに大別される。
前述のとおり、本発明に係る位相測定方法は、図15に示される2チャネル・ホログラフィックダイバーシティ計や、図9に示される並列位相シフト干渉計などにより実施されうる。これらの干渉計では、物体光と干渉しうる参照光を測定時に用意し、参照光生成部において参照光から第1参照光および第2参照光を生成する。このように物体光とは別に参照光を用意することは、装置の複雑化を招くと共に、遠隔地からの物体光(信号光)に含まれる位相情報の測定を困難としていた。そこで、ここでは、本発明に係る位相測定方法を実施するのに好適な、参照光不要型の位相測定装置(2チャネル・ホログラフィックダイバーシティ計)について説明する。本発明に係る参照光不要型の位相測定装置は、物体光の一部から空間フィルタリングにより低空間周波数成分を抽出することで参照光を生成する第2参照光生成部をさらに有する。
図24は、2チャネル・ホログラフィックダイバーシティ干渉計における背景雑音を示す図である。図24において、B1は、ビームスプリッタ2(BS2)により参照光と合波する前の物体光が伝搬過程で受ける背景雑音である。B2は、BS2により物体光と合わさる前の参照光が伝搬過程で受ける背景雑音である。B3は、偏光ビームスプリッタ(PBS)を通過した物体光および参照光が受ける背景雑音である。B4は、PBSにより反射された物体光および参照光が受ける背景雑音である。
本発明に係る位相測定方法は、物体光に含まれる位相情報を得るために必要なホログラムの撮像回数を最小限に抑えることができ、かつ光学系から受ける強度歪みを補償することができるため、測定速度および精度を同時に高めることができる。本発明に係る位相測定方法は、デジタルホログラフィが用いられている幅広い分野において応用することができる。
マルチモードファイバを用いた光通信は、接続の簡便性や安価な敷設費用などの理由により広く普及している。しかしながら、マルチモードファイバを用いた光通信では、光信号が複数のモードに分散して伝搬されてしまうため、通信距離が長くなると伝送速度が著しく低下してしまう。このため、マルチモードファイバを用いた光通信は、長くても300m程度の通信距離に限定して使用されている。このモード分散を効率的に補償することができれば、通信距離を延伸することが期待できる。
(1)マルチモードファイバを用いた光通信の問題点
マルチモードファイバは、コアが大きく、通信機器の製造精度を緩和できることなどから低コストで導入されうる。このため、マルチモードファイバは、ローカルネットワークにおいて需要が高い。また、マルチモードファイバは、シングルモードファイバよりも実効コア断面積を50〜100倍に大きくすることができるため、非線形効果やファイバヒューズなどの問題を生じさせずに多数の信号を多重化できる潜在力を有している。しかし、マルチモードファイバを用いた光通信では、そのコアの大きさから複数のモードが同時に伝送し、モード分散が生じてしまうため、ファイバから出射されたパルス信号は大きく歪んでしまう。このため、マルチモードファイバを用いた光通信は、高速かつ長距離の通信が行えないという問題点を有している。
モード分散の影響を受けない全く新しい多重通信技術が、図29に示されるモード拡散多重通信である。モードを用いた通信技術としては、複数の固有モードに独立した信号を与えて多重化するモード分割多重通信(国際公開第2011/052405号)がある。しかし、この技術は、モード励振とモード分離のための精密な装置が必要であるとともに、モード変換または結合によるクロストークを生じてしまう可能性がある。
A)ファイバ中の歪み情報(モード分散を含む)を予めパイロット光を用いて検出し、その歪みをキャンセルするような信号を伝送することで、マルチモードファイバ中でモード分散の影響を受けない通信が可能になる。
B)どのような空間モードの組合せを励振するかを制御する必要がなく、また、空間モード分割通信のような複雑なモード分離器を用いることなく、マルチモードファイバを用いた超高速多重通信が可能になる。
C)一旦、パイロット光を用いて各々のモードに対する位相歪みを測定した後は、多数の信号を同時に多重伝送できる。また、一定の時間をおいて、各々のモードに対する空間的な位相歪みを再測定することで、伝送路のパラメータ(歪み)の時間的な変動にも動的に対応することができる。
モード拡散多重通信では、光信号がファイバを伝搬する中で受ける位相(波面)歪みを補償するために、位相共役光を電子的に生成する。その動作手順は、位相歪みの観測工程(図30)および多重伝送工程(図31)の2つに大別される。ただし、位相歪みの観測工程および多重伝送工程は、独立して実行することが可能である。このため、ファイバに外圧や温度変化が生じた場合でも、通信を途切れさせることなく動的にモード分布の変動に対応することができる。したがって、モード分布の変動が頻繁に発生するような敷設環境にある場合は、下記、観測工程i)〜iii)を繰り返し実行することで、効率的に多重通信を行うことができる。
i)パイロット光A,Bを一定のタイミングで切り替えながらファイバに入射する。このとき、パイロット光A,Bは、同時に入射しない。また、常にパイロット光を入射する必要はない。
ii)工程i)に合わせて出射光A’,B’に含まれる位相情報(位相分布)を参照光不要型の位相測定装置で順番に観測する。
iii)工程ii)で取得した位相情報を基に、計算機ホログラム1,2を生成する(または空間光変調器に表示する)。取得した複素振幅Fの複素共役分布F*を計算機ホログラムまたは空間光変調器に表示する。
(複数の光信号の多重伝送工程)(図31)
iv)時系列信号a’,b’を計算機ホログラム1,2に照射する。信号が独立に変調された2つの位相共役光を発生させる。
v)2つの位相共役光は、それぞれ受信機側(図中左側)でA,Bの位相共役光として出射され、信号a,bとして検出される。
(1)位相共役光
図32Aに示されるように、通常の鏡に入射した光波は、入射角に応じて反射する。これに対し、図32Bに示されるように、位相共役鏡に入射した光波は、伝搬してきた光路を逆に辿るように伝搬する位相共役光となって反射する(位相共役反射)。このとき、途中でどのような位相物体を通っても、その物体が線形であれば正確に光源に戻る。この性質は、位相共役光が波面補償効果を有することを示している。これは、図33および図34のように考えると理解し易い。すなわち、図33Aおよび図33Bに示されるように、通常の鏡では、位相物体による歪みξを除去することはできない。これに対し、図34Aおよび図34Bに示されるように、位相共役鏡からの光は、歪みξが相殺され、元の複素振幅が再生されている。つまり、位相共役鏡は、数学的に考えると入力された光波の位相部分(虚数部)の符号を反転する装置であるといえる。このような位相共役鏡は、非線形光学媒質を用いて光学的に構成することができる。その方法は、従来から多くの報告例がある(Jack Feinberg and R. W. Hellwarth, “Phase-conjugating mirror with continuous-wave gain”, Optics Letters, Vol. 5, Issue 12, pp. 519-521.;Jack Feinberg, “Self-pumped, continuous-wave phase conjugator using internal reflection”, Optics Letters, Vol. 7, Issue 10, pp. 486-488.)。
本発明におけるモード分散補償の概念を図36に示す。図中のA(受信機)からパイロット光(通信される信号光とは異なりファイバの歪みを読み取るための光)をファイバに入射し、B(送信機)に伝送する。B(送信機)では、図35の場合と同じように、ファイバによって歪みを受けたモード成分がファイバから出射される。本手法では、この歪みを受けたモード成分の空間的な位相情報(正確には複素振幅分布)を参照光不要型の位相測定装置によって測定する。測定された位相分布Φ(x,y)の符号を反転させた位相分布−Φ(x,y)を送信機内に設置した複素振幅生成器に表示する。信号発生用レーザを用いて生成した時系列信号(伝送したい光信号)を複素振幅生成器に照射して、位相共役波を得る。B(送信機)において生成された位相共役波は、ファイバから出射したパイロット光と同じ波面を有するため、位相共役波の性質により自動的にファイバに結合され、A(受信機)に伝送される。A(受信機)では、最初にパイロット光を生成した位置に、信号光が逆伝搬する。したがって、この位置に光検出器を配置することで、モード分散の影響を受けない信号光を受信できる。
図28に示されるデジタル位相共役器では、波面を参照光不要型の位相測定装置によって検出し、それに対して位相共役となるように空間光変調器(SLM)を用いて複素振幅分布を生成する。ここで、SLMは、光波の強度または位相の分布を空間的に変調することのできるデバイスである。SLMとしてはさまざまな機構が提案されているが、SLMの多くは、液晶パネルを用いて構成されており、コンピュータにより画素ごとに変調することができる。しかし、SLMは、強度または位相の一方しか制御することができないため、強度および位相の両方を制御しなければならない複素振幅分布の生成には、図37に示されるように2台のSLMを用いるか、図38に示されるように計算機ホログラム(CGH)を利用する。CGHは、コンピュータによって算出されたホログラムで、これに光波(参照光)を入射することで計算機内において想定していた複素振幅分布(信号光)を生成することができる。
図39に示されるように、各偏波に対してデジタル位相共役器を動作させれば、空間モードの分散だけではなく偏波モードの分散も補償できるため、非常に有用性が高い。また、図40に示されるように、本発明に係る参照光不要型の位相測定装置を含む位相共役器は、光ファイバの伝搬過程で歪んだ信号光を空間光変調器によりモード分散を補償するように変換することができる。さらに、この位相共役器は、モード分散を補償するだけでなく、特定のモード成分のみを取り出すモードフィルタとしても動作させることが可能である。したがって、図41に示されるように、変動するモード分布に対して動的に適応することができるモードフィルタを構成することができる。図40および図41に示される例では、空間光変調器を用いることを想定しているが、図42に示されるように、計算機内部で空間光変調器の動作をシミュレートすることで、より簡易なシステムでモードの分散補償やフィルタリングを行うことができる。
実施例1では、本発明に係る位相測定方法および従来の位相測定方法について、2つのホログラム間における強度分布の不一致に対する測定精度および補償効果を定量的に評価した。
実施例1では、ホログラム間における光強度の比に対する測定誤差を調べることで、本発明に係る位相測定方法の強度補償の効果を定量的に示した。実施例2では、実システムにおいてホログラム間に大きな強度の差異が存在する場合を想定し、計算機シミュレーションにより位相測定の動作を確認した。
実施例3では、2チャネル・ホログラフィックダイバーシティ干渉計を用いて本発明に係る位相測定方法を行った結果を示す。
実施例4では、実施例3における実験系を用いて、撮像素子と被検査物の距離を測定した例を示す。
実施例5では、本発明に係る参照光不要型の位相測定装置を用いて、マルチモードファイバから出射された光の位相を測定した例を示す。
CCD 撮像素子
HWP 1/2波長板
PBS 偏光ビームスプリッタ
QWP 1/4波長板
Claims (6)
- 物体光に含まれる位相情報を測定する光位相測定方法であって、
第1光強度検出部および第2光強度検出部において、試験物体光の強度分布を検出する工程と、
物体光と干渉しうる参照光の位相を変化させて、互いに位相が異なる第1参照光および第2参照光を生成する工程と、
前記第1光強度検出部において、前記第1参照光の強度分布を検出するとともに、前記第2光強度検出部において、前記第2参照光の強度分布を検出する工程と、
前記物体光および前記第1参照光から第1ホログラムを生成するとともに、前記物体光および前記第2参照光から第2ホログラムを生成する工程と、
前記第1光強度検出部において、前記第1ホログラムの強度分布を検出するとともに、前記第2光強度検出部において、前記第2ホログラムの強度分布を検出する工程と、
前記第1ホログラムの強度分布から前記第1光強度検出部において検出された前記試験物体光の強度分布または前記第1参照光の強度分布を除去することなく、かつ前記第2ホログラムの強度分布から前記第2光強度検出部において検出された前記試験物体光の強度分布または前記第2参照光の強度分布を除去することなく、前記第1光強度検出部において検出された前記試験物体光の強度分布、前記第1参照光の強度分布および前記第1ホログラムの強度分布、ならびに前記第2光強度検出部において検出された前記試験物体光の強度分布、前記第2参照光の強度分布および前記第2ホログラムの強度分布を直接用いて、前記物体光に含まれる位相情報を算出する工程と、
を有する、光位相測定方法。 - 前記参照光は、前記物体光の一部から空間フィルタリングにより低空間周波数成分を抽出することで生成される、請求項1に記載の光位相測定方法。
- 物体光に含まれる位相情報を測定する光位相測定装置であって、
物体光と干渉しうる参照光の位相を変化させて、互いに位相が異なる第1参照光および第2参照光を生成する参照光生成部と、
前記物体光および前記第1参照光から第1ホログラムを生成する第1ホログラム生成部と、
前記物体光および前記第2参照光から第2ホログラムを生成する第2ホログラム生成部と、
試験物体光の強度分布、前記第1参照光の強度分布および前記第1ホログラムの強度分布を検出する第1光強度検出部と、
前記試験物体光の強度分布、前記第2参照光の強度分布および前記第2ホログラムの強度分布を検出する第2光強度検出部と、
前記第1ホログラムの強度分布から前記第1光強度検出部において検出された前記試験物体光の強度分布または前記第1参照光の強度分布を除去することなく、かつ前記第2ホログラムの強度分布から前記第2光強度検出部において検出された前記試験物体光の強度分布または前記第2参照光の強度分布を除去することなく、前記第1光強度検出部において検出された前記試験物体光の強度分布、前記第1参照光の強度分布および前記第1ホログラムの強度分布、ならびに前記第2光強度検出部において検出された前記試験物体光の強度分布、前記第2参照光の強度分布および前記第2ホログラムの強度分布を直接用いて、前記物体光に含まれる位相情報を算出する処理部と、
を有する、光位相測定装置。 - 前記物体光の一部から空間フィルタリングにより低空間周波数成分を抽出することで前記参照光を生成する第2参照光生成部をさらに有する、請求項3に記載の光位相測定装置。
- 前記第2参照光生成部は、
前記物体光を2つに分割する第1ビームスプリッタと、
前記第1ビームスプリッタにより分割された一方の物体光の偏光状態を45°の直線偏光に変換する1/2波長板と、
前記第1ビームスプリッタにより分割された他方の物体光の偏光状態を円偏光に変換する1/4波長板と、
45°の直線偏光の前記物体光および円偏光の前記物体光のうちの一方の前記物体光から低空間周波数成分を抽出して前記参照光を生成する空間フィルタと、
を有する、請求項4に記載の光位相測定装置。 - 相手方の通信装置から光ファイバを介して送信されたパイロット光を受信し、前記パイロット光に含まれる空間モード伝播情報を測定する、請求項3〜5のいずれか一項に記載の光位相測定装置と、
前記光位相測定装置で測定された空間モード伝播情報に基づき、前記光ファイバにおけるモードの変換および回転を解消できる光複素振幅を算出する位相共役計算部と、
前記光複素振幅を含む光に時系列信号を加えた光を前記光ファイバを介して前記相手方の通信装置に送信する送信部と、
を有する光通信装置。
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