JPH04276525A - 光検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】［発明の目的］

【０００２】

【産業上の利用分野】本発明は微弱な光を計測する光計
測システム等において使用される光検出装置に関する。

【０００３】

【従来の技術】微弱な光を計測する光計測システム等に
おいては、１ｎＷ前後の非常に微弱な光を測定しなけれ
ばならないことがある。

【０００４】このような場合、システム各部のノイズが
測定精度に大きく影響してしまうので、システム各部の
ノイズを低減させる必要がある。

【０００５】特に、被測定光を計測して電気信号に変換
する光検出器に対しては、システム全体の測定精度に大
きな影響を及ぼす関係上、種々の対策がとられている。

【０００６】その１つは、被測定光をチョッピングして
光検出器に供給するとともに、この光検出器から出力さ
れる信号を交流増幅して前記光検出器の直流雑音成分で
ある暗電流を除去することにより前記被測定光に対応す
る信号を抽出する方法である。

【０００７】この方法は被測定光が交流信号である場合
、被測定光をチョッピングすることなく、光検出器の出
力を交流増幅するだけで暗電流と信号とを分離すること
ができることから、種々のシステムにおいて広く採用さ
れている。

【０００８】しかしながら、光検出器で発生する雑音の
うち、ショット雑音および電流／電圧変換用の負荷抵抗
で発生するサーマル雑音については、信号の持つ帯域に
依存した値の雑音信号として前記被測定光に対応する信
号と同時に検出されるため、上述したような周波数的な
分離手段を講じることはできない。

【０００９】このような場合、すなわちＳＮ比が悪く雑
音の中に信号が埋もれている場合、このようなショット
雑音やサーマル雑音では振幅分布がガウス型で周波数的
に白色雑音とみなせ、かつ計測毎の相関が無いとみなせ
ることを利用して測定物理現象を繰り返し発生させ、光
検出器から出力される信号を同期加算することにより、
雑音を相殺させる方法（同期加算方法）がとられている
。

【００１０】そして、このような同期加算方法では、加
算回数を“Ｎ”とすると、その標準偏差“σ”を次式に
示す値で減少させることができるとともに、信号成分を
同期加算させることができるので、その都度、ＳＮ比を
大きくすることができ、これによって計測可能な信号を
抽出することができる。

【００１１】

【数１】

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな同期加算法では、次式で示す値でしかＳＮ比を改善
することができないので、非常に微弱な光を計測しなけ
ればならないとき、例えば、散乱光の時間変化を計測す
るときのように大きな増幅率と広い帯域が要求され、か
つ測定生信号のＳＮ比が“０．０１”程度しかない物理
現象を計測するときには、多くのデータ数が必要となり
、その分だけ計測に多大な時間がかかってしまうという
問題があった。

【００１３】また、測定中の物理現象の再現性等に問題
がある場合、さらに多くのデータが必要になるため、計
測に要する時間がさらに長くなってリアルタイム性が欠
如してしまうという問題があった。

【００１４】

【数２】

【００１５】また、光検出器自体に増幅作用のある素子
を使用しなければならないような場合には、光信号の増
幅過程が基本的に確率過程で多くの雑音を含んだ形で行
われるため、この問題が顕著となっていた。

【００１６】本発明は上記の事情に鑑み、微弱な光を計
測するとき、測定精度を確保しながら加算回数を少なく
して測定時間を短縮することができる光検出装置を提供
することを目的としている。

【００１７】［発明の構成］

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明による光検出装置は、物理現象にかかわる被
測定光を繰り返し受光して電気信号に変換する複数の光
／電気変換部と、これらの各光／電気変換部によって得
られた各電気信号を同時に加算する加算部と、前記物理
現象にかかわる同期信号を用いて前記加算部の加算動作
によって得られた電気信号を同期加算する同期加算部と
を備えたことを特徴としている。

【００１９】

【作用】上記の構成において、複数の光／電気変換部に
よって物理現象にかかわる被測定光が繰り返し受光され
て電気信号に変換されるとともに、加算部によって前記
各電気信号が同時に加算され、こによって得られた電気
信号が同期換算部によって繰り返し同期加算されて前記
被測定光に対応するＳＮ比の大きな電気信号が生成され
る。

【００２０】

【実施例】図１は本発明による光検出装置の第１実施例
を示すブロック図である。

【００２１】この図に示す光検出装置は光分割部１と、
バイアス部２と、４つの光検出器３ａ〜３ｄと、加算部
４と、同期加算信号処理部５とを備えており、測定対象
６から供給される被測定光を分割して各光検出器３ａ〜
３ｄによって受光し、この受光動作によって得られた信
号を加算部４によって加算した後、同期加算信号処理部
５によってアベレージ積分処理やボックスカー積分処理
等の同期加算処理を行なって信号を抽出しこれを次段回
路に出力する。

【００２２】光分割部１は図２に示す如く被測定光の入
射路となる入射側光ファイバー１０と、この入射側光フ
ァイバー１０によって取り込まれた被測定光を４つに分
割する１×４スターカプラ１１と、この１×４スターカ
プラ１１の分割動作によって得られた各分割被測定光を
前記各光検出器３ａ〜３ｄに導く４つの出射側光ファイ
バー１２ａ〜１２ｄとを備えており、測定対象となる光
（被測定光）が供給されたとき、これを４つに分割して
分割被測定光にした後、これらを各光検出器３ａ〜３ｄ
に各々供給する。

【００２３】また、バイアス部２はバイアス電圧を発生
する電圧発生回路等を備えており、被測定光の計測を行
なうとき、複数のバイアス電圧を発生してこれらを前記
各光検出器３ａ〜３ｄに各々供給する。

【００２４】各光検出器３ａ〜３ｄは各々、受光した分
割被測定光を電気信号に変換するフォトダイオード１３
ａ〜１３ｄを備えており、前記バイアス部２によってバ
イアスされた状態で前記光分割部１から分割被測定光が
供給されたとき、これを電気信号に変換して加算部４に
供給する。

【００２５】加算部４は図２に示す如く一端が接地され
、他端が前記各光検出器３ａ〜３ｄの出力側に接続され
、これら各光検出器３ａ〜３ｄから出力される信号を加
算する抵抗１４と、一端が接地された抵抗１５と、ドレ
インが電源ライン１６に接続され、ソースが前記抵抗１
５の他端に接続され、前記抵抗１４によって加算された
信号をソースフォロアー形式で増幅してインピーダンス
変換を行なうＦＥＴ１７と、このＦＥＴ１７によって増
幅された信号を高速で増幅する増幅器１８とを備えてお
り、前記各光検出器３ａ〜３ｄから供給される信号を加
算して同期加算信号処理部５に供給する。

【００２６】同期加算信号処理部５は前記加算部４から
供給される信号を各時間毎に記憶するメモリやこのメモ
リに記憶されている各信号値に基づいて同期積分処理を
行なうアベレージ積分回路やボックスカー積分回路等の
同期加算回路などを備えており、前記測定対象となる光
に基づいて前記加算部４から出力される信号を“１０ｎ
　”回、繰り返し同期加算して前記各光検出器３ａ〜３
ｄで発生した雑音を低減させる一方、前記加算部４から
供給される信号から前記測定対象となる光に対応する信
号を抽出し、これを次段回路に供給する。

【００２７】この場合、各光検出器３ａ〜３ｄで発生す
る雑音成分は入射した光量および各光検出器３ａ〜３ｄ
の増幅率に依存した量になり、かつ４分割した場合も、
分割しないで各光検出器３ａ〜３ｄに入射させた場合と
同様なＳＮ比となり、しかも各光検出器３ａ〜３ｄが独
立していてその雑音に相関関係がないため、各光検出器
３ａ〜３ｄから出力される信号を加算したとき、雑音レ
ベルを“１／４”にして、その振幅の標準偏差を次式に
示す値にすることができ、これよって加算器４から出力
される信号をほぼ基のレベルに維持しながら雑音成分を
減衰させてＳＮ比を改善することができる。

【００２８】

【数３】

【００２９】この結果、同期加算信号処理部５での同期
加算回数を“１／４”にしても、光分割部１によって被
測定光を分割しないで、同期加算を行なうときと同等の
ＳＮ比を確保することができ、これによって測定時間を
大幅に短縮することができる。

【００３０】このように、この実施例においては、測定
対象となる光を分割し、これを各光検出器３ａ〜３ｄに
よって電気信号に変換した後、加算部４によって合成す
るにようにしたので、微弱な光を計測するとき、測定精
度を確保しながら加算回数を少なくして測定時間を短縮
することができる。

【００３１】図３は本発明による光検出装置の第２実施
例を示す要部回路図である。なお、この図において、図
１および図２と同じ部分には同じ符号が付してある。

【００３２】この図に示す光検出装置が図１および図２
に示す装置と異なる点は、４つの増幅回路２０ａ〜２０
ｄと、重付け加算回路２１とによって加算部４ｂを構成
し、各光検出器３ａ〜３ｄから出力される各信号を個々
にインピーダンス変換した後、重み付けを行なって加算
するようにしたことである。

【００３３】この場合、各増幅回路２０ａ〜２０ｄは各
々一端が接地され、他端が前記各光検出器３ａ〜３ｄの
出力側に接続され、これら各光検出器３ａ〜３ｄから出
力される信号を受ける抵抗２２と、一端が接地された抵
抗２３と、ドレインが電源ライン２４に接続され、ソー
スが前記抵抗２３の他端に接続され、前記抵抗２２によ
って得られた信号を増幅してインピーダンス変換を行な
うＦＥＴ２５とを備えており、前記各光検出器３ａ〜３
ｄから出力される信号をソースフォロアー形式で個々に
インピーダンス変換して重付け加算回路２１に供給する
。

【００３４】重付け加算回路２１は非反転入力端が接地
された演算増幅器２６と、この演算増幅器２６の出力端
子と反転入力端子との間に介挿される帰還用の抵抗２７
と、前記演算増幅器２６の前記反転入力端子と前記各増
幅回路２０ａ〜２０ｄの出力端子との間に介挿される複
数の重み付け用の抵抗２８ａ〜２８ｄとを備えており、
前記各増幅回路２０ａ〜２０ｄから出力される信号に重
み付けを行ないながら加算してこの加算動作によって得
られた信号を同期加算信号処理部５に供給する。

【００３５】このように、この実施例においては、各光
検出器３ａ〜３ｄから出力される信号に重み付けを行な
って加算するようにしているので、上述した実施例と同
様に微弱な光を計測するとき、測定精度を確保しながら
加算回数を少なくして測定時間を短縮することができる
とともに、光分割部１の分割比特性や各検出器３ａ〜３
ｄの光電気特性がばらついても、これを補正することが
できる。

【００３６】また、上述した第１、第２実施例において
は、１×４スターカプラ１１等によって光分割部１を作
るようにしているが、光学的な損失が極めて小さいプリ
ズムやビームスプリッタ、回折格子等の分割器を使用し
て光分割部１を作るようにしても良い。

【００３７】図４は本発明による光検出装置の第３実施
例を示すブロック図である。なお、この図において、図
１および図２と同じ部分には同じ符号が付してある。

【００３８】この図に示す光検出装置が図１および図２
に示す装置と異なる点は、光分割部１に代えて光調整部
３０を設け、さらに各光検出器３ａ〜３ｄを集積して１
つのチップ３１上に載せ、光調整部３０で被測定光を調
整して均一にした後、これをチップ３１上に集積された
各光検出器３ａ〜３ｄに供給して、これらの各光検出器
３ａ〜３ｄから信号を出力させるようにしたことである
。

【００３９】この場合、光調整部３０は図５に示す如く
被測定光を受ける入射側光ファイバー３２と、この入射
側光ファイバー３２によって取り込まれた被測定光を均
一化するレンズ３３とを備えており、被測定光が供給さ
れたとき、これを均一な光束にして各光検出器３ａ〜３
ｄに供給する。

【００４０】各光検出器３ａ〜３ｄは微細加工技術によ
って作成された後、１つのチップ３１上に集積されたハ
イブリット形式の検出器であり、チップ３１の中心と前
記光調整部３０の光軸とが一致するように配置されこの
光調整部３０から出射される被測定光を各々、受光して
電気信号に変換し、これらを加算部４に供給する。

【００４１】このように、この実施例においては、光調
整部３０によって被測定光を均一な光束にしてチップ３
１上に集積された各光検出器３ａ〜３ｄに供給するよう
にしたので、被測定光を分割して各光検出器３ａ〜３ｄ
に供給するときに比べて被測定光の損失を小さくするこ
とができ、これによって微弱な光を計測するとき、測定
精度を確保しながら加算回数を少なくして測定時間を短
縮することができる。

【００４２】また、この第３実施例においては、各光検
出器３ａ〜３ｄを矩形状に形成してチップ３１上に集積
するようにしているが、図６に示す如く各光検出器３ａ
〜３ｄを円弧状に形成して前記光調整部３０の光軸を中
心とする同心円上に配置するようにしても良い。これに
よって、光調整部３０から出射される被測定光が光軸を
中心として広がっていても、各光検出器３ａ〜３ｄの受
光量を均一にすることができる。

【００４３】また、上述した第３実施例およびその変形
例においては、微細加工技術によって各光検出器３ａ〜
３ｄを作成した後、これをチップ３１上に集積するよう
にしているが、光露光技術等を用いて半導体チップ上に
各光検出器３ａ〜３ｄを作成し、これを光調整部３０の
光出射側に配置するようにしても良い。

【００４４】また、上述した各実施例においては、４つ
の光検出器３ａ〜３ｄによって分割被測定光や均一化さ
れた被測定光を受光するようにしているが、数個ないし
数十個以上の光検出器を用いて分割被測定光や均一化さ
れた被測定光を受光するようにしても良い。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、微
弱な光を計測するとき、測定精度を確保しながら加算回
数を少なくして測定時間を短縮することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光検出装置の第１実施例を示すブ
ロック図である。

【図２】図１に示す光分割部および各光検出器、加算部
の詳細な回路図である。

【図３】本発明による光検出装置の第２実施例を示す要
部回路図である。

【図４】本発明による光検出装置の第３実施例を示すブ
ロック図である。

【図５】図４に示す光調整部および各光検出器の詳細な
構成例を示す模式図である。

【図６】図４に示す光調整部および各光検出器の他の構
成例を示す模式図である。

【符号の説明】

１　　光分割部 ３ａ〜３ｄ　　光／電気変換部（光検出器）４、４ｂ　
　加算部 ５　　同期加算部（同期加算信号処理部）６　　測定対
象 ３０　　光調整部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　物理現象にかかわる被測定光を繰り返
   し受光して電気信号に変換する複数の光／電気変換部と
   、これらの各光／電気変換部によって得られた各電気信
   号を同時に加算する加算部と、前記物理現象にかかわる
   同期信号を用いて前記加算部の加算動作によって得られ
   た電気信号を同期加算する同期加算部と、を備えたこと
   を特徴とする光検出装置。
2. 【請求項２】　　前記各光／電気変換部は被測定光を分
   割して得られた各分割被測定光を各々受光して電気信号
   を生成する請求項１記載の光検出装置。
3. 【請求項３】　　前記各光／電気変換部は前記被測定光
   の光束範囲内に収まるように配置され、前記被測定光を
   各々受光して電気信号を生成する加算する請求項１記載
   の光検出装置。
4. 【請求項４】　　前記加算部は各光／電気変換部で得ら
   れた各電気信号を重みを付けて加算する請求項１記載の
   光検出装置。