JPH04501608A - 干渉計 - 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】 干渉計 本発明は干渉計に関する。

１つの良く知られた干渉計は、光分割器が光結合器に異なる光路に沿って伝播す る２つの部分に光信号を分割するマツハツエンダ−（Ｍａｃｈ　−Ｚ　ｅｈｎｄ ｅｒ）干渉計である。結合器における２部分間の相対的な位相差はそれらに干渉 させ、結果的な光信号の強度を測定することによって監視されることができる。

相対的な位相差は２つの光路長の間の差に依存する。

このような干渉計は、測定または変調信号の変化に応答して２つのアーム間の光 路長の差を変化させる手段を含むことによりセンサまたは変調器として使用され ることができる。Ｇｉａｌ　１ｏｒｅｎｚｉ氏他による文献（“Ｏｐｔｉｃａｌ 　Ｆ　１ｂｅｒ　Ｓ　ｅｎｓｏｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　＝　、Ｉ　Ｅ　Ｅ　Ｅ 　Ｔｒａｎｓａｃｔｌｏｎｓ　ｏｎ　ＭｉｃｒｏｗａｖｅＴｈｅｏｒｙ　ａｎｄ 　Ｔｅｃｈｎｌｑｕｅｓ　、Ｖｏｌ　ＭＴＴ−３０，Ｎｏ、４　。

１９８２年４月、４７３乃至４８０頁）にはその−例が示されている。

センサとして使用される場合の既知のマツハツエンダ−干渉計の欠点は、干渉部 分が入力ボートから分離された出力ポートにおいて監視されなければならないこ とである。導波体から離れた干渉計の状態を監視する必要がある場合、例えば光 ファイバはモニタへの光の一部分の伝播を行わせるように出力に結合されること が必要である。これは、センサが遠くに位置された場合に大量のファイバを必要 とすることになる。

この明細書において、“光学的２という用語は例えば光ファイバのような誘電性 の先導波体によって伝送されることができる可視領域の各端部の赤外線または紫 外線領域の部分を伴う可視領域として一般に知られている電磁スペクトルの部分 を示すものである。

本発明によると、干渉計は少なくとも１つ入力ポートおよび２つの光分割型出力 ポートを有する光分割器と、２つの光結合型入力ボートおよび２つの出力ポート を有する光結合器と、光結合型入力ボートの１つに光分割型出力ボートの各１つ をそれぞれ光学的に結合する第１および第２の光アームと、一方のアームの他方 に対する光路長を変化する調節手段とを具備し、結合器出力ポートのそれぞれ一 方に結合器出力ポートのいずれかから任意の光信号出力を再放射する手段を含ん でいることを特徴とする。

光分割型入力ポートに発射された入力信号の結果として生成された結合器出力ポ ートに存在する信号（マツハツエンダ−干渉計中のものとして知られている）は 光結合弱出力ボートに再放射され、それによって干渉計のマツハツエンダ一部分 を通る第２の転移を経る。

光分割器は干渉計アームに沿って逆方向に伝播する光信号用の光結合器として動 作する。これらの信号は干渉する。以下詳細に説明するように、結果的な干渉信 号は２つのアームの相対的な光路長と共に変化するが、この場合光の入力光信号 が結合された入力ポートから干渉計を離れる干渉信号が監視されることができる 。

したがって、反射された信号は光分割器に光信号を供給する同じ先導波体に沿っ てモニタステーションに伝播する。入力信号が発射された入力ポートから現れる 信号の部分は便宜上反射信号と呼ばれ、存在する場合には別の入力ポートから現 れる（例えば、分割器が４ボ一ト融着光ファイバ結合器である場合）場合には送 信信号と呼ばれる。

干渉計のマツハツエンダ一部分は既知の方法で第１および第２のビーム分割器を 具備したバルク光学素子、並びに第１および第２のミラーから構成される装置に 入った光は第１のビーム分割器によって第１および第２の部分に分割される。

部分はそれぞれ光結合器まで分離した光路、例えば１つは第１および第２のミラ ーによってそれぞれ限定された光路、他の１つは直線の光路である別の光路を通 り、それらは第１および第２の出力ポートにおいて第１および第２の干渉信号を 生成するために再結合する。

このようなバルク光マツハツエンダー干渉計と共に使用された本発明の再発射手 段は、マツハツエンダ−干渉計の第１の出力ポートからの出力信号が第３のミラ ーに、次に第４のミラーに入射し、最終的に第２の入力ポートを介してマツハツ エンダ−干渉計に再発射されるように位置された２つのミラーを含む。第２の入 力ポートからの出力信号は最初に第２のミラーに入射し、その後節１の入力ポー トを介してマツハツエンダ−干渉計に再発射されるように第１のミラーに入射す る。その代りとして、第３および第４のミラーは各出力から同じ出力へ光を再発 射して戻すように構成されている。

特に便利な干渉計の形状は、光アームを形成する１対の先導波体、例えば光ファ イバによって光学的に結合された１対の４ボ一ト光結合器によって形成され、再 発射手段はマツハツエンダ−干渉計の第１と第２の出力ポートの間に形成された ループ先導波体を含む。このような装置は単一のファイバから形成されることが でき、耐性があり、装置が全体的または部分的にバルク光学系から形成された場 合に発生させられる整列問題を招かない。

本発明はまた例えばＬｉＮｂＯ３基体で形成される平坦な導波体から形成される ことができる。このような実施例において光分割器は単一の入力を有することが できる。

装置は、例えば偶発的な振動のために機械的な伸張、または電子・光効果にによ って測定される量に対して感応性である調節手段に対して配列することによって センサとして使用可能である。

本発明は一般にマツハツエンダ−干渉計に適用可能であり、特定のタイプの分割 器、結合器または再発射手段に限定されず、また特定の実施例によって述べられ る、一方アームの他方に対する光路長を変化させる特定の調節手段に限定されな いことが理解されるであろう。

本発明は、反射された信号が調節手段によって変調されることができる特性を使 用することによってセンサ以外に適用されることができる。例えば干渉計はファ イバレーザのＱスイッチ動作のための可変出力反射器として、或はそれを実行す るために使用されることができる。

以下、次の図面を参照して単なる例示である本発明の詳細な説明する。

図１は本発明による光フアイバ干渉計の概略図である。

図２は本発明によるバルク光干渉計の概略図である。

図３は、図１の実施例を特徴付けるために使用される実験的な構造の概略図であ る。

図４は、図３の実施例の送信および反射された出力強度のグラフである。

図５は、レーザミラーの１つとして本発明による干渉計を有しているファイバレ ーザの概略図である。

図１を参照すると、光フアイバ干渉計は入力ポート１および２、並びに光分割出 力ポート８および１０を有する光分割器３と、光結合型入力ボート１４および１ Ｂ並びに出力ポート１８および２０を有する光結合器１２を含み、ボート８と１ ４並びに１０と１６の対はマツハツエンダ−干渉計２５を形成するようにアーム ２２および２４によってそれぞれ光学的に結合され、ボート１８および２０は再 発射手段を構成するループ２Ｂによって結合される。

装置は単一の、単モード光ファイバから形成され、分割器３および結合器１２は 既知の方法で形成された融着されたテーパーされた結合器であった。本発明が例 えばＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３基体中に構成された場合、例えば研磨された光結合器 または先導波体結合器等の別の結合器が使用されることもできる。

ピエゾ電気伸長器２７は一方のアーム２４に関する他方のアーム２２の光路長を 変化するように付勢される。アーム２２および２４の相対的な光路長をそのよう に変化することができる別の装置が代わりに使用されてもよい。

図２を参照すると、図１と等価なバルク光学系が示されており、同じ特徴が同じ 参照符号によって示されている。光分割器および結合器１．１２″はハーフミラ −ビーム分割器によって形成され、アーム２２′および２４′はフルーミラー２ ２゛Ａおよび２４′Ａによって、またループ２６′はフルーミラー２６″Ａおよ び２６゛Ｂによって限定される。光路長は可動プリズム２８′によって調節され ることができる。

方向性結合器に関わる任意の複雑な光フアイバ干渉計を説明する式を定める方法 は、Ｐ　、　Ｕ　ｒｑｕｈａｒｔ氏による文献（Ａｐｐｌｉｅｄ　０ｐｔ１ｅｓ 　Ｖｏｌ　２Ｂ（１９８７）　４５Ｂ　）に記載されている。

この方法を使用すると、結合器の直ぐ隣りにある装置の点で両方向に伝播する複 素数電界成分間の関係を設定する１組の線形方程式が定められることができる。

知られていない量と同じ数の式があり、この場合１６である。この式は、構造を 通る種々の通路を説明する電界成分の和に依存しているが、複雑な構造を使用す るのに適している方法と同じ結果をもたらす。本発明の干渉計を分析する場合、 偏光状態は装置にわたって一定であると仮定される。実際には、偏光制御は必要 であることが認められた。これは次の任意の１つによって達成されることができ る：　（ａ）光ファイバによる適切な調節、（ｂ）偏光制御装置の使用：　（Ｃ ）ファイバおよび偏光結合器の偏光および保守の使用である。

Ｋ、およびγ１をそれぞれ分割器２および結合器１２の強度結合率および結合損 失であると仮定し、ここで分割器および結合器をそれぞれ構成するファイバ結合 器に対してｉ−１または２であると仮定する。アーム２２および２４、並びにル ープ２０の長さは１１．１２および１３である。（フィールド）損失および伝播 定数はそれぞれαおよびβであり、βは以下のように与えられる。

β−２πｎｏ／λ　（１） ここでｎ、はファイバの実効屈折率であり、λは自由空間波長である。

同時に解いた場合、最初の式はボート１および２における出力に対する解を与え る。フィールドの解は２つの対応した出力強度を与えるようにそれら自身の複素 共役数で乗算される。これらは、考慮される出力ボートに応じて定数が２つの形 態の一方を取る単一の式によって示されている。強度応答関数は次のように表さ れる。

Ｉｉ”／Ｉ；ｎ＝　［（Ａ、　＋　Ｂ、　＋　Ｃ１）２−４Ａ、（Ｂ、＋Ｃ１） ｇｉｎ２（６／２）　（２）−＋Ｂ、ｃ１ｓｉｎ２（δ））ｅｘｐ（−２ａす。

ここで、δは長さ１．および１□の２つのアーム間の位相差であり、次のように 与えられる。

δ冨β（１□−１□）、　（３） 定数は、出力がポート１であるか２であるかに応じてｉ　−１，２であるＡ１． 、ＢＩおよびＣＩにより与えられる。

Ａｌ　＝　ｒｌｔｌ　ｅＸｐ　（ａ（ｌｘ　”　１２））　（４）Ｂｌ　＝　ｒ ｌ　（１−に１）　（１−７１）　ｅｘｐ（−２ａｌｌ）　（５）Ｃ１＝　−（ ｒ２Ｋｌ）　（１−７１）　ｅｘｐ（−２ａ１２）　（６）Ａ２＝　ｔｘｊ２ｅ Ｘｐ（−（！（Ｉｌ”　１２））、　（７）Ａ２　＝−ｒｌｒ２ｅｘｐ（−２ａ ｌｌ）／２　（８）Ｃ２−−ｒｘｒ２ｅｘｐ（−２ａ１２）／２　（９）結合率 に１および結合損失γ１を持つゼロ損失ファイバから形成されたループ反射器に 適用される振幅伝達率および反射率項が解析において示され、ｒｌおよびｔｌに よりそれぞれ与えられる。これらは以下の式により与えられる。

ｔｉ　＝　（１−２に１）　（１−ｔｉ）。　（１１）アーム１、および１□の 光路長が等しい場合、δはゼロであり、式（２）は以下のようになる。

Ｉ−／Ｉ：”　＝　（Ａ、＋Ｂ、＋Ｃ□）２ｅＸｐ（−２ａ１３）、　（１２） 式（１２）はδに関する不変関数であり、すなわち光は２つのボート間で等しく なく分割されるに過ぎない。装置はループ反射特性を示している。

以下、両結合器が１／２の結合率を有している場合を検討する。その場合出力は 以下の簡単な形態を取る。

ｌ０ｕｔ／Ｉ”　＝　［（Ｂ１＋Ｃ１）２−４８ＩＣ，ｇｉｎ”（６）ｌｓｘｐ （−２ａ１３）　（１３）ｔｌは、Ｋが近似的であるが正確ではなく、１／２に 等しいときでも小さい値を有することに留意しなければならない。

したがって、式（４）および（７）から、Ａ、およびＡ２がほぼゼロであること が認められることができる。結果として、式（１３）は結合器が正確に５０　： 　５０の分割率を持たない場合でも良好な近似値に適用されると考えられる。重 要な成分値に対するこのような強度は本発明の望ましい特性であると認められる 。式（１３）の別の特徴は、アーム２２．２４およびループ２０における損失の 影響を容易に認めることができることであり、これは３つの位置で２つの結合器 を一緒にスプライスすることにより装置を形成したために生じ得る。式（４）乃 至（９）および（１３）において見られる長さ損失積ａｌ＋は、適切なスケール 係数で乗算されることができる。したがって、ディスクリートなスプライス損失 は長さ１．のアーム中で等しく分配された損失によって置換される。式（１３） において定数Ｂ、およびＣＩから認められることができるように、スプライス損 失の影響はピーク出力強度と変調の深さの両者において小さい減少を生じさせる ことである。

ファイバおよび両結合器の損失が何分の１ｄＢ程度の低い値を取った場合の状態 において、実際に強度式は以下の式で良好な近似値で示されることができる。

Ｉ”ｔ／Ｉ”　＝ｓｉｎ２（ａ）、　ｌ＝１．　（１４）ｘ　ｃｏｓ２（δ）、 　ｉ＝２゜ 式（１４）は、エネルギ変換によって要求されるように２つのポートからの出力 の和は１である。式（１４）から低損失成分が５０：５０結合器と共同して使用 される場合、２つのボートからの光出力は相対的な位相変化だけによって決定さ れ、δは２つのアームにおける通過と関連していることが認められる。

δは２つのアーム２２および２４の光路長の差（ｌｉ　１２）および伝播定数β に依存している。したがってδの変化、したがって２つのアームの出力強度の変 化を発生させるためにβまたは（１１１２）のいずれかが変化されなければなら ない。実際にはいくつかの方法で実現されることができる。ファイバはファイバ の１つに対してその長さの伸長に沿ってまたは温度変化が与えられてもよい。そ の代りとして、干渉計に投射された光の波長は調節されることができる。したが って、本発明はセンサまたは反射変調器として有効である。

図１に示された本発明の実施例の特性を試験するために使用される実験的な構造 は図３に示され、装置全体は融着されたテーパーを有する結合器を備えた標準的 な単一モードの通信用光ファイバから形成される。図１の実施例と共通したそれ らの素子は同じ符号で示されている。相対的な位相差δを走査するように適合さ れた技術は、ポート１に一定の波長の光を投射し、ピエゾ電気伸長器２７により アーム２２中のファイバの長さを周期的に変化することである。したがって、一 定の位相シフトを与えられた装置を伸張することは直線的な供給鋸歯状態電圧に 関連し、これはオシロスコープ（示されていない）の時間ベースに同期される。

したがって、時間は位相差δに直接比例する。

１．５３３７４μｍの測定された動作波長を有するＩｎＧａＡｓＰ外部空洞半導 体ダイオードレーザ３０は入力信号を供給するために使用された。光アイソレー タ（示されていない）は反射された信号によるレーザの不安定性を防止する。第 ３の方向性結合器３２は入力ポート１にスプライスされる。投射され送信されて 反射された信号は、高い分解能のオシロスコープ（示されていない）に接続され た検出器Ｄｌ乃至Ｄ３を３点配置することによって監視された。アーム２２およ び２４並びにループ２６の長さＩＩ、１２および１．の値はそれぞれ０．８５ｍ ％０．９５ｍおよび１．１０ｍであった。融着された結合器は１５５０ｎ■で５ ０：５０であるように設計されている。動作波長で測定されたそれらの結合率は Ｋｓ　＝に２−０．４２±０．０１であった。再結合器は約０，０５乃至０．１ ｄＢの余分の損失を有していた。結合器３２は０．５５の分割率を有していた。

実験的に測定されたポート２および１から送信され反射された出力強度はそれぞ れ図４において相対的な位相変化δの関数として示される。この図から認められ るように、トレースは式（１４）によって要求されるほぼｓｉｎ　２またはｅＯ ｓ　２特性に対応する。曲線の４つのサイクルが示されている。非常に多数の期 間にわたって観察が行われたときでも、高周波数の、式（２）において示されて いる５ｉｎ２（δ／２）成分の形跡はない。これは、式（４）および（７）によ って与えられたＡＩかに＋＝１／２であるときに小さいことために予測される。

測定された送信され反射された強度のピーク値はそれぞれ０．５３１”および０ ．２６Ｉ”であり、ここでｌｌａはレーザから投射された強度である。反射され たピーク強度は、それらが検出前に２度結合器の入力を通過しなければならない ので大きさにおいて低い。測定値はそれぞれ送信および反射された信号の０．５ ５Ｉ”および０．２４８　Ｉ　”の予測値と十分に比較された。図４から認めら れることができるように、低いレベルの変調されない信号があった。変調されな い量は０．０２８１１より小さいことが測定され、結合器３および１２が正確５ 〇二５０ではなかったという事実にかかわらず、変調の良好な深さが得られるこ とができることを示す。上記で論じられたように、これは、特性が最適でない結 合率および少し過度の損失の存在に対して合理的に非感応的でなければならない という予測からなる。

位相に関する出力パワーの計算された変化から出力応答特性の変化が可能である ことが示されている。２つの応答特性は特に重要である。２つの構成アームが等 しい光路長であるとき、装置は周波数に対して独立の反射器として動作する。

両方の方向性結合器が５０％の結合率を有する場合、２つのアームにおける信号 の相対的な位相差δへの２つのポートからの出力パワーの依存性は５ｉｎ２（δ ）およびｅＯｓ２（δ）により簡単に与えられる。相対的な位相変化は、マツハ ツエンダ−センサ技術の技術で良く知られている種々の手段によって生成される ことができ、したがって変調は全範囲のパワー１ノベルに対して可能である。実 験は、数ミクロンだけアームの１つを伸長させることによって５ｆｎ２（δ）お よびｅＯｓ　２（δ）の応答が計算によって予測されることが確認された。

本発明の重要な利点は、最適でない５０％の結合器が使用された場合でもほぼ全 ての変調が得られることである。

反射変調は干渉計の２つのアーム間の相対的な位相差に依存しているため、振動 の周波数は１つのアーム中のアームの変調と同じ程度大きいことが可能である。

これは、反射変調が同じ（ループ）通路における異なる位相遅延により生じる、 または分割器の結合率が反射信号を変化するように変調される単一の光フアイバ ループサグナック（Ｓ　ａｇｎａｅ　）反射器にまさる大きい利点である。

図５を参照するど、光フアイバレーザはファイバの一端における波長選択性ダイ クロイックミラー３６によって限定されるレーザ放射空洞のアクチブレーザ材料 を形成する既知のエルビウムドープシリカ光ファイバ３４、および融着スプライ ス３８によって互いにスプライス結合された本発明による干渉計を具備している 。それはレーザポンプ４０によってポンプされる。制御装置４２は、干渉計の反 射率を変化するように設定されることができる（ファイバ３４からポート１で入 力した光信号に関して）ピエゾ電気伸長器２７によって制御するために使用され る。本発明はもちろんバルク光レーザを含む別のレーザ構造に適用可能である。

レーザの最適出力パワーはその空洞のミラーの反射率に依存することが知られて いる。本発明はレーザの効率を最適にする可変反射率のミラーとして使用される ことができる。反射率の変化速度はまたレーザをＱスイッチする反射変調器とし て使用されることを可能にする。

入力光信号の反射され送信された部分は周波数により周期的に変化する。したが って、本発明の適用は例えば櫛の歯状の分布の周波数から一部分を選択するため に周波数フィルタとして使用されることができる。

＝　、　＝−、、−１−＋　ＰＣＴ／ＧＢ　８９１０１３０４国際調査報告

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも１つ入力ポートおよび２つの光分割器出力ポートを有する光分 割器と、 ２つの光結合器入力ポートおよび２つの出力ポートを有する光結合器と、 光結合器入力ポートの１つに光分割器出力ポートの各１つをそれぞれ光学的に結 合する第１および第２の光アームと、一方のアームの他方に対する光路長を変化 する調節手段とを具備している干渉計において、 出力ポートのいずれかから出力ポートのそれぞれのものに光信号出力を再放射す る手段を具備していることを特徴とする干渉計。
2. （２）光分割器および光結合器は光導波体結合器であり、アームは光導波体であ ることを特徴とする請求項１記載の干渉計。
3. （３）再放射する手段は２つの光結合器出力を光学的に結合する光導波体を具備 している請求項２記載の干渉計。
4. （４）全ての光導波体は光ファイバである請求項３記載の干渉計。
5. （５）全ての光導波体は単一の光ファイバから形成されている請求項４記載の干 渉計。
6. （６）レーザ空洞の少なくとも１端が請求項１乃至５のいずれか１項に記載され た干渉計によって限定されているレーザ。
7. （７）レーザ空洞は光ファイバレーザ媒体を具備し、干渉計は全ての光ファイバ 干渉計である請求項６記載のレーザ。