JPH0572046A

JPH0572046A - 光ビート周波数測定装置

Info

Publication number: JPH0572046A
Application number: JP3236150A
Authority: JP
Inventors: Haruhiko Tabuchi; 晴彦田淵
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-09-17
Filing date: 1991-09-17
Publication date: 1993-03-23

Abstract

(57)【要約】【目的】ビート光のビート周波数を測定する光ビート
周波数測定装置に関し、作成が容易で測定制度の高い光
ビート周波数測定装置を提供することを目的とする。【構成】２つの波長の光のビート光を受け、２つの光
束に分割する光分岐手段と、前記分割された２つの光束
をそれぞれ受光し、電気信号に変換する２つの光電変換
手段と、前記分割された２つの光束の一方の光路に他方
の光路に対して光路差を設定することのできる光路差設
定手段と、前記２つの光電変換手段からの２つの電気信
号を比較し、ビート光のビート周波数を表す電気信号を
発生させるビート周波数検出手段とを含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光測定装置に関し、特
にビート光のビート周波数を測定する光ビート周波数測
定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】２つの波長の光を混合し、ビート光の周
波数を検出することが光通信において行なわれる。この
ようなビート光の周波数を検出する従来の技術を以下に
説明する。図２は、電気的フィルタを用いてビート光の
周波数を検出する装置の例を示す。

【０００３】入射光１１０は、λ１とλ２の波長の光を
混合したものであり、そのエンベロープは図中上側に示
すように、２成分の差の周波数（ω２−ω１）で変化す
る。このように、ビートを打つ光１１０が光電変換器１
１１に入射し、エンベロープに対応する高周波電気信号
１１５を発生する。

【０００４】なお、光の周波数自身は光電変換器１１１
が追従できないため、電気信号１１５には現れない。高
周波電気信号１１５は、電気的フィルタ１１２に印加さ
れる。

【０００５】電気的フィルタ１１２は、たとえば所定周
波数に中心周波数を有するバンドパスフィルタである。
すなわち、入力する高周波電気信号１１５が電気的フィ
ルタ１１２の中心周波数からどの程度離れているかに応
じて電気的フィルタ１１２の出力は変化する。

【０００６】なお、電気的フィルタ１１２は、直流出力
信号を電圧計１１３に与える。電圧計１１３は、供給さ
れた直流出力信号の電圧を測定し、入力光信号のビート
周波数を測定する。

【０００７】図２に示した構成においては、光電変換器
１１１と電気的フィルタ１１２が入力光信号のビート周
波数に応答するものである必要がある。光電変換器１１
１としては、たとえば遮断同波数６０ＧＨｚのような比
較的早い応答速度のものが得られるが、電気的フィルタ
１１２は高速動作のものを得ることが困難であり、たと
えば遮断同波数１０ＧＨｚ程度が上限となる。

【０００８】したがって、ビート周波数が高くなると、
電気的フィルタ１１２を実現するのが困難となる。あえ
て高速動作の電気的フィルタを作成しようとすると、シ
ステムの製造価格が高いものになる。

【０００９】図３は、光学的フィルタを用いた周波数検
出装置の構成を示す。本構成においては、波長λ１とλ
２の成分を含む入射光１２０を、波長λ１の成分と波長
λ２の成分に分け、それぞれの光の波長を測定する。ビ
ート光の構成成分である２つの光の波長をそれぞれ測定
すれば、ビート周波数を求めることができる。

【００１０】図３（Ａ）において、波長λ１とλ２の成
分を含む入射光１２０は、ダイクロイックミラー１２１
に入射する。波長λ１の光は透過し、波長λ２の光は反
射する。波長分割後の各光に対する波長測定計はパラメ
ータを別としてほぼ同等の構成を有する。したがって、
主としてその一方のみを以下に説明する。

【００１１】波長λ１の光は、さらに２つの光束に分岐
され、それぞれ光学的フィルタ１２３、１２４に入射す
る。光学的フィルタ１２３は、測定すべき波長の中心値
であるλ１０よりも短波長側の波長λ１１に中心周波数
を有するバンドパスフィルタであり、光学的フィルタ１
２４はλ１０より長波長側に中心波長λ１２を有するバ
ンドパスフィルタである。

【００１２】これらの光学的フィルタ１２３、１２４を
透過した光は、光電変換器１２５、１２６に入射し、検
出されて直流出力信号を発生する。これらの直流出力信
号は、オペアンプ（差動増幅器）１２７の反転入力端子
と非反転入力端子に入力され、その差が検出され、出力
が電圧計１２８に印加される。電圧計１２８は、差電圧
を測定することにより、入射光の波長λ１を測定する。

【００１３】この測定系による測定原理を図３（Ｂ）、
（Ｃ）を参照してより詳しく説明する。光学的フィルタ
１２３の透過特性をＴａとし、光学的フィルタ１２４の
透過特性をＴｂとする。

【００１４】これらの透過特性ＴａとＴｂは、図３
（Ｂ）に示すように測定すべき中心波長λ１０の両側に
一部オーバラップして設計される。原理的には２つの透
過特性ＴａとＴｂが接していれば測定は可能であるが、
安定な測定を実現するためには一部重複することが好ま
しい。

【００１５】フィルタ１２３の透過特性Ｔａのみが値を
有する領域においては、光学的フィルタ１２３のみが出
力信号を与え、光学的フィルタ１２４は出力信号が０と
なる。両光学的フィルタ１２３と１２４とが透過特性を
有する領域においては、両光学的フィルタが出力信号を
与える。

【００１６】光学的フィルタ１２４のみが透過特性を有
する波長領域においては、光学的フィルタ１２４のみが
出力信号を与える。これらの出力信号は、光電変換器１
２５、１２６で電気信号に変換され、オペアンプ１２７
によって逆相とされてその差が検出されている。

【００１７】すなわち、オペアンプ１２７の出力は、図
３（Ｃ）に示すように入力光信号の波長λに対して変化
することになる。入力光信号の波長λ１がλ１０に一致
した場合、出力は０となる。それより単波長なら正、長
波長なら負の出力になる。

【００１８】予め、波長のわかった光を入射させ、出力
と波長との関係を調べておくことにより、出力電圧を測
定することによって入射光信号の周波数を逆算すること
ができる。

【００１９】図３に示す構成は、複数の光学的フィルタ
を用いる点に特徴がある。光学的フィルタは同一のもの
で中心波長を変化させることは困難なため、ビート周波
数差を任意に変化させたい場合には柔軟性に欠ける。

【００２０】光信号を周波数に換算した場合、強度が減
衰する周波数幅（たとえば半値幅）を小さくすることが
困難である。たとえば、１００ＭＨｚ程度が限界とな
る。このため、周波数測定の精度を向上することが困難
となる。

【００２１】最も波長選択性の良好な光学的フィルタ
は、ファブリペローエタロンである。しかし、ファブリ
ペローエタロンは光の透過率が１％程度と低い。したが
って、入射光の利用効率が悪くなる。

【００２２】また、ファブリペローエタロンは導波路型
にすることが困難である。光半導体装置の小型化と安定
化（温度変化による位置ずれ防止等）のためには、波長
検出の回路素子も導波路型で構成することが望ましい。

【００２３】図４、図５は、光の干渉を利用したビート
周波数測定装置の例を示す。図４は、コーナキューブに
よってマイケルソン干渉装置を構成した例を示す。入力
光１４０は、ハーフミラー１４１によって２つの光束に
分割され、その一方の光束はコーナキューブ１４２に導
かれ、折り返して元の光路に戻される。

【００２４】ハーフミラー１４３は、２つの光束を再び
合波し、混合した光を光電変換器１４６に入射する。光
電変換器１４６は入射光の強度に応じた直流電圧信号を
発生し、電圧計１４８に供給する。

【００２５】図４の構成においては、一方の光束は光軸
からコーナキューブ１４２まで横方向に振られ、再び光
軸上に戻されるため、その距離の２倍の光路長差Δｌが
与えられる。この光路長差Δｌによって位相が変化した
光が、合波されて干渉を起こし、光電変換器１４６で検
出される。

【００２６】この構成は、コーナキューブ１４２の光軸
上からの位置を調整することにより、光路長差Δｌを可
変調整することができる。図５は、マッハツェンダ干渉
装置を利用した構成を示す。入射光を導入する、たとえ
ば光ファイバで構成された１つの光路１５０が２つの光
路１５１と１５２に分割され、再び１つの光路１５３に
合波されている。

【００２７】分波されてから合波されるまでの２つの光
路１５１と１５２の光路長は、所望の光路長差Δｌを与
えるように調整されている。すなわち、合波した光は光
路長差Δｌに応じた干渉を示す。このような光は、光電
変換器１５６に入射されて直流電圧を発生し、電圧計１
５８で測定される。

【００２８】図４、図５の構成によれば、２つの波長成
分を有する入力光が２つの光束に分割され、再び合波さ
れて干渉を発生している。このため、光電変換器に入射
する光はビート光を形成する各成分光の位相の影響を受
けるため、波長オーダにしたがう変化を示す。このた
め、光路長差Δｌを非常に精密に制御する必要が生じ
る。

【００２９】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
ビート光のビート周波数を測定する装置は従来より種々
知られているが、それぞれ作成ないしは使用において制
限を有するものであった。

【００３０】本発明の目的は、作成が容易で測定精度の
高い光ビート周波数測定装置を提供することである。

【００３１】

【課題を解決するための手段】本発明の光ビート周波数
測定装置は、２つの波長の光のビート光を受け、２つの
光束に分割する光分岐手段と、前記分割された２つの光
束をそれぞれ受光し、電気信号に変換する２つの光電変
換手段と、前記分割された２つの光束の一方の光路に他
方の光路に対して光路長差を設定することのできる光路
長差設定手段と、前記２つの光電変換手段からの２つの
電気信号を比較し、ビート光のビート周波数を表す電気
信号を発生させるビート周波数検出手段とを含む。

【００３２】図１は、本発明の原理説明図である。図１
（Ａ）に示すように、入力光は２つの波長の光を含むビ
ート光であり、光分岐手段１に入射し、２つの光束に分
岐される。分岐された２つの光路には、その一方が他方
に対して光路長差を設定するように光路長差設定手段３
が設けられている。

【００３３】光路長差を設定された２つの光束は、それ
ぞれ光電変換手段２ａ、２ｂに入射し、電気信号に変換
される。光電変換手段２ａ、２ｂからの電気信号は、ビ
ート周波数検出手段４に供給され、入力ビート光のビー
ト周波数が検出される。

【００３４】

【作用】光分岐手段１によって分割された２つの光束
は、光路長差設定手段３によってその一方が他方に対し
て所定光路長差遅延されて光電変換手段２ａ、２ｂに入
射する。

【００３５】光電変換手段２ａ、２ｂは、入射光の構成
成分の各波長周波数には追随せず、ビート光の周波数に
追随する光強度信号を発生する。すなわち、ビート光の
エンベロープが最大のとき最大値を取り、最小のとき最
小値を取る、図１（Ｂ）に示すような電気信号が発生す
る。

【００３６】光路長差設定手段３によって遅延された光
束が発生する電気信号をＤで示し、遅延されないほうの
光束による信号をＳで示す。２つの電気信号ＳとＤが光
強度変化の位相の２ｎπ異なるとき、図１（Ｂ）に示す
ように２つの信号ＳとＤとはその山と山が重なり、谷と
谷が重なる。

【００３７】すなわち、このとき２つの信号ＳとＤは同
相と考えることができる。このようなビート光強度変化
が同相の場合は、２つの電気信号ＳとＤの差、Ｓ−Ｄは
零ないしは直流成分のみとなる。

【００３８】一方、ビート光強度変化が、図１（Ｃ）に
示すように逆相となると、電気信号Ｓの山は電気信号Ｄ
の谷と重なり、その差Ｓ−Ｄは最大の振幅で変化するこ
とになる。

【００３９】このように、光電変換手段２ａ、２ｂの供
給する２つの電気信号を比較することにより、ビート光
が光路長差設定手段３によりどの程度の位相変化を受け
たかを知ることができる。

【００４０】光路長差設定手段３が設定する光路長差は
別途知ることができるので、ビート光が受けた位相差を
知ることにより、ビート光の波長すなわちビート光のビ
ート周波数を知ることができる。

【００４１】上述の構成によれば、光路長差設定手段は
ビート光の波長オーダの精度を有すれば済み、必要とす
る精度が緩和される。２つの光電変換手段２ａ、２ｂが
ビート光を電気信号に変換した後、２つの電気信号が混
合され、干渉が検出されるため、光の波長オーダの干渉
は排除される。このように、簡単な構成で高精度のビー
ト周波数の検出が可能となる。

【００４２】

【実施例】図６に、本発明の実施例による光ビート周波
数測定装置を示す。図６（Ａ）は構成を示すブロック
図、図６（Ｂ）は光路長差の影響による光強度の位置依
存性を示すグラフ、図６（Ｃ）は２連型光検出器の構成
とその動作を示す回路図である。

【００４３】図６（Ａ）において、光分岐手段１１は１
つの光路１０を２つの光路２１と２２に分岐させる。こ
の２つの光路２１と２２のうち、一方２２には光路長差
設定手段１３が挿入され、光路２１に対して光路長差Δ
ｌを設定する。２つの光路２１と２２から供給される光
を受光するように、２つのホトダイオードで構成される
光電変換手段１２ａと１２ｂとが配置されている。

【００４４】これらのホトダイオード１２ａと１２ｂと
は直列に接続され、その両端に電圧を印加するための端
子２３と２４および相互接続点に出力電流を取り出すた
めの端子２５を形成し、２連型光検出器１２を構成す
る。

【００４５】直流電圧源１６ａと１６ｂとを直列接続し
たバイアス電源１６は、その両端の端子２６、２７と中
間接続点の端子２８とを有する。たとえば、ホトダイオ
ード１２ａと１２ｂとが同等の特性を有する場合、直流
電圧源１６ａと１６ｂも同等の電圧を有する。

【００４６】このようにして、２連型光検出器１２の両
端の端子２３、２４と、バイアス電源１６の両端端子２
６と２７とを接続し、その中間接続点２５と２８の間に
電流測定手段１８を接続することにより、ブリッジ構成
の平衡型光電変換装置１４が構成される。

【００４７】図６（Ｂ）は、光電変換手段１２ａと１２
ｂに到達する光に対する光路長差設定手段１３の役割を
示す。横軸は位置を示し、縦軸は光強度を示す。図中上
側に光路２１を進行する光Ｓの光強度の変化を示し、下
段に光路２２を進行する光の光強度を示す。２連型光検
出器１２は、図中破線で示す位置Ｚ１に配置されるもの
とする。

【００４８】光路長差設定手段１３は、光路２２を進行
する光を光路２１を進行する光に対して位相Δφ遅らせ
る。このため、光路２１を進行する光の強度Ｓに対し
て、光路２２を進行する光の強度Ｄは、図に示すように
位相Δφ遅れる。図には光強度Ｄが光強度Ｓに対して位
相πずれた場合を示している。

【００４９】図６（Ｃ）は、２連型光検出器１２におけ
る電流の流れかたを示す。ホトダイオード１２ａと１２
ｂとは端子２３、２４間に直列に接続され、その間の中
間接続点が端子２５に引き出されている。

【００５０】ホトダイオード１２ａと１２ｂには逆バイ
アスが印加されており、光が入射しない状態においては
電流は流れない。ホトダイオード１２ａに光が入射する
と、キャリアが励起され、矢印で示すように電流Ｉ１が
流れる。

【００５１】また、ホトダイオード１２ｂに光が入射す
ると、同様ホトキャリアが励起され、矢印で示すように
電流Ｉ２が流れる。ところで、中間端子２５においては
これらの電流Ｉ１とＩ２は逆方向となるため、端子２５
を流れる電流はＩ１−Ｉ２となる。

【００５２】位相差が０、あるいは２πの整数倍の場合
は、図６（Ｂ）に示す光強度の山と山が重なり、Ｉ１と
Ｉ２の大きさが同じになる。したがって、中間端子２５
においてＩ１とＩ２は互いに相殺し、流れる電流は０に
なる。

【００５３】位相がπあるいは（２ｎ＋１）π異なる場
合、図６（Ｂ）に示すように光路２１の光の強度Ｓと、
光路２２の光の強度Ｄとは山と谷とが重なり、電流Ｉ１
とＩ２の差は最大となる。このため、中間端子２５に流
れる電流は最大値となる。なお、入射する光は、ビート
周波数にしたがって振動するため、中間端子２５に流れ
る電流は正弦波状となる。

【００５４】このように、ブリッジ回路型に構成した平
衡型光電変換装置１４の電流測定手段１８に流れる電流
をモニタすることにより、光電変換手段１２ａと１２ｂ
に入射する光にどれだけの位相差があるかを知ることが
できる。光路長差設定手段１３が設定する光路長差は知
られているため、位相差から入射する光のビート周波数
を知ることができる。

【００５５】図６の構成によれば、入射光に対し、光路
長差設定手段１３によって位相差を与える。たとえば、
ビート周波数が１０ＧＨｚの場合、π／２の位相差を与
えるのに必要な光路長差は１５ｍｍである。

【００５６】たとえば１ｍｍ程度の長さ制御は極めて容
易であり、図６に示す構成により、非常に高周波数の周
波数測定を行なうことが可能である。なお、光路長差を
長くすれば非常に低周波数の測定も行なうことができ
る。

【００５７】光路長差を大きくした場合、入力光のビー
ト周波数の変化に対して出力電流は大きく変化するよう
になる。測定するビート周波数の範囲が限られている場
合、光路長差を大きくすることによってビート周波数測
定の精度を向上させることができる。たとえば、光路長
差設定手段１３に光ファイバを用いる場合、数メートル
以上の光路長差も容易に設定することができる。

【００５８】光路長差を変化させると、出力が最大にな
る周波数、すなわち平衡型光電変換装置１４の中心周波
数を変化されることができる。また、光路２１、２２は
半導体導波路、誘電体導波路、または光ファイバ等で構
成することができる。

【００５９】光路２１、２２を進行する光を、光電変換
手段１２ａ、１２ｂで一旦電気信号に変換した後、２つ
の電気信号を混合するので、光路長の波長オーダの変化
による光の位相変化に起因した揺らぎは光電変換手段１
２ａ、１２ｂによって除去され、出力電気信号には揺ら
ぎを生じない。

【００６０】図７は、図６の実施例の性能を説明するた
めのグラフである。図７（Ａ）は、出力電気信号の位相
差依存性を示す。図中横軸は光路長差設定手段１３によ
って与えられるビート信号の位相差Δφを示し、縦軸は
平衡型光電変換装置１４に生じる出力信号を示す。

【００６１】２つの光路の光路長が２πの位相差を有す
るとき、光電変換装置は位相差を検出せず、出力は０と
なる。これに対して、２つの入力光がπ、３π…の位相
差を有するとき、２つの光電変換手段１２ａ、１２ｂに
生じる出力電流差は最大となり、合成出力信号の振幅も
最大となる。このように、出力電流または出力電圧は周
期２πで位相差にしたがって変化する。

【００６２】光路長差が一定のとき、与えられる位相差
はビート周波数に逆比例する。したがって、位相差２π
を与える光路長差はビート周波数が高くなればなるほど
短くなる。

【００６３】図７（Ｂ）は光路長差Δｌが３０ｍｍと１
５０ｍｍの場合の出力信号のビート周波数依存性を示す
グラフである。図に示すように、光路長差が大きくなる
ほど同一ビート周波数領域に対して出力信号の変化は大
きくなる。しかしながら、光路長差が大きくなると、出
力変化の周期も短くなり、測定可能周波数帯域が狭くな
る。

【００６４】これを光路長差に対する出力変化の半値幅
内に含まれる周波数帯域で示すと、図７（Ｃ）のように
なる。光路長差Δｌが短ければ、１周期内に含まれる周
波数帯域は広くなり、光路長差Δｌが長くなると半値幅
内に含まれる周波数帯域幅は狭くなる。

【００６５】単位周波数の変化に対して得られる出力変
化は前述のように光路長差が大きいほど大きくなる。光
路長差Δｌ＝６００ｍｍの場合、たとえば１０ＧＨｚ付
近において３００ＭＨｚ程度の弁別特性が得られる。

【００６６】図６（Ａ）に示す実施例を実現するより具
体的な構成例を、図８に示す。図８（Ａ）は全体構成を
示し、図８（Ｂ）は光電変換手段の部分の構成を示し、
図８（Ｃ）は電流測定手段の部分を示す。

【００６７】図８（Ａ）において、入力光を伝達する光
ファイバ１０ａは、カプラー型分岐手段１１ａの入力ポ
ートに入力光を供給する。光分岐手段１１ａにおいて
は、２つの光導波路が形成されており、これらの光導波
路はその一部において接近され、互いに光が交換するよ
うにされている。

【００６８】光ファイバ１０ａから入射した光は、光導
波路の接近部分で２つの光導波路にほぼ均等に分波し、
２つの光ファイバ２１ａと２２ａに光を供給する。光フ
ァイバ２２ａは光ファイバ２１ａよりもループ部分１３
ａだけ長く設計されており、ループ部分１３ａが光路長
差設定手段を構成する。２連型光検出器１２、バイアス
電源１６および電流測定手段１８を含む平衡型光電変換
装置１４の構成は、図６の構成と同等である。

【００６９】図８（Ｂ）は、２連型光検出器１２の構成
を示す。たとえば、半絶縁性ＩｎＰ基板３０の裏面に一
対のレンズ３１ａ、３１ｂが形成され、これらのレンズ
３１ａ、３１ｂに対応した表面側に一対のｐｉｎホトダ
イオード１２ａ、１２ｂがメサ形に作成される。

【００７０】すなわち、半絶縁性ＩｎＰ基板３０の表面
上にｎ型ＩｎＰ層３２ａ、３２ｂがエピタキシャルに成
長され、その上にＩｎＧａＡｓまたはＩｎＧａＡｓＰの
ｉ型光吸収層３３ａ、３３ｂがエピタキシャルに成長さ
れ、その上に再びｎ型ＩｎＰ層３４ａ、３４ｂがエピタ
キシャルに成長される。

【００７１】この表面のｎ型ＩｎＰ層３４ａ、３４ｂの
表面からｉ型光吸収層３３ａ、３３ｂに到達するｐ型領
域３５ａ、３５ｂが不純物ドーピングによって形成され
る。このようにして、一対のｐｉｎホトダイオードが形
成される。その後、表面から基板に到達するメサエッチ
ングを行なって、図に示すような２つのメサ型構造を形
成する。

【００７２】さらに、表面上に絶縁保護膜と電極とを形
成し、ホトダイオード１２ａのカソード電極２４、ホト
ダイオード１２ａのアノードとホトダイオード１２ｂの
カソードを接続し、中間端子を形成する電極２５、ホト
ダイオード１２ｂのアノード電極２３を形成する。な
お、半導体表面上には必要個所に絶縁保護膜３６が形成
され、電極間および電極と半導体の間の絶縁を行なう。

【００７３】図８（Ｃ）は、電流測定手段１８の構成例
を示す。２連型ホトダイオード１２の中間端子２５とバ
イアス電源１６の中間端子２８との間に、ダイオード４
１、４２、４３、４４で構成された整流ブリッジ回路４
５を接続し、その正端子および負端子の間にキャパシタ
４６および電圧計４８を接続する。

【００７４】すなわち、端子２５、２８間の電圧は、ダ
イオード４１〜４４が構成する整流ブリッジ回路４５に
よって整流され、整流された直流電流がキャパシタ４６
を充電し、キャパシタ４６の端子間電圧を電圧計４８が
測定する。

【００７５】図９は、本発明の他の実施例を示す。本実
施例においては、光路長差設定手段が半導体基板上に形
成した光導波路によって形成される。図９（Ａ）は、光
路長差設定手段を含む光路部分および光電変換手段部分
を含む半導体基板の斜視図、図９（Ｂ）はその平面図、
図９（Ｃ）および（Ｄ）は断面図を示す。

【００７６】半導体構造内に屈折率の高いストライプ状
部分を形成し、屈折率の低い領域で取り囲むと光導波路
構造が作成される。また、平面上にストライプ状パター
ンを選択的に半導体で形成することによっても外界（空
気）との屈折率差により導波路を形成することができ
る。

【００７７】本実施例はこのような構成による光導波路
構造を半導体基板にモノリシックに作り付けたものであ
る。図９（Ａ）において、半導体基板５０の上に光路長
差設定手段を含む半導体導波路５１、５２および光電変
換手段を構成するホトダイオード１２ａ、１２ｂがモノ
リシックに形成されている。

【００７８】一方の光導波路５１が直線状パターンで形
成されるのに対し、他方の光導波路５２は角を丸められ
たジグザグ状パターンで形成される。このような構成に
より、等距離離された半導体基板の２辺を異なる光路長
の２つの光導波路で接続する。このような一対の光導波
路の右側の終端にはホトダイオード１２ａと１２ｂが形
成されている。

【００７９】図９（Ｃ）、（Ｄ）は、図９（Ｂ）に示す
平面図のＸ−Ｘ線に沿う断面およびＹ−Ｙ線に沿う断面
を示す。半導体基板５０上に低屈折率の半導体層５３、
高屈折率の半導体層５４、低屈折率の半導体層５５がエ
ピタキシャルに形成され、厚さ方向に光閉じ込め効果を
有する光導波路を構成する。

【００８０】この光導波路は、図９（Ｄ）に示すように
その幅がメサ形状によって制限されており、横方向にも
光閉じ込め効果を発揮する。この光導波路構造の上に、
バンドギャップの狭い半導体により光吸収層５６が形成
され、その上に再びバンドギャップの広い半導体層５７
がエピタキシャルに成長されている。

【００８１】なお、表面の半導体層５７には選択的に不
純物ドーピングがされ、一方の導電型、たとえばｐ型の
領域５８が形成されている。導波路を構成する部分をｎ
型領域で形成することにより、光導波路とホトダイオー
ドが結合した構造を得ることができる。

【００８２】光導波路構造のコア領域５４を進行する光
は、その上にホトダイオードが形成された領域において
は、低屈折率半導体層５５を介してホトダイオード構造
と結合し、光がホトダイオードに次第に移行し、そこで
吸収される。

【００８３】ジグザグ状パターンの導波路の光路長は直
線上のパターンの導波路の光路長よりも長くなる。した
がって、ジグザグ状パターンにより、光路長差設定手段
が形成される。

【００８４】なお、このような半導体導波路構造および
光電変換手段は、図示の構成の他、種々存在する。図９
に示す構成は、単一の半導体基板上にモノリシックに形
成することができるため、非常に小さな構成に作成する
ことができる。また、導波路に電界を印加し、屈折率を
制御すると光路長差を微妙に制御することも可能とな
る。

【００８５】なお、ジグザグ状パターンにより光路長差
を設定する場合を説明したが、一方の光導波路に対し、
他方の光導波路の光路長が長くなる構成であればどのよ
うな構成を採用してもよい。

【００８６】図１０は、本発明の他の実施例を示す。図
１０（Ａ）は構成を示すブロック図、図１０（Ｂ）は特
性を説明するためのグラフである。図１０（Ａ）におい
て、入射ビート光１０は光分岐手段６１によって４分割
され、４つの光路６２、６３、６４、６５に、それぞれ
光を供給する。光路６２と６３は図６の実施例の光路２
１と２２に相当し、その一方の光路６３には光路長差設
定手段６６が設けられている。

【００８７】光路６４と６５も同様に一対の光路を構成
し、その一方の光路６５には光路長差設定手段６７が設
けられている。ここで、光路長差設定手段６６と６７は
その設定する光路長差が異なる。

【００８８】光路６２と６３から供給される光は、平衡
型光電変換手段６８に供給される。また、光路６４と６
５から供給される光は、平衡型光電変換手段６９に供給
される。これらの平衡型光電変換手段６８と６９は、前
述の実施例同様、入射光の位相差に基づく信号を発生
し、演算手段７０に供給する。

【００８９】入射ビート光のビート周波数がｆであり、
光路の光路長差がΔｌの場合、光路長差によって生じる
位相差は Δφ＝２πｆΔｌ／ｃとなる。ただし、ｃは光の速度である。

【００９０】図１０（Ａ）の構成において、光路長差設
定手段６６と６７は異なる光路長差を設定している。た
とえば、光路長差設定手段６６の設定する光路長差がΔ
ｌ＝１５０ｍｍであり、光路長差設定手段６７の設定す
る光路長差がΔｌ＝３０ｍｍであるとする。

【００９１】すると、平衡型光電変換手段６８の受ける
光の位相差Δφ（６８）は、 Δφ（６８）＝ｆπ×１０^-9（ｒａｄ）となる。

【００９２】また、平衡型光電変換手段６９の受ける入
射光の位相差Δφ（６９）は Δφ（６９）＝２ｆπ×１０^-10（ｒａｄ）となる。

【００９３】したがって、平衡型光電変換手段６８と６
９は、入射ビート光のビート周波数に対して図１０
（Ｂ）に示すような応答を発生する。すなわち、光路長
差の短い測定系によって広い周波数範囲で入射光のビー
ト周波数をおおまかに知り、長い光路長差を有する測定
系によって狭い同波数領域内でビート周波数を高精度に
測定することができる。

【００９４】このようにして、光路長差を大きくした場
合、波長測定感度が高くなるが、強度は周期的に変化す
るため、正確な周波数を単一に同定できなくなることを
光路長差の短い測定系を併せて用いることにより、解決
する。

【００９５】図１１は、図１０（Ａ）の構成を実現する
より具体的な実施例である。入射光を伝達する光路１０
は、光ファイバ型カプラ６１により４つの光束に均等に
分割され、光ファイバ６２、６３、６４、６５に供給さ
れる。光ファイバ６３は光ファイバ６２と比べ、ループ
状部分６６だけ光路長が長くされている。また、光ファ
イバ６５は光ファイバ６４と比べ、ループ状部分６７だ
け光路長が長くされている。

【００９６】このようにして、光路長差を設定した２組
の光が、平衡型光電変換手段６８、６９に供給され、そ
れぞれ前述の実施例同様出力電圧を電圧表示器７２、７
３に供給し、ビート周波数を測定する。

【００９７】図１１の実施例においては、光路長差を光
ファイバの長さを変えることによって設定したが、光路
長差は他の方法によって設定することもできる。設定す
る光路長差の比を大きくすると、広い周波数領域で精度
の高い周波数測定を行なうことができる。

【００９８】図１０、図１１の構成においては、２つの
ビート周波数測定系を並列に設ける場合を説明したが、
２つのビート周波数測定系を直列に配置することもでき
る。図１２に、２つのビート周波数測定系を直列に配置
した実施例を示す。たとえば、半導体等の光吸収性物質
はその厚さに応じた吸収を示す。したがって、厚さを薄
くすることにより光を透過させることができる。

【００９９】図１２において、入力ビート光を伝達する
光路１０が光分岐手段１１で２つの光路６２と６３に分
割され、その一方の光路６３には光路長差設定手段６６
が設けられる点は、図６の実施例と同様である。

【０１００】これらの光路６２、６３から供給される光
は、２連型光検出器７５に供給される。これらの光検出
器はそれぞれ入射光を一部出力側に透過するように設計
されている。したがって、２連型光検出器７５からさら
に光路６４、６５に光信号が供給される。

【０１０１】２連型光検出器７５には、バイアス電源１
６より端子２３、２４および２６、２７を介してバイア
ス電圧が供給される。また、２連型光検出器７５の中間
接続点２５とバイアス電源１６の中間端子２８との間に
電流測定手段１８が接続され、入力光信号に応じた電流
信号を測定する。

【０１０２】２連型光検出器７５、バイアス電源１６、
電流測定手段１８は平衡型光電変換装置を構成する。そ
の出力は演算回路７０に供給される。光路６４、６５に
接続された平衡型光電変換装置７６も同様の測定を行
い、その出力を演算手段７０に供給する。

【０１０３】光路長差設定手段６６、６７で設定する光
路長差を異ならせることにより、図１０、図１１に示す
実施例と同様に広い周波数範囲にわたって高精度のビー
ト周波数測定を行なうことができる。

【０１０４】図１２に示す構成によれば、ビート周波数
測定系を２組用いるにも係わらず、光分岐手段６１は１
つの入力光束を２つの光束に分割するのみで足りる。図
１３は、図１２の構成を実現する具体的構成を示す。半
導体基板５０の上に、一対の光導波路が形成され、その
一部において方向性光結合器８１が構成されている。

【０１０５】この方向性光結合器８１は本実施例の場
合、光分岐手段として機能する。光路５１、５２のう
ち、一方５１は直線上の光導波路であり、他方５２はジ
グザグ状パターンを有する光導波路である。このため、
光路５１と５２の間には光路長差が設定される。また、
光路５１、５２の端部には光電変換器としてのホトダイ
オード８２、８３が形成される。

【０１０６】このように、光分岐手段、光路長差設定手
段、光路、光電変換手段を半導体基板上に集積化するこ
とにより、ビート周波数測定装置の小型化を図ることが
できる。

【０１０７】ただし、半導体基板上に形成した光導波路
で長い光路長差を設定することは容易ではない。本実施
例においては、ホトダイオード８２、８３が光透過性を
有し、透過した光はレンズ８４、８５により光ファイバ
６４ａ、６５ａに入射される。

【０１０８】これらの光ファイバ６４ａ、６５ａのう
ち、その一方６５ａには他方６４ａよりも光路長を長く
する部分６７が設けられている。光ファイバの長さは自
由に選択することができるため、光路長差設定手段６７
が設定する光路長差は任意に選択することができる。光
ファイバ６４ａ、６５ａの供給する光は、平衡型光電変
換装置７６によって検出され、ビート周波数が測定され
る。

【０１０９】ホトダイオード８２、８３を含む平衡型光
電変換装置８７も同様のビート周波数検出を行なう。こ
れらの光電変換装置７６、８７の測定結果は表示装置８
８、８９に表示される。操作者は表示装置８８、８９を
比較することにより、ビート周波数を知ることができ
る。

【０１１０】たとえば、半導体基板５０上に形成される
光導波路５１、５２の光路長の差は約３ｍｍ、光ファイ
バ６４ａ、６５ａで形成される光路長差は約１５０ｍｍ
に設定される。

【０１１１】図１３に示す構成においては、光路長差を
設定する一方の手段は半導体基板上に形成された光導波
路によって構成された。この光路長差設定手段において
もより長い光路長差を設定したい場合には、光ファイバ
を用いることが有利である。

【０１１２】図１４は、光ファイバを用いた直列型ビー
ト周波数測定装置の構成を示す。光分岐手段７４は、入
力する１つの光束を２つに分割し、一対の光ファイバ２
１ａ、２２ａに供給する。

【０１１３】光ファイバ２２ａは、光路長差設定手段１
３ａを有し、他の光ファイバ２１ａよりも長い光路長を
有する。光ファイバ２１ａ、２２ａは、出力光を平衡型
光電変換装置７５に供給する。平衡型光電変換装置７５
は入射光の一部を検出し、残りを出力端に透過する。透
過した光は光ファイバ６４ａ、６５ａに供給される。

【０１１４】光ファイバ６５ａは、光路長差設定手段６
７を含み、光ファイバ６４ａよりも長い光路長を有す
る。光ファイバ６４ａ、６５ａの出力光は平衡型光電変
換装置７６に供給される。

【０１１５】この構成においては、光路長差設定手段１
３ａ、６７は、他方の光ファイバよりも長くされた光フ
ァイバの一部によって構成される。平衡型光電変換装置
７５、７６は図１３に示したものと同等の構成で実現で
きる。

【０１１６】本構成によれば、光路長差が光ファイバに
よって設定されるため、任意の長さの光路長差を設定す
ることが容易に行なえる。図１５、図１６は、一部の光
を吸収し、残りの光を透過する光電変換手段として用い
るホトダイオードの構成例を示す。

【０１１７】図１５において、半導体基板３０の一方の
面上にはレンズ３１が形成され、他方の面上にメサ状の
ｐｉｎホトダイオードが形成される。すなわち、半導体
基板３０の上に、ｎ型領域３２、狭いバンドギャップを
有するｉ型光吸収領域３３、ｎ型領域３４が形成され、
表面からｉ型光吸収領域３３に達するｐ型領域３５が選
択的に形成されている。

【０１１８】この構成は、図８（Ｂ）に示すものと同等
である。本構成においては、ｉ型光吸収領域３３で吸収
しなかった光を出射側に取り出すため、表面上には透明
絶縁体で形成された光出射窓９１が形成されている。

【０１１９】この光出射窓９１は反射防止膜を兼ねるこ
とができる。光出射窓９１を囲むようにｐ側電極９０が
形成され、ｎ型領域と接してｎ側電極２４が形成され
る。なお、半導体表面には絶縁膜３６が形成され、必要
な電気的分離を行なう。

【０１２０】たとえば、入力光を伝達する光ファイバ９
３が半導体基板３０の下面に形成されたレンズ３１と対
向して配置され、光ファイバ９３から出射する光がホト
ダイオードに入射され、吸収されなかった光は光出射窓
９１から上方に出射する。

【０１２１】図１６は、半導体基板と平行に光を入射す
る型のホトダイオードを示す。半導体基板３０上にｎ型
領域３２、バンドギャップの狭い半導体で形成されたｉ
型光吸収領域３３、ｎ型領域３４が形成され、表面から
ｉ型光吸収領域３３に達するｐ型領域３５が選択的に形
成される点は、図１５と同様である。

【０１２２】本構成においては、光は基板表面に平行に
入射するため、ホトダイオード構造は光の進行方向に長
い矩形形状とされている。また、光を基板上面より取り
出す必要がないため、ｐ側電極９５はｐ型領域３５の中
央部も覆って形成されている。入射光９４はｉ型光吸収
領域３３またはその近傍に接合面に沿って入射される。

【０１２３】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【０１２４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光路長差設定手段により、ビート光に光路長差を与え、
光電変換手段で電気信号に変換する。光電変換後、電気
信号を比較することにより、光路長差設定手段がビート
光に与えた位相変化を検出する。

【０１２５】光電変換により、光そのものの周波数成分
は無視できるようにされるため、簡単な構成で高精度に
ビート周波数を検出することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理説明図を示す。図１（Ａ）は構成
を示すブロック図、図１（Ｂ）、（Ｃ）はビート光の強
度変化を説明するための概念図である。

【図２】従来の技術を示す。

【図３】従来の技術を示す。

【図４】従来の技術を示す。

【図５】従来の技術を示す。

【図６】本発明の実施例による光ビート周波数測定装置
を示す。図６（Ａ）は構成を示すブロック図、図６
（Ｂ）は光路長差の影響を説明するためのグラフ、図６
（Ｃ）は２連型光検出器の構成と機能を説明する回路図
である。

【図７】図６に示す実施例の出力特性を説明するための
図である。図７（Ａ）は出力の位相差依存性を示すグラ
フ、図７（Ｂ）は出力の光路長差依存性を示すグラフ、
図７（Ｃ）は半値幅内の周波数帯域の光路長差依存性を
示すグラフである。

【図８】本発明の実施例による光ビート周波数測定装置
を示す。図８（Ａ）は全体の構成を示す概略図、図８
（Ｂ）は２連型光検出器の構成を示す断面図、図８
（Ｃ）は電流測定手段の構成を示す回路図である。

【図９】本発明の実施例による光ビート周波数測定装置
を示す。図９（Ａ）は構成を示す斜視図、図９（Ｂ）は
平面図、図９（Ｃ）、（Ｄ）は断面図である。

【図１０】本発明の実施例による光ビート周波数測定装
置を示す。図１０（Ａ）は構成を示すブロック図、図１
０（Ｂ）は特性を説明するためのグラフである。

【図１１】本発明の実施例による光ビート周波数測定装
置の構成を示す概略図である。

【図１２】本発明の実施例による光ビート周波数測定装
置の構成を示すブロック図である。

【図１３】本発明の実施例による光ビート周波数測定装
置の構成を示すブロック図である。

【図１４】本発明の実施例による光ビート周波数測定装
置の構成を示すブロック図である。

【図１５】本発明の実施例に用いるホトダイオードの構
成例を示す断面図である。

【図１６】本発明の実施例に用いるホトダイオードの構
成例を示す斜視図である。

【符号の説明】

１光分岐手段２光電変換手段３光路長差設定手段４ビート周波数検出手段１１光分岐手段１２２連型光検出器１３光路長差設定手段１４平衡型光電変換装置１６バイアス電源１８電流測定手段２１、２２光路２３〜２８端子５１、５２光導波路６２〜６５光ファイバ６６、６７光路長差測定手段６８、６９平衡型光電変換装置７０演算回路７２、７３表示装置７５、７６、８７平衡型光電変換装置８８、８９表示装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つの波長の光のビート光を受け、２つ
の光束に分割する光分岐手段（１）と、前記分割された２つの光束をそれぞれ受光し、電気信号
に変換する２つの光電変換手段（２ａ、２ｂ）と、前記分割された２つの光束の一方の光路に他方の光路に
対して光路長差を設定することのできる光路長差設定手
段（３）と、前記２つの光電変換手段からの２つの電気信号を比較
し、ビート光のビート周波数を表す電気信号を発生させ
るビート周波数検出手段（４）とを含む光ビート周波数
測定装置。
【請求項２】請求項１記載の光ビート周波数測定装置
であって、前記ビート周波数検出手段は、前記２つの光
電変換手段を直列に接続する手段と、電圧分割点を有す
る電圧分割手段と、前記２つの光電変換手段と前記電圧
分割手段とでブリッジを形成し、前記２つの光電変換手
段の相互接続点と前記電圧分割点との間のバランスを検
出する手段とを含む光ビート周波数測定装置。
【請求項３】請求項１ないし２記載の光ビート周波数
測定装置であって、前記光路長差設定手段が、半導体基
板上に形成され、長さの異なる２つの半導体光導波路を
含み、前記２つの光電変換手段が前記半導体基板上に形
成された２つの半導体光電変換装置を含む光ビート周波
数測定装置。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかに記載の光ビー
ト周波数測定装置であって、前記２つの光電変換手段は
光透過性を有し、さらに、前記２つの光電変換手段を透過した２つの光束に対し、
前記光路長差と異なる光路長差を設定する第２の光路長
差設定手段と、前記第２の光路長差設定手段からの２つの光束をそれぞ
れ受光し、電気信号に変換する２つの第２の光電変換手
段と、前記２つの第２の光電変換手段からの２つの電気信号を
比較し、ビート光のビート周波数を表す電気信号を発生
させる第２のビート周波数検出手段とを含む光ビート周
波数測定装置。
【請求項５】請求項１〜３のいずれかに記載の光ビー
ト周波数測定装置を２つ含み、その第１の光ビート周波
数測定装置の光路長差設定手段は所定のビート周波数に
対して２ｍπ（但し、ｍは正の整数）のビート信号位相
差を設定し、他の第２の光ビート周波数測定装置の光路
長差設定手段は前記所定のビート周波数に対して２ｎπ
（但し、ｎは正の整数）のビート信号位相差を設定する
光ビート周波数測定装置。