JPH0619391B2

JPH0619391B2 - 音響光学スペクトラムアナライザ

Info

Publication number: JPH0619391B2
Application number: JP15554586A
Authority: JP
Inventors: 裕西本
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1986-07-01
Filing date: 1986-07-01
Publication date: 1994-03-16
Anticipated expiration: 2009-03-16
Also published as: JPS6311868A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、音響光学スペクトラムアナライザに関するも
のである。

〔従来の技術〕

音響光学（以下ＡＯと称す）スペクトラムアナライザ
は、バルク波型、導波型を問わず、音波により媒体中に
生じた周期的な密度の粗密が屈折率グレイティングの役
目をなし光を回折させる現象を利用するものである。回
折角は音波の周波数に、回折光の強度は音波のパワーに
それぞれ比例するから、測定すべき電気信号を超音波変
換器に印加すれば、光は電気信号の各周波数成分に応じ
て異なる角度で回折され、この回折光をレンズにより光
検出器アレイ上に収束させると、光検出器アレイ上の光
の分布が入力電気信号の周波数スペクトラムを表わして
いる。

このようなＡＯスペクトラムアナライザの基本性能の１
つとして帯域幅を周波数分解能で割った周波数分解点数
Ｎがある。バルク音波偏向器を用いた場合、Ｎ＝1000が
既に得られており、また弾性表面波偏向器を用いた場合
でもＮ＝数百が実現されており、近い将来バルク波並み
の周波数分解点数に到達すると思われる。

このような高分解能ＡＯスペクトラムアナライザが実用
化される際に重要なことは光源波長の安定性である。既
に実用化されているパルク波型では光源として専らHe−
Ｎeレーザなど、共振器長の長いレーザが用いられてい
るため、その発振波長は温度に対して安定であった。一
方、半導体レーザは最近の著しい進歩により実用レベル
に到達し、それを使用する装置全体の小型化を可能にし
ているが、高分解能ＡＯスペクトラムアナライザに用い
る場合、発振波長の温度依存性が２〜４Å／度と大きく
問題であった。

例えば±２０℃の温度変動を考えると、発振波長の変化
δλは±（４０〜８０）Åとなり、発振波長λを8000Å
帯とするとδλ／λ＝０．５〜１％となる。超音波偏向
器の回折角２θは、光の（媒体内）波長をλ、音波の波
長をΛとすれば、２θλ／Λで与えられる。したがっ
て、今音波の波長Λが変動しないとすれば、δθ／θ
δλ／λ＝０．５〜１％となり、回折光は前述の高分解
能ＡＯスペクトラムアナライザの場合、本来到達すべき
光検出器素子とは異なる光検出器素子へ入射するから周
波数を正しく認識しないことになる。さらに光偏向器媒
体としてＹカットLiNbO₃基板を用いた場合、音波波長の
温度依存性はおよそ−80ppm／度で、半導体レーザの発
振波長の温度特性の数分の１程度であるが、高分解能
（例えばＮ＝1000）ＡＯスペクトラムアナライザでは無
視できない大きさである。しかも、上式からわかるよう
に、偏向角θの光波長λおよび音波波長Λに対する依存
性はで与えられる。この時、前述した如く偏向角変動に及ぼ
す両成分δλ／λ、δΛ／Λは互いに正負の符号が異な
るため、δθ／θの絶対値はより大きな値になることが
わかる。このことは、光偏向器媒体としてLiNbO₃基板の
他のカットを用いても同様である。

以上説明したように光源として半導体レーザを用い、さ
らに基板としてLiNbO₃などを用いた導波型ＡＯスペクト
ラムアナライザの場合、光波長および音波波長と温度依
存性のため正しく動作しなくなる恐れがある。

光の波長、超音波波長のうちの一方または両方が温度等
の影響により変動しても被測定電気信号の周波数を常に
正確に測定できるＡＯスペクトラムアナライザを与える
方法が、特開昭60−64225号公報、特開昭60−107531号
公報に示されている。

これらによれば、超音波変換器に印加される被測定電気
信号の周波数に応じて光を回折させる光偏向器に、既知
周波数の電気信号を重畳し、この既知周波数電気信号に
よる回折光が光検出器アレイ上で検出される位置の情報
から、すなわち、この回折光の検出位置ずれ情報によ
り、被測定電気信号の周波数の測定精度を高める方法が
とられていた。

第３図は、その方法の第一の例による第一の従来例を示
す斜視図である。

図において、３１は基板である。基板３１は、弾性表面
波の励振のために圧電性を有し、かつ良好な光のガイド
を形成できる材料が望ましく、リチウム・ナイオベート
（LiNbO₃）結晶などが適切な材料である。この基板３１
上にまず光導波層３２を形成する。光導波層３２は、基
板３１がLiNbO₃の場合Ｔｉを内部に拡散させるか、ある
いは内部のＬｉを外部へ逆拡散(out diffusin)させる方
法や、基板３１上にガラスあるいはAs₂S₃の薄膜のスパ
ッタリング等により堆積する方法で作られる。第３図は
基板３１が圧電性を有する場合を示している。従って、
被測定信号及び既知周波数信号を弾性表面波に変換する
変換器３３は基板３１に直接形成することができる。変
換器３３は通常よく知られているフォトリソグラフィ技
術により形成する。また、基板が非圧電体の場合にはZn
O 等の圧電薄膜を堆積した上に変換器３１を形成すれば
よい。

さて、アンテナ３５で受信された被測定信号は、ミクサ
３６により局部発振器３７の出力と混合され中間周波に
変換される。被測定周波数領域が変換器３３の動作周波
数域内に含まれる場合は中間周波への変換操作は不要で
ある。ミクサ３６からの出力信号は、マルチプレクサ３
８により発振器３９の出力信号（既知周波数信号）と重
畳され、増幅器４０で増幅された後、変換器３３に印加
される。

一方、基板３１に端面結合された光源（半導体レーザ）
４１からの光はレンズ４３により平行光にされた後、弾
性表面波３４により回折される。回折光４４はレンズ４
５により収束し、基板３１の端面に設けられた光検出器
アレイ４６上に焦点を結ぶ。レンズ４３および４５はチ
ャープグレーティングレンズ、フレネルレンズ、ジオデ
シックレンズ等からなる。この時の光検出器アレイ４６
上のパターンが被測定信号および既知周波数信号のスペ
クトラムを表わす。このスペクトラムパターンの一例を
示したのが第４図の実線である。

ｆ_Ａは既知周波数信号のスペクトラムを、ｆ_Ｂは被測定
信号のスペクトラムを表わし、それらの光検出器アレイ
上４６上の位置はそれぞれχ_A1，χ_B1である。

回折角２θと媒体中の光の波長λ、弾性表面波波長Λの
厳密な関係は次式で与えられる。

したがって、θ≪１の場合sinθθと置けるから(1)式
は次のように書ける。

さらに、レンズ４５から光検出器アレイ４６までの距離
をＬとすると、アレイ上の位置χ（０次回折光の端面で
の位置を基準とする）は、となる。(3)式からわかるように、光検出器アレイ４６
上の入力信号のスペクトル位置χは入力周波数に比例
するが、その比例係数Ｃは光源の波長λおよび弾性表面
波の伝搬速度Ｖの変動によって変化する。

今何らかの原因、例えば、温度変動によってλあるいは
Ｖが変化すると、第４図の実線で示される信号スペクト
ルｆ_A，ｆ_Bは同図の点線の如く移動し、それぞれχ_A2，
χ_B2に生ずる。また、その時の比例係数をＣ_２とすると
次式が成り立つ。

χ_A1＝Ｃ_A ……(4) χ_A2＝Ｃ₂ _A ……(5) χ_B2＝Ｃ₂ _B ……(6) 正しい周波数_Ｂはこれらの式からとする。すなわち、真の周波数_Ｂは、Ｃが変化しない
と仮定したみかけ上の周波数χ_B2／Ｃを補正係数（χ_A2
／χ_A1）で割ることによって求められる。このような割
り算はマイクロプロセッサ４７で行なわれる。

第５図は、第二の方法例による第二の従来例を示す斜視
図である。

アンテナ３５で受信された周波数_Ｂの被測定信号に発
振器３９により供給された周波数_Ａおよび_Ｃの２既
知周波数信号がマルチプレウサ３８により重畳される。
マルチプレクサ３８からの出力信号は、ミクサ３６によ
り局部発振器３７の出力と混合され、中間周波に変換さ
れ増幅器４０で増幅された後、変換器３３に印加され
る。

今何らかの原因でλあるいはＶが変化すると、第６図の
実線で示される信号スペクトラム_Ａ，_Ｂ，_Ｃは同
図の点線のごとく移動してそれぞれχ_A2，χ_B2，χ_C2に
生じ、正しい周波数が測定されない恐れがある。

第５図に示す従来例では、既知周波数_Ａおよび_Ｃの
スペクトルがそれぞれ予め定められた位置χ_A1およびχ
_C1にできるだけ近接して入射するように局部発振器３７
の周波数を制御し、周波数読み取り精度を向上させてい
る。

すなわち、制御信号発生回路４８により、スペクトラム
_Ａの位置誤差｜χ_A2−χ_A1｜とスペクトラム_Ｃの位
置誤差｜χ_C2−χ_C1｜を求め、さらにそれらの差を計算
し、その（正負の符号を含む）差に応じて局部発振器３
７の周波数を増減させる制御電圧を発生させ局部発振器
３７の周波数を制御し、周波数読み取り精度を向上させ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第３図，第５図に示した従来例では被測定電気信号と既
知周波数電気信号とを重畳して同一の超音波変換器に印
加している。

ＡＯスペクトラムアナライザは周波数の異なる多数の電
気信号が同時に印加された場合に、ほぼ実時間でスペク
トラム分析を行なうことができる特徴を有するが、超音
波変換器に多数と電気信号が同時に印加されると、超音
波伝搬媒体中で超音波の混変調が生じる。この混変調に
より回折光の高次モードが発生し、超音波変換器の動作
周波数帯域内、即ち、ＡＯスペクトラムアナライザの測
定周波数帯域内で、この高次モードを検出し測定誤りが
生じる恐れがある。この時、高次モードの回折光強度は
電気信号の数が多くなるに従い増大する。これに対し
て、入力した電気信号による回折光は減少する。従っ
て、正確な測定を行なうには超音波変換器に印加される
電気信号の数はなるべく少ない方がよい。

前述した如く、第３図，第５図に示す従来例では被測定
電気信号と既知周波数電気信号と重畳して同一の超音波
変換器に印加しているため、被測定電気信号が最も少な
い一つの場合でも超音波混変調波が生じ、回折光の高次
モードが発生する次点、及び既知周波数電気信号を印加
しない場合のＡＯスペクトラムアナライザの特性に比
べ、混変調の影響がより多く強度測定値を劣化させる欠
点があった。

また、既知周波数電気信号には超音波変換器の動作周波
数帯域内の信用を使用する必要があるため、既知周波数
電気信号と同一の周波数の被測定電気信号が印加された
場合に測定不能になる欠点あるいは既知周波数電気信号
の使用により、超音波変換器の動作周波数帯域より狭く
ＡＯスペクトラムアナライザの測定周波数帯域を設定し
なければならない欠点があった。

本発明の目的は、前述した従来のＡＯスペクトラムアナ
ライザの諸欠点を解決し、かつ、光の波長、超音波波
長、光導波層の屈折率などが、温度等の影響により変動
しても被測定電気信号と周波数を常に正確に測定できる
ＡＯスペクトラムアナライザを提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明によると、半導体レーザからなる光源と、第一の
超音波変換器を備えこの第一の超音波変換器に印加され
る被測定電気信号の周波数に応じて異なる角度で前記光
源からの光を回折される第一の光偏向器と、第二の超音
波変換器を備えこの第二の超音波変換器に印加される既
知周波数電気信号の周波数に応じて前記第一の光偏向器
が光を回折する角度と異なる角度で前記光源からの光を
回折させる第二の光偏向器と、少なくとも一つの光検出
器アレイとを具備し、前記第一の超音波変換器と前記第
二の超音波変換器を、前記２つの超音波変換器から発生
するそれぞれの超音波が、光源からの光を回折する領域
で重ならないように光の進行方向に沿って設置したこと
を特徴とする音響光学スペクトラムアナライザが得られ
る。

〔実施例〕

次に図面を用いて本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明によるＡＯスペクトラムアナライザの第
一の実施例の構造及び動作原理を説明する斜視図であ
る。

第１図に示す実施例は、第５図に示す従来例の説明で述
べた方法で、光検出器アレイを二つ用いて被告測定電気
信号の周波数の測定精度を高めている。すなわち、既知
周波数信号_Ａ，_Ｃを変換器３３ｂに印加しておき、
_Ａ，_Ｃのスペクトラムの光検出器アレイ４６ｂ上で
の位置ずれを常に観測することにより、局部発振器３７
の周波数を制御して測定精度を高めている。

第１図に示す如く、二つの変換器３３ａ，３３ｂから発
生するそれぞれの弾性表面波３４ａ，３４ｂによる光の
回折方向を互いに０次回折光の伝搬方向を軸として反転
させておけば、被測定信号_Ｂによる回折光４４は、既
知周波数信号_Ａ，_Ｃによる弾性表面波３４ｂにより
何ら影響を受けることはなく、劣化は生じない。これに
より、既知周波数信号による音波の混変調に起因する高
次モードの回折光強度増加のための周波数の誤り検出の
増加および強度測定値の劣化を防げる。

また、測定周波数帯域を被測定信号_Ｂを印加する変換
器３３ａの動作周波数帯域と同一にすることができ、広
帯域化が可能となる。なお、既知周波数信号_Ａ，_Ｃ
を印加する変換器３３ｂの動作周波数帯域は測定周波数
帯域を制限しない。

なお、０次回折光の伝搬方向に対する二つの変換器33
a、33bは、それぞれの変換器33a、ｂから発生する超音
波が２つのレンズ43、45の間で光が平行光49と相互作用
を行う領域で重なり合わないように光の進行方向に沿っ
て設置されればよく、光の進行方向における変換器33
a、ｂの設置順序は第１図に示された順序に限らず、逆
でも構わない。

また、光検出器アレイ４６ａ，４６ｂの検出出力をマイ
クロプロセッサで処理することにより第３図に示す従来
例の説明で述べた周波数測定精度の向上の方法が適用で
きるのは明らかである。

第２図は本発明によるＡＯスペクトラムアナライザの第
二の実施例の構造及び動作原理を説明する斜視図であ
る。

第２図に示す実施例は、第３図に示す従来例の説明で述
べた方法で、一つの光検出器アレイを用いて被測定電気
信号の周波数測定精度を高めている。被測定信号による
回折光４４は、既知周波数信号_Ａによる弾性表面波３
４ｂによってほとんど影響がないが周波数_Ａは被測定
信号が印加される変換器３３ａの動作周波数帯域から外
れた周波数に設定するのがよい。

なお、第２図に示す実施例におけるように光検出器アレ
イが一つしかなくとも、第５図に示す従来例の説明で述
べた周波数測定精度の向上の方法が適用できるのは明ら
かである。この場合既知周波数信号_Ａ，_Ｃは被測定
信号が印加される変換器３３ａの動作周波数帯域から外
れた周波数に設定すればよい。

以上説明した実施例はいずれも導波型タイプであるが、
必ずしもこれに限定されることはなく、本発明の特許請
求範囲はバルク波与のＡＯスペクトラアナライザをも包
含するものである。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したようにＡＯスペクトラムアナラ
イザに、既知周波数電気信号のみが印加され光源からの
光を回折させる光偏向器を用いることにより、音波の混
変調による高次モードの回折光の強度増加を発生させず
に済み、周波数の誤り検出や強度測定値の劣化を発生さ
せないままに、周波数読み取り精度の向上がはかれると
ともに、測定周波数帯域を被測定電気信号を印加する変
換器の動作周波数帯域と同一にすることができるため、
測定周波数帯域の広帯域化がはかれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による音響光学スペクトラムアナライザ
の第一の実施例を示す斜視図、第２図は本発明による音響光学スペクトラムアナライザ
の第二の実施例を示す斜視図、第３図および第５図は音響光学スペクトラムアナライザ
の第一および第二の従来例の斜視図、第４図および第６図はそれぞれ光検出器アレイ上での信
号スペクトラムパターンの一例である。３１……基板、３２……光導波層、３３ａ，３３ｂ……
変換器、４１……光源、４３，４５……レンズ、４６，
４６ａ，４６ｂ……光検出器アレイ。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体レーザからなる光源と、第一の超音
波変換器を備えこの第一の超音波変換器に印加される被
測定電気信号の周波数に応じて異なる角度で前記光源か
らの光を回折させる第一の光偏向器と、第二の超音波変
換器を備えこの第二の超音波変換器に印加される既知周
波数電気信号の周波数に応じて前記第一の光偏向器が光
を回折する角度と異なる角度で前記光源からの光を回折
させる第二の光偏向器と、少なくとも一つの光検出器ア
レイとを具備し、前記第一の超音波変換器と前記第二の
超音波変換器を、前記２つの超音波変換器から発生する
それぞれの超音波が、光源からの光を回折する領域で重
ならないように光の進行方向に沿って設置したことを特
徴とする音響光学スペクトラムアナライザ。