JPS60107530A - 音響光学スペクトラム・アナライザ - 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】 本発明社、音波によ如光を回折させる光偏向器を用いた
スペクトラム・アナライザに関するものである。

近年光エレクトロニクスの進展に伴い、種々の光信号処
理デバイスが提案されているが、そのなかで音響光学効
果を利用したスペクトラム・アナライザが最近注目され
ている。それはこのスペクトラム・アナライザは、（１
）広帯域である、（２）周波数の異なる複数個の信号を
同時に検知できる、（３）検知確率１００％である、（
４）小型軽量（特に集積の場合）である等の特徴を有し
ているためである。

音響光学（以下ＡＱと称す）スペクトラム・アナライザ
の原理はバルク波型、導波型を問わず同一で、音波によ
シ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、今測定すべき信号
を超音波変換器に印加すれば、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、検出器アレイ上の光の分布
が入力信号の周波数スペクトルを表わしている。

このようなＡＯスペクトラム・アナライザの基本性能の
一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＝　１
０００が既に得られておシ、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シ、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
実用化されているバルク波型では光源として専らＨｅ−
Ｎｅレーザなどの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込進歩によシ、１１１”
ｌ実用に供しうるレベルに到達し、装置全体の小型化が
可能になシ９つあるが、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２〜４人
／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、波長変化δλは
±（４０〜８０）人となシ、発振波長λを８００ＯＡ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、光の波長（媒体内）をλ
、音波の波長をＡとすれば、２０２λ／Ａで与えられる
。したがって今音波の波長Ａが変動しないとすれば、δ
θ／θ２δλ／λ−０，５〜１％　となシ、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検出器素子へ入射
するから周波数を正しく認職しないことになる。さらに
倒向器媒体としてＹカッ）　ＬｉＮｂ０９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、レーザ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
れかるように、偏向角θの光波長λおよび青波長Ａに対
する依存性は、 δθ　ａλ　δＡ θ　λ　Ａ で与えられるから、偏向角変動に及はず両成分はその正
負に注意すれば加算され、絶対値はより大きな値になる
ことがわかる。以上説明したように１光源として半導体
レーザを用い、さらに基板としてＬｉＮｂ０．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
長および青波長の温度依存性のため正しく動作しなくな
る恐れがある。

本発明の目的は光の波長、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シ変動しても被測定信号の周
波数を常に正確に測定できるＡＯスペクトラム・アナラ
イザを提供することにある。

本発明の音響光学スペクトラム・アナライザは、半導体
レーザ光源と、超音波変換器に印加される電気信号周波
数に応じて異なる角度で前記半導体光源からの光を回折
させる光偏向器と、該回折光を検知する光検出器アレイ
と、被測定電気信号に既知周波数の信号を重畳してこの
重畳信号を光偏向器に印加する手段と、該既知周波数信
号による回折光が前記光検出器プレイ上の予め定められ
た位置に入射するように前記半導体レーザ光源の波長を
制御する制御器とを備えていることを特徴とするもので
ある。

以下本発明について実施例を示す図面を参照しながら説
明する。第１図に本発明による音響光学スペクトラム・
アナライザの一実施例を示す。図においてｌは基板であ
る。弾性表面波の励振のために１基板１は圧電性を有し
、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（ＬｉＮｂ０３）結晶などが適
切な材料である。この基板１上に１ず光導波層２を形成
する。

この場合、導波層２の屈折率が基板１の深さ方向に徐々
に変化するタイプでもステップ状に変化するタイプでも
よい。基板１がＬｉＮｂ０．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
　ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ　）させることＫより、前者の屈
折率分布を得ることができる。一方ステップ状屈折率分
布の例としては基板ｌ上にガラスあるいはＡｓ２Ｓ３の
薄膜をスパッタリング等罠より堆積する方法がある。第
１図は基板１が圧電性を有する場合を示している。した
がって被測定電気信号を弾性表面波信号に変換するすだ
れ状変換器３は基板ｌ上に直接形成することができる。

変換器３は、通常よく知られているフォトリソグラフィ
技術によυなされるので、そのプロセスは省略する。ま
た基板が非圧電体の場合にはＺｎＯ等−の圧電薄膜を堆
積した上にすだれ状変換器を形成すればよい。すだれ状
変換器３は従来から知られている傾斜指チャープ電極か
ら成っている。すなわち、広帯域変換特性を実現するた
め電極指のピッチが弾性表面波４の伝搬方向に沿って徐
々に変化するいわゆるチャープ構造であると同時に、入
射光に対してすべての周波数の弾性表面波信号がプラグ
回折条件を満足するように各電極指の配列方向をごくわ
ずかづつ変化させている。さて、アンテナ５で受信され
た被測定電気信号は、ミキサ６によシ局部発振器７の出
力と混合され中間周波数に変換される。被測定周波数領
域がすだれ状変換器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。ミキサからの出力
信号は、マルチプレクサ８により発振器９の出力信号と
重畳され、増幅器１０で増幅された後すだれ状変換器３
に印加される。一方基板１に端面結合された可変波長半
導体レーザ１１からの光１２はレンズ１３により平行光
にされた後、弾性表面波信号４により回折される。回折
光１４はレンズ１５により収束し、基板１の端面に設け
られた光検出器アレイ１６上に焦点を結ぶ。レンズ１３
および１５は基板ＩＫ窪みを形成するいわゆるジオデシ
ックレンズ、あるいは基板１より屈折率の大きい薄膜を
堆積させるルネプルグレンズ等から成る。既に説明した
ように回折角は超音波変換器３への印加信号周波数に比
例するから光検出器アレイ上の電荷パターンが被迎Ｉ定
信号のスペクトラムを表わすことＫなる。このスペクト
ラムパターンの一例を第２図の実線で示す。ｆＡ゛は、
既知周波数信号のスペクトルを、ｆムは、被測定信号成
分を表わし、それらの光検出器プレイ上の位置はそれぞ
れｘＡ。

Ｘ［Ｉである。これらの信号スペクトラムは、光検出器
アレイと一体化された読み出し回路で時系列信号として
取り出される。

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

λ　（１） ｓｉｎθ：′７７ し九がってθ（１の場合ｓｉｎθにＯと置けるから（１
１式は次のように書ける。

λ θ＃　−ｉｙ　（２１ さらに音波−光相互作用領域から光検出器アレイまでの
距離をＬとすると、アレイ上の信号スペクトルの位置ｘ
（０次回折光の端面での位置を基準とする）は Ｌλ　Ｌλ ｘ　”’ｔ　２θＬ　＃　−７−＝−Ｖ−ｆ　＝　Ｏｆ
　（３）となる。上式かられかるように、光検出器アレ
イ上の入力信号のスペクトル位置Ｘは入力周波数ｆに比
例し、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■の関数である。したかって今何らかの原因
例−えば温度変動によって、λあるいはＶが変化すると
、第２図の実線で示すように信号スペクトルｆｈｒ　ｆ
Ｂは同図の点線の如く移動してそれぞれＸ　ｉ、　＋　
Ｘ　Ｂ’　Ｋ生じ、正しい周波数を測定されない恐れが
ある。しかるに本実施例では既知周波数ｆＡのスペクト
ルが予め定められた位置−ｘＫ生ずるように１　すなわ
ち（３）式の比例係数が常に一定となるように、半導体
レーザ光波の波長λを制御するものである。制御信号発
生回路１７は位置誤差ｘＡ′−ｘＡに比例した補正信号
を発生させる機能を有し、アレイ出力読み出し回路、時
間計数回路、誤差信号に比例した電流発生回路を含む。

光検出器プレイの出力は読み出し回路により時間軸波形
として読み出される。したがって予め定められた時刻に
発生させたパルスをスタートパルスとし、上記ｆＡのス
ペクトルによる出力パルスをトップパルスとして時間計
数回路を動作させることにより、スタートパルスからの
時間を計測し、次いでこの時間とスペクトルｆＡが基準
の位置ｘＡＫある場合の基準時間（既知）と比較するこ
とにより　ｆＡの位置誤差ｘ；　ｘＡを正負の符号を含
めて知ることができる。この誤差信号を用いて半導体レ
ーザ１１の波長を制御する。本目的に適した半導体レー
ザとしては例えば骨間結合キャビティ（０１ｅａｖｅｄ
　−０ｏｕｐｌ　ｅｄ　−０ａｖｉ　ｔｙ　）レーザが
あり、この場合非発光レーザへの注入電流■１を前記誤
差信号により制御することによってレーザ光の波長を制
御できる。波長チューニングレイト約２６人／ｍ人、チ
ーーニング範囲約３００人が実現されており、本目的に
適していることがわかる。

本実施例においては既知周波数ｆ　のスペクトルが光検
出器アレイ上の予め定められた位置ｘＡに常に入射する
ように、すなわち比例係数Ｃが一定であるように制御さ
れるため、比例係数Ｃの変動の原因が光の波長以外の、
例えば弾性表面波速度の変化によるものであっても最終
的に正しく補正されることは明らかである。

本実施例では既知周波数の信号は連続波であるためその
周波数を測定周波数領域外に設定することが測定信号と
の区別上望ましいが、一般に光源の波長および弾性表面
波の伝搬速度の変化は時間に対してゆるやかであるため
、既知周波数信号の光検出器アレイ上の位置を常時検知
する必要はなく時々測定すればよい。したがってこの場
合は測定周波数領域内に前記参照信号ｆＡを設定するこ
とも可能である。

以上の実施例で示した音響光学スペクトラム・アナライ
ザは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、本発明はバルク波型の音響光学スペクトラ
ムアナライザでも成υ立つ。

【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
ザの一実施例を示す斜視図で、ｌは基板、２は光導波層
、３はすだれ状変換器、４は弾性表面波、５はアンテナ
、６はミキサ、７，９　は発振器、８はマルチブレフサ
、１０は増幅器、１１け可変波長半導体レーザ、１２．
１４はいずれも導波光で１４は回折光、１３．１５はレ
ンズ、１６は光検出器アレイ、１７は制御信号発生回路
である。 第２図は光検出器アレイ上での信号スペクトラムパター
ンの一例であり、ｆＡは既知周波数信号のスペクトラム
・ｆ　が入力信号のスペクトラムである。 ｆｉ図 第２図 検出器上の位置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 半導体レーザ光源と、超音波変換器に印加される電気信
   号の周波数に応じて異なる角度に１前記半導体レーザ光
   源からの光を回折させる光偏向器と、該回折光を検出す
   る光検出器アレイと、被測定電気信号に既知周波数の信
   号を重畳し、この重畳した信号を前記光偏向に印加する
   手段と、該既知周波数信号による回折光が前記光検出器
   アレイ上の予め定められた位置に入射するように１前記
   半導体レーザ光源の波長を制御する制御器とを有するこ
   とを特徴とする音響光学スペクトラム・アナライザ。