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技術 光学ロッカー

出願人 オクラロテクノロジーリミテッド
発明者 エイドリアン・ペリン・ジャンセン
出願日 2017年6月26日 (2年10ヶ月経過) 出願番号 2018-567822
公開日 2019年9月12日 (7ヶ月経過) 公開番号 2019-526044
状態 不明
技術分野
  • -
主要キーワード 入力アセンブリ 線形熱膨張係数 正規化領域 温度非依存性 はね返る 干渉面 部分検出器 試験ビーム
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図面 (20)

課題・解決手段

光学ロッカーで使用される干渉計が記載される。干渉計は、異なる熱経路感度を有する少なくとも2つの透明材料を含む。干渉計は、入力ビームが干渉計によって第1および第2の中間ビームに分割されるように構成され、それらは再結合して出力ビームを形成し、第1および第2の中間ビームは、重なり合わない各自の第1および第2の中間ビーム経路に沿って移動する。中間ビーム経路の少なくとも1つは、透明材料のうち少なくとも2つを通過する。各透明材料を通過する各中間ビーム経路の長さは、第1の中間ビーム経路と第2の中間ビーム経路との間の光学経路差が実質的に温度非依存性であるように選択される。

概要

背景

光ファイバー通信チャネルでは、単一のファイバーを介して複数の光信号伝送する高密度波長多重DWDM)が使用される。かかる用途では、チャネルはそれぞれ、周波数グリッドによって定義される別個周波数を有する(例えば、ITU−T G.694.1)。

レーザー源によって生成される光学信号の周波数は、波長ロッキングメカニズムによってグリッドの周波数に「ロック」される。波長ロッキングメカニズムは、各光学信号の波長を測定する手段と、測定に応じて対応するレーザー源の出力を調節するフィードバックループとを備える。

一般的に、波長を測定する手段は、ファブリ−ペローFPエタロン(または干渉計)を含む。FPエタロンが、図1Aに示されており、2つの反射面を備えた透明プレートを備える。光が表面の間をはね返るにつれて、伝送された光線が互いに干渉して、周波数とプレート間光学距離とに依存する特徴的な干渉パターンを生成する。

FPエタロンの周波数応答は、図1Bに示される特性曲線を有する。光学ロッカーの最大分解能を提供するため、所望の周波数が高勾配の周波数応答グラフの領域内にあるように校正される。これは、周波数の小さい変化によって出力が大きく変化することを意味する。

エタロンの挙動はプレートを通る光学経路長に依存するので、挙動は極めて温度依存性である。光学経路は温度と共に増加する傾向にあるが、温度に伴う材料の膨張と、温度に伴う材料の屈折率の変化の両方による。
P(T)=n(T)L(T)

式中、Pは光学経路長、n(T)は温度の関数としての屈折率、L(T)は温度の関数としての物理的長さ、αは熱膨張係数、ψは熱光学係数である。αはほとんどの材料の場合に正であり、ψは正または負であり得る。

したがって、適切な校正を確保するには、エタロンの温度は厳密に制御されなければならない。これは、エタロンを一定の温度に保つことによって行うことができる。WO2015/030896号に開示されているものなど、より洗練されたエタロンでは、エタロンを異なる周波数に合わせて自動的に再校正可能にするために、エタロンの温度を制御された形で変化させることができる。

温度制御によって、エタロン製造の複雑さとコストが更に増すので、温度非依存性にすることができる光学ロッカーが必要とされている。

(温度非依存性の光学ロッカーの基礎を形成する)温度非依存性のエタロンを作成するためには、干渉ビーム間の位相差は温度非依存性でなければならない。これを達成するためには、ビーム間の光学経路差は温度非依存性でなければならない。

透明プレートを真っ直ぐに通過するビームと、各干渉面で一度反射されるビームとの2つのみのビームが伝送される、単純化したFPエタロンについて考慮する。P1は第1のビームの光学経路長、P2は第2のビームの光学経路長、ΔPは光学経路差である。

これは、FPエタロンに関する任意の教科書の考察、例えば、https://en.wikipedia.org/wiki/Fabry−Perot_interferometerに見出すことができる。

ΔPは、透明プレート内経路長差による寄与と、空気中の経路長差による寄与とを含む。空気中の経路長差は、妥当な温度にわたってほぼ一定なので、温度依存性は透明材料を通る経路長差によるものである。p1は透明材料を通過する第1のビームの光学経路長、p2は透明材料を通過する第2のビームの光学経路長である。第1および第2の経路は同じ材料を通過するので、p2=3p1であり、したがってΔP=Δpair+2p1である。したがって、経路差の温度依存性、dΔP/dT=2dp1/dTであり、透明材料を通る経路の温度依存性である。

dp1/dTは、知られているどの材料でもゼロにはなり得ない。知られている材料の場合、温度に伴う経路長の変化dP/dTは一般に正であり、負の熱光学係数を有する材料であっても、材料自体の膨張(即ち、Lの増加)は屈折率の減少と反作用する。図2はこれを示しており、図2Aはガラスの範囲に関するα対ψを示し、図2Bはガラスの範囲に関する熱経路全体を示している。dP/dTは正なので、透明プレートにおけるどの材料の組み合わせでも、dp1/dTはゼロにならない。

したがって、温度非依存性のエタロンは不可能である。

概要

光学ロッカーで使用される干渉計が記載される。干渉計は、異なる熱経路長感度を有する少なくとも2つの透明材料を含む。干渉計は、入力ビームが干渉計によって第1および第2の中間ビームに分割されるように構成され、それらは再結合して出力ビームを形成し、第1および第2の中間ビームは、重なり合わない各自の第1および第2の中間ビーム経路に沿って移動する。中間ビーム経路の少なくとも1つは、透明材料のうち少なくとも2つを通過する。各透明材料を通過する各中間ビーム経路の長さは、第1の中間ビーム経路と第2の中間ビーム経路との間の光学経路差が実質的に温度非依存性であるように選択される。

目的

方法は、上記2つの態様のいずれかによる干渉測定アセンブリ試験ビームを提供する

効果

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請求項1

光学ロッカーで使用される干渉計であって、異なる熱経路感度を有する少なくとも2つの透明材料を含み、前記干渉計が、入力ビームが前記干渉計によって、再結合して出力ビームを形成する第1および第2の中間ビームに分割されるように構成され、前記第1および第2の中間ビームが、重なり合わない各自の第1および第2の中間ビーム経路に沿って移動し、前記中間ビーム経路の少なくとも1つが、前記透明材料のうち少なくとも2つを通過し、各透明材料を通過する各中間ビーム経路の長さが、前記第1の中間ビーム経路と前記第2の中間ビーム経路との間の光学経路差が実質的に温度非依存性であるように選択される、干渉計。

請求項2

請求項1に記載の干渉計であって、式中、L1xは材料xを通過する前記第1の中間ビームの経路の物理的長さ、L2xは材料xを通過する前記第2の中間ビームの経路の物理的長さ、qxは材料xの熱経路長感度であり、このとき、各材料に関して、q=nα+ψであり、nは屈折率、αは線形熱膨張係数、ψは熱光学係数である、干渉計。

請求項3

温度に伴う前記光学経路差の変動が0.5GHz/℃未満である、請求項1に記載の干渉計。

請求項4

前記干渉計がマイケルソン干渉計またはマッハツェンダー干渉計のうち1つである、請求項1から3のいずれか一項に記載の干渉計。

請求項5

入力ビームを第1および第2の中間ビームに分割し、前記中間ビームを再結合して出力ビームを形成するように構成され、前記第1および第2の中間ビームが、各自の第1および第2の中間ビーム経路に沿って移動する、ビームスプリッタと、第1および第2のミラーであって、前記第1および第2のビーム経路が前記第1および第2のミラーによって反射して前記ビームスプリッタに戻されるように、前記第1および第2の中間ビーム経路と交差してそれぞれ位置決めされ、前記第1のビーム経路と前記第2のビーム経路との間に光学経路差を作り出すように位置決めされた、第1および第2のミラーと、異なる熱経路長感度を有する少なくとも2つの透明材料であって、各透明材料を通過する各中間ビーム経路の長さが、前記第1の中間ビーム経路と前記第2の中間ビーム経路との間の前記光学経路差が実質的に温度非依存性であるように選択される、少なくとも2つの透明材料とを備える、光学ロッカーで使用されるマイケルソン干渉計。

請求項6

入力ビームを第1および第2の中間ビームに分割するように構成され、前記第1および第2の中間ビームが、各自の第1および第2の中間ビーム経路に沿って移動する、第1のビームスプリッタと、前記中間ビームを再結合して出力ビームを形成するように構成された、第2のビームスプリッタと、前記第1および第2のビーム経路が前記第1のビームスプリッタから前記第2のビームスプリッタまで移動するように、前記第1および/または第2の中間ビーム経路と交差して位置決めされ、前記第1のビーム経路と前記第2のビーム経路との間に光学経路差を作り出すように位置決めされた、少なくとも1つのミラーと、異なる熱経路長感度を有する少なくとも2つの透明材料であって、各透明材料を通過する各中間ビーム経路の長さが、前記第1の中間ビーム経路と前記第2の中間ビーム経路との間の前記光学経路差が実質的に温度非依存性であるように選択される、少なくとも2つの透明材料とを備える、光学ロッカーで使用されるマッハ−ツェンダー干渉計。

請求項7

光学ロッカーで使用される干渉測定アセンブリであって、入力アセンブリと、干渉計と、検出器アセンブリとを備え、前記入力アセンブリが、試験ビームを受信し、前記試験ビームを複数の物理的に一致しない入力ビームに分割し、前記入力ビームを前記干渉計へと方向付けるように構成され、前記干渉計が、各入力ビームを受信し、各入力ビームに対して、前記入力ビームの波長に依存する強度を有する出力ビームを生成するように構成され、前記検出器アセンブリが、それぞれの出力ビームの強度にそれぞれ依存する、複数の出力信号を生成するように構成され、前記入力アセンブリが、各入力ビームが異なる経路差で前記干渉計を通って移動するように、および前記出力ビームが物理的に分離されて前記検出器アセンブリに到達するように、前記入力ビームを方向付けるように構成された、干渉測定アセンブリ。

請求項8

各入力ビームが異なる角度で前記干渉計に入る、請求項7に記載のアセンブリ。

請求項9

前記入力ビームが、前記干渉計に入るときに水平または垂直に分離される、請求項7または8に記載のアセンブリ。

請求項10

前記出力ビームを前記検出器アセンブリ上に集光するように構成された1つまたは複数の放物面ミラーを備える、請求項7から9のいずれか一項に記載のアセンブリ。

請求項11

前記入力アセンブリが、全ての波長に関して、前記出力信号の少なくとも1つが、指定の非ゼロ値よりも大きい、波長に伴う変化率を有するように構成された、請求項7から10のいずれか一項に記載のアセンブリ。

請求項12

各波長に対する好ましい出力信号が、該波長における波長に伴う最大変化率を有する前記出力信号であり、前記入力アセンブリが、前記好ましい出力信号の前記変化率が最小値を有する波長において、前記好ましい出力信号の波長に伴う前記変化率を最大化するように入力ビームを方向付けるように構成された、請求項7から11のいずれか一項に記載のアセンブリ。

請求項13

前記干渉計がマッハ−ツェンダーまたはマイケルソン−モーリー干渉計であり、前記入力アセンブリが、第1の入力ビームから得られる出力ビームの強度と波長の関係が、第2の入力ビームから得られる出力ビームの強度と波長の関係からπ/2の位相差を有するようにして、2つの入力ビームを生成するように構成された、請求項7から12のいずれか一項に記載のアセンブリ。

請求項14

光学ロッカーで使用される干渉測定アセンブリであって、干渉計と、検出器アセンブリとを備え、前記干渉計が、第1の経路に沿って出力側から見た入力側の像が、第2の経路に沿って出力側から見た入力側の像から、少なくとも入力ビームに垂直な方向に変位されるように構成され、前記検出器アセンブリが、前記干渉計によって生成される干渉パターンの異なる領域の強度を検出し、前記領域の前記強度に基づいて複数の出力信号を判定するように構成され、前記出力信号がそれぞれ、強度と波長との関係に対して異なる位相を有する、干渉測定アセンブリ。

請求項15

出力信号が前記干渉パターンの各領域の強度から判定される、請求項14に記載のアセンブリ。

請求項16

前記出力信号がそれぞれ、全ての前記出力信号に共通の正規化領域の強度から判定される、請求項15に記載のアセンブリ。

請求項17

前記出力信号がそれぞれ、前記それぞれの領域の強度を前記正規化領域の強度で割ったものに比例する、請求項16に記載のアセンブリ。

請求項18

前記干渉計がマイケルソン干渉計であり、前記入力側と前記干渉計との間に配置された正規化ユニットを備え、前記正規化ユニットが、100%偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタから前記干渉計に向かう方向に配置された1/4波長板と、検出器とを備え、前記偏光ビームスプリッタが、入力ビームが前記1/4波長板および前記干渉計を通過するのを可能にし、前記干渉計からの戻りビームを前記検出器へと反射するように配置され、前記検出器アセンブリからの出力信号が、前記検出器で測定した前記強度に基づいて正規化される、請求項14または15に記載のアセンブリ。

請求項19

前記干渉計がマイケルソンまたはマッハ−ツェンダー干渉計である、請求項14から17のいずれか一項に記載のアセンブリ。

請求項20

請求項7から19のいずれか一項に記載の干渉測定アセンブリに試験ビームを提供するステップと、測定された強度の波長に伴う変化率が最大である出力信号に基づいて、前記試験ビームの波長を判定するステップとを含む、試験ビームの波長を測定する方法。

技術分野

0001

本発明は、光学ロッカーに関する。特に、本発明は、光学ロッカーの波長を測定する干渉計に対する改善に関する。

背景技術

0002

光ファイバー通信チャネルでは、単一のファイバーを介して複数の光信号伝送する高密度波長多重DWDM)が使用される。かかる用途では、チャネルはそれぞれ、周波数グリッドによって定義される別個周波数を有する(例えば、ITU−T G.694.1)。

0003

レーザー源によって生成される光学信号の周波数は、波長ロッキングメカニズムによってグリッドの周波数に「ロック」される。波長ロッキングメカニズムは、各光学信号の波長を測定する手段と、測定に応じて対応するレーザー源の出力を調節するフィードバックループとを備える。

0004

一般的に、波長を測定する手段は、ファブリ−ペローFPエタロン(または干渉計)を含む。FPエタロンが、図1Aに示されており、2つの反射面を備えた透明プレートを備える。光が表面の間をはね返るにつれて、伝送された光線が互いに干渉して、周波数とプレート間光学距離とに依存する特徴的な干渉パターンを生成する。

0005

FPエタロンの周波数応答は、図1Bに示される特性曲線を有する。光学ロッカーの最大分解能を提供するため、所望の周波数が高勾配の周波数応答グラフの領域内にあるように校正される。これは、周波数の小さい変化によって出力が大きく変化することを意味する。

0006

エタロンの挙動はプレートを通る光学経路長に依存するので、挙動は極めて温度依存性である。光学経路は温度と共に増加する傾向にあるが、温度に伴う材料の膨張と、温度に伴う材料の屈折率の変化の両方による。
P(T)=n(T)L(T)

0007

0008

0009

式中、Pは光学経路長、n(T)は温度の関数としての屈折率、L(T)は温度の関数としての物理的長さ、αは熱膨張係数、ψは熱光学係数である。αはほとんどの材料の場合に正であり、ψは正または負であり得る。

0010

したがって、適切な校正を確保するには、エタロンの温度は厳密に制御されなければならない。これは、エタロンを一定の温度に保つことによって行うことができる。WO2015/030896号に開示されているものなど、より洗練されたエタロンでは、エタロンを異なる周波数に合わせて自動的に再校正可能にするために、エタロンの温度を制御された形で変化させることができる。

0011

温度制御によって、エタロン製造の複雑さとコストが更に増すので、温度非依存性にすることができる光学ロッカーが必要とされている。

0012

(温度非依存性の光学ロッカーの基礎を形成する)温度非依存性のエタロンを作成するためには、干渉ビーム間の位相差は温度非依存性でなければならない。これを達成するためには、ビーム間の光学経路差は温度非依存性でなければならない。

0013

透明プレートを真っ直ぐに通過するビームと、各干渉面で一度反射されるビームとの2つのみのビームが伝送される、単純化したFPエタロンについて考慮する。P1は第1のビームの光学経路長、P2は第2のビームの光学経路長、ΔPは光学経路差である。

0014

0015

これは、FPエタロンに関する任意の教科書の考察、例えば、https://en.wikipedia.org/wiki/Fabry−Perot_interferometerに見出すことができる。

0016

ΔPは、透明プレート内経路長差による寄与と、空気中の経路長差による寄与とを含む。空気中の経路長差は、妥当な温度にわたってほぼ一定なので、温度依存性は透明材料を通る経路長差によるものである。p1は透明材料を通過する第1のビームの光学経路長、p2は透明材料を通過する第2のビームの光学経路長である。第1および第2の経路は同じ材料を通過するので、p2=3p1であり、したがってΔP=Δpair+2p1である。したがって、経路差の温度依存性、dΔP/dT=2dp1/dTであり、透明材料を通る経路の温度依存性である。

0017

dp1/dTは、知られているどの材料でもゼロにはなり得ない。知られている材料の場合、温度に伴う経路長の変化dP/dTは一般に正であり、負の熱光学係数を有する材料であっても、材料自体の膨張(即ち、Lの増加)は屈折率の減少と反作用する。図2はこれを示しており、図2Aはガラスの範囲に関するα対ψを示し、図2Bはガラスの範囲に関する熱経路全体を示している。dP/dTは正なので、透明プレートにおけるどの材料の組み合わせでも、dp1/dTはゼロにならない。

0018

したがって、温度非依存性のエタロンは不可能である。

0019

WO2015/030896号

先行技術

0020

https://en.wikipedia.org/wiki/Fabry−Perot_interferometer

課題を解決するための手段

0021

本発明の一態様によれば、光学ロッカーで使用される干渉計が提供される。干渉計は、異なる熱経路長感度を有する少なくとも2つの透明材料を含む。干渉計は、入力ビームが干渉計によって第1および第2の中間ビームに分割されるように構成され、それらは再結合して出力ビームを形成し、第1および第2の中間ビームは、重なり合わない各自の第1および第2の中間ビーム経路に沿って移動する。中間ビーム経路の少なくとも1つは、透明材料のうち少なくとも2つを通過する。各透明材料を通過する各中間ビーム経路の長さは、第1の中間ビーム経路と第2の中間ビーム経路との間の光学経路差が実質的に温度非依存性であるように選択される。

0022

更なる態様によれば、光学ロッカーで使用されるマイケルソン干渉計が提供される。干渉計は、ビームスプリッタと、第1および第2のミラーと、少なくとも2つの透明材料とを備える。ビームスプリッタは、入力ビームを第1および第2の中間ビームに分割し、前記中間ビームを再結合して出力ビームを形成するように構成され、第1および第2の中間ビームは、各自の第1および第2の中間ビーム経路に沿って移動する。第1および第2のミラーはそれぞれ、第1および第2のビーム経路が第1および第2のミラーによって反射してビームスプリッタに戻されるように、前記第1および第2の中間ビーム経路と交差して位置決めされ、第1および第2のミラーは、第1のビーム経路と第2のビーム経路との間に光学経路差を作り出すように位置決めされる。少なくとも2つの透明材料は異なる熱経路長感度を有する。各透明材料を通過する各中間ビーム経路の長さは、第1の中間ビーム経路と第2の中間ビーム経路との間の光学経路差が実質的に温度非依存性であるように選択される。

0023

更なる態様によれば、光学ロッカーで使用されるマッハツェンダー干渉計が提供される。干渉計は、第1および第2のビームスプリッタと、少なくとも1つのミラーと、少なくとも2つの透明材料とを備える。第1のビームスプリッタは、入力ビームを第1および第2の中間ビームに分割するように構成され、第1および第2の中間ビームは、各自の第1および第2の中間ビーム経路に沿って移動する。第2のビームスプリッタは、前記中間ビームを再結合して出力ビームを形成するように構成される。少なくとも1つのミラーは、第1および第2のビーム経路が第1のビームスプリッタから第2のビームスプリッタまで移動するようにして、前記第1および/または第2の中間ビーム経路と交差して位置決めされ、少なくとも1つのミラーは、第1のビーム経路と第2のビーム経路との間に光学経路差を作り出すように位置決めされる。少なくとも2つの透明材料は異なる熱経路長感度を有する。各透明材料を通過する各中間ビーム経路の長さは、第1の中間ビーム経路と第2の中間ビーム経路との間の光学経路差が実質的に温度非依存性であるように選択される。

0024

更なる態様によれば、光学ロッカーで使用される干渉測定アセンブリが提供される。アセンブリは、入力アセンブリと、干渉計と、検出器アセンブリとを備える。入力アセンブリは、試験ビームを受信し、試験ビームを複数の物理的に一致しない入力ビームに分割し、入力ビームを干渉計へと方向付けるように構成される。干渉計は、各入力ビームを受信し、各入力ビームに対して、入力ビームの波長に依存する強度を有する出力ビームを生成するように構成される。検出器アセンブリは、それぞれの出力ビームの強度にそれぞれ依存する、複数の出力信号を生成するように構成される。入力アセンブリは、各入力ビームが異なる経路差で干渉計を通って移動するようにして、また出力ビームが物理的に分離されて検出器アセンブリに到達するようにして、入力ビームを方向付けるように構成される。

0025

更なる態様によれば、光学ロッカーで使用される干渉測定アセンブリが提供される。アセンブリは、干渉計と、検出器アセンブリとを備える。干渉計は、第1の経路に沿って出力側から見た入力側の像が、第2の経路に沿って出力側から見た入力側の像から、少なくとも入力ビームに垂直な方向に変位されるように構成される。検出器アセンブリは、干渉計によって生成される干渉パターンの異なる領域の強度を検出し、領域の強度に基づいて複数の出力信号を判定するように構成され、出力信号はそれぞれ、強度と波長との関係に対して異なる位相を有する。

0026

更なる態様によれば、試験ビームの波長を測定する方法が提供される。方法は、上記2つの態様のいずれかによる干渉測定アセンブリに試験ビームを提供するステップと、測定された強度の波長に伴う変化率が最大である出力信号に基づいて、試験ビームの波長を判定するステップとを含む。

0027

図面中、光学成分が例示される場合、
二重線はミラー(例えば、図3の303)、
細い点線はビームスプリッタ(例えば、図3の302)、
太い点線または破線はビーム経路(例えば、図3の30)を示し、
最終出力に寄与しないビーム経路は図示されない。

図面の簡単な説明

0028

ファブリ−ペローエタロンを示す図である。
ファブリ−ペローエタロンの周波数応答を示すグラフである。
ガラスの範囲の熱特性を示す図である。
従来技術によるマッハ−ツェンダー干渉計を示す図である。
一実施形態によるマッハ−ツェンダー干渉計を示す図である。
干渉計の選択に関する強度対波長を示すグラフである。
干渉計の例示の幾何学形状を示す図である。
完全な熱非依存性の干渉計をL2が111ミクロン長すぎる干渉計と比較したグラフである。
複数の出力信号を有する干渉計からの例示の出力を示す図である。
ビームを検出器上に集光する構成を示す図である。
干渉計の範囲に関する干渉パターンを示す図である。
例示の干渉計に関する検出器スライスに沿った強度対位相角度を示す図である。
更なる例示の干渉計に関する検出器スライスに沿った強度対位相角度を示す図である。
例示の検出器を示す図である。
例示の干渉計を示す図である。

実施例

0029

式中の項の索引
(式の説明において別の形で指定されている場合を除く)
T 温度
P光学経路長
物理的経路
α熱膨張線形係数
n屈折率
ψ熱光学係数
q熱経路長感度、q=1/L dP/dT=nα+ψ
ν周波数
λ波長
真空中の光の速度
出力パワー
電界強度
ガウス分布半値幅
φ 角度(説明において示される)
θ 位相差

0030

下付き添字は、別の形で定義されない限り、その量が特定の成分に関する、または特定の経路に沿ったものであることを示す。下付き添字nまたはxは、成分または経路の選択を示す(例えば、nxは考察される材料のいずれかの屈折率となる)。Δは差を示すのに使用され、例えば、ΔPは光学経路差である。

0031

温度非依存性干渉計
温度非依存性光学ロッカーを作成するために、温度非依存性干渉計が必要とされる。上記に示したように、エタロンの場合はこれは不可能である。しかしながら、他のタイプの干渉計の場合にこれを達成することができる。

0032

例えば、図3に示されるようなマッハ−ツェンダー(M−Z)干渉計について考察する。入力ビーム30は、ビームスプリッタ301によって中間ビーム31および32に分割される。中間ビーム31は、ミラー303を介してビームスプリッタ302まで移動し、中間ビーム32は、ビームスプリッタ301によって分流され、ミラー304を使用してビームスプリッタ302へと方向付けられる。ビームスプリッタ302で、ビーム31および32は再結合して出力ビーム33となり、出力の強度はビームスプリッタ302における中間ビーム31および32の位相差に依存し、したがって、中間ビーム31および32が取る経路間の光学経路差に依存する。

0033

ビーム31が取る経路が経路長P31を有し、ビーム32が取る経路が経路長P32を有するものとする。

0034

0035

したがって、

0036

0037

ただし次式の場合

0038

0039

P32およびP31は非依存なので(p2がp1の倍数であるFPエタロンとは異なる)、この条件は実際に達成可能である。

0040

例えば、図4に示されるM−Z干渉計について考察する。入力ビーム40は、ビームスプリッタ401によって中間ビーム41および42に分割される。中間ビーム41はビームスプリッタ402まで直接移動し、中間ビーム42は、ビームスプリッタ301によって分流され、ミラー403を使用してビームスプリッタ402へと方向付けられる。ビームスプリッタ402で、ビーム41および42は再結合して出力ビーム43となり、出力の強度はビームスプリッタ402における中間ビーム41および42の位相差に依存し、したがって、中間ビーム41および42が取る経路間の光学経路差に依存する。図4の干渉計は、第1の材料で作られた部分421と、第2の材料で作られた部分422とを有する。ビーム41が取る経路は第1の材料のみを通過し、ビーム42が取る経路は第1および第2の材料を通過する。

0041

第1および第2の材料が適切に選択された場合、ビーム42が第1および第2の材料それぞれを通って取る経路の長さを、ビーム41が第1の材料を通って取る経路の長さに対して調節することによって、経路差が熱非依存性である幾何学形状を与えることができる。例えば、ブロック421がLAF9(市販のガラス)で作られ、ブロック422が石英で作られた場合、図5は、物理的経路長の異なる比に関する出力の強度対波長のグラフを示している。図5の物理的経路長は、ビームスプリッタ401からビームスプリッタ402までで測定され、ビーム32がブロック421を通って移動する距離を減算して、経路の等価部分割り引く。

0042

図5Aでは、比は2.826であり、出力強度対波長のグラフは温度上昇に伴って左に移動する(即ち、グラフは低波長の方向に平行移動する)。図5Bでは、比は4.355であり、グラフは温度上昇に伴って右に移動する。図5Cは、比が3.537の場合を示しており、50Kの温度差にわたってグラフは変化せず、即ち干渉計は温度非依存性である。

0043

第1および第2の経路が独立しており、即ち、第1の経路の少なくとも一部が第2の経路と重なり合わず、その逆も真であると仮定すると、温度非依存性をもたらす様々な幾何学形状が可能であることが認識されるであろう。M−Zまたはマイケルソン干渉計に基づいた、いくつかの例示的な幾何学形状が図6に示される。二重線は反射面を表し、点線はビームスプリッタを表し、太い破線は光が取る経路を表す(干渉パターンに寄与しないビームは全て無視する)。囲まれた領域はそれぞれ異なる材料から作られる。経路の重なり合わない部分は、所望の温度非依存性を与えるように調整することができるが、それには、経路のうち少なくとも1つの重なり合わない部分が2つの異なる材料を通過することを要する。図6Dに示されるように、ビームスプリッタは、エアギャップの入力側とは反対側に楔状または円筒状の表面を有して、2つのガラスの間にエアギャップを設けることによって作成することができる。エアギャップの入力側における部分内反射によって、必要なビーム分割が得られる。楔状または円筒状表面によって、エアギャップの遠い側におけるビームの角度がエアギャップの近い側におけるビームの角度とは異なり、必要な経路差が作られることが確保される。

0044

必要な自由スペクトル範囲、ならびに熱非依存性を達成するため、物理的経路長は次式を満たさなければならない。

0045

0046

0047

L1は、第1の光学経路(即ち、ビームスプリッタ間の経路)の重なり合わない部分の物理的長さ、L2は、第2の光学経路の重なり合わない部分の物理的長さ、qxは、材料xに関する熱経路長感度、q=nα+ψ、Δνは自由スペクトル範囲、cは真空中の光の速度、Lnxは材料xを通過する経路nの物理的長さである。

0048

図4に示される干渉計または他の干渉計の場合、経路L1が第1の材料のみを通過し、経路L2が距離L0にわたり第1の材料を通過し、距離L2−L0にわたり第2の材料を通過する場合、式は下記に換算される。

0049

0050

0051

式中、q1は第1の材料の熱経路長感度、q2は第2の材料の熱経路長感度であり、q=nα+ψである。L1およびL2の両方が距離L0にわたって第1の材料を通過し、それぞれ次にそれぞれの他方の材料を通過する場合(例えば、図6X)、qnを経路Lnが通過する他の材料の熱経路長感度として用いて、これらの式を使用することができる。当然ながら、自由スペクトル範囲にある程度の自由度がある場合、距離L1を選び、自由スペクトル範囲をそれから計算することができる。

0052

屈折率nは温度依存性であるが、nの変動は小さいので、qは一定であると仮定することができる(ψは一般的に10−6〜10−7程度、nは一般的には1〜2なので、約100Kの温度差の場合、変動は約0.1%以下である)。この近似によって導入される誤差は無視できる可能性が高く、L1およびL2の一般的な値は1000ミクロン程度なので、qの何らかの変動による誤差は製造公差に類似する可能性が高い。図7は、完全な熱非依存性の干渉計をL2が111ミクロン長すぎる干渉計(熱依存性は誤差1ミクロン毎の1K当たり0.5MHzである)と比較したグラフを示している。光学ロッカーが一般的には数十GHzの周波数で動作することを所与とすると、これは容認可能な変動である。

0053

複数の出力信号
光学ロッカーを有効に機能させるため、波長/強度グラフの高勾配領域において波長測定が行われるべきである。干渉計が温度非依存性の場合であっても、単一の干渉計を用いて全波長範囲にわたってかかる感度を達成する、方法の例が以下に提示される。以下の例は干渉計が温度非依存性であることを必要とせず、温度が適切に制御されていれば温度依存性の干渉計でも作用することが、当業者には認識されるであろう。

0054

以下の例の原則は、2つ以上の出力信号を有する干渉計を提供するというものであり、その場合、出力信号の少なくとも1つはいずれの波長でも高勾配を有する。この一例が図8に示されており、線1、2はそれぞれ第1および第2の出力信号を示す。以下でグラフに示されるように、波長に応じてどの信号が測定されるかを変更することによって、全範囲にわたって高い感度を維持することができる。

0055

複数の出力信号を発生させる第1の選択肢は複数の入力ビームを使用することであり、入力ビームは、出力ビームを対応して分離させ、各出力ビームからの信号を別個に分解することが可能になるように、垂直または水平に分離される。出力ビームの差を生じさせるために、入力ビームはそれぞれ、干渉計に対する異なる入射角を有してもよく、それによって各ビームに関して異なる光学経路差が生じる。干渉計に対する入力ビームを発生させるのに、試験されるビームは、干渉計に入る前に1つまたは複数のビームスプリッタによって分割されてもよい。

0056

マイケルソンまたはマッハ−ツェンダー干渉計などの正弦応答を有する干渉計の場合、各ビームの波長/強度グラフ間にπ/2の位相差を有する2つのビームの出力によって、十分な感度が得られる。他の干渉計の場合、全ての波長を十分な感度で網羅するのに、2つを超える出力ビーム(およびしたがって、2つを超える入力ビーム)が必要なことがある。この技術は、出力信号が物理的に分離されて検出器アセンブリに到達する、任意の干渉計に対して機能し得る。

0057

物理的分離は、入力ビームを水平および/または垂直に分離することによって増加させることができる。図9Aは、ビームが垂直に積み重ねられた例示の干渉計を側面図901および平面図902で示し、図9Bは、ビームが水平に積み重ねられた例示の干渉計を側面図911および平面図912で示している。例示の干渉計はそれぞれ一対の入力ビーム903および904、913および914を有し、それらは干渉計905、915(マイケルソン干渉計として示されているが、他のタイプが使用されてもよい)内へと方向付けられる。ビームはそれぞれ、例えば、小さい角度誤差を各ビームに導入することによって、各ビームの経路差が異なるようにして、干渉計内へと方向付けられる。入力ビーム903および904、913および914は、それぞれの出力ビームを生成し、それらは放物面ミラーアセンブリ906、916によって、検出器アセンブリ907、917上に集光される。検出器アセンブリ907、917は、放物面ミラーアセンブリ906、916の下方にあるので、平面図には示されていない。放物面ミラーアセンブリ906、916は、各ビームに1つずつ、2つの放物面ミラーを備え、検出器アセンブリ907、917は、各ビームに対する検出器または検出器領域を備え、各ビームに対して別個の出力信号を生成する。

0058

あるいは、単一の入力ビームを使用して2つの出力信号が得られてもよい。これは、マイケルソンまたはマッハ−ツェンダー干渉計のミラーに小さい角度誤差を導入することによって、行うことができる。図10で分かるように、同心円を形成する代わりに、干渉パターンは、角度誤差が増大するにつれて一連の平行なフリンジに向かう傾向がある。波長に伴うパターン強度変化はそれほど顕著ではないが、その代わり、パターンは波長の変化に伴ってどちらかの側に平行移動する。パターンがこのように挙動する条件は、干渉計の出力側から見たとき、1つのビーム経路に沿った入力の像が、他方のビーム経路に沿った入力の像から、ビーム経路に対して垂直な方向に変位されることである。入力の像がビーム経路に対して完全に平行に変位される場合、「従来の」同心円フリンジパターンが現れ、その強度は波長に依存する。入力の像がビーム経路に対して完全に垂直に変位される場合、干渉パターンは一連のフリンジであり、強度は波長に依存しない。他の変位は、ビーム経路と入力の像を接続する線との角度に応じて、図10に示される中間パターンを形成する。

0059

図11Aは、2つのアーム間の位相差(θ)を変動させた際の、検出器の中央を通る水平(x)強度分布を示す。スポットは、x軸に沿って変位するように見え、位相差が変化するにつれて別のスポットに置き換わることができる。これはFSRに等しい周期で周期的に起こる。図11Bは、検出器の各半分(即ち、x>0、x<0)によって検出される統合された強度を示しており、これは、所望のように(また、図8に関連して考察したように)π/2の位相差を有する2つの信号1101、1102を発生させる。

0060

ビーム間の角度が増加した場合、フリンジの間隔は(図10を参照して上述したように)減少し、いくつかの強度ピークが像を横切って移動する。これは、図11Aよりもビーム間の角度が大きい干渉計に関して、2つのアーム間の位相差(θ)を変動させた際の、検出器の中央を通る水平(x)強度分布を示す、図12Aに示されている。図12Bは、検出器の各半分に関して集められる統合された強度を示しているが、2つの信号1201、1202は逆位相であって、各信号の最大勾配一緒に起こるので、この例は複数出力ステムには適さないであろうことが分かる。ビーム間の角度、および検出器の領域の構成は、所望の位相差を有する任意の数の信号を生成するために変動させることができることが、当業者には認識されるであろう。

0061

したがって、パターンの異なる領域における強度は、依然として波長に伴って変動する。したがって、パターンの別個の領域を測定することによって、互いから一定の位相差で波長に伴って変動する信号を得ることができる。例えば、図13に示されるように検出器を3つの区画に分け、sig1/sig2およびsig3/sig2として2つの信号を取ることによって、検出器2の幅に依存する位相変位を有するプロットが得られる。

0062

あるいは、検出器は2つの区画に分けられ、出力信号が各区画から取得される。

0063

一般に、ある数の出力信号を獲得するには、検出器が、その数のセグメントに分けられて、各セグメントから1つの信号が獲得されるか、またはより多数のセグメントに分けられて、セグメントの組み合わせから信号が取得されてもよい。

0064

信号間の位相差は、各検出器で受信されるパワーから計算することができる。

0065

0066

0067

0068

式中、wxおよびwyはxおよびyそれぞれにおけるビームのガウス半値幅、φ0は2つのビーム間の指向性角度分離、θは2つのビーム間の位相差であって周波数依存性、Etotは出力からの合計電界、Stotは合計出力パワー、E0は定数、sigNは領域Nから受信した信号、n+およびn−はwx単位で測定したx方向における領域Nの広がりである。上記式によって、y方向における検出器の広がりが無限である理想的な事例が得られる。検出器が±Ywyに及ぶ実際の用途では、最終積分値は次式の通りである。

0069

0070

光学ロッカーで使用することができる出力を生成するためには、出力信号を正規化しなければならないので、信号は、波長にのみ依存し、入力ビームのパワーには依存しない。従来の光学ロッカーでは、これはエタロンの前にビームを分割し、第1のビームを干渉計に、第2のビームを検出器に送ることによって実施される。エタロンからの出力信号は、検出器からの信号によって分けられて、正規化された出力信号が形成される。しかしながら、これには、パワーの一部分が検出器へと「吸い上げられ」る必要があるので、光学ロッカーの効率が低減される。

0071

マイケルソン干渉計を使用する場合、光がレーザーに戻ることも防ぎつつ、より効率的な正規化を得ることができる。例示的なシステムが図14に示されている。マイケルソン干渉計1401は、(図に示されるように、また上述したように)温度非依存性であってもよく、または従来のマイケルソン干渉計であってもよい。それに加えて、上述したミラーにおける角度誤差を伴って使用されてもよい。入力ビームは、線形偏光である入力偏光によって偏光されて提供される。ビームスプリッタ1402は、入力偏光を通過させるように構成された100%偏光スプリッタである。入力ビームの反射成分(図示なし)は吸収表面によって吸収され、伝送された成分は1/4波長板1403を介して干渉計1401を通り、つまり干渉計内の光は円形偏光される。干渉計は、検出器1404を通るものと、入力ビームの経路に沿って戻るものとの、2つの出力ビームを作り出す。第2の出力ビームは1/4波長板を通るので、100%偏光スプリッタに当たるとビームが検出器1405へと全反射されるようにして、線形偏光される。

0072

干渉計に対する入力パワーは、検出器1404および1405におけるパワーの合計なので、正規化をS1204/(S1204+S1205)(式中、Sは各検出器で測定したパワー)として計算することができる。検出器1404および1405が同じ感度を有さない場合、正規化された信号は、強度と波長との間にわずかに非正弦的な関係を有するようになる。これは、検出器間感度差が10%以下の場合は顕著ではなく、より大きい差の場合は補正することができる。同様に、信号プロファイルは、多部分検出器のセグメント間にあり得るデッドスペースによって変化するが、帯域にわたって影響は同一なので、これらの誤差は補償することができる。

0073

30入力ビーム
31中間ビーム
32 中間ビーム
33出力ビーム
40 入力ビーム
41 中間ビーム
42 中間ビーム
43 出力ビーム
301ビームスプリッタ
302 ビームスプリッタ
303ミラー
304 ミラー
401 ビームスプリッタ
402 ビームスプリッタ
403 ミラー
421 第1の材料で作られた部分
422 第2の材料で作られた部分
901 側面図
902 平面図
903 入力ビーム
904 入力ビーム
905干渉計
906 放物面ミラーアセンブリ
907検出器アセンブリ
911 側面図
912 平面図
913 入力ビーム
914 入力ビーム
915 干渉計
916 放物面ミラーアセンブリ
917 検出器アセンブリ
1101 信号
1102 信号
1201 信号
1202 信号
1401 干渉計
1402 ビームスプリッタ
1403 1/4波長板
1404検出器
1405 検出器

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