JP2839369B2 - 誘導ブリルアン散乱を用いた光キャリヤーの発生装置 - Google Patents
誘導ブリルアン散乱を用いた光キャリヤーの発生装置Info
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- H—ELECTRICITY
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は誘導ブリルアン散乱（SBS）によって作り出
される信号の周波数のシフトを作り出し、及びこれを検
出する装置に関する。特に、例えば、分散温度の感知に
実用される装置に関する。
される信号の周波数のシフトを作り出し、及びこれを検
出する装置に関する。特に、例えば、分散温度の感知に
実用される装置に関する。
分散温度センサーのための感知機構として誘導ブリル
アン散乱を利用し、レーザビームを光ファイバーの中に
差し向け、遠隔温度感知素子として作用し、後方散乱の
SBS信号を発生するごとくにすることが提案されてい
る。プリンシプルとして離れた感知素子の温度を後方散
乱のブリルアン・ラインの周波数のシフトvBから決定す
ることが出来る。
アン散乱を利用し、レーザビームを光ファイバーの中に
差し向け、遠隔温度感知素子として作用し、後方散乱の
SBS信号を発生するごとくにすることが提案されてい
る。プリンシプルとして離れた感知素子の温度を後方散
乱のブリルアン・ラインの周波数のシフトvBから決定す
ることが出来る。
ここで、ｎは屈折率、VAは極超音波速度、λは入射ビ
ームの波長、θは散乱角度＝全後方散乱に対しては180
゜、である。
ームの波長、θは散乱角度＝全後方散乱に対しては180
゜、である。
一般的なモノモードの光ファイバーにおいては、vB＝
30GHzで、dvB/dt＝5.5MHz/℃で、従って、分散温度セン
サーにおいて１℃の温度分解能を得るためには5MHzの光
分解能を必要とする。このオーダーの大きさの分解能は
ハイコントラストの共焦点走査をするファブリー・ペロ
ー干渉計で達成可能であるが、この様な精度での光周波
数の絶対値の測定は長い間達成困難であった。
30GHzで、dvB/dt＝5.5MHz/℃で、従って、分散温度セン
サーにおいて１℃の温度分解能を得るためには5MHzの光
分解能を必要とする。このオーダーの大きさの分解能は
ハイコントラストの共焦点走査をするファブリー・ペロ
ー干渉計で達成可能であるが、この様な精度での光周波
数の絶対値の測定は長い間達成困難であった。
光の散乱の実験に一般的に用いられる信号回収の別の
方法は、特に、散乱光のライン幅が狭い場合、光ヘテロ
ダインの方法であって、この場合、散乱した光信号が、
シフトしていない入射レーザビームと混じりあう。媒体
の中での伝搬密度の“ばらつき”によって散乱された光
はインコヒーレントで、ヘテロダイン信号のライン幅が
媒体の中の無駄な機構によって広くなる（ブリルアン散
乱の場合極超音波の減衰）。一方、SBSはコヒーレント
法であって、後方散乱光がランダムヘェーズの変動にの
み従う。従って、この信号が入射ビームとヘテロダイン
されると、観測されるライ幅は非常に狭くなる。
方法は、特に、散乱光のライン幅が狭い場合、光ヘテロ
ダインの方法であって、この場合、散乱した光信号が、
シフトしていない入射レーザビームと混じりあう。媒体
の中での伝搬密度の“ばらつき”によって散乱された光
はインコヒーレントで、ヘテロダイン信号のライン幅が
媒体の中の無駄な機構によって広くなる（ブリルアン散
乱の場合極超音波の減衰）。一方、SBSはコヒーレント
法であって、後方散乱光がランダムヘェーズの変動にの
み従う。従って、この信号が入射ビームとヘテロダイン
されると、観測されるライ幅は非常に狭くなる。
この約30GHzのヘテロダイン信号は、30GHz以上の周波
数レスポンスを持つホトダイオードと、高周波数のマイ
クロ波分光分析器とを使用して直接観測することが出来
る。然し、この解決方法は非常に費用が掛かり、実際に
この方法が分散温度の感知に使われることは無い。
数レスポンスを持つホトダイオードと、高周波数のマイ
クロ波分光分析器とを使用して直接観測することが出来
る。然し、この解決方法は非常に費用が掛かり、実際に
この方法が分散温度の感知に使われることは無い。
本発明の目的は、誘導ブリルアン散乱によって信号の
周波数のシフトを検出する装置を提供することであっ
て、これは、非常に効率が良く、比較的安価であり、分
散温度の感知装置に実用することが出来る。
周波数のシフトを検出する装置を提供することであっ
て、これは、非常に効率が良く、比較的安価であり、分
散温度の感知装置に実用することが出来る。
本発明により、誘導ブリルアン散乱により信号周波数
のシフトを作り出す装置が提供される。この装置が、レ
ーザビームによって照射され、誘導ブリルアン散乱によ
って２つの後方散乱信号を発生するごとくに用いられる
光ファイバー手段と、これらの２つの後方散乱した信号
を組み合わせ、この組み合わせた信号から“うなり”周
波数を作り出す手段とを含むことを特徴としている。
のシフトを作り出す装置が提供される。この装置が、レ
ーザビームによって照射され、誘導ブリルアン散乱によ
って２つの後方散乱信号を発生するごとくに用いられる
光ファイバー手段と、これらの２つの後方散乱した信号
を組み合わせ、この組み合わせた信号から“うなり”周
波数を作り出す手段とを含むことを特徴としている。
後方散乱信号の周波数のシフトが温度と共に変化する
ので、後方散乱信号よりも可なり低い周波数で発生する
うなり周波数も又温度変数である。
ので、後方散乱信号よりも可なり低い周波数で発生する
うなり周波数も又温度変数である。
本発明の１つの実施例においては、この装置が分散温
度センサーとして使用されている。この目的のために、
上記光ファイバー手段が、好ましくは、２つの別個の光
ファイバーからなり、その１つが基準温度に保持され、
他の一方が分散温度感知素子として用いられる。そのレ
ーザソースが単一周波数のパルスを出すレーザダイオー
ドを含み、これがこの２つの光ファイバーを同時に照射
する。２つの光ファイバーの中で発生した後方散乱信号
が組み合わされ、２つのファイバーの温度差を示すリザ
ルタントとしてのうなり周波数の光信号が光検出器によ
って検出される。この装置が、又好ましくは、この検出
したうなり周波数を処理して温度のアウトプットデータ
を作り出す手段を含む。
度センサーとして使用されている。この目的のために、
上記光ファイバー手段が、好ましくは、２つの別個の光
ファイバーからなり、その１つが基準温度に保持され、
他の一方が分散温度感知素子として用いられる。そのレ
ーザソースが単一周波数のパルスを出すレーザダイオー
ドを含み、これがこの２つの光ファイバーを同時に照射
する。２つの光ファイバーの中で発生した後方散乱信号
が組み合わされ、２つのファイバーの温度差を示すリザ
ルタントとしてのうなり周波数の光信号が光検出器によ
って検出される。この装置が、又好ましくは、この検出
したうなり周波数を処理して温度のアウトプットデータ
を作り出す手段を含む。
本発明の別の実施例においては、この装置がチューナ
ブルのマイクロ波発生器として使用される。１つの形態
においては、この光ファイバー手段が２つの別個の光フ
ァイバーのリング共振器からなり、これらが単一周波数
の連続波のレーザダイオードによって同時に照射され
る。リング共振器によって作り出されたこれらの２つの
後方散乱信号が組み合わされ、リザルタントとしてのう
なり周波数の光信号が光検出器によって検出される。こ
の装置が又この検出したうなり周波数の光信号を電気マ
イクロ波信号に変換する。このうなり周波数を各共振器
の温度及び又はファイバーの性質を調節することによっ
て変え、チューナブルのマイクロ波発生器にすることが
出来る。
ブルのマイクロ波発生器として使用される。１つの形態
においては、この光ファイバー手段が２つの別個の光フ
ァイバーのリング共振器からなり、これらが単一周波数
の連続波のレーザダイオードによって同時に照射され
る。リング共振器によって作り出されたこれらの２つの
後方散乱信号が組み合わされ、リザルタントとしてのう
なり周波数の光信号が光検出器によって検出される。こ
の装置が又この検出したうなり周波数の光信号を電気マ
イクロ波信号に変換する。このうなり周波数を各共振器
の温度及び又はファイバーの性質を調節することによっ
て変え、チューナブルのマイクロ波発生器にすることが
出来る。
このマイクロ波発生器の代替案においては、光ファイ
バー手段が高度の複屈折ファイバーで作られた単一の光
ファイバーのリング共振器を含み、このリングを照射し
て、２つの直交偏光した後方散乱信号を固有モードから
発生させることの出来るパワーレベルで、両方のリング
ファイバーの固有モードをポピュレートするようにす
る。
バー手段が高度の複屈折ファイバーで作られた単一の光
ファイバーのリング共振器を含み、このリングを照射し
て、２つの直交偏光した後方散乱信号を固有モードから
発生させることの出来るパワーレベルで、両方のリング
ファイバーの固有モードをポピュレートするようにす
る。
本発明の理解を容易にするために、次の図面を用いて
説明する。即ち、 第１図は、本発明の１つの実施例による実験装置の模
式図、 第２から４図は、第１図の装置によって作り出された
実験結果を示す図形、 第５図は、分散温度のセンサーとして用いるのに適し
た本発明の別の実施例による装置の実際の配置を示す模
式図、 第６図は、チューナブルなマイクロ波発生器として用
いるのに適した本発明の更に別の実施例による装置の実
際の配置を示す模式図、 第７〜12図は、本発明の別の実施態様による装置を示
す模式図、 第12〜17図は、更に別の実施例の模式図である。
説明する。即ち、 第１図は、本発明の１つの実施例による実験装置の模
式図、 第２から４図は、第１図の装置によって作り出された
実験結果を示す図形、 第５図は、分散温度のセンサーとして用いるのに適し
た本発明の別の実施例による装置の実際の配置を示す模
式図、 第６図は、チューナブルなマイクロ波発生器として用
いるのに適した本発明の更に別の実施例による装置の実
際の配置を示す模式図、 第７〜12図は、本発明の別の実施態様による装置を示
す模式図、 第12〜17図は、更に別の実施例の模式図である。
先ず第１図から４図を用いて説明すると、図に示す実
験装置が、誘導ブリルアン散乱（SBS）により別々の光
ファイバーの中に作り出された２つの後方散乱信号から
光ヘテトダイン又はうなりキャリヤー即ち搬送波を発生
させる可能性の試験に用いられた。
験装置が、誘導ブリルアン散乱（SBS）により別々の光
ファイバーの中に作り出された２つの後方散乱信号から
光ヘテトダイン又はうなりキャリヤー即ち搬送波を発生
させる可能性の試験に用いられた。
514.5nmで作動する単一周波数のアルゴン・イオン・
レーザ101からの光が、ビームスプリッター102を介し
て、組成が僅かに異なる２つの500mのモノモードの光フ
ァイバー103及び104の中に発射された。グラン・トムソ
ン・プリズム105と1/4波長板106とを含むオプティカル
アイソレーターが、レーザのキャビティーに入る後方散
乱光によって起こるレーザの出力周波数の不安定化を防
ぐために用いられた。両方のファイバー103,104からの
後方散乱SBS信号がビームスプリッター102上で組み合わ
され、これが別のビームスプリッター107で分割され、
光の光学的及びヘテロダインのスペクトルを高分解能の
共焦点のファブリー・ペロー（CFP）と電子分光分析計
（図示無し）とを用いて同時に測定出来るようにした。
レーザ101からの光が、ビームスプリッター102を介し
て、組成が僅かに異なる２つの500mのモノモードの光フ
ァイバー103及び104の中に発射された。グラン・トムソ
ン・プリズム105と1/4波長板106とを含むオプティカル
アイソレーターが、レーザのキャビティーに入る後方散
乱光によって起こるレーザの出力周波数の不安定化を防
ぐために用いられた。両方のファイバー103,104からの
後方散乱SBS信号がビームスプリッター102上で組み合わ
され、これが別のビームスプリッター107で分割され、
光の光学的及びヘテロダインのスペクトルを高分解能の
共焦点のファブリー・ペロー（CFP）と電子分光分析計
（図示無し）とを用いて同時に測定出来るようにした。
第２図は、CFPで分析された光の光学的スペクトルを
示し、2GHzのフリースペクトルレンジが２次に亘って走
査され、この間両方のファイバーは室温に保たれた。２
つの誘導ブリルアン線の入力レーザ・ポンプに対する周
波数のシフトは32.042GHzと32.796GHzとである。この75
4MHzの周波数の差はファイバーの中のドーパントレベル
の違いによるものである。
示し、2GHzのフリースペクトルレンジが２次に亘って走
査され、この間両方のファイバーは室温に保たれた。２
つの誘導ブリルアン線の入力レーザ・ポンプに対する周
波数のシフトは32.042GHzと32.796GHzとである。この75
4MHzの周波数の差はファイバーの中のドーパントレベル
の違いによるものである。
又、２つの後方散乱したSBS信号が高速のPINホトダイ
オード109で検出され、その出力電流のスペクトルがHP8
590A R.F.スペクトル分析計（図示無し）で分析され
た。第３図は得られたパワー・スペクトルを示し（ファ
イバーは前と同じ条件に保たれる）、760MHzにおける非
常に強い＜1MHzの幅のピークを容易に確認することが出
来る。このピークの周波数は、明らかに、２つのSBS信
号の間の周波数の差に該当し、オプティカル・ヘテロダ
インが発生していることを結論付けることが出来る。
オード109で検出され、その出力電流のスペクトルがHP8
590A R.F.スペクトル分析計（図示無し）で分析され
た。第３図は得られたパワー・スペクトルを示し（ファ
イバーは前と同じ条件に保たれる）、760MHzにおける非
常に強い＜1MHzの幅のピークを容易に確認することが出
来る。このピークの周波数は、明らかに、２つのSBS信
号の間の周波数の差に該当し、オプティカル・ヘテロダ
インが発生していることを結論付けることが出来る。
ヘテロダイン又はうなり周波数の信号の線の幅が狭い
ことにより、散乱が違ったファイバーの中で起きている
が、誘導信号の間の可なりの程度の時間的コヒーレンス
があることが確認される。
ことにより、散乱が違ったファイバーの中で起きている
が、誘導信号の間の可なりの程度の時間的コヒーレンス
があることが確認される。
次の実験が行われた。この場合、一方のファイバーの
温度を下げ、他の一方のファイバーの温度を一定に保ち
ながら、うなり周波数がモニターされた。この実験の結
果が、２つの線が重ねられた形で第４図に示されてい
る。低い周波数のピーク（78MHz）が、２つのファイバ
ーの温度が同じときのうなり周波数に相当し、約800MHz
の高い周波数のピークが温度差が10℃のときのものであ
る。これは約5.2MHz℃-1の周波数のシフトに相当し、上
述した温度敏感度と一致する。
温度を下げ、他の一方のファイバーの温度を一定に保ち
ながら、うなり周波数がモニターされた。この実験の結
果が、２つの線が重ねられた形で第４図に示されてい
る。低い周波数のピーク（78MHz）が、２つのファイバ
ーの温度が同じときのうなり周波数に相当し、約800MHz
の高い周波数のピークが温度差が10℃のときのものであ
る。これは約5.2MHz℃-1の周波数のシフトに相当し、上
述した温度敏感度と一致する。
従って、これらの実験結果から、別々の光ファイバー
の中で発生した２つのSBS信号を混合することによっ
て、狭い線の幅を持つ強いヘテロダイン又はうなり信号
を作り出すことが出来ることが証明される。うなり周波
数が温度と共に急速に変化し、これがファイバーの物理
的性質によって決まることが示されている。
の中で発生した２つのSBS信号を混合することによっ
て、狭い線の幅を持つ強いヘテロダイン又はうなり信号
を作り出すことが出来ることが証明される。うなり周波
数が温度と共に急速に変化し、これがファイバーの物理
的性質によって決まることが示されている。
従って、本発明は、例えば高分解能の分散温度センサ
ー又は大きな周波数範囲を持つチューナブルのマイクロ
波発生器に本発明を実際に利用することが出来ると言う
結論を得た。
ー又は大きな周波数範囲を持つチューナブルのマイクロ
波発生器に本発明を実際に利用することが出来ると言う
結論を得た。
この目的のために、分散温度センサーとして使用する
のに適した１つの実用装置が第５図に示されている。こ
の装置においては、代表的には1.3μｍの単一周波数の
パルスレーザダイオード111が２つのモノモードの光フ
ァイバー112,113を同時に照射し、これらのファイバー
が又１つの光ファイバー114と方向性結合器115とによっ
て1.3μｍで作動するようにして用いられる。一方の光
ファイバー112が環境室116の中に置かれ、ファイバー11
2を一定の基準温度に保つようにする。他の一方の光フ
ァイバー113が遠隔温度感知素子として展開される。こ
れらのファイバー112及び113の中にそれぞれ発生した後
方散乱SBS信号が組み合わされ、この組み合わされた信
号によって発生するリザルタントとしてのうなり周波数
が光検出器117によって検出される。このうなり周波数
の信号が次に信号処理器118によって処理される。
のに適した１つの実用装置が第５図に示されている。こ
の装置においては、代表的には1.3μｍの単一周波数の
パルスレーザダイオード111が２つのモノモードの光フ
ァイバー112,113を同時に照射し、これらのファイバー
が又１つの光ファイバー114と方向性結合器115とによっ
て1.3μｍで作動するようにして用いられる。一方の光
ファイバー112が環境室116の中に置かれ、ファイバー11
2を一定の基準温度に保つようにする。他の一方の光フ
ァイバー113が遠隔温度感知素子として展開される。こ
れらのファイバー112及び113の中にそれぞれ発生した後
方散乱SBS信号が組み合わされ、この組み合わされた信
号によって発生するリザルタントとしてのうなり周波数
が光検出器117によって検出される。このうなり周波数
の信号が次に信号処理器118によって処理される。
SBSが極く僅かなワット数の入力で長いファイバーの
中に発生させることが出来る。例えば、パルス幅20×10
-9秒のパルスが用いられると、空間分解能は2mのオーダ
ーになる。公知の距離ゲーティング技術を用い、任意の
特定のファイバーのセクション及び基準ファイバーの中
の同等の区域を位置決めすることが出来る。基準及びセ
ンサーファイバーのこの位置に発生したSBS信号を組み
合わせることによって作り出されるうなり周波数の差が
この標準及びセンサーファイバーの温度差に正比例す
る。（2mの空間分解能で作業するとして）この信号は20
×10-9秒の間存在するだけである。従って、信号処理器
118として特に高いバンド幅を持つマルチチャンネル・
デバイスを使って、この信号を測定する必要がある。こ
れは、100種類の周波数を同時に分解することの出来る
ブラック・セル（音響光学変調器）を基礎とする光スペ
クトル分析器を用いて、この周波数領域で直接達成する
か、又はこの代わりに、非常に高速のデジタル相関器を
用いて時間領域で達成することが出来る。
中に発生させることが出来る。例えば、パルス幅20×10
-9秒のパルスが用いられると、空間分解能は2mのオーダ
ーになる。公知の距離ゲーティング技術を用い、任意の
特定のファイバーのセクション及び基準ファイバーの中
の同等の区域を位置決めすることが出来る。基準及びセ
ンサーファイバーのこの位置に発生したSBS信号を組み
合わせることによって作り出されるうなり周波数の差が
この標準及びセンサーファイバーの温度差に正比例す
る。（2mの空間分解能で作業するとして）この信号は20
×10-9秒の間存在するだけである。従って、信号処理器
118として特に高いバンド幅を持つマルチチャンネル・
デバイスを使って、この信号を測定する必要がある。こ
れは、100種類の周波数を同時に分解することの出来る
ブラック・セル（音響光学変調器）を基礎とする光スペ
クトル分析器を用いて、この周波数領域で直接達成する
か、又はこの代わりに、非常に高速のデジタル相関器を
用いて時間領域で達成することが出来る。
チューナブルのマイクロ波発生器として用いられる別
の実施装置が第６図に示されている。この装置の場合
は、シングル周波数、連続波のレーザダイオード121
が、２つの高鮮明度の光ファイバー・リング共振器122
を２つのモノモードの光ファイバー123と方向性結合器1
24とを介して同時に照射する。各リング共振器122がピ
エゾ電気位相変調器125と光検出器126とを持ち、前者が
リング122のアウトプットをモニターし、後者が位相変
調器125に誤差修正信号を送る。リング共振器122がそれ
ぞれ環境室127の中に置かれ、各リングの温度を個々に
変えることが出来る。100μＷ以下の光入力で、各リン
グが、ファイバーの性質及び各ファイバーの温度とによ
って決まる周波数で後方散乱SBSを共振で作り出す。こ
の２つのSBS信号が光検出器128の表面で組み合わされ、
２つのSBS信号の周波数差で発生するリザルタントとし
てのうなり周波数が光検出器によって、電気的マイクロ
波信号に変換される。従って、ファイバーの性質とリン
グ共振器の温度とを変えることによって、幅の広いうな
り周波数とマイクロ波周波数とが得られる。
の実施装置が第６図に示されている。この装置の場合
は、シングル周波数、連続波のレーザダイオード121
が、２つの高鮮明度の光ファイバー・リング共振器122
を２つのモノモードの光ファイバー123と方向性結合器1
24とを介して同時に照射する。各リング共振器122がピ
エゾ電気位相変調器125と光検出器126とを持ち、前者が
リング122のアウトプットをモニターし、後者が位相変
調器125に誤差修正信号を送る。リング共振器122がそれ
ぞれ環境室127の中に置かれ、各リングの温度を個々に
変えることが出来る。100μＷ以下の光入力で、各リン
グが、ファイバーの性質及び各ファイバーの温度とによ
って決まる周波数で後方散乱SBSを共振で作り出す。こ
の２つのSBS信号が光検出器128の表面で組み合わされ、
２つのSBS信号の周波数差で発生するリザルタントとし
てのうなり周波数が光検出器によって、電気的マイクロ
波信号に変換される。従って、ファイバーの性質とリン
グ共振器の温度とを変えることによって、幅の広いうな
り周波数とマイクロ波周波数とが得られる。
低周波数の信号を、高度に複屈折性のファイバーで作
られた単一リング共振器に基礎を置く別のもの（図示無
し）によって発生させることが出来る。このリングを照
射すると、低いパワーレベルで各固有モードからSBS波
を作り出すことの出来るパワーレベルでリングを形成す
るファイバーの両固有モードと共にポピュレートし、２
つの直交偏光のSBSが発生する。次に、これらの２つの
信号が、ファイバーの固有軸に対して±45゜の透過軸を
持つ１セットの偏光板を介して組み合わされる。次に、
作られた光うなり信号がピンダイオードで検出され、電
気的マイクロ波信号に変換される。このうなり信号は、
リングの中に発生した２つの別々のSBSの間の周波数差
に等しい周波数で変化する。この周波数の範囲は０〜10
0MHzで、これも又、チューナブルのマイクロ波発生器を
提供するように変えることのできるファイバーの性質と
リングの温度とによって決まる。
られた単一リング共振器に基礎を置く別のもの（図示無
し）によって発生させることが出来る。このリングを照
射すると、低いパワーレベルで各固有モードからSBS波
を作り出すことの出来るパワーレベルでリングを形成す
るファイバーの両固有モードと共にポピュレートし、２
つの直交偏光のSBSが発生する。次に、これらの２つの
信号が、ファイバーの固有軸に対して±45゜の透過軸を
持つ１セットの偏光板を介して組み合わされる。次に、
作られた光うなり信号がピンダイオードで検出され、電
気的マイクロ波信号に変換される。このうなり信号は、
リングの中に発生した２つの別々のSBSの間の周波数差
に等しい周波数で変化する。この周波数の範囲は０〜10
0MHzで、これも又、チューナブルのマイクロ波発生器を
提供するように変えることのできるファイバーの性質と
リングの温度とによって決まる。
光ファイバーの技術分野に、電気信号処理に適した周
波数でヘテロダイン光キャリヤーを得る基本的要求があ
る。周波数Δνのヘテロダイン光キャリヤーが、２つの
コヒーレントの光信号を混ぜ合わせることによって作り
出される。その１つは周波数がνであり、他の一方は周
波数ν＋Δνである。
波数でヘテロダイン光キャリヤーを得る基本的要求があ
る。周波数Δνのヘテロダイン光キャリヤーが、２つの
コヒーレントの光信号を混ぜ合わせることによって作り
出される。その１つは周波数がνであり、他の一方は周
波数ν＋Δνである。
直線的に複屈折する光ファイバーに基礎を置いて周波
数シフターを作ることが知られているが、これらのデバ
イスは全て、進行音波を光ファイバーに機械的にカプリ
ングし、２つの固有モードの間でパワーの交換を行わ
せ、結果として周波数のシフトを行う。この進行音波は
ピエゾ電気変調器によって誘導される。このデバイスは
制作が難しく、高いワット数の電気入力を必要とし、光
変換効率が低く、機械的に強くない。
数シフターを作ることが知られているが、これらのデバ
イスは全て、進行音波を光ファイバーに機械的にカプリ
ングし、２つの固有モードの間でパワーの交換を行わ
せ、結果として周波数のシフトを行う。この進行音波は
ピエゾ電気変調器によって誘導される。このデバイスは
制作が難しく、高いワット数の電気入力を必要とし、光
変換効率が低く、機械的に強くない。
我々が作った光周波数シフターは、周波数シフトを行
うために外部電力を必要としないので作業がパッシブ
で、作成が容易で、比較的簡単に丈夫な実用デバイスと
して作ることが出来る。このヘテロダイン光キャリヤー
は市販されている光ファイバーとレーザソースとで作る
ことが出来、その周波数はほぼ20MHzのDCである。この
周波数は信号処理装置及び連絡システムの光ヘテロダイ
ンキャリヤーを作るのに適した範囲にある。
うために外部電力を必要としないので作業がパッシブ
で、作成が容易で、比較的簡単に丈夫な実用デバイスと
して作ることが出来る。このヘテロダイン光キャリヤー
は市販されている光ファイバーとレーザソースとで作る
ことが出来、その周波数はほぼ20MHzのDCである。この
周波数は信号処理装置及び連絡システムの光ヘテロダイ
ンキャリヤーを作るのに適した範囲にある。
第７図から17図に基づいて説明すると、光が１つ又は
複数のレーザ１からビームスプリッター３及び焦点光学
器具４を介して、複屈折光ファイバー２の中にカップル
され、光ファイバーの２つの固有モードが同等にポピュ
レートされるようにする。複屈折ファイバー２は直線、
円、又は楕円の固有モードを持つことが出来る。電気歪
みによって起こされる圧力波（音波）からの散乱によ
り、誘導ブリルアン散乱が光ファイバーの中で起こる。
これによって光の一部分が元の光路に沿って光ファイバ
ーの中を逆行し、入口面10から外に出る。この光がビー
ムスプリッター装置３を用いて入射光から分離される。
複数のレーザ１からビームスプリッター３及び焦点光学
器具４を介して、複屈折光ファイバー２の中にカップル
され、光ファイバーの２つの固有モードが同等にポピュ
レートされるようにする。複屈折ファイバー２は直線、
円、又は楕円の固有モードを持つことが出来る。電気歪
みによって起こされる圧力波（音波）からの散乱によ
り、誘導ブリルアン散乱が光ファイバーの中で起こる。
これによって光の一部分が元の光路に沿って光ファイバ
ーの中を逆行し、入口面10から外に出る。この光がビー
ムスプリッター装置３を用いて入射光から分離される。
SBSプロセスにより光ファイバーの各偏光の固有モー
ドの光が次の式によって与えられる量だけ、周波数のシ
フトを示す。即ち、 ここで、νBiはブリルアン周波数で、514.5nmのソー
ス波長、λｊ、ではシリカファイバーの中で約34GHzに
等しい、VAは音響速度、njはファイバーの早い又は遅い
偏光固有モードの屈折率である。光の周波数の差は、 ここで、νBf,νBsは誘導ブリルアン周波数のシフト
で、早い及び遅い偏光固有モードにそれぞれ関連してい
る。例えば、（nf−ns）＝10-3及びλj514.5nmの複屈折
ファイバーに対し、うなり周波数は約17.5MHzである。
ドの光が次の式によって与えられる量だけ、周波数のシ
フトを示す。即ち、 ここで、νBiはブリルアン周波数で、514.5nmのソー
ス波長、λｊ、ではシリカファイバーの中で約34GHzに
等しい、VAは音響速度、njはファイバーの早い又は遅い
偏光固有モードの屈折率である。光の周波数の差は、 ここで、νBf,νBsは誘導ブリルアン周波数のシフト
で、早い及び遅い偏光固有モードにそれぞれ関連してい
る。例えば、（nf−ns）＝10-3及びλj514.5nmの複屈折
ファイバーに対し、うなり周波数は約17.5MHzである。
先ず最初に、直線複屈折の光ファイバーについて考え
てみる（第14図参照）。この場合は、座標系に対して方
位45゜の方位を持つ直線又は楕円の偏光状態が、ファイ
バーの２つの直交直線偏光の固有モードを同じようにポ
ピュレートするために用いられねばならない。或いはこ
の代わりに円形の偏光状態を用いてもよい。ファイバー
10から出るときに、２つの直線偏光固有モード11からの
光は周波数５の異なる直交直線偏光状態を持ち、x,y座
標系７に対して45゜の伝搬軸で向けられた線形分析器６
を用いて分解され；ファイバーの早い軸がｘ又はｙの座
標軸に対して平行に並ぶ。SBSに必要とする限界のパワ
ーレベルが２つの偏光固有モードに対して異なる場合
は、各固有モードの相対的パワーがインプットの直線又
は楕円状態の方位を45゜から回転して調節し、２つのモ
ードを等しくない偏光にする。
てみる（第14図参照）。この場合は、座標系に対して方
位45゜の方位を持つ直線又は楕円の偏光状態が、ファイ
バーの２つの直交直線偏光の固有モードを同じようにポ
ピュレートするために用いられねばならない。或いはこ
の代わりに円形の偏光状態を用いてもよい。ファイバー
10から出るときに、２つの直線偏光固有モード11からの
光は周波数５の異なる直交直線偏光状態を持ち、x,y座
標系７に対して45゜の伝搬軸で向けられた線形分析器６
を用いて分解され；ファイバーの早い軸がｘ又はｙの座
標軸に対して平行に並ぶ。SBSに必要とする限界のパワ
ーレベルが２つの偏光固有モードに対して異なる場合
は、各固有モードの相対的パワーがインプットの直線又
は楕円状態の方位を45゜から回転して調節し、２つのモ
ードを等しくない偏光にする。
別の光ヘテロダイン・キャリヤー発生技術が第９図に
示されている。直線偏向板５が、その早い軸が座標系７
に対して45゜の方向を向く1/4波長板８によって置き換
えられる。この1/4波長板を通過するとき、２つの直交
直線偏光状態が、２つの直交円偏光状態に変換され、こ
れが組み合わされ、一定の角速度で回転する方位を持つ
直線偏光状態を作り出す。この角速度は（νBf−νBs）
によって決まり、例えば、10-3の（nf−ns）に対しては
角速度が110×106rad-1である。この回転する直線偏光
状態が多くの光センサーの適用例、例えばファラデー旋
光による電流及び磁場の感知、にヘテロダイン光キャリ
ヤーとして使われる。
示されている。直線偏向板５が、その早い軸が座標系７
に対して45゜の方向を向く1/4波長板８によって置き換
えられる。この1/4波長板を通過するとき、２つの直交
直線偏光状態が、２つの直交円偏光状態に変換され、こ
れが組み合わされ、一定の角速度で回転する方位を持つ
直線偏光状態を作り出す。この角速度は（νBf−νBs）
によって決まり、例えば、10-3の（nf−ns）に対しては
角速度が110×106rad-1である。この回転する直線偏光
状態が多くの光センサーの適用例、例えばファラデー旋
光による電流及び磁場の感知、にヘテロダイン光キャリ
ヤーとして使われる。
次に、円形複屈折の光ファイバーについて考える（第
10図）。この場合は、ソース７からの直線偏光が上述し
たごとくに光ファイバーの中に組み合わされる。このた
めに、座標系に対して任意の方位を向く直線偏光状態が
ファイバー12の円偏光の固有モードを同じようにポピュ
レートする。ファイバー10から出て来る光が異なった周
波数の２つの円偏光状態を持ち、これが結合して一定の
角速度で回転する方位を持つ直線偏光状態を作り出す。
この技術は上述したものと同じだが、1/4波長板が無い
ので複雑さが減る。
10図）。この場合は、ソース７からの直線偏光が上述し
たごとくに光ファイバーの中に組み合わされる。このた
めに、座標系に対して任意の方位を向く直線偏光状態が
ファイバー12の円偏光の固有モードを同じようにポピュ
レートする。ファイバー10から出て来る光が異なった周
波数の２つの円偏光状態を持ち、これが結合して一定の
角速度で回転する方位を持つ直線偏光状態を作り出す。
この技術は上述したものと同じだが、1/4波長板が無い
ので複雑さが減る。
別の光ヘテロダインキャリヤー発生技術が第11図に示
されており、ここでは、1/4波長板８が用いられ、異な
った周波数の直交円偏光状態から一定方位で周波数の異
なる２つの直交直線偏光状態を作り出す。又、楕円偏光
の固有モードを持つ楕円複屈折の光ファイバーを使用
し、前の項で説明したのと同じ技術で光ヘテロダインキ
ャリヤーを作り出すことが出来る。
されており、ここでは、1/4波長板８が用いられ、異な
った周波数の直交円偏光状態から一定方位で周波数の異
なる２つの直交直線偏光状態を作り出す。又、楕円偏光
の固有モードを持つ楕円複屈折の光ファイバーを使用
し、前の項で説明したのと同じ技術で光ヘテロダインキ
ャリヤーを作り出すことが出来る。
ビートの長さが１〜2mmの線形複屈折ファイバーは488
mmから1.3μｍの波長範囲に対して商業的に利用するこ
とが出来、ほぼ8MHzから18MHzの範囲で発生する光キャ
リヤーが得られる。より大きな複屈折（Δｎ）値を示す
光ファイバーを導入するれば、周波数の上限範囲が拡が
る。
mmから1.3μｍの波長範囲に対して商業的に利用するこ
とが出来、ほぼ8MHzから18MHzの範囲で発生する光キャ
リヤーが得られる。より大きな複屈折（Δｎ）値を示す
光ファイバーを導入するれば、周波数の上限範囲が拡が
る。
円形複屈折ファイバーは633mm,780mm及び820mmでΔｎ
＝3.2×10-6で商業的に利用し、約85KHzで発生する光キ
ャリヤーを得ることが出来る。
＝3.2×10-6で商業的に利用し、約85KHzで発生する光キ
ャリヤーを得ることが出来る。
ストレスの掛かっていない状態では複屈折をしない光
ファイバーに対しては、ループ状にファイバーを曲げる
ことによって、制御可能に直線複屈折をさせることが出
来る：即ち、 ここで、Ｋ（λj,T）は材料の性質を組み合わせたも
の、ｒはファイバーの半径、Ｒは曲げ半径である。従っ
て、ファイバーの複屈折を曲げ半径で制御することが出
来る。
ファイバーに対しては、ループ状にファイバーを曲げる
ことによって、制御可能に直線複屈折をさせることが出
来る：即ち、 ここで、Ｋ（λj,T）は材料の性質を組み合わせたも
の、ｒはファイバーの半径、Ｒは曲げ半径である。従っ
て、ファイバーの複屈折を曲げ半径で制御することが出
来る。
例えば、ｒ＝50μｍ、λｊ＝633mm、Ｋ（λj,20℃）
＝0.82radに対しては、次の式で複屈折値が得られる、
即ち、 表１は各種曲げ半径に対して計算したΔｖの値であ
る。
＝0.82radに対しては、次の式で複屈折値が得られる、
即ち、 表１は各種曲げ半径に対して計算したΔｖの値であ
る。
従って、ファイバーを半径Ｒのループに曲げる技術
は、周波数の範囲を約1MHzの範囲DCで作り出す技術であ
る。
は、周波数の範囲を約1MHzの範囲DCで作り出す技術であ
る。
光源からの光パワーをファイバーに送り、光ヘテロダ
インキャリヤーを作り出す別の形態が第12図及び第13図
に示されている。
インキャリヤーを作り出す別の形態が第12図及び第13図
に示されている。
光ビームの中にファラデー・アイソレーター14を挿入
することによって、光源１を全ての後方反射から遮断
し、その線の幅及び強度を安定化することが出来る。
することによって、光源１を全ての後方反射から遮断
し、その線の幅及び強度を安定化することが出来る。
第８図の線形分析器６及び第11図の1/4波長板８をビ
ームスプリッター３のための偏光ビームスプリッター15
と交換することによって置き換えることが出来る。この
偏光ビームスプリッターがファイバーからの２つの直交
偏光状態を再編成し、従って、光ヘテロダインキャリヤ
ーを作り出す機能を持つ。
ームスプリッター３のための偏光ビームスプリッター15
と交換することによって置き換えることが出来る。この
偏光ビームスプリッターがファイバーからの２つの直交
偏光状態を再編成し、従って、光ヘテロダインキャリヤ
ーを作り出す機能を持つ。
固体光源、例えばレーザダイオードのために、第13図
に示す如く、光ファイバーをレーザのアウトプット面に
直接接続し（ピグテーリング）、永久的、安定した接続
を得ることが出来る。前出のビームスプリッター装置3,
15が光ファイバーの方向性結合器17と置き換えられる。
第７図は最も簡単な構造を示す。光源１からの光がビグ
テール接続16でファイバーに結合され、ファイバーオプ
ティックのファラデーアイソレーター18を通過し、パワ
ーが低複屈折の方向性カプラーで分割される。ファイバ
ーから出て来る光が方向性カプラーで再び分割され、周
波数ν−νBf及びν−νBsの２つの直交偏光状態が前章
で説明するごとくに再結合される。
に示す如く、光ファイバーをレーザのアウトプット面に
直接接続し（ピグテーリング）、永久的、安定した接続
を得ることが出来る。前出のビームスプリッター装置3,
15が光ファイバーの方向性結合器17と置き換えられる。
第７図は最も簡単な構造を示す。光源１からの光がビグ
テール接続16でファイバーに結合され、ファイバーオプ
ティックのファラデーアイソレーター18を通過し、パワ
ーが低複屈折の方向性カプラーで分割される。ファイバ
ーから出て来る光が方向性カプラーで再び分割され、周
波数ν−νBf及びν−νBsの２つの直交偏光状態が前章
で説明するごとくに再結合される。
第14図はこの低複屈折の方向性カプラー17を高複屈折
偏光選択の方向性カプラー19に置き換えたものを示す。
第14図は直線複屈折ファイバーとファイバーコンポーネ
ントとを使った例を示すが、円形複屈折ファイバーとフ
ァイバーコンポーネントとを同じように使用することも
出来る。偏光選択カプラーの使用方法は偏光ピームスプ
リッターと同じで、従って、２つの直交状態の組み合わ
せが、更に別の光学部品を必要とすること無く、ファイ
バーカプラーの中で発生する。
偏光選択の方向性カプラー19に置き換えたものを示す。
第14図は直線複屈折ファイバーとファイバーコンポーネ
ントとを使った例を示すが、円形複屈折ファイバーとフ
ァイバーコンポーネントとを同じように使用することも
出来る。偏光選択カプラーの使用方法は偏光ピームスプ
リッターと同じで、従って、２つの直交状態の組み合わ
せが、更に別の光学部品を必要とすること無く、ファイ
バーカプラーの中で発生する。
第15図は偏光保存型の後方性カプラーの使用例を示
す。SBSが起きる複屈折光ファイバー２が直線又は円形
の固有モードを持つ。この場合、２つの直交偏光状態が
ファイバー５の出口では直交したままでいるが、前述し
た技術（第８図及び９図）を用い組み合わせることも出
来る。
す。SBSが起きる複屈折光ファイバー２が直線又は円形
の固有モードを持つ。この場合、２つの直交偏光状態が
ファイバー５の出口では直交したままでいるが、前述し
た技術（第８図及び９図）を用い組み合わせることも出
来る。
SBSが発生する複屈折光ファイバー２は次のごとくに
構成することが出来る：即ち、第16図は、真直ぐか又は
半径Ｒのコイルの形かのいずれかに展開された長いファ
イバーを示す。第17図はファイバーオプティック・リン
グレゾネーターとして形成されたファイバーを示す。レ
ゾネーターの光ファイバーリング23を巡る光ビームが多
重遷移するため、非常に短いファイバー長さ、又は、少
ないレーザパワー又はこの２つの組み合わせ、を用いて
SBSを得ることが出来る。
構成することが出来る：即ち、第16図は、真直ぐか又は
半径Ｒのコイルの形かのいずれかに展開された長いファ
イバーを示す。第17図はファイバーオプティック・リン
グレゾネーターとして形成されたファイバーを示す。レ
ゾネーターの光ファイバーリング23を巡る光ビームが多
重遷移するため、非常に短いファイバー長さ、又は、少
ないレーザパワー又はこの２つの組み合わせ、を用いて
SBSを得ることが出来る。
各図によって示した全ての形態を変形して、一般的光
ファイバー部品を用いたハイブリッドシステムを作るこ
とが出来る。
ファイバー部品を用いたハイブリッドシステムを作るこ
とが出来る。
光ファイバーの屈折率の大きさはその物理的環境によ
って決まるから、屈折率の差（nf−ns）及びこれに伴う
ヘテロダイン・キャリヤーの周波数は、例えば、ファイ
バーに掛けられる温度、圧力、ストレーン、電界、磁界
の変化によって変化する。ファイバーのに屈折率は又光
源、又、多くのレーザ光源においては、例えば、固体レ
ーザダイオードの波長によって決まり、その波長を他の
機構によって制御し、光キャリヤーの周波数の制御を行
うことが出来る。
って決まるから、屈折率の差（nf−ns）及びこれに伴う
ヘテロダイン・キャリヤーの周波数は、例えば、ファイ
バーに掛けられる温度、圧力、ストレーン、電界、磁界
の変化によって変化する。ファイバーのに屈折率は又光
源、又、多くのレーザ光源においては、例えば、固体レ
ーザダイオードの波長によって決まり、その波長を他の
機構によって制御し、光キャリヤーの周波数の制御を行
うことが出来る。
フロントページの続き (72)発明者 ファラヒ、ファラマルツ イギリス国、シーテー２・７エヌアー ル、ケント、カンタベリー、ユニバーシ ティ・オブ・ケント、フィジックス・ラ ボラトリー （番地なし) (72)発明者 ジャクソン、デイビッド・アルフレッド イギリス国、シーテー２・７エルエス、 ケント、カンタベリー、ウッドランド・ ウエイ ８ (72)発明者 パネル、クリストファー・ノエル イギリス国、エスオー２・１ピーエック ス、ハンプシャー、サウザンプトン、ト ットン、ホーソーン・ロード ７ (72)発明者 タタム、ラルフ・ペーター イギリス国、エヌエヌ７・１ジェイダブ リュ、ノーザンプトン、グレンドン、メ イン・ロード 21 (56)参考文献 特開 昭62−69130（ＪＰ，Ａ) 英国公開2183821（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/30 Z
Claims (22)
- 【請求項１】誘導ブリルアン散乱によって信号周波数の
シフトを作り出す装置であり、誘導ブリルアン散乱によ
って内部で２つの後方散乱信号を発生するように、レー
ザービームによって照射が成される光ファイバー手段
（112,113,123）と、“うなり”周波数を有する信号を
作り出すために、前記２つの後方散乱信号でヘテロダイ
ンを引き起こすための手段（117）とを含む、ことを特
徴とする誘導ブリルアン散乱によって信号周波数のシフ
トを作り出す装置。 - 【請求項２】上記光ファイバー手段は、上記うなり周波
数に変化を作り出すように、与えられた影響に応答を行
うことを特徴とする請求項１記載の装置。 - 【請求項３】後方散乱信号を組み合わせる上記光ファイ
バー手段の選択範囲を制御するために、距離ゲーティン
グ手段が設けられる、ことを特徴とする請求項２記載の
装置。 - 【請求項４】信号処理手段（118）が上記組合わせ手段
（117）からの信号を処理するために設けられる、こと
を特徴とする請求項３記載の装置。 - 【請求項５】上記信号処理手段（118）が光スペクトル
分析器を含む、ことを特徴とする請求項４記載の装置。 - 【請求項６】上記信号処理手段（118）がデジタル相関
器を含む、ことを特徴とする請求項４記載の装置。 - 【請求項７】上記光ファイバー手段が、少なくとも伝搬
モードを有することを特徴とする請求項１記載の装置。 - 【請求項８】上記光ファイバー手段が、少なくとも１対
のモノモードファイバーを含み、それぞれがファイバー
オプティック・リング・レソネーターに結合される、こ
とを特徴とする請求項７に記載の装置。 - 【請求項９】上記光ファイバー手段は、２つの直交偏光
する誘導ブリルアン散乱信号を作り出すために高複屈折
光ファイバーを含む、ことを特徴とする請求項２記載の
装置。 - 【請求項１０】上記直交偏光の信号の組合わせ手段は、
透過軸をファイバーの固有軸に対して実質的に45゜にし
た偏光板を含む、ことを特徴とする請求項９記載の装
置。 - 【請求項１１】ダイオード手段が光うなり信号を電気信
号に変換するために設けられる、ことを特徴とする請求
項10記載の装置。 - 【請求項１２】ビームスプリッター手段と焦点手段と
が、上記高複屈折光ファイバーの２つの固有モードを実
質的に同等にポピュレートするために設けられる、こと
を特徴とする請求項９記載の装置。 - 【請求項１３】上記高複屈折光ファイバーの固有モード
の不等ポピュレーションを相殺する手段が設けられる、
ことを特徴とする請求項９記載の装置。 - 【請求項１４】その速い軸がファイバ（７）の固有軸に
対して45゜の方向を向く1/4波長板（８）を含む、こと
を特徴とする請求項９記載の装置。 - 【請求項１５】光ビームの中にファラデーアイソレータ
ー手段（14）を含む、ことを特徴とする請求項９記載の
装置。 - 【請求項１６】上記高複屈折光ファイバーから出される
２つの直交偏光状態を再組合わせする偏光ビームスプリ
ッター手段を含む、ことを特徴とする請求項９記載の装
置。 - 【請求項１７】光ファイバーが直接結合されたレーザダ
イオードを持つ、ことを特徴とする請求項１記載の装
置。 - 【請求項１８】方向性結合器（17）を持っている、こと
を特徴とする請求項17記載の装置。 - 【請求項１９】低複屈折の光ファイバーの方向性結合器
（17）を持っている、ことを特徴とする請求項17記載の
装置。 - 【請求項２０】高複屈折の光ファイバーの方向性結合器
（19）を持っている、ことを特徴とする請求項17記載の
装置。 - 【請求項２１】周辺環境条件の変化を感知する測定具
で、上記請求項のいずれか１つによる誘導ブリルアン散
乱により信号周波数をシフトさせる装置を持つ、ことを
特徴とする周辺環境条件の変化を感知する測定具。 - 【請求項２２】可変周波数の電気信号の発生装置で、上
記請求項１から20のいずれか１つによる誘導ブリルアン
散乱により信号周波数をシフトさせる装置を持つ、こと
を特徴とする可変周波数の電気信号の発生装置。
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