KR20120039327A

KR20120039327A - Optical wavemeter using a fabry-perot interferometer

Info

Publication number: KR20120039327A
Application number: KR1020100100981A
Authority: KR
Inventors: 조동현; 김장면
Original assignee: 서울대학교산학협력단
Priority date: 2010-10-15
Filing date: 2010-10-15
Publication date: 2012-04-25

Abstract

본 발명은 광선의 주파수를 패브리-페로 간섭계 형태의 광공진기의 공진 모드사이의 주파수 간격과 연결 지음으로써 광선의 주파수 혹은 파장을 측정하는 장치이다. 보다 구체적으로는 측정하고자 하는 광선이 광공진기의 공진주파수에 잠금된 상태에서 광선에 마이크로파 주파수로 위상변조를 가해 곁띠를 생성한다. 변조주파수가 광공진기의 공진 모드사이의 주파수 간격과 가까우면 반송파와 함께 곁띠도 광공진기를 투과하며, 광공진기 전후의 반송파와 곁띠에 의한 맥놀이 신호사이의 위상차를 측정함으로써, 변조주파수를 공진 모드사이의 주파수 간격에 잠금하고, 이로부터 광주파수와 변조주파수 사이의 관계식을 이용해 광주파수를 측정하도록 고안된 장치이다. 본 발명에 의할 경우, 비교적 측정이 용이한 마이크로파 대역의 주파수로부터 주파수가 커서 측정이 어려운 광주파수를 읽어낼 수 있으며, 수 센티미터에 불과한 패브리-페로 간섭계를 광공진기로 이용함으로써 적절한 온도안정화와 진동방지를 통해서 안정도를 개선할 수 있고, 장치를 소형화할 수 있다. 투과도가 낮은 거울과 열팽창계수가 작은 물질을 이용해서 패브리-페로 간섭계를 구성함으로써, 광주파수 측정의 정밀도를 한 단계 더 개선할 수 있다.The present invention is a device for measuring the frequency or wavelength of a light beam by connecting the frequency of the light beam with a frequency interval between resonance modes of an optical resonator in the form of a Fabry-Perot interferometer. More specifically, while the light beam to be measured is locked to the resonant frequency of the optical resonator, a side band is generated by applying phase modulation to the light beam at a microwave frequency. If the modulating frequency is close to the frequency interval between the resonant modes of the optical resonator, the sidebands also pass through the optical resonator with the carrier, and by measuring the phase difference between the carrier wave before and after the optical resonator and the beat signal by the sideband, the modulating frequency is adjusted between the resonant modes. It is a device designed to lock the frequency interval of and measure the optical frequency from the relationship between the optical frequency and the modulation frequency. According to the present invention, it is possible to read an optical frequency that is difficult to measure because the frequency is large from the frequency of the microwave band, which is relatively easy to measure. Prevention can improve the stability and miniaturize the device. By constructing a Fabry-Perot interferometer using a low-transmittance mirror and a material with a low coefficient of thermal expansion, the precision of optical frequency measurement can be improved one step further.

Description

Optical wavemeter using a Fabry-Perot interferometer

본 발명은 광선의 주파수를 패브리-페로 간섭계 형태의 광공진기의 공진 모드사이의 주파수 간격과 연결 지음으로써 광선의 주파수 혹은 파장을 측정하는 장치이다. 보다 구체적으로는 측정하고자 하는 광선이 광공진기의 공진주파수에 잠금된 상태에서 광선에 마이크로파 주파수로 위상변조를 가해 곁띠를 생성한다. 변조주파수가 광공진기의 공진 모드사이의 주파수 간격과 가까우면 반송파와 함께 곁띠도 광공진기를 투과하며, 광공진기 전후의 반송파와 곁띠에 의한 맥놀이 신호사이의 위상차를 측정함으로써, 변조주파수를 공진 모드사이의 주파수 간격에 잠금하고, 이로부터 광주파수와 변조주파수 사이의 관계식을 이용해 광주파수를 측정하도록 고안된 장치이다. The present invention is a device for measuring the frequency or wavelength of a light beam by connecting the frequency of the light beam with a frequency interval between resonance modes of an optical resonator in the form of a Fabry-Perot interferometer. More specifically, while the light beam to be measured is locked to the resonant frequency of the optical resonator, a side band is generated by applying phase modulation to the light beam at a microwave frequency. If the modulating frequency is close to the frequency interval between the resonant modes of the optical resonator, the sidebands also pass through the optical resonator with the carrier, and by measuring the phase difference between the carrier wave before and after the optical resonator and the beat signal by the sideband, the modulating frequency is adjusted between the resonant modes. It is a device designed to lock the frequency interval of and measure the optical frequency from the relationship between the optical frequency and the modulation frequency.

레이저가 갖는 가장 큰 장점인 단색성을 이용한 여러 응용에서는 레이저가 발생하는 광선의 파장을 정확히 아는 일이 매우 중요하다. 원자 및 분자 분광학과 같은 기초과학에서는 물론, 적외선 대역의 광선을 이용하는 광통신의 파장분할 다중방식 등에서도 광선의 파장 혹은 주파수를 높은 정밀도로 측정할 필요가 있다. 그러나 가시광이나 적외선대역 광선의 주파수는 10¹⁴Hz 정도로 매우 높기 때문에 직접 측정할 수 없으며, 흔히 간섭계를 이용한 방법이 동원된다.
In many applications with monochromaticness, the biggest advantage of a laser, it is very important to know the wavelength of the light that the laser generates. In the basic sciences such as atomic and molecular spectroscopy, as well as in wavelength division multiplexing in optical communication using infrared rays, it is necessary to measure the wavelength or frequency of the rays with high accuracy. However, the frequency of visible light or infrared light is very high, such as 10 ¹⁴ Hz, and cannot be measured directly. Often, an interferometer method is used.

통상적으로 낮은 정밀도의 광주파수 측정을 위해서는 파장에 따른 흡수율이 규격화되어 있는 색필터를 이용하거나, 회절격자를 이용한다. 이들 측정장치는 비교적 저렴하고 이용하기 쉬우나, 파장 혹은 주파수 측정의 정밀도가 0.1 nm 혹은 수 GHz에 그친다.
In general, a low-precision optical frequency measurement uses a color filter or a diffraction grating having a standardized absorption ratio according to the wavelength. These measuring devices are relatively inexpensive and easy to use, but have a precision of 0.1 nm or several GHz for wavelength or frequency measurement.

수 MHz의 정밀도를 갖는 광주파수 측정을 위해서는 주파수 안정화된 레이저 광원과 마이켈슨 간섭계를 이용한 방법이 이용된다. 이 방법에서는 수 MHz 안에서 주파수 안정화된 헬륨-네온 레이저 광선과 측정하고자하는 광선을 중첩시켜 마이켈슨 간섭계에 입사시키고, 마이켈슨 간섭계의 한쪽 팔을 구성하는 거울을 일정한 속도로 이동하며 간섭무늬의 이동을 측정한다. 이 방법은 대부분의 응용에서 충분한 정밀도를 확보할 수 있으나, 별도의 주파수 안정화된 레이저를 필요로 하며, 간섭계를 구성하는 거울을 수 센티미터만큼 일정한 속도로 이동해 주는 기계 장치가 필요하기 때문에 구성이 복잡하고 이용이 어려운 점이 있다.
For frequency measurement with a few MHz accuracy, a method using a frequency stabilized laser light source and a Michelson interferometer is used. In this method, the helium-neon laser beam stabilized within several MHz and the beam to be measured are incident on the Michelson interferometer, and the mirror constituting one arm of the Michelson interferometer is moved at a constant speed to move the interference pattern. Measure This method can achieve sufficient precision in most applications, but requires a separate frequency-stabilized laser and is complex in configuration because it requires a mechanical device to move the mirror constituting the interferometer at a constant speed by a few centimeters. It is difficult to use.

수 Hz 혹은 그 이하의 정밀도로 광주파수를 측정하기 위해서는 최근 개발된 모드 잠금된 레이저를 이용한 주파수 빗살 방식을 이용한다. 이 방법에서는 모드 잠금된 레이저로부터 발생되는 펄스 형태의 광선이 일정한 주파수 간격을 가지고 있음을 이용해서, 이들 중 하나의 주파수성분을 이미 주파수가 알려진 원자 전이선에 대해서 안정화하고, 측정하고자하는 광선과 이에 가까이 있는 주파수 빗살의 한 성분 사이의 맥놀이 주파수를 측정하는 방식을 이용한다. 이 방법은 시간-주파수의 국제표준으로 고려될 정도로 뛰어난 정밀도와 정확도를 가지고 있으나, 매우 복잡한 장치와 철저한 관리를 요하는 실험실 수준의 기술로 일반적으로 이용되는 데에는 한계가 있다.
In order to measure optical frequencies with a precision of several Hz or less, a recently developed mode comb method using a mode locked laser is used. In this method, the pulse-shaped beams generated from the mode-locked laser have a constant frequency spacing, so that one of these frequency components is stabilized with respect to an atomic transition line whose frequency is known, It uses a method of measuring the beat frequency between components of nearby frequency combs. This method has the precision and accuracy to be considered an international standard of time-frequency, but it is limited in its general use as a laboratory-level technique that requires very complex equipment and thorough management.

본 발명은 패브리-페로 간섭계를 이용해서 위에서 소개한 마이켈슨 간섭계를 이용한 측정장치와 비슷한 수 MHz의 정밀도로 광주파수를 측정하는 장치이다. 패브리-페로 간섭계는 수 센티미터 떨어진 서로 마주하는 두 개의 거울로 구성되어 있어서, 구성이 간단하고 움직이는 부분이 필요하지 않으며, 이 측정장치는 별도의 안정화된 레이저를 필요로 하지 않는다. 본 발명은 패브리-페로 간섭계의 공진 모드 사이의 주파수 간격과 광주파수 사이의 수학적 관계를 이용하며, 이는 주파수 빗살 사이의 주파수 차이로부터 광주파수를 측정하는 모드 잠금된 레이저를 이용한 방식과 근본적으로 같은 원리를 이용한 것이다. 단 모드 잠금된 레이저를 이용한 방식에 비해 정밀도가 떨어지는 대신, 훨씬 간단한 구성의 장치이다.The present invention is a device for measuring the optical frequency with a precision of several MHz similar to the measurement device using the Michelson interferometer introduced above using a Fabry-Perot interferometer. The Fabry-Perot interferometer consists of two mirrors facing each other a few centimeters apart, which is simple to configure and requires no moving parts, and the measuring device does not require a separate stabilized laser. The present invention takes advantage of the mathematical relationship between the optical spacing and the frequency spacing between the resonant modes of the Fabry-Perot interferometer, which is essentially the same principle as the method using a mode locked laser to measure optical frequencies from frequency differences between frequency combs. Will be used. It is a device with a much simpler configuration instead of less precision than a method using a short mode locked laser.

본 발명은 패브리-페로 간섭계를 이용한 새로운 형태의 광선 파장 측정장치로서, 마이크로파 대역의 광전자 변조기와 패브리-페로 간섭계를 결합해서 변조된 광선의 간섭계를 투과하기 전후의 위상변화를 관측함으로써 가시광선 혹은 자외선 대역의 광선 파장을 측정함을 목적으로 한다.The present invention relates to a new type of light wavelength measuring apparatus using a Fabry-Perot interferometer, which combines a microwave band optoelectronic modulator with a Fabry-Perot interferometer and observes phase changes before and after passing through an interferometer of modulated light. The purpose is to measure the wavelength of light in the band.

상기한 목적을 달성하고자 본 발명은, 측정 대상이 되는 레이저 광선과, 마이크로파 대역의 안정적인 발진기와, 이를 이용해서 상기 광선을 위상 변조할 수 있는 전자광 변조기와, 충분히 큰 반사도를 갖는 거울쌍으로 구성된 안정된 패브리-페로 간섭계와, 반송파 역할을 하는 상기 광선을 간섭계의 공진주파수에 잠금할 수 있도록 해 주는 음향광 변조기와, 반송파와 상기 전자광 변조기에 의해 발생한 곁띠 사이의 맥놀이 신호를 상기 간섭계를 전후해서 측정할 수 있는 광검색기와, 두 맥놀이 신호의 위상 차이를 측정하는 믹서와, 믹서로부터 발생된 위상변화 신호를 이용해서 상기 마이크로파 대역의 발진기의 주파수를 잠금하는 안정화 회로와, 안정된 주파수를 측정하는 주파수 카운터로 구성됨을 특징으로 하는 광선의 파장 측정장치를 제시한다.In order to achieve the above object, the present invention comprises a laser beam to be measured, a stable oscillator in the microwave band, an electro-optic modulator capable of phase-modulating the light beam using the same, and a mirror pair having a sufficiently large reflectivity A stable light Fabry-Perot interferometer, an acoustic light modulator for locking the light beam acting as a carrier to the resonant frequency of the interferometer, and a beat signal between the carrier wave and the side band generated by the electromagnetic light modulator before and after the interferometer An optical detector capable of measuring, a mixer measuring the phase difference between the two beat signals, a stabilization circuit for locking the frequency of the oscillator in the microwave band using the phase change signal generated from the mixer, and a frequency measuring the stable frequency An apparatus for measuring wavelengths of light, characterized in that it comprises a counter.

본 발명에 따를 경우, 별도의 주파수 안정화된 레이저나 기계적으로 이동하는 부품을 포함하지 않는 간결한 구성으로, 광선의 파장을 기존의 상용제품과 비슷한 정도의 정밀도로 측정할 수 있다.According to the present invention, with a concise configuration that does not include a separate frequency stabilized laser or mechanically moving parts, the wavelength of the light beam can be measured with a precision similar to that of conventional commercial products.

또한, 마이크로파 대역의 변조 주파수를 이용함으로써 마이크로파 대역에서 정의되어 있는 원자시계에 근거한 주파수 표준과 광주파수를 연계할 수 있으며, 고성능의 패브리-페로 간섭계를 이용함으로써 측정의 정밀도를 향상시킬 수 있는 여지가 있다.
In addition, by using the modulation frequency of the microwave band, the frequency standard based on the atomic clock defined in the microwave band can be linked with the optical frequency, and the use of a high performance Fabry-Perot interferometer provides room for improvement of measurement accuracy. have.

도 1은 본 발명인 패브리-페로 간섭계를 이용한 광선의 파장 측정장치의 구성도.
도 2는 상기 도 1에 있어서, 믹서(171)의 출력신호와 이때 공진기를 투과하는 광선의 파워를 도시한다.
도 3은 상기 도 1에 있어서, 믹서(181)의 출력신호와 이때 공진기를 투과하는 광선의 파워를 도시한다. 즉, phase shift 오차신호와 이때 공진기의 투과신호를 도시한다.1 is a block diagram of an apparatus for measuring wavelengths of light using a Fabry-Perot interferometer according to the present invention.
FIG. 2 illustrates the output signal of the mixer 171 and the power of light beams passing through the resonator in FIG. 1.
3 shows the output signal of the mixer 181 and the power of the light beams passing through the resonator in FIG. That is, the phase shift error signal and the transmission signal of the resonator are shown.

이하 본 발명에 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, detailed descriptions of related well-known functions or configurations are omitted in order not to obscure the subject matter of the present invention.

본 발명은 측정대상이 되는 레이저광선을 안정적인 패브리-페로 공진기에 주파수 잠금한 상태에서, 레이저광선에 마이크로파 주파수로 위상변조를 해서 곁띠를 생성하고, 광공진기 전후의 반송파와 곁띠에 의한 맥놀이 신호사이의 위상차를 측정한다. 측정된 위상차를 이용해서 변조주파수를 공진기의 공진 모드사이의 주파수 간격에 잠금하고, 이로부터 광주파수와 변조주파수 사이의 관계식을 이용해 광주파수를 측정한다.
According to the present invention, in the state where the laser beam to be measured is frequency-locked to a stable Fabry-Perot resonator, phase modulation is performed on the laser beam at a microwave frequency to generate side bands, and between the carrier signals before and after the optical resonator and the beat signal by the side bands Measure the phase difference. Using the measured phase difference, the modulation frequency is locked to the frequency interval between the resonant modes of the resonator, and the optical frequency is measured using the relation between the optical frequency and the modulation frequency.

이하에서 본 발명의 구성을 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 도1에서는 본 발명의 실시 예를 도시한다.
Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. 1 illustrates an embodiment of the present invention.

도1에서 보는 바와 같이 본 발명인 광선의 파장측정 장치는 측정대상이 되는 광선을 제공하는 레이저(110)와, 상기광선을 라디오파로 위상변조해서 곁띠를 실어주는 광전자 변조기(120)와, 상기 변조기를 구동하기 위해서 라디오파 신호를 제공하는 파원(121)과, 광선의 편광상태에 따라 선택적으로 광선을 통과시켜주는 광분할기(130)와, 선형편광을 원형편광으로 바꾸어주는 4분의 1 파장판(131)과, 가해진 라디오파의 주파수만큼 광선의 주파수를 이동시키며 그 진행방향을 틀어주는 음향광 변조기(132)와, 상기 음향광 변조기를 구동하기 위해서 라디오파 신호를 제공하는 주파수가변형 파원(133)과, 상기 파원으로부터 출력된 신호의 일부를 나누어 출력하는 배분기(134)와, 배분된 신호의 주파수를 측정하는 주파수측정기(135)와, 상기 음향광 변조기를 통과한 광선을 반사시켜주는 곡면거울(136)와, 상기 곡면거울에 반사되어 다시 상기 음향광 변조기와 4분의 1 편광판을 통과해서 상기 광분할기에서 아래 방향으로 반사되어 나온 광선을 광파이버(137)를 통과시킨 다음 마이크로파로 진폭변조해 주는 광전자 변조기(140)와, 상기 광전자 변조기(140)를 구동하기 위해서 마이크로파 신호를 제공하는 주파수가변형 파원(141)과, 광선의 편광상태에 따라 선택적으로 광선을 통과시켜주는 광분할기(150)와, 선형편광을 원형편광으로 바꾸어주는 4분의 1 파장판(151)과, 안정적인 환경에 놓인 패브리-페로 간섭계(160)와, 상기 패브리-페로 간섭계에서 반사되어 다시 4분의 1 편광판을 통과해서 상기 광분할기에서 아래 방향으로 반사되어 나온 광선을 검색하는 광검색기(170)와, 광검색기의 출력신호를 상기 라디오파원(121)에 대해서 복조해주는 복조기(171)와, 복조된 신호를 상기 주파수가변형 라디오파원(133)에 되먹임해주는 회로(172)와, 상기 패브리-페로 간섭계를 투과한 광선을 검색하는 광검색기(180)과, 검색기의 출력신호를 상기 마이크로파원(141)에 대해서 복조해주는 복조기(181)과, 복조된 신호를 상기 주파수가변형 마이크로파원(141)로 되먹임해주는 회로(182)와, 상기 마이크로파원으로부터 출력된 신호의 일부를 나누어 출력하는 배분기(190)와 배분된 신호의 주파수를 측정하는 주파수측정기(191)로 구성된다.
As shown in FIG. 1, the wavelength measuring apparatus of the present invention includes a laser 110 for providing a beam to be measured, an optoelectronic modulator 120 for carrying out side bands by phase-modulating the beam with radio waves, and the modulator. A wave source 121 for providing a radio wave signal for driving, a light splitter 130 for selectively passing a light beam according to the polarization state of the light beam, and a quarter wave plate for converting linearly polarized light into circularly polarized light ( 131, an acoustic light modulator 132 that shifts the frequency of the light beam by the frequency of the applied radio wave, and modifies the direction of travel thereof, and a frequency variable wave source 133 that provides a radio wave signal for driving the acoustic light modulator. And a splitter 134 for dividing and outputting a portion of the signal output from the wave source, a frequency meter 135 for measuring the frequency of the distributed signal, and a sound modulator. Through the optical fiber 137, the curved mirror 136 reflects the light beams, and the light beams reflected by the curved mirrors and passed through the acoustic light modulator and the quarter polarizer again and then reflected downward from the optical splitter through the optical fiber 137. And an optoelectronic modulator 140 for amplitude modulation with microwaves, a frequency variable wave source 141 for providing a microwave signal to drive the optoelectronic modulator 140, and selectively passing the light beam according to the polarization state of the light beam. The main splitter 150, a quarter wave plate 151 for converting linearly polarized light into circularly polarized light, a Fabry-Perot interferometer 160 placed in a stable environment, and reflected by the Fabry-Perot interferometer 4 The optical search unit 170 for searching the light beams reflected from the optical splitter downward through the polarizer and the output signal of the optical search unit to the radio wave source 121. A demodulator 171 for demodulating and demodulating, a circuit 172 for feeding back a demodulated signal to the frequency variable radio wave source 133, an optical searcher 180 for searching for a light beam transmitted through the Fabry-Perot interferometer, and a searcher. A demodulator 181 for demodulating the output signal of the microwave source 141, a circuit 182 for feeding the demodulated signal back to the frequency variable microwave source 141, and a part of the signal output from the microwave source. It consists of a divider 190 for dividing the output and a frequency meter 191 for measuring the frequency of the distributed signal.

한편, 도 1에서 음향광변조기(132)와 전기광변조기(120)는 필요에 따라 그 순서가 뒤바뀌어도 무방하다. 나아가, 음향광변조기 (132)는 전기광변조기 (120)로 대체할 수 있다. 전기광변조기로 대체할 경우 두 가지 장점과 하나의 단점이 있는데 장점은 1)주파수를 넓은영역에서 가변시킬수가 있어서 편리하다는 점이고, 2)전기광변조기는 반응시간이 빠르기 때문에 주파수 잠금에 좀 더 유리하다는 것이다. 필요에 따라 빠른 서보가 요구되는 레이저는 전기광변조기를 사용할 수도 있다. 한편, 전기광변조기는 발생된 주파수가 공간적으로 겹쳐져 있다는 단점을 가진다. 그러나, 주파수 성분이 공간적으로 겹쳐있다 하더라도 공진기와 반응하는 주파수 한정시키면 레이저의 주파수 측정에는 무관하게 될 수 있다.
Meanwhile, in FIG. 1, the order of the acoustic light modulator 132 and the electric light modulator 120 may be reversed as necessary. In addition, the acoustic light modulator 132 may be replaced with the electric light modulator 120. There are two advantages and one disadvantage when replacing with an electro-optic modulator. 1) It is convenient because the frequency can be changed over a wide range. 2) The electro-optic modulator is more advantageous for frequency lock because of fast response time. It is. If necessary, a laser that requires fast servo may use an electro-optic modulator. On the other hand, the electro-optic modulator has a disadvantage in that the generated frequencies are spatially overlapped. However, even if the frequency components overlap spatially, limiting the frequency of reaction with the resonator may be irrelevant to the frequency measurement of the laser.

도 1에 도시된 바에 따라 본 발명의 작용을 설명하면 다음과 같다.
Referring to the operation of the present invention as shown in Figure 1 as follows.

반송파역할을 하는 레이저(110)에서 출력된 광선의 주파수가 f_c일 때에, 광전자 변조기(120)에 의해 주파수 f_m으로 위상 변조된 광선은 f_c ±f_m 주파수 의 곁띠를 갖는다. 음향광 변조기(132)를 거쳐 패브리-페로 간섭계(160)에서 반사되어 4분의 1 파장판(151)과 광분할기(150)을 거쳐 나온 이 광선을 광검색기(170)으로 검색하면, 그 출력신호는 반송파와 곁띠의 맥놀이 현상에 의해서 f_m 으로 진동하는 성분을 갖는다. 이 신호를 상기 라디오파원(121)의 신호에 대해서 복조기(171)을 이용해서 복조해 주면, 반송파 주파수 f_c 와 패브리-페로 간섭계의 공진주파수 사이의 주파수 차이에 비례하는 도 2 의 phase shift 오차신호를 얻는다. 이 오차신호를 되먹임 회로(172)를 거쳐서 상기 음향광 변조기(132)의 파원인 주파수가변형 파원(133)에 가하면 반송파의 주파수 f_c 를 패브리-페로 간섭계의 공진주파수에 잠금할 수 있다. 이런 방식으로 레이저 광선의 주파수를 간섭계의 공진주파수에 잠금하는 방식을 Pound-Drever-Hall 방식이라고 한다.
When the frequency of the light beam output from the laser 110 acting as a carrier wave is f _c , the light ray phase modulated at the frequency f _m by the optoelectronic modulator 120 is f _c. ± f _m It has a side band of frequency. When the light beam is reflected by the Fabry-Perot interferometer 160 through the acoustic light modulator 132 and passed through the quarter wave plate 151 and the optical splitter 150, the light detector 170 searches for the light. The signal has a component that vibrates at f _m due to the bend of the carrier and side bands. When the signal is demodulated using the demodulator 171 with respect to the signal of the radio wave source 121, the phase shift error signal of FIG. 2 is proportional to the frequency difference between the carrier frequency f _c and the resonance frequency of the Fabry-Perot interferometer. Get When the error signal is applied to the frequency variable wave source 133, which is the source of the acoustic light modulator 132, via the feedback circuit 172, the frequency f _c of the carrier wave can be locked to the resonance frequency of the Fabry-Perot interferometer. In this way, the method of locking the frequency of the laser beam to the resonant frequency of the interferometer is called the Pound-Drever-Hall method.

패브리-페로 간섭계(160)를 구성하는 두 곡면거울 사이의 거리가 l일 때에, 간섭계의 공진주파수 f_q 는 다음의 수학식을 따른다.When the distance between two curved mirrors constituting the Fabry-Perot interferometer 160 is l, the resonant frequency f _q of the interferometer follows the following equation.

[수학식 1] f_q =

Equation 1 f _q =

여기서 q는 자연수이며 c는 광속도이다. 일반적으로c/2l 은 수 GHz 대역의 마이크로파 주파수를 가지며, q는 약 10만 정도의 크기를 갖는다.Where q is a natural number and c is the speed of light. In general, c / 2l has microwave frequencies in the several GHz band, and q has a magnitude of about 100,000.

상기한 방식에 의해서 반송파의 주파수 f_c 가 패브리-페로 간섭계의 공진주파수에 잠금되어 있을 때, f_c는 다음의 수학식에 의해 결정된다.When the frequency f _c of the carrier is locked to the resonant frequency of the Fabry-Perot interferometer by the above method, f _c is determined by the following equation.

[수학식 2] f_c + 2f_AOM =

[Equation 2] f _c + 2f _AOM =

여기서 f_AOM는 음향광 변조기(132)를 구동하는 주파수가변형 파원(133)의 주파수이다. f_AOM은 상기 주파수측정기(135)를 이용해서 측정할 수 있으며, q는 자연수로서 f_c에 관한 근사적 정보로부터 구할 수 있으며, c는 물리상수이므로, l을 정확히 알면 반송파를 제공한 레이저(110)의 주파수를 알 수 있다.
Where f _AOM is the frequency of the frequency variable wave source 133 driving the acoustic light modulator 132. f _AOM can be measured using the frequency meter 135, q is a natural number can be obtained from the approximate information about f _c , c is a physical constant, so if you know l correctly, the laser 110 provides a carrier 110 The frequency of) can be known.

패브리-페로 간섭계(160)를 구성하는 두 곡면거울 사이의 거리가 l을 측정하기 위해서, 광전자변조기(140)에 마이크로파 대역의 주파수가변형 파원(141)을 이용해서 주파수 f_G의 마이크로파를 가함으로써 진폭 변조된 광선을 얻는다. 진폭 변조된 광선은 f_c ±f_G 의 주파수를 갖는 곁띠를 갖는다. f_G 가 c/2l에 충분히 가까우면, 수학식 2를 만족하는 주파수 f_c 의 반송파와 함께 곁띠도 패브리-페로 간섭계의 공진조건을 근사적으로 만족하며, 간섭계를 투과한다. 투과된 광선을 광검색기(180)로 검색하면, 그 출력신호는 반송파와 곁띠의 맥놀이 현상에 의해서 f_G 로 진동하는 성분을 갖는다. 이 신호를 상기 마이크로파원(141)의 신호에 대해서 복조기(181)을 이용해서 복조해 주면, 곁띠의 주파수 f_G 와 패브리-페로 간섭계의 공진주파수 간격인 c/2l사이의 주파수 차이에 비례하는 phase shift 오차신호를 얻는다. 이 오차신호를 되먹임 회로(182)를 거쳐서 상기 마이크로 파원(141)에 가하면, f_G 를 c/2l에 주파수 잠금할 수 있다. 도 3은 이 phase shift 오차신호와 이때 공진기의 투과신호를 나타낸다. 이때의 주파수 관계식은 다음의 수학식과 같다.In order to measure the distance between the two curved mirrors constituting the Fabry-Perot interferometer 160, the amplitude is applied to the optoelectronic modulator 140 by applying a microwave of frequency f _G using the microwave variable frequency wave source 141. Get modulated light rays The amplitude modulated light is f _c ± It has a sideband with a frequency of f _G. If f _G is close enough to c / 2l, the sideband also satisfies the resonance condition of the Fabry-Perot interferometer along with the carrier of frequency f _c satisfying Equation 2, and passes through the interferometer. When the transmitted light beam is searched by the optical searcher 180, the output signal has a component that vibrates at f _G due to the beat phenomenon of the carrier wave and the side band. Major surface to demodulate using the demodulator 181. For this signal to the signal of the microwave source 141, the frequency of the gyeottti f _G and Fabry - phase that is proportional to the frequency difference between the resonance frequency interval Perot interferometer of c / 2l Obtain the shift error signal. When the error signal is applied to the microwave source 141 via a feedback circuit 182, f _G can be frequency locked to c / 2l. 3 shows this phase shift error signal and the transmission signal of the resonator at this time. The frequency relation at this time is as follows.

[수학식 3] f_c ±f_G + 2f_AOM = (q±1)c/2l
Equation 3 f _c ± f _G + 2f _AOM = (q ± 1) c / 2l

한편, 도 2와 도3의 신호는 도1의 믹서,171 과 181의 출력 신호와 이때 공진기를 투과하는 광선의 파워를 도시한다. 공진기에 입사하는 광선의 주파수가 공진기의 공명주파수에서 벗어나면 투과율이 줄어들면서 반사율은 증가하는데 이때 반사하는 광선이 겪는 광학적인 거리가 변하게 되는데, 이는 같은 곳에 놓여있는 광검출기에서 보는 광선의 전기장의 위상이 변한 것으로 나타나고, 믹스를 통해서 이 위상의 변화를 측정하게 됨을 의미한다. 이는 곧 주파수에 따른 전기적인 신호의 크기가 된다. 이 전기적인 신호를 이용해서 광선의 주파수를 공진기에 고정할 수 있는 것이다.
On the other hand, the signals of FIGS. 2 and 3 show the output signals of the mixers 171 and 181 of FIG. If the frequency of the light beam incident on the resonator is out of the resonance frequency of the resonator, the transmittance decreases and the reflectance increases. At this time, the optical distance experienced by the reflected light beam changes, which is the phase of the electric field of the light beam seen by the photodetector in the same place. This appears to change, meaning that the mix will measure this phase change. This is the magnitude of the electrical signal according to the frequency. This electric signal can be used to fix the frequency of the beam to the resonator.

110 : 레이저 120 : 곁띠를 실어주는 광전자 변조기
130, 150 : 광분할기 140 : 마이크로파로 진폭변조하는 광전자 변조기
160 : 패브리-패로 간섭계
170, 180 : 광검색기
190 : 배분기110 laser 120 optoelectronic modulator
130, 150: optical splitter 140: optoelectronic modulator for amplitude modulation with microwave
160: Fabry-Faro interferometer
170, 180: Optical Search Machine
190: branching

Claims

In the wavelength measuring device of the light beam,
A laser 110 for providing a light beam to be measured, an optoelectronic modulator 120 for carrying out side bands by modulating the light beam with radio waves, a wave source 121 for providing a radio wave signal to drive the modulator, A light splitter 130 for selectively passing the light beam according to the polarization state of the light beam, a quarter wave plate 131 for converting the linear polarized light into circularly polarized light, and the frequency of the light beam by the frequency of the applied radio wave. Acoustic light modulator 132 to move and change its direction, a frequency variable wave source 133 for providing a radio wave signal for driving the acoustic light modulator, and a portion of the signal output from the wave source A distributor 134, a frequency measuring device 135 for measuring the frequency of the distributed signal, a curved mirror 136 for reflecting light rays passing through the acoustic light modulator, and a half of the curved mirror. And an optoelectronic modulator 140 which passes through the optical light modulator and the quarter polarizer again and passes the light reflected from the optical splitter downwardly through the optical fiber 137 and then modulates the amplitude with microwaves. A frequency variable wave source 141 for providing a microwave signal to drive the modulator 140, an optical splitter 150 for selectively passing the light beam according to the polarization state of the light beam, and 4 for converting the linearly polarized light into circularly polarized light. A quarter wave plate 151, a Fabry-Perot interferometer 160 placed in a stable environment, and the Fabry-Perot interferometer are reflected and passed through the quarter polarizer again to be reflected downward from the optical splitter. An optical searcher 170 for searching for light rays, a demodulator 171 for demodulating the output signal of the optical searcher with respect to the radio wave source 121, and a demodulated signal at the frequency. A circuit 172 feeding back to the modified radio wave source 133, an optical searcher 180 for searching the light beams transmitted through the Fabry-Perot interferometer, and a demodulator for demodulating the output signal of the searcher with respect to the microwave source 141. 181, a circuit 182 for feeding back a demodulated signal to the frequency-variable microwave source 141, a divider 190 for dividing a portion of the signal output from the microwave source, and a frequency of the distributed signal. Wavelength measurement apparatus using a Fabry-Perot interferometer, characterized in that consisting of a frequency measuring device for measuring (191).

The method of claim 1,
When the distance between the two curved mirrors constituting the Fabry-Perot interferometer (160) is l, the resonant frequency f _q of the interferometer is a wavelength measurement device of the light beam using a Fabry-Perot interferometer defined by the following equation (1).
Equation 1 f _q =

Where q is a natural number and c is the speed of light.

The method of claim 1,
The frequency of the light beam acting as a carrier wave output from the laser 110 is f _c ego,
When f _c is locked to the resonant frequency of the Fabry-Perot interferometer, f _c is a wavelength measurement device of the light beam using a Fabry-Perot interferometer defined by the following equation (2).
[Equation 2] f _c + 2f _AOM =

Where f _AOM is the frequency of the variable frequency wave source 133 driving the acoustic light modulator 132, q is a natural number, c is a physical constant, l is the distance between the two curved mirrors constituting the Fabry-Perot interferometer (160).

The method of claim 1,
In order to measure the distance between the two curved mirrors constituting the Fabry-Perot interferometer 160, l, microwaves of frequency f _G are applied to the optoelectronic modulator 140 using the frequency variable wave source 141 of the microwave band. Obtain an amplitude modulated beam, which is f _c ± Apparatus for measuring the wavelength of light using a Fabry-Perot interferometer having a side band having a frequency of f _G.

The method of claim 4, wherein
After the amplitude-modulated light beam passes through the Fabry-Perot interferometer, the transmitted light beam is searched by the optical detector 180, and the output signal has a component vibrating at f _{G due} to the pulsation phenomenon of the carrier wave and side bands. Wavelength measuring device using Fabry-Perot interferometer.

6. The method of claim 5,
When the signal of the component vibrating with f _G is demodulated with respect to the signal of the microwave source 141 by using the demodulator 181, the frequency between the sideband frequency f _G and c / 2l, which is the resonance frequency interval of the Fabry-Perot interferometer Obtain a phase shift error signal proportional to the frequency difference,
When the error signal is applied to the microwave source 141 via the feedback circuit 182, f _G is frequency locked to c / 2l, and the frequency relation is a Fabry-Perot interferometer defined as Equation 3 below. Wavelength measuring device of used light.

Equation 3 f _c ± f _G + 2f _AOM = (q ± 1) c / 2l
Here, f _c is the frequency of the light beam acting as a carrier wave output from the laser 110, f _AOM is the frequency of the variable frequency wave source 133 driving the acoustic light modulator 132, q is a natural number, c is a physical constant, l is the distance between the two curved mirrors constituting the Fabry-Perot interferometer (160).