- 明 細 書
光スペク トラム了ナライザおよび分光装置 技術分野
本発明は、 了レイ検出器を用いた光スぺク トラムアナライザおよび分光装置に
1 し、 特に光スぺク トラム了ナライザにおける波長確度およびパワーレベル確度 の向上ならびに分光 Eにおける測定波長範囲の拡大のための改善に 0 するもの での 背景技術
従来の光スぺク トラムアナライザは、 ある有 のスリッ ト幅すなわちスぺク ト ル幅に存在する光パフ一の平均値を示すものであった。
また、 アレイ ¾子を fflいた分光器においても各 ¾子の出力をそのまま ¾示せざ るを得なかった。 なぜなら、 被測定光のスぺク トル形状は任; aのものを想定して おり、 このスぺク トル形状と、 了レイ ^子の出力とは必ずしも 1対 1に対応しな いからである。
したがって、 了レイ素子 o出力から宾のスぺク トル形状を推定することは s難 であるという問^があった。 また、 長分解能と測定波^^ 1 はアレイ ^子の^子数、 ピッチあるいはフォ 一力シングミラーの^点距^などで決ま 、 波 分解能と測定波長 ϋΙΙΗはトレー ドオフの関係にあるため、 一方を改^すれば他方:ょ铋牲になり、 両方を同時に改 することはできないという があつた。 本 ¾叨の目的;よ、 このよう 点に み、 被 定光として単色光 (レーザなどの ようにスぺク トル;; が^ i の分解 ¾に比べて るかに -い光) およびそれらの
½まりを: S定し、 ^するアレイ ¾子の出力をもとにして Rlj単な^^により該当 する単色光の中心 長とトータルパワーを求めることができる光スぺク トラム了 ナライザ'を ΐΐ供することにある。
本発明の itiiの目的は、 レーザ光に埋もれた A S Eノィズなども測定できるよう にし、 等価的にダイナミックレンジを向上させ得る光スぺク トラム了ナラィザを 実現することにある。
本発明の更に他の目的は、 複数の入射口 (スリッ ト) を設け、 所望の波長分解 ί を確保しつつ測定波長^ !2を拡大できる、 光スぺク トラムアナライザに適用可 i'iな分光 ϋを突現することにある。 発明の開示
上記の第 1の目的を速成するための本願究明は、
入射口からの被測定光を分 i ¾子に入射し、 分散素子から出射される光を集束 して ¾数の受光素子から成るアレイ素子に照射するように構成された分光 置と、 i'j 記各了レイ ^子 O出力と前記入射口での光パフ一分布とから中心波長を袖間し、 トータルパヮ一を ¾ίίする と、 記中心 長およひ'ト一タルパヮ一の値 を表示する ¾示 ^を備えたことを特徴とする。
このような構成において、 各受光 ¾子の出力 論 ίώ〉 を針 により求めてお くと共に、 アレイ^子の Φで出力が S火となる 目の ¾子と、 アレイ ¾子に当 たる出射ビーム 中心とが Δ Xだけずれた ¾合の、 ずれ Δ Xと 1 速する受光 子 出力との 系を予め求めておく =
測 が得られれ:よ'、 上 係から Δ Xが求められ、 これにより中心波長が求 めることができる。 た、 ト一タルバヮ一も 光^子出力の理 と 測 ¾ϋから 計 により求めることができる c dunの (¾ 1な¾叨
m 1は本発明に^る光スぺク トラム丁ナライザ'の一;^施例を示す^ 榀成図 図 2はアレイ^子と出^ビーム 係を示す図
m 3は 作 ;;叨のためのフロ ーチャート
図 4は P n- h p n , p , と Δ xの! ¾係を示す図
図 5は in ( Ρ η., ρ π-: :) と!:線近似とのずれを示す図
図 6は 1η (ρητ 1 /p n-. ) と ωの 係を示す図
図 7は In (pn. i π- ι ) と Δχの関係を示す図
図 8は実測値 Ρχ と理論値 pk との比較図
図 9はダイナミックレンジを說明するための図
図 1 0は演算装置の更なる機能を説明するためのフローチヤ一ト
図 1 1は分光装置の一実施例を示す要部構成図
図 1 2ないし図 1 6は分光装置の他の実施例図である。 発明を実施するための最良の形態
£1下図面を用いて本発明を詳細に 明する。 図 1は本発明に係る光スぺク トラ ムアナライザの一実施例を示す原理構成図である。 図 1において、 1 ϋは分散素 子とアレイ素子を有する分光装^、 2 0は分光 置 1 0のアレイ素子の駆動およ び信号読み出しを行う駆動装置、 30は浪 ίί S、 4 ϋは表示^置である。 分光装置 1 0は、 ス リ ッ ト 1 1、 コリメーテイ ングミラー 1 2、 回折格子など の分散素子 1 3、 フォーカシングミラ一 1 4、 アレイ素子 1 5から構成される。 スリッ ト 1 1の入射ロを迎して入射された被 定光はコリメ一ティ ングミラー 1 2で平行光となり分故 ¾子 1 3に入射する。 分妝; ¾子 1 3の出射光はフォーカシ ングミラー 1 4でアレイ^子 1 5上に する。 この場合、 分散 ¾子 1 3は固定 されていて、 了レイ ¾子1 5に当たる光スホッ トの位 ISは被測定光の波良に対応 して移動する (ずれる) 。 以下特に浪算 :! 30が有する^^ ©了ルゴリズムについて説明する。
アレイ尜子は、 図 2に示すように、 短冊状の 光部 ( 子または受光 子とい う) が配列されたもので、 いま ¾子の致を nu 、 子の さをし、 ¾子の幅を d、 子のピッチを rとする。
このような構成のアレイ^子の中で出力が ii大となる 目の ¾子の中心と、 出射ビーム (強度分布 f (x,y)) の中心 (x = 0) とが Δχだけずれている ¾合、 本発明では各素子〇出力 Pn-2 . Pn-i , Pn (ma x) , Ρη+ ι , · · 'から
Δ χを求め、 波長を補 してトータルパワーを推定する。
ただし、 前提として
(1) 被測定光のスぺク トル線幅は、 十分小さく (ここではレーザ光を想定してい る) 、 出射ビームの広がりあるいは形状は主としてレンズによる回折および入射 口のパヮ一分布によって決まる。
(2) アレイ素子の銎号と波長とは予め対応が付けられており、 アレイ素子問も Δ χによって補間できるものとする。 素子番号 1 , · · · , η-1 , η , η-1 , ·
• ·, Π。 に対し、 波長/ , , ' · · n-l . η , η+ι , · · ·, 。 が対 応し、 各素子間の波長差は
/» k ― k_ 1 -i Δ /,
ただし、 k : 2〜n 0
とする。 以上の事柄を前提とすれば、 図 3のフローチャートに示すように、 実測値 P 1 ,
• · · , Pn-. , Pn . Pn.l , · · · , ΡηΟを用い、 Δ Χを推定し、 中心波長 ス。 、 トータルパワー Pt0"t を求めることができる。
以下中心波良 u 、 トータルパフ一 p t。 t を求める ¾合の j作について説明 する。
シングルモ一ドファィバ入 のように、 入射口での光強度分布 g ( ξ. ν ) が ガゥス型の 合、 トータルパワーを 1とすれ;よ'、
g ( ς , ν ) = ( 2 /': ω。 ) e χ ρ {ー 2 { ς 2- ν 2) /ι 0 2} (1) ただし、 ω η :ょスポッ トサイズ
となる。
レンズ系によってビームが変换ぁる 、は多少 折の効果を受けても、 アレイ 素子上での光強^分布 f ( X , y ) はやはりガウス型となり、 ¾失が いものと すれば、
f ( x, y ) = [ 2 /τ: ω2) e x p (- 2 ( x 2-^ y 2) / ω2} …… (2) ただし、 ωはスポッ トサイズ
となる。
したがつて、 k 目の ¾子に^射される光パワー Pは、
ただし、 x , =(k— n) r -d/2 -τΔ χ
x 2 = ( k - n ) r x
で表わされる。
ここで、 し 2》 とし、 積分範 II (y蚰) を
1丄22
-co と Sき換えることができれは'、
00
2 'X
e P (- 2 ω
ノー oo より、
κ— \j η上
Χι さらに、 変数変換 (2) 1/2 x x ω=〔を行えば、
r し 2 —ナ 2 ,
し、 い = ('2) '
/2 ( 1 /ω) { ( k - ri ) r -dX2 -f Δ χ} t
2 = (2)
1/2 { (k-n) r十 d/2十厶 x}
となる c - この積分は数値積分も容易であるが、 補誤差関数
-て :
pk = ( 1 / 2 ) {Er f c ( t 2) —Er i c (t ,) }
となる。 次に、 上記のようにして求めた ϋ^ΗϋϊΡ η-' , Ρ π , π+ 1 等と Δ Χの f¾係に ついて^べる。
図 4は P n- 1 , ρ η , 1η ( Ρ η+ Ι / Ρ π - , ) に対する△ Xの!!係を示す図であ る。 なお、 P r , は Ρη— , を左右反1 したものである。
ただし、 d = 3 0 umとし、 r = 5 0 Λίπι、 ω= 3 0, 5 0, 7 0の場合を示 した。 つまり ρ η+ 1 /Ρ η-> の対数 す わち In (pn., /p n-> ) と Δ χとは ほぼ直線的になり、
In ( P r 1 / P n-i ) 厶 X
と'; 。
したがって、 ^測 Ρη— , , Ρη , Ρπ-. 力 (ί ふれれば、 厶 は容^に求めら れ、 中心 ¾良 。 およ トータルバヮ一Ρ t はそれぞれ次式で求められる。
. ϋ = n — Δ X - 1/ Γ
上記は予め 111 ( Ρ ητ 1 /Ρ η-, ) と Δ Xの を求めておき、 ¾測したデータ Ρη+ 1 , Ρη-. による 1Π ( Ρ„+ Ι π-( ) の ¾から Δ Xを拙定するものである が、 本発明はこれに l: らず次のようにしてもよい:;
In (pn., /pn., 〉 と Δ χの直¾性に: 目し、 この Ι Η係を 3点 (一 rZ2, In ( p n.. / n-. ) ) , ( 0, 0) , ( r/2, 1η (ρη+1 /ρη-ι ) ) を迎 る直線で近似し、 予め行う計算は、 厶 x = rZ2または一 rZ2の場合の
In (pn., ^ P n- L ) のみにしている。
このとき厳密に求めた 1Π ( p n+ 1 / P n- i ) と上記直線のずれは、 図 5に示す 通りである。 たた'し、 r = 5 0 ίΐτκ d = 3 0 /imである。
この場合 ωが小さいほど誤差は大きくなるが、 ω= 3 0 Aimの場合でも誤差は ± 3%である。 つ ¾り、 上記方法によって中心波長を袖間するとき、
0 = n 一△ X · Δ Γ
において、 例えは'、
n = 1 5 D 0. 0 n m
Δ = 0. 1 0 η m
として、 厶 xに二 3 %〇誤差があっても、 /。 を 0. 0 1 n mの桁までは 定で きる。 突際の光学系では、 は使用するシングルモードファイバによって若干変 化するが、 : 定中は不変であるから、 予め知る必¾があるのは近似に^う 1本の 直線の傾きのみである。
考 すべきずれの 対 ίιώ i Δ X ;が最大に るとき、 すなわち Δ X =二 r 2 のときの 1Π ( n. l / P n- l ) のみである。 図 6は、 r = 5 0 ^m. d = 3 [] mとし、 Δχ=— r/2 =— 2 5〃mにお ける In (ρη+ 1 / ρ η-, ) と ωの KM系を示したものである。
さらに^用的に:よ、 i¾論的 Ρ η— , , π , Ρ η,, を求めるときに Mi誤差 数
Erie ( X ) を川いるよりも ¾ίϋϊ i分を行った方 便利 ¾合もあり、 またきざ みをあまり細かく し くても十分な ^:が^られる。 図?は E r f c (x ) およひ'シンプソンの 1 / 3公式 (m = Π で求めた
In ( p
n+ , / ρ n . , ) の比;^である。 ただし、 ω= 5 0 urrx^ r = ; 0 u ^ d = 3 0 111の¾合でぁる。 一方トータルパワーは Ρ
π / Ρ η で求められるが、 上 記^件のときシンプソンの 1 Z3公式で求めた ρ
η の誤差は役 ϋ. 2 5 %であり、 突用上問^はない。 図 8は次の実測値 ( Ρ η で規格化)
と、 ¾算装 3 0のアルゴリズムにより求めた x = 1 2. 1 2 mによる理論 Pn-! , Ρη , η+ 1 との比較である (突際には Pn = 0. 3 6 5で規格化し た値をプロッ ト) 。
このとき
0 = 1 5 5 . 6 - ( 1 2. 1 2 / 5 0 ) 0. 1
= 1 5 5 4. 5 7 6 ( n m)
と求まる。 また、 トータルパワー Pt。tat は予め測定し 1 1. G nWと求められ ているため、 突測値の縦籼の目盛としては、 Pn O値が
すなわち
Pn = 1 1. 6 n W x 0. 3 6 5 = 4. 2 3 n W
と 示されるようにしておけ よい:: 上 ¾明したように本 jによれば次のよう 効 がある。 光スベタ トラム了 ナライザで単色光 (レーザ光) を測定する場合、 中心波長とパワーレべルの確度 が要求されるが、 了レイ^子の出力そのものでは中心波長の確度はアレイ ¾子間 波長差厶 よりは く らず、 トータルパワー:こついても何らかの^ :が不可欠 であった。 しかし本 明によれば、 アレイ ¾子上のビーム位 Sを正 に求めるこ とにより、 容¾に中心波 J¾ 。 およびトータルパワー P t。t<ll の確度を向上する ことができる。 ところで、 大容量伝送システムとして期待されている波長多重通信システムに
おける伝送信号は、 キヤ リ了としてのレーザ光と光 (ファイバ) 了ンプによる A ノイズ (amp l i f ied spontaneous emi ssi on noi s ) である。 このよつなシス テムにおいては、 レーザ光のスぺク トルを正確に測定することはもちろんのこと、 伝送信号の Sノ Xに多大な^響を与える A S Eノィズを評価することもまた重要 こ £ 。
アレイ ¾子を用いた分光 ϋは、 可動部がなく、 波長多重通信システムの伝送 信号モニタとして最適であるが、 レーザ'光近傍の A S Εノィズを 出するために はダイナミ ックレンジが不十分である。
一般に分散 子として回折格子を用いた分光 置では、 ダイナミックレンジは 干渉曲線のスロープによって決まる。 すなわちダイナミックレンジは、 単色光
(波長/。 のレーザ'光) が入射したとして、 図 9に示すように、 波長/ n とオフ セッ ト△ λにおけるレベル差として定^される。 したがってレーザ光近傍の微弱 な光などはレーザ'光のス U—ブに埋もれてしまう u そのためダイナミ ックレンジを向上させる必¾がある力《、 光スぺク トラムアナ ライザ' どの分光 i! ^:こおいてダイナミ ックレンジを向上させる方式として:よ、 従来よりモノクロメータを 2台またはそれ 上 1 列に並べる方式がある。 この方 式は、 それぞれの分¾¾子 (プリズム たは 祈格子) を 勤させ、 本来の光ス べク トルとそれに した迷光とを分; するも^であり、 いわゆるダブルモノク πメータと呼ばれる方式である c
し力、し ;がら、 アレイ^子と固定された分¾ ^子とを紐み合わせた分光^ で は、 上記のような手法を^ ffiするのは機描上困:)!であり、 他の方式の出 ¾が切望 'ΐ v /こ o そこで、 この点を解決する本 他の i例を説明する。 図 1の^ : 12 3 o i i ϋの^^フローで示す機能を付加し、 ^示 ^ 4 ϋにおいても以下に述 ベる^ を追加した光スぺク トラム了ナライザである。
このように ¾ された スぺク トラ厶アナライザ'は、 レーザ光を測定した ¾合 スぺク トル形 が上 のようにその中心波^およびパワーによって予め類推で
きることを禾 if用し、 レーザ'光に埋もれた A S Eノイズ ども測定できるようにし、 等価的にダイナミックレンジを向上させ得るものである。
以下その動作を説明する。 食算装匿では、 上記のようにして求められたレーザ 光の中心波良とパワーからスぺク トル形状を '算により推定する。 ここでそのス ぺク トルが Κ個の波長 f , ( >) , f 2 ( . j , · · · , f κ ( , ) から成るも のとする。 ^いて、
匸 ( ) ただし、 Μ ( X j は ¾測データ
^により、 非レーザ光スベク トルす わち Λ S Eノィズのスぺク トルを求め る。
ϊίέ示 ϋ 4 0は、 上記のようにして求められたレーザ光の光スぺク トルと非レ 一ザ光スぺク トルのいずれか一方また 方を指定により ¾示する を する。 なお、 上記 ¾施例で 入 口での光 . ^分^ g ( ξ , V ) がガウス型である ¾ 合:こついて説明した力く、 これに | らず口一レンツ型であってもよい c
次に分光^^の他 施例につ て^ ]する。 上記リ^!例に示したような分光 では、 ^ΙΪ分解^と ^定^ J¾S1Sはアレイ^子の^子致、 ビツチあるいはフ オーカシングミラー 0 点 どで決まる。 分解能と測定 ·0Ηίί11はトレ ードオフの Η系にあり、 一方を すれば他力:よ^牲になり、 f¾方を同時に改善 することはでき いという がある。 ί Π 1に示す分光 はこの点を解決す るもので、 ¾数の入 口 (スリ ッ ト〉 を¾け、 所望の波 J 分解能を砣 ί¾しつつ測 定波長 iiifflを拡大できるも Oである。 図 1 1では^ ¾0入 ¾口 (ここで:よ^ ]を にするため 2つの入射口 O場合 を示す) を¾えた分光 i! が示されている。 お、 H 1と同等 ¾分には同一符号 を付してある。 1 Gおよび i 7はスリツ トにより開口幅が調節された入射口であ
り、 入射口 1 Sからは波長域 。二 Δ .の光が入り、 入 口 1?からは波長域 20±厶 λの光が入る。
この分光器は 2つの波良域 ! 0 ± Δ /と / 20 ± Δ の光を 1つのアレイ素子 1 5でカバーするようにしたものである。 2つの波長の回折格子 13への入射角 lDと o 20は、 それぞれ波:!:域の中心波長 10とス 20に対する回折角が等しくな る (β 0 になる) ように設定されている。
アレイ ¾子を用いた分光 では、 ¾長分解能はいくつかの ¾因によって制限 される;が、 ここではその理論分解能が了レイ素子の ¾子数 (nch) と測定波長 $5 1 ( 2 Δ . ) とによって制 Ρβされるものとする。 つまり理論分解能を隣接素子間 波長差に等しいと定 すると、 次式が成立する。
理論分解能 = 2 Δ /ノ (n c i - 1:' 2 Δ /rich
十-ナ I π 、ヽ 1
J 1 、 11 c h 丄 図 l 1の構成においては、 この理; ΐ分解^を ¾持し がら測定 ϊίϋ良 iiirniを 2倍 に拡大できる。 他の要 Ξで分 ?能が制限されていても、 その分解能を維持しなが ら入射口の数だけ測定波長 ίΏΗ!を拡大できる。
図 1 こおける光学系の勁作をさらに しく 叨する e 2つの波良!^の中心波 長 lUと 20に対する回折角 ^ 'つ よ、 回折格子の i£本式
s i n ( cx ) — s i n 、口、) =τη /. / c!
ただし、 "は人射 ½
は回折角
mは回折次数
は波長
dは格子定数
力、ら、
1 ϋ = s i π " 1 (m ιο/ d— s i n (cx l 0) )
β 20 = s i n"' (m /. au/ d— s - i n (a 2 o) )
となる。
ここで、 3 I U=;520となるように、 すなわち
m λ ι οΖ-d— s i n (a l 0) =m .20/ d— s i n (a2o) を満たすような入射角" I。, o 20になるように、 入射口を設定しておけば、 それ ぞれの中心波長からのずれ Δ;.に対して常に次式が成り立つ。
m { ( 10二△ ) / d } ― s i n ^cc \o)
=m { ( 20 - Δ ) / ά ) — s i n \α20)
つまり 2つの波長域、 入射口、 入射角および中心波長が上記のように設定され ていれは'、 同一 Ο了レイ尜子で両方の波長域を力バーすることになる。
波長域が 2つ以上あっても、 入射口、 入射 および中心波 が上記のように設 定されていれば、 同様に成り立ち、 w望の分解能を維持しながら測定波長 isasを 拡大できる。 図 1 2は本発叨の他の ¾施例図であり、 入射口に光ファイバコネクタ (レセプ タクル) 1 8, 1 9を設け、 ¾定波 に応じて入射口を選択し光ファイバ 1を差 し換えるようにしたものである c
光ファイバコネクタ 1 8 , 1 (Jは取り付け位^が固定されているので、 フアイ バの差し換えによって入 光の位 が変わることはない c
図 1 3は更に ί θ^ όί例 1であり、 光分岐^^ 2 0と光チャネルセレクタ 2 1 を組み合わせ、 光チャネルセレクタ 2 iを駆勁して光分岐手¾ 2 0の出力光のい ずれか一方だけを^]過させることによ:つ、 光ファイバ 1〇差し換えをすることな く入 口を 択するようにしたも である。
図 1 4は] ϋに ¾の ΰ ^例図である。 タイ ミ ング ^号発生器 2 2から発生するタ ィ ミ ング 号をアレイ ¾子 1 5の出力^み出し川の駆 I!J回路 2 4および光チヤネ ルセレクタ 2 1のァャネル ¾ Ό投ぇ川の切換制御 a路 2 3に与えて、 了レイ ¾子 1 5の出力 み出しと光チャネルセレクタ 2 1 Οチャネル切り ;!え Οタイ ミ ング を同期させて、 つまりチャネルの り換えに同朋して、 丁レイ ¾子の 引を行い、 ¾数チヤネルからの 1周期ずつの Sを交互に ¾り込むことにより ^数の波長域 を同時に (掃引 ¾ίίί]だけの時刻のずれはある) 測定するようにしたものである。 なお、 アレイ^子の出力 ί 号を記' 1≤するメモリ 5には異なる波長域からの信 号が時系列に並んだものとなる力 ¾示器 2 Gには前記タイ ミング信号により所
定の波長域か の信号を読み出し表示する。 図 1 5は更に他の実施例図である。 図 1 5の構成では、 光チャネルセレクタ 2 1が入射光ゼロのチャネル 2 1 aを備え、 [^出力もリアルタイムで取り込み、 了 レイ素子の測定値に対して暗出力キャンセルの 正ができるように構成したもの である。
図 1 6は分散素子 1 3としてプリズムを用いた場合の構成例である。 プリズム の角分散を考 IIして入 口を設ければ、 前述の ¾ 命が成立する。 なお、 本発叨の 上の説叨は、 説明お _ - 1 3よび例示を目的として特定の好適な実施 例を示したに過ぎない c したがって本発叨はその本 ϊίから逸脱せずに多くの変更、 変形をなし得ることは明らかである。