JP2006138734A - 光スペクトラムアナライザ - Google Patents

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Abstract

【課題】 高速に波長掃引することができる光スペクトラムアナライザを実現することを目的にする。
【解決手段】 本発明は、コリメータ手段が被測定光を平行光にし、回折格子がコリメータ手段から入射した平行光を入射角に応じて分光し、回折格子によって分光された光をスリットを介して光検出器で検出して被測定光のスペクトラムを測定する光スペクトラムアナライザに改良を加えたものである。本装置は、コリメータ手段と回折格子との間に設けられ、平行光の被測定光を偏向し、回折格子への入射角を変える音響光学偏向器を設けたことを特徴とするものである。
【選択図】 図1

Description

本発明は、コリメータ手段が被測定光を平行光にし、回折格子がコリメータ手段から入射した平行光を入射角に応じて分光し、回折格子によって分光された光をスリットを介して光検出器で検出して被測定光のスペクトラムを測定する光スペクトラムアナライザに関し、詳しくは、高速に波長掃引することができる光スペクトラムアナライザに関するものである。
図7は、従来の光スペクトラムアナライザの構成を示した図であり、一例としてツェルニ・ターナ型の分光器を用いた例を示している(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。図7において、種々の波長を含んだ被測定光が入射スリット1から入射され、凹面鏡2に当たると平行光となって回折格子3に入射される。
そして、波長分散素子の一種である回折格子3に被測定光が入射されると、回折格子3によって分光される。従って、回折格子3からの出射光は波長毎に異なる方向に伝播されるため空間的に広がりを持ち凹面鏡4に入射される。さらに、凹面鏡4で反射された被測定光は波長毎に出射スリット5面上の異なる位置に集光される。
例えば、波長λ1〜λ3それぞれの被測定光は、出射スリット5の”P1”〜”P3”の位置に集光される。従って、集光された光のうち出射スリット5の横幅の範囲内となる波長成分(例えば、位置P2の波長λ2)の被測定光だけが出射スリット5を通過して、光検出器6で受光される。そして、光検出器6が通過光の光強度に応じた電気信号を出力する。
ここで回折格子3を図示しないモータで回転させることにより、回折格子3に入射する被測定光の入射角が変わり、各波長λ1〜λ3の被測定光が出射スリット5面上に集光する位置も変わる。なお、回折格子3の表面には多数の溝が形成されているが、回折格子3の回転は、この溝に平行な軸を中心として回転させる。その結果、出射スリット5を通過する波長が変わり、波長掃引が行われる。そして、図示しない信号処理部が、光検出器6から出力される電気信号から波長と光強度との特性、すなわち光スペクトラムを求める。
特許第3254932号公報 特許第2892670号公報(第2頁、第3図)
このような光スペクトラムアナライザは、例えば、光ネットワークの光通信における波長モニタに用いられる。そして、次世代光ネットワークでは、光信号を電気信号に変換することなく、データが光信号のまま中継される。このような光ネットワークは、波長によって高速にパスを切り替えてデータを転送するバーストスイッチングと呼ばれる技術が用いられる。バーストスイッチングのパス切り替えに要する時間は約1[msec]程度であり、高速な波長切り替えに対応できる光スペクトラムアナライザが必要になっている。
しかしながら、図7に示す光スペクトラムアナライザは、回折格子3を回転させて波長掃引するため、波長掃引速度が回折格子3の回転に用いるモータの速度に依存し、遅いという問題があった。通常、例えば、1000[nm]程度の波長掃引を行なう場合の掃引時間が、現状1[sec]程度でありリアルタイム(約1[mesc]以下)な測定ができないという問題があった。
そこで本発明の目的は、高速に波長掃引することができる光スペクトラムアナライザを実現することにある。
請求項1記載の発明は、
コリメータ手段が被測定光を平行光にし、回折格子が前記コリメータ手段から入射した平行光を入射角に応じて分光し、前記回折格子によって分光された光をスリットを介して光検出器で検出して前記被測定光のスペクトラムを測定する光スペクトラムアナライザにおいて、
前記コリメータ手段と前記回折格子との間に設けられ、前記平行光の被測定光を偏向し、前記回折格子への前記入射角を変える音響光学偏向器を設けたことを特徴とするものである。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明において、
前記音響光学偏向器と前記回折格子との間に設けられ、前記音響光学偏向器からの被測定光を、偏向量によらず前記回折格子の同じ位置に照射する位置補正手段を設けたことを特徴とするものである。
請求項3記載の発明は、請求項2記載の発明において、
位置補正手段は、
前記音響光学偏向器からの被測定光を集光する第1のレンズと、
この第1のレンズと同じ焦点距離であり、互いの焦点位置が一致する共焦点位置に設けられ、前記第1のレンズからの被測定光を平行光にして前記回折格子に出射する第2のレンズと
を有することを特徴とするものである。
請求項4記載の発明は、請求項1〜3のいずれかに記載の発明において、
被測定光の偏波状態を所望の状態に変え前記音響光学偏向器に出射する偏波制御手段を設けたことを特徴とするものである。
請求項5記載の発明は、請求項4記載の発明において、
偏波制御手段は、偏波スクランブラであることを特徴とするものである。
請求項6記載の発明は、請求項4記載の発明において、
偏波制御手段は、偏波コントローラであることを特徴とするものである。
請求項7記載の発明は、請求項4記載の発明において、
偏波制御手段は、偏光解消板であることを特徴とするものである。
本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項1〜7によれば、音響光学偏向器が、回折格子に入射する被測定光の入射角を変えるので、回折格子を機械的に回転させて波長掃引するよりも、高速に波長掃引することができる。
請求項2、3によれば、位置補正手段が、音響光学偏向器の偏向量によらず、音響光学偏向器からの1次光を回折格子の同じ位置に照射するので、精度よく光スペクトラムの測定が行なえる。
請求項4〜7によれば、偏波制御手段が、被測定光を所望の偏光状態にするので、音響光学偏向器、回折格子の偏波依存性を軽減することができる。
以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
[第1の実施例]
図1は、本発明の第1の実施例を示す構成図である。ここで、図7と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図1において、光ファイバ7は、入射スリット1の代わりに設けられ、被測定光を伝播し出射する。コリメータレンズ8は、コリメータ手段であり、凹面鏡2の代わりに設けられ、光ファイバ7からの被測定光を平行光にして出射する。
音響光学偏向器(以下、AOD(acoustooptic deflector)と略す)9は、コリメータレンズ8と回折格子3との間に新たに設けられ、コリメータレンズ8からの平行光の被測定光を偏向し、AOD9から回折格子3に入射する被測定光の入射角を変える。
集光レンズ10は、凹面鏡4の代わりに設けられ、回折格子3で分光された被測定光を出射スリット5上に集光する。
波形発生装置11は、ランプ波を発生する。ディバイダ12は、波形発生装置11からの電気信号を分割し、必要に応じて分周する。電圧制御発振器(以下、VCO(Voltage Controlled Oscillator)と略す)13は、ディバイダ12からのランプ波の電圧に追従した高周波信号をAOD9に出力する。オシロスコープ14は、ディバイダ12からのランプ波をトリガ信号とし、光検出器6からのデータから被測定光の光スペクトラムを求め、表示する。
このような装置の動作を説明する
被測定光が、光ファイバ7によって伝播され、光ファイバ7のファイバ端面からコリメータレンズ8に所定の出射角で出射される。そして、コリメータレンズ8が、被測定光を平行光にしてAOD9に出射する。
一方、AOD9は、VCO13からの高周波信号に応じた粗密波がAO結晶内に発生する。従って、AOD9が、コリメータレンズ8から入射した平行光を、高周波信号に応じて出射方向を変え、すなわち平行光の被測定光を偏向して回折格子3に出射する。
そして、回折格子3がAOD9から入射した被測定光を分光する。従って、回折格子3からの出射光が、波長毎に異なる方向に伝播されるため空間的に広がりを持ち集光レンズ10に入射される。さらに、集光レンズ10が、被測定光を波長毎に出射スリット5面上の異なる位置に集光する。そして、集光された光のうち出射スリット5の横幅(波長分散方向の幅)の範囲内となる波長成分の被測定光だけが出射スリット5を通過して、光検出器6で受光される。そして、光検出器6が通過光の光強度に応じた電気信号をオシロスコープ14に出力する。
続いて、波長掃引の動作について説明する。
波形発生装置11からのランプ波をディバイダ12が分岐し、一方をVCO13に出力し、他方をオシロスコープ14に出力する。そしてVCO13が、ランプ波の電圧に追従した高周波信号をAOD9に出力する。
さらに、高周波信号に応じた粗密波が、AOD9のAO結晶内に発生され、AOD9が生成する1次光の伝播方向が変わる。従って、回折格子3に入射する1次光の入射角が高速に変わる。つまり、図7に示したように、回折格子3を回動させ回折格子3への入射角を変えたことと同様になる。その結果として出射スリット5で切り出される波長も、高速に掃引される。
そして、オシロスコープ14に設けられる図示しない信号処理部が、ディバイダ12からの電気信号をトリガ信号として、光検出器6から出力される電気信号から波長と光強度との特性、すなわち光スペクトラムを求め、光スペクトラムを表示する。
このように、AOD9が、回折格子3に入射する被測定光の入射角を変えるので、図7に示したように回折格子3を機械的に回転させるよりも、高速に波長掃引することができる。例えば、AOD9であれば、1掃引を100[μsec]程度で掃引でき、図7に示す装置よりも約1/10,000の時間で掃引できている。
また、AOD9が、被測定光を偏向させるので、電気光学効果を用いて被測定光を偏向させるものと比較して、偏向角を大きくとることができる。これにより、波長掃引する波長範囲を広くすることができる。
[第2の実施例]
図2は、本発明の第2の実施例を示した構成図である。ここで、図1と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図2において、AOD9と回折格子3との間に、第1のレンズ15、第2のレンズ16が新たに設けられる。レンズ15、16は、位置補正手段であり、AOD9からの被測定光を、AOD9の偏向量によらず回折格子3の同じ位置に照射する。
また、第1のレンズ15は、AOD9からの平行光を集光する。第2のレンズ16は、第1のレンズ15と同じ焦点距離fであり、互いの焦点位置が一致する共焦点位置に設けられ、第1のレンズ15からの被測定光を平行光にして回折格子3に出射する。すなわち、AOD9からレンズ15までの距離、レンズ15から集光位置までの距離、集光位置からレンズ16までの距離、レンズ16から回折格子3までの距離は、全て焦点距離fと同じである。
さらに、光ファイバ7によって伝播される被測定光の偏波(偏光とも呼ばれる)状態を所望の状態に変える偏波コントローラ17が新たに設けられる。この偏波コントローラ17は、偏波制御手段である。
このような装置は、図1に示す装置の動作とほぼ同様であるが、異なる動作は、偏波コントローラ17が、被測定光の偏波状態を所望の状態、例えば、回折格子3の回折効率が最もよくなる偏波状態にする。
また、共焦点位置に設けられたレンズ15、16が、AOD9からの被測定光を、偏向量によらず、回折格子3の所定の位置に照射する。
このように、偏波コントローラ17が、被測定光の偏波状態を、回折格子3の回折効率が最もよい偏波面にするので、光検出器6で検出される光パワーが大きくなり、精度よく光スペクトラムの測定をすることができる。
また、AOD9にも偏光依存性があり、偏光状態が変わると1次光の出射角も変わってしまう。しかし、偏波コントローラ17が、被測定光の偏波状態を所定の偏波面にするので、偏光状態によって出射角が変動することが無いので、精度よく光スペクトラムの測定をすることができる。
さらに、レンズ15、16が、AOD9の偏向量によらず、AOD9からの1次光を回折格子3の同じ位置に照射するので、以下の(1)〜(3)に示すように精度よく光スペクトラムの測定が行なえる。
(1)図3を用いて説明する。ここで、図1、図2と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。また、回折格子3、出射スリット5、AOD9、レンズ10、15、16以外の図示も省略している。図3(a)は、図1に示す装置において、AOD9による被測定光の偏向量を変えた場合であり、図3(b)は、図2に示す装置において、AOD9による被測定光の偏向量を変えた場合である。なお、スリット5を通過する光軸のみを図示し、被測定光100〜102は、偏向量がそれぞれ異なっている。
図3(a)に示すように、レンズ15、16がない場合、AOD9の偏向量によって、被測定光100〜102が回折格子3に照射される位置が異なる。従って、スリット5を通過する波長成分の被測定光100〜102であっても、集光レンズ10に入射する位置が異なる。
一方、図3(B)に示すように、レンズ15、16がある場合、AOD9の偏向量によらず、被測定光100〜102が回折格子3に照射される位置が同じになる。従って、集光レンズ10に入射する位置も同じとなる。
このように、レンズ15、16が、AOD9の偏向量によらず、AOD9からの1次光を回折格子3の同じ位置に照射するので、集光レンズ10の同じ位置を透過してスリット10上に集光する。つまり、レンズ10には球面収差、色収差等の収差が存在するが、偏向量によらず、被測定光100〜102がレンズ10の同じ位置を通過するので、収差の影響を軽減することができる。これにより、スリット10での集光ビーム径もほとんど変化しない。従って、波長によって波長分解能が変わることもなく、波長分解能の波長依存性を軽減することができ、精度よく光スペクトラムの測定が行なえる。
(2)図1に示す装置では、偏向量によって、回折格子3に照射される位置が異なるので、AOD9での偏向量とスリット5を通過する波長との関係にリニアリティがない。一方図2に示す装置では、レンズ15、16が、AOD9の偏向量によらず、AOD9からの1次光を回折格子3の同じ位置に照射するので、集光レンズ10と回折格子3の回折面が平行であれば、AOD9での偏向量とスリット5を通過する波長との関係にリニアリティがある。従って、図示しない信号処理部で光スペクトラムを求めるのが容易になると共に、精度よく光スペクトラムの測定が行なえる。
(3)AOD9が1次光を偏光できる角度は、通常2〜3°程度であり、最大でも5°程度である。近年、光通信で使用されることが多い波長帯は、Sバンド(1460−1530[nm])、Cバンド(1530−1565[nm])、Lバンド(1565−1625[nm])だが、これらの波長範囲全てを波長掃引することが困難という問題がある。。そこで、各バンドごとに回折格子3を回転させてもよい。例えば、回折格子3を図7に示す装置と同様に、回折格子3の溝に平行な軸を中心として回転させる
具体的には、AOD9によってSバンド帯の波長掃引を行なう。そして、Cバンドを測定する最適な角度まで回折格子3を回転させ、回折格子3の回転終了後、AOD9によってCバンド帯の波長掃引を行なう。そらに、Lバンドを測定する最適な角度まで回折格子3を回転させ、回折格子3の回転終了後、AOD9によってLバンド帯の波長掃引を行なう。
この際、図1に示す装置では、偏向量によって、回折格子3に照射される位置が異なる。そのため、回折格子3を回転させると、AOD9の偏向量が同じであっても、回折格子3に入射する位置が異なる。そのため、光学系の調整が非常に困難になるという問題があった。一方図2に示す装置では、レンズ15、16が、AOD9の偏向量によらず、AOD9からの1次光を回折格子3の同じ位置に照射するので、回折格子3の回転軸の中心を、回折格子3に照射されるビームの中心に合わせれば、回折格子3の回転角に関わらず同じ位置に照射される。これにより、光学系の調整が容易となり、精度よく光スペクトラムの測定が行なえる。
[第3の実施例]
図4は、本発明の第3の実施例を示した構成図であり、加分散配置のものに本発明を適用した例である。ここで、図2と同一のものは同一符号を付し、説明を省略すると共に図示も省略する。図4において、出射スリット5を通過した被測定光が、レンズ18によって平行光にされて第2の回折格子19に入射する。
そして、回折格子19に被測定光が入射されると、回折格子19によって分光される。つまり、回折格子3、19によって分光が2回行なわれるダブルパス構造になっている。なお、レンズ10、18の焦点距離が等しい場合、回折格子3、19それぞれの回折面は、1対1の決像関係になる。もちろん、出射スリット5は、レンズ10、18の中間位置のフーリエ面に配置されている。
また、回折格子3、19による回折は、短波長側の方が長波長側に比べ屈折角が大きくなるため、図3に示すように回折格子19を設けることにより分光角が大きくなる。いわゆる加分散配置である。なお、スリット5は、迷光除去に用いられ、波長分解能には寄与しない。
回折格子19からの出射光は、波長毎に異なる方向に伝播されるため空間的に広がりを持つが、レンズ20によって波長毎に出射スリット21面上の異なる位置に集光される。そして、出射スリット21によって所望の波長成分の光のみが切り出され光検出器6で受光される。波長掃引等やその他の動作は、図2に示す装置と同様なので説明を省略する。
このように、加分散配置された回折格子19が、回折格子3によって分光された被測定光を再度分光するので、分光角が大きくなり、波長分解能が向上する。例えば、回折格子19を回折格子3と同等のものを用いれば、波長分解能が2倍に向上する。これにより、被測定光の光スペクトラムを精度よく測定することができる。
[第4の実施例]
図5は、本発明の第4の実施例を示した構成図であり、図4と異なる加分散配置のものに本発明を適用した例である。ここで、図2と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。また、波形発生装置11、ディバイダ12、VCO13、オシロスコープ14の図示を省略し、さらに光軸のみを図示している。
図5において、新たに設けられるミラー22が、回折格子3で分光された光を反射して、再度回折格子3に入射する。そして回折格子3が、ミラー22からの反射光を再度分光し、集光レンズ10が、再度分光した光を出射スリット5上に集光する。その他の動作は、図2に示す装置と同様なので説明を省略する。
このように、ミラー22が、回折格子3が分光した光を再度回折格子3に入射し、回折格子3が再度分光をする。つまり、ダブルパス構造による加分散配置になっているので、分光角が大きくなり、波長分解能が向上する。これにより、図4に示す装置よりも少ない数の回折格子で、被測定光の光スペクトラムを精度よく測定することができる。
[第5の実施例]
図6は、本発明の第5の実施例を示した構成図であり、図4、図5と異なる加分散配置のものに本発明を適用した例である。ここで、図2と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。また、波形発生装置11、ディバイダ12、VCO13、オシロスコープ14の図示を省略し、さらに光軸のみを図示している。
図6において、新たに設けられるコーナーキューブリフレクタ23が、回折格子3で分光された光を反射して、再度回折格子3に入射する。但し、リフレクタ23が、回折格子3の溝に沿った方向にのみ光軸を平行にずらして反射する。そして回折格子3が、リフレクタ23からの反射光を再度分光する。
さらに、再度分光された光が、レンズ16、15で伝播されて、新たに設けられるミラー24で集光レンズ10に折り返し反射される。なお、AOD9からレンズ15への光と、回折格子3からレンズ16、15を経て戻ってきた戻り光とは、光軸が溝に沿った方向にずれているので、ミラー24は、戻り光のみを集光レンズ10に反射する。そして、集光レンズ10が、ミラー24からの光を出射スリット5上に集光する。その他の動作は、図2に示す装置と同様なので説明を省略する。
このように、リフレクタ23が、回折格子3が分光した光を再度回折格子3に入射し、回折格子3が再度分光する。つまり、ダブルパス構造による加分散配置になっているので、分光角が大きくなり、波長分解能が向上する。これにより、図4に示す装置よりも少ない数の回折格子で、被測定光の光スペクトラムを精度よく測定することができる。
なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下のようなものでもよい。
図1〜図2、図4〜図6に示す装置において、光ファイバ7によって被測定光を伝送する構成を示したが、図7に示すように入射スリットを設け、この入射スリットを被測定光が通過するようにしてもよい。また、コリメータ手段の一例としてレンズ8を設ける構成を示したが、図7に示すように放物面鏡を用いてもよい。
図2、図4〜図6に示す装置において、偏波コントローラ17を用いる構成を示したが、偏向状態をランダムな状態にする偏波スクランブラを用いてもよい。すなわち、波長掃引する時間よりも、被測定光の偏波状態を十分に高速にランダムにすることにより、AOD9、回折格子3、19の偏波依存性を軽減することができる。
図2、図4〜図6に示す装置において、偏波コントローラ17を用いる構成を示したが、偏光解消板(例えば、特許第2995985号公報の段落番号0012−0017、第1−2図、第8図参照)をAOD9の前段、例えば、レンズ8とAOD9との間に設けてもよい。そして、偏光解消板が、被測定光の偏波状態を空間的にみて多くの偏波状態が混ざった状態、すなわちランダムな状態にするので、AOD9、回折格子3、19の偏波依存性を軽減することができる。
なお偏光解消板は、例えば、第1の光学軸に対し45°の方向に厚みが連続的に変化する第1の水晶板と、第2の光学軸に対し45°の方向に厚みが連続的に変化する第2の水晶板とを、第1の光学軸と第2の光学軸を互いに直交して、第1の水晶板と第2の水晶板を貼り合わせたものである。
図2、図4〜図6に示す装置において、偏波コントローラと位置補正手段の両方を設ける構成を示したが、一方のみでもよい。
図4〜図6に示す装置において、回折格子3、19で2度分光されるダブルパスの構成を示したが、何回分光させてもよく、マルチパスの構成にしてもよい。また、加分散配置でなく差分散配置としてもよい。
本発明の第1の実施例を示した構成図である。 本発明の第2の実施例を示した構成図である。 図1に示す装置と図2に示す装置それぞれのAOD9から回折格子3への光路を示した図である。 本発明の第3の実施例を示した構成図である。 本発明の第4の実施例を示した構成図である。 本発明の第5の実施例を示した構成図である。 従来の光スペクトラムアナライザの構成を示した図である。
符号の説明
3、19 回折格子
5、21 スリット
6 光検出器
8 コリメータレンズ
9 AOD
10 集光レンズ
15 第1のレンズ
16 第2のレンズ
17 偏波コントローラ

Claims (7)

  1. コリメータ手段が被測定光を平行光にし、回折格子が前記コリメータ手段から入射した平行光を入射角に応じて分光し、前記回折格子によって分光された光をスリットを介して光検出器で検出して前記被測定光のスペクトラムを測定する光スペクトラムアナライザにおいて、
    前記コリメータ手段と前記回折格子との間に設けられ、前記平行光の被測定光を偏向し、前記回折格子への前記入射角を変える音響光学偏向器を設けたことを特徴とする光スペクトラムアナライザ。
  2. 前記音響光学偏向器と前記回折格子との間に設けられ、前記音響光学偏向器からの被測定光を、偏向量によらず前記回折格子の同じ位置に照射する位置補正手段を設けたことを特徴とする請求項1記載の光スペクトラムアナライザ。
  3. 位置補正手段は、
    前記音響光学偏向器からの被測定光を集光する第1のレンズと、
    この第1のレンズと同じ焦点距離であり、互いの焦点位置が一致する共焦点位置に設けられ、前記第1のレンズからの被測定光を平行光にして前記回折格子に出射する第2のレンズと
    を有することを特徴とする請求項2記載の光スペクトラムアナライザ。
  4. 被測定光の偏波状態を所望の状態に変え前記音響光学偏向器に出射する偏波制御手段を設けたとことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光スペクトラムアナライザ。
  5. 偏波制御手段は、偏波スクランブラであることを特徴とする請求項4記載の光スペクトラムアナライザ。
  6. 偏波制御手段は、偏波コントローラであることを特徴とする請求項4記載の光スペクトラムアナライザ。
  7. 偏波制御手段は、偏光解消板であることを特徴とする請求項4記載の光スペクトラムアナライザ。
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