JP4592969B2

JP4592969B2 - 分光装置および分光方法

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Publication number: JP4592969B2
Application number: JP2001025841A
Authority: JP
Inventors: 良幸大竹; 太郎安藤
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 2001-02-01
Filing date: 2001-02-01
Publication date: 2010-12-08
Anticipated expiration: 2021-02-01
Also published as: JP2002228521A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定光のスペクトルを求める分光装置および分光方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
被測定光のスペクトルを求める分光装置として光スペクトラムアナライザーがある。図２０は、光スペクトルアナライザーの構成図である。この光スペクトルアナライザー１００は、入射スリット１０２、コリメートミラー１０３、回折格子１０４、集光ミラー１０５、出射スリット１０６、光検出器１０７、演算部１０８および表示装置１０９から構成される。この光スペクトルアナライザー１００では、被測定光１０１は、入射スリット１０２から入射し、コリメートミラー１０３によりコリメートされ、回折格子１０４により波長成分毎に分散され、集光ミラー１０５により集光され、出射スリット１０６を通って、光検出器１０７により検出される。光検出器１０７上の光検出位置は被測定光１０１の波長成分毎に異なるため、演算部１０８は、スリット１０２およびスリット１０６それぞれの幅、回折格子１０４の分散特性、光検出器１０７の位置などのデータから、被測定光１０１の分光特性を演算し、その結果を表示装置１０９に表示する。
【０００３】
また、光の干渉を利用した分光装置としてヘテロダイン分光装置がある。図２１は、ヘテロダイン分光装置の構成図である。このヘテロダイン分光装置１１０は、参照光１１２を出力する参照光源、ハーフミラー１１３、受信部１１４およびアナライザー１１５から構成される。受信部１１４は、ミキサー１１６および中間周波数増幅器１１７からなる。アナライザー１１５は、フィルターアレー、ディジタルオートコリレーターおよび音響光学素子など（図示せず）からなる。被測定光１１１は、参照光１１２とハーフミラー１１３により同一光軸にされてミキサー１１６により混合される。そして、ミキサー１１６から出力された差周波に相当する中間周波数信号１１８は、中間周波数増幅器１１７により増幅された後、アナライザー１１５により周波数成分に分解され、分解された周波数要素毎に二乗検波および積分が行われて、直流成分として出力される。これを解析することで、被測定光１１１のスペクトル成分を測定することができる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図２０に示した光スペクトルアナライザー１００では、回折格子１０４の回折効率が低いことや、光検出器１０７の検出効率が低いことなどから、微弱な被測定光の計測は不可能である。また、光スペクトルアナライザー１００では、光検出器１０７の位置制御などを行うため、構成が複雑であり一般に高価である。図２１に示したヘテロダイン分光装置１１０では、被測定光を波動として扱っているため、被測定光を量子として扱うレベル（すなわち光子レベル）での分光は不可能である。なお、被測定光を量子として扱う計測法として、非古典光を計測するために構成された光ホモダイン装置がある。しかし、この光ホモダイン装置は、光子レベルでの被測定光の振幅や位相の測定が可能であるが、分光情報が得られるように構成されてはいない。
【０００５】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、被測定光が微弱であっても簡易な構成で被測定光のスペクトルを測定することができる分光装置および分光方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る分光装置は、(1) 被測定光を入力し２分岐して第１の光および第２の光とする分岐部と、(2) 第１の光および第２の光それぞれを受光して、両者の強度の差を検出する光検出部と、(3) 光検出部により繰り返し検出された強度差の頻度の分布を求め、この分布に基づいて被測定光のスペクトルを求める処理部と、を備えることを特徴とする。この分光装置によれば、被測定光は、分岐部により２分岐されて第１の光および第２の光とされ、これら第１の光および第２の光それぞれは、光検出部により受光されて、両者の強度の差が検出される。そして、処理部により、光検出部により検出された強度差の分布が求められて、この分布に基づいて被測定光のスペクトルが求められる。
【０００７】
また、本発明に係る分光装置は、波長が可変の参照光を出力する波長可変光源と、被測定光と参照光とを合波する合波部と、を更に備え、分岐部が合波部により合波された被測定光と参照光とを２分岐し、処理部が光検出部により繰り返し検出された強度差の頻度の分布に基づいて被測定光のうち参照光の波長と同じ波長成分の強度を求める、ことを特徴とする。この場合には、被測定光は、波長可変光源から出力された参照光と合波部により合波された後に、この参照光とともに分岐部により２分岐されて第１の光および第２の光とされ、これら第１の光および第２の光それぞれは、光検出部により受光されて、両者の強度の差が検出される。処理部により、光検出部により検出された強度差の分布が求められて、この分布に基づいて被測定光のうち参照光の波長と同じ波長成分の強度が求められる。そして、波長可変光源から出力される参照光の波長が掃引されることで、被測定光のスペクトルが求められる。
【０００８】
また、本発明に係る分光装置では、光検出部は、第１の光を受光する第１のフォトダイオードと、第２の光を受光する第２のフォトダイオードとを有し、第１のフォトダイオードのカソードと第２のフォトダイオードのアノードとが接続されており、当該接続点より第１の光および第２の光それぞれ強度の差を出力する、ことを特徴とする。この場合には、第１の光および第２の光それぞれ強度の差を簡易な構成で得ることができ、また、結線が短くなり、浮遊容量によるノイズを抑えることができる。
【０００９】
なお、光検出部により検出された強度差の分布を処理部が求めるに際して、被測定光がパルス光である場合には、パルス毎に上記強度差を求めて分布を求める。また、被測定光が連続光である場合には、チョッパーを用いて連続光をパルス光としてパルス毎に上記強度差を求めて分布を求める他、光検出部において一定時間毎に上記強度差を求めて分布を求める。さらに、参照光を用いる場合には、その参照光は、被測定光がパルス光である場合には当該パルスに同期して出力され、被測定光が連続光である場合にはチョッパーまたは光検出部の動作タイミングに同期して出力される。
【００１０】
本発明に係る分光方法は、(1) 被測定光を入力し２分岐して第１の光および第２の光とし、(2) 第１の光および第２の光それぞれを受光して、両者の強度の差を繰り返し検出し、(3) この検出された強度差の頻度の分布を求め、この分布に基づいて被測定光のスペクトルを求める、ことを特徴とする。また、本発明に係る分光方法は、(1) 波長が可変の参照光を波長可変光源より出力して、被測定光と参照光とを合波し、(2) この合波された被測定光と参照光とを２分岐して第１の光および第２の光とし、(3) 第１の光および第２の光それぞれを受光して、両者の強度の差を繰り返し検出し、(4) この検出された強度差の頻度の分布を求め、この分布に基づいて被測定光のうち参照光の波長と同じ波長成分の強度を求める、ことを特徴とする。本発明に係る分光方法は、上記の本発明に係る分光装置と同じ技術的思想に基づくものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１２】
（第１実施形態）
先ず、本発明に係る分光装置の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る分光装置における分光特性取得の原理を説明する図である。この図に示すように、複素振幅作用素ａ_sigで表される被測定光と、複素振幅作用素ａ_LOで表される参照光とが、互いに異なる方向からビームスプリッタ２１へ入力するものとする。このとき、被測定光の反射成分と参照光の透過成分とが合波されてビームスプリッタ２１から出力される出力光（複素振幅作用素ａ_out1）は検出器２２により検出される。また、被測定光の透過成分と参照光の反射成分とが合波されてビームスプリッタ２１から出力される出力光（複素振幅作用素ａ_out2）は検出器２３により検出される。
【００１３】
２つの検出器２２，２３それぞれから出力される電気出力の差は
【数１】

なる式で表される。参照光がコヒーレント状態（振幅α_LO）であれば、平均光子数ｎ_outは
【数２】

なる式で表される。ここで、Ｘ_sig(φ_sig) は被測定光の直交成分を表す。
【００１４】
このときの分散は
【数３】

なる式で表される。参照光の振幅が被測定光の振幅に対して十分強いとすると、参照光の直交振幅ゆらぎ（量子ゆらぎ）は極めて小さいので、上記(3)式の右辺の第一項は無視できて、分散は
【数４】

なる式で近似される。
【００１５】
以上のように、差出力には参照光のゆらぎは含まれず、参照光によって増大された被測定光およびその量子ゆらぎのみが得られることになる。ここで得られる値は、物理的には被測定光のウィグナー関数の特定の位相への投影になっている。この投影は、例えば被測定光が単一モードのレーザ光であれば単一のガウシアン分布となる。このような分布を得るためには、同一の計測を繰り返し、得られた値を統計処理することが必要である。具体的には、計測毎の差出力を、横軸に出力値、縦軸に頻度をプロットすることにより分布を求める。
【００１６】
測定の作用を説明するために、被測定光として図２の波長特性を持つレーザ光を考える。本手法によれば、参照光は被測定光のうち同じ波長成分だけを抽出する働きがあるため、例えば波長λ₁の参照光を用いることにより、被測定光の成分のうち波長λ₁の成分だけを抽出・増幅する。その結果、例えば図３に示す分布が得られる。同様に、波長λ₂の参照光を用いた場合にも、図４に示す分布が得られる。ただし、図３の分布と図４の分布とでは高さが必ずしも同一ではなく、分布の高さは被測定光の波長成分の存在比に比例する。このように、参照光の波長を変化させて分布を測定し、横軸に波長、縦軸に分布の高さをプロットすることにより、被測定光の各波長成分の存在比が計測でき、図２に示すような被測定光の分光特性を得ることができる。
【００１７】
次に、第１実施形態に係る分光装置の構成について図５を用いて説明する。図５は、第１実施形態に係る分光装置１の構成図である。この図に示す分光装置１は、上述した分光特性取得の原理に基づいて被測定光３１のスペクトルを測定するものである。この分光装置１では、被測定光３１の経路に沿って、入射端子３２、光ファイバー３３、コリメーターレンズ３４、グランテーラープリズム３５、ビームサンプラー３６、λ／２板３７、可変ＮＤフィルター３８、光路遮断器３９が順に設置されている。一方、分光装置１内部に波長可変光源４０が設置され、この波長可変光源４０から出力される参照光４１の経路に沿って、コリメーターレンズ４２、グランテーラープリズム４３、λ／２板４４、光路遮断器４５が順に設置されている。
【００１８】
被測定光３１と参照光４１との経路の交点には、偏光ビームスプリッタ４６が設置され、偏光ビームスプリッタ４６の後方には、λ／２板４７、偏光ビームスプリッタ４８、反射ミラー４９，５０、光検出部５３が順に設置されている。ビームサンプラー３６の脇にはフォトダイオード５１が設置されており、また、偏光ビームスプリッタ４６の脇にはフォトダイオード５２が設置されている。グランテーラープリズム３５，４３、λ／２板３７，４５，４７、可変ＮＤフィルター３８、光路遮断器３９，４５それぞれは、調整機構（図示せず）が取り付けられており、ケーブルを介して制御部５６と接続されている。以上の構成要素は、光学測定系を成しており、外部からの迷光および電磁ノイズを遮断するための匡体５７内に設置されている。光検出部５３は処理部５４に接続され、処理部５４は表示部５５に接続されている。
【００１９】
次に、図５を用いて、被測定光３１、参照光４１及び電気出力５８それぞれの流れについて説明する。被測定光３１は、匡体５７に取り付けられた入射端３２から入射され、光ファイバー３３により導光され、光ファイバー３３から出射された後にコリメートレンズ３４によりコリメートされ、グランテーラープリズム３５により余分な偏光成分をカットされ、一方向に揃った直線偏光となる。グランテーラープリズム３５から出力された被測定光３１は、その一部がビームサンプラー３６によりカットされフォトダイオード５１に入射する。ビームサンプラー３６を透過した被測定光３１は、λ／２板３７により偏光ビームスプリッタ４６を完全に反射する方向（Ｓ偏光：紙面に垂直）に直線偏光の方向を変化させられる。
【００２０】
一方、波長可変光源４０から出力された参照光４１は、コリメートレンズ４２によりコリメートされた後、グランテーラープリズム４３により余分な偏光成分をカットされ、一方向に揃った直線偏光となる。さらに、参照光４１は、λ／２板４４により偏光ビームスプリッタ４６を完全に透過する方向（Ｐ偏光：紙面に水平）に直線偏光の方向を変化させられる。
【００２１】
偏光ビームスプリッタ４６では、被測定光３１は反射し、参照光４１は透過するため、被測定光３１と参照光４１とは同一光軸上に偏光ビームスプリッタ４６より出力される。偏光ビームスプリッタ４６から出力された被測定光３１および参照光４１は、λ／２板４７でそれぞれ偏光方向を４５度回転させられ、偏光ビームスプリッタ４８に入射する。偏光ビームスプリッタ４８からの２つの出力光５９，６０は、反射ミラー４９，５０でそれぞれ反射され、光検出部５３に配置された２つのフォトダイオード（後述）でそれぞれ検出され、この検出信号は差分・増幅・整形される。光検出部５３からの電気出力５８は、処理部５４で統計処理及び演算され、演算された被測定光３１の分光特性は表示部５５に送られ表示される。
【００２２】
なお、図１を用いて説明した分光特性取得の原理では、被測定光と参照光とを１つのビームスプリッタ２１に入射する配置であったが、本実施形態の分光装置１では、偏光ビームスプリッタ４６、λ／２板４７および偏光ビームスプリッタ４８に置き換えている。この理由は、実用上１つのビームスプリッタだけでは光の分割比を正確に１：１に調整することが困難であるため、偏光ビームスプリッタと波長板との組み合わせを用いて偏光特性を利用することにより、これを実現するためである。すなわち、本実施形態の分光装置１における２つの偏光ビームスプリッタ４６，４８とλ／２波長板４７との組み合わせは、分光特性取得の原理で説明した１つのビームスプリッタ２１を使う方式と原理的には同じである。
【００２３】
次に、分光装置１の光検出部５３の構成について図６を用いて説明する。図６は、第１実施形態に係る分光装置１の光検出部５３の構成図である。光検出部５３は、２つのフォトダイオード６１，６２、チャージアンプ６３、波形整形アンプ６４、ＡＤコンバーター６５で構成される。トリガ信号６６は、ＡＤコンバーター６５におけるＡＤ変換のタイミングを決めるためのであり、制御部５６から送られる。偏光ビームスプリッタ４８からの２つの出力光５９，６０は、それぞれフォトダイオード６１，６２に入射する。
【００２４】
フォトダイオード６１，６２が直列に接続され、両者の接続の中間から出力をとっているため、それぞれの出力信号の差が得られる構成となっている。図７は、実際のフォトダイオード６１，６２の設置接続例を示す図である。図７のようにフォトダイオード６１のカソード（Ｋ）とフォトダイオード６２のアノード（Ａ）とを接続することにより、結線が短くなり、浮遊容量によるノイズを抑える効果がある。また、本実施形態では、光子１個レベルでのゆらぎ（量子ゆらぎ）を測定するため、ノイズ対策が特に重要である。そこで、外部電磁ノイズを遮断するために、光検出部５３の匡体６９には銅を用い、各構成要素はこの中に配置される。
【００２５】
チャージアンプ６３は、フォトダイオード６１，６２からの差出力を電荷増幅する。チャージアンプ６３は、低ノイズ特性のもので、例えば等価入力雑音が１００electronRMS程度の性能であるのが好適である。波形整形アンプ６４は、チャージアンプ６３から出力された電気出力を、ＡＤコンバーター６５への入力に適した波形に整形することを目的とし、同時に雑音の平滑化を行ない低Ｓ／Ｎを実現する。また、ＡＤコンバーター６５でデジタル変換したい数値は差出力の電荷であり、波形整形アンプ６４からの出力パルスのピーク高さに相当する。そのため、この出力パルスのピーク位置を検出するために、制御部５６からのトリガ信号６６がＡＤコンバーター６５に入力される。図８は、波形整形アンプ６４からの出力パルス７１およびトリガ信号６６それぞれの波形の一例を示す図である。この例では、トリガ信号６６の立ち上がりのタイミングでＡＤコンバーター６５はＡＤ変換を行う。制御部５６からのトリガ信号６６は、フォトダイオード５１の信号から作られ、被測定光３１に同期している。
【００２６】
このような光検出器５３に接続された処理部５４は、光検出器５３内のＡＤコンバーター６５から出力されたデジタル値を入力する。分光特性取得の原理で説明したように、光検出部５３からの電気出力５８は計測毎に異なる値が出力されるが、これを積算して処理することにより必要な分布が得られる。処理部５４は、上記統計処理を行い、さらに制御部５６から送られてくる参照光４１の波長の情報を基に、被測定光３１の各波長成分の存在比を求め、被測定光３１の分光特性を演算する。そして、表示部５５は、処理部５４で演算された被測定光３１の分光特性を、例えば図２の形式で表示する。
【００２７】
次に、本実施形態に係る分光装置１を用いた実際の測定を想定した動作について説明する。以下では、被測定光３１は図２の分光特性を持つパルス光とする。
【００２８】
被測定光３１を入力して分光特性を測定するのに先だって、参照光４１に合わせて各光学素子を調整しておく必要がある。この調整は、参照光光源４０が同一のものであれば、毎回行う必要はなく、調整に必要なデータを適宜制御部５６に蓄えておく。また、調整中は被測定光３１側の光路遮断器３９は閉じておく。この調整は以下のように行なう。
【００２９】
まずグランテーラープリズム４３の光学軸を調整して、グランテーラープリズム４３から出力される参照光４１の強度が最大になるようにする。これにより、偏光方向が一方向に揃った参照光４１が得られる。次にλ／２板４４の光学軸を調整し、フォトダイオード５２へ入力する参照光４１の強度が最小となるようにする。これにより、偏光ビームスプリッタ４６を完全に透過する方向（Ｐ偏光：紙面に水平）に参照光４１の直線偏光の方向を変化させられる。偏光ビームスプリッタ４６からの参照光は、λ／２板４７により偏光方向を４５度回転させられ、偏光ビームスプリッタ４８に入射して２つに分割され、反射ミラー４９，５０で反射され、光検出部５３内の２つのフォトダイオード６１，６２に入射する。この際、λ／２板４７の光学軸の調整によって、偏光ビームスプリッタ４８での分割比が１：１になるように調整する。分割比のモニターは処理部５４で行い、得られた分布が図９に示すように０Ｖを中心とした形状になるように調整する。また前提として、波長毎の参照光４１の光量は分かっているものとする。これらのデータは制御部５６に記憶され、波長および光量の調節は、制御部５６が行う。
【００３０】
以上に説明した参照光４１の光学系の調整の後に以下のようにして被測定光３１の測定を行う。図１０は、第１実施形態に係る分光装置１を用いた測定の流れを示すフローチャートである。
【００３１】
上述したように、参照光４１に合わせて光学素子の調整を行う際には、光路遮断器３９が閉じて、光路遮断器４５が開いているので、この調整後に光路遮断器４５を閉じる（ステップＳ１１）。次に光路遮断器３９を開き、被測定光３１を入射する（ステップＳ１２）。これにより、被測定光３１は、匡体５７に取り付けられた入射端３２から入射され、光ファイバー３３により導光され、光ファイバー３３から出射された後にコリメートレンズ３４によりコリメートされる。そして、グランテーラープリズム３５の光学軸を調整して、グランテーラープリズム３５から出力される被測定光３１の強度が最大になるようにする（ステップＳ１３）。このときの出力モニターはフォトダイオード５１で行う。これにより、グランテーラープリズム３５から出力される被測定光３１は、余分な偏光成分がカットされ、一方向に揃った直線偏光となる。
【００３２】
次にλ／２板３７の光学軸を調整して、フォトダイオード５２への入力が最小となるようにする（ステップＳ１４）。これにより、偏光ビームスプリッタ４６を完全に反射する方向（Ｓ偏光：紙面に垂直）に被測定光３１は直線偏光の方向を変化させられる。偏光ビームスプリッタ４６で反射された被測定光３１は、λ／２板４７により偏光方向を４５度回転させられ、偏光ビームスプリッタ４８に入射して２つに分割されて、それぞれ反射ミラー４９，５０で反射され、２つのフォトダイオード６１、６２に入射する。ここで偏光ビームスプリッタ４８での分割比が１：１になるように、λ／２板３７の回転によって微調整を行なう。分割比のモニターは処理部５４で行い、得られた分布が図９に示すように、０Ｖを中心とした形状になるように調整する。次に光量の調節を行なう（ステップＳ１５）。適切な光量は、参照光４１に対し被測定光３１が１０^-5〜１０^-8であり、フォトダイオード５１で得られた被測定光３１の光量の情報を基に、可変ＮＤフィルター３９の調整または参照光光源４０へ供給する電流量の調節により行なう。
【００３３】
そして、光路遮断器４５を開け、参照光４１を出射する（ステップＳ１６）。このとき、被測定光３１と参照光４１とを同期させるため、フォトダイオード５１で得られた被測定光３１の入射タイミングに合わせて、参照光光源４０より参照光４１を出射する。ここまでの操作で被測定光３１と参照光４１とは混合され、分光特性取得の原理で述べた工程で、検出・統計処理される（ステップＳ１７）。次に参照光４１の波長を変えてステップＳ１６およびＳ１７の過程を繰り返す（ステップＳ１８）。得られたデータから被測定光３１の分光特性を演算し（ステップＳ１９）、表示部５５に表示する（ステップＳ２０）。
【００３４】
ここで、本実施形態で測定できる光量と測定にかかる時間について説明する。測定できる光量は、既述したように参照光４１に対し被測定光３１が１０^-5〜１０^-8である。この関係を満たせばどのような光量でも測定可能であるが、現実の問題として光量を大きくすることによる検出系（フォトダイオードおよびアンプ）の飽和が問題となる。したがって、参照光４１をレーザパルスとすると、条件により違いはあるが、典型値として１０⁸光子／パルス程度が望ましい。この場合、被測定光３１としては、１〜１０００光子／パルス程度のものが測定可能である。このように本実施形態では、１光子レベルでの被測定光３１の測定が可能であることが特長である。さらに、被測定光３１の光子数が多くなった場合には、可変ＮＤフィルター３８により減光することにより、ダイナミックレンジを大きくすることができる。測定時間としては、チャージアンプ６３の帯域が大きく影響する。入手し易い低ノイズアンプとして５ｋＨｚ帯域のものを使用し、統計的に十分な測定点数を１００００点とし、波長点数を１００点として見積もると、５分程度で１測定が可能となる。高帯域の検出系を採用すれば、さらに高速な測定が実現できる。
【００３５】
次に、参照光と被測定光のタイミングについて述べる。本実施形態では、参照光３１と被測定光４１とが時間的および空間的に一致することが重要である。それ故、被測定光３１のすべての情報を得るためには、参照光４１のパルス幅が被測定光３１のパルス幅と同じか大きくなくてはいけない。一方、参照光４１のパルス幅が被測定光３１のパルス幅より小さい場合には、参照光４１と重なった部分の分光特性のみが計測される。これを利用すると、参照光４１の発光時間タイミングを制御部５６により変化させることにより、被測定光３１の時間分解分光計測が可能になる。図１１に参照光３１および被測定光４１の時間タイミング例を示す。この例では被測定光３１のハッチング部分の分光特性が計測される。なお、図１１では説明の簡略化のため矩形波で表示したが、任意の時間形状が可能である。
【００３６】
このように本実施形態に係る分光装置１は、光学的に比較的簡単な構成である。また、分光装置１は、被測定光３１が微弱であって１光子レベル／パルス程度であっても、被測定光３１の分光特性を測定することができる。
【００３７】
（第２実施形態）
次に、本発明に係る分光装置の第２実施形態について説明する。図１２は、第２実施形態に係る分光装置における分光特性取得の原理を説明する図である。この図に示す原理は、被測定光３１の光量が大きい場合に適用するのに好適な計測法であって、図１に示したものとの相違点は、参照光が入力していたポートに真空場（複素振幅作用素ａ_vuc）が入力していることである。真空場とは、測定系を量子論的に扱う際に導入される量であり、平均複素振幅及び平均光子数それぞれがゼロで、直交振幅のゆらぎが１／４であり、あらゆる波長成分を持つという性質がある。本実施形態で利用する特徴だけを分かり易く言い換えると、真空場は、どのような波長で測定しても同じ値であり、その大きさは既知である。さらに、図１では参照光の振幅が被測定光に対して十分強いとしたが、今回は被測定光の振幅が真空場に対して十分強いことが相違点である。そのため、上記(2)式は、
【数５】

なる式に書き換えられる。ここでは被測定光がコヒーレント光であると仮定してある。
【００３８】
次に、被測定光が多くの波長成分を含む場合を考える。波長成分をλで表すと、差出力は
【数６】

なる式で表される。ここで、Ｒ，Ｔはそれぞれビームスプリッタ２１の反射率，透過率である。
【００３９】
上記(6)式の右辺の第２項は、被測定光のλ個の波長成分が真空場と干渉して生じる項であり、測定結果にλ個のピークとして得られる。このλ個のピークの高さは、波長成分の存在比に依存する。例えば図１３に示す２波長成分の被測定光の場合、例えば図１４のような結果が得られる。図１４の横軸は電圧出力値であり、縦軸は頻度である。この例では波長成分の存在比を１：０.６にしてある。２つのピークがそれぞれの波長成分の真空場に対応している。横軸は電圧出力値であるが、入力波長とＲ，Ｔとの関係から波長に換算できる。この例では右側が長波長側になっている。図１４は被測定光の分光特性と真空場とがコンボリューションしたものであるので、真空場でデコンボリューションすることにより、被測定光の分光特性を知ることができる。なお、ここでは被測定光の分光特性が不連続な場合を例にしたが、連続的な分光特性を持つものでも同様である。
【００４０】
本実施形態に係る分光装置の構成は、図５に示した構成のうち波長可変光源４０から光路遮断器４５に到るまでの各構成要素を取り除いたものであり、或いは、図５に示した構成において光路遮断器４５を閉じたままとしたものである。
【００４１】
図１５は、第２実施形態に係る分光装置を用いた測定の流れを示すフローチャートである。本２実施形態に係る分光装置を用いた測定の流れは、図１０に示されたものと類似しており、参照光側の光路遮断器４５を閉じたまま同様の測定を行うことにより、参照光側の光源４０を使わないことが特徴である。また、図１０では偏光ビームスプリッタ４８での参照光３１の分割比を１：１にするための調整をλ／２板３７によって行なったが、ここでは参照光側の光源４０を使わないため、λ／２板４７で行なうことが相違点である。
【００４２】
測定前の準備として、まず上記(6)式におけるビームスプリッタの各波長成分での反射率Ｒと透過率Ｔを測定しておく。また図１２では１つのビームスプリッタ２１で説明したが、本実施形態では２つの偏光ビームスプリッタ４６，４８とλ／２板４７との組み合わせを用いるため、ここでの反射率Ｒおよび透過率Ｔそれぞれは、これらの３つを組み合わせた総合的なものである。さらに、標準光源を被測定光３１とし、出力電圧値と波長との関係を別に求めておく。これらのデータは制御部５６に蓄えられ、調整及び演算に適宜使用される。
【００４３】
以下の説明では、被測定光３１の測定の流れは、図１０での説明と重複するところが多いので、適宜省略して説明する。参照光側の光路遮断器４５を閉じる（ステップＳ３１）。光路遮断器３９を開け、被測定光３１を入射する（ステップＳ３２）。グランテーラープリズム３５の調整（ステップＳ３３）、λ／２板３７の調整（ステップＳ３４）、λ／２板４７の調整（ステップＳ３５）、光量の調節（ステップＳ３６）、検出・統計処理（ステップＳ３７）での各操作は図１０で既述したものと同じである。被測定光３１の光量は、真空場が光子１個レベルであるので、１０⁸個／パルス程度にする。図１０との相違点は、図１０では参照光４１の波長を変えて測定を繰り返したが、本実施形態では、真空場はすべての波長成分を持っているため、参照光４１の波長を掃引することなしに、一度で全波長成分の分布を取得できることである。演算部５４では、既知の真空場、波長と出力電圧値との位置の関係から、被測定光３１の分光特性を演算し（ステップＳ３８）、その結果を表示部に表示する（ステップＳ３９）。
【００４４】
（第３実施形態）
次に、本発明に係る分光装置の第３実施形態について説明する。記述した第１実施形態および第２実施形態それぞれの分光装置は、被測定光がパルス光である場合の構成であったが、本実施形態に係る分光装置は、被測定光が連続光である場合の構成である。
【００４５】
図１６は、第３実施形態に係る分光装置２の構成図である。この図１６では、図５に示した構成部品と同様のものには同じ符号を付している。本実施形態に係る分光装置２の構成は、図５に示した構成と略同様であるが、被測定光３１の経路にあるコリメートレンズ３４の後方にチョッパー８１が設けられている点で相違する。測定の動作は第１実施形態と略同様であるが、フォトダイオード５１からの信号の代わりに、チョッパー８１による繰り返し周波数に同期して参照光４１は出射される。同様に、検出部５３でのＡＤコンバーターのトリガ信号６６もチョッパー８１による繰り返し周波数に同期している。チョッパー８１により、連続光である被測定光３１はパルス変換されるため、第１実施形態と同様の構成で被測定光３１の分光特性を計測できる。
【００４６】
（第４実施形態）
次に、本発明に係る分光装置の第４実施形態について説明する。本実施形態に係る分光装置も、被測定光が連続光である場合の構成である。本実施形態に係る分光装置の構成は、図５に示した構成と略同様であるが、検出部５３の回路構成が相違する。
【００４７】
図１７は、第４実施形態に係る分光装置の検出部５３の構成図である。この図１７では、図６に示した構成部品と同様のものには同じ符号を付している。本実施形態では、フォトダイオード６１，６２からの差出力は、チャージアンプ６３で電荷増幅され、ある時間間隔での積算電荷を得るために、積算時間に対応するリセット信号９１がチャージアンプ６３に入力される。このリセット信号９１により、チャージアンプ６３の電荷増幅がリセットされ、決められた積算時間における電荷が整形アンプ６４に送られる。図６での説明と同様に、ＡＤコンバーター６５にトリガ信号６６が入力されるが、トリガ信号６６は、リセット信号９１と同期している。リセット信号９１およびトリガ信号６６は制御部５６から送られ、その時間タイミングは制御部５６で制御される。図１８にフォトダイオード６１，６２からの差出力、リセット信号９１、チャージアンプ６３出力それぞれのタイムチャートを示す。この場合には、積算時間がリセット信号９１のパルス周期Ｔである。第１実施形態ではパルス幅が積算時間に対応していたので、本実施形態でも同様の方法で被測定光３１の分光特性を計測できる。
【００４８】
（第５実施形態）
次に、本発明に係る分光装置の第５実施形態について説明する。本実施形態に係る分光装置も、被測定光が連続光である場合の構成である。本実施形態に係る分光装置の構成は、図５に示した構成と略同様であるが、検出部５３の回路構成が相違する。
【００４９】
図１９は、第５実施形態に係る分光装置の検出部５３の構成図である。この図１９では、図６に示した構成部品と同様のものには同じ符号を付している。本実施形態では、フォトダイオード６１，６２からの差出力は、電流アンプ９２に入力し増幅される。電流アンプ９２からの出力はＡＤコンバーター６５でＡＤ変換され、演算部５４に送られる。演算部５４ではＡＤ変換されたデータをある時間間隔で積算し、統計処理をソフト的に行う。それ以降は第１実施形態での工程と同じである。
【００５０】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明に係る分光装置は、光学的に比較的簡単な構成である。また、この分光装置は、被測定光を量子として扱うレベル（すなわち光子レベル）での分光特性を測定することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態に係る分光装置における分光特性取得の原理を説明する図である。
【図２】被測定光の波長特性の一例を示す図である。
【図３】波長λ₁の参照光を用いた場合に得られる分布の一例を示す図である。
【図４】波長λ₂の参照光を用いた場合に得られる分布の一例を示す図である。
【図５】第１実施形態に係る分光装置１の構成図である。
【図６】第１実施形態に係る分光装置１の光検出部５３の構成図である。
【図７】第１実施形態に係る分光装置１の光検出部５３における２つのフォトダイオードの設置接続例を示す図である。
【図８】第１実施形態に係る分光装置１の光検出部５３における波形整形アンプ６４からの出力パルス７１およびトリガ信号６６それぞれの波形の一例を示す図である。
【図９】第１実施形態に係る分光装置１における参照光４１の光学系の調整の際に得られる分布を示す図である。
【図１０】第１実施形態に係る分光装置１を用いた測定の流れを示すフローチャートである。
【図１１】参照光３１および被測定光４１の時間タイミング例を示す図である。
【図１２】第２実施形態に係る分光装置における分光特性取得の原理を説明する図である。
【図１３】被測定光の波長特性の一例を示す図である。
【図１４】真空場を用いた場合に得られる分布の一例を示す図である。
【図１５】第２実施形態に係る分光装置を用いた測定の流れを示すフローチャートである。
【図１６】第３実施形態に係る分光装置２の構成図である。
【図１７】第４実施形態に係る分光装置の検出部５３の構成図である。
【図１８】第４実施形態に係る分光装置の検出部５３における、フォトダイオード６１，６２からの差出力、リセット信号９１、チャージアンプ６３出力それぞれのタイムチャートである。
【図１９】第５実施形態に係る分光装置の検出部５３の構成図である。
【図２０】光スペクトルアナライザーの構成図である。
【図２１】ヘテロダイン分光装置の構成図である。
【符号の説明】
１，２…分光装置、３１…被測定光、３２…入射端子、３３…光ファイバー、３４…コリメーターレンズ、３５…グランテーラープリズム、３６…ビームサンプラー、３７…λ／２板、３８…可変ＮＤフィルター、３９…光路遮断器、４０…波長可変光源、４１…参照光、４２…コリメーターレンズ、４３…グランテーラープリズム、４４…λ／２板、４５…光路遮断器、４６…偏光ビームスプリッタ、４７…λ／２板、４８…偏光ビームスプリッタ、４９，５０…反射ミラー、５１，５２…フォトダイオード、５３…光検出部、５４…処理部、５５…表示部、５６…制御部、６１，６２…フォトダイオード、６３…チャージアンプ、６４…波形整形アンプ、６５…ＡＤコンバーター、８１…チョッパー、９２…電流アンプ。

Claims

被測定光を入力し２分岐して第１の光および第２の光とする分岐部と、
前記第１の光および前記第２の光それぞれを受光して、両者の強度の差を検出する光検出部と、
前記光検出部により繰り返し検出された強度差の頻度の分布を求め、この分布に基づいて前記被測定光のスペクトルを求める処理部と、
を備えることを特徴とする分光装置。
波長が可変の参照光を出力する波長可変光源と、前記被測定光と前記参照光とを合波する合波部と、を更に備え、
前記分岐部が前記合波部により合波された前記被測定光と前記参照光とを２分岐し、
前記処理部が前記光検出部により繰り返し検出された強度差の頻度の分布に基づいて前記被測定光のうち前記参照光の波長と同じ波長成分の強度を求める、
ことを特徴とする請求項１記載の分光装置。
前記光検出部は、前記第１の光を受光する第１のフォトダイオードと、前記第２の光を受光する第２のフォトダイオードとを有し、前記第１のフォトダイオードのカソードと前記第２のフォトダイオードのアノードとが接続されており、当該接続点より前記第１の光および前記第２の光それぞれ強度の差を出力する、ことを特徴とする請求項１記載の分光装置。
被測定光を入力し２分岐して第１の光および第２の光とし、
前記第１の光および前記第２の光それぞれを受光して、両者の強度の差を繰り返し検出し、
この検出された強度差の頻度の分布を求め、この分布に基づいて前記被測定光のスペクトルを求める、
ことを特徴とする分光方法。
波長が可変の参照光を波長可変光源より出力して、前記被測定光と前記参照光とを合波し、
この合波された前記被測定光と前記参照光とを２分岐して前記第１の光および前記第２の光とし、
前記第１の光および前記第２の光それぞれを受光して、両者の強度の差を繰り返し検出し、
この検出された強度差の頻度の分布を求め、この分布に基づいて前記被測定光のうち前記参照光の波長と同じ波長成分の強度を求める、
ことを特徴とする請求項４記載の分光方法。