JP2001165773A - 分光装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】受光素子の受光部面積を小さくできるように
し、かつ焦点距離の短い集光レンズを使用できようにし
て、分光装置の小型化を図る。 【解決手段】被測定光１をコリメートレンズ４を経て、
格子が時間的に移動しない第１の回折格子６に入射し回
折させ、この回折光を集光レンズ８を経て格子が時間的
に移動する第２の回折格子１０に入射し偏向させて、被
測定光１の光スペクトルを受光素子１４にて検出する構
成の分光装置とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は分光装置、特に回折
格子を２つ有する分光装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】波長分割多重（ＷＤＭ）方式による光通
信システムは、大容量のデータ伝送を実現するものとし
て期待されている。このＷＤＭ方式の光通信システムで
は、複数の異なる波長の光信号を多重化して光伝送路を
通じて伝送するため、この光通信システムに固有の障害
が発生する。例えば、複数の波長の光信号のうち１波長
の光信号が伝送されなかったり、各光信号間で光量が不
均一となって、ある波長の光信号は充分な光量と高ＳＮ
比であり充分受信できるが、他の波長の光信号は光量不
足と低ＳＮ比で受信不能になったり、また各光信号の波
長がドリフトしたりする障害が発生する。

【０００３】これらの障害を検知する装置がいくつか提
案されている。例えば、図８に示すような単純なポリク
ロメータ光学系で構成した光スペクトラム・アナライザ
がある。このアナライザは、光ファイバ２を通して入射
した被測定光がコリメートレンズ４で平行光とされ、こ
の平行光が回折格子５により回折後、集光レンズ８によ
り集光されて、複数の受光部からなるアレイ素子１５に
よって受光される分光装置である。そして、各受光部の
出力と光パワー分布とから光の波長を補正して求めるこ
とができ、さらに全光パワーを測定できる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の光
スペクトラム・アナライザは、機械的可動部を有しない
ため、装置の長期安定性や信頼性に優れ、高速測定がで
きる反面、下記のように性能、サイズなどの面でそれぞ
れ問題があった。すなわち、高ＳＮ比を達成するため
に、アレイ素子部での波長分散量を大きくする必要があ
り、このために長焦点距離の集光レンズを使用してい
た。さらにアレイ素子の集光面でのビーム集光性をよく
するために色収差などの小さい高品質な集光レンズを必
要としていた。これら長焦点距離や高品質のレンズの使
用のため、装置の小型化が妨げられていた。

【０００５】さらに、アレイ素子は多数の受光部から構
成されているために、生産性もよくなかった。また、受
光部の数に比例して信号用の多くの出力ラインも必要と
なりこれらが複雑に絡みあうこと、さらに受光部のサイ
ズが小さいため電荷蓄積方式による読み出しが行われて
いるが、この方式の信号処理回路はＣ−ＭＯＳトランジ
スタからなるシフトレジスタ、チャージアンプ、ホール
ドなどの回路を含んでおり複雑な構成となる問題があっ
た。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するためになされたものであり、複数の異なる波長
の光を含む被測定光をそれぞれが固定して設置された第
１の回折格子および第２の回折格子にこの順に透過さ
せ、被測定光の光スペクトルを検出する分光装置であっ
て、第１の回折格子は前記被測定光を回折して波長が非
連続的な分散光とするため格子が時間的に移動しない回
折格子であり、第２の回折格子は前記分散光を波長の順
に、かつ時系列的に偏向させるため格子が時間的に移動
する回折格子であることを特徴とする分光装置を提供す
る。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明の分光装置は、回折格子
（第１の回折格子）を使用した上記の光スペクトル光ス
ペクトラム・アナライザの測定光路の途中に、格子が時
間的に移動する第２の回折格子を配置したものである。
この第２の回折格子として、例えば、音響光学光変調素
子があり、この音響光学光変調素子を用いて、第１の回
折格子により回折された分散光を波長の順に、かつ時系
列的に偏向させる機能を有している。その結果、被測定
光に含まれる情報（光信号）を時間の関数として検出で
きる。

【０００８】従来は、被測定光に含まれる情報を時間の
関数ではなく、アレイ素子の受光面の位置の関数として
検出していたために、高い波長分解能を達成するために
は多数の受光部を有したアレイ素子を必要とし、前述の
ように装置が大型となっていた。

【０００９】また、音響光学光変調素子の場合、集光し
て入射する被測定光に対し偏向光強度が入射角に依存す
る。このために、被測定光中の光信号の大部分が良好に
偏向されるための回折条件を満足している主信号は、効
率よく回折される。すなわち、高ＳＮ比を達成できる。
これに対し大部分が回折条件を満足していないノイズ信
号は、効率よく回折されない。

【００１０】本発明では、従来と同等のＳＮ比を達成す
るために必要な分散量は、情報を時間の関数として検出
できるため、従来より小さくでき、焦点距離の短い集光
レンズを使用できるため装置の小型化が実現できる。ま
た、音響光学光変調素子の場合は電気信号により発生し
た超音波を高速に伝搬するので、分散光（光スペクト
ル）を高速に短時間で検出できる。

【００１１】以下、本発明の実施の形態を図１に従って
詳細に説明する。ＷＤＭ伝送ネットワークなどにおけ
る、図示しない主光路から取り出された信号光の一部で
ある被測定光１は、光ファイバ２によってこの分光装置
へ導入される。ここで被測定光１は、上述のように複数
の波長の光を含んでいる。

【００１２】被測定光１は、コリメートレンズ４により
平行光とされ第１の回折格子６に入射される。この第１
の回折格子６として、１ｍｍあたり数百から数千の等間
隔の刻線を有し、１辺の長さが数ｃｍ程度の方形をした
回折格子が多く用いられている。回折格子６に入射した
被測定光１は、これら高密度の刻線によって波長に応じ
た回折を受けながら分散し、集光レンズ８に向かって伝
搬していき、被測定光１の分散光は各々の波長に応じた
受光素子１４上の受光面位置に集光する。

【００１３】被測定光１の集光位置に設置した第２の回
折格子１０は、その回折格子の格子形成方向（格子の並
んでいる方向）を、例えば光スペクトルの分散方向と一
致させているため、この回折格子上に集光した被測定光
を時系列的に回折させることができる。さらに第２の回
折格子１０により偏向された被測定光１はその偏向成分
のみを受光するように、開口部を有した空間フィルタ１
２および受光素子１４を配置し、受光素子１４に到達し
た時刻に対応した光の波長と光パワーが測定される。

【００１４】ここで、偏向成分とは第２の回折格子によ
って偏向された被測定光の部分をいう。すなわち、被測
定光が第２の回折格子に入射して回折により偏向される
とき、被測定光の全てが偏向されるのでなく偏向されず
に透過するものもあり、偏向されたものを偏向成分とい
い、偏向されなかったものを非偏向成分という。

【００１５】本実施の形態では、第２の回折格子１０と
して音響光学光変調素子を使用するものとして説明す
る。音響光学光変調素子は図２に示すように、電気信号
を機械的な信号に変換する圧電体１６および圧電体１６
の機械的な振動を超音波１７に変換して伝搬する伝播媒
体１８よりなる。通常、この圧電体１６には電気機械変
換効率の大きなニオブ酸リチウムなどを使用でき、伝搬
媒体１８にはモリブデン酸鉛や二酸化テルルなどの結晶
材料、またはカルコゲナイドや石英などのガラス材料を
使用できる。

【００１６】本発明における音響光学光変調素子の駆動
方法、配置について図３を用いて説明する。圧電体に印
加する駆動ＲＦパワーは、ＲＦ信号源２６からの例えば
矩形状のパルスとし、圧電体面２０で発生したパルス状
超音波によって形成された回折格子領域２２ａ、２２
ｂ、２２ｃは圧電体面２０に対向したテーパ面２４に向
かって伝搬し、テーパ面２４で散乱される。また被測定
光１ａ、１ｂ、１ｃは回折格子領域２２ａ、２２ｂ、２
２ｃのそれぞれ対応する領域により偏向される。

【００１７】本発明においては、音響光学光変調素子
は、光の波長に応じて分散した被測定光のすべてをその
回折格子領域２２ａ、２２ｂ、２２ｃ中に含む素子の形
状および大きさを有している。図３では３つの回折格子
領域しか記載されていないが、実際は信号光の数だけ
の、例えば４０の回折格子領域がある。図３に示すよう
に被測定光は、圧電体面２０に近い被測定光１ａから順
次１ｂ、１ｃと時系列的に、それぞれの回折格子領域２
２ａ、２２ｂ、２２ｃによって偏向されることとなり、
受光素子にも時系列的に偏向成分が到達し受光される。

【００１８】印加するパルス状のＲＦパワーのパルス周
期、パルス幅は、下記のようにして決められる。まず、
最初の被測定光１ａにパルスを入射しこれを偏向し、そ
の後被測定光１ｂ、被測定光１ｃと順次偏向して、被測
定光１ａに戻って次の偏向を開始するまでの時間間隔を
パルス周期と定める。

【００１９】次に、パルス幅Ｔ_wは必要な波長分解能Ｒ
_λより次のようにして定まる。すなわち、隣接する被測
定光間の波長間隔である最小波長間隔をΔλ、被測定光
の波長分散量をｄとすると、波長分解能Ｒ_λは、Ｒ_λ＝
Δλ・Ｔ_w・Ｖ／ｄとなる。ここで、伝搬媒体中の超音
波伝搬速度をＶとした。この式より、パルス幅Ｔ_wが定
まる。図３に示すそれぞれの被測定光１ａ、１ｂ、１ｃ
と図４のそれぞれの受光パワー３ａ、３ｂ、３ｃとが対
応している。

【００２０】音響光学光変調素子の伝搬媒体の必要な大
きさについて、媒体中の超音波伝搬方向と被測定光の分
散方向（被測定光１ａ、１ｂ、１ｃの中心を結ぶ直線の
方向）とのなす角度θ（図５参照）を変化させて、具体
的に考察する。図５で１ａ’、１ｂ’、１ｃ’は被測定
光１ａ、１ｂ、１ｃのそれぞれの偏向成分、１４は受光
素子を、２６はＲＦ信号源を表わす。

【００２１】角度θが例えば、超音波伝搬方向と被測定
光の分散方向が一致するθ＝０度のときは、被測定光１
ａ、１ｂ、１ｃが超音波伝搬方向である横方向に並び、
その方向に全分散量Ｄ以上の媒体の長さ（図５の横方
向）が必要であり、さらに回折格子領域の幅Ｗ（超音波
伝搬方向に対し垂直方向の長さ）は被測定光の集光径２
ｗ₀程度は必要であり、集光径２ｗ₀以上の伝搬媒体の幅
（図５の縦方向）が必要となる。ここで、全分散量Ｄと
は波長分散量ｄを全ての波長について加え合わせたもの
である。

【００２２】また、超音波伝搬方向と被測定光の分散方
向が直交するθ＝９０度に近づくと回折格子領域の幅Ｗ
が全分散量Ｄに近づき、超音波伝搬方向へは集光径２ｗ
₀以上の媒体の長さ（図５の横方向）が必要となる。さ
らに正確にいえば、圧電体面の近くでは圧電体の振動に
よる発熱のため被測定光の偏向方向が不安定となるの
で、被測定光は圧電体面から数ｍｍ程度離れた媒体中の
位置に入射させる。このため、超音波伝搬方向の集光径
２ｗ₀にこの数ｍｍを加えた長さ（図５の横方向）以上
に媒体の長さが必要である。

【００２３】音響光学光変調素子へ入射する被測定光の
光量に対する偏向成分光の光量の比である偏向効率が透
過光があるため１００％ではないこと、光の波長に応じ
て分散した複数の被測定光（分散光）の全てを充分に分
離させる必要があることのために、偏向素子としての音
響光学光変調素子による偏向角度Θは数度以上が望まれ
る。

【００２４】この偏向角度Θは、１つの被測定光の波長
をλ、音響光学光変調素子へ印加する電気信号（電圧）
の駆動周波数をｆ、伝搬媒体中の音速をＶとすると、Θ
＝ｆ×λ／２Ｖとなる。この偏向角度Θを大きくするた
めに、音響光学光変調素子に印加する駆動周波数はでき
るだけ大きくし、使用した伝搬媒体は超音波速度の比較
的遅いものを選択した。

【００２５】しかし、駆動周波数を大きくすると伝搬媒
体の超音波吸収量が大きくなり、被測定光の入射位置に
依存して偏向効率に差が生じる。すなわち、圧電体の近
くでは偏向される光量が大きいが圧電体から離れると光
量は小さくなる。したがって、分光装置では波長によっ
て伝搬媒体への入射位置が異なるため、光量が波長の大
きさに依存する。この依存性があると分光装置の光量ダ
イナミックレンジが制限され、したがって駆動周波数を
大きくすることは好ましくない。

【００２６】また、音響光学光変調素子を特定の駆動Ｒ
Ｆパワーで駆動し高い偏向効率を達成するためには、相
互作用長Ｌと回折格子領域の幅Ｗとの比Ｌ／Ｗを大きく
する必要があるが、伝搬媒体の小型化のために相互作用
長Ｌは制限される。ここで、相互作用長Ｌとは、被測定
光が伝搬媒体を透過する透過方向成分とパルス状超音波
との相互作用をする長さである。

【００２７】一方、回折格子領域の幅Ｗを小さくするこ
とにより、偏向効率は高くなるが前述の角度θは小さく
なる。すなわち、角度θが小さくなると偏向効率は高く
なる長所があるが、図５の例えば被測定光１ｂと偏向成
分１ａ’とが重なって測定にノイズ加算される短所とな
る可能性が高まる。

【００２８】他方、角度θを大きくする長所もある。図
５に示すように受光素子１４（受光素子は音響光学光変
調素子に設置されているのではなく、音響光学光変調素
子から離れて背後に配置されている）の伝搬媒体上への
射影像の長手方向を超音波伝搬方向に対し角度θをなす
ように配置する。この射影像の長手方向の中心線（偏向
成分１ａ’、１ｂ’、１ｃ’の中心を結ぶ線）と非偏向
成分（１ａ、１ｂ、１ｃ）との分離量Ｚは、超音波伝搬
方向への分離量（１ｃと１ｃ’の中心間距離）をＹとす
るとＺ＝Ｙｓｉｎθとなる。

【００２９】この式より、角度θの増加に伴い超音波伝
搬方向への分離量Ｙに対し、分離量Ｚは大きくでき、偏
向成分（１ａ’、１ｂ’、１ｃ’）と非偏向成分（１
ａ、１ｂ、１ｃ）とが充分に分離できる。したがって、
角度θを大きくするか、または小さくするかの選択は、
偏向効率が高いことを優先するか、または偏向／非偏向
成分の分離が大きいことを優先するかの選択となる。

【００３０】以上の高偏向効率と偏向／非偏向成分との
分離大の両立性を考慮し、一つの例として角度θ＝３０
度を選択した。次に音響光学光変調素子の偏向成分の強
度について検討する。一般に音響光学光変調素子におい
ては、被測定光の回折光強度は図６の例に示すように、
伝搬媒体への入射角に強く依存する。本発明における構
成では、図７に示すように、音響光学光変調素子１０へ
入射する被測定光１ａ、１ｃは収束光となっているた
め、種々の入射角成分を含んでいる。これら入射角成分
うち一部の入射角成分のみが、圧電体１６によって伝搬
媒体１８中に形成される回折格子領域２２によって高効
率に偏向される。

【００３１】すなわち、ブラッグの回折条件を満たす入
射角θ₁成分のみを強く偏向し、この条件からずれた入
角度成分はそのずれ量に応じて偏向効率が低くなる。複
数の被測定光のうち主信号光はこうしたブラッグの回折
条件を満たす角度成分を多く含むのに対し、ノイズ信号
光は回折条件を満足する角度成分が少ない。この結果、
音響光学光変調素子により偏向された被測定光は、主信
号光とノイズ信号光との強度比であるＳＮ比を大きくで
きる。

【００３２】例えば、被測定光が最小波長間隔の場合の
分散量が３００μｍのとき、従来の単純なポリクロメー
タ光学系においてＳＮ比はおよそ３０ｄＢ程度であっ
た。本発明による分光装置では、同じ条件下でＳＮ比を
３３ｄＢにまで改善することができた。また同一のＳＮ
比３０ｄＢを達成するための分散量は３００μｍ（従
来）から２５０μｍ（本発明）まで低減でき、集光レン
ズの焦点距離を２５％短くできた。これにより、全体構
成の体積は６０％に小型化できた。また、音響光学光変
調素子は電気信号により発生した超音波を高速に伝搬す
るので、入射した被測定光を高速に短時間で偏向し検出
できる。

【００３３】

【発明の効果】以上説明したように、２つの回折格子を
備えた本発明の分光装置においては、第１の回折格子の
格子は時間的に移動せず、第２の回折格子の格子は時間
的に移動するため、被測定光の情報を時間の関数として
時系列的に取り出すことができるので受光素子の受光部
面積は小さくてよく、また焦点距離の短い集光レンズが
使用できるので装置の小型化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の分光装置の１例を示す構成図。

【図２】本発明において使用する音響光学光変調素子の
構成を示す概念図。

【図３】本発明における音響光学光変調素子と入射する
被測定光との関係を示す概念図。

【図４】本発明における音響光学光変調素子へ入射する
被測定光の偏向タイミングがよく合っている例を示す概
念図。

【図５】本発明における音響光学光変調素子と、被測定
光と、受光素子との関係を示す透過平面図。

【図６】音響光学光変調素子の回折光強度の入射角依存
性の１例を示すグラフ。

【図７】本発明における音響光学光変調素子へ入射する
収束光である被測定光が主信号、ノイズ信号となる様子
を説明する概念図。

【図８】従来の分光装置の１例を示す概念的な平面図。

【符号の説明】 １、１ａ、１ｂ、１ｃ：被測定光 ２：光ファイバ ４：コリメートレンズ ６：第１の回折格子 ８：集光レンズ １０：第２の回折格子 １２：空間フィルタ １４：受光素子 １５：アレイ素子 １６：圧電体 １８：媒体 ２０：圧電体面 ２２：回折格子領域 ２４：テーパ面 ２６：ＲＦ信号源

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の異なる波長の光を含む被測定光をそ
   れぞれが固定して設置された第１の回折格子および第２
   の回折格子にこの順に透過させ、被測定光の光スペクト
   ルを検出する分光装置であって、 第１の回折格子は前記被測定光を回折して波長が非連続
   的な分散光とするため格子が時間的に移動しない回折格
   子であり、第２の回折格子は前記分散光を波長の順に、
   かつ時系列的に偏向させるため格子が時間的に移動する
   回折格子であることを特徴とする分光装置。
2. 【請求項２】第２の回折格子が音響光学光変調素子であ
   り、前記音響光学光変調素子がパルス状の電気信号によ
   って駆動される請求項１に記載の分光装置。