JP2001208608A

JP2001208608A - 波長測定器

Info

Publication number: JP2001208608A
Application number: JP2000017064A
Authority: JP
Inventors: Minoru Maeda; 稔前田
Original assignee: Ando Electric Co Ltd
Current assignee: Ando Electric Co Ltd
Priority date: 2000-01-26
Filing date: 2000-01-26
Publication date: 2001-08-03

Abstract

(57)【要約】【目的】単一モードで発振する光源の波長変化を測定
する波長測定器において、可動機構が無く、小型で、光
軸調整の容易な波長変化測定器の提供。【構成】入力部からの入射光を平行光に変換するレン
ズと、レンズからの平行光が入射する第１反射面と第２
反射面とから構成されるエタロン干渉計に一往復すると
光ビーム面の半分がλ0／４の光路差を発生させる光学
手段を備え、前記エタロンを透過する平行光のλ0／４
の光路差が発生している光軸面で２分岐させる反射プリ
ズムと、反射プリズムで分岐された光を受光する第１受
光器と第２受光器と、第１受光器と第２受光器からの光
強度変化を計数して入射光の波長変化量を出力する信号
処理手段とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば光計測技
術分野で使用する単一モードで発振する光源の波長変化
を測定する波長測定器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】単一モード発振するＤＦＢ−ＬＤ(Distr
ibuted FeedBack - Laser Diode)光源やＤＢＲ−ＬＤ(D
istributed Bragg Reflector - Laser Diode)光源は、
波長が長期的にドリフトする問題点があり、高密度ＷＤ
Ｍ(Wavelength Division Multiplexing)システムには、
光源の波長を随時測定し、制御する必要がでてきた。

【０００３】また最近は、回折格子を使用した外部共振
器型波長可変光源が実用化され、光学部品の波長特性測
定などに多く使用されている。しかし、外部共振器型波
長可変光源は、広範囲（１００ｎｍ以上）の波長帯で任
意に波長を設定できるが、外部の影響も受けやすく、特
に温度変化で発振波長が変化してしまう問題点がある。
さらに、高密度ＷＤＭシステムの高精度化に伴って、波
長可変光源の波長高確度化が必要となっている。

【０００４】そこで、光源の波長を測定する各種の波長
測定装置が開発されている。従来技術で最も一般的な波
長測定装置は、光スペクトルアナライザなどの分光装置
であり、回折格子を可動機構部で回転させて波長スペク
トルを測定している。しかし、可動機構部があるため装
置が大型になり、かつ高価になるなどの問題点がある。
そのため、可動機構部の無い構造で小型・低価格の波長
測定装置が提案されている。

【０００５】ＤＦＢ−ＬＤ光源の波長制御用に波長ロッ
カーと呼ばる波長測定装置が開発されている。この波長
測定装置は、干渉膜を使用したフィルターや回折格子な
どの波長分散部品を使用した構造である。この波長ロッ
カーと呼ばれる波長測定装置は、機構的可動部が無いた
め信頼性が高く、装置の小型化が可能であり、大規模な
ソフト処理もいらないので、ＤＢＦ−ＬＤ光源などの殆
ど波長可変しない光源の波長を制御するには良い。しか
し、使用する波長分散部品やフィルターなどの特性で測
定波長範囲が決定しまうので、１００ｎｍ以上の波長可
変が得られる外部共振器型波長可変光源などの波長測定
・制御には、使用できない問題がある。

【０００６】ある程度広い波長範囲（数十ｎｍ程度）を
測定できる波長測定装置として、特願平１０−１７３４
６号「波長測定装置」の波長測定装置が提案されてお
り、そのブロック構成図を図４に示す。この波長測定装
置は、入力ファイバ、、分光手段としての回折格子、分
岐手段としての反射プリズム、２個の受光器、信号処理
部などから構成される。入力ファイバから出射した測定
光は、平行光に変換され、平行に対向配置された溝間隔
の等しい２つの回折格子に入射し、回折された後、直角
プリズムへ照射される。反射プリズムは、回折された平
行光を２分岐し、２分岐された測定光は、第１受光器と
第２受光器に入射する。両受光器に入射した光は、光強
度に応じた電流を信号処理部に出力し、信号処理部は、
両受光器からの光強度を比較処理して、波長データを出
力する。この波長測定装置は、数十ｎｍの波長範囲が測
定可能であるが、測定可能な波長範囲で特性は線形では
無く、中心波長と短長波長側では測定分解能が異なる問
題がある。また、可動機構部が無いのである程度の小型
化が可能であるが、回折格子２個を対向配置する必要が
あり、更なる小型化には不向きである。

【０００７】さらに、その他の波長測定装置として、
（特願平１１−３４６９７号）「波長変化測定器」が提
案されており、そのブロック構成図を図５に示す。この
波長変化測定器は、入力ファイバ、平行光変換用レン
ズ、第１分岐手段としての光分岐器、第１反射器と段差
ｄ＝λ0／８がある第２反射器、第２分岐手段としての
反射プリズム、第１受光器と第２受光器、両受光器から
の信号を処理する信号処理部などから構成される。入力
ファイバから射出して平行光に変換された測定光は、射
出光軸上に配置された第１の分岐手段としての光分岐器
に入射し、第１反射器側と第２反射器側に２分岐され
る。第１反射器と第２反射器は、光分岐器で分岐された
各分岐平行光の光路に垂直に配置されており、分岐平行
光が同一光路で再度光分岐器に反射するするように光軸
調整されている。そして、第２反射器は、段差ｄ＝λ0
／８がある平面反射器であり、第２反射器で反射して一
往復すると光ビーム面の半分がλ0／４の光路差を発生
する。（λ0は、測定波長範囲の中心波長の値であり、1
550nmなどの値になる。）第１反射器と第２反射器で反射されて光分岐器に再度入
射した平行光は、合波されて、第２の分岐手段としての
反射プリズムに照射する。反射プリズムは、λ0／４の
光路差が発生している光軸面と反射プリズムのエッジ先
端面とが一致するように配置されているので、合波され
て照射された平行光は、反射プリズムのエッジ先端面で
分岐され、分岐光軸上に配置された第１受光器と第２受
光器に入射する。両受光器に入射した光は、光強度に応
じた電流を信号処理部に出力し、信号処理部は、両受光
器からの光強度を比較処理し、波長データを出力する。

【０００８】この波長測定器の基本構成は、マイケルソ
ン干渉計であるため、得られる波長に対する光強度変化
は、下記（１）式で示される。Ｉ=RBS・TBS・[R1+R2＋2・√R1・√R2・cos{4・π・n・(L1-L2)/λ}]・・・（１）ここで、Ｉは受光器で受光される規格化された光強度、
λは光源から入射される光の波長、ｎは屈折率、Ｌ1と
Ｌ2はマイケルソン干渉計の光分岐器中心から第１反射
器および第２反射器までの距離である。そして、この第
２反射器には、ｄ＝λ0／８の段差があるため、光分岐
器と第２反射器までの距離は、Ｌ2とＬ2＋ｄで示される
距離が存在する。

【０００９】図６に、第１受光器と第２受光器に入射す
る波長に対する光強度変化を示す。ｄ＝λ0／８の段差
軸で分かれる両面で光路差がλ0／４が発生し、第１受
光器と第２受光器での光強度Ｉは、図６に示されるよう
な位相がπ／２ズレた特性が得られる。この波長測定器
は、回折格子２個を使用した構造より、小型化が可能で
ある。また、π／２位相ズレのある周期的な干渉光強度
が得られるので、波長変化方向と変化量を計数すること
で波長変化が測定できる。そして、一方の受光器の光強
度変化率が小さい波長では、もう一方の受光器の光強度
変化率が大きくなるため、波長による測定分解能の低下
が無いなどの特徴がある。しかし、光学部品の部品数が
多く、マイケルソン干渉計を組み立てるため光軸調整が
難しいなどの問題がある。

【００１０】また、その他の波長測定装置として、特開
平１０−３３９６６８号公報「光波長計及び光波長調整
装置」が提案されており、前記公開公報記載の第１実施
例のブロック構成図を図７に、同じく第２実施例のブロ
ック図を図８に示す。第１実施例では、第１分岐手段と
しての第１光分岐器、第１受光器、第２分岐手段として
の第２光分岐器、第１エタロンと第２エタロン、第２受
光器と第３受光器、各受光器からの信号を処理する信号
処理部などから構成される。第１光分岐器で分岐された
一方の平行光は、第１受光器に入射され入力光の光強度
の正規化に使用され、もう一方の平行光は、第２光分岐
器に入射される。第２光分岐器でさらに２分岐された各
々の平行光は、第１エタロンと第２エタロンを透過し
て、第２受光器と第３受光器に入射する。そして、第１
エタロンと第２エタロンでは、干渉光強度にπ／２の位
相推移を生じさせるように光学的厚さが異なっている。

【００１１】第２実施例では、偏光子、第１分岐手段と
しての光分岐器、第１受光器、遅延板、偏光ビームスプ
リッタ、第２受光器と第３受光器、各受光器からの信号
を処理する信号処理部などから構成される。この第２実
施例の構造では、第１実施例の２個のエタロンの代わり
に、第１の偏光軸を備えた光に対する「高速軸」と第２
の偏光軸を備えた光に対する「低速軸」を備えた遅延板
または波長板などの単一複屈折光学部品が使用されてい
る。この「高速軸」と「低速軸」を備えた遅延板は、偏
光が高速軸と平行な光に対して、偏光が低速軸と平行な
光をπ／４だけ遅延させる。遅延板は、第２の偏光を備
えた光に関して、第１の偏光を備えた光のπ／４の位相
推移に対応するλ0／８の遅延を生じさせるように選択
される。各受光器は、それぞれに受光した光強度によっ
て決まる電流を発生し、信号処理回路に出力する。信号
処理部は、演算増幅器やデータ・プロセッサなどから構
成され、各受光器の光強度を比較処理し、波長データを
出力する。この光波長計は、光学部品を減少でき、寸法
を小型化することが可能になり、また光軸調整が容易な
構成が可能になると述べている。

【００１２】しかし、この光波長計で物理的に分離した
エタロンを使用した構成では、エタロンへの入射角度が
わずかにズレても、共振波長が変化していまうので、λ
0／８だけ光学的厚さの異なるエタロンを使用しても、
希望するπ／２の位相推移を持った共振波長に合わすよ
うに光軸調整を行うのは非常に困難である。また、複屈
折光学部品を使用した構造では、エタロンで得られる狭
い波長範囲での周期的な特性は得られないなどの問題点
がある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、単一モー
ドで発振する光源の波長変化の測定において、可動機構
部が無く、小型で、組立て・光軸調整の容易な波長測定
器を提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、入力部からの入射光を平行
光に変換する光学素子と、前記光学素子からの平行光が
入射する第１反射面と第２反射面とから構成されるエタ
ロン干渉計の光学系を備えた波長測定器において、エタ
ロン干渉計を一往復すると光ビーム面の半分がλ0／４
の光路差を発生させる光学手段と、λ0／４の光路差が
発生している光軸面で２分岐させる反射プリズムと、反
射プリズムで２分岐された光を、受光する第１受光器と
第２受光器と、第１受光器と第２受光器の光強度変化を
計数処理する信号処理手段とを備えた構成とした。この
請求項１記載の発明によれば、光学部品が少ないので、
光学ベース台が小さくて良く、波長測定器の小型化が可
能となる。そして、光学ベース台全体をペルチェ素子な
どを使用して温度制御が可能になるので、再現性の良い
測定が可能となる。従来技術の物理的に分離した２個の
エタロンを使用するのとは異なり、光軸調整が容易にな
る。請求項２記載の発明は、入力部からの入射光を平行
光に変換する光学素子と、前記光学素子からの平行光が
入射する第１反射面と第２反射面とから構成されるエタ
ロン干渉計の光学系を備えた波長測定器において、エタ
ロン干渉計を一往復すると光ビーム面の半分がλ0／４
の光路差を発生させる光学手段と、λ0／４の光路差が
発生している光軸面で分岐受光する２分割受光器と、２
分割受光器の第１受光面と第２受光面の光強度変化を計
数処理する信号処理手段とを備えた構成とした。この請
求項２記載の発明によれば、光学部品をさらに低減する
ことができ、装置の小型化と、組立・光軸調整の簡素化
が可能となる。請求項３記載の発明は、請求項１または
請求項２記載の波長測定器において、前記光学手段が、
一方の反射端面の光軸中心にｄ＝λ0／（８・ｎ）の段
差があるソリッドエタロンである構成とした。請求項４
記載の発明は、請求項１または請求項２記載の波長測定
器において、前記光学手段が、一方の反射端面の光軸中
心にｄ＝λ0／８の段差があるエアギャップエタロンで
ある構成とした。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の波長変化測定器
の実施の各形態について、図１〜図３の図面を参照しな
がら詳細に説明する。

【００１６】＜第１の実施形態例＞図１は本発明の第１
実施形態による波長変化測定器を示す構成図である。図
１に示すように、この波長変化測定器は、入力ファイ
バ、平行光変換用レンズ、ｄ＝λ0／（８・ｎ）の段差
があるエタロン素子、反射プリズム、第１受光器と第２
受光器が光学ベース台上に固定配置され、第１受光器と
第２受光器からの信号を処理する信号処理部から構成さ
れる。入力ファイバは、図示してない光源からの光を導
いて、ファイバ端面から光を射出する。レンズは、入力
ファイバの射出光軸上に配置され、ファイバ端面から射
出される光を平行光に変換する。平行光に変換された射
出光は、射出光軸上に配置された段差ｄ＝λ0／（８・
ｎ）のあるソリッドエタロンに入射される。通常のソリ
ッドエタロンは、平行光が入出射する両端面に反射面を
備えた高精度の平行平面ガラスである。そして、ソリッ
ドエタロンに垂直に平行光を入射させるとエタロン内部
で多重干渉が起こり、エタロンの共振器長に依存した特
定の波長のみが透過光となって出力される。段差エタロ
ンを透過した平行光は、反射プリズムに照射される。反
射プリズムは、段差エタロンの光路差が発生している光
軸面と、反射プリズムのエッジ先端面とが一致するよう
に配置固定される。そして、反射プリズムに照射された
平行光は、反射プリズムのエッジ先端面で分岐され、分
岐光軸上に配置された第１受光器と第２受光器に入射す
る。受光器に平行光を直接入射させる構成で記載してい
るが、平行光をレンズで集光して受光器に受光しても良
いことは明らかである。第１受光器と第２受光器は、例
えばフォトダイオード等からなり、反射プリズムで分岐
された光を電気信号に変換して、光強度に応じた電流を
信号処理部に出力する。信号処理部は、第１受光器と第
２受光器からの光強度に比例した電気信号を比較処理
し、入射光の波長を求め、波長データとして出力する。

【００１７】このソリッドエタロン干渉計で得られる波
長に対する光強度変化は、下記（２）式で示される。Ｉ＝(1-R1)・(1-R2)／[1+R1・R2-2・√R1・√R2・cos(4・π・n・L/λ)]・・・(２) ここで、Ｉは受光器で受光される規格化された光強度、
λは光源から入射される光の波長、ｎはエタロンの屈折
率、Ｌはエタロンの物理的共振器長であり、Ｒ1とＲ2は
エタロン端面の反射率である。そして、本発明に使用す
る段差エタロンは、入出力端面のどちらか一方の端面の
半分に段差ｄ＝λ0／（８・ｎ）があるため、物理的共
振器長は、ＬとＬ＋ｄが存在する。

【００１８】図３に、第１受光器と第２受光器に入射す
る光の波長に対する規格化された光強度変化を示す。ｄ
＝λ0／（８・ｎ）の段差軸で分かれる両面での光強度
Ｉは、位相がπ／２ずれた特性が得られる。また、図３
には、エタロン端面の反射率を変えた時の干渉光強度も
示している。エタロンでは、端面の反射率を高くする
と、共振波長で急峻な特性が得られる反面、第１受光器
と第２受光器の光強度が零に近くなり、両受光器の光強
度変化が無くなってしまう特性になる。そのため、本発
明に使用するエタロンの端面反射率は、１０％〜３０％
程度の低い方が良い。ソリッドエタロンで説明したが、
エアギャップエタロンでも同等の特性が得られ、エアギ
ャップエタロンの場合の段差はｄ＝λ0／８となる。ま
た、従来技術に示されているように、エタロンに入射す
る前に光分岐部品と受光器を使用して、入射光を分岐し
て光強度を規格化する構成にした方が望ましい。

【００１９】この第１の実施形態によれば、光学部品が
少ないので、光学ベース台が小さくて良く、波長測定器
の小型化が可能となる。そして、光学ベース台全体をペ
ルチェ素子などを使用して温度制御が可能になるので、
再現性の良い測定が可能となる。従来技術の物理的に分
離した２個のエタロンを使用するのとは異なり、光軸調
整が容易になる。また、π／２の位相ズレを発生させる
ｄ＝λ0／(８・ｎ)またはｄ＝λ0／８の段差は、真空蒸
着などの製膜技術やエッチング技術で簡単に精度良く製
作できる。

【００２０】＜第２の実施形態例＞図２は本発明の第２
実施形態による波長測定器を示す構成図である。なお、
図２において、前述した図１と同一部品には同一符号を
付し、その説明は省略する。この実施形態の波長変化測
定器は、入力ファイバ、平行光変換用レンズ、ｄ＝λ0
／（８・ｎ）の段差があるエタロン素子、２分割受光器
が光学ベース台上に固定配置され、２分割受光器の第１
受光面と第２受光面からの信号を処理する信号処理部か
ら構成される。段差エタロンを透過する平行光までは、
第１実施形態と同じである。第２の実施形態例では、段
差エタロンを透過した平行光は、２分割受光器に入射す
る。２分割受光器は、段差エタロンの光路差が発生して
いる光軸面と、２分割受光器の分割境界とが一致するよ
うに配置する。そして、２分割受光器の第１受光面と第
２受光面は、各受光面に入射された平行光を電気信号に
変換して、光強度に応じた電流を信号処理部に出力す
る。信号処理部は、２分割受光器の第１受光面と第２受
光面からの光強度に比例した電気信号を比較処理し、入
射光の波長を求め、波長データとして出力する。

【００２１】この第２の実施形態によれば、更なる部品
点数の減少と小型化、光軸調整の容易が得られる。

【００２２】

【発明の効果】本願の請求項１に係る波長測定器は、光
学部品が少ないので、光学ベース台が小さくて良く、波
長測定器の小型化が可能となる。そして、光学ベース台
全体をペルチェ素子などを使用して温度制御が可能にな
るので、再現性の良い測定が可能となる。従来技術の物
理的に分離した２個のエタロンを使用するのとは異な
り、光軸調整が容易になる。また、π／２の位相ズレを
発生させるｄ＝λ0／(８・ｎ)またはｄ＝λ0／８の段差
は、真空蒸着などの製膜技術やエッチング技術で簡単に
精度良く製作できる。さらに、本願の請求項２に係る波
長測定器は、更なる部品点数の減少と小型化、光軸調整
の容易が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による波長変化測定器
を示す構成図である。

【図２】本発明の第２の実施形態による波長変化測定器
を示す構成図である。

【図３】本発明による第１受光器と第２受光器の光強度
変化を説明する特性グラフである。

【図４】従来技術の回折格子対向配置型の波長測定装置
の構成を示す図である。

【図５】従来技術の段差ミラー型マイケルソン干渉計を
使用した波長測定装置の構成を示す図である。

【図６】従来技術の段差ミラー型マイケルソン干渉計に
より得られる第１受光器と第２受光器の光強度変化を説
明する特性グラフである。

【図７】従来技術のエタロン２個を使用した波長測定装
置の構成を示す図である。

【図８】従来技術の遅延板（単一複屈折光学部品）を使
用した波長測定装置の構成を示す図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力部からの入射光を平行光に変換する
光学素子と、前記光学素子からの平行光が入射し、第１
反射面と第２反射面とから構成されるエタロン干渉計の
光学系を備えた波長測定器において、エタロン干渉計を一往復すると光ビーム面の半分がλ0
／４の光路差を発生させる光学手段と、 λ0／４の光路差が発生している光軸面で２分岐させる
反射プリズムと、反射プリズムで２分岐された光を、受光する第１受光器
と第２受光器と、第１受光器と第２受光器の光強度変化を計数処理する信
号処理手段と、を備えたことを特徴とする波長測定器。
【請求項２】入力部からの入射光を平行光に変換する
光学素子と、前記光学素子からの平行光が入射し、第１
反射面と第２反射面とから構成されるエタロン干渉計の
光学系を備えた波長測定器において、エタロン干渉計を一往復すると光ビーム面の半分がλ0
／４の光路差を発生させる光学手段と、 λ0／４の光路差が発生している光軸面で分岐受光する
２分割受光器と、２分割受光器の第１受光面と第２受光面の光強度変化を
計数処理する信号処理手段と、を備えたことを特徴とす
る波長測定器。
【請求項３】前記光学手段は、一方の反射端面の光軸
中心に段差ｄ＝λ0／（８・ｎ）があるソリッドエタロ
ンである、ことを特徴とする請求項１または２記載の波
長測定器。
【請求項４】前記光学手段は、一方の反射端面の光軸
中心に段差ｄ＝λ0／８があるエアギャップエタロンで
ある、ことを特徴とする請求項１または２記載の波長測
定器。