JP2001228023A - 波長変化測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 単一モードで発振する波長可変光源の発振波
長を測定する波長変化測定器において、機構的な可動部
が無く、小型で、光軸調整および組立作業が容易な、波
長変化測定器の提供。 【解決手段】 入射光を平行光に変換する光学素子と、
光学素子からの平行光が入射して、平行光を二つの平行
光に２分岐する光分岐素子と、光分岐素子で２分岐され
た前記二つの分岐平行光を反射する第１反射器及び第２
反射器と、光分岐素子で合波された光ビームを受光する
受光器と、から構成されるマイケルソン干渉計におい
て、光ビームの半面に測定波長範囲の中心波長λに対し
てλ／４の光路差を発生させる段差がある平面型の反射
器と、光路差が発生している光ビームを光路差に応じて
分割受光する２分割受光器と、２分割受光器の光強度変
化を計数処理して波長変化量を検出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】本発明は、光計測技術分野で
使用する装置に関し、特にレーザ光源の波長変化を測定
する装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】長距離・高速光ファイバ通信システムを
構成する光源には、単一モード性が要求される。光ファ
イバに分散があり、波長によって伝送速度が異なり、伝
送距離が長くなると信号のパルス波形が時間領域で広が
ってしまい、信号が識別できなくなるからである。単一
モード発振する半導体レーザとして、ＤＦＢ−ＬＤ(Dis
tributed FeedBack - Laser Diode)やＤＢＲ−ＬＤ(Dis
tributed Bragg Reflector - Laser Diode)があるが、
発振波長の長期的なドリフトが、最近、問題になってい
る。高密度ＷＤＭ(Wavelength Division Multiplexing)
システムにおいて、チャネル間の干渉を回避するため、
発振波長のドリフト監視あるいは波長安定化技術が必要
である。また、光学部品の波長特性測定に、回折格子を
使用した外部共振器型波長可変光源が利用されている。
外部共振器型波長可変光源は、広範囲（１００ｎｍ以
上）の波長設定が可能であるが、温度変化等の外部の影
響によって、発振波長が変化しやすいという問題点があ
り、発振波長のドリフト監視あるいは波長安定化技術が
必要である。こういった要求を受けて、波長を測定する
ために従来の装置として、回折格子を使用した光スペク
トル測定装置やマイケルソン干渉計を使用した波長測定
装置などが利用されている。

【０００３】＜従来例１＞図３に、従来技術の回折格子
を使用した光スペクトル測定装置の構成を示す。この光
スペクトル測定装置は、入力ファイバ、第１凹面鏡、第
２凹面鏡、回折格子、スリット、受光器、回転機構、信
号処理部及び回転駆動回路などから構成されている。図
示しない光源からの測定光は、入力ファイバを介して、
第１凹面鏡に入射されると、平行光に変換され、回折格
子へ反射する。回折格子は、入射角度θで入射された平
行光のうち波長λの光を、次の（１）式で示される反射
角度βで反射させる。 ｓｉｎβ＝−ｓｉｎθ＋ｍ・λ／ｄ1 ・・・・・（１） ただし、（１）式において、ｄ1は回折格子の溝間隔、
ｍは回折格子の回折次数を示す。また、回折格子は、回
転駆動回路からの信号で回転する回転機構に取り付けら
れており、回転駆動回路からの信号で入射角度θを変化
させることができる。その結果、第２凹面鏡に反射する
光は波長選択される。第２凹面鏡は、回折格子で反射さ
れた平行光をスリットに集光させる。スリットを通過し
た光は、受光器によって受光され、受光光強度に応じた
電気信号として信号処理部に出力される。信号処理部
は、受光器からの光信号と回転駆動回路からの波長信号
より、測定光の波長を出力する。

【０００４】＜従来例２＞図４に、従来技術のマイケル
ソン干渉計を使用した波長測定装置の構成を示す。この
波長測定装置は、入力ファイバ、レンズ、光分岐素子、
固定反射器、移動反射器、基準光受光器、被測定光受光
器、基準波長光源、平行移動機構、移動駆動回路、信号
処理部などから構成されている。図示しない光源からの
測定光は、入力ファイバを介して、レンズに入射され平
行光に変換される。レンズから出射した測定光及び基準
波長光源からの基準光は、光分岐素子で分岐され、固定
反射器及び移動反射器で反射され、再び分岐素子に入射
され合波される。移動反射器は、移動駆動回路からの信
号で光軸方向に移動する平行移動機構に取り付けられて
おり、光路長を変化させる。移動反射器の移動距離に対
して、基準光受光器および被測定光受光器が受光する光
強度は、図５の特性図のように変化する。この干渉波形
をフーリエ変換処理することによって、測定光の波長を
求める。

【０００５】以上に説明したような回折格子を使用した
光スペクトル測定装置やマイケルソン干渉計を使用した
波長測定装置は、機構的な可動部が取り付けられている
ため、長期信頼性が低い。また可動部の移動に伴う時間
が必要であり、高速な測定には不向きであるなどの問題
がある。さらに、波長分解能を向上させるためには、光
学系を大型にする必要があり、装置全体の小型化が困難
であるなどの問題点もある。こういった問題点に対し
て、最近、機構的な可動部のない光スペクトル測定装置
として、回折格子と受光器アレーを使用した光スペクト
ル測定装置が開発されている。

【０００６】＜従来例３＞図６は、受光器アレーを使用
した光スペクトル測定装置の構成を示す図である。この
光スペクトル測定装置は、入力ファイバ、凹面回折格
子、受光器アレイ、信号処理部などから構成されてい
る。図示しない光源からの測定光は、入力ファイバを介
して、凹面回折格子に入射される。凹面回折格子へ入射
された光は、波長によって決まる角度で反射された後、
受光器アレー上に集光される。受光器アレーの各受光素
子は、集光された光の光強度に応じた電気信号を信号処
理部に出力する。信号処理部は、受光器アレーが出力し
た電気信号を信号処理して、測定光の波長を出力する。
以上に説明したような受光器アレーを使用した光スペク
トル測定装置では、機構的な可動部が無い。そのため信
頼性が高く、小型の装置が可能である。しかし、受光器
アレーの素子数が少なく波長分解能が低いという問題が
ある。

【０００７】＜従来例４＞また、機構的な可動部のない
波長測定装置として、対向配置された２個の回折格子を
使用した波長測定器（特願平１０−１７３４６号）が提
案されている。図７に、対向配置された２個の回折格子
を使用した波長測定器の構成を示す。この波長測定装置
は、入力ファイバ、レンズ、第１と第２の回折格子、直
角反射プリズム、第１と第２の受光器、信号処理部等か
ら構成されている。図示しない光源からの測定光は、入
力ファイバを介して、レンズに入射され、平行光に変換
され、第１の回折格子に入射される。第１の回折格子に
入射された光は、波長に応じた角度で反射され、第２の
回折格子に入射される。第１の回折格子と第２の回折格
子とは、光学的性能が同じ回折格子であり、平行に対向
配置されている。そのため、第２の回折格子に入射する
光の入射角度は第１の回折格子からの反射角と等しく、
第２の回折格子から反射する光の反射角度は第１の回折
格子への入射角度と等しい。その結果、第２の回折格子
からの反射光の光軸は、入力光の波長に応じて平行に位
置変化する。第１と第２の回折格子によって反射された
光が、直角反射プリズムに入射する位置は波長によって
変化し、直角反射プリズムで分割される光強度の割合が
波長によって変化する。この変化に伴って、第１と第２
の受光器に入力される光強度が変化する。信号処理部
は、第１と第２の受光器から発生する電流を信号処理
し、波長に対応した信号を出力する。この対向配置され
た２個の回折格子を使用した波長測定器では、入射波長
と受光強度の関係が中心波長からずれると非線形にな
り、短波長側および長波長側では測定精度が悪くなる。
また測定波長を広くすると波長分解能が悪くなるという
問題点がある。

【０００８】＜従来例５＞また、可動部の無い波長測定
器として、単一複屈折光学部品やエタロン２個を利用し
た波長測定器（特願平１０−１０８２７９）が提案され
ている。図８に、単一複屈折光学部品を利用した波長測
定器の構成を示す。この波長測定装置は、入力ファイ
バ、偏光子、レンズ、光分岐素子、偏光ビーム・スプリ
ッタ、単一複屈折光学部品、第１受光器および第２受光
器および第３受光器、信号処理部などから構成されてい
る。図示しない光源からの測定光は、入力ファイバを介
して、レンズに入射され平行光に変換され、偏光子に入
射される。偏光子を通った光は、直線偏光となり、第１
の光分岐素子へ入射される。第１の分岐素子で分岐され
た平行光は、第２の光分岐素子に入射され、さらに分岐
される。第２の光分岐素子で分岐された平行光の一方
は、第１の受光器に入射される。第２分岐素子で分岐さ
れたもう一方の平行光は、単一複屈折光学部品に入射さ
れる。単一複屈折光学部品には、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」を有する、遅延板または波長板が利用され
る。単一複屈折光学部品は、第２の偏光軸を備えた光に
対して、第１の偏光軸を備えた光がπ／４またはπ／４
×Ｎ（Ｎ＝１、３、５．．．）の遅延（位相推移）を生
じさせるように選択される。こうした複屈折光学部品
は、λ／８波長板として知られている。また広い波長範
囲にわたってπ／４の位相推移を実現するには、Ｎ＝１
を選択することが望ましく、この場合、零次波長板とし
て知られている。単一複屈折光学部品を通過した平行光
は、単一複屈折光学部品の後に配置された偏光ビーム・
スプリッタによって、前記偏光に従って２つの光ビーム
に分割される。偏光ビーム・スプリッタによって分割さ
れた光ビームは、第２受光器、第３受光器で受光され、
各受光器は、入射された光の光強度に応じた電気信号を
出力する。信号処理部は、各電気信号を処理して波長に
対応する信号を出力する。しかし、単一複屈折光学部品
を用いた波長測定器では、単一複屈折光学部品透過後の
各偏光の振幅が等しくなるように、単一複屈折光学部品
入射時の偏光の方位角を調整する必要があり、光軸調整
が難しいという問題点がある。

【０００９】＜従来例６＞一方、波長可変光源の波長設
定において、精度の高い波長制御を行うため、波長変化
測定器が使用される。こうした波長変化測定器として、
段差ミラーを使用したマイケルソン干渉計による波長変
化測定器（特開平１１−３４６９７号公報）が提案され
ている。図９に、段差ミラーを使用したマイケルソン干
渉計による波長変化測定器の構成を示す。この波長変化
測定装置は、入力ファイバ、レンズ、光分岐素子、第１
平面反射器、測定波長範囲の中心波長λに対してλ／８
の段差がある第２平面反射器、第１受光器および第２受
光器、反射プリズム、信号処理部などから構成されてい
る。段差がない平面反射鏡と、単一の受光器を用いた通
常のマイケルソン干渉計では、光源の入射波長の増加に
応じて干渉光強度が正弦関数として変化する。半面がλ
／８の段差ｄのある第２平面型反射器を使用すると、干
渉光の光ビームの半分にλ／４の光路差が発生し、反射
プリズムのエッジで光路差が発生した光ビームを２分岐
すると、分割された光ビームは第１受光器および第２受
光器によって受光され、光強度に応じた電気信号を出力
する。この場合、図２のように光源の入射波長の増加に
応じて、各受光器が受光する干渉光強度がπ／２位相が
ずれた正弦関数として変化する。段差がない平面反射鏡
と、単一の受光器を用いた通常のマイケルソン干渉計で
は、光源の波長が設定した波長から変化した時に、波長
が短波長側に変化したのか、または長波長側に変化した
のかは、単独では不明である。しかし、段差ミラーを使
用したマイケルソン干渉計では、光源の波長が設定した
波長から短波長側及び長波長側に変化した時に、それに
対応した波長変化量を測定することができるという特徴
がある。また、段差ミラーを使用したマイケルソン干渉
計による波長変化測定器では、機構的な可動部が無いた
め、信頼性が高いという特徴がある。しかし、反射プリ
ズムのエッジの位置を、各受光器が光ビームの光路差に
応じて受光できるように、光ビームの境界に正確に配置
する必要があり、光軸調整が難しいという問題がある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】上記した従来の、回折
格子を使用した光スペクトル測定装置やマイケルソン干
渉計を使用した波長測定装置では、波長を測定するため
に機構的な可動部が有るため、長期信頼性が低いという
問題点がある。また、波長分解能を向上させるために
は、光学系を大きくする必要があり、装置全体の小型化
が困難であるという問題点がある。受光器アレーを使用
した波長測定装置では、受光器アレーの素子数が少なく
測定分解能が悪い。また多量の波長データをソフト処理
するため、高速な波長制御には向かないという問題点が
ある。対向配置された２個の回折格子を使用した波長測
定器では、入射波長と受光強度の関係が中心波長からず
れると非線形になり、短波長側および長波長側では測定
精度が悪くなる。また測定波長範囲を広くすると波長分
解能が悪くなるという問題点がある。単一複屈折光学部
品を用いた波長測定器では、単一複屈折光学部品透過後
の各偏光の振幅が等しくなるように、単一複屈折光学部
品入射時の偏光の方位角を調整する必要があり、光軸調
整が難しいという問題点がある。段差ミラーを使用した
マイケルソン干渉計による波長測定装置では、光軸調整
が難しいという問題点がある。本発明の目的は、光波長
測定において、小型で、光軸調整が容易な波長変化測定
器を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】以上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、光学素子からの平行光を２分岐
する光分岐素子と、光分岐素子で２分岐された一方の平
行光を反射する第１の反射器と、光分岐素子で２分岐さ
れたもう一方の平行光を反射する第2の反射器と、光分
岐素子で合波された光ビームを受光する受光器と、から
構成されるマイケルソン干渉計を用いた波長変化測定器
において、合波された光ビームの半面にλ／４×（２Ｎ
＋１）（ただしＮは０以上の整数）の光路差を発生させ
る光学手段と、同一光ビーム干渉光を分離することなく
分割受光できる受光手段と、を備えている。請求項２記
載の発明は、請求項１記載の波長変化測定器において、
光学手段は、反射器の一方が段差のある平面型反射器で
あること、を特徴とする。請求項３記載の発明は、請求
項１記載の波長変化測定器において、受光手段は、位相
変化した光ビームの半面を受光面の半面で受光するよう
に配置した２分割受光器であること、を特徴とする。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の波長変化測定器
の実施形態について、図１の図面を参照しながら詳細に
説明する。 ＜第１の実施形態例＞図１は、本発明の実施例を示す構
成図である。図１に示すように、波長変化測定器は、入
力ファイバ、平行光変換用のレンズ（光学素子）、光分
岐素子、第１反射器及び第２反射器、２分割受光器、信
号処理部から構成される。入力ファイバは、図示しない
光源からの光を導いて、ファイバ端面から光を出射す
る。レンズは、ファイバ出射光軸上に配置され、ファイ
バ端面から入射される光を平行光に変換し、光分岐素子
に入射する。光分岐素子は、入射された平行光を２分岐
して第１反射器側と第２反射器側とに送る。第１反射器
は、光分岐素子で分岐された第１分岐平行光の光軸に垂
直に配置され、入射された第１分岐平行光を反射し、再
度、光分岐素子に入射させる。第２反射器は、段差ｄが
ある平面型反射器であり、光分岐素子で分岐された第２
分岐平行光の光軸に垂直に配置されている。段差ｄは、
測定波長範囲の中心波長λに対してλ／８が望ましい。
（１．５ｕｍ帯ではλが１５５０ｎｍとして設計され
る。） 第２分岐平行光の光軸中心が、段差の境界と一致するよ
うに位置調整する。その結果、第２分岐平行光が第２反
射器で反射して一往復すると、光ビームの半面にλ／４
の光路差が発生する。第１反射器および第２反射器で反
射された平行光は、光分岐素子によって合波され干渉光
となる。干渉光は、第２反射器によって発生した光路差
によって、光ビームの半面が位相変化している。２分割
受光器は、受光面が２分割された受光器であり、各受光
面で受光した光強度に応じて１対の電流を出力する。２
分割受光器を、光分岐素子で合波された平行光の光軸に
垂直に配置し、光路差が異なる光ビームの境界と２分割
受光器の受光面の境界を一致させると、各受光面で光路
差に応じた光強度が受光される。

【００１３】分割された受光面をそれぞれ、第１受光
器、第２受光器として、両ミラーの反射率を１００％、
ＢＳ（光分岐素子）の分岐比を５０％、５０％とする
と、第１受光器、第２受光器が受光する光強度の規格化
値は、次の（３）式および（４）式の、Ｉ１およびＩ２
で示される。 Ｉ１＝[１＋cos[４π(Ｌ1−Ｌ2)／λ]]／４ ・・・・・・（２） Ｉ２＝[１＋cos[４π[Ｌ1−（Ｌ2＋ｄ)]／λ]]／４ ・・・（３） ただし、λは光源の入射波長、ｄは第２反射器の段差
（測定波長範囲の中心波長λに対してλ／８が望まし
い。）、Ｌ１はマイケルソン干渉計の光分岐素子中心か
ら第１反射器までの距離、Ｌ２は光分岐素子中心から第
２反射器までの距離である。ここで自由スペクトル領域
（ＦＳＲ）といわれる光強度変化の周期は、次の（４）
式で示される。 ＦＳＲ＝λ２／[２(Ｌ1−Ｌ2)] ・・・（４） ただし、（４）式において、Ｌ１とＬ２はマイケルソン
干渉計の光分岐素子中心から第１反射器と第２反射器ま
での距離である。（２）〜（４）式及び図２は、従来技
術の段差マイケルソン干渉計においても同様に適用され
る。以下ｄ＝λ／８で説明する。このとき、第２受光器
が受光する光強度の規格化値Ｉ２は、図２のように、第
１受光器が受光する光強度の規格化値Ｉ１に対して同じ
周期をもつが、位相がπ／２ずれた特性となる。２分割
受光器の各出力を電圧に変換し信号処理すると、光源の
波長が設定した波長から短波長側及び長波長側に変化し
た時に、それに対応した波長変化量を測定することがで
きる。

【００１４】この実施形態によれば、第２反射器の段差
によってλ／４の光路差が発生した光ビームの境界と２
分割受光器の境界を一致させるように配置固定するだけ
で、λ／４の光路差が発生した光ビームの半面を２分割
受光器の片側半分で受光でき、従来技術に比較して光軸
調整が容易になる。また、２分割受光器の使用により、
前述の図９記載の従来例６に比べ、反射プリズムと一対
の受光器及び、それに集光する一対のレンズ等の部品を
用意する必要が無く、部品増加を回避でき、小型化が可
能である。さらに、図３，４記載の可動部を含む従来技
術の波長測定装置と比較すると、可動部が無いため波長
変化の高速測定が可能であり、また機械的影響が測定に
影響を及ぼさないため信頼性が高いなどの効果を有す
る。

【００１５】

【発明の効果】本発明では、第２反射器の段差によって
λ／４の光路差が発生した光ビームのの境界と２分割受
光器の境界を一致させるように配置固定するだけで、λ
／４の光路差が発生した光ビームの半面を２分割受光器
の片側半分で受光でき、従来技術に比較して光軸調整が
容易になる。また、２分割受光器の使用により、反射プ
リズムと一対の受光器及び、それに集光する一対のレン
ズ等の部品を用意する必要が無く、部品増加を回避で
き、小型化が可能である。さらに、可動部を含む従来技
術の波長測定装置と比較すると、可動部が無いため波長
変化の高速測定が可能であり、また機械的影響が測定に
影響を及ぼさないため信頼性が高いなどの効果を有す
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２分割受光器の出力変化を示す特性グ
ラフであり、また従来技術の段差ミラーを使用したマイ
ケルソン干渉計の出力変化を示す特性グラフである。

【図３】従来技術１の回折格子が回転する光スペクトル
測定装置の構成を示す図である。

【図４】従来技術２の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５】図４の波長測定装置による「移動時間−受光器
での光強度」の関係を表した特性図である。

【図６】従来技術３の受光器アレーを使用した光スペク
トル測定装置の構成を示す図である。

【図７】従来技術４の対向配置された２個の回折格子を
使用した波長測定器の構成を示す図である。

【図８】従来技術５の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。

【図９】従来技術６の段差ミラーを使用したマイケルソ
ン干渉計による波長変化測定器の構成を示す図である。

【符号の説明】

１０ 波長変化測定器 １１ 入力ファイバ １２ レンズ（光学素子） １３ 光分岐素子 １４ 第１反射器 １５ 第２反射器 １６ ２分割受光器 １７ 信号処理部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【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、 光学素子からの平行光を２分岐する光分岐素子と、 光分岐素子で２分岐された一方の平行光を反射する第１
   の反射器と、 光分岐素子で２分岐されたもう一方の平行光を反射する
   第2の反射器と、 光分岐素子で合波された光ビームを受光する受光器と、 から構成されるマイケルソン干渉計を用いた波長変化測
   定器において、 合波された光ビームの半面にλ／４×（２Ｎ＋１）（た
   だしＮは０以上の整数）の光路差を発生させる光学手段
   と、 同一光ビーム干渉光を分離することなく分割受光できる
   受光手段と、 を備えたこと、を特徴とする波長変化測定器。
2. 【請求項２】 前記光学手段は、前記反射器の一方が段
   差のある平面型反射器であることを特徴とする請求項１
   に記載の波長変化測定器。
3. 【請求項３】 前記受光手段は、位相変化した光ビーム
   の半面を受光面の半面で受光するように配置した２分割
   受光器であること、を特徴とする請求項１〜２に記載の
   波長変化測定器。