JP2002228521A - 分光装置および分光方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 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を提
供する。 【解決手段】 被測定光３１は、入射端３２、光ファイ
バー３３、コリメートレンズ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を経て偏光ビーム
スプリッタ４６に到達する。波長可変光源４０から出力
される参照光４１は、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
を経て偏光ビームスプリッタ４６に到達する。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および偏光ビームスプリッタ
４８を経て光検出部５３により検出され、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、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１
０５、出射スリット１０６、光検出器１０７、演算部１
０８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１
０４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１
１０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) 光検出部により検出された強度差の分布を求
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検出された強度差の分布に基づいて
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
の差を検出し、(3) この検出された強度差の分布を求
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、両者の強度の差を検出し、(4) この検出された強度
差の分布を求め、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３
２、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４
２、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５
３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５
６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３
５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３
６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３
１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４
７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４
８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６
９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Ａ
Ｄ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４
６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Ｓ１
２）。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４
１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５ｋＨ
ｚ帯域のものを使用し、統計的に十分な測定点数を１０
０００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４
１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１
３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４
５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４
５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３
１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５
６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、６
３…チャージアンプ、６４…波形整形アンプ、６５…Ａ
Ｄコンバーター、８１…チョッパー、９２…電流アン
プ。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項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、 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検出された強度差の分布を求め、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。
2. 【請求項２】 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検出された強度差の分
   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。
3. 【請求項３】 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。
4. 【請求項４】 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、
   両者の強度の差を検出し、 この検出された強度差の分布を求め、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。
5. 【請求項５】 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、
   両者の強度の差を検出し、 この検出された強度差の分布を求め、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。