JP2004085342A

JP2004085342A - 光波長計測装置及び光波長計測方法

Info

Publication number: JP2004085342A
Application number: JP2002246260A
Authority: JP
Inventors: Koji Satori; 佐鳥　耕自
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2002-08-27
Filing date: 2002-08-27
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】計測誤差が少ない光波長計測装置及び光波長計測方法を提供する。
【解決手段】第１の広波長帯域光源１からの光及び第２の広波長帯域光源２から光にそれぞれ異なる周波数Ｆ_１、Ｆ_２で強度変調をかけ、光源１からの被変調波と、光源２からの被変調波の基準波長フィルタ３透過後の被変調波とを同時にＦＢＧ６ａ〜６ｃに入射し、ＦＢＧ６ａ〜６ｃからの反射波を受光素子１２で光電変換した信号をそれぞれの周波数Ｆ_１、Ｆ_２で分離することにより、ＦＢＧ６ａ〜６ｃからの信号光と基準波長フィルタ３の信号光とを同時に分離することができるので、可変波長帯域フィルタ１１の非再現性、ヒステリシス、非線形性の影響を低減することができ、計測誤差が少ない光波長計測装置及び光波長計測方法の提供を実現することができる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光波長計測装置及び光波長計測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６は従来の光波長計測方法を適用した光波長計測装置のブロック図である。
この光波長計測装置は、第１の広波長帯域光源１（以下「光源１」という。）と、光源１の波長帯域に略等しい波長帯域を有する第２の広波長帯域光源２（以下「光源２」という。）と、光源１から基準となる信号光を透過させる基準波長フィルタ３と、基準波長フィルタ３からの信号光及び光源１からの信号光を合波する２×２光カプラ４と、２×２光カプラ４に光ファイバ５を介して接続された複数の光ファイバブラッググレーティング（以下「ＦＢＧ」という。）６ａ、６ｂ、６ｃと、２×２光カプラ４に接続されＦＢＧ６ａ〜６ｃからの反射光を受光して反射光の波長を検出する検出手段７とで構成されたものである。
【０００３】
検出手段７は、同期信号源（周波数１０Ｈｚ〜１００Ｈｚ）８と、光源１に接続され光源１を同期信号源８に同期してオンオフ動作させる第１のスイッチ９と、光源２に接続され光源２を同期信号源８に同期してオフオン動作させる第２のスイッチ１０と、２×２光カプラ４に接続された可変波長帯域フィルタ１１と、可変波長帯域フィルタ１１の出力端に接続された受光素子１２と、受光素子１２に接続され同期信号源８に同期して波長検出を行う波長検出装置１３と、同期信号源８に同期して同期信号の２倍の周波数の信号を発生する逓倍回路１４と、逓倍回路１４に接続され同期信号の２倍の周波数の三角波を発生する三角波発生器１５と、波長検出装置１３に接続され可変波長帯域フィルタ１１のバイアス電圧を制御するためのバイアス制御回路１６と、三角波発生器１５からの出力とバイアス制御回路１６からの出力とを加算して可変波長帯域フィルタ１１にバイアス電圧を印加する加算器１７とで構成されている。
【０００４】
光源１から出射した信号光は、ＦＢＧ６ａ〜６ｃによって反射され、２×２光カプラ４、可変波長帯域フィルタ１１を透過して、受光素子１２で受光される。
【０００５】
光源２から出射した信号光は、基準波長フィルタ３を透過した後、２×２光カプラ４、可変波長帯域フィルタ１１を経て受光素子１２に入射する。２つの光路を伝搬した信号光は、同じ透過帯域のフィルタ３、１１を透過する必要があるが、同時に検出する場合、そのままでは光路の分離をすることができない。
【０００６】
そこで、同期信号源８を用いて、光源１、２を同時に発光させないように制御することが行われている。すなわち、同期信号源８の同期信号のうち、前半周期はスイッチ９をオンにして光源１をオンにし、スイッチ１０をオフにして光源２をオフにすることであり、これとは逆に同期信号の後半周期はスイッチ９をオフにして光源１をオフにし、スイッチ１０をオンにして光源２をオンにすることである。
【０００７】
図７は可変波長帯域フィルタのスペクトルを示す図であり、横軸が波長を示し、縦軸が透過率を示す。
【０００８】
印加電圧がＶ_ＳからＶ_Ｅまで変化すると、透過中心波長λ_Ｓからλ_Ｅまで変化する。可変波長帯域フィルタ１１には、同期信号源８から逓倍回路１４及び三角波発生器１５を用いて、同期信号の２倍の周波数で最小電圧Ｖ_Ｓ、最大電圧Ｖ_Ｅの三角波信号とバイアス電圧とを加算し、透過中心波長を走査開始波長λ_Ｓから走査終了波長λ_Ｅまでの三角波状に制御する（図６参照）。このときの波長制御は可変波長帯域フィルタ１１の非再現性、非直線性により完全な三角波にはならず、毎回わずかに異なった形状になる。
【０００９】
可変波長帯域フィルタ１１の制御信号と受光素子１２の受光信号とを同時に計測することで光波長を計測することができる。
【００１０】
可変波長帯域フィルタ１１としては、ＰＺＴ素子を用いた可変ファブリペローフィルタが用いられるが、この場合、ＰＺＴ素子にはヒステリシスがあり、再現性に問題があるため、可変波長帯域フィルタ１１の制御信号と透過中心波長との関係は時間と共に変化する。
【００１１】
この結果、制御信号だけで波長を計測すると誤差が大きくなるため、基準波長フィルタからの信号を参照して波長を計測することが行われている。
【００１２】
図８は基準波長フィルタの透過スペクトルを示す図であり、横軸が波長を示し、縦軸が光強度を示す。
【００１３】
波長λ_Ｓからλ_Ｅの間に複数の透過ピークがある形状を有しており、ピーク波長は温度や時間で変動しない。可変波長帯域フィルタ１１の透過ピーク数は、走査信号−透過中心波長特性を折線近似したときに、誤差を無視できる程度に設定する。
【００１４】
図９はＦＢＧの反射スペクトルを示す図であり、横軸が波長を示し、縦軸が光強度を示す。
【００１５】
波長λ_Ｓからλ_Ｅの間に三つの透過ピークがある形状を有している。
【００１６】
図１０は第１の広波長帯域光源及び第２の広波長帯域光源のオンオフ及び可変波長帯域フィルタの透過中心波長走査を行ったときの受光素子で検出される信号を示す図であり、横軸が時間軸を示し、縦軸が電圧を示す。
【００１７】
前半周期（図では左側）の走査では対象となるＦＢＧ６ａ〜６ｃからの反射光を計測するための図９に示したＦＢＧ反射スペクトルの形状に近い波形となり、後半周期（この場合右側）の走査では、基準波長フィルタ３の透過スペクトルに近い形状（図８参照）の信号を計測する。
【００１８】
波長検出装置１３内では、図１０に示した信号波形のうちの前半周期のＦＢＧ信号と後半周期の基準波長フィルタ信号とを重ねる処理を行う。
【００１９】
図１１は図１０に示した信号波形の前半周期のＦＢＧ信号と図１０に示した後半周期の基準波長フィルタ信号とを重ねる処理を説明するための説明図であり、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。
【００２０】
各々の信号のピークを検出することにより、ピーク時刻はＦＢＧ６ａ〜６ｃのピーク：Ｔ_Ｆ１、Ｔ_Ｆ２、Ｔ_Ｆ３、基準波長フィルタ３のピーク：Ｔ_１、Ｔ_２、Ｔ_３、Ｔ_４、Ｔ_５、Ｔ_６と計測される。基準波長フィルタ３のピーク波長は安定しているため、折線近似により波長を計測する。図１１に示した例ではＦＢＧピークＰａは基準波長フィルタ３のピークＰ２とピークＰ３との間にあり、ＦＢＧピークＰｂは基準波長フィルタ３のピークＰ３とピークＰ４との間にあり、ＦＢＧピークＰｃは基準波長フィルタ３のピークＰ５とピークＰ６との間にある。このため、ＦＢＧ６ａ〜６ｃの波長は数１式、数２式及び数３式で算出される。
【００２１】
【数１】

【００２２】
【数２】

【００２３】
【数３】

【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６に示した従来技術は、ＦＢＧ６ａ〜６ｃの信号と基準波長フィルタ３の信号とを同時に計測していないため、計測時において前半周期と後半周期とで波長走査にずれが生じた場合、計測誤差が生じてしまうという問題があった。
【００２５】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、計測誤差が少ない光波長計測装置及び光波長計測方法を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、第１の広波長帯域光源と、第２の広波長帯域光源と、第２の広波長帯域光源から基準となる信号光を透過させる基準波長フィルタと、基準波長フィルタからの信号光及び第１の広波長帯域光源からの信号光を合波する光カプラと、光カプラに光ファイバを介して接続された複数の光ファイバブラッググレーティングと、光カプラに接続され光ファイバブラッググレーティングからの反射光を受光してピーク値と波長との関係より反射光の波長を検出する検出手段とを有する光波長計測装置において、第１の広波長帯域光源からの信号光を第１の周波数で強度変調する第１の強度変調用発振器と、第２の広波長帯域光源からの信号光を第１の周波数と異なる第２の周波数で強度変調する第２の強度変調用発振器と、光ファイバブラッググレーティングからの反射光を第１の周波数及び第２の周波数で分離する分離手段とを備えたものである。
【００２７】
請求項２の発明は、請求項１に記載の構成に加え、分離手段は、光ファイバブラッググレーティングからの反射光を受光する受光素子に接続され透過周波数帯域の異なる一対のバンドパスフィルタと、両バンドパスフィルタの出力端にそれぞれ接続された一対の整流回路と、両整流回路の出力端にそれぞれ接続され同時に検出手段にピークを出力する一対のローパスフィルタとを有してもよい。
【００２８】
請求項３の発明は、請求項１に記載の構成に加え、分離手段は、光ファイバブラッググレーティングからの反射光を受光する受光素子に接続され周波数帯域の異なる一対の同調増幅器、両同調増幅器の出力端にそれぞれ接続された一対の位相敏感検出器及び両位相敏感検出器の出力端にそれぞれ接続され同時に検出手段にピークを出力する一対のローパスフィルタからなるロックインアンプであってもよい。
【００２９】
請求項４の発明は、第１の広波長帯域光源からの信号光と、第２の広波長帯域光源及び基準波長フィルタからの基準信号光とを光カプラで合波し、光ファイバを介して複数の光ファイバブラッググレーティングに入射し、光ファイバブラッググレーティングからの反射光を検出手段で受光して反射光の波長を検出する光波長計測方法において、第１の強度変調用発振器を用いて第１の広波長帯域光源からの信号光を第１の周波数で強度変調し、第２の強度変調用発振器を用いて第２の広波長帯域光源からの信号光を第１の周波数と異なる第２の周波数で強度変調し、分離手段を用いて光ファイバブラッググレーティングからの反射光を第１の周波数及び第２の周波数で分離し、検出手段で反射光の波長を検出するものである。
【００３０】
本発明によれば、第１の広波長帯域光源からの光を第１の周波数で強度変調をかけ、第２の広波長帯域光源からの光を第２の周波数で強度変調をかけ、第１の広波長帯域光源からの被変調波と、第２の広波長帯域光源からの被変調波の基準波長フィルタ透過後の被変調波とを同時にＦＢＧに入射し、ＦＢＧからの反射波を受光素子で光電変換し、得られた信号を第１及び第２の周波数で分離することにより、ＦＢＧからの信号光と基準波長フィルタの信号光とを同時に分離することができるので、可変波長帯域フィルタの非再現性、ヒステリシス、非線形性の影響を低減することができ、計測誤差が少ない光波長計測装置及び光波長計測方法の提供を実現することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００３２】
図１は本発明の光波長計測方法を適用した光波長計測装置の一実施の形態を示すブロック図である。尚、図６に示した光波長計測装置と同様の部材には共通の符号を用いた。
【００３３】
本光波長計測装置は、発振周波数Ｆ_１（１ｋＨｚ〜１ＧＨｚ）の強度変調用発振器（以下「ＯＳＣ」という）１と、ＯＳＣ１により強度変調される光源１と、発振周波数Ｆ_２（１ｋＨｚ〜１ＧＨｚ）ＯＳＣ２と、ＯＳＣ２により強度変調される光源２と、光源１から基準となる信号光を透過させる基準波長フィルタ（ＰＺＴ若しくは回折格子）３と、基準波長フィルタ３からの信号光及び光源１からの信号光を合波する２×２光カプラ４と、２×２光カプラ４に光ファイバ５を介して接続された複数のＦＢＧ６ａ〜６ｃと、２×２光カプラ４に接続されＦＢＧ６ａ〜６ｃからの反射光を受光して反射光の波長を検出する検出手段２０とで構成されたものである。
【００３４】
検出手段２０は、同期信号源８と、２×２光カプラ４に接続された可変波長帯域フィルタ１１と、可変波長帯域フィルタ１１の出力端に接続された受光素子１２と、受光素子１２に接続され同期信号源８に同期して波長検出を行う波長検出装置２１と、同期信号源８に同期して三角波を発生する三角波発生器１５と、波長検出装置２１に接続され可変波長帯域フィルタ１１のバイアス電圧を制御するためのバイアス制御回路１６と、三角波発生器１５からの出力とバイアス制御回路１６からの出力とを加算して可変波長帯域フィルタ１１にバイアス電圧を印加する加算器１７と、受光素子１２と波長検出装置２１との間に挿入され、ＦＢＧ６ａ〜６ｃからの反射光を第１の周波数及び第２の周波数で分離する分離手段２２とで構成されたものである。
【００３５】
分離手段２２は、ＦＢＧ６ａ〜６ｃからの反射光を受光する受光素子１２に接続され、２つに分岐する信号線Ｌ１、Ｌ２と、透過周波数帯域の異なる一対のバンドパスフィルタ２３ａ、２３ｂと、両バンドパスフィルタ２３ａ、２３ｂの出力端にそれぞれ接続された一対の整流回路（全波整流回路若しくは半波整流回路）２４ａ、２４ｂと、両整流回路２４ａ、２４ｂの出力端にそれぞれ接続され同時にピークを出力する一対のローパスフィルタ２５ａ、２５ｂとで構成されたものである。
【００３６】
次にこの光波長計測装置の動作について説明する。
【００３７】
光源１からの信号光はＯＳＣ１により周波数Ｆ_１で強度変調が行われ、ＦＢＧ６ａ〜６ｃに入射する。ＦＢＧ６ａ〜６ｃで反射した信号光は、２×２光カプラ４及び可変波長帯域フィルタ１１を透過した後、受光素子１２に入射する。受光素子１２に入射した信号光は周波数Ｆ_１で変調されているため、ＦＢＧ６ａ〜６ｃの反射光の信号波形は図８に示した信号波形にｓｉｎ（２πｔ／Ｆ_１）で表される信号波形を乗じたもの、つまり、中心周波数がＦ_１のＡＭ（振幅変調）信号波形である。
【００３８】
光源２からの信号光はＯＳＣ２により周波数Ｆ_２で強度変調が行われ、基準波長フィルタ３及び２×２光カプラ４を透過した後に可変波長帯域フィルタ１１を透過し、受光素子１２に入射する。基準波長フィルタ３のみの信号波形は図７に示した信号波形にｓｉｎ（２πｔ／Ｆ_２）で表される信号波形を乗じたもの、つまり中心周波数Ｆ_２のＡＭ信号波形である。
【００３９】
これら中心周波数Ｆ_１のＡＭ信号と、中心周波数Ｆ_２のＡＭ信号との和が受光素子１２で受光される。受光された信号光は、周波数の異なるＡＭ信号の和であるため、バンドパスフィルタ２３ａ、２３ｂで分離し、包絡線検波を行うことで元の信号を復調することができる。
【００４０】
ＦＢＧ６ａ〜６ｃの反射信号と基準波長フィルタ３の信号とは同時に可変波長帯域フィルタ１１に透過されるので、波長走査が１周期で計測が可能であり、信号は図２に示すようになる。
【００４１】
図２は図１に示した光波長計測装置の受光信号波形であり、横軸が時間を示し、縦軸が電圧を示す。図３は図２に示した受光信号波形の時間Ｔ_０〜Ｔ_１の部分拡大図である。
【００４２】
この信号はＦ_１、Ｆ_２の２つの周波数を有するため、透過中心周波数がそれぞれＦ_１、Ｆ_２の２つのバンドパスフィルタを用いて分離され、図４に示す２つの信号になる。
【００４３】
図４は図３に示した信号波形の周波数分離信号波形を示す図であり、横軸が時間を示し、縦軸が電圧を示す。
【００４４】
各信号は整流回路２４ａ、２４ｂと、ローパスフィルタ２５ａ、２５ｂとを通して整形することにより、図１１に示した波形が得られる。このようにして基準波長フィルタ３を透過した信号とＦＢＧ６ａ〜６ｃからの信号とを同時に計測することができる。
【００４５】
（最適条件についての根拠）
波長計測範囲を１００ｎｍ帯とし、計測周波数を１０Ｈｚとし、波長分解能を１ｐｍと仮定すると、ローパスフィルタ２５ａ、２５ｂの帯域がＤＣ〜１ＭＨｚ、バンドパスフィルタ２３ａ、２３ｂのバンド幅ΔＦが２ＭＨｚ必要である。周波数の条件として、クロストークを避けるため、２つのバンドパスフィルタ２３ａ、２３ｂの帯域が少なくともΔＦ／２＝１ＭＨｚ以上離れていることとした（図１参照）。また、変調にゆがみが生じた場合には信号成分の中に２倍波や３倍波等の高調波が生じるおそれもあるため、２倍波帯とクロストークを生じさせないために、２×Ｆ_１帯とＦ_２帯とがΔＦ／２＝１ＭＨｚ以上離れていることとした。
【００４６】
以上より最低条件として、中心周波数Ｆ_１＝７ＭＨｚ、Ｆ_２＝１０ＭＨｚが挙げられる。
【００４７】
図５は本発明の光波長計測方法を適用した光波長計測装置の他の実施の形態を示すブロック図である。
【００４８】
図１に示した光波計測装置との相違点は、分離手段にロックインアンプを用いた点である。
【００４９】
すなわち、図５に示す光波長計測装置の分離手段３１は、ＦＢＧ６ａ〜６ｃからの反射光を受光する受光素子１２に接続され、２つに分岐する信号線Ｌ１、Ｌ２と、周波数帯域の異なる一対の同調増幅器（所定周波数についての増幅器）３２ａ、３２ｂ、両同調増幅器３２ａ、３２ｂの出力端にそれぞれ接続された一対の位相敏感検出器（信号と参照信号の位相を揃えてこれらの積をとる装置）３３ａ、３３ｂ及び両位相敏感検出器３３ａ、３３ｂの出力端にそれぞれ接続され、同時にピークを出力する一対のローパスフィルタ（積分器型フィルタ）３４ａ、３４ｂからなるロックインアンプである。
【００５０】
このような分離手段３１を有する検出手段３０を用いても図１に示した光波長計測装置と同様の効果が得られる。
【００５１】
本光波長計測装置は、ＦＢＧを多用した多点歪み計測システムへの適用が可能である。
【００５２】
以上において、本発明は、基準波長フィルタの信号とＦＢＧからの信号との同時計測であるため、波長走査の再現性に左右されずに計測ができる。また、基準波長の計測を同時に行うため、従来のように２回も波長走査を行う必要がなくなり、計測時間を半分にすることができる。さらに、ヒステリシスの影響を低減することができるため、逆波長走査を行っている部分の計測も可能であり、波長計測精度を向上させることができる。
【００５３】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、計測誤差が少ない光波長計測装置及び光波長計測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光波長計測方法を適用した光波長計測装置の一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】図１に示した光波長計測装置の受光信号波形である。
【図３】図２に示した受光信号波形の時間Ｔ_０〜Ｔ_１の部分拡大図である。
【図４】図３に示した信号波形の周波数分離信号波形を示す図である。
【図５】本発明の光波長計測方法を適用した光波長計測装置の他の実施の形態を示すブロック図である。
【図６】従来の光波長計測方法を適用した光波長計測装置のブロック図である。
【図７】可変波長帯域フィルタのスペクトルを示す図である。
【図８】基準波長フィルタの透過スペクトルを示す図である。
【図９】ＦＢＧの反射スペクトルを示す図である。
【図１０】第１の広波長帯域光源及び第２の広波長帯域光源のオンオフ及び可変波長帯域フィルタの透過中心波長走査を行ったときの受光素子で検出される信号を示す図である。
【図１１】図１０に示した信号波形の前半周期のＦＢＧ信号と図１０に示した後半周期の基準波長フィルタの信号とを重ねる処理を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１　第１の広波長帯域光源（光源）
２　第２の広波長帯域光源（光源）
３　基準波長フィルタ
４　２×２光カプラ
６ａ〜６ｃ　光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）
８　同期信号源
１１　可変波長帯域フィルタ
１２　受光素子
１５　三角波発生器
１６　バイアス制御回路
１７　加算器
２０　検出手段
２１　波長検出装置
２２　分離手段
２３ａ、２３ｂ　バンドパスフィルタ
２４ａ、２４ｂ　整流回路
２５ａ、２５ｂ　ローパスフィルタ
Ｌ１、Ｌ２　信号線
ＯＳＣ１　第１の強度変調用発振器
ＯＳＣ２　第２の強度変調用発振器

Claims

第１の広波長帯域光源と、第２の広波長帯域光源と、第２の広波長帯域光源から基準となる信号光を透過させる基準波長フィルタと、該基準波長フィルタからの信号光及び第１の広波長帯域光源からの信号光を合波する光カプラと、該光カプラに光ファイバを介して接続された複数の光ファイバブラッググレーティングと、上記光カプラに接続され上記光ファイバブラッググレーティングからの反射光を受光してピーク値と波長との関係より該反射光の波長を検出する検出手段とを有する光波長計測装置において、第１の広波長帯域光源からの信号光を第１の周波数で強度変調する第１の強度変調用発振器と、第２の広波長帯域光源からの信号光を第１の周波数と異なる第２の周波数で強度変調する第２の強度変調用発振器と、上記光ファイバブラッググレーティングからの反射光を第１の周波数及び第２の周波数で分離する分離手段とを備えたことを特徴とする光波長計測装置。
上記分離手段は、上記光ファイバブラッググレーティングからの反射光を受光する受光素子に接続され透過周波数帯域の異なる一対のバンドパスフィルタと、両バンドパスフィルタの出力端にそれぞれ接続された一対の整流回路と、両整流回路の出力端にそれぞれ接続され同時に上記検出手段にピークを出力する一対のローパスフィルタとを有する請求項１に記載の光波長計測装置。
上記分離手段は、上記光ファイバブラッググレーティングからの反射光を受光する受光素子に接続され周波数帯域の異なる一対の同調増幅器、両同調増幅器の出力端にそれぞれ接続された一対の位相敏感検出器及び両位相敏感検出器の出力端にそれぞれ接続され同時に上記検出手段にピークを出力する一対のローパスフィルタからなるロックインアンプである請求項１に記載の光波長計測装置。
第１の広波長帯域光源からの信号光と、第２の広波長帯域光源及び基準波長フィルタからの基準信号光とを光カプラで合波し、光ファイバを介して複数の光ファイバブラッググレーティングに入射し、上記光ファイバブラッググレーティングからの反射光を検出手段で受光して該反射光の波長を検出する光波長計測方法において、第１の強度変調用発振器を用いて第１の広波長帯域光源からの信号光を第１の周波数で強度変調し、第２の強度変調用発振器を用いて第２の広波長帯域光源からの信号光を第１の周波数と異なる第２の周波数で強度変調し、分離手段を用いて上記光ファイバブラッググレーティングからの反射光を第１の周波数及び第２の周波数で分離し、上記検出手段で反射光の波長を検出することを特徴とする光波長計測方法。