JP2004170383A

JP2004170383A - Ｗｄｍ信号モニタ

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Publication number: JP2004170383A
Application number: JP2003286406A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Suzuki; 泰幸鈴木; Yoshihiro Sanpei; 義広三瓶; Makoto Komiyama; 誠小宮山; Kenji Ogino; 賢治荻野; Yoriki Okada; 頼樹岡田; Shuhei Okada; 修平岡田; Shin Kamei; 伸亀井
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2003-08-05
Publication date: 2004-06-17
Anticipated expiration: 2023-08-05
Also published as: JP4320718B2

Abstract

【課題】使用環境に影響されずに、波長測定の確度を向上することができるＷＤＭ信号モニタを実現することを目的にする。
【解決手段】本発明は、被測定光を波長分散素子によって波長ごとに異なる角度に出射して分光し、この波長分散素子が分光した被測定光を光検出器が受光し、この光検出器からの出力によって、波長演算手段が被測定光の波長を求めるＷＤＭ信号モニタに改良を加えたものである。本装置は、波長分散素子の設けられる媒質の屈折率に基づき、波長演算手段が求めた波長を補正する補正部を有することを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長分散素子を用いたＷＤＭ（wavelength division multiplexing：波長分割多重）信号モニタに関し、詳しくは、使用環境に影響されずに、波長測定の確度を向上することができるＷＤＭ信号モニタに関するものである。

ＷＤＭ信号モニタは、ＷＤＭ信号である被測定光を波長分散素子によって波長ごとに異なる角度に出射して分光し、この波長分散素子が分光した被測定光を光検出器で受光し検出し、この光検出器からの出力によって、光信号の波長測定を行うものである（例えば、特許文献１参照）。

図４は、このようなＷＤＭ信号モニタの従来例を示す構成図である。図４において、分光器１０は、被測定光が入力され、この被測定光のスペクトルを測定して、サンプリングデータである測定データを出力する。また、分光器１０は、光ファイバ１１、コリメーティングレンズ１２、回折格子１３、フォーカシングレンズ１４、フォトダイオードアレイモジュール１５を有する。

光ファイバ１１は、被測定光を出射する出射口を有する伝送路である。コリメーティングレンズ１２は、光ファイバ１１の出射口に対向して設置され、光ファイバ１１から出射された被測定光を平行光にして出射する。

回折格子１３は波長分散素子であり、コリメーティングレンズ１２からの出射光を所望の角度に回折するため、コリメーティングレンズ１２に対して傾けて設置してある。また、回折格子１３は被測定光を波長ごと異なる角度に出射して分光する。フォーカシングレンズ１４は、回折格子１３からの出射光の光路上に設置され、出射光を収束して結像させる。

フォトダイオードアレイモジュール（以下、ＰＤＭと略す）１５は、光検出器であり、受光素子であるフォトダイオードを複数有するものであり、被測定光が収束し、結像する位置に設置される。また、ＰＤＭ１５は、被測定光の光パワーを受光素子によってサンプリングし、サンプリングデータを測定データとして出力する。そして、ＰＤＭ１５は、受光素子ごとにあらかじめ波長が割り当てられている。

メモリ２０は、記憶部であり分光器１０からの測定データを格納する。波長演算手段３０は、メモリ２０の測定データを読み出し、ＰＤＭ１５の受光素子ごとに割り当てられた波長から光信号の波長を演算する。

このような装置の動作を説明する。光ファイバ１１から出射された被測定光は、コリメーティングレンズ１２で平行光となる。コリメーティングレンズ１２を透過した被測定光は、回折格子１３に入射する。そして、被測定光が回折格子１３によって、波長ごとに分光される。すなわち、波長ごとに回折格子１３からの出射角度が異なる。そして、回折格子１３によって波長ごとに分光された被測定光が、フォーカシングレンズ１４によってＰＤＭ１５の受光素子それぞれで収束し、結像する。

例えば、図４中”ＦＰ０１”、”ＦＰ０２”、”ＦＰ０３”に位置する受光素子では、異なる波長の光が収束され、結像する。そして、ＰＤＭ１５の各受光素子がそれぞれの被測定光の光パワーに対応する電流（光電流）を出力する。また、ＰＤＭ１５が図示しない変換部によって、各受光素子から出力された光電流を電圧に変換する。また、この電圧に変換された信号はアナログ信号なので、変換部がアナログ信号をデジタル信号に変換し、測定データとしてメモリ２０に格納する。このように、測定データは受光素子によってサンプリングされたサンプリングデータとなっている。

そして、波長演算手段３０が、メモリ２０の測定データを読み出し、各受光素子に割り当てられた波長から光信号の波長を求め、これらの演算結果を図示しない出力部に出力し、この出力部は、演算結果を、例えば表示部の画面に表示したり、図示しない外部装置に出力する。

続いて、回折格子１３による被測定光の入射角度と出射角度の関係を説明する。回折格子１３による被測定光の入射角度と出射角度は下記の式（１）で表される
ｓｉｎθ_ｇｉ＋ｓｉｎθ_ｇｏ＝λ／（ｎ_ａ・ｄ）（１）

ここで、θ_ｇｉは、回折格子１３への被測定光の入射角度である。θ_ｇｏは、回折格子１３からの被測定光の出射角度である。λは、波長である。ｎ_ａは回折格子１３が使用される環境の媒質（一般的には空気）の屈折率であり、ｄは、回折格子１３の格子定数である。

また、波長の変化と出射角度の変化の関係は式（１）より、下記の式（２）で表される。
Δλ／Δθ_ｇｏ＝ｎ_ａ・ｄ・ｃｏｓθ_ｇｏ（２）

このように、複数の波長の光信号が重畳された被測定光であっても、回折格子１３が波長ごとに異なる角度で出射し、ＰＤＭ１５の受光素子の異なる位置で被測定光が収束されて結像されるので、各光信号の波長を求めることができる。

特開２０００−３０４６１３号公報

しかしながら、所望の波長を求める場合、媒質（空気）の屈折率が一定であることが必要だが、使用環境である空気の組成、高度、標高、気圧、温度、湿度、水蒸気圧等が異なると、空気の屈折率も変動する。そのため、同じ波長の被測定光であっても、回折格子１３からの出射角度が変動してしまう。

そして、媒質の屈折率変化に対する出射角度の変化は、式（１）より、下記の式（３）で表される。
Δθ_ｇｏ／Δｎ_ａ＝−λ／（ｎ_ａ ^２・ｄ・ｃｏｓθ_ｇｏ）（３）

例えば、λ＝１．５５［μｍ］、ｄ＝１．１１１［μｍ］、ｎ_ａ＝１．０００２６８、θ_ｇｏ＝１．２４８［ｒａｄ］（７１．５［ｄｅｇ］）の場合、式（３）より、
Δθ_ｇｏ／Δｎ_ａ≒−４．４２
となる。

よって空気の屈折率ｎ_ａが、１．０００２６８から１．０００２５８へと、僅か０．００００１変化（標高でいえば、０［ｍ］から約３００［ｍ］に変化）しても、出射角度は０．０４４２［ｍｒａｄ］変化する。これは、式（２）より、波長換算で１５．５［ｐｍ］に相当する。すなわち、同一の波長であっても空気の屈折率が変化するとＰＤＭ１５上の結像位置も変化してしまう。そして、このＰＤＭ１５上の結像位置から波長演算手段３０が、被測定光の波長演算を行うため、確度が悪化するという問題があった。

そこで本発明の目的は、使用環境に影響されずに、波長測定の確度を向上したＷＤＭ信号モニタを実現することにある。

請求項１記載の発明は、
被測定光を波長分散素子によって波長ごとに異なる角度に出射して分光し、この波長分散素子が分光した被測定光を光検出器が受光し、この光検出器からの出力によって、波長演算手段が被測定光の波長を求めるＷＤＭ信号モニタにおいて、
前記波長分散素子の設けられる媒質の屈折率に基づき、前記波長演算手段が求めた波長を補正する補正部を有することを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
補正部は、
所望の屈折率における波長の補正値を記憶する補正値記憶手段と、
この補正値記憶手段の補正値を読み出し、波長演算手段が求めた波長を補正する波長補正手段と
を有することを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明において、
補正部は、
波長の補正値を記憶する補正値記憶手段と、
波長分散素子の設けられる媒質の屈折率から補正値を求め、この補正値を補正値記憶手段に格納する補正値演算手段と、
補正値記憶手段の補正値を読み出し、波長演算手段が求めた波長を補正する波長補正手段と
を有することを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、
波長分散素子の設けられる使用環境から、媒質の屈折率を求め、求めた屈折率を補正部に出力する屈折率演算手段を有することを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、請求項４記載の発明において、
使用環境を測定し、この測定結果を屈折率演算手段に出力する環境測定手段を設けたことを特徴とするものである。

請求項６記載の発明は、請求項４または５記載の発明において、
使用環境は、空気の組成、高度、標高、気圧、温度、湿度または水蒸気圧の少なくとも一つであることを特徴とするものである。

請求項７記載の発明は、請求項５記載の発明において、
環境測定手段は、高度計であること特徴とするものである。

請求項８記載の発明は、請求項５記載の発明において、
環境測定手段は、ＧＰＳであることを特徴とするものである。

請求項９記載の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載の発明において、
波長分散素子は、回折格子またはプリズムであることを特徴とするものである。

本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項１〜９によれば、補正部が、波長分散素子の設けられる媒質の屈折率に基づいて、波長演算手段が求めた波長を補正する。これにより、媒質の屈折率が変化して、波長分散素子からの出射角度が変化して、光検出器上における被測定光の結像位置がずれ、波長演算手段の演算結果に誤差が生じても、誤差を軽減することができる。従って、使用環境に影響されずに、波長測定の確度を向上することができる。

請求項４によれば、屈折率演算手段が、波長分散素子が設置される使用環境における媒質の屈折率を求め、補正部に出力するので、一般的に求めるのが困難な屈折率を保守要員が補正部に入力する必要が無い。これにより、容易に波長の補正値を求めることができる。

請求項５〜８によれば、環境測定手段が、波長分散素子近傍の使用環境を測定し、屈折率演算手段に出力するので、保守要員を必要とせず、さらに所望のときに使用環境を求めて、この使用環境から波長ずれを補正する補正値を求めることができる。これにより、コスト削減を行えると共に、所望のときに補正値を新たに求めることができる。

以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
［第１の実施例］
図１は本発明の第１の実施例を示す構成図である。ここで、図４と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図１において、補正部４０が新たに設けられ、回折格子１３の設けられる空気の屈折率に基づき、波長演算手段３０が求めた波長を補正する。また、補正部４０は、補正値演算手段４１、補正値記憶手段４２、波長補正手段４３を有する。

補正値演算手段４１は、回折格子１３の設けられる空気の屈折率から、波長のずれを補正する補正値を求める。補正値記憶手段４２は、補正値演算手段４１の求めた補正値を記憶する。波長補正手段４３は、補正値記憶手段４２から補正値を読み出し、波長演算手段３０が求めた波長を補正する。

このような装置の動作を説明する。保守要員が図示しない入力手段、例えば、キーボードや操作ボタン等から回折格子１３の設けられる空気の屈折率を補正値演算手段４１に入力する。

そして、補正値演算手段４１が式（２）、式（３）より入力手段から入力された屈折率における波長の補正値、すなわち空気の屈折率の変化によって回折格子１３から出射される被測定光の出射角度の変化により、ＰＤＭ１５上における結像位置の変化に基づく波長ずれを補正する補正値を求め、補正値記憶手段４２に格納する。さらに、波長補正手段４３が、補正値記憶手段４２の補正値を読み出し、この補正値によって波長演算手段３０の求めた波長を補正する。そして補正部４０が、これらの演算結果を図示しない出力部に出力し、この出力部は、演算結果を、例えば表示部の画面に表示したり、図示しない外部装置に出力する。

また、補正部４０が、回折格子１３の設けられる空気の屈折率から、波長のずれを補正する補正値を求め、この補正値によって波長演算手段３０が求めた波長を補正する以外の動作は図４に示す装置と同様なので説明を省略する。

このように、補正値演算手段４１が、回折格子１３の設けられる空気の屈折率における波長の補正値を求め、この補正値に基づいて波長補正手段４３が波長演算手段３０の求めた波長を補正する。これにより、空気の屈折率が変化して、ＰＤＭ１５上における被測定光の結像位置がずれ、波長演算手段３０の演算結果に誤差が生じても、誤差を軽減することができる。従って、使用環境に影響されずに、波長測定の確度を向上することができる。

［第２の実施例］
図２は本発明の第２の実施例を示す構成図である。ここで、図１と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図２において、屈折率演算手段５０が新たに設けられ、回折格子１３が設けられる標高における空気の屈折率を求め、この求めた屈折率を補正部４０の補正値演算手段４１に出力する。

このような装置の動作を説明する。
屈折率演算手段５０に、保守要員が図示しない入力装置、例えば、キーボードやボタン等から、回折格子１３を有する分光器１０が設置される標高を入力する。そして、屈折率演算手段５０が、入力された標高における空気の屈折率を求め、この求めた屈折率を補正部４０の補正値演算手段４１に出力する。そして、補正値演算手段４１が図１に示す装置と同様に、式（２）、式（３）より屈折率演算手段５０が求めた屈折率における波長の補正値を求め、補正値記憶手段４２に格納する。

また、屈折率演算手段４０が、回折格子１３の設けられる標高における空気の屈折率を求め、補正部４０の補正値演算手段４１に出力する以外の動作は、図１に示す装置と同様なので説明を省略する。

このように、屈折率演算手段５０が、回折格子１３を有する分光器１０が設置される標高における空気の屈折率を求める。例えば、分光器１０が設置される局所内は、空気調整、温度調整が行われており、空気の屈折率は標高によって決定される。これにより、標高のみから屈折率を求めることができるので、容易に波長の補正値を求めることができる。

［第３の実施例］
図３は本発明の第３の実施例を示す構成図である。ここで、図２と同一のものは同一符号を付し、説明を省略すると共に図示も省略する。図３において、環境測定手段６０が、分光器１０の回折格子１３の近傍に新たに設けられ、環境測定手段６０の標高を測定し、この求めた標高を屈折率演算手段５０に出力する。また、環境測定手段６０は、例えば、高度計やＧＰＳ（Global Positioning System：全地球測位システム）等である。

このような装置の動作を説明する。
環境測定手段６０は、回折格子１３近傍の標高を測定し、この求めた標高を屈折率演算手段５０に出力する。そして、屈折率演算手段５０が図２に示す装置と同様に、標高から屈折率を求める。

また、環境測定手段６０が、回折格子１３近傍の標高を測定し、この求めた標高を屈折率演算手段５０に出力する以外の動作は、図２に示す装置と同様なので説明を省略する。

このように、環境測定手段６０が、回折格子１３近傍の標高を測定し、屈折率演算手段５０に出力するので、保守要員を必要とせず、さらに所望のときに標高を求めて、この標高から波長ずれを補正する補正値を求めることができる。これにより、コスト削減を行えると共に、所望のときに補正値を新たに求めることができる。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下のようなものでもよい。
図１に示す装置において、入力された屈折率から補正値演算手段４１が補正値を求め、補正値記憶手段４２に格納する構成を示したが、あらかじめ分光器１０の設置される標高等の使用環境が既知ならば、補正値演算手段４１を設けず、空気の屈折率に基づく波長の補正値をあらかじめ求めて、補正値記憶手段４２に記憶させておいてもよい。そして、波長補正手段４３が、この補正値記憶手段４２から補正値を読み出し、波長演算手段３０の求めた波長を補正する構成としてもよい。

また、図２、図３に示す装置において、一定の海面を基準とした高さを示す標高から屈折率演算手段５０が屈折率を求める構成を示したが、所望の位置の地面を基準とした高さを示す高度から屈折率を求める構成としてよい。もちろんこの場合、環境測定手段６０は、標高でなく高度を出力する。

また、図２、図３に示す装置において、一定の海面を基準とした高さを示す標高から屈折率演算手段５０が屈折率を求める構成を示したが、分光器１０が設置される局所の故障、停電等により局所内の空気調整、温度調整が停止した場合を考慮し、標高だけでなくその他の使用環境である空気の組成（窒素、酸素、アルゴン、二酸化炭素等）、高度、気圧、湿度、温度、水蒸気圧等から屈折率を求める構成としてよい。また、これら使用環境のパラメータのうち少なくも一つを用いればよい。同様に、図３に示す装置において、環境測定手段６０が標高を測定し、出力する構成を示したが、使用環境のパラメータのうち少なくも一つを測定し、この測定結果を屈折率演算手段５０に出力してもよい。もちろん、環境測定手段６０は、測定する使用環境のパラメータごとに適宜変更する。例えば、温度測定なら温度センサを用いる。

また、図１〜図３に示す装置において、ポリクロメータ方式の分光器１０をあげたが、被測定光を分光し、分光したスペクトルをサンプリングする構成の分光器は全て本発明に含まれる。

また、図１〜図３に示す装置において、被測定光を分光する波長分散素子に回折格子１３を用いる構成を示したが、回折格子１３の代わりにプリズム等を用いて被測定光を分光してもよい。

さらに、図１〜図３に示す装置において、分光器１０は、レンズ１２、１４を用いる透過型光学系を示したが、放物面鏡等を用いた反射型光学系としてもよい。

本発明の第１の実施例を示した構成図である。本発明の第２の実施例を示した構成図である。本発明の第３の実施例を示した構成図である。従来のＷＤＭ信号モニタの構成図である。

符号の説明

１３回折格子
１５フォトダイオードアレイモジュール
３０波長演算手段
４０補正部
４１補正値演算手段
４２補正値記憶手段
４３波長補正手段
５０屈折率演算手段
６０環境測定手段

Claims

被測定光を波長分散素子によって波長ごとに異なる角度に出射して分光し、この波長分散素子が分光した被測定光を光検出器が受光し、この光検出器からの出力によって、波長演算手段が被測定光の波長を求めるＷＤＭ信号モニタにおいて、
前記波長分散素子の設けられる媒質の屈折率に基づき、前記波長演算手段が求めた波長を補正する補正部を有することを特徴とするＷＤＭ信号モニタ。
補正部は、
所望の屈折率における波長の補正値を記憶する補正値記憶手段と、
この補正値記憶手段の補正値を読み出し、波長演算手段が求めた波長を補正する波長補正手段と
を有することを特徴とする請求項１記載のＷＤＭ信号モニタ。
補正部は、
波長の補正値を記憶する補正値記憶手段と、
波長分散素子の設けられる媒質の屈折率から補正値を求め、この補正値を補正値記憶手段に格納する補正値演算手段と、
補正値記憶手段の補正値を読み出し、波長演算手段が求めた波長を補正する波長補正手段と
を有することを特徴とする請求項１記載のＷＤＭ信号モニタ。
波長分散素子の設けられる使用環境から、媒質の屈折率を求め、求めた屈折率を補正部に出力する屈折率演算手段を有することを特徴とする請求項３記載のＷＤＭ信号モニタ。
使用環境を測定し、この測定結果を屈折率演算手段に出力する環境測定手段を設けたことを特徴とする請求項４記載のＷＤＭ信号モニタ。
使用環境は、空気の組成、高度、標高、気圧、温度、湿度または水蒸気圧の少なくとも一つであることを特徴とする請求項４または５記載のＷＤＭ信号モニタ。
環境測定手段は、高度計であること特徴とする請求項５記載のＷＤＭ信号モニタ。
環境測定手段は、ＧＰＳであることを特徴とする請求項５記載のＷＤＭ信号モニタ。
波長分散素子は、回折格子またはプリズムであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載のＷＤＭ信号モニタ。