JP2004245750A - 光スペクトル測定方法及びその装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構造で多波長光を発生でき、しかも高分解能な光スペクトル測定・分析を可能とする光スペクトル測定方法及びその装置を提供すること。
【解決手段】波長を変更可能な測定用光を発生する手段と、該測定用光を被検体８に照射し、該被検体からの透過光又は反射光を検出する検出手段９とを有する光スペクトル測定装置において、前記波長を変更可能な測定用光を発生する手段は、特定の波長を有する基準光を発生する光源１と、該基準光の波長をシフトさせるＳＳＢ変調器３とを備えることを特徴とする。
【選択図】図４
【解決手段】波長を変更可能な測定用光を発生する手段と、該測定用光を被検体８に照射し、該被検体からの透過光又は反射光を検出する検出手段９とを有する光スペクトル測定装置において、前記波長を変更可能な測定用光を発生する手段は、特定の波長を有する基準光を発生する光源１と、該基準光の波長をシフトさせるＳＳＢ変調器３とを備えることを特徴とする。
【選択図】図４
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光スペクトル測定方法及びその装置に関し、特に、波長を変更可能な測定用光を被検体に照射し、測定用光の波長を該被検体からの透過光又は反射光を検出することにより被検体のスペクトル特性を測定する光スペクトル測定方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物質の屈折率や光の透過・反射特性など様々な物理量の測定や、物質分析に利用される光吸収スペクトル分析など各種の測定・分析を行うため、従来より光スペクトルを用いた各種の測定方法・装置が提案されている。
光スペクトルを用いた測定は、基本的に、多波長の光を測定対象物に照射し、該測定対象物からの透過光又は反射光の光強度を測定することにより行われている。
光スペクトル測定の分解能を向上させるためには、測定対象物に照射される測定用光の波長を、より細かな波長変化量で制御することが必要であり、さらに、発生する測定用光の光量変動も可能な限り抑制することが求められている。
【０００３】
従来の光スペクトルを用いた測定装置としては、特開平１１−３５２０１８号公報に示すように、多波長の測定用光を発生可能な光源が用いられる。このような光源としては、可変波長レーザーを利用するものや、多波長を含む光源からの光を分光器を用いて、必要な光を分波し測定用光として用いるものが提案されている。
しかしながら、可変波長レーザにより波長を連続的に変化させる場合には、測定精度を高めるために、レーザ駆動電流やレーザの動作温度を高精度に制御する必要がある上、波長分解能にも限界がある。
【０００４】
分光器を用いて特定の波長光を得る方法としては、特開２０００−３３７９６２号公報のような回折格子、特開平２０００−３５６５５１号公報のようなエタロン、さらには、プリズムなどの光学素子を利用するものが知られている。
しかしながら、回折格子を用いる場合では、スペクトル測定の分解能を高めるためには、回折格子の回転機構の機械的寸法精度や駆動部の制御を高精度に保持することが不可欠であり、仮に回折格子を固定する場合でも、回折格子からの特定の反射光を精度良く捉え測定対象物に照射する機構が必要となる。このため、測定装置自体が高コストとなる上、装置の大きさもコンパクト化することが困難となる。しかも、機械的な駆動部の制御能力に測定分解能が依存しているため、高精度の測定も難しい。
【０００５】
また、エタロンを用いたものにおいては、２つの反射面の平面度や平行度等の加工・組立て精度を高くすることが必要であり、また反射面の間隔を高精度に制御するため、エタロン自体の温度管理を厳密に行う必要がある。このため、製造コストも高く、温度管理のための各種部材を必要とするため、コンパクト化も達成が難しい。また、測定精度は、反射面の間隔を変化させるスペーサの機械的精度に依存するため、高い測定分解能が得られ難い。
【０００６】
他方、急増する情報通信需要に対応して、高密度化、高速化、そして長距離伝送可能な光通信システムが求められており、中でもＤＷＤＭ通信システムの構築が求められている。このＤＷＤＭ通信システムにおいては、周波数利用効率の増大や非線形効果耐性の増大（長距離化）などの課題を解消する必要があり、本出願人は、これらの特性に優れた変調器として、単側波帯（Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｉｄｅ−Ｂａｎｄ、ＳＳＢ）変調器を提案してきた。
ＳＳＢ変調器の一例は、論文「ＸカットＬｉＮｂＯ３を用いた光ＳＳＢ−ＳＣ変調器」（日隈薫、他４名、ｐ．１７〜２１、「住友大阪セメント・テクニカルレポート ２００２年版」、住友大阪セメント株式会社新規技術研究所発行、平成１３年１２月８日）にも記載されている。
【０００７】
ＳＳＢ変調器の動作原理について説明する。
図１は、ＳＳＢ変調器、特にキャリア抑圧光単側波帯（Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｉｄｅ−Ｂａｎｄ ｗｉｔｈ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ Ｃａｒｒｉｅｒ、ＳＳＢ−ＳＣ）変調器の光導波路を模式的表した図である。
ＬｉＮｂＯ３などの電気光学効果を有する基板上にＴｉなど拡散して図１のような光導波路を形成する。該光導波路は、２つのサブＭＺ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）導波路ＭＺＡ、ＭＺＢがメインＭＺ導波路ＭＺＣの各アームに並列に配置された入れこ型のＭＺ構造を有している。
ＲＦＡ、ＲＦＢは、サブＭＺ導波路ＭＺＡ、ＭＺＢにマイクロ波の変調信号を印加するための進行波型コプレナー電極を簡略化して図示したものである。また、ＤＣＡ、ＤＣＢはサブＭＺ導波路ＭＺＡ、ＭＺＢに、ＤＣＣはメインＭＺ導波路ＭＺＣに、所定の位相差を付与するための直流電圧を印加する位相調整用電極を簡略化して図示したものである。
【０００８】
図１の動作を説明する前に、キャリア抑圧をしないＳＳＢ変調器の原理について説明する。ＳＳＢ変調技術は無線通信領域で活用されている技術であり、原信号とヒルベルト変換された原信号の和をとることにより、ＳＳＢ変調信号が得られることが知られている。
キャリア抑圧をしない光ＳＳＢ変調を実行するためには、図２のようなデュアル駆動の単独ＭＺ変調器（Ｚカット基板を利用した例を図示する。）を用いれば良い。
入射光をｅｘｐ（ｊωｔ）として、単一周波ＲＦ信号φｃｏｓΩｔをＲＦＡポートから、また、この信号をヒルベルト変換した信号、Ｈ［φｃｏｓΩｔ］＝φｓｉｎΩｔをＲＦＢポートからそれぞれ同時に入力する。
ｓｉｎΩｔ＝ｃｏｓ（Ωｔ−π／２）であるから、マイクロ波用の移相器を利用することにより、２つの信号を同時に供給できる。ただし、φは変調度、ω、Ωはそれぞれ光波とマイクロ波（ＲＦ）信号の各周波数を表す。
さらにＤＣＡポートから適当なバイアスを加えて、ＭＺ導波路の両アームを透過する光波に位相差π／２を付与する。
【０００９】
これらにより、合波地点での光波の位相項に着目した式は、以下の式（１）で表される。
ｅｘｐ（ｊωｔ）＊｛ｅｘｐ（ｊφｃｏｓΩｔ）＋ｅｘｐ（ｊφｓｉｎΩｔ）＊ｅｘｐ（ｊπ／２）｝＝２＊ｅｘｐ（ｊωｔ）＊｛Ｊ０（φ）＋ｊ＊Ｊ１（φ）ｅｘｐ（ｊΩｔ）｝・・・・・（１）
ここで、Ｊ０、Ｊ１は、０次、１次のベッセル関数であり、２次以降の成分は無視している。
式（１）のように、０次と１次のスペクトル成分は、残存しているが、−１次成分（Ｊ−１）は失われている（これを、模式的に示すと、図２のＭＺ導波路の右側に示したようなスペクトル分布をした光波が、ＭＺ導波路から出射される）。
また、−１次成分（Ｊ−１）を残し、１次成分（Ｊ１）を消去するには、ＤＣＡポートに位相差−π／２を付与するバイアスを印加を行うことで達成できる。
【００１０】
次に、キャリア抑圧光単側波帯（ＳＳＢ−ＳＣ）変調器の場合には、図１に示すように、単独ＭＺ干渉系の両アームに、サブＭＺ干渉系を備えた設計になっている。
このサブＭＺ導波路には、図３に示すようような信号を印加する。これは、通常の強度変調をボトム駆動で行っている場合と同じ状況と考えて良い。
このとき、出射光の位相項に着目した式は、次の式（２）により表される。
ｅｘｐ（ｊωｔ）＊｛ｅｘｐ（ｊφｓｉｎΩｔ）＋ｅｘｐ（−ｊφｓｉｎΩｔ）＊ｅｘｐ（ｊπ）｝＝２＊ｅｘｐ（ｊωｔ）＊｛Ｊ−１（φ）ｅｘｐ（−ｊΩｔ）＋Ｊ１（φ）ｅｘｐ（ｊΩｔ）｝・・・・・（２）
これにより、キャリア成分を含む偶数次のスペクトル成分がキャンセルされていることが分かる（これを、模式的に示すと、図３のＭＺ導波路の右側に示したようなスペクトル分布をした光波が、ＭＺ導波路から出射される）。
【００１１】
そして、上述したＳＳＢ変調（式（１）、図２に示した変調方式）とサブＭＺでのキャリア抑圧手法（式（２）、図３で示した変調方式）とを組み合わせることにより、１次スペクトル（Ｊ１項）、−１次スペクトル（Ｊ−１項）のいずれかのみを選択的に発生させることが可能となる。
Ｊ１で表される１次スペクトル光の周波数は、ω＋Ωであり、Ｊ−１で表される−１次スペクトル光の周波数は、ω−Ωとなる。これは、ＳＳＢ変調器に入射する光（周波数ω）を、ＳＳＢ変調器に印加するマイクロ波の周波数（Ω）分だけ、波長シフトさせて、出射光（周波数ω±Ω）として放出することを意味する。
このように、ＳＳＢ変調器は、光波の波長変換器として利用でき、特に、ＳＳＢ−ＳＣ変調器は、０次スペクトルの発生を抑え、１次又は−１次のスペクトルを効率よく発生させることが可能となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述した光スペクトル測定に係る問題を解決し、簡単な構造で多波長光を発生でき、しかも高分解能な光スペクトル測定・分析を可能とする光スペクトル測定方法及びその装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明では、波長を変更可能な測定用光を被検体に照射し、該被検体からの透過光又は反射光を検出することにより被検体のスペクトル特性を測定する光スペクトル測定方法において、前記波長を変更可能な測定用光を発生する方法は、特定の波長を有する基準光をＳＳＢ変調器を介して変調することにより波長をシフトさせ、測定用光を発生することを特徴とする。
【００１４】
請求項１に係る発明により、ＳＳＢ変調器を利用して多波長光を発生するため、従来の回折格子やエタロンなどのように、加工・組立時の機械的精度の保持すると共に、機械的駆動部や温度制御部材などの周辺部材を必要することが解消され、機械的稼働部が無く構成が簡単で、装置全体もコンパクト化することが可能となる。さらに、従来の可変波長レーザの波長可変時には、レーザ駆動電流やレーザ動作温度の制御など、高分解能な測定を困難化する要因があったが、本発明によれば、ＳＳＢ変調器に印加するマイクロ波の周波数変化させるだけで、簡単に多波長光を発生させることが可能となるため、マイクロ波の周波数変化量に相当する高分解能なスペクトル測定が可能となる。
【００１５】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光スペクトル測定方法において、前記被検体からの透過光又は反射光を検出する際に、該ＳＳＢ変調器を介さない基準光を参照光として、該透過光又は該反射光と共に検出することを特徴とする。
【００１６】
請求項２に係る発明により、光源の光量・波長に微細な変動が生じた場合でも、測定用光と参照光を検出時に合成して検出することにより、光源における変動の影響を除去し、精度の高い測定方法を達成することが可能となる。
【００１７】
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光スペクトル測定方法において、該測定用光の波長シフトの量又は方向は、ＳＳＢ変調器に印加する変調信号の周波数又は位相を変更することにより行うことを特徴とする。
【００１８】
請求項３に係る発明により、ＳＳＢ変調器に対する変調信号であるマイクロ波の周波数や位相を制御するだけで、簡単に波長シフト量や波長シフト方向が調整でき、精度が高くかつ波長変化の幅の広い多波長光を発生することが可能となる。
【００１９】
また、請求項４に係る発明は、波長を変更可能な測定用光を発生する手段と、該測定用光を被検体に照射し、該被検体からの透過光又は反射光を検出する検出手段とを有する光スペクトル測定装置において、前記波長を変更可能な測定用光を発生する手段は、特定の波長を有する基準光を発生する光源と、該基準光の波長をシフトさせるＳＳＢ変調器とを備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項４に係る発明により、上記請求項１の記載で述べたように、構成が簡単で、装置全体もコンパクト化でき、高分解能な光スペクトル測定装置を提供することができる。
【００２１】
また、請求項５に係る発明は、請求項４に記載の光スペクトル測定装置において、該光源とＳＳＢ変調器との間に該基準光を分岐する手段を設け、分岐した一方の基準光はＳＳＢ変調器により測定用光とし、分岐した他方の基準光は参照光として、該透過光又は反射光と共に検出手段に入射するよう構成することを特徴とする。
【００２２】
請求項５に係る発明により、上記請求項２の記載で述べたように、光源における光量・波長の変動の影響を除去し、精度の高い測定装置を提供することが可能となる。
【００２３】
また、請求項６に係る発明は、請求項４又は５に記載の光スペクトル測定装置において、該基準光はコヒーレント光であり、該光源とＳＳＢ変調器との間には基準光を直線偏波に整形する手段を設けることを特徴とする。
【００２４】
請求項６に係る発明により、レーザ光などのコヒーレント光を光源に用い、該コヒーレント光の偏波面を整形してＳＳＢ変調器に入射させることにより、ＳＳＢ変調器により波長シフト機能を、より適正に発揮させることが可能となる。
【００２５】
また、請求項７に係る発明は、請求項４乃至６のいずれかに記載の光スペクトル測定装置において、該ＳＳＢ変調器に変調信号を印加する変調信号印加手段を設け、該変調信号印加手段には変調信号の周波数又は位相を変更する構成が設けられていることを特徴とする。
【００２６】
請求項７に係る発明により、上記請求項３の記載で述べたように、変調信号印加手段に設けられた変調信号の周波数又は位相を変更する構成により、測定用光の波長シフト量や波長シフト方向が簡単に調整でき、精度が高くかつ波長変化の幅の広い多波長光を発生する光スペクトル測定装置が提供できる。
【００２７】
また、請求項８に係る発明は、請求項４乃至７のいずれかに記載の光スペクトル測定装置において、該光源は異なる波長を有する複数の光源で構成され、該複数の光源からの各基準光を選択的に切り替え、ＳＳＢ変調器に選択された基準光を入射させるよう構成することを特徴とする。
【００２８】
請求項８に係る発明により、ＳＳＢ変調器の波長可変の幅に限界がある場合でも、多数の波長を有する光源の順次切り替えると共に、各光源からの基準光をＳＳＢ変調器により波長シフトして測定用光とすることにより、単一の光源では困難な幅広い波長域に渡る測定用光を発生することが可能となり、適用範囲の広い光スペクトル測定装置を提供することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
図４は、本発明に係るＳＳＢ変調器を用いた光スペクトル測定装置の一実施例を示す概略図である。
１は、レーザ光源であり、２は、レーザ光源からのレーザ光を直線偏波に整形する偏波整形器である。直線偏波に整形されたレーザ光は基準光として、ＳＳＢ変調器３に入射される。
ＳＳＢ変調器には、マイクロ波発生器４、マイクロ波増幅器５、マイクロ波の移相・減衰調整器６により、所定の位相差（図４では９０°位相差）を有するマイクロ波が、ＳＳＢ変調器のＲＦポートに変調信号として印加され、さらに、直流バイアス制御器７により、所定の直流電圧がＳＳＢ変調器のＤＣポートに印加されている。
ＳＳＢ変調器内を通過する基準光は、マイクロ波の周波数に対応した周波数分だけ波長シフトされ、測定用光として、ＳＳＢ変調器から出射される。
測定用光は、被検体である測定対象物８に照射され、該測定用対象物からの透過光又は反射光は光検出器９に入射し、透過光又は反射光の光量が検出される。本発明に係る光スペクトル測定装置の光学系は、偏波保持された系であることが必要であり、特に、偏波整形器以降の光波を各光学部品に案内する際に光ファイバを用いる場合には、偏波保持ファイバ（不図示）を用いる。
【００３０】
次に、ＳＳＢ変調器の構成について説明する。
ＳＳＢ変調器の構成としては、例えば、図１に示すＳＳＢ−ＳＣ変調器が用いられる。
ＳＳＢ変調器の光導波路を構成する基板としては、電気光学効果を有する材料、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３；以下、ＬＮという）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料から構成され、特に、光導波路デバイスとして構成しやすく、かつ異方性が大きいという理由から、ＬｉＮｂＯ３結晶、ＬｉＴａＯ３結晶、又はＬｉＮｂＯ３及びＬｉＴａＯ３からなる固溶体結晶を用いることが好ましい。本実施例では、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いた例を中心に説明する。
【００３１】
光導波路を製造する方法としては、ＬＮ基板上にＴｉを熱拡散させて光導波路を形成している。変調信号や直流バイアス電圧を印加する電極を形成する方法としては、基板の一部又は全体に渡りバッファ層を設けずに、ＬＮ基板上に電極を直接形成する方法や、光導波路中の光の伝搬損失を低減させるために、ＬＮ基板上に誘電体ＳｉＯ２等のバッファ層を設け、さらにその上にＴｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより数十μｍの高さの変調電極、バイアス電極及び接地電極を構成して、間接的にこれらの電極を形成する方法がある。
一般に、一枚のＬＮウェハに複数のＳＳＢ変調器を作り込み、最後に個々のＳＳＢ変調器のチップに切り離すことにより利用される。
【００３２】
ＬＮ基板には結晶軸があり、図１は、基板表面に平行かつ導波路進行方向に対して垂直な方向に、電気光学効果により最も効率的に屈折率を変更できる結晶軸方向を配置した「Ｘカット基板」を例示したものであるが、これに限らず先に示した論文にも記載されているように、基板表面に垂直な方向に、電気光学効果により最も効率的に屈折率を変更できる結晶軸方向を配置した「Ｚカット基板」を利用することもできる。
一般に、ＸカットのＬＮ変調器には、ＤＣドリフトが小さい、シングル駆動でゼロチャープが達成可能という長所がある反面、光とマイクロ波の速度整合が困難であり、駆動電圧が若干高くなるという短所がある。一方、ＺカットＬＮ変調器には、速度整合が容易であり、駆動電圧が低いという長所がある反面、シングル駆動の場合にはチャープが存在すること、しかも、ＤＣドリフトがやや大きいと言った短所もある。ＳＳＢ変調器についても同様のことが言え、適用領域で何を重視するかにより、どのカット基板を利用すべきか適宜選択できる。
【００３３】
ただし、図１のようなＳＳＢ変調器の導波路においては、４本の導波路アームを透過するそれぞれの光波に、正確に同強度の電界を与え、かつ精度良く位相調整する必要があり、Ｚカット基板の場合には、変調信号電極を４本の導波路アームの各々に設ける必要がある。このため、移相・減衰調整のための回路部品やコネクタなども、信号電極の数だけ設ける必要がある。
他方、Ｘカット基板の場合には、図１のようにサブＭＺ干渉系の中心位置に信号電極を設置するだけで、その対称性から、１つの信号電極により２つの導波路に同強度の電界を同時に印加することが可能となる（シングル駆動でゼロチャープとなる）。
つまり、Ｚカット基板では、４本必要な信号電極が、Ｘカット基板の場合には、２本で十分であり、電子部品や調整箇所の数を削減でき、よりシンプルで安価なＳＳＢ変調器を提供することができる。
【００３４】
ＳＳＢ変調器に印加する変調信号及び直流バイアス電圧については、図１に示すように、サブＭＺ導波路ＭＺＡには、φ（ｔ）＝φｓｉｎΩｔの変調信号を各アームの中央付近に印加した場合、サブＭＺ導波路ＭＺＢには、ヒルベルト変換したＨ［φ（ｔ）］＝φｃｏｓΩｔが入力される。
また、各サブＭＺ導波路の一方のアームには位相差πを生じるように、直流バイアス電圧ＤＣＡ、ＤＣＢが印加され、メインＭＺ導波路の一方のアームには位相差π／２を生じるように直流バイアス電圧ＤＣＣが印加されている。
なお、図１のようなＸカット基板の場合には、変調信号電極と接地電極との間に各アームの導波路が配置されるように、各々の電極が設置され、Ｚカット基板の場合には、各アームの導波路上に変調器信号電極が配置され、該変調信号電極を取り囲むように接地電極が設けられている。直流バイアス電極についても同様である。
【００３５】
図５のグラフは、本発明に係るＳＳＢ変調器の波長シフトの測定結果の一例を示すものである。
光源に波長（λ０＝１．５５００８μｍ）のレーザ光源を用い、ＳＳＢ変調器に変調信号周波数１０ＧＨｚを印加する前後で、ＳＳＢ変調器からの出射光を、光スペクトル・アナライザーで測定した。図５のシフト前のグラフは、ＳＳＢ変調器に変調信号を印加しない状態のものであり、ピークのスペクトルは、レーザ光の波長に一致している。他方、シフト後のグラフは、変調信号を印加した状態のスペクトル分布であり、最大ピークのスペクトルは、１次スペクトル（波長λ１＝１．５５μｍ）を示している。レーザ光が、変調信号の周波数分だけマイナス方向に波長シフトした状態が、十分に理解できる。
【００３６】
次に、図４に示した光スペクトル測定装置の一例として、被検体である測定対象物８に、導波路を挿入し、該導波路の共振スペクトルを測定する例を説明する。
測定対象物は、長さＬ（Ｌ＝５．９９６×１０−２ｍ）の導波路を有する周波数コムジェネレータであり、導波路の両端面は反射率９７％（波長１．５μｍにおける反射率）に設定する。光源として波長（λ０＝１．５μｍ）のレーザ光源を用い、ＳＳＢ変調器に印加する変調信号周波数を逐次変化させながら、各々変調信号周波数（シフト周波数）毎に、測定対象物の透過特性を光検出器で測定した結果を、図６に示す。
図６においては、シフト周波数の変化量は１０ＭＨｚとしたが、より細かな変化量で変調信号周波数を変化させることも可能である。
従来のスペクトル測定装置では、このような細かな波長（又は周波数）変化量で測定することは困難であったが、本発明の実施例に拠れば、図６のグラフよりδｆ＝１．１３ＧＨｚが測定でき、波長１．５μｍ付近での測定対象物である導波路の常光実効屈折率ｎｅｆｆ＝ｃ／２δｆＬ≒２．２２５（Ｃ；光速）が精度良く算出される。
【００３７】
図７は、本発明の光スペクトル測定装置に係る第２の実施例を示すものである。
図７に示す各符号は、図４のものと同様の意味を表す。第２の実施例の特徴は、直線偏波器２を通過したレーザ光を２つに分岐し、一方を測定用光としてＳＳＢ変調器に入射し、所定の変調信号周波数で波長シフトを行った後、測定対象物に照射する。分岐した他方の光は、参照光として、測定対象物を透過又は反射した光と合波され、光検出器９に入射するよう構成されている。
光検出器９においてヘテロダイン検波を行い、参照光と測定用光との位相差がなくなるように、位相調整手段（不図示）で制御する。位相調整手段は、参照光の光路上にあっても良いし、測定用光の光路上にあっても良い。
このような構成により、レーザ光源における光量や波長が微妙に変化した場合でも、参照光が測定用光と合波して、光検出器９に入射するため、測定用光に含まれるこれら光源に起因するノイズ成分を、効率的に除去することが可能となる。
なお、測定用光と参照光との合波方法としては、ハーフミラーや光ファイバーの光結合器などを用いて２つの光波を結合させても良いが、光検出器の受光面に２つの光波が同時に入射するよう構成しても良い。
【００３８】
上記実施例では、光スペクトル測定装置の光源として、１つのレーザ光源を用いた例を示したが、ＳＳＢ変調器に印加するマイクロ波の周波数の範囲には限界があり、単一の光源では、測定波長は限られたものとなる。
このため、幅広い波長領域に対応した光スペクトル測定を実現するためには、波長の異なる複数のレーザ光源を用意し、これらの光源を選択的に切り替えることにより、実質的に測定可能な波長範囲を拡張することが可能となる。選択された光源からのレーザ光は、上記実施例のように、直線偏波器を経て、ＳＳＢ変調器に入射され、適宜、波長シフトを受けた測定用光となる。レーザ光源の種類としては、変調信号周波数の変更により対応可能な波長シフト量に相当する波長間隔で、複数の光源を用意することにより、連続した波長範囲の測定を可能とする。また、光源を複数用意しなくても、波長可変レーザを用いても良いし、回折格子で分波される光源を利用しても良い。さらに、スペクトル測定でよく利用する波長近傍の光源のみを複数用意することも可能である。
また、異なる波長を有する光源を複数用意する代わりに、従来例で述べたような可変波長レーザや、エタロンなどを利用して、複数の離散的波長を発生させることも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の光スペクトル測定方法及びその装置により、簡単な構造で多波長光を発生でき、しかも高分解能な光スペクトル測定・分析が可能となる。
また、光源の波長・光量の変動に起因するノイズに対しても、効率的に除去でき、精度の高い光スペクトル測定方法及びその装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＳＳＢ変調器の概略図。
【図２】ＳＳＢ変調器のメインＭＺ導波路の役割を示す図。
【図３】ＳＳＢ変調器のサブＭＺ導波路の役割を示す図。
【図４】本発明の光スペクトル測定装置の第１の実施例を示す図。
【図５】ＳＳＢ変調器による波長シフト状態を示すグラフ。
【図６】本発明の光スペクトル測定装置による共振スペクトル測定結果を示すグラフ。
【図７】本発明の光スペクトル測定装置の第２の実施例を示す図。
【符号の説明】
１ レーザ光源
２ 直線偏波器
３ ＳＳＢ変調器
４ マイクロ波発生器
５ マイクロ波増幅器
６ 移相・減衰調整器
７ 直流バイアス電圧器
８ 測定対象物
９ 光検出器
【発明の属する技術分野】
本発明は、光スペクトル測定方法及びその装置に関し、特に、波長を変更可能な測定用光を被検体に照射し、測定用光の波長を該被検体からの透過光又は反射光を検出することにより被検体のスペクトル特性を測定する光スペクトル測定方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物質の屈折率や光の透過・反射特性など様々な物理量の測定や、物質分析に利用される光吸収スペクトル分析など各種の測定・分析を行うため、従来より光スペクトルを用いた各種の測定方法・装置が提案されている。
光スペクトルを用いた測定は、基本的に、多波長の光を測定対象物に照射し、該測定対象物からの透過光又は反射光の光強度を測定することにより行われている。
光スペクトル測定の分解能を向上させるためには、測定対象物に照射される測定用光の波長を、より細かな波長変化量で制御することが必要であり、さらに、発生する測定用光の光量変動も可能な限り抑制することが求められている。
【０００３】
従来の光スペクトルを用いた測定装置としては、特開平１１−３５２０１８号公報に示すように、多波長の測定用光を発生可能な光源が用いられる。このような光源としては、可変波長レーザーを利用するものや、多波長を含む光源からの光を分光器を用いて、必要な光を分波し測定用光として用いるものが提案されている。
しかしながら、可変波長レーザにより波長を連続的に変化させる場合には、測定精度を高めるために、レーザ駆動電流やレーザの動作温度を高精度に制御する必要がある上、波長分解能にも限界がある。
【０００４】
分光器を用いて特定の波長光を得る方法としては、特開２０００−３３７９６２号公報のような回折格子、特開平２０００−３５６５５１号公報のようなエタロン、さらには、プリズムなどの光学素子を利用するものが知られている。
しかしながら、回折格子を用いる場合では、スペクトル測定の分解能を高めるためには、回折格子の回転機構の機械的寸法精度や駆動部の制御を高精度に保持することが不可欠であり、仮に回折格子を固定する場合でも、回折格子からの特定の反射光を精度良く捉え測定対象物に照射する機構が必要となる。このため、測定装置自体が高コストとなる上、装置の大きさもコンパクト化することが困難となる。しかも、機械的な駆動部の制御能力に測定分解能が依存しているため、高精度の測定も難しい。
【０００５】
また、エタロンを用いたものにおいては、２つの反射面の平面度や平行度等の加工・組立て精度を高くすることが必要であり、また反射面の間隔を高精度に制御するため、エタロン自体の温度管理を厳密に行う必要がある。このため、製造コストも高く、温度管理のための各種部材を必要とするため、コンパクト化も達成が難しい。また、測定精度は、反射面の間隔を変化させるスペーサの機械的精度に依存するため、高い測定分解能が得られ難い。
【０００６】
他方、急増する情報通信需要に対応して、高密度化、高速化、そして長距離伝送可能な光通信システムが求められており、中でもＤＷＤＭ通信システムの構築が求められている。このＤＷＤＭ通信システムにおいては、周波数利用効率の増大や非線形効果耐性の増大（長距離化）などの課題を解消する必要があり、本出願人は、これらの特性に優れた変調器として、単側波帯（Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｉｄｅ−Ｂａｎｄ、ＳＳＢ）変調器を提案してきた。
ＳＳＢ変調器の一例は、論文「ＸカットＬｉＮｂＯ３を用いた光ＳＳＢ−ＳＣ変調器」（日隈薫、他４名、ｐ．１７〜２１、「住友大阪セメント・テクニカルレポート ２００２年版」、住友大阪セメント株式会社新規技術研究所発行、平成１３年１２月８日）にも記載されている。
【０００７】
ＳＳＢ変調器の動作原理について説明する。
図１は、ＳＳＢ変調器、特にキャリア抑圧光単側波帯（Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｉｄｅ−Ｂａｎｄ ｗｉｔｈ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄ Ｃａｒｒｉｅｒ、ＳＳＢ−ＳＣ）変調器の光導波路を模式的表した図である。
ＬｉＮｂＯ３などの電気光学効果を有する基板上にＴｉなど拡散して図１のような光導波路を形成する。該光導波路は、２つのサブＭＺ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）導波路ＭＺＡ、ＭＺＢがメインＭＺ導波路ＭＺＣの各アームに並列に配置された入れこ型のＭＺ構造を有している。
ＲＦＡ、ＲＦＢは、サブＭＺ導波路ＭＺＡ、ＭＺＢにマイクロ波の変調信号を印加するための進行波型コプレナー電極を簡略化して図示したものである。また、ＤＣＡ、ＤＣＢはサブＭＺ導波路ＭＺＡ、ＭＺＢに、ＤＣＣはメインＭＺ導波路ＭＺＣに、所定の位相差を付与するための直流電圧を印加する位相調整用電極を簡略化して図示したものである。
【０００８】
図１の動作を説明する前に、キャリア抑圧をしないＳＳＢ変調器の原理について説明する。ＳＳＢ変調技術は無線通信領域で活用されている技術であり、原信号とヒルベルト変換された原信号の和をとることにより、ＳＳＢ変調信号が得られることが知られている。
キャリア抑圧をしない光ＳＳＢ変調を実行するためには、図２のようなデュアル駆動の単独ＭＺ変調器（Ｚカット基板を利用した例を図示する。）を用いれば良い。
入射光をｅｘｐ（ｊωｔ）として、単一周波ＲＦ信号φｃｏｓΩｔをＲＦＡポートから、また、この信号をヒルベルト変換した信号、Ｈ［φｃｏｓΩｔ］＝φｓｉｎΩｔをＲＦＢポートからそれぞれ同時に入力する。
ｓｉｎΩｔ＝ｃｏｓ（Ωｔ−π／２）であるから、マイクロ波用の移相器を利用することにより、２つの信号を同時に供給できる。ただし、φは変調度、ω、Ωはそれぞれ光波とマイクロ波（ＲＦ）信号の各周波数を表す。
さらにＤＣＡポートから適当なバイアスを加えて、ＭＺ導波路の両アームを透過する光波に位相差π／２を付与する。
【０００９】
これらにより、合波地点での光波の位相項に着目した式は、以下の式（１）で表される。
ｅｘｐ（ｊωｔ）＊｛ｅｘｐ（ｊφｃｏｓΩｔ）＋ｅｘｐ（ｊφｓｉｎΩｔ）＊ｅｘｐ（ｊπ／２）｝＝２＊ｅｘｐ（ｊωｔ）＊｛Ｊ０（φ）＋ｊ＊Ｊ１（φ）ｅｘｐ（ｊΩｔ）｝・・・・・（１）
ここで、Ｊ０、Ｊ１は、０次、１次のベッセル関数であり、２次以降の成分は無視している。
式（１）のように、０次と１次のスペクトル成分は、残存しているが、−１次成分（Ｊ−１）は失われている（これを、模式的に示すと、図２のＭＺ導波路の右側に示したようなスペクトル分布をした光波が、ＭＺ導波路から出射される）。
また、−１次成分（Ｊ−１）を残し、１次成分（Ｊ１）を消去するには、ＤＣＡポートに位相差−π／２を付与するバイアスを印加を行うことで達成できる。
【００１０】
次に、キャリア抑圧光単側波帯（ＳＳＢ−ＳＣ）変調器の場合には、図１に示すように、単独ＭＺ干渉系の両アームに、サブＭＺ干渉系を備えた設計になっている。
このサブＭＺ導波路には、図３に示すようような信号を印加する。これは、通常の強度変調をボトム駆動で行っている場合と同じ状況と考えて良い。
このとき、出射光の位相項に着目した式は、次の式（２）により表される。
ｅｘｐ（ｊωｔ）＊｛ｅｘｐ（ｊφｓｉｎΩｔ）＋ｅｘｐ（−ｊφｓｉｎΩｔ）＊ｅｘｐ（ｊπ）｝＝２＊ｅｘｐ（ｊωｔ）＊｛Ｊ−１（φ）ｅｘｐ（−ｊΩｔ）＋Ｊ１（φ）ｅｘｐ（ｊΩｔ）｝・・・・・（２）
これにより、キャリア成分を含む偶数次のスペクトル成分がキャンセルされていることが分かる（これを、模式的に示すと、図３のＭＺ導波路の右側に示したようなスペクトル分布をした光波が、ＭＺ導波路から出射される）。
【００１１】
そして、上述したＳＳＢ変調（式（１）、図２に示した変調方式）とサブＭＺでのキャリア抑圧手法（式（２）、図３で示した変調方式）とを組み合わせることにより、１次スペクトル（Ｊ１項）、−１次スペクトル（Ｊ−１項）のいずれかのみを選択的に発生させることが可能となる。
Ｊ１で表される１次スペクトル光の周波数は、ω＋Ωであり、Ｊ−１で表される−１次スペクトル光の周波数は、ω−Ωとなる。これは、ＳＳＢ変調器に入射する光（周波数ω）を、ＳＳＢ変調器に印加するマイクロ波の周波数（Ω）分だけ、波長シフトさせて、出射光（周波数ω±Ω）として放出することを意味する。
このように、ＳＳＢ変調器は、光波の波長変換器として利用でき、特に、ＳＳＢ−ＳＣ変調器は、０次スペクトルの発生を抑え、１次又は−１次のスペクトルを効率よく発生させることが可能となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述した光スペクトル測定に係る問題を解決し、簡単な構造で多波長光を発生でき、しかも高分解能な光スペクトル測定・分析を可能とする光スペクトル測定方法及びその装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明では、波長を変更可能な測定用光を被検体に照射し、該被検体からの透過光又は反射光を検出することにより被検体のスペクトル特性を測定する光スペクトル測定方法において、前記波長を変更可能な測定用光を発生する方法は、特定の波長を有する基準光をＳＳＢ変調器を介して変調することにより波長をシフトさせ、測定用光を発生することを特徴とする。
【００１４】
請求項１に係る発明により、ＳＳＢ変調器を利用して多波長光を発生するため、従来の回折格子やエタロンなどのように、加工・組立時の機械的精度の保持すると共に、機械的駆動部や温度制御部材などの周辺部材を必要することが解消され、機械的稼働部が無く構成が簡単で、装置全体もコンパクト化することが可能となる。さらに、従来の可変波長レーザの波長可変時には、レーザ駆動電流やレーザ動作温度の制御など、高分解能な測定を困難化する要因があったが、本発明によれば、ＳＳＢ変調器に印加するマイクロ波の周波数変化させるだけで、簡単に多波長光を発生させることが可能となるため、マイクロ波の周波数変化量に相当する高分解能なスペクトル測定が可能となる。
【００１５】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光スペクトル測定方法において、前記被検体からの透過光又は反射光を検出する際に、該ＳＳＢ変調器を介さない基準光を参照光として、該透過光又は該反射光と共に検出することを特徴とする。
【００１６】
請求項２に係る発明により、光源の光量・波長に微細な変動が生じた場合でも、測定用光と参照光を検出時に合成して検出することにより、光源における変動の影響を除去し、精度の高い測定方法を達成することが可能となる。
【００１７】
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は２に記載の光スペクトル測定方法において、該測定用光の波長シフトの量又は方向は、ＳＳＢ変調器に印加する変調信号の周波数又は位相を変更することにより行うことを特徴とする。
【００１８】
請求項３に係る発明により、ＳＳＢ変調器に対する変調信号であるマイクロ波の周波数や位相を制御するだけで、簡単に波長シフト量や波長シフト方向が調整でき、精度が高くかつ波長変化の幅の広い多波長光を発生することが可能となる。
【００１９】
また、請求項４に係る発明は、波長を変更可能な測定用光を発生する手段と、該測定用光を被検体に照射し、該被検体からの透過光又は反射光を検出する検出手段とを有する光スペクトル測定装置において、前記波長を変更可能な測定用光を発生する手段は、特定の波長を有する基準光を発生する光源と、該基準光の波長をシフトさせるＳＳＢ変調器とを備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項４に係る発明により、上記請求項１の記載で述べたように、構成が簡単で、装置全体もコンパクト化でき、高分解能な光スペクトル測定装置を提供することができる。
【００２１】
また、請求項５に係る発明は、請求項４に記載の光スペクトル測定装置において、該光源とＳＳＢ変調器との間に該基準光を分岐する手段を設け、分岐した一方の基準光はＳＳＢ変調器により測定用光とし、分岐した他方の基準光は参照光として、該透過光又は反射光と共に検出手段に入射するよう構成することを特徴とする。
【００２２】
請求項５に係る発明により、上記請求項２の記載で述べたように、光源における光量・波長の変動の影響を除去し、精度の高い測定装置を提供することが可能となる。
【００２３】
また、請求項６に係る発明は、請求項４又は５に記載の光スペクトル測定装置において、該基準光はコヒーレント光であり、該光源とＳＳＢ変調器との間には基準光を直線偏波に整形する手段を設けることを特徴とする。
【００２４】
請求項６に係る発明により、レーザ光などのコヒーレント光を光源に用い、該コヒーレント光の偏波面を整形してＳＳＢ変調器に入射させることにより、ＳＳＢ変調器により波長シフト機能を、より適正に発揮させることが可能となる。
【００２５】
また、請求項７に係る発明は、請求項４乃至６のいずれかに記載の光スペクトル測定装置において、該ＳＳＢ変調器に変調信号を印加する変調信号印加手段を設け、該変調信号印加手段には変調信号の周波数又は位相を変更する構成が設けられていることを特徴とする。
【００２６】
請求項７に係る発明により、上記請求項３の記載で述べたように、変調信号印加手段に設けられた変調信号の周波数又は位相を変更する構成により、測定用光の波長シフト量や波長シフト方向が簡単に調整でき、精度が高くかつ波長変化の幅の広い多波長光を発生する光スペクトル測定装置が提供できる。
【００２７】
また、請求項８に係る発明は、請求項４乃至７のいずれかに記載の光スペクトル測定装置において、該光源は異なる波長を有する複数の光源で構成され、該複数の光源からの各基準光を選択的に切り替え、ＳＳＢ変調器に選択された基準光を入射させるよう構成することを特徴とする。
【００２８】
請求項８に係る発明により、ＳＳＢ変調器の波長可変の幅に限界がある場合でも、多数の波長を有する光源の順次切り替えると共に、各光源からの基準光をＳＳＢ変調器により波長シフトして測定用光とすることにより、単一の光源では困難な幅広い波長域に渡る測定用光を発生することが可能となり、適用範囲の広い光スペクトル測定装置を提供することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
図４は、本発明に係るＳＳＢ変調器を用いた光スペクトル測定装置の一実施例を示す概略図である。
１は、レーザ光源であり、２は、レーザ光源からのレーザ光を直線偏波に整形する偏波整形器である。直線偏波に整形されたレーザ光は基準光として、ＳＳＢ変調器３に入射される。
ＳＳＢ変調器には、マイクロ波発生器４、マイクロ波増幅器５、マイクロ波の移相・減衰調整器６により、所定の位相差（図４では９０°位相差）を有するマイクロ波が、ＳＳＢ変調器のＲＦポートに変調信号として印加され、さらに、直流バイアス制御器７により、所定の直流電圧がＳＳＢ変調器のＤＣポートに印加されている。
ＳＳＢ変調器内を通過する基準光は、マイクロ波の周波数に対応した周波数分だけ波長シフトされ、測定用光として、ＳＳＢ変調器から出射される。
測定用光は、被検体である測定対象物８に照射され、該測定用対象物からの透過光又は反射光は光検出器９に入射し、透過光又は反射光の光量が検出される。本発明に係る光スペクトル測定装置の光学系は、偏波保持された系であることが必要であり、特に、偏波整形器以降の光波を各光学部品に案内する際に光ファイバを用いる場合には、偏波保持ファイバ（不図示）を用いる。
【００３０】
次に、ＳＳＢ変調器の構成について説明する。
ＳＳＢ変調器の構成としては、例えば、図１に示すＳＳＢ−ＳＣ変調器が用いられる。
ＳＳＢ変調器の光導波路を構成する基板としては、電気光学効果を有する材料、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３；以下、ＬＮという）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料から構成され、特に、光導波路デバイスとして構成しやすく、かつ異方性が大きいという理由から、ＬｉＮｂＯ３結晶、ＬｉＴａＯ３結晶、又はＬｉＮｂＯ３及びＬｉＴａＯ３からなる固溶体結晶を用いることが好ましい。本実施例では、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いた例を中心に説明する。
【００３１】
光導波路を製造する方法としては、ＬＮ基板上にＴｉを熱拡散させて光導波路を形成している。変調信号や直流バイアス電圧を印加する電極を形成する方法としては、基板の一部又は全体に渡りバッファ層を設けずに、ＬＮ基板上に電極を直接形成する方法や、光導波路中の光の伝搬損失を低減させるために、ＬＮ基板上に誘電体ＳｉＯ２等のバッファ層を設け、さらにその上にＴｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより数十μｍの高さの変調電極、バイアス電極及び接地電極を構成して、間接的にこれらの電極を形成する方法がある。
一般に、一枚のＬＮウェハに複数のＳＳＢ変調器を作り込み、最後に個々のＳＳＢ変調器のチップに切り離すことにより利用される。
【００３２】
ＬＮ基板には結晶軸があり、図１は、基板表面に平行かつ導波路進行方向に対して垂直な方向に、電気光学効果により最も効率的に屈折率を変更できる結晶軸方向を配置した「Ｘカット基板」を例示したものであるが、これに限らず先に示した論文にも記載されているように、基板表面に垂直な方向に、電気光学効果により最も効率的に屈折率を変更できる結晶軸方向を配置した「Ｚカット基板」を利用することもできる。
一般に、ＸカットのＬＮ変調器には、ＤＣドリフトが小さい、シングル駆動でゼロチャープが達成可能という長所がある反面、光とマイクロ波の速度整合が困難であり、駆動電圧が若干高くなるという短所がある。一方、ＺカットＬＮ変調器には、速度整合が容易であり、駆動電圧が低いという長所がある反面、シングル駆動の場合にはチャープが存在すること、しかも、ＤＣドリフトがやや大きいと言った短所もある。ＳＳＢ変調器についても同様のことが言え、適用領域で何を重視するかにより、どのカット基板を利用すべきか適宜選択できる。
【００３３】
ただし、図１のようなＳＳＢ変調器の導波路においては、４本の導波路アームを透過するそれぞれの光波に、正確に同強度の電界を与え、かつ精度良く位相調整する必要があり、Ｚカット基板の場合には、変調信号電極を４本の導波路アームの各々に設ける必要がある。このため、移相・減衰調整のための回路部品やコネクタなども、信号電極の数だけ設ける必要がある。
他方、Ｘカット基板の場合には、図１のようにサブＭＺ干渉系の中心位置に信号電極を設置するだけで、その対称性から、１つの信号電極により２つの導波路に同強度の電界を同時に印加することが可能となる（シングル駆動でゼロチャープとなる）。
つまり、Ｚカット基板では、４本必要な信号電極が、Ｘカット基板の場合には、２本で十分であり、電子部品や調整箇所の数を削減でき、よりシンプルで安価なＳＳＢ変調器を提供することができる。
【００３４】
ＳＳＢ変調器に印加する変調信号及び直流バイアス電圧については、図１に示すように、サブＭＺ導波路ＭＺＡには、φ（ｔ）＝φｓｉｎΩｔの変調信号を各アームの中央付近に印加した場合、サブＭＺ導波路ＭＺＢには、ヒルベルト変換したＨ［φ（ｔ）］＝φｃｏｓΩｔが入力される。
また、各サブＭＺ導波路の一方のアームには位相差πを生じるように、直流バイアス電圧ＤＣＡ、ＤＣＢが印加され、メインＭＺ導波路の一方のアームには位相差π／２を生じるように直流バイアス電圧ＤＣＣが印加されている。
なお、図１のようなＸカット基板の場合には、変調信号電極と接地電極との間に各アームの導波路が配置されるように、各々の電極が設置され、Ｚカット基板の場合には、各アームの導波路上に変調器信号電極が配置され、該変調信号電極を取り囲むように接地電極が設けられている。直流バイアス電極についても同様である。
【００３５】
図５のグラフは、本発明に係るＳＳＢ変調器の波長シフトの測定結果の一例を示すものである。
光源に波長（λ０＝１．５５００８μｍ）のレーザ光源を用い、ＳＳＢ変調器に変調信号周波数１０ＧＨｚを印加する前後で、ＳＳＢ変調器からの出射光を、光スペクトル・アナライザーで測定した。図５のシフト前のグラフは、ＳＳＢ変調器に変調信号を印加しない状態のものであり、ピークのスペクトルは、レーザ光の波長に一致している。他方、シフト後のグラフは、変調信号を印加した状態のスペクトル分布であり、最大ピークのスペクトルは、１次スペクトル（波長λ１＝１．５５μｍ）を示している。レーザ光が、変調信号の周波数分だけマイナス方向に波長シフトした状態が、十分に理解できる。
【００３６】
次に、図４に示した光スペクトル測定装置の一例として、被検体である測定対象物８に、導波路を挿入し、該導波路の共振スペクトルを測定する例を説明する。
測定対象物は、長さＬ（Ｌ＝５．９９６×１０−２ｍ）の導波路を有する周波数コムジェネレータであり、導波路の両端面は反射率９７％（波長１．５μｍにおける反射率）に設定する。光源として波長（λ０＝１．５μｍ）のレーザ光源を用い、ＳＳＢ変調器に印加する変調信号周波数を逐次変化させながら、各々変調信号周波数（シフト周波数）毎に、測定対象物の透過特性を光検出器で測定した結果を、図６に示す。
図６においては、シフト周波数の変化量は１０ＭＨｚとしたが、より細かな変化量で変調信号周波数を変化させることも可能である。
従来のスペクトル測定装置では、このような細かな波長（又は周波数）変化量で測定することは困難であったが、本発明の実施例に拠れば、図６のグラフよりδｆ＝１．１３ＧＨｚが測定でき、波長１．５μｍ付近での測定対象物である導波路の常光実効屈折率ｎｅｆｆ＝ｃ／２δｆＬ≒２．２２５（Ｃ；光速）が精度良く算出される。
【００３７】
図７は、本発明の光スペクトル測定装置に係る第２の実施例を示すものである。
図７に示す各符号は、図４のものと同様の意味を表す。第２の実施例の特徴は、直線偏波器２を通過したレーザ光を２つに分岐し、一方を測定用光としてＳＳＢ変調器に入射し、所定の変調信号周波数で波長シフトを行った後、測定対象物に照射する。分岐した他方の光は、参照光として、測定対象物を透過又は反射した光と合波され、光検出器９に入射するよう構成されている。
光検出器９においてヘテロダイン検波を行い、参照光と測定用光との位相差がなくなるように、位相調整手段（不図示）で制御する。位相調整手段は、参照光の光路上にあっても良いし、測定用光の光路上にあっても良い。
このような構成により、レーザ光源における光量や波長が微妙に変化した場合でも、参照光が測定用光と合波して、光検出器９に入射するため、測定用光に含まれるこれら光源に起因するノイズ成分を、効率的に除去することが可能となる。
なお、測定用光と参照光との合波方法としては、ハーフミラーや光ファイバーの光結合器などを用いて２つの光波を結合させても良いが、光検出器の受光面に２つの光波が同時に入射するよう構成しても良い。
【００３８】
上記実施例では、光スペクトル測定装置の光源として、１つのレーザ光源を用いた例を示したが、ＳＳＢ変調器に印加するマイクロ波の周波数の範囲には限界があり、単一の光源では、測定波長は限られたものとなる。
このため、幅広い波長領域に対応した光スペクトル測定を実現するためには、波長の異なる複数のレーザ光源を用意し、これらの光源を選択的に切り替えることにより、実質的に測定可能な波長範囲を拡張することが可能となる。選択された光源からのレーザ光は、上記実施例のように、直線偏波器を経て、ＳＳＢ変調器に入射され、適宜、波長シフトを受けた測定用光となる。レーザ光源の種類としては、変調信号周波数の変更により対応可能な波長シフト量に相当する波長間隔で、複数の光源を用意することにより、連続した波長範囲の測定を可能とする。また、光源を複数用意しなくても、波長可変レーザを用いても良いし、回折格子で分波される光源を利用しても良い。さらに、スペクトル測定でよく利用する波長近傍の光源のみを複数用意することも可能である。
また、異なる波長を有する光源を複数用意する代わりに、従来例で述べたような可変波長レーザや、エタロンなどを利用して、複数の離散的波長を発生させることも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の光スペクトル測定方法及びその装置により、簡単な構造で多波長光を発生でき、しかも高分解能な光スペクトル測定・分析が可能となる。
また、光源の波長・光量の変動に起因するノイズに対しても、効率的に除去でき、精度の高い光スペクトル測定方法及びその装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＳＳＢ変調器の概略図。
【図２】ＳＳＢ変調器のメインＭＺ導波路の役割を示す図。
【図３】ＳＳＢ変調器のサブＭＺ導波路の役割を示す図。
【図４】本発明の光スペクトル測定装置の第１の実施例を示す図。
【図５】ＳＳＢ変調器による波長シフト状態を示すグラフ。
【図６】本発明の光スペクトル測定装置による共振スペクトル測定結果を示すグラフ。
【図７】本発明の光スペクトル測定装置の第２の実施例を示す図。
【符号の説明】
１ レーザ光源
２ 直線偏波器
３ ＳＳＢ変調器
４ マイクロ波発生器
５ マイクロ波増幅器
６ 移相・減衰調整器
７ 直流バイアス電圧器
８ 測定対象物
９ 光検出器
Claims (8)
- 波長を変更可能な測定用光を被検体に照射し、該被検体からの透過光又は反射光を検出することにより被検体のスペクトル特性を測定する光スペクトル測定方法において、
前記波長を変更可能な測定用光を発生する方法は、特定の波長を有する基準光をＳＳＢ変調器を介して変調することにより波長をシフトさせ、測定用光を発生することを特徴とする光スペクトル測定方法。 - 請求項１に記載の光スペクトル測定方法において、前記被検体からの透過光又は反射光を検出する際に、該ＳＳＢ変調器を介さない基準光を参照光として、該透過光又は該反射光と共に検出することを特徴とする光スペクトル測定方法。
- 請求項１又は２に記載の光スペクトル測定方法において、該測定用光の波長シフトの量又は方向は、ＳＳＢ変調器に印加する変調信号の周波数又は位相を変更することにより行うことを特徴とする光スペクトル測定方法。
- 波長を変更可能な測定用光を発生する手段と、該測定用光を被検体に照射し、該被検体からの透過光又は反射光を検出する検出手段とを有する光スペクトル測定装置において、
前記波長を変更可能な測定用光を発生する手段は、特定の波長を有する基準光を発生する光源と、該基準光の波長をシフトさせるＳＳＢ変調器とを備えることを特徴とする光スペクトル測定装置。 - 請求項４に記載の光スペクトル測定装置において、該光源とＳＳＢ変調器との間に該基準光を分岐する手段を設け、分岐した一方の基準光はＳＳＢ変調器により測定用光とし、分岐した他方の基準光は参照光として、該透過光又は反射光と共に検出手段に入射するよう構成することを特徴とする光スペクトル測定装置。
- 請求項４又は５に記載の光スペクトル測定装置において、該基準光はコヒーレント光であり、該光源とＳＳＢ変調器との間には基準光を直線偏波に整形する手段を設けることを特徴とする光スペクトル測定装置。
- 請求項４乃至６のいずれかに記載の光スペクトル測定装置において、該ＳＳＢ変調器に変調信号を印加する変調信号印加手段を設け、該変調信号印加手段には変調信号の周波数又は位相を変更する構成が設けられていることを特徴とする光スペクトル測定装置。
- 請求項４乃至７のいずれかに記載の光スペクトル測定装置において、該光源は異なる波長を有する複数の光源で構成され、該複数の光源からの各基準光を選択的に切り替え、ＳＳＢ変調器に選択された基準光を入射させるよう構成することを特徴とする光スペクトル測定装置。
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