JP2005069750A

JP2005069750A - 光スペクトラムアナライザ

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Publication number: JP2005069750A
Application number: JP2003297159A
Authority: JP
Inventors: Makoto Komiyama; 誠小宮山; Nao Tanaka; 奈緒田中; Hiroaki Kamiya; 宏昭神谷
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2003-08-21
Filing date: 2003-08-21
Publication date: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2023-08-21
Also published as: JP4622216B2

Abstract

【課題】精度良く容易にピークの検出を行うことができる光スペクトラムアナライザを実現することにある。
【解決手段】本発明は、波長対レベルからなるスペクトラムの解析を行う光スペクトラムアナライザに改良を加えたものである。本装置は、第一の被測定光を測定したスペクトラムを保存する第一の記憶部と、第二の被測定光を測定したスペクトラムを保存する第二の記憶部と、オフセット値を保存するオフセット値記憶部と、このオフセット値記憶部のオフセット値と第一の記憶部のスペクトラムとから閾値を求める閾値演算部と、この閾値演算部の求めた閾値により、第二の記憶部のスペクトラムのピークを検出するピーク検出部とを設けたことを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長対レベルからなるスペクトラムの解析を行う光スペクトラムアナライザに関し、詳しくは、精度良く容易にピークの検出を行うことができる光スペクトラムアナライザに関するものである。

光スペクトラムアナライザは、光学素子（例えば、光波長フィルタ、半導体レーザ等）の測定・解析や光ファイバセンサからの出力の測定・解析等に用いられている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。例えば、光波長フィルタの測定では、広帯域光源からの出力光を光波長フィルタによってフィルタリングし、このフィルタリングしたものを被測定光として光スペクトラムアナライザに入力し、測定・解析を行う。

図５は、従来の光スペクトラムアナライザの構成を示した図である。図５において、分光器１は、被測定光が入力され、入力される被測定光を測定し各波長ごとのレベルを検出し、波長対レベルからなるスペクトラムを求める。メモリ２は、分光器１が測定したスペクトラムを記憶する。解析部３は、メモリ２からスペクトラムを読み出し、スペクトラムに存在するピークを検出し、ピーク波長、ピークレベル、半値全幅等を求める（例えば、特許文献１）。表示部４は、解析部３の解析結果やスペクトラムを表示する。

なお、分光器１は、例えば、回折格子に被測定光を入射し、回折格子からの回折光をスリットによって波長選択し、光検出素子で選択した波長のレベルを検出する。この際、回折格子をモータ等によって回転させて波長掃引し波長対レベルを求める（例えば、特許文献１参照）。または、回折格子は固定とし、回折格子が被測定光を回折する方向にアレイ型光検出素子を配置し、各光検出素子で波長対レベルを求める（例えば、特許文献２参照）。

このような装置の動作を説明する。
分光器１が、入力される被測定光を測定し、波長対レベルからなるスペクトラムをメモリ２に格納する。そして、解析部３が、メモリ２からスペクトラムを読み出し、図示しない設定部から設定される閾値に従って、この閾値より大きなレベルとなる部分をピークとして検出する。さらに、解析部３が、検出したピークごとに、ピーク波長、ピークレベル、半値全幅等を求め、表示部４に解析結果やスペクトラムの表示を行う。

特開２００２−１６８６９２号公報（段落番号０００１−０００６、００３７）特開平１１−２３７２８２号公報（段落番号０００１−０００８、第８図））

続いて、被測定光のスペクトラムの表示例を図６に示す。図６は、広帯域光源からの出力光を光波長フィルタによってフィルタリングした被測定光のスペクトラムの表示例である。図６において、横軸は波長であり、縦軸はレベルである。また、フィルタリングによって、被測定光のスペクトラム１００に４個のピークＰ１〜Ｐ４が存在している。ここで、広帯域光源は、例えば、誘導放出現象を利用したＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源や光ファイバの材料自体の非線形光学応答を利用したファイバラマン光源等であり、数１０［ｎｍ］の広帯域に渡って、高レベルの出力光を発するものである（例えば、特開２００３−１７９２８６号公報参照）。

しかしながら、このような広帯域光源から出力される出力光は一様なレベルでなく、起伏が存在する。そのため光波長フィルタの透過特性がほぼ同じであっても、各ピークＰ１〜Ｐ４のピークレベルが異なってくる。すなわち、各ピークＰ１〜Ｐ４のピークレベルとピークＰ１〜Ｐ４近傍のレベルとのレベル差Ｌｖがほぼ同じ８［ｄＢ］であっても、フィルタリング前の出力光のレベルが一様でないので、ピークＰ１、Ｐ２のピークレベルは−３０［ｄＢｍ］程度であり、ピークＰ３は−２３．５［ｄＢｍ］程度であり、ピークＰ４は−１８［ｄＢｍ］程度である。これによりピークＰ１〜Ｐ４を検出するための閾値を一律に設定することができず、例えば、ピークＰ１、Ｐ２の解析を行うには、閾値１０１を−３３［ｄＢｍ］に設定してピークＰ１、Ｐ２を検出し、解析を行う。そして、ピークＰ３、Ｐ４の解析を行うには、閾値１０２を−２４［ｄＢｍ］に再度設定してピークＰ３、Ｐ４を検出し、解析を行う。

また、ピークＰ１〜Ｐ４のレベル差Ｌｖがそれぞれ異なり、所望のレベル差Ｌｖを有するピークＰ１〜Ｐ４のみを検出する場合は、ピークＰ１〜Ｐ４近傍のレベルを調べて、それから閾値１０１、１０２を設定する必要があり、設定にミスが発生する可能性もある。

このように、広帯域光源から出力される出力光は一様なレベルでないため、フィルタリングされた被測定光のピークを検出するには、閾値１０１、１０２を各ピークＰ１〜Ｐ４ごとに設定する必要があった。

そこで本発明の目的は、精度良く容易にピークの検出を行うことができる光スペクトラムアナライザを実現することにある。

請求項１記載の発明は、
波長対レベルからなるスペクトラムの解析を行う光スペクトラムアナライザにおいて、
第一の被測定光を測定したスペクトラムを保存する第一の記憶部と、
第二の被測定光を測定したスペクトラムを保存する第二の記憶部と、
オフセット値を保存するオフセット値記憶部と、
このオフセット値記憶部のオフセット値と前記第一の記憶部のスペクトラムとから閾値を求める閾値演算部と、
この閾値演算部の求めた閾値により、前記第二の記憶部のスペクトラムのピークを検出するピーク検出部と
を設けた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、
閾値演算部は、前記スペクトラムのレベルに前記オフセット値を加算または減算する加減算手段を有することを特徴とするを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、
閾値演算部は、前記オフセット値を波長ごとに変換し、前記加減算手段に変換したオフセット値を出力する変換手段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１〜３のいずれかに記載の発明において、
ピーク検出部は、前記第一の被測定光を測定したときの第一の測定条件と前記第二の被測定光を測定したときの第二の測定条件とから、前記閾値の補正を行う補正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１〜４のいずれかに記載の発明において、
ピーク検出部は、前記閾値と前記スペクトラムとのレベルを比較してピークを検出する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１〜４のいずれかに記載の発明において、
ピーク検出部は、前記閾値と前記スペクトラムとの差分の大きさよりピークを検出す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１〜６のいずれかに記載の発明において、
第一の被測定光は、広帯域光源からの出力光であり、
第二の被測定光は、前記広帯域光源の出力光をフィルタリングしたものまたは前記広帯域光源の出力光に光信号を重畳したものであることを特徴とするものである。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１〜７によれば、閾値演算部がオフセット値と第一の被測定光のスペクトラムのレベルから閾値を求め、ピーク検出部が閾値演算部が求めた閾値により、第二の被測定光のスペクトラムのピークを検出するので、従来の装置のようにピークごとに閾値を設定する必要が無い。これにより、各ピーク近傍のスペクトラムのレベルが異なっていても、精度良く容易にピークの検出を行うことができる。

請求項３によれば、補正手段が、測定時の測定条件に基づいて閾値演算部が求めた閾値の波長ずれを補正するので、第一の被測定光を測定した時の測定条件と、第二の被測定光を測定した時の測定条件が異なっても精度良くピークを検出することができる。

請求項４によれば、変換手段が波長ごとにオフセット値を変換し、ピーク検出部が変換した補正値でピークを検出するので、ピークとピーク近傍のレベル差が波長によって異なっても、精度良くピークを検出することができる。

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。図２は、スペクトラムの表示例である。ここで、図５、図６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、広帯域光源５は、ＡＳＥ光源やファイバラマン光源等であり、数１０［ｎｍ］の広帯域に渡って、高レベルの出力光を発するものである。測定・解析対象の光学素子である光波長フィルタ６は、取外しが可能であり取付けた場合、広帯域光源５の出力光をフィルタリングし、分光器１に入力する。なお、光波長フィルタ６を取外した場合は、広帯域光源５の出力光が第一の被測定光として分光器１に入力される。一方、光波長フィルタ６を取付けた場合は、広帯域光源５の出力光をフィルタリングしたフィルタリング光が第二の被測定光として分光器１に入力される。もちろん、分光器１は、第一、第二の被測定光それぞれが入力され、入力される第一、第二の被測定光を測定し各波長ごとのレベルを検出し、波長対レベルからなるスペクトラムを求める。

メモリ２の代わりに第一のメモリ７、第二のメモリ８が設けられる。第一のメモリ７は第一の記憶部であり、分光器１からの第一の被測定光を測定したスペクトラムを保存する。第二のメモリ８は第二の記憶部であり、分光器１からの第二の被測定光を測定したスペクトラムを保存する。また、オフセット値記憶部であるオフセット値メモリ９が新たに設けられ、オフセット値を保存する。

解析部１０は、解析部３の代わりに設けられ、閾値演算部１１、ピーク検出部１２を有し、メモリ７、８からスペクトラムを読み出し、メモリ９からオフセット値を読み出してメモリ７のスペクトラムとオフセット値とから閾値を求め、求めた閾値によりメモリ８のスペクトラムのピークを検出し、ピーク波長、ピークレベル、半値全幅等を求める。

閾値演算部１１は、加減算手段１１ａを有し、メモリ７のスペクトラムとオフセット値メモリ９のオフセット値とから閾値を求める。加減算手段１１ａは、スペクトラムのレベルにオフセット値を加算または減算する。ピーク検出部１２は、閾値演算部１１の求めた閾値により、メモリ８のスペクトラムのピークを検出する。なお、分光器１、メモリ７〜９、解析部１０、表示部４で光スペクトラムアナライザを構成している。

また、図２は、第一の被測定光のスペクトラム、閾値演算部１１が求めた閾値、第二の被測定光のスペクトラムの表示例である。ここで、図６と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。また、レベル差Ｌｖの図示も省略する。図２において、縦軸、横軸は図１と同様にそれぞれ波長とレベルである。

このような装置の動作をフローチャートを用いて説明する。図３は、図１に示す装置の動作を示したフローチャートである。
まず、光波長フィルタ６を取外して、分光器１が第一の被測定光の測定を行う（Ｓ１０）。そして、分光器１が、波長対レベルからなるスペクトラム（図２中、広帯域光源の出力光のスペクトラム２００）をメモリ７に格納する（Ｓ１１）。さらに、解析部１０の閾値演算部１１がメモリ７からスペクトラム２００を読み出すと共に、オフセット値メモリ９からオフセット値を読み出す（Ｓ１２）。そして、加減算手段１１ａが、読み出したスペクトラム２００とオフセット値（図２中、例えば７．５［ｄＢ］）に従って、スペクトラム２００のレベルから一様に７．５［ｄＢ］減算し、閾値２０１を求める。なお、オフセット値は、光波長フィルタ６のフィルタ特性からあらかじめ求めて、メモリ９に格納しておく。もちろん、オフセット値は７．５［ｄＢ］に限定されるものではない（Ｓ１３）

次に、光波長フィルタ６を取付けて、分光器１が第二の被測定の測定を行う（Ｓ１４）。そして、分光器１が、波長対レベルからなるスペクトラム（図２中、フィルタリング光のスペクトラム２０２）をメモリ８に格納する（Ｓ１５）。さらに、解析部１０のピーク検出部１２が、メモリ８からスペクトラム２０２を読み出すと共に、閾値演算部１１から閾値２０１を読み出す（Ｓ１６）。

そして、ピーク検出部１２が、閾値２０１とスペクトラム２０２とのレベルを各波長ごとに比較して、閾値２０１よりも大きなレベルの部分をピークＰ１〜Ｐ４として検出する（Ｓ１７）。さらに、解析部１０が、検出したピークＰ１〜Ｐ４ごとに、ピーク波長、ピークレベル、半値全幅等を求め、表示部４に解析結果やスペクトラム２００、２０２、閾値２０１の表示を行う（Ｓ１８）。

このように、閾値演算部１１が１種類のオフセット値を用いてスペクトラム２００のレベルを一様に減算して閾値２０１を求め、ピーク検出部１２が閾値演算部１１が求めた閾値２０１により、スペクトラム２０２のピークＰ１〜Ｐ４を検出するので、図５に示す装置のようにピークＰ１〜Ｐ４ごとに閾値１０１、１０２を設定する必要が無い。これにより、広帯域光源５からの起伏が存在する出力光をフィルタリングしたフィルタリング光であっても、精度良く容易にピークの検出を行うことができる。

［第２の実施例］
図４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４において、温度センサ１３、第三のメモリ１４が光スペクトラムアナライザに新たに設けられる。温度センサ１３は、分光器１の温度を測定する。第三のメモリ１４は、温度センサ１３が測定した温度を記憶する。また、ピーク検出部１２に、補正手段１２ａが新たに設けらる。この補正手段１２ａは、メモリ１４に格納されている分光器１が第一の被測定光を測定したときの第一の測定条件である温度と、同様にメモリ１４に格納されている分光器１が第二の被測定光を測定したときの第二の測定条件である温度とを読み出し、読み出した温度から閾値演算部１１が求めた閾値２０１の波長ずれの補正を行う

このような装置の動作を説明する。
温度センサ１３が、第一の被測定光、第二の被測定光を分光器１が測定するごとに分光器１の温度を測定し、メモリ１４に格納する。そして、ピーク検出部１２が閾値演算部１１から閾値２０１を読み出した（Ｓ１６）後、この閾値２０１に対して、補正手段１４がメモリ１４から温度を読み出し、読み出した温度に基づいて波長ずれの補正を行う。すなわち、分光器１は、回折格子を含む様々な部品があり、波長温度特性が存在する。そのため、温度によって波長がずれてしまう。例えば、波長温度特性が１［ｐｍ／℃］とすると、第一の被測定光と第二の被測定光を測定した時の温度差が１５［℃］あった場合、１５［ｐｍ］波長がずれてしまう。このずれ分を、補正手段１２ａが補正する。

そして、図３に示すステップＳ１７で、ピーク検出部１２が、補正手段１２ａによって補正された閾値とスペクトラム２０２とのレベルを比較してピークＰ１〜Ｐ４を検出をする。以上に示す動作以外は、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、補正手段１２ａが、測定時の温度に基づいて閾値演算部１１が求めた閾値２０１の波長ずれを補正するので、第一の被測定光を測定した時の分光器１の温度と、第二の被測定光を測定した時の分光器１の温度が異なっても精度良くピークを検出することができる。

例えば、複数の光波長フィルタ６を測定・解析する場合、光波長フィルタ６を取り替えるごとに第一の被測定光を測定すると時間がかかってしまう。一方、第一の被測定光を測定せずに複数の光波長フィルタの測定・検査を行うと時間の経過と共に分光器１の温度が変化し、精度良くピークを検出することが難しい。しかし、補正手段１２ａが、測定時の温度に基づいて閾値演算部１１が求めた閾値の波長ずれを補正するので、第一の被測定光を測定した時の温度と、第二の被測定光を測定した時の分光器１の温度が異なっても精度良くピークを検出することができる。

また、同一の光波長フィルタ６の経時変化を測定・検査する場合、取付け取外しを行うと時間がかかり、また再現性の問題もでてくる。一方、第一の被測定光を測定せずに光波長フィルタ６の測定・検査を行うと時間の経過と共に分光器１の温度が変化し、精度良くピークを検出することが難しい。しかし、補正手段１２ａが、測定時の温度に基づいて閾値演算部１１が求めた閾値の波長ずれを補正するので、第一の被測定光を測定した時の温度と、第二の被測定光を測定した時の分光器１の温度が異なっても精度良くピークを検出することができる。

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、図４に示す装置において、表示部４に解析結果やスペクトラム２００、２０２、閾値２０１の表示を行う構成を示したが、解析結果やスペクトラム２００、２０２、閾値２０１のうち所望のものだけを表示させてもよい。

また、ピーク検出部１２が、閾値２０１より大きなレベルをピークＰ１〜Ｐ４として検出する構成を示したが、閾値２０１とスペクトラム２０２のレベルとの差分を求め、この差分の大きさが所定の値より大きさければ、ピークＰ１〜Ｐ４として検出してもよい。

また、光学部品として光波長フィルタの測定・解析を行う構成を示したが、広帯域光源５に重畳した半導体レーザの光信号のスペクトラムの測定・解析や、フィルタリング光をさらに光増幅した後のスペクトラムの測定・解析を行ってもよい。この場合、広帯域光源５の出力光よりピークが大きくなるので、加減算手段１１ａはオフセット値を加算するとよい。

また、ピークＰ１〜Ｐ４が上方向（レベルが大きい方向）に鋭い形状の場合を例に挙げたが、下方向に鋭い形状のピークを検出してもよい。もちろん、この場合、ピーク検出部は、閾値よりも小さなレベルをピークとして検出する。

また、加減算手段１１ａが、読み出したスペクトラム２００とオフセット値に従って、スペクトラム２００のレベルから一様に７．５［ｄＢ］減算し、閾値２０１を求める構成を示したが、波長ごとにオフセット値を変換し、加減算手段１１ａに変換したオフセット値を出力する変換手段を閾値演算部１１に設けてもよい。例えば、ピークＰ１〜Ｐ４のレベル差が、長波長側に行くほど小さくなる場合、オフセット値を長波長に行くほど大きな値に変換手段が変換するので、レベル差が小さくなっても精度良くピークＰ１〜Ｐ４を検出することができる。つまり、変換手段が波長ごとにオフセット値を変換し、ピーク検出部１２が変換した補正値でピークＰ１〜Ｐ４を検出するので、ピークＰ１〜Ｐ４とピーク近傍のレベル差が波長によって異なっても、精度良くピークＰ１〜Ｐ４を検出することができる。なお、変換手段は、２波長（例えば、１５３０［ｎｍ］と１５８０［ｎｍ］）間を結ぶ直線式、曲線式によって変換しても良く、または複数の波長間に分けて各波長間ごとに異なる直線式、曲線式によって変換してもよい。

図４に示す装置において、測定条件として温度を測定し、この測定条件に基づいて補正手段が閾値２０１の補正を行う構成を示したが、測定条件として分光器１の湿度、気圧等としてもよい。もちろん、湿度は湿度センサ、気圧は気圧センサを用いて測定を行う。

また、温度センサ１４が測定した温度をメモリ１４に格納し、補正手段１２ａがメモリ１４から温度を読み出す構成を示したが、温度センサ１４とメモリ１４を設けずに、ユーザが補正手段１２ａに第一の被測定光、第二の被測定光を測定した時の分光器１の温度を入力してもよい。

本発明の第１の実施例を示した構成図である。図１に示す装置のスペクトラムの表示例を示した図である。図１に示す装置の動作を示したフローチャートである。本発明の第２の実施例を示した構成図である。従来の光スペクトラムアナライザの構成を示した図である。図５に示す装置のスペクトラムの表示例を示した図である。

符号の説明

５広帯域光源
６光波長フィルタ
７第一のメモリ
８第二のメモリ
９オフセット値メモリ
１１閾値演算部
１１ａ加減算手段
１２ピーク検出部
１２ａ補正手段

Claims

波長対レベルからなるスペクトラムの解析を行う光スペクトラムアナライザにおいて、
第一の被測定光を測定したスペクトラムを保存する第一の記憶部と、
第二の被測定光を測定したスペクトラムを保存する第二の記憶部と、
オフセット値を保存するオフセット値記憶部と、
このオフセット値記憶部のオフセット値と前記第一の記憶部のスペクトラムとから閾値を求める閾値演算部と、
この閾値演算部の求めた閾値により、前記第二の記憶部のスペクトラムのピークを検出するピーク検出部と
を設けたことを特徴とする光スペクトラムアナライザ。
閾値演算部は、前記スペクトラムのレベルに前記オフセット値を加算または減算する加減算手段を有することを特徴とする請求項１記載の光スペクトラムアナライザ。
閾値演算部は、波長ごとに前記オフセット値を変換し、前記加減算手段に変換したオフセット値を出力する変換手段を有することを特徴とする請求項２記載の光スペクトラムアナライザ。
ピーク検出部は、前記第一の被測定光を測定したときの第一の測定条件と前記第二の被測定光を測定したときの第二の測定条件とから、前記閾値の補正を行う補正手段を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光スペクトラムアナライザ。
ピーク検出部は、前記閾値と前記スペクトラムとのレベルを比較してピークを検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光スペクトラムアナライザ。
ピーク検出部は、前記閾値と前記スペクトラムとの差分の大きさよりピークを検出することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光スペクトラムアナライザ。
第一の被測定光は、広帯域光源からの出力光であり、
第二の被測定光は、前記広帯域光源の出力光をフィルタリングしたものまたは前記広帯域光源の出力光に光信号を重畳したものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光スペクトラムアナライザ。