JP2005207856A

JP2005207856A - 波長分析装置

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Publication number: JP2005207856A
Application number: JP2004014090A
Authority: JP
Inventors: Shinji Komatsuzaki; 晋路小松崎
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2005-08-04

Abstract

【課題】高精度で検出速度の速い波長分析装置を提供する。
【解決手段】マッハツェンダ型導波路で形成された波長フィルタ１０を備える波長分析装置において、電気光学効果を有する材料で形成された基板１１上に、入力導波路１２と出力導波路１３間に２本の分岐導波路１４，１５を有するマッハツェンダ型光導波路が形成され、入力導波路１２の入力端１６に少なくとも一つ以上の光ファイバブラッググレーティング３７を接続し、いずれか一方または両方の分岐導波路１４の両側面に電極２２，２３を設けて構成され、電極２２，２３間に電圧を印加して、その分岐導波路１４の屈折率を変化させることにより分岐導波路１４，１５間に光路長差を付与し、波長を掃引するものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバブラッググレーティングの反射波長等、任意の波長を測定する波長分析装置に関するものである。

光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：optical Fiber Bragg Grating）は光ファイバのコアに長手方向に周期的な屈折率変化を与えることで形成される回折格子であり、光ファイバを伝搬する特定の波長帯だけを反射し、他の波長帯を透過させるものである。ＦＢＧでの反射波長λ_B は、光ファイバの実効屈折率ｎ、ＦＢＧの屈折率分布周期をΛとしたとき、下記の式（１）で表される。

λ_B＝２ｎΛ （１）

ＦＢＧに歪みを加えると、回折格子の間隔が変化し、ＦＢＧに入射させた光の反射波長λ_B が回折格子間隔に合わせてシフトする。これを利用して、ＦＢＧは地盤の変動や構造物の変位、歪みや振動等をリアルタイムに監視するヘルスモニタリングシステムへ応用することができる。

また、ＦＢＧの反射波長λ_B を検出する波長検出装置には、おもに、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、ファブリペロー型フィルタ（図６（ａ））６１、回折格子型フィルタ（図６（ｂ））６２、マイケルソン型フィルタ（図６（ｃ））６３、マッハツェンダ型フィルタを用いたものがある（例えば、特許文献１、２参照）。

ファブリペロー型フィルタ６１は、光源６９と光検出器７０間にレンズ６７、６８を介して２枚の反射板（エタロン板）６４、６５を対向配置したものであり、反射板間隔に依存した特定波長を透過させる。一方の反射板６５には反射板６５を駆動する駆動装置６６が接続されており、駆動装置６６によって、反射板６５が動くと光の共振間隔が変わり、反射板６５を透過する光の波長を変化させることで波長の掃引を行うことができる。

回折格子型フィルタ６２は、基板７１上に回折格子７２が形成され、その回折格子間隔に依存した波長の光が反射する。回折格子型フィルタ６２は、基板７１を動かし、光の入射角を変えることで任意の波長光を反射させることができ、光の波長を掃引できる。

マイケルソン型フィルタ６３は、光源７３の出射方向に反射板７５を設け、出射方向と垂直方向に、検出器７７と反射板７９を設け、光源７３と反射板７５がなす直線と、検出器７７と反射板７９がなす直線との交差点に各直線に対して４５°傾けてハーフミラー８０を設けたものである。反射板７５には、反射板７５を移動させる駆動装置７６が接続されている。ハーフミラー８０で反射した光の反射板７９までの光路長と、ハーフミラー８０を透過した光の反射板７５までの光路長との光路長差によって、検出される光の波長が変わるので、駆動装置７６によって反射板７５を移動し、光路長差を変えることで任意の波長光を検出できる。

マッハツェンダ型フィルタは、一本の光路から分岐、合流し、分岐された光路間での光路長差を変えて任意の波長光を検出するものである。例えば、特許文献２記載のマッハツェンダ型フィルタは、光路長差を変える手段として熱光学効果を用いている。

特許第２５３５２１７号公報特公平７−９７１９３号公報

しかしながら、広帯域の波長の掃引には、モータやピエゾ素子等を用いて反射板や回折格子等を機械的に掃引するため、反射波長の検出速度を速くするのは困難であった。高精度な測定を行うためには、高精度な機構を必要とし、外部からの衝撃や振動に対する耐性の問題やコスト面での問題もある。

また、熱光学効果を用いたマッハツェンダ型フィルタは、温度変化（熱）による屈折率変化によって導波路の屈折率を制御するため、反射波長の検出速度が遅いという問題もある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高精度で波長検出速度の速い波長分析装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、マッハツェンダ型導波路で形成された波長フィルタを備える波長分析装置において、電気光学効果を示す材料で形成された基板上に、入力導波路と出力導波路間に２本の分岐導波路を有するマッハツェンダ型光導波路を形成し、入力導波路の入力端に少なくとも一つ以上の光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を接続し、いずれか一方または両方の分岐導波路の両側面に電極を設けて構成され、電極間に電圧を印加して、その分岐導波路の屈折率を変化させることにより分岐導波路間に光路長差を付与し、波長を掃引する波長分析装置である。

請求項２の発明は、出力導波路の出力端には、光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器を介してＡ／Ｄ変換器が接続されると共に、電極に印加電圧を掃引するＤ／Ａ変換器が接続される請求項１記載の波長分析装置である。

請求項３の発明は、マッハツェンダ型導波路で形成された波長フィルタを備える波長分析装置において、電気光学効果を有する材料で形成された基板上に、入力導波路と出力導波路間に２本の分岐導波路を有するマッハツェンダ型光導波路を形成し、入力導波路の入力端に少なくとも一つ以上のＦＢＧを接続し、出力導波路の出力端に光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器を介して、Ｏ／Ｅ変換器からの出力でＦＢＧ反射光の各波長ピークを検出する微分器と、その微分器からの微分スペクトルにより各波長ピークの出力波長を検出する比較器とを接続し、いずれか一方または両方の分岐導波路の両側面に電極を設けることにより分岐導波路間に光路長差を付与し、波長を掃引する波長分析装置である。

請求項４の発明は、電極に印加電圧を掃引するＤ／Ａ変換器が接続される請求項３記載の波長分析装置である。

本発明によれば、高速かつ高精度な波長分析ができるといった優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に本実施の形態の波長分析装置１の構成図を示す。

図１に示すように、波長分析装置１は、マッハツェンダ型導波路で形成された波長フィルタ１０、ＦＢＧ３７、Ｏ／Ｅ変換器３８を備える。

波長フィルタ１０は、その入力端１８とサーキュレータ３０の検出ポート３１とが光ファイバ２０を介して接続されている。サーキュレータ３０は検出ポート３１，光源ポート３２，測定ポート３３の３端子を備え、ポートから入力された信号を一方向にのみ出力する素子である（図では、光源ポート３２→測定ポート３３、測定ポート３３→検出ポート３１）。光源ポート３２に接続された光ファイバ３４には広帯域光源３５が接続され、測定ポート３３に接続された光ファイバ３６には光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：optical Fiber Bragg Grating ）３７が形成されている。ＦＢＧ３７は、光ファイバのコアに長手方向に周期的な屈折率変化を与えることで形成される回折格子であり、光ファイバを伝搬する特定の波長帯だけを反射し、他の波長帯を透過させるものである。

本実施の形態の波長分析装置１は、波長フィルタ１０に特徴を有するものであり、その詳細について説明する。

図２に示すように、波長フィルタ１０は、ＬｉＮｂＯ₃ 基板１１上に形成された入力導波路１２と出力導波路１３とを有する。入力導波路１２と出力導波路１３間には、入力導波路１２から分岐点ＡでＹ字型に分岐し、合流点Ｂで出力導波路１３に合流する２つの分岐導波路１４、１５が形成されている。

一方の分岐導波路１５の両側には、金属膜が形成され、電圧を印加する際の電極２２、２３となる。なお、この金属膜は、分岐導波路１４の両側にも設けてよい。電極２２、２３間には電圧印加されるように電源が接続されている。入力導波路１２の入射端１６には光ファイバ２０が接続され、接続部材１７で固定されている。また、出力導波路１３の出射端１７には、光ファイバ２１が接続され、接続部材１８で固定されている。

図１に戻り、波長フィルタ１０の出射端１７に接続された光ファイバ２１には、光信号を電気信号に変換する光電気信号変換器（Ｏ／Ｅ変換器）３８が接続され、Ｏ／Ｅ変換器３８にはリード線３９を介してＡ／Ｄ変換器４０が接続されている。波長フィルタ１０の電極２２にはＤ／Ａ変換器４２が接続され、電極２３は接地されている。Ａ／Ｄ変換器４０及びＤ／Ａ変換器４２は、それぞれ独立に演算装置４４に接続され、演算装置４４には、分析結果を表示するモニタ４５が接続されている。

本実施の形態の作用について説明する。

先ず、波長フィルタ１０の動作原理を説明する。

マッハツェンダ型導波路で形成された波長フィルタ１０において、入力導波路１２に入力された光は、分岐点Ａにて二つに分けられ、分けられた光は合流点Ｂにて再び合波される。このとき、電極２２、２３間に電圧が印加されると電気光学効果により、分岐導波路１５の屈折率が変化し、分岐導波路１５の光路長が変化する。よって、等価的にそれぞれの分岐導波路１４，１５を導波する光には光路長差（位相差）が生じ、光路長差の異なる光が合流点Ｂにて干渉する。光路長差が入力信号光の波長と同じ或いはその整数倍と等しいとき、出力導波路１３からの入力信号と同波長の光が出力される。

具体的には、図３に示すように、波長λ₀ を中心波長とする入力信号スペクトル２５が波長フィルタ１０の入力端１６に入力されたとき、電極２２，２３への印加電圧を変化させながら、出力端１７から変換器３８を介した出力電圧を測定する。その印加電圧の変化によって、分岐導波路１５の屈折率が変化し、分岐導波路１４，１５を伝搬する光の光路長差が変化して、その光路長差が波長λ₀ と等しく、或いはλ₀ の整数倍となるとき、出力電圧が最大となる。

分岐導波路１４，１５間の光路長差が波長λ₀ と等しく或いは波長λ₀ の整数倍と等しくなる電圧Ｖ₀ が電極２２，２３に印加された時、出力電圧が最大となり、出力電圧と波長との関係が、既知であれば、出力電圧が最大となるときの印加電圧から波長フィルタ１０に入力された光の波長が求められる。

よって、出力電圧が最大となるときの波長フィルタ１０への印加電圧から、入力光のピーク波長を求めることができ、電極２２，２３への印加電圧を徐々に変化させることで、波長フィルタ１０の出射光波長を掃引することができる。

次に波長フィルタ１０を備えた波長分析装置１の作用を説明する。

広帯域光源３５から出射される広帯域光は、サーキュレータ３０を介して、ＦＢＧ３７に伝搬される。ＦＢＧ３７において、式（１）を満たす波長λ_B （背景技術参照）を中心波長とする光のみが反射し再びサーキュレータ３０を介して波長フィルタ１０の入力導波路１２に入射される。波長フィルタ１０からの出力光は、Ｏ／Ｅ変換器３８によって電気信号に変換され、Ａ／Ｄ変換器４０によってディジタル信号に変換されて演算装置４４に取り込まれ出力電圧がモニタされる。この処理をＤ／Ａ変換器４２を介して波長フィルタ１０の電極２２，２３への印加電圧を掃引しながら行うことによって、Ｏ／Ｅ変換器３８の出力電圧がピークとなる印加電圧からＦＢＧ反射光の中心波長λ_B を求めることができる。

電気光学効果は、結晶を構成する原子の電子状態が電界によって変化する減少であるので、印加電圧の変化に対する応答速度は極めて速く、高速で広帯域の波長を掃引することができる。また、電気光学効果を利用して屈折率を変化させることにより従来の機械的な方式と等価な波長掃引を行うが、本実施の形態の波長分析装置１では機械的な可動部分を必要とせず、外部からの振動や衝撃に対して強いという利点もある。

また、図１に示す波長分析装置１は、波長だけでなく、各波長成分の強度をアナログ量として測定する、いわゆる光スペクトラムアナライザとして利用できる。

波長フィルタ１０に用いる基板１１はＬｉＮｂＯ₃ で形成された基板に限らず、電気光学効果を有する材料で形成された基板であれば、いずれのものを用いてもよい。

本実施の形態では、分岐点Ａ及び合流点ＢにおいてＹ字状に分岐された分岐導波路を形成した波長フィルタ１０を用いて説明を行ったが、隣接する２本の伝送路中を伝搬する波動間の分布結合を利用した方向性結合器型の分岐導波路を形成した波長フィルタを用いてもよい。

次に他の実施の形態について説明する。

図４は、他の実施の形態として、一本の光ファイバ３６に複数のＦＢＧ５２を直列に形成した波長分析装置４の構成図である。図４に示すように、波長分析装置４の基本的な構成部分は、上述した図１の波長分析装置１とほぼ同様であり、同一構成部分には、図１の場合と同一の符号を付してある。光ファイバ３６に各格子間隔周期がそれぞれ異なるＦＢＧ５２を直列に形成し（図では４つ）、Ａ／Ｄ変換器４０の代わりに直列に接続された微分器５０と比較器５１を設けた点において異なる。

Ｏ／Ｅ変換器３８にはＯ／Ｅ変換器３８で変換された信号の微分スペクトルを出力する微分器５０が接続され、さらに微分器５０には微分スペクトルの値と設定値とを比較する比較器５１が接続され、比較器５１が演算装置４４に接続されている。

広帯域光源３５からの出射光は、サーキュレータ３０を介してＦＢＧ５２ａに伝搬する。ＦＢＧ５２ａで、波長λ₁ の光が反射され、他の波長帯光は透過してＦＢＧ５２ｂに伝搬する。ＦＢＧ５２ｂでは、波長λ₂ の光が反射され、他の波長帯光は透過してＦＢＧ５２ｃに伝搬する。同様に、ＦＢＧ５２ｃでは波長λ₃ の光が反射され、ＦＢＧ５２ｄでは波長λ₄ の光が反射され、他の波長帯光は透過する。波長分析装置４では、格子間隔周期の異なる４つのＦＢＧ５２ａ〜ｄを直列接続しているため、反射波長のピークが４つであり、反射波長のピークは、接続したＦＢＧの数と同じだけ表れる。

ここで、図５（ａ）〜（ｄ）に波長分析装置４のＦＢＧ反射波長スペクトル、Ｏ／Ｅ変換器３８での出力、微分器５０での出力及び比較器５１での各出力特性を示す。

図５（ａ）に示すように、反射波長スペクトル５５は、各波長λ₁，λ₂，λ₃，λ₄を中心波長とする波形である。

図５（ｂ）は、Ｏ／Ｅ変換器３８で反射波長スペクトル５５を電気信号に変換したＯ／Ｅ出力波形５６を示し、その出力波形５６は各波長λ₁，λ₂，λ₃，λ₄に対応した印加電圧Ｖ₁，Ｖ₂，Ｖ₃，Ｖ₄をピークとした波形であり、その波形は反射波長スペクトル５５と略同じである。

さらに、図５（ｃ）に示すように、微分器５０の微分スペクトル５７は、Ｏ／Ｅ変換器３８での電圧Ｖ₁ をピークとする波形５６ａにおいて（１周期当たり）、電圧Ｖ₁より小さい範囲で正となり、Ｖ₁ より大きい範囲で負となり、電圧Ｖ₁で０となるスペクトル５７ａが得られる。同様に、印加電圧Ｖ₂，Ｖ₃，Ｖ₄ をピークとする周期においても同形の波形となっている。つまり、Ｏ／Ｅ変換器３８の出力がピークを過ぎると、その導関数は負に転じるため、微分器５０の出力は微分スペクトル５７のような波形となる。比較器５１は、比較器５１への入力信号が負のときＨレベル（電圧Ｖ_cc）を出力する回路である（設定された基準電圧値より低い電圧信号が入力されたとき、電圧Ｖ_ccを出力する。本実施の形態では基準電圧を０とした）。

よって、図５（ｄ）に示すように、微分器５０から微分スペクトル５７より、印加電圧Ｖ₁，Ｖ₂，Ｖ₃，Ｖ₄になったときに、立ち上がるパルス波形を出力する。比較器５１からの比較器出力５８をモニタしながら、Ｄ／Ａ変換器４２を介して印加電圧を掃引し、比較器出力波形５８においてパルスが立ち上がる（電圧がＶ_ccとなる）ときの印加電圧から各ＦＢＧ５２ａ〜ｄでの反射光の波長ピークを求めることができる。

本実施の形態の波長分析装置４においても、前実施の形態の波長分析装置１と同様の作用効果が期待できる。

また、本実施の形態の波長分析装置４では、図５（ｄ）に示すように、比較器５１において、複数の波長ピークが現れるため、各パルスが立ち上がるときのＤ／Ａ変換器４２の出力電圧を記憶しておくメモリをＦＢＧの数以上、演算装置４４に設置しておけば、任意の数のＦＢＧの波長を計測することができる。

本実施の形態の波長分析装置４は、微分器５０、比較器５１を有することで信号処理アルゴリズムを演算装置４４の外部（微分器５０及び比較器５１）で一部処理するため、信号処理アルゴリズムを簡略化でき、波長検出速度の高速化が図れる。

本実施の形態の波長分析装置を示す構成図である。図１の波長フィルタの構造を示す平面図である。図１の波長フィルタの動作原理を説明する図である。他の実施の形態の波長分析装置を示す構成図である。図４の波長分析装置の出力特性を示す図であり、それぞれ（ａ）はＦＢＧ反射スペクトル、（ｂ）はＯ／Ｅ変換器、（ｃ）は微分器、（ｄ）は比較器の各出力特性を示す図である。従来の波長フィルタの波長掃引方法を説明する原理図であり、（ａ）はファブリペロー型フィルタを示し、（ｂ）は、回折格子型フィルタを示し、（ｃ）はマイケルソン型フィルタを示す。

符号の説明

１波長分析装置
１０波長フィルタ
１１基板
１２入力導波路
１３出力導波路
１４，１５分岐導波路
１６入力端
１７出力端
２２，２３電極
３７光ファイバブラッググレーティング

Claims

マッハツェンダ型導波路で形成された波長フィルタを備える波長分析装置において、電気光学効果を有する材料で形成された基板上に、入力導波路と出力導波路間に２本の分岐導波路を有するマッハツェンダ型光導波路を形成し、入力導波路の入力端に少なくとも一つ以上の光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を接続し、いずれか一方または両方の分岐導波路の両側に電極を設けて構成され、電極間に電圧を印加して、その分岐導波路の屈折率を変化させることにより分岐導波路間に光路長差を付与し、波長を掃引することを特徴とする波長分析装置。
前記出力導波路の出力端には、光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器を介してＡ／Ｄ変換器が接続されると共に、前記電極に印加電圧を掃引するＤ／Ａ変換器が接続される請求項１記載の波長分析装置。
マッハツェンダ型導波路で形成された波長フィルタを備える波長分析装置において、電気光学効果を有する材料で形成された基板上に、入力導波路と出力導波路間に２本の分岐導波路を有するマッハツェンダ型光導波路を形成し、入力導波路の入力端に少なくとも一つ以上のＦＢＧを接続し、出力導波路の出力端に光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器を介して、Ｏ／Ｅ変換器からの出力でＦＢＧ反射光の各波長ピークを検出する微分器と、その微分器からの微分スペクトルにより各波長ピークの出力波長を検出する比較器とを接続し、いずれか一方または両方の分岐導波路の両側に電極を設けることにより分岐導波路間に光路長差を付与し、波長を掃引することを特徴とする波長分析装置。
前記電極に印加電圧を掃引するＤ／Ａ変換器が接続される請求項３記載の波長分析装置。