JP2005249775A

JP2005249775A - 光波長計

Info

Publication number: JP2005249775A
Application number: JP2004281596A
Authority: JP
Inventors: Hong-Xi Cao; 宏熙曹; Semei Kyo; 世銘許
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2004-09-28
Publication date: 2005-09-15
Also published as: US20050195401A1; TWI240794B; TW200530564A

Abstract

【課題】小型で、既存の光通信機器運用上のフレキシビリティを向上させることができる光波長計を提供する。
【解決手段】本発明の光波長計は、２個の干渉器がそれぞれに大波長範囲低敏感度と、小波長範囲高敏感度の特性を利用することで、入力された光信号は、異なる波長により異なる出力することが可能となる。大波長範囲で低敏感度の干渉器は、光信号の波長のおおよその範囲を確認してから小波長範囲で高敏感度の干渉器により入射光線の波長を正確に測定する。
【選択図】図３

Description

本発明は、光波長計に関するもので、特に変調可能なレーザー光源、変調可能な光電変換器、通常の光波長計と変調可能な波長固定装置など光信号受発信システムに応用され、体積が小さく、光学機器との接続が可能な光波長計に関する。

世の中の電子化に伴って、オンラインショッピング、インターネットゲームなどのネットワークが活用されるようになり、ブロードバンドに対するニーズは日々高まりを見せている。ファイバー・トゥー・ザ・ホーム(FTTH)、Chaos Wavelength Division Multiplexing（CWDM）、Dense Wavelength Division Multiplexing（DWDM）は、今後のブロードバンド通信における主流となることが見込まれている。一方で、こうした光多重伝送の応用においては、チャネルを確定または変更するために、光波長を随時測定できるということが一大ニーズとなっている。しかしながら既存の光波長計は、体積が極めて大きいためにトランシーバー（transceiver）との統合が図れないか、さもなければ、単一のチャネルに限定されているために、任意の波長を認識することができないといった理由により、光多重伝送の商業的な拡張と家庭での利用を妨げるものとなっていた。

現在最も多く見られる光波長の主な測定方法には「回折格子方式」、「マイケルソン干渉方式」がある。「回折格子方式」は、図１Ａのとおり、主にグレーチング１１を用いて波長の異なる光線を異なる方向に分離させてから、異なる位置にある光測定器でこれを測定するか、またはステップモーターでグレーチングを回転させて波長を選択するものである。この方法は測定可能な波長の範囲が比較的広く、スキャン速度も速いことから、最も使われている。また「マイケルソン干渉方式」（図１Ｂ参照）は、マイケルソン干渉計を基本構成としており、その作動原理は、被測定光が分光ミラー１２によって２つの光路に分割され、ステップモーター（図には表示していない）によって動く反射ミラー１３、１４で反射することで、２つの光の距離の差が調整され、スクリーン１５に映し出された異なる干渉縞１６によって、入射光線の波長を測定するものである。この方法では、安定した内蔵光源（通常はガスレーザー）で測定誤差を調整するために、比較的正確な波長を得ることができる。しかしながらこれら２種類の方法は、いずれも精密なモーター制御と適度な光路空間を必要とするために、体積を縮小することは難しく、既存の光通信機器との統合が図れないために、応用面では極めて不便なものとなっている。

さらに、もうひとつの方法として、1998年にJDSUの特許US5、798、859では、「ファブリ・ペロー（Fabry-Perot）干渉」を光通信機器の「光波長固定装置」に応用したものがある。これは、光波長を事前に設定された波長に固定するもので、「ファブリ・ペロー干渉」の方法で波長を固定することにより、通信機器に劣化または温度の変化が生じた場合でも、光波長は、当初設定されていた波長のまま固定され、変化が生じないものとなっている。図２Ａ、図２Ｂに示すとおり、入射光線２０は、ハーフ反射ミラー２１により一部は反射して第一光測定器２２に入り、他の一部は、ハーフ反射ミラー２１を通り、干渉器２３のフィルターを通過して、第二光測定器24に入る。かつ、この干渉器23は波長に同期する特性があり、光信号の波長の違いによって、強さの異なる光信号を出力する。この特徴曲線については、図２Ｂに示すとおりである。図においては、光線L1、L2、L3は出力が同じであるために、第二光測定器２４で受信した際には同一のものであると判断されて、光線の波長を正確に判断することができず、したがって、光波長計には応用することはできない。

アメリカ特許US5、798、859

以上に述べた問題に基づき、本発明は、体積がごく小さく、既存の光通信機器との統合ができる光波長計を提供する。

本発明の光波長計は、分光器、２個の干渉器、２個の光測定器により構成されている。被測定入射光線は、分光器により２つの光線に分離され、それぞれ干渉器に送られる。干渉器は波長に同期する特性があるため、入力された光信号の波長の違いに応じて、強さが異なる光を出力する。かつ２個の干渉器による特性の異なる曲線は、それぞれ大波長範囲低敏感度と小波長範囲高敏感度の特性を示し、大波長範囲で低敏感度の干渉器による光線の出力と、これに対応する干渉器の特性曲線の比較対照により光信号の波長のおおよその範囲を決定し、さらに小波長範囲で高敏感度の干渉器による光線の出力と、これに対応する干渉器の特性曲線を比較対照することにより当該光信号の波長を決定する。これにより、入射光線の波長の正確な測定または固定が可能となり、かつ体積が小さく、測定範囲が広く、高確度という特性を備えるものとなっている。

本発明の光波長計は、小型で、且つ既存の光通信機器との統合を可能にすることによって、既存の光通信機器は現在の通信に使用されている波長を知り、チャネルを変更するためにその波長を調整することが可能となることから、既存の光通信機器運用上のフレキシビリティを向上させることが可能となる。

本発明の光波長計は、図３で示しているとおり、分光器３０、第一干渉器４１、第二干渉器４２、およびこれに対応する第一光測定器５１、第二光測定器５２から構成されている。被測定入射光線７０が分光器３０に入射すると、これを受けて２本の光線７１と７２に分けられ、それぞれが第一干渉器４１と第二干渉器４２に入る。このうち第一干渉器４１と第二干渉器４２は波長が同期するという特性があり、言い換えれば、入力された光線７１と７２の波長の違いに応じて、強さが異なる光を出力することができるということである。その後はそれぞれ、第一光測定器５１と第二光測定器５２に出力され、測定された光線７１と７２の出力と第一干渉器４１と第二４２干渉器の特性曲線の比較対照により、入射光線７０の波長が決定される。

従来の「光波長固定装置」の欠陥に鑑み、本発明では２個の干渉器を用いてこれを組み合わせることで、正確な波長を決定している。ここでは主に、第一干渉器４１の持つ大範囲の波長と低敏感度という特性と、第二干渉器４２が持つ小範囲の波長と高敏感度という特性を利用して、第一干渉器４１を経由した光線７１により、第一光測定器５１による測定の結果得られた出力と、第一干渉器４１の特性曲線の比較対照により入射光線７０のおおよその波長の範囲が求められる。さらに第二干渉器４２を経由した光線72により、第二光測定器５２による測定の結果得られた出力と第二干渉器４２の特性曲線の比較対照を組み合わせることにより正確な波長が求められる。

したがって、第一干渉器４１と第二干渉器４２の特性曲線を組み合わせることで、はじめて有効に正確な波長を求めることができる。図４Ａに示すとおり、第一干渉器４１の特性曲線は、ほぼ一直線の斜線であり（上の図）、第二干渉器４２の特性曲線は、周期性のある波形である（下の図）。具体例を挙げて説明すると、波長は、λ1またはλ2の光線が第二干渉器４２を通過すると、第二光測定器５２で測定された出力はすべてP3となるが、第一干渉器４１を通過して第一光測定器５１で測定された出力はそれぞれ、P1とP2になる。このため、正確な測定値を得るためには、２個の干渉器により正確な入射光線の波長を求めることになる。一般的には、斜線の特性曲線を有する干渉器は、ファブリペローエタロン、薄膜フィルター、またはファイバー・ブラッグ・グレーチング（FBG）の形式とすることが可能であり、その波長範囲が大きくなるほど敏感度は低くなる（これはすなわち、波長の変化範囲が非常に大きくなることで、はじめて出力が変化するものでなければならないということでもある）。言い換えれば、図におけるλ1とλaに対応する出力はそれぞれP1とPaであるが、両者間の差異は非常に小さく、光波長計で認識できる最小値を下回る可能性もあり、またノイズによって誤差が生じる可能性もあるため、1台のみの干渉器では、正確な波長を求めることはできない。一方、周期的な波形の特性曲線を有する干渉器はファブリペローエタロン、薄膜フィルター、またはファイバー・ブラッグ・グレーチング（FBG）の形式とすることが可能であり、その小波長範囲では、敏感度が高くなる（言い換えれば、わずかな波長の変化で、出力が明らかに変化するということである）。ただし、変化が周期的であるために、それぞれの周期で重複が生じる可能性があることから、これも単独で使用することはできない。したがって、大波長測定範囲の第一干渉器４１と小波長測定範囲の第二干渉器４２を組み合わせることで、第一干渉器４１の大きな波長範囲（例：1450〜1650nm、1250nm〜1450 nm、800 nm〜1250 nm、380〜800 nm etc.）で入射光線７０の波長のおおよその位置を確認し、第二干渉器42は自由スペクトラム範囲(free spectral range, FSR)が比較的小さい（例：1.6nm、0.8nm、0.4nm、0.2nm、0.1nm etc.）ことから、これを組み合わせることによって、入射光線の波長を正確に測定し、またはこれを固定することができる。

当然のことながら、第一干渉器４１の特性曲線も、「VまたはU」の字型に変化する可能性があるが（図４Ｂを参照）、その中心対称線と第二干渉器４２の周期的な波形の原点は重ね合わせることができる。例を挙げると、波長λ3、λ4は、いずれも同じ出力P4であるが、第二干渉器４２から見ると、出力はそれぞれP5とP6となる（波形から見ると、一方はプラスで、一方はマイナスとなっている）。こうしたことから、これらを使用することができるが、同じ変化でもその特性曲線は反対になる可能性がある（図４Ｃを参照）。

他方では、第一干渉器４１の特性曲線も、周期的な波形として設計することができる（図４Ｄを参照）。ただし、大波長の範囲という条件を達成するためには、FSR1＝2＊n＊FSR2+△、またはFSR1＝2＊（n+1/2）＊FSR2+△を満たさなければならない。この式でFSR1は、第一干渉器４１の自由スペクトラム範囲(free spectral range)、FSR2は、第二干渉器４２の自由スペクトラム範囲(free spectral range)であり、nは任意の整数である。△は微調整係数であり、これによって第一干渉器と第二干渉器のスペクトラムが同じ個所に貫通した時、異なる高さを持たせ、応用上にスペクトラムの穿孔現象を防ぐことが可能となる。実際の修正値は、測定する干渉器の精細度(finesse)の値に応じて決定する。また、実際の製作の際には、干渉器には一定の誤差が存在するため、微調整係数を導入することで、正確な特性曲線を描くことが可能となる。

実際に光波長の測定に応用する場合、光信号７０がこの発明の光波長計を通過してからは、外部に伝送されて他の光学システムと結合できなければならない場合がある。したがって、入射光線７０は２つの光に分離される。図５に示しているとおり、分光器３１と３２は、ハーフ分光ミラーを利用して、入射光線７０を第一干渉器41と第二干渉器４２に分離することができ、それ以外の光線は、光測定器５３に入る（当然ながら、使用状態に応じて他の機器に変更することも可能である）。
このほか、分光器３０の実施態様も、実際の使用に応じて多様に変化させることが可能である。例えば、第図５にある２組の分光ミラーを合わせて四辺型の結晶体の分光器３３とすることもでき（図６Ａを参照）、または方形の分光器３４と３５の２組を使用し（図６Ｂ、図６Ｃを参照）、図６Ｄ、図６Ｅでは、三角柱２組を用いて二重のミラーを作成することにより分光器３６と３７とし、すべての部品を合わせて１つの部品とすることで、スペースを節約している。さらに第図６Ｆでは、２組の分光ミラーを１つの三角柱結晶体として分光器３８としている。また、当然ながら、代わりに台形の結晶体で、分光器３９とすることもできる（図６Ｇ、図６Ｈを参照）。

次に応用についてであるが、図７Ａに示すとおり、この発明の光波長計６０は、レーザー発光モジュールを組み合わせている。レーザー発光器８１とコリメーター８２を組み合わせることで、随時、発光させるレーザーの波長をコントロールすることができる。さらに図７Ｂに示すとおり、この発明の光波長計６１と６２の２組を利用して、レーザー発射モジュール８３とレシーバーモジュール８4、ドライブ回路８５に組み合わせることにより、光レシーバーモジュールに応用することも可能である。ドライブ回路８５によりレーザー発射モジュール８３のレーザー信号をコントロールし、またはレシーバーモジュール８４で外部からの光信号を受信し、かつ、それぞれを光波長計６１と６２によりこれを光路上に乗せる。つまり、レーザー発射モジュール８３から発射された光信号は、ここを通過するか、または光波長計６１で一部をサンプリングされ、外部からの光信号もここを通過するか、または光波長計６２で一部をサンプリングされてからレシーバーモジュール８４に入り、これによって伝送された光信号の波長が測定できる。

以上に述べた内容は、本発明における比較的良好な実施例に過ぎず、本発明の実施範囲を限定するものではない。本発明における特許出願範囲に基づく変更または修飾は、すべて本発明における特許範囲に含まれるものとする。

従来の光波長計の概略図一である。従来の光波長計の概略図二である。従来の光波長固定装置の概略図一である。従来の光波長固定装置の概略図二である。本発明の概略図である。本発明の干渉器の特性曲線の概略図一である。本発明の干渉器の特性曲線の概略図二である。本発明の干渉器の特性曲線の概略図三である。本発明の干渉器の特性曲線の概略図四である。本発明を光通信に応用する場合の概略図である。本発明図5の変化例の図一である。本発明図5の変化例の図二である。本発明図5の変化例の図三である。本発明図5の変化例の図四である。本発明図5の変化例の図五である。本発明図5の変化例の図六である。本発明図5の変化例の図七である。本発明図５の変化例の図八である。本発明の応用例の図一である。本発明の応用例の図二である。

符号の説明

１１グレーチング
１２分光ミラー
１３反射ミラー
１４反射ミラー
１５スクリーン
１６干渉縞
２０入射光線
２１ハーフ反射ミラー
２２第一光測定器
２３干渉器
２４第二光測定器
３０分光器
３１〜３９分光器
４１第一干渉器
４２第二干渉器
５１第一光測定器
５２第二光測定器
５３光測定器
６０光波長計
６１、６２光波長計
７０入射光線
７１〜７２光線
８１レーザー発光器
８２視準器
８３レーザー発射モジュール
８４レシーバーモジュール
８５ドライブ回路
Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３光線
λ１〜λ４波長
Ｐ１〜Ｐ６、Ｐａ出力

Claims

入射光線の波長を測定する光波長計であって、
入射光線を受けてこれを２本の光線に分離する分光器と、
波長に同期する特性があり、前記２本の光線を受けてこれらを波長の違いに応じて異なる出力で外部に伝送し、かつ大波長範囲と小波長範囲の異なる特性曲線を有する２個の干渉器と、
前記２個の干渉器にそれぞれ接続されて、干渉を受けた光線を受け取り、大波長範囲の干渉器による光線の出力と、これに対応する干渉器の特性曲線により当該光信号の波長のおおよその範囲を決定し、これに小波長範囲の干渉器による光線の出力と、これに対応する干渉器の特性曲線を合わせることにより、当該入射光線の波長を決定することができる。２個の光測定器と
からなることを特徴とする光波長計。
前記小波長範囲の干渉器の特性曲線は、高敏感度があることを特徴とする請求項１に記載の光波長計。
前記特性曲線は、周期的な波形を呈していることを特徴とする請求項２に記載の光波長計。
前記小波長範囲の敏感度にある干渉器には、ファブリペローエタロン、薄膜フィルター、およびファイバー・ブラッグ・グレーチング（FBG）の構成から1つを選定することを特徴とする請求項２に記載の光波長計。
前記大波長範囲の敏感度にある干渉器には、ファブリペローエタロン、薄膜フィルター、およびファイバー・ブラッグ・グレーチング（FBG）の構成から1つを選定することを特徴とする請求項１に記載の光波長計。
前記大波長範囲の敏感度にある干渉器の特性曲線は、対称であることを特徴とする請求項５に記載の光波長計。
前記２個の干渉器による特性曲線は、いずれも周期的な波形を呈しており、次の条件式を満たすものであり、
FSR1＝2＊n＊FSR2+△
この式で、FSR1は、大波長範囲にある敏感度の干渉器の自由スペクトラム範囲(free spectral range, FSR)であることと、
FSR2は、小波長範囲にある敏感度の干渉器の自由スペクトラム範囲(free spectral range, FSR)であることと、
nは任意の整数であり、△は微調整係数であることと
を特徴とする請求項１に記載の光波長計。
前記２個の干渉器による特性曲線はいずれも周期的な波形を呈しており、次の条件式を満たすものであり、
FSR1＝2＊（n+1/2）＊FSR2+△
この式で、FSR1は、大波長範囲にある敏感度の干渉器の自由スペクトラム範囲(free spectral range, FSR)であることと、
FSR2は、小波長範囲にある敏感度の干渉器の自由スペクトラム範囲(free spectral range, FSR)であることと、
nは任意の整数であり、△は微調整係数であることと、
を特徴とする請求項１に記載の光波長計。
前記分光器は、分光ミラー、分光結晶体、三角結晶体、三角柱、方形結晶体、平行四辺形結晶体および台形結晶体による構成から1つを選定することを特徴とする請求項１に記載の光波長計。