JP2006029884A - 光測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 機構的にスリット幅を狭くすることなく、光スペクトルの測定精度の向上を図る。
【解決手段】 回折格子１４は、被測定光を波長分散して分光し、一定方向に回転して選択した波長の回折光を生成する。集光レンズ１３は、回折光を集光して集光ビームを生成する。スリット制御部１５は、スリット幅の開閉を一定のスキャン速度で可動し、集光ビームの透過帯域幅を可変にする。受光測定部１６は、スリットからの透過光を受光して、光周波数の変化によって変動する受光パワーのレベルを表すレベル関数を求めた後、レベル関数をスキャン速度で微分して、被測定光のスペクトル形状を再現する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光測定装置に関し、特に光スペクトルの測定を行う光測定装置に関する。

近年、情報通信量の増加に伴って、大容量、低コストの光ファイバ通信システムの開発が活発である。大容量化に対しては、複数の波長を多重して伝送する波長多重伝送方式（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexer）が研究・開発されており、多重度は上がる一方である。

多重度の指標となるチャネル（ｃｈ）間隔はＩＴＵ−Ｔで標準化されており、現在の標準的なＷＤＭシステムでは、１ｃｈあたり伝送容量１０Ｇｂｐｓの信号を、１００ＧＨｚ（約０．８ｎｍ）間隔、または５０ＧＨｚ（約０．４ｎｍ）間隔で多重するシステムが一般的である。

このようなＷＤＭシステムでは、光信号伝送時の光ファイバの線路損失を補うために、エルビウム（Ｅｒ３＋）添加ファイバ（ＥＤＦ：Erbium-Doped Fiber）を増幅用媒体とした光アンプであるＥＤＦＡ（EDF Amplifier）を中継器に用いるのが一般的である。

ＥＤＦＡは、励起光をＥＤＦに照射して光信号を進行させ、そのとき生じる誘導放出によって、光信号のレベルを増幅させるものである。また、ＥＤＦＡのような誘導放出が増幅原理となっている光アンプでは、入力光信号の存在の有無に関わらず、自然放出といった現象が生じる。ＥＤＦＡを用いたシステムでは、このアンプにて発生する自然放出光（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）が雑音となり、符号誤り率（ＢＥＲ：Bit Error Rate）を劣化させる。

そのため、システム設計時には、光測定器として光スペクトラムアナライザ（以下、光スペアナ）を用いて、信号光（Ｓ）と雑音光（Ｎ）のレベル比で表されるＯＳＮＲ（Optical Signal/Noise Ratio）の評価を行うことになるが、高精度に測定するためには、雑音光をいかに信号光から分離して、正確にそれぞれのレベルを求められるかが重要となる。

信号スペクトルを光スペアナで測定する際には、分解能が十分でないと、細線で表示されるはずの光スペクトルは太線で表示されてしまうので、裾野の部分が広がって隣のｃｈと重なってしまい、雑音光と信号光との見分けがつかなくなる（なお、分解能とは、波長λ₀とλ₀＋Δλ₀（または周波数ｆ₀とｆ₀＋Δｆ₀）の２本のスペクトル線があるとき、どのくらい小さいΔλ₀（Δｆ₀）までを２本のスペクトルとして区別できるかという能力のことである）。

特に、１０ＧｂｐｓのＮＲＺ（Non-Return to Zero）変調のＷＤＭシステムでは、ｃｈ間隔が５０ＧＨｚだと、隣接する信号スペクトルの裾野の部分がもともと重なり合っているため、余計に雑音光と信号光との判別がしにくくなる。したがって、高精度にＯＳＮＲを測定するには非常に高分解能な光スペアナが必要になる。

このような用途に対して、現在、光スペアナとしては、モノクロメータ（分光器＝回折格子）を使用しての分散分光方式が一般に用いられている。また、光スペクトルの分解能を向上させる従来技術としては、スリット位置に縦スリットを設けて、Ｙ軸方向に離散した光スポット成分を遮蔽して分解能を上げる技術が提案されている（例えば、実用新案１）。
実開平０７−８７３６号公報（段落番号〔００１３〕〜〔００２７〕，第１図）

従来の分散分光方式による光スペアナは、被測定光を回折格子にて分光し、その一部をスリットにて切り出してパワーをモニタする方法である。具体的には、スリット幅をできるだけ狭くした状態で固定し、被測定光を分光する回折格子を回転することにより、スリットを透過する光の波長帯域を変化させ、各波長帯域における光の強度を測定する測定方式であった。

図２１はレンズのビームウェスト幅を説明する図である。一般にレンズで集光された光束の焦点は有限のスポット幅をもち、その理論最小値はＷ＝（４・λ・Ｌ）／（π・ｄ）となる。

図２２はスペクトルアナライザの構成を示す図である。例えば、図に示す構成において、ｄ₀＝５ｃｍ、Ｌ₀＝３０ｃｍ、λ＝１５５０ｎｍとすれば、スポット幅は６μｍとなる。したがって、高分解能を実現するためには、受光部におけるスリット幅も最小６μｍの幅を実現する必要がある。ただし、このスポット幅は理論限界値であり、系やレンズ形状の精度、回折格子の精度などを考慮すると、実際にはこれより大きな値となる。

したがって、高分解能な光スペクトル測定を実現するためには、非常に幅の狭いスリットが必要となるが、スリット幅を極度に狭くすることは機構的に困難であるため、充分な高分解能を得ることが難しいといった問題があった。

また、従来技術（実開平０７−８７３６号公報）においても、スリット幅を狭くすることでスペクトル分解能を向上させるという基本構造には変わりなく、充分な高分解能を得ることができない。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、機構的にスリット幅を狭くすることなく、高分解能な光スペクトル測定を実現し、光スペクトル測定の精度の向上を図った光測定装置を提供することを目的とする。

本発明では上記課題を解決するために、図１に示すような、光スペクトルを測定する光測定装置１０において、被測定光を波長分散して分光し、一定方向に回転して選択した波長の回折光を生成する回折格子１４と、回折光を集光して集光ビームを生成する集光レンズ１３と、スリット幅の開閉を一定のスキャン速度で可動し、集光ビームの透過帯域幅を可変にするスリット制御部１５と、スリット１５ａからの透過光を受光して、光周波数の変化によって変動する受光パワーのレベルを表すレベル関数を求めた後、レベル関数をスキャン速度で微分して、被測定光のスペクトル形状を再現する受光測定部１６と、を有することを特徴とする光測定装置１０が提供される。

ここで、回折格子１４は、被測定光を波長分散して分光し、一定方向に回転して選択した波長の回折光を生成する。集光レンズ１３は、回折光を集光して集光ビームを生成する。スリット制御部１５は、スリット幅の開閉を一定のスキャン速度で可動し、集光ビームの透過帯域幅を可変にする。受光測定部１６は、スリット１５ａからの透過光を受光して、光周波数の変化によって変動する受光パワーのレベルを表すレベル関数を求めた後、レベル関数をスキャン速度で微分して、被測定光のスペクトル形状を再現する。

本発明の光測定装置によれば、機構的にスリット幅を狭くすることなく、高分解能な光スペクトル測定を実現することができ、光スペクトルの測定精度の向上を図ることが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の光測定装置の原理図である。本発明の第１の実施の形態である光測定装置１０は、スリット１１、レンズ１２、集光レンズ１３、回折格子１４、スリット制御部１５、受光測定部１６から構成される。光測定装置１０は、光スペアナに該当し、光スペクトルの測定としては例えば、被測定光としてのＷＤＭ光に対して、ある周波数帯に含まれる光成分の光パワーを測定しＯＳＮＲを求めたりする。

被測定光は、スリット１１を通過すると、レンズ１２により反射されて平行ビームとなる。平行ビームが回折格子１４に入射すると、出射時には分波され、波長（周波数）に応じてその出射角が異なる回折光が生成される。なお、回折格子１４は、ガラスプレート上にある一定の間隔で複数の溝が刻まれており、入射光の波長に応じて出射光の角度（回折角度）が変わるので、入射光に複数の波長成分が含まれている場合、各波長成分に分けることができる分光器として作用する光学部品である。

集光レンズ１３は、回折光を集光して集光ビームを生成し、所定の波長成分の光をスリット１５ａに向かわせる。スリット制御部１５は、例えば、マイクロメータ等のモータ機構を使用して、スリット１５ａのスリット幅を一定の速度で開閉し、スリット幅を変化させるもので、受光測定部１６に向かう集光ビームの透過波長の帯域幅を変更可能としている。

図では、スリットを全閉状態から一定の速度で広げる様子を示しているが、開いた状態から閉じる状態へスリットを動かしてもよい。なお、スリット１５ａを開（または閉）とするスリット幅の拡張速度（縮小速度）は、単位時間あたりのスリット幅の変化量であるが、スリット幅の変動に応じてこのスリットを透過して受光測定部１６に到達して検出される波長帯域、すなわち光周波数帯域が変化するので、このスリット幅の拡張速度（縮小速度）を単位時間当たりの光周波数変化（ΔｆＨｚ）として表わすことができる。以降の説明では、この単位時間当たりの光周波数変化を「スキャン速度」と呼称する。

受光測定部１６は、集光レンズ１３からの集光ビームの焦点位置に設置され、スリット幅の変化に応じて透過する波長帯域幅が変わるスリット１５ａからの透過光を受光して、スリット幅の時間的変化、すなわち、光周波数の変化によって変動する受光パワーのレベルを表すレベル関数を求める。そして、レベル関数をスキャン速度で微分して（レベル関数をＳとすれば、ｄＳ／ｄｆを求めるということ）、被測定光のスペクトル形状を再現する。

なお、本実施例における被測定光は、波長多重されているＷＤＭ光であるので、ＷＤＭシステムとしてのスペクトルを得るためには、ＷＤＭ信号光が含まれるすべての波長帯域の光パワーを測定する必要がある。換言すると、広い波長帯域におけるスペクトルを測定する必要がある。この場合、回折格子１４を回転させて、集光レンズ１３に導かれる回折光の回折角度を変えることで、受光測定部１６に導かれる波長帯域を選択（変更）することができる。つまり、回折格子１４の回転角度に応じて、異なる波長帯域のスペクトルを得ることができ、１つのスリット１５ａ及び受光測定部１６だけで、広い波長帯域の光パワーの測定、すなわちスペクトルの測定が可能になる。

次に本発明の詳細を説明する前に、従来の光スペアナの動作及び本発明が解決すべき問題点について詳しく説明する。図２は光スペアナの構成を示す図である。従来の光スペアナ１００は、スリット１０１、１０２、レンズ１０３、１０４、回折格子１０５、受光器１０６から構成される。

被測定光がスリット１０１に入射して、選択された波長帯域に応じた角度の回折光が集光ビームとしてスリット１０２に導かれるまでの過程は、図１を用いて説明した動作と同様である。スリット１０２では、特定の波長帯域の集光ビームを選択的に透過する。受光器１０６は、選択された波長帯域の集光ビームを受光して光パワーを測定する。また、光スペアナ１００では、分解能を上げるため、スリット１０２の幅をできるだけ狭く構成している。

図３は被測定光の光スペクトルの一例を示す図である。縦軸は光パワー、横軸は光周波数である。この例ではＷＤＭシステムにおいて、例えばＩＴＵ−Ｔで標準化されたｃｈ間隔毎に配置されたＣＷ（Continuous Wave）の光信号（情報が重畳されていない無変調の状態の光信号）のスペクトルを示している。

ＷＤＭシステムでは、送りたいデータを各々波長の異なる光（チャネル：ｃｈ）に乗せて１本の光ファイバで送信する。各チャネルの波長（周波数）は、隣り合うチャンネルとの周波数間隔（ｃｈ間隔）がある一定の間隔となるようにグリッド化されており、このグリッドはＩＴＵ−Ｔ Ｇｒｉｄと呼ばれ、ＩＴＵ−Ｔ勧告として標準化されている。なお、各ｃｈの光信号は、ノイズ部分であるＡＳＥ光と信号光成分とからなる。

このようなＷＤＭ光を被測定光として、光スペアナ１００で測定する場合、回折格子１０５の回転によって、受光器１０６に入射する光の波長帯域が掃引されるので、固定スリット幅（受光器１０６前段のスリット１０２の幅）Ｂが見かけ上、周波数軸上を動くことになる。

そして、受光器１０６では常に、スリット幅Ｂ内に存在する光成分（スリット１０２の透過成分）を受光してパワーを測定している。例えば、スリット幅Ｂが位置ｐ１ａにあれば、この幅の中に含まれる光成分はＡＳＥ光だけなので、ＡＳＥ光のみのパワーが測定される。また、スリット幅Ｂが位置ｐ１ｂにあれば、この幅の中に含まれる光成分は、ｃｈ２の光信号（信号光成分＋ＡＳＥ）及びｃｈ２の光信号の両側に存在するＡＳＥ光なので、これらの光成分のパワーが測定されることになる。

図４、図５は測定した光スペクトルを示す図である。縦軸は受光器１０６で測定した受光パワー、横軸は光周波数であり、図３で示したスペクトルを持つＷＤＭ信号を、光スペアナ１００で測定した様子を示している。図４はスリット１０２のスリット幅が広い場合、すなわち、低分解能時における測定結果、図５はスリット１０２のスリット幅が狭い場合、すなわち高分解能時における測定結果を示している。

ここで、図３における波長帯域の光パワー分布、すなわちスペクトルを測定するために、スリット１０２を通過する波長帯域を掃引しながらパワーを測定する。これは、図２において回折格子１０５を回転させることにより行われる。

このようにして、図３において、見かけ上スリット１０２が横軸上を右に移動するに従って、その移動位置におけるスリット幅内に存在する光成分のパワーが測定（面積測定）される。そして、広いスリット幅で測定したときの各チャネルの光スペクトルの幅は（図４）、狭いスリット幅で測定したときの各チャネルの光スペクトル幅（図５）よりも広くなる。

これはスリット幅が広い方が、周波数（波長）についての分解能が低いことを示している。
また、ＡＳＥの受光パワーを見ると図４の方が図５よりもレベルが大きいことがわかる（図４ではスリット幅が広い分、ＡＳＥの測定されるべき面積も大きく、面積の大きさは縦軸の高さに比例するから）。このように、スリット幅が狭いほど、被測定光をより忠実に再現することが可能になる（図５に示した狭いスリット幅で測定した光スペクトルの方が、図３に示した元のスペクトルの形状により近い）。

上記では、ＣＷの場合の線スペクトルについて示したが、実際のＷＤＭ伝送では、多重化する各チャネルの光をあるビットレートで変調し、情報を重畳した光信号を生成して伝送する。変調処理を行うことで、各チャネルの光スペクトルは、変調前のピークを対称軸として、側波帯という広がりを持つ。この広がりの幅は、ビットレートが高くなるほど（変調周波数が高くなるほど）広くなる。従って、隣接ｃｈ間のグリッド幅が狭く、かつ信号光のビットレートが高くてスペクトル幅の広がったシステムでは、隣接するｃｈ間で側波帯が重なりあうこととなる。現在のＷＤＭシステムでは、変調方式がＮＲＺ（Non-Return-to-Zero）、ｃｈ間隔５０ＧＨｚ、ビットレート１０Ｇｂｉｔ／ｓｅｃｏｎｄといった構成が主流となっており、この場合、側波帯の一部が重なりあう。

図６は変調後のＷＤＭ信号のスペクトルを示す概略図である。縦軸は光パワー、横軸は光周波数である。１０ＧｂｐｓのＮＲＺ変調の波形であり、ｃｈ間隔は５０ＧＨｚである。図からわかるように、変調されることで各チャネルのスペクトルが広がっている。実際の光スペクトルの解析では、このような波形を被測定光として光パワーを測定し、ＯＳＮＲを求めることになる。

ここで、ＯＳＮＲは、信号光のトータルパワーと、ある波長幅におけるＡＳＥパワーとの比率で定義される。例えば、ｃｈ１について見ると、信号光のトータルパワーは、信号光成分の面積（図の斜線領域）ｓ１に該当する。また、ある波長幅（ここでは０．１ｎｍ（≒１２ＧＨｚ）と定義する）におけるＡＳＥパワーは、例えば、ポイントｐ２ｂ（ポイントｐ２ａ〜ｐ２ｆのいずれでもよいが）におけるＡＳＥ成分の面積ｓ２に該当する（ポイントｐ２ｂ周辺の拡大図を図７に示す）。このとき、ｃｈ１の光信号のＯＳＮＲはｓ１÷ｓ２で求まり、ＯＳＮＲが良好なほど、図６に示すレベル範囲がＡＳＥのレベル範囲よりも大きくなる。

したがって、被測定光のＯＳＮＲを高精度に測定するには、信号光の包絡線内の面積、すなわちトータル信号光パワーと、ＡＳＥパワーのピークポイントとを知る必要がある。ここで、信号光のトータルパワーについては、信号光スペクトルの広がり幅と同程度の広さを持つスリットを用いて測定すれば測定が可能である。
一方、変調されてスペクトルが広がった信号に対して、ＡＳＥパワーのピークポイントを認識するためには、被測定光の形状を忠実に再現することが必要となるので、極度に狭いスリット幅が必要である。

なぜなら、信号光成分が十分に少ない箇所（ポイントｐ２ａ〜ｐ２ｆ）が、ＡＳＥパワーのピークポイントであって、スリット幅内に存在する光成分の面積からこれらの位置を正確に認識するためには、スリット幅を非常に狭く設定しないと、面積が最小値となる箇所（すなわち、ＡＳＥパワーのピークポイントがある箇所）を検出することができないからである。

図８、図９は測定した光スペクトルを示す図である。縦軸は受光器１０６で測定した受光パワー、横軸は光周波数である。図６で示したスペクトルを持つＷＤＭ信号を、光スペアナ１００で測定した様子を示しており、図８はスリット幅を周波数帯域に換算して４０ＧＨｚとしてスキャン（回折格子１０５を回転）した場合の測定結果、図９はスリット幅を周波数帯域換算で１０ＧＨｚとしてスキャンした場合の測定結果を示している。

図８、図９いずれにしても、元の図６のＷＤＭ信号を忠実には再現できていないため、正確にＯＳＮＲを測定することができない。すなわち、スリット幅が広い場合（図８）は、その幅の中に信号光のスペクトル広がり幅を充分に包含することができるため、信号光のトータルパワー（例えば図８における各chのピークパワーの値がそれを表す）を正確に測定することは可能だが、一方でＡＳＥのピークパワーは分解能が不十分で埋もれてしまうため、ＯＳＮＲを算出することはできない。一方、スリット幅を狭くした場合（図６）は、そのスリット幅の範囲内に、変調で広がった信号光スペクトルの全てが包含されないため、信号光のトータルパワーが曖昧となる上、ＡＳＥレベルについても、信号光パワーが十分に下がっている箇所（ポイントｐ２ａ〜ｐ２ｆ）に相当するＡＳＥパワーのピークレベルを正確に認識することができないため、ＯＳＮＲを算出することはできない。

このため、従来の光スペアナ１００においては、実際には、いくつかある側波帯の中の最も低いピークレベルをＡＳＥパワーのピークポイントとみなして、ＯＳＮＲを算出しているのが実状である。図８では、ポイントｐ３ａ、ｐ３ｂに該当し、図９ではポイントｐ４ａ、ｐ４ｂなどに該当する。いずれの場合もＡＳＥパワーレベルを正確に認識しておらず、正確なＯＳＮＲ測定にはいたらない。

このように、従来においては、固定のスリット幅をスキャンさせて（回折格子を回転させて）、スリット幅を透過する光成分のパワーを算出（面積を算出）する測定方式であり、正確な測定はスリット幅の狭さに依存していた。このため、被測定光の形状をできるだけ忠実に再現するには、スリット幅を極度に狭くする必要があるが、極度に狭いスリット幅を生成するのは機構的に困難であるため、結果として、高分解能を実現することができなかった。

本発明では、機構的にスリット幅を狭くするといった方式をとらずに、スペクトル形状を精度よく再現することで、スペクトルの高分解能を実現し、光スペクトルの測定精度の向上を図る光測定装置を提供するものである。

次に本発明の動作について詳しく説明する。本発明では、スリット制御部１５において、スリット１５ａを一定のスキャン速度Δｆ（Ｈｚ／ｓ）で例えば前閉状態から開放していき、スリット１５ａを透過する光の透過帯域幅を増加させる（回折格子１４が１つの波長帯域を選択して次の波長帯域を選択するまでの時間内で、スリット幅を全閉状態から拡張していく）。すると、スリット幅が拡張した分、スリット１５ａを透過する光パワーも変動する。

受光測定部１６では、このスリット１５ａからの透過光を受光して、スキャン速度に応じて変動する（周波数の変化によって変動する）受光パワーを測定する。そして、受光パワーのレベルを表すレベル関数を求め、レベル関数をスキャン速度で微分して、被測定光のスペクトル形状を再現する。

図１０はスリットを開放していく様子を示す図である。縦軸は光パワー、横軸は光周波数である。スリット１５ａの片側の一辺を固定し（光周波数軸上ｆ０に該当）、他方の側の一辺をΔｆ（Ｈｚ／ｓ）の速さでスキャンする（図では光周波数軸上ｆの位置まで動いている）。

図１１はレベル関数を示す図である。縦軸は受光パワー、横軸は光周波数である。スリット１５ａからの透過光の受光パワーを、スキャン速度に応じた光周波数に対してプロットした曲線がレベル関数Ｓ（ｆ）となる。

図１２、図１３はレベル関数の生成過程を示す図である。図１２のように、スリットが全閉状態から開放されていき、スリットの透過波長帯域に対応した光周波数軸上ｆ１にある場合、光スペクトル包絡線の斜線の面積は、レベル関数の高さＡ（受光パワーＳ（Ａ））に該当することになる。また、図１３のように、スリットの開放によって、光周波数軸上ｆ２にある場合、光スペクトル包絡線の斜線の面積は、レベル関数の高さＢ（受光パワーＳ（Ｂ））に該当する。

レベル関数は、包絡線の形状に応じた傾きを表す。例えば、包絡線の形状が急に大きくなる箇所は、レベル関数の傾きも大きくなる。また、光スペクトルの包絡線のピークでは、光周波数軸上、変化量がゼロであるため、包絡線のピークに対応するレベル関数の傾きはフラットとなる。なお、スリット幅からの透過光パワーをプロットする際に、スリット幅を微小に動かすほど（微小に広げたりまたは狭めたりするほど）、レベル関数は、包絡線の形状に沿った正確な傾きを表すことになる。

ここで、図１０に示す包絡線の関数をｐ１（ｆ）とする。スリット幅Δｆによる包絡線の面積Ｐ（ｆ）は以下の式（１）となる。なお、Ｃは積分定数である。

よって、式（１）をｆで微分すれば式（２）のように表せる。

さらに、レベル関数をＳ（ｆ）と表すと、Ｓ（ｆ）は、関数ｐ１（ｆ）をｆ０からｆまで積分した関数であるから、式（３）となる（図１０の斜線部の面積を表す）。

そして、以下の式（４）のように、関数Ｓ（ｆ）をｆで微分することにより、元の包絡線の関数ｐ１（ｆ）が得られる。なお、図１４にスリット幅をｆまで動かしたときの再現スペクトルを示す。

このように、本発明では、スリット幅を一定のスキャン速度で広げて（または狭めて）、集光ビームの透過帯域幅を変化させ、スリットから透過した光に対して、光周波数の変化によって変動する受光パワーのレベルを表すレベル関数を求めた後、レベル関数をスキャン速度で微分して、被測定光のスペクトル形状を再現する構成とした。

これにより、機構的にスリット幅を狭くすることなく、スペクトルの高分解能を実現することができ、元の光スペクトルを忠実に再現することができる。したがって、ＯＳＮＲを算出する場合に、信号光の包絡線形状と、ＡＳＥパワーのピークポイントとを正確に知ることが可能であるため、従来の光スペアナに比べて、はるかに精度の高いＯＳＮＲを求めることができる。

なお、本実施例では、スリットを一定の速度で開、または閉とし、これに応じたスリットの透過周波数帯域の変化の割合であるスキャン速度も一定速度として説明したが、これによらず、スリットの開閉速度、スキャン速度が一定でない場合でも良いことは明らかである。

次に第２の実施の形態について説明する。図１５は第２の実施の形態を示す図である。第２の実施の形態の光測定装置１０−１は、図１で上述した構成要素の他に、スリット１７とレンズ１８を含む構成をとる。被測定光がスリット１１に入射し、回折格子１４により波長が選択されて、集光ビームが生成するまでの過程は図１と同じである。

スリット１７は、集光レンズ１３から一定の帯域幅を切り出す。レンズ１８は、スリット１７から透過した光を平行ビームにする。その後は、スリット制御部１５、受光測定部１６で、図１の光測定装置１０と同様の制御が行われる。

図１６はスリット１７で切り出された帯域内での透過パワー測定を示す図である。縦軸は受光パワー、横軸は光周波数である。図に示すように、光スペクトルの帯域を、スリット１７である程度の帯域を切り出しておく。そして、スリット制御部１５は、この切り出された帯域内でスリット１５ａの幅を可変にしてスキャンし、受光測定部１６で透過パワーを測定する。

このように、第２の実施の形態では、測定すべき光スペクトルの帯域幅の範囲を定めて、この範囲内で透過帯域幅を変えて受光パワーの測定を行う構成とした。これにより、対象範囲をある程度絞ってから測定を実行するので、測定効率の向上を図ることが可能になる（例えば、ＷＤＭ信号の１つのｃｈだけを対象にして、このｃｈのみが存在する帯域内でスリット幅をスキャンさせるといったことが容易に行える）。

次に第３の実施の形態について説明する。図１７は第３の実施の形態を示す図である。第３の実施の形態の光測定装置２０は、回折格子にＶＩＰＡ（Virtually Imaged Phased Array）を利用したものである（ＶＩＰＡは、非常に高分解能の分光を行う光学部品である。概略の構成は図１８で後述する）。ＶＩＰＡを用いることで、より分解能を上げることが可能になる。

光測定装置２０は、スリット２１、集光レンズ２２、ＶＩＰＡ２３、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）２４、レンズ２７、スリット制御部１５、受光測定部１６から構成される。

被測定光は、スリット２１を通過すると、レンズ２２に入射し、集光ビームとなる。集光ビームはＶＩＰＡ２３に入射すると、分波して、波長（周波数）毎の回折光が生成する。ＦＢＧ２４は、ＶＩＰＡ２３からの出射した回折光を集光して、より波長選択度の高い光を出射する（ＶＩＰＡ２３から出射した光は、広がりのある回折光なので、ＦＢＧ２４を使って、より狭い範囲の波長の光を選択して出射している）。

レンズ２７は、ＦＢＧ２４からの出射光を平行ビームにする。その後のスリット制御部１５、受光測定部１６の動作は図１と同様である。なお、ＦＢＧ２４を使わずに、ＶＩＰＡ２３の出射光をレンズ２７で集光して平行ビームを生成する簡略な構成にしてもよい。

図１８はＶＩＰＡ２３を示す図である。ＶＩＰＡ２３は、ガラスプレート２３ｄに対して、反射率が互いに非対称で高反射率の第１の面２３ａ及び第２の面２３ｂを備え、かつ光が照射する照射窓２３ｃを備えている。例えば、第１の面２３ａには、反射率が１００％に近い反射膜がコーティングされており、第２の面２３ｂには、反射率が９５〜９８％の反射膜がコーティングされている。

そして、第１の面２３ａと第２の面２３ｂで挟まれる内部領域で、入射された集光ビームを多重反射させて、第２の面２３ｂを介して分光した光を出射する（ＶＩＰＡ２３の上側からは短波長の光が、下側からは長波長の光が出射される）。

このような構成により、ＶＩＰＡ２３は、通常の回折格子よりも大きな角度分散で波長分波を行うことになり、微細な分光を行うことができる（なお、ＶＩＰＡの詳細原理は、特開２０００−２８８４９号公報などを参照）。

次に本発明の変形例について説明する。図１９は変形例を示す図である。変形例の光測定装置３０は、スリット幅を動かすのではなく、受光測定部を可変に動かし、測定帯域幅を変えてパワー測定を行うものである。

光測定装置３０は、スリット３１、３２、レンズ３３〜３５、回折格子３６、ビームスプリッタ３７、空間反転部３８、受光測定部３９から構成される。また、空間反転部３８は、反射板３８ａ、レンズ３８ｂ、３８ｃから構成される。受光測定部３９は、受光面３９ａの両端に光を遮蔽する遮蔽スリット３９ｂが設けられている。

被測定光は、スリット３１を通過すると、レンズ３３により反射されて平行ビームとなる。平行ビームは回折格子３６に入射して分波されて、波長（周波数）毎の回折光が生成する。集光レンズ３４は、回折光を集光して集光ビームを生成する。スリット３２は、集光レンズ３４から一定の帯域幅を切り出す。レンズ３５は、スリット３２から透過した光を平行ビームにする（ここまでの動作は第２の実施の形態と同じである。また、回折格子３６にＶＩＰＡを用いてもよい）。

ビームスプリッタ３７は、平行ビームを分岐して（パワー分岐比は１：１でよい）、２つの分岐光を生成する。一方の分岐光は、空間反転部３８へ向かい、他方の分岐光は、受光測定部３９へ向かう。

空間反転部３８の反射板３８ａは、入射した一方の分岐光を反射し、レンズ３８ｂ、３８ｃは、その反射光の像を左右反転させる。そして、その反転光は受光測定部３９へ向かう。したがって、ビームスプリッタ３７から出射された非反転光（以下、パス１と呼ぶ）と、空間反転部３８から出射した反転光（以下、パス２と呼ぶ）とは、周波数軸上互いに左右対称となって、受光測定部３９へ入射する（ある角度を持って入射させるようにする）。

受光測定部３９は、パス１、２の干渉ポイントに配置し、受光面３９ａに対して、パス１の光とパス２の光が干渉する角度がβとなる位置に引いた垂線Ｈ上を可動して、測定対象の帯域幅を可変にする。

可動する範囲として、例えば、受光面３９ａがラインＬ１上にあれば、パス１、２の光は入ってこない。そして、ラインＬから垂線Ｈ上を下方に向かって（矢印Ｘの方向）、受光面３９ａが移動すると、受光面３９ａに対して角度がついている分のパス１、２の光が入射してくる（遮蔽スリット３９ｂは、パス１、２のみを受光できるように、受光面３９ａの両端に設けられている）。

そして、受光測定部３９では、受光したパス１、２に対して、周波数の変化によって変動する受光パワーのレベルを表すレベル関数を求めた後、レベル関数をスキャン速度で微分して、被測定光のスペクトル形状を再現する。

図２０は変形例の動作を示す図である。図に示すように、パス１、２それぞれの光スペクトルＳｐ１、Ｓｐ２は、受光面３９ａに入射する際の光スペクトルの状態を示しており、周波数軸上互いに左右対称の関係となっている。なお、図はスリット３２で切り出された帯域内の包絡線を示している。また、点線の包絡線は、図１９のビームｂ１側に対応し、実線の包絡線は図１９のビームｂ２側に対応する（ビームｂ１が表す包絡線と、ビームｂ２が表す包絡線とが共に重なる部分は実線で示した）。

受光測定部３９が可動することで、測定する帯域が図の矢印の方向へ広がることになり、矢印で示される可変帯域内の受光パワーレベル（パス１、２それぞれのパワーを加算したレベル）を測定し、レベル関数を求めて、上述した式（１）〜（４）の演算処理を行うことになる。なお、このことを等価的に示したのが、光スペクトルＳｐ３の図であり、光測定装置３０の動作は、図１０で示したスリット幅が可動する場合と擬似的に同じ動きとなる。

このように、変形例の光測定装置３０は、スリット幅の開閉を可動するのではなく、受光測定部３９を可動することで、図１と同様の効果を得る構成とした。第１〜第３の実施の形態ではスリット幅を可動してスキャンするため、スリットを微小に動かす必要があるが、変形例の場合は、パス１、２の２つの光を干渉させる際の角度βをより小さくとることにより、微小な周波数スキャンが可能となるため、機構的に構成しやすく、より容易に高分解能で変化量を測定することが可能になる。

以上説明したように、本発明によれば、スリット幅を一定のスキャン速度で可動し、集光ビームの透過帯域幅を可変にし、スリットから透過した光に対して、光周波数の変化によって変動する受光パワーのレベルを表すレベル関数を求め、レベル関数をスキャン速度で微分して、被測定光のスペクトル形状を再現する構成とした。

従来方式ではスリット幅には限界があるため、包絡線のボトム（ＡＳＥパワーのピーク）を認識することは実質的に不可能であり、結果として正確なＯＳＮＲを測定することができなかったが、本発明では、元の被測定光を再現する機能を持つので、包絡線のボトムを認識することができ、正確なＯＳＮＲを測定することが可能になる。

なお、上記では測定項目として、ＯＳＮＲの測定を中心にして説明したが、本発明では被測定光のスペクトルを再現する制御を行うので、ＯＳＮＲに限らず、その他の波形解析やゲイン測定といった多様な測定項目についても高精度に測定を行うことが可能である。

（付記１） 入射光を光周波数に応じた角度の出射光に分光する分光手段と、
前記出射光の一部を透過し、透過光の光周波数帯域が可変である光学手段と、
前記光学手段を制御して透過光の光周波数帯域を変化させる制御部と、
前記光学手段の透過光を受光して、光周波数帯域の変化に応じた受光パワーを測定する受光測定部と、
を有することを特徴とする光測定装置。

（付記２） 前記回折格子は、反射率が非対称で高反射率の第１の面及び第２の面を備え、第１の面と第２の面で挟まれる内部領域で、入射された集光ビームを多重反射させて、第２の面を介して分光した光を出射する光学部品であることを特徴とする付記１記載の光測定装置。

（付記３） 光スペクトルを測定する光測定装置において、
被測定光を分光し、選択した波長の回折光を生成する回折格子と、
回折光を集光して集光ビームを生成する集光レンズと、
前記集光ビームを入射光とし、入射光の一部を透過するスリットと、
前記スリットのスリット幅を一定のスキャン速度で開または閉とし、前記入射光の透過帯域幅を可変にするスリット制御部と、
前記スリットからの透過光の受光パワーを測定して、光周波数の変化に応じた受光パワーのレベルを表すレベル関数を求め、レベル関数をスキャン速度で微分して、被測定光のスペクトル形状を再現する受光測定部と、
を有することを特徴とする光測定装置。

（付記４） 前記受光測定部は、再現したスペクトル形状から、信号光のトータルパワーと、一定波長幅におけるＡＳＥパワーとを求めて、ＯＳＮＲを算出することを特徴とする付記３記載の光測定装置。

（付記５） 光スペクトルを測定する光測定装置において、
被測定光を分光し、選択した波長の回折光を生成する回折格子と、
回折光を集光して集光ビームを生成する集光レンズと、
集光ビームから一定の帯域幅を切り出すスリットと、
前記スリットからの透過光を平行ビームにするレンズと、
平行ビームを分岐して、２つの分岐光を生成するビームスプリッタと、
２つの分岐光の像が、周波数軸上互いに左右対称となるように、一方の分岐光の像を反転させる空間反転部と、
前記ビームスプリッタから出射した非反転光と、前記空間反転部から出射した反転光とが干渉するポイントに配置し、受光面に対して、非反転光と反転光が干渉する角度の位置に引いた垂線上を可動して、測定対象の帯域幅を可変にし、受光した非反転光と反転光に対して、光周波数の変化によって変動する受光パワーのレベルを表すレベル関数を求めた後、レベル関数をスキャン速度で微分して、被測定光のスペクトル形状を再現する受光測定部と、
を有することを特徴とする光測定装置。

（付記６） 前記受光測定部は、再現したスペクトル形状から、信号光のトータルパワーと、一定波長幅におけるＡＳＥパワーとを求めて、ＯＳＮＲを算出することを特徴とする付記５記載の光測定装置。

（付記７） 前記回折格子は、反射率が非対称で高反射率の第１の面及び第２の面を備え、第１の面と第２の面で挟まれる内部領域で、入射された集光ビームを多重反射させて、第２の面を介して分光した光を出射する光学部品であることを特徴とする付記５記載の光測定装置。

本発明の光測定装置の原理図である。 光スペアナの構成を示す図である。 光スペクトルを示す図である。 測定した光スペクトルを示す図である。 測定した光スペクトルを示す図である。 変調後のＷＤＭ信号のスペクトルを示す図である。 ポイント周辺の拡大図である。 測定した光スペクトルを示す図である。 測定した光スペクトルを示す図である。 スリット幅を開放していく様子を示す図である。 レベル関数を示す図である。 レベル関数の生成過程を示す図である。 レベル関数の生成過程を示す図である。 スリット幅を動かしたときの再現スペクトルを示す図である。 第２の実施の形態を示す図である。 スリットで切り出された帯域内での透過パワー測定を示す図である。 第３の実施の形態を示す図である。 ＶＩＰＡを示す図である。 変形例を示す図である。 変形例の動作を示す図である。 レンズのビームウェスト幅を説明する図である。 スペクトルアナライザの構成を示す図である。

符号の説明

１０ 光測定装置
１１ スリット
１２ レンズ
１３ 集光レンズ
１４ 回折格子
１５ スリット制御部
１５ａ スリット
１６ 受光測定部

Claims (5)

1. 入射光を光周波数に応じた角度の出射光に分光する分光手段と、
   前記出射光の一部を透過し、透過光の光周波数帯域が可変である光学手段と、
   前記光学手段を制御して透過光の光周波数帯域を変化させる制御部と、
   前記光学手段の透過光を受光して、光周波数帯域の変化に応じた受光パワーを測定する受光測定部と、
   を有することを特徴とする光測定装置。
2. 前記回折格子は、反射率が非対称で高反射率の第１の面及び第２の面を備え、第１の面と第２の面で挟まれる内部領域で、入射された集光ビームを多重反射させて、第２の面を介して分光した光を出射する光学部品であることを特徴とする請求項１記載の光測定装置。
3. 光スペクトルを測定する光測定装置において、
   被測定光を分光し、選択した波長の回折光を生成する回折格子と、
   回折光を集光して集光ビームを生成する集光レンズと、
   前記集光ビームを入射光とし、入射光の一部を透過するスリットと、
   前記スリットのスリット幅を一定のスキャン速度で開または閉とし、前記入射光の透過帯域幅を可変にするスリット制御部と、
   前記スリットからの透過光の受光パワーを測定して、光周波数の変化に応じた受光パワーのレベルを表すレベル関数を求め、レベル関数をスキャン速度で微分して、被測定光のスペクトル形状を再現する受光測定部と、
   を有することを特徴とする光測定装置。
4. 前記受光測定部は、再現したスペクトル形状から、信号光のトータルパワーと、一定波長幅におけるＡＳＥパワーとを求めて、ＯＳＮＲを算出することを特徴とする請求項３記載の光測定装置。
5. 光スペクトルを測定する光測定装置において、
   被測定光を分光し、選択した波長の回折光を生成する回折格子と、
   回折光を集光して集光ビームを生成する集光レンズと、
   集光ビームから一定の帯域幅を切り出すスリットと、
   前記スリットからの透過光を平行ビームにするレンズと、
   平行ビームを分岐して、２つの分岐光を生成するビームスプリッタと、
   ２つの分岐光の像が、周波数軸上互いに左右対称となるように、一方の分岐光の像を反転させる空間反転部と、
   前記ビームスプリッタから出射した非反転光と、前記空間反転部から出射した反転光とが干渉するポイントに配置し、受光面に対して、非反転光と反転光が干渉する角度の位置に引いた垂線上を可動して、測定対象の帯域幅を可変にし、受光した非反転光と反転光に対して、光周波数の変化によって変動する受光パワーのレベルを表すレベル関数を求めた後、レベル関数をスキャン速度で微分して、被測定光のスペクトル形状を再現する受光測定部と、
   を有することを特徴とする光測定装置。
   

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