JP2007205784A - 光スペクトラムアナライザ - Google Patents

Abstract

【課題】１フレーム周期で繰り返し発生する被測定光のスペクトラムを測定する際に、瞬時的な光スペクトラムを観測する。
【解決手段】入力される被測定光について分光と波長掃引して電気信号に変換して出力する光学部１３０と、前記光学部の波長掃引を制御し、波長掃引の波長毎に、被測定光の繰り返し周期とずれた周期のサンプリングクロックを出力する制御部１０１と、前記光学部からの電気信号を前記サンプリングクロック毎にシーケンシャルサンプリングする測定部１４０と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数のパルスが１フレーム周期で繰り返し発生する被測定光のスペクトラムを測定する光スペクトラムアナライザに関し、特に、瞬時的な光スペクトラムの変化を観測することが可能な光スペクトラムアナライザに関する。

図８は代表的なツェルニ・ターナ型モノクロメータ方式による光スペクトラムアナライザの測定系を示す構成図である。
図８において、光ファイバ１０は、入射端から被測定光が入射され、その入射された被測定光を伝送するもので、後述する光学部１３０側の出射端が後述する光学部１３０内の入射スリット１３１に接続されている。

モータコントローラ１１０は、後述する回折格子を回転させるためのモータを回転駆動するための所定の波形のランプ波信号を出力するもので、出力はディバイダ１２０に接続されている。

ディバイダ１２０は、モータコントローラ１１０から供給された所定の波形のランプ波信号が入力され、このランプ波信号を分岐して出力するもので、分岐された出力は後述するモータ１３４と信号処理部１６０とに供給されている。

光学部１３０は、光ファイバ１０の出力端から出射される被測定光について、分光と波長掃引とを実行して電気信号に変換して出力するものであり、入射スリット１３１、凹面鏡１３２、モータ１３４、回折格子１３５、凹面鏡１３６、出射スリット１３７、光検出器１３８を有している。

入射スリット１３１は、光ファイバ１０の出射端近傍に配置され、光ファイバ１０の出射端から出射される被測定光のうち、所定の出射角の被測定光が凹面鏡１３２に到達するようにスリットにより光束を制限している。

凹面鏡１３２は入射スリット１３１を介して入射した光ファイバ１０からの広がり角を有する被測定光を平行光にするコリメーター手段の一種であり、平行光とした被測定光を回折格子１３５に向けて反射する。

モータ１３４は、ディバイダ１２０によって分岐されたランプ波信号を駆動信号として供給される回転駆動源であり、ランプ波信号に応じた回転によって回折格子１３５を回転駆動する。

回折格子１３５は、微細な複数の平行溝による反射干渉によって波長に応じた回折角の分光を行う光学素子であり、凹面鏡１３２からの平行な被測定光を受けて凹面鏡１３６方向に分光された被測定光を回折する。

凹面鏡１３６は回折格子１３５からの各波長毎に平行光となっている分光された回折光を集光させる集光手段の一種であり、回折光を光検出器１３８に向けて集光させる。
出射スリット１３７は、光検出器１３８の受光面近傍に配置され、回折格子１３５で分光されて凹面鏡１３６で集光されて光検出器１３８に向かう被測定光のうち、所定の波長の被測定光が光検出器１３８に到達するようにスリットにより光束を制限している。

光検出器１３８は出射スリット１３７を出射した所定の波長の被測定光を受光面で受けて電気信号として出力する光電変換素子であり、出力はＡ−Ｄ変換器１５０に接続されている。

Ａ−Ｄ変換器１５０は光検出器１３８の出力が入力に接続され、サンプリングクロックに応じてＡ−Ｄ変換してディジタル信号を出力し、出力は信号処理部１６０に接続されている。

サンプリングクロック発生部１５２は所定の周波数のサンプリングクロックを生成してＡ−Ｄ変換器１５０に対して出力する。
信号処理部１６０は、所定の波長の被測定光のサンプリング結果であるＡ−Ｄ変換器１５０からのディジタル信号を、ディバイダ１２０で分岐されたランプ波信号をトリガとして信号処理し、被測定光のスペクトラム成分の波形情報を生成し、この波形情報を波形表示器１７０に対して出力する。

波形表示器１７０は、信号処理部１６０から出力される波形情報が入力され、表示画面に波形情報のグラフや数値による各種表示を行う。
この図８において、光ファイバ１０の出射端から被測定光が光学部１３０に入射する。この際に、入射スリット１３１は、光ファイバ１０の出射端から出射される被測定光のうち、所定の出射角の被測定光が凹面鏡１３２に到達するようにスリットにより光束を制限している。

そして、光ファイバ１０の出射端から出射されて凹面鏡１３２に到達した被測定光は、平行光にされた状態で回折格子１３５に到達する。
このとき回折格子１３５によって回折される被測定光は、分光されて波長毎に回折角度が変化した状態になっている。

したがって、回折格子１３５で回折された後に凹面鏡１３６で集光されて出射スリット１３７を出射する被測定光の波長が、回折格子１３５の回転と同期して変化するようになり、波長掃引が実現される。

出射スリット１３７を出射した被測定光は、光検出器１３８で受光されて光電変換され、電気信号に変換される。この光検出器１３８で受光されて生成された電気信号は、サンプリングクロック発生部１５２からのサンプリングクロックで駆動されているＡ−Ｄ変換器１５０によってディジタル信号に変換される。

このディジタル信号は、信号処理部１６０にてランプ波信号をトリガとして信号処理され、被測定光のスペクトラム成分の波形情報が生成され、この波形情報が波形表示器１７０にて表示される。すなわち、モータ１３４により駆動される回折格子１３５で分光された波長によって、出射スリット１３７で切り出されるタイミングが変わるため、その時間応答が光スペクトラムそのものになる。ここでは、回折格子１３５の角度によって、時間（受光タイミング）を波長に換算できる。

図９は、図８で示した光スペクトラムアナライザでの測定時のタイムチャートを示している。図９（ａ）はパルス状の被測定光の波形を示し、図９（ｂ）は被測定光を波長掃引するためのモータコントローラ１１０からのランプ波信号の波形を示している。

また、図９（ｃ）は波長掃引された状態での光検出器１３８から出力される電気信号を示し、図９（ｄ）はサンプリングクロック発生部１５２がＡ−Ｄ変換器１５０に供給するサンプリングクロックの波形を示し、図９（ｅ）は光検出器１３８の出力がサンプリングクロックに応じてＡ−Ｄ変換器１５０でサンプリングされた際のサンプリング波形を示している。

また、図１０は波長と時間との関係を模式的に示した波形図であり、図１０（ａ）は波長と時間との関係を模式的に示した三次元波形図であり、図１０（ｂ）は時間情報が無く波長の特性を示した二次元波形図であり、図１０（ｃ）は時間軸方向の波長の様子を模式的に示した説明図である。

ここでは、回折格子１３５をモータ１３４で機械的に回転させるため、１掃引（図９（ｂ）のランプ波の１つの山）の間に、図９（ａ）に示すように被測定光の光パルスがいくつも入力されることになる。

したがって、波長に対する光強度の２次元グラフ（図１０中の（ｂ））のように、時間情報（図１０中の（ｃ）参照）が失われた状態であって、時間的に平均化された光スペクトラムが観測される。なお、ここで、サンプリング周期はＡ−Ｄ変換器１５０のクロックによって決まるものである。

なお、このように測定を行う光スペクトラムアナライザについては、以下の特許文献１などに関連技術が記載されている。
特許第３１０６９７９号公報 特許第３２５４９３２号公報

なお、このような光スペクトラムアナライザは、例えば、光ネットワークの波長モニタに使用される。そして、次世代光ネットワークでは、光信号を電気信号に変換することなく、データが光信号のまま中継される。このような光ネットワークは、波長によって高速にパスを切り替えてデータを転送するバーストスイッチングと呼ばれる技術が用いられる。バーストスイッチングのパス切り替えに要する時間は１ｍｓ程度であり、高速な波長切り替えに対応できる光スペクトラムアナライザが必要になってきている。

しかし、図８に示したようにモータを用いて回折格子１３５を回転させるメカニカルに波長掃引する手法では、掃引スパン１０００nmで約１秒程度の時間を要する。
図１０（ａ）に示した三次元グラフは被測定光の波長が瞬時に切り替わったときの例であるが、モータを用いた従来のメカニカルな掃引手法では、図１０（ｂ）の二次元グラフのように時間軸方向の情報が失われた状態であって平均化された光スペクトラムしか観測できない。

また、図１０（ａ）のような瞬時的に光スペクトラムが変化するような場合、回折格子が回転している間に光スペクトラムが変わるため、タイミングが合わないと光スペクトラムが全く見えないなどの誤った情報を与えてしまう可能性もある。なお、高速な各種スキャナーを用いたとしても、パルス内でのナノオーダー以下の瞬間的な光スペクトル変化は捉えきれない。

本発明は、以上のような課題を解決するためになされたものであって、繰り返し発生する被測定光のスペクトラムを測定する際に、メカニカルな掃引手法であっても、瞬時的な光スペクトラムを観測することが可能な光スペクトラムアナライザを提供することを目的とする。

以上の課題を解決する本発明は、以下に記載するようなものである。
（１）請求項１記載の発明は、入力される被測定光について分光と波長掃引して電気信号に変換して出力する光学部と、前記光学部の波長掃引を制御し、波長掃引の波長毎に、被測定光の繰り返し周期とずれた周期のサンプリングクロックを出力する制御部と、前記光学部からの電気信号を前記サンプリングクロック毎にシーケンシャルサンプリングする測定部と、を備えたことを特徴とする光スペクトラムアナライザである。

（２）請求項２記載の発明は、入力される被測定光について分光と波長掃引して電気信号に変換して出力する光学部と、前記光学部からの電気信号を前記サンプリングクロック毎にシーケンシャルサンプリングする測定部と、前記光学部の波長掃引を制御し、波長掃引の周期毎に、前記測定部のサンプリングのタイミングを変える制御部と、を備えたことを特徴とする光スペクトラムアナライザである。

（３）請求項３記載の発明は、前記測定部は、前記光学部からの電気信号が入力され、前記サンプリングクロックによりサンプリングするサンプリングヘッドと、前記サンプリングヘッドの出力が入力され、前記サンプリングクロックによりディジタルデータに変換するＡ−Ｄ変換器と、を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光スペクトラムアナライザである。

（４）請求項４記載の発明は、前記測定部の測定結果により三次元波形表示を行う波形表示器を有する、ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光スペクトラムアナライザである。

（５）請求項５記載の発明は、前記光学部は、被測定光の分光を行う回折格子と、前記制御部の指示により前記回折格子を回転させるモータと、を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光スペクトラムアナライザである。

（６）請求項６記載の発明は、前記光学部は、前記被測定光が入力され、前記制御部の指示により前記被測定光を偏向させる偏向手段と、前記偏向手段で偏向された偏向光が入射され、分光を行う回折格子と、を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光スペクトラムアナライザである。

（７）請求項７記載の発明は、被測定光は、前記サンプリングクロックと同期していることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光スペクトラムアナライザである。

（８）請求項８記載の発明は、被測定光は、前記サンプリングクロックとフレーム周期とが同期して、フレーム周期毎に繰り返されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光スペクトラムアナライザである。

以上の発明によれば、以下に述べるような効果を得ることができる。
以上の発明では、入力される被測定光について光学部にて分光と波長掃引する際に、波長掃引の波長毎に、被測定光の繰り返し周期とずれた周期の制御部からのサンプリングクロックによって、測定部がシーケンシャルサンプリングを実行する。

このように、波長掃引の波長毎に、被測定光の繰り返し周期とずれた周期のサンプリングクロックによってシーケンシャルサンプリングを実行することで、繰り返し発生する被測定光のスペクトラムを測定する際に、メカニカルな掃引手法であっても、瞬時的な光スペクトラムを観測することが可能になる。

また、入力される被測定光について光学部にて分光と波長掃引する際に、波長掃引の周期毎に、制御部からのタイミングを変えたサンプリングクロックによって、測定部がシーケンシャルサンプリングを実行する。このように、波長掃引の周期毎に、タイミングを変えたサンプリングクロックによってシーケンシャルサンプリングを実行することで、繰り返し発生する被測定光のスペクトラムを測定する際に、メカニカルな掃引手法であっても、瞬時的な光スペクトラムを観測することが可能になる。

また、以上の場合において、サンプリングヘッドがサンプリングクロックによりサンプリングし、このサンプリングヘッドの出力を測定部がシーケンシャルサンプリングする。ここで、時間的に短い電気信号を作りサンプリングするサンプリングヘッドを搭載し、光学部で生成された電気信号をサンプリングヘッドで高時間分解能でサンプリングしてから、その出力をＡ−Ｄ変換して波形表示することにより、Ａ−Ｄ変換器の性能に制限されず、広帯域の光スペクトラム観測が可能となる。

さらに、以上の場合において、測定部の測定結果により波形表示器に三次元波形表示を行うことで、繰り返し発生する被測定光のスペクトラムを測定する際に、メカニカルな掃引手法であっても、瞬時的な光スペクトラムについて波長の変化をも含めた状態で観測することが可能になる。

以下、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態）を詳細に説明する。
〈第１実施形態〉
図１は本発明の第１実施形態として、代表的なツェルニ・ターナ型モノクロメータ方式による光スペクトラムアナライザの測定系を示す構成図である。

この図１において、被測定光発生部１は、被測定光を発生し、光ファイバ１０の入射端に対して被測定光を出力する。
光ファイバ１０は、被測定光発生部１からの被測定光が入射端に入射され、その入射された被測定光を伝送するもので、後述する光学部１３０側の出射端が後述する光学部１３０内の入射スリット１３１に接続されている。

制御部１０１は光スペクトラムアナライザの各部を制御するものであり、特に、被測定光発生部１の同期信号に応じて、光学部１３０での波長掃引を制御し、波長掃引の波長毎に、被測定光の繰り返し周期とずれた周期のシーケンシャルサンプリング用のサンプリングクロックを測定部１４０に対して出力する。

ＣＰＵ１０２は、制御部１０１内で制御プログラムに従って各部を制御するものであり、信号発生部１０５とモータコントローラ１１０と信号処理部１６０ａとに指示を与える。

信号発生部１０５は、制御部１０１内でＣＰＵ１０２の指示を受けて、被測定光発生部１からの同期信号に同期して、サンプリングクロックをＡ−Ｄ変換器１５０に出力する。 モータコントローラ１１０は、回折格子１３５を回転させるためのモータ１３４を回転駆動するための所定の波形のランプ波信号を出力するもので、出力はディバイダ１２０に接続されている。

ディバイダ１２０は、モータコントローラ１１０から供給された所定の波形のランプ波信号が入力され、このランプ波信号を分岐して出力するもので、分岐された出力は後述するモータ１３４と信号処理部１６０ａとに供給されている。

光学部１３０は、光ファイバ１０の出力端から出射される被測定光について、分光と波長掃引とを実行して電気信号に変換して出力するものであり、入射スリット１３１、凹面鏡１３２、モータ１３４、回折格子１３５、凹面鏡１３６、出射スリット１３７、光検出器１３８を有している。

入射スリット１３１は、光ファイバ１０の出射端近傍に配置され、光ファイバ１０の出射端から出射される被測定光のうち、所定の出射角の被測定光が凹面鏡１３２に到達するようにスリットにより光束を制限している。

凹面鏡１３２は入射スリット１３１を介して入射した光ファイバ１０からの広がり角を有する被測定光を平行光にするコリメーター手段の一種であり、平行光とした被測定光を回折格子１３５に向けて反射する。なお、この凹面鏡１３２は、凸レンズなどで構成されたコリメータレンズに置換することも可能である。

モータ１３４は、ディバイダ１２０によって分岐されたランプ波信号を駆動信号として供給される回転駆動源であり、ランプ波信号に応じた回転によって回折格子１３５を回転駆動する。

回折格子１３５は、微細な複数の平行溝による反射干渉によって波長に応じた回折角の分光を行う光学素子であり、凹面鏡１３２からの平行な被測定光を受けて凹面鏡１３６方向に分光された被測定光を回折する。

凹面鏡１３６は回折格子１３５からの各波長毎に平行光となっている分光された回折光を集光させる集光手段の一種であり、回折光を光検出器１３８に向けて集光させる。なお、この凹面鏡１３６は、凸レンズなどで構成された集光レンズに置換することも可能である。

出射スリット１３７は、光検出器１３８の受光面近傍に配置され、回折格子１３５で分光されて凹面鏡１３６で集光されて光検出器１３８に向かう被測定光のうち、所定の波長の被測定光が光検出器１３８に到達するようにスリットにより光束を制限している。

光検出器１３８は出射スリット１３７を出射した所定の波長の被測定光を受光面で受けて電気信号として出力する光電変換素子であり、出力は測定部１４０内のＡ−Ｄ変換器１５０に接続されている。

測定部１４０は、光学部１３０からの電気信号をサンプリングクロック毎にシーケンシャルサンプリングによる測定を行うもので、サンプリングクロックに基づいてＡ−Ｄ変換を行うＡ−Ｄ変換器１５０と、Ａ−Ｄ変換器１５０の出力を信号処理する信号処理部１６０ａとを有して構成されている。

Ａ−Ｄ変換器１５０は光検出器１３８の出力が入力に接続され、信号発生部１０５からのサンプリングクロックに応じてＡ−Ｄ変換してディジタル信号を出力し、出力は信号処理部１６０ａに接続されている。信号処理部１６０ａは、所定の波長の被測定光のサンプリング結果であるＡ−Ｄ変換器１５０からのディジタル信号を、ディバイダ１２０で分岐されたランプ波信号をトリガとして信号処理し、被測定光のスペクトラム成分の波形情報を生成し、この波形情報を波形表示器１７０に対して出力する。

波形表示器１７０は、信号処理部１６０から出力される波形情報が入力され、表示画面に被測定光の測定結果である光スペクトラムについての三次元波形図などの波形情報のグラフや数値による各種表示を行う。

回折格子１３５は、これらの溝に平行な軸を中心として、モータ１３４により任意の角度に可変させることができる。モータコントローラ１１０は、制御部１０１の指令を受け、モータ１３４を制御して回折格子１３５の角度を可変させる。そして、回折格子１３５は、上記の平行光より、任意の角度によって決まる特定の波長成分だけの回折光を、凹面鏡１３６の方向に回折する。凹面鏡１３６は、回折光を出射スリット１３７上に結像させる。そして、出射スリット１３７の横幅の範囲内となる波長成分だけが出射スリット１３７を通過する。

この図１において、被測定光発生部１からの被測定光は、光ファイバ１０の出射端から被測定光が光学部１３０に入射する。この際に、入射スリット１３１は、光ファイバ１０の出射端から出射される被測定光のうち、所定の出射角の被測定光が凹面鏡１３２に到達するようにスリットにより光束を制限している。

そして、光ファイバ１０の出射端から出射されて凹面鏡１３２に到達した被測定光は、平行光にされた状態で回折格子１３５に到達する。このとき回折格子１３５によって回折される被測定光は、分光されて波長毎に回折角度が変化した状態になっている。

したがって、回折格子１３５で回折された後に凹面鏡１３６で集光されて出射スリット１３７を出射する被測定光の波長が、回折格子１３５の回転と同期して変化するようになり、波長掃引が実現される。

出射スリット１３７を出射した被測定光は、光検出器１３８で受光されて光電変換され、電気信号に変換される。この光検出器１３８で受光されて生成された電気信号は、サンプリングクロック発生部１５２からのサンプリングクロックで駆動されているＡ−Ｄ変換器１５０によってディジタル信号に変換される。

このディジタル信号は、信号処理部１６０ａにてランプ波信号をトリガとして信号処理され、被測定光のスペクトラム成分の波形情報が生成され、この波形情報が波形表示器１７０にて表示される。すなわち、モータ１３４により駆動される回折格子１３５で分光された波長によって、出射スリット１３７で切り出されるタイミングが変わるため、その時間応答が光スペクトラムそのものになる。ここでは、回折格子１３５の角度によって、時間（受光タイミング）を波長に換算できる。

ここでは、信号処理部１６０ａにて測定開始点を決めるためにトリガが必要になるために、回折格子１３５の回転に同期したモータ１３４の制御信号を、ディバイダ１２０で分岐して片方をトリガとして信号処理部１６０ａで用いている。

図２は、図１で示した第一実施形態における光スペクトラムアナライザでの測定時における信号波形のタイムチャートを示している。ここでは、フレーム周期内でのパルスの波長変化がフレーム周期毎に繰り返される被測定光のスペクトラム測定を例として説明する。

図２（ａ）はパルス状の被測定光の波形を示し、図２（ｂ）は被測定光を波長掃引するためのモータコントローラ１１０からのランプ波信号の波形を示している。また、図２（ｃ）は信号発生部１０５がＡ−Ｄ変換器１５０に供給するサンプリングクロックの波形を示し、図２（ｄ）は光検出器１３８の出力がサンプリングクロックに応じてＡ−Ｄ変換器１５０でシーケンシャルサンプリングされた際のサンプリング波形を示している。

なお、図２（ａ）では被測定光の入力パルスの波形を示しており、一つのパルスの周期はＴ0であり、異なる３パルスをフレーム周期Ｔc（フレーム繰り返し周波数ｆｃ）で繰り返し発生している。

なお、図１０では波長λ１から波長λ２へ瞬間的に切り替わり、再びλ１に戻る様子を示しているが、これらの一連の現象を１フレーム（周期：Ｔc＝１／ｆｃ , ｆｃ：フレームの繰り返し周波数）とする。簡略化のため、ここでは３ビット（３パルス）で１フレームとしているが、実際にはｎビット（ｎ：整数）で１フレームは構成される。また図１０（ｃ）の(1),(2),(3)が、図２（ａ）の(1),(2),(3)にも対応している。

まず、制御部１０１は、波長λ１に対応するランプ波信号に設定し、モータコントローラ１１０からモータ１３４を介して回折格子１３５を駆動し、λ１の波長の被測定光について出射スリット１３７を出射するように、回折格子１３５の回転角を制御する。

ここで、フレーム周期内の第１番目の(1)パルス（波長λ１）について、シーケンシャルサンプリングを実行するために、ランプ波信号（図２（ｂ））をλ１用の一定値に保ったまま複数フレームにわたって複数回のサンプリングを実行する。この際、シーケンシャルサンプリングを実行するため、サンプリングクロックを第１番目の(1)パルスに同期させ（図２（ｃ）→図２（ａ）(1)）、かつ、サンプリングのクロック周期（サンプリング周期）Ｔsをフレーム周期Ｔcよりも僅か（１／Δｆ）にずらしつつ複数回のサンプリングを実行する（図２（ｃ））。

このようにすることで、波長λ１の第１番目の(1)パルスについて、複数フレームにわたるサンプリング結果を信号処理部１６０ａで復元することで、元のパルスの相似波形が得られる（図２（ｄ））。

そして、制御部１０１は、ランプ波信号（図２（ｂ））をλ１用に一定値に保ったままで、第２番目の(2)パルスのシーケンシャルサンプリング、第３番目の(3)パルスのシーケンシャルサンプリングを実行するよう制御を行う。この具体例では、(2)パルスについては波長がλ１とは異なるため、波長掃引された被測定光が出射スリット１３７を出射できず光検出器１３８で受光されていないため、実際には元のパルスの相似形は得られない。(3)パルスについては波長がλ１であるため、出射スリット１３７を出射して光検出器１３８で受光されており、信号処理部１６０ａにてシーケンシャルサンプリングにより元のパルスの相似形が得られる。すなわち、このようなサンプリングを、１フレーム周期内の時間毎の他の各パルスについて順次実行する。

つぎに、制御部１０１は、波長λ２に対応するランプ波信号に設定し、モータコントローラ１１０からモータ１３４を介して回折格子１３５を回転駆動し、λ２の波長の被測定光について出射スリット１３７を出射するように制御する。

ここでも、フレーム周期内の第１番目の(1)パルス、フレーム周期内の第２番目の(2)パルス、フレーム周期内の第３番目の(3)パルス、のそれぞれについて、シーケンシャルサンプリングを実行するために、ランプ波信号（図２（ｂ））をλ２用に一定値に保ったまま複数フレームにわたって複数回のサンプリングを実行する。この段階では、(1)パルスと(3)パルスとについては波長がλ２とは異なるため、出射スリット１３７を出射できず光検出器１３８で受光されていないため、信号処理部１６０ａでは元のパルスの相似形は得られない。(2)パルスについては波長がλ２であるため、出射スリット１３７を出射して光検出器１３８で受光されており、信号処理部１６０ａにてシーケンシャルサンプリングにより元のパルスの相似形が得られる。

以上のようにして信号処理部１６０ａにおいて元のパルスの相似形が、フレーム周期内における時間の異なるパルスについて、また、波長の異なるパルスについて、順次得られる。このため、信号処理部１６０ａの処理結果であるスペクトラム成分の波形情報としては、従来の図１０（ｂ）のようにではなく、図１０（ａ）のように時間軸情報を有した三次元グラフのような状態で最終的な検出結果を波形表示器１７０に表示することが可能になる。

なお、以上の具体例ではサンプリング周期Ｔs＝１／（ｆｃ+Δｆ）としているが、周期をＮ×Ｔs (Ｎ：整数)としてもよい。したがって、フレーム周期に同期して、回折格子をゆっくりとステップ的に回転させることによって、図１０に示したような波長と時間に対する光強度の三次元情報としての三次元波形表示が得られる。

すなわち、以上のように、各波長において、各パルス毎にシーケンシャルサンプリングを実行して、元のパルスの相似形を得るようにする。この場合、モータ１３４を介して回折格子１３５を回転駆動する速度は、シーケンシャルサンプリングのために、（１パルスをシーケンシャルサンプリングするのに必要な複数フレーム周期）×（フレーム周期内におけるパルス数）×（パルスの異なる波長の数）毎に回転駆動を行えばよいため、高速に駆動する必要が無く、これによって検出結果の時間軸情報が失われることもない。

このように、シーケンシャルサンプリング方式を用いることによって、信号処理部１６０ａにおいて単に平均化された光スペクトラム（図１０中の（ｂ））ではなく、図１０（ａ）に示すようなパルス内での瞬間的なスペクトル変化を捉えることができる。また、これは掃引速度に依存しないため、掃引速度の遅いモータ１３４で回折格子１３５を回転させる機械掃引の場合にも十分に適用が可能である。また、その他の各種掃引手段による場合にも適用可能である。

なお、被測定光発生部１が同期信号を信号発生部１０５に出力する構成を示したが、信号発生部１０５から被測定光発生部１に同期信号を出力する構成でもよい。要するに、被測定光発生部１と信号発生部１０５とで同期がとれればよい。

また、ここでは、フレーム内のパルスの波長が異なる被測定光の測定を行う例を示したが、これに限定されるものではなく、パルスの代わりに、バーストまたはパケットでもよい。つまり、フレーム内のバーストまたはパケットの波長が異なる被測定光の測定を行ってもよい。要するに、被測定光に限定されるものではない。

また、必ずしもパルスまたはパルス列の波長が変化するような被測定光だけでなく、一定の波長を持つパルスの繰り返しであってもパルスまたはパルス列の微小な波長揺らぎや光強度分布の変化を観測することもできる。

また、サンプリングクロックをフレーム周期毎に同期させた例を用いたが、この場合にはフレーム内のパルス時間及び波長変化を捉えることができる。サンプリングクロックがフレーム周期に同期していない場合においても、フレーム内の一つ一つのパルスを観測することはできないが、パルスの統計的なデータが得られるため、波形評価に有効である。

〈第２実施形態〉
図３は本発明の第２実施形態として、代表的なツェルニ・ターナ型モノクロメータ方式による光スペクトラムアナライザの測定系を示す構成図である。

この図３において、図１と同一物には同一番号を付し、重複した説明は省略する。図１と異なる部分として、制御部１０１からの制御信号と信号発生部１０５からのサンプリングクロックとが入力され、出力をＡ-Ｄ変換器１５０に供給する時間遅延器１０７を有している。

前述した第１実施形態では、同一波長内で複数のパルスをシーケンシャルサンプリングし、その後別な波長に切り替え、その波長でシーケンシャルサンプリングをしていくように繰り返しつつ徐々に異なる波長を掃引していくものであった。これをイメージ的に表現すると、図４（ａ）の１，２，３，…ようになる。

そして、この第２実施形態では、以上の第１実施形態とは逆に、図４（ｂ）の１，２，３，…に示すように、パルスの同じポイントについて波長掃引しながら、徐々にそのポイントをずらしていく手法を用いる。

図５に第２実施形態の動作時のタイムチャートを示す。図３に示した構成の光スペクトラムアナライザにおいて、図１の構成と同じように被測定光とサンプリングクロックを同期させる必要があるが、違うのはサンプリングクロックの周波数がｆｃ+Δｆではなくｆｃになったことである。

これによって図５に示すようにパルスでみた場合、パルスの常に同じタイミングで波長の掃引が行われる。したがって、パルス内の時間的な光スペクトラムの変化または別のパルスの光スペクトラムを見るためには、タイミングをずらすための時間遅延器１０７が必要になる。波長掃引の周期に合せて、制御部１０１から時間遅延器１０７に制御信号を送りタイミングをずらす必要がある。したがって、図３に示すように、波長掃引を制御するモータコントローラからの信号を受けた制御部１０１が時間遅延器１０７に制御信号を送り、徐々に別なパルスにタイミングを移行させる。

図５（ａ）〜（ｄ）では、パルス(1)と(2)の丁度ピークで波長掃引が行われている様子を示しているが、時間遅延器１０７によって少しずつサンプリングタイミングをずらすことで、第１実施形態の場合と同様に、波長と時間とに対する光強度の三次元情報としての三次元波形表示が測定部１４０での信号処理によって得られる。

この第２実施形態でもシーケンシャルサンプリングを用いるため、回折格子をゆっくりと回転させることによって、信号処理部１６０ａにおいて単に平均化された光スペクトラム（図１０中の（ｂ））ではなく、図１０（ａ）に示すようなパルス内での瞬間的なスペクトル変化を捉えることができる。また、これは掃引速度に依存しないため、掃引速度の遅いモータ１３４で回折格子１３５を回転させる機械掃引の場合にも十分に適用が可能である。また、その他の各種掃引手段による場合にも適用可能である。

〈第３実施形態〉
図６は本発明の第３実施形態として、波長掃引を行う手段としてモータにより回転駆動される回折格子に代わって、音響光学偏向器（ＡＯＤ）を用いた光学系にシーケンシャルサンプリング方式を適用した光スペクトラムアナライザの構成を示す構成図である。

ここで、以上の第１実施形態や第２実施形態との違いを中心にして、光学部１３０の説明をする。
この第３実施形態では、光学部１３０内に、モータ１３４の回折格子１３５の代わりに、電気的な信号により回折光の伝播角度が変わる音響光学偏光器（ＡＯＤ）１３０ｂを偏向手段の一例として用いている。

そして、このＡＯＤ１３０ｂの回折光の伝播角度を偏向するために、ランプ波信号を受けて、このランプは信号の電圧に応じた周波数の高周波（ＲＦ）信号を生成してＡＯＤ１０３ｂに供給する電圧制御発振器（VCO:Voltage Contorolled Oscillator）１１４を設けている。

また、第１実施形態などではモータコントローラがランプ波信号を発生させていたが、同等の働きとして制御部１０１の制御に基づいてランプ波信号を発生させることを波形発生部１１２が行っている。

なお、図６に示す光学部１３０では、配置の関係で、凹面鏡１３２の代わりにコリメータレンズ１３０ａを使用し、凹面鏡１３６の代わりに集光レンズ１３０ｃを用いているが、光学的には第１実施形態や第２実施形態の凹面鏡と同等の働きをしている。

ここでは、被測定光を光ファイバ１０を通して空間出力し、コリメータレンズ１３０ａによって平行光にする。この平行光にされた被測定光をＡＯＤ１３０ｂに入射すると、ランプ波信号の電圧に応じた周波数を生成するＶＣＯ１１４からのＶＣＯ出力のＲＦ周波数によって、回折光の伝播角が変わる。

したがって、ＶＣＯ１１４にランプ波信号を入力することで、回折格子は機械的には固定のままで、出射スリット１３７で切り出される波長が掃引される。
このように光学部１３０の内部構成は異なるが、何らかの制御信号を入力することで波長掃引を行い、光検出器出力をサンプリングすることは第１実施形態や第２実施形態と変わらないため、ＡＯＤ１３０ｂによる波長掃引方式にも、シーケンシャルサンプリング方式を適用できる。

すなわち、第１実施形態で図２のタイムチャートに示したシーケンシャルサンプリング方式や、第２実施形態で図５のタイムチャートに示したシーケンシャルサンプリング方式を、ランプ波信号をＶＣＯ１１４に供給することで、そのまま適用することが可能である。

そして、この第３実施形態でもシーケンシャルサンプリングを用いるため、ＡＯＤ１１３ｂをゆっくりと駆動することによって、図１０（ａ）に示したような波長と時間に対する光強度の三次元情報が得られる。

すなわち、シーケンシャルサンプリング方式を用いることによって、信号処理部１６０ａの処理結果であるスペクトラム成分の波形情報としては、従来の図１０（ｂ）のように単に平均化されたものではなく、図１０（ａ）のように時間軸情報を有した三次元グラフのような状態で最終的な検出結果を波形表示器１７０に表示することが可能になる。

また、以上のシーケンシャルサンプリング方式は掃引速度に依存しないため、各部を高速に駆動する必要がなく、十分に適用が可能である。また、その他の各種掃引手段による場合にも適用可能である。

なお、この第３実施形態では、波長掃引を行うための偏向手段としてＡＯＤ１１３ｂの代わりに、ガルバノスキャナー、ポリゴンミラー、ＭＥＭＳ (Micro Electro Mechanical Systems)ミラー等の各種ビーム偏向素子を採用してもよい。

なお、モノクロメータにおいては、図１で代表的なツェルニ・ターナ型の光学系を示したが、Ebert型、Littrow型、Monk-Gillieson型等の各種光学配置を用いても構わない。また、この場合も、第１実施形態で図２のタイムチャートに示した方式や、第２実施形態で図５のタイムチャートに示した方式を適用することが可能である。

〈第４実施形態〉
図７は本発明の第４実施形態として、より高速化（高時間分解能化）を目指し、サンプリングヘッドを用いたシーケンシャルサンプリング方式の光スペクトラムアナライザの構成を示す構成図である。

ここで、以上の第１実施形態や第２実施形態との違いを中心にして説明をする。この第４実施形態の光スペクトラムアナライザでは、サンプリングヘッド１４２をＡ−Ｄ変換器１５０の前段に配置したシーケンシャルサンプリング測定系を適用している。

一般的には光検出器１３８の方がＡ−Ｄ変換器１５０よりも周波数帯域が広い。したがって、光スペクトラムアナライザの装置全体の応答速度としては、Ａ−Ｄ変換器に制限されてしまう。

そこで、サンプリングオシロスコープなどで使われるような時間的に短い電気信号を作りサンプリングするサンプリングヘッド１４２を、光検出器１３８の出力とＡ−Ｄ変換器１５０の入力との間に配置し、光検出器１３８の出力をサンプリングヘッド１４２で高時間分解能でサンプリングして、その出力をＡ−Ｄ変換器１５０でＡ−Ｄ変換して波形表示する。このような構成にすることにより、１００ＧＨｚ以上の帯域を持った光スペクトラム観測が可能となり、高速通信光信号の１ビットの瞬時光スペクトラムの観測さえ可能となる。

ここで、光学部１３０での波長掃引については、第１実施形態で図２のタイムチャートに示した方式や、第２実施形態で図５のタイムチャートに示した方式をそのまま適用することが可能である。また、図示していないが、第３実施形態のＡＯＤを波長掃引に適用することも可能である。

そして、この第４実施形態でもシーケンシャルサンプリングを用いるため、図１０（ａ）に示したような波長と時間に対する光強度の三次元情報が得られる。すなわち、シーケンシャルサンプリング方式を用いることによって、信号処理部１６０ａの処理結果であるスペクトラム成分の波形情報としては、従来の図１０（ｂ）のように単に平均化されたものではなく、図１０（ａ）のように時間軸情報を有した三次元グラフのような状態で最終的な検出結果を波形表示器１７０に表示することが可能になる。また、以上のシーケンシャルサンプリング方式は掃引速度に依存しないため、各部を高速に駆動する必要がなく、十分に適用が可能である。なお、その他の各種掃引手段による場合にも適用可能である。また、サンプリングヘッド１４２をＡ−Ｄ変換器１５０の前段に配置したことで、Ａ−Ｄ変換器１５０の応答速度を超える高速通信光信号に対応することも可能になる。

本発明の第１実施形態の光スペクトラムアナライザの構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第１実施形態の光スペクトラムアナライザの動作状態を示すタイムチャートである。 本発明の第２実施形態の光スペクトラムアナライザの構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第１実施形態と第２実施形態での光パルスの処理の様子を模式的に示す説明図である。 本発明の第２実施形態の光スペクトラムアナライザの動作状態を示すタイムチャートである。 本発明の第３実施形態の光スペクトラムアナライザの構成を示す機能ブロック図である。 本発明の第４実施形態の光スペクトラムアナライザの構成を示す機能ブロック図である。 従来の光スペクトラムアナライザの構成を示す機能ブロック図である。 従来の光スペクトラムアナライザの動作状態を示すタイムチャートである。 光パルスの処理の様子を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１ 被測定光発生部
１０ 光ファイバ
１０１ 制御部
１０２ ＣＰＵ
１０５ 信号発生部
１１０ モータコントローラ
１２０ ディバイダ
１３０ 光学部
１５０ Ａ−Ｄ変換器
１６０ａ 信号処理部
１７０ 波形表示器

Claims (8)

1. 入力される被測定光について分光と波長掃引して電気信号に変換して出力する光学部と、
   前記光学部の波長掃引を制御し、波長掃引の波長毎に、被測定光の繰り返し周期とずれた周期のサンプリングクロックを出力する制御部と、
   前記光学部からの電気信号を前記サンプリングクロック毎にシーケンシャルサンプリングする測定部と、
   を備えたことを特徴とする光スペクトラムアナライザ。
2. 入力される被測定光について分光と波長掃引して電気信号に変換して出力する光学部と、
   前記光学部からの電気信号をサンプリングクロック毎に処理する測定部と、
   前記光学部の波長掃引を制御し、波長掃引の周期毎に、前記測定部のサンプリングのタイミングを変える制御部と、
   を備えたことを特徴とする光スペクトラムアナライザ。
3. 前記測定部は、
   前記光学部からの電気信号が入力され、前記サンプリングクロックによりサンプリングするサンプリングヘッドと、
   前記サンプリングヘッドの出力が入力され、前記サンプリングクロックによりディジタルデータに変換するＡ−Ｄ変換器と、
   を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光スペクトラムアナライザ。
4. 前記測定部の測定結果により三次元波形表示を行う波形表示器を有する、
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の光スペクトラムアナライザ。
5. 前記光学部は、
   被測定光の分光を行う回折格子と、
   前記制御部の指示により前記回折格子を回転させるモータと、
   を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光スペクトラムアナライザ。
6. 前記光学部は、
   前記被測定光が入力され、前記制御部の指示により前記被測定光を偏向させる偏向手段と、
   前記偏向手段で偏向された偏向光が入射され、分光を行う回折格子と、
   を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の光スペクトラムアナライザ。
7. 被測定光は、前記サンプリングクロックと同期していることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光スペクトラムアナライザ。
8. 被測定光は、前記サンプリングクロックとフレーム周期とが同期して、フレーム周期毎に繰り返されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光スペクトラムアナライザ。

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