JP2009229084A

JP2009229084A - 分光装置

Info

Publication number: JP2009229084A
Application number: JP2008071277A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Suzuki; 泰幸鈴木; Hiroaki Kamiya; 宏昭神谷; Mamoru Arihara; 守在原; Shin Kamei; 伸亀井
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2008-03-19
Filing date: 2008-03-19
Publication date: 2009-10-08

Abstract

【課題】温度補償動作の精度が改善された分光装置を提供する。
【解決手段】波長分散素子３の回折光を光偏向手段６で偏向することにより波長分散素子３の温度特性を補償する分光装置において、波長分散素子３の温度特性を補償するための光偏向手段９Ａの制御情報があらかじめ書き込まれた記憶手段４０と、波長分散素子３の温度を測定する温度センサ２０と、温度センサ２０で検出された温度に対応する制御情報を記憶手段４０から読み出す演算処理手段３０と、この演算処理手段３０からの制御情報に基づいて光偏向手段９Ａの偏向角を制御するコントローラ５０とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長分散素子を用いた分光装置に関し、特に波長温度特性の補償精度が改善された分光装置に関する

分光装置は、入射光を波長分散素子である回折格子等に照射して、波長分散された光を光検出器で受光することにより、波長毎に光を分離して検出するものである。

図３はこのような従来の分光装置の一例を示す構成図である。図３において１は外部から光源の出力光、若しくは、光ファイバからの出射光が入射される入射端、２はコリメーティングレンズ、３は回折格子等の波長分散素子、４はフォーカシングレンズ、５はフォトダイオードアレイ等を用いた光検出器である。

入射端１からの出力光はコリメーティングレンズ２により平行光に変換されて波長分散素子３に入射される。波長分散素子３からの波長分散された光はフォーカシングレンズ４により集光されて光検出器５に入射される。

次に図３に示す従来例の動作を説明する。回折格子等の波長分散素子３に入射された光はその波長により回折角が異なるので、それぞれ異なる方向に回折光として出射され、フォーカシングレンズ４により光検出器５を構成する各受光素子にそれぞれ集光される。

例えば、図３中ＦＰ０１、ＦＰ０２及びＦＰ０３に位置する受光素子では異なる波長の光が集光される。図３に示す従来例では回折格子等の波長分散素子３を回転させる必要がないので高速性及び信頼性に優れている。

例えば、回折格子等の波長分散素子３の回折の次数をｍ、回折格子等の波長分散素子３の格子定数をＤ、回折格子等の波長分散素子３への入射角及び出射角をそれぞれｉ及びθ、入射光の波長をλとすれば、
ｍλ／Ｄ＝ｓｉｎｉ＋ｓｉｎθ （１）
となる。

図３に示すような分光装置をＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing：波長多重信号）システム監視モニタ等のように狭い波長範囲を扱うように設計した場合には、フォーカシングレンズ４の焦点距離と比較して波長分散による光路の広がりが小さくなるので、光検出器５として１次元配列のフォトダオードアレイを用いた時の各素子の位置と出射角はほぼ比例関係になる。

回折格子を空気中で用いる場合には、空気の屈折率をｎ_air、温度をＴ、回折格子の格子定数をＤ、波長をλとすると、その出射角θの温度特性は、次式で表される。

（２）式において、括弧内の第１項は回折格子の線膨張係数、第２項は空気屈折率の温度係数である。波長の温度係数は以下の式で求められる。

波長１．５５μｍのとき、パイレックス（登録商標）ガラスを基板とした回折格子を空気中で用いると、その温度係数は”約３．７ｐｍ／℃となる。

図４は図３の分光装置において回折格子の入射光路にウェッジ板６（ウェッジ板：両面が平行でない窓材、薄いプリズム）を挿入して温度係数を補償したものを示す構成図である。図４と同じ箇所は同一記号を付してある。

入射端１からの出力光はコリメーティングレンズ２により平行光に変換され、ウェッジ板６を介して回折格子等の波長分散素子３に入射される。回折格子等の波長分散素子３からの回折光はフォーカシングレンズ４により集光されて光検出器５に入射される。分光装置としての基本的な動作は図３の装置と同様である。以下の説明ではまず、ウェッジ板での屈折の温度特性を求め、次にウェッジ板による回折格子の温度補償を示す。

図５はウェッジ板６における屈折を説明する説明図であり、図５中ＩＬ０１は入射光、ＯＬ０１は出射光である。ウェッジ板６における屈折に関する基本式は、ウェッジ板６の入射面における入射角及び出射角をθ₁ 及びθ₂ 、出射面における入射角及び出射角をθ₃ 及びθ₄ 、入射面と出射面とがなす角をθpとし、ウェッジ板６の屈折率をｎ、波長をλとすれば、次のように表わされる。

入射角θ₁については一定として、これを温度で微分すると以下のようになる。

これらを整理すると

となる。

ここで、θ₃＝θ₄＝0のとき

となり、θ₁＝θ₂＝0のとき

となる。

上式を用いて合成石英（ＳＱ：Synthetic Quartz）とＳｉ（シリコン）について、波長１．５５μｍで温度特性を計算すると図６の表のようになる。

次に、上記のウェッジ板６の温度特性を利用して回折格子の入射光で温度補償する場合について示す。

回折格子の入射光路にウェッジ板６を挿入した状態は、次式のように（１）式と（４）式の連立式として表現される。

ここでは波長分散素子３への入射角ｉが一定ではないので（２）式とは異なり

となる。

（６）式を代入して

となる。ここで、θ₃＝θ₄＝０またはθ₁＝θ₂＝０のとき

となる。

温度係数dθ/ dT＝0とするためには（１１）式、（１２）式から

の関係が成り立つことが必要である。

実際のパラメータを用いると（１３）式の左辺の計算値はおよそ３．８×１０^-6[[rad/℃]となるので、図６の表から、合成石英ではθpが大きくなることがわかる。Ｓｉではθpが２°未満となるので、薄いウェッジ板を用いてコンパクトに温度補償が実現可能であることがわかる。

以上から明らかなように、ウェッジ板の屈折率の温度係数を用いて回折格子の出射角θの温度特性を補償することができる。

また、ウェッジ板６を波長分散素子３の出射側に配置して温度補償することもできる。

分光装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開２０００−３２１１３５号公報

しかし、従来の装置では、材料特性（屈折率の温度係数と線膨張係数）の非線形性のため温度補償動作の精度が不十分であるという問題があった。また、精度を向上させるために、温度センサ出力に対応して、回折格子の出射角の補正演算を行うと、演算処理に時間がかかるという問題もあった。

本発明はこのような課題を解決しようとするもので、温度補償動作の精度と応答速度が改善された分光装置を提供することを目的とする。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
波長分散素子の回折光を光偏向手段で偏向することにより前記波長分散素子の温度特性を補償する分光装置において、
前記波長分散素子の温度特性を補償するための前記光偏向手段の制御情報があらかじめ書き込まれた記憶手段と、
前記波長分散素子の温度を測定する温度センサと、
前記温度センサで検出された温度に対応する前記制御情報を前記記憶手段から読み出す演算処理手段と、
この演算処理手段からの前記制御情報に基づいて前記光偏向手段の偏向角を制御するコントローラと
を備えたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の分光装置において、
前記光偏向手段は、
偏向角が所定の温度特性を有する偏向素子と、
この偏向素子の温度を制御する温度制御手段と
を備えたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、
請求項１記載の分光装置において、
前記光偏向手段は電気光学素子を備えたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、
請求項２記載の分光装置において、
前記温度制御手段はヒータを備えたことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、
請求項２記載の分光装置において、
前記温度制御手段はペルチェ素子を備えたことを特徴とする。

請求項６記載の発明は、
請求項１乃至５のいずれかに記載の分光装置において、
入射光を平行光とするコリメーティングレンズと、
前記波長分散素子で波長分散された光を集光するフォーカシングレンズと、
このフォーカシングレンズで集光された光を検出する光検出器と
を備え、
前記光偏向手段は前記コリメーティングレンズと前記波長分散素子との間に設けられた
ことを特徴とする。

請求項７記載の発明は、
請求項１乃至５のいずれかに記載の分光装置において、
入射光を平行光とし前記波長分散素子に出射するコリメーティングレンズと、
入射光を集光するフォーカシングレンズと、
このフォーカシングレンズで集光された光を検出する光検出器と
を備え、
前記光偏向手段は前記波長分散素子と前記フォーカシングレンズとの間に設けられた
ことを特徴とする。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば、波長分散素子の回折光を光偏向手段で偏向することにより前記波長分散素子の温度特性を補償する分光装置において、前記波長分散素子の温度特性を補償するための前記光偏向手段の制御情報があらかじめ書き込まれた記憶手段と、前記波長分散素子の温度を測定する温度センサと、前記温度センサで検出された温度に対応する前記制御情報を前記記憶手段から読み出す演算処理手段と、この演算処理手段からの前記制御情報に基づいて前記光偏向手段の偏向角を制御するコントローラとを備えたことにより、温度補償動作の精度と応答速度が改善された分光装置を提供することができる。

以下本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る分光装置の一実施例を示す構成図である。図４と同じ部分は同一の記号を付して重複する説明は省略する。

分光器１０の光偏向手段９Ａにおいて、ウェッジ板６は偏向角が所定の温度特性を有する偏向素子を構成する。ヒータ７は偏向素子の温度を制御する温度制御手段を構成し、ウェッジ板６を加熱する。

温度センサ２０は波長分散素子３の温度を測定する。演算処理装置３０はＣＰＵなどからなり、温度センサ２０の出力信号に対応して記憶装置４０からウェッジ板６の設定温度データを読み出す。温度コントローラ５０は、演算処理手段３０からの制御情報に基づいて光偏向手段９Ａの偏向角を制御するコントローラを構成し、ウェッジ板６の温度が演算処理装置３０から与えられた設定温度データに追随するようにヒータ７を制御する。

上記で、記憶装置４０には、あらかじめ、ウェッジ板６の設定温度データが、波長分散素子３の温度特性を補償するための光偏向手段９Ａの制御情報として書き込まれている。

次に図１の分光装置の動作を説明する。

記憶装置４０には、例えば以下のような手順により、あらかじめウェッジ板６の設定温度データを書き込んでおく。すなわち、波長分散素子３の温度と回折角との関係、および、ウェッジ板６の温度と偏向角の関係を測定し、これらの測定結果から波長分散素子３の各温度における回折角の変化分を打ち消すに必要な偏向角を生じるウェッジ板６の温度を算出し、波長分散素子３の各温度と対応するウェッジ板６の温度（設定温度データ）を記憶装置４０に書き込んでおく。

温度センサ２０で検出された波長分散素子３の温度に対応して、演算処理装置３０により、記憶装置４０からウェッジ板６の設定温度データが読み出され、温度コントローラ５０に与えられる。温度コントローラ５０によりヒータ７が制御され、ウェッジ板６の温度は設定温度データに追随する。ここで、ヒータ７の制御はオープンループでもよいが、ウェッジ板の温度を温度センサで検出してクローズループとし、高精度の温度制御を行ってもよい。以上の動作の結果、波長分散素子３の回折角の温度特性をウェッジ板６の偏向角で打ち消すようにウェッジ板６の温度が制御される。

上記のような構成の光ファイバ分光装置によれば、波長分散素子３の回折角の温度特性を打ち消すようにウェッジ板６の温度を制御することにより、波長測定値の温度補償精度を改善することができる。従来技術では組み立てたままの受動的な補償であるが、図１の装置ではあらかじめ特性を測定した上で能動的に補償するので、材料特性の非線形性の影響を低減でき、温度補償動作の精度を大幅に向上することができる。

また、従来技術では測定値を温度センサ出力に応じて逐次補正演算処理していたが、図１の装置では不要となり、温度制御は演算処理装置とは別の構成要素で並列に処理することができるので、分光装置の演算時間を短縮することができる。

なお、図１の装置ではヒータ（電気抵抗）を用いて加熱するのみなので、ウェッジ板の温度を常温より高い温度に制御しているが、温度制御手段としてペルチェ素子を用いて加熱、冷却することにより常温で制御してもよい。

また、温度測定用のセンサを複数個とすれば、過渡応答や温度分布に対する制御精度を向上することができる。

また、ウェッジ板は、波長分散素子の入射側に限らず出射側に配置してもよい。

また、熱的な温度補償に代えて、電気光学効果を用いて波長分散素子の温度補償を行うこともできる。

図２はそのような本発明の実施の形態に係る分光装置の第２の実施例を示す構成図である。図５と同じ部分は同一の記号を付して重複する説明は省略する。

分光器１１において、光偏向手段９Ｂはウェッジ板６および、ウェッジ板６と波長分散素子３との間に、電気光学素子８を備えている。演算処理装置３０はＣＰＵなどからなり、温度センサ２０の出力信号に対応して記憶装置４０から電気光学素子８の制御データを読み出す。ここで、記憶装置４０には、あらかじめ、電気光学素子８の制御データが、波長分散素子３の温度特性を補償するに必要な光偏向手段９Ｂの制御情報として書き込まれている。ＥＯコントローラ５１は、演算処理手段３０からの制御情報に基づいて光偏向手段９Ｂの偏向角を制御するコントローラを構成し、電気光学素子８の偏向角が演算処理装置３０から与えられる制御データに追随するように電気光学素子８を制御する。

次に図２の分光装置の動作を説明する。

記憶装置４０には、例えば以下のような手順により、あらかじめ電気光学素子８の制御データが書き込まれる。すなわち、波長分散素子３の温度と回折角との関係、および、電気光学素子８の印加電圧と偏向角の関係が測定され、これらの測定結果から波長分散素子３の各温度における回折角の変化分を打ち消すに必要な偏向角を電気光学素子８に生じさせる印加電圧が求められ、波長分散素子３の各温度と対応する電気光学素子８の印加電圧が制御データとして記憶装置４０に書き込まれる。

分光器１１において、ウェッジ板６からの出射光は電気光学素子８により所定の偏向を受けた後、波長分散素子３に入射する。

温度センサ２０で検出された波長分散素子３の温度に対応して、演算処理装置３０により、記憶装置４０から電気光学素子８の制御データが読み出され、ＥＯコントローラ５１に与えられる。ＥＯコントローラ５１は、電気光学素子８の偏向角を制御データに基づいて制御する。以上の結果、波長分散素子３の回折角の温度特性を電気光学素子８の偏向角で打ち消すように電気光学素子８の印加電圧が制御される。

上記のような構成の光ファイバ分光装置によれば、波長分散素子３の回折角の温度特性を打ち消すように電気光学素子８の偏向角を制御することにより、波長測定値の温度補償精度を改善することができる。

また、電気光学素子の偏向角制御の応答速度はウェッジ板の温度制御よりも速いので、分光装置の応答速度をさらに改善することができる。その他の特徴は図１の装置の場合と同様である。

なお、温度精度が多少低下してもよい場合は、ウェッジ板を用いずに電気光学素子のみで波長分散素子の温度特性を補償してもよい。

また、波長分散素子としては回折格子を例示したが、回折格子のみならずエシュレ格子を用いてもよい。

また、波長分散素子９とウェッジ板や電気光学素子を一体化することにより、コンパクト化を図り、耐湿性を改善することができる。

本発明の実施の形態に係る分光装置の一実施例を示す構成図である。本発明の実施の形態に係る分光装置の第２の実施例を示す構成図である。従来の分光装置の一例を示す構成図である。図３の分光装置において回折格子の入射光路にウェッジ板６を挿入した従来例を示す構成図である。ウェッジ板６での屈折を説明する説明図である。合成石英とＳｉからなるウェッジ板について温度特性の計算例を示す表である。

符号の説明

２コリメーティングレンズ
３波長分散素子
４フォーカシングレンズ
５光検出器
６偏向素子
７ヒータ
８電気光学素子
９Ａ，９Ｂ光偏向手段
２０温度センサ
３０演算処理手段
４０記憶手段
５０，５１コントローラ

Claims

波長分散素子の回折光を光偏向手段で偏向することにより前記波長分散素子の温度特性を補償する分光装置において、
前記波長分散素子の温度特性を補償するための前記光偏向手段の制御情報があらかじめ書き込まれた記憶手段と、
前記波長分散素子の温度を測定する温度センサと、
前記温度センサで検出された温度に対応する前記制御情報を前記記憶手段から読み出す演算処理手段と、
この演算処理手段からの前記制御情報に基づいて前記光偏向手段の偏向角を制御するコントローラと
を備えたことを特徴とする分光装置。
前記光偏向手段は、
偏向角が所定の温度特性を有する偏向素子と、
この偏向素子の温度を制御する温度制御手段と
を備えたことを特徴とする請求項１記載の分光装置。
前記光偏向手段は電気光学素子を備えたことを特徴とする請求項１記載の分光装置。
前記温度制御手段はヒータを備えたことを特徴とする請求項２記載の分光装置。
前記温度制御手段はペルチェ素子を備えたことを特徴とする請求項２記載の分光装置。
入射光を平行光とするコリメーティングレンズと、
前記波長分散素子で波長分散された光を集光するフォーカシングレンズと、
このフォーカシングレンズで集光された光を検出する光検出器と
を備え、
前記光偏向手段は前記コリメーティングレンズと前記波長分散素子との間に設けられた
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の分光装置。
入射光を平行光とし前記波長分散素子に出射するコリメーティングレンズと、
入射光を集光するフォーカシングレンズと、
このフォーカシングレンズで集光された光を検出する光検出器と
を備え、
前記光偏向手段は前記波長分散素子と前記フォーカシングレンズとの間に設けられた
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の分光装置。