JP2010151449A - 光スペクトラムアナライザ - Google Patents

Abstract

【課題】被測定光の波長毎又は周波数毎の強度特性であるスペクトルの測定に加えて、被測定光の波長毎又は周波数毎の偏光特性を測定することができる光スペクトラムアナライザを提供する。
【解決手段】光スペクトラムアナライザ１は、被測定光Ｌ０の光路上に配置されて被測定光Ｌ０の光路の周りに回転可能であって被測定光Ｌ０を互いに直交する偏光状態の分岐光Ｌ１，Ｌ２に分岐する偏光解消板１２と、分岐光Ｌ１，Ｌ２の入射面に交差する軸Ａ１の周りに回転可能であって偏光解消板１２で分岐された分岐光Ｌ１，Ｌ２を分散させる回折格子１５と、回折格子１５で分散された分岐光Ｌ１，Ｌ２の所定の波長成分を個別に受光して各々の受光信号を出力する受光部２０と、受光部２０から出力される受光信号に対して所定の信号処理を行って被測定光Ｌ０の偏光特性を求める信号処理部３０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定光のスペクトルを測定する光スペクトラムアナライザに関する。

周知の通り、光スペクトラムアナライザは、被測定光の波長毎又は周波数毎の強度特性（スペクトル）を測定する装置である。この光スペクトラムアナライザは、一般的に、被測定光を分光する分光器、分光器で分光された光を受光する受光部、受光部から出力される受光信号に対して信号処理を行って被測定光のスペクトルを求める信号処理部、及び信号処理部で求められた被測定光のスペクトルを表示する表示部を備える。

上記の分光器としては、ツェルニ・ターナ型の分光器が利用されることが多い。ここで、ツェルニ・ターナ型の分光器は、入射スリットから入射される被測定光を平行光にする第１凹面鏡（コリメータ鏡）、第１凹面鏡からの被測定光を分散させる分散素子である回折格子、及び回折格子で分散された光を射出スリットに集光する第２凹面鏡を備えており、回折格子を回転させることによって射出スリットから射出される光の波長を変化させることができる。

一般的に、分光器に設けられる回折格子は、入射光の偏光状態によって回折効率が異なるという偏光依存性を有する。具体的には、回折格子に形成された溝に沿う偏光状態の光と溝に交差する偏光状態の光とは反射率が異なる。このような偏光依存性があると、被測定光の偏光状態に応じて測定される強度が変化するため、被測定光のスペクトルを精確に測定することはできない。

以下の特許文献１には、楔形状の水晶板を貼り合わせてなる偏光解消板を設けて回折格子の偏光依存性を解消した分光器が開示されている。この分光器では、上記の偏光解消板を設けて、入射スリットから入射される被測定光がどの様な偏光状態であっても、回折格子の溝に沿う偏光状態の光と溝に交差する偏光状態の光とを常に等しい割合で回折格子に入射させることで回折格子の偏光依存性を解消している。
特許第２９９５９８５号公報

ところで、光スペクトラムアナライザには、波長分解能が高く、広い波長範囲に亘る測定が可能であり、ダイナミックレンジが広く、高速に測定が可能である、等の基本性能が求められる。このため、従来は、主としてこれらの基本性能を向上させるための開発が行われていた。しかしながら、近年においては、これらの基本性能の向上を図るのはもちろんのこと、競合製品からの差別化を図るべく、光スペクトラムアナライザの高機能化を図って付加価値を高めるための開発も行われている。

例えば、被測定光の波長毎又は周波数毎の偏光特性を測定する偏光アナライザの機能を、光スペクトラムアナライザに設ける開発が行われている。従来は、被測定光の波長毎又は周波数毎の偏光特性を測定するには、被測定光の波長毎又は周波数毎の強度特性（スペクトル）を測定する光スペクトラムアナライザとは別に偏光アナライザを用意する必要があったが、偏光アナライザの機能を光スペクトラムアナライザに設ければ、２台のアナライザを用意する必要が無くなってユーザの利便性が飛躍的に向上すると考えられる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、被測定光の波長毎又は周波数毎の強度特性であるスペクトルの測定に加えて、被測定光の波長毎又は周波数毎の偏光特性を測定することができる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。

上記課題を解決するために、本発明の光スペクトラムアナライザは、被測定光（Ｌ０）のスペクトルを測定する光スペクトラムアナライザ（１）において、前記被測定光の光路上に当該光路の周りに回転可能に配置され、前記被測定光を互いに直交する偏光状態の第１，第２分岐光（Ｌ１、Ｌ２）に分岐する分岐素子（１２）と、前記第１，第２分岐光の入射面に交差する軸（Ａ１）の周りに回転可能であり、前記分岐素子で分岐された前記第１，第２分岐光を分散させる分散素子（１５）と、前記分散素子で分散された前記第１，第２分岐光の所定の波長成分を個別に受光して各々の受光信号を出力する受光部（２０）と、前記受光部から出力される前記受光信号に対して所定の信号処理を行って前記被測定光の偏光特性を求める信号処理部（３０）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の光スペクトラムアナライザは、前記分岐素子が、前記第１，第２分岐光の何れか一方の偏光状態が前記分散素子の入射面に対して垂直になるとともに何れか他方の偏光状態が前記分散素子の入射面に対して平行になるよう前記被測定光を分岐する第１回転状態と、前記第１，第２分岐光の偏光状態の双方が前記分散素子の入射面に対して４５度の角度をなすように前記被測定光を分岐する第２回転状態との何れか一方の回転状態に設定されることを特徴としている。
また、本発明の光スペクトラムアナライザは、前記分岐素子が、第１光学軸（Ｃ１）に対して４５度の方向に厚みが連続的に変化する第１光学素子（１２ａ）と、第２光学軸（Ｃ２）に対して４５度の方向に厚みが連続的に変化する第２光学素子（１２ｂ）とが、前記第１光学軸と前記第２光学軸とが互いに直交するように貼り合わされてなるものであることを特徴としている。
また、本発明の光スペクトラムアナライザは、前記分岐素子が前記第１回転状態に設定されている場合に、前記分散素子で分散された前記第１，第２分岐光の所定の波長成分を通過させる第１開口（１７ｂ、１７ｃ）と、前記分岐素子が前記第２回転状態に設定されている場合に、前記分散素子で分散された前記第１，第２分岐光の所定の波長成分を通過させる第２開口（１７ａ）とが形成された射出スリット（１７）と、前記分岐素子の回転状態に応じて前記第１開口を通過した波長成分又は前記第２開口を通過した波長成分が前記受光部で受光されるように前記射出スリットを移動させる移動部（１８）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の光スペクトラムアナライザは、前記受光部が、前記分散素子で分散された前記第１分岐光の所定の波長成分を受光する第１受光素子（２０ａ）と、前記分散素子で分散された前記第２分岐光の所定の波長成分を受光する第２受光素子（２０ｂ）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の光スペクトラムアナライザは、前記信号処理部が、前記分岐素子が前記第１回転状態に設定されている場合に前記受光部から出力される受光信号と、前記分岐素子が前記第２回転状態に設定されている場合に前記受光部から出力される受光信号とを用いて前記被測定光の偏光特性を求めることを特徴としている。

本発明によれば、被測定光の波長毎又は周波数毎の強度特性であるスペクトルの測定に加えて、被測定光の波長毎又は周波数毎の偏光特性を測定することができるという効果がある。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による光スペクトラムアナライザについて詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による光スペクトラムアナライザの要部構成を示す斜視図である。尚、以下の説明においては、必要であれば図中にＸＹＺ直交座標系を設定し、このＸＹＺ直交座標系を参照しつつ各部材の位置関係について説明する。但し、説明の便宜のため、各図に示すＸＹＺ直交座標系の原点は固定せずに、各図毎にその位置を適宜変更するものとする。

図１に示す通り、本実施形態の光スペクトラムアナライザ１は、分光器１０、受光部２０、信号処理部３０、及び表示部４０を備えており、分光器１０に入射する被測定光Ｌ０の波長毎又は周波数毎の強度特性であるスペクトルの測定に加えて、被測定光Ｌ０の波長毎又は周波数毎の偏光特性の測定が可能である。分光器１０は、入射スリット１１、偏光解消板１２（分岐素子）、回転ホルダ１３、凹面鏡１４、回折格子１５（分散素子）、凹面鏡１６、射出スリット１７、及び可動ホルダ１８（移動部）を備えており、入射スリット１１から入射される被測定光Ｌ０を分光して、被測定光Ｌ０に含まれる所定の波長成分のみを射出スリット１７から射出する。尚、図１に示す分光器１０は、ツェルニ・ターナ型の分光器である。

入射スリット１１は、分光器１０に入射する被測定光Ｌ０の強度を制限する。偏光解消板１２は、回転ホルダ１３に取り付けられた状態で入射スリット１１から入射される被測定光Ｌ０の光路上に配置されており、被測定光Ｌ０を互いに直交する偏光状態の分岐光Ｌ１（第１分岐光）と分岐光Ｌ２（第２分岐光）とに分岐する。ここで、偏光解消板１２は、本来は回折格子１５の偏光依存性を解消するために設けられるものであるが、本実施形態では、被測定光Ｌ０の光路上に回転可能に配置されており、被測定光Ｌ０の偏光特性を測定するためにも用いられる。尚、図１においては、図面の簡略化のために、被測定光Ｌ０及び分岐光Ｌ１，Ｌ２については主光線のみを図示している。

ここで、偏光解消板１２について詳細に説明する。図２は、偏光解消板１２の構成を示す図であって、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は側面図である。図２（ａ）に示す通り、偏光解消板１２は、楔形状の水晶板１２ａ（第１光学素子）と楔形状の水晶板１２ｂ（第２光学素子）を貼り合わせてなるものである。つまり、偏光解消板１２は、自らの光学軸Ｃ１（第１光学軸）に対して４５°方向に厚みが連続的に変化するように形状設定された水晶板１２ａと、自らの光学軸Ｃ２（第２光学軸）に対して−４５°方向に厚みが連続的に変化するように形状設定された水晶板１２ｂとを、光学軸Ｃ１と光学軸Ｃ２とが互いに直交する状態に貼り合わせてなるものである。このため、図２（ｂ）に示す通り、偏光解消板１２の全体形状は、所定の厚さｄを有する直方体の形状である。

周知の通り、水晶は、その結晶構造のために特定の方向に光学軸を有する。水晶に入射した光（光学軸に沿う方向に進む光を除く）は、水晶の複屈折性によりその偏光状態に応じて異なった位相速度で水晶内を進む。例えば、図２（ａ）に示す水晶板１２ａに入射した光のうち、光学軸Ｃ１に沿う偏光成分を有する光の位相速度は、光学軸Ｃ１に垂直な方向に沿う偏光成分の光の位相速度よりも遅くなるため、両成分の光の間には位相差が生じて偏光状態が変化する。同様に、図２（ａ）に示す水晶板１２ｂに入射した光のうち、光学軸Ｃ２に沿う偏光成分の光の位相速度は、光学軸Ｃ２に垂直な方向に沿う偏光成分の光の位相速度よりも遅くなるため、両成分の光の間には位相差が生じて偏光状態が変化する。

水晶板１２ａの内部を進む光に生ずる上記の位相差は水晶板１２ａの厚みに比例し、水晶板１２ｂの内部を進む光に生ずる上記の位相差は水晶板１２ｂの厚みに比例する。ここで、図２（ｂ）に示した通り、偏光解消板１２の全体的な厚みはｄで一定であるが、水晶板１２ａ，１２ｂはその厚みが連続的に変化するように形状設定されているため、水晶板１２ａ，１２ｂの各々で生ずる位相差は、光が通過する場所に応じて異なる。

例えば、図２（ｂ）に示す通り、偏光状態が同じであって偏光解消板１２に対する入射位置が異なる３つの光Ｒ１〜Ｒ３を考えると、これらの光Ｒ１〜Ｒ３が通過する水晶板１２ａ，１２ｂの厚みがそれぞれ異なるため、偏光解消板１２を通過した後の光Ｒ１〜Ｒ３の偏光状態はそれぞれ異なったものになる。従って、偏光解消板１２は、被測定光Ｌ０の偏光状態を様々な偏光状態が混ざった状態に変換することができる。但し、偏光方向が水晶板１２ａの光学軸Ｃ１に沿う方向である光、及び偏光方向が水晶板１２ｂの光学軸Ｃ２に沿う方向である光は、偏光解消板１２によって偏光状態が変えられることなくそのままの偏光状態で偏光解消板１２を通過する。

回転ホルダ１３は、上面又は底面に偏光解消板１２が取り付けられた円環状又は円柱状の部材であって、入射スリット１１から入射される被測定光Ｌ０の光路に沿うようにその軸が配置されており、被測定光Ｌ０の光路の周りに回転可能に構成されている。このため、回転ホルダ１３を回転させることにより、回転ホルダ１３の上面又は底面に取り付けられて被測定光Ｌ０の光路上に配置された偏光解消板１２を、被測定光Ｌ０の周りに回転させることができる。

尚、回転ホルダ１３として円柱状の部材を用いる場合には、光学的に等方的であって、光スペクトラムアナライザ１で測定可能な波長範囲における吸収の波長依存性が極めて小さいものを用いるのが望ましい。かかる特性を有する部材を確保することが困難である場合、或いはこのような部材を用いることで生ずる測定精度の悪化等の悪影響を排除する必要がある場合には、回転ホルダ１３として円環状の部材を用いるのが好ましい。

凹面鏡１４は、偏光解消板１２で分岐された分岐光Ｌ１，Ｌ２をそれぞれ平行光にして、回折格子１５に入射させる。つまり、凹面鏡１４は、いわゆるコリメータ鏡である。回折格子１５は、多数の溝が形成された回折面１５ａを有しており、凹面鏡１４によって平行光にされて回折面１５ａに入射する分岐光Ｌ１，Ｌ２を分散させる。つまり、回折格子１５は、入射する分岐光Ｌ１，Ｌ２を、波長毎に異なる角度で回折させる。尚、図１に示す通り、回折格子１５の回折面１５ａに形成された多数の溝は、Ｙ方向に延びるものである。

また、回折格子１５は、分岐光Ｌ１，Ｌ２の入射面に交差してＹ方向に延びる軸Ａ１の周りで回転可能に構成されている。回折格子１５を軸Ａ１の周りで回転させることで波長毎の回折角度を変化させることができ、これによって射出スリット１７から射出される光の波長を変化させることができる。尚、分岐光Ｌ１，Ｌ２の入射面とは、回折格子１５の回折面１５ａに直交する面であって、分岐光Ｌ１又は分岐光Ｌ２が含まれる面をいう。

ここで、本実施形態では、回転ホルダ１３によって偏光解消板１２を回転させることにより、回折格子１５に入射される分岐光Ｌ１，Ｌ２の偏光状態を変えることができる。具体的には、偏光解消板１２の回転角度を０度（第２回転状態）に設定すると、回折格子１５に入射する分岐光Ｌ１，Ｌ２の偏光状態を、共に回折格子１５の入射面に対して４５度の角度（正確には±４５度）をなす直線偏光にすることができる。また、偏光解消板１２の回転角度を４５度（第１回転状態）に設定すると、回折格子１５に入射する分岐光Ｌ１，Ｌ２の何れか一方の偏光状態を回折格子１５の入射面に対して垂直な直線偏光にし、何れか他方の偏光状態を回折格子１５の入射面に対して平行な直線偏光にすることができる。

凹面鏡１６は、回折格子１３によって分散された分岐光Ｌ１，Ｌ２の波長成分のうち、凹面鏡１６に入射した波長成分のみを射出スリット１７に集光する。射出スリット１７は、凹面鏡１６によって集光される光の波長帯域を制限するとともに、分光器１０内で生ずる迷光を遮断する。図３は、射出スリット１７の正面図である。図３に示す通り、射出スリット１７には、スリット１７ａ（第２開口）とスリット１７ｂ，１７ｃ（第１開口）とが形成されている。

スリット１７ａは射出スリット１７の左半分の領域（射出スリット１７の中央部から−Ｘ側の領域）内において、射出スリット１７の中央部から±Ｙ方向にそれぞれ延びるように形成されている。これに対し、スリット１７ｂ，１７ｃは何れも射出スリット１７の右半分の領域（射出スリット１７の中央部から＋Ｘ端側の領域）内に形成されている。ここで、スリット１７ｂ，１７ｃは、Ｙ方向の長さが共にスリット１７ａの半分程度であるが、スリット１７ｂは射出スリット１７の中央部から＋Ｙ方向に延びるように形成され、スリット１７ｂはスリット１７ｂとはＸ方向の位置を異ならせて射出スリット１７の中央部から−Ｙ方向に延びるように形成されている。

このようなスリット１７ａ〜１７ｃを射出スリット１７に形成するのは、偏光解消板１２を回転させることで、射出スリット１７上における集光位置が変わるためである。具体的には、偏光解消板１２の回転角度が０度（第２回転状態）に設定された場合には、回折格子１５で分散されて凹面鏡１６に入射した分岐光Ｌ１，Ｌ２の波長成分は、射出スリット１７上においてＹ方向に延びる直線上の異なる位置にそれぞれ集光される。これに対し、偏光解消板１２の回転角度が４５度（第１回転状態）に設定された場合には、回折格子１５で分散されて凹面鏡１６に入射した分岐光Ｌ１，Ｌ２の波長成分は、射出スリット１７上においてＸ方向及びＹ方向の位置が共に異なる位置にそれぞれ集光される。

このため、スリット１７ａは、偏光解消板１２の回転角が０度に設定された場合に、射出スリット１７上においてＹ方向に延びる直線上の異なる位置にそれぞれ集光される分岐光Ｌ１，Ｌ２の波長成分を透過させるべく形成されている。また、スリット１７ｂ，１７ｃは、偏光解消板１２の回転角が４５度に設定された場合に、射出スリット１７上においてＸ方向及びＹ方向の位置が共に異なる位置にそれぞれ集光される分岐光Ｌ１，Ｌ２の波長成分を透過させるべく形成されている。

可動ホルダ１８は、偏光解消板１２の回転に合わせて射出スリット１７をＸ方向に移動させるものである。具体的には、偏光解消板１２の回転角度が０度（第２回転状態）に設定された場合には射出スリット１７を＋Ｘ方向に移動させ、偏光解消板１２の回転角度が４５度（第１回転状態）に設定された場合には射出スリット１７を−Ｘ方向に移動させる。

受光部２０は、射出スリット１７から射出される分岐光Ｌ１，Ｌ２の波長成分を個別に受光して各々の受光信号を出力する。図４は、受光部２０の正面図である。図４に示す通り、受光部２０には、Ｙ方向に配列された２つの受光素子２０ａ（第１受光素子）及び受光素子２０ｂ（第２受光素子）が形成されている。受光素子２０ａは、射出スリット１７に形成されたスリット１７ａ又はスリット１７ｂを介した分岐光Ｌ１の波長成分を受光する。これに対し、受光素子２０ｂは、射出スリット１７に形成されたスリット１７ａ又はスリット１７ｃを介した分岐光Ｌ２の波長成分を受光する。

図５は、射出スリット１７と受光部２０との相対的な位置関係を示す正面図であって、（ａ）は偏光解消板１２の回転角が０度に設定された場合の図であり、（ｂ）は偏光解消板１２の回転角が４５度に設定された場合の図である。前述した通り、偏光解消板１２の回転角が０度に設定される場合には、分岐光Ｌ１，Ｌ２の波長成分は、射出スリット１７上においてＹ方向に延びる直線上の異なる位置にそれぞれ集光される。このため、図５（ａ）に示す通り、正面視においてスリット１７ａを介して受光部２０の受光素子２０ａ，２０ｂが共に見えるように射出スリット１７が＋Ｘ方向に移動される。

これに対し、偏光解消板１２の回転角が４５度に設定される場合には、分岐光Ｌ１，Ｌ２の波長成分は、Ｘ方向及びＹ方向の位置が共に異なる位置にそれぞれ集光される。このため、図５（ｂ）に示す通り、正面視においてスリット１７ｂを介して受光部２０の受光素子２０ａが見えるとともに、スリット１７ｃを介して受光部２０の受光素子２０ｃが見えるように射出スリット１７が−Ｘ方向に移動される。

信号処理部３０は、受光部２０から出力される受光信号に対して所定の信号処理を行って被測定光Ｌ０のスペクトル又は偏光特性を測定する。この信号処理部３０は、被測定光Ｌ０の偏光特性を測定する場合には、偏光解消板１２の回転角が０度に設定された場合に受光部２０の受光素子２０ａ，２０ｂからそれぞれ出力される受光信号と、偏光解消板１２の回転角が４５度に設定された場合に受光部２０の受光素子２０ａ，２０ｂからそれぞれ出力される受光信号とを用いて信号処理を行う。

具体的に、信号処理部３０は、ストークスベクトルＳ（λ）を用いて被測定光Ｌ０の偏光状態を測定する。いま、被測定光Ｌ０の偏光状態を示すストークスベクトルＳ（λ）を以下の（１）式で表す。

ここで、上記（１）式に示すストークスベクトルＳ（λ）をなす各パラメータＳ_０（λ）〜Ｓ_３（λ）は、以下の（２）式で表される。但し、以下の（２）式中におけるＥ_ｘ（λ），Ｅ_ｙ（λ）は被測定光Ｌ０の電場ベクトルのＸ成分及びＹ成分であり、δ（λ）は被測定光Ｌ０の電場ベクトルのＸ成分とＹ成分との位相差である。

いま、偏光解消板１２の回転角が４５度（第１回転状態）に設定された場合に受光部２０の受光素子２０ａ，２０ｂからそれぞれ出力される受光信号の信号強度をそれぞれＩ_１１（λ），Ｉ_１２（λ）とする。また、偏光解消板１２の回転角が０度（第２回転状態）に設定された場合に受光部２０の受光素子２０ａ，２０ｂからそれぞれ出力される受光信号の信号強度をそれぞれＩ_２１（λ），Ｉ_２２（λ）とする。

更に、偏光解消板１２の回転角を４５度に設定した場合における波長λの分岐光Ｌ１，Ｌ２に対する分光器１０の効率をそれぞれｋ_１１（λ），ｋ_１２（λ）とし、偏光解消板１２の回転角を０度に設定した場合における波長λの分岐光Ｌ１，Ｌ２に対する分光器１０の効率をそれぞれｋ_２１（λ），ｋ_２２（λ）とする。尚、これら分光器１０の効率ｋ_１１（λ），ｋ_１２（λ），ｋ_２１（λ），ｋ_２２（λ）を示す情報は、予め測定されて信号処理部３０に記憶される。

すると、上記（２）式中におけるパラメータＳ_０〜Ｓ_３は、以下の（３）式で表すことができる。

上記（３）式を参照すると、被測定光Ｌ０の偏光状態を示すストークスベクトルＳ（λ）の各パラメータＳ_０（λ）〜Ｓ_３（λ）が、受光素子２０ａ，２０ｂから出力される受光信号の信号強度Ｉ_１１（λ），Ｉ_１２（λ），Ｉ_２１（λ），Ｉ_２２（λ）と、分光器１０の効率ｋ_１１（λ），ｋ_１２（λ），ｋ_２１（λ），ｋ_２２（λ）とによって表されているのが分かる。このため、受光素子２０ａ，２０ｂから出力される受光信号を用いれば被測定光Ｌ０の偏光特性を測定することができる。

ここで、上記（３）式におけるパラメータＳ_０，Ｓ_１は、受光素子２０ａ，２０ｂから出力される受光信号の信号強度Ｉ_２１（λ），Ｉ_２２（λ）と、分光器１０の効率ｋ_２１（λ），ｋ_２２（λ）とを、上記（２）に代入すれば容易に導出することができる。これに対し、上記（３）式におけるパラメータＳ_２，Ｓ_３の導出は多少複雑であるため以下で補足説明する。

・パラメータＳ_２について
偏光解消板１２の回転角が０度（第２回転状態）に設定された場合に、偏光解消板１２によって分岐される分岐光Ｌ１は、Ｘ軸に対して４５度の角度をなす直線偏光になる。この分岐光Ｌ１の所定の波長成分は、受光部２０の受光素子２０ａで測定されるため、その受光信号の信号強度は、ｋ_１１（λ）・Ｉ_１１（λ）で表すことができる。すると、以下の（４）式が成り立つ。但し、以下の（４）式に示す、Ｅ_ｘ（λ）^＊，Ｅ_ｙ（λ）^＊は、それぞれＥ_ｘ（λ），Ｅ_ｙ（λ）の複素共役である。

上記（４）式を変形すれば、上記（３）式に示すパラメータＳ_２（λ）が得られる。

・パラメータＳ_３について
上記（４）式中の第３番目の式からｃｏｓδ（λ）は、以下の（５）式で表すことができる。

ここで、ｓｉｎδ（λ）とｃｏｓδ（λ）とは以下の（６）式に示す関係があるため、ｓｉｎδ（λ）は以下の（６）式で表すことができる。

また、被測定光Ｌ０の電場ベクトルのＸ成分であるＥ_ｘ（λ）、及びＹ成分であるＥ_ｙ（λ）は以下の（７）式で表すことができる。

従って、上記（６），（７）式を前述した（２）式中のパラメータＳ_３を示す式に代入すれば、以下の（８）式に示す通り、前述した（３）式に示すパラメータＳ_３（λ）が得られる。

表示部４０は、ＣＲＴ（Cathode Ray Tube）又は液晶表示装置等の表示装置を備えており、信号処理部３０で求められた被測定光Ｌ０のスペクトル又は偏光特性を表示する。尚、図１においては、図示を省略しているが、偏光解消板１２の回転角、回折格子１５の回転角、及び可動ホルダ１８の移動方向は、光スペクトラムアナライザ１の動作を統括して制御する制御装置によって制御される。

次に、上記構成における光スペクトラムアナライザ１の動作について説明する。被測定光Ｌ０の偏光特性を測定する場合には、ユーザが光スペクトラムアナライザ１に設けられた操作部（図示省略）を操作して、光スペクトラムアナライザ１の不図示の制御装置に対して偏光特性の測定を指示するとともに測定すべき波長範囲を指示する。そして、被測定光Ｌ０が分光器１０の入射スリット１１に照射されている状態で、ユーザが上記の操作部を操作して制御装置に対して測定開始の指示を行うことにより、被測定光Ｌ０の偏光特性の測定が開始される。

測定が開始されると、まず偏光解消板１２の回転角を０度（第２回転状態）に設定した状態での被測定光Ｌ０の測定（第１測定）が行われ、次に偏光解消板１２の回転角を４５度（第１回転状態）に設定した状態での被測定光Ｌ０の測定（第２測定）が行われ、最後に第１，第２測定の各々の測定結果を用いた信号処理が行われて被測定光Ｌ０の偏光特性が求められる。以下、これらについて順に説明する。

〔第１測定〕
図６は、本発明の一実施形態による光スペクトラムアナライザの第１測定時の動作を説明するための図である。第１測定が開始されると、不図示の制御装置の制御の下で、偏光解消板１２の回転角が０度に設定されるとともに射出スリット１７が＋Ｘ方向に移動される。これにより、射出スリット１７は、図５（ａ）に示す通り、正面視において受光部２０の受光素子２０ａ，２０ｂがスリット１７ａを介して共に見えるように配置される。更に、不図示の制御装置の制御の下で、回折格子１５の回転角が測定を開始すべき波長に応じた角度に設定される。

以上の設定が終了すると、入射スリット１１から測定光Ｌ０が入射されて偏光解消板１２に入射し、＋Ｙ方向のベクトル成分を有する分岐光Ｌ１と、−Ｙ方向のベクトル成分を有する分岐光Ｌ２とに分岐される。ここで、図６（ａ）に示す通り、偏光解消板１２で分岐された分岐光Ｌ１の偏光状態はＸ軸に対して＋４５度の角度をなす直線偏光であり、分岐光Ｌ２の偏光状態はＸ軸に対して−４５度の角度をなす直線偏光である。

これらの分岐光Ｌ１，Ｌ２は、凹面鏡１４に入射して平行光に変換された後に回折格子１５の回折面１５ａに入射してそれぞれ分散される。図６（ａ）に示す通り、分岐光Ｌ１，Ｌ２の偏光状態はそれぞれＸ軸に対して±４５度の角度をなす直線偏光であるため、分岐光Ｌ１，Ｌ２は、回折格子１５の入射面に対して４５度（正確には±４５度）の角度をなす直線偏光として回折格子１５の回折面１５ａに入射する。

回折格子１５の回折面１５ａで分散された分岐光Ｌ１，Ｌ２の波長成分のうち、凹面鏡１６に入射した波長成分は、射出スリット１７に形成されたスリット１７ａに集光される。ここで、図６（ｂ）に示す通り、これらの波長成分は、Ｘ方向についてはほぼ同じ位置に集光されるが、Ｙ方向については異なる位置にそれぞれ集光される。尚、図６（ｂ）では、射出スリット１７に形成されたスリット１７ａに集光される分岐光Ｌ１の波長成分を符号Ｌ１１を付した実線で示し、分岐光Ｌ２の波長成分を符号Ｌ１２を付した波線で示している。

射出スリット１７に形成されたスリット１７ａを通過した分岐光Ｌ１，Ｌ２の波長成分Ｌ１１，Ｌ１２は受光部２０で受光され、波長成分Ｌ１１，Ｌ１２の強度に応じた信号強度を有する受光信号が出力される。ここで、図６（ｃ）に示す通り、分岐光Ｌ１の波長成分Ｌ１１は受光部２０の受光素子２０ａで受光され、分岐光Ｌ２の波長成分Ｌ１２は受光部２０の受光素子２０ｂで受光される。受光部２０から出力された受光信号は信号処理部３０に入力されて一時的に記憶される。以上の一連の処理が回折格子１５の回転角を変化させつつ行われ、回折格子１５の回転角が測定を終了すべき波長に応じた角度になった時点で第１測定が終了する。

〔第２測定〕
図７は、本発明の一実施形態による光スペクトラムアナライザの第２測定時の動作を説明するための図である。第２測定が開始されると、不図示の制御装置の制御の下で、偏光解消板１２の回転角が４５度に設定されるとともに射出スリット１７が−Ｘ方向に移動される。これにより、射出スリット１７は、図５（ｂ）に示す通り、正面視において受光部２０の受光素子２０ａがスリット１７ｂを介し、受光素子２０ｂがスリット１７ｃを介してそれぞれ見えるように配置される。更に、不図示の制御装置の制御の下で、回折格子１５の回転角が測定を開始すべき波長に応じた角度に設定される。

以上の設定が終了すると、入射スリット１１から測定光Ｌ０が入射されて偏光解消板１２に入射し、＋Ｘ方向のベクトル成分及び＋Ｙ方向のベクトル成分を有する分岐光Ｌ１と、−Ｘ方向のベクトル成分及び−Ｙ方向のベクトル成分を有する分岐光Ｌ２とに分岐される。ここで、図７（ａ）に示す通り、偏光解消板１２で分岐された分岐光Ｌ１の偏光状態はＸ軸に平行な直線偏光であり、分岐光Ｌ２の偏光状態はＹ軸に平行な直線偏光である。

これらの分岐光Ｌ１，Ｌ２は、凹面鏡１４に入射して平行光に変換された後に回折格子１５の回折面１５ａに入射してそれぞれ分散される。図７（ａ）に示す通り、分岐光Ｌ１の偏光状態はＸ軸に平行な直線偏光であるため、分岐光Ｌ１は回折格子１５の入射面に対して平行な直線偏光として回折格子１５の回折面１５ａに入射する。これに対し、図７（ａ）に示す通り、分岐光Ｌ２の偏光状態はＹ軸に平行な直線偏光であるため、分岐光Ｌ２は回折格子１５の入射面に対して垂直な直線偏光として回折格子１５の回折面１５ａに入射する。

図７（ｂ）に示す通り、回折格子１５の回折面１５ａで分散された分岐光Ｌ１の波長成分のうち凹面鏡１６に入射した波長成分Ｌ１１は、射出スリット１７に形成されたスリット１７ｂに集光される。これに対し、回折格子１５の回折面１５ａで分散された分岐光Ｌ２の波長成分のうち凹面鏡１６に入射した波長成分Ｌ１２は、射出スリット１７に形成されたスリット１７ｃに集光される。

図７（ｃ）に示す通り、射出スリット１７に形成されたスリット１７ｂを通過した分岐光Ｌ１の波長成分Ｌ１１は受光部２０の受光素子２０ａで受光され、スリット１７ｂを通過した分岐光Ｌ２の波長成分Ｌ１２は受光部２０の受光素子２０ｂで受光される。そして、受光素子２０ａ，２０ｂからは、波長成分Ｌ１１，Ｌ１２の強度に応じた信号強度を有する受光信号がそれぞれ出力される。受光部２０から出力された受光信号は信号処理部３０に入力されて一時的に記憶される。以上の一連の処理が回折格子１５の回転角を変化させつつ行われ、回折格子１５の回転角が測定を終了すべき波長に応じた角度になった時点で第２測定が終了する。

〔信号処理〕
以上の第１測定及び第２測定が終了すると、信号処理部３０において、第１測定で得られた測定結果と第２測定結果とを用いて前述した（３）式から波長毎のストークスベクトルＳ（λ）が求められ、これにより被測定光Ｌ０の波長毎の偏光特性が得られる。信号処理部２０で得られた被測定光Ｌ０の波長毎の偏光特性は表示部４０に表示される。このようにして、被測定光Ｌ０の波長毎又は周波数毎の偏光特性が測定される。

以上説明した通り、本実施形態では、入射スリット１１から入射される被測定光Ｌ０を互いに直交する偏光状態の分岐光Ｌ１１，Ｌ１２に分岐する偏光解消板１２を設け、偏光解消板１２の回転角度を０度に設定して回折格子１５で分散された分岐光Ｌ１１，Ｌ１２の波長成分を個別に受光して各々の受光信号を得る第１測定を行うとともに、偏光解消板１２の回転角度を４５度に設定して回折格子１５で分散された分岐光Ｌ１１，Ｌ１２の波長成分を個別に受光して各々の受光信号を得る第２測定を行い、これら第１，第２測定で得られた受光信号を用いて所定の信号処理を行っている。このため、被測定光Ｌ０の波長毎又は周波数毎の強度特性であるスペクトルの測定に加えて、被測定光Ｌ０の波長毎又は周波数毎の偏光特性を測定することができる。

以上、本発明の実施形態による光スペクトラムアナライザについて説明したが、本発明は上述した実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、偏光解消板１２として楔形状の水晶板１２ａ，１２ｂを貼り合わせてなるものを例に挙げて説明したが、偏光解消板１２の材質としては水晶以外に方解石、雲母、フッ化マグネシウム、ＹＶＯ_４（イットリウム・オルトバナデート）、ルチル等の複屈折性を有するものを用いることができる。

また、偏光解消板１２としては、楔形状の水晶板１２ａ，１２ｂを貼り合わせたウォラストン・プリズム型のものに代えて、サバール板型のもの、或いは偏光ビームスプリッタ等を用いることができる。つまり、偏光解消板１２としては、入射する光を互いに直交する偏光状態の複数の分岐光に分岐できるものであれば良い。

また、上記実施形態では、ツェルニ・ターナ型の分光器１０を備える光スペクトラムアナライザを例に挙げて説明したが、本発明はリトロー型の分光器を始めとして任意の分光器を備える光スペクトラムアナライザに適用することができる。また、凹面鏡１４，１６に代えてレンズを備えており、レンズを用いて分岐光Ｌ１，Ｌ２を平行光にして回折格子１５に入射させ、レンズを用いて回折格子１５で回折された所定の波長成分を射出スリット１７に集光させる分光器であってもよい。

更に、本発明は、分岐光が回折格子等の分散素子を一度のみ通過するシングルパスの分光器を備える光スペクトラムアナライザのみならず、分岐光が複数回に亘って分散素子を通過するマルチパスの分光器を備える光スペクトラムアナライザにも適用することができる。また、上記実施形態では、分散素子として回折格子を用いていたが、誘電体多層膜フィルタを用いることもできる。

更に、上記実施形態では、被測定光Ｌ０の波長測定精度を高めるために、３つのスリット１７ａ〜１７ｃが形成された射出スリット１７を備える例について説明した。しかしながら、さほど高い波長測定精度が要求されない場合には、スリット１７ｂとスリット１７ｃとが含まれる程度の幅（Ｘ方向の幅）を有する矩形形状のスリットのみが形成されている射出スリットを用いることができる。かかる射出スリットを用いると、偏光解消板１２の回転角が０度に設定される場合、及び４５度に設定される場合の何れの場合であっても、回折格子１５によって分散されて凹面鏡１６により集光される分岐光Ｌ１，Ｌ２の波長成分は射出スリットに形成された幅広のスリットを通過することができ、射出スリットをＸ方向に移動させる必要が無くなって可動ホルダ１８を省略することができる。更に、受光部２０の受光素子２０ａ，２０ｂの大きさによって受光される波長成分が制限されるため、射出スリット自体を省略することもできる。

本発明の一実施形態による光スペクトラムアナライザの要部構成を示す斜視図である。 偏光解消板１２の構成を示す図である。 射出スリット１７の正面図である。 受光部２０の正面図である。 射出スリット１７と受光部２０との相対的な位置関係を示す正面図である。 本発明の一実施形態による光スペクトラムアナライザの第１測定時の動作を説明するための図である。 本発明の一実施形態による光スペクトラムアナライザの第２測定時の動作を説明するための図である。

符号の説明

１ 光スペクトラムアナライザ
１２ 偏光解消板
１２ａ，１２ｂ 水晶板
１５ 回折格子
１７ 射出スリット
１７ａ〜１７ｃ スリット
１８ 可動ホルダ
２０ 受光部
２０ａ，２０ｂ 受光素子
３０ 信号処理部
Ａ１ 軸
Ｃ１，Ｃ２ 光学軸
Ｌ０ 被測定光
Ｌ１，Ｌ２ 分岐光

Claims (6)

1. 被測定光のスペクトルを測定する光スペクトラムアナライザにおいて、
   前記被測定光の光路上に当該光路の周りに回転可能に配置され、前記被測定光を互いに直交する偏光状態の第１，第２分岐光に分岐する分岐素子と、
   前記第１，第２分岐光の入射面に交差する軸の周りに回転可能であり、前記分岐素子で分岐された前記第１，第２分岐光を分散させる分散素子と、
   前記分散素子で分散された前記第１，第２分岐光の所定の波長成分を個別に受光して各々の受光信号を出力する受光部と、
   前記受光部から出力される前記受光信号に対して所定の信号処理を行って前記被測定光の偏光特性を求める信号処理部と
   を備えることを特徴とする光スペクトラムアナライザ。
2. 前記分岐素子は、前記第１，第２分岐光の何れか一方の偏光状態が前記分散素子の入射面に対して垂直になるとともに何れか他方の偏光状態が前記分散素子の入射面に対して平行になるよう前記被測定光を分岐する第１回転状態と、
   前記第１，第２分岐光の偏光状態の双方が前記分散素子の入射面に対して４５度の角度をなすように前記被測定光を分岐する第２回転状態と
   の何れか一方の回転状態に設定されることを特徴とする請求項１記載の光スペクトラムアナライザ。
3. 前記分岐素子は、第１光学軸に対して４５度の方向に厚みが連続的に変化する第１光学素子と、第２光学軸に対して４５度の方向に厚みが連続的に変化する第２光学素子とが、前記第１光学軸と前記第２光学軸とが互いに直交するように貼り合わされてなるものであることを特徴とする請求項２記載の光スペクトラムアナライザ。
4. 前記分岐素子が前記第１回転状態に設定されている場合に、前記分散素子で分散された前記第１，第２分岐光の所定の波長成分を通過させる第１開口と、前記分岐素子が前記第２回転状態に設定されている場合に、前記分散素子で分散された前記第１，第２分岐光の所定の波長成分を通過させる第２開口とが形成された射出スリットと、
   前記分岐素子の回転状態に応じて前記第１開口を通過した波長成分又は前記第２開口を通過した波長成分が前記受光部で受光されるように前記射出スリットを移動させる移動部と
   を備えることを特徴とする請求項３記載の光スペクトラムアナライザ。
5. 前記受光部は、前記分散素子で分散された前記第１分岐光の所定の波長成分を受光する第１受光素子と、
   前記分散素子で分散された前記第２分岐光の所定の波長成分を受光する第２受光素子と
   を備えることを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の光スペクトラムアナライザ。
6. 前記信号処理部は、前記分岐素子が前記第１回転状態に設定されている場合に前記受光部から出力される受光信号と、前記分岐素子が前記第２回転状態に設定されている場合に前記受光部から出力される受光信号とを用いて前記被測定光の偏光特性を求めることを特徴とする請求項２から請求項４の何れか一項に記載の光スペクトラムアナライザ。

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