JP2010212490A - 光パルス発生器およびそれを用いた光計測器 - Google Patents

Abstract

【課題】単色性に優れた複数の波長の光パルスを連続して高速で生成でき、小型且つ安価で計測器への組み込みが容易な光パルス発生器およびそれを用いた光計測器を提供する。
【解決手段】光を発する発光素子１と、光の波長を掃引する波長掃引手段２を有し、出力光の波長を周期的に変化させる波長掃引光源３と、波長掃引光源３の出力光を受光する第１および第２の受光器７、１１と、波長掃引光源３の出力光の波長が周期的に掃引されている間、モードホップによって生じる第１の受光器７の出力信号の不連続変化を検出するモードホップ検出手段８と、該不連続変化がなくなるように発光素子１への注入電流を変化させる注入電流制御手段４と、波長掃引光源３の出力光を受光し、第２の受光器１１の出力信号をトリガ信号として、波長掃引光源３の出力光を所望の時間だけ透過させる光スイッチ９と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光パルス発生器とそれを用いた光計測器に関する。

近年、光パルスを試験光として光部品や光ファイバの品質評価を行うことが広く行われている。その代表例として、光ファイバ網における光ファイバの破断箇所などの検出に用いられているＯＴＤＲ（Optical Time-Domain Reflectometer）などが挙げられる。

ＯＴＤＲは、光パルスを被測定光ファイバへ入射し、該光ファイバ中で生じる散乱光や反射光を検出することで、光ファイバの破断箇所を正確に求めることができる装置である。ただし、検出される散乱光や反射光は微弱であるため、多数回の測定結果を積分して測定精度を向上させている。

ここで用いられる光パルス発生源は、例えば半導体レーザ素子であり、同素子を直接変調したり、同素子からの出力光を光スイッチで制御したりすれば固定波長の光パルスを容易に得ることができる。

しかしながら、最近利用が進められている光波長ルーティングネットワークでは、光信号の伝送経路（光ファイバ）は光信号の波長ごとに異なる。そのため、従来のような固定波長の光パルスを試験光として用いた場合、該固定波長以外の光信号が伝送される経路を測定できないという問題があった。

ここではＯＴＤＲを例として挙げたが、一般的に、波長依存性を有する被測定物の品質評価を行う場合には同様のことが問題となる。

この問題を解決する手段として、波長可変光源を用いることが考えられる（例えば、特許文献１参照）。同光源を用いれば、所定の範囲において所望の波長の光を出力することができるため、出力光の波長を所望の値に合わせた後、光スイッチ等により出力光をパルス的に取り出せば、光パルスを生成できる。

特許第３０６９６４３号明細書

しかしながら、特許文献１に開示された波長可変光源は波長掃引速度が非常に遅く、波長を所望の値に合わせるのに秒オーダーの時間を要する。このため、複数波長の光パルスを発生させるために、まずある波長に合わせて光パルスを発生し、次に別の波長に合わせて光パルスを発生するという手順を繰り返すと、非常に時間がかかってしまい、高々６０波長の光パルスを発生させるのに、分オーダーの時間を要してしまうという問題があった。これは、光源からの出力光の波長が不連続に突然変化してしまうモードホップという現象を回避するために、複雑な制御が必要となることが一因となっている。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、モードホップを生じず、波長飛びのない安定した波長掃引を実現することで、単色性に優れた複数の波長の光パルスを連続して高速で生成できる光パルス発生器を提供することを目的とする。さらに、小型且つ安価で計測器への組み込みが容易な光パルス発生器およびそれを用いた光計測器を提供することも目的とする。

本発明の光パルス発生器は、光を発する発光素子と、該発光素子を含む外部共振器を形成して該外部共振器において共振する光の波長を掃引する波長掃引手段を有し、出力光の波長を周期的に変化させる波長掃引光源と、前記波長掃引光源の出力光の一部を受光し、該受光された光の強度に応じた電気信号を出力する第１の受光器と、前記波長掃引光源の出力光の波長が周期的に掃引されている間、前記第１の受光器の出力を監視し、モードホップによって生じる前記第１の受光器からの前記電気信号の不連続変化を検出するモードホップ検出手段と、前記モードホップ検出手段によって検出された前記第１の受光器の前記電気信号の不連続変化がなくなるように前記発光素子への注入電流を変化させる注入電流制御手段と、前記波長掃引光源の出力光の別の一部を受光し、所定波長の光を透過させる光フィルタと、前記光フィルタを透過した所定波長の光を受光し、該受光された光の強度に応じた電気信号を出力する第２の受光器と、前記波長掃引光源の出力光を受光し、前記第２の受光器から出力された電気信号をトリガ信号として、該波長掃引光源の出力光を所望の時間だけ透過させる光スイッチと、を備え、所望の波長を含む光パルスを出力する構成を有している。

この構成により、モードホップが生じない状態で、連続的に波長を掃引する掃引光源の出力光を、光フィルタを波長の基準として、光スイッチでパルス的に取り出すことにより、単色性に優れた所望の複数の波長の光パルスを連続して高速に生成することができる。

また、本発明の光パルス発生器は、前記注入電流制御手段は、前記波長掃引光源の波長掃引の周期と同期させて、前記発光素子への前記注入電流を可変制御する構成を有している。

また、本発明の光パルス発生器は、前記注入電流制御手段は、波長掃引中における前記第１の受光器からの前記電気信号の不連続変化がなく且つ波長掃引範囲における光出力がほぼ一定となるように前記注入電流を可変制御する構成を有している。

これらの構成により、連続して高速に生成される複数の光パルスそれぞれのパワーを調整することができる。

また、本発明の光パルス発生器は、前記発光素子またはその周囲の温度を検出する温度センサと、少なくとも前記発光素子の温度を可変するためのペルチェ素子と、前記温度センサの出力と前記第１の受光器の出力に基づいて前記ペルチェ素子への供給電流を制御することで、前記発光素子からの出射光の波長掃引範囲における平均出力が所望の値となるようにする温度制御手段と、を備えている構成を有している。

この構成により、周囲温度が変動していても、モードホップを抑制することができるため、周囲温度によらず、単色性に優れた所望の複数の波長の光パルスを連続して高速に生成することができる。

また、本発明の光パルス発生器は、前記発光素子は、２つの端面のうち少なくとも一方の端面が低反射率面であるとともに、基台上に固定され、前記波長掃引手段が、前記発光素子の前記低反射率面からの出射光を平行光に変換する前記基台上に固定されたコリメートレンズと、光を回折するための回折溝が平行に形成されている回折面を有し、前記コリメートレンズから出射された光が、前記回折溝と直交し且つ前記回折面に対して非直交となる所定の入射角で所定入射位置に入射される状態で前記基台上に固定された回折格子と、前記回折格子の前記回折面と対向する反射板を有し、前記回折格子の前記回折溝と平行な特定位置の軸を中心にして前記回折面と直交する平面内で回動可能に形成され、前記コリメートレンズから出射されて前記回折格子の前記回折面に入射した光に対する回折光のうち前記反射板の反射面に直交する光路に沿った光を反射して逆光路で前記回折格子に戻し、該戻された光を入射光路と同じ光路で前記コリメートレンズを介して前記発光素子へ戻す前記基台上に固定された回動ミラーとを有し、前記回動ミラーの回動中心位置からの前記回折格子の前記所定入射位置までの距離ｒ、前記回動中心位置から前記反射面を延長した平面までの距離Ｌ２、前記発光素子の実効共振器端面から前記回折格子の前記所定入射位置に至る光路長Ｌ１および前記回折格子の前記回折面への光入射角αとの間に、ｒ＝（Ｌ１−Ｌ２）／ｓｉｎ αの関係を成立させて、前記回動ミラーの前記反射面の角度変化に応じて前記発光素子から前記コリメートレンズおよび前記回折格子の前記回折面を経て前記回動ミラーの前記反射面に至る共振器長を変化させ、前記発光素子が出射する光の波長を所定の範囲内で連続的に変化させるリトマン方式外部共振器型である構成を有している。

この構成により、理論的にモードホップを生じない配置を実現できるため、モードホップをさらに抑制することができる。

また、本発明の光パルス発生器は、前記基台上に固定され、前記コリメートレンズから出射された光を前記回折格子の前記所定入射位置に向けて反射する固定ミラーをさらに備え、前記発光素子、前記コリメートレンズ、前記固定ミラーおよび前記回折格子が前記回動ミラーの一面側に配置され、前記発光素子から前記固定ミラーを介して前記回折格子に至る光路が、前記回動ミラーと非交差である構成を有している。

この構成により、回動ミラーの回動機構を簡素化でき、その回転軸を安定化できるため、モードホップをさらに抑制できるだけでなく、外部共振器を小型化できるため、光パルス発生器も小型化することができる。

また、本発明の光パルス発生器は、前記発光素子から前記コリメートレンズを介し、前記固定ミラーに至る光路が、前記回折格子の前記回折溝と平行となるように、前記発光素子、前記コリメートレンズおよび前記固定ミラーが配置された構成を有している。

この構成により、外部共振器をさらに小型化できるため、光パルス発生器をより小型にすることができる。

また、本発明の光パルス発生器は、前記回動ミラーは、前記基台に固定されたフレームと、前記フレームの内側に配置され一面側に前記反射面が形成された前記反射板と、前記反射板の外縁と前記フレームの内縁との間を連結する捩れ変形可能で前記回折格子の前記回折溝と平行な一直線上に並ぶ一対の連結部とで一体的に形成され、前記反射板の端に力を周期的に付与する回動駆動手段により、前記連結部を中心に前記反射板を往復回動させる構成を有している。

この構成により、回動ミラーの回動機構は捩れバネにより実現され、そこには一切の接触部や摩擦部を必要としないため、回転軸の安定度が格段に向上し、振動や衝撃などの外乱に関わらず、所望の波長の光パルスを安定して発生させることができる。

本発明の光計測器は、上記のいずれかの光パルス発生器と、前記光パルス発生器から出力された前記光パルスを被測定物へ入射したのち、該被測定物から出射される出射光を受光し、該受光された光の強度に応じた電気信号を出力する受光部と、前記出力された各光パルスの波長と前記各光パルスに対する前記受光部からの前記電気信号を対応づけて保存するメモリ部と、前記メモリ部に保存された前記波長と前記受光部からの前記電気信号を処理する演算部と、を備える構成を有している。

本発明の光計測器は、前記演算部が、前記波長ごとに前記メモリ部に保存された複数の前記受光部からの前記電気信号を、波長ごとに平均化処理する構成を有している。

これらの構成により、単色性に優れた所望の複数の光パルスを連続して被測定物に入射させることができるため、被測定物の検査を短時間で効率的に行うことができるとともに、平均化処理などにより、検査で得られるデータのＳ／Ｎ比を向上させることもできる。

本発明は、単色性に優れた複数の波長の光パルスを連続して高速で生成でき、小型且つ安価で計測器への組み込みが容易な光パルス発生器およびそれを用いた光計測器を提供するものである。

本発明の第１の実施形態の光パルス発生器の構成を示すブロック図 トリガ信号と光スイッチから出力される光パルスの関係を示すグラフ 本発明の第１の実施形態の光パルス発生器に使用される発光素子の構成を示す断面図 本発明の第１の実施形態の光パルス発生器に使用される波長掃引光源の構成を示す平面図 本発明の第１の実施形態の光パルス発生器に使用される波長掃引光源が波長を連続的に掃引するための条件を説明するための模式図 波長掃引光源の回動ミラーの分解斜視図 本発明の第１の実施形態の光パルス発生器が出力する光パルスを模式的に示すグラフ 従来の固定波長の光パルス（ａ）および本発明の第１の実施形態の光パルス発生器で生成される光パルス（ｂ）の波長特性を模式的に示すグラフ モードホップが生じるメカニズムを説明するための模式的なグラフ 本発明の第２の実施形態の光パルス発生器における注入電流の制御方法を示すグラフ 本発明の第２の実施形態の光パルス発生器における注入電流の制御方法を示すグラフ 本発明の第２の実施形態の光パルス発生器における注入電流の制御方法を示すグラフ 本発明の第３の実施形態の光パルス発生器の構成を示すブロック図 本発明の第４の実施形態の光計測器の構成を示すブロック図 駆動信号、トリガ信号および受光部の出力信号の関係を示すグラフ

以下、本発明に係る光パルス発生器およびそれを用いた光計測器の実施形態について、図面を用いて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る光パルス発生器の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。

即ち、図１に示すように、第１の実施形態の光パルス発生器２０は、光を発する発光素子１、および、発光素子１を含む外部共振器を形成して、該外部共振器において共振する光の波長を掃引する波長掃引手段２を有する波長掃引光源３と、発光素子１を駆動且つ制御する注入電流制御手段４が用いられる。

例えば、波長掃引光源３の光出力は第１のビームスプリッタ５で分岐され、その一方の分岐光はさらに別の第２のビームスプリッタ６で分岐される。第２のビームスプリッタ６で分岐された一方の光は第１の受光器７で受光される。該受光された光の強度に応じた第１の受光器７からの出力信号はモードホップ検出手段８により監視され、モードホップが生じたならばそれを消すように、注入電流制御手段４により発光素子１への注入電流Ｉ_dが制御される。第１のビームスプリッタ５で分岐された他方の分岐光は光スイッチ９へ入射される。

第２のビームスプリッタ６で分岐された他方の光は、光フィルタ１０へ入射される。光フィルタ１０は、例えば、波長掃引時に所望の光パルスの波長が出力される直前の波長のみ透過するように設定されている。この時、所望の波長が出力される直前に第２の受光器１１に光が入射され、図２に示すように第２の受光器１１の出力信号をトリガとして光スイッチ９を所望の時間だけＯＮにすれば、光スイッチ９から光パルスを出力することができる。

出力したい光パルスが複数の波長となる場合、それらの波長の直前の波長で光を透過する光フィルタ１０を用意すればよい。また、第２の受光器１１の出力信号をトリガとして、光スイッチ９を複数回ＯＮ／ＯＦＦさせ、所望の波長近傍の波長を持つ光パルスを複数生成することもできる。ここではエタロンのように特定波長で光を透過する例を挙げたが、ガスセルのように特定波長で光を吸収するフィルタを用い、その吸収ピークをトリガとしてもよい。

発光素子１は、図３の光の伝搬方向に沿って切断した断面図に示すように、例えば、ｎ型ＩｎＰ（インジウム・リン）からなるｎ型半導体基板１０１の上に、ＩｎＧａＡｓＰ（インジウム・ガリウム・砒素・リン）からなる活性層１０２（なお、ここで言う活性層１０２は、ＭＱＷとそれを挟むＳＣＨ層を含む）、ｐ型ＩｎＰクラッド層１０３、ＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム・砒素）からなるコンタクト層１０４が順次積層されて構成される半導体レーザである。

さらに、ｎ型半導体基板１０１の下面には下部電極１０５、コンタクト層１０４上には上部電極１０６が蒸着形成されている。また、２つの端面１ａ、１ｂのうちの一方の端面１ａの反射率が他方の端面１ｂの反射率より低く形成されている。

図４は本実施形態の光パルス発生器２０に使用される波長掃引光源３の構成を示す平面図である。

波長掃引光源３は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナを用いたリトマン型の外部共振型波長掃引光源である。ここで、波長掃引手段２は、基台２１上に、発光素子１の低反射端面である一方の端面１ａから出射された光を平行光に変換するコリメートレンズ２３と、コリメートレンズ２３から出射された平行光を回折する回折格子２５と、固定の軸（以下、回動中心位置と記す）周りに往復回動可能であり、回折格子２５によって回折された平行光を反射して逆光路で回折格子２５へ再入射させる回動ミラー３０と、を備える。

回折格子２５は、基台２１に垂直に固定されており、光を回折するための回折溝（図示せず）が基台２１に垂直な向きで平行に形成されている回折面２５ａを有する。

ここで、図５に示すように、回折格子２５の回折面２５ａを回動ミラー３０の回動中心位置Ｏ側へ延長した平面をＨ１、発光素子１の内部の屈折率を考慮した実効共振端面１ｃを延長した平面をＨ２、回動ミラー３０の反射板３２の反射面３２ａを延長した平面をＨ３とする。

また、波長掃引光源３は、基台２１上に固定され、コリメートレンズ２３から出射された光を回折格子２５の所定入射位置Ｇに向けて反射する固定ミラー２４をさらに備える。固定ミラー２４は、平面Ｈ３と平面Ｈ１とで挟まれる空間で、且つ回折格子２５の所定入射位置Ｇと回動ミラー３０の回動中心位置Ｏとの間の位置に配置される。

発光素子１およびコリメートレンズ２３は、平面Ｈ３で区切られる２つの空間のうち回折格子２５を含む空間側に配置される。なお、発光素子１から回折格子２５までの光路は回動ミラー３０に対して非交差である。

この回動ミラー３０は、図６の分解斜視図に示すように、導電性を有する基板（例えばシリコン基板）に対するエッチング処理等によって形成され、上板３１ａ、下板３１ｂ、横板３１ｃ、３１ｄで横長矩形枠状に形成されたフレーム３１と、フレーム３１の内側に同心状に配置され、少なくとも一面側に光を反射するための反射面３２ａが形成された横長矩形の反射板３２と、フレーム３１の上板３１ａ、下板３１ｂの互いに対向する内縁中央から反射板３２の上縁中央および下縁中央まで上下に一直線上に並ぶようにそれぞれ延びてフレーム３１の上板３１ａ、下板３１ｂと反射板３２との間を連結し、捩れ変形して反射板３２を回動させる一対の連結部３３、３４と、を有する。

また、回動ミラー３０のフレーム３１の横板３１ｃ、３１ｄの一方（ここでは横板３１ｃ）の両面には、反射板３２に静電的に外力を与えるための電極板３５、３６がそれぞれ絶縁性を有するスペーサ３７を介して取り付けられている。電極板３５、３６は、反射板３２の一端側（ここでは左端側）の両面にスペーサ３７の厚み分の隙間を開けた状態でオーバラップしている。

さらに、回動ミラー３０は、図４に示すように、反射板３２に外力を与え、一対の連結部３３、３４の中心を結ぶ線を回動中心位置Ｏとして反射板３２を所定角度範囲で往復回動させる駆動手段としての駆動装置４０を有する。

駆動装置４０は、回動ミラー３０のフレーム３１を基準電位として２つの電極板３５、３６に対して、例えば位相が１８０度ずれた駆動信号Ｖ１、Ｖ２を印加して、電極板３５、３６と反射板３２の端部との間に静電的な吸引力を交互に生じさせ、反射板３２を往復回動させる。

この駆動信号Ｖ１、Ｖ２の周波数は、回動ミラー３０の反射板３２の形状、重さおよび連結部３３、３４の捩れバネ定数等によって決まる反射板３２の固有振動数に等しくなるように設定されているので、少ない駆動電力で反射板３２を大きな角度で往復回動させることができる。

この反射板３２の往復回動により、波長掃引光源３内の実効光路長、および、回折格子２５の回折面２５ａに対する反射板３２の反射面３２ａの角度が変化して、波長掃引光源３から出力されるレーザ光の波長が連続的且つ周期的に変化する。

ここで、固定ミラー２４から発光素子１の実効共振端面１ｃまでの実効光路長Ｌ３と、固定ミラー２４から回折格子２５の回折面２５ａの所定入射位置Ｇまでの光路長Ｌ４と、回動ミラー３０の反射板３２の回動中心位置Ｏから平面Ｈ３までの距離Ｌ２と、回動中心位置Ｏから回折格子２５の回折面２５ａの所定入射位置Ｇまでの距離ｒと、回折格子２５の回折面２５ａに対する光の入射角αとの関係が下の式を満たすように各部を設定することで、モードホップフリーで連続波長掃引を行うことが可能となる。
ｒ=（Ｌ３＋Ｌ４−Ｌ２）／ｓｉｎ α ・・・・・・（１）

即ち、波長掃引光源３は、固定ミラー２４を介して回折格子２５に光を入射させ、反射板３２と光路とを交差させない構成を有するため、反射板３２に光通過用の穴などを設ける必要がない。このため、剛性低下による変形が起こらず、安定で高速な波長掃引を行うことができる。

従って、このように構成された波長掃引光源３は、非常に高速な波長掃引が可能であり、例えば１００ｎｍの波長範囲を約１ミリ秒で掃引できる。

先に光フィルタ１０を用いて光スイッチ９をＯＮ／ＯＦＦするタイミングを計る例を示したが、上記の駆動装置４０から出力される駆動信号Ｖ１、Ｖ２と波長掃引光源３の出力光の波長λの時間的関係を前もって調べておけば、駆動信号Ｖ１、Ｖ２に基づいて光スイッチ９のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることで所望の波長を持つ光パルスを生成することもできる。

例えば、このことは光スイッチ９が図７に示すような駆動装置４０から出力される駆動信号Ｖ１、Ｖ２と掃引波長λとの時間的関係を予め記憶していることにより実現できる。これにより、光パルス発生器２０は、図中の時刻Ｔ_i（ｉ＝１〜ｎ）を中心とする所定時間幅のみ光スイッチ９がＯＮとなることにより複数の所望の掃引波長λ_i（ｉ＝１〜ｎ）を持つ光パルスを順次発生させることができる。

また、光スイッチ９をＯＮ／ＯＦＦするタイミングを計る手段として、駆動装置４０の駆動信号Ｖ１、Ｖ２を利用する以外にも、回動ミラー３０の反射板３２の回動角度を検出する手段を利用してもよい。例えば、反射板３２に半導体レーザ（図示せず）からレーザ光を照射し、反射板３２からの反射光をＰＤアレイやＰＳＤ（Position Sensitive Detector）（図示せず）を利用して受光すれば、その出力信号から反射板３２の回動角度を直接知ることができる。この角度と出力光の波長には一対一の関係があるため、この方法によっても所望の掃引波長λ_i（ｉ＝１〜ｎ）のレーザ光を出力可能なタイミングを検出することができる。

ここで、参考のため本発明に係る光パルス発生器２０で生成される光パルスの波長特性を、従来の固定波長の光パルスと比較することにより説明する。図８は、従来の固定波長の光パルス（ａ）および本発明に係る光パルス発生器２０で生成される光パルス（ｂ）の立ち上がりから立ち下がりまでの光強度の時間変化を模式的に示している。

従来の光パルスについては、図８（ａ）に示すように、単一波長の光スペクトラムの強度が時刻ｔ₁から時刻ｔ₄（ｔ₁＜ｔ₂＜ｔ₃＜ｔ₄）にかけて立ち上がった後に時刻ｔ₄から時刻ｔ₇（ｔ₄＜ｔ₅＜ｔ₆＜ｔ₇）にかけて立ち下がる。これに対して本発明の場合、時刻ｔ₁から時刻ｔ₇にかけて図８（ａ）同様に光スペクトラムの強度が上下に変化するとともに、光の波長も時間的に変化するという特徴がある（図８（ｂ））。

このため、本発明に係る光パルス発生器２０で生成される光パルスの単色性は従来と比較して多少劣化するものの、光パルスのパルス幅を十分狭くすることにより、単色性の高いパルスを得られる。ここで、例えば、波長掃引光源３の波長掃引範囲が１００ｎｍ、掃引周期が１ｍｓである場合を考える。単純に波長掃引速度が一定とすれば、その値は１００ｎｍ／１ｍｓ＝１００ｎｍ／ｍｓである。このとき、パルス幅０．１μｓの注入電流Ｉ_dで発光素子１を駆動すると、光パルスに含まれる波長の幅は最大でも、１００ｎｍ／ｍｓ×０．１μＳ＝１０ｐｍであり、十分に単色性の高い光パルスを生成できることがわかる。

即ち、光パルス発生器２０は、高速な波長掃引を行いながらも十分に単色性の高い光パルスを発生させることができる。このため、従来では行えなかった、異なる波長の光パルスの高速且つ多数回の発生を実現することができる。

このような高速動作が実現されるのは、波長飛び、即ちモードホップをなくすのに、従来法のように非常に複雑な制御を必要とせず、簡便な手法にもかかわらず、非常に安定した波長掃引を実現しているからである。

ここで、モードホップが生じるメカニズムを図９を用いて説明する。図９（ａ）はモードホップが生じていないとき、図９（ｂ）はモードホップが生じているときの発光素子１の縦モードと回折格子２５の透過率特性をそれぞれ模式的に示したグラフである。ここでは、ある掃引波長（図の上段）からさらに掃引波長を増加させる場合（図の下段）を示している。

式（１）が満たされている場合（モードホップが生じない場合）は、特定の１つの縦モードｍの変化に合わせて透過率特性のピークが変化することにより、常に縦モードｍが選択されている状態となる（図９(ａ)）。このときの掃引時刻ｔ（掃引波長λに対応）と波長掃引光源３の出力光の光強度Ｐとの関係は、図９（ｃ）に示すような滑らかな曲線を描く。なお、光強度Ｐが掃引時刻ｔに対して依存性を持つのは、波長掃引光源３を構成する光学部品の特性に波長依存性があるためである。

これに対して、例えば波長掃引光源３を構成する光学部品の位置がずれることなどにより、式（１）が満たされない場合（モードホップが生じる場合）は、特定の１つの縦モードｍの変化に透過率特性のピークの変化が対応せず、選択される縦モードが１つ隣りのモードｍ'に飛んでしまう（図９(ｂ)）。即ち波長掃引光源３の掃引波長λが不連続に飛ぶこととなる。

さらに、図からわかるように、このときの光強度Ｐは、ある特定の縦モードの波長と透過率特性のピークが一致している図９（ｃ）の場合と比較して突然小さく、もしくは大きく（図示せず）なる。従って、このときの掃引時刻ｔと光強度Ｐとの関係は、図９（ｄ）に示すような不連続な飛びを有するものとなる。

これは、第１の受光器７で容易に検出することができる。モードホップ検出手段８は、第１の受光器７の検出結果に基づいて、光強度Ｐの変化幅ΔＰまたはその時間微分｜ｄＰ／ｄｔ｜を算出し、それが予め定めたモードホップ閾値以上となったときにモードホップと見なす。

そして、注入電流制御手段４により、発光素子１に注入する注入電流Ｉ_dを連続的に増加させ、ΔＰまたは｜ｄＰ／ｄｔ｜がモードホップ閾値未満となった場合には、そのときの注入電流Ｉ_dを維持する。

ここで、モードホップ閾値とは、ΔＰまたは｜ｄＰ／ｄｔ｜がその値以上であるとモードホップが生じていると見なせる値である。一方、ΔＰまたは｜ｄＰ／ｄｔ｜がその値未満であるとモードホップが生じていないと見なせる。なお、モードホップ閾値は、掃引波長λ（あるいは掃引時刻ｔ）ごとに異なる値をとるものであってもよい。

上記では、ΔＰまたは｜ｄＰ／ｄｔ｜が予め定めたモードホップ閾値以上となったときに、注入電流Ｉ_dを連続的に増加させる例を挙げたが、逆に次のようにしてもよい。

即ち、注入電流制御手段４は、ΔＰまたは｜ｄＰ／ｄｔ｜が予め定めたモードホップ閾値以上となったときに、注入電流Ｉ_dを連続的に減少させ、ΔＰまたは｜ｄＰ／ｄｔ｜がモードホップ閾値未満となった場合には、そのときの注入電流Ｉ_dを維持するものであってもよい。

なお、波長掃引光源３においてはモードホップが発生する波長の再現性がよいため、光パルス発生器を使用する前に予め上記の手順でモードホップが発生しない注入電流Ｉ_dの値を取得し、初期データとして注入電流制御手段４に記憶させておいてもよい。

（第２の実施形態）
本発明に係る光パルス発生器の第２の実施形態について図面を用いて説明する。第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

第１の実施形態で述べたように、本発明においては回動ミラー３０が安定な動作をしているので、発光素子１に対する注入電流Ｉ_dの調整あるいは可変制御により、図９（ｃ）に示したように出力光の光強度Ｐに飛びのない、モードホップフリーの波長掃引を容易に実現することができる。

ここで、発光素子１に対する注入電流Ｉ_dの制御としては、前の波長掃引でモードホップが検出された場合に、注入電流Ｉ_dを所定量変化させて、次の波長掃引を行い、モードホップを検出するという処理を繰り返し、モードホップが発生しない一定の注入電流Ｉ_dを見つける半固定制御モードと、波長掃引でモードホップが検出された場合、そのモードホップ発生タイミングにおける注入電流Ｉ_dがモードホップを抑制する電流となるように掃引中に変化させるダイナミック制御モードと、が考えられる。

ダイナミック制御モードの場合、注入電流Ｉ_dの変化パターンは任意であるが、例えば図１０の注入電流ａのように、モードホップ発生タイミングｔ_α、ｔ_β（ｔ_α＜ｔ_β）の少し手前のタイミングごとに段階的に変化するパターンや、注入電流ｂのように、傾きを持つ直線（あるいは曲線的）で連続的に変化するパターンでもよい。

また、一つの制御例としては、始めに半固定制御モードによりモードホップが発生しない一定の注入電流Ｉ_dを見つける処理を行い、その処理で全てのモードホップがなくなった場合には処理を終了し、この処理でモードホップが完全になくならない場合に、最もモードホップ発生が少なくなる注入電流Ｉ_dに設定してから、ダイナミック制御モードによりモードホップごとに注入電流Ｉ_dを変化させてその発生を抑制する。このような制御により、容易にモードホップをなくすことができる。

なお、前述のように回動ミラー３０の回動は安定しているため、掃引波長範囲でモードホップを生じさせない注入電流Ｉ_dにある程度の幅があり、その範囲内で注入電流Ｉ_dを変化（半固定制御モード）させることで、図１１に示すようにモードホップのない状態で光出力の平均値を変化させることができる。

さらに、また、このモードホップフリーの範囲を積極的に利用し、ダイナミック制御モードを用い、図１２に示すように、制御前の元の出力が所望値より大きい波長範囲では元の出力と所望値との差分に応じて注入電流Ｉ_dを減らし、元の出力が所望値より小さい波長範囲では元の出力と所望値との差分に応じて注入電流Ｉ_dを増加させ、掃引波長範囲における光出力をほぼ一定（波長対出力の平坦化）にすることが可能となる。

（第３の実施形態）
本発明に係る光パルス発生器の第３の実施形態について図面を用いて説明する。第１および第２の実施形態と同様の構成については説明を省略する。

波長掃引光源３において実際にモードホップを抑制するためには、既に述べた式（１）を満たすようにサブミクロンオーダーの精度で回動中心位置Ｏを合わせなければならない。このため、波長掃引光源３を構成する光学部品の熱膨張などにより上記サブミクロンオーダーの精度を維持できない場合には、モードホップが発生してしまう場合がある。

このため、図１３に示すように、第３の実施形態の光パルス発生器５０は、第２の実施形態の光パルス発生器２０の構成に加えて、波長掃引光源３の温度を検出する温度センサ１２と、波長掃引光源３全体の温度を一定に保つためのペルチェ素子１３と、温度センサ１２によって検出された温度に基づいてペルチェ素子１３の駆動電流を制御する温度制御手段１４と、をさらに備える。

これにより、本実施形態の光パルス発生器５０は、波長掃引光源３における局所的な熱膨張を低減することにより、モードホップの発生を抑制することができる。

例えば、温度センサ１２によって発光素子１の温度が逐次検出される。温度センサ１２によって検出された温度が常にある一定温度になるように温度制御手段１４によってペルチェ素子１３の駆動電流が制御される。

また、温度制御手段１４により発光素子１全体の温度を変化させることによって、波長掃引光源３ひいては光パルス発生器５０の光出力の平均値を調整することも可能である。

（第４の実施形態）
図１４、１５に示すように、第４の実施形態の光計測器５１は、第１、第２もしくは第３の実施形態の光パルス発生器２０、５０と、該光パルス発生器から出力された所望の波長λ_i（ｉ＝１〜ｎ）の光パルスの被測定物７０への入射に伴って、被測定物７０から出射される出射光を受光し、受光された出射光に応じた出力信号を出力する受光部８０を備えている。

ただし、図１４には、簡単のため光パルス発生器として第１または第２の実施形態の光パルス発生器２０の構成のみを示している。

さらに、光計測器５１は、波長掃引手段２から出力される駆動信号Ｖ１、Ｖ２と、光パルスを発生させるために第２の受光器１１から出力されるトリガ信号と、受光部８０から出力された出力信号を保存するメモリ部９０と、これらメモリ部９０に保存されたデータを用いて、波長λ_i（ｉ＝１〜ｎ）それぞれの光パルスに対する、被測定物７０の応答特性、即ち受光部８０から出力された出力信号を算出する演算部９１と、を備えている。

光パルス発生器２０から被測定物７０へ出力された光は、被測定物７０を透過、反射もしくは散乱されて受光部８０に受光されて電気信号に変換される。受光部８０によって変換された電気信号は演算部９１に入力される。

また、第１の実施形態で説明したように、波長掃引手段２は、例えば、回動ミラー３０を回転させることで実現されるが、この波長掃引手段２においては回動ミラー３０を動作させるため、駆動信号Ｖ１およびＶ２といった、駆動のための基準クロック信号が用いられている。

このとき、前述の図７で説明したように、駆動信号に対して掃引波長λ_iの光パルスが発生する時間的な関係を予め演算部９１に記憶させておけば、その情報を元に、演算部９１では、各波長の光パルスに対する被測定物７０の応答特性を得ることができる。

また、第２の受光器１１から出力されるトリガ信号を利用すれば、より簡便に各光パルスに対する被測定物７０の応答特性を得ることができる。即ち、各トリガ信号に対する光パルスの波長は光フィルタ１０の透過特性より予めわかっているので、各トリガ信号が駆動信号を基準としたときに何番目のものなのかなど、トリガ信号を区別する手段を演算部９１で講じれば、図１５に示したような各波長の光パルスに対する被測定物７０の応答特性を容易に求めることができる。

これにより、より具体的には、所望の波長λ_i（ｉ＝１〜ｎ）の光パルスの光強度が被測定物７０を透過（反射もしくは散乱）された後にどの程度減衰したのかを演算することができる。

所望の同一の波長の複数の光パルスに対する被測定物７０の応答を演算部９１で平均化処理すれば、信号のＳ／Ｎ比を高めることができるので、より高精度な測定を実現することができる。

また、光パルス発生器２０から出力された光パルスの一部を分岐して出力光パルスパワーモニタ（図示せず）に入力し、光パルス発生器２０の出力光強度を求め、その出力光強度と、受光部８０で受けた被測定物７０の光応答を比較することで、より正確に被測定物７０の応答特性を評価することができる。

また、本実施形態の光計測器５１は被測定物７０における反射や後方散乱光を検出するＯＴＤＲに利用することも可能である。この場合には、光パルス発生器２０と被測定物７０との間に光サーキュレータ（図示せず）を挿入し、被測定物７０から光パルス発生器２０に向かって戻ってくる光のみを受光部８０で受けて、演算部９１に入力させる構成とすればよい。

これまでの説明では、１つのトリガ信号に対して、１つの光パルスを発生させる例を示してきたが、１つのトリガ信号に対して、複数回光スイッチ９をＯＮ／ＯＦＦ動作させ、複数の光パルスを発生させてもよい。

十分短い時間のうちに、複数のパルスを発生させた場合、正確には各パルスの波長は異なるものの、実質的に同一波長のパルスと見なすこともできる。

また、所定の時間間隔をあけて複数の光パルスを発生させた場合には、上記のように駆動信号を基準とした時刻と波長λ_iの関係から、各光パルスの波長情報を得ることも可能である。

さらに、光パルスを発生する手段として、光スイッチ９を用いているが、発光素子１への注入電流Ｉ_dを変調し、発光素子１の出力光を直接変調することで、光パルスを発生させてもよい。

さらに、上記の例では、リトマン型の外部共振器を掃引光源に用いているが、リトロー型、ファブリーペロー型、リングレーザ型などの波長掃引可能な外部共振器であってもよい。

以上説明したように、本実施形態の光計測器は、単色性に優れた複数の波長の光パルスを連続して被測定物に入射させることができるため、被測定物の検査を短時間で効率的に行うことができる。

１ 発光素子
１ａ、１ｂ 端面
１ｃ 実効共振端面
２ 波長掃引手段
３ 波長掃引光源
４ 注入電流制御手段
７ 第１の受光器
８ モードホップ検出手段
９ 光スイッチ
１０ 光フィルタ
１１ 第２の受光器
１２ 温度センサ
１３ ペルチェ素子
１４ 温度制御手段
２０、５０ 光パルス発生器
２１ 基台
２３ コリメートレンズ
２４ 固定ミラー
２５ 回折格子
２５ａ 回折面
３０ 回動ミラー
３１ フレーム
３２ 反射板
３２ａ 反射面
３３、３４ 連結部
４０ 駆動装置（回動駆動手段）
５１ 光計測器
７０ 被測定物
８０ 受光部
９０ メモリ部
９１ 演算部

Claims (10)

1. 光を発する発光素子（１）と、該発光素子を含む外部共振器を形成して該外部共振器において共振する光の波長を掃引する波長掃引手段（２）を有し、出力光の波長を周期的に変化させる波長掃引光源（３）と、
   前記波長掃引光源の出力光の一部を受光し、該受光された光の強度に応じた電気信号を出力する第１の受光器（７）と、
   前記波長掃引光源の出力光の波長が周期的に掃引されている間、前記第１の受光器の出力を監視し、モードホップによって生じる前記第１の受光器からの前記電気信号の不連続変化を検出するモードホップ検出手段（８）と、
   前記モードホップ検出手段によって検出された前記第１の受光器の前記電気信号の不連続変化がなくなるように前記発光素子への注入電流を変化させる注入電流制御手段（４）と、
   前記波長掃引光源の出力光の別の一部を受光し、所定波長の光を透過させる光フィルタ（１０）と、
   前記光フィルタを透過した所定波長の光を受光し、該受光された光の強度に応じた電気信号を出力する第２の受光器（１１）と、
   前記波長掃引光源の出力光を受光し、前記第２の受光器から出力された電気信号をトリガ信号として、該波長掃引光源の出力光を所望の時間だけ透過させる光スイッチ（９）と、を備え、
   所望の波長を含む光パルスを出力することを特徴とする光パルス発生器。
2. 前記注入電流制御手段は、前記波長掃引光源の波長掃引の周期と同期させて、前記発光素子への前記注入電流を可変制御することを特徴とする請求項１に記載の光パルス発生器。
3. 前記注入電流制御手段は、波長掃引中における前記第１の受光器からの前記電気信号の不連続変化がなく且つ波長掃引範囲における光出力がほぼ一定となるように前記注入電流を可変制御することを特徴とする請求項２に記載の光パルス発生器。
4. 前記発光素子またはその周囲の温度を検出する温度センサ（１２）と、
   少なくとも前記発光素子の温度を可変するためのペルチェ素子（１３）と、
   前記温度センサの出力と前記第１の受光器の出力に基づいて前記ペルチェ素子への供給電流を制御することで、前記発光素子からの出射光の波長掃引範囲における平均出力が所望の値となるようにする温度制御手段（１４）と、を備えていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光パルス発生器。
5. 前記発光素子は、２つの端面（１ａ、１ｂ）のうち少なくとも一方の端面が低反射率面であるとともに、基台（２１）上に固定され、
   前記波長掃引手段が、
   前記発光素子の前記低反射率面からの出射光を平行光に変換する前記基台上に固定されたコリメートレンズ（２３）と、
   光を回折するための回折溝が平行に形成されている回折面（２５ａ）を有し、前記コリメートレンズから出射された光が、前記回折溝と直交し且つ前記回折面に対して非直交となる所定の入射角で所定入射位置に入射される状態で前記基台上に固定された回折格子（２５）と、
   前記回折格子の前記回折面と対向する反射板（３２）を有し、前記回折格子の前記回折溝と平行な特定位置の軸を中心にして前記回折面と直交する平面内で回動可能に形成され、前記コリメートレンズから出射されて前記回折格子の前記回折面に入射した光に対する回折光のうち前記反射板の反射面（３２ａ）に直交する光路に沿った光を反射して逆光路で前記回折格子に戻し、該戻された光を入射光路と同じ光路で前記コリメートレンズを介して前記発光素子へ戻す前記基台上に固定された回動ミラー（３０）とを有し、
   前記回動ミラーの回動中心位置からの前記回折格子の前記所定入射位置までの距離ｒ、前記回動中心位置から前記反射面を延長した平面までの距離Ｌ２、前記発光素子の実効共振器端面（１ｃ）から前記回折格子の前記所定入射位置に至る光路長Ｌ１および前記回折格子の前記回折面への光入射角αとの間に、
   ｒ＝（Ｌ１−Ｌ２）／ｓｉｎ α
   の関係を成立させて、
   前記回動ミラーの前記反射面の角度変化に応じて前記発光素子から前記コリメートレンズおよび前記回折格子の前記回折面を経て前記回動ミラーの前記反射面に至る共振器長を変化させ、前記発光素子が出射する光の波長を所定の範囲内で連続的に変化させるリトマン方式外部共振器型であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光パルス発生器。
6. 前記基台上に固定され、前記コリメートレンズから出射された光を前記回折格子の前記所定入射位置に向けて反射する固定ミラー（２４）をさらに備え、
   前記発光素子、前記コリメートレンズ、前記固定ミラーおよび前記回折格子が前記回動ミラーの一面側に配置され、前記発光素子から前記固定ミラーを介して前記回折格子に至る光路が、前記回動ミラーと非交差であることを特徴とする請求項５に記載の光パルス発生器。
7. 前記発光素子から前記コリメートレンズを介し、前記固定ミラーに至る光路が、前記回折格子の前記回折溝と平行となるように、前記発光素子、前記コリメートレンズおよび前記固定ミラーが配置されたことを特徴とする請求項６に記載の光パルス発生器。
8. 前記回動ミラーは、
   前記基台に固定されたフレーム（３１）と、
   前記フレームの内側に配置され一面側に前記反射面が形成された前記反射板と、
   前記反射板の外縁と前記フレームの内縁との間を連結する捩れ変形可能で前記回折格子の前記回折溝と平行な一直線上に並ぶ一対の連結部（３３、３４）とで一体的に形成され、
   前記反射板の端に力を周期的に付与する回動駆動手段（４０）により、前記連結部を中心に前記反射板を往復回動させることを特徴とする請求項６および請求項７に記載の光パルス発生器。
9. 請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の光パルス発生器（２０、５０）と、
   前記光パルス発生器から出力された前記光パルスを被測定物（７０）へ入射したのち、該被測定物から出射される出射光を受光し、該受光された光の強度に応じた電気信号を出力する受光部（８０）と、
   前記出力された各光パルスの波長と前記各光パルスに対する前記受光部からの前記電気信号を対応づけて保存するメモリ部（９０）と、
   前記メモリ部に保存された前記波長と前記受光部からの前記電気信号を処理する演算部（９１）と、を備えることを特徴とする光計測器。
10. 前記演算部が、前記波長ごとに前記メモリ部に保存された複数の前記受光部からの前記電気信号を、波長ごとに平均化処理することを特徴とした請求項９に記載の光計測器。

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