JP2012002529A

JP2012002529A - 分光器

Info

Publication number: JP2012002529A
Application number: JP2010135014A
Authority: JP
Inventors: Kodai Murayama; 広大村山; Makoto Komiyama; 誠小宮山; Mitsuhiro Iga; 光博伊賀
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2012-01-05

Abstract

【課題】光学部品を支持する支持部材を組合せて配置して温度膨張の差を利用することにより結像位置のずれを防止した分光器を提供する。
【解決手段】複数の波長を含む光源からの光をコリメータレンズを介して受光する波長分散素子と、この波長分散素子で分光し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受光するフォトダイオードレイ素子を備えた分光器において、前記コリメータレンズ，波長分散素子，フォトダイオードレイを含む光学部品及びこれらを支持する支持部材が周囲温度変化に起因して生じる物理量変化により前記フォトダイオードアレイへ入射する分光光の照射位置のずれを、周囲温度変化に関連して伸張する長さの異なる複数の支持部材を組合わせ、前記光学部品の少なくとも一つを支点を中心に回動させることにより補正した。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば光通信システムのうち、波長分割多重（ＷＤＭ：ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）システムの光信号を高速監視する分光器や分光分析システムなどに用いて好適なポリクロ型分光器に関するものである。

波長分散素子である回折格子等に入射光を照射して波長分散された光をフォトダイオードレイ（以下、ＰＤアレイという）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としてポリクロ型分光器が知られている。

図３（ａ）はＰＤアレイを検出素子として用いた分光器の一例を示す構成図である。図３において、１は光源の出力光、若しくは、光ファイバからの光が出射する出射端、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ＰＤアレイである。

出射端１から出射した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に入射する。波長分散素子３から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ＰＤアレイ５に入射する。
回折格子３に入射し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し、フォーカシングレンズ４によりＰＤアレイ５にそれぞれ集光される。

図３（ａ）中”ＦＰ０１”、”ＦＰ０２”及び”ＦＰ０３”に位置するＰＤアレイ５では異なる波長の光が集光される。このような分光器では回折格子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３の回折の次数を”ｍ”、格子定数を”ｄ”、回折格子３への入射角を”ｉ”出射角を”θ”、波長を”λ”とすれば、
ｍλ／ｄ＝sinｉ＋sinθ （１）
となる。

図３（ｂ）はフォーカシングされた分光光がＰＤアレイ５に入射している状態を示しており、ＰＤ素子のそれぞれに光パワーの中心が照射されてＰＤの最大出力ｂとなっている。

図４（ａ）は他の従来例を示すもので、この例においてはフォーカシングレンズ４の後段にミラー６を配置してその反射光をＰＤアレイ５に入射した状態を示している。
図３（ａ）及び図４（ａ）に示すような分光器をＷＤＭ伝送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り、１次元配列のＰＤアレイ５を用いたときの各素子の位置と出射角はほぼ比例関係になる。

特開２００３−００４５３１号公報特開２００６−３５００４４号公報横河技報 Vol．52 No4（2008）ｐ157−160 自社製高密度アレイセンサを用いたインライン対応高速分光分析計

ところで、このような光学系に用いるガラス部品は温度により屈折率が変化したり、温度により伸縮したりする。そのため、光路や結像位置には温度依存性が存在する。特に回折格子は温度変化に伴って溝間隔が変化し、ＰＤ素子へ入射する分光光にずれが生じて正確なモニタリングができないという問題がある。特に顕著なのが回折格子の溝間隔の温度による変化で、この変化は、温度によるＰＤ素子列方向の結像位置のずれを生じさせる。

図４（ｂ）はフォーカシングされた分光光がずれてＰＤアレイに入射している状態を示すものである。図に示すように、分光光が隣り合うＰＤアレイの中間に入射し双方のＰＤ出力が同程度となっている。

従来このような周囲温度変化によるＰＤ素子上の結像位置の温度依存性を解消する手段としては装置内にペルチェ素子／サーミスタ等の温度調節手段を設け、電気回路部で温度制御し、温度補正係数を用いることでＰＤアレイ上における素子列方向の結像位置温度依存性をキャンセルして真の波長の出力を演算している。

しかしながら、近年分光器の小型化、低コスト化、省電力化が要求されており、このような要求に対して従来のように温調機構を設けるのは難しいという問題があった。また、ＷＤＭ（分光分析）に用いる分光器では多重化されているチャネル数に対応した数のＰＤで光を受ける設計（１チャンネル１素子対応）とされている。そのため各チャネルの正確なパワーを求める構成としては各ＰＤから光が漏れないように温度に依存した結像位置の変化が発生しにくい光学設計が求められている。

本発明は上述の問題点を解決するためになされたもので、光学部品を支持する支持部材を組合せて配置して温度膨張の差を利用することにより結像位置のずれを防止することを目的としている。

このような課題を達成するために、本発明の分光器は請求項１においては
複数の波長を含む光源からの光をコリメータレンズを介して受光する波長分散素子と、この波長分散素子で分光し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受光するフォトダイオードレイ素子を備えた分光器において、
前記コリメータレンズ，波長分散素子，フォトダイオードレイを含む光学部品及びこれらを支持する支持部材が周囲温度変化に起因して生じる物理量変化により前記フォトダイオードアレイへ入射する分光光の照射位置のずれを、周囲温度変化に関連して伸張する長さの異なる複数の支持部材を組合わせ、前記光学部品の少なくとも一つを支点を中心に回動させることにより補正したことを特徴とする。

請求項２においては請求項１に記載の分光器において、
前記複数の支持部材は少なくとも２個であることを特徴とする。

請求項３においては請求項１に記載の分光器において、
前記複数の支持部材は線膨張係数が同じか、若しくは異なる部材であることを特徴とする。

請求項４においては請求項１に記載の分光器において、
前記回動によって前記光学部品のあおり角を調節したことを特徴とする。

本発明の請求項１〜４によれば、周囲温度変化に対応して伸張する長さが異なる複数の支持部材を組合わせ、光学部品の少なくとも一つを支点を中心に回動させて分光光の照射位置のずれを補正したので、ハードウェア上で波長補正を行うことができ波長補正演算が不要な分光器を実現することができる。

本発明の分光器の実施形態の一例を示す要部構成図(a)及び分光光がずれなくＰＤアレイを照射している状態を示す模式図(ｂ)である。である。他の実施例を示す要部構成図である。従来例を示す構成図(a)及び分光光がずれなくＰＤアレイを照射している状態を示す模式図(ｂ)である。他の従来例を示す要部構成図(a)及び分光光がずれてＰＤアレイを照射している状態を示す模式図(ｂ)である。

図１は本発明の分光器の実施形態の一例を示す要部構成図である。
図４に示す従来例と同一要素には同一符号を付して説明は省略する。図１において、７は第１支持部材、８は第２支持部材で、例えば金属やプラスチック樹脂などにより棒状に形成されている。

これら第１、第２支持部材は長さを違えて形成されており、図では第１支持部材７の長さが第２支持部材８の長さより短く形成されている。また、これらの支持部材の一端は側面から見たミラー６の上部と下部に所定の幅（ｈ）を隔てて固定され、他方は固定壁９に固定されている。

図１の構成において、環境温度の変化に伴い、分光器を構成する各部材が熱伸縮し、ＰＤ素子への結合位置が変化する。当然ミラー６を支持する第１、第２支持部材７，８も矢印ａ，ｂ方向に伸縮する。

ここで、支持部材の熱伸縮は、その長さと温度変化に依存する。
即ち、δL=α・L・δT
δL：支持部材の伸び
α：線膨張係数
L：長さ
δT：温度変化

本発明ではミラー６の上部と下部に長さの異なる支持部材７，８が所定の幅（ｈ）を隔てて固定され、他方は固定壁９に固定されているので、ミラーは支持部材７の一端を支点として矢印ｃ方向に回動し、点線で示す位置に移動する。従って、ミラー６にあおり角調整機構を設けることができる。
上述の構成によれば、ハードウェア上で波長補正が完結でき、最終段での調整機構であるため、複合的な要因を全てキャンセルすることができる。

なお、実際の作製に当たっては例えば周囲温度を２０度として、ＰＤアレイ６に入射する光のずれがないように調整し、例えば周囲温度が零度のとき、および４０度のときもずれが発生しないように第１、第２支持部材の長さを決定するものとする。
また、本実施例では第１、第２支持部材の材質は同じとして説明したが熱膨張係数の異なる材質を用いてもよく、更に支持部材は２本に限ることなく２本以上であっても良い。

図２は他の実施例を示すもので、この例においては図３（ａ）に示す構成の分光器に適用したものであり、ここでは波長分散素子（回折格子）３を第１、第２支持部材７,８の長さを異ならせて回動させて、点線で示す位置に移動させるようにしたものである。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。実施例ではミラーまたは回折格子を第１、第２支持部材で回動させるように構成したが他の構成部材の少なくとも一つを同様の構成により回動させて調節するようにしてもよい。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

１出射端
２コリメーティングレンズ
３波長分散素子（回折格子）
４フォーカシングレンズ
５ＰＤアレイ
６ミラー
７第１支持部材
８第２支持部材
９固定壁

Claims

複数の波長を含む光源からの光をコリメータレンズを介して受光する波長分散素子と、この波長分散素子で分光し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受光するフォトダイオードレイ素子を備えた分光器において、
前記コリメータレンズ，波長分散素子，フォトダイオードレイを含む光学部品及びこれらを支持する支持部材が周囲温度変化に起因して生じる物理量変化により前記フォトダイオードアレイへ入射する分光光の照射位置のずれを、周囲温度変化に関連して伸張する長さの異なる複数の支持部材を組合わせ、前記光学部品の少なくとも一つを支点を中心に回動させることにより補正したことを特徴とする分光器。
前記複数の支持部材は少なくとも２個であることを特徴とする請求項１に記載の分光器
。
前記複数の支持部材は線膨張係数が同じもしくは異なる部材であることを特徴とする請求項１に記載の分光器。
前記回動によって前記光学部品のあおり角を調節したことを特徴とする請求項１に記載の分光器。