JP4643126B2

JP4643126B2 - Optical spectrum measuring method and apparatus

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Publication number: JP4643126B2
Application number: JP2003037456A
Authority: JP
Inventors: 薫日隈; 慎吾森; 義浩橋本; 潤一郎市川
Original assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2003-02-14
Filing date: 2003-02-14
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2023-02-14
Also published as: JP2004245750A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光スペクトル測定方法及びその装置に関し、特に、波長を変更可能な測定用光を被検体に照射し、測定用光の波長を該被検体からの透過光又は反射光を検出することにより被検体のスペクトル特性を測定する光スペクトル測定方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
物質の屈折率や光の透過・反射特性など様々な物理量の測定や、物質分析に利用される光吸収スペクトル分析など各種の測定・分析を行うため、従来より光スペクトルを用いた各種の測定方法・装置が提案されている。
光スペクトルを用いた測定は、基本的に、多波長の光を測定対象物に照射し、該測定対象物からの透過光又は反射光の光強度を測定することにより行われている。
光スペクトル測定の分解能を向上させるためには、測定対象物に照射される測定用光の波長を、より細かな波長変化量で制御することが必要であり、さらに、発生する測定用光の光量変動も可能な限り抑制することが求められている。
【０００３】
従来の光スペクトルを用いた測定装置としては、特開平１１−３５２０１８号公報に示すように、多波長の測定用光を発生可能な光源が用いられる。このような光源としては、可変波長レーザーを利用するものや、多波長を含む光源からの光を分光器を用いて、必要な光を分波し測定用光として用いるものが提案されている。
しかしながら、可変波長レーザにより波長を連続的に変化させる場合には、測定精度を高めるために、レーザ駆動電流やレーザの動作温度を高精度に制御する必要がある上、波長分解能にも限界がある。
【０００４】
分光器を用いて特定の波長光を得る方法としては、特開２０００−３３７９６２号公報のような回折格子、特開平２０００−３５６５５１号公報のようなエタロン、さらには、プリズムなどの光学素子を利用するものが知られている。
しかしながら、回折格子を用いる場合では、スペクトル測定の分解能を高めるためには、回折格子の回転機構の機械的寸法精度や駆動部の制御を高精度に保持することが不可欠であり、仮に回折格子を固定する場合でも、回折格子からの特定の反射光を精度良く捉え測定対象物に照射する機構が必要となる。このため、測定装置自体が高コストとなる上、装置の大きさもコンパクト化することが困難となる。しかも、機械的な駆動部の制御能力に測定分解能が依存しているため、高精度の測定も難しい。
【０００５】
また、エタロンを用いたものにおいては、２つの反射面の平面度や平行度等の加工・組立て精度を高くすることが必要であり、また反射面の間隔を高精度に制御するため、エタロン自体の温度管理を厳密に行う必要がある。このため、製造コストも高く、温度管理のための各種部材を必要とするため、コンパクト化も達成が難しい。また、測定精度は、反射面の間隔を変化させるスペーサの機械的精度に依存するため、高い測定分解能が得られ難い。
【０００６】
他方、急増する情報通信需要に対応して、高密度化、高速化、そして長距離伝送可能な光通信システムが求められており、中でもＤＷＤＭ通信システムの構築が求められている。このＤＷＤＭ通信システムにおいては、周波数利用効率の増大や非線形効果耐性の増大（長距離化）などの課題を解消する必要があり、本出願人は、これらの特性に優れた変調器として、単側波帯（Single Side−Band、ＳＳＢ）変調器を提案してきた。
ＳＳＢ変調器の一例は、論文「ＸカットＬｉＮｂＯ_３を用いた光ＳＳＢ−ＳＣ変調器」（日隈薫、他４名、ｐ．１７〜２１、「住友大阪セメント・テクニカルレポート２００２年版」、住友大阪セメント株式会社新規技術研究所発行、平成１３年１２月８日）にも記載されている。
【０００７】
ＳＳＢ変調器の動作原理について説明する。
図１は、ＳＳＢ変調器、特にキャリア抑圧光単側波帯（Single Side−Band with Suppressed Carrier、ＳＳＢ−ＳＣ）変調器の光導波路を模式的表した図である。
ＬｉＮｂＯ_３などの電気光学効果を有する基板上にＴｉなど拡散して図１のような光導波路を形成する。該光導波路は、２つのサブＭＺ（Mach−Zehnder）導波路ＭＺ_Ａ、ＭＺ_ＢがメインＭＺ導波路ＭＺ_Ｃの各アームに並列に配置された入れこ型のＭＺ構造を有している。
ＲＦ_Ａ、ＲＦ_Ｂは、サブＭＺ導波路ＭＺ_Ａ、ＭＺ_Ｂにマイクロ波の変調信号を印加するための進行波型コプレナー電極を簡略化して図示したものである。また、ＤＣ_Ａ、ＤＣ_ＢはサブＭＺ導波路ＭＺ_Ａ、ＭＺ_Ｂに、ＤＣ_ＣはメインＭＺ導波路ＭＺ_Ｃに、所定の位相差を付与するための直流電圧を印加する位相調整用電極を簡略化して図示したものである。
【０００８】
図１の動作を説明する前に、キャリア抑圧をしないＳＳＢ変調器の原理について説明する。ＳＳＢ変調技術は無線通信領域で活用されている技術であり、原信号とヒルベルト変換された原信号の和をとることにより、ＳＳＢ変調信号が得られることが知られている。
キャリア抑圧をしない光ＳＳＢ変調を実行するためには、図２のようなデュアル駆動の単独ＭＺ変調器（Ｚカット基板を利用した例を図示する。）を用いれば良い。
入射光をｅｘｐ（ｊωｔ）として、単一周波ＲＦ信号φｃｏｓΩｔをＲＦ_Ａポートから、また、この信号をヒルベルト変換した信号、Ｈ［φｃｏｓΩｔ］＝φｓｉｎΩｔをＲＦＢポートからそれぞれ同時に入力する。
ｓｉｎΩｔ＝ｃｏｓ（Ωｔ−π／２）であるから、マイクロ波用の移相器を利用することにより、２つの信号を同時に供給できる。ただし、φは変調度、ω、Ωはそれぞれ光波とマイクロ波（ＲＦ）信号の各周波数を表す。
さらにＤＣ_Ａポートから適当なバイアスを加えて、ＭＺ導波路の両アームを透過する光波に位相差π／２を付与する。
【０００９】
これらにより、合波地点での光波の位相項に着目した式は、以下の式（１）で表される。
ｅｘｐ（ｊωｔ）＊｛ｅｘｐ（ｊφｃｏｓΩｔ）＋ｅｘｐ（ｊφｓｉｎΩｔ）＊ｅｘｐ（ｊπ／２）｝＝２＊ｅｘｐ（ｊωｔ）＊｛Ｊ_０（φ）＋ｊ＊Ｊ_１（φ）ｅｘｐ（ｊΩｔ）｝・・・・・（１）
ここで、Ｊ_０、Ｊ_１は、０次、１次のベッセル関数であり、２次以降の成分は無視している。
式（１）のように、０次と１次のスペクトル成分は、残存しているが、−１次成分（Ｊ_−１）は失われている（これを、模式的に示すと、図２のＭＺ導波路の右側に示したようなスペクトル分布をした光波が、ＭＺ導波路から出射される）。
また、−１次成分（Ｊ−１）を残し、１次成分（Ｊ１）を消去するには、ＤＣ_Ａポートに位相差−π／２を付与するバイアスを印加を行うことで達成できる。
【００１０】
次に、キャリア抑圧光単側波帯（ＳＳＢ−ＳＣ）変調器の場合には、図１に示すように、単独ＭＺ干渉系の両アームに、サブＭＺ干渉系を備えた設計になっている。
このサブＭＺ導波路には、図３に示すようような信号を印加する。これは、通常の強度変調をボトム駆動で行っている場合と同じ状況と考えて良い。
このとき、出射光の位相項に着目した式は、次の式（２）により表される。
ｅｘｐ（ｊωｔ）＊｛ｅｘｐ（ｊφｓｉｎΩｔ）＋ｅｘｐ（−ｊφｓｉｎΩｔ）＊ｅｘｐ（ｊπ）｝＝２＊ｅｘｐ（ｊωｔ）＊｛Ｊ_−１（φ）ｅｘｐ（−ｊΩｔ）＋Ｊ_１（φ）ｅｘｐ（ｊΩｔ）｝・・・・・（２）
これにより、キャリア成分を含む偶数次のスペクトル成分がキャンセルされていることが分かる（これを、模式的に示すと、図３のＭＺ導波路の右側に示したようなスペクトル分布をした光波が、ＭＺ導波路から出射される）。
【００１１】
そして、上述したＳＳＢ変調（式（１）、図２に示した変調方式）とサブＭＺでのキャリア抑圧手法（式（２）、図３で示した変調方式）とを組み合わせることにより、１次スペクトル（Ｊ_１項）、−１次スペクトル（Ｊ_−１項）のいずれかのみを選択的に発生させることが可能となる。
Ｊ_１で表される１次スペクトル光の周波数は、ω＋Ωであり、Ｊ_−１で表される−１次スペクトル光の周波数は、ω−Ωとなる。これは、ＳＳＢ変調器に入射する光（周波数ω）を、ＳＳＢ変調器に印加するマイクロ波の周波数（Ω）分だけ、波長シフトさせて、出射光（周波数ω±Ω）として放出することを意味する。
このように、ＳＳＢ変調器は、光波の波長変換器として利用でき、特に、ＳＳＢ−ＳＣ変調器は、０次スペクトルの発生を抑え、１次又は−１次のスペクトルを効率よく発生させることが可能となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、上述した光スペクトル測定に係る問題を解決し、簡単な構造で多波長光を発生でき、しかも高分解能な光スペクトル測定・分析を可能とする光スペクトル測定方法及びその装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に係る発明では、波長を変更可能な測定用光を被検体に照射し、該被検体からの透過光又は反射光を検出することにより被検体のスペクトル特性を測定する光スペクトル測定方法において、前記波長を変更可能な測定用光を発生する方法は、特定の波長の単一ピーク・スペクトルを有する基準光を、光導波路を形成する基板が電気光学効果を有する材料で作製されたＳＳＢ−ＳＣ変調器に導入し、該ＳＳＢ−ＳＣ変調器に印加する変調信号の周波数を変更することによって、波長をシフトした単一の測定用光を発生することを特徴とする。
また、請求項２に係る発明では、波長を変更可能な測定用光を被検体に照射し、該被検体からの透過光又は反射光を検出することにより被検体のスペクトル特性を測定する光スペクトル測定方法において、前記波長を変更可能な測定用光を発生する方法は、特定の波長の単一ピーク・スペクトルを有する基準光を、光導波路を形成する基板が電気光学効果を有する材料で作製されたＳＳＢ−ＳＣ変調器に導入し、該ＳＳＢ−ＳＣ変調器に印加する変調信号の周波数及び位相を変更することによって、波長をシフトした単一の測定用光を発生することを特徴とする。
好ましくは、請求項３に係る発明のように、請求項１又は２に記載の光スペクトル測定方法において、該ＳＳＢ−ＳＣ変調器は、移相・減衰調整器及び直流バイアス電圧器を用いて変調されることにより、波長をシフトした単一の測定用光を発生していることを特徴とする。
さらに好ましくは、請求項４に係る発明のように、請求項３に記載の光スペクトル測定方法において、該移相・減衰調整器により位相が９０°相違する信号が該ＳＳＢ−ＳＣ変調器に入力され、該直流バイアス電圧器により各サブＭＺ導波路のアームの位相差がπとなるように電圧が印加され、波長をシフトした単一の測定用光を発生していることを特徴とする。
【００１４】
請求項１乃至４に係る発明により、ＳＳＢ−ＳＣ変調器を利用して多波長光を発生するため、従来の回折格子やエタロンなどのように、加工・組立時の機械的精度の保持すると共に、機械的駆動部や温度制御部材などの周辺部材を必要することが解消され、機械的稼働部が無く構成が簡単で、装置全体もコンパクト化することが可能となる。さらに、従来の可変波長レーザの波長可変時には、レーザ駆動電流やレーザ動作温度の制御など、高分解能な測定を困難化する要因があったが、本発明によれば、ＳＳＢ−ＳＣ変調器に印加するマイクロ波の周波数変化させるだけで、簡単に多波長光を発生させることが可能となるため、マイクロ波の周波数変化量に相当する高分解能なスペクトル測定が可能となる。
【００１５】
また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光スペクトル測定方法において、前記被検体からの透過光又は反射光を検出する際に、該ＳＳＢ−ＳＣ変調器を介する前の基準光の一部を参照光として、該透過光又は該反射光と共に検出することを特徴とする。
【００１６】
請求項５に係る発明により、光源の光量・波長に微細な変動が生じた場合でも、測定用光と参照光を検出時に合成して検出することにより、光源における変動の影響を除去し、精度の高い測定方法を達成することが可能となる。
【００１７】
また、請求項６に係る発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の光スペクトル測定方法において、該測定用光の波長シフトの量又は方向は、ＳＳＢ−ＳＣ変調器に印加する変調信号の周波数又は位相を変更することにより行うことを特徴とする。
【００１８】
請求項６に係る発明により、ＳＳＢ−ＳＣ変調器に対する変調信号であるマイクロ波の周波数や位相を制御するだけで、簡単に波長シフト量や波長シフト方向が調整でき、精度が高くかつ波長変化の幅の広い多波長光を発生することが可能となる。
【００１９】
また、請求項７に係る発明は、波長を変更可能な測定用光を発生する手段と、該測定用光を被検体に照射し、該被検体からの透過光又は反射光を検出する検出手段とを有する光スペクトル測定装置において、前記波長を変更可能な測定用光を発生する手段は、特定の波長の単一ピーク・スペクトルを有する基準光を発生する光源と、該基準光の波長をシフトした単一の測定用光を発生すると共に、光導波路を形成する基板が電気光学効果を有する材料で作製されたＳＳＢ−ＳＣ変調器とを有し、該ＳＳＢ−ＳＣ変調器に印加する変調信号の周波数を変更することにより該基準光の波長がシフトすることを特徴とする。
請求項８に係る発明は、波長を変更可能な測定用光を発生する手段と、該測定用光を被検体に照射し、該被検体からの透過光又は反射光を検出する検出手段とを有する光スペクトル測定装置において、前記波長を変更可能な測定用光を発生する手段は、特定の波長の単一ピーク・スペクトルを有する基準光を発生する光源と、該基準光の波長をシフトした単一の測定用光を発生すると共に、光導波路を形成する基板が電気光学効果を有する材料で作製されたＳＳＢ−ＳＣ変調器とを有し、該ＳＳＢ−ＳＣ変調器に印加する変調信号の周波数及び位相を変更することにより該基準光の波長がシフトすることを特徴とする。
好ましくは、請求項９に係る発明のように、請求項７又は８に記載の光スペクトル測定装置において、該ＳＳＢ−ＳＣ変調器は、移相・減衰調整器及び直流バイアス電圧器を用いて変調されることにより、波長をシフトした単一の測定用光を発生していることを特徴とする。
より好ましくは、請求項１０に係る発明のように、請求項９に記載の光スペクトル測定装置において、該移相・減衰調整器により位相が９０°相違する信号が該ＳＳＢ−ＳＣ変調器に入力され、該直流バイアス電圧器により各サブＭＺ導波路のアームの位相差がπとなるように電圧が印加され、波長をシフトした単一の測定用光を発生していることを特徴とする。
【００２０】
請求項７乃至１０に係る発明により、上記請求項１乃至４の記載で述べたように、構成が簡単で、装置全体もコンパクト化でき、高分解能な光スペクトル測定装置を提供することができる。
【００２１】
また、請求項１１に係る発明は、請求項７乃至１０のいずれかに記載の光スペクトル測定装置において、該光源とＳＳＢ−ＳＣ変調器との間に該基準光を分岐する手段を設け、分岐した一方の基準光はＳＳＢ−ＳＣ変調器により測定用光とし、分岐した他方の基準光は参照光として、該透過光又は反射光と共に検出手段に入射するよう構成することを特徴とする。
【００２２】
請求項１１に係る発明により、上記請求項５の記載で述べたように、光源における光量・波長の変動の影響を除去し、精度の高い測定装置を提供することが可能となる。
【００２３】
また、請求項１２に係る発明は、請求項７乃至１１のいずれかに記載の光スペクトル測定装置において、該基準光はコヒーレント光であり、該光源とＳＳＢ−ＳＣ変調器との間には基準光を直線偏波に整形する手段を設けることを特徴とする。
【００２４】
請求項１２に係る発明により、レーザ光などのコヒーレント光を光源に用い、該コヒーレント光の偏波面を整形してＳＳＢ−ＳＣ変調器に入射させることにより、ＳＳＢ−ＳＣ変調器により波長シフト機能を、より適正に発揮させることが可能となる。
【００２５】
また、請求項１３に係る発明は、請求項７乃至１２のいずれかに記載の光スペクトル測定装置において、該ＳＳＢ−ＳＣ変調器に変調信号を印加する変調信号印加手段を設け、該変調信号印加手段には変調信号の周波数又は位相を変更する構成が設けられていることを特徴とする。
【００２６】
請求項１３に係る発明により、上記請求項６の記載で述べたように、変調信号印加手段に設けられた変調信号の周波数又は位相を変更する構成により、測定用光の波長シフト量や波長シフト方向が簡単に調整でき、精度が高くかつ波長変化の幅の広い多波長光を発生する光スペクトル測定装置が提供できる。
【００２７】
また、請求項１４に係る発明は、請求項７乃至１３のいずれかに記載の光スペクトル測定装置において、該光源は異なる波長を有する複数の光源で構成され、該複数の光源からの各基準光を選択的に切り替え、ＳＳＢ−ＳＣ変調器に選択された基準光を入射させるよう構成することを特徴とする。
【００２８】
請求項１４に係る発明により、ＳＳＢ−ＳＣ変調器の波長可変の幅に限界がある場合でも、多数の波長を有する光源の順次切り替えると共に、各光源からの基準光をＳＳＢ−ＳＣ変調器により波長シフトして測定用光とすることにより、単一の光源では困難な幅広い波長域に渡る測定用光を発生することが可能となり、適用範囲の広い光スペクトル測定装置を提供することができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。なお、本発明はＳＳＢ変調器をＳＳＢ−ＳＣ変調器として用いることを特徴とするが、上述したようにＳＳＢ−ＳＣ変調器は、ＳＳＢ変調器と光導波路の構成が同じであり、印加する信号に特徴を有するため、以下では説明を簡略するため、「ＳＳＢ−ＳＣ変調器」と便宜上「ＳＳＢ変調器」と表現している。
図４は、本発明に係るＳＳＢ変調器を用いた光スペクトル測定装置の一実施例を示す概略図である。
１は、レーザ光源であり、２は、レーザ光源からのレーザ光を直線偏波に整形する偏波整形器である。直線偏波に整形されたレーザ光は基準光として、ＳＳＢ変調器３に入射される。
ＳＳＢ変調器には、マイクロ波発生器４、マイクロ波増幅器５、マイクロ波の移相・減衰調整器６により、所定の位相差（図４では９０°位相差）を有するマイクロ波が、ＳＳＢ変調器のＲＦポートに変調信号として印加され、さらに、直流バイアス制御器７により、所定の直流電圧がＳＳＢ変調器のＤＣポートに印加されている。
ＳＳＢ変調器内を通過する基準光は、マイクロ波の周波数に対応した周波数分だけ波長シフトされ、測定用光として、ＳＳＢ変調器から出射される。
測定用光は、被検体である測定対象物８に照射され、該測定用対象物からの透過光又は反射光は光検出器９に入射し、透過光又は反射光の光量が検出される。本発明に係る光スペクトル測定装置の光学系は、偏波保持された系であることが必要であり、特に、偏波整形器以降の光波を各光学部品に案内する際に光ファイバを用いる場合には、偏波保持ファイバ（不図示）を用いる。
【００３０】
次に、ＳＳＢ変調器の構成について説明する。
ＳＳＢ変調器の構成としては、例えば、図１に示すＳＳＢ−ＳＣ変調器が用いられる。
ＳＳＢ変調器の光導波路を構成する基板としては、電気光学効果を有する材料、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３；以下、ＬＮという）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料から構成され、特に、光導波路デバイスとして構成しやすく、かつ異方性が大きいという理由から、ＬｉＮｂＯ_３結晶、ＬｉＴａＯ_３結晶、又はＬｉＮｂＯ_３及びＬｉＴａＯ_３からなる固溶体結晶を用いることが好ましい。本実施例では、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）を用いた例を中心に説明する。
【００３１】
光導波路を製造する方法としては、ＬＮ基板上にＴｉを熱拡散させて光導波路を形成している。変調信号や直流バイアス電圧を印加する電極を形成する方法としては、基板の一部又は全体に渡りバッファ層を設けずに、ＬＮ基板上に電極を直接形成する方法や、光導波路中の光の伝搬損失を低減させるために、ＬＮ基板上に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を設け、さらにその上にＴｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより数十μｍの高さの変調電極、バイアス電極及び接地電極を構成して、間接的にこれらの電極を形成する方法がある。
一般に、一枚のＬＮウェハに複数のＳＳＢ変調器を作り込み、最後に個々のＳＳＢ変調器のチップに切り離すことにより利用される。
【００３２】
ＬＮ基板には結晶軸があり、図１は、基板表面に平行かつ導波路進行方向に対して垂直な方向に、電気光学効果により最も効率的に屈折率を変更できる結晶軸方向を配置した「Ｘカット基板」を例示したものであるが、これに限らず先に示した論文にも記載されているように、基板表面に垂直な方向に、電気光学効果により最も効率的に屈折率を変更できる結晶軸方向を配置した「Ｚカット基板」を利用することもできる。
一般に、ＸカットのＬＮ変調器には、ＤＣドリフトが小さい、シングル駆動でゼロチャープが達成可能という長所がある反面、光とマイクロ波の速度整合が困難であり、駆動電圧が若干高くなるという短所がある。一方、ＺカットＬＮ変調器には、速度整合が容易であり、駆動電圧が低いという長所がある反面、シングル駆動の場合にはチャープが存在すること、しかも、ＤＣドリフトがやや大きいと言った短所もある。ＳＳＢ変調器についても同様のことが言え、適用領域で何を重視するかにより、どのカット基板を利用すべきか適宜選択できる。
【００３３】
ただし、図１のようなＳＳＢ変調器の導波路においては、４本の導波路アームを透過するそれぞれの光波に、正確に同強度の電界を与え、かつ精度良く位相調整する必要があり、Ｚカット基板の場合には、変調信号電極を４本の導波路アームの各々に設ける必要がある。このため、移相・減衰調整のための回路部品やコネクタなども、信号電極の数だけ設ける必要がある。
他方、Ｘカット基板の場合には、図１のようにサブＭＺ干渉系の中心位置に信号電極を設置するだけで、その対称性から、１つの信号電極により２つの導波路に同強度の電界を同時に印加することが可能となる（シングル駆動でゼロチャープとなる）。
つまり、Ｚカット基板では、４本必要な信号電極が、Ｘカット基板の場合には、２本で十分であり、電子部品や調整箇所の数を削減でき、よりシンプルで安価なＳＳＢ変調器を提供することができる。
【００３４】
ＳＳＢ変調器に印加する変調信号及び直流バイアス電圧については、図１に示すように、サブＭＺ導波路ＭＺ_Ａには、φ（ｔ）＝φｓｉｎΩｔの変調信号を各アームの中央付近に印加した場合、サブＭＺ導波路ＭＺ_Ｂには、ヒルベルト変換したＨ［φ（ｔ）］＝φｃｏｓΩｔが入力される。
また、各サブＭＺ導波路の一方のアームには位相差πを生じるように、直流バイアス電圧ＤＣ_Ａ、ＤＣ_Ｂが印加され、メインＭＺ導波路の一方のアームには位相差π／２を生じるように直流バイアス電圧ＤＣ_Ｃが印加されている。
なお、図１のようなＸカット基板の場合には、変調信号電極と接地電極との間に各アームの導波路が配置されるように、各々の電極が設置され、Ｚカット基板の場合には、各アームの導波路上に変調器信号電極が配置され、該変調信号電極を取り囲むように接地電極が設けられている。直流バイアス電極についても同様である。
【００３５】
図５のグラフは、本発明に係るＳＳＢ変調器の波長シフトの測定結果の一例を示すものである。
光源に波長（λ_０＝１．５５００８μｍ）のレーザ光源を用い、ＳＳＢ変調器に変調信号周波数１０ＧＨｚを印加する前後で、ＳＳＢ変調器からの出射光を、光スペクトル・アナライザーで測定した。図５のシフト前のグラフは、ＳＳＢ変調器に変調信号を印加しない状態のものであり、ピークのスペクトルは、レーザ光の波長に一致している。他方、シフト後のグラフは、変調信号を印加した状態のスペクトル分布であり、最大ピークのスペクトルは、１次スペクトル（波長λ_１＝１．５５μｍ）を示している。レーザ光が、変調信号の周波数分だけマイナス方向に波長シフトした状態が、十分に理解できる。
【００３６】
次に、図４に示した光スペクトル測定装置の一例として、被検体である測定対象物８に、導波路を挿入し、該導波路の共振スペクトルを測定する例を説明する。
測定対象物は、長さＬ（Ｌ＝５．９９６×１０^−２ｍ）の導波路を有する周波数コムジェネレータであり、導波路の両端面は反射率９７％（波長１．５μｍにおける反射率）に設定する。光源として波長（λ_０＝１．５μｍ）のレーザ光源を用い、ＳＳＢ変調器に印加する変調信号周波数を逐次変化させながら、各々変調信号周波数（シフト周波数）毎に、測定対象物の透過特性を光検出器で測定した結果を、図６に示す。
図６においては、シフト周波数の変化量は１０ＭＨｚとしたが、より細かな変化量で変調信号周波数を変化させることも可能である。
従来のスペクトル測定装置では、このような細かな波長（又は周波数）変化量で測定することは困難であったが、本発明の実施例に拠れば、図６のグラフよりδｆ＝１．１３ＧＨｚが測定でき、波長１．５μｍ付近での測定対象物である導波路の常光実効屈折率ｎ_ｅｆｆ＝ｃ／２δｆＬ≒２．２２５（Ｃ；光速）が精度良く算出される。
【００３７】
図７は、本発明の光スペクトル測定装置に係る第２の実施例を示すものである。
図７に示す各符号は、図４のものと同様の意味を表す。第２の実施例の特徴は、直線偏波器２を通過したレーザ光を２つに分岐し、一方を測定用光としてＳＳＢ変調器に入射し、所定の変調信号周波数で波長シフトを行った後、測定対象物に照射する。分岐した他方の光は、参照光として、測定対象物を透過又は反射した光と合波され、光検出器９に入射するよう構成されている。
光検出器９においてヘテロダイン検波を行い、参照光と測定用光との位相差がなくなるように、位相調整手段（不図示）で制御する。位相調整手段は、参照光の光路上にあっても良いし、測定用光の光路上にあっても良い。
このような構成により、レーザ光源における光量や波長が微妙に変化した場合でも、参照光が測定用光と合波して、光検出器９に入射するため、測定用光に含まれるこれら光源に起因するノイズ成分を、効率的に除去することが可能となる。
なお、測定用光と参照光との合波方法としては、ハーフミラーや光ファイバーの光結合器などを用いて２つの光波を結合させても良いが、光検出器の受光面に２つの光波が同時に入射するよう構成しても良い。
【００３８】
上記実施例では、光スペクトル測定装置の光源として、１つのレーザ光源を用いた例を示したが、ＳＳＢ変調器に印加するマイクロ波の周波数の範囲には限界があり、単一の光源では、測定波長は限られたものとなる。
このため、幅広い波長領域に対応した光スペクトル測定を実現するためには、波長の異なる複数のレーザ光源を用意し、これらの光源を選択的に切り替えることにより、実質的に測定可能な波長範囲を拡張することが可能となる。選択された光源からのレーザ光は、上記実施例のように、直線偏波器を経て、ＳＳＢ変調器に入射され、適宜、波長シフトを受けた測定用光となる。レーザ光源の種類としては、変調信号周波数の変更により対応可能な波長シフト量に相当する波長間隔で、複数の光源を用意することにより、連続した波長範囲の測定を可能とする。また、光源を複数用意しなくても、波長可変レーザを用いても良いし、回折格子で分波される光源を利用しても良い。さらに、スペクトル測定でよく利用する波長近傍の光源のみを複数用意することも可能である。
また、異なる波長を有する光源を複数用意する代わりに、従来例で述べたような可変波長レーザや、エタロンなどを利用して、複数の離散的波長を発生させることも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明の光スペクトル測定方法及びその装置により、簡単な構造で多波長光を発生でき、しかも高分解能な光スペクトル測定・分析が可能となる。
また、光源の波長・光量の変動に起因するノイズに対しても、効率的に除去でき、精度の高い光スペクトル測定方法及びその装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＳＳＢ変調器の概略図。
【図２】ＳＳＢ変調器のメインＭＺ導波路の役割を示す図。
【図３】ＳＳＢ変調器のサブＭＺ導波路の役割を示す図。
【図４】本発明の光スペクトル測定装置の第１の実施例を示す図。
【図５】ＳＳＢ変調器による波長シフト状態を示すグラフ。
【図６】本発明の光スペクトル測定装置による共振スペクトル測定結果を示すグラフ。
【図７】本発明の光スペクトル測定装置の第２の実施例を示す図。
【符号の説明】
１レーザ光源
２直線偏波器
３ＳＳＢ変調器
４マイクロ波発生器
５マイクロ波増幅器
６移相・減衰調整器
７直流バイアス電圧器
８測定対象物
９光検出器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to an optical spectrum measurement method and apparatus, and in particular, irradiates a subject with measurement light whose wavelength can be changed, and detects transmitted light or reflected light from the subject with the wavelength of the measurement light. The present invention relates to an optical spectrum measuring method and apparatus for measuring spectral characteristics of a subject.
[0002]
[Prior art]
  Various measurement methods using the optical spectrum to measure various physical quantities such as the refractive index of materials and light transmission / reflection characteristics, and the light absorption spectrum analysis used for material analysis. A device has been proposed.
  Measurement using an optical spectrum is basically performed by irradiating a measurement object with light of multiple wavelengths and measuring the light intensity of transmitted light or reflected light from the measurement object.
  In order to improve the resolution of the optical spectrum measurement, it is necessary to control the wavelength of the measurement light emitted to the measurement object with a finer wavelength change amount, and the amount of the generated measurement light is further increased. It is required to suppress fluctuations as much as possible.
[0003]
  As a conventional measuring apparatus using an optical spectrum, a light source capable of generating multi-wavelength measuring light is used as disclosed in JP-A-11-352018. As such a light source, those using a variable wavelength laser and those using a spectroscope to split light from a light source including multiple wavelengths and using it as measurement light have been proposed.
  However, when the wavelength is continuously changed by the variable wavelength laser, it is necessary to control the laser drive current and the laser operating temperature with high accuracy in order to increase the measurement accuracy, and the wavelength resolution is also limited. .
[0004]
  As a method for obtaining light of a specific wavelength using a spectroscope, a diffraction grating as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-337962, an etalon as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-356551, and an optical element such as a prism are used. What to do is known.
  However, in the case of using a diffraction grating, it is indispensable to maintain the mechanical dimensional accuracy of the rotation mechanism of the diffraction grating and the control of the drive unit with high precision in order to increase the resolution of spectrum measurement. Even in the case of fixing, a mechanism for accurately capturing specific reflected light from the diffraction grating and irradiating the measurement object is required. For this reason, the measuring device itself is expensive, and it is difficult to reduce the size of the device. Moreover, since the measurement resolution depends on the control capability of the mechanical drive unit, high-precision measurement is difficult.
[0005]
  In addition, in the case of using an etalon, it is necessary to increase the processing and assembly accuracy such as the flatness and parallelism of the two reflecting surfaces, and the etalon itself is used to control the interval between the reflecting surfaces with high accuracy. It is necessary to strictly control the temperature. For this reason, since manufacturing cost is high and various members for temperature management are required, it is difficult to achieve compactness. Further, since the measurement accuracy depends on the mechanical accuracy of the spacer that changes the interval between the reflecting surfaces, it is difficult to obtain a high measurement resolution.
[0006]
  On the other hand, in response to the rapidly increasing demand for information communication, there is a demand for an optical communication system capable of high density, high speed, and long distance transmission. In particular, construction of a DWDM communication system is required. In this DWDM communication system, it is necessary to solve problems such as an increase in frequency utilization efficiency and an increase in non-linear effect tolerance (longer distance). A waveband (Single Side-Band, SSB) modulator has been proposed.
  An example of an SSB modulator is the paper “X-cut LiNbO”.₃"Optical SSB-SC Modulators Using Specimens" (Nippon, 4 others, p.17-21, "Sumitomo Osaka Cement Technical Report 2002 Edition", published by Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd., New Technology Research Laboratory, December 2001) May 8).
[0007]
  The operation principle of the SSB modulator will be described.
  FIG. 1 is a diagram schematically showing an optical waveguide of an SSB modulator, in particular, a carrier-suppressed light single-sideband (Single Side-Band with Suppressed Carrier, SSB-SC) modulator.
  LiNbO₃An optical waveguide as shown in FIG. 1 is formed by diffusing Ti or the like on a substrate having an electro-optic effect. The optical waveguide includes two sub-MZ (Mach-Zehnder) waveguides MZ._A, MZ_BIs the main MZ waveguide MZ_CEach arm has a telescoping MZ structure arranged in parallel.
  RF_A, RF_BIs the sub-MZ waveguide MZ_A, MZ_B2 is a simplified illustration of a traveling wave type coplanar electrode for applying a microwave modulation signal. DC_A, DC_BIs the sub-MZ waveguide MZ_A, MZ_BAnd DC_CIs the main MZ waveguide MZ_CIn addition, a phase adjustment electrode for applying a DC voltage for giving a predetermined phase difference is illustrated in a simplified manner.
[0008]
  Before describing the operation of FIG. 1, the principle of the SSB modulator without carrier suppression will be described. The SSB modulation technique is a technique used in the radio communication region, and it is known that an SSB modulation signal can be obtained by taking the sum of the original signal and the original signal subjected to Hilbert transform.
  In order to execute optical SSB modulation without carrier suppression, a dual drive single MZ modulator (an example using a Z-cut substrate is illustrated) as shown in FIG. 2 may be used.
  The incident light is exp (jωt), and the single frequency RF signal φcosΩt is RF._AA signal obtained by converting the signal into a Hilbert transform, H [φcosΩt] = φsinΩt, is simultaneously input from the RFB port.
  Since sinΩt = cos (Ωt−π / 2), two signals can be supplied simultaneously by using a microwave phase shifter. However, (phi) represents a modulation degree and (omega) and (omega) each represent each frequency of a light wave and a microwave (RF) signal.
  DC_AAn appropriate bias is applied from the port to give a phase difference of π / 2 to the light wave transmitted through both arms of the MZ waveguide.
[0009]
  Thus, the expression focusing on the phase term of the light wave at the multiplexing point is represented by the following expression (1).
  exp (jωt) * {exp (jφcosΩt) + exp (jφsinΩt) * exp (jπ / 2)} = 2 * exp (jωt) * {J₀(Φ) + j * J₁(Φ) exp (jΩt)} (1)
  Where J₀, J₁Is a 0th-order or 1st-order Bessel function, and components after the second-order are ignored.
  As shown in the equation (1), the 0th and 1st order spectral components remain, but the −1st order component (J_-1) Is lost (representing this schematically, a light wave having a spectral distribution as shown on the right side of the MZ waveguide in FIG. 2 is emitted from the MZ waveguide).
  In order to leave the −1st order component (J-1) and delete the 1st order component (J1), DC_AThis can be achieved by applying a bias that gives a phase difference of −π / 2 to the port.
[0010]
  Next, in the case of a carrier-suppressed optical single sideband (SSB-SC) modulator, as shown in FIG. 1, the sub-MZ interference system is designed in both arms of the single MZ interference system. .
  A signal as shown in FIG. 3 is applied to the sub-MZ waveguide. This can be considered as the same situation as when normal intensity modulation is performed by bottom drive.
  At this time, the expression focusing on the phase term of the emitted light is expressed by the following expression (2).
  exp (jωt) * {exp (jφsinΩt) + exp (−jφsinΩt) * exp (jπ)} = 2 * exp (jωt) * {J_-1(Φ) exp (−jΩt) + J₁(Φ) exp (jΩt)} (2)
  As a result, it can be seen that even-order spectral components including the carrier component are canceled (this is schematically shown as light waves having a spectral distribution as shown on the right side of the MZ waveguide in FIG. Emitted from the MZ waveguide).
[0011]
  Then, by combining the above-described SSB modulation (formula (1), the modulation scheme shown in FIG. 2) and the sub-MZ carrier suppression technique (formula (2), the modulation scheme shown in FIG. 3), Spectrum (J₁Term), −1st order spectrum (J_-1It is possible to selectively generate only one of the items (1).
  J₁The frequency of the primary spectrum light represented by ω + Ω is J_-1The frequency of the −1st order spectrum light represented by is ω−Ω. This means that the light (frequency ω) incident on the SSB modulator is wavelength-shifted by the frequency (Ω) of the microwave applied to the SSB modulator and emitted as outgoing light (frequency ω ± Ω). means.
  As described above, the SSB modulator can be used as a light wave wavelength converter, and in particular, the SSB-SC modulator can suppress the generation of the zeroth-order spectrum and efficiently generate the first-order or −1st-order spectrum. It becomes possible.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
  An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems related to optical spectrum measurement, and to provide an optical spectrum measurement method and apparatus capable of generating multi-wavelength light with a simple structure and enabling high-resolution optical spectrum measurement and analysis. Is to provide.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, in the invention according to claim 1, the spectrum of the subject is detected by irradiating the subject with measurement light whose wavelength can be changed, and detecting transmitted light or reflected light from the subject. In the optical spectrum measurement method for measuring characteristics, the method for generating the measurement light capable of changing the wavelength is that the reference light having a single peak spectrum of a specific wavelength is applied to the substrate on which the optical waveguide is formed. The frequency of the modulation signal applied to the SSB-SC modulator made of a material havingNumberBy changing, a single measuring light having a shifted wavelength is generated.
  In the invention according to claim 2, an optical spectrum that measures the spectral characteristics of the subject by irradiating the subject with measurement light whose wavelength can be changed and detecting transmitted light or reflected light from the subject. In the measurement method, the method of generating the measurement light capable of changing the wavelength is made of a reference light having a single peak spectrum of a specific wavelength, and a substrate on which the optical waveguide is formed is made of a material having an electro-optic effect. A single measuring light having a shifted wavelength is generated by changing the frequency and phase of a modulation signal applied to the SSB-SC modulator and changing the frequency and phase of the modulation signal applied to the SSB-SC modulator.
  Preferably, the claim3As in the invention according to claim 1,Or 2In the optical spectrum measuring method described in 1., the SSB-SC modulator generates a single measuring light having a shifted wavelength by being modulated using a phase shift / attenuation adjuster and a DC bias voltage device. It is characterized by.
  More preferably, the claims4As in the invention according to3In the optical spectrum measurement method described in 1), signals having a phase difference of 90 ° are input to the SSB-SC modulator by the phase shift / attenuation adjuster, and the position of the arm of each sub-MZ waveguide is input by the DC bias voltage device. A voltage is applied so that the phase difference is π, and a single measurement light having a shifted wavelength is generated.
[0014]
  Claims 1 to4According to the invention, since the multi-wavelength light is generated using the SSB-SC modulator, the mechanical drive unit is maintained while maintaining the mechanical accuracy at the time of processing and assembly like the conventional diffraction grating and etalon. This eliminates the need for peripheral members such as a temperature control member and the like, eliminates the need for a mechanical operating unit, and simplifies the configuration, allowing the entire apparatus to be made compact. Furthermore, when the wavelength of a conventional tunable laser is tunable, there are factors that make measurement with high resolution difficult, such as control of the laser drive current and laser operating temperature. According to the present invention, this is applied to the SSB-SC modulator. Therefore, it is possible to easily generate multi-wavelength light simply by changing the frequency of the microwave, so that high-resolution spectrum measurement corresponding to the amount of change in the frequency of the microwave can be performed.
[0015]
  Claims5The invention according to claim 1 to claim 14In the optical spectrum measurement method according to any one of the above, when detecting transmitted light or reflected light from the subject, a part of the reference light before passing through the SSB-SC modulator is used as reference light, and the transmitted light is reflected. It detects with light or this reflected light, It is characterized by the above-mentioned.
[0016]
  Claim5The invention according to the present invention eliminates the influence of fluctuations in the light source by detecting and combining the measurement light and the reference light at the time of detection, even when minute fluctuations in the light amount / wavelength of the light source occur, and highly accurate measurement It becomes possible to achieve the method.
[0017]
  Claims6The invention according to claim 1 to claim 15In the optical spectrum measurement method according to any one of the above, the amount or direction of the wavelength shift of the measurement light is performed by changing the frequency or phase of the modulation signal applied to the SSB-SC modulator. .
[0018]
  Claim6By controlling the frequency and phase of the microwave that is the modulation signal for the SSB-SC modulator, the wavelength shift amount and the wavelength shift direction can be easily adjusted, the accuracy is high, and the width of the wavelength change is wide. Multi-wavelength light can be generated.
[0019]
  Claims7The present invention relates to an optical spectrum having means for generating measurement light whose wavelength can be changed, and detection means for irradiating the subject with the measurement light and detecting transmitted light or reflected light from the subject. In the measurement apparatus, the means for generating measurement light capable of changing the wavelength includes a light source that generates reference light having a single peak spectrum of a specific wavelength, and a single measurement in which the wavelength of the reference light is shifted. And a substrate on which the optical waveguide is formed has an SSB-SC modulator made of a material having an electro-optic effect, and the frequency of the modulation signal applied to the SSB-SC modulatorNumberBy changing, the wavelength of the reference light is shifted.
  According to an eighth aspect of the present invention, there is provided: means for generating measurement light whose wavelength can be changed; and detection means for irradiating the subject with the measurement light and detecting transmitted light or reflected light from the subject. In the optical spectrum measuring apparatus, the means for generating the measurement light capable of changing the wavelength includes a light source that generates a reference light having a single peak spectrum of a specific wavelength, and a single unit that shifts the wavelength of the reference light. A substrate for forming a single measurement light and a substrate on which an optical waveguide is formed has an SSB-SC modulator made of a material having an electro-optic effect, and a frequency of a modulation signal applied to the SSB-SC modulator And the wavelength of the reference light is shifted by changing the phase.
  Preferably, the claim9As in the invention according to7 or 8In the optical spectrum measuring apparatus described in 1., the SSB-SC modulator generates a single measurement light having a shifted wavelength by being modulated using a phase shift / attenuation adjuster and a DC bias voltage device. It is characterized by.
  More preferably, the claims10As in the invention according to9In the optical spectrum measuring apparatus described in 1), signals having a phase difference of 90 ° are input to the SSB-SC modulator by the phase shift / attenuation adjuster, and the position of the arm of each sub-MZ waveguide is input by the DC bias voltage device. A voltage is applied so that the phase difference is π, and a single measurement light having a shifted wavelength is generated.
[0020]
  Claim7Thru10According to the invention according to claim 1,4As described in the above description, the configuration is simple, the entire apparatus can be made compact, and a high-resolution optical spectrum measuring apparatus can be provided.
[0021]
  Claims11The invention according to claim7Thru10In the optical spectrum measuring apparatus according to any one of the above, a means for branching the reference light is provided between the light source and the SSB-SC modulator, and one of the branched reference lights is measured by the SSB-SC modulator. The other branched reference light is configured to be incident on the detection means as reference light together with the transmitted light or reflected light.
[0022]
  Claim11The invention according to claim5As described in the above description, it is possible to eliminate the influence of fluctuations in the amount of light and wavelength in the light source and provide a highly accurate measuring apparatus.
[0023]
  Claims12The invention according to claim7Thru11The optical spectrum measuring apparatus according to any one of the above, wherein the reference light is coherent light, and a means for shaping the reference light into a linearly polarized wave is provided between the light source and the SSB-SC modulator. To do.
[0024]
  Claim12By using coherent light such as laser light as a light source and shaping the polarization plane of the coherent light to be incident on the SSB-SC modulator, the wavelength shift function can be more appropriately achieved by the SSB-SC modulator. Can be demonstrated.
[0025]
  Claims13The invention according to claim7Thru12In the optical spectrum measuring apparatus according to any one of the above, a modulation signal applying means for applying a modulation signal to the SSB-SC modulator is provided, and the modulation signal applying means is provided with a configuration for changing the frequency or phase of the modulation signal. It is characterized by being.
[0026]
  Claim13The invention according to claim6As described in the above description, the wavelength shift amount and the wavelength shift direction of the measurement light can be easily adjusted by the configuration for changing the frequency or phase of the modulation signal provided in the modulation signal applying unit, and the wavelength is high in accuracy and wavelength. It is possible to provide an optical spectrum measuring apparatus that generates multi-wavelength light with a wide range of change.
[0027]
  Claims14The invention according to claim7Thru13In the optical spectrum measuring apparatus according to any one of the above, the light source is composed of a plurality of light sources having different wavelengths, each reference light from the plurality of light sources is selectively switched, and the SSB-SC modulator is selected. The configuration is characterized in that the reference light is incident.
[0028]
  Claim14According to the invention, even when the wavelength variable range of the SSB-SC modulator is limited, the light sources having a large number of wavelengths are sequentially switched, and the reference light from each light source is wavelength-shifted by the SSB-SC modulator. By using measurement light, it is possible to generate measurement light over a wide wavelength range, which is difficult with a single light source, and an optical spectrum measurement device with a wide application range can be provided.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, the present invention will be described in detail using preferred examples. The present invention is characterized in that the SSB modulator is used as the SSB-SC modulator. As described above, the SSB-SC modulator has the same configuration as the SSB modulator and the optical waveguide, and the signal to be applied. Therefore, in the following, for the sake of simplicity, the expression “SSB-SC modulator” and “SSB modulator” are used for convenience.
  FIG. 4 is a schematic diagram showing an embodiment of an optical spectrum measuring apparatus using the SSB modulator according to the present invention.
  Reference numeral 1 denotes a laser light source, and reference numeral 2 denotes a polarization shaper that shapes laser light from the laser light source into linearly polarized waves. The laser light shaped into linearly polarized light is incident on the SSB modulator 3 as reference light.
  A microwave having a predetermined phase difference (90 ° phase difference in FIG. 4) is SSB modulated by the microwave generator 4, the microwave amplifier 5, and the microwave phase shift / attenuation adjuster 6. A modulation signal is applied to the RF port of the generator, and a predetermined DC voltage is applied to the DC port of the SSB modulator by the DC bias controller 7.
  The reference light passing through the SSB modulator is wavelength-shifted by a frequency corresponding to the frequency of the microwave and is emitted from the SSB modulator as measurement light.
  The measurement light is applied to the measurement object 8 that is the subject, and the transmitted light or reflected light from the measurement object is incident on the photodetector 9, and the amount of transmitted light or reflected light is detected. The optical system of the optical spectrum measuring apparatus according to the present invention is required to be a polarization-maintained system, and in particular, when an optical fiber is used to guide a light wave after the polarization shaper to each optical component. In this case, a polarization maintaining fiber (not shown) is used.
[0030]
  Next, the configuration of the SSB modulator will be described.
  As the configuration of the SSB modulator, for example, the SSB-SC modulator shown in FIG. 1 is used.
  As a substrate constituting the optical waveguide of the SSB modulator, a material having an electro-optic effect, for example, lithium niobate (LiNbO) is used.₃Hereinafter referred to as LN), lithium tantalate (LiTaO)₃), PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), and quartz-based materials, and in particular, LiNbO because it is easy to configure as an optical waveguide device and has high anisotropy.₃Crystal, LiTaO₃Crystal or LiNbO₃And LiTaO₃It is preferable to use a solid solution crystal consisting of In this example, an example using lithium niobate (LN) will be mainly described.
[0031]
  As a method of manufacturing the optical waveguide, Ti is thermally diffused on the LN substrate to form the optical waveguide. As a method of forming an electrode for applying a modulation signal or a DC bias voltage, a method of directly forming an electrode on an LN substrate without providing a buffer layer over a part or the whole of the substrate, In order to reduce the propagation loss, the dielectric SiO on the LN substrate₂In addition, a modulation electrode, a bias electrode, and a ground electrode having a height of several tens of μm are formed by forming a Ti / Au electrode pattern and a gold plating method on the buffer layer. There is a method of forming.
  In general, a plurality of SSB modulators are formed on a single LN wafer and finally separated into individual SSB modulator chips.
[0032]
  The LN substrate has a crystal axis, and FIG. 1 shows a crystal axis direction in which the refractive index can be changed most efficiently by the electro-optic effect in a direction parallel to the substrate surface and perpendicular to the waveguide traveling direction. This is an example of an “X-cut substrate”, but not limited to this, as described in the paper shown earlier, the refractive index is changed most efficiently by the electro-optic effect in the direction perpendicular to the substrate surface. It is also possible to use a “Z-cut substrate” in which possible crystal axis directions are arranged.
  In general, X-cut LN modulators have the advantages of low DC drift and the ability to achieve zero chirp with a single drive, but they are difficult to match the speed of light and microwaves, and the drive voltage is slightly higher. is there. On the other hand, the Z-cut LN modulator has the advantages that speed matching is easy and the drive voltage is low. On the other hand, the chirp is present in the case of single drive, and the DC drift is somewhat large. There is also. The same can be said for the SSB modulator, and it is possible to appropriately select which cut substrate should be used depending on what is important in the application area.
[0033]
  However, in the waveguide of the SSB modulator as shown in FIG. 1, it is necessary to apply an electric field of exactly the same intensity to each of the light waves transmitted through the four waveguide arms and perform phase adjustment with high accuracy. In the case of a cut substrate, it is necessary to provide a modulation signal electrode on each of the four waveguide arms. For this reason, it is necessary to provide as many circuit components and connectors for phase shift / attenuation adjustment as the number of signal electrodes.
  On the other hand, in the case of an X-cut substrate, a signal electrode is simply installed at the center position of the sub-MZ interference system as shown in FIG. Can be applied simultaneously (zero chirp is achieved with a single drive).
  That is, in the case of a Z-cut board, four signal electrodes are required, and in the case of an X-cut board, two are sufficient, and the number of electronic components and adjustment points can be reduced, and a simpler and cheaper SSB modulator can be obtained. Can be provided.
[0034]
  As for the modulation signal and the DC bias voltage applied to the SSB modulator, as shown in FIG. 1, the sub-MZ waveguide MZ_AWhen a modulation signal of φ (t) = φsinΩt is applied near the center of each arm, the sub MZ waveguide MZ_BIs inputted with H [φ (t)] = φcosΩt after Hilbert transform.
  In addition, a DC bias voltage DC is generated so that a phase difference π is generated in one arm of each sub MZ waveguide._A, DC_BIs applied, and a DC bias voltage DC is applied so that a phase difference π / 2 is generated in one arm of the main MZ waveguide._CIs applied.
  In the case of the X-cut substrate as shown in FIG. 1, each electrode is installed so that the waveguide of each arm is disposed between the modulation signal electrode and the ground electrode. The modulator signal electrode is disposed on the waveguide of each arm, and a ground electrode is provided so as to surround the modulation signal electrode. The same applies to the DC bias electrode.
[0035]
  The graph of FIG. 5 shows an example of the measurement result of the wavelength shift of the SSB modulator according to the present invention.
  Wavelength (λ₀= 1.55008 μm), the emitted light from the SSB modulator was measured with an optical spectrum analyzer before and after applying a modulation signal frequency of 10 GHz to the SSB modulator. The graph before the shift in FIG. 5 is a state in which a modulation signal is not applied to the SSB modulator, and the peak spectrum matches the wavelength of the laser beam. On the other hand, the graph after the shift is the spectrum distribution with the modulation signal applied, and the spectrum of the maximum peak is the primary spectrum (wavelength λ₁= 1.55 μm). It can be fully understood that the laser beam is shifted in the negative direction by the frequency of the modulation signal.
[0036]
  Next, as an example of the optical spectrum measuring apparatus shown in FIG. 4, an example will be described in which a waveguide is inserted into the measurement object 8 that is the subject and the resonance spectrum of the waveguide is measured.
  The measurement object has a length L (L = 5.996 × 10^-2m) a frequency comb generator having a waveguide, and both end faces of the waveguide are set to have a reflectance of 97% (a reflectance at a wavelength of 1.5 μm). Wavelength (λ₀= 1.5 μm), the transmission characteristic of the measurement object was measured with a photodetector for each modulation signal frequency (shift frequency) while sequentially changing the modulation signal frequency applied to the SSB modulator. The results are shown in FIG.
  In FIG. 6, the change amount of the shift frequency is 10 MHz, but it is also possible to change the modulation signal frequency with a finer change amount.
  In the conventional spectrum measuring apparatus, it was difficult to measure with such a small change amount of wavelength (or frequency). However, according to the embodiment of the present invention, δf = 1.13 GHz is obtained from the graph of FIG. Usable effective refractive index n of a waveguide that can be measured and is a measurement object at a wavelength of about 1.5 μm_eff= C / 2δfL≈2.225 (C; speed of light) is calculated with high accuracy.
[0037]
  FIG. 7 shows a second embodiment according to the optical spectrum measuring apparatus of the present invention.
  Each symbol shown in FIG. 7 represents the same meaning as in FIG. The feature of the second embodiment is that the laser beam that has passed through the linear polarizer 2 is split into two beams, one of which is incident on the SSB modulator as measurement light, and wavelength shifted at a predetermined modulation signal frequency. Thereafter, the object to be measured is irradiated. The other branched light is combined with the light transmitted or reflected through the measurement object as reference light, and is incident on the photodetector 9.
  Heterodyne detection is performed in the photodetector 9, and control is performed by phase adjusting means (not shown) so that the phase difference between the reference light and the measurement light is eliminated. The phase adjusting means may be on the optical path of the reference light or on the optical path of the measurement light.
  With such a configuration, even when the light amount or wavelength in the laser light source slightly changes, the reference light is combined with the measurement light and is incident on the photodetector 9, so that these light sources included in the measurement light The resulting noise component can be efficiently removed.
  As a method of combining the measurement light and the reference light, two light waves may be combined using a half mirror or an optical fiber optical coupler, but the two light waves are generated on the light receiving surface of the photodetector. You may comprise so that it may inject simultaneously.
[0038]
  In the above embodiment, an example in which one laser light source is used as the light source of the optical spectrum measuring apparatus has been shown. However, there is a limit to the frequency range of the microwave applied to the SSB modulator. The measurement wavelength is limited.
  For this reason, in order to realize optical spectrum measurement corresponding to a wide wavelength range, a plurality of laser light sources having different wavelengths are prepared, and the wavelength range that can be substantially measured is selected by selectively switching these light sources. It becomes possible to expand. The laser light from the selected light source is incident on the SSB modulator via the linear polarizer as in the above embodiment, and becomes measurement light that has undergone a wavelength shift as appropriate. As the type of laser light source, a plurality of light sources are prepared at a wavelength interval corresponding to a wavelength shift amount that can be dealt with by changing the modulation signal frequency, thereby enabling measurement of a continuous wavelength range. Further, a wavelength tunable laser may be used without preparing a plurality of light sources, or a light source demultiplexed by a diffraction grating may be used. Furthermore, it is possible to prepare a plurality of light sources in the vicinity of wavelengths that are often used in spectrum measurement.
  Further, instead of preparing a plurality of light sources having different wavelengths, it is possible to generate a plurality of discrete wavelengths by using a variable wavelength laser as described in the conventional example, an etalon, or the like.
[0039]
【The invention's effect】
  As described above, the optical spectrum measurement method and apparatus according to the present invention can generate multi-wavelength light with a simple structure, and also enable high-resolution optical spectrum measurement and analysis.
  Further, it is possible to provide a highly accurate optical spectrum measurement method and apparatus that can efficiently remove noise caused by fluctuations in the wavelength and light amount of the light source.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of an SSB modulator according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the role of a main MZ waveguide of an SSB modulator.
FIG. 3 is a diagram showing the role of a sub-MZ waveguide of an SSB modulator.
FIG. 4 is a diagram showing a first embodiment of an optical spectrum measuring apparatus according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a wavelength shift state by an SSB modulator.
FIG. 6 is a graph showing a resonance spectrum measurement result by the optical spectrum measurement apparatus of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a second embodiment of the optical spectrum measuring apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Laser light source
2 Linear polarizer
3 SSB modulator
4 Microwave generator
5 Microwave amplifier
6 Phase shift / attenuation adjuster
7 DC bias voltage device
8 Measurement object
9 Photodetector

Claims

In an optical spectrum measurement method for measuring spectral characteristics of a subject by irradiating the subject with measurement light whose wavelength can be changed, and detecting transmitted light or reflected light from the subject,
The method of generating the measurement light capable of changing the wavelength includes: a reference light having a single peak spectrum of a specific wavelength; an SSB-SC made of a material on which a substrate forming an optical waveguide has an electro-optic effect; was introduced into the modulator by changing the frequency of the modulation signal applied to the SSB-SC modulator, the optical spectrum measuring method characterized by generating a single measuring light shifted wavelength.

In an optical spectrum measurement method for measuring spectral characteristics of a subject by irradiating the subject with measurement light whose wavelength can be changed, and detecting transmitted light or reflected light from the subject,
The method of generating the measurement light capable of changing the wavelength includes: a reference light having a single peak spectrum of a specific wavelength; an SSB-SC made of a material on which a substrate forming an optical waveguide has an electro-optic effect; An optical spectrum measurement method characterized by generating a single measurement light having a shifted wavelength by changing a frequency and a phase of a modulation signal introduced into a modulator and applied to the SSB-SC modulator.

3. The optical spectrum measurement method according to claim 1, wherein the SSB-SC modulator is modulated by using a phase shift / attenuation adjuster and a DC bias voltage device, so that a single measurement with a shifted wavelength is performed. An optical spectrum measuring method, characterized in that the light is generated.

4. The optical spectrum measurement method according to claim 3 , wherein signals having a phase difference of 90 degrees are input to the SSB-SC modulator by the phase shift / attenuation adjuster, and each sub-MZ waveguide is input by the DC bias voltage device. A method of measuring an optical spectrum, wherein a voltage is applied so that an arm phase difference is π to generate a single measurement light having a shifted wavelength.

In optical spectrum measuring method according to any one of claims 1 to 4, wherein when detecting the transmitted or reflected light from the subject, see part of the previous reference light through the SSB-SC modulator An optical spectrum measuring method, wherein light is detected together with the transmitted light or the reflected light.

In optical spectrum measuring method according to any one of claims 1 to 5, the amount or direction of the wavelength shift of the measuring light is carried out by changing the frequency or phase of the modulation signal applied to the SSB-SC modulator An optical spectrum measuring method.

In an optical spectrum measuring apparatus comprising: means for generating measurement light whose wavelength can be changed; and detection means for irradiating the subject with the measurement light and detecting transmitted light or reflected light from the subject.
The means for generating measurement light capable of changing the wavelength includes a light source for generating reference light having a single peak spectrum of a specific wavelength, and a single measurement light in which the wavelength of the reference light is shifted. as well as, the by substrate forming the optical waveguide and a SSB-SC modulator made of a material having an electro-optic effect to change the frequency of the modulation signal applied to the SSB-SC modulator An optical spectrum measuring apparatus, wherein the wavelength of the reference light is shifted.

In an optical spectrum measuring apparatus comprising: means for generating measurement light whose wavelength can be changed; and detection means for irradiating the subject with the measurement light and detecting transmitted light or reflected light from the subject.
The means for generating measurement light capable of changing the wavelength includes a light source for generating reference light having a single peak spectrum of a specific wavelength, and a single measurement light having a wavelength shifted from the reference light. In addition, the substrate on which the optical waveguide is formed has an SSB-SC modulator made of a material having an electro-optic effect, and the frequency and phase of the modulation signal applied to the SSB-SC modulator are changed. An optical spectrum measuring apparatus, wherein the wavelength of the reference light is shifted.

9. The optical spectrum measuring apparatus according to claim 7 or 8 , wherein the SSB-SC modulator is modulated by using a phase shift / attenuation adjuster and a DC bias voltage device, so that a single measurement with a shifted wavelength is performed. An optical spectrum measuring apparatus characterized by generating light for use.

10. The optical spectrum measuring apparatus according to claim 9 , wherein a signal having a phase difference of 90 degrees is input to the SSB-SC modulator by the phase shift / attenuation adjuster, and each sub-MZ waveguide is input by the DC bias voltage device. An optical spectrum measuring apparatus, wherein a voltage is applied so that an arm phase difference is π and a single measuring light having a shifted wavelength is generated.

11. The optical spectrum measuring apparatus according to claim 7 , wherein means for branching the reference light is provided between the light source and the SSB-SC modulator, and one of the branched reference lights is SSB-SC modulated. An optical spectrum measuring apparatus comprising: a measuring light by a detector; and the other branched reference light is incident as a reference light on a detecting means together with the transmitted light or reflected light.

12. The optical spectrum measuring apparatus according to claim 7 , wherein the reference light is coherent light, and means for shaping the reference light into a linearly polarized wave is provided between the light source and the SSB-SC modulator. An optical spectrum measuring device characterized by being provided.

13. The optical spectrum measuring apparatus according to claim 7 , wherein modulation signal applying means for applying a modulation signal to the SSB-SC modulator is provided, and the frequency or phase of the modulation signal is set in the modulation signal applying means. An optical spectrum measuring device provided with a configuration to be changed.

14. The optical spectrum measuring apparatus according to claim 7, wherein the light source includes a plurality of light sources having different wavelengths, and selectively switches each reference light from the plurality of light sources to perform SSB-SC modulation. An optical spectrum measuring apparatus configured to cause the selected reference light to enter the device.