JP4882377B2

JP4882377B2 - 波長計測装置

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Publication number: JP4882377B2
Application number: JP2006000274A
Authority: JP
Inventors: 安一佐野; 紀友平山
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2006-01-04
Filing date: 2006-01-04
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2026-01-04
Also published as: JP2007183117A

Description

本発明は、波長計測装置に関し、特に、光ファイバのブラッグ回折格子（以下、適宜「ＦＢＧ：fiber Bragg Grating」という）からの反射光の波長を測定する波長計測装置に関する。

従来、アレイ導波路回折格子（以下、「ＡＷＧ：Arrayed-Waveguide Grating」という）等を使用した波長計測装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。かかる波長計測装置においては、論文「Wavelength determination of semiconductor lasers: precise but inexpensive」(Jan Christian Braasch et.al, Optical Engineering 1995)に記載された波長の決定原理を利用する。当該論文によれば、図５のグラフに示したような波長感度の異なる一対のフォトダイオード（電極Ａ_１−Ｃ間に形成されるダイオードをダイオードＡ_１Ｃ、電極Ａ_２−Ｃ間に形成されるダイオードをダイオードＡ_２Ｃとする）と、高精度ログアンプとから成るセンサに単色光を照射した場合、センサの出力Ｗは、数式１によって表される。

ここで、Ｉ_１，Ｉ_２は、各ダイオードＡ_１Ｃ，Ａ_２Ｃによる光電流を示し、Ｓ_１（λ），Ｓ_２（λ）は、各ダイオードＡ_１Ｃ，Ａ_２Ｃの波長依存感度を示し、φ（λ）は、照射光の波長依存強度分布を示し、Δλは、照射光波長のバンド幅を示す。すなわち、φ（λ）の波長依存強度分布を持つ照射光が、Ｓ_１（λ），Ｓ_２（λ）の波長依存感度を持つフォトダイオードＡ_１Ｃ，Ａ_２Ｃに入射した場合、光センサの出力Ｗは、各ダイオードＡ_１Ｃ，Ａ_２Ｃについての積φ（λ）Ｓ_１（λ），φ（λ）Ｓ_２（λ）をバンド幅Δλにわたって積分した値（つまり、光電流Ｉ_１，Ｉ_２）の比のｌｏｇを取ることで求められる。そして、照射光の出力が所定の範囲内では、照射光の波長ごとに、ｌｏｇ（Ｉ_１／Ｉ_２）がほぼ一定になり、そのときの照射光波長は、数式２で表されることが記載されている。

（数２）
λ＝ａ_０ｌｏｇ（Ｉ_１／Ｉ_２）＋ａ_１
「ａ_０」，「ａ_１」は定数〔ｎｍ〕を示す。

図６は、上記原理に基づく波長測定システムの全体構成図である。同図に示す６１は、レーザ光源であり、６２は、回転式偏光プリズムであり、６３は、ビームスプリッタである。また、６４は、上述の一対のフォトダイオードＡ_１Ｃ，Ａ_２Ｃからなるダイオード装置であり、６５は、光出力測定器であり、６６は上記数式１、数式２を演算する演算器である。

また、上記論文によれば、各ダイオードの波長感度がほぼ直線的であるような波長範囲（例えば、図５における約６００〜約９００ｎｍ間の３００ｎｍの範囲）では、０．１ｎｍ以下の間隔で波長測定が可能である。つまり、分解能としては１／３０００となる。特許文献１においては、上述の数式１、数式２による波長測定原理を基本とした上で、この測定原理を微小な波長範囲（例えば、３ｎｍ以下の範囲）について適用するために、ＡＷＧを使用している。

なお、このＡＷＧは、論文「Wavelength Multiplexer Based on SiO2-Ta2O5 Arrayed-Waveguide Grating (Takahashi, et.al, Journal of Lightwave Technology Vol.12, No.6, 1994)等に記載されているように、所定の曲率半径のアレイ導波路と、その入力側、出力側にそれぞれ形成されたスラブ導波路と、これらのスラブ導波路にそれぞれ連続する複数チャンネルの入力導波路及び出力導波路と、を有する構造であり、入力光を１ｎｍ以下の分解能で弁別可能な素子である。

図７は、図６に示す波長測定システムと同一の原理に基づき、測定部にＡＷＧを用いた、特許文献１記載の温度分布測定システムのシステム構成図である。同図に示すように、温度分布測定システムにおいては、光ファイバ７１の長手方向に４つのＦＢＧ１〜ＦＢＧ４が形成されるものとし、広帯域光源７２から照射した光の各ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４からの反射光（それぞれ中心波長をλ１〜λ４とする）を、光分岐器７３を介して温度分布測定部７４内のＡＷＧに入力する。そして、ＡＷＧの隣接する二つの出力チャンネルのフォトダイオードＰＤの光電流（上述のＩ_１，Ｉ_２に相当）を各々除算器ＤＩＶ１〜ＤＩＶ４に入力し、その出力をＣＰＵに入力して数式２の演算を行うことにより、各ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４の位置における温度等の物理量に対応する波長を高分解能で検出可能としている。

また、上述のようなＡＷＧを使用した波長計測装置において、同一チャンネルの中心波長から長波長側と短波長側の両方にＦＢＧからの反射波長が存在する場合にも、これらの波長を計測可能として波長の測定点数を増加させた波長計測装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特許文献２記載の波長計測装置においては、図８に示すように、広帯域光源として中心波長及び半値全幅が互いに異なる１．５５μｍ光源８１及び１．３μｍ光源８２を備え、これらの光源８１，８２を光結合器８３、光分岐器８４を介してブラッグ回折格子側に接続する。なお、ブラッグ回折格子は、ＦＢＧ１，・・・，ＦＢＧｎ，ＦＢＧｎ＋１，・・・，ＦＢＧ２ｎとして示してあり、ＦＢＧ１，・・・，ＦＢＧｎは中心波長が１．３〔μｍ〕前後、ＦＢＧｎ＋１，・・・，ＦＢＧ２ｎは中心波長が１．５５〔μｍ〕前後であるものとする。また、測定部８５は、図７に示す温度分布測定部７４と実質的に同一の構成であるが、ブラッグ回折格子ＦＢＧ１〜ＦＢＧ２ｎの数に対応する中心波長λ１〜λ２ｎが入力されるＡＷＧ８６を備えている。

波長を測定する際においては、光源８１，８２を切り替えて点灯し、ブラッグ回折格子ＦＢＧ１，・・・，ＦＢＧｎ、並びに、ブラッグ回折格子ＦＢＧｎ＋１，・・・，ＦＢＧ２ｎからの反射光を測定する。これにより、同一出力チャンネルにおいて、中心波長の短波長側及び長波長側の両方の反射波長が同時に計測される状態を回避し、波長の測定点数を従来の２倍に増加させている。
特開２０００−１８０２７０号公報特開２０００−２８３８４４号公報、図３

しかしながら、上述のような従来の波長計測装置においては、光源の波長帯域を有効に活用できていない。すなわち、当該波長計測装置においては、複数の光源における点灯タイミングをずらすことで、同一出力チャンネルにおいて、中心波長の短波長側及び長波長側の両方の反射波長が同時に計測される状態を回避するものであるが、計測時に利用される波長帯域は、例えば、特許文献１記載の波長計測装置のような従来の波長計測装置と実質的に同一である。

本発明は、以上のような実情に鑑みてなされたもので、光源の波長帯域を有効に活用して、波長を計測可能なブラッグ回折格子（ＦＢＧ）の数を増やすことができる波長計測装置を提供することを目的とする。

このため、本発明は、出射光の中心波長が異なる複数の広帯域光源を備え、これらの複数の広帯域光源を順次に点灯させ、当該広帯域光源からの光を光ファイバを介して複数のブラッグ回折格子に導き、各ブラッグ回折格子からの反射光をアレイ導波路回折格子に入射させ、このアレイ導波路回折格子の複数の出力チャンネルにそれぞれ設けられた一対の受光素子による光電流の比の対数に基づいて上記反射光の波長を測定する波長計測装置において、上記複数の広帯域光源のうち、中心波長が最も短い広帯域光源の波長帯域において、アレイ導波路回折格子の周期的占有波長帯域のうち、最も短波長側の占有波長帯域を、当該占有波長帯域におけるアレイ導波路回折格子のフリースペクトルレンジに等しくすることを特徴とする。

このような構成を有する本波長計測装置によれば、複数の広帯域光源のうち、中心波長が最も短い広帯域光源の波長帯域において、アレイ導波路回折格子の周期的占有波長帯域のうち、最も短波長側の占有波長帯域を、当該占有波長帯域におけるアレイ導波路回折格子のフリースペクトルレンジに等しくすることで、アレイ導波路回折格子の占有波長帯域が、周期的に現れる波長間隔であるフリースペクトルレンジまで拡大されることとなる。これにより、従来、使用していなかった波長帯域まで使用可能となるので、光源の波長帯域を有効に活用して、波長を計測可能なブラッグ回折格子の数を増やすことが可能となる。

なお、上記波長計測装置において、アレイ導波路回折格子の代わりに回折格子型分波器を用いるようにしても良い。このように回折格子型分波器を用いた場合においても、上記の同様の作用、効果を奏することが可能である。

本発明によれば、光源の波長帯域を有効に活用して、波長を計測可能なブラッグ回折格子（ＦＢＧ）の数を増やすことが可能となる。

以下、本発明の一実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明する。

本実施の形態においては、以下に述べる図１に示すごとく、光ファイバの長さ方向に形成された複数のＦＢＧに対し、それぞれ重複しないように微小な反射光波長範囲を割り当てておき、これらのＦＢＧからの反射光をＡＷＧに入力することにより、中心波長が例えば１〔ｎｍ〕以下の間隔の複数の波長に分離する。そして、ＡＷＧの隣接する二つの出力導波路（以下、適宜「出力チャンネル」という）から一対のフォトダイオードに光を入射させることにより、微小な範囲について高分解能で波長を検出するようにしている。

以下、図１に従って本実施の形態に係る波長計測装置の構成を説明する。図１は、本実施の形態に係る波長計測装置の全体構成を示すものである。図１に示す１１は、広帯域光源（以下、「光源」と略す）であり、１２は、光結合器であり、１３は、光分岐器である。また、１４は、長さ方向に複数のＦＢＧが形成された光ファイバであり、１５は、各ＦＢＧからの反射光をＡＷＧ１６に導くための光ファイバである。なお、複数のＦＢＧにおいては、反射波長が重複することなく、それぞれ異なるように設定されている。

なお、複数のＦＢＧは、複数のグループ（ここでは、グループ１からグループｎ）に分けられている。一方、光源１１は、ＦＢＧの複数のグループに対応する個数（ここでは、ｎ個の光源１１−１〜１１−ｎ）だけ設けられている。各光源１１は、ＦＢＧの各グループに対応付けられており、順次、点灯及び消灯するように構成されている。具体的には、光源１１−１は、グループ１に属するＦＢＧに対応付けられ、光源１１−２は、グループ２に属するＦＢＧに対応付けられ、同様にして、光源１１−ｎは、グループｎに属するＦＢＧに対応付けられている。

光源１１から照射された光は、合波器１２及び光分岐器１３を介して光ファイバ１４の対応するＦＢＧにより反射され、光分岐器１３及び光ファイバ１５を通ってＡＷＧ１６に入射する。例えば、光源１１−１から照射された光は、光ファイバ１４の対応するグループ１に属するＦＢＧにより反射され、光分岐器１３及び光ファイバ１５を通ってＡＷＧ１６に入射する。また、光源１１−２から照射された光は、光ファイバ１４の対応するグループ２に属するＦＢＧにより反射され、光分岐器１３及び光ファイバ１５を通ってＡＷＧ１６に入射する。

ＡＷＧ１６は、各波長を分波して出力する。ＡＷＧ１６には光ファイバから成る出力チャンネル１７−１，１７−２，…，１７−ｎが設けられている。出力チャンネル１７−１，１７−２，…，１７−ｎにはそれぞれフォトダイオード１８及びプリアンプ１９が設けられており、プリアンプ１９の出力側には波長測定演算を行うマイクロコンピュータ２０が接続されている。ＦＢＧの反射光の中心波長は、ＡＷＧ１６を経由してフォトダイオード１８にて光電変換された後、マイクロコンピュータ２０で例えば、上述の数式１及び数式２による演算などの信号処理を行うことで算出される。

図２は、図１に示す波長計測装置における各種スペクトルを示したものである。図２においては、複数の光源１１−１，光源１１−２，…，光源１１−ｎの発光スペクトル、ＡＷＧの透過スペクトル、ＦＢＧの反射スペクトルを示している。なお、図２に示すように、複数の光源１１の発光スペクトルは、互いに重複しないように設定されている。また、ＦＢＧの反射波長は、複数個まとめて１本の光ファイバから戻ってくるので、図２に示すように、ピークを有したスペクトルとなる。

また、ＡＷＧ１６の透過スペクトルは、図２に示すように、後述するフリースペクトルレンジで繰り返す。これは、ＡＷＧ１６における透過特性の周期性に基づくものである。ＡＷＧ１６における透過特性の周期性とは、図３（ａ），（ｂ）に示すように、ある中心波長（例えば、図３（ａ）では１．３〔μｍ〕前後の中心波長を示し、図３（ｂ）では１．５５〔μｍ〕前後の中心波長を示している）の光がＡＷＧ１６に入力されると、各出力チャンネルの出力信号が波長に対し一定の周期で繰り返し現れることをいう。なお、図３においては、実際のＡＷＧ１６の透過スペクトルの測定例を示しており、光源１１のスペクトルと合わせて示している。

ここで、ＡＷＧ１６のフリースペクトルレンジ（ＦＳＲ）について説明する。ＡＷＧ１６の帯域透過特性は、図２に示すように、波長に対して周期的に現れることとなるが、このように周期的に現れる波長の間隔をフリースペクトルレンジという。なお、図３（ａ）に示す「ｍ」、「ｍ＋１」のグループは、互いに隣接するＦＳＲの透過スペクトルのグループであることを示している。これらの図から実際にＡＷＧ１６の透過スペクトルは、フリースペクトルレンジの周期性を持って繰り返していることが分かる。

本実施の形態に係る波長計測装置は、このようなＡＷＧ１６における透過特性の周期性に着目し、後述する占有波長帯域のうち、特定の占有波長帯域を、当該占有波長帯域におけるＡＷＧ１６のフリースペクトルレンジに等しくする。ここで、占有波長帯域とは、１つのフリースペクトルレンジ内において、複数チャンネルから成るＡＷＧ１６の最短の中心波長を有する出力チャンネルから、最長の中心波長を有する出力チャンネルまでの波長帯域のことをいう。図２においては、複数の光源１１のうち、光源１１−２の波長帯域に対応する占有波長帯域を示している。

特に、本実施の形態に係る波長計測装置は、複数の光源１１のうち、中心波長が最も短い光源１１（図２に示す光源１１−１）の波長帯域において、ＡＷＧ１６の周期的占有波長帯域のうち、最も短波長側の占有波長帯域（図２に示す光源１１−１の発光スペクトラムに対応する占有波長帯域）を、当該占有波長帯域におけるＡＷＧ１６のフリースペクトルレンジに等しくする。

ここで、ＡＷＧ１６の周期的占有波長帯域のうち、最も短波長側の占有波長帯域（図２に示す光源１１−１の発光スペクトラムに対応する占有波長帯域）を、当該占有波長帯域におけるＡＷＧ１６のＦＳＲに等しくするのは、以下の理由に基づく。すなわち、一般に、１周期分の占有波長帯域とフリースペクトルレンジとの差ΔＦは、長波長帯域になるほど拡大していく。このため、波長帯域を有効に使用して波長を測定可能なＦＢＧの数を増やすには、１周期分の占有波長帯域とフリースペクトルレンジとの差ΔＦが最も小さい占有波長帯域を選択することが最適であるからである。

このように、複数の光源１１のうち、中心波長が最も短い光源１１の波長帯域において、ＡＷＧ１６の周期的占有波長帯域のうち、最も短波長側の占有波長帯域を、当該占有波長帯域におけるＡＷＧ１６のフリースペクトルレンジに等しくすることで、ＡＷＧ１６の占有波長帯域が、周期的に現れる波長間隔であるフリースペクトルレンジまで拡大されることとなる。これにより、従来、使用していなかった波長帯域（上述のΔＦに相当）まで使用可能となるので、光源の波長帯域を有効に活用して、波長が計測可能なブラッグ回折格子（ＦＢＧ）の数を増やすことが可能となる。

図４（ａ），（ｂ）は、図３（ａ），（ｂ）の縦軸に示すパワー〔ｄＢｍ〕を透過率〔ｄＢ〕に直して示したものであり、ＦＢＧの反射スペクトルを合わせて示している。なお、説明の便宜上、図４（ａ），（ｂ）においては、ＡＷＧ１６に設けられた出力チャンネルが１６チャンネルであるものとし、出力チャンネル１７−１〜１６につき、各１波長帯域に絞って示している。実際には、これらの両端から先の長波長側、短波長側に出力チャネル１７が繰り返し存在する。また、図４（ａ），（ｂ）においては、それぞれＦＢＧ１、ＦＢＧ２の１つずつのみ示している。

図４においては、光源１１を、１．３μｍの中心波長を有する光源（１．３μｍ光源）、並びに、１．５５μｍの中心波長を有する光源（１．５５μｍ光源）の２つ備えた場合について示すものとし、ＡＷＧ１６の周期的占有波長帯域のうち、最も短波長側の占有波長帯域（１．３μｍ光源の発光スペクトラムに対応する占有波長帯域）を、当該占有波長帯域におけるＡＷＧ１６のフリースペクトルレンジに略等しくした場合について示している。

なお、図４に示すように、本実施の形態に係る波長計測装置においては、１．３μｍ光源及び１．５５μｍ光源の点灯を切り替えることで、出力チャンネル１７−７，１７−８において、ＦＢＧ１，ＦＢＧ２の２つの反射波長を測定することが可能であることが分かる。

このように本実施の形態に係る波長計測装置によれば、複数の光源１１のうち、中心波長が最も短い光源１１の波長帯域において、ＡＷＧ１６の周期的占有波長帯域のうち、最も短波長側の占有波長帯域を、当該占有波長帯域におけるＡＷＧ１６のフリースペクトルレンジに等しくすることで、ＡＷＧ１６の占有波長帯域が、周期的に現れる波長間隔であるフリースペクトルレンジまで拡大されることとなる。これにより、従来、使用していなかった波長帯域（上述のΔＦに相当）まで使用可能となるので、光源の波長帯域を有効に活用して、波長を計測可能なブラッグ回折格子（ＦＢＧ）の数を増やすことが可能となる。この結果、ＡＷＧ１６の数を増やすことなく、波長の計測点を増加させることができるので、装置全体としての製造コストを低減することが可能となる。

また、中心波長が最も短い光源１１の波長帯域において、ＡＷＧ１６の最も短波長側の占有波長帯域（以下、適宜「最短波長側占有波長帯域」という）を、当該占有波長帯域におけるＡＷＧ１６のフリースペクトルレンジに等しくしているので、当該占有波長帯域よりも長波長側の占有波長帯域(以下、適宜「長波長側占有波長帯域」という)を、当該占有波長帯域におけるＡＷＧ１６のフリースペクトルレンジに等しくした場合に生じうる不具合が発生する事態を防止することができる。

すなわち、ＡＷＧ１６の長波長側占有波長帯域を、当該占有波長帯域におけるＡＷＧ１６のフリースペクトルレンジに等しくした場合には、上述のように、最短波長側占有波長帯域と比べて、１周期分の占有波長帯域とフリースペクトルレンジとの差ΔＦが大きい。従って、この場合には、最短波長側占有波長帯域において、ＡＷＧ１６の占有波長帯域が、当該占有波長帯域におけるＡＷＧ１６のフリースペクトルレンジよりも大きくなる事態が発生し得る。本実施の形態に係る波長計測装置においては、中心波長が最も短い光源１１の波長帯域において、ＡＷＧ１６の最短波長側占有波長帯域を、当該占有波長帯域におけるＡＷＧ１６のフリースペクトルレンジに等しくして、上述のような事態を確実に防止している。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、上記実施の形態においては、波長測定部にＡＷＧ１６を用いる場合について説明しているが、これに限定されず、ＡＷＧ１６の代わりに回折格子型分波器（ＨＯＥ）を用いるようにしても良い。このように回折格子型分波器（ＨＯＥ）を用いた場合においても、ＡＷＧ１６を用いた場合と同様の作用、効果が得られることは自明である。

ここで、回折格子型分波器（ＨＯＥ）は、論文「VERY DENSE N*M WAVELENGTH ROUTERS BASED ON A NEW DIFFRACTION GRATING CONFIGULATION」(J.P.Laude, et.al, ECOC'97 pp.22-25 1997)、並びに、「A new method for broadening and flattening the spectral shape of the transmission channels of Grating Wavelength Multiplexers(WDM) and Routers」(J.P.Laude, et.al, OECC'98 pp.522-523 1998)等に記載されるように、光を入射させる入射ファイバと、その入射光を回折し、結像させる回折格子と、回折光を導く出射ファイバとからなり、回折格子と入出射ファイバとの間は、例えば、シリカブロックによってつながれている構造であり、入射光を最小で１〔ｎｍ〕以下の分解能で弁別可能な素子である。

また、上記実施の形態においては、ＡＷＧ１６の周期的占有波長帯域のうち、最も短波長側の占有波長帯域を、当該占有波長帯域におけるＡＷＧ１６のフリースペクトルレンジに等しくする場合について説明しているが、占有波長帯域とフリースペクトルとの関係については、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。完全に等しくする場合に限られず、実質的に等しくすることや、若干の差異を設けて略等しくするようにしても良い。

本発明は、複数の光源のうち、中心波長が最も短い光源の波長帯域において、ＡＷＧの周期的占有波長帯域のうち、最も短波長側の占有波長帯域を、当該占有波長帯域におけるＡＷＧのフリースペクトルレンジに等しくすることにより光源の波長帯域を有効に活用し、波長を計測可能なブラッグ回折格子（ＦＢＧ）の数を増やすものであり、産業上の利用可能性を有する。

本発明の一実施の形態に係る波長計測装置の全体構成を示す図である。図１に示す波長計測装置における各種スペクトルを示す図である。上記実施の形態に係る波長計測装置が有するＡＷＧの透過スペクトルと波長との関係を説明するための図である。図３に示すＡＷＧの透過率と波長との関係を説明するための図である。波長計測原理の説明図である。公知の波長測定システムの全体構成図である。従来技術としての温度分布測定システムのシステム構成図である。従来技術としての波長計測システムの全体構成図である。

符号の説明

１１広帯域光源
１２光結合器
１３光分岐器
１４，１５光ファイバ
１６アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）
１７出力導波路（出力チャンネル）
１８フォトダイオード
１９プリアンプ
２０マイクロコンピュータ

Claims

出射光の中心波長が異なる複数の広帯域光源を備え、これらの複数の広帯域光源を順次に点灯させ、当該広帯域光源からの光を光ファイバを介して複数のブラッグ回折格子に導き、各ブラッグ回折格子からの反射光をアレイ導波路回折格子に入射させ、このアレイ導波路回折格子の複数の出力チャンネルにそれぞれ設けられた一対の受光素子による光電流の比の対数に基づいて前記反射光の波長を測定する波長計測装置において、
前記複数の広帯域光源のうち、中心波長が最も短い広帯域光源の波長帯域において、アレイ導波路回折格子の周期的占有波長帯域のうち、最も短波長側の占有波長帯域を、当該占有波長帯域におけるアレイ導波路回折格子のフリースペクトルレンジに等しくすることを特徴する波長計測装置。
請求項１記載の波長計測装置において、前記アレイ導波路回折格子の代わりに回折格子型分波器を用いることを特徴とする波長計測装置。