JP4947183B2 - 光スペクトラムアナライザ - Google Patents

Description

本発明は、入射される被測定光を特定の波長成分に分光し、分光した光の強度を測定することにより前記被測定光の光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。

従来より、レーザなどのアクティブデバイスの波長特性を測定する光スペクトラムアナライザが知られている。光スペクトラムアナライザは、入力された被測定光をモノクロメータ内部の回折格子により分光し、サンプリング波長に対応した回折格子角度での光強度を連続的に測定することにより、光スペクトルを測定する。

図３は従来の光スペクトラムアナライザの一例を示す構成図であり、入力部１と、入力部１より被測定光が入力されるモノクロメータ２と、モノクロメータ２の内部に備えられた回折格子２１と、回折格子２１により分光された成分光を受光する受光器６と、受光器６の出力を増幅する増幅器７と、増幅器７の出力をＡ／Ｄ変換して成分光の光強度を測定するＡ／Ｄ変換器８と、回折格子２１を駆動する（回転させる）回折格子制御部３と、成分光の光強度のサンプリングのタイミングを制御する制御部４００と、サンプリングした光強度データに基づいて光スペクトラムを生成する演算部５００と、生成された光スペクトラムを表示する表示部９とを備えている。

入力部１よりモノクロメータ２へ入力された被測定光は、モノクロメータ２内部の回折格子２１により分光される。分光された成分光は受光器６に入射する。

成分光の波長は被測定光に対する回折格子２１の相対角度に依存する。演算部５００は、設定されたサンプリング開始／終了波長、測定ポイント数等の測定条件から、光強度の取得を行うサンプリング波長に対応した目標回折格子角度を算出し、測定開始前に得られた目標回折格子角度データ（Ｄｓｍｐ）を制御部４００内のメモリに書き込む。

回折格子制御部３は、サンプリング開始波長に対応する角度からサンプリング終了波長に対応する角度まで回折格子２１を駆動するとともに、現在の回折格子角度（Ｄｇｒｔ）を制御部４００に伝達する。

制御部４００は、回折格子制御部３から入力される現在の回折格子角度Ｄｇｒｔとメモリに保存された目標回折格子角度とを比較し、回折格子角度Ｄｇｒｔが目標回折格子角度に至ると、サンプリングのタイミングを示すトリガ信号Ｓｔｒｇを生成する。Ａ／Ｄ変換器８はこのトリガ信号Ｓｔｒｇを受けてその時の光強度データＤｌｕｍを取得し、制御部４００に伝達する。これをトリガ信号Ｓｔｒｇを受けるたびに繰り返し、すべてのサンプリング波長について光強度データＤｌｕｍを取得する。

演算部５００は制御部４００経由で光強度データＤｌｕｍを受け取り、波長対光強度の光スペクトラムデータを取得する。演算部５００は、さらに、取得した光スペクトラムデータに対してレベル値の補正を施し、表示データを生成し、表示部９に表示する。

図４は制御部４００の構成を示す図であり、メモリ４１０、比較手段４２０、メモリ４１０のアドレスを指定するインクリメンタルカウンタ４３０を備えている。

まず、測定開始時に、演算部５００より測定条件に応じた目標回折格子角度データＤｓｍｐがメモリ４１０に初期アドレスから書き込まれる。測定時は、インクリメンタルカウンタ４３０は初期アドレスからメモリ４１０のアドレスを指定し、メモリ４１０は指定されたアドレスのデータを比較手段４２０に出力する。

比較手段４２０は、メモリ４１０から入力された目標回折格子角度データＤｓｍｐと回折格子２１の現在の角度を示す角度情報Ｄｇｒｔとを比較し、回折格子角度Ｄｇｒｔが目標回折格子角度に至るとトリガ信号Ｓｔｒｇを生成する。トリガ信号ＳｔｒｇはＡ／Ｄ変換器８およびインクリメンタルカウンタ４３０に伝達される。インクリメンタルカウンタ４３０はトリガ信号Ｓｔｒｇを受けてカウント値をインクリメントする。これにより、Ａ／Ｄ変換器８はサンプリング波長に対応する光強度Ｄｌｕｍを取得する。また、トリガ信号Ｓｔｒｇによりメモリ４１０に指定するアドレスが更新され、比較手段４２０に出力する目標回折格子角度Ｄｓｍｐが更新される。

このように、演算部５００は測定開始前に測定条件に対応したサンプリング波長に対応する目標回折格子角度データＤｓｍｐをすべて算出し、回折格子２１の駆動前にメモリ４１０へ初期アドレスから順次書き込んでおく。これにより、回折格子２１の駆動時にサンプリング波長に対応したタイミングでトリガ信号Ｓｔｒｇが順次生成され、設定された測定ポイント数で光スペクトラムを連続的に測定することができる。

下記特許文献には、光スペクトラムアナライザが記載されている。

特開２０００−３１４６６１号公報

しかしながら、光スペクトラムアナライザにおいて１ｐｍ程度の分解能を得るためには回折格子２１の角度分解能は０．１６秒（１／８００万回転）程度必要であり、サンプリング波長範囲が１０００ｎｍの場合には、回折格子角度データＤｓｍｐは２０ｂｉｔ以上必要となる。また、測定ポイント数を５０００１ポイントとした場合、目標回折格子角度データを格納するメモリ４１０は１Ｍｂｉｔ以上必要となる。すなわち、メモリ４１０の容量によって測定ポイント数が制限されてしまう。

また、インクリメンタルカウンタ４３０や比較手段４２０はＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などの論理回路により構成される。一方、メモリ４１０については、ＦＰＧＡ内部に１Ｍｂｉｔ以上のメモリを持たせるには容量の大きい高価なＦＰＧＡを使用する必要があるため、ＦＰＧＡ外部に配置したメモリＩＣで構成する。
しかし、このメモリＩＣはＦＰＧＡにより制御することになるため、安価なＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）ではなく、リフレッシュ動作が必要ない高価なＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）を使用する必要があり、コストアップにつながる。

また、上記のような構成では、測定開始前にメモリ４１０に対して全測定ポイント分の目標回折格子角度データＤｓｍｐを書き込むため、測定開始までに時間がかかる。

その他の方式として、演算部５００に目標回折格子角度データＤｓｍｐを格納し、メモリ４１０の代わりにＦＰＧＡ内部に回折格子角度データＤｓｍｐと同ビット数のレジスタを持たせ、トリガ信号Ｓｔｒｇの１生成毎に演算部５００に対して割り込みを発生し、このレジスタの値を更新する方式が考えられる。
しかし、この場合、制御部４００と演算部５００の接続をＰＣＩ−３３ＭＨｚとし、ＰＣＩドライバ内部で割り込み処理を実施しても割り込み認識まで８μｓ程度の時間が必要であり、データを書き込みは１μｓ必要である。
光ペクトラムアナライザのデータ取得時間間隔は最短５０μｓ程度であるが、この方式の場合割り込み処理が頻発するため、このような短いデータ取得時間間隔の場合には演算部５００の負荷が大きくなり、補正処理、描画処理に遅延が発生する可能性がある。

本発明は、従来の問題をなくし、ＳＲＡＭ等のハードウェアを削減しコストダウンと測定開始時間の短縮を可能にし、描画等の遅延を発生させることなくデータ取得時間間隔を短くできる光スペクトラムアナライザを実現することを目的とする。

このような課題を達成するために、本発明の構成は次の通りである。
（１）入射される被測定光を特定の波長成分に分光し、分光した光の強度を測定することにより前記被測定光の光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、
前記被測定光から特定の波長成分を抽出し、成分光として出力する回折格子と、
この回折格子を駆動して前記被測定光との相対角度を変化させることにより前記成分光の波長を変化させる回折格子制御部と、
前記成分光の光強度を検出する光検出部と、
前記回折格子が抽出する波長成分が前記成分光の光強度を検出すべきサンプリング波長となる目標回折格子角度データを算出し、算出した目標回折格子角度データを内部メモリに格納する演算部と、
前記内部メモリに格納された前記目標回折格子角度データの一部が入力され、サンプリングのタイミングを示すトリガ信号ごとに前記目標回折格子角度データを出力するＦＩＦＯメモリと、
このＦＩＦＯメモリから出力された前記目標回折格子角度データと前記回折格子の角度とに基づいて前記トリガ信号を生成するトリガ信号生成部と、
前記ＦＩＦＯメモリのデータ残量が所定値以下になると前記内部メモリから前記目標回折格子角度データの続きを読みだして前記ＦＩＦＯメモリに入力するＦＩＦＯメモリ制御部と、
を備え、
前記ＦＩＦＯメモリ制御部は、前記演算部のポーリング期間中に前記ＦＩＦＯメモリに前記目標回折格子角度データの入力を行うことを特徴とする光スペクトラムアナライザ。

本発明によれば、
前記被測定光から特定の波長成分を抽出し、成分光として出力する回折格子と、
この回折格子を駆動して前記被測定光との相対角度を変化させることにより前記成分光の波長を変化させる回折格子制御部と、
前記成分光の光強度を検出する光検出部と、
前記回折格子が抽出する波長成分が前記成分光の光強度を検出すべきサンプリング波長となる目標回折格子角度を算出し、算出した目標回折格子角度データを内部メモリに格納する演算部と、
前記内部メモリに格納された前記目標回折格子角度データの一部が入力され、サンプリングのタイミングを示すトリガ信号ごとに前記目標回折格子角度データを出力するＦＩＦＯメモリと、
このＦＩＦＯメモリから出力された前記目標回折格子角度データと前記回折格子の角度とに基づいて前記トリガ信号を生成するトリガ信号生成部と、
前記ＦＩＦＯメモリのデータ残量が所定値以下になると前記内部メモリから前記目標回折格子角度データの続きを読みだして前記ＦＩＦＯメモリに入力するＦＩＦＯメモリ制御部とを備えているため、
ＳＲＡＭ等のハードウェアを削減しコストダウンと測定開始時間の短縮を可能にし、描画等の遅延を発生させることなくデータ取得時間間隔を短くできる光スペクトラムアナライザを実現できる。

請求項２の発明によれば、
前記ＦＩＦＯメモリ制御部は、前記ＦＩＦＯメモリのデータ残量が所定値以下になると前記演算部に対して割り込みを発生させ、前記演算部は、この割り込みを受けて前記ＦＩＦＯメモリに前記目標回折格子角度データを入力するため、
ＦＩＦＯメモリのデータ残量に応じて効率的に目標回折格子角度データを更新でき、演算部にかかる負担が低減され、描画等の遅延が発生するおそれをさらに低減できる。

請求項３の発明によれば、
前記ＦＩＦＯメモリ制御部は、前記演算部のポーリング期間中に前記ＦＩＦＯメモリに前記目標回折格子角度データの入力を行うため、
演算部への割り込み回数を減らすことができ、演算部にかかる負担が少なくなり、描画等の遅延を発生させるおそれをさらに低減できる。

本発明による光スペクトラムアナライザの一実施例を示す構成図である。 図１の実施例の制御部の構成を示す図である。 従来の光スペクトラムアナライザの一例を示す構成図である。 図３の従来例の制御部の構成を示す図である。

図１は本発明による光スペクトラムアナライザの一実施例を示す構成図であり、図３の従来例の制御部４００を制御部４に、演算部５００を演算部５に置き換えたものである。

本実施例の光スペクトラムアナライザは、入力部１と、入力部１より被測定光が入力されるモノクロメータ２と、モノクロメータ２の内部に備えられた回折格子２１と、回折格子２１により分光された成分光を受光する受光器６と、受光器６の出力を増幅する増幅器７と、増幅器７の出力をＡ／Ｄ変換して成分光の光強度を測定するＡ／Ｄ変換器８と、回折格子２１を駆動する（回転させる）回折格子制御部３と、成分光の光強度のサンプリングのタイミングを制御する制御部４と、サンプリングした光強度データに基づいて光スペクトラムを生成する演算部５と、生成された光スペクトラムを表示する表示部９とを備えている。演算部５はＣＰＵ、制御部４はＦＰＧＡで構成する。

入力部１よりモノクロメータ２へ入力された被測定光は、モノクロメータ２内部の回折格子２１により分光される。分光された成分光は受光器６に入射し、光強度データに変換される。

成分光の波長は被測定光に対する回折格子２１の相対角度に依存する。演算部５は、設定されたサンプリング開始／終了波長、測定ポイント数等の測定条件から、光強度の取得を行うサンプリング波長に対応した目標回折格子角度を算出する。

演算部５は、表示部９に光スペクトラムを表示するための描画処理等も実施するため、ウィンドウズ（登録商標）のようなＯＳ（オペレーティングシステム）を実行させて動作させる。そのため、演算部５は数１００ＭＢｙｔｅの内部メモリ容量を持っており、数Ｍｂｉｔの目標回折格子角度データＤｓｍｐを演算部５の内部メモリに保持させておくことは容易に可能である。演算部５は、得られた目標回折格子角度を一旦すべて演算部５内の内部メモリに記憶させ、後述するように測定開始前にこの内部メモリから目標回折格子角度データの一部を読み出して制御部４内のメモリに書き込む。

回折格子制御部３は、サンプリング開始波長に対応する角度からサンプリング終了波長に対応する角度まで回折格子２１を駆動するとともに、現在の回折格子角度Ｄｇｒｔを制御部４に伝達する。

なお、回折格子角度θと波長λの関係は、モノクロメータ２の構成がツェルニ・ターナ配置の場合、
λ＝２ｄ／｛ｍ・ｃｏｓ（ａ）・ｓｉｎθ｝
ｄ：回折格子の溝本数
ｍ：回折次数
ａ：回折格子に対する入射光および出射光のためす角度／２
である。

測定時における回折格子２１の駆動は、振動抑制のため一定速度とする必要がある。光強度データＤｌｕｍを等波長間隔で連続的に取得するために、トリガ信号Ｓｔｒｇは時間一定間隔ではなく、波長一定間隔となるように生成される。

制御部４は、回折格子制御部３から入力される現在の回折格子角度Ｄｇｒｔとメモリに保存された目標回折格子角度とに基づいて、サンプリングのタイミングを示すトリガ信号Ｓｔｒｇを生成する。Ａ／Ｄ変換器８はこのトリガ信号Ｓｔｒｇを受けてその時の光強度データＤｌｕｍを取得する。

図２は制御部４の構成を示す図であり、複数段からなるＦＩＦＯメモリ４１と、比較手段４２を備えている。

測定開始時に、演算部５より目標回折格子角度データＤｓｍｐがＦＩＦＯメモリ４１が満杯となるまで入力される。測定時には、ＦＩＦＯメモリ４１に蓄積された目標回折格子角度データＤｓｍｐが比較手段４２に出力される。

比較手段４２は、ＦＩＦＯメモリ４１から入力される目標回折格子角度データＤｓｍｐと回折格子２１の現在の角度を示す角度情報Ｄｇｒｔとを比較し、回折格子角度Ｄｇｒｔが目標回折格子角度に至るとトリガ信号Ｓｔｒｇを生成する。

トリガ信号ＳｔｒｇはＡ／Ｄ変換器８およびＦＩＦＯメモリ４１に伝達される。Ａ／Ｄ変換器８はトリガ信号Ｓｔｒｇを受けてサンプリング波長に対応する光強度Ｄｌｕｍを取得する。また、ＦＩＦＯメモリ４１はトリガ信号Ｓｔｒｇを受けて出力データを更新し、次のサンプリング波長に対応する新しい目標回折格子角度データＤｓｍｐを比較手段４２に提供する。

比較手段４２は、更新された目標回折格子角度データＤｓｍｐと角度情報Ｄｇｒｔとを比較し、回折格子角度Ｄｇｒｔが目標回折格子角度に至ると次のトリガ信号Ｓｔｒｇを生成する。ＦＩＦＯメモリ４１は、新たに生成されたトリガ信号Ｓｔｒｇを受けて再度目標回折格子角度Ｄｓｍｐを更新する。

測定時はトリガ信号Ｓｔｒｇが生成されるたびにＦＩＦＯメモリ４１に蓄積されたデータが１段ずつ減少する。ＦＩＦＯメモリ４１のデータ残量が所定値（たとえば半分）になったときに、ＦＩＦＯメモリ４１は演算部５に対して割り込み信号Ｓｉｎｔを発生する。演算部５は、この割り込み信号Ｓｉｎｔを受けて、再度ＦＩＦＯメモリ４１が満杯となるまで目標回折格子角度データＤｓｍｐを入力する。

以上の動作を繰り返すことで、回折格子２１の駆動時にサンプリング波長に対応したタイミングでトリガ信号Ｓｔｒｇが順次生成され、設定された測定ポイント数で光スペクトラムを連続的に測定することができる。

Ａ／Ｄ変換器８で取得した各光強度データＤｌｕｍは、制御部４経由で演算部５に伝達され、光スペクトラムデータが生成される。演算部５は、さらに、生成された光スペクトラムデータに対してレベル値の補正を施し、表示データを生成し、表示部９に表示する。

ＦＩＦＯメモリ４１は論理回路消費量が少ないので、制御部４を構成するＦＰＧＡの内部に実装可能である。したがって、従来例のように外付けの大容量メモリ（ＳＲＡＭ等）を用いる必要がなく、実装面積低減とコストダウンが可能である。
また、従来例のように測定開始前に全測定ポイント分の目標回折格子角度データＤｓｍｐをＳＲＡＭに書き込む必要がないため、測定開始までの時間を短縮できる。
また、従来例のように、目標回折格子角度データＤｓｍｐを格納するＳＲＡＭの容量に起因する測定ポイント数の制限をなくすことができる。

本実施例の効果の一例を記載する。制御部４と演算部５の接続をＰＣＩ−３３ＭＨｚとし、ＰＣＩドライバ内部で割り込み処理を実施した場合には、前述のように、割り込み処理に８μｓ、書き込み処理に１μｓ必要である。
本実施例において、ＦＩＦＯメモリの段数を１６段とし、半分の残り８段となったときに割り込み信号Ｓｉｎｔを生成するようにした場合、一回の割り込み処理に必要な時間は、
８μｓ＋１μｓ×８＝１６μｓ
であり、一回の割り込みに対する処理時間はレジスタのみとした場合の２倍程度となる。しかしながら、割り込み回数が１／８回となるため、全体的には演算部５に対する負荷を大幅に低減でき、描画処理等の遅延を発生させないで済む。

本実施例は以上のように構成され、
被測定光から特定の波長成分を抽出し、成分光として出力する回折格子２１と、この回折格子２１を駆動して被測定光との相対角度を変化させることにより成分光の波長を変化させる回折格子制御部３と、成分光の光強度を検出する受光部６と、
回折格子２１が抽出する波長成分が成分光の光強度を検出すべきサンプリング波長となる目標回折格子角度を算出し、算出した目標回折格子角度データＤｓｍｐを内部メモリに格納する演算部５と、演算部５の内部メモリに格納された目標回折格子角度データＤｓｍｐの一部が入力され、サンプリングのタイミングを示すトリガ信号Ｓｔｒｇごとに目標回折格子角度データＤｓｍｐを出力するＦＩＦＯメモリ４１と、このＦＩＦＯメモリ４１から出力された目標回折格子角度データＤｓｍｐと回折格子の角度Ｄｇｒｔとに基づいてトリガ信号Ｓｔｒｇを生成する比較手段４２と、ＦＩＦＯメモリ４１のデータ残量が所定値以下になると演算部５の内部メモリから目標回折格子角度データＤｓｍｐの続きを読みだしてＦＩＦＯメモリ４１に入力する制御部４とを備えているため、
ＳＲＡＭ等のハードウェアを削減しコストダウンと測定開始時間の短縮を可能にし、描画等の遅延を発生させることなくデータ取得時間間隔を短くできる光スペクトラムアナライザを実現できる。

また、制御部４は、ＦＩＦＯメモリ４１のデータ残量が所定値以下になると演算部５に対して割り込み信号Ｓｉｎｔを発生させ、演算部５は、この割り込み信号Ｓｉｎｔを受けてＦＩＦＯメモリ４１に目標回折格子角度データＤｓｍｐを入力するため、
ＦＩＦＯメモリ４１のデータ残量に応じて効率的に目標回折格子角度データＤｓｍｐを更新でき、演算部５にかかる負担が低減され、描画等の遅延が発生するおそれをさらに低減できる。

なお、本実施例では、ＦＩＦＯメモリ４１はデータ残量に応じて目標回折格子角度データＤｓｍｐの更新が行われたが、ＦＩＦＯメモリ４１が十分に深い容量を有している場合には、割り込み信号Ｓｉｎｔ生成前であって演算部５のポーリング期間中にＦＩＦＯメモリ４１に目標回折格子角度データＤｓｍｐの入力を行うようにしてもよい。これにより、さらに演算部５への割り込み回数を減らすことができ、演算部５にかかる負担が少なくなり、描画等の遅延を発生させるおそれをさらに低減できる。

また、モノクロメータ２の構成によっては、回折格子角度に応じ、分解能や光強度を調整する光学スリットを移動させる必要がある。光学スリットの移動にはステッピングモータを使用するが、この駆動パルスの生成にも本発明を応用できる。
すなわち、ＦＩＦＯメモリに駆動パルスを生成すべき目標回折格子角度データを格納しておき、現在の回折格子角度がＦＩＦＯから出力される目標回折格子角度データに至ったときにステッピングモータの駆動パルスを生成する。駆動パルス生成後はＦＩＦＯメモリの出力データを更新するとともに、ＦＩＦＯメモリのデータ残量が所定値以下になった場合に目標回折格子角度データの続きをＦＩＦＯメモリに入力するように構成する。

さらに、フィルタなどのパッシブデバイスの波長特性を測定する場合には、波長可変光源とパワーメータを組み合わせて測定する。波長可変光源は回折格子または回折格子と対に配置されたミラーを駆動し、この角度に応じた波長の光を出力する。この場合の波長特性測定では、波長可変光源の出力光の波長が測定波長に一致した場合にパワーメータへトリガ信号を出力する。出力光の波長は角度データと対応するので、パワーメータへのトリガ信号の生成も本発明の光スペクトラムアナライザと同様な構成となるため、本発明を応用できる。

なお、受光部６は光検出部に相当し、ＦＩＦＯメモリ４２は内部メモリに相当し、比較手段４２はトリガ信号生成部に相当し、制御部４はＦＩＦＯメモリ制御部に相当する。

２１ 回折格子
３ 回折格子制御部
４ 制御部
４１ ＦＩＦＯメモリ
４２ 比較手段
５ 演算部

Claims (1)

1. 入射される被測定光を特定の波長成分に分光し、分光した光の強度を測定することにより前記被測定光の光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、
   前記被測定光から特定の波長成分を抽出し、成分光として出力する回折格子と、
   この回折格子を駆動して前記被測定光との相対角度を変化させることにより前記成分光の波長を変化させる回折格子制御部と、
   前記成分光の光強度を検出する光検出部と、
   前記回折格子が抽出する波長成分が前記成分光の光強度を検出すべきサンプリング波長となる目標回折格子角度データを算出し、算出した目標回折格子角度データを内部メモリに格納する演算部と、
   前記内部メモリに格納された前記目標回折格子角度データの一部が入力され、サンプリングのタイミングを示すトリガ信号ごとに前記目標回折格子角度データを出力するＦＩＦＯメモリと、
   このＦＩＦＯメモリから出力された前記目標回折格子角度データと前記回折格子の角度とに基づいて前記トリガ信号を生成するトリガ信号生成部と、
   前記ＦＩＦＯメモリのデータ残量が所定値以下になると前記内部メモリから前記目標回折格子角度データの続きを読みだして前記ＦＩＦＯメモリに入力するＦＩＦＯメモリ制御部と、
   を備え、
   前記ＦＩＦＯメモリ制御部は、前記演算部のポーリング期間中に前記ＦＩＦＯメモリに前記目標回折格子角度データの入力を行うことを特徴とする光スペクトラムアナライザ。

Images