JP5711561B2 - 光スペクトラムアナライザ - Google Patents

Description

本発明は、入射光の直交する偏光毎の強度測定が行え、且つ高分解能、低コスト、小型な光スペクトラムアナライザを実現するための技術に関する。

昨今、インターネットの急激な進歩による光通信の大容量化に伴い、ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）の波長高密度化が進み、それらのスペクトラムを評価する光スペクトラムアナライザの性能として、より高分解能が要求されてきた。

また、ＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical
Add/Drop Multiplexer）ベースのネットワークにおいては、従来の信号品質評価法である隣接ピーク間のノイズレベルがフラットであることを前提したＯＳＮＲ（Optical
Signal-to-Noise Ratio 光信号対雑音比）を測定するＯｕｔ Ｂａｎｄ ＯＳＮＲ法だけでなく、信号帯域内におけるＩｎ Ｂａｎｄ ＯＳＮＲ法が要求されてきている。

Ｉｎ Ｂａｎｄ ＯＳＮＲの測定では、ＷＤＭ信号光の波長について、直交する偏光毎の信号強度を測定する必要がある。そのための構成として、入力光を互いに直交する偏光成分に偏光分離し、回折格子とミラーとからなるリトマン型の分光部に入射し、回折格子で特定波長帯について２回の波長選択処理を受けた各偏光成分の光を偏光保存型光ファイバ（ＰＭＦ）によって取り出し、再び分光部に入射してさらに２回の波長選択処理を行い、出射用光ファイバで取り出して受光器にそれぞれ入射させている。

なお、上記構成の光スペクトラムアナライザの例は、次の特許文献１に開示されている。

米国特許 ＵＳ６９３０７７６ Ｂ２

しかしながら、前記した特許文献１の従来構成の光スペクトラムアナライザでは、偏光保存型光ファイバが４本、出射用光ファイバが２本、レンズが６個必要であり、そのために大型で、コスト高になるという問題があった。

本発明は、この問題を解決し、入射光の直交する偏光毎の強度測定が行え、且つ高分解能、低コスト、小型な光スペクトラムアナライザを提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１の光スペクトラムアナライザは、
被測定光を入射させるための光入射端子（２０ａ）と、
前記光入射端子に入射された被測定光を平行光にする第１レンズ（２２）と、
前記第１レンズから出射された平行光を受けて、互いに直交する偏光成分に分離する偏光分離部（２３）と、
前記偏光分離部から出射された偏光成分の一方を受けてその偏光方向を９０度回転させ、他方の偏光成分の偏光方向に合わせる１／２波長板（２４）と、
一面側に刻線が平行に設けられた少なくとも一つの回折格子（３０、３１）を有し、前記偏光方向が合わされた各偏光成分を、前記刻線の長さ方向にずれた位置に同一入射角で受けて、特定波長帯の光を特定方向に選択的に出射する波長選択部（２９）と、
前記波長選択部の前記回折格子の前記刻線に直交する平面上で互いに直交する２つの反射面（３５ａ、３５ｂ）をもち、前記波長選択部から前記特定方向に出射される前記偏光成分毎の前記特定波長帯の選択光を一方の反射面で受けて他方の反射面へ反射させ、該他方の反射面でさらに反射させて、入射時と平行で前記刻線方向にずれた光軸で折り返す直交ミラー（３５）と、
前記直交ミラーまたは前記波長選択部の回折格子を前記刻線と平行な軸で所定角度範囲回動させて、前記直交ミラーから前記波長選択部に折り返される前記偏光成分毎の前記特定波長帯の光の中心波長を掃引させる回動装置（３６）と、
前記波長選択部に対する入射光軸と平行で且つ前記刻線方向にずれた光軸上にそれぞれ配置された集光用の第２、第３、第４のレンズ（４０、４５、４６）と、
前記第２レンズで集光された光を一端側で受けて所定距離伝搬させ、他端側から入射時と同一の偏光状態で前記第２レンズへ折り返す第１、第２の偏光保存型光ファイバ（４１、４２）と、
前記第３、第４のレンズによって集光された光の前記刻線に直交する方向の幅をそれぞれ制限して波長選択度を高くするための第１、第２のスリット（４７、４８）と、
前記第１、第２のスリットを通過した光を受けてその強度を検出する第１、第２の受光器（５０、５１）とを備え、
前記偏光方向が合わされた各偏光成分に対して前記波長選択部が前記特定方向に出射する前記偏光成分毎の第１次選択光を前記直交ミラーにより前記刻線方向にずれた光軸で前記波長選択部に折り返し、
前記偏光成分毎の該折り返し光に対して前記波長選択部が示す入射時と可逆な波長選択作用によって選択される前記偏光成分毎の前記特定波長帯の第２次選択光を前記第２レンズの一方面に入射し、その反対側の他方面から出射した前記偏光成分毎の光を前記第１、第２の偏光保存型光ファイバの一端側に入射させ、
該第１、第２の偏光保存型光ファイバで折り返されてその他端側から前記第２レンズの前記他方面に入射されて前記一方面から出射された前記偏光成分毎の光に対して前記波長選択部が前記特定方向に出射する前記偏光成分毎の前記特定波長帯の第３次選択光を前記直交ミラーにより再度折り返し、
該直交ミラーにより再度折り返された光に対して前記波長選択部が出射する前記偏光成分毎の前記特定波長帯の第４次選択光を前記第３、第４のレンズによりそれぞれ集光し、前記第１、第２のスリットを通過させて、前記第１、第２の受光器に入射させ、該第１、第２の受光器の出力に基づいて、前記被測定光の直交する偏光成分のスペクトラム特性を求める光スペクトラムアナライザであって、
前記波長選択部の前記回折格子に対する前記偏光成分毎の全ての光の入射位置が、前記刻線に平行な一つの直線上に並び、
前記直交ミラーの２つの反射面のうち、前記第１次選択光が入射される反射面と前記第３次選択光が入射される反射面とが異なるように設定することで、前記第２次選択光が前記波長選択部から出射されるときの光路と、前記第２次選択光の折り返し光が前記波長選択部に出射されるときの光路とを前記刻線に沿った方向で他の光路を挟むことなく隣接させたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２の光スペクトラムアナライザは、請求項１記載の光スペクトラムアナライザにおいて、
前記波長選択部が単一の回折格子によって構成されていることを特徴とする。

また、また、本発明の請求項２の光スペクトラムアナライザは、請求項１記載の光スペクトラムアナライザにおいて、
前記波長選択部が、互いに対向する二つの回折格子によって構成されており、
前記波長選択部に入射された光は、前記特定波長帯について前記二つの回折格子による２度の波長選択作用を受けて出射されることを特徴とする。

また、本発明の請求項３の光スペクトラムアナライザは、請求項１または請求項２記載の光スペクトラムアナライザにおいて、
前記光入射端子と前記偏光分離部の間に、前記偏光分離部に入射される被測定光の偏光を制御するための偏光コントローラ（７０）を配置したことを特徴とする。

このように、本発明の光スペクトラムアナライザは、被測定光を第１レンズで平行光にして偏光分離部に入射して直交偏光成分を分離し、その一方の偏光方向を１／２波長板で９０度回転させて、他方の偏光方向に合わせて、波長選択部の回折格子に入射させている。また、第１、第２の偏光保存型光ファイバへ各偏光成分を集光入射するためのレンズと、第１、第２の偏光保存型光ファイバでそれぞれ折り返された各偏光成分を平行ビームにして波長選択部へ再入射させるためのレンズとを単一の第２レンズによって共通化している。さらに、最終選択光を、第３、第４レンズで集光し第１、第２のスリットを通過させて受光器でそれぞれ受光している。

このため、従来装置に比べて、偏光保存型ファイバが２本で済み、出射用光ファイバが不要となり、さらにレンズが４個で構成でき、格段に小型化、低コスト化できる。

本発明の第１の実施形態の構成図 第１実施形態の光経路を平面的に表した模式図 偏光分離部の構成例を示す図 ビームエキスパンダの構成例を示す図 第２レンズと偏光保存型光ファイバの位置関係を表す図 本発明の第２の実施形態の構成図 第２実施形態の光経路を平面的に表した模式図 二つの回折格子の配置に関する説明図 光入射部に偏光コントローラを設けた例を示す図

（第１の実施形態）
以下、図面に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した光スペクトラムアナライザ２０の構成を示し、図２は、その光学系を平面的に示した模式図である。

これらの図において、光スペクトラムアナライザ２０は、光入射端子２０ａ（光コネクタ）から入射された被測定光Ｐｘ（偏光多重信号光）を、ファイバ２１を介して第１レンズ（コリメータ）２２に入射させ、平行光に変換して偏光分離部２３に入射し、直交する二つの偏光成分Ｐｐ、Ｐｓに分離し、平行な光軸で出射する。

なお、ここで、実施形態の光学系に対して、ｘｙｚの３次元直交座標空間を定義し、第１レンズ２２の光軸（偏光分離部２３の入射光軸）の方向をｘ軸方向、被測定光Ｐｘの一方の偏光成分Ｐｓの偏光方向がｚ軸方向（光軸に直交し且つ鉛直方向に沿った方向）、他方の偏光成分Ｐｐの偏光がｙ軸方向（光軸に直交しかつ水平方向に沿った方向）とする。

偏光分離部２３は、図３に示しているように、被測定光Ｐｘの偏光成分Ｐｓを入射光軸を延長した光軸で出射し、他方の偏光成分Ｐｐを入射光軸と直交する方向に出射する偏光ビームスプリッタ２３ａと、偏光ビームスプリッタ２３ａから出射された他方の偏光成分Ｐｐの光軸に対して４５度の傾きをもち、偏光成分Ｐｐを一方の偏光成分Ｐｓと平行な光軸で出射させる平面ミラー２３ｂとで構成されている（なお、図３に示した偏光方向は、光の進行方向ｘ軸側から見た図である）。

偏光分離部２３で分離された偏光成分Ｐｐ、Ｐｓのうち、偏光方向が水平の成分Ｐｐは、１／２波長板２４に入射され、その偏光方向が９０度回転されて、偏光成分Ｐｓと同じようにｚ軸に沿った方向に合わされて、偏光成分Ｐｐ′として出射される。

これら二つの偏光成分Ｐｐ′、Ｐｓは、ｚ軸方向に離間した平行な光軸でビームエキスパンダ２５に入射され、それぞれのビーム幅が拡げられた状態で、この実施形態の波長選択部２９を構成する回折格子３０に入射される。

ビームエキスパンダ２５は、例えば、図４に示すように、ｚ軸方向に延びた２つの三角柱状のレンズ２５ａ、２５ｂによって、入射する偏光成分Ｐｐ′、Ｐｓのｙ軸方向のビーム幅ＷａをＷｂに拡げる。なお、ここではビームエキスパンダ２５を用い、狭い間隔をもってｚ軸方向に延びた回折格子３０の一面側に微細な間隔で平行に設けられた刻線（回折溝）に対する入射光のスポット幅を広くすることで回折効率を高くしているが、このビームエキスパンダ２５を省略し、二つの偏光成分Ｐｐ′、Ｐｓを直接回折格子３０に入射させてもよい。

ビームエキスパンダ２５からｚ軸方向に離間した平行な光軸で出射された偏光成分Ｐｐ(0)（＝Ｐｐ′）、Ｐｓ(0)（＝Ｐｓ）は、回折格子３０の刻線の長さ方向（ｚ軸方向）にずれた位置に同一入射角でそれぞれ入射され、その光に含まれる波長成分が回折格子３０の回折作用により波長に応じた角度（ｘｙ平面上において）で出射される。

なお、この実施形態では波長選択部２９が単一の回折格子３０で構成された例を示すが、後述のように波長選択部２９を二つの回折格子で構成することも可能でである。

回折格子３０の一面側には直交ミラー３５が配置されている。直交ミラー３５は、回折格子３０の刻線に直交する平面上で互いに直交する２つの反射面３５ａ、３５ｂを有し、それらの反射面３５ａ、３５ｂを、回折格子３０の刻線に対して４５度傾けた状態でその刻線が設けられた面に向けて配置されている。なお、二つの反射面３５ａ、３５ｂがなす角度は９０度であるが、反射面３５ａ、３５ｂの刻線に対する角度は等しい（４５度）必要はなく、その和が９０度であれば、例えば３０度と６０度、４０度と５０度等のように異なっていてもよい。

この直交ミラー３５は、回動装置３６によって回折格子３０の刻線に平行な軸（ｚ軸に平行な軸）で所定角度範囲回動駆動される。

ここで、各偏光成分Ｐｐ(0)、Ｐｓ(0)に対して回折格子３０が回折した光のうち、直交ミラー３５の反射面３５ａ、３５ｂの境界線３５ｃに直交する向き（特定方向）に、特定波長帯（中心波長λ１とする）の光が第１次選択光Ｐｐ(1)、Ｐｓ(1)として出射され、直交ミラー３５の一方の反射面（ここでは下側の反射面３５ｂとする）に４５度の角度で入射し、ｚ軸に沿って上方に反射され、上側の反射面３５ａに４５度の角度で入射して、回折格子３０に対してｚ軸方向にずれた平行な光軸で折り返される。

この折り返し光Ｐｐ(1)′、Ｐｓ(1)′は、第１次選択光Ｐｐ(1)、Ｐｓ(1)の出射角と同じ入射角で回折格子３０に再入射される。

したがって、回折格子３０の回折特性の可逆性から、再入射した光Ｐｐ(1)′、Ｐｓ(1)′に対する回折光のうち、最初の入射光Ｐｐ(0)、Ｐｓ(0)の入射光軸に平行でｚ軸に沿って上方にシフトした方向には、前記特定波長帯の光が第２次選択光Ｐｐ(2)、Ｐｓ(2)として選択的に出射され、その第２次選択光Ｐｐ(2)、Ｐｓ(2)がビームエキスパンダ２５に入射されて、ビーム幅が元の幅に狭められて第２レンズ４０に入射される。

ここで、図５に示すように、第２レンズ４０に入射された第２次選択光Ｐｐ(2)、Ｐｓ(2)の光軸は、第２レンズ４０の中心軸よりｚ軸方向（ここでは下方とする）に僅かにずれていて、第２レンズ４０の焦点距離の位置の近傍でその光軸のずれ分だけｚ軸方向にずれた位置に集光され、その位置に配置された偏光保存型光ファイバ（ＰＭＦ）４１、４２の一端４１ａ、４２ａに入射される。

偏光保存型光ファイバ４１、４２の他端４１ｂ、４２ｂは、第２レンズ４０の焦点距離の位置で且つレンズ中心軸から前記一端４１ａ、４２ａと同じ距離ｚ軸方向の上方側にずれた位置に配置されており、一端４１ａ、４２ａで受けた光を所定距離伝搬させ、他端４１ｂ、４２ｂ側から入射時と同一の偏光状態で第２レンズ４０へ折り返す。

偏光保存型光ファイバ４１、４２からの折り返し光Ｐｐ(2)′、Ｐｓ(2)′は、第２レンズ４０によって平行光に変換され、ビームエキスパンダ２５によりそのビーム幅が拡げられて、再び回折格子３０に入射される。

ここで、回折格子３０に再入射される折り返し光Ｐｐ(2)′、Ｐｓ(2)′の光軸は、最初の入射光Ｐｐ(0)、Ｐｓ(0)の光軸と平行でｚ軸方向にずれており、また、第２次選択光Ｐｐ(2)、Ｐｓ(2)の光軸に対してもｚ軸方向にずれている。

したがって、最初の入射光Ｐｐ(0)、Ｐｓ(0)に対する２回の波長選択動作と同様の動作が、折り返し光Ｐｐ(2)′、Ｐｓ(2)′に対しても互いの動作を妨げることなく行われる。

即ち、折り返し光Ｐｐ(2)′、Ｐｓ(2)′が回折格子３０に入射され、その回折光のうち特定波長帯の偏光成分Ｐｐ(3)、Ｐｓ(3)が、第３次選択光として直交ミラー３５に入射されて、その折り返し光Ｐｐ(3)′、Ｐｓ(3)′が回折格子３０に再入射され、特定波長帯について４度目の選択処理を受けた第４次選択光Ｐｐ(4)、Ｐｓ(4)が、折り返し光Ｐｐ(2)′、Ｐｓ(2)′の光軸に対してｚ軸方向に平行にずれた光軸でビームエキスパンダ２５に入射され、元のビーム幅に狭められて出射される。

第４次選択光Ｐｐ(4)、Ｐｓ(4)は、それぞれ第３レンズ４５、第４レンズ４６によって集光され、その焦点位置にｚ軸方向に延びた第１スリット４７、第２スリット４８により、その通過する光の幅方向（刻線と直交する方向）が制限されて、余分な波長成分がさらに除去されて、第１の受光器５０と第２の受光器５１にそれぞれ入射される。

したがって、第１の受光器５０と第２の受光器５１には、入射光Ｐｘの直交する二つの偏光成分のうち、回折格子３０への光入射角、回折格子３０に対する直交ミラー３５の角度によって決まる特定波長帯の成分が、４回の波長選択処理を受けてそれぞれ入射され、その強度が検出されることになる。そして、直交ミラー３５の回動に伴い、選択される特定波長帯が掃引され、その被測定光の波長毎の偏光成分の強度を表す信号ＰＤp(λ)、ＰＤs(λ)が出力される。

これらの信号ＰＤp(λ)、ＰＤs(λ)は、Ａ／Ｄ変換器５２、５３により、デジタル値に変換されて、演算処理部６０に入力される。

演算処理部６０は、二つの偏光成分についての波長対強度の情報（スペクトラム情報）を求めるとともに、入射光Ｐｘの特性、品質などを評価するための種々の演算処理を行い、その結果を表示部６１に出力するが、ここでは、ＷＤＭ信号光のＩｎ Ｂａｎｄ ＯＳＮＲを求める場合の処理について説明する。

所定の波長領域の掃引によって得られたスペクトラムデータＰＤp(λ１)〜ＰＤp(λＮ)、ＰＤs(λ１)〜ＰＤs(λＮ)について、ＷＤＭスペクトラムデータ、つまり両偏光成分の強度の和のスペクトラムデータを、
ＰＤ(λ１)＝ＰＤp(λ１)＋ＰＤs(λ１)
ＰＤ(λ２)＝ＰＤp(λ２)＋ＰＤs(λ２)
……
ＰＤ(λＮ)＝ＰＤp(λＮ)＋ＰＤs(λＮ)
によって求める。

次にこのＷＤＭスペクトラムから、信号光のセンター波長（またはピーク波長）、信号光レベルＰsignalを求める。この信号光レベルＰsignalは、スペクトラムのピークレベル、またはそれを含む波長範囲の信号光の強度を積分したレベルとする。

次に、ＷＤＭの各チャンネルの信号光毎に、センタ波長から任意の波長範囲のデータを用いて、複数のデータグループを作成する。

例えば、
ＰＤp(λ１)→ＰＤ１(λa１)
ＰＤs(λ１)→ＰＤ２(λa１)
ＰＤp(λ２)→ＰＤ３(λa２)
ＰＤs(λ２)→ＰＤ４(λa２)
……
……
ＰＤp(λ［Ｎ−１］)→ＰＤ１(λm１)
ＰＤs(λ［Ｎ−１］)→ＰＤ２(λm１)
ＰＤp(λＮ)→ＰＤ３(λm２)
ＰＤs(λＮ)→ＰＤ４(λm２)

各データグループ、
｛ＰＤ１(λa１)，ＰＤ２(λa１)，ＰＤ３(λa２),ＰＤ４(λa２)｝
……
｛ＰＤ１(λm１)，ＰＤ２(λm１)，ＰＤ３(λm２),ＰＤ４(λm２)｝
について、Ｐase(λa)、…、Ｐase(λm)を算出する。

そして、上記求めた複数のＰase(λa)、…、Ｐase(λm)を、任意のフィッティング関数（例えば、１次〜５次までの関数、ガウス関数など）を用いてフィッティング処理し、Ｐase関数を求める。

Ｐase関数からスペクトラムのセンタ波長（もしくはピーク波長）におけるＡＳＥノイズレベル（Amplified Spontaneous Emission noise ：増幅された自然放出ノイズレベル）Ｐaseを算出し、そのＰaseと信号光レベル（Ｐsignal）からＯＳＮＲを算出する。

ここで、ＡＳＥノイズレベルＰaseの演算について詳しく説明する。
異なる波長における光スペクトラムＰＤｓ、ＰＤｐの検出レベルのデータグループを、ＰＤ１(λm１)、ＰＤ２(λm１)、ＰＤ３(λm２)、ＰＤ４(λm２)とすると、伝送路のＡｄｄ／Ｄｒｏｐのフィルタの帯域内においては、信号光レベルは光スペクトラムアナライザの波長掃引位置によって異なるが、ＡＳＥノイズレベルについては、偏光分離された直交成分の分離比率αは変わらない。

したがって、検出データＰＤ１(λm１)、ＰＤ２(λm１)、ＰＤ３(λm２)、ＰＤ４(λm２)は、ＡＳＥノイズパワーをＰase、信号光パワーをＰｓ、ＯＳＮＲをＰｓ／Ｐase、光スペクトラムアナライザの光バンドパスフィルタの帯域幅をＢ０、偏光成分の光分離比率をαとすると、以下のように表される。

ＰＤ１(λm１)＝Ｐｓ(λm１)（１−α）＋Ｐase・Ｂ０／２ ……（１）
ＰＤ２(λm１)＝Ｐｓ(λm１)・α＋Ｐase・Ｂ０／２ ……（２）
ＰＤ３(λm２)＝Ｐｓ(λm２)（１−α）＋Ｐase・Ｂ０／２ ……（３）
ＰＤ４(λm２)＝Ｐｓ(λm２)・α＋Ｐase・Ｂ０／２ ……（４）

式（１）−式（３）から、
ＰＤ１(λm１)−ＰＤ３(λm２)
＝（１−α）［Ｐｓ(λm１)−Ｐｓ(λm２)］……（５）

式（２）−式（４）から、
ＰＤ２(λm１)−ＰＤ４(λm２)
＝α［Ｐｓ(λm１)−Ｐｓ(λm２)］……（６）

式（５）／式（６）の演算により、
α＝［ＰＤ２(λm１)−ＰＤ４(λm２)］
／［ＰＤ１(λm１)−ＰＤ３(λm２)＋ＰＤ２(λm１)−ＰＤ４(λm２)］
……（７）
が得られる。

一方、式（１）×α−式（２）×（１−α）の演算から、
Ｐase＝２×［α・ＰＤ１(λm１)−（１−α）ＰＤ２(λm１)］
／［Ｂ０（２α−１）］ ……（８）
となり、この式の演算により、Ｐaseが求められる。

そして、前記したように、
ＯＳＮＲ＝（Ｐsignal−Ｐase）／Ｐase
の演算により、Ｉｎ ＢａｎｄのＯＳＮＲが得られる。ただし、Ｐsignalは、トータルスペクトラム（各偏光成分の和）を任意の範囲で積分したパワーもしくはピークパワーとする。また、Ｐaseは、平均化処理あるいはフィッティング処理によって求めたＡＳＥノイズレベルである。

このように、第１の実施形態の光スペクトラムアナライザ２０は、被測定光Ｐｘを第１レンズ２２で平行光にして偏光分離部２３に入射して直交偏光成分を分離し、その一方の偏光方向を１／２波長板２４で９０度回転させて、他方の偏光方向に合わせて、波長選択部２９の回折格子３０に入射させている。また、偏光保存型光ファイバ４１、４２へ各偏光成分を集光入射するためのレンズと、偏光保存型光ファイバ４１、４２で折り返された各偏光成分を平行ビームにして回折格子３０へ再入射させるためのレンズとを単一の第２レンズ４０によって共通化している。さらに、最終次選択光（この例では第４次選択光）を、第３、第４レンズ４５、４６で集光しスリット４７、４８を通過させて受光器５０、５１で受光している。

このため、従来装置に比べて、偏光保存型光ファイバが２本で済み、出射用光ファイバが不要となり、さらにレンズが４個で構成でき、格段に小型化、低コスト化できる。

（第２の実施形態）
前記実施形態の波長選択部２９は単一の回折格子３０で構成され、特定波長帯について回折格子３０による４回の波長選択処理を行っていたが、さらに高い波長選択性が求められる場合には、図４、図５に示す光スペクトラムアナライザ２０′のように、波長選択部２９を二つの対向する回折格子３０、３１で構成し、波長選択部２９に入射する光に対し、特定波長帯について回折格子３０、３１による波長選択処理をそれぞれ行って出射することで、計８回の波長選択処理がなされた光を得ることができる。

この場合、二つの回折格子３０、３１は同一特性（刻線間隔が等しい）でその刻線がｚ軸と平行となり、後述する所定の位置関係を満たした状態で対向配置されている。

ここで、回折格子３０は、偏光方向が合わされた各偏光成分Ｐｐ(0)、Ｐｓ(0)を刻線の方向（ｚ軸方向）にずれた位置に同一入射角で受け、その回折光を第２の回折格子３１に出射する。

また、回折格子３１は、回折格子３０から出射される回折光のうち、特定波長帯の回折光Ｐｐ(1)、Ｐｓ(1)を所定入射角で受け、直交ミラー３５の反射面３５ａ、３５ｂの境界線３５ｃに直交する向き（特定方向）に特定波長帯の光を第１次選択光Ｐｐ(2)、Ｐｓ(2)として出射する。なお、以下の説明では、前記第１の実施形態と対応させるために、波長選択部２９から出射される光を第ｎ次選択光と称し、回折格子３０、３１間の光を単に回折光と称す。

直交ミラー３５は、回折格子３１の刻線に直交する平面上で互いに直交する２つの反射面３５ａ、３５ｂを有し、回折格子３１から出射される第１次選択光Ｐｐ(2)、Ｐｓ(2)を、前記同様に、入射時と平行で刻線方向にずれた光軸で回折格子３１に折り返す。なお、回動装置３６は、回折格子３０、３１のいずれか一方（ここでは回折格子３０）の角度を他方に対して所定範囲内で変化させて、特定波長を掃引する。

この折り返し光を受けた回折格子３１から特定波長帯の回折光Ｐｐ(3)、Ｐｓ(3)が、回折光Ｐｐ(1)、Ｐｓ(1)の光軸に対してｚ軸方向にずれた状態で回折格子３０に再入射され、その回折光Ｐｐ(3)、Ｐｓ(3)に対して回折格子３０が入射光Ｐｐ(0)、Ｐｓ(0)の光軸と平行な光軸で前記特定波長帯の第２次選択光Ｐｐ(4)、Ｐｓ(4)を出射する。

この第２次選択光Ｐｐ(4)、Ｐｓ(4)は、前記同様に、ビームエキスパンダ２５を介して第２レンズ４０に入射され、偏光保存型光ファイバ４１、４２の一端４１ａ、４２ａ側に集光され、折り返されて他端４１ｂ、４２ｂ側から同一の偏光状態で第２レンズ４０に出射される。

その折り返し光Ｐｐ(4)′、Ｐｓ(4)′は、ビームエキスパンダ２５を介して回折格子３０に、最初の入射光Ｐｐ(0)、Ｐｓ(0)と同一入射角で入射され、その回折格子３０の波長選択処理で特定波長帯の回折光Ｐｐ(5)、Ｐｓ(5)が得られ、この回折光Ｐｐ(5)、Ｐｓ(5)に対する回折格子３１の波長選択処理により特定波長帯の第３次選択光Ｐｐ(6)、Ｐｓ(6)が得られ、それが直交ミラー３５によって再度折り返され、その折り返し光Ｐｐ(6)′、Ｐｓ(6)′に対する回折格子３１の波長選択処理により特定波長帯の回折光Ｐｐ(7)、Ｐｓ(7)が得られ、その回折光Ｐｐ(7)、Ｐｓ(7)に対する回折格子３０の波長選択処理で特定波長帯の第４次選択光Ｐｐ(8)、Ｐｓ(8)が得られる。

このようにして最終的に得られた第４次選択光Ｐｐ(8)、Ｐｓ(8)は、前記同様に、入射光Ｐｐ(0)、Ｐｓ(0)の光軸と平行でｚ軸方向にずれた光軸に沿ってそれぞれ第３レンズ４５、第４レンズ４６に入射されて、第１のスリット４７、第２のスリット４８を通過してさらに高い波長選択度でそれぞれ第１の受光器５０、第２の受光器５１に入射される。

したがって、第１の受光器５０と第２受光器５１には、入射光Ｐｘの直交する二つの偏光成分のうち、回折格子３０への光入射角、回折格子３０、３１および直交ミラー３５の角度、位置によって決まる特定波長帯の成分が、８回の波長選択処理を受けてそれぞれ入射され、その強度が検出されることになる。そして、一方の回折格子３０の回動に伴い、選択される特定波長帯が掃引され、その被測定光の波長毎の偏光成分の強度を表す信号ＰＤp(λ)、ＰＤs(λ)が出力される。

そして、この信号ＰＤp(λ)、ＰＤs(λ)に対する処理が前記同様に行われて、各偏光成分毎のスペクトラム特性やＩｎ Ｂａｎｄ ＯＳＮＲが求められる。

次に、上記動作を実現するための二つの回折格子３０、３１の配置について説明する。図８に示すように、測定波長範囲のセンタ波長における回折格子３０への入射角をｉ１、回折角をβ１、入射角と回折角のなす角を２・γ１とし、回折格子３１の入射角をｉ２、回折角をβ２、入射角と回折角のなす角を２・γ２とする。

ここで、図８に示しているように、回折格子３０と架空の回折格子３１′とを、２つの等しい角が（９０−β１）となる２等辺三角形ＥＢＦの頂点Ｂ、Ｆに対称配置する。また、回折格子３０の入射光の光軸が線分ＡＢに一致し、回折光の光軸が線分ＢＦに一致するものとする。ただし、点Ａは、頂点Ｅから辺ＢＦに引いた２等分線上の点である。

回折格子３０と架空の回折格子３１′の入射角と回折角について考えると、図の対称性から明らかなように、Ａ→Ｂへ向かって入射角ｉ１で入射される光に対して回折格子３０は、回折角β１でＢ→Ｆへ向かって回折光を出射し、回折格子３１′に対してβ１と等しい入射角ｉ２で入射させ、その入射光に対して回折格子３１′はｉ１と等しい回折角β２でＦ→Ａへ向かって回折光を出射する。

続いて、このＦ→Ａへ出射された回折光が、その光軸と平行で刻線方向にずれた光軸で折り返されて、Ａ→Ｆへβ２と等しい入射角ｉ３で回折格子３１′に入射され、ｉ２と等しい回折角β３でＦ→Ｂへ出射される。

この回折光は、回折格子３０に対してβ１と等しい入射角ｉ４で入射され、ｉ１と等しい回折角β４でＢ→Ａ方向に出射される。

したがって、架空の回折格子３１′を、図の回折格子３１のように、回折格子３０により近い実装可能な位置まで、線分ＢＦに沿って平行移動し、その回折格子３１の回折面から線分ＡＦと平行な光軸上に直交ミラー３５を配置すれば、上記光軸の角度関係を維持したままで特定波長帯の２度ずつの波長選択と折り返しとを小型化した状態で実現できる。

そして、この回折格子３１に対して回折格子３０を、刻線に平行な軸で回動させることで、選択波長の掃引が行える。

この際、固定された回折格子３１について、直交ミラー３５で１８０度反射（折り返し）させるためには、回折格子３１の回折角β２が一定（光軸が平行移動する）である必要があり、その固定された回折角β２に対し、波長λと入射角ｉ２とが次の条件を満たすように変化する必要がある。

sin(ｉ２)＝ｍ・λ／ｄ−sin(β２)
ここで、sin(β２)は、直交ミラー３５の配置角度と回折格子３１によって決定される定数、ｍは回折次数、ｄは回折格子の溝間隔を表す。

上記条件を満たした状態で、回折格子３０を回転させることで、波長λの掃引が可能となる。

このように、第２の実施形態の光スペクトラムアナライザ２０′は、第１の実施形態の光スペクトラムアナライザ２０に比べて波長選択部２９の回折格子が一つ増えるが、被測定光Ｐｘを第１レンズ２２で平行光にして偏光分離部２３に入射して直交偏光成分を分離し、その一方の偏光方向を１／２波長板２４で９０度回転させて、他方の偏光方向に合わせて、波長選択部２９に入射させている点、また、偏光保存型光ファイバ４１、４２へ各偏光成分を集光入射するためのレンズと、偏光保存型光ファイバ４１、４２で折り返された各偏光成分を平行ビームにして波長選択部２９へ再入射させるためのレンズとを単一の第２レンズ４０によって共通化している点、および、最終次選択光（第４次選択光）を、第３、第４レンズ４５、４６で集光しスリット４７、４８を通過させて受光器５０、５１で受光している点は共通である。

このため、従来装置に比べて、偏光保存型ファイバが２本で済み、出射用光ファイバが不要となり、さらにレンズが４個で構成でき、格段に小型、低コストに高い波長選択性を持ち光スペクトラムアナライザが実現できる。

なお、前記実施形態では、被測定光Ｐｘの直交する二つの偏光成分がそれぞれｘ軸、ｙ軸に沿っている最良の状態で偏光分離部２３に入射させて、二つの偏光成分を正しく分離させていたが、偏光多重された光信号の場合、入射時の偏光面にずれがあると、互いの偏光成分が正しく分離されず、精度の高い測定が行えない。

そのような場合には、図９に示すように、光入射端子２０ａと偏光分離部２３の間に偏光コントロラー７０を挿入し、被測定光Ｐｘの偏光面を偏光コントローラ７０によって調整して、被測定光Ｐｘの直交する偏光成分を偏光分離部２３で正しく分離できる状態（例えば、両偏光成分のレベルの和が最大となる状態）にすればよい。

２０、２０′……光スペクトラムアナライザ、２０ａ……光入射端子、２２……第１レンズ、２３……偏光分離部、２３ａ……偏光ビームスプリッタ、２３ｂ……平面ミラー、２４……１／２波長板、２５……ビームキエスパンダ、２９……波長選択部、３０、３１……回折格子、３５……直交ミラー、３６……回動装置、４０……第２レンズ、４１、４２……偏光保存型光ファイバ、４５……第３レンズ、４６……第４レンズ、４７……第１のスリット、４８……第２のスリット、５０……第１の受光器、５１……第２の受光器、５２、５３……Ａ／Ｄ変換器、６０……演算処理部、６１……表示部、７０……偏光コントローラ

Claims (4)

1. 被測定光を入射させるための光入射端子（２０ａ）と、
   前記光入射端子に入射された被測定光を平行光にする第１レンズ（２２）と、
   前記第１レンズから出射された平行光を受けて、互いに直交する偏光成分に分離する偏光分離部（２３）と、
   前記偏光分離部から出射された偏光成分の一方を受けてその偏光方向を９０度回転させ、他方の偏光成分の偏光方向に合わせる１／２波長板（２４）と、
   一面側に刻線が平行に設けられた少なくとも一つの回折格子（３０、３１）を有し、前記偏光方向が合わされた各偏光成分を、前記刻線の長さ方向にずれた位置に同一入射角で受けて、特定波長帯の光を特定方向に選択的に出射する波長選択部（２９）と、
   前記波長選択部の前記回折格子の前記刻線に直交する平面上で互いに直交する２つの反射面（３５ａ、３５ｂ）をもち、前記波長選択部から前記特定方向に出射される前記偏光成分毎の前記特定波長帯の選択光を一方の反射面で受けて他方の反射面へ反射させ、該他方の反射面でさらに反射させて、入射時と平行で前記刻線方向にずれた光軸で折り返す直交ミラー（３５）と、
   前記直交ミラーまたは前記波長選択部の回折格子を前記刻線と平行な軸で所定角度範囲回動させて、前記直交ミラーから前記波長選択部に折り返される前記偏光成分毎の前記特定波長帯の光の中心波長を掃引させる回動装置（３６）と、
   前記波長選択部に対する入射光軸と平行で且つ前記刻線方向にずれた光軸上にそれぞれ配置された集光用の第２、第３、第４のレンズ（４０、４５、４６）と、
   前記第２レンズで集光された光を一端側で受けて所定距離伝搬させ、他端側から入射時と同一の偏光状態で前記第２レンズへ折り返す第１、第２の偏光保存型光ファイバ（４１、４２）と、
   前記第３、第４のレンズによって集光された光の前記刻線に直交する方向の幅をそれぞれ制限して波長選択度を高くするための第１、第２のスリット（４７、４８）と、
   前記第１、第２のスリットを通過した光を受けてその強度を検出する第１、第２の受光器（５０、５１）とを備え、
   前記偏光方向が合わされた各偏光成分に対して前記波長選択部が前記特定方向に出射する前記偏光成分毎の第１次選択光を前記直交ミラーにより前記刻線方向にずれた光軸で前記波長選択部に折り返し、
   前記偏光成分毎の該折り返し光に対して前記波長選択部が示す入射時と可逆な波長選択作用によって選択される前記偏光成分毎の前記特定波長帯の第２次選択光を前記第２レンズの一方面に入射し、その反対側の他方面から出射した前記偏光成分毎の光を前記第１、第２の偏光保存型光ファイバの一端側に入射させ、
   該第１、第２の偏光保存型光ファイバで折り返されてその他端側から前記第２レンズの前記他方面に入射されて前記一方面から出射された前記偏光成分毎の光に対して前記波長選択部が前記特定方向に出射する前記偏光成分毎の前記特定波長帯の第３次選択光を前記直交ミラーにより再度折り返し、
   該直交ミラーにより再度折り返された光に対して前記波長選択部が出射する前記偏光成分毎の前記特定波長帯の第４次選択光を前記第３、第４のレンズによりそれぞれ集光し、前記第１、第２のスリットを通過させて、前記第１、第２の受光器に入射させ、該第１、第２の受光器の出力に基づいて、前記被測定光の直交する偏光成分のスペクトラム特性を求める光スペクトラムアナライザであって、
   前記波長選択部の前記回折格子に対する前記偏光成分毎の全ての光の入射位置が、前記刻線に平行な一つの直線上に並び、
   前記直交ミラーの２つの反射面のうち、前記第１次選択光が入射される反射面と前記第３次選択光が入射される反射面とが異なるように設定することで、前記第２次選択光が前記波長選択部から出射されるときの光路と、前記第２次選択光の折り返し光が前記波長選択部に出射されるときの光路とを前記刻線に沿った方向で他の光路を挟むことなく隣接させたことを特徴とする光スペクトラムアナライザ。
2. 前記波長選択部が単一の回折格子によって構成されていることを特徴とする請求項１記載の光スペクトラムアナライザ。
3. 前記波長選択部が、互いに対向する二つの回折格子によって構成されており、
   前記波長選択部に入射された光は、前記特定波長帯について前記二つの回折格子による２度の波長選択作用を受けて出射されることを特徴とする請求項１記載の光スペクトラムアナライザ。
4. 前記光入射端子と前記偏光分離部の間に、前記偏光分離部に入射される被測定光の偏光を制御するための偏光コントローラ（７０）を配置したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の光スペクトラムアナライザ。

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