JP5763513B2

JP5763513B2 - 分光器

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Publication number: JP5763513B2
Application number: JP2011271984A
Authority: JP
Inventors: 雄一樋口; 石井　雄三; 雄三石井; 葉玉　恒一; 恒一葉玉; 山口　城治; 城治山口
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-12-13
Filing date: 2011-12-13
Publication date: 2015-08-12
Anticipated expiration: 2031-12-13
Also published as: JP2013124865A

Description

本発明は、分光器に関するものである。

入射光を波長毎に異なる方向に分波させる分光光学系は、分光器として用いられる。光通信においては、ネットワーク装置に組み込むことで信号導通状態を確認することができるためモニタとして用いられる。その際に求められる特性としては、必要な帯域（例えばＬ帯）のデータを取得でき高分解能・小型であることである。

一般的な小型分光器の例を図８に示す（例えば、非特許文献１参照）。レンズ２は、光ファイバ１から出射した光を平行光に変換する。偏向素子３は、レンズ２を通過した光を偏向する。回折格子などの分散素子４は、偏向素子３からの反射光を波長毎に分光する。レンズ５は、分散素子４によって分光された光を集光する。スリット６は、レンズ５によって集光された光のうち単一波長の光のみを通過させる。ＰＤ（フォトダイオード）７は、スリット６を通過した光を受光して電気信号に変換する。この分光器においては、偏向素子３を回動させることで、ＰＤ７で受光する光の波長を変更することができる。小型化を実現するために波長を掃引する偏向素子３として、ＭＥＭＳ（Microelectro-Mechanical Systems）ミラーを用いることがある。このような分光器で、分解能を示す式は以下のようになる。

ここで、Δλは分解能、λは光の波長、ωはビーム半径、つまり分散素子４の最小半径、ｄθ／ｄλは分散素子４の分散能力、ｋは定数である。分光器の高分解能を実現する（すなわちΔλを小さくする）ためには、分散素子４のサイズを拡大する（すなわちωを大きくする）か、もしくは分散素子４の分散能力ｄθ／ｄλを高める必要がある。高分解能と小型化とを両立させるためには、分散素子４の分散能力を高めることが重要となる。
しかしながら、必要な帯域の分光データを取得するためには、分散素子４の分散能力に比例してミラーの最大回動角度が大きくなる。一方で、ＭＥＭＳミラーは一般的に微小な角度変化しかしないため、回動角度を大きくとることができず、分光データの帯域が狭くなるという問題がある。

Takanori Saitoh，et al.，"Optical Spectrum Analyzer Utilizing MEMS Scanning Mirror"，Photo.Tech.let.，vol.18，no.6，2006

以上のように、従来の分光器では、データ取得帯域、分解能、サイズにトレードオフの関係があり、すべてを高性能化することは難しいという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、必要な帯域のデータを取得することができ、高分解能と小型化を両立させることができる分光器を提供することを目的とする。

本発明の分光器は、入射光を偏向し、所望の帯域を波長掃引する波長掃引手段と、この波長掃引手段で偏向された光を波長ごとに異なる方向へ分光する分散素子と、光を受光する受光素子と、前記分散素子で分光された光のうち特定波長の光のみを前記受光素子へ入射させる偏向素子アレイと、隣接波長の光間の強度の重なり具合を表す光学系の特性データを予め記憶する記憶手段と、前記光学系の特性データを用いて、受光素子の出力信号を処理して波長毎の光強度を求めるデータ処理手段とを備え、前記光学系の特性データは、前記入射光に含まれる隣接する複数の波長の光の強度と当該波長の光として前記受光素子で受光される複数の波長の光の強度との相関行列であることを特徴とするものである。
また、本発明の分光器の１構成例は、前記受光素子と前記偏向素子アレイとの代わりに、前記分散素子で分光された光を受光する受光素子アレイを備えることを特徴とするものである。

また、本発明の分光器の１構成例は、前記波長掃引手段の代わりに、前記分散素子に印加する電圧または前記分散素子の温度を調整する偏向制御手段を備え、前記分散素子は、電圧もしくは温度によって屈折率が変化する透過部材からなる回折格子であり、前記分散素子に印加する電圧または前記分散素子の温度を調整することにより、前記分散素子からの光の出射角度を制御することを特徴とするものである。

本発明によれば、偏向素子アレイによって必要な全帯域の光を取得しつつ、波長掃引手段による微調整によって帯域内で所望の波長の光を高分解能に抜き出すことができるので、必要な帯域のデータを取得することができ、高分解能と小型化を両立させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施の形態に係る分光器の制御装置の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施の形態に係る分光器の制御装置の動作を示すフローチャートである。本発明の第３の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図である。イマージョングレーティングの温度に対する出射角度の変化を示す図である。本発明の第１の参考例に係る分光器の構成を示すブロック図である。本発明の第２の参考例に係る分光器の構成を示すブロック図である。従来の分光器の構成を示すブロック図である。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図である。
本実施の形態の分光器は、ファイバコリメータ１１と、駆動ミラー１２と、レンズ１３と、凹面ミラー１４と、イマージョングレーティング（Immersion grating）１５と、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）１６と、ＰＤ１７とから構成される。ＤＭＤ１６は、例えば文献「PETER F.VAN KESSEL，et al.，“A MEMS-Based Projection Display”，PROCEEDINGS OF THE IEEE，VOL.86，NO.8，1998」に記載されるように、シリコン基板上に複数のＭＥＭＳミラーをアレイ状に形成し、静電引力等によりミラーの偏向角を制御できるようにしたものである。

波長掃引手段である駆動ミラー１２は、ファイバコリメータ１１から出射した光を反射する。このとき、駆動ミラー１２は、ＤＭＤ１６のミラーの配列方向（図１の上下方向）に対して垂直な回動軸１８（図１の紙面に対して垂直な回動軸）を中心として回動することが可能である。レンズ１３は、駆動ミラー１２からの反射光を集光する。凹面ミラー１４は、レンズ１３によって集光された光を反射して、分散素子であるイマージョングレーティング１５に入射させる。イマージョングレーティング１５は、凹面ミラー１４からの反射光を波長毎に分光する。凹面ミラー１４は、イマージョングレーティング１５によって分光された光を反射して、可変フィルタとして用いるＤＭＤ１６に入射させる。

このようにイマージョングレーティング１５で分光した光をＤＭＤ１６に照射することにより、ＤＭＤ１６の受光面にアレイ状に配置された各ミラーにはそれぞれ異なる波長の光が照射されることになる。したがって、ＤＭＤ１６の特定のミラーで反射された光がＰＤ１７に入射するように、図示しない制御装置によってＤＭＤ１６を制御することで、特定波長の光のみを取得することができる。ＤＭＤ１６のミラーは長軸方向に１０００個以上配置されているため、Ｃ帯（通信波長１５３０−１５６５ｎｍ）の帯域３５ｎｍを１０００分割した３．５ｐｍの高分解能な分光器が実現可能である。

ＰＤ１７で受光する光のパワーは波長軸に対してガウシアン分布となっており、ガウシアン分布の中心波長を駆動ミラー１２の回動により微調整することができるため、離散的なデータの間を埋めるデータ取得やサンプリング点数を単純に増やすことが可能となる。また、本実施の形態では、分散素子としてシリコン製のイマージョングレーティング１５を用いているため、通常の回折格子に比べて数倍の分散能を得ることができ、分光器の小型化が可能である。

本実施の形態は、ファイバコリメータ１１と、偏向素子である駆動ミラー１２と分散素子であるイマージョングレーティング１５とを含む分散光学系と、偏向素子アレイであるＤＭＤ１６と、ＰＤとからなる分光器であって、ファイバコリメータ１１から出射した光を分散光学系で分散させ、特定波長のみをＤＭＤ１６とＰＤ１７で受光し、さらに駆動ミラー１２によりＤＭＤ１６への光の入射位置をシフトさせることができる。

本実施の形態では、所望の波長区間の光のみがＰＤ１７に入射するようにＤＭＤ１６の各ミラーの回動角度を制御して粗調整を行う波長区間選択機能と、ＰＤ１７に入射する光の中心波長が所望の値になるように駆動ミラー１２の回動角度を制御して詳細調整を行う波長選択機能とを有する。なお、パワーを高精度に取得する場合はＰＤ１７に結像するレンズがある方がよいが、レンズがなくても機能は満たす。
以上の構成により、本実施の形態では、必要な帯域のデータを取得することができ、高分解能と小型化を両立させることができる。

なお、本実施の形態では、ファイバコリメータ１１を用いているが、ファイバコリメータ１１の代わりに光ファイバとコリメートレンズを用いても構わない。また、ＤＭＤ１６の代わりの他の偏向素子アレイとして、例えばＬＣＯＳ（liquid-crystal-on-silicon）を用いても構わないし、液晶を用いても構わない。ＬＣＯＳについては、例えば文献「Douglas J.McKnight，et al.，“256×256 liquid-crystal-on-silicon spatial light modulator”，APPLIED OPTICS，Vol.33，No.14，1994」に開示されている。ＤＭＤ１６とＰＤ１７の代わりにＰＤアレイを用いても構わない。ＰＤアレイを用いる場合、ＰＤアレイの各ＰＤにはそれぞれ異なる波長区間の光が入射する。

また、ファイバコリメータ１１から出射した光を偏向して、所望の帯域を掃引する駆動ミラー１２として、ＭＥＭＳミラーを用いても構わない。また、回動することで波長掃引する駆動ミラー１２の代わりに、電圧により屈折率が変わることを利用して光を偏向させるＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（ＫＴＮ）でできた光学素子を用いても構わない。ＫＴＮについては、例えば文献「Koichiro Nakamura，et al.，“Wide-angle，low-voltage electro-optic beam deflection based on space-charge-controlled mode of electrical conduction in KTa_1-xNb_xO₃”，APPLIED PHYSICS LETTERS 89，131115，2006」に開示されている。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、分光器の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１の符号を用いて説明する。第１の実施の形態では、駆動ミラー１２を回動させることにより波長のサンプリング点数を増やすことができるが、中心波長の異なるデータは波長領域での重なりがあるため、完全には分離できていない。そのため、各波長の光強度の重なり具合を表す光学系の特性データを用いて、測定光強度を変換することで、特定波長の光強度を分離することができる。

図２は本実施の形態の分光器の制御装置の構成を示すブロック図、図３は制御装置の動作を示すフローチャートである。制御装置２０は、波長区間選択制御部２１と、波長選択制御部２２と、データ取得部２３と、記憶部２４と、データ処理部２５とを備えている。

波長区間選択制御部２１は、所望の波長区間の光のみがＰＤ１７に入射するように、ＤＭＤ１６の各ミラーの回動角度を制御する（図３ステップＳ１）。
波長選択制御部２２は、ＰＤ１７に入射する光の中心波長が所望の値になるように、駆動ミラー１２の回動角度を制御する（ステップＳ２）。

ＰＤ１７は、入射光を光電変換して電気信号を出力する。データ取得部２３は、このＰＤ１７の出力信号を受信する（ステップＳ３）。
データ処理部２５は、記憶部２４に予め記憶されている、光学系の特性データを取得し（ステップＳ４）、この特性データを用いて、ＰＤ１７の出力信号を処理して波長毎の光強度を求める（ステップＳ５）。

ここで、ＤＭＤ１６内の任意のミラーに照射される４つの連続する波長の光を考える。この４つの波長以外の光はＤＭＤ１６の他のミラーによってフィルタリングされていると仮定する。この４つの異なる波長の光強度がｙ１，ｙ２，ｙ３，ｙ４だとする。ベクトルで表示すると、以下の式のようになる。

また、分光器のＰＤ１７で取得した４つの異なる波長の光強度をそれぞれｘ１，ｘ２，ｘ３，ｘ４だとする。ベクトル表示すると、以下の式のようになる。

ここで、分光器によって４つの光を完全に分離することができればｘ＝ｙが成り立つが、分離できないほど波長間隔が狭いと仮定する。そのとき、隣接波長の光強度が加算されて光強度を取得することになる。例えば、所望の測定波長光と隣接する波長の光から７５％の光が測定波長光に加算され、測定波長光から２つ離れた波長の光から５０％の光が測定波長光に加算されるとする。そのとき、ＰＤ１７で測定される光強度ｘは次式のようになる。

この行列Ａの逆行列Ｂを求めることで、次式が得られる。

式（５）によって各波長の光強度ｙ＝（ｙ１，ｙ２，ｙ３，ｙ４）を求めることができる。行列Ａは、分光器の光学系によって変化するため、事前に取得しておくことが望まれる。そして、この行列Ａの逆行列Ｂを、光学系の特性データとして記憶部２４に予め登録しておけばよい。データ処理部２５は、記憶部２４から取得した逆行列Ｂを用いて、ＰＤ１７の出力信号が表す光強度ｘを式（５）によって変換することにより、波長毎の光強度ｙ＝（ｙ１，ｙ２，ｙ３，ｙ４）を算出することができる（ステップＳ５）。
以上の構成により、本実施の形態では、さらに高分解能な分光器を実現することができる。

なお、本実施の形態の構成は、図８に示した従来の分光器でも用いることは可能であるが、取得波長帯域にてサンプリング点数を増やすとなると、偏向素子３の最大回動角度を増やすか、偏向素子３の回動角度分解能を細かくする必要があるため、現実的でない。一方、本実施の形態では、サンプリング点数は高々ＤＭＤ１６のミラーにあたる帯域のみで数点で済むので、ミラーの最大回動角度や回動角度分解能の性能はそれほど良くなくても済むという利点がある。

［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図４は本発明の第３の実施の形態に係る分光器の構成を示すブロック図である。
本実施の形態の分光器は、ファイバコリメータ６１と、凹面ミラー６２と、シリコン製のイマージョングレーティング６３と、ＤＭＤ６４と、ＰＤ６５と、偏向制御手段である温度調節部６６とから構成される。

凹面ミラー６２は、ファイバコリメータ６１から出射した光を反射して、分散素子であるイマージョングレーティング６３に入射させる。イマージョングレーティング６３は、凹面ミラー６２からの反射光を波長毎に分光する。さらに、凹面ミラー６２は、イマージョングレーティング６３によって分光された光を反射して、可変フィルタとして用いるＤＭＤ６４に入射させる。このようにイマージョングレーティング６３で分光した光をＤＭＤ６４に照射することにより、ＤＭＤ６４の受光面にアレイ状に配置された各ミラーにはそれぞれ異なる波長の光が照射されることになる。したがって、ＤＭＤ６４の特定のミラーで反射された光がＰＤ６５に入射するように、図示しない制御装置によってＤＭＤ６４を制御することで、特定波長の光のみを取得することができる。

シリコン製のイマージョングレーティング６３には、温度変化に伴って屈折率が変化するという性質がある。そこで、イマージョングレーティング６３の温度を温度調節部６６によって調整することにより、イマージョングレーティング６３からの光の出射角度が変化するので、ＤＭＤ６４の特定ミラーに入射する光の中心波長を変化させることができる。

図５にイマージョングレーティング６３の温度に対する出射角度の変化を示す。図５の横軸はイマージョングレーティング６３の温度、縦軸は光の出射角度である。また、図５において５０は光の波長が１５３０μｍの場合の特性を示し、５１は波長が１５４７μｍの場合の特性を示し、５２は波長が１５６５μｍの場合の特性を示している。図５から明らかなように、イマージョングレーティング６３の温度を３００℃変化させることで、光の出射角度を２°変化させることができる。

以上のように、本実施の形態では、イマージョングレーティング６３の温度を調整することにより、第１の実施の形態と同等の波長選択機能を駆動ミラー無しで実現することができるので、分光器の光学系を簡素化することができ、さらに小型な分光器を実現することができる。

また、電圧を印加することによって、電気光学効果により屈折率を変調することができる透過材料をイマージョングレーティング６３に用いる場合は、イマージョングレーティング６３の材料に印加する電圧を調整することができる電圧調節部を設けるようにすれば、温度調節部６６でイマージョングレーティング６３の温度を調整する場合と同様の効果を得ることができる。

なお、本実施の形態においても、第２の実施の形態を適用することにより、高分解能な分光器を実現することができる。ただし、本実施の形態の場合、駆動ミラーがないので、波長選択制御部２２は不要である。

［第１の参考例］
次に、本発明の第１の参考例について説明する。図６（Ａ）は本発明の第１の参考例に係る分光器の構成を示すブロック図である。図６（Ｂ）は図６（Ａ）の右側から見た分光器の側面図である。
本参考例の分光器は、ファイバ７１と、駆動ミラー７２と、ファブリーぺローエタロン７３と、レンズ７４と、透過型の回折格子等の分散素子７５と、レンズ７６と、ＰＤアレイ７７とから構成される。

駆動ミラー７２は、ファイバ７１から出射した光を反射して、ファブリーぺローエタロン７３に入射させる。このとき、駆動ミラー７２は、分散素子７５の光が分散する平面（図６（Ａ）のｘｚ平面）に対して平行な回動軸７８を中心として回動することが可能である。この駆動ミラー７２により、第１の実施の形態と同様の波長選択機能を実現する。レンズ７４は、ファブリーぺローエタロン７３を通過した光を集光する。分散素子７５は、レンズ７４によって集光された光を波長毎に分光する。分散素子７５によって分光された光は、レンズ７６を介してＰＤアレイ７７に入射する。この分散素子７５とＰＤアレイ７７により、第１の実施の形態と同様の波長区間選択機能を実現する。

ここで、ファブリーぺローエタロン７３の透過スペクトラムは、測定全帯域よりも短い周期でピークが現れ、かつその周期よりも十分に高分解能になるように設計されている。ファブリーぺローエタロン７３は、特定の波長周期の光を透過させるので、ファブリーぺローエタロン７３を透過した各波長の光を分散素子７５で分散させてＰＤアレイ７７の各ＰＤで受光する。図６（Ｂ）に示すように駆動ミラー７２を回動させてファブリーぺローエタロン７３への光の入射角度を変えることにより、ファブリーぺローエタロン７３の透過スペクトラムを周波数軸上でシフトさせることができるため、所望の波長の光強度を取得することができる。

本参考例では、ファイバ７１から出射した光をファブリーぺローエタロン７３により周期的かつ急峻な波長の光に変換し、駆動ミラー７２により波長選択し、分散素子７５で分散させた光をＰＤアレイ７７で受光する。このため、分光器の分解能はファブリーぺローエタロン７３に依存し、帯域は分散素子７５とＰＤアレイ７７で光を分けた区間によって決まる。したがって、ファブリーペローエタロンを高分解能になるように設計することで、第１の実施の形態に比べて更なる高分解能を実現することができ、高分解能と小型化を両立させることができる。
なお、ＰＤアレイ７７の代わりに、第１の実施の形態と同様のＤＭＤとＰＤを用いても構わないし、ＬＣＯＳとＰＤを用いても構わないし、液晶とＰＤを用いても構わない。

［第２の参考例］
次に、本発明の第２の参考例について説明する。図７（Ａ）は本発明の第２の参考例に係る分光器の構成を示すブロック図である。図７（Ｂ）は図７（Ａ）の右側から見た分光器の側面図である。
本参考例の分光器は、ファイバ８１と、二軸駆動ミラー８２と、シリンドリカルレンズ８３と、ファブリーぺローエタロン８４と、レンズ８５と、分散素子８６と、レンズ８７と、ＰＤ８８とから構成される。

二軸駆動ミラー８２は、ファイバ８１から出射した光を反射して、シリンドリカルレンズ８３に入射させる。このとき、二軸駆動ミラー８２は、分散素子８６の光が分散する平面（図７（Ａ）のｘｚ平面）に対して平行な第１の回動軸８９を中心として回動することが可能であり、また分散素子８６の光が分散する平面に対して垂直な第２の回動軸９０を中心として回動することが可能である。二軸駆動ミラー８２の第１の回動軸８９周りの回動により、第１の実施の形態と同様の波長選択機能を実現することができ、第２の回動軸９０周りの回動により、第１の実施の形態と同様の波長区間選択機能を実現することができる。

シリンドリカルレンズ８３を通過した光は、ファブリーぺローエタロン８４に入射する。レンズ８５は、ファブリーぺローエタロン８４を通過した光を集光する。分散素子８６は、レンズ８５によって集光された光を波長毎に分光する。分散素子８６によって分光された光のうち特定の波長の光が、レンズ８７を介してＰＤ８８に入射する。

本参考例では、第１の参考例と比べて、駆動ミラー７２の代わりに二軸駆動ミラー８２を採用し、シリンドリカルレンズ８３を１つ挿入して、ＰＤアレイ７７の代わりに単一のＰＤを採用した光学系となっている。シリンドリカルレンズ８３は、分散素子８６の光が分散する平面上において屈折力を持ち、二軸駆動ミラー８２からの光を分散素子８６に収束させる役目を果たし、一方、分散素子８６の光が分散する平面と直交する平面（図６（Ｂ）のｙｚ平面）上においては屈折力を持たないように配置される。本参考例では、ファブリーぺローエタロン８４の周期的な透過スペクトラムのうち１波長区間の光のみをＰＤ８８で受光する。二軸駆動ミラー８２を第２の回動軸９０周りに回動させることにより、所望の波長区間の光をＰＤ８８に入射させることができる。

本参考例では、ファイバ８１から出射した光をファブリーぺローエタロン８４により周期的かつ急峻な波長の光に変換し、二軸駆動ミラー８２と分散光学系で分散させた周期的な波長の一部分をＰＤ８８で受光する。このように、本参考例では、波長区間選択の軸と波長選択の軸を分けることで必要な帯域のデータを取得することができ、高分解能と小型化を両立させることができる。

本発明は、光を分光する技術に適用することができる。

１１，６１…ファイバコリメータ、１２，７２，８２…駆動ミラー、１３，７４，７６，８５，８７…レンズ、１４，６２…凹面ミラー、１５，６３…イマージョングレーティング、１６，６４…ＤＭＤ、１７，６５，８８…ＰＤ、１８，７８…回動軸、２０…制御装置、２１…波長区間選択制御部、２２…波長選択制御部、２３…データ取得部、２４…記憶部、２５…データ処理部、６６…温度調節部、７１，８１…ファイバ、７３，８４…ファブリーぺローエタロン、７５，８６…分散素子、７７…ＰＤアレイ、８３…シリンドリカルレンズ。

Claims

入射光を偏向し、所望の帯域を波長掃引する波長掃引手段と、
この波長掃引手段で偏向された光を波長ごとに異なる方向へ分光する分散素子と、
光を受光する受光素子と、
前記分散素子で分光された光のうち特定波長の光のみを前記受光素子へ入射させる偏向素子アレイと、
隣接波長の光間の強度の重なり具合を表す光学系の特性データを予め記憶する記憶手段と、
前記光学系の特性データを用いて、受光素子の出力信号を処理して波長毎の光強度を求めるデータ処理手段とを備え、
前記光学系の特性データは、前記入射光に含まれる隣接する複数の波長の光の強度と当該波長の光として前記受光素子で受光される複数の波長の光の強度との相関行列であることを特徴とする分光器。
請求項１記載の分光器において、
前記受光素子と前記偏向素子アレイとの代わりに、前記分散素子で分光された光を受光する受光素子アレイを備えることを特徴とする分光器。
請求項１または２記載の分光器において、
前記波長掃引手段の代わりに、前記分散素子に印加する電圧または前記分散素子の温度を調整する偏向制御手段を備え、
前記分散素子は、電圧もしくは温度によって屈折率が変化する透過部材からなる回折格子であり、
前記分散素子に印加する電圧または前記分散素子の温度を調整することにより、前記分散素子からの光の出射角度を制御することを特徴とする分光器。