JP7332650B2 - 光スペクトラムアナライザ及びパルス変調光測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光スペクトラムアナライザ及びパルス変調光測定方法に関する。

従来より、測定対象（ＤＵＴ：Device Under Test）である被測定光に含まれる波長成分を測定するために、例えば特許文献１に示されたような光スペクトラムアナライザが用いられている。

光スペクトラムアナライザは、波長選択性が高く且つその選択波長を可変できる光学的なフィルタを用いて、被測定光に含まれる各波長成分を選択的に受光し、波長軸方向のスペクトル分布等を計測してその結果を画面上に表示することができる。

特許文献１の光スペクトラムアナライザは、装置内の光路中にあるビームスプリッタによる光損失を回避するための技術を示している。

ところで、光スペクトラムアナライザの測定対象は、一般的には連続発光（ＣＷ：Continuous Wave）の光である。しかし、レーザダイオード（ＬＤ）チップやモジュールのようなＤＵＴを連続発光させる場合には、例えば、ＤＵＴを駆動する電流を連続的に流すことにより生じる温度変化の影響により発光波長およびレベルが時間の経過に伴って変動することが想定される。そこで、温度変化による波長およびレベルの変動を抑制するために、光源にパルス変調（発光の周期的なオンオフ）をかけ、パルス状に間欠的に発光させる手法が用いられる。

また、パルス状の光を光源から発射する場合には、対象物で反射した反射光を計測することにより、対象物の状態を検出することが可能になる。例えば、ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging、Laser Imaging Detection and Ranging）技術では、パルス状に発光するレーザー照射に対する散乱光を測定し、遠距離にある対象までの距離やその対象の性質を分析することができる。

このようなパルス状の光(パルス変調光)の光スペクトル測定が可能な光スペクトラムアナライザとして、特許文献２に記載された分光分析装置が提案されている。

特許第３９８６０３１号公報 実用新案登録第２５６４００９号公報

しかしながら、特許文献２に記載された分光分析装置ではパルス変調光のパルスオンの時間やパルス周期が不明な場合にそれらを検知する機能・方法を備えていないため、パルス変調光のパルスオンの時間やパルス周期が不明な場合、ピークホールドの保持時間を適切に選択することができず、スペクトルを測定することができない、もしくはピークホールドの保持時間に余裕を持たせて長い時間に設定する必要が生じることにより測定時間が大幅に長くなってしまう、という問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、パルス変調光のパルスオンの時間やパルス周期が不明な場合でも、パルス変調光の波長ごとのピークレベルを測定することができる光スペクトラムアナライザ及びパルス変調光測定方法を提供することにある。

前述した目的を達成するために、本発明に係る光スペクトラムアナライザ及びパルス変調光測定方法は、下記［１］～［４］を特徴としている。
［１］
測定対象のパルス変調光を計測するための光スペクトラムアナライザであって、
パルス変調光が入射される回折格子（３）と、
前記回折格子（３）により回折された回折光の０次光を受光する第１受光部（８）と、
前記０次光を除く次数の前記回折光を受光する第２受光部（７）と、
前記第１受光部（８）により受光された前記０次光に基づいてホールドタイミング、リセットタイミング及びサンプリングタイミングを決定するタイミング決定部（９）と、
前記第２受光部（７）により受光された光からスペクトル測定を行う光スペクトル信号検出部（１０）とを備え、
前記光スペクトル信号検出部（１０）は、
決定された前記ホールドタイミングから前記リセットタイミングまでの間に、前記第２受光部（７）により受光された前記０次光を除く次数の前記回折光のピークを保持するピークホールド回路（１０２）と、
決定された前記サンプリングタイミングに従って前記ピークホールド回路（１０２）により保持されたピークをサンプリングするサンプリング部（１０３）と、
を有する、
光スペクトラムアナライザであること。
［２］
［１］に記載の光スペクトラムアナライザにおいて、
前記サンプリング部（１０３）に対する入力を、前記ピークホールド回路（１０２）と、前記第２受光部（７）と、の間で切り替える切替部（１０４）を備えた、
光スペクトラムアナライザであること。
［３］
［１］又は［２］に記載の光スペクトラムアナライザにおいて、
前記回折格子（３）からの回折光が入射され再び前記回折格子（３）に向けて反射する折り返しミラー（４）をさらに備え、
前記第１受光部（８）は、最初に前記回折格子（３）で回折された前記回折光の前記０次光を受光し、
前記第２受光部（７）は、再度前記回折格子で回折された前記０次光を除く次数の前記回折光を受光する、
光スペクトラムアナライザであること。
［４］
測定対象のパルス変調光の波長ごとの光ピークレベルを計測するためのパルス変調光測定方法であって、
前記パルス変調光を回折格子（３）に入射して、回折光を出射させ、前記回折光の０次光を受光し、
前記回折光の０次光に基づいてホールドタイミング、リセットタイミング及びサンプリングタイミングを決定し、
前記回折光の前記０次光を除く次数の回折光を受光し、
決定された前記ホールドタイミングから前記リセットタイミングまでの間における前記回折光の前記０次光を除く次数の前記回折光のピークを保持し、
決定された前記サンプリングタイミングに従って、前記パルス変調光の波長ごとのピークをサンプリングし、
前記パルス変調光の波長ごとの光ピークレベルを測定するパルス変調光測定方法であること。

上記［１］及び［４］の構成の光スペクトラムアナライザ及びパルス変調光測定方法によれば、０次光に基づいてホールドタイミング、リセットタイミング及びサンプリングタイミングが決定される。これにより、パルス変調光のパルスオンの時間やパルス周期が不明な場合でも、パルス変調光の波長ごとの光ピークレベルを測定することができる。
上記［２］の構成の光スペクトラムアナライザによれば、サンプリング部は、ピークホールド回路が保持したピークと、第２受光部が受光した０次光を除く次数の回折光と、の双方を選択的にサンプリングすることができる。
上記［３］の構成の光スペクトラムアナライザによれば、第２受光部により０次光を除く次数の回折光を受光中に、第１受光部により０次光を受光することができる。

本発明によれば、パルス変調光のパルスオンの時間やパルス周期が不明な場合でも、パルス変調光の波長ごとのピークレベルを測定することができる光スペクトラムアナライザ及びパルス変調光測定方法を提供することができる。

以上、本発明について簡潔に説明した。更に、以下に説明される発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という。）を添付の図面を参照して通読することにより、本発明の詳細は更に明確化されるであろう。

図１は、本発明の実施形態に係る光スペクトラムアナライザの構成例を示す構成図である。 図２は、パルス変調光の例を示すタイムチャートである。 図３は、図１に示す光スペクトラムアナライザを構成する光スペクトル信号検出部の一例を示す構成図である。 図４は、図１に示す光スペクトラムアナライザを構成する測定タイミング信号発生部の一例を示す構成図である。

本発明に関する具体的な実施形態について、各図を参照しながら以下に説明する。

本発明の実施形態に係る光スペクトルアナライザＯＳＡの構成例を図１に示す。本実施形態の光スペクトラムアナライザＯＳＡには計測対象としてパルス変調光ＤＵＴを測定することができる。

本実施形態の光スペクトラムアナライザＯＳＡが計測対象とするパルス変調光ＤＵＴは、例えば図２に示した波形のように、光パワーのオンオフが周期的に切り替わるものである。つまり、光信号がパルス状に間欠的に発生する。このようなパルス変調光ＤＵＴは、光源の発熱を抑制し、発光波長およびレベルの安定化に役立つ。

このパルス変調光ＤＵＴのパルス変調周波数については、数１０Ｈｚ～数ＭＨｚ程度の比較的低速な場合が想定される。すなわち、本実施形態の光スペクトラムアナライザＯＳＡは、その動作が追従できる程度の低速な周波数でパルス変調された信号光を計測対象として扱う。

図１に示したように、本実施形態の光スペクトラムアナライザＯＳＡは、入射スリット１と、コリメータ２と、回折格子３と、コーナーミラー（折り返しミラー）４と、集光器５と、出射スリット６と、受光部７（第２受光部）と、受光部８（第１受光部）と、測定タイミング信号発生部９（タイミング決定部）と、光スペクトル信号検出部１０と、を備えている。入射スリット１は、測定対象であるパルス変調光ＤＵＴが入射される。コリメータ２は、入射スリット１を通って入射されたパルス変調光ＤＵＴを平行光とするレンズである。

回折格子３には、コリメータ２からの平行光が入射される。回折格子３は、刻線方向Ｄ１に沿った微細な溝が複数並べて形成され、コリメータ２からの平行光が入射されると、回折現象によって、全ての波長が同じ方向に向かう０次光と、波長ごとに異なる方向に強められたｎ次光（ｎは０を除く整数）と、を含む回折光を発生する。

コーナーミラー４は、ｎ次光が入射され、入射されたｎ次光を再び回折格子３に向けて反射する。集光器５は、回折格子３で再度回折されたｎ次光のうち特定方向に出射された光を集光する。出射スリット６は、集光器５の集光位置に設けられ、特定方向に出射された波長の光を出射する。コーナーミラー４を刻線方向Ｄ１に沿った回転軸回りに回転させることにより、回折格子３から特定方向に出射される（即ち集光器５に向かって出射される）光の波長を調整して、集光器５に入射される光の波長を選択することができる。

受光部７は、出射スリット６を通ったｎ次光を受光して光電変換する。受光部８は、最初に回折格子３で回折された０次光を受光して光電変換する。

測定タイミング信号発生部９は、例えばマイクロコンピュータから構成され、受光部８により受光された０次光に基づいて、後述するピークホールド回路１０２のホールドタイミング、リセットタイミング、Ａ／Ｄ変換器１０３のサンプリングタイミングを決定するホールド信号、リセット信号、サンプリング信号を生成して、後述する光スペクトル信号検出部１０に送信する。測定タイミング信号発生部９の詳細については後述する。

光スペクトル信号検出部１０は、受光部７により受光されたｎ次光からスペクトル測定を行う。光スペクトル信号検出部１０は、図３に示すように、信号増幅器１０１と、ピークホールド回路１０２と、Ａ／Ｄ変換器１０３（サンプリング部）と、スイッチ１０４（切替部）と、を有している。信号増幅器１０１は、受光部７により受光され光電変換されたｎ次光の信号を増幅する。ピークホールド回路１０２は、ホールド信号を入力してからリセット信号を入力するまでの間において、ｎ次光の信号のピークを保持する回路である。Ａ／Ｄ変換器１０３は、サンプリング信号が入力される毎に、ピークホールド回路１０２が保持しているピークの信号又はｎ次光の信号をサンプリングしてアナログ－デジタル変換する。スイッチ１０４は、Ａ／Ｄ変換器１０３に対する入力を、ピークホールド回路１０２により保持されたピークの信号と、受光部７により光電変換されたｎ次光の信号と、の間で切り替える。

次に、上述した測定タイミング信号発生部９の詳細について説明する。測定タイミング信号発生部９は、図４に示すように、信号増幅器９１と、波形測定部９２と、波形解析部９３と、信号発生部９４と、を有している。信号増幅器９１は、受光部８により受光され光電変換された０次光の信号を増幅する。波形測定部９２は、増幅された０次光の信号を一定周期で繰り返しサンプリングして時間毎の光パワー計測値を順次に取得する。この場合のサンプリング周波数は、例えば１ＭＨｚとする。すなわち、波形測定部９２内のサンプリング回路で１μｓｅｃ毎に受光部８が光電変換した０次光の信号レベルをサンプリングし、その信号レベルを波形測定部９２内のＡ／Ｄ変換器で変換したデジタル値を波形解析部９３に入力する。したがって、例えば１μｓｅｃ周期でサンプリングを１０００回繰り返すことにより、時間軸方向の１０００点の光パワー計測値のデータＤ２を波形解析部９３に入力することができる。

波形解析部９３は、時間毎の光パワー計測値のデータに基づいて、パルス変調光ＤＵＴのオフからオンの立ち上がりタイミング、オンからオフの立ち下がりタイミング、パルスオン時間Ｔｏｎ、パルス周期Ｔｐを求める。即ち、波形測定部９２で得られる時間毎の光パワー測定値のデータＤ２は、例えば、図２に示したようなパルス変調光ＤＵＴの波形を表すので、この波形に基づいて、パルス変調光ＤＵＴの立ち上がりタイミング、立ち下がりタイミング、パルスオン時間Ｔｏｎ、パルス変調光のパルス周期Ｔｐなどを検出できる。

次に、信号発生部９４は、ピーク測定モードと、通常測定モードと、に切り替えることができる。信号発生部９４は、ピーク測定モードにおいて、波形解析部９３が検出した立ち上がりタイミング、立ち下がりタイミング、パルスオン時間Ｔｏｎ、パルス周期Ｔｐなどに基づいてホールド信号、リセット信号、サンプリング信号を発生する。ホールド信号、リセット信号は、ピークホールド回路１０２が１パルスごとにピークを保持できるようなに設定される。具体的には、信号発生部９４は、パルス変調光ＤＵＴの立ち上がりタイミングに同期して一定時間だけＨｉレベルとなるホールド信号を発生する。

また、信号発生部９４は、パルス変調光ＤＵＴの立ち上がり直前のタイミングでＨｉレベルとなるリセット信号を発生する。立ち上がり直前のタイミングは、検出された立ち上がりタイミング、立ち下がりタイミング、パルスオン時間Ｔｏｎ、パルス周期Ｔｐから求めることができる。また、信号発生部９４は、立ち下がりタイミング後、リセット信号が出力されるまでの間に一定時間だけＨｉレベルとなるサンプリング信号を発生する。

信号発生部９４は、通常測定モードにおいて、一定の周期でＨｉレベルとなるサンプリング信号を発生する。

次に、上述した構成の光スペクトラムアナライザＯＳＡの動作について説明する。まず、ピーク測定モードにおいて、光スペクトル信号検出部１０は、スイッチ１０４を制御してピークホールド回路１０２を信号増幅器１０１とＡ／Ｄ変換器１０３との間に接続する。これにより、Ａ／Ｄ変換器１０３には、ピークホールド回路１０２が保持したピークの信号が入力される。また、ピーク測定モードにおいて、測定タイミング信号発生部９は、上述したホールド信号、リセット信号、サンプリング信号を発生する。これにより、Ａ／Ｄ変換器１０３によってパルス変調光ＤＵＴがオンしている間におけるｎ次光の信号の光ピークレベルを検出することができる。ピーク測定モードにおいて、コーナーミラー４を回転させて集光器５に入射される波長を順次切り替えると、光スペクトル信号検出部１０は、波長ごとの光ピークレベルを検出することができる。

また、通常測定モードにおいて、光スペクトル信号検出部１０は、スイッチ１０４を制御してピークホールド回路１０２を信号増幅器１０１とＡ／Ｄ変換器１０３とから切り離し、信号増幅器１０１とＡ／Ｄ変換器１０３とを直接接続する。これにより、Ａ／Ｄ変換器１０３には受光部７が光電変換したｎ次光の信号が入力される。また、通常測定モードにおいて、測定タイミング信号発生部９は、上述したサンプリング信号のみを発生する。これにより、Ａ／Ｄ変換器１０３によってＤＵＴのｎ次光の光レベルを検出することができる。通常測定モードにおいて、コーナーミラー４を回転させて集光器５に入射される波長を順次切り替えると、光スペクトル信号検出部１０は、周波数軸の光パワー分布のデータを取得することができる。また、光スペクトル信号検出部１０は、この光パワー分布からＤＵＴの発光波長やスペクトル幅を取得することができる。

上述した実施形態によれば、測定タイミング信号発生部９が、０次光に基づいてホールド信号、リセット信号及びサンプリング信号を発生する。これにより、パルス変調光ＤＵＴのパルスオンの時間やパルス周期が不明な場合でも、パルス変調光ＤＵＴの波長ごとの光ピークレベルを測定することができる。

上述した実施形態によれば、スイッチ１０４により、Ａ／Ｄ変換器１０３に対する入力を、ピークホールド回路１０２が保持したピークと、受光部７が受光したｎ次光と、の間で切り替えることができる。これにより、Ａ／Ｄ変換器１０３が、ピークホールド回路１０２が保持したピークと、受光部７が受光したｎ次光と、の双方を選択的にサンプリングすることができる。

上述した実施形態によれば、受光部７は、回折格子３により再度回折されたｎ次光が入射され、受光部８は、最初に回折格子３により回折された０次光が入射される。これにより、受光部７によりｎ次光を受光中に、受光部８により０次光を受光することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。その他、上述した実施形態における各構成要素の材質、形状、寸法、数、配置箇所、等は本発明を達成できるものであれば任意であり、限定されない。

上述した実施形態によれば、受光部８は、最初に回折格子３により回折された０次光が入射されていたが、これに限ったものではない。受光部７を第１受光部、第２受光部として機能させ、受光部７に０次光を入射するようにしてもよい。この場合、最初に０次光を受光部７に入射して、パルスオン時間Ｔｏｎ、パルス周期Ｔｐを求めた後、ｎ次光を受光部７に入射する。

ここで、上述した本発明に係る光スペクトラムアナライザ及びパルス変調光測定方法の実施形態の特徴をそれぞれ以下［１］～［４］に簡潔に纏めて列記する。
［１］
測定対象のパルス変調光（ＤＵＴ）を計測するための光スペクトラムアナライザ（ＯＳＡ）であって、
パルス変調光（ＤＵＴ）が入射される回折格子（３）と、
前記回折格子（３）により回折された回折光の０次光を受光する第１受光部（８）と、
前記０次光を除く次数の前記回折光を受光する第２受光部（７）と、
前記第１受光部により受光された前記０次光に基づいてホールドタイミング、リセットタイミング及びサンプリングタイミングを決定するタイミング決定部（９）と、
決定された前記ホールドタイミングから前記リセットタイミングまでの間に、前記第２受光部により受光された前記０次光を除く次数の前記回折光のピークを保持するピークホールド回路（１０２）と、
決定された前記サンプリングタイミングに従って前記ピークホールド回路（１０２）により保持されたピークをサンプリングするサンプリング部（１３０）と、
を備えた、
光スペクトラムアナライザ（ＯＳＡ）。
［２］
［１］に記載の光スペクトラムアナライザ（ＯＳＡ）において、
前記サンプリング部（１３０）に対する入力を、前記ピークホールド回路（１０２）と、前記第２受光部（７）と、の間で切り替える切替部（１０４）を備えた、
光スペクトラムアナライザ（ＯＳＡ）。
［３］
［１］又は［２］に記載の光スペクトラムアナライザ（ＯＳＡ）において、
前記回折格子（３）からの回折光が入射され再び前記回折格子（３）に向けて反射する折り返しミラー（４）をさらに備え、
前記第１受光部（８）は、最初に前記回折格子（３）で回折された前記回折光の前記０次光を受光し、
前記第２受光部（７）は、再度前記回折格子で回折された前記０次光を除く次数の前記回折光を受光する、
光スペクトラムアナライザ（ＯＳＡ）。
［４］
測定対象のパルス変調光（ＤＵＴ）を計測するためのパルス変調光測定方法であって、
前記パルス変調光（ＤＵＴ）を回折格子（３）に入射して、回折光を出射させ、
前記回折光の０次光に基づいてホールドタイミング、リセットタイミング及びサンプリングタイミングを決定し、
決定された前記ホールドタイミングから前記リセットタイミングまでの間における前記回折光の前記０次光を除く次数の前記回折光のピークを保持し、
決定された前記サンプリングタイミングに従って、前記ピークをサンプリングする、
パルス変調光測定方法。

３ 回折格子
４ コーナーミラー（折り返しミラー）
８ 受光部（第１受光部）
９ 測定タイミング信号発生部（タイミング決定部）
１０２ ピークホールド回路
１０３ Ａ／Ｄ変換器（サンプリング部）
１０４ スイッチ（切替部）
ＤＵＴ パルス変調光
ＯＳＡ 光スペクトラムアナライザ

Claims (4)

1. 測定対象のパルス変調光を計測するための光スペクトラムアナライザであって、
   パルス変調光が入射される回折格子（３）と、
   前記回折格子（３）により回折された回折光の０次光を受光する第１受光部（８）と、
   前記０次光を除く次数の前記回折光を受光する第２受光部（７）と、
   前記第１受光部（８）により受光された前記０次光に基づいてホールドタイミング、リセットタイミング及びサンプリングタイミングを決定するタイミング決定部（９）と、
   前記第２受光部（７）により受光された光からスペクトル測定を行う光スペクトル信号検出部（１０）とを備え、
   前記光スペクトル信号検出部（１０）は、
   決定された前記ホールドタイミングから前記リセットタイミングまでの間に、前記第２受光部（７）により受光された前記０次光を除く次数の前記回折光のピークを保持するピークホールド回路（１０２）と、
   決定された前記サンプリングタイミングに従って前記ピークホールド回路（１０２）により保持されたピークをサンプリングするサンプリング部（１０３）と、
   を有する、
   光スペクトラムアナライザ。
2. 請求項１に記載の光スペクトラムアナライザにおいて、
   前記サンプリング部（１０３）に対する入力を、前記ピークホールド回路（１０２）と、前記第２受光部（７）と、の間で切り替える切替部（１０４）を備えた、
   光スペクトラムアナライザ。
3. 請求項１又は２に記載の光スペクトラムアナライザにおいて、
   前記回折格子（３）からの回折光が入射され再び前記回折格子（３）に向けて反射する折り返しミラー（４）をさらに備え、
   前記第１受光部（８）は、最初に前記回折格子（３）で回折された前記回折光の前記０次光を受光し、
   前記第２受光部（７）は、再度前記回折格子で回折された前記０次光を除く次数の前記回折光を受光する、
   光スペクトラムアナライザ。
4. 測定対象のパルス変調光の波長ごとの光ピークレベルを計測するためのパルス変調光測定方法であって、
   前記パルス変調光を回折格子（３）に入射して、回折光を出射させ、前記回折光の０次光を受光し、
   前記回折光の０次光に基づいてホールドタイミング、リセットタイミング及びサンプリングタイミングを決定し、
   前記回折光の前記０次光を除く次数の回折光を受光し、
   決定された前記ホールドタイミングから前記リセットタイミングまでの間における前記回折光の前記０次光を除く次数の前記回折光のピークを保持し、
   決定された前記サンプリングタイミングに従って、前記パルス変調光の波長ごとのピークをサンプリングし、
   前記パルス変調光の波長ごとの光ピークレベルを測定するパルス変調光測定方法。

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