JP7339292B2

JP7339292B2 - 光スペクトラムアナライザ及びパルス変調光測定方法

Info

Publication number: JP7339292B2
Application number: JP2021055789A
Authority: JP
Inventors: 太一村上; 智英山崎
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2021-03-29
Publication date: 2023-09-05
Anticipated expiration: 2041-03-29
Also published as: JP2022152858A

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）を実施して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、サンプリングのタイミングを合わせることができず、ピークレベルを測定することができない、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］～［３］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次光がピークとなるピークタイミングを検出するピークタイミング検出部（９）と、
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からスペクトル測定を行う光スペクトル信号検出部（１０）を備え、
前記光スペクトル信号検出部（１０）は、
前記第２受光部（７）が受光した前記０次光を除く次数の前記回折光を遅延させる遅延回路（１０２）と、
前記ピークタイミング検出部（９）により検出したピークタイミングで、前記遅延回路（１０２）により遅延された前記０次光を除く次数の前記回折光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、
前記回折格子（３）からの前記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（３）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。
［３］
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次光がピークとなるピークタイミングを検出し、
前記回折光の前記０次光を除く次数の回折光を受光し、
前記０次光を除く次数の前記回折光を遅延し、
検出された前記ピークタイミングで、遅延された前記０次光を除く次数の前記回折光をサンプリングし、
前記パルス変調光の波長ごとの光ピークレベルを計測する、
パルス変調光測定方法であること。

上記［１］及び［３］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次光のピークタイミングで０次光を除いた次数の回折光をサンプリングする。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［１］の構成の光スペクトラムアナライザによれば、精度よく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、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測定タイミング信号発生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光スペクトル信号検出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（ピークタイミング検出部）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Ａ／Ｄ変換器１０３の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は、図３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のピークタイミング、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のピークタイミング、立ち上がりタイミング、立ち下がりタイミングなどを検出できる。

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に基づいて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。

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４に示すように、信号増幅器１０１と、遅延回路１０２と、Ａ／Ｄ変換器１０３（サンプリング部）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。遅延回路１０２は、信号増幅器１０１により増幅されたｎ次光の信号を遅延させる。Ａ／Ｄ変換器１０３は、サンプリング信号が入力される毎に、遅延された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。

受光部７により受光されたｎ次光がピークとなるタイミングに比べて、測定タイミング信号発生部９が、０次光に基づいてピークタイミングを検出して、ピークタイミングと同期したサンプリング信号を出力するタイミングの方が遅延する。本実施形態では、遅延回路１０２によりｎ次光の信号を遅延させることにより、サンプリング信号が出力されるタイミングでｎ次光もピークとなるようにしている。

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。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、ピークタイミングと同期した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がピークとなるピークタイミングでｎ次光の信号をサンプリングすることができ、ｎ次光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、測定タイミング信号発生部９は、一定の周期でＨｉレベルとなる上述した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次光のピークタイミングでｎ次数の回折光をサンプリングする。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。

また、上述した実施形態によれば、Ａ／Ｄ変換器１０３は、遅延回路１０２により遅延されたｎ次光をサンプリングする。これにより、測定タイミング信号発生部９がサンプリング信号を出力するタイミングと、遅延回路１０２により遅延されたｎ次光の信号がピークとなるタイミングと、を近づけることができ、精度よくパルス変調光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、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、ピークタイミング、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（８）により受光された前記０次光がピークとなるピークタイミングを検出するピークタイミング検出部（９）と、
前記ピークタイミング検出部（９）により検出したピークタイミングで前記第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をサンプリングするサンプリング部（１０３）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、
前記第２受光部（７）が受光した前記０次光を除く次数の前記回折光を遅延させる遅延回路（１０２）をさらに備え、
前記サンプリング部（１０３）は、前記遅延回路（１０２）により遅延された前記０次光を除く次数の前記回折光をサンプリングする、
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、
前記回折格子からの前記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（３）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次光のピークタイミングを検出し、
検出された前記ピークタイミングで前記０次光を除く次数の前記回折光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）
７受光部（第２受光部）
８受光部（第１受光部）
９測定タイミング信号発生部（ピークタイミング検出部）
１０２遅延回路
１０３Ａ／Ｄ変換器（サンプリング部）
ＤＵＴパルス変調光
ＯＳＡ光スペクトラムアナライザ

Claims

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次光がピークとなるピークタイミングを検出するピークタイミング検出部（９）と、
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からスペクトル測定を行う光スペクトル信号検出部（１０）を備え、
前記光スペクトル信号検出部（１０）は、
前記第２受光部（７）が受光した前記０次光を除く次数の前記回折光を遅延させる遅延回路（１０２）と、
前記ピークタイミング検出部（９）により検出したピークタイミングで、前記遅延回路（１０２）により遅延された前記０次光を除く次数の前記回折光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。
請求項１に記載の光スペクトラムアナライザにおいて、
前記回折格子（３）からの前記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（３）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。
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次光がピークとなるピークタイミングを検出し、
前記回折光の前記０次光を除く次数の回折光を受光し、
前記０次光を除く次数の前記回折光を遅延し、
検出された前記ピークタイミングで、遅延された前記０次光を除く次数の前記回折光をサンプリングし、
前記パルス変調光の波長ごとの光ピークレベルを計測する、
パルス変調光測定方法。