JP2007121232A

JP2007121232A - 波長モニタ

Info

Publication number: JP2007121232A
Application number: JP2005317265A
Authority: JP
Inventors: Hironori Takai; 浩典高井; Hiromi Saito; 裕己齊藤; Minoru Maeda; 稔前田; Takaaki Hirata; 隆昭平田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2005-10-31
Filing date: 2005-10-31
Publication date: 2007-05-17

Abstract

【課題】波長モニタにおける多重干渉ノイズを低減し、波長測定精度の向上を図ると共に、装置の小型化や低コスト化を実現することを目的とする。
【解決手段】第１の分岐光を伝送する第１の光路と、第２の分岐光を伝送する第２の光路と、第１の出射端と、第２の出射端とを有する光分岐手段と、第１の分岐光及び第２の分岐光を各々平行光に変換して出射する第１のレンズと、各平行光を直交方向に選択的に集光して出射する第２のレンズと、各平行光を受光すると共に、２つの平行光の干渉によって生じる干渉縞の一周期分を４等分して受光するように各々配置された少なくとも４つの受光素子を備える光電変換手段と、受光素子から出力される電気信号に所定の信号処理を行うことで被測定光の波長を算出する信号処理手段とを備え、前記光電変換手段は各受光素子の受光面が直交方向に対して所定の傾きを有するように配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定光の波長、例えば単一モード発振するレーザ光源の波長を測定する波長モニタに関する。

光通信や光計測の分野で使用されるレーザ光源には様々な種類があり、例えば、ＤＦＢ−ＬＤ（Distributed Feedback−Laser Diode）光源やＤＢＲ−ＬＤ（Distributed Bragg Reflector−Laser Diode）光源、回折格子を使用した外部共振器型の波長可変光源等がある。ＤＦＢ−ＬＤ光源やＤＢＲ−ＬＤ光源は、発振波長が長期的にドリフトする問題があり、外部共振器型の波長可変光源は、外部の影響（例えば温度変化）によって波長が変化するという問題がある。従って、光通信や光計測の分野において、単一モード発振するレーザ光源を用いる場合、レーザ光源の波長を高確度・高精度に測定し、モニタリングする必要がある。

波長を測定する装置としては、回折格子を用いる波長モニタや被測定光を干渉させる波
長モニタ等がある。このうち、被測定光の干渉信号を用いた波長モニタの場合、干渉光フ
ィルタを用いたものや、位相を９０°ずらした２個の干渉信号（いわゆるＡ相とＢ相）を
測定するものがある（例えば、特許文献１〜特許文献４参照）。

図８は、従来の波長モニタの構成を示した図である（例えば、特許文献１参照）。図
８において、波長モニタに入射した被測定光は、カットフィルタ５０に入射する。このカットフィルタ５０は、所定の波長範囲の被測定光のみを透過させる。

干渉光フィルタ５１には、カットフィルタ５０を通過した被測定光が入射されるが、入射位置に応じて透過する波長を連続的に変化するように構成されている。スライド調整機構５２は、干渉光フィルタ５１を機械的にＸ軸方向に微小距離スライドさせ、干渉光フィルタ５１を透過する光の波長を連続的に変化させる。

フォトダイオード５３は、干渉光フィルタ５１を通過した被測定光を受光する。フォトダイオー５４は、干渉光フィルタ５１によって反射された光を受光する。出力比算出手段５５は、ＩＶ変換回路５５ａ及び５５ｂ、減算器５５ｃ、加算器５５ｄ、割算器５５ｅを有し、フォトダイオード５３及び５４の出力した信号から、フォトダイオード５３とフォトダイオード５４との出力比を算出する。

ＩＶ変換回路５５ａ、５５ｂのそれぞれは、フォトダイオード５３、５４の出力を電圧信号に変換する。減算器５５ｃは、ＩＶ変換回路５５ａ、５５ｂの電圧信号を減算する。加算器５５ｄは、ＩＶ変換回路５５ａ、５５ｂの電圧信号を加算する。割算器５５ｅは、減算器５５ｃ、加算器５５ｄの演算結果を割算して出力比を正規化する。信号処理手段５６は、出力比算出手段５５の割算器５５ｅが求めた出力比から、被測定光の波長を算出する。このような図８に示す波長モニタでは、干渉光フィルタ５１の波長特性で、測定波長範囲や波長精度が決まる。

図９は、従来の波長モニタのその他の構成を示した図であり（例えば、特許文献２、４
参照）、干渉計（例えば、マイケルソン型）を用いて位相が９０°ずれた２個の干渉信号
（Ａ相とＢ相）を測定し、被測定光の波長を求めるものである。

図９において、入力光ファイバ６０は、被測定光を伝送し空間に出射する。レンズ６１
は、入力光ファイバ６０から出射された被測定光を平行光に変換する。ハーフミラー（第１分岐手段）６２は、被測定光を分岐、合波する。第１反射器６３は、一方の分岐光をハーフミラー６２に反射する。第２の反射器６４は、反射面が段差ｄ＝λ_０／８を有し、他方の分岐光をハーフミラー６２に反射する。なお、第１反射器６３と第２反射器６４とは、ハーフミラー６２で分岐された各分岐平行光の光路に垂直に配置されており、分岐平行光が同一光路で再度ハーフミラー６２に反射するように光軸調整されている。

反射プリズム（第２分岐手段）６５は、ハーフミラー６２からの合波光（干渉光）を２
分岐する。なお、反射プリズム６５は、λ_０／４の光路差が発生している第２反射器６４の光軸面と反射プリズム６５のエッジ先端面とが一致するように配置される。第１のフォトダイオード（ＰＤ）６６は、反射プリズム６５からの一方の分岐光を受光する。第２のフォトダイオード６７は、反射プリズム６５からの他方の分岐光を受光する。信号処理手段６８は、第１のフォトダイオード６６、６７の出力から被測定光の波長を求める。

このような装置の動作を説明する。
入力光ファイバ６０の出射端から空間に射出され、レンズ６１によって平行光に変換さ
れた被測定光が、射出光軸上に配置されたハーフミラー６２に入射し、第１反射器６３と第２反射器６４とに分岐される。

そして、第１反射器６３と第２反射器６４のそれぞれがハーフミラー６２で分岐された各分岐平行光を再度ハーフミラー６２に反射する。ここで、第２反射器６４は、段差ｄ
＝λ_０／８のある平面反射器なので、第２反射器６４で反射して一往復すると光ビーム面
の半分がλ_０／４の光路差を発生する。なお、λ_０は、波長であり、例えば、測定波長範
囲の中心波長に設定するとよく、光通信で用いられる場合なら、１５５０［ｎｍ］などの
値になる。

第１反射器６３と第２反射器６４で反射されてハーフミラー６２に再度入射した平行光
が、合波されて、反射プリズム６５に照射される。そして、合波されて反射プリズム６５に照射された平行光は、反射プリズム６５のエッジ先端面で、位相が９０°ずれた光に２分岐され、分岐光軸上に配置された第１のフォトダイオード６６と第２のフォトダイオード６７に入射する。さらに、両フォトダイオード６６、６７に入射した光が、光強度（光パワーとも呼ばれる）に応じた電流として信号処理手段６８に出力される。

そして、信号処理手段６８は、両フォトダイオード６６、６７からの光強度を比較演算
処理し、波長データを出力する。通常のマイケルソン干渉計で得られる波長に対する光強
度変化は、下記関係式（１）で示される。

上記関係式（１）において、Ｉは各フォトダイオード６６、６７で受光される規格化された光強度、λは被測定光の波長、ΔＬはマイケルソン干渉計の光路長差である。この光強度変化の一周期は、自由スペクトル領域（ＦＳＲ）と呼ばれ、光路長差が大きいと、ＦＳＲは短くなる。

この波長モニタの構造では、第２反射器６４に段差ｄ＝λ_０／８のある平面反射器を使用しているため、第２反射器６４で反射して一往復すると光ビーム面の半分がλ_０／４の光路差を発生し、π／２位相差のある周期的な干渉信号（Ａ相、Ｂ相）が得られる。このπ／２位相差のある２つの干渉信号によって、信号処理手段６８が、被測定光の波長変化量と変化方向を求める。

図１０は、従来の波長モニタのその他の構成を示した図である（例えば、特許文献３参照）。図１０において、入力光ファイバ７０から被測定光のレーザ光が出射され、レンズ７１によって平行光になり偏光子７２を通過する。そして、偏光子７２を通過した平行光は、ハーフミラー７３で分岐され、一方の分岐光は、フォトダイオード（ＰＤ）７４で受光される。

ハーフミラー７３で分岐された他方の分岐光は、複屈折遅延板７５に入射する。複屈折
遅延板７５は、第１、第２の偏光を備えた光のπ／４の位相推移に対応するλ／８の遅延を生じさせる「高速軸」と「低速軸」を備え、例えば、ｓ偏光をｐ偏光に対して位相推移を生じさせる。そして、偏光ビームスプリッタ７６が、複屈折遅延板７５からの光をｐ偏光とｓ偏光に分岐し、ｐ偏光をフォトダイオード７７が受光し、ｓ偏光をフォトダイオード７８が受光する。

各フォトダイオード７４、７７、７８の出力は、信号処理手段７９に入力され、被測定
光の波長が演算される。なお、入力光ファイバ７０からの被測定光は、光パワー自体が時間的に変動するので、変動によるオフセット分をフォトダイオード７４の出力で補正する。
このようにフォトダイオード７７、７８のオフセット分を補正し、規格化することにより、図１１に示すような位相が９０°ずれた周期的な干渉信号（Ａ相とＢ相）が得られる。なお、図１１において、横軸は波長であり、縦軸は規格化した光パワーである。
特開平１０−２５３４５２号公報特開２０００−２３４９５９号公報特開平１０−３３９６６８号公報特開２００２−２１４０４９号公報

しかしながら、従来の波長モニタは、空間光を使用して各種の光学素子（例えば、カットフィルタ５０、干渉光フィルタ５１、ハーフミラー６２、７３、第１反射器６３、第２反射器６４、反射プリズム６５、偏光子７２、複屈折遅延板７５及び偏光ビームスプリッタ７６等）に平行光を入射しているので、光学素子表面での多重干渉が生じやすく、不必要な多重干渉ノイズが各フォトダイオード５３、５４、６６、６７、７４、７７、７８の出力信号に重畳してしまい、波長測定精度が低下するという問題があった。

また、光学素子はそれぞれ独立した光学部品であり、多くの光学部品を使用することに
よって、光軸調整が増えて製造工程が増加すると共に、装置の小型化や低コスト化が困難となり、さらに信頼性も低くなるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、波長モニタにおける多重干渉ノイズを低減し、波長測定精度の向上を図ると共に、装置の小型化や低コスト化を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では、第１の解決手段として、被測定光の波長を測定する波長モニタであって、前記被測定光の第１の分岐光を伝送する第１の光路と、当該第１の光路に対して所定の光路長差を有し前記被測定光の第２の分岐光を伝送する第２の光路と、前記第１の光路の一端に設けられ前記第１の分岐光を出射する第１の出射端と、前記第２の光路の一端に設けられ前記第２の分岐光を出射する第２の出射端とを有する光分岐手段と、前記第１の出射端から入射される第１の分岐光と第２の出射端から入射される第２の分岐光とを各々平行光に変換して出射する第１のレンズと、当該第１のレンズから入射される各平行光を、前記第１の分岐光及び第２の分岐光の出射光軸と前記第１の出射端及び第２の出射端の配列方向とに対する直交方向に選択的に集光して出射する第２のレンズと、当該第２のレンズから入射された各平行光を受光すると共に、２つの平行光の干渉によって生じる干渉縞の一周期分を４等分して受光するように前記第１の出射端及び第２の出射端の配列方向と同一方向に各々配置され、受光強度に応じた電気信号を出力する少なくとも４つの受光素子を備えた光電変換手段と、前記受光素子から入力される電気信号に所定の信号処理を行うことで被測定光の波長を算出する信号処理手段とを具備し、前記光電変換手段は、各受光素子の受光面が前記第１の分岐光及び第２の分岐光の出射光軸と前記第１の出射端及び第２の出射端の配列方向とに対する直交方向に対して所定の傾きを有するように配置されることを特徴とする。

また、本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記光電変換手段の傾きφは、平行光のビーム半径ｒ、第２のレンズの焦点距離ｆ_２からなる下記関係式（４）を満たす値であることを特徴とする。

また、本発明では、第３の解決手段として、被測定光の波長を測定する波長モニタであって、前記被測定光の第１の分岐光を伝送する第１の光路と、当該第１の光路に対して所定の光路長差を有し前記被測定光の第２の分岐光を伝送する第２の光路と、前記第１の光路の一端に設けられ前記第１の分岐光を出射する第１の出射端と、前記第２の光路の一端に設けられ前記第２の分岐光を出射する第２の出射端とを有する光分岐手段と、前記第１の出射端から入射される第１の分岐光と第２の出射端から入射される第２の分岐光とを各々平行光に変換して出射する第１のレンズと、当該第１のレンズから入射される各平行光を、前記第１の分岐光及び第２の分岐光の出射光軸と前記第１の出射端及び第２の出射端の配列方向とに対する直交方向に選択的に集光して出射する第２のレンズと、当該第２のレンズから入射された各平行光を受光すると共に、２つの平行光の干渉によって生じる干渉縞の一周期分を４等分して受光するように前記第１の出射端及び第２の出射端の配列方向と同一方向に各々配置され、受光強度に応じた電気信号を出力する少なくとも４つの受光素子を備えた光電変換手段と、前記受光素子から入力される電気信号に所定の信号処理を行うことで被測定光の波長を算出する信号処理手段とを具備することを特徴とする。

また、本発明では、第４の解決手段として、上記第１〜３のいずれかの解決手段において、前記第１のレンズと第２のレンズとは一体的に構成されていることを特徴とする。

また、本発明では、第５の解決手段として、上記第１〜４のいずれかの解決手段において、前記光電変換手段は、各受光素子の受光面が、前記第１のレンズ及び第２のレンズの焦点位置と一致するように配置されることを特徴とする。

また、本発明では、第６の解決手段として、被測定光の波長を測定する波長モニタであって、前記被測定光の第１の分岐光を伝送する第１の光路と、当該第１の光路に対して所定の光路長差を有し前記被測定光の第２の分岐光を伝送する第２の光路と、前記第１の光路の一端に設けられ前記第１の分岐光を出射する第１の出射端と、前記第２の光路の一端に設けられ前記第２の分岐光を出射する第２の出射端とを有する光分岐手段と、前記第１の出射端から入射される第１の分岐光と第２の出射端から入射される第２の分岐光とを各々平行光に変換して出射する第１のレンズと、当該第１のレンズから入射された各平行光を受光すると共に、２つの平行光の干渉によって生じる干渉縞の一周期分を４等分して受光するように前記第１の出射端及び第２の出射端の配列方向と同一方向に各々配置され、受光強度に応じた電気信号を出力する少なくとも４つの受光素子を備えた光電変換手段と、前記受光素子から入力される電気信号に所定の信号処理を行うことで被測定光の波長を算出する信号処理手段とを具備し、前記光電変換手段は、各受光素子の受光面が前記第１の分岐光及び第２の分岐光の出射光軸と前記第１の出射端及び第２の出射端の配列方向とに対する直交方向に対して所定の傾きを有するように配置されることを特徴とする。

また、本発明では、第７の解決手段として、上記第１〜６のいずれかの解決手段において、前記光分岐手段は、平面光回路基板で構成されることを特徴とする。

また、本発明では、第８の解決手段として、上記第１〜６のいずれかの解決手段において、前記光分岐手段は、光ファイバからなる光カプラで構成されることを特徴とする。

また、本発明では、第９の解決手段として、上記第８の解決手段において、前記光カプラの後段に設けられ、前記光カプラの第１の出射端と接続された第３の光路と、前記光カプラの第２の出射端と接続されると共に前記第３の光路と同一の光路長を有する第４の光路と、前記第３の光路の一端に設けられ前記第１の分岐光を出射する第３の出射端と、前記第４の光路の一端に設けられ前記第２の分岐光を出射する第４の出射端とを有し、前記第３の出射端と第４の出射端との間隔が前記光ファイバ径以下となるように各出射端が配置されているピッチ変換手段を備えることを特徴とする。

また、本発明では、第１０の解決手段として、上記第９の解決手段において、前記ピッチ変換手段の第３の光路及び第４の光路は、それぞれ光ファイバの溶融延伸から構成されることを特徴とする。

本発明によれば、光分岐手段から出射される第１及び第２の分岐光を第１のレンズにて平行光に変換し、これら平行光を第２のレンズにて第１及び第２の分岐光の出射光軸と第１の出射端及び第２の出射端の配列方向とに対する直交方向に選択的に集光して、当該直交方向に所定の傾きを有して配置された光電変換手段の各受光素子の受光面に入射する。従って、従来のように平行光を各種光学素子に入射する構成とは異なるため、光学素子表面の残留反射率で発生する多重干渉を低減し、波長測定精度の向上を図ることが可能である。また、従来と比べて光学素子の部品点数を削減できるため、光軸調整を行う製造工程を少なくすることができ、その結果、装置の小型化や低コスト化を実現することが可能である。

[第１実施形態]
以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態について説明する。図１（ａ）は第１実施形態における波長モニタの上面図であり、図１（ｂ）は当該波長モニタの側面図である。この図に示すように、本第１実施形態の波長モニタは、入力光ファイバ１０、平面光回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）基板１１、レンズ１２、集光レンズ１７、ＰＤＡ（Photo Diode Array）１３、第１の差動増幅器１４、第２の差動増幅器１５及び信号処理部１６から構成されている。なお、図１（ｂ）において、第１の差動増幅器１４、第２の差動増幅器１５及び信号処理部１６の図示を省略する。

入力光ファイバ１０は、図示しないレーザ光源から出射される被測定光ｗを平面光回路基板（以下ＰＬＣ基板という）１１に伝送する。このＰＬＣ基板（光分岐手段）１１は、光導波路型の光分岐素子であり、第１の光路１１ａと当該第１の光路１１ａより光路長がΔＬだけ長い第２の光路１１ｂとを有し、上記入力光ファイバ１０から伝送された被測定光ｗを第１の光路１１ａと第２の光路１１ｂとに分岐して伝送し、互いの分岐光の光軸を平行にして並列に配置された第１の出射端１１ｃと第２の出射端１１ｄとから分岐光をレンズ１２に向けて出射する。また、図１（ｂ）に示すように、ＰＬＣ基板１１の出射端側は、所定の傾斜を有する形状になっている。なお、第１の出射端１１ｃから出射される分岐光を第１の分岐光ｗ１、第２の出射端１１ｄから出射される分岐光を第２の分岐光ｗ２とする。

レンズ（第１のレンズ）１２は、例えばコリメートレンズ等の光学素子であり、ＰＬＣ基板１１の出射光軸上に配置され、第１の出射端１１ｃから出射される第１の分岐光ｗ１と、第２の出射端１１ｄから出射される第２の分岐光ｗ２とを平行光に変換してレンズ出射光軸上に配置された集光レンズ１７に出射する。なお、レンズ１２の焦点距離をｆ_１とし、第１の出射端１１ｃ及び第２の出射端１１ｄとレンズ１２との距離をｆ_１とする。

集光レンズ（第２のレンズ）１７は、例えばシリンドリカルレンズであり、入射光に対して１軸方向のみ選択的に集光して出射するレンズである。本実施形態では、図１（ｂ）に示すように、第１の分岐光ｗ１及び第２の分岐光ｗ２の出射光軸と第１の出射端１１ｃ及び第２の出射端１１ｄの配列方向とに対する直交方向に選択的に集光するシリンドリカルレンズを用いる。このように、集光レンズ１７は、レンズ１２から入射された２つの平行光に対してそれぞれ上記直交方向のみ集光し、レンズ出射光軸上に配置されたＰＤＡ１３に出射する。なお、ＰＤＡ１３は、レンズ１２及び集光レンズ１７の焦点位置に配置されている。

ＰＤＡ（光電変換手段）１３には、４つの受光素子であるフォトダイオード（第１のＰＤ１３ａ〜第４のＰＤ１３ｄ）が受光面を集光レンズ１７側に向け、第１の出射端１１ｃ及び第２の出射端１１ｄの配列方向と同一方向に各々配置されている。これらのフォトダイオードは、周知のように受光した光強度に応じた電気信号を出力するものである。このＰＤＡ１３は、以下で説明するように、集光レンズ１７から出射される２つの平行光によって発生する干渉縞が第１のＰＤ１３ａ〜第４のＰＤ１３ｄで一周期となるように配置されている。言い換えると、これら第１のＰＤ１３ａ〜第４のＰＤ１３ｄは、干渉縞を受光した場合に、それぞれ９０°ずつ位相が異なる電気信号（以下、干渉信号という）を出力するように配置されている。

図２は、上記のように配置された第１のＰＤ１３ａ〜第４のＰＤ１３ｄと、集光レンズ１７から入射される２つの平行光によって発生する干渉縞の光強度分布１８との関係を模式的に示したものである。なお、図２に示すように、２つの平行光によって、光強度分布１８に干渉縞が生じる理由については後述する。

図２において、１８ａは第１のＰＤ１３ａが受光する干渉縞の領域を示し、１８ｂは第２のＰＤ１３ｂが受光する干渉縞の領域を示し、１８ｃは第３のＰＤ１３ｃが受光する干渉縞の領域を示し、また、１８ｄは第４のＰＤ１３ｄが受光する干渉縞の領域を示している。このように、第１のＰＤ１３ａ〜第４のＰＤ１３ｄの各受光面の幅は、各受光面で干渉縞の空間的な一周期を４等分して受光するように調節されている。また、干渉縞の周期は、被測定光の波長によって異なるので、例えば、波長測定範囲の中心波長において、４つのフォトダイオード全体の幅が干渉縞の周期と一致するように調節することが望ましい。

上記のように第１のＰＤ１３ａ〜第４のＰＤ１３ｄを配置することで、第１のＰＤ１３ａは、位相０°の第１の干渉信号を第１の差動増幅器１４の正相入力端に出力する。第２のＰＤ１３ｂは、位相９０°の第２の干渉信号を第２の差動増幅器１５の正相入力端に出力する。第３のＰＤ１３ｃは、位相１８０°の第３の干渉信号を第１の差動増幅器１４の逆相入力端に出力する。第４のＰＤ１３ｄは、位相２７０°の第４の干渉信号を第２の差動増幅器１５の逆相入力端に出力する。

さらに、図３にＰＤＡ１３の詳細な構造を示す側面図を示す。この図に示すように、ＰＤＡ１３の集光レンズ１７側の表面には、ΔＬ１の厚さを有する光入射窓１３ｅが設けられている。ここで、光入射窓１３ｅのＰＤ側端面１３ｆから第１のＰＤ１３ａ〜第４のＰＤ１３ｄの受光面までの距離をΔＬ２とすると、光入射窓１３ｅのレンズ側端面１３ｇから第１のＰＤ１３ａ〜第４のＰＤ１３ｄの受光面までの距離はΔＬ１＋ΔＬ２となる。

なお、このＰＤＡ１３は、図１（ｂ）に示すように、第１のＰＤ１３ａ〜第４のＰＤ１３ｄの受光面が、第１の分岐光ｗ１及び第２の分岐光ｗ２の出射光軸と第１の出射端１１ｃ及び第２の出射端１１ｄの配列方向とに対する直交方向に対して傾きφを有するように配置されている。

第１の差動増幅器１４は、位相０°の第１の干渉信号と位相１８０°の第３の干渉信号との差動増幅を行い、Ａ相信号（図２に図示）として信号処理部１６に出力する。第２の差動増幅器１５は、位相９０°の第２の干渉信号と位相２７０°の第４の干渉信号との差動増幅を行い、Ｂ相信号（図２に図示）として信号処理部１６に出力する。このようにして得られるＡ相信号とＢ相信号とは、零点を中心とした位相が９０°ずれた信号となる。信号処理部（信号処理手段）１６は、このように位相が９０°ずれたＡ相信号とＢ相信号とに基づいて所定の信号処理を行い、被測定光ｗの波長変化量を算出する。

次に、このように構成された第１実施形態の波長モニタの動作について説明する。
入力光ファイバ１０を介してＰＬＣ基板１１に伝送された被測定光ｗは、当該ＰＬＣ基板１１において、光路長差ΔＬを有する第１の光路１１ａと第２の光路１１ｂとに分岐して伝送され、第１の出射端１１ｃから第１の分岐光ｗ１、第２の出射端１１ｄから第２の分岐光ｗ２としてレンズ１２に出射される。

レンズ１２は、第１の分岐光ｗ１と第２の分岐光ｗ２とを平行光に変換してレンズ出射光軸上に配置された集光レンズ１７に出射する。ここで、第１の出射端１１ｃと第２の出射端１１ｄとの間の距離Ｄは、数十μｍに設定されているため、２つの平行光の出射方向は、レンズ出射光軸に対して下記関係式（２）で示される傾きθだけ傾いた状態となる。
従って、２つの平行光は、傾きθの２倍の傾きで出射交差することになるため、空間的に干渉縞が発生した状態でＰＤＡ１３に出射されることになる。また、この干渉縞の周期（ＦＳＲ：自由スペクトル領域）は、被測定光ｗの波長をλとすると、下記関係式（３）で表される。

レンズ１２から出射された２つの平行光は、集光レンズ１７において、上記直交方向のみ集光され、ＰＤＡ１３に出射される。つまり、集光レンズ１７において、２つの平行光は、水平方向に対する変化は受けず、空間的に干渉縞が発生した状態を保持したままＰＤＡ１３に出射されることになる。

図４（ａ）は、上記のように集光レンズ１７からＰＤＡ１３に平行光が出射される様子を詳細に示す側面図である。この図に示すように、ＰＤＡ１３は上記直交方向に対して傾きφを有して配置されている。一方、図４（ｂ）は、上記図４（ａ）において、集光レンズ１７を設置しない場合、つまり、平行光が上記直交方向において集光されることなく、ＰＤＡ１３に出射される様子を詳細に示す側面図である。

ＰＤＡ１３の光入射窓１３ｅに入射された平行光は、レンズ側端面１３ｇ−ＰＤ側端面１３ｆ間、ＰＤ側端面１３ｆ−受光面間、レンズ側端面１３ｇ−受光面間において反射を繰り返した後、受光面に入射することになる。つまり、レンズ側端面１３ｇ−受光面間において、光路長ΔＬ１（レンズ側端面１３ｇ−ＰＤ側端面１３ｆ間）、光路長ΔＬ２（ＰＤ側端面１３ｆ−受光面間）、及び光路長ΔＬ１＋ΔＬ２（レンズ側端面１３ｇ−受光面間）を有する共振器が構成され、これらの共振器により平行光に多重干渉が生じることになる。従って、第１のＰＤ１３ａ〜第４のＰＤ１３ｄから出力される干渉信号に、上記のような多重干渉によるノイズが重畳することになり、波長測定精度が低下してしまう。

図４（ｂ）の場合、ＰＤＡ１３の光入射窓１３ｅに入射された平行光は、レンズ側端面１３ｇ−ＰＤ側端面１３ｆ間において反射を繰り返した後、第１のＰＤ１３ａ〜第４のＰＤ１３ｄの受光面に入射される。つまり、レンズ側端面１３ｇ−ＰＤ側端面１３ｆ間の斜線部分において多重干渉が発生することになる。また、図示していないが、このような多重干渉は、ＰＤ側端面１３ｆ−受光面間、レンズ側端面１３ｇ−受光面間でも発生する。

一方、図４（ａ）に示すように、集光レンズ１７をレンズ１２とＰＤＡ１３との間に設け、上記直交方向に集光された平行光を光入射窓１３ｅに入射した場合、上記のような多重干渉は大幅に低減されることがわかる。

また、ＰＤＡ１３の傾きφとして、平行光のビーム半径ｒ、集光レンズ１７の焦点距離ｆ_２からなる下記関係式（４）を満たす値を設定することが望ましい。このように、ＰＤＡ１３（受光面）の傾きφを設定することで、より多重干渉の低減を図ることができる。なお、当然ながら、第１のＰＤ１３ａ〜第４のＰＤ１３ｄにおいて十分な出力信号（第１〜第４の干渉信号）を得られないような傾きφには設定することはできない。

上記のように、空間的に干渉縞が発生した状態を保持し、且つ多重干渉を大幅に低減した２つの平行光が、第１のＰＤ１３ａ〜第４のＰＤ１３ｄの受光面に入射されることになる。そして、第１のＰＤ１３ａは、位相０°の第１の干渉信号を第１の差動増幅器１４の正相入力端に出力する。第２のＰＤ１３ｂは、位相９０°の第２の干渉信号を第２の差動増幅器１５の正相入力端に出力する。第３のＰＤ１３ｃは、位相１８０°の第３の干渉信号を第１の差動増幅器１４の逆相入力端に出力する。また、第４のＰＤ１３ｄは、位相２７０°の第４の干渉信号を第２の差動増幅器１５の逆相入力端に出力する。

第１の差動増幅器１４は、位相０°の第１の干渉信号と位相１８０°の第３の干渉信号との差動増幅を行い、Ａ相信号として信号処理部１６に出力し、また、第２の差動増幅器１５は、位相９０°の第２の干渉信号と位相２７０°の第４の干渉信号との差動増幅を行い、Ｂ相信号として信号処理部１６に出力する。これらＡ相信号及びＢ相信号は、上記関係式（３）で表される周期（ＦＳＲ）を有している。信号処理部１６は、このように位相が９０°ずれたＡ相信号とＢ相信号とを計数処理して位相を求め、当該位相から被測定光の波長λを算出する。

以上のように、本第１実施形態の波長モニタによれば、従来のような平行光を各種光学素子に入射する構造でなく、光学素子の部品数も少なくなる。これにより、光学素子表面の残留反射率で発生する多重干渉を低減することができ、特にＰＤＡ１３において発生する平行光の多重干渉を大幅に低減することができる。その結果、第１のＰＤ１３ａ〜第４のＰＤ１３ｄから出力される干渉信号に、従来のような多重干渉によるノイズが重畳することを抑制し、波長測定精度の向上を図ることができる。また、集光レンズ１７によって集光することで、ＰＤＡ１３に入射する平行光の強度を大きくすることができる。つまり、第１のＰＤ１３ａ〜第４のＰＤ１３ｄからノイズに強い大きな出力信号（第１〜第４の干渉信号）を得ることができ、波長測定精度の向上に寄与することができる。

なお、ＰＬＣ基板１１の出射端側を傾斜形状にすることで、当該出射端、つまり第１の出射端１１ｃと第２の出射端１１ｄとにおいて発生する多重干渉を低減することができる。また、ＰＬＣ基板１１の出射端、レンズ１２、集光レンズ１７及びＰＤＡ１３において、多重干渉が生じる恐れのある箇所に無反射処理を施しても良い。これにより、各光学素子で発生する多重干渉の低減に寄与することができる。

さらに、本波長モニタによれば、従来の波長モニタと比べて光学素子の部品点数を削減できるため、光軸調整を行う製造工程を少なくすることができ、その結果、装置の小型化や低コスト化を実現することが可能である。

[第２実施形態]
次に、図５を用いて本発明の第２実施形態について説明する。図５は第２実施形態における波長モニタの上面図である。なお、図５において、図１と同じ構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。図５に示すように、本第２実施形態の波長モニタは、上記第１実施形態の波長モニタと比較して、ＰＬＣ基板１１の代わりに光ファイバからなる２入力２出力の光カプラ２０とＶ溝基板２１とを備えている。また、図５において、第１の差動増幅器１４、第２の差動増幅器１５及び信号処理部１６の図示を省略する。

光カプラ２０は、光導波路型の光分岐素子であり、第１の入力端２０ａ及び第１の出射端２０ｂを有する第１の光路２０ｃと、第２の入力端２０ｄ及び第２の出射端２０ｅを有し、上記第１の光路２０ｃより光路長がΔＬだけ長い第２の光路２０ｆとを備えている。第１の入力端２０ａは、入力光ファイバ１０（図示せず）に接続され、第２の入力端２０ｄは無反射処理されている。

また、この光カプラ２０は、入力光ファイバ１０から伝送された被測定光ｗを第１の光路２０ｃと第２の光路２０ｆとに分岐して伝送し、互いの分岐光の光軸を平行にして並列に配置された上記第１の出射端２０ｂと第２の出射端２０ｅとから分岐光をレンズ１２に向けて出射する。第１の出射端２０ｂ及び第２の出射端２０ｅは、Ｖ溝基板２１によって機械的に固定されている。

Ｖ溝基板２１は、基板上に光カプラ２０の出射光軸に対して平行に２つのＶ字型の溝を有しており、上記のように光カプラ２０の第１の出射端２０ｂ及び第２の出射端２０ｅを２つのＶ字型の溝によって機械的に固定するものである。

次に、このように構成された第２実施形態の波長モニタの動作について説明する。
入力光ファイバ１０を介して光カプラ２０に伝送された被測定光ｗは、当該光カプラ２０において、光路長差ΔＬを有する第１の光路２０ｃと第２の光路２０ｆとに分岐して伝送され、第１の出射端２０ｂから第１の分岐光ｗ１、第２の出射端２０ｅから第２の分岐光ｗ２としてレンズ１２に出射される。なお、第１の出射端２０ｂと第２の出射端２０ｅとは、第１実施形態と同様に距離Ｄを有して平行に配置されている。

このように、Ｖ溝基板２１で保持される光カプラ２０の出射光軸上に配置されたレンズ１２に出射された第１の分岐光ｗ１及び第２の分岐光ｗ２は、レンズ１２によって平行光に変換され、集光レンズ１７に出射される。集光レンズ１７以降の動作は、第１実施形態と同様なので説明を省略する。

以上のように、本第２実施形態の波長モニタによれば、光分岐素子として、光ファイバからなる光カプラ２０を用いるので、ＰＬＣ基板１１と比べて光路長差ΔＬを非常に長く取ることが可能となる。このように、光路長差ΔＬを長くとることにより、高い波長分解能を有する波長モニタを容易に得ることができる。

[第３実施形態]
次に、図６を用いて本発明の第３実施形態について説明する。図６は第３実施形態における波長モニタの上面図である。なお、図６において、図５と同じ構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。図６に示すように、本第３実施形態の波長モニタは、上記第２実施形態の波長モニタと比較して、Ｖ溝基板２１の代わりにピッチ変換素子３０を備えている。また、図６において、第１の差動増幅器１４、第２の差動増幅器１５及び信号処理部１６の図示を省略する。

ピッチ変換素子３０は、第１の入力端３０ａ及び第１の出射端３０ｂを有する第１の光路３０ｃと、第２の入力端３０ｄ及び第２の出射端３０ｅを有し、第１の光路３０ｃと同一の光路長を有する第２の光路３０ｆとを備えるＰＬＣ基板である。第１の入力端３０ａは、光カプラ２０の第１の出射端２０ｂと接続され、第２の入力端３０ｄは、光カプラ２０の第２の出射端２０ｅと接続されている。

また、このピッチ変換素子３０は、光カプラ２０を介して第１の入力端３０ａに入力された第１の分岐光ｗ１を第１の光路３０ｃによって伝送し、第１の出射端３０ｂからレンズ１２に向けて出射すると共に、光カプラ２０を介して第２の入力端３０ｄに入力された第２の分岐光ｗ２を第２の光路３０ｆによって伝送し、第２の出射端３０ｅからレンズ１２に向けて出射する。なお、これら第１の出射端３０ｂ及び第２の出射端３０ｅは、光カプラ２０の出射光軸に対して平行に配置されている。

第１の出射端３０ｂと第２の出射端３０ｅとの間の距離Ｄは、第２実施形態と比べて狭く、例えば光ファイバ径以下としても良い。

次に、このように構成された第３実施形態の波長モニタの動作について説明する。
光カプラ２０を介してピッチ変換素子３０の第１の入力端３０ａに入力された第１の分岐光ｗ１は、第１の光路３０ｃを伝送し、第１の出射端３０ｂからレンズ１２に出射される。また、光カプラ２０を介して第２の入力端３０ｄに入力された第２の分岐光ｗ２は、第２の光路３０ｆを伝送し、第２の出射端３０ｅからレンズ１２に出射される。

このように、ピッチ変換素子３０の出射光軸上に配置されたレンズ１２に出射された第１の分岐光ｗ１及び第２の分岐光ｗ２は、レンズ１２によって平行光に変換され、集光レンズ１７に出射される。集光レンズ１７以降の動作は、第１実施形態と同様なので説明を省略する。

以上のように、本第３実施形態の波長モニタによれば、ピッチ変換素子３０によって光カプラ２０の第１の出射端２０ｂと第２の出射端２０ｅとの間の距離を任意に調整することが可能となる。また、光カプラ２０のように２本の光ファイバを使用する場合、出射端間の距離を光ファイバ径より狭くすることは物理的に困難であるが、ピッチ変換素子３０を使用することによって、出射端間の距離を光ファイバ径より狭くすることが可能となる。これにより、レンズ１２の焦点距離を短くすることができ、その結果、波長モニタの寸法を小さくすることができると共に、ＰＤＡ１３に入射する平行光の強度を大きくすることができる。なお、その他のピッチ変換素子として、例えば２本の光ファイバの溶融延伸から構成されるものを使用しても良い。

[第４実施形態]
次に、図７を用いて本発明の第４実施形態について説明する。図７（ａ）は第４実施形態における波長モニタの上面図であり、図７（ｂ）は当該波長モニタの側面図である。なお、図７において、図５と同じ構成要素には同一符号を付し、説明を省略する。図７に示すように、本第４実施形態の波長モニタは、上記第２実施形態の波長モニタと比較して、レンズ１２及び集光レンズ１７の代わりに、一体型レンズ４０を備えている。また、図７において、第１の差動増幅器１４、第２の差動増幅器１５及び信号処理部１６の図示を省略する。

一体型レンズ４０は、例えばシリンドリカルレンズからなる第１レンズ４０ａと第２レンズ４０ｂとを一体的に配置した構造となっている。第１レンズ４０ａは、光カプラ２０の第１の出射端２０ｂから出射される第１の分岐光ｗ１と、第２の出射端２０ｅから出射される第２の分岐光ｗ２とを上記直交方向に対して集光し第２レンズ４０ｂに出射する。第２レンズ４０ｂは、第１レンズ４０ａによって集光された２つの分岐光を平行光に変換してＰＤＡ１３に出射する。

次に、このように構成された本第４実施形態の波長モニタの動作について説明する。
図示しない入力光ファイバ１０を介して光カプラ２０に伝送された被測定光ｗは、当該光カプラ２０において、光路長差ΔＬを有する第１の光路２０ｃと第２の光路２０ｆとに分岐して伝送され、第１の出射端２０ｂから第１の分岐光ｗ１、第２の出射端２０ｅから第２の分岐光ｗ２として一体型レンズ４０に出射される。

一体型レンズ４０に入射された第１の分岐光ｗ１及び第２の分岐光ｗ２は、第１レンズ４０ａにおいて上記直交方向に対して集光された後、第２レンズ４０ｂにおいて上記直交方向に対して集光された平行光に変換されてＰＤＡ１３に出射される。ＰＤＡ１３以降の動作は、第１実施形態と同様なので説明を省略する。

以上のように、本第４実施形態によれば、第１〜第３実施形態のように、レンズ１２及び集光レンズ１７を使用する場合と比べて、これら各レンズを個別に光軸合わせする必要がなく、製造工程における光軸合わせ時間を短縮することができる。また、波長モニタの構造が簡単になるため、装置コストの低減を図ることができる。
なお、このような一体型レンズ４０は、第１実施形態や第３実施形態でも使用可能である。また、第１レンズ４０ａと第２レンズ４０ｂとの位置を逆にして一体的に配置しても良い。

なお、上記第１〜第４実施形態では、傾きφを有するＰＤＡ１３に、上記直交方向に対して集光した２つの平行光を入射することで、ＰＤＡ１３において発生する多重干渉を低減したが、この方法に替えて以下のような方法を採用しても良い。

（１）集光レンズ１７を使用しない、つまり２つの平行光を上記直交方向に対して集光
せずに傾きφを有するＰＤＡ１３に入射する。

（２）傾きφ＝０°としたＰＤＡ１３に、集光レンズ１７を使用して上記直交方向に対
して集光した２つの平行光を入射する。

上記のような（１）、（２）の方法は、第１〜第４実施形態と比較すると、多重干渉を低減する効果は小さいが、従来と比較すると多重干渉の低減に寄与することが可能である。

本発明の第１実施形態における波長モニタの上面図及び側面図である。本発明の第１実施形態における波長モニタの各フォトダイオードの配置と干渉縞との関係を示す模式図である。本発明の第１実施形態における波長モニタのＰＤＡ１３の側面図である。本発明の第１実施形態における多重干渉の低減効果の説明図である。本発明の第２実施形態における波長モニタの上面図である。本発明の第３実施形態における波長モニタの上面図である。本発明の第４実施形態における波長モニタの上面図及び側面図である。従来の波長モニタの第１構成例である。従来の波長モニタの第２構成例である。従来の波長モニタの第３構成例である。従来の波長モニタの第３構成例における波長測定原理を示す説明図である。

符号の説明

１０…入力光ファイバは、１１…平面光回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）基板、１２…レンズ、１７…集光レンズ、１３…ＰＤＡ（Photo Diode Array）、１４…第１の差動増幅器、１５…第２の差動増幅器、１６…信号処理部、２０…光カプラ、３０…ピッチ変換素子、４０…一体型レンズ

Claims

被測定光の波長を測定する波長モニタであって、
前記被測定光の第１の分岐光を伝送する第１の光路と、当該第１の光路に対して所定の光路長差を有し前記被測定光の第２の分岐光を伝送する第２の光路と、前記第１の光路の一端に設けられ前記第１の分岐光を出射する第１の出射端と、前記第２の光路の一端に設けられ前記第２の分岐光を出射する第２の出射端とを有する光分岐手段と、
前記第１の出射端から入射される第１の分岐光と第２の出射端から入射される第２の分岐光とを各々平行光に変換して出射する第１のレンズと、
当該第１のレンズから入射される各平行光を、前記第１の分岐光及び第２の分岐光の出射光軸と前記第１の出射端及び第２の出射端の配列方向とに対する直交方向に選択的に集光して出射する第２のレンズと、
当該第２のレンズから入射された各平行光を受光すると共に、２つの平行光の干渉によって生じる干渉縞の一周期分を４等分して受光するように前記第１の出射端及び第２の出射端の配列方向と同一方向に各々配置され、受光強度に応じた電気信号を出力する少なくとも４つの受光素子を備えた光電変換手段と、
前記受光素子から入力される電気信号に所定の信号処理を行うことで被測定光の波長を算出する信号処理手段とを具備し、
前記光電変換手段は、各受光素子の受光面が前記第１の分岐光及び第２の分岐光の出射光軸と前記第１の出射端及び第２の出射端の配列方向とに対する直交方向に対して所定の傾きを有するように配置される
ことを特徴とする波長モニタ。
前記光電変換手段の傾きφは、平行光のビーム半径ｒ、第２のレンズの焦点距離ｆ_２からなる下記関係式（４）を満たす値であることを特徴とする請求項１記載の波長モニタ。
被測定光の波長を測定する波長モニタであって、
前記被測定光の第１の分岐光を伝送する第１の光路と、当該第１の光路に対して所定の光路長差を有し前記被測定光の第２の分岐光を伝送する第２の光路と、前記第１の光路の一端に設けられ前記第１の分岐光を出射する第１の出射端と、前記第２の光路の一端に設けられ前記第２の分岐光を出射する第２の出射端とを有する光分岐手段と、
前記第１の出射端から入射される第１の分岐光と第２の出射端から入射される第２の分岐光とを各々平行光に変換して出射する第１のレンズと、
当該第１のレンズから入射される各平行光を、前記第１の分岐光及び第２の分岐光の出射光軸と前記第１の出射端及び第２の出射端の配列方向とに対する直交方向に選択的に集光して出射する第２のレンズと、
当該第２のレンズから入射された各平行光を受光すると共に、２つの平行光の干渉によって生じる干渉縞の一周期分を４等分して受光するように前記第１の出射端及び第２の出射端の配列方向と同一方向に各々配置され、受光強度に応じた電気信号を出力する少なくとも４つの受光素子を備えた光電変換手段と、
前記受光素子から入力される電気信号に所定の信号処理を行うことで被測定光の波長を算出する信号処理手段と
を具備することを特徴とする波長モニタ。
前記第１のレンズと第２のレンズとは一体的に構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の波長モニタ。
前記光電変換手段は、各受光素子の受光面が、前記第１のレンズ及び第２のレンズの焦点位置と一致するように配置されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の波長モニタ。
被測定光の波長を測定する波長モニタであって、
前記被測定光の第１の分岐光を伝送する第１の光路と、当該第１の光路に対して所定の光路長差を有し前記被測定光の第２の分岐光を伝送する第２の光路と、前記第１の光路の一端に設けられ前記第１の分岐光を出射する第１の出射端と、前記第２の光路の一端に設けられ前記第２の分岐光を出射する第２の出射端とを有する光分岐手段と、
前記第１の出射端から入射される第１の分岐光と第２の出射端から入射される第２の分岐光とを各々平行光に変換して出射する第１のレンズと、
当該第１のレンズから入射された各平行光を受光すると共に、２つの平行光の干渉によって生じる干渉縞の一周期分を４等分して受光するように前記第１の出射端及び第２の出射端の配列方向と同一方向に各々配置され、受光強度に応じた電気信号を出力する少なくとも４つの受光素子を備えた光電変換手段と、
前記受光素子から入力される電気信号に所定の信号処理を行うことで被測定光の波長を算出する信号処理手段とを具備し、
前記光電変換手段は、各受光素子の受光面が前記第１の分岐光及び第２の分岐光の出射光軸と前記第１の出射端及び第２の出射端の配列方向とに対する直交方向に対して所定の傾きを有するように配置される
ことを特徴とする波長モニタ。
前記光分岐手段は、平面光回路基板で構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の波長モニタ。
前記光分岐手段は、光ファイバからなる光カプラで構成されることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の波長モニタ。
前記光カプラの後段に設けられ、
前記光カプラの第１の出射端と接続された第３の光路と、前記光カプラの第２の出射端と接続されると共に前記第３の光路と同一の光路長を有する第４の光路と、前記第３の光路の一端に設けられ前記第１の分岐光を出射する第３の出射端と、前記第４の光路の一端に設けられ前記第２の分岐光を出射する第４の出射端とを有し、前記第３の出射端と第４の出射端との間隔が前記光ファイバ径以下となるように各出射端が配置されているピッチ変換手段を備えることを特徴とする請求項８記載の波長モニタ。
前記ピッチ変換手段の第３の光路及び第４の光路は、それぞれ光ファイバの溶融延伸から構成されることを特徴とする請求項９記載の波長モニタ。