JP3774630B2 - 光学装置及び光スペクトラム・アナライザ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に光学システムに関し、特に、光学テレコミュニケーション伝送ラインを分析するのに有用な光スペクトラム・アナライザにおいて校正光信号及び試験光信号を同時に検出する光学装置及び光スペクトラム・アナライザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
テレコミュニケーション業界では、光ネットワークにおいて高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ：dense-wavelength-division-multiplex）光学装置が益々発展している。典型的なＤＷＤＭ光学装置は、種々の波長の多数の光信号を単一モードの光ファイバに発射する。光信号は、パンプ・レーザ（pump laser）からの１４８０ｎｍの光信号を含んでいる。このパンプ・レーザ信号は、光学装置において、ファイバ増幅器用に使用されている。パンプ・レーザ信号の波長は、９７０ｎｍでもよい。１６２５ｎｍのサービス・チャネル光信号により、中央局等の間の通信を行う。１５２５ｎｍから１５８５ｎｍまでの範囲内で、多数の接近した光信号チャネルが、ファイバによるテレコミュニケーション・トラヒック（telecommunication traffic）に使用される。現在のＤＷＤＭ伝送システムで、隣接した光信号チャネルの間の標準的な間隔は、２００ＧＨｚ、１００ＧＨｚ及び５０ＧＨｚであり、これらは、１５５０ｎｍにおけるチャネル間が１．６ｎｍ、０．８ｎｍ及び０．４ｎｍの分離であることにほぼ等しい。さらに、ＤＷＤＭテレコミュニケーション・システムでは、光信号チャネル間が０．２ｎｍにほぼ等しい２５ＧＨｚ間隔も設計されている。これら光信号チャネルを識別したり、特徴づけるためには、光スペクトラム・アナライザ（ＯＳＡ）を用いる必要がある。
【０００３】
光スペクトラム・アナライザは、波長又は周波数に対する光パワーを測定する測定機器である。光スペクトラム・アナライザの利点は、そのダイナミック・レンジと、多くの離散したスペクトル線を含んだ測定を行えることとにある。既存の光スペクトラム・アナライザの重大な欠点は、波長測定に比較的信頼性がないことであり、４０から５０ピコメートルの範囲でエラーが生じる。この欠点のために、正確な波長測定を行い、光スペクトラム・アナライザを校正する波長計が開発された。波長計は、マイケルソン干渉計を基にしている。数千ものデジタル化した干渉縞をスペクトル領域から周波数領域に変換する。フーリエ変換により、これら干渉縞の周波数及び変調を波長及びパワーの情報に変換する。波長計は、波長校正精度が非常に良いが、これら波長計は、回折格子を用いた光スペクトラム・アナライザよりも、ダイナミック・レンジが非常に悪い。
【０００４】
一般的に、測定した光信号及び校正光信号は、共に光スペクトラム・アナライザの同じ光路をたどり、光スペクトルの同じ一般領域を占める。光スペクトラム・アナライザの典型的な校正は、次の手順で行う。最初に、既知のスペクトルの光信号を校正信号源から光スペクトラム・アナライザに供給する。この校正信号源は、光スペクトラム・アナライザの外部にあってもよく、また、光スペクトラム・アナライザ内部の信号源であってもよく、内部光スイッチを介して、光スペクトラム・アナライザの光路に校正光信号を入射する。光スペクトラム・アナライザが光スペクトルを走査して、既知のスペクトル内で生じたスパイクの波長を測定し、記録する。測定したスパイクでの波長エラーを判断して、既知のスペクトル線の間及びその範囲を超えて補間することにより、波長測定エラーを波長の関数として評価する。この波長測定エラーを、対応する測定波長スパイクから減算して、光スペクトラム・アナライザを校正する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
校正光信号及び測定光信号（測定した光信号）は、共に光スペクトラム・アナライザの同じ光路をたどるので、光スペクトラム・アナライザは、未知の光信号を測定するのと同時には、校正スペクトルを測定できない。したがって、校正手順は、光スペクトラム・アナライザを校正する一連の処理となり、その後に、試験信号を測定する。一定期間の間だけ光スペクトラム・アナライザの校正状態が持続すると仮定するので、更に測定を進める前に、再度校正をしなければならない。
【０００６】
現在の校正手順の欠点の１つは、光スペクトラム・アナライザが校正状態でなくなった時期を知ることが不明確な点である。これは、典型的には、校正が必要となる前に、又は校正が必要となった後に、再校正を行なっていることを意味する。必要となる前に校正を行う場合には、操作者は、不必要な校正に時間を浪費している。また、校正が必要となった後の場合には、校正が行われていないため、光スペクトラム・アナライザの測定結果に過度のエラーが含まれてしまう。
【０００７】
よって、光スペクトラム・アナライザにおいて、試験光信号と校正光信号とを同時に光学的に検出できる光学装置が必要とされている。この光学装置は、光スペクトラム・アナライザにおいて、非常に正確な波長校正を行えるものでなければならない。さらに、光スペクトラム・アナライザは、同じ波長校正特性の２つの光路を用いて、校正光信号と被試験被試験（以下、単に、試験信号と呼ぶこともある）の両方を同時に検出できなければならない。また、光スペクトラム・アナライザは、校正光信号と試験光信号との間の光学的な分離も行わなければならない。
【０００８】
したがって、本発明は、校正光信号及び被試験光信号を同時に検出できる１次スペクトル域を有する光学装置と、かかる光学装置を用いた光スペクトラム・アナライザとを提供するものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、光学装置は、放物面鏡、球面鏡などの如きコリメーティング光学素子を具えている。このコリメーティング光学素子は、光軸及び焦点面を有すると共に、校正光信号及び被試験光信号を受ける。ファイバ・アレイは、コリメーティング光学素子の焦点面内に配置され、その中心軸は、コリメーティング光学素子の光軸と同一線上にある。第１及び第２光ファイバ対をコリメーティング光学素子の焦点面内に配置する。なお、これら光ファイバ対の各々は、入力光ファイバ及び出力光ファイバを有する。各光ファイバ対の入力光ファイバ及び出力光ファイバは、中心軸の各側に対称に配置されており、第１光ファイバ対の入力ファイバが被試験光信号を受ける。光信号源は、第２光ファイバ対の入力ファイバに結合しており、光学装置の１次スペクトル域内に入る２次以上のスペクトル線を有する校正光信号を発生する。光同調要素は、コリメーティング光学素子からの校正光信号及び被試験光信号を受け、光学装置を１次スペクトル域にわたって同調して、校正光信号及び被試験光信号のスペクトル成分を分離する。第１光検出器は、第１光ファイバ対の出力光ファイバに結合し、被試験光信号のスペクトル成分に応答し、校正光信号の２次以上のスペクトル線に応答しにくい。第２光検出器は、第２光ファイバ対の出力光ファイバに結合し、校正光信号の２次以上のスペクトル線に応答し、被試験光信号のスペクトル成分に応答しにくい。なお、本願では、１次スペクトル域とは、１４５０ｎｍから１６５０ｎｍまでのレンジのように測定対象のスペクトル域を意味し、２次スペクトル域とは１次スペクトル域の２分の１のレンジのスペクトル域を意味し、２次スペクトル線とは、２次スペクトル域内のスペクトル線を意味し、３次スペクトル域とは１次スペクトル域の３分の１のレンジのスペクトル域を意味し、３次スペクトル線とは、３次スペクトル域内のスペクトル線を意味し、以下同様である。
【００１０】
本発明の好適実施例においては、ファイバ・アレイは、Ｖ溝ブロックであり、このＶ溝ブロックに形成されたほぼＶ字形の複数のチャネルを有する。これら複数のＶ字形チャネルは、Ｖブロックの中心軸のいずれかの側で平行で、等距離にある。光信号源は、原子種又は分子種での放射又は吸収におけるシフトに応答してスペクトル出力を発生する光信号発生装置である。好適な実施例において、光信号源は、水銀アルゴン放電ランプである。光同調要素は、好ましくは、回折格子である。第１光検出器は、試験光信号の１次スペクトル成分に応答するＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム砒素）のピン（ＰＩＮ）フォトダイオード又はアバランシェ・フォトダイオードである。第２光検出器は、校正光信号の２次以上のスペクトル線に応答するシリコン・フォトダイオードである。
【００１１】
被試験光信号及び校正光信号を同時に検出する光スペクトラム・アナライザに、光学装置の種々の実施例を組み込むことができる。かかる組合せにより、光スペクトラム・アナライザの連続的な校正ができる。この光スペクトラム・アナライザは、試験光信号検出器及び校正光信号検出器が夫々の光受信器に設けられた光学装置を有する。これら光受信器の各々は、各光信号を電気信号に変換する。これら電気信号は、デジタル値に変換される。試験光信号及び校正光信号を表すデジタル値は、デジタル信号プロセッサなどの制御器により処理され、校正光信号の２次以上のスペクトル線に基づいて校正エラー値を計算する。この校正エラー値を被試験光信号に適用して、試験信号を正確に校正（補正）する。この試験光信号を更に処理して、表示装置に表示する。
【００１２】
本発明の方法は、限定された１次スペクトル域の光学装置を有すると共に、校正光信号を発生する光信号校正信号源と、校正光信号入力端と、光同調要素と、第１及び第２光検出器とを具えた光スペクトラム・アナライザにて、校正光信号及び被試験光信号を同時に検出する方法である。この方法では、２次以上のスペクトル線が光学装置の範囲内である校正光信号と、被試験光信号とを光学装置に同時に入射する。また、被試験光信号に応答し、校正光信号の２次以上のスペクトル線に応答しにくい第１光検出器を用いると共に、校正光信号の２次以上のスペクトル線に応答し、被試験光信号に応答しにくい第２光検出器を用いて、校正光信号及び被試験光信号を同時に検出する。試験光信号及び校正光信号を同時に検出するステップでは、１次スペクトル域にわたって光学装置を同調させて、校正光信号及び被試験光信号のスペクトル成分を分離させる。この方法では、また、校正光信号及び被試験光信号を同時に電気信号に変換する。
【００１３】
本発明のその他の目的、利点及び新規な特徴は、添付図を参照した以下の詳細説明から明らかになろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明による光学装置１０の好適実施例を示す。この光学装置１０は、光スペクトラム・アナライザ内に用いて、校正光信号及び被試験光信号を同時に検出できる。光学装置１０は、放物面鏡、球面鏡などコリメーティング光学素子１２を具えており、このコリメーティング光学素子１２は、光軸１４と、焦点面１６とを有する。コリメーティング光学素子１２の焦点面１６内にファイバ・アレイ１８が配置される。このファイバ・アレイ１８は、コリメーティング光学素子１２の光軸１４と同一線上の中心軸２０を有する。ファイバ・アレイ１８は、第１光ファイバ対２２及び第２光ファイバ対２４を有し、光第１ファイバ対２２は、入力光ファイバ２６及び出力光ファイバ３０を有し、第２ファイバ対２４は、入力光ファイバ２８及び出力光ファイバ３２を有する。光ファイバ対２２、２４の各々の入力光ファイバ及び出力光ファイバは、ファイバ・アレイ１８の中心軸２０の各側で対称に配置されている。第１ファイバ対２２の入力光ファイバ２６は、被試験光信号３４を受けるように結合している。このファイバ対２２の出力光ファイバ３０は、ＩｎＧａＡｓ（インジウム・ガリウム砒素）のピン（ＰＩＮ）フォトダイオード又はＩｎＧａＡｓのアバランシェ・フォトダイオードの如き試験（光）信号検出器３６に結合している。第２ファイバ対２４の入力光ファイバ２８は、校正光信号源３８に結合しており、この光信号源３８は、原子種又は分子種でのエネルギー・レベルの放射又は吸収におけるシフトに応答して、スペクトル出力を発生する。かかる光源の例としては、アルゴン及び水銀アルゴン放電ランプの如きガス放電ランプや、ＬＥＤの如き広帯域光源により照射されるアセチレン吸収セルがある。第２ファイバ対２４の出力光ファイバ３２は、シリコン・フォトダイオードの如き校正（光）信号検出器４０に結合している。ファイバ・アレイ１８及びコリメーティング光学素子１２の間には、回折格子の如き光同調要素４２を配置する。この光同調要素４２は、光学装置１０用の１次スペクトル域を定める。光同調要素（用）駆動モータ４４が光同調要素４２に結合して、スペクトル域にて光学装置１０を同調させる。
【００１５】
図１に示す光学装置１０は、校正光信号源３８からの校正光信号３９と、被試験光信号３４とを同時に検出する。校正光信号源３８は、光学装置１０の１次スペクトル域内に入る２次以上のスペクトル線を有する光信号出力３９を発生する。例えば、本発明の好適実施例においては、光学装置１０の１次スペクトル域は、１４５０ｎｍから１６５０ｎｍまでのレンジをカバーする。好適実施例において、校正光信号源３８は、水銀アルゴン放電ランプである。校正光信号源３８は、光学装置１０の１次スペクトル域の半分以下である１次スペクトル域の光信号出力３９を発生する。好適実施例において、校正光信号源３８のスペクトル域は、７２５ｎｍから８２５ｎｍまでのスペクトル域をカバーする。校正光信号源３８のスペクトル域は、光学装置１０の１次スペクトル域の３分の１、４分の１などのスペクトル線を発生してもよい点に留意されたい。すなわち、校正光信号源のスペクトル域は、４８３．３３ｎｍから５５０ｎｍ、３６２．５ｎｍから４１２．５ｎｍなどでもよい。校正光信号源３８は、同時に存在する多数次の光信号出力を発生できる点に留意されたい。さらに、光学装置１０の１次スペクトル域は、好適実施例のスペクトル域以外でもよく、また、校正光信号源３８のスペクトル域が光学装置１０のスペクトル域の２分の１以下ならば、校正光信号源３８のスペクトル域は、好適実施例のスペクトル域以外でもよい点にも留意されたい。このように本願では、１次スペクトル域とは、１４５０ｎｍから１６５０ｎｍまでのレンジのように測定対象のスペクトル域を意味し、２次スペクトル域とは１次スペクトル域の２分の１のレンジのスペクトル域を意味し、２次スペクトル線とは、２次スペクトル域内のスペクトル線を意味し、３次スペクトル域とは１次スペクトル域の３分の１のレンジのスペクトル域を意味し、３次スペクトル線とは、３次スペクトル域内のスペクトル線を意味し、以下同様である。
【００１６】
好適実施例における光学装置１０は、リトロー・マウンティングにて構成されている。ファイバ・アレイ１８は、光学装置１０内に配置されているので、ファイバ・アレイ１８の中心軸２０は、コリメーティング光学素子１２の光軸１４と同一線上にあり、コリメーティング光学素子１２の焦点面１６内に位置する。好適実施例において、ファイバ・アレイ１８は、Ｖ溝ブロック内に配置さている。このＶ溝ブロックは中心軸を有し、ほぼＶ字形の複数のチャネルがＶ溝ブロックに形成されている。これらＶ字形チャネルは、Ｖ溝ブロックの中心軸（ファイバ・アレイ１８の中心軸２０と同じになる）に平行である。Ｖ字形チャネルは、Ｖ溝ブロックの中心軸２０のいずれかの側で中心軸２０から等距離にある。光ファイバ対２２及び２４の各々の入力及び出力光ファイバは、ファイバ・アレイ１８の中心軸２０のいずれかの側に対称に配置されているので、コリメーティング光学素子１２の光軸１４のいずれかの側に対称に配置されていることになる。コリメーティング光学素子１２の結像特性により、光軸１４の一方の側の入力ファイバ２６及び２８から放射された光は、光軸１４の反対側で対応する出力ファイバ３０及び３２で焦点を結ぶ。好適実施例において、光軸１４に近い第１光ファイバ対２２を測定に用いて、外側の第２光ファイバ対２４を校正に用いる。測定用及び校正用の光ファイバ対の配置は任意であり、これら光ファイバ対２２及び２４の配置は、本発明の要旨を逸脱することなく、逆にすることもできる。
【００１７】
ファイバ・アレイ１８の構成及び配置により、光学装置１２に２つの光路ができ、これら２つの光路は、互いに空間的に分離するが、物理的には充分に接近しており、温度、振動、摩耗、機械的駆動偏差などにより生じる摂動を同じに受ける。これは、一方の光路への光信号入力が他方の光路に物理的に結合しないことを意味する。実際には、これら２つの経路間でわずかではあるが測定可能な量の光が結合する原因不明の散乱が存在する。これら光路を更に分離するために、これら経路には、光検出器３６及び４０の各々にてスペクトルをろ波する機能が含まれている。この点は、詳細に後述する。その結果、２つの光路間の分離が一層良くなる。また、これら２つの光路は、波長依存性が同じなので、２つの光路の一方でスペクトルが既知の信号源を測定し、その情報を用いて、他方の光路を校正することが可能である。なお、この他方の光路を用いて被試験光信号３４を測定する。既知のスペクトル（校正）光信号源３８の信号対ノイズ比が充分に高ければ、その結果、光スペクトラム・アナライザは実時間校正を行える。ここでは、総ての試験が、試験波形を校正するのに用いる既知の波形の取込みを行う。この全体的な処理は、光スペクトラム・アナライザのユーザには明らかであろう。操作者の視点から見た場合、本発明による光スペクトラム・アナライザは、操作者による任意の校正保守を必要とすることなく、常に適切な校正状態に維持できる。
【００１８】
試験光ファイバ２６から発している実線は、試験光信号３４の光路（ray path）を示す。試験光信号３４は、コリメーティング光学素子１２で反射し、同調回折格子４２に衝突する。回折格子４２からの回折（屈折）されたスペクトル成分は、コリメーティング光学素子１２で反射し、同調したスペクトル線又は成分が、試験信号検出器用ファイバ３０に焦点を結ぶ。このファイバ３０は、コリメーティング光学素子の光軸１４の反対側に対称に配置されている。これは、光学装置１０を通過する第１光路を示す。校正光信号源用光ファイバ２８から発している点線は、校正光信号３９の光路を示す。試験光信号経路と同様に、校正光信号３９は、コリメーティング光学素子１２で反射し、同調回折格子４２で回折（屈折）され、コリメーティング光学素子１２で反射され、校正光信号検出器用光ファイバ３２で焦点を結ぶ。この光ファイバ３２は、コリメーティング光学素子１２の光軸１４の反対側に対称に配置されている。これは、光学装置１０を通過する第２光路を示す。図１の紙面に垂直な方向に波長走査が行われるので、両方の光路が同じ波長エラーを受けるため、同じ波長校正を用いて、これらを補正できる。これら２つの光路は、物理的に分離しているので、未知のスペクトルが測定されたときに校正光信号源３８をオンにして、校正をできる。
【００１９】
試験光信号３４の同調したスペクトル成分は、試験光信号検出器用ファイバ３０を介して試験光信号検出器３６に結合する。好適実施例において、試験光信号検出器３６は、ＩｎＧａＡｓのピン・フォトダイオード又はアバランシェ・フォトダイオードであり、試験光信号３４の１次スペクトル成分に応答する。校正光信号３９の同調したスペクトル成分は、校正光信号源用ファイバ３２を介して校正光信号検出器４０に結合する。好適実施例において、校正光信号検出器４０は、シリコン・フォトダイオードであり、校正光信号源３８の２次以上のスペクトル線に応答する。シリコン検出器は、ＩｎＧａＡｓ検出器よりもノイズ特性が良好である。さらに、シリコン検出器は、１４５０ｎｍから１６５０ｎｍの範囲の光に応答しにくいので、主たる光信号３４から散乱した光が校正光信号検出器４０と干渉しない。また、ＩｎＧａＡｓ検出器は、７２５ｎｍから８２５ｎｍの範囲の光に応答しにくいので、校正光信号源３８からの散乱と、主たる光信号３４との干渉がなくなる。試験信号検出器３６及び校正信号検出器４０の応答特性は、好適実施例用に示した各スペクトル域に限定する必要がない点に留意されたい。試験信号検出器が光学装置のスペクトル域内の１次スペクトル成分に応答し、校正信号検出器が光学装置のスペクトル域内の２次以上のスペクトル成分に応答するならば、他のスペクトル域にわたって応答する他の形式の光検出器を用いてもよい。試験光信号検出器３６及び校正光信号検出器４０は、被試験光信号３４の各スペクトル成分と校正光信号３９の校正スペクトル線とを同時に電気信号に変換する。これら電気信号は、増幅され、デジタル化され、蓄積され、処理されて、その結果が出力表示される。
【００２０】
図２は、本発明の他の実施例の光学装置５０を示す。この光学装置５０も、光スペクトラム・アナライザ内で用いて、校正光信号３９及び被試験光信号３４を同時に検出できる。図１と同じ素子は、同じ参照符号で示す。この別の実施例である光学装置５０は、放物面鏡、球面鏡などの第１コリメーティング光学素子５２及び第２コリメーティング光学素子５４を具えている。これらコリメーティング光学素子５２及び５４は、光軸５６、５８及び焦点面６０、６２を夫々有する。コリメーティング光学素子５２及び５４の各々の焦点面６０及び６２内に、中心軸６８及び７０を夫々有するファイバ・アレイ６４及び６６を夫々配置する。ファイバ・アレイ６４及び６６は、第１光ファイバ対２２及び第２光ファイバ対２４を有する。第１光ファイバ対２２は、入力光ファイバ２６及び出力光ファイバ３０を有し、第２光ファイバ対２４は、入力光ファイバ２８及び出力光ファイバ３２を有する。一方のファイバ・アレイ６４は、光ファイバ対２２及び２４の入力光ファイバ２６及び２８を含んでおり、他方のファイバ・アレイ６４は、光ファイバ対２２及び２４の出力光ファイバ３０及び３２を含んでいる。これらファイバ対の入力及び出力光ファイバは、ファイバ・アレイ６４及び６６の中心軸６８及び７０と平行に配置されている。第１ファイバ対２２の入力光ファイバ２６は、被試験光信号３４を受けるように結合されている。この第１ファイバ対２２の出力光ファイバは、ＩｎＧａＡｓピン・フォトダイオード又はＩｎＧａＡｓアバランシェ・フォトダイオードの如き試験光信号検出器３６に結合される。
【００２１】
第２ファイバ対２４の入力光ファイバ２８は、校正光信号源３８に結合される。この校正光信号源３８は、原子種又は分子種でのエネルギー・レベルにおけるシフトに応答してスペクトル出力３９を発生する。上述の如く、光信号源３８は、アルゴン又は水銀アルゴンの放電ランプの如きガス放電ランプや、ＬＥＤの如き広帯域光源により照明されたアセチレン吸収ランプでもよい。ファイバ対２４の出力光ファイバ３２は、シリコン・フォトダイオードの如き校正光信号検出器４０に結合される。ファイバ対２２及び２４の入力光ファイバ２８及び出力光ファイバ３２がコリメーティング光学素子５２及び５４の夫々の光軸５６及び５８の同じ側に配置されるように、コリメーティング光学素子５２及び５４を構成してもよい。さらに、コリメーティング光学素子５２及び５４は、異なる焦点距離であってもよく、合成光角を有する光路に必要な空間面が異なって、これら異なる空間面に向いてもよい。ファイバ・アレイ６４及び６６とコリメーティング光学素子５２及び５４との間で横方向に光同調要素４２を配置する。この光同調要素４２は、回折格子でもよく、光学装置５０用の１次スペクトル域を主として決める。同調回折格子４２は、コリメーティング光学素子５２及び５４の焦点距離内に配置する必要はない。光同調要素（用）駆動モータ４４を光同調要素４２に結合して、スペクトル域にて光学装置５０を同調させる。
【００２２】
図１を参照して上述したのと同じスペクトル域を用いて、図２に示す光学装置５０の動作を説明する。試験光信号３４は、１４５０ｎｍから１６５０ｎｍまでのスペクトル域内の１次スペクトル成分を有する広帯域光信号として特徴付けられたものでもよい。校正光信号源３８は、光学装置５０のスペクトル域内の２次以上のスペクトル線を有する光信号出力３９を発生する。上述の如く、試験光信号３４及び校正光信号３９は、光学装置５０を通過する分離した光路を進む。試験光信号ファイバ２６から発せられた実線は、光学装置５０を通過する試験光信号３４の光路を示し、校正光信号ファイバ２８から発せられた点線は、光学装置５０を通過する校正光信号３９の光路を示す。試験光信号３４及び校正光信号３９は、第１コリメーティング光学素子５２で反射して、同調回折格子４２に進む。光信号３４及び３９の同調されるスペクトル成分は、同調回折格子４２で回折（屈折）されて、第２コリメーティング光学素子５４に進む。第２コリメーティング光学素子５４は、同調された光信号３４及び３９を反射し、試験光信号３４の同調されたスペクトル成分の焦点を試験光信号出力ファイバ３０で結ばせ、校正光信号３９の同調されたスペクトル成分の焦点を校正光信号出力ファイバ３２で結ばせる。
【００２３】
試験光信号３４の同調されたスペクトル成分は、試験光信号出力ファイバ３０を介して試験光信号検出器３６に結合される。試験光信号検出器３６は、ＩｎＧａＡｓピン・フォトダイオード又はアバランシェ・フォトダイオードであり、試験光信号３４の１次スペクトル成分に応答し、校正光信号３９の２次以上のスペクトル線に応答しにくい。校正光信号３９の同調したスペクトル成分は、校正光信号出力ファイバ３２を介して校正光信号検出器４０に結合される。校正光信号検出器４０は、シリコン・フォトダイオードであり、校正光信号源３８の２次以上のスペクトル線に応答し、試験光信号３４の１次スペクトル成分に応答しにくい。試験信号検出器３６及び校正光信号検出器４０は、各試験光信号３４及び校正光信号３９を同時に検出して、これら光信号３４及び３９を電気信号に変換する。
【００２４】
図３は、校正光信号３９及び試験光信号３４を同時に検出する光学装置１０を内蔵した光スペクトラム・アナライザ８０のブロック図である。図１及び図２に示したのと同じ素子は、同じ参照符号で示す。光スペクトラム・アナライザ８０の好適実施例は、光スペクトラム・アナライザ・モジュール８２と、ベース・ユニット８４とを具えている。光スペクトラム・アナライザ・モジュール８２は、被試験光信号３４及び校正光信号３９のスペクトル成分を分離する光学装置１０を含んでいる。この光学装置１０は、光軸１４及び焦点面１６を有するコリメーティング光学素子として作用する放物面境１２を含んでいる。ファイバ・アレイ１８は、放物面境１２の焦点面１６内に位置決めされており、その中心軸２０は、放物面境１２の光軸１４と同一線上にある。ファイバ・アレイ１８は、入力ファイバ２６及び出力ファイバ３０を有する第１ファイバ対２２と、入力ファイバ２８及び出力ファイバ３２を有する第２ファイバ対２４とを具えている。これらファイバ対の入力ファイバ及び出力ファイバは、ファイバ・アレイ１８の中心軸２０のいずれかの側に対称に配置されている。一方のファイバ対２２の入力光ファイバ２６は、被試験光信号３４を受けるように結合されており、他方のファイバ対２４の入力光ファイバ２８は、校正光信号源３８に結合されている。
【００２５】
回折格子の形式である光同調要素４２は、１次スペクトル域にわたって光学装置１０を同調する。光受信器８６及び８８は、試験光信号３４及び校正光信号３９を夫々受け、これら光信号を電気信号に変換する。これら電気信号は、マルチプレクサ（ＭＵＸ）９０により選択されて、アナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換器９２に結合される。Ａ／Ｄ変換器９２は、電気信号をデジタル値に変換する。このデジタル値は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）９４により処理され、メモリ９６に蓄積される。メモリ９６は、ＲＡＭ及びＲＯＭの両方を含み、ＲＡＭが、試験光信号３４及び校正光信号３９のスペクトル成分を表すデジタル値の如き揮発性データを蓄積する。デジタル信号プロセッサ９４は、メモリ９６のＲＯＭに蓄積されプログラムされたインストラクションを実行して、デジタル値の取込み、処理及び蓄積を行う。データ及び制御バス９８は、メモリ９６をデジタル信号プロセッサ９４に結合すると共に、Ａ／Ｄ変換器９２及び回折格子駆動モータ４４にも結合している。回折格子駆動モータ４４は、回折格子４２の位置を可変して、光学装置１０をこの光学装置１０のスペクトル域にわたって同調させる。デジタル信号プロセッサ９４は、マルチプレクサ９０及びＡ／Ｄ変換器９２に制御信号を供給する。
【００２６】
蓄積されたデータは、光スペクトラム・アナライザのシステム・バス（ＳＢ）１００の直列データ・ラインを介して、ベース・ユニット８４に供給される（ＳＢ１００の結合線は図示せず）。ベース・ユニット８４において、光スペクトラム・アナライザ・モジュール８２からのデジタル・データは、メモリ１０２に蓄積され、制御器１０４で処理されて、液晶表示器、陰極線管などの表示器１０６に表示される。好適実施例において、制御器１０４は、モトローラ社が市販しているＸＰＣ８２１型マイクロプロセッサである。データ及び制御バス１０８は、メモリ１０２を制御器１０４に結合すると共に、表示器１０６にも結合している。制御器１０４は、フロント・パネル制御器１１０にも結合している。このフロント・パネル制御器１１０は、ボタン、回転摘み及びキー・パッドを具えており、実行する特定の測定、測定パラメータ、表示ウィンドウなどを選択する。本発明の好適実施例において、従来の測定機器のフロント・パネルの制御機能が、表示器１０６の一部であるタッチ・スクリーン表示器に組み込まれている。メモリ１０２は、ＲＡＭ及びＲＯＭを含んでいる。ＲＡＭは、光スペクトラム・アナライザ・モジュール８２からの取込み及び処理したデジタル・データを蓄積し、ＲＯＭは、光スペクトラム・アナライザ８０の動作を制御するプログラム・インストラクションを蓄積する。本発明の好適実施例における光スペクトラム・アナライザ８０は、マイクロソフト社製ＷＩＮＤＯＷＳ（商標）ＣＥオペレーティング・システムにて制御される。
【００２７】
本発明の好適実施例において、光スペクトラム・アナライザ８０は、１４５０ｎｍから１６５０ｎｍまでの１次スペクトル域を有する。なお、このスペクトル域が同調可能な回折格子４２により主に制御される。被試験光信号３４は、光インタフェース１１２を介して光スペクトラム・アナライザ８０に結合される。光スペクトラム・アナライザ８０は、このアナライザの１４５０ｎｍから１６５０ｎｍまでのスペクトル域における広帯域試験光信号３４の特性を測定する。試験光信号３４及び校正光信号３９は、ファイバ・アレイ１８の第１及び第２ファイバ対の入力ファイバ２６及び２８を夫々介して光学装置１０に結合される。校正光信号源３８は、光学装置１０のスペクトル域内の２次以上のスペクトル線を有する校正光信号３９を発生する。試験光信号３４及び校正光信号３９は、分離した光路を伝搬して、放物面境１２で反射され、回折格子４２に進む。
【００２８】
同調回折格子４２は、試験光信号３４の１次スペクトル成分と校正光信号３９の２次以上のスペクトル線とを分離し、同調した成分を回折し、分離した光路を介して放物面境１２に戻す。例えば、試験光信号３４は、多くの光信号を含んでおり、その１つが１５００ｎｍである。デジタル信号プロセッサ９４からの同調インストラクションを受けた回折格子駆動モータ４４により、回折格子４２は、１５００ｎｍに同調され、試験光信号３４において１５００ｎｍの光信号を他の光信号から分離する。同時に、回折格子４２は、校正光信号３９の７５０ｎｍの２次スペクトル線を分離する。試験光信号３４の同調されたスペクトル成分と、校正光信号３９の同調されたスペクトル線とは、放物面境１２により、試験光信号出力ファイバ３０及び校正光信号出力ファイバ３２で焦点を結ぶ。
【００２９】
試験光信号３４の同調されたスペクトル成分は、第１光受信器８６に結合される。この第１光受信器８６は、光検出器３６を有し、試験光信号３４の１次スペクトル成分には応答するが、校正光信号３９の２次以上のスペクトル線には応答しにくい。光スペクトラム・アナライザ８０の好適実施例において、光検出器３６は、ＩｎＧａＡｓアバランシェ・フォトダイオードである。校正光信号３９の同調されたスペクトル線は、第２光受信器８８に結合される。この第２光受信器８８は、光検出器４０を有し、校正光信号３９の２次以上のスペクトル線に応答するが、試験光信号３４の１次スペクトル成分には応答しにくい。光スペクトラム・アナライザ８０の好適実施例において、光検出器４０は、シリコン・フォトダイオードである。光検出器３６及び４０は、試験光信号３４及び校正光信号３９を夫々電気信号に変換する。これら電気信号を増幅器１１４及び１１６に夫々供給して、これら電気信号を夫々増幅する。
【００３０】
増幅された電気信号は、マルチプレクサ９０に供給されて、デジタル信号プロセッサ９４の制御によりこれら電気信号の一方を選択して、Ａ／Ｄ変換器９２に供給する。Ａ／Ｄ変換器９２は、デジタル信号プロセッサ９４の制御の下に、選択された電気信号をデジタル化する。デジタル化された信号は、デジタル信号プロセッサ９４により処理され、メモリ９６のＲＡＭに蓄積される。１５００ｎｍの光信号を有する試験光信号３４と、７５０ｎｍの２次校正スペクトル線を有する校正光信号の場合、デジタル信号プロセッサ９４は、７５０ｎｍの校正光信号のスペクトル線を表すデジタル値に２を乗算して、１５００ｎｍの校正スペクトル線を表すデジタル値を発生する。７５０ｎｍの校正スペクトル線は、非常にわずかなエラーで非常に正確に判っているので、乗算した結果の校正スペクトル線の不確かさは、非常にわずかである。１５００ｎｍの校正スペクトル線の波長は、光スペクトラム・アナライザ８０により、適切な３次又は４次スペクトル線の如く他の値として測定できる。測定した校正スペクトル線及び実際の校正スペクトル線の間のエラーをデジタル信号プロセッサ９４により計算し、この計算結果を用いて１５５０ｎｍ試験光信号を補正する。校正エラーの計算と、試験光信号の補正とは、デジタル信号プロセッサ９４が自動的に行い、これは、光スペクトラム・アナライザのユーザの操作には影響しない。
【００３１】
メモリ９６のＲＡＭ内の処理されたデジタル値は、システム・バス１００内のシリアル・データ・ラインを介して、ベース・ユニット８４内の制御器１０４に供給する。制御器１０４は、デジタル値を更に処理し、そのデータを表示器１０６の表示用にフォーマット（形式変換）する。
【００３２】
上述では、図１の光学装置を用いた光スペクトラム・アナライザを説明した。しかし、図２を参照して説明した光学装置を用いても、同様に光スペクトラム・アナライザを実現できる。また、マルチプレクサをなくし、２つの光受信器の各々の出力端に対して別々のアナログ・デジタル変換器を設けることにより、光スペクトラム・アナライザ・モジュールを変更できる。また、光スペクトラム・アナライザ・モジュール及びベース・ユニットを１つのパッケージにまとめ、単一の制御器が、デジタル信号プロセッサの機能を実施すると共に、ベース・ユニットの制御器の機能を実施してもよい。
【００３３】
試験光信号及び校正光信号を同時に検出する光学装置について上述した。要約すれば、この光学装置は、少なくとも第１コリメーティング光学素子を有しており、このコリメーティング光学素子は、光軸及び焦点面を有する。ファイバ・アレイは、コリメーティング光学素子の焦点面内に配置され、第１及び第２ファイバ対を有する。ファイバ・アレイは、中心軸を有し、この中心軸は、コリメーティング光学素子の光軸と同一線上にある。これらファイバ対は、入力ファイバ及び出力ファイバを有し、各ファイバ対の入力ファイバ及び出力ファイバは、中心線の周囲で対称に配置される。光学装置は、１次スペクトル域を有し、広帯域試験光信号及び校正光信号を測定する。この校正光信号を発生する校正光信号源は、光学装置のスペクトル域内の２次以上のスペクトル線を有する校正光信号を発生する。２つの入力光ファイバは、試験光信号及び校正光信号を夫々受け、これら光信号をコリメーティング光学素子に向かって発射する。
【００３４】
試験光信号及び校正光信号は、光学装置に２つの分離した光路を取る。試験光信号及び校正光信号は、コリメーティング光学素子で反射され、回折格子に向かう。同調回折格子は、試験光信号のスペクトル成分と校正光信号のスペクトル線とを分離して、同調されたこれら光信号をコリメーティング光学素子に屈折させる。試験光信号の同調されたスペクトル成分と、校正光信号のスペクトル線とは、ファイバ・アレイ内で出力光ファイバに焦点を結ぶ。試験光信号用出力ファイバは、試験光信号の同調されたスペクトル成分を試験光信号検出器に結合し、校正光信号用出力ファイバは、同調された校正光信号のスペクトル線を校正光信号検出器に結合する。試験光信号検出器は、試験光信号の１次スペクトル成分に応答するが、校正光信号の２次以上のスペクトル線に応答しにくい。校正光信号検出器は、校正光信号の２次以上のスペクトル線に応答し、試験光信号の１次スペクトル成分に応答しにくい。これら光検出器は、試験光信号及び校正光信号を夫々電気信号に変換する。かかる光学装置は、光スペクトラム・アナライザ内で利用可能であり、装置の校正を同時に実施できる。
【００３５】
よって、本発明の光学装置は、試験光信号及び校正光信号を同時に検出でき、光スペクトラム・アナライザに使用できる。本発明の要旨を逸脱することなく種々の変形変更が可能なことが当業者には理解できよう。なお、上述の実施例は、本発明をこれら実施例そのものに限定するものではなく、本願発明を説明するためのものである。
【００３６】
【発明の効果】
上述の如く、本発明によれば、被試験光信号と校正光信号とを同時に検出できる光学装置が達成できるし、かかる光学装置を光スペクトラム・アナライザに使用できる。よって、操作者は、光学装置及び光スペクトラム・アナライザの校正に煩わされることがなく、不必要な校正に時間をとられることもなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学装置の好適実施例を示す図である。
【図２】本発明による光学装置の他の好適実施例を示す図である。
【図３】本発明による光学装置を用いた光スペクトラム・アナライザの好適実施例のブロック図である。
【符号の説明】
１０、５０ 光学装置
１２ コリメーティング光学素子（放物面境）
１４ 光軸
１６ 焦点面
１８、６４、６６ ファイバ・アレイ
２０ 中心軸
２２ 第１ファイバ対
２４ 第２ファイバ対
２６、２８ 入力光ファイバ
３０、３２ 出力光ファイバ
３４ 被試験光信号
３６ 試験光信号検出器
３８ 校正光信号発生器
３９ 校正光信号
４０ 校正光信号検出器
４２ 光同調要素（回折格子）
４４ 光同調要素駆動モータ
５２ 第１コリメーティング光学素子
５４ 第２コリメーティング光学素子
５６、５８ 光軸
６４、６６ ファイバ・アレイ
６８、７０ 中心軸
８０ 光スペクトラム・アナライザ
８２ 光スペクトラム・アナライザ・ユニット
８４ ベース・ユニット
８６、８８ 光受信器
９０ マルチプレクサ
９２ Ａ／Ｄ変換器
９４ デジタル信号プロセッサ
９６、１０２ メモリ
１００ システム・バス
１０４ 制御器
１０６ 表示器
１１０ フロント・パネル

Claims (2)

1. 限定された１次スペクトル域を有し、校正光信号及び被試験光信号を同時に検出する光学装置であって、
   光軸及び焦点面を有し、上記校正光信号及び上記被試験光信号を受けるコリメーティング光学素子と、
   該コリメーティング光学素子の光軸と同一線上の中心軸と、上記コリメーティング光学素子の焦点面内に配置されて入力光ファイバ及び出力光ファイバを各々が有する第１及び第２光ファイバ対とを含み、該第１及び第２ファイバ対の各々の上記入力光ファイバ及び上記出力光ファイバが上記中心軸に対して対称に配置され、上記第１光ファイバ対の入力ファイバが上記被試験光信号を受信するファイバ・アレイと、
   上記第２光ファイバ対の入力ファイバに結合され、上記光学装置の１次スペクトル域内の２次以上のスペクトル線を有する校正光信号を発生する光信号源と、
   上記コリメーティング光学素子からの上記校正光信号及び上記被試験光信号を受け、上記１次スペクトル域にわたって上記光学装置を同調させて、上記被試験光信号のスペクトル成分を分離すると共に、上記校正光信号の２次以上のスペクトル線を通過させる光同調要素と、
   上記第１光ファイバ対の出力光ファイバに結合され、上記被試験光信号のスペクトル成分に応答し、上記校正光信号の２次以上のスペクトル線には応答しにくい第１光検出器と、
   上記第２光ファイバ対の出力光ファイバに結合され、上記校正光信号の２次以上のスペクトル線に応答し、上記被試験光信号のスペクトル成分に応答しにくい第２光検出器とを具え、
   上記ファイバ・アレイが、複数のＶ字形チャネルの形成されたＶ溝ブロックに配置され、該Ｖ溝ブロックの中心軸が上記ファイバ・アレイの中心軸と同じになり、上記複数のＶ字形チャネルが上記Ｖ溝ブロックの中心軸と平行であり、上記複数のＶ字形チャネルが上記Ｖ溝ブロックの中心軸から等距離にあることを特徴とする光学装置。
2. 限定された１次スペクトル域を有すると共に、校正光信号及び被試験広帯域光信号を同時に検出する光学装置を有し、上記被試験光信号のスペクトル成分を測定して表示する光スペクトラム・アナライザであって、
   光軸及び焦点面を有し、上記校正光信号及び上記被試験光信号を受けるコリメーティング光学素子と、
   該コリメーティング光学素子の光軸と同一線上の中心軸と、上記コリメーティング光学素子の焦点面内に配置されて入力光ファイバ及び出力光ファイバを各々が有する第１及び第２光ファイバ対とを含み、該第１及び第２ファイバ対の各々の上記入力光ファイバ及び上記出力光ファイバが上記中心軸に対して対称に配置され、上記第１光ファイバ対の入力ファイバが上記被試験光信号を受信するファイバ・アレイと、
   上記第２光ファイバ対の入力ファイバに結合され、上記光学装置の１次スペクトル域内の２次以上のスペクトル線を有する校正光信号を発生する光信号源と、
   上記コリメーティング光学素子からの上記校正光信号及び上記被試験光信号を受け、上記１次スペクトル域にわたって上記光学装置を同調させて、上記被試験光信号のスペクトル成分を分離すると共に、上記校正光信号の２次以上のスペクトル線を通過させる光同調要素と、
   上記第１光ファイバ対の出力光ファイバに結合され、上記被試験光信号のスペクトル成分に応答し、上記校正光信号の２次以上のスペクトル線には応答しにくい第１光検出器を有し、上記被試験光信号のスペクトル成分を表す電気信号を発生する第１光受信器と、
   上記第２光ファイバ対の出力光ファイバに結合され、上記校正光信号の２次以上のスペクトル線に応答し、上記被試験光信号のスペクトル成分に応答しにくい第２光検出器を有し、上記校正光信号の２次以上のスペクトル線を表す電気信号を発生する第２光受信器と、
   上記第１及び第２光受信器からの電気信号をデジタル値に変換する手段と、
   上記デジタル値を処理して、上記校正光信号のスペクトル線を表す上記デジタル値から校正エラー値を発生し、上記被試験光信号のスペクトル成分を表すデジタル値に上記エラー値を適用する手段とを具え、
   上記ファイバ・アレイが、複数のＶ字形チャネルの形成されたＶ溝ブロックに配置され、該Ｖ溝ブロックの中心軸が上記ファイバ・アレイの中心軸と同じになり、上記複数のＶ字形チャネルが上記Ｖ溝ブロックの中心軸と平行であり、上記複数のＶ字形チャネルが上記Ｖ溝ブロックの中心軸から等距離にあることを特徴とする光スペクトラム・アナライザ。

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