JP6082222B2

JP6082222B2 - 波長掃引光源

Info

Publication number: JP6082222B2
Application number: JP2012225970A
Authority: JP
Inventors: 中村　賢一; 賢一中村; 斉藤　崇記; 崇記斉藤
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2017-02-15
Anticipated expiration: 2032-10-11
Also published as: JP2014077723A

Description

本発明は、出射光の波長を周期的に掃引させる波長掃引光源における波長校正を安価に行うための技術に関する。

波長掃引光源のうち、所定波長範囲を掃引可能な光源として、リトマン型と呼ばれる外部共振型波長可変光源が知られている。

この外部共振型波長可変光源は、半導体レーザの一端面から出射された光を回折格子に所定入射角で入射し、回折格子から特定方向に回折された波長の光を回動式ミラーで回折格子に反射して、半導体レーザに逆光路で戻す構造を有し、半導体レーザの反射率の高い他端面から回動ミラーの反射面までの光路長（共振器長）によって決まる励起波長帯のいずれかに、回折格子に対する回動式ミラーの角度によって選択される波長が入り、両者が回動ミラーの角度変化に伴って連動する条件を満たすように各光学系を配置したものであり、回動ミラーの往復回動に伴って波長が所定範囲を周期的に掃引する光を出射する。

この種の波長掃引光源を用いて各種測定を行う場合、掃引中の任意のタイミングの波長を正確に把握できることが必要である。

この掃引波長は、一般的に、回動ミラーを駆動する駆動信号（クロック信号）の位相の特定タイミング（例えば矩形波であれば立ち上がり、立ち下がりのタイミング）を基準とし、その基準タイミングからの経過時間と波長との関係で特定される。

この基準タイミングからの経過時間と波長との関係を変動させる最大の要因は温度である。そのため、同光源では断熱構造を採用するとともに、ペルチェ素子により全体を温度コントロールすることで、両者の関係を安定化している。

しかし、このように光源の温度安定化を図ったとしても、光源を駆動する回路の温度依存性により、両者の関係がずれたり、場合によっては波長掃引範囲が変動することもある。

これらの経時変化を検出するために、環境変化の影響を受けにくい極めて安定な波長選択性を示す光学素子を用いて、掃引光波長がその光学素子が選択性を示す特定波長になったタイミングを監視することが従来行われていた。

この光学素子としては、既知波長で透過率が極大あるいは極小となり、且つその特性が安定している、エタロンやガス吸収セル等が知られている。

エタロンは、ある波長範囲の複数の既知波長で透過率が極大となる透過特性をもつので、波長校正の対象となる波長掃引光源の出射光をエタロンに入射し、その出射光の強度を受光器で検出し、検出強度が極大となるタイミングと既知波長との対応関係から、波長掃引光源の掃引中のタイミングと波長の関係を特定する校正方法が知られている（特許文献１）。

特開２００７−２２０８６４号公報

しかし、上記エタロン等の光学素子は極めて高価（一般的に数万円）であり、コストダウンが要求される安価な光計測システムを構築する場合に採用することは困難である。

本発明は、この問題を解決し、極めて安価に正確な掃引波長情報を出力できる波長掃引光源を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１の波長掃引光源は、
所定周期の駆動信号により光学部材を往復回動させることで出射光の波長を周期的に掃引する光源部（２１）と、
前記光源部の出射光を受けて２分岐し、長さが所定長異なる光路を伝搬させて合波する光干渉部（３１）と、
前記光干渉部で合波された光を受光する受光器（３２）と、
前記光源部による波長掃引と前記光干渉部の光路長差に起因して前記受光器の出力に現れるビート信号の周波数を検出する周波数検出部（３５）と、
前記光干渉部の既知の光路長差と、前記周波数検出部によって検出されるビート信号の周波数変化に基づいて、前記駆動信号と出射光波長とのタイミング関係を校正する校正部（３６）とを備えた波長掃引光源において、
前記校正部は、
波長掃引中に前記ビート信号の周波数が最大となるタイミングを波長掃引の中心タイミングとして検出し、前記駆動信号の位相の特定タイミングから前記中心タイミングまでの時間と、前記中心タイミングにおけるビート信号の最大周波数から波長掃引範囲を求め、これらに基づいて、前記光源部の前記駆動信号と出射光波長とのタイミング関係を校正することを特徴とする。

このように、本発明では、光源部から出射された波長掃引光を、２分岐して所定長異なる光路を伝搬させて合波し受光器に入力することで得られるビート信号の周波数と、既知の光路長差とにより、駆動信号と出射光波長とのタイミング関係を校正しているので、エタロン等の高価な光学素子を用いることなく、掃引光の波長情報を安価に且つ精度良く得ることができる。

本発明の実施形態の構成図光源部の要部の概略図本発明の実施形態の動作説明図本発明の実施形態の動作説明図本発明の要部の別の構成例を示す図

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した波長掃引光源２０の構成を示している。

この波長掃引光源２０の光源部２１は、リトマン方式の外部共振器型光源であり、半導体レーザ２２の一端面から出射された光を回折格子２３に所定入射角で入射し、その入射光に対する回折格子２３からの回折光を回動ミラー２４で反射する。

回動ミラー２４は、半導体基板に対するエッチング処理で形成された、所謂ＭＥＭＳ型で、例えば図２のように、横長矩形の反射板２４ａの上縁中央と下縁中央を軸部２４ｂ、２４ｃで支持され、駆動回路２５により反射板２４ａの端に非接触に力を周期的に与えることで、軸部２４ｂ、２４ｃが捩れ変形して反射板２４ａが一定周期で往復回動する。

駆動回路２５は、例えば入力される駆動信号Ｓｄに同期した高電圧信号を、反射板２４ａの端部とそれに対向し且つ絶縁された電極（図示せず）との間に印加して、その間に周期的に電界による吸引力を与える。また、コイルと磁性体もしくは永久磁石の間、あるいはコイル同士の間に生じる磁力を用いて反射板２４ａを一定周期で往復回動させるものでもよい。

この回動ミラー２４で反射された光は回折格子２３に再入射される。ここで、回折格子２３から回動ミラー２４側に出射された回折光のうち、回動ミラー２４に直交する向きで出射された波長の光だけが、同じ経路で回折格子２３に戻されて、回折格子２３から半導体レーザ２２に戻ることになる。この戻り光の波長は、回折格子２３の分光特性、回折格子２３への光入射角および回折格子２３に対する回動ミラー２４の相対的な角度で決まる所定範囲の選択波長であり、半導体レーザ２２の他方の端面から回動ミラー２４の反射面までの実効光路長（共振器長）で決まる複数の励起波長のうち、前記選択波長の範囲に含まれるものが励振され、回動ミラー２４の角度変化に応じて、前記選択波長が連続的に変化することで出射光波長も掃引される。

駆動信号発生器２６は、所定周波数（一般的に高い駆動効率を得るために回動ミラー２４の固有振動数に等しい）の駆動信号Ｓｄを駆動回路２５に与えて、出射光波長を掃引させる。

波長情報発生部２７は、光源部２１の波長掃引特性を、例えば振幅Ｘｒ、角周波数ω_ｍ（ＭＥＭＳ構造の回動ミラー２４の固有振動数をｆ_ｍとすればω_ｍ＝２πｆ_ｍ）の正弦関数とし、波長中心値をλｒとすれば、
λ(t)＝Ｘｒ・sin ω_ｍｔ＋λｒ
で表される波長情報と、この波長情報にしたがって光源部２１から実際に出射される波長掃引光の掃引位相と駆動信号Ｓｄの位相とのずれを表す時間情報Ｔｒとを有しており、上記波長情報を駆動信号Ｓｄの位相に対して時間Ｔｒ分ずれた位相でその情報を必要とする外部装置（図示せず）へ出力する。

上記時間情報Ｔｒは、例えば駆動信号Ｓｄが矩形波であれば、その立ち上がり（または立ち下がり）タイミングから掃引光の波長がその掃引中心の波長λｒに一致するタイミングまでの時間に等しいものとする。なお、この掃引中心波長λｒは、光源部２１の回動ミラー２４の回動角度がゼロのときの波長であり、温度等の環境変化に対して極めて安定でその変動を無視できるものする。

この光源部２１から出射された光は、光干渉部３１に入射される。
光干渉部３１は、入射光を受けて２分岐し、異なる長さの光路を伝搬させた後、合波するものであれば、空間伝搬型、ファイバ伝搬型等その構成は任意であるが、ここではその一例としてマイケルソン型干渉計の構造を用いて示している。

即ち、光源部２１から出射光Ｐをカプラ（ビームスプリッタ）３１ａで２分岐し、その一方Ｐ１を距離Ｌｌ離れた平面ミラー３１ｂに入射し、その反射光Ｐ１′を同じ光路でカプラ３１ａに戻し、他方Ｐ２を距離Ｌ１と差のある距離Ｌ２離れた平面ミラー３１ｃに入射し、その反射光Ｐ２′を同じ光路でカプラ３１ａに戻し、両反射光Ｐ１′、Ｐ２′をカプラ３１ａで合波して、入射方向に直交する方向に出射する。この反射光Ｐ１′、Ｐ２′は、２｜（Ｌ２−Ｌ１）｜＝ΔＬの長さだけ異なる光路を伝搬しており、ここで、その光路長差ΔＬは予め既知であるとする。

この構成の場合、合波光の一部がカプラ３１ａから光源部２１へ戻ってその動作に悪影響を与える恐れがあるが、光源部２１の半導体レーザ２２の出射側に設けたアイソレータ２９により、その光の光源部２１への戻りを阻止している。

光干渉部３１で合波された光は受光器３２に入射される。上記のように、入射光を２分岐し、光路長差ΔＬの光路を伝搬させて合波した場合、Ｌ２＞Ｌ１とすれば、受光器３２に入射する一方の光Ｐ１′の時間に対する波長が、例えば図３（ａ）の特性Ａにしたがって変化しているとすれば、他方の光Ｐ２′の時間に対する波長は、この特性Ａを光路長差ΔＬ分の時間Δｔ（＝ΔＬ／ｃ）だけ時間軸上でシフト（遅れた）した特性Ｂにしたがって変化する。

このように波長変化特性が時間的にシフトした光Ｐ１′、Ｐ２′が受光器３２に入射されると、受光器３２からは、その光Ｐ１′、Ｐ２′の周波数Δｆに等しい周波数で変化するビート信号が出力される。

このビート信号の周波数Δｆは、特性Ａ、Ｂの時間軸上のずれの大きさΔｔ＝ΔＬ／ｃ（ｃは光速）、つまり光路長差ΔＬに依存して変化し、光路長差ΔＬが短ければ低くなり、光路長差ΔＬが長くなると高くなる。つまり、ビート周波数Δｆは、光路長差ΔＬを用いた関数として表すことができる。

今、時間に対して直線的に光の角周波数が変化する場合を考え、
ω(t)＝ω_０＋２πＶ・ｔ
（ω_０は初期値、Ｖは傾き）
とすると、Δｔだけ遅延した光の角周波数は、
ω(t)＝ω_０＋２πＶ・（ｔ−Δｔ）
となり、受光器３２からはその差の角周波数成分Δω、
Δω＝［ω_０＋２πＶ・ｔ］−［ω_０＋２πＶ・（ｔ−Δｔ）］
＝２πＶΔｔ＝２πＶ・ΔＬ／ｃ
をもつビート信号が出力される。

つまり、光の角周波数変化が直線と見なせる範囲でのビート信号の周波数Δｆは、
Δｆ＝Δω／（２π）＝Ｖ・ΔＬ／ｃ ……（１）
で表され、光路長差ΔＬとビート信号の周波数Δｆが既知であれば、傾きＶが一義的に求まる。

ただし、実際の波長掃引特性は、図３の（ａ）に示しているように正弦関数であり、それに反比例する光の角周波数も同様に非線形な関数となるものの、Δｔが十分に小さく、直線近似できる狭い領域では、上記演算が成り立つ。

したがって、上記のように特性Ａ、Ｂを正弦関数とすれば、ビート信号の周波数Δｆは、図３の（ｂ）のように変化する。即ち、特性Ａ、Ｂが交わるタイミングｔ１、ｔ３では光の周波数差がゼロとなり、信号出力は図３の（ｃ）のように直流となり、タイミングｔ１から徐々に周波数が高くなって中間点ｔ２で最高周波数となり、タイミングｔ３まで徐々に低くなっていく。また、図３の（ｃ）の波形はビート信号の周波数だけに注目して示したもので、レベルの変化については直流に近くなる程小さくなると仮定している。

なお、図３では、ビート信号生成過程を理解しやすいように、特性Ａ、Ｂの時間差Δｔを大きく表現しているが、光路長差Ｌによって生じる時間差Δｔ＝Ｌ／ｃは、例えばＬ＝３ｍｍ、ｃ（光速）＝３×１０^８ｍとすると、Δｔ＝１０×１０^−１２＝１０ｐｓであるのに対し、掃引周期Ｔは、ＭＥＭＳ構造の可変波長光源で数ｍｓ〜数１００μｓの範囲であって、両者の比は１００００倍以上となっているから、掃引周期Ｔからみれば、時間差Δｔは無いに等しく特性Ａ、Ｂは重なっていると見なせる。また、数ミリ〜数センチを光が伝搬する時間は、回動ミラーの周期に比べて無視しうる程度であり、ここでは入射した光が受光器３２に到達するまでの時間も、駆動信号と波長の関係を特定する情報として無視できるものとする。

図３の（ａ）、（ｂ）から明らかなようにビート信号の周波数Δｆが最大Δｆmax となるタイミングｔ２は、正弦関数の特性Ａ、Ｂの傾きが最大となるタイミングであり、傾きが最大となるのは、振動系の基本法則から、可変波長光源２１の回動ミラー２４が回動角ゼロの位置にきた瞬間（掃引中心タイミング）であり、前記したように、このタイミングにおける出射光波長は、波長掃引範囲が広がったり狭まっても変化しない一定値λｒ（既知とする）である。

前記したように、光源部２１の波長掃引特性を、波長λｒを中心値とする正弦関数、
λ(t)＝Ｘｒ・sin ω_ｍｔ＋λｒ
とすれば、掃引周期が一定（ω_ｍ＝一定）の状態で、波長掃引範囲が変化するということは、掃引特性の振幅Ｘｒが変化することと等価であり、振幅Ｘｒの大小に応じて掃引特性全体の波長変化率（傾きＶ）も増減し、上記のように正弦関数の場合には、その中心値を通過する掃引中心タイミングで波長変化率が最大となりビート信号の周波数も最大となる。

ここで、掃引波長の変化率（傾き）は、上記波長掃引特性の微分で得られるから、掃引中心タイミング（ω_ｍｔ＝ｎπ ｎ＝０、１、２、…）における傾きＶの絶対値は、
｜Ｖ｜＝｜Ｘｒ・ω_ｍ・cos ｎπ｜＝Ｘｒ・ω_ｍ
である。

したがって、ビート信号の周波数が最大となる掃引中心タイミングを検出し、その掃引中心タイミングにおけるビート信号の周波数値Δｆmax から傾きＶを求め、その傾きから掃引振幅Ｘｒ（＝｜Ｖ｜／ω_ｍ）を求め、得られた振幅Ｘｒから波長掃引幅の変化の有無を把握できる。

また、検出した掃引中心タイミングに基づいて、駆動信号Ｓｄの位相の特定タイミングからの波長掃引特性の時間方向のずれを検出することができ、上記波長掃引幅と時間方向のずれを補正すれば、光源部２１の出射光波長の校正が行える。

これらの処理を行うために、受光器３２から出力されるビート信号の周波数を検出する周波数検出部３５と、その検出されたビート信号の周波数変化に基づいて、駆動信号と出射光波長とのタイミング関係を校正する校正部３６とを備えている。

周波数検出部３５は、駆動信号Ｓｄの特定タイミングを基準にして、ビート信号をＡ／Ｄ変換器３５ａによって高速（予測されるビート周波数の最大値の２倍より十分高速）に、少なくとも１掃引周期Ｔ分サンプリングしてその一連の波形データをメモリ３５ｃに記憶する。

そして、解析部３５ｄがその波形データを短い時間帯ずつ切り出して、その時間帯毎の周波数を前記図３の（ｂ）のようなデータとして求め、校正部３６に与える。

この解析処理は、単純にはビート信号のゼロクロスタイミングの間隔を測定する周期測定方式、単位時間当たりにゲートを通過する信号を計数する周波数計数方式あるいはＦＦＴ演算処理等で行うことができる。

校正部３６は、周波数検出部３５で得られたデータから波長掃引中にビート信号の周波数が最大となる掃引中心タイミング（図３における時間ｔ２）を検出し、駆動信号Ｓｄの特定タイミング（基準タイミング）から掃引中心タイミングまでの時間Ｔｒと、掃引中心タイミングにおけるビート信号の最大周波数Δｆmax と光路長差ΔＬから得られる波長掃引範囲（振幅Ｘｒ）を求め、これらに基づいて、光源部２１の駆動信号と出射光波長とのタイミング関係を校正する。

ここで、簡単に具体的な校正の方法について説明する。
ある時点において、波長情報発生部２７が、振幅Ｘｒの正弦関数として、
λ(t)＝Ｘｒ・sin ω_ｍｔ＋λｒ
で表される波長情報を、その掃引中心タイミングと駆動信号Ｓｄの位相との時間差情報Ｔｒを出力し、光源部２１からもその情報に一致するように、図４の（ａ）に示す駆動信号Ｓｄの立ち上がりタイミングｔ０から時間Ｔｒ経過したときに中心波長λｒとなり、その波長を中心に振幅Ｘｒで正弦状に波長掃引される光が、図４の（ｂ）の特性Ａにしたがって出射されているものとする。この状態では、ビート信号の周波数は図４の（ｃ）のように時刻ｔ０から時間Ｔｔが経過したタイミングｔ４で最大周波数Δｆmax となっており、この最大周波数は特性Ａの掃引中心タイミングにおける傾きＶに対応しているものとする。

そして、上記状態から時間が経過して、図４の（ｂ）の掃引特性Ａ′のように、駆動信号Ｓｄの立ち上がりタイミングｔ０から掃引中心タイミングまでの時間がＴｒからＴｒ′に変化し、また、ビート信号の最大周波数が図４の（ｃ）のΔｆmax からΔｆmax′に変化したとする。

校正部３６は、このビート信号の最大周波数の変化を検出し、その周波数Δｆmax′から現状の掃引特性Ａ′の掃引中心タイミングにおける傾きＶ′を算出し、この傾きＶ′から波長掃引幅（振幅）Ｘｒ′を求める。また、駆動信号Ｓｄの立ち上がりタイミングｔ０からビート信号が最大周波数となるタイミングｔ４′までの時間Ｔｒ′を求め、それらを校正情報として波長情報発生部２７に与えて、波長情報発生部２７が出力する波長掃引特性を、
λ(t)′＝Ｘｒ′・sin ω_ｍｔ＋λｒ
に訂正させるとともに、基準タイミングｔ０から掃引中心タイミングまでの時間をＴｒからＴｒ′に訂正させる。

これによって、波長情報発生部２７が外部装置へ出力する波長情報は、実際の光源部２１の動作状態に対応した精度の高いものとなり、光路長差ΔＬが既知の光干渉部３１で合波した光を受光器３２に入射して得られるビート信号の周波数変化を検出する処理により、エタロン等のような高価な光学素子を用いることなく、極めて低コストに精度の高い波長情報を得ることができる。

なお、上記実施形態では、光干渉部３１の構成をマイケルソン型干渉計としていたが、前記したように、入射光を受けて２分岐し、異なる長さの光路を伝搬させて合波するものであればその構成は任意である。ただし、光路長差ΔＬの環境変化による変動が少ないことが要求される。したがって、例えば上記実施形態における平面ミラー３１ｂ、３１ｃを用いる代わりに、図５のように、カプラ（ビームスプリッタ）３１ａから出射された光の一部Ｐ１を、厚さ一定の板体３１ｆの一面側の表面３１ｇで反射させ、その表面３１ｇを通過した光Ｐ２を反対面側内面３１ｈで反射させて、それらの反射光Ｐ１′、Ｐ２′をカプラ３１ａに戻す構成にし、板体３１ｆの厚さｄの２倍に相当する光路長差ΔＬを与えてもよい。

なお、上記実施形態では説明を省略しているが、光源部２１の出射光を外部に出力する際には、半導体レーザ２２から回折格子２３に入射された光の０次回折光（全反射光）を用いる方法、あるいは半導体レーザ２２から光干渉部３１側へ出射された光を分岐する方法が考えられ、その少なくとも一方を採用すればよい。

２０……波長掃引光源、２１……光源部、２２……半導体レーザ、２３……回折格子、２４……回動ミラー、２５……駆動回路、２６……駆動信号発生器、２７……波長情報発生部、３１……光干渉部、３２……受光器、３５……周波数検出部、３６……校正部

Claims

所定周期の駆動信号により光学部材を往復回動させることで出射光の波長を周期的に掃引する光源部（２１）と、
前記光源部の出射光を受けて２分岐し、長さが所定長異なる光路を伝搬させて合波する光干渉部（３１）と、
前記光干渉部で合波された光を受光する受光器（３２）と、
前記光源部による波長掃引と前記光干渉部の光路長差に起因して前記受光器の出力に現れるビート信号の周波数を検出する周波数検出部（３５）と、
前記光干渉部の既知の光路長差と、前記周波数検出部によって検出されるビート信号の周波数変化に基づいて、前記駆動信号と出射光波長とのタイミング関係を校正する校正部（３６）とを備えた波長掃引光源において、
前記校正部は、
波長掃引中に前記ビート信号の周波数が最大となるタイミングを波長掃引の中心タイミングとして検出し、前記駆動信号の位相の特定タイミングから前記中心タイミングまでの時間と、前記中心タイミングにおけるビート信号の最大周波数から波長掃引範囲を求め、これらに基づいて、前記光源部の前記駆動信号と出射光波長とのタイミング関係を校正することを特徴とする波長掃引光源。