(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長分散素子を用いた分光装置において、
入射光を平行光にするコリメーティングレンズと、
このコリメーティングレンズからの前記平行光を波長分散させる波長分散素子と、
この波長分散素子の波長毎の出射角の非線形性を補償するプリズムと、
この非線形分散補償手段の出力を集光するフォーカシングレンズと、
このフォーカシングレンズの出力光を検出する光検出器
とを備えたことを特徴とする分光装置。
【請求項２】
波長分散素子を用いた分光装置において、
入射光を平行光にするコリメーティングレンズと、
このコリメーティングレンズからの前記平行光を波長分散させる波長分散素子と、
前記波長分散素子からの出力光を同一平面上で相対する方向に１回づつ屈折するように配置され、前記波長分散素子の波長毎の出射角の非線形性を補償する同一屈折角の２つのプリズムと、
この非線形分散補償手段の出力を集光するフォーカシングレンズと、
このフォーカシングレンズの出力光を検出する光検出器
とを備えたことを特徴とする分光装置。
【請求項３】
前記波長分散素子が、
回折格子であることを特徴とする
請求項１若しくは請求項２記載の分光装置。
【請求項４】
前記プリズムと前記波長分散素子、或いは、前記同一屈折角の２つのプリズムと前記波長分散素子とを一体化したことを特徴とする
請求項１若しくは請求項２記載の分光装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長分散素子を用いた分光装置に関し、特に波長分散特性の平坦化が可能な分光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の分光装置では入射光を波長分散素子である回折格子等に照射して波長分散された光を光検出器で受光することにより波長毎に光を分離して検出するものである。
【０００３】
図６はこのような従来の分光装置の一例を示す構成図である。図６において１は外部から光源の出力光、若しくは、光ファイバからの出射光が入射される入射端、２はコリメーティングレンズ、３は回折格子等の波長分散素子、４はフォーカシングレンズ、５はフォトダイオードアレイ等を用いた光検出器である。
【０００４】
入射端１からの出力光はコリメーティングレンズ２により平行光に変換されて波長分散素子３に入射される。波長分散素子３からの波長分散された光はフォーカシングレンズ４により集光されて光検出器５に入射される。
【０００５】
ここで、図６に示す従来例の動作を説明する。回折格子等の波長分散素子３に入射された光はその波長により回折角が異なるので、それぞれ異なる方向に回折光として出射され、フォーカシングレンズ４により光検出器５を構成する各受光素子にそれぞれ集光される。
【０００６】
例えば、図６中”ＦＰ０１”、”ＦＰ０２”及び”ＦＰ０３”に位置する受光素子では異なる波長の光が集光される。図６に示す従来例では回折格子等の波長分散素子３を回転させる必要がないので高速性及び信頼性に優れている。
【０００７】
例えば、回折格子等の波長分散素子３の回折の次数を”ｍ”、回折格子等の波長分散素子３の格子定数を”ｄ”、回折格子等の波長分散素子３への入射角及び出射角を”ｉ”及び”θ”、波長を”λ”とすれば、
ｍλ／ｄ＝sinｉ＋sinθ      （１）
となる。
【０００８】
図６に示すような分光装置をＷＤＭ（Wavelength Division Multiplxing：波長多重）伝送システム監視モニタ等のように狭い波長範囲を扱うように設計した場合にはフォーカシングレンズ４の焦点距離と比較して波長分散による光路の広がりが小さくなり、光検出器５として１次元配列のフォトダオードアレイを用いた時の各素子の位置と出射角はほぼ比例関係になる。
【０００９】
但し、波長と出射角との関係は式（１）を微分した、
ｄλ／ｄθ｜i＝（ｄ／ｍ）・cosθ      （２）
となる。
【００１０】
式（２）から分かるように波長と分散角は出射角の余弦に比例することになる。この出射角は分光装置の波長範囲、用いる回折格子の格子定数及びフォーカンシングレンズ４の焦点距離等を用いて式（１）から求めることができる。
【００１１】
図７はこのような分光装置の一設計例を示す表であり、図８は各波長に対する出射角を示す表である。この場合、例えば、”λ＝１．５５［μｍ］”、溝本数”９００［ｌ／ｍｍ］”及び”３２［ｎｍ］”の波長範囲で”１９０素子”の受光素子とすれば、平均波長分散は”３２／１９０＝約０．１７［ｎｍ］”となる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図６に示す従来例において図７に示す表を用いて式（２）から実際の波長の波長分散を計算すると図９に示すようになる。図９は波長と波長分散との関係を示す表であり、図９から分かるように”１５３１［ｎｍ］”の波長の波長分散は光検出器５を構成する受光素子１素子当たり”０．１９２７［ｎｍ］”であるのに対して、”１５６３［ｎｍ］”の波長の波長分散は光検出器５を構成する受光素子１素子当たり”０．１４６２［ｎｍ］”となり、波長分散に依存性があることが分かる。
【００１３】
すなわち、最悪値を基準として分光装置を設計した場合にはある波長領域ではオバースペックとなりコスト高になってしまうと言った問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、波長分散特性の平坦化が可能な分光装置を実現することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
波長分散素子を用いた分光装置において、
入射光を平行光にするコリメーティングレンズと、このコリメーティングレンズからの前記平行光を波長分散させる波長分散素子と、この波長分散素子の波長毎の出射角の非線形性を補償するプリズムと、この非線形分散補償手段の出力を集光するフォーカシングレンズと、このフォーカシングレンズの出力光を検出する光検出器とを備えたことにより、波長分散素子の出射角の余弦成分に起因する非線形性が非線形分散補償手段の余弦成分による非線形性で補償されることになり、波長分散特性の平坦化が可能になる。
【００１５】
請求項２記載の発明は、
波長分散素子を用いた分光装置において、
入射光を平行光にするコリメーティングレンズと、このコリメーティングレンズからの前記平行光を波長分散させる波長分散素子と、前記波長分散素子からの出力光を同一平面上で相対する方向に１回づつ屈折するように配置され、前記波長分散素子の波長毎の出射角の非線形性を補償する同一屈折角の２つのプリズムと、この非線形分散補償手段の出力を集光するフォーカシングレンズと、このフォーカシングレンズの出力光を検出する光検出器とを備えたことにより、屈折角の温度特性を補償することが可能になる。
【００１６】
請求項３記載の発明は、
請求項１若しくは請求項２記載の発明である分光装置において、
前記波長分散素子が、
回折格子であることにより、波長分散特性の平坦化が可能になる。
【００１７】
請求項４記載の発明は、
請求項１若しくは請求項２記載の発明である分光装置において、
前記プリズムと前記波長分散素子、或いは、前記同一屈折角の２つのプリズムと前記波長分散素子とを一体化したことにより、波長分散素子の出射角の余弦成分に起因する非線形性がプリズムの余弦成分による非線形性で補償されることになる。また、一体化することにより互いの位置の調整が不要になるので信頼性が向上する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る分光装置の一実施例を示す構成図である。図１において１，２，３，４及び５は図６と同一符号を付してあり、６はプリズム等の非線形分散補償手段である。
【００２０】
入射端１からの出力光はコリメーティングレンズ２により平行光に変換され回折格子等の波長分散素子３に入射される。回折格子等の波長分散素子３からの回折光は非線形分散補償手段６を介してフォーカシングレンズ４により集光されて光検出器５に入射される。
【００２１】
ここで、図１に示す実施例を図２を用いて説明する。図２は波長分散素子３及び非線形分散補償手段６での光路を説明する説明図であり、また、基本的な動作は図６に示す従来例と同様であるので説明は省略する。
【００２２】
式（２）を変形すると、
ｄλ＝（ｄ／ｍ）・cosθ・ｄθ      （３）
となり、光検出器５を構成する受光素子が等間隔であるとすると余弦成分（ｃｏｓθ）に起因して波長分散に不均一が生じることなる。言い換えれば、非線形性が存在する。
【００２３】
一方、屈折の式は媒質の屈折率を”ｎ1 ”及び”ｎ2 ”、入射角及び出射角を”φ”及び”ψ”とすると、
ｎ1・sinφ＝ｎ2・sinψ      （４）
となり、”φ”で微分すると、
ｎ1・cosφ・ｄφ＝ｎ2・cosψ・ｄψ      （５）
となる。
【００２４】
式（５）から分かるように屈折角もまた余弦成分に依存する。従って、波長分散素子３の出射角の余弦成分に起因する非線形性を屈折（非線形分散補償手段６）の余弦成分による非線形性で補償することが可能になる。
【００２５】
図２において波長分散素子３の入射角及び出射角を”θ1 ”及び”θ2 ”、非線形分散補償手段６の入射角及び出射角を”θ3 ”及び”θ4 ”とし、非線形分散補償手段６の屈折率を”ｎ”、波長を”λ”とすれば、
sinθ1+sinθ2＝λ／ｄ      （６）
（１／ｎ）・（ｄθ2／ｄλ）＝−ｄθ3／ｄλ      （７）
ｎ・sinθ3＝sinθ4      （８）
となる。
【００２６】
そして、式（６）から式（８）を微分して整理することにより平均波長分散が得られ、
ｄθ4／ｄλ＝cosθ3／（ｄ・cosθ2・cosθ4）      （９）
となる。
【００２７】
さらに、式（９）を変形して、
0003700464.tif 000002
となる。
【００２８】
ここで、この特性が線形であるためには、”ｄ2θ4／ｄλ2＝０”であるから、式（１０）を変形して、
0003700464.tif 000003
となる。
【００２９】
例えば、以下の条件に基づいて波長分散特性を式（９）を用いて計算すると図３に示すようになる。図３は受光素子位置に対する波長差を示す特性曲線図である。
（ａ）光検出器５の使用素子数          約１８０
（ｂ）光検出器５の素子間隔            ５０［μm］
（ｃ）フォーカシングレンズの焦点距離  １０３．５［mm］
（ｄ）使用波長範囲                    １５３２〜１５６４［nm］
（ｅ）回折格子の入射角                ３１．２２［°］
（ｆ）回折格子の出射角                ６１［°］
（ｇ）回折格子のライン数              ９００［本／ｍｍ］
（ｈ）プリズムの入射角                ３３．５６４３［°］
（ｉ）プリズムの出射角                ５６［°］
（ｊ）屈折率                          １．５
【００３０】
図３から分かるように隣接する受光素子間の波長誤差は”０．１７３〜０．１７４５”の範囲であり図９に示した従来例よりも平坦な特性になっている。
【００３１】
この結果、波長分散素子３の出射光を非線形分散補償手段６で補正することにより、波長分散素子３の出射角の余弦成分に起因する非線形性が非線形分散補償手段６の余弦成分による非線形性で補償されることになり、波長分散特性の平坦化が可能になる。
【００３２】
なお、図１に示す実施例では非線形分散補償手段６と波長分散素子３を別個に記載しているが一体化したものであっても構わない。図４はこのような波長分散素子と一体化したプリズム等の非線形分散補償手段の一例を示す構成図である。
【００３３】
図４において３ａは回折格子等の波長分散素子、７は波長分散素子３ａに一体形成されたプリズム等の非線形分散補償手段である。図４中”ＩＬ１１”に示す入射光は図４中”Ｓ００１”に示す非線形分散補償手段７の表面を透過して端面に設けられた波長分散素子３ａに入射する。波長分散素子３ａで生じた回折光は非線形分散補償手段７内を伝播して図４中”Ｓ００２”に示す表面で屈折して非線形性が補償されて図４中”ＯＬ１１”に示す出射光として出射される。
【００３４】
この場合には、波長分散素子と非線形分散補償手段とを一体化することにより互いの位置の調整が不要になるので信頼性が向上する。この場合の波長分散特性と平坦化の条件を示す式は以下の通りである。例えば、波長分散素子３ａの入射角及び出射角を”θ1’ ”及び”θ2’ ”、非線形分散補償手段７の入射角及び出射角を”θ3’ ”及び”θ4’ ”とし、非線形分散補償手段７の屈折率を”ｎ’”、波長を”λ’”とすれば
sinθ1’＋sinθ2’＝λ’／ｄ・ｎ’      （１２）
ｄθ2’／ｄλ’＝−ｄθ3’／ｄλ      （１３）
ｎ’・sinθ3’＝sinθ4’      （１４）
となる。
【００３５】
そして、式（１２）から式（１４）を微分して整理することにより平均波長分散が得られ、
0003700464.tif 000004
となる。
【００３６】
さらに、式（１５）を変形して、
0003700464.tif 000005
となる。
【００３７】
ここで、この特性が線形であるためには、”ｄ2θ4’／ｄλ’2＝０”であるから、式（１６）を変形して、
0003700464.tif 000006
となる。
【００３８】
式（１７）は屈折率”ｎ’”の影響分が違っているだけでありほぼ同一の式となるので図１に示した実施例と同様に、波長分散素子３ａの出射角の余弦成分に起因する非線形性が一体化された非線形分散補償手段７の余弦成分による非線形性で補償されることになり、波長分散特性の平坦化が可能になる。また、一体化することにより互いの位置の調整が不要になるので信頼性が向上する。
【００３９】
また、図１に示す実施例では非線形分散補償手段６として１つのプリズムを用いているが同一屈折角のプリズムを２つ用いることにより、屈折角の温度特性を補償することが可能になる。
【００４０】
図５は非線形分散補償手段として２つのプリズムを用いると共に一方に回折格子等の波長分散素子を一体化した場合を示す説明図である。図５において３ｂは回折格子等の波長分散素子、８及び９はプリズム等である２つの非線形分散補償手段である。
【００４１】
図５中”ＩＬ２１”に示す入射光は非線形分散補償手段８を透過して波長分散手段３ｂに入射され、波長分散素子３ｂで波長分散された光は回折光として再び非線形分散補償手段８を透過して図５中”Ｓ１０１”に示す表面で時計回りに屈折されて図５中”ＯＬ２１”に示す出射光となる。さらに、図５中”ＯＬ２１”に示す出射光は非線形分散補償手段９により図５中”Ｓ１０２”に示す表面で紙面反時計回りに屈折されて図５中”ＯＬ２２”に示す出射光となる。
【００４２】
すなわち、非線形分散補償手段８及び９の屈折角を同一にすれば同一平面上で相対する方向に１回づつ屈折されるため波長分散素子３ｂでの回折光と図５中”ＯＬ２１”に示す出射光との角度は同一である。
【００４３】
このため、非線形分散補償手段８及び９の温度特性により屈折角が変動しても互いにその変動分は相殺されるので、屈折角の温度特性の補償ができることになる。
【００４４】
また、波長分散素子３ｂと非線形分散補償手段８を一体化する場合には波長分散素子３ｂを非線形分散補償手段８に貼りつけても、非線形分散補償手段８に直接形成しても構わない。
【００４５】
また、図５に示す実施例では一方のプリズム８と波長分散素子３ｂを一体化しているがこれらを分離しても構わない。
【００４６】
また、波長分散素子としては通常の回折格子を例示したが、高次で用いるEchelon格子やEchelette格子であっても同様に用いることが可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１及び請求項３の発明によれば、波長分散素子の出射光をプリズムで補正することにより、波長分散素子の波長毎の出射角の余弦成分に起因する非線形性がプリズムの余弦成分による非線形性で補償されることになり、波長分散特性の平坦化が可能になる。
【００４８】
また、請求項２の発明によれば、波長分散素子からの出力光を同一平面上で相対する方向に１回づつ屈折するように同一屈折角の２つのプリズムを配置したことことにより、屈折角の温度特性を補償することが可能になる。
【００４９】
また、請求項４の発明によれば、波長分散素子とプリズム、或いは、同一屈折角の２つのプリズムとを一体化することにより、波長分散素子の波長毎の出射角の余弦成分に起因する非線形性がプリズム、或いは、同一屈折角の２つのプリズムの余弦成分による非線形性で補償されることになる。また、一体化することにより互いの位置の調整が不要になるので信頼性が向上する。
【００５０】
また、波長分散を均一にすることで、結果的に検出器上の結晶面で波長に対してビーム径をほぼ一定にすることができるので安定な光学系が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る分光装置の一実施例を示す構成図である。
【図２】波長分散素子及び非線形分散補償手段での光路を説明する説明図である。
【図３】受光素子位置に対する波長差を示す特性曲線図である。
【図４】波長分散素子と一体化した非線形分散補償手段の一例を示す構成図である。
【図５】非線形分散補償手段として２つのプリズムを用いると共に一方に波長分散素子を一体化した場合を示す説明図である。
【図６】従来の分光装置の一例を示す構成図である。
【図７】分光装置の一設計例を示す表である。
【図８】各波長に対する出射角を示す表である。
【図９】波長と波長分散との関係を示す表である。
【符号の説明】
１  入射端
２  コリメーティングレンズ
３，３ａ，３ｂ  波長分散素子
４  フォーカシングレンズ
５  光検出器
６，７，８，９  非線形分散補償手段
【図１】
0003700464.tif 000007
【図２】
0003700464.tif 000008
【図３】
0003700464.tif 000009
【図４】
0003700464.tif 000010
【図５】
0003700464.tif 000011
【図６】
0003700464.tif 000012
【図７】
0003700464.tif 000013
【図８】
0003700464.tif 000014
【図９】
0003700464.tif 000015