(57)【要約】【課題】モードホップ検出を精度良く行うこと。【解決手段】波長掃引光源２０から出射された光を光干渉部３１で受け、２分岐して所定長異なる光路を伝搬させて合波し、その合波光を受光器３２に入射する。光干渉部３１で与えた光路長の差によって受光器３２の出力に現れるビート信号のスペクトラム解析をスペクトラム解析部３５で行い、モードホップ判定部３６が、スペクトラム解析で得られたビート信号のフロアノイズレベルに基づいてモードホップの有無を判定する。【選択図】図１
2014103336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
出射光の波長を所定範囲内で連続的に且つ周期的に掃引させる波長掃引光源（２０）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、
前記干渉部で合波された光を受光する受光器（３２）と、
前記波長掃引光源による波長掃引と前記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に対するスペクトラム解析を行うスペクトラム解析部（３５）と、
前記スペクトラム解析部で得られたビート信号のフロアノイズレベルに基づいて、モードホップの有無を判定するモードホップ判定部（３６）とを備えた波長掃引光源のモードホップ検出装置。
【請求項２】
出射光の波長を所定範囲内で連続的に且つ周期的に掃引させる波長掃引光源（２０）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し、その合波光を受光器に入射して、前記波長掃引光源による波長掃引と前記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に対するスペクトラム解析を行う段階と、
前記スペクトラム解析で得られたビート信号のフロアノイズレベルに基づいて、モードホップの有無を判定する段階とを含む波長掃引光源のモードホップ検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出射光の波長を連続的、且つ周期的に掃引させる波長掃引光源のモードホップを検出するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
出射光の波長を掃引させることができる光源のうち、所定波長範囲を連続的に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。
【０００３】
この外部共振型波長可変光源は、図８のように、半導体レーザ１の一端面１ａから出射された光を回折格子２に所定入射角で入射し、回折格子２から特定方向に回折された波長の光を回動ミラー３で回折格子２に反射して、半導体レーザ１に逆光路で戻す構造を有している。
【０００４】
この構造によれば、図９の（ａ）のように、半導体レーザ１の反射率の高い他端面１ｂから回動ミラー３の反射面までの光路長（共振器長）によって決まる間隔で励起される可能性のある縦モード光Ｐ（ｉ）、Ｐ（ｉ＋１）、…のうち、回折格子２への光の入射角および回折格子２に対する回動ミラー３の角度によって決まる波長選択特性Ｇのほぼ中心に入る縦モード光Ｐ（ｉ＋３）のみが選択的に励起される。そして、回動ミラー３の角度変化に伴って波長選択特性Ｇと励起モードが同一方向に連動する条件を満たすように各光学系を配置することで、回動ミラー３の往復回動に伴って出射光波長を所定範囲で連続的に掃引することができる。なお、この形式の光源では、図８に示しているように、半導体レーザ１の端面１ｂを通過した光Ｐあるいは回折格子２の０次回折光Ｐ′（点線で示す）を、外部機器への出射光として用いることになる。
【０００５】
このような構造の波長可変光源では、温度変化等に起因して各光学素子の特性が変動し、掃引中に波長選択特性Ａの変化量と励起モードの変化量とが合わなくなり、あるタイミングで、図９の（ｂ）のように、励起されるモードが光Ｐ（ｉ＋３）の波長λ（ｉ＋３）から、例えば隣のモード光Ｐ（ｉ＋４）の波長λ（ｉ＋４）にホップしてしまうことがある。これをモードホップといい、このモードホップが発生すると、λ（ｉ＋３）〜λ（ｉ＋４）の間の波長をもつ光が出力されなくなってしまう。
【０００６】
このようなモードホップは、例えば、半導体レーザ１の注入電流を加減したり、光源全体の温度制御を行うことで抑制することができるが、その抑制制御を効果的に行うためには、モードホップの発生を正しく検知するための技術が必要となる。
【０００７】
このモードホップを検知するための技術として、波長掃引光を受光器に入射してその光強度を検出し、その光強度の単位時間当たりの変化幅（時間微分）を求め、その変化幅と予め設定したしきい値とを比較し、変化幅がしきい値以上になったときに、モードホップが発生したと見なす技術が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１０−２１２４９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記方法は、モードホップの発生時の光強度変化を検出しているため、モードホップ前の光強度とモードホップ後の光強度とに識別可能な差がない条件では正しい判定が行えず、また、発生するモードホップの程度を把握することも困難であった。
【００１０】
本発明は、この問題を解決し、より精度良くモードホップを検出できる波長掃引光源のモードホップ検出装置および検出方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１の波長掃引光源のモードホップ検出装置は、
出射光の波長を所定範囲内で連続的に且つ周期的に掃引させる波長掃引光源（２０）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、
前記干渉部で合波された光を受光する受光器（３２）と、
前記波長掃引光源による波長掃引と前記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に対するスペクトラム解析を行うスペクトラム解析部（３５）と、
前記スペクトラム解析部で得られたビート信号のフロアノイズレベルに基づいて、モードホップの有無を判定するモードホップ判定部（３６）とを備えている。
【００１２】
また、本発明の請求項２の波長掃引光源のモードホップ検出方法は、
出射光の波長を所定範囲内で連続的に且つ周期的に掃引させる波長掃引光源（２０）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し、その合波光を受光器に入射して、前記波長掃引光源による波長掃引と前記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に対するスペクトラム解析を行う段階と、
前記スペクトラム解析で得られたビート信号のフロアノイズレベルに基づいて、モードホップの有無を判定する段階とを含んでいる。
【発明の効果】
【００１３】
このように、本発明では、波長掃引光源から出射された光を、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スペクトラム解析を行い、そのスペクトラム解析で得られたビート信号のフロアノイズレベルに基づいて、モードホップの有無を判定している。このビート信号のノイズフロアレベルは、モードホップによってビート信号に生じる位相変動に対応しており、例えモードホップ前とモードホップ後の光強度が同じであってもビート信号に生じる位相変動により波長掃引光源のモードホップを確実に検出することができる。また、ビート信号の位相変動は、モードホップの程度に応じて変化するので、そのノイズフロアレベルの大小により、モードホップの程度を把握することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態の構成図
【図２】本発明の実施形態の動作説明図
【図３】本発明の実施形態の動作説明図
【図４】本発明の実施形態の動作説明図
【図５】本発明の実施形態の動作説明図
【図６】本発明の別の構成例を示す図
【図７】本発明の要部の別の構成例を示す図
【図８】可変波長光源の構成例を示す図
【図９】モードホップを説明するための図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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、波長掃引光源２０から出射された掃引光を受けて、モードホップの有無を検出する実施形態のモードホップ検出装置３０の構成を示している。
【００１６】
波長掃引光源２０の構造は任意であるが、ここでは、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２２ａ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。
【００１７】
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、駆動回路２５により非接触に力を周期的に与えることで、一定周期で往復回動する。
【００１８】
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、回動ミラー２４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回動ミラー２４を一定周期で往復回動させるものでもよい。
【００１９】
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。
【００２０】
この構造の波長掃引光源２０は、前記したように、回折格子２３への光の入射角および回折格子２３に対する回動ミラー２４の角度で決まる波長選択特性を有し、半導体レーザ２２の反射率の高い他方の端面２２ｂから回動ミラー２４の反射面までの実効光路長（共振器長）で決まる波長間隔の励起モードの一つが波長選択特性の中心部にあってその波長の光が選択的に励起される。そして、回動ミラー２４の角度変化に対して波長選択特性の中心波長と励起モードとが連動するように各部が配置されていて、回動ミラー２４の角度変化に応じて連続的に出射光波長が掃引される。なお、ここでは、波長掃引光源２０の半導体レーザ２２の端面２２ｂを通過する出射光Ｐをモードホップ検出用の光として用い、回折格子２３の０次回折光Ｐ′（点線で示す）、あるいは光Ｐを図示しない分岐手段によって分岐した光等を、他の外部機器に対する出射光として用いるものとする。
【００２１】
上記構造の波長掃引光源２０の場合、前記したように、温度変化等に起因する光学素子の特性変動により、モードホップが発生する可能性がある。
【００２２】
そのモードホップを検出するためのモードホップ検出装置３０は、光干渉部３１、受光器３２、スペクトラム解析部３５およびモードホップ判定部３６を有している。
【００２３】
光干渉部３１は、波長掃引光源２０の出射光Ｐを受けて２分岐し、長さが所定長異なる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。
【００２４】
即ち、波長掃引光源２０からの出射光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Ｌ２（＞Ｌ１とする）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いる。
【００２５】
この構成の場合、カプラ３１ａの境界面での反射特性と透過特性を利用して光の分岐と合波を行っているが、合波光の一部がカプラ３１ａから波長掃引光源２０側に戻ってその動作に悪影響を与える恐れがあるが、波長掃引光源２０の半導体レーザ２２の端面２２ｂ側に設けたアイソレータ２９により、その光の波長掃引光源２０側への戻りを防いでいる。
【００２６】
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２（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。
【００２７】
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′の周波数差Δｆに等しい周波数で変化するビート信号が出力される。
【００２８】
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。
【００２９】
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)＝ω０＋２πＶ・ｔ
（ω０は初期値、Ｖは傾き）
とすると、それをΔｔ分遅延した光の角周波数は、
ω(t)＝ω０＋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＝［ω０＋２πＶ・ｔ］−［ω０＋２πＶ・（ｔ−Δｔ）］
＝２πＶΔｔ＝２πＶ・ΔＬ／ｃ
をもつビート信号が出力される。
【００３０】
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）
で表される。
【００３１】
ただし、実際の波長掃引特性は、図２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。
【００３２】
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２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２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２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。
【００３３】
なお、図２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）＝３×１０８ｍ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。
【００３４】
このように掃引中に周波数が変化するビート信号は、スペクトラム解析部３５に入力される。
【００３５】
スペクトラム解析部３５は、受光器３２の出力に現れるビート信号に対するスペクトラム解析を行うが、ビート信号の周波数は図２の（ｃ）に示しているように、波長掃引周期内で時間とともに変動するので、ここでは、Ａ／Ｄ変換器３５ａにより少なくとも波長掃引の半周期分の時間（例えば図２の時刻ｔ１〜ｔ３まで）だけビート信号をその上限周波数より十分高い周波数でサンプリングしてその波形データをメモリ３５ｂに記憶する。
【００３６】
そして、解析部３５ｃにより、この記憶された波形データを周波数がほぼ一定と見なせるような短い時間帯ずつ切り出し、各時間帯のデータに対してＦＦＴ演算処理を行い、時間帯毎のスペクトラム特性を求める。
【００３７】
ここで、モードホップが発生していない時間帯では、図３の（ａ）のように、ビート信号の周波数および振幅はほぼ一定で位相連続性を維持しているので、そのスペクトラム特性は、図３の（ｂ）のように、主スペクトラムのピークが大きく、その両サイドの所定帯域（予め設定しておく）のフロアノイズレベルの平均値ＦＮ０は低い。なお、ここでフロアノイズレベルおよびその平均値は、主スペクトラムのピークレベルを基準（０ｄＢ）とする相対値とするが、絶対レベルであってもよい。
【００３８】
また、別の励起波長に一瞬だけホップして元の波長に戻るような軽度のモードホップが発生している時間帯では、図４の（ａ）のように、ビート信号に一瞬の位相変化に伴うスパイク状の変化が現れるので、そのスペクトラム特性は、図４の（ｂ）のように、図３の状態に比べて、主スペクトラムのピークがやや下がり、その両サイドのフロアノイズレベルの平均値ＦＮ１はＦＮ０より高くなる。
【００３９】
また、別の励起波長に完全にホップしてしまうようなモードホップが発生している時間帯では、図５の（ａ）のように、ビート信号の位相が不連続に変化するので、そのスペクトラム特性は、図５の（ｂ）のように、図４の状態に比べて、主スペクトラムのピークがさらに下がり、その両サイドのフロアノイズレベルの平均値ＦＮ２はＦＮ１よりさらに高くなる。
【００４０】
このように、モードホップの発生状態に応じてフロアノイズレベルが変化するので、このフロアノイズレベルを監視すれば、モードホップの有無や程度を把握することができる。
【００４１】
モードホップ判定部３６は、スペクトラム解析部３５で得られた時間帯毎のスペクトラム特性のフロアノイズレベルを監視し、モードホップが無い状態における各時間帯毎の基準のフロアノイズレベル等と現在のフロアノイズレベルとを比較してモードホップの有無を判定する。
【００４２】
ここで、単純にモードホップの有無だけを判定する場合には、予め半導体レーザ２２に対する注入電流を可変して人為的にモードホップを発生させ、上記図３と図４の状態におけるフロアノイズレベルＦＮ０、ＦＮ１の中間の値を有無判定用のしきい値とすればよい。
【００４３】
また、モードホップの有無だけでなくその程度（頻度）を判定する場合には、例えばフロアノイズレベルＦＮ０、ＦＮ１の中間値Ｒ１（有無判定用でもある）およびフロアノイズレベルＦＮ１、ＦＮ２の中間値Ｒ２を判定用のしきい値とし、しきい値Ｒ１以下であれば「モードホップ無し」、Ｒ１以上Ｒ２未満であれば「モードホップ小」、しきい値Ｒ２以上であれば「モードホップ大」と判定すればよい。
【００４４】
このモードホップ判定部３６による判定結果は、例えば表示部４０に表示される。ユーザーは、この表示結果からモードホップの有無や程度を把握することができ、例えばモードホップが発生している場合には、この表示部４０にモードホップ発生無しと表示されるように半導体レーザ２２への注入電流を調整する。
【００４５】
なお、この実施形態では、波長掃引光源２０に外付けして、そのモードホップの有無や程度を表示する構成のモードホップ検出装置３０の例を示したが、図６のように、上記モードホップ検出装置３０の機能を波長掃引光源２０′に内蔵し、モードホップ判定部３６の判定結果に応じて半導体レーザ２２の注入電流を可変制御して、モードホップの発生を抑制する制御部５０を設けてもよい。
【００４６】
また、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、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７のように、カプラ３１ａ（ビームスプリッタ）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。
【符号の説明】
【００４７】
２０……波長掃引光源、２２……半導体レーザ、２３……回折格子、２４……回動ミラー、２５……駆動回路、３０……モードホップ検出装置、３１……光干渉部、３２……受光器、３５……スペクトラム解析部、３６……モードホップ判定部、４０……表示部、５０……制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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