(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射口からの被測定光を分散素子に入射し、分散素子から出射される光を集束して複数の受光素子から成るアレイ素子に照射するように構成された分光装置と、
前記光の照射されたアレイ素子の中で出力が最大となる素子を含む４つの隣接素子の中で、連続する３つの素子ごとの出力からスポットサイズとパワーレベルを演算により求め、被測定光のパワーレベルとして前記スポットサイズの小さい方の３つの素子の出力から求められたパワーレベルを採用するようにした演算装置
を備えたことを特徴とする光スペクトラムアナライザ。
【請求項２】
入射口からの被測定光を分散素子に入射し、分散素子から出射される光を集束して複数の受光素子から成るアレイ素子に照射するように構成された分光装置と、
前記光の照射されたアレイ素子の中で出力が最大となる素子を含む４つの隣接素子の中で、連続する３つの素子ごとの出力からパワーレベルと、ビーム中心とアレイ素子の中心とのずれ量をそれぞれ求め、前記ずれ量に応じ、次の演算式によりパワーレベルを演算するように構成してなる演算装置
を備えたことを特徴とする光スペクトラムアナライザ。
（１）    ｜Δｘ｜≦α    （αは定数）  の場合
パワーレベル＝Ｐ
（２）    ｜Δｘ｜＞α    （αは定数）  の場合
0003580407.tif 000009
ただし、ｒはアレイ素子のピッチ
Ｐは一方の３つの素子の出力から求めたパワーレベル
Ｐ’は他方の３つの素子の出力から求めたパワーレベル
Δｘは一方の３つの素子におけるずれ量
Δｘ’は他方の３つの素子におけるずれ量である。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アレイ検出器を用いた光スペクトラムアナライザにおける波長確度およびパワーレベル確度の向上に関し、特に準単色光スペクトル測定における相対的なレベル確度の向上のための改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光スペクトラムアナライザは、ある有限のスリット幅すなわちスペクトル幅に存在する光パワーの平均値を示すものであった。
また、アレイ素子を用いた分光器においても各素子の出力をそのまま表示せざるを得なかった。なぜなら、被測定光のスペクトル形状は任意のものを想定しており、このスペクトル形状とアレイ素子の出力とは必ずしも１体１に対応しないからである。
したがって、アレイ素子の出力から真のスペクトル形状を推定することは困難であった。
【０００３】
これを解決するものとして、本願出願人が出願した特開平０８−２５４４６５号「光スペクトラムアナライザ」がある。これは、隣接するアレイ素子の出力をもとにして簡単な演算により該当する単色光の中心波長とトータルパワーをもとめることができるようにしたものである。
【０００４】
図４はその光スペクトラムアナライザの構成例である。スリット１１の入射口を通して入射された被測定光はコリメーティングミラー１２で平行光となり分散素子１３に入射する。分散素子１３の出射光はフォーカシングミラー１４でアレイ素子１５上に集束する。この場合、分散素子１３は固定されていて、アレイ素子１５に当たる光スポットの位置は被測定光の波長に対応して移動する。
【０００５】
駆動装置２０によりアレイ素子を駆動し、光スポットの当たったアレイ素子の出力信号を読み出し、演算装置３０において図５に示すような演算処理を行う。
なお、アレイ素子は短冊状の受光部が配列されたもので、ここでは、素子数をｎ０、素子の長さをＬ、素子の幅をｄ、素子のピッチをｒとする。
【０００６】
このような構成のアレイ素子の中で出力が最大となるｎ番目の素子の中心と、出射ビームの中心とがΔｘだけずれている場合は、各素子の出力からΔｘを求めて中心波長を求めると共に、波長を補間してトータルパワーも推定する。
【０００７】
つまり、上記のようなフォトダイオードアレイ素子を用いた分光装置で準単色光のパワーレベルを測定する場合、ピーク出力となる素子を含む３つの素子の出力から、スペクトル形状をガウス分布などに近似し、各アレイ素子の出力パターンからビーム径ωおよびトータルパワー（パワーレベル）を類推している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような光スペクトラムアナライザでは、スペクトル形状が理想的な曲線（例えばガウス分布）からずれているときは、ビーム径ω等の誤差が大きく、測定パワーレベルが変動するという課題があった。
【０００９】
つまり、ピーク出力となる素子を含む３素子の出力だけからスペクトルの形状を類推することには限界がある。特にスペクトルが素子と素子との間に近いときは、上記ずれが大きくなるという問題があった。
【００１０】
本発明の目的は、上記の課題を解決するもので、３点の素子出力からガウス分布を仮定してビーム径、パワーレベル、ビーム位置等を求める従来の手法を継承しつつ、簡単な演算により測定パワー変動が低減でき、相対パワー変動（フラットネス）も改善できる光スペクトラムアナライザを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、請求項１の本発明では、
入射口からの被測定光を分散素子に入射し、分散素子から出射される光を集束して複数の受光素子から成るアレイ素子に照射するように構成された分光装置と、
前記光の照射されたアレイ素子の中で出力が最大となる素子を含む４つの隣接素子の中で、連続する３つの素子ごとの出力からスポットサイズとパワーレベルを演算により求め、被測定光のパワーレベルとして前記スポットサイズの小さい方の３つの素子の出力から求められたパワーレベルを採用するようにした演算装置を備えたことを特徴とする。
【００１２】
スペクトル形状が理想的な曲線からずれているときはビーム径等の誤差が大きく、測定パワーレベルも変動する。連続する４つの素子の中から、連続する３つの素子ごとの出力を基にスポットサイズとパワーレベルをそれぞれ求め、２つのスポットサイズを比較してその小さい方の３素子によるパワーレベルを採用することにより、ビーム径等の誤差を小さくし、測定パワーレベルの変動を軽減することができる。
【００１３】
また、請求項２の発明では、
入射口からの被測定光を分散素子に入射し、分散素子から出射される光を集束して複数の受光素子から成るアレイ素子に照射するように構成された分光装置と、前記光の照射されたアレイ素子の中で出力が最大となる素子を含む４つの隣接素子の中で、連続する３つの素子ごとの出力からパワーレベルと、ビーム中心とアレイ素子の中心とのずれ量をそれぞれ求め、前記ずれ量に応じ、次の演算式によりパワーレベルを演算するように構成してなる演算装置
を備えたことを特徴とする。
（１）    ｜Δｘ｜≦α    （αは定数）  の場合
パワーレベル＝Ｐ
（２）    ｜Δｘ｜＞α    （αは定数）  の場合
0003580407.tif 000002
ただし、ｒはアレイ素子のピッチ
Ｐは一方の３つの素子の出力から求めたパワーレベル
Ｐ’は他方の３つの素子の出力から求めたパワーレベル
Δｘは一方の３つの素子におけるずれ量
Δｘ’は他方の３つの素子におけるずれ量である。
【００１４】
このように、ビーム中心とアレイ素子の中心とのずれ量に応じて、一方の３素子の出力で求めたパワーレベルを採用するか、または両方の３素子出力により求めたパワーレベルの加重平均を採用することにより、容易に測定パワーレベルの変動を軽減することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。本発明は図４に示す構成と同様であるが、演算装置３０の機能のみ以下に述べるように異なっている。
【００１６】
ここではガウス分布で近似する場合を例に採って説明する。通常、アレイ素子１５における出力が最大の素子と、その両隣の素子の３つの素子からの出力ＶＡ，ＶＢ，ＶＣから、元のスペクトルをガウス分布としてスポットサイズωを求め、トータルパワーを類推する。
【００１７】
スペクトルが理想的な曲線からずれているときは、ωの誤差が大きく、測定レベルは変動する。特にスペクトルのピーク位置が図１（ａ）に示すようにアレイ素子の中間に位置するとき、上記ずれは顕著になる。
【００１８】
特にスペクトルが左右非対称のときには、隣接する第４のアレイ素子出力ＶＤを用いてＶＢ，ＶＣ，ＶＤの３点で近似した方が元のスペクトルをより忠実に反映したものになることもある。
【００１９】
したがって、下記のような方法でパワーレベルを演算すると、相対的なパワーレベルの変動を軽減することができる。
（ａ）図１（ｃ）に示すように、それぞれの３点（ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ），（ＶＢ，ＶＣ，ＶＤ）で演算したスポットサイズとパワーレベル（ω，Ｐ），（ω’，Ｐ’）のうちスポットサイズが小さい方のパワーレベルを採用する（以下この方式を本発明の（ａ）の方式と呼ぶ）。
なお、スポットサイズの小さい方がパワーの集中度が高くなるため、スポットサイズが小さくなる方の系列から求めたパワーの方がより真値に近くなる。したがって、上記のように、２組のデータのうちスポットサイズが小さい方のパワーレベルを採用する。
（ｂ）スペクトルの中心と素子の中心とのずれ量Δｘに応じて、ＰとＰ’との加重平均を採用する（以下この方式を本発明の（ｂ）の方式と呼ぶ）。
【００２０】
なお、３点（例えば（ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ）の３点）からスポットサイズとパワーレベルを求める演算のアルゴリズムは、特開平０８−２５４４６５号に記載されたアルゴリズムに同じである。
【００２１】
以下そのアルゴリズムについて説明する。アレイ素子は、図２に示すように、短冊状の受光部（素子または受光素子という）が配列されたもので、いま素子の数をｎ０、素子の長さをＬ、素子の幅をｄ、素子のピッチをｒとする。このような構成のアレイ素子の中で出力が最大となるｎ番目の素子の中心と、出射ビーム（強度分布ｆ（ｘ，ｙ））の中心（ｘ＝０）とがΔｘだけずれている場合、本発明では各素子の出力Ｐｎ−２  ，Ｐｎ−１  ，Ｐｎ（ｍａｘ）  ，Ｐｎ＋１  ，・・・からΔｘを求め、波長を補間してトータルパワーを推定する。
【００２２】
ただし、前提として
（１）  被測定光のスペクトル線幅は、十分小さく（ここではレーザ光を想定している）、出射ビームの広がり（あるいは形状）は主としてレンズによる回折および入射口のパワー分布によって決まる。
（２）  アレイ素子の番号と波長とは予め対応が付けられており、アレイ素子間もΔｘによって補間できるものとする。素子番号１，・・・，ｎ−１  ，ｎ  ，ｎ＋１  ，・・・，ｎ０に対し、波長λ１，・・・λｎ−１，λｎ，λｎ＋１  ，・・・，λ０が対応し、各素子間の波長差は
λｋ−λｋ−１≒Δλ
ただし、ｋ：２〜ｎ０
とする。
【００２３】
以上の事柄を前提とすれば、図５のフローチャートに示すように、実測値
Ｐ１，・・・，Ｐｎ−１，Ｐｎ，Ｐｎ＋１，・・・，Ｐｎ０を用い、Δｘを推定し、中心波長
λ０、トータルパワーＰｔｏｔａｌを求めることができる。以下中心波長λ０  、トータルパワーＰｔｏｔａｌを求める場合の動作について説明する。
【００２４】
シングルモードファイバ入射のように、入射口での光強度分布ｇ（ξ，η）がガウス型の場合、トータルパワーを１とすれば、
ｇ（ξ，η）＝（２／πω０２）ｅｘｐ｛−２（ξ２＋η２）／ω０２｝……（１）
ただし、ω０はスポットサイズ
となる。
【００２５】
レンズ系によってビームが変換あるいは多少の回折の効果を受けても、アレイ素子上での光強度分布ｆ（ｘ，ｙ）はやはりガウス型となり、損失がないものとすれば、
ｆ（ｘ，ｙ）＝（２／πω２）ｅｘｐ｛−２（ｘ２＋ｙ２）／ω２｝……（２）
ただし、ωはスポットサイズ
となる。
【００２６】
したがって、ｋ番目の素子に照射される光パワーｐｋは、
【数１】
0003580407.tif 000003
ただし、ｘ１  ＝（ｎ−ｋ）ｒ−ｄ／２＋Δｘ
ｘ２  ＝（ｎ−ｋ）ｒ＋ｄ／２＋Δｘ
で表わされる。
【００２７】
ここで、Ｌ／２≫ωとし、積分範囲（ｙ軸）を
【数２】
0003580407.tif 000004
と置き換えることができれば、
【数３】
0003580407.tif 000005
より、
【００２８】
【数４】
0003580407.tif 000006
さらに、変数変換２１／２×（ｘ／ω）＝ｔを行えば、
【数５】
0003580407.tif 000007
ただし、ｔ１＝２１／２（１／ω）｛（ｎ−ｋ）ｒ−ｄ／２＋Δｘ｝
ｔ２＝２１／２（１／ω）｛（ｎ−ｋ）ｒ＋ｄ／２＋Δｘ｝
となる。
【００２９】
この積分は数値積分も容易であるが、補誤差関数
【数６】
0003580407.tif 000008
を用いれば、
ｐｋ＝（１／２）｛Ｅｒｆｃ（ｔ２）−Ｅｒｆｃ（ｔ１）｝
となる。
【００３０】
さて、ｐｎ＋１／ｐｎ−１の対数値すなわちｌｎ（ｐｎ＋１／ｐｎ−１）とΔｘとはほぼ直線的な関係にあるから、実測値Ｐｎ−１  ，Ｐｎ  ，Ｐｎ＋１  が得られれば、Δｘは容易に求められ、中心波長λ０およびトータルパワーＰｔｏｔａｌはそれぞれ次式で求められる。
λ０＝λｎ−Δｘ・Δλ／（ｒ／２）
Ｐｔｏｔａｌ＝Ｐｎ／ｐｎ
【００３１】
このようにして、隣接する３点（ＶＡ，ＶＢ，ＶＣ），（ＶＢ，ＶＣ，ＶＤ）のアレイ素子出力によりそれぞれスポットサイズとパワーレベルを求め、スポットサイズの小さい方のパワーレベルを採用する（本発明の（ａ）の方式）。
【００３２】
また、スペクトルの中心と素子の中心とのずれ量Δｘに応じて次のようにパワーレベルを求めるようにすることもできる（本発明の（ｂ）の方式）。
すなわち、
（１）  |Δｘ|≦α    (αは適宜の定数)  の場合
パワーレベル＝Ｐ
（２）  |Δｘ|＞α    （αは適宜の定数）の場合
パワーレベル＝Ｐ×（ｒ−｜（Δｘ＋Δｘ’）／２｜）／ｒ                    ＋Ｐ’×（｜（Δｘ＋Δｘ’）／２｜）／ｒ
ただし、ｒはアレイ素子のピッチ
Ｐは一方の３つの素子の出力から求めたパワーレベル
Ｐ’は他方の３つの素子の出力から求めたパワーレベル
Δｘは一方の３つの素子におけるずれ量
Δｘ’は他方の３つの素子におけるずれ量である。
【００３３】
図３に同一パワーのスペクトルの波長を変えて（つまりスペクトル中心と素子中心を変えて）測定した結果を示す。横軸が波長、縦軸がレベルである。実線Ａは従来方式、鎖線Ｂは本発明の（ａ）の方式、鎖線Ｃは本発明の（ｂ）の方式による場合を示す。
【００３４】
従来方式でパワーレベルが急激に変動しているところは、ビームが素子と素子の間（真中に近い）のときである。特にビームの左右非対称性が大きいときは上記変動も大となる。
しかし、本発明の（ａ），（ｂ）の方式では、上記のような不連続的変動はなくなる。更に、（ｂ）の方式では変動幅も小さくなっている（ただし、α＝１０である）。
【００３５】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形をも含むものである。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば次のような効果がある。
請求項１に記載の発明によれば、３点のアレイ素子出力から、ガウス分布を仮定して、ビーム径、パワーレベル、スペクトルの中心とアレイ素子の中心とのずれ量を求めるという従来の技法がそのまま利用でき、簡単な演算により測定パワー変動を容易に低減できる。要するに、分光器は従来の構成のままで演算装置のみの変更で、相対パワー変動（フラットネス）を改善することができる。
【００３７】
また、請求項２のように、スペクトルの中心と素子の中心とのずれ量Δｘに応じてパワーレベルを求めるようにしても、測定パワー変動を容易に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スペクトル形状とアレイ素子出力の関係を説明する図である。
【図２】アレイ素子と出射ビームの関係を示す図である。
【図３】パワーレベルの変動についての従来方式と本発明の方式との比較図である。
【図４】光スペクトラムアナライザの一実施例を示す構成図である。
【図５】中心波長およびトータルパワーを求める動作フローである。
【符号の説明】
１０  分光装置
１１  スリット
１２  コリメーティングミラー
１３  分散素子
１４  フォーカシングミラー
１５  アレイ素子
２０  駆動装置
３０  演算装置
４０  表示装置
【図１】
0003580407.tif 000010
【図２】
0003580407.tif 000011
【図３】
0003580407.tif 000012
【図４】
0003580407.tif 000013
【図５】
0003580407.tif 000014