(57)【要約】本発明は、回折格子のような波長分散手段を用いて、多波長光信号と基準信号とを、波長により、所定の相対的配置をもつスペクトルアレイにおける多数のスペクトルチャネルと基準スペクトル成分とに空間的に分離する新規な方法及び装置を提供する。基準スペクトル成分を所定の位置に位置合わせすることにより、スペクトルチャネルは、同時に、例えば、スペクトルアレイに基づいて位置させられたビーム受信素子のアレイ上のような指定された位置の上に衝突する。基準スペクトル成分を、さらに、サーボ制御により所定の位置に維持して、これによりスペクトルチャネルが指定された位置に位置合わせされた状態のまま留まるようにすることを確実にすることができる。本発明は、ＷＤＭ光通信用途のために、スペクトルパワーモニタ、及び光学マルチプレクサ／デマルチプレクサを含むサーボをベースにした光学系の新しいラインを構成するのに用いることができる。
2005527784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
多波長光信号と少なくとも１つの基準信号とを与える入力ポートと、
前記多波長信号と前記少なくとも１つの基準信号とを、波長により、所定の相対的配置を有する多数のスペクトルチャネルと少なくとも１つの基準スペクトル成分とに分離する波長分散器と、
少なくとも１つの基準波長感知素子と複数のビーム受信素子とを含み、前記少なくとも１つの基準スペクトル成分と前記スペクトルチャネルとをそれぞれ受け取るように位置させられたビーム受信アレイと、
前記スペクトルアレイと前記ビーム受信アレイとの間のアラインメントを調整して、前記少なくとも１つの基準スペクトル成分が前記少なくとも１つの基準波長感知素子上の所定の位置に位置合わせされることを可能にする第１のアラインメント調整素子と、
を備えることを特徴とする光学機器。
【請求項２】
前記第１のアラインメント調整素子が、前記ビーム受信アレイに連結された作動装置を備えて、前記ビーム受信アレイを移動させるようになった請求項１に記載の光学機器。
【請求項３】
前記第１のアラインメント調整素子が、前記ビーム合焦器に連結された作動装置を備えて、前記ビーム合焦器を移動させるようになった請求項１に記載の光学機器。
【請求項４】
前記少なくとも１つの基準信号が、第１及び第２の基準スペクトル成分のそれぞれを有する第１及び第２の基準信号を含み、前記第１のアラインメント調整素子が、前記第１の基準スペクトル成分が前記第１の基準波長感知素子上の第１の所定の位置に位置合わせされることを可能にするようにされ、前記第２の基準スペクトル成分が、前記第２の基準波長感知素子上の第２の所定の位置に位置合わせされることを可能にするようにされた請求項１に記載の光学機器。
【請求項５】
前記第１のアラインメント調整素子と処理素子とを含むサーボ制御装置をさらに備え、前記処理素子が、前記少なくとも１つの基準波長感知素子上への前記少なくとも１つの基準スペクトル成分の衝突位置を監視して、これに応じて前記第１のアラインメント調整素子の制御をもたらし、これにより、前記少なくとも１つの基準スペクトル成分が前記少なくとも１つの基準波長感知素子上の前記所定の位置に位置合わせされた状態で留まることが確実になった請求項１に記載の光学機器。
【請求項６】
前記サーボ制御装置が、前記スペクトルアレイのピッチを調整する第２のアラインメント調整素子をさらに備え、前記第２のアラインメント調整素子が、前記処理素子と通信状態にある請求項５に記載の光学機器。
【請求項７】
前記第２のアラインメント調整素子が、前記入力ポート及び前記波長分散器と光通信状態にあるステアリング・ミラーを備えて、前記多波長光信号と前記少なくとも１つの基準信号とのアラインメントを調整するようになった請求項６に記載の光学機器。
【請求項８】
前記第２のアラインメント調整素子が、前記波長分散器に連結される作動装置を備えて、前記波長分散器を回転させるようになった請求項６に記載の光学機器。
【請求項９】
前記少なくとも１つの基準波長感知素子が、位置敏感検出器、分割検出器、及び象限検出器からなる群から選択された素子を備えた請求項１に記載の光学機器。
【請求項１０】
前記波長分散器が、規則化された回折格子、ホログラフィック回折格子、エシェル格子、湾曲回折格子、透過型回折格子、及び分散プリズムからなる群から選択された素子を備えた請求項１に記載の光学機器。
【請求項１１】
前記入力ポートが、入力光ファイバに連結されたファイバコリメータを備え、前記光学機器が、少なくとも１つの基準光源を前記入力光ファイバに連結するための少なくとも１つの光学コンバイナをさらに備え、前記入力光ファイバが前記多波長光信号を送り、前記少なくとも１つの基準光源が前記少なくとも１つの基準信号をもたらすようになった請求項１に記載の光学機器。
【請求項１２】
前記ビーム受信素子が光学的パワーセンサを備えた請求項１に記載の光学機器。
【請求項１３】
前記ビーム受信素子がマイクロミラーを備えた請求項１に記載の光学機器。
【請求項１４】
前記ビーム受信素子が光ファイバを備えた請求項１に記載の光学機器。
【請求項１５】
前記入力ポート及び前記波長分散器と光通信状態にある偏光分離素子と偏光回転素子とをさらに備え、前記偏光分離素子が前記多波長光信号と前記前記基準信号とを第１及び第２の偏光成分に分解し、前記第１の偏光回転素子が前記第２の偏光成分の偏光を９０度だけ回転するようになった請求項１に記載の光学機器。
【請求項１６】
前記偏光分離素子が、偏光ビームスプリッタ及び複屈折ビームディスプレーサからなる群から選択された素子を備えた請求項１５に記載の光学機器。
【請求項１７】
前記偏光回転素子が、２分の１波長板、液晶回転子、及びファラデー回転子からなる群から選択された素子を備えた請求項１５に記載の光学機器。
【請求項１８】
前記波長分散器及び前記光学的パワーセンサと光通信状態にある補助偏光回転素子をさらに備え、前記第１の偏光成分から生じる分散光ビームの各々が偏光において９０度の回転を受けるようになった請求項１５に記載の光学機器。
【請求項１９】
前記補助偏光回転素子が、２分の１波長板、ファラデー回転子、及び液晶回転子からなる群から選択された素子を備えた請求項１８に記載の光学機器。
【請求項２０】
前記スペクトルチャネルを前記少なくとも１つの基準スペクトル成分と併せて、所定の相対的配置をもつスペクトルアレイにおける対応する焦点スポットに合焦するビーム合焦器をさらに備えた請求項１に記載の光学機器。
【請求項２１】
前記ビーム合焦器が少なくとも１つの合焦レンズを備えた請求項２０に記載の光学機器。
【請求項２２】
多波長の光信号と基準信号とを与える入力ポートと、
前記多波長信号と前記基準信号とを、波長により、所定の相対的配置を有する多数のスペクトルチャネルと基準スペクトル成分とに分離する波長分散器と、
前記スペクトル成分を受け取るための基準位置感知素子と、前記スペクトルチャネルを受け取るための複数のチャネル感知素子とを含む光学的パワーセンサのアレイと、
前記スペクトルチャネルと前記基準スペクトル成分及び処理素子とのアラインメントを調整するためのアラインメント調整素子を含むアラインメント補償装置と、
を備えた光学機器であって、
前記処理素子が、前記基準位置感知素子上への前記基準スペクトル成分の衝突位置を監視し、これに応じて前記アラインメント調整素子の制御をもたらして、前記基準スペクトル成分を前記基準位置感知素子上の所定の位置に維持するようにし、これにより前記スペクトルチャネルと前記チャネル感知素子との間に特定のアラインメントが確実になったことを特徴とする光学機器。
【請求項２３】
信号プロセッサをさらに備えて、前記チャネル感知素子上に衝突する前記スペクトルチャネルの出力レベルを、前記チャネル感知素子により生成された出力信号から引き出すようになった請求項２２に記載の光学機器。
【請求項２４】
前記信号プロセッサが、前記出力信号を前記出力レベルに関連付ける所定の転換マトリクスを含むようになった請求項２３に記載の光学機器。
【請求項２５】
前記アラインメント補償装置が、各々が前記基準スペクトル成分の特定の衝突位置に対応する複数の転換マトリクスを含む所定の較正表をさらに含み、これにより、検出された前記基準スペクトル成分の各々の衝突位置に対して、前記アラインメント補償装置が前記チャネル感知素子からの出力信号と前記チャネル感知素子上に衝突する前記スペクトルチャネルの出力レベルを関連付ける前記較正表から対応する転換マトリクスを参照するようになった請求項２２に記載の光学機器。
【請求項２６】
前記アラインメント調整素子が前記光学的パワーセンサに連結された作動装置を備えて、前記光学的パワーセンサのアレイを移動させるようになった請求項２２に記載の光学機器。
【請求項２７】
前記スペクトルチャネル及び前記基準スペクトル成分を、対応する焦点スポットに合焦させて前記光学的パワーセンサ上に衝突させるようにするためのビーム合焦器をさらに備え、前記アラインメント調整素子が前記ビーム合焦器に連結された作動装置を備えて、前記ビーム合焦器を移動させるようになった請求項２２に記載の光学機器。
【請求項２８】
前記光学的パワーセンサのアレイがフォトダイオードアレイを備えた請求項２２に記載の光学機器。
【請求項２９】
各々のチャネル感知素子が前記スペクトルチャネルの分離された１つを受け取るようになった請求項２８に記載の光学機器。
【請求項３０】
前記フォトダイオードアレイが連続する全体的光応答関数をもった請求項２８に記載の光学機器。
【請求項３１】
前記基準位置感知素子が、前記フォトダイオードアレイにおいて２つの隣接するチャネル感知素子を備えた請求項３０に記載の光学機器。
【請求項３２】
前記波長分散器が、規則化された回折格子、ホログラフィック回折格子、エシェル格子、湾曲回折格子、透過型回折格子、及び分散プリズムからなる群から選択された素子を備えた請求項２２に記載の光学機器。
【請求項３３】
ビーム合焦器をさらに備え、前記スペクトルチャネルと前記基準スペクトル成分とを対応する焦点スポットに合焦させるようになった請求項２２に記載の光学機器。
【請求項３４】
前記入力ポート及び前記波長分散器と光通信状態にある偏光分離素子と偏光回転素子とをさらに備え、前記偏光分離素子が、前記偏光分離素子が前記多波長光信号と前記前記基準信号とを第１及び第２の偏光成分に分解し、前記第１の偏光回転素子が前記第２の偏光成分の偏光を９０度だけ回転するようになった請求項２２に記載の光学機器。
【請求項３５】
前記偏光分離素子が偏光ビームスプリッタ及び複屈折ビームディスプレーサからなる群から選択された素子を備えた請求項３４に記載の光学機器。
【請求項３６】
前記偏光回転素子が、２分の１波長板、液晶回転子、及びファラデー回転子からなる群から選択された素子を備えた請求項３４に記載の光学機器。
【請求項３７】
前記波長分散器及び前記光学的パワーセンサと光通信状態にある補助偏光回転素子をさらに備え、前記第１の偏光成分から生じる分散光ビームの各々が偏光において９０度の回転を受けるようになった請求項３４に記載の光学機器。
【請求項３８】
前記補助偏光回転素子が、２分の１波長板、ファラデー回転子、及び液晶回転子からなる群から選択された素子を備えた請求項３７に記載の光学機器。
【請求項３９】
多波長光信号を与える入力ポートと、
前記多波長光信号を第１及び第２の偏光成分に分解する偏光分離素子と、
前記第２の偏光成分の偏光をおおよそ９０度だけ回転させる偏光回転素子と、
前記第１及び第２の偏光成分を、波長により、第１及び第２のそれぞれの光ビームの組に分離する波長分散器と、
前記第１及び第２の光ビームの組を受け取るように位置させられた光学的パワーセンサのアレイと、
前記第１及び第２の光ビームの組が前記光学的パワーセンサのアレイ上に衝突する前に、該第１及び第２の光ビームの組を変調するようにされた変調組立体と、
を備えることを特徴とする光学機器。
【請求項４０】
補助偏光回転素子をさらに備え、前記第１及び第２の光ビームの組が、前記光学的パワーセンサのアレイ上に衝突すると２つの直交方向に偏光されるようになる請求項３９に記載の光学機器。
【請求項４１】
前記補助偏光回転素子が、前記波長分散器と前記光学的パワーセンサのアレイとの間に配設された請求項４０に記載の光学機器。
【請求項４２】
前記補助偏光回転素子が、前記第２の光ビームの組がおおよそ９０度の偏光の回転を受けるように構成された請求項４１に記載の光学機器。
【請求項４３】
前記補助偏光回転素子が、前記第１の光ビームの組がおおよそ９０度の偏光の回転を受けるように構成された請求項４１に記載の光学機器。
【請求項４４】
前記補助偏光回転素子が、２分の１波長板、ファラデー回転子、及び液晶回転子からなる群から選択された素子を備えた請求項４１に記載の光学機器。
【請求項４５】
前記偏光回転素子が、偏光ビームスプリッタ及び複屈折ビームディスプレーサからなる群から選択された素子を備えた請求項３９に記載の光学機器。
【請求項４６】
前記偏光回転素子が、２分の１波長板、ファラデー回転子、及び液晶回転子からなる群から選択された素子を備えた請求項３９に記載の光学機器。
【請求項４７】
前記光学的パワーセンサのアレイがフォトダイオードアレイを備えた請求項３９に記載の光学機器。
【請求項４８】
前記波長分散器が、規則化された回折格子、ホログラフィック回折格子、エシェル格子、湾曲回折格子、透過型回折格子、及び分散プリズムからなる群から選択された素子を備えた請求項３９に記載の光学機器。
【請求項４９】
前記第１及び第２の光ビームの組を対応する焦点スポットに合焦するためにビーム合焦器をさらに備えた請求項３９に記載の光学機器。
【請求項５０】
前記変調組立体が、前記第１及び第２の光ビームの組を、時分割多重シーケンスで、前記光学的パワーセンサのアレイ上に衝突させるようにされた請求項３９に記載の光学機器。
【請求項５１】
前記変調組立体が第１及び第２のシャッタ素子を備えた請求項５０に記載の光学機器。
【請求項５２】
前記第１のシャッタ素子が液晶ベースのシャッタ素子及びＭＥＭＳベースのシャッタ素子からなる群から選択された素子を備えた請求項５１に記載の光学機器。
【請求項５３】
前記第２のシャッタ素子が液晶ベースのシャッタ素子及びＭＥＭＳベースのシャッタ素子からなる群から選択された素子を備えた請求項５１に記載の光学機器。
【請求項５４】
前記第１及び第２のシャッタ素子と通信状態にある制御装置をさらに備えた請求項５１に記載の光学機器。
【請求項５５】
前記変調組立体が、前記第１及び第２の光ビームの組が前記光学的パワーセンサのアレイ上に衝突すると、該第１及び第２の光ビームの組が区別できるディザ変調信号を運ぶようにされた第１及び第２の変調素子を備えた請求項３９に記載の光学機器。
【請求項５６】
前記第１の変調素子及び前記第２の変調素子の少なくとも１つが電気光学輝度変調器を備えた請求項５５に記載の光学機器。
【請求項５７】
前記第１及び第２の変調素子と通信状態にある制御装置をさらに備えた請求項５５に記載の光学機器。
【請求項５８】
前記ディザ変調信号を検出するように構成された同期検波装置をさらに備えた請求項５５に記載の光学機器。
【請求項５９】
前記変調組立体が光ビームチョッパを備えた請求項３９に記載の光学機器。
【請求項６０】
前記変調組立体が前記偏光分離素子と併せて前記偏光回転素子及び前記波長分散器と光通信状態にあり、これにより、前記第１及び第２の偏光成分が制御されるようになった請求項３９に記載の光学機器。
【請求項６１】
前記変調組立体が前記波長分散器及び前記光学的パワーセンサのアレイと光通信状態であって、前記第１及び第２の光ビームの組が制御されるようになった請求項３９に記載の光学機器。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２００１年９月２０に出願された米国特許出願番号第０９／９６１，５６５号、米国特許出願番号第０９／９６１，５６５号の一部継続出願である米国特許出願番号第０９／９９２，７７８号、及び米国特許出願番号第０９／９９２，７７８号の一部継続出願である米国特許出願番号第１０／０２２，３０３号に基づく優先権を主張するものである。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、一般に、光学系に関する。より具体的には、アラインメント補償及び偏光分散方式を有する波長切り換え及びスペクトルパワー監視用途のための自由空間光学系に関する。本発明は、ＷＤＭ光通信用途に良好に適しており、ハードウェア及び／又はソフトウェア制御を用いることにより能動的に位置合わせすることができ、さらに偏光分散方式を用いることができる、スペクトルパワーモニタ、マルチプレクサ及びデマルチプレクサ、及び光学的追加・削除型マルチプレクサのような種々の光学装置を構成するのに用いることができる。
【０００３】
（背景技術）
すべてが光学的に構成された通信ネットワークがますます普及して来ているため、光通信機器メーカーにとっての課題は、頑強で、多機能性をもち、かつ費用効果のある光学部品及びサブシステムを提供することになっている。
現代の光通信ネットワークは、一般に、異なる光学的波長を用いることにより、多数の情報（又はデータ）チャネルを同時に光ファイバ上に送ることを可能にし、これにより該ファイバの情報帯域幅を大幅に高めるようにする波長分割多重方式（ＷＤＭ）を用いる。ＷＤＭの普及は、これらのスペクトルチャネルを、スペクトルモニタの場合におけるように、光学的パワーセンサのアレイにより別々に検出することができるか、光学的マルチプレクサ／デマルチプレクサの場合におけるように、入力／出力ポート（例えば、光ファイバ）のアレイの中に向けることができるか、又は、所定の方式に基づいてマイクロミラーのアレイにより動的に導くことができるように、波長により、多波長光信号をスペクトルチャネルの空間的なアレイに分離することができる光学系のラインについて特定の必要性を課す。このような光学系においては、スペクトルチャネルと指定されたビーム受信装置（すなわち、光学的パワーセンサ又はマイクロミラー）との間に必要なアラインメントが、作動中に維持され、かつ熱的及び機械的障害のような環境の影響に対して頑強であることが必須である。
しかしながら、当業者による通常の光学装置は、典型的には、厳しい製作公差及び組立中に骨の折れるアラインメントを要求する正確なアラインメントを用いるものであり、これらの装置を高価格にし、大きさ及び作動を非能率的なものにする。さらに、作動中に、必要なアラインメントを維持するために如何なる備えもなされておらず、熱的及び機械的障害のような環境の影響に起因するアラインメントの変化を克服する如何なる機構も設けられていない。全体的に、これらの欠点は、従来の光学装置を特徴的に高価格にし、大きさ及び作動を非能率的なものにし、及び性能が劣化しやすいものにする。
【０００４】
高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）もまた、高い帯域幅（又は容量）の要求を受けて、光通信ネットワークにおいて普及している。ＤＷＤＭ技術の配備と併せて、光学的スペクトル（又はチャネル）パワーモニタを含む新世代の光学部品及びサブシステムについての必要性が出てきた。これらの新しい光学的スペクトルパワーモニタに対する特に望ましい特徴は、ますます狭い周波数間隔（例えば、５０又は２５ＧＨｚ）をもつ広いスペクトル範囲（例えば、Ｃ又はＬ帯域）を占める多数のスペクトルチャネルを分解する能力である。これらの光学的パワーモニタはさらに、応答時間が迅速であり、性能が頑強であり、かつ費用効果のある構成であることが望ましい。
通常のスペクトルパワーモニタは、典型的には、回折格子が、波長により、多波長光信号をスペクトルチャネルの空間的なアレイに分離して、光学的パワーセンサのアレイ上に衝突するようにするアーキテクチャを利用するものである。光学的パワーセンサによりこのように生成された電気信号を検出することにより、多波長光信号の光学的パワースペクトルを引き出すことができる。このようなシステムにおいて高められたスペクトル分解能をもたらすために、十分な分散能力をもつ回折格子が必要とされる。しかしながら、当業者に一般に周知の高分散回折格子（例えば、ホログラフィック格子）は、特徴的に偏光感性であり、これらを、上述のアーキテクチャを用いる光学的スペクトルパワーモニタには合わないものにする。
上記を考慮して、当業者において作動中に能動的に制御することができる光学的アラインメントを有する、及び／又は、単純で、頑強で、かつ費用効果のある構成で偏光感性を減らす、及び／又は排除する偏光分散方式を用いることができる光学装置の新しいラインを提供することが望ましくかつ大幅な進歩となる。
【０００５】
（発明の開示）
本発明は、能動的アラインメント補償及び偏光分散方式を用いる光学系を提供する。本発明は、ＷＤＭ及びＤＷＤＭ光通信用途に良好に適しており、ハードウェア及び／又はソフトウェア制御を用いることにより能動的に位置合わせすることができ、及び／又は偏光分散方式を用いることができる、スペクトルパワーモニタ、マルチプレクサ／デマルチプレクサ、及び光学的追加・削除型マルチプレクサのような光学装置を含むことができる。
一実施形態においては、本発明は、光学系におけるサーボをベースにしたスペクトルアレイのアラインメントについての方法及び装置を提供する。本発明の本実施形態の光学機器は、多波長光信号を基準信号と併せて与える入力ポートと、該多波長信号と該基準信号とを、波長により、所定の相対的配置を有する多数のスペクトルチャネルと基準スペクトル成分とに空間的に分離する波長分散器と、基準波長感知素子と複数のビーム受信素子とを含み、該基準スペクトル成分及び該スペクトルチャネルの対応するものを受け取るように位置させられたビーム受信アレイと、該基準スペクトル成分を該基準波長感知素子上の所定の位置に維持して、これにより該スペクトルチャネルと該ビーム受信素子との間に特定のアラインメントを確実にするサーボ制御装置とを備える。
本発明においては、「スペクトルチャネル」は、区別できる中心波長及び関連する帯域幅により特徴付けられ、ＷＤＭ光通信用途におけるように、独特な情報信号を運ぶことができる。「基準信号」（及び対応する「基準スペクトル成分」）は、一般的に、考慮中のいずれのスペクトルチャネルの波長とも実質的には重ならない明確な（かつ安定した）中心波長をもつあらゆる光信号のことをいう。さらに、「基準信号」（又は「基準スペクトル成分」）及び「較正信号」（又は「較正スペクトル成分」）という用語は、本明細書においては互換的に用いることができる。
【０００６】
本発明におけるビーム受信素子は、少なくとも１つのスペクトルチャネルと対応する光学素子のいずれかを具現するものとして広く解釈されるものとする。一例として、ビーム受信素子は、光学的パワーセンサ、光ファイバ、マイクロミラー、合焦レンズ、又は光変調器とすることができる。ビーム受信素子は、スペクトルチャネルと１対１の対応関係になるように構成することができる。ビーム受信素子は、さらに、該ビーム受信素子のサブセットの各々が、複数のスペクトルチャネルと対応するように構成することができる。
本発明のスペクトルパワー監視装置においては、光学的感知アレイ（すなわち、フォトダイオードアレイ）は、該フォトダイオードアレイ上に衝突するスペクトルチャネルの出力レベルを、較正から取得することができる所定の転換マトリクスによりこのように生成された電気信号と関連付けることができるように構成することができる。さらに、光学的感知アレイにおける選択された２つ（又はそれ以上）の隣接するチャネル感知素子は、基準位置感知素子を与えるように用いることができる。
本発明の一実施形態においては、アラインメント補償装置はサーボをベースにするものであり、一形態においては、スペクトルチャネル、基準スペクトル成分、及び処理素子のアラインメントを調整するアラインメント調整素子を含むことができる。アラインメント調整素子は、光学的感知アレイを移動させるようにするために該光学的感知アレイに連結されて、これによりスペクトルアレイと下にある該光学的感知アレイとの間の相対的なアラインメントを調整するようにする作動装置とすることができる。処理素子は、基準位置感知素子上への基準スペクトル成分のリアルタイムの衝突位置を監視して、これに応じてアラインメント調整素子の制御をもたらすように働く。アラインメント補償装置は、サーボ制御により基準スペクトル成分を基準位置感知素子上の所定の位置に維持し、これによりスペクトルアレイと下にある光学的感知アレイとの間に必要なアラインメントを確実にする。このようなサーボをベースにしたアラインメント補償装置は、本発明のスペクトルパワー監視装置が、作動中に生じることがあるアラインメントにおける如何なる変化（例えば、熱的及び機械的障害のような環境の影響による）をも能動的に修正することを可能にし、これにより、該装置の頑強性が高められる。このようなサーボをベースにしたアラインメント補償装置を用いることによる付加的な利点は、初期組立中の製作公差及び精度の緩和に現れて、本発明のスペクトルパワー監視装置の構成をより単純で費用効果のあるものにする。
【０００７】
アラインメント調整素子は、或いは、入力多波長光信号と基準信号とのアラインメントを調整するための入力ポート及び波長分散器と光通信状態にある動的に調整可能なミラーのようなビームステアリング装置とすることができる。アラインメント調整素子はさらに、波長分散器を移動させる（例えば、回転させる）ために、該波長分散器と連結され、これによりスペクトルチャネルと基準スペクトル成分とのアラインメントを調整するようにする作動装置とすることができる。合焦レンズが本発明の光学機器におけるビーム合焦器として用いられる場合には、アラインメント調整素子はさらに、ビーム受信アレイ上へのスペクトルチャネルと基準スペクトル成分との衝突位置を制御するために合焦レンズに連結された適切な作動装置の形態とすることができる。
さらに、本発明の光学機器は、１つ又はそれ以上の補助基準信号を対応する補助基準波長感知素子と併せて用いて、基準スペクトル成分の前述の機能を相補するようにすることができる。したがって、サーボ制御装置は、上述のようなアラインメント調整方法の組み合わせを利用して、スペクトルアレイの位置並びにピッチを能動的に制御して、これによりスペクトルチャネルとそれぞれのビーム受信素子との間のより頑強なアラインメントが確実になる。
本発明の代替的な実施形態においては、アラインメント補償装置はソフトウェアをベースにするものであり、光学的感知アレイと通信状態にある信号プロセッサの形態とすることができる。アラインメント補償装置は、各々が光学的感知アレイから出力された電気信号を、基準スペクトル成分の特定の衝突位置における衝突スペクトルチャネルの出力レベルと関連付ける複数の転換マトリクスを含む所定の較正表を含む。アラインメント補償装置は、基準位置感知素子上への基準スペクトル成分のリアルタイムの衝突位置を監視する。このように検出された基準スペクトル成分の各々の衝突位置において、アラインメント補償装置は、光学的感知アレイ上に衝突するスペクトルチャネルにより生成された電気信号をもち、較正表から対応する転換マトリクスを参照し、これにより該スペクトルチャネルの出力レベルが与えられる。このように構成されたスペクトルパワー監視装置は、如何なる「移動する」作動手段も含むことなく、ソフトウェア制御により、作動中に生じることがあるアラインメントにおけるあらゆる変化を効率的に補償する。このことは、本発明のスペクトルパワー監視装置を、より頑強な性能をもつより単純な構成にする。
【０００８】
本発明のスペクトルパワー監視装置はさらに、システムにおける１つ又はそれ以上の偏光感性素子により課されることがある、望ましくない如何なる偏光依存性効果をも緩和するために、偏光分散方式を用いることができる。このことは、偏光分離素子（例えば、偏光ビームスプリッタ）及び偏光回転素子（例えば、２分の１波長板）を、入力ポートと波長分散器との間の光路に沿って配設することにより達成することができる。偏光分離素子は、入力多波長光信号（基準信号と併せて）を、第１及び第２の偏光成分に分解するように働き、偏光回転素子は、次いで、該第２の偏光成分の偏光を９０度だけ回転させる。例えば、波長分散器が、ｓ（又はＴＥ）偏光（ｐ偏光に対して直角）に対するより、ｐ（又はＴＭ）偏光（回折格子上の溝ラインに対して垂直）に対する方が、高い回折効率を与える回折格子により形成される場合には、前述の第１及び第２の偏光成分は、多波長光信号のｐ偏光成分及びｓ偏光成分（基準信号と併せて）のそれぞれに対応する。波長分散器は、第１及び第２の偏光成分のそれぞれを、波長により、第１及び第２の光ビームの組に分離して、これらは次いで光学的感知アレイ上に衝突する。各々のスペクトルチャネルと関連する第１及び第２の光ビーム（２つの偏光成分から生じる）は、光学的感知アレイ上の実質的に同じ位置に衝突することになる。このような偏光分散方式は、回折効率を最大化するという利点を有し、したがって、システムの挿入損失が最小になる。
サーボ制御装置及び／又は能動的アラインメント補償ハードウェア及び／又はソフトウェアを用いることは、本発明の光学機器が、作動中の熱的又は機械的不安定性のような環境の影響によるアラインメントにおける変化を能動的に修正することを可能にし、したがって製造がより頑強になる。このような能動的補償を用いることによる付加的な利点は、初期組立中の製作公差及び精度の緩和に現れて、本発明の光学機器をより適応可能で費用効果のある構成にする。
【０００９】
本発明の一態様においては、多波長光信号のスペクトルアラインメントを実行する方法が提供される。本発明の方法は、多波長光信号を基準信号と組み合わせ、該多波長基準信号と該基準信号を、波長により、所定の相対的配置を有する多数のスペクトルチャネルと基準スペクトル成分とに空間的に分離し、該基準スペクトル成分を所定の位置における基準スペクトル成分に衝突させて、該スペクトルチャネルが所定の相対的配置に基づく指定された位置上に衝突するようにし、サーボ制御により、該基準スペクトル成分を所定の位置に維持し、これにより該スペクトルチャネルが指定された位置に位置合わせされた状態のまま留まることを確実にするものである。
本発明の前述の方法においては、サーボ制御機構は、基準スペクトル成分のリアルタイムの衝突位置を監視し、これに応じて、該基準スペクトル成分とスペクトルチャネルとのアラインメントを調整して、該基準スペクトル成分の衝突位置を所定の位置に維持し、該スペクトルチャネルをそれぞれの指定された位置に維持することにより達成することができる。
本発明の方法はさらに、スペクトルチャネルを基準スペクトル成分と併せて対応する焦点スポットに合焦するステップをさらに含むことができる。さらに、指定された位置におけるスペクトルチャネルを光学的に検出して、検出されたスペクトルチャネルのパワースペクトルを与えるようにするステップ、スペクトルチャネルの方向を変えて、所定の方式に基づいて該スペクトルチャネルを動的に導くようにするステップ、又は該スペクトルチャネルの１つ又はそれ以上の特性を変調するステップを含むことができる。
【００１０】
本発明の一態様においては、スペクトルパワー監視においてソフトウェアをベースにしたアラインメント補償を用いる方法が提供される。この方法は、基準信号をもつ多波長光信号を与え、波長により、該多波長光信号と該基準信号とを、所定の相対的配置を有する多数のスペクトルチャネル成分と基準スペクトル成分とに空間的に分離し、該基準スペクトル成分及び該スペクトルチャネルを光学的パワーセンサのアレイ上に衝突させて、該基準スペクトル成分の衝突位置を求め、該光学的パワーセンサのアレイからの出力信号を、該出力センサのアレイ上に衝突する該スペクトルチャネルの出力レベルと関連させる所定の較正表から対応する転換マトリクスを参照し、これにより多波長光信号のパワースペクトルを与える、というステップを含む。
本発明の別の態様においては、偏光分散方式を用いることによるスペクトルパワー監視装置が提供される。本発明の光学的スペクトルパワー監視装置は、多波長光信号のための入力ポートと、該多波長光信号を第１及び第２偏光成分に分解する偏光分離素子と、該第２の偏光成分の偏光を９０度だけ回転させる偏光回転素子と、該第１及び第２偏光成分のそれぞれを、波長により、第１及び第２の光ビームの組に分離する波長分散器と、該第１及び第２の光ビームの組を受け取るように位置させられた光学的パワーセンサ（ここでは「光学的感知アレイ」と呼ばれる）とを備える。
【００１１】
同じ波長と関連する第１及び第２の光ビームがほぼ同じ位置で（又は同じ光学的パワーセンサ内で）衝突するように望まれる状況においては、補助偏光回転素子を実装して、第１及び第２の光ビームの組が光学的感知アレイ上に衝突すると２つの直交方向に偏光されるようにすることができる。このことは、光ビームの空間的重なりにより生じることがある如何なる輝度干渉をも排除する。補助偏光回転素子は、波長分散器と光学的感知アレイとの間に配設して、第１及び第２の光ビームの組のいずれかが、光学的感知アレイ上に衝突する前に、偏光を９０度回転することができる。
或いは、本発明において変調組立体を用いて、第１及び第２の光ビームの組が光学的感知アレイ上に衝突する前に、該第１及び第２の光ビームの組を変調するようにすることができる。第１及び第２の光ビームの組は、時分割多重シーケンスにおいて、光学的感知アレイに到達するように変調することができる。第１及び第２の光ビームの組を、或いは、周波数分割多重様式で変調して、光学的感知アレイ上に衝突する該第１及び第２の光ビームの組が区別できる「ディザ」変調信号を運ぶようにすることができる。いずれの場合においても、このような変調組立体は、第１及び第２の光ビームの組を別々に検出できるようにし、これにより入力多波長光信号における各々の直交偏光成分と関連する光学的パワースペクトル（波長の関数としての光出力レベル）を独立して引き出すことができる。変調組立体は、偏光回転素子をもつ偏光分離素子と波長分散器との間の光路に沿って配設することができ、これにより第１及び第２の偏光成分が制御される。或いは、波長分散器と光学的感知アレイとの間に実装して、第１及び第２の光ビームの組を制御することができる。
【００１２】
変調組立体は、液晶シャッタ素子、ＭＥＭＳ（マイクロ電子機械システム）シャッタ素子、又は当業者に周知の電子光学輝度変調素子を含むことができる。変調組立体はさらに、区別できる変調を２つの入射光信号に導くように構成された光ビームチョッパ（例えば、少なくとも１つの孔が装備された回転ディスク）により形成することができる。
上述の偏光分散方式を用いることは、本発明の光学的スペクトルパワー監視装置が、（例えば、一般に当業者により利用可能な高分散回折格子を有利に利用することにより）単純で費用効果のある構成において高められたスペクトル分解能を与えながら、挿入損失を最小にすることを可能にする。さらに、第１及び第２の光ビームの組が光学的感知アレイ上に衝突する前に、区別できる変調を該第１及び第２の光ビームの組に導くことにより、入力多波長光信号における各々の偏光成分と関連する光学的パワースペクトルを別々に求めることができ、このことは、幾つかの用途において望ましいことになる。
このように、スペクトルパワーモニタ及び光学的マルチプレクサ／デマルチプレクサを含むサーボをベースにした光学的システムの新しいラインは、挑戦が続けられている光通信用途の要求を満たすように本発明により構成することができる。
本発明の新規な特徴並びに本発明自体は、以下の図面及び詳細な説明から最も良く理解されるであろう。
【００１３】
（発明を実施するための最良の形態）
図１は、例示的なパワースペクトル、すなわち光出力Ｐのプロットを、基準スペクトル成分λc及び多数のスペクトルチャネルλ1からλNまでの波長λの関数として示す。本明細書及び特許請求の範囲においては、図１に示されるように、「スペクトルチャネル」は、区別できる中心波長（例えばλi）及び関連する帯域幅により特徴付けられる。各々のスペクトルチャネルは、ＷＤＭ光通信用途におけるように独特な情報信号を運ぶことができる。波長λcにより特徴付けられる「基準スペクトル成分」（又は「基準信号」）は、一般には、考慮中のいずれのスペクトルチャネルの波長とも実質的には一致しない明確な（かつ安定した）中心波長をもつあらゆる光信号のことをいう。一例として、図１においては、基準スペクトル成分は、スペクトルチャネルの波長より短い波長λcを有するように示される。一般には、スペクトルチャネルは、波長（又は周波数）において、均一な間隔をもって配設される必要はない。
以下の説明は、以下の方法により、すなわち、（ｉ）セクションＩは、光学系において能動的配置補償を達成するのにサーボをベースにしたシステムを用いる方法を述べ、（ｉｉ）セクションＩＩは、光学系において能動的配置補償のための他のハードウェア及びソフトウェア解決法を述べ、（ｉｉｉ）セクションＩＩＩは、本発明に用いることができる偏光分散方式を述べることにより、能動的配置補償及び偏光分散方式を用いる本発明について述べる。
【００１４】
Ｉ．サーボをベースにした能動的配置補償
図２Ａは、本発明による光学機器の第１の実施形態を示す。本発明の原理及び一般的なアーキテクチャを示す一例として、光学機器２００は、ファイバコリメータの形態であることがある多波長光信号のための入力ポート２１０と、一形態においてはステアリング・ミラー２６０−１であることがあるアラインメント調整素子と、回折格子であることがある波長分散器２２０と、合焦レンズの形態であるビーム合焦器２３０と、基準波長感知素子２４０及び複数のビーム受信素子２５０−１から２５０−Ｎまでを含むビーム受信アレイとを備える。本明細書及び特許請求の範囲においては、ビーム受信素子は、１つ又はそれ以上のスペクトルチャネルを受け取るあらゆる光学素子を具現するものとして広く解釈される。例えば、光学的パワーセンサ、マイクロミラー、光ファイバ、合焦レンズ、又は光変調器とすることができ、以下により詳細に述べられる。
図２Ａの光学機器２００は、以下のように作動する。入力ポート２１０が、波長λ1からλNまでを含む多波長光信号を、波長λcを含む基準信号と併せて送る。光信号は、次に、ステアリング・ミラー２６０−１により回折格子２２０上に向けられる。回折格子２２０は、波長により、多波長光信号と基準信号とを、所定の相対的配置を有する多数のスペクトルチャネルλ1からλNまでと基準スペクトル成分λcとに角度的に分離する。合焦レンズ２３０が、基準スペクトル成分及びスペクトルチャネルを、対応する焦点スポットに、例えば、所定の相対的配置に基づくスペクトルアレイに合焦する。基準波長感知素子２４０及びビーム受信素子２５０−１から２５０−Ｎを含むビーム受信アレイは、基準スペクトル成分λcが、所定の位置ｘ0における該基準波長感知素子２４０上に衝突すると、スペクトルチャネルλ1からλNまでが、指定された位置ｘ1からｘNまでのそれぞれにおける該ビーム受信素子２５０−１から２５０−Ｎまでの上に衝突するように位置させられる。
【００１５】
図２Ａの実施形態及び以下の図は、例示的な目的のためだけに概略的な形態で示される。種々の素子及び光ビームは縮尺通りではない。一般に、本発明の光学機器においては、スペクトルチャネルは幾つであってもよい（下にあるビーム受信素子と対応する限り）。さらに、図２Ａ（及び以下の図）に示されるビーム受信アレイ上に衝突する回折光ビームの焦点スポットは、不均一な間隔で配設されてよい。
図２Ａの光学機器２００はさらに、サーボ制御装置２６０を含むことができ、該サーボ制御装置は、一形態においては、ステアリング・ミラー２６０−１及び処理素子２６０−２を含むことができる。ステアリング・ミラー２６０−１は、多波長光信号と基準信号とのアラインメントを動的に調整して、これによりビーム受信アレイ上へのスペクトルチャネル及び基準スペクトル成分の衝突位置を制御する。処理素子２６０−２は、基準波長感知素子２４０上への基準スペクトル成分λcのリアルタイムの衝突位置を監視し、これに対応してステアリング・ミラー２６０−１のフィードバック（又はサーボ）制御をもたらして、該基準スペクトル成分λcを所定の位置ｘ0に維持し、したがってスペクトルチャネルλ1からλNまでを指定されたｘ1からｘNまでに維持するようにする。このように、サーボ制御装置２６０は、本発明の光学機器が、作動中の熱的及び／又は機械的不安定性のような環境の影響によるアラインメントにおけるずれを能動的に修正することを可能にして、したがって性能がより頑強になる。このようなサーボ制御ユニットを用いることによる付加的な利点は、初期組立中の製作公差及び精度の緩和に現れて、本発明の光学機器をより適応性がありかつ費用効果のある構成にする。
【００１６】
上述の実施形態においては、基準波長感知素子２４０は、位置敏感検出器、象限検出器、分割検出器、又は光ビームのリアルタイムの衝突位置（一次元であるか又は二次元の）が、感知素子により生成される電気（例えば電流又は電圧）信号により監視されることを可能にする当業者に周知である他の位置敏感検出手段のいずれであってもよい。一例として、図２Ｂは、光ビーム２４１が衝突する位置敏感検出器２４０−Ａの概略図を示す。ｘ軸方向における光ビーム２４１の衝突位置は、相対的なマグニチュードがｘ軸方向におけるビームスポットの尺度を与える一対の出力信号、例えば、電流信号Ｉx1及びＩx2を検出することにより推測することができる。同様に、ｙ軸方向における光ビーム２４１の衝突位置は、別の一対の電流信号Ｉy1及びＩy2を測定することにより取得することができる。さらに、光ビーム２４１の位置敏感検出器２４０−Ａ上の指定された位置、例えば、中心点Ｏからのリアルタイムの衝突位置の変位は、当業者により一般に行われるように、適切な標準化差分検出スキームにおいて（例えば、（Ｉx1−Ｉx2）／（Ｉx1＋Ｉx2）及び／又は（Ｉy1−Ｉy2）／（Ｉy1＋Ｉy2）を測定することにより）出力信号を検出することにより監視することができる。当業者であれば、さらに、本発明における基準波長感知素子を提供するために、当業者により周知の他の種類の位置敏感手段をどのように利用するかを知っているであろう。
図２Ａのステアリング・ミラーは、１つ又は２つの軸の周りを回転することができる動的に調整可能なミラーとすることができる。例えば、これは、適切な作動機構をもつシリコンのマイクロマシン加工ミラーとすることができ、さらに、これは、当業者に周知の作動装置をミラー又はビーム偏向素子に連結することにより形成することができる。図２Ａの処理素子２６０−２は、電気回路、コントローラ、及び基準波長感知素子２４０から受け取った出力信号を処理して（例えば、図２Ｂの位置敏感検出器２４０−Ａからの電流信号）、検出された信号から基準スペクトル成分λcのリアルタイムの衝突位置を引き出す信号処理プログラムを含むことができる。処理素子２６０−２は、これに応じてアラインメント調整素子、例えば図２Ａのステアリング・ミラー２６０−１に適用されるべき適切な制御信号を生成して、基準スペクトル成分λcが所定の位置ｘ0に維持されるように、該基準スペクトル成分とスペクトルチャネルとのアラインメントを調整するようにする。サーボ制御システムにおける電子回路及び処理素子のための関連する信号処理アルゴリズム／ソフトウェアは、電気工学及びサーボ制御システムの当業者に周知である。
【００１７】
図２Ｃないし図２Ｄは、図２Ａの実施形態における光ビームのアラインメントを調整する２つの例示的な方法を示す。図２Ｃにおいては、波長λをi（スペクトルチャネルを表すことができる）を含む第１の光ビーム２７１が、格子方程式
2005527784.tif 000003
により求められるように、入射角θインで回折格子２２０上に入射し、該回折格子２２０から第１の回折ビーム２７２として回折角θアウトで回折され、ここでｍは回折オーダーであり、ｄは格子ピッチ（すなわち、格子上の２つの隣接する溝ラインの間の間隔）である。θイン及びθアウトの両方は、回折格子２２０の垂直軸２７０に対して測定される。回折格子２２０に対する光ビームの入射角が、第２の光ビーム２７３により示されるように、Δθインだけ変化した場合には、回折ビームの回折角は、これに対応して第２の回折ビーム２７４により示されるように、Δθアウトだけ変化する。したがって、例えば図２Ａのステアリング・ミラーの動作により、回折格子２２０に対する基準信号と多波長光信号との入射角を変化させることは、これに対応してスペクトルチャネルの回折角及び基準スペクトル成分の回折角を変化させて、これにより基準スペクトル成分λcが所定の位置ｘ0で衝突し、スペクトルチャネルλ1からλNまでが指定されたｘ1からｘNまでの位置に衝突することが可能になる。
【００１８】
回折格子２２０に対する光ビームの入射角を変化させる（例えば、図２Ａにおけるステアリング・ミラー２６０−１により）代わりに（又はこれと関連して）、回折格子２２０自体を回転させて、これにより、図２Ｄに示されるように、同様のアラインメント機能を実行することができる。この場合においては、波長λiを含む第１の光ビーム２８１は回折格子２２０上に衝突し、第１の回折ビーム２８２のように該回折格子２２０から回折される。角度Δθgだけ回転された回折格子２２１により示されるように、回折格子２２０をこのように回転させることは、第２の回折ビーム２８３により示されるように、回折角をΔθアウトだけ効率的に変化させる。回折格子の回転は、音声コイルアクチュエータ、ステッピングモータ、ソレノイドアクチュエータ、圧電アクチュエータ、又は当業者に周知の他の種類のアクチュエータのような適切な作動装置を該回折格子に連結することにより達成することができる。作動装置は、次いで、サーボ制御装置における処理素子により制御される。
【００１９】
図２Ａの実施形態においては、回折格子２２０の角分散Ｄは、方程式（１）における格子方程式から引き出すことができる。
2005527784.tif 000004
合焦レンズ２３０の合焦長さをｆとする。ピッチＰ、すなわち回折光ビームにより形成されたスペクトルアレイのいずれかの２つの隣接するスペクトルスポット間の間隔は、
2005527784.tif 000005
として表すことができ、ここでΔλは２つの隣接するスペクトルチャネル間の波長差である。方程式（３）は、スペクトルアレイのピッチは、一般的に、θアウトがゼロでない限り、回折角θアウトによって変化することを示す。θアウトに対するＰの変化率は、
2005527784.tif 000006
として示すことができる。
【００２０】
上述の図２Ｃ又は図２Ｄにおいては、アラインメント調整は、入射角θインを変化させることにより、したがって回折角θアウトを変化させることによりもたらされるため、方程式（３）は、特に大きな値の該回折角θアウト値において、スペクトルアレイのピッチはアラインメント調整が行われると変化することになることを示す。したがって、（図２Ｃ又は図２Ｄに示されるアラインメント調整方法が実施される）図２Ａの実施形態においては、ビーム成分受信素子は、これらがスペクトルアレイのピッチにおける変化に対応できるように構成されるものとする。（例えば、ビーム受信素子の大きさは、スペクトルアレイのピッチにおける変化が、スペクトルチャネルとそれぞれのビーム受信素子との間の対応関係を実質的に改変しないものとし、したがって、実際上は重要度が低い。）図２Ａの実施形態はさらに、スペクトルアレイのピッチにおける前述の変化が非常に小さいために（例えば、回折角θアウトがゼロに近い場合）、実際上は重要度が低い用途において望ましい。
図２Ｃ又は図２Ｄに例示されるように、基準信号と入力多波長光信号との入射角を変化させることによりアラインメント調整を実行する代わりに、図２Ａにおける基準波長感知素子２４０をビーム受信素子２５０−１から２５０−Ｎと併せて、並行して、例えばビーム受信アレイを全体として並進させる及び／又は回転させることにより移動して、基準スペクトル成分とスペクトルチャネルとが指定された位置に衝突するようにすることができる。或いは、図２Ａの実施形態における合焦レンズ２３０を、例えばシフトさせるか又は並進させるように移動させて、回折光ビームの衝突位置を制御するようにすることができる。
【００２１】
図３Ａは、本発明の光学機器の第２の実施形態を示す。一例として、光学機器３００は、同一の番号による表示が付されて示されるように、図２Ａの実施形態において用いられたアーキテクチャ並びに多数の素子を利用する。この場合においては、基準波長感知素子２４０及びビーム受信素子２５０−１から２５０−Ｎまでを含むビーム受信アレイは、作動を容易にするために、例えば構成素子を基板上に取り付けるか又は製造することにより、単一の構造に一体化することができる。サーボ制御装置３６０は、ビーム受信アレイに連結された直線作動装置とすることができるアラインメント調整素子３６０−１と処理素子３６０−２とを含むことができる。作動装置３６０−１は、ビーム受信アレイを全体として、したがって基準波長感知素子２４０をビーム受信素子２５０−１から２５０−Ｎまでと併せて、並列して、例えば、衝突する光ビームの伝播方向に対してほぼ横方向に沿って並進するように移動させるようにし、これにより回折光ビームにより形成されたスペクトルアレイと下にあるビーム受信アレイとの間の相対的なアラインメントを調整するように構成される。図２Ａの実施形態におけるように、処理素子３６０−２は、基準波長感知素子２４０上への基準スペクトル成分λcのリアルタイムの衝突位置を監視するように働き、これに応じて作動装置３６０−１のサーボ制御をもたらして、該基準スペクトル成分λcを所定の位置ｘ0に維持し、スペクトルチャネルλ1からλNまでをそれぞれの指定された位置ｘ1からｘNまでに維持するようにする。
【００２２】
図３Ｂは、本発明の光学機器の第３の実施形態を示す。一例として、光学機器３５０は、同一の番号による表示が付されて示されるように、図３Ａの実施形態において用いられたアーキテクチャ並びに多数の素子を利用する。合焦レンズ２３０に連結された作動装置の形態であるアラインメント調整素子３６５−１と、処理素子３６５−２とを含む代替的なサーボ制御装置３６５を実装することができる。作動装置３６５−１は、合焦レンズ２３０を、例えばシフトさせるか、回転させるか、又は並進させるかのように移動させて、これにより基準波長感知素子２４０及びビーム受信素子２５０−１から２５０−Ｎまでのそれぞれの上への回折光ビームの衝突位置を制御する。図３Ａの実施形態の場合におけるように、処理素子３６５−２は、基準波長感知素子２４０上への基準スペクトル成分λcのリアルタイムの衝突位置を監視し、これに応じて作動装置３６０−１のサーボ制御をもたらして、これにより基準スペクトル成分λcを所定の位置ｘ0に維持し、スペクトルチャネルλ1からλNまでをそれぞれの指定された位置ｘ1からｘNまでに維持するようにする。
図３Ａの実施形態における作動装置３６０−１、又は、図３Ｂの実施形態における作動装置３６５−１は、ステッピングモータ、ソレノイドアクチュエータ、圧電アクチュエータ、音声コイルアクチュエータ、又は当業者に周知の他の種類の作動手段とすることができる。図３Ａの処理素子３６０−２、又は、図３Ｂの処理素子３６５−２は、構成及び作動において、図２Ａの処理２６０−２と実質的に同様であってよい。図３Ａ又は図３Ｂの実施形態の利点は、下にあるアラインメント調整方法が、実質的にスペクトルアレイのピッチを改変することがないことにより明らかであり、すなわち、該スペクトルアレイとビーム受信アレイとの間の相対的なアラインメントだけが調整される。図３Ｂの実施形態において、合焦レンズ２３０を設計する際には、収差その他の欠陥が実質的に排除されるように気をつけるべきであることを理解されたい。本明細書の教示から理解されるように、当業者であれば、与えられた用途に合うように、適切なアラインメント調整方法とこれに対応する本発明によるサーボ制御システムとをどのように考案すればよいか分かるであろう。
【００２３】
図２Ａ、図３Ａ、又は図３Ｂの実施形態においては、波長λ1からλNまでを含む多波長光信号は、入力ポート２１０として働くファイバコリメータに連結された入力光ファイバ２０１により与えることができ、基準信号λcは基準光源２０２により与えることができる。一形態においては光ファイバ溶融カプラとすることができる光学コンバイナ２０３を用いて、基準光源２０２を入力光ファイバ２０１に連結して、多波長光信号及び基準信号の両方を入力ポート２１０の中に向けるようにすることができる。光学機器２００は、したがって、独立した内部形成された基準光を有する。或いは、多波長光信号自体が、ＷＤＭ光通信用途におけるように、基準信号として働くことができるスペクトル成分（例えば、光通信におけるサービスチャネル）を含むことができる。このような場合においては、内部基準光源２０２と光ファイバカプラ２０３とを実装する必要はない。
【００２４】
本発明においては、１つ又はそれ以上の補助基準信号を、対応する基準波長感知素子と併せて付加的に用いて、基準スペクトル成分λcの上述の機能を補償するようにすることができる。図４Ａは、本発明の光学機器の第４の実施形態を示す。一例として、光学機器４００は、同一の番号による表示が付されて示されるように、図２Ａ及び図３Ａの実施形態において用いられたアーキテクチャ並びに多数の素子を利用する。さらに、光ファイバカプラとすることができる補助光学コンバイナ４０３により、補助基準光源４０２を入力光ファイバ２０１に連結して、波長λc’を含む補助基準信号を入力ポート２１０に連結するようにすることができる。補助基準信号λc’は多波長光信号及び基準信号λcと併せて、次いで、ステアリング・ミラー２６０−１により回折格子２２０上に向けることができる。補助基準信号の波長λc’は、スペクトルチャネルの波長より長いように選択して、回折されると、該補助基準信号λc’が、定められた位置ｘ0’における補助基準波長感知素子４４１上に衝突するようにすることができる。このように、基準スペクトル成分λc、スペクトルチャネルλ1からλNまで、及び補助基準信号λc’は、所定の相対的配置をもつスペクトルアレイを形成する。したがって、基準波長感知素子２４０、ビーム受信素子２５０−１から２５０−Ｎまで、及び補助基準波長感知素子４４１は、ビーム受信アレイを形成し、スペクトルアレイを受け取るように構成される。ビーム受信アレイは、例えば、構成素子を基板上に取り付けるか又は製造することにより、単一の構造に一体化することができる。
【００２５】
補助基準波長感知素子４４１は、位置敏感検出器、スプリット検出器、象限検出器、又は当業者に周知の他の種類の位置敏感手段とすることができる。当業者であれば、前述の基準信号及び補助基準信号はさらに、第１及び第２基準信号と呼ぶことができ、これに応じて、基準波長感知素子及び補助基準波長感知素子は、第１及び第２基準波長感知素子と呼ぶことができることを理解されたい。さらに、回折格子２２０のような波長分散器は、第１基準信号における（第１）基準スペクトル成分λc、及び、第２基準信号における（第２）基準スペクトル成分λc’を、第１及び第２の所定の位置における第１及び第２基準波長感知素子のそれぞれの上に向けることができる。
図４Ａの実施形態はさらに、作動装置４６０−１及び処理素子４６０−２を含むことができる。一例として、作動装置４６０−１を前述のビーム受信アレイに連結して、該ビーム受信アレイを全体として、したがって、基準波長感知素子２４０をビーム受信素子２５０−１から２５０−Ｎまで及び補助基準波長感知素子４４１と併せて、並列して、例えば、スペクトルチャネルの伝播方向に対してほぼ横方向に沿って並進するように、及び／又は、湾曲した矢印４７０により示されるように回転するように移動させることができる。例えば、作動装置４６０−１は、ビーム受信アレイを、所定の位置ｘ0に位置されたピボット点の周りを回転させるようにすることができる。このように、作動装置４６０−１は、主に、回折光ビームにより形成されたスペクトルアレイと下にあるビーム受信アレイとの間の相対的なアラインメントを調整するために用いることができる。処理素子４６０−２は、基準波長感知素子２４０上の基準スペクトル成分λcのリアルタイムの衝突位置を監視して、これに応じて作動装置４６０−１のサーボ制御をもたらして、該基準スペクトル成分λcを所定の位置ｘ0に維持し、スペクトルチャネルλ1からλNまでをそれぞれの指定された位置ｘ1からｘNまでに維持するようにすることができる。
【００２６】
処理素子４６０−２は、付加的に、補助基準波長感知素子４４１上への補助基準信号λc’のリアルタイムの衝突位置を監視することができる。このような情報は、基準スペクトル成分λcの衝突位置により反射されないことがあるスペクトルチャネルとそれぞれのビーム受信素子との間の位置ずれを監視するのに有益とすることができる。一例として、図４Ｂは、基準スペクトル成分λcが所定の位置ｘ0に残り、補助基準波長感知素子４４１上の補助基準信号λc’の衝突位置が、スペクトルアレイのピッチの変化によりもたらされることがある、定められた位置ｘ0’からｘ軸方向に沿って変位されている状況を示す。この図（並びに図４Ｃ）におけるｘ−ｙ平面は、スペクトルチャネルの伝播方向に対してほぼ横方向であるものとして示される。上述の説明に示されるように、スペクトルアレイのピッチは、一般的に、回折角によって変化し、したがって、回折格子による光信号の入射角によって変化する（例えば、上述の方程式（３）及び方程式（４）を参照）。したがって、処理素子４６０−２は、定められた位置ｘ0’からの補助基準信号λc’の検出された変位を用いて、例えば、図２Ｃに述べられたアラインメント調整方法と同様の方法により、回折格子２２０上への入力多波長光信号、基準信号、及び補助基準信号の入射角を調整することにより、該補助基準信号λc’を定められた位置ｘ0’に戻すのに効果的な方法でステアリング・ミラー２６０−１を制御することができる。それぞれの位置ｘ0、ｘ0’における基準スペクトル成分λc及び補助基準信号λc’のアラインメントは、スペクトルチャネルとそれぞれのビーム受信素子との間に必要なアラインメントを示すものである。
【００２７】
一例として、図４Ｃは、基準スペクトル成分λcが所定の位置ｘ0に残り、補助基準波長感知素子４１１上の補助基準信号λc’の衝突位置が、示されるように、スペクトルアレイに対するビーム受信アレイの回転運動（又は逆もまた同様）によりもたらされることがある、定められた位置ｘ0’から変位された別の状況を示す。したがって、処理素子４６０−２は、定められた位置ｘ0’からの補助基準信号λc’の検出された変位を用いて、例えば、ビーム受信アレイをスペクトルアレイに対して回転させることによるような、補助基準信号λc’を該定められた位置ｘ0’に戻すようにするのに効果的な方法により、作動装置４６０−１を制御し、これにより、スペクトルチャネルとそれぞれのビーム受信素子との間に必要なアラインメントを回復するようにすることができる。
【００２８】
当業者は、図４Ｂないし図４Ｃの実施形態は、本発明の一般的な原理を明らかにする一手段として理解するであろう。実際の状況においては、定められた位置からの補助基準信号λc’の変位は、例えば、スペクトルアレイのピッチにおける変化と、ビーム受信アレイの回転運動（該スペクトルアレイに対する）との組み合わせのような幾つかの影響に起因するものとすることができる。したがって、処理素子４６０−２は、基準スペクトル成分λcを所定の位置ｘ0に維持しながら補助基準信号λc’を指定された位置に戻して、これによりスペクトル成分とビーム受信素子との間に必要なアラインメントを回復するために、調整された方式により、作動装置４６０−１及びステアリング・ミラー２６０−１の両方を制御することができる。さらに、スペクトルアレイのピッチの制御は、ステアリング・ミラー２６０−１の機能の代わりに（又は組み合わせて）、図２Ｄの実施形態に述べられるアラインメント方法により達成することができる。スペクトルアレイと下にあるビーム受信アレイとの間の相対的なアラインメントは、作動装置４６０−１により与えられるアラインメント機能の代わりに（又は組み合わせて）、図３Ｂの実施形態に述べられるように、適切な作動装置を合焦レンズ２３０に連結することにより調整することができる。さらに、補助基準信号λc’の衝突位置は、サーボ制御により、定められた位置に維持することができ、基準スペクトル成分λcの衝突位置は、周期的に又は連続的に監視されるか、又は該基準スペクトル成分及び該補助基準信号の両方の衝突位置は、適切な信号処理及びサーボ制御方式により能動的に制御することができる。
【００２９】
図４Ａの実施形態においては、サーボ制御装置は、一般的に、回折光ビームにより形成されたスペクトルアレイと下にあるビーム受信アレイとの間の相対的配置を調整するための第１のアラインメント調整素子（例えば、作動装置４６０−１、又は合焦レンズ２３０に連結された適切な作動装置）と、該スペクトルアレイのピッチを制御するための第２のアラインメント調整素子（例えば、ステアリング・ミラー２６０−１又は回折格子２２０に連結された適切な作動装置）と、該第１及び第２のアラインメント調整素子、並びに、基準波長感知素子２４０及び補助基準波長感知素子４４１と通信状態にある処理素子（例えば処理素子４６０−２）とを備えることができる。処理素子４６０−２は、基準波長感知素子２４０及び補助基準波長感知素子４４１それぞれの上への基準スペクトル成分λc及び補助基準信号λc’の衝突位置を監視し、これに応じて第１及び第２のアラインメント調整素子の制御をもたらして、該基準スペクトル成分λc及び該補助基準信号λc’をそれぞれの指定された位置に維持するようにし、これによりスペクトルチャネルとそれぞれのビーム受信素子との間に必要なアラインメントを確実にすることができる。
このように、図４Ａの光学機器は、スペクトルアレイの位置並びにピッチを能動的に制御するのに適切なアラインメント調整方法の組み合わせを有利に利用し、したがって性能がより頑強になる。
【００３０】
一般に、本発明における１つ又はそれ以上の補助基準信号は、いずれのスペクトルチャネルの波長及び基準スペクトル成分λcとも実質的に一致しない明確な（及び安定した）中心波長をもつあらゆる光信号であってよい。図４Ａの実施形態においては、一例として、補助基準信号の波長λc’は、スペクトルチャネルの波長より長いものとして示され、基準スペクトル成分の波長λcは、スペクトルチャネルの波長より短いものとして示され、両方の基準信号は、図示されるように内部基準光源により与えられる。図４Ａにおける２つの基準光源は、単一の光学コンバイナ（例えば、３×１光ファイバカプラ）により入力ファイバに連結することができ、又は、基準信号及び補助基準信号は、複数の基準信号を与えることができ、光学コンバイナにより入力ファイバに連結された単一の基準光源により与えられることがあることに注目されたい。或いは、多波長光信号自体が、１つ又はそれ以上の基準信号として用いることができる１つ又はそれ以上のスペクトル成分（例えば、光通信における１つ又はそれ以上のサービスチャネル）を含むことができる。当業者であれば、与えられた用途に合うように、本発明による光学機器における適切な基準信号をどのように実装すればよいか分かるであろう。
【００３１】
上述の実施形態においては、回折格子２２０は、規則化された回折格子、ホログラフィック回折格子、エシェル格子、又は分散プリズムとすることができ、これらすべては当業者において、一般に、多波長信号を波長により分離するのに用いられているものである。一例として、前述の実施形態における波長分散器は、反射回折格子の形態であるものとして示される。当業者は、透過回折格子又は分散プリズムを、代替的に、本発明の光学機器に実装できることを理解するであろう。さらに、ビーム合焦器を合焦レンズの組立体とするか、又は当業者に周知の他の好適なビーム合焦手段のいずれかとすることができる。合焦機能はさらに、波長分離及びビーム合焦の二重の機能を実行する湾曲回折格子を用いることにより与えることができる。スペクトルチャネルと基準スペクトル成分とが良好に分離される用途においては、上述の実施形態における合焦レンズ２３０は用いられないことがあることに注目されたい。
【００３２】
さらに、ビーム受信素子２５０−１から２５０−Ｎまでは、ｐｎ光検出器、ｐｉｎ（ｐ・真性・ｎ）光検出器、又はアバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）の形態であるフォトダイオードのような光学的パワーセンサとすることができる。このように作成された光学機器は、サーボ制御能力をもつスペクトルパワーモニタを構成して、関心のあるスペクトルチャネルについて特徴的なパワースペクトルをもたらすようにする。ビーム受信素子２５０−１から２５０−Ｎまではさらに、各々が、スペクトルチャネルを、所定の方式に基づいて動的に導くように独立して制御可能な（例えば、１つ又は２つの軸の周りをピボット運動することができる）マイクロミラー（例えば、シリコンのマイクロマシン加工ミラー）とすることができる。ビーム受信素子２５０−１から２５０−Ｎまでは、或いは、スペクトルチャネルが向けられる光ファイバのアレイとすることができる。このように作成された光学機器は、デマルチプレクサを構成するか、又は光ビームの伝播を逆転するとマルチプレクサを構成する。ビーム受信素子２５０−１から２５０−Ｎまでをさらに、合焦レンズのようなビーム形状素子のアレイの形態として、スペクトルチャネルを所望の位置に投影するようにすることができる。ビーム受信素子２５０−１から２５０−Ｎまではさらに、各々のスペクトルチャネルの１つ又はそれ以上の特性（例えば、振幅及び／又は位相）を変調するために、液晶光変調器又は光減衰器のような光変調器のアレイ形態であってもよい。
【００３３】
図２Ａ、図３Ａ、図３Ｂ、又は図４Ａにおいては、ビーム受信素子はスペクトルチャネルと１対１の対応関係を有するものとして示される。ビーム受信素子のサブセットの各々が複数のスペクトルチャネルと対応するか、又は複数のビーム受信素子が単一のスペクトルチャネルに指定される用途があることがある。例えば、光学的パワーセンサがビーム受信素子として用いられる場合には、１つ又はそれ以上の光学的パワーセンサの各々は複数のスペクトルチャネルを受け取るように指定されて、受け取ったスペクトルチャネルの統合的強さ測定値をもたらすようにすることができる。
【００３４】
回折格子の回折効率は、一般的に、偏光依存性であり、しかもこの偏光依存性効果は、大きな数の溝ライン（単位長さ当たり）をもつ格子に対しては相当なものになることが周知である。したがって、図２Ａ、図３Ａ、図３Ｂ、又は図４Ａの実施形態におけるように、回折格子が波長分散器として用いられる場合には、以下のセクションＩＩＩで述べられる機構のような種々の手段／機構を用いて、関連する偏光感性効果を緩和するようにすることができる。一例として、偏光分散方式を実装することができる。この場合においては、入力多波長光信号（１つ又はそれ以上の基準信号と併せて）は、最初に、Ｐ偏光部分及びＳ編波部分に分解される。Ｐ偏光を回折格子の好ましい方向と仮定すると（すなわち、回折効率は、Ｓ偏光に対するよりＰ偏光に対する方が高い）、Ｓ偏光部分は、この場合、９０度だけ回転され、これによって該回折格子上に入射する光信号のすべてはＰ偏光を有する。このような偏光分散方式は、回折効率を最大化するという利点を有する。或いは、好適な偏光感性素子（例えば、漏洩ビームスプリッタ）を実装して、入力多波長光信号（１つ又はそれ以上の基準信号と併せて）が回折格子上に衝突する前に予め定められた比に基づいて、該入力多波長光信号におけるＰ偏光部分をＳ偏光部分に対して減衰させるようにして、該回折格子により与えられた偏光における差別的な処理を補償するようにすることができる。これらの偏光分散方式に用いられる装置及び方法は、以下のセクションＩＩＩにおいてより詳細に述べられる。
【００３５】
本発明はさらに、多波長光信号のスペクトルアラインメント方法を提供する。本発明の一般的な原理を示す一例として、図５Ａは本発明の方法を概説する例示的なフローチャートを示す。方法５００は、ステップ５１０に示されるように、多波長光信号を基準（又は較正）信号と組み合わせて、ステップ５２０に示されるように、波長により、該多波長光信号と該基準（又は較正）信号とを、所定の相対的配置を有する多数のスペクトルチャネルと基準（又は較正）スペクトル成分とに空間的に分離し、ステップ５３０に示されるように、該基準（又は較正）スペクトル成分を所定の位置に衝突させて、スペクトルチャネルが所定の相対的配置に基づく指定された位置上に衝突するようにし、ステップ５４０に示されるように、サーボ制御により該基準（又は較正）スペクトル成分を所定の位置に維持し、これにより該スペクトルチャネルが指定された位置に位置合わせされた状態で留まるようにすることを確実にするものである。
本発明の前述の方法は、各々が区別できる中心波長により特徴付けられる基準スペクトル成分及びスペクトルチャネルが、所定の相対的配置をもつスペクトルアレイを形成するという事実を利用するものである。したがって、基準スペクトル成分を所定の位置に位置合わせすることは、スペクトルチャネルが、同時に、スペクトルアレイに基づく指定された位置上に衝突することを確実にする。このことは、多波長光信号により形成されたスペクトルアレイを位置合わせする単純で効果的な方法をもたらす。このように位置合わせされたスペクトルチャネルは、次に、例えば上述されたようなビーム受信素子のアレイにより、個々に操作されることになる。
【００３６】
図５Ｂは、図５Ａのステップ５４０に挙げられたサーボ制御作動の例示的な実施形態のさらに別の詳細を示す。これは、ステップ５４０−Ａに示されるように、基準（又は較正）スペクトル成分のリアルタイムの衝突位置を監視して、ステップ５４０−Ｂに挙げられるように、これに対応して、該基準（又は較正）スペクトル成分とスペクトルチャネルとのアラインメントを調整して、所定の位置における該基準（又は較正）スペクトル成分の衝突位置を維持するようにし、これにより該スペクトルチャネルが指定された位置に位置合わせされた状態で留まるようにすることを確実にするものである。
図５Ａ（又は図５Ｂ）の方法５００は、さらに、ステップ５５０に示されるように、スペクトルチャネルを基準（又は較正）スペクトル成分と併せて対応する焦点スポットに合焦するステップを含むことができる。図５Ａ（又は図５Ｂ）の方法５００は、さらに、指定された位置におけるスペクトルチャネルを光学的に検出して、検出されたスペクトルチャネルのパワースペクトルをもたらすステップ、該スペクトルチャネルの向きを変えて、該スペクトルチャネルを所定の方式に基づいて導くようにするステップ、又は該スペクトルチャネルの１つ又はそれ以上の特性を変調させるステップを含むことができる。
【００３７】
ＩＩ．光学系における能動的アラインメント補償のための他のハードウェア及びソフトウェア解決法
図６Ａは、本発明によるスペクトルパワー監視装置の例示的な実施形態を示す。本発明の原理及び一般的なアーキテクチャを示す例として、スペクトルパワー監視装置６００は、ファイバコリメータの形態とすることができる多波長光信号のための入力ポート６１０と、一形態においては回折格子とすることができる波長分散器６２０と、合焦レンズとすることができるビーム合焦器６３０と、光学的パワーセンサのアレイ６４０（ここでは「光学的感知アレイ」と呼ばれる）とを備えて、基準位置感知素子６４０−Ｃと複数のチャネル感知素子６４０−１から６４０−Ｎまでをもたらす。光学的感知アレイ６４０は、単一の構造に一体化することができる（例えば、基板上に構成素子を取り付けるか又は製造することにより）。
図６Ａのスペクトルパワー監視装置６００は、以下のように作動することができる。入力ポート６１０が波長λ1からλNまでを含む多波長光信号を、波長λcを含む基準信号と併せて送る。回折格子６２０は、波長により、入射多波長光信号及び基準信号を、所定の相対的配置を有する多数のスペクトルチャネルλ1からλNまでと基準スペクトル成分λcとに角度的に分離する。合焦レンズ６３０が、基準スペクトル成分λc及びスペクトルチャネルλ1からλNまでを、対応する焦点スポット、例えば、所定の相対的配置をもつ空間アレイ（又は「スペクトルアレイ」）に合焦する。光学的感知アレイ６４０は、基準スペクトル成分λcが所定の位置ｘ0における基準位置感知素子６４０−Ｃ上に衝突したときに、スペクトルチャネルλ1からλNまでが指定された位置ｘ1からｘNのそれぞれにおけるチャネル感知素子６４０−１から６４０−Ｎまでの上に衝突するように位置させることができる。
【００３８】
図６Ａの実施形態及び以下の図は、例示的な目的のだめだけに概略的な形態で示されることに注目されたい。種々の素子及び光ビームは縮尺通りではない。一般に、本発明のスペクトルパワー監視装置においては、システムにおいて用いられるチャネル感知素子の数が、所望の正確さをもってスペクトルチャネルの出力レベルを求めるのに十分である限り、スペクトルチャネルは幾つであってもよい。さらに、図６Ａ（及び以下の図）に示される光学感知アレイ上に衝突する回折光ビームの焦点スポットは、均一な間隔をもたなくてもよく、かつ以下にさらに詳細に述べられるように、必ずしも下にあるチャネル感知素子と１対１の対応関係になくてもよい。
【００３９】
図６Ａのスペクトルパワー監視装置６００はさらに、一形態においては光学的感知アレイ６４０に連結された作動装置６６０−１と処理素子６６０−２とを含むことができるサーボをベースにしたアラインメント補償装置６６０を備えることができる。作動装置６６０−１は、光学的感知アレイ６４０を全体として、したがって、基準位置感知素子６４０−Ｃをチャネル感知素子６４０−１から６４０−Ｎまでと併せて、並列して、移動する（例えば、並進する及び／又は回転する）ようにして、これにより回折光ビームにより形成されたスペクトルアレイと下にある光学的感知アレイ６４０との間の相対的なアラインメントを調整するように構成される。処理素子６６０−２は、基準位置感知素子６４０−Ｃ上への基準スペクトル成分λcのリアルタイムの衝突位置を監視し、これに応じて作動装置６６０−１のサーボ（又はフィードバック）制御をもたらして、該基準スペクトル成分λcを所定の位置ｘ0に維持し、したがってスペクトルチャネルλ1からλNまでを指定された位置ｘ1からｘNまでに維持するようにする。このように述べられたサーボをベースにしたアラインメント補償装置は、本発明の光学機器が、作動中に生じることがある（例えば、熱的及び／又は機械的障害のような環境の影響による）アラインメントにおける如何なる変化をも能動的に修正するようにすることを可能にし、したがって機器の頑強さが増加する。このようなアラインメント補償装置を用いることによる付加的な利点は、初期組立中の製作公差及び精度の緩和に現れて、本発明のスペクトルパワー監視装置の構成をより単純でより費用効果があるものにすることができる。
【００４０】
一例として、図６Ｂは、フォトダイオードのアレイが、図６Ａの実施形態における光学的感知アレイ６４０としてどのように実装されるかを示す。図６Ｂには、図に示される非斜線領域及び斜線領域により識別される異なる光応答特性をもつ複数の連続的な光感知素子を含むフォトダイオードアレイ６４０Ａの例示的な部分が拡大図で示される。一例として、図においては実線により示される光応答関数Ｒj（ｘ）は、非斜線光感知領域６４０−ｉ及びこれに隣接する２つの斜線領域６４０−ｉ−Ｈ、６４０−ｊ−Ｈの光応答を特徴付ける。同様に、破線で示される光応答関数Ｒj（ｘ）は、近くの非斜線光感知領域６４０−ｊ及びこれに隣接する２つの斜線領域６４０−ｊ−Ｈ、６４０−ｈ−Ｈの光応答を特徴付ける。光応答関数は、さらに以下に詳細に述べられるように、光感知素子上に衝突する光出力をこのように生成された電気（例えば電圧）信号と関連させる。一例として、図６Ｂにおける各々の光応答関数は、対応する非斜線領域にわたりほぼ一定であり、該非斜線領域から離れるように移動するにつれて、隣接する斜線領域にほぼ線形の様式で減少し、したがって、全体的に「台形状の」反応を示す。このように、フォトダイオードアレイ６４０Ａは、連続する全体的光応答関数をもち、すなわち該フォトダイオードアレイ６４０Ａ上には如何なる「デッドゾーン」もないとも言える。このように述べられた特性をもつフォトダイオードアレイは、例えば、ニュージャージー州プリンストン所在のＳｅｎｓｏｒｓ  Ｕｎｌｉｍｉｔｅｄ社により市販されている。
【００４１】
一例として、この後の説明で考えられるフォトダイオードアレイは、出力信号が電圧信号の形態であることができる適切な検出回路を含む。本発明の一般的な原理及び作動はさらに、出力信号が電流信号の形態である他のフォトダイオードアレイ又は光学的パワーセンサレイにも適用可能であることが理解されるであろう。さらに、本明細書における下付き文字ｉ、ｊ、又はｋは、１からＮまでの間におけるいずれの整数値としてもよいことが理解されるであろう。
図６Ｂにおけるフォトダイオードアレイ６４０は、電圧信号が非斜線領域を通って出力されるように構成することができる。一例として、非斜線領域６４０−ｉから出力される電圧信号Ｖiは、
2005527784.tif 000007
により与えることができ、ここでは、微分は、非斜線領域６４０−ｉ及びこれに隣接する斜線領域６４０−ｉ−Ｈ、６４０−ｊ−Ｈにわたって行われ、Ｉ（ｘ，ｙ）は図６Ｂにおいて定められたｘ−ｙ平面における関心のある領域上に衝突する光の強さである。光応答関数Ｒi（ｘ）は予め決められており、これは用いられるフォトダイオードアレイの特性に基づくものである。したがって、電圧信号Ｖiは非斜線領域６４０−ｉ並びにこれに隣接する斜線領域６４０−ｉ−Ｈ、６４０−ｊ−Ｈ上に衝突する合計光出力を考慮する。同様に、非斜線領域６４０−ｊから出力された電圧信号Ｖjは、非斜線領域６４０−ｊ及びこれに隣接する斜線領域６４０−ｊ−Ｈ、６４０−ｋ−Ｈ上に衝突する合計光出力に関連させられる。さらに、Ｒi（ｘ）及びＲj（ｘ）のような２つの空間的に隣接する光応答関数の間の互いに絡み合う関係のために、非斜線領域６４０−ｉ、６４０−ｊの間に挟まれた斜線領域６４０−ｉ−Ｈのような斜線領域上に衝突する光ビームの出力レベルは、測定された電圧信号Ｖi及びＶjから取得することができる。さらに、このような例はフォトダイオードアレイ６４０Ａの他の場所にも当てはまる。したがって、非斜線領域６４０−ｉ及び隣接する斜線領域６４０−ｉ−Ｈ、６４０−ｊ−Ｈのような、各々の非斜線領域はこれに隣接する斜線領域と併せて、本発明によるチャネル感知素子（又はピクセル）を構成する。
【００４２】
さらに、フォトダイオードアレイ６４０Ａにおける２つの隣接するチャネル感知素子を「分割検出器」として用いて、基準スペクトル成分λcのための基準位置感知素子（例えば、図６Ａの実施形態における基準位置感知素子６４０−Ｃ）をもたらすようにすることができる。このことは、例えば、位置エラー信号（Ｖ1−Ｖ2）／（Ｖ1＋Ｖ2）を監視することにより、当業者に周知の適切な標準化差分検出スキームを用いて、非斜線領域６４０−１、６４０−２のそれぞれから出力された電圧信号Ｖ1、Ｖ2を測定することにより達成することができる。このような標準化差分検出スキームは、振幅雑音の同相分除去により検出の信号雑音比（ＳＮＲ）を改善するという利点を有する。一例として、基準スペクトル成分λcの衝突位置を、２つの隣接する非斜線領域６４０−１、６４０−２の間に挟まれた斜線領域６４０−２−Ｈ上に位置させて、該非斜線領域６４０−１、６４０−２のそれぞれから出力された電圧信号Ｖ1、Ｖ2のいずれかが、ほぼ線形の様式で基準スペクトル成分λcの位置によって変化するようにすることができる。この場合においては、非斜線領域６４０−１、６４０−２のいずれかと関連するもののような単一のチャネル感知素子を、さらに基準位置感知素子として用いることができる。
【００４３】
図６Ａのスペクトルパワー監視装置６００は、スペクトルチャネルが１対１の対応関係でフォトダイオードアレイ６４０Ａの非斜線領域上に衝突し、該スペクトルチャネルにより形成されるスペクトルスポットは、図６Ｂに示されるように、それぞれの非斜線領域内に閉じ込められるように構成することができる。一例として、非斜線領域６４０−ｉをスペクトルチャネルλiに指定し、非斜線領域６４０−ｊをスペクトルチャネルλjに割り当てることができる。この方法では、各々の非斜線領域（例えば、非斜線領域６４０−ｉ）においては１つの光応答関数（Ｒi（ｘ）のような）だけが制御されるために、該非斜線領域から出力された電圧信号は、対応するそれぞれのスペクトルチャネルの出力レベルに比例する。例えば、電圧信号Ｖiは非斜線領域６４０−ｉ上に衝突するスペクトルチャネルλiの出力レベルに正比例し、関連する比例定数は較正により取得することができ、以下にさらに詳細に述べられる。このような構成はさらに、非斜線領域における均一な光応答特性を利用して、対応する非斜線領域内のスペクトルチャネルの衝突位置における如何なる変化も、実際上の重要度を低くする。さらに、図６Ａの実施形態における処理素子６６０−２は、前述の電圧信号Ｖ1、Ｖ2を測定するために当業者に周知の好適な差分検出スキームを用いて、定められた位置からの基準スペクトル成分λcの実際の衝突位置の変位を容易に監視できるようにする。処理素子６６０−２は、次いで、作動装置６６０−１に適用されるべき適切な制御信号を生成するために、基準スペクトル成分λcの衝突位置において検出された変位を用いて、該基準スペクトル成分λcを定められた位置に維持し、これによりスペクトルチャネルと対応するチャネル感知素子との間に必要なアラインメントを確実にするようにすることができる。このように、図６Ｂの実施形態は、図６Ａにおける光学的センサアレイ６４０の一実施形態を提供する。
【００４４】
特定の状況においては、スペクトルチャネルのスペクトルスポットを、対応するチャネル感知素子における非斜線領域内に閉じ込めるのが困難であることがある（例えば、図６Ｂに示される方法により）。回折光ビームにより形成されたスペクトルアレイはさらに、非均一のピッチを有することがあり、これはどの２つの隣接するスペクトルスポットの間の間隔も一定ではないことを意味する。いずれの場合も、１つ又はそれ以上のチャネル感知素子の各々が１つより多いスペクトルチャネルを受け取る状況をもたらすことになり、或る場合においては、スペクトルスポットが重なることがある。図２Ｃは、図６Ｂにおいて述べられたフォトダイオードアレイをこのような用途においてどのように用いるかについての例示的な実施形態を示す。
【００４５】
一例として、図２Ｃに示されるフォトダイオードアレイ６４０Ｂは、構成及び作動において図６Ｂのフォトダイオードアレイ６４０Ａと実質的に同様であり、したがって、同一の番号で表示が付されている。例示及び明確さの目的のために、３つのスペクトルチャネルλi、λj、及びλkだけがはっきりと示されており、該スペクトルチャネルは、１つ又はそれ以上のチャネル感知素子の各々が１つより多いスペクトルチャネルを受け取るように位置させられるように示される。例えば、非斜線領域６４０−ｉと関連するチャネル感知素子は、少なくともスペクトルチャネルλi、λjを受信し、同様に、非斜線領域６４０−ｊと関連するチャネル感知素子は、少なくともスペクトルチャネルλj、λkを受け取る。方程式（１）に基づき、非斜線領域６４０−ｉから出力された電圧信号Ｖiは一般的に、
2005527784.tif 000008
として表すことができ、ここでＩn（ｘ，ｙ）は関心のある領域におけるスペクトルチャネルλn（ｎ＝１からＮまで）と関連する光の強さである。当業者は、方程式（２）は、関心のあるいずれのスペクトルチャネルにも適用可能であることを理解するであろう（すなわち、上述においてｉ＝１からＮまで）。したがって、フォトダイオードアレイ６４０Ｂ上に衝突するスペクトルチャネルの出力レベルＰ1からＰNまでが光出力ベクトル（Ｐ）により表され、このようにして該フォトダイオードアレイ６４０Ｂから生成された電圧信号Ｖ1からＶMまで（Ｍ＞Ｎ）が電圧ベクトル（Ｖ）により表される場合には、（Ｐ）及び（Ｖ）は以下のように関連させることができ、
2005527784.tif 000009
ここで［Ｔ］は（Ｍ×Ｎ）の伝達マトリクスである。伝達マトリクス［Ｔ］は、一般的に、スペクトルチャネルと下にあるチャネル感知素子との間の相対的なアラインメント、並びに、用いられるフォトダイオードアレイ真性の特性（光応答特性のような）に依存する。伝達マトリクス［Ｔ］は、１つ又はそれ以上のチャネル感知素子の各々が多数のスペクトルチャネルを受け取らない限りは、典型的には、帯域対角である。当業者であれば、上述の方程式（２）をさらに、Ｎ＝Ｍでありかつ伝達マトリクス［Ｔ］が真に対角である図６Ｂの実施形態に適用可能であることを認識するであろう。
【００４６】
上述の方程式（２）に基づいて、
2005527784.tif 000010
が続き、ここで［Ｃ］は（Ｎ×Ｍ）の転換マトリクスであり、方程式（２）における伝達マトリクス［Ｔ］から引き出すことができる。伝達マトリクス［Ｔ］を求めるために、較正を実行することができ（例えば、工場で）、検出されるべきスペクトルチャネルと実質的に同じ波長、及び、公知の出力レベルを有することにより特徴付けられる較正光信号は、図６Ａにおける入力ポート６１０に連結され、これにより、該スペクトルチャネルが担うものと実質的に同じ光路を並進するようになる。（較正光信号は、例えば、調整可能レーザにより与えることができる。）次に、入射較正光信号に応答するフォトダイオードアレイ６４０Ｂの出力電圧信号を測定することができる。測定された電圧信号及び較正光信号の公知の出力レベルを方程式（２）に代入することにより、伝達マトリクス［Ｔ］を計算することができる。方程式（３）における転換マトリクス［Ｃ］はさらに、当業者に周知の好適なマトリクス計算アルゴリズムにより伝達マトリクス［Ｔ］から引き出すことができる。このように取得された転換マトリクス［Ｃ］は、例えば図６Ａにおける処理素子６６０−２の一部とすることができる信号プロセッサのようなシステムのメモリ内に格納することができる。作動中、続いて、転換マトリクス［Ｃ］は、較正光信号が行ったように、スペクトルチャネルがフォトダイオードアレイ６４０Ｂ上の実質的に同じ位置に衝突したままである限り、実質的に変化されない状態のままで留まる。必要なアラインメントは、例えば、図６Ａにおける前述のサーボをベースにしたアラインメント補償装置６６０により維持することができる。このことは、信号プロセッサが、方程式（３）に基づく方法により、このように生成された電圧信号からのフォトダイオードアレイ６４０Ｂ上に衝突するスペクトルチャネルの出力レベルを容易に計算することを可能にする。当業者であれば、実際の用途においてこのように望まれる場合には、いずれの背景の寄与（例えば、フォトダイオードアレイの「暗電流」及び／又は環境からの「迷光」に起因する）をも独立して求め、次いで上述の較正及び作動工程に取り入れることができることを認識するであろう。
【００４７】
図２Ｃの実施形態においては、基準スペクトル成分λcの衝突位置は、さらに、例えば、図６Ｂに関して述べられた方法で、位置エラー信号（Ｖ1−Ｖ2）／（Ｖ1＋Ｖ2）を検出することにより、適切な標準化差分検出スキームを用いて、非斜線領域６４０−１、６４０−２のそれぞれから出力された電圧信号Ｖ1、Ｖ2を測定することによって監視することができる。このように、図２Ｃの実施形態を代替的に図６Ａにおいて実装して、光学的感知アレイ６４０を具現することができる。
図６Ａの実施形態に戻る。作動装置６６０−１は、ステッピングモータ、ソレノイドアクチュエータ、圧電アクチュエータ、音声コイルアクチュエータ、又は当業者に周知の他の種類の作動手段とすることができる。処理素子６６０−２は、電気回路、コントローラ、及び基準位置感知素子６４０−Ｃ（例えば、図６Ｂにおける光学的感知アレイ６４０Ａから出力された電圧信号Ｖ1、Ｖ2）から受け取った出力信号を処理して、検出された信号から基準スペクトル成分λcのリアルタイムの衝突位置を引き出す信号処理アルゴリズムを含むことができる。処理素子６６０−２はこれに応じて、作動装置６６０−１に適用されるべき適切な制御信号を生成して、基準スペクトル成分λcが所定の位置ｘ0で維持されるように、該基準スペクトル成分λcとスペクトルチャネルλ1からλNまでとのアラインメントを調整するようにする。電気回路及びサーボ制御システムにおける処理素子のための関連する信号処理アルゴリズム／ソフトウェアは、電気工学及びサーボ制御システムの当業者により知られている。
【００４８】
当業者であれば、光学的感知アレイ６４０を上述のように移動させる代わりに、図６Ａにおける合焦レンズ６３０を代替的に（又は付加的に）移動させて、例えば並進させるか又は回転させて、これにより、回折光ビームの衝突位置を制御し、同様のアラインメント機能を実行することができる。合焦レンズ６３０の並進／回転は、上述のように適切な作動装置を該レンズに連結することにより達成することができる。幾つかの場合においては、アラインメント調整はさらに、このような調整が回折光ビームにより形成されたスペクトルアレイのピッチを実質的に改変しない限り、例えば、回折格子を回転することによるか又は動的に調整可能なミラーを入力ポート６１０と回折格子６２０との間に置くことによる該回折格子６２０への入力多波長光信号（基準信号と併せて）の入射角における穏やかな変化によって行う（又は補償する）ことができる。本明細書の教示から理解されるように、当業者であれば、与えられた用途に最も合うように、本発明によるサーボをベースにしたアラインメント補償装置のための適切なアラインメント調整素子及び対応する処理素子をどのように考案すればよいか分かるであろう。
図７Ａは、本発明によるスペクトルパワー監視装置の第２の実施形態を示す。一例として、スペクトルパワー監視装置７００は、同一の番号による表示が付されて示されるように、図６Ａの実施形態において用いられたアーキテクチャ並びに多数の素子を利用することができる。このシステムには如何なる「移動する」アラインメント調整手段も用いられていない。その代わりに、光学的感知アレイ６４０と通信する信号プロセッサとすることができるソフトウェアをベースにしたアラインメント補償装置７６０が実装される。
【００４９】
図７Ｂは、図７Ａの実施形態における光学的感知アレイ６４０をどのように構成することができるかをさらに詳細に示す。一例として、図７Ｂのフォトダイオードアレイ６４０Ｃは、構成及び作動において図６Ｂに示されるフォトダイオードアレイ６４０Ａと実質的に同様であり、したがって、同一の番号で表示が付されている。この場合においては、基準スペクトル成分λcの衝突位置は、フォトダイオードアレイ６４０Ｃの連続するセグメント（ここでは「基準セグメント」と呼ばれる）を占める２つ又はそれ以上の隣接するチャネル感知素子を用いることにより監視することができる。例えば、基準スペクトル成分λcが図７Ｂに示されるような非斜線領域６４０−１、６４０−２と関連するもののように２つの隣接するチャネル感知素子内に配置される場合には、該非斜線領域６４０−１、６４０−２のそれぞれから出力される電圧信号Ｖ1、Ｖ2は、例えば、図６Ｂに関して述べられた方法で、位置エラー信号（Ｖ1−Ｖ2）／（Ｖ1＋Ｖ2）を検出することにより、適切な標準化差分検出スキームを用いて測定することができる。基準スペクトル成分λcがアラインメントにおいて変化するか又は２つのチャネル感知素子を越えて延びる「ウォークオフ」（例えば、以下に述べられる較正又は作動中に）場合には、基準セグメントは多数のチャネル感知素子を含むことになり、これらのそれぞれの出力電圧信号が検出される。これに対応して一連の位置エラー信号が生成され、これらの各々は、上述の方法により、このセグメントにおける２つの隣接するチャネル感知素子から出力される電圧信号と関連し、これから基準スペクトル成分λcの衝突位置を推測することができる。当業者であれば、基準スペクトル成分λcのリアルタイムの衝突位置を効率的に監視するために、適切な信号検出及び処理方式をどのように考案すればよいか分かるであろう。
【００５０】
図７Ｂにおいては、スペクトルチャネルλ1からλNまでが、基準スペクトル成分λcにより指定された基準セグメントから良好に分離されたフォトダイオードアレイ６４０Ｃの部分内に配置された複数のチャネル感知素子上に衝突することができるため、該基準セグメントから出力されたどの電圧信号もスペクトルチャネルからの貢献を含まず、逆もまた同様である。スペクトルチャネルと下にあるチャネル感知素子との間の対応関係は、図６Ｂ又は図６Ｃの実施形態に置いて述べられたものとすることができる。いずれの場合においても、フォトダイオードアレイ６４０Ｃ上に衝突するスペクトルチャネルの出力レベルは、上述の方程式（３）に示される方法で、所定の転換マトリクス［Ｃ］により該フォトダイードアレイ６４０Ｃのチャネル部分からこのように生成された電圧信号と関連付けることができる。
【００５１】
図７Ａの実施形態におけるスペクトルパワー監視装置７００は、以下のように作動することができる。初期（又は工場）較正中に、検出されるべきスペクトルチャネルと同じ波長と公知の出力レベルとを有する光信号は、関心のあるスペクトルチャネルを「まねる」ような方法で入力ポート６１０に連結される。（較正光信号は、例えば調整可能レーザにより与えることができる。）基準信号λcと併せて入力ポート６１０から出てきた較正光信号は、空間的に分離されて、次いで、回折格子６２０及び合焦レンズ６３０によりフォトダイオードアレイ６４０（例えば、図７Ｂのフォトダイオードアレイ６４０Ｃ）上に衝突する。基準スペクトル成分λcの衝突位置は、次いで、十分な空間分解能によって段階的に変化され（例えば、図７Ｂにおけるｘ軸方向に沿って）、このことは、好適な作動手段を用いて光学的感知アレイ６４０を並進させることにより達成することができる。基準スペクトル成分λcの位置ｘは、次いで、上述のように指定された基準部分から出力された電圧信号（例えば、電圧信号Ｖ1、Ｖ2）により求められる。基準スペクトル成分λcの各々の位置ｘにおいて、較正光信号により生成された電圧信号がさらに測定され、これらは次いで、該較正光信号の公知の出力レベルと併せて上述の方程式（２）に代入され、これにより対応する伝達マトリクス［Ｔ（ｘ）］が計算される。方程式（３）における転換マトリクス［Ｃ（ｘ）］は、次いで、当業者に周知の好適なマトリクス計算アルゴリズムを用いることにより伝達マトリクスＹ（ｘ）から引き出すことができる。較正工程は、このように、［Ｃ（ｘ）］をｘの関数として含むマトリクス−較正表を確立し、これはアラインメント補償装置７６０に格納することができる。後続して、作動中、アラインメント補償装置７６０は、基準スペクトル成分λcのリアルタイムの衝突位置ｘを監視して、対応する位置ｘにおけるフォトダイオードアレイ６４０Ｃのチャネル部分上に衝突するスペクトルチャネルにより生成された電圧信号を測定する。アラインメント補償装置７６０は次に、上述の方程式（３）を用いることにより測定された電圧信号から衝突するスペクトルチャネルの出力レベルを取得するために、所定のマトリクス−較正表から対応する転換マトリクス［Ｃ（ｘ）」を参照する。このように、スペクトルパワー装置７００は、如何なる「移動する」作動手段も含むことなく、ソフトウェア制御により、作動中に生じることがあるどんな変化も効率的に補償する。このようなソフトウェアをベースにしたアラインメント補償装置を用いることはさらに、初期組立中の製作公差及び精度を緩和して、本発明のスペクトルパワー監視装置の較正をより単純にし、性能をより頑強することを可能にする。
【００５２】
図６Ｂに述べられるフォトダイオードアレイ６４０Ａの例示的な光応答特性は、本発明の一般的な原理を示すものとして一例として与えられたものであることを理解されたい。当業者であれば、異なる光応答特性をもつ他の光学的パワーセンサ（又はフォトダイオード）を、代替的に、本発明のスペクトルパワー監視装置に実装して、実質的に同等の方法で（例えば、上述の方程式（１）ないし方程式（３）により述べられるように）、実質的に同じ機能を与えるようにすることができることを理解するであろう。例えば、本発明による光学的パワーセンサアレイは、必ずしも連続する全体光応答関数をもつ必要はない（例えば、光感知領域の間に１つ又はそれ以上の「デッドゾーン」があってもよい）。本発明の教示から理解されるように、当業者であれば、与えられた用途に最も合うように、どのように適切なスペクトルパワー監視装置を設計すればよいか分かるであろう。
【００５３】
図７Ａ又は図７Ｂの実施形態においては、波長λ1からλNまでを含む多波長光信号は、入力ポート６１０として働くファイバコリメータに連結された入力光ファイバ６０１により与えることができる。基準信号λcは、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ、ファブリ−ペロ（ＦＰ）レーザ（モードの跳びを抑制して出力信号を安定化する適切な変調／制御システムと組み合わされた）、又は明確で安定した波長をもつ適切な信号を与えることができる当業者に周知の他の光源のいずれかとすることができる基準光源６０２により与えることができる。基準光源６０２を入力光ファイバ６０１に連結するために、光学コンバイナ６０３（例えば、溶融光ファイバカプラ）を用いることができ、これは多波長光信号及び基準信号の両方を入力ポート６１０に連結するのに有効なものである。スペクトルパワー監視装置は、したがって、独立した内部基準光源を有する。或いは、入力多波長光信号自体が、ＷＤＭ光通信用途におけるように、基準信号として用いることができるスペクトル成分（例えば、光通信におけるサービスチャネル）を含むことができる。このような場合においては、内部基準光源６０２と光ファイバカプラ６０３とは、実装される必要がない。入力光ファイバは、単一モードファイバ、多モードファイバ、又は偏光保持ファイバとすることができる。
【００５４】
さらに、回折格子は、規則化された回折格子、ホログラフィック回折格子、又はエシェル格子、とすることができ、これらすべては当業者において、一般に、多波長信号を波長により分離するのに用いられている。一般に、本発明のスペクトルパワー監視装置における波長分散器は、さらに、透過回折格子又は分散プリズムのような当業者に周知の他の種類の波長分離手段により具現することができる。ビーム合焦器６３０は、代替的に、合焦レンズの組立体であるか、又は当業者に周知の他の好適なビーム合焦手段とすることができる。合焦機能はさらに、波長分離及びビーム合焦の二重の機能を実行する湾曲回折格子を用いることにより与えることができる。スペクトルチャネルと基準スペクトル成分とが良好に分離される用途においては、図６Ａ又は図７Ａにおける合焦レンズのようなビーム合焦器は、用いる必要がないことに注目されたい。
【００５５】
回折格子の回折効率は、偏光依存性になることが周知である。例えば、標準的な取付け構成における格子の回折効率は、該格子上の溝ラインに対して垂直なｐ（又はＴＭ）偏光の方が、該ｐ偏光に対して垂直なｓ（又はＴＥ）偏光より高いことになり、逆もまた同様である。このような偏光感性効果を緩和するために、好適な偏光感性素子を本発明のスペクトルパワー装置に実装して、回折格子上に衝突する前に、予め決められた比に基づいて、一方の偏光（例えば、ｐ偏光）成分を他方の偏光（例えばｓ偏光）成分に対して減衰させるようにして、該格子の偏光依存性を補償するようにすることができる。このことは、例えば、図６Ａ又は図７Ａの実施形態において、入力ポート６１０と回折格子６２０との間の光路に沿って、適切な弱い偏光器（例えば、漏洩ビームスプリッタ）を置くことにより、達成することができる。或いは、以下のセクションＩＩＩに述べられるように、好適な偏光分散方式を実装することができる。
本発明の教示から理解されるように、当業者であれば、与えられた用途に最も合うように、適切な偏光分散方式と併せて、どのように好適なアラインメント補償装置を用いるスペクトルパワー監視装置を設計すればよいか分かるであろう。例えば、（１ないし１．７μｍの波長範囲に対して特に敏感な）ＩｎＧａＡｓベースのフォトダイオードアレイを上述の実施形態における光学的感知アレイとして用いることにより、本発明は、ＷＤＭ光通信用途に特に好適な能動的アラインメント補償をもつ新しいラインのスペクトルパワーモニタを提供する。
【００５６】
ＩＩＩ．偏光分散方式
図８は、本発明の光学的スペクトルパワー監視装置の例示的な実施形態を示す。本発明の原理及び一般的なアーキテクチャを示す手段として、光学スペクトルパワー監視装置８００は、ファイバコリメータの形態とすることができる多波長光信号のための入力ポート８１０と、一形態においては偏光ビームスプリッタとすることができる偏光分離素子８７０と、２分の１波長板とすることができる偏光回転素子８８０と、一形態においては回折格子とすることができる波長分散器８２０と、合焦レンズとすることができるビーム合焦器８３０と、光学的パワーセンサ８４０のアレイ（ここでは「光学的感知アレイ」と呼ばれる）とを備える。
【００５７】
図８の光学的スペクトルパワー監視装置８００の主な作動は、以下のようなものとすることができる。入力ポート８１０が多波長光信号（例えば、波長λ1からλNを含むことができる）を送る。偏光分離素子８７０は、多波長光信号を、回折格子８２０に対して、ｐ（又はＴＭ）偏光成分（格子上の溝ラインに対して垂直な）と、ｓ（又はＴＥ）偏光成分（ｐ偏光成分に対して直角）とに分解する。（ｐ偏光成分及びｓ偏光成分は「第１及び第２の偏光成分」とも呼ばれる。）一例として、ｐ偏光が回折格子８２０の「好ましい方向」であると仮定すると（すなわち、回折効率はｐ偏光の方がｓ偏光より高い）、偏光回転素子８８０は、後続して、ｓ偏光成分の偏光を９０度だけ回転させ、これにより該回折格子８２０上に入射する光信号はすべてｐ偏光をもつことになる。回折格子８２０は、入射光信号を、波長により、第１及び第２の光ビームの組のそれぞれに、角度的に分離する（例えば、各々の組は波長λ1からλNまでをもつ光ビームを含む）。合焦レンズ８３０は、次いで、回折光ビームを対応する焦点スポットに合焦して、同じ波長（例えば、λi）と関連する第１及び第２の光ビームが、光学的感知アレイ８４０上の実質的に同じ位置で（又は同じ光学的パワーセンサ内で）衝突するようにする。（本明細書及び特許請求の範囲においては、偏光回転素子（例えば、偏光回転素子８８０）により生成された偏光の回転は、実際のシステムに存在することがある欠陥に起因して、定められた角度（例えば、９０度）の周りでわずかな変化を有するものとして解釈されることを理解されたい。しかしながら、このような変化は本発明の性能全体に大幅に影響を与えるものではない。）
【００５８】
第１及び第２の光ビームの前述の重なり（同じ方向に偏光され、同じ波長により特徴付けられる）は、望ましくない輝度縞を生成することになるコヒーレンス干渉をもたらすことがある。このような状況を避けるために、補助回転素子８９０を図８の実施形態において実装することができ、この場合には、第１及び第２の光ビームの組が光学的感知アレイ８４０上に衝突する前に、２つの直交方向で偏光される。補助偏光回転素子は、回折格子８２０と光学的感知アレイ８４０との間に実装することができ、第１又は第２の光ビームの組が該光学的感知アレイ８４０上に衝突する前に、該光ビームの組のいずれかの偏光を９０度だけ回転するように働く。図８における例によると、補助偏光回転素子８９０は、回折格子８２０と合焦レンズ８３０との間に配設されて、第１の光ビームの組が光学的感知アレイ８４０上に衝突する前に、偏光の９０度の回転を受けるようにされる。補助偏光回転素子８９０は、或いは、第２の光ビームの組が光学的感知アレイ８４０上に衝突する前に、偏光の９０度の回転を受けるように、回折格子８２０と合焦レンズ８３０との間に配設できることを理解されたい。いずれの場合においても、同じ波長（例えば、λi）と関連する第１及び第２の光ビームは光学的感知アレイ８４０上に衝突すると、２つの直交方向で偏光されることになり、これにより如何なるコヒーレント輝度干渉も排除される。
このように、前述の偏光分散方式を有利に用いることにより、回折格子８２０の偏光感性は、光学的スペクトルパワー監視装置８００においては重要度の低いものとなる。このことは、本発明の装置が、光学的スペクトルパワー検出において改良された精度をもたらしながら、単純かつ費用効果のある構成でスペクトル分解能を高めることを可能にする（例えば、当業者により一般に利用可能な高分散回折格子の利用により）。
【００５９】
図９は、本発明による偏光分散方式を用いる光学的スペクトルパワー監視装置の別の実施形態を示す。一例として、光学的スペクトルパワー監視装置９００は、同一の番号による表示が付されて示されるように、図８の実施形態において用いられたアーキテクチャ並びに多数の素子を利用することができる。この場合においては、変調組立体９８５を実装することができ、第１及び第２の光ビームの組が時分割多重（例えば、交互の）様式で光学的感知アレイ８４０上に衝突するように構成される。一例として、変調組立体９８５は、第１及び第２のシャッタ素子９８１、９８２と併せて制御装置９８３をもつ形態で示され、偏光回転素子８８０をもつ偏光分離素子８７０と回折格子８２０との間の光路に沿って配設され、このようにして第１及び第２の偏光成分のそれぞれを制御する。第１及び第２のシャッタ素子９８１、９８２のいずれも、光信号が適切な制御信号を通過することを可能にし（例えば、制御装置９８３により与えられる）、どの制御信号もない場合には入射光信号の近くに留まるように構成することができる。したがって、制御装置９８３により、好適な制御方式に基づく交互様式で第１及び第２のシャッタ素子９８１、９８２を作動させることにより、第１及び第２の光ビームの組は、実線及び破線による想像線で示されるように、時分割多重シーケンスにおいて、光学的感知アレイ８４０上に衝突する。このことは、第１及び第２の光ビームの組を別々に検出することを可能にし、これにより、入力多波長光信号における各々の偏光成分と関連する光学的パワースペクトルを独立して引き出すことができる。当業者であれば、第１及び第２のシャッタ素子９８１、９８２（制御装置９８３と併せて）を、或いは、回折格子８２０と光学的感知アレイ８４０との間に実装して、このようにして第１及び第２の光ビームの組のそれぞれを制御することにより、実質的に同様の機能をもたらすことができるようになることを理解するであろう。
【００６０】
前述の実施形態においては、変調組立体９８５は、或いは、少なくとも１つの孔が装備された不透明な回転ディスクのような光ビームチョッパ（関連する制御装置と併せて）、又は２つの入射光信号が交互様式で通過することを可能にする当業者に周知の他の好適な手段のいずれかにより形成することができる。光ビームチョッパを、偏光回転素子８８０をもつ偏光分離素子８７０と回折格子８２０との間、又は該回折格子８２０と光学的感知アレイ８４０との間の光路に沿って実装し、したがって、実質的に同等の方法により実質的に同様の機能をもたらすことができる。
図９の実施形態においては、第１及び第２の光ビームの組の各々は、下にある光学的感知アレイ８４０と所定のアラインメントを有することができる。或いは、同じ波長（例えば、λi）と関連する第１及び第２の光ビームは、光学的感知アレイ８４０上の実質的に同じ位置で（異なる時間であっても）衝突することができる。光学的感知アレイ８４０は、アレイ２４０又は６４０と実質的に同一のものとすることができ、フォトダイオードアレイ（例えば、ニュージャージー州プリンストン所在のＳｅｎｓｏｒｓ  Ｕｎｌｉｍｉｔｅｄ社からのフォトダイオードアレイ）、その他の当業者に周知の好適な光学的感知手段を含むことができる。当業者であれば、与えられた用途に最も合うように、どのように好適な光学的感知アレイを実装して、適切な検出スキームを考案すればよいか分かるであろう。
【００６１】
図８の実施形態のように、光学的スペクトルパワー監視装置９００は、回折格子８２０に対して偏光感性のものではなく、したがって、高められたスペクトル分解能をもつ多波長光信号の正確な検出をもたらすことができる。光学的スペクトルパワー監視装置９００の付加的な利点は、第１及び第２の光ビームを時分割多重様式で光学的感知アレイ上に衝突させることにより、入力多波長光信号における各々の偏光成分と関連する光学的パワースペクトルを独立して求めることができることであり、このことは光通信用途において有益となる。例えば、偏光多重化、すなわちデータストリームを単一波長チャネルの２つの直交偏光成分にコード化することは、光ファイバの情報容量を増加させる別の方法としてもたらされた。したがって、単一波長チャネルの２つの直交偏光成分を別々に検出することができる装置を有することが望ましい。
【００６２】
当業者であれば、変調組立体９８５の前述の機能は、第１及び第２の光ビームの組を周波数分割多重様式で変調するように一般化することができ、これによりこれらが光学的感知アレイ８４０上で別々に識別できるようになることを認識するであろう。図１０は、この状況に関する光学的スペクトルパワー監視装置の別の実施形態を示す。一例として、光学的スペクトルパワー監視装置１０００は、同一の番号による表示が付されて示されるように、図８の実施形態において用いられたアーキテクチャ並びに多数の素子を利用することができる。この場合においては、変調組立体１０８５は、偏光回転素子８８０をもつ偏光分離素子８７０と回折格子８２０との間の光路に沿って配設されて、第１及び第２の偏光成分のそれぞれを変調するように働くことができる。変調組立体１０８５は、制御装置１０８３と併せて、当業者に周知の電気光学輝度変調器（例えば、液晶ベースの輝度変調器）とすることができる第１及び第２の変調素子１０８１、１０８２の形態とすることができる。第１及び第２の変調素子１０８１、１０８２は、２つの区別できる交互（又は「ディザ」）制御信号の制御下で作動することができ（例えば、制御装置１０８３により与えられる）、これは一形態においては、２つの区別できる周波数（例えば、第１及び第２の「ディザ周波数」）における時間のシヌソイド関数とすることができる。変調素子１０８１、１０８２のいずれかは、これが曝される制御信号に対してほぼ線形の応答を含むその対応する光ビームの光出力レベルの「ディザ変調信号」を導くように構成することができる。このように、第１及び第２のビーム変調素子１０８１、１０８２から生じると、第１及び第２の偏光成分は、第１及び第２のディザ変調信号（例えば、第１及び第２のディザ周波数により特徴付けられる）のそれぞれを運ぶことになる。その結果、回折格子８２０から回折された第１及び第２の光ビームの組は、さらに、それぞれのディザ変調信号を運び、光学的感知アレイ８４０上に衝突するようになる。このように光学的感知アレイ８４０により生成された電気信号は、同様に、該光学的感知アレイ８４０と通信状態にある同期検波装置１０９０により検出されることになる同じ特性のディザ変調信号を含む。当業者であれば、同期検波装置１０９０はさらに、実際の用途において望まれる場合には、制御装置１０８３と通信状態になることができることを理解するであろう。
【００６３】
本発明においては、「スペクトルチャネル」は、区別できる中心波長と関連する帯域幅とにより特徴付けられ、ＷＤＭ光通信用途におけるように、独特な情報信号を運ぶことができる。「ディザ変調信号」は、入力多波長光信号が運ぶことがある他の「真性」変調信号（例えば情報信号）とは対照的に、変調組立体により生成された光信号の光出力レベルにおけるあらゆる変調のことをいう。したがって、ディザ変調信号は、スペクトルチャネルが運ぶことがある他の「真性」変調信号の周波数から十分に分離されたスペクトル範囲に割り当てられる。
図９の例におけるように、図１０の実施形態における第１及び第２の光ビームの組の各々は、下にある光学的感知アレイ８４０との所定のアラインメントを有することができる。或いは、同じ波長（例えば、λi）と関連する第１及び第２の光ビームは、光学的感知アレイ８４０上の実質的に同じ位置で（又は同じ光学的パワーセンサ内で）衝突することができる。いずれの場合においても、これらの２つの光ビームの組により運ばれる区別できるディザ変調信号は、例えば、同期検波装置１０９０を用いることにより、別々に検出できるようにされる。同期検波装置１０９０により与えられた測定値を、入力多波長光信号における対応する光出力レベルに関連させるために、較正工程を行うことができ、これにより該入力多波長光信号における各々の偏光成分と関連する光学的パワースペクトルを引き出すことができる。本発明の教示から、当業者であれば、与えられた用途に最も合うように、どのように好適な光学的感知アレイを実装して、適切な検出スキームを考案すればよいか分かるであろう。
【００６４】
変調組立体１０８５はさらに、（関連する制御装置と併せて）光ビームチョッパ、例えば、２つの孔の群を装備した不透明な回転ディスクにより形成することができる。各々の孔の群は、その対応する光ビーム（例えば、第１又は第２の偏光成分）を、構成孔の空間的配置により定められた周波数で効率的に「チョップ」する。所望の方式に基づいて２つの孔の群を配置することにより、光学的感知アレイ８４０に到達する第１及び第２の光ビームの組は、区別できる変調により特徴付けることができ、したがって、これらを別々に検出することが可能になる。変調組立体１０８５（例えば、第１及び第２の変調素子１０８１、１０８２）を、或いは、回折格子８２０と光学的感知アレイ８４０との間に実装して、第１及び第２の光ビームのそれぞれを変調することが可能になることを理解されたい。本発明の教示から、当業者であれば、与えられた用途に最も合うように、本発明による光学的スペクトルパワー監視装置における適切な変調組立体をどのように実装すればよいか分かるであろう。
【００６５】
上述の実施形態においては、偏光分離素子８７０は、偏光ビームスプリッタ、複屈折ビームディスプレーサ、又は当業者に周知の他の種類の偏光分離手段とすることができる。偏光回転素子８８０又は補助偏光回転素子８９０は、２分の１波長板、ファラデー回転子、液晶回転子、又は定められた角度（例えば、９０度）だけ光ビームの偏光を回転することができる当業者に周知の他の偏光回転手段のいずれかとすることができる。第１及び第２のシャッタ素子９８１、９８２のいずれかは、例えば液晶回転子を備えた液晶ベースのシャッタ素子とすることができ、該液晶回転子は、どの制御信号もない場合には、入射光ビームの偏光を９０度だけ回転させ、適切な制御信号下では偏光を変更しないまま残すものであり、該液晶回転子により生成されたこのように回転された偏光に対して垂直な偏光軸をもつ偏光子と関連している。さらに、第１及び第２のシャッタ素子９８１、９８２のいずれかは、機械的シャッタとして作用するＭＥＭＳ（マイクロエレクトロ機械システム）ベースの素子、又は好適な作動手段により入射光ビームに対して開くか又はと閉じたままでいる当業者に周知の他のシャッタのような素子のいずれかとすることができる。制御装置９８３は、所望の方式により第１又は第２のシャッタ素子９８１、９８２を制御するための当業者に周知の電気回路及び信号制御アルゴリズムを含むことができる。
さらに、第１及び第２の変調素子１０８１、１０８２のいずれかは、液晶輝度変調器のような電気光学輝度変調器、又は当業者に周知の他の好適な変調手段のいずれかとすることができる。当業者であれば、所望のディザ変調信号が第１及び第２の変調素子１０８１、１０８２により生成されるように、どうのように適切な制御装置１０８３を考案すればよいか分かるであろう。同期検波装置１０９０は、一般的に、第１及び第２の光ビームの組のそれぞれにおいてこのように生成されたディザ変調信号の同期検波を実行するために考案された電気回路及び信号処理アルゴリズムを含む。
【００６６】
本発明においては、波長分散器（例えば、回折格子）８２０は、規則化された回折格子、ホログラフィック回折格子、エシェル格子とすることができ、これらはすべて波長により多波長信号を分離するために当業者により一般に用いられているものである。一般に、本発明の光学的スペクトルパワー監視装置における波長分散器８２０はさらに、透過回折格子又は分散プリズムのような当業者に周知の他の種類の波長分離手段により具現することができる。ビーム合焦器８３０は、或いは、合焦レンズの組立体であるか、又は当業者に周知の他の好適なビーム合焦手段のいずれかとすることができる。合焦機能はさらに、波長分離及びビーム合焦の二重の機能を働く湾曲回折格子により達成することができる。入力ポート８１０として働くファイバコリメータは、コリメータレンズ（ＧＲＩＮレンズのような）、及び機械的に剛性のステンレス鋼（又はガラス）チューブ内に共にパッケージされたフェルールが取り付けられたファイバの形態とすることができる。
【００６７】
セクションＩ及びＩＩに述べられるスペクトルモニタと組み合わされた前述の偏光ダイバーシチ補償方式も能動的アラインメント補償を用いることを理解されたい。例えば及び限定することなく、偏光分散方式は、偏光分離素子８７０と、偏光回転素子８８０及び／又は８９０と、スペクトルモニタ内の対応する位置（例えば、入力ポートと波長分散器及び／又はビーム合焦器との間）における変調組立体９８５、１０８５とを統合することにより、スペクトルモニタ内で用いることができる。
本発明及びその利点が詳細に述べられたが、本発明の原理及び範囲から離れることなく、種々の変更、代用、及び改変を行うことができることを理解されたい。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲及び法的な均等技術により定められるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明による基準スペクトル成分及び多数のスペクトルチャネルの例示的なパワースペクトルのグラフ図を示す。
【図２Ａ】本発明による光学機器の第１の実施形態を示す。
【図２Ｂ】本発明による光学機器の第１の実施形態を示す。
【図２Ｃ】本発明による光学機器の第１の実施形態を示す。
【図２Ｄ】本発明による光学機器の第１の実施形態を示す。
【図３Ａ】本発明による光学機器の第２の実施形態を示す。
【図３Ｂ】本発明による光学機器の第３の実施形態を示す。
【図４Ａ】本発明による光学機器の第４の実施形態を示す。
【図４Ｂ】本発明による光学機器の第４の実施形態を示す。
【図４Ｃ】本発明による光学機器の第４の実施形態を示す。
【図５Ａ】本発明による多波長光信号のスペクトルアラインメントを実行する方法を示すフローチャートを示す。
【図５Ｂ】本発明による多波長光信号のスペクトルアラインメントを実行する方法を示すフローチャートを示す。
【図６Ａ】サーボをベースにしたアラインメント補償装置を用いる本発明によるスペクトルパワー監視装置の別の実施形態を示す。
【図６Ｂ】サーボをベースにしたアラインメント補償装置を用いる本発明によるスペクトルパワー監視装置の別の実施形態を示す。
【図６Ｃ】サーボをベースにしたアラインメント補償装置を用いる本発明によるスペクトルパワー監視装置の別の実施形態を示す。
【図７Ａ】ソフトウェアをベースにしたアラインメント補償装置を用いる本発明によるスペクトルパワー監視装置の別の実施形態を示す。
【図７Ｂ】ソフトウェアをベースにしたアラインメント補償装置を用いる本発明によるスペクトルパワー監視装置の別の実施形態を示す。
【図８】本発明による偏光分散方式を用いる光学スペクトルパワー監視装置の一実施形態を示す。
【図９】本発明による偏光分散方式を用いる光学スペクトルパワー監視装置の別の実施形態を示す。
【図１０】本発明による偏光分散方式を用いる光学スペクトルパワー監視装置の一実施形態を示す。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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