(57)【要約】【課題】組み立て・調整を極力不要にするような構成を採用し、しかも、従来よりも高精度で広範囲な波長計測を可能にする波長計測装置を提供する。【解決手段】ブラッグ回折格子からの反射光（透過光）を光ファイバ４０を介してＣ＆ＢＦＢＧ１０に入射させ、このＣ＆ＢＦＢＧ１０により分光された光を、光導波路クラッド２１・集光部２２を介して受光器３０が受光し、感度が異なる第１，第２検出器アレイ３１，３２の受光素子による光電流の比の対数に基づいて反射光（透過光）の波長を測定する波長計測装置とした。【選択図】  図４
2004163156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光が入射される光ファイバ、光導波路または平面光導波路に一以上のブラッグ回折格子が形成され、前記ブラッグ回折格子からの反射光あるいは透過光の波長を検出して前記ブラッグ回折格子の位置における物理量を測定する物理量測定システムにおいて、
前記ブラッグ回折格子からの反射光または透過光を、チャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子に入射させ、このチャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子により分光された光を、その焦点位置に配置され、かつ波長に対する感度が異なる第１，第２の検出器アレイによって受光し、これらの第１，第２の検出器アレイのそれぞれの受光素子による光電流の比の対数に基づいて前記反射光または透過光の波長を測定することを特徴とする波長計測装置。
【請求項２】
請求項１記載の波長計測装置において、
波長に対する感度が同じである第１，第２の検出器アレイのうちの一方のみに光学フィルタを付加し、第１，第２の検出器アレイの波長に対する感度を異ならせることを特徴とする波長計測装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載した波長計測装置において、
チャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子および／または検出器アレイの温度検出信号に基づき温度制御素子を動作させてチャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子および／または検出器アレイの温度を一定に保つことを特徴とする波長計測装置。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載した波長計測装置において、
光導波路内に構成されたチャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子、光導波路から出射した光を検出器アレイに集光するための集光部、および、検出器アレイを一体に構成したことを特徴とする波長計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度や歪みまたは圧力等の物理量を、光ファイバあるいは光導波路内に構成されたブラッグ回折格子（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ、以下ＦＢＧと略す）からの反射光の波長によって測定する物理量測定システムに適用可能な波長計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術について図を参照しつつ説明する。
図６は従来技術の波長計測装置の構成図、図７はチャープ特性およびブレーズ特性の説明図である。
図６に示す従来技術の波長計測装置１００は、光ファイバ１４０上を伝送する光のスペクトラムを測定する装置である。この波長計測装置１００は、チャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子（以下、Ｃ＆ＢＦＢＧという）１１０、プリズム１２０、検出器アレイ１３０、光ファイバ１４０を備えている。
【０００３】
Ｃ＆ＢＦＢＧ１１０は、後述するチャープ特性およびブレーズ特性の両方を有している。
プリズム１２０は、光ファイバ１４０と屈折率が等しくなるように構成されている。
検出器アレイ１３０は、２５６個の受光素子がアレイ化されている。
【０００４】
続いて、Ｃ＆ＢＦＢＧ１１０について説明する。
Ｃ＆ＢＦＢＧ１１０の説明の前提として、まず光ファイバのＦＢＧ（ブラッグ回折格子）について述べる。
光ファイバのＦＢＧは、周知のようにコアの屈折率が光軸に沿って周期的に変化しており、屈折率に応じて特定波長を中心とした挟帯域の光を反射するというものである。
【０００５】
このような光ファイバのＦＢＧにチャープ特性（光ファイバの長手方向に沿って徐々に屈折率変化のグレーティング周期間隔を変えていくことで得られる特性）と、ブレーズ特性（屈折率変化の周期間隔を光ファイバの断面方向に対して傾斜角度を持って形成することで得られる特性）とを持たせたものが、Ｃ＆ＢＦＢＧ１１０である。
【０００６】
このようなＣ＆ＢＦＢＧ１１０は、図７（ａ）で示すように、光ファイバ１４０の長手方向に沿って徐々に波長が変化しながら光ファイバ１４０から光が放射していく分光器として機能し、また、図７（ｂ）に示すように、同じ周期間隔のＦＢＧの位置によっても、ブラッグ回折角度により反射波長が異なるように機能する。
【０００７】
そして、図６に示すように、これらの反射光が焦点を結ぶ位置に検出器アレイ１３０を設置することで、特定波長のパワーを測定することができる。この検出器アレイ１３０の各受光素子が特定波長のパワーを示すため、検出器アレイ１３０に沿った光パワーの分布は光ファイバ１４０への入射光のスペクトラムを示すことになる。
【０００８】
なお、このような従来技術に関する論文としては、「Ｆｉｂｅｒ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｐｅｃｔｒｕｍ  ａｎａｌｙｚｅｒ  Ｔａｐ」（Ｊｅｆｆｅｒｓｏｎ  Ｌ．Ｗａｇｅｎｅｒ  ｅｔ．ａｌ，  ＥＣＯＣ’  ９７，  ２２−  ２５  Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  １９９７，  Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｎｏ．４４８）等が知られている。この従来技術では、計測範囲１４〔ｎｍ〕に対して２５６個の受光素子を用いているため、分解能は最大でも０．０５〔ｎｍ〕である。
【０００９】
このように図６に示した従来技術において波長の計測分解能を上げるには、検出器アレイ１３０の受光素子の間隔を小さくするか、または、Ｃ＆ＢＦＢＧ１１０の設計を変えるか、何れかが考えられる。
しかし、受光素子の間隔を小さくする方法では、波長の計測範囲が狭くなるため、これを補うには分解能を上げた分だけ受光素子の数を増やす必要がある。つまり、広い波長計測範囲および高分解能を同時に得ることが困難であった。
また、Ｃ＆ＢＦＢＧ１１０の設計を変更する方法では、コスト等の関係から実用的ではなかった。
【００１０】
また、検出器アレイ１３０の受光素子、プリズム１２０とＣ＆ＢＦＢＧ１１０との相対位置関係の安定性はその原理から分かるように波長測定精度に大きな影響を与える。従来技術ではこれらをディスクリートな個別の光学部品で組み合せることにより波長計測装置を構成していたため、高い精度の波長計測を行うことができなかった。
【００１１】
そこで、本発明者は、このような問題点を解決する波長計測装置の発明をし、特許出願（出願番号：特願平１１−９２５１９号，発明の名称：波長計測装置）を行った。この特許出願は、特開２０００−２８３８４５号として出願公開されるに至っている。この発明について図を参照しつつ説明する。図８は、他の波長計測装置の構成図である。
【００１２】
出願公開された発明に係る波長計測装置２００は、図８で示すように、チャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子（Ｃ＆ＢＦＢＧ）２１０、プリズム２２０、検出器２３０、光ファイバ２４０、ファイバ固定Ｖブロック２５０を備えている。
【００１３】
この従来技術では、光ファイバ２４０上の図示しない各ＦＢＧからの反射光を、Ｃ＆ＢＦＢＧ２１０に入射させ、Ｃ＆ＢＦＢＧ２１０により分光された光を、その焦点位置に配置され、かつ波長に対する感度が異なる第１，第２の検出器アレイを備える検出器２３０が受光し、これら第１，第２の検出器アレイのそれぞれの受光素子による光電流の比の対数に基づいて前記反射光の波長を測定するというものである。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の波長計測装置は、Ｃ＆ＢＦＢＧ２１０、プリズム２２０、検出器２３０、光ファイバ２４０、ファイバ固定Ｖブロック２５０を一体に組み立てるため、高い精度の波長計測を行うことができる。
しかしながら、高い検出精度を維持するためには、組み立て・調整に時間・労力を要するという問題点があった。
【００１５】
そこで本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、組み立て・調整を極力不要にするような構成を採用し、しかも、従来よりも高精度で広範囲な波長計測を可能にする波長計測装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、
測定光が入射される光ファイバ、光導波路または平面光導波路に一以上のブラッグ回折格子が形成され、前記ブラッグ回折格子からの反射光あるいは透過光の波長を検出して前記ブラッグ回折格子の位置における物理量を測定する物理量測定システムにおいて、
前記ブラッグ回折格子からの反射光または透過光を、チャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子に入射させ、このチャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子により分光された光を、その焦点位置に配置され、かつ波長に対する感度が異なる第１，第２の検出器アレイによって受光し、これらの第１，第２の検出器アレイのそれぞれの受光素子（フォトダイオード）による光電流の比の対数に基づいて前記の反射光または透過光の波長を測定することを特徴とするものである。
【００１７】
ここで、「光電流の比の対数」を実現するに当たっては、二つの受光素子（フォトダイオード）の電流出力（Ｉ１，Ｉ２）から換算された二つの電圧出力（Ｖ１，Ｖ２）を対数増幅器にて対数出力（ｌｏｇＶ１，ｌｏｇＶ２）に換算した後、それらの差分出力（ｌｏｇＶ１−ｌｏｇＶ２）をとることにより、「光電流の比の対数」に相当するｌｏｇ（Ｖ１／Ｖ２）の出力が得られる。
【００１８】
また、請求項２記載の発明は、
請求項１記載の波長計測装置において、
波長に対する感度が同じである第１，第２の検出器アレイのうちの一方のみに光学フィルタを付加し、第１，第２の検出器アレイの波長に対する感度を異ならせることを特徴とするものである。
【００１９】
請求項３記載の発明は、
請求項１または請求項２に記載した波長計測装置において、
チャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子および／または検出器アレイの温度検出信号に基づき温度制御素子を動作させてチャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子および／または検出器アレイの温度を一定に保つことを特徴とするものである。
【００２０】
請求項４記載の発明は、
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載した波長計測装置において、
光導波路内に構成されたチャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子、光導波路から出射した光を検出器アレイに集光するための集光部、および、検出器アレイを一体に構成したことを特徴とするものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の波長計測装置について説明する。
まず、本発明においては論文「Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｌａｓｅｒｓ：ｐｒｅｃｉｓｅ  ｂｕｔ  ｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅ」（Ｊａｎ  Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ  Ｂｒａａｓｈ  ｅｔ．ａｌ，  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  １９９５）に記載された波長の決定原理を利用する。以下、この原理について図を参照しつつ説明する。図１は、波長測定原理の説明図、図２は波長測定システムの原理構成図である。
【００２２】
上述した文献によれば、図１のグラフに示したような波長感度の異なる一対のフォトダイオード（電極Ａ１−Ｃ間に形成されるダイオードをダイオードＡ１Ｃ、電極Ａ２−Ｃ間に形成されるダイオードをダイオードＡ２Ｃとする）と高精度ログアンプからなるセンサに単色光を照射した場合、センサの出力Ｗは数式１によって表される。
【００２３】
【数１】
2004163156.tif 000003
【００２４】
ここで、Ｉ１，Ｉ２は各ダイオードＡ１Ｃ，Ａ２Ｃによる光電流、Ｓ１（λ），Ｓ２（λ）は各ダイオードＡ１Ｃ，Ａ２Ｃの波長依存感度、φ（λ）は照射光の波長依存強度分布、Δλは照射光波長のバンド幅である。すなわち、φ（λ）の波長依存強度分布を持つ照射光がＳ１（λ），Ｓ２（λ）の波長依存感度を持つフォトダイオードＡ１Ｃ，Ａ２Ｃに入射した場合、光センサの出力Ｗは、各ダイオードＡ１Ｃ，Ａ２Ｃについての積φ（λ）Ｓ１（λ）、φ（λ）Ｓ２（λ）をバンド幅Δλにわたって積分した値（つまり光電流Ｉ１，Ｉ２）の比のｌｏｇをとることで求められる。そして、照射光の出力が所定の範囲内では、照射光の波長ごとに、ｌｏｇ（Ｉ１／Ｉ２）がほぼ一定になり、そのときの照射光波長は数式２で表されることが記載されている。
【００２５】
【数２】
2004163156.tif 000004
【００２６】
なお、図２は上記原理に基づく波長測定システムの構成図であり、７１はレーザ光源、７２は回転式偏光プリズム、７３はビームスプリッタ、７４は前述の一対のフォトダイオードＡ１Ｃ，Ａ２Ｃからなるダイオード装置、７５は光出力測定器、７６は上記数式１、数式２を演算する演算器である。
【００２７】
さらに、上記文献によれば、各ダイオードの波長感度がほぼ直線的であるような波長範囲（例えば、図１における約６００〜約９００〔ｎｍ〕間の３００〔ｎｍ〕の範囲）では、０．１〔ｎｍ〕以下の間隔で波長測定が可能である。つまり、分解能としては１／３０００となる。
【００２８】
従って、本発明では、前述した数式１、数式２による波長測定原理を基本としたうえ、この測定原理を図６〜図８で説明した従来技術に適用し、光導波路内に構成されたチャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子（Ｃ＆ＢＦＢＧ）、光導波路から出射した光を検出器アレイに集光するための集光部、および検出器アレイを例えば光マイクロマシン技術を用いて一体に構成することで高精度な波長計測を実現する。
さらに、これらの温度を一定にするための温度制御を行うことで高精度な波長計測を実現する。
【００２９】
続いて、本発明の実施形態について図を参照しつつ説明する。
図３は本実施形態の波長計測装置の主要部の構成図、図４は本実施形態の波長計測装置の斜視構成図、図５は検出器の説明図である。
波長計測装置１は、図３，図４で示すように、Ｃ＆ＢＦＢＧ１０、光導波体２０、検出器３０、光ファイバ４０を備えている。
【００３０】
Ｃ＆ＢＦＢＧ１０は、図７を用いて従来技術として説明したチャープ特性とブレーズ特性を有するものであり、その重複する説明を省略する。
光導波体２０は、図３，図４で示すように、光導波路クラッド２１、集光部２２、および、光導波路コア２３を備えている。
【００３１】
光導波路クラッド２１は、光導波路コア２３を覆うように形成される。光導波路クラッド２１の屈折率は光導波路コア２３の屈折率よりも小さいため、入射する光が光導波路クラッド２１で反射しつつ光導波路コア２３内を通過するようになされている。なお、Ｃ＆ＢＦＢＧ１０で光が分光した場合は、光導波路コア２３から光導波路クラッド２１へ入射する光が臨界角よりも小さい角度で入射されるため、光導波路クラッド２１を透過する。
集光部２２は、例えば空気層など屈折率の異なる箇所が光導波路クラッド２１に形成されるものであり、この集光部２２は光導波路クラッド２１と検出器３０との間に形成されてプリズム機能を果たすものである。
【００３２】
検出器３０は、図５で示すように、複数の受光素子３１ａからなる第１検出器アレイ３１、および、複数の受光素子３１ｂからなる第２検出器アレイ３２を備えている。
個々の受光素子３１ａ，３２ａにはアンプ３３，３４がそれぞれ接続され、さらに隣接して対をなすアンプ３３，３４は、対数アンプ３５に接続される。
アンプ３３，３４は、受光素子３１ａ，３１ｂの電流出力を電圧出力に換算する。対数アンプ３５は、受光素子３１ａ，３１ｂの光電流出力に基づき変換された二つの電圧出力の対数換算と差分出力を行う。
【００３３】
なお、Ｃ＆ＢＦＢＧ１０の他に、図示されていないが、光ファイバ４０の延長上にはセンサ用の複数のＦＢＧが形成されており、本実施形態には、これらの複数のＦＢＧからの反射光の波長をＣ＆ＢＦＢＧ１０を用いて検出して各ＦＢＧの位置における温度等の物理量を測定するシステムに適用するものである。
なお、ＦＢＧから反射された光の波長に限定する趣旨ではなく、光ファイバ４０を流れる通常の光の波長を検出することもできる。
【００３４】
続いて、波長の計測について説明する。
Ｃ＆ＢＦＢＧ１０により分光され放射された光の焦点位置には、この光を受光できるように第１，第２検出器アレイ３１，３２が並置されている（図３参照）。また、第１，第２検出器アレイ３１，３２に接続されたアンプ３３，３４および対数アンプ３５により光電流出力を用いて数式１、数式２の演算を行う。この図５で示す回路は図１で示す対数比を出力する処理をイメージしたものである。
【００３５】
ここで、第１，第２検出器アレイ３１，３２は、図４に示すように光ファイバ４０の長手方向に沿ってそれぞれ多数の受光素子（フォトダイオード）３１ａ，３１ｂが配置された構造である。第１検出器アレイ３１の受光素子３１ａと、第２検出器３２の受光素子３１ｂとは、波長に対する感度が異なっており、図１に示したフォトダイオードＡ１Ｃ，Ａ２Ｃに相当している。
【００３６】
この実施形態では、波長に対する感度が異なる第１，第２の検出器アレイ３１，３２の受光素子３１ａ，３１ｂによりＣ＆ＢＦＢＧ１０からの光を同時に受光し、それぞれの光電流出力に数式１，数式２を適用して波長を測定する。ＦＷＨＭ（半値幅）が０．２〔ｎｍ〕のＦＢＧを使用して計測する場合、第１，第２検出器アレイ３１，３２をそれぞれ１２８個の受光素子により構成して各受光素子が２〔ｎｍ〕の幅の分解能となるように予め設計したとすると、この波長計測装置の測定波長範囲は２〔ｎｍ〕×１２８＝２５６〔ｎｍ〕となり、受光素子３１ａ，３１ｂの組合せにより計測可能なそれぞれの２〔ｎｍ〕の範囲内では前述の数式１、数式２に基づき、高分解能で波長を計測することができる。従って、本発明の課題である高分解能かつ広範囲の波長測定が可能となる。
【００３７】
続いて、このような波長計測装置の製造方法について説明する。
図３，図４で示す光導波路コア２３が光導波路クラッド２１内に形成されるが、例えばプラズマＣＶＤ装置等を利用する光マイクロマシン技術により形成される。
Ｃ＆ＢＦＢＧ１０は、この光導波路コア２３内に例えばエキシマレーザなどの紫外線レーザによりブラッググレーティングを書き込むことで形成される。
【００３８】
集光部２２は、図６で示した従来技術の検出器アレイ１３０とプリズム１２０の間の空間に相当する部分であるが、この部分は、光導波路クラッド２１とは異なる屈折率を有する部分であって、例えば、反応性イオンエッチング装置を用いて光導波路クラッド２１を部分的にエッチングして空間を設ける。さらに、エッチングの後で異なった屈折率の媒体を成膜するようにしてもよい。
検出器３０は別途光導波路クラッド２１に接着などにより固定される。
本実施形態はこのようにして製造される。
【００３９】
なお、本実施形態では各種改良形態を採用することが可能である。この点について説明する。
本実施形態では検出器３０の第１，第２検出器アレイ３１，３２は、波長に対する感度が相違したものを採用していた。これに代えて、請求項２に記載のように、波長に対する感度が同じである第１，第２検出器アレイ３１，３２を並置し、例えば、第１検出器アレイ３１のみに光学フィルタを付加することにより、結果的に第１検出器アレイ３１と第２検出器アレイ３２との波長感度を異ならせるようにした。
これにより、構成が簡易であるという利点に加え、感度の同じ検出器アレイ３１，３２に対して適宜光学フィルタを交換することで、流れる光電流を変更して検出特性を調整することなどもできる。
【００４０】
さらにこのような波長計測装置では、請求項３に記載のように、温度センサ、中央処理装置、および、ペルチェ素子等の温度制御素子を波長計測装置１に取り付け、Ｃ＆ＢＦＢＧ１０、光導波路クラッド２１、集光部２２、第１の検出器アレイ３１，第２の検出器アレイ３２の温度を温度センサが検出し、その温度検出信号に基づいて中央処理装置が温度制御素子を動作させることにより、波長計測装置１の温度を一定に保って波長計測精度を向上させることができる。
温度制御素子は、Ｃ＆ＢＦＢＧ１０、光導波路クラッド２１、集光部２２、第１の検出器アレイ３１，第２の検出器アレイ３２等を適宜選択した上でこれらの近傍に設置することで精密な温度制御が可能である。
【００４１】
さらに、光ファイバ４０に代えて、光導波路または平面光導波路を採用してもよい。これら光導波路または平面光導波路に対し一以上のＦＢＧが形成され、ＦＢＧ配置位置における物理量変化を測定するようにしてもよい。
【００４２】
以上、本発明の実施形態について説明した。
本実施形態の波長検出装置では、各光学要素を一体に構成し各光学要素間の位置関係を安定にしたため、高い精度の波長検出を行うことができる。
また、同じ感度を有する検出器アレイに対して一方のフィルタを介在させて感度を相違させるようにしたため、光電流を調整して出力特性を最適にすることができる。
また、ペルチェ素子を利用することで、温度を一定に維持し、波長の検出精度を向上させることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、光導波路内に構成されたチャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子、光導波路から出射した光を検出器アレイに集光するための集光部、および検出器アレイ等の光要素を例えば光マイクロマシン技術を用いて一体に構成できかつ二つの検出器アレイの出力信号の比の対数を演算することにより高精度広範囲な波長計測を可能にすることができる。
【００４４】
総じて、組み立て・調整を極力不要にするような構成を採用し、しかも、従来よりも高精度で広範囲な波長計測を可能にする波長計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】波長測定原理の説明図である。
【図２】波長測定システムの原理構成図である。
【図３】本発明の実施形態の波長計測装置の主要部の構成図である。
【図４】本発明の実施形態の波長計測装置の斜視構成図である。
【図５】検出器の説明図である。
【図６】従来技術の波長計測装置の構成図である。
【図７】チャープ特性およびブレーズ特性の説明図である。
【図８】他の従来技術の波長計測装置の構成図である。
【符号の説明】
１              波長計測装置
１０            チャーフ゜ト゛アント゛フ゛レース゛ト゛フ゛ラック゛回折格子（Ｃ＆ＢＦＢＧ）
２０            光導波体
２１            光導波路クラッド
２２            集光部
２３            光導波路コア
３０            検出器
３１，３２      検出器アレイ
３１ａ，３１ｂ  受光素子
３３，３４      アンプ
３５            対数アンプ
４０            光ファイバ
【図１】
2004163156.tif 000005
【図２】
2004163156.tif 000006
【図３】
2004163156.tif 000007
【図４】
2004163156.tif 000008
【図５】
2004163156.tif 000009
【図６】
2004163156.tif 000010
【図７】
2004163156.tif 000011
【図８】
2004163156.tif 000012