JP2005062201A - Spectroscope - Google Patents
Spectroscope Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005062201A JP2005062201A JP2004315876A JP2004315876A JP2005062201A JP 2005062201 A JP2005062201 A JP 2005062201A JP 2004315876 A JP2004315876 A JP 2004315876A JP 2004315876 A JP2004315876 A JP 2004315876A JP 2005062201 A JP2005062201 A JP 2005062201A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light receiving
- light
- wavelength
- receiving element
- incident
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Images
Landscapes
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
Abstract
Description
本発明は分光装置に関し、詳しくは、波長多重光通信(WDM)における光信号の監視や評価測定に有益な分光装置に関するものである。 The present invention relates to a spectroscopic device, and more particularly to a spectroscopic device useful for optical signal monitoring and evaluation measurement in wavelength division multiplexing optical communication (WDM).
次世代の情報通信方式として、波長多重光通信方式が注目されている。このような波長多重光通信における光信号の監視や評価測定にあたっては、多重化されている光信号の各波長成分を個別に測定する必要があり、各種の分光装置が提案されている。 As a next-generation information communication system, a wavelength multiplexing optical communication system has attracted attention. In monitoring and evaluating measurement of an optical signal in such wavelength division multiplexing optical communication, it is necessary to individually measure each wavelength component of the multiplexed optical signal, and various spectroscopic devices have been proposed.
図14は従来のこのような分光装置の一例を示す基本構成図である。
図において、光ファイバ1で伝送される測定光はコリメーティングレンズ2をで平行ビームに成形されて波長分散素子として用いる回折格子(グレーティング)3に入射される。回折格子3で波長分散された出力光はフォーカシングレンズ4で収束され、波長の分散方向に複数の受光素子が配列された受光素子列5に入射される。
FIG. 14 is a basic configuration diagram showing an example of such a conventional spectroscopic device.
In the figure, measurement light transmitted through an
このような構成によれば、回折格子3を回転させなくてもよく、高速性、信頼性に優れた分光装置が実現できる。
ここで、回折格子3の光学特性は、以下の式で示される。
According to such a configuration, it is not necessary to rotate the diffraction grating 3, and a spectroscopic device excellent in high speed and reliability can be realized.
Here, the optical characteristic of the diffraction grating 3 is expressed by the following equation.
このような基本構成に基づいて波長多重光通信システム用モニタのように狭い波長範囲の分光装置を設計することにより、フォーカシングレンズ4の焦点距離に比べて波長分散による光路の広がりが小さいので、複数の受光素子が波長の分散方向に沿って1次元に配列された受光素子列5を用いた場合には素子の位置と出射角はほぼ比例関係となることは明らかである。
By designing a spectroscopic device having a narrow wavelength range such as a monitor for a wavelength division multiplexing optical communication system based on such a basic configuration, the optical path spread by wavelength dispersion is smaller than the focal length of the focusing
しかしながら、波長λと出射角θの関係は式1を微分して得られる次式であらわされ、
波長λと分散角は出射角θの余弦に依存することがわかる。出射角θは分光装置の仕様の波長範囲、用いる回折格子3の格子定数d、フォーカシングレンズ4の焦点距離f2等に基づき式1から求めることができる。
It can be seen that the wavelength λ and the dispersion angle depend on the cosine of the emission angle θ. The emission angle θ can be obtained from
このような分光装置の波長分解能について説明する。コリメーティングレンズとして焦点距離f1が50mmのものを用いるとする。回折格子の使用領域は、シングルモードファイバーの開口数N.A.、コリメーティングレンズの焦点距離f1及び入射角iで決まり、この場合には11.1mmの長軸の楕円となる。格子定数は格子の線幅であり、1mmあたりの格子本数は1mm/dとなるので格子定数1.11×10-6では900となる。Reyleigh基準による理論分解能(λ/Δλ)は総溝本数で求められるので、この場合は900×11.1で約104であり、λを1.5μmとするとΔλとしては0.15nmと求められる。 The wavelength resolution of such a spectroscopic device will be described. Assume that a collimating lens having a focal length f 1 of 50 mm is used. The use area of the diffraction grating is determined by the numerical aperture NA of the single mode fiber, the focal length f 1 of the collimating lens, and the incident angle i. In this case, it is an ellipse having a major axis of 11.1 mm. The lattice constant is the line width of the lattice. Since the number of lattices per 1 mm is 1 mm / d, the lattice constant of 1.11 × 10 −6 is 900. Since the theoretical resolution (λ / Δλ) based on the Reyleigh standard is obtained by the total number of grooves, in this case, 900 × 11.1 is about 10 4 , and when λ is 1.5 μm, Δλ is obtained as 0.15 nm.
以上のように、分光装置の波長分解能は回折格子3の使用されている領域の大きさに依存していることがわかる。したがって、図14の基本構成で波長分解能を高めるためには、分光装置を大型化しなければならないことになる。 As described above, it can be seen that the wavelength resolution of the spectroscopic device depends on the size of the region in which the diffraction grating 3 is used. Therefore, in order to increase the wavelength resolution with the basic configuration of FIG. 14, the spectroscopic device must be enlarged.
他の構成として、図15に示すように、2台の単色分光器(モノクロメータ)をカスケードに連結して回折格子の総溝本数を多くし、波長分解能を高めるとともに本来のスペクトルに重なった迷光のみを更に分散させて近傍のダイナミックレンジを改善したものも提案されている。 As another configuration, as shown in FIG. 15, two monochromatic spectrometers (monochromators) are connected in cascade to increase the total number of grooves of the diffraction grating, increase the wavelength resolution, and stray light superimposed on the original spectrum. There has also been proposed an improvement in the dynamic range of the neighborhood by further dispersing only the above.
図において、光ファイバ6で伝送される測定光は第1のコリメーティングレンズ7で平行ビームに成形されて第1の回折格子8に入射される。回折格子8で波長分散された出力光は第1のフォーカシングレンズ9で収束されてスリット10に入射される。スリット10の出力光は第2のコリメーティングレンズ11で平行ビームに成形されて第2の回折格子12に入射される。回折格子12で波長分散された出力光は第2のフォーカシングレンズ13で収束され、スリット14を通して単一受光素子15に入射される。
In the figure, measurement light transmitted through an optical fiber 6 is formed into a parallel beam by a first
ここで、2個の回折格子8,12は、測定光の波長を走査するために連動して回転駆動される。これにより、分光装置全体の格子の総本数はこれら回折格子8,12の格子本数の和になって波長分解能は向上する。そして、後段のモノクロメータにより本来のスペクトルに重なった迷光のみを更に分散させ、本来のスペクトル近傍のダイナミックレンジの改善を図っている。
Here, the two
しかし、図15の構成は、2個の回折格子8,12を連動回転させなければならず、構成が複雑になり、小型化は難しい。
However, in the configuration of FIG. 15, the two
次に、分光装置の温度特性について説明する。
空気中で回折格子を用いる時、空気の屈折率をnairとするとその出射角の温度特性は次式で表される。
Next, temperature characteristics of the spectroscopic device will be described.
When the diffraction grating is used in the air, the temperature characteristic of the emission angle is expressed by the following equation, where n air is the refractive index of the air .
ここで、括弧内の第1項は回折格子の線膨張係数、第2項は空気屈折率の温度係数である。
波長の温度係数は以下の式で求められる。
Here, the first term in parentheses is the linear expansion coefficient of the diffraction grating, and the second term is the temperature coefficient of the air refractive index.
The temperature coefficient of wavelength is obtained by the following equation.
例えば波長1.55μmのとき、パイレックス(登録商標)ガラスの回折格子を空気中で用いると、その温度係数はおよそ3.7pm/℃と求められる。 For example, at a wavelength of 1.55 μm, when a Pyrex (registered trademark) glass diffraction grating is used in the air, the temperature coefficient is determined to be approximately 3.7 pm / ° C.
このような温度係数は、分光装置を用いる環境の温度が変化すると、測定光は安定しているにもかかわらず測定結果は温度に応じて変動することになり、好ましくない。 Such a temperature coefficient is not preferable when the temperature of the environment in which the spectroscopic device is used changes, because the measurement light varies depending on the temperature even though the measurement light is stable.
ところで、図16に示すように、回折格子3の出射光を受光素子列5に集光させる光学系として例えば凹面鏡16を用いることが多いが、凹面鏡は比較的高価であって軽量化が難しいという問題がある。また、反射させることにより光路が大きく変化するので光学系の占めるスペースが大きくなり、調整が複雑になるという問題もある。さらには、収差の影響によって受光素子列5の両端近傍の結像がひずむことがある。
By the way, as shown in FIG. 16, for example, a
一方、受光素子の出力電流ISに着目すると、入射光がない状態においても微小な暗電流IDが生じている。暗電流IDは、周囲温度により大きく変化し、若干の経年変化もある。
従って、入射光のパワーを受光素子の出力電流ISに基づいて正確に測定するためには、必要に応じてこの暗電流の大きさIDを測定し、出力電流ISから暗電流IDを減算して入射光のみにより発生する電流IL(=IS−ID)を求める必要がある。
On the other hand, when attention is paid to the output current I S of the light receiving elements, small dark current I D is generated even in the absence of incident light. The dark current ID changes greatly depending on the ambient temperature, and there is also some aging.
Therefore, in order to accurately measure based on power of the incident light to the output current I S of the light receiving element, the magnitude of I D of the dark current was measured as needed, the dark current I D from the output current I S Must be subtracted to obtain a current I L (= I S −I D ) generated only by incident light.
また、波長分散素子として用いる回折格子の出射光は、入射光の波長に応じて回折角度が異なる。
従って、受光素子として波長の分散方向に複数の受光素子が配列された受光素子列を用いる場合、受光素子列への集光にあたり通常のレンズでは収差などの影響で特に両端には十分集光できないことが多い。
Further, the light emitted from the diffraction grating used as the wavelength dispersion element has a diffraction angle different depending on the wavelength of the incident light.
Therefore, when a light receiving element array in which a plurality of light receiving elements are arranged in the wavelength dispersion direction is used as the light receiving element, a normal lens cannot condense at both ends particularly due to aberrations or the like when condensing on the light receiving element array. There are many cases.
さらに、図17に示すように、波長分散素子として入力側スラブ導波路17と出力側スラブ導波路18と測定光を入力側スラブ導波路17に伝送する入力側導波路19と入力側スラブ導波路17の出力光を出力側スラブ導波路18に伝送する導波路列20と出力側スラブ導波路18の出力光を外部に伝送する出力側導波路21とが共通の基板22上に一体形成された導波路型回折格子(AWG;Arrayed Waveguide Grating)を用い、出力側導波路21の各ポートに受光素子が対向するように受光素子列23を配置した分光装置も提案されている。
Further, as shown in FIG. 17, the input
ところが、このような装置では、図18のような測定結果が得られるものの、その測定結果における測定信号の変動ΔPが光パワーの変動なのか波長のずれΔλによるものなのかを識別できない。もちろん波長の変化も検出できない。 However, with such an apparatus, although a measurement result as shown in FIG. 18 is obtained, it cannot be identified whether the measurement signal variation ΔP in the measurement result is a variation in optical power or due to a wavelength shift Δλ. Of course, changes in wavelength cannot be detected.
本発明は、これら測定光を波長分散素子で分散させて受光素子に入射させることにより波長別に分離された検出信号を得るように構成される分光装置の問題点に着目したものであり、その目的の一つは、受光素子列への集光特性を改善した分光装置を実現することにある。 The present invention pays attention to the problem of a spectroscopic device configured to obtain detection signals separated by wavelength by dispersing the measurement light with a wavelength dispersion element and making it incident on a light receiving element. One of them is to realize a spectroscopic device with improved light collection characteristics on the light receiving element array.
また他の目的は、受光素子を用いた場合の暗電流の影響を補正して高精度の測定が行える分光装置を実現することにある。 Another object is to realize a spectroscopic device capable of performing high-accuracy measurement by correcting the influence of dark current when a light receiving element is used.
また他の目的は、装置全体の温度特性を改善できる分光装置を実現することにある。 Another object is to realize a spectroscopic device capable of improving the temperature characteristics of the entire device.
このような目的を達成する本発明の請求項1は、
測定光を波長分散素子で分散させて受光素子に入射させることにより波長別に分離された検出信号を得る分光装置であって、
前記受光素子として波長の分散方向に複数の受光素子が配列された受光素子列を用い、
この受光素子列に集光させる手段としてf−θレンズを用いることを特徴とする。
In order to achieve such an object,
A spectroscopic device that obtains detection signals separated by wavelength by dispersing measurement light with a wavelength dispersion element and making it incident on a light receiving element,
Using a light receiving element array in which a plurality of light receiving elements are arranged in a wavelength dispersion direction as the light receiving element,
An f-θ lens is used as means for condensing the light receiving element array.
これにより、波長毎に回折方向が異なる場合であっても、実質的にそれらの特性を補正して受光素子列に集光させることができる。 As a result, even if the diffraction direction differs for each wavelength, the characteristics can be substantially corrected and condensed on the light receiving element array.
本発明の請求項2は、
測定光を波長分散素子で分散させて受光素子に入射させることにより波長別に分離された検出信号を得る分光装置であって、
前記受光素子として波長の分散方向に複数の受光素子が配列された受光素子列を用い、
これら受光素子の一部を暗電流検出用とすることを特徴とする。
A spectroscopic device that obtains detection signals separated by wavelength by dispersing measurement light with a wavelength dispersion element and making it incident on a light receiving element,
Using a light receiving element array in which a plurality of light receiving elements are arranged in a wavelength dispersion direction as the light receiving element,
A part of these light receiving elements is used for dark current detection.
これにより、通常の測定を中断することなく任意の時点で暗電流を測定でき、入射光パワーの高精度測定が実現できる。 As a result, the dark current can be measured at an arbitrary time point without interrupting the normal measurement, and the incident light power can be measured with high accuracy.
本発明の請求項3は、
測定光を波長分散素子で分散させて受光素子に入射させることにより波長別に分離された検出信号を得る分光装置であって、
前記受光素子に至る光路中に前記波長分散素子の波長温度特性を補正する屈折率温度特性を有する光学要素を設けたことを特徴とする。
A spectroscopic device that obtains detection signals separated by wavelength by dispersing measurement light with a wavelength dispersion element and making it incident on a light receiving element,
An optical element having a refractive index temperature characteristic for correcting a wavelength temperature characteristic of the wavelength dispersion element is provided in an optical path leading to the light receiving element.
これにより、分光装置全体の波長温度特性を実質的にゼロにできる。 Thereby, the wavelength temperature characteristic of the whole spectroscopic device can be made substantially zero.
本発明によれば、以下のような効果がある。
本発明の請求項1によれば、受光素子列への集光特性を改善した分光装置を実現できる。
The present invention has the following effects.
According to the first aspect of the present invention, it is possible to realize a spectroscopic device with improved light collection characteristics on the light receiving element array.
本発明の請求項2によれば、受光素子を用いた場合の暗電流の影響を補正して高精度の測定が行える分光装置を実現できる。
According to
本発明の請求項3によれば、装置全体の温度特性を改善できる分光装置を実現できる。
According to
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図1は、発明の実施の形態の一例を示す構成図である。図において、入射端(光ファイバ)101から出射される測定光はレンズ102で平行ビームに成形されて波長分散素子として用いる回折格子(グレーティング)103に入射される。この回折格子103と対向する位置には、光が回折格子103を2度通るように、具体的には設計された中心波長でレンズ102の中心を光がほぼ往復するようにしてミラー104が設けられている。ただし、通常は入射端101と結像位置を分離する必要があるので、波長分散方向に直交する方向で光軸の開きを設けることによって両者を分離する。側面図にはこの様子を示したが、波長分散を簡単に示すため上面図では省略した。レンズ102をほぼ往復した光はミラー105で反射され、波長の分散方向に複数の受光素子が配列された受光素子列106に入射される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing an example of an embodiment of the invention. In the figure, measurement light emitted from an incident end (optical fiber) 101 is formed into a parallel beam by a
これにより、光は回折格子103を2度通るので波長分解能は2倍になり、小型化の分光装置が得られる。
As a result, since the light passes through the
図2は回折格子103とミラー104を組み合わせた波長分散素子の動作を光軸で示す説明図である。回折格子103への1度目の入射角をθ1、出射角をθ2、回折格子103への2度目の入射角をθ3、出射角をθ4、ミラー104と回折格子103がなす角度をθ20としている。ミラー104の法線は中心波長で光線に沿っているものとする。2度の回折の関係式を以下に示す。簡単のため、媒質の屈折率は1としている。
FIG. 2 is an explanatory diagram showing the operation of the wavelength dispersion element in which the
入射角θ1とθ20は一定であるので、λで微分すると、次式が得られる。
これをdθ4/dλについて整理すると、中心波長ではcosθ20=cosθ2=cosθ3であるから、 If this is arranged with respect to dθ 4 / dλ, since cos θ 20 = cos θ 2 = cos θ 3 at the center wavelength,
これにより、
また、入射ビーム径をW1とするとWg 、W2は次のように示される。
ここで、ビーム径も一定に保たれているので、波長分解能は2倍に向上することになる。 Here, since the beam diameter is also kept constant, the wavelength resolution is improved by a factor of two.
なお、回折格子103の回折効率は入射光の偏光状態により変化する。このような実施の形態例の構成では光線は2度回折格子103を通過するので、図示しない波長板を回折格子103とミラー104の間に挿入してそれぞれの偏光状態を直交するように変化させることで、全体の回折効率の偏光依存性を改善できる。
Note that the diffraction efficiency of the
図3は、発明のその他の実施の形態例を示す構成図であって波長分散特性改善のためにプリズムを一体化したものであり、図1と共通する部分には同一の符号を付けている。プリズム107は断面形状が台形に形成されていて、入射面に隣接する一方の面には回折格子103が密着され、入射面に隣接する他方の面には波長板108を挟むようにしてミラー104が密着されている。
FIG. 3 is a block diagram showing another embodiment of the present invention, in which prisms are integrated for improving chromatic dispersion characteristics, and parts common to FIG. 1 are given the same reference numerals. . The
図4は図3の動作説明図である。
プリズム107への入射角をθi、その屈折角をθ0、回折格子103への1度目の入射角をθ1、出射角をθ2、回折格子103への2度目の入射角をθ3、出射角をθ4、プリズム107からの出射角をθ5、その屈折角をθ6とし、ミラー104と回折格子103がなす角度をθ20、プリズム107の入射面と回折格子103のなす角度をθpとしている。これら2度の回折と2度の屈折の関係式を以下に示す。
FIG. 4 is an explanatory diagram of the operation of FIG.
The incident angle to the
θi、θpとθ20を一定としてλで微分して波長分散特性を求める。
dθ0/dλ=dθ1/dλ=0となるので
The chromatic dispersion characteristics are obtained by differentiating by λ with θ i , θ p and θ 20 being constant.
Since dθ 0 / dλ = dθ 1 / dλ = 0,
になる。dθ6/dλについて整理する。中心波長ではcosθ20=cosθ2=cosθ3であるから、 become. It arranges about d (theta) 6 / d (lambda). Since cosθ 20 = cosθ 2 = cosθ 3 at the center wavelength,
従って、
また、波長分散の平坦化の条件は、d2θ6/dλ2=0のとき、
温度依存性については、基本式をTで微分し、dθ6/dTについて整理することにより求められる。 The temperature dependence is obtained by differentiating the basic formula by T and arranging for dθ 6 / dT.
屈折率nについては空気に対するnrと絶対値のnaとを区別している。nrとnaと空気屈折率nairの関係は以下のように示される。
中心波長ではcosθ20=cosθ2=cosθ3、cosθ1=cosθ4、cosθ0=cosθ5、cosθi=cosθ6であるから、 Since cosθ 20 = cosθ 2 = cosθ 3 , cosθ 1 = cosθ 4 , cosθ 0 = cosθ 5 , and cosθ i = cosθ 6 at the center wavelength,
図1のようにミラーと回折格子を組み合わせて光が回折格子を2度通過するように構成することで波長分散が2倍になる。
これにより、同一の波長分散特性を得るための回折格子の幅は半分となり、分光装置の小型化が可能となる。
As shown in FIG. 1, by combining the mirror and the diffraction grating so that light passes through the diffraction grating twice, the chromatic dispersion is doubled.
Thereby, the width of the diffraction grating for obtaining the same wavelength dispersion characteristic is halved, and the spectroscopic device can be miniaturized.
また図3のように回折格子をプリズムに張り合わせて波長分散特性の平坦化を図る分散素子の場合も、ミラーを組み合わせることにより光が回折格子を2度通るように構成することで波長分散が2倍となるので、同一の波長分散特性を得るための回折格子の幅が半分となり、小型の分光装置が構成できる。 Also, in the case of a dispersive element in which a diffraction grating is bonded to a prism as shown in FIG. 3 to achieve flattening of wavelength dispersion characteristics, a combination of mirrors allows light to pass through the diffraction grating twice so that chromatic dispersion is 2 Therefore, the width of the diffraction grating for obtaining the same wavelength dispersion characteristic is halved, and a compact spectroscopic device can be configured.
さらに、ミラーと回折格子の間で適切な偏光素子により偏光状態を変化させることで、回折効率の偏光依存性を改善した分光装置が構成できる。 Furthermore, by changing the polarization state between the mirror and the diffraction grating with an appropriate polarization element, a spectroscopic device with improved polarization dependency of diffraction efficiency can be configured.
図5は、発明のその他の実施の形態例を示す構成図である。入射端109から出射される測定光はレンズ110で平行ビームに成形されて第1の波長分散素子として用いる回折格子111に入射される。この回折格子111の出射光はレンズ112で集光されてデジタルマイクロミラー素子(以下DMDという)113に入射される。ここで、DMD113は波長の分散方向に沿って複数のマイクロミラーがシリコンウェハなどの半導体基板上にモノリシックに一体配列形成されたものであり、各マイクロミラーを任意の角度で選択的に回転駆動できる。DMD113の出射光はレンズ114で再び平行ビームに成形されて第2の波長分散素子として用いる回折格子115に入射される。回折格子115の出射光はレンズ116で集光されて受光素子117に入射される。
FIG. 5 is a block diagram showing another embodiment of the invention. The measurement light emitted from the
図15に示した従来のダブルモノクロメータと比較すると、従来の装置では中間スリット10を固定して2つの分散素子8,12を連動回転させることで波長を走査しているのに対し、図5では2つの分散素子111,115は固定して中間スリットの代わりに配置したDMD113を反射型の空間光変調器として動作させ、波長の分散方向に並んだマイクロミラーを順次スキャンして対応する波長のスペクトルを選択し検出することで波長を走査する。
Compared with the conventional double monochromator shown in FIG. 15, the conventional apparatus scans the wavelength by fixing the
受光素子117としては、分光装置の用途に応じて、波長の分散方向に複数の受光素子が配列された受光素子列を用いたり、単一受光素子を用いる。
受光素子列を用いる場合には、DMD113のスキャンと受光素子列117のスキャンとを同期させる。すなわちDMD113で選択された波長のスペクトルが検出されるように受光素子列117のスキャンを同期させる。単一受光素子を用いる場合には、選択波長に応じてDMD113のマイクロミラーの回転角度を制御し、各波長が受光素子に入射されるようにする。
As the
When using the light receiving element array, the scan of the
言い換えれば、図5の実施例は、固定の分散素子と空間的に移動するスリットで構成したダブルモノクロメータおよびダブルポリクロメータである。 In other words, the embodiment of FIG. 5 is a double monochromator and a double polychromator configured by a fixed dispersion element and a spatially moving slit.
図6は、発明のその他の実施の形態例を示す構成図である。入射端118から出射される測定光はレンズ119で平行ビームに成形されて波長分散素子として用いる回折格子120に入射される。この回折格子120の出射光はレンズ121で集光されてDMD122に入射される。DMD122の出射光は再びレンズ121で平行ビームに成形されて回折格子120に入射される。回折格子120の出射光はレンズ119で集光され、スリット123を通って受光素子124に入射される。
FIG. 6 is a block diagram showing another embodiment of the invention. The measurement light emitted from the
図6の実施例では、図5のようにカスケードに接続されるべき第2のモノクロメータを省き、測定光を第1のモノクロメータに2度通して受光素子に戻すことにより同様の効果を得るダブルパス型構成にしたものである。DMDが空間的に移動するスリットとして動作するのは図5と同じである。 In the embodiment of FIG. 6, the second monochromator to be connected in cascade as shown in FIG. 5 is omitted, and the same effect is obtained by passing the measurement light twice through the first monochromator and returning it to the light receiving element. It is a double pass type configuration. The DMD operates as a slit that moves spatially as in FIG.
これら図5および図6の構成によれば、ダブルモノクロメータの波長走査をシリコンウエハなどの半導体基板にモノリシックに一体形成されたDMDで行うので、従来のような大掛かり機械的可動部は不要となり、装置全体の小型化・高信頼化が実現できる。
また、DMDのスキャンは数MHz程度までの高速駆動が可能なので受光素子列との同期も容易であり、ポリクロメータでもカスケードの接続が可能になり、分解能はもちろん測定波長近傍のダイナミックレンジも大幅に改善できる。
5 and 6, the wavelength scanning of the double monochromator is performed by a DMD monolithically integrally formed on a semiconductor substrate such as a silicon wafer, so that a conventional large-scale mechanical movable part is unnecessary. The entire device can be downsized and highly reliable.
In addition, DMD scans can be driven at high speeds up to several MHz, so synchronization with the light-receiving element array is easy. Cascade connection is possible even with a polychromator, and the dynamic range near the measurement wavelength is greatly improved as well as resolution. Can improve.
図7は、発明のその他の実施の形態例を示す構成図である。回折格子125で入射光の波長に応じた方向に回折された出射光は、f−θレンズ126により集光されて受光素子列127上に結像される。なおf−θレンズ126は、受光素子列127の両端近傍の結像もひずまないように設計されたものを用いる。
FIG. 7 is a block diagram showing another embodiment of the invention. The outgoing light diffracted in the direction corresponding to the wavelength of the incident light by the
f−θレンズ126を用いることにより、凹面鏡に比べて比較的安価であり、軽量化が図れる。また、回折光の光路は変更しないので光学系をコンパクトに構成でき、調整作業を大幅に単純化できる。さらには、f−θレンズ126の設計により受光素子列127に結像される分散波長の間隔をほぼ等間隔にでき、受光素子列127の出力信号処理を容易化できる。
By using the f-
図8および図9は、暗電流を補償する発明で用いる受光素子列の具体例図である。受光素子列は、前述のように波長の分散方向に沿って複数の受光素子Dが配列されているが、それらの一部に受光に使用しない受光素子D’を用意し、その暗電流を測定して他の受光に使用する受光素子Dの暗電流の補正演算処理を行う。図8は配列方向の両端の素子を受光に使用しない受光素子D’とした例を示し、図9は配列方向に沿うように受光に使用しない受光素子D’を別途設けた例を示している。 8 and 9 are specific examples of light receiving element arrays used in the invention for compensating dark current. In the light receiving element array, as described above, a plurality of light receiving elements D are arranged along the wavelength dispersion direction, and a light receiving element D ′ that is not used for light reception is prepared in a part of them, and the dark current is measured. Then, dark current correction calculation processing of the light receiving element D used for other light reception is performed. FIG. 8 shows an example in which elements at both ends in the arrangement direction are not used for light reception, and FIG. 9 shows an example in which light reception elements D ′ not used for light reception are provided separately along the arrangement direction. .
なお、これら受光に使用しない受光素子D’は、予めマスクなどで覆うことにより遮光しておく。 The light receiving elements D 'that are not used for light reception are shielded from light by covering them with a mask or the like in advance.
受光素子Dの暗電流の補正演算処理例について説明する。
<例1>
受光に使用しない受光素子D’の暗電流が1pAと測定された状態で、受光に使用する受光素子Dの出力電流が200pAと測定されたとする。この場合の受光素子Dの入射光によって生じた電流ILは、
IL=200−1=199pA
とする。
An example of dark current correction calculation processing of the light receiving element D will be described.
<Example 1>
Assume that the output current of the light receiving element D used for light reception is measured as 200 pA in a state where the dark current of the light receiving element D ′ not used for light reception is measured as 1 pA. The current IL generated by the incident light of the light receiving element D in this case is
IL = 200-1 = 199 pA
And
<例2>
受光に使用しない両端の受光素子D’の暗電流が1pA,1.1pAと測定されたとき、受光に使用する受光素子Dの暗電流を平均値の1.05pAとする。
<例3>
受光に使用しない両端の受光素子D’の暗電流が1pA,1.1pAと測定されたとき、受光に使用する受光素子Dが例えば9個並んでいる場合にはそれぞれの暗電流を1.01,1.02,・・・1.08,1.09pAとする。
<Example 2>
When the dark currents of the light receiving elements D ′ at both ends not used for light reception are measured as 1 pA and 1.1 pA, the dark current of the light receiving element D used for light reception is set to an average value of 1.05 pA.
<Example 3>
When the dark currents of the light receiving elements D ′ at both ends not used for light reception are measured as 1 pA and 1.1 pA, for example, when nine light receiving elements D used for light reception are arranged, the respective dark currents are set to 1.01. , 1.02,... 1.08, 1.09 pA.
<例4>
受光に使用する受光素子Dの暗電流が予め1.1pAと求められたときに受光に使用しない受光素子D’の暗電流は1pAと測定されていて、その後受光素子D’の暗電流1.2pAと測定されたとすると、受光素子Dの暗電流は、
1.1*(1.2/1.0)=1.32pA
とする。
<Example 4>
When the dark current of the light receiving element D used for light reception is determined to be 1.1 pA in advance, the dark current of the light receiving element D ′ not used for light reception is measured as 1 pA. Assuming that 2 pA is measured, the dark current of the light receiving element D is
1.1 * (1.2 / 1.0) = 1.32 pA
And
これら図8,図9の構成によれば、暗電流の測定に当たって、受光素子の上面で遮光体を移動させたり受光素子に至る光学系の一部で受光素子の入射光を機械的に遮る必要はなく、受光に使用する受光素子Dに入射される光のパワーを高精度で測定できる。 8 and 9, when measuring dark current, it is necessary to move the light shield on the upper surface of the light receiving element or to mechanically block the incident light of the light receiving element by a part of the optical system reaching the light receiving element. Rather, the power of light incident on the light receiving element D used for light reception can be measured with high accuracy.
なお、受光に使用する受光素子は受光素子列に限るものではなく、受光に使用しない暗電流測定用の受光素子を有するものであれば、単一波長を複数の受光素子で検出するように複数の受光素子が2次元的に配置されたものであってもよいし、単一波長を単一受光素子で検出するものでもよい。 The light receiving element used for light reception is not limited to the light receiving element array, and a plurality of light receiving elements for detecting a single wavelength can be used as long as they have a light receiving element for dark current measurement that is not used for light receiving. The light receiving elements may be two-dimensionally arranged, or a single wavelength may be detected by a single light receiving element.
図10は、発明のその他の実施の形態例を示す構成図であり、図14と共通する部分には同一符号を付けている。図10と図14の異なる点は、コリメーティングレンズ2と回折格子3との間に、波長温度特性補償用のプリズムやウェッジなどの光学要素128を配置していることである。
FIG. 10 is a block diagram showing another embodiment of the present invention, and the same reference numerals are given to the portions common to FIG. The difference between FIGS. 10 and 14 is that an
このような光学要素128による波長温度特性補償動作を図11のウェッジ板の光屈折図を用いて説明する。
まず、ウェッジ板で屈折する光線に対応する基本式は次のようになる。
The wavelength temperature characteristic compensation operation by the
First, the basic formula corresponding to the light refracted by the wedge plate is as follows.
入射角θ1については一定としてこれを温度で微分すると以下のようになる。
これらを整理すると、
θ3=θ4=0のとき、
θ1=θ2=0のとき、
上式を用いて合成石英とSiについて、波長1.55μmで計算すると、図12のようになる。 When the synthetic quartz and Si are calculated at a wavelength of 1.55 μm using the above equation, the result is as shown in FIG.
次に、回折格子3の入射光での補償について説明する。
式1と式19を連立することにより、回折格子3の入射光に光学要素としてウェッジ板128を挿入したものが表現できる。
By combining
iが一定ではなくなったので式3とは異なり、
式21を代入すると、
θ3=θ4=0またはθ1=θ2=0のとき、
温度係数dθ/dT=0とするためには、式26,27から、
実際のパラメータを用いると式28の左辺の値はおよそ3.8×10-6[[rad/℃]と求められ、図12の結果から合成石英ではθpが大きくなることがわかる。Siではθpが2°未満であり、薄いウェッジ板で実現できることがわかる。 Using actual parameters, the value on the left side of Equation 28 is determined to be approximately 3.8 × 10 −6 [ [rad / ° C.], and it can be seen from the results of FIG. 12 that θ p increases in synthetic quartz. For Si, θ p is less than 2 °, and it can be seen that this can be realized with a thin wedge plate.
なお、図10では回折格子3の入射側にウェッジを配置して補償しているが、回折格子3の出射側にウェッジを配置してで補償することも可能であることは明らかである。
In FIG. 10, the wedge is arranged on the incident side of the
図13は、発明のその他の実施の形態例を示す構成図であり、図17と共通する部分には同一符号を付けている。図13と図17の異なる点は、出力側スラブ導波路18の出力光を外部に伝送する出力側導波路を取り除いて出力側スラブ導波路18の出力光を直接受光素子列23の各受光素子に入射させ、ポリクロメータを構成していることである。
FIG. 13 is a block diagram showing another embodiment of the present invention, and parts common to FIG. 17 are given the same reference numerals. The difference between FIG. 13 and FIG. 17 is that the output side waveguide that transmits the output light of the output
図13において、角分散は、
m:回折次数、d:アレイ導波路ピッチ、ns:スラブ導波路実効屈折率、
nc:アレイ導波路実効屈折率、ng:群屈折率、
ΔL:アレイ導波路の導波路長差、λ0:中心波長
m: diffraction order, d: array waveguide pitch, n s : slab waveguide effective refractive index,
n c: array waveguide effective refractive index, n g: group index,
ΔL: Waveguide length difference of the arrayed waveguide, λ 0 : Center wavelength
従って、線分散すなわち集光位置の波長依存性は、
となる。ただし、fは出力側スラブ導波路18の焦点距離である。
例えば、ng=1.4752、ns=1.4529、d=25μm、ΔL=77μm、f=100mmとすると、dx/dλはほぼ201.8μm/nmとなり、0.4nm間隔の2つのスペクトルは、受光素子列上では201.8*0.4からほぼ80.7μmで分離されることになる。
つまり、20μmピッチで受光素子が配列されている受光素子列で受光するものとすると、0.4nm間隔のWDM信号1波当たり約4個の受光素子を使用することになり、そのピーク検出すなわち波長測定も可能になる。
It becomes. Here, f is the focal length of the output
For example, if n g = 1.4752, n s = 1.4529, d = 25 μm, ΔL = 77 μm, f = 100 mm, dx / dλ is almost 201.8 μm / nm, and two spectra at intervals of 0.4 nm Is separated from 201.8 * 0.4 at about 80.7 μm on the light receiving element array.
In other words, assuming that light is received by a light receiving element array in which light receiving elements are arranged at a pitch of 20 μm, about 4 light receiving elements are used per one WDM signal with an interval of 0.4 nm. Measurement is also possible.
このとき、空間的なフリースペクトラムレンジXFSR(同一波長に対しm次と(m+1)次の回折光が集光する焦点位置の間隔)は、XFSR=λ0f/nsdにより求めることができ、ほぼ4.27mmになる。従って、分波できる波数は、4.27mm/80.7μmから、ほぼ52波になる。 At this time, the spatial free spectrum range X FSR (the distance between the focal positions where the m-th order and (m + 1) -th order diffracted light are collected with respect to the same wavelength) is obtained by X FSR = λ 0 f / n s d. Is about 4.27 mm. Therefore, the wave number that can be demultiplexed is from 4.27 mm / 80.7 μm to almost 52 waves.
このような図13の構成によれば、主要構成部品は固体化されているAWGと受光素子列の2個になることから小型化が図れ、調整は不要になる。
そして、ポリクロメータの構成になっているので、波長測定も行える。
According to the configuration shown in FIG. 13, since the main component parts are the solid AWG and the light receiving element array, the size can be reduced and adjustment is not necessary.
And since it is the structure of a polychromator, a wavelength measurement can also be performed.
101,109,118 入射端
102,110,112,114,116,119,121 レンズ
103,111,115,120,125 回折格子(波長分散素子)
104 ミラー
106,117,124,127 受光素子列
122 DMD
123 スリット
126 f−θレンズ
128 光学要素
101, 109, 118
123 Slit 126 f-
Claims (3)
前記受光素子として波長の分散方向に複数の受光素子が配列された受光素子列を用い、
この受光素子列に集光させる手段としてf−θレンズを用いることを特徴とする分光装置。 A spectroscopic device that obtains detection signals separated by wavelength by dispersing measurement light with a wavelength dispersion element and making it incident on a light receiving element,
Using a light receiving element array in which a plurality of light receiving elements are arranged in a wavelength dispersion direction as the light receiving element,
A spectroscopic device using an f-θ lens as means for condensing light on the light receiving element array.
前記受光素子として波長の分散方向に複数の受光素子が配列された受光素子列を用い、
これら受光素子の一部を暗電流検出用とすることを特徴とする分光装置。 A spectroscopic device that obtains detection signals separated by wavelength by dispersing measurement light with a wavelength dispersion element and making it incident on a light receiving element,
Using a light receiving element array in which a plurality of light receiving elements are arranged in a wavelength dispersion direction as the light receiving element,
A spectroscopic device characterized in that a part of these light receiving elements is used for dark current detection.
前記受光素子に至る光路中に前記波長分散素子の波長温度特性を補正する屈折率温度特性を有する光学要素を設けたことを特徴とする分光装置。
A spectroscopic device that obtains detection signals separated by wavelength by dispersing measurement light with a wavelength dispersion element and making it incident on a light receiving element,
An optical element having a refractive index temperature characteristic for correcting a wavelength temperature characteristic of the wavelength dispersion element is provided in an optical path leading to the light receiving element.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004315876A JP2005062201A (en) | 2004-10-29 | 2004-10-29 | Spectroscope |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004315876A JP2005062201A (en) | 2004-10-29 | 2004-10-29 | Spectroscope |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP37563199A Division JP3692523B2 (en) | 1999-12-28 | 1999-12-28 | Spectrometer |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005062201A true JP2005062201A (en) | 2005-03-10 |
Family
ID=34373856
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004315876A Withdrawn JP2005062201A (en) | 2004-10-29 | 2004-10-29 | Spectroscope |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005062201A (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012501106A (en) * | 2008-08-21 | 2012-01-12 | ニスティカ,インコーポレーテッド | Optical channel monitor |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS58158528A (en) * | 1982-03-16 | 1983-09-20 | Union Giken:Kk | Light measuring device |
JPS60239649A (en) * | 1984-05-15 | 1985-11-28 | Shimadzu Corp | Processing of photometric signal for densitometer |
JPS6131931A (en) * | 1984-07-25 | 1986-02-14 | Ricoh Co Ltd | Measuring method of oscillation wavelength of semiconductor laser |
JPH0727610A (en) * | 1993-07-13 | 1995-01-31 | Hioki Ee Corp | Spectrophotometer |
JPH11108830A (en) * | 1997-09-30 | 1999-04-23 | Hitachi Ltd | Method, device, and system for measuring absorbance |
-
2004
- 2004-10-29 JP JP2004315876A patent/JP2005062201A/en not_active Withdrawn
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS58158528A (en) * | 1982-03-16 | 1983-09-20 | Union Giken:Kk | Light measuring device |
JPS60239649A (en) * | 1984-05-15 | 1985-11-28 | Shimadzu Corp | Processing of photometric signal for densitometer |
JPS6131931A (en) * | 1984-07-25 | 1986-02-14 | Ricoh Co Ltd | Measuring method of oscillation wavelength of semiconductor laser |
JPH0727610A (en) * | 1993-07-13 | 1995-01-31 | Hioki Ee Corp | Spectrophotometer |
JPH11108830A (en) * | 1997-09-30 | 1999-04-23 | Hitachi Ltd | Method, device, and system for measuring absorbance |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012501106A (en) * | 2008-08-21 | 2012-01-12 | ニスティカ,インコーポレーテッド | Optical channel monitor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7852475B2 (en) | Scanning spectrometer with multiple photodetectors | |
US7397561B2 (en) | Spectroscopy system | |
US7518722B2 (en) | Multi-channel, multi-spectrum imaging spectrometer | |
US7554667B1 (en) | Method and apparatus for characterizing hyperspectral instruments | |
EP2466281B1 (en) | Spectroscopic detector | |
JP5453730B2 (en) | Spectrometer | |
JP2007132934A (en) | Spectroscopy system | |
US11629996B2 (en) | Compact hyperspectral mid-infrared spectrometer | |
EP2573529B1 (en) | Integrated 3-channel gas detection and measurement spectrometer | |
US5642191A (en) | Multi-channel imaging spectrophotometer | |
JP3692523B2 (en) | Spectrometer | |
US5973780A (en) | Echelle spectroscope | |
JP2009121986A (en) | Spectral apparatus | |
JP2000304614A (en) | Spectroscope | |
US6573989B2 (en) | Spectrometer | |
JP4340833B2 (en) | Depolarizing plate and optical device using depolarizing plate | |
JP2005062202A (en) | Spectroscope | |
JP2005031099A (en) | Spectral device | |
JP2005062201A (en) | Spectroscope | |
KR101054017B1 (en) | Calibration method of the spectrometer | |
JP3125688B2 (en) | Diffraction grating spectrometer | |
JP2001091357A (en) | Simultaneous analysis method of multiple optical spectrum | |
JP2002267532A (en) | Spectroscope | |
JP2019163990A (en) | Spectral instrument, hyperspectral measurement system, and spectroscopic method | |
GB2317446A (en) | Fourier transform spectrometer |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20061005 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20061128 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070507 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070706 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080116 |
|
A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20080304 |