JP2014196915A - 光損傷測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路を備えたデバイスの光導波路損失や光学部品材料の光損傷など、高精度に測定できる光損傷測定装置を提供する。【解決手段】測定用プローブ光を発生する第１の光源と、共振器を構成する第１及び第２の反射鏡と、該第１及び第２の反射鏡の間に配置された測定対象物と、該第１の光源からの光束を該測定対象物に入射する光学系（コリメート系）と、該測定対象物から出射され該共振器の外に導出される該測定用プローブ光を受光する受光手段（ＰＤ）と、該測定用プローブ光の波長、又は該測定対象物の内で光束が伝搬する部分の屈折率のいずれかを周期的に変化させる周期的可変手段（ＦＧ）と、該測定用プローブ光の波長に対応した該受光手段からの出力信号に基づき、又は該周期的可変手段による前記周期的な変化に対応した信号と該受光手段からの出力信号に基づき、フィネス値を算出することを特徴とする光損失測定装置である。【選択図】図４

Description

本発明は、光損傷測定装置に関し、特に、測定対象物の導波路損失や光損傷の程度を定量的に測定可能な光損傷測定装置に関する。

光通信分野では、様々な通信用デバイスが使用されており、これらのデバイスの光学特性等を高精度に測定することは、高品質のデバイスを提供する上では不可欠である。例えば、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板を用いたＬＮ変調器について、光学特性を評価する際には、ＬＮ導波路特性（導波損失）の測定だけでなく、ＬＮ結晶自体の物性値（光損傷）も評価する必要がある。また、ＬＮ変調器は、波長が短くパワーの大きな入射光に対して、光損傷を起こすことが知られている。光変調器が通信システムにおいて適切に用いられるためには、その程度を定量的に評価することが重要である。

デバイスの光導波路損失やその原因となる光損傷の程度を測定する対象は、Ｔｉ拡散したＬＮ結晶のみならず、他の材料、例えば、ポリマーや半導体など、広範囲に渡り、これらの材料特性、あるいは形成された導波路における導波損などの性能評価を高精度に行うことが求められている。また、導波路の損失測定を精密に行うことによって、結果的に、光損傷の影響を評価することも可能である。

一般的な導波損を測定する方法としては、導波路の長さを変えながらロスの変動を測定し、単位長さあたりの過剰損失を求める方法（カットバック法と呼ぶ）がある。

また、非特許文献１及び２に示すような、チップ端面自体を反射端（ミラー）とするファブリーペロー（ＦＰ）共振器を構成し、その透過特性スペクトルから導波路損失を計算する方法がある。

光損傷の評価法としては、非特許文献３に示すように、プリズムカプリング法によって、屈折率の変化から損傷程度を計測する方法がある。

カットバック法の場合、導波路とファイバーの結合状態による測定誤差が、単位長さあたりの導波損失に比べて大きいため、精密な損失測定は難しいという問題がある。

また、非特許文献２に開示された、ＦＰ共振器を使用する場合には、端面にミラーをつけた偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）を反射端とする共振器を形成し、これと測定対象を接続してその透過特性から導波損失を導いているが、接続点が多く、ファイバーを含む領域全体を対象としているため、測定したい対象そのものの特性が（反射による揺らぎなどに起因する）ノイズに埋もれてしまい、測定精度が低いという問題がある。

非特許文献１では、端面角度（光の入力角度）によって測定誤差が大きくなることを解析しているが、角度の設定を相当に厳密に調整しなければならない。このため、測定等に手間がかかり、問題となる。

さらに、非特許文献３では、プリズムカプリングを利用した光損傷の程度を測定した事例が示されているが、プリズムカプリング機構の機械精度などの影響で、測定エラーが発生する問題がある。

Yakov Sidorin,"On theaccuracy of the measurement of propagation loss in channel waveguides using theFabry-Perot resonance method",Optics Communications,194(2001),pp325-330,15July 2001 Thomas Feuchter et al.,"HighPrecision Planar Waveguide Propagation Loss Measurement Technique Using aFabry-Perot Cavity",IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL.6,No.10,pp1244-1247,October1994 Yoichi FUJII et al.,"LithiumNiobate as an Optical Waveguide and Its Application to Integrated Optics",IEICETRANS. ELECTRON.,VOL.E90-C,NO.5,May 2007

本発明が解決しようとする課題は、上記の問題を解決し、光導波路を備えたデバイスの光導波路損失や光学部品材料の光損傷など、高精度に測定することが可能な光損傷測定装置を提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明の光損傷測定装置は、以下の技術的特徴を有する。
（１） 測定用プローブ光を発生する第１の光源と、共振器を構成する第１及び第２の反射鏡と、該第１及び第２の反射鏡の間に配置された測定対象物と、該第１の光源からの光束を該第１の反射鏡を介して該測定対象物に入射する光学系と、該測定対象物から出射され該第２の反射鏡を介して該共振器の外に導出される該測定用プローブ光を受光する受光手段と、該測定用プローブ光の波長、又は該測定対象物の内で光束が伝搬する部分の屈折率のいずれかを変化させる可変手段と、該測定用プローブ光の波長に対応した該受光手段からの出力信号に基づき、又は該可変手段による前記変化に対応した信号と該受光手段からの出力信号に基づき、フィネス値を算出することを特徴とする。

（２） 上記（１）に記載の光損失測定装置において、該可変手段は、該測定用プローブ光の波長、又は該測定対象物の内で光束が伝搬する部分の屈折率のいずれかを周期的に変化させる周期的可変手段であり、該周期的可変手段による前記周期的変化に対応した信号と該受光手段からの出力信号に基づき、フィネス値を算出することを特徴とする。

（３） 上記（１）又は２に記載の光損失測定装置において、該第１及び第２の反射鏡の反射率が９５％以上であることを特徴とする。

（４） 上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の光損失測定装置において、該測定対象物に光損傷を付与する第２の光源を備え、該第１の光源と該第２の光源からの光束を合波して、該測定対象物に入射するよう構成されていることを特徴とする。

（５） 上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の光損失測定装置において、該フィネス値の変化量又は変化率を算出することを特徴とする。

本発明は、測定用プローブ光を発生する第１の光源と、共振器を構成する第１及び第２の反射鏡と、該第１及び第２の反射鏡の間に配置された測定対象物と、該第１の光源からの光束を該第１の反射鏡を介して該測定対象物に入射する光学系と、該測定対象物から出射され該第２の反射鏡を介して該共振器の外に導出される該測定用プローブ光を受光する受光手段と、該測定用プローブ光の波長、又は該測定対象物の内で光束が伝搬する部分の屈折率のいずれかを変化させる可変手段と、該測定用プローブ光の波長に対応した該受光手段からの出力信号に基づき、又は該可変手段による前記変化に対応した信号と該受光手段からの出力信号に基づき、フィネス値を算出することを特徴とする光損失測定装置であるため、当該フィネス値により、光損傷に係る特性を高精度に検出することが可能となる。

本発明の光損失測定装置に使用する共振器を説明する図である。 透過スペクトル強度とフィネス値との関係を説明するグラフである。 共振器に使用する反射鏡の反射率Ｒとフィネス値Ｆとの関係を説明するグラフである。 本発明の光損失測定装置の一例を示す図である。 測定対象物に印加する電圧と光出力との関係を説明する図である。 本発明の光損失測定装置による光損傷を測定する例を示す図である。 図６の光損失測定装置で測定した光損傷の状態を示すグラフである。

以下、本発明について好適例を用いて説明する。
図１は、ファブリーペロー（ＦＰ）の共振器を用いて、光導波路を備えたデバイスの光導波路損失や光学部品材料の光損傷を測定する原理を説明する図である。測定対象物を挟むように第１及び第２の反射鏡を配置し、共振器を構成する。

ＦＰ共振器の両側の反射鏡の実効的反射率をＲとしたとき、フィネス値Ｆは次式（１）で表される。

測定対象物の内部媒質に損失がある場合、実効的な反射率Ｒが小さくなるため、フィネス値も低下する。すなわちフィネスの変化量がわかれば、上式（１）より損失の変化量がわかる。

フィネスの測定は、入力光を例えば広帯域光源として、その出力をスペアナで観察することによってわかる。図２に示すように、透過スペクトルの半値全幅ΔｆとＦＳＲ（自由スペクトル空間）を測定して、上記式（１）に代入することによってフィネス値Ｆが求まる。図２の横軸は、スペクトル周波数ｆを示し、縦方向は、図１の第２の反射鏡から出射する光強度の変化を示している。

図３に、共振器の反射率とフィネス値との関係を示す。図３に示すように、本発明の光損失測定装置に用いる共振器では、高い反射率の反射鏡を用いることで、フィネス値が大きく敏感になり、測定精度が向上する。ただし、高反射率の反射鏡は、作製コストが高くなるため、反射率が９５％以上のものであれば、本発明の光損失測定装置に好適に利用することが可能である。

本発明では、図４に示すように、測定用プローブ光を発生する第１の光源と、共振器を構成する第１及び第２の反射鏡と、該第１及び第２の反射鏡の間に配置された測定対象物と、該第１の光源からの光束を該第１の反射鏡を介して該測定対象物に入射する光学系（コリメート系）と、該測定対象物から出射され該第２の反射鏡を介して該共振器の外に導出される該測定用プローブ光を受光する受光手段（ＰＤ）と、該測定用プローブ光の波長、又は該測定対象物の内で光束が伝搬する部分の屈折率のいずれかを変化させる可変手段（Ｆ．Ｇ．；Functional Generator）と、該測定用プローブ光の波長に対応した該受光手段からの出力信号に基づき、又は該可変手段による前記変化に対応した信号と該受光手段からの出力信号に基づき、フィネス値を算出することを特徴とする光損失測定装置である。

特に、前記可変手段は、測定用プローブ光の波長、又は測定対象物の内で光束が伝搬する部分の屈折率のいずれかを周期的に変化させる周期的可変手段であり、該周期的可変手段による前記周期的変化に対応した信号と該受光手段からの出力信号に基づき、フィネス値を算出するように構成することができる。以下では、周期的可変手段を中心に説明する。

光導波路を備えたデバイスの光導波路損失を測定するには、測定対象物に光導波路を備えたデバイスを配置し、光導波路の端面は第１及び第２の反射鏡と平行になるように配置調整する。測定用プローブ光（λ＝１．５５μｍ）は第１の光源（ＴＬＤ）からファイバー出力された光波を偏波コントローラ（ＰＣ）を介してコリメータレンズ系に入出力する。当該デバイスには、光導波路の屈折率を変化させるため、光導波路に電界を印加する電極が作り込まれている。この電極には、周期的可変手段（Ｆ．Ｇ．）から、例えば、１ｋＨｚ程度の三角波が入力されている。光出力を受光素子（ＰＤ）で受光後、オシロスコープを用いて、出力波形を計測する。

図５は、印加される三角波の電圧の変化と、オシロスコープに現れる光出力の変化を並べて示したものである。横軸は時間ｔを示しているが、ピーク間距離ΔＴと半値全幅Δｔとの値から、フィネス値をΔｔ／ΔＴとして算出することができる。

図４では、測定対象物に設けた電極を用いて印加電圧を変化させ、結果として、測定対象物の内で光束が伝搬する部分の屈折率を周期的に変化させているが、本発明はこれに限らず、第１の光源の周波数を連続的かつ周期的に変化させるように構成することも可能である。

オシロスコープには、周期的可変手段の周期的な変化に対応した信号と、受光手段からの出力信号とが入力され、図５に示すような光出力のグラフを得ることが可能となる。波長可変光源を使用する場合には、受光手段にスペクトルアナライザーを用いるだけで、測定用プローブ光の波長に対応した出力信号を得ることができる。この場合には、図５に対応した光出力の横軸は周波数となるため、式（１）で示した関係式によりフィネス値が算出できる。さらに、波長可変光源の場合でも受光手段に光強度検出器を使用する場合には、波長可変光源を駆動する周期的可変手段の周期的な変化に対応した信号を用いることで、オシロスコープで図５のグラフを得ることも可能である。

本発明の光損失測定装置では、図４に示すように、測定対象物に光損傷を付与する第２の光源を備え、第１の光源と第２の光源からの光束をＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）カプラーを用いて合波し、測定対象物に入射するよう構成している。

本発明の測定装置は、測定精度が高いため、第２の光源により、例えば、光損傷発生用の短波長光を測定対象物に照射し、測定対象物に光損傷を発生させながら、フィネス値の変化を測定することも可能である。フィネス値の劣化の度合いから、損失増加分を計算し、この値と相関のある光損傷の影響を定量化することも可能である。損傷の度合いは特に単位がないため、フィネス値の変化量や変化率を％表示で示すなどで表現することができる。

図４では、デバイスの環境温度を調整するための温度制御手段が設けられているが、当該温度制御手段は、本発明の光損失測定装置において必須のものではない。

次に、光損傷を測定する方法について説明する。図６に示すように、測定用プローブ光として、波長可変光源を第１の光源に用いる。また、光損傷を発生させるため、０．９８μｍの短波長光源を用いる。図６では、第１の光源の波長を可変にしているが、第１の光源を１．５５μｍの特定波長の固定光源とし、測定対象物に形成された光導波路の屈折率を周期的に変化させるよう構成することも可能である。

測定対象物から出射した光波の内、測定用プローブ光に対応した出力光を、スペクトルアナライザーで分析する。図２に対応する光スペクトル波形が観察され、式（１）を用いてフィネス値Ｆが算出される。しかも、光損傷を発生させながら経時的にフィネス値の変動を測定することが可能である。このフィネス値の変動は、導波路損の変動であり、光損傷の程度を示している。図７は、フィネス値Ｆの時間変動を示すグラフである。グラフ中の−５ｄＢｍ，０ｄＢｍ、５ｄＢｍ、１０ｄＢｍは、短波長光源（０．９８μｍ光源）のパワーを表している。光源のパワーを上げるほどフィネス値の経時変化が急激に低下していることが容易に理解できる。

本発明の光損失測定装置は、高反射率の反射鏡を用いることで、測定精度が極めて高くなっている。また、周期的可変手段を三角波により変化させることで、外乱変化よりスピードを速く設定することができ、測定安定性も高くなる。さらに、固有のロスと光損傷によるロス増大を切り分けて高速に測定できるため、短時間で物性・デバイスのパフォーマンスの検証を行うことができる。

以上、本発明について実施例を基に説明したが、本発明はこれらに限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜設計変更可能であることはいうまでもない。例えば、反射鏡を別途設けるのではなく、測定対象物の端面（導波路がある場合はその端面）に反射膜を貼り付けても良い。また、空間系(コリメート系)はファイバーのバットジョイントによって簡易化しても良い。

本発明によれば、光導波路を備えたデバイスの光導波路損失や光学部品材料の光損傷など、高精度に測定することが可能な光損傷測定装置を提供することが可能となる。

Claims (5)

1. 測定用プローブ光を発生する第１の光源と、
   共振器を構成する第１及び第２の反射鏡と、
   該第１及び第２の反射鏡の間に配置された測定対象物と、
   該第１の光源からの光束を該第１の反射鏡を介して該測定対象物に入射する光学系と、
   該測定対象物から出射され該第２の反射鏡を介して該共振器の外に導出される該測定用プローブ光を受光する受光手段と、
   該測定用プローブ光の波長、又は該測定対象物の内で光束が伝搬する部分の屈折率のいずれかを変化させる可変手段と、
   該測定用プローブ光の波長に対応した該受光手段からの出力信号に基づき、又は該可変手段による前記変化に対応した信号と該受光手段からの出力信号に基づき、フィネス値を算出することを特徴とする光損失測定装置。
2. 請求項１に記載の光損失測定装置において、該可変手段は、該測定用プローブ光の波長、又は該測定対象物の内で光束が伝搬する部分の屈折率のいずれかを周期的に変化させる周期的可変手段であり、該周期的可変手段による前記周期的変化に対応した信号と該受光手段からの出力信号に基づき、フィネス値を算出することを特徴とする光損失測定装置。
3. 請求項１又は２に記載の光損失測定装置において、該第１及び第２の反射鏡の反射率が９５％以上であることを特徴とする光損失測定装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の光損失測定装置において、該測定対象物に光損傷を付与する第２の光源を備え、該第１の光源と該第２の光源からの光束を合波して、該測定対象物に入射するよう構成されていることを特徴とする光損失測定装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の光損失測定装置において、該フィネス値の変化量又は変化率を算出することを特徴とする光損失測定装置。

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