光波長計

特長

• 装置内部に安定した基準レーザを搭載した走査型マイケルソン干渉計
• 600 nm～1700 nmのCWレーザの波長、コヒーレンス長、出力パワーを測定
• 内部基準レーザまたは外部基準レーザ(当社の周波数ロックレーザLLD1530を推奨)の使用が可能
• 1 Hzの低速走査モードまたは10 Hzの高速走査モードを選択可能(精度と測定速度はトレードオフの関係)
• デバイスの制御
  • タッチパネルインターフェイスによる直接操作
  • PCと当社のOPMソフトウェア(USBまたはイーサネット接続)を使用したリモート操作
  • イーサネット経由のウェブビュワーでデータをモニタ
  • SCPIコマンドによるリモート制御(USB、イーサネットまたはRS232接続)
• フィードバックループ用のアナログ出力エラー信号(調整可能)

波長計WM202はコンパクトな汎用波長計です。600～1700 nm(帯域幅≤10 GHz)のCWレーザの中心波長を0.3 ppmまでの絶対確度で測定できます。レーザの出力パワーとコヒーレンス長も同時に測定できるため、入射するレーザの単一縦モード動作をモニタすることが可能です。入射光はFC/APCファイバを介してデバイスに結合されます。

こちらの波長計には、内部基準レーザを備えた走査型マイケルソン干渉計により構成されており、高精度な測定と迅速な起動が可能です。装置の動作についての詳細は「理論」タブをご覧ください。温度安定化分布帰還型(DFB)内部基準レーザの絶対測定精度は1 ppm(1500 nmで1.5 pm、200 THzで200 MHz)となっています。精度向上のため、波長計は1520～1580 nmの波長範囲で外部基準レーザ(確度±25 MHzが必要)と組み合わせて使用可能です。例えば、当社の周波数ロックレーザLLD1530を使用した場合、確度0.3 ppm(1500 nmで0.45 pm、200 THzで60 MHz)を実現可能です。Table 1.1に主要な仕様が記載されています。詳しい仕様については「仕様」タブをご覧ください。

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Figure 1.2  コールドスタートさせた周波数ロックレーザLLD1530の波長安定性を、波長計WM202で測定(内部基準を使用)。グラフ内の青い網掛け領域は、15分間のウォームアップ時間であり、この時間中は精度が低下します。

測定に必要な最小入力パワーは、入力波長に依存します(「グラフ」タブ内、Figure 3.1のグラフ参照)。入力パワーが十分高い場合、500 nmまで測定可能です。上述の精度を達成するためには、デバイスを年に1回、仕様の波長範囲内で既知の波長(確度±25 MHz)を有する外部の安定したレーザを使用して校正する必要があります。内部基準から外部基準に切り替える際にも、再校正が必要です。校正後1時間以内に内部基準を使用した場合、波長の測定精度は0.3 ppmです。詳細は「仕様」タブをご覧ください。適切なレーザがご用意できないお客様には、校正サービスをご提供しています。レーザLLD1530を外部基準として使用する場合、光ファイバースプリッタを使用して光を2つの入力端に送ることで、校正にも使用可能です。

記載の精度仕様は1 Hzの低速モード用です。10 Hzの高速モードでは速度が向上しますが、精度が低下します。 デバイスを起動後、適切な精度に達するまでに15分のウォームアップ期間が必要です。Figure 1.2では、精度許容範囲を示したコールドスタート時の測定波長と時間のグラフ示しています。当社のチューナブルレーザTLX1とHeNeレーザで測定した波長と時間の関係を示したグラフは、それぞれ「グラフ」タブのFigures 3.3と3.4でご覧いただけます。

装置のインターフェイスとリモート制御
高解像度でバックライト付きのカラータッチパネルは、桁数、平均化、統計、グラフ化など波長測定をモニタし制御するための様々な方法を備えたインターフェイスとして機能します。また、選択した波長からの偏差に比例した信号を出力する、設定可能なアナログ出力も備えており、フィードバックループ内で入射レーザの波長を安定化させるために使用できます。外部の既知波長基準を用いた年1回の校正も、装置のインターフェイスを通じて実施可能です。「LCD画面」タブでは、よく使用される画面表示の画像をご覧いただけます。

波長計WM202は、3つのインターフェイス(高速USBインターフェイス、内蔵のイーサネット、シリアルRS232インターフェイス)経由でリモート制御が可能です。 当社では、Optical Power Monitor(OPM)ソフトウェアの一部として、USBまたはネットワーク接続経由で実行可能な、波長計用のリモート操作ソフトウェアインターフェイスをご提供しています。波長計WM202には、ローカルエリアネットワーク内で測定結果をモニタするためのウェブサーバも内蔵されています。ウェブビュワーのスクリーンショットは「ソフトウェア」タブのFigure 8.4でご覧いただけます。

波長計WM202のリモート操作は、任意のインターフェイスを介してSCPIコマンドとドライバを使用して、カスタム仕様の測定ソフトウェアにより実行することもできます。 OPMソフトウェア、ウェブビュワー、SCPIコマンドの詳細については「ソフトウェア」タブをご覧ください。

すべての波長の精度仕様は、3σ基準に基づいて低速の測定モード^aで与えられる最大波長/周波数誤差です。

測定されるレーザは、FC/APCコネクタ付きのシングルモードファイバで入力され、仕様の波長精度を達成するために帯域幅が10 GHz以下である必要があります。ただし、スーパールミネッセントダイオードのような広帯域光源の中心波長については、絶対精度は低下しますが、FC/APCマルチモードファイバを使用して測定することができます。

単位nm(空気中)は、Peck & Reeder(T = 15.0 °C、P = 1013.25 hPa、CO₂：330 ppm、相対湿度：0%)による定義に基づいています。これは、NISTが原子スペクトルデータベース(ASD)^bで採用しているのと同じ定義です。

1. 3σ基準は、波長測定が波長の仕様誤差範囲内に99.7%の信頼度で収まることを示しています。
2. 詳細は「Edson R. Peck and Kaye Reeder, "Dispersion of Air," J. Opt. Soc. Am. 62, 958-962 (1972)」に記載されています。

波長計WM202の性能グラフ

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Figure 3.1  波長計WM202で測定を行うために必要な最小入力パワーのグラフ。入力パワーが十分高い場合、500 nmまで測定が可能なことを示しています。

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Figure 3.2  コールドスタートさせた周波数ロックレーザLLD1530の波長安定性を、波長計WM202で測定(内部基準を使用)。グラフ内の青い網掛け領域は、15分間のウォームアップ時間であり、この時間中は精度が低下します。

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Figure 3.3  周波数ロックレーザLLD1530を外部基準として、波長可変レーザTLX1の周波数を、波長計WM202で50 GHzのITUグリッドの各ステップで測定。

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Figure 3.4  レーザLLD1530を外部基準として、波長計WM202で測定した安定化ヘリウムネオンレーザHRS015Bの起動時からの周波数

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Figure 4.1  基準レーザを備えた内部のマイケルソン干渉計の概略図

動作原理

Figure 4.1では、波長計に搭載された走査型マイケルソン干渉計の概略図を示しています。未知の波長λを持つ入射レーザは、ビームスプリッタによって2つの光路に分岐され、移動式または固定式のミラーで反射されます。そして、ビームスプリッタで再び統合され、ディテクタに送られます。ここで、移動式ミラーの位置に応じて干渉縞が測定されます。ミラーが距離dを移動し、検出器で合計m個の干渉縞が検出された場合、以下の関係が成立します。

ここで、n(λ)は、未知の波長における干渉計内の空気の屈折率です。基準レーザ(λ_Ref)は同様の経路をたどりますが、干渉信号は基準ディテクタ(Detector_Ref)で検出されます。基準レーザにも同様の式が適用され、m → m_Ref 、λ → λ_Refとなります。

2つの式を組み合わせて、測定値と既知の値の関数として未知の波長を求めることができます。

波長計は、干渉計内の温度、圧力、相対湿度を測定し、干渉計内の空気の屈折率を正確に計算します。 高速測定モードでは、mとm_Refは整数として測定されますが、低速測定モードでは、m_Refはλの測定に用いられるm個の干渉縞に対する光路長に対応する干渉縞の数の一部として測定されます。

波長計WM202の前面および背面パネル

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背面パネル

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前面パネル

波長計のLDC画面

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Figure 6.3  統計画面：前回のリセット以降に収集されたデータの統計の概要が表示されます。表示には、最小値、最大値、標準偏差、平均値、サンプル数、取得時間およびコヒーレンス長、ならびに内部の温度、圧力および湿度が含まれます。

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Figure 6.2  長期観測画面：測定された波長を時間の関数として示したグラフが表示され、.csvファイルに記録可能です。このファイルはUSBを介してPCに転送できます。

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Figure 6.1  メイン画面：波長、推定入力パワー、コヒーレンス長、およびパワー値とその棒グラフを表示します。単位、平均、速度、および表示される桁数は、ダイナミックサイドメニューボタンで制御できます。

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Figure 7.1  各波長計に含まれるアイテム

波長計の制御用ソフトウェアOptical Power Monitor

バージョン6.5

SoftwareボタンをクリックするとOPMソフトウェアをダウンロードできます。

波長計用ソフトウェア

ソフトウェアOptical Power Monitor (OPM)による制御
OPMソフトウェアは、Windows PCを使用して当社の波長計を制御できます。このソフトウェアのGUIにより機器を完全に制御でき、測定画面、統計画面、モニタ画面間を選択し、機器の測定パラメータを設定することができます。ソフトウェアの使用には、OS Windows^®10または11のPCが必要です。OPMソフトウェアは、USBまたはネットワーク接続を介して波長計を動作させることができます。

SCPIコマンドによるカスタム制御
波長計のデバイスマニュアルには、カスタム仕様で波長計を使用する際の制御用コマンドも記載されています。コマンドはOS Windows^® 10または11のPCからUSB、ネットワークまたはRS-232ポートに送信できます。各コマンドについての説明がマニュアルでご覧いただけます。

OPMソフトウェアを使用した波長計の操作

Figure 8.1、8.2、8.3は、波長計WM202を制御するためにOPMソフトウェアGUIを使用した例です。測定、統計、モニタリングチャート画面は下に要約されています。詳細についてはマニュアルをご覧ください。波長計をPCに接続し電源をONにすると、ソフトウェアはデバイスを自動で検出します。その後、デバイスの種類やシリアル番号などの情報を取得します。

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Figure 8.1  ソフトウェアの測定画面
波長計の測定画面では、現在の波長、パワー、コヒーレンス長の値に加えて基準ディテクタの信号が表示されます。さらに、左端にはアクティブなデバイスのリストが表示されます。 デバイス情報が利用可能で、低速/高速モード、内部/外部基準レーザ、アナログ出力、波長校正などの設定を調整できます。

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Figure 8.2  ソフトウェアの統計画面
測定画面の隣にある統計画面では、波長計で測定したデータの概要がローリングバッファで表示され、測定値の棒グラフも表示されます。統計画面の左上隅にある歯車アイコンをクリックすることで、データ収集の開始、一時停止、停止、または取得時間やサンプル数の調整を行うことができます。

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Figure 8.3  ソフトウェアのモニタリングチャート画面
モニタリングチャート画面では、波長計の測定値を経時的に.csvファイルに記録し、データをグラフで表示します。保存間隔とファイルパスは設定可能です。また、データがこれ以上ファイルに保存されなくなるような様々な停止条件を構成することもできます。

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Figure 8.4  波長計用ウェブビュワー
波長計がネットワークに接続されている場合、デバイスに設定されたIPアドレスにアクセスすることで、現在の波長、出力パワー、およびコヒーレンス長を任意のウェブブラウザで表示できます。ウェブビュワーでは、設定や構成を変更することはできません。波長の単位と桁数は、直接操作時のタッチパネルに表示されるものと同一です。