光スペクトラムアナライザとは？仕組みや用途、選び方を解説

光スペクトラムアナライザとは

光スペクトラムアナライザは、光の特性を詳細に分析するための基本的な測定器です。「光スペアナ」や「OSA（Optical Spectrum Analyzer）」とも呼ばれます。入力された光がどのような波長（色）の成分で構成されているか、そしてそれぞれの波長がどれくらいの強さ（パワー）を持っているかをグラフとして表示します。

光の成分を可視化する装置

光スペクトラムアナライザの働きは、太陽の光をプリズムに通すと虹色の帯（スペクトル）が見える現象を、極めて高い精度で測定しているとイメージすると分かりやすいでしょう。目には見えない光であっても、それを構成する様々な波長の成分に分解し、それぞれの強度を精密に測定・可視化します。

例えば、光通信で使われるレーザー光が、本当に目的の波長だけで綺麗に発光しているか、あるいは不要な波長の光（ノイズ）が混じっていないかなどを詳細に確認できます。

製品によっては、紫外（UV）から可視（VIS）、近赤外（NIR）、中赤外（MIR）まで、非常に幅広い波長帯の光に対応するモデルが存在します。

オシロスコープとの基本的な違い

同じく信号を観測する測定器として、オシロスコープがよく知られています。しかし、両者は観測する「領域」が根本的に異なります。

オシロスコープが信号の強さ（電圧）を「時間軸」で観察するのに対し、光スペクトラムアナライザは光の強さ（パワー）を「周波数軸（波長軸）」で観察します。

光通信やレーザー応用では、信号の時間的な変化だけでなく、「信号の質（目的の波長の安定性や不要なノイズの有無）」が極めて重要になります。オシロスコープでは、波長のずれや混在を区別することが難しいため、このような分析は光スペクトラムアナライザの得意分野です。

特に、1本の光ファイバーに複数の波長を同時に伝送する波長分割多重通信（WDM通信）では、各波長を正確に分離し、それぞれの強度やノイズを評価する必要があります。こうした理由から、光スペクトラムアナライザは、光通信やレーザー計測において、光の波長やスペクトルを評価する際に欠かせない測定器です。

	光スペクトラムアナライザ	オシロスコープ
測定領域	周波数領域（波長領域）	時間領域
横軸	波長 (nm)	時間 (s)
縦軸	光パワー (dBm)	電圧 (V)
主な観測対象	光スペクトルの形状、中心波長、OSNR、SMSR	信号波形の形状、周期、振幅
主な用途	光通信の信号品質評価、レーザーの特性評価	デジタル信号のタイミング解析、電源ノイズの観測

光スペクトラムアナライザの仕組みと測定原理

光を波長ごとに分ける「分光」の仕組み

多くの光スペクトラムアナライザでは、光を波長ごとに分離するために「分光」という技術が用いられています。その心臓部となるのが「回折格子（かいせつこうし）」と呼ばれる光学素子です。

回折格子は、表面にCDの記録面のように非常に微細な溝が等間隔で刻まれており、光を波長ごとに異なる角度で反射・回折させる性質を持っています。入力された光がこの回折格子に当たると、虹のように波長順に分離されます。

こうして分光された光を、フォトダイオードなどの受光素子で順番に検出します。受光素子は光の強さを電気信号に変換するため、どの角度（つまり、どの波長）でどれくらいの強さの電気信号が得られたかを測定することで、最終的に波長ごとの光強度スペクトルをグラフとして得ることができます。

関連記事：「回折格子とは？原理や種類、選び方を解説」

主な測定方式の種類と特徴

光スペクトラムアナライザには、いくつかの測定方式があり、それぞれに得意な測定や特徴があります。

掃引方式 （分散分光方式）	回折格子を機械的に回転させ、受光素子に入射する波長を少しずつ変化（掃引）させてスペクトルを測定する、最も一般的な方式です。高性能なモデルが多く、研究開発から生産ラインまで幅広い用途で使われています。
リアルタイム方式 （FFT方式）	高速フーリエ変換（FFT）という信号処理技術を用いて、ある程度の帯域幅のスペクトルを一括で測定する方式です。掃引方式では捉えきれない、瞬間的に発生する光信号の変化や、変動の速い現象の観測に適しています。
干渉計方式 （FT-OSA）	マイケルソン干渉計などの光学系を用いて光の干渉縞を測定し、それをフーリエ変換することでスペクトルを得る方式です。非常に高い波長分解能や精度が求められる特殊な測定で利用されることがあります。

WDMシステムのような安定した光信号の評価には「掃引方式」が主流ですが、レーザーの瞬間的な波長変化（モードホップ）は見逃すことがあります。このような過渡現象の解析には「リアルタイム方式」が適しています。

従来は両方式を使い分けていましたが、近年はアレイセンサと高度な光学設計により、高分解能かつリアルタイム測定が可能な光スペクトラムアナライザも登場し、モードホップなど瞬間現象の詳細分析が可能になりました。

光スペクトラムアナライザの主な用途例

光スペクトラムアナライザの業界別の主な用途例をご紹介します。

光通信分野

今日の情報化社会を支える光ファイバー通信において、光スペクトラムアナライザは伝送される信号の品質を保証するために不可欠なツールです。

WDM(波長分割多重) システムの評価	1本の光ファイバーに複数の異なる波長の光信号を乗せて大容量伝送を実現するWDM技術では、各光チャネルが干渉せず、十分な信号品質を保っているか評価することが重要です。特に、光信号対雑音比（OSNR）の測定は、伝送品質を測る重要な指標であり、光スペクトラムアナライザがその役割を担います。
光増幅器(EDFA)の 評価	長距離伝送によって減衰した光信号を増幅する光増幅器（EDFA）の性能評価にも使用されます。増幅後の利得（ゲイン）や、増幅時に発生するノイズの量を正確に測定し、システムの性能を保証します。
光トランシーバーの 製造・検査	データセンターなどで大量に使用される光トランシーバーが、規定の波長・出力で正しく動作しているか、その送受信特性を評価するために、製造・検査工程で広く利用されています。

レーザー開発・製造分野

半導体レーザー（LD）をはじめとする各種レーザー光源の開発・製造工程において、その発光特性を精密に評価するために光スペクトラムアナライザは広く利用されています。

半導体レーザー(LD)の スペクトル測定	レーザーの中心発振波長やスペクトル幅はもちろん、サイドモード抑圧比（SMSR）などを測定し、レーザーの性能を評価します。SMSRは、主となる目的の発振波長と、その次に大きい不要な波長（サイドモード）とのパワー比のことで、単一波長で綺麗に発振するレーザーの品質を示す重要な指標です。
モードホップ現象の観測	レーザーの駆動電流や温度を変化させた際に、発振波長が不安定に変化するモードホップ現象を捉えることで、より安定したレーザー光源を開発するための評価に用います。
面発光レーザー(VCSEL)や LiDAR用光源の 全数検査	スマートフォンの顔認証や、自動運転技術に用いられるLiDAR（ライダー）など、各種センサーに使われるVCSELは大量生産されます。その波長特性を高速に全数検査する工程でも光スペクトラムアナライザが活躍しています。

センシング・その他研究開発分野

光スペクトラムアナライザの用途は通信やレーザーに留まらず、様々な分野のセンシングや最先端の研究開発にも広がっています。

FBG (ファイバーブラッググレーティング) センサーの測定	光ファイバーに特殊な加工を施したFBGセンサーは、温度やひずみが加わると反射する光の波長がわずかに変化します。この微小な波長変化を光スペクトラムアナライザで精密に測定することで、橋やビルといった構造物の健全性を監視する用途などに活用されています。
バイオ・メディカル分野	光顕微鏡で特定の蛍光色素を励起させるために使われる光学フィルターの透過特性評価や、血液中のグルコース濃度を光で測定するような医療・研究分野でも利用が進んでいます。
環境計測	特定のガスが吸収する光の波長を測定することで、ガスの種類や濃度を分析する環境計測の分野にも応用されています。

関連測定器との違いを整理

光スペクトラムアナライザと名称が似ている、あるいは機能が近い測定器との違いを整理しておきましょう。これにより、自身のニーズに対して本当に光スペクトラムアナライザが必要なのか、あるいは別の測定器が適しているのかを判断しやすくなります。

光波長計との比較

光波長計は、その名の通り、光の「波長」を測定することに特化した高精度な測定器です。光スペクトラムアナライザがスペクトル全体の形状（波長、パワー、OSNRなど）を測定できる汎用性を持つのに対し、光波長計は波長測定という単一機能に絞られています。そのため、一般的に光波長計の方が波長測定の確度は高い傾向にありますが、スペクトルの形状やパワー、ノイズなどを評価することはできません。機能がシンプルな分、価格は光スペクトラムアナライザよりも手頃な場合があります。

	光スペクトラムアナライザ	光波長計
主な機能	スペクトル全体の測定（波長、パワー、OSNR等）	単一または複数波長の精密測定
汎用性	高い	低い
波長測定の確度	機種による	非常に高い
価格帯	比較的高価	比較的安価
適した用途	WDM評価、レーザーの総合的な特性評価	レーザー波長の絶対値校正、波長安定性の評価

分光器との比較

分光器（分光計、モノクロメータ）は、光を波長ごとに分ける「分光」機能を持つ光学部品または装置そのものを指します。これは、光スペクトラムアナライザの心臓部にあたるコア部品です。

分光器は、光を分けるという最も重要な役割を担う部品です。光スペクトラムアナライザは、その分光器に加えて、受光素子、制御回路、データ処理部、表示部などを組み合わせ、精密な「測定」という目的を達成するための完成された「測定システム」と言えます。

研究用途などで自分で測定系を組む場合は分光器を単体で購入することもありますが、完成された測定器としてすぐに使いたい場合は光スペクトラムアナライザを選ぶのが一般的です。

関連記事：分光器とは？仕組みや種類、選び方を解説

光スペクトラムアナライザの選定におけるポイント

自社の目的や予算に合った最適な一台を選ぶためには、カタログに記載されている性能指標を正しく理解することが重要です。ここでは、選定時に特に確認すべき5つのポイントを解説します。

重要なのは、単一のスペックが優れていることだけを求めるのではなく、自社の用途に合わせて各性能のバランスを考慮することです。例えば、高い分解能を求めると測定速度が遅くなるなど、性能間にはトレードオフの関係が存在することがあります。

測定対象の波長範囲

最も基本的な選定項目です。自社で扱う光源やデバイスの波長帯を、そのアナライザがカバーしているかを確認します。光通信では、Oバンド（1310 nm帯）、Cバンド（1550 nm帯）、Lバンド（1565 nm帯以降）などが一般的です。その他、可視光（350 nm～）や環境計測で使われる中赤外（～5500 nm）など、用途に応じて様々な波長範囲のモデルが提供されています。

波長分解能

どれだけ近接した2つの波長の光を、きちんと分離して表示できるかを示す能力です。分解能が高いほど、より細かいスペクトル構造を観測できます。WDM信号のように狭い間隔で多数の波長が並んでいる信号を個別に評価する場合や、レーザーの主発振波長のすぐ近くにある微弱なサイドモードを観測する場合に、この性能が重要になります。一般的に、波長分解能を高く設定すると、測定に時間がかかる傾向があります。

ダイナミックレンジと測定レベル範囲

測定レベル範囲（感度）

定可能な光パワーの最大値から最小値までの範囲を指します。例えば、-90 dBmといった非常に微弱な光から、+20 dBmといった強い光まで、幅広いパワーを測定できるモデルがあります。

ダイナミックレンジ

ある強い光信号のピークから、そのすぐ近くで測定可能なノイズレベルまでのパワー差を示します。この値が大きいほど、強い信号のすぐ隣にある微弱な信号を正確に測定する能力が高くなります。光増幅器の評価や、レーザーのSMSR測定のように、非常に大きなメインピークと小さなサイドモードの比率を正確に測定する場合に極めて重要です。

波長確度と測定速度

波長確度

測定された波長が、真の値に対してどれだけ正確かを示す指標です。WDMシステムにおける各チャネルの波長ズレを厳密に管理する必要がある場合など、波長の絶対値が重要になるアプリケーションで重視されます。

測定速度

スペクトルを1回測定するのにかかる時間です。特に、光デバイスの生産ラインにおける全数検査などでは、タクトタイムの短縮に直結するため、最も重要な性能指標の一つとなります。

操作性・セットアップ効率

スペックには現れにくいものの、測定現場での作業効率を大きく左右するのが操作性やセットアップの容易さです。特に、高分解能な測定を行うためには、シングルモードファイバを用いて微細な光軸調整が必要となる場合がありますが、この作業には熟練と時間を要することが少なくありません。

近年では、マルチモードファイバ入力に対応し、煩雑な光軸調整を不要にすることで、誰でも簡単に、かつ迅速に高分解能な測定を開始できるモデルも登場しています。特に、開発サイクルの短縮や、検査工程のタクトタイム削減が求められる現場では、こうしたセットアップ効率の高さが重要な選定ポイントとなります。

解析機能と外部インターフェース

近年の光スペクトラムアナライザは、単にスペクトルを表示するだけでなく、測定データを解析するための便利な機能を本体に内蔵しているものが増えています。WDM解析、DFB-LD解析、SMSR解析といった定型的な測定をボタン一つで自動実行する機能があれば、測定工数を大幅に削減できます。

また、PCと接続して測定を自動化するための外部インターフェース（USB, Ethernetなど）の有無も、生産ラインや自動評価システムを構築する際には重要な選定ポイントです。

光スペクトラムアナライザ 関連製品・サービスのご紹介

レーザースペクトラムアナライザ SPG-V500

レーザースペクトラムアナライザSPG-V500は、従来の製品にはなかった高分解能とリアルタイム測定の両立を実現しました。また、マルチモードファイバ入力により、光軸調整の手間を削減し、現場の効率化をさらに加速させます。

島津製作所では、光スペクトラムアナライザを含む分光器のご提案の他、回折格子の提供や光学配置設計も行っております。「分光」に関するお悩みは、島津製作所にお問い合わせください。

SPG-V500について詳しく見る

まとめ

1. 光スペクトラムアナライザは、光を波長ごとに分解し、その強度を可視化する測定器である
2. 主な用途には、WDMシステムのOSNR評価、レーザーのSMSR測定、FBGセンサーの波長シフト測定などがあり、幅広い分野の技術革新を支えている
3. 選定時には、波長範囲、分解能、ダイナミックレンジ、速度、確度といった指標を、自社の用途に合わせてバランス良く考慮することが、最適な一台を見つける鍵となる