JP2002350236A

JP2002350236A - 光スペクトル解析システム及び光スペクトル解析方法

Info

Publication number: JP2002350236A
Application number: JP2002130756A
Authority: JP
Inventors: Douglas M Baney; ダグラス・エム・バーニー; Bogdan Szafraniec; ボーデン・スザファニック
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2002-05-02
Publication date: 2002-12-04
Also published as: DE60219550D1; DE60219550T2; EP1256788B1; US6590666B2; EP1256788A2; US20020167670A1; EP1256788A3

Abstract

(57)【要約】【課題】局部発振源の非一様掃引速度を補正することが
可能なヘテロダイン系光スペクトル解析器を提供する【解決手段】光スペクトル解析システムには、掃引局部
発振器信号（局発信号）を発生する局部発振源（５０
５）と、入力信号と局発信号を組み合わせ光信号を出力
する光結合器（５１０）と、組み合わせた光信号を入力
しヘテロダイン・ビート信号を送り出すヘテロダイン受
信機（５１２）と、局発信号に応答して測定局部発振器
周波数掃引速度情報（速度情報）を発生する相対周波数
測定システム（５２０）と、ヘテロダイン・ビート信号
と速度情報から入力信号の光学パラメータを表した出力
信号を発生する信号プロセッサ（５１６）が含まれてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、光測定及
び測定システムの分野に関するものであり、とりわけ、
光ヘテロダイン検波を利用した光スペクトル解析のため
の方法及びシステムに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】高密度波長分割多重化（ＤＷＤＭ）に
は、一般に現行の光スペクトル解析器（ＯＳＡ）で得ら
れるよりもスペクトル分解能が高いＯＳＡが必要にな
る。例えば、格子系のＯＳＡ及び自動相関系のＯＳＡで
は、ビーム・サイズ及び光路走査に関する制約といった
機械的制約が有り、到達可能なスペクトル分解能が制限
される。

【０００３】格子系及び自動相関系のＯＳＡの代わり
に、光ヘテロダイン検波システムを利用して、ＤＷＤＭ
システムを監視することが可能である。例えば、光ヘテ
ロダイン検波システムを利用して、入力光信号の光スペ
クトル解析を行うことが可能である。図１には、入力フ
ァイバ１０４からの入力信号１０２と局部発振器ファイ
バ１０８を介した局部発振源１０５からの掃引局部発振
器信号１０６を組み合わせる光結合器１１０を含む、先
行技術によるヘテロダイン系ＯＳＡが描かれている。組
み合わせ光信号は、出力ファイバ１１８を進行し、ヘテ
ロダイン受信機１１２によって検波される。ヘテロダイ
ン受信機は、組み合わせ光信号からの光放射を電気信号
に変換する。二乗検波によって、２つの組み合わせ光信
号が混合され、組み合わせ光信号間の周波数差に等しい
周波数のヘテロダイン・ビート信号が生じることにな
る。ヘテロダイン・ビート信号は、信号プロセッサ１１
６によって処理され、周波数、波長、または、振幅など
の入力信号の特性値が求められる。

【０００４】理想ヘテロダイン系ＯＳＡの場合、局部発
振源によって、一定速度である光周波数（叉は波長）範
囲を掃引する（すなわち、ｄν／ｄｔ＝一定であり、こ
こで、νは光周波数）局部発振器信号が生じる。一定の
掃引速度が理想であるが、既知の局部発振源によって生
じる局部発振器信号の掃引速度は、一様でない。図２は
掃引速度が一様ではない局部発振器信号２０６のグラフ
の例である。横軸が時間で縦軸が局部発振器信号の周波
数（局部発振器周波数）である。局部発振器信号の掃引
速度が一様でないので（非一様なので）、入力信号の周
波数測定が不正確になる。図３には、このヘテロダイン
系ＯＳＡに入力することが可能な複数ＤＷＤＭチャネル
３０９を含む、入力信号スペクトル例が示されている。
図３に示すように、ＤＷＤＭチャネルのそれぞれは、同
じ幅の周波数帯域によって分割されている。図４には、
図３の入力信号スペクトルに関連して、図２に示す非一
様掃引局部発振器信号から生じるヘテロダイン系ＯＳＡ
による出力例が示されている。図４に示すように、非一
様掃引局部発振器信号から生じる測定スペクトルは、実
際の入力信号スペクトルを正確に反映していない。すな
わち、局部発振器信号の掃引速度が一様でないことが、
直接、測定信号スペクトルの正確さにエラーを生じさせ
る結果になる（図３に描かれたチャネルとはチャネル間
隔の異なるチャネルによって示されるように）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】より分解能の高いＯＳ
Ａの必要、及び、ヘテロダイン系ＯＳＡに用いられる局
部発振源の掃引速度が一様でないために生じる問題に鑑
みて、本発明の目的は、局部発振源の非一様掃引速度を
補正することが可能なヘテロダイン系ＯＳＡを提供する
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】ヘテロダイン系の光スペ
クトル解析方法及びシステムには、掃引局部発振器信号
の掃引速度を測定することと、さらに、掃引局部発振器
信号の掃引速度が一様でない点を考慮した出力信号を発
生することが必要になる。ある実施例では、入力信号と
掃引局部発振器信号が光結合器において組み合わせら
れ、掃引局部発振器信号の掃引速度が相対周波数測定シ
ステムにおいて測定される。組み合わせ光信号が光結合
器から受信機に出力されヘテロダイン・ビート信号が発
生する。ヘテロダイン・ビート信号及び測定された測定
局部発振器周波数掃引速度情報は、信号プロセッサによ
って、入力信号の光パラメータを表しかつ局部発振器信
号の掃引速度が一様でない点を考慮した出力信号を発生
するために利用される。掃引局部発振器信号の実際の掃
引速度が、入力信号の解析中に測定されるので、ヘテロ
ダインＯＳＡの光周波数スケールの確度が改善される。

【０００７】光スペクトル解析システムには、局部発振
源、光結合器、ヘテロダイン受信機、相対周波数測定シ
ステム、及び、信号プロセッサが含まれている。局部発
振源は、ある周波数範囲にわたって掃引する掃引局部発
振器信号を発生する。光結合器は、第１の入力、第２の
入力、及び、出力を備えている。第１の入力は、入力信
号を受信するように光学的に接続されており、第２の入
力は、掃引局部発振器信号を受信するように局部発振源
に光学的に接続されており、出力は、入力信号と掃引局
部発振器信号を含む組み合わせ光信号を出力するように
光学的に接続されている。ヘテロダイン受信機は、光結
合器から組み合わせ光信号を受信するための入力と、組
み合わせ光信号を表したヘテロダイン・ビート信号を出
力するための出力を備えている。相対周波数測定システ
ムは、局部発振源に光学的に接続されており、掃引局部
発振器信号に応答して、測定局部発振器周波数掃引速度
情報を発生する。信号プロセッサは、光受信機からヘテ
ロダイン・ビート信号を受信し、相対周波数測定システ
ムから測定局部発振器周波数掃引速度情報を受信して、
入力信号の光学パラメータを表した出力信号を発生す
る。

【０００８】光ヘテロダイン検波を利用する光スペクト
ル解析法には、入力信号を発生するステップと、ある周
波数範囲にわたって掃引する掃引局部発振器信号を発生
するステップと、掃引局部発振器信号の周波数掃引速度
を測定して、測定局部発振器周波数掃引速度情報を発生
するステップと、入力信号と掃引局部発振器信号とを組
み合わせて、組み合わせ光信号を生成するステップと、
組み合わせ光信号を検波して、ヘテロダイン・ビート信
号を発生するステップと、フィルタリングを施されたヘ
テロダイン・ビート信号及び測定局部発振器周波数掃引
速度情報から、入力信号の光学パラメータを表す出力信
号を発生するステップが含まれる。

【０００９】本発明の他の態様及び利点については、本
発明の原理を例示した添付の図面に関連して行われる下
記の詳細な説明から明らかになるであろう。

【００１０】

【発明の実施の形態】図５には、掃引速度補正を利用し
て、補正スペクトル情報を生成するヘテロダイン系ＯＳ
Ａの実施例が描かれている。この光スペクトル解析器に
は、信号ファイバ５０４、局部発振源５０５、局部発振
器ファイバ５０８、光結合器５１０、ヘテロダイン受信
機５１２、信号プロセッサ５１６、及び、相対周波数測
定システム５２０が含まれている。ヘテロダイン系ＯＳ
Ａには、入力信号に減衰及びフィルタリングを施すよう
に光学的に接続されたオプションの減衰器５２２及びオ
プションの光フィルタ５２４も含まれている。留意すべ
きは、説明全体を通じて、同様の構成要素の識別に、同
様の参照番号が利用されているという点である。

【００１１】信号ファイバ５０４は、ヘテロダイン系Ｏ
ＳＡによって検波されることになる入力信号を伝送す
る。ある実施例の場合、信号ファイバは、当該技術にお
いて既知の単一モード光ファイバである。説明全体を通
じて、光ファイバで伝送される光信号は、代わりに、他
のタイプの光導波路または自由空間によって伝搬するこ
とが可能である。

【００１２】入力信号５０２には、光通信システムの分
野において既知の従来の装置から発生する光信号が含ま
れる。例えば、入力信号は、単一レーザまたは複数レー
ザから発生することが可能であり、波長分割多重化の分
野において既知のように、単一波長または複数波長から
構成することが可能である。入力信号は、一般に、光通
信の分野において既知のように、デジタル情報を含むよ
うに変調される。

【００１３】実施例の１つでは、入力信号５０２は、光
スペクトル解析器によって測定される未知の光学特性を
備えている。あるいはまた、入力信号は、既知の光学特
性を備えた入力光信号とすることも可能であり、この場
合、光スペクトル解析器は、光回路網または部品の解析
に利用することが可能である。光スペクトル解析器は、
光回路網または部品の解析に利用される場合、回路網ま
たは単一部品に既知の入力信号を入力し、次に、既知の
信号に対する応答を測定することによって、回路網また
は単一部品の特性を求めることが可能である。

【００１４】局部発振源５０５は、掃引局部発振器信号
を発生する。実施例の１つでは、局部発振源は、ナノメ
ートル以上の波長範囲にわたって同調可能な、外部空洞
レーザのような極めてコヒーレントな同調レーザであ
る。光スペクトル解析中、局部発振源は、ある周波数ま
たは波長範囲にわたる入力信号を検波するため、その周
波数または波長範囲にわたって掃引させられる、極めて
コヒーレントな局部発振器信号を発生する。実施例の１
つでは、１，５５０ナノメートルの局部発振器信号の掃
引速度は約６．１５ＭＨｚ／μｓ叉は４０ｎｍ／ｓであ
るが、掃引速度は、これより高くすることも、あるい
は、低くすることも可能であり、掃引範囲は、約１００
ｎｍである。定掃引速度が理想であるが、例えば、外部
空洞レーザによって放射される局部発振器信号の掃引速
度には、±３００ＭＨｚの範囲に及ぶ繰り返し掃引の不
均一性が観測されている。図５の実施例の場合、局部発
振源は、光結合器に接続された光出力と、サンプル・フ
ァイバ５４０を介して相対周波数測定システム５２０に
接続されたもう１つの光出力を備えている。光結合器に
接続された光出力は、大パワーの局部発振器信号を出力
し、相対周波数測定システムに接続された光出力は、低
光ノイズ特性を備えた小パワーの発振源自然放出（ＳＳ
Ｅ）を生じる。局部発振源は、信号プロセッサに周波数
情報を送り出す電気出力も備えている（ライン５２６で
示すように）。実施例の１つでは、局部発振源が、信号
プロセッサに対して、掃引局部発振器信号の絶対周波数
を表した絶対周波数情報を供給する。実施例の１つで
は、絶対周波数情報は、局部発振源を制御する回路要素
から得られる。局部発振源は、絶対周波数情報を供給す
るが、絶対周波数情報は、掃引局部発振器信号の実際の
周波数の測度ではなく、一般に、局部発振器信号の周波
数掃引速度における不均一性を反映していない。

【００１５】図５の代替実施例の場合、局部発振源は、
光結合器に光学的に接続された１つの光出力を備えてい
る。掃引局部発振器信号の一部は、該光出力からの主信
号からタップで取り出され、取り出された部分が、相対
周波数測定システムに光学的に接続される。図６には、
局部発振源５０５と光結合器５１０の間に配置されたタ
ップ５２８が描かれている。タップによって、掃引局部
発振器信号のサンプルが相対周波数測定システム５２０
に供給される。

【００１６】図５に戻ると、局部発振器ファイバ５０８
は、局部発振器信号５０６を光結合器５１０に伝送す
る、単一モード光ファイバのような光ファイバである。

【００１７】光結合器５１０は、入力信号５０２と掃引
局部発振器信号５０６を組み合わせて、共通導波路に送
り込む。図５に示すように、光結合器は、入力信号と掃
引局部発振器信号を組み合わせて、組み合わせ光信号を
出力ファイバ５１８に送り出す。出力ファイバ５１８
は、組み合わせ光信号をヘテロダイン受信機５１２に導
く。図５には、出力ファイバが１つだけしか示されてい
ないが、２つ以上の出力ファイバを利用して、組み合わ
せ光信号部分をヘテロダイン受信機５１２に伝送し、平
衡検波を施すことが可能である。

【００１８】光結合器５１０は、３ｄＢ光ファイバ結合
器とすることが可能であるが、他の光結合器を利用する
ことも可能である。実施例の１つでは、光結合器は、入
力信号５０２及び掃引局部発振器信号５０６の波長及び
偏光とはほぼ無関係である。実施例の１つでは、光結合
器は、単一モード結合器である。

【００１９】出力ファイバ５１８は、光結合器５１０か
らヘテロダイン受信機５１２に組み合わせ光信号を伝送
する単一モード光ファイバである。例えば、ヘテロダイ
ン受信機が平衡受信機である場合には、複数出力ファイ
バを利用することも可能である。

【００２０】ヘテロダイン受信機５１２は、光結合器５
１０から組み合わせ光信号を受信するように接続されて
いる。実施例の１つでは、ヘテロダイン受信機は、２乗
検波を利用しており、この結果、入力信号と掃引局部発
振器信号が混合されることになる。２つの光信号を混合
すると、入力信号と掃引局部発振器信号の周波数差に等
しい周波数のヘテロダイン・ビート信号が生じることに
なる。ヘテロダイン受信機によって発生したヘテロダイ
ン・ビート信号は、電気接続５６４を介して信号プロセ
ッサ５１６に供給される。図示されてはいないが、ヘテ
ロダイン受信機には、当該分野において既知のように光
検波器、信号増幅器、フィルタ、及び、アナログ・デジ
タル変換器を含むことが可能である。光検波器系のヘテ
ロダイン受信機の代わりに、ヘテロダイン受信機は、非
線形混合素子のような他の検波素子を利用することが可
能である。例えば、平衡受信機のような、他の構成によ
るヘテロダイン受信機を実施することも可能である。

【００２１】相対周波数測定システム５２０は、掃引局
部発振器信号の一部を受信して、信号プロセッサ５１６
に対して測定局部発振器周波数掃引速度情報を出力する
（ライン５３０で示すように）。実施例の１つでは、相
対周波数測定システムには、掃引入力光周波数に応答し
て発生する縞パターン信号の形で、測定局部発振器掃引
速度情報を生じさせる干渉計が含まれている。相対周波
数測定システムの実施例については図１８〜２４を参照
して後述する。さて、実施例の１つでは、干渉計によっ
て、正弦波縞パターン信号（または、複数光検波器が用
いられる場合には、複数縞パターン）が発生するが、こ
の場合、正弦波縞パターン信号のピーク（または他の特
徴）を計数することによって、入力局部発振器信号の光
周波数の変化を求めることが可能である。正弦波縞パタ
ーン信号のピークは、干渉計の自由スペクトル領域（Ｆ
ＳＲ）を表しており、自由スペクトル領域は、干渉計の
遅延（τ）に反比例する。正弦波縞パターン信号の各ピ
ーク間の経過時間を利用して、光周波数の掃引速度が計
算される。図７は、定速度（すなわち、ｄν／ｄｔ＝一
定）で掃引する光信号７０８の（局部発振器）周波数の
グラフ（対時間）であり、図８は、図７に示す光信号７
０６に応答して干渉計から検波される縞パターン信号８
３２のグラフ（縞強度対時間）である。図８に示すよう
に、ＦＳＲに相当する正弦波縞パターン信号の周期は、
時間に対して一定であり、従って、定掃引速度を表して
いる。

【００２２】定掃引速度（一様掃引速度とも呼ばれる）
とは対照的に、図９は、ある時間部分にわたって非一様
掃引速度で掃引する光信号９０６の周波数に関する同様
なグラフであり、図１０は、図９に示す光信号９０６に
応答して干渉計から発生する縞パターン信号１０３２の
同様なグラフである。図１０に示すように、正弦波縞パ
ターン信号の周期は、時間に対して一定ではない。周波
数の変化率は、縞パターン信号のピークを計数し、各ピ
ーク間の経過時間で割ることによって求めることが可能
である。縞パターン信号のピーク間における異なる時間
間隔は、入力信号の光周波数の掃引速度が一様でないこ
とを表している。

【００２３】図５に戻ると、信号プロセッサ５１６に
は、ヘテロダイン受信機５１２、局部発振源５０５、及
び、相対周波数測定システム５２０からの電気信号を受
信する多機能プロセッサが含まれている。プロセッサ
は、ヘテロダイン・ビート信号を分離し、局部発振源及
び相対周波数測定システムからの周波数情報を利用し
て、入力信号５０２の光周波数、波長、または、振幅の
ような光学パラメータを表す出力信号を生成する。信号
プロセッサには、電気信号処理の分野において既知のよ
うに、アナログ信号処理回路要素、デジタル信号処理回
路要素、または、ソフトウェア、あるいは、それらの組
み合わせを含むことが可能である。信号プロセッサの実
施例については、図１１及び１６を参照して後述する。

【００２４】図１１には、図５の信号プロセッサの実施
例が示されている。図１１の実施例における信号プロセ
ッサ１１１６には、スペクトル測定モジュール１１３６
及び掃引速度補正モジュール１１３８が含まれている。
スペクトル測定モジュールは、ヘテロダイン受信機から
ヘテロダイン・ビート信号を受信し、局部発振源から絶
対周波数情報を受信して、測定スペクトル情報を出力す
る。掃引速度補正モジュールは、スペクトル測定モジュ
ールから測定スペクトル情報を受信し、相対周波数測定
システムから測定局部発振器周波数掃引速度情報（すな
わち、縞パターン信号）を受信して、補正スペクトル情
報を出力する。実施例の１つでは、掃引速度補正モジュ
ールは、縞パターン信号を利用して、実際の掃引速度情
報を発生し、それから、実際の掃引速度情報を利用し
て、測定スペクトル情報の周波数スケールを補正する。
補正スペクトル情報は、局部発振器信号の周波数掃引速
度が一様でない点を考慮して、補正されている。スペク
トル測定及び掃引速度補正モジュールは、多機能プロセ
ッサの副構成要素とすることもできるし、ハードウェア
またはソフトウェア、あるいは、その組み合わせとする
ことも可能である。

【００２５】掃引速度補正に対するヘテロダイン系ＯＳ
Ａの動作については、本明細書において、図５及び図１
１〜１５を参照して述べることにする。図５を参照する
と、局部発振源５０５は、局部発振器ファイバ５０８を
介して光結合器５１０に伝送される掃引局部発振器信号
５０６を発生する。掃引局部発振器信号のサンプルは、
サンプル・ファイバ５４０を介して、相対周波数測定シ
ステム５２０にも伝送され、絶対局部発振器周波数情報
は、電気接続５２６を介して信号プロセッサに供給され
る。図１２には、掃引局部発振器信号の周波数対時間の
グラフ例が示されている。周波数対時間グラフの非線形
部分によって、非一様掃引速度が表されている。掃引局
部発振器信号の掃引と同時に、入力信号５０２は、ヘテ
ロダイン系ＯＳＡの入力ファイバ５０４を伝搬して、光
結合器５１０に向かう。図１３には、入力信号の信号ス
ペクトル例が示されている。この信号スペクトル例にお
いて、入力信号は、均等な間隔の複数チャネル１３０９
を含む波長分割多重化信号である。例えば、チャネル
は、それぞれ、１００ＧＨｚずつ間隔をあけることが可
能である。入力信号及び掃引局部発振器信号は、光結合
器によって組み合わせ光信号をなすように組み合わせら
れる。組み合わせ光信号は、出力ファイバ５１８に送り
出され、ヘテロダイン受信機５１２に伝送される。組み
合わせ光信号はヘテロダイン受信機によって検波され、
混合される。ヘテロダイン・ビート信号は、組み合わせ
光信号に応答じて発生し、電気接続５６４を介して信号
プロセッサへ出力される。そうしているうちに、相対周
波数測定システムによって受信される掃引局部発振器信
号サンプルの周波数掃引速度が測定され、測定局部発振
器掃引速度情報が信号プロセッサに対して出力される。

【００２６】図１１を参照すると、スペクトル測定モジ
ュール１１３６が、ヘテロダイン受信機からヘテロダイ
ン・ビート信号を受信し、局部発振源から絶対局部発振
器周波数情報を受信する。スペクトル測定モジュール
は、ヘテロダイン・ビート信号及び絶対局部発振器（L
O）周波数情報を利用して、測定スペクトル情報を生成
する。上述のように、局部発振器信号の実際の周波数掃
引速度が一様でないため、測定スペクトル情報が不正確
になる。図１４には、図１３に示された入力信号スペク
トル及び図１２に示された非一様掃引局部発振器信号に
応答して生じる、測定スペクトルが示されている。局部
発振器信号の掃引速度が一様でないため、図１４の測定
スペクトルは、入力信号スペクトルを正確に反映したも
のではない（図１３に示すチャネルとはチャネル間隔が
異なるチャネルによって示されている。）。すなわち、
掃引速度が一様でない周波数範囲にわたって、スペクト
ル上の個々のチャネルは等間隔では測定されない。

【００２７】もう一度図１１を参照すると、掃引速度補
正モジュール１１３８は、スペクトル測定モジュール１
１３６から測定スペクトル情報を受信し、相対周波数測
定システムから測定局部発振器周波数掃引速度情報（す
なわち、縞パターン信号）を受信する。掃引速度補正モ
ジュールは、測定スペクトル情報及び測定局部発振器周
波数掃引速度情報を利用して、補正スペクトル情報を生
成する。補正スペクトル情報は、局部発振器信号の掃引
速度が一様でない点を考慮している。すなわち、補正ス
ペクトル情報によって、一般にＯＳＡによって表示され
る振幅対光周波数グラフの水平スケールが補正される。
図１５には、測定スペクトル情報及び測定局部発振器周
波数掃引速度情報に応答して、掃引速度補正モジュール
によって生成される補正スペクトル情報が示されてい
る。図１５に示す補正スペクトル情報は、図１３に示す
入力信号スペクトルを正確に反映している。

【００２８】再度図５に戻ると、実施例の１つにおい
て、入力信号５０２を減衰させるため、入力ファイバ５
０４に光減衰器５２２が組み込まれている。入力信号を
減衰させると、ヘテロダイン受信機５１２による検波
中、入力信号によって発生する強度ノイズが低減する。
減衰器のタイプはそれほど重要ではなく、従って、光減
衰分野において既知のさまざまなタイプの減衰器を利用
することが可能である。減衰器は、光結合器５１０に送
られる入力信号の強度を制御するため、必要に応じて減
衰レベルを変更できるように調整可能である。実施例の
１つでは、減衰器を調整して、入力信号の伝送を完全に
阻止することが可能である。入力信号の伝送を完全に阻
止することは、システム較正中に役立つ可能性がある。

【００２９】オプションの光フィルタ５２４は、掃引局
部発振器信号５０６に追従するように同調が施される、
同調帯域フィルタである。すなわち、光フィルタは、掃
引局部発振器信号の周波数に対応する周波数帯域にわた
って透過率が最高になるように同調が施される。光フィ
ルタは、既知の周波数追従技法を利用して、掃引局部発
振器信号に追従するように同調を施すことが可能であ
る。実施例の１つでは、フィルタ帯域幅の中心が、掃引
局部発振器信号の周波数に対して同調させられる。もう
１つの実施例では、例えば、イメージ除去が重要な場
合、より高い周波数のヘテロダイン信号を発生するた
め、フィルタ帯域幅の中心が局部発振器周波数からわず
かにずれるように同調が施される。同調光フィルタは、
光通信分野において周知のところであり、回折格子、誘
電体干渉フィルタ、同調ファイバ・ブラッグ格子のよう
な周期ブラッグ素子、ファブリ・ペロー干渉計、及び、
他の既知の干渉計といった部品を利用して実施可能であ
る。

【００３０】図１６には、図５の信号プロセッサのもう
１つの実施例が示されている。図１６の信号プロセッサ
１６１６は、測定スペクトル情報を生成する前に、局部
発振器周波数情報を補正するように設計されている。信
号プロセッサには、スペクトル測定モジュール１６３６
及び掃引速度補正モジュール１６３８が含まれている。
掃引速度補正モジュールは、局部発振源から絶対周波数
情報を受信し、相対周波数測定システムから測定局部発
振器周波数掃引速度情報を受信する。掃引速度補正モジ
ュールは、絶対局部発振器周波数情報がスペクトル測定
モジュールに供給される前に、測定局部発振器周波数掃
引速度情報を利用して、絶対局部発振器周波数情報を補
正する。実施例の１つでは、補正絶対局部発振器周波数
情報が、実時間でスペクトル測定モジュールに供給され
る。スペクトル測定モジュールは、ヘテロダイン・ビー
ト信号及び補正絶対局部発振器周波数情報を利用して、
局部発振器信号の周波数掃引速度が一様でない点を正確
に考慮した補正スペクトル情報を実時間で生成する。ス
ペクトル測定及び掃引速度補正モジュールは、多機能プ
ロセッサの副素子とすることもできるし、ハードウェア
またはソフトウェア、あるいは、その任意の組み合わせ
を含むことも可能である。

【００３１】図１７には、光ヘテロダイン検波を利用し
た光スペクトル解析方法のプロセス流れ図が示されてい
る。ステップ１７０２では、入力信号が用意される。ス
テップ１７０４では、ある周波数範囲にわたって掃引す
る掃引局部発振器信号が用意される。ステップ１７０６
では、掃引局部発振器信号の周波数掃引速度を測定し
て、測定局部発振器周波数掃引速度情報が生成される。
ステップ１７０８では、入力信号と掃引局部発振器信号
を組み合わせて、組み合わせ光信号が生成される。ステ
ップ１７１０では、組み合わせ光信号を検波して、ヘテ
ロダイン・ビート信号が生成される。ステップ１７１２
では、入力信号の光学パラメータを表す出力信号が、ヘ
テロダイン・ビート信号及び測定局部発振器周波数掃引
速度情報から生成される。

【００３２】図５及び６に示された相対周波数測定シス
テムの実施例については、図１８〜２４を参照して後述
する。一般に干渉計または波数カウンタと呼ばれる、相
対周波数測定システムは、全て、掃引局部発振器信号の
ある部分に遅延を付与するので、掃引局部発振器信号の
周波数の相対変化は、検波される干渉縞から求めること
が可能である。

【００３３】図１８には、結合器１８５２、光信号を遅
延時間τだけ遅延させる遅延素子１８５４、２つのファ
ラデー・ミラー１８５６、及び、光検波器１８５８を含
むマイケルソン干渉計１８５０が示されている。干渉計
は、掃引局部発振器信号を２つのファイバに結合し、次
に、２つの光信号を反射して、光検波器に戻す。２つの
信号は、互いに遅延時間τだけ遅延させられるので、周
波数が異なっている。２つの信号間の遅延によって、光
検波器の出力に光周波数依存縞パターン信号が生じるこ
とになる。縞パターン信号は、上述のように、局部発振
器信号の掃引速度を求めるために利用される。

【００３４】図１９には、２つの反射光信号を検波する
ように結合された２つの光検波器１９５８が含まれてい
る点を除いて、図１８と同様の干渉計１９５０が示され
ている。図１９を参照すると、光結合器１９５２に組み
込まれた第３のファイバによって、第２の光検波器によ
る反射信号の検波が可能になる。第２の光検波器を追加
することによって、周波数掃引方向の変化によって生じ
る計数誤差を減少させることが可能になる。

【００３５】図２０には、２つの光結合器２０５２、２
つの並列光ファイバ２０６０、及び、並列光ファイバの
一方における遅延素子２０５４を含むマッハ・ツェンダ
干渉計２０５０が描かれている。干渉計は、掃引局部発
振器信号を２つの並列ファイバに結合し、２つの信号の
一方がτだけ遅延させられる。２つの信号は、第２の光
結合器において再結合され、２つの光検波器に対して出
力される。２つの信号は、遅延τだけ分離されており、
２つの信号間における周波数依存光位相によって、光検
波器２０５８の出力に周波数依存縞信号が生じることに
なる。

【００３６】図２１には、第１の偏光ビーム・スプリッ
タ２１６２、２つのレンズ２１６４、遅延ファイバ２１
５４、第２のビーム・スプリッタ２１６６、及び、第２
のビーム・スプリッタに結合された２つの光検波器２１
５８を含む干渉計２１５０が描かれている。第１の偏光
ビーム・スプリッタによって、入力掃引局部発振器信号
が、遅延ファイバを互いに逆方向に伝搬する２つの直交
偏光信号に分割される。実施例の１つでは、遅延ファイ
バは、偏波面保存（ＰＭ）ファイバである。ＰＭファイ
バ内において、直交偏光信号の一方に直交偏光信号のも
う一方に対する遅延が付与される。２つの直交偏光信号
は、偏光ビームスプリッタにおいて再結合され、第２の
ビーム・スプリッタに送られる。第２のビーム・スプリ
ッタは、再結合光信号を、２つの光検波器による検波に
備えて、２つの信号に分割する。偏光信号の一方には、
遅延が付与されているので、２つの信号間の位相差によ
って、光検出器の出力に縞パターン信号が生じることに
なる。縞パターン信号は、上述のように、局部発振器信
号の掃引速度を求めるために利用される。

【００３７】図２２には、光結合器２２５２、遅延ルー
プ２２５４、及び、光検波器２２５８を含む干渉計２２
５０が描かれている。図２２の実施例の場合、光ファイ
バは、全て、ＰＭファイバである。干渉計によって、掃
引局部発振器信号の一部が遅延ループに結合され、遅延
ループにおける光信号にタイミングを調節する遅延τが
付与される。遅延信号は、次に、光結合器によって再結
合され、光検波器まで伝搬する。遅延ループ内を進む信
号には遅延が付与されるので、光検波器の出力に縞パタ
ーン信号が生じる。縞パターン信号は、上述のように、
局部発振器信号の掃引速度を求めるために利用される。

【００３８】図２３には、ＰＭファイバ２３５４によっ
て接続されたビーム・スプリッタ２３６２及び偏光回転
ミラー２３５６、及び、光検波器２３５８を含む干渉計
２３５０が描かれている。ビーム・スプリッタによっ
て、掃引局部発振器信号が２つの部分に分割されるが、
第１の部分は、遅延を伴わずに、光検波器によって検波
される。第２の部分は、偏光回転ミラーによって反射さ
れるまで、ＰＭファイバに沿って伝搬し、従って、光
は、ＰＭファイバの低速軸と高速軸の両方に沿って伝送
されることになる。反射光信号は、ビーム・スプリッタ
に入射し、光信号の一部が、光検波器によって検波され
る。検波される光信号間の位相差によって、局部発振器
信号の掃引速度を求めるために用いられる縞パターン信
号が生じることになる。

【００３９】図２４には、第１のＰＭファイバ２４７
０、４５度スプライス２４６８、第２のＰＭファイバ２
４７２、ビーム・スプリッタ２４６２、及び、ビーム・
スプリッタの出力における２つの光検波器２４５８を含
む干渉計２４５０が描かれている。掃引局部発振器信号
は、まず、軸上の第１のＰＭファイバに送り込まれる。
４５度スプライスによって、掃引局部発振器信号が２つ
の直交偏光信号に分割され、一方の信号がｘ軸において
５０パーセントをなし、もう一方の信号がｙ軸において
５０パーセントをなすことになる。第２のＰＭファイバ
内において、直交偏光信号の一方に、直交偏光信号のも
う一方に対する遅延が付与される。２つの直交偏光信号
は、偏光ビーム・スプリッタによって組み合わせられ、
２つの光検波器によって検波される。偏光信号の一方に
遅延が付与されるので、２つの信号間における位相差に
よって、光検波器の出力に縞パターン信号が生じること
になる。

【００４０】図１８〜２４に関連して解説の相対周波数
測定システムに関する問題の１つは、色分散である。色
分散によって、遅延τが掃引局部発振器信号の周波数と
ともに変動し、測定局部発振器周波数掃引速度情報が不
正確になる可能性がある。色分散を考慮する技法の１つ
では、相対周波数測定システムに分散補正を組み込むよ
うに設計する必要があり、もう１つの技法では、信号プ
ロセッサに分散補正アルゴリズムを組み込む必要があ
る。

【００４１】実施例の１つでは、相対周波数測定システ
ムに色分散を組み込む設計には、互いに相殺する周波数
依存遅延を生じるように配向が施された２つの光ファイ
バが必要とされる。すなわち、２つの光ファイバは、等
しい、逆の周波数依存遅延を生じる。例えば、周波数と
共に増大する遅延特性を備えた光ファイバが、周波数と
共に減少する遅延特性を備えた光ファイバに接合され
る。実施例の１つでは、光ファイバの長さが、第２の光
ファイバの色分散効果によって、第１の光ファイバの色
分散効果が相殺されるように設定される。もう１つの実
施例では、色分散の効果を低減するために、色分散の少
ない光ファイバが利用される。

【００４２】実施例の１つでは、信号プロセッサに対す
る分散補正アルゴリズムの組み込みには、光学遅延の周
波数依存性に関する知識を利用して、色分散効果を低減
させることが必要になる。実施例の１つでは、アルゴリ
ズムは、局部発振源からの絶対周波数情報を利用して、
分散効果を計算し、それから、計算された効果を補正す
る。図１１の信号プロセッサ１１１６に戻ると、掃引速
度補正モジュールは、局部発振源（点線１１４０で示
す）からの局部発振器周波数情報を利用して、色分散に
よって誘発されるエラーを低減させる。

【００４３】光ヘテロダイン検波システムの光学部品に
ついては、光ファイバによって接続されるものとして説
明されているが、個々のデバイスは、平面導波回路のよ
うに、モノリシック・デバイスに集積することも可能で
ある。あるいはまた、光学素子は自由空間によって接続
することも可能である。

【００４４】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明の広汎な実施への便宜をはかるため、以下に本発
明の実施態様の一部を参考のため例示する。

【００４５】（実施態様１）ある周波数範囲にわたって
掃引する掃引局部発振器信号を発生するための局部発振
源（５０５）と、入力信号を受信するように光学的に結
合された第１の入力、及び、前記掃引局部発振器信号を
受信するように、前記局部発振源に光学的に接続された
第２の入力と、前記入力信号及び前記掃引局部発振器信
号を含む組み合わせ光信号を出力するための出力を備え
た光結合器（５１０）と、前記光結合器から前記組み合
わせ光信号を受信するための入力と、前記組み合わせ光
信号を表すヘテロダイン・ビート信号を送り出すための
出力を備えたヘテロダイン受信機（５１２）と、前記局
部発振源に光学的に接続されて、前記掃引局部発振器信
号に応答し、測定局部発振器周波数掃引速度情報を発生
するための相対周波数測定システム（５２０）と、前記
光受信機からの前記ヘテロダイン・ビート信号、及び、
前記相対周波数測定システムからの前記測定局部発振器
周波数掃引速度情報を利用して、前記入力信号の光学パ
ラメータを表した出力信号を発生するための信号プロセ
ッサ（５１６）が含まれている、光スペクトル解析シス
テム。

【００４６】（実施態様２）前記信号プロセッサ（５１
６）に、測定されたスペクトル情報を発生するためのス
ペクトル測定モジュール（１１３６）と、前記測定局部
発振器周波数掃引速度情報に応答して、前記測定された
スペクトル情報を補正するための掃引速度補正モジュー
ル（１１３８）が含まれており、前記測定されたスペク
トル情報が、前記掃引局部発振器信号の周波数掃引速度
が一様でない点を考慮して、補正されることを特徴とす
る、実施態様１に記載の光スペクトル解析システム。

【００４７】（実施態様３）前記信号プロセッサに、前
記測定局部発振器周波数掃引速度情報に応答して、前記
掃引局部発振器信号の周波数掃引速度が一様でない点を
考慮して補正された局部発振器周波数情報を発生するた
めの掃引速度補正モジュール（１６３８）と、前記ヘテ
ロダイン・ビート信号及び前記補正された局部発振器周
波数情報に応答して、前記出力信号を発生するためのス
ペクトル測定モジュール（１６３６）が含まれることを
特徴とする、実施態様１に記載の光スペクトル解析シス
テム。

【００４８】（実施態様４）前記相対周波数測定システ
ム（５２０）に、前記掃引局部発振器信号の一部を遅延
させて、前記掃引局部発振器信号の相対周波数変化を求
めることができるようにするための手段が含まれること
を特徴とする、実施態様１に記載の光スペクトル解析シ
ステム。

【００４９】（実施態様５）前記相対周波数測定システ
ム（５２０）に、前記掃引局部発振器信号に応答して、
正弦波電流を生じる干渉計システム（１８５０；１９５
０；２０５０；２１５０；２２５０；２３５０；２４５
０）が含まれることを特徴とする、実施態様１に記載の
光スペクトル解析システム。

【００５０】（実施態様６）前記干渉計システム（１８
５０；１９５０；２０５０；２１５０；２２５０；２３
５０；２４５０）に、前記掃引局部発振器信号の色分散
を低減させるため、逆の色分散特性を備えた光導波路が
含まれることを特徴とする、実施態様５に記載の光スペ
クトル解析システム。

【００５１】（実施態様７）入力信号を用意するステッ
プ（１７０２）と、ある周波数範囲にわたって掃引する
掃引局部発振器信号を用意するステップ（１７０４）
と、前記掃引局部発振器信号の周波数掃引速度を測定し
て（１７０６）、測定局部発振器周波数掃引速度情報を
発生するステップと、前記入力信号と前記掃引局部発振
器信号を組み合わせて（１７０８）、組み合わせ光信号
を生成するステップと、前記組み合わせ光信号を検波し
て（１７１０）、ヘテロダイン・ビート信号を発生する
ステップと、前記ヘテロダイン・ビート信号及び前記測
定局部発振器周波数掃引速度情報から、前記入力信号の
光学パラメータを表した出力信号を発生するステップ
（１７１２）とが含まれている、光スペクトル解析方
法。

【００５２】（実施態様８）前記出力信号を発生する前
記ステップ（１７１２）には、前記測定局部発振器周波
数掃引速度情報に応答して、前記掃引局部発振器信号の
周波数掃引速度が一様でない点を補正するステップが含
まれることを特徴とする、実施態様７に記載の光スペク
トル解析方法。

【００５３】（実施態様９）前記掃引局部発振器信号の
周波数掃引速度を測定する前記ステップ（１７０６）
に、前記掃引局部発振器信号に応答して、時変縞パター
ンを検波するステップが含まれることを特徴とする、実
施態様７に記載の光スペクトル解析方法。

【００５４】（実施態様１０）前記掃引局部発振器信号
の掃引速度を測定して（１７０６）、測定局部発振器周
波数掃引速度情報を発生するステップに、前記測定局部
発振器周波数掃引速度情報に対する色分散の影響を補正
するステップが含まれることを特徴とする、実施態様７
に記載の光スペクトル解析方法。

【図面の簡単な説明】

【図１】既知の信号処理を利用して、ヘテロダイン・ビ
ート信号を識別するヘテロダイン系ＯＳＡを示す図であ
る。

【図２】掃引速度が一様でない局部発振器信号のグラフ
例である。

【図３】複数のＤＷＤＭチャネルを含む入力信号スペク
トル例を示す図である。

【図４】図３の入力信号スペクトルに関連して、図２に
示す非一様掃引局部発振器信号から生じる、ヘテロダイ
ン系ＯＳＡからの出力例を示す図である。

【図５】掃引速度補正を利用し、本発明の実施例に従っ
て補正スペクトル情報を生成するヘテロダイン系ＯＳＡ
を示す図である。

【図６】ヘテロダイン系ＯＳＡにおける相対周波数測定
システムに掃引局部発振器信号のサンプルを供給する、
局部発振源と光結合器の間に配置された光タップを示す
図である。

【図７】定掃引速度で掃引する局部発振器信号の周波数
のグラフである。

【図８】図７に示す光信号に応答して、干渉計によって
生成される縞パターンのグラフである。

【図９】ある時間期間にわたって非一様速度で掃引する
光信号の周波数のグラフである。

【図１０】図９に示す光信号に応答して干渉計によって
生成される縞パターンのグラフである。

【図１１】図５に示す信号プロセッサの実施例に関する
分解図である。

【図１２】掃引速度が一様でない局部発振器信号のグラ
フ例である。

【図１３】複数ＤＷＤＭチャネルを含む入力信号スペク
トル例を示す図である。

【図１４】図１３の入力スペクトルに関連して、図１２
に示す非一様掃引局部発振器信号から生じる、ヘテロダ
イン系ＯＳＡからの出力例を示す図である。

【図１５】図１１の掃引速度補正モジュールによって発
生する補正スペクトル情報を示す図である。

【図１６】図５に示す信号プロセッサのもう１つの実施
例に関する分解図である。

【図１７】本発明の実施例に従って、光ヘテロダイン検
波を利用する光スペクトル解析に関する方法のプロセス
流れ図である。

【図１８】図５に示す相対周波数測定システムの実施例
を示す図である。

【図１９】図５に示す相対周波数測定システムのもう１
つの実施例を示す図である。

【図２０】図５に示す相対周波数測定システムのもう１
つの実施例を示す図である。

【図２１】図５に示す相対周波数測定システムのもう１
つの実施例を示す図である。

【図２２】図５に示す相対周波数測定システムのもう１
つの実施例を示す図である。

【図２３】図５に示す相対周波数測定システムのもう１
つの実施例を示す図である。

【図２４】図５に示す相対周波数測定システムのもう１
つの実施例を示す図である。

【符号の説明】

５０５局部発振源５１０光結合器５１２ヘテロダイン受信機５１６信号プロセッサ５２０相対周波数測定システム１１３６スペクトル測定モジュール１１３８掃引速度補正モジュール１６３６スペクトル測定モジュール１６３８掃引速度補正モジュール１８５０、１９５０、２０５０、２１５０、２２５０、
２３５０、２４５０干渉計システム

フロントページの続き (72)発明者ダグラス・エム・バーニーアメリカ合衆国カリフォルニア州ロス・アルトスクリトン・ロード897 (72)発明者ボーデン・スザファニックアメリカ合衆国カリフォルニア州サニーベールキャッスルトン・テラスナンバー・ディ 1035

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ある周波数範囲にわたって掃引する掃引局
部発振器信号を発生するための局部発振源と、入力信号を受信するように光学的に結合された第１の入
力、及び、前記掃引局部発振器信号を受信するように、
前記局部発振源に光学的に接続された第２の入力と、前
記入力信号及び前記掃引局部発振器信号を含む組み合わ
せ光信号を出力するための出力を備えた光結合器と、前記光結合器から前記組み合わせ光信号を受信するため
の入力と、前記組み合わせ光信号を表すヘテロダイン・
ビート信号を送り出すための出力を備えたヘテロダイン
受信機と、前記局部発振源に光学的に接続されて、前記掃引局部発
振器信号に応答し、測定局部発振器周波数掃引速度情報
を発生するための相対周波数測定システムと、前記光受
信機からの前記ヘテロダイン・ビート信号、及び、前記
相対周波数測定システムからの前記測定局部発振器周波
数掃引速度情報を利用して、前記入力信号の光学パラメ
ータを表した出力信号を発生するための信号プロセッサ
が含まれている、光スペクトル解析システム。
【請求項２】前記信号プロセッサに、測定されたスペクトル情報を発生するためのスペクトル
測定モジュールと、前記測定局部発振器周波数掃引速度情報に応答して、前
記測定されたスペクトル情報を補正するための掃引速度
補正モジュールが含まれており、前記測定されたスペク
トル情報が、前記掃引局部発振器信号の周波数掃引速度
が一様でない点を考慮して、補正されることを特徴とす
る、請求項１に記載の光スペクトル解析システム。
【請求項３】前記信号プロセッサに、前記測定局部発振器周波数掃引速度情報に応答して、前
記掃引局部発振器信号の周波数掃引速度が一様でない点
を考慮して補正された局部発振器周波数情報を発生する
ための掃引速度補正モジュールと、前記ヘテロダイン・ビート信号及び前記補正された局部
発振器周波数情報に応答して、前記出力信号を発生する
ためのスペクトル測定モジュールが含まれることを特徴
とする、請求項１に記載の光スペクトル解析システム。
【請求項４】前記相対周波数測定システムに、前記掃引
局部発振器信号の一部を遅延させて、前記掃引局部発振
器信号の相対周波数変化を求めることができるようにす
るための手段が含まれることを特徴とする、請求項１に
記載の光スペクトル解析システム。
【請求項５】前記相対周波数測定システムに、前記掃引
局部発振器信号に応答して、正弦波電流を生じる干渉計
システムが含まれることを特徴とする、請求項１に記載
の光スペクトル解析システム。
【請求項６】前記干渉計システムに、前記掃引局部発振
器信号の色分散を低減させるため、逆の色分散特性を備
えた光導波路が含まれることを特徴とする、請求項５に
記載の光スペクトル解析システム。
【請求項７】入力信号を用意するステップと、ある周波数範囲にわたって掃引する掃引局部発振器信号
を用意するステップと、前記掃引局部発振器信号の周波数掃引速度を測定して、
測定局部発振器周波数掃引速度情報を発生するステップ
と、前記入力信号と前記掃引局部発振器信号を組み合わせ
て、組み合わせ光信号を生成するステップと、前記組み合わせ光信号を検波して、ヘテロダイン・ビー
ト信号を発生するステップと、前記ヘテロダイン・ビート信号及び前記測定局部発振器
周波数掃引速度情報から、前記入力信号の光学パラメー
タを表した出力信号を発生するステップとが含まれてい
る、光スペクトル解析方法。
【請求項８】前記出力信号を発生する前記ステップに
は、前記測定局部発振器周波数掃引速度情報に応答し
て、前記掃引局部発振器信号の周波数掃引速度が一様で
ない点を補正するステップが含まれることを特徴とす
る、請求項７に記載の光スペクトル解析方法。
【請求項９】前記掃引局部発振器信号の周波数掃引速度
を測定する前記ステップに、前記掃引局部発振器信号に
応答して、時変縞パターンを検波するステップが含まれ
ることを特徴とする、請求項７に記載の光スペクトル解
析方法。
【請求項１０】前記掃引局部発振器信号の掃引速度を測
定して、測定局部発振器周波数掃引速度情報を発生する
ステップに、前記測定局部発振器周波数掃引速度情報に
対する色分散の影響を補正するステップが含まれること
を特徴とする、請求項７に記載の光スペクトル解析方
法。