JP2011043344A

JP2011043344A - 光信号波形計測装置

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Publication number: JP2011043344A
Application number: JP2009189934A
Authority: JP
Inventors: Hidemi Tsuchida; 英実土田
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2009-08-19
Filing date: 2009-08-19
Publication date: 2011-03-03
Anticipated expiration: 2029-08-19
Also published as: JP5366139B2

Abstract

【課題】ホモダイン干渉計を用いた光信号の電界波形計測装置で、フォトダイオードの応答時間に制限されない広帯域計測と、干渉計の複雑な制御不要な手法と、ホモダイン信号に混入する被測定光信号の強度成分の除去手法と、同相、直交成分の観測時のスキュー低減手法を提供する。
【解決手段】単一周波数レーザ光源１、第１の光方向性結合器２ａ、被測定デバイス３、位相変調器４、第２の光方向性結合器２ｂからなるホモダイン干渉計において、光源１の出力を第１の光方向性結合器２ａにより分岐し、被測定デバイス３の透過光を信号光とし、位相変調器４の透過光を局部発振光とし、信号光と局部発振光を、第２の光方向性結合器２ｂにより合流し、局部発振光の位相を離散的に変化させながら、第２の光方向性結合器２ｂからの干渉信号強度を光サンプリングオシロスコープ５で時分割サンプリングし、サンプリング値から前記信号光の振幅と位相の時間波形を計算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ通信システムにおける光信号の電界振幅と位相の波形を計測する光信号波形計測装置に関する。

光ファイバ通信システムの大容量化が進展し、光強度のオン・オフ変調と、波長多重を利用する伝送システムでは、光ファイバ１本当たりの伝送容量がおよそ１０Ｔｂｉｔ／ｓに達し、光ファイバ自体の損傷や非線形効果に起因する入力パワーの限界に近づいている。この限界を克服するため、２値のオン・オフ変調に代わり、光波の振幅や位相を変調して、１シンボルで多値の情報を伝送するシステムの研究開発が活発化し、長距離伝送システムへの導入も始まっている。このような高度な変調方式は、無線通信の分野で広く用いられてきたものであり、帯域当たりの伝送容量を表す指標であるスペクトル利用効率（ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ）を格段に増大することが可能である。

大容量光ファイバ通信に用いられるデバイスや機器の開発と製造、ならびにシステムの構築に際しては、光信号の時間波形を精密に計測することが要求される。単純なオン・オフ変調の場合は、光信号の強度を観測できるサンプリングオシロスコープが標準的な計測器として広く用いられている。例えば、電気サンプリングオシロスコープでは帯域幅１００ＧＨｚ、時間分解能４ｐｓ（非特許文献１参照）、光サンプリングオシロスコープでは帯域幅５００ＧＨｚ、時間分解能８００ｆｓ以下（非特許文献２参照）が実現されており、後者はビットレート１６０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の光信号を観測できる性能を有している。

一方、振幅や位相の変調された光信号の評価には、光の強度だけでなく、光信号の電界波形を計測することが要求される。電気、光サンプリングオシロスコープは光強度のみに感度を有するため、光信号の振幅や位相を直接観測することはできない。
特許文献１と２の発明では、光信号のスペクトラムを計測して、フーリエ変換により振幅と位相を計算する方法を提案している。時間波形を求めるために複雑な計算を行う必要があるため、波形を実時間で表示することが困難であり、開発や製造におけるデバイスや機器の調整には不向きである。

光信号の振幅と位相の情報を含む時間波形を直接観測するためには、局部発振光を用いたホモダイン、またはヘテロダイン検波により、被測定光信号の同相、直交成分を検出することが必要である。ホモダインやヘテロダイン検波では、被測定光信号と局部発振光の位相を正確に同期する必要があるため、局部発振光やホモダイン／ヘテロダイン干渉計に関する要求が極めて厳しい。局部発振光の位相雑音は、ホモダイン／ヘテロダイン信号の雑音として現れるため、位相雑音の小さい光源を用意する必要がある。また、干渉計における光路差の変動もホモダイン／ヘテロダイン信号の雑音となるため、光路差を一定に保つことが重要である。

特許文献３では、遅延自己ホモダイン検波を利用して、多値位相変調信号を評価する光変調信号評価装置を提案している。この装置では、被測定光信号自身を局部発振光として用いるため、別の局部発振光源を用意する必要がなく、安定なホモダイン検波を実現できる。しかしながら、この方法はＤＱＰＳＫ（ＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌＱｕａｄｒａｔｕｒｅＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）信号など、位相のみが変調された光信号を対象とするものであり、振幅と位相が同時に変化する光信号には対応できない。また、遅延自己ホモダイン検波に用いる干渉計の遅延時間を、被測定光信号のシンボルレートに合わせる必要があるため、異なるシンボルレートの光信号を同一の装置で計測することはできない。さらに、ホモダイン信号を差動検出して電気信号に変換する際に、バランス型光受信器を用いるため、帯域幅はフォトダイオードの応答時間により、５０ＧＨｚ程度に制限される。

特許文献４では、ホモダイン検波を利用した光電界波形計測装置を提案している。同一の光源から発生した光を被測定光信号と局部発振光として用い、ホモダイン干渉計の光路差を能動的に制御することにより、局部発振光の位相雑音と干渉計の安定性に関する問題を解決している。光路差を能動的に制御することにより、長時間に渡る観測が可能であるが、光路差のモニタリングと制御の機構が必要になり、装置が複雑化する欠点がある。

特許文献４では、光サンプリングオシロスコープの利用により、フォトダイオードの応答時間に制限されない広帯域計測を可能にしている。しかしながら、光サンプリングオシロスコープを使用するため、電気信号で行われているような差動検出が困難である。このため、ホモダイン干渉に寄与しない被測定光信号と局部発振光それぞれの強度に相当する成分を除去することができない。振幅と位相が同時に変調された光信号を観測する場合は、被測定光信号の強度を別途測定して、補正する必要がある。特許文献４では、光サンプリングオシロスコープの代わりに、バランス型受信器による差動検出と電気サンプリングオシロスコープを使用する実施例が報告されているが、帯域幅はフォトダイオードの応答時間により制限される。

特許文献３と４の発明では、被測定光信号の同相、直交成分を同時に計測するため、２チャンネルのサンプリングオシロスコープを利用する。同相、直交成分から被測定光信号の振幅と位相を正確に計算するためには、チャンネル間のスキュー（遅延時間の差）を、時間分解能に比べて十分小さくする必要がある。例えば、１ｐｓの時間分解能は、２００μｍの光ファイバ長に相当し、サンプリングオシロスコープ内外の光学系や配線を精密に調整する必要がある。特許文献４では、１チャンネルの光サンプリングオシロスコープを用いて、同相、直交成分を時間的に切り替えて観測する実施例が報告されているが、データ取得後に同相、直交成分の時間軸を揃える操作が必要になり、スキューの問題は解決されない。

特開２００３−２９４５３７公報特開２００７−９３５１５公報特開２００７−３１８４８２公報特開２００７−６４８６０公報

「ＷａｖｅＥｘｐｅｒｔ１００Ｈ」個別カタログ（ＬｅＣｒｏｙ，ＬＪＤＮ−ＣＴ−ＷＥ−０３３６−０００２）Ｎ．Ｙａｍａｄａ，Ｈ．Ｏｈｔａ，Ｓ．Ｎｏｇｉｗａ，"Ｏｐｔｉｃａｌｓａｍｐｌｉｎｇｓｙｓｔｅｍｕｓｉｎｇｐａｓｓｉｖｅｌｙｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄｆｉｂｅｒｌａｓｅｒｗｉｔｈＫＴＰｃｒｙｓｔａｌ"、ＩＥＩＣＥＴｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，ｖｏｌ．Ｅ８６−Ｃ、ｎｏ．９，ｐｐ．１８１６−１８２３（２００３）．

本発明の目的は、複雑な制御を不要とし、フォトダイオードの応答時間の制限を受けることなく、ホモダイン干渉に寄与しない光強度成分を除去し、チャンネル間のスキューを格段に低減するホモダイン検波による光信号波形計測装置を提供することにある。

（１）単一周波数レーザ光源と、第１の光方向性結合器と、被測定デバイスと、位相変調器と、第２の光方向性結合器からなるホモダイン干渉計において、前記単一周波数レーザ光源の出力を、第１の光方向性結合器により２分岐して、前記被測定デバイスを透過した光を信号光とし、前記位相変調器を透過した光を局部発振光とし、前記信号光と前記局部発振光を、第２の光方向性結合器により合流し、第２の光方向性結合器から出力される干渉信号強度を、光サンプリングオシロスコープに入力して、前記信号光の電界波形を計測する光信号波形計測装置。
（２）（１）記載の光信号波形計測装置において、周波数ｆ_Ｃの基準クロック信号を前記光サンプリングオシロスコープのトリガ信号とし、前記基準クロック信号に同期した電気的、または光学的変調を前記被測定デバイスに与えて、前記信号光を変調する。

（３）（１）又は（２）記載の光信号波形計測装置において、前記サンプリングオシロスコープのサンプリング周波数ｆ_Ｓを十分に高くして、前記信号光と前記局部発振光との間の位相が変動しない短時間に、前記信号光の電界波形を計測する。
（４）（１）乃至（３）のいずれか１項記載の光信号波形計測装置において、前記サンプリングオシロスコープのサンプリングに同期した階段波信号で前記位相変調器を駆動し、前記局部発振光の位相を離散的に変化させながら前記干渉信号強度をサンプリング計測し、サンプリング値から前記信号光の振幅と位相を算出する。
（５）（１）乃至（４）のいずれか１項記載の光信号波形計測装置において、前記階段波信号の繰り返し周波数をｆ_Ｓ／４とし、０<φ_ｍ≦π／２であるφ_ｍに対して、前記局部発振光の１周期内の位相を−φ_ｍ、π／２−φ_ｍ、＋φ_ｍ、π／２＋φ_ｍの順番に変化させる。但し、前記サンプリングオシロスコープのサンプリング周波数をｆ_Ｓ、局部発振光の位相変調幅をφ_ｍとする。
（６）（１）乃至（４）のいずれか１項記載の光信号波形計測装置において、前記信号光が位相のみが変調された振幅一定の位相変調信号の場合であって、前記階段波信号の繰り返し周波数をｆ_Ｓ／２のとし、前記局部発振光の１周期内の位相を０、π／２の順番で変化させる。但し、前記サンプリングオシロスコープのサンプリング周波数をｆ_Ｓとする。

特許文献１と２の発明では、光信号のスペクトラムを計測して、複雑な計算により振幅と位相の時間波形を構築するため、波形を実時間表示は困難である。数式２５と２６で示されるように、本発明の光信号波形計測装置では、単純な計算により振幅と位相を算出するため、オシロスコープ等の画面に波形を実時間表示することが可能である。
特許文献３の光変調信号評価装置では、被測定光信号のシンボルレートに合わせた遅延時間を持つ干渉計が必要であり、さらに計測の帯域幅はフォトダイオードの応答時間により制限される。また、被測定光信号を局部発振光として用いるため、振幅と位相が同時に変調された光信号には対応できない。本発明の光信号波形計測装置では、光信号とは別の局部発振光を利用して、光サンプリングオシロスコープにより計測を行うため、任意のシンボルレートの光信号に対して、広帯域の計測が可能である。また、振幅一定の局部発振光を用いるため、振幅と位相が同時に変調された光信号にも対応できる。

特許文献４の光電界波形計測装置では、ホモダイン干渉計のモニタリングと制御の機構を必要とするため、装置が複雑である。また、振幅と位相が同時に変調された光信号の広帯域計測は困難である。本発明の光信号波形計測装置では、被測定光信号と局部発振光の位相差が変動しない短時間に計測を行うため、ホモダイン干渉計のモニタリングと制御の機構が不要である。また、局部発振光の位相を離散的に変化させて、時分割サンプリングを行うため、振幅と位相が同時に変調された光信号の広帯域計測が可能である。
特許文献３と４の発明では、２チャンネルのサンプリングオシロスコープを利用するため、チャンネル間のスキューが問題になる。本発明の光信号波形計測装置では、１チャンネルのサンプリングオシロスコープにより、必要な信号をすべて観測するため、信号の経路長に起因するスキューの問題は全く発生しない。本発明の光信号波形計測装置では、時分割サンプリングに起因するスキューは必然的に発生するが、スキューの大きさを時間分解能の数１０分の１以下にすることができるため、計測への影響は極めて小さい。

本発明に係る光信号波形計測装置を説明する図である。図１の光信号波形計測装置における、光サンプリングオシロスコープのサンプリングパルスと、局部発振光の位相と、干渉計信号強度の波形を表す図である。信号光が振幅一定の位相変調信号である場合の、光サンプリングオシロスコープのサンプリングパルスと、局部発振光の位相と、干渉信号強度の波形を表す図である。一般的な光サンプリングオシロスコープの構成と動作原理を表す図である。ＢＰＳＫ信号の電界波形計測の実験装置を示す図である。（ａ）光サンプリングオシロスコープにより観測された信号光と局部発振光の干渉信号強度の波形を表す図である。（ｂ）（ａ）の０から１ｐｓまでの時間を拡大した波形を表す図である。信号光の（ａ）同相成分Ｉ（ｔ）と、（ｂ）直交成分Ｑ（ｔ）の波形を表す図である。信号光の（ａ）振幅Ａ（ｔ）と、（ｂ）位相φ（ｔ）の波形を表す図である。フィルタにより雑音を低減した信号光の（ａ）振幅Ａ（ｔ）と、（ｂ）位相φ（ｔ）の波形を表す図である。信号光の同相成分Ｉ（ｔ）と直交成分Ｑ（ｔ）をコンスタレーションとして表示した図である。

本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。

図１は本発明に係る光信号波形計測装置を説明する図である。単一周波数レーザ光源１と、第１の光方向性結合器２ａと、第２の光方向性結合器２ｂと、被測定デバイス３と、位相変調器４によりホモダイン干渉計を構成する。単一周波数レーザ光源１の出力光を、第１の光方向性結合器２ａにより２分岐して、被測定デバイス３を透過した光を信号光とし、位相変調器４を透過した光を局部発振光とする。前記信号光と前記局部発振光を、第２の光方向性結合器２ｂにより合流し、出力光の一方を光サンプリングオシロスコープ５に入力して、前記信号光と前記局部発振光との干渉信号強度を計測する。

図１のクロック信号源６から出力される周波数ｆ_Ｃの基準クロック信号を、光サンプリングオシロスコープ５のトリガ信号とし、前記基準クロック信号に同期した電気的、または光学的変調を被測定デバイス３に与えるものとする。被測定デバイス３に変調を与えることにより、前記干渉信号も前記基準クロック信号に同期した周期的な変調を受け、光サンプリングオシロスコープ５による強度波形の観測が可能になる。被測定デバイス３としては、例えば、電気的な変調を加える電気光学変調器や電界吸収変調器、光学的な変調を加える半導体光増幅器や、半導体光スイッチなどが挙げられる。

前記ホモダイン干渉計は光ファイバを用いて構成するが、機械的な振動や温度変化などの外乱により、前記信号光と前記局部発振光との間の位相差が変動し、これに応じて干渉信号の強度も変化して、誤差要因となる。一般的に、機械的な振動や温度変化に起因する位相変動は、数１００Ｈｚ以下の周波数帯域にあるため、光サンプリングオシロスコープ５のサンプリング周波数ｆ_Ｓを十分に高くして、位相が変動しない短時間内に波形を計測すれば、位相差変動の影響を大幅に低減できる。

位相変調器４は、階段波発生器７により駆動する。階段波発生器７の出力信号は、光サンプリングオシロスコープ５のサンプリング周波数ｆ_Ｓに同期し、かつ繰り返し周波数がｆ_Ｓ／４の階段波であり、前記局部発振光の位相を−φ_ｍ、π／２−φ_ｍ、＋φ_ｍ、π／２＋φ_ｍの順番で周期的に変化させる。ここで、０<φ_ｍ≦π／２であるとして、φ_ｍを局部発振光の位相変調振幅と呼ぶことにする。光サンプリングオシロスコープ５では、前記局部発振光の位相が−φ_ｍ、π／２−φ_ｍ、＋φ_ｍ、π／２＋φ_ｍの時刻に、前記干渉信号の強度を周期的にサンプリング計測し、前記信号光の電界振幅と位相を算出する。

本発明に係る光信号波形計測装置の動作について、図１と数式を用いて説明する。被測定デバイス３を透過した信号光の電界Ｅ_Ｓ（ｔ）を次式により表す。
ここで、ω_０は信号光の角周波数、Ａ（ｔ）とφ（ｔ）はそれぞれ信号光の振幅と位相であり、被測定デバイス３により与えられた変調成分を含む。数式１は、電界の同相成分Ｉ（ｔ）と直交成分Ｑ（ｔ）を用いて、次式のように表すことができる。
数式３と４に示されているように、同相成分Ｉ（ｔ）と直交成分Ｑ（ｔ）を計測すれば、信号光の振幅Ａ（ｔ）と位相φ（ｔ）を求めることができる。

最初に図１の位相変調器７に変調を加えない場合について考える。局部発振光の電界は次式により表すことができる。
ここで、Ｅ_０は電界の振幅、φ_ＬＯは位相である。第２の光方向性結合器２ｂから出力される２つの光の電界は次式で表すことができる。

数式６に数式２と５を代入して、２つの干渉信号強度を計算すると、次式が得られる。
数式７と８において、第１項は信号光と局部発振光の強度の和を表し、干渉に寄与しない直流成分である。第２項と第３項は信号光と局部発振光の干渉により生じる成分である。数式７と８を用いて、２つの干渉信号強度の差を求めると、次式が得られる。

数式９において、φ_ＬＯ＝０のとき、
となる。一方、φ_ＬＯ＝π／２のとき、
となる。数式１０と１１は、２つの干渉信号強度の差から、同相成分Ｉ（ｔ）と直交成分Ｑ（ｔ）を求めることができることを示している。電界振幅Ｅ_０は、局部発振光の光強度を計測して求めることができる。

同相成分Ｉ（ｔ）と直交成分Ｑ（ｔ）を求めるためには、局部発振光の位相φ_ＬＯが０とπ／２のそれぞれの場合に対して、２つの干渉信号強度Ｐ_１（ｔ，φ_ＬＯ）とＰ_２（ｔ，φ_ＬＯ）の差を同時に計測する必要がある。特許文献４では、位相φ_ＬＯがそれぞれ０とπ／２である２つのホモダイン干渉計を用意して、２組のバランス型受信器を用いて干渉信号強度を検出して、同相成分Ｉ（ｔ）と直交成分Ｑ（ｔ）を求める実施例が報告されている。

バランス型光受信器は２個のフォトダイオードにより構成され、それぞれのフォトダイオードに入力された光信号の強度差に相当する電気信号を得ることができる。光サンプリングオシロスコープでは、バランス型光受信器で行っているような差動検出はできない。差動検出を行うためには、２チャンネルの光サンプリングオシロスコープを用意して、２つの干渉信号強度Ｐ_１（ｔ，φ_ＬＯ）とＰ_２（ｔ，φ_ＬＯ）を同時に計測する必要がある。また、１台のホモダイン干渉計では、局部発振光の位相φ_ＬＯは０、またはπ／２のどちらか一方にしか設定できないので、同時刻の同相成分Ｉ（ｔ）と直交成分Ｑ（ｔ）を計測するためには、位相φ_ＬＯを０とπ／２に設定した２台のホモダイン干渉計を用意する必要がある。

２台のホモダイン干渉計に対して、それぞれ差動検出を行うことを考えると、最終的には４チャンネルの光サンプリングオシロスコープが必要になる。多チャンネルのサンプリングオシロスコープを用いて同時計測を行う場合、計測の時間分解能に比べて、チャンネル間のスキューを十分に小さくすることが重要である。例えば、時間分解能が１ｐｓの光サンプリングオシロスコープを用いる場合、装置内部と外部の光学系を含めて、スキューを１００ｆｓ以下に抑える必要がある。１００ｆｓのスキューは２０μｍの光ファイバ長に相当するため、光学系の調整が非常に困難である。

次に、図１の位相変調器７に位相変調を加えた場合について説明する。光サンプリングオシロスコープ５のサンプリング周波数をｆ_ｓとしたとき、位相変調器７は繰り返し周波数ｆ_ｓ／４の階段波で駆動して、局部発振光の位相が−φ_ｍ、π／２−φ_ｍ、＋φ_ｍ、π／２＋φ_ｍの順番で周期的に変化するように設定する。このとき、局部発振光の電界は次式により表すことができる。

ここで、ｕ（ｔ）は階段波による位相変調を表す関数であり、次式で与えられる。

数式１２と１３で表される局部発振光を用いた場合、２つの干渉信号の強度は次式で与えられる。

数式１４と１５において、位相オフセットφ_０は干渉計の光路差により決まる値であり、現実には外乱等により変動する可能性があるが、計測の時間内は一定であるとする。本発明の目的は、被測定デバイス３により生じる信号光の振幅変調Ａ（ｔ）と位相変調φ（ｔ）を計測することである。位相変調φ（ｔ）に関しては、絶対的な位相の値よりも、被測定デバイス３により生じる変化分が重要である。したがって、位相オフセットφ_０を基準とした位相の値としても一般性は失われないため、以下の説明ではφ_０を０とする。

図１に示すように、光サンプリングオシロスコープ５は、２つの干渉計出力のうち、干渉信号の強度Ｐ_１（ｔ，ｕ（ｔ））のみを計測する。図２は、光サンプリングオシロスコープ５のサンプリングパルスと、局部発振光の位相と、干渉信号強度Ｐ_１（ｔ，ｕ（ｔ））の波形を表す図である。
図２の時刻ｔ_０においては、局部発振光の位相は−φ_ｍであるので、光サンプリングオシロスコープ５により計測される干渉信号強度は次式で与えられる。

図２の時刻ｔ_１においては、局部発振光の位相はπ／２−φ_ｍであるので、光サンプリングオシロスコープ５により計測される干渉信号強度は次式で与えられる。
図２の時刻ｔ_２においては、局部発振光の位相は＋φ_ｍであるので、光サンプリングオシロスコープ５により計測される干渉信号強度は次式で与えられる。

図２の時刻ｔ_３においては、局部発振光の位相はπ／２＋φ_ｍであるので、光サンプリングオシロスコープ５により計測される干渉信号強度は次式で与えられる。
数式１６〜１９により表される干渉信号の強度は、異なる時刻に測定された値であるが、光サンプリングオシロスコープ５の時間分解能に比べて、等価サンプリング間隔が十分に小さい場合は、図２の時刻ｔ_０からｔ_３の間では、干渉信号強度は一定であり、数式１６〜１９により表される干渉信号の強度は同時刻ｔの値と見なすことができる。

したがって、数式１７〜１９は、数式１６と同時刻ｔの値として表すことができる。
ここで、数式１６と数式１８の差を計算すると、次式のように干渉に寄与しない直流成分を除くことができる。
同様にして、数式１７と数式１９に対して次式が得られる。

数式２１と２２を以下のように書き換える。
数式２３と２４は、サンプリング計測した干渉信号強度と、局部発振光の電界振幅Ｅ_０と、局部発振光の位相変調幅φ_ｍから、信号光の同相成分Ｉ（ｔ）と直交成分Ｑ（ｔ）を計算できることを示している。局部発振光の電界振幅Ｅ_０は、光サンプリングオシロスコープ５に局部発振光のみを入力することにより計測できる。

数式３と数式４を用いれば、信号光の振幅Ａ（ｔ）と位相φ（ｔ）を求めることができる。

数式２６から明らかなように、信号光の位相φ（ｔ）は、サンプリング計測した干渉信号強度のみに依存し、局部発振光の電界振幅Ｅ_０と、局部発振光の位相変調幅φ_ｍには依存しない。
局部発振光の位相変調幅φ_ｍは任意に設定することができるが、その値を正確に知っておくことが必要である。例えば、φ_ｍ＝π／６の場合、数式２３と２４は次式で表すことができる。

また、φ_ｍ＝π／４の場合、数式２３と２４は次式で表すことができる。
φ_ｍ＝π／４の場合は、π／２−φ_ｍ＝φ_ｍとなり、図２の時刻ｔ_１とｔ_２における局部発振光の位相が等しくなる。

以上の説明により、階段波により位相変調した局部発振光を用いるホモダイン干渉計と、１チャンネルの光サンプリングオシロスコープを組み合わせて、信号光の電界波形を計測できることが示された。本発明の光信号波形計測装置では、４チャンネルの光サンプリングオシロスコープの機能を、局部発振光の位相変調と時分割サンプリングを利用して、１チャンネルの光サンプリングオシロスコープで実現している。

図１の被測定デバイス３を透過した信号光が、位相のみが変調された振幅一定の信号である場合、数式１４で表される干渉信号のうち、第１項の干渉に寄与しない直流成分は時間によらず一定値となる。したがって、光サンプリングオシロスコープ５に信号光と局部発振光を、それぞれ単独で入力して、信号光と局部発振光の強度を計測することができる。このため、数式２１と２２で表される直流成分を除去する操作は不要になり、階段波発生器７の出力信号を繰り返し周波数ｆｓ／２の矩形波として、局部発振光の位相を０とπ／２の順番で交互に変化させればよい。階段波による位相変調を表す関数ｕ（ｔ）は次式で与えられる。

図３は、光サンプリングオシロスコープ５のサンプリングパルスと、局部発振光の位相と、干渉信号強度Ｐ_１（ｔ，ｕ（ｔ））の波形を表す図である。
図３の時刻ｔ_０においては、局部発振光の位相は０であるので、光サンプリングオシロスコープ５により計測される干渉信号強度は次式で与えられる。

図３の時刻ｔ_１においては、局部発振光の位相は０であるので、光サンプリングオシロスコープ５により計測される干渉信号強度は次式で与えられる。
サンプリング間隔が十分に小さい場合は、図３の時刻ｔ_０とｔ_１でサンプリングされた光強度は、同時刻ｔの値と見なすことができる。すなわち、
とすれば、数式３２と３３は同時刻ｔの値として表すことができる。数式３１〜３３より、信号光の同相成分Ｉ（ｔ）と直交成分Ｑ（ｔ）は次式により計算できる。

信号光が振幅一定の位相変調信号である場合、局部発振光の１周期当たりのサンプリング数は２点になり、４段階の位相変調に比べて、計測に要する時間は１／２になる。

次に、光サンプリングオシロスコープのサンプリング周波数ｆ_Ｓと、等価サンプリング間隔Δτ_Ｓと、波形の計測に要する時間との関係について説明する。図４は、一般的な光サンプリングオシロスコープの構成と動作原理を表す図である。信号光は周波数ｆ_Ｃで繰り返す周期的な信号であるものとし、周波数ｆ_Ｃの基準クロック信号をサンプリングのトリガ信号として用いる。サンプリング光源として、繰り返し周波数がｆ_Ｓであって、信号光の変化に比べて十分に短い持続時間のパルスを発生するモード同期レーザ８を用いる。サンプリング光パルスと信号光をビームスプリッタ９により合流し、非線形光学結晶１０に入射して、和周波光を発生する。和周波光の強度は信号光の強度と、サンプリング光パルスの強度の積に比例するので、和周波光の強度を光検出器１１で検出することにより、信号光の強度を高い時間分解能でサンプリングすることができる。

光サンプリングオシロスコープのサンプリング周波数ｆ_Ｓは、信号光の繰り返し周波数ｆ_ｃの整数分の１の値に、−Δｆの周波数オフセットを与えた値とする。
数式３７において、Ｎは整数を表す。図４に示すように、周波数オフセット−Δｆを与えることにより、サンプリング光パルスは信号光の強度を異なるタイミングでサンプリングすることになり、サンプリングした一連のデータから、信号光の波形を構築できる。等価サンプリング間隔Δτ_Ｓは次式で表すことができる。

例えば、信号光の繰り返し周波数をｆ_ｃ＝１０ＧＨｚ、Ｎ＝２００、周波数オフセットをΔｆ＝１２．５Ｈｚとすれば、サンプリング周波数はｆ_Ｓ＝４９．９９９９８７５ＭＨｚ、等価サンプリング間隔はΔτ_Ｓ＝５ｆｓとなる。このとき、数式１６から１９で表される４つの干渉信号強度は、それぞれ５ｆｓだけ離れた時刻のサンプル値となる。通常の光サンプリングオシロスコープの時間分解能は５００ｆｓ程度であるので、５ｆｓの時間間隔は無視できて、４つの干渉信号強度は同時刻のサンプル値と見なすことができる。
数式２３と２４で表される信号光の同相成分Ｉ（ｔ）と直交成分Ｑ（ｔ）は、等価的な時間間隔２０ｆｓでサンプリングされ、位相変調器７を駆動する階段波信号の周期は（ｆｓ／４）^−１≒８０ｎｓになる。したがって、１００ｐｓの時間に渡る波形を取得するのに要する時間は、４００μｓになり、機械的な振動や温度変化に起因する位相変動の影響を受けない時間内に計測を行うことができる。

以下では、２値位相シフト変調（ＢＰＳＫ：ＢｉｎａｒｙＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）信号の電界波形計測の実験を報告する。
図５は、ＢＰＳＫ信号の電界波形計測の実験装置を示す図である。単一周波数レーザ光源として、波長１５５０ｎｍの外部共振器型半導体レーザ１２を用いた。外部共振器型半導体レーザ１２の出力光を、光ファイバ増幅器１３により増幅した後、光バンドパスフィルタ１４により自然放出光を除去し、光方向性結合器２ａにより２分岐して、それぞれ偏波安定化装置１５ａと１５ｂに入力して、直線偏波とした。偏波安定化装置１５ａの出力光を位相変調器４ａに入射して、ビットレート９．９５Ｇｂ／ｓのＢＰＳＫ信号光を発生した。位相変調器４ａは、符号発生器１６から発生する擬似ランダム信号により駆動し、ＢＰＳＫ信号光の位相変位は０．９７πｒａｄである。クロック信号源６から出力される周波数９．９５０ＧＨｚの正弦波信号を、符号発生器１６の基準クロック信号と、光サンプリングオシロスコープ５のトリガ信号として使用した。

偏波安定化装置１５ｂの出力光を位相変調器４ｂに入射し、出力光を局部発振光とした。信号光は位相のみが変調された振幅一定のＢＰＳＫ信号であるので、矩形波発生器１７により位相変調器４ｂを駆動して、局部発振光の位相は０、π／２の順番で変化させた。
ＢＰＳ信号光と、矩形波で位相変調された局部発振光を、光方向性結合器２ｂにより合流して、光方向性結合器２ｂの出力の一方を光サンプリングオシロスコープ５により計測した。光サンプリングオシロスコープ５のサンプリング周波数はｆ_Ｓ＝４９．９９９９５０ＭＨｚであり、等価サンプリング間隔はΔτ_Ｓ＝２０ｆ_Ｓである。光サンプリングオシロスコープ５の時間分解能はおよそ５００ｆｓであるので、時分割サンプリングに伴うスキューは、時間分解能の１／２５になっている。また、矩形波発生器１７から出力される矩形波信号の周波数はｆ_Ｓ／２である。クロック信号源６と矩形波発生器１７を同期させるため、共通のタイムベースとして、Ｒｂ原子発振器１８を用いた。

図６（ａ）、（ｂ）の横軸はＴｉｍｅ（時間）［ｐｓ:ピコ秒］、縦軸はＩｎｔｅｎｓｉｔｙ（信号強度）［ｍＷ:ミリワット］である。
図６（ａ）は、光サンプリングオシロスコープ５により観測された波形を表す図であり、信号光と局部発振光の干渉信号強度に対応する。信号光の平均パワーは４．０４ｍＷ、局部発振光の平均パワーは２６．４ｍＷである。サンプリングに同期して、局部発振光の位相を０とπ／２の間で変化させているため、アイパターンのような波形が現れている。図６（ｂ）は、図６（ａ）の波形のうち、０から１ｐｓまでの時間を拡大した波形を表す図である。局部発振光の矩形波による位相変調に同期して、干渉信号強度を時分割でサンプリングしていることがわかる。図６（ａ）に示した１２８０ｐｓに渡る波形を取得するのに要する時間は、１．２８ｍｓである。信号光と局部発振光との位相差の制御は行っていないので、１．２８ｍｓの間に位相差が変動しないことが必要である。

図６（ａ）に示した干渉信号強度と、別途計測した信号光と局部発振光それぞれの強度から、数式３５と３６を用いて、信号光の同相成分Ｉ（ｔ）と直交成分Ｑ（ｔ）を計算することができる。図７（ａ）は信号光の同相成分Ｉ（ｔ）、図７（ｂ）は直交成分Ｑ（ｔ）の波形を表す図である。図７（ａ）と（ｂ）の縦軸はＡｍｐｌｉｔｕｄｅ（振幅）で、その単位はｍＷ^１／２であり、正負両方の値をとることができる。ＢＰＳＫ信号の２値位相変調に対応して、同相成分Ｉ（ｔ）と直交成分Ｑ（ｔ）が、２値の間で変位していることがわかる。
図７に示した同相成分Ｉ（ｔ）と直交成分Ｑ（ｔ）から、数式３と４を用いて、信号光の振幅Ａ（ｔ）と位相φ（ｔ）を計算することができる。図８（ａ）は信号光の振幅Ａ（ｔ）の波形を表す図である。縦軸の単位はｍＷ^１／２であり、電界振幅は正の値のみをとることができる。光サンプリングオシロスコープ５の感度の制限により、比較的大きな雑音が現れているが、振幅一定の位相変調信号に対応した結果が得られている。電界振幅の平均値は２．０８ｍＷ^１／２であり、別途測定した信号光の平均パワーとよく一致している。図８（ｂ）は、縦軸が信号光のＰｈａｓｅ（位相）［πｒａｄ］で、位相φ（ｔ）の波形を表す図である。ＢＰＳＫ信号の２値位相変調に対応して、電界位相が２値の間で変位しており、設定した位相変位０．９７πｒａｄとほぼ一致している。図８（ａ）と（ｂ）の結果は、ＢＰＳＫ信号の変調条件から予想される波形とほぼ一致しており、波形取得に要する１．２８ｍｓの間は、信号光と局部発振光の位相差が一定であることを示している。

図８（ａ）と（ｂ）の波形に現れている雑音は、主として光サンプリングオシロスコープ５自体の雑音に起因するものである。入力光の平均パワーが５ｍＷの場合、光サンプリングオシロスコープ５の信号対雑音比はおよそ１０ｄＢである。波形に現れている雑音は、ソフトウェア処理により低減することが可能である。光サンプリングオシロスコープ５の帯域幅はおよそ７００ＧＨｚであるので、高周波成分をフィルタで除去すればよい。図８（ａ）と（ｂ）の波形に対して、ソフトウェアのフィルタにより、周波数１ＴＨｚ以上の成分を除去し、時間波形の再構築を行った。図９（ａ）は振幅Ａ（ｔ）、図９（ｂ）は位相φ（ｔ）のフィルタ通過後の波形を表す図である。雑音が効果的に低減されていることがわかる。

図１０は、図７に示した同相成分Ｉ（ｔ）と直交成分Ｑ（ｔ）をコンスタレーションとして表示した図である。プロットしたそれぞれの点は、ある時刻における同相成分Ｉ（ｔ）と直交成分Ｑ（ｔ）の値に対応している。実線はＩ^２＋Ｑ^２＝４．０４ｍＷの円を表し、信号光の平均パワーに対応している。プロットした点が円周付近に位置していることから、信号光の振幅が一定であることがわかる。また、点が集中している２つの部分は、ＢＰＳＫ信号の２値位相変調に対応している。

以上の実験結果より、本発明の光信号波形計測装置を用いて、ＢＰＳＫ信号の振幅と位相の時間波形を計測できることが示された。図５に示した光信号波形計測装置は、ＱＰＳＫ（ＱｕａｄｒａｔｕｒｅＰｈａｓｅＳｈｉｆｔＫｅｙｉｎｇ）信号などの多値位相変調信号の計測に適用可能である。振幅と位相が同時に変調された信号光の場合は、図１と２に示したように、局部発振光に４段階の位相変調を行い、時分割サンプリングを行えばよい。

本発明の光信号波形計測装置により、従来の技術では困難であった光信号電界の時間波形を、光信号のシンボルレートに依存することなく、ホモダイン干渉計の複雑な制御を必要とすることなく、チャンネル間のスキューの影響を受けることなく、実時間で計測することが可能になる。これにより、光波の振幅、位相変調を利用する光ファイバ通信システムにおける種々の光デバイス、機器、システムの精密な評価が可能になり、光通信ネットワークの性能向上に寄与する。

１単一周波数レーザ光源
２光方向性結合器
３被測定デバイス
４位相変調器
５光サンプリングオシロスコープ
６クロック信号源
７階段波発生器
８モード同期レーザ
９ビームスプリッタ
１０非線形光学結晶
１１光検出器
１２外部共振器型半導体レーザ
１３光ファイバ増幅器
１４光バンドパスフィルタ
１５偏波安定化装置
１６符号発生器
１７矩形波発生器
１８Ｒｂ原子発振器

Claims

単一周波数レーザ光源と、第１の光方向性結合器と、被測定デバイスと、位相変調器と、第２の光方向性結合器からなるホモダイン干渉計において、前記単一周波数レーザ光源の出力を、第１の光方向性結合器により２分岐して、前記被測定デバイスを透過した光を信号光とし、前記位相変調器を透過した光を局部発振光とし、前記信号光と前記局部発振光を、第２の光方向性結合器により合流し、第２の光方向性結合器から出力される干渉信号強度を、光サンプリングオシロスコープに入力して、前記信号光の電界波形を計測することを特徴とする光信号波形計測装置。
請求項１記載の光信号波形計測装置において、周波数ｆ_Ｃの基準クロック信号を前記光サンプリングオシロスコープのトリガ信号とし、前記基準クロック信号に同期した電気的、または光学的変調を前記被測定デバイスに与えて、前記信号光を変調することを特徴とする光信号波形計測装置。
請求項１又は２記載の光信号波形計測装置において、前記サンプリングオシロスコープのサンプリング周波数ｆ_Ｓを十分に高くして、前記信号光と前記局部発振光との間の位相が変動しない短時間に、前記信号光の電界波形を計測することを特徴とする光信号波形計測装置。
請求項１乃至３のいずれか１項記載の光信号波形計測装置において、前記サンプリングオシロスコープのサンプリングに同期した階段波信号で前記位相変調器を駆動し、前記局部発振光の位相を離散的に変化させながら前記干渉信号強度をサンプリング計測し、サンプリング値から前記信号光の振幅と位相を算出することを特徴とする光信号波形計測装置。
請求項１乃至４のいずれか１項記載の光信号波形計測装置において、前記階段波信号の繰り返し周波数をｆ_Ｓ／４とし、０<φ_ｍ≦π／２であるφ_ｍに対して、前記局部発振光の１周期内の位相を−φ_ｍ、π／２−φ_ｍ、＋φ_ｍ、π／２＋φ_ｍの順番に変化させることを特徴とする光信号波形計測装置。
但し、前記サンプリングオシロスコープのサンプリング周波数をｆＳ、
局部発振光の位相変調幅をφ_ｍとする。
請求項１乃至４のいずれか１項記載の光信号波形計測装置において、前記信号光が位相のみが変調された振幅一定の位相変調信号の場合であって、前記階段波信号の繰り返し周波数をｆ_Ｓ／２とし、前記局部発振光の１周期内の位相を０、π／２の順番で変化させることを特徴とする光信号波形計測装置。
但し、前記サンプリングオシロスコープのサンプリング周波数をｆ_Ｓとする。