JP3317655B2 - モードロックリングレーザを用いた光部品の波長分散測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信システムの
研究、開発および設計の段階で行われる光部品の波長分
散特性の測定に係わり、特に分散値の絶対量が小さい光
部品を精度よく測定するモードロックリングレーザを用
いた光部品の波長分散測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光の群速度が周波数又は波長によって変
化する現象である波長分散の測定は以下の点から必要と
されている。まず、光パルスをビットの０又は１で表す
場合、伝送容量を向上させるために、光パルスの幅を細
くする。しかし、波長分散のある光ファイバに光パルス
を通過させると、スペクトルの一部は相対的に早く進
み、別の一部は相対的に遅れて進み、結果的にパルスの
形は崩れてしまうという問題が発生する。この波長分散
の影響はパルス幅を細くすればするほど大きくなる。

【０００３】この場合、波長分散がきわめて小さい光フ
ァイバを使用することにより波長分散の影響を少なくし
て光伝送を行うことも可能であるが、将来の光通信では
さらに細い光パルスをより広い波長帯域に亘って使用す
ることが考えられているので、そのような小さい波長分
散を精度よく決定することが必要である。また、そのよ
うな細い光パルスを広い波長帯域に亘って使用するとき
には、光ファイバだけでなく、伝送経路上に存在するレ
ンズ、光増幅器、光アイソレータ等のさまざまな光部品
が有する波長分散特性も無視できなくなるので、それら
の波長分散特性を測定し、伝送経路に与える影響を把握
しておく必要がある。

【０００４】一方、光パルスを圧縮する場合や、光ソリ
トン等の特殊なパルスを使用する場合には、波長分散が
存在する部分を積極的に利用しており、波長分散特性を
知っておくことは重要である。

【０００５】従来の波長分散特性の測定方式の例とし
て、特公平２−３３９７１号公報に掲載されたものがあ
る。以下その内容を要約して説明する。この測定方式
は、光源から出射された光を単一モード光ファイバに入
射し、この単一モード光ファイバから出射された光を光
電変換器で光電変換し、この光電変換器からの出力を光
源の励起電流に帰還するようにループを構成する。そし
て、光源から出射された光の波長を変化させたときのル
ープの発振周波数の変化から単一モード光ファイバの波
長分散を求めている。

【０００６】この測定方式を図５に基づいて説明する。
すなわち、光源である狭スペクトル幅の半導体レーザ１
から出射された光を被測定光部品２に入射し、被測定光
部品２から出射された光を光検知器３によって光の強度
に比例した電気信号に変換する。この電気信号を帯域通
過用のフィルタ４を介して増幅器５によって増幅し、振
幅制限器６とコンデンサ７とを介して前述の半導体レー
ザ１に印加する。そして、この電気信号で半導体レーザ
１の励起電流を制御することによってループを構成す
る。

【０００７】途中、半導体レーザ１から出射された光を
ビームスプリッタ（図示せず）で一部分岐させ、波長計
８によって出射光の波長を測定する。半導体レーザ１は
恒温装置（図示せず）によって一定の温度に保たれ、直
流電源９より直流バイアス電流が供給され、さらに前述
の増幅された電気信号がこの直流バイアス電流に重畳さ
れる。

【０００８】このとき、半導体レーザ１から出射された
光が電気信号となって半導体レーザ１に帰還するループ
は一種の発振器となり、このループを光および電気信号
が周回するときの周期に相当する周波数を基本周波数と
して発振が生じる。前述の増幅された電気信号を一部分
岐させ、周波数カウンタ１０等でこの発振周波数を測定
する。この技術では発振周波数と基本周波数は一致する
ので、このようにして、被測定光部品２を含むループの
基本周波数が測定されたことになる。

【０００９】次に、恒温装置で保たれる温度を温度制御
器によって変更すると、半導体レーザ１によって出射さ
れる光の波長が変化するので、その波長を測定する。こ
こで被測定光部品２に波長分散、すなわち通過する光の
波長によって群速度が異なる性質があると、波測定光部
品２の光学的距離（＝物理的な長さ×屈折率 以下、光
学長という）が変わるので基本周波数も変化する。この
技術では変化した発振周波数を測定することにより、変
化した基本周波数を測定したことになる。

【００１０】ある波長λに対する基本周波数をｆとする
と、基本周波数ｆは理論的には次式のように表される。 ｆ＝１／（τ＋Ｔ） …(1) ここで、τは被測定光部品２を光が通過する群遅延時
間、Ｔは上記ループ中の被測定光部品２以外の部分を光
および電気信号が通過する群遅延時間である。

【００１１】次に、波長をλからλ＋Δλに変えたとき
に基本周波数がｆからｆ＋Δｆへ変化したとし、(1) 式
と同様に表すと、次のようになる。 ｆ＋Δｆ＝１／（τ＋Δτ＋Ｔ） …(2) ここでΔτは、被測定光部品２を波長λ＋Δλの光が通
過する時間が波長λの光に対してどれだけ遅れるかを表
す、群遅延時間差と呼ばれる量である。

【００１２】(2) −(1) の操作を行うと、 Δｆ≒−Δτ／（τ＋Ｔ）² ＝−Δτ×ｆ² …(3) となる。したがって、ｆおよびΔｆを測定することによ
り、 Δτ≒−Δｆ／ｆ² …(4) より、群遅延時間差Δτが計算される。

【００１３】波長分散Ｄは単位長さあたりの群遅延時間
差Δτを波長で微分したものである。被測定光部品２の
物理的な長さをＬとすると、波長分散Ｄは近似的に、 Ｄ≒Δτ／（Ｌ×Δλ）＝−Δｆ／（ｆ² ×Ｌ×Δλ） …(5) で表される。上式より、ｆ、Δｆ、ＬおよびΔλを測定
することにより被測定光部品２の波長分散Ｄが計算され
る。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】以上、述べた従来技術
は、光源から出射された光が被測定光部品２を経由し
て、光検知器３に入射されるまでは光であり、光検知器
３で検知された後は、電気信号に変換され、電気信号と
して光源に帰還する構成を採用しているので、以下の問
題が発生する。

【００１５】すなわち、光検知器３、帯域通過用のフィ
ルタ４、増幅器５及び振幅制限器６の周波数特性による
誤差の問題である。ここで問題になる周波数特性とは電
気信号の群遅延の周波数に対する依存性であり、光部品
における波長分散特性に相当するものである。具体的に
は、光源の波長を変化させたときの測定において（２）
式が成立せず、 ｆ＋Δｆ＝１／（τ＋Δτ＋Ｔ＋ΔＴ） …（６） （６） 式で示すように電気信号の群遅延時間差ΔＴが
発生し、見掛け上、光の群遅延時間差Δτと電気の群遅
延時間差ΔＴは分離できないので誤差の要因となる。被
測定光部品２が長尺の光ファイバの場合などではΔτ》
ΔＴとなってΔＴの影響は無視できるが、被測定光部品
２の波長分散が小さい場合ではΔＴの影響が無視できな
い。特に、通常の帯域通過用のフィルタ４ではこのΔＴ
の周波数依存性が大きく、逆に周波数依存性を抑えたフ
ィルタは阻止域の減衰特性が低下するので発振ループと
しての安定な動作が損なわれる恐れがある、という問題
がある。

【００１６】上記の従来技術の他の課題として、基本周
波数の変化量の測定精度の問題が挙げられる。例えば被
測定光部品２として長さ１００ｍの光ファイバを考えた
場合、基本周波数は数ＭＨｚ程度である。現在利用可能
な周波数カウンタでは、この周波数帯域における周波数
変化量は、１Ｈｚの精度の測定も可能である。しかしな
がら、実際には電気的なノイズの影響などから、これだ
けの精度で周波数を測定するためには長時間に亘って測
定したデータを平均化するなどの操作が必要であり、操
作の煩雑化あるいは測定の長時間化はまぬがれない。

【００１７】また、従来技術の別の課題として、装置を
構成している各部品の調整の問題が挙げられる。例え
ば、従来技術の一つの例として帯域通過用のフィルタ
４、増幅器５および振幅制限器６を用いる方法がある
が、この場合はそれぞれ、通過帯域、増幅率および振幅
制限値を調整しなければならず、測定の容易性、再現性
および客観性を損なってしまう。振幅制限器６を用いな
い別の例もあるが、この場合でも帯域通過用のフィルタ
４および増幅器５は必要であり、さらに合成器などの別
の装置が必要になるので、上記の問題は解決されていな
い。

【００１８】さらに、従来技術のもう一つの課題とし
て、光波長の可変範囲の狭さが挙げられる。従来技術の
例では、通常は光源として半導体レーザ１が用いられ
る。波長分散を測定するためには少なくとも２つの異な
った波長の出力光が必要であるが、そのためには半導体
レーザ１の温度を変化させている。半導体レーザ１は温
度を変化させると出力光の波長も変化する性質を有して
いるが、波長の可変範囲は約３〜５ｎｍ程度である。

【００１９】しかしながら、波長分散の測定が必要とさ
れる産業分野、たとえば光通信システムの設計において
は、現状では５０〜１００ｎｍの波長範囲に亘って波長
分散を測定する必要が生じてきている。これだけの波長
範囲に亘って出力光を変化させることのできる波長可変
レーザも存在はしているものの、その価格は極めて高
く、一般的とはいえない。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明においては以下の構成を採用した。なお、実
施の形態で採用した符号を用いる。本発明の要旨は、少
なくとも２種類の既知の波長で選択的に発振可能なモー
ドロックリングレーザを備え、このモードロックリング
レーザのリング中に被測定光部品２を挿入することによ
って被測定光部品２の波長分散特性を測定するための光
部品の波長分散測定装置であって、リングに接続されて
いて、モードロック発振を検知する第１の手段３、１５
と、モードロック発振のパルスの繰り返し周波数を検知
するための第２の手段１０、１４とを備え、前記の少な
くとも２種類の既知の波長と、前記の少なくとも２種類
の既知の波長にそれぞれ対応して、前記第２の手段で検
知された少なくとも２種類の周波数とに基づいて当該被
測定光部品の波長分散特性を演算することを特徴とする
モードロックリングレーザを用いた光部品の波長分散測
定装置である。

【００２１】すなわち、波長選択手段を備えたモードロ
ックリングレーザのリング中に被測定光部品２を挿入
し、モードロック発振するときのパルスの繰り返し周波
数の波長に対する依存性を測定することによって、被測
定光部品２の波長分散特性を求める。

【００２２】なお、被測定光部品２が例えば光アイソレ
ータのように複数の種類の光部品で構成されている場合
は、単位長さ当りの量である波長分散の定義は被測定光
部品の分散特性の表現には不便なときがある。よって、
本明細書では光部品全体の群遅延時間差の波長微分を全
分散量と定義して用いる。すなわち、全分散量をＤａと
すると(4) 式を用いて近似的に(7) 式で表される。 Ｄａ≒Δτ／Δλ＝−Δｆ／（ｆ² ×Δλ） …(7)

【００２３】

【発明の実施の形態】以下本発明におけるモードロック
リングレーザを用いた光部品の波長分散測定装置の実施
の形態を説明する。本発明は光部品の波長分散特性の測
定において、モードロックリングレーザを用いたもので
あり、先ずリングレーザおよびモードロックリングレー
ザの概念について説明し、次に個々の構成要素について
説明する。

【００２４】光増幅器の出力を光振幅器の入力に戻すリ
ングを構成して光増幅器を駆動させ、出力の一部を取り
出すと、通常のレーザと同様な光出力が得られる。これ
は光増幅器が放出する自然放出光と呼ばれるいわばノイ
ズのような光がリングを周回するうちに光増幅器の出力
限界まで増幅されるからである。このように構成された
装置をリングレーザと呼ぶ。

【００２５】上記のリングレーザの発振波長は、光増幅
器の増幅効率が最も高くなる波長に固定されている。リ
ングレーザに波長選択機能を持たせるには、波長選択手
段を上記リング中に設ければよい。こうすると、光増幅
器と波長選択手段のトータルとして増幅効率が最も高く
なる波長でレーザ出力光が得られる。波長選択手段とし
ては通常、波長可変光フィルタが用いられる。このよう
に構成された装置もリングレーザと呼ばれるが、厳密に
は波長可変リングレーザである。

【００２６】上記リングレーザ（波長可変リングレーザ
を含む）のリング中に光変調器または非線型光学媒質を
設け、光がリングを周回する周波数（以下、基本周波数
という）かまたはその整数倍の周波数で変調を与える
と、パルス列状の光出力が得られる。このような装置を
モードロックリングレーザと呼び、また、この発振状態
をモードロック発振と呼ぶ。

【００２７】ここで、図２を用いてモードロック発振と
光パルス列の関係について説明する。図２（ａ）は時間
領域における光パルス列波形を示しており、縦軸は光の
強度、横軸は時間である。また、図２（ｂ）は前記光パ
ルス列のフーリエ変換を示しており、縦軸は光のパワ
ー、横軸は光周波数である。

【００２８】図２（ｂ）に示されているように、光パル
ス列のフーリエ変換は、中心となる光周波数の周りに側
帯波（モード）と呼ばれる一定の変調周波数間隔の光が
規則的に並ぶ形をしている。また、各モードの位相は一
定の関係を保っている。なお、変調周波数は、時間領域
で見た光パルス列の繰り返し周波数に一致する。

【００２９】ところで時間領域の波形とその（位相情報
を含めた）フーリエ変換は１対１の関係にあるので、光
周波数領域において、ある中心光周波数の周りに多くの
モードを発生させて、それらのモード間の位相を一定の
関係を保つように固定させれば、その光を時間領域で見
ると光パルス列になっている。これがモードロック発振
である。モードロック発振を実現させるためには、基本
周波数か又はその整数倍の周波数で光を変調させればよ
い。

【００３０】モードロックリングレーザは、さらに、能
動型モードロックリングレーザと受動型モードロックリ
ングレーザとに大別される。能動型と受動型の違いは、
変調のための装置として光変調器を用いるか非線型光学
媒質を用いるかの違いであり、詳細は後述する。

【００３１】また、リングレーザ自体では、原理的に
は、そのリング中を伝わる光は右回りと左回りの両方が
同時に存在可能である。モードロックリングレーザは通
常、光パルス列を得る手段として広く利用されている。
しかし、本発明ではモードロックリングレーザを基本周
波数を知る装置として利用する。通常のモードロックリ
ングレーザは波長選択手段は必ずしも必要ではないが、
本発明では、少なくとも２種類の波長で選択的にモード
ロック発振させる必要があることから、そのための波長
選択手段は必須の構成要素である。また、本発明では、
被測定光部品がモードロックリングレーザのリング中に
挿入される必要がある。

【００３２】以下、図１を用いてモードロックリングレ
ーザを構成する各装置について説明する。光増幅器１１
は入力された光の波長や位相は保ったままで振幅を約１
０倍から１０００倍に増幅する装置である。現状の技術
水準では、光増幅器１１は大別してファイバアンプと半
導体アンプの２種類がある。

【００３３】ファイバアンプは通常の光ファイバに希土
類元素を添加したもので、励起光と呼ばれる特定の波長
の光を供給することにより入力光の振幅を増幅させる作
用を有する。増幅率は励起光の強さに依存するが、１０
００倍以上の増幅率を得ることも可能である。増幅作用
が得られる入力光の波長帯域は、添加される希土類元素
にもよるが、一般に５０ｎｍ程度である。

【００３４】一方、半導体アンプは通常の半導体レーザ
の両端面に無反射膜を蒸着したもので、励起電流を供給
することにより入力光の振幅を増幅させる作用を有す
る。増幅率は励起電流に依存するが、一般に１０〜５０
倍程度である。しかしながら、増幅作用が得られる帯域
は一般に１００ｎｍ程度とファイバアンプに対して広
い。

【００３５】本発明では、モードロックリングレーザの
光増幅器１１としてファイバアンプ、半導体アンプはも
ちろん、光を増幅する作用を有するものであれば全て、
使用することができる。

【００３６】本発明では、ある波長λと、それに対する
基本周波数ｆと、変化後の波長λ＋Δλと、それに対す
る基本周波数ｆ＋Δｆとから波長分散を求める方式を採
用している。したがって、モードロックリングレーザが
少なくとも２種類の既知の波長で選択的に発振すること
が必要とされる。

【００３７】この波長選択手段としては通常、波長可変
光フィルタ１２が用いられる。光フィルタは特定の波長
帯域の光のみを通過させ、他の光を吸収または反射して
通過させない装置である。通過帯域の選択機構として、
測定者が手動でダイアル等を動かすもの、パソコン等で
電気的に制御するもの等がある。帯域幅は、１〜３ｎｍ
程度が適当である。この波長可変光フィルタ１２を光増
幅器１１と組み合わせて使用することにより、所望の波
長の光を得ることができる。

【００３８】また、本発明の測定目的においては少なく
とも２種類の波長を選択的に設定できればよいので、波
長可変光フィルタ１２に限られず通過帯域が固定された
光フィルタを少なくとも２種類用意し（通過帯域は相互
に異なるとする）、それらをスイッチ等で切り替えるよ
うな手段を用意しても、波長選択手段として利用可能で
ある。図１では、波長選択手段として波長可変光フィル
タを使用している。

【００３９】波長選択手段である波長可変光フィルタ１
２では、通常、設定されている通過帯域の中心波長を知
る手段が用意されており、後述する例ではこの手段で得
られる波長をモードロック発振の発振波長として使用す
る。波長可変光フィルタ１２に通過帯域の中心波長を知
る手段が用意されていない場合、又は、より高精度に発
振波長を知るためには、出力光を一部分岐させて波長計
（図示せず）により発振波長を測定すればよい。

【００４０】光変調器は、それを通過する光の強度、周
波数または位相を変化させる装置であり、それぞれ強度
変調器、周波数変調器、位相変調器と区別される。モー
ドロックリングレーザを構成するためには、強度変調器
と位相変調器が特に有用である。図１では光変調器とし
て強度変調器１３を使用している。

【００４１】これら強度変調器１３または位相変調器を
用いたモードロックリングレーザは能動型モードロック
リングレーザと呼ばれる。能動型モードロックリングレ
ーザでは変調器に変調信号を供給する外部の信号源が必
要である。信号源に要求されることは、正弦波信号が出
力されること、およびその周波数が可変であることであ
る。なお、このような項目は特に特別なものでなく、一
般的な信号発生器が利用可能である。正弦波信号の周波
数がリングの基本周波数またはその整数倍のときに、モ
ードロック発振が生じる。

【００４２】光変調器の代わりに非線型光学媒質を用い
たモードロックリングレーザは受動型モードロックリン
グレーザと呼ばれる。非線型光学媒質とは、通過する光
の強度などによって吸収や屈折率などの特性が変化する
媒質のことをいう。このような媒質を光パルスが通過す
る際は、パルス波形に応じて強度変調または位相変調が
自動的に生じるので、能動型モードロックリングレーザ
における光変調器と同様の効果が得られる。

【００４３】受動型モードロックリングレーザでは光パ
ルスが自分自身を変調するので、能動型モードロックリ
ングレーザで必要な外部の変調信号は受動型モードロッ
クリングレーザでは不要である。なお、この場合、光パ
ルス列の繰り返し周波数は自動的にリングの基本周波数
に一致する。

【００４４】非線型光学媒質としては、可飽和吸収体が
もっとも一般的に用いられる。可飽和吸収体とは、入射
する光の強度がある程度大きくなると吸収率が小さくな
り（これを吸収が飽和するという）、透過率が大きくな
るような性質を示す物質や装置のことをいう。例えば、
光半導体アンプの励起電流を増幅作用が得られる電流値
以下に抑えることにより、可飽和吸収体として使用でき
る。可飽和吸収体を光パルスが通過するときを考える。
光パルスが入射してしばらくは吸収が大きく、通過する
光の強度は小さい。次に、光パルスが最大強度に近づく
と、吸収が飽和し、通過する光の強度は急激に増大す
る。光パルスが最大強度から減少に転じるときは、これ
と逆の効果が生じて、通過する光の強度は急激に減少す
る。

【００４５】したがって、結果的に通過した光パルスは
通過前に比べて幅の狭い鋭いパルスになっている。この
ことは、能動型モードロックリングレーザにおいて光変
調器として強度変調器１３を使用した場合と同様の効果
をもたらす。なお、受動型モードロックリングレーザを
用いた装置の具体的な構成は後述する。

【００４６】モードロックリングレーザのリング中に挿
入される被測定光部品２としては、原理的には光が通過
するものであればどのようなものでも測定可能である。
特に、本発明は基本的に実長または実寸法の小さいもの
の波長分散の測定について優位性を発揮する。具体的に
は、１００ｍ以下の光ファイバ、レンズ、光アンプ、光
変調器、光フィルタ、偏光子などが挙げられる。

【００４７】さて、以上で述べた光増幅器１１、波長選
択手段である波長可変光フィルタ１２、光変調器である
強度変調器１３または非線型光学媒質で光が周回するリ
ングを作るように結合させるには、光ファイバを用いて
もよいし、レンズ、ミラー等を用いて空間結合させても
よい。

【００４８】また、このリング中に挿入される被測定光
部品２を含めてそれぞれの配置は、原理的には任意の順
番での配置が可能である。ただし、実際には各構成要素
それぞれの特性に依存して、最適な配置が存在すること
もある。例えば、一般的に光増幅器１１の出力には自然
放出光が付加されているので、光増幅器１１の直後には
波長選択手段である波長可変光フィルタ１２を接続する
ことが望ましい。また、波長選択手段である波長可変光
フィルタ１２の直後には、他に条件がなければ、被測定
光部品２と、光変調器である強度変調器１３（または非
線型光学媒質）とを比較し、その中で最大許容光入力の
大きい方を接続することが望ましい。

【００４９】以上述べてきたように、少なくとも２種類
の既知の波長で選択的に発振可能なモードロックリング
レーザを備え、モードロックリングレーザのリング中に
測定対象である被測定光部品２を挿入している。この構
成にモードロック発振を検知する第１の手段と、モード
ロック発振のパルスの繰り返し周波数を検知するための
第２の手段とを接続することにより波長分散特性を測定
する装置が完成する。

【００５０】引き続き図１を用いて説明する。図１はモ
ードロックリングレーザとして能動型モードロックリン
グレーザを使用した例である。上述のように、波長選択
手段として波長可変光フィルタ１２を用いている。ま
た、光変調器としては強度変調器１３を用いている。

【００５１】モードロック発振の特性を利用して、基本
周波数を検知する方法、すなわち、モードロック発振の
パルスの繰り返し周波数を検知するための第２の手段に
ついて説明する。

【００５２】能動型モードロックリングレーザを使用し
た場合では、その方法は２通りある。モードロック発振
のパルスの繰り返し周波数、すなわち、出力光パルスの
繰り返し周波数を測定する第１の方法と、光変調器の変
調周波数を調べる第２の方法である。出力光パルスの繰
り返し周波数と、光変調器の変調周波数は完全に一致
し、両者は同じ結果を与えるので変調周波数を調べるこ
とは繰り返し周波数を測定することと同義である。

【００５３】出力光パルスの繰り返し周波数を測定する
第１の方法は、光変調器の代わりに非線型光学媒質を用
いた受動型モードロックリングレーザを利用した場合に
も適用可能であり、この点でより一般的な方法であると
いえる。

【００５４】一方、光変調器の変調周波数を調べる第２
の方法は、能動型モードロックリングレーザの利用例に
その適用が限定されるものの、特別な追加装置を必要と
しないので、引き続き図１の説明では第２の方法、すな
わち光変調器の変調周波数を調べる方法について述べ
る。

【００５５】光変調器である強度変調器１３の変調周波
数を調べる方法では、外部の信号源、図１の例では信号
発生器１４が、その時点で出力されている信号の周波数
を検知する手段を有していることを前提とするが、その
ような手段は通常の信号源には普通に備わっているもの
である。したがって、図１の例では、信号発生器１４が
モードロック発振のパルスの繰り返し周波数を検知する
ための第２の手段である。このとき、信号周波数を調節
し、後に述べるような手段によってモードロック発振し
ていることが確認できれば、その時点の信号源の信号周
波数が光変調器の変調周波数であり、この周波数はま
た、モードロックリングレーザの基本周波数またはその
整数倍である。変調周波数が基本周波数の整数倍（ｎ倍
とする）であったときには、さらに変調周波数を変更し
てｎ＋１倍またはｎ−１倍の変調周波数を調べれば、そ
の差が基本周波数である。こうして得られた基本周波数
は、(1) 式のｆにほかならない。

【００５６】以下、モードロック発振を検知する第１の
手段について説明する。通常は、光検知器３及びそれに
接続されたオシロスコープ１５を用いる。ただし、この
手段にもさまざまなものがあり、必ずしも以下の例に限
定されない。

【００５７】モードロック発振を検知する第１の手段
は、光増幅器１１、波長選択手段である波長可変光フィ
ルタ１２、被測定光部品２および光変調器である強度変
調器１３または非線型光学媒質である可飽和吸収体とか
ら構成されるリングに接続されている。そして、このリ
ング中の光は一部が取り出され、光検知器３に導かれ
る。光をリングから一部取り出すためには、光ファイバ
で結合した場合は光カプラが、空間結合の場合はハーフ
ミラーやビームスプリッタなどが利用できる（図示せ
ず）。光検知器３の出力信号を通常のオシロスコープ１
５などで観察する。モードロック発振しているときは、
上記出力信号は光パルス列に対応してパルス信号となる
ので、容易に判別できる。

【００５８】オシロスコープ１５には、外部トリガ信号
を必要とするものと、必要としないものの２種類があ
る。能動型モードロックリングレーザでは外部の信号源
として信号発生器１４が存在するので、この信号を外部
トリガ信号として利用できる。図１の例では、外部トリ
ガ信号を必要とする種類のオシロスコープ１５を使用し
た例である。

【００５９】また、モードロック発振を検知する他の手
段として、光検知器３およびオシロスコープ１５を用い
る代りに、ストリークカメラを用いて光パルス列が発生
しているかどうかを直接観察してもよい（図示せず）。

【００６０】

【実施例】以下、本発明におけるモードロックリングレ
ーザを用いた光部品の波長分散測定装置の具体的実施例
を説明する。 （第１実施例）図１の測定装置に比較してさらに高精度
に基本周波数を測定するための第１実施例を図３に示
す。

【００６１】第１実施例においては、図３に示すよう
に、光検知器３の出力信号を一部分岐させ、低域通過フ
ィルタ１６を介してパワーメータ１７に導く。低域通過
フィルタ１６の通過帯域は、光増幅器１１の緩和振動周
波数と呼ばれる周波数であるおよそ数１０ｋＨｚを通過
させるように設定する。パワーメータ１７によって測定
される低域のパワーは、完全なモードロック発振のとき
に最小になることが知られている（高良ほか、緩和振動
周波数成分抑圧によるモード同期Ｅｒ添加ファイバレー
ザの安定化法、１９９５年電子情報通信学会総合大会、
Ｂ−１１５６）。こうして完全なモードロック発振の状
態になるように変調周波数を調整すれば、容易に基本周
波数を１Ｈｚの精度で測定することができる。なお、図
３のその他の構成は図１の測定装置と全く同様である。

【００６２】以上で説明したようにして、ある光波長λ
に対応する基本周波数ｆが測定されたとする。次に、波
長選択手段により、リング内を周回する光の波長をλ＋
△λに変化させる。従来技術における測定方法と同じ原
理で、被測定光部品２に波長分散があれば、被測定光部
品２の光波長が変わり、基本周波数が変化する。変化し
た基本周波数ｆ＋△ｆを測定すれば、以下、従来技術と
同様にして(5) 式により波長分散が（または、(7) 式に
より全分散量が）求められる。

【００６３】すなわち、少なくとも２種類の既知の波長
と、これらの２種類の既知の波長に対応してモードロッ
ク発振のパルスの繰り返し周波数を検知するための第２
の手段により検知された、波長の種類に対応した周波数
とから、被測定光部品２の波長分散特性を求められる。

【００６４】ここで、(4) 式で得られた群遅延時間差△
τは、被測定光部品２のみによる群遅延時間差△τ_M
と、被測定光部品以外のモードロックリングレーザ構成
部品による群遅延時間差△τ_L との和であり、この群遅
延時間差△τ_L が測定誤差となる。よって、より厳密な
測定には次の校正を行う。

【００６５】被測定光部品２の入射端と出射端を結合さ
せて非測定光部品２を除いたモードロックリングレーザ
を構成し、上記と同様の測定を行なう。このときの(4)
式で得られた値は△τ_L であり、したがって、実際に被
測定光部品を挿入した時に得られた△τからこの△τ_L
を差し引くことにより、△τ_M が求められる。△τ_Mお
よび(5) 式より、被測定光部品２のみの波長分散が得ら
れる。

【００６６】なお、従来技術において同様に非測定光部
品の入射端と出力端を短絡させても、全体の光学長が短
くなったことによって本来の測定時より繰り返し周波数
が高くなるので電気回路の群遅延時間特性を校正するこ
とができない。

【００６７】ところで、従来技術の項目でも述べたよう
に、波長分散は数学的には群遅延時間差の波長に対する
微分で表される。この微分量が直接得られるような波長
分散の測定方法も存在し、その方法を用いてもよいが、
本発明の実施の形態では、直接的に測定されるのは群遅
延時間差である。ここまでに述べられてきた方法は、群
遅延時間差の波長に対する微分を差分に置き換えた近似
式により、かつ、２種類の異なる波長における測定のみ
から波長分散を求める方法である。

【００６８】しかし、群遅延時間差（あるいは基本周波
数）を測定する波長の数を２種類より多くし、それぞれ
の波長に対応する基本周波数をそれぞれ測定すれば、近
似の精度が向上する。例えば、３種類の波長λ−△λ、
λおよびλ＋△λにそれぞれ対応して、基本周波数がｆ
−△ｆ₁ 、ｆおよびｆ＋△ｆ₂ と測定されたとする。こ
の３組の測定値を２次関数で近似すれば、波長λにおけ
る被測定光部品２の波長分散Ｄは、 Ｄ≒−（△ｆ₂ ＋△ｆ₁ ）／（２×ｆ² ×Ｌ×△λ） …(8) で計算される。また全分散量Ｄａは、(7) 式に対応し
て、 Ｄａ≒−（△ｆ₂ ＋△ｆ₁ ）／（２×ｆ² ×△λ） …(9) で計算される。

【００６９】なお、２組の測定がある場合の(5) 式また
は(7) 式や、３組の測定がある場合の(8) 式または(9)
式、さらに多数の測定がある場合のそれに対応する計算
式によって、波長分散または全分散量を計算する手段
は、測定後に測定者が計算する方式でもよいが、測定装
置に組み込むことも当然に可能である。

【００７０】（第２実施例）図４は受動型のモードロッ
クリングレーザを用いた光部品の波長分散測定装置の第
２実施例である。

【００７１】この第２実施例では非線型光学媒質として
可飽和吸収体１８を用いている。モードロック発振を検
知する第１の手段としてオシロスコープ１５を用いる場
合、外部トリガ信号が利用できないので、外部トリガ信
号を必要としない種類のオシロスコープ１５を用いる必
要がある。

【００７２】また、モードロック発振のパルスの繰り返
し周波数を検知するための第２の手段、すなわち基本周
波数を測定する手段としては、出力光パルスの繰り返し
周波数を測定する方法により行なう。そのためには、光
検知器３で光パルス列を電気信号に変えた後、２分岐さ
せてオシロスコープ１５等で波形を観察するとともに、
周波数カウンタ１０等を用いて電気パルス列の繰り返し
周波数を測定する。前述されているとおり、この繰り返
し周波数はモードロックリングレーザのリングの基本周
波数に一致する。以下、波長の変更と波長分散の計算方
法は実施の形態及び第１の実施例における説明と同じで
ある。

【００７３】

【発明の効果】本発明のモードロックリングレーザを用
いた光部品の波長分散測定装置においては、リングを構
成する部分を光のみで構成したので、従来技術における
光検知器３、帯域通過用のフィルタ４、増幅器５及び振
幅制限器６における電気信号の周波数応答特性、特に群
遅延の周波数に対する依存性による誤差は発生しない。

【００７４】本発明では従来技術に対して、波長可変光
フィルタ１２や強度変調器１３などの光部品が追加され
ており、これらが測定上、無視できない波長分散特性を
持っている場合もあるが、その際は校正の項で説明され
ている手順に従えば被測定光部品２だけの厳密な波長分
散が求められる。これに対し従来技術では電気信号の周
波数応答特性の問題を回避するのは非常に難しい。

【００７５】次に、モードロックリングレーザの変調周
波数は、光の周回の基本周波数にきわめて敏感である。
上記のような手段を用いれば、周波数変化量△ｆを１Ｈ
ｚの精度で測定することは容易である。従来技術で同程
度の測定精度を達成するためには、多数の測定値の平均
化などの手法を用いなければならず、測定に時間がかか
っていた。本発明ではこのような高精度の測定を容易に
短時間内に行うことができる。

【００７６】また、本発明は、リング部分をすべて光で
周回させる方式であることによる別の効果も有してい
る。すなわち、従来技術の課題であった、電気部の各部
品の調整が不要になり、測定の容易性および客観性が増
している。

【００７７】さらに、本発明では光増幅器１１を用いて
いることにより、従来技術に対して光波長の可変範囲が
広いという効果を有している。光増幅器１１の説明で述
べられているとおり、適当な光フィルタと組み合わせれ
ば、５０〜１００ｎｍの光波長の可変範囲が得られる。
この特性は、光通信システムの設計などにおいて十分な
可変範囲であるといえる。被測定光部品２に入射する光
電力についても、光増幅器１１の利得を調整することに
より変更する事ができ、より実際の使用条件に近い形で
の測定が可能である。

【００７８】当然に群遅延特性の測定も可能である。す
なわち、少なくとも２つの異なる波長において基本周波
数ｆおよびｆ＋△ｆを測定することにより、(4) 式から
群遅延時間差が計算される。群遅延測定における従来技
術に対する効果は、波長分散測定における本発明の従来
技術に対する効果と同様の点を指摘することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態に係わるモードロックリ
ングレーザを用いた光部品の波長分散測定装置を示す図
である。

【図２】 モードロック発振と光パルス列の関係を説明
するための図である。

【図３】 本発明における基本周波数の高精度測定が実
現できる第１実施例に係わる光部品の波長分散測定装置
を示す図である。例を示す図である。

【図４】 本発明における受動型のモードロックリング
レーザを用いた第２実施例に係わるモードロックリング
レーザを用いた光部品の波長分散測定装置を示す図であ
る。

【図５】 従来の光部品の波長分散測定装置を示す図で
ある。

【符号の説明】

２ 被測定光部品 ３ 光検知器 １０ 周波数カウンタ １１ 光増幅器 １２ 波長可変光フィルタ １３ 強度変調器 １４ 信号発生器 １５ オシロスコープ １６ 低域通過フィルタ １７ パワーメータ １８ 可飽和吸収体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 斉藤 崇記 東京都港区南麻布五丁目10番27号 アン リツ株式会社内 (72)発明者 高良 秀彦 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 川西 悟基 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 猿渡 正俊 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日 本電信電話株式会社内 (56)参考文献 特公 平２−33971（ＪＰ，Ｂ２) 米国特許5619320（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01M 11/00 - 11/08

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも２種類の既知の波長で選択的
   に発振可能なモードロックリングレーザを備え、該モー
   ドロックリングレーザのリング中に被測定光部品を挿入
   することによって当該被測定光部品の波長分散特性を測
   定するためのモードロックリングレーザを用いた光部品
   の波長分散測定装置であって、 前記リングに接続されていて、モードロック発振を検知
   する第１の手段（３、１５）と、 該モードロック発振のパルスの繰り返し周波数を検知す
   るための第２の手段（１０、１４）とを備え、 前記の少なくとも２種類の既知の波長と、前記の少なく
   とも２種類の既知の波長にそれぞれ対応して、前記第２
   の手段で検知された少なくとも２種類の周波数とに基づ
   いて当該被測定光部品の波長分散特性を演算することを
   特徴とするモードロックリングレーザを用いた光部品の
   波長分散測定装置。