JP2003004532A - 高波長分解能光スペクトラムアナライザ及びそれを用いた光信号測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 機械的な駆動部分がなく、光学部品の数が少
ない簡単な構成で有用な高波長分解能光スペクトラムア
ナライザ及びそれを用いた光信号測定方法を提供するこ
と。 【解決手段】 信号光と局部発振器１２で生成した局部
発振光を、光混合器１３で混合してヘテロダイン信号を
生成し、電気スペクトラムアナライザ１５で検出する光
スペクトラムアナライザである。光混合器１３の前段に
ポリマ導波路からなる波長可変フィルタ１６を備え、導
波路アレイ状に三角形状の位相シフタ用ヒータ電極を取
付け、電流を流すことにより波長可変フィルタとして駆
動させる。局部発振器１２は発振周波数が可変である。
このように信号光を局部発振光でヘテロダイン検波し、
その中間周波数である差周波成分のプロファイルを、電
気スペクトラムアナライザを用いてビート信号として検
出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高波長分解能光ス
ペクトラムアナライザ及びそれを用いた光信号測定方法
に関し、より詳細には、高い波長分解能を有する光スペ
クトラムアナライザ及びその好適な光検出方法を備えた
分光技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】高度情報通信社会において、情報伝送網
の大容量化、高速化は必要不可欠の命題である。これを
実現するために現在最も期待されている技術が、ある帯
域の波長を分割し、各波長ごとに情報をのせて送信する
波長分割多重（ＷＤＭ）技術である。この近年のめざま
しいＷＤＭ技術の進展は、波長の高密度化をもたらし、
分割波長の狭帯域化が著しく進んでいる。このため、こ
の狭帯域の信号を測定するための光スペクトラムアナラ
イザの高分解能化が強く望まれている。

【０００３】現在市販されている光スペクトラムアナラ
イザの分光機能は、分光器により実現されている。従来
から知られている分光器としては、大きくわけて回折格
子等の分散分光法を用いたものと、マイケルソン干渉計
によるフーリエ分光法を用いたものがある。分解能は干
渉計を用いた場合以外は０．１ｎｍ前後で、干渉計を用
いると、分解能は１〜２桁向上し、０．０１ｎｍ程度と
なる。回折効率は、ブレーズ波長のマックスで反射鏡の
反射率程度で６０％程度である。

【０００４】また、近年報告されているような、石英系
アレイ導波路格子（ＡＷＧ）を用いた光スペクトラムア
ナライザ（例えば、高田他、特願２０００−１１１７５
１号「波長合分波器、光スペクトラムアナライザおよび
光バンドパスフィルタ」、参照）が提案されている。後
者の分光器の原理については、以下に簡単に説明する。

【０００５】図１に示すように、ＡＷＧは入力された波
長多重信号を波長分解して出力ポートに出射する機能を
有する光導波路回路である。この光導波路回路は、入力
導波路１と入力スラブ導波路２とアレイ導波路３と出力
スラブ導波路４及び出力導波路５とから構成されてい
る。ＡＷＧに入力された光は、入力スラブ導波路２を透
過して広がった後、アレイ導波路３で光路長に応じた位
相差が生じ、特定の波長のみが特定のポートに集光され
出力される。ＡＷＧの出力端から出力される光の波長は
単一ではなく、原理的に、ＦＳＲとよばれる値の整数倍
離れた波長も透過してしまう。

【０００６】従って、被測定光のバンド幅がＦＳＲより
も広い場合には、この被測定光のスペクトルは測定でき
ない。従って、ＦＳＲが広くかつ高分解能のＡＷＧが必
要となるが、例えば、１ＧＨｚ以下の分解能で１０ｎｍ
以上のＦＳＲを有するようなＡＷＧの作製は、極めて困
難であった。そこで、ＦＳＲの整数倍だけ離れた波長の
光を第一のＡＷＧによって遮断し、次に光学的に直列に
接続された後段の狭い透過バンド幅（高い分解能）を有
するＡＷＧを用いることにより、広帯域、高分解能で被
測定光のスペクトルが得られる手法が開発されている。

【０００７】図２は、光スペクトラムアナライザの概略
図で、図中符号１１は受信信号、１２は局部発振器、１
３はハーフミラー又はカップラー（光混合器）、１４は
受光素子、１５は電気スペクトラムアナライザを示して
いる。ｆ_１〜ｆ_２の周波数を有する入力光とｆ_０の周波
数を有する局部発振光を混合された信号は、｜ｆ_１−ｆ
_０｜〜｜ｆ_２−ｆ_０｜の中間周波数に変換された信号に
なる。これを、電気スペクトラムアナライザ１５を用い
てビート信号として検出する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、石英系
ＡＷＧを用いた場合は、測定波長を広げるために、２個
以上の透過バンド幅の異なるＡＷＧが必要の上に、波長
数に対応する１×Ｎの光スイッチや光強度検出器が必要
であった。１００ＧＨｚ程度の分解能を有するＡＷＧに
おいて３２個の光強度検出器が必要であり、このため、
測定系は大きくなる上に高コストになる必然性を有して
いた。

【０００９】また、図２に示すような従来の方式では、
帯域が現在市販されている受信光の帯域である６０ＧＨ
ｚ程度に限られてしまうことと、局部発振光の低周波側
と高周波側の区別ができないという２つの大きな欠点を
露呈してしまう。

【００１０】本発明は、このような問題に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは、機械的な駆動部分
がなく、光学部品の数が少ない簡単な構成で有用な高波
長分解能光スペクトラムアナライザ及びそれを用いた光
信号測定方法を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、このような目
的を達成するために、請求項１に記載の発明は、信号光
と局部発振器で生成した局部発振光を、光混合器で混合
してヘテロダイン信号を生成し、電気スペクトラムアナ
ライザで検出する光スペクトラムアナライザであって、
前記光混合器の前段に波長可変フィルタを備え、前記局
部発振器は発振周波数が可変であることを特徴とする。

【００１２】また、請求項２に記載の発明は、請求項１
に記載の発明において、前記波長可変フィルタが、ＡＷ
Ｇまたは誘電体多層膜からなることを特徴とする。

【００１３】また、請求項３に記載の発明は、請求項１
又は２に記載の発明において、前記局部発振器が、オフ
セットロックを含む周波数安定化機能を有する波長可変
レーザ又は周波数可変レーザであることを特徴とする。

【００１４】また、請求項４に記載の発明は、請求項１
乃至３いずれかに記載の高波長分解能光スペクトラムア
ナライザを用いた光信号測定方法であって、波長可変フ
ィルタによって信号を切り出す周波数帯域を定める第１
のステップと、該第１のステップにより切り出された前
記周波数帯域に応じて局部発振光の周波数を定める第２
のステップと、前記第１のステップにより切り出された
信号光と、前記第２のステップによる局部発振光を混合
したヘテロダイン信号を電気スペクトラムアナライザで
測定する第３のステップとを備え、前記各ステップを信
号光の測定帯域に渡って繰り返すことを特徴とする。

【００１５】また、請求項５に記載の発明は、請求項４
に記載の発明において、局部発振光の周波数を、常に切
り出された信号光の周波数帯域より長波長側に定める
か、または常に切り出された信号光の周波数帯域より短
波長側に定めることを特徴とする。

【００１６】また、請求項６に記載の発明は、請求項１
に記載の発明において、前記電気スペクトラムアナライ
ザの検出帯域幅をＦ_０、波長可変フィルタで切り出され
た周波数帯域の中心周波数をｆ_ｃとしたとき、局部発振
光の周波数ｆ_０を以下の（式３）又は（式４）

【００１７】

【数２】

【００１８】で定めることを特徴とする。

【００１９】つまり本発明は、信号光を局部発振光でヘ
テロダイン検波し、その中間周波数である差周波成分の
プロファイルを、電気スペクトラムアナライザを用いて
ビート信号として検出することにより、信号光のスペク
トルを求める光スペクトラムアナライザを提供すること
である。ここでヘテロダイン方式とは、信号光を局部発
振光と混合して中間周波数に変換することを示す。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施例について説明する。図３は、本発明の光スペクトラ
ムアナライザの構成図で、図２と異なる点は、前段に波
長フィルタ１６を設けた点で、望みの帯域を波長分割し
て検出する方法を用いている。なお、図２と同じ機能を
有する構成については、同一の符号を付してある。分割
された様子を図４（ａ），（ｂ）に示す。図４（ａ）は
図４（ｂ）の部分拡大図である。ここでは、図４（ｂ）
に示したように、Ｆ_１〜Ｆ_７のブロックに分割されてい
る。波長可変フィルタとしては、通信波長帯で透明なフ
ィルタであれば何でもいいが、ポリマＡＷＧや誘電体多
層膜を用いたフィルタが望ましい。

【００２１】各帯域の幅は、受信器の帯域より狭く設定
した。また、各帯域で、異なる波長の参照信号が必要と
なるために、局部発振光として波長可変レーザを用い
た。ヘテロダイン方式では、変換される中間周波数は｜
ｆ_１−ｆ_０｜となるため、上述したように、ｆ_１−
ｆ_０，ｆ_０−ｆ_１の区別がつかない。そこで、図４
（ａ）に示すように、前段に設けた波長フィルタによ
り、長波長側に波長可変レーザの発振周波数がくるよう
に設定し、観測される周波数は波長可変レーザの発振周
波数より必ず低い周波数になるようにした。こうして得
られた信号波形を電気のスペクトラムアナライザで求め
た。

【００２２】以上の方式による検出方法による波長分解
能は、用いたレーザの線幅に依存する。外部共振器レー
ザの線幅は１０〜１００ｋＨｚ（市販品で１００ｋＨｚ
程度）が得られるため、波長分解能として０．０００１
ｎｍから０．０００００１ｎｍの極めて高い分解能を有
する光スペクトラムアナライザが実現できる。

【００２３】[実施例１]本発明に係る光スペクトラムア
ナライザの一実施例について説明する。この実施例１で
は、図３における波長可変フィルタとしてポリマ導波路
からなる波長可変フィルタを用いた。この波長可変フィ
ルタは、特開２０００−２３５２００号公報（豊田ら、
「アレイ導波路格子型波長可変フィルタ」、参照）に従
って、帯域幅が６０ＧＨｚとなるように設計されたポリ
マＡＷＧを作製した。この導波路アレイ状に三角形状の
位相シフタ用ヒータ電極を取付け、これに電流を流すこ
とにより、波長可変フィルタとして駆動させた。

【００２４】局部発振器としては、１．５３−１．５８
μｍまで波長可変な光源を用いた。まず、波長フィルタ
を１．５３μｍから＋６０ＧＨｚ（＋０．４８ｎｍ）の
光が透過するように電圧を調整した。次に、局部発振器
の発振周波数を１．５３μｍから＋１００ＧＨｚ（＋
０．８ｎｍ）になるように調整した。最後に、ヘテロダ
イン信号を電気のスペクトラムアナライザを用いて検出
した。同様の手順を以下に示すように繰り返して、望み
の帯域のスペクトルを求めた。すなわち、波長フィルタ
を１．５３μｍ＋０．４８×（ｎ−１）ｎｍから１．５
３μｍ＋０．４８×（ｎ）ｎｍの光が透過するように電
圧を調整した。次に、局部発振器の発振周波数を１．５
３μｍ＋０．８×（ｎ）ｎｍになるように調整した。こ
こで、ｎは１からＮまでの正の数をとる。最後に、出射
されるヘテロダイン信号を電気のスペクトラムアナライ
ザを用いて検出した。

【００２５】[実施例２]この実施例２では、図３におけ
る波長可変フィルタとして波長可変フィルタとして誘電
多層膜からなる波長フィルタを用いた。この波長可変フ
ィルタは、帯域幅が６０ＧＨｚとなるように設計され
た。局部発振器としては、１．５３−１．５８μｍまで
波長可変な光源を用いた。まず、波長フィルタを１．５
３μｍから１．５３μｍ＋６０ＧＨｚ（＋０．４８ｎ
ｍ）の光が透過するように電圧を調整した。次に、局部
発振器の発振周波数を１．５３μｍから１．５３μｍ＋
１００ＧＨｚ（＋０．８ｎｍ）になるように調整した。
最後に、出てくるヘテロダイン信号を電気のスペクトラ
ムアナライザを用いてスペクトルを検出した。同様の手
順を以下に示すように繰り返して、望みの帯域のスペク
トルを求めた。

【００２６】すなわち、波長フィルタを１．５３μｍ＋
０．４８×（ｎ−１）ｎｍから１．５３μｍ＋０．４８
×（ｎ）ｎｍの光が透過するように電圧を調整した。次
に、局部発振器の発振周波数を１．５３μｍ＋０．８×
（ｎ）ｎｍになるように調整した。ここで、ｎは１から
Ｎまでの正の数をとる。最後に、出射されるヘテロダイ
ン信号を電気のスペクトラムアナライザを用いて検出し
た。

【００２７】[実施例３]この実施例３では、上述した実
施例１、２に示した光スペクトラムアナライザの実施例
において、局部発振光を特願２０００−２６３９８３号
（柳川ら、「周波数安定化半導体レーザ装置」）に示さ
れたオフセットロックを含む周波数安定化機能を有する
半導体レーザ装置を用いて構成すると、ヘテロダイン信
号の周波数揺らぎが抑制できる（周波数安定度が向上
し、周波数ジッタが改善される）ため、実施例１、２よ
りさらに安定で高分解能の測定系が実現できる。実施例
１、２における波長分解能は、前述の周波数揺らぎのた
め、高々０．００１ｎｍ程度であるが、この周波数安定
化半導体レーザを導入することにより、２桁の分解能向
上が確認できた。安定化精度を向上させることにより、
さらに２〜３桁の分解能向上が期待できる。

【００２８】上述した各実施例では、一台の高波長分解
能光スペクトラムアナライザを用い、光信号を電気スペ
クトラムアナライザのフォトディテクタが測定可能な帯
域幅に分割することで測定可能波長範囲を拡大する方法
を示した。しかし、これらの方法で測定できるのは、波
長可変フィルタが取り扱うことのできる周波数帯域に限
られる。そこで、さらに広帯域の光信号を測定可能とす
るには、図５に示したように、前段にさらにＡＷＧ型バ
ンドパスフィルタ２０を設け、所定の帯域幅に切り出さ
れた出力光を、Ｎ×１スイッチ２６を用いて光路を切り
替え、その先に高波長分解能光スペクトラムアナライザ
２７を配置した構成とすれば良い。なお、符号２１は入
力導波路、２２は入力スラブ導波路、２３はアレイ導波
路、２４は出力スラブ導波路、２５は出力導波路を示し
ている。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、信
号光と局部発振器で生成した局部発振光を、光混合器で
混合してヘテロダイン信号を生成し、電気スペクトラム
アナライザで検出する光スペクトラムアナライザであっ
て、光混合器の前段に波長可変フィルタを備え、局部発
振器は発振周波数が可変であるので、前段に波長可変フ
ィルタを設けてヘテロダイン方式により検波する極めて
高分解能で有用な分光器を実現することができ、高密度
ＷＤＭ用の測定器として有用な光スペクトラムアナライ
ザを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＡＷＧの模式図である。

【図２】ヘテロダイン方式の光スペクトラムアナライザ
の構成図である。

【図３】本発明の光スペクトラムアナライザの構成図で
ある。

【図４】前段に設けた波長フィルタより長波長側に設け
た波長可変レーザ発振周波数の設定図で、（ａ）は
（ｂ）の部分拡大図である。

【図５】本発明の他の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１ 入力導波路 ２ 入力スラブ導波路 ３ アレイ導波路 ４ 出力スラブ導波路 ５ 出力導波路 １１ 受信信号 １２ 局部発振器 １３ ハーフミラー又はカップラー（光混合器） １４ 受光素子 １５ 電気スペクトラムアナライザ １６ 波長フィルタ ２０ ＡＷＧ型バンドパスフィルタ ２１ 入力導波路 ２２ 入力スラブ導波路 ２３ アレイ導波路 ２４ 出力スラブ導波路 ２５ 出力導波路 ２６ Ｎ×１スイッチ ２７ 高波長分解能光スペクトラムアナライザ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 栗原 隆 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 柳川 勉 東京都新宿区西新宿二丁目１番１号 エ ヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株 式会社内 Ｆターム(参考） 2G020 AA03 BA20 CA12 CB04 CB23 CB42 CC02 CC27 CC47 CD06 CD22 2H048 GA04 GA13 GA21 GA62

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 信号光と局部発振器で生成した局部発振
   光を、光混合器で混合してヘテロダイン信号を生成し、
   電気スペクトラムアナライザで検出する光スペクトラム
   アナライザであって、前記光混合器の前段に波長可変フ
   ィルタを備え、前記局部発振器は発振周波数が可変であ
   ることを特徴とする高波長分解能光スペクトラムアナラ
   イザ。
2. 【請求項２】 前記波長可変フィルタが、ＡＷＧまたは
   誘電体多層膜からなることを特徴とする請求項１に記載
   の高波長分解能光スペクトラムアナライザ。
3. 【請求項３】 前記局部発振器が、オフセットロックを
   含む周波数安定化機能を有する波長可変レーザ又は周波
   数可変レーザであることを特徴とする請求項１又は２に
   記載の高波長分解能光スペクトラムアナライザ。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３いずれかに記載の高波長
   分解能光スペクトラムアナライザを用いた光信号測定方
   法であって、 波長可変フィルタによって信号を切り出す周波数帯域を
   定める第１のステップと、 該第１のステップにより切り出された前記周波数帯域に
   応じて局部発振光の周波数を定める第２のステップと、 前記第１のステップにより切り出された信号光と、前記
   第２のステップによる局部発振光を混合したヘテロダイ
   ン信号を電気スペクトラムアナライザで測定する第３の
   ステップとを備え、 前記各ステップを信号光の測定帯域に渡って繰り返すこ
   とを特徴とする光信号測定方法。
5. 【請求項５】 局部発振光の周波数を、常に切り出され
   た信号光の周波数帯域より長波長側に定めるか、または
   常に切り出された信号光の周波数帯域より短波長側に定
   めることを特徴とする請求項４に記載の光信号測定方
   法。
6. 【請求項６】 前記電気スペクトラムアナライザの検出
   帯域幅をＦ_０、波長可変フィルタで切り出された周波数
   帯域の中心周波数をｆ_ｃとしたとき、局部発振光の周波
   数ｆ_０を以下の（式１）又は（式２） 【数１】 で定めることを特徴とする請求項４に記載の光信号測定
   方法。