JP2005172832A - 種々の位相のコヒーレント光スペクトラムアナライザを使用したスペクトル位相の測定 - Google Patents

Abstract

【課題】複素光スペクトル分析のシステムと方法の提供。
【解決手段】本発明は光スペクトラムアナライザを提供する。光スペクトラムアナライザ(100)は、局部発振器光信号(110)と未知の光信号(120)とを受信する受信器(130)を含む。受信器(130)は異なる位相の3つ以上のヘテロダイン信号を出力する。異なる位相の信号は直角位相発生器(140)に結合される。直角位相発生器(140)は、互いに対して90°位相がずれている第1と第2の直角位相信号を生成する。第1と第2の直角位相信号は複素信号発生器(150)に結合される。複素信号発生器(150)は、正と負の画像を有する複素信号を発生する。測定処理ユニット(160)は、複素信号の正と負の画像の位相の相対的な差から未知の光信号の位相を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、光スペクトル分析に関し、より詳細には、光スペクトル位相測定に関する。

高解像度光学分光計は、未知の信号のスペクトル特性を観察するために使用される。一部の高解像度光学分光計は、コヒーレント光スペクトル分析の原理に基づいたヘテロダインアーキテクチャを実施し、非常に細かい測定分解能を達成している（コヒーレント光スペクトラムアナライザとしても知られる）。このヘテロダインアーキテクチャに従って、現在のコヒーレント光スペクトラムアナライザは、２×２光カプラを使用して、未知の信号を局部発振器信号と組み合わせる。局部発振器信号は、既知の周波数で発振するように設定されるか、又は周波数の範囲にわたって掃引される。光ダイオードなどの非線形の検出器を介してカプラの２つの出力が検出され、結果としての電気信号は、一方から別の方を減算して所望のヘテロダイン信号を分離する。ここから、未知の信号のスペクトル特性を得ることができる。

コヒーレント光スペクトラムアナライザを使用した測定を行なうために、未知の信号との混合によるヘテロダイン信号を取得する間、局部発振器信号は異なる波長にわたって掃引される。残念ながら、２×２光カプラに基づいた現在の受信器アーキテクチャでは、ヘテロダイン信号の精密な位相を測定することができない。

ヘテロダイン信号の位相測定に伴う問題は、シヌソイド関数の基本的な位相の曖昧さから生じる。典型的には、上述のようなヘテロダイン信号は、次のような一般的な形態を有する。即ち、
Ｈ（ｔ）＝Ｖ（ｔ）cos（Δωｔ＋Δφ（ｔ）） （１）

式１に示すように、Δωは局部発振器と未知の信号との間の周波数差を表わし、Δφ（ｔ）は、ヘテロダインビート信号の相対位相を表わす。２つの未知数（Ｖ（ｔ）とΔφ（ｔ））があるので、Ｈ（ｔ）を一回だけ測定しても、所望のヘテロダイン位相であるΔφ（ｔ）を解くことはできない。

従って、従来の光スペクトラムアナライザは、Δφ（ｔ）を無視してＶ（ｔ）を測定しようと試みた。しかしながら、ヘテロダイン信号の位相は走査の全体にわたって変わり、並びに走査毎にも変わるので、Ｖ（ｔ）のスペクトル測定に振幅の不確実性が導入される。さらに、ヘテロダイン信号の位相を観測することができないので、受信器は正のヘテロダインビート周波数にも負のヘテロダインビート周波数にも同様に敏感になる。従って、帯域通過受信器の使用によって位相の不確実性を低減しようとすると、デバイスの最終的な分解能を制限するスペクトル画像が生成されてしまう。

本発明による実施形態は、複素光スペクトル分析のシステム及び方法を提供する。本システムは、光受信器、直角位相発生器、複素信号発生器、測定処理ユニット、及びディスプレイユニットを含む。光受信器は、第１の局部発振器光信号と未知の光信号を受信する。直角位相発生器は、光受信器と複素信号発生器との間に結合される。測定処理ユニットは、複素信号発生器とディスプレイユニットとの間に結合される。ディスプレイユニットは、未知の光信号の測定された位相と振幅特性を出力する。

光スペクトル分析の方法は、局部発振器光信号と未知の光信号を受信することを含む。
局部発振器光信号と未知の光信号の関数として、位相が異なる３つ又はそれより多いヘテロダイン光信号が生成される。位相が異なる３つ又はそれより多いヘテロダイン信号の関数として、第１の直角位相信号と第２の直角位相信号が生成される。第１の直角位相信号と第２の直角位相信号の関数として、複素信号が生成される。複素信号から未知の光信号の位相と振幅を求める。

本発明によれば、複素光スペクトル分析のシステムと方法が提供される。本システムと方法において、種々の位相のコヒーレント光信号を生成し、それらから複素信号を求める。複素信号の正の画像と負の画像を利用して、位相と振幅の測定に関する改善された精度および確実性を達成することが可能になる。さらに、未知の光信号のスペクトル特性の完全な記述を、測定されたスペクトルの振幅と位相の関数として求めることも可能になる。

本発明による実施形態は、一例として示され、制限として示されていない。添付図面の図において、同様の参照符号は、同様の要素を示す。

次に、本発明による実施形態を詳細に説明する。本発明の実施形態の例は、添付図面に示される。本発明による種々の実施形態について説明するが、本発明をこれらの実施形態に制限することを意図するものではないことを理解されたい。それどころか、本発明は、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の思想と範囲の中に含まれ得る代替案、修正案、及び等価物を包含することが意図されている。さらに、以下の本発明による実施形態の詳細な説明では、本発明による種々の実施形態の完全な理解を提供するために、多くの特定の細部が説明されている。しかしながら、これらの特定の細部がなくても本発明による実施形態を実施できることを理解されたい。また、本発明による実施形態の態様を不必要に不明瞭にしないように、よく知られた方法、手順、構成要素、及び回路は、詳細に説明されていない。

本発明による実施形態はスペクトル分析のシステム及び方法を提供する。本システムと方法では、種々の位相のコヒーレント光信号を生成し、それらから複素信号を求める。複素信号の正の画像（image：イメージ、像）と負の画像を利用して、位相と振幅の測定に関する改善された精度および確実性を達成する。さらに、未知の光信号のスペクトル特性の完全な記述を、測定されたスペクトルの振幅と位相の関数として求めることもできる。

図１を参照すると、本発明による一実施形態における光スペクトラムアナライザ１００のブロック図が示される。図１に示されるように、光スペクトラムアナライザ１００は、受信器１３０、直角位相発生器１４０、複素信号発生器１５０、測定処理ユニット１６０、及びディスプレイユニット１７０を含む。受信器１３０は直角位相発生器１４０に結合される。直角位相発生器１４０は複素信号発生器１５０に結合される。複素信号発生器１５０は測定処理ユニット１６０に結合される。測定処理ユニット１６０はディスプレイユニット１７０に結合される。

受信器１３０は、第１の入力において局部発振器光信号１１０を受信し、第２の入力において未知の光信号１２０を受信する。本発明による一実施形態において、局部発振器光信号１１０は、周波数調整可能な光源によって提供される。本発明による一実施形態において、局部発振器信号１１０は連続的に掃引される。本発明による一実施形態において、未知の光信号１２０は、試験中の装置、光ネットワークなどから受信される。

受信器１３０は、種々の位相の３つ又はそれより多いヘテロダイン信号（例えば、Ｈ１、Ｈ２、及びＨ３）を、受信した局部発振器光信号１１０と未知の光信号１２０の関数として生成する。信号Ｍ１、Ｍ２、及びＭ３は、他の可能な項に加えてそれぞれＨ１、Ｈ２、及びＨ３を含むことを理解されたい。本発明による一実施形態において、受信器１３０は１２０度位相が異なる３つのヘテロダイン信号Ｈ１、Ｈ２、及びＨ３を生成する。より具体的には、ヘテロダイン信号ＨｌとＨ２、Ｈ２とＨ３、Ｈ３とＨｌは、互いに１２０度だけ位相が異なる。本発明による別の実施形態では、受信器１３０は９０度位相が異なる４つのヘテロダイン信号（例えば、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、及びＨ４）を生成する。より具体的には、各ヘテロダイン信号は、位相の隣接するヘテロダイン信号に対して９０度だけ位相が異なる。

本発明による一実施形態において、直角位相発生器１４０は、Ｍｌ、Ｍ２、及びＭ３の中にそれぞれ含まれる、異なる位相のヘテロダイン光信号Ｈ１、Ｈ２、及びＨ３を受信する。直角位相信号発生器１４０は、異なる位相のヘテロダイン信号Ｈｌ、Ｈ２、及びＨ３を含む混合信号Ｍ１、Ｍ２、及びＭ３の関数として１対の直角位相信号ＩとＱを生成する。一実施形態では、直角位相信号ＩとＱは、それぞれ式４と式５によって与えられる。

複素信号発生器１５０は直角位相信号ＩとＱを受信する。複素信号発生器１５０は、直角位相信号ＩとＱの関数として複素信号Ｓを生成する。複素信号Ｓは式６によって与えられる。

上式でＳ_ｏは振幅、φ_ｏは位相である。

測定処理ユニット１６０は複素信号Ｓを受信する。測定処理ユニット１６０は、複素信号Ｓの正の画像と負の画像を求める。また、測定処理ユニット１６０は、複素信号Ｓの正の画像と負の画像の関数として、未知の光信号１２０の１つ又は複数のスペクトル特性も測定する。未知の光信号１２０のスペクトル特性の測定には、振幅、位相、チャープ、色分散、偏波モード分散などが含まれ得る。さらに、振幅と位相の測定情報を使用して、未知の光信号１２０の時間領域記述を確認し、光スペクトラムアナライザ１００が時間領域範囲と直接的に比較され得る測定を行うことを可能にする。ディスプレイユニット１７０は、未知の光信号１２０の位相および／または振幅を表すディスプレイ信号を生成し、ユーザにグラフィカルに示す。

図２を参照すると、本発明による一実施形態における光スペクトラムアナライザ２００のブロック図が示される。図２に示されるように、光スペクトラムアナライザ２００は、光カプラ２２０、光検出器２２５、減算ユニット２３０、変換ユニット２４０、複素信号発生ユニット２４５、複素フィルタ２５０、測定処理ユニット２５５、及びディスプレイユニット２６０を含む。

光カプラ２２０は、第１の入力で局部発振器光信号２１０を受信し、第２の入力で未知の光信号２１５を受信する。本発明による一実施形態において、局部発振器光信号２１０は、外部キャビティ型のチューナブルレーザダイオードなどのレーザ源によって提供される。本発明による一実施形態において、未知の光信号２１５は、試験中の装置、光ネットワークなどから受信される。

光カプラ２２０は、局部発振器光信号２１０と未知の光信号２１５とを組み合わせて、異なる位相の３つ又はそれより多い組み合わされた光信号Ｃｌ、Ｃ２、及びＣ３を生成する。光検出器２２５は、組み合わされた光信号Ｃｌ、Ｃ２、及びＣ３を受信する。光検出器２２５は、非線形検出器（例えば、光ダイオード）を利用して、組み合わされた光信号Ｃｌ、Ｃ２、及びＣ３を異なる位相の混合信号Ｍ１、Ｍ２、及びＭ３に変換する。非線形検出器によって、未知の光信号２１５と局部発振器光信号２１０が混合されることが可能になる。異なる位相の混合信号Ｍ１、Ｍ２、及びＭ３は、異なる位相のヘテロダイン光信号とノイズ成分からなる（例えば、Ｍｌ＝Ｈｌ＋Ｎ、Ｍ２＝Ｈ２＋Ｎ、Ｍ３＝Ｈ３＋Ｎ）。ノイズ成分は、レーザ源、試験中の装置、光ネットワーク、光カプラ、光検出器、光検出デバイス、増幅器などによって生成されたノイズを表わす。

次に図３を参照すると、本発明による一実施形態における、光カプラ３３０と光検出器３４０のブロック図が示される。図３に示されるように、光カプラ３３０は局部発振器光信号３１０と未知の光信号３２０を受信して、異なる位相の３つ又はそれより多い組み合わされた光信号Ｃｌ、Ｃ２、及びＣ３を生成する。

本発明による一実施形態において、光カプラ３３０は、３つの光入力および３つの光出力を有する３×３光カプラからなる。３×３カプラの第１の入力は、局部発振器光信号３１０に結合される。３×３カプラの第２の入力は、未知の光信号３２０に結合される。第３の入力は接続されず、どの信号も受信しない。２つの光入力だけを利用するので、第３の入力は必要ではないことを理解されたい。本発明による一実施形態において、光カプラ３３０は、光ファイバカプラである。

光カプラ３３０は、局部発振器光信号３１０と未知の光信号３２０の各々の一部を、各光出力に分配する。従って、３×３カプラの３つの出力は、種々の位相の組み合わされた３つの光信号Ｃｌ、Ｃ２、及びＣ３をそれぞれ提供する。分配される信号の部分は、光カプラ３３０の分割比率に依存する。本発明による一実施形態において、３×３光カプラ３３０は、各光出力に対して３分の１の分割比率を有する、バランスのとれた光カプラである。しかしながら、光カプラ３３０は、例えば、以下に限定しないが、２５／２５／５０の分割比率などの異なる分割比率を有していてもよいことを理解されたい。この場合、増幅器３４６、３５１、及び３５６の相対的な応答を調節して、種々の受信器チャネル間の不均衡を補償することができる。

本出願の目的のために、３×３光カプラを含む、本発明による実施形態について説明する。しかしながら、当業者であれば、異なる光カプラを使用して、本発明による種々の実施形態を実施するための態様が理解されるであろう。本発明による一実施形態において、４×４光カプラを利用する。本発明による別の実施形態では、一連の２×２光カプラを利用する。

光検出器３４０は、複数の検出器（光検出デバイス）３４５、３５０、３５５、及び関連する増幅器３４６、３５１、３５６を含む。各光検出デバイス３４５、３５０、３５５及び増幅器３４６、３５１、３５６は、それぞれ検出されて組み合わされた信号（例えば、それぞれＣｌ、Ｃ２、及びＣ３）の関数として混合信号（例えば、Ｍｌ、Ｍ２、及びＭ３）を生成する。種々の位相の混合信号Ｍｌ、Ｍ２、及びＭ３はそれぞれ、種々の位相のヘテロダイン信号Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、及びノイズ成分を含むことを理解されたい。種々の位相のヘテロダイン信号Ｈ１、Ｈ２、及びＨ３は、信号記述の複素空間（実数と虚数）に広がる。

本発明による一実施形態において、光検出デバイス３４５、３５０、及び３５５は、光ダイオードである。しかしながら、光検出デバイス３４５、３５０、及び３５５のために任意の二乗検波装置を利用できることを理解されたい。各光ダイオード３４５、３５０、及び３５５は、組み合わされた光信号の強度に比例する光電流を生成する。従って、種々の位相の混合信号Ｍｌ、Ｍ２、及びＭ３はそれぞれ、式７、式８、式９によって与えられる。

上式で、Ｐ_ＬＯは、局部発振器光信号３１０のパワー（例えば、強度）を表し、Ｐ_{ｕｎｋｎｏｗｎ}は未知の光信号３２０のパワー（例えば、強度）を表わす。Δωは、局部発振器光信号３１０と未知の光信号３２０との間の周波数の差を表わし、Δφは、局部発振器光信号３１０と未知の光信号３２０との間の位相の差を表わす。以下の式（１０）〜式（１２）に示すように、Ｍ１、Ｍ２、及びＭ３のヘテロダイン成分は、Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３と同一であることが理解されよう。

次に図４を参照すると、本発明による一実施形態における、種々の位相のヘテロダイン信号Ｈｌ、Ｈ２、及びＨ３の相対位相の例示的なグラフ４００が示される。図４に示されるように、ヘテロダイン信号Ｈ１とＨ２、Ｈ２とＨ３、Ｈ３とＨｌは、互いに１２０度ずつ位相が異なる。

図２を再び参照すると、種々の位相の混合信号Ｍｌ、Ｍ２、及びＭ３は、減算ユニット２３０によって受信される。減算ユニット２３０は、混合された電気信号Ｍ１、Ｍ２、及びＭ３の関数として、２つの差分信号Ｈ４とＨ５を生成する。減算プロセスは、混合信号Ｍ１、Ｍ２、及びＭ３の不必要な非ヘテロダイン部分（例えば、ノイズ成分）を除去し、これによって、種々の位相のヘテロダイン信号Ｈｌ、Ｈ２、及びＨ３を効果的に分離する。差分信号Ｈ４とＨ５は、変換ユニット２４０によって受信される。変換ユニット２４０は、差分信号Ｈ４とＨ５の関数として、直角位相信号ＩとＱとを生成する。

次に図５を参照すると、本発明による一実施形態における、減算ユニット５１０と変換ユニット５３０のブロック図が示される。図５に示されるように、減算ユニット５１０は差分加算回路５４０と５４５を含む。本発明による一実施形態において、種々の位相の混合信号Ｍ１とＭ２との間の差と、混合信号Ｍ３とＭ２との間の差を求める。任意の混合信号Ｍ１、Ｍ２、及びＭ３は、減数（例えば、「コモンモード」チャネル）として使用され得ることを理解されたい。

差分加算回路５４０では、式１３に従ってＭ１からＭ２を引くことによって第１の差分信号Ｈ４を得る。

同様に、差分加算回路５４５では、式１４に従って、Ｍ２からＭ３を引くことによって第２の差分信号Ｈ５を得る。

この場合、Ｐ_ＬＯは局部発振器光信号のパワーを表し、Ｐ_{ｕｎｋｎｏｗｎ}は未知の光信号のパワーを表し、Δωは局部発振器光信号と未知の光信号との間の周波数の差を表し、Δφは局部発振器光信号と未知の光信号との間の位相差を表わす。

本発明による一実施形態において、減算ユニット５１０はアナログ回路として実施される。本発明による別の実施形態では、種々の位相の混合信号（例えば、Ｍ１、Ｍ２、及びＭ３）をデジタル化する。減算ユニット５１０は、コンピュータ読み取り可能な媒体に常駐するソフトウェアコードとして実施される。ソフトウェアコードはプロセッサによって実行され、これによって、デジタル化された種々の位相の混合信号Ｍ１、Ｍ２、及びＭ３が受信され、差分信号Ｈ４とＨ５がそこから生成される。

変換ユニット５３０は差分信号Ｈ４とＨ５を受信する。変換ユニット５３０が動作して、１２０度だけ異なる差分信号Ｈ４とＨ５を、９０度だけ異なる２つの直角位相信号ＩとＱに変換する。式１５に示されるように、直角位相信号Ｉは、差分加算回路５６０でＨ４からＨ５を引くことによって求められる。即ち、
Ｉ＝Ｈ４−Ｈ５ （１５）
式１３と式１４からそれぞれ、Ｈ４とＨ５の項に代入すると、直交信号Ｉは式１６によって与えられる。即ち、
Ｉ＝Ｈ１−２・Ｈ２＋Ｈ３ （１６）

直角位相信号Ｑは、式１７に従って、加算回路５６５でＨ４とＨ５を加えて、係数回路５７０でこの合計に√３を掛けることによって求められる。

式１８に従って、式１３及び式１４からそれぞれＨ４とＨ５に項を代入することによって、直角位相信号Ｑが与えられる。

本発明による一実施形態において、変換ユニット５３０はアナログ回路として実施される。本発明による別の実施形態では、差分信号Ｈ４とＨ５はデジタル信号である。変換ユニット５３０は、コンピュータ読み取り可能な媒体に常駐するソフトウェアコードとして実施される。ソフトウェアコードはプロセッサによって実行され、これによって差分信号Ｈ４とＨ５が受信され、信号ＩとＱがそこから生成される。

本発明による特定の実施形態では、変換ユニット５３０が必要ではないことを理解されたい。例えば、４×４光カプラを利用する場合、種々の位相のヘテロダイン信号は９０度の倍数だけ互いに異なる。

次に図６を参照すると、本発明による一実施形態における、直角位相信号ＩとＱの相対位相の例示的なグラフが示される。図６に示されるように、減算ユニットと変換ユニットにより生成された直角位相信号ＩとＱは、位相が９０度異なるが、振幅が同じである。

図２を再び参照すると、複素信号発生器２４５は、直角位相信号Ｉ（例えば、実数項）とＱ（例えば、虚数項）を変換ユニット２４０から受け取る。複素信号発生器２４５は、複素信号Ｓを直角位相信号ＩとＱの関数として生成する。複素信号は式１９によって与えられる。即ち、
Ｓ＝Ｉ＋ｉ・Ｑ＝Ｓ_＋＋Ｓ₋ （１９）
上式で、Ｓ_＋とＳ₋は、複素信号Ｓの、正の周波数または画像と、負の周波数または画像とをそれぞれ表わす。正の画像Ｓ_＋と負の画像Ｓ₋は、式２０と式２１によってそれぞれ与えられる。

複素信号Ｓは複素フィルタ２５０によって受信される。複素フィルタ２５０は、複素信号Ｓの正の画像成分Ｓ_＋と負の画像成分Ｓ₋を個別にフィルタリングして除去する。正の画像成分Ｓ_＋と負の画像成分Ｓ₋は各々、それぞれ正の画像と負の画像の振幅と位相を指定する。さらに、Ｓ_＋成分とＳ₋成分の位相差は、局部発振器光信号と未知の光信号の位相ノイズの影響を受けない。

測定処理ユニット２５５は、複素信号Ｓの正の画像成分Ｓ_＋と負の画像成分Ｓ₋を受け取る。測定処理ユニット２５５は正の画像成分Ｓ_＋と負の画像成分Ｓ₋を位相比較して、その相対的な位相差を求める。局部発振器信号２１０が未知の光信号２１５の周波数スペクトルにわたって掃引される際に、相対的な位相差を利用して、未知の光信号２１５のスペクトル位相特性を求めることができる。また、測定処理ユニット２５５は、振幅、チャープ、色分散、及び偏波モード分散など、未知の光信号２１５の１つ又は複数の追加のスペクトル特性を測定することもできる。例えば、スペクトル振幅特性は、複素信号の正の画像Ｓ_＋と複素信号の負の画像Ｓ₋の振幅の関数として、又は複素信号の正の画像Ｓ_＋と負の画像Ｓ₋の平均として求められ得る。

さらに、スペクトルの振幅と位相の特性を利用して、未知の光信号２１５の時間領域記述を確認することができる。従って、光スペクトラムアナライザ２００は、時間領域範囲によって行われた測定と比較され得る測定を行うことができる。

ディスプレイユニット２６０は、１つ又は複数の測定されたスペクトル特性を表す、１つ又は複数のディスプレイ信号を生成する。ディスプレイユニットは、測定のグラフィックな表現をユーザへ提供する。

次に図７を参照すると、本発明による一実施形態における、例示的な未知の光信号７１０のグラフが示される。図７に示されるように、局部発振器信号７２０は、未知の光信号７１０の帯域幅にわたって掃引される。局部発振器信号７２０の各波長（例えば、周波数）において、複素信号Ｓ（例えば、ビート周波数）の正の画像７３０と負の画像７４０がそれぞれ、サンプリングされる。従って、正の画像と負の画像（７３０、７４０）の位相を比較して、未知の信号の２つのスペクトル成分（７３０、７４０）の相対的な位相を求めることができる。

次に図８を参照すると、本発明による一実施形態における、光スペクトル分析を行なう方法のフロー図が示される。図８のブロック８１０に示されるように、局部発振器光信号が受信される。本発明による一実施形態において、局部発振器信号は既知の周波数で振動する。本発明による別の実施形態では、局部発振器信号は、周波数範囲にわたって掃引する。

ブロック８２０では、未知の光信号が受信される。本発明による一実施形態において、未知の光信号は、試験中の装置、光ネットワークなどからの信号である。

ブロック８３０では、種々の位相の３つ又はそれより多いヘテロダイン信号が、受信された局部発振器信号と未知の光信号の関数として生成される。本発明による一実施形態において、種々の位相の３つ又はそれより多いヘテロダイン信号を生成することは、局部発振器光信号と未知の光信号とを組み合わせ、及び分割して、種々の位相の３つ又はそれより多い混合信号を形成することを含む。種々の位相の各混合信号は、対応する種々の位相のヘテロダイン信号とノイズ成分を含む。本発明による一実施形態において、１２０度位相が異なる３つの混合信号（例えば、Ｍ１、Ｍ２、及びＭ３）は、局部発振器信号に結合された第１の入力と、未知の光信号に結合された第２の入力とを有し、３×３光カプラの各々の出力に結合された光検出デバイスと増幅器を有する３×３光カプラを含む受信器によって生成される。

ブロック８４０では、１対の直角位相信号（例えば、ＩとＱ）が、種々の位相の３つ又はそれより多いヘテロダイン信号の関数として生成される。本発明による一実施形態において、１対の直角位相信号を生成することは、第１と第２の差分信号を、種々の位相の３つ又はそれより多い混合信号の関数として生成することを含む。その後、第１と第２の差分信号から１対の直角位相信号が生成される。

ブロック８５０では、複素信号（例えば、Ｓ）が、１対の直角位相信号の関数として生成される。複素信号は正の画像成分と負の画像成分とを有する。

ブロック８６０では、未知の光信号の１つ又は複数のスペクトル特性（例えば、位相、振幅）が複素信号から求められる。本発明による一実施形態において、未知の信号の位相特性は、正の画像成分と負の画像成分との間の位相差の関数として求められる。本発明による別の実施形態では、未知の信号の振幅特性は、負の画像成分の振幅の関数、正の画像成分の振幅の関数、又は正の画像成分と負の画像成分の平均として求められる。さらに複素スペクトル（位相と振幅）を求めることにより、チャープ及び分散などの特性が複素信号から求められる。

次に図９を参照すると、本発明による一実施形態における、未知の光信号９１０の周波数領域表現の例示的なグラフが示される。図９に示されるように、未知の光信号９１０の周波数領域表現は複数の側波帯を含む。正と負の周波数ヘテロダイン画像成分９３０と９２０を含む局部発振器信号９１５の周波数領域も示される。正と負の画像成分は、局部発振器信号９１５の光周波数に、複素フィルタの中心周波数と等しい量をプラス又はマイナスした位置にある。局部発振器信号９１５が未知の光信号９１０の側波帯（例えば、スペクトル）にわたって掃引される際、局部発振器信号９１５が未知の光信号９１０の２つの側波帯の間にある時、フィルタを適切に選択することにより、複素信号の非ゼロの正の画像と負の画像（隣接する側波帯に対応する）が同時に測定される。一実施形態では、未知の信号の中の側波帯の周波数間隔の半分に対応する複素フィルタを選択する。従って、未知の光信号９１０の複素スペクトル（例えば、振幅と位相）を求めることができる。さらに、チャープ、分散などの完全な周波数領域記述を求めることができる。本発明による実施形態は、バンドパスフィルタ及び対応する電子回路の帯域幅によって制限される、変調された未知の信号の複素スペクトルを測定する能力を提供する。

次に図１０を参照すると、本発明による別の実施形態における受信器１０００のブロック図が示される。図１０に示されるように、受信器１０００は、変調器１０３０、光カプラ１０４０、及び光検出器１０５０を含む。

変調器１０３０は局部発振器光信号１０２０を変調する。一実施形態では、変調器１０３０は、局部発振器信号１０２０の位相を変調する。光カプラ１０４０は、第１の入力で未知の光信号１０１０を受信し、変調された局部発振器光信号１０２０を第２の入力で受信する。本発明による一実施形態において、局部発振器光信号１０２０は、外部キャビティ型のチューナブルレーザダイオードなどのレーザ源によって提供される。本発明による一実施形態において、未知の光信号１０１０は、試験中の装置、光ネットワークなどから受け取られる。光信号１０１０は、データ変調と一貫性のあるスペクトル側波帯を有することを理解されたい。これらの側波帯の振幅と位相を測定することが望ましい。

光カプラ１０４０は、変調された局部発振器光信号１０２０と未知の光信号１０１０を組み合わせて分割し、変調された種々の位相の３つまたはそれより多い組み合わされた光信号Ｃ１、Ｃ２、及びＣ３を生成する。光検出器１０５０は、組み合わされた光信号Ｃ１、Ｃ２、及びＣ３を受信する。光検出器１０５０は、組み合わされた光信号Ｃ１、Ｃ２、及びＣ３を、変調された種々の位相の混合信号Ｍｌ、Ｍ２、及びＭ３に変換する。

変調された種々の位相の混合信号Ｍ１、Ｍ２、及びＭ３は、本発明による上述の実施形態に従って処理され得る。図１１に示されるように、変調された局部発振器信号は、多数の側波帯によって特徴づけられることを理解されたい。従って、複素フィルタの分離周波数と局部発振器（１０２０）の変調周波数（１０３０）を適正に選択することにより、未知の信号の側波帯間隔が受信器の電子回路の帯域幅を超えている場合に、未知の信号の種々の側波帯間の位相差を求めるが可能になる。

次に図１１を参照すると、本発明による一実施形態における、未知の光信号１１１０から１１１４の周波数領域表現の例示的なグラフが示される。図１１に示されるように、未知の光信号１１１０から１１１４の周波数領域表現は、帯域１１１１と１１１２を含む複数の側波帯を含む。また、優勢な正および負の側波帯成分１１２１、１１２２を含む、変調された局部発振器信号１１２０の周波数領域も示される。正と負の側波帯成分１１２１、１１２２は、局部発振器信号１１２０の光周波数に、局部発振器変調器の周波数と等しい量をプラス又はマイナスした位置にある。信号側波帯１１１１と局部発振器側波帯１１２１がビートを生じて負の画像を与える一方で、信号側波帯１１１２と局部発振器側波帯１１２２がビートを生じて正の画像を与える。従って、適切な周波数で局部発振器を変調し、かつ複素フィルタを適正に選択することにより、信号の側波帯間隔が受信器の電子回路の帯域幅能力を超えていても、信号の側波帯の相対位相を測定することができる。局部発振器信号１１２０が未知の光信号１１１０から１１１４の側波帯（例えば、スペクトル）にわたって掃引される際に、局部発振器信号１１２０が未知の光信号１１１０から１１１４の２つの側波帯の間にあり、複素フィルタと局部発振器変調周波数を適正に選択することにより、複素信号の非ゼロの正の画像と負の画像（信号の隣接する側波帯に対応する）は同時に測定される。一実施形態では、複素フィルタは、信号側波帯１１１１と局部発振器側波帯１１２１の周波数差に対応するように選択される。この周波数差が受信器の電子回路の帯域幅内にあるように、局部発振器の変調周波数を適宜に選択する。従って、未知の光信号１１１０から１１１４の複素スペクトル（例えば、振幅と位相）を求めることができる。さらに、チャープ、分散などの完全な周波数領域記述を求めることができる。本発明による実施形態は、変調された未知の信号の複素スペクトルを測定する能力を拡張し、複素フィルタ、及び対応する電子回路の帯域幅によってもはや制限されない。

次に図１２を参照すると、本発明による一実施形態における受信器１２００のブロック図が示される。図１２に示されるように、受信器１２００は、偏光スプリッタ１２２０、複数の光カプラ１２２５、１２３０、１２３５、及び複数の光検出器１２４０、１２４５を含む。

偏光スプリッタ１２２０は未知の光信号１２１０を受信する。偏光スプリッタ１２２０は、第１の偏光された未知の光信号Ｐ１と第２の偏光された未知の光信号Ｐ２を、未知の光信号の関数として生成する。本発明による一実施形態において、Ｐ１の偏光状態はＰ２の偏光状態に対して直交する。未知の光信号１２１０は、試験中の装置、光ネットワークなどから受信される。

第１の光カプラ１２３０は、第１の入力で局部発振器信号１２１５を受信する。また、第１の光カプラ１２３０は、第１の偏光された未知の光信号Ｐ１を第２の入力で受信する。第１の光カプラ１２３０は、局部発振器光信号１２１５と第１の偏光された未知の光信号Ｐ１とを組み合わせて分割し、それにより種々の位相の組み合わされた光信号の第１の組Ｃ１、Ｃ２、及びＣ３を生成する。第１の光検出器１２４０は、組み合わされた光信号Ｃ１、Ｃ２、及びＣ３を異なる位相の混合信号の第１の組Ｍ１、Ｍ２、及びＭ３に変換する。

第２の光カプラ１２３５は、第１の入力で局部発振器信号１２１５を受信する。また、第２の光カプラ１２３５は、第２の偏光された未知の光信号Ｐ２を第２の入力で受信する。第２の光カプラ１２３５は、局部発振器光信号１２１５と第２の偏光された未知の光信号Ｐ２とを組み合わせて分割し、それにより種々の位相の組み合わされた光信号の第２の組Ｃ１’、Ｃ２’、及びＣ３’を生成する。第２の光検出器１２４５は、組み合わされた光信号Ｃ１’Ｃ２’、及びＣ３’を異なる位相の混合信号の第２の組Ｍ１’Ｍ２’、及びＭ３’に変換する。

本発明による一実施形態において、局部発振器信号１２１５は、第３の光カプラによって、第１の光カプラ１２３０の第１の入力と、第２の光カプラ１２３５の第１の入力とに結合される。局部発振器信号１２１５は、第３の光カプラ１２２５の第１の入力で受信されて分割され、第１と第２の光カプラ１２３０、１２３５に結合される。本発明による一実施形態において、Ｐ１とＰ２の偏光は、光カプラ１２２５からのそれぞれの局部発振器出力と整合される。局部発振器光信号１２１５は、外部キャビティ型のチューナブルレーザダイオードなどのレーザ源によって提供される。

異なる位相の混合信号の第１の組Ｍ１、Ｍ２、及びＭ３と、異なる位相の混合信号の第２の組Ｍ１’、Ｍ２’、及びＭ３’は、種々の偏光の測定値の集合を含むことを理解されたい。従って、異なる位相の混合信号の第１の組Ｍ１、Ｍ２、及びＭ３と、異なる位相の混合信号の第２の組Ｍ１’、Ｍ２’、及びＭ３’は、本発明による上述の実施形態に従って処理され、偏波モード分散などの偏光依存効果を求めることができる。

上記の本発明による特定の実施形態は、例示と説明のために与えられている。それらの実施形態は、網羅的であるように、又は本発明による実施形態を開示されたそのものずばりの形態に限定することを意図していない。上記の教示に鑑みて、多くの修正および変更が可能であることは明らかであろう。本発明による実施形態は、本発明による実施形態の原理とその実用的な用途を最も良く説明し、これによって当業者が本発明と、特定の使用に適した種々の変形例も意図されている本発明による種々の実施形態とを最良に利用することを可能にするように選択されて説明されている。本発明による実施形態の範囲は、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物によって定義されることが意図されている。

本発明による一実施形態における、光スペクトラムアナライザのブロック図である。 本発明による一実施形態における、光スペクトラムアナライザのブロック図である。 本発明による一実施形態における、光カプラと光検出器のブロック図である。 本発明による一実施形態における、種々の位相のヘテロダイン信号Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３の相対位相の例示的なグラフである。 本発明による一実施形態における、減算ユニットと変換ユニットのブロック図である。 本発明による一実施形態における、直角位相信号ＩとＱの相対位相の例示的なグラフである。 本発明による一実施形態における、例示的な未知の光信号のグラフである。 本発明による一実施形態における、光スペクトル分析を行なう方法のフロー図である。 本発明による一実施形態における、未知の光信号の周波数領域表現の例示的なグラフである。 本発明による一実施形態における受信器のブロック図である。 本発明による一実施形態における、変調された未知の光信号の周波数領域表現の例示的なグラフである。 本発明による一実施形態における受信器のブロック図である。

符号の説明

100、200 光スペクトラムアナライザ
110、210、310、1020、1215 局部発振器光信号
120、215、320、1010、1210 未知の光信号
130、1000、1200 受信器
140 直角位相発生器
150 複素信号発生器
160 測定処理ユニット
170 ディスプレイユニット
220、330、1040、1225、1230、1235 光カプラ
225、340、1240、1245 光検出器
250 複素フィルタ
1220 偏光スプリッタ

Claims (7)

1. 光スペクトラムアナライザであって、
   局部発振器光信号（１１０）と未知の光信号（１２０）の関数として、種々の位相の３つ又はそれより多い混合信号を生成するための受信器（１３０）と、
   前記受信器（１３０）に結合され、前記種々の位相の３つ又はそれより多い混合信号の関数として、第１の直角位相信号と第２の直角位相信号とを生成するための直角位相発生器（１４０）と、
   前記直角位相発生器（１４０）に結合され、前記第１の直角位相信号と前記第２の直角位相信号の関数として、複素信号を生成するための複素信号発生器（１５０）と、
   前記複素信号発生器（１５０）に結合され、前記未知の光信号の位相を前記複素信号の関数として求めるための測定処理ユニット（１６０）と、
   前記複素信号発生器（１５０）と前記測定処理ユニット（１６０）との間に結合された複素フィルタ（２５０）であって、前記複素信号の正の画像成分と負の画像成分が、前記複素信号から分離され、前記複素フィルタの分離周波数が、前記未知の光信号内の２つの側波帯を同時に測定できるように選択される、複素フィルタ（２５０）と、及び
   前記測定処理ユニット（１６０）に結合され、前記位相を示すためのディスプレイユニット（１７０）とを備える、光スペクトラムアナライザ。
2. 前記未知の光信号の位相を求めることが、前記複素信号の負の画像成分と正の画像成分との間の位相差を求めることを含む、請求項１に記載の光スペクトラムアナライザ。
3. 前記測定処理ユニット（１６０）がさらに、前記未知の光信号の振幅を前記複素信号の関数として求める、請求項１に記載の光スペクトラムアナライザ。
4. 前記測定処理ユニット（１６０）がさらに、チャープ、色分散、偏波モード分散からなるグループから選択されたスペクトル特性を、前記複素信号の関数として求める、請求項１に記載の光スペクトラムアナライザ。
5. 前記受信器（１３０）が、
   前記局部発振器光信号と前記未知の光信号を組み合わせて分割するためのカプラ（２２０）と、及び
   前記カプラ（２２０）に結合され、前記種々の位相の３つ又はそれより多い混合信号を、前記組み合わされて分割された前記局部発振器光信号と前記未知の光信号の関数として生成するための光検出器（２２５）とを備える、請求項１に記載の光スペクトラムアナライザ。
6. 前記受信器（１３０）が、
   前記局部発振器光信号（１０２０）を受信し、変調された局部発振器光信号を生成するための変調器（１０３０）と、
   前記変調器（１０３０）に結合され、前記変調された局部発振器光信号と前記未知の光信号（１０１０）とを組み合わせて分割するためのカプラ（１０４０）と、及び
   前記カプラ（１０４０）に結合され、前記種々の位相の３つ又はそれより多い混合信号を、前記組み合わされて分割された前記変調された局部発振器光信号と前記未知の光信号の関数として生成するための光検出器（１０５０）とを備える、請求項１に記載の光スペクトラムアナライザ。
7. 前記受信器（１３０）が、
   前記未知の光信号（１２１０）を受信するための偏光スプリッタ（１２２０）であって、第１の偏光された未知の光信号Ｐ１と第２の偏光された未知の光信号Ｐ２が、前記未知の光信号（１２１０）の関数として生成される、偏光スプリッタ（１２２０）と、
   前記偏光スプリッタ（１２２０）に結合され、前記第１の偏光された未知の光信号Ｐ１と前記局部発振器光信号（１２１５）とを受信するための第１の光カプラ（１２３０）と、
   前記第１の光カプラ（１２３０）に結合され、種々の位相の３つ又はそれより多い混合信号の第１の組を出力するための第１の光検出器（１２４０）と、
   前記偏光スプリッタ（１２２０）に結合され、前記第２の偏光された未知の光信号Ｐ２と前記局部発振器光信号（１２１５）とを受信するための第２の光カプラ（１２３５）と、及び
   前記第２の光カプラ（１２３５）に結合され、前記種々の位相の３つ又はそれより多い混合信号の第１の組に対して種々に偏光された種々の位相の３つ又はそれより多い混合信号の第２の組を出力するための第２の光検出器（１２４５）とを備える、請求項１に記載の光スペクトラムアナライザ。

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