JP2005260938A - 光入力信号をスーパーヘテロダイン検波するための方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】 高密度なＤＷＤＭチャネル間のスペクトル特性を測定可能なスーパーヘテロダイン光スペクトルアナライザを実現する。
【解決手段】 スーパーヘテロダイン光アナライザ４００は、光入力信号２３０に対して２つのヘテロダイン変換を行なう。第１のコンバージョンユニット２１０は、第１のヘテロダイン動作によって光入力信号を中間周波数（ＩＦ）光信号に変換し、光検出装置４２１、ＩＦ増幅器４２２、ＩＦフィルタ４２３を介してＩＦ電気信号４２５を生成する。第２のコンバージョンユニット２２０は、高周波数のＩＦ信号を第２のヘテロダイン動作を介して出力電気信号にダウンコンバートし、信号処理装置４７０に出力する。
【選択図】 図４

Description

本発明による種々の実施形態は一般に、光学（光信号）の測定および測定システムに関する。具体的には、本発明による種々の実施形態は光入力信号をスーパーヘテロダイン検波するためのシステムおよび方法に関する。

光ファイバ網に対する帯域幅需要の増加により、ネットワーク設計における光波長チャネルの間隔がより緊密になり、かつ送信ビットレートがより高くなった。これらの光波システムのスペクトル特性は送信性能の指標である。間隔が緊密である高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ）システムでは、従来の回折格子ベースの光スペクトルアナライザと自己相関ベースの光スペクトルアナライザ（ＯＳＡ）では分解能に限度があるため、ＤＷＤＭチャネル間のスペクトル特性を測定する機能が低減される。

従来のＯＳＡの代替として、光ヘテロダイン検波システムを使用して、ＤＷＤＭシステムをモニタリングすることができる。光ヘテロダイン検波システムでは、２つのレーザが異なる光周波数で動作する。この周波数の差は、生成されたヘテロダインビート信号を検出するために使用されるマイクロ波スペクトルアナライザの周波数範囲内である。典型的には、レーザのうちの１つを局部発振器（ＬＯ）と呼ぶ。

図１は、関連技術の光ヘテロダイン検波システム１００を描いた図である。光ヘテロダイン検波システム１００は、入力信号１０２、入力導波管１０４、局部発振器信号１０６、局部発振器導波管１０８、光カプラ１１０、出力導波管１１８、光検出装置１１２、信号処理装置１１６を含む。光ヘテロダイン検波システムの動作原理は、光ヘテロダイン検波の分野でよく知られており、入力信号が局部発振器信号と結合し混合された時に生成されるヘテロダインタームをモニタすることを含む。

しかしシステム１００では、光検出装置１１２から得られたヘテロダインビート信号は、通常は高いスペクトル分解能を提供するために帯域幅が限定されている。この結果、光入力信号および局部発振器信号の相対的な位相のランダムな差により、異なる応答が生じる可能性がある。従って、ヘテロダイン光スペクトルアナライザの振幅精度は位相ノイズによって低下する。さらに、強度ノイズも関連技術のヘテロダイン光スペクトルアナライザに影響を与える問題である。場合によっては、強度ノイズにより測定結果が不正確または使用不可能になってしまう。結果として、ヘテロダイン光スペクトルアナライザの振幅精度は強度ノイズによって低下する。

光信号をスーパーヘテロダイン検波するためのシステムと方法が、本発明によるものである。本システムは、入力信号に対して２つのヘテロダイン変換を行い、強度ノイズによる影響が低減されて処理に適した出力電気信号を生成する光アナライザを含む。

第１の変換では、第１のヘテロダイン動作によって光入力信号を中間周波数（ＩＦ）信号に変換する。より周波数の高いＩＦ信号を選択することにより、強度ノイズの影響が低減する。この結果、第１のヘテロダイン動作においてＩＦ信号を使用することによって、ヘテロダイン画像信号の周波数の分離を増加させ、かつ強度ノイズを低減することができる。この方法では、１つの画像信号が他の画像信号からの干渉なしに分離され測定され、これによって、光学特性を測定するときの分解能が増加する。さらに第２の変換では、高周波数のＩＦ信号を第２のヘテロダイン動作を介して出力電気信号にダウンコンバートしたときに、帯域通過フィルタを介してさらにイメージリジェクションが行われる。この結果得られる出力電気信号は処理に適した信号となる。

本発明による１実施形態では、生成された画像信号間の周波数分離を関連技術の検波方式における周波数分離より広くすることができ、ある画像信号を他の画像信号からの干渉なしに測定し、また、複雑なバランスをとった検波方式を使用せずに測定することができる。さらに、周波数分離が広いので、画像信号のうち１つについて別の光帯域通過フィルタリングを行うことができる。本発明の実施形態は、光入力信号の光学特性を測定する際に、分解能と振幅精度を改善することができる。

本発明の実施形態に関する以下の詳述では、本発明の実施形態についての完全な理解を提供するために多数の特定の詳細を説明する。しかし、これらの特定の詳細なしで本発明の実施形態を実行できることを理解されたい。他の場合は、本発明の実施形態の態様が不必要にあいまいになることのないように、よく知られた方法、プロシージャ、コンポーネント、回路については詳細に説明していない。

従って、本発明の実施形態は、ダブルコンバージョンを行なうスーパーヘテロダイン光アナライザを提供する。すなわち、本発明の実施の形態では、従来技術の検波方式よりも、生成された画像信号間の周波数または波長をより広く分離（例えば数百ピコメータ）できるスーパーヘテロダイン光アナライザを提供する。これは、強度ノイズのパワースペクトルを低くし、ヘテロダインビート信号に対する影響を最小化するように、強度ノイズの効果が低減される中間周波数で作動することにより達成される。これにより、光受信器を１つだけ使用するだけでより高いＳ／Ｎ比を提供することができ、場合によっては、強度ノイズを減ずるために複雑なバランスのとれた検出方式を使用する必要性を無くすことができる。さらに、入力信号が単一レーザからくる場合、画像信号間の周波数分離が広がることにより、ある画像信号を別の画像信号からの干渉を受けずに測定することが可能になる。従って、本発明の実施形態は、光入力信号の光の特性を測定する時、従来の検出システムと比較して、後述するとおり、強度ノイズがより低減され、分解能が改善され、振幅精度が向上したスーパーヘテロダイン光アナライザを提供する。

次の説明では最初に、本発明の実施形態に関する、スーパーヘテロダイン光アナライザのコンポーネントの構成を説明する。各構造を説明したあと、これらの特定の動作について説明する。本発明の実施形態によるスーパーヘテロダイン光アナライザの構造は、プレフィルタ、フィルタ、ヘテロダインミキサ、検出装置、受信器、信号処理装置を含む。さらに、本発明の実施形態によるスーパーヘテロダイン光アナライザのコンポーネントは、プレフィルタリング、フィルタリング、ヘテロダインミキシング、検波、受信、信号処理を含む動作を行う。本発明による一部の実施形態では、スーパーヘテロダイン光アナライザは、スペクトルアナライザの機能を実行する。

本発明の一部の実施形態では、スーパーヘテロダイン光アナライザは入力信号の光学特性を測定するときに、ダブルコンバージョンを行なう。スーパーヘテロダイン光アナライザの基本的なコンポーネントは、第１のヘテロダイン動作を行なう第１のコンバージョンユニット、第２のヘテロダイン動作を行なう第２のコンバージョンユニットを含む。この結果、信号処理に適した出力電気信号が得られる。図２と図３を参照しながらこの実施形態についてさらに説明する。

本発明の他の実施形態では、スーパーヘテロダイン光アナライザは、光ドメインと電子ドメインにおいてダブルコンバージョンを行なう。具体的には、ＬＯ（局部発信）と、入力信号のＬＯ周波数より周波数の低いスペクトル成分と周波数の高いスペクトル成分とを混合し、ついでＩＦ（中間周波）によって分離することによって、第１のヘテロダイン動作を介して２つの画像をヘテロダインビート信号から形成する。単一の光周波数と掃引されたＬＯを含む光入力信号については、これは単一の入力周波数について２つの分離画像を生成することに対応する。ＩＦ信号の周波数は、強度ノイズの影響を低減するように選択する。より高い周波数のＩＦ信号では、画像の周波数分離はより広くなり、画像間で干渉のない測定を提供する。この結果、入力信号の光学特性を測定するときに、分解能が増加する。本発明のこの実施形態は、図４、図５、図６、図７を参照しながら説明する。

さらに別の実施形態では、スーパーヘテロダイン光アナライザは、主に光ドメインでダブルコンバージョンを行なう。スーパーヘテロダイン光アナライザは、光フィルタリングによって、光中間周波数（ＩＦ）における第１のヘテロダイン動作を介してヘテロダインビート信号から形成された２つの可能な画像のうち１つの画像を阻止する機能を有する。本発明のこの実施形態は、図８Ａ、図８Ｂを参照しながら説明する。

さらに別の実施形態では、スーパーヘテロダイン光アナライザは、光ドメインにおいて第１の変換を行い、電子ドメインにおいて第２の変換を行う。スーパーヘテロダイン光アナライザは、光フィルタリングにより、第１のヘテロダイン動作を介してヘテロダインビート信号から形成された２つの可能な画像のうち１つを阻止する機能を有する。電子ドメインにおける第２のコンバージョンでは、複数画像のうち１つの画像は、帯域通過フィルタとイメージリジェクション（ＩＲ）ミキサの効果を組み合わせて阻止される。具体的には、帯域通過フィルタと、第２のコンバージョンを行うマイクロ波画像イメージリジェクション（ＩＲ）ミキサのイメージリジェクション効果を組み合わせて、１対のヘテロダイン画像のうち１つの画像をさらにリジェクトすることが可能である。この結果、入力信号の光学特性を測定する際に振幅精度が高まる。これは以下に説明するとおりである。本発明のこの実施形態は、図１０Ａと図１０Ｂを参照して説明する。

− ダブルコンバージョンを行うスーパーヘテロダイン光アナライザ −
次に図２と図３とを参照すると、以下の説明ではまず、本発明による実施形態に関して、ダブルコンバージョンを行なうスーパーヘテロダイン光アナライザのコンポーネントの構造を説明する。次いで、スーパーヘテロダイン光アナライザの特定の動作について説明する。

− ダブルコンバージョンを行うスーパーヘテロダイン光アナライザの構造 −
図２は、本発明の実施形態による、ダブルコンバージョンを行なうスーパーヘテロダイン光アナライザ２００を示す構成図である。図２は、スーパーヘテロダイン光アナライザ２００の基本的なコンポーネントを示す。スーパーヘテロダイン光アナライザ２００は、第１のコンバージョンユニット２１０と第２のコンバージョンユニット２２０を含む。第１のコンバージョンユニットは、光ドメインまたは電子ドメインのいずれかで第１のヘテロダイン動作を行い、光入力信号２３０を中間周波数（ＩＦ）信号に変換する。

さらに、第１のコンバージョンユニット２１０は、第２のコンバージョンユニット２２０に光学的に、あるいは電気的に結合される。第２のコンバージョンユニット２２０は第２のヘテロダイン動作を行い、ＩＦ電気信号を出力電気信号２４０に変換する。第２のコンバージョンユニット２２０は、出力電気信号２４０を信号処理に適した十分に低い周波数へダウンコンバートする機能を有する。すなわち、出力電気信号の周波数は、それ以上の変換なしで分析することができる周波数である。

従って、スーパーヘテロダイン光アナライザ２００の基本的なコンポーネントは、従来の検出システムで存在する強度ノイズをキャンセルする、複雑なバランスの取れた検出方式を実装せずに、分解能および振幅精度を改善する機能を有する。

− ダブルコンバージョンを行なうスーパーヘテロダイン光アナライザの動作特性 −
次に図３を参照しながら、本発明の図２の実施形態による、光信号をスーパーヘテロダイン検波するための方法を示すフローチャート３００を説明する。すなわち、フローチャート３００に記述された方法は、図２のスーパーヘテロダイン光アナライザ２００の動作特性について記述する。

フローチャート３００中の方法では、まず３１０で、光入力信号について第１のコンバージョンを行い、ＩＦ信号を生成する。ヘテロダインビート信号から生成されたＩＦ信号は、局部発振器信号の周波数が選択されたＩＦだけ光入力信号の周波数より高いとき、あるいは低いときに形成された２つの画像を含む。選択されたＩＦにおける動作は、上述の、光入力信号と局部発振器信号の間のランダム位相に対する依存性を除去することにより、より改善された振幅精度を提供する。この位相関連感度の抑制は位相ダイバーシチと呼ばれる。位相ダイバーシチ問題は低周波ＩＦまたは高周波ＩＦを使用して解決することができる。低周波ＩＦは必ずしも強度ノイズの低減を提供しないが、低周波ＩＦまたは高周波ＩＦのいずれかが振幅精度を改善する。しかし、強度ノイズは依然として低周波ＩＦに対して悪影響を有する。

強度ノイズの悪影響を避けるために、ＩＦ周波数を選択し、生成されたＩＦ信号を、強度ノイズのより少ない強度成分に移動して、強度ノイズ排除性を得る。選択されたＩＦ周波数で動作することによって、強度ノイズの負の効果を低減し、より高いＳ／Ｎ比を達成する。このため、本発明によるいくつかの実施形態で使用されるＩＦ信号中の選択された周波数では、強度ノイズをキャンセルするための、バランスのとれた検波方式は必要ない。

別の利点として、単一の光入力信号の場合には、選択されたＩＦ周波数で動作することによって、ＩＦ信号内のヘテロダインビート信号から生成された画像の光周波数は実質的に十分な差だけ分離され、入力信号の信号測定を改善する。具体的には、本発明の１実施形態では、画像信号間の分離により、ある画像信号を別の画像信号からの干渉を受けずに測定できる。さらに、プレセレクタなどのフィルタリング技術を実装し、望ましくない画像をフィルタリングして除去することができる。

本方法はついでフローチャート３００の３２０に続き、第１のコンバージョンによって生成されたＩＦ信号について第２のコンバージョンを行い、さらに低い電気周波数において出力電気信号を生成する。１つの例では、出力電気信号は信号処理に適した適切な周波数にダウンコンバートされる。

図３のフローチャート３００に示された方法では、光入力信号についてダブルコンバージョンを行なう。したがってこの方法は、入力信号の光学特性を測定するためのスーパーヘテロダイン光アナライザ内で実行される。この結果、本方法は、強度ノイズをキャンセルするためにバランスの取れた検出を使用するなどの複雑な検出方式を実行せずに、分解能を改善し強度ノイズの効果を低減するスーパーヘテロダイン光検波を実行する。具体的には、適切なＩＦ周波数でＩＦ信号を生成することによって、より高いＳ／Ｎ比を達成するので、本発明の一部の実施形態では、バランスのとれた検波方式は不必要である。さらに、フローチャート３００の方法では、これ以上変換せずに処理できる出力電気信号を生成することができる。

− 光ドメインと電子ドメインでダブルコンバージョンを行う
スーパーヘテロダイン光アナライザ −
次にまず図４、図５、図６、図７を参照しながら、本発明の実施形態による、光ドメインと電子ドメインにおいてダブルコンバージョンを行なうスーパーヘテロダイン光アナライザのコンポーネントの構造を説明する。その後、スーパーヘテロダイン光アナライザの特定の動作について説明する。

− 光ドメインと電子ドメインでダブルコンバージョンを行う
スーパーヘテロダイン光アナライザの構造 −
図４には、本発明の１実施形態による、光ドメインと電子ドメインでダブルコンバージョンを行なうスーパーヘテロダイン光アナライザ４００の構成図を示す。スーパーヘテロダイン光アナライザ４００は、図２の第１のコンバージョンユニット２１０と第２のコンバージョンユニット２２０を含み、さらに、オフセット周波数フィルタ４５０、信号処理装置４７０などの機構を追加として含む。

具体的には、スーパーヘテロダイン光アナライザ４００は、図２の第１のコンバージョンユニット２１０と第２のコンバージョンユニット２２０を含む。第１のコンバージョンユニットは第１のヘテロダイン動作を行い、入力信号２３０を中間周波数（ＩＦ）電気信号に変換する。スーパーヘテロダイン光アナライザ４００は、電子ドメインでＩＦ信号を生成する。

さらに、スーパーヘテロダイン光アナライザ４００は、光入力信号２３０を入力とする光オフセット周波数フィルタ４５０を含む。オフセット周波数フィルタ４５０はオプションであり、測定要件に依存して実装（実行）される。オフセット周波数フィルタ４５０は光入力信号２３０から強度ノイズを低減し、画像レスポンスのうち１つを部分的に阻止する。これは、光帯域通過フィルタの中心周波数がＬＯ周波数に対してオフセットされていることによって行われる。オフセット周波数フィルタ４５０はフィルタリングされた光入力信号４５５を生成する。次に、オフセット周波数フィルタ４５０の機能特性についてより完全に説明する。

引き続き図４を参照すると、スーパーヘテロダイン光アナライザ４００は、オフセット周波数フィルタ４５０に光結合された図２の第１のコンバージョンユニット２１０を含む。より具体的には、図４の第１のコンバージョンユニット２１０は、フィルタリングされた光入力信号４５５を光局部発振器４１０からの局部発振器光信号４１５と組み合わせるカプラ４２０を含む。

第１のコンバージョンユニット２１０はさらに、光検出装置４２１を備え、ヘテロダインビート信号を生成する第１のヘテロダイン動作を行なう。検出装置は二乗検波器であり、ミキサの機能を果たすので、図の中では「Ｘ」によってマークされる。このため、光検出装置４２１は非一次関数によって、フィルタリングされた光入力信号４５５を電気信号に変換する。二乗検波により光の強度を電流に変換する。すなわち、電流は、入力光波の電場の二乗に比例する。

ＩＦ増幅器４２２とＩＦフィルタ４２３はヘテロダインビート電気信号を受信し、ＩＦ電気信号４２５を生成する。すなわち、ＩＦ増幅器４２２とＩＦフィルタ４２３の通過帯域内の任意の信号が増幅され、送られる。このため、光検出装置４２１は、組み合わされた光入力信号とＬＯ光信号をヘテロダインビート電気信号に変換する。これは増幅とフィルタリングを受けてＩＦ電気信号４２５となる。単一周波数（例えば、単一レーザ源）の光入力信号２３０については、ＬＯ光信号４１５が掃引されるにつれてヘテロダインビート電気信号は周波数を変える。従って、ヘテロダインビート電気信号はＩＦフィルタ４２３の周波数範囲を介して掃引し、２つの画像を生成する。これは、ＩＦ周波数によって光入力信号２３０の周波数の上および下に位置する、ＬＯ周波数に対応する。

ＩＦ周波数は、強度ノイズによる影響が最小となる周波数においてＩＦ電気信号４２５を通過させるように選択される。すなわち、ＩＦ電気信号４２５の上記周波数では強度ノイズの弱い成分が生じ、強度ノイズの影響を最小化する。この結果、適切なＩＦ周波数で動作するスーパーヘテロダイン光アナライザ４００においてＩＦ電気信号４２５に対する強度ノイズの影響が最小化されているため、強度ノイズをキャンセルするバランスのとれた検出（回路）の必要が低減または除去される。

図４において、第２のコンバージョンユニット２２０は第２のヘテロダイン動作を行い、ＩＦ電気周波数信号４２５を、処理できる出力電気信号４４０に変換する。より具体的には、図４のスーパーヘテロダイン光アナライザ４００は、ＩＦ周波数電気信号４２５を処理に適した周波数にダウンコンバートする（出力電気信号４４０において）。図４に示すように第２のコンバージョンユニット２２０は、ＩＦ周波数電気信号４２５と、電気局部発振器４３０から提供される局部発振器電気信号４３５とを混合するミキサ４８０を備える。ミキサ４８０は出力電気信号４４０を生成する。

引き続き図４を参照すると、信号処理装置４７０は第２のコンバージョンユニット２２０に電気結合され、出力電気信号４４０を処理する。本発明の実施形態では、スーパーヘテロダイン光アナライザ４００は、光入力信号２３０のフィールドスペクトル特性を測定する機能を有する。これは、組み合わされた光入力信号およびＬＯ光信号の強度に電流が比例するので、電子ドメインにおいて可能である。組み合わされた信号の強度が電場の積を含み、ＬＯの電場が一定であるので、実際には電流は光入力信号の電場と比例する。本発明の他の実施形態では、スーパーヘテロダイン光アナライザ４００は、入力信号に関連したパラメータを測定する機能を有する。これらのパラメータには、偏光依存ゲイン（ＰＤＧ）、偏光依存ロス（ＰＤＬ）、偏光モード分散（ＰＭＤ）などを含むが、これらに限定されるものではない。

本発明の実施形態では、信号処理装置４７０は、出力電気信号４４０がミキサ４８０によって生成されるようなアナログ形態で処理することができる。本発明のさらに別の実施形態では、信号処理装置４７０はデジタル信号処理装置を含み、ミキサ４８０が生成するようなアナログ形式の出力電気信号４４０をアナログデジタル変換する。

従って、スーパーヘテロダイン光アナライザ４００は、従来のシステムで使用されるバランスのとれた検出方式を実装せずに、光オフセット周波数フィルタを適用することによって振幅精度とノイズ低減を改善する機能を有し、従来のシステムより改善された分解能を提供する。

− 光ドメインと電子ドメインでダブルコンバージョンを行う
スーパーへテロダイン光アナライザの動作特性 −
次に図５を参照し、本発明の別の実施形態による、光ドメインと電子ドメインでダブルコンバージョンを行うことにより光信号をスーパーヘテロダイン検波する方法を示すフローチャート５００について説明する。フローチャート５００に説明されている方法は、図４のスーパーヘテロダイン光アナライザ４００の動作特性について説明するものである。

本方法は５１０で、光入力信号を周波数オフセットフィルタでフィルタリングすることで開始する。周波数オフセットフィルタは、強度ノイズと、ヘテロダインビート信号から形成された画像とを低減する機能を有する。光フィルタが局部発振器信号を追跡し、ＩＦと等しい局部発振器周波数からほぼ一定に正または負にオフセットされたままであるため、局部発振器は測定された信号の正（または負）の周波数とだけ相互作用できる。正の周波数は局部発振器信号の周波数より大きな周波数として定義される。従って、測定された光信号の負の周波数（局部発振器の周波数より小さな周波数）に関連した負の画像は、抑制または低減される。

本方法は５２０で光入力信号と掃引された局部発振器光信号を組み合わせ、電子ドメインでＩＦ信号を生成する。この結果得られたＩＦ電気信号はヘテロダイン画像を含む。これらの画像の各々は、光入力信号の光学特性に関する完全な情報を含む。本発明による別の実施形態では、たとえばより高いＩＦ周波数など選択されたＩＦ周波数により、ＩＦ電気信号の画像は光周波数内で十分に間隔が保たれている。この結果、光オフセットフィルタは、画像のうちの１つを除去する機能を有する。

別の利点として、選択されたＩＦ周波数で動作することによって、強度ノイズの負の影響が低減され、この結果、より高いＳ／Ｎ比が達成される。図１１は、特有のｓｉｎ（ｆ）／ｆパワースペクトラム密度関数を有する、強度ノイズ信号１１１０のスペクトルを示す図１１００である。ヘテロダインビート信号の画像１１２０と１１２５は、ＩＦ周波数によって局部発振器信号の上または下で発生する。図に示すように、ＩＦ周波数を適切に選択すると強度ノイズ信号１１１０のスペクトル成分が低減される。さらに、プレセレクタを介して潜在的な多重チャネルスペクトルのより狭い幅が観察されるので、プレセレクタを含むことによりさらに強度ノイズ信号１１１０を抑える。すなわち、プレセレクタ通過帯域の外側であるレーザ源の強度ノイズは目に見えない。そのため、本発明の実施形態で使用されるＩＦ信号のＩＦ周波数では、強度ノイズを低減する、バランスのとれた検波方式は必要ない。

本方法によると、図５の５３０では、フィルタリングされたＩＦ電気信号と固定された局部発振器電気信号とを組み合わせ、処理に適した出力電気信号を生成する。具体的には、本方法は５３０でＩＦ電気信号を処理に適した周波数にダウンコンバートする。例えば、この結果得られる周波数は、デジタルサンプリングシステムのナイキスト周波数より低い。出力電気信号を処理し、光入力信号のフィールドスペクトルを測定する。これは、電流が光入力信号の電場に比例するので、電子ドメインにおいて可能である。さらに上述のように、出力電気信号を処理し、光入力信号のパラメータなどの、光入力信号の光学特性を測定する。

− スーパーヘテロダイン光アナライザにおける強度ノイズの低減 −
図４に戻ると、オフセット周波数フィルタ４５０は、光入力信号２３０における強度ノイズを低減することができる。さらに、オフセット周波数フィルタ４５０は、検出装置４２１から生成されたヘテロダインビート信号の中にある画像の信号強度を部分的に減衰する。オフセット周波数フィルタ（あるいはプレセレクタ）の正のオフセットにより、局部発振器の、ＩＦ周波数と等しい周波数だけ局部発振器周波数より高い光信号周波数との相互作用が最大化される。同時に、局部発振器周波数より低い光周波数が減衰される。したがって、負の画像が低減または抑制される。

強度ノイズに関して、一部の入力信号は、高周波にまで及びうる強度ノイズを有する。例えば、強度ノイズ帯域幅は、４０ＧＨｚ以上まで及ぶことがある。これを超えるとほとんどの受信器の現実的な電子検出帯域幅と重複する。従来のバランスのとれた受信器と光プレセレクタフィルタを使用して、強度ノイズを低減することができる。典型的には、バランスのとれた受信器によって得られるノイズの低減だけでは、強度ノイズを完全に抑制することはできない。

これに対して、オフセット周波数フィルタ４５０は強度ノイズをより完全に抑えることができる。図４に示すように、オフセット周波数フィルタ４５０は入力信号の経路内に配置する。このため、光入力信号２３０はオフセット周波数フィルタ４５０によってフィルタリングされ、フィルタリングされた光入力信号４５５を生成する。フィルタリングされた光入力信号４５５は第１のコンバージョンユニット２１０に入力される。

本発明による別の実施形態では、光カプラユニット４２０は、フィルタリングされた光入力信号４５５および局部発振器光信号４１５のミキサとして機能する光検出装置４２１の前に配置された、偏光に影響されないビームスプリッタまたは偏光ビームスプリッタを含んでいてもよい。例えば、測定される入力信号の偏光状態に依存しない、いくつかのスペクトルアナライザアーキテクチャは、光受信器（例えば偏光ダイバーシチ受信器）内に偏光ビームスプリッタを含んでいてもよい。

オフセット周波数フィルタ４５０は、多重チャネルシステムの検出帯域におけるすべてのノイズを低減し、また、ヘテロダインビート信号中の好ましくない画像の強度を低減または抑制する。このため、オフセット周波数フィルタ４５０は、強度ノイズと、局部発振器信号の周波数よりもＩＦだけ上または下の光入力信号のスペクトル成分が生成する画像との両方を低減する機能を有する。

より具体的には、オフセット周波数フィルタ４５０のオフセット周波数は、第１のコンバージョンユニット２１０内に見出される光検出受信器のＩＦ周波数に設定される。例えば、ＩＦ周波数が３０ＧＨｚである場合、オフセット周波数を３０ＧＨｚに設定し、ヘテロダイン画像信号のうちの１つを低減する。これは、下記条件を満たす場合ＩＦ周波数において２つのヘテロダイン画像信号が形成されるためである。
ν_LO＝ν_S＋／−ｆ_IF
この場合、ν_LOは局部発振器信号４１０の周波数、ν_Sは測定される光入力信号２３０の周波数、ｆ_IFはＩＦ信号の周波数である。

オフセット周波数フィルタ４５０は、検出された強度ノイズを低減することができる。
例えば、光フィールドスペクトルは、幅Δν_uの長方形の光フィールドスペクトルによって表わすことができる。このスペクトルは、光増幅器からの自然放出光（ＡＳＥ）ノイズの近似モデルであり、変調レーザのスペクトルの近似値である。このスペクトルによって生成される相対強度ノイズ（ＲＩＮ）は、式（１）によって与えられる。

上式でΛは、ゼロにおいて１に等しく、＋／―Δνで線形的にゼロに近づく、三角形の関数である。

さらに、平均光パワー平方によって、強度ノイズスペクトルは式（１）に定義されるようにＲＩＮに比例する。このため、強度ノイズスペクトルは式（２）によって記述される。

典型的には、フィルタリング前の強度ノイズスペクトル（Ｓ_i（ｆ））の強さにより、ヘテロダインビート電気信号の検出に対する強度ノイズの影響が決定される。特に、場合によっては、強度ノイズスペクトルは実際にＩＦフィルタと重複する。このため、強度ノイズが検出され、機器のダイナミックレンジの低下が生まれる。

これに対し、本発明の実施形態においてオフセット周波数フィルタを適用することによって、強度ノイズの強さを低減することができる。式（１）に示すように、強度ノイズのスペクトルは、ｆ＝Δν_uで０に接近する三角形の関数によって記述される。ヘテロダインビートトーンは、ＩＦフィルタの周波数ｆ_IFで測定する。したがって、ＩＦ周波数が高いほど観察される強度ノイズは小さくなる。ｆ_IF＞Δν_uで、ＩＦフィルタの帯域幅が狭い場合、強度ノイズは完全に抑制される。もちろんこのためには、オフセット周波数フィルタがＩＦ周波数と等しい周波数だけ局部発振器より進んでいるかまたは遅れていることが必要である。したがって、光入力信号の光スペクトルを測定しているときには、相対強度ノイズはＩＦフィルタと重複しない。光帯域幅Δν_f（Δν_f＜Δν_u）を有するオフセット周波数フィルタ４５０のプレセレクタ関数を適用した後、新しいＲＩＮは次の式（３）に記述されるとおりとなる。式（３）は、プレセレクタフィルタの形が長方形であり、したがって、フィルタリングされたスペクトルも長方形であると仮定している。このため、本発明の実施形態では、オフセット周波数フィルタは、同じＩＦに関して相対強度ノイズの強さをより完全に抑制することができる。これは有利には機器測定のダイナミックレンジを増加させる。

さらに強度ノイズ低減の方法を理解するために、変調された信号のスペクトルを考慮する。オフセット周波数フィルタ中のプレセレクタが光フィールドスペクトルの一部を通過させることができると仮定すると、これが、強度ノイズの原因である。したがって、強度ノイズのスペクトル範囲は、光プレセレクタの通過帯域内にある光スペクトルを含む、可能な（存在しうる）ビート対の最大範囲に等しい。

例えば、ＩＦ周波数が０に等しく、プレセレクタは２０ＧＨｚのスクエアな通過帯域形を有すると仮定する。式（３）が記述する強度ノイズスペクトルのピークは０に位置し、周波数が高まるにつれて直線的に減少する。ＩＦを０に設定したため、強度ノイズスペクトルとヘテロダインビートスペクトルは重複する。しかし、２０ＧＨｚ以上のすべての強度ノイズは、プレセレクタの阻止機能によって低減されるだろう。ＩＦ周波数がプレセレクタ通過帯域幅Δν_fより高い場合、三角形スペクトルがｆ＝Δν_fでゼロに近づき、強度ノイズは実質的に低減される。このように、固定されたオフセットフィルタ幅では、ＩＦ周波数が高いほど強度ノイズ信号の阻止はより改善される。

最大ヘテロダインビート信号を検出されたノイズに割り当てることによって、ダイナミックレンジの限度を推定することができる。比は次の式（４）で表現される。

式（４）では、ＬＯと信号のスペクトル幅は検出帯域幅Ｂ_E内にあると仮定される。さらに、Ｓ_I（ｆ）は、検出された光入力信号強度ノイズ密度をベースバンド周波数ｆについて電気帯域幅Ｂ_eに渡って積分したものであり、Ｓ_shotは電気ショットノイズ電流密度、Ｓ_thは受信器電気温度ノイズ電流密度、Ｓ_LOは光ＬＯ超過強度ノイズ、Ｒは単純な光検出の応答性である。

このように、光プレセレクタフィルタによるダイナミックレンジの改善は、光フィルタ損失や、ショットノイズ、熱ノイズなどの他のノイズ源を無視し、局部発振器強度ノイズは次の式（５）のように記述される。

式（５）では、下付き文字「ｆ」は、光プレセレクタフィルタによるフィルタリングを示し、下付き文字「ｕ」は、光フィルタリングがない場合を示す。

従って、ショットノイズなどの他のノイズ源を無視して、ＩＦ周波数ｆ＝ｆ_IFにおけるダイナミックレンジの改善は次の式（６）のように記述される。

式（６）で、Ｓ_Eは、プレセレクタ光フィルタより広い、長方形のスペクトルを伴う仮定された均一のノイズフィールドの光スペクトル密度である。

式（６）から分かるように、ダイナミックレンジの改善は２つのファクタを有する。第１のファクタは、説明を簡単にすると、仮定された長方形の光スペクトルとプレセレクタとを伴う、プレセレクタ幅に対するフィルタリングされないスペクトル幅の比である。第２のファクタは、ＩＦにおけるノイズのスペクトル範囲の減衰による。第２の改善ファクタは、オフセット周波数フィルタ（例えば、オフセット周波数フィルタ４５０）の利点である。

理想的には、関数Λ（ｆ_IF／Δν_f）がｆ_IF／Δνｆ≧１において０に接近するので、狭いプレセレクタ関数Δν_fはダイナミックレンジに関して大幅な改善を示す。そして、理論上、式（６）によって記述されるダイナミックレンジは無限大に接近する。実際には、局部発振器も関連する強度ノイズを生成する。この局部発振器強度ノイズはバランスのとれた検出によって低減されるが、バランスをとるプロセスは完全ではない。さらに、この分析から除外されたショットノイズによって基本的な限界が決定される。

要約すると、スーパーヘテロダイン光アナライザ４００中のオフセット周波数フィルタ４５０は、入力信号における強度ノイズを低減することができる。

− スーパーヘテロダイン光アナライザにおける画像信号の低減 −
次に図６を参照すると、本発明の別の実施形態による、光入力信号についてダブルコンバージョンを行ない、画像信号を阻止する機能を有するスーパーヘテロダイン光アナライザ６００の構成図が示されている。スーパーヘテロダイン光アナライザ６００は、第１のコンバージョンユニット２１０、マイクロ波ミキサ６６０、電気局部発振器６７０、信号処理装置６８０を含む。マイクロ波ミキサ６６０と電気局部発振器６７０は、図４の第２のコンバージョンユニット２２０と同じ機能を行なう。同様に、信号処理装置６８０は、図４と図８Ａの信号処理装置４７０と同じ機能を行なう。

図６の第１のコンバージョンユニット２１０は、入力信号６１０を局部発振器光信号６２０と組み合わせる結合または組み合わせ手段６３０（たとえば光カプラ）を備える。組み合わされた光信号は二乗光検出装置６４０によって検出および混合され、ＩＦ電気信号を生成する。増幅器６５０は、ＩＦ電気信号を増幅し、マイクロ波ミキサ６６０へ入力する。

スーパーヘテロダイン光アナライザ６００は画像を分離する機能を有する。ヘテロダインプロセスにより、光入力信号の実際の単一スペクトル特性は、２つの再構成されたスペクトル特性に変換される。したがって、ヘテロダインプロセスは１つの実際の特徴を２つの特徴に変換する。真のスペクトルを再構成するために、再構成された特徴のうちの１つを阻止する必要がある。阻止される特徴をしばしば画像と呼ぶ。画像を阻止した後、真のスペクトルを再構成する。この結果、２つの画像を生じさせるヘテロダインビート信号からスペクトルが再構成される。

本発明の実施形態は、０のＩＦ周波数を有する従来のヘテロダインプロセスのヘテロダインコンバージョンに対する改善を提供する。０のＩＦ周波数を備えた従来のヘテロダインプロセスは画像を有しないが、位相ダイバーシチがないため振幅精度に関する問題を有することがある。しかし、非０のＩＦを実行する本発明の実施形態は常に振幅精度を改善する。非０のＩＦを使用する場合画像は現われるが、プレセレクタを使用して画像問題を除去し、同時に強度ノイズを低減することができる。低周波のＩＦについては、画像は、光周波数において接近しており、阻止することがより困難である。しかし、この結果生じる位相ダイバーシチにより振幅精度が改善される。

一方で、本発明による一部の実施形態では、スーパーヘテロダイン光アナライザ６００は高周波光受信器（高いＩＦ）を使用する。これらの実施形態では、スーパーヘテロダイン光アナライザ６００は非常に高いビート周波数でヘテロダイン信号を検出することができる。この結果、入力信号を局部発振器信号と混合したときに生成される画像の間の分離は、低いＩＦと低い周波数受信器を有する光スペクトルアナライザにおける周波数距離よりも大きな周波数距離で画定される。これにより、１つの画像信号が別の画像信号からの干渉を受けずにより容易に検出される。高周波ＩＦについては、振幅精度の向上、強度ノイズのよりよい低減、よりよいイメージリジェクションなど、すべての性能改善が観察される。

例えば、本発明の実施形態によるスーパーヘテロダイン光アナライザ６００は、画像信号間の分離を広くすることができる。例えば、非０のＩＦを有するスーパーヘテロダイン光アナライザ６００は、何百ピコメートル（例えば３８．８のＧＨｚ ＩＦについては６２０ピコメートル）もの距離だけ画像を分離することができる。これらの画像は遠く離れているので、互いに干渉しない。しかし、低周波ＩＦ（例えば１５ＭＨｚ）についても、位相ダイバーシチと振幅精度の改善は実現可能である。

次に図７を参照すると、光入力信号（λ_Sまたはν_S）についてダブルコンバージョンを行い、イメージリジェクションを行う機能を有するスーパーヘテロダイン光アナライザ７００の構成図が示されている。スーパーヘテロダイン光アナライザ７００では、図４の第２のコンバージョンユニット２２０をさらに詳しくしたものとなっている。スーパーヘテロダイン光アナライザ７００は、第１のコンバージョンユニット２１０、第２のコンバージョンユニット２２０、信号処理装置７４０を含む。図７における第１のコンバージョンユニット２１０の機能は、図６における第１のコンバージョンユニット２１０で行なわれた機能に似ており、これに関しては上に完全に説明している。同様に、信号処理装置７４０は、図４の信号処理装置４７０と同じ機能を行なう。

図７の第２のコンバージョンユニット２２０は、帯域通過フィルタ７１０、イメージリジェクションミキサ（ＩＲミキサ）７２０、電気局部発振器７３０を備える。図７に示すように本発明の別の実施形態では、第１のコンバージョンユニットからのＩＦ周波数信号は、たとえば３６−４０ＧＨｚの間の周波数を有する。信号処理のためには、第１のコンバージョンユニット２１０における光受信器の高周波数ＩＦ出力を、たとえば１００ＭＨｚ未満にダウンコンバートすることが望ましい。しかし、この目的のためにマイクロ波バランスミキサを使用すると、上述の画像形成と同様な方法でヘテロダインビート電気信号から２つの画像が再構成され、光ミキシングされる。これらの電気画像は電気ヘテロダインプロセスで形成され、帯域通過フィルタ７１０から出る信号の電気周波数に対応し、電気局部発振器７３０の周波数より下または上である。

電気画像のうちの１つを除去するために、マイクロ波イメージリジェクション（ＩＲ）ミキサ７２０を使用する。このタイプのＩＲミキサはマイクロ波の分野でよく知られている。ＩＲミキサ７２０は、第１のコンバージョンユニット２１０からのＩＦ信号と、電気局部発振器７３０からの局部発振器信号とを組み合わせ、混合する。ＩＲミキサ７２０は、帯域通過フィルタ７１０を通過する信号を、処理のために低周波数波にダウンコンバートするが（たとえば１００ＭＨｚ）、画像のうち１つが阻止（リジェクト）される。ＩＲミキサ７２０は、典型的には４５ｄＢまでの限定されたイメージリジェクションしか提供できない。

さらに望ましくない電気画像を低減するために、本発明の実施形態は、ＩＲミキサ７２０と共に帯域通過フィルタ７１０を使用する。この結果、帯域通過フィルタ７１０を追加することにより、スーパーヘテロダインシステム７００は、望ましくない電気画像を６５ｄＢ以上の低減または阻止する。帯域通過フィルタの動作は光プレセレクタと似ている。フィルタの中心周波数を電気局部発振器７３０の周波数からオフセットし、局部発振器の周波数の上下で、周波数の不均一な減衰を提供する。したがって、画像問題が低減される。

図７における第２のコンバージョンユニット２２０によって実行されるイメージリジェクションを達成するために、ＩＲミキサ７２０、帯域通過フィルタ７１０、信号処理装置７４０のデジタル受信器の中心周波数の設計は共に考慮しなければならない。信号処理装置７４０のデジタル受信器の中心周波数は十分に高く設定し、第２のコンバージョンユニット２２０によって生成された電気画像周波数間の分離を最大化する。

さらに、良好なイメージリジェクションを達成するために、帯域通過フィルタ７１０が可能な限り高い阻止帯域減衰を有することが重要である。

要約すると、スーパーヘテロダイン光アナライザ７００は、画像信号間の周波数分離を広げ、オフセット周波数フィルタを実装することによって、望ましくない画像を低減する機能を有する。本技術は光コンバージョンユニットと電気コンバージョンユニットに適用される。

要約すると、スーパーヘテロダイン光アナライザ７００は、画像信号間の周波数分離を広げ、オフセット周波数フィルタを実装することによって、望ましくない画像を低減する機能を有する。本技術は光コンバージョンユニットと電気コンバージョンユニットに適用される。

− 光ドメインでダブルコンバージョンを行うスーパーヘテロダイン光アナライザ −
次に以下の説明ではまず図８Ａと図９を参照しながら、本発明の実施形態による、主として光ドメインでダブルコンバージョンを行なうスーパーヘテロダイン光アナライザのコンポーネントの構造を説明する。その後、スーパーヘテロダイン光アナライザの特定の動作を説明する。

− 光ドメインでダブルコンバージョンを行う
スーパーヘテロダイン光アナライザの基本コンポーネント −
図８Ａに、本発明の１実施形態による、主に光ドメインでダブルコンバージョンを行なうスーパーヘテロダイン光アナライザ８００Ａの構成図を示す。さらにスーパーヘテロダイン光アナライザ８００Ａは、図２の第１のコンバージョンユニット２１０と第２のコンバージョンユニット２２０の別の例を提供し、さらに、光フィルタ８３０と信号処理装置４７０などの機能を追加として含む。

具体的には、スーパーヘテロダイン光アナライザ８００Ａは、図２の第１のコンバージョンユニット２１０と第２のコンバージョンユニット２２０を含む。第１のコンバージョンユニット２１０は入力として光入力信号２３０を得る。図８Ａの第１のコンバージョンユニット２１０は第１のヘテロダイン動作を行ない、光入力信号２３０をＩＦ光信号８２５に変換する。したがって、スーパーヘテロダイン光アナライザ８００Ａは、ＩＦ信号８２５を光ドメイン内で生成する。

図８Ａに示す第１のコンバージョンユニット２１０は、光入力信号２３０と、光局部発振器８１０からの局部発振器光信号８１５を組み合わせるミキサ８２０を備える。ミキサ８２０はＩＦ周波数光信号８２５を生成する。

本発明の１実施形態による図８Ａでは、オプションのオフセット周波数フィルタ（図示せず）は、光入力信号２３０をフィルタリングし、望ましくない画像レスポンスを低減する。

図８Ａでは、スーパーヘテロダイン光アナライザ８００Ａは、第１のコンバージョンユニット２１０に光結合される光フィルタ８３０を含む。光フィルタ８３０はオプションであり、測定要件に依存して実装される。光フィルタ８３０は、ＩＦ周波数光信号８２５中の１対の画像から第１の画像信号を阻止する。さらに、光フィルタ８３０は強度ノイズを低減することができる。光フィルタ８３０はフィルタリングされたＩＦ周波数光信号８３５を生成する。

図８Ａにおいて、スーパーヘテロダイン光アナライザ８００Ａは、光フィルタ８３０に光学結合される図２の第２のコンバージョンユニット２２０を含む。第２のコンバージョンユニット２１０は第２の変換動作を行い、ＩＦ周波数光信号を、処理できる出力電気信号４４０に変換する。より具体的には、スーパーヘテロダイン光アナライザ８００Ａは、ＩＦ光信号を処理のために電気信号４４０に変換する。

図８Ａの中で示されるように、第２のコンバージョンユニット２２０はコンバータ８４０を含む。本発明による別の実施形態では、コンバータ８４０は、フィルタリングされたＩＦ周波数光信号８３５を受信するように光学的に構成された光検出装置を含み、フィルタリングされた光信号８３５に応答して電気信号を生成する。

コンバータ８４０は、図８Ａおよび図２に示す出力電気信号４４０を生成する。コンバータ８４０は非線形の関数によって、フィルタリングされたＩＦ周波数光信号８３５を出力電気信号４４０に変換する。上述のように、光検出装置では、光フィールドＥは２乗演算ｉ＝ＥＥ^*によって電流ｉに変換されるので、非線形性が発生する。上式でＥ^*はＥの複素共役である。

図８Ａでは、信号処理装置４７０は第２のコンバージョンユニット２２０に電気結合され、出力電気信号４４０を処理する。信号処理装置４７０の特徴は、図４に関して完全に上述してある。このため、スーパーヘテロダイン光アナライザ８００Ａは、光入力信号２３０の光フィールドスペクトル特性と、光入力信号２３０に関連したパラメータとを測定することができる。

図８Ｂはスーパーヘテロダイン検波用のシステム８００Ｂの構成図である。図８Ｂのシステムは図８Ａの中のシステムの実際的な実施形態である。システム８００Ｂは、第１のコンバージョンユニット８５０、第２のコンバージョンユニット８６０、光フィルタ８７０を備える。

第１のコンバージョンユニット８５０は、光入力信号Ｅ_S８８０を受信するように構成される。第１のコンバージョンユニット８５０の中で、光信号Ｅ_S８８０は、第１のコンバージョンユニット８５０の内にあるカプラ８５２で、局部発振器光信号Ｅ_LO８５１と結合する。偏光の整合あるいはダイバーシチにより、局部発振器信号Ｅ_LO８５１と光入力信号Ｅ_S８８０との相互作用が保証されるとみなされる。

図８Ｂに示すように、組み合わされた光信号はカプラ８５２から出力され、モジュール８５５内で光学的非線形性を受ける（光学的に非線形の処理を受ける）。本発明の実施形態では、モジュール８５５に含まれる光学的非線形性は、結晶または光ファイバ内で発生することがある。パラメトリックプロセスで、誘電分極（ｉｎｄｕｃｅｄ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）などの、伝送媒体（例えば結晶や光ファイバ）内の特性は入射フィールドに対して非線形である。これにより、光入力信号Ｅ_S８８０と局部発振器光信号８５１との間で混合が起きる。本発明の１実施形態によれば、光学的非線形性はたとえば、シングルモード光ファイバ８５７の長いストランドによって生成される。図８では、光学的非線形性は、光ファイバ８５７内の相互位相変調による。

さらに、光フィルタ８７０を第１のコンバージョンユニット８５０に結合する。例えば、光フィルタ８７０は、ファイバブラッグ格子ユニット８７２と光サーキュレータ８７４とを含む。ファイバブラッグ格子ユニット８７２と光サーキュレータ８７４は、光帯域通過フィルタを作成するために使用される。光サーキュレータ８７４は当技術分野でよく知られている。

スーパーヘテロダイン光アナライザ８００Ｂは、画像の阻止を介して、ノイズ低減、分解能、増加した振幅精度を提供する。

− 光ドメインでダブルコンバージョンを行う
スーパーヘテロダイン光アナライザの動作特性 −
次に図９を参照しながら、本発明の別の実施形態による、光ドメインでダブルコンバージョンを行なう、光信号をスーパーヘテロダイン検波するための方法を示すフローチャート９００について説明する。本方法は、オプションとして９１０で、光入力信号を周波数オフセットフィルタでフィルタリングすることで開始する。周波数オフセットフィルタで画像を低減することができる。

本方法は９２０で、光入力信号と掃引局部発振器光信号を組み合わせる。ＩＦ光信号は、光ドメインで光ミキサを適用した後生成される。この結果得られるＩＦ光信号はヘテロダインビート信号内に画像を含み、これらの各々は、光入力信号の光学特性に関する完全な情報を含む。本発明の別の実施形態では、光画像は十分な距離だけ互いに離れており、光フィルタが画像信号のうち１つを除去することができる。

本方法は９３０で、ＩＦ光信号をフィルタリングし、１対の画像から第１の画像を阻止し、フィルタリングされたＩＦ光信号を生成する。残りの画像は、光入力信号の光学特性に関する情報をすべて含んでいる。高周波のＩＦ光信号が、光周波数においてフィルタリングのために十分な距離だけ画像を分離するので、画像のうちの１つをフィルタリングすることができる。

本方法は９４０で、フィルタリングされたＩＦ光信号を変換して出力電気信号を生成する。

本方法は９５０で、出力電気信号を検出し、出力信号を、処理できる出力電気信号に変換する。出力電気信号を処理し、光入力信号の光フィールドスペクトルを測定する。また、出力電気信号を処理し、光入力信号のパラメータなどの光入力信号の光学特性を測定する。

このように、スーパーヘテロダイン光アナライザ８００Ａは、ＩＦ光周波数で動作することにより画像の低減を通じた十分な分解能が可能である。さらに、スーパーヘテロダイン光アナライザ８００Ａは、入力信号の光学特性を測定する時に、ノイズの低減、十分な分解能、振幅精度を提供する。

− 追加の検出方式を含みダブルコンバージョンを行う
スーパーヘテロダイン光アナライザ −
図２、図４、図８Ａではダブルコンバージョンを伴うスーパーヘテロダイン光アナライザを含む、本発明の実施形態を開示したが、本発明による別の実施形態も、コヒーレント検波の技術分野で知られた技術を使用することに適している。

例えば、図１０Ａと図ｌ０Ｂは、それぞれ、イメージリジェクションスーパーヘテロダイン光スペクトルアナライザシステム１０００と１０５０の構成図である。これらは本発明の実施形態によって、強度ノイズを低減するバランスの取れた検出方式を有する。図ｌ０Ａのスーパーヘテロダインシステム１０００は、強度ノイズの抑制を増加するために、２つの光検出装置１０１０、１０１５でバランスのとれた検波を行なう。図１０Ｂのスーパーヘテロダインシステム１０５０は、２つの光受信器でバランスのとれた検波を行なう。本発明の別の実施形態によれば、図７を参照して説明されるようなイメージリジェクション方式を使用して、システム１０００と１０５０に説明されたバランスのとれた検波方式でヘテロダインビート電気信号中の画像を阻止する。

より具体的には、図１０Ｂでは、図１０Ａに示すように光検出装置電流の直接の減算によってではなくプロセッサによって減算（あるいはバランスをとること）を行なう。したがってプロセッサは、２つの信号チャネル間の任意のアンバランスを補償することができる。アンバランスは、光学通路（例えば光ファイバカプラ波長と偏光状態依存性）または、電気経路（例えば光検出装置の異なる応答度と周波数特性）のいずれかの中で生成されうる。

従って、本発明の実施形態では、ダブルコンバージョンを使用するスーパーヘテロダイン検波の方法およびシステムを提供する。スーパーヘテロダイン検波システムでは、第１の変換を行って、画像周波数間が十分に周波数分離されたＩＦ電気信号を生成する。すなわち、本発明の実施形態では、生成された画像間で周波数を十分に分離することができるスーパーヘテロダイン光アナライザを実現する。さらに、本発明の実施形態では、非ゼロＩＦ周波数で動作することにより改善された振幅精度を達成する。このとき、本発明の実施形態は単一の光受信器だけを使用しながら改善されたＳ／Ｎ比を達成する。しかし必要によっては、バランスをとる検波方式により、強度ノイズキャンセルの追加手段が提供される。さらに、電気周波数分離によって電気画像信号のうち１つをさらに帯域通過フィルタリングすることができ、これによって、ＩＲミキサを伴う実施形態では、画像信号において６５ｄＢの低減が達成される。第２の変換を行い、信号処理に適した出力電気信号を生成する。

フローチャート３００、５００、９００で図示された実施形態の方法は、ステップの特定の順序および数を示しているが、本発明の実施形態は代替の実施形態にも適している。例えば、方法の中で提供されるすべてのステップが、本発明の実施形態に必要であるわけではない。さらに、本発明の実施形態の中で示されたステップに、追加のステップを加えることができる。同様に、用途に依存して、ステップの順序を変更することができる。

上記のように、光入力信号をスーパーヘテロダイン検波するための方法とシステムについて記述した。本発明の実施形態を、特定の実施形態によって図示し説明したが、付随する本発明の請求項およびその等価物で定義される本発明の実施形態の精神および範囲から離れることなく、多くの変更と修正が可能であることを理解されたい。さらに、本発明の実施形態を特定の実施形態にしたがって説明したが、本発明の実施形態はこのような実施形態に限って解釈すべきものではなく、付随する請求項にしたがって解釈すべきものであることを理解されたい。

なお、本発明は例として次の態様を含む。（ ）内の数字は添付図面の参照符号に対応する。
［１］ 光入力信号（２３０）について第１のヘテロダイン動作を行い、ＩＦ電気信号（４２５）を生成する第１のコンバージョンユニット（２１０）と、
前記第１のコンバージョンユニット（２１０）と電気結合され、第２のヘテロダイン動作を行い、信号処理に適した出力電気信号（２４０）を生成する第２のコンバージョンユニット（２２０）と
を備えることを特徴とするスーパーヘテロダイン検波システム。
［２］ 前記第１のコンバージョンユニット（２１０）は、
掃引された局部発振器光信号（４１５）を生成する局部発振器（４１０）と、
前記光入力信号（２３０）と前記掃引された局部発振器信号（４１５）とを結合するカプラ（４２０）と、
光検出装置（４２１）と
を備えることを特徴とする上記［１］に記載のシステム。
［３］ 前記第１のコンバージョンユニットは、
ＩＦ増幅器（４２２）と、
ＩＦフィルタ（４２３）と
を備えることを特徴とする上記［１］に記載のシステム。
［４］ 前記第２のコンバージョンユニット（２２０）は、
固定された局部発振器電気信号（４３５）を生成する電気局部発振器（４３０）と、
前記電気局部発振器（４３０）に結合され、前記ＩＦ電気信号（４２５）と前記固定された局部発振器電気信号（４３５）とを混合するときに第２のヘテロダイン動作を行い、信号処理に適した出力電気信号（２４０）を生成するミキサ（４８０）と
を備えることを特徴とする上記［１］に記載のシステム。
［５］ 前記信号処理は、前記光入力信号（２３０）の光スペクトルの再構成を含むことを特徴とする上記［１］に記載のシステム。
［６］ 前記出力電気信号を処理して、前記光入力信号（２３０）の光パラメータを測定するプロセッサ（４７０）をさらに備えることを特徴とする上記［１］に記載のシステム。
［７］
前記第１のコンバージョンユニット（２１０）は、強度ノイズの影響を低減することを特徴とする上記［１］に記載のシステム。
［８］ 前記第１のコンバージョンユニット（２１０）は、前記ＩＦ電気信号（４２５）内で画像を分離し、前記光入力信号（２３０）の振幅精度を高めることを特徴とする上記［１］に記載のシステム。
［９］ 前記第１のコンバージョンユニット（２１０）は、非ゼロＩＦ電気信号（４２５）を生成することを特徴とする上記［１］に記載のシステム。
［１０］ 前記第２のコンバージョンユニット（２２０）は、マイクロ波イメージリジェクションミキサ（６６０）を備えることを特徴とする上記［１］に記載のシステム。

単一の光検出装置を含む関連技術の光ヘテロダイン検波システムを示す図である。 本発明による、光入力信号を測定するためのダブルコンバージョンを行なうスーパーヘテロダイン光アナライザの構成図である。 本発明による、光入力信号をスーパーヘテロダイン検波するための方法を示すフローチャートである。 本発明による、光ドメインと電子ドメインにおいてダブルコンバージョンを行なうスーパーヘテロダイン光アナライザの構成図である。 本発明による、光ドメインと電子ドメインにおいてダブルコンバージョンを行なうことによって、光入力信号のスーパーヘテロダイン検波を行う方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態による、強度ノイズを拒否する機能を有するスーパーヘテロダイン光アナライザの構成図である。 本発明による、画像信号を拒否する機能を有するスーパーヘテロダイン光アナライザの構成図である。 本発明による、光ドメインのみでダブルコンバージョンを行なうスーパーヘテロダイン光アナライザの構成図である。 本発明による、光ドメインのみでダブルコンバージョンを行なうスーパーヘテロダイン光アナライザの構成図である。 本発明による、光ドメインのみでダブルコンバージョンを行なうことにより、光入力信号をスーパーヘテロダイン検波する方法を示すフローチャートである。 本発明による、２つの光検出装置でバランスのとれた検波を行うスーパーヘテロダイン光スペクトルアナライザの構成図である。 本発明による、２つの光受信器でバランスのとれた検波を行うスーパーヘテロダイン光スペクトルアナライザの構成図である。 本発明の１実施形態に従った、強度ノイズのスペクトル図とヘテロダインビート信号の画像を示す図である。

符号の説明

１００ 光ヘテロダイン検波システム
１０２ 入力信号
１０４ 入力導波管
１０６ 局部発振器信号
１０８ 局部発振器導波管
１１０ 光カプラ
１１２ 光検出装置
１１６ 信号処理装置
１１８ 出力導波管
２００ スーパーヘテロダイン光アナライザ
２１０ 第１のコンバージョンユニット
２２０ 第２のコンバージョンユニット
２３０ 光入力信号
２４０ 出力電気信号
４００ スーパーヘテロダイン光アナライザ
４１０ 光局部発振器
４１５ 局部発振器光信号
４２０ カプラ
４２１ 光検出装置
４２２ ＩＦ増幅器
４２３ ＩＦフィルタ
４２５ ＩＦ電気信号
４３０ 電気局部発振器
４３５ 局部発振器電気信号
４４０ 出力電気信号
４５０ オフセット周波数フィルタ
４５５ フィルタリングされた光入力信号
４７０ 信号処理装置
４８０ ミキサ
６００ スーパーヘテロダイン光アナライザ
６１０ 入力信号
６２０ 局部発振器光信号
６３０ 結合手段
６４０ 二乗光検出装置
６６０ マイクロ波ミキサ
６７０ 電気局部発振器
６８０ 信号処理装置
７００ スーパーヘテロダイン光アナライザ
７１０ 帯域通過フィルタ
７２０ イメージリジェクションミキサ
７３０ 電気局部発振器
７４０ 信号処理装置
８００Ａ スーパーヘテロダイン光アナライザ
８２０ ミキサ
８２５ ＩＦ光信号
８３０ 光フィルタ
８３５ フィルタリングされたＩＦ周波数光信号
８４０ コンバータ
８５０ 第１のコンバージョンユニット
８５１ 局部発振器光信号
８５２ カプラ
８５５ モジュール
８５７ 光ファイバ
８６０ 第２のコンバージョンユニット
８７０ 光フィルタ
８７２ ファイバブラッグ格子ユニット
８７４ 光サーキュレータ
８８０ 光入力信号

Claims (1)

1. 光入力信号について第１のヘテロダイン動作を行い、ＩＦ電気信号を生成する第１のコンバージョンユニットと、
   前記第１のコンバージョンユニットと電気結合され、第２のヘテロダイン動作を行い、信号処理に適した出力電気信号を生成する第２のコンバージョンユニットと
   を備えることを特徴とするスーパーヘテロダイン検波システム。

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