JP2005315858A - 光パルス評価装置およびインサービス光パルス評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的高いビットレートの領域で光パルス自体、あるいはこれを入射する試料における特性評価を可能にした光パルス評価装置およびインサービス光パルス評価装置を得ること。
【解決手段】光パルス光源４３から周波数ｆ_repで繰り返し出力される光パルス４２は、試料台９１上の試料９３を通過し、波長可変光バンドパスフィルタ４７でスキャンされる。フォトダイオード５１の検出結果は基準となる周波数ｆ_repと共に位相検出回路４５に入力され、更にその結果をパーソナルコンピュータ５２の演算手段５８Ｃで演算することで試料９３を透過した光パルスのスペクトル位相とスペクトル強度が求められる。これを、試料９３を除去した状態の演算結果で補正することで試料９３による光パルス４２の劣化等の特性を評価できる。光源としての光パルス４２の波形等の評価も可能である。本発明は、インサービスでの光パルスの評価も可能である。
【選択図】図７

Description

本発明は、光パルスの波形を評価するための光パルス評価装置およびインサービス光パルス評価装置に係わり、特に光源側の光パルスの光強度を表わしたパルス波形や光パルスの瞬時周波数、あるいはその光パルスを変調した変調光を評価したり、既知の光パルスを光ファイバ等のデバイスを通過させた後の波形変化を観測することで、そのデバイスによる波形の劣化あるいは補償の様子を評価するための光パルス評価装置および光通信中に波長分散を測定することのできるインサービス光パルス評価装置に関する。

近年、レーザ光を出力する半導体レーザの開発の進展と共に光伝送レートが飛躍的に増大している。これと共に、光伝送レートが１２５Ｍｂｉｔ／ｓ（メガビット／秒）から４０Ｇ（ギガ）ｂｉｔ／ｓあるいはこれ以上となる比較的高いビットレートの領域で光パルスが各種の光通信技術に使用されるようになってきている。特に４０Ｇｂｉｔ／ｓ以上の高ビットレートの通信が今後、ますます増加していくことが予想されている。高ビットレート領域では、光パルスの幅はｐｓ（ピコ秒：１０^-12秒）あるいはこれよりも更に短くなっていく。

一般に、光パルスを伝送する光ファイバは、その分散現象、非線形現象、複屈折現象によって群速度分散(Group Velocity Dispersion)、自己位相変調(self phase modulation)、偏光モード分散(Polarization Mode Dispersion)等を発生させ、光パルスの波形を劣化させる。光パルスの伝送レートが高くなればなるほど、パルス幅は短くなり、このような光パルスの波形劣化が信号処理に深刻な影響を及ぼしてくる。

光パルス評価装置は、光パルス発生光源から出力される各種ビットレートの光パルスあるいは特に高ビットレートの光パルスについて、それらの出力波形の形状やジッタの有無等を評価することができる。また、光ネットワーク伝送システムで使用される光ファイバに代表される各種の光部品や光デバイスに対して、このような光パルスの波長分散、偏光モード分散、高次分散特性等を評価し、光通信システムの開発や光部品の開発等に大きく貢献することになる。

ところで従来から光パルス評価装置では、非線形光学効果を利用して光パルスを評価する手法が広く採用されている。ここで非線形光学効果とは、レーザ光の電磁界と物質の電子分極の関係が非線形となる現象をいう。非線形光学効果を使用した光パルスの評価法としては、（１）自己相関法、（２）クロス相関法、（３）ＦＲＯＧ（frequency resolved optical gating：周波数分解光ゲート）法、（４）ＳＰＩＤＥＲ（Spectral Phase Interferometry for Direct Electric-field Reconstruction）法等が存在している。

このような非線形光学効果を使用した手法のうちの第１の提案では、被測定光パルスと４光波混合による光パルスとを識別して、被測定光パルスと４光波混合による光パルスとの干渉によるノイズを除去している。これにより、光パルスを高感度で計測すると共に、スペクトログラムを独立あるいは直交した２つの偏光成分に分離して、偏波モード分散に伴う光パルスを評価するようにしている（たとえば特許文献１参照）。この第１の提案では、被測定光パルスをプローブ光とゲート光に分割して、非線形効果の一つである二光子遷移媒質を利用し、二光子吸収強度を遅延時間および周波数の関数として計測する。

また、第２の提案では、非線形光学材料を用いて、被測定光パルスの第２高調波を発生させ、同時に被測定光と第２高調波の差周波数に相当する相互相関信号光を発生させて、この相互相関信号光を電気信号に変換処理し、パルス波形を表示させている（たとえば特許文献２参照）。

更に、第３の提案では、被測定光パルスを２つの光パルスに分割し、これら２つの光パルスに遅延時間を設けて非線形光学材料に入射させ、遅延時間に対する相関データである第２高調波の光パルス強度波形により光パルスのパルス幅やパルス波形等を測定している（たとえば特許文献３、特許文献４参照）。

図２１は、この第３の提案による光パルス評価装置の構成を表わしたものである。ここでは特許文献３に開示された装置の概要を表わしている。被測定光１１は干渉計１２に入射され、続いて、自己相関信号検出部１３に入射されるようになっている。干渉計１２は、第１および第２の平行平板１４、１５によって被測定光１１を２つの光パルス１６、１７に分け、これらに光路差を与える。この光路差は、干渉計１２内の駆動部１８によって変化させることができる。自己相関信号検出部１３は、干渉計１２から入射した２つの光パルス１６、１７の時間的相関を測定し、被測定光１１の光パルス幅を求める。

第３の提案における特許文献４は、被測定光１１を分岐して一方の光パルスを遅延させた後に重ねて相関信号を測る点で特許文献３と同じであるが、被測定光１１を入射する前にパルス光の波長を分散させるようにしている。すなわち、特許文献４では、自己相関法による光パルス幅測定の手法と非線形光学効果を利用している。

また、第４の提案では、マッハ・ツェンダ干渉計を使用して２つの光路に光路差を与え、これらを受光器で電気信号に変換して、周波数別強度分析器においてスペクトル別に信号処理を行い、自己相関を得るようにしている（たとえば特許文献５参照）。

図２２は、この第４の提案による光パルス評価装置の構成を表わしたものである。光源２１から出た光は、第１のハーフミラ２３によって分岐される。第１のハーフミラ２３を透過した光は周波数変換器２４で所定の周波数差を与えられ、第２のハーフミラ２５を透過して受光器２６に入力される。第１のハーフミラ２３で反射した光は光遅延器２７によって遅延させられた後、第２のハーフミラ２５で反射されて受光器２６に入力される。受光器２６はこれら周波数と到達時間の異なる２つの光を受光して電気信号に変換し、その出力側に配置された周波数別強度分析器２８がスペクトル別に信号処理することで自己相関が得られるようになっている。
特開２００３−２８７２４号公報（第００４１段落、図２１） 特開２００２−２５７６３３号公報（第００２５段落、図２） 特開２００１−７４５６０号公報（第００８１段落、図２） 特開２０００−３５６５５５号公報（第００１０段落、図１） 特開平９−１３３５８５号公報（第０００７段落、図１）

一般に、非線形光学効果を使用して光パルスのパルス幅やパルス波形の特性評価を行うと、測定の感度が低く、測定精度の向上に限界があるという問題がある。先の第１の提案では、非線形光学効果を利用して光パルスを評価するので、入射電界強度に依存して測定精度が制限を受ける。このため測定の感度を高くすることができず、低パワーの光源を使用した場合の光パルスの特性評価には不向きである。また、この提案では、比較的高いビットレートの高速伝送用光パルスの評価を行おうとすると、評価の対象となる光パルスのパルス幅に応じて、たとえばピコ秒以下といった高い時間分解能が要求されるという問題もある。

また、第２の提案では、サンプリング光の第２高調波を発生させ、それと同時に、発生した第２高調波と被測定光の相互相関信号光として、差周波光を発生させる特殊な過程を経る疑似位相整合素子と呼ばれる材料を使用する必要がある。すなわち、第２の提案では、被測定光の波長に位相整合条件を満たす非線形光学材料がなければ実用化できない制約がある。また、この提案も非線形光学効果を利用して光パルスを評価している。このため測定の感度が低く、低パワーの光源を使用した場合の光パルスの特性評価には不向きであることに変わりはない。

第３の提案も非線形光学効果を利用している点で、第１および第２の提案と同じである。このため測定は入射電界強度に依存しており、測定の感度が低く、低パワーの光源を使用した場合の光パルスの特性評価には不向きである。

第４の提案では、被測定光パルスの電界成分の自己相関を測定することで位相情報を取り出しており、低光強度の時にも比較的感度が高く測定可能な波長範囲がほとんど限定されない自己相関法を実現している。しかしながら、この第４の提案では、図２２に示した周波数別強度分析器２８の回路構成および回路制御が複雑であり、光パルスの位置や周波数ドリフトに対する測定の安定性が損なわれやすい。したがって、近時、特に特性評価の要請が高い比較的高いビットレートでパルス幅の短い高速伝送用光パルスの評価を行おうとする場合には不向きである。

また、いずれの光パルス評価装置も光パルスが比較的高いビットレートの領域では、各スペクトル位相に対するスペクトル強度の観測、言い換えれば実際のパルス波形を観測することができない。

ここでスペクトル位相（spectral phase）についての説明を補足する。光パルスの電界スペクトルの複素表示をＥ（ω）とすると、これは次の式で表わすことができる。

Ｅ（ω）＝｜Ｅ（ω）｜ｅｘｐ［ｉφ（ω）］ ……（１）

このようにパルスの電界スペクトルの複素表示Ｅ（ω）は、大きさ｜Ｅ（ω）｜と偏角φ（ω）で表わすことができる。この偏角φ（ω）をスペクトル位相と呼ぶ。

したがって、従来提案されたこれらの装置では、評価の対象となる光パルスの強度や遅延処理に基づいたパルス幅を求めているに過ぎない。このような従来の光パルス評価装置では、求めた光パルスについての情報を、標準的なパルス波形の形状、たとえばガウシアン波形の高さおよび幅に当て嵌めることで、光パルスの実際の波形を推測している。このような特性評価では、波形の実際の歪み等を示すことができず、光パルス自体の波形あるいは光ファイバ等の光デバイスによる波形の劣化の様子についての高精度な評価を行うことはできない。

また、従来から光パルス自体の波形あるいは光ファイバ等の光デバイスによる波形の劣化の様子は、データ通信を行っている状態で高精度に行うことができなかった。

そこで本発明の目的は、比較的高いビットレートの領域で光パルス自体、あるいはこれを入射する試料における各スペクトル位相に対するスペクトル強度の評価等の特性評価を可能にした光パルス評価装置および光通信中に波長分散を測定するインサービス光パルス評価装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、（イ）評価の対象となる光パルスを出力する光パルス出力手段と、（ロ）この光パルス出力手段から出力される光パルスの特定の光周波数成分を抽出する光周波数成分抽出手段と、（ハ）この光周波数成分抽出手段によって抽出した光パルスの特定の光周波数成分の強度を求める周波数成分強度測定手段と、（ニ）この周波数成分強度測定手段の測定結果から光パルス出力手段から出力される光パルスのスペクトル位相とスペクトル強度を演算する位相強度演算手段とを光パルス評価装置に具備させる。

すなわち請求項１記載の発明では、光パルス出力手段から出力される光パルスの特定の光周波数成分を光周波数成分抽出手段によって抽出し、周波数成分強度測定手段の測定結果としての抽出した周波数と光パルスのその周波数成分の強度を用いて、その光パルスのスペクトル位相とスペクトル強度を演算するようにしている。

請求項２記載の発明では、（イ）評価の対象となる光パルスを出力する光パルス出力手段と、（ロ）この光パルス出力手段から出力される光パルスを分岐する光分岐手段と、（ハ）この光分岐手段により分岐された一方の光パルスを入力してその特定の光周波数成分を抽出する光周波数成分抽出手段と、（ニ）この光周波数成分抽出手段によって抽出した光パルスの特定の光周波数成分の強度を求める周波数成分強度測定手段と、（ホ）光分岐手段により分岐された他方の光パルス全体の強度を求める全光強度測定手段と、（へ）周波数成分強度測定手段および全光強度測定手段の測定結果から光パルス出力手段から出力される光パルスのスペクトル位相とスペクトル強度を演算する位相強度演算手段とを光パルス評価装置に具備させる。

すなわち請求項２記載の発明では、光パルス出力手段から出力される光パルスを光分岐手段によって分岐し、その一方については請求項１記載の発明と同様にして、その光パルスのスペクトル位相とスペクトル強度の演算に使用する。本発明では光分岐手段の出力する他方の光パルスも演算に使用するので、これを基準信号として用いることで、パルス位置のドリフトや周波数のドリフトが生じている場合にこれらをキャンセルアウトすることができる。

請求項１３記載の発明では、（イ）光源から射出される光線を所定のクロックに同期したデジタルデータ信号により変調する光変調部と、（ロ）この光変調部の変調によって得られた光パルス列を伝送路を用いて第１および第２の経路に分岐する光分岐器と、（ハ）第１の経路に配置され光変調部の変調によって得られた光パルス列を入力するバンドパスフィルタと、（ニ）このバンドパスフィルタの中心周波数を掃引する掃引部と、（ホ）バンドパスフィルタを透過した波長成分の光を受信する第１の光電変換素子と、（へ）この第１の光電変換素子によって変換された電気信号を入力して、伝送されてきたデジタルデータに同期したクロック信号を抽出する第１のクロック抽出器と、（ト）第２の経路を伝送される光パルス列を受信する第２の光電変換素子と、（チ）この第２の光電変換素子によって変換された電気信号を入力して、伝送されてきたデジタルデータに同期したクロック信号を抽出する第２のクロック抽出器と、（リ）これら第１および第２のクロック抽出器の出力するクロック信号の位相を検出することでバンドパスフィルタによる遅延時間を求める位相検出手段と、（ヌ）掃引部がバンドパスフィルタの中心周波数を掃引する際の位相検出手段による検出結果を測定することで光パルスのチャーピングあるいは伝送路の分散を演算する演算手段とをインサービス光パルス評価装置に具備させる。

すなわち請求項１３記載の発明では、光線を所定のクロックに同期したデジタルデータ信号により変調し、２つの経路に分岐した伝送路にそれぞれ伝送させる。このうち、第１の経路では、バンドパスフィルタを透過した波長成分の光は第１の光電変換素子で電気信号に変換され、第１のクロック抽出器で伝送されてきたデジタルデータに同期したクロック信号を抽出する。第２の経路では、バンドパスフィルタを経ることなく、第２のクロック抽出器で伝送されてきたデジタルデータに同期したクロック信号を抽出する。位相検出手段は、第１および第２のクロック抽出器の出力するクロック信号の位相を検出することでバンドパスフィルタによる遅延時間を求める。そして、掃引部がバンドパスフィルタの中心周波数を掃引する際の位相検出手段による検出結果を測定することで、演算手段が光パルスのチャーピングあるいは伝送路の分散を演算することになる。

請求項１４記載の発明では、（イ）光源から射出される光線を所定のクロックに同期したデジタルデータ信号により変調する光変調部と、（ロ）この光変調部の変調によって得られた光パルス列を伝送路に送り出す信号送出部と、（ハ）この信号送出部を経て伝送路を送られてきた光パルス列を入力するバンドパスフィルタと、（ニ）このバンドパスフィルタの中心周波数を所定の掃引周波数で掃引する掃引部と、（ホ）バンドパスフィルタを透過した波長成分の光を受信する光電変換素子と、（ヘ）この光電変換素子によって変換された電気信号を入力して、伝送されてきたデジタルデータに同期したクロック信号を抽出するクロック抽出器と、（ト）このクロック抽出器の抽出したクロック信号を入力して、このクロック信号の位相変動成分の時間微分に比例した電圧の帰還電圧信号を出力する帰還電圧信号出力部と、（チ）この帰還電圧信号出力部の出力する帰還電圧信号における掃引周波数の成分を測定することで光パルスのチャーピングあるいは伝送路の分散を演算する演算部とをインサービス光パルス評価装置に具備させる。

すなわち請求項１４記載の発明では、光線を所定のクロックに同期したデジタルデータ信号により変調してなる光パルス列を伝送路に送出し、受信側では送られてきた光パルス列を掃引周波数で掃引されるバンドパスフィルタを通過させて光電変換素子で電気信号に変換する。この電気信号から元のクロック信号を抽出し、帰還電圧信号出力部でクロック信号の位相変動成分の時間微分に比例した電圧の帰還電圧信号を出力する。この帰還電圧信号における掃引周波数の成分を測定することで光パルスのチャーピングあるいは伝送路の分散を演算する。

請求項１７記載の発明では、（イ）光源から射出される光線を所定のクロックに同期したデジタルデータ信号により変調する光変調部と、（ロ）この光変調部の変調によって得られた光パルス列を所定の分散値を有する伝送路に送出する送信部と、（ハ）伝送路を経た光パルス列を入力して分散設定値を調整する可変分散補償器と、（ニ）この可変分散補償器を経て送られてきた光パルス列を受信すると共に分散値をモニタしてその結果を可変分散補償器の分散設定値としてフィードバックする受信機とをインサービス光パルス評価装置に具備させる。

すなわち請求項１７記載の発明では、光線を所定のクロックに同期したデジタルデータ信号により変調してなる光パルス列を伝送路に送出し、受信側では分散値をモニタして可変分散補償器に送り、このフィードバック制御によって分散設定値を調整するようにしている。

以上説明したように本発明によれば、比較的高いビットレートの領域で光パルスのスペクトルを信号の劣化なく測定することができるので、試料を光パルスが通過した際の波形の劣化等を詳細に分析することが可能である。したがって、たとえば光ファイバを敷設した場合に光の伝搬によって生じる信号の劣化を高精度に測定し評価して、分散等を補償することで光の伝搬する距離を増加させたり、信号エラーの発生を減少させることができる。しかも本発明の場合には、繰り返し周波数が高くなりパルス幅が短くなると、光スペクトルが相対的に広くなるので、一般的には光パルスの分析が困難な比較的高いビットレートにおける光パルスの特性評価を有利に行うことができる。

また、本発明では実際にデータ通信を行っている状態で、比較的高いビットレートにおける光パルスの特性評価を行うことができるので、特性評価のためにデータ伝送サービスを一時的に停止させる必要がない。

以下実施例につき本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例における光パルス評価装置の構成を表わしたものである。光パルス評価装置４１は、本実施例で評価の対象とする光パルス４２を所定の繰り返し周波数ｆ_repで繰り返し出力する光パルス光源４３を備えている。光パルス４２の繰り返し周波数ｆ_repは、繰り返し周波数指定手段４４によって光パルス光源４３に指示されるようになっている。指示された繰り返し周波数ｆ_repは、位相検出回路４５にも入力される。

このようにして、指示された繰り返し周波数ｆ_repで光パルス光源４３から出力される複素スペクトルＥ（ω）および位相φ（ω）で表わされる光パルス４２は、波長可変光バンドパスフィルタ４７に入力される。ここで“ω”は角周波数を表わしている。波長可変光バンドパスフィルタ４７は、ステージ４８から、透過させる波長を変化させるための波長可変指示信号４９を入力しており、これによって光パルス４２における指示された波長域の波長成分５０のみを透過させる。波長可変光バンドパスフィルタ４７を透過した波長成分５０は、フォトダイオード（ＰＤ）５１に入射される。光パルス光源４３から、たとえば数ギガ〜数十ギガビット／秒といった比較的高い繰り返し周波数ｆ_repで光パルス４２が出力されるとしたとき、波長可変指示信号４９によってステージ４８が波長可変光バンドパスフィルタ４７の透過波長を変化させる速度は、たとえば０．２２ｎｍ／ｓ（ナノメータ／秒）と相対的に遅い速度となっている。これは、光パルス光源４３から繰り返し出力される光パルス４２を、同一の透過波長に対して複数測定し、それらの平均値を求めることで、それぞれの波長に対する測定の信頼性を確保するためである。

フォトダイオード５１の出力は、位相検出回路４５に入力される。本実施例の位相検出回路４５は、ロックインアンプで構成されており、ヘテロダイン検波技術を用いて、測定信号を直流に周波数変換するようになっている。本実施例では、繰り返し周波数指定手段４４から出力される繰り返し周波数ｆ_repをロックイン信号（ＬＯ）として、また、フォトダイオード５１の出力を参照信号（ＲＦ）として入力する。ロックインアンプは、ロックイン信号を局発信号としてヘテロダイン検波を行って位相を検出する。これにより、波長可変光バンドパスフィルタ４７を通過した波長成分のサイン（ｓｉｎ）成分としての位相情報と、コサイン（ｃｏｓ）成分としての振幅情報が求められる。

位相検出回路４５のこのような検出結果は、パーソナルコンピュータ５２に入力される。パーソナルコンピュータ５２は、図示しないＣＰＵ（中央処理装置）や、この光パルス評価装置４１を動作させるための制御プログラムを格納した図示しない記憶媒体を備えている。また、キーボードやマウス等の入力機器５３や液晶ディスプレイあるいはプリンタ等の出力機器５４がパーソナルコンピュータ５２に接続されている。パーソナルコンピュータ５２は、格納された制御プログラムを実行することで、光パルス評価装置４１を実現するための各種操作情報を入力機器５３から入力するための処理を行う操作処理部５６と、得られた結果を出力機器５４に表示させる処理を行う表示処理部５７と、逆フーリエ変換等の所定の演算をソフトウェア処理によって実現する演算手段５８を備えている。

操作処理部５６は、ステージ４８に対して波長を可変させるための指示信号６１を出力するようになっている。演算手段５８は、位相検出回路４５から得られた信号を逆フーリエ変換し、光パルス４２のそれぞれの位相に対する振幅を算出して表示処理部５７に与える。表示処理部５７は、操作処理部５６から指示された表示内容に従って、光パルス光源４３から出力される光パルス４２の波形等を表示することになる。

図２は、光パルスの測定結果を表わしたものである。この例では、図１に示した光パルス光源４３が、モード同期レーザダイオードを使用し、１０ギガビット／秒の繰り返し周波数ｆ_repで光パルス４２を出力した場合の光パルス特性を示している。ここでは、波長可変光バンドパスフィルタ４７に、半値全幅０．６ｎｍの回折格子型バンドパスフィルタを用いている。この波長可変光バンドパスフィルタ４７は、波長１５２０ｎｍから１６００ｎｍまで波長を可変可能であって、その入射角を変えることで中心波長を変化させることができる。位相検出回路４５にはロックインアンプ検出装置を用いており、その出力信号はパーソナルコンピュータ５２に取り込まれ、演算処理により光スペクトルの電界に対する自己相関を得ることができる。

図２（ａ）で実線は測定した光パルスの信号スペクトルを表わしており、破線は波長に依存するグループディレイ（群遅延：−ｄφ／ｄω）特性を表わしている。同図（ｂ）で実線は時間軸上の光パルスの強度波形を表わしており、破線は光周波数成分を表わしている。光パルスには各種の波長の光が混合している。図で光パルスの波形の左右には波長の短い光と長い光が存在していることまでが測定結果として示されている。パルス幅（τ）は、ＦＷＨＭ（Full Width Half Maximum：半値幅）で２．３１ｐｓとなっている。同図（ｃ）は時間軸上での光パルスのパワーを示す波形を表わしており、縦軸はｄＢ（デシベル）表示である。従来例に比較して格段に高精度な光パルスの波形評価が実現するので、このような対数表示が可能になる。ダイナミックレンジは４９ｄＢを越えていることが分かる。これにより、従来ではノイズに埋もれて観測ができなかった波形の小さなピークも、第１の実施例では十分検出することができるようになる。また、パルス波形の微妙な形状の特定も可能である。

同図（ｄ）で実線は従来の評価法の一つであるＳＨＧ（Second Harmonic Generation：第二高調波）光を用いた自己相関波形である。これに対して、丸点は本実施例の同図（ｃ）の強度波形より計算される自己相関波形である。このように、本実施例でも従来の評価法とほぼ同じ自己相関特性およびパルス幅を示すことが分かる。これにより、本実施例を使用した評価値自体の信頼性も確認されたことになる。

＜第１の実施例の第１の変形例＞
図３は、本発明の第１の実施例の第１の変形例における光パルス評価装置の要部を示したものである。図３で図１と同一部分には同一の符号を付しており、これらの説明を適宜省略する。この変形例の光パルス評価装置４１Ａでは、光パルス光源４３から出力される光パルス４２が光分岐器７１によって２つに分岐されるようになっている。図で上側に分岐した光路を伝搬される光パルス４２₁は、先の実施例と同様に半値全幅０．６ｎｍの波長可変光バンドパスフィルタ４７に入力され、これを通過した波長成分の光がフォトダイオード５１で受光され、その出力が位相検出回路４５Ａの参照信号（ＲＦ）として入力される。図で下側に分岐された光路を伝播される光パルス４２₂は、通過帯域を制限されることなくフォトダイオード５１と同一の特性の他のフォトダイオード７２で受光され、その出力がロックイン信号（ＬＯ）として位相検出回路４５Ａに入力される。これ以外の回路部分は先の実施例と同一なのでこれらの図示を省略する。

この第１の変形例の光パルス評価装置４１Ａでは、光パルス光源４３から実際に出力された光パルス４２の分岐により得られた光パルス４２₂を、光電変換して位相検出回路４５Ａに入力している。したがって、先の実施例の光パルス評価装置４１と異なり、光パルス光源４３から出力される光パルスの位置が図示しない光学系のミラー等の部品の振動によって変動したり、周波数が微妙にドリフトしたような場合であっても、そのドリフトした値を基準にして位相検出回路が動作する。この結果、これらのドリフトの影響を相殺して光パルスの評価を行うことができる。

図４は、第１の変形例の光パルス評価装置を使用して、広帯域に広がったスーパ・コンティニューム（Supercontinuum）光による光パルス列を評価したものである。同図（ａ）は測定した光パルスの信号スペクトルを表わしており、破線は波長に依存するグループディレイ特性を表わしている。同図（ｂ）で実線は時間軸上の光パルス強度波形を表わしており、破線は光周波数成分を表わしている。また同図（ｃ）は時間軸上での光パルス波形を示しており、縦軸はデシベル（ｄＢ）表示である。この場合も図２で説明したと同様に、従来例に比較して格段に高精度な光パルスの波形評価が実現している。ダイナミックレンジは４６ｄＢを越えていることが分かる。従来ではノイズに埋没して測定できなかった波形の小さなピークも検出することができる。これは非線形効果の１つである自己位相変調によるオプティカル・ウエイブ・ブレーキング（optical wave breaking）現象と呼ばれるもので、高精度の測定が可能な光パルス評価装置４１Ａを用いることで、初めて観測が可能になる。この他、過飽和吸収体の透過特性の評価も可能になる。

同図（ｄ）で実線は従来の評価法の一つであるＳＨＧ（Second-Harmonic Generation：光第２次高調波発生）光を用いた自己相関波形を示す。丸点は本実施例の同図（ｃ）の強度波形より計算される自己相関波形を示す。このように、この変形例でも従来の評価法とほぼ同じ自己相関特性およびパルス幅を示しており、評価値自体の信頼性が確認された。なお、この図（ｄ）に示した波形は、評価の対象となった光パルスの実際の波形とは異なる。この点も図２（ｄ）と同様である。

＜第１の実施例の第２の変形例＞
本発明の第１の実施例の第２の変形例では、図１に示した光パルス評価装置４１を使用する点は同じであるが、パーソナルコンピュータ５２にインストールされる制御プログラムが先の実施例と若干相違しており、光パルスの測定結果を再構築して光強度波形と瞬時周波数を演算できるようになっている。

この第２の変形例では、図１に示した波長可変光バンドパスフィルタ４７のフィルタ特性を誘電体多層膜バンドパスフィルタと同じローレンツ型（Cauchy 分布）とし、フィルタ帯域幅を０．６ｎｍに設定したものを使用した。また、光パルス光源４３から出力される光パルス４２を、半値全幅が１ピコ秒で、繰り返し周波数ｆ_repが１０ギガ／秒のガウシアン波形のパルスとした。更に、第２の変形例ではフォトダイオード５１から出力される光電変換後の光電流の振幅と位相からスペクトル強度およびスペクトル位相を求める点は実施例と同一であるが、パーソナルコンピュータ５２でこれらの情報の再構築を行い、光強度波形と瞬時周波数を求めた。

図５は、本発明の第２の変形例におけるシミュレーションの結果を示したものである。同図（ａ）は、フィルタ特性の補償を行わない場合のパルス波形および周波数が変化する割合としての瞬時周波数チャープを示したものである。ここで「チャープ」とは瞬時周波数の変化する割合であり、周波数チャープあるいはチャーピングなどとも呼ばれる。同図（ａ）では、フィルタの分散に起因するパルス波形の歪が生じている。これに対して同図（ｂ）は、フィルタ特性の補償のための算術演算を行い、パルス波形および瞬時周波数の歪を除去している。

図６は、この第２の変形例におけるフィルタ特性を補償するための演算処理の流れを示したものである。ここでは、図１に示したパーソナルコンピュータ５２で光フィルタ特性関数ζ（ω）を計算する（ステップＳ８１）際に、光フィルタ伝達関数Ｈに波長可変光バンドパスフィルタ４７の光パルス４２に対する遅延分を組み込んでおくようにしている。そして、測定した光電流フェーザＩ（ω）を光フィルタ特性関数ζ（ω）で逆畳み込みし（ステップＳ８２）、被測定パルスの複素スペクトルＥ（ω）を求めて（ステップＳ８３）、被測定パルスの時間波形ｅ（ｔ）を求める（ステップＳ８４）ようにしている。

＜第１の実施例の第３の変形例＞
以上説明した第１の実施例および変形例では、光パルス光源から出力される光パルスそのものの特性を評価したが、既知の光パルスを使用して試料となる各種の光デバイスを測定し、それらの評価を行うことができる。

図７は、本発明の第１の実施例の第３の変形例として、試料の評価を行う光パルス評価装置の構成の概要を表わしたものである。図７で図１と同一部分には同一の符号を付しており、これらの説明を適宜省略する。この変形例の光パルス評価装置４１Ｃは、図１に示した光パルス評価装置４１の光パルス光源４３と波長可変光バンドパスフィルタ４７の間に可動式の試料台９１を配置している。試料台９１は光路と直交する矢印９２方向に移動することで、この光路に対して挿脱自在となっている。図示のように試料台９１が光路中に配置された場合には、試料台９１にセットされた試料９３を透過した光が波長可変光バンドパスフィルタ４７に入射する。また、試料台９１が光路を外れる位置まで移動した状態では、光パルス光源４３から出力される光パルス４２がそのまま波長可変光バンドパスフィルタ４７に入射するようになっている。試料台９１は、パーソナルコンピュータ５２内の操作処理部５６Ｃの指示によってその図示しない駆動機構が矢印９２方向の移動を制御するようになっている。

このような構成の光パルス評価装置４１Ｃでは、たとえば光導波路や光ファイバ等の試料９３を光パルス光源４３と波長可変光バンドパスフィルタ４７の間の光路中に挿入していない状態で、図１で説明したと同様に光パルス４２自体の特性を測定する。次に、操作処理部５６Ｃが試料台９１に指示を与えて試料９３を光路中に挿入させ、その状態で同様の測定を行う。演算手段５８Ｃは、基準となる光パルスに対する試料９３自体の特性を求める。求める特性の指示は入力機器５３によりパーソナルコンピュータ５２に対して行われる。これにより、基準となる光パルスのチャーピング、分散、位相ずれ等が測定され、表示処理部５７によって出力機器５４に表示結果が出力される。

ここで、基準となる光パルスとは理想的な光パルスあるいはある環境条件で発生している光パルスを再現した光パルスである。光パルス光源４３から出力される光パルス４２は、それ自体が個性をもっており、理想的な光パルスあるいはある状況を再現した光パルスではない。そこで、試料９２が光路中に存在しない状態で光パルス光源４３から実際に出力される光パルス４２の特性を測定しておき、これを基にして試料９３を透過した後の光パルスの特性を補正することで、各種の環境条件における試料９３の評価を可能にしている。

なお、この第３の変形例の光パルス評価装置４１Ｃでは試料台９１が光路に対して自動的に挿脱するものとして説明したが、オペレータが試料を手動で光路中にセットしたり光路から取り外すようなものであってもよい。また、試料の評価を行う光パルス評価装置は、図１に示した光パルス評価装置４１をベースにする必要はなく、たとえば図３に示した光パルス評価装置４１Ａを使用してもよい。

また、以上説明した第１の実施例および各変形例では波長可変光バンドパスフィルタ４７の分散あるいは透過特性または遅延特性に起因する誤差の除去について特に説明しなかったが、このような誤差は、すでに提案されている公知の手法で算術演算によって除去することができる。これにより、波長可変光バンドパスフィルタ４７として好ましい誘電体多層膜だけでなく、回折格子方式や波長可変型ファイバブラッググレーティング等を使用した光バンドパスフィルタであっても、公知の手法でこれらに起因する誤差を除去して、高精度の測定が可能である。たとえば誘電体多層膜を波長可変光バンドパスフィルタ４７として使用した場合、実際に光パルスを透過させてみて遅延時間を測定する。そして、その値をパーソナルコンピュータ５２に補正用のデータとして格納しておいて、これを使用して誤差の補正を行うことになる。

また、第１の実施例では所定の繰り返し周期で発生するパルス列を光パルス評価装置で評価することにしたが、評価の対象はこれに限定されるものではない。本発明はあらゆるパルス光源に対して適用可能であり、モード同期、利得スイッチ等の様々なものに対応可能である。

ところで、先に説明したように光通信システムの伝送速度が高くなり、４０Ｇｂｉｔ／ｓを超えるビットレートの通信が行われるようになると、光ファイバや伝送路上にある光デバイスの波長分散による波形歪みが顕著になる。ここで波長分散とは、光の伝搬する速度（群速度）が波長によって異なる現象である。波長分散が零でない場合には、光パルスのスペクトル成分ごとに伝搬遅延時間が異なるため、光パルスの時間幅（以降、パルス幅と呼ぶ）が広くなる。光通信システムでは、パルス幅が広がることにより、隣接するビット間の干渉が起こり、正しい情報伝送ができなくなる。波長分散による許容度を分散トレランスというが、実際の光通信システムでは、総分散が分散トレランス内に収まるように分散値を管理する必要がある。具体的には、伝送路の分散値を測定し、それと逆符号の分散を持つ分散補償ファイバ等の分散補償器を用いて、累積する分散を補償しなければならない。このようなことから、伝送路の分散値を知ることは実用上非常に重要である。

光パルスの位相、もしくは瞬時周波数を知ることにより、光パルスのチャープを知ることができ、光通信システムでは、これを基にして、光パルスが受けた分散量と補償すべき分散量が求まる。先に説明した第１の実施例およびその変形例から明らかなように、一定の時間間隔で到来する光パルスについては光パルスの位相・瞬時周波数を求めることができる。

しかしながら、光通信システムがサービスを提供している「インサービス」の状態では、信号光がデジタルデータで変調されたものとなっている。このため、一定の時間間隔で規則正しく繰り返す光パルスを前提とした図１に示す光パルス評価装置４１は実際の光通信システムでそのまま使用することができない。

図８は、２つの光パルス列を表わしたものである。この図で横軸は時間の経過を表わしている。同図（ａ）の方は、図１の光パルス光源４３から出力される一定の時間間隔で到来する光パルス列である。これに対して、同図（ｂ）の方は、デジタルデータで変調された光パルス列であり、光通信における実際の伝送信号光の一例である。同図（ａ）のように、一定の時間間隔で到来する光パルス列の場合、図１のフォトダイオード等の光検出器は、光パルス列に同期した繰り返し周波数を持つ電気信号を出力する。このため、その繰り返し周波数成分に対する位相比較器を用いれば光パルスの遅延時間が求められる。

ところが、図８（ｂ）に示すようにデジタルデータで変調された信号光の場合には、伝送されたデジタルデータによってパルス列に周期的な規則性が無くなり、パルスの欠けが発生するようになる。このため、簡単に位相比較器を用いることができない。本発明の第２の実施例では、このような問題に対処している。すなわち、（１）光電変換された電気信号そのものを用いるのではなく、デジタルデータに同期したクロック信号を抽出して用いることにしている。（２）構成を簡単にするため、光バンドパスフィルタの中心周波数を一定の繰り返し周波数で掃引して、クロック信号の位相変位を用いてチャープを求めるように改良している。

図９は、第１の実施例の第１の変形例における図３に対応するものであり、本発明の第２の実施例におけるインサービス光パルス評価装置の要部を示したものである。図９で図１および図３と同一部分には同一の符号を付しており、これらの説明を適宜省略する。

インサービス光パルス評価装置１４１は、デジタルデータによって変調されたパルス列１４２を出力するパルス列出力手段１４３を備えている。図３に示した光パルス光源４３および繰り返し周波数指定手段４４は存在しない。パルス列１４２におけるビットレートをＢと表わすことにする。パルス列１４２は、光分岐器７１によって２つに分岐される。図で上側に分岐した光路を伝搬される光パルス列１４２₁は、先の実施例と同様に半値全幅０．６ｎｍの波長可変光バンドパスフィルタ４７に入力され、これを通過した波長成分の光がフォトダイオード５１で受光され、その出力としての電気信号１５２が第１のクロック抽出器１６１に入力される。第１のクロック抽出器１６１からは参照信号１５３が位相検出回路４５Ｂの参照信号入力端子（ＲＦ）に入力される。

図で下側に分岐された光路を伝播される光パルス列１４２₂は、通過帯域を制限されることなくフォトダイオード５１と同一の特性の他のフォトダイオード７２で受光される。その出力１５４は、第２のクロック抽出器１６２に入力される。第２のクロック抽出器１６２からはロックイン信号１５５が位相検出回路４５Ｂのロックイン信号入力端子（ＬＯ）に入力される。これ以外の回路部分は第１の実施例と同一なのでこれらの図示を省略する。

図９に示すインサービス光パルス評価装置１４１で、まず（１）の同期クロックについて説明する。インサービス光パルス評価装置１４１では、被測定光パルスとして光通信における伝送信号光を仮定する。光パルス列１４２は様々な周波数成分を持つため、単純に位相比較ができないことは先に述べたとおりである。そこで、第１および第２のクロック抽出器１６１、１６２は、伝送されてきたデジタルデータに同期したクロック信号（繰り返し周波数がＢの正弦波、あるいは繰り返し周波数がＢのデジタル波形）をそれぞれ抽出する。この操作はクロック抽出あるいはクロックリカバリと呼ばれるもので、中心波長がビットレートＢの狭帯域フィルタを用いたり、位相ロックループ回路を用いるなど任意の既存の方法を用いることができる。クロック信号の位相は光パルス列に同期している。したがって、第１の実施例の図２と同様に位相比較によって波長可変光バンドパスフィルタ４７によって生じる遅延時間を求めることができ、波長可変光バンドパスフィルタ４７の中心周波数を掃引することにより光パルスのチャーピングを求めることができる。すなわち、デジタルデータ信号に同期したクロック信号を抽出し、更にこのクロック信号の位相変化を検出し、クロック信号の位相変化からスペクトル位相を求め、バンドパスフィルタの中心周波数を掃引する際のスペクトル位相の変化から光パルスのチャーピングを求めることができる。

なお、インサービス光パルス評価装置１４１では、デジタルデータ信号を光の強度あるいは位相を変調して得られた光パルス列（図８（ｂ）参照）を波長可変光バンドパスフィルタ４７に入力することになる。ここで、デジタルデータ信号は、時間的、あるいは空間的に繰り返される不規則信号としての擬似ランダム信号を含んでいる。

次に図３の光パルス評価装置４１Ａを改良して構成の簡単化を図る（２）の点について説明する。図９の構成は、図３の構成をそのまま改良したものである。この場合、位相の基準を得るためにパルス列１４２を２つの経路に分岐して第１および第２のクロック抽出器１６１、１６２でそれぞれクロック抽出を行う必要があった。本発明の第３の実施例では、第２の実施例と比べてインサービス光パルス評価装置の構成の簡単化を図っている。

図１０は第３の実施例のインサービス光パルス評価装置を示したものである。このインサービス光パルス評価装置１４１Ａは、パルス列出力回路１４３から出力されるデジタルデータで変調されたパルス列１４２をそのまま波長可変光バンドパスフィルタ１４７に入力している。波長可変光バンドパスフィルタ１４７には、正弦波発生装置１７１から掃引周波数ｆrで掃引幅Δｆの正弦波１７２が供給され、周期的な掃引が行われる。波長可変光バンドパスフィルタ１４７から出力される掃引後のパルス列１７３はクロック抽出器１７４に入力され、クロック信号１７５の抽出が行われる。抽出されたクロック信号１７５は、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路からなる位相検出回路１７６に入力される。これ以外の回路部分は第１の実施例と同一なのでこれらの図示を省略する。

図１１（ａ）は波長可変光バンドパスフィルタで掃引が行われる様子を示しており、曲線１８１は被測定対象の光スペクトル、すなわち伝送されてきた信号光のスペクトルを表わしている。曲線１８２は図１０に示した波長可変光バンドパスフィルタ１４７を透過してフォトダイオード５１に入力する光の透過スペクトルを表わしている。また、曲線１８３は、掃引周波数ｆrで掃引幅Δｆの正弦波１７２の波形を示している。図１１（ｂ）は、波長可変光バンドパスフィルタ１４７の中心システムの変動の様子を表わしており、同図（ｃ）は図１０におけるクロック抽出器１７４から出力されるクロック信号１７５の位相の変化を表わしている。

図１０と共に、第３の実施例のインサービス光パルス評価装置１４１Ａの動作原理を説明する。波長可変光バンドパスフィルタ１４７の中心周波数の変化に応じてクロック信号１７５の位相が変化する。したがって、クロック信号１７５の位相も、図１１（ｃ）に示すように掃引周波数ｆrで掃引される。この位相変調成分の振幅ＡＭは、被測定光パルスのチャープ（すなわち残留分散）に比例する。したがって、この振幅ＡＭを求めればよい。

第２の実施例の図９との相違を説明する。図９ではクロック信号の位相の直流成分を検出するのに対して、第３の実施例では交流（周波数ｆｒ）成分を検出する。したがって、第３の実施例では、基準位相が不要であり、位相変位に対して感度の高い位相検波器（例えばＰＬＬ回路）を用いることができる。また、実用上の利点として、直流近辺に存在する大きな雑音から逃れることができるために、雑音に対して強くなる。第３の実施例では、クロック信号１７５の位相の振幅のみからチャープの向き（分散の符号）を判断することができないが、波長可変光バンドパスフィルタ１４７を掃引している正弦波１７２の波形との位相関係により判断が可能である。

［第１の実験例］
図１０に示したインサービス光パルス評価装置１４１Ａで、実際に光パルスのチャープ、および分散を測定できるかどうかの検証を光通信システムを用いて行った。ここでは、実際の用途に鑑み、光パルスのチャープそのものを測定するのではなく、光パルスが受けた分散値を測定した。入力する光パルスがチャープフリー（チャープのない状態）であれば伝送後の光パルスのチャープと分散値は等価であるためである。

図１２は、第３の実施例のインサービス光パルス評価装置を具体化した第１の実験例の通信システムを表わしたものである。第１の実験例の通信システム２００は、デジタルデータで変調されたパルス列を出力する光パルス送信装置（Ｔｘ）２０２を備えている。光パルス送信装置２０２は、光源２２１と、この光源２２１から出力される光を所定のクロックに同期したデジタルデータ信号により変調する光変調部２２２を備えている。光パルス送信装置２０２と波長可変光バンドパスフィルタを構成する音響光学可変フィルタ（AOTF: Acousto-Optic Tunable Filter）２０３の間には、光変調部２２２による変調後の信号光（パルス列）２０４を伝送する光ファイバ２０５が接続されている。音響光学可変フィルタ２０３には、掃引周波数ｆrが１０ｋＨｚとなる正弦波２０７を供給する正弦波発生装置２７１が接続されている。音響光学可変フィルタ２０３から出力される掃引後の信号光２０８はフォトダイオード２０９に入力されて電気信号に変換される。フォトダイオード２０９の出力する電気信号２１０は、クロック信号２１１を抽出して出力するクロック抽出器（Clock Recovery）２１２に入力される。抽出されたクロック信号２１１はＰＬＬ回路２１３に入力されてＰＬＬ出力信号２１４がＡＤ変換器２１５に入力される。ＡＤ変換器２１５は変換後のデジタルデータ２１６をパーソナルコンピュータ（ＰＣ）２１７に送出する。

このような第１の実験例の通信システム２００で、光パルス送信装置２０２がデジタルデータを送り出すための伝送条件は、ビットレートＢが４０Ｇｂｉｔ／ｓであり、信号光の波長が１５４９．６５ｎｍである。伝送フォーマットには、ＲＺ（return-to-zero）方式を採用した。音響光学可変フィルタ２０３は、図１０に示した波長可変光バンドパスフィルタ１４７の中で、中心波長を非常に高速で変化させることができるものである（T. Nakazawa et al., Technical Digest of Optical Fiber Communication Conference'98, paper PD1, 1998）。本実施例の音響光学可変フィルタ２０３の波長帯域は０．５５ｎｍ（７０ＧＨｚ）である。掃引周波数ｆrは１０ｋＨｚで、音響光学可変フィルタ２０３の掃引幅Δｆは２０ＧＨｚである。音響光学可変フィルタ２０３からの出力光は、フォトダイオード２０９で光電変換した後、クロック抽出器２１２で４０ＧＨｚのクロック信号２１１を抽出する。ＰＬＬ回路２１３から出力されるＰＬＬ出力信号２１４は、帰還電圧の大きさを表わしたクロック信号であり、クロック信号２１１の位相変動成分の時間微分に比例している。ＡＤ変換器２１５から出力されるデジタルデータ２１６はパーソナルコンピュータに取り込まれ、周波数ｆｒが１０ｋＨｚの成分の大きさの測定が行われた。

図１３は、図１２に示した第１の実験例の通信システムにおける各部の信号スペクトルを表わしたものである。同図（ａ）は、図１２における音響光学可変フィルタ２０３で切り出す前の信号光２０４のスペクトルを表わしている。同図（ｂ）および同図（ｃ）は、音響光学可変フィルタ２０３を通過した信号光２０８のスペクトル変化を示している。これらは、図１１の曲線１８３で示した正弦波１７２（図１０）の掃引幅Δｆに対応するものであり、信号光２０８と波長可変光バンドパスフィルタとしての音響光学可変フィルタ２０３の中心周波数のずれは、それぞれ＋１０ＧＨｚと−１０ＧＨｚである。すなわち、１０ＧＨｚだけ高周波側では、波長が０．０８ｎｍ短くなる。

図１４は、ＰＬＬ回路によって検出された位相変調成分の時間経過に伴う波形の一例を表わしたものである。ここでは、クロック信号２１１の位相変調成分を表わした波形の一例を示している。この図で横軸は経過時間を、また縦軸は図１２におけるＰＬＬ出力信号２１４としてのフィードバック電圧を表わしている。また、同図の上側の波形は、分散値が−６０ｐｓ／ｎｍの場合を示しており、また、下側の波形は、分散値が＋６０ｐｓ／ｎｍの場合を示している。

ところで、ＰＬＬ回路２１３自体は帯域が広く雑音を拾いやすい。このため、ＰＬＬ回路２１３の回路雑音や光信号雑音により、Ｓ／Ｎ比（Signal to Noise Ratio）が劣化する。しかしながら、音響光学可変フィルタ２０３の変調成分よりも十分に高い成分は測定精度には影響しないので、第１の実験例の通信システム２００では５０ｋＨｚに遮断周波数を持つローパスフィルタを用いている。これにより、高域の雑音は除去され、Ｓ／Ｎ比は改善される。図１４に示した波形は理想的には矩形波となるものであるが、ローパスフィルタが信号の高域も同時に遮断しているために波形をなまらせている。しかし、１０ｋＨｚ成分の大きさで分散値の絶対値がわかるため、これによる測定精度の劣化は無視することができる。

図１５は、光ファイバの分散値と検出された位相変調成分としてのフィードバック電圧との関係を示している。横軸はＧＶＤ（Group-Velocity Dispersion：群速度分散）を示している。すなわち図１５は、光ファイバ２０５（図１２）の分散値に対するクロック信号２１１の位相変調成分の１０ｋＨｚ成分での大きさを測定した結果を示している。図１２の第１の実験例の通信システム２００では、ＰＬＬ回路２１３から出力されるＰＬＬ出力信号２１４の振幅で分散の大きさを測定している。また、ＰＬＬ出力信号２１４と光バンドパスフィルタとしての音響光学可変フィルタ２０３の位相関係によって、すなわち音響光学可変フィルタ２０３の選択する波長を長波長側に動かしたときに位相変調成分が遅れるか進むかによって符号の正負を判断している。このように、分散の大きさと符号が別々に判断される。ＰＬＬ回路２１３から出力されるＰＬＬ出力信号２１４の振幅（クロック信号２１１の位相変調成分の大きさ）だけを測定すると、分散の絶対値しか分からない。分散の正負を表わす符号も重要である。そこで、図１５では、分散の大きさと符号を別々に測定して、それを縦軸に表わしている。なおクロック信号２１１の位相変調成分の大きさが負のところでは、符号判定が負であるとされている。この図で、分散がゼロの位置でフィードバック電圧がゼロになっておらず、オフセットが生じてはいるが、クロック信号の位相変調成分の大きさから正確に分散を求めることができることがわかる。また、分散値の測定範囲はおよそ、−１００ｐｓ／ｎｍから＋９０ｐｓ／ｎｍの範囲となった。これは、クロック抽出器１７４としてのクロックリカバリモジュールが正常にクロック信号１７５を抽出できる範囲から生じる制限である。

［第２の実験例］

以上説明した第１の実験例から、図１２に示す光ファイバ２０５の分散を高精度に測定できることが分かる。そこで、次に第２の実験例として、これらの分散値を実時間で測定できることを示す。

図１６は、第２の実験例で使用する通信システムの概要を示したものである。図１２と同一部分には同一の符号を付しており、これらの説明を適宜省略する。第３の実施例のインサービス光パルス評価装置を具体化した第２の実験例の通信システム３００では、光パルス送信装置（Ｔｘ）２０２と音響光学可変フィルタ２０３の間に光ファイバ３０５と可変分散補償器３０６が直列に接続されている。光ファイバ３０５は、分散値が２５３ｐｓ／ｍの単一モードファイバである。可変分散補償器３０６は、温度コントロール型チャープドファイバグレーティングを用いた可変分散補償器（S. Matsumotoら, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 13, no. 8, August 2001）と同等のものを使用した。可変分散補償器３０６の分散設定値を−１９３ｐｓ／ｎｍ（総分散６０ｐｓ／ｎｍ）から−３１３ｐｓ／ｎｍ（総分散−６０ｐｓ／ｎｍ）に変化させ、また−１９３ｐｓ／ｎｍから−３１３ｐｓ／ｎｍに戻したときの様子をディザフィルタ法によってモニタした。測定間隔はおよそ１５０ｍｓｅｃとした。

図１７は、この第２の実験例における可変分散補償器の過渡応答の測定例を示したものである。横軸は、可変分散補償器３０６の分散設定値（ＴＤＣ）を−３１３ｐｓ／ｎｍから−１９３ｐｓ／ｎｍに変更したときからの経過時間を示している。縦軸は、ＧＶＤ(群速度分散）を示している。６０ｓｅｃにて設定値を−１９３ｐｓ／ｎｍから−３１３ｐｓ／ｎｍに戻している。１０秒程度で設定分散値に収束している様子がわかり、高速に分散を正確にモニタできることが確認された。

なお、第２の実験例では、ＡＤ変換器２１５の性能の限界である１０ｍｓｅｃまで測定時間を短くしてもモニタが可能であった。このように、第２の実験例の通信システム３００は、単なる光パルスのチャープ測定にとどまらず、伝送信号を用いたリアルタイム分散モニタとして用いることができる。

［第３の実験例］

以上の説明で、本発明のインサービス光パルス評価装置が光ファイバの分散を高速に、正確に、広範囲にわたって測定できることを示し、リアルタイム分散モニタに適していることが確認された。第３の実験例では、実際に簡単な光ネットワークを作り、本発明によるリアルタイム分散モニタと可変分散補償器を合わせた適応分散補償システムを構築する。

図１８は、第３の実験例で使用する通信システムの概要を示したものである。第３の実施例のインサービス光パルス評価装置を具体化した第３の実験例の通信システム４００は、４０ＧｂｐｓのＲＺ信号光４０４を送出する送信機（Ｔｘ）４０２を備えている。送信機４０２の構成は、図１２の光パルス送信装置２０２と同様である。送信機（Ｔｘ）４０２から送出された信号光４０４は、光交換機としての第１の光クロスコネクトノード（ＯＸＣ）４０６に入力され、ここで第１のパス４０７と第２のパス４０８のいずれか一端を選択するようになっている。第１のパス４０７は、分散値が２２３ｐｓ／ｎｍの１４ｋｍの長さのシングルモードファイバで構成されている。第２のパス４０８は、分散値が２８０ｐｓ／ｎｍの１７ｋｍの長さのシングルモードファイバで構成されている。第１のパス４０７と第２のパス４０８の他端側には、光交換機としての第２の光クロスコネクトノード４０９の入力側が択一的に接続されるようになっている。

第２の光クロスコネクトノード４０９の出力側には、分散設定値（ＴＤＣ）を調整することのできる温度コントロール型ＣＦＢＧ（Chirped Fiber Bragg Grating）を用いた可変分散補償器４１１を介して受信機（Ｒｘ）４１２が接続されている。受信機４１２には、リアルタイム分散モニタ４１３が組み込まれている。受信機４１２は、このリアルタイム分散モニタ４１３から出力される分散値４１４を可変分散補償器４１１に供給し、これによって分散をゼロにするようなフィードバック制御を行うようになっている。この４０Ｇｂｐｓの通信システム４００で、分散トレランスを測定するために、送信機４０２から受信機４１２までの総分散値を変化させて、受信側でビットエラーレート（BER : Bit Error Rate）を測定した。

図１９は、このビットエラーレートの測定結果を示したものである。横軸は総分散値の変化を表わし、縦軸はビットエラーレートを表わしている。分散トレランスはおよそ±３０ｐｓ／ｎｍ程度であった。

次に、実際に適応分散補償システムを動作させながら第１および第２の光クロスコネクトノード４０６、４０９によってパス４０７、４０８を切り替え、その間のエラー数を測定した。パス４０７、４０８の切り替えに要する時間は１０ｍｓｅｃ以下であった。リアルタイム分散モニタ４１３の速度は１５０ｍｓｅｃ、エラー数測定間隔は５００ｍｓｅｃであった。

図２０は、適応分散補償実験による分散値とエラーカウントの時間変化を示したものである。横軸が経過時間、縦軸上段がリアルタイム分散モニタ４１３によって測定された分散値、縦軸下段が測定されたエラー数を示している。この図で「ｐａｔｈ２」とは第２のパス４０８を、また「ｐａｔｈ１」とは第１のパス４０７を示している。およそ５ｓｅｃ経過した時点で第２のパス４０８から第１のパス４０７に切り替えを行い、また２５ｓｅｃ経過した時点で再び第１のパス４０７から第２のパス４０８へと切り替えを行った。いずれの場合にも、１．５ｓｅｃ以内にエラーフリーの状態に戻すことができた。リアルタイム分散モニタ４１３の速度である１５０ｍｓｅｃを除いた１．３５ｓｅｃは、可変分散補償器４１１の設定分散値への変更に要する時間である。この図からは、測定分散値の精度がやや良くないようにも見える。これはリアルタイム分散モニタ４１３における、分散値と帰還電圧の関係を直線近似したことと、可変分散補償器４１１の設定分散値の誤差が原因である。

本発明の第１の実施例における光パルス評価装置の構成を表わした概略構成図である。 第１の実施例における光パルスの測定結果を表わした特性図である。 本発明第１の実施例の第１の変形例における光パルス評価装置の要部構成図である。 第１の変形例における広帯域光源の光パルスの特性図である。 本発明の第１の実施例の第２の変形例におけるシミュレーション結果を示す図である。 第１の実施例の第２の変形例におけるフィルタ特性の補償のための演算処理の流れ図である。 本発明の第１の実施例の第３の変形例における試料評価用の光パルス評価装置の概略構成図である。 一定間隔で到来する光パルスと間歇的に到来する光パルスの波形を示した波形図である。 本発明の第２の実施例におけるインサービス光パルス評価装置の要部を示した概略構成図である。 本発明の第３の実施例のインサービス光パルス評価装置を示した概略構成図である。 第３の実施例の波長可変光バンドパスフィルタで掃引が行われる様子を示した説明図である。 第１の実験例の通信システムのシステム構成図である。 図１２に示した第１の実験例の通信システムにおける各部の信号スペクトルを表わした波形図である。 第１の実験例でＰＬＬ回路によって検出された位相変調成分の時間経過に伴う波形の一例を表わした波形図である。 第１の実験例で光ファイバの分散値とフィードバック電圧との関係を示した特性図である。 第２の実験例で使用する通信システムのシステム構成図である。 第２の実験例における可変分散補償器の過渡応答の測定例を示した特性図である。 第３の実験例で使用する通信システムの概要を示したシステム構成図である。 第３の実験例のビットエラーレートの測定結果を示した特性図である。 第３の実験例の適応分散補償実験による分散値とエラーカウントの時間変化を示した特性図である。 第３の提案によるインサービス光パルス評価装置の構成を表わした概略構成図である。 第４の提案によるインサービス光パルス評価装置の構成を表わした概略構成図である。

符号の説明

４１、４１Ａ、４１Ｃ 光パルス評価装置
４２、１４２ 光パルス
４３ 光パルス光源
４４ 繰り返し周波数指定手段
４５、４５Ａ、４５Ｂ 位相検出回路
４７ 波長可変光バンドパスフィルタ
４８ ステージ
５１、７２、２０９ フォトダイオード
５２、２１７ パーソナルコンピュータ
５７ 表示処理部
５８、５８Ｃ 演算手段
７１ 光分岐器
９１ 試料台
９３ 試料
１４１、１４１Ａ インサービス光パルス評価装置
１４７ 波長可変光バンドパスフィルタ
１７１、２７１ 正弦波発生装置
１７４ クロック抽出器
１７６ 位相検出回路
２００ 第１の実験例の通信システム
２０３ 音響光学可変フィルタ
２０４ 信号光（パルス列）
２０５、３０５ 光ファイバ
２１２ クロック抽出器
２１３ ＰＬＬ回路
２１５ ＡＤ変換器
２２１ 光源
２２２ 光変調部
３００ 第２の実験例の通信システム
３０６、４１１ 可変分散補償器
４００ 第３の実験例の通信システム
４０２ 送信機
４０６ 第１の光クロスコネクトノード
４０７ 第１のパス
４０８ 第２のパス
４０９ 第２の光クロスコネクトノード
４１２ 受信機
４１３ リアルタイム分散モニタ

Claims (17)

1. 評価の対象となる光パルスを出力する光パルス出力手段と、
   この光パルス出力手段から出力される光パルスの特定の光周波数成分を抽出する光周波数成分抽出手段と、
   この光周波数成分抽出手段によって抽出した光パルスの特定の光周波数成分の強度を求める周波数成分強度測定手段と、
   この周波数成分強度測定手段の測定結果から前記光パルス出力手段から出力される光パルスのスペクトル位相とスペクトル強度を演算する位相強度演算手段
   とを具備することを特徴とする光パルス評価装置。
2. 評価の対象となる光パルスを出力する光パルス出力手段と、
   この光パルス出力手段から出力される光パルスを分岐する光分岐手段と、
   この光分岐手段により分岐された一方の光パルスを入力してその特定の光周波数成分を抽出する光周波数成分抽出手段と、
   この光周波数成分抽出手段によって抽出した光パルスの特定の光周波数成分の強度を求める周波数成分強度測定手段と、
   前記光分岐手段により分岐された他方の光パルス全体の強度を求める全光強度測定手段と、
   前記周波数成分強度測定手段および全光強度測定手段の測定結果から前記光パルス出力手段から出力される光パルスのスペクトル位相とスペクトル強度を演算する位相強度演算手段
   とを具備することを特徴とする光パルス評価装置。
3. 前記光パルス出力手段は、パルス列の繰り返し周波数を与える周波数指定手段と、この周波数指定手段によって指定された繰り返し周波数で連続光を変調し光パルス列として出力する光パルス光源から構成されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光パルス評価装置。
4. 前記光周波数成分抽出手段の分散および透過特性によって発生する誤差を算術演算により除去する誤差除去手段を具備することを特徴とする請求項１または請求項２記載の光パルス評価装置。
5. 前記光周波数成分抽出手段はバンドパスフィルタであり、このバンドパスフィルタによって抽出される特定の光周波数成分を前記光パルスの全周波数帯域の少なくとも一部の帯域にわたって順次変化させる帯域走査手段を備えており、
   前記位相強度演算手段は、前記帯域走査手段の走査結果により得られるそれぞれの光周波数成分におけるスペクトル位相およびスペクトル強度から前記光パルスの波形を演算することを特徴とする請求項１〜請求項４いずれかに記載の光パルス評価装置。
6. 前記位相強度演算手段により得られたスペクトル位相およびスペクトル強度を用いて前記光パルスのパルス幅、チャーピング、分散、位相ずれのいずれかを少なくとも演算する二次演算手段を具備することを特徴とする請求項５記載の光パルス評価装置。
7. 前記光パルス出力手段と前記周波数成分強度測定手段を結ぶ光路中に測定試料を挿脱自在に配置する測定試料配置手段と、
   この測定試料が前記光路中に配置された状態と配置されない状態における前記位相強度演算手段の演算結果を用いて、前記測定試料による基準となる光パルスのチャーピング、分散、位相ずれおよび前記測定試料の透過特性、分散、非線形効果のいずれかを少なくとも演算する試料演算手段
   を更に具備することを特徴とする請求項６記載の光パルス評価装置。
8. 前記光パルス出力手段は、デジタルデータ信号により光の強度あるいは位相を変調された光パルスを出力する手段であることを特徴とする請求項１または請求項２記載の光パルス評価装置。
9. 前記デジタルデータ信号は擬似ランダム信号を含むことを特徴とする請求項８記載の光パルス評価装置。
10. 前記周波数成分強度測定手段の測定結果から前記デジタルデータ信号に同期したクロック信号を抽出するクロック抽出手段と、
    このクロック抽出手段によって抽出した前記クロック信号の位相変化を検出する位相変化検出手段と、
    この位相変化検出手段の検出した位相変化からスペクトル位相を求めるスペクトル位相演算手段
    を更に具備することを特徴とする請求項８記載の光パルス評価装置。
11. 前記光パルス出力手段は、デジタルデータ信号により光の強度あるいは位相を変調された光パルスを出力する手段であり、前記光周波数成分抽出手段はバンドパスフィルタであり、このバンドパスフィルタによって抽出される特定の光周波数成分を前記光パルスの全周波数帯域の少なくとも一部の帯域にわたって順次変化させる帯域走査手段と、この帯域走査手段の走査結果によって得られるクロック信号の位相変化のうち、帯域走査の繰り返し周波数成分を取り出すことによって光パルス列のスペクトル位相を求めるスペクトル位相演算手段とを更に具備することを特徴とする請求項１または請求項２記載の光パルス評価装置。
12. 前記スペクトル位相演算手段の演算したスペクトル位相を用いて前記光パルスのチャーピングを求めるチャーピング演算手段を具備することを特徴とする請求項１１記載の光パルス評価装置。
13. 光源から射出される光線を所定のクロックに同期したデジタルデータ信号により変調する光変調部と、
    この光変調部の変調によって得られた光パルス列を伝送路を用いて第１および第２の経路に分岐する光分岐器と、
    第１の経路に配置され前記光変調部の変調によって得られた光パルス列を入力するバンドパスフィルタと、
    このバンドパスフィルタの中心周波数を掃引する掃引部と、
    前記バンドパスフィルタを透過した波長成分の光を受信する第１の光電変換素子と、
    この第１の光電変換素子によって変換された電気信号を入力して、伝送されてきたデジタルデータに同期したクロック信号を抽出する第１のクロック抽出器と、
    前記第２の経路を伝送される前記光パルス列を受信する第２の光電変換素子と、
    この第２の光電変換素子によって変換された電気信号を入力して、伝送されてきたデジタルデータに同期したクロック信号を抽出する第２のクロック抽出器と、
    これら第１および第２のクロック抽出器の出力するクロック信号の位相を検出することで前記バンドパスフィルタによる遅延時間を求める位相検出手段と、
    前記掃引部が前記バンドパスフィルタの中心周波数を掃引する際の位相検出手段による検出結果を測定することで光パルスのチャーピングあるいは前記伝送路の分散を演算する演算手段
    とを具備することを特徴とするインサービス光パルス評価装置。
14. 光源から射出される光線を所定のクロックに同期したデジタルデータ信号により変調する光変調部と、
    この光変調部の変調によって得られた光パルス列を伝送路に送り出す信号送出部と、
    この信号送出部を経て前記伝送路を送られてきた前記光パルス列を入力するバンドパスフィルタと、
    このバンドパスフィルタの中心周波数を所定の掃引周波数で掃引する掃引部と、
    前記バンドパスフィルタを透過した波長成分の光を受信する光電変換素子と、
    この光電変換素子によって変換された電気信号を入力して、伝送されてきたデジタルデータに同期したクロック信号を抽出するクロック抽出器と、
    このクロック抽出器の抽出したクロック信号を入力して、このクロック信号の位相変動成分の時間微分に比例した電圧の帰還電圧信号を出力する帰還電圧信号出力部と、
    この帰還電圧信号出力部の出力する帰還電圧信号における前記掃引周波数の成分を測定することで光パルスのチャーピングあるいは前記伝送路の分散を演算する演算部
    とを具備することを特徴とするインサービス光パルス評価装置。
15. 前記帰還電圧信号出力回路はＰＬＬ回路であり、これを構成するローパスフィルタの遮断周波数は、前記掃引周波数よりも高い周波数に設定されていることを特徴とする請求項１４記載のインサービス光パルス評価装置。
16. 前記演算部は、パーソナルコンピュータであることを特徴とする請求項１４記載のインサービス光パルス評価装置。
17. 光源から射出される光線を所定のクロックに同期したデジタルデータ信号により変調する光変調部と、
    この光変調部の変調によって得られた光パルス列を所定の分散値を有する伝送路に送出する送信部と、
    前記伝送路を経た光パルス列を入力して分散設定値を調整する可変分散補償器と、
    この可変分散補償器を経て送られてきた光パルス列を受信すると共に分散値をモニタしてその結果を前記可変分散補償器の分散設定値としてフィードバックする受信機
    とを具備することを特徴とするインサービス光パルス評価装置。

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