JP2007051960A - 光パルスのタイミング雑音計測装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】光パルスを強度変調して発生する高次の変調サイドバンドと隣接する縦モード信号光とにより生成されるビート信号の強度を増大して高繰り返しの光パルスのタイミング雑音の計測を可能とする光パルスのタイミング雑音計測装置。
【解決手段】光パルスのタイミング雑音計測装置は高繰り返しパルス光源と光強度変調器と局部発信器と逓倍器と高速光検出器とミキサと信号解析装置からなり光源からの高繰り返し周波数の光パルスを光強度変調器において高繰り返し周波数より低い周波数の局部発振器の信号で強度変調し高次の変調サイドバンドを有する縦モード信号光を生成し高次の変調サイドバンド光と隣接する縦モード光により生成されるビート信号のうちマイクロ波帯、またはミリ波帯のビート信号を検出し高速光検出器の出力を逓倍した局部発振器の信号とともにミキサに入力し信号解析装置によりミキサから出力される中間周波信号からタイミング雑音を求める。
【選択図】図３
【解決手段】光パルスのタイミング雑音計測装置は高繰り返しパルス光源と光強度変調器と局部発信器と逓倍器と高速光検出器とミキサと信号解析装置からなり光源からの高繰り返し周波数の光パルスを光強度変調器において高繰り返し周波数より低い周波数の局部発振器の信号で強度変調し高次の変調サイドバンドを有する縦モード信号光を生成し高次の変調サイドバンド光と隣接する縦モード光により生成されるビート信号のうちマイクロ波帯、またはミリ波帯のビート信号を検出し高速光検出器の出力を逓倍した局部発振器の信号とともにミキサに入力し信号解析装置によりミキサから出力される中間周波信号からタイミング雑音を求める。
【選択図】図３
Description
光時分割多重（ＯＴＤＭ： Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）方式などを用いた高ビットレートの光ファイバ通信や、光サンプリング計測など、高繰り返しの超短パルスを利用する技術分野では、タイミング雑音の小さい安定な光源が必要とされる。
本発明は高繰り返し光パルスのタイミング雑音計測に利用する光パルスのタイミング雑音計測装置に関する。
本発明は高繰り返し光パルスのタイミング雑音計測に利用する光パルスのタイミング雑音計測装置に関する。
安定な高繰り返し光パルス信号の発生は、ＯＴＤＭ方式の光ファイバ通信や光サンプリング計測などの応用において、重要な技術課題である。これらの応用では、パルスの持続時間だけでなく、タイミング雑音に対して厳しい条件が課せられる。例えば、ＯＴＤＭ光ファイバ通信ではジッターをビットレートの１０％以下に抑える必要があるが、これは１６０Ｇｂ／ｓの通信において６３０ｆｓ以下のジッターに相当する。通常のタイミング雑音計測では、パルスの強度を光検出器で電気信号に変換して解析し、位相雑音パワースペクトル密度やジッター値が計算される。光通信などに用いられる繰り返し周波数１０ＧＨｚ以上の光パルスの計測には、広帯域の光検出器や解析装置が必要である。単一測帯波（ＳＳＢ： Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｉｄｅ−Ｂａｎｄ）位相雑音計測法は幅広く用いられている手法であるが、周波数スパンやダイナミックレンジの制限、振幅・位相雑音の分離が困難であること、受動モード同期レーザーパルスのような非定常過程に適用した場合に生じる誤差などの欠点がある。
これらの問題点を解決するため、発明者は時間領域復調法（非特許文献１を参照）、およびタイムインターバル解析（非特許文献２を参照）と呼ばれる二つの時間領域計測法を開発した。前者は二つの直交振幅成分から瞬時位相を直接算出する計測法であり、後者はパルス間の時間間隔を空き時間の生じないカウンタを用いて計数する計測法である。これらの手法により、雑音のパワースペクトル密度が、２．５ｍＨｚ〜１８ＭＨｚの９桁に渡る解析周波数範囲において、３２０ｄＢ以上のダイナミックレンジで測定される。
上記の計測においては電気的な解析装置を利用するため、高繰り返し光パルス信号の強度を、光検出器を用いて電気信号に変換する必要がある。しかしながら、光検出器や電子回路の応答速度の制限により、繰り返し周波数が１００ＧＨｚ以上の光パルスに適用することは困難である。
上記の計測においては電気的な解析装置を利用するため、高繰り返し光パルス信号の強度を、光検出器を用いて電気信号に変換する必要がある。しかしながら、光検出器や電子回路の応答速度の制限により、繰り返し周波数が１００ＧＨｚ以上の光パルスに適用することは困難である。
そこで、発明者は光電子ハーモニックミキサと呼ばれる、高繰り返し周波数の光パルスの強度を、低周波数の電気信号に変換してタイミング雑音を計測する方法、および装置を開発した（例えば、特許文献１参照）。
図１は光電子ハーモニックミキサの構成と各部の信号のスペクトラムを示す図である。
図１（ａ）は図１（ｃ）の光電子ハーモニックミキサにおける高繰り返しパルス光源の出力スペクトル中の２本の縦モードを抜き出した図、図１（ｂ）は図１（ｃ）の光電子ハーモニックミキサにおける光強度変調器の出力スペクトル中の２本の縦モードを抜き出した図、 図１（ｃ）は光電子ハーモニックミキサの構成図である。
図１（ａ）および図１（ｂ）の縦軸は光信号強度、横軸は周波数を意味する。
図１（ｃ）は、高繰り返しパルス光源１、光強度変調器２、低速光検出器３、信号解析装置５が直列接続され、光強度変調器２に局部発振器４が接続されている。
図１は光電子ハーモニックミキサの構成と各部の信号のスペクトラムを示す図である。
図１（ａ）は図１（ｃ）の光電子ハーモニックミキサにおける高繰り返しパルス光源の出力スペクトル中の２本の縦モードを抜き出した図、図１（ｂ）は図１（ｃ）の光電子ハーモニックミキサにおける光強度変調器の出力スペクトル中の２本の縦モードを抜き出した図、 図１（ｃ）は光電子ハーモニックミキサの構成図である。
図１（ａ）および図１（ｂ）の縦軸は光信号強度、横軸は周波数を意味する。
図１（ｃ）は、高繰り返しパルス光源１、光強度変調器２、低速光検出器３、信号解析装置５が直列接続され、光強度変調器２に局部発振器４が接続されている。
高繰り返しパルス光源１から発生する光パルスを、光パルスの繰り返し周波数より低い周波数の局部発振器４で駆動される光強度変調器２に入力して、高次サイドバンドを有する縦モード信号光に変換する。高次サイドバンドの周波数と隣接する縦モードの周波数の差を、数ＧＨｚの応答帯域を有する低速光検出器３で測定できる程度に各段に小さくして、光パルスの強度を中間周波数の電気信号として出力し、前記電気信号を信号解析装置５により解析して、前記高繰り返し光パルスのタイミング雑音を求めることができる。特許文献１の光電子ハーモニックミキサを利用して、繰り返し周波数が１６０．６４０ＧＨｚの光パルスのタイミング雑音計測が実証されている（非特許文献３を参照）。この実験では、周波数４０ＧＨｚの局部発振器でＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型強度変調器を駆動し、４次変調サイドバンドと隣接する縦モード間のビート信号を検出して、周波数６４０ＭＨｚの中間周波信号を得ている。
但し、図１の場合は、８次変調サイドバンドＢと隣接する縦モードＡ間のビート信号を（Ａ×Ｂ）を検出する例を示している。
Ｈ． Ｔｓｕｃｈｉｄａ， "Ｗｉｄｅｂａｎｄ ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅｓ ｂｙ ａ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ"， Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ．２３， ｎｏ．４， ｐｐ．２８６ − ２８８ （１９９８） Ｈ． Ｔｓｕｃｈｉｄａ， "Ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ ｔｉｍｉｎｇ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ"， Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ．２４， ｎｏ．２２， ｐｐ．１４３４ − １４３６ （１９９９） Ｈ． Ｔｓｕｃｈｉｄａ， "Ｔｉｍｉｎｇ ｎｏｉｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ １６０−ＧＨｚ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ ｂｙ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｍｉｘｉｎｇ"， ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ｖｏｌ．Ｅ８７−Ｃ， ｎｏ．７， ｐｐ．１１８１ − １１８５ （２００４） 特願２００２−１８０１７９
但し、図１の場合は、８次変調サイドバンドＢと隣接する縦モードＡ間のビート信号を（Ａ×Ｂ）を検出する例を示している。
Ｈ． Ｔｓｕｃｈｉｄａ， "Ｗｉｄｅｂａｎｄ ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅｓ ｂｙ ａ ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ"， Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ．２３， ｎｏ．４， ｐｐ．２８６ − ２８８ （１９９８） Ｈ． Ｔｓｕｃｈｉｄａ， "Ｔｉｍｅ ｉｎｔｅｒｖａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ ｔｉｍｉｎｇ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ"， Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ｖｏｌ．２４， ｎｏ．２２， ｐｐ．１４３４ − １４３６ （１９９９） Ｈ． Ｔｓｕｃｈｉｄａ， "Ｔｉｍｉｎｇ ｎｏｉｓｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ １６０−ＧＨｚ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ ｂｙ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｍｉｘｉｎｇ"， ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ｖｏｌ．Ｅ８７−Ｃ， ｎｏ．７， ｐｐ．１１８１ − １１８５ （２００４）
上記のように、前記光電子ハーモニックミキサの利用により、光検出器が応答できない高繰り返し周波数の光パルスに対するタイミング雑音計測が可能になった。しかしながら、強度変調により生じる変調サイドバンドの振幅は、サイドバンドの次数とともに減少するため、より高い繰り返し周波数、例えば繰り返し周波数３２０ＧＨｚの光パルスを計測する場合には、中間周波信号の信号対雑音比が低下して、タイミング雑音の正確な計測が困難になる。図２は光電子ハーモニックミキサにより得られる、中間周波信号の強度の計算値を示す図である。図中、「Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ」は中間周波信号の相対強度、「Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｉｎｄｅｘ［×πｒａｄ］」は変調指数πｒａｄを意味する。計算においては、周波数４０ＧＨｚの局部発振器で駆動されるＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型強度変調器を仮定し、繰り返し周波数が１６０ＧＨｚ、および３２０ＧＨｚの光パルスから得られる中間周波信号の強度を、変調指数の関数として計算した。変調指数πｒａｄの場合に、繰り返し周波数３２０ＧＨｚの光パルスから得られる中間周波信号の強度は、背景雑音レベルに近くなり、繰り返し周波数１６０ＧＨｚの光パルスと比較して、およそ１／１９５に減少し、信号対雑音比が著しく低下する。よって、光パルスの繰り返し周波数が増大するとともに、タイミング雑音の計測が困難になる。
本発明の目的は、高次サイドバンドの振幅を増大して、高次の変調サイドバンドと隣接する縦モードにより生成されるビート信号のうち、マイクロ波帯、またはミリ波帯のビート信号を検出して、より高い周波数の光パルスのタイミング雑音の計測を可能とする光パルスのタイミング雑音計測装置を提供することにある。
本発明の目的は、高次サイドバンドの振幅を増大して、高次の変調サイドバンドと隣接する縦モードにより生成されるビート信号のうち、マイクロ波帯、またはミリ波帯のビート信号を検出して、より高い周波数の光パルスのタイミング雑音の計測を可能とする光パルスのタイミング雑音計測装置を提供することにある。
本発明は、上記目的を達成するために下記の解決手段を採用する。
（１） 高繰り返し周波数の光パルスを、前記高繰り返し周波数より低い周波数の局部発振信号で強度変調し、高次の変調サイドバンドを有する縦モード信号光を生成し、前記高次の変調サイドバンド光と隣接する縦モード光により生成されるマイクロ波帯、またはミリ波帯のビート信号を高速光検出器により検出して電気信号に変換し、前記高速光検出器の出力を低周波の中間周波信号に変換して、タイミング雑音を計測することを特徴とする。
（２） 上記（１）記載の光パルスのタイミング雑音計測装置は、高繰り返しパルス光を局部発振器信号により高次の変調サイドバンドを有するパルス光に変換し、高次の変調サイドバンドと隣接する縦モードの周波数の差を、前記高速光検出器により検出可能な程度に小さくした周波数のビート信号として出力し、前記ビート信号をミキサによりさらに低周波の中間周波信号に変換し、前記中間周波信号を解析して前記高繰り返しパルスの雑音を求めることを特徴とする。
（３） 上記（１）記載の光パルスのタイミング雑音計測装置は、高繰り返し周波数の光パルスを発生する高繰り返しパルス光源と、光強度変調器と、高速光検出器と、ミキサと、信号解析装置と、局部発振器と逓倍器とからなり、前記高繰り返しパルス光源の高繰り返しパルス光を、前記局部発振器の出力信号により駆動された光強度変調器により、高次のサイドバンドを有する縦モード信号光に変換し、高次のサイドバンドと隣接する縦モードの周波数の差を、前記光強度変調器により検出可能な程度に小さくした周波数のビート信号として出力し、前記ビートを前記高速光検出器により検出して電気信号に変換し、前記電気信号を前記局部発振器の出力信号を逓倍した信号とともに前記ミキサに入力してさらに低周波の中間周波信号に変換し、前記信号解析装置により解析して前記高繰り返しパルスの雑音を求めることを特徴とする。
（１） 高繰り返し周波数の光パルスを、前記高繰り返し周波数より低い周波数の局部発振信号で強度変調し、高次の変調サイドバンドを有する縦モード信号光を生成し、前記高次の変調サイドバンド光と隣接する縦モード光により生成されるマイクロ波帯、またはミリ波帯のビート信号を高速光検出器により検出して電気信号に変換し、前記高速光検出器の出力を低周波の中間周波信号に変換して、タイミング雑音を計測することを特徴とする。
（２） 上記（１）記載の光パルスのタイミング雑音計測装置は、高繰り返しパルス光を局部発振器信号により高次の変調サイドバンドを有するパルス光に変換し、高次の変調サイドバンドと隣接する縦モードの周波数の差を、前記高速光検出器により検出可能な程度に小さくした周波数のビート信号として出力し、前記ビート信号をミキサによりさらに低周波の中間周波信号に変換し、前記中間周波信号を解析して前記高繰り返しパルスの雑音を求めることを特徴とする。
（３） 上記（１）記載の光パルスのタイミング雑音計測装置は、高繰り返し周波数の光パルスを発生する高繰り返しパルス光源と、光強度変調器と、高速光検出器と、ミキサと、信号解析装置と、局部発振器と逓倍器とからなり、前記高繰り返しパルス光源の高繰り返しパルス光を、前記局部発振器の出力信号により駆動された光強度変調器により、高次のサイドバンドを有する縦モード信号光に変換し、高次のサイドバンドと隣接する縦モードの周波数の差を、前記光強度変調器により検出可能な程度に小さくした周波数のビート信号として出力し、前記ビートを前記高速光検出器により検出して電気信号に変換し、前記電気信号を前記局部発振器の出力信号を逓倍した信号とともに前記ミキサに入力してさらに低周波の中間周波信号に変換し、前記信号解析装置により解析して前記高繰り返しパルスの雑音を求めることを特徴とする。
図３は本発明に係るタイミング雑音計測装置の構成と信号のスペクトラムを示す図である。図３（ａ）は図３（ｃ）のタイミング雑音計測装置における高繰り返しパルス光源の出力スペクトル中の２本の縦モードを抜き出した図、図３（ｂ）は図３（ｃ）のタイミング雑音計測装置における光強度変調器の出力スペクトル中の２本の縦モードを抜き出した図、図３（ｃ）はタイミング雑音計測装置の構成図である。
図３の場合は、図３（ｂ）に示すように、６次変調サイドバンドＣと隣接する縦モードＡ間のビート信号（Ａ×Ｃ）を検出する例を示している。
図３のタイミング雑音計測装置は、図１の光電子ハーモニックミキサの低速光検出器３の代わりに高速光検出器６とミキサ８を設け、局部発信器４の発信周波数を逓倍器７により逓倍してミキサ８に入力する回路を利用する。
図３の場合は、図３（ｂ）に示すように、６次変調サイドバンドＣと隣接する縦モードＡ間のビート信号（Ａ×Ｃ）を検出する例を示している。
図３のタイミング雑音計測装置は、図１の光電子ハーモニックミキサの低速光検出器３の代わりに高速光検出器６とミキサ８を設け、局部発信器４の発信周波数を逓倍器７により逓倍してミキサ８に入力する回路を利用する。
高繰り返しパルス光源１から発生する光パルスを光強度変調器２に入射して、高次変調サイドバンドを生じさせる。高次の変調サイドバンドを利用するため、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型強度変調器のような非線形の電気−光変換特性をする光強度変調器を用い、局部発振器４の信号を印加して深い変調を与える。局部発振器４の周波数は、高繰り返しパルス光源１から発生する光パルスの周波数より小さく設定するが、繰り返し周波数が１６０ＧＨｚ以上の光パルスを計測する場合は、４０ＧＨｚ以上に設定することが望ましい。光強度変調器４により生成される高次の変調サイドバンドと、隣接する縦モードの間のビート信号の中で、周波数が数１０ＧＨｚ以上のマイクロ波、またはミリ波信号を、高速光検出器６により電気信号に変換する。高速光検出器６から出力されるビート信号を、逓倍器７により逓倍した局部発振器４の信号とともにミキサに入力し、前記ビート信号よりもさらに低周波の中間周波信号に変換し、信号解析装置５により解析して前記高繰り返し光パルスの雑音を求める。
図４は本発明に係るタイミング雑音計測装置により得られる、中間周波信号の相対強度の計算値を示す図である。計算においては、周波数４０ＧＨｚの局部発振器で駆動されるＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ型強度変調器と、繰り返し周波数が３２０ＧＨｚの光パルスを仮定し、６次（図中、６ｔｈ）、および８次（図中、８ｔｈ）の変調サイドバンドを検出した場合の中間周波信号の相対強度を、変調指数の関数として計算した。８次の変調サイドバンドによる計測は、特許文献１の装置による結果を示し、６次の変調サイドバンドによる計測は、本発明に係るタイミング雑音計測装置による結果を示している。変調指数πｒａｄの場合に、本発明に係るタイミング雑音計測装置を用いることにより、中間周波信号の強度はおよそ２０倍に増大する。
特許文献１のタイミング雑音計測装置では、変調サイドバンド次数とともに振幅が減少して、中間周波信号の信号対雑音比が低下するため、光パルスの繰り返し周波数の上限は１６０ＧＨｚ程度であった。本発明によるタイミング雑音計測装置では、低い次数の変調サイドバンドにより、高繰り返し周波数の光パルスを計測するため、中間周波信号の信号対雑音比が著しく増大し、より高い繰り返し周波数を持つ光パルスのタイミング雑音計測が可能になる。
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて詳細に説明する。
以下では、計測原理と装置の説明に続いて、繰り返し周波数が１６０．５９５５２０ＧＨｚ、および３２１．１９１０４０ＧＨｚの光パルスについてのタイミング雑音の測定結果を報告する。
図５は、繰り返し周波数が１６０．５９５５２０ＧＨｚ、および３２１．１９１０４０ＧＨｚの光パルスの発生装置と、タイミング雑音計測装置の構成を示す図である。
高繰り返し光パルスを発生する光源として、衝突パルスモード同期半導体レーザー１１（以下、ＣＰＭ半導体レーザーと呼ぶ）を用いる。詳しくは、モード同期光ファイバレーザー９、シンセサイザー１０、ＣＰＭ半導体レーザー１１および分散媒質１２により図３の高繰り返しパルス光源１を構成する。モード同期光ファイバレーザー９は注入同期の基準光源を構成する。分散媒質１２はファイバの長さを調整することにより分散値を設定する。その他の回路構成は図３の例と同じに構成する。
高繰り返し光パルスを発生する光源として、衝突パルスモード同期半導体レーザー１１（以下、ＣＰＭ半導体レーザーと呼ぶ）を用いる。詳しくは、モード同期光ファイバレーザー９、シンセサイザー１０、ＣＰＭ半導体レーザー１１および分散媒質１２により図３の高繰り返しパルス光源１を構成する。モード同期光ファイバレーザー９は注入同期の基準光源を構成する。分散媒質１２はファイバの長さを調整することにより分散値を設定する。その他の回路構成は図３の例と同じに構成する。
ＣＰＭ半導体レーザー１１は、受動モード同期により、繰り返し周波数が１６０ＧＨｚ付近の光パルスを発生する。受動モード同期は自励発振状態であり、タイミング雑音が大きく、電気信号との同期が得られないため、注入同期を利用して、タイミング雑音の低減と電気信号との同期を行う。
注入同期のマスターレーザー光源として、周波数が１０．０３７２２０ＧＨｚのシンセサイザー１０で駆動されるモード同期光ファイバレーザー９を用いる。モード同期光ファイバレーザー９は、持続時間がおよそ１．７ｐｓ、繰り返し周波数が１０．０３７２２０ＧＨｚの光パルスを安定に発生することができる。モード同期光ファイバレーザー９から出力される光パルスを、ＣＰＭ半導体レーザー１１に注入することにより、注入同期が起こり、ＣＰＭ半導体レーザー１１はモード同期光ファイバレーザー９の１６倍の繰り返し周波数である１６０．５９５５２０ＧＨｚの光パルスを安定に発生する。
ＣＰＭ半導体レーザー１１から発生する繰り返し周波数が１６０．５９５５２０ＧＨｚの光パルスを、繰り返し周波数が３２１．１９１０４０ＧＨｚの光パルスに２逓倍するため、分散媒質１２による時間的なＴａｌｂｏｔ効果を利用する。分散媒質１２は、群速度分散がおよそ７ｐｓ／ｎｍの光ファイバである。分散媒質１２に入力した繰り返し周波数が１６０．５９５５２０ＧＨｚの光パルスは、繰り返し周波数が３２１．１９１０４０ＧＨｚの光パルスに変換される。
注入同期のマスターレーザー光源として、周波数が１０．０３７２２０ＧＨｚのシンセサイザー１０で駆動されるモード同期光ファイバレーザー９を用いる。モード同期光ファイバレーザー９は、持続時間がおよそ１．７ｐｓ、繰り返し周波数が１０．０３７２２０ＧＨｚの光パルスを安定に発生することができる。モード同期光ファイバレーザー９から出力される光パルスを、ＣＰＭ半導体レーザー１１に注入することにより、注入同期が起こり、ＣＰＭ半導体レーザー１１はモード同期光ファイバレーザー９の１６倍の繰り返し周波数である１６０．５９５５２０ＧＨｚの光パルスを安定に発生する。
ＣＰＭ半導体レーザー１１から発生する繰り返し周波数が１６０．５９５５２０ＧＨｚの光パルスを、繰り返し周波数が３２１．１９１０４０ＧＨｚの光パルスに２逓倍するため、分散媒質１２による時間的なＴａｌｂｏｔ効果を利用する。分散媒質１２は、群速度分散がおよそ７ｐｓ／ｎｍの光ファイバである。分散媒質１２に入力した繰り返し周波数が１６０．５９５５２０ＧＨｚの光パルスは、繰り返し周波数が３２１．１９１０４０ＧＨｚの光パルスに変換される。
タイミング雑音計測に必要な高次変調サイドバンドを光パルスに形成するため、分散媒質１２から出力される繰り返し周波数が３２１．１９１０４０ＧＨｚの光パルスを、周波数が４０．００００００ＧＨｚの位相同期発振器１４で駆動される光強度変調器２に入力する。光変調器２から出力される、高次変調サイドバンドが形成された光パルスの強度を、高速光検出器６で電気信号に変換する。高速光検出器６は、６次変調サイドバンドと隣接する縦モードとのビート信号である、周波数８１ＧＨｚ付近の信号に検出感度を有している。
高速光検出器６から出力される周波数８１．１９１０４０ＧＨｚのビート信号は、ミリ波帯増幅器１３により増幅した後、ミキサ８に入力される。ミキサ８の局部発振器信号として、位相同期発振器１４の出力を２逓倍器１５により変換した、周波数が８０．００００００ＧＨｚの信号を用いる。ミキサ８から、周波数１．１９１０４０ＧＨｚの中間周波信号が出力され、低周波帯増幅器１６により増幅した後、ベクトル信号解析装置１７を用いて、タイミング雑音の計測を行う。
高速光検出器６から出力される周波数８１．１９１０４０ＧＨｚのビート信号は、ミリ波帯増幅器１３により増幅した後、ミキサ８に入力される。ミキサ８の局部発振器信号として、位相同期発振器１４の出力を２逓倍器１５により変換した、周波数が８０．００００００ＧＨｚの信号を用いる。ミキサ８から、周波数１．１９１０４０ＧＨｚの中間周波信号が出力され、低周波帯増幅器１６により増幅した後、ベクトル信号解析装置１７を用いて、タイミング雑音の計測を行う。
図６は繰り返し周波数が１６０．５９５５２０ＧＨｚ（下）、および３２１．１９１０４０ＧＨｚ（上）の光パルスの波形を示す図である。縦軸はＡｍｐｌｉｔｕｄｅ（振幅）［ｍＷ］、横軸はＴｉｍｅ（時間）［ｐｓ］を意味する。
分散媒質１２により、繰り返し周波数が２逓倍されていることがわかる。
分散媒質１２により、繰り返し周波数が２逓倍されていることがわかる。
図７は低周波帯増幅器１６から出力された中間周波信号のスペクトラムである。但し、３２１．１９１０４０ＧＨｚ（ｆｒｅｐ）の場合を表す。
図中、縦軸はＲＦ Ｐｏｗｅｒ（高周波パワー）［ｄＢｍ］、横軸はＦｒｅｑｕｅｎｃｙ（周波数）［ＧＨｚ］、ＲＢＷ（分解能）＝１ＭＨＺ、ＡＶＧ（平均化処理）＝６４（データ数）、Ｎｏｉｓｅ Ｆｌｏｏｒ（背景雑音）、ＩＦ Ｓｉｇｎａｌ（中間周波信号）を意味する。
図７において、中間周波信号（ＩＦ Ｓｉｇｎａｌ）が背景雑音（Ｎｏｉｓｅ Ｆｌｏｏｒ）よりも大きく検出されている。このことは、本発明のタイミング雑音計測装置が有効に働いていることを表す。
周波数１．１９１０４０ＧＨｚに鋭い線スペクトルが現れており、６次変調サイドバンドと隣接する縦モードとのビート信号に相当する。測定系の背景雑音に比べて、十分に高いレベルの中間周波信号が検出できている。
図中、縦軸はＲＦ Ｐｏｗｅｒ（高周波パワー）［ｄＢｍ］、横軸はＦｒｅｑｕｅｎｃｙ（周波数）［ＧＨｚ］、ＲＢＷ（分解能）＝１ＭＨＺ、ＡＶＧ（平均化処理）＝６４（データ数）、Ｎｏｉｓｅ Ｆｌｏｏｒ（背景雑音）、ＩＦ Ｓｉｇｎａｌ（中間周波信号）を意味する。
図７において、中間周波信号（ＩＦ Ｓｉｇｎａｌ）が背景雑音（Ｎｏｉｓｅ Ｆｌｏｏｒ）よりも大きく検出されている。このことは、本発明のタイミング雑音計測装置が有効に働いていることを表す。
周波数１．１９１０４０ＧＨｚに鋭い線スペクトルが現れており、６次変調サイドバンドと隣接する縦モードとのビート信号に相当する。測定系の背景雑音に比べて、十分に高いレベルの中間周波信号が検出できている。
図８は分散媒質１２から出力された、繰り返し周波数が３２１．１９１０４０ＧＨｚの光パルスの相対的な周波数変動を示す図である。図中、縦軸はＦｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｅｖｉａｔｉｏｎ（周波数変動）［ＭＨｚ］、横軸はＴｉｍｅ（時間）［μｓ］を表す。Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ− Ｌｏｃｋｅｄは注入同期、Ｆｒｅｅ−Ｒｕｎｎｉｎｇは受動モード同期を意味する。
図中の濃い色の線状部分ａ（時間に関係なく周波数変動０ＭＨｚを含む極めて狭い幅の部分からなる直線（図８中、水平線相当）状部分）は注入同期した場合の周波数変動を表し、比較的薄い色の線（図８中の前記濃い色の線状部分を除く部分）は受動モード同期の場合の周波数変動を表し、注入同期状態および受動モード同期状態の測定結果が、重ねて表示されている。
注入同期の作用により、周波数変動が著しく減少し、タイミング雑音が低減されたことを示している。
図中の濃い色の線状部分ａ（時間に関係なく周波数変動０ＭＨｚを含む極めて狭い幅の部分からなる直線（図８中、水平線相当）状部分）は注入同期した場合の周波数変動を表し、比較的薄い色の線（図８中の前記濃い色の線状部分を除く部分）は受動モード同期の場合の周波数変動を表し、注入同期状態および受動モード同期状態の測定結果が、重ねて表示されている。
注入同期の作用により、周波数変動が著しく減少し、タイミング雑音が低減されたことを示している。
図９はベクトル信号解析装置１７により計測された、繰り返し周波数が１０．０３７２２０ＧＨｚ（曲線Ａ、Ｄ）、１６０．５９５５２０ＧＨｚ（曲線Ｂ、Ｅ）、および３２１．１９１０４０ＧＨｚ（曲線Ｃ，Ｆ）の光パルスに対する位相雑音パワースペクトル密度とタイミングジッターである。
図中、縦軸（左側）はＰＮＰＳＤ Ｓφ（ｆ）（パワースペクトル密度）［ｒａｄ２／Ｈｚ］で曲線Ａ〜Ｃに対応、縦軸（右側）はＲＭＳ Ｊｉｔｔｅｒ（二乗平均ジッター）σＪ［ｐｓ］で曲線Ｄ〜Ｆに対応、Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（雑音の周波数）ｆ［Ｈｚ］である。
曲線ＡとＤは注入同期のマスターレーザー光源に対応し、評価の基準となる特性である。曲線Ｂは繰り返し１６０．５９５５２０ＧＨｚの光パルスの雑音で、曲線Ｃは繰り返し３２１．１９１０４０ＧＨｚの光パルスの雑音を表し、曲線Ｃの値は曲線Ｂの値のほぼ４倍になっており、繰り返し周波数の２逓倍を反映している。曲線Ａ、Ｂ、Ｃの形状はほぼ等しく、ＣＰＭ半導体レーザー１１の雑音は、注入同期のマスターレーザー光源であるモード同期光ファイバレーザー９の雑音を反映していることがわかる。
曲線Ｄ〜Ｆは曲線Ａ〜Ｃを積分して計算されている。曲線Ｅと曲線Ｆはほとんど重なり、ほぼ同じジッター値を示しているので、正しい計測が行われていることがわかる。
フーリエ周波数が１０Ｈｚ〜１８．６ＭＨｚの範囲で計算したタイミングジッターは、２７１ｆｓ（１６０．５９５５２０ＧＨｚ、曲線Ｅ）、３１１ｆｓ（３２１．１９１０４０ＧＨｚ、曲線Ｆ）である。
以上のように本発明により、繰り返し周波数が３２０ＧＨｚを超える光パルスに対して、高精度のタイミング雑音計測が可能になり、実験結果により有効性が示された。
図中、縦軸（左側）はＰＮＰＳＤ Ｓφ（ｆ）（パワースペクトル密度）［ｒａｄ２／Ｈｚ］で曲線Ａ〜Ｃに対応、縦軸（右側）はＲＭＳ Ｊｉｔｔｅｒ（二乗平均ジッター）σＪ［ｐｓ］で曲線Ｄ〜Ｆに対応、Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（雑音の周波数）ｆ［Ｈｚ］である。
曲線ＡとＤは注入同期のマスターレーザー光源に対応し、評価の基準となる特性である。曲線Ｂは繰り返し１６０．５９５５２０ＧＨｚの光パルスの雑音で、曲線Ｃは繰り返し３２１．１９１０４０ＧＨｚの光パルスの雑音を表し、曲線Ｃの値は曲線Ｂの値のほぼ４倍になっており、繰り返し周波数の２逓倍を反映している。曲線Ａ、Ｂ、Ｃの形状はほぼ等しく、ＣＰＭ半導体レーザー１１の雑音は、注入同期のマスターレーザー光源であるモード同期光ファイバレーザー９の雑音を反映していることがわかる。
曲線Ｄ〜Ｆは曲線Ａ〜Ｃを積分して計算されている。曲線Ｅと曲線Ｆはほとんど重なり、ほぼ同じジッター値を示しているので、正しい計測が行われていることがわかる。
フーリエ周波数が１０Ｈｚ〜１８．６ＭＨｚの範囲で計算したタイミングジッターは、２７１ｆｓ（１６０．５９５５２０ＧＨｚ、曲線Ｅ）、３１１ｆｓ（３２１．１９１０４０ＧＨｚ、曲線Ｆ）である。
以上のように本発明により、繰り返し周波数が３２０ＧＨｚを超える光パルスに対して、高精度のタイミング雑音計測が可能になり、実験結果により有効性が示された。
本発明のタイミング雑音計測装置により、従来の計測装置では不可能であった繰り返し周波数が１６０ＧＨｚ以上の光パルス信号の評価が可能になる。これにより、ビットレートが１６０−３２０Ｇｂ／ｓの光ファイバ通信システムにおいて、送信器用の高繰り返し半導体レーザー光源、送受信器や中継器における高繰り返し光クロック信号などの高精度評価に利用され、光通信システムの性能向上に寄与する。
１ 高繰り返しパルス光源
２ 光強度変調器
３ 低速光検出器
４ 局部発振器
５ 信号解析装置
６ 高速光検出器
７ 逓倍器
８ ミキサ
９ モード同期光ファイバレーザー
１０ シンセサイザー
１１ 衝突パルスモード同期半導体レーザー
１２ 分散媒質
１３ ミリ波帯増幅器
１４ 位相同期発振器
１５ ２逓倍器
１６ 低周波帯増幅器
１７ ベクトル信号解析装置
２ 光強度変調器
３ 低速光検出器
４ 局部発振器
５ 信号解析装置
６ 高速光検出器
７ 逓倍器
８ ミキサ
９ モード同期光ファイバレーザー
１０ シンセサイザー
１１ 衝突パルスモード同期半導体レーザー
１２ 分散媒質
１３ ミリ波帯増幅器
１４ 位相同期発振器
１５ ２逓倍器
１６ 低周波帯増幅器
１７ ベクトル信号解析装置
Claims (3)
- 高繰り返し周波数の光パルスを、前記高繰り返し周波数より低い周波数の局部発振信号で強度変調し、高次の変調サイドバンドを有する縦モード信号光を生成し、縦モード光と前記高次の変調サイドバンド光と隣接する縦モード光により生成されるマイクロ波帯、またはミリ波帯のビート信号を高速光検出器により検出して電気信号に変換し、前記高速光検出器の出力を低周波の中間周波信号に変換して、タイミング雑音を計測することを特徴とする光パルスのタイミング雑音計測装置。
- 光パルスのタイミング雑音計測装置において、高繰り返しパルス光を局部発振器信号により高次の変調サイドバンドを有するパルス光に変換し、高次の変調サイドバンドと隣接する縦モードの周波数の差を、前記高速光検出器により検出可能な程度に小さくした周波数のビート信号として出力し、前記ビート信号をミキサによりさらに低周波の中間周波信号に変換し、前記中間周波信号を解析して前記高繰り返しパルスの雑音を求めることを特徴とする請求項１記載の光パルスのタイミング雑音計測装置。
- 光パルスのタイミング雑音計測装置において、高繰り返し周波数の光パルスを発生する高繰り返しパルス光源と、光強度変調器と、光検出器と、ミキサと、信号解析装置と、局部発振器と、逓倍器からなり、前記高繰り返しパルス光源の高繰り返しパルス光を、前記局部発振器の出力信号により駆動された光強度変調器により、高次のサイドバンドを有する縦モード信号光に変換し、高次のサイドバンドと隣接する縦モードとの周波数の差を、前記光検出器により検出可能な程度に小さくした周波数のビート信号として出力し、前記ビート信号を前記高速光検出器により検出して電気信号に変換し、前記電気信号を前記局部発振器の出力信号を逓倍した信号とともに前記ミキサに入力してさらに低周波の中間周波信号に変換し、前記信号解析装置により解析して前記高繰り返しパルスの雑音を求めることを特徴とする請求項１記載の光パルスのタイミング雑音計測装置。
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|---|---|---|---|
| JP2005238079A JP2007051960A (ja) | 2005-08-19 | 2005-08-19 | 光パルスのタイミング雑音計測装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN102435325A (zh) * | 2011-12-20 | 2012-05-02 | 湖南科技大学 | 无光照热电子噪声脉冲鉴别单光子计数器 |
| JP2012088174A (ja) * | 2010-10-20 | 2012-05-10 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 周波数雑音測定装置及び測定方法 |
| KR101331980B1 (ko) | 2012-02-06 | 2013-11-25 | 한국과학기술원 | 광섬유 광기반 균형 광세기 탐지법을 이용한 광신호와 전자신호 간 위상 탐지기 및 위상 탐지 방법 |
| CN107830938A (zh) * | 2017-10-12 | 2018-03-23 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 脉冲激光器信噪比检测装置 |
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Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| JP2001201774A (ja) * | 2000-01-20 | 2001-07-27 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | ビット位相同期局発光パルス列生成回路 |
| JP2004020537A (ja) * | 2002-06-20 | 2004-01-22 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | 光パルスのタイミングジッター計測方法およびそのための計測装置 |
-
2005
- 2005-08-19 JP JP2005238079A patent/JP2007051960A/ja active Pending
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