JP2007192677A

JP2007192677A - 光サンプリング光波形測定装置

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Publication number: JP2007192677A
Application number: JP2006011343A
Authority: JP
Inventors: Keiji Okamoto; 圭司岡本; Fumihiko Ito; 文彦伊藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-01-19
Filing date: 2006-01-19
Publication date: 2007-08-02

Abstract

【課題】容易に信号光と一致した中心周波数を有するサンプリング光パルスが得られ、波長選択性が大きくかつ低パワーで高速な繰り返し信号光を観測可能とする。
【解決手段】繰り返し入力される信号光を観測する場合に、信号光の繰返し周期とわずかに異なる周期で、光パルス幅が信号光の周波数変動の逆数よりも短い光パルスを発生し（１１）、この光パルスと信号光を光ハイブリッド（５−１）に入力し、この光ハイブリッドからの複数の出力光をバランス型光受信器（６−１，６−２）によって受信し、バランス型光受信器の出力信号を２乗した後、互いに加え合わせ（９）、その干渉信号をパルス発生周期で検出する。上記光パルスは、広帯域スペクトルを有するスーパーコンティニウム光へ変換し（２）、このスーパーコンティニウム光から所望の中心周波数とスペクトル幅のサンプリング光パルスを波長可変光学フィルタ（３）によって選択することで生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、超高速光通信システムにおける通常の電気回路を上回る速度の光信号を受信するのに必要な光サンプリング装置に関する。

従来の光サンプリング技術として、例えば信号光とサンプリング光パルスとの線形な相関を観測することにより、低パワーで高速な繰り返し信号光の観測を行う技術が知られている（例えば、特許文献１及び２参照）。
この従来の光サンプリング装置では、信号光とサンプリング光パルスを光ハイブリッドに入射し、この光ハイブリッドからの複数の出力光をバランス型光受信器で受信し、このバランス型光受信器の出力信号を二乗してからお互いに加え合わせることにより、信号光とサンプリング光パルスが重なった時刻での信号光の強度に比例した出力を取得する。これにより、電気回路の処理速度に依存することなく、サンプリング光パルスのパルス幅を時間分解能とする光サンプリング動作を可能としている。

特開平９−１６２８０８号公報

特開２００４−１３２７１９公報

T.Morioka et al., "Nearly penalty-free<４pe supercontinuum Gbit/s pulse generationover 1535-1560nm"，Electronics Letters 12th May 1994 Vol. 30, No.10

上記した従来の光サンプリング装置では、信号が正しく検出されるために、以下の３つの条件が満足されることを前提としている。
（１）パルス幅がサンプリング装置に要求される時間分解能よりも短いこと。
（２）パルス幅は信号光の周波数の変動の逆数よりも小さいこと。

（３）光パルスの中心周波数は信号光のそれとほぼ一致していること。
上記条件（１）、（２）については、光サンプリング装置に要求される時間分解能よりも短いパルスを用いることで満足させることができる。しかしながら、上記条件（３）については、被測定信号光の波長が広範囲に亘ってとり得る可能性がある場合、被測定信号光とサンプリング光パルスの中心周波数の差が大きくなってしまう。このことから、その被測定信号光とサンプリング光パルスの中心周波数を常に一致させる必要があるが、実際には両者を一致させることは技術的に極めて困難な状況となっている。

そこで、本発明はこれらの問題を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、容易に信号光と一致した中心周波数を有するサンプリング光パルスを得ることができ、これによって波長選択性が大きく、かつ低パワーで高速な繰り返し信号光の観測が可能な光サンプリング装置を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明に関わる光サンプリング装置は、以下のような特徴的構成を備える。
（１）繰り返し信号光を観測する光サンプリング装置であって、前記信号光の繰り返し周期とわずかに異なる周期で、光パルス幅が前記信号光の周波数変動の逆数よりも短い光パルスを発生する光パルス発生手段と、前記光パルスを、広帯域スペクトルを有するスーパーコンティニウム光へ変換する光変換手段と、前記スーパーコンティニウム光から所望の中心周波数とスペクトル幅のサンプリング光パルスを選択する波長可変光学フィルタと、前記フィルタ出力の光パルスと信号光を入力して互いに９０度位相の異なる組み合わせの複数の信号光を生成する光ハイブリッドと、前記光ハイブリッドからの複数の出力光を受信するバランス型光受信器と、前記バランス型光受信器の出力信号を２乗した後互いに加え合わせ、その干渉信号を前記パルス発生周期で検出する干渉信号検出手段とを具備することを特徴とする。

（２）（１）の構成において、前記光変換手段は、スーパーコンティニウム光がチャーピングを有する場合は、さらにチャーピングを補償する波長分散制御手段を備えることを特徴とする。
すなわち、本発明に係る光サンプリング装置は、容易に信号光と一致した中心周波数を有するサンプリング光パルスを発生させることができるものであり、サンプリング光発生部として、光パルスを発生して広帯域スペクトルを有するスーパーコンティニウム光へ変換し、波長可変光学フィルタを用いてスーパーコンティニウム光から所望の中心周波数とスペクトル幅のサンプリング光パルスを選択するようにしたことを特徴とする。また、発生されたスーパーコンティニウム光がチャーピングを有する場合は、波長分散制御によってチャーピングを補償するようにしたことを特徴とする。

要するにこの発明によれば、容易に信号光と一致した中心周波数を有するサンプリング光パルスを得ることができ、波長選択性が大きく、かつ低パワーで高速な繰り返し光信号の観測が可能な光サンプリング装置を提供することを提供することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態について詳細に説明する。
まず、本発明の課題となっている光サンプリング技術における信号光とサンプリング光パルスの中心周波数の一致に対する要求について説明する。
信号光並びにサンプリング光パルスの波形は次式で表される。

ここで、Ａ(t)は信号光の振幅、ω₀は信号光の中心周波数、ω_Lはサンプリング光パルスの中心周波数、ω_M(t)は信号光の周波数変調成分、ｄ(t-τ)はパルスの波形であり、τはパルスの中心位置である。φは信号光との相対的な位相差であり、信号光とサンプリング光パルスが別々のレーザから発生する場合はランダムに変化する。このランダムな位相差は、光ハイブリッドの作用によって演算処理装置の出力に影響しない。

演算処理装置からの出力は以下のようになる。

但し、Δω＝ω₀−ω_Lであり、Δτはサンプリング光パルスのパルス幅、＊は複素共役を表している。
（Δω＋ω_M(t））<<１の場合は、Ｉ＝Ａ²(t)となり、出力Ｉはサンプリング光パルスが存在する時刻τにおける信号光の瞬時の振幅の２乗に比例し、サンプリング操作が正しく行われることがわかる。

しかしながら、信号光、サンプリング光パルス、両者の中心周波数の差は、式（３）に見られるように、演算処理装置からの出力に影響を与え、周波数差Δω＝ω₀−ω_Lによる信号振幅の変化がサンプリング光パルスの長さよりも短い時間で生じると、等価的に信号振幅が低下してしまう。つまり、信号光とサンプリング光パルスの中心周波数の差が小さいときは、両者の波長の重なっている部分が大きく出力光が強いが、両者の中心周波数の差が大きいとき（Δωが大きいとき）は、波長の重なっている部分が小さくなって出力光が弱くなってしまう。

したがって、信号光、サンプリング光パルス、両者の周波数差はΔω＝ω₀−ω_L＜１／Δｔ（Δｔはサンプリング光パルス時間長）を満たすように設定する必要がある。このため、光サンプリング技術において、被測定信号光の波長が広範囲に亘ってとり得る可能性がある場合、最大の信号振幅を得るためには、被測定信号光がとり得る可能性のある範囲に亘って波長可変なサンプリング光パルスを発生させ、両者の中心周波数を可能な限り一致させることが必要である。

このため、サンプリング光パルス光源としては、要求される時間分解能以下の短パルスを発生し、かつその波長が被測定信号光がとり得る可能性のある範囲に亘って波長可変である必要がある。例えば、Ｃバンド帯の信号光であれば、1530〜1565nmの範囲に亘るので、この範囲でサンプリング光パルスは波長可変である必要がある。

以下、本発明に係る光サンプリング装置の実施形態について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光サンプリング装置の構成を示すブロック図である。同図において、１はサンプリング光パルスを発生するサンプリング光パルス発生器であり、例えばモードロックレーザ等を利用することができる。スーパーコンティニウム光発生器２は、サンプリング光パルス発生器１によって得られたサンプリング光パルスのスペクトルを広帯域化するものであり、例えば高非線形光ファイバ、分散フラット／分散減少光ファイバ、非線形光学材料等を利用することができる。波長可変光学フィルタ３は、スーパーコンティニウム光から所望の波長を選択するフィルタである。

上記波長可変光学フィルタ３で得られた光パルスは、被測定対象の繰り返し信号光と共に光９０度ハイブリッド５−１に送られる。この光９０度ハイブリッド５−１は、光カプラ４−１〜４−４を用いて互いに９０度位相の異なる信号光を生成するもので、光９０度ハイブリッドからの出力光はバランス型光受信器６−１、６−２で受信され、低域ろ過フィルタ７−１、７−２で波形等化された後、数値化装置８−１、８−２で数値化されてから演算処理装置９に入力される。演算処理装置９は、入力信号を２乗した後互いに加え合わせて干渉信号を生成し、その干渉信号をサンプリング光パルスのパルス発生周期で検出する。

上記構成による光サンプリング装置では、サンプリング光パルスを高非線形光ファイバ等により広帯域スペクトルを有するスーパーコンティニウム光に変換し、波長可変光学フィルタ３により、連続した広い帯域から要求に応じて任意の帯域を切り取ってサンプリング光パルスとして用いることができる。このため、信号光とサンプリング光パルスの中心周波数を容易に一致させることができる。例えば、スーパーコンティニウム光発生器２においては、スーパーコンティニウム光発生用光ファイバを用いて、1440〜1640nm程度の200nm以上の広い波長範囲に亘ってサンプリング光パルスを発生させることができる（非特許文献１参照）。したがって、このような広い波長範囲内にあるいかなる信号光についても対応することができ、光サンプリング動作を可能にする。

図２は、本発明の第２の実施形態に係る光サンプリング装置の構成を示すブロック図である。尚、図２において、図１と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは異なる部分について説明する。
図２に示す光サンプリング装置は、波長可変光学フィルタ３の出力光及び繰り返し信号光をそれぞれ分岐素子１０−１、１０−２によって２系統に分岐し、それぞれの系統で光カプラ４−１〜４−４による光９０度ハイブリッド５−１、光カプラ４−５〜４−８による光９０度ハイブリッド５−２によって互いに９０度位相の異なる信号光を生成し、各光９０度ハイブリッドからの出力光をバランス型光受信器６−１〜６−４で受信し、低域ろ過フィルタ７−１〜７−４で波形等化した後、数値化装置８−１〜８−４で数値化してから演算処理装置９に入力する。演算処理装置９は、各入力信号を２乗した後互いに加え合わせて干渉信号を生成し、その干渉信号をサンプリング光パルスのパルス発生周期で検出する。

本実施形態では、光９０度ハイブリッド５−２の入力段に遅延器を設け、分岐された信号光またはサンプリング光パルスを所定時間遅延するようにしている。この構成によれば、信号光の強度変調情報と同時に周波数変調情報（例えばチャーピング）を観測することができる光サンプリング技術（特許文献２参照）にも適用できる。

以上のように、本発明の光サンプリング装置は、サンプリング光パルス発生器１が発生した光パルスを、広帯域スペクトルを有するスーパーコンティニウム光へ変換し、該スーパーコンティニウム光から所望の中心周波数とスペクトル幅のサンプリング光パルスを選択することにより、容易に繰り返し信号光と一致した中心周波数を有するサンプリング光パルスを得ることができる。この結果、スーパーコンティニウム光発生器２にて発生可能な広い波長範囲内であれば、いかな波長の信号光であっても観測が可能であり、波長選択性の大きく、かつ低パワーで高速な繰り返し光信号の観測が可能となる。

尚、この発明は、上記各実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記各実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る光サンプリング装置の構成を示す図。本発明の第２の実施形態に係る光サンプリング装置の構成を示す図。

符号の説明

１…光パルス発生器
２…スーパーコンティニウム光発生器
３…波長可変バンドバスフィルタ
４−１〜４−８…光カプラ
５−１、５−２…光９０度ハイブリッド
６−１〜６−４…バランス型受信器
７−１〜７−４…低域濾波フィルタ
８−１〜８−４…数値化装置
９…演算処理装置
１０−１、１０−２…分岐素子
１１…遅延器

Claims

繰り返し信号光を観測する光サンプリング装置であって、
前記信号光の繰り返し周期とわずかに異なる周期で、光パルス幅が前記信号光の周波数変動の逆数よりも短い光パルスを発生する光パルス発生手段と、
前記光パルスを、広帯域スペクトルを有するスーパーコンティニウム光へ変換する光変換手段と、
前記スーパーコンティニウム光から所望の中心周波数とスペクトル幅のサンプリング光パルスを選択する波長可変光学フィルタと、
前記フィルタ出力の光パルスと前記信号光を入力して互いに９０度位相の異なる組み合わせの複数の信号光を生成する光ハイブリッドと、
前記光ハイブリッドからの複数の出力光を受信するバランス型光受信器と、
前記バランス型光受信器の出力信号を２乗した後互いに加え合わせ、その干渉信号を前記パルス発生周期で検出する干渉信号検出手段と、
を具備することを特徴とする光サンプリング装置。
請求項１において、前記光変換手段は、スーパーコンティニウム光がチャーピングを有する場合は、さらにチャーピングを補償する波長分散制御手段を備えることを特徴とする光サンプリング装置。
請求項１において、前記光ハイブリッド、バランス型光受信器が複数系統設けられ、前記光ハイブリッドの前段で前記サンプリング光パルスと信号光をそれぞれ分岐して前記複数系統に分配し、系統別に処理して最終的に加算して干渉信号を生成するものとし、前記光ハイブリッドの入力段に遅延器を介在させ、分岐された信号光またはサンプリング光パルスを所定時間遅延して、信号光の強度変調情報と同時に周波数変調情報を観測することを特徴とする光サンプリング装置。