JP2009264929A - モードホップ検出システム - Google Patents

Abstract

【課題】単一モードで発振する外部発振器型波長可変光源の波長可変時に発生する可能性があるモードホップを容易に検出できるモードホップ検出システムを提供する。
【解決手段】モードホップ検出システムは、波長可変光源からの出力光の一部が入力され、入力された光を２分岐して出力する光分岐素子と、光分岐素子で分岐された一方の出力光が伝播する第１光路と、第１光路よりも長い光路長を有し、光分岐素子で分岐された他方の出力光が伝播する第２光路と、第１光路及び前記第２光路からの光を合波して出力する光合波素子と、光合波素子からの出力光が入力され、これを電気信号に変換して出力する受光素子と、受光素子から出力される電気信号を処理する受光処理回路と、を備える。
受光素子は、波長可変光源による波長可変動作時にビート信号を出力する。そして、受光処理回路は、ビート信号にモードホップに起因する高周波成分が含まれるか否かを検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光計測技術分野で使用される単一モード発振する外部共振器型波長可変光源の不連続な波長跳び（モードホップ）を検出するシステムに関する。

従来、波長可変光源は、高密度波長多重方式（Ｄ−ＷＤＭ：Dense Wavelength Division Multiplexing）に使用される光学部品の波長特性を評価するのに使用されている。
一般に、波長可変光源の波長確度をよくするために、波長可変光源には波長モニタ（光波長計）と呼ばれるシステムが搭載され、波長測定が要求された時点で、波長モニタからの信号を測定、演算処理して波長値を出力する構成となっている。

このような波長モニタに関する技術として、例えば、特許文献１〜４がある。
特許文献１に記載の光波長計は、第１と第２の偏光を備えた光のπ／４の位相推移に対応するλ／８の遅延を生じさせる「高速軸」と「低速軸」を備えた遅延板（複屈折部品）を使用し、遅延板を通過したビームを偏光ビームスプリッタで分岐して、π／２位相差のある周期的な２つの干渉信号を取得する。そして、この干渉信号から波長値を演算により求める。特許文献２に記載の波長変化測定器も特許文献１に記載の波長モニタと同様に、π／２位相差のある周期的な２つの干渉信号により、波長値を演算するものである。

特許文献３に記載の波長モニタは、レーザ光源からの入射光を光フィルタ（干渉光フィルタ）に入射し、この光フィルタを透過した光と反射した光を夫々第１、第２受光素子で受光する。そして、その出力比を加算器１３と減算器１４及び割算器１５によって算出して、この出力比に基づいてレーザ光源の波長を算出する。
また、特許文献４には、特許文献１、２と同様に干渉光の強度変化を常時測定することによりモードホップを検出できるモードホップ検出装置が開示されている。
特開平１０−３３９６６８号公報 特開２０００−２３４９５９号公報 特開平１０−２５３４５２号公報 特開平１０−０６５２６５号公報

ところで、波長可変光源を使用して、Ｄ−ＷＤＭに使用される光学部品の波長特性を安定して正確に測定するためには、波長可変動作（波長掃引）時にモードホップ（不連続な波長跳び）が発生しないことが望ましい。しかしながら、実際には、数ｐｍの確度が必要とされる波長可変光源（例えば、光周波数が１５５０ｎｍ帯の波長可変光源）において、数１０ｐｍのモードホップが発生することがある。

特許文献１〜４に記載の波長モニタを使用したシステムでは、波長可変光源においてモードホップが発生した場合、演算処理によりモードホップ分を波長補正するか、再度測定し直すこととなる。
しかしながら、特許文献１〜４に記載の波長モニタでは、モードホップが発生しているか否かを容易に確認することができない。つまり、モードホップの発生を検出しようとすると、波長可変時の波長を随時測定しておく必要があるため、波長測定点が増大してしまう。そして、膨大な測定データを演算して、ソフト的にモードホップの有無を検出するため、データ処理により演算処理部にかかる負担が増大する。

本発明は、単一モードで発振する外部発振器型波長可変光源の波長可変時に発生する可能性があるモードホップを容易に検出できるモードホップ検出システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、
波長可変光源からの出力光の一部が入力され、入力された光を２分岐して出力する光分岐素子と、
前記光分岐素子で分岐された一方の出力光が伝播する第１光路と、
前記第１光路よりも長い光路長を有し、前記光分岐素子で分岐された他方の出力光が伝播する第２光路と、
前記第１光路及び前記第２光路からの光を合波して出力する光合波素子と、
前記光合波素子からの出力光が入力され、これを電気信号に変換して出力する受光素子と、
前記受光素子から出力される電気信号を処理する受光処理回路と、を備え、
前記受光素子は、前記波長可変光源による波長可変動作時にビート信号を出力し、
前記受光処理回路は、前記ビート信号にモードホップに起因する高周波成分が含まれるか否かを検出することを特徴とするモードホップ検出システムである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のモードホップ検出システムにおいて、
前記受光処理回路は、
前記受光素子から出力されるビート信号を増幅する増幅部と、
前記増幅部からの出力の特定周波数（遮断周波数）以上の高周波成分だけを通過させるハイパスフィルタと、
前記ハイパスフィルタからの出力を検波する検波部と、
前記検波部からの出力をラッチするラッチ部と、を備えて構成されることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載のモードホップ検出システムにおいて、
前記受光処理回路は、
前記受光素子から出力されるビート信号を増幅する増幅部と、
前記増幅部からの出力を遅延する遅延部と、
前記増幅部からの出力と、前記遅延部からの出力の位相を比較する位相比較器と、
前記位相比較器からの出力（比較結果）をラッチするラッチ部と、を備えて構成されることを特徴とする。

本発明によれば、単一モードで発振する外部発振器型波長可変光源の波長可変時に発生する可能性があるモードホップを容易に検出することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明に係るモードホップ検出システム１０の概略構成図である。
図１において、モードホップ検出システム１０によるモードホップの検出対象となる波長可変光源７は、例えば、単一モードで発振する外部共振器型波長可変光源であり、１５５０ｎｍ帯の光を出射するものとする。
また、波長可変光源７の外部共振器長を４０ｍｍ、波長可変時の掃引速度を１００ｎｍ／秒とする。この場合、縦モード間隔（＝モードホップによる波長跳び）は波長で約３０ｐｍであり、光周波数では約３．７５ＧＨｚに相当する。

図１に示すように、モードホップ検出システム１０は、受光処理回路１、受光素子２、光分岐素子３、短ファイバ４、遅延ファイバ５、光合波素子６、を備えて構成される。
光分岐素子３は、波長可変光源７からの出力光の一部が入力され、入力された光を２つに分岐する光カプラである。
短ファイバ４は、光分岐素子３で分岐された一方の出力光が伝播する第１光路である。
遅延ファイバ５は、短ファイバ４よりも長い光路長を有し、光分岐素子３で分岐された他方の出力光が伝播する第２光路である。

ここで、遅延ファイバ５の光路長と短ファイバ４の光路長の差分だけ、遅延ファイバ５を伝播する光は遅延されることとなる。光ファイバ中を光が伝播する時間τは、τ＝ｎＬ／ｃ（ｎ：屈折率、Ｌ：ファイバ長、ｃ：光速）で表されるので、遅延ファイバ５の光路長を１ｋｍ（短ファイバ４の光路長は１ｋｍに対して無視できる長さ）とすると、光が伝播する時間（遅延時間）τは約５μ秒となる。

光合波素子６は、短ファイバ４及び遅延ファイバ５を伝播した光を合波して受光素子２に出力する光カプラである。このとき、遅延ファイバ５を伝播する光は、短ファイバ４を伝播する光に遅延して光合波素子６に入力されることとなる。
受光素子２は、光合波素子６により合波された光を受光し、これを電気信号に変換する。例えば、高速フォトダイオードで構成される。
受光処理回路１は、受光素子２からの出力信号を増幅／波形処理し、ステータス信号を出力する。このステータス信号は出力装置（図示略）に入力され、出力装置はモードホップが検出されたことをユーザに報知する。受光処理回路１の詳細な構成については後述する。

上述した構成を有するモードホップ検出システム１０において、波長可変光源７からの出力光の一部は、モードホップ検出システム１０の入力ファイバに入力され、光分岐素子３で２つに分岐される。
そして、２分岐された一方の光は、遅延ファイバ５を伝播して遅延された後、光合波素子６に入力される。２分岐された他方の光は、短ファイバ４を伝播して光合波素子６に入力される。
遅延ファイバ５を伝播した光と、短ファイバ４を伝播した光は光合波素子６で合波され、光合波素子６の出力側に接続された受光素子２によって出力される。

このとき、波長可変光源７により波長可変動作が行われていると、短ファイバ４及び遅延ファイバ５を伝播して光合波素子６に同時に到達する２つの光の周波数はわずかにずれるので、合波された光は差周波数に等しい光のうなり（光ビート）を生じる。したがって、波長可変光源７により波長可変動作が行われると、受光素子２からは干渉ビート信号が電気信号として出力される。

図２は、受光素子６で受光される２つの光の波長変化を経時的に示す説明図である。
図２において、符号Ａは短ファイバ４を伝播して入力された光の波長で、符号Ｂは遅延ファイバ５を伝播して入力された光の波長である。
図２に示すように、遅延ファイバ５の光路長を１ｋｍとすると、遅延ファイバ５を伝播した光の遅延時間は約５μ秒となる。
そして、波長可変光源７において１００ｎｍ／秒の掃引速度で波長可変しているので、遅延ファイバ５を伝播して光合波素子６に入力した光と、短ファイバ４を伝播して光合波素子に入力した光の波長差は、１００ｎｍ／秒×５μ秒の０．５ｐｍとなる（図２のタイミングｔ１）。これは、光周波数では６２．５ＭＨｚに相当する。
したがって、波長可変光源７においてモードホップが発生しなければ、受光素子２からは６２．５ＭＨｚのビート信号が出力されることとなる。

一方、波長可変光源７においてモードホップが発生すると、受光素子２から出力されたビート信号にはモードホップに起因する高周波成分が現れる。
このビート信号に現れる高周波成分の周波数は、波長可変光源７の共振器長により決定される。本実施形態の場合、モードホップが発生すると縦モード間隔３０ｐｍが瞬時に変化する（図２のタイミングｔ２）ので、遅延ファイバ５を伝播して光合波素子６に入力した光と、短ファイバ４を伝播して光合波素子に入力した光の波長差は３０ｐｍとなる（元々の波長差０．５ｐｍは無視している）。これは、光周波数では約３．７５ＧＨｚに相当する。
したがって、１ｋｍの遅延ファイバ５を光が伝播する約５μ秒の時間（遅延時間）だけ、約３．７５ＧＨｚのビート信号が出力されることとなる。

受光処理回路１により、ビート信号に現れる高周波成分（本実施形態の場合、約３．７５ＧＨｚ）を検出することで、波長可変光源７で発生するモードホップを容易に検出することができる。

（第１実施形態）
図３は、第１実施形態に係る受光処理回路１の概略構成を示すブロック図である。
また、図４〜７は、受光素子２において図２に示す光が受光されたときに、受光処理回路１を構成する各ブロックから出力される信号波形を示す説明図である。
図３に示すように、第１実施形態の受光処理回路１は、増幅部１０１、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）１０２、検波部１０３、ラッチ部１０４、及びリセット部１０５、を備えて構成される。

増幅部１０１は、受光素子２から出力されたビート信号を増幅する。増幅部１０１からの出力信号の波形は、図４に示すものとなる。なお、増幅部１０１に入力される信号の波形も図４に示す波形と同等であり、振幅が異なるだけである。
図４に示すように、増幅部１０１から出力されるビート信号は、波長固定時は波長差がないのでＤＣ成分のみとなり、波長可変中はモードホップ発生点（タイミングｔ２）までビート周波数が約６２．５ＭＨｚのビート信号となる。その後、遅延時間（約５μ秒）に相当する時間はビート周波数が約３．７５ＧＨｚとなり、遅延時間を経過するとビート周波数は約６２．５ＭＨｚに戻る。なお、波長可変光源７においてモードホップが発生しなければ、掃引時間を通じて約６２．５ＭＨｚのビート信号となる。

ハイパスフィルタ１０２は、例えば、百ＭＨｚ程度以下のビート信号のみを通過出力させない回路であり、２桁程度の周波数の異なるビート信号（約６２．５ＭＨｚと約３．７５ＧＨｚのビート信号）の内、約３．７５ＧＨｚの信号のみを通過出力させる。つまり、ビート信号から特定周波数（遮断周波数）以上の高周波成分だけを抽出して通過させる。
ハイパスフィルタ１０２に図４に示すビート信号が入力されると、図５に示すように、約３．７５ＧＨｚの高周波成分のみが抽出されたビート信号（ＨＰＦ出力信号）が出力される。

検波部１０３は、約３．７５ＧＨｚのビート信号を波形処理して遅延時間に相当する約５μ秒幅の矩形信号を出力する。
検波部１０３に図５に示すＨＰＦ出力信号が入力されると、図６に示すような矩形信号が出力される。

ラッチ部１０４は、波長可変開始前にリセットされ、検波部１０３から出力された矩形信号の発生に従い、出力状態（ステータス信号）をＬｏｗからＨｉｇｈに変化させたまま保持する。このステータス信号は出力装置に出力される。
ラッチ部１０４に図６に示す検波出力信号が入力されると、図７に示すようなステータス信号が出力される。

波長可変光源７で発生するモードホップは、瞬時的な変化であるため直接の検出は極めて困難であるが、第１実施形態によれば、簡単なシステム構成で波長可変後にラッチ部１０４の出力レベルを確認すればモードホップが発生したか否かを検出できる。例えば、図示しない出力装置において、ラッチ部１０４からのステータス信号に基づいて、出力レベルがＨｉｇｈのときにＬＥＤを点灯させる等すれば、ユーザはモードホップの発生を認識できる。
（第２実施形態）
図８は、第２実施形態に係る受光処理回路１の概略構成を示すブロック図である。
図８に示すように、第２実施形態の受光処理回路１は、増幅部１１１、遅延部１１２、位相比較器１１３、ラッチ部１１４、及びリセット部１１５、を備えて構成される。

増幅部１１１は、受光素子２から出力されたビート信号を増幅する。増幅部１１１からの出力（ビート信号）は分岐され、それぞれ遅延部１１２、位相比較器１１３に入力される。
遅延部１１２は、増幅部１１１から出力されたビート信号を所定時間だけ遅延する。
位相比較器１１３は、増幅部１１１から直接入力されるビート信号と、遅延部１１２で所定時間遅延されて入力されるビート信号の位相差を比較する。そして、２つのビート信号の位相差が、例えばπ／２となる場合に信号の出力レベルをＨｉｇｈとする。
ラッチ部１１４は、波長可変開始前にリセットされ、位相比較器１１３から出力された出力レベルに従い、出力状態（ステータス信号）をＬｏｗからＨｉｇｈに変化させたまま保持する。このステータス信号は出力装置に出力される。

本実施形態では、モードホップが発生すると、遅延ファイバ５による遅延時間（約５μ秒）に相当する時間だけビート周波数が約３．７５ＧＨｚのビート信号となる。そこで、遅延部１１２において遅延される時間を０．０７ｎ秒程度に設定すれば、位相比較器１１３に入力される２つのビート信号の位相差はπ／２程度となる。
そうすると、位相比較器１１３からは、約３．７５ＧＨｚのビート信号が入力されたときに、Ｈｉｇｈレベルの信号が出力される。一方、約６２．５ＭＨｚのビート信号が入力されているときは、位相差はほぼない（π／２とならない）ので、Ｌｏｗレベルの信号が出力されることになる。

このように、第２実施形態では、モードホップが発生したときにだけ位相比較器１１３からの出力レベルがＨｉｇｈになり、ラッチ部１１４ではこのときに出力状態をＨｉｇｈとしたまま保持するので、簡単なシステム構成で波長可変後にラッチ部１１４の出力レベルを確認すればモードホップが発生したか否かを検出できる。

第１，第２実施形態に係るモードホップ検出システム１０によれば、従来の波長モニタのように波長を随時測定してデータ処理することなく簡単にモードホップを検出できる。したがって、波長可変光源にモードホップ検出システム１０が搭載されていれば、波長掃引が正常に掃引されたかをエラー信号として出力できる。また、波長可変光源の製造調整時に使用すれば、モードホップ発生の確認が容易になり、波長可変光源の調整工程の低減が可能になる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記実施形態では、外部共振器長が４０ｍｍの外部共振器型波長可変光源７を使用した場合について説明したが、外部共振器型波長可変光源７の外部共振器長に応じて、適宜設定を変更することで、上記実施形態と同様にモードホップを検出することは可能である。

一般に、外部共振器型波長可変光源７は、数１０ｍｍの外部共振器長を有していることが多い。例えば、外部共振器長が３０ｍｍの波長可変光源７の場合、縦モード間隔は波長で約４０ｐｍであり、光周波数で約５ＧＨｚに相当する。すなわち、このような波長可変光源７においてモードホップが発生すると、受光素子から出力されるビート信号には、約５ＧＨｚの高周波成分が現れることになる。
この場合、受光処理回路１において、ビート信号に含まれる約５ＧＨｚの高周波成分を検出できる構成とすればよい。例えば、第１実施形態においてはハイパスフィルタの遮断周波数の設定が変更される。また、第２実施形態においては、遅延部１１２における遅延時間の設定が変更される。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明に係るモードホップ検出システム１０の概略構成図である。 受光素子２で受光される２つの光の波長変化を経時的に示す説明図である。 第１実施形態に係る受光処理回路１の概略構成を示すブロック図である。 増幅部１０１から出力される信号波形の一例を示す説明図である。 ハイパスフィルタ１０２から出力される信号波形の一例を示す説明図である。 検波部１０３から出力される信号波形の一例を示す説明図である。 ラッチ部１０４から出力される信号波形の一例を示す説明図である。 第２実施形態に係る受光処理回路１の概略構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ 受光処理回路
２ 受光素子
３ 光分岐素子
４ 短ファイバ（第１光路）
５ 遅延ファイバ（第２光路）
６ 光合波素子
７ 波長可変光源
１０ モードホップ検出システム

Claims (3)

1. 波長可変光源からの出力光の一部が入力され、入力された光を２分岐して出力する光分岐素子と、
   前記光分岐素子で分岐された一方の出力光が伝播する第１光路と、
   前記第１光路よりも長い光路長を有し、前記光分岐素子で分岐された他方の出力光が伝播する第２光路と、
   前記第１光路及び前記第２光路からの光を合波して出力する光合波素子と、
   前記光合波素子からの出力光が入力され、これを電気信号に変換して出力する受光素子と、
   前記受光素子から出力される電気信号を処理する受光処理回路と、を備え、
   前記受光素子は、前記波長可変光源による波長可変動作時にビート信号を出力し、
   前記受光処理回路は、前記ビート信号にモードホップに起因する高周波成分が含まれるか否かを検出することを特徴とするモードホップ検出システム。
2. 前記受光処理回路は、
   前記受光素子から出力されるビート信号を増幅する増幅部と、
   前記増幅部からの出力の特定周波数以上の高周波成分だけを通過させるハイパスフィルタと、
   前記ハイパスフィルタからの出力を検波する検波部と、
   前記検波部からの出力をラッチするラッチ部と、
   を備えて構成されることを特徴とする請求項１に記載のモードホップ検出システム。
3. 前記受光処理回路は、
   前記受光素子から出力されるビート信号を増幅する増幅部と、
   前記増幅部からの出力を遅延する遅延部と、
   前記増幅部からの出力と、前記遅延部からの出力の位相を比較する位相比較器と、
   前記位相比較器からの出力をラッチするラッチ部と、
   を備えて構成されることを特徴とする請求項１に記載のモードホップ検出システム。

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