JP2009288236A - 変調を利用する光スペクトルアナライザ - Google Patents

Abstract

【課題】可動部のない高精度の光スペクトル分析手段を提供する。
【解決手段】光スペクトルアナライザー及び光信号をスペクトル的に分析する方法である。光スペクトルアナライザーは、光信号を整形する光変調器などの波形整形器(101)、整形された光信号を分散させる分散ファイバーなどの分散素子(103)、整形され分散された光信号を表す出力信号を提供する検出器(105)、及び、たとえば、出力信号の逆フーリエ変換またはフーリエ変換などの変換を計算することによって出力信号を分析して光信号の周波数スペクトルを提供する信号プロセッサ(107)を備える。
【選択図】図１

Description

光信号（光ビーム）のスペクトル（周波数に対する光パワーの分布状態）を決定することが必要となることが多い。そのためには、紫外波長（４００ナノメートル（ｎｍ）よりも短い）から、可視波長（４００〜８００ｎｍ）、さらに、光ファイバー通信によく使用される近赤外波長（８００〜２０００ｎｍ）にわたる、及び、物質の分光学的同定のためによく使用される赤外波長（２０００ｎｍより長い）における測定が必要となる。この測定は、光ビームを種々の色に分離する一般的なプリズムによって可視波長において定性的に行うことができる。

光ビームの種々の周波数、並びにそれらの周波数における光ビームの相対的強度を定量的に同定するために、プリズムから出た種々の色ビームが光検出器（フォトデテクタ）上に順次焦点を結ぶようにプリズムを機械的に回転させることができる。プリズムの種々の角偏向における光検出器の出力の大きさによって、光ビームのスペクトル成分が得られる。

プリズムスペクトルアナライザーの感度及び精度には限界があるため、より高精度の光スペクトルアナライザーが開発されてきた。それらのうちのいくつかは回折格子を使用する。走査式マイケルソン干渉計を利用するものもある。さらに、機械的にチューニングされた外部キャビティを備えるレーザーから構成された走査式レーザー局所発振器を利用する光ヘテロダイン構成を使用するものもある。

マイケルソンスペクトルアナライザーは、干渉パターン（このパターンからコヒーレンスの大きさ（または測度）が得られる）を生成するために機械的に動くミラーを使用する。この場合、このコヒーレンスの測定値から周波数スペクトルを得るためにフーリエ変換として知られる数学的計算を行う。この数学的計算が個別の測定値からなる一組の測定値について行われる場合、この計算はDFT（ディジタルフーリエ変換）と呼ばれる。実際には、この計算は、FFT（高速フーリエ変換）アルゴリズムを用いてコンピュータによって実施される。

これらの測定器はすべて、光を反射する素子または光を透過させる素子の高精度な機械的な動きに依存している。

高精度で良好な信号対ノイズ性能を提供できる可動部のない光スペクトルアナライザーが必要とされている。

本発明のいくつかの実施形態は、可動光学部品のない光スペクトルアナライザーを提供する。一実施形態は、光信号を整形する波形整形器と、整形された光信号を分散（または分光）する分散素子と、整形されて分散された光信号を示す出力信号を提供する検出器と、出力信号を分析して光信号の周波数スペクトルを提供する信号プロセッサを備える。いくつかの実施形態では、波形成整形器は、一つ以上のパルスまたは正弦波または正弦波掃引周波数信号などの電気信号にしたがって光信号を変調する光変調器を備える。いくつかの実施形態では、信号プロセッサは、出力信号のフーリエ変換や逆フーリエ変換などの変換を計算する。

本発明のいくつかの実施形態は、光信号をスペクトル的（分光的）に分析する方法を提供し、この方法は、たとえば、光信号を変調することによって光信号を整形し、整形された光信号を時間分散(time dispersion)させ、時間分散された光信号の形状を検出し、及び、時間分散された形状を分析して光信号のスペクトルを見いだすことを含む。

添付の図面には本発明の例示的な実施形態が図示されている。

本発明を具現化する光スペクトルアナライザーを光学的に示す図である。 本発明を具現化する別の光スペクトルアナライザーを光学的に示す図である。 本発明の原理にしたがって光信号のスペクトルを決定する方法を例示したフローチャートである。 本発明を具現化する光スペクトルアナライザーによって決定された光信号の光スペクトルを示すグラフである。

図１に示すように、本発明のいくつかの実施形態による光スペクトルアナライザーは、光信号を整形する波形整形器１０１、整形された光信号を時間分散させる分散素子１０３、整形されて分散された光信号を示す出力信号を提供する検出器１０５、出力信号を分析して光信号の周波数スペクトルを提供する信号プロセッサ１０７を備える。光信号は、たとえば、LED、レーザー、吸収媒体を通ってきた光、光ネットワークまたは光ビームを提供する他のデバイス（または装置）とすることができる光源１０９から発生する。尚、上記吸収媒体は、対象とする（所望の）スペクトル吸収特性を有するガスまたは液体または固体などである。

いくつかの実施形態では、波形整形器は光変調器を備える。光変調器に信号発生器１１１を結合することができる。光変調器は、信号発生器からの信号にしたがって光信号を変調するように動作する。信号発生器は、１または複数のパルスを生成するパルス発生器とすることができ、その場合には、光変調器から出力される整形された光信号は、１または複数の光パルスからなる。信号発生器は、１または複数の信号、たとえば、１つまたは複数の正弦波信号を提供する周期波形発生器とすることができ、この場合は、光変調器は、これに応じて光信号を変調する。信号発生器は、RF掃引周波数発生器とすることができる。

いくつかの実施形態では、光変調器は、光信号の強度（または輝度）と位相の両方を変調する。そのようないくつかの実施形態では、信号発生器は、正弦波掃引周波数信号などの周期信号だけでなくバイアス信号などの可変電圧信号も提供することができる。

いくつかの実施形態では、アナログ掃引周波数発生器が使用される。掃引周波数発生器及び信号プロセッサとしてネットワークアナライザーを使用する実施形態もある。掃引は、連続的に行うか、または、離散的な増分で段階的に行うことができる。

いくつかの実施形態では、光変調器はマッハ‐ツェンダー干渉変調器から構成される。かかる変調器は、印加される電気信号にしたがって変化する屈折率を有する電気光学結晶、たとえば、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）内に作製することができる。印加された電気信号は、該結晶の屈折率を変化させ、これによって、光波の位相を変調する。位相変調は、マッハ‐ツェンダー干渉計構造内で強度変調（または輝度変調）に変換される。

分散素子１０３は、光信号を構成する種々の光周波数（または、種々の光周波数から構成される光信号）を時間の経過とともに広げる（分散させる）。これは、異なる光周波数の信号は、異なる速度で分散素子中を伝搬するためである。したがって、分散した光信号の周波数成分の各々は、互いに異なる時刻に検出器１０５に到達する。

いくつかの実施形態では、分散素子は光ファイバーから構成される。この光ファイバーは、１００キロメートル（km）程度の長さの単一モードファイバーとすることができる。これらのファイバーは光分散性を有する。かかるファイバーには、分散が、ファイバーの１キロメートルかつ光スペクトルの１ナノメートル（nm）当たりで１ピコ秒（ps）を超えるものがある。ここで、光スペクトルのナノメートルは、同時にファイバー中を伝搬する２つの光信号の波長の差を指している。たとえば、一方の信号の波長が１５００ｎｍで他方の信号の波長が１５０５ｎｍである２つの信号が、１ps／nm／kmの分散を有する１００kmのファイバー中を伝搬する場合には、ファイバーの出力において、一方の信号は他方の信号よりも、１ps／nm／km×５nm×１００km＝５００ps（psはピコ秒）だけ遅れるだろう。

いくつかの実施形態では、分散補償ファイバーを使用することができる。そのようなファイバーは通常、不所望に時間分散した信号を受信し、その時間分散とは逆方向に分散させることによってそのような不所望の分散を補償する。本発明では、分散素子への入力信号は分散しておらず、したがって、分散補償ファイバーは実際には、入力信号を分散させるという効果を有する。分散補償ファイバーの分散の大きさは、一般に、通常のファイバーのそれよりも数倍大きい。

たとえば、よく使用される単一モード（SM）ファイバーはSM-28ファイバーである。このファイバーは、およそ１５００nmの波長で約−１８ps／nm／kmの分散を有する。分散補償ファイバー中での分散は、符号が逆（すなわち正）であり、その大きさは単一モードファイバーの分散よりも１０倍程度大きい場合がある。２つの信号の波長の差が５nmであり、通常のSM-28ファイバーの長さが１０kmであるとしたら、伝搬時間の差は、１８ps／nm／km×５nm×１０km＝９００psとなるであろう。１０kmのファイバーは、実験室用計器に収容するには大量に思えるが、実際には、この長さのファイバーは、１２５立方インチの空間（一辺が５インチの立方体）よりも小さな空間に収容することができる。

多くの分散材料において、分散は波長に依存し、したがって、対象とする波長範囲に応じて適切な分散素子を選択しなければならない。

いくつかの実施形態では、分散素子は、チャープファイバー格子から構成される。このタイプの分散素子は、わずか数メートルの長さのものを採用することができる。

いくつかの実施形態、たとえば、被変調光信号がパルスである実施形態では、分散したパルスを検討することによって光スペクトルを決定することができる。たとえば、２つの別個の波長を有する光パルスは、それぞれの波長における分散素子中の伝搬速度の差に起因して２つのパルスに分離することになる。受信したパルス間の時間的分離とそれらの相対パワー（相対電力）は、波長分離と光信号の２つのスペクトル成分の相対パワーに対応する。したがって、観測されたインパルス応答は、実際には、光スペクトルに対応する。信号プロセッサは、その応答のスペクトル成分を識別する。いくつかの他の実施形態では、複数の光パルスまたは光パターンを用いて、インパルス応答の推定値を改善することができる。

他の実施形態では、インパルス応答は、逆フーリエ変換を利用することによって伝達関数から決定される。この場合には、正弦波掃引周波数信号または他の周期信号は変調信号として使用され、伝達関数は受信信号から決定される。より詳細に後述するように、逆フーリエ変換を計算するようにプログラムされたコンピュータを備えることができる信号プロセッサは、伝達関数からインパルス応答を計算する。インパルス応答が計算されると、スペクトル成分を特定することができる。

いくつかの実施形態では、掃引発生器及び信号プロセッサは、電気ネットワークアナライザーなどの単一の計器に含めることができる。電気ネットワークアナライザーの一例は、カリフォルニア州サンタクララのアジレントテクノロジーズ社によって製造されたモデルN9020Aである。

本発明による光スペクトルアナライザーの他の実施形態を図２に示す。光変調器２０１は、光源２０３から導波路２０５などの媒体を介して受信された光信号を変調するようにしてもよく、または、光変調器を光源に直接結合してもよい。分散素子２０７は、導波路２０９などの媒体を介して変調された光信号を受信するようにしてもよく、または、分散素子を光変調器に直接結合してもよい。光検出器２１１などの検出器は、整形されて分散された光信号を示す出力信号を提供する。信号プロセッサ２１３は、出力信号を分析して光信号の周波数スペクトルを提供する。

光検出器は二乗検波装置である。かかる装置の出力信号は分散された被変調光信号の強度（または輝度）に比例する。信号プロセッサ２１３は、出力信号の振幅と位相を測定する電気ネットワークアナライザーを備えることができる。

理想的な強度変調器によって生成された強度被変調光信号を、１つのキャリア（搬送波）と互いに同じ位相を有する２つのサイドバンド（側波帯）とによって周波数領域で表すことができる。これらの２つのサイドバンドは、分散素子内で分散するので、分散素子中をわずかに異なる速度で伝搬し、これによって、これら２つのサイドバンド間に位相シフトが生じる。変調周波数が十分に高く、かつ、分散が十分に大きい場合には、これらのサイドバンド間の位相シフトはπに達しうる。πの位相シフトは、強度変調を位相変調に変換することに相当する。言い換えれば、光信号の強度変調が位相変調に変換され、これによって、強度変調を直接検出することができなくなる。これは、「信号フェージング(signal fading)」として知られている。

信号フェージングは、変調器を用いて、分散素子により検出可能な強度変調に変換される位相変調を意図的に導入することによって回避することができる。マッハ‐ツェンダー変調器は干渉計構造内に位相変調器を有しているので、マッハ‐ツェンダー変調器を位相変調と強度変調の相対含量を制御するために使用することができる。これは、正弦波信号をマッハ‐ツェンダー変調器内の干渉計の一方のアームに印加すると共に、たとえば電源２１５からのバイアス電圧を他方のアームに印加して位相変調と強度変調の相対量を制御することによって達成される。検出器における信号フェージングを最小限にするために、バイアス電圧を正弦波信号の周波数と共に掃引することができる。この掃引は、たとえば、RF掃引周波数発生器２１７の制御下で行われる。

信号プロセッサ２１３と掃引発生器２１７は図示のように別個のユニットとすることができ、あるいは、上述した電気ネットワークアナライザーなどの単一の計器に共に組み込むことができる。

いくつかの実施形態では、信号プロセッサは逆フーリエ変換を実施する。光信号のスペクトルは、電気伝達関数の逆フーリエ変換を計算することによって得られる。電気伝達関数の逆フーリエ変換は、上述したように、分散素子のインパルス応答を回復する。後の段落でより具体的に説明するように、インパルス応答に含まれている遅延と波長との間の一意的なマッピングによって、スペクトルの復元が可能になる。

分析される光信号を、純粋に正弦波状の（単色の）光信号の和として記述することができる。具体的には、図１の入力１０９における複数の周波数成分を有する光信号を

という和として複素表記で表現することができる。ここで、ａ_ｎはｎ番目の周波数成分の振幅であり、ω_ｎはｎ番目の周波数成分の周波数である。

入力光信号の全ての成分ａ_ｎexp(ｊω_ｎｔ)は電気変調周波数ω_ｅで強度変調され、分散素子中を伝送して、二乗検波器によって検出される。分散素子内で、光信号の個々の成分は、電気変調周波数ω_ｅにおいて位相シフトω_ｅτ_ｎを生じることになる波長依存性の遅延τ_ｎだけ遅延する。二乗検波器は、光信号の強度（電力）に比例する電気信号を提供する。したがって、検出器では、光信号のｎ番目の成分に関連する電気スペクトル成分を次のように表すことができる。

ここで、ω_ｅは、電気変調周波数であり、τ_ｎは、分散素子内の光信号のｎ番目の周波数成分が受ける時間遅延であり、ηは、その値が変調度と受信器の応答性（応答速度）に依存する乗数である。

単純にするためにη＝１とする。プロセッサは、電気変調周波数ω_ｅにおいて検出器によって生成された電気信号の振幅と位相を測定する。この電気信号は、光信号の全ての成分の寄与分から構成され、

という和によって表すことができる。ここで、ｐ_ｎ＝（ａ_ｎ）^２であり、ｐ_ｎは、光信号のｎ番目の成分の電力を表す。

式（１）によって記述される信号の逆フーリエ変換を計算すると、ｐ_ｎ及びτ_ｎの数値が得られる。

Ｎ個のポイントで均一にサンプリングされたＸ（ω_ｅ）のｍ個の離散値の組については、逆DFT（ディジタルフーリエ変換）は以下の式によって与えられる。

式（２）の結果を用いることによって、ｐ_ｎ及びτ_ｎの数値の推定値が得られる。τ_ｎの数値を用いることによって、分散素子の既知の特性に基づいて対応する光周波数ω_ｎが決定される。このようにして、光スペクトルが復元される。

分散素子の特性が既知でない場合には、チューナブルレーザーなどの既知の光源を用いて、分散素子における遅延と波長の間のマッピングを決定し、これによって、較正を行うことができる。

高速フーリエ変換（FFT）アルゴリズムは、DFTを計算するのに効率的な手法である。多くのそのようなアルゴリズムが存在し、それらのアルゴリズムは当該技術分野において周知である。一つの例は、クーリー・テューキーのアルゴリズム(Cooley-Tukey Algorithm)、すなわち、任意のサイズのＮ＝Ｎ_１Ｎ_２のDFTを、Ｎ_１及びＮ_２というより小さなサイズの多くのDFTに再帰的に分解する分割統治法(divide and conquer)アルゴリズムである。この変換を、各ステップでＮ／２のサイズの２つの部分に分割することができるが、２のべき乗による因数分解だけでなく、任意の因数分解を用いることができる。いくつかの実施例では、あからさまな反復を回避するためにアルゴリズムが再構成される。

いくつかの実施形態では、１０ＧＨｚまでの掃引を使用することができる。これは、逆フーリエ変換後の最小時間単位が１／１０ＧＨｚ＝１００psであることを意味する。１０００ps／nmの分散の場合、波長空間における最小の時間単位は１００ps／１０００ps／nm＝０．１nmである。１つの掃引の間に１００００ポイントが取得された場合には、全有効波長範囲は１００００×０．１nm＝１０００nmである。これは、対象とする波長範囲にわたって分散が一定であるとした場合である。これは、０．１nmの分解能及び１０００nmの有効波長範囲を有する光スペクトルアナライザーの１つの構成を表している。

図３に示すように、光信号をスペクトル的（分光的）に分析する一方法は、光信号を整形し（３０１）、整形された光信号を時間分散させ（３０３）、時間分散された光信号の形状（または、整形され時間分散された光信号）を検出し（３０５）、時間分散された形状（または、整形され時間分散された光信号）を分析して光信号のスペクトルを特定する（３０７）という各ステップを含む。いくつかの実施形態では、出力信号を分析するステップは、高速フーリエ変換アルゴリズムを用いてフーリエ変換または逆フーリエ変換を計算するステップを含む。いくつかの実施形態では、光信号を整形するステップは、パルス変調信号、周期的変調信号、掃引正弦波変調信号などにしたがって光信号を変調することを意味する。いくつかの実施形態では、振幅が変調され、いくつかの実施形態では、位相もまた変調される。

図４は、本発明の一実施形態にしたがって実施された光信号のスペクトル分析をグラフ表現したものである。最初のグラフ４０１は、検出された電気信号の振幅A（ｆ_ｅ）を掃引電気周波数ω_ｅ＝２πｆ_ｅの関数として表したものである。２番目のグラフ４０３は、検出された電気信号の位相Φ（ｆ_ｅ）を掃引電気周波数ω_ｅ＝２πｆ_ｅの関数として表したものである。３番目のグラフ４０５は、複素信号Aexp（ｊΦ）の逆フーリエ変換を実施した結果を示す図であって、光スペクトルを表すインパルス応答を示している。差し込まれたグラフ４０７は、グラフ４０５の一部をより詳細に示している。図４に示す例は、２つのスペクトルピークを有する光スペクトルを示している。

逆フーリエ変換とフーリエ変換は数学的に類似しているのでいずれか一方のアルゴリズムを使用することができる。たとえば、電気ネットワークアナライザーがFFTアルゴリズムをディジタル的に実装している場合には、このアナライザーを用いて、測定された伝達関数からインパルス応答を回復し、及び、光スペクトルを復元することができる。たとえば、ウェーブレット変換やラプラス変換などの他の変換も使用することができる。

以下に、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
１．光信号を整形する波形整形器と、
分散素子であって、該分散素子中で前記整形された光信号が分散することからなる、分散素子と、
前記整形され分散した光信号を表す出力信号を提供する検出器と、
前記出力信号を分析して前記光信号の周波数スペクトルを提供する信号プロセッサ
を備える光スペクトルアナライザー。
２．前記波形整形器は光変調器から構成される、上項１の光スペクトルアナライザー。
３．前記光変調器に結合された信号発生器をさらに備える上項２の光スペクトルアナライザーであって、前記光変調器は、前記信号発生器からの信号に応じて前記光信号を変調するように動作する、光スペクトルアナライザー。
４．前記光変調器は、光信号の強度と位相の両方を変調するように動作する、上項３の光スペクトルアナライザー。
５．前記信号発生器はパルス発生器から構成される、上項３の光スペクトルアナライザー。
６．前記信号発生器は周期波形発生器から構成される、上項３の光スペクトルアナライザー。
７．前記信号発生器は正弦波掃引周波数発生器から構成される、上項６の光スペクトルアナライザー。
８．前記信号発生器は可変バイアス電圧源から構成される、上項６の光スペクトルアナライザー。
９．前記分散素子は光ファイバーから構成される、上項１の光スペクトルアナライザー。
１０．前記光ファイバーは分散補償ファイバーから構成される、上項９の光スペクトルアナライザー。
１１．前記光ファイバーは、１キロメートルかつ１ナノメートル当たり１ピコ秒を超える分散を有する単一モードファイバーから構成される、上項９の光スペクトルアナライザー。
１２．前記分散素子はチャープファイバ格子から構成される、上項１の光スペクトルアナライザー。
１３．前記信号プロセッサは、前記出力信号の変換を計算するようにプログラムされたコンピュータから構成される、上項１の光スペクトルアナライザー。
１４．前記信号プロセッサは、前記出力信号の逆フーリエ変換を計算するようにプログラムされたコンピュータから構成される、上項１３の光スペクトルアナライザー。
１５．前記信号プロセッサは、前記出力信号のフーリエ変換を計算するようにプログラムされたコンピュータから構成される、上項１３の光スペクトルアナライザー。
１６．光信号をスペクトル的に分析する方法であって、
光信号を整形するステップと、
前記整形された光信号を時間分散させるステップと、
前記光信号の時間分散された形状を検出するステップと、
前記時間分散された形状を分析して前記光信号のスペクトルを特定するステップ
を含む方法。
１７．前記出力信号を分析するステップは該出力信号の変換を計算するステップを含む、上項１６の方法。
１８．前記出力信号を分析するステップは、該出力信号の逆フーリエ変換を計算するステップを含む、上項１７の方法。
１９．前記出力信号を分析するステップは、該出力信号のフーリエ変換を計算するステップを含む、上項１７の方法。
２０．前記光信号を整形するステップは、パルス変調信号にしたがって前記光信号を変調するステップを含む、上項１６の方法。
２１．前記光信号を整形するステップは、周期変調信号にしたがって前記光信号を変調するステップを含む、上項１６の方法。
２２．前記光信号を整形するステップは、掃引正弦波変調信号にしたがって前記光信号を変調するステップを含む、上項１６の方法。
２３．前記光信号を整形するステップは、該光信号の振幅を変調するステップを含む、上項１６の方法。
２４．前記光信号を整形するステップは、該光信号の振幅と位相を変調するステップを含む、上項１６の方法。

本発明の範囲から逸脱することなく図示し説明した実施形態に変更を加えることができる。本発明は特許請求の範囲によってのみ限定されるべきものである。

１０１ 波形整形器
１０３ 分散素子
１０５ 検出器
１０７ 信号プロセッサ
１１１ 信号発生器

Claims (10)

1. 光信号を整形する波形整形器（１０１）と、
   分散素子（１０３）であって、該分散素子中で前記整形された光信号が分散することからなる、分散素子と、
   前記整形され分散した光信号を表す出力信号を提供する検出器（１０５）と、
   前記出力信号を分析して前記光信号の周波数スペクトルを提供する信号プロセッサ（１０７）
   を備える光スペクトルアナライザー。
2. 前記波形整形器（１０１）は光変調器（２０１）から構成される、請求項１の光スペクトルアナライザー。
3. 前記光変調器（２０１）に結合された信号発生器（１１１）をさらに備える請求項２の光スペクトルアナライザーであって、前記光変調器は、前記信号発生器（１１１）からの信号にしたがって前記光信号を変調するよう動作する、光スペクトルアナライザー。
4. 前記光変調器（２０１）は、光信号の強度と位相の両方を変調するよう動作する請求項３の光スペクトルアナライザー。
5. 前記分散素子（１０３）は光ファイバーから構成される、請求項１の光スペクトルアナライザー。
6. 前記光ファイバーは分散補償ファイバーから構成される、請求項５の光スペクトルアナライザー。
7. 前記分散素子（１０３）はチャープファイバ格子から構成される、請求項１の光スペクトルアナライザー。
8. 前記信号プロセッサ（１０７）は、前記出力信号の変換を計算するようにプログラムされたコンピュータから構成される、請求項１の光スペクトルアナライザー。
9. 光信号をスペクトル的に分析する方法であって、
   光信号を整形するステップ（３０１）と、
   前記整形された光信号を時間分散させるステップ（３０３）と、
   前記光信号の時間分散された形状を検出するステップ（３０５）と、
   前記時間分散された形状を分析して前記光信号のスペクトルを特定するステップ（３０７）
   を含む方法。
10. 前記出力信号を分析するステップは、該出力信号の逆フーリエ変換を計算するステップを含む、請求項９の方法。

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