JP2010002190A

JP2010002190A - 光スペクトラムアナライザ

Info

Publication number: JP2010002190A
Application number: JP2008158759A
Authority: JP
Inventors: Takao Tanimoto; 隆生谷本; Koji Kawakita; 浩二川北
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2010-01-07

Abstract

【課題】本発明は、入力光信号の偏光を制御して偏光方向をポラライザの偏光軸に一致させることなく光信号の光スペクトル強度及び偏光状態が測定できる光スペクトラムアナライザの提供を目的とする。
【解決手段】本発明に係る光スペクトラムアナライザは、光信号入力部１１から入力された光を波長に応じて分離する分光部１２と、分光部１２の分離する光の偏光状態を表すストークスパラメータを測定するストークスパラメータ測定部１３と、分光部１２の分離する波長を掃引制御する分光波長制御部１４と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光スペクトルの偏光状態を測定する装置に関する。

波長分割多重（ＷＤＭ）システムにおいては、できるだけチャネル間隔をつめた高速かつ高密度の伝送技術の研究開発が進められている。しかし、１チャネル当り４０Ｇｂｐｓのデジタル信号をＷＤＭ伝送して波長フィルタで分離する場合には、ほぼ１００ＧＨｚ間隔程度の波長スペーシングが波長分離の限界である。

更なる高密度化の方法として、隣り合う波長チャネルごとに偏光状態を直交させて多重する偏光インターリーブ多重方式がある。この方式を用いれば、２倍の高密度化が可能であるが、偏光多重ＷＤＭ光信号を光ファイバ中に伝送させると複屈折によってこれらは楕円偏光となり、さらには時間的変動によって受信側で混信してしまうという現象もある。

したがって、偏光インターリーブ多重伝送においては、伝送信号の各波長の偏光状態を測定・評価することは伝送信号の品質を評価するうえで極めて重要である。

従来は、偏光インターリーブ多重方式のような光信号の光スペクトルの偏光状態を測定するためには、偏波コントローラとポラライザを介して光スペクトラムアナライザを接続し、光スペクトラムアナライザに互いに直交する偏光の光信号の一方ずつを入力してそれぞれの光スペクトルを測定することによって光スペクトルの偏光状態を測定していた（例えば、特許文献１参照。）。
米国特許７１０６４４３号

従来は、光信号の偏光を偏波コントローラで直線偏光にし、さらに、直線偏光の偏光方向をポラライザの偏光軸に一致させることが必要となり、その調整が煩雑で測定に時間がかかっていた。

そこで、本発明は、入力光信号の偏光を制御して偏光方向をポラライザの偏光軸に一致させることなく光信号の光スペクトル強度及び偏光状態が測定できる光スペクトラムアナライザの提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る光スペクトラムアナライザは、入力された光を波長に応じて分離する分光部と、前記分光部の分離する光の偏光状態を表すストークスパラメータを測定するストークスパラメータ測定部と、前記分光部の分離する波長を掃引制御する分光波長制御部と、を備えることを特徴とする。

ストークスパラメータ測定部が波長ごとのストークスパラメータを測定するので、光スペクトルの偏光状態を測定することができる。波長ごとのストークスパラメータを測定するので、基準となる偏光方向に対する各波長の偏光状態を算出することができる。これにより、直線偏光の偏光方向をポラライザの偏光軸に一致させることなく光信号の光スペクトル強度及び偏光状態が測定できる

本発明に係る光スペクトラムアナライザでは、前記分光波長制御部からの掃引波長と前記ストークスパラメータ測定部からのストークスパラメータが入力されると、任意の波長における偏光状態を基準として直交する偏光成分ごとに掃引波長に対する光強度を算出して出力する光強度出力部をさらに備えることが好ましい。
ストークスパラメータ測定部が波長ごとのストークスパラメータを測定するので、任意の波長における偏光状態を基準として各波長の偏光スペクトルを表示することができる。

本発明に係る光スペクトラムアナライザでは、前記分光波長制御部からの掃引波長と前記ストークスパラメータ測定部からのストークスパラメータが入力されると、光強度が極大となる波長を検出し、検出した波長におけるストークスパラメータをポアンカレ球上での座標として出力するポアンカレ球出力部を備えることが好ましい。
ストークスパラメータ測定部が波長ごとのストークスパラメータを測定するので、ポアンカレ球上での分布表示が容易にできる。これにより、偏光インターリーブ多重伝送等の光信号の偏光状態の分布が容易に観測可能となる。

本発明に係る光スペクトラムアナライザでは、前記ストークスパラメータ測定部からのストークスパラメータのポアンカレ球上での任意の座標を所定の偏光状態に回転する回転方向と回転量を決定する偏光回転量決定部と、前記偏光回転量決定部で決定した回転方向と回転量に基づいて各波長の偏光を回転させる偏光回転部と、をさらに備えることが好ましい。
偏光回転量決定部は、任意の波長の偏光を基準とした偏光回転量を決定し、例えば任意の波長の基準となる偏光を水平直線偏光として表示するための回転量を決定する。その場合、任意の波長を基準偏光状態とした各波長の偏光スペクトル表示することが可能となる。基準偏光状態を決定する際、波長を選択して決定、または最大光強度から決定すればよい。この方法によれば、入力信号光の偏光状態を制御することなく、任意の波長を基準偏光とした相対的な偏光スペクトルを測定することが可能となる。

本発明に係る光スペクトラムアナライザでは、前記偏光回転量決定部は、光強度が極大となる複数の波長を検出し、検出したいずれかの波長におけるポアンカレ球上でのストークスパラメータの座標から前記直交する偏光成分の一方の座標軸への回転方向及び回転量を、前記偏光回転部の回転させる前記回転方向及び前記回転量として決定することが好ましい。
偏光回転部により、水平偏光又は垂直偏光の光強度が極大となる波長いずれかを偏光方向の基準とすることができる。これにより、他の波長との偏光方向のずれが視覚的に表示可能となり、偏光状態の確認が容易になる。

本発明に係る光スペクトラムアナライザでは、前記偏光回転量決定部は、光強度が極大となる複数の波長を検出し、検出した複数の波長におけるポアンカレ球上でのストークスパラメータの座標の中心から前記直交する偏光成分の一方の座標軸への回転方向及び回転量を、前記偏光回転部の回転させる前記回転方向及び前記回転量として決定することが好ましい。
偏光回転部により、水平偏光又は垂直偏光の光強度が極大となる波長におけるポアンカレ球上でのストークスパラメータの座標の中心を偏光方向の基準とすることができる。これにより、波長間で偏光方向にばらつきがある場合に、各波長の中心（平均）となる偏光状態を基準として視覚的に表示可能となり、偏光状態の確認が容易になる。

本発明に係る光スペクトラムアナライザでは、前記偏光回転量決定部は、光強度が最大となる波長を検出し、検出した波長におけるポアンカレ球上でのストークスパラメータの座標から前記直交する偏光成分の一方の座標軸への回転方向及び回転量を、前記偏光回転部の回転させる前記回転方向及び前記回転量として決定することが好ましい。
この場合、最大強度の偏光を基準として視覚的に各波長の偏光状態が確認できる。

本発明によれば、入力光信号の偏光を制御して偏光方向をポラライザの偏光軸に一致させることなく光信号の光スペクトル強度及び偏光状態が測定できる光スペクトラムアナライザを提供することができる。

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。
図１は、本実施形態に係る光スペクトラムアナライザの構成概略図である。本実施形態に係る光スペクトラムアナライザは、光信号入力部１１から入力された光を波長に応じて分離する分光部１２と、分光部１２の分離する光の偏光状態を表すストークスパラメータを測定するストークスパラメータ測定部１３と、分光部１２の分離する波長を掃引制御する分光波長制御部１４と、を備える。分光器１２は、エタロン分光器のような偏光依存性の少ないものが好ましい。

光信号入力部１１に入力した光信号を分光部１２で任意の波長のみを選択し、波長選択した光をストークスパラメータ測定部１３で偏光状態を測定する。分光波長制御部１４は任意の波長に分光部１２の波長を設定制御することにより、ストークスパラメータ測定部１３で測定波長範囲に応じた光の各波長の光スペクトルの光強度及び偏光状態を測定する。これにより、水平偏光、垂直偏光というように各偏光状態別の光スペクトルとして測定することが可能となる。中央処理部１５は、分光波長制御部１４からの掃引波長と、ストークスパラメータ測定部１３の測定したストークスパラメータ（Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３）を関連付け、記憶部１６に記憶させる。記憶部１６は、波長ごとのストークスパラメータ（Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３）を蓄積する。

図２は、ストークスパラメータ測定部１３の一例を示す構成概略図である。ストークスパラメータ測定部１３は、偏光状態モニター部１３−１と偏光スペクトル演算部１３−２を備える。偏光状態モニター部１３−１は、光信号を４分岐した後、フォトダイオード（ＰＤ）１３−１１、１３−１２、１３−１３、１３−１４で受光する。フォトダイオード（ＰＤ）１３−１１は、４分岐された１つめの光信号をそのまま受光し、光強度Ｉｔｏｔａｌを出力する。ＰＤ１３−１２は、４分岐された２つめの光信号を０°のポラライザを介して受光し、光強度Ｉ０を出力する。ＰＤ１３−１３は、４分岐された３つめの光信号を４５°のポラライザを介して受光し、光強度Ｉ４５を出力する。ＰＤ１３−１４は、４分岐された４つめの光信号を１／４波長板と４５°のポラライザを介して受光し、光強度Ｉｑ４５を出力する。

偏光スペクトル演算部１３−２は、偏光状態モニター部１３−１で検出される光強度Ｉｔｏｔａｌ、光強度Ｉ０、光強度Ｉ４５、光強度Ｉｑ４５から、下式によりストークスパラメータ（Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３）を求める。

ストークスパラメータ（Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３）の各パラメータは、下記の意味を持ち、Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３を座標軸とするポアンカレ球上に完全偏光の偏光状態として表示される。Ｓ_０は全光量、Ｓ_１はｘ偏光とｙ偏光の光量差、Ｓ_２は４５°偏光と１３５°偏光の光量差、Ｓ_３は右円偏光と左円偏光の光量差の意味を持つ。

ここで、｜Ｅ_ｘ｜^２はｘ偏光の光量、｜Ｅ_ｙ｜^２はｙ偏光の光量、両偏光間の位相差はδ＝δ_ｘ−δ_ｙを示す。また、複素数Ｚの複素共役をＺ^＊で表す。

偏光インターリーブ多重方式によって光ファイバを伝送した光信号の場合、完全偏光であるレーザ光以外にも光ファイバアンプ等のＡＳＥ光も含んでいる。この場合でも、上記のストークスパラメータ（Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３）の算出法を用いれば光信号の偏光状態を正確に測定することが可能である。

例えば、図１に示す光信号入力部１１に入力される光信号にＡＳＥ光を含んでいる場合、光信号の光強度をＩ（ｓｉｇｎａｌ）、ＡＳＥ光の光強度をＩ（ａｓｅ）とすると、図２に示す偏光状態モニター部１３−１で検出される光強度は下記のように表される。

数２によってストークスパラメータ（Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３）を求めると、

また、光信号の光強度Ｉ（ｓｉｇｎａｌ）は、下式となる。

上式からも分かるように、たとえＡＳＥ光を含んでいる場合でも、Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３は光信号のみの偏光を表しており、光信号の正確な偏光状態を求めることができる。
この場合、ＡＳＥ光の光強度Ｉ（ａｓｅ）は、下式となる。

したがって、図１に示す光信号入力部１１に入力される光信号から、各波長の光信号強度及び偏光状態とＡＳＥ光強度を測定することが可能となる。

図１に示す光スペクトラムアナライザは、さらに、光強度出力部２２を備えることが好ましい。光強度出力部２２は、分光波長制御部１４からの掃引波長とストークスパラメータ測定部１３からのストークスパラメータが入力されると、直交する偏光成分ｘ、ｙごとに掃引波長に対する光強度Ｅ_ｘ、Ｅ_ｙを算出して、偏光成分ｘ、ｙの少なくとも一方の掃引波長に対する光強度を表示部２１に出力する。例えば、入力部２４に光強度の表示を指示する信号が入力されると、中央処理部１５が記憶部１６から分光波長制御部１４からの掃引波長とストークスパラメータ測定部１３からのストークスパラメータを読み出して光強度出力部２２に入力する。偏光回転部２５を備える場合、分光波長制御部１４からの掃引波長とストークスパラメータ測定部１３からのストークスパラメータは、偏光回転部２５を介して光強度出力部２２に入力される。

図３は、光強度出力部２２から表示部２１への出力表示例であり、（ａ）はｘ偏光、（ｂ）はｙ偏光を示す。波長λ_１、λ_２、λ_３、λ_４のときにｘ偏光の光強度が極大となり、波長λ_５、λ_６、λ_７、λ_８のときにｙ偏光の光強度が極大となっている。

光スペクトルの互いに直交する偏光成分の強度は、数２に示すストークスパラメータＳ_０及びＳ_１と光強度Ｅ_ｘ及びＥ_ｙとの関係から求まる。

各波長の直交する偏光成分の光強度Ｅ_ｘ及びＥ_ｙを求めることにより、図３のような直交偏光成分に分離した光スペクトルの表示が可能となる。光スペクトラムアナライザが偏光回転部２５をさらに備える場合は、偏光回転後のストークスパラメータＳ_０’、Ｓ_１’、Ｓ_２’、Ｓ_３’を基に、任意の偏光状態を基準とした相対的な光スペクトルの互いに直交する偏光成分の強度を算出して出力する。

図１に示す光スペクトラムアナライザは、さらに、ポアンカレ球出力部２３を備えることが好ましい。ポアンカレ球出力部２３は、分光波長制御部１４からの掃引波長とストークスパラメータ測定部１３からのストークスパラメータが入力されると、光強度が極大となる波長を検出し、検出した波長におけるストークスパラメータをポアンカレ球上での座標として表示部２１に出力する。例えば、入力部２４に偏光状態の表示を指示する信号が入力されると、中央処理部１５が記憶部１６から分光波長制御部１４からの掃引波長とストークスパラメータ測定部１３からのストークスパラメータを読み出してポアンカレ球出力部２３に入力する。光強度が極大となる波長は、例えば図３に示す波長λ_１、λ_２、λ_３、λ_４、λ_５、λ_６、λ_７、λ_８である。

図４に、ポアンカレ球出力部２３から表示部２１への出力表示例を示す。光信号の光スペクトル波形のピークにおける偏光状態をポアンカレ球上に分布表示している。これにより、偏光インターリーブ多重伝送等の光信号の偏光状態の分布が観測可能となる。光スペクトラムアナライザが偏光回転部２５をさらに備える場合は、偏光回転後の偏光状態の分布となる座標Ｓｘ’（Ｓ_１’，Ｓ_２’，Ｓ_３’）を出力する。

図１に示す光スペクトラムアナライザは、さらに、偏光回転部２５を備えることが好ましい。偏光回転部２５は、ストークスパラメータ測定部１３からのストークスパラメータのポアンカレ球上での座標を、所定の方向に所定の回転量だけ偏光を回転させる。所定の方向及び回転量は、偏光回転量決定部２６の決定する方向及び回転量であってもよいし、入力部２４から入力された方向及び回転量であってもよい。

図５に、ストークスパラメータの偏光回転例を示す。光信号の偏光状態をポアンカレ球上に表した場合、Ｉ（ｓｉｇｎａｌ）はポアンカレ球の半径を示し、楕円率χ（２χ＝ｓｉｎ^−１（Ｓ_３／Ｓ_０））の２倍は緯度を、楕円偏光方位ψ（２ψ＝ｔａｎ^−１（Ｓ_２／Ｓ_１））の２倍は経度を表している。Ｓ_１軸回りの回転は移相子（１／４波長板）の役目に相当し、Ｓ_３軸回りの回転は旋光子（１／２波長板）の役目を果たしている。したがって、図２に示すＰＤ１３−１２で測定した光強度Ｉ０の偏光状態が座標Ｓｘの位置であり、所定の方向及び回転量がポアンカレ球のＳ_１軸回りに２χ回転、Ｓ_３軸回りに２ψ回転であれば、回転後の座標Ｓｘ’（Ｓ_１’，Ｓ_２’，Ｓ_３’）はｘ偏光の位置（１，０，０）に移動する。

このとき、光強度出力部２２は、座標Ｓｘ’での光強度Ｅ_ｘ’、Ｅ_ｙ’を算出して出力する。

また、ポアンカレ球出力部２３は、座標Ｓｘ’（Ｓ_１’，Ｓ_２’，Ｓ_３’）での光強度Ｉ_０’、Ｅ_ｘ’又はＥ_ｙ’が極大となる波長を検出し、検出した波長におけるストークスパラメータＳ_０’、Ｓ_１’、Ｓ_２’、Ｓ_３’を表示部２１に出力する。このとき、偏光回転後の光強度Ｉ_０’は次のようになる。

本実施形態に係る光スペクトラムアナライザは、さらに、偏光回転量決定部２６を備えることが好ましい。偏光回転量決定部２６は、分光波長制御部１４からの掃引波長とストークスパラメータ測定部１３からのストークスパラメータ（Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３）が入力されると、各波長におけるストークスパラメータ（Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３）に基づき偏光回転部２５の回転させる方向及び回転量を決定する。

例えば、偏光回転量決定部２６は、図３に示す光強度が極大となる複数の波長λ_１、λ_２、λ_３、λ_４を検出し、検出したいずれかの波長λ_１における図５に示すポアンカレ球上でのストークスパラメータの座標Ｓｘ（Ｓ_０，Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_３）から直交する偏光成分の一方の座標軸ｘへの回転方向及び回転量を、偏光回転部２５の回転させる回転方向及び回転量として決定する。図５に示す座標Ｓｘであれば回転方向及び回転量はＳ_１軸回りに２χ回転、Ｓ_３軸回りに２ψ回転となる。直交する偏光成分の一方の光強度はｙ偏光の光強度Ｅ_ｙでもよい。複数の波長λ_１、λ_２、λ_３、λ_４のうちのいずれかを選択するかは、入力部２４から波長λ_１を指定する信号が入力されることで決定してもよいし、最大となる波長を選択してもよい。最大となる波長を選択する場合は、光強度Ｅ_ｘ及びＥ_ｙの極大となる波長のうち、最大となる波長を選択してもよい。入力部２４が表示部２１の表示画面から直接入力できることが好ましく、この場合は、例えば、複数の波長λ_１、λ_２、λ_３、λ_４のうち、入力のあった画面上の座標に近い座標の波長を選択することが考えられる。

偏光回転量決定部２６は、光強度が極大となる複数の波長λ_１、λ_２、λ_３、λ_４を検出し、検出した複数の波長λ_１、λ_２、λ_３、λ_４におけるポアンカレ球上でのストークスパラメータの座標の中心から直交する偏光成分の一方の座標軸への回転方向及び回転量を、偏光回転部２５の回転させる回転方向及び回転量として決定する。ストークスパラメータの座標の中心は、例えば、（Ｓ_１軸方向の平均値，Ｓ_２軸方向の平均値，Ｓ_３軸方向の平均値）である。

本発明は、偏光多重ＷＤＭ光信号の光スペクトラムアナライザに用いることができる。

本実施形態に係る光スペクトラムアナライザの構成概略図である。ストークスパラメータ測定部の一例を示す構成概略図である。光強度出力部から表示部への出力表示例であり、（ａ）はｘ偏光の、（ｂ）はｙ偏光を示す。ポアンカレ球出力部２３から表示部２１への出力表示例である。偏光回転部におけるストークスパラメータの偏光回転例である。

符号の説明

１１光信号入力部
１２分光部
１３ストークスパラメータ測定部
１４分光波長制御部
１５中央処理部
１６記憶部
２１表示部
２２光強度出力部
２３ポアンカレ球出力部
２４入力部
２５偏光回転部
２６偏光回転量決定部

Claims

入力された光を波長に応じて分離する分光部と、
前記分光部の分離する光の偏光状態を表すストークスパラメータを測定するストークスパラメータ測定部と、
前記分光部の分離する波長を掃引制御する分光波長制御部と、
を備えることを特徴とする光スペクトラムアナライザ。
前記分光波長制御部からの掃引波長と前記ストークスパラメータ測定部からのストークスパラメータが入力されると、任意の波長における偏光状態を基準として直交する偏光成分ごとに掃引波長に対する光強度を算出して出力する光強度出力部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光スペクトラムアナライザ。
前記分光波長制御部からの掃引波長と前記ストークスパラメータ測定部からのストークスパラメータが入力されると、光強度が極大となる波長を検出し、検出した波長におけるストークスパラメータをポアンカレ球上での座標として出力するポアンカレ球出力部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光スペクトラムアナライザ。
前記ストークスパラメータ測定部からのストークスパラメータのポアンカレ球上での任意の座標を所定の偏光状態に回転する回転方向と回転量を決定する偏光回転量決定部と、
前記偏光回転量決定部で決定した回転方向と回転量に基づいて各波長の偏光を回転させる偏光回転部と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光スペクトラムアナライザ。
前記偏光回転量決定部は、光強度が極大となる複数の波長を検出し、検出したいずれかの波長におけるポアンカレ球上でのストークスパラメータの座標から前記直交する偏光成分の一方の座標軸への回転方向及び回転量を、前記偏光回転部の回転させる前記回転方向及び前記回転量として決定することを特徴とする請求項４に記載の光スペクトラムアナライザ。
前記偏光回転量決定部は、光強度が極大となる複数の波長を検出し、検出した複数の波長におけるポアンカレ球上でのストークスパラメータの座標の中心から前記直交する偏光成分の一方の座標軸への回転方向及び回転量を、前記偏光回転部の回転させる前記回転方向及び前記回転量として決定することを特徴とする請求項４に記載の光スペクトラムアナライザ。
前記偏光回転量決定部は、光強度が最大となる波長を検出し、検出した波長におけるポアンカレ球上でのストークスパラメータの座標から前記直交する偏光成分の一方の座標軸への回転方向及び回転量を、前記偏光回転部の回転させる前記回転方向及び前記回転量として決定することを特徴とする請求項４に記載の光スペクトラムアナライザ。