JP2010520474A

JP2010520474A - 周期信号のスペクトル位相を測定するための装置

Info

Publication number: JP2010520474A
Application number: JP2009552245A
Authority: JP
Inventors: ゴッセ，クリストフ; レノディエ，ジェレミー; ウダール，ジャン−ルイ; ジョルジュオーバン，ギイ
Original assignee: サントルナシオナルドゥラルシェルシェサイアンティフィク（セエヌエールエス）
Priority date: 2007-03-05
Filing date: 2008-03-04
Publication date: 2010-06-10
Also published as: FR2913494A1; WO2008132305A8; FR2913494B1; EP2130015A1; US20110170104A1; EP2130015B1; WO2008132305A1

Abstract

本発明は、周波数ｆｐにおける周期信号（光信号により搬送される）のスペクトル位相を測定するために、以下を有する自己参照装置（１）に関する。；―移相手段（４）;―少なくとも３つの‘前記周期信号の光学モード’（周波数ｆｐのビートを決める）を移相手段に送信するように構成された送信手段（３）；―周波数ｆｐの複数ビートの間の位相差を変調するように構成された移相手段（４）；―周波数ｆｐにおける(複数)ビートの振幅を測定する測定手段(６，７，８)。なお、前記測定手段(６，７，８)は以下を有することを特徴とする。―光信号から受けた電力の周波数ｆｐの変化項を検出し、周波数ｆｐの光学的ビートの重畳（superposition）に対応する電気信号(１４)を生成するように構成された光電変換手段（６）；―電気信号の振幅を測定し、周波数ｆｐにおける複数ビートの振幅を決めるように構成された電気測定手段(７，８)。
【選択図】図１

Description

本発明は周波数ｆｐの周期信号のスペクトル位相（phase spectrale）を測定するための装置に関する。周期信号は光信号により搬送されているものである。

時間ｔに依存するエンベロープによる搬送光信号の変調による信号は次式のように表現される。

Ｅ（ｔ）＝Ｒｅ（Ａ（ｔ）ｅｘｐ（２iπｆ₀ｔ））
但し、Ａ(t)は光信号の複素エンベロープであり、ｆ₀は搬送波の基準光周波数であり、信号Ｒｅ（）は複素関数の実数部である。

本発明の目的は、関数Ａ（ｔ）が周期性を持つとき、関数Ａ（ｔ）のスペクトル位相を決定することである。

関数Ａ（ｔ）が周波数ｆｐの周期関数であるとき、Ａ（ｔ）は次の式で表現される。

但し、
−ＳＵＭ（ｉ、ｊ、ｆ（ｋ））は、ｆ（ｋ）のｉからｊのｋに対する和である。
−Ｐｋは、信号Ａ（ｔ）のｋ次光学モードの階乗を表す。
−φｋは、信号Ａ（ｔ）のｋ次光学モードの位相である。

信号Ａ（ｔ）のスペクトル位相は（複数）光学モードの位相φｋ全体に対応する。

これらスペクトル位相を測定するために、多くの装置が提案されている。

これら多くの装置は、周期信号に同期した基準クロックを使ってスペクトル位相の測定を行う。

しかしながら、同期化基準クロックを使用することは有利ではない。特に、種々の発光装置（dispositifs emetteurs）のための、このようなクロックを採用することは、コストを考えると有利ではない。クロックリカバリ装置（dispositifs de recuperation d'horloge）の欠点は、追加的コストがあるからである。

これら基準クロックを必要とする装置に対し、本発明はスペクトル位相を測定する自己参照装置（dispositif autoreference）を対象とする。

(複数)自己参照装置の技術分野において、特に次の非特許文献１によって、周波数ｆｐにおける周期信号のスペクトル位相を測定する装置は、公知である。
但し、周期信号は光信号により搬送されるもので、以下を含む。
―移相手段(moyens de dephasage);
―少なくとも３つの‘前記周期信号の光学モード’を移相手段に送信するように構成された送信手段；但し、前記光学モードは周波数ｆｐのビートを決める。
−周波数ｆｐの複数ビートの間の位相差を変調するように構成された移相手段；
−周波数ｆｐにおける(複数)ビートの振幅を測定する測定手段。

Gosset他：" Phase and amplitude characterization of a 40-Ghz self pulsating DBR laser based on autocorrelation analysis ", Journal of Lightwave Technology, Vol 24, n[deg.] 2, 2006 Kockaert et al. 《 Simple amplitude and phase measuring technique for ultra-high- repetition-rate lasers》

上記刊行物において、３又は４の光学モードの選択に対して、これら光学モードの相対的位相を決定することができることが証明されている。少なくとも３の隣り合う光学モードの選択により、周波数ｆｐにおけるビートを決めることができる。周波数ｆｐの（複数）ビートの間に移相（dephasage）を導入したとき、周波数ｆｐにおけるビートの振幅は変動する。３モードの信号の場合は、この変動はサイン波形である。(複数)ビートの振幅の測定により、３モード信号のスペクトル位相を決めることができる。

上記非特許文献１において、（複数）ビートの振幅を測定する測定手段は、光学的第２調和波生成に基づく、強度（en intensite）自己相関器を備えている。前記調和波生成は、前記自己相関器により供給される信号のフーリエ級数の解析の後で行われる。

しかしながら、この自己相関器の感度は低く、移相手段の出力側で光学増幅器を使って、フィルタされた光信号を増幅することが必要である。更に、第２調和波の生成現象は光信号のポーラリゼーション(polarization)に対する感度が高いので、自己相関器の入力においてポーラリゼーションコントローラを使うことが必要になる。

本発明は、特に、これら欠点を克服することを目的とする。

本発明の課題は、特によりよい感度を持つ上記の装置を提供することである。

この課題は、前記の自己参照装置（dispositif autoreference）により解決できる。この装置において、測定手段は、光信号から受けた電力の周波数ｆｐにおける変化項を検出し、周波数ｆｐにおける光学的ビートの重畳（superposition）に対応する電気信号を生成するように構成された光電変換手段、および、電気信号の振幅を測定し、周波数ｆｐにおけるビートの振幅を決めるように構成された電気測定手段を備えている。

本発明の基本的なアイディアは、周波数ｆｐにおける変化項（terme variable）を検出することにより、装置の感度を改善することである。

光電変換手段のおかげで、周波数ｆｐにおける（複数）光学ビートは電気信号に変換される。この電気信号は、測定手段により測定され、振幅の測定感度を向上させる。実際、従来技術では、自己相関器を使っても１ｍＷオーダーの通常値以上の強さの信号しか測定できなかった。光信号を電気信号に直接変換し、現在の電気信号の検出技術を使うと、少なくとも係数１００で感度が改善されるので、強度が10μＷを超えない光信号をも測定することができる。

前記非特許文献１においては、フォトダイオードが使用され、オシロスコープとフーリエ解析による段階の前に、光信号を電気信号に変換している。しかしながら、このフォトダイオードは低速ダイオードであって、タイプＰ（ｔ）＝Ｐ₀+Ｐ₁ｃｏｓ（（２πｆｐ）ｔ＋φ）の強度を持つ信号を検出しようとしても、前記フォトダイオードは定数項Ｐ₀しか検出することができない。つまり、周波数ｆｐで変化する項Ｐ₁ｃｏｓ（（２πｆｐ）ｔ＋φ）を検出することはできない。前記非特許文献は、本発明のような光信号から受け取る強さの、周波数ｆｐにおける変化項を検出するように構成された光電変換手段を備える自己参照装置については、記載されていない。

これに対し、本発明による自己参照装置は、光電変換手段を備え、例えば、前記高速フォトダイオードの形で、光信号から受け取る強さの周波数ｆｐにおける変化項を検出するように構成された光電変換手段を備え、周波数ｆｐにおける変化項を検出できる。

周波数ｆｐにおける変化項を検出するために高速フォトダイオード（photodiodes rapides）を使用することは公知である。例えば、Kockaert et al. の《 Simple amplitude and phase measuring technique for ultra-high- repetition-rate lasers》（非特許文献２）に記載されている。しかしながら、この文献では、検出項は、隣接された２つのモードから直接導かれている。本発明のような移相を導入するものではない。又、前記文献に記載された装置は、クロック信号を必要とする参照装置である。前期文献と対比すると、本発明によると、参照クロックを使用する欠点を解消することができる。更に、この文献には、自己相関システムに対する感度を向上するという課題については記載されていない。

本発明の有利な実施例について以下説明する。

第１の実施例によれば、変換手段は通過帯域をもつフォトダイオードを有している。その周波数ｆｐは通過帯域内にある。

この実施例によると、周波数ｆｐはフォトダイオードの通過帯域内にあるから、フォトダイオードは周波数ｆｐの(複数)ビートを検出することができる。

この実施例には、特に、検出信号の偏光（polarisation）に対して感度の低いフォトダイオードを使うことができるという利点がある。

本発明の別の実施例によると、前記変換手段は次を有している。
―ビートの位相を変更せずに、周波数ｆｐにおける(複数)ビートを第２周波数ｆｐ’（周波数ｆｐとは異なる）における(複数)ビートに変調するように構成された周波数変調手段（moyens de modification de frequence）；
―通過帯域を持つフォトダイオード；第２周波数ｆｐ’は前記フォトダイオードの通過帯域内にある。

この実施例には、周期信号の周波数ｆｐより低い通過帯域を持つフォトダイオードを使用することができるという有利な点がある。第２周波数ｆｐ’が周期信号の周波数ｆｐより低いときに、フォトダイオードの通過帯域に適合された変換のおかげで、振幅の測定を実行できる。

本発明によると、移相手段は種々の長さのオプティカルファイバを備えている。これは一つの実施例でしかない。周波数シフトBraggネットワーク、回折ネットワーク等の、別の移相手段（複数）を使うことができる。

種々の長さの光学ファイバを使って送信することにより、周波数ｆｐにおける(複数)ビートの差を変更することができる。

本発明によると、送信手段はフィルタを有している。その波長は調整できることが好ましい。前記フィルタの通過帯域は少なくとも３つの光学モードを選択するように構成されている。

その利点は、周期信号の少なくとも３つの光学モードの種々のグループの簡単な選択を可能にすることである。少なくとも３つの隣接モードのグループに対する解析を連続して実行すると、全光学モードに対して周期信号のスペクトル位相を完全に知ることができる。

以下本発明の実施例を、図面を参照しながら説明する
本発明の実施例による装置のブロック図である。横軸を波長、縦軸を強度（intensite）とする、周期信号の光学スペクトルのグラフである。本発明によって得られる３つの隣接する光学モードの１群に対する、周波数ｆｐにおけるビートの振幅の変化を示すグラフである。周波数ｆｐにおける２つの光学ビートの間に導入される移相に応じて変化する。

図１に、光信号を搬送波とし、周波数ｆｐにおける周期信号１１のスペクトル位相を測定する装置１が示されている。信号１１は、DBR（ Distributed Bragg Reflector ）タイプのレーザ２により生成される。レーザ２はパルス動作をするもので（モードロッキング blocage de modes）、光信号を搬送波とする無線周期信号を放出するパルスレーザである。該無線周期信号の周波数は４０GHzである。これは光周期信号の一例にすぎない。

この信号は、光搬送波を時間ｔに依存するエンベロープで変調した結果であって、次式で表される。

Ｅ(t)=Ｒｅ(Ａ（ｔ）ｅｘｐ（２ｉπｆ₀ｔ）)。
但し、Ａ（ｔ）は光信号の複素エンベロープで、ｆ₀は搬送波の周波数で、信号Ｒｅ（）は複素関数の実数部である。

Ａ(t)が周波数ｆｐの周期関数であるとき、即ち、Ａ(t)が次式で表現できるとき、装置１は関数Ａ(t)のスペクトル位相を決めるように構成されている。

但し、
−SUM（i,j、f（k））は、ｉからｊまでのｋに対するｆ（ｋ）の総和である。
−Ｐkは光信号Ｅ（ｔ）のｋ次光モードの強度（puissance）である。
−φkは光信号Ｅ（ｔ）のｋ次光モードの位相である；

Ａ（t）のスペクトル位相はそれらモードの位相φｋに対応している。

装置１はフィルタ３を有している。フィルタ３は信号11を受信し、Ｅ（ｔ）で表される信号１１の、隣り合う３つの光学モードｋ１、ｋ２、ｋ３を選択するように構成されている。フィルタ３は１ナノメータの通過帯域を有し、４０ＧＨｚの周波数ｆｐに適合している。

フィルタの出力に、３つの光学モードｋ１、ｋ２、ｋ３を持つ光信号12が生成されている。光学モードｋ１、ｋ２、ｋ３は、波長を横軸、強度を縦軸とするグラフ図２に示されている。

この信号12は移相器４の入力に供給される。この移相器４は、２つのモードで定められる(複数)ビートの相対位相に、公知の移相を導入するように構成されている。

２つの隣り合う光学モードは、公知の方法により、ビートを定義する２モードの異なる位相(複数)の差に等しい位相φを持つ周波数ｆｐのビートを決める。３つの隣り合う光学モードは、周波数ｆｐにおける２つの光学ビートを決め、周波数２ｆｐで１の光学ビートを決める。周波数ｆｐにおける２つのビートの間の位相差をψで表す。

この位相差は、公知のやり方で、次のように決められる。

φ１、φ２、φ３は、それぞれ、図２の光学モードｋ１、ｋ２、ｋ３の位相であるとする。光学モードｋ１、ｋ２により決定される周波数ｆｐにおける第１のビートは、Φ２１＝φ２−φ１に等しい位相である。また、光学モードｋ２、ｋ３により決定される周波数ｆｐの第２のビートは、Φ３２＝φ３−φ２に等しい位相である。よって、(複数)ビートの相対位相はΨ＝Φ３２−Φ２１である。この(複数)ビートの相対位相は、通常モード（modes propres）の位相の関数として２次のオーダーの位相Ψ＝φ３−２φ２+φ１に等しいことに留意すべきである。

移相器４は、周波数ｆｐにおける(複数)ビートの間の位相差Ψに、既知の位相Δψを加えるように構成されている。

移相器４は、例えば種々の長さを持つ分散性（dispersives）光ファイバーを備えており、（複数）光ファイバの長さに比例する既知の移相を行う。

前記非特許文献“ Phase and amplitude characterization of a 40-Ghz self pulsating DBR laser based on autocorrelation analysis”の中で述べられているように、一般的に、レーザ２、フィルタ３及び移相器４から構成されるアセンブリ５が選択されてもよい。

アセンブリ５の出力において、３つの光学モードにより形成される信号１３は次式の振幅を有している。

但し、ｃｏｓの項の（２πｆｐ）ｔは、一方において、モードｋ１とｋ２の間で、他方において、モードｋ２とｋ３の間で、周波数ｆｐにおける(複数)ビートに対応している。また、ｃｏｓ（４πｆｐ）ｔは、モードｋ１とｋ３の間において、周波数２ｆｐにおける(複数)ビートに対応している。上記式において、項Φ’21、Φ’32及びΦ’31は、移相器４により移相されたビートの位相に対応し、
（Φ’32−Φ’21）−（Φ32−Φ21）＝ΔΨである。

装置１は、周波数ｆｐに少なくとも等しい１の通過帯域を持つフォトダイオード６を備え、隣接する少なくとも２の光学モードにより決まる周波数ｆｐにおけるビートを検知することができる。

従って、フォトダイオード６は、上記の冪表現における項Ｐ21ｃｏｓ（（２πｆｐ）ｔ＋φ’21）+Ｐ32ｃｏｓ（（２πｆｐ）ｔ＋φ’32）を検出することができる。このようなフォトダイオードは、《高速ダイオード（photodiode rapid）》ｔｐという名で、公知である。これは、定数項Ｐ₀しか検出しない《低速ダイオード（photodiode lente）》に対比される。通過帯域Ｂの(複数)高速フォトダイオードは、Ｂより低い周波数の光信号を検出できる素子（composants）である。これに対して、低速検出器は平均電力しか検知しない。

フォトダイオード６の出力では、横軸が時間であるサイン波の形状の振幅のプロフィールをもち、その振幅が、図３のようなΔΨの関数である信号１４が得られる。

移相ΔΨをもつ、この信号の振幅の変化はＡ+Ｂｃｏｓ（Φ＋ΔΨ）のタイプであるから、少なくとも１の移相（dephasage）ΔΨのビートの振幅を測定して、周波数ｆｐにおける２つのビートの間の移相の値Ψを、調整により決めることができる。

周波数ｆｐにおけるビートから生じる電気信号の振幅を計測するために、装置１は特に整流器７を備え、公知の信号を提供する。その値は信号１４の周波数ｆｐにおける振幅の関数であり、電力計又は電圧計８又は他の手段に接続されている。

一旦、周波数ｆｐにおける２つのビートの間の移相Ψの値が得られると、次式により、(複数)光学モードの（複数）位相φｋが得られる：

φｍ＝ＳＵＭ（ｊ＝１、ｊ＝ｍ−１、ＳＵＭ（ｋ＝１、ｋ＝ｊ−１、Φｋ））
但し、Φｋは、隣接する光学モードに対応する２つのビートの間の位相差で、
Φｋ＝φｋ+１−２φｋ＋φｋ−1である。

自己参照測定（une mesure auto-referencee）において、ｍ＝０、ｍ＝１に対応する２つの第１光学モードの（複数）位相は任意である。別の物を選択することができるが、常に数は２である。実際に、位相φ0の変化は光搬送波の位相の変動に等しく、差φ1−φ0における変化は、周期信号の位相の変化に等しい。それは周期信号の出現時を変更することを意味するが、それは周期光学的信号の瞬時電力の時間プロフィールを変更するものではない。

隣り合う３つの光学モードに対応する周波数ｆ₀における隣接する２つのビートの間の移相値Ψｋを得るために、周期信号に含まれる連続する３つの光学モードのグループ全体に対し、フィルタ３のフィルタ帯域が変更される。該フィルタ３は波長をチューニングすることができず、フィルターは３つの光学的モードのグループの選択時に、変化しないことが好ましい。

隣り合う（複数）光学モードに対応する(複数)ビートの間の位相差(複数)全体を知ることにより、レーザ２から放出される信号の振幅と位相プロフィールを完全に取得することができる。なぜならば、このプロフィールは光スペクトル及び隣り合う(複数)ビートの間の位相差Ψｋを知ることから計算することができるからである。このことは、非特許文献１ " Phase and amplitude characterization of a 40-Ghz self pulsating DBR laser based on autocorrelation analysis "に詳述されている。

次に、本発明の変形例について説明する。

これまでに、フィルタ３が、レーザ２により生成される周期信号の３の光学モードを正確に選択するように構成されている実施例について説明してきた。３つの光学モードの選択は、スペクトル位相測定において、十分な精度を提供している。しかしながら、この精度を下げると、周期信号の３以上の光学モードを選択するフィルタを使うことができる。選択される光学モードの数が増加すると、測定精度は低下する。

更に、特定の３つの光学モードのスペクトル位相が、関心のある１の位相である場合、３つの光学モードの複数グループを選択する必要はなく、フィルタ３の波長は必ずしもチューニングされる必要はない。同様に、レーザ２が専ら３つの光学モードを直接生成する場合、フィルタ３は必要ではない。移相の導入も、レーザ２の出力において直接行うことができる。

なお、フォトダイオード６が、周期信号の周波数ｆｐより大きい帯域を持つ高速フォトダイオードの実施例について説明してきた。

しかしながら、この高速フォトダイオード６を周波数がｆｐより低いｆｐ’のビートを検出できる別のフォトダイオードで置き換えることができる。この場合、このフォトダイオードの前にビート周波数を変調するための手段を配置し、(複数)ビートを周波数ｆｐ’に戻し、フォトダイオードを使って検出することができる。

これら周波数変調手段は、例えば、信号をサイン波に変調する変調器を備えることができる。その信号の周波数は変更する（translater）ことができる。結果はフーリエ変換の特性であり、信号処理の技術分野で公知である。

Claims

周波数ｆｐにおける周期信号のスペクトル位相を測定するために、以下を有する自己参照装置（１）。
但し、前記周期信号は光信号により搬送されるものである。
―移相手段（４）;
―少なくとも３つの‘前記周期信号の光学モード’を移相手段に送信するように構成された送信手段（３）；但し、前記光学モードは周波数ｆｐのビートを決める。
−周波数ｆｐの複数ビートの間の位相差を変調するように構成された移相手段（４）；
−周波数ｆｐにおける(複数)ビートの振幅を測定する測定手段(６，７，８)。
但し、前記測定手段(６，７，８)は以下を有することを特徴とする。
―光信号から受けた電力の周波数ｆｐの変化項を検出し、周波数ｆｐの光学的ビートの重畳（superposition）に対応する電気信号(１４)を生成するように構成された光電変換手段（６）；
―電気信号の振幅を測定し、周波数ｆｐにおける複数ビートの振幅を決めるように構成された電気測定手段(７，８)。
前記光電変換手段は通過帯域をもつフォトダイオードを有し、該周波数ｆｐは通過帯域内にある請求項１に記載の装置。
前記光電変換手段が以下のものを有する請求項１に記載の装置。
―ビートの位相を変更せずに、周波数ｆｐにおける(複数)ビートを第２周波数ｆｐ’（周波数ｆｐとは異なる）における(複数)ビートに変更するように構成された周波数変調手段；
―通過帯域を持つフォトダイオード；
但し、第２周波数ｆｐ’は前記フォトダイオードの通過帯域内にある。
第２周波数ｆｐ’が周期信号の周波数ｆｐより低い請求項３に記載の装置。
移相器４は、種々の長さの光ファイバーを有することを特徴とする請求項１乃至４に記載の装置。
前記送信手段が、周期信号において前記少なくとも３つの光学モードを分離するように構成された、通過帯域を持つフィルタを有する請求項１乃至５に記載の装置。
前記フィルタは波長が調整される請求項８に記載の装置。
前記フィルタは周期信号における３つの光信号を分離するように構成される請求項６又は７に記載の装置。