JP2011226930A - Optical complex-amplitude waveform measurement device and measurement method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光通信等の技術分野において、光の振幅並びに位相変調を受けた光信号の光複素振幅波形を測定する光複素振幅波形測定器とその測定方法に関する。 The present invention relates to an optical complex amplitude waveform measuring instrument for measuring an optical complex amplitude waveform of an optical signal subjected to optical amplitude and phase modulation and a measuring method thereof in a technical field such as optical communication.
近年、大容量光ファイバ通信システムでは、光波の位相変調を使った変調方式が主流となっている。このような光ファイバ通信システムの評価を行う際には、信号光の振幅と位相を含む変調波形、すなわち光複素振幅の波形を測定することが必須の要件となる。 In recent years, in large-capacity optical fiber communication systems, modulation schemes using phase modulation of light waves have become mainstream. When evaluating such an optical fiber communication system, it is an essential requirement to measure a modulation waveform including the amplitude and phase of signal light, that is, a waveform of an optical complex amplitude.
ここで、光複素振幅とは、中心周波数ω0なるレーザ光を変調して得られる光信号の電界の時間波形をa(t)・ejω0 t =|a(t)|exp[jφ(t)]・ejω0 t とするとき、a(t) =|a(t)|exp[jφ(t)]を意味するものとする。ここに、|a(t)|は光波の振幅変調を、φ(t)は位相変調を表す。 Here, the optical complex amplitude is the time waveform of the electric field of the optical signal obtained by modulating the laser beam having the center frequency ω 0 as a (t) · e jω0 t = | a (t) | exp [jφ (t )] · E jω0 t means a (t) = | a (t) | exp [jφ (t)]. Here, | a (t) | represents optical wave amplitude modulation, and φ (t) represents phase modulation.
従来の光複素振幅波形測定器としては、いわゆるコヒーレント受信器において使用される構成をそのまま利用することにより、光複素振幅波形の測定が行えることが知られており、その構成要件は例えば非特許文献1に記載されている。
この文献記載の測定器では、振幅変調または位相変調された被測定信号光を光90度ハイブリッドに入力して連続な(変調を受けていない)局発光と混合し、その光90度ハイブリッドからの光出力を光電変換して、被測定信号光の光複素振幅の実部と虚部に比例する電流を得ることにより、被測定信号光の光複素振幅波形を測定する。
As a conventional optical complex amplitude waveform measuring device, it is known that an optical complex amplitude waveform can be measured by using a configuration used in a so-called coherent receiver as it is. 1.
In the measuring instrument described in this document, the signal light under measurement modulated in amplitude or phase is input to the optical 90-degree hybrid and mixed with continuous (unmodulated) local light, and the light from the optical 90-degree hybrid is mixed. The optical output is photoelectrically converted to obtain a current proportional to the real part and the imaginary part of the optical complex amplitude of the signal light under measurement, thereby measuring the optical complex amplitude waveform of the signal light under measurement.
しかしながら、上記の測定の仕方では、測定される波形の位相成分に局発光の位相揺らぎが含まれてしまうため、正確な信号光の光複素振幅を測定することができなかった。
すなわち、よく知られているように、ここで測定される物理量は正確には信号光の光複素振幅ではなく、被測定信号光の光複素振幅をaS(t)=|aS(t)|exp[jφS(t)]、局発光の光複素振幅をaL(t)=|aL|exp[jφL(t)]とするとき、
|aL||aS(t)|exp[j{φS(t)−φL(t)}] (1)
であることが知られている。ただし、|aS(t)|、|aL|は、それぞれ信号光と局発光の振幅であり、φS(t)、φL(t)はそれぞれ信号光と局発光の位相である。局発光は変調を受けていないためその振幅は時間に依存しないが、その位相は光源のスペクトル線幅の有限性によって位相雑音を持ち、時間tの関数として変化している。
However, in the measurement method described above, the phase component of the local light is included in the phase component of the waveform to be measured, so that the accurate optical complex amplitude of the signal light cannot be measured.
That is, as is well known, the physical quantity measured here is not exactly the optical complex amplitude of the signal light, but the optical complex amplitude of the signal light to be measured as a S (t) = | a S (t) When | exp [jφ S (t)] and the light complex amplitude of local light is a L (t) = | a L | exp [jφ L (t)],
| a L || a S (t) | exp [j {φ S (t) −φ L (t)}] (1)
It is known that However, | a S (t) | and | a L | are the amplitudes of the signal light and the local light, respectively, and φ S (t) and φ L (t) are the phases of the signal light and the local light, respectively. Since local light is not modulated, its amplitude does not depend on time, but its phase has phase noise due to the finite spectral line width of the light source and changes as a function of time t.
式(1)から明らかなように、従来の技術により測定される波形の位相成分には、局発光の位相φL(t)が含まれる。即ち、従来の技術で測定されるものは、正確には信号光の光複素振幅aS(t)=|aS(t)|exp[jφS(t)]ではなく、その位相波形は局発光の位相φL(t)を基準とした相対的な位相を測定しているに過ぎない。 As is apparent from the equation (1), the phase component of the waveform measured by the conventional technique includes the local light emission phase φ L (t). That is, what is measured by the conventional technique is not exactly the optical complex amplitude a S (t) = | a S (t) | exp [jφ S (t)] of the signal light. It only measures the relative phase based on the emission phase φ L (t).
このような状況で信号光の光複素振幅を正確に測定するためには、スペクトル線幅が極めて小さいレーザを局発光光源として用いることにより、局発光の位相揺らぎφL(t)を極めて小さくするしかないが、通常のレーザではこれを実現することは極めて困難であり、従来の技術によって信号光の光複素振幅を正確に測定することは極めて困難であった。 In order to accurately measure the optical complex amplitude of signal light in such a situation, the phase fluctuation φ L (t) of the local light is made extremely small by using a laser having a very small spectral line width as the local light source. However, it is extremely difficult to realize this with a normal laser, and it has been extremely difficult to accurately measure the optical complex amplitude of signal light using conventional techniques.
以上のように、従来の光複素振幅波形測定器では、測定される波形の位相成分に局発光の位相揺らぎが含まれてしまうため、正確な信号光の光複素振幅を測定することができなかった。
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたもので、局発光の位相揺らぎが存在する場合であっても、信号光の光複素振幅を正確に測定可能な光複素振幅波形測定器とその測定方法を提供することを目的とする。
As described above, in the conventional optical complex amplitude waveform measuring instrument, the phase component of the local light is included in the phase component of the waveform to be measured, and therefore the optical complex amplitude of the signal light cannot be measured accurately. It was.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an optical complex amplitude waveform measuring instrument capable of accurately measuring the optical complex amplitude of signal light even when there is a phase fluctuation of local light emission and its measurement. It aims to provide a method.
上記目的を達成するために本発明に係る光複素振幅波形測定器は以下のような態様の構成とする。
(1)信号光を分岐する第1の分岐手段と、前記信号光の周波数帯域内にスペクトルを有する局発光を発生する局発光発生器と、前記局発光を分岐する第2の分岐手段と、前記第1の分岐手段で分岐される一方の信号光と前記第2の分岐手段で分岐される一方の局発光とを入力して混合出力する第1の光90度ハイブリッドと、前記第1の分岐手段で分岐される他方の信号光と前記第2の分岐手段で分岐される他方の局発光とを入力して混合出力する第2の光90度ハイブリッドと、前記第1の光90度ハイブリッドの出力を光電変換して第1の複素振幅信号を生成する第1の信号生成手段と、前記第2の光90度ハイブリッドの出力を光電変換して第2の複素振幅信号を生成する第2の信号生成手段と、前記第1の分岐手段で分岐された一方または他方の信号光を一定時間遅延する遅延手段と、前記第2の分岐手段で分岐された一方または他方の局発光の光路長を調整して両者の光路長を互いに一致させる光路長調整手段と、前記第1及び第2の信号生成手段で生成される第1及び第2の複素振幅信号を入力して前記遅延手段による時間差による位相変化を測定して波形解析する波形解析手段とを具備する態様とする。
In order to achieve the above object, the optical complex amplitude waveform measuring instrument according to the present invention has the following configuration.
(1) first branching means for branching signal light; local light generator for generating local light having a spectrum within the frequency band of the signal light; and second branching means for branching the local light; A first optical 90-degree hybrid that inputs and mixes one signal light branched by the first branching means and one local light branched by the second branching means; and the first light A second optical 90-degree hybrid that inputs and mixes the other signal light branched by the branching means and the other local light branched by the second branching means; and the first optical 90-degree hybrid A first signal generating means for photoelectrically converting the output of the second optical signal to generate a first complex amplitude signal; and a second signal for generating a second complex amplitude signal by photoelectrically converting the output of the second optical 90-degree hybrid. Signal generating means and one or the other branched by the first branching means Delaying means for delaying the signal light for a certain time, optical path length adjusting means for adjusting the optical path length of one or the other local light branched by the second branching means to make the optical path lengths coincide with each other, and An aspect comprising waveform analysis means for inputting the first and second complex amplitude signals generated by the first and second signal generation means and measuring a phase change due to a time difference by the delay means to analyze the waveform; To do.
(2)(1)の構成において、前記波形解析手段は、前記第1及び第2の光90度ハイブリッドの出力を受光して得られる複素信号をそれぞれI1、Q1、I2、Q2とするとき、信号光の振幅|aS(t)|の2乗を
|aS(t)|2 =I1 2(t)+Q1 2(t)
により求め、信号光の遅延時間τSにおける位相変化φS(t)-φS(t-τS)を
φS(t)−φS(t−τS)=tan-1{Q1(t)/I1(t)}−tan-1{Q2(t)/I2(t)}
により求める態様とする。
(2) In the configuration of (1), the waveform analyzing means converts complex signals obtained by receiving the outputs of the first and second optical 90-degree hybrids to I 1 , Q 1 , I 2 , Q 2, respectively. If the square of the amplitude of signal light | a S (t) |
| a S (t) | 2 = I 1 2 (t) + Q 1 2 (t)
The phase change φ S (t) -φ S (t-τ S ) in the signal light delay time τ S
φ S (t) −φ S (t−τ S ) = tan −1 {Q 1 (t) / I 1 (t)} − tan −1 {Q 2 (t) / I 2 (t)}
The mode obtained by
(3)(1)の構成において、前記波形解析手段は、前記信号光の遅延時間τSにおける位相変化φS(t)-φS(t-τS) を積分することにより、光信号の位相φS(t) を求める態様とする。
また、本発明に係る光複素振幅波形測定方法は以下のような態様の構成とする。
(3) In the configuration of (1), the waveform analyzing means integrates the phase change φ S (t) −φ S (t−τ S ) in the delay time τ S of the signal light, thereby The phase φ S (t) is obtained.
Moreover, the optical complex amplitude waveform measuring method according to the present invention has the following configuration.
(4)第1の分岐手段により信号光を分岐し、
局発光発生器にて発生され、前記信号光の周波数帯域内にスペクトルを有する局発光を第2の分岐手段により分岐し、
前記第1の分岐手段で分岐される一方の信号光と前記第2の分岐手段で分岐される一方の局発光とを第1の光90度ハイブリッドに入力して混合し、
前記第1の分岐手段で分岐される他方の信号光と前記第2の分岐手段で分岐される他方の局発光とを第2の光90度ハイブリッドに入力して混合し、
前記第1の光90度ハイブリッドの出力を光電変換して第1の複素振幅信号を生成し、
前記第2の光90度ハイブリッドの出力を光電変換して第2の複素振幅信号を生成し、
前記第1の分岐手段で分岐された一方または他方の信号光を一定時間遅延させ、
前記第2の分岐手段で分岐された一方または他方の局発光の光路長を調整して両者の光路長を互いに一致させ、
前記第1及び第2の複素振幅信号を入力して前記遅延時間差による位相変化を測定して波形解析する態様とする。
(4) The signal light is branched by the first branching means,
The local light generated by the local light generator and having a spectrum within the frequency band of the signal light is branched by the second branching means,
One signal light branched by the first branching means and one local light branched by the second branching means are inputted to the first light 90-degree hybrid and mixed,
The other signal light branched by the first branching means and the other local light branched by the second branching means are input to a second light 90-degree hybrid and mixed,
Photoelectrically converting the output of the first light 90-degree hybrid to generate a first complex amplitude signal;
Photoelectrically converting the output of the second light 90-degree hybrid to generate a second complex amplitude signal;
Delaying one or the other of the signal light branched by the first branching means for a fixed time;
Adjusting the optical path length of one or the other local light branched by the second branching means to make the optical path lengths coincide with each other;
The first and second complex amplitude signals are input, the phase change due to the delay time difference is measured, and the waveform is analyzed.
(5)(4)の構成において、前記波形解析は、前記第1及び第2の光90度ハイブリッドの出力を受光して得られる複素信号をそれぞれI1、Q1、I2、Q2とするとき、信号光の振幅|aS(t)|の2乗を
|aS(t)|2 =I1 2(t)+Q1 2(t)
により求め、信号光の遅延時間τSにおける位相変化φS(t)-φS(t-τS)を
φS(t)−φS(t−τS)=tan-1{Q1(t)/I1(t)}−tan-1{Q2(t)/I2(t)}
により求める態様とする。
(5) In the configuration of (4), the waveform analysis is performed by converting complex signals obtained by receiving the outputs of the first and second optical 90-degree hybrids to I 1 , Q 1 , I 2 , Q 2 , respectively. The square of the signal light amplitude | a S (t) |
| a S (t) | 2 = I 1 2 (t) + Q 1 2 (t)
The phase change φ S (t) -φ S (t-τ S ) in the signal light delay time τ S
φ S (t) −φ S (t−τ S ) = tan −1 {Q 1 (t) / I 1 (t)} − tan −1 {Q 2 (t) / I 2 (t)}
The mode obtained by
(6)(4)の構成において、前記波形解析は、前記信号光の遅延時間τSにおける位相変化φS(t)-φS (t-τS) を積分することにより、光信号の位相φS(t) を求める態様とする。 (6) In the configuration of (4), the waveform analysis is performed by integrating the phase change φ S (t) −φ S (t−τ S ) in the delay time τ S of the signal light. This is a mode for obtaining φ S (t).
以上のように、本発明によれば、局発光の位相揺らぎが存在する場合であっても、信号光の光複素振幅を正確に測定可能な光複素振幅波形測定器とその測定方法を提供することができる。 As described above, according to the present invention, there is provided an optical complex amplitude waveform measuring device and a measuring method thereof capable of accurately measuring the optical complex amplitude of signal light even when there is a phase fluctuation of local light. be able to.
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図1は本発明に係る光複素振幅波形測定器の一実施形態を示すブロック構成図である。図において、被測定信号光(以後、単に信号光という)はSinは光分岐器11により第1及び第2の系統の信号光S1,S2に分岐され、第1系統の信号光S1は第1の光90度ハイブリッド12に送られ、第2系統の信号光S2は光遅延器13により一定期間(τS)遅延されて第2の光90度ハイブリッド14に送られる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an optical complex amplitude waveform measuring instrument according to the present invention. In the figure, signal light under measurement (hereinafter simply referred to as signal light) is split into first and second system signal lights S1 and S2 by an
一方、局発光発生器15は、信号光の周波数帯域内にスペクトルを有する局発光を発生するもので、ここで発生された局発光は光分岐器16により第1及び第2の系統の局発光L1,L2に分岐され、第1系統の局発光L1は第1の光90度ハイブリッド12に送られ、第2の系統の局発光L2は光路長調整器17を介して第2の光90度ハイブリッド14に送られる。
On the other hand, the
ここで、上記光路長調整器17は、光分岐器16の出力端Aから第1の光90度ハイブリッド12の局発光入力端Bまでの光路長と光分岐器16の出力端Aから第2の光90度ハイブリッド14の局発光入力端Cまでの光路長が等しくなるように調整される。
Here, the optical
上記第1及び第2の光90度ハイブリッド12,14は、互いに同構成であり、例えばハーフミラーと偏波分離素子を用いた空間光学系や集積された光回路によって実現することが知られている。第1の光90度ハイブリッド12は第1系統の信号光S1と局発光L1を混合して複素形式のIQ信号光を生成するもので、その出力は一対のバランス型受光素子181,182によって電流信号に変換される。同様に、第2の光90度ハイブリッド14は第2系統の信号光S2と局発光L2を混合して複素形式のIQ信号光を生成するもので、その出力は一対のバランス型受光素子191,192によって電流信号に変換される。
上記受光素子181,182で得られた一対の電流信号は数値化器201,202に送られ、上記受光素子191,192で得られた一対の電流信号は数値化器211,212に送られる。これらの数値化器201,202,211,212は、クロック発生器22で発生されるサンプリングクロックに基づいて入力電流信号をサンプリングし数値化するもので、その出力は波形解析装置23に送られる。この波形解析装置23は、例えばコンピュータによるデータ処理装置であり、数値化器201,202,211,212で得られた光90度ハイブリッド12,14それぞれの出力波形を求め、両者の遅延差から光複素振幅信号の位相変化を測定するものである。
It is known that the first and second light 90-
A pair of current signals obtained by the
ここで、以後の説明のため、一般性を失うことなく、信号光のスペクトルを図2に示すように仮定する。すなわち、信号光のスペクトルは、光周波数ω0を中心として、両側に帯域Bに相当する広がりを持つものとする。また、局発光は連続光であり、その周波数は信号光の帯域内の周波数ωLに位置するものとする。本構成は、コヒーレント検波技術においてホモダイン検波またはイントラダイン検波と呼ばれるものである。 Here, for the following explanation, the spectrum of the signal light is assumed as shown in FIG. 2 without losing generality. That is, the spectrum of the signal light has a spread corresponding to the band B on both sides with the optical frequency ω 0 as the center. The local light is continuous light, and its frequency is located at the frequency ω L within the band of the signal light. This configuration is called homodyne detection or intradyne detection in the coherent detection technique.
上記構成において、以下に光複素信号の測定方法について説明する。
まず、信号光の及び局発光の光複素振幅は以下のように表現される。
信号光:aS(t)=|aS(t)|exp[jφS(t)]・ejω0 t (1)
局発光:aL(t)=|aL|exp[jφL(t)]・ejωL t (2)
式(1)で表される信号光は、その振幅|aS(t)|と位相φS(t)のいずれもが時間に依存して変化する。本発明の目的は、これらの振幅|aS(t)|と位相φS(t)を含む信号光の光複素振幅|aS(t)|exp[jφS(t)]を測定することにある。一方、式(2)の局発光は連続光であり、その振幅|aL|は時間に依存しない。しかし位相φL(t)は、レーザ光が不可避的に有するスペクトル線幅により、時間的な揺らぎを持つため、時間に依存する関数となっている。
In the above configuration, a method for measuring an optical complex signal will be described below.
First, the optical complex amplitudes of signal light and local light are expressed as follows.
Signal light: a S (t) = | a S (t) | exp [jφ S (t)] ・ e jω0 t (1)
Local light: a L (t) = | a L | exp [jφ L (t)] ・ e jωL t (2)
In the signal light represented by the expression (1), both the amplitude | a S (t) | and the phase φ S (t) change depending on time. An object of the present invention is to measure the optical complex amplitude | a S (t) | exp [jφ S (t)] of signal light including the amplitude | a S (t) | and the phase φ S (t). It is in. On the other hand, the local light in equation (2) is continuous light, and its amplitude | a L | does not depend on time. However, the phase φ L (t) is a function that depends on time because it has temporal fluctuations due to the spectral line width that the laser beam inevitably has.
図1を参照しながら、本発明の動作を説明する。信号光Sinは光分岐器11により第1及び第2の系統に分岐され、第1の系統の信号光S1は直接光90度ハイブリッド12に送られ、第2の系統の信号光S2は光遅延器13によって他方に対して相対的な時間遅延が付与されて第2の光90度ハイブリッド14に送られる。以降の説明の中では、このとき付与された信号光の時間遅延をτSで表す。
The operation of the present invention will be described with reference to FIG. The signal light Sin is branched into the first and second systems by the
挿入される時間遅延量τSは以下のように決定される。後から説明するように、信号光の光複素振幅を測定するに当たり、まず信号光の時間τSの間に生じる位相変化φS(t)−φS(t−τS)を算出する。この位相変化を一意に算出するためには時間τSの間の位相変化量が最大でも2πを超えてはならないことは明らかである。このためには、図2に示す信号光の角周波数で表す帯域をBとするとき、2π×2BτS<1である必要がある。従って、τSは以下の条件を満足するように設定する必要がある。
τS <1/2(2πB) (2-1)
このように、τS は1/2(2πB)よりも小さく設定する必要があるが、τS をあまりに小さく設定すると、その時間内の位相変化も極めて小さなものとなり、測定誤差が大きくなる懸念がある。従って、τSの設定値を定める際には、式(2-1)の要請の範囲において、できる限り大きなτSを採用することが望ましい。
The time delay amount τ S to be inserted is determined as follows. As will be described later, in measuring the optical complex amplitude of the signal light, first, the phase change φ S (t) −φ S (t−τ S ) generated during the time τ S of the signal light is calculated. In order to uniquely calculate this phase change, it is clear that the phase change amount during the time τ S should not exceed 2π at the maximum. For this purpose, it is necessary that 2π × 2Bτ S <1 where B is a band represented by the angular frequency of the signal light shown in FIG. Therefore, τ S needs to be set so as to satisfy the following condition.
τ S <1/2 (2πB) (2-1)
In this way, τ S needs to be set smaller than 1/2 (2πB), but if τ S is set too small, there is a concern that the phase change within that time will be extremely small and the measurement error will increase. is there. Therefore, tau in determining the set value of S is in the range of requests of the formula (2-1), be employed large tau S as possible desirable.
次に、局発光発生器15より供給される局発光は、光分岐器16により第1及び第2の系統に分岐され、光路長調整器17を介してそれぞれ光90度ハイブリッド12,14に送られる。光路長調整器17は、2つの分岐局発光L1,L2の光路長が互いに一致するように調整するために挿入されている。即ち、局発光の経路上に挿入される光分岐器16の出力端Aと第1の光90度ハイブリッド11の入力端Bまでの経路(図中のA−B)と、第2の光90度ハイブリッド14の入力端Cまでの経路(図中のA−C)が一致することとなる。この局発光の光路長調整操作は本発明の主眼をなすところであるが、その意味については以降の説明の中で明らかにされる。
Next, the local light supplied from the
以上の構成により、光90度ハイブリッド12,14に入力される信号光と局発光の光複素振幅は以下のように表される。
信号光:aS (1)(t)=|aS (1)(t)|exp[jφS(t)]・ejω0 t (3)
局発光:aL (1)(t)=|aL|exp[jφL(t)]・ejω0 t (4)
第2の光90度ハイブリッド14に入力される信号光S2は、光遅延器13によって付与された遅延τSだけ到着が遅れるのに対し、第2の光90度ハイブリッド14に入力される局発光L2は、光路長調整器17よる光路長調整操作によって、第1の光90度ハイブリッド12に入力される局発光と全く同一となる。したがって、第2の光90度ハイブリッド14に入力される信号光と局発光の光複素振幅は以下のように表される。
信号光:aS (2)(t)=|aS(t−τS)|exp[jφS(t−τS)]・ejω0 t (5)
局発光:aL (2)(t)=|aL|exp[jφL(t)]・ejω0 t (6)
上記光90度ハイブリッド12,14から出力される光波は、バランス型受光素子181,182,191,192により電流に変換される。光90度ハイブリッド12より観測される電流値をI1、Q1、光90度ハイブリッド14より観測される電流値をI2、Q2とすれば、これらの電流値は、それぞれの光90度ハイブリッド12,14に入力される光複素振幅の式(3),(4)及び(5),(6)を用いて、以下のように表すことができる。
With the above-described configuration, the complex light amplitude of the signal light and the local light input to the optical 90-
Signal light: a S (1) (t) = | a S (1) (t) | exp [jφ S (t)] ・ e jω0 t (3)
Local light: a L (1) (t) = | a L | exp [jφ L (t)] ・ e jω0 t (4)
The signal light S 2 input to the second optical 90-
Signal light: a S (2) (t) = | a S (t−τ S ) | exp [jφ S (t−τ S )] ・ e jω0 t (5)
Local light: a L (2) (t) = | a L | exp [jφ L (t)] ・ e jω0 t (6)
Light waves output from the light 90-
I1(t) =Re[aS (1)(t)aL (1)*(t)]
=Re{|aL||aS(t)|・exp[j{φS(t)−φL(t)}]}
=|aL||aS(t)|・cos{φS(t)−φL(t)}
(7)
Q1(t) =Im[aS (1)(t)aL (1)*(t)]
=Im{|aL||aS(t)|・exp[j{φS(t)−φL(t)}]}
=|aL||aS(t)|・sin{φS(t)−φL(t)}
(8)
I2(t) =Re[aS (1)(t)aL (1)*(t)]
=Re{|aL||aS(t−τS)|・exp[j{φS(t−τS)−φL(t)}]}
=|aL||aS(t−τS)|・cos{φS(t−τS)−φL(t)}
(9)
Q2(t) =Im[aS (1)(t)aL (1)*(t)]
=Im{|aL||aS(t−τS)|・exp[j{φS(t−τS)−φL(t)}]}
=|aL||aS(t−τS)|・sin{φS(t−τS)−φL(t)}
(10)
以上の電流値は、それぞれ数値化器201,202,211,212によって数値化され、波形解析装置23に入力される。上記数値化器201,202,211,212は、例えば電流値をデジタル信号に変換するA/Dコンバータによって実現することができる。また、図1に示すように、数値化器201,202,211,212には、クロック発生器22より一定の周期でクロック信号が供給され、これをトリガとして一定の周期で数値化操作を行うものとする。この周期Tは、標本化定理の要請から以下の関係を満足する必要がある。
T <1/2πB (11)
上記数値化器201,202,211,212は時間T毎に電流値I1、Q1、I2、Q2を数値化し波形解析装置23へ送出する。波形解析装置23は送られてきた電流値I1、Q1、I2、Q2を用いて、当該時刻における信号光の光複素振幅を算出する。これを時間T毎に繰り返すことによって全ての時刻の光複素振幅を計算し、光複素振幅波形を構築することができる。
I 1 (t) = Re [a S (1) (t) a L (1) * (t)]
= Re {| a L || a S (t) | ・ exp [j {φ S (t) −φ L (t)}]}
= | a L || a S (t) | ・ cos {φ S (t) −φ L (t)}
(7)
Q 1 (t) = Im [a S (1) (t) a L (1) * (t)]
= Im {| a L || a S (t) | ・ exp [j {φ S (t) −φ L (t)}]}
= | a L || a S (t) | ・ sin {φ S (t) −φ L (t)}
(8)
I 2 (t) = Re [a S (1) (t) a L (1) * (t)]
= Re {| a L || a S (t−τ S ) | ・ exp [j {φ S (t−τ S ) −φ L (t)}]}
= | a L || a S (t−τ S ) | ・ cos {φ S (t−τ S ) −φ L (t)}
(9)
Q 2 (t) = Im [a S (1) (t) a L (1) * (t)]
= Im {| a L || a S (t−τ S ) | ・ exp [j {φ S (t−τ S ) −φ L (t)}]}
= | a L || a S (t−τ S ) | ・ sin {φ S (t−τ S ) −φ L (t)}
(Ten)
The above current values are digitized by the
T <1 / 2πB (11)
The
上記で得られた数値化された電流値I1、Q1、I2、Q2を用いて、波形解析装置23は以下のようにして信号光の光複素振幅を算出する。
まず、信号光の振幅|aS(t)|を求めるため、式(7),(8)の2乗を計算すると、
I1 2(t)+Q1 2(t)
=[|aL||aS(t)|・cos{φS(t)−φL(t)}]2+[|aL||aS(t)|・sin{φS(t)−φL(t)}]2
=|aL|2|aS(t)|2
|aL|2は定数であるのでこれを無視することにすると、これより信号光の振幅|aS(t)|を以下のように求めることができる。
|aS(t)|2=I1 2(t)+Q1 2(t) (12)
また、式(8)の両辺を式(7)で除算し、式(10)の両辺を式(9)で除算することにより、
Using the digitized current values I 1 , Q 1 , I 2 , and Q 2 obtained above, the
First, to find the amplitude of signal light | a S (t) |
I 1 2 (t) + Q 1 2 (t)
= [| a L || a S (t) | ・ cos {φ S (t) −φ L (t)}] 2 + [| a L || a S (t) | ・ sin {φ S (t ) −φ L (t)}] 2
= | A L | 2 | a S (t) | 2
Since | a L | 2 is a constant, if it is ignored, the amplitude | a S (t) | of the signal light can be obtained as follows.
| a S (t) | 2 = I 1 2 (t) + Q 1 2 (t) (12)
Also, by dividing both sides of equation (8) by equation (7) and dividing both sides of equation (10) by equation (9),
式(15),(16)の差を取ることにより、
By taking the difference between equations (15) and (16),
ここで注目すべきは、式(15),(16)から式(17)を導くときに、局発光の位相揺らぎφL(t)を完全に消去できることである。これは、図1の構成において光路長調整器17を用いて、分岐後の2つの局発光の光路長を同一とし、光90度ハイブリッド12,14に入力される局発光の位相を全く同一としたことによる効果に他ならない。このように、局発光の位相が如何に揺らごうとも、その影響を全く受けることなく信号光の時間τSにおける位相変化を抽出できることは、本発明で初めて開示される最大の利点であり、従来のいかなる測定法を用いても実現不可能であった効用である。
It should be noted here that the phase fluctuation φ L (t) of the local light can be completely eliminated when the equation (17) is derived from the equations (15) and (16). This is because, using the optical
式(17)の両辺をτSで除算すると、 Dividing both sides of equation (17) by τ S
説明を終えるにあたり、光路長調整器17によって同一に調整される局発光の光路長に許容される誤差について考察しておく。上記に説明したように、本来、図1の経路A−BとA−Cは完全に同一になるように調整されるべきであり、この点が本発明を構成する重要な要素である。仮に、A−CがA−Bに対して時間τLだけ長く設定されたと仮定する。この場合には、信号光の振幅が式(12)により与えられる点はいささかも変わらないが、信号光の位相を求めるために用いる式(13),(14)は、局発光の光路長時間差τLの影響により次のように変形される。
When the description is finished, an error allowed for the optical path length of the local light that is adjusted in the same way by the optical
コヒーレンス理論によれば、局発光のコヒーレンス時間をτcとするとき、時間τLの間の位相揺らぎφL(t−τL)−φL(t)の統計的分散 According to the coherence theory, when the coherence time of local light is τc, the statistical dispersion of phase fluctuation φ L (t−τ L ) −φ L (t) during time τ L
局発光発生器15として半導体レーザを用いると仮定すると、その典型的なスペクトル線幅(角周波数の広がり)は2π×1MHz程度である。また、許容される位相の測定誤差を0.01radと仮定すれば、式(25)より、許容される時間差τLは、約3.2×10-11s、即ち約32psとなり、光速度を3×108m/sを乗算することによりこれを自由区間の距離に換算すると、約1cmとなる。したがって、一例として上記の条件での測定を実現するために光路長調整器17が備えるべき精度は約1cmであり、通常入手可能な機械的な遅延調整器によって十分に実現可能な精度であることが分かる。更に精度のよい考慮長の調整を行えば、局発光の位相揺らぎによる測定誤差はいくらでも小さくすることが可能であり、極めて小さな測定誤差で信号光の光複素振幅を求めることができる。
Assuming that a semiconductor laser is used as the
以上説明したように本発明によれば、信号光の光複素振幅を高精度に測定する手段が提供され、局発光の位相揺らぎによって生じる測定誤差を回避しつつ、信号光の光複素振幅を極めて高精度に測定することが可能となる。
尚、本発明は、上記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、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。また、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。
As described above, according to the present invention, a means for measuring the optical complex amplitude of the signal light with high accuracy is provided, and the optical complex amplitude of the signal light is extremely reduced while avoiding the measurement error caused by the phase fluctuation of the local light. It becomes possible to measure with high accuracy.
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Moreover, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. In addition, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, you may combine the component covering different embodiment suitably.
11…光分岐器、12…第1の光90度ハイブリッド、13…光遅延器、14…第2の光90度ハイブリッド、15…局発光発生器、16…光分岐器、17…光路長調整器、181,182,191,192…バランス型受光素子、201,202,211,212…数値化器、22…クロック発生器、23…波形解析装置。
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記信号光の周波数帯域内にスペクトルを有する局発光を発生する局発光発生器と、
前記局発光を分岐する第2の分岐手段と、
前記第1の分岐手段で分岐される一方の信号光と前記第2の分岐手段で分岐される一方の局発光とを入力して混合出力する第1の光90度ハイブリッドと、
前記第1の分岐手段で分岐される他方の信号光と前記第2の分岐手段で分岐される他方の局発光とを入力して混合出力する第2の光90度ハイブリッドと、
前記第1の光90度ハイブリッドの出力を光電変換して第1の複素振幅信号を生成する第1の信号生成手段と、
前記第2の光90度ハイブリッドの出力を光電変換して第2の複素振幅信号を生成する第2の信号生成手段と、
前記第1の分岐手段で分岐された一方または他方の信号光を一定時間遅延する遅延手段と、
前記第2の分岐手段で分岐された一方または他方の局発光の光路長を調整して両者の光路長を互いに一致させる光路長調整手段と、
前記第1及び第2の信号生成手段で生成される第1及び第2の複素振幅信号を入力して前記遅延手段による時間差による位相変化を測定して波形解析する波形解析手段と、
を具備することを特徴とする光複素振幅波形測定器。 First branching means for branching the signal light;
A local light generator for generating local light having a spectrum in the frequency band of the signal light;
Second branching means for branching the local light;
A first optical 90-degree hybrid that inputs and mix-outputs one signal light branched by the first branching means and one local light branched by the second branching means;
A second optical 90-degree hybrid that inputs and mixes the other signal light branched by the first branching means and the other local light branched by the second branching means;
First signal generation means for photoelectrically converting the output of the first light 90-degree hybrid to generate a first complex amplitude signal;
Second signal generating means for photoelectrically converting the output of the second light 90-degree hybrid to generate a second complex amplitude signal;
Delay means for delaying one or the other of the signal light branched by the first branch means for a fixed time;
An optical path length adjusting means for adjusting the optical path length of one or the other local light branched by the second branching means so as to make the optical path lengths of the two coincide with each other;
Waveform analysis means for inputting the first and second complex amplitude signals generated by the first and second signal generation means, measuring a phase change due to a time difference by the delay means, and analyzing the waveform;
An optical complex amplitude waveform measuring instrument comprising:
|aS(t)|2 =I1 2(t)+Q1 2(t)
により求め、信号光の遅延時間τSにおける位相変化φS(t)-φS(t-τS) を
φS(t)−φS(t−τS)=tan-1{Q1(t)/I1(t)}−tan-1{Q2(t)/I2(t)}
により求めることを特徴とする請求項1記載の光複素振幅波形測定器。 When the complex signals obtained by receiving the outputs of the first and second optical 90-degree hybrids are denoted by I 1 , Q 1 , I 2 , and Q 2 , respectively, the waveform analysis means has an amplitude of signal light | a s (t) | squared
| a S (t) | 2 = I 1 2 (t) + Q 1 2 (t)
The phase change φ S (t) -φ S (t-τ S ) in the delay time τ S of the signal light is obtained as φ S (t) −φ S (t−τ S ) = tan −1 {Q 1 ( t) / I 1 (t)} − tan −1 {Q 2 (t) / I 2 (t)}
2. The optical complex amplitude waveform measuring device according to claim 1, wherein
局発光発生器にて発生され、前記信号光の周波数帯域内にスペクトルを有する局発光を第2の分岐手段により分岐し、
前記第1の分岐手段で分岐される一方の信号光と前記第2の分岐手段で分岐される一方の局発光とを第1の光90度ハイブリッドに入力して混合し、
前記第1の分岐手段で分岐される他方の信号光と前記第2の分岐手段で分岐される他方の局発光とを第2の光90度ハイブリッドに入力して混合し、
前記第1の光90度ハイブリッドの出力を光電変換して第1の複素振幅信号を生成し、
前記第2の光90度ハイブリッドの出力を光電変換して第2の複素振幅信号を生成し、
前記第1の分岐手段で分岐された一方または他方の信号光を一定時間遅延させ、
前記第2の分岐手段で分岐された一方または他方の局発光の光路長を調整して両者の光路長を互いに一致させ、
前記第1及び第2の複素振幅信号を入力して前記遅延時間差による位相変化を測定して波形解析することを特徴とする光複素振幅波形測定方法。 Branching the signal light by the first branching means;
The local light generated by the local light generator and having a spectrum within the frequency band of the signal light is branched by the second branching means,
One signal light branched by the first branching means and one local light branched by the second branching means are inputted to the first light 90-degree hybrid and mixed,
The other signal light branched by the first branching means and the other local light branched by the second branching means are input to a second light 90-degree hybrid and mixed,
Photoelectrically converting the output of the first light 90-degree hybrid to generate a first complex amplitude signal;
Photoelectrically converting the output of the second light 90-degree hybrid to generate a second complex amplitude signal;
Delaying one or the other of the signal light branched by the first branching means for a fixed time;
Adjusting the optical path length of one or the other local light branched by the second branching means to make the optical path lengths coincide with each other;
An optical complex amplitude waveform measuring method, comprising: inputting the first and second complex amplitude signals, measuring a phase change due to the delay time difference, and analyzing the waveform.
|aS(t)|2 =I1 2(t)+Q1 2(t)
により求め、信号光の遅延時間τSにおける位相変化φS(t)-φS(t-τS)を
φS(t)−φS (t−τS)=tan-1{Q1(t)/I1(t)}−tan-1{Q2(t)/I2(t)}
により求めることを特徴とする請求項4記載の光複素振幅波形測定方法。 In the waveform analysis, when the complex signals obtained by receiving the outputs of the first and second optical 90-degree hybrids are I 1 , Q 1 , I 2 , and Q 2 , respectively, the amplitude of the signal light | a S the square of (t) |
| a S (t) | 2 = I 1 2 (t) + Q 1 2 (t)
The phase change φ S (t) -φ S (t-τ S ) in the delay time τ S of the signal light is obtained as φ S (t) −φ S (t−τ S ) = tan −1 {Q 1 ( t) / I 1 (t)} − tan −1 {Q 2 (t) / I 2 (t)}
5. The optical complex amplitude waveform measuring method according to claim 4, wherein:
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