JP2012088174A - Frequency noise measuring device and measuring method - Google Patents
Frequency noise measuring device and measuring method Download PDFInfo
- Publication number
- JP2012088174A JP2012088174A JP2010235060A JP2010235060A JP2012088174A JP 2012088174 A JP2012088174 A JP 2012088174A JP 2010235060 A JP2010235060 A JP 2010235060A JP 2010235060 A JP2010235060 A JP 2010235060A JP 2012088174 A JP2012088174 A JP 2012088174A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- frequency
- frequency noise
- measured
- power spectral
- heterodyne
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 39
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 34
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 claims abstract description 23
- 238000010183 spectrum analysis Methods 0.000 claims abstract description 12
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 111
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 77
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims description 36
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 16
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 10
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 claims description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 11
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 239000002612 dispersion medium Substances 0.000 description 8
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 8
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 7
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 7
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 6
- 238000005311 autocorrelation function Methods 0.000 description 5
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 5
- 239000002609 medium Substances 0.000 description 5
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 230000004087 circulation Effects 0.000 description 2
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000005295 random walk Methods 0.000 description 2
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001934 delay Effects 0.000 description 1
- 230000023077 detection of light stimulus Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000010295 mobile communication Methods 0.000 description 1
- 230000009022 nonlinear effect Effects 0.000 description 1
- 239000005304 optical glass Substances 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 description 1
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 230000002269 spontaneous effect Effects 0.000 description 1
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 description 1
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 description 1
Landscapes
- Testing Of Optical Devices Or Fibers (AREA)
Abstract
Description
本発明は、光ファイバ通信システム等に有用なレーザ光源の周波数雑音の高精度な測定に適する周波数雑音測定装置及び測定方法に関する。 The present invention relates to a frequency noise measuring apparatus and a measuring method suitable for highly accurate measurement of frequency noise of a laser light source useful for an optical fiber communication system or the like.
光ファイバ通信システムの大容量化が進展し、光強度のオン・オフ変調と、光の直接検波を利用する波長多重伝送システムでは、光ファイバ１本当たりの伝送容量がおよそ１０Ｔｂｉｔ／ｓに達し、光ファイバ自体の損傷や非線形効果に起因する入力パワーの限界に近づいている。この限界を克服するため、デジタルコヒーレント光通信の研究開発が活発化している。デジタルコヒーレント光通信では、光波の振幅や位相を変調して、１シンボルで多値の情報を送信し、受信側ではコヒーレント検波とデジタル信号処理を利用して、帯域当たりの伝送容量を表す指標であるスペクトル利用効率（ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ）を格段に増大することが可能である。 As the capacity of optical fiber communication systems has been increased, in a wavelength division multiplexing transmission system using on / off modulation of light intensity and direct detection of light, the transmission capacity per optical fiber reaches approximately 10 Tbit / s, The input power limit is approaching due to damage to the optical fiber itself and non-linear effects. In order to overcome this limitation, research and development of digital coherent optical communication has been activated. In digital coherent optical communication, the amplitude and phase of a light wave are modulated, multi-value information is transmitted with one symbol, and the reception side is an index representing transmission capacity per band using coherent detection and digital signal processing. A certain spectrum utilization efficiency (bit / s / Hz) can be remarkably increased.
このような高度な変復調方式は、無線通信の分野で広く用いられてきたものであるが、多値変調やコヒーレント検波を利用するため、送受信器に用いるレーザ光源のスペクトル純度に対する要求が厳しくなる。例えば、データレート４０Ｇｂ／ｓのデジタルコヒーレント伝送において、符号誤り率１０−４を得るのに必要なレーザのスペクトル線幅は、８値ＰＳＫ（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）変調では１．６ＭＨｚ、１６値ＰＳＫ変調では２４０ｋＨｚ、１６値ＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調では１２０ｋＨｚ、６４値ＱＡＭ変調では１．２ｋＨｚであることが示されている。スペクトル線幅は直観的で、伝送システムの性能に直結する有用な尺度であるが、レーザ光源のスペクトル純度を完全に記述するものではない。スペクトル純度を表す尺度として、スペクトル線幅の他に、周波数雑音のパワースペクトル密度とアラン偏差がしばしば用いられる。パワースペクトル密度とアラン偏差はより高度な尺度として位置づけることができ、周波数雑音の統計的な性質を記述できるため、雑音源を特定する場合に極めて有効である。したがって、デジタルコヒーレント伝送用のレーザ光源を正確に評価するためには、パワースペクトル密度、アラン偏差などの統計的尺度に基づく必要がある。 Such an advanced modulation / demodulation method has been widely used in the field of wireless communication. However, since multi-level modulation and coherent detection are used, a demand for spectral purity of a laser light source used in a transmitter / receiver becomes severe. For example, in digital coherent transmission at a data rate of 40 Gb / s, the spectral line width of a laser necessary to obtain a code error rate of 10 −4 is 1.6 MHz in 8-level PSK (Phase Shift Keying) modulation and 16-level PSK modulation. Shows that the frequency is 240 kHz, 16-value AM (Quadrature Amplitude Modulation) modulation is 120 kHz, and 64-value QAM modulation is 1.2 kHz. Spectral linewidth is intuitive and a useful measure that directly relates to the performance of the transmission system, but does not completely describe the spectral purity of the laser source. In addition to the spectral line width, the frequency spectral power spectral density and the Allan deviation are often used as a measure of spectral purity. Power spectral density and Allan deviation can be positioned as higher scales and can describe the statistical nature of frequency noise, which is extremely effective in identifying noise sources. Therefore, in order to accurately evaluate a laser light source for digital coherent transmission, it is necessary to be based on statistical measures such as power spectral density and Allan deviation.
アラン偏差は時間領域の尺度であり、ＩＥＥＥ（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ）の周波数安定度に関する小委員会において、１９７１年に周波数安定度の尺度として定義された。アラン偏差は、周波数雑音に含まれている白色雑音、フリッカー雑音などの様子を明確にすることができるが、周期的な変動成分は明確に現れにくく、雑音源を特定するのに不向きである場合が多い。一方、パワースペクトル密度は周波数領域の尺度であり、周期的変動成分を明確にできる特徴がある。統計学的側面からは、パワースペクトル密度のほうがアラン偏差よりも基本的な量であり、周波数雑音の定義としては上位に位置づけられている。パワースペクトル密度からアラン偏差への変換は可能であるが、逆の変換は特別な場合にのみ可能である。したがって、レーザ光源の周波数雑音を正確に評価するためには、パワースペクトル密度を測定することが望ましい。 Allan deviation is a time domain measure and was defined in 1971 as a measure of frequency stability by a subcommittee on frequency stability of IEEE (Institute of Electrics and Electronics Engineers). Allan deviation can clarify the appearance of white noise, flicker noise, etc. included in frequency noise, but periodic fluctuation components are hard to appear clearly and are not suitable for identifying noise sources There are many. On the other hand, the power spectral density is a measure of the frequency domain, and has a feature that the periodic fluctuation component can be clarified. From a statistical aspect, the power spectral density is a basic quantity rather than an Allan deviation, and is positioned higher in the definition of frequency noise. Conversion from power spectral density to Allan deviation is possible, but the reverse conversion is only possible in special cases. Therefore, it is desirable to measure the power spectral density in order to accurately evaluate the frequency noise of the laser light source.
光ファイバ通信に用いられる波長１５５０ｎｍ帯のレーザ光は、光周波数がおよそ１９３ＴＨｚであり、このような極めて高い周波数の電磁波を、直接電気信号に変換して処理することは困難である。このため、周波数雑音を測定するためには、光周波数変動を電気的に処理可能な周波数帯の信号に変換することが必要である。透過率や反射率が光周波数に依存する分散媒体にレーザ光を入射し、透過光、または反射光の強度変動から周波数雑音を測定することができる。例えば、図９に示すマッハツェンダー型干渉計においては、干渉計の出力光強度は、入射光の周波数に対して正弦波状の変化を示す。出力光強度が入射光の周波数に対してほぼ線形に変化する部分を利用することにより、光周波数変動を光強度変動に変換して、周波数雑音を測定することが可能である。被測定レーザ光源１の出力を光方向性結合器６ａにより２分岐し、光遅延媒体１１により一方の光に時間τｄの遅延を与えた後、光方向性結合器６ｂにより合流して、光検出器３により受光する。光遅延媒体１１としては、空間の光路や光ファイバを利用できる。図９に示すように、マッハツェンダー型干渉計における２つの光路の位相差がπ／２になるように設定すれば、光検出器３の出力には、光周波数変動にほぼ比例する電気信号が現れ、スペクトル解析装置１２を用いることにより、周波数雑音のパワースペクトル密度を求めることができる。 Laser light with a wavelength of 1550 nm used for optical fiber communication has an optical frequency of approximately 193 THz, and it is difficult to process such an extremely high frequency electromagnetic wave by directly converting it into an electrical signal. For this reason, in order to measure frequency noise, it is necessary to convert optical frequency fluctuations into signals in a frequency band that can be electrically processed. Laser light is incident on a dispersion medium whose transmittance and reflectance depend on the optical frequency, and frequency noise can be measured from intensity fluctuations of the transmitted light or reflected light. For example, in the Mach-Zehnder interferometer shown in FIG. 9, the output light intensity of the interferometer shows a sinusoidal change with respect to the frequency of the incident light. By utilizing the portion where the output light intensity changes almost linearly with respect to the frequency of the incident light, it is possible to convert the optical frequency fluctuation into the light intensity fluctuation and measure the frequency noise. The output of the measurement laser light source 1 and 2 branched by the optical directional coupler 6a, after giving a delay time tau d on one of the light by the optical delay medium 11, and joins the optical directional coupler 6b, light Light is received by the detector 3. As the optical delay medium 11, a spatial optical path or an optical fiber can be used. As shown in FIG. 9, if the phase difference between the two optical paths in the Mach-Zehnder interferometer is set to be π / 2, an electric signal that is substantially proportional to the optical frequency fluctuation is generated at the output of the photodetector 3. By appearing, the spectrum analyzer 12 can be used to determine the power spectral density of the frequency noise.
また、周波数雑音測定装置として、遅延自己ヘテロダイン法とビート信号の周波数揺らぎ分散測定を組み合わせた周波数雑音測定装置が提案されている（特許文献１参照）。遅延自己ヘテロダイン法は、主として光ファイバ通信に用いられるレーザ光源のスペクトル線幅測定法として、広く用いられている（非特許文献１、特許文献２、３参照）。また、周回型（リング型とも呼ぶ）遅延自己へテロダイン法を利用して、周波数雑音測定を行うことが提案されている（非特許文献２参照）。周回型遅延自己へテロダイン法は、長尺の遅延光ファイバを用いることなく、高分解能のスペクトル線幅測定を行う手法として知られている（非特許文献３、４参照）。 As a frequency noise measuring apparatus, a frequency noise measuring apparatus that combines a delayed self-heterodyne method and beat signal frequency fluctuation dispersion measurement has been proposed (see Patent Document 1). The delayed self-heterodyne method is widely used as a spectral line width measurement method of a laser light source mainly used for optical fiber communication (see Non-Patent Document 1, Patent Documents 2 and 3). In addition, it has been proposed to perform frequency noise measurement using a circular (also called ring) delayed self-heterodyne method (see Non-Patent Document 2). The loop-type delayed self-heterodyne method is known as a technique for performing high-resolution spectral line width measurement without using a long delay optical fiber (see Non-Patent Documents 3 and 4).
図９に示した従来の周波数雑音測定装置では、次のような問題がある。まず、図９に示した周波数雑音測定装置を用いて測定されるパワースペクトル密度について、数式を用いて説明する。被測定レーザ光源１の出力光の電界を次式により表す。 The conventional frequency noise measuring apparatus shown in FIG. 9 has the following problems. First, the power spectral density measured using the frequency noise measuring apparatus shown in FIG. 9 will be described using mathematical expressions. The electric field of the output light of the laser light source 1 to be measured is expressed by the following equation.
（数１）式において、Ｅ０は電界の振幅、ν０は中心周波数、ψ（ｔ）は位相変動を表し、振幅は一定とする。周波数変動は次式により位相変動と関係づけられる。 In Equation (1), E 0 represents the amplitude of the electric field, ν 0 represents the center frequency, ψ (t) represents the phase variation, and the amplitude is constant. The frequency variation is related to the phase variation by the following equation.
光検出器３により受光されるマッハツェンダー型干渉計の出力光強度は次式で表すことができる。 The output light intensity of the Mach-Zehnder interferometer received by the photodetector 3 can be expressed by the following equation.
（数３）式において、２πν０τｄは２つの光路の位相差に対応するので、２πν０τｄ＝π／２として、さらに時間τｄの間の位相変化が小さい条件の下で、次式が得られる。 In Equation (3), 2πν 0 τ d corresponds to the phase difference between the two optical paths, so that 2πν 0 τ d = π / 2, and under the condition that the phase change during time τ d is small, The formula is obtained.
（数４）式は、マッハツェンダー型干渉計の出力光強度が、時刻ｔと時刻ｔ−τｄにおける位相差に比例することを示している。（数４）式から直流成分を取り除き、光検出器３の出力信号を次式で表すことができる。 Equation (4) shows that the output light intensity of the Mach-Zehnder interferometer is proportional to the phase difference between time t and time t−τ d . The direct current component is removed from the equation (4), and the output signal of the photodetector 3 can be expressed by the following equation.
（数５）式において、ξは光強度と光検出器３の感度により決まる定数である。（数５）式により表される信号の自己相関関数ＲＰＤ（τ）は次式で表すことができる。 In Equation (5), ξ is a constant determined by the light intensity and the sensitivity of the photodetector 3. The autocorrelation function R PD (τ) of the signal expressed by the equation (5) can be expressed by the following equation.
（数６）式において、Ｒψ（τ）は位相変動ψ（ｔ）の自己相関関数である。（数６）式をフーリエ変換してパワースペクトル密度を計算すると、次式が得られる。 In the equation (6), R ψ (τ) is an autocorrelation function of the phase variation ψ (t). When the power spectral density is calculated by Fourier transform of the equation (6), the following equation is obtained.
（数７）式において、Ｓψ（ｆ）は位相変動ψ（ｔ）のパワースペクトル密度を表す。（数７）式において、フーリエ周波数ｆと遅延時間τｄの積が１に比べて十分に小さい場合、ｃｏｓ（２πｆτｄ）を級数展開により近似して、次式が得られる。 In Equation (7), S ψ (f) represents the power spectral density of the phase variation ψ (t). In the formula (7), when the product of the Fourier frequency f and the delay time τ d is sufficiently smaller than 1, cos (2πfτ d ) is approximated by series expansion, and the following formula is obtained.
（数８）式において、Ｓν（ｆ）は周波数変動ν（ｔ）のパワースペクトル密度である。（数８）式は、光検出器３の出力信号のパワースペクトル密度ＳＰＤ（ｆ）が、周波数変動のパワースペクトル密度Ｓν（ｆ）に比例することを示している。したがって、光検出器３の出力信号をスペクトル解析することにより、周波数雑音のパワースペクトル密度を求めることができる。（数８）式を導出する過程において、積ｆτｄが１に比べて十分に小さい条件を課しているので、パワースペクトル密度はフーリエ周波数が１／τｄよりも十分に小さい範囲においてのみ有効である。遅延時間τｄを小さくすることにより、広いフーリエ周波数範囲でパワースペクトル密度を測定することができる。しかしながら、測定されるパワースペクトル密度の値は遅延時間の２乗に比例するので、感度が低下する。すなわち、パワースペクトル密度の測定において、周波数帯域と感度の間にトレードオフの関係が存在する。 In the equation (8), S v (f) is the power spectral density of the frequency fluctuation ν (t). Equation (8) indicates that the power spectral density S PD (f) of the output signal of the photodetector 3 is proportional to the power spectral density S ν (f) of the frequency fluctuation. Therefore, by analyzing the spectrum of the output signal of the photodetector 3, the power spectral density of the frequency noise can be obtained. In the process of deriving the equation (8), the condition that the product fτ d is sufficiently smaller than 1 is imposed, so that the power spectral density is effective only in the range where the Fourier frequency is sufficiently smaller than 1 / τ d. It is. By reducing the delay time τ d , the power spectral density can be measured in a wide Fourier frequency range. However, since the measured power spectral density value is proportional to the square of the delay time, the sensitivity decreases. That is, in the measurement of power spectral density, there is a trade-off relationship between frequency band and sensitivity.
以上ではマッハツェンダー型干渉計を用いた光周波数・光強度変換の例を説明したが、ファブリペロー干渉計や原子・分子吸収など、透過率や反射率が周波数依存性を有する媒体であれば、同様の周波数雑音測定が可能である。この方法はレーザの周波数雑音測定に広く利用されているが、以下の問題を有している。 In the above, an example of optical frequency / light intensity conversion using a Mach-Zehnder interferometer has been described, but if the medium has transmittance and reflectivity, such as a Fabry-Perot interferometer and atomic / molecular absorption, Similar frequency noise measurements are possible. Although this method is widely used for laser frequency noise measurement, it has the following problems.
第１の問題は振幅雑音の影響である。（数８）式を導出する過程では、被測定レーザ光源１の振幅を一定としたが、現実のレーザ光源は振幅雑音を有しており、これが分散媒体の出力光強度に現れるため、周波数雑音測定の誤差となる可能性がある。振幅雑音の影響を低減するには、分散媒体の光周波数に対する感度を増大することが必要である。マッハツェンダー干渉計の場合は、遅延時間を大きくすることにより感度を増大できる。 The first problem is the influence of amplitude noise. In the process of deriving the equation (8), the amplitude of the laser light source 1 to be measured is made constant, but the actual laser light source has amplitude noise, which appears in the output light intensity of the dispersion medium. Measurement error may occur. To reduce the effects of amplitude noise, it is necessary to increase the sensitivity of the dispersion medium to the optical frequency. In the case of a Mach-Zehnder interferometer, the sensitivity can be increased by increasing the delay time.
第２の問題は分散媒体における光周波数・光強度変換の校正である。（数８）式が示すように、光検出器３の出力信号のパワースペクトル密度は、被測定レーザ光源１の周波数変動のパワースペクトル密度に比例するが、比例係数は光強度と光検出器３の感度と遅延時間に依存するため、周波数雑音測定に先だって校正する必要がある。被測定レーザ光源１の光周波数を掃引して光検出器３の出力信号を観測すれば、比例係数を校正することができるが、被測定レーザ光源１の掃引時の光周波数変化を正確に知る必要がある。分散媒体として用いる干渉計の物理的な長さから比例係数を見積もることも可能であるが、干渉計の光路を光ファイバやガラスなどで構成する場合は、入射光の波長に対する屈折率も考慮する必要があり、手続きが煩雑である。 The second problem is calibration of optical frequency / light intensity conversion in a dispersion medium. As shown in the equation (8), the power spectral density of the output signal of the photodetector 3 is proportional to the power spectral density of the frequency fluctuation of the laser light source 1 to be measured, but the proportionality coefficient is the light intensity and the photodetector 3. Because it depends on the sensitivity and delay time, it is necessary to calibrate before measuring frequency noise. If the output signal of the photodetector 3 is observed by sweeping the optical frequency of the laser light source 1 to be measured, the proportionality coefficient can be calibrated, but the change in the optical frequency during the sweep of the laser light source 1 to be measured can be accurately known. There is a need. It is possible to estimate the proportionality factor from the physical length of the interferometer used as the dispersion medium. However, when the optical path of the interferometer is made of optical fiber or glass, the refractive index with respect to the wavelength of the incident light is also considered. It is necessary and the procedure is complicated.
第３の問題は分散媒体自体の安定性である。マッハツェンダー型干渉計の場合は２つの光路の位相差をπ／２に設定する必要がある。位相差は入射光の中心周波数と遅延時間、すなわち干渉計の物理的長さに依存する。これらのパラメータは外乱等により容易に変化する可能性があるので、測定時間内に安定に保つことは一般的に困難である。このため図９に示すように、光検出器３の出力信号の一部を光遅延媒体１１にフィードバックして、位相差がつねにπ／２になるように制御する必要がある。 The third problem is the stability of the dispersion medium itself. In the case of a Mach-Zehnder interferometer, it is necessary to set the phase difference between the two optical paths to π / 2. The phase difference depends on the center frequency and delay time of incident light, that is, the physical length of the interferometer. Since these parameters may easily change due to disturbance or the like, it is generally difficult to keep them stable within the measurement time. Therefore, as shown in FIG. 9, it is necessary to feed back a part of the output signal of the photodetector 3 to the optical delay medium 11 so that the phase difference is always π / 2.
このような分散媒体を用いた周波数雑音測定法の問題を解決するため、特許文献１は遅延自己ヘテロダイン法とビート信号の周波数揺らぎ分散測定を組み合わせた周波数雑音測定装置を提案している。 In order to solve the problem of the frequency noise measurement method using such a dispersion medium, Patent Document 1 proposes a frequency noise measurement device that combines a delayed self-heterodyne method and beat signal frequency fluctuation dispersion measurement.
図１０に特許文献１で提案されている周波数雑音測定装置を示す。中心周波数がν０の被測定レーザ光源１の出力を光方向性結合器６ａにより２分岐して、一方は光周波数シフタ７に、他方は光ファイバ８に入射する。光周波数シフタ７によりｆＳの周波数シフトを受けた光と、光ファイバ８により時間τｄの遅延を受けた光を、光方向性結合器６ｂにより合流した後、光検出器３により受光して、電気信号に変換する。光検出器３の出力信号のうち、周波数ｆＳのビート信号成分を周波数揺らぎ分散測定器１３に入力して、アラン偏差の測定を行う。特許文献１の周波数雑音測定装置では、被測定レーザ光源１の周波数雑音をビート信号の周波数揺らぎに変換して検出するが、被測定レーザ光源１のアラン偏差と、ビート信号のアラン偏差を対応づける関係が必要になる。 FIG. 10 shows a frequency noise measuring apparatus proposed in Patent Document 1. The output of the laser light source 1 to be measured having a center frequency of ν 0 is branched into two by an optical directional coupler 6 a, one incident on the optical frequency shifter 7 and the other incident on the optical fiber 8. The light that has undergone the frequency shift of f S by the optical frequency shifter 7 and the light that has been delayed by the time τ d by the optical fiber 8 are merged by the optical directional coupler 6b, and then received by the photodetector 3. , Convert to electrical signal. Of the output signal of the photodetector 3, the beat signal component of the frequency f S is input to the frequency fluctuation dispersion measuring device 13 to measure the Allan deviation. In the frequency noise measuring apparatus of Patent Document 1, the frequency noise of the laser light source 1 to be measured is detected by converting it into the frequency fluctuation of the beat signal, and the Allan deviation of the laser light source 1 to be measured is associated with the Allan deviation of the beat signal. A relationship is needed.
特許文献１の周波数雑音測定装置では、被測定レーザ光源１の周波数雑音を、次式で表されるような白色、フリッカー、ランダムウォークの３種類の雑音の和としてモデル化している。 In the frequency noise measuring apparatus of Patent Document 1, the frequency noise of the laser light source 1 to be measured is modeled as a sum of three kinds of noises of white, flicker, and random walk as represented by the following equation.
（数９）式において、Ｓｙ（ｆ）は規格化周波数雑音のパワースペクトル密度を表し、周波数雑音のパワースペクトル密度Ｓν（ｆ）と次式により関係づけられる。 In Equation (9), S y (f) represents the power spectral density of the normalized frequency noise, and is related to the power spectral density S ν (f) of the frequency noise by the following equation.
また、ｈ０、ｈ−１、ｈ−２は定数であり、第１、２、３項はそれぞれ白色、フリッカー、ランダムウォーク雑音の大きさを表す。遅延自己ヘテロダイン法により観測されるビート信号のパワースペクトル密度Ｓμ（ｆ）は、被測定レーザ光源１のパワースペクトル密度Ｓν（ｆ）と次式により関係づけられる。 H 0 , h −1 , and h −2 are constants, and the first, second, and third terms represent the magnitudes of white, flicker, and random walk noise, respectively. The power spectral density S μ (f) of the beat signal observed by the delayed self-heterodyne method is related to the power spectral density S ν (f) of the laser light source 1 to be measured by the following equation.
また、被測定レーザ光源１のアラン偏差σν（τ）は、パワースペクトル密度から次式を用いて計算することができる。 Further, the Allan deviation σ ν (τ) of the laser light source 1 to be measured can be calculated from the power spectral density using the following equation.
ここで、τは積分時間を表す。（数９）式により表される雑音モデルに対するアラン偏差は次式で表すことができる。 Here, τ represents integration time. The Allan deviation for the noise model expressed by the equation (9) can be expressed by the following equation.
特許文献１の周波数雑音測定装置では、ビート信号のアラン偏差σμ（τ）を測定するが、σμ（τ）から被測定レーザ光源１のアラン偏差σν（τ）やパワースペクトル密度Ｓν（ｆ）を求めることは一般的に困難である。しかしながら、被測定レーザ光源１の周波数雑音が、（数９）式の雑音モデルにより表される場合は、ビート信号のアラン偏差σμ（τ）と被測定レーザ光源１のアラン偏差σν（τ）を、解析的な関係で結びつけることができる。 In the frequency noise measuring apparatus of Patent Document 1, the Allan deviation σ μ (τ) of the beat signal is measured. From the σ μ (τ), the Allan deviation σ ν (τ) of the laser light source 1 to be measured and the power spectral density S ν It is generally difficult to obtain (f). However, when the frequency noise of the laser light source 1 to be measured is expressed by the noise model of the formula (9), the Allan deviation σ μ (τ) of the beat signal and the Allan deviation σ ν (τ of the laser light source 1 to be measured ) In an analytical relationship.
特許文献１の周波数雑音測定装置では、積分時間τが遅延時間τｄに比べて十分に小さい領域に着目し、この範囲では両者が次式により関係づけられることを利用している。 In the frequency noise measuring apparatus of Patent Document 1, attention is paid to a region where the integration time τ is sufficiently smaller than the delay time τ d, and the fact that both are related by the following equation is used in this range.
すなわち、ビート信号の周波数雑音のアラン偏差σμ（τ）を測定し、（数１４）式を用いて被測定レーザ光源１のアラン偏差σν（τ）を求め、（数１３）式のアラン偏差と比較することにより、雑音モデルにおける定数ｈ０、ｈ−１、ｈ−２の値を決定する。 That is, the Allan deviation σ μ (τ) of the frequency noise of the beat signal is measured, and the Allan deviation σ ν (τ) of the laser light source 1 to be measured is obtained using Expression (14). By comparing with the deviation, the values of the constants h 0 , h −1 , h −2 in the noise model are determined.
先に述べたように、非特許文献２では、遅延自己ヘテロダイン法の代わりに、周回型（リング型とも呼ぶ）遅延自己へテロダイン法を利用して、同様の周波数雑音測定を行っている。 As described above, in Non-Patent Document 2, similar frequency noise measurement is performed using a circular (also called ring) delayed self-heterodyne method instead of the delayed self-heterodyne method.
特許文献１の周波数雑音測定装置では、次のような利点がある。即ち、光周波数雑音をヘテロダインビート信号の周波数揺らぎに変換して検出するため、被測定レーザ光源１の振幅雑音の影響は受けない。また、周波数揺らぎを直接検出するので、変換に関わる比例係数の校正が不要である。さらに、図１０において光周波数シフタ７が配置された光路と、光ファイバ８が配置された光路との位相差を調整することなくビート信号を発生できるので、調整やフィードバック制御の機構が不要である。 The frequency noise measuring device of Patent Document 1 has the following advantages. That is, since the optical frequency noise is detected by converting the frequency fluctuation of the heterodyne beat signal, it is not affected by the amplitude noise of the laser light source 1 to be measured. Further, since the frequency fluctuation is directly detected, it is not necessary to calibrate the proportional coefficient related to the conversion. Further, since a beat signal can be generated without adjusting the phase difference between the optical path in which the optical frequency shifter 7 is arranged in FIG. 10 and the optical path in which the optical fiber 8 is arranged, no adjustment or feedback control mechanism is required. .
以上のように、特許文献１の周波数雑音測定装置を用いることにより、被測定レーザ光源の振幅雑音の影響を排除し、変換に関わる比例係数の校正が不要で、光学系の調整と制御を必要としない周波数雑音測定が可能になる。しかしながら、被測定レーザ光源の周波数雑音を特定の３種類の雑音の和としてモデル化しているため、雑音モデルが適用できないレーザ光源の周波数雑音測定は困難である。また、被測定レーザ光源の雑音特性を事前に知っておく必要があるため、分散媒体による光周波数・強度変換を利用する周波数雑音測定法を補助的に用いることも必要になる。（数９）式は経験的に導かれた発振器雑音モデルに基づくものであり、ある条件の下ですべての形式の発振器の周波数雑音を表すことができるとされているものの、すべてのレーザ光源がこのモデルに従う訳ではない。さらに、（数９）式の雑音モデルには、光学系の振動や商用電源から混入する周期的雑音成分が含まれていない。 As described above, by using the frequency noise measuring apparatus disclosed in Patent Document 1, the influence of the amplitude noise of the laser light source to be measured is eliminated, the calibration of the proportional coefficient related to the conversion is unnecessary, and the adjustment and control of the optical system are necessary. This makes it possible to measure frequency noise. However, since the frequency noise of the laser light source to be measured is modeled as the sum of three specific types of noise, it is difficult to measure the frequency noise of a laser light source to which the noise model cannot be applied. In addition, since it is necessary to know the noise characteristics of the laser light source to be measured in advance, it is also necessary to use a frequency noise measurement method using optical frequency / intensity conversion by a dispersion medium. Equation (9) is based on an empirically derived oscillator noise model, which is supposed to be able to represent the frequency noise of all types of oscillators under certain conditions. It does not follow this model. Further, the noise model of the formula (9) does not include periodic noise components mixed from vibrations of the optical system or commercial power supply.
また、特許文献１の周波数雑音測定装置では、遅延自己ヘテロダイン法により観測されるビート信号のアラン偏差から、被測定レーザ光源のアラン偏差を求める。２つのアラン偏差が簡単な関係式で結びつけることができる積分時間の範囲は、遅延時間に依存するため、アラン偏差を測定できる積分時間の範囲が著しく制限される。例えば、長さ２０ｋｍの光ファイバを用いた場合、遅延時間はおよそ１００μｓであるが、アラン偏差を測定できる積分時間の範囲は５０μｓ以下に制限される。 Further, in the frequency noise measuring apparatus of Patent Document 1, the Allan deviation of the laser light source to be measured is obtained from the Allan deviation of the beat signal observed by the delayed self-heterodyne method. Since the range of integration time in which two Allan deviations can be linked by a simple relational expression depends on the delay time, the range of integration time in which the Allan deviation can be measured is significantly limited. For example, when an optical fiber having a length of 20 km is used, the delay time is approximately 100 μs, but the range of integration time in which the Allan deviation can be measured is limited to 50 μs or less.
また、特許文献１の周波数雑音測定装置では、周波数揺らぎ分散測定器によりアラン偏差の測定を行うが、周波数雑音を正確に評価するためには、パワースペクトル密度を測定することが望ましい。これは、パワースペクトル密度のほうがアラン偏差よりも基本的な量であり、周波数雑音の尺度としては上位に位置づけられているためである。パワースペクトル密度が測定できれば、アラン偏差への変換が可能である。また、アラン偏差には周期的な変動成分は明確に現れにくく、雑音源を特定するのには不向きである。 Moreover, in the frequency noise measuring apparatus of Patent Document 1, the Allan deviation is measured by a frequency fluctuation dispersion measuring device. In order to accurately evaluate the frequency noise, it is desirable to measure the power spectral density. This is because the power spectral density is a more basic amount than the Allan deviation, and is positioned higher as a measure of frequency noise. If the power spectral density can be measured, conversion to Allan deviation is possible. In addition, a periodic fluctuation component is hardly clearly displayed in the Allan deviation, and is not suitable for specifying a noise source.
本発明は、レーザ光源の周波数雑音測定における上記の問題を解決しようとするものであり、遅延自己へテロダイン法によるレーザ光の周波数雑音測定において、特定の雑音モデルの仮定を必要とせず、かつ他の手法による補助的な周波数雑音測定を必要とすることなく、周波数雑音のパワースペクトル密度を測定できる装置及び方法を提供することを目的とする。 The present invention is intended to solve the above-mentioned problem in measuring the frequency noise of a laser light source, and does not require any specific noise model assumption in the frequency noise measurement of laser light by the delayed self-heterodyne method. It is an object of the present invention to provide an apparatus and method capable of measuring the power spectrum density of frequency noise without requiring auxiliary frequency noise measurement by the above method.
本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。 The present invention has the following features in order to achieve the above object.
本発明の装置は、遅延自己ヘテロダイン法による周波数雑音測定装置であって、被測定レーザ光を入力するヘテロダイン干渉計と、該ヘテロダイン干渉計の出力光を受光してヘテロダイン検波を行う光検出器と、該光検出器から出力されるビート信号のスペクトル解析を行うベクトル信号解析装置と、前記ビート信号の周波数変動に対するパワースペクトル密度から被測定レーザ光の周波数雑音のパワースペクトル密度を求める信号処理装置とを備えることを特徴とする。前記ベクトル信号解析装置は、前記ビート信号を復調して周波数変動に対するパワースペクトル密度をフーリエ周波数ｆの関数として測定し、前記信号処理装置は、該パワースペクトル密度に［２（１−ｃｏｓ（２πｆτｄ））］−１（ただし、τｄはヘテロダイン干渉計における遅延時間）を乗じて、前記被測定レーザ光の周波数雑音のパワースペクトル密度を求めることが望ましい。また、前記信号処理装置は、前記ベクトル信号解析装置の信号処理部に含まれるようにしてもよい。また、前記ヘテロダイン干渉計の遅延時間を変えて、異なるフーリエ周波数域に対するパワースペクトル密度を取得し、複数の該パワースペクトル密度を結合して、前記被測定レーザ光の周波数雑音を測定することができる。また、具体的には、前記ヘテロダイン干渉計として、マッハツェンダー型干渉計を用い、一方の光路に周波数シフトがｆＳの光周波数シフタ、他方の光路に遅延時間がτｄの光ファイバを備え、該マッハツェンダー型干渉計の出力光を前記光検出器により受光して検出することにより、前記光検出器が周波数ｆＳのビート信号を出力する構造とするとよい。あるいは、前記ヘテロダイン干渉計として、リング型干渉計を用い、該リング型干渉計の光路に周波数シフトがｆＳの光周波数シフタと、遅延時間がτｄの光ファイバを備え、該リング型干渉計の出力光を前記光検出器により受光して検出することにより、前記光検出器が周波数ＮｆＳ（但しＮは正の整数）のビート信号を出力する構造とするとよい。 An apparatus according to the present invention is a frequency noise measurement apparatus using a delayed self-heterodyne method, and includes a heterodyne interferometer that inputs laser light to be measured, and a photodetector that receives the output light of the heterodyne interferometer and performs heterodyne detection. A vector signal analysis device for performing spectrum analysis of the beat signal output from the photodetector, and a signal processing device for obtaining the power spectrum density of the frequency noise of the laser light to be measured from the power spectrum density with respect to the frequency fluctuation of the beat signal; It is characterized by providing. The vector signal analyzer demodulates the beat signal and measures the power spectral density with respect to frequency fluctuation as a function of the Fourier frequency f, and the signal processing apparatus calculates [2 (1-cos (2πfτ d ))] −1 (where τ d is a delay time in the heterodyne interferometer), and it is desirable to obtain the power spectral density of the frequency noise of the laser light to be measured. The signal processing device may be included in a signal processing unit of the vector signal analysis device. Further, by changing the delay time of the heterodyne interferometer, power spectral densities for different Fourier frequency ranges can be obtained, and a plurality of the power spectral densities can be combined to measure the frequency noise of the laser light to be measured. . Specifically, a Mach-Zehnder interferometer is used as the heterodyne interferometer, and an optical frequency shifter having a frequency shift of f S is provided in one optical path, and an optical fiber having a delay time τ d is provided in the other optical path, The output light of the Mach-Zehnder interferometer may be received and detected by the photodetector so that the photodetector outputs a beat signal having a frequency f S. Alternatively, a ring interferometer is used as the heterodyne interferometer, and an optical frequency shifter having a frequency shift of f S and an optical fiber having a delay time τ d are provided in the optical path of the ring interferometer, and the ring interferometer It is preferable that the photodetector outputs a beat signal having a frequency Nf S (where N is a positive integer).
本発明の方法は、遅延自己ヘテロダイン法による周波数雑音測定方法であって、被測定レーザ光をヘテロダイン干渉計に入力し、該ヘテロダイン干渉計の出力光を光検出器により受光してヘテロダイン検波を行い、該光検出器から出力されるビート信号をスペクトル解析し、該ビート信号の周波数変動に対するパワースペクトル密度から被測定レーザ光の周波数雑音のパワースペクトル密度を求めることを特徴とする。前記スペクトル解析は、前記ビート信号を復調して周波数変動に対するパワースペクトル密度をフーリエ周波数ｆの関数として測定するものであり、該パワースペクトル密度に［２（１−ｃｏｓ（２πｆτｄ））］−１（ただし、τｄはヘテロダイン干渉計における遅延時間）を乗じて、被測定レーザ光の周波数雑音のパワースペクトル密度を求めることが望ましい。また、前記ヘテロダイン干渉計の遅延時間を変えて、異なるフーリエ周波数域に対する被測定レーザ光の周波数雑音のパワースペクトル密度を取得し、複数の該パワースペクトル密度を結合して被測定レーザ光の周波数雑音を得ることができる。 The method of the present invention is a frequency noise measurement method using a delayed self-heterodyne method, in which laser light to be measured is input to a heterodyne interferometer, and the output light of the heterodyne interferometer is received by a photodetector to perform heterodyne detection. The beat signal output from the photodetector is subjected to spectrum analysis, and the power spectrum density of the frequency noise of the laser beam to be measured is obtained from the power spectrum density with respect to the frequency fluctuation of the beat signal. In the spectrum analysis, the beat signal is demodulated and the power spectral density with respect to frequency fluctuation is measured as a function of the Fourier frequency f, and the power spectral density is [2 (1-cos (2πfτ d ))] −1. (However, τ d is preferably multiplied by the delay time in the heterodyne interferometer) to obtain the power spectral density of the frequency noise of the laser beam to be measured. Further, by changing the delay time of the heterodyne interferometer, the power spectral density of the frequency noise of the laser beam to be measured for different Fourier frequency ranges is acquired, and the frequency noise of the laser beam to be measured is combined by combining a plurality of the power spectral densities. Can be obtained.
本発明の周波数雑音測定装置及び方法では、遅延自己ヘテロダイン法による周波数雑音測定装置において、被測定レーザ光を入力するヘテロダイン干渉計の出力光を受光してヘテロダイン検波を行う光検出器と、該光検出器から出力されるビート信号のスペクトル解析を行うベクトル信号解析装置と、信号処理装置とを設けたことにより、周波数雑音のパワースペクトル密度を正確に測定することができる。 According to the frequency noise measuring apparatus and method of the present invention, in the frequency noise measuring apparatus based on the delayed self-heterodyne method, a photodetector that receives the output light of the heterodyne interferometer that inputs the laser beam to be measured and performs heterodyne detection; By providing a vector signal analysis device that performs spectrum analysis of the beat signal output from the detector and a signal processing device, the power spectrum density of the frequency noise can be accurately measured.
また、本発明では、ヘテロダイン干渉計により生成されるビート信号のパワースペクトル密度を測定するため、特定の雑音モデルを仮定する必要がない。このため、被測定レーザ光源の雑音特性を事前に把握しておく必要がなく、あらゆるレーザ光源に適用可能である。また、パワースペクトル密度は周波数雑音の尺度として最も基本的な量であるため、雑音源の特定を容易に行うことができ、アラン偏差のような他の尺度への変換も可能である。さらに、周波数変動を直接検出するので、被測定レーザ光源の振幅雑音の影響を排除し、変換に関わる比例係数の校正を不要とし、光学系の調整と制御を必要としない周波数雑音測定が可能になる。 In the present invention, since the power spectral density of the beat signal generated by the heterodyne interferometer is measured, it is not necessary to assume a specific noise model. For this reason, it is not necessary to grasp in advance the noise characteristics of the laser light source to be measured, and it can be applied to any laser light source. Further, since the power spectral density is the most basic quantity as a measure of frequency noise, it is possible to easily identify the noise source and to convert it to another measure such as an Allan deviation. In addition, frequency fluctuations are directly detected, eliminating the effects of amplitude noise from the laser light source under measurement, eliminating the need for calibration of proportional coefficients related to conversion, and enabling frequency noise measurement that does not require adjustment and control of the optical system. Become.
本発明では、ヘテロダイン干渉計の遅延時間を変えて、異なるフーリエ周波数域に対するパワースペクトル密度を取得し、複数の該パワースペクトル密度を結合して、前記被測定レーザ光の周波数雑音を測定することにより、フーリエ周波数ｆがＫ／τｄの近傍の値が欠落するのを改善することができ、広いフーリエ周波数に渡る周波数雑音の測定が可能になった。また、ヘテロダイン干渉計としてマッハツェンダー型干渉計を用いると、光増幅器を用いない簡単な構成で測定ができるという効果がある。また、ヘテロダイン干渉計としてリング型干渉計を用いると、光ファイバの長さを変更することにより、１本の光ファイバで複数の遅延時間を実現することが可能であり、長尺の光ファイバを用いることなく遅延時間を増大できるという効果がある。 In the present invention, by changing the delay time of the heterodyne interferometer, obtaining power spectral densities for different Fourier frequency ranges, combining the plurality of power spectral densities, and measuring the frequency noise of the laser light to be measured. Thus, it is possible to improve the fact that the Fourier frequency f is lost in the vicinity of K / τ d , and it is possible to measure frequency noise over a wide Fourier frequency. Further, when a Mach-Zehnder interferometer is used as the heterodyne interferometer, there is an effect that measurement can be performed with a simple configuration without using an optical amplifier. If a ring interferometer is used as a heterodyne interferometer, a plurality of delay times can be realized with one optical fiber by changing the length of the optical fiber. There is an effect that the delay time can be increased without using it.
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明では、ヘテロダイン干渉計と、光検出器と、ベクトル信号解析装置とを用いて、遅延自己ヘテロダイン方によりレーザ光の周波数雑音を測定する。図１は、本発明に係る周波数雑音測定装置を説明する図である。図１に示すように、中心周波数がν０の被測定レーザ光源１の出力光を、ヘテロダイン干渉計２に入力する。ヘテロダイン干渉計２の出力光を光検出器３により受光してヘテロダイン検波を行い、ビート信号を出力する。光検出器３の出力信号をベクトル信号解析装置４に入力してスペクトル解析を行い、ビート信号の周波数変動に対するパワースペクトル密度を計算し、信号処理装置５を用いて該パワースペクトル密度から被測定レーザ光源１の周波数雑音のパワースペクトル密度を求める。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. In the present invention, the frequency noise of laser light is measured by the delayed self-heterodyne method using a heterodyne interferometer, a photodetector, and a vector signal analyzer. FIG. 1 is a diagram for explaining a frequency noise measuring apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 1, the output light of the laser light source 1 to be measured whose center frequency is ν 0 is input to the heterodyne interferometer 2. Light output from the heterodyne interferometer 2 is received by the photodetector 3 to perform heterodyne detection, and a beat signal is output. The output signal of the photodetector 3 is input to the vector signal analyzer 4 to perform spectrum analysis, the power spectrum density with respect to the frequency fluctuation of the beat signal is calculated, and the signal to be measured is measured from the power spectrum density using the signal processor 5. The power spectral density of the frequency noise of the light source 1 is obtained.
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態を以下図１及び図２を参照して説明する。第１の実施の形態は、図１の周波数雑音測定装置において、ヘテロダイン干渉計２として、マッハツェンダー型干渉計を用いたものである。図２は、マッハツェンダー型干渉計を説明する図である。被測定レーザ光源から入力した光を光方向性結合器６ａにより２分岐し、一方は光周波数シフタ７に、他方は光ファイバ８に入射する。光周波数シフタ７によりｆＳの周波数シフトを受けた光と、光ファイバ８により時間τｄの遅延を受けた光を、光方向性結合器６ｂにより合流して出力する。
(First embodiment)
A first embodiment will be described below with reference to FIGS. The first embodiment uses a Mach-Zehnder interferometer as the heterodyne interferometer 2 in the frequency noise measurement apparatus of FIG. FIG. 2 is a diagram illustrating a Mach-Zehnder interferometer. The light input from the laser light source to be measured is branched into two by the optical directional coupler 6 a, one incident on the optical frequency shifter 7 and the other incident on the optical fiber 8. The light that has been subjected to the frequency shift of f S by the optical frequency shifter 7 and the light that has been delayed by the time τ d by the optical fiber 8 are merged by the optical directional coupler 6b and output.
光周波数シフタとしてしばしば用いられる音響光学変調器においては、音響波の進行方向に対する入射光の角度を調整することにより、出力される回折光の周波数シフトを正（アップシフト）、または負（ダウンシフト）のいずれかを選ぶことができる。周波数雑音測定はシフトの方向には依存しないので、ここではアップシフトの場合を説明する。図２に示すように、マッハツェンダー型干渉計の出力光は、周波数がν０と、ν０＋ｆＳの２つのスペクトル成分により構成される。図２のマッハツェンダー型干渉計を、図１に示した周波数雑音測定装置に用いた場合は、光検出器３の出力には周波数ｆＳのビート信号が現れる。 In acousto-optic modulators often used as optical frequency shifters, the frequency shift of the output diffracted light is positive (upshift) or negative (downshift) by adjusting the angle of the incident light with respect to the traveling direction of the acoustic wave. ) Can be selected. Since frequency noise measurement does not depend on the direction of shift, the case of upshift will be described here. As shown in FIG. 2, the output light of the Mach-Zehnder interferometer is composed of two spectral components having a frequency of ν 0 and ν 0 + f S. When the Mach-Zehnder interferometer shown in FIG. 2 is used in the frequency noise measuring apparatus shown in FIG. 1, a beat signal having a frequency f S appears at the output of the photodetector 3.
以下に、マッハツェンダー型干渉計の場合を例として、光検出器３から出力されるビート信号のパワースペクトル密度について、数式を用いて説明する。後に第２の実施形態として述べるリング型干渉計の場合についても、基本的にマッハツェンダー型干渉計の場合と同様である。 Hereinafter, the power spectrum density of the beat signal output from the photodetector 3 will be described using mathematical expressions, taking the case of a Mach-Zehnder interferometer as an example. The case of the ring interferometer described later as the second embodiment is basically the same as that of the Mach-Zehnder interferometer.
被測定レーザ光源１の出力光の電界を前記（数１）式により表す。図２のマッハツェンダー型干渉計から出力される光の電界は次式により表すことができる。 The electric field of the output light of the laser light source 1 to be measured is expressed by the above equation (1) The electric field of light output from the Mach-Zehnder interferometer of FIG. 2 can be expressed by the following equation.
光検出器３から出力される信号は、次式により表すことができる。 The signal output from the photodetector 3 can be expressed by the following equation.
ここで、ξは光検出器３の感度により決まる定数である。（数１６）式の括弧内の第１項は直流成分、第２項は周波数ｆＳのビート信号に対応する。（数１６）式よりビート信号の瞬時周波数は、次式のように求められる。 Here, ξ is a constant determined by the sensitivity of the photodetector 3. The first term in parentheses in the equation (16) corresponds to a DC component, and the second term corresponds to a beat signal having a frequency f S. From the equation (16), the instantaneous frequency of the beat signal is obtained as follows.
（数１７）の式の第１項は定数であり、光周波数シフタ７により与えられた周波数シフトを表し、第２項は被測定レーザ光源１の周波数雑音に起因する。（数１７）式から定数ｆＳを差し引いた周波数変動成分をμ（ｔ）により表し、（数２）式により表される位相変動と周波数変動の関係を用いれば、次式が得られる。 The first term of the equation (Equation 17) is a constant and represents the frequency shift given by the optical frequency shifter 7, and the second term is caused by the frequency noise of the laser light source 1 to be measured. The frequency fluctuation component obtained by subtracting the constant f S from the equation (17) is represented by μ (t), and the following equation is obtained by using the relationship between the phase variation and the frequency variation represented by the equation (2).
ここで、ν（ｔ）は被測定レーザ光源１の周波数変動である。（数１８）式はビート信号の周波数変動が、時刻ｔと時刻ｔ−τｄにおける被測定レーザ光源１の周波数変動の差であることを示している。 Here, ν (t) is a frequency variation of the laser light source 1 to be measured. (Number 18) is the frequency variation of the beat signal has information indicates that the difference between the frequency variation of the measured laser light source 1 at time t and time t-tau d.
周波数雑音のパワースペクトル密度は、周波数変動の自己相関関数をフーリエ変換することにより計算される。被測定レーザ光源１の周波数変動ν（ｔ）に対する自己相関関数Ｒν（τ）は次式により表される。 The power spectral density of the frequency noise is calculated by Fourier transforming the autocorrelation function of the frequency variation. An autocorrelation function R ν (τ) with respect to the frequency variation ν (t) of the laser light source 1 to be measured is expressed by the following equation.
周波数雑音のパワースペクトル密度Ｓν（ｆ）は次式により表される。 The power spectrum density S v (f) of the frequency noise is expressed by the following equation.
（数１８）式により表される周波数変動の、自己相関関数Ｒμ（τ）は、次式により表すことができる。 The autocorrelation function R μ (τ) of the frequency variation expressed by the equation (18) can be expressed by the following equation.
（数２１）式のフーリエ変換により、ビート信号の周波数変動に対するパワースペクトル密度が次式のように求められる。 The power spectral density with respect to the frequency variation of the beat signal is obtained by the Fourier transform of Equation (21) as follows:
（数２２）式はビート信号のパワースペクトル密度が、被測定レーザ光源１のパワースペクトル密度に、２［１−ｃｏｓ（２πｆτｄ）］を乗じた値になることを示している。したがって、被測定レーザ光源１のパワースペクトル密度は、測定されたビート信号のパワースペクトル密度から、次式を用いて計算することができる。 Equation (22) indicates that the power spectrum density of the beat signal is a value obtained by multiplying the power spectrum density of the laser light source 1 to be measured by 2 [1-cos (2πfτ d )]. Therefore, the power spectral density of the measured laser light source 1 can be calculated from the measured power spectral density of the beat signal using the following equation.
このように、パワースペクトル密度は簡単な関係式により補正を行うことができるので、解析的な関係式が得られないアラン偏差の場合に比べて有利である。このため、特定の雑音モデルを仮定する必要がなく、事前に雑音特性を把握しておく必要もない。 Thus, since the power spectral density can be corrected by a simple relational expression, it is advantageous compared to the case of an Allan deviation in which an analytical relational expression cannot be obtained. For this reason, it is not necessary to assume a specific noise model, and it is not necessary to grasp the noise characteristics in advance.
（数１６）式により表される光検出器３の出力信号から、周波数変動のパワースペクトル密度を測定するためには、出力信号を復調して、（数１８）式により表されるビート信号の瞬時周波数を求める必要がある。このためベクトル信号解析装置４は、入力信号に対する周波数復調機能と、パワースペクトル密度を計算するスペクトル解析機能を備えていることが要求される。移動体通信用の測定器として広く利用されているベクトル信号解析装置は、入力信号をデジタル信号に変換した後、デジタル信号処理により復調やスペクトル解析を行う機能を備えているものが多く、本発明を実施するために利用できる。また、ビート信号の周波数変動のパワースペクトル密度から、被測定レーザ光源のパワースペクトル密度を求める計算は、（数２３）式に基づいて、信号処理装置５を用いて行う。信号処理装置５による処理は、図１では別装置のように模式的に図示したが、ベクトル信号解析装置４の信号処理部において、ソフトウェア処理によって実行することができる。 In order to measure the power spectrum density of the frequency fluctuation from the output signal of the photodetector 3 expressed by the equation (16), the output signal is demodulated, and the beat signal expressed by the equation (18) It is necessary to obtain the instantaneous frequency. For this reason, the vector signal analyzer 4 is required to have a frequency demodulation function for the input signal and a spectrum analysis function for calculating the power spectrum density. Vector signal analyzers widely used as measuring instruments for mobile communications are often equipped with functions for performing demodulation and spectrum analysis by digital signal processing after converting an input signal into a digital signal. Can be used to implement. The calculation for obtaining the power spectral density of the laser light source to be measured from the power spectral density of the frequency fluctuation of the beat signal is performed using the signal processing device 5 based on the equation (23). The processing by the signal processing device 5 is schematically illustrated as a separate device in FIG. 1, but can be executed by software processing in the signal processing unit of the vector signal analysis device 4.
以上の説明においては、パワースペクトル密度における信号対雑音比の影響を考慮しなかったが、実際にはベクトル信号解析装置自体が雑音を有しており、測定できるパワースペクトル密度の値に下限がある。ベクトル信号解析装置４の雑音を考慮すると、（数２２）式は次式のように書き換えることができる。 In the above description, the influence of the signal-to-noise ratio on the power spectral density was not considered, but the vector signal analyzer itself actually has noise, and there is a lower limit on the value of the power spectral density that can be measured. . Considering the noise of the vector signal analysis device 4, the equation (22) can be rewritten as the following equation.
ここで、Ｎ（ｆ）はベクトル信号解析装置４の雑音のパワースペクトル密度を表し、入力信号との相関は無いものとする。（数２４）式における第１項の信号と、第２項の雑音は分離できないため、周波数雑音測定の誤差を生じる。（数２３）式の場合と同様にして、被測定レーザ光源１の周波数雑音のパワースペクトル密度を計算すると、次式が得られる。 Here, N (f) represents the power spectrum density of the noise of the vector signal analyzer 4 and is assumed to have no correlation with the input signal. Since the signal of the first term in the equation (24) and the noise of the second term cannot be separated, an error in frequency noise measurement occurs. When the power spectral density of the frequency noise of the laser light source 1 to be measured is calculated in the same manner as in the equation (23), the following equation is obtained.
（数２５）式の第２項は、ベクトル信号解析装置４の雑音に起因する測定誤差を表す。 The second term of the equation (25) represents a measurement error caused by the noise of the vector signal analysis device 4.
（数２４）式からわかるように、フーリエ周波数ｆがＫ／τｄ（但しＫは負でない整数、即ち０又は正の整数）に等しい場合は、第２項の雑音のみが測定される。また、フーリエ周波数ｆがＫ／τｄの近傍では、（数２４）式の第１項が小さくなり、第２項の雑音が相対的に大きくなるため、誤差が増大する。したがって、フーリエ周波数ｆがＫ／τｄの近傍の値は除外する必要がある。除外するフーリエ周波数の範囲は、入力信号の大きさやベクトル信号解析装置４の雑音に依存するため、これらを考慮して決める必要がある。このように、遅延自己ヘテロダイン法によるパワースペクトル密度の測定においては、フーリエ周波数ｆがＫ／τｄの近傍の値が欠落する。特にＫ＝０の場合は直流近傍に対応するため、低周波数領域の測定が困難になる。これらのことから、フーリエ周波数ｆがＫ／τｄの近傍の値を除外する際の「近傍」とは、測定条件により近傍の範囲が変わるので、明確に定義することは難しいが、フーリエ周波数ｆがＫ／τｄの近傍においてパワースペクトル密度が過大評価された値をとる範囲である。 As can be seen from the equation (24), when the Fourier frequency f is equal to K / τ d (where K is a non-negative integer, that is, 0 or a positive integer), only the noise of the second term is measured. Further, when the Fourier frequency f is in the vicinity of K / τ d , the first term of the equation (24) becomes small and the noise of the second term becomes relatively large, so that the error increases. Therefore, the value in the vicinity of the Fourier frequency f K / tau d should be excluded. Since the range of the Fourier frequency to be excluded depends on the magnitude of the input signal and the noise of the vector signal analyzer 4, it is necessary to determine these ranges in consideration. Thus, in the measurement of the power spectral density by the delayed self-heterodyne method, a value in the vicinity of the Fourier frequency f of K / τ d is lost. In particular, when K = 0, it corresponds to the vicinity of the direct current, so that measurement in the low frequency region becomes difficult. From these facts, the “neighbor” when the Fourier frequency f excludes a value near K / τ d is difficult to define clearly because the neighborhood range changes depending on the measurement conditions. Is a range in which the power spectral density takes an overestimated value in the vicinity of K / τ d .
さらに、被測定レーザ光源１の周波数雑音のパワースペクトル密度を求める際に、フーリエ周波数ｆがＫ／τｄの近傍の値が欠落するのを改善するためには、異なる遅延時間に対して測定したパワースペクトル密度を結合し、広いフーリエ周波数範囲に渡るパワースペクトル密度を取得する方法を採用することが望ましい。パワースペクトル密度を取得できないフーリエ周波数の範囲は、遅延時間に依存するので、異なる遅延時間に対する測定を繰り返すことにより、データが欠落する領域を補間できる。また、低周波数領域の測定は、遅延時間を大きくすればよい。遅延時間を変更するためには、図２に示したヘテロダイン干渉計において、光ファイバ７の長さを変更すればよい。 Further, when obtaining the power spectral density of the frequency noise of the laser light source 1 to be measured, in order to improve the fact that the Fourier frequency f is missing a value in the vicinity of K / τ d , the measurement was performed for different delay times. It is desirable to employ a method that combines power spectral densities and obtains power spectral densities over a wide Fourier frequency range. Since the range of the Fourier frequency where the power spectral density cannot be acquired depends on the delay time, the region where data is missing can be interpolated by repeating the measurement for different delay times. In the measurement in the low frequency region, the delay time may be increased. In order to change the delay time, the length of the optical fiber 7 may be changed in the heterodyne interferometer shown in FIG.
以上のように、広いフーリエ周波数に渡りパワースペクトル密度の測定が可能である。パワースペクトル密度が測定できれば、（数１２）式を用いてアラン偏差への変換を行うことができる。 As described above, power spectral density can be measured over a wide Fourier frequency. If the power spectral density can be measured, conversion to an Allan deviation can be performed using the equation (12).
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態を以下図１および図３〜図８を参照して説明する。第２の実施の形態は、図１の周波数雑音測定装置において、ヘテロダイン干渉計２として、リング型干渉計を用いたものである。図３は、リング型干渉計を説明する図である。リング型の光路に、光方向性結合器６、光周波数シフタ７、光ファイバ８、光増幅器９、光バンドパスフィルタ１０を配置し、被測定レーザ光源から入力した光は、光周波数シフタ７によりｆＳの周波数シフトと、光ファイバ８により時間τｄの遅延を受けながら、リング型の光路内を周回する。また、周回する光の一部を光方向性結合器６から出力する。リング型の光路をＮ回（但しＮは正の整数）だけ周回した光は、入力した光に対して、ＮｆＳの周波数シフトと、Ｎτｄの遅延を有することになり、図３に示すように、リング型干渉計の出力光は、周波数がν０と、ν０＋ＮｆＳの多数スペクトル成分により構成される。なお、光増幅器９は周回する光が受ける損失を補償するため、光バンドパスフィルタ１０は光増幅器９から発生する自然放出光雑音を除去するためのものである。必要とする周回数に応じて、光増幅器９と光バンドパスフィルタ１０は省略することができる。図３のリング型干渉計を、図１に示した周波数雑音測定装置に用いた場合は、光検出器３の出力には周波数がＮｆＳである複数のビート信号が現れる。
(Second Embodiment)
A second embodiment will be described below with reference to FIGS. 1 and 3 to 8. The second embodiment uses a ring interferometer as the heterodyne interferometer 2 in the frequency noise measuring apparatus of FIG. FIG. 3 is a diagram illustrating a ring interferometer. An optical directional coupler 6, an optical frequency shifter 7, an optical fiber 8, an optical amplifier 9, and an optical bandpass filter 10 are arranged in a ring type optical path, and light input from the laser light source to be measured is transmitted by the optical frequency shifter 7. While undergoing the frequency shift of f S and the delay of time τ d by the optical fiber 8, it circulates in the ring type optical path. A part of the circulating light is output from the optical directional coupler 6. The light that circulates the ring-type optical path N times (where N is a positive integer) has a frequency shift of Nf S and a delay of Nτ d with respect to the input light, as shown in FIG. In addition, the output light of the ring interferometer is composed of multiple spectral components having frequencies of ν 0 and ν 0 + Nf S. The optical bandpass filter 10 is for removing spontaneous emission light noise generated from the optical amplifier 9 so that the optical amplifier 9 compensates for the loss received by the circulating light. The optical amplifier 9 and the optical bandpass filter 10 can be omitted depending on the required number of circulations. When the ring interferometer of FIG. 3 is used in the frequency noise measuring apparatus shown in FIG. 1, a plurality of beat signals having a frequency of Nf S appear at the output of the photodetector 3.
第１の実施の形態であるマッハツェンダー型干渉計に比べて、第２の実施の形態であるリング型干渉計は、長尺の光ファイバを用いなくても大きな遅延時間を実現できることが特徴である。また、光ファイバ８の長さを変えることなく、複数の遅延時間に対するビート信号を同時に出力できる。 Compared to the Mach-Zehnder interferometer of the first embodiment, the ring interferometer of the second embodiment is characterized in that it can realize a large delay time without using a long optical fiber. is there. Further, beat signals for a plurality of delay times can be output simultaneously without changing the length of the optical fiber 8.
また、被測定レーザ光源１の周波数雑音のパワースペクトル密度を求める際に、フーリエ周波数ｆがＫ／τｄの近傍の値が欠落するのを改善するために、異なる遅延時間に対して測定したパワースペクトル密度を結合し、広いフーリエ周波数範囲に渡るパワースペクトル密度を取得する方法を採用することを、第１の実施の形態で述べたが、第２の実施の形態でも同様である。遅延時間を変更するためには、図３に示したヘテロダイン干渉計において、光ファイバ８の長さを変更すればよい。リング型干渉計は１本の光ファイバで複数の遅延時間を実現することが可能であり、長尺の光ファイバを用いることなく遅延時間を増大できるので、マッハツェンダー型干渉計に比べて有利である。 Further, when the power spectral density of the frequency noise of the laser light source 1 to be measured is obtained, the power measured for different delay times is used to improve the fact that the Fourier frequency f is missing a value near K / τ d. The method of combining the spectral densities and obtaining the power spectral density over a wide Fourier frequency range has been described in the first embodiment, but the same applies to the second embodiment. In order to change the delay time, the length of the optical fiber 8 may be changed in the heterodyne interferometer shown in FIG. The ring interferometer can realize a plurality of delay times with one optical fiber, and can increase the delay time without using a long optical fiber, which is advantageous compared to a Mach-Zehnder interferometer. is there.
次に第２の実施の形態の装置を用いて行った実施例を説明する。なお、ここでは第２の実施の形態の例を示すが、第１の実施の形態についても同様に実施することができる。 Next, an example performed using the apparatus of the second embodiment will be described. In addition, although the example of 2nd Embodiment is shown here, it can implement similarly about 1st Embodiment.
被測定レーザ光源１として、波長１５５２．５２ｎｍ、出力４０ｍＷのエルビウム添加光ファイバレーザを用いた。ヘテロダイン干渉計２はリング型干渉計を使用し、光方向性結合器６、周波数シフトが１００ＭＨｚの光周波数シフタ７、光ファイバ８、光増幅器９、透過帯域幅０．９ｎｍの光バンドパスフィルタ１０により構成した。ヘテロダイン干渉計２の出力光を応答帯域は１−１８００ＭＨｚの光検出器３に入力し、光検出器３から出力されるビート信号をベクトル信号解析装置４に入力して、信号復調とスペクトラム解析を行った。ベクトル信号解析装置４は、周波数変換器、ＡＤ変換器、デジタル信号処理プロセッサにより構成され、信号解析の帯域幅は３６ＭＨｚである。ベクトル信号解析装置４により測定したビート信号の周波数変動に対するパワースペクトル密度を元に、ソフトウェア処理により被測定レーザ光源１の周波数雑音のパワースペクトル密度を算出した。 As the laser light source 1 to be measured, an erbium-doped optical fiber laser having a wavelength of 15552.52 nm and an output of 40 mW was used. The heterodyne interferometer 2 uses a ring interferometer, and includes an optical directional coupler 6, an optical frequency shifter 7 having a frequency shift of 100 MHz, an optical fiber 8, an optical amplifier 9, and an optical bandpass filter 10 having a transmission bandwidth of 0.9 nm. Consists of. The output light of the heterodyne interferometer 2 is input to the photodetector 3 having a response band of 1-1800 MHz, the beat signal output from the photodetector 3 is input to the vector signal analyzer 4, and signal demodulation and spectrum analysis are performed. went. The vector signal analysis device 4 includes a frequency converter, an AD converter, and a digital signal processor, and the signal analysis bandwidth is 36 MHz. Based on the power spectral density with respect to the frequency fluctuation of the beat signal measured by the vector signal analyzer 4, the power spectral density of the frequency noise of the laser light source 1 to be measured was calculated by software processing.
図４は、フーリエ周波数０−１５ｋＨｚにおけるビート信号のパワースペクトル密度を表す図であり、横軸はフーリエ周波数［ｋＨｚ］、縦軸は単位周波数当たりのパワー［Ｈｚ２／Ｈｚ］を表している。分解能帯域幅は３Ｈｚであり、６４回の平均化処理を行った。光ファイバ８の長さは４０ｋｍであり、リング型干渉計を４周回した光から生じる周波数４００ＭＨｚのビート信号を検出した。これは長さ１６０ｋｍの遅延に相当し、遅延時間はおよそ０．７８ｍｓである。（数２２）式から予想されるように、ビート信号のパワースペクトル密度は、フーリエ周波数に対して周期的に変化している。パワースペクトル密度が極小になる点は、フーリエ周波数がＫ／τｄ（但しＫは負でない整数）に相当する。隣り合う極小点の間隔は１．２７５ｋＨｚであり、正確な遅延時間は０．７８４３ｍｓと見積もることができる。特許文献１に記載されているアラン偏差の測定においては、遅延時間を正確に見積もることはできないが、本発明ではパワースペクトル密度を測定することにより、遅延時間を高い精度で測定できる。 FIG. 4 is a diagram showing the power spectral density of a beat signal at a Fourier frequency of 0-15 kHz, where the horizontal axis represents Fourier frequency [kHz] and the vertical axis represents power per unit frequency [Hz 2 / Hz]. The resolution bandwidth was 3 Hz, and 64 averaging processes were performed. The length of the optical fiber 8 is 40 km, and a beat signal having a frequency of 400 MHz generated from light that has made four rounds of the ring interferometer was detected. This corresponds to a delay of 160 km in length, and the delay time is approximately 0.78 ms. As expected from the equation (22), the power spectral density of the beat signal periodically changes with respect to the Fourier frequency. The point where the power spectral density becomes minimum corresponds to the Fourier frequency K / τ d (where K is a non-negative integer). The interval between adjacent local minimum points is 1.275 kHz, and the accurate delay time can be estimated as 0.7843 ms. In the measurement of the Allan deviation described in Patent Document 1, the delay time cannot be accurately estimated. However, in the present invention, the delay time can be measured with high accuracy by measuring the power spectral density.
図５は図４に示したビート信号のパワースペクトル密度に、（数２３）式の補正を施した結果を表す図である。即ち、ビート信号のパワースペクトル密度に、［２（１−ｃｏｓ（２πｆτｄ））］−１を乗じた。フーリエ周波数がＫ／τｄの近傍では、パワースペクトル密度がスパイク状に変化していることがわかる。（数２５）式が示すように、フーリエ周波数がＫ／τｄの近傍でベクトル信号解析装置４の雑音が強調されるためである。図５からも明らかなように、フーリエ周波数がＫ／τｄの近傍の値は除外する必要がある。 FIG. 5 is a diagram showing the result of correcting the power spectrum density of the beat signal shown in FIG. That is, the power spectral density of the beat signal was multiplied by [2 (1-cos (2πfτ d ))] −1 . It can be seen that in the vicinity of the Fourier frequency K / τ d , the power spectral density changes in a spike shape. This is because the noise of the vector signal analysis device 4 is emphasized near the Fourier frequency of K / τ d as expressed by the equation (25). As is apparent from FIG. 5, it is necessary to exclude values in the vicinity of the Fourier frequency K / τ d .
図６は、図５に示したパワースペクトル密度のフーリエ周波数が０から１．６ｋＨｚの範囲を拡大して表示した図である。フーリエ周波数１．２７５ｋＨｚにＫ＝１に対応する鋭いピークが現れている。図６の測定例においては、ベクトル信号解析装置４の分解能帯域幅を小さく設定してあるので、フーリエ周波数１．２７５ｋＨｚを中心として、±７Ｈｚの範囲にあるパワースペクトル密度の値を除外すればよい。この範囲の大きさはパワースペクトル密度が変化する周期の１．１％に相当する。また、計算の都合上、フーリエ周波数０に対するパワースペクトル密度の値は除外してあるが、直流近傍ではスパイク状の成分が明確に現れていない。一般的にレーザの周波数雑音は、低周波域ほど大きくなる傾向があるため、直流近傍においてはベクトル信号解析装置４の雑音の影響を受けにくい。 FIG. 6 is an enlarged view of the range where the Fourier frequency of the power spectral density shown in FIG. 5 is from 0 to 1.6 kHz. A sharp peak corresponding to K = 1 appears at a Fourier frequency of 1.275 kHz. In the measurement example of FIG. 6, since the resolution bandwidth of the vector signal analyzing apparatus 4 is set to be small, the power spectral density value in the range of ± 7 Hz around the Fourier frequency of 1.275 kHz may be excluded. . The size of this range corresponds to 1.1% of the period in which the power spectral density changes. Further, for convenience of calculation, the value of the power spectral density with respect to the Fourier frequency 0 is excluded, but a spike-like component does not clearly appear in the vicinity of the direct current. In general, the frequency noise of a laser tends to increase as the frequency decreases, so that it is not easily affected by the noise of the vector signal analyzer 4 in the vicinity of the direct current.
図７は、異なる遅延時間に対して測定したパワースペクトル密度を結合して表示した図である。フーリエ周波数が１０Ｈｚから１００ｋＨｚまでの範囲を測定するため、長さ１６０ｋｍ、１０ｋｍ、１ｋｍの３種類の遅延を利用し、いずれの場合もフーリエ周波数がＫ／τｄ数近傍の値を除外した。遅延が１６０ｋｍの場合は、フーリエ周波数が１１．１Ｈｚから１．２１ｋＨｚまで、遅延が１０ｋｍの場合は、フーリエ周波数が１．２１ｋＨｚから１９．３ｋＨｚまで、遅延が１ｋｍの場合は、フーリエ周波数が１９．３ｋＨｚから１００ｋＨｚまでの範囲の値を採用した。異なる遅延時間に対して測定したパワースペクトル密度を結合しても、データが滑らかに接続されていることがわかる。また、測定されたパワースペクトル密度は、（数９）式により表される単純な雑音モデルでは記述できないことは明らかである。フーリエ周波数２５Ｈｚ、および５０Ｈｚに比較的大きな線スペクトルが現れているが、機械的振動や商用電源からの雑音が原因と考えられる。 FIG. 7 is a diagram in which the power spectral densities measured for different delay times are combined and displayed. In order to measure the range of the Fourier frequency from 10 Hz to 100 kHz, three types of delays having a length of 160 km, 10 km, and 1 km were used, and in each case, the Fourier frequency was excluded from the value near the K / τ d number. When the delay is 160 km, the Fourier frequency is from 11.1 Hz to 1.21 kHz, when the delay is 10 km, the Fourier frequency is from 1.21 kHz to 19.3 kHz, and when the delay is 1 km, the Fourier frequency is 19. Values in the range from 3 kHz to 100 kHz were adopted. Even if the power spectral densities measured for different delay times are combined, it can be seen that the data are connected smoothly. Moreover, it is clear that the measured power spectral density cannot be described by a simple noise model expressed by the equation (9). Although a relatively large line spectrum appears at Fourier frequencies of 25 Hz and 50 Hz, it is considered to be caused by mechanical vibration or noise from a commercial power source.
図８は図７に示したパワースペクトル密度から、（数１２）式を用いて計算したアラン偏差を表す図である。横軸は積分時間［ｓ］を表し、縦軸は周波数変動の大きさであるアラン偏差σν（τ）［Ｈｚ］に対応している。フーリエ周波数が１０Ｈｚから１００ｋＨｚまでのパワースペクトル密度に対して、積分時間が１０μｓから１６ｍｓまでのアラン偏差を計算することができる。図７に示したパワースペクトル密度を測定する際に用いた最大の遅延時間は０．７８４３ｍｓであり、アラン偏差における積分時間の最大値（１６ｍｓ）はこれを大きく上回っている。本発明においてはパワースペクトル密度を測定し、（数２３）式を用いて厳密な補正を行っているため、遅延時間に制限されないアラン偏差の測定が可能である。 FIG. 8 is a diagram showing the Allan deviation calculated from the power spectral density shown in FIG. 7 using the equation (12). The horizontal axis represents the integration time [s], and the vertical axis corresponds to the Allan deviation σ ν (τ) [Hz], which is the magnitude of the frequency fluctuation. For a power spectral density with a Fourier frequency of 10 Hz to 100 kHz, an Allan deviation with an integration time of 10 μs to 16 ms can be calculated. The maximum delay time used in measuring the power spectral density shown in FIG. 7 is 0.7843 ms, and the maximum integration time (16 ms) in the Allan deviation greatly exceeds this. In the present invention, the power spectral density is measured and strict correction is performed using the equation (23), so that it is possible to measure the Allan deviation which is not limited by the delay time.
図８に示したアラン偏差において、積分時間が３ｍｓ付近に現れているくぼみは、図７のパワースペクトル密度に現れているフーリエ周波数３００Ｈｚの線スペクトルに対応している。図７と図８を比較すると、アラン偏差には周期的な変動成分が明確に現れていないことがわかる。したがって、雑音源を特定するためには、パワースペクトル密度を測定するほうが有利である。 In the Allan deviation shown in FIG. 8, the indentation that appears in the vicinity of 3 ms corresponds to the line spectrum of the Fourier frequency of 300 Hz appearing in the power spectrum density of FIG. Comparing FIG. 7 and FIG. 8, it can be seen that the periodic variation component does not clearly appear in the Allan deviation. Therefore, it is more advantageous to measure the power spectral density in order to identify the noise source.
以上の実施例では、長さ１６０ｋｍ、１０ｋｍ、１ｋｍの３種類の光ファイバを使用して、複数の異なる遅延時間に対するパワースペクトル密度の測定を行ったが、この組み合わせに限定されるものではない。また、ヘテロダイン干渉計の遅延時間は、パワースペクトル密度が極小になるフーリエ周波数から正確に見積もることができるので、事前に光ファイバの長さを正確に知る必要はない。 In the above embodiment, power spectral density was measured for a plurality of different delay times using three types of optical fibers having a length of 160 km, 10 km, and 1 km. However, the present invention is not limited to this combination. In addition, since the delay time of the heterodyne interferometer can be accurately estimated from the Fourier frequency at which the power spectral density is minimized, it is not necessary to know the length of the optical fiber accurately in advance.
上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。 The examples shown in the embodiment and the like are described for easy understanding of the invention, and are not limited to this embodiment.
本発明の装置や方法を周波数雑音測定に利用することより、レーザ光源の周波数雑音のパワースペクトル密度を、広いフーリエ周波数範囲に渡って正確に測定することが可能になる。これにより、デジタルコヒーレント光通信システムに用いられるレーザ光源の精密な評価が可能になり、光通信ネットワークの性能向上に有用である。 By using the apparatus and method of the present invention for frequency noise measurement, the power spectral density of the frequency noise of the laser light source can be accurately measured over a wide Fourier frequency range. This makes it possible to accurately evaluate the laser light source used in the digital coherent optical communication system, and is useful for improving the performance of the optical communication network.
１ 被測定レーザ光源
２ ヘテロダイン干渉計
３ 光検出器
４ ベクトル信号解析装置
５ 信号処理装置
６ 光方向性結合器
７ 光周波数シフタ
８ 光ファイバ
９ 光増幅器
１０ 光バンドパスフィルタ
１１ 光遅延媒体
１２ スペクトル解析装置
１３ 周波数揺らぎ分散測定装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser beam to be measured 2 Heterodyne interferometer 3 Optical detector 4 Vector signal analyzer 5 Signal processing device 6 Optical directional coupler 7 Optical frequency shifter 8 Optical fiber 9 Optical amplifier 10 Optical band pass filter 11 Optical delay medium 12 Spectral analysis Device 13 Frequency fluctuation dispersion measuring device
Claims (9)
前記信号処理装置は、該パワースペクトル密度に［２（１−ｃｏｓ（２πｆτｄ））］−１（ただし、τｄはヘテロダイン干渉計における遅延時間）を乗じて、前記被測定レーザ光の周波数雑音のパワースペクトル密度を求めることを特徴とする請求項１記載の周波数雑音測定装置。 The vector signal analyzer demodulates the beat signal and measures the power spectral density against frequency fluctuation as a function of the Fourier frequency f,
The signal processing device multiplies the power spectral density by [2 (1-cos (2πfτ d ))] −1 (where τ d is a delay time in the heterodyne interferometer), and the frequency noise of the laser light to be measured. The frequency noise measuring apparatus according to claim 1, wherein the power spectral density of the frequency noise is determined.
該パワースペクトル密度に［２（１−ｃｏｓ（２πｆτｄ））］−１（ただし、τｄはヘテロダイン干渉計における遅延時間）を乗じて、被測定レーザ光の周波数雑音のパワースペクトル密度を求めることを特徴とする請求項７記載の周波数雑音測定方法。 The spectral analysis is to demodulate the beat signal and measure the power spectral density against frequency fluctuations as a function of the Fourier frequency f;
Multiplying the power spectral density by [2 (1-cos (2πfτ d ))] −1 (where τ d is a delay time in the heterodyne interferometer) to obtain the power spectral density of the frequency noise of the laser beam to be measured. The frequency noise measuring method according to claim 7.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010235060A JP5586022B2 (en) | 2010-10-20 | 2010-10-20 | Frequency noise measuring apparatus and measuring method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010235060A JP5586022B2 (en) | 2010-10-20 | 2010-10-20 | Frequency noise measuring apparatus and measuring method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2012088174A true JP2012088174A (en) | 2012-05-10 |
| JP5586022B2 JP5586022B2 (en) | 2014-09-10 |
Family
ID=46259946
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2010235060A Active JP5586022B2 (en) | 2010-10-20 | 2010-10-20 | Frequency noise measuring apparatus and measuring method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5586022B2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106092520A (en) * | 2016-08-02 | 2016-11-09 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | The measurement apparatus of Distributed Feedback Laser frequency noise and method |
| JP2018040622A (en) * | 2016-09-06 | 2018-03-15 | 日本電信電話株式会社 | Method of evaluating wavelength swept light source |
| WO2018070442A1 (en) | 2016-10-12 | 2018-04-19 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | Light angle modulation measurement apparatus and measurement method |
| JP2020148587A (en) * | 2019-03-13 | 2020-09-17 | 沖電気工業株式会社 | Optical coherent sensor |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6263824A (en) * | 1985-08-12 | 1987-03-20 | Yokogawa Electric Corp | Optical spectrum width measuring instrument |
| JPH0480629A (en) * | 1990-07-23 | 1992-03-13 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Measuring device for frequency noise of laser |
| JPH0712679A (en) * | 1993-06-28 | 1995-01-17 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Method and apparatus for measuring frequency characteristics of optical resonator |
| JP2004152932A (en) * | 2002-10-30 | 2004-05-27 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Method and apparatus for reducing timing jitter in optical pulse |
| JP2007051960A (en) * | 2005-08-19 | 2007-03-01 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Apparatus for measuring timing noise of light pulse |
-
2010
- 2010-10-20 JP JP2010235060A patent/JP5586022B2/en active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6263824A (en) * | 1985-08-12 | 1987-03-20 | Yokogawa Electric Corp | Optical spectrum width measuring instrument |
| JPH0480629A (en) * | 1990-07-23 | 1992-03-13 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Measuring device for frequency noise of laser |
| JPH0712679A (en) * | 1993-06-28 | 1995-01-17 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Method and apparatus for measuring frequency characteristics of optical resonator |
| JP2004152932A (en) * | 2002-10-30 | 2004-05-27 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Method and apparatus for reducing timing jitter in optical pulse |
| JP2007051960A (en) * | 2005-08-19 | 2007-03-01 | National Institute Of Advanced Industrial & Technology | Apparatus for measuring timing noise of light pulse |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106092520A (en) * | 2016-08-02 | 2016-11-09 | 中国电子科技集团公司第三十八研究所 | The measurement apparatus of Distributed Feedback Laser frequency noise and method |
| JP2018040622A (en) * | 2016-09-06 | 2018-03-15 | 日本電信電話株式会社 | Method of evaluating wavelength swept light source |
| WO2018070442A1 (en) | 2016-10-12 | 2018-04-19 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | Light angle modulation measurement apparatus and measurement method |
| JPWO2018070442A1 (en) * | 2016-10-12 | 2019-07-25 | 国立研究開発法人産業技術総合研究所 | Optical angle modulation measuring apparatus and measuring method |
| US11098998B2 (en) | 2016-10-12 | 2021-08-24 | National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology | Apparatus and method for optical angle modulation measurement by a delayed self-heterodyne method |
| JP2020148587A (en) * | 2019-03-13 | 2020-09-17 | 沖電気工業株式会社 | Optical coherent sensor |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP5586022B2 (en) | 2014-09-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10066973B2 (en) | Brillouin scattering measurement method and brillouin scattering measurement system | |
| US8452192B2 (en) | Apparatus and method for monitoring statistical characteristics of phase noises, and coherent optical communication receiver | |
| JP5637358B2 (en) | Spectrum measuring apparatus and measuring method | |
| US10263698B2 (en) | Monitoring apparatus for optical signal to noise ratio, signal transmission apparatus and receiver | |
| EP3616336B1 (en) | Noise-free measurement of the spectral shape of a modulated signal using spectral correlation | |
| WO2019116549A1 (en) | Ranging device and control method | |
| WO2018070442A1 (en) | Light angle modulation measurement apparatus and measurement method | |
| JP5586022B2 (en) | Frequency noise measuring apparatus and measuring method | |
| JP4047630B2 (en) | Performance monitoring method in optical communication system | |
| CN108631882A (en) | The method of monitoring and the correction of adjacent channel cost in being transmitted for coherent optics | |
| CN110285843A (en) | A kind of large amplitude signal distributions formula dim light grid array sensor-based system and demodulation method | |
| EP1669730A2 (en) | Heterodyne-based optical spectrum analysis using data clock sampling | |
| JP6409493B2 (en) | Received signal processing apparatus and received signal processing method | |
| CN106033996B (en) | The monitoring device and receiver of optical signal to noise ratio | |
| JP5471241B2 (en) | Optical signal quality monitoring device | |
| CN109724529A (en) | Larger Dynamic range Brillouin's Fast measurement system based on more slopes auxiliary | |
| US20060289730A1 (en) | Multimode optical transmission apparatus and multimode optical transmission system | |
| CN117191348A (en) | System for measuring linewidth and frequency noise of spaceborne narrow linewidth laser | |
| US11867540B2 (en) | Brillouin optical time domain reflectometer with ultra-high spatial resolution based on bipolar differential phase encoding | |
| CN114353685A (en) | High-frequency dynamic strain measuring device and method based on chaotic Brillouin phase spectrum | |
| CN115389007A (en) | Demodulation method of distributed acoustic wave sensing system adopting scattering enhanced optical fiber | |
| CN114427956B (en) | Frequency sweep laser intrinsic line width measuring system and method based on fractional Fourier transform | |
| JP2021148954A (en) | Optical modulator evaluation technology based on phase recovery | |
| JP6039744B1 (en) | Noise figure measurement method, noise figure measurement apparatus, and measurement system | |
| JP2018046552A (en) | Measuring method for remaining direct current component, device, and system |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20130628 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20140123 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20140204 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20140403 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20140715 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20140716 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5586022 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |