JP2013101256A - 光路長安定化装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1,2の周波数の2つの光波を発生する2光波発生手段1と、発生された光波を分配する光分配手段2と、光分配手段2から光サーキュレータ3および伝送光ファイバ14を介して出力された分配光を反射する部分反射鏡15と、基準信号を基に部分反射鏡15から伝送光ファイバ14および光サーキュレータ3を介した反射光の周波数をシフトさせる光周波数シフタ5と、分配光とシフト光とを合波する光合波手段6と、合波光から第1,2の周波数近傍の光波を抽出する光帯域フィルタ7a,7bと、抽出された各光波を電気信号に変換する光電変換手段8a,8bと、電気信号間の位相差から誤差信号を生成する位相比較手段9と、誤差信号を基に伝送光ファイバ14に出力される光波の遅延時間を制御する光可変遅延手段12とを備えた。
【選択図】図1
Description
そして、光電変換された電気信号とマイクロ波信号との位相差を位相検波器で測定することで、光ファイバ伝送路の長さ変動を光波の位相情報としてモニタすることができる。
また、レーザの波長を切替えて位相を比較するため、位相状態を記憶するためのメモリや、その読み出し手段などが必要であるという課題があった。
また、光周波数シフタへのマイクロ波信号と、光電変換された電気信号との位相差を比較するため、マイクロ波信号源を位相検波器に近接させて設置する必要があり、装置の設置自由度が制限されるという課題もあった。
さらに、光電変換手段として、高価な光バランスト検出器が必要であるという課題もあった。
以上のように、従来の光路長安定化装置には、様々な課題があった。
実施の形態1.
図1はこの発明の実施の形態1に係る光路長安定化装置の構成を示すブロック図である。
光路長安定化装置は、送信側から伝送光ファイバ14を介して受信側に位相変動が少ない光信号(光波)を伝送するものである。
この光路長安定化装置の送信側は、図1に示すように、2光波発生手段1、光分配手段2、光サーキュレータ(光路切替手段)3、マイクロ波信号源4、光周波数シフタ5、光合分波手段(光合波手段)6、光帯域フィルタ(光抽出手段)7a,7b、光電変換手段8a,8b、位相比較手段9、電気/光変換手段10、光合分波手段(第2の光合波手段)11および光可変遅延手段12から構成されている。
光分配手段2は、2光波発生手段1から出力された光波を2つに分配するものである。この光分配手段2により分配された一方の光波(第1の分波光)は光サーキュレータ3に出力され、他方の光波(第2の分波光)は光合分波手段6に出力される。
光周波数シフタ5は、光サーキュレータ3から出力された反射光の周波数を、マイクロ波信号源4から出力されたマイクロ波信号の周波数に相当する分、シフト(偏移)させるものである。この光周波数シフタ5により周波数シフトされた光波(シフト光)は光合分波手段6に出力される。
光電変換手段8a,8bは、対応する光帯域フィルタ7a,7bから出力された光波を光電変換して電気信号(ビート信号)に復調するものである。この光電変換手段8a,8bにより復調された電気信号は位相比較手段9に出力される。
位相比較手段9は、各光電変換手段8a,8bから出力された電気信号間の位相を比較するものである。そして、位相比較手段9は、この相対位相差に対応する電気信号(誤差信号)を光可変遅延手段12に出力する。
光合分波手段11は、電気/光変換手段10から出力された変調光を、光サーキュレータ3から出力された第1の分配光に合波するものである。この光合分波手段11により合波された光波(合波光)は光可変遅延手段12に出力される。
光可変遅延手段12は、位相比較手段9から出力された誤差信号に従い、光合分波手段11から出力された合波光の遅延時間を制御するものである。
光電変換手段16は、部分反射鏡15を透過した変調光を光電変換して電気信号(マイクロ波信号)に復調するものである。この光電変換手段16により復調された電気信号はマイクロ波出力端子17に出力される。
また、2光波発生手段1により発生された2つの光波A,Bはそれぞれ下式(1),(2)で表される。
A=sin(2π・fo1・t) (1)
B=sin(2π・fo2・t)=sin(2π・(fo1+fm)・t) (2)
なお、2光波間の初期位相は0とする。
この2光波発生手段1により発生された光波は光分配手段2に出力される。
この電気/光変換手段10による変調光は光合分波手段11に出力される。
一方、部分反射鏡15は、伝送光ファイバ14により伝送された光波のうち、電気/光変換手段10からの変調光を透過する(図2(d)参照)。この透過光は、光電変換手段16でマイクロ波信号に復調される。
ここで、送信側から受信側間の伝送光ファイバ14などによる光路長をlとおく。なお、ここでは光路長lは光学長とする(各部品の透過位相は説明を省略する)。
A’=sin(2π・(fo1+fs)・(t+l/c) (3)
B’=sin(2π・(fo1+fm+fs)・(t+l/c) (4)
なお、cは光速である。
この光周波数シフタ5により周波数シフトされた光波(シフト光)は光合分波手段6に出力される。
ここで、光帯域フィルタ7aは、周波数fo1, fo1+fsの光波を透過し、周波数fo2, fo2+fsの光波を遮断するものとする(図2(h)参照)。また、光帯域フィルタ7bは、周波数fo2(=fo1+fm),fo2+fs(=fo1+fm+fs)の光波を透過し、周波数fo1, fo1+fsの光波を遮断するものとする(図2(i)参照)。なお、fs<<fmである。
この光帯域フィルタ7a,7bにより波長分割された光波は対応する光電変換手段8a,8bに出力される。
すなわち、光電変換手段8aは、光帯域フィルタ7aからの光波を、光波Aと光波A’のビート成分となる周波数fsの電気信号に変換する。また、光電変換手段8bは、光帯域フィルタ7bからの光波を、光波Bと光波B’のビート成分となる周波数fsの電気信号に変換する。
ここで、光電変換手段8a,8bにより復調された電気信号IA,IBはそれぞれ下式(5),(6)で表される。
IA = sin(2π・fs・(t+l/c)+2π・fo1・l/c) (5)
IB = sin(2π・fs・(t+l/c)+2π・(fo1+fm)・l/c) (6)
この光電変換手段8a,8bにより復調された電気信号は位相比較手段9に出力される。
ここで、各光電変換手段8a,8bから出力された電気信号IA, IBの位相差φは下式(7)で表される。
φ=2π・fm・l/c=2π・l/λm (7)
なお、λmは周波数fmの波長である。この位相差φは、式(7)に示すように、2光波出力手段1から出力した光波の周波数差fmに比例する。
そして、位相比較手段9は、この相対位相差φに対応する電気信号(誤差信号)を光可変遅延手段12に出力する。
Δφ=2π・Δl/λm (8)
それに対して、実施の形態1に係る光路長安定化装置では、図1に示すような構成を用いることで、2波長間の位相変動を直接比較することが可能となり、光源の線幅広がりによる周波数変動の影響は2波長間で相殺される。よって、従来に対して光源に対する線幅の要求が緩和されるという効果がある。
また、異なる2台のレーザを用いる必要がないため、各レーザの波長(周波数)の揺らぎによる測定精度の劣化を解消することができる。また、光周波数シフタへ入力したマイクロ波信号と、光電変換された電気信号との位相差を比較する必要がないため、装置の設置自由度が緩和される。さらに、光電変換手段として高価な光バランスト検出器を用いる必要波ないため、安価に構成できる。
図3はこの発明の実施の形態2に係る光路長安定化装置の構成を示すブロック図である。図3に示す実施の形態2に係る光路長安定化装置は、図1に示す実施の形態1に係る光路長安定化装置の光サーキュレータ3を偏光ビームスプリッタ(PBS、光路切替手段)18に変更し、部分反射鏡15を光合分波手段19およびファラディミラー(偏波回転反射手段)20に変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
ファラディミラー20は、光合分波手段19から出力された光波の偏波方向を90度回転させて光合分波手段19に反射するものである。
図4はこの発明の実施の形態3に係る光路長安定化装置の構成を示すブロック図である。図4に示す実施の形態3に係る光路長安定化装置は、図3に示す実施の形態2に係る光路長安定化装置において、マイクロ波信号源4および光周波数シフタ5の設置場所を送信側から受信側に変えたものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
図5はこの発明の実施の形態4に係る光路長安定化装置の構成を示すブロック図である。図5に示す実施の形態4に係る光路長安定化装置は、図1に示す実施の形態1に係る光路長安定化装置の光合分波手段6を光合波手段21に変更し、光帯域フィルタ7a,7bをアレイ導波路回折格子(AWG:Arrayed Waveguide Grating)22に変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
AWG22は、長さの異なる複数の光導波路群を用いて、波長ごとに光を取り出す分光機能をもった光回路であり、光通信などで広く実用化されている。このAWG22は、光合波手段21から出力された合波光を波長帯により分離する。このAGW22により分離された各光波は対応する光電変換手段8a,8bに出力される。
なお、上記では、図1に示す実施の形態1における光帯域フィルタ7a,7bを1つのAWG22に置き換える場合について示したが、図3,4に示す実施の形態2,3に対しても同様に適用可能である。
図6はこの発明の実施の形態5に係る光路長安定化装置の構成を示すブロック図である。図6に示す実施の形態5に係る光路長安定化装置は、図1に示す実施の形態1に係る光路長安定化装置の伝送光ファイバ14を第1,2の送受信光学系23,24に変更し、2光波および変調光を光ビーム25に変換することで送信側と受信側間の伝送を実現するものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
一方、部分反射鏡15で反射された光波は、第2の送受信光学系24により光ビーム25に変換されて送信側に伝搬される。そして、第1の送受信光学系23により受信され、光可変遅延手段12へと戻される。
なお、上記では、図1に示す実施の形態1における伝送光ファイバ14を第1,2の送受信光学系23,24に変更した場合について示したが、図3〜5に示す実施の形態2〜4に対しても同様に適用可能である。
また、MZ変調器のDCバイアスを透過率が最大となる点に設置した場合は、±1次の光波が抑圧され、0次、±2次の光波が発生させられることから、2光波の周波数差の1/4の周波数をMZに入力すればよい。この時、0次の光も出力されるが、光バンドパスフィルタで抑圧すればよい。
単一レーザから2光波を発生させることにより、光源の線幅に起因する影響は2光波で共通となり、位相比較手段9で比較するときにキャンセルされる。よって、先に述べたように光源の線幅に対する要求を緩和することができる。
図1,3〜6に示す実施の形態1〜5では、光可変遅延手段12を、位相比較手段9からの制御信号長を短くできることから、送信側に設置した。しかしながら、これに限るものではなく、受信側の伝送光ファイバ14(または第2の送受信光学系24)と、部分反射鏡15または光合分波手段19との間に設置してもよい。
この場合、光可変遅延手段12は、位相比較手段9から出力された誤差信号に従い、伝送光ファイバ14から受信側に出力された光波の遅延時間を制御する。
なお、光可変遅延手段12としては、PZT(ピエゾアクチュエータ)を用いて光ファイバを伸縮させるものや、光ファイバの温度を変化させるものなど、外部の制御信号により光路長を制御できるものであればよい。
図1,3,5,6に示す実施の形態1,2,4,5では、光周波数シフタ5を、光サーキュレータ3と、光合分波手段6または光合波手段21との間に設置した。しかしながら、これに限るものではなく、光分配手段2と、光合分波手段6または光合波手段21との間に設置してもよい。
この場合、光周波数シフタ5は、光分配手段2から出力された第2の分配光の周波数を、マイクロ波信号源4から出力されたマイクロ波信号の周波数に相当する分、シフトさせる。また、光合分波手段6または光合波手段21は、光周波数シフタ5により周波数シフトされた光波と、部分反射鏡15から伝送光ファイバ14および光サーキュレータ3を介して出力された光波とを合波する。
上記実施の形態1〜7では、電気/光変換手段10からの変調光を、送信側から伝送光ファイバ14を介して受信側へ伝送させていたが、受信側から伝送光ファイバ14を介して送信側に伝送させてもよい。
この場合、図1,3〜6の光電変換手段16およびマイクロ波出力端子17を、所定のマイクロ波信号(入力電気信号)を出力するマイクロ波入力端子と、このマイクロ波信号で光波を変調し、受信側から伝送光ファイバ14に出力する電気/光変換手段とに変更する。また、電気/光変換手段10およびマイクロ波入力端子13を、光電変換手段(第2の光電変換手段)およびマイクロ波出力端子に変更する。そして、光合分波手段(光分波手段)11は、伝送光ファイバ14により伝送された光波のうち、部分反射鏡15により反射された光波を光サーキュレータ3に出力し、電気/光変換手段からの光波を光電変換手段に出力する。
Claims (9)
- 異なる第1,2の周波数の2つの光波を発生する2光波発生手段と、
前記2光波発生手段により発生された光波を分配する光分配手段と、
入力された光波の光路を選択的に切り替える光路切替手段と、
前記光分配手段から前記光路切替手段および伝送光ファイバを介して出力された一方の光波を当該伝送光ファイバに反射する反射手段と、
所定の基準信号に基づいて、前記反射手段から前記伝送光ファイバおよび前記光路切替手段を介して反射された光波の周波数をシフトさせる光周波数シフタと、
前記光分配手段により分配された他方の光波と、前記光周波数シフタにより周波数がシフトされた光波とを合波する光合波手段と、
前記光合波手段により合波された光波から、第1の周波数近傍の光波および第2の周波数近傍の光波を抽出する光抽出手段と、
前記光抽出手段により抽出された各光波を電気信号に変換する光電変換手段と、
前記光電変換手段により変換された電気信号間の位相差に基づいて、誤差信号を生成する位相比較手段と、
前記位相比較手段により生成された誤差信号に基づいて、前記伝送光ファイバに出力される前記一方の光波の遅延時間を制御する光可変遅延手段と
を備えた光路長安定化装置。 - 所定の入力電気信号で光波を変調する電気/光変換手段と、
前記電気/光変換手段により変調された光波を、前記伝送光ファイバに出力される前記一方の光波に合波する第2の光合波手段とを備え、
前記反射手段は、前記伝送光ファイバから出力された光波のうち、前記電気/光変換手段により変調された光波を透過し、
前記反射手段を透過した光波を光電変換する第2の光電変換手段を備えた
ことを特徴とする請求項1記載の光路長安定化装置。 - 前記反射手段は、
入力された光波の偏波方向を90度回転させて反射する偏波回転手段と、
前記伝送光ファイバから出力された光波のうち、前記電気/光変換手段からの光波を前記第2の光電変換手段に出力し、前記2光波発生手段からの光波を前記偏波回転手段に出力し、当該偏波回転手段により反射された光波を当該伝送光ファイバに出力する光合分波手段とからなり、
前記光路切替手段は偏光ビームスプリッタである
ことを特徴とする請求項2記載の光路長安定化装置。 - 前記光周波数シフタおよび前記光合波手段に代えて、
所定の基準信号に基づいて、前記光合分波手段から前記偏波回転手段に出力される光波の周波数をシフトさせる光周波数シフタと、
前記光分配手段により分配された他方の光波と、前記反射手段から前記伝送光ファイバおよび前記光路切替手段を介して反射された光波とを合波する光合波手段とを備えた
ことを特徴とする請求項3記載の光路長安定化装置。 - 前記光抽出手段はアレイ導波路回折格子である
ことを特徴とする請求項1から請求項4のうちのいずれか1項記載の光路長安定化装置。 - 前記伝送光ファイバに代えて、光波を光ビームで送受信する送受信光学系を備えた
ことを特徴とする請求項1から請求項5のうちのいずれか1項記載の光路長安定化装置。 - 前記光可変遅延手段に代えて、前記位相比較手段により生成された誤差信号に基づいて、前記伝送光ファイバまたは前記送受信光学系から出力された前記一方の光波の遅延時間を制御する光可変遅延手段を備えた
ことを特徴とする請求項1から請求項6のうちのいずれか1項記載の光路長安定化装置。 - 前記光周波数シフタおよび前記光合波手段に代えて、
所定の基準信号に基づいて、前記光分配手段により分配された他方の光波の周波数をシフトさせる光周波数シフタと、
前記光周波数シフタにより周波数がシフトされた光波と、前記反射手段から前記伝送光ファイバおよび前記光路切替手段を介して反射された光波とを合波する光合波手段とを備えた
ことを特徴とする請求項1記載の光路長安定化装置。 - 所定の入力電気信号で光波を変調し、前記反射手段側から前記伝送光ファイバに出力する電気/光変換手段と、
入力された光波を光電変換する第2の光電変換手段と、
前記伝送光ファイバから出力された光波のうち、前記反射手段により反射された光波を前記光路切替手段に出力し、前記電気/光変換手段からの光波を前記第2の光電変換手段に出力する光分波手段とを備えた
ことを特徴とする請求項1記載の光路長安定化装置。
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