JP2014013191A

JP2014013191A - 光デバイスの周波数測定装置

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Publication number: JP2014013191A
Application number: JP2012150709A
Authority: JP
Inventors: Toshio Ito; 敏夫伊藤; Seiji Fukushima; 誠治福島
Original assignee: Kagoshima University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Kagoshima University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-07-04
Filing date: 2012-07-04
Publication date: 2014-01-23
Anticipated expiration: 2032-07-04
Also published as: JP5835807B2

Abstract

【課題】低コストの、通信、オーディオ、計測、記録、照明などの分野で用いられる光デバイスの周波数測定装置を提供する。
【解決手段】光デバイスの周波数特性測定装置であって、基準発振器１ａと、基準発振器と同期して発振する第１および第２の周波数コム発生器２ａ、２ｂと、第１の周波数コム発生器の出力信号を被測定光デバイスに入出力する手段と、被測定光デバイスの出力信号及び前記第２の周波数コム発生器の出力信号を入力し、その差周波成分を出力する周波数変換器６ａと、周波数変換器の出力から所望の周波数成分のみを取り出す可変バンドパスフィルタ７と、可変バンドパスフィルタの出力を検波する検出器８と、検出器の出力信号を表示し、記録する出力装置とを具備したことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、通信、オーディオ、計測、記録、照明などの分野で用いられる光デバイスの周波数測定装置に関する。

光送信器、光受信器、光伝送媒体などの光デバイスの周波数特性は、一般に光コンポーネント・アナライザを用いて計測されている（例えば特許文献１）。

図１に光コンポーネント・アナライザの典型的な従来の例を示す。図１の光コンポーネント・アナライザは、スイーパ１０１、光送信器１０２、伝送媒体１０３、光受信器１０４、検出器１０５、およびディスプレイ１０６から構成される。

スイーパ１０１は可変周波数の発振器（シンセサイザ）であり、測定範囲の最低周波数から最高周波数までの間を周波数掃引する。光デバイスの周波数特性測定にあっては、光送信器、伝送媒体、光受信器のいずれかが、測定対象（被測定デバイス）となる。図１では、特に測定対象を定めていないが、以下の説明では光受信器１０４を測定対象とする。

スイーパ１０１から出射された高周波信号は、光送信器１０２において光搬送波上にサブキャリア多重化される。光送信器１０２から出射された光は、伝送媒体１０３を経て、光受信器１０４に入射する。測定対象である光受信器１０４で伝送された光は光電変換され、次段の検出器１０５にて振幅成分と位相成分が計測される。検出器１０５にもスイーパ１０１の信号は入力され、検出器のリファレンスとして使用される。検出器１０５で測定された振幅と位相は、横軸が周波数であるスペクトルとしてディスプレイ１０６に表示される。

米国特許第５０４１９９７号明細書

従来の光コンポーネント・アナライザは測定器としての完成度は非常に高い。しかしながら、すべての部品が測定対象の最低周波数から最高周波数の全域において、良好な特性を有していなければならないため、測定器は非常に高価である。

上記目的を達成するために、本発明は、請求項１に記載のように、光デバイスの周波数特性測定装置であって、基準発振器と、基準発振器と同期して発振する第１および第２の周波数コム発生器と、第１の周波数コム発生器の出力信号を被測定光デバイスに入出力する手段と、被測定光デバイスの出力信号及び第２の周波数コム発生器の出力信号を入力し、その差周波成分を出力する周波数変換器と、周波数変換器の出力から所望の周波数成分のみを取り出す可変バンドパスフィルタと、可変バンドパスフィルタの出力を検波する検出器と、検出器の出力信号を表示し、記録する出力装置とを具備したことを特徴とする。

また、請求項２のように、光デバイスの周波数特性測定装置であって、基準発振器と、基準発振器と同期して発振する第１および第２の周波数コム発生器と、第１の周波数コム発生器の出力信号を被測定光デバイスに入出力する手段と、被測定光デバイスの出力信号及び第２の周波数コム発生器の出力信号を入力し、その差周波成分を出力する周波数変換器と、周波数変換器の出力をスペクトルとして表示するスペクトラム・アナライザとを具備したことを特徴とする。

また、請求項３のように、請求項１または２に記載の光デバイスの周波数特性測定装置であって、被測定光デバイスに入出力する手段のうちの入力手段は、モノリシック集積レーザ・電界吸収型光変調器であることを特徴とする。

また、請求項４のように、請求項１または２に記載の光デバイスの周波数特性測定装置であって、被測定光デバイスに入出力する手段のうちの入力手段は、印加電圧対透過率特性において変曲点に電圧バイアスされたモノリシック集積レーザ・電界吸収型光変調器であることを特徴とする。

本発明によれば、従来例の中で高コスト要因となっているスイーパを周波数コム発生器に置き換えるため、測定器全体を非常に低コスト化できる。

本周波数測定装置は、光通信で使用される光デバイス、光モジュール、光トランシーバの研究開発・検査の現場での測定環境として使用しうる。比較的周波数が低い、オーディオ用光ファイバリンク、赤外線リモコン、可視光光通信の機器類の検査においても、低コストでありながら、十分な機能を発揮する。

従来の周波数測定装置の構成を示す図である。本発明の周波数測定装置の原理を示す図である。本発明の実施例１にかかる周波数測定装置の構成を示す図である。本発明の実施例２にかかる周波数測定装置の構成を示す図である。

［実施例１］
図２を用いて、本発明の実施例１を説明する。図２は、本発明の実施例１にかかる周波数測定装置の構成を示す図である。図２の周波数測定装置は、基準発信機１ａ、周波数コム発生器２ａ、２ｂ、光送信器３ａ、伝送媒体４ａ、光受信機５ａ、周波数変換器６ａ、可変バンドパスフィルタ７、検出器８から構成される。基準発信器は例えば１０ＭＨｚの高精度発信器であり、周波数コム２ａ、２ｂを同期して動かすために使用される。光送信器３ａ、伝送媒体４ａ、光受信器５ａのいずれかが被測定デバイスとなるが、実施例１では、光送信器３ａを被測定デバイスとし、光送信器３ａとして直接変調レーザダイオードを用いた。伝送媒体４ａは、光送信器３ａと光受信器５ａを接続することだけを目的とし、２ｍ長のシングルモード光ファイバを用いた。光受信器５ａは、ＰＩＮ−ＰＤとプリアンプから構成され１０ＧＨｚ帯域の光受信器である。

ここで、図３を参照し、本発明の原理を説明する。図３(ａ)、(ｂ)はそれぞれ周波数コム発生器２ａ、２ｂの出力スペクトル、図３(ｃ)は本発明の周波数測定装置の被測定デバイスと周波数変換器を示す図、図３(ｄ)は本発明で周波数が圧縮される様子を描いた図、図３(ｅ)は本発明における測定結果例である。図３(ａ)、(ｂ)に示されるように、周波数コム発生器２ａ、２ｂはそれぞれｆ_ｋ＝ｋ・Δｆ、ｇ_ｋ＝ｋ・Δｇ（ｋは整数、ｆ_ｋ、ｇ_ｋは周波数、Δｆ、Δｇは周波数間隔であり、Δｆ、Δｇは互いに近接している）の多数の周波数成分の高周波信号を出力する。周波数コム発生器としては、例えばパルス発生器などを利用することができる。本発明では、これらの周波数コムが干渉して差周波成分を検出すれば、測定結果の周波数成分がダウン・コンバートされることを利用する。

図３(ｃ)に周波数測定装置の被測定デバイスと周波数変換器をしめす。周波数測定装置の被測定デバイスと周波数変換器は、差周波検出に関わる部分である。周波数コム発生器２ａの信号は被測定デバイスを経由して周波数変換器へと入力される。周波数コム発生器２ｂの信号は直接周波数変換器へと入力される。周波数変換器においては、周波数コムの各成分ごとに和周波成分や差周波成分が生成されるが、本発明では差周波成分にのみ着目する。例えば、ｋ＝１の場合には、ΔfとΔgの周波数成分の差周波成分である周波数Δf−Δgに信号がダウン・コンバートして現れる。出力周波数は元の周波数Δfの(Δf−Δg)／Δf倍であり、出力信号の周波数を元の信号の周波数と比較して大きく低減することができる。図３(ｄ)は本発明で周波数が圧縮される様子を描いたスペクトル図であり、周波数間隔がΔf−Δgの櫛状のスペクトルが得られる。ｆ＝１０．０ＧＨｚ、ｇ＝１０．１ＧＨｚのとき、差周波成分は０．１ＧＨｚであり、元の周波数ｆ＝１０．０ＧＨｚの１／１００倍である。これが本発明のポイントであり、周波数測定装置は、測定周波数の上限の特性をもつ必要はない。

次に、何らかの周波数特性を有する被測定デバイスを通過した信号は、周波数コム発生器のｆ_ｋのスペクトルではなく、被測定デバイスの周波数特性を反映させたものとなる。これを図示したのは、図３(ｅ)である。図３(ｅ)に示す実際の特性とは、従来の周波数測定装置における、被測定デバイスを通過した信号であり、本発明による表示とは、本発明の周波数測定装置における、被測定デバイスを通過した信号である。図３(ｅ)に示す本発明による表示は、櫛状のスペクトルであり、この櫛状のスペクトルの包括線（図３(ｅ)の破線に相当する）が、図３(ｅ)に示す実際の特性のスペクトルの周波数を(Δf−Δg)／Δf倍にしたスペクトルに相当する。被測定デバイスの周波数特性は上記の関係をもって、低い周波数帯にダウン・コンバートされて出力される。

図３においては強度が周波数依存しないコム発生器を前提にして説明を行ったが、実在する周波数依存するコム発生器を用いた場合であっても、周波数特性が既知であるデバイスによる較正によって、正しい測定結果を得ることができる。

図２を再び参照する。周波数コム発生器２ａ、２ｂの周波数間隔をそれぞれΔｆ＝５００ＭＨｚ、Δｇ＝５０５ＭＨｚとし、測定の範囲を１〜１０ＧＨｚとする。周波数コム発生器２ａ、２ｂからは、それぞれ５００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚ、５０５ＭＨｚ〜１０．１ＧＨｚの信号が同時に出力される。

周波数コム発生器２ａの出力信号は、被測定デバイスである光送信器３ａ、周波数特性に影響を与えない短いシングルモード光ファイバ、較正された光受信器５ａを経て、周波数変換器６ａへと入力される。一方、周波数コム発生器２ｂの出力信号は直接周波数変換器６ａに入力される。

可変バンドパスフィルタ7は多数の周波数コムの中からkが同じ値である１対だけを選択的に通過させる通過中心周波数可変で、例えば通過帯域幅３ＭＨｚのフィルタである。本発明の周波数特性装置では同時に複数の周波数コムが出力されるため、可変バンドパスフィルタの通過中心周波数を掃引することで各周波数における出力を計測する。検出器８は、可変バンドパスフィルタ７からの信号から振幅情報と位相情報を検出する。位相情報が不要な場合は、全波整流ダイオードなどの簡単な検出器を使用することができる。

以上の構成で製作した実施例の周波数特性測定装置で、被測定デバイス（光送信器３ａ）の周波数特性を良好に測定することができた。すなわち、図３ｅに示す本発明の表示の櫛状のスペクトルの包括線が、周波数がダウンコンバートされた実際の特性を再現できた。測定範囲は５００ＭＨｚ〜１０ＧＨｚであるが、出力信号は５〜１００ＭＨｚにダウン・コンバートされていて、測定系の低コスト化が実現できた。

実施例１の装置においては、測定された周波数間隔が５００ＭＨｚであるため、例えば５００ＭＨｚと１ＧＨｚの間の性能を測定することができない。そこで、基準発振器の発信周波数を掃引することによって、５００ＭＨｚと１ＧＨｚの間（すなわち、全測定周波数範囲）の測定も実施することができた。

［実施例２］
図４を用いて、本発明の実施例２を説明する。図４は、本発明の実施例２にかかる周波数測定装置の構成を示す図である。図４の周波数測定装置は、基準発振器１ｂ、周波数コム発生器２ｃ、２ｄ、光送信器３ｂ、伝送媒体４ｂ、光受信器５ｂ、周波数変換器６ｂ、スペクトラム・アナライザ９から構成される。本実施例と実施例１との相違点は、実施例１の周波数測定装置は可変バンドパスフィルタおよび検出器を含むが、実施例２では代わりにスペクトラム・アナライザ９を含む点である。この点に注目して説明を行う。

実施例１では周波数全域の出力が一斉に得られるため、測定・表示のためにバンドパスフィルタを用いた。実施例２では、ただちに振幅や位相のスペクトルが得られるようにスペクトラム・アナライザ９を用いた。これにより、簡単に被測定デバイスの周波数特性を得た。実施例２も良好な周波数特性測定装置として機能した。

［実施例３］
実施例３の構成は実施例１あるいは２と同様である。伝送媒体は分散の影響が出ない程度の長さの光ファイバとするが、光受信器は被測定デバイス、光送信器はモノリシック集積レーザ・電界効果型光変調器とする。モノリシック集積レーザ・電界吸収型光変調器のうち、レーザダイオードは自動パワー制御モードにおいて、ほぼ一定の電流値で駆動する。被測定対象でない光送受信器の周波数特性は低周波から高周波まで平坦であり、電圧入力・透過率出力特性（以下、入出力特性）は低歪であることが望まれる。よって、電界吸収型光変調器は入出力特性の変曲点に電圧バイアスし、かつ小振幅で動作させた。

実施例３の他の部分の構造、動作は実施例１あるいは２と同様であるため、説明を省略する。実施例３の周波数特性測定装置においては、周波数特性の広さ・平坦性及び入出力特性の低歪性が非常に有効に機能した結果として、広いダイナミックレンジ範囲において光受信器の周波数特性を測定することができた。

以上、実施例１から３にて述べたように、本発明の光デバイスの周波数特性装置を用いれば従来の例と比較して、構成要素の多くの部品が測定の最高周波数までの特性を有していなくとも、測定が可能である。低コストにて光デバイスの周波数特性測定装置を製作することができた。

１０１スイーパ
１０２、３ａ、３ｂ光送信器
１０３、４ａ、４ｂ伝送媒体
１０４、５ａ、５ｂ光受信器
１０５、８検出器
１０６ディスプレイ
１ａ、１ｂ基準発信器
２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ周波数コム発生器
６ａ、６ｂ周波数変換器
７可変バンドパスフィルタ
９スペクトラム・アナライザ

Claims

基準発振器と、
前記基準発振器と同期して発振する第１および第２の周波数コム発生器と、
前記第１の周波数コム発生器の出力信号を被測定光デバイスに入出力する手段と、
前記被測定光デバイスの出力信号及び前記第２の周波数コム発生器の出力信号を入力し、その差周波成分を出力する周波数変換器と、
前記周波数変換器の出力から所望の周波数成分のみを取り出す可変バンドパスフィルタと、
前記可変バンドパスフィルタの出力を検波する検出器と、
前記検出器の出力信号を表示し、記録する出力装置と
を具備したことを特徴とする光デバイスの周波数特性測定装置。
基準発振器と、
前記基準発振器と同期して発振する第１および第２の周波数コム発生器と、
前記第１の周波数コム発生器の出力信号を被測定光デバイスに入出力する手段と、
前記被測定光デバイスの出力信号及び前記第２の周波数コム発生器の出力信号を入力し、その差周波成分を出力する周波数変換器と、
前記周波数変換器の出力をスペクトルとして表示するスペクトラム・アナライザと
を具備したことを特徴とする光デバイスの周波数特性測定装置。
前記被測定光デバイスに入出力する手段のうちの入力手段は、モノリシック集積レーザ・電界吸収型光変調器であることを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイスの周波数特性測定装置。
前記被測定光デバイスに入出力する手段のうちの入力手段は、印加電圧対透過率特性において変曲点に電圧バイアスされたモノリシック集積レーザ・電界吸収型光変調器であることを特徴とする請求項１または２に記載の光デバイスの周波数特性測定装置。