JP2014016197A

JP2014016197A - 光信号測定装置

Info

Publication number: JP2014016197A
Application number: JP2012152804A
Authority: JP
Inventors: Takashi Saida; 隆志才田; Ikuo Ogawa; 育生小川; Takayuki Mizuno; 隆之水野; Hideyuki Nosaka; 秀之野坂
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2012-07-06
Filing date: 2012-07-06
Publication date: 2014-01-30

Abstract

【課題】偏波多重された信号のＯＳＮＲが推定可能な光信号測定装置を提供する。
【解決手段】被測定光信号を入力する入力用光ポートと、該入力用光ポートに光学的に接続された光フィルタと、該光フィルタに光学的に接続された偏波フィルタと、該偏波フィルタの出力ポートに光学的に接続された３以上の受光器とを備え、前記受光器の帯域を、前記被測定光信号のボーレートの０．１倍以上とし、かつ前記光フィルタの帯域の０．１倍以上とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、光信号測定装置に関し、より詳細には、光信号対雑音比を測定するための光信号測定装置に関する。

旺盛な通信需要を背景として、光通信網の大容量化に向けた検討が精力的に行われている。光通信網の大容量化においては、信号の多値化、偏波多重化および狭波長間隔の波長分割多重によって、光ファイバ１本当たりの伝送容量を高めている。一方、光通信網のノード間において、時分割多重、波長分割多重によって多重化された光パスの構成を、伝送する容量に応じて変更し、光通信網の運用効率を向上させるＲＯＡＤＭ（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer）技術が用いられている。

このような光ネットワークの導入、運用、管理においては、光信号の品質をモニタする技術が重要である。特に、光信号対雑音比（ＯＳＮＲ：Optical Signal to Noise Ratio）は、光増幅器の自然放出雑音光が、どの程度信号光に重畳されているかを示す定量的な指標であることから、ＯＳＮＲモニタへの要求は高い。従来、ＯＳＮＲモニタは、光スペクトル測定を行って、信号光成分の光強度と雑音成分の光強度とを光周波数軸上で弁別し、ここからＯＳＮＲを推定する手法が用いられてきた（例えば、非特許文献１を参照）。

しかしながら、狭波長間隔により波長分割多重された光信号では、光周波数軸上の信号光と雑音光の弁別が難しいという課題が指摘されている。さらに、ＲＯＡＤＭにより、経路の異なる信号が波長多重されていると、雑音スペクトルの平坦性が失われ、雑音光の量の見積もりが困難になるという課題も指摘されている。

このような課題を解決するために、偏波ヌリング（Polarization Nulling）が提案されている（例えば、非特許文献２、特許文献１を参照）。偏波ヌリング法は、偏波多重されていない光信号を伝送する場合に、信号光は完全に偏光しており、雑音光は無偏光であると見做すことができることを利用して、信号光と雑音光の強度差を求めている。

図１に、従来の偏波ヌリング法を適用した光信号測定器の構成を示す。入力用光ポート１０に入力された信号は、光偏波コントローラ１１によって、信号光成分の偏光状態が偏波ビームスプリッタ１２の偏波軸に合うように制御される。その結果、信号光成分は、受光器１３ａへのみ導かれる。一方、雑音光は、無偏光であれば受光器１３ａおよび１３ｂに均等に導かれるので、受光器１３ａの受光強度と受光器１３ｂの受光強度とを比較することにより、信号光と雑音光の強度差を求めることができる。この方法は、非常に簡易な構成によりＯＳＮＲを測定できるという利点がある。

特開２０１１−６４６５７号公報

H.Suzuki and N.Takachio, "Optical signal quality monitor built into WDM linear repeaters using semiconductor arrayed waveguide grating filter monolithically integrated with eight photodiodes," IEE Electronics Letters, Vol.35, No.10, pp.836-837(1999) J.H.Lee, H.Y.Choi, S.K.Shin and Y.C.Chung, "A Review of the Polarization-Nulling Technique for Monitoring Optical-Signal-to-Noise Ratio in Dynamic WDM Networks," IEEE/OSA J. Lightwave Technology, Vol.24, No.11, pp.4162-4171 (2006)

しかしながら、従来の偏波ヌリング法によるＯＳＮＲモニタには、例えば、近年実用化が進められているＤＰ−ＱＰＳＫ（Dual Polarization Quadrature Phase Shift Keying）伝送などの偏波多重された信号には適用できないという課題があった。上述したように、偏波ヌリング法おいては、信号光が完全偏光であることを前提にしているからである。偏波多重された光信号においては、理想的には、直交する偏波の信号光を、それぞれ均等に含むため、無偏光になってしまう。従って、偏波ヌリング法では、信号光と雑音光との判別ができなくなる。

本発明の目的は、偏波多重された信号のＯＳＮＲが推定可能な光信号測定装置を提供することにある。

このような目的を達成するために、本発明の一実施態様は、被測定光信号を入力する入力用光ポートと、該入力用光ポートに光学的に接続された光フィルタと、該光フィルタに光学的に接続された偏波フィルタと、該偏波フィルタの出力ポートに光学的に接続された３以上の受光器とを備え、前記受光器の帯域は、前記被測定光信号のボーレートの０．１倍以上であり、かつ前記光フィルタの帯域の０．１倍以上であることを特徴とする。

前記偏波フィルタは、前記光フィルタから入力された光信号を直交する偏波に分離する偏波ビームスプリッタと、該偏波ビームスプリッタの２つの出力に光学的に接続された２つの１入力２出力光カプラと、該１入力２出力光カプラのそれぞれの一方の出力に光学的に接続された９０°光ハイブリッドと、前記偏波ビームスプリッタのいずれか一方の出力と前記１入力２出力光カプラとの間に挿入された偏波変換器とを含むことができる。

前記偏波フィルタは、前記光フィルタから入力された光信号を三分岐する１入力３出力光カプラと、前記１入力３出力光カプラの３つの出力に光学的に接続された３つの偏波ビームスプリッタと、前記１入力３出力光カプラと前記偏波ビームスプリッタとを光学的に接続する３つの光パスのうちの１つのパスに挿入された、前記偏波ビームスプリッタの偏波軸に対して２２．５度傾いた半波長板と、前記３つの光パスのうちの他の１つのパスに挿入された、前記偏波ビームスプリッタの偏波軸に対して４５度傾いた四分の一波長板とを含むことができる。

本発明の他の実施態様は、光信号測定方法において、偏波多重された被測定光信号を入力する工程と、前記被測定光信号を光フィルタにより弁別する工程と、前記被測定光信号のストークスベクトルのうち、水平直線偏光成分、４５°直線偏光成分、および右円偏光成分に比例した信号を得る工程と、前記ストークスベクトルの成分に比例した信号から、前記被測定光信号の偏波分布を求める工程と、前記偏波分布から求まる標準偏差によって、ＯＳＮＲを推定する工程とを備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、受光器の帯域を、被測定光信号のボーレートの０．１倍以上とし、かつ光フィルタの帯域の０．１倍以上とすることにより、受光器から被測定光信号の偏波状態を表すストークスベクトルのＳ１、Ｓ２、Ｓ３に比例した成分を得ることができ、この偏波測定結果の偏波分布から求まる標準偏差σによって、ＯＳＮＲを推定することができる。

従来の偏波ヌリング法を適用した光信号測定器の構成を示す図である。本発明の第１実施形態にかかる光信号測定装置の構成を示す図である。第１実施形態にかかる光信号測定器の動作原理を示す図である。第１実施形態にかかる光信号測定器による偏波測定結果を示す図である。第１実施形態にかかる光信号測定器によるＯＳＮＲ推定結果を示す図である。本発明の第２実施形態にかかる光信号測定装置の構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、図面においては同一の機能を有する部分は同一の番号を付することで、説明の明瞭化を図っている。

（第１実施形態）
図２に、本発明の第１実施形態にかかる光信号測定装置の構成を示す。光信号測定装置は、入力用光ポート２１と、入力用光ポート２１に光学的に接続された光フィルタ２２と、光フィルタ２２に光学的に接続された偏波フィルタ２３と、偏波フィルタ２３の出力に光学的に接続された３つの受光器２８ａ−２８ｃから構成されている。光信号測定装置は、偏波測定結果として、被測定光信号のストークスベクトル［Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３］のうち、Ｓ１＝水平直線偏光成分、Ｓ２＝４５°直線偏光成分、Ｓ３＝右円偏光成分に比例した信号を出力する。

偏波フィルタ２３は、シリコン基板上に形成された石英系光導波路により実現されており、光フィルタ２２から入力された光信号を直交する偏波状態に分離する偏波ビームスプリッタ２４と、偏波ビームスプリッタ２４の２つの出力に、それぞれ光学的に接続された１入力２出力の光カプラ２６ａおよび２６ｂと、光カプラ２６ａおよび２６ｂの一方の出力を入力とする９０°光ハイブリッド２７とを含む。偏波ビームスプリッタ２４と光カプラ２６ａとの間には、偏波ビームスプリッタ２４の一方の出力の偏波を、他方の出力の偏波に揃えるための偏波変換器２５が挿入されている。光カプラ２６ａおよび２６ｂの光強度分岐比は１：２となっており、光強度の小さな出力ポートに受光器２８ａが接続され、光強度の大きな出力ポートに９０°光ハイブリッド２７が接続されている。

９０°光ハイブリッド２７の２対の出力は、それぞれ受光器２８ｂおよび２８ｃへと導かれ、光カプラ２６ａ、２６ｂの他方の出力（９０°光ハイブリッド２７へ導かれない出力）は、受光器２８ａへと導かれている。受光器２８ａ−２８ｃは、それぞれトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）２９ａ−２９ｃを備えている。

なお、偏波ビームスプリッタ２４は、対称マッハツェンダ干渉計の両アームに、互いに偏波軸が直交するポリイミドからなる四分の一波長板が挿入されている。この構成によれば、波長依存性および温度依存性が小さく、量産性に優れた偏波ビームスプリッタを提供することができるからである。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、例えば応力解放溝を用いた非対称マッハツェンダ干渉計を用いてももちろん構わない。

また、９０°光ハイブリッド２７は、多モード干渉カプラ３つとＹ分岐回路１つを組み合わせた構成とした。この構成によれば、波長依存性および温度依存性に優れた９０°光ハイブリッドを提供することができるからである。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、２入力４出力多モード干渉光カプラなど、別の光ハイブリッド構成を用いても構わない。

偏波フィルタ２３は、シリコン基板上に形成された石英系光導波路で実現したが、この構成によれば、量産性に優れた偏波フィルタを実現することができる。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、例えばＩｎＰ、ＧａＡｓなど半導体導波路、またはポリマ光導波路を用いてもよいし、導波路ではなくバルク光学部品を用いて偏波フィルタを構成しても、もちろん構わない。

第１実施形態においては、受光器２８がトランスインピーダンス増幅器２９を備えるとしたが、この構成によれば、外部の擾乱に強い光信号測定器を提供することができる。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、トランスインピーダンス増幅器を適用しなくても、もちろん構わない。

第１実施形態の偏波フィルタによれば、受光器２８ａ−２８ｃにおいて、被測定光信号の偏波状態を表すストークスベクトルのＳ１、Ｓ２、Ｓ３に比例した成分がそれぞれ得られる。

図３に、本発明の第１実施形態にかかる光信号測定器の動作原理を示す。ここで、被測定光信号は、３２ＧＢａｕｄのＤＰ−ＱＰＳＫ信号（データレート１００Ｇｂｐｓ）とした。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものではなく、被測定光信号として、例えば、１６ＱＡＭのような別のフォーマットの光信号でも、もちろん構わない。また、光フィルタの帯域は、３０ＧＨｚとした。しかしながら、本発明はこの例に限定されるものでは、もちろんない。

図３（ａ）は、受光器２８の帯域を数ｋＨｚとして、光信号のボーレートよりも充分小さく設定した時に得られる光信号の偏波状態のポアンカレ球表示である。赤道平面上に直線偏光Ｓ１，Ｓ２を表し、地軸方向に円偏光Ｓ３を表しており、受光器２８ａ−２８ｃからの出力であるストークスベクトルのＳ１、Ｓ２、Ｓ３に比例した信号成分からプロットする。図３（ａ）から明らかなように、偏波多重光信号では、直交する偏波成分をそれぞれ均等に含むため、信号光の瞬時偏波は測定されず、無偏光という結果が得られる。

図３（ｂ）は、受光器２８の帯域をボーレートと同等（〜３０ＧＨｚ）に設定した時に得られる光信号の偏波状態である。図３（ｂ）に示したように、この条件下では、光信号の瞬時偏波を捕捉することが可能となるため、ＤＰ−ＱＰＳＫ信号の場合には、レンズ状の偏波分布が測定される。

一方、雑音光に対しては、光フィルタ２２の帯域と、受光器２８の帯域との関係が重要となる。図３（ｃ）は、受光器２８の帯域を光フィルタ２２の帯域よりも充分小さい数ｋＨｚに設定した時の偏波状態の測定結果である。雑音光は、主に光増幅器の自然放出光によるため、全ての偏波状態を等しく含んでいる。従って、無偏光という測定結果が得られる。このため、図３（ａ）に示した光信号との区別ができない。

図３（ｄ）は、受光器２８の帯域を光フィルタ２２の帯域と同等（〜３０ＧＨｚ）に設定した時に得られる光信号の偏波状態である。光フィルタ２２により雑音光の帯域は絞られており、これと同等の帯域の受光器２８で測定することにより、雑音光の瞬時偏波を捕捉することが可能となる。このとき、得られる偏波は一様分布となる。

以上の結果から、受光器２８の帯域を、光フィルタの帯域および被測定光信号のボーレートと同程度に設定することにより、受光器から被測定光信号の偏波状態を表すストークスベクトルのＳ１、Ｓ２、Ｓ３に比例した成分を得ることができ、この偏波分布から、信号光と雑音光を峻別することが可能となる。受光器２８の帯域は、光フィルタの帯域および被測定光信号のボーレートより大きいことが理想ではあるが、ＯＳＮＲを推定するために、偏波分布を知るためには、光フィルタの帯域および被測定光信号のボーレートと同程度以下に設定する。実際には、それぞれの０．１倍以上であれば測定することができ、０．７倍程度が好適である。

図４に、第１実施形態にかかる光信号測定器による偏波測定結果を示す。３２ＧＢａｕｄのＤＰ−ＱＰＳＫ信号に雑音を付加したときの偏波分布を示している。ここで、光フィルタ２２の帯域は１２５ＧＨｚ、受光器の帯域は２５ＧＨｚとした。受光器２８の帯域は、製造が容易であることから、信号光のボーレート（３２Ｇ）よりも小さく、また光フィルタの帯域（１２５Ｇ）よりも小さくなっている。しかしながら、後述のように本発明の効果は十分に奏されている。

図４（ａ）は、ＯＳＮＲ＝３８ｄＢであり、雑音光の量が比較的少ない時の結果であり、図４（ｂ）は、ＯＳＮＲ＝１０ｄＢであり、雑音光の量が比較的多い時の結果である。図４に示されるように、ＯＳＮＲが良好な時には測定される偏波分布は平坦な形をしているが、ＯＳＮＲが劣化してくると偏波分布は一様分布に近づいている。

図５に、第１実施形態にかかる光信号測定器によるＯＳＮＲ推定結果を示す。図４に示した偏波測定結果の偏波分布を、平面近似したときの平面からの高さの標準偏差σを、ＯＳＮＲの関数として整理した図である。ここでは、ストークスベクトル［Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３］を、
Ｓ０＝＜｜Ｅｘ｜^２＞＋＜｜Ｅｙ｜^２＞
Ｓ１＝＜｜Ｅｘ｜^２＞−＜｜Ｅｙ｜^２＞
Ｓ２＝＜２ＥｘＥｙｃｏｓδ＞
Ｓ３＝＜２ＥｘＥｙｓｉｎδ＞
としたとき、
｜Ｅｘ｜ｍａｘ：Ｓ１が最大値になるように偏波を調整
｜Ｅｙ｜ｍａｘ：Ｓ１が最小値になるように偏波を調整
Ｓ２ｍａｘ：Ｓ２が最大値になるように偏波を調整
Ｓ３ｍａｘ：Ｓ３が最大値になるように偏波を調整
の４つの入力偏波を用いた。また理論値を実線で示している。図５より明らかなように、第１の実施形態の光信号測定装置により、偏波分布から求まる標準偏差σによって、ＯＳＮＲが推定可能であり、どのような種類の入力偏波でも、ＯＳＮＲを推定できることがわかる。

（第２実施形態）
図６に、本発明の第２実施形態にかかる光信号測定装置の構成を示す。光信号測定装置は、入力用光ポート２１と、入力用光ポート２１に光学的に接続された光フィルタ２２と、光フィルタ２２に光学的に接続された偏波フィルタ２３と、偏波フィルタ２３の出力に光学的に接続された３つの受光器２８ａ−２８ｃから構成されている。

第２実施形態の偏波フィルタ２３は、光フィルタ２２から入力された光信号を三分岐する１入力３出力等分岐光カプラ３１と、光カプラ３１の３つの出力にそれぞれ光学的に接続された３つの偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３４ａ―３４ｃから構成されている。光カプラ３１の出力と偏波ビームスプリッタ３４とを接続する３つの光学パスは、（１）直接接続されている光パス、（２）ＰＢＳ３４ｂで分離される偏波を±４５度の直線偏波とするために、ＰＢＳ３４ｂの偏波軸に対して２２．５度傾いた半波長板３２が挿入されている光パス、（３）ＰＢＳ３４ｃで分離される偏波を左右周りの円偏波とするために、ＰＢＳ３４ｃの偏波軸に対して４５度傾いた四分の一波長板３３が挿入されている光パスの３つである。

第２実施形態の偏波フィルタによっても、受光器２８ａ−２８ｃで得られる信号は、ストークスベクトルＳ１、Ｓ２、Ｓ３に比例するので、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

第２実施形態の受光器２８は、バランスディテクタとしたが、このような構成でも、第１実施形態と同様の効果を奏することができる。

１０，２１：入力用光ポート
１１：光偏波コントローラ
１２，２４，３４：偏波ビームスプリッタ
１３，２８：受光器
２２：光フィルタ
２３：偏波フィルタ
２５：偏波変換器
２６，３１：光カプ
２７：９０°光ハイブリッド
２９：トランスインピーダンス増幅器
３２：半波長板
３３：四分の一波長板

Claims

被測定光信号を入力する入力用光ポートと、
該入力用光ポートに光学的に接続された光フィルタと、
該光フィルタに光学的に接続された偏波フィルタと、
該偏波フィルタの出力ポートに光学的に接続された３以上の受光器とを備え、
前記受光器の帯域は、前記被測定光信号のボーレートの０．１倍以上であり、かつ前記光フィルタの帯域の０．１倍以上であることを特徴とする光信号測定装置。
前記偏波フィルタは、
前記光フィルタから入力された光信号を直交する偏波に分離する偏波ビームスプリッタと、
該偏波ビームスプリッタの２つの出力に光学的に接続された２つの１入力２出力光カプラと、
該１入力２出力光カプラのそれぞれの一方の出力に光学的に接続された９０°光ハイブリッドと、
前記偏波ビームスプリッタのいずれか一方の出力と前記１入力２出力光カプラとの間に挿入された偏波変換器と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の光信号測定装置。
前記１入力２出力光カプラの光強度分岐比は１：２であり、光強度の小さな出力ポートに前記受光器の１つが接続され、光強度の大きな出力ポートに前記９０°光ハイブリッドが接続されていることを特徴とする請求項２に記載の光信号測定装置。
前記偏波フィルタは、
前記光フィルタから入力された光信号を三分岐する１入力３出力光カプラと、
前記１入力３出力光カプラの３つの出力に光学的に接続された３つの偏波ビームスプリッタと、
前記１入力３出力光カプラと前記偏波ビームスプリッタとを光学的に接続する３つの光パスのうちの１つのパスに挿入された、前記偏波ビームスプリッタの偏波軸に対して２２．５度傾いた半波長板と、
前記３つの光パスのうちの他の１つのパスに挿入された、前記偏波ビームスプリッタの偏波軸に対して４５度傾いた四分の一波長板と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の光信号測定装置。
前記受光器は、トランスインピーダンス増幅器を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光信号測定装置。
前記偏波フィルタは、基板上に形成された石英系光導波路により形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光信号測定装置。
偏波多重された被測定光信号を入力する工程と、
前記被測定光信号を光フィルタにより弁別する工程と、
前記被測定光信号のストークスベクトルのうち、水平直線偏光成分、４５°直線偏光成分、および右円偏光成分に比例した信号を得る工程と、
前記ストークスベクトルの成分に比例した信号から、前記被測定光信号の偏波分布を求める工程と、
前記偏波分布から求まる標準偏差によって、ＯＳＮＲを推定する工程と
を備えたことを特徴とする光信号測定方法。