JP2015224952A - スペクトル測定システムおよびスペクトル線幅の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 スペクトル測定装置において、入射される光が遅延光ファイバを通過する際に、レーザ光の偏波面の揺らぎが発生しても、特段の調整を必要とせずに、再現性よくスペクトル線幅を測定可能にするスペクトル測定装置、およびその測定方法を提供する。
【解決手段】 ビート信号のスペクトラム解析の結果からスペクトル線幅を測定するスペクトル測定システムにおいて、遅延光ファイバの出力側と光方向性結合器の入力側の間に、通過するレーザ光の偏波状態をランダム化する偏波スクランブル装置が接続されたことを特徴とするスペクトル測定システムである。
【選択図】 図３

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スペクトル線幅の高精度な測定に適するスペクトル測定システム、およびスペクトル線幅の測定方法に関する。

レーザ光源のスペクトル線幅を測定する方法として、特開昭６３−１５７０２３号公報や特開平０３−２５７３３６号公報に開示された遅延自己へテロダイン法が知られている。図１は、特開平０３−２５７３３６号公報の第５図の遅延自己ヘテロダイン法によるスペクトル線幅の測定装置を示したものである。

図１において、まずレーザ光源（４２）からの光は、光分岐手段である光カプラ（４４）で２つの光路に分岐され、その一方の光は周波数シフタ（４６）に入力され、他方の光は十分な長さの光ファイバ等からなる光伝送路（４８）に入力される。周波数シフトを受けた光と、光伝送路からの光は、光カプラ（５０）において加え合わされ、光検出器（５２）により二乗検波される。そして、その検波出力が増幅器（５４）で増幅されて、スペクトルアナライザ（５６）に入力される。

光伝送路における遅延時間が十分に長いと、光カプラにおいて加え合わされる２つの光の雑音特性は、互いに独立であると見なすことができるので、スペクトルアナライザにおいて観察されるスペクトルの線幅は、レーザ光源のスペクトル線幅の２倍となる。したがって、観測スペクトルから間接的にレーザ光源のスペクトル線幅を測定することができる。

また、特開２０１１−２４２３４５号公報には、「遅延自己ヘテロダイン法によるスペクトル測定装置であって、被測定レーザ光源を入力する周回光学系と、前記周回光学系の出力光をフィルタリングして所定のビート信号の生成に寄与する光を出力する光学フィルタと、前記光学フィルタからの光を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とを備えることを特徴とするスペクトル測定装置」が開示されている。

このようなスペクトル線幅の測定において、遅延光ファイバを通過したレーザ光は、その偏波面に揺らぎが生じてしまい、ビート信号の強度が低下してしまう、という不具合があった。

そこで、実開昭６３−０６７９４８号公報や実開昭６３−０６７９４５号公報に開示された「光スペクトル測定装置」では、遅延素子からのレーザ光の偏波面を制御する偏波面コントローラにより、ビート信号が最大になるように調整して、スペクトル線幅を測定している。

図２に示したように、「光スペクトル測定装置」は、半導体レーザ（１０）からの光は、光分岐器（１４）により２つの光に分岐される。分岐された光のうち一方は、音響光学変調器（１６）に入力される。音響光学変調器（１６）は、発振器（１７）により駆動され、入力光の周波数を一定値だけ変化させる。分岐された光のうち他方は、遅延素子（１９）に入力される。遅延素子（１９）の出力は、偏波面コントローラ（２０）に入力される。

音響光学変調器（１６）および偏波面コントローラ（２０）からの出力光は、光合流器（２１）に入力されて合流される。合流された光は、光センサと増幅器からなる高速受光部（２２）で電気信号に変換されて、スペクトル分析器（２３）でそのスペクトルが解析される。制御部（２４）は、音響光学変調器（１６）で周波数シフトされた信号の強度が最大になるように、偏波面コントローラ（２０）を制御する。
特開昭６３−１５７０２３号公報 特開平０３−２５７３３６号公報 特開２０１１−２４２３４５号公報 実開昭６３−０６７９４８号公報 実開昭６３−０６７９４５号公報

上述した実開昭６３−０６７９４８号公報や実開昭６３−０６７９４５号公報に開示された「光スペクトル測定装置」では、ビート信号が最大となるように偏波面コントローラにて調整している。その調整は、ビート信号の強度を見ながら実施することとなるので、多大な時間を要したり、調整基準が明確でないため、測定値の再現性に乏しい、という問題があった。

そこで本発明は、スペクトル測定装置において、入射されるレーザ光が遅延光ファイバを通過する際に、レーザ光の偏波面の揺らぎが発生しても、特段の調整をしなくても、再現性よくスペクトル線幅を測定可能にするスペクトル測定装置、およびスペクトル線幅の測定方法を提供するものである。

すなわち、本発明によるスペクトル測定システムは、
測定対象であるレーザ光源からのレーザ光が入力される入力端子と、
光方向性結合器と、
音響光学素子と、
遅延光ファイバと、
光検出器と、
該光検出器からの信号を出力する出力端子と、
スペクトラム解析装置と、
を備えてなる、自己遅延ヘテロダイン法によってレーザ光のスペクトル線幅を測定するスペクトル測定システムにおいて、
前記入力端子から入力されたレーザ光は、前記光方向性結合器によって、２つのレーザ光に分波され、
該分波された一方のレーザ光は、前記音響光学素子によりその周波数がシフトされているとともに、前記遅延光ファイバに入力されて遅延が発生されており、
前記一方のレーザ光と前記分波された他方のレーザ光とは、前記光方向性結合器によって合波されて、ビート信号が生成されており、
該ビート信号は前記光検出器により出力され、前記スペクトラム解析装置により解析されており、
前記遅延光ファイバの出力側と前記光方向性結合器の入力側の間に、通過するレーザ光の偏波状態をランダム化する偏波スクランブル装置が接続されたことを特徴とする。

また、本発明によるスペクトル線幅の測定方法は、
測定対象であるレーザ光源からのレーザ光を光方向性結合器に入射させて前記レーザ光を２つのレーザ光に分波し、分波させたレーザ光の一方は、遅延光ファイバに入射させて遅延を発生させるとともに、音響光学素子を通過させることによりその周波数をシフトさせ、
前記分波させたレーザ光の他方と、前記光方向性結合器にて合波することによってビート信号を生成させて、該ビート信号を出力する光検出器からの信号をスペクトラム解析する、自己遅延ヘテロダイン法によるレーザ光のスペクトル線幅の測定方法において、
前記遅延光ファイバの出力側と前記光方向性結合器の入力側との間に設けた偏波スクランブル装置によって、通過するレーザ光の偏波状態をランダム化することを特徴とする。

本発明では、遅延光ファイバを通過したレーザ光は、偏波スクランブル装置によって、その偏波面がランダム化されている。このことによって、まずレーザ光における偏波面の調整が不要となる。さらに、ビート信号を発生させる、遅延したレーザ光の信号強度が一定レベルになるので、スペクトル線幅の測定において、その再現性がよくなる。

なお、遅延したレーザ光の偏波面をランダム化することによって、ビート信号の発生に寄与するレーザ光の強度が低下し、結果としてビート信号の強度も低下してしまう。しかし、ビート信号の強度レベルの低下は、増幅回路のゲインを高くすることなどで補えるので、遅延したレーザ光の信号強度が一定のレベルになることが重要である。

遅延自己ヘテロダイン法によるスペクトル線幅の測定装置の一構成例を示した図である。 遅延素子からの光を偏波面を制御する偏波面コントローラを設けて、ビート信号が最大になるように調整して、スペクトル線幅を測定するスペクトル測定装置を示した図である。 本発明の遅延自己ヘテロダイン法によるスペクトル測定システムの基本的構成を示した図である。 本発明の遅延自己ヘテロダイン法によるスペクトル測定システムの具体的構成を示した図である。

図３は、本発明の遅延自己ヘテロダイン法によるスペクトル測定システムの基本的構成を示した図である。本システムは、被測定光源であるレーザ光源１１０と、光方向性結合器１２０と、音響光学素子１３０と、遅延光ファイバ１６０と、偏波スクランブル装置１７０と、光検出器１９０と、スペクトラム解析装置２００と、を含んで構成される。

また、本発明のスペクトル線幅の測定方法は、遅延自己ヘテロダイン法によるスペクトル線幅の測定において、光方向性結合器にて分波され、遅延光ファイバを通過することで遅延の発生したレーザ光の偏波状態を、偏波スクランブル装置によってランダム化することを特徴としている。その偏波状態がランダム化されたレーザ光を用いて、ビート信号を生成し、光検出器から出力されるビート信号をスペクトラム解析して、スペクトル線幅を測定している。

図４を用いて、本発明のスペクトル測定システムを、さらに詳細に説明する。
上述した基本的構成を含み、総合的に構成されたシステム１０００としては、被測定光源であるレーザ光源１１０と、スペクトル測定装置本体１００と、スペクトル解析装置２００と、これらを統合的に制御する制御用コンピュータ２１０とを含んで構成されていてもよい。

スペクトル測定装置本体１００は、インターフェイスを介して、それぞれ別途準備された、レーザ光源１１０、遅延光ファイバ１６０、スペクトラム解析装置２００および制御用コンピュータ２１０が接続されて、構成されるとよい。このように、測定システムとして、各構成要素を交換可能に構成しておくと、システムの自由度が高まり、アップデートも容易となる。

スペクトル測定装置本体１００には、本発明の特徴である偏波スクランブル装置１７０を備えている。この偏波スクランブル装置１７０は、入射された光の偏波面をランダム化する機能を有している。このような偏波スクランブル装置は、たとえば米国のＦＩＢＥＲＰＲＯ社から、「Polarization Scrambler PS3000 シリーズ」として発売されている。偏波スクランブル装置１７０は、スペクトル測定装置本体１００に組み込まれていてもよいし、インターフェイスを介して装置本体１００に接続可能に構成されていてもよい。

図４に示されたスペクトル測定システム１０００は、まず、レーザ光源１１０にて発生されたレーザ光は、アッテネータ２３０にてその強度を調整され、装置本体１００のインターフェイスを介して入射される。入射されたレーザ光は、光アイソレータ２４０を介して光分波合波器１２０に入射されて、２つに分波される。

分波されたレーザ光の一方は、たとえば音響光学素子１３０である、アコーススティック オプティカル フリクェンシ シフタ（ＡＯＦＳ）によって、その周波数がシフトされる。その周波数がシフトされたレーザ光は、光ファイバアンプ１４０であるエルビウム ドープト ファイバ アンプ（ＥＤＦＡ）によって増幅されるとよい。
そして、増幅されたレーザ光は、たとえば可変バンドパスフィルタ１５０とインターフェイスを介して、遅延光ファイバ１６０に入射される。

本発明によるスペクトル測定システム１０００は、遅延光ファイバ１６０と光分波合波器１２０の間に、特徴的構成要素である偏波スクランブル装置１７０を備えている。遅延光ファイバ１６０を通過したレーザ光は、たとえば光アイソレータ２４２を介して、偏波スクランブル装置１７０に入射され、その偏波面の方向がランダム化される。

遅延されるとともにランダム化されたレーザ光は、再び光分波合波器１２０にて、分波された他方のレーザ光と合波され干渉して、ビート信号を発生させる。このとき、遅延されたレーザ光の偏波面はランダム化されているので、元のレーザ光と干渉する光の割合は、ランダム化しない場合に比べて少なくなるものの、上述した従来技術のようにレーザ光の偏波面の調整をする必要がなく、その信号レベルもほぼ一定となる。そのため、干渉により発生するビート信号の強度レベルもほぼ一定となって安定するので、スペクトル線幅の測定値が安定する。その結果として、再現性よくスペクトル線幅を測定することができる。

本発明によるスペクトル測定システム１０００は、光分波合波器１２０と遅延光ファイバ１６０の間に、ＡＯＦＳ１３０を備えている。このスペクトル測定に際して、遅延光ファイバ１６０に入射されたレーザ光は、この遅延光ファイバを含む光学系を少なくとも複数回、周回することとなる。ＡＯＦＳ１３０は、周回するレーザ光がこのＡＯＦＳを通過する度に、その周波数をたとえば約百ＭＨｚシフトさせる機能を有している。さらに、ＡＯＦＳ１３０を駆動させるための駆動回路１３２と駆動周波数を与える発振器（ＯＳＣ）１３４が備えられている。

さらに、本発明によるスペクトル測定システム１０００は、ＡＯＦＳ１３０と遅延光ファイバ１６０の間に、ＥＤＦＡ１４０を備えていることが好ましい。このＥＤＦＡ１４０は、入射された光の強度を適宜増幅するものである。

加えて、本発明によるスペクトル測定システム１０００は、ＥＤＦＡ１４０を遅延光ファイバ１６０の間に、光アイソレータ２４１を介して、可変バンドパスフィルタ１５０を備えていることが好ましい。この可変バンドパスフィルタ１５０は、ある特定の波長帯域の光を通過させる機能を備えており、その波長帯域は調整可能になっていることが好ましい。

また、光分波合波器１２０にて、発生されたビート信号を含むレーザ光は、ファブリペローフィルタ１８０を通過させる構成とすることが好ましい。このファブリペローフィルタ１８０も、測定装置本体に交換可能に配置されているとよい。さらに、ファブリペローフィルタ１８０は、コントローラ（図示せず）を備えており、その特性を制御するように構成されているとよい。

こうして伝搬してきたビート信号を含むレーザ光は、光検出器１９０に入力される。そして、光検出器１９０から出力される信号は、増幅器１９２で増幅された後、インターフェイスを介して、スペクトラム解析装置２００に入力される。スペクトラム解析装置２００で解析されたスペクトル線幅の測定結果は、制御用コンピュータ２１０に送信される。そして、測定結果は、必要に応じて適宜信号処理されて、表示されたり、データとして保存されたりする。

また、スペクトル測定装置本体１００には、上述したＡＯＦＳ１３０やＥＤＦＡ１４０を統合的に制御するために、ＣＰＵ２２０を備えていることが好ましい。さらに、測定システムとして、測定結果をフィードバックするために、ＣＰＵ２２０は制御用コンピュータ２１０と通信可能に接続されているとよい。

本発明は、レーザ光のスペクトル線幅の測定に有用である。

１０００：スペクトル測定システム、
１００：スペクトル測定装置、
１１０：レーザ光源、
１２０：光方向性結合器、
１３０：音響光学素子（ＡＯＦＳ）、
１３２：音響光学素子の駆動回路、
１３４：発振器（ＯＳＣ）、
１４０：光ファイバアンプ（ＥＤＦＡ）、
１５０：可変バンドパスフィルタ、
１６０：遅延光ファイバ、
１７０：偏波スクランブル装置、
１８０：ファブリペローフィルタ、
１９０：光検出器、
１９２：増幅器、
２００：スペクトラム解析装置、
２１０：制御用コンピュータ、
２２０：ＣＰＵ、
２３０：アッテネータ、
２４０、２４１，２４２：光アイソレータ、

Claims (2)

1. 測定対象であるレーザ光源からのレーザ光が入力される入力端子と、
   光方向性結合器と、
   音響光学素子と、
   遅延光ファイバと、
   光検出器と、
   該光検出器からの信号を出力する出力端子と、
   スペクトラム解析装置と、
   を備えてなる、自己遅延ヘテロダイン法によってレーザ光のスペクトル線幅を測定するスペクトル測定システムにおいて、
   前記入力端子から入力されたレーザ光は、前記光方向性結合器によって、２つのレーザ光に分波され、
   該分波された一方のレーザ光は、前記音響光学素子によりその周波数がシフトされているとともに、前記遅延光ファイバに入力されて遅延が発生されており、
   前記一方のレーザ光と前記分波された他方のレーザ光とは、前記光方向性結合器によって合波されて、ビート信号が生成されており、
   該ビート信号は前記光検出器により出力され、前記スペクトラム解析装置により解析されており、
   前記遅延光ファイバの出力側と前記光方向性結合器の入力側の間に、通過するレーザ光の偏波状態をランダム化する偏波スクランブル装置が接続されたことを特徴とするスペクトル測定システム。
2. 測定対象であるレーザ光源からのレーザ光を光方向性結合器に入射させて前記レーザ光を２つのレーザ光に分波し、分波させたレーザ光の一方は、遅延光ファイバに入射させて遅延を発生させるとともに、音響光学素子を通過させることによりその周波数をシフトさせ、
   前記分波させたレーザ光の他方と、前記光方向性結合器にて合波することによってビート信号を生成させて、該ビート信号を出力する光検出器からの信号をスペクトラム解析する、レーザ光の自己遅延ヘテロダイン法によるスペクトル線幅の測定方法において、
   前記遅延光ファイバの出力側と前記光方向性結合器の入力側との間に設けた偏波スクランブル装置によって、通過するレーザ光の偏波状態をランダム化することを特徴とするスペクトル線幅の測定方法。

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