JP2016218180A - 雑音指数測定方法、雑音指数測定装置、および測定システム - Google Patents
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Abstract
Description
例えば、レーザ光増幅器の雑音指数測定方法として、レーザ光増幅器の入力光および増幅光の光電変換後のRF帯における電気スペクトルを電気スペクトラムアナライザ(ESA)を用いて測定し、その測定値を用いて雑音指数を算出するESA法や、レーザ光増幅器の入力光および増幅光の光スペクトルを光スペクトルアナライザ(OSA)を用いて測定し、増幅光の増幅自然放出光(Amplified Spontaneous Emission: ASEASE)のレベルと利得を測定することにより、雑音指数を算出するOSA法が知られている(例えば、非特許文献1参照)。
本発明の一実施の形態に係る光増幅器の雑音指数測定方法の原理について説明する。
なお、以下では、光増幅器が位相感応増幅器(PSA)であるとして説明する。
ここで、gはPSAの利得であり、ninはPSAに入力される信号光の入力平均光子数であり、gninは増幅光の平均光子数を表す。また、nasa_psaは、PSAでの自然放出光の平均光子数であり、PSAの利得をgとしたとき、式(3)で表すことができる。また、σ2 sig_aseは、信号(入力光)とPSAのASE間のビートノイズ成分を表し、σ2 ase_aseは、PSAのASE間のビートノイズ成分を表している。
そこで、以下では、信号光源にレーザからの自然放出光による強度雑音が混入している場合を想定する。この場合、PSAに入力される入力光の光子数分散σ2 rinは、式(6)で表される。ここで、βは、入力光の過剰雑音指数であり、信号光源のコヒーレント状態からのずれを表す。
したがって、以下では、(σ2 total−σ2 arin)に起因する雑音指数NFを、測定可能なパラメータ、すなわち、PSAに入力される信号光の相対強度雑音RINin、PSAから出力される増幅光の相対強度雑音RINtotal、PSAの利得g、および平均入力光子数nin等を用いて表すことを考える。
PSAの入力光をPDで受信した場合の入力光の信号電力をpsinとし、入力光の雑音電力をpninとした場合、上記式(11)から、PSAの入力光の相対強度雑音RINinは、式(14)で表すことができる。また、pninおよびpsinは、夫々式(15)および式(16)で表すことができる。ここで、nsseは、信号光源における自然放出光の平均光子数である。
PSAによる増幅光をPDで受信した場合の増幅光の信号電力をpstotalとし、入力光の雑音電力をpntotalとした場合、上記式(11)から、PSAの増幅光の相対強度雑音RINtotalは、式(17)で表すことができる。また、pntotalおよびpstotalは、夫々式(18)および式(19)で表すことができる。
PSAの入力光の信号雑音比、すなわち、信号光源の信号雑音比snrinは、式(20)で表される。
以下、上記原理に基づくPSAの雑音指数測定方法について、具体的に説明する。
図1は、本発明の一実施の形態に係る雑音指数測定方法の手順を示す図である。
図2は、本発明の一実施の形態に係る雑音指数測定方法を実現するための測定システムの構成の概要を示す図である。
ステップS1では、PSAに入力するための入力光の相対強度雑音RINinを測定する。具体的には、図3に示すように、PSA2の入力光として外部の光源1から出力された光を、PSA2を介さず,PSA2から生じるASE間のビート雑音を除去するための光フィルタ3を介して光検出器(フォトディテクタ)4に入射し、光検出器4が受光することによって発生した上記入力光の受光電流をRIN測定装置5に入力することにより、上記入力光の相対強度雑音RINinを測定する。このとき、光源1から出力された光を光フィルタ0を介して,光フィルタ3および光検出器4に入射してもよいし、光源1から出力された光に含まれる自然放出光が十分に小さい場合には、光源1から出力された光を光フィルタ0を介さずに光フィルタ3および光検出器4に入射してもよい。
ステップS2では、PSAから出力される増幅光の相対強度雑音RINtotalを測定する。具体的には、図3に示すように、光源1から出力された光をPSA2に入力し、PSA2から出力された増幅光を光フィルタ3を介して光検出器4に入射する。そして、光検出器4が受光することによって発生した上記増幅光の受光電流をRIN測定装置5に入力することにより、上記増幅光の相対強度雑音RINinを測定する。
ステップS3では、PSA2の入力光の平均光パワーを測定する。具体的には、例えば公知の光パワーメータを用いることによって、光源1から出力されたPSA2の入力光の平均光パワーを測定する。これにより、入力光の平均光パワーの測定値と、入力光の振動数と、プランク定数を用いて、当該入力光の入力平均光子数ninを容易に算出することができる。また,光パワーメータ機能が付いた光学装置,たとえば光スペクトラムアナライザなどを用いてもよい.
ステップS4では、PSAの利得を測定する。具体的には、例えば公知の光スペクトラムアナライザを用いることによって測定したPSA2の入力光の光スペクトルの測定値と、PSA2による増幅光の光スペクトルの測定値とに基づいて、PSA2の利得を算出する。
ステップS5では、ステップS1〜S4での測定値を用いて、PSAの雑音指数を測定する。具体的には、ステップS1で測定した入力光の相対強度雑音RINinの測定値と、ステップS2で測定したPSA2による増幅光の相対強度雑音RINtotalの測定値と、ステップS3で測定した入力光の平均光パワーの測定値から算出した入力光の入力平均光子数ninと、ステップS4で測定したPSA2の利得gの測定値とに基づいて、PSA2の雑音指数を算出する。
ここでは、光源1として外部の共振器レーザ光源を用い、その光源からの出力されたCW光を周期分極反転ニオブ酸リチウム(PPLN)を用いたPSA2で増幅した場合のPSA2の雑音指数を市販のRIN評価装置5を用いて評価した。また、光フィルタ3として、帯域幅2nmの光バンドパスフィルタを用いた。
図2には、上記評価によって得られた増幅光の相対強度雑音RINtotalの周波数依存性201と、上記評価によって得られたPSA2の雑音指数の周波数依存性202が示されている。
また、図2には、同様の構成のPSA2を従来の光学的評価法によって測定したときの雑音指数の周波数依存性203が、比較例として示されている。この比較例としての光学的評価法による雑音指数の周波数依存性203は、PSA2の利得、増幅後の光スペクトル上の自然放出光レベル、および式(28)によって得られるOSA法による雑音指数の理論式を用いて、OSA法での雑音指数の値を算出したものである。
以上のように、本実施の形態に係る雑音指数測定方法によれば、入力光の相対強度雑音と増幅光の相対強度雑音を測定し、上記式(26)または式(27)に基づいてPSAの雑音指数(NF)を測定するので、PSAの雑音評価の際に重要となる構成部品から生じるMPI雑音や励起光の生成に用いるレーザ増幅器から混入する雑音等の過剰雑音の影響を含めた正確な雑音指数を測定することができる。すなわち、本実施の形態に係る雑音指数測定方法によれば、全電気的な測定によって雑音指数を評価することができるので、ESA法とOSA法を混合させた従来の測定法に比べて測定精度の向上を図ることができる。
次に、本実施の形態に係る雑音指数測定方法を実現するための雑音指数測定装置について説明する。
図4は、本発明の一実施の形態に係る雑音指数測定装置を含む測定システムの具体的な構成を示す図である。同図において、上述の図3と同様の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
図5に示されるように、雑音指数測定装置10は、制御部100、入力光スペクトル取得部101、増幅光スペクトル取得部102、第1相対強度雑音取得部104、第2相対強度雑音取得部105、記憶部106、利得算出部107、および雑音指数算出部108を有している。
先ず、雑音指数測定装置10における制御部100が光源1を制御することによって、所望の光パワーの入力光を発生させ、その入力光を平均光パワーの測定値を光パワーメータ7によって測定する。雑音指数測定装置10は、入力光パワー取得部103によって入力光の平均光パワーの測定結果24を取得する。
Claims (8)
- 位相感応光増幅器に入力する入力光を光電変換して得られた電力に基づいて測定された前記入力光の相対強度雑音と、前記位相感応光増幅器によって増幅された増幅光を光電変換して得られた電力に基づいて測定された前記増幅光の相対強度雑音とに基づいて、前記位相感応光増幅器における自然放出光に基づく雑音と前記自然放出光以外の要因に基づく過剰雑音とを含む前記位相感応光増幅器の雑音指数を算出する
ことを特徴とする雑音指数測定方法。 - 請求項1に記載の雑音指数測定方法において、
前記入力光の相対強度雑音の測定値を取得する第1ステップと、
前記増幅光の相対強度雑音の測定値を取得する第2ステップと、
前記入力光の平均光パワーの測定値を取得する第3ステップと、
前記位相感応光増幅器の利得の測定値を取得する第4ステップと、
前記第1ステップで取得した前記入力光の相対強度雑音の測定値と、前記第2ステップで取得した前記増幅光の相対強度雑音の測定値と、前記第3ステップで取得した前記入力光の平均光パワーの測定値と、前記第4ステップで取得した前記位相感応光増幅器の利得の測定値とに基づいて、前記雑音指数を算出する第5ステップと、を含む
ことを特徴とする雑音指数測定方法。 - 請求項1に記載の雑音指数測定方法において、
前記入力光の相対強度雑音の測定値を取得する第1ステップと、
前記増幅光の相対強度雑音の測定値を取得する第2ステップと、
前記入力光の平均光パワーの測定値を取得する第3ステップと、
前記第1ステップで取得した前記入力光の相対強度雑音の測定値と、前記第2ステップで取得した前記増幅光の相対強度雑音の測定値と、前記第3ステップで取得した前記入力光の平均光パワーの測定値とに基づいて、前記雑音指数を算出する第4ステップと、を含む
ことを特徴とする雑音指数測定方法。 - 位相感応光増幅器に入力する入力光を光電変換して得られた電力に基づいて測定された前記入力光の相対強度雑音の測定値を取得する第1相対強度雑音取得部と、
前記位相感応光増幅器によって増幅された増幅光を光電変換して得られた電力に基づいて測定された前記増幅光の相対強度雑音の測定値を取得する第2相対強度雑音取得部と、
前記位相感応光増幅器の利得の測定値を取得する利得取得部と、
前記入力光の平均光パワーの測定値を取得する入力光パワー取得部と、
前記第1相対強度雑音取得部で取得した前記入力光の相対強度雑音の測定値と、前記第2相対強度雑音取得部で取得した前記増幅光の相対強度雑音の測定値と、前記利得取得部で取得した前記位相感応光増幅器の利得の測定値と、前記入力光パワー取得部で取得した前記入力光の平均光パワーの測定値とに基づいて、前記位相感応光増幅器における自然放出光に基づく雑音と前記自然放出光以外の要因に基づく過剰雑音を含む雑音指数を算出する雑音指数算出部と、を有する
ことを特徴とする雑音指数測定装置。 - 位相感応光増幅器に入力する入力光を光電変換して得られた電力に基づいて測定された前記入力光の相対強度雑音の測定値を取得する第1相対強度雑音取得部と、
前記位相感応光増幅器によって増幅された増幅光を光電変換して得られた電力に基づいて測定された前記増幅光の相対強度雑音の測定値を取得する第2相対強度雑音取得部と、
前記入力光の平均光パワーの測定値を取得する入力光パワー取得部と、
前記第1相対強度雑音取得部で取得した前記入力光の相対強度雑音の測定値と、前記第2相対強度雑音取得部で取得した前記増幅光の相対強度雑音の測定値と、前記入力光パワー取得部で取得した前記入力光の平均光パワーの測定値とに基づいて、前記位相感応光増幅器における自然放出光に基づく雑音と前記自然放出光以外の要因に基づく過剰雑音を含む雑音指数を算出する雑音指数算出部と、を有する
ことを特徴とする雑音指数測定装置。 - 光を照射する光源と、
前記光源から照射された光の平均光パワーを測定する光パワー測定器と、
前記位相感応光増幅器と、
受光した光を電気信号に変換する光検出器と、
前記光検出器によって変換された電気信号に基づいて相対強度雑音を測定する相対強度雑音測定器と、
前記光源から出力された光を前記位相感応光増幅器に入力するとともに前記位相感応光増幅器から出力された光を前記光検出器に入力する経路、または前記光源から出力された光を前記位相感応光増幅器に入力させずに前記光検出器に入力する経路を形成する光スイッチと、
前記光パワー測定器によって測定された前記平均光パワーと、前記相対強度雑音測定器によって測定された相対強度雑音とが入力される請求項6または7に記載の雑音指数測定装置と、を備える
ことを特徴とする雑音指数測定システム。
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JPN6016020999; M. Asobe, et al.: 'Phase sensitive amplification with noise figure below the 3 dB quantum limit using CW pumped PPLN wa' Optics Express Vol.20, No.12, 20120604, pp.13164-13172 * |
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