JP2635824B2 - 光波長測定器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は、光通信システムあるいは光研究設備等に
用いられる光波長測定器に関する。

背景技術 従来の光波長測定器のほとんどはマイケルソン干渉計
を利用している。このマイケルソン干渉計を用いた光波
長測定器の基本構成を図１に示す。

図１において、被測定光（波長λin）I/Pは第１のハ
ーフミラー81で被測定光I/Pより十分波長の短い基準光R
/P（波長λref）と合波され、マイケルソン干渉計の第
２のハーフミラー82で２系統に分岐される。

一方の分岐光は固定ミラー83により反射されて第２の
ハーフミラー82に戻る。他方の分岐光は移動ミラー84に
入射される。この移動ミラー84は周期的に所定の範囲を
光軸方向に往復移動する。この結果、移動ミラー83の入
射光は変動を受けて第２のハーフミラー82に戻る。

固定ミラー83の反射光と移動ミラー84の反射光は第２
のハーフミラー82で合波され、WDM（波長分離多重）カ
プラ85に入射されて波長別に分離される。各波長λin,
λrefの光はそれぞれ光電変換器（フォトダイオード）8
6,87で電気信号に変換されてカウンタ回路88,89に送ら
れる。

このカウンタ回路88,89は入力信号についてそれぞれ
ピークタイミングを検波し、移動ミラー84が１往復する
間の各成分のピークタイミング信号を計数する。カウン
タ回路88,89で得られた計数値は波長演算器810に送られ
る。

この波長演算器810はカウンタ回路88で得られた被測
定光成分の計数値とカウンタ回路89で得られた基準光成
分の計数値との比（割合）から被測定光と基準光の波長
干渉パターンのピーク数を演算し、このピーク数から被
測定光の波長を換算する。

しかしながら、上記のようなマイケルソン干渉計によ
る光波長測定器では、ミラーを往復運動させる機械的可
動部分を有するため、最大計測速度が約10回／秒に制限
されてしまう。また、信頼性についても、可動部分の存
在が多大な影響を受ける。これは、数年の平均故障間隔
（MTBF）が必要な光通信設備にとってはとりわけ厳しい
条件である。

また、上記光波長測定器では、被測定光と基準光との
波長干渉パターンのピーク数から被測定光の波長を換算
するようにしているので、基準光の波長は安定かつ正確
でなければならない。これも極めて厳しい条件であり、
優れた波長安定性が得られる基準光源として大型かつ高
価なHe−Ne（ヘリウム−ネオン）レーザを用いることが
余儀なくされる。この結果、装置の大型化、コスト増大
を免れない。

以上述べたように、従来の光波長測定器では、機械的
な可動部分が存在しているため、最大計測速度、測定精
度が極めて低く制限され、信頼性に欠ける。また、基準
光源に波長の安定性が要求されるため、大型かつ高価な
レーザを用いなければならず、装置全体が大型かつ高価
なものとなっていた。

この発明は上記の課題を解決するためになされたもの
で、機械的な可動部分となる構成要素がなく、計測を高
速化し、測定精度をあげて信頼性を向上させることがで
き、小型かつ安価な光波長測定器を提供することを目的
とする。

発明の開示 この発明に係る光波長測定器では、波長依存性を有す
る群遅延分散媒体を利用し、被測定光を基準信号により
光強度変調した変調光を群遅延分散媒体に通して波長に
対応した遅延を与え、電気信号に変換して基準信号との
位相差を求めることで、被測定光の波長を換算可能にし
ている。

図面の簡単な説明 図１は従来の光波長測定器の構成を示すブロック構成
図であり、 図２はこの発明に係る光波長測定器の一実施例の基本
構成を示すブロック構成図であり、 図３は同実施例の波長対位相検波出力特性を示す特性
図であり、 図４はこの発明に係る光波長測定器の参照光を用いた
場合の実施例の構成を示すブロック構成図であり、 図５はこの発明に係る光波長測定器の参照光を多重し
ない場合の実施例の構成を示すブロック構成図であり、 図６はこの発明に光波長測定器の波長依存性のない群
遅延分散媒体を使用する場合の実施例の構成を示すブロ
ック構成図であり、 図７はこの発明に係る光波長測定器の複数の変調周波
数を多重化する場合の実施例の構成を示すブロック構成
図であり、 図８はこの発明に係る光波長測定器のPLL回路を利用
する場合の実施例の構成を示すブロック構成図であり、 図９はこの発明に係る光波長測定器の互いに長さの異
なる群遅延分散媒体を用いる場合の実施例の構成を示す
ブロック構成図である。

発明を実施するための最良の形態 以下、図面を参照してこの発明の実施例を詳細に説明
する。

図２はこの発明に係る光波長測定器の基本構成を示す
ものである。図２において、入射された被測定光は光変
調器１に送られる。この光変調器１は信号源２からの基
準信号により入射光の光強度を変調するもので、変調を
受けた被測定光（以下、変調光と称する）は群遅延分散
媒体３に入射される。

この群遅延分散媒体３には、例えば高分散媒質の遅延
分散特性を有する数キロメートルのシングルモードファ
イバが使用される。この群遅延分散媒体３で遅延された
変調光はフォトダイオード等の光電変換器４で電気信号
に変換され、位相比較器５に送られて、信号源２からの
基準信号をもとに位相検波される。

上記構成において、以下その動作を説明する。

まず、被測定光は光変調器１で基準信号により光強度
変調され、群遅延分散媒体３を通り、光電変換器４で電
気信号に変換される。この電気信号は入射光の光強度変
化に対応しており、位相比較器５で基準信号をもとに位
相検波され、群遅延分散Ｄ（pF/nm）は微小波長の変化
Δλと群遅延差Δｔより、Ｄ＝−Δt/Δλと表せる。

したがって、上記群遅延分散媒体３がＤ［ps/nm］の
群遅延分散特性を持っているとすると、基準信号の周波
数がfm［GHz］の場合、被測定光の波長がΔλだけ変化
したときの媒体３の出射光の位相の変化Δphaseは、 Δphase＝fm・Δλ・Ｄ×360/1000［deg/nm］ …（１） として与えられる。この式から明らかなように、位相比
較器５で得られる位相検波出力は被測定光の波長変化Δ
λに比例する。

この波長対位相検波出力特性をグラフに表すと図３の
ようになる。図３に示すように、位相検波出力特性は波
長に対して線形に変化し、位相検波出力がゼロとなる波
長λ０が必ず存在する。したがって、被測定光の波長を
測定するためには予めこの特性を測定器側で記憶してお
く必要がある。

尚、位相は360゜の範囲でしか測定できないので、波
長測定範囲（Rangeと呼ぶ）は、 Range＝1000/（fm・Ｄ）［nm］ …（２） となる。

具体的な例として、上記波長分散媒体３として波長15
50［nm］時での分散が20［ps/n・km］となるシングルモ
ードファイバを用い、基準信号の周波数fmを１［GHz］
とした場合を考える。

まず、位相検波出力が０となる波長λ０を求める。こ
れは光源からの光を測定器に向けて入射させ、光源にお
いて波長を変化させて測定器の位相検波出力がゼロとな
る波長λ０をモニタすることによって求める。この特性
は波長対位相検波出力特性として測定器に記憶される。

上記した数値例の場合、群遅延分散媒体３の全分散Ｄ
は200［ps/nm］となるから、その出射光の波長変化１
［nm］時の位相変化Δphaseは、 Δphase＝１［GHz］×200［ps/nm］×360/1000［deg］ ＝72［deg］ となる。よって、位相変化１［deg］当りの波長変化Δ
λは1/72［nm］＝0.014［nm］となる。

被測定光の波長は、位相検波出力を波長変化Δλに変
換した値に予め求めたλ０の値を加えることによって求
めることができる。

この場合、構成要素に機械的な可動部分がないのでリ
アルタイムにかつ高精度に測定可能であり、計測の高速
化を実現できる。また、基準光が不要なため、従来のよ
うな大型かつ高価なレーザの使用を排除することがで
き、装置を小型かつ安価にすることができる。

但し、上記実施例では、位相検波範囲が360［deg］で
あるから、波長測定は５［nm］に制限される。この制限
は、変調周波数fmを低くするか、あるいは群遅延分散媒
体３の長さを短くしてＤを小さくすることにより広げる
ことができる。

ところで、上記構成による光波長測定器では、温度変
化に起因するドリフトを補償する必要がある。すなわ
ち、小さくランダムな温度変化であっても、群遅延分散
媒体３に用いるファイバ等の長さ、屈折率、伝送遅延量
が多用に変化してしまう。これは計測システムにとって
明らかに致命的な問題である。

この問題を解決するための一手法として、参照光を用
いることが考えられる。図４にその構成を示す。

図４において、入射された被測定光（波長λin）はWD
M（波長分離多重）カプラ11で光源12からの参照光（波
長λref）と多重され、光変調器13で信号源14からの基
準信号により光強度変調を受ける。光源12には一般的な
半導体レーザが使用可能である。

光変調器13から出射される変調光は群遅延分散媒体15
で群遅延分散を受け、WDMカプラ16で波長λin,λrefの
成分別に分離される。このWDMカプラ16の各分離光はそ
れぞれ光電変換器17,18で電気信号に変換されて位相比
較器19に送られて位相検波される。

すなわち、上記構成による光波長測定器では、被測定
光と参照光が同じ群遅延分散媒体15を通って検出され
る。よって、両検出信号は、温度変化等によって分散媒
体15にいかなる特性変動が生じたとしても、等しくその
影響を受けることになる。したがって、これらの検出信
号の相対位相差を位相比較器19で検出することにより、
被測定光の波長λinを精度よく求めることができる。

但し、温度変化による影響は、参照光の波長精度にも
直接影響する。しかしながら、従来のように光源として
波長安定性の優れたHe−Neレーザを用いる必要はなく、
参照光波長λrefを分散媒体15の最小分散波長（既存の
光通信回線に用いられているファイバでは1310［nm］）
にセットしておけば、一般的な半導体レーザを用いても
波長変動の影響を無視できる程度に抑えることができ
る。

上記構成において、さらに考慮しなければならない課
題は、分離時に入射光と参照光との間で十分なアイソレ
ーションを確保することである。例えば正弦波による光
強度変調の場合、アイソレーションの要求は30［db］の
オーダーであるが、このような広大な帯域幅を越えたア
イソレーションを得るためには光フィルタが必要とな
る。このようなフィルタでさえ、入射光と参照光との間
で少なくとも100［nm］の波長の分離が必要である。

この課題を解決するための一手法として、入射光と参
照光を多重しない方法が考えらえる。図５にその構成を
示す。

図５において、入射された被測定光（波長λin）は光
変調器21で信号源22からの基準信号により光強度変調さ
れ、群遅延分散媒体23を通り、光電変換器24で電気信号
に変換されて位相比較器25に送られる。また、光源26か
らの参照光も、光変調器27で信号源22からの基準信号に
より光強度変調され、群遅延分散媒体28を通り、光電変
換器29で電気信号に変換されて位相比較器25に送られ
る。

上記群遅延分散媒体23と28は、物理的にできるだけ接
近させて同一環境下に設置しておくことで、温度変化に
よる特性変動をほぼ同一にしておく。この構成によれ
ば、入射光と参照光を多重／分離しないので、当然のこ
とながらアイソレーションを考慮する必要はなく、位相
比較器25で得られる位相差から波長を正確に求めること
ができる。

しかしながら、図５の構成では参照光用の光源の他、
被測定光用と参照光用に別々の光変調器が必要となり、
構成が複雑化し、装置全体が大型になる。

この課題を解決するための一手法として、波長依存性
のない群遅延分散媒体を使用する方法が考えられる。図
６にその構成を示す。

図６において、入射された被測定光（波長λin）は光
変調器31で信号源32からの基準信号により光強度変調さ
れた後、WDMカプラ33で第１、第２の系統に分配され
る。

第１の系統に分配された変調光は波長依存性を有する
群遅延分散媒体34で波長に対応した遅延が与えられ、光
電変換器35で電気信号に変換されて位相比較器36に送ら
れる。第２の系統に分配された変調光は波長依存性のな
い群遅延分散媒体37で一定の遅延が与えらえ、光電変換
器38で電気信号に変換されて位相比較器36に送られる。

第１の系統の群遅延分散媒体34には、例えば高分散媒
質の遅延分散特性を有する数キロメートルのシングルモ
ードファイバを、伝送光の波長帯に対して直線的分散特
性部分で使用する。また、第２の系統の群遅延分散媒体
37には、例えば伝送光の波長帯について上記群遅延分散
媒体34に使用されるファイバと同サイズかつ同構造のフ
ァイバを零分散点近傍で使用する。両系統の媒体34,37
は近接配置され、同一環境下に置かれる。

すなわち、上記構成による光波長測定器では、光強度
変調された被測定光を第２の系統で波長依存性のない群
遅延分散媒体37に通して一定の遅延を与えると、これを
参照光としてみることができる。このとき、各系統の群
遅延分散媒体34,37は同サイズ、同構造でかつ同一環境
下に置かれるため、温度変化に対して特性変動も同一と
なる。

したがって、上記構成によれば、参照光用の光源及び
参照光を変調する光変調器を用いずに、第２の系統で図
５の参照光群遅延分散出力と同一の分散出力が得られ
る。これにより、両系統の変調光について位相比較器36
で位相差をみることにより、波長を正確に求めることが
できる。

ところで、以上の各実施例では、前述したように測定
範囲が制限され、これによって測定分解能もあまり大き
くとることができない。この問題を解決するための一手
法として、変調周波数を多重化する方法が考えられる。
図７にその構成を示す。尚、図７において、図２同一部
分には同一符号を付して示し、ここでは異なる部分を中
心に述べる。

図７において、信号源221〜22nはそれぞれ異なる周波
数f1〜fnの正弦波信号を発生する。但し、f1＜f2＜…＜
fnである。各信号源221〜22nで発生された周波数信号は
多重されて被測定光用の光変調器21及び参照光用の光変
調器27に送られ、各入射光を光強度変調する。

また、光電変換器24,29の各出力信号はそれぞれｎ系
統に分かれる。各系統には、対応する系統の信号源221
〜22nの各出力周波数成分のみを通過させるバンドパス
フィルタ2a11,2a12,2a21,2a22,…,2an1,2an2を介して、
各系統毎に設けられた位相比較器251〜25nに送られる。

すなわち、上記構成の光波長測定器では、互いに周波
数の異なるｎ系統の基準信号を多重して被測定光を光強
度変調し、群遅延分散、光電変換後にｎ系統に分け、基
準信号の周波数別に位相検波するようにしている。基準
信号の周波数増減は、（２）式から明らかなように、波
長測定範囲の幅を比例的に増減する。よって、低い周波
数の基準信号について位相差を見れば、広い範囲での波
長測定が可能となる。但し、基準信号周波数を低くする
と、（１）式から明らかなように分解能が低下する。し
たがって、いずれの系統の位相検波出力をとるかは、波
長測定範囲の幅と分解能とのバランスが良好となるもの
を選択すればよい。

ところで、図６の実施例の構成に代わり、温度変化に
よる群遅延分散媒体のファイバ長変化がもたらす位相変
化を補償する方法として、PLL（位相同期グループ）回
路を利用することも考えられる。図８にその構成を示
す。尚、図８において、図５と同一部分には同一符号を
付して示し、ここでは異なる部分を中心に述べる。

図８において、信号源22にはVCO（電圧制御発振器）
が用いられ、その発振出力は基準信号として光変調器2
1,27に送られると共に、位相比較器2bに送られる。この
位相比較器2bは信号源22の出力と共に参照光側の光電変
換出力を入力し、両者の位相差を出力する。この位相比
較器2bの出力はローパスフィルタ2cで電圧信号に変換さ
れ、周波数制御信号として信号源（VCO）22に送られ
る。

すなわち、上記構成による光波長測定器では、参照光
側の位相変化が一定となるように信号源22の発振周波数
が制御されるため、温度変化による群遅延分散媒体23,2
8のファイバ長変動がもたらす位相変化を補償すること
ができる。

ところで、波長測定範囲を拡大する方法として、互い
に長さの異なる群遅延分散媒体を用いる方法も考えられ
る。図９にその構成を示す。但し、図９において、図２
と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは異なる
部分を中心に説明する。

図９において、光変調器１で光強度変調された被測定
光（変調光）は方向性結合器６により複数系統（図では
２系統）に分配される。一方の系統（第１の系統）の変
調光は比較的長い長さの群遅延分散媒体301を通り、光
電変換器401で電気信号に変換されて、基準信号と共に
位相比較器501に送られる。また、他方の系統（第２の
系統）の変調光は比較的短い長さの群遅延分散媒体302
を通り、光電変換器402で電気信号に変換されて、基準
信号と共に位相比較器502に送られる。

すなわち、上記構成による光波長測定器では、変調光
をそれぞれ異なる長さの群遅延分散媒体301,302に通し
て、各位相変化をそれぞれ位相比較器501,502で基準信
号をもとに取り出すようにしている。群遅延分散媒体の
長さが変化すると、（１）式から明らかなように位相変
化も比例して増減される。よって、長い方の媒体301を
通した系統で高い分解能での測定が可能となる。

但し、（２）式から明らかなように、媒体の長さが長
くなると、波長測定範囲が媒体の長さに反比例して狭く
なる。したがって、いずれの系統の位相検波出力をとる
かは、波長測定範囲の幅と分解能とのバランスが良好と
なる方を選択すればよい。

尚、この発明は上記実施例に限定されるものではな
く、その他、この発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変
形しても実施可能であることはいうまでもない。

産業上の利用可能性 以上のように、この発明に係る光波長測定器は、機械
的な可動部分となる構成要素がなく、計測を高速化し、
測定精度をあげて信頼性を向上させることができ、小型
かつ安価なものとして有用できる。

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一定周波数の基準信号を発生する信号源
   と、この信号源から出力される基準信号により被測定光
   を光強度変調する光変調器と、この光変調器の出力光に
   波長に対応した遅延を与える群遅延分散媒体と、この媒
   体の出力光を電気信号に変換する光電変換器と、この光
   電変換器の出力信号と前記信号源から出力される基準信
   号との位相差を求める位相比較器とを具備し、前記位相
   比較器で得られる位相差から被測定光の波長を求めるこ
   とを特徴とする光波長測定器。
2. 【請求項２】特定波長の参照光を放射する光源と、一定
   周波数の基準信号を発生する信号源と、前記光源から放
   射される参照光と被測定光を波長多重する光多重化手段
   と、この手段で波長多重された光を前記信号源から出力
   される基準信号で光強度変調する光変調器と、この光変
   調器で強度変調された光に波長に対応した遅延を与える
   群遅延分散媒体と、この媒体の出力光を波長別に分離す
   る光分離手段と、この手段で分離された光をそれぞれ電
   気信号に変換する光電変換器と、この光電変換器で得ら
   れた各電気信号の位相差を求める位相比較器とを具備
   し、前記位相比較器で得られる位相差から被測定光の波
   長を求めることを特徴とする光波長測定器。
3. 【請求項３】前記光源は半導体レーザであることを特徴
   とする請求の範囲第２項記載の光波長測定器。
4. 【請求項４】一定周波数の基準信号を発生する信号源
   と、この信号源から出力される基準信号により被測定光
   を光強度変調する第１の光変調器と、この第１の光変調
   器の出力光に波長に対応した遅延を与える第１の群遅延
   分散媒体と、この媒体の出力光を電気信号に変換する第
   １の光電変換器と、特定波長の参照光を放射する光源
   と、この光源から放射される参照光を前記信号源から出
   力される基準信号により光強度変調する第２の光変調器
   と、前記第１の群遅延分散媒体とは同一サイズ、同一構
   造でその近傍に配置されて同一環境下に置かれ、前記第
   ２の光変調器の出力光に波長に対応した遅延を与える第
   ２の駆動遅延分散媒体と、この媒体の出力光を電気信号
   に変換する第２の光電変換器と、前記第１、第２の光電
   変換器の出力信号の位相差を求める位相比較器とを具備
   し、前記位相比較器で得られる位相差から被測定光の波
   長を求めることを特徴とする光波長測定器。
5. 【請求項５】前記光源は半導体レーザであることを特徴
   とする請求の範囲第４項記載の光波長測定器。
6. 【請求項６】前記信号源は、制御信号に応じて周波数を
   可変する発振器と、前記信号源の出力と前記第２の光電
   変換器の出力とを位相比較する位相比較器と、この位相
   比較器の出力を制御信号に変換して前記発振器に供給す
   る信号変換手段とを具備する請求の範囲第４項記載の光
   波長測定器。
7. 【請求項７】一定周波数の基準信号を発生する信号源
   と、この信号源から出力される基準信号により被測定光
   を光強度変調する光変調器と、この光変調器の出力光を
   第１、第２の系統に分配する光分配手段と、この手段で
   分配された第１の系統の光に波長に対応した遅延を与え
   る第１の群遅延分散媒体と、この媒体の出力光を電気信
   号に変換する第１の光電変換器と、前記第１の群遅延分
   散媒体とは同一サイズ、同一構造でかつその近傍に配置
   されて同一環境下に置かれるが伝送光の波長帯で零分散
   点となり、前記光分配手段で分配された第２の系統の光
   に波長に対応した遅延を与える第２の群遅延分散媒体
   と、この媒体の出力光を電気信号に変換する第２の光電
   変換器と、前記第１、第２の光電変換器の出力信号の位
   相差を求める位相比較器とを具備し、前記位相比較器で
   得られる位相差から被測定光の波長を求めることを特徴
   とする光波長測定器。
8. 【請求項８】互いに異なる一定周波数の信号を発生する
   複数の信号源と、この信号源の各出力を多重化する多重
   化手段と、この手段で得られた多重化信号により被測定
   光を光強度変調する第１の光変調器と、この第１の光変
   調器の出力光に波長に対応した遅延を与える第１の群遅
   延分散媒体と、この媒体の出力光を電気信号に変換する
   第１の光電変換器と、特定波長の参照光を放射する光源
   と、この光源から放射される参照光を前記多重化信号に
   より光強度変調する第２の光変調器と、前記第１の群遅
   延分散媒体とは同一サイズ、同一構造でその近傍に配置
   されて同一環境下に置かれ、前記第２の光変調器の出力
   光に波長に対応した遅延を与える第２の駆動遅延分散媒
   体と、この媒体の出力光を電気信号に変換する第２の光
   電変換器と、前記第１、第２の光電変換器の出力信号を
   複数系統に分配する光分配手段と、この手段の各分配信
   号についてそれぞれ前記複数の信号源の周波数成分を通
   過させる複数のバンドパスフィルタと、各系統毎に前記
   フィルタ出力の位相差を求める複数の位相比較器とを具
   備し、前記複数の位相比較器で得られる位相差から被測
   定光の波長を求めることを特徴とする光波長測定器。
9. 【請求項９】一定周波数の基準信号を発生する信号源
   と、この信号源から出力される基準信号により被測定光
   を光強度変調する光変調器と、この光変調器の出力光を
   複数系統に分配する光分配手段と、この手段の分配系統
   それぞれに設けられ、互いに異なる長さで入射光に波長
   対応の遅延を与える複数の群遅延分散媒体と、この複数
   の群遅延分散媒体の各出力光をそれぞれ電気信号に変換
   する複数の光電変換器と、この複数の光電変換器の各出
   力信号と前記信号源から出力される基準信号との位相差
   をそれぞれ求める複数の位相比較器とを具備し、前記複
   数の位相比較器で得られる位相差から被測定光の波長を
   求めることを特徴とする光波長測定器。