JP2790836B2 - 光位相変調特性の測定装置 - Google Patents

光位相変調特性の測定装置

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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> 本発明は光位相変調器の変調特性を測定する装置に関
する。
<従来の技術> コヒーレント光通信では、位相変調方式が優れている
ことが知られている。従来、光の位相変調の特性測定に
は、2つの光路のうちのいずれか一方に光位相変調器を
挿入して位相変調を行う光路と、位相変調を行わない光
路の干渉を利用したマッハツェンダ干渉計が用いられて
いる。
このマッハツェンダ干渉計は第4図の模式図に示すよ
うに入力ポート7,出力ポート13を有する光路10と、入力
ポート8,出力ポート14を有する光路11とから成り、光路
10,11の間には、光信号を相互に干渉結合させる第1,第
2の結合回路9,12が設けられている。従って、いずれか
一方の入力ポート7,8に光信号を入力すると、第1の結
合回路9で、光信号は2つの光路10,11に分岐して各光
路中を伝播することになる。ここで、光路10,11は光路
長が等しくなく、光路長差があるため、各光路10,11を
伝播する光信号には、光路長差に応じた伝播時間差を生
じることになる。そして、第2の結合回路12で相互に干
渉を受け合波した光信号は各出力ポート13,14で入力光
信号の位相に従って強度が周期的に変化するいわゆる縞
模様の光信号として出力されることになる。
このようなマッハツェンダ干渉計により位相変調特性
測定を行うには、第5図及び第6図に示すように一方の
光路10に被測定位相変調器15を挿入して行う。即ち、半
導体レーザ1から入力ポート8へ下式で示されるコヒー
レントな光信号を入力する。
S(t)=A(t)cosωt …(1) 但し、A(t)は光の電界、ωは光の角周波数であ
る。第1の結合回路9で相互干渉し、被測定位相変調器
15を通過した後、第2結合回路12の直前における各光路
10,11の光信号は下式で示される。
S1(t)=A(t)sin{ωt+θ(t)} …(2) S2(t)=A(t)cos{ω(t+τ)} …(3) 但し、θ(t)は位相変調信号、τは光路10,11の光
路長差による伝播時間差である。そして、第2の結合回
路12により合波した後、各出力ポート13,14に現われる
光信号は下式で示される。
S3(t)=A(t)sinω(t+τ) +A(t)sin{ωτ+θ(t)} …(4) S4(t)=A(t)cosω(t+τ) −A(t)cos{ωτ+θ(t)} …(5) そして、このような光信号を光電変換器3,4は2乗検
波し、平均化することにより光電変換し、下式に示す電
気信号とする。
S5(t)=2A(t) +2A(t)2cos{ωτ+θ(t)} …(6) S6(t)=2A(t) −2A(t)2cos{ωτ+θ(t)} …(7) ここで、位相ωτが(8)式の条件を満足すれば、
(6)(7)式は下式のように変形される。ただし、n
は0を含む整数である。
ωτ=π/2+2πn ……(8) S5(t)=2A(t) +2A(t)2cos{π/2+θ(t)} …(9) S6(t)=2A(t) −2A(t)2cos {π/2+θ(t)} …(10) 第7図は、(10)式表わされるマッハツェンダ干渉計
の光通過特性図であって、横軸に光の位相をとり、縦軸
に通過光の光強度をとっている。このグラフから明らか
なように、位相変調信号θ(t)の時間的な変化に対し
て、マッハツェンダ干渉計の通過光が図中bで示すよう
に時間的に変化する様子がわかる。
更に、光電変換器3,4からの電気信号の差分を取ると
下式に示すように、位相変調信号θ(t)に無関係な成
分である(9)(10)式の第1項は除去される。
S5(t)−S6(t)=4A(t)2cos{π/2+θ
(t)} =4A(t)2sinθ(t) …(11) <発明が解決しようとする課題> マッハツェンダ干渉計により、(9)(10)あるいは
(11)式に示す最適な結果を得るには、位相ωτが
(8)式の条件を満足する必要がある。
ところが、温度変化などにより被変調光は周波数ゆら
ぎを起こすため、位相ωτが(8)式の条件を厳密に維
持することは困難である。そこで、周波数ゆらぎの影響
を抑制し、位相ωτが(8)式の条件に近い状態を維持
するには、光路長差に対応する伝播時間差τをできるだ
け小さくすることが考えられる。例えば、温度変化、振
動等の影響による半導体レーザの発振周波数の変化は1G
Hz程度であるので、十分精度の良い測定を行うために
は、伝播時間差τを100psec以下とする必要がある。
しかし、このように伝播時間差τを極めて小さくした
状態において、温度バイアス電流等を調整して半導体レ
ーザの発振周波数を変化させることにより、位相ωτが
(8)式の条件を満足することは困難であった。
また、温度変化による光路長の変化も無視できず、位
相ωτが(8)式の条件を維持するには、系全体の温度
を安定化させる必要があった。
本発明は、上記従来技術に鑑みてなされたものであ
り、発振周波数のゆらぎに対して、伝播時間差τを小さ
くすることによりその影響を抑制するのではなく、むし
ろ、その発振周波数のゆらぎを検出して、そのゆらぎを
積極的に打ち消して、安定した精度の良い測定を行える
装置を提供することを目的とする。
<課題を解決するための手段> 斯かる目的を達成する本願の第1の発明の構成はコヒ
ーレントな光信号を発振する半導体レーザと、該半導体
レーザからの光信号を2つの光路に分岐すると共に該光
路のいずれか一方に被測定位相変調器を挿入して位相変
調し、更に前記光路の光信号を相互に合波して2つの出
力ポートに出力する光学系と、前記光学系からの2つの
光信号をそれぞれ電気信号に変換する2つの光電変換器
と、前記2つの光電変換器からの電気信号を差分した電
気信号に基づいて前記半導体レーザの発振周波数を前記
位相変調の変調速度よりも狭い帯域で自動制御する制御
回路とを設けたことを特徴とする。また、上記目的を達
成する本願の第2の発明の構成はコヒーレントな光信号
を発振する半導体レーザと、該半導体レーザからの光信
号を2つの光路に分岐すると共に該光路のいずれか一方
に被測定位相変調器を挿入して位相変調し、更に前記光
路の光信号を相互に合波して2つの出力ポートに出力す
る光学系と、前記光学系からの2つの光信号をそれぞれ
電気信号に変換する2つの光電変換器と、前記2つの光
電変換器からの電気信号を差分した電気信号に基づいて
前記光学系の光路長差を前記位相変調の変調速度よりも
狭い帯域で自動制御する制御回路とを設けたことを特徴
とする。
<作用> 半導体レーザの発振周波数は、温度変化、振動等によ
り周波数のゆらぎを生じ、このため位相ωτは(8)式
を満足せず、下式に示すようにδだけずれてしまう。
ωτ=π/2+2πn+δ …(12) 従って、上記(11)式は下式のように書き直される。
S5(t)−S6(t) =4A(t)2sin{δ+θ(t)} …(13) ここで、制御回路として、例えば位相変調信号θ
(t)の速度よりも制御帯域の狭いものを用いれば、θ
(t)=0とみなすことが可能である。このため(13)
式は下式とすることができる。
S5(t)−S6(t)=4A(t)2sinδ …(14) 従って差分4A(t)2sinδの極性及び大きさに基づ
き、発振周波数又は光路長差を制御してやれば位相ωτ
が(8)式を満足するようにすることが可能である。
<実 施 例> 以下、本発明の実施例について図面を参照して詳細に
説明する。
第1図〜第3図に本願の第1の発明の一実施例を示
す。第1図の構成図に示すように、本発明では光電変換
器3,4からの電気信号の差分に基づいて半導体レーザ1
の発振周波数を自動制御する制御回路6を設けたことに
特徴がある。即ち、マッハツェンダ干渉計2は、光路1
0,11を有すると共にこれら光路10,11の間には第1,第2
の結合回路9,12が設けられている。光路10,11にはそれ
ぞれ入力ポート7,8及び出力ポート13,14が設けられ、光
路10には被測定位相変調器15が挿入される一方、これら
光路10,11には光路差が設定されている。光路10,11とし
ては光ファイバが用いられる。光路11の入力ポート8に
は半導体レーザ1からコヒーレントな光信号が入力され
るようになっており、また、光路10,11の出力ポート13,
14から光信号が光電変換器3,4に入力されるようになっ
ている。光電変換器3,4は、光信号を2乗検波し、平均
化することにより光電変換を行うようになっている。光
電変換器3,4の出力電気信号の差分を出力信号とするた
め、光電変換器3のカソード側の電位と光電変換器4の
アノード側の電位とが加算されるよう直列に接続されて
いる。その差分の出力信号は増幅器5で増幅され、出力
端子16に出力される。
マッハツェンダ干渉計2の光路10,11は光路長に差が
あり、光伝播時間が異なるので、出力ポート13,14の出
力光には干渉が発生する。この干渉は位相により変化す
る。従って、第2図に示すように光電変換器3の出力信
号には、入力光信号と位相変調信号に応じた位相光強度
特性が得られる。第3図は、光電変換器3,4の出力信号
の差分電圧である。
ここで、第2図,第3図に示す曲線の勾配の最も大き
い点aを選び、入力ポート8に入力する光信号の角周波
数ωをこの点に対応した大きさとする。つまり、位相
ωτが前記(8)式を満足するようにする。このよう
に調整すると、光電変換器3,4の出力信号は位相ωτ
を中心としてその振幅が変化する。この振幅の変化は各
出力ポート13,14で逆方向であるので、各出力ポート13,
14の出力信号を減算すると、第3図に示すようにその振
幅は2倍となる。つまり、出力端子16に現われる信号
は、第3図中に曲線bで示されるように時間的に変化す
ることになる。
同様に光電変換器3,4の差分の出力信号を制御回路6
に入力され、制御回路6は差分の信号に基づいて、半導
体レーザ1の周波数を制御する。制御の方法としては、
半導体レーザ1の発振周波数が、温度その他の条件によ
り周波数ゆらぎを起こしても、(8)式の条件を満足す
る状態を維持するようにする。例えば、半導体レーザ1
の周波数ゆらぎにより位相ωτが(8)式を満足せず、
下式のようにδだけずれたとする。
ωτ=π/2+2πn+δ …(12) 従って、光電変換器3,4の差分の信号は(11)式よ
り、下式に示すようになる。
差分信号=4A(t)2sin{δ+θ(t)}…(13) 制御回路6として位相変調信号θ(t)の速度よりも
制御帯域の狭いものを用いれば、θ(t)=0とみなす
ことができ、(13)式は下式で示されるようになる。
差分信号=4A(t)2sinδ …(14) 従って、4A(t)2sinδが零となるように半導体レー
ザ1の発振周波数を増減してやれば、第2図,第3図に
示すようにωτが(8)式の条件を満足した状態を維持
できることになる。
ここで、伝播時間差τを従来に比べて大きくしてやれ
ば、制御が非常に容易となる。例えば、従来は伝播時間
差τが100psec以下とされていたが、これを1nsec以上と
すれば、半導体レーザのバイアス電流を変化させて
(8)式の条件を満足させるための電流の変化量は1/10
以下となり、容易に制御できる。
もちろん、伝播時間差τを大きくしてやれば、それだ
け周波数ゆらぎの影響を位相ωτが大きく受けることと
なるが、本発明のように制御回路6によりその影響を積
極的に排除するので、結果的には第2図,第3図の状態
を維持できる。
尚、上記実施例ではマッハツェンダ干渉計の各光路と
して光ファイバを用いていたが、これに限らず、空間に
光路を形成する各種のマッハツェンダ干渉計を用いても
良い。また、上記実施例では半導体レーザの発振周波数
を制御していたが、これに代えて伝播時間差τを制御す
るようにしても良い。
<発明の効果> 以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本
発明は発振周波数のゆらぎに対して、各光路の伝播時間
差を小さくしてその影響を抑制するのでなく、むしろそ
の発振周波数のゆらぎを積極的に検出して、打ち消すよ
うに制御するので、安定した精度の良い測定を行える。
しかも、伝播時間差を小さくする必要がないので、逆に
伝播時間差を大きくして発振周波数の制御を容易とする
ことができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す構成図、第2図は光電
変換された電圧に対する位相光強度特性を示すグラフ、
第3図は光電変換された電圧の差分に対する位相光強度
特性を示すグラフ、第4図はマッハツェンダ干渉計の構
成図、第5図は被測定位相変調器を挿入したマッハツェ
ンダ干渉計の構成図、第6図は従来の光位相変調特性の
測定装置の構成図、第7図は光電変換された電圧に対す
る位相光強度特性を示すグラフである。 図面中、 1は半導体レーザ、 2はマッハツェンダ干渉計、 3,4は光電変換器、 5は増幅器、 6は制御回路、 7,8は入力ポート、 9,12は第1,第2の結合回路、 10,11は光路、 13,14は出力ポート、 16は出力端子である。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】コヒーレントな光信号を発振する半導体レ
    ーザと、 該半導体レーザからの光信号を2つの光路に分岐すると
    共に該光路のいずれか一方に被測定位相変調器を挿入し
    て位相変調し、更に前記光路の光信号を相互に合波して
    2つの出力ポートに出力する光学系と、 前記光学系からの2つの光信号をそれぞれ電気信号に変
    換する2つの光電変換器と、 前記2つの光電変換器からの電気信号を差分した電気信
    号に基づいて前記半導体レーザの発振周波数を前記位相
    変調の変調速度よりも狭い帯域で自動制御する制御回路
    とを設けたことを特徴とする光位相変調特性の測定装
    置。
  2. 【請求項2】コヒーレントな光信号を発振する半導体レ
    ーザと、 該半導体レーザからの光信号を2つの光路に分岐すると
    共に該光路のいずれか一方に被測定位相変調器を挿入し
    て位相変調し、更に前記光路の光信号を相互に合波して
    2つの出力ポートに出力する光学系と、 前記光学系から2つの光信号をそれぞれ電気信号に変換
    する2つの光電変換器と、 前記2つの光電変換器からの電気信号を差分した電気信
    号に基づいて前記光学系の光路長差を前記位相変調の変
    調速度よりも狭い帯域で自動制御する制御回路とを設け
    たことを特徴とする光位相変調特性の測定装置。
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