JP2925651B2 - 光増幅器の雑音特性測定方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 将来の光通信システムへの適用が期待されている光増
幅器の雑音特性の測定方法に関し、 １個のコヒーレント光源のみを用いて、従来の方法に
比べ格段に簡易かつ精度を低下させることなく光増幅器
の雑音特性を測定できるようにすることを目的とし、 光増幅器の出力光と局発光との合成光を受光して電気
信号に変換した後、該電気信号のうちの一部または全部
の帯域の信号を検出するようにし、該検出信号のうち、
前記局発光を受光した場合と受光しない場合の各雑音信
号パワーに基づき前記光増幅器の雑音特性を測定するよ
うに構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、将来の光通信システムへの適用が期待され
ている光増幅器の雑音特性の測定方法に関する。

光増幅器は、入力光波を直接増幅することが可能であ
ることから、伝送パワーを増加させるためのパワー増幅
器（ブースター・アンプ）、受信感度を改善するための
前置増幅器（プリ・アンプ）、光直接増幅中継器等に利
用可能である。本発明は、このような光増幅器の基本特
性である雑音特性を高精度に測定しようとするものであ
る。

〔従来の技術〕

従来、光増幅器の雑音特性の測定方法については、そ
の方法が確立されているわけではないが、最も一般的な
測定方法として光ヘテロダイン法によるものがある。こ
れは、光増幅器を通過した光と局発光とのビート信号を
受信し、その受信信号（IF信号）の中の雑音成分を分析
することにより、雑音特性を測定しようとするものであ
る。このような光ヘテロダイン法を用いた測定方法にも
幾つかの方法が考えられるが、その中で、光増幅器の有
無によるCNR（キャリア（信号光）対雑音比）を測定
し、これを比較して雑音指数（NF）を求める方法を、以
下に具体的に示す。

この方法は、例えば第３図に示すような測定系を用い
て行う。

すなわち、まず信号光を光増幅器１に入力し、その出
力光と局発光との合成光を（バランス型の）ヘテロダイ
ン受信機２で受信する。なお、光増幅器１として、第４
図に示すようにファイバ型光増幅器３を用いる場合は、
励起用の光源４からの励起光を信号光に合波する必要が
あるため、同図に示すような合波器５や反射戻り光の影
響を防ぐための光アイソレータ６を配置するのが普通で
ある。

上記のヘテロダイン受信機２は、フォトダイオード2
a、増幅器2c、帯域フィルタ2d、スペアナ（スペクトル
・アナライザ）2e及びパワーメータ2f等から構成されて
いる。このヘテロダイン受信機２により、光増幅器１を
挿入した場合と挿入しない場合における各CNRを測定
し、これらに基づきNFを算出する。この算出方法を、以
下に数式を用いて具体的に説明する。

まず、受信機２でヘテロダイン検波して得られたIF信
号のCNRは、以下のように信号ＳとノイズＮの比で表さ
れる。

CNR＝S/N ……（１） ここで、ＳとＮは次のように表すことができる。

Ｓ＝2e²η_c ²η_D ²Γ_inΓＧ＜n_in＞＜n_L＞ ……（２） Ｎ＝N_S＋N_L＋N_SP＋N_S-SP＋N_L-SP＋N_SP-SP＋N_C ……（３） ここで、N_S、N_L、N_SPはそれぞれ信号光、局発光、自
然放出光の各ショットノイズであり、N_S-SP、N_L-SP、N
_SP-SPはそれぞれ信号光と自然放出光、局発光と自然放
出光、自然放出光と自然放出光の各ビートノイズであ
り、Ncは受信機自体の熱雑音であり、それぞれ次のよう
に表すことができる。なお、自然放出光とは、光増幅器
からの自然放出光である。

N_S＝2e²η_ｃη_ＤΓ_inΓＧ＜n_in＞B_if N_L＝2e²η_ｃη_Ｄ＜n_L＞B_if N_SP＝4e²η_ｃη_ＤΓ（Ｇ−１）n_SPΔfB_if N_S-SP＝4e²η_c ²η_D ²Γ_inΓ²G(Ｇ−１)n_SP×＜n_in＞Bif N_L-SP＝4e²η_c ²η_D ²Γ（Ｇ−１）n_SP＜n_L＞Bif N_SP-SP＝4e²η_c ²η_D ²Γ^２（Ｇ−１）²n_SP ²ΔfB_if N^c＝2I_c ²B_if ……（４） 上記式中、ｅは電荷素量（＝1.6×10^-19C）、η_ｃは
光ファイバとフォトダイオードの結合効率、η_Ｄはフォ
トダイオードの量子効率、Γは光増幅器とフォトダイオ
ード間の損失、Γ_inは光増幅器への結合損失、Ｇは光増
幅器のゲイン、n_SPは光増幅器の反転分布パラメータ、
＜n_in＞は光増幅器への入力信号のフォトン数、＜n_L＞
は局発光のフォトン数、Δｆは特定波長の自然放出光の
みを通過させるための光フィルタ（第３図では図示省
略）の帯域、I_Cは受信機の熱雑音電流、B_ifは受信機のI
F帯域である。

ここで、局発光パワーが十分に大きいとすれば、
（３）式中のN_S、N_SP、N_S-SP、N_Cは無視できるので、
（１）式は次のように表すことができる。

CNR〜S/（N_L＋N_L-SP＋N_SP-SP） ＝2e²η_C ²η_D ²Γ_inΓＧ＜n_in＞＜n_L＞／〔2e² ×η_Ｃη_Ｄ（＜n_L＞＋２η_Ｃη_Ｄ（Γ（Ｇ−１）n_SP ×＜n_L＞＋Γ^２（Ｇ−１）²n_SP ²Δｆ））B_if〕 ＝η_Ｃη_ＤΓ_inΓＧ＜n_in＞＜n_L＞／〔（＜n_L＞ ＋２η_Ｃη_ＤΓ（Ｇ−１）n_SP＜n_L＞＋２η_Ｃη_ＤΓ
^２ ×（Ｇ−１）^２）n_SP ²Δｆ）B_if〕 ……（５） ただし、バランス型のヘテロダイン受信機を用いた場
合は、（５）式のうちN_SP-SPは抑圧される。従って、光
増幅器を挿入しない場合と比べ、光増幅器を挿入したこ
とによるCNRの劣化（ΔCNR）は、Γ_inΓＧ＝１の条件
（すなわち損失とゲインの積が１であり、光増幅器を挿
入しない場合と同じことになる）を設定することにより
測定可能である。一方、ΔCNRは、式の上では次のよう
に表すことができる。

ΔCNR＝10Log〔１＋２η_Ｃη_Ｄ((Ｇ−１)/GΓ_in)n_SP ＋２η_Ｃη_Ｄ(Γ(Ｇ−１)²n_SP ²/＜n_L＞ＧΓ_in) ×Δｆ〕 ……（６） よって、光増幅器の反転分布パラメータn_SPは、
（６）式を変形して得られる次式により、ΔCNRの測定
値を使って求めることができる。

n_SP ²＋（Γ_inG＜n_L＞／（Ｇ−１）Δｆ）n_SP −（（ＧΓ_in）^２＜n_L＞/2η_Ｃη_Ｄ（Ｇ−１）^２Δｆ） ×（10^ΔCNR/10−１）＝０ ……（７） 特に、Ｇが十分に大きい時には、次式で近似される。

n_SP ²＋（Γ_in＜n_L＞／Δｆ）n_SP −（Γ_in ²＜n_L＞/2η_Ｃη_ＤΔｆ） ×（10^ΔCNR/10−１）＝０ ……（８） 更に、N_L-SP＞＞N_SP-SPの時には、次式で近似され
る。

2n_SP〜（Γ_in/η_Ｃη_Ｄ）（10^ΔCNR/10−１） ……（９） この値を使って、雑音指数NFは次式により求めること
ができる。

NF〜10Log（2n_SP） ……（10） 〔発明が解決しようとする課題〕 上述した従来の光増幅器の雑音特性の測定方法では、
必ず信号光と局発光とのビートをとる必要があるため、
測定には信号光および局発光という２つのコヒーレント
光源が必要であった。

しかしながら、実際にこうしたコヒーレント光源を揃
えることはなかなか大変であり、特に雑音の測定におい
ては、周波数、パワー等の非常に高精度の安定性が要求
される。雑音特性には波長依存性があり、それを評価す
るためには、こうした安定性を維持しつつ、周波数を変
化させる（ただし、ビート周波数は一定のまま）必要が
あり、こうした要求を満足させる光源を２つ揃えること
は非常に難しいことである。

本発明は、１個のコヒーレント光源のみを用いて、従
来の方法に比べ格段に簡易かつ精度を低下させることな
く光増幅器の雑音特性を測定できるようにすることを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

第１図に、本発明の原理構成を示す。

すなわち、信号光を用いずに、光増幅器10の出力光と
局発光とを合成させ、その合成光をヘテロダイン受信機
11で受信する。ヘテロダイン受信機11では、上記合成光
を受光して電気信号に変換し、この電気信号のうちの一
部または全部の帯域の信号を検出するようにする。そし
て、この検出信号のうち、局発光を受光した場合と受光
しない場合の各雑音信号パワーに基づき、光増幅器10の
雑音特性を測定する。

なお、局発光を受光した場合と受光しない場合の各雑
音信号パワーに基づいて雑音特性を求めることは、上記
雑音信号パワーの測定値を用いて各種演算を行うことに
より実現可能である。その一例として、局発光を受光し
た場合の雑音信号パワーと、局発光を受光しない場合の
雑音信号パワーとが測定されたならば、これらの比を用
いて、例えば後述する（17）式等により雑音特性を算出
することが可能である。雑音特性としては、例えば反転
分布パラメータn_SPや雑音指数NFが一般的である。

また、光増幅器10としては、半導体光増幅器やファイ
バ型光増幅器等を採用することが可能である。

測定に用いる局発光源は、光増幅器10の利得帯域内の
発信波長を持つことが望ましい。

〔作用〕

光ヘテロダイン法において局発光のパワーが十分大き
い場合、IF信号に含まれる雑音は、光増幅器からの自然
放出光と局発光のビート雑音がほとんどである（すなわ
ち、受信機のSNR（信号対雑音比）が自然放出光と局発
光のビート雑音限界である）。このことから、特に信号
光を用いずとも、自然放出光と局発光のビート雑音と、
自然放出光と自然放出光とのビート雑音を測定すること
により、雑音特性を求めることが可能である。そして、
前者のビート雑音は局発光を受光した場合の雑音信号パ
ワーに相当し、後者のビート雑音は局発光を受光しない
場合の雑音信号パワーに相当する。従って、本発明のよ
うに局発光を受光した場合と受光しない場合の各雑音信
号パワーを測定することにより、雑音特性を求めること
ができる。

このように本発明では、ヘテロダイン法において、発
振波長が光増幅器の利得帯域内にあるただ１個のコヒー
レント光源（局発光源）しか必要とせず、しかも信号光
とのビート信号を受信機の帯域内に入れる必要がないの
で、従来の方法に比べて格段に簡易に、しかも精度を低
下させることなく光増幅器の雑音特性を測定することが
可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら
説明する。

第２図は、本発明の一実施例で用いる、光ヘテロダイ
ン法による測定系を示す図である。

本実施例では、光増幅器10に信号光を入力することな
く、光増幅器10の出力光と局発光とを合成し、この合成
光をヘテロダイン受信機11で受信する。こんヘテロダイ
ン受信機11は、フォトダイオード11a、増幅器11b、帯域
フィルタ11c、スペアナ（スペクトル・アナライザ）11d
及びパワーメータ11e等から構成されている。なお、受
光器としてバランス型の２個のフォトダイオードを用い
ると自然放出光と自然放出光とのビート雑音が抑圧され
るため、ここではシングル構成の１個のpinフォトダイ
オードをフォトダイオード11aとして用いている。

このようなヘテロダイン受信機11により、光増幅器10
の出力光と局発光との合成光を受光して電気信号に変換
し、この前記信号のうちの一部または全部の帯域の信号
を検出するようにする。そして、この検出信号から、局
発光を受光した場合と受光しない場合の各雑音信号パワ
ーを測定し、その比を用いて光増幅器10の雑音指数NFを
算出する。この算出方法を、以下に数式を用いて具体的
に説明する。

まず、信号光のない状態で、上記の検出信号に含まれ
るノイズＮは、次式で与えられる。

Ｎ＝N_L＋N_SP＋N_L-SP＋N_SP-SP＋N_C ……（11） すなわち、（３）式において、信号光に関係するノイ
ズ成分N_S、N_S-SPが省かれたものに等しい。

更に、局発光のパワーが十分に大きく、回路雑音N_Cが
N_SP-SPに比べて十分小さいとすれば、ノイズＮは次式で
近似される。

Ｎ＝N_L＋N_L-SP＋N_SP-SP ……（12） 一方、局発光がない場合は、（12）式中から局発光に
関係するノイズ成分N_L、N_L-SPを省くことにより、N
_SP-SPだけが残る。（∵N_SP-SP≫N_C,N_SP） よって、局発光ない場合とある場合のノイズの比をＡ
とおくと、Ａは次式で与えられる。

Ａ＝N_SP-SP/N ＝N_SP-SP/（N_L＋N_L-SP＋N_SP-SP） ＝1/〔（N_L＋N_L-SP）／（N_SP-SP）＋１〕 ……（13） これより、 （N_L＋N_L-SP）/N_SP-SP＝1/A−１ ……（14） と表すことができる。

一方、（４）式を用いれば、 （N_L＋N_L-SP）/N_SP-SP ＝（＜n_L＞/2η_Ｃη_Ｄ＋Γ（Ｇ−１）n_SP＜n_L＞） ÷Γ^２（Ｇ−１）²n_SP ²Δｆ ……（15） と表すことができる。

よって、（14）式および（15）式より、n_SPに関する
以下の二次方程式が得られる。

n_SP ²−（＜n_L＞／（1/A−１）Γ（Ｇ−１）Δｆ）n_SP ＋＜n_L＞/2（1/A−１）η_Ｃη_ＤΓ^２（Ｇ−１）^２Δ ｆ＝０ ……（16） 従って、局発光を入れた場合と入れない場合のノイズ
を測定し、その測定値の比をとることにより上記のＡを
求めることができるので、このＡを使って（16）式を解
くことにより、光増幅器の反転分布パラメータn_SPの値
を求めることができる。

特に、Γ（Ｇ−１）の値が十分に大きい場合には、
（16）式は次式で近似できる。

n_SP＝＜n_L＞／（1/A−１）Γ（Ｇ−１）Δｆ……（17） このn_SPの値を用いて、雑音指数NFは（10）式より求
めることができる。

以上に述べたように、本実施例によれば、信号光を使
わないため、ビート信号の不安定さに関係なく安定に雑
音特性を測定可能である。ただし、ＧおよびΔｆに依存
するので、正確な利得の測定と、帯域幅がしっかりわか
っている比較的狭帯域の光フィルタを使用することが望
ましい。また、ヘテロダイン受信機の帯域内にN_L-SPが
安定に入ってくるように、安定な局発光を用いることが
望ましい。

また、本実施例では、雑音同士を比較して雑音特性を
求めるものであるから、基本的には受信信号のCNRに依
存しない。従って、局発光のパワーを或る程度小さくし
ても、CNRを測定する従来の方法に比べて精度の劣化が
小さいため、局発光パワーに対する要求を緩和すること
が可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、光ヘテロダイン法においてただ１個
のコヒーレント光源しか必要としないので、従来の方法
に比べて簡易に光増幅器の雑音特性を測定することが可
能であり、しかも、高精度な測定が可能である。

しかも、例えば光増幅器の有無によるビート信号のCN
Rを比較する従来の方法に比べて、小さな局発光パワー
に対しても精度が低下しないため、局発光源自体に対す
る要求も大幅に緩和可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理構成図、 第２図は本発明の一実施例で用いる、光ヘテロダイン法
による測定系を示す図、 第３図は従来における光ヘテロダイン法による測定系を
示す図、 第４図はファイバ型光増幅器の構成を示す図である。 10……光増幅器、 11……ヘテロダイン受信機、 11a……フォトダイオード、 11b……増幅器、 11c……帯域フィルタ、 11d……スペアナ、 11e……パワーメータ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01M 11/00 G02F 2/00,1/35 H01S 3/07

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光増幅器（10）の出力光とコヒーレントな
   局発光との合成光を受光して電気信号に変換した後、該
   電気信号のうちの一部または全部の帯域の信号を検出す
   るようにし、該検出信号のうち、前記局発光を受光した
   場合と受光しない場合の各ビート雑音信号パワーに基づ
   き前記光増幅器（10）の雑音特性を測定することを特徴
   とする光増幅器の雑音特性測定方法。
2. 【請求項２】前記局発光は、前記光増幅器（10）の利得
   帯域内の発振波長を持つことを特徴とする請求項１記載
   の光増幅器の雑音特性測定方法。
3. 【請求項３】前記局発光を受光した場合の雑音信号パワ
   ーと、前記局発光を受光しない場合の雑音信号パワーと
   の比を用いて、前記光増幅器（10）の雑音特性を算出す
   ることを特徴とする請求項１または２記載の光増幅器の
   雑音特性測定方法。
4. 【請求項４】前記雑音特性は前記光増幅器（10）の反転
   分布パラメータまたは雑音指数であることを特徴とする
   請求項１乃至３のいずれか１つに記載の光増幅器の雑音
   特性測定方法。
5. 【請求項５】前記光増幅器（10）として半導体光増幅器
   を用いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１
   つに記載の光増幅器の雑音特性測定方法。
6. 【請求項６】前記光増幅器（10）としてファイバ型光増
   幅器を用いることを特徴とする請求項１乃至４のいずれ
   か１つに記載の光増幅器の雑音特性測定方法。