JP3837965B2 - 光回路の特性測定方法及びその装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光回路の特性測定方法及びその装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
光通信の分野においては、複数の信号を別々の波長の光にのせ、1本の光ファイバで伝送し情報容量を増加する、波長分割多重方式が検討されている。この方法では、異なる波長の光を合分波する光波長合分波器が重要な役割を果たしている。中でもアレイ導波路回折格子を用いた光波長合分波器は、狭い波長間隔の合分波が実現可能であり、通信容量の多重数を容易に大きくできる利点がある。
【0003】
図10はアレイ導波路回折格子型の光波長合分波器の光回路図である。
【0004】
この光波長合分波器は、基板7上の一方の側(図では左側)に形成された入力用チャネル導波路1と、入力用チャネル導波路1に接続された入力側スラブ導波路2と、入力側スラブ導波路2に接続されたチャネル導波路(以下「アレイ導波路4」という。)で構成されたアレイ導波路回折格子3と、アレイ導波路4に接続された出力側スラブ導波路5と、出力側スラブ導波路5に接続されたの出力用チャネル導波路6とで構成されている。
【0005】
アレイ導波路回折格子型の光波長合分波器では、入力用チャネル導波路1から入力した光波は入力側スラブ導波路2内を伝搬し、アレイ導波路回折格子3との界面に到達する。界面に到達した光波は、界面での電界分布に応じた電力比で各アレイ導波路4に結合、伝搬し、アレイ導波路4と出力側スラブ導波路5との界面に達する。アレイ導波路4の長さは、内側からΔLの一定長さごとに長くなるように設計されている。
【0006】
したがって、m番目(0≦m≦Na−1)のアレイ導波路4を伝搬した光波が受ける位相変化量φm (ω)は、最も内側のアレイ導波路4を基準として、数1式となる。
【0007】
【数1】
【0008】
ここで、ω=2πc/λ(λ:波長)は光波の角周波数、narはアレイ導波路4の等価屈折率、cは光速である。
【0009】
しかし、実際に製作された合分波器では、屈折率の揺らぎ等により、光波が受ける位相変化量φm (ω)には位相誤差δφm が生じ、位相変化量φm (ω)は数2式で表される。
【0010】
【数2】
【0011】
各アレイ導波路4により位相変化を受けた光波は、出力側スラブ導波路内で干渉を起こし、この干渉波が出力用チャネル導波路6から取り出される。アレイ導波路回折格子型の光波長合分波器の伝達関数H(ω)は、出力用チャネル導波路6から出力される干渉波の電界と同じ形式で表され、数3式で表される。
【0012】
【数3】
【0013】
ここで、am はm番目のアレイ導波路4を通過する光波の振幅係数で、一般に複素数である。また、jは√(−1)である。光波長合分波器の透過パワーI(ω)は数4式で表される。
【0014】
【数4】
【0015】
実際に製作したアレイ導波路回折格子型の光波長合分波器では、アレイ導波路4の振幅係数am 及び位相誤差δφm が透過パワー特性I(ω)等の伝達特性に直接影響を及ぼす。従って、光回路の各パス、すなわち、各アレイ導波路4の振幅係数am 及び位相誤差δφm を知ることが、伝達特性の解析において重要な役割を担うことになる。
【0016】
図11は従来のアレイ導波路特性(振幅係数am 、位相誤差δφm )測定装置の構成図である。
【0017】
この測定装置は、レーザ光源13と、発光ダイオード14と、レーザ光源13及び発光ダイオード14に接続されたカプラ15と、カプラ15に接続されると形成される二つのアームの一方のアーム(図では上側のアーム)に被測定回路が挿入され、他方のアーム(図では下側のアーム)に可変ディレイライン12が挿入されるカプラ16と、カプラ16に接続された光ファイバに接続されたダイクロイックミラー20と、ダイクロイックミラー20の反射側に配置された光検出器21と、ダイクロイックミラー20の透過側に配置された光検出器22と、光検出器21の出力側に接続されたフリンジカウンタ17と光検出器22の出力側に接続された波形レコーダ18と、波形レコーダ18に接続されたコンピュータ19とで構成されている。
【0018】
すなわち、この測定装置の構成はマッハツェンダ干渉計の構成となっており、マッハツェンダ干渉計の一方のアームに測定する合分波器である被測定光回路11を挿入し、他方のアームに可変ディレイライン12を挿入したものである。
【0019】
ここで、可変ディレイライン12の光路長を変化させ、発光ダイオード14を光源とした光の干渉光を測定し、干渉光のデータ処理を行うことにより、アレイ導波路の振幅係数am 及び位相誤差δφm を知ることができた。このマッハツェンダ干渉計を利用した測定方法については、K.Takada,H.Yamada,Y.Inoueによる“Optical Low Coherence Method for Characterizing Silica−Based Arrayed−Waveguide Grating Muliplexers”,J.Lightwave Technol.vol.14,No.7,pp.1677−1689,1996に詳細に述べられている。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来技術では高価かつ大規模な測定装置を製作しなければならないという問題があった。また、測定装置は振動及び環境温度の影響を受けやすく、測定の再現性が良くないという問題があった。さらに、使用する発光ダイオード14が十分に広帯域かつ高出力でないと、測定誤差が大きくなり、アレイ導波路の導波路長差ΔLが短い場合にも測定誤差が大きくなってしまう問題があった。
【0021】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、簡単な構成で高精度かつ容易に測定することができる光回路の特性測定方法及びその装置を提供することにある
【0022】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の光回路の特性測定方法は、入出力ポートにNa個のパスを有する合分波素子が接続され、各パスを伝搬した光波の干渉波が出力ポートから出力される光回路の、各パスを構成するm番目のアレイ導波路を伝搬した光波の特性を測定する光回路の特性測定方法において、光回路の透過パワー特性I(ω)(ω:光波の角周波数)の測定工程と、光回路の群遅延特性τ(ω)の測定工程と、光回路の伝達関数H(ω)の振幅をA(ω)、角周波数ω0の光波を基準とした伝達関数H(ω)の位相をΨ(ω)として、
【数11】
【数12】
【数13】
から光回路の伝達関数H(ω)を導出する計算工程と、光回路の伝達関数H(ω)に基づきm番目のアレイ導波路を伝搬した光波が受ける位相変化量を
【数16】
により導出する計算工程とを有するものである。
【0023】
上記構成に加え本発明の光回路の特性測定方法は、光回路の伝達関数H(ω)から前記m番目のアレイ導波路を伝搬した光波の振幅を
【数15】
として導出する計算工程をさらに有してもよい。
【0024】
上記構成に加え本発明の光回路の特性測定方法の光回路の群遅延特性τ(ω)の測定工程は、光回路の分散特性D(ω)を測定する工程と、分散特性D(ω)から群遅延特性τ(ω)を
【数18】
として導出する工程を有してもよい。
【0025】
上記目的を達成するために本発明の光回路の特性測定方法は、入出力ポートにNa個のパスを有する合分波素子が接続され、各パスを伝搬した光波の干渉波が出力ポートから出力される光回路の、各パスを構成するm番目のアレイ導波路を伝搬した光波の特性を測定する光回路の特性測定方法において、光回路の透過パワー特性I(ω)(ω:光波の角周波数)の測定工程と、光回路の伝達関数H(ω)の振幅をA(ω)、角周波数ω0の光波を基準とした伝達関数H(ω)の位相をΨ(ω)として、
【数11】
【数12】
【数13】
【数17】
から光回路の伝達関数H(ω)を導出する計算工程と、光回路の伝達関数H(ω)に基づきm番目のアレイ導波路を伝搬した光波が受ける位相変化量を
【数16】
により導出する計算工程とを有するものである。
【0026】
本発明の光回路の特性測定装置は、入出力ポートにNa個のパスを有する合分波素子が接続され、各パスを伝搬した光波の干渉波が出力ポートから出力される光回路の、各パスを構成するm番目のアレイ導波路を伝搬した光波の特性を測定する光回路の特性測定装置において、光回路の透過パワー特性I(ω)(ω:光波の角周波数)の測定手段と、光回路の群遅延特性τ(ω)の測定手段と、光回路の伝達関数H(ω)の振幅をA(ω)、角周波数ω0の光波を基準とした伝達関数H(ω)の位相をΨ(ω)として、
【数11】
【数12】
【数13】
から光回路の伝達関数H(ω)を導出する計算手段と、光回路の伝達関数H(ω)に基づき前記m番目のアレイ導波路を伝搬した光波が受ける位相変化量を
【数16】
により導出する計算手段とを備えたものである。
【0027】
上記構成に加え本発明の光回路の特性測定装置は、伝達関数H(ω)からm番目のアレイ導波路を伝搬した光波の振幅を
【数15】
として導出する計算手段をさらに有してもよい。
【0028】
上記構成に加え本発明の光回路の特性測定装置の光回路の群遅延特性τ(ω)の測定手段は、前記光回路の分散特性D(ω)を測定する手段と、前記分散特性D(ω)から群遅延特性τ(ω)を
【数18】
として導出する手段を有してもよい。
【0029】
本発明の光回路の特性測定方法は、入出力ポートにNa個のパスを有する合分波素子が接続され、各パスを伝搬した光波の干渉波が出力ポートから出力される光回路の特性測定方法において、光回路の透過パワー特性I(ω)と群遅延特性τ(ω)とを測定(ω:光波の角周波数)し、透過パワー特性I(ω)及び群遅延特性τ(ω)をパラメータとして伝達関数H(ω)を、
【数11】
【数12】
【数13】
により計算すると共に前記光回路の振幅係数a m 及び位相誤差δφ m を、
【数15】
【数16】
により計算するものである。
また、本発明の光回路の特性測定装置は、入出力ポートにNa個のパスを有する合分波素子が接続され、各パスを伝搬した光波の干渉波が出力ポートから出力される光回路の特性測定装置において、波長可変レーザ光源と、波長可変レーザ光源からの出射光を光変調してその変調光を前記光回路に入射する光変調器と、前記光回路からの出射光を二つに分岐する光分岐器と、該光分岐器で分岐された一方の出射光から透過パワー特性I(ω)を測定する光パワーメータと、前記光分岐器で分岐された他方の出射光から群遅延特性τ(ω)を測定する群遅延測定器と、透過パワー特性I(ω)及び群遅延特性τ(ω)をパラメータとして伝達関数H(ω)を、
【数11】
【数12】
【数13】
により計算すると共に該伝達関数H(ω)からアレイ導波路の振幅係数a m 及び位相誤差δφ m を、
【数15】
【数16】
により計算するコンピュータとを備えるものである。
【0030】
本発明によれば、光回路の伝達関数を測定し、光回路の伝達関数からNa個のパスを伝搬した光波が受ける位相変化量を導出することにより、簡単な構成で高精度かつ容易に測定することができる。
【0031】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の光回路の特性測定方法の一実施の形態を詳述する。
【0032】
光回路の透過パワー特性I(ω)及び群遅延特性τ(ω)は、測定器により比較的容易に測定でき、透過パワー特性I(ω)及び群遅延特性τ(ω)から光回路の伝達関数H(ω)が導出でき、H(ω)からアレイ導波路の振幅係数am 及び位相誤差δφm を求めるには以下のように考えればよい。
【0033】
数3式からアレイ導波路回折格子型の光波長合分波器の伝達関数H(ω)は、ωに関して周期Δω=2π/ΔTの周期関数であるので、周期Δωの範囲の伝達関数H(ω)が分かればよい。
【0034】
NをΔωの範囲のデータ数とし、数5式で表される離散的な角周波数における伝達関数H(ωi )を考える。
【0035】
【数5】
【0036】
光回路の伝達関数H(ωi )の離散的フーリエ変換F(M)は数6式で表される。
【0037】
【数6】
【0038】
この数6式に数3式を代入すると、数7式が得られる。
【0039】
【数7】
【0040】
ここで、周期性を考慮すると、数8式が得られる。
【0041】
【数8】
【0042】
従って数7式は数9式に変形される。
【0043】
【数9】
【0044】
以上、数5式、数6式及び9式より、数10式が得られる。
【0045】
【数10】
【0046】
従って、光回路の伝達関数H(ωi )からアレイ導波路の振幅係数am 及び位相誤差δφm の相対値を導出することが可能である。
【0047】
【実施例】
図1は本発明の光回路の特性測定方法の一実施例を示すフローチャートであり、アレイ導波路の特性(振幅係数am 及び位相誤差δφm )測定工程を示している。
【0048】
ステップS1は透過パワー特性測定工程、ステップS2は群遅延特性測定工程、S3は伝達関数計算工程、ステップS4は位相変化量計算工程をそれぞれ表す。
【0049】
透過パワー特性測定工程(ステップS1)では、光スペクトラムアナライザや光パワーメータ等により光回路の透過パワー特性I(ω)を測定する。
【0050】
群遅延特性測定工程(ステップS2)では、群遅延測定器により光回路の郡遅延特性τ(ω)を測定する。
【0051】
透過パワー特性I(ω)及び群遅延特性τ(ω)は、角周波数ωに関して前述した周期Δω以上の範囲における離散データとする。
【0052】
伝達関数計算工程(ステップS3)では、透過パワー特性I(ω)及び群遅延特性τ(ω)から伝達関数H(ω)を計算する。伝達関数H(ω)の振幅をA(ω)とし、位相をΨ(ω)とすると、伝達関数H(ω)は、数11式で表される。
【0053】
【数11】
【0054】
振幅A(ω)は数4式の関係から、透過パワー特性I(ω)を用いて数12式で表される。
【0055】
【数12】
【0056】
位相Ψ(ω)は、群遅延特性τ(ω)から数13式により求められる。
【0057】
【数13】
【0058】
ここでは、角周波数ω0 の光波を基準とした相対的な位相Ψ(ω)が求められる。数11式〜数13式を用いて伝達関数H(ω)が求められる。
【0059】
位相変化量計算工程(ステップS4)ではアレイ導波路の振幅係数am 及び位相誤差δφm が計算される。求められた伝達関数H(ω)から数10式により、アレイ導波路の振幅係数am 及び位相誤差δφm を計算する。アレイ導波路の振幅係数am (一般に複素数)を数14式で表すと、
【0060】
【数14】
【0061】
数10式より、数15式及び数16式となり、
【0062】
【数15】
【0063】
【数16】
【0064】
となり、m番目のアレイ導波路を伝搬して出力される光波の振幅|am |及び位相変化量φm (ω)の相対値θm +δφm が求められる。
【0065】
図2は本発明の光回路の特性測定装置の一実施例を示す構成図であり、アレイ導波路の特性(振幅係数am 及び位相誤差δφm )測定を行う測定装置である。
【0066】
この測定装置は、波長可変レーザ光源30と、波長可変レーザ光源30からの出射光を光変調してその変調光を被測定光回路に入射する光変調器31と、被測定光回路32からの出射光を二つに分岐する光分岐器33と、光分岐器33で分岐された一方の出射光から透過パワー特性I(ω)を測定する光パワーメータ34と、光分岐器33で分岐された他方の出射光から群遅延特性τ(ω)を測定する群遅延測定器35と、透過パワー特性I(ω)及び群遅延特性τ(ω)から伝達関数H(ω)を計算し、伝達関数H(ω)からアレイ導波路の振幅係数am 及び位相誤差δφm を計算するコンピュータ36とで構成されている。
【0067】
換言すると、この測定装置は、光変調器31により変調を受けた波長可変レーザ光源30からの光信号を被測定光回路32の入力ポートに入力し、出力パワー特性I(ω)を光パワーメータ34により、群遅延特性τ(ω)を群遅延測定器35により測定する。出力パワー特性I(ω)及び群遅延特性τ(ω)のデータは、コンピュータ36に取り込まれ、伝達関数計算工程S3で及びアレイ導波路の振幅係数am 及び位相誤差δφm の計算が行われる。
【0068】
図3は本発明の光回路の特性測定装置で得られる透過パワー特性図であり、縦軸が出力パワーを示し、横軸が波長を示している。図4は本発明の光回路の特性測定装置で得られる郡遅延特性図であり、縦軸が群遅延特性を示し、横軸が波長を示している。図5は本発明の光回路の特性測定装置で得られる伝達関数振幅特性図であり、縦軸が振幅を示し、横軸は波長を示している。図6は本発明の光回路の特性測定装置で得られる伝達関数位相特性図であり、縦軸が位相を示し、横軸が波長を示している。図7は本発明の光回路の特性測定装置で得られるアレイ導波路の振幅特性図であり、縦軸が振幅を示し、横軸がアレイ番号を示している。図8は本発明の光回路の特性測定装置で得られるアレイ導波路の位相変化量特性図であり、縦軸が位相変化量の相対値を示し、横軸がアレイ番号を示している。
【0069】
図2に示した被測定光回路32はアレイ導波路回折格子型の光波長合分波器であり、石英基板上に形成されている。アレイ導波路回折格子の長さの差ΔLは65.84μmであり、パスの数Naは300である。
【0070】
図3から図8に示すように、透過パワー特性I(ω)(図3)及び群遅延特性τ(ω)(図4)から、伝達関数振幅A(ω)と伝達関数位相Ψ(ω)とが得られ、アレイ導波路の振幅|am |(図7)及び位相変化量φm (ω)の相対値|θm+δφm |(図8)が求められることが分かる。
【0071】
図9は本発明の光回路の特性測定方法の他の実施の形態を示すフローチャートである。
【0072】
ステップS11は透過パワー測定工程、ステップS12は伝達関数計算工程、ステップS13は位相計算工程、ステップS14は位相変化量計算工程をそれぞれ表している。
【0073】
図1に示した実施の形態との相違点は、伝達関数H(ω)の位相Ψ(ω)を導出する際、群遅延特性τ(ω)を測定せず、透過パワー特性I(ω)から数12式により得られた伝達関数H(ω)の振幅A(ω)を用いて間接的に導出している点である。
【0074】
すなわち、本実施の形態は、透過パワー特性I(ω)を測定し(ステップS11)、透過パワー特性I(ω)から伝達関数H(ω)の振幅A(ω)を計算し、振幅A(ω)のヒルベルト変換により、伝達関数H(ω)の位相Ψ(ω)を計算し(ステップS13)、伝達関数H(ω)からアレイ導波路の振幅係数am 及び位相誤差δφm を計算するものである(ステップS14)。
【0075】
被測定光回路には因果律が成立するため、伝達関数H(ω)の振幅A(ω)と位相Ψ(ω)は互いに独立ではなく、いずれか一方の特性から他方の特性をヒルベルト変換により導出することが可能である。
【0076】
伝達関数H(ω)の位相Ψ(ω)は数17式のヒルベルト変換により、振幅A(ω)から導出することができる。
【0077】
【数17】
【0078】
ここで、積分はコーシーの主値積分とする。また、位相Ψ(ω)は−πからπの範囲で相対値として求められる。
【0079】
本発明の光回路の特性測定方法の他の実施例として、図1に示した実施例にて群遅延特性τ(ω)を測定する際、分散特定器により被測定光回路の分散特性D(ω)を測定し、この分散特性から数18式で表される群遅延特性τ(ω)を導出してもよい。
【0080】
【数18】
【0081】
光多重伝送システムに用いられる、光波長合分波器、M×N周波数ルーティング装置、光グレーティング素子、Add/Dropフィルタ素子等の光学素子の特性測定に利用可能である。
【0082】
以上本発明によれば、アレイ導波路回折格子型の光波長合分波器におけるアレイ導波路の特性を、大規模な測定装置を用いずに高精度かつ容易に測定できる光回路の特性測定方法及びその装置の提供を実現できる。
【0083】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、次のような優れた効果を発揮する。
【0084】
簡単な構成で高精度かつ容易に測定することができる光回路の特性測定方法及びその装置の提供を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光回路の特性測定方法の一実施例を示すフローチャートである。
【図2】本発明の光回路の特性測定装置の一実施例を示す構成図である。
【図3】本発明の光回路の特性測定装置で得られる透過パワー特性図である。
【図4】本発明の光回路の特性測定装置で得られる郡遅延特性図である。
【図5】本発明の光回路の特性測定装置で得られる伝達関数振幅特性図である。
【図6】本発明の光回路の特性測定装置で得られる伝達関数位相特性図である。
【図7】本発明の光回路の特性測定装置で得られるアレイ導波路の振幅特性図である。
【図8】本発明の光回路の特性測定装置で得られるアレイ導波路の位相変化量特性図である。
【図9】本発明の光回路の特性測定方法の他の実施の形態を示すフローチャートである。
【図10】アレイ導波路回折格子型の光波長合分波器の光回路図である。
【図11】従来のアレイ導波路特性(振幅係数am 、位相誤差δφm )測定装置の構成図である。
【符号の説明】
S1 透過パワー特性測定工程
S2 群遅延特性測定工程
S3 伝達関数計算工程
S4 位相変化量計算工程
Claims (10)
- 入出力ポートにNa個のパスを有する合分波素子が接続され、各パスを伝搬した光波の干渉波が出力ポートから出力される光回路の、各パスを構成するm番目のアレイ導波路を伝搬した光波の特性を測定する光回路の特性測定方法において、
光回路の透過パワー特性I(ω)(ω:光波の角周波数)の測定工程と、
光回路の群遅延特性τ(ω)の測定工程と、
光回路の伝達関数H(ω)の振幅をA(ω)、角周波数ω0の光波を基準とした伝達関数H(ω)の位相をΨ(ω)として、
前記光回路の伝達関数H(ω)に基づき前記m番目のアレイ導波路を伝搬した光波が受ける位相変化量を
- 入出力ポートにNa個のパスを有する合分波素子が接続され、各パスを伝搬した光波の干渉波が出力ポートから出力される光回路の、各パスを構成するm番目のアレイ導波路を伝搬した光波の特性を測定する光回路の特性測定方法において、
光回路の透過パワー特性I(ω)(ω:光波の角周波数)の測定工程と、
光回路の伝達関数H(ω)の振幅をA(ω)、角周波数ω0の光波を基準とした伝達関数H(ω)の位相をΨ(ω)として、
前記光回路の伝達関数H(ω)に基づき前記m番目のアレイ導波路を伝搬した光波が受ける位相変化量を
を有することを特徴とする光回路の特性測定方法。 - 入出力ポートにNa個のパスを有する合分波素子が接続され、各パスを伝搬した光波の干渉波が出力ポートから出力される光回路の、各パスを構成するm番目のアレイ導波路を伝搬した光波の特性を測定する光回路の特性測定装置において、
光回路の透過パワー特性I(ω)(ω:光波の角周波数)の測定手段と、
光回路の群遅延特性τ(ω)の測定手段と、
光回路の伝達関数H(ω)の振幅をA(ω)、角周波数ω0の光波を基準とした伝達関数H(ω)の位相をΨ(ω)として、
前記光回路の伝達関数H(ω)に基づき前記m番目のアレイ導波路を伝搬した光波が受ける位相変化量を
- 入出力ポートにNa個のパスを有する合分波素子が接続され、各パスを伝搬した光波の干渉波が出力ポートから出力される光回路の、各パスを構成するm番目のアレイ導波路を伝搬した光波の特性を測定する光回路の特性測定装置において、
光回路の透過パワー特性I(ω)(ω:光波の角周波数)の測定手段と、
光回路の伝達関数H(ω)の振幅をA(ω)、角周波数ω0の光波を基準とした伝達関数H(ω)の位相をΨ(ω)として、
前記光回路の伝達関数H(ω)に基づき前記m番目のアレイ導波路を伝搬した光波の位相変化量を
を有することを特徴とする光回路の特性測定装置。 - 入出力ポートにNa個のパスを有する合分波素子が接続され、各パスを伝搬した光波の干渉波が出力ポートから出力される光回路の特性測定装置において、
波長可変レーザ光源と、波長可変レーザ光源からの出射光を光変調してその変調光を前記光回路に入射する光変調器と、前記光回路からの出射光を二つに分岐する光分岐器と、該光分岐器で分岐された一方の出射光から透過パワー特性I(ω)を測定する光パワーメータと、前記光分岐器で分岐された他方の出射光から群遅延特性τ(ω)を測定する群遅延測定器と、透過パワー特性I(ω)及び群遅延特性τ(ω)をパラメータとして伝達関数H(ω)を、
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