JP4025324B2

JP4025324B2 - 波長分散測定装置及び波長分散測定方法

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Publication number: JP4025324B2
Application number: JP2004252639A
Authority: JP
Inventors: 達志長谷川
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2004-08-31
Filing date: 2004-08-31
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2024-08-31
Also published as: JP2006071351A

Description

本発明は、光伝送路の波長分散特性を測定する波長分散測定方法および波長分散測定装置に関するものである。

光ファイバ通信システムにおいては、伝送路である光ファイバの波長分散によって波形の歪みが生じ、伝送速度や距離を制限する要因となる。

このため、分散補償ファイバ（ＤＦＣ）と呼ばれる、通常の光ファイバとは逆符号の分散値を有する光ファイバを伝送路に接続することにより、光ファイバ全体の分散値を零にする。このとき、分散補償を接続する伝送路の正確な分散値を求める必要がある。この光ファイバの波長分を測定する方法としては、以下の方法が知られている。
第一の方法は、波長の異なるパルスを同時に光ファイバに入力し、ストリークカメラなどで各パルスの到達時間差を測定し、光ファイバの波長分散を求める方法で、もっとも直接的な方法である。

第二の方法は、波長可変レーザ光をネットワークアナライザの出力により強度変調して光ファイバに入力し、可変させた波長に対する群遅延を生じさせた後、フォトディテクタで光−電気変換を行なう。電気信号はネットワークアナライザに戻り、基準信号と比較されて光ファイバの群遅延時間が求められる。そして、測定された群遅延時間を波長で微分することにより分散が算出される。

第三の方法は、光源からのCW光に位相変調器による変調を加える。この変調された光信号を、測定する光ファイバに透過させ、フォトディテクタで光−電気変換を行なう。電気変換した信号は、スペクトルアナライザに導入され、その中に含まれる周波数ｆ成分の強度の解析から光ファイバの分散を求める。この第三の方法は、後述の非特許文献１などに示されている。
A. R. Chraplyvy et. al. Electronics Letters, Vol. 22 No8. 409 1986

しかしながら、上記説明した第一，第二，第三の波長分散測定方法には、それぞれに以下のような問題点がある。

第一の方法は、複数の波長の高出力パルスを光ファイバに入力する必要がある。さらに、パルス遅延を測定するためにストリークカメラが必要となるが、そのために測定装置が複雑で高価なものになる可能性がある。

第二の方法は、ファイバ端で最終的に光−電気変換した信号を、送信元のネットワークアナライザに戻してやる必要がある。そのため、測定する光ファイバの入射端と出射端は同じ場所になければならず、光ファイバを実際に敷設した後の波長分散の測定は不可能である。

第三の方法は、測定するパラメータは変換された電気信号の変調された周波数成分の振幅であるため、波長分散の絶対値のみしか求められず、分散の符合はわからないという問題がある。

また従来のどの方法を用いても、零分散に近い、例えば±1ps/nm以下の分散値を精度よく測定するのは困難である。
本発明は、ａ．測定系が単純・安価で、ｂ．光ファイバを設置した後においても波長分散の測定が可能であり、ｃ．波長分散の絶対値のみならず符号まで測定可能、かつｄ．零分散に近いに近い微小な分散値も精度よく測定することが可能な波長分散測定方法および波長分散測定装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明の波長分散測定装置は、フーリエ限界パルスからなる分散測定用パルスを発生させるパルス光源と、被測定伝送路を透過させた分散測定用パルスを入力して第二高調波を発生させる二次非線形効果を有する光素子と、この二次非線形効果を有する光素子から出力される第二高調波または分散測定用パルス波長の光強度を測定する光強度メータとを有する。そして、この光強度メータで上記光強度を測定し、この測定された光強度と、あらかじめ標準の伝送路で測定された分散値と前記分散測定用パルスの第二高調波成分の強度との関係に基づき、被測定伝送路の分散値の絶対値を測定する。
あるいは、分散測定用パルスを発生させるパルス光源と、被測定伝送路を透過させた分散測定用パルスを入力して第二高調波を発生させる二次非線形効果を有する光素子と、この二次非線形効果を有する光素子から出力される第二高調波の光強度およびスペクトル形状を測定する光強度メータとを有する。そして、この光強度メータの測定結果を、あらかじめ求められている被測定伝送路の分散値と出力した基本波の強度の関係および分散測定用パルスのパルス中心波長より短波長側のスペクトル成分と長波長側のスペクトル成分の比の関係を示したデータと比較することで、被測定伝送路の分散値の絶対値および符号を測定する。

本発明の波長分散測定装置及び波長分散測定方法によれば、分散測定用のパルスを、被測定伝送路を透過させた後に、二次非線形効果を有する光素子に入力して第二高調波を発生させ、この第二高調波又は元のパルス波長の光強度を測定することで、上記被測定伝送路の分散値を測定するので、零分散付近の小さな分散値を、精度よく測定することができる。

以下、実施例を挙げ、本発明を説明する。

図１はこの発明の実施例１を示す構成図である。
実施例１の構成は、送信側として、パルス光源部101とパルス光源部からの光パルスに可変的にチャープを与える回折格子対による可変分散回路102を有する。そして受信側として、偏波コントローラ103，偏光子104，エルビウムドープ光ファイバ増幅器（EDFA）105，二次の非線形導波路である擬似位相整合（QPM）ニオブ酸リチウム（LiNbO₃： LN）導波路106，QPM LN導波路106の温度を調節する温度調整部107及び光強度メータ108を有する。

送信側の可変分散回路102の回折格子は、被測定伝送路109を介して、受信側の偏波コントローラ103に光学的に結合される。

ここで、受信側の測定部で用いられているQPM LN導波路106の、QPM素子について説明する。
LiNbO₃等は二次の非線形効果を持つ結晶であり、二つの入力光の、それぞれの波長の和に相当する波長の光を生成する和周波生成（Sum Frequency Generation： SFG）、または差に相当する波長の光を生成する差周波生成（Difference Frequency Generation： DFG）、あるいはSFGの特別な場合として、入力光波長の２倍の周波数を有する光を生成する第二高調波生成（Second Harmonic Generation： SHG）が可能である。

ところが、通常の条件では、SHG，SFG，DFGの過程において生成する光は、新しく発生した光に打ち消される形になるため、波長変換は観測されない。
SHG，SFG，DFGにおいて十分な変換効率で波長変換を実現するためには、それぞれの過程に関与する光波間において、位相整合が成立しなければならない。

そのための方法としては、（１）結晶の複屈折性を用いる方法，（２）導波路モードを利用する方法，（３）擬似位相整合による方法等が知られている。
このうち（３）においては、結晶の非線形定数を一定周期（QPM周期）ごとに反転（：ドメイン反転と称される）させることにより、QPM周期により決定される特定の波長（：QPM波長）では位相の不整合が補償され、擬似位相整合が成立し、SHG、SFG、DFGが生じる。

この擬似位相整合が成立する波長の帯域はQPM帯域と称される。
QPM LN導波路は、上記LiNbO₃結晶に、QPM周期に垂直な方向に、プロトン拡散などの方法で光導波路を形成したものである。

よく知られるように、時問と周波数は互いにフーリエ共役であり、パルス幅Δτと周波数Δνの間にはΔν＞＝１／Δτの関係がある。つまり短パルスは広い周波数スペクトルを持つ。
しかし同一のスペクトルを持つパルスが、同一のパルス波形を持つわけではない。周波数スペクトルの各成分の位相関係が違えば、パルスは様々な強度波形を持つ。極端な場合はパルスにならない。ある周波数スペクトル分布によって合成されるパルス出力の中で最短のパルス幅を与えるものを、フーリエ限界パルスと呼ぶ。

パルス光源部101において、パルス幅4ps，パルスエネルギー0.44W，繰り返し周波数2.5GHzのフーリエ限界パルスを発生させる。出力パワーは０dBmであり、パルス強度波形の最大値は100mWである。以下、仮にこのパルスを測定用パルスと呼ぶ。

この測定用パルスには、可変分散回路102によって、線形チャープが与えられる。なお、周波数がパルス幅と同じレベルの時間内に掃引される現象を、チャープという。特に時問の一次関数で掃引されるとき、線形チャープという。

可変分散回路102を出力した測定用パルスは、被測定伝送路109に入射される。被測定伝送路109を出力した測定用パルスは、回折格子対102と被測定伝送路109の両方からチャープが与えられることになる。
このチャープによって、一般にパルス幅は、フーリエ限界パルスの4psより広がる。また被測定伝送路109の損失により、測定用パルスの全光パワーは減少する。
被測定伝送路109を出力した測定用パルスは、偏波コントローラ103及び偏光子104によって偏波を調整される。これは、QPM LN導波路106が、一方向の偏波のみしか透過しないためである。

偏光子104を出力した測定用パルスは、エルビウムドープ光ファイバ増幅器（EDFA）105で、QPM LN導波路106入射時の光パワーが200mWまで増幅され、QPM LN導波路106に入力される。
QPM LN導波路106におけるQPM波長は温度に依存し、1℃につきおよそ0.1nm変化する。すなわち、温度調整部107によってQPM LN導波路106の温度を調整することにより、QPM LN導波路106におけるQPM波長を、測定用パルスの中心波長と一致させることができる。
QPM LN導波路106に入力した測定用パルスは、SHGを引き起こし、元の第2高調波（：以下、測定用パルスが第二高調波に変換された成分を「SHパルス」と称することもある）に変換される。

SHGは二次の非線形過程であり、生成する第二高調波の強度は、一次近似的には基本波の強度の二乗に比例する。
ある周波数スペクトル分布によって合成されるパルス出力の中で、最大のパルスピークパワーを与えるものはフーリエ限界パルスであり、そのとき、生成するSHパルスの強度は最大になる。
すなわち、可変分散回路102により、測定用パルスのチャープ量を掃引させつつ、光強度メータ108により出力したSHパルスの強度を測定し、最大強度を得たときの回折格子対の分散値を逆符号としたものが、被測定伝送路109の分散値となる。
本実施例では、光強度メータ108の測定波長を測定用パルスの二倍の周波数を持つ高調波の波長に合わせたが、測定用パルスの波長にあわせても良い。
また、測定に際して分散の絶対値のみが必要で、符号が必要でないときには、可変分散回路102は必ずしも設ける必要はない。あらかじめ分散値とSHパルスの強度の関係を標準の伝送路で測定しておけば、任意の伝送路での分散測定が可能である。

図2に、系の分散量とSHパルスの光強度の関係を示す。特に、従来の方法では困難だったゼロ分散付近の微小な分散を精度よく測定できることがわかる。
分散値が可変分散回路102の掃引可能な分散値を超えている場合、この実施例の可変分散回路102に、分散量が既知である標準的なシングルモードファイバまたは分散補償ファイバ（DCF）を付け加えてオフセットとすることも可能である。

以上のように本実施例によれば、パルス光源部101において、パルス幅4ps，繰り返し周波数2.5GHzのフーリエ限界パルスを発生させ、可変分散回路102を通し、被測定伝送路109にパルスを入射し、出力端からの光パルスを光パルスの波長と等しいQPM波長を有するQPM LN導波路106に入射した。さらに可変分散回路102の分散量を掃引させつつ、QPM LN導波路106において発生したSH光の光強度を測定した。
そのため、被測定伝送路109の分散を単一波長のパルスでリアルタイムに、絶対値だけでなく符号まで含めて測定することができた。

この測定方法には、以下のような利点がある。
（１）測定系が一台の光強度メータのみで済ませられるので、ストリークカメラなどを使用する従来方法に比べ単純で安価である。
（２）測定パルスのチャープの掃引は随時行なえば十分であり、通常はSH光またはテストパルスの光強度のみをモニタしていれば、リアルタイムに温度変化等による分散の変動を測定できる。
（３）光ファイバを設置した後も分散の測定が可能である。伝送に使用する帯域のほかに、分散測定用として、テストパルスの帯域を用意しておけば、メンテナンスモードに切り替える必要なしに、絶えず分散の変動をモニタ可能である。
（４）SHGは二次の非線形過程であり、生成する第二高調波の強度は、一次近似的には基本波の強度の二乗に比例するため、SH光の光強度は系全体の分散値にクリティカルに反応する。特に、図２に示した分散変動とSHパルスの光強度の関係から明らかなように、従来の方法で困難であった、零分散付近の微小な分散、および分散の変動を精度よくモニタできる。

図３はこの発明の実施例２を示す構成図である。
実施例２の構成は、送信側として、パルス光源部301を有する。そして受信側として、偏波コントローラ302，偏光子303，エルビウムドープ光ファイバ増幅器（EDFA）304，二次の非線形導波路である擬似位相整合（QPM）ニオブ酸リチウム（LiNbO₃：LN）導波路305，QPM LN導波路305の温度を調節する温度調節部306，分光器307及び分光器307からのデータを処理して被測定伝送路309の分散を求める分散値算出部308を有する。

送信側のパルス光源部301は、被測定伝送路309を介して、受信側の偏波コントローラ302に光学的に結合される。
パルス光源部301において、パルス幅1.3ps，繰り返し周波数2.5GHzのフーリエ限界パルス（測定用パルス）を発生させる。出力パワーは0.36mWであり、パルス強度波形の最大値は100mWである。また、中心波長は1552nmに設定する。
パルス光源部301を出力した測定用パルスは、被測定伝送路309に入力され、分散によりチャープが与えられる。

実施例１と同様に、被測定伝送路309を透過した測定用パルスは、偏波コントローラ302及び偏光子303を通ってエルビウムドープ光ファイバ増幅器（EDFA）304に導かれる。
そして、本実施例２において測定用パルスは、エルビウムドープ光ファイバ増幅器（EDFA）304により、QPM LN導波路305入射時の光パワーが15mWになるまで増幅される。
もしも当初の測定用パルスが、フーリエ限界パルスの形状を保持したままこの強度まで増幅された場合（すなわち被測定伝送路309の分散値が０のとき）、パルス強度波形の最大値は4Wとなる。

QPM LN導波路305の生成する第二高調波の強度は、実施例１で前述したように、一時近似的には基本波の強度の二乗に比例する。QPM LN導波路305の、基本波から第二高調波への変換効率（SHG変換効率）は、基本波のパワー（W）および相互作用長（導波路長：cm）で規格化され、通常１００％／W・cm＾２程度である。
１ｍWのCW光，導波路長が２cmの場合、変換効率は、
１００％／W／cm＾２×０．００１W×２cm×２cm＝０．４％
従って、
１ｍW×０．４％＝４μW
のSH光が観測されることになる。
本実施例のように、規格化効率から計算すると効率が１００％以上となるようなハイパワーのパルスが入力された場合、変換効率は１００％に近くなる。

前述したように、QPM LN導波路305においては、SHGのみならず、差周波生成（Difference Frequency Generation：DFG）も生じる。
SHG及びDFGは、QPM周波数をωとすると、以下のようになる。
ω＋ω＝２ω ・・・・・（１）
2ω−ω=ω ・・・・・（２）
（１）式は、測定パルスの和周波によって第二高調波が発生するプロセスを表す。
（２）式は、生成したSHパルスと、もとの測定パルス自身の差周波生成によって、もとの測定パルスと同一の波長の成分が再生する逆のプロセスである。
規格化効率１００％以上となるような条件のハイパワーの測定用パルスが入力された場合、この第二式で表される逆のプロセスを考慮する必要がでてくる。

この場合、考察しなければならないのが、ａ．測定用パルスとSHパルスの群速度差および、ｂ．和周波，差周波に関わる成分の位相関係である。

まず、測定用パルスとSHパルスの群速度差について考える。
測定用パルスとSHパルスの間には、擬似位相整合が成立している。
しかしながら、測定用パルスとSHパルスの間で、群速度が異なる群速度不整合と呼ばれる現象が生ずる。測定用パルスの中心波長が1552nmのとき、776nmを中心とするSH波の群速度は、もとの測定用パルスの群速度に比べ約５％も小さくなる。
このため、導波路において発生したSHパルスは、図４に示すように徐々にもとの測定用パルスから遅れはじめる。
測定用パルスに比べて遅れたSHパルスは、主に測定用パルスのピーク位置よりも立下りエッジ寄り（：図４においてはｔ＞０）において、測定用パルスとの差周波を生成することになる。

次に、和周波，差周波に関わる成分の位相関係について考察する。
はじめに、QPM LN導波路305に入射した測定用パルスがチャープを持たない場合を考える。
上記（１）式の二次の非線形過程において、測定用パルスと発生する第二高調波との位相差は、知られているように９０度となる。第二の差周波過程において、元の測定用パルスと、この測定用パルスと９０度の位相差をもつ第二高調波との間に差周波が生ずるが、その差周波は、元の測定用パルスと１８０度異なる位相差を持つ。つまり、生じた差周波は、差周波生成にかかわった元の測定用パルスと打ち消しあうことになる。従って結局のところ、差周波成分は生じない。

ところが、測定用チャープがチャープを有する場合は異なる。
測定用パルスがポジティブあるいは、ネガティブのチャープを持つ場合、（１）式によってSHパルスが主に生成する、測定用パルスのピーク部分と、（２）式によって差周波が生成するパルスの立下り部の位相が異なる。それにより、差周波は元のパルスと打ち消されることなく、パルスの立下り部にもう一つのサブピークが生じる形で生成する。
図５（ａ）に、被測定伝送路の分散値が0，1ps/nm，−1ps/nm各々のときのQPM LN導波路305を透過した測定用パルスの光強度波形を示す。
パルスがチャープを持つ場合の図５（ａ）に示すような特徴的なパルス形状は、チャープ量が等しければ同一である。

しかし、位相関係を見れば、図５（ｂ）に示すように、チャープの符号によって逆転しており、かつ、時間に対して非対称な位相波形が得られる。
この現象をスペクトル領域において観測すると、図６の（ａ）〜（c）のようになる。すなわち、チャープのある場合、スペクトルは長波長側あるいは短波長側にサブピークを持ち、チャープの符号によって、スペクトルのサブピーク位置がピーク位置の長波長側にくるか短波長側にくるかが決定される。
この現象を用いて、被測定伝送路309の分散値を、測定用パルス出力の基本波のスペクトル形状を観測することによって測定できる。

図７に被測定伝送路309の分散値と出力した基本波の強度の関係を、図８にパルス中心波長1552nmより短波長側のスペクトル成分と長波長側のスペクトル成分の比の関係を示す。
本実施例においては、図７及び図８のデータをあらかじめ分散値算出部308に入力しておき、光強度メータ307のデータと比較することにより、被測定伝送路309の分散値を算出する。

以上のように本実施例によれば、パルス光源部301において、パルス幅1.3ps，繰り返し周波数2.5 GHzのフーリエ限界パルスを発生させる。
パルス光源部301を出力したこの測定用パルスは、被測定伝送路309に入力され、被測定伝送路309中の分散によりチャープを与えられる。
被測定伝送路309を透過した測定用パルスは、エルビウムドープ光ファイバ増幅器（EDFA）304により増幅される。

本実施例のように、変換効率は１００％に近い条件においては、発生した第二高調波と、もとの測定用パルスの差周波により再び測定用パルスの波長の光が発生する差周波過程が重要となる。

測定用パルスがチャープを持つ場合の図５（ａ）に示すような特徴的なパルス形状は、チャープ量が等しければ、符号にかかわらず同一である。しかし、図５（ｂ）に示すように、位相関係を見ればチャープの符号によって逆転しており、この現象をスペクトル領域において観測すると、チャープの符号によって、スペクトルのサブピーク位置がピーク位置の長波長側にくるか短波長側にくるかが決定される。

この現象を用いて、被測定伝送路309の分散値を測定用パルス出力の基本波のスペクトル形状を観測することによって測定できる。例えば、本実施例においては、スペクトルの非対称性，パルス中心波長1552nmより短波長側のスペクトル成分と長波長側のスペクトル成分の比，及びスペクトル全体の強度より、分散値を測定している。

この測定方法には、以下のような利点がある。
（１）零分散付近の小さな分散値を、符号まで含めて精度よく測定できる。
（２）リアルタイムで、温度変化等による分散の変動を測定することができる。
（３）光ファイバ等の被測定伝送路を設置した後も、分散の測定が可能となる。そして、伝送に使用する帯域のほかに、分散測定用として、テストパルスの帯域を用意しておけば、通常の信号伝送を中断したメンテナンスモード等に切り替える必要なしに、常時、分散の変動をモニタすることが可能である。特に、従来の測定方法では困難であった、零分散付近の微小な分散、及び分散の変動を精度よくモニタできる。

実施例１のように、もとの波長の出力パルスまたは第二高調波パルスの強度のみを測定し、スペクトルの形状を勘案しないものにおいては、QPM LN導波路以外の第二高調波を発生するデバイスであっても利用することができる。
また、ニオブ酸リチウムにマグネシウム，鉄，亜鉛等をドーピングすることも可能である。

実施例1の構成を示した構成図である。実施例１の構成を用いた場合の、分散量と第二高調波発生量の関係を示した図である。実施例２の構成を示した構成図である。 SHパルスの測定用パルスからの遅延を示した図である。被測定伝送路の分散値が0，1ps/nm，−1ps/nm各々のときのQPM LN導波路305を透過した測定用パルスの光強度波形並びに、チャープの符号を示した図である。被測定伝送路の分散値が0，1ps/nm，−1ps/nm各々のとき発生するチャープをスペクトル領域において観測した結果を示した図である。被測定伝送路309の分散値と出力した基本波の強度の関係を示した図である。パルス中心波長1552nmより短波長側のスペクトル成分と長波長側のスペクトル成分の比の関係を示した図である。

符号の説明

101，301 パルス光源部
102 可変分散回路
103，302 偏波コントローラ
104，303 偏光子
105，304 エルビウムドープ光増幅器
106，305 QPM LN導波路
107，306 温度調整部
108，307 光強度メータ
109，309 被測定伝送路
308 分散値算出部

Claims

フーリエ限界パルスからなる分散測定用パルスを発生させるパルス光源と、
被測定伝送路を透過させた前記分散測定用パルスを入力して第二高調波を発生させる、二次非線形効果を有する光素子と、
前記二次非線形効果を有する光素子から出力される前記第二高調波または前記分散測定用パルス波長の光強度を測定する光強度メータとを有し、
あらかじめ標準の伝送路で測定された分散値と前記分散測定用パルスの第二高調波成分の強度との関係に基づき、測定された前記光強度から前記被測定伝送路の分散値の絶対値を測定することを特徴とする波長分散測定装置。
フーリエ限界パルスからなる分散測定用パルスを被測定伝送路に入力し、
前記被測定伝送路から出力された前記分散測定用パルスを二次非線形効果を有する光素子に入力して、第二高調波を発生させ、
前記二次非線形効果を有する光素子から出力される前記第二高調波または前記分散測定用パルス波長の光強度を測定することで、
あらかじめ標準の伝送路で測定された分散値と前記分散測定用パルスの第二高調波成分の強度との関係に基づき、測定された前記光強度から前記被測定伝送路の分散値の絶対値を測定することを特徴とする波長分散測定方法。
分散測定用パルスを発生させるパルス光源と、
被測定伝送路を透過させた前記分散測定用パルスを入力して第二高調波を発生させる、二次非線形効果を有する光素子と、
前記二次非線形効果を有する光素子から出力される前記分散測定用パルス波長の光強度およびスペクトル形状を測定する光強度メータとを有し、
あらかじめ求められている被測定伝送路の分散値と出力した基本波の強度の関係および分散測定用パルスのパルス中心波長より短波長側のスペクトル成分と長波長側のスペクトル成分の比の関係を示したデータと、測定された前記光強度およびスペクトル形状の比較に基づいて、前記被測定伝送路の分散値の絶対値および符号を測定することを特徴とする波長分散測定装置。
分散測定用パルスを被測定伝送路に入力し、
前記被測定伝送路から出力された前記分散測定用パルスを二次非線形効果を有する光素子に入力して、第二高調波を発生させ、
前記二次非線形効果を有する光素子から出力される前記分散測定用パルス波長の光強度およびスペクトル形状を測定することで、
あらかじめ求められている被測定伝送路の分散値と出力した基本波の強度の関係および分散測定用パルスのパルス中心波長より短波長側のスペクトル成分と長波長側のスペクトル成分の比の関係を示したデータと、測定された前記光強度およびスペクトル形状の比較に基づいて、前記被測定伝送路の分散値の絶対値および符号を測定することを特徴とする波長分散測定方法。