JP5017643B2 - 光信号ウェーブレット解析方法及び装置 - Google Patents

Description

この発明は、任意の光信号を実時間ウェーブレット解析する方法および装置に関する。

ウェーブレット解析は、ウェーブレットと総称される局在波（解析関数）によって信号の時間周波数解析を行う信号解析手法である。この解析手法では、被解析光信号とウェーブレットの畳み込み積分が基本であり、例えば音声信号や画像信号のような低速信号の解析においては、時間的に標本化した離散時間信号に対して、DSPやCPU上で実行されるディジタル信号処理ソフトウェアにより実現され、広く有効性が知られている。一方、光ファイバ通信システムで用いられる信号は、その周波数帯域幅が数十〜数百ギガヘルツに渡る。このような高速信号に対しては、上記のようなディジタル信号処理手法は適用できない。近年では、標本化周波数が２０ギガヘルツ程度の高速ディジタル信号処理装置も登場しているが、演算量が膨大なウェーブレット解析をディジタル信号処理で実現することは依然として不可能である。このように、光ファイバ通信システムで用いられるような高速光信号に対して実時間ウェーブレット解析を行う技術は現存していない。
特願２００５−１９４１１８ 特願２００５−２５７７７７ 特願２００６−１３５６４

この発明は、任意の光信号を実時間ウェーブレット解析する方法および装置を提供することを目的とする。

この発明による光信号のウェーブレット解析方法は、光導波路内に標本化間隔をあけて直列に配置された複数のブラッググレーティングを有し、これらのブラッググレーティングの反射率が生成すべき所望のウェーブレットの振幅に対応し、かつ隣接するブラッググレーティングによって反射される光波の位相差が生成すべき所望のウェーブレットの振幅の符号の変化にあわせて０またはπになるように調整された標本化ブラッググレーティングを用い、被解析光信号を光サーキュレータによって上記標本化ブラッググレーティングに導き、上記標本化ブラッググレーティングから出力される反射光波を上記光サーキュレータによって取出すものであり、被解析光信号と上記標本化ブラッググレーティングがあらわすウェーブレット関数の標本値列の畳み込み積分に対応する光信号が、上記光サーキュレータの出力信号として得られる。

この発明による光信号のウェーブレット解析方法は、縮尺が異なるウェーブレットに対応する複数の標本化ブラッググレーティングを備え、被解析光信号を光分波器によって分波し、複数の光サーキュレータを介して上記の分波された被解析光信号を上記複数の標本化ブラッググレーティングに導き、各標本化ブラッググレーティングから出力される複数の反射光波を各光サーキュレータによって取出すものであり、被解析光信号と各標本化ブラッググレーティングがあらわす縮尺の異なるウェーブレット関数の標本値列の畳み込み積分に対応する光信号が、上記の各光サーキュレータの出力信号として得られる。

この発明による光信号のウェーブレット解析方法は、上記光サーキュレータの出力光を光電変換器によって電気信号に変換するものであり、上記記載の光サーキュレータの出力する光信号を電気信号に変換した信号が得られる。

この発明による光信号のウェーブレット解析方法は、上記電気信号を取り込み、二次元画像表示を行うものであり、光信号のウェーブレット解析結果が二次元画像として得られる。

この発明による光信号のウェーブレット解析装置は、光導波路内に標本化間隔をあけて直列に配置された複数のブラッググレーティングを有し、これらのブラッググレーティングの反射率が生成すべき所望のウェーブレットの振幅に対応し、かつ隣接するブラッググレーティングによって反射される光波の位相差が生成すべき所望のウェーブレットの振幅の符号の変化にあわせて０またはπになるように調整された標本化ブラッググレーティング、被解析光信号を上記標本化ブラッググレーティングに導き、かつ上記標本化ブラッググレーティングから出力される反射光波を出力する光サーキュレータ、を備える。

この発明による光信号のウェーブレット解析装置は、縮尺が異なるウェーブレットに対応する複数の標本化ブラッググレーティング、被解析光信号を複数の標本化ブラッググレーティングに分波する光分波器、分波された光信号を上記複数の標本化ブラッググレーティングに導き、かつ上記複数の標本化ブラッググレーティングから出力される複数の反射光波を出力する複数の光サーキュレータ、を備える。

この発明による光信号のウェーブレット解析装置は、上記光サーキュレータの出力光を電気信号に変換する光電変換器、をさらに備える。

この発明による光信号のウェーブレット解析装置は、上記電気信号を取り込み、二次元画像表示を行うコンピュータシステム、をさらに備える。

標本化ブラッググレーティングに被解析光信号が導入され、標本化ブラッググレーティングの光導波路内に直列に配置された複数のブラッググレーティングでそれぞれ反射した光が標本化ブラッググレーティングから出力される。標本化ブラッググレーティングの出力光が被解析信号と標本化ブラッググレーティングが対応するウェーブレット関数の標本値列との畳み込み積分結果となり、生成すべき所望の信号である。

標本化ブラッググレーティングに設けられたブラッググレーティングの反射率が、解析に用いるウェーブレット（解析に用いる関数）の振幅の大きさ（標本値）に対応する。ブラッググレーティングの間隔（標本化間隔）は解析に用いるウェーブレット標本化時間間隔に対応する。

解析に用いるウェーブレットの振幅が正、負の符号を持ち、隣接する標本値が正から負に、またはこれとは逆に変化する場合には、符号の変化にあわせて、標本化ブラッググレーティングから出力される反射波の位相差がπになるように標本化ブラッググレーティングに設けられたブラッググレーティングの間隔が調整される。この間隔調整は、長さの調整、または、ブラッググレーティング間の屈折率の調整によって行われる。

縮尺の異なる複数のウェーブレットを解析に用いる場合には、まず被解析光信号を光分波器により分波する。分波した被解析信号は光サーキュレータを介して標本化ブラッググレーティングに導入され、その反射光が再び光サーキュレータを介して取り出される。各々の標本化ブラッググレーティングの出力光は、各々異なる縮尺のウェーブレットによるウェーブレット解析結果、すなわち被解析信号と標本化ブラッググレーティングに対応するウェーブレットの標本値列との畳み込み積分、となり、生成すべき所望の信号である。

一つのウェーブレットでウェーブレット解析を行った光ウェーブレット解析結果を観測する場合には、光サーキュレータからの出力光を光電変換器により電気信号に変換すればよい。

スケールの異なる複数のウェーブレットを用いて解析を行った場合には、各々の光サーキュレータからの出力光を光電変換器により電気信号に変換すればよい。

複数のウェーブレットを用いたウェーブレット解析結果より高速光信号の時間周波数解析結果を得たい場合には、複数の光検出器の出力する電気信号を標本化してコンピュータシステムに取り込み、二次元画像として表示すればよい。

以上のようにして、この発明によると、比較的簡素な構成で、任意の高速光信号のウェーブレット解析をおこなうことができる。

なお、標本化ブラッググレーティングの光導波路は光ファイバでもよいし、平面型光導波路でもよい。

図１は高速光信号のウェーブレット解析を行う装置の全体的構成を示すものである。この実施例では、縮尺の異なる複数のウェーブレットを同時に用いて解析する例を示している。

光ウェーブレット解析装置は被解析信号を分波する光分波器10を備えている。

光ウェーブレット解析装置は縮尺の異なる複数のウェーブレットに対応する複数の標本化ブラッググレーティング（Sampled Fiber Bragg Grating：以下ＳＦＢＧという）20と、複数のＳＦＢＧに分波された被解析信号を導く複数のサーキュレータ30からなるＳＦＢＧバンク40を備えている。

一般にファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）は、光ファイバのコア部に周期的な屈折率変調を与えて回折格子を形成したファイバ型のデバイスである。このファイバ内に光を入射すると、
λ_Bragg＝２ｎ_effΛ ‥‥式(1)
というブラッグ条件を満たす特定の波長の光を強く反射（回折）する。ここでΛは屈折率変調の周期、ｎ_effはファイバのコア部の有効（実効）屈折率である。この回折格子を以下、サブＦＢＧという。

ＳＦＢＧは、複数個のサブＦＢＧ（回折格子）を光ファイバ内に、離散的に（すなわち間隔をあけて）、直列に配置したものであり、生成すべき所望のパルス信号に応じて次のような特性をもつように構成される。

図２を参照してHarrウェーブレット関数ｈ(t) （ｔは時間）を標本化（サンプリング）したときの標本化時間間隔をＴｓとする。標本化時間間隔Ｔｓは生成すべきパルス信号の精度、その他の要因に応じて適切に定める。ＳＦＢＧ20内には、この時間間隔Ｔｓに応じた間隔（標本化間隔）ＬｓをあけてサブＦＢＧが設けられる。サブＦＢＧ間の間隔Ｌｓは、時間間隔Ｔｓを用いて、次式で与えられる。

Ｌｓ＝ｃＴｓ／２ｎ_eff ‥‥式(2)
ここでｃは光速である。

ＳＦＢＧ20の各サブＦＢＧの反射率（図２にＲ(z) で表わされる。ｚはＳＦＢＧの軸方向の距離を表わす）は生成すべき所望のパルス信号（ガウシアンモノサイクルパルス）の振幅（絶対値）に対応する。

ＳＦＢＧ20において、隣接するサブＦＢＧによって反射される光波の位相差（図２にΔφで示す）は、解析に用いるウェーブレット関数の振幅の符号（極性）が正または負に保たれているときには０に、解析に用いるウェーブレット関数の振幅の符号が負から正へ、またはこの逆に変化するところではπになるように調整される。図２において、位相差Δφは、関数ｈ(t) が負から正に反転しているところにおいてπになるように制御されている。反射光波間位相差の調整は、間隙部の長さの精密な調整、間隙部への紫外線照射、熱、応力の印加等により行うことができる。

図１の光ウェーブレット解析装置はさらに、光スイッチ50と、光検出器60と、クロック信号検出システム70と、画像処理システム80とを備えている。

光スイッチ50はSFBGバンク40からの複数の出力光を一つの光検出器60を用いて光電変換するためのマトリックススイッチであり、SFBGバンク40内の一つのSFBGだけからの出力を光検出器60に導入する。

光検出器60は光スイッチ60の出力光を光電変換するために用いられる。

クロック信号検出システム70は被解析信号からクロック信号を抽出するためのシステムであり、クロック信号検出システム70により抽出されたクロック信号は光スイッチ50と画像処理システム80を同期させて動作させるために用いられる。

画像処理システム80は光検出器60で光電変換されたウェーブレット解析結果に対応する電気信号を取り込み、二次元画像として表示するためのシステムである。

ＳＦＢＧ20の各サブＦＢＧからの反射光はＳＦＢＧ20の上記一端から出射し、光サーキュレータ30を経て出力される。光サーキュレータ30の出力光は光スイッチ50を経て光検出器60に導かれ、電気信号に変換される。

上述したように、ＳＦＢＧ20の各サブＦＢＧの反射率Ｒ(z) は解析に用いるウェーブレット関数（図2ではHarrウェーブレット）の振幅に対応する。ＳＦＢＧ20には被解析信号が入射する。したがって、ＳＦＢＧ20の各サブＦＢＧからの反射光が重畳されたＳＦＢＧ20の出力反射光（光サーキュレータ30の出力光）は、反射率Ｒ(z) と位相差により設定したウェーブレット関数と被解析信号の畳み込み積分信号となる。このようにして、ＳＦＢＧ20のサブＦＢＧの反射率として振幅を設定し、符号の変化を位相差（０またはπ）で表わしたウェーブレット関数による被解析信号のウェーブレット解析結果がＳＦＢＧ20（光サーキュレータ30）から得られる。電気パルス信号を得る場合には、光サーキュレータ30の出力光を光スイッチ50を経て光検出器60入力し、電気信号に変換すればよい。

光サーキュレータの出力光はFBGの各サブFBGからの反射光を重畳したものとなるから、標本化間隔Tsは解析に用いるウェーブレット関数が有する最大の周波数成分の２倍以上の標本化周波数が得られるように定める。一般的には、被解析信号の帯域幅に対して十分に短く標本化間隔Tsを設定することが望ましい。

図３は、この発明による光信号のウェーブレット解析装置の実施例の数値シミュレーションにおける装置構成例と数値シミュレーション結果より得たウェーブレット解析結果を示すものである。数値シミュレーション結果は光サーキュレータ30の出力を光検出器50により検知したものを画像処理システム80で二次元画像としたものである。

図４は、劣化度合いの異なるいくつかの被解析信号とウェーブレット解析結果の対応を示す数値シミュレーション結果を示すものである。

図４より、この発明による光信号のウェーブレット解析装置によれば、被解析信号の劣化原因がパルスの立ち上がり部と立ち下がり部のチャープ（周波数シフト）に起因するものであることが一目で見て取れる。

図４より、信号の劣化要因は光ファイバの波長分散ではなく、光パルス電界の急激な変化に起因する非線形光学効果であることがわかり、信号劣化を抑える方法を見出すために重大な情報を得ることが可能となる。

上記実施例ではブラッググレーティングが光ファイバのコア内に形成されたファイバブラッググレーティング（ＳＦＢＧ）が用いられているが、平面型光導波路にブラッググレーティングを形成したものをＳＦＢＧに代えて用いることもできる。

この発明の実施例の装置構成を示すものである。 ウェーブレット関数の例を示すＨａｒｒ関数ｈ(t) 、ならびにこれを生成するためのＳＦＢＧの構成、その反射率Ｒ(z) および位相差Δφを対応させて示すものである。 実施例の数値シミュレーションにおける装置構成例と数値シミュレーション結果より得たウェーブレット解析結果を示すものである。 被解析信号の劣化度合いとウェーブレット解析結果の対応を示す数値シミュレーション結果を示すものである。

符号の説明

10 光分波器
20 標本化ファイバブラッググレーティング（ＳＦＢＧ）
30 光サーキュレータ
40 ＳＦＢＧバンク
50 光スイッチ
60 光検出器
70 クロック信号抽出システム
80 画像処理システム

Claims (8)

1. 光導波路内に標本化間隔をあけて直列に配置された複数のブラッググレーティングを有し、これらのブラッググレーティングの反射率が生成すべき所望のウェーブレットの振幅に対応し、かつ隣接するブラッググレーティングによって反射される光波の位相差が生成すべき所望のウェーブレットの振幅の符号の変化にあわせて０またはπになるように調整された標本化ブラッググレーティングを用い、
   被解析光信号を光サーキュレータによって前記標本化ブラッググレーティングに導き、
   前記標本化ブラッググレーティングから出力される反射光波を前記光サーキュレータによって取出し、ウェーブレット解析を行うことを特徴とする光信号のウェーブレット解析方法。
2. 光導波路内に標本化間隔をあけて直列に配置された複数のブラッググレーティングを有し、これらのブラッググレーティングの反射率が生成すべき所望のウェーブレットの振幅に対応し、かつ隣接するブラッググレーティングによって反射される光波の位相差が生成すべき所望のウェーブレットの振幅の符号の変化にあわせて０またはπになるように調整された標本化ブラッググレーティングであって、前記標本化間隔が各々異なる複数個の前記標本化ブラッググレーティングを、並列で接続し、
   光分波器により分波された被解析信号を、光サーキュレータを介して前記標本化ブラッグに導き、
   前記標本化ブラッググレーティングから出力される反射光波を、前記光サーキュレータによって取り出し、ウェーブレット解析を行うことを特徴とする光信号のウェーブレット解析方法。
3. 前記光サーキュレータの出力光を電気信号に変換することを特徴とする請求項１または２に記載の光信号のウェーブレット解析方法。
4. 前記電気信号を取り込み、二次元画像表示を行うことを特徴とする請求項３に記載の光信号のウェーブレット解析方法。
5. 光導波路内に標本化間隔をあけて直列に配置された複数のブラッググレーティングを有し、これらのブラッググレーティングの反射率が生成すべき所望のウェーブレットの振幅に対応し、かつ隣接するブラッググレーティングによって反射される光波の位相差が生成すべき所望のウェーブレットの振幅の符号の変化にあわせて０またはπになるように調整された標本化ブラッググレーティングと、
   被解析光信号を前記標本化ブラッググレーティングに導き、かつ前記標本化ブラッググレーティングから出力される反射光波を出力する光サーキュレータ
   とを備えたことを特徴とする光信号のウェーブレット解析装置。
6. 光導波路内に標本化間隔をあけて直列に配置された複数のブラッググレーティングを有し、これらのブラッググレーティングの反射率が生成すべき所望のウェーブレットの振幅に対応し、かつ隣接するブラッググレーティングによって反射される光波の位相差が生成すべき所望のウェーブレットの振幅の符号の変化にあわせて０またはπになるように調整された標本化ブラッググレーティングであって、前記標本化間隔が各々異なる複数の並列に接続した前記標本化ブラッググレーティングと、
   被解析信号を分波する光分波器と、
   前記光分波器から分波された被解析信号を前記複数の並列に接続した標本化ブラッググレーティングに導き、かつ、前記複数の並列に接続した標本化ブラッググレーティングから出力される反射光波を取りだすための複数の光サーキュレータ
   とを備えたことを特徴とする光信号のウェーブレット解析装置。
7. 前記光サーキュレータの出力光を電気信号に変化する光電気変換器、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項５または６に記載の光信号のウェーブレット解析装置。
8. 前記電気信号を取り込み、二次元画像表示を行う、コンピュータシステムをさらに備えたことを特徴とする請求項７に記載の光信号のウェーブレット解析装置。