JP5042701B2

JP5042701B2 - 光サンプリング装置および光サンプリング方法

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Publication number: JP5042701B2
Application number: JP2007121091A
Authority: JP
Inventors: 文彦伊藤; 圭司岡本
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-05-01
Filing date: 2007-05-01
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2027-05-01
Also published as: JP2008275514A

Description

この発明は、超高速領域で変調された光信号を観測するのに使用される光サンプリング装置と、この種の装置に用いられるサンプリング方法に関する。

既存の電子デバイスでは追随不可能な、超高速変調された光信号を観測するために光サンプリング装置が用いられる。光信号と局発パルス光との線形な相関を観測することで低パワーかつ高速の繰り返し光信号を観測できるようにした技術が知られており、下記特許文献１〜３、非特許文献１に開示される。

特許文献１、２、非特許文献１は、周期的に繰り返し到来する高速光信号を観測するための技術を開示する。この技術ではローカルに発生させたサンプリングパルス光を光信号と干渉させ、両光が重なる時点での出力をモニタすることで、電気回路の処理速度に依存せず局発パルス光のパルス幅を時間分解能とする光サンプリング動作を可能とする。その際、局発パルス光の周期を光信号の繰り返し周期と僅かに異なるようにし、その光パルス幅を光信号の周波数変動の逆数よりも短くする。その他にも種々の条件があり、これらを厳密に保つことを要求される。
これらの文献においては干渉光を受光するのに、一対のバランス型受光器を使用する。しかしながら誤差の無い観測値を得るためには、バランス型受光器の２つの受光素子を完全にバランスさせることが必要になる。現実にはこのような調整は不可能である。

特許文献３には、多数の測定値を平均化することで素子間のアンバランスによる誤差を打ち消すとした技術が開示される。しかしこの技術が有効であるのは、サンプリングパルス光の平均強度と光信号の平均強度とが安定しているという、極めて限られた条件下においてのみである。装置内ローカルにおけるサンプリングパルス光の強度はともかく、外部から到来する光信号の平均強度については、通常これが一定であるという保証はない。特にバースト信号などでは受信強度が著しく変動する。
特許第３２５２９４６号明細書特許第３８０８８２０号明細書米国特許出願公開第２００５／０１８５２５５号明細書 Fumihiko Ito, "Demultiplexed Detection of Ultrafast Optical Signal Using Interferometric Cross−Correlation Technique," JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY, VOL.15, NO.6, JUNE1997

以上述べたように、既存の技術を用いて正確な測定を行うためには受信系を完全にバランスさせなければならない。このための精密な調整を行うことは事実上不可能であり、観測の精度が頭打ちになることを余儀なくされている。
この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、超高速の光信号を高い精度で観測することの可能な光サンプリング装置および光サンプリング方法を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の一態様によれば、周期的に到来する光信号をこの光信号と共通の中心周波数を持つサンプリングパルス光と干渉させて、前記サンプリングパルス光のパルス周期で一定の測定期間にわたり前記光信号をサンプリングして観測値を得る光サンプリング装置において、前記サンプリングパルス光と前記光信号とを干渉させて第１および第２の干渉光を出射する光９０度ハイブリッドを備える干渉部と、前記パルス周期に同期して前記光信号の受信レベルをサンプリングするレベル検出部と、前記第１の干渉光を受光して第１の電流を出力する第１のバランス型受光器と、前記第２の干渉光を受光して第２の電流を出力する第２のバランス型受光器と、前記光信号の繰り返し周期は前記パルス周期と異なり、前記サンプリングパルス光の光パルス幅は前記光信号の周波数変動の逆数よりも短く、前記光信号の強度は前記サンプリングパルス光のパルス幅の期間内で安定的であり、前記光信号の周波数は前記期間内で安定的であるという条件下で、前記光信号の受信レベルと、前記第１の電流の値と、前記第２の電流の値とから前記観測データを得る観測処理部とを具備し、この観測処理部は、前記光信号の受信レベルと、前記第１および第２の電流の値とが入力され、この第１および第２の電流の値から非干渉成分を除去して第１の補正値および第２の補正値を算出する非干渉成分除去部と、前記第１および第２の補正値から前記観測値を得る演算処理部とを備え、前記非干渉成分除去部は、同じタイミングでサンプリングされた前記第１および第２の電流の値を、これらの値と同時にサンプリングされた前記光信号の受信レベルを基準として複数のグループに組分けし、同じグループに属する複数のサンプリング時点にわたる前記第１の電流の個々の値から、当該グループ内でのその平均値を減算して前記第１の補正値を算出し、同じグループに属する複数のサンプリング時点にわたる前記第２の電流の個々の値から、当該グループ内でのその平均値を減算して前記第２の補正値を算出することを特徴とする光サンプリング装置が提供される。

このような手段を講じることにより、一対のバランス型光受光器において同じタイミングでサンプリングされた電流値Ｉ，Ｑが、これらの値と同時にサンプリングされた光信号の受信レベルＧを基準として複数のグループに組分けされる。そして、同じグループに属する複数のサンプリング時点にわたるＩの個々の値から当該グループ内でのその平均値＜Ｉ＞を減算して、Ｉの補正値が算出される。また、同じグループに属する複数のサンプリング時点にわたるＱの個々の値から、当該グループ内でのその平均値＜Ｑ＞を減算して、Ｑの補正値が算出される。これらの補正値からは非干渉成分が除去されており、従ってこれらの補正値を用いることにより観測の精度を高めることが可能になる。

この発明によれば、超高速の光信号を高い精度で観測することの可能な光サンプリング装置および光サンプリング方法を提供することができる。

以下、図面を参照してこの発明の実施の形態を説明する。この実施形態では繰り返し入射する高速光信号、とりわけ通常の受光素子や電気回路では観測不可能な速度で変調された光信号を観測可能な光サンプリング装置を開示する。
図１は既存の光サンプリング装置の要部構成を示す図である。図１は、光信号と局発パルス光との線形な相関を観測することにより、高速な繰り返し光信号を低パワーでも観測可能とする光サンプリング装置を示す。

図１において、サンプリングパルス光発生部１は局部発振器２から供給される正弦波電気信号により駆動され、一定周期のサンプリングパルス光を発生する。このサンプリングパルス光のパルス周期が、すなわちサンプリング周期Ｔとなる。このサンプリング周期Ｔは通常の電気回路で追随可能なように、光信号の速度とは無関係に十分に遅く設定される。

なおサンプリング周期Ｔは光信号の繰り返し周期とほぼ等しいが同じではなく、僅かに異なる。つまり、サンプリング周期Ｔと光信号の繰り返し周期とはほぼ等しいが、いずれも光信号の速度よりは極めて遅いという関係が有る。光信号の繰り返し周期をｆとすると、正弦波電気信号の周波数をｆ＋Δｆとする。

サンプリングパルス光は、光信号とともに光９０度ハイブリッド８に入射される。光９０度ハイブリッド８は光カプラ４−１〜４−４をマトリクス接続した素子であり、ハーフミラーによる空間光学系や集積された光回路により実現できることが知られている。サンプリングパルス光は光カプラ４−１に入射され、光信号は光カプラ４−２に入射される。光カプラ４−１と光カプラ４−４との間の光導波路には９０度遅延器４０が設けられる。

光カプラ４−３から出射される干渉光は２つの受光素子を持つバランス型受光器５−１に光結合される。光カプラ４−４から出射される干渉光はバランス型受光器５−２に光結合される。９０度遅延器４０の遅延量は、図中のＡＢとＣＢの光路差がＣＤとＡＤの光路差よりもλ／４（λは光波長）だけ大きいか、または小さくなるように設定される。よってバランス型受光器５−１および５−２で生じる干渉信号には相互にπ／２の位相差が生じることになる。

バランス型受光器５−１からの干渉信号は低域通過フィルタ１０−１に入力され、波形等化される。バランス型受光器５−２からの干渉信号は低域通過フィルタ１０−２に入力され、波形等化される。両フィルタの遮断周波数はサンプリング周期Ｔの逆数程度に設定される。

各フィルタ１０−１，１０−２の出力はアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ９−１，９−２にそれぞれ入力される。Ａ／Ｄコンバータ９−１、９−２はサンプリング周期Ｔに同期するクロック信号３に従って、バランス型受光器５−１，５−２に生じる電流を、サンプリングパルスが到着するたびに数値データ化する。この数値データは演算処理部１１に入力されて演算処理に用いられる。

以下では、バランス型受光器５−１の２つの受光素子に生じる信号をそれぞれＩ１，Ｉ２とし、バランス型受光器５−２の２つの受光素子に生じる信号をＱ１，Ｑ２とする。光信号の電界振幅をｓ（ｔ）とし、サンプリングパルス光の電界振幅をＬ（ｔ）とすると、それぞれの受光素子に生じる信号は非特許文献１の式（４）（５）（７）（８）に開示されるように次式（１）〜（４）で表される。

ただし非特許文献１では４つの受光素子が同じ感度を持つと仮定されているが、この実施形態ではこれらのばらつきを議論するので、定数α１，α２，β１，β２は全て異なるとする。

バランス型受光器５−１に生じる信号Ｉは次式（５）で表される。

第３項の＊およびC.C.はいずれも複素共役を示す。式（５）に現れる積分はサンプリング周期Ｔの範囲で行われるもので、すなわち積分区間は−Ｔ／２〜Ｔ／２である。
同様にバランス型受光器５−２に生じる信号Ｑは次式（６）で表される。

式（５）、（６）における第３項は光信号とサンプリングパルス光との干渉成分を示すもので、これらを測定することにより図１の装置は動作する。これらの干渉成分を２乗したのち加算することによりサンプリングパルス光と光信号とが重なる時刻での光信号の強度に比例する出力を得られ、光サンプリング動作が可能となる。

しかしながら式（５）、（６）から明らかなように、信号Ｉ，Ｑには干渉成分以外の成分、すなわち非干渉項が含まれる。つまり式（５）、（６）の第１項、第２項はいずれも非干渉成分である。これらは測定とは無関係な信号であり、測定に対して誤差をもたらす。仮に、受光素子が完全にバランスしていればα１＝α２、β１＝β２となるのでこれらの項は消滅し、問題にはならない。しかしながら現実の装置ではこれらの項は完全にはゼロにならない。

これに対処すべく以下の手法が知られている。すなわち多数のＩおよびＱを測定してその平均を個々のＩまたはＱから差し引くことにより、非干渉項を除去できるとされている。つまり測定された多数の電流ＩをＩ⁽¹⁾、Ｉ⁽²⁾、…、Ｉ⁽ⁱ⁾、…、Ｉ^(N)で表し、これらの平均＜Ｉ＞を計算すると次式（７）となる。

ただし、第１項の（∫|Ｓ（ｔ）|²ｄｔ）^（i）などは、∫|Ｓ（ｔ）|²ｄｔのｉ番目の測定値を示す。

式（７）における第３項は干渉成分であるので、平均値をとればゼロになる。従って次式（８）を得る。

式（８）において、（∫|Ｓ（ｔ）|²ｄｔ）^（i）および（∫|Ｌ（ｔ）|²ｄｔ）^（i）が測定によらず一定であれば（すなわちｉによらず一定であれば）、式（８）は次式（９）となり＜Ｉ＞は非干渉項に等しくなる。

以上の議論はＱについても同じであり、従って多数のＩおよびＱを測定してその平均＜Ｉ＞または＜Ｑ＞を個々のＩまたはＱから差し引くことにより、非干渉項を除去して干渉項のみを得ることができる。

しかしながら上記の議論から明らかなように、以上の手法が有効であるのは、（∫|Ｓ（ｔ）|²ｄｔ）^（i）および（∫|Ｌ（ｔ）|²ｄｔ）^（i）が測定によらず一定である場合に限る。（∫|Ｌ（ｔ）|²ｄｔ）^（i）はサンプリングパルス光の平均強度であるので、サンプリングパルス光発生部１の動作を安定化させることで測定によらずほぼ一定の値を得られる。これに対して（∫|Ｓ（ｔ）|²ｄｔ）^（i）は光信号の平均強度であり、これが一定であることは望むべくも無い。

（第１の実施形態）
図２は、この発明に係わる光サンプリング装置の実施の形態を示す図である。図２において図１と共通する部分には同じ符号を付し、以下では特徴的である点についてのみ説明する。
図２の装置の動作条件は以下のとおりであり、図１の装置と同じである。
（条件１）光信号の強度は、サンプリングパルス光のパルス幅の時間内においてはほとんど変化しないこと。
（条件２）光信号の周波数は、サンプリングパルス光のパルス幅の時間内においてはほとんど変化しないこと。
（条件３）サンプリングパルス光の中心周波数は、光信号の中心周波数とほぼ一致していること。

これに加え、次の条件４、条件５も、前提として図１と同じである。

（条件４）サンプリングパルス光のパルス周期は、光信号の繰り返し周期と僅かに異なる。つまりこれらの２つの周期は、同じではない。
（条件５）サンプリングパルス光のパルス幅は、光信号の周波数変動の逆数よりも短い。

特に（条件４）は、次の理由による。すなわちこれらの２つの周期がまったく同じであると、「信号のサンプリング」という作用を得ることができない。つまり図１、図２の装置は、２つの周期の最小公倍数に相当する時点における干渉ピークを計測することで成り立つものであるからである。

さて、図２において光信号は光カプラ４−５により、光９０度ハイブリッド８への入射前にその一部が分岐され、受光素子５−３にて電気信号に変換される。受光素子５−３の応答速度はサンプリング周期程度であり、従って光信号の受信レベルに対応する電気信号の強度は、光信号のサンプリング周期程度の期間にわたる平均強度に比例する。この電気信号は低域通過フィルタ１０−３によりサンプリング周期よりも速い信号成分を除去され、Ａ／Ｄコンバータ９−３により数値データ化される。なお低域通過フィルタ１０−３は、受光素子５−３の応答速度が適切であれば省略しても良い。
ここで、受光素子５−３からの出力、すなわち光信号の受信レベルをＧと表記する。バランス型受光器５−１の出力はＩであり、バランス型受光器５−２の出力はＱである。

Ａ／Ｄコンバータ９−３からの数値データは非干渉成分除去部１２に入力される。非干渉成分除去部１２はＡ／Ｄコンバータ９−１〜９−３からの各数値データを用いる演算処理により、観測データから非干渉成分を除去する。非干渉成分を除去されたデータは演算処理部１１に与えられ、既知の処理により観測データが出力される。

上記構成における最大の特徴は非干渉成分除去部１２における作用であり、以下に詳しく説明する。
図３は、非干渉成分除去部１２の作用を説明するためのフローチャートである。この手順の要点は次のとおりである。つまり従来では「全てのサンプル値の平均を求め、各サンプル値から平均値を減算して非干渉成分を除去する」のに対し、図３の手順では「強度の似通ったサンプル値の群ごとに平均値を求め、その群内で平均値の減算による非干渉成分除去を行う」ようにしており、この思想が本願発明の根幹を成す。

図３のステップＳ１において、バランス型受光器５−１，５−２、受光素子５−３からの各出力Ｉ，Ｑ，Ｇは、サンプリング周期に同期するクロック信号のもとで同じタイミングで取得される。複数Ｎ個のサンプリングパルス光に対してＮ組のＩ，Ｑ，Ｇが取得される。これをｉをインデックスとしてベクトル（Ｉ^（i），Ｑ^（i），Ｇ^（i））と表記する。

式（５）、（６）によれば、Ｉ^（i），Ｑ^（i）は次式（１０）、（１１）で示される。

Ｇ^（i）は光信号の強度のサンプリング周期あたりの平均に比例するので次式（１２）で示される。

式（１２）のγは、光カプラ４−５の分岐比と受光素子５−３の感度に依存する定数である。

ステップＳ２において、非干渉成分除去部１２はステップＳ１で取得したデータ（Ｉ^（i），Ｑ^（i），Ｇ^（i））を、Ｇ^（i）の値を基準として複数のグループに組分けする。すなわちＧ^（i）の値に対して任意の数値幅ΔＧを設定し、Ｇ^（i）がΔＧの範囲で同じ値をとる（Ｉ^（i），Ｑ^（i），Ｇ^（i））を、同じグループに分類する。

より一般的に言い換えれば、取得されたＧ^（i）のうち最小値をＧ_min、最大値をＧ_maxとすると、Ｇ_min＋（ｍ−１）ΔＧ＜Ｇ^（i）＜Ｇ_min＋ｍΔＧであるような（Ｉ^（i），Ｑ^（i），Ｇ^（i））は、第ｍ番目のグループに分類される。
グループの数Ｍは、Ｍ＝（Ｇ_max−Ｇ_min）／ΔＧ個である。以下、第ｍ番目のグループに分類される（Ｉ^（i），Ｑ^（i），Ｇ^（i））を、（Ｉ_#m ^（i），Ｑ_#m ^（i），Ｇ_#m ^（i））と表記する。

式（１０）、（１１）を用いてＩ_#m ^（i），Ｑ_#m ^（i）を求めると次式（１０−１）、（１１−１）を得る。

ここで注目すべきは式（１０−１）、（１１−１）の非干渉項（第１項、第２項）である。第１項はデータ取得時の光信号の強度を表し、同じ第ｍグループに属するならばｉによらず、ΔＧの範囲で一定と見做せる。第２項はサンプリングパルス光の強度を示すが、サンプリングパルス光が十分に安定していればこれもほぼ一定である。従ってこれら２項のｉへの依存性はないことになり、次式（１０−２）、（１１−２）を得る。

特に、光信号強度に比例する第１項について、サンプル値をグループに分類することでｉへの依存性を無くせることがポイントである。

ステップＳ３では、ステップＳ２で分類した各グループごとに、次式（１３）〜（１５）を用いてＩ_#m ^（i），Ｑ_#m ^（i）の平均＜Ｉ_#m ^（i）＞、＜Ｑ_#m ^（i）＞を求める。

式（１３）において、Ｎ_#mは第ｍ番目に分類されるデータの個数である。
式（１３）に式（１１−２）、式（１２−２）を代入すると、次式（１４）、（１５）を得る。

式（１４）（１５）の第３項は干渉項を表し、先に述べたように多数の測定値の平均はゼロになる。従って次式（１６）を得る。

ステップＳ４では各グループごとに、Ｉ_#m ^（i），Ｑ_#m ^（i）からステップＳ３で求めた平均＜Ｉ_#m ^（i）＞、＜Ｑ_#m ^（i）＞を差し引くことにより、非干渉成分を除去したＩ，Ｑの補正値Ｉ′^（i），Ｑ′^（i）を求める。この処理は次式（１７）に示される。

この段階で、各サンプル値のＭ個のグループヘの分類は解除され、よって算出されたＩ′^（i），Ｑ′^（i）からは、＃ｍは除かれる。式（１７）に式（１０）、（１１）、（１６）を代入すると次式（１８）を得る。

以上のようにして求めたＩ′^（i），Ｑ′^（i）からは、受光素子のアンバランスなどにより生じる非干渉項が完全に除去されており、必要な干渉項のみを取り出すことができることがわかる。なお、グループ分けの指標となる受信レベルの幅ΔＧは任意に設定することができるが、その値を小さくするほど最終的な測定精度は向上する。次に、算出したＩ′^（i），Ｑ′^（i）を用いて、光信号の強度変調波形や位相変調波形を求める手法につき説明する。

図２の演算処理部１１にてＩ′^（i），Ｑ′^（i）の２乗の和を算出することにより、光信号の強度を測定することができる。このことを以下に説明する。
光信号の電界振幅を次式（１９）で表す。

ａ（ｔ）は光信号の振幅であり、ψ（ｔ）は位相である。次に、サンプリングパルス光は、時刻ｔ_(i)でのみ強度を持つと仮定して次式（２０）のδ関数で近似する。

そうすると式（１８）は、次式（２１）、（２２）となる。

バランス型受光器５−１，５−２の平均感度がほぼ等しい（α１＋α２≒β１＋β２）と仮定すれば、次式（２３）のようにして式（２１）、（２２）の２乗和をとることにより時刻ｔ（ｉ）における光信号の強度を求めることができる。

以上説明したように第１の実施形態では、同じタイミングでサンプリングされたＩ^（i），Ｑ^（i）を、これらの値と同時にサンプリングされた光信号の受信レベルＧ^（i）を基準として複数のグループに組分けする。そして、同じグループに属する複数のサンプリング時点にわたるＩ^（i）の個々の値から、当該グループ内でのその平均値＜Ｉ＞を減算してＩ′^（i）を算出し、同じグループに属する複数のサンプリング時点にわたるＱ^（i）の個々の値から、当該グループ内でのその平均値＜Ｑ＞を減算してＱ′^（i）を算出することで、非干渉成分を除去するようにしている。

干渉成分の２乗和により信号強度を求められることは特許文献１に開示されている。しかし特許文献１の技術では光信号強度が変動する場合には非干渉項による測定誤差を避け得ない。これに対しこの実施形態では、非干渉成分除去部１２の演算処理により、光信号強度が一定の場合は勿論のこと、光信号の強度が変動する場合においても正確な観測値を求めることができる。次に、算出したＩ′^（i），Ｑ′^（i）を用いて、光信号の位相変調波形を求める手法につき説明する。

（第２の実施形態）
図４は、この発明に係わる光サンプリング装置の実施形態の他の例を示す図である。図４において図２と共通する部分には同じ符号を付して示し、ここでは異なる部分についてのみ説明する。
光信号は光カプラ４−５で分岐され、一方は受光素子５−３に至り、他方は光カプラ４−１１でさらに分岐されて光９０度ハイブリッド８、８−１に入射される。サンプリングパルス光も光カプラ４−１０により２分岐され、光９０度ハイブリッド８、８−１に入射される。このうち光９０度ハイブリッド８−１に至るサンプリングパルス光には遅延部１７により時間τだけの遅延を与えられる。

光９０度ハイブリッド８、８−１から出射される干渉光はバランス型受光器５−１，５−２，５−４，５−５にそれぞれ光結合される。各受光器からの出力信号をＩ，Ｑ，Ｊ，Ｋとする。Ｉ，Ｑ，Ｊ，Ｋから第１の実施形態で説明した手法により非干渉成分を除去してＩ′^（i），Ｑ′^（i），Ｊ′^（i），Ｋ′^（i）を得る。これらの値から演算処理部１３により光信号の位相変調波形を求める。

光信号の電界振幅とサンプリングパルス光の電界振幅とがそれぞれ式（１９）、（２０）で表されるとすると、Ｉ′^（i），Ｑ′^（i），Ｊ′^（i），Ｋ′^（i）は次式（２４）で表される。

バランス型受光器５−１、５−２、５−４、５−５の平均感度がほぼ等しい（α１＋α２≒β１＋β２）と仮定すると、Ｉ′^（i）とＱ′^（i）とを成分とするベクトル（Ｉ′^（i），Ｑ′^（i））の偏角arctan（Ｉ′^（i）／Ｑ′^（i），）から、次式（２５）のように時刻ｔ_(i)における光信号の位相を求めることができる。

同様に、Ｊ′^（i）とＫ′^（i）とを成分とするベクトル（Ｊ′^（i），Ｋ′^（i））の偏角arctan（Ｊ′^（i）／Ｋ′^（i），）から、次式（２６）のように時刻ｔ_(i)＋τにおける光信号の位相を求めることができる。

式（２６）と（２５）との差
ψ（ｔ_(i)＋τ）−ψ（ｔ_(i)）
は、時間τの間に変化した光信号の位相変化量を表し、これが光信号の位相変調成分に対応する。

以上の原理は特許文献２に開示されるが光信号強度のばらつきの影響が大きい。これに対しこの実施形態では非干渉成分除去部１２により得られたＩ′^（i），Ｑ′^（i），Ｊ′^（i），Ｋ′^（i）を用いて、光信号強度が一定の場合は勿論のこと、光信号の強度が変動する場合においても正確な観測値を求めることができる。

（第３の実施形態）
図５は、この発明に係わる光サンプリング装置の実施形態の他の例を示す図である。図５において図２と共通する部分には同じ符号を付す。図５の構成によれば、受光器の平均感度、すなわち（α１＋α２）および（β１＋β２）の不均一を補正して観測精度をさらに高めることができる。以下にこのことを説明する。
図５において、非干渉成分除去部１２からのＩ′^（i），Ｑ′^（i）は平均感度補正部１４に与えられる。平均感度補正部１４は、非干渉成分除去部１２によって得られた（Ｉ′^（i），Ｑ′^（i））を用いて以下の演算を実行し、修正値（Ｉ′′^（i），Ｑ′′^（i））を得る。

まず、Ｉ′^（i），Ｑ′^（i）の２乗の平均値＜（Ｉ′^（i））²＞、＜（Ｑ′^（i））²＞を次式（２７）により求める。

次に、次式（２８）により（Ｉ′′^（i），Ｑ′′^（i））を求める。

（Ｉ′′^（i），Ｑ′′^（i）の２乗和を求めることにより、平均感度（α１＋α２）、（β１＋β２）の不均一を補正したうえで光信号の強度を求めることができる。このことを以下に詳しく説明する。

式（２１）、（２２）を式（２７）に代入すると、式（２９）を得る。

なお式（２９）の算出にあたり、α²（ｔ⁽ⁱ⁾）とψ（ｔ⁽ⁱ⁾）とが統計的に独立であることを用い、また光信号の位相ψ（ｔ⁽ⁱ⁾）は０〜２πで一様に分布するので
＜ｓｉｎ²（ψ（ｔ⁽ⁱ⁾））＞＝＜ｃｏｓ²（ψ（ｔ⁽ⁱ⁾））＞＝π／２
であることを用いている。

式（２９）、（２１）、（２２）を式（２８）に代入すると、次式（３０）の修正値を得る。

Ｉ′′^（i），Ｑ′′^（i）の２乗和は次式（３１）となる。

式（３１）は平均感度（α１＋α２）、（β１＋β２）を含まない。従って第３の実施形態によれば、素子特性による平均感度の不均一の影響を受けることなく光信号の強度を求めることができることがわかる。

類似の手法は特許文献３に開示されるが光信号強度のばらつきの影響が大きい。これに対しこの実施形態では非干渉成分除去部１２により得られるＩ′^（i），Ｑ′^（i）を用いて、光信号強度が一定の場合は勿論のこと、光信号の強度が変動する場合においても正確な観測値を求めることができる。

（第４の実施形態）
図６は、この発明に係わる光サンプリング装置の実施形態の他の例を示す図である。この実施形態では光９０度ハイブリッド５−１、５−２の状態をモニタして、これらを望ましい状態で動作させることが可能になる。図６において、平均感度補正部にモニタリング部１５を接続する。

モニタリング部１５は、非干渉成分除去部１２および平均感度補正部１４の処理により得られる出力を用いて、次式（３２）で与えられるモニタリング信号を算出することで光９０度ハイブリッド８の動作を監視する。

このモニタリング信号は非干渉成分除去部１２の処理によって初めて得られるものであり、特許文献３で開示される信号とは異なる。

光９０度ハイブリッド８は、その理想的な動作状態においては２つの干渉出力信号に対してπ／２の位相差を与えるが、この位相差のπ／２からのずれをΔψとすると、Ｉ′′^（i），Ｑ′′^（i）は次式（３３）のようになる。

式（３３）を式（３２）に代入すると、次式（３４）を得る。

式（３４）から、Δψがゼロであればモニタリング信号はゼロとなり、光９０度ハイブリッドの位相差がπ／２に設定されていることを確認することができる。

以上説明したように本発明によれば、平均強度が時間的に変動するような光信号に対しても、複雑な受信系のバランスの調整を必要とせず、精度のよい観測を行うことが可能になる。これにより、バースト性が強く平均強度が時間的に顕著に変動するような光信号などに対しても、高精度の観測値を簡易に得ることができる。以上のことから、超高速の光信号を高い精度で観測することの可能な光サンプリング装置および光サンプリング方法を提供することが可能になる。

なお、この発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

既存の光サンプリング装置の要部構成を示す図。この発明に係わる光サンプリング装置の実施の形態を示す図。非干渉成分除去部１２の作用を説明するためのフローチャート。この発明に係わる光サンプリング装置の実施形態の他の例を示す図。この発明に係わる光サンプリング装置の実施形態の他の例を示す図。この発明に係わる光サンプリング装置の実施形態の他の例を示す図。

符号の説明

１…サンプリングパルス光発生部、２…局部発振器、３…クロック信号、４−１〜４−１１…光カプラ、４０…９０度遅延器、５−１，５−２，５−４，５−５…バランス型受光器、５−３…受光素子、８，８−１…光９０度ハイブリッド、９−１〜９−５…アナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ、１０−１〜１０−５…低域通過フィルタ、１１…演算処理部、１２…非干渉成分除去部、１３…演算処理部、１４…平均感度補正部、１５…モニタリング部、１７…遅延部

Claims

周期的に到来する光信号をこの光信号と共通の中心周波数を持つサンプリングパルス光と干渉させて、前記サンプリングパルス光のパルス周期で一定の測定期間にわたり前記光信号をサンプリングして観測値を得る光サンプリング装置において、
前記サンプリングパルス光と前記光信号とを干渉させて第１および第２の干渉光を出射する光９０度ハイブリッドを備える干渉部と、
前記パルス周期に同期して前記光信号の受信レベルをサンプリングするレベル検出部と、
前記第１の干渉光を受光して第１の電流を出力する第１のバランス型受光器と、
前記第２の干渉光を受光して第２の電流を出力する第２のバランス型受光器と、
前記光信号の繰り返し周期は前記パルス周期と異なり、前記サンプリングパルス光の光パルス幅は前記光信号の周波数変動の逆数よりも短く、前記光信号の強度は前記サンプリングパルス光のパルス幅の期間内で安定的であり、前記光信号の周波数は前記期間内で安定的であるという条件下で、前記光信号の受信レベルと、前記第１の電流の値と、前記第２の電流の値とから前記観測データを得る観測処理部とを具備し、
この観測処理部は、
前記光信号の受信レベルと、前記第１および第２の電流の値とが入力され、この第１および第２の電流の値から非干渉成分を除去して第１の補正値および第２の補正値を算出する非干渉成分除去部と、
前記第１および第２の補正値から前記観測値を得る演算処理部とを備え、
前記非干渉成分除去部は、
同じタイミングでサンプリングされた前記第１および第２の電流の値を、これらの値と同時にサンプリングされた前記光信号の受信レベルを基準として複数のグループに組分けし、
同じグループに属する複数のサンプリング時点にわたる前記第１の電流の個々の値から、当該グループ内でのその平均値を減算して前記第１の補正値を算出し、
同じグループに属する複数のサンプリング時点にわたる前記第２の電流の個々の値から、当該グループ内でのその平均値を減算して前記第２の補正値を算出することを特徴とする光サンプリング装置。
前記演算処理部は、
前記第１の補正値の２乗と前記第２の補正値の２乗との和から前記光信号の強度を得ることを特徴とする請求項１に記載の光サンプリング装置。
前記干渉部は、
前記サンプリングパルス光と前記光信号とを干渉させて第３および第４の干渉光を出射するサブ光９０度ハイブリッドと、
このサブ光９０度ハイブリッドに入射されるサンプリングパルス光を遅延する遅延器とを備え、
さらに、
前記第３の干渉光を受光して第３の電流を出力する第３のバランス型受光器と、
前記第４の干渉光を受光して第４の電流を出力する第４のバランス型受光器とを備え、
前記非干渉成分除去部は、
同じタイミングでサンプリングされた前記第３および第４の電流の値を、これらの値と同時にサンプリングされた前記光信号の受信レベルを基準として複数のグループに組分けし、
同じグループに属する複数のサンプリング時点にわたる前記第３の電流の個々の値から、当該グループ内でのその平均値を減算して前記第３の補正値を算出し、
同じグループに属する複数のサンプリング時点にわたる前記第４の電流の個々の値から、当該グループ内でのその平均値を減算して前記第４の補正値を算出し、
前記演算処理部は、前記第１乃至第４の補正値から前記観測値を得ることを特徴とする請求項１に記載の光サンプリング装置。
前記演算処理部は、
前記第１および第２の補正値を成分とするベクトルから算出される第１の偏角値と、前記第３および第４の補正値を成分とするベクトルから算出される第２の偏角値との差から、前記光信号の位相変調成分を得ることを特徴とする請求項３に記載の光サンプリング装置。
さらに、前記第１および第２の補正値から第１の修正値および第２の修正値を得る修正処理部を具備し、
この修正処理部は、
前記第１の補正値の２乗の前記測定期間における平均値の平方根で当該第１の補正値を割ることにより、前記第１の修正値を算出し、
前記第２の補正値の２乗の前記測定期間における平均値の平方根で当該第２の補正値を割ることにより、前記第２の修正値を算出し、
前記演算処理部は、前記第１および第２の修正値から前記観測値を得ることを特徴とする請求項１に記載の光サンプリング装置。
さらに、前記第１および第２の修正値から前記干渉部の動作状態をモニタするモニタリング部を具備することを特徴とする請求項５に記載の光サンプリング装置。
周期的に到来する光信号をこの光信号と共通の中心周波数を持つサンプリングパルス光と干渉させて、前記サンプリングパルス光のパルス周期で一定の測定期間にわたり前記光信号をサンプリングして観測値を得る光サンプリング方法において、
光９０度ハイブリッドを備える干渉部に前記サンプリングパルス光と前記光信号とを入射して互いに干渉させ、第１および第２の干渉光を出射する干渉ステップと、
前記パルス周期に同期して前記光信号の受信レベルをサンプリングするレベル検出ステップと、
第１のバランス型受光器に前記第１の干渉光を入射して第１の電流を出力するステップと、
第２のバランス型受光器に前記第２の干渉光を入射して第２の電流を出力するステップと、
前記光信号の繰り返し周期は前記パルス周期と異なり、前記サンプリングパルス光の光パルス幅は前記光信号の周波数変動の逆数よりも短く、前記光信号の強度は前記サンプリングパルス光のパルス幅の期間内で安定的であり、前記光信号の周波数は前記期間内で安定的であるという条件下で、前記光信号の受信レベルと、前記第１の電流の値と、前記第２の電流の値とから前記観測データを得る観測ステップとを具備し、
この観測ステップは、
前記第１および第２の電流の値から非干渉成分を除去して第１の補正値および第２の補正値を算出する非干渉成分除去ステップと、
前記第１および第２の補正値から前記観測値を得る演算ステップとを備え、
前記非干渉成分除去ステップは、
同じタイミングでサンプリングされた前記第１および第２の電流の値を、これらの値と同時にサンプリングされた前記光信号の受信レベルを基準として複数のグループに組分けし、
同じグループに属する複数のサンプリング時点にわたる前記第１の電流の個々の値から、当該グループ内でのその平均値を減算して前記第１の補正値を算出し、
同じグループに属する複数のサンプリング時点にわたる前記第２の電流の個々の値から、当該グループ内でのその平均値を減算して前記第２の補正値を算出するステップであることを特徴とする光サンプリング方法。
前記演算ステップは、
前記第１の補正値の２乗と前記第２の補正値の２乗との和から前記光信号の強度を得るステップであることを特徴とする請求項７に記載の光サンプリング方法。
前記干渉ステップは、
前記光９０度ハイブリッドとは別のサブ光９０度ハイブリッドに前記サンプリングパルス光と前記光信号とを入射して互いに干渉させ、第３および第４の干渉光を出射するステップと、
前記サブ光９０度ハイブリッドに入射されるサンプリングパルス光を遅延するステップとを含み、
さらに、
第３のバランス型受光器に前記第３の干渉光を入射して第３の電流を出力するステップと、
第４のバランス型受光器に前記第４の干渉光を入射して第４の電流を出力するステップとを備え、
前記非干渉成分除去ステップは、
前記第３および第４の電流の値から非干渉成分を除去して第３の補正値および第４の補正値を算出し、
同じタイミングでサンプリングされた前記第３および第４の電流の値を、これらの値と同時にサンプリングされた前記光信号の受信レベルを基準として複数のグループに組分けし、
同じグループに属する複数のサンプリング時点にわたる前記第３の電流の個々の値から、当該グループ内でのその平均値を減算して前記第３の補正値を算出し、
同じグループに属する複数のサンプリング時点にわたる前記第４の電流の個々の値から、当該グループ内でのその平均値を減算して前記第４の補正値を算出し、
前記演算ステップは、前記第１乃至第４の補正値から前記観測値を得るステップであることを特徴とする請求項７に記載の光サンプリング方法。
前記演算ステップは、
前記第１および第２の補正値を成分とするベクトルから算出される第１の偏角値と、前記第３および第４の補正値を成分とするベクトルから算出される第２の偏角値との差から、前記光信号の位相変調成分を得るステップであることを特徴とする請求項９に記載の光サンプリング方法。