JP5366139B2 - 光信号波形計測装置 - Google Patents
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Description
特許文献1と2の発明では、光信号のスペクトラムを計測して、フーリエ変換により振幅と位相を計算する方法を提案している。時間波形を求めるために複雑な計算を行う必要があるため、波形を実時間で表示することが困難であり、開発や製造におけるデバイスや機器の調整には不向きである。
Δτ s =(1/f s )−(N/f c )
(ただし、Nは整数)で表される等価サンプリング間隔Δτ s を十分に小さくして前記サンプリングオシロスコープにより前記干渉信号強度をサンプリング計測し、サンプリング値から前記信号光の振幅と位相を算出することを特徴とする。
また、本発明は上記の目的を達成するため、前記階段波信号の繰り返し周波数をfS/4(ただし、fsは前記光サンプリングオシロスコープのサンプリング周波数)とし、0<φm≦π/2である局部発振光の位相変調幅φmに対して、前記局部発振光の1周期内の位相を−φm、(π/2)−φm、+φm、(π/2)+φmの順番に周期的に変化させることを特徴とする。
更に、本発明は上記の目的を達成するため、前記信号光が位相のみが変調された振幅一定の位相変調信号の場合であって、前記階段波信号の繰り返し周波数をfS/2(ただし、fsは前記光サンプリングオシロスコープのサンプリング周波数)とし、前記局部発振光の1周期内の位相を0、π/2の順番で周期的に変化させることを特徴とする。
(4)(1)乃至(3)のいずれか1項記載の光信号波形計測装置において、前記サンプリングオシロスコープのサンプリングに同期した階段波信号で前記位相変調器を駆動し、前記局部発振光の位相を離散的に変化させながら前記干渉信号強度をサンプリング計測し、サンプリング値から前記信号光の振幅と位相を算出する。
(5)(1)乃至(4)のいずれか1項記載の光信号波形計測装置において、前記階段波信号の繰り返し周波数をfS/4とし、0<φm≦π/2であるφmに対して、前記局部発振光の1周期内の位相を−φm、π/2−φm、+φm、π/2+φmの順番に変化させる。但し、前記サンプリングオシロスコープのサンプリング周波数をfS、局部発振光の位相変調幅をφmとする。
(6)(1)乃至(4)のいずれか1項記載の光信号波形計測装置において、前記信号光が位相のみが変調された振幅一定の位相変調信号の場合であって、前記階段波信号の繰り返し周波数をfS/2のとし、前記局部発振光の1周期内の位相を0、π/2の順番で変化させる。但し、前記サンプリングオシロスコープのサンプリング周波数をfSとする。
特許文献3の光変調信号評価装置では、被測定光信号のシンボルレートに合わせた遅延時間を持つ干渉計が必要であり、さらに計測の帯域幅はフォトダイオードの応答時間により制限される。また、被測定光信号を局部発振光として用いるため、振幅と位相が同時に変調された光信号には対応できない。本発明の光信号波形計測装置では、光信号とは別の局部発振光を利用して、光サンプリングオシロスコープにより計測を行うため、任意のシンボルレートの光信号に対して、広帯域の計測が可能である。また、振幅一定の局部発振光を用いるため、振幅と位相が同時に変調された光信号にも対応できる。
特許文献3と4の発明では、2チャンネルのサンプリングオシロスコープを利用するため、チャンネル間のスキューが問題になる。本発明の光信号波形計測装置では、1チャンネルのサンプリングオシロスコープにより、必要な信号をすべて観測するため、信号の経路長に起因するスキューの問題は全く発生しない。本発明の光信号波形計測装置では、時分割サンプリングに起因するスキューは必然的に発生するが、スキューの大きさを時間分解能の数10分の1以下にすることができるため、計測への影響は極めて小さい。
図2の時刻t0においては、局部発振光の位相は−φmであるので、光サンプリングオシロスコープ5により計測される干渉信号強度は次式で与えられる。
ここで、数式16と数式18の差を計算すると、次式のように干渉に寄与しない直流成分を除くことができる。
局部発振光の位相変調幅φmは任意に設定することができるが、その値を正確に知っておくことが必要である。例えば、φm=π/6の場合、数式23と24は次式で表すことができる。
図3の時刻t0においては、局部発振光の位相は0であるので、光サンプリングオシロスコープ5により計測される干渉信号強度は次式で与えられる。
数式23と24で表される信号光の同相成分I(t)と直交成分Q(t)は、等価的な時間間隔20フェムト秒でサンプリングされ、位相変調器4を駆動する階段波信号の周期は(fs/4)-1≒80nsになる。したがって、100psの時間に渡る波形を取得するのに要する時間は、400μsになり、機械的な振動や温度変化に起因する位相変動の影響を受けない時間内に計測を行うことができる。
図5は、BPSK信号の電界波形計測の実験装置を示す図である。単一周波数レーザ光源として、波長1550nmの外部共振器型半導体レーザ12を用いた。外部共振器型半導体レーザ12の出力光を、光ファイバ増幅器13により増幅した後、光バンドパスフィルタ14により自然放出光を除去し、光方向性結合器2aにより2分岐して、それぞれ偏波安定化装置15aと15bに入力して、直線偏波とした。偏波安定化装置15aの出力光を位相変調器4aに入射して、ビットレート9.95Gb/sのBPSK信号光を発生した。位相変調器4aは、符号発生器16から発生する擬似ランダム信号により駆動し、BPSK信号光の位相変位は0.97πradである。クロック信号源6から出力される周波数9.950GHzの正弦波信号を、符号発生器16の基準クロック信号と、光サンプリングオシロスコープ5のトリガ信号として使用した。
BPS信号光と、矩形波で位相変調された局部発振光を、光方向性結合器2bにより合流して、光方向性結合器2bの出力の一方を光サンプリングオシロスコープ5により計測した。光サンプリングオシロスコープ5のサンプリング周波数はfS=49.999950MHzであり、等価サンプリング間隔はΔτS=20フェムト秒である。光サンプリングオシロスコープ5の時間分解能はおよそ500フェムト秒であるので、時分割サンプリングに伴うスキューは、時間分解能の1/25になっている。また、矩形波発生器17から出力される矩形波信号の周波数はfS/2である。クロック信号源6と矩形波発生器17を同期させるため、共通のタイムベースとして、Rb原子発振器18を用いた。
図6(a)は、光サンプリングオシロスコープ5により観測された波形を表す図であり、信号光と局部発振光の干渉信号強度に対応する。信号光の平均パワーは4.04mW、局部発振光の平均パワーは26.4mWである。サンプリングに同期して、局部発振光の位相を0とπ/2の間で変化させているため、アイパターンのような波形が現れている。図6(b)は、図6(a)の波形のうち、0から1psまでの時間を拡大した波形を表す図である。局部発振光の矩形波による位相変調に同期して、干渉信号強度を時分割でサンプリングしていることがわかる。図6(a)に示した1280psに渡る波形を取得するのに要する時間は、1.28msである。信号光と局部発振光との位相差の制御は行っていないので、1.28msの間に位相差が変動しないことが必要である。
図7に示した同相成分I(t)と直交成分Q(t)から、数式3と4を用いて、信号光の振幅A(t)と位相φ(t)を計算することができる。図8(a)は信号光の振幅A(t)の波形を表す図である。縦軸の単位はmW1/2であり、電界振幅は正の値のみをとることができる。光サンプリングオシロスコープ5の感度の制限により、比較的大きな雑音が現れているが、振幅一定の位相変調信号に対応した結果が得られている。電界振幅の平均値は2.08mW1/2であり、別途測定した信号光の平均パワーとよく一致している。図8(b)は、縦軸が信号光のPhase(位相)[πrad]で、位相φ(t)の波形を表す図である。BPSK信号の2値位相変調に対応して、電界位相が2値の間で変位しており、設定した位相変位0.97πradとほぼ一致している。図8(a)と(b)の結果は、BPSK信号の変調条件から予想される波形とほぼ一致しており、波形取得に要する1.28msの間は、信号光と局部発振光の位相差が一定であることを示している。
2 光方向性結合器
3 被測定デバイス
4 位相変調器
5 光サンプリングオシロスコープ
6 クロック信号源
7 階段波発生器
8 モード同期レーザ
9 ビームスプリッタ
10 非線形光学結晶
11 光検出器
12 外部共振器型半導体レーザ
13 光ファイバ増幅器
14 光バンドパスフィルタ
15 偏波安定化装置
16 符号発生器
17 矩形波発生器
18 Rb原子発振器
Claims (3)
- 単一周波数レーザ光源と、
前記単一周波数レーザ光源の出力光を2分岐する第1の光方向性結合器と、
前記第1の光方向性結合器により2分岐された一方の光を透過して信号光として出力する被測定デバイスと、
前記第1の光方向性結合器により2分岐された他方の光を位相変調して局部発振光として出力する位相変調器と、
前記信号光と前記局部発振光とを合流する第2の光方向性結合器と、
前記第2の光方向性結合器から出力される光が入力され、前記信号光と前記局部発振光との干渉信号強度をサンプリング周波数f s でサンプリングして測定する1チャンネルの光サンプリングオシロスコープと、
周波数fcの基準クロック信号を前記光サンプリングオシロスコープにトリガ信号として入力するとともに、前記基準クロック信号に同期した電気的、または光学的変調を前記被測定デバイスに与えて前記信号光を変調するクロック信号源と、
前記光サンプリングオシロスコープのサンプリング周波数に同期し、かつ、繰り返し周波数が前記サンプリング周波数f s の1/M倍(ただし、Mは4又は2)の階段波信号を発生して前記位相変調器を駆動して前記局部発振光の位相を、前記階段波信号の各周期内で離散的に変化させる階段波発生器と
を備え、前記光サンプリングオシロスコープにおける前記階段波信号の一周期内の前記干渉信号強度のM個のサンプル値が同時刻のサンプル値であるとみなせる程度に、前記サンプリングオシロスコープの時間分解能に比べて、次式
Δτ s =(1/f s )−(N/f c )
(ただし、Nは整数)で表される等価サンプリング間隔Δτ s を十分に小さくして前記サンプリングオシロスコープにより前記干渉信号強度をサンプリング計測し、サンプリング値から前記信号光の振幅と位相を算出することを特徴とする光信号波形計測装置。 - 前記階段波信号の繰り返し周波数をfS/4(ただし、fsは前記光サンプリングオシロスコープのサンプリング周波数)とし、0<φm≦π/2である前記局部発振光の位相変調幅φmに対して、前記局部発振光の1周期内の位相を−φm、(π/2)−φm、+φm、(π/2)+φmの順番に周期的に変化させることを特徴とする請求項1記載の光信号波形計測装置。
- 前記信号光が位相のみが変調された振幅一定の位相変調信号の場合であって、前記階段波信号の繰り返し周波数をfS/2(ただし、fsは前記光サンプリングオシロスコープのサンプリング周波数)とし、前記局部発振光の1周期内の位相を0、π/2の順番で周期的に変化させることを特徴とする請求項1記載の光信号波形計測装置。
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