JP5803456B2

JP5803456B2 - 位相評価装置および位相評価方法

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Publication number: JP5803456B2
Application number: JP2011196055A
Authority: JP
Inventors: 義弘立岩
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2011-09-08
Filing date: 2011-09-08
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2031-09-08
Also published as: US20130064540A1; JP2013058907A; US8867911B2

Description

本発明は、位相評価装置および位相評価方法に関する。

多値変調方式を利用するコヒーレント光通信で用いられる９０°ハイブリッドにおいては、位相ずれが伝送特性に大きな影響を与える。そのため、９０°ハイブリッドの位相ずれを高精度で評価できることが好ましい。一般に、リサージュ図から位相を読み取る方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平９−１９９９９１号公報

９０°ハイブリッドの位相を評価するには、２つの信号のそれぞれをＩ成分とＱ成分とした場合に、Ｉ成分の振幅（＝ａ）と、Ｑ＝０となる場合のＩ成分の２つの値の差（ｂ＝Ｉ１−Ｉ２）とから、位相差φ＝ａｒｃｓｉｎ（ｂ／ａ）を求めることができる。しかしながら、９０°ハイブリッドの動作は、パワーの揺らぎ、ノイズなどに対して非常に敏感である。特に、入力光パワーの揺らぎの影響に起因して出力波形に大きな誤差が含まれることがある。

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、入力光パワーの揺らぎの影響を抑制することができる位相評価装置および位相評価方法を提供することを目的とする。

本発明に係る位相評価装置は、９０°ハイブリッドのＩ成分およびＱ成分の正負各出力を取得する取得部と、前記Ｉ成分および前記Ｑ成分のそれぞれに対し、前記正負各出力の和が一定になるように前記正負各出力を補正する演算を行う演算部と、前記補正後の前記正負各出力を用いて、前記９０°ハイブリッドのＩ成分とＱ成分との位相差を評価する評価部と、を備えることを特徴とする。本発明に係る位相評価装置によれば、入力光パワーの揺らぎの影響を抑制することができる。

前記演算部は、前記取得部によって取得された前記正負各出力を、前記９０°ハイブリッドへの入力光パワーに比例する値で補正してもよい。前記演算部は、前記Ｉ成分および前記Ｑ成分のそれぞれに対し、正負各出力を差動出力の合計値で除することによって補正してもよい。前記評価部は、前記補正後の前記正負各出力を用いて作成されるリサージュ図に対して楕円フィッティングすることによって得られるパラメータに基づいて、前記９０°ハイブリッドのＩ成分とＱ成分との位相差を評価してもよい。前記評価部は、前記楕円フィッティングに最小二乗法を適用してもよい。

本発明に係る位相評価方法は、９０°ハイブリッドのＩ成分およびＱ成分の正負各出力を取得する取得ステップと、前記Ｉ成分および前記Ｑ成分のそれぞれに対し、前記正負各出力の和が一定になるように前記正負各出力を補正する演算を行う演算ステップと、前記補正後の前記正負各出力を用いて、前記９０°ハイブリッドのＩ成分とＱ成分との位相差を評価する評価ステップと、を含むことを特徴とする。本発明に係る位相評価方法によれば、入力光パワーの揺らぎの影響を抑制することができる。

前記演算ステップにおいて、前記取得ステップにおいて取得された前記正負各出力を、前記９０°ハイブリッドへの入力光パワーに比例する値で補正してもよい。前記演算ステップにおいて、前記Ｉ成分および前記Ｑ成分のそれぞれに対し、正負各出力を差動出力の合計値で除することによって補正してもよい。前記評価ステップにおいて、前記補正後の前記正負各出力を用いて作成されるリサージュ図に対して楕円フィッティングすることによって得られるパラメータに基づいて、前記９０°ハイブリッドのＩ成分とＱ成分との位相差を評価してもよい。前記評価ステップにおいて、前記楕円フィッティングに最小二乗法を適用してもよい。

本発明によれば、入力光パワーの揺らぎの影響を抑制することができる位相評価装置および位相評価方法を提供することができる。

実施例１に係る位相評価装置と、位相評価装置が測定対象とする光伝送装置の全体構成とを示す図である。光伝送装置の９０°ハイブリッドの詳細図である。位相評価装置のオシロスコープが測定するＰＤ電流と位相との関係を示す図である。オシロスコープが測定したＰＤ電流から算出したリサージュの一例である。リサージュ図として得られる楕円がパワー変動に伴って歪んだ例を示す。補正値を用いて作成されたリサージュ図の一例である。位相差のバラツキを示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を説明する。

図１は、実施例１に係る位相評価装置２００と、位相評価装置２００が測定対象とする光伝送装置１００の全体構成とを示す図である。図２は、後述する９０°ハイブリッド７０の詳細図である。位相評価装置２００は、９０°ハイブリッド７０のＩ成分およびＱ成分の正負各出力を取得する取得部として機能するオシロスコープ２０１、ソフトウェア処理などによりＩ成分およびＱ成分のそれぞれに対し正負各出力を補正する演算部２０２、演算部２０２が得た値を用いて９０°ハイブリッド７０の位相評価を行う評価部２０３、などを備える。

図１に示すように、光伝送装置１００は、光源１０、スプリッタ２０、アッテネータ３０、ＬＮ位相変調器４０、偏波コントローラ５０ａ，５０ｂ、関数発生器６０、９０°ハイブリッド７０、ＰＤ用電源８０などを備える。光源１０は、特に限定されるものではないが、本実施例においては半導体レーザである。スプリッタ２０は、光源１０から出力された光信号を所定の比率で分岐する分岐器である。

アッテネータ３０は、スプリッタ２０による分岐で得られた２つの光信号の一方のパワーレベルを減衰させる減衰器である。アッテネータ３０から出力された光信号は、偏波コントローラ５０ａに入力される。偏波コントローラ５０ａは、入力された光信号の偏光状態を制御する。偏波コントローラ５０ａから出力された光信号は、９０°ハイブリッド７０の信号光端子に信号光として入力される。

ＬＮ位相変調器４０は、スプリッタ２０による分岐で得られた２つの光信号の他方に対して低周波変調処理を行う変調器である。ＬＮ位相変調器４０の低周波変調処理は、関数発生器６０によって制御される。ＬＮ位相変調器４０から出力された光信号は、偏波コントローラ５０ｂに入力される。偏波コントローラ５０ｂは、入力された光信号の偏光状態を制御する。偏波コントローラ５０ｂから出力された光信号は、９０°ハイブリッド７０の局発光端子に局発光として入力される。

図２に示すように、９０°ハイブリッド７０の信号光端子に入力された信号光は、入力導波路７１ａを介して光分岐部７２ａによって２つに分岐される。９０°ハイブリッド７０の局発光端子に入力された局発光は、入力導波路７１ｂを介して光分岐部７２ｂによって２つに分岐される。光分岐部７２ａによる分岐によって得られた２つの光は、それぞれアーム導波路７３ａ，７３ｂを介して光結合部７４ａ，７４ｂに入力される。光分岐部７２ｂによる分岐によって得られた２つの光は、それぞれアーム導波路７３ｃ，７３ｄを介して光結合部７４ａ，７４ｂに入力される。

光結合部７４ａ，７４ｂに入力された信号光および局発光は、各々、合波されて干渉し、得られる干渉光の位相差が１８０度になるように２つに分岐されて出力される、光結合部７４ａから出力される信号光と局発光との干渉光は、出力導波路７５ａ，７５ｂを経由して差動受光部７６ａに入力される。光結合部７４ｂから出力される信号光と局発光との干渉光は、出力導波路７５ｃ，７５ｄを経由して差動受光部７６ｂに入力される。なお、差動受光部７６ａ，７６ｂの各受光素子（ＰＤ：ＰｈｏｔｏＤｉｏｄｅ）には、ＰＤ用電源８０から動作に必要な電流が供給される。

４本のアーム導波路７３ａ〜７３ｄのうちいずれかに９０度位相シフト部が設けられている。本実施例においては、アーム導波路７３ｄに９０度位相シフト部７７が設けられている。それにより、光結合部７４ａ，７４ｂの各々から出力導波路７５ａ〜７５ｄを介して出力される干渉光を差動受光部７６ａ，７６ｂで差分検波することにより、入力された信号光をＩ成分の正相成分および逆相成分とＱ成分の正相成分および逆相成分とに分離することができる。Ｉ成分とは、Ｉｎ−Ｐｈａｓｅ成分のことであり、Ｑ成分とは、Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ成分のことである。

差動受光部７６ａ，７６ｂの各受光素子とＰＤ用電源８０とを接続する配線７８ａ〜７８ｄには、それぞれ抵抗７９ａ〜７９ｄが設けられている。位相評価装置２００のオシロスコープ２０１は、配線７８ａ〜７８ｄにおいて、抵抗７９ａ〜７９ｄの前後の電圧を測定することによって、差動受光部７６ａ，７６ｂの各受光素子の出力電流（ＰＤ電流）を測定する。

図３は、位相評価装置２００のオシロスコープ２０１が測定するＰＤ電流と位相との関係を示す図である。図３においては、Ｉ成分の正相成分および逆相成分とＱ成分の正相成分および逆相成分とが表されている。図３に示すように、各成分は、正弦波として表される。図３において、Ｉ成分とＱ成分との位相差φは、一例としてＩ成分の正相成分のピークとＱ成分の正相成分のピークとの間の位相差である。Ｉ成分とＱ成分との位相ずれは、９０°になることが理想である。Ｉ成分の正相成分は、下記式（１）で表される。Ｑ成分の正相成分は、下記式（２）で表される。

図４は、オシロスコープ２０１が測定したＰＤ電流から算出したリサージュの一例である。Ｉ成分とＱ成分との位相差が理想的な９０°である場合、リサージュ図は円形となる。Ｉ成分とＱ成分との位相差が９０°からずれると、図４に示すように、リサージュ図は楕円となる。Ｉ成分とＱ成分との位相差φは、Ｉ成分方向におけるリサージュ図の長さａとＱ成分＝０におけるリサージュ図のＩ成分方向の長さｂとを用いて、下記式（３）で表される。

入力される信号光にパワー変動が生じると、リサージュ図として得られる円が歪む。図５は、リサージュ図として得られる楕円がパワー変動に伴って歪んだ例を示す。図５に示すようにリサージュが歪むと、位相差の計算値に誤差が生じる。そこで、本実施例においては、９０°ハイブリッド７０に入力される光パワーの変動の影響を回避する処理について説明する。

９０°ハイブリッド７０に入力される光パワーの揺らぎは、原理的に干渉系での位相差に影響を与えない。したがって、パワー変動分を補正することによって、計算誤差を解消することができる。しかしながら、９０°ハイブリッド７０からの出力信号は前述のように正弦波になっているため、信号周期に近い短周期パワー変動を補正することは困難である。

ここで、９０°ハイブリッド７０の出力は、干渉された光が正相成分と逆相成分とに分離され、差動信号として取り出される。入力光パワーは、一定の伝送ロス以外は全てがその両者に振り分けられる。したがって、理想状態では、この差動信号の和が一定値となる。そこで、位相評価装置２００の演算部２０２は、Ｉ成分およびＱ成分のそれぞれに対し、補正後の正負各出力の和が一定になるように正負各出力を補正する。それにより、入力光パワーの揺らぎの影響を抑制することができる。

例えば、差動信号の和が入力光パワーと比例関係にあることを利用し、演算部２０２は、オシロスコープ２０１が取得した正負各出力を、９０°ハイブリッド７０への入力光パワーに比例する値で補正する。具体的には、下記式（４）および下記式（５）のように、正相信号および逆相信号の受光電流値を差動出力の合計値で除することによって、パワー変動の影響を回避する。なお、Ａ_ｉ（ｔ），Ａ_ｑ（ｔ）は、Ｉ成分およびＱ成分それぞれにおける各測定点での正相信号と逆相信号との合計値である。この手順によれば、信号周期と同程度またはそれ以下の短周期のパワー変動に対しても補正が可能となる。

なお、Ｉ_ｐ，ｎは、Ｉ成分の正相成分または逆相成分のいずれか一方のことである。Ｉ_ｐ，ｎとしてＩ成分の正相成分の値を用いた場合には、補正値Ｉ´_ｐ，ｎは、正相成分の補正値を示す。同様に、Ｑ_ｐ，ｎは、Ｑ成分の正相成分または逆相成分のいずれか一方のことである。Ｑ_ｐ，ｎとしてＱ成分の正相成分の値を用いた場合には、補正値Ｑ´_ｐ，ｎは、正相成分の補正値を示す。演算部２０２は、補正値Ｉ´_ｐ，ｎおよび補正値Ｑ´_ｐ，ｎを用いてリサージュ図を作成する。図６は、補正値Ｉ´_ｐ，ｎおよび補正値Ｑ´_ｐ，ｎを用いて作成されたリサージュ図の一例である。

なお、リサージュ図を描く際にノイズの影響を除去するために個々の信号を最小二乗法により処理して上記式（１）〜（３）のｅ，ｆ，φの値を決定しようとすると、個々の出力データに時間の項が含まれることから、位相揺らぎの影響を内在させてしまうことになる。この場合、上記式のｅ，ｆ，φの測定精度が低下するおそれがある。

そこで、本実施例においては、さらに、時間の項を含まないデータ処理を実現する。まず、演算部２０２は、ノイズ成分の影響を回避するために、得られたリサージュ図に対して最小二乗法を適用する。次に、図６に示すように、リサージュ図が楕円になる場合、演算部２０２は、楕円フィッティング（楕円近似）によって下記式（６）〜（８）を満たす楕円パラメータを抽出する。ここで、「ａ」は楕円フィッティングによって得られるｘ軸方向の楕円長さの半分の値である。「ｂ」は楕円フィッティングによって得られるｙ軸方向の楕円長さの半分の値である。「θ」はｘ軸とＩ軸とがなす角度である。

下記式（７），（８）を下記式（６）に代入することによって、下記式（９）が得られる。この式（９）を用いて時間項を含まずに最小二乗法を適用することによって、精度の高い楕円のパラメータを導出することができる。式（９）を用いることによって、下記式（１０）を得ることができ、位相差φが得られる。

入力光パワーの揺らぎの補正および楕円フィッティングを組み合わせることによって、位相差の測定値バラつきを大きく改善することができる。図７は、位相差のバラツキを示す図である。図７に示すように、入力光パワーの揺らぎの補正も楕円フィッティングも行わなかった場合には、位相差のバラツキ±３．６°であった。これに対して、楕円フィッティングを行った場合には位相差のバラツキが減少し、入力光パワーの揺らぎの補正および楕円フィッティングの両方を組み合わせることによって、位相差のバラツキを±０．３°程度まで減少させることができた。

本実施例によれば、補正後の正相信号および逆相信号の和を一定に保つよう、正相信号および逆相信号の受光電流値を補正していることから、パワー変動の影響を回避することができる。それにより、正確な位相評価を行うことができ、良品を判別することができる。さらに、得られるリサージュ図に対して時間項が含まれないように楕円フィッティングすることによって、位相揺らぎの影響も回避することができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０光源
２０スプリッタ
３０アッテネータ
４０ＬＮ位相変調器
５０ａ，５０ｂ偏波コントローラ
６０関数発生器
７０９０°ハイブリッド
８０ＰＤ用電源
１００光伝送装置
２００位相評価装置
２０１オシロスコープ
２０２演算部
２０３評価部

Claims

信号光と局発光とが入力され、該信号光の該局発光に対して同相の成分を差動信号のＩ成分として、該信号光の該局発光に対して位相差を有する成分を差動信号のＱ成分としてそれぞれ出力する９０°ハイブリッドの当該２つの差動出力信号を取得する取得部と、
該Ｉ成分の差動信号それぞれを該Ｉ成分の差動信号の和で除算し補正Ｉ成分を算出し、該Ｑ成分の差動信号それぞれを該Ｑ成分の差動信号の和で除算し補正Ｑ成分を算出する演算部と、
該補正Ｉ成分と該補正Ｑ成分とから、該Ｉ成分と該Ｑ成分との位相差を見積もる評価部と、を備える、位相評価装置。
前記評価部は、前記補正Ｉ成分の差動信号および前記補正Ｑ成分の差動信号を用いて作成されるリサージュ図に対して最小二乗法による楕円フィッティングにより得られるパラメータに基づいて、前記９０°ハイブリッドが出力する該Ｉ成分と該Ｑ成分との位相差を評価する、請求項１記載の位相評価装置。
９０°ハイブリッドに信号光と局発光とを入力し、該信号光の該局発光に対して同相の成分を差動信号のＩ成分として、該信号光の該局発光に対して位相差を有する成分を差動信号のＱ成分として取得する取得ステップと、
該Ｉ成分の差動信号それぞれを該Ｉ成分の差動信号の和で除算し補正Ｉ成分を算出し、該Ｑ成分の差動信号それぞれを該Ｑ成分の差動信号の和で除算し補正Ｑ成分を算出する演算ステップと、
該補正Ｉ成分と該補正Ｑ成分とから、該Ｉ成分と該Ｑ成分との位相差を見積もる評価ステップと、を含む、位相評価方法。
前記評価ステップは、前記補正Ｉ成分の差動信号および前記補正Ｑ成分の差動信号を用いて作成されるリサージュ図に対して最小二乗法による楕円フィッティングにより得られるパラメータに基づいて、前記９０°ハイブリッドが出力する該Ｉ成分と該Ｑ成分との位相差を評価する、請求項３記載の位相評価方法。