JP6640132B2 - 光サンプリングオシロスコープ及びその感度改善方法 - Google Patents

Description

本発明は、光信号の波形を表示する光サンプリングオシロスコープ及びその感度改善方法に関する。

波形観測器としてのサンプリングオシロスコープは、リアルタイムオシロスコープと比較して、雑音性能に優れ、かつ広帯域な性能が安価に実現可能なため、光電変換素子としてのフォトダイオードを有するＯ／Ｅモジュールとサンプラとを組み合わせて光信号の波形を観測する用途に適している。その際、従来のサンプリングオシロスコープでは、１つのＯ／Ｅモジュールに対して１つのサンプラを用いるのが一般的であった。

尚、下記特許文献１には、光電変換器（１つのＯ／Ｅモジュールに相当）と電気信号処理器（１つのサンプラに相当）とを接続し、光−電気サンプリング手段として半導体光増幅器を用い、ＳＮＲ劣化が少なく高感度、かつ、測定波長範囲が広い光信号波形の観測および品質監視ができる光信号波形測定・評価装置が開示されている。

特開２００５−３４５３１２号公報

ところで、光通信では異なる特定の波長（例えば８５０ｎｍ、１３１０ｎｍ、１５５０ｎｍなど）の光信号が使用され、これら異なる波長を測定波長として光信号の波形を観測する場合、Ｏ／Ｅモジュールとサンプラが１対１の従来構成では、測定波長（例えば１３１０ｎｍ）を設定し、１つのＯ／Ｅモジュールで他の測定波長（例えば８５０ｎｍ、１５５０ｎｍ）にも対応していた。

しかしながら、Ｏ／Ｅモジュールは、光電変換を行う際の効率を示す量子効率（Responsivity）が波長によって異なる性質がある。このため、従来構成のようにＯ／Ｅモジュールとサンプラが１対１の構成の場合、特定の測定波長（例えば１３１０ｎｍ）では感度が最適ではあるが、異なる測定波長（例えば８５０ｎｍ、１５５０ｎｍ）では必ずしも感度が最適ではないという問題があった。

また、Ｏ／Ｅモジュールに内蔵されるフォトダイオードとして、光通信で使用される光信号の波長に対応したＩｎＧａＡｓフォトダイオードが知られている。ところが、近年では、光通信で取り扱う信号の高周波化も進んでおり、周波数が高くなるに連れてフォトダイオードの受光面も小さくなる傾向にある。

しかしながら、光通信で使用される波長８５０ｎｍでは、フォトダイオードとの光結合のためにコア径の大きいマルチモード光ファイバが用いられており、光ファイバのコア径に対してフォトダイオードの受光面が小さいため、レンズを介して光結合させる必要があり、１つのＯ／Ｅモジュールだけで光信号の異なる測定波長のそれぞれにおいて最適な感度で対応することができなかった。

さらに、Ｏ／Ｅモジュールとサンプラが１対１の従来構成では、例えば製造ライン上で光信号の波形を観測して性能評価を行う場合、稼働中にＯ／Ｅモジュールに異常や故障が発生して波形の観測ができなくなっても製造ラインを簡単に停止させる訳にはいかず、稼働中にＯ／Ｅモジュールの修理や交換を行うことができなかった。

また、主用途が光サンプリングオシロスコープの場合、波形をより正確に観測するためにはシステムの周波数特性が平坦であることが求められていた。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、測定波長に最適なＯ／Ｅモジュールを選択して光信号の波形を表示することができる光サンプリングオシロスコープ及びその感度改善方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載された光サンプリングオシロスコープは、個々に対応波長が異なるフォトダイオードを有する複数のＯ／Ｅモジュール２と、
前記複数のＯ／Ｅモジュールのうち、測定波長に対応する対応波長のフォトダイオードを有する１つのＯ／Ｅモジュールと接続するように切替制御される高周波切替スイッチ５と、
前記高周波切替スイッチが接続する１つのＯ／Ｅモジュールにて光電変換された電気信号をサンプリングする１つのサンプラ６とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載された光サンプリングオシロスコープは、請求項１の光サンプリングオシロスコープにおいて、
前記複数のＯ／Ｅモジュール２は、それぞれが同じ対応波長のフォトダイオードを有するモジュールを少なくとも２組備えて構成されることを特徴とする。

請求項３に記載された光サンプリングオシロスコープは、請求項１又は２の光サンプリングオシロスコープにおいて、
前記高周波切替スイッチ５と前記サンプラ６との間には、光サンプリングオシロスコープの周波数特性を平坦にするためのイコライザ１０が接続されたことを特徴とする。

本発明によれば、波形観測の対象となる光信号の測定波長に最適なＯ／Ｅモジュールを選択して感度の最適化を図ることができる。また、製造ライン上で光信号の波形を観測して性能評価を行う場合、稼働中にＯ／Ｅモジュールに異常や故障が発生して波形の観測ができなくなっても製造ラインを停止させることなく光信号の波形観測を継続して行え、稼働中でもＯ／Ｅモジュールの修理や交換が可能になる。さらに、システムの周波数特性を平坦にして波形をより正確に観測することができる。

本発明に係る光サンプリングオシロスコープの第１実施の形態を示すブロック構成図である。 本発明に係る光サンプリングオシロスコープの第２実施の形態を示すブロック構成図である。 本発明に係る光サンプリングオシロスコープの第３実施の形態を示すブロック構成図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。尚、各実施の形態の光サンプリングオシロスコープは、Ｏ／Ｅモジュール（光電変換器）とサンプリングオシロスコープを組み合わせ、入力される光信号の波形観測を行うため、光信号をＯ／Ｅモジュールにて電気信号に変換し、変換した電気信号をサンプラにてサンプリングし、サンプリング結果に基づいて光信号の波形を横軸：時間、縦軸：光電力として表示するものである。

［第１実施の形態］
図１は第１実施の形態の光サンプリングオシロスコープ１（１Ａ）のブロック構成図である。図１に示すように、第１実施の形態の光サンプリングオシロスコープ１Ａは、複数のＯ／Ｅモジュール２（２−１，２−２，２−３，…，２−Ｎ）、操作部３、記憶部４、高周波切替スイッチ５、サンプラ６、Ａ／Ｄ変換部７、表示部８、制御部９を備えて概略構成される。

複数のＯ／Ｅモジュール２（２−１，２−２，２−３，…，２−Ｎ）は、観測対象となる光信号の測定波長に応じて対応波長がそれぞれ異なるフォトダイオードを有する。

例えば光通信で使用される波長８５０ｎｍ、１３１０ｎｍ、１５５０ｎｍの何れかを測定波長に設定して光信号の波形を観測する場合、複数のＯ／Ｅモジュール２は、対応波長８５０ｎｍのフォトダイオードを有するＯ／Ｅモジュール、対応波長１３１０ｎｍのフォトダイオードを有するＯ／Ｅモジュール、対応波長１５５０ｎｍのフォトダイオードを有するＯ／Ｅモジュールで構成される。

複数のＯ／Ｅモジュール２（２−１，２−２，２−３，…，２−Ｎ）は、サンプリングオシロスコープ１の入力ポートに光ファイバを介して接続し、光信号を光ファイバを介して入力する構成、サンプリングオシロスコープ１の本体（筐体）に内蔵し、サンプリングオシロスコープ１の入力ポートから各Ｏ／Ｅモジュール２に光信号を入力する構成とすることができる。図１では、複数のＯ／Ｅモジュール２に入力される光信号として、例えばＯ／Ｅモジュール２−１に波長８５０ｎｍの光信号、Ｏ／Ｅモジュール２−２に波長１３１０ｎｍの光信号、Ｏ／Ｅモジュール２−３に波長１５５０ｎｍの光信号がそれぞれ入力される場合を例示している。

尚、複数のＯ／Ｅモジュール２（２−１，２−２，２−３，…，２−Ｎ）は、フォトダイオードから発生した微弱な電流をトランス・インピーダンスで電圧に変換して出力するトランス・インピーダンス・アンプ（ＴＩＡ）が個々に内蔵される場合もある。

操作部３は、例えば表示部８の表示画面上のポインタやアイコンを操作するマウスやタッチスクリーンなどのポインティングデバイス、装置本体に設けられるキー、スイッチ、ボタンなどを含み、観測対象となる光信号の観測開始や停止の指示、観測対象となる光信号の測定波長の設定、その他波形観測に必要な各種パラメータの設定などを行う際に操作される。

記憶部４は、操作部３にて設定された測定波長や波形観測に必要な各種パラメータ、サンプラ６によるサンプリングに基づくデータ（波形画像に展開する前のデータ）などを記憶する。

高周波切替スイッチ５は、操作部３にて設定された測定波長に対応する対応波長（測定波長と同一波長）のフォトダイオードを有するＯ／Ｅモジュール２を選択するように制御部９によって切替制御される。

サンプラ６は、高周波切替スイッチ５の切替制御により選択されたＯ／Ｅモジュール２から入力される電気信号を所定のトリガ信号によりサンプリング（等価時間サンプリング：ランダムサンプリング、シーケンシャルサンプリング）する。

Ａ／Ｄ変換部７は、サンプラ６にてサンプリングされた電気信号を、制御部９にて処理可能なディジタル信号に変換する。

表示部８は、例えば装置本体の前面に装備された液晶表示器などで構成される。表示部８は、操作部３の設定や操作に基づく制御部９の制御により、サンプラ６によるサンプリングに基づくデータから生成される観測対象の光信号の波形画像を表示画面上に表示する。

制御部８は、観測対象となる光信号の波形表示を行うべくシステム全体を統括制御する。すなわち、制御部８は、操作部３にて観測対象となる光信号の観測開始が指示されると、操作部３にて設定された測定波長に対応する対応波長のフォトダイオードを有するＯ／Ｅモジュール２を選択するように高周波切替スイッチ４を切替制御する。そして、制御部８は、サンプラ６によるサンプリングに基づくデータから観測対象の光信号の波形画像を生成して表示するように表示部８を表示制御する。

ところで、主用途である光サンプリングオシロスコープの場合、波形をより正確に観測するためにはシステムの周波数特性が平坦であることが求められる。この場合、Ｏ／Ｅモジュールとサンプラを組み合わせたシステムに最適化したイコライザを挿入する場合がある。

そこで、以下に説明する第２実施の形態では、Ｏ／Ｅモジュールとサンプラを組み合わせたシステムの周波数特性を平坦にするための構成を採用している。

［第２実施の形態］
図２は第２実施の形態の光サンプリングオシロスコープ１（１Ｂ）のブロック構成図である。尚、図２において、第１実施の形態の光サンプリングオシロスコープ１Ａと同一の構成要素には同一番号を付し、その説明を省略する。

第２実施の形態の光サンプリングオシロスコープ１Ｂは、上述した第１実施の形態の光サンプリングオシロスコープ１Ａの構成に加え、Ｏ／Ｅモジュール２とサンプラ６を組み合わせたシステムに最適化した等価機としてイコライザ１０を備えて構成される。

また、光サンプリングオシロスコープ１Ｂは、測定波長（Ｏ／Ｅモジュール２のフォトダイオードの対応波長）毎の補正値を記憶部４に記憶している。

イコライザ１０は、高周波切替スイッチ５とサンプラ６との間に接続され、システム（光サンプリングオシロスコープ１）の周波数特性を平坦にすることを目的として、主としてＯ／Ｅモジュール２の特性、特にＴＩＡが内蔵される場合はＴＩＡの性能、各構成要素を接続する同軸ケーブル、サンプラ６の性能を記憶部４に記憶された補正値に基づいて補正する。

ここで、前述したように、波長感度が最適となるフォトダイオードを有するＯ／Ｅモジュール２を測定波長毎に個別選定するが、ＴＩＡが同じＯ／Ｅモジュール２に内蔵されていれば、要求されるイコライザ１０の性能は近似する。よって、主たる補正対象に更に高周波切替スイッチ５を加えたイコライザ１０が用意できれば、図２に示す構成においてもシステムの周波数特性を平坦にすることが可能となり、使用するイコライザ１０の数量を減らすことができ、より効率的なシステムが構築可能となる。

また、光サンプリングオシロスコープの場合、システムの周波数特性の改善のため、イコライザが必要になるケースが多いが、図２に示すように、１つのイコライザ１０にて対応可能となり、システム構成の簡略化を図ることができる。

［第３実施の形態］
図３は第３実施の形態の光サンプリングオシロスコープ１（１Ｃ）のブロック構成図である。尚、図３において、第１実施の形態の光サンプリングオシロスコープ１Ａと同一の構成要素には同一番号を付し、その説明を省略する。

第３実施の形態の光サンプリングオシロスコープ１Ｃでは、上述した第１実施の形態の光サンプリングオシロスコープ１Ａの構成に加え、同じ対応波長のフォトダイオードを有するＯ／Ｅモジュール２を各対応波長毎に対に設けた構成としている。図３の例では、Ｏ／Ｅモジュール２−１，２−２，２−３，…，２−Ｎをそれぞれ対に設けた構成としている。また、図３では、複数のＯ／Ｅモジュール２に入力される光信号として、例えばＯ／Ｅモジュール２−１，２−１に波長８５０ｎｍの光信号、Ｏ／Ｅモジュール２−２，２−２に波長１３１０ｎｍの光信号、Ｏ／Ｅモジュール２−３，２−３に波長１５５０ｎｍの光信号がそれぞれ入力される場合を例示している。

また、制御部９は、測定波長に対応した対応波長のフォトダイオードを有するＯ／Ｅモジュール２を選択するように高周波切替スイッチ５を切替制御する度に、Ｏ／Ｅモジュール２毎の使用頻度（切替回数、使用時間）を記憶部４に記憶する。

そして、制御部９は、新たに測定波長が設定されると、測定波長に対応した対応波長で対に設けられるＯ／Ｅモジュール２のうち、記憶部４から読み出した使用頻度の低い方を優先して高周波切替スイッチ５を切替制御する。これにより、対に設けられるＯ／Ｅモジュール２の使用の偏りを防ぎ、Ｏ／Ｅモジュール２の使用頻度の均一化を図ることができる。

また、制御部９は、表示部８に光信号の波形が表示されなくなり、現在選択しているＯ／Ｅモジュール２に異常や故障が発生したと判断した場合、現在選択しているＯ／Ｅモジュール（例えば図３の一方の２−２）と対に設けられるＯ／Ｅモジュール（例えば図３の他方の２−２）を選択するように高周波切替スイッチ５を切替制御することもできる。これにより、例えば製造ライン上で光信号の波形を観測して性能評価を行う場合、稼働中にＯ／Ｅモジュール２に異常や故障が発生して波形の観測ができなくなっても製造ラインを停止させることなく光信号の波形観測を継続して行え、異常や故障が発生したＯ／Ｅモジュールの修理や交換を稼働中でも可能になる。

尚、図３の例では、コストアップを抑えて必要最小限の構成とするため、同じ対応波長のフォトダイオードを有するモジュールを２組対に備えた構成としたが、この構成に限定されるものではない。例えば同じ対応波長のフォトダイオードを有するモジュールを３組以上備えた構成とすることもできる。すなわち、複数のＯ／Ｅモジュール２（２−１，２−２，２−３，…，２−Ｎ）は、それぞれが同じ対応波長のフォトダイオードを有するモジュールを少なくとも２組備えた構成とすることができる。

このように、本実施の形態の光サンプリングオシロスコープ１は、対応波長が異なる複数のＯ／Ｅモジュール２と１つのサンプラ６を高周波切替スイッチ５を介して接続を行う構成としている。これにより、対応が必要な波長（測定波長）に対して最適な量子効率を持つＯ／Ｅモジュール２を選定して感度の最適化を図ることができる。この場合、ユーザはＯ／Ｅモジュールを切り替える際に測定波長を設定する必要が生じるが、仮に構成が１対１の場合であっても量子効率は波長によって異なるため、ユーザは測定波長を設定する必要があり、Ｎ対１の構成であってもユーザの作業効率が落ちるといったことはない。

また、一般的にサンプラ６の価格は高周波切替スイッチ５よりも高額である。よって、サンプラ６の使用数量を高周波切替スイッチ５で抑圧可能な本実施の形態の構成は、Ｏ／Ｅモジュール２とサンプラ６をＮ対Ｎで構成するよりもコストメリットが高いと言える。

以上、本発明に係る光サンプリングオシロスコープ及びその感度改善方法の最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術などはすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。

１（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ） 光サンプリングオシロスコープ
２（２−１，２−２，２−３，…，２−Ｎ） Ｏ／Ｅモジュール
３ 操作部
４ 記憶部
５ 高周波切替スイッチ
６ サンプラ
７ Ａ／Ｄ変換部
８ 表示部
９ 制御部
１０ イコライザ

Claims (3)

1. 個々に対応波長が異なるフォトダイオードを有する複数のＯ／Ｅモジュール（２）と、
   前記複数のＯ／Ｅモジュールのうち、測定波長に対応する対応波長のフォトダイオードを有する１つのＯ／Ｅモジュールと接続するように切替制御される高周波切替スイッチ（５）と、
   前記高周波切替スイッチが接続する１つのＯ／Ｅモジュールにて光電変換された電気信号をサンプリングする１つのサンプラ（６）とを備えたことを特徴とする光サンプリングオシロスコープ。
2. 前記複数のＯ／Ｅモジュール（２）は、それぞれが同じ対応波長のフォトダイオードを有するモジュールを少なくとも２組備えて構成されることを特徴とする請求項１記載の光サンプリングオシロスコープ。
3. 前記高周波切替スイッチ（５）と前記サンプラ（６）との間には、光サンプリングオシロスコープの周波数特性を平坦にするためのイコライザ（１０）が接続されたことを特徴とする請求項１又は２記載の光サンプリングオシロスコープ。

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