JP7315928B2

JP7315928B2 - 光信号サンプリング装置及び光信号サンプリング方法

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Publication number: JP7315928B2
Application number: JP2020115175A
Authority: JP
Inventors: 達也岡本; 大輔飯田; 文彦伊藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; National University Corp Shimane University
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; National University Corp Shimane University
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2023-07-27
Anticipated expiration: 2040-07-02
Also published as: JP2022012970A

Description

本開示は、線形光サンプリングに関する。

サンプリングパルスと光信号を干渉させることで、干渉した時刻における光信号の電界波形（振幅と位相）を測定する光信号サンプリング装置が開示されている（例えば、非特許文献１～３を参照。）。

図１は、非特許文献１～３の光信号サンプリング装置３０１を説明する図である。光信号サンプリング装置３０１は、光源としてモードロックファイバレーザ（ＭＬＦＬ）１１、光９０度ハイブリッド１２、バランスフォトディテクタ（ＢＰＤ）１３、ＡＤ変換器１４、及び演算器１５を備える。

図１（Ａ）のように、測定対象の光信号Ｓは、光周波数ν１を中心とした強度（実線）と位相（破線）を有し、時間ｔとともに強度も位相も変化している。
図１（Ｂ）は、ＭＬＦＬ１１が出力する光パルスＰの波形を説明する図である。図１（Ｂ）のように、ＭＬＦＬ１１は任意の時刻τにある強度（実線）と位相（破線）の光パルスＰを出力する。光パルスＰの光スペクトル特性も図１（Ｂ）に示す。
図１（Ｃ）は、光９０度ハイブリッド１２で行われるサンプリングを説明する図である。図１（Ｃ）のように、時間領域においては、

のようにサンプリングされる。ここで、
Ｅ_ＬＯ（ｔ）は光パルスＰの時間波形、
δ（ｔ）は光パルスＰの振幅、
Ｅ_ＬＯ ^＊（ｔ-τ）は時間τ遅延した光パルスＰの時間波形、
Ｅ_ｓｉｇ（ｔ）は測定対象の光信号Ｓの時間波形、
ν_ｓは光パルスＰの中心周波数、
Ｉ及びＱはそれぞれ光信号Ｓと光パルスＰのビート信号の実部及び虚部である。
光周波数領域においては、ビート信号は、次式のように光パルスＰのスペクトル特性と光信号Ｓのスペクトル特性の積となり、光信号Ｓの強度に比例する。

そして、光９０度ハイブリッド１２でサンプリングされた光はそれぞれＢＰＤ１３で受光され、ＡＤ変換器１４でデジタル信号とされ、演算器１５で解析される。図１（Ｄ）は、演算器１５で解析された光信号Ｓの波形図である。光信号Ｓの強度は、

で計算され、位相は、

で計算される。

Ｄｏｒｒｅｒ，Ｃ．，ｅｔａｌ． "Ｌｉｎｅａｒｏｐｔｉｃａｌｓａｍｐｌｉｎｇ．" ＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅｒｓ１５．１２（２００３）：１７４６－１７４８．Ｄｏｒｒｅｒ，Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅ． "Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｏｐｔｉｃａｌｓｉｇｎａｌｓｆｒｏｍｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｓｍｅａｓｕｒｅｄｗｉｔｈｌｉｎｅａｒｏｐｔｉｃａｌｓａｍｐｌｉｎｇ．" Ｊｏｕｒｎａｌｏｆｌｉｇｈｔｗａｖｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２４．１（２００６）：３１３．Ｏｋａｍｏｔｏ，Ｋｅｉｊｉ，ａｎｄＦｕｍｉｈｉｋｏＩｔｏ． "Ｄｕａｌ－ｃｈａｎｎｅｌｌｉｎｅａｒｏｐｔｉｃａｌｓａｍｐｌｉｎｇｆｏｒｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓｌｙｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｕｌｔｒａｆａｓｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙａｎｄｐｈａｓｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ．" ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ２７．１２（２００９）：２１６９－２１７５．Ｆｏｒｔｉｅｒ，ＴａｒａＭ．，ＡｌｂｒｅｃｈｔＢａｒｔｅｌｓ，ａｎｄＳｃｏｔｔＡ．Ｄｉｄｄａｍｓ． "Ｏｃｔａｖｅ－ｓｐａｎｎｉｎｇＴｉ：ｓａｐｐｈｉｒｅｌａｓｅｒｗｉｔｈａｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｒａｔｅ＞１ＧＨｚｆｏｒｏｐｔｉｃａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ．" ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ３１．７（２００６）：１０１１－１０１３．Ｄｅｌ’Ｈａｙｅ，Ｐａｓｃａｌ，ｅｔａｌ． "Ｏｐｔｉｃａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｍｂｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｆｒｏｍａｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃｍｉｃｒｏｒｅｓｏｎａｔｏｒ．" Ｎａｔｕｒｅ４５０．７１７３（２００７）：１２１４－１２１７．Ｔｏｒｒｅｓ‐Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｖｉｃｔｏｒ，ａｎｄＡｎｄｒｅｗＭ．Ｗｅｉｎｅｒ． "Ｏｐｔｉｃａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｍｂｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆｏｒｕｌｔｒａ‐ｂｒｏａｄｂａｎｄｒａｄｉｏ‐ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｐｈｏｔｏｎｉｃｓ．" Ｌａｓｅｒ＆ＰｈｏｔｏｎｉｃｓＲｅｖｉｅｗｓ８．３（２０１４）：３６８－３９３．ＡｎｄｒｅｗＭ．Ｗｅｉｎｅｒ， "Ｕｌｔｒａｆａｓｔｏｐｔｉｃａｌｐｕｌｓｅｓｈａｐｉｎｇ：Ａｔｕｔｏｒｉａｌｒｅｖｉｅｗ"，ＯｐｔｉｃｓＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ２８４（２０１１）３６６９－３６９２

しかし、非特許文献１～３の光信号サンプリング装置の光源はＭＬＦＬであり、サンプリングパルスの帯域（測定器の帯域）が１０ｎｍ程度である。このため、非特許文献１～３の光信号サンプリング装置には、広帯域の光信号をサンプリングすることが困難であるという課題があった。

ここで、広帯域のサンプリングパルス光源として光周波数コムが知られている（例えば、非特許文献４－６を参照。）。しかし、光周波数コム（ＯＦＣ）は広帯域であるが、光スペクトル特性（強度と位相）が平坦ではない。このため、ＯＦＣを光信号サンプリング装置の光源として用いた場合、光信号Ｓの時間波形を忠実に測定することが困難という課題がある。

図２は、ＯＦＣ１１ａを光信号サンプリング装置３０２の光源として用いた場合の課題を説明する図である。
図２（Ａ）は、測定対象の光信号Ｓを説明する図である。光信号Ｓは、図１（Ａ）と同じである。
図２（Ｂ）は、ＯＦＣ１１ａが出力する光コムＣの波形を説明する図である。ＯＦＣ１１ａは図２（Ｂ）のような強度（実線）と位相（破線）の光スペクトル特性の光コムＣを出力する。このため、光コムＣの時間波形は、光強度がパルス的にならず、時間的に変動し、位相も時間的に変動する。
図２（Ｃ）は、光９０度ハイブリッド１２で行われるサンプリングを説明する図である。図１（Ｃ）で説明したように数１及び数２のようにサンプリングされる。
図２（Ｄ）は、演算器１５で解析された光信号Ｓの波形図である。光信号Ｓの強度及び位相は、図１（Ｄ）で説明したように数３及び数４で計算される。光信号サンプリング装置３０１は、図２（Ｂ）のような波形の光コムＣでサンプリングしているため、光信号Ｓの時間波形を忠実に測定できない。

そこで、本発明は、前記課題を解決するために、広帯域で光信号の時間波形を忠実に測定することができる光信号サンプリング装置及び光信号サンプリング方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る光信号サンプリング装置は、光周波数コムで広帯域な光コムを発生し、スペクトルシンセサイザで該光コムの光スペクトル特性を平坦化し、サンプリングパルス光として用いることとした。

具体的には、本発明に係る光信号サンプリング装置は、
測定対象の光信号の帯域より広い帯域の光コムを発生させる光周波数コムと、
前記光コムの強度と位相についての光スペクトル特性を平坦化し、時間波形をパルス化して光パルスを生成するスペクトルシンセサイザと、
前記光信号と前記光パルスを干渉させて前記光信号の電界波形を測定する測定部と、
を備える。

また、本発明に係る光信号サンプリング方法は、
測定対象の光信号の帯域より広い帯域の光コムを発生させること、
前記光コムの強度と位相についての光スペクトル特性を平坦化し、時間波形をパルス化して光パルスを生成すること、及び
前記光信号と前記光パルスを干渉させて前記光信号の電界波形を測定すること、
を行う。

本発明に係る光信号サンプリング装置は、広帯域測定を可能とするために光周波数コムを使用し、光信号を忠実に測定するためにスペクトルシンセサイザで光コムの光スペクトル特性を平坦化した。

従って、本発明は、広帯域で光信号の時間波形を忠実に測定することができる光信号サンプリング装置及び光信号サンプリング方法を提供することができる。

また、本発明に係る光信号サンプリング装置及び方法は、前記スペクトルシンセサイザで、前記光スペクトル特性を平坦化した光コムの帯域から任意の一部の帯域を選択して前記光パルスとすることを特徴とする。
本発明に係る光信号サンプリング装置及び方法は、測定したい光帯域を選択することができる。

さらに、本発明に係る光信号サンプリング装置及び方法は、前記スペクトルシンセサイザで、前記光スペクトル特性を平坦化した光コムの帯域を複数の分割帯域に分割し、前記分割帯域毎に前記光パルスを生成し、前記測定部で、前記光パルスのそれぞれで測定した前記分割帯域毎の前記電界波形を合成することを特徴とする。

線形光サンプリングの帯域はサンプリングパルスの光帯域で決まる。そこで、本発明に係る光信号サンプリング装置及び方法は、サンプリングパルスの光帯域を制御し、光信号の任意の帯域における波形を測定する。本発明に係る光信号サンプリング装置及び方法は、ＷＤＭ信号の任意チャネルや広帯域信号の帯域分割測定が可能である。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明は、広帯域で光信号の時間波形を忠実に測定することができる光信号サンプリング装置及び光信号サンプリング方法を提供することができる。

本発明に関連する光信号サンプリング装置を説明する図である。本発明に関連する光信号サンプリング装置を説明する図である。本発明に係る光信号サンプリング装置を説明する図である。本発明に係る光信号サンプリング装置を説明する図である。なお、光信号の再生には位相も必要になりますが、本図では煩雑化を防ぐために強度のみを描いている。本発明に係る光信号サンプリング装置を説明する図である。なお、光信号の再生には位相も必要になりますが、本図では煩雑化を防ぐために強度のみを描いている。また、ＦＦＴは、高速フーリエ変換（ＦａｓｔＦｏｕｒｉｅｒＴｒａｎｓｆｏｒｍ）である。本発明に係る光信号サンプリング方法を説明する図である。本発明に係る光信号サンプリング装置が備えるスペクトルシンセサイザの構成を説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
図３は、本実施形態の光信号サンプリング装置３０３を説明する図である。光信号サンプリング装置３０３は、
測定対象の光信号Ｓの帯域より広い帯域の光コムを発生させる光周波数コム１１ａと、
前記光コムの強度と位相についての光スペクトル特性を平坦化し、時間波形をパルス化して光パルスを生成するスペクトルシンセサイザ１１ｂと、
前記光信号と前記光パルスを干渉させて前記光信号の電界波形を測定する測定部２０と、
を備える。

図３（Ａ）は、測定対象の光信号Ｓの帯域と時間波形を説明する図である。実線は強度、破線は位相を示す。
光信号サンプリング装置３０３は、光信号Ｓより広帯域な光パルスを発生させるために、図２で説明した光周波数コム１１ａを備える。図３（Ｂ１）は、光周波数コム１１ａが出力する光コムＣの帯域と時間波形を説明する図である。実線は強度、破線は位相を示す。光コムＣは、図２で説明したように光スペクトル特性（強度と位相）が平坦ではない。

そこで、光コムＣの光スペクトル特性（強度と位相）が平坦ではないという課題に対し、光信号サンプリング装置３０３はスペクトルシンセサイザ１１ｂを備える。スペクトルシンセサイザ１１ｂは、広帯域な光コムをスペクトル制御し、図３（Ｂ２）のように光スペクトル特性（強度と位相）が平坦なサンプリングパルスＰ_Ｆを形成する。実線は強度、破線は位相を示す。スペクトルシンセサイザ１１ｂの詳細については後述する。

測定部２０は、光９０度ハイブリッド１２、バランスフォトディテクタ（ＢＰＤ）１３、ＡＤ変換器１４、及び演算器１５を有する。これらの動作は、図１の光信号サンプリング装置３０１や図２の光信号サンプリング装置３０２での説明と同じである。つまり、測定部２０は、図３（Ｃ）のように光信号Ｓと光パルスＰ_Ｆを干渉させて前記光信号の電界波形を測定する（図３（Ｄ））。

光信号サンプリング装置３０３が電解波形を測定する動作は、図１の光信号サンプリング装置３０１や図２の光信号サンプリング装置３０２のそれと同じであるが、参照光としてスペクトルシンセサイザ１１ｂが作り出した光パルスＰ_Ｆを使用する点が異なる。つまり、測定部２０は、広帯域で平坦な光スペクトル特性の光パルスＰ_Ｆを使用するため、光信号サンプリング装置３０２のようなサンプリングパルス由来の光スペクトル特性の歪みがなく、広帯域な光信号Ｓを忠実に再生できる（図３（Ｄ））。

具体的には、光信号サンプリング装置３０３は、光周波数コム１１ａの光コムＣを採用したことで、１０ｎｍ程度であった図１の光信号サンプリング装置３０１の帯域を１００ｎｍ以上に拡大することができた。さらに、光信号サンプリング装置３０３は、スペクトルシンセサイザ１１ｂで光コムＣのスペクトルを平坦化して光パルスＰ_Ｆを使用することで、平坦な測定周波数特性を得ることができた。

（実施形態２）
図４は、本実施形態の光信号サンプリング装置３０４を説明する図である。光信号サンプリング装置３０４の構成は図３で説明した光信号サンプリング装置３０３と同じである。光信号サンプリング装置３０４と光信号サンプリング装置３０３との相違点は、スペクトルシンセサイザ１１ｂが、前記平坦化した光コムの帯域から任意の一部の帯域を選択して光パルスＰ_Ｆとすることである。

例えば、光信号ＳがＷＤＭ（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）のように波長多重であり、任意のチャネルの波長（例えば、光周波数ν_２の波長）の光信号を測定することを考える。この場合、スペクトルシンセサイザ１１ｂは、前記平坦化した光コムの帯域から光周波数ν_２の帯域を切り出して光パルスＰ_Ｆとする。例えば、スペクトルシンセサイザ１１ｂは、帯域２５－１００ＧＨｚのＷＤＭ信号の１つのチャネル（例えば、中心周波数ν_２）を１ＧＨｚ程度の精度で切り出すことができる。

測定部２０の構成及び動作は、図３の光信号サンプリング装置３０３での説明と同じである。ただし、光パルスＰ_Ｆが光周波数ν_２の帯域であるので、測定部２０は、図３（Ｃ）のように波長多重の光信号Ｓのうち、光周波数ν_２のチャネルの信号のみをサンプリングすることになる。

このように、光信号サンプリング装置３０４は、スペクトルシンセサイザ１１ｂで光コムの光スペクトル特性を平坦化するとともに、当該光コムから測定したい光の帯域を選択することで、例えばＷＤＭ信号の任意チャネルの光信号を測定することができる。

（実施形態３）
図５は、本実施形態の光信号サンプリング装置３０５を説明する図である。光信号サンプリング装置３０５の構成は図３で説明した光信号サンプリング装置３０３と同じである。光信号サンプリング装置３０５と光信号サンプリング装置３０３との相違点は、スペクトルシンセサイザ１１ｂが、前記平坦化した光コムの帯域を複数の分割帯域に分割し、前記分割帯域毎に光パルスＰ_Ｆを生成し、測定部２０が、光パルスＰ_Ｆのそれぞれで測定した前記分割帯域毎の前記電界波形を合成することである。

例えば、図５（Ａ）のように、光信号Ｓが複数の光帯域（ν_１、ν_２、・・・、ν_Ｎ；Ｎは自然数）の電界波形を重ね合わせたものであることを考える。この場合、スペクトルシンセサイザ１１ｂは、図５（Ｂ２）のように前記平坦化した光コムの帯域をＮ個に分割し、Ｎ個の光パルスＰ_Ｆを生成する。

測定部２０の構成及び動作は、図３の光信号サンプリング装置３０３での説明と同じである。ただし、帯域が異なるＮ個の光パルスＰ_Ｆを使用するので、光９０度ハイブリッド１２では図５（Ｃ）のように帯域毎に光信号Ｓと光パルスＰ_Ｆが干渉し、Ｎ個のサンプリング結果が得られる。演算器１５は、これらのサンプリング結果を光周波数領域で合成し、光信号Ｓを再生する。

このように、光信号サンプリング装置３０５は、スペクトルシンセサイザ１１ｂで光コムの光スペクトル特性を平坦化するとともに、当該光コムの帯域を分割して分割帯域毎に光信号を測定すること、及び測定部２０で各分割帯域の強度と位相を合成することで、複数の光帯域からなる光信号を再生することができる。

（実施形態４）
図６は、上述した光信号サンプリング装置（３０３～３０５）の動作をまとめた図である。
光信号サンプリング装置３０３は、
測定対象の光信号Ｓの帯域より広い帯域の光コムＣを発生させること（ステップＳ０１）、
光コムＣの強度と位相についての光スペクトル特性を平坦化し（ステップＳ０２）、当該光コムの時間波形をパルス化して光パルスＰ_Ｆを生成すること（ステップＳ０３）、及び
光信号Ｓと光パルスＰ_Ｆを干渉させて光信号Ｓの電界波形を測定すること（ステップＳ０４）、
を行う。

ステップＳ０３において、前記平坦化した光コムの帯域から任意の一部の帯域を選択して光パルスＰ_Ｆとしてもよい。

また、ステップＳ０３において、前記平坦化した光コムの帯域を複数の分割帯域に分割し、前記分割帯域毎に光パルスＰ_Ｆを生成すること、及びステップＳ０４において、光パルスＰ_Ｆのそれぞれで測定した前記分割帯域毎の前記電界波形を合成してもよい。

（付録）
スペクトルシンセサイザ１１ｂについて説明する。図７は、スペクトルシンセサイザ１１ｂの構成の一例を説明する図である。本例のスペクトルシンセサイザ１１ｂは、フーリエ合成法を使用して任意の形状のフェムト秒光波形を生成する。入射される光コムＣは、まず、回折格子などのグレーティング７１と、レンズまたは曲面鏡である光集束器７２でその構成スペクトル成分に分解される。次に、空間的にパターン化されたマスク７３は、空間的に分散されたスペクトル成分の位相と振幅を任意に変調する。ここで、マスク７３はスペクトル成分の偏光を変調してもよい。スペクトル成分は、レンズまたは曲面鏡である光集束器７４と、回折格子などのグレーティング７５で再結合され、成形された光パルスＰ_Ｆが出力される。

光パルスＰ_Ｆの形状は、マスク７３のパターンで決定される。マスク７３は、マイクロリソグラフィーでパターン化したもの、プログラム可能な空間光変調器、音響光学変調器、ホログラフィックマスク、可変鏡、マイクロミラーアレイ、又はプログラム可能な液晶変調器アレイなどが例示できる。特に、液晶変調器アレイは、スペクトルの振幅と位相を独立して同時に制御できる。このようなマスク７３は、時間的分散がないことが利点である。

図７のようなパルス整形の構成を使用すると、入力光を光周波数スペクトルに分散し、周波数領域での並列した空間変調して合成するため、マスク７３の仕様に応じてフェムト秒パルスを所望の複雑な光信号に変換することができる。したがって、図７のような構成は、超高速変調器を必要とせずに、数百テラヘルツものシリアル変調帯域幅を持つ波形を操作できる。このため、スペクトルシンセサイザ１１ｂは、光コムＣの光スペクトル特性を平坦にするパターンのマスク７３を備えることで、光スペクトル特性を平坦化した光パルスＰ_Ｆを出力することができる。

１１：モードロックファイバレーザ
１１ａ：光周波数コム
１１ｂ：スペクトルシンセサイザ
１２：光９０度ハイブリッド
１３：バランスフォトディテクタ
１４：ＡＤ変換器
１５：演算器
２０：測定部
７１：グレーティング
７２：光集束器
７３：マスク
７４：光集束器
７５：グレーティング
３０１～３０５：光信号サンプリング装置

Claims

測定対象の光信号の帯域より広い帯域の光コムを発生させる光周波数コムと、
前記光コムの強度と位相についての光スペクトル特性を平坦化し、時間波形をパルス化して光パルスを生成するスペクトルシンセサイザと、
前記光信号と前記光パルスを干渉させて前記光信号の電界波形を測定する測定部と、
を備える光信号サンプリング装置。
前記スペクトルシンセサイザは、前記光スペクトル特性を平坦化した光コムの帯域から任意の一部の帯域を選択して前記光パルスとすることを特徴とする請求項１に記載の光信号サンプリング装置。
前記スペクトルシンセサイザは、前記光スペクトル特性を平坦化した光コムの帯域を複数の分割帯域に分割し、前記分割帯域毎に前記光パルスを生成し、
前記測定部は、前記光パルスのそれぞれで測定した前記分割帯域毎の前記電界波形を合成することを特徴とする請求項１に記載の光信号サンプリング装置。
測定対象の光信号の帯域より広い帯域の光コムを発生させること、
前記光コムの強度と位相についての光スペクトル特性を平坦化し、時間波形をパルス化して光パルスを生成すること、及び
前記光信号と前記光パルスを干渉させて前記光信号の電界波形を測定すること、
を行う光信号サンプリング方法。
前記光スペクトル特性を平坦化した光コムの帯域から任意の一部の帯域を選択して前記光パルスとすることを特徴とする請求項４に記載の光信号サンプリング方法。
前記光スペクトル特性を平坦化した光コムの帯域を複数の分割帯域に分割し、前記分割帯域毎に前記光パルスを生成すること、及び
前記光パルスのそれぞれで測定した前記分割帯域毎の前記電界波形を合成すること
を特徴とする請求項４に記載の光信号サンプリング方法。