JPH0242329A - 光周波数変調特性の測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光通信装置の測定に利用する。本発明は周波数
変調された光信号の変調特性を測定するために利用する
。本発明は半導体レーザから放出され周波数変調された
コヒーレント光通信用の光信号の変調特性を測定するに
適する。

〔従来の技術〕

コヒーレント光通信では、周波数変調方式が優れている
ことが知られている。またこのために、半導体レーザを
直接変調することにより得られる周波数変調信号を用い
ると簡単な送信回路を得ることができる。半導体レーザ
の直接変調により得られる光信号の周波数変調信号は、
周波数変調成分とともに振幅変調成分をも含む。この周
波数変調時性の測定には、振幅変調成分の影響の小さい
測定方法が必要である。

また半導体レーザの周波数変調応答特性は、低い変調周
波数では熱の影響による周波数変化が支配的であり、高
い変調周波数ではキャリアの影響による周波数変化が支
配的となる。しかもこの二つの効果はその変化方向が反
対でありレーザ注入電流に対する周波数変調応答特性は
均一にならない性質がある。したがって、半導体レーザ
の周波数変調応答特性を測定するには、゛光信号の周波
数変化を忠実に電圧変化に変換する回路が必要である。

従来このような測定には光共振器エタロンが用いられて
いる。光共振器エタロンは二つの平行平面が形成された
素子であり、この平行平面の間に角度θを設けて被測定
光を入射させ、この光を二つの平行平面の間で繰り返し
反射させると干渉縞が発生する。この干渉縞はこの角度
θと二つの平行平面の間隔ｄが固定されている場合には
、入射光の周波数により定まる性質がある。この干渉縞
により光の周波数（または波長）変化を測定するエタロ
ンは広く知られている。

第５図はこのエタロンの入力光周波数と出力光強度を表
す特性図である。横軸に光周波数をとり縦軸に出力光の
光強度を表す。すなわち周波数の変化に対してエタロン
から出力される光の光強度が変化する様子を表す。この
特性曲線の勾配の大きい点ａを選び、この点ａの周波数
ｆａを中心周波数として周波数変調された入力光をエタ
ロンに与えると、第５図すに示すような光強度の変化に
変換された光信号が得られる。この光強度の変化に変換
された光信号を光電変換素子で電圧信号に変換すること
により周波数変調応答特性を観測することができる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところがこの方法による測定では、■周波数変化の急峻
な部分は限られているので、広い周波数範囲にわたり測
定することができない、■多重反射を利用しているので
反射波と干渉波との間に遅延時間差が生じて高い周波数
では縞模様がシャープにならない、■入力光の振幅が大
きい場合には歪が生じる、などの問題がある。特に、上
記■については、エタロンの一方の反射鏡を移動させ、
あるいは被測光の入射角度を変化させてその測定周波数
範囲を変化させる技術が知られているが、このためには
精密かつ複雑な機構が必要である。

また、別の干渉縞を発生させる方法として、マツハツエ
ンダ干渉計を利用するものが考えられる。

マツハツエンダ干渉計は入力光の広い周波数範囲にわた
り緩やかな強度変化を示すとともに、高い周波数までよ
い応答特性を示す優れた性質があるが、マツハツエンダ
干渉計を通過した光信号は入力光の振幅変化の影響をそ
のまま受けてしまい、周波数変調成分と振幅変調成分と
を分離して観測するには適当でないと考えられていた。

本発明はこれを解決するもので、広い周波数範囲にわた
り周波数変調成分を観測することができるとともに、そ
の機構がきわめて簡単な装置を提供することを目的とす
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、マツハツエンダ干渉計の二つの光出力ポート
にそれぞれ光電変換器を設けて、この二つの光電変換器
の出力電気信号の差分を出力信号とする電気回路手段を
備えたことを特徴とする。

また、マツハツエンダ干渉計の二つの光路長の差を制御
する手段を設け、この手段に前記出力電気信号の差分に
応じる制御入力、特に望ましくは差分の時間平均筒が零
になるような制御入力を与える制御回路を備えることが
優れている。光路長の差を制御するには、光路の温度を
制御することができる。

ここでマツハツエンダ干渉計とは、第２図に示す模式図
を参照して、二つの入力ポート（１１，１２）と、それ
ぞれこの入力ポートの入力光を導く二つの導波路の光信
号が相互に干渉結合される第一の結合回路（１５）と、
この結合回路を通過し相互に干渉を受けた二つの光信号
がそれぞれ導かれる二つの導波路（１３，１４）　　と
、さらにこの二つの導波路の光信号が相互に干渉結合さ
れる第二の結合回路（１６）と、この第二の結合回路を
通過し相互に干渉を受けた二つの光信号が送出される二
つの出カポ−）　（１７，１ｇ）　とを備え、第一の結
合回路と第二の結合回路との間の二つの導波路にはその
光路長に光伝播時間差（τ）が設けられた構成のもので
ある。

一般に二つの入力ポートのうちの一方の入力ポート（１
２）に光信号を入力すると、第一の結合回路（１５）で
この光信号は二つの導波路（１３，１４）に分岐し、異
なる伝播時間で伝播して第二の結合回路（１６）で相互
に干渉を受けると、その二つの出力ポート（１７，１８
）には入力光信号の周波数にしたがって強度が周期的に
変化するいわゆる縞模様の光信号が得られる。

〔作用〕

マツハツエンダ干渉計の二つの光出力ボートには、入力
光の周波数変化に対して位相の異なる強度信号が得られ
る。また、マツハツエンダ干渉計の二つの光出力ボート
には、入力光の振幅変化の影響がそのまま現れる。した
がって、この二つの光出力ボートに現れ不信号を減算す
ることにより、入力光の振幅の影響は除かれるとともに
、周波数変化に対する強度変化は２倍になる。

二つの出力ポートの光出力を受信しこの差をとることに
よる方法では、ある程度まで振幅変動成分をキャンセル
できることについて以下に式を用いて説明する。

入力ポート（１２）の信号を次式で表す。

５（ｔ）＝Ａｃｏｓ　（（１）　ｔ＋φ（ｔ　）　）　
　　　（１）ここで、Ａは光の電界、ωは光の周波数、
φ（１）は周波数変調信号である。干渉計の二つの導波
路（１３，１４）の信号は Ｓ＋（ｔ）＝Ａｃｏｓ　（ωｔ＋φ（ｔ））　／ＪＴＳ
ｚ（ｔ）＝Ａｃｏｓ　　（ａ＋（ｔ−ｒ）＋φ（を−τ
）＋π／２）／ＪＴ 二つの出力ポート（１７，１８）に現われる信号Ｓ３、
Ｓ、は ５３（ｔ） ＝−Ａ、　−ｃｏｓ　〔ωτ／２ ＋　（φ（１）−φ（ｔ−τ））／２）ｘ　　ｓｉｎ　
Ｃωｔ−ωτ／２ ＋　（φ（１）＋φ（を−τ））／２Ｅｓｉ（ｔ） ＝−Ａ−ｓｉｎ［ωτ／２ ＋　（φ（１）−φ（を−τ））／２］ｘ　　ｓｉｎ　
Ｃωを一ωτ／２ ＋　（φ（１）＋φ（を−τ））／２］となる。これは
電界であるためこれを二乗検波し、平均化すると ５５２（ｔ） ＝　Ａ　２・ｃｏｓ”　［：ωτ／′２＋（φ（１）−
φ（を−τ））／２］／２ｓｓ”（ｔ） ＝Ａ２・５ｉｎ２（ωｒ／２＋　（φ（１）−φ（ｔ−
４））　／２’］　／２となる。

光路長差τを適当に調整し π ωτ＝　　　　＋２ｎπ になるようにすると Ｓｓ”（ｔ）＝Ａ”　［１−５ｉｎ　（φ（１）−φ（
ｔ−τ）））／４ Ｓ６”（ｔ）＝Ａ２（１＋ｓｉｎ　（φ（１）−φ（を
−τ））：］／４ となる。すなわち、二つの出力ポートの片方だけの受信
ではＡ２に含まれる強度変調成分も同時に測定すること
になる。これは割り算で完全に除去できるが実際は割り
算器が高速まで応答しないため高速の変調特性測定には
使用できない。ここで両出力の差をとると次式となる。

５ｓ２（ｔ）　　Ｓｓ”（ｔ） ＝Ａ２ｓｉｎ　（φ（１）−φ（ｔ−ｒ））／２叫 となるため式（８）、（９）の第１項に含まれる強度変
調成分は除去される。もっとも、第２項の成分は差をと
っても除去でき−ずに残るが、これは十分小さいため通
常の測定では問題にならない。

周波数変調信号φ（１）　は ω。

と表される。ここでβは変調指数、ω、は変調角周波数
、θは任意の位相である。これを式αＱに代入すると Ｓ　６’　（ｔ）　　　Ｓ　ｓ”　（ｔ）αＤ となる。

従って少なくとも すなわち光伝播時間差τは π τ〈 ω鵬 の条件を満足しないと、信号を忠実に検出できない。

〔実施例〕

第１図は本発明実施例装置の構成図である。この装置は
、入力光として周波数変調された被測定光が入射するマ
ツハツエンダ干渉計１と、このマツハツエンダ干渉計１
の出力光の強度を電気信号に変換する光電変換器２およ
び３とを備える。この光電変換器は２個であって、−ツ
バツエンダ干渉計の二つの光出力ポートにそれぞれ設け
られるところに特徴がある。この２個の光電変換器２お
よび３の出力電気信号の差分を出力信号とする電気回路
手段として、この光電変換器２のアノード側の電位と光
電変換器３のカソード側の電位とが加算されるように直
列に接続され、この差分の出力信号は増幅器４を介して
出力端子５に送出される。

またマツハツエンダ干渉計にはその二つの光路長の差を
制御する手段としてヒータ６が設けられ、このヒータ６
の電流を制御するトランジスタ７の制御電極には、前記
出力電気信号の差分に応じた制御入力を与える制御回路
８が接続される。

このマツハツエンダ干渉計１は、一つの石英基板に光導
波路１３および１４が形成されたもので、符号１１およ
び１２は光入力ポート、符号１５および１６は方向結合
器、符号１７および１８は二つの光出力ポートを表す。

二つの光導波路１３および１４には光伝播時間がτだけ
異なるようにその長さが設定されている。

第２図はマツハツエンダ干渉計の模式図である。

すなわち二つの光導波路１３および１４にはその光伝播
時間の差がτであるように長さに相違があるから、二つ
の光出力ポート１７および１８の出力光には干渉が発生
する。この干渉は周波数により変化する。したがってポ
ート１２の入力光と二つの光出力ポート１７および１８
の出力光との間には、第３図に示すような周波数光強度
特性が得られる。第３図において実線の曲線はポート１
７の出力光の特性であり、破線の曲線はポート１８の出
力光の特性である。

第３図において、この曲線の勾配がほぼ一様である点ａ
を選び、ポート１２に入力する入力光としてこの点ａに
対応する周波数ｆａを中心周波数とする周波数変調され
た光信号を与えると、ポート１７および１８の出力光は
この入力光の周波数の変化に応じてその光強度が第３図
〔１〕のように変化する。

この強度の変化は二つのポート１７および１８について
逆方向であるから、二つのポート１７および１８で検出
される信号を減算することにより第３図（４）のように
２倍の振幅となる。

さらに、この入力光が半導体レーザを直接変調すること
により得られる周波数変調信号であるとすると、この変
調に伴い周波数変調成分だけでなく振幅変調成分が含ま
れる。このとき、入力光に含まれる振幅変化成分の影響
は、第３図（２）に示すようにポート１７および１８に
そのまま現れる。第３図（２）で実線は振幅変調成分が
小さいとき、鎖線は同じく小さいときを表わす。振幅変
調成分がポート１７より得られる周波数成分−振幅成分
変換成分と同相の場合は第３図（３）に示すようにポー
ト１７の光振幅は大きくなり、ポート１８の光振幅は小
さくなる。しかし、二つのポート１７および１８で検出
される信号を減算することによりこの振幅変化成分の影
響は打ち消される。

この実施例ではヒータ６により加熱される温度にしたが
って実効的に光路が変化して、上記時間τが変化するよ
うに構成されている。すなわち、制御回路８の入力には
、二つの光電変換器２および３の差分の信号が与えられ
る。この制御回路８にはこの入力の信号を零電位と比較
する比較回路と、この比較回路の出力が通過する低域濾
波器とを備え、この入力に与えられる上記差分の信号が
常に平均的に零電位になるように制御する。

したがって、第３図に示す被測定信号の中心周波数ｆａ
が変動しても、ａ点は実線と破線のちょうど交点になる
ように追従することになる。

第４図にこの実施例装置を用いて測定した結果を示す。

これは被測定信号として半導体レーザを直接変調方式に
より変調して周波数変調を施した出力光を用い、横軸に
示す周波数を変調周波数とするときに、上記差分の信号
である検出出力のレベルを測定したものである。同図に
この同一の装置を用いてマツハツエンダ干渉計の出力ポ
ートの一方の出力光のみを２つの出力ポートに対して観
測した結果を比較例として示す。また黒丸は計算により
求めた期待される周波数変調応答特性である。この結果
からマツハツエンダ干渉計の出力の一方のみを観測した
のでは、被測定信号に含まれる振幅変調成分の影響を受
けて、周波数変調成分が適切に観測されないが、二つの
出力ポートの出力光の差分を観測すると、周波数変調成
分を分離して観測できることがわかる。

第４図で一点鎖線で表わされた一方については、周波数
変調成分と振幅変調成分とが逆相で扱われるから振幅そ
のものが小さい。同図に破線で表わされた他方について
はこれが同相である。

上記例では一つの基板に形成されたマツハツエンダ干渉
計を用いたものを説明したが、これに限らず、空間に光
路を形成する各種のマツハツエンダ干渉計を用いて同様
に本発明を実施することができる。また、光路の実効的
な長さを制御する方法として、上記例に示す加熱による
方法以外にも、機械長を制御するさまざまな方法を用い
て同様に本発明を実施することができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、マツハツエンダ
干渉計の二つの出力ポートの信号の差分を観測出力とし
て利用することにより、被測定信号の周波数変調成分を
振幅変調成分の影響を受けずに測定することができる装
置が得られる。

ｌ・・・マツハツエンダ干渉計、２．３・・・光電変換
器、４・・・増幅器、５・・・出力端子、６・・・ヒー
タ、８・・・制御回路。

特許出願人　日本電信電話株式会社 代理人　弁理士　井　出　直　孝

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例装置の構成図。 第２図はマツハツエンダ干渉計の模式図。 第３図は本発明実施例装置の動作説明図。 第４図は本発明実施例装置による測定観測例。 第５図は従来例の動作説明図。 Ｖ）ｌ 実記例 昂　１　ロ ー・−大ごり叫 菖 肩 Ｍ １０Ｍ　　　　１００Ｍ 変調周波数（Ｈｚ） Ｇ 菖 図 把 図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、周波数変調された被測定光が入射するマッハツェン
   ダ干渉計と、 このマッハツェンダ干渉計の出力光の強度を電気信号に
   変換する光電変換器と を備えた光周波数変調特性の測定装置において、前記光
   電変換器は２個であって前記マッハツェンダ干渉計の二
   つの光出力ポートにそれぞれ設けられ、 この２個の光電変換器の出力電気信号の差分を出力信号
   とする電気回路手段と を備えたことを特徴とする光周波数変調特性の測定装置
   。 ２、マッハツェンダ干渉計の二つの光路長の差を制御す
   る手段を設け、 この手段に前記出力電気信号の差分の平均値が零になる
   ように制御入力を与える制御回路を備えた 請求項１記載の光周波数変調特性の測定装置。