JPH0331730A - 光周波数変化量測定装置 - 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】 し産業上の利用分野］ 光デイジタル通信では、レーザダイオード（以下、ＬＤ
という、）の電流を変調し、強度変調された光信号を得
るが、同時に光の波長もわずかに変化する。

−ｍに、１云送路である光ファイバは波長により伝搬時
間に差があるため、変調による波長変１ヒは小さいこと
がのぞましい。

この発明は、ＬＤ発振器の変調時の波長変１ヒを時間関
数として測定する技術についてのものである。

［従来の技術］ 次に、第８図を参照して従来装置の構成を説明する。

第８図の１はパルス発生器、２はＬＤ発振器、１３は分
光器、１４は光の強度を表示する波形観測器、１５は波
形データ処理用ＣＰＵである。

パルス発生器１は１０発振器２の変調信号を発生する。

波形観測器１４には、光オシロスコープなどを使用し、
トリガ信号はパルス発生器から与えられる。

次に、１０発振器２の構成図の一例を第９図に示す。

第９図の２Δは変コ；１入力端子、２Ｂは１．、、　Ｄ
、２Ｃはレンズ、２Ｄは光ファイバである。

次に、Ｌ　Ｄ　２　［３の波形ＩＡを第１０図に示す。

第１０図の横軸は時間、縦軸は強度である。

第１１図は分光器１３の通過波長を一定値ずつ変えて、
その出力光の波形を観測、波形記憶したものである。

一般にはλ。くλ、で、発振開始後波長は長波長Ｉｌｌ
に変移しはじめ、２００　ｐ　ｓ　（らいまてゝの期間
、複雑な変動をする。

第１２図は、ＣＰＵ１５で第４図のデータをもとに時間
ごとのスペクトル波形を作ったもので、時間分解形のス
ベクｌ−ル表示になっている。

［発明が解決しようとする課題］ 第８図〜第１２図の従来技術には、次のような課題があ
る。

げ）波長ごとの波形をＩ’ＩＱ次測定するため、波長分
解能を細くするためには測定回数が多くなり、測定時間
が長（なる。

（イ）波長ごとの波形が別々の時刻に測定されるため、
全体のλｌ定時間内にトリガタイミングの変化が生じた
場合、データの信頼性がそこなわれる。特に波長変移速
度を計算する場合は問題である。

（つ）波長分解能を高くするためには、分光器の通過帯
域をせばめる必要があるが、通過帯域波長幅×出力最小
パルス幅＝一定値の制約を受ける。

この発明は、マイケルソン干渉計の透過特性が。

正弦波状に変化することを利用して、ＬＤ発振器の発光
波長変化を強度変化に変ＪＡＬ、強度波形観測によって
、波長変化（周波数変化ともいう。）を求めることを目
的とする。

［課題を解決するための手段］ この目的を達成するため、この発明では、１０発振器２
の変調信号を発生するパルス発生器１と、１０発振器２
の光出力を受けるビームスプリッタ（以下、ＢＳという
、）４と、ＢＳ４で分岐した光を反射する第１のミラー
５と、ＢＳ４を通過した光を反射する第２のミラー６と
、ＢＳ４と第１のミラー５の間に配置される第１の遮蔽
板８と、ＢＳ４と第２のミラー６の間に配置される第２
の遮蔽板つと、光強度波形を観測する波形記憶装置１０
と、第２のミラー６の位置を移動させる移動機構１２と
を備え、Ｌ　Ｄ発振器２、ＢＳ４で分岐し、第１のミラ
ー５．ＢＳ４、波形記憶装置１０までを第１の光路２１
とし、１０発振器２、ＢＳ４を通過し、第２のミラー６
、ＢＳ４、波形記憶装置１０までを第２の光路２２とし
、第１の遮蔽板８で第１の光路２１をｊｇ断じたときの
波形記憶装置１０のデータと、第２の遮蔽板９で第２の
光路２２を３１！断したときの波形記憶装置１０のデー
タと、第１の遮蔽板８と第２の遮蔽板９で光路を遮断し
ないときの波形記憶装置１０のデータから。

１０発振器２の変調時の周波数変化量を時間を関数にし
て求める。

次に、この発明による光周波数変化量測定装置の構成図
を第１図に示す。

第１図の３はレンズ、４はＢＳ、５と６はミラー、７は
レンズ、８と９は遮蔽板、１０は波形記憶装置、１１は
データ処理装置、１２は移動機構であり、その他の部分
は第８図と同じものである。

第１図のＢＳ４とミラー５・６でマイケルソン干渉計を
構成する。

移動機構１２はミラー６を移動する機構で直進形のステ
ージである。

測定対象のＬＤ発振器２は第９図のとおり端子２Δから
の変調信号で、出力光を出す。

この発明は、ＬＤ発振器２からの光の波長または周波数
が、時間とともにどのように変動しているかを測定する
ものである。

レンズ３はＬＤ発振器２の出射光を平行光線に変換し、
マイケルソン干渉計に入射する。

遮蔽板８・９は、それぞれ別々に光路に出し入れできる
ようになっている。

遮蔽板８・９の片方ずつを光路に挿入することにより、
池方の光路の光強度を干渉させない状態で波形記憶装ｒ
１１ｉｏで測定することができる。

トング７はマイケルソン干渉計の干渉出力光を集光し、
光強度波形を訪測する波形記憶装置１０に入射させる。

波形記憶装置１０は、ホＩ・ダイオードを用いた光電気
変換器とサンプリング形オシロスコープの組合せか、光
オシロスコープなど、１０〜２０ｐｓ程度の高速応答特
性をもったものを用いる。

波形記憶装置１０に記憶された光強度波形のデータはデ
ータ処理装置１１に送られる。

データ処理装置１１はマイクロプロセッサを中心にした
計ｗ機システムで、光強度波形データを記憶するメモリ
、マイケルソン干渉計の透過率波長特性の演算および光
強度波形データと透過率波長特性をもとに波長変動値を
演算によって求める他、演算結果を表示・印字出力する
機能をもっている。

［作用１ 全体の測定動作の説明に先だって、測定原理について説
明する。

第１図のＬＤ発振器２から、波形記憶装置１０までの透
過特性について説明する。

第１図のＬＤ発振器２からレンズ３、ＢＳ４で分岐し、
ミラー５で反射し、ＢＳ４を通過し、レンズ７までの光
路を２１とし、ＬＤ発振器２からレンズ３．ＢＳ４を通
過し、ミラー６で反射し、１３Ｓ４で分岐し、レンズ７
までの光路を２２とする。

いま、ＬＤ発振器２の出力光の波長をλ、光路２１の光
路長をｄ、、光路２２の光路長をｄ２とすると、波形記
憶装置１０の入射点１０Ａでの光強度Ｉは両光路の初相
は同相であることから、次のように表わすことができる
。

１＝ａ、”　＋ａ２ ＋２ａ＋　ａ２　　（ｄｔ　−ｃＪ２　）ｃｏｓ　２ｙ
ｒ／λここに、ａ、′＝光＆’ａ　２１からの光強度ａ
２′＝光路２２からの光強度 次に、ｄ、−ｄ２＝ｄとすると、 １＝ａ、　２＋ａ、” ＋　２　ａ　ｒ　ａ　ｚ　ｄ　ＣＯ３２π／λ第２図は
、２πｄ／λ＝ｅとしてグラフに表わしたものである。

θは光路２１と光路２２の光の位相で、２πラジアンお
きに光強度が最大になる透過特性を示す。

θを変化する方法としては、ミラー６の位置を変え、Ｃ
Ｉを変える他に、光の波長λを変えることによっても同
じように変わる。

なお、これらの関係は村田相美［サイエンスライブラリ
物理学」光学３６ページにも記載されている。

第３図は光路差ｄを一定にして、光の波長を変えた時の
透過特性を示す。

波長λと周波数ｆとの間には次の関係がある。

ｆ＝ｃ／λ　　Ｃ：光速 ｃｌ＝ｍλ０　ただし１ｍ１＝Ｏ１１，２・・・・・・
とすると、透過光の光強度は １＝ａ、　２＋８２” ＋２ａ＋　ａ２ｃｏｓ２ｘｍλ゛０／λ＝ａ、”　＋ａ
２” ＋　２ａｔ　　ａｘ　　ｃｏｓ’；ｌ　　πｍ　　＜　
　ｆ　／　ｆ　　ｏ　　）となり、周波数の変化に対し
て、正弦波的に変化し、ｆ＝ｆｏ、（（ｔｎ＋１　）／
ｍｌ　ｆ　ｏ、（（ｍ＋２）／ｍｌ　ｆｏ・・・で最大
になる。

この発明は、正弦波状に変化する干渉計の透過特性を使
って、光の周波数変化を強度変化に変換し、時間ととも
に周波数がどのように変化するかを測定するものである
。

次に、測定動作を説明する。

−ｍに１．５５−帯の半導体形のレーザ発振器は、第１
１図と第１２図のように発振開始後、数百ｐｓの間に波
長が長波長方向へ約１　ｎ　ｒ＋１、周波数に換算して
約１２０ＧＦｚ程度低周波数側へ変化する。

測定には、干渉計の設定と、透過特性の測定が必要にな
る。

第４図は透過特性を拡大したものであり、第３図の一部
分である。

）り過性性の周期は光路２１と光路２２の光路差ｄによ
って決まる。

正弦波形の中心部分で透過特性が直線的に変化する部分
を使用するが、測定光の周波数変化の２倍程の周波数範
囲にわたって直線的であるのが望ましい。

希望する直線性を１．５％以内とすると、ｓｉｎθ／Ｃ
）　＝　１〜０．９８５の条件を満たすＯの範囲は、釣
上０．３ラジアンであるから、Ｆｐ：（−一般的な周波
数変化計の約２倍）２π：（透過性の直線範囲） Ｆｌ）　：　（１２０ｘ２）　＝２π：　（０，３Ｘ２
）Ｆ　ｐ、は約２５００Ｇ　Ｈｚであり、波長換算では
２０１１川である。

Ｆ　　ｐ　　＝　　　’、　　　（ｍ　　＋　１　　）
　　／　　ｍ　　ｌ　　　ｆ　　ｏ　　−ｆ　　。

＝　ｒ　ｕ　／　ｍ ｍ　＝　ｆ　ｏ　／　Ｆ　ｐ、またｄ　＝　ｍ　ｃ　／
　ｆ　ｏなので（１＝　（ｆ　ｏ　／　Ｆ　ｐ　）　　
・（ｃ　／　ｆ　ｏ　）−Ｃ、／′Ｆ　ｐとなる。

Ｆ　ｐ　＝　２５００Ｇ　ＨｚとするとｔＪ　＝　３０
０，０００，０００／　２５００ｘ　１０’３ｘｌＯ’
　／　２．５Ｘ１０”＝　　ｔ、２ｘｌｏ−’＝　０．
１２ｍｍ この光路差は干渉計を組立てるときに設定する。

方法としては、レーザ発振器２のかわりに、測定波長帯
にわたって、広い発光スベク１〜ル分らつＬＥＤ光源ま
たは白色光源を用い、さらに波形記憶装置１０を光スペ
クトラムアナライザにかえて、干渉計の出射光のスペク
トルをｒｆｆＬａＦＩすると、波長により、光強度が変
ｆヒする第４図のようなスペクトラムがｍ＋測できる。

そこで、ミラー６の位置を移動機構１２のマイクロメー
タを調整し、測定波長帯（１，５５ｎ　ｒ１１寸近１で
、Ｆｐが目ｎ勺の値（ここではＦ　ｐ　＝　２５００Ｇ
　Ｈｚ、波長に換算して２０ｎｍ）になるようにする。

この操作により光路差ｄは目的の値０．１２ｎｍとなる
。

なお、この状態はｄ　Ｈ＞　ｄ　ｚとＣＩＩ　＜ｄｚで
成立するが、この実施例では、ｄ、＞ｄ２の条件で設定
する。

ｄ、＞ｄｚ範囲にあることは、ミラー６をＤＳ４から近
づける方向に移動したとき、Ｆ　Ｉ）が減少することに
よって判断できる。

なお、ミラー６の移動距離は１反射によって光が往復す
るため、０．１２／２　ｍｏ＋である。

次に、透過特性の振幅に関するデータを測定する。

このための方法として２つの方法がある。

（ア）光路差ｄの設定時のスペクトラムの観測から、第
１１図のＡ　ｍ　ａ　ｘとＡ　ｍ　ｉ　ｒ＋を求める。

ここではこの２つの値の比率が必要で、絶え１的強疫は
不要である。

（イ）第１図による構成で、し＝ザ発振器２をＣＷ発振
をさぜ、ミラー６の位置を移動機構１２で約１波長分に
わたって、徐々に移動すると、波形記憶装置１０で受け
る光強度は、移動距離にｔｉｃって、正弦波的に変化す
る。このときの最大値をΔｍ　ａ　ｘ　、最小値Ａ川ｉ
　ｎとして求める。

なお、このときは測定後ミラー６は、光路差を設定した
ときの位置に復旧させる。

第１図の装置では干渉計の透過特性による波形の変化か
ら、周波数変化を測定するため、干渉Ｊ１の第１１図の
特性Ｘの影響を受けた波形と、波長に対して平坦な透過
特性Ｒによる波形の両方を観ａ！１１する必要がある。

パルス発生２；ｌでレーザ発振器２に変調を加え、平坦
な透過特性で測定をする。

このときの透過光の強度は第１図かられかるようにａ、
”　＋ａ２”で表わされ、各光路の光強度を別々に測定
し、加算することによって得られる。

この実施例では、遮蔽板９を光路２２に挿入し。

光路２１の光強度波形を測定し、次に遮蔽板８を光路２
１に挿入し、光路の２２の光強度波形をａ！呼定し、両
方を加算することにより、透過特性が平坦であるときの
波形が求められる。

この波形は、レーザ発振器２の出射光の強度波形である
。第５図ではこの波形を実線の波形Ｒで示している。な
お、この加算はデータ処理装置１１で処理される。

次に、干渉計の遮蔽板８を光路から除き、第４図に示す
ような透過特性を測定する。

測定する光の周波数変化を光強度に変換するためには第
４図のｒｃを周波数変化のほぼ中心に設定する必要があ
る。

この設定は、波形記憶装置１０の波形を見ながら、波形
振幅が大きくなるよう、ミラー６の位置を移動１ｆｆｉ
ｆＭ　１２で調１表シ、最大になるようにする。

このためのミラー６の移動ｔ？Ｅ　離は光の波長の１　
、／　４以内である。

次に、データ処理装置１１の表示部に第５図に示すよう
に、平坦な透過特性で測定した波形Ｒと波形記憶装ｒｌ
１１０で測定した波形を重ねて表示し、さらに測定・表
示をくり返す。

この表示を見ながら、ミラー６をＢ　Ｓ　４がら近づけ
る方向に移動すると、この状態での光波形が第５図の波
形Ｘのように波形Ｒに近づいたら、ミラー６の移動を終
了する。

以上の操作で、光の周波数変化範囲のほぼ中心に第４図
の〔Ｃを設定できる。

なお、この操作でのミラー６の移動量はきわめて微細で
ある。具体的には位相に換算して０．１ラジアン程度の
精度が要求され、１．５５ｎｍ帯では０．０１μｍの細
さが要求される。第１図では、移動ＲＪＲ１２にマイク
ロメータによる移動（ｆｌｌ１７１とピエゾ素子による
移動機構を組合せ、Ｆｐの設定はマイクロメータ、ｆｃ
の設定はピエゾ素子の印加電圧を変えて設定している。

この池に干渉計の光路に平行面ガラス基板を挿入し、そ
の角度によって実効的な光路長を微細に変えることもで
きる。

第６図は、ガラス平行基板１６を回転することにより、
光路長を変える状態を示したものである。

この設定により、光路差が多少変化するため、透過特性
のＦｐは少し変化するが、第６図の条件では１％以下で
ある。

この状態で５波形記憶装置１０で記憶した波形を第５図
の波形Ｘをデータ処理装置１１／＼送る。

データ処理装置１１では第５図の各時点での波形Ｒと波
形Ｘの強度比率から、周波数変化量を計算する。

次に、計算方法を説明する。

第１図の装置では、第４図の正弦波特性のｆｃｌ・１近
で透過特性が直線的に変１ヒする部分を決って測定する
ので、近収計算になる。

以下、第５図の時間ｔ　ｎにおける周波数変化量Δｒ　
ｎを求める内容を説明する。

第４図と第５図の関係は次のようになっている。

Ｉ　ｘｎ／ＩＲｎ＝Ａｘ／Ａ。

ここで、Ａｏ＝　（Ａ＋ｔｔａｘ＋Ａｍｉ　ｎ）／２第
４図は１式で表現すると、 Ａ（ｒ）＝Ａ。

＋−ＡｐＣＯ３２ｙｒ　（（ｆ−ｆｏ）／Ｆｐ）ここで
、Ａ　Ｉ）　＝　Ａ　ｍ　ａ　ｘ　−Ａ　。

またはＡｐ＝　（Ａｍａｘ−Ａｍｉｎ）／２ｄＡ（ｆ）
／ｄ　ｆ＝　−Ａｐ・（２π／Ｆｐ）ｓｉｎ　　（２π
（ｆ−ｆｏ）／Ｆｐ）ｆ＝ｆｃでの傾斜を求めると、 ２ｙｒ　（ｒ−ｆ　ｏ）／Ｆｐ＝π／２であり、ｄＡｍ
　／ｄ　ｆ＝−ＡＩ）２π／Ｆｐ周波数変化景Δｆ口は △ｆｘ凰＝ｆｘｎ−ｆｃ であり、透過特性の変化とΔｒは次の式になる。

（ｄＡ（ｒ）　／ｄ　ｆ　ｌ　・Δｆｎ＝Ａｘ−Ａ。

Δｆｎ＝Ａｏ　（Ｉｘｎ、／ｌＲｎ−１）：（Ａｐ２π
／Ｆｐ） ＝−（Ｆｐ／２π）・（Ａｏ／Ａｐ） ｘ　　（Ｉ　　ｘｎ／　］　　Ｒｎ　−１）Ｆ　Ｏｙ”
　２π Ｘ（Ａｍａｘ−ｔ−Ａｍ　ｉ　　ｎ　）：　　　（Ａｍ
ａｘ−Ａｍ　　ｉ　　＋１　）×　（夏　ｘ　　ｎ　／
　　Ｉ　　Ｆｌ　　１１　−　１　　）この式によって
△ｆ　ｎを求め時間軸上に表示すると第７図の周波数変
化特性となる。

［発明の効果］ この発明によれば、干渉計の特性を知るための、１（す
足操作を別にすれば波形測定は３回ですみ、従来のよう
に波長ごとに多数回の測定が不要になり、測定時間が短
くなる。

また、測定時に干渉計は機械的に静止しており、安定な
測定ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明による光周波数変化Ｑ、測定装置の構
成図、第２図は光路差を変えたときの透過特性図、第３
図は光路差ｄを一定にして、光の波長を変えたときの透
過特性図、第４図は透過特性を拡大した波形図、第５図
はＬＤ発振器２の出射光を干渉計を通したときの波形図
、第６図はガラス平行基板１６による光路長変更図、第
７図は周波数変化特性図、第８図は従来装置の構成図、
第９図はＬＤ発振器２の構成図、第１０図はＬＤ２Ｉ３
の波形図、第１１図は分光器１３の出力光の波形図、第
１２Ｉ７Ｉは、第４図のデータのスペクトル波形図であ
る。 １・・・・・・パルス発生器、２・・・・・・ＬＤ（レ
ーザ）発振器、３・・・・・・レンズ、４・・・・・・
ＢＳ（ビームスプリッタ）、５・・・・・・ミラー、６
・・・・−・ミラー、７・・・・・・レンズ、８・・・
・・・遮蔽板、９・・・・・・遮蔽板、ＩＯ・・・・・
・波形記憶装置、１１・・・・・・データ処理装置、１
２・・・・・・移動機構、１３・・・・・・分光器、１
４・・・・・・波形観測器、１５・・・・・・ＣＰＵ、
１６・・・・・・平行基板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザ発振器（２）の変調信号を発生するパルス発
   生器（１）と、 レーザ発振器（２）の光出力を受けるビームスプリッタ
   （４）と、 ビームスプリッタ（４）で分岐した光を反射する第１の
   ミラー（５）と、 ビームスプリッタ（４）を通過した光を反射する第２の
   ミラー（６）と、 ビームスプリッタ（４）と第１のミラー（５）の間に配
   置される第１の遮蔽板（８）と、 ビームスプリッタ（４）と第２のミラー（６）の間に配
   置される第２の遮蔽板（９）と、 光強度波形を観測する波形記憶装置（１０）と、第２の
   ミラー（６）の位置を移動させる移動機構（１２）とを
   備え、 レーザ発振器（２）、ビームスプリッタ（４）で分岐し
   、第１のミラー（５）、ビームスプリッタ（４）、波形
   記憶装置（１０）までを第１の光路（２１）とし、 レーザ発振器（２）、ビームスプリッタ（４）を通過し
   、第２のミラー（６）、ビームスプリッタ（４）、波形
   記憶装置（１０）までを第２の光路（２２）とし、 第１の遮蔽板（８）で第１の光路（２１）を遮断したと
   きの波形記憶装置（１０）のデータと、第２の遮蔽板（
   ９）で第２の光路（２２）を遮断したときの波形記憶装
   置（１０）のデータと、第１の遮蔽板（８）と第２の遮
   蔽板（９）で光路を遮断しないときの波形記憶装置（１
   ０）のデータから、レーザ発振器（２）の変調時の周波
   数変化量を時間を関数にして求めることを特徴とする光
   周波数変化量測定装置。