JPH0670593B2 - 光周波数変調特性の測定装置 - Google Patents

光周波数変調特性の測定装置

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JPH0670593B2
JPH0670593B2 JP1051272A JP5127289A JPH0670593B2 JP H0670593 B2 JPH0670593 B2 JP H0670593B2 JP 1051272 A JP1051272 A JP 1051272A JP 5127289 A JP5127289 A JP 5127289A JP H0670593 B2 JPH0670593 B2 JP H0670593B2
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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
波数変調特性の測定には、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
a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b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、マッハツェ
ンダ干渉計を利用するものが考えられる。マッハツェン
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、マッハツェンダ干渉計を通過
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、マッハツェ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に
応じる制御入力、特に望ましくは差分の時間平均値が零
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。
ここでマッハツェンダ干渉計とは、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力ポート
(17、18)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〕
マッハツェンダ干渉計の二つの光出力ポートには、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、マッハツェンダ干渉計の二つの光出力ポート
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、この二つの光出力ポートに現れる信号を減算す
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。
S(t)=Acos{ωt+φ(t)} …(1) ここで、Aは光の電界、ωは光の周波数、φ(t)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 二つの出力ポート(17、18)に現われる信号S3、S4は S3(t)=−A・cos〔ωγ/2+{φ(t)−φ(t−τ)}/2〕×sin〔ω
t−ωτ/2+{φ(t)+φ(t−τ)}/2〕 …(4) S4(t)=−A・sin〔ωτ/2+{φ(t)−φ(t−τ)}/2〕×sin〔ω
t−ωτ/2+{φ(t)+φ(t−τ)}/2〕 …(5) 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 S5 2(t)=A2・cos2〔ωτ/2+{φ(t)−φ(t−τ)}/2〕/2 …
(6) S6 2(t)=A2・sin2〔ωτ/2+{φ(t)−φ(t−τ)}/2〕/2 …
(7) となる。
光路長差τを適当に調整し になるようにすると S5 2(t)=A2〔1−sin{φ(t)−φ(t−τ)}〕/4 …(8) S6 2(t)=A2〔1+sin{φ(t)−φ(t−τ)}〕/4 …(9) 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。
S6 2(t)−S5 2(t)=A2sin{φ(t)−φ(t−τ)}/2 …(10) 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(t)は 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(10)に代入する
となる。
従って少なくとも すなわち光伝播時間差τは 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
マッハツェンダ干渉計1と、このマッハツェンダ干渉計
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、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。
またマッハツェ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。
このマッハツェンダ干渉計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図はマッハツェ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17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、鎖線は同じく大きいときを表わす。振幅変調成
分がポート17より得られる周波数成分一振幅成分変換成
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a
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ッハツェ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
からマッハツェ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ッハツェンダ干渉
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ッハツェ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、マッハツェンダ
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。
【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図はマッハツェ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。 1……マッハツェンダ干渉計、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。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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. 【請求項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。
JP1051272A 1988-04-14 1989-03-03 光周波数変調特性の測定装置 Expired - Fee Related JPH0670593B2 (ja)

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JPH0359428A (ja) * 1989-07-28 1991-03-14 Fujitsu Ltd 半導体レーザの周波数変調特性測定方法及び装置
JP4489743B2 (ja) * 2006-10-04 2010-06-23 日本電信電話株式会社 フレーム同期方法および光信号受信装置
JP5124223B2 (ja) * 2007-09-28 2013-01-23 アンリツ株式会社 光チャープ特性測定装置

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