JPH07226549A - 雑音指数測定方法および装置 - Google Patents

雑音指数測定方法および装置

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JPH07226549A
JPH07226549A JP6017593A JP1759394A JPH07226549A JP H07226549 A JPH07226549 A JP H07226549A JP 6017593 A JP6017593 A JP 6017593A JP 1759394 A JP1759394 A JP 1759394A JP H07226549 A JPH07226549 A JP H07226549A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 多くの納入業者から供給される製造工程の異
なった光増幅器の特性を簡便かつ高い精度で測定できる
ようにする。 【構成】 被測定光増幅器の上準位の原子寿命またはキ
ャリヤ寿命より十分に短い周期で強度変調された繰り返
し光パルス信号をその被測定光増幅器の入力に与え、こ
の光パルス信号のある時間領域に同期するその被測定光
増幅器の出力光電力およびこの光パルス信号のない時間
領域に同期するその被測定光増幅器の出力電力を分離し
て検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光増幅器の特性を測定
するために利用する。本発明は、光を電気信号に変換す
ることなく、光信号のまま直接に増幅する光増幅器の雑
音特性を測定するために利用する。本発明は、光通信用
の光増幅器を多数個測定しその性能を判定するために利
用する。
【０００２】本発明は、コアに希土類元素を添加した光
ファイバを信号光とは異なる波長の光により励起するこ
とにより光増幅を行う希土類元素添加光ファイバを用い
た光増幅器の特性を測定するために利用するに適する。
本発明は、エルビウム添加光ファイバを用いた光増幅器
の試験に利用するに適する。
【０００３】本発明は、半導体素子（例えばレーザ素
子）を用い光信号を直接増幅する光増幅器に利用するこ
とができる。
【０００４】
【従来の技術】コアに希土類元素を添加した光ファイバ
を信号光より短い波長の光により励起すると光増幅特性
が得られることが知られている。この原理を利用した光
増幅器が開発されることになった。光通信に使用できる
ものとして、エルビウム（元素記号Ｅｒ）を添加するも
のが実用化される見込みであり、Ｅｒ添加光ファイバ
（Ｅｒ−ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ，ＥＤＦ）として広く
知られるようになった。
【０００５】一方、電流注入により発振限界近傍まで励
起された半導体レーザは、その導波路に入力される光信
号を直接に増幅して出力光を送出するように利用できる
ことが知られている。
【０００６】光増幅には３準位と４準位のモデルがある
が、ここでＥｒ添加光ファイバに代表される３準位モデ
ルについて図１０を参照してその原理を説明する。
【０００７】増幅媒体であるＥｒ添加光ファイバに励起
レーザ光によりエネルギを与えると、基底から高いエネ
ルギ状態の上位準位に原子が励起される。基底準位より
上準位に存在する原子数が多い状態を反転分布という。
上準位にある原子が基底状態に遷移するとき発光を生じ
る。この発光過程には、入力光に誘導されて遷移する誘
導放出過程と、入力光に依存せずに無入力でも一定の割
合で遷移する自然放出（Spontaneous Emission :ＳＥ）
過程とがあり、誘導放出過程が光増幅過程である。
【０００８】この誘導放出過程による原子の遷移は高速
であり、その増幅帯域は１ＴＨｚ（テラヘルツ）以上で
ある。現在、商用の光通信で使用されている信号光で最
も高い伝送速度は２．４Ｇｂｉｔ／ｓである。誘導放出
によりさらに高速の信号光を増幅することが期待でき
る。自然放出過程による原子の遷移速度は誘導放出に比
べて遅い。自然放出寿命（原子の寿命）は、Ｅｒ添加光
ファイバの場合には数ｍＳ〜数１０ｍＳ程度である。自
然放出光（ＳＥ光）はＥｒ添加光ファイバ中で増幅さ
れ、増幅された自然放出（Amplified Spontaneous Emis
sion :ＡＳＥ、以下単に「ＡＳＥ」という）光電力とし
て出力される。
【０００９】次に、光増幅器の構成について説明する
と、光増幅媒体である希土類元素（代表的にはＥｒ）添
加光ファイバや半導体レーザは双方向に光を増幅するた
めに、光増幅媒体の前後にある光部品が増幅後の信号光
やＡＳＥ光を反射すると光増幅媒体が発振して安定な光
増幅を行うことができない。図１１（ａ）は希土類元素
添加光ファイバを用いた光増幅器の一般的な構成を示す
図、同図（ｂ）は半導体光増幅素子を用いた光増幅器の
一般的な構成を示す図である。これらは光増幅媒体の前
後にある光部品の反射による光増幅媒体の発振を抑え安
定した光増幅を行うために、光増幅媒体を光アイソレー
タで挟んだ構成となっている。
【００１０】光ファイバ増幅器の場合は、希土類元素添
加光ファイバの励起方法として、信号光と同じ方向に励
起光を伝搬させる前方向励起、信号光と逆方向に励起光
を伝搬させる後方向励起、および励起光を双方向に伝搬
させる双方向励起がある。図１１（ａ）および（ｂ）は
前方向励起の例を示したものである。エルビウム添加光
ファイバは、波長１．４８μｍや０．９８μｍのレーザ
光によって励起することができる。図１１（ａ）および
（ｂ）の構成では、出力ポートの直前に光フィルタ（Op
tical Bandpass Filter : ＢＰＦ）を設置し、信号光波
長から離れた不必要なＡＳＥ光電力を除去している。光
増幅器の出力のうち、増幅後の信号光がＡＳＥ光に比べ
て十分大きい場合には光フィルタ（ＢＰＦ）を省略する
ことができる。
【００１１】光増幅器の性能を表す重要な指数として雑
音指数（ＮＦ、Noise Figure：無名数、一般にｄＢで表
示される）がある。光増幅器の製造メーカでは工場出荷
時にその雑音指数を測定すれば不良品を分別することが
できる。また、長期間使用した光増幅器の雑音指数を測
定すれば、その経年劣化を判断することもできる。光フ
ァイバ増幅器や半導体増幅器のように、種類の異なる光
増幅器の性能も雑音指数で表現することによりその性能
を比較することができる。そのため通信業者としては納
入業者から供給される光増幅器の特性を客観的に評価す
るには、雑音指数を測定することが最も簡便な方法であ
る。したがって精度の高い簡便な雑音指数測定器が要求
される。
【００１２】光増幅器の雑音指数測定原理と従来方法に
よる測定方法について説明する。雑音指数（ＮＦ）を求
めるには次式が用いられる。
【００１３】
【数４】 ここで、ＰASE は光増幅器から出力される光波長のＡＳ
Ｅ光電力、Ｂ0 はＡＳＥ光電力ＰASE を測定した測定器
の透過帯域幅、Ｇは光増幅器の利得、ｈはプランク定
数、νは信号光の光周波数である。
【００１４】ところが上記式（１）を用いて雑音指数
（ＮＦ）を求める場合に、一般にＡＳＥ光電力ＰASE を
直接に求めることが困難である。図１２は光増幅器の光
増幅媒体（希土類添加光ファイバ、または半導体光増幅
素子）の内部を示す図であり、図１３は一般的な光増幅
器の雑音指数（ＮＦ）特性を示す図である。この光増幅
媒体に入力した光は光増幅媒体中で増幅されて出力され
る。光増幅媒体が発生するＡＳＥ光は、前方向および後
方向に伝搬し、増幅されて入力ポートおよび出力ポート
の双方に向かう。もっとも、光アイソレータを用いた構
成では、後方向へのＡＳＥ光は光アイソレータで阻止さ
れて出力されない。
【００１５】雑音指数（ＮＦ）を求めるのに必要なＡＳ
Ｅ光電力は、出力ポートから出力される前方向のＡＳＥ
光のうち、入力光波長に等しい波長成分の光電力であ
る。これは光増幅媒体は増幅された入力光と前方向のＡ
ＳＥ光との和として出力される。そのため増幅された入
力光とＡＳＥ光とを分離して測定する必要がある。
【００１６】次に、従来方法による雑音指数（ＮＦ）の
測定方法について説明する。図１４は第一従来例雑音指
数（ＮＦ）測定方法を説明する図である。この方法は、
ＬＤ光源１０１からのレーザ光を被測定光増幅器１０２
に入力し、被測定光増幅器１０２からの出力を光スペク
トラムアナライザ１０３で測定するものである。単一波
長のレーザ光を被測定光増幅器１０２に入力すると、増
幅された入力光と広い波長範囲にわたるＡＳＥ光とが合
わせて出力される。ＡＳＥ光の電力（ＰASE ）はこの出
力スペクトルから求められる。
【００１７】すなわち、無入力時の被測定光増幅器１０
２の出力スペクトルを観測し、これをレーザ光入力時の
スペクトルに重ね合わせ、レーザ光波長と同一のＡＳＥ
光の電力を推定し求められる。ただし、この方法はＡＳ
Ｅ光電力（ＰASE ）を推定するもので直接測定するもの
ではない。
【００１８】図１５は第二従来例雑音指数（ＮＦ）の測
定方法を説明する図である（Confernce on Optical Fib
er Communication 1992,ThA-4,Accurate Noise Figure
Measurement of Erbium-Doped Fiber Amplifiers in Sa
turation Condition 参照)。この方法は、まず、被測
定光増幅器１０２と光スペクトラムアナライザ１０３と
の間に偏波制御器１０４と偏光子１０５とを配置し、第
一の方法と同様に、ＬＤ光源１０１からのレーザ光を被
測定光増幅器１０２に入力し、その出力を光スペクトラ
ムアナライザ１０３で測定するものである。
【００１９】この方法は、増幅されたレーザ光の偏光状
態を単一に、かつ偏光子１０５の通過特性と直交するよ
うに偏波制御器１０４を調整するものである。すなわ
ち、光スペクトラムアナライザ１０３で増幅されたレー
ザ光電力が最小となるように調整することによって行わ
れる。増幅されたレーザ光の偏光状態が単一で、偏光子
１０５の特性と直交していると、増幅されたレーザ光は
通過を阻止される。しかし、ＡＳＥ光は無偏光であるた
め偏光子１０５を通過することによりその出力は半分に
なる。理想的には、光スペクトラムアナライザ１０３で
増幅されたレーザ光を含まないスペクトルを観測するこ
とができればよいので、ＡＳＥ光電力（ＰAS）を求める
ためには、このスペクトルで入力レーザ光の波長と同じ
波長の光電力を求めることになる。
【００２０】図１６は第三従来例雑音指数（ＮＦ）の測
定方法を説明する図である。この方法は、被測定光増幅
器１０２によりＡＳＥ光の過度応答波形から信号入力時
の光電力を推定するものであり、第一従来方法と同様に
ＡＳＥ光電力（ＰASE ）を推定するものであって直接測
定する方法ではない（European Confernce on Optical
Communication 1992,P502, Pulsed-source technique f
or oplical amplifiernoise figure measurement 参
照）。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】このような従来例の雑
音指数（ＮＦ）測定方法は、それぞれに特徴があり有効
なものであるが、第一従来例はＡＳＥ光電力（ＰASE ）
を直接測定するものではなく推定により得られるもので
あるために、測定者によって差が生じ易く、また、多数
の被測定光増幅器について連続的かつ自動的に求めるに
は、計算機を用いてスペクトルのフィッテングを行う必
要がある。
【００２２】第二従来例の場合は、偏波制御器を用いて
いるので、その調整が難しいために測定操作に熟練を要
する。したがって量産される光増幅器を測定するには適
当ではない。この偏波制御を自動化しようとするとその
制御が複雑になり、実用的な装置を得るにはさらに研究
が必要である。
【００２３】また、第三従来例の場合は第一実施例と同
様に、ＡＳＥ光電力（ＰASE ）を直接測定するものでは
ないので、測定者による個人差が生じ易く、自動的に求
めるには計算機に過度応答波形のデータを取り込み、カ
ーブフィッティングにより推定しなければならず作業が
複雑になる欠点がある。さらに、出力光パルスの立上が
り部に過度応答によるピーク出力（光サージ）が発生
し、このピーク出力の大きさは光増幅器の入力電力と線
形利得に依存するため数Ｗ（ワット）になることがあ
る。したがってピーク出力により光増幅器の部品損傷の
恐れがあり、雑音指数（ＮＦ）の測定方法として適用範
囲が制限される問題がある。
【００２４】本発明はこのような背景のもとに行われた
もので、測定者によって差を生じることなく、光通信用
の光増幅器の特性を簡便かつ高い精度で測定することが
できるとともに、多数の光増幅器を連続的に測定するこ
とができる雑音指数測定方法および装置を提供すること
を目的とする。本発明は、多数の光増幅器について簡便
にかつ正確に測定し、その測定結果にばらつきが少な
く、光増幅器の性能を判定することができる方法および
装置を提供することを目的とする。本発明は、光増幅器
の製造検査、納入検査、経年劣化の検査、その他を簡便
に行うことができる方法および装置を提供することを目
的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】本発明の第一のカテゴリ
は方法の発明であって、コアに希土類元素を添加した光
ファイバをその光増幅器に供給する信号光と波長の異な
る光により励起し光増幅を行う光増幅器、あるいは半導
体増幅器のように直接光増幅を行う光増幅器の特性を測
定する雑音指数測定装置に関するものである。本発明
は、被測定光増幅器の上準位の原子寿命またはキャリヤ
寿命より十分に短い周期で強度変調された繰り返し光パ
ルス信号をその被測定光増幅器の入力に与え、この光パ
ルス信号の有る時間領域に同期するその被測定光増幅器
の出力光電力およびこの光パルス信号の無い時間領域に
同期するその被測定光増幅器の出力光電力を分離して検
出することを特徴とする。
【００２６】この測定結果から雑音指数を演算するに
は、プランク定数をｈ、光パルス信号の光周波数をν、
被測定光増幅器の利得をＧ、前記光パルス信号の無い時
間領域に同期した被測定光増幅器の出力光電力
（ＰASE ) を測定するときの通過帯域幅をＢ0 とすると
き、 〔数４〕を演算することにより求められる。
【００２７】本発明の第二のカテゴリは上記方法を実施
するための装置の発明であって、上記方法を実施するた
めの装置を一つ（または少数）の測定装置ユニットに構
成しておくことにより実現される。すなわち、被測定光
増幅器の入力に接続する入力側端子と、被測定光増幅器
の出力に接続する出力側端子と、被測定光増幅器の上準
位の原子寿命またはキャリヤ寿命より十分に短い周期で
強度変調された繰り返し光パルス信号を前記入力側端子
に与える光信号供給手段と、この光パルス信号の有る時
間領域に同期して前記出力側端子に現れる出力光電力
（ＰAMP ) およびこの光パルス信号の無い時間領域に同
期して前記出力側端子に現れる出力光電力（ＰASE ) を
分離して検出する検出手段とを備えたことを特徴とす
る。
【００２８】上記数式およびこの後に説明する数式を演
算するためのプログラムがあらかじめ実装された演算装
置（コンピュータ）を上記装置の検出手段の出力に接続
しておき、前記検出手段から得られる出力をパラメタと
して雑音指数を自動的にかつ連続的に演算するように構
成することができる。検出手段と演算装置との接続は、
インタフェースを利用してリアルタイムにすることがで
きる。あるいは別の手段として、検出手段の出力をいっ
たんフロッピディスクその他に蓄積し、これを演算装置
にあらためて入力することにより検出手段と演算装置と
の接続を行うことができる。
【００２９】前記二つの出力光電力（ＰAMP およびＰ
ASE ) を分離して検出するために通過中心波長が被測定
増幅器の入力に与える光パルス信号の中心波長（λ）に
一致し通過帯域幅（Ｂ0 ）を有する光電力検出器を用い
ることがよい。
【００３０】上記数式の利得（Ｇ）は、被測定光増幅器
に入力する強度変調光の光電力をＰInput とするとき、
【００３１】
【数５】 として求めることができる。
【００３２】この利得（Ｇ）は、被測定光増幅器の入力
に与える光パルス信号光を電気信号に変換して得られる
強度変調成分をＰIN-Eとし、被測定光増幅器の出力光を
電気信号に変換して得られる強度変調成分をＰAMP-E と
するとき
【００３３】
【数６】 として求めることもできる。
【００３４】半導体レーザを電気パルス信号で駆動する
ことにより被測定光増幅器の入力に与える光パルス信号
を得ることができるし、あるいは無変調光源の出力光を
電気パルス信号で駆動する光スイッチを通過させること
により被測定光増幅器の入力に与える光パルス信号を得
ることができる。
【００３５】二つの出力光電力（ＰAMP およびＰASE )
を分離するためには、被測定光増幅器に供給する光パル
ス信号に同期する繰り返しパルス信号で駆動する光スイ
ッチを用いる構成がよい。この光スイッチは音響光学ス
イッチを用いることができる。この音響光学スイッチは
音響光学スイッチ素子を複数縦続に接続して構成するこ
とができる。
【００３６】この光スイッチを測定すべき時間領域にガ
ードタイミングを設けた時間領域に導通するように制御
することができる。
【００３７】光スイッチの入力光を光測定光増幅器の入
力に与える光パルス信号の中心波長（λ）とは異なる波
長（λ′）を通過帯域とする光フィルタに通過させる構
成とすることができる。
【００３８】被測定光増幅器がＥｒ添加光ファイバ増幅
器であるときには、強度変調光の周波数が１０ｋＨｚ以
上とする。
【００３９】被測定光増幅器が半導体光増幅器であると
きには、強度変調光の周波数が１ＧＨｚ以上とする。
【００４０】被測定光増幅器の出力光のうち、増幅され
た光パルス信号の偏波面に一致しかつ入力光パルス信号
の有る時間領域に対応する出力光電力（ＰAMP ) と、増
幅された光パルス信号の偏波面に一致しかつ入力光パル
ス信号の無い時間領域に対応する出力光電力とを分離し
て測定する構成とすることができる。
【００４１】
【作用】光信号を入力した光増幅器の出力を光スペクト
ラムアナライザで観測すると、増幅された変調光とＡＳ
Ｅ光との和が観測される。入力光としてパルス信号によ
り強度変調された光信号を与えると、増幅された強度変
調光には入力光信号が有る時間領域と光信号が無い時間
領域がそれぞれ存在する。入力信号が無い時間領域では
ＡＳＥ光がその消光時定数にしたがって減衰しいずれは
消光する。本発明はこの現象に注目してなされたもので
ある。
【００４２】被測定光増幅器の入力にその光増幅器の信
号消光時定数より十分に短い周期で強度変調された繰り
返し光パルス信号を与えると、入力光信号の無い時間領
域にも連続的にＡＳＥ光が現れることになる。本発明で
は、この光パルス信号のない時間領域に同期してその被
測定増幅器の出力光を検出する。消光時定数は、光増幅
器が希土類元素でドープされた光ファイバを利用するも
のであるときには、その上準位の原子寿命により定ま
り、光増幅器が半導体素子を利用するものであるときに
はそのキャリヤ寿命により定まる。
【００４３】すなわち、被測定光増幅器の入力からパル
ス信号により強度変調された光信号を与え、その光増幅
器の出力側に光スイッチを設置し、この光スイッチを入
力変調光の駆動信号と同期させて動作させ、増幅された
強度変調光の無い時間領域に対応した出力光だけを光ス
イッチにより切り出し、光スペクトラムアナライザで光
スペクトルを観察すれば、ＡＳＥ光だけの光スペクトル
を求めることができる。ＡＳＥ光スペクトルからそのＡ
ＳＥ光電力（ＰASE ）を求めれば、簡便に雑音指数（Ｎ
Ｆ）を求めることができる。また、光スペクトラムアナ
ライザの代わりに挟帯域光フィルタと光電力計によって
もＡＳＥ光電力（ＰASE ）を測定し求めることができ
る。
【００４４】本発明の方法は、増幅された強度変調光の
無い時間領域に対応した出力光のＡＳＥ光電力
（ＰASE ）と、増幅された強度変調光の有る時間領域に
対応した出力光の増幅された自然放射光電力とが、同一
レベルであるとして測定することになる。これは、被測
定光増幅器がコアに希土類元素を添加した光ファイバを
信号光とは異なる波長の光により励起することにより光
増幅を行う希土類元素添加光ファイバを用いた光増幅器
である場合には、被測定光増幅器の上準位の原子寿命よ
り十分に短い周期で強度変調された繰り返し光パルス信
号を被測定光増幅器の入力に与えることにより、測定値
に影響を及ぼさない程度に同一とすることができる。被
測定光増幅器が半導体素子を用い光信号を直接増幅する
光増幅器である場合には、キャリヤ寿命より十分に短い
周期で強度変調された繰り返し光パルス信号を被測定光
増幅器の入力に与えることにより、測定値に影響を及ぼ
さない程度に同一とすることができる。
【００４５】ここで、強度変調光を入力した光増幅器の
ＡＳＥ光電力について説明する。ＡＳＥ光電力は光増幅
器の反転分布に依存する。光増幅器に光が入力すると、
誘導放出による増幅が生じて反転分布状態の原子が基底
状態へ遷移する。このため、光増幅器の光入力が大きく
なると反転分布は減少する。つまり、光増幅器の入力の
有無あるいは変化により、ＡＳＥ光電力が異なる可能性
がある。
【００４６】しかし、反転分布の光入力に対する応答時
間に比べ十分に早い速度の変調光が光増幅器に入力した
場合、反転分布は入力光の変化に追従できず一定とな
る。反転分布の光入力に対する応答時間は増幅媒体に依
存し、実行的な上位準位の原子寿命時間（τ2eff）で支
配される。エルビウム添加光ファイバ増幅器の場合、こ
の原子寿命時間（τ2eff）は０．２〜数１０ｍｓであ
る。
【００４７】エルビウム添加光ファイバ増幅器に数１０
ｋＨｚ以上の強度変調光が入力した場合、反転分布は入
力光の変化に追従できず一定となり、出力においては増
幅された強度変調光の非発光時間領域に対応した出力光
のＡＳＥ光電力と発光時間領域に対応した出力光のＡＳ
Ｅ光電力が同一となる。図９（ａ）は光増幅器の高速変
調における小信号光が入力した場合のＡＳＥ光電力変化
を示す図、同図（ｂ）は大信号光が入力した場合のＡＳ
Ｅ光電力変化を示す図である。
【００４８】半導体光増幅器の場合、原子寿命時間（τ
2eff）は数ｎｓ以下であるため、数ＧＨｚ以上の強度変
調光を入力すればよい。雑音指数（ＮＦ）の測定は光増
幅器に入力する信号光の大小にかかわらず測定できるこ
とが望ましい。図９（ａ）および（ｂ）に示したよう
に、本発明はこの条件を満たすことができる。
【００４９】十分に小さい電力の光が光増幅器に入力し
た場合、誘導放出によって遷移する原子は少ない。この
遷移を十分に補えるように光増幅媒体にエネルギを与え
れば光増幅器の入力の有無あるいは変化により反転分布
状態は同一である。したがって光増幅器に入力した光電
力が十分に小さい場合、出力においては増幅された強度
変調光の非発光時間領域のＡＳＥ光電力と発光時間領域
のＡＳＥ光電力が同一となる。図９（ｃ）は光増幅器の
低速変調における小信号光が入力した場合のＡＳＥ光電
力変化を示したものである。光増幅器に低速変調の大信
号光が入力した場合には図９（ｄ）に示すようにＡＳＥ
光電力が変動する。
【００５０】
【実施例】次に、本発明実施例を図面に基づいて説明す
る。図１を参照して、本発明の基本構成は、被測定光増
幅器１の入力に接続する入力側端子１ａと、被測定光増
幅器１の出力に接続する出力側端子１ｂと、被測定光増
幅器１の消光時定数より十分に短い周期で強度変調され
た繰り返し光パルス信号を前記入力側端子に与える光信
号供給手段２、４と、この光パルス信号の有る時間領域
に同期して前記出力側端子１ｂに現れる出力光電力（Ｐ
AMP ) およびこの光パルス信号の無い時間領域に同期し
て前記出力側端子に現れる出力光電力（ＰASE ) を分離
して検出する検出手段３、５または３、６、７とを備え
たことを特徴とする。
【００５１】検出手段には、被測定光増幅器の出力回路
に設けられ電気パルス信号に同期する電気信号により制
御される光スイッチ３が備えられる。この光スイッチ３
は、それぞれ測定すべき時間領域にガードタイミングを
設けた時間領域に導通するように制御され、被測定光増
幅器はその増幅要素として希土類添加光ファイバを含
み、前記光パルス信号の周波数は１０ｋＨｚ以上であ
る。
【００５２】図１で光スペクトラムアナライザ５を用い
るか、光スペクトラムアナライザ５に代えて、破線で示
すように狭帯域濾波器６および光パワーメータ７を利用
するかはいずれでもよい。これは後の具体的な構成でさ
らに詳しく説明する。
【００５３】プランク定数をｈ、光パルス信号の光周波
数をν、被測定光増幅器の利得をＧ、前記光パルス信号
の無い時間領域に同期した被測定光増幅器の出力光電力
（ＰASE ) を測定するときの通過帯域幅をＢ0 とすると
き、 〔数４〕を演算することにより雑音指数が得られる。
【００５４】前記二つの出力光電力（ＰAMP およびＰ
ASE ) を分離して検出するために通過中心波長が被測定
増幅器の入力に与える光パルス信号の中心波長（λ）に
一致し通過帯域幅（Ｂ0 ）を有する光電力検出器を用い
ることができる。
【００５５】前記利得（Ｇ）は、被測定光増幅器に入力
する強度変調光の光電力をＰInputとするとき、 〔数５〕として求めることができる。
【００５６】本発明では、前述した第三実施例の雑音指
数（ＮＦ）測定方法のように光サージが発生することは
ない。
【００５７】一般的なエルビウム添加光ファイバ増幅器
の雑音指数（ＮＦ）特性は図１３に示すように、その雑
音指数（ＮＦ）の値が入力光電力に依存している。本発
明では、エルビウム添加光ファイバ増幅器に数１０ｋＨ
ｚ以上の測定用強度変調光を入力し、出力光のうち入力
した強度変調光の非発光時間領域に対応したＡＳＥ光電
力からＰASE を簡単に求められる。また、半導体光増幅
器の場合は、原子寿命時間τ2effは数ｎｓ以下であるた
め数ＧＨｚ以上の強度変調光を入力すればよい。強度変
調光の光電力を変化させ複数の雑音指数（ＮＦ）値を求
めれば図１３に示す特性を得ることができる。
【００５８】ここで、本発明実施例を具体的に説明す
る。
【００５９】（第一実施例）図１は本発明第一実施例の
要部の構成を示すブロック図である。
【００６０】本発明第一実施例は、前述した基本構成の
光信号供給手段として被測定光増幅器１に波長λの入力
光を与える電気光変換器２と、被測定光増幅器１の出力
回路に設けられ電気パルス信号に同期する電気信号によ
り制御される光スイッチ３と、この光スイッチ３に前記
電気信号を出力する変調信号発生部４と、光スイッチ３
からの出力を測定する光スペクトラムアナライザ５とを
備える。
【００６１】本第一実施例では、被測定光増幅器１とし
てエルビウム添加光ファイバ増幅器が使用され、光スイ
ッチ３として単一の音響光学素子が使用される。エルビ
ウム添加光ファイバ増幅器の原子寿命時間τ2effは０．
２〜数１０ｍｓであるので測定光の変調周波数は数１０
ｋＨｚ程度あれば十分であるが、本第一実施例では１Ｍ
Ｈｚに設定されている。
【００６２】１ＭＨｚの変調信号発生部４は１８０度位
相の異なる出力Ｑおよび〔外１〕を電気光変換器２およ
び光スイッチ３に送出する。電気光変換器２は出力Ｑに
よって変調を行い入力光を得る。この入力光は半導
体レーザを直接変調することによって得られる。電気光
変換器２からの入力光は被測定光増幅器１に入力され
増幅される。被測定光増幅器１の出力は増幅された入力
光とＡＳＥ光電力との和である。この出力が光スイッチ
３に入力される。光スイッチ３は変調信号発生部４から
の出力〔外１〕によって駆動される。光スイッチ３の出
力光のうち光パルス信号の無い時間領域に対応した部分
のみを通過させて光パルス信号が有る時間領域に対応す
る部分の通過を阻止する。この光スイッチ３は音響光学
素子により構成され、駆動周波数は上記のとおり１ＭＨ
ｚである。
【００６３】
【外１】 図２は本発明第一実施例における信号および入出力光の
波形を示したものである。光スイッチ３の出力を光ス
ペクトラムアナライザ５に入力すれば、増幅された測定
光が含まれない光スペクトルを観測することができ、こ
の光スペクトルからＡＳＥ光電力（ＰASE ）が求められ
る。
【００６４】ここで、光スペクトラムアナライザ５を使
用する代わりに、図１の破線で示す狭帯域濾波器６と光
パワーメータ７によって簡易にＡＳＥ光電力（ＰASE ）
を求めることもできる。光スペクトラムアナライザは比
較的に高価であるが、濾波器およびパワーメータは安価
であり、工場の製造工程で利用するには適している。こ
のようにして得られた値から上記（１）式を用いて雑音
指数を測定する。
【００６５】さらに、光スイッチ３の駆動位相を変える
ことにより、増幅された測定光のうち光パルス信号が有
る時間領域に対応した部分のみを通過させＡＳＥ光電力
（ＰASE ）から利得を求めることも可能である。
【００６６】１ＭＨｚの変調信号Ｑと〔外１〕とは１８
０度ずれているので、これらの同期が完全でなかった
り、パルスが重なっている場合、光スイッチ３の出力に
増幅後の入力光が漏れ込むことがある。図３（ａ）は光
スイッチ３の導通時間が長くなって不都合が発生してい
ることを示す。すなわち、光スイッチ３の導通時間が長
くなると、出力側に光パルス信号の一部が漏れていま
い、正確にＡＳＥ光のみを検出することができなくな
る。これに対して図３（ｂ）は光スイッチにガードタイ
ムを設けた場合の動作を説明する。この場合には光スイ
ッチ３の導通時間を短く設定する。このように光スイッ
チ３の動作デューティを５０％とせずに図３（ｂ）に示
すようにいくぶん短くすることにより、ＡＳＥ光を正確
に測定することができる。
【００６７】以上説明したように、本第一実施例では、
光増幅器の消光時定数に注目し、その消光時定数より十
分に短い周期で変調された入力光を光増幅器に入力し、
光増幅器の出力のうち入力光の無い時間領域に対応する
出力光のみを光スイッチにより切り出しているので、増
幅された入力光に影響されることなくＡＳＥ光電力（Ｐ
ASE ）を求めることができる。これにより簡便に雑音指
数（ＮＦ）を求めることができる。
【００６８】（第二実施例）本発明第二実施例の構成を
図４に示す。この構成は光源として連続光を出力するも
のを用い、その出力回路に光スイッチ２１を設けて光パ
ルス信号を得るものである。このための光スイッチ２１
として、光スイッチ３を構成する音響光学素子と同種の
ものを用いこれが複数縦続に接続されたものを使用する
とよい。その他は図１に示す第一実施例同様に構成され
る。
【００６９】この第二実施例は、光スイッチ３が測定光
の変調波形と１８０度位相が異なる波形により駆動さ
れ、増幅された測定光の非発光時間領域のみを通過させ
て発光時間領域の通過を阻止する。光スイッチ３のクロ
ストーク特性が不完全で、発光時間領域の通過を完全に
阻止できない場合には、光スイッチ３の出力に増幅後の
測定光が漏れ込む可能性がある。図５は本発明第二実施
例における光スイッチの漏洩特性が不十分である場合の
動作を示したもので、このような場合にはＡＳＥ光電力
（ＰASE ）の測定値に誤差を生じる。また、光スイッチ
３の漏洩特性が不完全で、測定光の消光比が十分得られ
ないと、光パルス信号が無い時間領域の光電力は増幅さ
れた測定光電力を含むことになり、ＡＳＥ光電力（Ｐ
ASE ）の測定値に誤差を生じる。
【００７０】一般的な音響光学素子の漏洩特性は２０〜
４０ｄＢであり、２個直列に接続して同期させ動作させ
ることにより、４０〜８０ｄＢの漏洩特性をもつ光スイ
ッチが得られる。また、２個直列に接続された音響光学
素子を直交させれば、音響光学素子のもつ偏波依存性を
相殺することができる。したがって、図４に示す光スイ
ッチ３および光源の光スイッチ２１として音響光学素子
を２個直列に接続して用いれば、誤差の少ない雑音指数
（ＮＦ）値を求めることができる。
【００７１】（第三実施例）図６は本発明第三実施例の
要部の構成を示すブロック図である。この第三実施例
は、光スイッチ３と縦続に、光パルス信号の光波長
（λ）とは異なるが接近した波長（λ′）を通過帯域と
する帯域通過濾波器８が挿入される。その他は第一実施
例同様に構成される。
【００７２】本第三実施例は、第二実施例で説明したよ
うに、光スイッチ３の漏洩特性が不完全であった場合
に、ＡＳＥ光電力（ＰASE ）の測定値に誤差を生じるこ
とから、中心波長λ′の帯域通過濾波器８を光スイッチ
３の前に設置し、光パルス信号の漏洩を少なくして、誤
差の少ない雑音指数（ＮＦ）を求めようとするものであ
る。
【００７３】すなわち、帯域通過濾波器８の挿入によ
り、波長λ′が波長λから少しずらされるので光スイッ
チ３に入力する増幅後の光パルス信号のレベルを減少さ
せることができる。増幅後の光パルス信号のレベルが減
少すれば、不完全な特性の光スイッチによっても増幅さ
れた光パルス信号の有る時間領域の通過を十分に阻止す
ることができる。ただし、ＡＳＥ光電力（ＰASE ）は中
心波長λ′の帯域通過濾波器８によって損失を受ける
が、帯域通過濾波器８により受ける損失の値は一定であ
るので初期校正を行えば問題はない。このように中心波
長λ′の帯域通過濾波器８を用いることによっても誤差
の少ない雑音指数（ＮＦ）値を求めることができる。
【００７４】（第四実施例）図７は本発明第四実施例の
要部の構成を示すブロック図である。この第四実施例
は、被測定光増幅器として半導体光増幅器のものを測定
する例である。半導体光増幅器はその消光時定数がきわ
めて短いから、光パルス信号の周波数は１ＧＨｚ以上で
ある。その他は第一実施例同様に構成される。
【００７５】すなわち、被測定光増幅器１１が半導体光
増幅器であるので、その原子寿命時間（τ2eff）は数ｎ
ｓ以下である。したがって、光パルス信号の変調周波数
は数ＧＨｚが必要となる。ＬｉＮｂ０3 光変換器や吸収
型光変調器の帯域には１０数ＧＨｚで動作するものが得
られているのでこれを用いることにより実現する。本第
四実施例では、ＬｉＮｂ０3 光変調器を用いた電気光変
換器を用いた電気光変換器１２と光スイッチ１３とを備
え、測定光の変調周波数を１０ＧＨｚに設定した例につ
いて説明する。
【００７６】電気光変換器１２では、一定の光電力で発
振している半導体レーザの出力光（ＣＷ光）を変調信号
Ｑで駆動する。すなわち、ＣＷ光をＬｉＮｂ０3 光変調
器により外部変調し、１０ＧＨｚの入力光を出力する。
同様に光スイッチ１３はＬｉＮｂ０3 光変調器の変調信
号〔外１〕で駆動される。これにより、第一実施例同様
に誤差の少ない雑音指数（ＮＦ）値を求めることができ
る。
【００７７】（第五実施例）図８は本発明第五実施例の
要部の構成を示すブロック図である。この第五実施例
は、検出手段に、被測定光増幅器の出力光のうち、増幅
された入力光パルス信号の偏波面に一致しかつ入力光パ
ルス信号の発光時間領域に対応する出力光電力と、増幅
された入力光パルス信号の偏波面に一致しかつ入力光パ
ルス信号のない時間領域に対応した出力光電力とを分離
して測定する偏波制御器９および偏光子１０を備える構
成のものである。その他は第一実施同様に構成される。
本第五実施例では、被測定光増幅器が偏波依存性を持っ
ているので、出力のうち増幅された測定光の偏波面に対
応する雑音指数（ＮＦ）値を求めることができる。
【００７８】一般的に、希土類添加光ファイバは、偏波
依存性のないシングルモード光ファイバのコア部分に希
土類が添加されて作製される。そのため、このファイバ
を励起したときに、光ファイバ中に生じる増幅現象に偏
波依存性はない。偏波依存性のない光アイソレータや光
フィルタなどと希土類添加ファイバを組み合わせれば、
偏波依存性のない光ファイバ増幅器を構成することがで
きる。現在、盛んに研究開発が進められているエルビウ
ム光ファイバ増幅器もこの一種である。また、ＰＡＮＤ
Ａ光ファイバのように偏波依存性のある光ファイバのコ
ア部に希土類を添加したファイバを用いれば、増幅現象
に偏波依存性のある光ファイバ増幅器を構成することが
できる。
【００７９】半導体光増幅器を作製する場合、光増幅を
行う活性層の厚みと幅を等しく制御することが困難であ
るため、作製された素子は偏波依存性を持つものが多
い。これら偏波依存性のある光増幅器では、入力する光
の偏波面によって利得や出力光電力が異なる。またＡＳ
Ｅ光も出力偏波面によって異なる。そのため、偏波依存
性のある光増幅器の雑音指数（ＮＦ）値を測定する場合
に、増幅された測定光の偏波面に一致した利得やＡＳＥ
値を測定することが必要になる。
【００８０】次に、本発明第五実施例の動作について説
明する。電気光変換器２と光スイッチ３とが変調信号発
生部４からの出力Ｑにより同相で駆動されると、図８中
のには増幅された入力光とＡＳＥ光が共に出力され
る。偏波制御器９はが最大となるように制御する。最
小値を求めるように偏波制御器９を調整することは困難
であるが、最大となるように調整することは容易であ
る。偏波制御器９の調整によりは増幅された入力光と
その偏波面に一致したＡＳＥ光となる。偏波制御器９と
偏光子１０の通過損失を補正すれば、式（２）に示す入
力強度変調光の発光領域に対応した出力電力（ＰAMP ）
から利得を求めることができる。
【００８１】次に、電気光変換器２が変調信号発生部４
からの出力Ｑで駆動され、光スイッチ３が出力〔外１〕
で駆動されると、増幅された入力光が除去されては増
幅された測定光の偏波面に一致したＡＳＥのみとなる。
偏波制御器９と偏光子１０の通過損失を補正し、このＡ
ＳＥからＡＳＥ光電力（ＰASE ）を求めることができ
る。このようにして偏波依存性のある光増幅器において
増幅された入力光の偏波面に対応する雑音指数（ＮＦ）
値を簡便に求めることができる。
【００８２】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、測
定者によって差を生じることなく、光通信用の光増幅器
の特性を簡便かつ高い精度で測定することができるとと
もに、多数の光増幅器を連続的に測定することができる
雑音指数測定方法および装置を提供することができる。
本発明によれば、多数の光増幅器について簡便にかつ正
確に測定し、その測定結果にばらつきが少なく、光増幅
器の性能を判定することができる。本発明は、光増幅器
の製造検査、納入検査、経年劣化の検査、その他を簡便
に行うことができる。本発明の方法または装置を用いる
ことにより、光通信網に設けられる全数の増幅器を簡便
に測定することができるので、伝送路およびスイッチを
含む網の雑音設計を適切に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第一実施例の要部の構成を示すブロック
図。
【図２】本発明第一実施例における信号および入出力光
の波形を示す図。
【図３】（ａ）は本発明第一実施例における光スイッチ
の通過時間が測定光の非発光時間より長い場合の動作を
示す図、（ｂ）は光スイッチの通過時間が測定光の非発
光時間より短い場合の動作を示す図。
【図４】本発明第二実施例の要部の構成を示すブロック
図。
【図５】本発明第二実施例における光スイッチのクロス
トークが十分でない場合の動作を示す図。
【図６】本発明第三実施例の要部の構成を示すブロック
図。
【図７】本発明第四実施例の要部の構成を示すブロック
図。
【図８】本発明第五実施例の要部の構成を示すブロック
図。
【図９】（ａ）は光増幅器の高速変調における小信号光
が入力した場合のＡＳＥ光電力変化を示す図、（ｂ）は
高速変調における大信号光が入力した場合のＡＳＥ光電
力変化を示す図、（ｃ）は低速変調における小信号光が
入力した場合のＡＳＥ光電力変化を示す図、（ｄ）は低
速変調における大信号光が入力した場合のＡＳＥ光電力
変化を示す図。
【図１０】光増幅器の原理を説明する図。
【図１１】（ａ）は希土類元素添加光ファイバを用いた
光ファイバ増幅器の一般的な構成を示す図、（ｂ）は半
導体レーザを用いた半導体光増幅器の一般的な構成を示
す図。
【図１２】光増幅器の光増幅媒体内部を示す図。
【図１３】一般的な光増幅器の雑音指数（ＮＦ）特性を
示す図。
【図１４】第一従来例雑音指数（ＮＦ）測定方法を説明
する図。
【図１５】第二従来例雑音指数（ＮＦ）測定方法を説明
する図。
【図１６】第三従来例雑音指数（ＮＦ）測定方法を説明
する図。
【符号の説明】
１ 被測定光増幅器（エルビウム添加光ファイバ増幅
器） ２、１２ 電気光変換器 ３、１３ 光スイッチ ４ 変調信号発生部 ５、１０３ 光スペクトラムアナライザ ６ 狭帯域濾波器 ７ 光パワーメータ ８ 帯域通過濾波器 ９、１０４ 偏波制御器 １０、１０５ 偏光子 １１ 被測定光増幅器（半導体光増幅器） １０１ ＬＤ光源 １０２ 被測定光増幅器

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 被測定光増幅器の上準位の原子寿命また
    はキャリヤ寿命より十分に短い周期で強度変調された繰
    り返し光パルス信号を被測定光増幅器の入力に与え、 この光パルス信号の有る時間領域に同期した被測定光増
    幅器の出力光電力（ＰAMP ) およびこの光パルス信号の
    無い時間領域に同期した被測定光増幅器の出力光電力
    （ＰASE ) を分離して検出し、 プランク定数をｈ、光パルス信号の光周波数をν、被測
    定光増幅器の利得をＧ、前記光パルス信号の無い時間領
    域に同期した被測定光増幅器の出力光電力（ＰASE ) を
    測定するときの通過帯域幅をＢ0 とするとき、 【数１】 を演算することを特徴とする雑音指数測定方法。
  2. 【請求項２】 前記二つの出力光電力（ＰAMP およびＰ
    ASE ) を分離して検出するために通過中心波長が被測定
    増幅器の入力に与える光パルス信号の中心波長（λ）に
    一致し通過帯域幅（Ｂ0 ）を有する光電力検出器を用い
    る請求項１記載の雑音指数測定方法。
  3. 【請求項３】 前記利得（Ｇ）は、被測定光増幅器に入
    力する強度変調光の光電力をＰInput とするとき、 【数２】 とする請求項２記載の雑音指数測定方法。
  4. 【請求項４】 前記利得（Ｇ）は、被測定光増幅器の入
    力に与える光パルス信号光を電気信号に変換して得られ
    る強度変調成分をＰIN-Eとし、被測定光増幅器の出力光
    を電気信号に変換して得られる強度変調成分をＰAMP-E
    とするとき 【数３】 とする請求項２記載の雑音指数測定方法。
  5. 【請求項５】 半導体レーザを電気パルス信号で駆動す
    ることにより被測定光増幅器の入力に与える光パルス信
    号を得る請求項２記載の雑音指数測定方法。
  6. 【請求項６】 無変調光源の出力光を電気パルス信号で
    駆動する光スイッチを通過させることにより被測定光増
    幅器の入力に与える光パルス信号を得る請求項２記載の
    雑音指数測定方法。
  7. 【請求項７】 前記二つの出力光電力（ＰAMP およびＰ
    ASE ) を分離するために被測定光増幅器に供給する光パ
    ルス信号に同期する繰り返しパルス信号で駆動する光ス
    イッチを用いる請求項２記載の雑音指数測定方法。
  8. 【請求項８】 光スイッチは音響光学スイッチである請
    求項７記載の雑音指数測定方法。
  9. 【請求項９】 音響光学スイッチは複数縦続に接続され
    た請求項８記載の雑音指数測定方法。
  10. 【請求項１０】 光スイッチを測定すべき時間領域にガ
    ードタイミングを設けた時間領域に導通するように制御
    する請求項７記載の雑音指数測定方法。
  11. 【請求項１１】 光スイッチの入力光を光測定光増幅器
    の入力に与える光パルス信号の中心波長（λ）とは異な
    る波長（λ′）を通過帯域とする光フィルタに通過させ
    る請求項７記載の雑音指数測定方法。
  12. 【請求項１２】 被測定光増幅器がＥｒ添加光ファイバ
    増幅器であり、強度変調光の周波数が１０ｋＨｚ以上で
    ある請求項７記載の雑音指数測定方法。
  13. 【請求項１３】 被測定光増幅器が半導体光増幅器であ
    り、強度変調光の周波数が１ＧＨｚ以上である請求項７
    記載の雑音指数測定方法。
  14. 【請求項１４】 被測定光増幅器の出力光のうち、増幅
    された光パルス信号の偏波面に一致しかつ入力光パルス
    信号の有る時間領域に対応する出力光電力（ＰAMP )
    と、増幅された光パルス信号の偏波面に一致しかつ入力
    光パルス信号の無い時間領域に対応する出力光電力とを
    分離して測定する請求項７記載の雑音指数測定方法。
  15. 【請求項１５】 被測定光増幅器の入力に接続する入力
    側端子と、被測定光増幅器の出力に接続する出力側端子
    と、被測定光増幅器の上準位の原子寿命またはキャリヤ
    寿命より十分に短い周期で強度変調された繰り返し光パ
    ルス信号を前記入力側端子に与える光信号供給手段と、
    この光パルス信号の有る時間領域に同期して前記出力側
    端子に現れる出力光電力（ＰAMP ) およびこの光パルス
    信号の無い時間領域に同期して前記出力側端子に現れる
    出力光電力（ＰASE ) を分離して検出する検出手段とを
    備えたことを特徴とする雑音指数測定装置。
  16. 【請求項１６】 前記光信号供給手段は、電気パルス信
    号により変調される電気光変換器を備え、 前記検出手段は、被測定光増幅器の出力回路に設けられ
    前記電気パルス信号に同期する電気信号により制御され
    る光スイッチを備えた請求項１５記載の雑音指数測定装
    置。
  17. 【請求項１７】 検出手段の検出結果を演算する演算装
    置を備えた請求項１５記載の雑音指数測定装置。
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