JPH09288011A - 光信号波形の測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 １００ＧＢ／ｓを越える光信号の波形を測定
することができ、しかも１００ＧＢ／ｓを越える光信号
のアイパターンを測定することができる光信号波形の測
定装置を提供することを目的とするものである。 【解決手段】 被測定光信号の波形測定装置において、
サンプリングトリガ信号と被測定光信号に同期した電気
パルスとをタイミング発生器が発生し、被測定光信号の
タイミングとタイミングが相対的に異なる電気パルスを
電気パルス発生器が発生し、電気パルス発生器が出力し
た電気パルスのタイミングに応じて、上記被測定光信号
をサンプリングし、出射光パルスを出力し、この出射光
パルスを電気信号に変換し、この変換された電気信号を
フィルタリングし、上記サンプリングトリガ信号に同期
して、上記変換された電気信号を取り込んで表示する光
信号波形の測定装置である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超高速ビットレー
トの光信号の波形を測定する光信号波形の測定装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】光通信方式において、現在は、光強度を
強（ディジタル信号の「１」に相当）、弱（同「０」に
相当）に変調することによって所定の情報を伝送する手
段が主流を占めている。また、近年は、その高速化、大
容量化のために、この「１」、「０」の繰り返し周期を
短くする（すなわち繰り返し周波数をより高くする）研
究開発が盛んであり、１００Ｇｂ／ｓ（Ｇは１０億の単
位）以上の情報を伝送することが可能になろうとしてい
る。しかし、このような高速の光信号を発生、伝送する
ことができても、その高速の光信号の波形を正確に測定
する方法や計測装置の開発が遅れているという問題があ
る。

【０００３】従来、このような高速の光信号を測定する
方法として、ストリークカメラを用いて観測する方法
と、ｐｉｎフォトダイオードを始めとする光電気変換器
の出力をサンプリングオシロスコープで観測する方法と
の２種類の方法が一般的なものとして知られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記ストリークカメラ
は、光信号を光電面に照射し、電子を発生させ、この発
生された電子を偏向板によって進路を曲げ、電子倍増管
に当てた後、蛍光面で１次元空間に掃引された強度情報
を捕らえるものである。すなわち、時間軸上の情報が空
間軸に変換される時空変換の原理を用いている。この場
合、被測定光信号の繰り返し信号と同期を取ることが可
能なシンクロスキャン方式を採用すると、その時間分解
能は、２−５ｐｓ程度が限界である。信号の繰り返し周
波数は、約１００ＧＨｚが上限となる。また、Ｓ／Ｎを
上げるために、蛍光面で得られた空間情報を平均化処理
するので、光ランダムパターン信号の測定（いわゆる、
アイパターン測定）を行うことはできないという問題が
ある。

【０００５】一方、現在、アイパターン測定を行う場
合、高速の光電気変換器で光信号を電気信号に変換した
後に、電気サンプリングオシロスコープでその電気信号
を測定する方法以外は知られていない。しかし、現在市
販されているサンプリングオシロスコープの帯域は最高
５０ＧＨｚであり、さらに、同軸コネクタやケーブルを
介して接続することによって、帯域が劣化するとともに
信号波形が歪む等の問題がある。したがって、現在で
は、１００Ｇｂ／ｓを越える高速ビットレートの光信号
をアイパターン測定することができないという問題があ
る。

【０００６】本発明は、１００ＧＢ／ｓを越える光信号
の波形を測定することができ、しかも１００ＧＢ／ｓを
越える光信号のアイパターンを測定することができ、さ
らに、１００Ｇｂ／ｓ以下の固定パターン測定に用いら
れるストリークカメラに比べて、よりコンパクトで信頼
性の高い光信号波形の測定装置を提供することを目的と
するものである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、被測定光信号
の波形測定装置において、サンプリングトリガ信号と被
測定光信号に同期した電気パルスとをタイミング発生器
が発生し、被測定光信号のタイミングとタイミングが相
対的に異なる電気パルスを電気パルス発生器が発生し、
電気パルス発生器が出力した電気パルスのタイミングに
応じて、上記被測定光信号をサンプリングし、出射光パ
ルスを出力し、この出射光パルスを電気信号に変換し、
この変換された電気信号をフィルタリングし、上記サン
プリングトリガ信号に同期して、上記変換された電気信
号を取り込んで表示する光信号波形の測定装置である。

【０００８】

【発明の実施の形態および実施例】図１は、本発明の一
実施例である光信号波形の測定装置ＷＭ１を示すブロッ
ク図である。

【０００９】この光信号波形の測定装置ＷＭ１は、光信
号サンプリング装置１と、電気パルス発生器２と、光電
気変換器３と、信号処理回路４と、波形表示装置５と、
タイミング発生装置６とを有する。

【００１０】光信号サンプリング装置１は、電気パルス
発生器２が出力した電気パルスのタイミングに応じて、
被測定光信号をサンプリングして、出射光パルスを出力
する装置であり、電圧または電界によって、入射した光
の強度を変調する素子である。電気パルス発生器２は、
光信号サンプリング装置１に入射された光信号をサンプ
リングする電気パルスを発生するものであり、この発生
のタイミングは、被測定光信号に同期し、しかも被測定
光信号の発生タイミングと相対的に異なるものである。

【００１１】また、光電気変換器３は、通常の帯域が１
ＭＨｚ以下の低速のものであり、光信号サンプリング装
置１が出力した出射光パルスを電気信号に変換するもの
である。信号処理回路４は、光電気変換器３が出力した
電気信号を増幅し、フィルタリング等を行う信号処理回
路である。波形表示装置５は、ディジタルオシロスコー
プ等で構成され、信号処理回路４が出力した信号を取り
込み、被測定光信号に対応する信号波形を表示する装置
である。

【００１２】タイミング発生装置６は、被測定光信号の
タイミングと同期するがしかし被測定光信号のタイミン
グとは相対的に異なるタイミングの電気パルスを発生
し、また波形表示装置５に信号取り込み用のタイミング
を与える装置である。

【００１３】次に、上記実施例の動作について説明す
る。

【００１４】図２は、上記実施例の測定原理を説明する
タイミングチャートの一例を示す図である。被測定光信
号は、図２（１）に示すように、一定の繰り返しを行う
パルス波形を有するものであるとし、この周期をＴとす
る。

【００１５】まず、被測定光信号発生器７が被測定光信
号を出力し、この被測定光信号が光信号サンプリング装
置１に入力される。そして、タイミング発生装置６によ
って時間的に制御された電気パルスが、電気パルス発生
器２から出力され、この電気パルスが光信号サンプリン
グ装置１に入力される。光信号サンプリング装置１に入
力された光信号は、電気パルスによって強度変調を受け
る。つまり、光信号サンプリング装置１に入力された光
信号のうちで、電気パルスと時間的に重なった部分の光
信号が、光信号サンプリング装置１から出射される（サ
ンプリング動作する）。

【００１６】ところで、被測定光信号の周期がＴである
とし、電気パルスの周期がｎＴ＋ΔＴであるとする。つ
まり、電気パルスの周期は、被測定光信号の周期Ｔのｎ
（整数）倍よりもΔＴだけずれているとする。すなわ
ち、被測定光信号と電気パルス発生器２が出力する電気
パルスとは、時間軸上で、図２（１）、（２）に示すよ
うに、被測定光信号がｎ回発生する毎に、電気パルスが
１回発生し、しかも、電気パルスが１回発生する毎に、
被測定光信号の発生タイミングに対して、電気パルスの
発生タイミングがΔＴだけずれる（遅れる）。

【００１７】図２（３）は、光信号サンプリング装置１
がサンプリングした出射光パルスＩｏｕｔを示す図であ
る。光信号サンプリング装置１に入射された被測定光信
号と、光信号サンプリング装置１に入力された電気パル
スとが時間的に重なった部分における入射光の強度Ａ_H
に応じて、光信号サンプリング装置１の出射光の強度Ｉ
ｏｕｔが変化する。このようにサンプリングされた光信
号強度に出射光強度が比例すること（線形な関係である
こと）が望ましいが、両者の相関が非線形であっても、
信号処理回路４で最終的に補正して表示することは可能
である。

【００１８】図２（４）は、信号処理回路４の出力Ｖｏ
ｕｔを示す図であり、図２（５）は、タイミング発生装
置６が出力したサンプリングトリガ信号を示す図であ
り、図２（６）は、信号処理回路４が出力し、波形表示
装置５で表示される測定波形を示す図である。

【００１９】出射光パルスＩｏｕｔの強度変化を、低速
の光電気変換器３が電気信号に変換し、この低速の光電
気変換器３が出力した電気信号を信号処理回路４が適当
なレベルに増幅する。そして、タイミング発生装置６が
出力したサンプリングトリガ信号に応じて、図２（６）
に示すような波形を波形表示装置５が表示する。なお、
図２（６）においては、図２（１）〜（５）よりも、時
間を縮めて表示してある。

【００２０】なお、タイミング発生装置６は、サンプリ
ングトリガ信号と被測定光信号に同期した電気パルスと
を発生するタイミング発生器の例であり、電気パルス発
生器２は、被測定光信号のタイミングとタイミングが相
対的に異なる電気パルスを発生する電気パルス発生器の
例であり、光サンプリング装置１は、電気パルス発生器
が出力した電気パルスのタイミングに応じて、被測定光
信号をサンプリングして、出射光パルスを出力する光信
号サンプリング装置の例である。また、光電気変換器３
は、光信号サンプリング装置が出力した出射光パルスを
電気信号に変換する光電気変換器の例であり、信号処理
回路４は、光電気変換器の出力信号をフィルタリングす
る信号処理回路の例であり、波形表示装置５は、タイミ
ング発生器が発生したサンプリングトリガ信号に同期し
て、信号処理回路からの出力信号を取り込んで表示する
波形表示装置の例である。

【００２１】図３は、上記実施例における光信号サンプ
リング装置１、電気パルス発生器２、光電気変換器３の
具体的な構成を示す図である。

【００２２】図３において、光信号サンプリング装置１
として吸収型半導体光変調器１１を使用し、電気パルス
発生器２として通常のインパルス発生器２１（たとえ
ば、ピコセカンドパルスラボ社３５５０Ａ、パルス幅６
０ｐｓ）とパルス整形回路２２とを使用し、低速の光電
気変換器３としてｐｉｎフォトダイオード３１を使用し
ている。

【００２３】まず、吸収型半導体光変調器１１のサンプ
リング動作について説明する。

【００２４】図４は、吸収型半導体光変調器１１におけ
る印加電圧と透過光光量との関係を示す図である。

【００２５】吸収型半導体光変調器１１に、時間的に変
化しない一定光量を入射させ、パルス幅ΔＴｖの電圧パ
ルスを印加すると、吸収型半導体光変調器１１を透過し
た出力光は、パルス幅ΔＴｏｕｔの光パルスになる。し
たがって、時間的に変化する光信号を入射した場合、Δ
Ｔｏｕｔのゲート幅（時間分解能）で光信号波形をサン
プリングしたことになる。

【００２６】また一般に、ΔＴｏｕｔ〜ΔＴｖ／５（Δ
Ｔｏｕｔ≒ΔＴｖ／５）であるので、吸収型半導体光変
調器１１に印加される電圧パルスに要求されるパルス幅
の条件が大幅に緩和される。たとえば、２ｐｓのサンプ
リングゲート幅を得るためには、電気パルスの幅は１０
ｐｓでよい。

【００２７】図３に示すように通常のインパルス発生器
２１とパルス整形回路２２とを用いれば、１０ｐｓ程度
の幅の電気パルスを簡単に得ることができる。パルス整
形回路２２としては、たとえば、非線形伝送線路を用い
たパルス圧縮器がある。その詳しい情報は、M.Case等に
よる"Picosecond duration, large amplitude impulse
generation using electrical soliton effects", Appl
ied Physics Letters,vol.60, No.24, pp.3019-3021(19
92)からも得ることができる。ソリトン圧縮効果によっ
て、入力パルスの１／５から１／１０程度のパルス圧縮
を実現でき、上記の６０ｐｓのインパルス発生器２１が
出力する電気パルスを１０ｐｓ以下にすることが十分可
能である。また、パルス整形回路２２として、共鳴トン
ネルダイオードを用いたパルス発生器を使用しても、上
記と同様の効果を得ることができる。この詳しい情報
は、たとえば、R.Y.Yu他、"A travelling-wave resonan
t tunneling diode pulse generator", IEEE Microwave
and Guidedwave Letters, vol.4, No.7, pp.220-222(1
994)に記載されている。

【００２８】図５は、上記実施例において、光信号サン
プリング装置１、電気パルス発生器２、光電気変換器３
の他の具体的な構成を示す図である。

【００２９】図５に示す実施例においては、光信号サン
プリング装置１として、直列に２個集積された第１の吸
収型半導体光変調器１１−１と第２の吸収型半導体光変
調器１１−２と、電気パルス発生器２からの信号を２分
岐し、片方に所望の遅延を与える遅延器１２とが用いら
れている。

【００３０】図６は、図５に示す具体例の動作原理を説
明する図である。

【００３１】電気パルス発生器２が出力した電圧パルス
が２つの電圧パルスに分岐され、遅延器１２によって２
つの電圧パルス間に時間差が与えられ、各電圧パルス
が、第１の吸収型半導体光変調器１１−１と、第２の吸
収型半導体光変調器１１−２とに与えられる。この結
果、両方の吸収型半導体光変調器１１−１、１１−２を
通過した光は、２つの電圧パルスが重なった部分の幅の
電気パルスが入力されたことに相当する応答を示す。

【００３２】このようにすると、パルス幅の広い電圧パ
ルスを利用することができ、したがって、電気回路の帯
域に対する要求条件がより一層緩和される。

【００３３】図７は、上記実施例において、光信号サン
プリング装置１、電気パルス発生器２、低速光電気変換
器３のさらに他の具体的な構成を示す図である。

【００３４】図７に示す具体例においては、光信号サン
プリング装置１として、第１の吸収型半導体光変調器１
１−１を使用し、低速光電気変換器３として、第２の吸
収型半導体光変調器１１−２を使用している。

【００３５】上記各実施例によれば、高速光信号を電気
信号に変換せずに、また、同軸コネクタやケーブルを介
さずに光信号サンプリング装置１（サンプリングヘッ
ド）に高速光信号を直接与えることができるので、従来
のように光電気変換器３や同軸コネクタ、ケーブルによ
って帯域が制限さることがなく、広帯域化が可能であ
る。また、光変調器の高効率化によって測定感度の増加
が容易であり、アイパターンの測定も可能になる。

【００３６】なお、上記の実施例において、光信号サン
プリング装置１、光電気変換器３、電気パルス発生器を
別々のブロック図で説明したが、これらは、ＧａＡｓや
ＩｎＰのような化合物半導体を用いて製作されるのが一
般的である。したがって、これらのいずれか、または全
ての構成部品を１つのチップ上に集積すれば、接続部で
のロスや帯域劣化を抑制し、高帯域化を図ることがで
き、同時に、装置全体の小型化、経済化、高信頼化とい
うメリットを得ることができる。

【００３７】

【発明の効果】本発明によれば、１００Ｇｂ／ｓ以上の
光信号アイパターンを測定することが可能であるという
効果を奏し、また、構成部品を集積化すれば、１００Ｇ
ｂ／ｓ以下の固定パターン測定に用いられるストリーク
カメラに比べても、よりコンパクトで信頼性が高いとい
う効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である光信号波形の測定装置
ＷＭ１のブロック図である。

【図２】上記実施例の測定原理を説明するタイミングチ
ャートの示す図である。

【図３】上記実施例における光信号サンプリング装置
１、電気パルス発生器２、光電気変換器３の具体的な構
成を示す図である。

【図４】吸収型半導体光変調器１１における印加電圧と
透過光光量との関係を示す図である。

【図５】上記実施例において、光信号サンプリング装置
１、電気パルス発生器２、光電気変換器３の他の具体的
な構成を示す図である。

【図６】図５に示す具体例の動作原理を説明する図であ
る。

【図７】上記実施例において、光信号サンプリング装置
１、電気パルス発生器２、低速光電気変換器３のさらに
他の具体的な構成を示す図である。

【符号の説明】

ＷＭ１…光信号波形の測定装置、 １…光信号サンプリング装置、 ２…電気パルス発生器、 ３…光電気変換器、 ４…信号処理回路、 ５…波形表示装置、 ６…タイミング発生装置、 ７…被測定光信号発生器。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定光信号の波形測定装置において、 サンプリングトリガ信号と被測定光信号に同期した電気
   パルスとを発生するタイミング発生器と；上記被測定光
   信号のタイミングとタイミングが相対的に異なる電気パ
   ルスを発生する電気パルス発生器と；上記電気パルス発
   生器が出力した電気パルスのタイミングに応じて、上記
   被測定光信号をサンプリングして、出射光パルスを出力
   する光信号サンプリング装置と；上記光信号サンプリン
   グ装置が出力した上記出射光パルスを電気信号に変換す
   る光電気変換器と；上記光電気変換器の出力信号をフィ
   ルタリングする信号処理回路と；上記タイミング発生器
   が発生した上記サンプリングトリガ信号に同期して、上
   記信号処理回路からの出力信号を取り込んで表示する波
   形表示装置と；を有することを特徴とする光信号波形の
   測定装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、 上記光信号サンプリング装置は、吸収型半導体光変調器
   であることを特徴とする光信号波形の測定装置。
3. 【請求項３】 請求項１において、 上記光電気変調器は、吸収型半導体光変調器であること
   を特徴とする光信号波形の測定装置。
4. 【請求項４】 請求項１において、 上記電気パルス発生器は、パルス幅の広い電気パルスを
   発生するインパルス発生器と波形整形回路とを組み合わ
   せたものであることを特徴とする光信号波形の測定装
   置。
5. 【請求項５】 請求項１において、 上記電気パルス発生器が出力した電気信号を２分岐する
   信号分岐手段と；上記分岐された電気信号の一方に所望
   の遅延を与える遅延器と；を有し、上記光電気変調器
   が、第１の吸収型半導体光変調器と第２の吸収型半導体
   光変調器とで構成され、上記電気パルス発生器が出力し
   た電気信号が上記第１の吸収型半導体光変調器に供給さ
   れ、上記遅延された電気信号が上記第２の吸収型半導体
   光変調器に供給されることを特徴とする光信号波形の測
   定装置。
6. 【請求項６】 請求項１において、 上記光信号サンプリング装置と、上記光電気変換器と、
   上記電気パルス発生器とのうちで、少なくとも２つが同
   一チップ上に集積されていることを特徴とする光信号波
   形の測定装置。