WO2020145285A1 - 波長モニタ装置および波長モニタ方法 - Google Patents

波長モニタ装置および波長モニタ方法 Download PDF

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  • the optical two-branch circuit 504 in which the phase difference between the output optical signals is 90 degrees can be, for example, a directional coupler or an MMI coupler.

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Abstract

フィルターの繰返し周期を変えることなく光信号の波長をモニタする精度を向上可能な波長モニタ回路を提供する。波長モニタ装置は、波長モニタ回路（１０１）を備える。波長モニタ回路は、入力した光信号を２分岐する分岐回路（１０２）と、２分岐された光信号に遅延時間差を与える光遅延回路（１０３）と、遅延時間差を与えた光信号を合波干渉して出力する２入力２出力の光合分波回路（１０４）と、を含む。波長モニタ装置は、波長モニタ回路から出力される２つの光信号を光電変換して電気信号を出力する光電変換素子１０５ａ，１０５ｂをさらに備え、該光電変換素子からの２つの電気出力の比を算出し、波長モニタ回路に入力された光信号の波長と電気出力の比との対応表を参照することによって、光信号の波長を得るように構成した。

Description

波長モニタ装置および波長モニタ方法
　本発明は、光通信ネットワークに用いられる光デバイスに関し、特に光信号の波長を高精度で、効率よくモニタするための波長モニタ装置および波長モニタ方法に関する。
　インターネットの普及に伴い、データ通信ネットワークに対する需要が爆発的に伸びており、これを支える光通信ネットワークを大容量化するため、波長分割多重(WDM: Wavelength Division Multiplexing)通信等の技術が用いられている。波長分割多重通信においては、発振波長を高精度に制御したレーザモジュールが必要不可欠であり、これを実現するために、レーザモジュールの発振波長をモニタするための波長モニタ回路及び波長モニタ方法が必要とされている。
　図９は、従来の波長モニタ回路の概念的構成図である。従来の一般的な波長モニタ回路においては、波長可変レーザ７０１の出力光の一部を分岐するビームスプリッタ７０２と、分岐された光を更に２分岐するビームスプリッタ７０３を備えている。ビームスプリッタ７０３で分岐された光の一方は、光強度をモニタするフォトダイオード７０４に入力される。ビームスプリッタ７０３で分岐された光の他方は、周期的なフィルター（典型的にはエタロンフィルター）７０５を透過させた後、光強度をモニタするフォトダイオード７０６に入力される。
　フォトダイオード７０６の出力電流ＩPD2とフォトダイオード７０４の出力電流ＩPD1の比率ＩPD2÷ＩPD1は、当該波長におけるエタロンフィルター７０５の透過率であるから、予めエタロンフィルター７０５の透過率と光信号の波長との対応表を作成しておくことにより、入力された光信号の波長を知ることができる。また、所望の波長に対するエタロンフィルター７０５の透過率を予め求めておき、当該透過率にＩPD2÷ＩPD1が一致するように制御することで、レーザモジュールの発振波長を所望の波長に制御できる。
　但し、当該構成でモニタする光信号の波長が、エタロンフィルター７０５の透過率のピークあるいはボトムに位置する場合には、光信号の波長の微小な変化に対して、ＩPD2÷ＩPD1の値がほとんど変化しない。即ち、観測された透過率ＩPD2÷ＩPD1に対して、光信号の波長を決定する精度が低下してしまうため、高精度に波長を決定することができない。
　このように、使用に適さない波長帯域が存在する従来の波長モニタ回路の欠点を補う構成として、図１０に示す波長モニタ回路の構成がある。
　図１０では、図９の構成と比較すると、ビームスプリッタ７０３とエタロンフィルター７０５の間にビームスプリッタ７０７を追加し、ビームスプリッタ７０７で新たに分岐された信号に対して、エタロンフィルター７０８を透過させた後でフォトダイオード７０９に入力する構成となっている。ここで、エタロンフィルター７０８は、エタロンフィルター７０５と同じ周期的なフィルター特性を有しているが、特性が１周期の１／４ずれているものとする。
　フォトダイオード７０９の出力電流をＩPD3と記載するとき、エタロンフィルター７０５の透過率ＩPD2÷ＩPD1がピークあるいはボトムに位置する場合に、エタロンフィルター７０８の透過率ＩPD3÷ＩPD1はピークあるいはボトムに位置せず、また逆も成立するため、光信号の波長毎に適切なエタロンフィルターの透過率ＩPD2÷ＩPD1あるいはＩPD3÷ＩPD1のいずれかを選択することで、光信号の波長に関わらず波長を高精度に知ることができる。（特許文献１参照）
特許６１７６７８４号公報
　従来の波長モニタ回路および波長モニタ方法では、微小な波長の変化Δλに対してＩPD2÷ＩPD1あるいはＩPD3÷ＩPD1が大きく変化するほど、正確に波長をモニタすることができる。微小な波長の変化Δλに対してＩPD2÷ＩPD1あるいはＩPD3÷ＩPD1を大きく変化させるには、エタロンフィルター７０５及びエタロンフィルター７０８の透過率の波長依存性を急峻にすること、すなわちエタロンフィルター７０５及びエタロンフィルター７０８の繰返し周期を短くする方法があった。
　しかしながら、エタロンフィルター７０５及びエタロンフィルター７０８の繰返し周期を短くすると、フィルターの透過率が同一となる波長の間隔が近接することになり、これが波長可変レーザ７０１の発振波長の粗調範囲内に収まると、発振波長を一意に決定できないため、無制限にフィルターの繰返し周期を短くできないという課題があった。
　また、従来の波長モニタ回路および波長モニタ方法では、光強度をモニタするために専用のフォトダイオード７０４を設ける必要があり、光信号の利用効率が高くない、すなわち全ての光信号を周期的なフィルター特性を有するエタロンフィルターに入力することができないという課題があった。
　本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、フィルターの繰返し周期を変えることなく光信号の波長をモニタする精度を向上可能な波長モニタ装置および波長モニタ方法を提供することにある。
　このような目的を達成するために、本発明の第１の態様は、波長モニタ装置である。一実施形態に係る波長モニタ装置は、入力した光信号を２分岐する分岐回路、２分岐された光信号に遅延時間差を与える光遅延回路、および遅延時間差を与えた光信号を合波干渉して出力する２入力２出力の光合分波回路を含む波長モニタ回路と、波長モニタ回路から出力される２つの光信号を光電変換して電気信号を出力する光電変換素子とを備え、光電変換素子からの２つの電気出力の比を算出し、波長モニタ回路に入力された光信号の波長と電気出力の比との対応表を参照することによって、波長モニタ回路に入力された光信号の波長を得るように構成されたことを特徴とする。
　また、本発明の第２の態様は、波長モニタ方法である。一実施形態に係る波長モニタ方法は、波長モニタ回路に入力された光信号を２分岐することと、２分岐された光信号に遅延時間差を与えることと、遅延時間差を与えられた光信号を合波干渉して出力することと、出力された２つの光信号を光電変換して電気信号を出力することと、２つの光信号を光電変換した電気出力の比を算出することと、波長モニタ回路に入力された光信号の波長と電気出力の比との対応表を参照することによって、波長モニタ回路に入力された光信号の波長を得ることとを含むことを特徴とする。
　以上説明したように、本発明によれば、従来と比較して、高い精度で波長を得ることが可能な波長モニタ装置および波長モニタ方法を提供することが可能となる。また、本発明によれば、従来光強度をモニタするために用いていた光電変換素子を必要としないことから、従来光強度をモニタするために分岐していた信号も全て波長モニタ回路に入力して波長の決定に使用できるため、雑音に対しても強い波長モニタ装置および波長モニタ方法を提供することが可能となる。
本発明の第１の実施形態に係る波長モニタ回路および波長モニタ方法における光学系の概要図である。 本発明の第１の実施形態に係る波長モニタ回路および波長モニタ方法における出力ポートの透過率の周波数（波長）依存性の例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る波長モニタ回路および波長モニタ方法における波長モニタ曲線の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る波長モニタ回路および波長モニタ方法における光学系の概要図である。 本発明の第２の実施形態に係る波長モニタ回路および波長モニタ方法における出力ポートの透過率の周波数（波長）依存性の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る波長モニタ回路および波長モニタ方法における波長モニタ曲線の例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る波長モニタ回路および波長モニタ方法における光学系の概要図である。 本発明の第５の実施形態に係る波長モニタ方法における光電変換素子からの出力電気信号（電流値）の比の周波数（波長）依存性の例を示す図である。 従来の波長モニタ回路の概念的構成図である。 従来の波長モニタ回路の概念的構成図である。
　本発明は上記の課題を解決するものであり、フィルターの繰返し周期を変えることなく光信号の波長をモニタする精度を向上可能な波長モニタ装置および波長モニタ方法を提供するものである。また、光強度をモニタするための専用のフォトダイオードを必要としない、光信号の利用効率の高い波長モニタ装置および波長モニタ方法を提供するものである。
　一実施形態に係る波長モニタ装置は、波長モニタ回路を備える。該波長モニタ回路は、入力した光信号を２分岐する分岐回路と、２分岐された光信号に遅延時間差を与える光遅延回路と、遅延時間差を与えた光信号を合波干渉して出力する２入力２出力の光合分波回路と、を含む。波長モニタ装置は、波長モニタ回路から出力される２つの光信号を光電変換して電気信号を出力する光電変換素子をさらに備え、該光電変換素子からの２つの電気出力の比を算出し、波長モニタ回路に入力された光信号の波長と電気出力の比との対応表を参照することによって、光信号の波長を得るように構成されている。
　一実施形態に係る波長モニタ装置は、波長モニタ回路を備える。該波長モニタ回路は、入力した光信号を２分岐する第１の分岐回路と、２分岐された光信号に遅延時間差を与える第１の光遅延回路と、遅延時間差を与えられた２つの光信号の各々を更に２分岐する第２および第３の分岐回路と、第２および第３の分岐回路により更に２分岐された４つの光信号のうち、第１の光遅延回路によって異なる遅延時間差を与えられた２つの光信号を１組とし、各組の光信号に対して、遅延時間差を与える第２の光遅延回路と、遅延時間差を与えた光信号を合波干渉して出力する第１および第２の２入力２出力の光合分波回路と、を含む。第２の光遅延回路が第１組目の光信号に加える遅延時間差と、第２組目の光信号に加える遅延時間差との差はλ／４ｃ（λはモニタする光信号波長帯域内のいずれかの波長、ｃは光速度とする）である。波長モニタ装置は、波長モニタ回路から出力される４つの光信号を光電変換して電気信号を出力する光電変換素子をさらに備え、該光電変換素子からの第１組目の光信号の電気出力の比および第２組目の光信号の電気出力の比をそれぞれ算出し、波長モニタ回路に入力された光信号の波長と電気出力の比との対応表を参照することによって、光信号の波長を得るように構成されている。
　一実施形態に係る波長モニタ装置は、波長モニタ回路を備える。該波長モニタ回路は、入力した光信号を２分岐する第１の分岐回路と、２分岐された光信号に遅延時間差を与える第１の光遅延回路と、遅延時間差を与えられた２つの光信号の一方を更に２分岐して同位相の光信号を出力する第２の分岐回路と、遅延時間差を与えられた２つの光信号の他方を更に２分岐して９０度の位相差を有する光信号を出力する第３の分岐回路と、第２および第３の分岐回路により更に２分岐された４つの光信号のうち、第１の光遅延回路によって異なる遅延時間差を与えられた２つの光信号を１組とし、各組の光信号を等しい長さの導波路を経由して入力し、合波干渉して出力する第１および第２の２入力２出力の光合分波回路と、を含む。波長モニタ装置は、波長モニタ回路から出力される４つの光信号を光電変換して電気信号を出力する光電変換素子をさらに備え、該光電変換素子からの第１組目の光信号の電気出力の比および第２組目の光信号の電気出力の比をそれぞれ算出し、波長モニタ回路に入力された光信号の波長と電気出力の比との対応表を参照することによって、光信号の波長を得るように構成されている。
　上記波長モニタ装置において、波長モニタ回路から出力される４つの光信号を光電変換して電気信号を出力する光電変換素子のうち、第２の２入力２出力の光合分波回路から出力される、第２組目の光信号の一方を入力する光電変換素子を設けなくてもよい。この場合、当該光電変換素子から得られる電気出力の代わりに、第１組目の光信号を入力する光電変換素子から出力される電気出力の和から、第２組目の光信号のうちの他方を入力する光電変換素子から出力される電気出力を引いた値を適用して、光信号の波長を得てもよい。
　また、上記波長モニタ装置において、波長モニタ回路の第２の２入力２出力の光合分波回路から出力される４つの光信号を光電変換して電気信号を出力する光電変換素子のうち、第２組目の光信号の一方を入力する光電変換素子を設けなくてもよい。この場合、第１組目の光信号を入力する光電変換素子から出力される電気出力の一方と、第１組目の光信号を入力する光電変換素子から出力される電気出力の和との比、および第２組目の光信号の他方を入力する光電変換素子から出力される電気出力と、第１組目の光信号を入力する光電変換素子から出力される電気出力の和との比とを算出し、波長モニタ回路に入力された光信号の波長と電気出力の比の対応表を参照することによって、光信号の波長を得てもよい。
　上記波長モニタ装置おいて、波長モニタ回路から出力される光信号を光電変換素子に入力して電気出力を得て、波長モニタ回路に入力された光信号の波長と（光強度÷電気出力）との対応表を参照することによって、光信号の光強度を得ることもできる。
　以下、図面を参照しながら本発明の種々の実施形態について詳細に説明する。同一または類似の符号は、同一または類似の要素を示し、重複する説明は省略する。
　（実施の形態１）
　図１を参照して本発明の第１の実施の形態に係る波長モニタ装置および波長モニタ方法を説明する。図１に示す波長モニタ回路１０１は、一例であって、本発明はこれに限定されるものではない。上述したような種々の特徴の１つまたは複数を含む波長モニタ装置とすることができる。
　図１に示すように、波長モニタ回路１０１は、入力した光信号を２分岐する光二分岐回路１０２と、２分岐された光信号に遅延差を与える光遅延回路１０３と、遅延時間差を与えた光信号を合波干渉して出力する２入力２出力光合分波回路１０４とを備える。波長モニタ装置は、波長モニタ回路１０１と、合波干渉して出力された２つの光信号を光電変換して電気出力する光電変換素子１０５ａ，１０５ｂとを備える。波長モニタ装置は、図示しないプロセッサおよびメモリを備えた計算装置を備え、光電変換素子からの２つの電気出力の比を算出し、予め作成しておいた入力した光信号の波長と算出した２つの電気出力の比との対応表を参照することによって、入力した光信号の波長を得るように構成されている。
　図１において、波長モニタ回路１０１に入力された光信号は、光二分岐回路１０２によって分岐され、異なる光路長を有する光遅延回路１０３によって遅延時間差を付与された後、２入力２出力光合分波回路１０４にて合波干渉して出力される。
　出力された光信号は、光電変換素子１０５ａ、１０５ｂにて電気信号（電流値）に変換される。
　図２は、波長モニタ回路１０１の２入力２出力光合分波回路１０４における２つの出力ポートの透過率の周波数（波長）依存性の例を示すものである。
　図２に示す例では、波長依存性の繰返し周期が１００ＧＨｚの場合が示されているが、この繰返し周期は光遅延回路１０３によって付与される遅延時間差の逆数（この場合は１０ｐｓ）と一致し、光遅延回路１０３によって付与される遅延時間差を変化させることにより、異なる値に設定可能である。
　波長モニタ回路１０１の２入力２出力光合分波回路１０４における２つの出力ポートの透過率の波長依存性は、
０．５＋０．５ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ）　　　（式１）
０．５－０．５ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ）　　　（式２）
に一定の定数を掛けた式で記述できる。（ｆ（ＧＨｚ）は光信号の周波数、φは波長モニタ回路毎に定まる定数である。）
　波長モニタ回路の２入力２出力光合分波回路１０４から出力された光信号は、光電変換素子１０５ａ、１０５ｂにて電気信号（電流値）に変換される。
　各々の光電変換素子から得られる電気信号（電流値）は、「波長モニタ回路の透過率」×「入力された光信号の光強度」に比例する。従って、単一の光電変換素子から得られる電気信号（電流値）のみから光信号の波長を知ることはできない。しかしながら、２つの光電変換素子１０５ａ、１０５ｂから得られる電気信号（電流値）の比を取ると、「入力された光信号の光強度」の寄与を相殺することができ、以下の式３および式４に従って、電気信号（電流値）の比と光信号の波長（周波数）を関連づける事ができる。
　｛１＋ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ）｝／｛１－ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ）｝　　　（式３）
あるいは
　｛１－ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ）｝／｛１＋ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ）｝　　　（式４）
　従って、予め光信号の波長（周波数）毎に電気信号（電流値）の比を測定し、対応表を作成してこれを参照することで、観測した電気信号（電流値）の比から入力した光信号の波長を得ることができる。
　図３は、横軸に光信号の周波数、縦軸に（式３）および（式４）をφ＝０の場合でプロットした波長モニタ曲線のグラフである。
　このグラフは従来の波長モニタに用いられる、図２に代表される透過率のグラフと比較して、急峻に（微小な光信号の周波数（波長）変化に対して、縦軸の値が大きく）変化する特徴が見て取れる。
　この特徴により、本実施の形態の波長モニタ装置および波長モニタ方法は、従来の波長モニタ方法と比較して、高い精度で波長を得ることが可能になる。
　なお、本実施の形態の波長モニタ装置および波長モニタ方法では、従来の波長モニタ装置および波長モニタ方法では直接取得可能な光強度の情報を得ることができない。しかしながら、光信号の波長が明らかになれば、波長モニタ回路の透過率が一意に定まるので、光電変換素子から得られる電気信号（電流値）を波長モニタ回路の透過率で割り、一定の係数を掛けることで光信号の光強度を得ることも可能である。
　また、光信号の光強度を得るために、予め光信号の波長（周波数）毎に、光電変換素子から得られる電気信号（電流値）を光信号の光強度に変換するための係数表を作成して保持しても、必要なメモリ容量増は軽微である。
　本実施の形態の波長モニタ装置および波長モニタ方法は、従来の波長モニタ装置および波長モニタ方法で必要とされた、光強度をモニタするための専用の光電変換素子（例えば、図１０のフォトダイオード７０４）が必要なく、従来光強度をモニタするために分岐していた信号も全て光波長モニタ回路に入力できるため、雑音に対しても強い光波長モニタ方法を提供できる。
　（実施の形態２）
　図４を参照して第２の実施の形態に係る波長モニタ装置および波長モニタ方法を説明する。図４に示す波長モニタ回路４０１は、一例であって、本発明はこれに限定されるものではない。上述したような種々の特徴の１つまたは複数を含む波長モニタ装置とすることができる。
　図４に示すように、波長モニタ回路４０１は、入力した光信号を２分岐する光二分岐回路４０２と、２分岐された光信号に遅延差を与える光遅延回路４０３と、遅延時間差を与えた光信号の各々を更に２分岐する光二分岐回路４０４ａ，４０４ｂと、更に２分岐された光信号に更に遅延差を与える光遅延回路４０５と、更に遅延差を与えた光信号を合波干渉して出力する２つの２入力２出力光合分波回路４０６ａ、４０６ｂとを備える。波長モニタ装置は、波長モニタ回路４０１と、合波干渉して出力された４つの光信号を光電変換して電気出力する光電変換素子４０７ａ～４０７ｄとを備える。波長モニタ装置は、図示しないプロセッサおよびメモリを備えた計算装置を備え、光電変換素子からの４つの電気出力の比を算出し、予め作成しておいた入力した光信号の波長と算出した４つの電気出力の比との対応表を参照することによって、入力した光信号の波長を得るように構成されている。
　図４において、波長モニタ回路４０１に入力された光信号は、光二分岐回路４０２によって分岐され、異なる光路長を有する第１の光遅延回路４０３によって遅延時間差を付与された後、更に光二分岐回路４０４ａ、４０４ｂによって分岐され、第２の光遅延回路４０５によって遅延時間差を付与された後、第１の２入力２出力光合分波回路４０６ａと第２の２入力２出力光合分波回路４０６ｂにて合波干渉して出力される。
　ここで、第１の２入力２出力光合分波回路４０６ａに入力される光信号は、光二分岐回路４０４ａの出力のうちの１つと、光二分岐回路４０４ｂの出力のうちの１つである。また、第２の２入力２出力光合分波回路４０６ｂに入力される光信号は、光二分岐回路４０４ａの出力のうちの他方と、光二分岐回路４０４ｂの出力のうちの他方である。
　２入力２出力光合分波回路４０６ａおよび４０６ｂから出力された光信号は、光電変換素子４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃ、４０７ｄにて電気信号（電流値）に変換される。
　第２の光遅延回路４０５によって付与される遅延時間差は、第１の２入力２出力光合分波回路４０６ａに入力される光信号に付与される遅延時間差と、第２の２入力２出力光合分波回路４０６ｂに入力される光信号に付与される遅延時間差の差が重要であり、波長をモニタする波長帯域内（例えば、１５３０ｎｍ～１５６５ｎｍ）のいずれかの波長λに対して、λ／４ｃ（ｃは光速度とする）が成り立つものとする。
　図５は、波長モニタ回路４０１の２入力２出力光合分波回路４０６ａ，４０６ｂにおける４つの出力ポートの透過率の周波数（波長）依存性の例を示すものである。
　図５に示す例では、波長依存性の繰返し周期が１００ＧＨｚの場合が示されているが、この繰返し周期は（第２の光遅延回路４０５で付与される遅延時間差が第１の光遅延回路４０３で付与される遅延時間差よりも十分に小さい場合）第１の光遅延回路４０３によって付与される遅延時間差の逆数（この場合は１０ｐｓ）と一致し、第１の光遅延回路１０３によって付与される遅延時間差を変化させることにより、異なる値に設定可能である。
　波長モニタ回路４０１における４つの出力ポートの透過率の波長依存性は、
第１の２入力２出力光合分波回路４０６ａから出力されるポートに対して
０．５＋０．５ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ）　　　（式５）
０．５－０．５ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ）　　　（式６）
第２の２入力２出力光合分波回路４０６ｂから出力されるポートに対して
０．５＋０．５ｓｉｎ（２πｆ／１００＋φ）　　　（式７）
０．５－０．５ｓｉｎ（２πｆ／１００＋φ）　　　（式８）
に一定の係数を掛けた式で記述できる。（ｆ（ＧＨｚ）は光信号の周波数、φは波長モニタ回路毎に定まる定数である。）
　波長モニタ回路の２入力２出力光合分波回路４０６ａ，４０６ｂから出力された光信号は、光電変換素子４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃ、４０７ｄにて電気信号（電流値）に変換される。
　各々の光電変換素子から得られる電気信号（電流値）は、「波長モニタ回路の透過率」×「入力された光信号の光強度」に比例する。従って、単一の光電変換素子から得られる電気信号（電流値）のみから光信号の波長を知ることはできない。しかしながら、同一の２入力２出力光合分波回路から出力された光信号を受光する２つの光電変換素子から得られる電気信号（電流値）の比を取ると、「入力された光信号の光強度」の寄与を相殺することができ、以下の式に従って、電気信号（電流値）の比と光信号の波長（周波数）を関連づける事ができる。
　第１の２入力２出力光合分波回路４０６ａから出力される信号の場合：
　｛１＋ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ）｝／｛１－ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ）｝　　　（式９）
あるいは
　｛１－ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ）｝／｛１＋ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ）｝　　　（式１０）
第２の２入力２出力光合分波回路４０６ｂから出力される信号の場合：
　｛１＋ｓｉｎ（２πｆ／１００＋φ）｝／｛１－ｓｉｎ（２πｆ／１００＋φ）｝　　　（式１１）
あるいは
　｛１－ｓｉｎ（２πｆ／１００＋φ）｝／｛１＋ｓｉｎ（２πｆ／１００＋φ）｝　　　（式１２）
　従って、予め光信号の波長（周波数）毎に電気信号（電流値）の比を測定し、対応表を作成してこれを参照することで、観測した電気信号（電流値）の比から入力した光信号の波長を得ることができる。
　図６は、横軸に光信号の周波数、縦軸に式９、式１０、式１１および式１２をφ＝０の場合でプロットした波長モニタ曲線のグラフである。
　このグラフは、従来の波長モニタに用いられる図５に代表される透過率のグラフと比較して、急峻に（微小な光信号の周波数（波長）変化に対して、縦軸の値が大きく）変化する特徴が見て取れる。
　この特徴により、本実施の形態の波長モニタ装置および波長モニタ方法は、従来の波長モニタ装置および波長モニタ方法と比較して、高い精度で波長を得ることが可能になる。
　また、図６にプロットされているグラフは、ピーク付近とボトム付近を波長の決定に利用することはできないが、４つのプロットのうち適切なもの、すなわち図６において太い線を重ね書きした領域を選択して使用することで、任意の波長を決定することができる。
　なお、本実施の形態の波長モニタ装置および波長モニタ方法では、従来の波長モニタ装置および波長モニタ方法では直接取得可能な光強度の情報を得ることができない。しかしながら、光信号の波長が明らかになれば、波長モニタ回路の透過率が一意に定まるので、光電変換素子から得られる電気信号（電流値）を波長モニタ回路の透過率で割り、一定の係数を掛けることで光信号の光強度を得ることも可能である。
　また、光信号の光強度を得るために、予め光信号の波長（周波数）毎に、光電変換素子から得られる電気信号（電流値）を光信号の光強度に変換するための係数表を作成して保持しても、必要なメモリ容量増は軽微である。
　本実施の形態の波長モニタ装置および波長モニタ方法は、従来の波長モニタ装置および波長モニタ方法で必要とされた、光強度をモニタするための専用の光電変換素子（例えば、図１０のフォトダイオード７０４）が必要なく、従来光強度をモニタするために分岐していた信号も全て光波長モニタ回路に入力できるため、雑音に対しても強い光波長モニタ方法を提供できる。
　（実施の形態３）
　図７を参照して本発明の第３の実施の形態に係る波長モニタ装置および波長モニタ方法を説明する。図７に示す波長モニタ回路５０１は、一例であって、本発明はこれに限定されるものではない。上述したような種々の特徴の１つまたは複数を含む波長モニタ装置とすることができる。
　図７に示すように、波長モニタ回路５０１は、入力した光信号を２分岐する光二分岐回路４０２と、２分岐された光信号に遅延差を与える光遅延回路５０２と、遅延時間差を与えた光信号の各々を更に２分岐する光二分岐回路５０３，５０４と、更に２分岐された光信号を等長の光導波路５０５を介して入力し、合波干渉して出力する２つの２入力２出力光合分波回路４０６ａ、４０６ｂとを備える。波長モニタ装置は、波長モニタ回路５０１と、合波干渉して出力された４つの光信号を光電変換して電気出力する光電変換素子４０７ａ～４０７ｄとを備える。光二分岐回路５０３は同相の光信号を出力する回路である。光二分岐回路５０４は９０度の位相差を有する光信号を出力する回路である。波長モニタ装置は、図示しないプロセッサおよびメモリを備えた計算装置を備え、光電変換素子からの４つの電気出力の比を算出し、予め作成しておいた入力した光信号の波長と算出した４つの電気出力の比との対応表を参照することによって、入力した光信号の波長を得るように構成されている。
　図７において、波長モニタ回路５０１に入力された光信号は、光二分岐回路４０２によって分岐され、異なる光路長を有する光遅延回路５０２によって遅延時間差を付与された後、一方は出力される光信号が同位相となる光二分岐回路５０３、他方は出力される光信号の位相差が９０度となる光二分岐回路５０４によって分岐され、等長の導波路５０５を経由して、第１の２入力２出力光合分波回路４０６ａと第２の２入力２出力光合分波回路４０６ｂにて合波干渉して出力される。
　ここで、第１の２入力２出力光合分波回路４０６ａに入力される光信号は、出力される光信号が同位相となる光二分岐回路５０３の出力のうちの１つと、出力される光信号の位相差が９０度となる光二分岐回路５０４の出力のうちの１つである。また、第２の２入力２出力光合分波回路４０６ｂに入力される光信号は、出力される光信号が同位相となる光二分岐回路５０３の出力のうちの他方と、出力される光信号の位相差が９０度となる光二分岐回路５０４の出力のうちの他方である。
　なお、出力される光信号が同位相となる光二分岐回路５０３は、例えばＹ分岐導波路で構成される光スプリッタとすることができる。出力される光信号の位相差が９０度となる光二分岐回路５０４は、例えば方向性結合器又はＭＭＩカプラとすることができる。
　２入力２出力光合分波回路４０６ａおよび４０６ｂから出力された光信号は、光電変換素子４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃ、４０７ｄにて電気信号（電流値）に変換される。
　この時、波長モニタ回路５０１における４つの出力ポートの透過率の周波数（波長）依存性は、光遅延回路５０２で与えられる遅延時間差が、実施の形態２における第１の光遅延回路４０３で与えられる遅延時間差と等しければ、図５に示されるものと一致する。第２の実施の形態では第２の光遅延回路４０５が遅延差を付与することにより位相差を生じさせ、第３の実施の形態では光二分岐回路５０４が位相差を生じさせているが、波長モニタ回路における４つの出力ポートの透過率の周波数（波長）依存性は一致する。
　従って、同一の２入力２出力光合分波回路から出力された光信号を受光する２つの光電変換素子から得られる電気信号（電流値）の比を取ると、実施の形態２における説明と同様に、電気信号（電流値）の比と光信号の波長（周波数）を関連づける事ができ、予め光信号の波長（周波数）毎に電気信号（電流値）の比を測定し、対応表を作成してこれを参照することで、観測した電気信号（電流値）の比から入力した光信号の波長を得ることができる。
　この時、本実施の形態の光波長モニタ方法は、従来の波長モニタ方法と比較して、高い精度で波長を得ることが可能になる点も第２の実施の形態と同様である。
　なお、本実施の形態の光波長モニタ方法では、従来の波長モニタ方法では直接取得可能な光強度の情報を得ることができない。しかしながら、光信号の波長が明らかになれば、波長モニタ回路の透過率が一意に定まるので、光電変換素子から得られる電気信号（電流値）を波長モニタ回路の透過率で割り、一定の係数を掛けることで光信号の光強度を得ることも可能である。
　また、光信号の光強度を得るために、予め光信号の波長（周波数）毎に、光電変換素子から得られる電気信号（電流値）を光信号の光強度に変換するための係数表を作成して保持しても、必要なメモリ容量増は軽微である。
　本発明の光波長モニタ方法は、従来の光波長モニタ方法で必要とされた、光強度をモニタするための光電変換素子が必要なく、従来光強度をモニタするために分岐していた信号も全て光波長モニタ回路に入力できるため、雑音に対しても強い光波長モニタ方法を提供できる。
　（実施の形態４）
　本実施の形態４では、実施の形態２および３の波長モニタ装置および波長モニタ方法の変形例を開示する。本実施の形態に係る波長モニタ装置は、図４（実施の形態２）または図７（実施の形態３）に示した構成のうち、光電変換素子４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃ、４０７ｄのいずれか１つを不要とした構成である。各要素の説明は上述したので省略する。本実施の形態においては、光電変換素子４０７ｄを省略した構成として説明するが、他の光電変換素子を省いても同じ説明が成立する。
　実施の形態２で説明した通り、光電変換素子４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃから出力される電気信号（電流値）は、
Ａ（０．５＋０．５ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ））　　　（式１３）
Ａ（０．５－０．５ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ））　　　（式１４）
Ａ（０．５＋０．５ｓｉｎ（２πｆ／１００＋φ））　　　（式１５）
と表現できる。（Ａは入力された光信号の光強度に比例する係数。）
　一方、光電変換素子４０７ｄが実装されると仮定した場合に、出力される電気信号（電流値）は、
Ａ（０．５－０．５ｓｉｎ（２πｆ／１００＋φ））　　　（式１６）
と表現できる。
このとき、４つの電気信号（電流値）の間に、
（式１６）＝（式１３）＋（式１４）－（式１５）
の関係が成り立っている。
　従って、以下のようにこれらの比を算出することで、実施の形態２で説明したものと同じ電気信号（電流値）の比と光信号の波長（周波数）の関連付けができる。
（式１３）／（式１４）＝｛１＋ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ）｝／｛１－ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ）｝
（式１４）／（式１３）＝｛１－ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ）｝／｛１＋ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ）｝
｛（式１３）＋（式１４）－（式１５）｝／（式１６）＝｛１＋ｓｉｎ（２πｆ／１００＋φ）｝／｛１－ｓｉｎ（２πｆ／１００＋φ）｝
（式１６）／｛（式１３）＋（式１４）－（式１５）｝＝｛１－ｓｉｎ（２πｆ／１００＋φ）｝／｛１＋ｓｉｎ（２πｆ／１００＋φ）｝
　従って、実施の形態２における説明と同様に、予め光信号の波長（周波数）毎に電気信号（電流値）の比を測定し、対応表を作成してこれを参照することで、観測した電気信号（電流値）の比から入力した光信号の波長を得ることができる。
　この時、本発明の光波長モニタ方法は、従来の波長モニタ方法と比較して、高い精度で波長を得ることが可能になる点も同様である。
　なお、本発明の光波長モニタ方法では、従来の波長モニタ方法では直接取得可能な光強度の情報を得ることができない。しかしながら、光信号の波長が明らかになれば、波長モニタ回路の透過率が一意に定まるので、光電変換素子から得られる電気信号（電流値）を波長モニタ回路の透過率で割り、一定の係数を掛けることで光信号の光強度を得ることも可能である。
　また、光信号の光強度を得るために、予め光信号の波長（周波数）毎に、光電変換素子から得られる電気信号（電流値）を光信号の光強度に変換するための係数表を作成して保持しても、必要なメモリ容量増は軽微である。
　本発明の光波長モニタ方法は、従来の光波長モニタ方法で必要とされた、光強度をモニタするための光電変換素子が必要なく、従来光強度をモニタするために分岐していた信号も全て光波長モニタ回路に入力できるため、雑音に対しても強い光波長モニタ方法を提供できる。
　（実施の形態５）
　本実施の形態５では、実施の形態２および３の波長モニタ装置および波長モニタ方法の変形例を開示する。本実施の形態に係る波長モニタ装置は、図４（実施の形態２）または図７（実施の形態３）に示した構成の内、光電変換素子４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃ、４０７ｄのいずれか１つを不要とした構成である。本実施の形態において、４０７ｄを省略した構成として説明するが、他の光電変換素子を省いても同じ説明が成立する。
　実施の形態４で説明したのと同様に、光電変換素子４０７ａ、４０７ｂ、４０７ｃから出力される電気信号（電流値）は、式１３、式１４および式１５と表現できる。
　ここで、同じ２入力２出力光合分波回路から出力された光信号を光電変換して出力される電気信号（電流値）である式１３と式１４の和は、（式１３）＋（式１４）＝Ａである。
　これを分母として、光電変換素子４０７ａと４０７ｃから出力される電気信号（電流値）との比を計算すると、
（式１３）／｛（式１３）＋（式１４）｝＝（０．５＋０．５ｃｏｓ（２πｆ／１００＋φ））
（式１５）／｛（式１３）＋（式１４）｝＝（０．５＋０．５ｓｉｎ（２πｆ／１００＋φ））
を得ることができる。
　得られた比において、「入力された光信号の光強度」の寄与は相殺されており、光信号の波長（周波数）とのみ関連づけられている。
　また、図８に示すように、得られた２つの比は特性が１周期の１／４ずれていて、一方の値がピークあるいはボトムに位置する場合に、他方の値がピークあるいはボトムに位置せず、また逆も成立するため、光信号の波長毎にいずれか適切な比を選択することで、光信号の波長に関わらず波長を知ることができる。
　つまり、第１の２入力２出力光合分波回路４０６ａの出力を光電変換して得られる電気出力の一方と、第１の２入力２出力光合分波回路４０６ａの出力を光電変換して得られる電気出力の和との比と、
第２の２入力２出力光合分波回路４０６ｂの出力を光電変換して得られる電気出力と、第１の２入力２出力光合分波回路４０６ａの出力を光電変換して得られる電気出力の和との比について、
　予め光信号の波長（周波数）毎に電気信号（電流値）の比を測定し、対応表を作成してこれを参照することで、算出した電気信号（電流値）の比から入力した光信号の波長を得ることができる。
　この時、本発明の光波長モニタ方法の精度は、従来の波長モニタ方法と同程度となるが、光強度をモニタするために専用の光分岐回路と光電変換素子を設ける必要がなく、全ての光信号を周期的なフィルター特性を有する波長モニタ回路に入力することができるという点で、光信号の利用効率が高く、雑音に対しても強い光波長モニタ方法を提供できる。
　なお、本発明の光波長モニタ方法では、同じ２入力２出力光合分波回路から出力された光信号を光電変換して出力される電気信号（電流値）である（式１３）と（式１４）の和が入力された光信号の光強度と比例するため、予め変換係数を明らかにしておくことで、光強度の情報を得ることができる。
　１０１、４０１、５０１　波長モニタ回路
　１０２、４０２、４０４ａ、４０４ｂ　光二分岐回路
　１０３、４０３、４０５、５０２　光遅延回路
　１０４、４０６ａ、４０６ｂ　２入力２出力光合分波回路
　１０５ａ、１０５ｂ、４０７ａ～４０７ｄ　光電変換素子
　５０３　出力される光信号が同位相となる光二分岐回路
　５０４　出力される光信号の位相差が９０度となる光二分岐回路
　５０５　等長の導波路
　７０１　波長可変レーザ
　７０２、７０３、７０７　ビームスプリッタ
　７０４　フォトダイオード７０４
　７０５、７０８　エタロンフィルター
　７０６、７０９　フォトダイオード

Claims (8)

  1. 　入力した光信号を２分岐する分岐回路、前記２分岐された光信号に遅延時間差を与える光遅延回路、および前記遅延時間差を与えた光信号を合波干渉して出力する２入力２出力の光合分波回路を含む波長モニタ回路と、
    　前記波長モニタ回路から出力される２つの光信号を光電変換して電気信号を出力する光電変換素子と
    を備え、
    　前記光電変換素子からの２つの電気出力の比を算出し、前記波長モニタ回路に入力された光信号の波長と前記電気出力の比との対応表を参照することによって、前記波長モニタ回路に入力された光信号の波長を得るように構成された、波長モニタ装置。
  2. 　波長モニタ回路を備えた波長モニタ装置であって、
    　前記波長モニタ回路は、
    　　入力した光信号を２分岐する第１の分岐回路、
    　　前記２分岐された光信号に遅延時間差を与える第１の光遅延回路、
    　　前記遅延時間差を与えられた２つの光信号の各々を更に２分岐する第２および第３の分岐回路、
    　　前記第２および第３の分岐回路により更に２分岐された４つの光信号のうち、第１の光遅延回路によって異なる遅延時間差を与えられた２つの光信号を１組とし、各組の光信号に対して、遅延時間差を与える第２の光遅延回路、及び
    　　前記遅延時間差を与えた光信号を合波干渉して出力する第１および第２の２入力２出力の光合分波回路、を含み、前記第２の光遅延回路が第１組目の光信号に加える遅延時間差と、第２組目の光信号に加える遅延時間差との差はλ／４ｃであり、λはモニタする光信号波長帯域内のいずれかの波長、ｃは光速度であり、
    　前記波長モニタ装置は、
    　　前記波長モニタ回路から出力される光信号を光電変換して電気信号を出力する光電変換素子をさらに備え、前記光電変換素子からの前記第１組目の光信号の電気出力の比および前記第２組目の光信号の電気出力の比をそれぞれ算出し、前記波長モニタ回路に入力された光信号の波長と前記電気出力の比との対応表を参照することによって、前記波長モニタ回路に入力された光信号の波長を得るように構成された、波長モニタ装置。
  3. 　波長モニタ回路を備えた波長モニタ装置であって、
    　前記波長モニタ回路は、
    　　入力した光信号を２分岐する第１の分岐回路、
    　　前記２分岐された光信号に遅延時間差を与える第１の光遅延回路、
    　　前記遅延時間差を与えられた２つの光信号の一方を更に２分岐して同位相の光信号を出力する第２の分岐回路、
    　　前記遅延時間差を与えられた２つの光信号の他方を更に２分岐して９０度の位相差を有する光信号を出力する第３の分岐回路、および
    　　前記第２および第３の分岐回路により更に２分岐された４つの光信号のうち、前記第１の光遅延回路によって異なる遅延時間差を与えられた２つの光信号を１組とし、各組の光信号を等しい長さの導波路を経由して入力し、合波干渉して出力する第１および第２の２入力２出力の光合分波回路、を含み、
    　前記波長モニタ装置は、前記波長モニタ回路から出力される光信号を光電変換して電気信号を出力する光電変換素子をさらに備え、前記光電変換素子からの第１組目の光信号の電気出力の比および第２組目の光信号の電気出力の比をそれぞれ算出し、前記波長モニタ回路に入力された光信号の波長と前記電気出力の比との対応表を参照することによって、前記波長モニタ回路に入力された光信号の波長を得るように構成された、波長モニタ装置。
  4. 　前記波長モニタ回路から出力される光信号を光電変換して電気信号を出力する前記光電変換素子は、
    　前記第２の２入力２出力の光合分波回路から出力される前記第２組目の光信号のうちの一方を入力する光電変換素子が設けられず、
    　（ａ）前記第２組目の光信号のうちの一方の電気出力の代わりに、前記第１組目の光信号を入力する光電変換素子から出力される電気出力の和から、前記第２組目の光信号のうちの他方を入力する光電変換素子から出力される電気出力を引いた値を適用して、前記波長モニタ回路に入力された光信号の波長を得るように構成された、または
    　（ｂ）前記第１組目の光信号を入力する光電変換素子から出力される電気出力の一方と、前記第１組目の光信号を入力する光電変換素子から出力される電気出力の和との比、および前記第２組目の光信号の他方を入力する光電変換素子から出力される電気出力と、前記第１組目の光信号を入力する光電変換素子から出力される電気出力の和との比とを算出し、前記波長モニタ回路に入力された光信号の波長と前記電気出力の比の対応表を参照することによって、前記波長モニタ回路に入力された光信号の波長を得るように構成された、
    請求項２または３に記載の波長モニタ装置。
  5. 　前記波長モニタ装置は、
    　前記光電変換素子から得た光信号の電気出力を得て、
    　前記波長モニタ回路に入力された光信号の波長と（光強度÷電気出力）の対応表を参照することによって、前記波長モニタ回路に入力された光信号の光強度を得るようにさらに構成された、請求項１または２に記載の波長モニタ装置。
  6. 　波長モニタ回路に入力された光信号を２分岐することと、
    　前記２分岐された光信号に遅延時間差を与えることと、
    　前記遅延時間差を与えられた光信号を合波干渉して出力することと、
    　前記出力された２つの光信号を光電変換して電気信号を出力することと、
    　前記２つの光信号を光電変換した電気出力の比を算出することと、
    　前記波長モニタ回路に入力された光信号の波長と前記電気出力の比との対応表を参照することによって、前記波長モニタ回路に入力された光信号の波長を得ることと
    を含む、波長モニタ方法。
  7. 　波長モニタ回路に入力された光信号を２分岐することと、
    　前記２分岐された光信号に遅延時間差を与えることと、
    　前記遅延時間差を与えられた２つの光信号の各々を更に２分岐することと、
    　前記更に２分岐された４つの光信号のうち、前記遅延時間差を与えられた２つの光信号を１組とし、各組の光信号に対して、遅延時間差を与えることであり、第１組目の光信号に加える遅延時間差と、第２組目の光信号に加える遅延時間差との差はλ／４ｃであり、λはモニタする光信号波長帯域内のいずれかの波長、ｃは光速度である、ことと、
    　前記第１組目の光信号および前記第２組目の光信号をそれぞれ合波干渉することと、
    　前記合波干渉した第１組目の光信号および前記合波干渉した第２組目の光信号を光電変換して電気出力を得ることと、
    　前記第１組目の光信号の電気出力の比および前記第２組目の光信号の電気出力の比をそれぞれ算出することと、
    　前記波長モニタ回路に入力された光信号の波長と前記電気出力の比との対応表を参照することによって、前記波長モニタ回路に入力された光信号の波長を得ることと
    を含む、波長モニタ方法。
  8. 　波長モニタ回路に入力された光信号を２分岐することと、
    　前記２分岐された光信号に遅延時間差を与えることと、
    　前記遅延時間差を与えられた２つの光信号の一方を同位相の光信号に更に２分岐することと、
    　前記遅延時間差を与えられた２つの光信号の他方を９０度の位相差を有する光信号に更に２分岐することと、
    　前記更に２分岐された４つの光信号のうち、前記遅延時間差を与えられた２つの光信号を１組とし、等しい長さの導波路を経由した第１組目の光信号および第２組目の光信号をそれぞれ合波干渉することと、
    　前記合波干渉した第１組目の光信号および前記合波干渉した第２組目の光信号を光電変換して電気出力を得ることと、
    　前記波長モニタ回路に入力された光信号の波長と前記電気出力の比との対応表を参照することによって、前記波長モニタ回路に入力された光信号の波長を得ることと
    を含む、波長モニタ方法。
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