JP5637358B2 - スペクトル測定装置及び測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ通信システム等に有用なレーザ光源のスペクトル線幅の高精度な測定に適するスペクトル測定装置及び測定方法に関する。

光ファイバ通信システムの大容量化が進展し、光強度のオン・オフ変調と、光の直接検波を利用する波長多重伝送システムでは、光ファイバ１本当たりの伝送容量がおよそ１０Ｔｂｉｔ／ｓに達し、光ファイバ自体の損傷や非線形効果に起因する入力パワーの限界に近づいている。この限界を克服するため、デジタルコヒーレント光通信の研究開発が活発化している。デジタルコヒーレント光通信では、光波の振幅や位相を変調して、１シンボルで多値の情報を送信し、受信側ではコヒーレント検波とデジタル信号処理を利用して、帯域当たりの伝送容量を表す指標であるスペクトル利用効率（ｂｉｔ／ｓ／Ｈｚ）を格段に増大することが可能である。

このような高度な変復調方式は、無線通信の分野で広く用いられてきたものであるが、多値変調やコヒーレント検波を利用するため、送受信器に用いるレーザ光源のスペクトル純度に対する要求が厳しくなる。例えば、データレート４０Ｇｂ／ｓのデジタルコヒーレント伝送において、符号誤り率１０^−４を得るのに必要なレーザのスペクトル線幅は、８値ＰＳＫ（Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）変調では１．６ＭＨｚ、１６値ＰＳＫ変調では２４０ｋＨｚ、１６値のＡＭ（Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ Ａｍｐｌｉｔｕｄｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変調では１２０ｋＨｚ、６４値のＱＡＭ変調では１．２ｋＨｚとなる。このように、変調の多値度の増大とともに、スペクトル線幅に対する要求が厳しくなるため、狭線幅のレーザ光源、ならびにｋＨｚオーダーの分解能を有するスペクトル線幅の測定技術が必要である。

光ファイバ通信用のレーザ光源に対応したスペクトル線幅測定法として、遅延自己へテロダイン法が知られている（非特許文献１、特許文献１、２参照）。図３に、遅延自己ヘテロダイン法によるスペクトル線幅測定装置を示す。被測定レーザ光源１の出力を光方向性結合器３ａにより２分岐して、一方は光周波数シフタ４に、他方は遅延光ファイバ５に入射する。光周波数シフタ４によりｆ_Ｓの周波数シフトを受けた光と、遅延光ファイバ５により時間τの遅延を受けた光を、光方向性結合器３ｂにより合流した後、光検出器９により受光して、電気信号に変換する。光検出器９の出力電気信号のうち、周波数ｆ_Ｓのビート信号成分をスペクトラム解析装置１１により解析し、スペクトル線幅の測定を行う。遅延光ファイバ５により与えられる遅延時間τが、被測定レーザ光源のコヒーレンス時間τ_Ｃに比べて十分に大きい場合は、光周波数シフタ４の出力光と、遅延光ファイバ５の出力光との間の相関（コヒーレンス）が消失する。このような場合、スペクトラム解析装置１１により観測されるビート信号は、同一の線幅を有し、互いに独立な２台のレーザ光源により観測されるビート信号と同等であり、被測定レーザ光源１の持つスペクトル線幅の２倍の半値幅を有するビート信号スペクトラムが観測される。遅延自己へテロダイン法におけるスペクトル線幅に対する分解能Δνは、遅延時間τの関数として、近似的に次式により表される。

Δν＝１／２τ （式１）

式１が示すように、分解能Δνは遅延時間τに反比例するため、高分解能を得るためには長尺の遅延光ファイバが必要である。例えば、６４値ＱＡＭ変調に要求される１．２ｋＨｚのスペクトル線幅を測定するためには、４１７μｓ以上の遅延時間が必要であり、この遅延時間は長さ８３ｋｍの光ファイバに相当する。

長尺の遅延光ファイバを用いることなく、高分解能を得る手法として、周回型（リング型とも呼ぶ）の遅延自己へテロダイン法が知られている（非特許文献２、３）。図４に、リング型の遅延自己ヘテロダイン法によるスペクトル線幅測定装置を示す。光ファイバにより構成した周回光学系２に、光方向性結合器３と、光周波数シフタ４と、遅延光ファイバ５と、光増幅器６と、光増幅器６から発生する自然放出光雑音を除去するための光バンドパスフィルタ７を配置する。被測定レーザ光源１から入力された光は、周回光学系２を周回するごとに、周波数シフトｆ_Ｓと遅延時間τが与えられる。周回している光が光方向性結合器３と、光周波数シフタ４と、遅延光ファイバ５と、光バンドパスフィルタ７から受ける光損失を、光増幅器６により補償する。周回光学系２をＮ回だけ周回した光は、周波数シフトＮｆ_Ｓと遅延時間Ｎτを持つことになり、光検出器９の出力電気信号のうち、周波数がＮｆ_Ｓであるビート信号を観測すれば、分解能がＮ倍だけ向上する。例えば、長さ１０ｋｍの遅延光ファイバを用いて、１０次ビート信号を観測すれば、遅延時間は５００μｓになり、６４値ＱＡＭ変調に要求される１．２ｋＨｚのスペクトル線幅を十分に測定できる。

特開昭６３−１５７０２３号公報 特開平３−２５７３３６号公報

Ｔ．Ｏｋｏｓｈｉ、Ｋ．Ｋｉｋｕｃｈｉ ａｎｄ Ａ．Ｎａｋａｙａｍａ、"Ｎｏｖｅｌ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｓｐｅｃｔｒｕｍ"、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．１６、ｎｏ．１６、ｐｐ．６３０−６３１（１９８０） Ｈ．Ｔｓｕｃｈｉｄａ、"Ｓｉｍｐｌｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｔｈｅ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｌａｙｅｄ ｓｅｌｆ−ｈｅｔｅｒｏｄｉｎｅ ｍｅｔｈｏｄ"、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、ｖｏｌ．１５、ｎｏ．１１、ｐｐ．６４０−６４２（１９９０） Ｊ．Ｗ．Ｄａｗｓｏｎ、Ｎ．Ｐａｒｋ ａｎｄ Ｋ．Ｊ．Ｖａｈａｌａ、"Ａｎ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｄｅｌａｙｅｄ ｓｅｌｆ−ｈｅｔｅｒｏｄｉｎｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ"、ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．、ｖｏｌ．４、ｎｏ．９、ｐｐ．１０６３−１０６５（１９９２）

従来の周回光学系を用いるリング型の遅延自己へテロダイン法は、短尺の遅延光ファイバで高い分解能を得る有効な方法である。しかしながら、図４の周回光学系２から出力される光は、被測定レーザ光源１のスペクトル成分と、周回光学系２で周波数シフトと増幅を受けた多数の線スペクトル成分により構成されるため、これらの光を一括して光検出器９により受光した場合、光検出器の出力飽和を引き起こす問題がある。また、所望するビート信号の生成に寄与しない不要な光により過剰雑音が発生するという問題がある。光検出器の出力飽和を起こさない程度に受光パワーを調整した場合、所望するビート信号の強度が低下し、ビート信号の信号対雑音（ＳＮ）比の低下を招く。ＳＮ比の低下は、スペクトラム解析装置１１により観測されるビート信号の形状を変化させ、スペクトル線幅の測定精度を低下させる問題がある。

ビート信号のＳＮ比がスペクトル線幅測定に与える影響について、理論的に計算した結果を用いて以下説明する。

図５は、遅延自己ヘテロダイン法により観測される信号のスペクトラムを表す図である。横軸はスペクトル線幅で規格化した規格化周波数、縦軸は相対強度［ｄＢ］である。曲線Ａは雑音が無い場合の理想的なビート信号を表し、ローレンツ（Ｌｏｒｅｎｔｚ）型スペクトラムを仮定した。曲線Ｂは混入する白色雑音を表し、ビート信号のＳＮ比を１０ｄＢとして計算した。曲線Ｃは曲線Ａと曲線Ｂの和であり、実際に観測されるビート信号のスペクトラムを表している。雑音が混入することにより、スペクトル線幅が真の値よりも大きく観測されることがわかる。ＳＮ比が１０ｄＢの場合、スペクトル線幅が１．１倍に広がって測定される。

図６は、ビート信号のＳＮ比と、観測されるスペクトル線幅との関係を示す図である。横軸はＳＮ比［ｄＢ］、縦軸は真の値で規格化したスペクトル線幅を表す。スペクトラムの形状はローレンツ型を仮定した。曲線Ａはスペクトラムの中心から強度が−３ｄＢ（１／２）低下した点、曲線Ｂは強度が−１０ｄＢ（１／１０）低下した点からスペクトル線幅を測定した場合の結果である。いずれの場合も、ビート信号のＳＮ比が低下すると、測定されるスペクトル線幅の値が増大することを示している。スペクトル線幅を精度よく測定するためには、−３ｄＢ低下した点から見積もる場合は１０ｄＢ以上、−１０ｄＢ低下した点から見積もる場合は２０ｄＢ以上のＳＮ比が必要である。

本発明は、被測定レーザ光のスペクトル測定におけるこれらの問題を解決しようとするものであり、周回光学系を用いるリング型の遅延自己へテロダイン法によるレーザ光のスペクトル測定において、光検出器の飽和を抑え、かつ過剰雑音を低減して、高いＳＮ比のビート信号を得る装置及び方法を提供することを目的とする。さらに、高いＳＮ比のビート信号を得て、スペクトル線幅を高精度で測定できる装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、以下の特徴を有するものである。

本発明の装置は、遅延自己ヘテロダイン法によるスペクトル測定装置であって、被測定レーザ光源を入力する周回光学系と、前記周回光学系の出力光をフィルタリングして所定のビート信号の生成に寄与する光を出力する光学フィルタと、前記光学フィルタからの光を受光してヘテロダイン検波を行いビート信号を出力する光検出器とを備えることを特徴とする。本発明の装置において、周回光学系は、光方向性結合器と、周波数シフトがｆ_Ｓの光周波数シフタと、遅延光ファイバを備える。周回光学系は、さらに、光増幅器と光バンドパスフィルタを備えることが好ましい。本発明のスペクトル測定装置は、光検出器の出力するビート信号をスペクトラム解析装置に入力することによりスペクトル線幅を測定することができる。本発明の装置における光学フィルタとして、自由スペクトル領域がＮｆ_Ｓ（但しＮは正の整数）のファブリペロー干渉計型フィルタを用いることが好ましい。本発明の装置においては、周回光学系から出力される被測定レーザ光源のスペクトル成分と、前記周回光学系によりＮｆ_Ｓの周波数シフトを受けたスペクトル成分を、前記ファブリペロー干渉計型フィルタにより選択的に出力し、ヘテロダイン検波を行い、周波数Ｎｆ_Ｓのビート信号からスペクトル線幅を測定することを特徴とする。また、本発明の装置における光学フィルタとして、狭帯域光バンドパスフィルタを用いることが好ましい。本発明の装置においては、周回光学系によりＭｆ_Ｓ（但しＭは正の整数）の周波数シフトを受けたスペクトル成分のみを、前記狭帯域光バンドパスフィルタにより選択的に出力し、該スペクトル成分と、前記被測定レーザ光源から直接出力される光とを、合波してヘテロダイン検波を行い、周波数Ｍｆ_Ｓのビート信号からスペクトル線幅を測定することを特徴とする。

本発明の方法は、遅延自己ヘテロダイン法によるスペクトル測定方法であって、被測定レーザ光源の出力を周回光学系に入力し、前記周回光学系の出力を光学的にフィルタリングし、光検出器で受光してヘテロダイン検波を行い、ビート信号を生成することを特徴とする。本発明の方法では、前記周回光学系の出力端に、自由スペクトル領域がＮｆ_Ｓ（但しＮは正の整数）のファブリペロー干渉計型フィルタを設けて、前記周回光学系から出力される被測定レーザ光源のスペクトル成分と、該周回光学系によりＮｆ_Ｓの周波数シフトを受けたスペクトル成分を、選択的に透過する光学的フィルタリングをした後に、ヘテロダイン検波を行い、周波数Ｎｆ_Ｓのビート信号からスペクトル線幅を測定する。また、本発明の方法では、周回光学系の出力端に狭帯域光バンドパスフィルタを設けて、前記周回光学系によりＭｆ_Ｓ（但しＭは正の整数）の周波数シフトを受けたスペクトル成分のみを出力し、前記被測定レーザ光源から直接出力される光と合波してヘテロダイン検波を行い、周波数Ｍｆ_Ｓのビート信号からスペクトル線幅を測定する。

本発明のスペクトル測定装置及び方法では、光学的なフィルタリングにより不要なスペクトル成分を除去して、ビート信号を検出するため、高いＳＮ比のもとでスペクトラム解析を行うことができる。このため、スペクトル線幅の測定精度が向上するとともに、スペクトラム形状の詳細な評価が可能になる。さらに、高いＳＮ比を実現することにより、周回数のより多い光から生成されるビート信号を観測できるため、分解能の一層の向上が期待できる。また、周回数の増大により、遅延に必要な光ファイバ長を短くすることができるので、装置のコスト低減も期待できる。本発明のスペクトル線幅測定によれば、従来は困難であった１ｋＨｚ以下のスペクトル線幅測定を、長尺の光ファイバを用いることなく、高いＳＮ比で測定することができる。

本発明の装置によれば、ファブリペロー干渉計型フィルタを用いる場合は、特定の２つのスペクトル成分を効率的に抽出することができる。また、狭帯域光バンドパスフィルタを用いる場合は、任意の周波数の光を選択して透過できるので、一つのフィルタで異なる周波数のビート信号を検出することができる。

第１の実施の形態に係るスペクトル線幅測定装置を説明する図である。 第２の実施の形態に係るスペクトル線幅測定装置を説明する図である。 従来の遅延自己ヘテロダイン法によるスペクトル線幅測定装置を表す図である。 従来のリング型の遅延自己ヘテロダイン法によるスペクトル線幅測定装置を表す図である。 遅延自己ヘテロダイン法により観測される信号のスペクトラムを表す図である。 ビート信号のＳＮ比と観測されるスペクトル線幅の関係を示す図である。 実施例と比較例におけるビート信号のスペクトラムを表す図である。 実施例と比較例における８周回後の光から得られたビート信号のスペクトラムを表す図である。

以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本発明では、被測定レーザ光源の出力を、ヘテロダイン干渉計を用いた周回光学系に入力し、周回光学系の出力を光学的にフィルタリングし、光検出器で受光してヘテロダイン検波を行い、該光検出器から高い信号対雑音比のビート信号を生成する。該高い信号対雑音比のビート信号の周波数成分をスペクトラムアナライザによって周波数分布として検出することにより、被測定レーザ光のスペクトル線幅を高精度に測定する。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態は、光学的フィルタリングの目的でファブリペロー干渉計型フィルタを用いるスペクトル測定装置に関する。本実施の形態の装置は、周回光学系の出力端に、自由スペクトル領域がＮｆ_Ｓ（但しＮは正の整数）のファブリペロー干渉計型フィルタを備え、周回光学系から出力される被測定レーザ光源のスペクトル成分と、周回光学系によりＮｆ_Ｓの周波数シフトを受けたスペクトル成分を、選択的に検出してヘテロダイン検波を行い、周波数Ｎｆ_Ｓのビート信号からスペクトル線幅を測定するものである。

本発明の第１の実施の形態について、図１を参照して以下説明する。図１は、本実施の形態に係るスペクトル線幅測定装置を説明する図である。光方向性結合器３ａと、周波数シフトがｆ_Ｓの光周波数シフタ４と、遅延時間がτの遅延光ファイバ５と、光増幅器６と、光バンドパスフィルタ７により構成される周回光学系２に、周波数がｆ_０である被測定レーザ光源１の出力光を入力する。光周波数シフタとしてしばしば用いられる音響光学変調器では、音響波の進行方向に対する入射光の角度を調整することにより、出力される回折光の周波数シフトを正（アップシフト）、または負（ダウンシフト）のいずれかに選ぶことができる。スペクトル線幅測定は、周波数シフトの大きさのみが重要であり、シフトの方向には依存しないので、ここではアップシフトの場合を説明する。

周回光学系２の出力には、被測定レーザ光源１から光方向性結合器３ａを介して直接結合する周波数ｆ_０の光と、周回光学系２を周回して、周波数シフトと増幅を受けた多数の光が現れ、櫛状のスペクトラムを形成する。すなわち、周回光学系２から出力される光には、周波数がｆ_０のスペクトル成分と、周波数がｆ_０＋Ｎｆ_Ｓである多数のスペクトル成分が含まれる。ここでＮは正の整数であり、Ｎの上限は光増幅器６の利得や、光バンドパスフィルタ７の帯域幅により制限される。光増幅器６や光バンドパスフィルタ７は省略することもできる。

従来のリング型の遅延自己ヘテロダイン法では、周回光学系２の出力光をすべて受光して、スペクトル解析を行うが、所望するビート信号の生成に寄与しない多数のスペクトル成分が存在する。このため、各成分の直流出力により光検出器９ａの出力飽和を引き起こす可能性があり、またショット雑音等による過剰雑音を発生する。光検出器９ａの出力飽和を防止するためには、光検出器に入射する光パワーを、飽和レベル以下に抑える必要があるが、所望するビート信号の強度も制限されるため、ＳＮ比低下を引き起こす。

本実施の形態では、ファブリペロー干渉計型フィルタを用いたことを特徴とする。図１に示すように、周回光学系２と、光方向性結合器３ｂの間に、ファブリペロー干渉計型フィルタ８を配置して、所望する光のみを抽出すれば、上記の問題を解決することができる。例えば、Ｍを正の整数として、周波数がＭｆ_Ｓのビート信号を検出する場合を考える。ファブリペロー干渉計型フィルタ８の自由スペクトル領域（フリースペクトラルレンジ、ＦＳＲ）が、Ｍｆ_Ｓとなるように設定し、周波数がｆ_０とｆ_０＋Ｍｆ_Ｓの光のみが透過するように、ファブリペロー干渉計型フィルタ８を同調する。周波数がＭｆ_Ｓのビート信号の生成に寄与しない不要なスペクトル成分を除去するためには、ファブリペロー干渉計型フィルタ８の透過帯域の半値全幅は、周波数シフトｆ_Ｓよりも小さく設定する必要がある。光検出器９ａは、周波数がｆ_０の光と、周波数がｆ_０＋Ｍｆ_Ｓの光のみを受光するので、ショット雑音等による過剰雑音の発生を抑えることが可能であり、ビート信号の強度を相対的に大きくすることができる。これにより、スペクトラム解析装置１１により、高ＳＮ比のビート信号を観測することが可能になる。

ビート信号を安定に観測するためには、ファブリペロー干渉計型フィルタ８の共振周波数が、被測定レーザ光源１の周波数と常に一致していることが重要であり、共振周波数の能動的な制御が必要である。光方向性結合器３ｂにより、ファブリペロー干渉計型フィルタ８の出力光の一部を取り出し、光検出器９ｂで検出して、共振状態を観測する。光検出器９ｂの出力信号を、制御装置１０を介して、ファブリペロー干渉計型フィルタ８に帰還して制御すれば、共振状態を保つことができる。光検出器９ｂは受光する光の直流成分のみを検出すればよいので、ビート信号の周波数Ｍｆ_Ｓよりも、光検出器９ｂの応答帯域幅を十分に小さく設定する必要がある。ファブリペロー干渉計型フィルタ８の共振周波数を、被測定レーザ光源１の周波数ｆ_０に一致させた場合、周波数がｆ_０＋Ｍｆ_Ｓの光だけでなく、周波数がｆ_０＋２Ｍｆ_Ｓ、ｆ_０＋３Ｍｆ_Ｓなど、より高い周波数の光も同時に出力されるが、これらのスペクトル成分も周波数Ｍｆ_Ｓのビート信号の生成に寄与するので、問題はない。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、光学的フィルタリングの目的で狭帯域光バンドパスフィルタを用いるスペクトル測定装置に関する。本実施の形態の装置は、周回光学系の出力端に、狭帯域光バンドパスフィルタを備え、該周回光学系によりＭｆ_Ｓ（但しＭは正の整数）の周波数シフトを受けたスペクトル成分のみを出力し、前記被測定レーザ光源から直接出力される光と合波してヘテロダイン検波を行い、周波数Ｍｆ_Ｓのビート信号からスペクトル線幅を測定するものである。

前記第１の実施の形態では、周回光学系の出力を光学的にフィルタリングする素子として、ファブリペロー干渉計型フィルタの例を示した。ファブリペロー干渉計型フィルタは、特定の２つのスペクトル成分を効率的に抽出することができるが、ＦＳＲを所望するビート信号周波数Ｍｆ_Ｓに正確に一致させる必要があり、干渉計の長さを精密に調整しなければならない。また、ＦＳＲを大きく変化させることは困難であるため、一つのファブリペロー干渉計型フィルタを用いて、異なる周波数のビート信号を検出することはできない。そのため別の特性のファブリペロー干渉計型フィルタを用意する必要がある。これを改良するために、第２の実施の形態では、狭帯域光バンドパスフィルタを用いる。

本発明の第２の実施の形態について、図２を参照して以下説明する。図２は本実施の形態に係るスペクトル線幅測定装置を説明する図であり、一つのフィルタで任意周波数のスペクトル成分の抽出を可能とする構成である。図１のファブリペロー干渉計型フィルタを用いた場合と同様にして、周波数がＭｆ_Ｓのビート信号を検出する場合を考える。被測定レーザ光源１から出力される光を、光方向性結合器３ｂにより２分し、一方の光を周回光学系２に入力する。周回光学系２は、第１の実施の形態と同様に、光方向性結合器３ａと、周波数シフトがｆ_Ｓの光周波数シフタ４と、遅延時間がτの遅延光ファイバ５と、光増幅器６と、光バンドパスフィルタ７により構成される。光増幅器６や光バンドパスフィルタ７は省略することもできる。周回光学系２の出力光を狭帯域光バンドパスフィルタ１２に入力し、周波数がｆ_０＋Ｍｆ_Ｓの光のみを出力する。狭帯域光バンドパスフィルタ１２は、櫛状のスペクトラムから１本の線スペクトル成分のみを抽出するため、透過帯域の半値全幅を、周波数シフトｆ_Ｓよりも小さく設定する必要がある。狭帯域光バンドパスフィルタ１２の出力光を、光方向性結合器３ｃにより２分し、一方は光検出器９ｂにより受光して電気信号に変換し、制御装置１０を介して狭帯域光バンドパスフィルタ１２に帰還して、中心周波数を能動的に制御する。光方向性結合器３ｃにより分岐したもう一方の光は、光方向性結合器３ｂから分岐した光と、光方向性結合器３ｄを用いて合流し、光検出器９ａに導く。光検出器９ａには、被測定レーザ光源１から来る光と、周波数がｆ_０＋Ｍｆ_Ｓの光のみが入力されるため、周波数Ｍｆ_Ｓのビート信号のみが検出される。図１と図２の構成は、使用するフィルタの仕様は異なるが、いずれも周波数がｆ_０の光と、周波数がｆ_０＋Ｍｆ_Ｓの光のみを光検出器９ａに導く機能を有している。図２のスペクトル線幅測定装置では、狭帯域光バンドパスフィルタ１２により、任意の周波数の光を選択して透過できるので、一つのフィルタで異なる周波数のビート信号を検出することができる。

本実施の形態の図２に示したスペクトル線幅測定装置を用いて行った実施例を説明する。
被測定レーザ光源１として、波長１５４７ｎｍ、出力８０ｍＷのエルビウム添加光ファイバレーザを用いた。被測定レーザ光源１の出力光を、光方向性結合器３ｂにより２分岐して、一方は周回光学系２に、他方は光方向性結合器３ｄに入力した。周回光学系２は、光方向性結合器３ａ、周波数シフトが１００ＭＨｚの光周波数シフタ４、長さ１０ｋｍの遅延光ファイバ５、光増幅器６、透過帯域幅０．９ｎｍの光バンドパスフィルタ７により構成した。周回光学系２の出力光を、狭帯域光バンドパスフィルタ１２に入力して、周波数シフトした光のうちの一つを出力した。狭帯域光バンドパスフィルタ１２は、光ファイバの両端面に誘電体多層膜を蒸着して反射鏡とする構造を有し、ピエゾ素子により中心周波数を変えることができる。狭帯域光バンドパスフィルタ１２の透過帯域幅は８．５３ＭＨｚであり、周波数シフト１００ＭＨｚに比べて十分に小さいため、周回光学系２から発生する櫛状のスペクトラムから、１本の線スペクトル成分のみを抽出することが可能である。狭帯域光バンドパスフィルタ１２の出力光は、光方向性結合器３ｃにより２分し、一方は光検出器９ｂにより受光して電気信号に変換した後、制御装置１０を介して狭帯域光バンドパスフィルタ１２のピエゾ素子に帰還して、中心周波数を能動的に制御した。光方向性結合器３ｃにより２分したもう一方の光は、光方向性結合器３ｂから分岐した光と、光方向性結合器３ｄにより合流して、光検出器９ａに入力した。光検出器９ａの応答帯域は１−１８００ＭＨｚである。光検出器９ａから出力されるビート信号を、スペクトラム解析装置１１に入力し、スペクトラム解析を行った。

従来のリング型遅延自己へテロダイン法との比較を行うため、図２の周回光学系２の出力光を光検出器９ａに直接入力し、ビート信号のスペクトラムを観測した。これを比較例とする。

図７は、周波数０−１．２ＧＨｚにおけるビート信号のスペクトラムを表す図であり、横軸は周波数［ＧＨｚ］、縦軸は相対強度［２０ｄＢ／ｄｉｖｉｓｉｏｎ］を表している。分解能帯域幅は３ＭＨｚであり、６４個のデータに対する平均化処理を行った結果である。

図７の一番上のスペクトラムは、リング型遅延自己へテロダイン法による比較例の結果である。光検出器９ａの出力が飽和しないように、入力光パワーは−７．８ｄＢｍに設定した。周波数が０．１ＧＨｚから１．０ＧＨｚの範囲で、周波数シフト１００ＭＨｚに対応した間隔で線スペクトルが現れている。スペクトル線幅の測定に利用するのは、これらの線スペクトルの中の一つであり、他の成分は本質的に不要である。不要な成分が存在することにより、光検出器９ａでの受光パワーが制限され、過剰雑音によるビート信号のＳＮ比の低下を引き起こす可能性がある。

図７の上から２〜１２番目のスペクトラムは、狭帯域光バンドパスフィルタ１２により、１本の線スペクトル成分のみを抽出して得られた実施例の結果である。ピエゾ素子により狭帯域光バンドパスフィルタ１２の中心周波数を変えることにより、任意の周波数の光を選択することができる。いずれの場合も、光検出器９ａに入力した光パワーはおよそ−７．８ｄＢｍである。光検出器９ａには、被測定レーザ光源１から、光方向性結合器３ｂと３ｄを介して、直接到達する光と、狭帯域光バンドパスフィルタ１２により選択された光のみが入射するため、高いＳＮ比のもとでビート信号のスペクトラムを観測することが可能である。図７の一番下のスペクトラムは、周波数が１．１ＧＨｚのビート信号に対応するが、従来のリング型遅延自己へテロダイン法による比較例の結果では、雑音に埋もれてほとんど現れていない。フィルタリングにより不要なスペクトル成分が取り除かれ、ＳＮ比が向上したためと考えられる。周波数が１．１ＧＨｚのビート信号は１１０ｋｍの遅延に相当し、９１０Ｈｚの分解能が期待できる。

図８は、８周回後の光から得られたビート信号のスペクトラムを表す図である。横軸は中心周波数８００ＭＨｚからの周波数オフセット［ＭＨｚ］、縦軸は相対強度［ｄＢ］を表す。分解能帯域幅は３ｋＨｚであり、１６個のデータに対する平均化処理を行った結果である。曲線Ａは、従来のリング型遅延自己へテロダイン法による比較例の結果である。曲線Ｂは、狭帯域光バンドパスフィルタ１２により、８周回後の光のみを抽出して得られた実施例の結果である。いずれの場合も、光検出器９ａでの受光パワーは−７．８ｄＢｍであり、曲線Ａと曲線Ｂの最大値が０ｄＢになるように規格化した。曲線ＡのＳＮ比は３９．０ｄＢ、曲線ＢのＳＮ比は４７．５ｄＢであり、本発明の装置を用いることにより、ＳＮ比が８．５ｄＢ向上した。

図７及び図８による実施例と比較例との実験結果より、本発明のスペクトル線幅測定装置を用いて、高いＳＮ比のビート信号スペクトラムを観測できることが示された。

本発明で使用する光学的フィルタとしては、実施の形態で示したフィルタの他に、光ファイバのブリルアン散乱を利用する狭帯域フィルタを用いることもできる。上記実施の形態等で示した例は、発明を理解しやすくするために記載したものであり、この形態に限定されるものではない。

本発明の装置をスペクトル線幅測定装置に利用することより、従来は困難であった１ｋＨｚ以下のスペクトル線幅測定を、長尺の光ファイバを用いることなく、高いＳＮ比で測定することが可能になる。これにより、デジタルコヒーレント光通信システムに用いられるレーザ光源の精密な評価が可能になり、光通信ネットワークの性能向上に有用である。

１ 被測定レーザ光源
２ 周回光学系
３ 光方向性結合器
４ 光周波数シフタ
５ 遅延光ファイバ
６ 光増幅器
７ 光バンドパスフィルタ
８ ファブリペロー干渉計型フィルタ
９ 光検出器
１０ 制御装置
１１ スペクトラム解析装置
１２ 狭帯域光バンドパスフィルタ

Claims (4)

1. 遅延自己ヘテロダイン法によるスペクトル測定装置であって、
   被測定レーザ光源を入力し、光方向性結合器と、周波数シフトがｆ_Ｓの光周波数シフタと、遅延光ファイバを備える周回光学系と、
   前記周回光学系の出力光をフィルタリングして、周波数Ｎｆ_Ｓ（但しＮは正の整数）のビート信号の、生成に寄与する光を、出力する光学フィルタと、
   前記光学フィルタからの光を受光してヘテロダイン検波を行い前記周波数Ｎｆ_Ｓのビート信号を出力する第１の光検出器と、
   制御装置とを備え、
   前記光学フィルタは、自由スペクトル領域が前記Ｎｆ_Ｓのファブリペロー干渉計型フィルタであり、
   前記光学フィルタの出力光の一部を取り出し第２の光検出器で検出し、前記第２の光検出器の出力信号を前記制御装置を介して前記光学フィルタに帰還して、前記ファブリペロー干渉計型フィルタの共振周波数の制御を行い、
   前記周回光学系から出力される被測定レーザ光源のスペクトル成分と、前記周回光学系により前記Ｎｆ_Ｓの周波数シフトを受けたスペクトル成分を、前記ファブリペロー干渉計型フィルタより出力し、ヘテロダイン検波を行い、前記周波数Ｎｆ_Ｓのビート信号からスペクトル線幅を測定することを特徴とするスペクトル測定装置。
2. 遅延自己ヘテロダイン法によるスペクトル測定装置であって、
   被測定レーザ光源を入力し、光方向性結合器と、周波数シフトがｆ_Ｓの光周波数シフタと、遅延光ファイバを備える周回光学系と、
   前記周回光学系の出力光をフィルタリングして、周波数Ｍｆ_Ｓ（但しＭは正の整数）のビート信号の、生成に寄与する光を、出力する光学フィルタと、
   前記光学フィルタからの光を受光してヘテロダイン検波を行い前記周波数Ｍｆ_Ｓのビート信号を出力する第１の光検出器と、
   制御装置とを備え、
   前記光学フィルタは、透過帯域の半値全幅が周波数シフトｆ_Ｓよりも小さい狭帯域光バンドパスフィルタであり、
   前記光学フィルタの出力光の一部を取り出し第２の光検出器で検出し、前記第２の光検出器の出力信号を前記制御装置を介して前記光学フィルタに帰還して、前記狭帯域光バンドパスフィルタの中心周波数の制御を行い、
   前記周回光学系において前記Ｍｆ_Ｓの周波数シフトを受けたスペクトル成分のみを、前記狭帯域光バンドパスフィルタにより選択的に出力し、
   前記スペクトル成分と、前記被測定レーザ光源から直接出力される光とを、合波してヘテロダイン検波を行い、前記周波数Ｍｆ_Ｓのビート信号からスペクトル線幅を測定することを特徴とするスペクトル測定装置。
3. 遅延自己ヘテロダイン法によるスペクトル測定方法であって、
   被測定レーザ光源の出力を、光方向性結合器と、周波数シフトがｆ_Ｓの光周波数シフタと、遅延光ファイバとを備える周回光学系に入力し、
   前記周回光学系の出力端に、自由スペクトル領域がＮｆ_Ｓ（但しＮは正の整数）のファブリペロー干渉計型フィルタを設けて、前記周回光学系から出力される被測定レーザ光源のスペクトル成分と、該周回光学系によりＮｆ_Ｓの周波数シフトを受けたスペクトル成分を、透過する光学的フィルタリングをした後に、
   前記被測定レーザ光源のスペクトル成分と、前記Ｎｆ_Ｓの周波数シフトを受けたスペクトル成分を第１の光検出器で受光してヘテロダイン検波を行い、
   前記光学的フィルタリングをした出力光の一部を取り出して第２の光検出器で検出し、前記第２の光検出器の出力信号を制御装置を介して前記ファブリペロー干渉計型フィルタに帰還する制御により、前記ファブリペロー干渉計型フィルタの共振周波数の制御を行い、
   前記ヘテロダイン検波により得られた前記周波数Ｎｆ_Ｓのビート信号からスペクトル線幅を測定することを特徴とするスペクトル測定方法。
4. 遅延自己ヘテロダイン法によるスペクトル測定方法であって、
   被測定レーザ光源の出力を、光方向性結合器と、周波数シフトがｆ_Ｓの光周波数シフタと、遅延光ファイバとを備える周回光学系に入力し、
   前記周回光学系の出力端に、透過帯域の半値全幅が周波数シフトｆ_Ｓよりも小さい狭帯域光バンドパスフィルタを設けて、前記周回光学系によりＭｆ_Ｓ（但しＭは正の整数）の周波数シフトを受けた一本のスペクトル成分のみを透過する光学的フィルタリングをした後に、
   該スペクトル成分と前記被測定レーザ光源から直接出力される光とを合波し、第１の光検出器で受光してヘテロダイン検波を行い、
   前記光学的フィルタリングをした出力光の一部を取り出して第２の光検出器で検出し、前記第２の光検出器の出力信号を制御装置を介して前記狭帯域光バンドパスフィルタに帰還する制御により、前記狭帯域光バンドパスフィルタの中心周波数の制御を行い、
   前記ヘテロダイン検波により生成した前記周波数Ｍｆ_Ｓのビート信号からスペクトル線幅を測定することを特徴とするスペクトル測定方法。

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