JPH01153923A - コヒーレント光測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は単一モード発振の半導体レーザ光等を釜むコヒ
ーレント光の高感度測定装置に関する。

［従来の技術］ 光通信技術を中心とした光応用技術の実用化によって微
弱な光パワーの測定装置に対する重要性は、ますます高
まってきた。とりわけ、コヒーレント光通信技術におい
ては、飛躍的な高感度化が達成できるようになった。こ
のコヒーレント光の受信装置では、いわゆる光へテロダ
イン検波方法が採用されており、光の周波数や位相変化
を利用している。これによって、光の強さのみを利用す
る従来方法に比べて１０倍から１００倍の感度向上が期
待できるとされ、既に一定条件下で１０倍以上の受信感
度の向上が確認されている。

以下第３図を用いて、光ヘテロダイン検波の原理を説明
する。第３図において角周波数ω１を持つ信号光１０と
角周波数ω２を持つ参照光１２とをハーフミラ−１１に
より合成し、合成信号光１３を得、受光素子１４（たと
えばホトダイオード等）に入力する。この受光素子１４
で、これら２つの光のビート角周波数１ω２−ω１１を
検出するように構成したものが光へテロダイン検波装置
である。

ここで信号光１０の光振幅Ｅ１と参照光１２の光振幅Ｅ
２は、それぞれ次のように記述できる。

Ｅｉ　＝ａ１　ｅＸｐ　　［Ｊ　（ωｌ　ｔ＋φ１）］
（Ｉ１Ｅ２　＝ａ２　ｅｘＤ　　［−ｊ　（ω２　ｔ＋
φ２）］（２）ここではたとえばω２≧ω１とする。こ
のＥｌとＥ２を重ね合せたときの光強度Ｉ　（ｔ）は、
重ね合せる前の光強度をそれぞれ１１＝ｆＥ１　１２、
ｌ２＝ｌＥ２＋２として以下のように表わされる。

ｉｔ）　＝　ｌ　Ｅｌ　＋Ｅ２１２ ＝ｌＥ１　１２＋ｌＥ２１２＋２β１Ｅ１１　　ｌＥ２
　１ｃｏｓ　　（（ａ＋２−ω１）　　ｔ＋Δφ）＝１
１　＋Ｉ２　＋２ｅ（ＴＴＴＴ　ＣＯ３（（ω２−ω１
）ｔ＋Δφ））　　　　（４）ここでβは干渉効率でＯ
≦β≦１の範囲にあり、２つの光の偏波を一致させるこ
と等によりβ＝１とできるので以下この場合につき説明
する。また、Δφは位相差１φ１−φ２１を表わす。

２つの光１０．１２のビート信号成分は（３）式の第３
項で記述される。したがって、信号光１０の光強度１１
が微弱であっても、参照光１２の光強度Ｉ２が大きけれ
ば第３項の振幅は大きく変化するので、結果として受信
感度の大幅改善が達成される。

ところで、光強度の測定を（４）式を用いて行うとする
と、ビート信号順（第３項）以外に重ね合せる前の信号
光１０と参照光１２の光強度１１、Ｉ２が含まれており
、被測定光たる信号光１０のみの光強度１１を直接測定
することが困難となる。

そこで従来は重ね合せる前の１１のみを空間的に分離し
て測定する方法、又は参照光１２を一時的に遮断する方
法等で、コヒーレント光受信機の最終受光感度レベルを
測定していた。

［発明が解決しようとする問題点］ しかし、分離に伴う光コネクタの着脱、測定条件の変化
等により、測定データのバラツキが大きく、確度及び安
定性の高い測定が困難であった。

このなめ光へテロダイン検波方法で高感度受信が可能と
なったにもかかわらず、その光パワー測定においては従
来の光強度測定方法を依然として使用しているという状
況にあり、光へテロダイン検波に適用する重ね合された
状態でのコヒーレント光の高感度測定が困難であった。

従って、本発明の目的は、光へテロダイン検波における
重ね合された光信号を空間的に分離することなく、高感
度に測定することができる高感度光パワー測定装置を提
供することにある。

［問題点を解決するための手段］ 上記問題点を解決し、上記目的を達成するための本発明
は、第１の角周波数の被測定光を入力させる入力手段と
、第２の角周波数の参照光を生成するための参照光発生
手段と、前記入力手段から得られる前記被測定光と前記
参照光発生手段から得られる前記参照光との合成信号光
を得るための光合成手段と、前記合成光を断続するため
の光チョッパ手段と、前記光チョッパ手段の出力光を電
気信号に変換する光電変換手段と、前記光電変換手段の
出力を増幅する増幅手段と、前記増幅手段の出力信号を
前記光チョッパ手段における断続に同期して検波する同
期検波手段と、前記同期検波手段の出力に基づいて前記
被測定光と前記参照光との和の光パワーに対応する平均
パワーを求め、この平均パワーと前記参照光の光パワー
に対応する値との差を演算することによって前記被測定
光に対応する出力を得るための信号処理及び演算手段と
を具備したコヒーレント光測定装置に係わるものである
。

［作　用］ 本発明の入力手段は例えば偏波保持光ファイバであり、
例えば偏波保持光フアイバカプラから成る光合成手段に
被測定光を送る。参照先発生手段は例えば半導体レーザ
を含む周波数安定化光源であって、光合成手段に参照光
を送る。光合成手段にて被測定光と参照光とが合成され
ると第１の角周波数と第２の角周波数とのビート成分を
含む合成信号光が得られる。チョッパ手段は電気信号系
におけるドリフトを除去するために合成信号光を断続す
る。この断続の周波数は好ましくはビート成分の角周波
数よりも大幅に低く設定する。光電変換手段は例えばホ
トダイオード等の受光素子を含み、合成信号光に対応す
る電気信号を出力する。

この電気信号は第１の角周波数と第２の角周波数とのビ
ート周波数成分を含む。同期検波手段は、チョッパ手段
の断続に同期して増幅器の出力を検波（抽出）する。同
期検波することによって増幅器のドリフト部分を検知し
、これを補正することができる。即ち、光信号零レベル
の時のＤＣドリフトを抑制することができる。信号及び
演算手段においては、同期検波の出力を例えばローパス
フィルタを通すことによって合成信号光の平均パワーを
求め、更にこの平均値と参照光の光パワーに対応する値
との差を求める。これにより、被測定光に対応する出力
（光パワー）を測定することができる。従来の光へテロ
ダイン検波では、通信情報を含むビート信号の周波数等
の変化する成分のみしか着目していなかったので、正確
且つ安定性の高い測定を容易に達成することができなが
った。

これに対して本発明では、光パワーに対応した直流信号
成分を含むビート信号の平均レベルに着目し、これを使
用して被測定光の光パワーを求めるので、確度及び安定
性の高い測定を容易に達成することができる。

［実施例］ 次に、第１図及び第２図に基づいて本発明の一実施例に
係わるヘテロダイン検波方式におけるコヒーレント光測
定装置を説明する。

１０は第３図で説明したものと同様な角周波数ω１の信
号光であり、１２は角周波数ω２の参照光である。９ａ
、９ｂはそれぞれ、前記した被測定光たる信号光１０、
参照光１２を伝送する偏波保持光ファイバであり、１６
は信号光１０と参照光１２とを偏波を略一致させて合成
し、合成信号光１３を得るための光合成手段としての偏
波保持光フアイバカブラである。１７は被測定光の入力
端であり、２８は参照光１２を発生するための周波数安
定化光源である。偏波保持光フアイバカブラ１６の一方
の出力端１５はマツチングオイル（斜線で示す部分）を
用いて到達した光の反射を生じることなく終端させるよ
うに構成されている。

他方の出力ｆ４Ａ１８には信号光１０と参照光１２との
合成信号光１３が得られる。この合成信号光１３はコリ
メートレンズ１９及び制御回路２５の制御信号３２で動
作する光チョッパ２０を介して受光素子１４に入力され
、これを光が電気変換するとライン２１に合成信号光１
３に対応した電気信号即ちビート信号が得られる。この
ビート信号は低ドリフト演算増幅器から成る直流増幅器
２２、同期検波回路２３、ローパスフィルタ２４を介し
て所定のタイミングで演算回路２６に採り込まれる。演
算回路２６は表示データ（演算結果）をライン３６によ
って表示回路２７４こ送る。

制御回路２５は、光チョッパ２０の駆動信号及び同期検
波回路２３の参照信号たる１１御信号をライン３２に出
力し、且つライン３１の平均パワー信号の演算回路２６
への入力タイミングや演算開始等を命令するための制御
信号をライン３４に出力し、更に表示回路２７の表示動
作制御信号をライン３５に出力する。制御回路２５は、
更に周波数安定化光源２８に内蔵された半導体レーザ３
９の定電流駆動信号をライン３８に出力し、また半導体
レーザ３９の温度制御を行うベルチェ素子４２の駆動信
号をライン３７に出力する。

半導体レーザ３９の出射光はコリメート用レンズ４０及
び、反射戻り光防止用の光アイソレータ４１を介して偏
波保持光ファイバ９ｂに入力される。２９は直流増幅器
２２の出力ライン、３０は同期検波回路２３の出力ライ
ンである。

第１図に示す回路による測定原理を第２図を使用して説
明する。第３図によって説明したヘテロダイン検波方式
と同一原理で第２図に示すビート信号波形がたとえば、
直流増幅器２２の出力ライン２９に得られる。ここで（
３）式を参照すると、第２図のＡ点はＣＯＳ　　（（ω
２−ωｉ）ｔ＋Δφ）＝１の場合の山（ピーク）値を示
し、Ｂ点はＣ０５（（ω２−ω１）ｔ＋Δφ）＝−１の
場合に各位を示すことが分る。（３）式においてβを１
とすれば、ｌＥｌ　　ｌ　　＋ｌＥ２１２．＋２１Ｅ１
　１１Ｅ２　！となり、（ａｔｈｂ）２＝ａ２±２ａｂ
＋ｂ２の恒等式に基づいてＡ点の値は（！Ｅｌ　　ｌ＋
ＩＥ２　り２となり、Ｂ点の値は（ＩＥＩ　　１−ＩＥ
２Ｉ）２となる。この２つの値を展開して平均パワーと
もいうべき値ＩＯを求めると ＝ｌＥ１１２＋ｌＥ２１２ ＝１１＋Ｉ２　　　　　　　　　　　　（５）となる。

（５）式は被測定光たる信号光１０と参照光１２のそれ
ぞれの光パワーの和を示しており、このＩＯと既知の参
照光１２の光パワー■２との差をとれば、求める信号光
１０の光パワー１１は１１＝ＩＯ−１２（６） で求められる。

したがって、Ａ点の値とＢ点の値を求めて、これから平
均パワーを求め、演算回路２６で（う）（６）式に基づ
き演算を実行すれば、被測定光の光パワーが求まる。こ
こで被測定光たる信号光１０と参照光１２は共にコヒー
レント光であり、光へテロダイン検波を行う点に着目す
る。すなわち、ライン２１のビート信号の周波数が、光
チョッパ２０の駆動信号であるライン３２の制御信号（
これは同時に同期検波回路２３の参照信号でもある。

）の繰り返し周波数より十分高い周波数であれば、ロー
パスフィルタ２４の出力ライン３１の信号にはビート信
号成分は含まれず、信号光１０と参照光１２の平均パワ
ーの正確な和信号である平均パワー信号がライン３１に
得られる。

以下第１図の回路の動作を更に詳しく説明する。

被測定光の入力端１７に入力される光信号１０は、あら
かじめその光周波数（光波長）の存在範囲が判明してい
るものであり、たとえば、コヒーレント光通信で使用さ
れる光波長１．５５μｍ帯の光である。

一方参照光１２は、温度と電流を高精度に安定化した周
波数安定化光源２８から供給される。その発光素子たる
半導体レーザ３９には、被測定光の光源と同様の単一光
スペクトルを有する分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢ−
ＬＤ）や分布ブラッグ反射型半導体レーザ（ＤＢＲ−Ｌ
Ｄ）等を用いた。これらは温度を一定とするために断熱
材で周囲を囲いかつ、ベルチェ素子４２で制御すること
で、温度変動を１０−４℃以下に安定化し、また、ライ
ン３８で与えられる半導体レーザ３９の駆動電流の変動
も数１０ｎＡ以下に安定化している。

以上のような条件の下、偏波保持光フアイバカブラ１６
を介して光ヘテロダイン検波を行うとライン２１にビー
ト信号が得られる。このとき参照光１２の光周波数が被
測定光１０の光周波数と大きくズしている場合には、受
光素子１４の応答周波数範囲を超えたビート周波数を検
出することとなるため、実質的にビート信号は得られな
い、この問題を解決する手段として半導体レーザ特有の
性質を活用している。すなわち、ライン３７及び３８の
駆動信号の一方又は両方を用いて、半導体レーザの温度
及び電流の一方又は両方を鋸歯状に微小掃引し、たとえ
ば徐々にビート周波数が大きくなるようにして、ビート
信号の周波数１０ｋＨｚを得ている。このビート信号を
直流増幅器２２で増幅し、ライン２９の出力信号を同期
検波回路２３、ローパスフィルタ２４から成る同期検波
手段で平均パワー信号に変換し、これを演算回路２６に
入力する。また直流増幅器２２の出力信号は同時に制御
回路２５にも入力される。ｆｆｌｌＩｆｎ回路２５では
、ライン３１の平均パワー信号を後述する方法でモニタ
している。そしてライン２１のビート信号のビート変化
成分が十分低減したタイミングのライン３４の制御信号
の指示により演算回路２６にライン３１の平均パワー信
号を採り込む。

演算回路２６は、差動増幅器や演算増幅器等を含むアナ
ログ演算回路、又はマイクロコンビュー夕やアナログ・
ディジタル変換器等を含むディジタル演算回路であり、
前記しな（６）式の所定の処理を実行する。処理結果は
被測定光の光パワー測定データとしてライン３５の制御
信号の指示により表示回路２７に表示する。

ここでは、光チョッパ２０と同期検波回路２３を用いた
ので、市販の高感度光パワーメータと同様に、電気系（
たとえば直流増幅器２２等）のドリフトを問題とするこ
となく、正確な前記和信号（平均パワー信号）が得られ
る。また光チョッパ２０の駆動信号の繰り返し周波数は
２７０Ｈｚとし、このときローパスフィルタ２４の一３
ｄＢ帯域幅を２０Ｈｚとしたのでビート信号の周波数（
ビート周波数）である１０ｋＨ２成分は十分低減されて
いる。

ここでＤＦＢ−ＬＤは一般のＤＦＢ−ＬＤに限定される
ことなく位相制御機能付ＤＦＢ−ＬＤでもよい、またそ
の周波数安定度は、演算回路２６がライン３１の平均パ
ワー信号を採り込む動作（たとえばアナログ・ディジタ
ル変換器におけるサンプル・ボールド動作等）を行う期
間だけの瞬時安定度が確保できれば十分である。したが
ってＤＦＢ−ＬＤの光周波数の微小な掃引は、たとえば
周期１秒〜５秒位のゆっくりとした制御で十分である。

これに関連して、制御回路２５に・お′〜トて、直流増
幅器２２の出力信号２９をモニタしている。

すなわちｌｌｌ１１回路２５内のバイパスフィルタ又は
周波数カウンタ等を介してビート周波数（たとえば前記
１０ｋＨ２）を弁別し、このビート周波数が一定値以上
であることをモニタして、演算回路２６の動作を開始し
ている。

ここで使用した偏波保持光フアイバカプラ１６のいわゆ
る過剰損失は１ｄＢ〜２ｄＢと比較的大きいが、その周
囲温度変化や、光周波数の変化に対する変動は無視でき
る程度に十分率さい、また参照光１２は出力端１８に高
効率でカップリングしている。同様に参照光１２の光出
力変動、光アイソレータ４１、光チョッパ２０や偏波保
持光ファイバ９ｂとの結合損失の変動も無視できる。ま
た周波数安定化光源２８の光出力は半導体レーザ３９の
設定駆動電流と設定温度に対してあらかじめ正確に校正
され、この設定駆動電流等に対応する光出力データを演
算回路２６に記憶保持させ、式（６）における■２の値
とした。なお、上記の実施例において、いわゆる戻り光
が少ない場合には、光アイソレータ４１を省略すること
ができる他、偏波保持光フアイバカプラ１６の入力側光
ファイバ９ａ、９ｂを互いに入れ替えて使用できる場合
もあることは、第１図の説明からも明らかであろう。

また、光へテロダイン技術は電気通信におけるヘテロゲ
イン技術と興なり、ダイオードの非直線性を応用するも
のでないため、前記受光素子１４は、ホトダイオードに
限定されない、すなわち受光素子は単なる光検出器（直
線検波素子）でよく、高調波の発生を実質的に無視でき
るのでビート信号からの正確な測定データに基づき、高
精度の測定ができるものである。

［変形例］ 本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、例え
ば次の変形が可能である。

（１）　第１図における偏波保持光フアイバカプラ１６
は受光素子１４に入力する合成信号の偏波方向がゆらが
ない範囲において、一般の単一モード光ファイバを使用
して製造したいわゆる合波・分波器、または光導波路を
用いた方向性結合器等にｔｍしてもよい。

（２）　第１図における偏波保持光フアイバカプラ１６
を使用する場合において、被測定光の入力端１７に被測
定光を入力する場合、その偏波方向がゆらぐために結合
損失が変動する場合には、周知の光ファイバのねじれ等
を利用したいわゆる偏波補償回路を介して前記入力端１
７に結合してもよい。

（３）　第１図において被測定光の光周波数が、比較的
近接して存在している場合であうで、参照光の光周波数
が掃引できる範囲内にある場合には、当然１個の半導体
レーザ３９で測定可能である。

しかし、被測定光周波数が大きく離れて存在する場合に
は、参照光たる半導体レーザ３９を、これらの被測定多
光周波数に略対応した発振光を出力可能な複数の半導体
レーザ又はレーザアレイに置換し、その出力光を順次光
スイッチ等で切替えて（たとえば光波長１，３μｍと１
．５５μｍ等）使用してよい。

（４）　第１図において周波数安定化光源２８は半導体
レーザ３９の駆動電流及び温度を一定に制御する装置で
あったが、この装置に加えてファブリ・ベロー共振器を
光周波数弁別器として組込み、これをいわゆるＰＺＴ等
の圧電素子で機械的に光周波数ＩＩ！御する方式として
もよい。

（５）　第１図における周波数安定化光源２８に光が戻
ることを防止するために、光アイソレータ４１を用いて
いるが、コリメータ用レンズ４０や光アイソレータ４１
の光入射端面からの戻り光が問題となる場合には、半導
体レーザ３９のレーザチップ（図示せず）に、斜め研磨
、または先球加工等した光ファイバを直接結合し、光ア
イソレータ４１を省略してもよい。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、光の強さを直接測定す
る従来方式に比べて本質的に高感度な光へテロダイン検
波方式を使用した微弱光の測定を被測定光と参照光を空
間的に分離することなく高感度に行える。またこれに伴
って測定の確度及び安定度が向上する。またビート信号
の周波数を適切に選定して、いわゆる１／ｆ雑音を軽減
して、Ｓ／Ｎ　（信号対雑音比）良く測定することも可
能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わるコヒーレント光測定
装置を示す回路図、 第２図は第１図に示す回路の測定原理を説明するための
ビート信号波形図、 第３図は従来の光へテロダイン検波の原理図である。 １０・・・信号光、１２・・・参照光、１３・・・合成
信号光、１４・・・受光素子、１６・・・偏波保持光フ
ァイバカツラ、２０・・・光チョッパ、２２・・・直流
増幅器、２３・・・同期検波回路、２４・・・ローパス
フィルタ、２５・・・制御回路、２６・・・演算回路、
２７・・・表示回路、２８・・・周波数安定化光源、３
９・・・半導体レーザ、４１・・・光アイソレータ、４
２・・・ベルチェ素子。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ［１］第１の角周波数の被測定光を入力させる入力手段
   と、 第２の角周波数の参照光を生成するための参照光発生手
   段と、 前記入力手段から得られる前記被測定光と前記参照光発
   生手段から得られる前記参照光との合成信号光を得るた
   めの光合成手段と、 前記合成信号光を断続するための光チョッパ手段と、 前記光チョッパ手段の出力光を電気信号に変換する光電
   変換手段と、 前記光電変換手段の出力を増幅する増幅手段と、前記増
   幅手段の出力信号を前記光チョッパ手段における断続に
   同期して検波する同期検波手段と、前記同期検波手段の
   出力に基づいて前記被測定光と前記照光との和の光パワ
   ーに対応する平均パワーを求め、この平均パワーと前記
   参照光の光パワーに対応する値との差を演算することに
   よつて前記被測定光に対応する出力を得るための信号処
   理及び演算手段と を具備したコヒーレント光測定装置。