(57)【要約】  フィルタスペクトル（７００）デコンボリューションおよび再形成の方法（１６００）および装置（１００）は、スペクトル信号（２１２）のフィルタ出力（２１４）を提供すること（１６０２）と、各スペクトルピークにおいてスペクトル信号（２１２）の強度および波長を決定すること（１６０４）を含む。フィルタ出力（２１４）は、スペクトル信号関数（２１６）およびフィルタ関数（２１８）のコンボリューションの積分として特徴づけられる（１６０６）。変換はそこで、フィルタ出力（２１４）に行われ（１６０８）、望ましくないフィルタ関数（２１８）をデコンボリューションおよび除去し（１６１０）、望ましいフィルタ関数（５０２）を追加し、出力フィルタスペクトル（７００）を再形成する。
2008501949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スペクトル信号（２１２）のフィルタ出力（２１４）を提供する（１６０２）ステップと、
各スペクトルピークにおける前記スペクトル信号（２１２）の強度および波長を決定する（１６０４）ステップと、
前記フィルタ出力（２１４）を、入力スペクトル信号関数（２１６）および第１のフィルタ関数（２１８）のコンボリューションの積分として特徴づける（１６０６）ステップと、
前記フィルタ出力（２１４）の変換を行い（１６０８）、前記２つの関数（２１６，２１８）をデコンボリューションするステップと、
前記第１のフィルタ関数（２１８）を除去し（１６１０）、所定の最適なバンド幅を有し、前記フィルタ出力（２１４）のスペクトル（７００）を再形成する第２のフィルタ関数（５０２）を追加するステップとを備える、フィルタスペクトル（７００）デコンボリューションおよび再形成の方法（１６００）。
【請求項２】
スペクトル信号（２１２）のフィルタ出力（２１４）を提供するステップは、チューナブルファブリー・ペローフィルタ（１１８）を用いてスペクトル信号（２１２）を計測するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法（１６００）。
【請求項３】
スペクトル信号（２１２）のフィルタ出力（２１４）を提供するステップは、光スペクトル信号（２１２）のフィルタ出力（２１４）を提供するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法（１６００）。
【請求項４】
スペクトル信号（２１２）のフィルタ出力（２１４）を提供するステップは、ＤＷＤＭ光スペクトル信号（７００）のフィルタ出力（２１４）を提供するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法（１６００）。
【請求項５】
前記提供するステップ（１６０２）と、前記決定するステップ（１６０４）と、前記特徴づけるステップ（１６０６）と、前記変換を行うステップ（１６０８）と、前記除去するステップ（１６１０）とを、前記スペクトル信号（２１２）の前記スペクトル（７００）内の関心のある各波長について繰り返し、関心のある波長のそれぞれに関して、対応する不連続の信号パワーを決定するステップをさらに備える、請求項１に記載の方法（１６００）。
【請求項６】
スペクトル信号（２１２）のフィルタ出力（２１４）を提供するフィルタ（１１８）と、
各スペクトルピークにおいて、前記スペクトル信号（２１２）の強度および波長を決定する検知器（１２６）と、
前記フィルタ出力（２１４）を、入力スペクトル信号関数（２１６）および第１のフィルタ関数（２１８）のコンボリューションの積分として特徴づける回路（１４０）と、
前記フィルタ出力（２１４）に変換を行い、前記２つの関数（２１６，２１８）のデコンボリューションを行う回路（１４０）と、
前記第１のフィルタ関数（２１８）を除去し、所定の最適なバンド幅を有し、前記フィルタ出力（２１４）のスペクトル（７００）を再形成する第２のフィルタ関数（５０２）を追加する回路（１４０）とを備える、フィルタスペクトル（７００）デコンボリューションおよび再形成のための装置（１００）。
【請求項７】
前記フィルタ（１１８）は、チューナブルファブリー・ペローフィルタ（１１８）をさらに含む、請求項６に記載の装置（１００）。
【請求項８】
前記フィルタ（１１８）は、光スペクトル信号（２１２）のフィルタ出力（２１４）を提供するフィルタをさらに含む、請求項６に記載の装置（１００）。
【請求項９】
前記フィルタ（１１８）は、ＤＷＤＭ光スペクトル信号（７００）のフィルタ出力（２１４）を提供するフィルタをさらに含む、請求項６に記載の装置（１００）。
【請求項１０】
前記スペクトル信号（２１２）の前記スペクトル（７００）内の関心のある各波長に関して、前記提供すること、前記決定すること、前記特徴づけること、前記変換を行うこと、および前記除去することを繰り返し、関心のある波長のそれぞれに関して対応する不連続の信号パワーを決定する回路（１４０）をさらに備える、請求項６に記載の装置（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
本発明は一般に、光スペクトル分析に関し、より詳しくは、光回折格子、光学チューナブルフィルタなどの光学フィルタ装置から得られる光スペクトルのデコンボリューションおよび再形成に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景技術
光ファイバー遠隔通信領域は、光ファイバーケーブルおよび光ファイバーネットワークなどの技術を含む。光ファイバーネットワークは、会話、データ通信（たとえばファックスメッセージ）、コンピュータ間データ転送、ケーブルテレビ、インターネットなどの多種多様な日常の情報を運ぶ。このような情報信号は市内間と同じく、都市間で運ばれる。このような通信トラフィックの急速に増加する量により、古い金属線ケーブルの低い容量と比較して、光ファイバーケーブルの容量増加がより一層必要とされる。
【０００３】
光ファイバーケーブルは典型的に、個々の光ファイバーの束から構成される。単一の光ファイバーは、単一の光波長上で幾千ものデータおよび通信信号を運ぶことができる。この同じ単一の光ファイバーはまた、光の多波長を運ぶことができ、したがって、より多くの多重光信号を同時に運ぶことを可能になる。各波長は単独で、１０Ｇｂｉｔ／ｓを上回る速度でデータ転送を行うことができる。
【０００４】
このような光ネットワーク上の通信を維持するために、光信号の光パワー、波長、光信号対雑音比を、光ファイバーを伝播する波長のそれぞれにおいて計測することなどの、多様な高感度分析を行うことが必要である。このような分析は、光スペクトルアナライザ（“ＯＳＡ”）と呼ばれる分析ツールによって行われる。ＯＳＡは、光スペクトル分析（“ＯＳＡ”とも言う）を行い、これは示されるように、波長の関数としての光パワーの計測である。
【０００５】
ＯＳＡは典型的に、分析される光信号をチューナブル光学フィルタに通すことにより行われる。“チューナブル”とは、光信号の個々の成分（波長）を分離または抽出するためにフィルタが調節可能であることをいう。
【０００６】
３つの基本的なタイプのフィルタは、ＯＳＡを作成するのに広く用いられる：回折格子、ファブリー・ペロー（“ＦＰ”）フィルタ、およびマイケルソン干渉計である。チューナブルＦＰフィルタ（“ＴＦＰＦ”）は、ＯＳＡに関して多くの利点を有する。これらのうちの主要なものは、その比較的単純な設計、小さなサイズ、速いスピード、制御のしやすさ、および大変密集した光信号（すなわち、ほぼ同じ周波数もしくは波長を有する信号）を区別するその高感度である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、同じ３ｄＢバンド幅（ピーク位置から３ｄＢ下がった左右のスペクトル位置の間の波長もしくは周波数差の規模として定義される）を有する回折格子と比較すると、ＴＦＰＦの透過プロファイルは比較的“広いへり”を有する。広いへりは、たとえば、３ｄＢバンド幅（“ＢＷ”）スペクトル位置を超えて、ＴＦＰＦが、周波数もしくは波長において関心のある信号の近くの光信号に対する除去率の、比較的ゆっくりと衰退することを意味する。このように広いへりは、波長分割多重（“ＷＤＭ”）システムの信号の
光信号対雑音比（“ＯＳＮＲ”）を計測するのに用いられるとき、ＴＦＰＦに関してかなりの不利点となる。このことは、近くからの、もしくは隣接する信号、波長が漏出し、“雑音”レベルを人工的に上げることを可能にしうる。比較的広いへりは、隣接するＷＤＭチャネルからの混線を許容し、それにより、ＯＳＮＲ計測に関するＦＰ  ＯＳＡのダイナミックレンジ（“ＤＲ”）を限定する。
【０００８】
反対に、同じ３ｄＢ  ＢＷを用いて、回折格子の透過プロファイルはより一層急なへりを有するが、ＴＦＰＦと比較して大変密集した光信号を区別するにあたり、それほど高感度ではない。理論的に、すべての光学フィルタは隣接するＷＤＭチャネルからの混線を許容する。この急なへりにより、回折格子は、同じ３ｄＢ  ＢＷを有するＦＰフィルタに比べ、より小さな混線を有する。
【０００９】
したがって、ＦＰフィルタベースのＯＳＡのＯＳＮＲ計測に関するＤＲを大きく強化することができる方法および装置に関するかなりの必要性が残る。コストを削減し、能率を改善するという、増加の一方である必要性を考慮して、これらの問題に対する答えを見つけることは、より一層重大になっている。
【００１０】
これらの問題の解決策は長らく模索されてきたが、先行する発展からはいかなる解決策も教示も提案もされておらず、これらの問題の解決策は、当業者によって長らく見出されなかった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
発明の開示
本発明は、フィルタスペクトルデコンボリューションおよび再形成の方法および装置を提供する。スペクトル信号のフィルタ出力が提供され、各所定の波長におけるスペクトル信号の光パワー強度が決定される。フィルタ出力は、入力信号関数およびフィルタ関数の積分のコンボリューションとして特徴づけられる。そこでフィルタ出力に変換が行われ、２つの関数がデコンボリューションされ、フィルタ出力スペクトルが再形成される。
【００１２】
本発明の実施形態のいくつかは、上記に説明されたものに加え、もしくはその代わりに、その他の利点を有する。それらの利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読むことにより、当業者にとって明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
発明を実施する最良の形態
以下の説明において、本発明の完全な理解をもたらすべく、数多くの具体的な詳細が記載される。しかし、本発明はこれらの具体的な詳細なしでも実施されることが明らかである。本発明を不明瞭にすることを避けるため、既知の回路およびシステム構成のうちのいくつかは、詳細には開示されない。同様に、表示の明瞭さのため、装置の実施形態を示す図面は、半概略的であり、必ずしも原寸に比例しない。さらに、同じもしくは機能的に同様の要素に関連させるため、図面において、同じ番号が通常用いられる。
【００１４】
光スペクトルアナライザ（“ＯＳＡ”）は、通常はチューナブル光学フィルタを介して光信号を通すことにより行われる、光スペクトル分析（文脈により“ＯＳＡ”とも言う）を行うのに用いられる。光信号は、多くの異なる信号波長のスペクトルを含むため、“光スペクトル信号”と言ってもよい。チューナブル光学フィルタはそこで、光信号の個々の波長成分を分離もしくは抽出する。光スペクトル信号の２つのスペクトル成分の間の、確実に分離されることのできる最小の波長間隔は、ＯＳＡのスペクトル分解能と称される。高いスペクトル分解能を得るべく、フィルタは十分に狭い３ｄＢバンド幅を有するべきである。
【００１５】
多くの測定について、計測される多様なスペクトル成分は、等振幅ではない。１つの例は、分布帰還型レーザーのサイドモード抑制の計測である。（“サイドモード抑制”とは、望ましい縦方向モードのいずれかの側の不要な縦方向伝搬モードの抑制のことを言う。不要なモードが抑制される度合いは、“サイドモード抑制比”と称される。）この計測に関して、フィルタの３ｄＢバンド幅は、唯一の関心事ではない。同じく重要なのは、主要な伝送周波数から一定の距離、たとえば±２５ＧＨｚ離れて、光除去率（“ＯＲＲ”）について特定されるフィルタ形状である。
【００１６】
ファブリー・ペロー（“ＦＰ”）フィルタは、ＯＳＡを構築するのに一般的に用いられるフィルタのうちの１つである。これは、相互に関連して動くことのできる、２つの平行な、部分的に銀メッキされた反射率の高い鏡によって各端に隣接する空洞から成る。ＦＰ空洞の透過スペクトルは、波長の関数として、空洞の共振に対応する大きな透過のピークを示す。
【００１７】
ＦＰ空洞の変動する透過関数は、２つの反射面の間の光の多重反射の間の干渉に起因する。透過ビームが同調すれば建設的干渉が起こり、これはＦＰ空洞の高透過ピークに対応する。透過ビームが同調しない場合、相殺的干渉が起こり、これは透過極小に対応する。多重反射ビームが同調するか否かは、光の波長、光が空洞内を伝わる角度、鏡の反射面間の距離（すなわち、空洞の“長さ”）、および反射面間の媒体の屈折率に依存する。
【００１８】
鏡は動かされ、その反射面間の距離を変更することができるので、ＦＰ空洞はチューナブルフィルタとして用いることができる。このようなチューナブルＦＰフィルタ（“ＴＦＰＦ”）は、大変狭い３ｄＢバンド幅（“ＢＷ”）を有するように作られることができるが、これは依然として比較的広い２０．０ｄＢ  ＢＷ、すなわち、広い“へり”を有する。（図４のローレンツフィルタ曲線４０２のへり４０４を参照のこと。）
ＦＰフィルタの主要な利点の１つは、その大変狭い３ｄＢバンド幅である。ＦＰフィルタベースのＯＳＡはしたがって、たとえばこれがレーザーチップ（すなわち、パルス中のレーザーの光周波数の揺れ）を計測することを可能にする、大変高いスペクトル分解能を有する。しかし、広いへりにより、ＴＦＰＦのＯＲＲは制限される。たとえば、７２００のフィネス値と１８０ｎｍの自由スペクトルレンジ（“ＦＳＲ”）を有するＴＦＰＦは、±２５．０ＧＨｚで２５．０ｄＢを下回るＯＲＲを依然として有する。（“フィネス”とは、一定の間隔を取った一連の干渉計干渉縞における、スペクトル線間隔の線幅に対する比率である。）
いくつかの適用に関して、このような広いへりはふさわしくない。たとえば、５０．０ＧＨｚ間隔の高密度波長分割多重（“ＤＷＤＭ”）システムにおいて、±２５ＧＨｚにおいて３５．０ｄＢの高さのＯＲＲが望ましい。さもなければ、ＴＦＰＦの広いへりの透過プロファイルは、隣接するＤＷＤＭチャネル間の混線もしくは干渉を誘起し、これは光信号対雑音比（“ＯＳＮＲ”）の計測に関するＯＳＡのＯＲＲおよびダイナミックレンジ（“ＤＲ”）を限定する。
【００１９】
本発明によって教示されるように、数学的デコンボリューションおよび再形成方法が、ＦＰフィルタのこの重要な不利点を解決し、克服できること、またＦＰフィルタベースのＯＳＡのＯＳＮＲ計測に関するＤＲを大いに強化することができることが発見された。本発明の１態様において、フィルタの出力はまず、２つの数学的関数のコンボリューションの積分として特徴づけられる。第１の関数は、フィルタの前の入力光信号関数である。第２の関数は、フィルタ関数である―この場合、ＦＰチューナブルフィルタの透過関数である。したがって、光信号およびチューナブルフィルタの相互作用は、これら２つの数学的関数のコンボリューションの数学的積分であるＦＰフィルタからの出力を作成する。
【００２０】
そこで本発明は必要に応じて、変換を教示し、ＦＰフィルタ出力に適用し、広いへりを有するＦＰフィルタ関数を、出力から効果的に除去し、その上により急なへりを有する他の望ましいフィルタ関数（ガウス関数など）を加えるので、出力光信号スペクトルは再形成され、信号対雑音比の計測に関するダイナミックレンジを改善することができる。このことは、ＦＰフィルタベースの光スペクトルアナライザが高スペクトル分解能のみならず高ＯＲＲをも有することを可能にする。このような反応特性は、ＤＷＤＭ光スペクトル監視の目的のみならず、その他の多くの適用にもまた、大変望ましい。
【００２１】
ここで図１を参照すると、ここに示されるのは本発明によるＯＳＡ１００のブロック図である。ＯＳＡ１００は、入力ポート１０４と１０６を有する光スイッチ１０２を含む。光スイッチ１０２の１本の枝もしくはアーム上の入力ポート１０４は、テストされる光信号を運ぶ単一モード光ファイバー１０８に接続される。光ファイバー１０８および入力ポート１０４は、ＯＳＡ１００に関する光信号入力として共に機能する。
【００２２】
同様に、光スイッチ１０２の他方のアームの入力ポート１０６は、波長基準光信号を運ぶ単一モード光ファイバー１１０に接続される。光ファイバー１１０と入力ポート１０６は、ＯＳＡ１００に関する波長基準信号入力として共に機能する。
【００２３】
光スイッチ１０２の出力ポート１１２は、ＴＦＰＦ１１８の入力ポート１１６に光ファイバー１１４によって接続される。次いでＴＦＰＦ１１８の出力は、その出力ポート１２０から検知器１２６の入力ポート１２４に光ファイバー１２２によって接続される。ＴＦＰＦ１１８によって選択される光信号についての受信機である検知器１２６は、アナライザ１３０にライン１２８によって接続される。ライン１３２はアナライザ１３０をディスプレイ１３４（ビデオディスプレイもしくはプロッタなど）に接続し、ライン１３６はアナライザ１３０をレコーダ１３８に接続する。ＯＳＡ１００の操作は、光スイッチ１０２、ＴＦＰＦ１１８、検知器１２６、アナライザ１３０、ディスプレイ１３４、レコーダ１３８に接続されたコンピュータ１４０によって要望通りに調整されることができる。検知器１２６、アナライザ１３０、コンピュータ１４０は、ここにさらに説明されるように、必要に応じてさまざまな態様で、本発明の多様な機能を行う回路を共に構成する。
【００２４】
ここで図２を参照すると、ここに示されるのは、本発明においてＯＳＡ１００（図１）内のＴＦＰＦ１１８として用いられる、典型的なチューナブルＦＰＩ（“ＴＦＰＩ”）の概略図である。ＴＦＰＦ１１８は、部分的に反射する鏡２０６と２０８を含む。鏡２０６と２０８は、空気、ガラスなどの特定の誘電体媒質で満たされた空洞２１０などのすき間によって分離される。光線２１２がＴＦＰＦ１１８に入り、通過し、そしてフィルタ処理した光線２１４としてＴＦＰＦ１１８から出る。
【００２５】
示されるように、チューナブルフィルタの積分出力は、光入力信号関数とチューナブルフィルタ関数とのコンボリューションの積分として特徴づけられることができる。具体的には、分析されるスペクトル分布を有する光線２１２はそこで、光入力信号関数２１６として特徴づけられる。光入力信号関数２１６におけるＴＦＰＦ１１８の効果は、ＴＦＰＦ１１８のフィルタ関数２１８によって特徴づけられる。ＴＦＰＦをチューニングする処理の間、フィルタ処理された光線２１４は共に合計され、光入力信号関数２１６とチューナブルフィルタ関数２１８とのコンボリューション２２０の積分として特徴づけられる。
【００２６】
ここで図３を参照すると、ここに示されるのは、ＴＦＰＦ１１８（図２）における、入射、反射、透過した光ビームおよびそれらに付随する電界の相互作用と分析とを描写するベクトル図３００である。光線２１２の入射電界Ｒ０は、鏡２０６において係数ｒ０（空洞２１０の“外側に反射”に関する）で部分的に反射され、係数ｔｉ（空洞２１０の“内側に透過”に関する）で部分的に透過される。係数ｔｉで空洞２１０内に透過された電界
が、鏡２０８を通って空洞２１０から排出される時、これは鏡２０８の後ろで遅延し、係数ｔ０により乗じられて見える。鏡２０６からの反射光線Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３などは、最大の相殺的干渉を経験するであろうし、鏡２０８からの透過光線Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３などは、以下の数式が当てはまる時、最大の建設的強化を経験するであろう：
【００２７】
【数１】
2008501949.tif 000003
【００２８】
式中、ｍは任意の正の整数であり、Ｌは共振空洞（たとえば空洞２１０）の長さであり、ｎは共振空洞の中の媒体の屈折率であり、λは光信号の、したがって透過光波の、波長である。そこで以下の数式は、ＦＰ空洞の共振周波数ｆｍを確立する：
【００２９】
【数２】
2008501949.tif 000004
【００３０】
モード間隔はＦＰＩのＦＳＲとして定義される。
光波の周波数ｆの観点から見ると、ＦＳＲは：
【００３１】
【数３】
2008501949.tif 000005
【００３２】
光波の波長λの観点から見ると、ＦＳＲは：
【００３３】
【数４】
2008501949.tif 000006
【００３４】
ＦＰフィルタの透過のバンド幅は、半値全幅（“ＦＷＦＨ”）もしくは３ｄＢとして定義される。これは以下の数式によって定義される：
【００３５】
【数５】
2008501949.tif 000007
【００３６】
バンド幅をモード間隔ＦＳＲに関連づけることは、フィネスＦをもたらす：
【００３７】
【数６】
2008501949.tif 000008
【００３８】
ＦＰ空洞の透過プロファイルは、エアリー関数によって説明される：
【００３９】
【数７】
2008501949.tif 000009
【００４０】
式中、Ｉ０はピーク透過光強度である。
上記のエアリー関数は、以下のローレンツ分布関数により近似されることができる：
【００４１】
【数８】
2008501949.tif 000010
【００４２】
式中、ｆ０はピーク透過周波数である。
ローレンツ分布の３ｄＢバンド幅は、
【００４３】
【数９】
2008501949.tif 000011
【００４４】
によって示され、式中、ｒはフィルタ鏡の反射性であり、ｃは真空内の光の速度であり、Ｌはフィルタの空洞（たとえば空洞２１０）の長さである。ローレンツ透過プロファイルを有するこのタイプのフィルタは、“ローレンツフィルタ”として定義づけられる。
【００４５】
対照的に、伝統的な回折格子の透過プロファイルは、ガウス分布関数によって説明される：
【００４６】
【数１０】
2008501949.tif 000012
【００４７】
式中、σはガウス分布のＢＷを定義する。ガウス透過プロファイルを有するこのタイプのフィルタは、“ガウスフィルタ”として定義される。
【００４８】
ＴＦＰＦおよび回折格子はどちらも、ＯＳＡを構成するのに用いられることができる。しかし、前に示されたように、ＤＷＤＭなどの適用についてＴＦＰ  ＯＳＡを用いるにあたって主要な難関の１つは、フィルタ透過プロファイルの、同じ３．０ｄＢバンド幅を有する回折格子の透過プロファイルと比べて比較的広いへりである。ＴＦＰＦのへりがより広くなることは、フィルタが大変狭い間隔を取り密に隣接したチャネルからの信号をいともたやすく見、それにより関心のある本当の信号を遮蔽することを意味する。
【００４９】
ここで図４を参照すると、ここに示されるのは、ローレンツフィルタ曲線４０２で表されるローレンツフィルタ透過プロファイル４００の１実施例である。図に示すように、フ
ィルタはおよそ６．６ＧＨｚの３ｄＢ  ＢＷを有する。へり４０４により表されるように、主要な透過ピークから離れて、フィルタは±５０．０ＧＨｚでおよそ２３．０ｄＢのＯＲＲを有し、±１００．０ＧＨｚで２９．０ｄＢのＯＲＲを有する。
【００５０】
ここで図５を参照すると、ここに示されるのは、ガウスフィルタ曲線５０２で表されるガウスフィルタ透過プロファイル５００の１実施例である。フィルタはおよそ３３．０ＧＨｚの３ｄＢ  ＢＷを有する。主要な透過ピークから離れて、フィルタは±５０．０ＧＨｚでおよそ２５．０ｄＢのＯＲＲを有する（ローレンツフィルタと同様に）が、へり５０４で表されるように、±１００．０ＧＨｚで７０．０ｄＢを上回るＯＲＲを有する。
【００５１】
ここで図６を参照すると、ここに示されるのは、ローレンツフィルタ曲線４０２およびガウスフィルタ曲線５０２の比較６００である。ローレンツフィルタ曲線４０３の３ｄＢ
ＢＷはガウスフィルタ曲線５０２の１／５でしかないが、ローレンツフィルタは、その広いへり４０４によって、フィルタのピーク透過から離れて＞±５０．０ＧＨｚでより低いＯＲＲを有する。図６はしたがって、ＦＰフィルタに基づく存在するＯＳＡが、回折格子に基づくＯＳＡと比較してＯＳＮＲ計測についてより低いＤＲを有する理由を説明する。
【００５２】
数学的観点から、任意の計測光スペクトルは、入力光信号関数を有する、ＯＳＡがこれから成る、フィルタ関数のコンボリューションの積分である。したがって、入力光信号が関数Ｒ（ｆ）によって示される場合、ローレンツフィルタを用いて計測された出力スペクトルはＰＬ（ｆ）によって示され、ガウスフィルタを用いて計測された出力スペクトルはＰＧ（ｆ）によって示され、そこで以下の数式が適用できる：
【００５３】
【数１１】
2008501949.tif 000013
【００５４】
式中、Ｌ（ｆ−ｆ０）およびＧ（ｆ−ｆ０）は、それぞれｆ０に中心があるローレンツ分布およびガウス分布の関数である。
【００５５】
フーリエ理論によると、コンボリューションの積分の変換は：
【００５６】
【数１２】
2008501949.tif 000014
【００５７】
式中、Ｆ［ＰＬ（ｆ）］、Ｆ［Ｒ（ｆ）］、Ｆ［Ｌ（ｆ）］、Ｆ［ＰＧ（ｆ）］、Ｆ［Ｇ（ｆ）］は、それぞれＰＬ（ｆ）、Ｒ（ｆ）、Ｌ（ｆ）、ＰＧ（ｆ）、Ｇ（ｆ）のフーリエ変換である。このことは、以下にさらに説明されるように、本発明のデコンボリューションおよび再形成法についての以下の数式をもたらす：
【００５８】
【数１３】
2008501949.tif 000015
【００５９】
本発明の１実施形態において１４７０ｎｍから１６３０ｎｍのＤＷＤＭ  Ｓ，ＣおよびＬバンド波長レンジについてのＴＦＰＦを用いるＯＳＡが実施された。用いられたＴＦＰＦはおよそ１８０ｎｍのＦＳＲ、およそ７２００のフィネス、およびおよそ２５ｐｍの３ｄＢバンド幅を有した。このようなフィルタに関して、フィルタピーク透過から２５．０ＧＨｚおよび５０．０ＧＨｚ離れたそのＯＲＲは、それぞれおよそ２４．５ｄＢおよび３０．０ｄＢであった。このことは、このＯＳＡが計測できる最も高いＯＳＮＲが、５０．０ＧＨｚ間隔ＤＷＤＭチャネルについて２４．５ｄＢを下回り、１００．０ＧＨｚ間隔チャネルについて３０．０ｄＢを下回ることを意味する。
【００６０】
ここで図７を参照すると、ここに示されるのは、曲線７０２で表される、３つの隣接するＤＷＤＭチャネルからの、生の、未処理の光データのスペクトル７００である。スペクトル７００もまた、ＦＰ  ＯＳＡを用いて計測された。
【００６１】
ここで図８を参照すると、ここに示されるのは、本発明によるＦＦＴデコンボリューションおよび再形成プロセスの後のスペクトル７００（図７）の、曲線８０２で表されるスペクトル８００である。
【００６２】
ここで図９を参照すると、ここに示されるのは、未処理曲線７０２および処理曲線８０２の比較９００である。デコンボリューションされ、再形成されたスペクトル８００（図８）もまた、ＦＦＴデコンボリューションおよびフィルタ関数のへりをより急にした再形成による、±２５ＧＨｚでのＯＲＲの１５．０ｄＢを上回る増加を示す。生データのスペクトル７００（図７）に基づくＯＳＮＲ計測値は、再び２０．０ｄＢの前後である。しかし、変換（処理され再形成された）データのスペクトル８００に基づくＯＳＮＲ計測値は同様に、本発明のＦＦＴデコンボリューションおよび再形成により、４０．０ｄＢ前後である。
【００６３】
ここで図１０を参照すると、ここに示されるのは、曲線１００２で表された、不均衡なパワーを有する３つの隣接するＤＷＤＭチャネルからの、生の、未処理の光データのスペクトル１０００である。中央チャネルのパワーは、およそ―３４．５ｄＢｍであり、他の２つのチャネルのパワーはおよそ０．０ｄＢｍである。パワー不均衡はしたがって、３４．０ｄＢよりも大きい。弱いパワーチャネルはその左右の隣接したＤＷＤＭチャネルのへりに覆われるため、ＦＰ  ＯＳＡを用いて計測された生データスペクトル１０００は、弱いパワーチャネルを辛うじて分離する。
【００６４】
ここで図１１を参照すると、ここに示されるのは、本発明によるＦＦＴデコンボリューションおよび再形成処理後のスペクトル１０００（図１０）の、曲線１１０２によって表されたスペクトル１１００である。デコンボリューションされ再形成されたスペクトル１１００は弱いパワーチャネル１１０４を明確に分離する。パワー混線は、ＦＦＴデコンボリューションおよび再形成によりほぼ完全に除去され、これは弱いパワーチャネル１１０４についてのより良いコントラストをもたらす。
【００６５】
ここで図１２を参照すると、ここに示されるのは、未処理曲線１００２および処理曲線１１０２の比較１２００である。
【００６６】
ここで図１３を参照すると、ここに示されるのは、曲線１３０２によって表された、４０を上回る５０ＧＨｚ間隔のＤＷＤＭチャネルを含む、生の、未処理の、光スペクトルの、スペクトル１３００である。スペクトル１３００はＦＰ  ＯＳＡを用いて計測された。
【００６７】
ここで図１４を参照すると、ここに示されるのは、本発明によるＦＦＴデコンボリューションおよび再形成処理後のスペクトル１３００（図１３）の、曲線１４０２によって表されたスペクトル１４００である。
【００６８】
ここで図１５を参照すると、ここに示されるのは、未処理曲線１３０２および処理曲線１４０２の比較１５００である。再び、この比較から、本発明のＦＦＴデコンボリューションおよび再形成法が大変効果的であることは大変明白である。とりわけ、処理曲線１４０２の未処理曲線１３０２との比較１５００は、隣接するチャネルの中央におけるＯＲＲが１５ｄＢを上回って強化されたことを示す。
【００６９】
本発明によるＦＦＴデコンボリューションおよび再形成方法および装置は、したがって、ＦＰフィルタベースＯＳＡのＤＲを、フィルタの透過プロファイルを“再形成”することで強化する。したがって、本発明の実施形態の開示に基づき、フィルタの透過プロファイルが、ハードウェア、ソフトウェア、もしくはこの両者の組み合わせを用いて、この方法で再形成されることができることは、当業者にとって明白である。
【００７０】
フィルタの透過プロファイルを再形成するのにハードウェアを用いる場合、たとえば、特別に設計された透過プロファイルを有する他のフィルタが用いられる。追加のフィルタはそこで、ＦＰフィルタとカスケード接続され、ガウスフィルタなどの２つのフィルタの全体的な透過プロファイルを提供する。このアプローチは成し得るであろうが、困難である。
【００７１】
したがって本発明は、ハードウェアフィルタよりもむしろ、“ソフトウェアフィルタ”として機能する、より困難でないソフトウェアＦＦＴデコンボリューションおよび再形成法を教示する。全体的な効果は、ハードウェアＦＰフィルタをこのようなソフトウェアフィルタにカスケード接続し、所望の全体的なガウス透過プロファイルを得るのと同等である。
【００７２】
上記により具体的に開示されるように、本発明による、光信号のＦＰフィルタスペクトルをデコンボシューションし再形成する方法のいくつかのステップは、したがって以下のように行われる：
１．ＦＰフィルタスペクトルを光入力信号関数およびフィルタ関数のコンボリューションの積分として特徴づける。ＦＦＴをＦＰフィルタスペクトルに行う。
【００７３】
２．最適化されたバンド幅＊を用いて、望ましいローレンツ関数を作成し、それにＦＦＴを行う。
【００７４】
３．最適化されたバンド幅＊を用いて、望ましいガウス関数を作成し、それにＦＦＴを行う、もしくは、ガウス関数のＦＦＴに等しい望ましい関数を単に作成する。
【００７５】
４．ステップ１の結果をステップ２の結果で割る。
５．ステップ４の結果にステップ３の結果を乗じる。
【００７６】
６．ステップ５の結果に逆ＦＦＴを行う。
＊“最適化されたバンド幅”とは、後のデコンボリューションを最も効果的にするフィ
ルタバンド幅を意味する。
解析の最終結果はそこで、ガウスフィルタの出力であるものと同様のスペクトルである。したがって、第１のフィルタ関数（たとえば、ＦＰフィルタ関数）は除去され、最適のバンド幅（たとえばＤＲを±２５．０ＧＨｚで１５．０ｄＢを上回って強化するもの）を有する第２のフィルタ関数（たとえばガウス）が追加され、フィルタ出力のスペクトルを再形成する。
【００７７】
ＦＦＴデコンボリューションおよび再形成の前に、スペクトルピークの位置と強度は、スペクトルがまだローレンツ関数により表される時、まず位置して保存される。デコンボリューションおよび再形成はそこで適用され、光信号に関するＯＳＮＲおよびダイナミックレンジを改善する。このように本発明は、ＦＰフィルタの鋭い３−ｄＢバンド幅を活用し、入力光信号の細かいスペクトル構造を見つけ、そこでデコンボリューションおよび再形成処理を適用し、より正確なＯＳＮＲ結果およびＯＳＮＲ計測のより良いＤＲを得る。この処理の後、結果として生じる光スペクトルピークは、より良い、ローレンツ形状よりもむしろ通常はガウス形状を有する。これはそこで、スペクトル信号のスペクトル内の関心のある各波長に関して繰り返され、関心のある各波長のそれぞれに関して対応する不連続の信号パワーを決定する。
【００７８】
ここで図１６を参照すると、ここに示されるのは、本発明に基づいた、フィルタスペクトルデコンボリューションおよび再形成に関する方法１６００のフローチャートである。方法１６００は、ブロック１６０２内のスペクトル信号のフィルタ出力を提供することと；ブロック１６０４の各ピークにおけるスペクトル信号の位置および強度を決定することと；ブロック１６０６内の入力光信号関数およびフィルタ関数のコンボリューションの積分としてフィルタ出力を特徴づけることと；フィルタ出力の変換を行い、ブロック１６０８内の２つの関数をデコンボリューションすることと；ＦＰフィルタ関数を除去し、ブロック１６１０内の望ましいガウスフィルタ関数を追加することを含む。
【００７９】
したがって本発明は、新規の、改良された、そして自明でない、ＦＰフィルタに基づく、デコンボリューションおよび再形成を用いてＯＳＮＲ計測に関するそのＯＲＲおよびＤＲを強化する、ＯＳＡを提供する。１実施形態において、新規かつ自明でない、デコンボリューションおよび再形成の使用は、ＦＰフィルタベースのＯＳＡのＤＲを、±２５．０ＧＨｚにおいて１５．０ｄＢを上回って強化した。本発明のデコンボリューションおよび再形成方法はしたがって、高いＤＲ  ＯＳＡ適用に関するＦＰフィルタの主要な困難を克服する。
【００８０】
ここに教示され開示されるように、ＦＰベースの光スペクトルアナライザは、優れたスペクトル分解能のみならず、ＤＷＤＭおよびその他の困難な適用についてのＯＳＮＲ計測に関する非常に高いＤＲをもまた提供することができる。さらなるＯＳＡ適用も、必要に応じて、同様に恩恵を受けることができ、本発明の開示に基づきここに明白である。その他のフィルタ関数（たとえばバターワースフィルタ）およびその他のデコンボリューションおよび再形成もまた、必要性および／もしくは手近な適用にしたがって、ここの教示および開示に基づいて、考えられる。
【００８１】
同様に、本発明の教示に基づき、本発明のデコンボリューションおよび再形成方法および装置がその他の信号および情報スペクトルにもまた適用されることができることは、当業者にとってここに明白である。たとえばこれは、赤外線、マイクロ波、テラヘルツ、およびその他のＲＦ信号および信号開発に適用されることができる。これはまた、たとえば医療用光スペクトル（たとえばヒト血液光透過スペクトル）に適用されることができる。
【００８２】
したがって、本発明のＦＰフィルタスペクトルデコンボリューションおよび再形成方法
および装置は、ＦＰフィルタベースの光信号アナライザのＤＲを強化し、またＦＰフィルタの透過プロファイルを再形成する、重要でこれまで知られておらず、利用できなかった解決法、能力、および機能的利点を提供する。結果として得られる処理および構成は直接的であり、経済的であり、複雑でなく、多用途であり、正確であり、高感度であり、効果的であり、また、即時の製造、提供、および使用に関して、既知の要素を適応することで実施されることができる。
【００８３】
本発明が特定の最良の実施形態とともに開示されたが、多くの代替、修正、および変動が、上記の説明を踏まえて、当業者にとって自明であろうことが理解されるべきである。したがって、添付の請求項の範囲に該当する、これらの代替、修正および変動のすべてを包含することが意図される。ここに説明された、もしくは添付の図面に示された、すべての事項は、説明のためのものであり、限定するものではないと解釈されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明による光スペクトルアナライザのブロック図である。
【図２】チューナブルファブリー・ペロー干渉計の概略図である。
【図３】図２のチューナブルファブリー・ペロー干渉計における光ビームおよび付随する電界を描写するベクトル図である。
【図４】ローレンツフィルタ透過プロファイルを示す。
【図５】ガウスフィルタ透過プロファイルを示す。
【図６】図４および５ののローレンツフィルタ曲線およびガウスフィルタ曲線の比較を示す。
【図７】ファブリー・ペロー光スペクトルアナライザを用いて計測された、均衡のとれたパワーを有する３つの隣接するＤＷＤＭチャネルから成る、透過前のスペクトルを示す。
【図８】本発明による高速フーリエ変換デコンボリューションおよび再形成処理後の図７のスペクトルを示す。
【図９】図７および８の未処理曲線および処理曲線との比較を示す。
【図１０】ファブリー・ペロー光スペクトルアナライザを用いて計測された、不均衡なパワーを有する３つの隣接するＤＷＤＭチャネルから成る、変換前のスペクトルを示す。
【図１１】本発明による高速フーリエ変換デコンボリューションおよび再形成処理後の図１０のスペクトルを示す。
【図１２】図１０および１１の未処理曲線および処理曲線の比較を示す。
【図１３】ファブリー・ペロー光スペクトルアナライザを用いて計測された、４０を上回る５０ＧＨｚ間隔の密度波長分割多重チャネルを含む、生の、未処理の光スペクトルを示す。
【図１４】本発明による高速フーリエ変換デコンボリューションおよび再形成処理後の図１３のスペクトルを示す。
【図１５】図１３および１４の未処理曲線および処理曲線の比較を示す。
【図１６】本発明によるファブリー・ペローフィルタスペクトルデコンボリューションおよび再形成の方法のフローチャートである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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