(57)【要約】【課題】ヘテロダイン信号の位相を正確に取り扱うことができる光スペクトル分析器の提供【解決手段】位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器１００は、第１の入力信号と第２の入力信号を受信し、該第１の入力信号と該第２の入力信号の混合に基づいて少なくとも第１の出力信号と第２の出力信号と第３の出力信号を生成する光受信器であって前記混合が行なわれる光受信器１１０と、前記第１の出力信号と前記第２の出力信号と前記第３の出力信号のヘテロダイン成分を分離する処理ユニットであって、前記ヘテロダイン成分が第１の信号と第２の信号を含み、前記位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器により前記第１の入力信号と前記第２の入力信号の間の前記ヘテロダイン成分の位相ダイバーシティが達成されるようにする処理ユニット１２０とを備える。【選択図】図１Ａ
2005003680.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器であって、
第１の入力信号と第２の入力信号を受信し、該第１の入力信号と該第２の入力信号の混合に基づいて少なくとも第１の出力信号と第２の出力信号と第３の出力信号を生成する光受信器で、前記混合が行なわれる前記光受信器と、
前記第１の出力信号と前記第２の出力信号と前記第３の出力信号のヘテロダイン成分を分離する処理ユニットで、前記ヘテロダイン成分が第１の信号と第２の信号を含み、前記位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器により前記第１の入力信号と前記第２の入力信号の間の前記ヘテロダイン成分の位相ダイバーシティが達成されるようにする処理ユニットとを備える、
ことを特徴とする分析器。
【請求項２】
前記光受信器が３入力３出力光カプラを備える、ことを特徴とする請求項１記載の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器。
【請求項３】
前記光受信器が４入力４出力光カプラを備える、ことを特徴とする請求項１記載の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器。
【請求項４】
前記ヘテロダイン成分を第１の直交信号と第２の直交信号へ変換するための変換ユニットを備え、これにより前記位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器によって前記第１の入力信号と前記第２の入力信号の間の前記位相ダイバースヘテロダイン成分が得られるようにする、ことを特徴とする請求項１記載の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器。
【請求項５】
前記第２の入力信号は光局部発振器信号である、ことを特徴とする請求項１記載の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器。
【請求項６】
前記第１の入力信号は第１の光入力信号であり、前記第２の入力信号は第２の光入力信号であり、前記第１の出力信号は第１の光出力信号であり、前記第２の出力信号は第２の光出力信号であり、前記第３の出力信号は第３の光出力信号である、ことを特徴とする請求項２記載の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器。
【請求項７】
前記光受信器は、前記第１の光出力信号を第１の電気出力信号へ、前記第２の光出力信号を第２の電気出力信号へ、前記第３の光出力信号を第３の電気出力信号へ変換する二乗検波器ユニットをさらに備える、ことを特徴とする請求項６記載の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器。
【請求項８】
前記二乗検波器ユニットが、
前記第１の光出力信号を前記第１の電気出力信号に変換する第１のフォトダイオードと、前記第２の光出力信号を前記第２の電気出力信号へ変換する第２のフォトダイオードと、前記第３の光出力信号を前記第３の電気出力信号へ変換する第３のフォトダイオードとを備える、ことを特徴とする請求項７記載の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器。
【請求項９】
前記第１の信号と前記第２の信号を濾波して周波数を分離する複素フィルタをさらに備える、ことを特徴とする請求項１記載の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器。
【請求項１０】
前記第１の直交信号と前記第２の直交信号を濾波して周波数を分離する複素フィルタをさらに備える、ことを特徴とする請求項４記載の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明に従う様々な実施形態は、光スペクトル分析分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
高分解能の光学分光計（コヒーレント光スペクトル分析器としても周知）は、未知信号のスペクトルの特徴の観察に用いられる。一部の高分解能の光学分光計には、非常に精密な計測値分解能を得るべくコヒーレント光スペクトル分析の原理に基づくヘテロダイン構造系が実装されている。このヘテロダイン構造系によれば、現在の高分解能の分光計は２入力２出力光カプラを用い、既知の周波数で発振するか或いは一定の周波数範囲に亙って掃引するよう意図的に設定された局部発振器が生成する局部発振信号を未知信号に合成する。カプラの二つの出力はフォトダイオード等の非線形検出器により検出し、得られた電気信号を一方から他方を減算して所望のヘテロダイン信号を生成する。このことから、未知信号のスペクトルの特徴を得ることができる。
【０００３】
一つの原理は高分解能の光学分光計を用い、波長の関数として未知信号のスペクトル振幅を抽出写像することにある。この種の計測を実行するため、局部発振器信号を異なる波長に亙って掃引し、その間に未知信号との混合に起因するヘテロダイン信号を取得する。残念なことに、現在の受信器構造系は２入力２出力光カプラに基づくものであり、ヘテロダイン信号の正確な位相を計測することが出来ない。ヘテロダイン信号の位相は走査と走査との間だけでなく走査期間中も変動するため、スペクトル計測値に振幅の不確定性が混入する。この振幅の不確定性は、低域通過フィルタを用いた中間周波（ＩＦ）受信器を用いたときに特に明白となる。さらに、ヘテロダイン信号の位相を観察出来ないことがまた、受信器を正負両方のヘテロダインビート周波数に等しく影響を及ぼす結果を招く。それ故、帯域通過受信器を使用することで位相の不安定さを低減するどんな試みも、装置の最高分解能を制限するスペクトル像の形成を招くことになる。
【０００４】
ヘテロダイン信号の位相計測に伴なう問題は、正弦波関数の基本的な位相の曖昧さに由来するものである。一般に、上記ヘテロダイン信号は式１に示す一般形式を有する。
【０００５】
【数１】
2005003680.tif 000003
【０００６】
ここで、Δｆは局部発振器と未知信号の間の周波数差を表わし、φ（ｔ）はヘテロダインビート信号の相対位相を表わす。Ｈ（ｔ）の単一の計測値ではＶ（ｔ）、すなわち所望のヘテロダイン振幅を解くことは出来ず、何故なら二つの未知数（Ｖ（ｔ）、φ（ｔ））が存在するからである。たとえＶ（ｔ）が既知か又は時間において定数であるにしても、逆余弦関数が単一値をとらないという単純な理由から（２πΔｆｔ＋φ（ｔ））の位相偏角を正確に算出することは不可能である。それ故、Ｈ（ｔ）の計測値から、相対位相φ（ｔ）或いは周波数差Δｆの正負の別を正確に知ることは不可能である。さらに、ヘテロダイン信号のＶ（ｔ）の振幅における変化が位相偏角の割り出しをより一層問題含みのものにしている。最終的に、二つの未知数Ｖ（ｔ）とφ（ｔ）の入手にはＨ（ｔ）の二つの独立した同時計測値が必要になる。
【０００７】
この問題は、ヘテロダイン信号Ｈ（ｔ）がスカラー量ではなくベクトルとして表現できる場合は解決することができる。Ｈ（ｔ）が式２に示す形をなす場合、
【０００８】
【数２】
2005003680.tif 000004
【０００９】
その場合は、位相偏角（２πΔｆｔ＋φ（ｔ））は式３に示す如く曖昧さなく算出することができる。
【００１０】
【数３】
2005003680.tif 000005
【００１１】
Ｈ（ｔ）の実数部と虚数部の計測値が、Ｈ（ｔ）の二元同時計測値を構成する。この位相計算の明確な性質は、Ｈ（ｔ）を複素平面内のベクトルとして描くことで容易に理解することができる。Ｈ（ｔ）のベクトル表現については、スカラーに対し三つの主要な利点が存在する。第１に、ヘテロダイン周波数Δｆの正負の別が完全に明瞭になる点である。第２に、相対位相φ（ｔ）を曖昧さなく割り出すことができる点である。最後に、位相計測値がここでヘテロダイン振幅Ｖ（ｔ）の変化から完全に切り離される点、裏を返せば計測値Ｖ（ｔ）がヘテロダイン信号の位相角度における変化に影響を受けなくなる点である。本願明細書では、ベクトルのヘテロダイン信号を生成し又はそれに作用するどんなシステムも、翻って直交ベースに分解することができ、「位相ダイバース」システムとして周知されよう。コヒーレント光スペクトル分析に関しては、位相ダイバース技法の使用がスペクトル像除去と改善振幅精度とに直接的に繋がるものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
位相ダイバーシティの問題は、コヒーレント光通信の分野で対処されてきた。コヒーレント通信システムにおける位相ダイバース受信器の使用が、隣接データチャンネルからの漏話効果の除去等の幾つかの進歩を可能にしてきた。しかしながら、位相ダイバース受信器技術は一方でコヒーレント通信に幾つかの応用を見出してきたものの、光スペクトル分析の分野に引き継がれたものは殆どなかったのである。光スペクトル分析は時間領域にではなく周波数領域での計測に焦点を当てるため、受信器要件はしばしば時間領域通信アプリケーション内のそれらとは非常に異なるものとなる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に従う様々な実施形態、すなわち位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器をここに説明する。本発明に従う一実施形態では、光学式位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器は出力信号の同相及び直交位相（例えば、実数及び虚数）ヘテロダイン成分を分離し、これにより位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器がヘテロダイン信号の位相ダイバーシティを達成できるようにしてある。本発明のもう一つの実施形態では、光信号のスペクトル分析用の方法が提供される。二つの光入力信号を受信し、入力信号の混合に基づいて少なくとも三つの位相ダイバース出力信号を生成する。出力信号の直交成分をこれらの位相ダイバースヘテロダイン出力信号から分離するが、ここでこの直交成分には９０度の関係にある二つの信号が含まれる。こうして、位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器は入力信号間のヘテロダイン混合の位相ダイバーシティを達成する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、光スペクトル分析器は、入力信号間のヘテロダイン混合の位相ダイバーシティを実現することができる。これにより、光スペクトル分析器は、ヘテロダイン信号の位相を正確に取り扱うことができる。また、本発明の他の効果は、以下の説明により明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本明細書に組み込まれかつその一部を形成する添付図面は本発明に従う実施形態を図解するものであり、説明と併せ本発明原理の説明に役立つものである。
【００１６】
ここで本発明に従う様々な実施形態を参照するが、添付図面に実例が図示してある。本発明は本発明に従う様々な実施形態と併せ説明するが、それらは本発明を本発明に従うこれらの実施形態に限定する意図のないことは理解されたい。これとは逆に、本発明は添付の特許請求の範囲に規定した本発明の趣旨ならびに範囲に含まれると思われる置換例や改変例や等価物を包含することを意図したものである。さらに、本発明の以下の詳細な説明中、本発明に従う様々な実施形態の完全な理解をもたらすよう様々な具体的な詳細が記載してある。しかしながら、本発明に従う実施形態はこれらの具体的な細部を用いることなく実施できることは当事者には明白となろう。他の例では、周知の方法や手順や構成要素や構造や装置は、本発明に従う実施形態の態様を不要に不明確にすることを避けるべく詳細に説明してはいない。
【００１７】
本発明に従う様々な実施形態は、位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器を提供するものである。３入力３出力光カプラを用いることで、位相ダイバーシティを達成して振幅読み取りの精度と確度が改善されるようする。さらに、位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器が適当な信号処理を規定し、これにより正負の周波数像を分離し、スペクトル分解能を改善することができるようにする。この種の信号処理に続き、位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器にはスペクトル振幅やチャープや波長の関数としての他の計測値を計算し表示することかその目的である計測ユニットを含めることができる。位相ダイバーシティの使用は、コヒーレント光スペクトル分析器内の振幅精度と分解能を改善し、チャープや周波数変調等の追加の計測を可能にし得る。
【００１８】
図１Ａは、本発明に従う一実施形態の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器１００を示す線図である。位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器１００は、局部発振器信号（ＬＯ）を生成して受信器ユニット１０５の入力端ＡへＬＯを供給する局部発振器１０２を備える。本発明に従う一実施形態では、局部発振器１０２は可調整外部キャビティレーザダイオード等のレーザ光源である。一実施形態では、ＬＯを連続的に掃引する。光信号路１０４が受信器ユニット１０５の入力端Ｂに結合してあって入力信号を入力端Ｂへ供給する。本発明に従う一実施形態では、入力信号は未知信号１０６である。本発明に従う一実施形態では、未知信号１０６は光回路網から出力される。一実施形態では、位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器１００はファイバをベースにしたものである。
【００１９】
図１Ｂを参照するに、受信器ユニット１０５が本発明に従う一実施形態として図示してある。受信器ユニット１０５は、光受信器１１０と処理ユニット１２０と変換ユニット１２５で構成してある。光受信器１１０は、二つの入力端Ａ，Ｂと少なくとも三つの出力端Ｋ、Ｌ、Ｍを備える。本発明の一実施形態では、光受信器１１０は三つの出力信号を生成する３入力３出力光カプラ（例えば、図２の光カプラ２１０）を備える。出力信号Ｋ、Ｌ、Ｍは、ＬＯと未知信号１０６とに基づいて生成される。本発明に従う実施形態が３入力３出力光カプラ以外の光カプラを用いて実装できることは理解されたい。本発明に従う一実施形態では、４入力４出力光カプラを用いる。本発明に従う別の実施形態では、一連の２入力２出力光カプラを用いて少なくとも三つの出力信号を生成する。アプリケーション目的に合わせ、３入力３出力光カプラで構成した本発明の実施形態を説明する。しかしながら、当業者には異なる光カプラ（例えば、４入力４出力光カプラ）を用いて本発明の実装の仕方が了解される筈であることは理解されたい。
【００２０】
図２は、本発明に従う実施形態の光受信器１１０を示す線図である。光受信器１１０は、３入力３出力光カプラ２１０と検出ユニット２２０で構成してある。３入力３出力光カプラ２１０は二つの光入力端Ａ、Ｂと三つの光出力端Ｄ、Ｅ、Ｆを備える。例示目的に入力端Ｃは非接続とし、どんな信号も受信しない状態に図示してある。二つの光入力端だけが存在し、入力端Ｃが不要であることは理解されたい。本発明に従う一実施形態では、３入力３出力光カプラ２１０は入力端Ａにおいて局部発振信号ＬＯを、また入力端Ｂにおいて信号路１０４からの光入力信号を受信する。本発明に従う一実施形態では、光入力信号は未知信号１０６である。一実施形態では、３×３光カプラ２１０は光ファイバカプラである。
【００２１】
本発明に従う一実施形態では、３入力３出力光カプラ２１０は各出力に対し１／３の分割比を有する平衡光カプラである。３入力３出力光カプラ２１０は、入力端Ａ，Ｂにて受信した光信号を合成し、合算した光信号を光出力端Ｄ、Ｅ、Ｆを介して出力する。より詳しくは、光受信器１１０の各入力端Ａ、Ｂに提示されるＬＯ及び未知信号１０６の各一部が各光出力端Ｄ、Ｅ、Ｆへ分配されることになる。分配された信号部分は、３入力３出力光カプラ２１０の分割比に依存しよう。本発明に従う一実施形態では、光カプラ２１０は未知信号１０６とＬＯを合成したものを等しく１／３ずつ光出力端Ｄ、Ｅ、Ｆへ供給する。しかしながら、３入力３出力光カプラ２１０にはこれに限定はしないが例えば２５／２５／５０の分割比等の異なる分割比をもたせることもできることは理解されたい。
【００２２】
検出器ユニット２２０には、光リード線２１５ａを介して３入力３出力光カプラ２１０の光出力端Ｄに結合した検出器２２５ａ及び増幅器２２８ａと、光リード線２１５ｂを介して３入力３出力光カプラ２１０の光出力端Ｅに結合した検出器２２５ｂ及び増幅器２２８ｂと、光リード線２１５ｃを介して３入力３出力光カプラ２１０の光出力端Ｆに結合した検出器２２５ｃ及び増幅器２２８ｃが備わっている。検出器２２５ａは、ＬＯの電力（ＰＬＯ）と未知信号１０６の電力（Ｐｕｎｋｎｏｗｎ）の和に比例する信号と、出力端Ｄにおける光信号に応答する電気混合（すなわち、ヘテロダインビート）信号Ｓ１を生成する。検出器２２５ｂは出力端Ｅにおける光信号に応答して電気混合信号Ｓ２と類似の信号を生成し、検出器２２５ｃは出力Ｆにおける光信号に応答して電気混合信号Ｓ３と類似の信号を生成する。より詳しくは、検出器２２５ａ〜２２５ｃはそれぞれ出力端Ｄ、Ｅ、Ｆにおける光信号の強度に応答する。本発明に従う一実施形態では、検出器２２５ａ〜２２５ｃは二乗検波応答を呈するフォトダイオードである。しかしながら、任意の非線形検出装置を使用できることは言うまでもない。フォトダイオードによりＬＯ信号と未知信号を混合し、ヘテロダインビート（例えば、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を生ずる。
【００２３】
図２を参照するに、３入力３出力光カプラ２１０が合算した光信号出力に応答して検出器２２５ａ〜２２５ｃが生成した電気混合信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３が同じ強度特性を有するも、位相が１２０度異なる点は理解されたい。図４Ａは、本発明に従う一実施形態のヘテロダインビート周波数の相対位相角度を示すグラフ４００である。グラフ４００とＳ１、Ｓ２、Ｓ３に示す如く、検出器２２５ａ〜２２５ｃにおける混合時に生成されるヘテロダイン項は位相が１２０度異なる。
【００２４】
再び図１Ｂを参照するに、位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器１００もまた雑音部分（例えば、ＰｕｎｋｎｏｗｎとＰＬＯ）を廃棄し出力信号Ｓ４、Ｓ５を出力する処理ユニット１２０を備える。処理ユニット１２０はまた、Ｋ、Ｌ、Ｍの応答／伝達特性内のどんな不均衡或いは雑音も補償することができる。特定の状況で雑音部分は十分に小さく、処理ユニット１２０は雑音部分に対し責任を負うことは要求されず、Ｋ、Ｌ、Ｍのうちの任意の二つとして出力信号Ｓ４、Ｓ５を出力する。変換ユニット１２５は、Ｓ４とＳ５を互いに位相が９０度異なる二つの直交信号へ変換する。
【００２５】
図３は、本発明に従う実施形態の処理ユニット１２０と変換ユニット１２５を示す線図である。処理ユニット１２０は、合算回路（summing circuit）３１０、３１５を備える。本発明に従う別の実施形態では、雑音の減算はＫ、Ｌ、Ｍにて実行され、ここでＬは共通モードチャンネルとして用いられる。どの信号Ｋ、Ｌ、Ｍも、共通モードチャンネルとして使用できることは理解されたい。検出器２２５ａ〜２２５ｃにて検出される光電流は、未知信号１０６（未知信号光）とＬＯ（ＬＯ光）の混合或いは干渉による貢献だけでなく、光受信器１１０を通過する光強度による電力貢献もまた含む。
【００２６】
雑音部分（例えば、ＰｕｎｋｎｏｗｎとＰＬＯ）が小さい一実施形態では、処理ユニット１２０には雑音の減算が不要であることは理解されたい。本実施形態では、Ｋ＝Ｓ１、Ｌ＝Ｓ２、Ｍ＝Ｓ３である。三つの出力のうち二つだけが連続する信号処理には不可欠である。
【００２７】
合算回路３１０では、ＬをＫから減算し、式４に従い混合項Ｓ４＝Ｓ１−Ｓ２を分離する。
【００２８】
【数４】
2005003680.tif 000006
【００２９】
ここで、ＰＬＯはＬＯの電力を表わし、Ｐｕｎｋｎｏｗｎは未知信号１０６の電力を表わし、Δｆは局部発振器周波数ＬＯと未知信号１０６の間の差分を表わし、ｔは時間を表わし、φはＬＯと未知周波数の間の相対位相を表わす。
【００３０】
同様に、合算回路３１５では、ＬからＭを減算し、式５に従い混合項Ｓ５＝Ｓ２−Ｓ３を分離する。
【００３１】
【数５】
2005003680.tif 000007
【００３２】
ここで、ＰＬＯはＬＯの電力を表わし、Ｐｕｎｋｎｏｗｎは未知信号１０６の電力を表わし、Δｆは局部発振器周波数ＬＯと未知信号１０６の間の周波数差を表わし、ｔは時間を表わし、φは位相を表わす。
【００３３】
信号Ｓ４、Ｓ５は、そこからヘテロダイン信号の振幅と位相を割り出すことのできる電気信号である。式４、５から判るように、Ｓ４とＳ５は１２０度位相が異なり、位相ダイバースしたものとなる。振幅と位相に関する正確な計算を得るため、Ｓ４とＳ５を９０度異なる直交信号（例えば、直交ベースに分解）へ変換することは好都合である。雑音部分が小さいために雑音の減算が不要である一実施形態では、Ｓ４＝Ｋであり、Ｓ５＝Ｌである。Ｓ４とＳ５をＫとＬとＭを任意の組み合わせにできることは、理解されたい。
【００３４】
本発明の一実施形態では、処理ユニット１２０は光受信器１１０に結合した電子回路網とし実装してある。本発明に従う別の実施形態では、処理ユニット１２０は信号Ｋ、Ｌ、Ｍを表わす信号を受信して信号Ｓ４、Ｓ５を生成することでヘテロダイン信号を分離するコンピュータ読み取り可能な媒体内に常駐するコンピュータコードとして実装される。処理ユニット１２０を非理想的カプラ及び／又は光検出器に対し責任を負うべく仕立てることができる。例えば、３入力３列カプラの損失が各信号路ごとに異なる場合は、処理ユニット１２０は減算の均衡を図るべく利得要素を含めることができる。また、例えば検出器ユニット２２０内の光検出器が異なる周波数応答を有する場合、処理ユニット１２０は減算を実行する前にチャンネルの応答を等化させるフィルタを含ませることができる。
【００３５】
Ｓ４とＳ５は、図３の変換ユニット１２５にて受信する。変換ユニット１２５は、様々な出力端間に１２０度の位相関係を有する理想的な３入力３列カプラから信号Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３を導出するという前提で動作する。このことは、カプラ内のエネルギ保存の結果である。変換ユニット１２５が非理想的なカプラに対し責任を負うよう仕立てることができることは理解されたい。例えば、３入力３列カプラの位相関係が厳密に１２０度でない場合、その差分に対し責任を負うよう３の平方根を若干変更することができる。
【００３６】
変換ユニット１２５は、１２０度異なる信号Ｓ４、Ｓ５を位相が９０度異なる直交信号Ｉ、Ｑへ変換するよう動作する。具体的には、変換回路１２５は信号Ｓ４、Ｓ５を受信する。直交信号Ｉは、式６に示す如く、減算器３２０においてＳ４からＳ５を減算することで割り出される。
【００３７】
【数６】
2005003680.tif 000008
【００３８】
式４、５からの項Ｓ４、Ｓ５をそれぞれ代入することで、式７に従って直交信号Ｉは割り出される。
【００３９】
【数７】
2005003680.tif 000009
【００４０】
直交信号Ｑは、式８に示した如く、加算器３２５においてＳ４とＳ５を加算し、乗算器３３０においてこの和に式８に示す如く√３を乗算することで割り出される。
【００４１】
【数８】
2005003680.tif 000010
【００４２】
式４、５からの項Ｓ４、Ｓ５をそれぞれ代入することで、式９に従って直交信号Ｑは割り出される。
【００４３】
【数９】
2005003680.tif 000011
【００４４】
本発明に従う一実施形態では、変換ユニット１２５は処理ユニット１２０に結合した電子回路として実装する。本発明に従う別の実施形態では、変換ユニットは入力信号Ｓ４、Ｓ５を直交値へ変換するコンピュータ可読媒体内に常駐するコンピュータコードとして実装される。
【００４５】
変換ユニット１２５が本発明に従う特定の実施形態に必要でないことは理解されたい。例えば、３入力３出力光カプラではなく４入力４出力光カプラを用いる場合は、ヘテロダイン項は９０度の倍数だけ互いに食い違うことになる。かくの如く、変換ユニット１２５の機能は処理ユニット１２０にて遂行される。
【００４６】
図４Ｂは、本発明に従う一実施形態の直交信号Ｉ、Ｑの相対位相を示すグラフ４５０である。グラフ４５０に示す如く、ＩとＱ、すなわち位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器１００が生成する直交信号は位相が９０度異なる。Ｉ、Ｑは位相ダイバースしているため、位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器１００の振幅精度は改善される。さらに、適切な信号処理が正負の周波数像の分離を可能にし、それによってスペクトル分解能を改善する。
【００４７】
再び図１Ａを参照するに、位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器１００はさらに、直交信号Ｉ、Ｑからなる複素信号を生成する複素信号生成ユニット１４０を備える。複素信号Ｓは、式１０に示す如く直交信号Ｉ、Ｑからなるものとして規定することができる。
【００４８】
【数１０】
2005003680.tif 000012
【００４９】
複素信号Ｓは、構成により決定された振幅（Amplitude）と位相φを有する。この振幅は未知信号電力（Ｐｕｎｋｎｏｗｎ）に比例しており、位相φの独立した値のその正確な計測を可能にする。これは、コヒーレント光スペクトル分析器内に位相ダイバース受信器を使用することの利点の一つである。さらに、複素信号Ｓは複素フィルタ１５０により濾波し、必要とされる負及び／又は正の周波数を分離する。本発明に従う一実施形態では、複素フィルタ１５０はｅ±ｉ２πｆｔに基づく或る適当な窓付き複素インパルス応答（windowed complex impulse response）に従って構成し、負及び／又は正の周波数を分離する。ここで、ｆは所望の濾波中心周波数である。同相成分と直交成分を受信器ユニット１０５により濾波する場合、生成する負と正の像は複素フィルタ１５０とは個別に分離することができる。このことがスペクトル分解能を改善し、チャープや周波数変調（ＦＭ）計測を可能にする等の他の利点を有することができる。
【００５０】
スペクトル分析は通常、信号の特定特性分析用の狭帯域光受信器の使用に依存する。対照的に、コヒーレント通信はコヒーレント通信に必要なチャンネルの特定に広帯域動作を必要とする。それ故、コヒーレント通信に用いる位相ダイバース受信器はデータチャンネルの時間領域応答に関連しており、信号のスペクトル領域に直接関連することはない。特に、コヒーレント通信に用いる位相ダイバース受信器の広帯域動作要件は通常はスペクトル分析に用いる狭帯域動作には適用出来ないものである。狭帯域受信器用の性能要件は、広帯域通信システムに関する要件とは異なる。
【００５１】
図５は、本発明に従う一実施形態の光信号分析方法を例示するフローチャートである。本発明に従う一実施形態では、方法５００は位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器（例えば、図１Ａの位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器１００）にて実行される。方法５００に特定のブロックを開示したが、この種のブロックは例示的なものである。すなわち、本発明の実施形態は様々な他のブロック或いは図５に引用したブロックの変形例の実行によく適合するものである。
【００５２】
方法５００のブロック５１０において、第１の光入力信号を受信する。本発明に従う一実施形態では、第１の光入力信号は局部発振信号ＬＯ（例えば、図１Ａの局部発振器信号ＬＯ）である。本発明の一実施形態では、可調整外部キャビティレーザダイオード等のレーザ光源から局部発振器信号ＬＯを受信する。
【００５３】
ブロック５２０において、第２の光入力信号を受信する。本発明に従う一実施形態では、第２の光入力信号は未知信号（例えば、図１Ａの未知信号１０６）である。本発明に従う一実施形態では、未知信号１０６は光回路網からの光出力信号である。
【００５４】
ブロック５３０において、第１の光入力信号と第２の光入力信号に基づいて少なくとも第１の出力信号と第２の出力信号と第３の出力信号を生成する。光カプラの特性に応じて任意数の出力信号を生成できることは、理解されてしかるべきである。本発明に従う一実施形態では、光カプラは３入力３出力光カプラである。本発明に従う別の実施形態では、光カプラは出力信号が９０度の倍数だけ位相が異なる４入力４出力光カプラである。
【００５５】
ブロック５４０において、第１の出力信号と第２の出力信号と第３の出力信号からヘテロダイン信号を分離する。本発明に従う一実施形態では、非ヘテロダイン信号は第１の出力信号から第２の出力信号を減算するとともに第２の出力信号から第３の出力信号を減算することで取り除かれる。ヘテロダイン信号が位相ダイバースしていることは、理解されたい。出力信号が殆ど雑音をもたない別の実施形態では、三つの出力のうち二つを用いてヘテロダイン信号を分離することができる。一実施形態では、振幅と位相を簡単に割り出すべく、ヘテロダイン信号は直交ベースで分解することができる。
【００５６】
ブロック５５０では、ヘテロダイン信号は第１の直交信号と第２の直交信号を構成することで直交ベースへ変換される。第１の直交信号と第２の直交信号は９０度位相が異なり、これにより元々のヘテロダインビートの位相ダイバーシティは位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器により直交ベースへ分解される。本発明に従う様々な実施形態ではステップ５５０が必要なかろうことは、理解されたい。例えば、光カプラが４入力４出力光カプラである場合は、ブロック５４０において割り出したヘテロダイン信号は位相が９０度変化し、それらの直交ベースをもたらすであろう。
【００５７】
ブロック５６０において、第１の直交信号と第２の直交信号に基づいてヘテロダイン信号の振幅と位相を割り出す。ブロック５６０が随意選択的であることは、理解されたい。
【００５８】
ブロック５７０において、複素フィルタを用いて第１の直交信号と第２の直交信号を濾波し、（例えば、帯域濾波構造系に）必要になる負及び／又は正の周波数を分離する。一実施形態では、複素フィルタ１５０がｅ±ｉ２πｆｔに従って濾波し、負及び／又は正の周波数を分離する。
【００５９】
本発明に従う様々な実施形態、すなわち位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器が提供される。３入力３出力光カプラを実装することで位相ダイバースが達成され、それによって振幅読み取りの精度と確度が改善される。さらにまた、正及び負の周波数像は適切な信号処理、すなわちスペクトル分解能を改善することで分離することができる。さらに、３入力３出力光カプラの実装が光受信器の設計により大きな柔軟性をもたらす。
【００６０】
本発明に従う様々な実施形態、すなわち位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器を斯く説明してきた。本発明を本発明に従う特定の実施形態にて説明してきたが、本発明はこの種の本発明に従う実施形態により限定されるものとして解釈してはならず、特許請求の範囲に従って解釈しなければならない。念のため、以下に、本発明の実施態様を例示列挙する。
【００６１】
（実施態様１）
位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器（１００）であって、
第１の入力信号と第２の入力信号を受信し、該第１の入力信号と該第２の入力信号の混合に基づいて少なくとも第１の出力信号と第２の出力信号と第３の出力信号を生成する光受信器（１１０）で、前記混合が行なわれる前記光受信器と、
前記第１の出力信号と前記第２の出力信号と前記第３の出力信号のヘテロダイン成分を分離する処理ユニット（１２０）で、前記ヘテロダイン成分が第１の信号と第２の信号を含み、前記位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器により前記第１の入力信号と前記第２の入力信号の間の前記ヘテロダイン成分の位相ダイバースが達成されるようにする処理ユニットとを備える、
ことを特徴とする分析器。
【００６２】
（実施態様２）
前記光受信器（１１０）が３入力３出力光カプラ（２１０）を備える、ことを特徴とする実施態様１記載の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器（１００）。
【００６３】
（実施態様３）
前記光受信器（１１０）が４入力４出力光カプラを備える、ことを特徴とする実施態様１記載の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器（１００）。
【００６４】
（実施態様４）
前記ヘテロダイン成分を第１の直交信号と第２の直交信号へ変換するための変換ユニット（１２５）を備え、これにより前記位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器（１００）によって前記第１の入力信号と前記第２の入力信号の間の前記位相ダイバースヘテロダイン成分が得られるようにする、ことを特徴とする実施態様１記載の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器（１００）。
【００６５】
（実施態様５）
前記第２の入力信号は光局部発振器信号である、ことを特徴とする実施態様１記載の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器（１００）。
【００６６】
（実施態様６）
前記第１の入力信号は第１の光入力信号であり、前記第２の入力信号は第２の光入力信号であり、前記第１の出力信号は第１の光出力信号であり、前記第２の出力信号は第２の光出力信号であり、前記第３の出力信号は第３の光出力信号である、ことを特徴とする実施態様２記載の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器（１００）。
【００６７】
（実施態様７）
前記光受信器（１１０）は、前記第１の光出力信号を第１の電気出力信号へ、前記第２の光出力信号を第２の電気出力信号へ、前記第３の光出力信号を第３の電気出力信号へ変換する二乗検波器ユニット（２２０）をさらに備える、ことを特徴とする実施態様６記載の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器（１００）。
【００６８】
（実施態様８）
前記二乗検波器ユニット（２２０）が、
前記第１の出力信号を前記第１の光電気出力信号に変換する第１のフォトダイオード（２２５ａ）と、前記第２の光出力信号を前記第２の電気出力信号へ変換する第２のフォトダイオード（２２５ｂ）と、前記第３の光出力を前記第３の電気出力信号へ変換する第３のフォトダイオード（２２５ｃ）とを備える、ことを特徴とする実施態様７記載の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器（１００）。
【００６９】
（実施態様９）
前記第１の信号と前記第２の信号を濾波して周波数を分離する複素フィルタ（１５０）をさらに備える、ことを特徴とする実施態様１記載の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器（１００）。
【００７０】
（実施態様１０）
前記第１の直交信号と前記第２の直交信号を濾波して周波数を分離する複素フィルタ（１５０）をさらに備える、ことを特徴とする実施態様４記載の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器（１００）。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１Ａ】本発明に従う一実施形態の位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器を示す線図である。
【図１Ｂ】本発明に従う一実施形態の受信器ユニットを示す線図である。
【図２】本発明に従う一実施形態の３入力３出力光カプラから成る光受信器を示す線図である。
【図３】本発明の一実施形態に従う処理ユニットと変換ユニットを示す線図である。
【図４Ａ】本発明の一実施形態に従うヘテロダイン項の相対位相を示すグラフである。
【図４Ｂ】図４Ｂは本発明に従う一実施形態の直交信号の相対位相を示すグラフである。
【図５】本発明に従う一実施形態の光信号分析方法を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７２】
１００  位相ダイバースコヒーレント光スペクトル分析器
１０２  局部発振器
１０４  光信号路
１０５  受信器ユニット
１０６  未知信号
１１０  光受信器
１２０  処理ユニット
１２５  変換ユニット
１４０  複素信号生成ユニット
１５０  複素フィルタ
２１０  光カプラ
２１５ａ、２１５ｂ、２１５ｃ  光リード線
２２０  検出ユニット
２２５ａ、２２５ｂ、２２５ｃ  検出器
２２８ａ、２２８ｂ、２２８ｃ  増幅器
３１０、３１５  合算回路
３２０  減算器
３２５  加算器
３３０  乗算器
４００、４５０  グラフ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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