(57)【要約】【課題】複雑な演算を必要としない光信号のスペクトル位相を計測する光分析手法を提供する。【解決手段】本発明による光信号の光学特性を計測する光アナライザ及び方法は、ヘテロダインアーキテクチャを利用し、周期的に変調された入力光信号のスペクトル振幅及び位相を計測する。このスペクトル振幅及び位相の計測値は、ヘテロダイン信号から導出され、このヘテロダイン信号は、入力光信号と局部発振器信号を合成及び混合することによって生成される。このヘテロダイン信号から再構築された光学スペクトルには、入力光信号の位相情報を含む「内部」スペクトルピークが含まれている。この内部スペクトルピークは、光学的又は電気的な混合技法によって生成可能である。この再構築された光学スペクトルの内部スペクトルピークから、入力光信号のスペクトル位相は回復される。【選択図】図１
2005037387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光信号の光学特性を分析する方法であって、
周波数が異なる入力スペクトルピークを備える入力光信号を受信するステップと、
中央スペクトルピークおよび側部スペクトルピークを備える局部光信号を供給するステップと
前記入力光信号と前記局部光信号を合成及び混合し、前記入力光信号の前記入力スペクトルピークの合成を含む出力スペクトルピークを構築するステップと、
を有する方法。
【請求項２】
前記出力スペクトルピークを使用し、前記入力光信号の前記入力スペクトルピーク間におけるスペクトル位相差を導出するステップを更に有する、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記局部光信号を供給するステップが、前記出力スペクトルピークの振幅が変化するように、局部発振器信号の位相変調に使用される電気的変調信号の位相をシフトさせるステップを有する、請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記局部光信号を供給するステップが、局部発振器信号の位相変調に使用される電気信号の位相を変調するステップを有する、請求項１又は２記載の方法。
【請求項５】
前記位相差を導出するステップが、前記出力スペクトルピークと、基準周波数を有する基準信号とを比較し、前記入力光信号の前記入力スペクトルピークの前記スペクトル位相差を計測するステップを有する、請求項２記載の方法。
【請求項６】
光アナライザシステムであって、
周波数の異なる入力スペクトルピークを有する入力光信号を受信する入力と、
中央スペクトルピークおよび側部スペクトルピークを有する局部光信号を生成するべく構成された光信号生成器と、
前記入力光信号と前記局部光信号を合成するべく構成された光カプラと、
前記入力光信号と前記局部光信号を受信して混合し、前記入力光信号の前記入力スペクトルピークの合成を含む出力スペクトルピークを構築するべく構成された光レシーバと、
を有するシステム。
【請求項７】
前記光レシーバに動作可能に接続され、前記出力スペクトルピークを使用し、前記入力光信号の前記入力スペクトルピーク間におけるスペクトル位相差を導出するべく構成された処理ユニットを更に有する、請求項６記載のシステム。
【請求項８】
前記光信号生成器が、変調コントローラおよび位相変調器を備え、該変調コントローラは、前記出力スペクトルピークの振幅が変化するように、該位相変調器に印加される電気変調信号の位相をシフトさせ、局部発振器信号を位相変調して前記局部光信号を供給するべく構成されている、請求項６又は７記載のシステム。
【請求項９】
前記光信号生成器が、変調コントローラおよび位相変調器を備え、該変調コントローラは、該位相変調器に印加される電気信号の位相を変調し、局部発振器信号を位相変調して前記局部光信号を供給するべく構成されている、請求項６又は７記載のシステム。
【請求項１０】
前記処理ユニットが、前記出力スペクトルピークと、基準周波数を有する基準信号とを比較し、前記入力光信号の前記入力スペクトルピークの前記スペクトル位相差を計測するべく、位相感知検出器を備えている、請求項７記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光アナライザに関し、更に詳しくは、入力光信号のスペクトル振幅及び位相を計測する光アナライザ及びその方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光信号のスペクトル振幅及び位相の計測値は、多くの場合、時間領域における信号の特徴を示すために望ましいものである。これらのスペクトル計測値により、光信号の時変光学特性をフーリエ変換によって調査することができる。時変光学特性の一例は、変調されたレーザーのチャープ（chirp）、即ち、意図的に誘起された強度変調に伴うレーザー光周波数の変動である。又、スペクトル位相の計測値は、光ファイバ又はその他の光学材料若しくはコンポーネントの分散特性に関する調査に使用することも可能である。従来、光信号の振幅及び位相を計測するべく、様々な光アナライザが開発されている。
【０００３】
光信号の位相を計測する光アナライザの中には、光学フィルタリング（optical filtering）を必要とするものが存在しており、この場合には、通常、光学格子（optical grating）を使用することが必要である。このような光アナライザの問題点は、光学格子の分解能が本質的に制限されており、格子のサイズに直接的に依存していることである。又、光学格子は、一般的に高価であって、光アナライザのコスト上昇要因となる。
【０００４】
光信号の位相を計測するその他の光アナライザにおいては、光場の多次元自己相関または相互相関演算などの複雑な信号処理演算が必要である。これらの光アナライザの問題点は、複雑な演算を実行し位相を計測するために高性能なプロセッサが必要とされることである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のような問題点に鑑み、光学フィルタリングまたは、多次元自己相関若しくは相互相関演算などの複雑な演算を必要としない光信号のスペクトル位相を計測する光アナライザ及び方法に対するニーズが存在している。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
光信号の光学特性を計測する光アナライザ及び方法は、ヘテロダイン（heterodyne）アーキテクチャを利用し、周期的に変調された分布帰還型（Distributed Feedback、DFB）レーザーからの光信号などの周期的に変調された入力光信号のスペクトル振幅及び位相を計測する。このスペクトル振幅及び位相の計測値は、ヘテロダイン信号から導出され、このヘテロダイン信号は、入力光信号と局部発振器（Local Oscillator、LO）信号を合成及び混合することによって生成される。このヘテロダイン信号から再構築された光学スペクトルには、入力光信号の位相情報を含む「内部」スペクトルピーク（”inner” spectral peak）が含まれている。この内部スペクトルピークは、光学的又は電気的な混合技法によって生成可能である。この再構築された光学スペクトルの内部スペクトルピークから、入力光信号のスペクトル位相は回復される。
【０００７】
本発明による光アナライザ及びその方法によれば、スペクトル振幅及びスペクトル位相が計測される。スペクトル位相は、内部スペクトルピークを使用することにより、入力光信号の隣接するスペクトルピーク間におけるスペクトル位相差から判定される。これらの計測値により、時間領域において、フーリエ変換によって光信号を再構築することができる。又、このスペクトル位相の直接計測により、光学材料又はコンポーネントの分散特性の調査も可能となる。スペクトル位相差は、高価な光学フィルタリングや、多次元自己相関や相互相関演算などの複雑な演算を使用することなしに導出される。
【０００８】
本発明のその他の態様については、一例として本発明の原理を図示する添付図面との関連で、以下の詳細な説明を参照することにより、明らかとなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照すれば、本発明の実施例によるヘテロダイン光学スペクトルアナライザ（Heterodyne Optical Spectrum Analyzer、HOSA）システム１００が示されている。このＨＯＳＡシステム１００は、周期的に変調された分布帰還型（ＤＦＢ）レーザーやその他の周期的に変調された光信号などの入力光信号のスペクトル振幅及び位相を、ヘテロダインアーキテクチャを使用して計測するべく動作する。そして、この計測したスペクトル振幅及び位相により、ＨＯＳＡシステム１００は、フーリエ変換によって、振幅変調、位相変調、及びチャープなどの入力光信号の時変光学特性を算出することができる。ＨＯＳＡシステム１００は、光学的なヘテロダインアーキテクチャを使用しているため、従来のシステムのいくつかにおいて必要とされている高価な光学フィルタや、光場の多次元自己相関や相互相関演算などの複雑な演算が不要である。
【００１０】
ＨＯＳＡシステム１００は、周波数が異なる２つの光信号のうなり（beat）には、それら２つの光信号の位相差に関する情報が含まれている、という事実を利用するものである。周波数の異なる２つの音波がそれら２つの音波の周波数の差に等しい周波数で脈動する（すなわち、うなりを生ずる）ことは広く知られている。一例として、３０Ｈｚと３４Ｈｚの２つの音波の場合には、４Ｈｚのうなり周波数が生成される。このうなりの位相には、これら２つの音波間の位相差に関する情報が含まれている。このうなり現象は、光信号においても同様に発生するものであり、従って、光周波数の異なる２つの光信号のうなりには、それら２つの光信号の位相情報が含まれている。又、この位相情報は、光信号を掃引局部発振器（swept local oscillator）信号と合成及び混合することによって生成可能なヘテロダイン信号内にも保存されている。従って、ヘテロダイン信号のうなりの中に含まれているこの位相情報を抽出し、光信号の位相差を計測することが可能である。ＨＯＳＡシステム１００は、この事実を使用し、以下に詳述するように、入力光信号を位相変調されたＬＯ信号と合成及び混合することによって生成されるヘテロダイン信号を分析することにより、周期的に変調された入力光信号のスペクトルピーク間における位相差を計測する。
【００１１】
図１に示されているように、ＨＯＳＡシステム１００には、入力１０２、変調されたＬＯ（modulated LO）１０４、光カプラ（optical coupler）１０６、光レシーバ１０８、及び処理ユニット１１０が含まれている。分析対象の周期的に変調された入力光信号を入力１０２において受信する。この入力光信号は、所定の周波数ｆｓを使用して変調されたＤＦＢレーザーなどの光学装置から出射されたものであってよく、従って、そのスペクトルは、ｆｓだけ離れた複数のスペクトルピークを有している。或いは、この代わりに、入力光信号は、周期的に変調された光信号を搬送する光ファイバから出射されたものであってもよい。この変調周波数ｆｓは、入力信号から回復可能である。従って、このスペクトルピーク間の距離に等しい変調周波数ｆｓが既知であるものと仮定されている。図２には、この入力光信号の模範的な光学振幅スペクトル２００が示されている。この入力光信号の光学振幅スペクトル２００には、変調周波数に等しい周波数間隔ｆｓだけ離れたピーク２０２が含まれている。図１において、入力１０２は、この受信した入力光信号を光カプラに伝送するべく、光学経路１１２を介して光カプラ１０６に接続されている。
【００１２】
この光カプラ１０６には、変調ＬＯ１０４も光学経路１１４を介して接続されている。変調ＬＯ１０４によって生成される変調ＬＯ信号は、変調によって生成された少なくとも１つの側波帯（sideband）ピークを有している。図１に示されているように、この変調ＬＯ１０４には、無変調（unmodulated）ＬＯ源１１６、光変調器１１８、及び変調コントローラ１２０が含まれている。無変調ＬＯ源１１６は、本明細書においては、掃引ＬＯ源（swept LO source）であるものとして説明している。しかしながら、このＬＯ源１１６は、生成されるＬＯ信号の周波数を変更可能な別のタイプのＬＯ源であってもよい。同様に、光変調器１１８も、本明細書においては、位相変調器であるものとして説明している。しかしながら、光変調器１１８も、強度変調器（intensity modulator）であってよい。ＬＯ源１１６は、掃引ＬＯ信号を生成し、この信号が、例えば、光変調器１１８によって周波数ｆｍで位相変調される。光変調器１１８は、変調コントローラ１２０によって制御されており、このコントローラは、周波数がｆｍの電気的な位相変調信号を供給する。周波数ｆｍは、通常、入力光信号の光学スペクトルピーク間の距離（これはｆｓに等しい）に関連するものである。一例として、この周波数ｆｍは、入力光信号の光学スペクトルピーク間の周波数の距離ｆｓの半分、或いは周波数の離隔幅ｆｓの半分の整数倍である。周波数ｆｓの電気信号は、外部源から変調コントローラ１２０に供給可能である。一例として、光学変調器１１８は、Ｔｉ：ＬｉＮｂＯ３（Ti-indiffused LiNbO3）位相変調器であってよい。図３には、位相変調されたＬＯ信号の模範的な光学振幅スペクトル３００が示されている。この位相変調ＬＯ信号の光学振幅スペクトル３００には、搬送波周波数における中央ピーク３０２と、ｆｍの倍数だけ搬送波から分かれた複数の側波帯ピーク３０４が含まれている。尚、ＬＯ信号の変調深度（後述する式（１）に定義されているもの）が小さく、この結果、中央ピーク３０２と、最も近い側波帯ピーク３０４が、その他の（更に高次の）側波帯ピーク（図示されてはいない）よりも格段に大きくなっていることが好ましい。
【００１３】
図１を再度参照すれば、光カプラ１０６は、出力光学経路１２２を介して更に光レシーバ１０８に接続されている。従って、光学経路１１２及び１１４上の入力光信号及び位相変調ＬＯ信号は、それぞれ、光カプラ１０６において合成され、出力光学経路１２２上を光レシーバ１０８に伝送される。次いで、この合成光信号は、光レシーバ１０８によって検出されるが、このレシーバは、二乗検波器（square-law detector）であってよい。この二乗検波により、合成光信号が混合され、合成信号の周波数差に等しい高周波（radio frequency、ＲＦ：無線周波）レンジ内の周波数を有するヘテロダイン信号が生成される。複数の側波帯ピークを有する変調されたＬＯを使用する場合には、複数のヘテロダイン信号が存在することになる。デュアルヘテロダイン信号は、ＡＭ復調することによって入力光信号のスペクトル位相回復のための信号が得られるうなりを生成する。又、光レシーバ１０８は、検出した光信号の電気信号（即ち、電流又は電圧）への変換をも実行し、この信号が処理ユニット１１０によって処理され、時間領域における振幅や位相などの周期的に変調された入力光信号の所望の光学特性が計測される。尚、この処理ユニット１１０のコンポーネントは、以下においては、ハードウェアコンポーネントであるものとして図示及び説明しているが、処理ユニット１１０のコンポーネントは、ハードウェア、ソフトウェア、及びファームウェアのどのような組み合わせによっても実装することができる。
【００１４】
続いて、周期的に変調された入力信号の位相をヘテロダイン信号から計測する問題について、数学的な観点から説明する。ＬＯ源１１６からの光波の電界は、位相変調器１１８によって周波数ｆｍで正弦波変調される。光変調器１１８に印加される電気的な変調信号の位相Ψは、例えば、可変遅延ラインを使用し、変調コントローラ１２０によって制御されている。位相変調されたＬＯ信号は、次の式によって記述される。
【００１５】
【数１】
2005037387.tif 000003
【００１６】
ここで、ａ０は、電界の振幅であり、ｖ０は、ＬＯ信号の光周波数であって、通常、掃引周波数（即ち、ｖ０＝ｖ０（ｔ））であり、φ０は、位相雑音をも表す位相の項であり（即ち、ψ０＝ψ０（ｔ））、αは、変調深度であり、ｆｍは、位相変調の周波数である。ＬＯ信号の正弦波変調により、複数のスペクトルピークが生成されるが、それらの振幅及び周波数は、次の級数展開から判定することができる。
【００１７】
【数２】
2005037387.tif 000004
【００１８】
ここで、Ｊｎ（α）は、ベッセル関数である。
【００１９】
数学的な分析を簡便にするべく、図２に示されているような多数のピークを含む周期的に変調された入力信号のスペクトル全体ではなく、図４に示されているように、２つのピーク４０２及び４０４のみを有する被検スペクトル（spectrum under test）４００について考察することとする。このスペクトル４００の２つのピーク４０２及び４０４は、それぞれ、光周波数ｖ１及びｖ２、振幅ａ１及びａ２、及び位相φ１及びφ２を有している。そして、スペクトルピーク４０２及び４０４は、いずれもφｎによって表される同一の位相雑音を有するものと仮定する。この結果、光入力信号の電界は、次のように記述される。
【００２０】
【数３】
2005037387.tif 000005
【００２１】
目標とするところは、位相差Δψ＝ψ２−ψ１を計測し、２つのピーク４０２及び４０４間における相対的な位相を判定することである。
【００２２】
周期的に変調された入力信号と位相変調されたＬＯ信号を合成した光波は、次のように、和として表すことができる。
【００２３】
ｅ（ｔ）＝ｅ０（ｔ）＋ｅｓ（ｔ）      （４）
【００２４】
尚、この式（４）においては、説明をわかりやすいものにするべく、光カプラ１０６の結合係数及び位相シフトを省略している。光レシーバ１０８における強度（intensity）ｉは、ｅ・ｅ＊に等しく、従って、次のように表すことができる。
【００２５】
【数４】
2005037387.tif 000006
【００２６】
この式（５）において興味深い項は、最後の２つの「混合（mixing）」の項であり、これらは、周期的に変調された入力信号と位相変調されたＬＯ信号の混合から導出される項である。続いて、この「混合」項の意味について説明する。
【００２７】
図５Ａ、図５Ｂ、及び図５Ｃは、ヘテロダイン信号及び関連する光学スペクトルを生成するための周期的に変調された入力信号と位相変調されたＬＯ信号の合成及び混合について示している。まず、図５Ａには、入力光信号のオリジナルのスペクトル４００と位相変調ＬＯ信号のオリジナルのスペクトル３００が示されている。尚、位相変調ＬＯ信号（これは、通常、掃引ＬＯ信号である）は、搬送波ピーク３０２と、２つの最も近い側波帯ピーク３０４のみを有するものと仮定されている。これらの位相変調されたＬＯ信号のそれぞれのピークは、図５Ｂに示されているように、ＲＦにおいて、オリジナルの入力スペクトルのその独自のイメージを生成する。そして、図５Ｂのこのスペクトルが、図５Ｃに示されている再構築されたＲＦスペクトル５００に合成される。この再構築されたスペクトル５００には、ピーク５０２及び５０４が含まれており、これらは、それぞれ、入力光信号のオリジナルのピーク４０２及び４０４に対応している。又、ピーク５０２及び５０４の両側には、ＬＯ側波帯ピークによって生成される更なるスペクトルピークも存在している。そして、次式が成立する場合には、ピーク５０２及び５０４の中間に、略オーバーラップする（或いは、完全にオーバーラップする）２つのピーク５０６が存在している。
【００２８】
【数５】
2005037387.tif 000007
【００２９】
これらのピーク５０６は、ＬＯ側波帯ピーク３０４と入力信号のオリジナルのピーク４０２及び４０４によって形成されている。この略オーバーラップする（或いは、完全にオーバーラップする）２つのピーク５０６により、単一の観測可能なスペクトルピークが生成されることになるが、本明細書においては、これを「内部ピーク」と呼ぶことにする。従って、この内部ピークは、入力信号のオリジナルのピーク４０２及び４０４の合成である。この内部ピークは、うなり（振幅変調されたヘテロダイン信号）を生成するデュアルヘテロダイン信号によって生成される。このうなりの位相は、位相差ψ２−ψ１に関連している。従って、この内部ピークには、入力信号のオリジナルのピーク４０２及び４０４の位相差ψ２−ψ１が含まれている。
【００３０】
式（５）の混合の項を級数に展開することにより、この再構築されたスペクトル５００のピーク５０６に関する分析を数学的に表すことができる。次の級数展開を使用し、混合の項を展開することができる。
【００３１】
【数６】
2005037387.tif 000008
【００３２】
再構築されたスペクトル５００のピーク５０６は、その周波数及びそのＪ１（α）に対する依存性によって識別される。
【００３３】
【数７】
2005037387.tif 000009
【００３４】
ここで、ｐは、内部ピークの振幅を表している。ｖ０＝（ｖ１＋ｖ２）／２（入力信号の計測されたピーク４０２及び４０４の中間におけるＬＯ周波数）とｆｍ＝（ｖ２−ｖ１）／２（入力信号の計測されたピーク間における周波数差の半分に等しい変調周波数、即ち、ｆｍ＝ｆｓ／２）を選定することにより、両方のピーク５０６がＤＣに混合される。この選択は、必ずしも必要なものではないが、この結果、式（８）の数学的形態が次のように単純化される。
【００３５】
【数８】
2005037387.tif 000010
【００３６】
ここで、ｂ＝ｐ／（２ａ０Ｊ１（α））は、正規化された内部ピークの振幅である。この式（９）は、図６に示されているように、三角形の単純な三角法の問題を表している。
【００３７】
内部ピークの振幅は、図６に示されているように、振幅ａ１及びａ２を有するフェーザー（phasor）の加算によって算出することができる。三角形の等式から、次の式を導出することができる。
【００３８】
【数９】
2005037387.tif 000011
【００３９】
この式（１０）に、位相雑音の項φｎとφ０が存在していないことに留意することは重要である。この式（１０）における解明対象の項は、Δψであり、これは、スペクトル４００を有する入力光信号の２つのピーク４０２及び４０４間における位相差である（即ち、Δψ＝ψ２−ψ１）。
【００４０】
フーリエ変換の遅延特性によれば、次のとおりである。
【００４１】
【数１０】
2005037387.tif 000012
【００４２】
入力光信号は、時間領域において周期性を有しているため、遅延ｔ０と、対応する時間シフトｅｊωｔ０は重要ではない。この結果、式（１０）を解明する方法が単純化される。Δψを解明する代わりに、Δψ＋Ψｒについて式（１０）を解明可能であり、ここで、Ψｒは、計測された内部ピークのすべてについて同一の定数である。この結果、角度Δψ＋Ψｒが、検出対象の新しいΔψとなる。
【００４３】
本発明の第１実施例においては、ＬＯ変調信号の離散位相シフト±ΔΨを使用して式（１０）を解明する。この実施例においては、ＬＯ信号は、ｆｍ＝ｆｓ／２となるように位相変調されている。まず、内部ピークのサイズを、任意の基準位相Ψ＝Ψｒ、次いで、２つのその他の位相Ψ＋，−＝Ψｒ±ΔΨにおいて計測する。従って、位相差Δψを算出するべく、３回の計測を実行する。この位相シフト±ΔΨは、後述するように、変調コントローラ１２０によって導入される。Ψｒの実際の値は重要ではないため（フーリエ変換の遅延特性）、Ψｒ＝０と仮定する。式（１０）から、次の式が得られる。
【００４４】
【数１１】
2005037387.tif 000013
【００４５】
式（１１ａ）及び式（１１ｃ）から式（１１ｂ）を減算し、多少の三角法の単純化を実行することにより、ｔａｎΔψの解は、次のようになる。
【００４６】
【数１２】
2005037387.tif 000014
【００４７】
式（１２）の項ｔａｎΔΨは、ΔΨ＝π／４を選定することにより、１に等しくなる。
【００４８】
式（１０）におけるΔψを解明する位相シフト技法は、グラフィカルには、図７に示されているように、フェーザー
【数１３】
2005037387.tif 000015
によってトレースされる円からポイントを選択するもの（例：ポイント７０２、７０４、及び７０６）として示すことができる。ｂ＋、ｂ−、及びｂｒの計測値を使用し、位相差Δψを式（１２）を使用して解明することができる。
【００４９】
次に図８Ａ及び図８Ｂを参照すれば、本発明の第１実施例によるＨＯＳＡシステムの変調コントローラ１２０と処理ユニット１１０のコンポーネントが示されている。前述並びに図１に図示されているように、変調コントローラ１２０は、変調信号を供給するべく、位相変調器１１８に接続されており、この結果、ＬＯ源１１６からのＬＯスペクトルに側波帯ピークが追加される。図８Ａに示されているように、変調コントローラ１２０は、変調信号生成器８０２と調節可能な遅延器（adjustable delay）８０４を含んでいる。変調信号生成器８０２は、周波数がｆｓに等しい変調信号を供給する。周波数ｆｓの信号は、外部源から変調信号生成器８０２に供給可能である。調節可能な遅延器８０４は、必要な位相シフト±ΔΨを提供する。次いで、この変調信号は、位相変調器１１８に伝送され、ＬＯ源１１６からのＬＯ信号を変調する。そして、変調されたＬＯ信号は、光カプラ１０６において入力光信号と合成される。
【００５０】
図８Ｂに示されているように、処理ユニット１０８には、事前処理部８０６が含まれており、これは、前置増幅器８０８、パワースペクトル生成器８１０、及びメモリ８１２を有している。前置増幅器８０８は、光レシーバによって生成された光変換電流の電気信号を受信するべく、光レシーバ１０８に接続されており、この電気信号は、入力光信号と位相変調されたＬＯ信号を混合することによって生成されたヘテロダイン信号を表すものである。前置増幅器８０８は、この光レシーバ１０８からの電気信号を増幅するべく機能する。次いで、この増幅された電気信号がパワースペクトル生成器８１０によって二乗されてパワースペクトルが生成されるが、このスペクトルは、入力光信号のオリジナルのピークに対応するスペクトルピーク、並びに追加の内部スペクトルピークを有する入力光信号の再構築された光スペクトルである。このパワースペクトルは、入力光信号のスペクトル振幅及びスペクトル位相を算出するための後続の処理のために、メモリ８１２内に保存される。異なる位相シフトを使用して実行する計測の回数に応じて（この実施例においては、３回である）、対応する数のパワースペクトルが生成され保存される。
【００５１】
処理ユニット１１０は、ピーク識別器８１４、振幅計算器８１６、及び位相計算器８１８を更に含んでいる。それぞれのパワースペクトルごとに、ピーク識別器８１４は、オリジナルのスペクトルピークと内部スペクトルピークを含むパワースペクトルのピークを判定する。そして、入力光信号のオリジナルのスペクトルピークに対応するピークを使用し、振幅計算器８１６により、入力信号のスペクトル振幅を算出する。尚、スペクトル振幅を算出するには複数の計測値は不要であるため、保存されているパワースペクトルの中の１つの個々のピークのみを使用すればよい。或いは、この代わりに、複数のパワースペクトルを使用し、振幅の平均計測値を取得することも可能である。３つのパワースペクトルの対応する内部ピークを使用し、位相計算器８１８により、式（１２）を使用して位相差Δψを算出する。そして、スペクトル位相は、連続した位相差を加算することにより（即ち、ψｉ＝ΣΔψｉ）、位相差から算出する。次いで、これら算出された入力光信号のスペクトル振幅及び位相をフーリエ変換を使用して更に処理し、時間領域における振幅及び位相を算出することができる。又、入力光信号のチャープは、時間領域における位相の微分係数から取得することができる。
【００５２】
本発明の第２の実施例においては、内部ピークの振動動作の位相を電気周波数ｆｒ＝δｆを有する基準信号の位相と比較することにより、位相差Δψを計測している。次に、この位相差の計測について、図式的に説明する。まず、図５Ｃにおけるピーク５０６は、同一周波数ではなく、δｆに等しいピーク間の周波数差が存在するものと仮定する。これは、位相変調周波数が、ｆｓ／２に等しくなく、ｆｓ／２＋δｆ／２、又はｆｓ／２−δｆ／２に等しいことを意味している。この場合には、図６の概念を使用し、フェーザー
【数１４】
2005037387.tif 000016
は、図９Ａに示されているように、フェーザー
【数１５】
2005037387.tif 000017
を中心に回転することになる。従って、この結果生成される内部ピークの振幅（これは、ｂに比例している）は、図９Ｂに示されているように、周波数δｆで振動することになる。この場合に、このｂ（ｔ）の振動動作は、次の式によって定義することができる。
【００５３】
【数１６】
2005037387.tif 000018
【００５４】
ここでＡ及びＢは定数である。この式（１３）の振動するｂ（ｔ）２の位相は、基準信号ｒ（ｔ）＝Ｃｃｏｓ（２πδｆｔ）の位相との比較において、位相差Δψの尺度となる。
【００５５】
次に図１０Ａ及び図１０Ｂを参照すれば、本発明の第２実施例によるＨＯＳＡシステム１００の変調コントローラ１２０及び処理ユニット１１０のコンポーネントが示されている。この実施例においては、変調コントローラ１２０は、図１０Ａに示されているように、変調信号生成器１００２のみを含んでおり、調節可能な遅延器は含まれていない。変調信号生成器１００２は、周波数ｆｓ／２からδｆ／２だけずれた（即ち、ｆｍ＝ｆｓ／２＋δｆ／２又はｆｍ＝ｆｓ／２−δｆ／２の）変調信号を供給する。周波数ｆｓを有する電気信号は、外部源から変調信号生成器１００２に供給可能である。この変調信号が位相変調器１１８に伝送され、ＬＯ源１１６からのＬＯ信号を変調する。そして、変調されたＬＯが、光カプラ１０６において入力光信号と合成される。
【００５６】
図１０Ｂに示されているように、処理ユニット１１０は、前置増幅器１００４、ＡＭ復調器１００６、及び位相感知検出器１００８を含んでいる。前置増幅器１００４は、光レシーバ１０８によって生成された電気信号（即ち、入力光信号の再構築された光学スペクトルを生成するのに使用可能なヘテロダイン信号）を増幅する。次いで、この増幅された電気信号が、ＡＭ復調器１００６によって復調される。このＡＭ復調器１００６は、入力光信号のスペクトルピークの振幅を回復する。次いで、この復調された信号が位相感知検出器１００８に伝送され、ここで、内部スペクトルピークの２つのヘテロダイン信号間のうなり（それらの振幅変調）を含むこの復調された信号が、ｆｒ＝δｆの周波数を有する基準信号と比較され、隣接する側波帯ピークのすべてのペアにおける入力光信号のスペクトル位相差が回復される。基準周波数ｆｒは、２つの周波数を混合することにより、ｆｍ及びｆｓから生成可能である。次いで、計測されたスペクトル振幅及びスペクトル位相をフーリエ変換によって更に処理し、時間領域における入力光信号の振幅及び位相を算出することができる。又、入力光信号のチャープは、時間領域おける算出された位相の微分係数から取得可能である。
【００５７】
図１１には、別の第２実施例によるＨＯＳＡシステム１１００が示されている。このＨＯＳＡシステム１１００では、図９Ａ及び図９Ｂの回転フェーザーの概念を使用して入力光信号のスペクトル振幅及び位相を導出している。しかしながら、ＨＯＳＡシステム１１００は、光学的な混合技法ではなく電気的な混合技法を使用するべく構成されており、この結果、変調されていないＬＯ信号を使用することができる。従って、このＨＯＳＡシステム１１００には、位相変調器１１８及び変調コントローラ１２０が含まれていない。この代替実施例においては、光レシーバ１０８の帯域幅は、ｆｓよりも広くなければならない。
【００５８】
図１１に示されているように、ＨＯＳＡシステム１１００には、処理ユニット１１０２が含まれており、これは、前置増幅器１１０４、混合器（mixer）１１０６、ＡＭ復調器１１０８、位相感知検出器１１１０、及び振幅計算器１１１２を有している。前置増幅器１１０４は、光レシーバ１０８によって生成された電気信号（即ち、ヘテロダイン信号）を増幅する。この増幅された電気信号は、混合器１１０６において、周波数ｆｄ（これは、ｆｓ／２−δｆ又はｆｓ／２＋δｆに等しい）を有する電気信号と混合される。図１２Ａ及び図１２Ｂに示されているように、この結果、ＬＯ信号１２０６が光入力信号のピークの略中間に位置している場合には、入力信号の隣接するスペクトルピーク１２０２及び１２０４が同時に観測される。図１２Ａは、光入力信号の隣接する光学スペクトルピーク１２０２及び１２０４の中間に位置する光ＬＯ信号１２０６を示している。この光ＬＯ信号１２０６は、隣接する光学スペクトルピーク１２０２及び１２０４のそれぞれと合成され、オリジナルの隣接するスペクトルピークに対応するＲＦの電気的スペクトルピーク１２０８及び１２１０を生成する（図１２Ｂに示されている）。図１２Ｂは、周波数δｆで振幅変調されたデュアルヘテロダイン信号を生成するべく電気的に混合されるＲＦスペクトルピーク１２０８及び１２１０と周波数±ｆｄを有する電気信号１２１２を示している。このデュアルヘテロダイン信号により、入力光信号のオリジナルのスペクトルの隣接するスペクトルピークを合成する望ましい「内部」スペクトルピークが形成される。
【００５９】
このデュアルヘテロダイン信号のＡＭの位相には、位相差に関する情報が含まれている。又、このデュアルヘテロダイン信号は、入力光信号のオリジナルのスペクトルピークに関連するスペクトルピークを再構築するためにも使用される。即ち、それぞれの再構築されたピークは、オリジナルのスペクトルの２つの隣接するピークの合成である。従って、それぞれの再構築されたスペクトルピークは、隣接するオリジナルのスペクトルピークの位相差情報と、隣接するオリジナルのピークのパワー（即ち、式（１０）のｂｉ２＝ａｉ２＋ａｉ＋１２の平均）を含む内部ピークである。換言すれば、式（１０）によって記述されるｂｉの振動動作は位相差情報を提供し、その平均振幅を使用してオリジナルの振幅ａｉ（オリジナルのスペクトル振幅）を取得することができる。次いで、この混合された電気信号は、ＡＭ復調器１１０８によって復調される。このＡＭ復調器１１０８は、内部スペクトルピークの振幅を回復し、この内部スペクトル振幅を使用し、振幅計算器１１１２により、式ｂｉ２＝ａｉ２＋ａｉ＋１２から入力光信号のオリジナルのスペクトルピークの振幅を取得する（振幅計算器１１１２は、実際には、内部スペクトルピークから光入力信号のオリジナルのスペクトルピークを再構築する）。又、復調された信号は、位相感知検出器１１１０にも伝送され、ここで、この復調された信号は、周波数ｆｒ＝ｆｓ−２ｆｄ＝δｆを有する基準信号と比較され、入力信号のスペクトル位相が回復される。周波数ｆｒを有する基準信号は、２つの周波数を混合することにより、ｆｓ及び２ｆｄから構築可能である。次いで、この計測されたスペクトル振幅及びスペクトル位相をフーリエ変換によって更に処理し、時間領域における入力光信号の振幅及び位相を算出することができる。又、入力光信号のチャープは、時間領域における算出された位相の微分係数から取得可能である。
【００６０】
本発明の第３実施例においては、光変調器１１８に印加された電気的変調信号による位相変調によって発生する内部ピークの振動動作を監視することにより、位相差Δψを計測している。次に、この第３実施例による位相シフトの計測について説明する。まず、図１の変調コントローラ１２０が、位相の項Ψ（ｔ）＝δΨｃｏｓ（ωΨｔ＋Θ）によって位相変調された電気的周波数ｆｓを有する信号を供給するものと仮定する（ここで、ωΨ＝２πｆΨである）。この場合には、図６の概念を使用し、フェーザー
【００６１】
【数１７】
2005037387.tif 000019
は、フェーザー
【数１８】
2005037387.tif 000020
及び
【数１９】
2005037387.tif 000021
間の角度が、図１３Ａに示されているように、継続的に正弦波の形態で変化するように、前後に移動することになる。この結果、フェーザー
【数２０】
2005037387.tif 000022
の振幅は、図１３Ｂに示されているように、次の関数に従って周期的に変化することになる。
【００６２】
ｂ（ｔ）２＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（Δψ＋δΨｃｏｓ（ωΨｔ＋Θ））      （１４）
【００６３】
ここで、Ａ及びＢは定数である。従って、ｂ（ｔ）には、電気的な位相変調周波数ｆΨの高調波（harmonic）が含まれている。関数（１４）の適切な級数展開により、次の式が与えられる。
【００６４】
【数２１】
2005037387.tif 000023
【００６５】
奇数及び偶数高調波の相対的な振幅は、それぞれ、ｓｉｎ（Δψ）及びｃｏｓ（Δψ）に比例している。従って、１つの奇数高調波及び１つの偶数高調波を計測することにより、位相差Δψを検出することができる。例えば、位相差Δψは、次の式に従い、第１高調波の振幅ｈ１＝２ＢＪ１（δΨ）ｓｉｎ（Δψ）と第２高調波の振幅ｈ２＝２ＢＪ２（δΨ）ｃｏｓ（Δψ）を使用することによって算出することができる。
【００６６】
【数２２】
2005037387.tif 000024
【００６７】
次に、図１４Ａ及び図１４Ｂを参照すれば、本発明の第３実施例によるＨＯＳＡシステム１００の変調コントローラ１２０及び処理ユニット１１０のコンポーネントが示されている。この実施例においては、変調コントローラ１２０には、図１４Ａに示されているように、変調信号生成器１４０２と電気的周波数変調器１４０４が含まれている。変調信号生成器１４０２は、電気的周波数ｆｓを有する変調信号を供給する。電気的周波数ｆｓは、外部源から供給可能である。次いで、この電気的周波数ｆｓを有する変調信号は、電気的周波数変調器１４０４により、電気的周波数ｆΨで位相変調され、光変調器１１８に供給される。
【００６８】
図１４Ｂに示されているように、処理ユニット１１０は、前置増幅器１４０６、ＡＭ復調器１４０８、パワー変換器１４１０、位相感知検出器１４１２及び１４１４、並びにプロセッサ１４１６を含んでいる。前置増幅器１４０６は、光レシーバ１０８によって生成される電気信号（即ち、入力光信号の再構築された光学スペクトルを生成するのに使用可能なヘテロダイン信号）を増幅する。次いで、この増幅された電気信号は、ＡＭ復調器１４０８によって復調される。このＡＭ復調器１４０８は、入力光信号のスペクトルピークの振幅を回復する。次いで、復調された信号は、パワー変換器１４１０によって二乗され、位相感知検出器１４１２及び１４１４に伝送される。これらの位相感知検出器１４１２及び１４１４においては、電気的な位相変調周波数ｆΨの奇数高調波及び偶数高調波の振幅が計測される。一例として、位相感知検出器１４１２は、ｆΨの電気周波数を有する基準信号を使用して第１高調波の振幅ｈ１を計測するべく構成可能であり、位相感知検出器１４１４は、２ｆΨの電気的周波数を有する別の基準信号を使用して第２高調波の振幅ｈ２を計測するべく構成される。これらの計測された振幅は、プロセッサ１４１６に伝送され、ここで、式（１６）を使用して位相差Δψが算出され、光入力信号のスペクトル位相が判定される。次いで、この回復されたスペクトル振幅及びスペクトル位相差をフーリエ変換によって更に処理し、時間領域における入力光信号の振幅及び位相を算出することができる。又、入力光信号のチャープは、時間領域における算出された位相の微分係数から取得可能である。
【００６９】
図１５のフローチャートを参照し、本発明の実施例による時間領域における振幅や位相などの光信号の光学特性を分析する方法について説明する。まず、ブロック１５０２において、入力光信号を受信する。この入力光信号は、周期的に変調された信号である。従って、この入力光信号には、固定された周波数間隔で分かれた周波数を有するピークが含まれている。ブロック１５０４において、中央ピークと側波帯ピークを有する変調されたＬＯ信号を供給する。次いで、ブロック１５０６において、これらの入力光信号及び変調されたＬＯ信号を合成する。そして、ブロック１５０８において、この合成信号を混合し、入力光信号のスペクトルピークの合成であるスペクトルピークを構築する。次に、ブロック１５１０において、この構築したスペクトルピークを使用し、入力光信号のスペクトルピーク間におけるスペクトル位相差を導出する。
【００７０】
次に、図１６のフローチャートを参照し、本発明の別の実施例による時間領域おける振幅や位相などの光信号の光学特性を分析するための方法について説明する。まず、ブロック１６０２において、入力光信号を受信する。この入力光信号は、周期的に変調された信号である。従って、入力光信号には、固定された周波数間隔で分かれた周波数を有するピークが含まれている。ブロック１６０４において、変調されていないＬＯ信号を供給する。次いで、ブロック１６０６において、これらの入力光信号及びＬＯ信号を合成する。そして、ブロック１６０８において、この合成信号を混合し、ヘテロダイン信号を生成する。次いで、１６１０において、ヘテロダイン信号を電気信号と電気的に混合し、入力光信号のスペクトルピークの合成であるスペクトルピークを有する混合された電気信号を生成する。そして、ブロック１６１２において、この混合された電気信号を基準信号と比較し、入力光信号のスペクトルピーク間におけるスペクトル位相差を計測する。
【００７１】
以上、本発明の特定の実施例について説明及び図示したが、本発明は、これらの説明及び図示された特定の形態や部品の構成に限定されるものではない。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその等価物によって定義されているとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の実施例によるヘテロダイン光学スペクトルアナライザ（ＨＯＳＡ）システムの図である。
【図２】周期的に変調された入力光信号の模範的な光学振幅スペクトルである。
【図３】位相変調された局部発振器（ＬＯ）信号の模範的な光学振幅スペクトルである。
【図４】周期的に変調された入力光信号の単純化されたスペクトルである。
【図５Ａ】内部ピークを有するヘテロダイン信号を生成するための入力光信号と位相変調ＬＯ信号の混合について示している。
【図５Ｂ】内部ピークを有するヘテロダイン信号を生成するための入力光信号と位相変調ＬＯ信号の混合について示している。
【図５Ｃ】内部ピークを有するヘテロダイン信号を生成するための入力光信号と位相変調ＬＯ信号の混合について示している。
【図６】ヘテロダイン信号の内部ピークを使用して入力光信号のピーク間における位相差を解明するための三角形の概念を示している。
【図７】本発明の第１実施例に従って図６の概念を使用して位相差を計測する技法を示している。
【図８Ａ】本発明の第１実施例による図１のＨＯＳＡシステムに含まれている変調コントローラのコンポーネントを示している。
【図８Ｂ】本発明の第１実施例による図１のＨＯＳＡシステムに含まれている処理ユニットのコンポーネントを示している。
【図９Ａ】本発明の第２実施例に従って図６の概念を使用して位相差を計測する技法を示している。
【図９Ｂ】本発明の第２実施例に従って図６の概念を使用して位相差を計測する技法を示している。
【図１０Ａ】本発明の第２実施例による変調コントローラのコンポーネントを示している。
【図１０Ｂ】本発明の第２実施例による処理ユニットのコンポーネントを示している。
【図１１】本発明の別の第２実施例によるＨＯＳＡシステムの図である。
【図１２Ａ】本発明の別の第２実施例に従って電気的混合技法を使用する際の入力スペクトルピークの合成について示している。
【図１２Ｂ】本発明の別の第２実施例に従って電気的混合技法を使用する際の入力スペクトルピークの合成について示している。
【図１３Ａ】本発明の第３実施例に従って図６の概念を使用して位相差を計測する技法を示している。
【図１３Ｂ】本発明の第３実施例に従って図６の概念を使用して位相差を計測する技法を示している。
【図１４Ａ】本発明の第３実施例による変調コントローラのコンポーネントを示している。
【図１４Ｂ】本発明の第３実施例による処理ユニットのコンポーネントを示している。
【図１５】本発明の実施例に従って光信号の光学特性を計測する方法のプロセスフローチャートである。
【図１６】本発明の別の実施例に従って光信号の光学特性を計測する方法のプロセスフローチャートである。
【符号の説明】
【００７３】
１０２  入力
１０４  光信号生成器
１０６  光カプラ
１０８  光レシーバ
１１０  処理ユニット
１１８  位相変調器
１２０  変調コントローラ
１００８  位相感知検出器
【図１】
2005037387.tif 000025
【図２】
2005037387.tif 000026
【図３】
2005037387.tif 000027
【図４】
2005037387.tif 000028
【図５Ａ】
2005037387.tif 000029
【図５Ｂ】
2005037387.tif 000030
【図５Ｃ】
2005037387.tif 000031
【図６】
2005037387.tif 000032
【図７】
2005037387.tif 000033
【図８Ａ】
2005037387.tif 000034
【図８Ｂ】
2005037387.tif 000035
【図９Ａ】
2005037387.tif 000036
【図９Ｂ】
2005037387.tif 000037
【図１０Ａ】
2005037387.tif 000038
【図１０Ｂ】
2005037387.tif 000039
【図１１】
2005037387.tif 000040
【図１２Ａ】
2005037387.tif 000041
【図１２Ｂ】
2005037387.tif 000042
【図１３Ａ】
2005037387.tif 000043
【図１３Ｂ】
2005037387.tif 000044
【図１４Ａ】
2005037387.tif 000045
【図１４Ｂ】
2005037387.tif 000046
【図１５】
2005037387.tif 000047
【図１６】
2005037387.tif 000048