(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を２つ以上に分岐し、分岐した光の少なくとも一方に電気信号を印加することにより位相変調を行い、その後、該分岐した光を合成することにより強度変調された光信号を発生する光変調器に対し、
該光信号のスペクトル分布を測定し、該測定されたスペクトル分布に係る測定値から該光変調器の強度変調に係る特性値である光変調器の半波長電圧値を算出することを特徴とする光変調器の特性測定方法。
【請求項２】
入射光を２つ以上に分岐し、分岐した光の少なくとも一方に電気信号を印加することにより位相変調を行い、その後、該分岐した光を合成することにより強度変調された光信号を発生する光変調器に対し、
該光信号のスペクトル分布を測定し、該測定されたスペクトル分布に係る測定値から該光変調器の強度変調に係る特性値である光変調器のチャープパラメータ値を算出することを特徴とする光変調器の特性測定方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光変調器の特性測定方法において、
該電気信号がバイアス電圧と変調信号とからなり、
該測定値は、該バイアス電圧の可変調整により、入射光と同じスペクトル成分における出射光の光強度が最大となる場合の該スペクトル成分の出射光の光強度値Ｐ０ｂ、入射光と同じスペクトル成分における出射光の光強度が最小となる場合の変調周波数に係る成分の出射光の光強度値Ｐ１ｃ、及び該変調信号を印加しない場合の出射光の光強度値Ｐ０ａであり、
該光変調器の強度変調に係る特性値の算出に際し、該光強度値Ｐ０ａにより該光強度値Ｐ０ｂと該光強度値Ｐ１ｃとを規格化した値を用いることを特徴とする光変調器の特性測定方法。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器の特性測定方法を用いたことを特徴とする光変調器の特性測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光計測に用いられるマッハ・ツェンダー干渉型光変調器（以下、ＭＺ型光変調器をいう）のような、入射光を２つ以上に分岐し、分岐された光の少なくとも一方に電気信号を印加することにより位相変調を行い、その後、該分岐された光を合成することにより強度変調された光信号を発生する光変調器の特性を測定する方法及び装置に関し、特に、高周波変調時における該光変調器の半波長電圧値やチャープパラメータ値などの特性を測定する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の音声、データ等の通信需要の増大により、大容量データを高速に通信することを可能とする光通信システムへの要請が高くなっている。
このような大容量・高速な通信システムには、データ生成のための高速変調動作が可能なＭＺ型光変調器が用いられている。
【０００３】
ＭＺ型光変調器の基本的な動作を説明する。
ＭＺ型光変調器は、図１に示すように、ＬｉＮｂＯ３などのような電気光学効果を有する基板１０上に、光波を導波するための光導波路２０と、前記光波にマイクロ波帯域の高速変調信号を印加するための電極（不図示）などによって構成される。ＭＺ型光変調器の動作原理は、光導波路２０の一端から入力された光が、途中で分岐されると共に信号源３０から印加された電気信号の電圧の大きさに依存して屈折率が変化した基板中を通過するため相互の光に速度差を生じ、分岐した光が合流した際には、相互に位相のずれが発生し、合成された光出力は、該電気信号に応じた強度変化を示す。
【０００４】
図２は、ＭＺ型光変調器に印加される信号源３０の入力電圧に対する光出力強度の変化を示すグラフである。図２中のａ点は、ＭＺ型光変調器を通過する光が最大限となる「Ｏｎ動作」状態であり、ｂ点は通過光が最小限となる「Ｏｆｆ動作」状態を示し、「Ｏｎ動作」と「Ｏｆｆ動作」との間のスイッチング動作に要する電圧（ａ点とｂ点との間の入力電圧値の大きさ）を半波長電圧（Ｖπ）と呼び、光変調器の特性を評価する重要なパラメータの１つである。
【０００５】
半波長電圧を測定する方法としては、図３のように「電気入力波形」として示した波形の電圧を、図１の信号源３０よりＭＺ型光変調器に印加し、ＭＺ型光変調器からの出力光の光強度波形を、サンプリングオシロスコープなどで直接観察する。サンプリングオシロスコープで観察される出力光の光強度波形は、図３の「光変調器出力の観察波形」として示されている。
そして、図３のような観察波形の振幅値が最大となる状態における、光変調器への印加電圧、つまり、図３の「電気入力波形」の入力振幅値を測定することにより、ＭＺ型光変調器の半波長電圧を測定していた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
半波長電圧値などの光変調器の特性は、同じ光変調器であっても光変調器に印加される電気信号の周波数に応じて変化する。しかも、近年の光通信の高速・大容量化に伴い、光変調器の駆動周波数も高周波化し、１０ＧＨｚやそれ以上の周波数においても正確な半波長電圧値などの特性を測定することが要求されている。
しかしながら、サンプリングオシロスコープなどのような波形を直接観察する測定器具を用いた場合、印加電圧の周波数が高くなると、受光系の周波数特性の問題により正確な波形を観察するのが困難となる。しかも、光変調器を駆動する信号発生器やアンプの出力不足、高調波による波形の歪みなどの影響により、正確な半波長電圧値などの光変調器の特性を測定することが、一層困難になっていた。
【０００７】
本発明の課題は、上記の問題を解決し、高周波変調時における光変調器の半波長電圧値やチャープパラメータ値などの特性を、正確に測定するための方法及び装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る光変調器の特性測定方法では、入射光を２つ以上に分岐し、分岐した光の少なくとも一方に電気信号を印加することにより位相変調を行い、その後、該分岐した光を合成することにより強度変調された光信号を発生する光変調器に対し、該光信号のスペクトル分布を測定し、該測定されたスペクトル分布に係る測定値から該光変調器の強度変調に係る特性値を算出することを特徴とする。
請求項１に係る光変調器の特性測定方法では、該光変調器の強度変調に係る特性値は、該光変調器の半波長電圧値であり、請求項２に係る光変調器の特性測定方法では、該光変調器の強度変調に係る特性値は、該光変調器のチャープパラメータ値であることを各々特徴とする。
【０００９】
請求項３に係る光変調器の特性測定方法では、請求項１又は２に記載の光変調器の特性測定方法において、該電気信号がバイアス電圧と変調信号とからなり、該測定値は、該バイアス電圧の可変調整により、入射光と同じスペクトル成分における出射光の光強度が最大となる場合の該スペクトル成分の出射光の光強度値Ｐ０ｂ、入射光と同じスペクトル成分における出射光の光強度が最小となる場合の変調周波数に係る成分の出射光の光強度値Ｐ１ｃ、及び該変調信号を印加しない場合の出射光の光強度値Ｐ０ａであり、該光変調器の強度変調に係る特性値の算出に際し、該光強度値Ｐ０ａにより該光強度値Ｐ０ｂと該光強度値Ｐ１ｃとを規格化した値を用いることを特徴とする。
【００１２】
請求項４に係る光変調器の特性測定装置では、請求項１乃至３のいずれかに記載の光変調器の特性測定方法を用いたことを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明するが、本発明の範囲は、当該好適例に限定されるものではない。
本発明の測定の原理について説明する。
図４は、本発明に用いられる測定系の概略図である。レーザから出た光波は、偏波コントローラにより光変調器による変調に適した偏波に調整され、測定対象の光変調器に入射される。
この光変調器には、ＤＣ電源によるバイアス電圧と発振器による電気信号とが重畳されて印加される。
光変調器は、この重畳された印加電圧に対応して入射光を変調する。光変調器によって変調された出射光は、光スペクトラムアナライザに入射され、出射光の周波数成分に応じた光強度分布が測定される。
【００１４】
この測定対象となるＭＺ型光変調器の光導波路の構成を、図５に示す。
入射光は導波路１に導入されると、Ｙ分岐１において２つに分岐され、分岐された光は各々の導波路２，３を伝搬し、Ｙ分岐２により合波され、最後に導波路４を経て出射される。
【００１５】
今、入射光として電界Ｅｉｅｘｐ（ｊω０ｔ）を有する光を入射させた場合を考える。
ＭＺ型光変調器において変調をかけていない場合には、出射光は入射光と同じと仮定できるため、出射光の光強度値Ｐ０ａは、次の式１で表せる。
【式１】
0003866082.tif 000002
【００１６】
次に、導波路２，３で変調を行った場合を考える。変調をかけていない場合と同様に、電界Ｅｉｅｘｐ（ｊω０ｔ）を有する光を入射させ、導波路２，３で変調を加え、更にＹ分岐２で合波した光の電界成分Ｅ（ｔ）は、次の式２で表せる。
【式２】
0003866082.tif 000003
【００１７】
ここで、Ａ１，Ａ２は、変調の深さを表すパラメータ（変調指数）、ωｍは変調信号の角周波数、φ１，φ２は各導波路により異なる変調信号の位相、φＢ１，φＢ２は導波路の初期状態による位相を表す。
式２は、合波した光波が様々な周波数成分を有すること示している。ここでは、このような周波数成分の内、入射光と同じ周波数成分（式２中でｎ＝０の場合）と、＋１次の高次項（式２中でｎ＝１の場合）に着目する。
入射光と同じ周波数成分（ω０）と＋１次の高次項（ω０＋ωｍ）の光強度を測定する。図６に光スペクトラムアナライザの測定波形を示す。
これらの各成分の光強度は、次の式３（入射光と同じ周波数成分の光強度Ｐ０）及び式４（＋１次の高次項の光強度Ｐ１）で表せる。
【式３】
0003866082.tif 000004
【式４】
0003866082.tif 000005
【００１８】
また、ＤＣ電源により光変調器に印加するバイアス電圧を調整し、入射光と同じ周波数成分（ω０）の出射光の光強度が最大となるように設定した時（図２のａ点にバイアス電圧が設定された状態）、入射光と同じ周波数成分（ω０）の出射光の光強度値Ｐ０ｂは、上記式３により、次の式５で表せる。
【式５】
0003866082.tif 000006
【００１９】
また、バイアス電圧を調整し、入射光と同じ周波数成分（ω０）の出射光の光強度が最小となるように設定した時（図２のｂ点にバイアス電圧が設定された状態）、＋１次の高次項（ω０＋ωｍ。変調周波数に係る成分）の出射光の光強度値Ｐ１ｃは、上記式４より、次の式６で表せる。
【式６】
0003866082.tif 000007
【００２０】
ここで、変調をかけていない出射光の光強度値Ｐ０ａで、上述したＰ０ｂ，Ｐ１ｃを規格化すると、次の式７及び８が得られる。
【式７】
0003866082.tif 000008
【式８】
0003866082.tif 000009
【００２１】
式７及び式８を用いて、変調の深さを表すパラメータＡ１，Ａ２を算出する。なお、式７及び式８は超越方程式になるが、Ａ１，Ａ２が小さい値を占めることから解の特定が可能となる。
そして、Ａ１，Ａ２を算出した後、光変調器の半波長電圧Ｖπは、次の式９により算出することが可能である。ただし、Ｖｍは変調信号として印加した発振器からの電圧振幅を示す。
【式９】
0003866082.tif 000010
【００２２】
上述したように、本発明の光変調器の特性測定方法によれば、光スペクトラムアナライザを用いて得られる光変調器の出射光のスペクトル分布から、上記の光強度値Ｐ０ａ、Ｐ０ｂ、Ｐ１ｃを測定し、該光強度値に基づき光変調器の半波長電圧値が算出される。このため、従来のように出射光の光強度の波形を直接観察する必要が無く、高周波においても光変調器の特性を測定することが可能となる。
また、光変調器の半波長電圧を測定する際に、従来は光変調器に印加する変調信号の電圧振幅は半波長電圧値以上の範囲まで可変調整されていたが、式９により任意の値である変調信号の電圧振幅値Ｖｍを用いて半波長電圧を算出することが可能となるため、従来のような半波長電圧値まで変調信号を調整する必要がなく、しかも、変調信号の電圧振幅値を可変することも不要となる。
さらに、光スペクトラムアナライザにより高次の１次項のみを測定するため、アンプなどの高周波成分による測定への影響を受けないため、より正確な半波長電圧の測定が可能となる。
【００２３】
ＭＺ型光変調器では、図５に示す導波路２及び３に印加する変調電圧の違いによる変調の差異により、合波時には光の強度だけでなく位相も変調される。この現象をチャーピングと呼び、チャーピングの大きさは、次の式１０に表すαパラメータにより与えられる。
【式１０】
0003866082.tif 000011
【００２４】
式１０の中で、ｄＩは光の強度変化量、ｄφは光の位相変化量を表し、また、Ａ１，Ａ２は、上述したように出射光のスペクトル分布より測定された特定の光強度値により算出されているため、αパラメータは算出可能である。
【００２５】
本発明は、上述した光変調器の特性測定方法に限るものではなく、例えば、上記特性測定方法で用いた、＋１次の高次項（周波数ω０＋ωｍのスペクトル成分）を、−１次の高次項（周波数ω０−ωｍのスペクトル成分）に置き換えて用い、同様な効果を得ることができるものなども包含する。
【００２６】
次に、本発明の光変調器の特性測定方法を用いた測定装置について説明する。
図７は、本発明の光変調器の特性を自動的に測定するための装置のブロック図である。
周波数ω０を有するレーザ光は、偏波コントローラを通過して一定方向に偏波され、ＭＺ型光変調器に入射する。光変調器には、ＤＣ電源及び周波数ωｍの発振器とで形成される、特定のバイアス電圧を中心に周波数ωｍで振動する変調信号が印加される。
【００２７】
変調信号は光変調器に入力されると同時に、分岐回路を経てＲＦパワーメータにより変調信号の電圧振幅値Ｖｍ、バイアス電圧値などが検出・監視される。
ＲＦパワーメータにより測定された数値は、制御用コンピュータに入力され、後述する光変調器の特性測定を自動化するための検出信号の一つとして利用される。
【００２８】
光変調器に印加された変調信号に対応して、入射光は変調され、光変調器から出射光として出射される。
出射光は、光スペクトラムアナライザにより周波数に対する光強度分布であるスペクトル分布が測定される。
光スペクトラムアナライザの測定値、特に、レーザ光の周波数ω０、＋１次の高次項（周波数ω０＋ωｍ。または、−１次高次項であってもよい。）に係る光強度の測定値が、制御用コンピュータに入力される。
【００２９】
光変調器の特性測定を自動的に測定するプロセスについて説明する。
レーザ、偏波コントローラ、光スペクトラムアナライザなど測定に必要な各種機材を動作させた状態において、まず、制御用コンピュータからの指示により、ＤＣ電源及び発振器による光変調器への変調信号の印加を停止させ、無変調状態における周波数ω０における光強度Ｐ０ａを測定し、制御用コンピュータに該測定値を取り込む。
次に、制御用コンピュータからの指示により、光変調器に変調信号を印加させ、光スペクトラムアナライザからの周波数ω０における光強度を測定し、制御用コンピュータに入力する。制御用コンピュータでは、周波数ω０における光強度のモニタに合わせて、変調信号のバイアス電圧を規定するＤＣ電源の出力電圧を変化させ、該変化に応じてモニタする該光強度が最大となる光強度Ｐ０ｂを決定する。
また、制御用コンピュータでは、周波数ω０における光強度のモニタに合わせて、変調信号のバイアス電圧を規定するＤＣ電源の出力電圧を変化させ、該変化に応じてモニタする該光強度が最小となる状態を決定し、該状態時の＋１次の高次項（周波数ω０＋ωｍ）の光強度Ｐ１ｃを光スペクトラムアナライザにより測定し、その測定値を取り込む。
【００３０】
次に、制御用コンピュータに取り込まれた、各光強度値Ｐ０ａ、Ｐ０ｂ、Ｐ１ｃに基づき、上記式７，８の方程式を解くことにより、Ａ１，Ａ２を決定し、さらに上記式９，１０を用いて、半波長電圧Ｖπ、チャープパラメータ（αパラメータ）を演算し、決定する。
なお、周波数ω０や、周波数ωｍ及び電圧振幅値Ｖｍなどの各値については、光変調器の特性測定に際し使用するレーザや発振器などにより、予め設定されている値を制御用コンピュータに入力して用いても良いし、光スペクトラムアナライザやＲＦパワーメータにより測定された値を用いても良い。
また、上述した測定装置では、制御用コンピュータ上で、測定値の取り込みや各種演算も実行しているが、これらの情報処理については、制御用コンピュータとは別に設けられた記憶装置や演算装置を用いて実行しても良い。
【００３１】
図４の測定装置を用いて測定した結果を、図８，９に示す。
図８は、測定周波数１０ＧＨｚの変調信号を印加した場合の光変調器の特性測定結果である。ここでは、変調信号の電圧振幅値Ｖｍを２〜９Ｖの範囲で可変して、各電圧振幅値Ｖｍにおける半波長電圧値及びチャープパラメータを算出した。
図８を見ると、半波長電圧値及びチャープパラメータは、共に、電圧振幅によらずほぼ一定の値を示しており、本発明の測定方法及び装置が、光変調器の特性を適正に測定していることが理解できる。
なお、チャープパラメータについては、変調信号の電圧振幅値が半波長電圧値より大きい場合や、変調信号の電圧振幅値が小さい場合は、光変調器に係る特性の測定結果が若干変動している。これは、変調信号の電圧振幅値を、半波長電圧以上のように大きくすると、変調信号の波形に歪が発生し、光変調器からの出射光の光強度が、理論値から外れたりノイズを多く含むこととなり、正確な測定が困難となるためと考えられる。
また、変調信号の電圧振幅値が小さ過ぎると、＋１次の高次項など、変調を反映した光スペクトル分布が明確に形成されず、ノイズの影響を強く受けて正確な測定が困難となることが考えられる。
【００３２】
図９は、測定周波数１０〜４０ＧＨｚの変調信号を印加した場合の光変調器の特性測定結果を示す。
図９が示すように、本発明の測定方法及び装置を利用すれば、従来のように光変調器からの出射光の変動を直接観測すること無しに、高周波数の特性まで有効に測定できることが可能となる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光変調器から出射する光信号のスペクトル分布を測定することにより、光変調器の特性を測定することが可能となるため、従来のような高周波数に対応した高精度な発振器やサンプリングオシロスコープなどを必要とせず、安価でかつ精度の高い測定が可能となる。
しかも、入射光と同じスペクトル成分における出射光の光強度が最大となる場合の該スペクトル成分の出射光の光強度値Ｐ０ｂと、入射光と同じスペクトル成分における出射光の光強度が最小となる場合の変調周波数に係る成分の出射光の光強度値Ｐ１ｃとを、変調電圧を印加しない場合の出射光の光強度値Ｐ０ａにより規格化した値を用いることにより、光変調器に係る半波長電圧値やチャープパラメータを容易に算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ＭＺ型光変調器の概略図。
【図２】  ＭＺ型光変調器の印加電圧に対する出力光強の特性を示すグラフ。
【図３】  ＭＺ型光変調器の電気入力波形に対する光出力波形との関係を示すグラフ。
【図４】  本発明の光変調器の特性測定方法の一例を示すブロック図。
【図５】  ＭＺ型光変調器の光導波路の構成図。
【図６】  光変調器から出射する光信号のスペクトル分布を示すグラフ。
【図７】  本発明の光変調器の特性測定装置の一例を示す概略図。
【図８】  本発明を利用して測定した光変調器の各種特性値に対する、変調信号の入力電圧振幅の変化の影響を示すグラフ。
【図９】  本発明を利用して測定された、光変調器の各種特性と変調信号の周波数との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１０    ＭＺ型光変調器
２０    光導波路
３０    信号源
【図１】
0003866082.tif 000012
【図２】
0003866082.tif 000013
【図３】
0003866082.tif 000014
【図４】
0003866082.tif 000015
【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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