(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一周波数又は極狭幅の波長帯域の非変調光にして、周波数が可変である光を発生することのできる局部発振器と、
搬送波光を変調信号によって変調して成る被測定信号光を受信する第１入力、及び前記局部発振器からの光を受信する第２入力を含み、両光を混合するヘテロダイン混合器と、
該ヘテロダイン混合器からの出力光を受ける光検出器と、
該光検出器からの出力に接続される低周波透過フィルタと、
前記局部発振器の周波数を徐々に変化させて、各周波数毎に測定される前記低周波透過フィルタからの出力をデータとして記録する記録手段と、
記録されたデータをフーリエ変換することにより前記被測定信号光の振幅及び位相を導出して前記変調信号の信号波形を再構成する波形再構成手段と
前記変調信号に同期する参照クロックを形成するクロック生成手段と、
前記搬送波光を前記参照クロックによって変調して参照クロック光を生成するクロック変調手段と、
該クロック変調手段からの前記参照クロック光を受信する第１入力、及び前記局部発振器からの信号を受信する第２入力を含むクロック用ヘテロダイン混合器と、
該クロック用ヘテロダイン混合器からの出力光を受けるクロック用光検出器と、
該クロック用光検出器からの出力に接続されるクロック用低周波透過フィルタと、
前記局部発振器の周波数を徐々に変化させて、各周波数毎に測定される前記低周波透過フィルタからの出力を記録するクロック用記録手段と、
記録されたデータをフーリエ変換して前記参照クロック光の位相を導出する位相導出手段と、
該位相導出手段によって導出された前記位相により、前記波形再構成手段によって再構成された信号波形を位相補正する補正手段とを有することを特徴とする光信号波形測定装置。
【請求項２】
前記ヘテロダイン混合器、及び前記光検出器に代えて、前記被測定信号光及び前記局部発振器からの光を同時に受光する光検出器を有することを特徴とする、請求項１の光信号波形測定装置。
【請求項３】
前記クロック用ヘテロダイン混合器、及び前記クロック用光検出器に代えて、前記被測定信号光及び前記局部発振器からの光を同時に受光するクロック用光検出器を有することを特徴とする、請求項１の光信号波形測定装置。
【請求項４】
搬送波光を変調信号によって変調して成る被測定信号光と、単一周波数又は極狭幅の波長帯域の非変調信号光とをヘテロダイン混合器に入力する工程、及び前記ヘテロダイン混合器からの出力を光検出器で受けて、該光検出器の出力を低周波透過フィルタに入力してヘテロダイン検波する工程を、前記非変調信号の波長を変化させて繰り返し、検波された信号データを波長ごとに記録する工程と、
前記被測定信号光について波長ごとに記録された信号データをフーリエ変換して、前記被測定信号光の振幅及び位相を導出して信号波形を再構成する工程と、
前記変調信号に同期する参照クロックを形成する工程と、
前記搬送波光を前記参照クロックによって変調して参照クロック光を形成する工程と、
前記参照クロック光と、単一周波数又は極狭幅の波長帯域の非変調信号とをヘテロダイン混合器に入力する工程、及び前記ヘテロダイン混合器からの出力を光検出器で受けて、該光検出器の出力を低周波透過フィルタに入力してヘテロダイン検波する工程を、前記非変調信号の波長を変化させて繰り返し、検波された信号データを波長ごとに記録する工程と、
前記参照クロック光について波長ごとに記録された信号データをフーリエ変換して、前記参照クロック光の位相を求める工程と、
求めた前記参照クロック光の位相によって、再構成された前記信号波形の位相を補正する工程とを有することを特徴とする光信号波形の測定方法。
【請求項５】
前記被測定信号の最高周波数が１THzのオーダーとされることを特徴とする、請求項４の光信号波形の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波光信号の波形測定技術及びその装置に関するもので、特に高周波で変調された光信号の波形をデジタル測定する計測技術及び装置に使用されるものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明の解決すべき課題】
近年、測定、通信、記録或いは機械工作等多くの用途において光学技術が盛んに用いられている。それにつれて、特に通信において顕著に見られるように、それらの用途で用いられる高速光信号のデータ転送周波数は、数十Ｇｂｓに達しており、今後実用化される周波数は、更に高速とされることが予想される。
【０００３】
このような超高速の光信号を現実の産業で利用するためには、その信号波形を詳細に観測するための技術が不可欠となる。通常、高速光信号の測定には、それらのデータ転送周波数の数倍以上に高い周波数の光信号に応答できる測定装置が必要とされる。即ち、実地で用いられる高速光信号測定装置は、現実に使用される光信号を考慮して、十分な余裕を持った性能を有し、周波数応答や測定要求に柔軟かつ容易に素早く対応できることが望まれる。
【０００４】
一方、光信号の波形測定装置としては、非線形相互作用を利用したもの（例えば、特開平８−２９８１４号公報、特開平９−１３８１６５号公報、特開平９−２３０３９４号公報参照）、或いは、フォトコンダクタにサンプリング用短パルスを照射する構成のもの（例えば、特開平９−２２２３６３号公報参照）等が知られている。しかしながら、現在市販されている装置では、近い将来必要とされる更に高速である光信号の測定に対しては、十分な性能を有し得ない。例えば、後者のグループに含まれる型の、市販のサンプリングオシロスコープによれば、測定できる光信号は、サンプリングゲートの動作速度や感度によって律速されてせいぜい２００ＧＨｚ程度であるが、今後更に数倍の周波数の光信号を測定することが必要とされる。
【０００５】
従って、本発明は、更なる高周波の光信号に対応したサンプリングによる光信号の測定装置及び方法を提供することを目的とするものであり、より詳細には、数ＧＨｚからＴＨｚまでの広範囲における高周波光信号に対応したサンプリングによる光信号波形測定装置及び光信号波形測定方法を提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光信号波形測定装置は、変調されていない単一周波数又は極狭幅の波長帯域の光にして、周波数が可変である光を発生することのできる局部発振器と、被測定光信号を受信する第１入力及び局部発振器からの光を受信する第２入力を含むヘテロダイン混合器と、光検出器と、低周波透過フィルタと、局部発振器の光の周波数を徐々に変化させたときの出力を周波数毎に記録する記録手段と、記録されたデータをフーリエ変換処理する波形再構成手段又はデータ処理手段とを有する。
【０００７】
ヘテロダイン混合器では、被測定信号光と、局部発振器からの光とをヘテロダイン混合して光検出器へと出力し、さらに低周波透過フィルタへと出力する。この出力は、局部発振器の光の周波数を徐々に変化させて、周波数に対応して順に行なわれ、それらは、局部発振器の周波数に対応したデータとして記録手段に記録される。記録されたデータは、変換手段でフーリエ変換され、これにより、信号の振幅及び位相を導出して信号波形を再構成できる。
【０００８】
本発明の原理を以下に説明する。光信号f(t)が、周波数ωlの単一周波数光に、求めたい変調信号s(t)で変調がかかったものとすると、光信号f(t)は、
【０００９】
【数１】
0003829929.tif 000002
【００１０】
と表わされる。ここで、
【００１１】
【数２】
0003829929.tif 000003
【００１２】
に注意する。なお、ωr は s(t) の繰り返し角周波数であり、信号に同期した角周波数ωr の基本クロックが提供されているものとする。すなわち、s(t) はωrから ωmax=N ωr までのωr ごとの角周波数とDC成分とで構成されている。これに別な変調されていない単一角周波数 ωm の光を併せ、ヘテロダイン混合をすると、
【００１３】
【数３】
0003829929.tif 000004
【００１４】
となるが、帯域 Dwのlow pass filter を通した（ヘテロダイン検波した）低周波信号h(t)は、
【００１５】
【数４】
0003829929.tif 000005
【００１６】
で得られる。上式の和は以下の範囲である。
【００１７】
【数５】
0003829929.tif 000006
【００１８】
すなわち、h(t)は、S [k] の上記角周波数成分のみにより構成された信号である。なお、ωｄ＝ωｍ−ωｌ，ωｓ＝ωｍ＋ωｌ，θｄ＝θｍ−θｌ，θｓ＝θｍ＋θｌ，ωｒ＜ωｄ＜ωｍａｘ＜＜ωｌ＜ωｍ，０＜ωｄ−Δωであるとする。（５）式の条件、及びωｄに必要とされる条件について、図１に視覚的に示される。一例として、Δωは1GHz程度、ωrとωmaxとはそれぞれ、数MHzと1THz位、ωｌやωｍは200THz程度である。なお、ωｒ＜２Δωが理想的だが、これは必要条件ではない。逆の場合は、一度の測定で得られる周波数成分が無いこともあり得る。
【００１９】
変調信号s(t)を求めるには、ωr からωmaxに亙ってS [k] および θ[k] を知れれば良い。これは、ωmが可変、且つ、Dwが充分低周波数でh(t)が時間の関数として直接測定・記録しておくことができれば可能である。具体的には、可変のωｍを2Dw以下づつ動かして、すなわち、ωdを2Dw以下づつ動かしながら、h(t)を測定し、
【００２０】
【数６】
0003829929.tif 000007
なるkに対し、
【００２１】
【数７】
0003829929.tif 000008
【００２２】
及び、
【００２３】
【数８】
0003829929.tif 000009
【００２４】
の計算を数値的に実行（フーリエ変換）することにより、S [k]およびθ[k]−θｄが得られる。この場合、Tは、ｋωｒＴ及びωｄＴが2pの整数倍となるように選ぶことにより、誤差を少なくすることができる。もちろん測定は基本クロックに同期して行う。
【００２５】
一方、θｄは、以下のようにして求める。まず、信号に同期した角周波数ωｒの基本クロックを２値化手法により矩形波化しておく。これを参照クロックs'(t)と呼ぶ。尚、以下参照クロックに対してはプライム「 ' 」を付けて表す。角周波数ωｌの光源と角周波数ωｍの光の一部を取り出し、周波数ωｌの光を参照クロックにより変調する。この参照光に対しても、信号光からh(t)を求めるのと同様にヘテロダイン検波をする。得られた参照光に対する参照クロックの得られた低周波信号 h'(t) から、更に同様にしてｓ' [k]及びθ' [k]−θｄを求める。基本的には参照クロックの各周波数成分に対する位相項θ' [k]はすべて零ないしは２値化手法の解析から予め得ておくことができる。それゆえ、これからθｄを得る事が出来る。なお、θｄは各測定で異なるから、h'(t) の測定はh(t)の測定と同時に行う。
【００２６】
これにより結局、S [k]およびθ[k] を得る。これを続けてS [k]およびθ[k]がk=１〜Nで求まれば、式（２）より変調信号s(t)を得る事が出来る。尚、DC成分S [0]は、上の議論とは別に信号を直接低周波透過フィルタ又はlow pass filter に通すことによって得られる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して、本発明の好適実施形態となる光波形測定装置及び光波形を再構成する測定方法について詳細に説明する。
【００２８】
図２は、測定の準備段階となる工程を説明する図であり、搬送波光源たるレーザから出射された光を、変調信号及びクロック信号によって変調する工程を示す図である。本実施形態では、信号の搬送波となるレーザ光（角周波数ωl）１０は２つに分岐され、その一方の経路では、混合器（又は変調器）２０において、変調信号［s(t)］５によって変調される。本実施形態で取り扱う変調信号５は、角周波数ωr の繰り返し周期を有する繰り返し信号である。混合器２０で変調された信号光７０は、被測定信号光７０となる。即ち、本発明は、かかる被測定信号光７０を測定することにより、変調信号５の信号波形を測定するためのものである。尚、レーザ光１０の波長は、例えば約１．５μｍとされるが、他の波長でも良い。
【００２９】
分岐された他方の経路では、レーザ光１０は、混合器（又は変調器）６０において、参照クロック４０によって変調される。混合器６０で変調されたクロック信号光８０は、信号光７０を基に再構成された信号波形を位相補正するために使用される。
【００３０】
クロックは、変調信号５に同期するようにして提供される。本実施形態では、変調信号５から、まず基本クロックが形成され、これを２値化手法によって矩形波化し参照クロック［s'(t)］４０が形成される。基本クロックの矩形化は、ダイオードなどの非線型電子素子を用いて行う。尚、基本クロックは、変調信号５を利用してband pass filter, PLL或いは他の方法を用いて作る事もできる。上述したように、s(t) は角周波数ωr の繰り返し周期を有する繰り返し信号であるので、参照クロックs'(t)も、角周波数ωrを有する信号となる。
【００３１】
参照クロックs'(t)によるレーザ光１０の変調は、ニオブ酸リチウムなどを用いた高速変調器などを用いて行うことができる。尚、ωｍが、ωmaxに近い周波数では、変調効率は落ちるが、本発明の目的では不都合とはならない。
【００３２】
図３は、測定の主要な工程である、信号光をヘテロダイン検波する工程を説明する図である。この工程によれば、被測定信号光７０及び波長可変レーザ３０からの光が、非線型素子等からなるヘテロダイン混合器１１０においてヘテロダイン混合される。混合器からの出力光信号は測定・記録手段１５０における光検出器１２０へと導かれる。尚、ヘテロダイン混合のために、混合器を用いることなく、代わりに適当な光学系を用いて、被測定信号光７０及び波長可変レーザ３０からの光信号を、応答速度が充分に早い光検出器１２０に同時に入射するようにしても良い。この場合、両光信号は光検出器の二乗検波特性により同様の効果を得ることができる。
【００３３】
測定・記録装置１５０は、光信号を検出する光検出器１２０、低周波透過フィルタ１５５、信号記録手段１６０、波形再構成手段又はデータ処理手段１７０を含む。上述のように、ヘテロダイン混合された光信号は光検出器１２０によって検出され、電気的な信号として出力される。この電気信号は、低周波透過フィルタ１５５へと導かれ、これにより、その信号から低周波成分のみが取り出される。取り出された信号は、信号記録手段１６０に送られる。
【００３４】
信号記録手段１６０には、原理として説明したところの式（４）で示されるh(t)の信号波形が記録されることになる。即ち、上述したように、本発明は、波長可変レーザ３０の角周波数ωmを最小値から最大値までの間で徐々に変更して、測定を繰り返すことにより被測定信号光の波形を再構成するものであり、そのために、測定・記録装置１５０中の信号記録手段１６０に、波長可変レーザ３０の設定角周波数ωmに対応した信号が記録される。h(t)は、例えば1GHz以下程度の周波数を有する信号とされるが、これは、相対的には十分遅い信号である。そのため、そのまま時間の関数として測定し、信号記録手段としてA/D変換器を用いて記録しておくことが可能である。
【００３５】
波形再構成手段１７０では、上に詳述した原理に従って、信号記録手段１６０に記録された信号h(t)をフーリエ変換し又は他の数値処理を行い、被測定信号波形を再構成する。即ち、波形再構成手段１７０は、信号のすべての周波数域を覆うように、可変のωmを2Dw以下づつ変化させ繰り返し行なわれた測定・記録の結果を取り出し、すべてのh(t)をフーリエ変換して、信号の各周波数成分の振幅と位相を求め、それらから、信号s(t)を再構成することができる。
【００３６】
一方、参照クロックs'(t)についても、変調信号s(t)と同様の処理がなされる。即ち、参照クロックで変調された光は、変調信号同様にヘテロダイン検波されて低周波数成分h'(t)のみが取り出され、これは測定・記録手段において、周波数ωｍに対応して記録される。h'(t)から求められる値は、後述のように位相に関する補正を行うために使用される。
【００３７】
また、測定・記録装置１５０は、更に、測定制御手段を含んでも良い。測定・記録手段は、波長可変レーザの設定周波数を適当な数値に変更すること、及び数値設定後の繰り返し測定を統合的に制御すること等の種々の制御機能を有し得る。即ち、測定・記録手段を利用して、特定の設定周波数ωmでの信号測定が終了したときに、周波数をわずかに（２Δω）変更して測定を行わせるように波長可変レーザ３０他の装置を自動制御し得る。
【００３８】
以上のように本発明の好適実施形態について詳述したが、これはあくまでも例示的なものであり、当業者によって更に様々な変形、変更が可能である。
【００３９】
本発明を上述の実施形態に即して説明すると、本発明は、単一周波数又は極狭幅の波長帯域の非変調光にして、周波数が可変である光を発生することのできる局部発振器（３０）と、搬送波光（１０）を変調信号（５）によって変調して成る被測定信号光（７０）を受信する第１入力、及び前記局部発振器からの光を受信する第２入力を含み、両光を混合するヘテロダイン混合器（１１０）と、該ヘテロダイン混合器（１１０）からの出力光を受ける光検出器（１２０）と、該光検出器（１２０）からの出力に接続される低周波透過フィルタ（１５５）と、前記局部発振器（３０）の周波数を徐々に変化させて、各周波数毎に測定される前記低周波透過フィルタ（１５５）からの出力をデータとして記録する記録手段（１６０）と、記録されたデータをフーリエ変換することにより前記被測定信号光（７０）の振幅及び位相を導出して前記変調信号の信号波形を再構成する波形再構成手段とを有することを特徴とする光信号波形測定装置を提供する。
【００４０】
好ましくは、前記ヘテロダイン混合器（１１０）、及び前記光検出器（１２０）に代えて、前記被測定信号光及び前記局部発振器からの光を同時に受光する光検出器を有する。
【００４１】
好ましくは、前記変調信号に同期する参照クロック（４０）を形成するクロック生成手段と、前記搬送波光（１０）を前記参照クロック（４０）によって変調して参照クロック光（８０）を生成するクロック変調手段（６０）と、該クロック変調手段（６０）からの参照クロック光（８０）を受信する第１入力、及び前記局部発振器からの信号を受信する第２入力を含むクロック用ヘテロダイン混合器と、該クロック用ヘテロダイン混合器からの出力光を受けるクロック用光検出器と、該クロック用光検出器からの出力に接続されるクロック用低周波透過フィルタと、前記局部発振器の周波数を徐々に変化させて、各周波数毎に測定される前記低周波透過フィルタからの出力を記録するクロック用記録手段と、記録されたデータをフーリエ変換して前記参照クロック光の位相を導出する位相導出手段と、該位相導出手段によって導出された前記位相により、前記波形再構成手段によって再構成された信号波形を位相補正する補正手段を有する。
【００４２】
好ましくは、前記クロック用ヘテロダイン混合器、及び前記クロック用光検出器に代えて、前記被測定信号光及び前記局部発振器からの光を同時に受光するクロック用光検出器を有する。
【００４３】
更に、本発明は、搬送波光を変調信号によって変調して成る被測定信号光と、単一周波数又は極狭幅の波長帯域の非変調信号光とをヘテロダイン混合器に入力する工程、及び前記ヘテロダイン混合器からの出力を光検出器で受けて、該光検出器の出力を低周波透過フィルタに入力してヘテロダイン検波する工程を、前記非変調信号の波長を変化させて繰り返し、検波された信号データを波長ごとに記録する工程と、波長ごとに記録された信号データをフーリエ変換して、前記被測定信号光の振幅及び位相を導出して信号波形を再構成する工程とを有する光信号波形の測定方法を提供する。
【００４４】
好ましくは、更に、前記変調信号に同期する参照クロックを形成する工程と、前記搬送波光を前記参照クロックによって変調して参照クロック光を形成する工程と、前記参照クロック光と、単一周波数又は極狭幅の波長帯域の非変調信号とをヘテロダイン混合器に入力する工程と、前記ヘテロダイン混合器からの出力を光検出器で受けて、該光検出器の出力を低周波透過フィルタに入力してヘテロダイン検波する工程と、前記非変調信号の波長を変化させて繰り返し、検波された信号データを波長ごとに記録する工程と、波長ごとに記録された信号データをフーリエ変換して、前記参照クロック光の位相を求める工程と、求めた前記参照クロック光の位相によって、再構成された前記信号波形の位相を補正する工程とを有する。
【００４５】
好ましくは、前記被測定信号光の最高周波数は１THzのオーダーとされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理説明のために使用される波長の関係を示す図である。
【図２】測定の準備段階を説明する図であり、搬送波光源たるレーザから出射された光が、変調信号及び参照クロックで変調される工程を示す図である。
【図３】測定の主要段階を説明する図であり、ヘテロダイン検波を行う工程を説明する図である。
【符号の説明】
１０            搬送波光（レーザ光）
２０、６０      混合器又は変調器
３０            波長可変レーザ
７０            被測定信号光
８０            参照クロック光
１１０          ヘテロダイン混合器
１２０          光検出器
１５０          測定・記録装置
１５５          低周波透過フィルタ
１６０          信号記録手段
１７０          波形再構成手段
【図１】
0003829929.tif 000010
【図２】
0003829929.tif 000011
【図３】
0003829929.tif 000012