光スペクトラムアナライザ
【課題】複雑な測定系を準備することなく、１台で被測定信号光の光スペクトラムと、電気スペクトラムと、電気パワーを測定できる光スペクトラムアナライザを提供する。
【解決手段】単一縦モードのレーザ光と被測定信号光を合波し２つに分岐して出力する光カプラ１２と、光カプラ１２からの光を電気信号に変換する光電変換部１３ａ、１３ｂと、を備え、光スペクトラム測定モード時には、光遮断機構１８がオンになってレーザ光および被測定信号光が光カプラ１２に入射するとともに、信号処理部１６が該電気信号間の差分信号に基づいて被測定信号光の光スペクトラムを算出し、電気スペクトラム測定モード時には、光遮断機構１８がオフになって被測定信号光のみが光カプラ１２に入射するとともに、信号処理部１６が該電気信号の加算信号、または、一方の電気信号に基づいて被測定信号光の電気パワーを算出する。
【解決手段】単一縦モードのレーザ光と被測定信号光を合波し２つに分岐して出力する光カプラ１２と、光カプラ１２からの光を電気信号に変換する光電変換部１３ａ、１３ｂと、を備え、光スペクトラム測定モード時には、光遮断機構１８がオンになってレーザ光および被測定信号光が光カプラ１２に入射するとともに、信号処理部１６が該電気信号間の差分信号に基づいて被測定信号光の光スペクトラムを算出し、電気スペクトラム測定モード時には、光遮断機構１８がオフになって被測定信号光のみが光カプラ１２に入射するとともに、信号処理部１６が該電気信号の加算信号、または、一方の電気信号に基づいて被測定信号光の電気パワーを算出する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信などに用いられる光スペクトラムアナライザに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信の幹線系においてはビットレートが１０Ｇｂｐｓ以上と高速であるため、光送信機にはニオブ酸リチウム（LiNbO3）結晶を用いた光変調器（以下、ＬＮ光変調器と記す）による外部変調が行われる。ＬＮ光変調器は、駆動電圧に対する光損失特性が温度変動や時間経過に伴い変化する、いわゆるドリフト特性を有することが知られている。よって強度変調方式の光送信機においては、ＬＮ光変調器のバイアス電圧が良好な点となるよう常に調整されている必要があり、これを実現する技術の一例が特許文献１に開示されている。
【０００３】
具体的には、特許文献１に開示された方法においては、通信信号に影響を及ぼさない程度の低周波信号をＬＮ光変調器の駆動電圧に重畳する。このＬＮ光変調器からの出力光を光カプラで分岐して、その分岐光をフォトダイオードで電気信号に変換し、これに含まれる低周波信号成分を検出して、これが最小となるようバイアス電圧を随時調整している。この特定の低周波数信号成分の検出は、フォトダイオードからの電気信号を、低周波数信号成分を通過させる電気フィルタと電気パワーメータの組み合わせで測定、または、電気スペクトラムアナライザで低周波数信号成分だけ抽出することにより実現できる。
【０００４】
さらに近年は、データトラフィックの急激な増加から、従来の強度変調方式に代えて、より大容量の位相変調方式が使われるようになってきている。中でもＤＰＳＫ（Differential Phase Shift Keying）方式、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）方式、ＤＱＰＳＫ（Differential Quadrature Phase Shift Keying）方式が注目されている。
【０００５】
ＮＲＺ（Non-Return to Zero）方式のＤＱＰＳＫ光送信機とその調整用測定系の例を図５に示す。ここではＤＱＰＳＫ用のＬＮ光変調器３０が用いられており、この調整の良否が光送信機２０の性能を大きく左右する。この例でのＬＮ光変調器３０の調整項目はＩ（In-phase）ポート３２に印加される駆動電圧の振幅とバイアス電圧、Ｑ（Quadrature）ポート３３に印加される駆動電圧の振幅とバイアス電圧、および、Ｉポート３２とＱポート３３のバランス電圧（Ｉ−Ｑバランス）の５項目である。非特許文献１などではこれらの調整が難しいことが指摘されており、このため光送信機の研究開発や製造には時間が掛かっていた。
【０００６】
図５を用いて非特許文献１等に開示されたＮＲＺ−ＤＱＰＳＫ方式の光送信機および測定系の動作について説明する。パルスパターン発生器３６より擬似ランダムビット系列（Pseudo-Random Bit Sequence：以下、PRBSと記す）のパルスパターン信号が、光送信機２０の電圧印加部３５を介してＩポート３２、Ｑポート３３にそれぞれ供給される。
【０００７】
光送信機２０内に配置されたレーザ光源３１は単一縦モードのレーザ光を発振し、そのレーザ光はＤＱＰＳＫ用のＬＮ光変調器３０で位相変調されて光送信機２０から出力される。光送信機２０から出力された位相変調信号は擬似光線路３７に入射する。擬似光線路３７は、実際の通信で使われる長さの光ファイバと同じ程度の光損失値や波長分散値または偏波モード分散値を、光ファイバを使わずに実現させたものであり、光送信機２０に対する負荷となる。
【０００８】
擬似光線路３７を伝播した位相変調信号はＤＱＰＳＫ光受信機３８で電気信号に変換される。この電気信号の誤り率を誤り率検出器３９で判定し、誤り率が所定値以下になるよう各調整項目を交互に調整する。
【０００９】
しかしながら、この所定値の設定が不適切な場合には、各調整項目が真に最適となる前に調整を終了している可能性があった。なお、本発明者らは、光スペクトラムアナライザ４０を用いて、これらの調整項目のうちＩ−Ｑバランス以外の調整を可能とする方法を発明している（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
Ｉ−ＱバランスはＩポート３２とＱポート３３の間の位相シフト量φIQであり、ＮＲＺ−ＤＱＰＳＫ方式ではπ／２に設定することが必要である。具体的には図中の位相シフト部３４の電極電圧を調整することにより、位相シフト量φIQをπ／２に維持する。
【００１１】
このＩ−Ｑバランスが最適値（φIQ＝π／２）であるときの光スペクトラムと、最適値から１０％変化したとき（φIQ＝０．４５π）の光スペクトラムをそれぞれ図６（ａ）、（ｂ）に示す。この図が示すように光スペクトラムからＩ−Ｑバランスの変化を検知することは困難であり、従って光スペクトラムに基づいて位相シフト量φIQを調整することはできなかった。これに対し、次の二つの方法が提案されている。
【００１２】
方法の一つとして、例えば特許文献３に開示されているような光コンスタレーションが表示可能なサンプリング型光波形観測装置を併用することにより、位相シフト量φIQの調整を容易に行えることが知られている。しかしながら、この装置は超高速電子回路を多用するため、非常に高価であるという問題があった。
【００１３】
一方、非特許文献２または非特許文献３ではフォトダイオード４１と電気パワーメータ４２を使った調整方法が開示されている。この方法は、ＬＮ光変調器３０からの光出力を分岐して、その一部をフォトダイオード４１で電気信号に変換し、この電気信号の１００ＭＨｚ（非特許文献２の例）までのパワーの合計を測定し、これが最小となるよう位相シフト部３４の電極電圧を調整するものである。
【００１４】
ここで図６（ｃ）に位相シフト量φIQに対する１００ＭＨｚまでのパワーの合計の計算結果を示す。グラフの横軸はφIQのπによる商を、縦軸は後述する式［数３］により演算された値を表す。非特許文献２や非特許文献３にもあるようにパワーが最小のときにφIQ＝π／２となっている。この方法はボーレート４０Ｇｂｐｓといった超高速信号であっても、１００ＭＨｚまでの比較的低い周波数域の信号によって制御を実現できるので、特許文献３に開示されたサンプリング型光波形観測装置を用いる場合よりも安価に位相シフト量φIQの調整を行うことができる。なお、図６（ｃ）の中で半波長電圧Ｖπの倍数で表す凡例は、Ｉ、Ｑ両ポートの駆動電圧振幅（peak to peak値）を表す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特許第２６４２４９９号明細書
【特許文献２】特願２００９−１５５６４８号
【特許文献３】特開２００７−９３５１５号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】星田剛司、外４名、「偏波多重４値位相変調光送受信機のための制御技術」、信学技報、電子情報通信学会、２００９年２月、第１０８巻、第４２３号、ＯＣＳ２００８−１２０、ｐｐ．７９−８３
【非特許文献２】秋山祐一、外４名、「ＲＺ−ＤＱＰＳＫ変調器のバイアス制御方式の検討」、信学技報、電子情報通信学会、２００８年１０月、第１０８巻、第２５９号、ＯＣＳ２００８−８０、ｐｐ．１６７−１７０
【非特許文献３】Pak S. Cho, et al., "Closed-Loop Bias Control of Optical Quadrature Modulator", IEEE Photonics Technology Letters, ２００６年１１月、第１８巻、第２１号、ｐｐ．２２０９−２２１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
以上述べたように、強度変調方式や位相変調方式など変調方式の違いに関わらず、ＬＮ光変調器を用いた光送信機の調整にあたっては、光スペクトラムアナライザのほかにフォトダイオードと電気パワーメータ、あるいは電気スペクトラムアナライザが必要な場合が多い。従って、これらを揃える為の費用がかさむ、セットアップの手間がかかる、測定器類の占有面積が広くなる、などの不便を生じていた。
【００１８】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、複雑な測定系を準備することなく、１台で光スペクトラム測定機能と、電気スペクトラム測定機能と、電気パワー測定機能とを実現する光スペクトラムアナライザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光スペクトラムアナライザは、測定波長範囲において単一縦モードのレーザ光を出射する波長可変レーザ光源と、前記波長可変レーザ光源から出射されたレーザ光と被測定信号光を合波するとともに、該合波された光を２つに分岐して出力する光カプラと、前記光カプラから出力された２つの光を受光して電気信号に変換する２つの光電変換部と、を備えた光スペクトラムアナライザにおいて、複数の測定モードのうちから１つを指定するための制御信号を出力する測定モード制御部と、前記制御信号に応じて、前記波長可変レーザ光源から出射された前記レーザ光の前記光カプラへの入射をオン／オフする光遮断機構と、前記制御信号に応じて、各測定モードに対応した信号処理を行う信号処理部と、をさらに備え、前記測定モード制御部が前記複数の測定モードのうちから第１の測定モードを指定する制御信号を出力する場合には、前記光遮断機構がオンとなって前記レーザ光および前記被測定信号光が前記光カプラに入射するとともに、前記信号処理部が前記２つの光電変換部からの前記電気信号間の差分信号に基づいて前記被測定信号光の光スペクトラムを算出し、前記測定モード制御部が前記複数の測定モードのうちから第２の測定モードを指定する制御信号を出力する場合には、前記光遮断機構がオフとなって前記被測定信号光のみが前記光カプラに入射するとともに、前記信号処理部が前記２つの光電変換部からの前記電気信号の加算信号、または、一方の光電変換部からの電気信号に基づいて前記被測定信号光の電気パワーを算出することを特徴とする構成を有している。
【００２０】
この構成により、複雑な測定系を準備することなく、１台で光スペクトラム測定機能および電気パワー測定機能を実現することができる。
【００２１】
また、本発明の請求項２の光スペクトラムアナライザは、前記測定モード制御部が前記複数の測定モードのうちから第３の測定モードを指定する制御信号を出力する場合には、前記光遮断機構がオフとなって前記被測定信号光のみが前記光カプラに入射するとともに、前記信号処理部が前記２つの光電変換部からの前記電気信号の加算信号、または、一方の光電変換部からの電気信号に対して高速フーリエ変換を行うことにより、前記被測定信号光の電気スペクトラムを算出することを特徴とする構成を有している。
【００２２】
この構成により、複雑な測定系を準備することなく、１台で光スペクトラム測定機能と、電気スペクトラム測定機能と、電気パワー測定機能とを実現することができる。
【００２３】
また、本発明の請求項３の光スペクトラムアナライザは、前記光遮断機構が、前記波長可変レーザ光源と前記光カプラとの間に配置される光スイッチからなることを特徴とする構成を有していてもよい。
【００２４】
また、本発明の請求項４の光スペクトラムアナライザは、前記波長可変レーザ光源が、単一縦モードのレーザ光を発振する半導体レーザを有し、前記光遮断機構は、前記半導体レーザに単一縦モードのレーザ光を発振させるための駆動電流の供給をオン／オフする電気スイッチからなることを特徴とする構成を有していてもよい。
【００２５】
また、本発明の請求項５の光スペクトラムアナライザは、前記光カプラの分岐比が１：１であることを特徴とする構成を有していてもよい。
この構成により、波長可変レーザ光源からのレーザ光の持つ振幅雑音成分を抑圧し、被測定信号光の測定精度を高めることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、複雑な測定系を準備することなく、１台で光スペクトラム測定機能と、電気スペクトラム測定機能と、電気パワー測定機能とを実現する光スペクトラムアナライザを提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る光スペクトラムアナライザの動作原理を説明する概略図
【図２】第１の実施形態の光スペクトラムアナライザの構成を示すブロック図
【図３】信号処理部の処理内容を示すブロック図
【図４】第２の実施形態の光スペクトラムアナライザの構成を示すブロック図
【図５】従来の光送信機および測定系の構成例を示す概略図
【図６】Ｉ−Ｑバランスが変化したときの位相変調信号の光スペクトラムを示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係る光スペクトラムアナライザの実施形態について、図面を用いて説明する。
本発明ではヘテロダイン方式の光スペクトラムアナライザを基本技術として用いる。この基本技術は下記の文献に開示されている。
［特許文献３］特開平３−１１５９３８号公報
［非特許文献４］D. M. Baney, B. Szafraniec and A. Motamedi, "Coherent Optical Spectrum Analyzer", IEEE Photonics Technology Letters，２００２年３月、第１４巻、第３号、ｐｐ．３５５−３５７
【００２９】
本明細書では、本発明に係る光スペクトラムアナライザが光スペクトラム測定用に設定された状態を「光スペクトラム測定モード」と呼ぶ。また、フォトダイオードでの受光電気信号を電気スペクトラムアナライザで表示させたスペクトラム波形を、本明細書では「電気スペクトラム」と定義し、本発明に係る光スペクトラムアナライザがこの測定用に設定された状態を「電気スペクトラム測定モード」と呼ぶ。また受光電気信号の所定の帯域までのパワーを「電気パワー」と定義し、本発明に係る光スペクトラムアナライザがこの測定用に設定された状態を「電気パワー測定モード」と呼ぶ。
【００３０】
最初に、光スペクトラム測定モードの動作原理について図１（ａ）を用いて説明する。波長可変レーザ光源１１は、測定波長域に亘って単一縦モードのレーザ光を位相連続状態で発振する。本明細書では波長可変レーザ光源１１から出射される光を「レーザ光」と呼ぶ。
【００３１】
波長可変レーザ光源１１から出射されたレーザ光は、光カプラ１２に入射する。光送信機から出力される位相変調信号などの被測定信号光と波長可変レーザ光源１１からのレーザ光は光カプラ１２で合波され、各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅに入射する。ここで、光カプラ１２の２つの出力ポートから出力される合波光は、互いに逆位相のビート周波数成分（被測定信号光とレーザ光の干渉成分）を有する。なお、光カプラ１２の分岐比は１：１（５０％）に調整されており、光カプラ１２から各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅへの光の伝播時間や光量は等しくなっている。
【００３２】
光カプラ１２からの出力光は、各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅで電気信号に変化され、増幅器１３ｄ、１３ｆで増幅される。各増幅器１３ｄ、１３ｆからの信号は各アナログ−デジタル（ＡＤ）変換器１５ａ、１５ｂによってデジタル信号に変換される。
【００３３】
次に、減算器２６ａにおいて、この２つのＡＤ変換器１５ａ、１５ｂから出力されたデジタル信号の差分を取る。ここで、光カプラ１２の分岐比が上記のように１：１である場合には、この２つのデジタル信号の差分を取ると、ビート周波数成分のみを取り出すことができ、レーザ光の持つ振幅雑音成分を抑圧できる。このような構成は、非特許文献３など一般的に知られているバランス型光検波器と同様の原理に基づいたものであり、光ヘテロダイン型光スペクトラムアナライザにはよく採用されている技術である。本発明ではソフトウェア処理によって、このようなバランス型光検波器としての機能を実現している。
【００３４】
さらに、パワー計算部２６ｂにおいて、このデジタル信号の差分信号から、波長分解能幅として設定した帯域幅でのパワーの積分値を計算する。この積分値から、波長可変レーザ光源１１の発振波長における被測定信号光の光パワーが求められるので、波長可変レーザ光源１１の波長を順次掃引させ、各発振波長における光パワーを順次、表示部１７の表示画面上にプロットすることで光スペクトラムが得られる。
【００３５】
次に、電気スペクトラム測定モードの動作原理について図１（ｂ）を用いて説明する。電気スペクトラム測定モードにおいては、波長可変レーザ光源１１からのレーザ光を光カプラ１２に入射させず、各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅにヘテロダイン検波の代わりに直接検波を行わせる。
【００３６】
被測定信号光の振幅変化を観測するため、各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅの出力信号に対して加算器２６ｃにおいて加算処理を行う。加算処理された信号（もしくは一方の出力信号でもよい）に対し、ＦＦＴ２６ｄで高速フーリエ変換を行うことにより電気スペクトラムが得られる。表示部１７は、このようにして得られた電気スペクトラムを表示する。
【００３７】
次に、電気パワー測定モードの動作原理について図１（ｃ）を用いて説明する。電気パワー測定モードにおいても、波長可変レーザ光源１１からのレーザ光を光カプラ１２に入射させず、各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅにヘテロダイン検波の代わりに直接検波を行わせる。
【００３８】
被測定信号光の振幅変化を観測するため、各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅの出力信号に対して加算器２６ｃにおいて加算処理を行う。加算処理された信号（もしくは一方の出力信号でもよい）に対し、パワー計算部２６ｅにおいて、高速フーリエ変換を行った後に所定の帯域幅に亘って積分することにより電気パワーを求めることができる。
【００３９】
あるいは、以降の第１の実施形態で述べるように、パワー計算部２６ｅにおいて、加算処理された信号（もしくは一方の出力信号）を時系列信号とみなして時間分散値を求め、時間平均値の２乗により規格化処理を行ってもよい。これにより非特許文献２、３よりパワー最小点の検出が容易になることが分かる。
【００４０】
以上述べたように、ヘテロダイン方式の光スペクトラムアナライザ（本明細書での光スペクトラム測定モード）とＬＮ光変調器の調整に必要な低周波信号測定構成（本明細書での電気スペクトラム測定モードまたは電気パワー測定モード）には共通する構成要素があり、本発明では独自の工夫でこれらを一つの装置にまとめた。この詳細について、第１および第２の実施形態で述べる。
【００４１】
（第１の実施形態）
本発明に係る光スペクトラムアナライザの第１の実施形態を図２、３を用いて説明する。図２は本実施形態の光スペクトラムアナライザ１の構成の一例を示すブロック図である。
【００４２】
図２に示すように、光スペクトラムアナライザ１は、測定波長範囲において単一縦モードのレーザ光を出射する波長可変レーザ光源１１と、波長可変レーザ光源１１から出射されたレーザ光と光送信機２０から送出された被測定信号光を合波するとともに、該合波された光を２つに分岐して出力する光カプラ１２と、光カプラ１２から出力された２つの光を受光して電気信号に変換する２つの光電変換部１３ａ、１３ｂと、を備える。
【００４３】
ここで、波長可変レーザ光源１１は、その内部に単一縦モードのレーザ光を発振する不図示の半導体レーザを備えており、単一縦モードの発振波長の情報を含む発振波長信号を出力するようになっている。
【００４４】
各光電変換部１３ａ、１３ｂの後段には、アンチエイリアス用の低域通過フィルタ（ＬＰＦ）１４ａ、１４ｂが配置され、さらに各低域通過フィルタ１４ａ、１４ｂの後段にはＡＤ変換器１５ａ、１５ｂが配置される。
【００４５】
さらに、光スペクトラムアナライザ１は、波長可変レーザ光源１１からの発振波長信号をＡＤ変換するＡＤ変換器１５ｃと、ＡＤ変換器１５ａ〜１５ｃから出力されるデジタル信号を処理して光スペクトラム、電気スペクトラム、または電気パワーを算出する信号処理部１６と、信号処理部１６での算出結果を表示する表示部１７と、波長可変レーザ光源１１と光カプラ１２との間に配置され、波長可変レーザ光源１１から出射されたレーザ光の光カプラ１２への入射をオン／オフする光遮断機構としての光スイッチ１８と、複数の測定モードのうちから一つを指定するための制御信号を出力する測定モード制御部１９と、を備える。
【００４６】
光カプラ１２は、例えば、分岐比が１：１の３ｄＢ光カプラであり、２つの入力ポートと２つの出力ポートを有する。光電変換部１３ａ、１３ｂは、フォトダイオード１３ｃ、１３ｅと、フォトダイオード１３ｃ、１３ｅからの出力信号を増幅する増幅器１３ｄ、１３ｆと、を有する。
【００４７】
測定モード制御部１９は、例えば、操作者が測定モードを指定するための不図示の操作部を有する。測定モード制御部１９は、操作者によって選択された測定モードに応じて、光スイッチ１８のオン／オフを切り替えるための光スイッチ制御信号を送出するとともに、信号処理部１６に各測定モードに対応した信号処理を行わせるための信号処理制御信号を送出するようになっている。
【００４８】
信号処理部１６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とＲＡＭ（Random Access Memory）に保存されたプログラムをＣＰＵで実行する構成であるが、後述する光スペクトラム測定モードと電気スペクトラム測定モードの処理は共通点が多いため、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）で構成することも可能である。
【００４９】
以下、光スペクトラムアナライザ１の光スペクトラム測定モード（第１の測定モード）時の動作を説明する。
まず、操作者により、測定モード制御部１９で光スペクトラム測定モードが選択される。測定モード制御部１９は、光スイッチ１８をオン（導通状態）とする光スイッチ制御信号を送出する。これにより、波長可変レーザ光源１１からのレーザ光と被測定信号光とが共に光カプラ１２に入射する状態となる。さらに、測定モード制御部１９は、信号処理部１６に光スペクトラム測定モードに対応した信号処理を行わせるための信号処理制御信号を送出する。
【００５０】
次に、光スペクトラム測定モード時の信号処理部１６の処理内容を図３（ａ）に沿って説明する。
まず、信号処理部１６は、各ＡＤ変換器１５ａ、１５ｂでデジタル信号に変換された光電変換部１３ａ、１３ｂの信号（それぞれ図中のＰＤ１信号、ＰＤ２信号）に対して各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅの感度のばらつきを補正するためのバランス補正処理を行う。この処理は、ＲＡＭに記憶された各波長における各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅの波長対感度特性や光カプラ１２の波長対損失特性のデータに基づいて行われる。
【００５１】
次に、信号処理部１６は、バランス補正されたＰＤ１信号とＰＤ２信号との差分を取る減算処理を行う。これにより、既に述べたように信号のビート周波数成分のみを取り出すことができるため、レーザ光の振幅変動による雑音を抑圧することができる。
【００５２】
次に、信号処理部１６は、ソフトウェアによる帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）により、減算処理が行われた信号の所定の帯域成分のみを通過させる。この帯域幅により、光スペクトラムアナライザとしての波長分解能が決定される。
【００５３】
次に、信号処理部１６は、ＢＰＦを透過した信号の所定の帯域幅におけるパワーの積分値を計算する。この積分値が波長可変レーザ光源１１の発振波長における波長分解能幅あたりの光パワーとなるので、信号処理部１６は、波長可変レーザ光源１１から出力される発振波長信号に基づいて波長値付処理を行う。
【００５４】
従って、波長可変レーザ光源１１の波長を順次掃引させ、その発振波長における各光パワーを表示部１７の表示画面上にプロットすることで光スペクトラムが得られる。
【００５５】
以下、光スペクトラムアナライザ１の電気スペクトラム測定モード（第３の測定モード）時の動作を説明する。
まず、操作者の操作により、測定モード制御部１９で電気スペクトラム測定モードが選択される。測定モード制御部１９は、光スイッチ１８をオフ（遮断状態）とする光スイッチ制御信号を送出する。これにより、波長可変レーザ光源１１からのレーザ光が光カプラ１２に入射せず、被測定信号光のみが光カプラ１２に入射する状態となる。さらに、測定モード制御部１９は、信号処理部１６に電気スペクトラム測定モードに対応した信号処理を行わせるための信号処理制御信号を送出する。
【００５６】
次に、電気スペクトラム測定モード時の信号処理部１６の処理内容を図３（ｂ）に沿って説明する。
まず、光スペクトラム測定モード時と同様に、信号処理部１６は、各ＡＤ変換器１５ａ、１５ｂでデジタル信号に変換されたＰＤ１信号およびＰＤ２信号に対して各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅの感度のばらつきを補正するためのバランス補正処理を行う。
【００５７】
次に、信号処理部１６は、バランス補正されたＰＤ１信号とＰＤ２信号を加算する加算処理を行った後に、ソフトウェアによる帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）により、加算処理を行った信号の所定の帯域成分のみを通過させる。なお、上記の加算処理においてＰＤ１信号とＰＤ２信号の加算処理を行わず、どちらか一方の信号のみをＢＰＦに出力してもよい。
【００５８】
そして、信号処理部１６は、ＢＰＦを透過した信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を行って、電気スペクトラムを算出し、これを表示部１７の表示画面上にプロットする。
【００５９】
以下、光スペクトラムアナライザ１の電気パワー測定モード（第２の測定モード）時の動作を説明する。
まず、操作者の操作により、測定モード制御部１９で電気パワー測定モードが選択される。測定モード制御部１９は、光スイッチ１８をオフ（遮断状態）とする光スイッチ制御信号を送出する。これにより、波長可変レーザ光源１１からのレーザ光が光カプラ１２に入射せず、被測定信号光のみが光カプラ１２に入射する状態となる。さらに、測定モード制御部１９は、信号処理部１６に電気パワー測定モードに対応した信号処理を行わせるための信号処理制御信号を送出する。
【００６０】
次に、電気パワー測定モード時の信号処理部１６の処理内容を図３（ｃ）に沿って説明する。
まず、電気スペクトラム測定モード時と同様に、信号処理部１６は、各ＡＤ変換器１５ａ、１５ｂでデジタル信号に変換されたＰＤ１信号およびＰＤ２信号に対して各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅの感度のばらつきを補正するためのバランス補正処理を行う。
【００６１】
次に、信号処理部１６は、バランス補正されたＰＤ１信号とＰＤ２信号を加算する加算処理を行った後に、ソフトウェアによる帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）により、加算処理が行われた信号の所定の帯域成分のみを通過させる。なお、上記の加算処理においてＰＤ１信号とＰＤ２信号の加算処理を行わず、どちらか一方の信号のみをＢＰＦに出力してもよい。
【００６２】
そして、信号処理部１６は、ＢＰＦを透過した信号に対して、以下の［数１］〜［数３］に示すような計算処理を行う。ＰＤ１信号およびＰＤ２信号は一定の時間間隔でサンプリングされており、ここで各サンプリングデータをＱo（ｔn）と表す。時間的に連続するＮ個のサンプリングデータＱo（ｔn）（ｎ＝０，...，Ｎ−１）の平均値は下記の［数１］のように表される。なお、以下の数式中では、Ｑo（ｔn）（ｎ＝０，...，Ｎ−１）の平均値を意味する記号として「Ｑ」の上に線を引いたものを用いている。
【数１】
【００６３】
また、Ｑo（ｔn）（ｎ＝０，...，Ｎ−１）の分散Ｖは次式のようになる。
【数２】
【００６４】
以上のようにして求まるＱo（ｔn）（ｎ＝０，...，Ｎ−１）の平均値と分散Ｖより、次式に示す電気パワーに相当する量Ｒを求めることができる。信号処理部１６は、この電気パワーに相当する量Ｒを表示部１７の表示画面上にプロットする。
【数３】
【００６５】
（第２の実施形態）
本発明に係る光スペクトラムアナライザの第２の実施形態を図４を用いて説明する。図４は本実施形態の光スペクトラムアナライザ２の構成の一例を示すブロック図である。なお、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００６６】
本実施形態の光スペクトラムアナライザ２は、光遮断機構として第１の実施形態の光スペクトラムアナライザ１のように光スイッチを備える代わりに、波長可変レーザ光源１１内部の半導体レーザに単一縦モードのレーザ光を発振させるための駆動電流の供給のオン／オフを切り替える不図示の電気スイッチを備える。この電気スイッチがオフになることにより、半導体レーザのレーザ発振そのものが停止するようになっている。
【００６７】
本実施形態においては、測定モード制御部１９は、操作者によって選択された測定モードに応じて、波長可変レーザ光源１１内部の電気スイッチのオン／オフを切り替えるための光源制御信号を送出するとともに、信号処理部１６に各測定モードに対応した信号処理を行わせるための信号処理制御信号を送出するようになっている。電気スイッチは光スイッチよりも安価であるため、第１の実施形態の光スペクトラムアナライザ１と比較して、装置全体のコストを低下させることができるという利点がある。
【００６８】
以上説明したように、本発明に係る光スペクトラムアナライザは、複雑な測定系を準備することなく、１台で光スペクトラム測定機能と、電気スペクトラム測定機能と、電気パワー測定機能とを実現することができる。
【００６９】
例えば、本発明に係る光スペクトラムアナライザを用いてＮＲＺ−ＤＱＰＳＫ方式の光送信機の調整を行う場合には、従来の測定系（図５）で必要であったフォトダイオード４１や電気パワーメータ４２、さらにはフォトダイオード４１および電気パワーメータ４２にＬＮ光変調器３０からの光出力を分岐するための不図示の光カプラを取り除くことができ、測定系の簡略化と費用低減を実現できる。
【００７０】
また、本発明に係る光スペクトラムアナライザを用いることにより、強度変調方式の光送信機の光変調器に対して低周波信号を重畳する場合の調整においても、フォトダイオードと電気スペクトラムアナライザを用意することなく、簡易な構成で測定を行うことができる。
【００７１】
また、本発明に係る光スペクトラムアナライザの他の用途として、フォトダイオードと電気スペクトラムアナライザの組合せで測定される、半導体レーザの相対強度雑音（Relative Intensity Noise）特性の測定にも有効である。
【符号の説明】
【００７２】
１、２、４０ 光スペクトラムアナライザ
１１ 波長可変レーザ光源
１２ 光カプラ
１３ａ、１３ｂ 光電変換部
１３ｃ、１３ｅ フォトダイオード
１３ｄ、１３ｆ 増幅器
１４ａ、１４ｂ 低域通過フィルタ
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ ＡＤ変換器
１６ 信号処理部
１７ 表示部
１８ 光スイッチ（光遮断機構）
１９ 測定モード制御部
２０ 光送信機
２６ａ 減算器
２６ｂ、２６ｅ パワー計算部
２６ｃ 加算器
２６ｄ ＦＦＴ
３０ ＬＮ光変調器
３１ レーザ光源
３２ Ｉポート
３３ Ｑポート
３４ 位相シフト部
３５ 電圧印加部
３６ パルスパターン発生器
３７ 擬似光線路
３８ ＤＱＰＳＫ光受信機
３９ 誤り率検出器
４１ フォトダイオード
４２ 電気パワーメータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信などに用いられる光スペクトラムアナライザに関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信の幹線系においてはビットレートが１０Ｇｂｐｓ以上と高速であるため、光送信機にはニオブ酸リチウム（LiNbO3）結晶を用いた光変調器（以下、ＬＮ光変調器と記す）による外部変調が行われる。ＬＮ光変調器は、駆動電圧に対する光損失特性が温度変動や時間経過に伴い変化する、いわゆるドリフト特性を有することが知られている。よって強度変調方式の光送信機においては、ＬＮ光変調器のバイアス電圧が良好な点となるよう常に調整されている必要があり、これを実現する技術の一例が特許文献１に開示されている。
【０００３】
具体的には、特許文献１に開示された方法においては、通信信号に影響を及ぼさない程度の低周波信号をＬＮ光変調器の駆動電圧に重畳する。このＬＮ光変調器からの出力光を光カプラで分岐して、その分岐光をフォトダイオードで電気信号に変換し、これに含まれる低周波信号成分を検出して、これが最小となるようバイアス電圧を随時調整している。この特定の低周波数信号成分の検出は、フォトダイオードからの電気信号を、低周波数信号成分を通過させる電気フィルタと電気パワーメータの組み合わせで測定、または、電気スペクトラムアナライザで低周波数信号成分だけ抽出することにより実現できる。
【０００４】
さらに近年は、データトラフィックの急激な増加から、従来の強度変調方式に代えて、より大容量の位相変調方式が使われるようになってきている。中でもＤＰＳＫ（Differential Phase Shift Keying）方式、ＱＰＳＫ（Quadrature Phase Shift Keying）方式、ＤＱＰＳＫ（Differential Quadrature Phase Shift Keying）方式が注目されている。
【０００５】
ＮＲＺ（Non-Return to Zero）方式のＤＱＰＳＫ光送信機とその調整用測定系の例を図５に示す。ここではＤＱＰＳＫ用のＬＮ光変調器３０が用いられており、この調整の良否が光送信機２０の性能を大きく左右する。この例でのＬＮ光変調器３０の調整項目はＩ（In-phase）ポート３２に印加される駆動電圧の振幅とバイアス電圧、Ｑ（Quadrature）ポート３３に印加される駆動電圧の振幅とバイアス電圧、および、Ｉポート３２とＱポート３３のバランス電圧（Ｉ−Ｑバランス）の５項目である。非特許文献１などではこれらの調整が難しいことが指摘されており、このため光送信機の研究開発や製造には時間が掛かっていた。
【０００６】
図５を用いて非特許文献１等に開示されたＮＲＺ−ＤＱＰＳＫ方式の光送信機および測定系の動作について説明する。パルスパターン発生器３６より擬似ランダムビット系列（Pseudo-Random Bit Sequence：以下、PRBSと記す）のパルスパターン信号が、光送信機２０の電圧印加部３５を介してＩポート３２、Ｑポート３３にそれぞれ供給される。
【０００７】
光送信機２０内に配置されたレーザ光源３１は単一縦モードのレーザ光を発振し、そのレーザ光はＤＱＰＳＫ用のＬＮ光変調器３０で位相変調されて光送信機２０から出力される。光送信機２０から出力された位相変調信号は擬似光線路３７に入射する。擬似光線路３７は、実際の通信で使われる長さの光ファイバと同じ程度の光損失値や波長分散値または偏波モード分散値を、光ファイバを使わずに実現させたものであり、光送信機２０に対する負荷となる。
【０００８】
擬似光線路３７を伝播した位相変調信号はＤＱＰＳＫ光受信機３８で電気信号に変換される。この電気信号の誤り率を誤り率検出器３９で判定し、誤り率が所定値以下になるよう各調整項目を交互に調整する。
【０００９】
しかしながら、この所定値の設定が不適切な場合には、各調整項目が真に最適となる前に調整を終了している可能性があった。なお、本発明者らは、光スペクトラムアナライザ４０を用いて、これらの調整項目のうちＩ−Ｑバランス以外の調整を可能とする方法を発明している（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
Ｉ−ＱバランスはＩポート３２とＱポート３３の間の位相シフト量φIQであり、ＮＲＺ−ＤＱＰＳＫ方式ではπ／２に設定することが必要である。具体的には図中の位相シフト部３４の電極電圧を調整することにより、位相シフト量φIQをπ／２に維持する。
【００１１】
このＩ−Ｑバランスが最適値（φIQ＝π／２）であるときの光スペクトラムと、最適値から１０％変化したとき（φIQ＝０．４５π）の光スペクトラムをそれぞれ図６（ａ）、（ｂ）に示す。この図が示すように光スペクトラムからＩ−Ｑバランスの変化を検知することは困難であり、従って光スペクトラムに基づいて位相シフト量φIQを調整することはできなかった。これに対し、次の二つの方法が提案されている。
【００１２】
方法の一つとして、例えば特許文献３に開示されているような光コンスタレーションが表示可能なサンプリング型光波形観測装置を併用することにより、位相シフト量φIQの調整を容易に行えることが知られている。しかしながら、この装置は超高速電子回路を多用するため、非常に高価であるという問題があった。
【００１３】
一方、非特許文献２または非特許文献３ではフォトダイオード４１と電気パワーメータ４２を使った調整方法が開示されている。この方法は、ＬＮ光変調器３０からの光出力を分岐して、その一部をフォトダイオード４１で電気信号に変換し、この電気信号の１００ＭＨｚ（非特許文献２の例）までのパワーの合計を測定し、これが最小となるよう位相シフト部３４の電極電圧を調整するものである。
【００１４】
ここで図６（ｃ）に位相シフト量φIQに対する１００ＭＨｚまでのパワーの合計の計算結果を示す。グラフの横軸はφIQのπによる商を、縦軸は後述する式［数３］により演算された値を表す。非特許文献２や非特許文献３にもあるようにパワーが最小のときにφIQ＝π／２となっている。この方法はボーレート４０Ｇｂｐｓといった超高速信号であっても、１００ＭＨｚまでの比較的低い周波数域の信号によって制御を実現できるので、特許文献３に開示されたサンプリング型光波形観測装置を用いる場合よりも安価に位相シフト量φIQの調整を行うことができる。なお、図６（ｃ）の中で半波長電圧Ｖπの倍数で表す凡例は、Ｉ、Ｑ両ポートの駆動電圧振幅（peak to peak値）を表す。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特許第２６４２４９９号明細書
【特許文献２】特願２００９−１５５６４８号
【特許文献３】特開２００７−９３５１５号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】星田剛司、外４名、「偏波多重４値位相変調光送受信機のための制御技術」、信学技報、電子情報通信学会、２００９年２月、第１０８巻、第４２３号、ＯＣＳ２００８−１２０、ｐｐ．７９−８３
【非特許文献２】秋山祐一、外４名、「ＲＺ−ＤＱＰＳＫ変調器のバイアス制御方式の検討」、信学技報、電子情報通信学会、２００８年１０月、第１０８巻、第２５９号、ＯＣＳ２００８−８０、ｐｐ．１６７−１７０
【非特許文献３】Pak S. Cho, et al., "Closed-Loop Bias Control of Optical Quadrature Modulator", IEEE Photonics Technology Letters, ２００６年１１月、第１８巻、第２１号、ｐｐ．２２０９−２２１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
以上述べたように、強度変調方式や位相変調方式など変調方式の違いに関わらず、ＬＮ光変調器を用いた光送信機の調整にあたっては、光スペクトラムアナライザのほかにフォトダイオードと電気パワーメータ、あるいは電気スペクトラムアナライザが必要な場合が多い。従って、これらを揃える為の費用がかさむ、セットアップの手間がかかる、測定器類の占有面積が広くなる、などの不便を生じていた。
【００１８】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、複雑な測定系を準備することなく、１台で光スペクトラム測定機能と、電気スペクトラム測定機能と、電気パワー測定機能とを実現する光スペクトラムアナライザを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１の光スペクトラムアナライザは、測定波長範囲において単一縦モードのレーザ光を出射する波長可変レーザ光源と、前記波長可変レーザ光源から出射されたレーザ光と被測定信号光を合波するとともに、該合波された光を２つに分岐して出力する光カプラと、前記光カプラから出力された２つの光を受光して電気信号に変換する２つの光電変換部と、を備えた光スペクトラムアナライザにおいて、複数の測定モードのうちから１つを指定するための制御信号を出力する測定モード制御部と、前記制御信号に応じて、前記波長可変レーザ光源から出射された前記レーザ光の前記光カプラへの入射をオン／オフする光遮断機構と、前記制御信号に応じて、各測定モードに対応した信号処理を行う信号処理部と、をさらに備え、前記測定モード制御部が前記複数の測定モードのうちから第１の測定モードを指定する制御信号を出力する場合には、前記光遮断機構がオンとなって前記レーザ光および前記被測定信号光が前記光カプラに入射するとともに、前記信号処理部が前記２つの光電変換部からの前記電気信号間の差分信号に基づいて前記被測定信号光の光スペクトラムを算出し、前記測定モード制御部が前記複数の測定モードのうちから第２の測定モードを指定する制御信号を出力する場合には、前記光遮断機構がオフとなって前記被測定信号光のみが前記光カプラに入射するとともに、前記信号処理部が前記２つの光電変換部からの前記電気信号の加算信号、または、一方の光電変換部からの電気信号に基づいて前記被測定信号光の電気パワーを算出することを特徴とする構成を有している。
【００２０】
この構成により、複雑な測定系を準備することなく、１台で光スペクトラム測定機能および電気パワー測定機能を実現することができる。
【００２１】
また、本発明の請求項２の光スペクトラムアナライザは、前記測定モード制御部が前記複数の測定モードのうちから第３の測定モードを指定する制御信号を出力する場合には、前記光遮断機構がオフとなって前記被測定信号光のみが前記光カプラに入射するとともに、前記信号処理部が前記２つの光電変換部からの前記電気信号の加算信号、または、一方の光電変換部からの電気信号に対して高速フーリエ変換を行うことにより、前記被測定信号光の電気スペクトラムを算出することを特徴とする構成を有している。
【００２２】
この構成により、複雑な測定系を準備することなく、１台で光スペクトラム測定機能と、電気スペクトラム測定機能と、電気パワー測定機能とを実現することができる。
【００２３】
また、本発明の請求項３の光スペクトラムアナライザは、前記光遮断機構が、前記波長可変レーザ光源と前記光カプラとの間に配置される光スイッチからなることを特徴とする構成を有していてもよい。
【００２４】
また、本発明の請求項４の光スペクトラムアナライザは、前記波長可変レーザ光源が、単一縦モードのレーザ光を発振する半導体レーザを有し、前記光遮断機構は、前記半導体レーザに単一縦モードのレーザ光を発振させるための駆動電流の供給をオン／オフする電気スイッチからなることを特徴とする構成を有していてもよい。
【００２５】
また、本発明の請求項５の光スペクトラムアナライザは、前記光カプラの分岐比が１：１であることを特徴とする構成を有していてもよい。
この構成により、波長可変レーザ光源からのレーザ光の持つ振幅雑音成分を抑圧し、被測定信号光の測定精度を高めることができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明は、複雑な測定系を準備することなく、１台で光スペクトラム測定機能と、電気スペクトラム測定機能と、電気パワー測定機能とを実現する光スペクトラムアナライザを提供するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明に係る光スペクトラムアナライザの動作原理を説明する概略図
【図２】第１の実施形態の光スペクトラムアナライザの構成を示すブロック図
【図３】信号処理部の処理内容を示すブロック図
【図４】第２の実施形態の光スペクトラムアナライザの構成を示すブロック図
【図５】従来の光送信機および測定系の構成例を示す概略図
【図６】Ｉ−Ｑバランスが変化したときの位相変調信号の光スペクトラムを示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明に係る光スペクトラムアナライザの実施形態について、図面を用いて説明する。
本発明ではヘテロダイン方式の光スペクトラムアナライザを基本技術として用いる。この基本技術は下記の文献に開示されている。
［特許文献３］特開平３−１１５９３８号公報
［非特許文献４］D. M. Baney, B. Szafraniec and A. Motamedi, "Coherent Optical Spectrum Analyzer", IEEE Photonics Technology Letters，２００２年３月、第１４巻、第３号、ｐｐ．３５５−３５７
【００２９】
本明細書では、本発明に係る光スペクトラムアナライザが光スペクトラム測定用に設定された状態を「光スペクトラム測定モード」と呼ぶ。また、フォトダイオードでの受光電気信号を電気スペクトラムアナライザで表示させたスペクトラム波形を、本明細書では「電気スペクトラム」と定義し、本発明に係る光スペクトラムアナライザがこの測定用に設定された状態を「電気スペクトラム測定モード」と呼ぶ。また受光電気信号の所定の帯域までのパワーを「電気パワー」と定義し、本発明に係る光スペクトラムアナライザがこの測定用に設定された状態を「電気パワー測定モード」と呼ぶ。
【００３０】
最初に、光スペクトラム測定モードの動作原理について図１（ａ）を用いて説明する。波長可変レーザ光源１１は、測定波長域に亘って単一縦モードのレーザ光を位相連続状態で発振する。本明細書では波長可変レーザ光源１１から出射される光を「レーザ光」と呼ぶ。
【００３１】
波長可変レーザ光源１１から出射されたレーザ光は、光カプラ１２に入射する。光送信機から出力される位相変調信号などの被測定信号光と波長可変レーザ光源１１からのレーザ光は光カプラ１２で合波され、各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅに入射する。ここで、光カプラ１２の２つの出力ポートから出力される合波光は、互いに逆位相のビート周波数成分（被測定信号光とレーザ光の干渉成分）を有する。なお、光カプラ１２の分岐比は１：１（５０％）に調整されており、光カプラ１２から各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅへの光の伝播時間や光量は等しくなっている。
【００３２】
光カプラ１２からの出力光は、各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅで電気信号に変化され、増幅器１３ｄ、１３ｆで増幅される。各増幅器１３ｄ、１３ｆからの信号は各アナログ−デジタル（ＡＤ）変換器１５ａ、１５ｂによってデジタル信号に変換される。
【００３３】
次に、減算器２６ａにおいて、この２つのＡＤ変換器１５ａ、１５ｂから出力されたデジタル信号の差分を取る。ここで、光カプラ１２の分岐比が上記のように１：１である場合には、この２つのデジタル信号の差分を取ると、ビート周波数成分のみを取り出すことができ、レーザ光の持つ振幅雑音成分を抑圧できる。このような構成は、非特許文献３など一般的に知られているバランス型光検波器と同様の原理に基づいたものであり、光ヘテロダイン型光スペクトラムアナライザにはよく採用されている技術である。本発明ではソフトウェア処理によって、このようなバランス型光検波器としての機能を実現している。
【００３４】
さらに、パワー計算部２６ｂにおいて、このデジタル信号の差分信号から、波長分解能幅として設定した帯域幅でのパワーの積分値を計算する。この積分値から、波長可変レーザ光源１１の発振波長における被測定信号光の光パワーが求められるので、波長可変レーザ光源１１の波長を順次掃引させ、各発振波長における光パワーを順次、表示部１７の表示画面上にプロットすることで光スペクトラムが得られる。
【００３５】
次に、電気スペクトラム測定モードの動作原理について図１（ｂ）を用いて説明する。電気スペクトラム測定モードにおいては、波長可変レーザ光源１１からのレーザ光を光カプラ１２に入射させず、各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅにヘテロダイン検波の代わりに直接検波を行わせる。
【００３６】
被測定信号光の振幅変化を観測するため、各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅの出力信号に対して加算器２６ｃにおいて加算処理を行う。加算処理された信号（もしくは一方の出力信号でもよい）に対し、ＦＦＴ２６ｄで高速フーリエ変換を行うことにより電気スペクトラムが得られる。表示部１７は、このようにして得られた電気スペクトラムを表示する。
【００３７】
次に、電気パワー測定モードの動作原理について図１（ｃ）を用いて説明する。電気パワー測定モードにおいても、波長可変レーザ光源１１からのレーザ光を光カプラ１２に入射させず、各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅにヘテロダイン検波の代わりに直接検波を行わせる。
【００３８】
被測定信号光の振幅変化を観測するため、各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅの出力信号に対して加算器２６ｃにおいて加算処理を行う。加算処理された信号（もしくは一方の出力信号でもよい）に対し、パワー計算部２６ｅにおいて、高速フーリエ変換を行った後に所定の帯域幅に亘って積分することにより電気パワーを求めることができる。
【００３９】
あるいは、以降の第１の実施形態で述べるように、パワー計算部２６ｅにおいて、加算処理された信号（もしくは一方の出力信号）を時系列信号とみなして時間分散値を求め、時間平均値の２乗により規格化処理を行ってもよい。これにより非特許文献２、３よりパワー最小点の検出が容易になることが分かる。
【００４０】
以上述べたように、ヘテロダイン方式の光スペクトラムアナライザ（本明細書での光スペクトラム測定モード）とＬＮ光変調器の調整に必要な低周波信号測定構成（本明細書での電気スペクトラム測定モードまたは電気パワー測定モード）には共通する構成要素があり、本発明では独自の工夫でこれらを一つの装置にまとめた。この詳細について、第１および第２の実施形態で述べる。
【００４１】
（第１の実施形態）
本発明に係る光スペクトラムアナライザの第１の実施形態を図２、３を用いて説明する。図２は本実施形態の光スペクトラムアナライザ１の構成の一例を示すブロック図である。
【００４２】
図２に示すように、光スペクトラムアナライザ１は、測定波長範囲において単一縦モードのレーザ光を出射する波長可変レーザ光源１１と、波長可変レーザ光源１１から出射されたレーザ光と光送信機２０から送出された被測定信号光を合波するとともに、該合波された光を２つに分岐して出力する光カプラ１２と、光カプラ１２から出力された２つの光を受光して電気信号に変換する２つの光電変換部１３ａ、１３ｂと、を備える。
【００４３】
ここで、波長可変レーザ光源１１は、その内部に単一縦モードのレーザ光を発振する不図示の半導体レーザを備えており、単一縦モードの発振波長の情報を含む発振波長信号を出力するようになっている。
【００４４】
各光電変換部１３ａ、１３ｂの後段には、アンチエイリアス用の低域通過フィルタ（ＬＰＦ）１４ａ、１４ｂが配置され、さらに各低域通過フィルタ１４ａ、１４ｂの後段にはＡＤ変換器１５ａ、１５ｂが配置される。
【００４５】
さらに、光スペクトラムアナライザ１は、波長可変レーザ光源１１からの発振波長信号をＡＤ変換するＡＤ変換器１５ｃと、ＡＤ変換器１５ａ〜１５ｃから出力されるデジタル信号を処理して光スペクトラム、電気スペクトラム、または電気パワーを算出する信号処理部１６と、信号処理部１６での算出結果を表示する表示部１７と、波長可変レーザ光源１１と光カプラ１２との間に配置され、波長可変レーザ光源１１から出射されたレーザ光の光カプラ１２への入射をオン／オフする光遮断機構としての光スイッチ１８と、複数の測定モードのうちから一つを指定するための制御信号を出力する測定モード制御部１９と、を備える。
【００４６】
光カプラ１２は、例えば、分岐比が１：１の３ｄＢ光カプラであり、２つの入力ポートと２つの出力ポートを有する。光電変換部１３ａ、１３ｂは、フォトダイオード１３ｃ、１３ｅと、フォトダイオード１３ｃ、１３ｅからの出力信号を増幅する増幅器１３ｄ、１３ｆと、を有する。
【００４７】
測定モード制御部１９は、例えば、操作者が測定モードを指定するための不図示の操作部を有する。測定モード制御部１９は、操作者によって選択された測定モードに応じて、光スイッチ１８のオン／オフを切り替えるための光スイッチ制御信号を送出するとともに、信号処理部１６に各測定モードに対応した信号処理を行わせるための信号処理制御信号を送出するようになっている。
【００４８】
信号処理部１６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とＲＡＭ（Random Access Memory）に保存されたプログラムをＣＰＵで実行する構成であるが、後述する光スペクトラム測定モードと電気スペクトラム測定モードの処理は共通点が多いため、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）で構成することも可能である。
【００４９】
以下、光スペクトラムアナライザ１の光スペクトラム測定モード（第１の測定モード）時の動作を説明する。
まず、操作者により、測定モード制御部１９で光スペクトラム測定モードが選択される。測定モード制御部１９は、光スイッチ１８をオン（導通状態）とする光スイッチ制御信号を送出する。これにより、波長可変レーザ光源１１からのレーザ光と被測定信号光とが共に光カプラ１２に入射する状態となる。さらに、測定モード制御部１９は、信号処理部１６に光スペクトラム測定モードに対応した信号処理を行わせるための信号処理制御信号を送出する。
【００５０】
次に、光スペクトラム測定モード時の信号処理部１６の処理内容を図３（ａ）に沿って説明する。
まず、信号処理部１６は、各ＡＤ変換器１５ａ、１５ｂでデジタル信号に変換された光電変換部１３ａ、１３ｂの信号（それぞれ図中のＰＤ１信号、ＰＤ２信号）に対して各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅの感度のばらつきを補正するためのバランス補正処理を行う。この処理は、ＲＡＭに記憶された各波長における各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅの波長対感度特性や光カプラ１２の波長対損失特性のデータに基づいて行われる。
【００５１】
次に、信号処理部１６は、バランス補正されたＰＤ１信号とＰＤ２信号との差分を取る減算処理を行う。これにより、既に述べたように信号のビート周波数成分のみを取り出すことができるため、レーザ光の振幅変動による雑音を抑圧することができる。
【００５２】
次に、信号処理部１６は、ソフトウェアによる帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）により、減算処理が行われた信号の所定の帯域成分のみを通過させる。この帯域幅により、光スペクトラムアナライザとしての波長分解能が決定される。
【００５３】
次に、信号処理部１６は、ＢＰＦを透過した信号の所定の帯域幅におけるパワーの積分値を計算する。この積分値が波長可変レーザ光源１１の発振波長における波長分解能幅あたりの光パワーとなるので、信号処理部１６は、波長可変レーザ光源１１から出力される発振波長信号に基づいて波長値付処理を行う。
【００５４】
従って、波長可変レーザ光源１１の波長を順次掃引させ、その発振波長における各光パワーを表示部１７の表示画面上にプロットすることで光スペクトラムが得られる。
【００５５】
以下、光スペクトラムアナライザ１の電気スペクトラム測定モード（第３の測定モード）時の動作を説明する。
まず、操作者の操作により、測定モード制御部１９で電気スペクトラム測定モードが選択される。測定モード制御部１９は、光スイッチ１８をオフ（遮断状態）とする光スイッチ制御信号を送出する。これにより、波長可変レーザ光源１１からのレーザ光が光カプラ１２に入射せず、被測定信号光のみが光カプラ１２に入射する状態となる。さらに、測定モード制御部１９は、信号処理部１６に電気スペクトラム測定モードに対応した信号処理を行わせるための信号処理制御信号を送出する。
【００５６】
次に、電気スペクトラム測定モード時の信号処理部１６の処理内容を図３（ｂ）に沿って説明する。
まず、光スペクトラム測定モード時と同様に、信号処理部１６は、各ＡＤ変換器１５ａ、１５ｂでデジタル信号に変換されたＰＤ１信号およびＰＤ２信号に対して各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅの感度のばらつきを補正するためのバランス補正処理を行う。
【００５７】
次に、信号処理部１６は、バランス補正されたＰＤ１信号とＰＤ２信号を加算する加算処理を行った後に、ソフトウェアによる帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）により、加算処理を行った信号の所定の帯域成分のみを通過させる。なお、上記の加算処理においてＰＤ１信号とＰＤ２信号の加算処理を行わず、どちらか一方の信号のみをＢＰＦに出力してもよい。
【００５８】
そして、信号処理部１６は、ＢＰＦを透過した信号に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を行って、電気スペクトラムを算出し、これを表示部１７の表示画面上にプロットする。
【００５９】
以下、光スペクトラムアナライザ１の電気パワー測定モード（第２の測定モード）時の動作を説明する。
まず、操作者の操作により、測定モード制御部１９で電気パワー測定モードが選択される。測定モード制御部１９は、光スイッチ１８をオフ（遮断状態）とする光スイッチ制御信号を送出する。これにより、波長可変レーザ光源１１からのレーザ光が光カプラ１２に入射せず、被測定信号光のみが光カプラ１２に入射する状態となる。さらに、測定モード制御部１９は、信号処理部１６に電気パワー測定モードに対応した信号処理を行わせるための信号処理制御信号を送出する。
【００６０】
次に、電気パワー測定モード時の信号処理部１６の処理内容を図３（ｃ）に沿って説明する。
まず、電気スペクトラム測定モード時と同様に、信号処理部１６は、各ＡＤ変換器１５ａ、１５ｂでデジタル信号に変換されたＰＤ１信号およびＰＤ２信号に対して各フォトダイオード１３ｃ、１３ｅの感度のばらつきを補正するためのバランス補正処理を行う。
【００６１】
次に、信号処理部１６は、バランス補正されたＰＤ１信号とＰＤ２信号を加算する加算処理を行った後に、ソフトウェアによる帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）により、加算処理が行われた信号の所定の帯域成分のみを通過させる。なお、上記の加算処理においてＰＤ１信号とＰＤ２信号の加算処理を行わず、どちらか一方の信号のみをＢＰＦに出力してもよい。
【００６２】
そして、信号処理部１６は、ＢＰＦを透過した信号に対して、以下の［数１］〜［数３］に示すような計算処理を行う。ＰＤ１信号およびＰＤ２信号は一定の時間間隔でサンプリングされており、ここで各サンプリングデータをＱo（ｔn）と表す。時間的に連続するＮ個のサンプリングデータＱo（ｔn）（ｎ＝０，...，Ｎ−１）の平均値は下記の［数１］のように表される。なお、以下の数式中では、Ｑo（ｔn）（ｎ＝０，...，Ｎ−１）の平均値を意味する記号として「Ｑ」の上に線を引いたものを用いている。
【数１】
【００６３】
また、Ｑo（ｔn）（ｎ＝０，...，Ｎ−１）の分散Ｖは次式のようになる。
【数２】
【００６４】
以上のようにして求まるＱo（ｔn）（ｎ＝０，...，Ｎ−１）の平均値と分散Ｖより、次式に示す電気パワーに相当する量Ｒを求めることができる。信号処理部１６は、この電気パワーに相当する量Ｒを表示部１７の表示画面上にプロットする。
【数３】
【００６５】
（第２の実施形態）
本発明に係る光スペクトラムアナライザの第２の実施形態を図４を用いて説明する。図４は本実施形態の光スペクトラムアナライザ２の構成の一例を示すブロック図である。なお、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。
【００６６】
本実施形態の光スペクトラムアナライザ２は、光遮断機構として第１の実施形態の光スペクトラムアナライザ１のように光スイッチを備える代わりに、波長可変レーザ光源１１内部の半導体レーザに単一縦モードのレーザ光を発振させるための駆動電流の供給のオン／オフを切り替える不図示の電気スイッチを備える。この電気スイッチがオフになることにより、半導体レーザのレーザ発振そのものが停止するようになっている。
【００６７】
本実施形態においては、測定モード制御部１９は、操作者によって選択された測定モードに応じて、波長可変レーザ光源１１内部の電気スイッチのオン／オフを切り替えるための光源制御信号を送出するとともに、信号処理部１６に各測定モードに対応した信号処理を行わせるための信号処理制御信号を送出するようになっている。電気スイッチは光スイッチよりも安価であるため、第１の実施形態の光スペクトラムアナライザ１と比較して、装置全体のコストを低下させることができるという利点がある。
【００６８】
以上説明したように、本発明に係る光スペクトラムアナライザは、複雑な測定系を準備することなく、１台で光スペクトラム測定機能と、電気スペクトラム測定機能と、電気パワー測定機能とを実現することができる。
【００６９】
例えば、本発明に係る光スペクトラムアナライザを用いてＮＲＺ−ＤＱＰＳＫ方式の光送信機の調整を行う場合には、従来の測定系（図５）で必要であったフォトダイオード４１や電気パワーメータ４２、さらにはフォトダイオード４１および電気パワーメータ４２にＬＮ光変調器３０からの光出力を分岐するための不図示の光カプラを取り除くことができ、測定系の簡略化と費用低減を実現できる。
【００７０】
また、本発明に係る光スペクトラムアナライザを用いることにより、強度変調方式の光送信機の光変調器に対して低周波信号を重畳する場合の調整においても、フォトダイオードと電気スペクトラムアナライザを用意することなく、簡易な構成で測定を行うことができる。
【００７１】
また、本発明に係る光スペクトラムアナライザの他の用途として、フォトダイオードと電気スペクトラムアナライザの組合せで測定される、半導体レーザの相対強度雑音（Relative Intensity Noise）特性の測定にも有効である。
【符号の説明】
【００７２】
１、２、４０ 光スペクトラムアナライザ
１１ 波長可変レーザ光源
１２ 光カプラ
１３ａ、１３ｂ 光電変換部
１３ｃ、１３ｅ フォトダイオード
１３ｄ、１３ｆ 増幅器
１４ａ、１４ｂ 低域通過フィルタ
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ ＡＤ変換器
１６ 信号処理部
１７ 表示部
１８ 光スイッチ（光遮断機構）
１９ 測定モード制御部
２０ 光送信機
２６ａ 減算器
２６ｂ、２６ｅ パワー計算部
２６ｃ 加算器
２６ｄ ＦＦＴ
３０ ＬＮ光変調器
３１ レーザ光源
３２ Ｉポート
３３ Ｑポート
３４ 位相シフト部
３５ 電圧印加部
３６ パルスパターン発生器
３７ 擬似光線路
３８ ＤＱＰＳＫ光受信機
３９ 誤り率検出器
４１ フォトダイオード
４２ 電気パワーメータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定波長範囲において単一縦モードのレーザ光を出射する波長可変レーザ光源（１１）と、
前記波長可変レーザ光源から出射されたレーザ光と被測定信号光を合波するとともに、該合波された光を２つに分岐して出力する光カプラ（１２）と、
前記光カプラから出力された２つの光を受光して電気信号に変換する２つの光電変換部（１３ａ、１３ｂ）と、を備えた光スペクトラムアナライザにおいて、
複数の測定モードのうちから１つを指定するための制御信号を出力する測定モード制御部（１９）と、
前記制御信号に応じて、前記波長可変レーザ光源から出射された前記レーザ光の前記光カプラへの入射をオン／オフする光遮断機構（１８）と、
前記制御信号に応じて、各測定モードに対応した信号処理を行う信号処理部（１６）と、をさらに備え、
前記測定モード制御部が前記複数の測定モードのうちから第１の測定モードを指定する制御信号を出力する場合には、前記光遮断機構がオンとなって前記レーザ光および前記被測定信号光が前記光カプラに入射するとともに、前記信号処理部が前記２つの光電変換部からの前記電気信号間の差分信号に基づいて前記被測定信号光の光スペクトラムを算出し、
前記測定モード制御部が前記複数の測定モードのうちから第２の測定モードを指定する制御信号を出力する場合には、前記光遮断機構がオフとなって前記被測定信号光のみが前記光カプラに入射するとともに、前記信号処理部が前記２つの光電変換部からの前記電気信号の加算信号、または、一方の光電変換部からの電気信号に基づいて前記被測定信号光の電気パワーを算出することを特徴とする光スペクトラムアナライザ。
【請求項２】
前記測定モード制御部が前記複数の測定モードのうちから第３の測定モードを指定する制御信号を出力する場合には、前記光遮断機構がオフとなって前記被測定信号光のみが前記光カプラに入射するとともに、前記信号処理部が前記２つの光電変換部からの前記電気信号の加算信号、または、一方の光電変換部からの電気信号に対して高速フーリエ変換を行うことにより、前記被測定信号光の電気スペクトラムを算出することを特徴とする請求項１に記載の光スペクトラムアナライザ。
【請求項３】
前記光遮断機構は、前記波長可変レーザ光源と前記光カプラとの間に配置される光スイッチからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光スペクトラムアナライザ。
【請求項４】
前記波長可変レーザ光源は、単一縦モードのレーザ光を発振する半導体レーザを有し、
前記光遮断機構は、前記半導体レーザに単一縦モードのレーザ光を発振させるための駆動電流の供給をオン／オフする電気スイッチからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光スペクトラムアナライザ。
【請求項５】
前記光カプラの分岐比が１：１であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光スペクトラムアナライザ。
【請求項１】
測定波長範囲において単一縦モードのレーザ光を出射する波長可変レーザ光源（１１）と、
前記波長可変レーザ光源から出射されたレーザ光と被測定信号光を合波するとともに、該合波された光を２つに分岐して出力する光カプラ（１２）と、
前記光カプラから出力された２つの光を受光して電気信号に変換する２つの光電変換部（１３ａ、１３ｂ）と、を備えた光スペクトラムアナライザにおいて、
複数の測定モードのうちから１つを指定するための制御信号を出力する測定モード制御部（１９）と、
前記制御信号に応じて、前記波長可変レーザ光源から出射された前記レーザ光の前記光カプラへの入射をオン／オフする光遮断機構（１８）と、
前記制御信号に応じて、各測定モードに対応した信号処理を行う信号処理部（１６）と、をさらに備え、
前記測定モード制御部が前記複数の測定モードのうちから第１の測定モードを指定する制御信号を出力する場合には、前記光遮断機構がオンとなって前記レーザ光および前記被測定信号光が前記光カプラに入射するとともに、前記信号処理部が前記２つの光電変換部からの前記電気信号間の差分信号に基づいて前記被測定信号光の光スペクトラムを算出し、
前記測定モード制御部が前記複数の測定モードのうちから第２の測定モードを指定する制御信号を出力する場合には、前記光遮断機構がオフとなって前記被測定信号光のみが前記光カプラに入射するとともに、前記信号処理部が前記２つの光電変換部からの前記電気信号の加算信号、または、一方の光電変換部からの電気信号に基づいて前記被測定信号光の電気パワーを算出することを特徴とする光スペクトラムアナライザ。
【請求項２】
前記測定モード制御部が前記複数の測定モードのうちから第３の測定モードを指定する制御信号を出力する場合には、前記光遮断機構がオフとなって前記被測定信号光のみが前記光カプラに入射するとともに、前記信号処理部が前記２つの光電変換部からの前記電気信号の加算信号、または、一方の光電変換部からの電気信号に対して高速フーリエ変換を行うことにより、前記被測定信号光の電気スペクトラムを算出することを特徴とする請求項１に記載の光スペクトラムアナライザ。
【請求項３】
前記光遮断機構は、前記波長可変レーザ光源と前記光カプラとの間に配置される光スイッチからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光スペクトラムアナライザ。
【請求項４】
前記波長可変レーザ光源は、単一縦モードのレーザ光を発振する半導体レーザを有し、
前記光遮断機構は、前記半導体レーザに単一縦モードのレーザ光を発振させるための駆動電流の供給をオン／オフする電気スイッチからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光スペクトラムアナライザ。
【請求項５】
前記光カプラの分岐比が１：１であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光スペクトラムアナライザ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−４２３８０（Ｐ２０１２−４２３８０Ａ）
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１８５００３（Ｐ２０１０−１８５００３）
【出願日】平成２２年８月２０日（２０１０．８．２０）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
【公開日】平成２４年３月１日（２０１２．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２０日（２０１０．８．２０）
【出願人】（００００００５７２）アンリツ株式会社 (838)
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