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C 61300-3-38 : 2015 (IEC 61300-3-38 : 2012)
5.3 偏光位相シフト法
5.3.1 一般事項
PPS法による光部品のGDの測定系を,図3に示す。この測定系に使用する測定器の詳細説明及び機能
を,5.3.25.3.8に規定する。
図3−PPS法測定系
5.3.2 波長可変光源 VWS
光源として,VWSを使用し,出力する波長範囲は測定する波長範囲を十分にカバーする必要がある。測
定結果において,十分なSN比及び波長分解能を得るために,VWSは,測定結果に要求するSN比に対し
て十分な光パワーをもち,要求される波長分解能に対して十分狭いスペクトル線幅をもつことが望ましい。
一般的には,完全内蔵形の温度制御器及び電流制御された波長安定化用外部共振器を備えている。VWS
の出力は,偏波面保存光ファイバを用いて光強度変調器に接続する。
VWSの波長ステップ幅は,供試品の群遅延リップル(GDR)の周期に対して,最適化する。
5.3.3 高周波発生器
高周波発生器は,光強度変調器に変調信号を印加するために用いる。変調信号の一部は,参照信号とし
て,強度及び位相比較器に供給する。一般的には50 MHz3 GHzの周波数範囲をもつ正弦変調信号を生成
する必要があるため,高周波発生器は広帯域特性が必要である。変調周波数は,変調側波帯の影響及び色
分散の測定分解能を考慮して決める。
側波帯は,光信号の両側に,変調周波数fの差をもって現れる。
光スペクトルの広がりを表す実効的な波長分解能Δλ(nm)は,側波帯によって制限を受け,一般的に
は,式(1)で表す。
2
f
Δ 2 (1)
c
ここに, λ : 波長(nm)
f : 変調周波数(GHz)
c : 真空中の光の速度(m/s)
さらに,群遅延の測定分解能ΔGD(ps)も変調周波数fによって制限を受け,一般的には,式(2)で表す。
Δ 10 3
ΔGD (2)
2 πf
――――― [JIS C 61300-3-38 pdf 11] ―――――
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ここに, Δ 替 位相比較器の位相分解能(rad)
f : 変調周波数(GHz)
5.3.4 光強度変調器
光強度変調器は,高周波発生器からの変調信号に同期して,VWS出力を光強度変調する。挿入損失,
ON/OFF消光比,偏光消光比などの光学特性は,測定する波長範囲全体にわたって要求値に適合する必要
がある。これらの特性に適合するために,一般にLiNbO3(LN)変調器を用いる。VWSを接続するための
入力用光ファイバとして,偏波面保存光ファイバを用いる。駆動電圧は,一般的に,LN変調器の半波長
電圧から決定し,高周波発生器の出力は,光強度の変調度が約20 %になるように調整する。
5.3.5 偏光制御器
偏光制御器は,供試品に対し,特定の偏光状態(SOP)の光を供給するために用いる。偏光制御器は,
偏光子,四分の一波長板及び二分の一波長板の三つの部品で構成する。二つの遅延板を回転することで,
あらゆる偏光状態を生み出すことができる。角度調整の分解能は±0.1°以内とし,偏光消光比は測定する
波長範囲において20 dBを超えるものとする。
5.3.6 偏光ビームスプリッタ PBS
PBSを供試品の後に置き,出力光を二つの直交する偏光信号,P偏光とS偏光とに分離する。それぞれ
の信号を,受光装置に入力する。PBSは,20 dBを超える高い偏光消光比をもつ方解石プリズムのような
異方性結晶で構成する。挿入損失は1 dB未満とする。PBSの偏光消光比,挿入損失などの光学特性は,測
定する波長範囲全域にわたって要求値に適合する必要がある。
5.3.7 受光装置 D1及びD2
受光装置は,供試品の変調した出力光を電気信号に変換する。一般的に,高い線形性及び約10 pA/(Hz)1/2
という低い雑音密度をもつPIN-PDを用いる。PIN-PDは,高周波発生器の変調周波数の応答に対して十分
な応答特性をもつものとする。さらに,高いSN比を保証するために,受光装置の光検出部の後に広帯域
で低雑音の増幅器を用いる。
5.3.8 強度及び位相比較器
強度及び位相比較器は,信号をそれぞれの偏光ごとに高周波発生器からの参照信号と比較することによ
って,強度及び位相を測定する。群遅延τ(ps)は,式(3)によって位相から算出する。
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2 πf
ここに, 替 位相(rad)
f : 変調周波数(GHz)
高周波発生器の変調信号の一部を参照信号として,強度及び位相比較器に供給する。参照信号は変調信
号に同期するようにする。高周波発生器の周波数安定性を含む全体の位相精度は,±0.3°以内又は適正な
測定精度を確保できる十分な精度とする。
6 測定手順
6.1 変調位相シフト法
6.1.1 測定原理
群遅延τgは,式(4)のように,光位相を 地 その角振動数ωoptに対する微分係数として定義
する。
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dΦoptopt 1 dΦopt fopt
g 0 (4)
d opt 2π dfopt
0 0
ここに, ωopt : 角振動数。2πfoptに等しい。
MPS法では,VWSの出力光を,標準的には100 MHz3 GHzの範囲の高周波又はマイクロ波の周波数
fRFで,正弦波形で強度変調する。変調した光信号を供試品に入力し,受光装置で検出する。参照信号源に
対するRF信号の位相(φRF1,φRF2,···,φRFn)は,光周波数(fopt1,fopt2,···,foptn)に対応する波長(λ1,λ2,
···,λn)で記録する。これらの測定は,相対的な群遅延,つまり,波長幅における群遅延の変化を決定す
るために用いる。隣接した二つの波長であるλi及びλjにおけるRF位相測定から,式(5)によって,群遅延
の変化Δτg(λi,λj) を算出する。
RF j RF i
g i, j (5)
2 πfRF
ここで,jはiより大きいこととする。
6.1.2 RF変調周波数
RF変調周波数は,慎重に選定しなければならない。測定における群遅延雑音及び波長分解能はトレード
オフの関係にある。表1は,要求される波長分解能に対する,推奨するRF変調周波数の最大値を示して
いる。
波長のサンプリング間隔と変調周波数との関係には,注意が必要である。特に,高い波長分散特性を示
すデバイスに対しては,隣接する波長間の群遅延差が180°以上の位相シフトにならないように最大変調
周波数を制限し,誤った位相情報を用いた計算によって不正確な結果をもたらさないように,変調周波数
は,式(6)の条件に適合するように設定する。
1
fRF (6)
Δmax
ここに, Δτmax : サンプル間隔における最大群遅延差
変調による波長分解能が波長のサンプリング間隔と同等である場合,連続する波長の測定は,合成して
平均化する,すなわち,より高いfRFの値を用いた場合と同等の結果を得ることができる。これは,ある波
長の測定における上側の側波帯からの位相の寄与は,隣接する波長の測定における下側の側波帯からの,
大きさが等しく位相が逆向きの寄与と相殺するからである。
図4は,波長サンプリング間隔が変調周波数と等しい場合の三つの測定波長例を示している。それぞれ
のだ円は,それぞれの波長近傍における波長スペクトルを表している。前述のように,三つの一連の波長
スペクトルを平均化した場合,実効的な変調周波数が3fRFで,実効的な中心波長がλ2(λ1,λ2及びλ3の平
均)の場合と同等になる。
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表1−変調周波数及びCバンドの波長分解能
変調周波数(GHz) 波長分解能(pm)
0.1 1.6
0.2 3.2
0.3 4.8
0.5 8.0
1.0 16.0
2.0 32.1
3.0 48.1
図4−変調周波数におけるサンプリング
6.1.3 測定手順
図1の測定系を用いて,次の手順で測定を行う。
a) 高周波発生器を使って正弦波電気信号を発生させる。周波数fRFは,標準的には100 MHz3 GHzの範
囲で選定する。正弦波電気信号は強度変調を行うため,かつ,受光装置D1及びD2の位相検出器を同
期するために使用する。オプションとして,周波数fRFは,図4に示すとおり,連続したサンプリング
が重なるように,波長サンプリング間隔と関連して選ぶ。
b) オプションとして,偏光制御器は0°で直線偏光になるように調整する。偏光の実際の方向は任意だ
が,通常,偏光制御器で生成する状態を参照する。さらに,SOPは,手順g) において,これを参照
する。
c) 供試品を測定系に接続せずに,TJ1とTJ2との間を基準光パッチコードで接続する。選定した波長サ
ンプリング間隔でVWSの波長を掃引しながら,波長に対するD1及びD2の出力として位相を記録す
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D1 D2
る。光源の位相をφRefとして,結果は,(λi,f
Rei, Rei
f )のデータ列となり,供試品の信号の位相
を正規化するための“損失のない”リファレンスを得る。
d) 供試品をTJ1及びTJ2に接続する。選定した波長サンプリング間隔でVWSの波長を掃引しながら,
波長,D1及びD2の出力として位相を記録する。供試品を接続したときの位相をφDUTとして,結果は,
D1 D2
(λi,DUTi, DUTi)のデータ列となり,供試品の信号の位相を得る。
e) 複数回の測定の平均化によって位相測定におけるランダム雑音を減らすため,手順c)手順d) を繰
り返す。
f) オプションとして,6.1.2の規定によって,変調周波数fRFが波長サンプリング間隔と同じ場合は移動
平均を適用することで,より高い周波数で測定する場合と同様の結果を得ることができる。
g) 推奨する拡張測定として,偏光制御器を使って,45°及び90°の直線偏光の状態,並びに円偏光に対
するポアンカレ球の極上の第4の状態で,手順c)手順f) を行う。これによって,入力する全ての偏
光状態における群遅延の平均を決めることが可能となる。
6.1.4 群遅延リップル測定における注意事項
波長分解能は,供試品の群遅延リップル(GDR)の周期に対して適切にするため,慎重に選ばなければ
ならない。波長分解能が大きくなると群遅延雑音は減少するが,平滑化のために群遅延リップルを決定す
る能力が低下する。
6.1.5 相対的な群遅延の算出
6.1.3に規定する手順c) 及び手順d) によって,“損失のない”リファレンス及び供試品の位相測定が得
られる。波長λiでの相対的な群遅延は,式(7)によって算出する。
D2 D2 D1 D1
DUT i Ref i DUT i Ref i 12
g i 10 (7)
2 πfRF
ここに, φ : 位相(rad)
fRF : 変調周波数(Hz)
τg(λi) : 群遅延(ps)
MPS法による測定結果からのDGDの算出は,A.2及びA.3に記載する。
6.2 波長掃引干渉法
6.2.1 測定原理
この方法は,光干渉計及びコヒーレントなVWSを用いて,供試品で生じる光位相φの波長依存性を測
定する。群遅延の絶対値は,光周波数における位相の微分係数として定義し,式(8)を用いて算出する。
d
GD (8)
d
ここに, φ : 電磁波である光の位相
ω : 光周波数(rad/s)
例えば,真空中をx方向に伝達する電界強度は,式(9)によって表すことができる。
x
E x,t E0 cos 2π t (9)
ここで,余弦関数の引数が位相φに相当し,電界振幅E0は光出力パワーの平方根に比例する。
この方法は,低コヒーレント光源を用いて光ファイバの波長分散を測定する,JIS C 6827に規定する方
法Dである“干渉法”とは異なる。方法Dでは,干渉計の参照経路の光路長を,供試品につながる経路の
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JIS C 61300-3-38:2015の引用国際規格 ISO 一覧
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