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光ファイバ通信のしくみと光スペクトル測定

章マーク 光スペクトル測定

1.光ファイバ通信の技術を支える測定器

光を波と考えると、図12のように「振幅」と「波長 (周波数)」が重要な量になります。単位時間あたりの波の数を波数といいます。振幅は、光の強度に関係する量で、光パワーとして測定されます。光の基本測定では、電気測定での電圧計に相当するのが光パワーメータ、周波数カウンタに相当するのが光波長計です。また、電気測定のスペクトラムアナライザに相当するのが、光スペクトラムアナライザです。一般に「光スペアナ」 (日本語式略語)という名称で呼ばれています。光スペアナの場合は、スペクトルを周波数で区別するのではなく、波長で区別するのが一般的です。

光は波として考える
図12 光は波として考える

光ファイバ通信で評価される光スペクトルとは

太陽の光をプリズムに通すと、虹のような色の帯ができることをご存知の方は多いと思います。この色の帯を光スペクトルと呼びます。光ファイバ通信で評価される光スペクトルは、光が持つ成分を波長ごとに分解し、横軸を波長、縦軸をレベル (光パワー)としてグラフ化したものです。光ファイバ通信で使用されている光は、太陽光のような自然光ではなく、レーザのように人工的に作り出された光です。
図13に太陽光とレーザの光スペクトルの例を示します。
人工的に作り出された光のスペクトルは、光ファイバ通信において重要な意味をもつため正確な評価が必要です。波長領域で信号を多重するWDM伝送方式の普及が、光スペクトル解析を通信ネットワーク構築にとってのキー測定技術に押し上げました。

太陽光の光スペクトル
レーザの光スペクトル
太陽光の光スペクトル
レーザの光スペクトル
図13 太陽光とレーザの光スペクトル

光スペアナで測定できること

・レーザ、発光ダイオードなどの発光素子 (能動部品)のスペクトル
 →発光波長やスペクトル幅がわかります。
・光ファイバや光フィルタなどの受動部品の入力と出力の関係
 →減衰特性や透過特性、カットオフ波長などがわかります。

スペクトル測定に要求される性能

・波長測定確度
 →波長測定(読み取り)精度の確かさ
・高分解能
 →二つの近接した波長λとλ+Δλの2本のスペクトル線があるとき、どのくらい小さいΔλまでを2本のスペク
  トルとして区別できるか、という能力
・高速性
 →波長スイープ速度の速さ
・光学的ダイナミックレンジ (フィルタ特性のシャープさ)
 →被測定光を波長ごとに分解する際に、隣接する波長の光パワーをどこまで抑圧して測定できるか、
   という能力
・広帯域幅
 →測定できる波長範囲の広さ
・高感度
 →どれだけ小さい光パワーまで測定できるか、という能力

光スペクトル測定のしくみ

図14に電気スペアナ、図15に光スペアナの原理図を示します。
光スペアナは、 通常の (電気信号用の)スペアナの周波数スイープ回路を光学的なプリズムを使用したメカニカルな装置に、検波回路をフォトダイオード (O/E変換器)にそれぞれ置き換えたものと考えることができます。

電気スペアナの原理図
図14 電気スペアナの原理図

光スペアナの原理図
図15 光スペアナの原理図