JP3286151B2

JP3286151B2 - 光サンプリング装置

Info

Publication number: JP3286151B2
Application number: JP03916896A
Authority: JP
Inventors: 秀基高倉
Original assignee: 株式会社テラテック
Priority date: 1996-02-27
Filing date: 1996-02-27
Publication date: 2002-05-27
Anticipated expiration: 2016-02-27
Also published as: JPH09230394A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光サンプリング装置に
関し、特に被測定光信号を光パルスでサンプリングし、
時間の分解能を上げた超高速光パルス観測に用いる光サ
ンプリング装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の光サンプリング装置では、サンプ
リングパルス幅を一定にして電気同期信号パルスと掃引
信号の和または差の繰り返し周波数でサンプリングパル
スを発生させていた。

【０００３】図９は、従来の光サンプリング装置の構成
例を示すブロック図である。この図において、１１１は
光パルス発生器、１１２は合波器、１１３はサンプラヘ
ッド、１１４は光検出器、１１５は処理部、１１６は表
示器、１１７は加算器、１１８は掃引信号を示す。ま
た、１９Ａは被測定光信号Ｐが印加される入力端子、１
９Ｂは電気同期信号パルスＱが印加される入力端子であ
る。

【０００４】図９の光サンプリング装置の動作を図１０
を参照して説明する。

【０００５】入力端子１１９Ｂに印加された電気同期信
号パルスＱは、掃引信号１１８が加算器１１７に加えら
れることによってその繰り返し周期Ｔ０が長くなる光パ
ルスＱ´が得られる。この光パルスＱ´と被測定光信号
Ｐとが合波器１１２に入るので、サンプラヘッド１１３
には図１０のＲのような出力信号が得られる。これを光
検出器１１４がそのピーク値を検出し、処理部１１５に
送り処理を施し、被測定光信号Ｐを表示器１１６上に現
出させる。

【０００６】この方式によればサンプリングの最小時間
分解能は、光パルス発生器１１１の発生する光パルスＱ
´のパルス幅による。現在発生可能な光パルスのパルス
幅は１〜２ｐｓ程度である。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】光パルス発生器１１１
の発生する光パルスの光パルス幅は１〜２ｐｓである
が、実際には図９に示す例よりも、もっと大規模な構成
を用いる必要がある。これを図１１により説明する。

【０００８】図１１は、短光パルスを発生する従来の光
パルス発生装置の他の例を示すブロック図である。この
図において、１２１はリングレーザ発振器（以下、単に
リングレーザという）、１２２は光増幅器、１２３は非
線形光学素子、１２４は分散性媒質を示す。

【０００９】次に、動作について説明する。所定の繰り
返し周波数のパルス状の電気信号の入力によって、リン
グレーザ１２１が発振し、５ｐｓ程度のパルス幅の光パ
ルスを出力する。これを光増幅器１２２が非線形光学素
子１２３において３次の非線形光学効果が起きるレベル
まで増幅し、次段の非線形光学素子１２３に入力する。
非線形光学素子１２３においては自己位相変調により光
パルスのスペクトル幅を拡げる。スペクトル幅が拡がっ
た光パルスは波長に対して線形に分散が変化した状態に
なっており、分散を補償することでパルス幅を細くする
ことができる。分散性媒質１２４においてはスペクトル
幅が拡がった光パルスを分散補償により時間軸で細く
し、パルス幅１〜２ｐｓの光パルスとして出力する。

【００１０】また、この構成を用いても１ｐｓ以下の幅
の光パルスを発生させることは困難で、衝突パルスモー
ド同期法を用いるなど、さらに大型の装置構成としなけ
ればならなかった。

【００１１】このように光パルス発生器の発生する光パ
ルスのパルス幅は細くしようとしても限界があった。し
かし、リングレーザ発振器では５ｐｓ程度のパルス幅を
持つ光パルスを発生させることはさほど困難ではない。
発振しきい値はリングレーザの構成によって決まる。ピ
ーク値を１として正規化すると０．９程度となる。リン
グレーザのパルス幅は図１２の幅ａで決まる。したがっ
て細いパルス幅を得るには繰り返し周波数が高い高周波
を光変調器に入力すればよい。

【００１２】しかし、光変調器の周波数帯域は現状では
７０ＧＨｚ程度が限界である。７０ＧＨｚの正弦波を入
力した時、パルス幅は（１）式によって求められる。

【００１３】

【数１】よって（１）式よりパルス出力は２．５ｐｓの半値幅と
なる。現状のリングレーザではこれが出力パルス幅の限
界となる。

【００１４】このように従来のリングレーザでは、光出
力のパルス幅は駆動信号の周波数に依存しており、短い
パルス幅の出力を得るには駆動信号の周波数を高くする
ことになり、そのため駆動信号の周波数によって決まる
パルスの繰り返し周波数が変化してしまっていた。

【００１５】本発明の目的は、サンプリングパルスのパ
ルス幅を変化させ、光信号をサンプリングし、光検出器
の出力をサンプリングの幅に応じて差分を取り出すこと
により従来よりも短い時間分解能で光サンプリングを行
う光サンプリング装置を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明にかかる光サンプ
リング装置は、被測定光信号の周期に同期した電気同期
信号パルスと、掃引信号を受け、この掃引信号に応じた
パルス幅の光パルスを発生するパルス幅可変光パルス発
生器（１）と、このパルス幅可変光パルス発生器の出力
と、被測定光信号とを受け、合波する合波器（２）と、
この合波器の出力を受け、前記パルス幅可変光パルス発
生器の出力と前記合波器の出力の重なる部分を光パルス
として出力するサンプラヘッド（３）と、このサンプラ
ヘッドの出力を受け、パルス出力パワーの平均値に応じ
た電気信号を出力する光検出器（４）と、掃引信号に応
じて前記光検出器の出力の前回値と今回値との差分をと
り出力する差分処理部（５）と、この差分処理部の出力
と掃引信号とを受け前記被測定光信号を表示する表示器
（６）と、前記電気同期信号パルスの入力を受け前記掃
引信号を発生する掃引信号発生部（７）とからなるもの
である。

【００１７】また、パルス幅可変光パルス発生器の前段
に電気同期信号パルスを分周する分周器（９）を設けた
ものである。

【００１８】

【作用】本発明においては、発生させる光パルスの幅を
変化させ、光検出器出力を掃引信号に応じて差分をとる
差分処理部に入力することで、サンプリングパルスの幅
が変化した部分のみの出力を得る。そして、上記光パル
ス発生器，差分処理部を掃引信号に同期させて動作させ
ることにより、１ｐｓ以下でサンプリングパルス幅を変
化させ、光サンプリングを行う。

【００１９】また、分周器によって、電気同期信号パル
スを分周するのでパルス幅の可変範囲を大きくとれる。

【００２０】従来の光サンプリング装置ではサンプリン
グパルス幅が最小時間分解能であったが、本発明ではサ
ンプリングパルス幅を変化させ、その変化分が最小時間
分解能となる。サンプリングパルスの幅は５ｐｓ程度で
あっても変化分はそれより細い値をとり、１ｐｓ以下で
制御することも可能であるところが従来と異なる。

【００２１】

【実施例】図１は、本発明の一実施例を示すブロック図
である。この図において、１はパルス幅可変光パルス発
生器で、その詳細は後述する。２は合波器、３はサンプ
ラヘッドで、和周波発生（ＳＦＧ）の機能をもつ非線形
光学結晶等を用いる。４は光検出器で、ホトダイオード
等を用いる。５は差分処理部で、その詳細は後述する。
６は表示部である。７は掃引信号発生部で、電気同期信
号パルス入力に同期して光パルス発生器のパルス幅に応
じた（すなわち、表示部６では時間軸に対応する）信号
を発生する。また、８Ａ，８Ｂは入力端子を示す。

【００２２】次に、パルス幅可変光パルス発生器１の詳
細について説明する。図２は、パルス幅可変光パルス発
生器１の構成の詳細を示すブロック図である。

【００２３】図２において、１１は同期した２つの電気
パルス信号を発生するパルス発生器、１２はケーブル等
で自然に電気信号に固定遅延を生じるのをシンボルで示
した固定遅延器、１３は電気の線路長を変化させ、電気
信号に可変遅延を生じさせる可変遅延器、１４はリング
レーザを構成する第１の光変調器で、可変遅延器１３か
らの電気パルス信号Ｂを高周波分とし、ＤＣバイアス分
（図示せず）とを合わせて、光の入力を光強度変調し出
力する。１５はリングレーザを構成する第２の光変調器
で、固定遅延器１２からの電気パルス信号Ａを高周波分
とし、ＤＣバイアス分（図示せず）とを合わせて、光の
入力を光強度変調し出力する。１６はリングレーザを構
成する光増幅器で、エルビウム添加ファイバアンプ等が
用いられる。１７はリングレーザを構成する光バンドパ
スフィルタで、リングレーザにおける発振波長を透過中
間波長とする。１８はリングレーザを構成する光カプラ
で、リングレーザから光出力信号を分岐する。１９はリ
ングレーザを安定に動作させるようにリング長を調整す
るための可変光遅延器である。そして、１４〜１９の各
部がリング状に接続され、リングレーザが構成される。

【００２４】次に、図２のパルス幅可変光パルス発生器
１の動作について、図３，図４を参照して説明する。

【００２５】図３は、その動作原理図で、図３（ａ）の
ように、第２の光変調器１５にパルス幅ｔｗの駆動用の
電気パルス信号Ａを入力すると、それに応じた光出力が
第２の光変調器１５から出る。図３（ｂ）のように、第
１の光変調器１４に電気パルス信号Ａより位相がΔｔ遅
れた電気パルス信号Ｂを入力すると、第１の光変調器１
４から光出力が出るが、この光出力の位相は第２の光変
調器１５から出る光出力より位相がΔｔ遅れた光出力と
なる。そこで、図３（ｃ）のように、図２（ａ），
（ｂ）を合成した光変調器（等価ブロック）を考える
と、丁度、駆動信号ＡとＢとの重なる幅ｔｗ−Δｔの駆
動用の電気パルス信号を入力したのと等価となり、狭い
パルス幅の光信号が得られる。Δｔを大きくするほどパ
ルス幅は狭くなる。

【００２６】以上の原理を用いた図２のパルス幅可変光
パルス発生器１の構成の要部を抜き出したのが図４のブ
ロック図である。この図で、固定遅延器１２で得られる
遅延時間Ｔはケーブル等で生じるものであるが、説明の
都合上、固定遅延器１２として示した。したがって、可
変遅延器１３側においても遅延時間Ｔは当然に生じる。
要は第１，第２の光変調器１４と１５に入力する駆動用
の電気パルス信号Ａ，Ｂ間に位相差を与えるために、可
変遅延器１３を用いている。第１の光変調器１４におい
て、可変遅延器１３でＴ＋Δｔの遅延時間が与えられた
（Δｔは可変）電気パルス信号Ｂにより第１の光変調器
１４において光入力は変調を受け、パルス幅ｔｗで、基
準時間ｔ＝０に対してｔ＝Ｔ＋Δｔだけ遅れた光パルス
に光入力を変調する。第１の光変調器１４で変調を受け
た光信号は次段の第２の光変調器１５で再び変調を受
け、図３の原理図で説明したように、パルス幅ｔｗ−Δ
ｔの光信号が得られる。このようにして得られた光信号
は光カプラ１８の出力端子Ｃから出力される。なお、図
２の出力端子Ｄから得られる光信号は、再びリングレー
ザ中の光入力として用いられる。

【００２７】実際のパルス幅の最小値は、第１，第２の
光変調器１４，１５の変調帯域と電気パルス信号Ｂ，Ａ
の立ち上がり時間ｔ_ｒおよび立ち下がり時間ｔ_ｆで決ま
る。よってダブラ等を使用した時と比べて短いパルスが
発生するとは限らないが、パルスの幅を掃引させること
が可能であるので、このパルス幅の変化部を本発明は用
いたものである。

【００２８】このように、パルス幅ｔｗの電気パルス信
号をΔｔずらして第１の光変調器１４に加えることによ
り２つの光変調器１４，１５を通った光出力はｔｗ−Δ
ｔの幅になり、Δｔを変化させることにより０〜ｔｗの
間の任意のパルス幅の光変調を行うことできる。この結
果光パルス出力も（１）式により変化する。

【００２９】次に、図５により図１の実施例における差
分処理部５について説明する。図５において、５１は制
御部、５２は保持回路、５３は前回値保持回路、５４は
差分部を示す。

【００３０】その動作を説明すると、掃引信号が制御部
５１に印加されると、図１の光検出器４の出力を保持回
路５２が保持すると同時に、前回値を前回値保持回路５
３に移す。そして、保持回路５２と前回値保持回路５３
のそれぞれに保持された値から差分を差分部５４により
取り出して出力を得る。

【００３１】次に、図１の実施例の全体の動作を、図６
を参照して説明する。図６は図１の実施例の動作説明の
ための要部の波形を示したものである。

【００３２】パルス幅可変光パルス発生器１によって発
生させるサンプリング光パルスのパルス幅を掃引信号に
より順次増加させるとサンプラヘッド３の出力Ｒは、図
６に示すように被測定光信号Ｐと光サンプリングパルス
Ｑ´の重なった部分をとり出す。これはサンプリング毎
に前回値との差分を累積したものである。これを光検出
器４が平均値として検出し、差分処理部５に入力する。
差分処理部５においては、図５で説明したような処理を
行い、平均値の差分をとって表示部６に入力し、被測定
光信号Ｐの波形を表示する。

【００３３】図７に、本発明の他の実施例を示す。９は
電気同期信号を分周するためにパルス幅可変光パルス発
生器１の前段に設けられた分周器である。図８に、図７
の動作説明のための波形図を示す。このように、分周器
９を入れることにより、被測定光信号Ｐを１周期観測す
るための光サンプリングパルスＱ´のパルス幅の可変範
囲はＴ_０＋（Ｎ−１）ｔ〜Ｔ_０＋Ｎｔ（Ｎ：分周器の分
周比，ｔ：光信号繰り返し周期，Ｔ_０：光パルス発生器
の初期のパルス幅）となる。サンプリングの時間分解能
を上げるためには光サンプリングの幅を光信号繰り返し
周期ｔにわたって細かく掃引する必要がある。初期のパ
ルス幅Ｔ_０が光信号繰り返し周期ｔに対して小さい場合
は、全掃引範囲内で安定に動作させることは困難であ
り、初期のパルス幅Ｔ_０に対して安定にパルス幅を掃引
できる範囲は限られる。このようにパルス幅の可変範囲
が大きくとれない場合でも、分周器９を入れることによ
りこの範囲内で安定に動作させれば良い。

【００３４】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明は、
被測定光信号の周期に同期した電気同期信号パルスと、
掃引信号を受け、この掃引信号に応じたパルス幅の光パ
ルスを発生するパルス幅可変光パルス発生器（１）と、
このパルス幅可変光パルス発生器の出力と、被測定光信
号とを受け、合波する合波器（２）と、この合波器の出
力を受け、前記パルス幅可変光パルス発生器の出力と前
記合波器の出力の重なる部分を光パルスとして出力する
サンプラヘッド（３）と、このサンプラヘッドの出力を
受け、パルス出力パワーの平均値に応じた電気信号を出
力する光検出器（４）と、掃引信号に応じて前記光検出
器の出力の前回値と今回値との差分をとり出力する差分
処理部（５）と、この差分処理部の出力と掃引信号とを
受け前記被測定光信号を表示する表示部（６）と、前記
電気同期信号パルスの入力を受け前記掃引信号を発生す
る掃引信号発生部（７）とからなるので、従来の方式に
おいて、より細い光パルスでサンプリングした場合に相
当する高い時間分解能でサンプリングを行うことができ
る。

【００３５】また、パルス幅可変光パルス発生器の前段
に電気同期信号パルスを分周する分周器（９）を設けた
ので、パルス幅の可変範囲が大きくとれない場合でも安
定に動作させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示すブロック図であ
る。

【図２】図１の実施例中のパルス幅可変光パルス発生器
の構成の一例を示すブロック図である。

【図３】図２のパルス幅可変光パルス発生器の動作原理
説明のための図である。

【図４】図２のパルス幅可変光パルス発生器の要部を示
したブロック図である。

【図５】図１の実施例中の差分処理部の構成の一例を示
すブロック図である。

【図６】図１の実施例の動作説明のための要部の波形図
である。

【図７】本発明の他の実施例の構成を示すブロック図で
ある。

【図８】図７の実施例の動作説明のための要部の波形図
である。

【図９】従来の光サンプリング装置の構成例を示すブロ
ック図である。

【図１０】図９の従来の光サンプリング装置の動作概念
説明のための要部の波形図である。

【図１１】従来の光パルス発生装置の構成例を示すブロ
ック図である。

【図１２】図１１の従来装置の動作説明のための波形図
である。

【符号の説明】

１パルス幅可変光パルス発生器２合波器３サンプラヘッド４光検出器５差分処理部６表示部７掃引信号発生部８Ａ入力端子８Ｂ入力端子９分周器

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定光信号の周期に同期した電気同期
信号パルスと、掃引信号を受け、この掃引信号に応じた
パルス幅の光パルスを発生するパルス幅可変光パルス発
生器（１）と、このパルス幅可変光パルス発生器の出力と、被測定光信
号とを受け、合波する合波器（２）と、この合波器の出力を受け、前記パルス幅可変光パルス発
生器の出力と前記合波器の出力の重なる部分を光パルス
として出力するサンプラヘッド（３）と、このサンプラヘッドの出力を受け、パルス出力パワーの
平均値に応じた電気信号を出力する光検出器（４）と、掃引信号に応じて前記光検出器の出力の前回値と今回値
との差分をとり出力する差分処理部（５）と、この差分処理部の出力と掃引信号とを受け前記被測定光
信号を表示する表示部（６）と、前記電気同期信号パルスの入力を受け前記掃引信号を発
生する掃引信号発生部（７）と、からなることを特徴と
する光サンプリング装置。
【請求項２】パルス幅可変光パルス発生器の前段に電
気同期信号パルスを分周する分周器（９）を設けたこと
を特徴とする請求項１に記載の光サンプリング装置。