JPH0829814A - 光サンプリング光波形測定装置 - Google Patents
光サンプリング光波形測定装置Info
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Abstract
大きい光サンプリング光波形測定装置を実現する。 【構成】 光パルス光源から発生した光パルス列は、非
線形光学材料により広帯域スペクトルを有するスーパー
コンティニュアム光に変換される。波長可変光学フィル
タによりこのスーパーコンティニュアム光から所望のス
ペクトルバンド幅のサンプリング光パルスが選択され
る。 【効果】 連続した広い帯域から要求に応じて任意の帯
域を切り取ってサンプリング光パルスとして用いること
ができるため、光波形の測定が行いやすい。
Description
する。特に、きわめて高速の光信号の波形測定技術に関
する。
願(特願平5−78095号、本願出願時において未公
開)の明細書および図面で説明した新しい短パルス白色
光源の応用技術に関する。
き光パルスとそれよりパルス幅の十分狭いサンプリング
光パルスを非線形光学材料に導き非線形光学効果を利用
して両者の相互相関信号を取り出す方法であり、光領域
で被測定光をサンプリングできるため高時間分解能で超
高速光信号の波形観測が期待できる。
学効果の一つである和周波光発生(SFG:Sum Freqen
cy Generation)( 参考文献 高良 他:「和周波光発生
を用いた光サンプリングにより超高速光波形測定法」,
電子情報通信学会論文誌,B-I,vol.J75-B-I,No.5,pp.3
72-380,1992年) や3次の非線形光学効果である四光波
混合(FWM:Four Wave Mixing)等(参考文献 P.A.And
rekson,Electron.Lett.27,1440(1991)) が利用されてい
る。
よび光強度の関係を示す図である。横軸に光周波数をと
り、縦軸に光強度をとる。図中、fsam 、fsig 、f
sfg 、ffwm はそれぞれサンプリング光周波数、被測定
光周波数、和周波光周波数、FWM光周波数である。P
sam 、Psig 、Psfg 、Pfwm はそれぞれサンプリング
光強度、被測定光強度、和周波光強度、FWM光強度で
ある。
波数fsig の被測定光と光周波数fsam のサンプリング
光の2光波を2次の非線形光学材料に入射すると和の光
周波数fsfg =fsig +fsam の光が発生する現象であ
る。FWMとは、図8(b)に示すように一般に3つの
入射光(光周波数f1 、f2 、f3 )により新たな光
(光周波数f4 =f1 +f2 −f3 )が発生する現象で
あるが、光サンプリングに応用する場合、3種類の光を
用いるのは構成が複雑になるので通常2つの光波が縮退
(f1 =f2 )したFWMを利用する。つまり、f1 、
f2 としてサンプリング光周波数fsam を入射し、f3
として被測定光周波数fsig を入射することにより、図
8(b)に示したように光周波数ffwm =2fsam −f
sig のFWM光が発生する。この第一非線形光学材料と
して、SFGについては主にKTPその他の強誘電体結
晶、FWMについては光ファイバその他の石英系光導波
路が用いられる。
ンプリング光波形測定法の時間分解能は主にサンプリン
グ光パルスのパルス幅によって決定される。従来、サン
プリング光源として主に図9に示したパルス光源を用い
ていた。図9は従来のパルス光源を示す図である。図9
(a)(b)(c)はそれぞれリング共振器型モード同
期レーザ、ファブリペロ共振器型モード同期レーザ、利
得スイッチング半導体レーザの構成図である。電圧増幅
器71、直流電圧源72、光変調器73、光増幅器7
4、光遅延器75、光学バンドパスフィルタ76、光結
合器77、ミラー78、半導体レーザ79、パルス圧縮
用分散媒質80により構成される。これらのパルス光源
は図9(ア)の電気信号を用いて(イ)に示したサンプ
リング周波数f0 /n−Δfの光パルス列を発生する。
しかし、これらの出力光のパルス幅を数ps以上であ
り、そのため時間分解能も数ps程度に留まってしまう
という欠点がある。
効率は、被測定光およびサンプリング光の光周波数に依
存する。二次の非線形光学結晶に被測定光とサンプリン
グ光を入射して発生する和周波光の強度は、 Psfg =8(μ0 /ε0 )3/2 ・ 〔(π2 c2 d2 L2 )/(λ2 n3 )〕・〔(Psam Psig )/Aeff 〕・ 〔(sin2 (ΔkL/2)/(ΔkL/2)2 〕 …(1) Δk=(2π/c)・(fsfg nsfg −fsam nsam −fsig nsig ) …(2) のように表される(参考文献A.Yariv著、「光エ
レクトロニクスの基礎」原書3版、丸善株式会社、P2
63)。ここでλは波長、cは光束、Aeff は有効断面
積、Lは長さ、dは2次の非線形感受率である。Δkは
位相不整合を示すパラメータであり、サンプリング光の
光周波数fsam および被測定光の光周波数fsig を適当
に設定することによりΔk=0となり和周波光強度P
sfg は最大となる。
ンプリング光の光周波数fsam は固定であり、被測定光
の光周波数fsig は不特定であった。図10は、被測定
光光周波数および相互相関信号光強度の関係を示す図で
ある。横軸に被測定光光周波数をとり、縦軸に相互相関
信号光強度をとる。図10はこのときの和周波光強度と
被測定光周波数fsig の関係を式(1)(2)より計算
したものである。被測定光の光周波数fsig が最適な光
周波数fmax から離れるに従ってSFG光強度は減少し
てしまう。すなわち、相互相関信号である和周波光強度
が被測定光の光周波数fsig に依存するため、広い光周
波数帯域での光波形測定は困難である。
互相関信号である和周波光強度が被測定光の光周波数f
sig に依存する。非線形光学材料として光ファイバを用
いた場合のFWM光強度は、
n optical fibar in thezero-dispersion wavelength r
egion",J.of Lightwave Technology,10,PP.1553-1561(1
992))。ここでαは損失係数、Dは縮退係数、Xは3次
の非線形感受率である。Δβは位相不整合を示すパラメ
ータであり、上述のように2光波が縮退した場合、 Δβ= −〔(λ4 π)/c2 〕〔(dDc )/(dλ)〕2(fsam −fsig )2 ・ (fsam −f0 ) …(4) となる。Dc 、f0 はそれぞれ非線形光学材料の波長分
散および零分散となる光周波数である。被測定光の光周
波数fsig がサンプリング光の光周波数fsam と等しく
なるときΔβ=0となりFWM光強度は最大となる。し
かし、被測定光の光周波数fsig がサンプリング光の光
周波数fsam から離れるに従ってFWM光強度は減少し
てしまう。したがって、FWMについてもSFGと同様
に相互相関信号である和周波光強度が被測定光の光周波
数fsig に依存するため、広い光周波数帯域での光波形
測定は困難である。
であって、非線形光学効果を用いる光サンプリング光波
形測定装置において、サンプリング光としてパルス幅が
狭く広帯域で連続した光周波数を持つスーパーコンティ
ニュアム光パルスを使用することで、従来より高時間分
解能で光周波数可変領域の大きい光サンプリング光波形
測定装置を提供することを目的とする。本発明は、被測
定光の光周波数に対する依存性の少ない光サンプリング
光波形測定を提供することを目的とする。
波形測定装置は、サンプリング光発生部が、光パルス列
を発生するパルス光源と、該光パルスを広帯域スペクト
ルを有するスーパーコンティニュアム光へ変換する第二
の非線形光学材料と、該スーパーコンティニュアム光か
ら所望の中心波長とスペクトル幅のサンプリング光パル
スを選択する波長可変光学フィルタからなることを特徴
とする。
(光周波数fsig )とサンプリング光(光周波数
fsam )の相互相関信号として、両光の和周波数光(光
周波数fsig +fsam )または四光波混合光(光周波数
2fsam −fsig )を発生することを特徴とする。ま
た、第一および第二の非線形光学材料として、石英系光
導波路または半導体導波路または強誘電対結晶または強
誘電対導波路または有機導波路を用いることを特徴とす
る。
たスーパーコンティニュアム光がチャーピングを有する
場合はチャーピングを補償する波長分散を有するパルス
圧縮器を備えることを特徴とする。
出力光とサンプリング光源(4)の出力光とを結合する
結合器(7)と、この結合器の出力光を検波する光検出
器(10)と、この光検出器の出力信号を前記サンプリ
ング光源および前記被測定光源と同期させて表示する手
段とを備えた光サンプリング光波形測定装置である。
記サンプリング光源(4)は、パルス光源と、このパル
ス光源の出力光が照射される第一の非線形光学材料と、
この第一の非線形光学材料から放射されるスーパーコン
ティニュアム光から所望の波長を選択する波長可変光学
フィルタとを含むところにある。
広い波長範囲にわたり光波形測定を行うことができる。
二の非線形光学材料と、この第二の非線形光学材料が放
射する光が通過する光学フィルタ(9)とを備え、前記
光検出器(10)にはこの光学フィルタ(9)の透過光
が導入されることが望ましい。
前記サンプリング光源(4)の出力光通路にそれぞれ挿
入され前記第二の非線形光学材料に適合するように偏光
をあたえる偏光制御器を備えることが望ましい。
ーパーコンティニュアム光を通過させそのパルス時間幅
を短くする分散補償器(21)を備えることが望まし
い。これにより、パルス時間幅の短い光パルスを得るこ
とができる。
光源の出力光が通過する導波路の材料として構成される
ことが望ましい。
(4)の出力光とが結合器(7)により結合される。光
検出器(10)は、この結合器の出力光を検波する。こ
の光検出器の出力信号をサンプリング光源および被測定
光源と同期させて表示する。
まれる第一の非線形光学材料にパルス光源からの出力光
が照射されると、この第一の非線形光学材料からスーパ
ーコンティニュアム光が放射される。このスーパーコン
ティニュアム光から波長可変光学フィルタを用いて所望
の波長を選択することができる。これにより、白色の超
短パルス光を用いて、広い波長範囲にわたり光波形測定
を行うことができる。
力光が照射される位置に設けられ、この第二の非線形光
学材料が放射する光が通過する光学フィルタ(9)とを
備え、光検出器(10)にはこの光学フィルタ(9)の
透過光が導入されることがよい。第二の非線形光学材料
からは繰り返し周波数Δfの低速の相互相関信号が得ら
れ、これだけを光学フィルタで抽出して表示タイミング
のトリガとすることができる。
通路およびサンプリング光源(4)の出力光通路にそれ
ぞれ挿入され、第二の非線形光学材料に適合するように
偏光をあたえることがよい。
設け、スーパーコンティニュアム光を通過させそのパル
ス時間幅を短くすることがよい。。
力光が通過する導波路の材料として構成されることがよ
い。
ルス列は、非線形光学材料により広帯域スペクトルを有
するスーパーコンティニュアム光に変換される。波長可
変光学フィルタによりこのスーパーコンティニュアム光
から所望の中心波長とスペクトルバンド幅のサンプリン
グ光パルスが選択される。
続した広い帯域から要求に応じて任意の帯域を切り取っ
てサンプリング光パルスとして用いることができるた
め、光波形の測定が行いやすい。
スーパーコンティニュアム光のチャーピングを補償する
こともできる。
たは半導体導波路または有機結晶または有機導波路を用
いることがよい。
は半導体導波路または回折格子対またはプリズム対また
はGires−Tournois干渉計を用いることが
よい。
参照して説明する。図1は本発明第一実施例装置の構成
図である。図2は光パルス源のブロック構成図である。
リング光源4の出力光とを結合する結合器7と、この結
合器7の出力光を検波する光検出器10と、この光検出
器10の出力信号をサンプリング光源4および被測定光
源2と同期させて表示する手段としての表示部14とを
備えた光サンプリング光波形測定装置である。
2に示すように、サンプリング光源4は、パルス光源1
8と、このパルス光源18の出力光が照射される第一の
非線形光学材料としてのSC(スーパーコンティニュア
ム) 発生用非線形光学材料20と、このSC発生用非線
形光学材料20から放射されるスーパーコンティニュア
ム光から所望の波長を選択する波長可変光学フィルタと
しての波長可変バンドパスフィルタ22とを含むところ
にある。
形光学材料8と、この非線形光学材料8が放射する光が
通過する光学フィルタ9とを備え、光検出器10にはこ
の光学フィルタ9の透過光が導入される。
ング光源4の出力光通路にそれぞれ挿入され非線形光学
材料8に適合するように偏光をあたえる偏光制御器5、
6を備える。
に、スーパーコンティニュアム光を通過させそのパルス
時間幅を短くする分散補償器21を備える。
光源18の出力光が通過する導波路の材料として構成さ
れる。
い実線は電気信号の流れを示す。被測定光源用クロック
発振器1および被測定光源2は、それぞれ外部装置とし
て設けられている。一方、サンプリング周波数f0 /n
−Δf(n:自然数)を発振するサンプリング周波数発
振器3と、サンプリング光源4が設けられている。サン
プリング周波数発振器3からの発振出力をミキサ12に
導き、ここで被測定光源用クロック発振器1からの周波
数f0 を分周回路15により分周したf0 /nの電気パ
ルスを上述の発振出力と混合する。その混合出力を電気
ローパスフィルタ13に供給して周波数Δfの成分を抽
出してトリガ信号となし、そのトリガ信号を表示部14
に供給する。
の交換効率は入射光の偏光状態に依存する。したがっ
て、被測定光源2からの周波数f0 の被測定光、および
サンプリング光源4からの周波数f0 /n−Δfのサン
プリング光をそれぞれ偏光制御器5および6に導き、こ
こでその光パルスの偏光状態を非線形光学材料8に対し
て最適状態に調整する。偏光状態が調整された被測定光
およびサンプリング光を結合器7を介して非線形光学材
料8に導き、ここで繰り返し周波数Δfの低速の相互相
関信号を得る。光学フィルタ9によりその相互相関信号
のみ取り出した後、光検出器10で受光して電気信号に
変換する。その後、信号処理部11に供給して適切な信
号処理を施してから表示部14に供給する。表示部14
では、信号処理部11からの出力をトリガ信号Δfのタ
イミングで表示する。
は、被測定光に対して、その光パルスよりパルス幅の狭
い別のサンプリング光パルスを重畳し、非線形光学材料
8に入射させて、さらにこのサンプリング光パルスの遅
延を掃引したときに、両光パルスの重なった部分に比例
して発生する相互相関信号光電力が描く波形を表示部1
4上に表示させることで、被測定光波形を測定するもの
である。
る。図3は本発明第二実施例装置のブロック構成図であ
る。本発明第一実施例では、被測定光に対するサンプリ
ング光の遅延を掃引する手段としてサンプリング周波数
f0 /n−Δfの発振器を用いているが、本発明第二実
施例では、図3に示すように周波数Δfの掃引信号発振
器17と周波数シフタ16を用いてサンプリング周波数
f0 /n−Δfを発生する方法もある。
ング光波形測定法における被測定光パルスとサンプリン
グ光パルスの時間的な相対位置の変化と、これによって
得られる低速の相互相関信号光波形を図4に示す。図4
は被測定光とサンプリング光と相互相関信号光との関係
を示す図である。図4(b)に示すサンプリング光パル
スの繰り返し周波数を図4(a)に示す被測定光パルス
の繰り返し周波数f0〔Hz〕よりもΔf(Hz)だけ
低く(または高く)することによって、図4(c)のよ
うなΔf(Hz)の相互相関信号光を得る。図4の例で
は、被測定光パルスとサンプリング光パルスとの周波数
がほぼ等しい場合を示したが、サンプリング周波数その
ものは整数分の1(f0 /n(Hz))近傍であっても
よい。
定法は、fsec 程度と非常に速い応答速度を有する非線
形光学効果を利用して被測定光波形をサンプリングし被
測定光波形の時間軸を拡大して測定することができるの
で、極めて高い時間分解能で高速光パルス波形の検出が
可能となる。
イバとして石英系光導波路を用いた。その他にも、半導
体導波路または強誘電体結晶または強誘電対導波路また
は有機結晶または有機導波路を用いることができる。
いた。その他にも、半導体導波路または有機結晶または
有機導波路を用いることができる。
系光導波路を用いた。その他にも、半導体導波路または
回折格子対またはプリズム対またはGires−Tou
rnois干渉計を用いることができる。
において、サンプリング光源を波長可変の超短パルス光
源を使用することを特徴としている。図2に示すよう
に、励起用のパルス光源18、光増幅器19、23、S
C発生用非線形光学材料20、分散補償器21(パルス
圧縮器)、波長可変光学バンドパスフィルタ22により
構成される。励起用パルス光源18としては従来の技術
で述べたモード同期レーザや利得スイッチング半導体レ
ーザその他が使用できる。光増幅器19、23としては
Er等の希土類添加ファイバや導波路や半導体レーザ増
幅器その他が使用できる。
を図5を参照して説明する。図5は励起パルス列を示す
図である。励起用パルス光源18から発生された励起光
パルス列(図5(a))を第一の光増幅器19で増幅し
た後にSC発生用非線形光学材料20に入射する。この
とき、励起光の波長λpumpとSC発生用非線形光学材料
20の零分散波長が近くなるように設定し、励起光のピ
ークパワーを十分高く(1W以上)なるように増幅する
と、SC発生用非線形光学材料20内で励起光パルス列
からSC光への変換が起きる(参考文献 T.Morioka et
al.,"Nearly penetly-free,4ps supercontinuum WDM p
ulse generation for Tbit/s TDM-WDM network,OFC94,
PD21,1994) 。このSC光は図5(b)に示したように
200nm以上の広波長域のスペクトル幅を有した光パ
ルス列である。このときSC光がSC発生用非線形光学
材料20の分散特性の影響でチャーピング(光パルス内
で時間的に光周波数が異なること)を有する場合は、分
散補償器21を用いてこのチャーピングを制御してチャ
ーピングの無い光パルス列にする(図5(c))。SC
発生用非線形光学材料20直後でチャーピングの無いS
C光が得られる場合は分散補償器21は不要である。そ
して、波長可変バンドパスフィルタ22を用いて所望の
波長λsam (光周波数fsam )のSC光を切り取り(図
5(d))、第二の光増幅器により増幅してサンプリン
グ光パルス列を得る。このとき波長可変バンドパスフィ
ルタ22出力光が後段の相互相関信号発生に十分なピー
クパワーを有している場合は第二の光増幅器は不要であ
る。
ルバンド幅は、波長可変バンドパスフィルタ22のバン
ド幅によって決定される。このバンド幅をΔf、光パル
ス幅をΔtとすると、これらの積(時間バンド幅積)
は、 Δf・Δt≧A …(5) となり、フーリエ変換限界値以上となる。ここでAは光
パルスの形状で決まる値であり、例えばGausian 型の場
合にはA=0.44、sech2型の場合はA=0.3
1となる。特に(5)式で等号が成り立つ場合の光パル
スをフーリエ変換限界パルスと呼ぶ。SC光に関しても
チャーピングが無い場合にはフーリエ変換限界パルスが
得られる。従って、SC光のパルス幅Δtは、 Δt=A/Δf …(6) となり、バンド幅Δfを増加することによりパルス幅の
狭い光パルスが得られることが分かる。例えばΔf=6
50GHz(波長約5nm)と設定し光パルス波長をGa
usian 型を仮定した場合、従来のサンプリング光源の出
力光パルスに比べて1/10程度のパルス幅の超短光パ
ルス(Δt=0.5ps)が得られる。したがって、本
発明によって従来よりもパルス幅の狭いサンプリング光
パルスが得られるため、高時間分解能の光サンプリング
光波長測定が可能となる。
有するため、波長可変バンドパスフィルタによりこの帯
域内の任意の中心光周波数のサンプリング光を得ること
ができる。図6は、SFGの場合の被測定光およびサン
プリング光の変化を示す図である。横軸に光周波数をと
り、縦軸に光強度をとる。従ってSFGの場合、図6に
示したように被測定光の光周波数がfsig1からfsig2と
変化してもそれに追従してサンプリング光の光周波数を
fsam1からfsam2と調整することにより、従来の技術で
述べた(2)式のΔkの値を常に一定の値に設定するこ
とができる。図7は、被測定光光周波数および相互相関
信号光光強度の関係を示す図である。横軸に、被測定光
光周波数をとり、縦軸に相互相関信号光光強度をとる。
その結果、図7に示したように相互相関信号光の強度が
被測定光の光周波数にほとんど依存しない光サンプリン
グ光波形測定が可能となる。すなわち、本発明は光周波
数20THz(波長200nm)以上の広帯域での光波
形測定が可能である。
グ光の光周波数と被測定光の光周波数の差(fsam −f
sig )以外にサンプリング光の光周波数と非線形光学材
料の零分散光周波数の差(fsam −f0 )にも依存する
ため、SFGのように被測定光の光周波数に追従してサ
ンプリング光の光周波数を調整してもΔβを一定値に設
定することはできない。しかし、Δβと2乗で比例する
(fsam −fsig )を常に一定値とすることができるた
め従来よりも被測定光光周波数依存性の少ない光サンプ
リング光波形測定が可能となる。
サンプリング光としてスーパーコンティニュアム光を使
用することにより、時間分解能を著しく向上することが
できる。また、被測定光の光周波数に対する依存性の少
ない光サンプリング光波形測定を実現することができ
る。
の関係を示す図。
の変化を示す図。
の関係を示す図。
の関係を示す図。
の関係を示す図。
Claims (5)
- 【請求項1】 被測定光源(2)の出力光とサンプリン
グ光源(4)の出力光とを結合する結合器(7)と、こ
の結合器の出力光を検波する光検出器(10)と、この
光検出器の出力信号を前記サンプリング光源および前記
被測定光源と同期させて表示する手段とを備えた光サン
プリング光波形測定装置において、 前記サンプリング光源(4)は、パルス光源と、このパ
ルス光源の出力光が照射される第一の非線形光学材料
と、この第一の非線形光学材料から放射されるスーパー
コンティニュアム光から所望の波長を選択する波長可変
光学フィルタとを含むことを特徴とする光サンプリング
光波形測定装置。 - 【請求項2】 前記結合器(7)の出力光が照射される
第二の非線形光学材料と、この第二の非線形光学材料が
放射する光が通過する光学フィルタ(9)とを備え、前
記光検出器(10)にはこの光学フィルタ(9)の透過
光が導入される請求項1記載の光サンプリング光波形測
定装置。 - 【請求項3】 前記被測定光源(2)の出力光通路およ
び前記サンプリング光源(4)の出力光通路にそれぞれ
挿入され前記第二の非線形光学材料に適合するように偏
光をあたえる偏光制御器を備えた請求項2記載の光サン
プリング光波形測定装置。 - 【請求項4】 前記サンプリング光源(4)には、前記
スーパーコンティニュアム光を通過させそのパルス時間
幅を短くする分散補償器(21)を備えた請求項1記載
の非線形サンプリング非線形波形測定装置。 - 【請求項5】 前記第一の非線形光学材料は、前記パル
ス光源の出力光が通過する導波路の材料として構成され
た請求項1記載の非線形サンプリング非線形波形測定装
置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP06165566A JP3084685B2 (ja) | 1994-07-18 | 1994-07-18 | 光サンプリング光波形測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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---|---|---|---|
JP06165566A JP3084685B2 (ja) | 1994-07-18 | 1994-07-18 | 光サンプリング光波形測定装置 |
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JPH0829814A true JPH0829814A (ja) | 1996-02-02 |
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JP06165566A Expired - Lifetime JP3084685B2 (ja) | 1994-07-18 | 1994-07-18 | 光サンプリング光波形測定装置 |
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