JP3592475B2 - Pulse picker - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の繰り返し周期を有する光パルスからその整数倍の繰り返し周期の光パルスを取り出すパルスピッカーに関する。
【0002】
【従来の技術】
パルスレーザ等から発せられた特定繰り返し周期の光パルス列から所定の繰り返し周期のパルス列を取り出す装置としてパルスピッカーがある。
【0003】
従来のパルスピッカーの構成例を図16に示す。このパルスピッカーは、光を変調する超音波光変調器(AOM)51と、AOM51の位置を調整する光変調器ステージ52と、入力光パルスをAOM51に導く入射ミラー53と、AOM51の出力光を出力側へ導く出力ミラー54と、出力ミラーから出射された光パルスのうち不要な光パルスを遮るビームストッパ55、とを備えている。
【0004】
AOM51の構成図を図17に示す。AOMには図17(a)に示すラマンナース回折を用いるものと、図17(b)に示すブラッグ回折を用いるものがあるが、いずれも、超音波媒体62をトランスデューサ61と超音波吸収体63で挟んだ積層構造をしている。トランスデューサ61に加えられた駆動電気信号により、発生した超音波によって超音波媒体62内で光の回折が起こる。入射光は、これらの積層面にほぼ平行するように超音波媒体62の側面から入射する。
【0005】
図18は、AOM51に駆動信号を加える駆動部のブロック図である。駆動部70は、キャリア発振器71と駆動パルス信号発生器74の両方に平衡変調器72が接続され、さらに、この平衡変調器72に高周波増幅器73が接続されて構成されている。高周波増幅器73は、AOM51のトランスデューサ61に接続されている。
【0006】
次に、この従来例の動作を図16〜図19を用いて説明する。図19は、パルスピッカー内部の光路の模式図である。図19(a)が図16と同じく上面から見た図であり、図19(b)は側面から見た図である。
【0007】
パルスピッカーへの入射光パルスは、図16、図19に示すように、入射ミラー53で集光されてAOM51に導かれる。一方、図18に示すように、AOM51のトランスデューサ61には、駆動部70で生成された駆動電気信号が印加されている。この駆動電気信号は、駆動パルス信号発生器74で生成した駆動パルス信号とキャリア発振器71の発振信号が平衡変調器72で混合されて、高周波増幅器73で増幅されることにより生成される。
【0008】
駆動電気信号が印加されているとき、トランスデューサ61から超音波が発せられ、発生した超音波は超音波媒体62を経て、超音波吸収体63に達して、吸収される。つまり、超音波媒体62内の超音波は一方向にのみ進行する。超音波媒体62内では、この超音波に基づく音響光学効果により内部を通過する光パルスの回折が起こり、図17に示すように、ラマンナース回折では多次回折光が、ブラッグ回折では1次回折光が発生する。この回折光は、図19中の実線で示す光路を通り、出力ミラー55を経て、パルスピッカーから出射される。
【0009】
一方、AOM51に駆動電気信号が加えられていないときには、超音波媒体62内部に超音波伝播が起こらないため、音響光学効果による光パルスの回折が起こらず、出力光は図17に示すように0次回折光のみとなる。この0次回折光は、図19中で破線で示す光路を通り、出力ミラー55を経て、ビームストッパ54に遮られるため、パルスピッカーの外へ出てこない。したがって、取り出したい入力光パルスがAOM51を通過するときのみに駆動電気信号を印加するよう制御することで、入力光パルスのうち所望の光パルスのみを取り出すことが可能である。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
この例のようなパルスピッカーにおいて、特定周期の光パルスから、所定の周期の光パルスを効率的に取り出すためには、取り出す入力光パルスがAOM51を通過する時点に合わせてAOM51に駆動電気信号が印加されるよう、駆動電気信号の位相を正確に調整しなければならない。しかし、従来は、この調整を手動で行わなければならず、入力光パルスと駆動電気信号の位相がずれることにより、取り出される光パルスの出力が変動したり、タイミングが合わずに光パルスを確実に取り出せないなどの問題があった。また、駆動電気信号のタイミングは、駆動部の温度変化等によってもずれが生じる。このため、作動中にこのタイミングを設定しなおす必要があり、連続して長時間安定した動作をさせることが困難だった。
【0011】
本発明は、光パルスを取り出すタイミングの調整が不要で、長時間安定した動作が可能なパルスピッカーを提供することを課題とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所定の繰り返し周期を有する入力光パルスからその整数倍の繰り返し周期を有する光パルスを取り出して出力するパルスピッカーにおいて、(1)入力光パルスに同期しており、繰り返し周期が入力光パルスの所定繰り返し周期の整数倍であって、パルス幅が入力光パルスの1個のパルスのみを含む長さである駆動信号パルスを発生する駆動部と、(2)入力光パルスが入力されると共に、駆動信号パルスの有無に応じて、入力光パルスの出力側への透過・遮断を行う光変調部と、(3)光変調部から出力された各光パルスの一部を分岐して取り出す光分岐手段と、(4)取り出された出力光パルス強度の時間変化を測定する計測部と、(5)測定された出力光パルス強度の時間変化に基づいて、出力光パルス強度が最大となるように駆動部を制御して駆動信号パルスの発生タイミングを調整する制御部と、を備えることを特徴とする。
【0013】
これにより、入力光パルス列の繰り返し周期の整数倍の周期を有する駆動信号パルスを光変調部に加えることで、入力光パルス列から駆動信号パルスと同じ繰り返し周期を持つ出力光パルス列が取り出される。さらに、この各出力光パルスの一部を分岐して取り出し、その出力光パルスの強度の時間変化を測定し、これを基にして制御部が、駆動部における駆動信号パルスの発生タイミングをフィードバック制御しているので、光パルス列の取り出しが最適化される。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、この一実施形態のブロック構成図である。
【0015】
パルススピッカー10は、駆動信号パルスを発生する駆動部1と、駆動部1に接続されてこの駆動信号パルスの有無により入力光パルスを透過・遮断する光変調部2と、光変調部2の出力の一部を分岐するビームスプリッタ3と、ビームスプリッタ3により分岐された光を検出する光検出器4と、光検出器4の出力側に接続されている出力レベル計測部5と、計測部5及び駆動部1に接続されている制御部6からなる。
【0016】
このうち、光変調部2は、図16の従来例と同様に、AOM51とミラー53、55及びビームストップ54からなるものでも良いし、電気光学結晶を用いたものでも良い。
【0017】
電気光学結晶を用いる光変調部2の例を図2に示す。この例の光変調部2は、入射光側から、入射光中の特定角度を持つ直線偏光を取り出す偏光子11と、電気光学結晶12と、特定位相の光を透過する検光子13を並べて構成されている。電気光学結晶12の上下の面間(同図のZ方向)には、駆動電気信号が印加されており、駆動電気信号に応じて電気光学結晶12の内部を透過する光の偏光状態が変化する。入射光は、偏光子11によって図示のように入射側から見てZ軸に対して45°傾いた直線偏光になる。この入射光は電気光学結晶に入射される。光が電気光学結晶12を通過する際に、前述のように駆動電気信号に応じてその偏光状態が変化し、楕円偏光の光が出力される。この光のうち、検光子13により、入射偏光と直交する直線偏光の成分(入射側から見てZ軸に対して−45°変更した成分)を取り出すことにより、駆動電圧信号に応じた出力光が得られる。
【0018】
光変調部2には、その他にも駆動電気信号に応じた出力光が得られる各種の形式の光変調器を使用することができる。
【0019】
次に図1と図3により、本実施形態の動作を説明する。図3は本実施形態の動作タイミングを示す図である。図3の(b)〜(e)中の実線は、入力パルスと駆動信号パルスのタイミングがあっているときの動作タイミングを示し、破線は、それぞれのタイミングがずれているときの動作タイミングを示している。また、(a)’〜(c)’は、それぞれ(a)〜(c)の時間軸を10倍に拡大した図である。
【0020】
ここで、図3(a)に示すように入力光パルスのパルス繰り返し周期がTのとき、駆動部1が発生する駆動信号パルスの繰り返し周期は同図(b)に示すように、nT(nは正の整数)でなければならない。駆動信号パルスのパルス幅は繰り返し周期の1周期中に入力光パルスを確実に1個だけ切り出すようになっている。駆動信号パルスの波形は理想的には方形波であることが望ましいが、実際には図示するように台形波の信号となる。台形の頂辺にあたる駆動信号パルスが最大値となる時間の長さをt1、台形の底辺にあたる駆動信号パルスがオンのときの継続時間の長さ(パルス幅)をt0とすると、t1は入力光パルスのパルス幅より十分に長く、t0は入力光パルスのパルス間隔より短くすることが好ましい。
【0021】
図1に示されるように、光変調部2に図3(a)に示す光パルスを入射させる。この光変調部2には、駆動部1で生成した同図(b)に示す駆動信号が印加されている。前述したように駆動部1の駆動信号パルスがオンのときは光変調部2は入力光パルスを透過し、駆動信号パルスがオフのときは光変調部2は入力光パルスを遮断する。この結果、光変調部2からは、同図(c)に示す出力光パルスが得られる。この出力光パルスは、駆動信号と同じ繰り返し周期(nT)を有する。
【0022】
光変調部2の出力光強度は、駆動信号パルスの強度に依存する。同図(b)の実線で示すように、入力光パルスと駆動信号パルスのタイミングが合っているときは、駆動信号パルスが最大となっている時刻(範囲t1)の間に入力光パルスが光変調部2を通過する。したがって、出力光パルスは、同図(c)の実線で示すように入力光パルスがほぼ損失なく取り出される。
【0023】
一方、同図(b)の破線で示すように、入力光パルスと駆動信号パルスのタイミングがずれているときは、駆動信号の電圧が変化している期間中に入力光パルスが光変調部2を通過する。つまり、駆動信号の電圧が最大でない時に入力光パルスが光変調部2を通過するため、同図(c)の破線で示すように入力光パルスの強度よりも弱い出力光パルスしか得られない。
【0024】
同図(c)より明らかなように入力光パルスと駆動信号パルスのタイミングがずれると、タイミングが合っている時に比べて出力光パルスの強度が小さくなる。言い換えると、出力光パルスの強度は、入力パルス光と駆動信号パルスのタイミングが合っているときに最大になる。
【0025】
こうして得られた出力光パルスは図1に示すビームスプリッタ3によりその一部(例えば1%)が分岐されて、取り出される。この取り出された光パルスが光検出器4に導かれ、光検出器4は、光パルス強度に応じた電気信号を出力する(図3(d)参照)。この出力電気信号は、出力光パルスの発生時点に対応した時間的に断続的な信号である。この信号は、図1の出力レベル計測部4に送られて、ピーク強度に応じた直流的な出力レベル信号に変換される(図3(e)参照)。この出力レベル信号が図1の制御部5に送られて、この信号強度が最大となるよう駆動部を制御して駆動信号パルスの発生タイミングを修正するフィードバック制御が行われる。
【0026】
このフィードバック制御には、種々の手法を用いることができる。例えば、次のような手法が挙げられる。ここで、駆動信号はその繰り返し周波数と同じ周波数の基準信号を基に与えられるものとする。この、基準信号は、パルスピッカー内部で発生するものでも、外部から与えられるものでも良い。そして、n番目に取り出した光パルスの出力レベル信号をVnとし、この光パルスを取り出したときの駆動信号と基準信号のずれをΔtnとする。このVnを前回のVn−1と比較して、比較結果に基づき、次回の駆動信号の発生タイミングを決めるΔtn+1を定める。この例の制御フロー図を図4に示す。
【0027】
Vnが制御部4に送られると、制御部4はまず、Vnが0でないかを調べる(S1)。Vnが0(計測誤差以下)の時は、駆動信号のパルス持続時間内に入力光パルスが光変調部2を通過していないことを意味する。このため、次の駆動信号の発生タイミングを所定の時刻Δtaだけずらす(S2)。ここで、Δtaは、前述したt1より小さいことが好ましい。これは、ずらす幅が大きすぎると、入力パルスに対応した時点を飛び越してしまうからである。次に、Vnを前回のVn−1と比較する(S3)。比較した結果、VnとVn−1の間の差が検出器の計測誤差以下であれば、出力レベルは最大になっており、入力光パルスと駆動信号のタイミングが適合していると判断し、次回のタイミング発生時期Δtn+1はΔtnのまま保たれる(S4)。
【0028】
一方、VnとVn−1の間に差があるときは、駆動信号の発生タイミングが入力光パルスに対してずれていると判断する。そこで、発生タイミングをずらすための操作を行う。
【0029】
まず、Δtnを前回変化させたかを調べる(S5)。Δtnを変化させていた場合は、さらに、VnがVn−1より大きくなっているかを調べる(S6)。前回より大きくなっているときは、タイミングをずらす方向が合っていると判断して、さらに同じ方向に駆動信号の発生タイミングΔtn+1をずらす(S7)。具体的には、Δtn+1=(1+α)Δtn−αΔtn−1に設定する。ここで、αは、予め設定された収束用の係数であり、0<α<1である。前回より出力レベル信号が小さくなっているときは、正しいタイミングはΔtnとΔtn−1の間にあると判断し、Δtn+1をその間に設定する(S8)。具体的には、Δtn+1=(1−α)Δtn+αΔtn−1とする。
【0030】
一方、Δtnを変化させていない場合は、基準信号そのものが入力光パルスに対してずれたものと判断し、Δtnを所定のオフセット幅Δtbだけずらす(S9)。このΔtbは、前述のΔtaに対して、充分小さいことが好ましい。基準信号そのもののずれは通常パルスの繰り返し周期に比較して大きくないと思われるからである。
【0031】
以上をパルス出力が行われる度に繰り返すことにより、出力パルス光が最大となるよう駆動信号の発生タイミングは自動的にフィードバック制御される。タイミングのフィードバック制御には、この他に、出力パルスの偏光状態を監視して、駆動信号の発生タイミングを変更する等の各種の制御手法を用いることができる。
【0032】
続いて、この実施形態を応用した装置の例(応用例)のいくつかを、これらに対応する従来例と共に示す。
【0033】
最初に、E−Oサンプリング装置の同期装置に本実施形態を応用した例について述べる。E−Oサンプリング装置は、光パルスと電気光学結晶を用いて、被測定物内部の電気信号波形を測定するものである。図5は、典型的なE−Oサンプリング装置の構成図である。
【0034】
レーザ光源101から出射したパルス光は、ビームスプリッタ102で同期光とプローブ光に分岐される。同期光は同期系103に送られて、レーザ光源101と同期する駆動電圧が被測定回路104に印加される。一方、プローブ光は、偏光子105で特定の偏光成分のみが抽出されて、電気光学結晶106へ入射される。電気光学結晶106には、被測定回路104が電気的に接続されており、被測定回路104内部の電圧が電気光学結晶106の駆動電気信号になっている。したがって、被測定回路104内部の電圧波形に応じて電気光学結晶106を通過するプローブ光の偏光状態が変調される。この変調された位相成分のみを検光子107により取り出して光検出器108で電気信号に変換し、増幅器109で増幅したうえで、表示装置110にこの電気信号の波形を表示する。この電気信号の波形は、被測定回路104の内部電圧波形と同じになる。この場合、被測定回路104と測定系が電気的に分離されているため、被測定回路104の内部電圧波形を精度良く測定することができる。
【0035】
この測定の際に、時間分解能の高い測定を行うためには、同期系103とレーザ光源101から発せられるレーザ光が同期している必要があり、同期が不十分だと、測定の時間分解能が低下する要因となる。
【0036】
同期系とレーザ光を同期させる装置として、Kurt J.Weingartenらの”Picosecond Optical Sampling of GaAs Integrated Circuits”(IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.24, pp.198〜220, 1988)に記載されたシンセサイザによりパルスレーザを駆動する装置がある(以下、従来例1と呼ぶ)。この従来例1の同期系103の構成は図6に示す通りである。以下、従来例と本実施形態を利用した応用例との比較を容易にするため、それぞれの共通する部分については、共通の参照番号を用いて説明を省略する。
【0037】
従来例1のレーザ光源101には、繰り返し周波数82MHzのNd:YAGモードロックレーザが用いられ、同期系103によってレーザ発振が制御されている。同期系103は、レーザ発振の同期をとる82MHzの高周波シンセサイザ123と、被測定回路104を0〜40GHzの駆動電圧で駆動するマイクロ波シンセサイザ124とを備えている。2台のシンセサイザ123、124は共に同じ10MHzの参照信号で駆動され、電気的に同期をとっている。
【0038】
ビームスプリッタ102によって分岐された同期光は、光検出器121により電気信号に変換され、位相検出器122により、高周波シンセサイザ123の出力との位相差が検出される。この位相差信号は、利得補償器126を介して位相シフタ127に転送される。高周波シンセサイザ123の82MHzの出力は、周波数半減器125で41MHzの信号に変換された後、位相シフタ127に送られる。位相シフタ127はこれら二つの信号を基にして、レーザ光源101の発振用の同期信号を発生する。従って、レーザ光源101のレーザ発振とマイクロ波シンセサイザ124の出力信号を同期させることができる。
【0039】
しかし、この場合は、特に帰還回路となる利得補償器126や位相シフタ127で発生したジッタによりレーザ光源101の発振にずれが生ずるため、十分な時間分解能を得ることが難しかった。さらに、この装置には、外部モードロックが可能なパルスレーザしか使用できず、衝突パルスモードロックリングレーザやカーレンズモードロックレーザのような自己モードロックレーザを用いることはできなかった。
【0040】
一方、自己モードロックレーザにも適用可能な装置として、J.A.Valdmanisが”Electro−Optic Measurement Techniques for Picosecond Materials, Devices and Integrated Circuits”(Semiconductor and Semimetals, Vol.28, pp.135〜219, Academic Press Inc.,1990)で開示したレーザ発振に同期系103を同期させる装置がある(以下、従来例2と呼ぶ)。
【0041】
従来例2の同期系103のブロック図を図7に示す。レーザ光源101から出射され、ビームスプリッタ102で分岐された繰り返し周波数100MHzの同期光を光検出器121で同じ周波数100MHzの電気信号に変換する。この電気信号から分周回路131で10MHzの参照信号を生成する。この10MHzの参照信号により、被測定回路104を駆動するマイクロ波シンセサイザ124と、表示装置の表示タイミングを制御する局部信号シンセサイザ132が駆動される。局部信号シンセサイザ132の出力は、ミキサー133で光検出器の出力信号と合成されて、表示装置のトリガ信号として出力される。
【0042】
この装置の場合は、レーザ光源101から発した光パルスからマイクロ波シンセサイザ124の参照信号を生成するので、自己モード同期レーザにも適用できる。しかし、光パルスから参照信号を生成する際に、電気回路(分周回路131)により分周動作を行っているため、この分周回路131で発生したジッタが全体の時間分解能を制限し、十分な時間分解能を得ることができないという欠点があった。
【0043】
これらに対して、本実施形態のパルスピッカーを同期系103に応用した例を図8に示す(以下、応用例1と呼ぶ)。この場合の同期系103は、本実施形態のパルスピッカー10と、パルスピッカの出力光を電気信号に変換する高速光検出器121と、高速光検出器の出力電気信号を正弦波に調整するフィルタ回路135と、前述した被測定回路104に駆動電圧を与えるマイクロ波シンセサイザ124とが直列に接続されて構成されている。フィルタ回路135はコンデンサ、コイル、抵抗などの受動素子を組み合わせたものである。
【0044】
次にこの同期系103の動作を図8、9を用いて説明する。図9は同期系103内を伝送される信号のタイミングチャートである。図8に示すように、レーザ光源101から出射されてビームスプリッタ102で分岐された繰り返し周波数100MHzの同期光パルス(図9(a)参照)をパルスピッカー10に入射させる。パルスピッカー10は、図9(b)に示す10MHzの駆動信号に基づいて、この同期光パルスから10MHzの光パルス(同図(c)参照)を取り出して出力する。この出力光パルスは、高速光検出器121に入射して、10MHzの電気信号(同図(d)参照)に変換される。さらに、フィルタ回路135によりこの出力信号から高周波成分が除去されて、10MHzの正弦波信号(同図(e)参照)に調整される。これがマイクロ波シンセサイザ124の参照信号となる。このマイクロ波シンセサイザ124の出力が駆動信号として図5に示す被測定回路104に加えられる。
【0045】
この応用例1は、従来例2と同様にレーザ光源101の光パルスから参照信号を生成している。しかし、従来例2とは異なり、分周動作を光学的に行っているため、分周時にジッタが発生することがない。フィルタ回路135も受動素子の組み合わせであるため、ジッタが発生しにくいので、時間分解能の高い安定した測定が可能となる。
【0046】
次に、図10、11を用いて、応用例1においてレーザ光源101から出射されるレーザ光の繰り返し周波数がマイクロ波シンセサイザ124で必要とする参照信号の周波数の整数倍でないときの実施例(以下、応用例2と呼ぶ)について説明する。図10は、応用例2の同期系103の一部の構成図であり、図11は、動作タイミングを表す図である。
【0047】
応用例2では、図10に示すように、応用例1(図8参照)のパルスピッカー10とビームスプリッタ102の間に、1対の透過率が0でないミラー136からなるファブリぺロー(FP)エタロン137が設置されている。
【0048】
この応用例2において、レーザ光源101として75MHzの繰り返し周波数の光パルスを発するレーザ光源を使用した場合についてその動作を説明する。レーザ光源101から出射された光パルスは、図11(a)に示すように、75MHzの繰り返し周波数を有する。この光パルスのうち、ビームスプリッタ102で分岐された同期光パルスは、FPエタロン137に入射し、2枚のミラー136間で多重反射しながら、その一部がパルスピッカー10方向へ出力される。ミラー136間の距離を1mに設定すれば、FPエタロン137の入射面と反対の面から150MHzの繰り返し周波数を有する出力光パルス(図11(b)参照)が得られる。この周波数は必要とする参照信号の周波数10MHzと、レーザ周波数75MHzの最小公倍数である。この光をパルスピッカー10に導き、10MHzの駆動信号(同図(c)参照)によって、10MHzの光パルス(同図(d)参照)を取り出すことができる。以下、応用例1と同様の動作により、10MHzの参照信号を生成して、参照信号とレーザ光の同期をとることができる。
【0049】
FPエタロン137はミラー136の間隔を調整することで、出力する光パルスの繰り返し周波数を調整できる。したがって、レーザ光源としては他の繰り返し周波数を有するレーザでも用いることができる。また、FPエタロン137から出力される光の繰り返し周波数は、参照信号の整数倍であればよい。
【0050】
次に、図12を参照して、本実施形態のパルスピッカーをホトコンサンプリング装置に適用した場合の実施例について説明する。ホトコンサンプリング装置は、シンセサイザ等で駆動されたIC等の被測定回路内の電極上での電気信号波形を計測する装置であり、その構造は図5に示したE−Oサンプリング装置と類似している。
【0051】
図12に示すホトコンサンプリング装置と、図5に示すE−Oサンプリング装置の違いは、プローブ光側の構成であり、同期系203内部の構成は、図8に示した応用例1の同期系103と同一である。したがって、同期系203部分の構成に関する説明は省略し、プローブ光側の構成について説明する。ビームスプリッタ202の先のプローブ光の光路上には、光遅延装置205が配置されている。この光遅延装置205は、それぞれがプローブ光の光路と45度の角度をなし、互いに直交して配置された2個のミラー212とこのミラー212を光路に沿って移動させる移動ステージ213からなる。光路の長さを調整することにより、光遅延装置205より後ろの光路に到達する光パルスのタイミングを調整できる。光遅延装置205の出力光の光路上には、さらに光路を調整するミラー206と集光レンズ207が配置される。
【0052】
集光レンズ207の焦点には、ホトコンスイッチ214が設置されている。ホトコンスイッチ214は、半導体基板上に櫛形電極や平行電極などの対向電極を設けたものであり、電極の間に光が入射すると電流が流れる。このホトコンスイッチ214の一方の電極は、被測定回路204の被測定電極に接触されるプローブ電極215に接続されており、他方の電極は、電流検出装置211に電気的に接続されている。ホトコンスイッチ214とプローブ電極215はプローブヘッド208内に納められており、プローブヘッド208を被測定回路204上で移動させることにより、測定位置を変えることができる。電流検出装置211と光遅延装置205は計測制御装置209に接続されている。計測制御装置209はさらに、表示装置210に接続されている。
【0053】
レーザ光源201から出射したレーザ光は、ビームスプリッタ202に入射して、2つに分岐される。直進するプローブ光は、光遅延装置205とミラー206により、集光レンズ207に導かれる。
【0054】
ここで、被測定回路204には、前述のE−Oサンプリング装置と同様に、マイクロ波シンセサイザによる駆動信号(例えば、周波数1GHz)が印加されている。プローブ電極215を被測定回路204内の被測定電極に接触させておき、ホトコンスイッチ214に集光レンズ207で集光されたプローブ光を入射させると、ホトコンスイッチ214の対向電極の間でキャリアが発生して、電流検出装置211に送られる。このキャリア出力は、被測定回路204の被測定電極の電圧に比例する。キャリア出力はさらに、電流検出装置211から計測制御装置209に送られて処理され、表示装置210で電圧波形として表示される。計測制御装置209により光遅延装置205を移動させて、プローブ光の光路長さを変えることにより、被測定回路204への駆動電圧印加とホトコンスイッチ214へのプローブ光入射のタイミングを調整することができる。
【0055】
本装置では、前述のE−Oサンプリング装置と同様に、シンセサイザとレーザパルスの同期を光学的にとっているため、時間分解能の高い測定が可能である。
【0056】
次に、図13を参照して、ストリークカメラによる蛍光測定に応用例1のパルスピッカー(図1参照)を使用した例について説明する。この測定系は、図13に示すように、パルス光を発するレーザ光源301と、本実施形態のパルスピッカー302と、蛍光測定が行われるサンプル303と、蛍光測定を行うシンクロスキャン方式のストリークカメラ304と、ストリークカメラ304を制御するコントローラ305と、測定結果を表示する表示装置306とを組み合わせて構成されている。
【0057】
続いて、この応用例の動作を説明する。レーザ光源301から出射されたパルス光(繰り返し周波数80MHz)はパルスピッカー302に導かれ、この中から繰り返し周波数10MHzの出力光パルスが取り出される。この出力光パルスがサンプル303に照射されると、この光パルスを励起光としてサンプル303から蛍光が発せられる。この蛍光はストリークカメラ304に入射され、測定される。ストリークカメラ304のシンクロ周波数(80MHz)は、レーザ光源301の繰り返し周波数とコントローラ305により同期されている。ストリークカメラ304の出力はコントローラ305を介して表示装置306に出力され、表示される。
【0058】
パルスピッカー302を使用せず、直接レーザ光源301から光パルスをサンプル303に入射させた場合、光パルスの繰り返し周期である12.5nsよりサンプルの蛍光寿命が長いと、前の光パルスによる蛍光が残っている間にサンプル303に次の光パルスが入射するため、サンプル303から発せられる蛍光の寿命を正確に求めることができない。本応用例の場合は、パルスピッカー302をサンプル303とレーザ光源301の間に置くことにより、光パルスの繰り返し周期を100nsと長くとることができ、サンプル303の蛍光寿命が100ns未満であれば、その蛍光寿命を正確に測定することができる。サンプル303の蛍光寿命がさらに長い場合は、パルスピッカー302の駆動電圧の周波数を変更することにより、さらに光パルスの繰り返し周期を長くとることでサンプル303の蛍光寿命の正確な測定が可能である。
【0059】
レーザの繰り返し周波数とストリークカメラ304のシンクロ周波数は前述のように一致していることが好ましいが、一致していない場合についても蛍光測定が可能である。その例を図14、図15を用いて説明する。図14は本例の測定系のブロック構成図、図15は本例のストリークカメラの画像表示の原理を示した図である。
【0060】
ストリークカメラ304のシンクロ周波数は100MHzとレーザの繰り返し周波数80MHzと異なっている。そこで、ストリークカメラ304とレーザの同期をとるため、レーザ光の一部がビームスプリッタ307により分岐されてパルスピッカー302に導かれ、10MHzの光パルスが取り出される。これが光検出器308で電気信号に変換された上で、シンセサイザ309を駆動する参照信号として印加されている。シンセサイザ309からは100MHzの電気信号が出力され、これによりストリークカメラ304が駆動されている。ストリークカメラ304は10nsで掃引を繰り返すが、サンプル303からの応答光は、80MHzで入射するため、12.5nsごとに入射を繰り返すことになる。つまり、ストリークカメラ304の掃引とレーザ光のタイミングは完全に一致するわけではない。しかし、以下のようにして測定が可能になっている。
【0061】
図15に示すように、ストリークカメラ304の掃引時間である10nsでストリークカメラ304の蛍光画面への出力位置は一周する。ここで、ストリークカメラ304の掃引時間のうち、実際に出力を画像として観測できる範囲を2.5ns以下に制限する。ストリークカメラ304とレーザ光の同期はとれているので、第1の応答光による出力は観測範囲内に入る(図15のA点)。12.5ns後の第2の応答光による出力は、図15中のA点から1周して、さらにA点を4分の1周通過した位置であるB点に出力される。このB点は観測範囲外にあるため、実際には観測されない(同図のB点)。続く、第3、第4の応答光による出力も同様に観測されない(同図のC、D点)。そして、第1の応答光から50ns後の第5の応答光による出力は第1の応答光からちょうど5周した位置であるA点に出力されるため観測できる。したがって、50nsごとの応答光を観測することが可能となる。このようにして、ストリークカメラ304のシンクロ周波数とパルスレーザの繰り返し周波数が異なる場合についても適用できる。
【0062】
本発明のパルスピッカーはこの他にも、各種の同期装置などに適用することができる。
【0063】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のパルスピッカーによれば、取り出した光パルスの出力が最大となるように光パルスを取り出すタイミングをフィードバック制御しているため、安定した光パルスを取り出すことができる。特に、温度変動などでパルスピッカー内部の光変調器の動作条件が変わったときでも、動作条件の変更に自動的に対応して常に安定した光パルスが取り出せる。
【0064】
また、本発明のパルスピッカーを同期装置の参照信号発生用に使用すれば、時間分解能の高い参照信号を用いることができるため、正確な同期をとることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の構成図である。
【図2】電気光学結晶を用いた光変調部の構成図である。
【図3】図1に係るパルスピッカーの動作タイミングを示す図である。
【図4】図1に係る実施形態のフィードバック制御の一例のフロー図である。
【図5】典型的なE−Oサンプリング装置の構成図である。
【図6】E−Oサンプリング装置とレーザ光を同期させる従来の装置の構成図である。
【図7】レーザ発振にE−Oサンプリング装置を同期させる従来の同期系の構成図である。
【図8】図1に係るパルスピッカーを応用したE−Oサンプリング装置の同期系の構成図である。
【図9】図8に係る同期系の動作タイミングを示す図である。
【図10】図8に係るE−Oサンプリング装置の応用例の構成図である。
【図11】図8に係るE−Oサンプリング装置の応用例の動作タイミングを示す図である。
【図12】図1に係るパルスピッカーを応用したホトコンサンプリング装置の構成図である。
【図13】図1に係るパルスピッカーを応用したストリークカメラによる蛍光測定装置の構成図である。
【図14】図13に係る蛍光測定装置の応用例の構成図である。
【図15】図14に係る装置の画像表示の原理を示す図である。
【図16】従来のパルスピッカーの構成図である。
【図17】従来例のAOMによるブラッグセルの構成図である。
【図18】従来例の駆動部のブロック図である。
【図19】従来例のパルスピッカー内部の光路図である。
【符号の説明】
1…駆動部、2…光変調部、3…ビームスプリッタ、4…光検出器、5…出力レベル計測部、6…制御部、10…パルスピッカー、11…偏光子、12…電気光学結晶、13…検光子、51…ブラッグセル、52…ブラッグセル・ステージ、53…入射ミラー、54…出力ミラー、55…ビームストッパ、61…トランスデューサ、62…超音波媒体、63…超音波吸収体、70…駆動部、71…キャリア発振器、72…平衡変調器、73…高周波増幅器、74…駆動パルス信号発生器、101…レーザ光源、102…ビームスプリッタ、103…同期系、104…被測定回路、105…偏光子、106…電気光学結晶、107…検光子、108…光検出器、109…増幅器、110…表示装置、121…光検出器、122…位相検出器、123…高周波シンセサイザ、124…マイクロ波シンセサイザ、125…周波数半減器、126…利得補償器、127…位相シフタ、131…分周回路、132…局部信号シンセサイザ、133…ミキサー、135…フィルタ回路、136…ミラー、137…FPエタロン、201…レーザ光源、202…ビームスプリッタ、203…同期系、204…被測定回路、205…光遅延装置、206…ミラー、207…集光レンズ、208…プローブヘッド、209…計測制御装置、210…表示装置、211…電流検出装置、212…ミラー、213…移動ステージ、214…ホトコンスイッチ、215…プローブ電極、301…レーザ光源、302…パルスピッカー、303…サンプル、304…ストリークカメラ、305…コントローラ、306…表示装置、307…ビームスプリッタ、308…光検出器、309…シンセサイザ。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a pulse picker for extracting an optical pulse having a repetition cycle that is an integral multiple of an optical pulse having a predetermined repetition cycle.
[0002]
[Prior art]
There is a pulse picker as a device for extracting a pulse train having a predetermined repetition cycle from a light pulse train having a specific repetition cycle emitted from a pulse laser or the like.
[0003]
FIG. 16 shows a configuration example of a conventional pulse picker. The pulse picker includes an ultrasonic light modulator (AOM) 51 for modulating light, an
[0004]
FIG. 17 shows a configuration diagram of the
[0005]
FIG. 18 is a block diagram of a driving unit that applies a driving signal to the AOM 51. The
[0006]
Next, the operation of this conventional example will be described with reference to FIGS. FIG. 19 is a schematic diagram of an optical path inside the pulse picker. FIG. 19 (a) is a diagram viewed from the top as in FIG. 16, and FIG. 19 (b) is a diagram viewed from the side.
[0007]
The incident light pulse to the pulse picker is condensed by the
[0008]
When the drive electric signal is applied, ultrasonic waves are emitted from the
[0009]
On the other hand, when the driving electric signal is not applied to the
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
In the pulse picker as in this example, in order to efficiently extract an optical pulse having a predetermined period from an optical pulse having a specific period, a drive electric signal is transmitted to the
[0011]
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a pulse picker that does not need to adjust the timing of extracting an optical pulse and can operate stably for a long time.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, there is provided a pulse picker for extracting and outputting an optical pulse having a repetition cycle that is an integral multiple thereof from an input optical pulse having a predetermined repetition cycle. A drive unit that generates a drive signal pulse that is an integral multiple of a predetermined repetition period of the pulse and has a pulse width including a single pulse of the input optical pulse; and (2) an input optical pulse is input. At the same time, according to the presence or absence of a drive signal pulse, an optical modulator for transmitting and blocking an input optical pulse to the output side, and (3) a part of each optical pulse output from the optical modulator is branched and extracted. An optical branching unit, (4) a measuring unit for measuring a temporal change of the extracted output optical pulse intensity, and (5) an output optical pulse intensity becomes maximum based on the measured temporal change of the output optical pulse intensity. Yo Characterized in that it comprises a control unit which adjusts the output timing of the control to drive signal pulse driving portion.
[0013]
Thus, by applying a drive signal pulse having a cycle that is an integral multiple of the repetition cycle of the input optical pulse train to the optical modulator, an output optical pulse train having the same repetition cycle as the drive signal pulse is extracted from the input optical pulse train. Further, a part of each of the output light pulses is branched and taken out, and the time change of the intensity of the output light pulse is measured. Based on the measured change, the control unit performs feedback control of the generation timing of the drive signal pulse in the drive unit. Therefore, extraction of the optical pulse train is optimized.
[0014]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram of this embodiment.
[0015]
The pulse spicker 10 includes a
[0016]
Among them, the
[0017]
FIG. 2 shows an example of the
[0018]
As the
[0019]
Next, the operation of the present embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is a diagram showing the operation timing of the present embodiment. 3 (b) to 3 (e) indicate the operation timing when the timing of the input pulse and the drive signal pulse are synchronized, and the broken line indicates the operation timing when the respective timings are shifted. ing. (A) 'to (c)' are diagrams in which the time axes of (a) to (c) are respectively magnified 10 times.
[0020]
Here, when the pulse repetition period of the input light pulse is T as shown in FIG. 3A, the repetition period of the drive signal pulse generated by the
[0021]
As shown in FIG. 1, the light pulse shown in FIG. The drive signal shown in FIG. 2B generated by the
[0022]
The output light intensity of the
[0023]
On the other hand, when the timing of the input light pulse and the drive signal pulse are shifted from each other as shown by the broken line in FIG. Pass through. That is, when the voltage of the drive signal is not the maximum, the input light pulse passes through the
[0024]
As is clear from FIG. 9C, when the timing of the input light pulse and the timing of the drive signal pulse are shifted, the intensity of the output light pulse becomes smaller than when the timing is matched. In other words, the intensity of the output light pulse is maximized when the timing of the input pulse light and the timing of the drive signal pulse match.
[0025]
A part (for example, 1%) of the output light pulse thus obtained is split by the
[0026]
Various methods can be used for this feedback control. For example, the following method can be used. Here, it is assumed that the drive signal is given based on a reference signal having the same frequency as the repetition frequency. The reference signal may be generated inside the pulse picker or may be supplied from outside. Then, the output level signal of the n-th extracted optical pulse is V n Δt is the difference between the drive signal and the reference signal when the light pulse is extracted. n And This V n To the previous V n-1 Δt that determines the next generation timing of the drive signal based on the comparison result n + 1 Is determined. FIG. 4 shows a control flow chart of this example.
[0027]
V n Is sent to the control unit 4, the control unit 4 first n Is checked whether is not 0 (S1). V n Is 0 (less than or equal to the measurement error), it means that the input light pulse has not passed through the
[0028]
On the other hand, V n And V n-1 If there is a difference between the two, it is determined that the drive signal generation timing is shifted with respect to the input light pulse. Therefore, an operation for shifting the generation timing is performed.
[0029]
First, Δt n It is checked whether or not was changed last time (S5). Δt n Is changed, then V n Is V n-1 It is checked whether it is larger (S6). If it is larger than the previous time, it is determined that the direction for shifting the timing is correct, and the generation timing Δt of the drive signal is further changed in the same direction. n + 1 Is shifted (S7). Specifically, Δt n + 1 = (1 + α) Δt n -ΑΔt n-1 Set to. Here, α is a preset convergence coefficient, and 0 <α <1. If the output level signal is smaller than the previous time, the correct timing is Δt n And Δt n-1 And Δt n + 1 Is set in the meantime (S8). Specifically, Δt n + 1 = (1−α) Δt n + ΑΔt n-1 And
[0030]
On the other hand, Δt n Is not changed, it is determined that the reference signal itself is shifted with respect to the input light pulse, and Δt is determined. n Is a predetermined offset width Δt b (S9). This Δt b Is the aforementioned Δt a Is preferably small enough. This is because the deviation of the reference signal itself is not considered to be large as compared with the repetition period of the normal pulse.
[0031]
By repeating the above every time the pulse output is performed, the generation timing of the drive signal is automatically feedback-controlled so that the output pulse light is maximized. For the timing feedback control, various control methods such as monitoring the polarization state of the output pulse and changing the generation timing of the drive signal can be used.
[0032]
Subsequently, some examples (applied examples) of apparatuses to which this embodiment is applied are shown together with corresponding conventional examples.
[0033]
First, an example in which this embodiment is applied to a synchronization device of an EO sampling device will be described. The EO sampling device measures an electric signal waveform inside a device under test using an optical pulse and an electro-optic crystal. FIG. 5 is a configuration diagram of a typical EO sampling device.
[0034]
The pulse light emitted from the
[0035]
At the time of this measurement, in order to perform a measurement with high time resolution, the
[0036]
As a device for synchronizing a synchronization system and a laser beam, Kurt J. et al. Weingarten, et al., "Picosecond Optical Sampling of GaAs Integrated Circuits" (IEEE Journal of Quantum Electronics, Inc., pp. 198-220). 1). The configuration of the
[0037]
A Nd: YAG mode-locked laser having a repetition frequency of 82 MHz is used as the
[0038]
The synchronous light split by the
[0039]
However, in this case, the oscillation of the
[0040]
On the other hand, J. Appl. A. Valdmanis disclosed in “Electro-Optic Measurement Technologies for Picosecond Materials, Devices and Integrated Circuits, Synchronous, Semiconductors, 19th, and 18th. There is a device for causing the following (hereinafter referred to as Conventional Example 2).
[0041]
FIG. 7 shows a block diagram of the
[0042]
In the case of this device, since the reference signal of the
[0043]
On the other hand, an example in which the pulse picker of the present embodiment is applied to the
[0044]
Next, the operation of the
[0045]
In the first application example, the reference signal is generated from the light pulse of the
[0046]
Next, with reference to FIGS. 10 and 11, an embodiment in which the repetition frequency of the laser light emitted from the
[0047]
In the application example 2, as shown in FIG. 10, a Fabry-Perot (FP) including a pair of non-zero transmittance mirrors 136 between the
[0048]
In this application example 2, the operation of a case where a laser light source that emits a light pulse having a repetition frequency of 75 MHz is used as the
[0049]
The
[0050]
Next, an example in which the pulse picker of the present embodiment is applied to a photo-con sampling device will be described with reference to FIG. The photo-con sampling device is a device for measuring an electric signal waveform on an electrode in a circuit to be measured such as an IC driven by a synthesizer or the like, and has a structure similar to that of the EO sampling device shown in FIG. ing.
[0051]
The difference between the photo-con sampling device shown in FIG. 12 and the EO sampling device shown in FIG. 5 lies in the configuration on the probe light side, and the configuration inside the
[0052]
At the focal point of the
[0053]
Laser light emitted from the
[0054]
Here, a drive signal (for example, a frequency of 1 GHz) by a microwave synthesizer is applied to the circuit under
[0055]
In this apparatus, as in the above-described EO sampling apparatus, since the synthesizer and the laser pulse are optically synchronized, measurement with high time resolution is possible.
[0056]
Next, an example in which the pulse picker (see FIG. 1) of Application Example 1 is used for fluorescence measurement with a streak camera will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 13, this measurement system includes a
[0057]
Next, the operation of this application example will be described. The pulse light (repetition frequency: 80 MHz) emitted from the
[0058]
When a light pulse is directly incident on the
[0059]
It is preferable that the laser repetition frequency and the synchro frequency of the
[0060]
The sync frequency of the
[0061]
As shown in FIG. 15, the output position on the fluorescent screen of the
[0062]
The pulse picker of the present invention can be applied to various other synchronizers.
[0063]
【The invention's effect】
As described above, according to the pulse picker of the present invention, since the timing of extracting the optical pulse is feedback-controlled so that the output of the extracted optical pulse is maximized, a stable optical pulse can be extracted. In particular, even when the operating condition of the optical modulator inside the pulse picker changes due to temperature fluctuation or the like, a stable optical pulse can be always taken out in response to the change of the operating condition.
[0064]
Further, when the pulse picker of the present invention is used for generating a reference signal of a synchronizer, a reference signal having a high time resolution can be used, so that accurate synchronization can be achieved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram of a light modulation unit using an electro-optic crystal.
FIG. 3 is a diagram showing operation timings of the pulse picker according to FIG. 1;
FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of feedback control of the embodiment according to FIG. 1;
FIG. 5 is a configuration diagram of a typical EO sampling device.
FIG. 6 is a configuration diagram of a conventional device for synchronizing an EO sampling device and a laser beam.
FIG. 7 is a configuration diagram of a conventional synchronization system for synchronizing an EO sampling device with laser oscillation.
8 is a configuration diagram of a synchronization system of an EO sampling device to which the pulse picker according to FIG. 1 is applied.
FIG. 9 is a diagram showing operation timings of the synchronous system according to FIG. 8;
FIG. 10 is a configuration diagram of an application example of the EO sampling device according to FIG. 8;
11 is a diagram illustrating operation timings of an application example of the EO sampling device according to FIG. 8;
FIG. 12 is a configuration diagram of a photo-con sampling device to which the pulse picker according to FIG. 1 is applied;
13 is a configuration diagram of a fluorescence measurement device using a streak camera to which the pulse picker according to FIG. 1 is applied.
14 is a configuration diagram of an application example of the fluorescence measurement device according to FIG.
FIG. 15 is a diagram showing the principle of image display of the device according to FIG.
FIG. 16 is a configuration diagram of a conventional pulse picker.
FIG. 17 is a configuration diagram of a Bragg cell using a conventional AOM.
FIG. 18 is a block diagram of a driving unit of a conventional example.
FIG. 19 is an optical path diagram inside a conventional pulse picker.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (1)
前記入力光パルスに同期しており、繰り返し周期が前記入力光パルスの所定繰り返し周期の整数倍であって、パルス幅が前記入力光パルスの1個のパルスのみを含む長さである駆動信号パルスを発生する駆動部と、
前記入力光パルスが入力されると共に、前記駆動信号パルスの有無に応じて、前記入力光パルスの出力側への透過・遮断を行う光変調部と、
前記光変調器から出力された各光パルスの一部を分岐して取り出す光分岐手段と、
前記光分岐手段により取り出された前記出力光パルス強度の時間変化を測定する計測部と、
前記計測部で測定された前記出力光パルス強度の時間変化に基づいて、前記出力光パルス強度が最大となるように前記駆動部を制御することにより前記駆動信号パルスの発生タイミングを調整する制御部と、
を備えることを特徴とするパルスピッカー。In a pulse picker that extracts and outputs an optical pulse having a repetition cycle of an integral multiple thereof from an input optical pulse having a predetermined repetition cycle,
A drive signal pulse synchronized with the input light pulse, having a repetition period that is an integral multiple of a predetermined repetition period of the input light pulse, and a pulse width having a length including only one pulse of the input light pulse. A driving unit that generates
An optical modulator that receives the input optical pulse and transmits / blocks the input optical pulse to the output side in accordance with the presence or absence of the drive signal pulse,
Optical branching means for branching and extracting a part of each optical pulse output from the optical modulator,
A measuring unit that measures a time change of the output light pulse intensity extracted by the light branching unit,
A control unit that adjusts the generation timing of the drive signal pulse by controlling the drive unit such that the output light pulse intensity is maximized based on a time change of the output light pulse intensity measured by the measurement unit. When,
A pulse picker comprising:
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