JP5521178B2 - Photodetector with time gate and multipoint measurement system using the same - Google Patents

Photodetector with time gate and multipoint measurement system using the same Download PDF

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Description

本発明は、微弱な超短光パルスを計測するための時間ゲート付き光検出装置に関する。また本発明は、時間ゲート付き光検出装置を用いた時間分割多重方式による多点計測システムに関する。   The present invention relates to a photodetector with a time gate for measuring a faint ultrashort light pulse. The present invention also relates to a multipoint measurement system based on a time division multiplexing method using a photodetector with a time gate.

近年、フェムト秒やピコ秒の時間幅を有するパルスレーザが市販され、レーザ加工、テラヘルツ技術、バイオフォトニクスをはじめとする多くの分野で利用されている。それらの応用の中で、光パルスの時間位置や波形情報を知ることは重要であるが、フェムト秒やピコ秒の光パルス幅は、周波数に換算するとテラヘルツ以上と非常に広帯域であるため、直接測定することは難しい。高速なストリークカメラを利用すれば、200フェムト秒程度以上の光パルスの直接測定が可能である。しかし、装置が特殊で高価であり、入射光量の調整を誤ると装置を破壊してしまうなど、使用上の難点もある。従って、光パルスの検出には間接法が用いられ、一般的には自己相関測定が行われている。   In recent years, pulse lasers having time widths of femtoseconds and picoseconds are commercially available and used in many fields including laser processing, terahertz technology, and biophotonics. In these applications, it is important to know the time position and waveform information of the optical pulse, but the femtosecond and picosecond optical pulse widths are very wide, more than terahertz when converted to frequency, It is difficult to measure. If a high-speed streak camera is used, it is possible to directly measure optical pulses of about 200 femtoseconds or more. However, the device is special and expensive, and there is a problem in use such as the device being destroyed if the incident light quantity is incorrectly adjusted. Therefore, an indirect method is used to detect the light pulse, and generally an autocorrelation measurement is performed.

図14は、従来の光パルスの計測装置の一例を示す構成図である。この装置は、マイケルソン干渉計を利用しており、パルスレーザ光源LAと、ビームスプリッタBSと、2つのコーナーキューブプリズムP1,P2と、光学レンズLSと、光検出器PDなどを備える。   FIG. 14 is a block diagram showing an example of a conventional optical pulse measuring device. This apparatus uses a Michelson interferometer and includes a pulsed laser light source LA, a beam splitter BS, two corner cube prisms P1 and P2, an optical lens LS, a photodetector PD, and the like.

パルスレーザ光源LAからの被測定光パルスは、ビームスプリッタBSで分岐され、プリズムP1,P2までの距離を往復する間に2つの光パルスに遅延差が付与され、再びビームスプリッタBSで干渉合成した光の強度が光検出器PDで測定される。参照アームを掃引し、信号の強度を遅延差の関数として表示すると、光パルスの強度スペクトルを反映した自己相関波形が描かれる。   The light pulse to be measured from the pulse laser light source LA is branched by the beam splitter BS, a delay difference is given to the two light pulses while reciprocating the distance to the prisms P1 and P2, and interference synthesis is again performed by the beam splitter BS. The intensity of light is measured by the photodetector PD. When the reference arm is swept and the intensity of the signal is displayed as a function of the delay difference, an autocorrelation waveform reflecting the intensity spectrum of the optical pulse is drawn.

一方、光計測の分野においても光パルスの時間位置を知ることは、距離情報を得る上で重要である。利得変調した小型半導体レーザから発生する光パルスの時間幅は数10ピコ秒であり、直接測定するには高速光検出器と高速サンプリングオシロスコープを用いても、時間分解能は必ずしも十分ではない。また、こうした高速な計測機器は、一般に非常に高価である。   On the other hand, in the field of optical measurement, knowing the time position of an optical pulse is important for obtaining distance information. The time width of a light pulse generated from a gain-modulated small semiconductor laser is several tens of picoseconds, and even if a high-speed photodetector and a high-speed sampling oscilloscope are used for direct measurement, the time resolution is not always sufficient. In addition, such high-speed measuring devices are generally very expensive.

大型レーザとは異なり、半導体レーザの出力強度は極端に低いため(例えば、平均強度で数10マイクロワットから数ミリワット、ピーク強度で数10ミリワット以下)、光パルス計測には光増幅器を用いて波形に歪みが生じない程度に増幅する必要がある。   Unlike a large laser, the output intensity of a semiconductor laser is extremely low (for example, an average intensity of several tens of microwatts to several milliwatts, and a peak intensity of several tens of milliwatts or less). It is necessary to amplify to the extent that no distortion occurs.

従って、非常に低い強度の光パルスに対して、光増幅器を利用することなく、光パルスを検出することのできる簡易な間接測定法の開発が望まれている。 Therefore, it is desired to develop a simple indirect measurement method that can detect a light pulse without using an optical amplifier for a light pulse with very low intensity.

一方、安全・安心に対する社会的意識の高まりから、大型構造物における温度、歪み、振動等を多点計測する需要があり、構造物の寿命に匹敵する長期間計測に耐えうるシステムであることが要求されている。また、放射線や電磁波の被爆の恐れや水中での観測など、計測環境が過酷な条件下にあることも想定される。そのような条件の下で動作可能なセンシングデバイスは、物理的・化学的に安定で経年変化の少ない光ファイバであり、全光ファイバシステムによる多点計測システムの構築が望まれている。   On the other hand, due to the growing social awareness of safety and security, there is a demand for multipoint measurement of temperature, strain, vibration, etc. in large structures, and it should be a system that can withstand long-term measurements comparable to the life of structures. It is requested. It is also assumed that the measurement environment is in harsh conditions such as exposure to radiation and electromagnetic waves and observation in water. Sensing devices that can operate under such conditions are optical fibers that are physically and chemically stable and have little secular change, and it is desired to construct a multipoint measurement system using an all-optical fiber system.

多点計測システムにおける各計測点では、ファイバブラッググレーティングや光ファイバ干渉計、あるいは光ファイバ自体をセンサ素子として、反射・透過光の強度や周波数の変動から対象の物理量を読み出す。また、一対の光源と受光器で多点計測を実現するために、センサ素子に波長依存性を持たせた波長分割多重方式や、各センサ素子からの信号光パルスを時間的に分離計測する時間分割多重方式、または、干渉計方式を採用し、信号光や参照光の発振周波数を変調することにより測定点を特定する手法が存在する。   At each measurement point in the multi-point measurement system, the physical quantity of the target is read from the fluctuations in the intensity and frequency of the reflected / transmitted light using the fiber Bragg grating, the optical fiber interferometer, or the optical fiber itself as a sensor element. Also, in order to realize multipoint measurement with a pair of light source and light receiver, the wavelength division multiplexing method in which the sensor element has wavelength dependency, and the time for separately measuring the signal light pulse from each sensor element There is a method of specifying a measurement point by adopting a division multiplexing method or an interferometer method and modulating the oscillation frequency of signal light or reference light.

特開平6−241929号公報JP-A-6-241929

K. Y. Song, Z. He, K. Hotate, "Distributed strain measurement with millimeter-order spatial resolution based on Brillouin optical correlation domain analysis", Optics Letters, Vol. 31, No. 17, pp 2526-2528 (2006)K. Y. Song, Z. He, K. Hotate, "Distributed strain measurement with millimeter-order spatial resolution based on Brillouin optical correlation domain analysis", Optics Letters, Vol. 31, No. 17, pp 2526-2528 (2006) Y. Mizuno, W. Zou, Z. He, K. Hotate, "Proposal of Brillouin optical correlation-domain reflectometry (BOCDR)", Optics Express, Vol. 16, No. 16, pp. 12148-12153 (2008)Y. Mizuno, W. Zou, Z. He, K. Hotate, "Proposal of Brillouin optical correlation-domain reflectometry (BOCDR)", Optics Express, Vol. 16, No. 16, pp. 12148-12153 (2008)

光干渉計測では、光パルスの時間位置情報を得るためには、参照アームを用意する必要がある。したがって、信号アーム長が長い場合、同等の長さの参照アームを用意しなければならない。   In optical interference measurement, it is necessary to prepare a reference arm in order to obtain time position information of an optical pulse. Therefore, when the signal arm length is long, a reference arm having an equivalent length must be prepared.

光パルス当たりのエネルギーが1フェムトジュール(fJ)の入射光パルスを観測可能にする光学素子は、変換効率が高い部類である。この入射光パルスは、例えば半導体レーザからの利得変調パルスに対応させると、以下のようになる。   Optical elements that enable observation of incident light pulses with an energy per light pulse of 1 femtojoule (fJ) are a class with high conversion efficiency. When this incident light pulse is made to correspond to, for example, a gain modulation pulse from a semiconductor laser, it becomes as follows.

光パルス幅:20 ps 繰り返し周波数:1 GHz
平均出力:200 μW ピーク強度:10 mW
Optical pulse width: 20 ps Repetition frequency: 1 GHz
Average power: 200 μW Peak intensity: 10 mW

これは半導体レーザから出力される全光エネルギーに相当するため、一部の光エネルギーだけ取りだして光パルス計測を行うことは困難であり、少なくとも光増幅器が必要となることを示している。   Since this corresponds to the total light energy output from the semiconductor laser, it is difficult to take out only a part of the light energy and perform the optical pulse measurement, indicating that at least an optical amplifier is required.

また、全光ファイバ構成による多点計測を実現するためには,波長分割多重方式により、センサ素子に波長依存性を持たせ、センサからの反射信号光を波長分離することによって測定位置(測定点)を特定する手法が想定される。しかし、測定点を分離するために必要なセンサ素子間の波長分離幅は、光増幅器の利用帯域幅に対して十分に小さく設定することは困難なため、計測点数の上限が制限される。また、センサ素子に特注品が必要となり、安定供給・安定動作が必ずしも保証されないことが問題となる。   In addition, in order to realize multi-point measurement using an all-optical fiber configuration, the wavelength-division multiplexing method is used to make the sensor element wavelength-dependent, and the reflected signal light from the sensor is wavelength-separated to measure the measurement position (measurement point ) Is identified. However, since it is difficult to set the wavelength separation width between the sensor elements necessary for separating the measurement points to be sufficiently small with respect to the use bandwidth of the optical amplifier, the upper limit of the number of measurement points is limited. Further, a special order product is required for the sensor element, and there is a problem that stable supply and stable operation are not always guaranteed.

一方、光パルスを利用する時間分割多重方式では、各センサ素子からの信号光パルスを時間的に分離計測することにより、測定点おける変動情報が得られる。ただし、数cm以下の高い空間分解能で測定点を特定するためには、光パルスの時間幅を200ps程度以下に設定しなければならない。この場合、光パルスの検出には高速受光器が必要となり、その結果として測定感度の低下を招いてしまう。   On the other hand, in the time division multiplex method using optical pulses, fluctuation information at the measurement point can be obtained by temporally separating and measuring the signal optical pulses from the sensor elements. However, in order to specify the measurement point with a high spatial resolution of several centimeters or less, the time width of the optical pulse must be set to about 200 ps or less. In this case, a high-speed light receiver is required for detecting the light pulse, and as a result, the measurement sensitivity is lowered.

光ファイバ中の後方レイリー散乱、後方ブリルアン散乱、後方ラマン散乱をセンシング原理とする手法では、一般的には、パルス光源を用いて、時間分割多重方式と同様に、測定点までの光パルスの往復時間からその位置を特定する。したがって、高速受光器を必要する低感度な計測となる。また、後方散乱信号は極めて微弱な信号であり、その出力強度は入射光強度に強く依存することから、安定した計測を実現するためには受光システムへの負担が大きくなる。   In the method based on the sensing principle of backward Rayleigh scattering, backward Brillouin scattering, and backward Raman scattering in an optical fiber, generally, a pulse light source is used, and a light pulse is reciprocated to a measurement point in the same manner as in the time division multiplexing method. Identify its location from time. Therefore, it is a low-sensitivity measurement that requires a high-speed light receiver. Further, the backscatter signal is a very weak signal, and its output intensity strongly depends on the incident light intensity, so that a burden on the light receiving system becomes large in order to realize stable measurement.

また、干渉計方式では、簡便な低コヒーレンス光源や高感度な低速受光器が利用可能であるが、参照信号用の光ファイバを別に用意しなければならないことや、干渉測定の信号処理が複雑化することが問題となる。   In addition, the interferometer method can use a simple low-coherence light source and a high-sensitivity low-speed light receiver. However, a separate optical fiber for the reference signal must be prepared, and the signal processing for interference measurement is complicated. It becomes a problem to do.

本発明の目的は、1パルス当たりの光エネルギーが低い微弱な光パルスであっても、光増幅器を使用することなく、また、長い参照アームを用意することなく、高い時間分解能で光パルスを測定できる時間ゲート付き光検出装置を提供することである。   The object of the present invention is to measure an optical pulse with high temporal resolution without using an optical amplifier or preparing a long reference arm even for a weak optical pulse with low optical energy per pulse. It is to provide a photodetection device with a time gate.

また本発明の目的は、多点計測システムを実現する手法の一つである時間分割多重方式において、時間ゲート付き光検出装置を適用することにより、高空間分解能および高感度特性を有する簡易な構成の多点計測システムを提供することである。   Another object of the present invention is to provide a simple configuration having high spatial resolution and high sensitivity characteristics by applying a photodetection device with a time gate in a time division multiplexing system which is one of the techniques for realizing a multipoint measurement system. Is to provide a multi-point measurement system.

上記目的を達成するために、本発明に係る時間ゲート付き光検出装置は、
所定の変調周波数で光パルスを発生するレーザ光源と、
レーザ光源からの自然放出光の強度を検出するための光検出器と、
レーザ光源からの光パルスと同期した被測定光パルスをレーザ光源へ注入するための光カプラと、
光パルスと被測定光パルスとの間の時間差を調整するための時間遅延調整手段とを備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a photodetection device with a time gate according to the present invention comprises:
A laser light source that generates optical pulses at a predetermined modulation frequency;
A photodetector for detecting the intensity of spontaneously emitted light from the laser light source;
An optical coupler for injecting a measured light pulse synchronized with the light pulse from the laser light source into the laser light source;
And a time delay adjusting means for adjusting a time difference between the optical pulse and the optical pulse to be measured.

また、本発明に係る時間ゲート付き光検出装置は、
所定の変調周波数で光パルスを発生するレーザ光源と、
レーザ光源からの自然放出光の強度を検出するための光検出器と、
レーザ光源からの光パルスを分岐し、分岐した光パルスを再びレーザ光源へ注入するための光カプラと、
光パルスと分岐光パルスとの間の時間差を調整するための時間遅延調整手段とを備えることを特徴とする。
In addition, the photodetection device with a time gate according to the present invention,
A laser light source that generates optical pulses at a predetermined modulation frequency;
A photodetector for detecting the intensity of spontaneously emitted light from the laser light source;
An optical coupler for branching a light pulse from a laser light source and injecting the branched light pulse again into the laser light source;
And a time delay adjusting means for adjusting a time difference between the optical pulse and the branched optical pulse.

また、本発明に係る時間ゲート付き光検出装置は、
所定の変調周波数で光パルスを発生するレーザ光源と、
レーザ光源からの自然放出光の強度を検出するための光検出器と、
レーザ光源からの光パルスと同期または、ほぼ同期した被測定光パルスをレーザ光源へ注入するための光カプラと、
レーザ光源の変調周波数を掃引するための掃引回路とを備えることを特徴とする。
In addition, the photodetection device with a time gate according to the present invention,
A laser light source that generates optical pulses at a predetermined modulation frequency;
A photodetector for detecting the intensity of spontaneously emitted light from the laser light source;
An optical coupler for injecting an optical pulse to be measured, which is synchronized with or substantially synchronized with an optical pulse from the laser light source, into the laser light source;
And a sweep circuit for sweeping the modulation frequency of the laser light source.

本発明において、レーザ光源は、半導体レーザ素子であることが好ましい。   In the present invention, the laser light source is preferably a semiconductor laser element.

本発明において、レーザ光源へ注入する光パルスの強度を調整するための可変減衰器をさらに備えることが好ましい。   In the present invention, it is preferable to further include a variable attenuator for adjusting the intensity of the optical pulse injected into the laser light source.

本発明において、光パルスと被測定光パルスの偏光状態を揃えるための偏波コントローラをさらに備えることが好ましい。   In the present invention, it is preferable to further include a polarization controller for aligning the polarization states of the optical pulse and the measured optical pulse.

本発明において、光検出器からの電気信号の周波数成分を分析するための周波数分析器をさらに備えることが好ましい。   In the present invention, it is preferable to further include a frequency analyzer for analyzing the frequency component of the electrical signal from the photodetector.

本発明において、光検出器からの電気信号の時間変化を測定するための電子計測器をさらに備えることが好ましい。   In the present invention, it is preferable to further include an electronic measuring instrument for measuring the time change of the electric signal from the photodetector.

本発明において、時間遅延調整手段は、光軸方向に変位可能な可動ミラーを含むことが好ましい。   In the present invention, the time delay adjusting means preferably includes a movable mirror that can be displaced in the optical axis direction.

また、本発明に係る多点計測システムは、上記の時間ゲート付き光検出装置を備え、
レーザ光源の注入光として、複数の計測点で反射した複数の光パルスを用いることを特徴とする。
In addition, a multipoint measurement system according to the present invention includes the above-described photodetector with a time gate,
A plurality of light pulses reflected at a plurality of measurement points are used as injection light of the laser light source.

本発明によれば、レーザ光源が光パルスを周期的に発生する場合、レーザ光源のレーザ媒質が損失から利得に転じる際に、特定の時間帯だけ注入光に敏感に応答する一種の時間ゲートが生じる。この時間ゲート関数は、レーザ光源から発生する光パルス波形にほぼ一致する。注入光の注入タイミングを時間ゲート付近で変化させると、時間ゲート幅内で感じるパルス強度に応じて出力雑音レベルが敏感に変化する。そのため、出力雑音レベルの変化を測定することによって、注入光の波形情報が相互相関波形として得られる。その結果、微弱な注入光パルスであっても、高い時間分解能でその光パルスを検出することができる。   According to the present invention, when the laser light source periodically generates light pulses, when the laser medium of the laser light source changes from loss to gain, there is a kind of time gate that responds sensitively to the injected light only for a specific time period. Arise. This time gate function substantially matches the optical pulse waveform generated from the laser light source. When the injection timing of the injection light is changed in the vicinity of the time gate, the output noise level changes sensitively according to the pulse intensity felt within the time gate width. Therefore, by measuring the change in the output noise level, the waveform information of the injected light can be obtained as a cross correlation waveform. As a result, even a weak injection light pulse can be detected with high time resolution.

また本発明によれば、レーザ光源が一定の周期で光パルスを発生する場合、出力の一部をレーザ光源中に注入すると、光パルス間の遅延差がゼロ付近となる条件のとき、注入光パルスの強度に応じて出力雑音レベルが感度良く上昇する。したがって、異なる空間位置で発生した同じ周期の多数の光パルスを、複数の光カプラを介して一本の光ファイバ中に導入し、多点計測の信号光パルス列として形成した場合、時間遅延を走査することにより、空間位置ごとの光情報を分離計測することができる。   Further, according to the present invention, when the laser light source generates light pulses at a constant period, when a part of the output is injected into the laser light source, the injection light is obtained under the condition that the delay difference between the light pulses is near zero The output noise level rises with high sensitivity according to the intensity of the pulse. Therefore, when multiple optical pulses with the same period generated at different spatial positions are introduced into a single optical fiber via multiple optical couplers and formed as a signal optical pulse train for multipoint measurement, a time delay is scanned. By doing so, the optical information for each spatial position can be separated and measured.

本発明の第1実施形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows 1st Embodiment of this invention. 戻り光入射時の自然放出光のノイズ強度を示すグラフである。It is a graph which shows the noise intensity of spontaneous emission light at the time of return light incidence. 光パルススペクトル、戻り光パルスの時間遅延とノイズ強度との相関関係(生データ)、および信号処理した相関関係をそれぞれ示すグラフである。It is a graph which shows the correlation (raw data) of the optical pulse spectrum, the time delay of a return optical pulse, and noise intensity, and the correlation which carried out signal processing, respectively. 第1実施形態の原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principle of 1st Embodiment. 本発明の第2実施形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows 2nd Embodiment of this invention. 第2実施形態の原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the principle of 2nd Embodiment. 光パルススペクトル、外部光パルスの時間遅延とノイズ強度との相関関係(生データ)、および信号処理した相関関係をそれぞれ示すグラフである。It is a graph which shows the correlation (raw data) of the optical pulse spectrum, the time delay of external light pulse, and noise intensity, and the correlation which carried out signal processing, respectively. 2つのレーザ光源の間のスペクトル離調の影響を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the influence of the spectral detuning between two laser light sources. 時間ゲートの強度スペクトルの測定結果の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the measurement result of the intensity spectrum of a time gate. 本発明の第3実施形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4実施形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows 4th Embodiment of this invention. 2つの光パルスを合成した外部注入光パルスの時間遅延とノイズ強度との相関関係(生データ)を示すグラフである。It is a graph which shows the correlation (raw data) of the time delay and noise intensity of the external injection light pulse which synthesize | combined two light pulses. 本発明の第5実施形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows 5th Embodiment of this invention. 従来の光パルス幅の計測装置の一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of the measuring device of the conventional optical pulse width.

(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態を示す構成図である。時間ゲート付き光検出装置は、レーザ光源LAと、アイソレータIS、光カプラCP1,CP2と、光ファイバFBと、光検出器PDと、可変減衰器ATTと、コリメートレンズCLと、可動ミラーMRなどを備える。
(First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of the present invention. The time-gated photodetector includes a laser light source LA, an isolator IS, optical couplers CP1 and CP2, an optical fiber FB, a photodetector PD, a variable attenuator ATT, a collimator lens CL, a movable mirror MR, and the like. Prepare.

レーザ光源LAは、分布帰還型(DFB)半導体レーザ素子などで構成され、所定の変調周波数で光パルスを発生するものであり、本実施形態では、発振波長1550nm、変調周波数1GHzで、光パルスを発生している。こうしたレーザ光源LAの変調周波数および変調波形は、駆動回路DRによって任意に設定可能である。レーザ光源LAから出射した光は、光ファイバを通過して光カプラCP1に入射する。   The laser light source LA is composed of a distributed feedback (DFB) semiconductor laser element or the like, and generates an optical pulse at a predetermined modulation frequency. In this embodiment, the optical pulse is emitted at an oscillation wavelength of 1550 nm and a modulation frequency of 1 GHz. It has occurred. The modulation frequency and modulation waveform of the laser light source LA can be arbitrarily set by the drive circuit DR. The light emitted from the laser light source LA passes through the optical fiber and enters the optical coupler CP1.

光カプラCP1,CP2は、一方向から入射する光を複数の方向に分岐したり、複数の方向から入射する光を一方向に合成する機能を有する。光カプラCP1は、レーザ光源LAからの光を所定の分岐比で2つの方向に分岐しており、本実施形態では、99:1の分岐比を有するものを使用している。分岐比99/100で分岐した光は、アイソレータISと光ファイバFBを通過して第2の光カプラCP2に入射する。一方、分岐比1/100で分岐した光は、別の光ファイバFBを通過して可変減衰器ATTに入射する。   The optical couplers CP1 and CP2 have a function of branching light incident from one direction in a plurality of directions and combining light incident from a plurality of directions in one direction. The optical coupler CP1 branches light from the laser light source LA in two directions with a predetermined branching ratio. In this embodiment, the one having a branching ratio of 99: 1 is used. The light branched at a branching ratio of 99/100 passes through the isolator IS and the optical fiber FB and enters the second optical coupler CP2. On the other hand, light branched at a branching ratio of 1/100 passes through another optical fiber FB and enters the variable attenuator ATT.

アイソレータISは、偏光素子やファラデー回転子などで構成され、レーザ光源LAへの戻り光を減衰させる機能を有し、本実施形態では、50dB(=1/100000)の減衰率を有するものを使用している。   The isolator IS is composed of a polarizing element, a Faraday rotator, etc., and has a function of attenuating return light to the laser light source LA. In this embodiment, an isolator IS having an attenuation factor of 50 dB (= 1 / 100,000) is used. doing.

光カプラCP2は、アイソレータISからの光を所定の分岐比で2つの方向に分岐しており、本実施形態では、50:50の分岐比を有するものを使用している。一方の分岐光は、光ファイバを通過して光検出器PDに入射し、他方の分岐光は、別の光ファイバFBを通過して外部へ供給され、利用される。   The optical coupler CP2 branches light from the isolator IS in two directions with a predetermined branching ratio. In this embodiment, the optical coupler CP2 has a branching ratio of 50:50. One branched light passes through the optical fiber and enters the photodetector PD, and the other branched light passes through another optical fiber FB and is supplied to the outside for use.

光検出器PDは、フォトダイオードなどで構成され、レーザ光源LAからの自然放出光の強度を検出する機能を有し、本実施形態では、1GHzの変調周波数と比べて格段に低速応答のもの、例えば、周波数帯域が10MHzのものを使用している。そのためレーザ光源LAからの光パルス波形を忠実に検出できず、通常、光パルスを直接測定することは不可能である。しかしながら、本発明の手法によれば、こうした低速応答の光検出器であっても高い時間分解能で光パルスを検出することが可能になる。   The photodetector PD is composed of a photodiode or the like, and has a function of detecting the intensity of spontaneous emission light from the laser light source LA. In the present embodiment, the photodetector PD has a much slower response than the modulation frequency of 1 GHz. For example, a frequency band of 10 MHz is used. Therefore, the optical pulse waveform from the laser light source LA cannot be detected faithfully, and it is usually impossible to directly measure the optical pulse. However, according to the method of the present invention, it is possible to detect an optical pulse with high time resolution even with such a low-speed response photodetector.

可変減衰器ATTは、光の強度を所定の減衰率で減衰させる機能を有し、本実施形態では、1.5〜50dBの範囲で減衰率を調整できるものを使用している。可変減衰器ATTから出射した光は、光ファイバを通過してコリメートレンズCLに入射する。   The variable attenuator ATT has a function of attenuating the intensity of light at a predetermined attenuation rate. In this embodiment, a variable attenuator ATT that can adjust the attenuation rate in a range of 1.5 to 50 dB is used. The light emitted from the variable attenuator ATT passes through the optical fiber and enters the collimating lens CL.

コリメートレンズCLは、入射した光を平行光に変換する機能を有する。コリメートレンズCLからの平行光は、空気中を通過して可動ミラーMRに入射する。   The collimating lens CL has a function of converting incident light into parallel light. The parallel light from the collimating lens CL passes through the air and enters the movable mirror MR.

可動ミラーMRは、光軸方向に変位可能な移動ステージに搭載された平面ミラーなどで構成され、光パルスが伝搬する光路長を調整する機能を有する。例えば、可動ミラーMRを15cmだけ後方に移動した場合、往復で30cmだけ光路長が増加し、光パルスの時間位置を1nsだけ遅延させることができる。可動ミラーMRに入射した光は、そのまま正反射して再びコリメートレンズCLに入射し、可変減衰器ATT→光カプラCP1を通過して、レーザ光源LAに戻り光として入射する。本実施形態では、可変減衰器ATTを7dBの減衰率に設定したことにより、レーザ光源LA出力から54dB減衰した極めて弱い強度の光パルスを戻り光として利用した。   The movable mirror MR is composed of a plane mirror or the like mounted on a movable stage that can be displaced in the optical axis direction, and has a function of adjusting the optical path length through which the optical pulse propagates. For example, when the movable mirror MR is moved backward by 15 cm, the optical path length increases by 30 cm in the reciprocation, and the time position of the optical pulse can be delayed by 1 ns. The light incident on the movable mirror MR is specularly reflected as it is and then incident on the collimator lens CL again, passes through the variable attenuator ATT → the optical coupler CP1, and enters the laser light source LA as return light. In this embodiment, by setting the variable attenuator ATT to an attenuation factor of 7 dB, an extremely weak light pulse attenuated by 54 dB from the output of the laser light source LA is used as return light.

光検出器PDからの電気信号は、電気スペクトラムアナライザESAを用いて周波数分析が行われる。なお、電気スペクトラムアナライザESAの代わりに、オシロスコープを使用してもよい。   The electrical signal from the photodetector PD is subjected to frequency analysis using an electrical spectrum analyzer ESA. An oscilloscope may be used instead of the electric spectrum analyzer ESA.

また、光パルスが通過する光路の途中に光カプラを追加し、分岐した光の波長または光周波数を監視するための光スペクトラムアナライザを設けてもよい。   Further, an optical coupler may be added in the middle of the optical path through which the optical pulse passes to provide an optical spectrum analyzer for monitoring the wavelength or optical frequency of the branched light.

図2は、戻り光入射時の自然放出光のノイズ強度を示すグラフである。縦軸は強度(dBm)であり、横軸は周波数(MHz)である。下側のグラフは、戻り光がない場合を示す。上側のグラフは、戻り光がある場合を示す。なお、両方のグラフとも実際にはスパイク状の形状をもつが、理解容易のため、上側のグラフについては上包絡線を示している。   FIG. 2 is a graph showing the noise intensity of spontaneously emitted light when returning light is incident. The vertical axis represents intensity (dBm), and the horizontal axis represents frequency (MHz). The lower graph shows the case where there is no return light. The upper graph shows the case where there is return light. Both graphs actually have a spike shape, but for the sake of easy understanding, the upper graph shows the upper envelope.

可動ミラーMRの位置を光軸に沿って走査すると、特定の位置近傍で自然放出光雑音の増幅(ASE: Amplified Spontaneous Emission)が観測される。この現象は、戻り光がレーザ光源LAの誘導放出と相互作用するタイミングで入射した際に、上側のグラフに示すように、自然放出光のノイズ強度が増大することに起因している。一方、戻り光がレーザ光源LAに入射していない場合や、レーザ光源LAの誘導放出と相互作用しないタイミングで入射した場合には、下側のグラフに示すように、ノイズフロアのみが観測される。   When the position of the movable mirror MR is scanned along the optical axis, amplification of spontaneous emission light noise (ASE) is observed near a specific position. This phenomenon is due to the increase in the noise intensity of spontaneously emitted light as shown in the upper graph when the return light is incident at the timing of interaction with the stimulated emission of the laser light source LA. On the other hand, when the return light is not incident on the laser light source LA or is incident at a timing that does not interact with the stimulated emission of the laser light source LA, only the noise floor is observed as shown in the lower graph. .

そこで、電気スペクトラムアナライザESAの測定周波数を4.5MHzに固定した状態で、可動ミラーMRの位置を掃引し、戻り光パルスの時間遅延を変化させながら、自然放出光のノイズ強度の変化を調べる。   Therefore, with the measurement frequency of the electric spectrum analyzer ESA fixed at 4.5 MHz, the position of the movable mirror MR is swept, and the change in the noise intensity of the spontaneous emission light is examined while changing the time delay of the return light pulse.

図3は、光パルススペクトル、戻り光パルスの時間遅延とノイズ強度との相関関係(生データ)、および観察しやすく信号処理した相関関係をそれぞれ示すグラフである。下側のグラフほど、レーザ光源LAを駆動する電流の変調振幅が大きくなる。図3(a)〜(c)において、縦軸は光強度(リニア、任意単位)、横軸は波長(μm)である。また図3(d)〜(i)において、縦軸はノイズ強度(dBm)、横軸は時間遅延量(ps)である。   FIG. 3 is a graph showing the optical pulse spectrum, the correlation between the time delay of the return optical pulse and the noise intensity (raw data), and the correlation obtained by signal processing for easy observation. The lower the graph, the larger the modulation amplitude of the current that drives the laser light source LA. 3A to 3C, the vertical axis represents light intensity (linear, arbitrary unit), and the horizontal axis represents wavelength (μm). 3D to 3I, the vertical axis represents noise intensity (dBm), and the horizontal axis represents time delay (ps).

まず、図3(a)〜(c)を見ると、変調振幅が小さい場合は、レーザ光源LAからの光パルスのスペクトル幅は比較的狭いが、変調振幅が大きくなるほど、光パルスのスペクトル幅は広くなることが判る。   3A to 3C, when the modulation amplitude is small, the spectral width of the optical pulse from the laser light source LA is relatively narrow, but as the modulation amplitude increases, the spectral width of the optical pulse becomes smaller. It turns out that it becomes wide.

次に、図3(d)(g)を見ると、可動ミラーMRの位置を変化させて戻り光パルスの時間遅延を変化させた場合、特定の位置でノイズ強度がピークになる波形(半値全幅48.4ps)が観測されることが判る。このとき可動ミラーMRの変位0.15mmが、戻り光パルスの時間遅延1psに対応する。   Next, looking at FIGS. 3D and 3G, when the position of the movable mirror MR is changed and the time delay of the return light pulse is changed, a waveform in which the noise intensity peaks at a specific position (full width at half maximum). 48.4 ps) is observed. At this time, a displacement of 0.15 mm of the movable mirror MR corresponds to a time delay of 1 ps of the return light pulse.

また、図3(e)(h)では、ノイズ変化の波形(半値全幅34.7ps)がより急峻になり、図3(f)(i)では、ノイズ変化の波形(半値全幅28.4ps)がさらに急峻になることが判る。   3E and 3H, the noise change waveform (full width at half maximum of 34.7 ps) becomes steeper. In FIGS. 3F and i, the waveform of noise change (full width at half maximum of 28.4 ps) is obtained. Can be seen to be even steeper.

従って、光パルスのスペクトルと光パルスの時間波形とは、互いにフーリエ変換の関係にあることから、こうしたノイズ変化の波形は、光パルスの波形と相関関係があることを示唆している。   Therefore, the spectrum of the optical pulse and the temporal waveform of the optical pulse are in a Fourier transform relationship with each other, suggesting that the waveform of such a noise change has a correlation with the waveform of the optical pulse.

図4は、本実施形態の原理を示す説明図である。レーザ光源LAは所定の周期(変調周波数の逆数)で光パルスを発生している。このときレーザ光源LAのレーザ媒質の内部では、注入電流の正弦波変調によってキャリア密度が時間変動している。レーザ媒質が励起されていない場合、レーザ媒質は吸収媒質であるが、励起が始まると利得媒質に変化し、誘導放出が開始する。この際に、変調周波数をレーザ光源LAの緩和振動周波数近傍に設定すると、定常状態のしきい値キャリア密度を超えて、ある程度キャリア密度が蓄積した後にレーザ発振が始まる。その結果、強い誘導放出が生じ、蓄積したキャリア密度は短時間のうちに消滅する。これに伴い、レーザ媒質の利得が減少するため、誘導放出は停止する。この動作は、利得変調パルスの発生として外部で観測される。また、発生する光パルスの時間幅が、レーザ光源LAを駆動する注入電流の変調周期より速いことから、この現象は非線形過程に基づくことが判る。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing the principle of this embodiment. The laser light source LA generates optical pulses at a predetermined cycle (reciprocal of the modulation frequency). At this time, inside the laser medium of the laser light source LA, the carrier density varies with time due to sinusoidal modulation of the injected current. When the laser medium is not excited, the laser medium is an absorption medium. However, when excitation starts, the laser medium changes to a gain medium and stimulated emission starts. At this time, if the modulation frequency is set in the vicinity of the relaxation oscillation frequency of the laser light source LA, laser oscillation starts after the carrier density is accumulated to some extent beyond the threshold carrier density in the steady state. As a result, strong stimulated emission occurs, and the accumulated carrier density disappears in a short time. Along with this, the stimulated emission stops because the gain of the laser medium decreases. This operation is observed externally as the generation of a gain modulation pulse. Further, since the time width of the generated light pulse is faster than the modulation period of the injection current for driving the laser light source LA, it can be seen that this phenomenon is based on a nonlinear process.

従って、光パルスが発生する期間において、外部光パルスがレーザ媒質に入射すると、自然放出光は効率良く増幅され、その結果、自然放出光のノイズ強度が増大すると考えられる。   Therefore, when the external light pulse is incident on the laser medium during the period in which the light pulse is generated, the spontaneous emission light is efficiently amplified, and as a result, the noise intensity of the spontaneous emission light is considered to increase.

このように自然放出光の増幅が可能な光パルス発生期間を時間ゲートとして利用することによって、極めて短い光パルスを高い時間分解能で検出することが可能になる。   By using an optical pulse generation period in which spontaneous emission light can be amplified in this way as a time gate, extremely short optical pulses can be detected with high temporal resolution.

時間ゲート幅内で感じる光パルス成分の平均強度、即ち、時間ゲート関数と戻り光パルス波形の相関(ASE雑音の発生)を遅延掃引して測定することにより、自己相関波形が描かれる。
The autocorrelation waveform is drawn by measuring the average intensity of the optical pulse component sensed within the time gate width, that is, the correlation between the time gate function and the return optical pulse waveform (occurrence of ASE noise) by delayed sweep.

(第2実施形態)
図5は、本発明の第2実施形態を示す構成図である。本実施形態では、被測定デバイスであるレーザ光源DUTが発生する光パルスを測定する。レーザ光源DUTは、分布帰還型(DFB)半導体レーザ素子などで構成され、例えば、光通信用の光源として常時動作している。レーザ光源DUTは、駆動回路DR2によって駆動されて光パルスを発生し、発生した光パルスは、アイソレータIS2、光カプラCP3、光ファイバFBを通過して、外部へ供給される。
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention. In this embodiment, an optical pulse generated by a laser light source DUT that is a device under measurement is measured. The laser light source DUT is composed of a distributed feedback (DFB) semiconductor laser element or the like, and is always operating as a light source for optical communication, for example. The laser light source DUT is driven by the drive circuit DR2 to generate an optical pulse, and the generated optical pulse is supplied to the outside through the isolator IS2, the optical coupler CP3, and the optical fiber FB.

アイソレータIS2は、偏光素子やファラデー回転子などで構成され、レーザ光源DUTへの戻り光を減衰させる機能を有し、本実施形態では、50dB(=1/100000)の減衰率を有するものを使用している。光カプラCP3は、アイソレータIS2からの光を所定の分岐比で2つの方向に分岐しており、本実施形態では、99:1の分岐比を有するものを使用している。分岐比99/100で分岐した光は、光ファイバFBを通過して外部へ供給され、例えば、光通信などに利用される。一方、分岐比1/100で分岐した光は、本発明に係る光パルス検出に用いられ、別の光ファイバを通過して、光サーキュレータCCに入射する。   The isolator IS2 is composed of a polarizing element, a Faraday rotator, etc., and has a function of attenuating the return light to the laser light source DUT. In this embodiment, an isolator IS2 having an attenuation factor of 50 dB (= 1/100000) is used. doing. The optical coupler CP3 branches light from the isolator IS2 in two directions with a predetermined branching ratio. In this embodiment, the one having a branching ratio of 99: 1 is used. The light branched at a branching ratio of 99/100 passes through the optical fiber FB and is supplied to the outside, and is used, for example, for optical communication. On the other hand, the light branched at a branching ratio of 1/100 is used for optical pulse detection according to the present invention, passes through another optical fiber, and enters the optical circulator CC.

本実施形態に係る時間ゲート付き光検出装置は、レーザ光源LAと、光カプラCP1,CP2と、アイソレータIS1と、光ファイバFBと、光検出器PDと、可変減衰器ATTと、偏波コントローラPCと、上述の光サーキュレータCCと、コリメートレンズCLと、可動ミラーMRなどを備える。   The photodetector with a time gate according to the present embodiment includes a laser light source LA, optical couplers CP1 and CP2, an isolator IS1, an optical fiber FB, a photodetector PD, a variable attenuator ATT, and a polarization controller PC. And the above-described optical circulator CC, a collimating lens CL, a movable mirror MR, and the like.

レーザ光源LAは、分布帰還型(DFB)半導体レーザ素子などで構成され、所定の変調周波数で光パルスを発生するものであり、レーザ光源DUTとほぼ同じ発振波長を有するものが選択される。レーザ光源DUTを駆動する駆動回路DR2は、外部用の光パルスと同期した同期信号SYNCを出力しており、この同期信号SYNCと同期して駆動回路DR1がレーザ光源LAを駆動する。本実施形態では、レーザ光源LAは、発振波長1550nm、変調周波数1GHzで、光パルスを発生している。レーザ光源LAから出射した光は、光ファイバを通過して光カプラCP1に入射する。   The laser light source LA is composed of a distributed feedback (DFB) semiconductor laser element or the like, and generates an optical pulse at a predetermined modulation frequency, and a laser light source having substantially the same oscillation wavelength as the laser light source DUT is selected. The drive circuit DR2 that drives the laser light source DUT outputs a synchronization signal SYNC that is synchronized with an external optical pulse, and the drive circuit DR1 drives the laser light source LA in synchronization with the synchronization signal SYNC. In the present embodiment, the laser light source LA generates an optical pulse with an oscillation wavelength of 1550 nm and a modulation frequency of 1 GHz. The light emitted from the laser light source LA passes through the optical fiber and enters the optical coupler CP1.

光カプラCP1は、レーザ光源LAからの光を所定の分岐比で2つの方向に分岐しており、本実施形態では、50:50の分岐比を有するものを使用している。一方の分岐光は、アイソレータIS1および別の光ファイバFBを通過して第2の光カプラCP2に入射し、他方の分岐光は、偏波コントローラPCおよび可変減衰器ATTを通過して光サーキュレータCCに入射する。光サーキュレータCCに入射した分岐光は、右回りと左回り成分に分かれるが、光サーキュレータCCおよび光カプラCP3を通過する際にいずれも大きく減衰するため、レーザ光源DUTに対する注入光量は無視できるほど小さくなり、影響を与えない。   The optical coupler CP1 branches light from the laser light source LA in two directions with a predetermined branching ratio. In this embodiment, the optical coupler CP1 has a branching ratio of 50:50. One branched light passes through the isolator IS1 and another optical fiber FB, and enters the second optical coupler CP2, and the other branched light passes through the polarization controller PC and the variable attenuator ATT and passes through the optical circulator CC. Is incident on. The branched light incident on the optical circulator CC is divided into clockwise and counterclockwise components. However, since both of them are greatly attenuated when passing through the optical circulator CC and the optical coupler CP3, the amount of light injected into the laser light source DUT is negligibly small. Will not affect.

光カプラCP2は、光カプラCP1からの光を所定の分岐比で2つの方向に分岐しており、本実施形態では、50:50の分岐比を有するものを使用している。一方の分岐光は、光ファイバを通過して光検出器PDに入射し、他方の分岐光は、別の光ファイバFBを通過して、光の波長または光周波数を監視するための光スペクトラムアナライザOSAに入射する。   The optical coupler CP2 branches light from the optical coupler CP1 in two directions at a predetermined branching ratio. In this embodiment, the one having a branching ratio of 50:50 is used. One branch light passes through an optical fiber and enters the photodetector PD, and the other branch light passes through another optical fiber FB to monitor the wavelength or optical frequency of the light. Incident on OSA.

光検出器PDは、フォトダイオードなどで構成され、レーザ光源LAからの自然放出光の強度を検出する機能を有し、本実施形態では、1GHzの変調周波数と比べて格段に低速応答のもの、例えば、周波数帯域が10MHzのものを使用している。   The photodetector PD is composed of a photodiode or the like, and has a function of detecting the intensity of spontaneous emission light from the laser light source LA. In the present embodiment, the photodetector PD has a much slower response than the modulation frequency of 1 GHz. For example, a frequency band of 10 MHz is used.

光検出器PDからの電気信号は、電気スペクトラムアナライザESAを用いて周波数分析が行われる。なお、電気スペクトラムアナライザESAの代わりに、オシロスコープを使用してもよい。   The electrical signal from the photodetector PD is subjected to frequency analysis using an electrical spectrum analyzer ESA. An oscilloscope may be used instead of the electric spectrum analyzer ESA.

一方、光サーキュレータCCは、あるポートから入射した光を他のポートへ出射する機能を有する。レーザ光源DUTからの光は、光サーキュレータCCを通過してコリメートレンズCLに入射する。   On the other hand, the optical circulator CC has a function of emitting light incident from one port to another port. Light from the laser light source DUT passes through the optical circulator CC and enters the collimating lens CL.

コリメートレンズCLは、入射した光を平行光に変換する機能を有する。コリメートレンズCLからの平行光は、空気中を通過して可動ミラーMRに入射する。   The collimating lens CL has a function of converting incident light into parallel light. The parallel light from the collimating lens CL passes through the air and enters the movable mirror MR.

可動ミラーMRは、光軸方向に変位可能な移動ステージに搭載された平面ミラーなどで構成され、光パルスが伝搬する光路長を調整する機能を有する。可動ミラーMRに入射した光は、そのまま正反射して再びコリメートレンズCLに入射し、光サーキュレータCCを通過して可変減衰器ATTに入射する。   The movable mirror MR is composed of a plane mirror or the like mounted on a movable stage that can be displaced in the optical axis direction, and has a function of adjusting the optical path length through which the optical pulse propagates. The light incident on the movable mirror MR is specularly reflected as it is, is incident on the collimator lens CL again, passes through the optical circulator CC, and enters the variable attenuator ATT.

可変減衰器ATTは、光の強度を所定の減衰率で減衰させる機能を有し、本実施形態では、1.5〜50dBの範囲で減衰率を調整できるものを使用している。可変減衰器ATTから出射した光は、偏波コントローラPC、光ファイバおよび光カプラCP1を通過してレーザ光源LAに外部注入光として入射する。偏波コントローラPCは、レーザ光源LA内で、被測定光パルスが感度良く相互作用するように、偏光を調整する機能を有する。こうした外部光は、途中で大きく減衰されるため、極めて弱い強度の光パルスとなる。例えば、本実施形態では、光カプラCP3で20dB、可変減衰器ATTで35dBの計55dBの減衰率を与えている。   The variable attenuator ATT has a function of attenuating the intensity of light at a predetermined attenuation rate. In this embodiment, a variable attenuator ATT that can adjust the attenuation rate in a range of 1.5 to 50 dB is used. The light emitted from the variable attenuator ATT passes through the polarization controller PC, the optical fiber, and the optical coupler CP1, and enters the laser light source LA as externally injected light. The polarization controller PC has a function of adjusting the polarization so that the light pulses to be measured interact with high sensitivity in the laser light source LA. Since such external light is greatly attenuated in the middle, it becomes a light pulse with extremely weak intensity. For example, in this embodiment, the optical coupler CP3 provides an attenuation factor of 55 dB, which is 20 dB, and the variable attenuator ATT provides 35 dB.

図6は、本実施形態の原理を示す説明図である。図4と同様に、レーザ光源LAは所定の周期(変調周波数の逆数)で光パルスを発生している。このときレーザ光源LAのレーザ媒質の内部では、注入電流の正弦波変調によってキャリア密度が時間変動している。   FIG. 6 is an explanatory diagram showing the principle of this embodiment. As in FIG. 4, the laser light source LA generates optical pulses at a predetermined period (reciprocal of the modulation frequency). At this time, inside the laser medium of the laser light source LA, the carrier density varies with time due to sinusoidal modulation of the injected current.

レーザ媒質が利得媒質に変化し、利得変調パルスが発生する期間において、外部光パルスがレーザ媒質に入射すると、自然放出光は効率良く増幅され、その結果、自然放出光のノイズ強度が増大すると考えられる。   When the laser medium changes to a gain medium and a gain modulation pulse is generated, if the external light pulse is incident on the laser medium, the spontaneous emission light is efficiently amplified, and as a result, the noise intensity of the spontaneous emission light increases. It is done.

このように自然放出光の増幅が可能な光パルス発生期間を時間ゲートとして利用することによって、極めて短い光パルスを高い時間分解能で検出することが可能になる。   By using an optical pulse generation period in which spontaneous emission light can be amplified in this way as a time gate, extremely short optical pulses can be detected with high temporal resolution.

時間ゲート幅内で感じる光パルス成分の平均強度、即ち、時間ゲート関数と外部光パルス波形の相互相関(ASE雑音の発生)を遅延掃引して測定することにより、相互相関波形が描かれる。   The cross-correlation waveform is drawn by measuring the average intensity of the light pulse component sensed within the time gate width, that is, the cross-correlation (generation of ASE noise) between the time gate function and the external light pulse waveform by delay sweep.

図7は、光パルススペクトル、外部光パルスの時間遅延とノイズ強度との相関関係(生データ)、および観察しやすく信号処理した相関関係をそれぞれ示すグラフである。下側のグラフほど、レーザ光源LAを駆動する電流の変調振幅が大きくなる。図7(a)〜(c)において、縦軸は光強度(リニア、任意単位)、横軸は波長(μm)である。また図7(d)〜(f)において、縦軸はノイズ強度(dBm)、横軸は時間遅延量(ps)である。また図7(g)〜(i)において、縦軸はノイズ強度(リニア、nW)、横軸は時間遅延量(ps)である。   FIG. 7 is a graph showing the optical pulse spectrum, the correlation (raw data) between the time delay of the external optical pulse and the noise intensity, and the correlation obtained by signal processing for easy observation. The lower the graph, the larger the modulation amplitude of the current that drives the laser light source LA. 7A to 7C, the vertical axis represents light intensity (linear, arbitrary unit), and the horizontal axis represents wavelength (μm). 7D to 7F, the vertical axis represents noise intensity (dBm) and the horizontal axis represents time delay (ps). 7 (g) to (i), the vertical axis represents noise intensity (linear, nW) and the horizontal axis represents time delay (ps).

まず、図7(a)〜(c)を見ると、変調振幅が小さい場合は、被測定レーザ光源LAからの光パルスのスペクトル幅は比較的狭いが、変調振幅が大きくなるほど、光パルスのスペクトル幅は広くなることが判る。   7A to 7C, when the modulation amplitude is small, the spectrum width of the light pulse from the laser light source LA to be measured is relatively narrow, but the spectrum of the light pulse increases as the modulation amplitude increases. It can be seen that the width becomes wider.

次に、図7(d)(g)を見ると、可動ミラーMRの位置を変化させて外部光パルスの時間遅延を変化させた場合、特定の位置でノイズ強度がピークになる波形(半値全幅68.4ps)が観測されることが判る。   Next, looking at FIGS. 7D and 7G, when the position of the movable mirror MR is changed to change the time delay of the external light pulse, the waveform at which the noise intensity peaks at a specific position (full width at half maximum). 68.4 ps) is observed.

また、図7(e)(h)では、ノイズ変化の波形(半値全幅56.3ps)がより急峻になり、図7(f)(i)では、ノイズ変化の波形(半値全幅40.6ps)がさらに急峻になることが判る。   7E and 7H, the noise change waveform (full width at half maximum of 56.3 ps) becomes steeper, and in FIGS. 7F and 7I, the waveform of noise change (full width at half maximum of 40.6 ps). Can be seen to be even steeper.

図8は、2つのレーザ光源DUT,LAの間のスペクトル離調の影響を示す説明図である。レーザ光源DUT,LAは、ペルチェ素子などを用いて独立に温度制御されており、設定温度に応じて発振スペクトルを変化させることができる。図8(a)に示すように、レーザ光源DUTとレーザ光源LAの出力スペクトルのピーク波長位置は異なっており、温度制御によって両者の間隔を任意に設定できる。   FIG. 8 is an explanatory diagram showing the influence of spectral detuning between the two laser light sources DUT and LA. The laser light sources DUT and LA are independently temperature controlled using a Peltier element or the like, and can change the oscillation spectrum in accordance with the set temperature. As shown in FIG. 8A, the peak wavelength positions of the output spectra of the laser light source DUT and the laser light source LA are different, and the distance between the two can be arbitrarily set by temperature control.

図8(b)は、スペクトル離調によるノイズ強度の変化を示すグラフである。縦軸は、ノイズ強度(任意単位)、横軸はピーク波長の差(nm)である。両者のピーク波長が一致した時点でノイズ強度が最大となり、ピーク波長の差が大きくなると、ノイズ強度が減少していることが判る。このグラフから、レーザ光源LAは狭帯域な受光器として動作することが判る。   FIG. 8B is a graph showing changes in noise intensity due to spectral detuning. The vertical axis is the noise intensity (arbitrary unit), and the horizontal axis is the peak wavelength difference (nm). It can be seen that when the peak wavelengths of the two coincide, the noise intensity becomes maximum, and when the difference between the peak wavelengths increases, the noise intensity decreases. From this graph, it can be seen that the laser light source LA operates as a narrow-band light receiver.

また、図9は、レーザ光源DUTを狭線幅レーザとして用いて同様な測定を行い、正確な時間ゲートの強度スペクトルを得た結果であり、時間ゲートの帯域幅は約0.3nmと見積もられる。時間ゲートの強度スペクトルが、レーザ光源LAからの光パルススペクトルにほぼ一致することから、時間ゲート関数は、レーザ光源LAからの光パルス波形と同じであることが確認される。   FIG. 9 is a result of performing the same measurement using the laser light source DUT as a narrow linewidth laser and obtaining an accurate time gate intensity spectrum, and the time gate bandwidth is estimated to be about 0.3 nm. . Since the intensity spectrum of the time gate substantially matches the optical pulse spectrum from the laser light source LA, it is confirmed that the time gate function is the same as the optical pulse waveform from the laser light source LA.

本実施形態において、レーザ光源LAで発生する光パルスが内部の周波数チャープをほとんど持たないフーリエ変換限界パルスであり、かつ、その強度スペクトル幅が被測定レーザ光源DUTの発する光パルスの強度スペクトル幅と同等か,あるいは、これより広い場合、実験より得られる相互相関波形をデコンボリューション処理することにより、レーザ光源DUTからの光パルスの時間幅を推定することが可能である。
In this embodiment, the optical pulse generated by the laser light source LA is a Fourier transform limit pulse having almost no internal frequency chirp, and the intensity spectrum width of the optical pulse is the intensity spectrum width of the optical pulse generated by the laser light source DUT to be measured. If they are equal or wider than this, it is possible to estimate the time width of the optical pulse from the laser light source DUT by deconvolution processing the cross-correlation waveform obtained from the experiment.

(第3実施形態)
図10は、本発明の第3実施形態を示す構成図である。本実施形態においても、被測定デバイスであるレーザ光源DUTが発生する光パルスを測定する。レーザ光源DUTは、分布帰還型(DFB)半導体レーザ素子などで構成され、例えば、光通信用の光源として常時動作している。レーザ光源DUTは、駆動回路DR2によって駆動されて光パルスを発生し、発生した光パルスは、アイソレータIS2、光カプラCP2、光ファイバFBを通過して、外部へ供給される。
(Third embodiment)
FIG. 10 is a block diagram showing a third embodiment of the present invention. Also in this embodiment, an optical pulse generated by a laser light source DUT that is a device under measurement is measured. The laser light source DUT is composed of a distributed feedback (DFB) semiconductor laser element or the like, and is always operating as a light source for optical communication, for example. The laser light source DUT is driven by the drive circuit DR2 to generate an optical pulse, and the generated optical pulse is supplied to the outside through the isolator IS2, the optical coupler CP2, and the optical fiber FB.

光カプラCP2は、アイソレータISからの光を所定の分岐比で2つの方向に分岐しており、本実施形態では、99:1の分岐比を有するものを使用している。分岐比99/100で分岐した光は、光ファイバFBを通過して外部へ供給され、例えば、光通信などに利用される。分岐比1/100で分岐した光は、本発明に係る光パルス検出に用いられ、別の光ファイバFBと、可変減衰器ATTと、別の光ファイバFBと、偏波コントローラPCと、光カプラCP1を通過して、レーザ光源LAに入射する。   The optical coupler CP2 branches light from the isolator IS in two directions with a predetermined branching ratio. In this embodiment, the one having a branching ratio of 99: 1 is used. The light branched at a branching ratio of 99/100 passes through the optical fiber FB and is supplied to the outside, and is used, for example, for optical communication. The light branched at a branching ratio of 1/100 is used for optical pulse detection according to the present invention, and another optical fiber FB, a variable attenuator ATT, another optical fiber FB, a polarization controller PC, and an optical coupler. It passes through CP1 and enters the laser light source LA.

本実施形態におけるレーザ光源DUTからの入射光強度は、光カプラCP2で20dB、可変減衰器ATTおよび光カプラCP1で35dBの計55dBだけ減衰され、極めて弱い強度の外部光パルスとしてレーザ光源LAに入射している。また,偏波コントローラPCは、レーザ光源LA内で、被測定光パルスが感度良く相互作用するように、偏光を調整する機能を有する。   The incident light intensity from the laser light source DUT in this embodiment is attenuated by a total of 55 dB, which is 20 dB by the optical coupler CP2 and 35 dB by the variable attenuator ATT and the optical coupler CP1, and enters the laser light source LA as an external light pulse with extremely weak intensity. doing. Further, the polarization controller PC has a function of adjusting the polarization so that the measured light pulses interact with each other with high sensitivity in the laser light source LA.

本実施形態に係る時間ゲート付き光検出装置は、レーザ光源LAと、光カプラCP1と、偏波コントローラPCと、可変減衰器ATTと、光ファイバFBと、アイソレータIS1と、光検出器PDなどを備える。   The photodetector with a time gate according to the present embodiment includes a laser light source LA, an optical coupler CP1, a polarization controller PC, a variable attenuator ATT, an optical fiber FB, an isolator IS1, a photodetector PD, and the like. Prepare.

レーザ光源LAは、分布帰還型(DFB)半導体レーザ素子などで構成され、所定の変調周波数で光パルスを発生するものであり、レーザ光源DUTとほぼ同じ発振波長を有するものが選択される。レーザ光源LAは、駆動回路DR1によって駆動され、変調周波数は掃引回路SCによって制御される。本実施形態では、レーザ光源LAは、発振波長1550nm、中心変調周波数0.9〜1.1GHzの範囲で掃引し、ピコ秒の時間幅を有する光パルスを発生している。レーザ光源LAから出射した光は、光ファイバを通過して、光カプラCP1に入射する。   The laser light source LA is composed of a distributed feedback (DFB) semiconductor laser element or the like, and generates an optical pulse at a predetermined modulation frequency, and a laser light source having substantially the same oscillation wavelength as the laser light source DUT is selected. The laser light source LA is driven by the drive circuit DR1, and the modulation frequency is controlled by the sweep circuit SC. In the present embodiment, the laser light source LA sweeps in the range of an oscillation wavelength of 1550 nm and a center modulation frequency of 0.9 to 1.1 GHz, and generates an optical pulse having a time width of picoseconds. The light emitted from the laser light source LA passes through the optical fiber and enters the optical coupler CP1.

光カプラCP1は、レーザ光源LAからの光を所定の分岐比で2つの方向に分岐しており、本実施形態では、50:50の分岐比を有するものを使用している。一方の分岐光は、アイソレータIS1を通過して光検出器PDに入射する。また、他方の分岐光は、可変減衰器ATTおよび光カプラCP2を通過することにより、被測定光源DUTへの注入光量が十分に無視できるほど減衰される。   The optical coupler CP1 branches light from the laser light source LA in two directions with a predetermined branching ratio. In this embodiment, the optical coupler CP1 has a branching ratio of 50:50. One branched light passes through the isolator IS1 and enters the photodetector PD. The other branched light passes through the variable attenuator ATT and the optical coupler CP2, and is attenuated so that the amount of light injected into the measured light source DUT can be sufficiently ignored.

光検出器PDは、フォトダイオードなどで構成され、レーザ光源LAからの自然放出光の強度を検出する機能を有し、本実施形態では、1GHzの変調周波数と比べて格段に低速応答のもの、例えば、周波数帯域が10MHzのものを使用している。   The photodetector PD is composed of a photodiode or the like, and has a function of detecting the intensity of spontaneous emission light from the laser light source LA. In the present embodiment, the photodetector PD has a much slower response than the modulation frequency of 1 GHz. For example, a frequency band of 10 MHz is used.

光検出器PDからの電気信号は、オシロスコープOSCを用いて、ノイズ強度の時間変化として観測される。なお、オシロスコープOSCの代わりに、電気スペクトラムアナライザを使用してもよい。   The electric signal from the photodetector PD is observed as a change in noise intensity with time using an oscilloscope OSC. An electrical spectrum analyzer may be used instead of the oscilloscope OSC.

第1および第2実施形態では、戻り光パルスまたは外部光パルスの時間差を調整するために可動ミラーMRを使用したが、本実施形態では、レーザ光源LAの変調周波数を掃引することによって、遅延時間調整と同様な機能を実現している。こうした電気的掃引を行う構成によれば、可動ミラーMRなどの移動機構が不要になるため、装置の小型化、簡便化が図られる。   In the first and second embodiments, the movable mirror MR is used to adjust the time difference between the return light pulse or the external light pulse. However, in this embodiment, the delay time is swept by sweeping the modulation frequency of the laser light source LA. The same function as adjustment is realized. According to the configuration for performing such electrical sweep, a moving mechanism such as the movable mirror MR is not necessary, so that the apparatus can be reduced in size and simplified.

以上説明したように、本明細書で開示した実験では、入射光に関して、以下の条件で光パルスを検出することに成功している。   As described above, the experiment disclosed in this specification has succeeded in detecting a light pulse with respect to incident light under the following conditions.

光パルス幅:35 ps 繰り返し周波数:1 GHz
平均出力:0.1 nW ピーク強度:5 nW
Optical pulse width: 35 ps Repetition frequency: 1 GHz
Average power: 0.1 nW Peak intensity: 5 nW

この結果は、光パルスに対する従来の直接計測法に比べて、少なくとも30dBほど測定感度が改善されることを意味する。従って、光パルスエネルギーのごく一部を利用するだけで、光パルスの検出が可能になる。
This result means that the measurement sensitivity is improved by at least 30 dB compared to the conventional direct measurement method for light pulses. Therefore, the light pulse can be detected by using only a small part of the light pulse energy.

(第4実施形態)
図11は、本発明の第4実施形態を示す構成図である。ここでは、時間ゲート付き光検出装置を用いた多点計測システムについて説明する。レーザ光源LA1は、分布帰還型(DFB)半導体レーザ素子などで構成される。レーザ光源LA1は、駆動回路DR1によって駆動されて光パルスを発生する。本実施形態では、駆動回路DR1は、レーザ光源LA1のしきい値電流に一致する直流電流9.8mAに変調周波数1GHzの正弦波電流を重畳した変調電流を供給しており、発生した光パルスは、中心波長1550nmで時間幅35psである。光パルスは、アイソレータIS1を通過して、縦列接続した光カプラCP1、光カプラCP2へ供給される。
(Fourth embodiment)
FIG. 11 is a block diagram showing a fourth embodiment of the present invention. Here, a multipoint measurement system using a photodetection device with a time gate will be described. The laser light source LA1 is composed of a distributed feedback (DFB) semiconductor laser element or the like. The laser light source LA1 is driven by the drive circuit DR1 to generate an optical pulse. In the present embodiment, the drive circuit DR1 supplies a modulation current in which a sine wave current having a modulation frequency of 1 GHz is superimposed on a DC current 9.8 mA that matches the threshold current of the laser light source LA1, and the generated optical pulse is The time width is 35 ps at the center wavelength of 1550 nm. The optical pulse passes through the isolator IS1 and is supplied to the optical coupler CP1 and the optical coupler CP2 connected in cascade.

光カプラCP1は、アイソレータIS1からの光を所定の分岐比で2つの方向に分岐しており、本実施形態では、50:50の分岐比を有するものを使用している。一方の分岐光は、光カプラCP2に供給され、再び50:50の分岐比で分岐される。このうち一方は、さらに縦列接続する光カプラへ供給されることを想定しているが、本実施形態では、外部へ解放している。   The optical coupler CP1 branches light from the isolator IS1 in two directions at a predetermined branching ratio. In this embodiment, the optical coupler CP1 has a branching ratio of 50:50. One branched light is supplied to the optical coupler CP2, and is branched again with a 50:50 branching ratio. One of them is assumed to be further supplied to an optical coupler connected in cascade, but in this embodiment, it is released to the outside.

光カプラCP1,CP2のもう一方の分岐光は、コリメートレンズCL1,CL2にそれぞれ入射する。コリメートレンズCL1,CL2は、入射した光を平行光に変換する機能を有する。コリメートレンズCL1,CL2からの平行光は、空気中を通過して固定ミラーMR1,MR2でそれぞれ反射され、再びコリメートレンズCL1,CL2を通過して光ファイバ内に導入される。   The other branched lights of the optical couplers CP1 and CP2 enter the collimator lenses CL1 and CL2, respectively. The collimating lenses CL1 and CL2 have a function of converting incident light into parallel light. The parallel light from the collimating lenses CL1 and CL2 passes through the air and is reflected by the fixed mirrors MR1 and MR2, respectively, and again passes through the collimating lenses CL1 and CL2 and is introduced into the optical fiber.

本実施形態では、固定ミラーMR1,MR2からの反射光を、異なる空間位置から反射帰還する光ファイバセンサ信号とみなして処理している。即ち、光カプラCP1,CP2および固定ミラーMR1,MR2の代替として、光ファイバ干渉計やファイバブラッググレーティング等を用いた光ファイバセンサが使用可能であり、これにより多数の空間位置から反射する光を同時に計測できる。   In this embodiment, the reflected light from the fixed mirrors MR1 and MR2 is processed as an optical fiber sensor signal that is reflected and returned from different spatial positions. That is, as an alternative to the optical couplers CP1 and CP2 and the fixed mirrors MR1 and MR2, an optical fiber sensor using an optical fiber interferometer, a fiber Bragg grating, or the like can be used, thereby simultaneously reflecting light reflected from a large number of spatial positions. It can be measured.

異なる空間位置からの反射光は、それぞれ再び光カプラCP1,CP2を通過し、光カプラCP1で分岐され、アイソレータIS2およびサーキュレータCCを通過してコリメートレンズCL3に入射する。コリメートレンズCL3からの平行光は、空気中で可変減衰器ATTを通過して可動ミラーMR3に入射する。   Reflected light from different spatial positions again passes through the optical couplers CP1 and CP2, is branched by the optical coupler CP1, passes through the isolator IS2 and the circulator CC, and enters the collimating lens CL3. The parallel light from the collimating lens CL3 passes through the variable attenuator ATT in the air and enters the movable mirror MR3.

可動ミラーMR3からの反射光は、再び空気中で可変減衰器ATTを通過してコリメートレンズCL3により光ファイバ内に導入される。その後、反射光は、サーキュレータCCと、偏波コントローラPCと、50:50の分岐比を有する光カプラCP3を通過して、レーザ光源LA2に入射する。   The reflected light from the movable mirror MR3 again passes through the variable attenuator ATT in the air and is introduced into the optical fiber by the collimator lens CL3. Thereafter, the reflected light passes through the circulator CC, the polarization controller PC, and the optical coupler CP3 having a 50:50 branching ratio, and enters the laser light source LA2.

本実施形態において、レーザ光源LA1からの入射光の平均強度は、アイソレータIS1の直後で113μWであり、レーザ光源LA2への注入光の平均強度は、可変減衰器ATTの調整により約1μWである。   In this embodiment, the average intensity of incident light from the laser light source LA1 is 113 μW immediately after the isolator IS1, and the average intensity of light injected into the laser light source LA2 is about 1 μW by adjusting the variable attenuator ATT.

本実施形態に係る時間ゲート付き光検出装置は、レーザ光源LA2と、光カプラCP3と、偏波コントローラPCと、可変減衰器ATTと、アイソレータIS3と、光検出器PDなどを備える。偏波コントローラPCは、レーザ光源LA2内で、被測定光パルスが感度良く相互作用するように、偏光を調整する機能を有する。   The photodetector with a time gate according to the present embodiment includes a laser light source LA2, an optical coupler CP3, a polarization controller PC, a variable attenuator ATT, an isolator IS3, a photodetector PD, and the like. The polarization controller PC has a function of adjusting the polarization so that the light pulses to be measured interact with high sensitivity in the laser light source LA2.

レーザ光源LA2は、分布帰還型(DFB)半導体レーザ素子などで構成され、所定の変調周波数で光パルスを発生するものであり、レーザ光源LA1とほぼ同じ発振波長を有するものが選択される。レーザ光源LA2は、駆動回路DR2によって駆動され、駆動回路DR1に同期した変調周波数が供給される。本実施形態では、レーザ光源LA2は、変調周波数1GHzで掃引し、中心波長1550nmで時間幅35psを有する光パルスを発生している。レーザ光源LA2から出射した光は、光ファイバを通過して、光カプラCP3に入射する。   The laser light source LA2 is composed of a distributed feedback (DFB) semiconductor laser element or the like, and generates an optical pulse at a predetermined modulation frequency. A laser light source having substantially the same oscillation wavelength as the laser light source LA1 is selected. The laser light source LA2 is driven by the drive circuit DR2, and is supplied with a modulation frequency synchronized with the drive circuit DR1. In the present embodiment, the laser light source LA2 sweeps at a modulation frequency of 1 GHz and generates an optical pulse having a center wavelength of 1550 nm and a time width of 35 ps. The light emitted from the laser light source LA2 passes through the optical fiber and enters the optical coupler CP3.

光カプラCP3は、レーザ光源LA2からの光を所定の分岐比で2つの方向に分岐しており、本実施形態では、50:50の分岐比を有するものを使用している。一方の分岐光は、アイソレータIS3を通過して光検出器PDに入射する。また、他方の分岐光は、サーキュレータCCおよびアイソレータIS2を通過することにより、レーザ光源LA1,2への戻り光量が十分に無視できるほど減衰される。   The optical coupler CP3 branches the light from the laser light source LA2 in two directions at a predetermined branching ratio. In this embodiment, the optical coupler CP3 has a branching ratio of 50:50. One branched light passes through the isolator IS3 and enters the photodetector PD. The other branched light passes through the circulator CC and the isolator IS2, and is attenuated so that the amount of light returning to the laser light sources LA1 and LA2 can be sufficiently ignored.

光検出器PDは、フォトダイオードなどで構成され、レーザ光源LA2からの自然放出光の強度を検出する機能を有し、本実施形態では、1GHzの変調周波数と比べて格段に低速応答のもの、例えば、周波数帯域が10MHzのものを使用している。   The photodetector PD is composed of a photodiode or the like, and has a function of detecting the intensity of spontaneous emission light from the laser light source LA2, and in this embodiment, has a remarkably low response compared to the modulation frequency of 1 GHz. For example, a frequency band of 10 MHz is used.

光検出器PDからの電気信号は、電気スペクトラムアナライザESAを用いて周波数分析が行われる。なお、電気スペクトラムアナライザの代わりにオシロスコープを使用してもよい。   The electrical signal from the photodetector PD is subjected to frequency analysis using an electrical spectrum analyzer ESA. An oscilloscope may be used instead of the electric spectrum analyzer.

図12は、電気スペクトラムアナライザの測定周波数を3MHzに固定し、注入光パルスの時間遅延とノイズ強度との相関関係(生データ)を示すグラフである。縦軸はノイズ強度(dBm)、横軸は時間遅延量(ps)である。   FIG. 12 is a graph showing the correlation (raw data) between the time delay of the injected light pulse and the noise intensity with the measurement frequency of the electric spectrum analyzer fixed at 3 MHz. The vertical axis represents noise intensity (dBm), and the horizontal axis represents time delay (ps).

可動ミラーMR3の位置を変化させて注入光パルスの時間遅延を変化させた場合、特定の位置でノイズ強度がピークになる波形が観測されることが判る。本実施形態では、2個の山形波形が観測されている。   It can be seen that when the position of the movable mirror MR3 is changed to change the time delay of the injection light pulse, a waveform having a peak noise intensity is observed at a specific position. In this embodiment, two chevron waveforms are observed.

固定ミラーMR1,MR2からの反射光を片方ずつ遮断することにより、2個の山形波形のうち一方ずつ消失するようになる。このことから、図の左側の山形波形は固定ミラーMR1からの反射光に、右側の山形波形は固定ミラーMR2からの反射光に起因することが判る。   By blocking the reflected light from the fixed mirrors MR1 and MR2 one by one, one of the two chevron waveforms disappears. From this, it can be seen that the chevron waveform on the left side of the figure is caused by the reflected light from the fixed mirror MR1, and the chevron waveform on the right side is caused by the reflected light from the fixed mirror MR2.

グラフにおいて、山形波形のピーク位置の時間間隔ΔTは約200psであり、光学距離に換算して6cm離れていることに相当する。例えば、変調周波数1GHzで行った本実施形態におけるピーク位置の距離間隔ΔLは、次の式に従う。   In the graph, the time interval ΔT of the peak position of the mountain waveform is about 200 ps, which corresponds to being 6 cm away in terms of optical distance. For example, the distance interval ΔL between the peak positions in the present embodiment performed at a modulation frequency of 1 GHz follows the following equation.

ΔL=W12−W11−30cm×m(整数)     ΔL = W12−W11−30 cm × m (integer)

ここで、W12は、光カプラCP1から固定ミラーMR2までの往復光学距離、W11は、光カプラCP1から固定ミラーMR1までの往復光学距離である。また、整数mは、ピーク位置の距離間隔が0から30cmまでの値になるように与えられる。また、30cmは、変調周期1nsに相当する光学距離である。   Here, W12 is the reciprocal optical distance from the optical coupler CP1 to the fixed mirror MR2, and W11 is the reciprocal optical distance from the optical coupler CP1 to the fixed mirror MR1. The integer m is given so that the distance between the peak positions becomes a value from 0 to 30 cm. 30 cm is an optical distance corresponding to a modulation period of 1 ns.

このように、本方式では、光パルスの時間位置を検出する際に光のコヒーレンスを利用しないため、干渉計方式における長い参照アームを用意する必要がない。他のレーザ光源が発する光パルスに対しても、変調周波数と発振波長が一致していれば、変調周期に相当する光学距離30cm以内で時間遅延を調整することにより、レーザ光源LA2の時間ゲート幅内で増幅された雑音信号として、注入光パルスが感度良く検出される。   Thus, in this method, since the coherence of light is not used when detecting the time position of the light pulse, it is not necessary to prepare a long reference arm in the interferometer method. If the modulation frequency and the oscillation wavelength coincide with each other with respect to the light pulse emitted from another laser light source, the time delay of the laser light source LA2 is adjusted by adjusting the time delay within an optical distance of 30 cm corresponding to the modulation period. The injection light pulse is detected with high sensitivity as a noise signal amplified within the signal.

本実施形態では、2個の固定ミラーMR1,MR2を光ファイバセンサの反射点とみなして2点計測の実用性を実証している。したがって、光カプラCP2の後段に、多数の光カプラを多段接続し、それぞれ固定ミラーを設置することにより、所望の多点計測システムが実現できる。   In this embodiment, the two fixed mirrors MR1 and MR2 are regarded as reflection points of the optical fiber sensor, and the practicality of the two-point measurement is demonstrated. Therefore, a desired multipoint measurement system can be realized by connecting a large number of optical couplers in a subsequent stage of the optical coupler CP2 and installing fixed mirrors respectively.

その際、各光カプラの分岐比は一定ではなく、例えば、90:10あるいは99:1など、それぞれ異なるように設定してもよく、レーザ光源LA1に近い光カプラほど分岐比が小さくなるように構成することによって、各光ファイバセンサからの反射信号光の強度差は小さくなり、図12の出力信号における山形波形のピーク値間のコントラストを低く抑制できる。   At that time, the branching ratio of each optical coupler is not constant, and may be set to be different, for example, 90:10 or 99: 1. The optical coupler closer to the laser light source LA1 has a smaller branching ratio. By configuring, the difference in the intensity of the reflected signal light from each optical fiber sensor becomes small, and the contrast between peak values of the chevron waveform in the output signal of FIG. 12 can be suppressed low.

分岐比が小さいためにレーザ光源LA2への注入光強度が低くなり、出力信号の信号対雑音比が低下する場合には、入射光側のアイソレータIS1の直後か、あるいは、受光器側の偏波コントローラPCの直後に光増幅器を挿入し、適切な注入光強度になるように調整することができる。   When the splitting ratio is small, the intensity of the light injected into the laser light source LA2 is low, and the signal-to-noise ratio of the output signal is reduced, either immediately after the isolator IS1 on the incident light side or the polarization on the light receiver side An optical amplifier can be inserted immediately after the controller PC and adjusted so as to have an appropriate injected light intensity.

本実施形態では、変調周期1nsに対して、1個の固定ミラーからの反射信号は、山形波形の裾まで考慮すると、約100psの相関幅を有している。したがって、各計測点までを接続する光ファイバの長さを調整することにより、遅延軸上に反射信号を等間隔に配置し、少なくとも10箇所の異なる空間位置の計測が可能となることが判る。   In the present embodiment, with respect to the modulation period of 1 ns, the reflected signal from one fixed mirror has a correlation width of about 100 ps in consideration of the bottom of the mountain-shaped waveform. Therefore, it can be seen that by adjusting the length of the optical fiber connecting to each measurement point, the reflected signals are arranged at equal intervals on the delay axis, and at least 10 different spatial positions can be measured.

1個のレーザ光源LA1と1組の時間ゲート付き光検出装置(LA2,PD)で可能な計測点数の上限は、変調周期と、レーザ光源の緩和振動周波数と、レーザ光源を駆動する励起条件に依存し、遅延距離が長くなる低い変調周期において、計測点数を増大することができる。   The upper limit of the number of measurement points possible with one laser light source LA1 and a pair of time-gated photodetectors (LA2, PD) depends on the modulation period, the relaxation oscillation frequency of the laser light source, and the excitation conditions for driving the laser light source. The number of measurement points can be increased in a low modulation period that depends on the delay distance.

以上説明したように、本明細書で開示した実験では、異なる2点から反射した注入光パルスに関して、以下の条件で分離検出することに成功している。   As described above, in the experiment disclosed in the present specification, the detection of the injection light pulse reflected from two different points has been successfully performed under the following conditions.

光パルス幅:35ps 繰り返し周波数:1GHz
受光用レーザ光源への注入光の平均出力:1μW 相関幅:60ps(18mm)
Optical pulse width: 35 ps Repetition frequency: 1 GHz
Average power of injection light to the laser light source for light reception: 1 μW Correlation width: 60 ps (18 mm)

この結果は、ピコ秒域の時間幅を持つ高速な光パルスの計測において、光パルスエネルギーのごく一部を利用するだけで、複数の光パルスが分離計測できることを示している。   This result shows that in the measurement of a high-speed optical pulse having a time width in the picosecond range, a plurality of optical pulses can be separately measured by using only a small part of the optical pulse energy.

さらに、各計測点までの光学距離は、レーザ光源LA1を駆動する変調周波数の値を4から5点変化させ、そのたびにピーク位置を検出し、遅延距離の変化を計測することにより求めることができる。   Further, the optical distance to each measurement point can be obtained by changing the value of the modulation frequency for driving the laser light source LA1 by 4 to 5 points, detecting the peak position each time, and measuring the change in the delay distance. it can.

例えば、光カプラCP1から固定ミラーMR1までの距離をD1とし、測定対象の距離とする。ただし、簡単のため、コリメートレンズCL1と固定ミラーMR1の間の空隙は光ファイバで接続されているとする。また、ノイズピークのコントラスト等から、固定ミラーMR1からの反射光によるノイズピークが特定できる条件にあるとする。ここで、レーザ光源LA1から光カプラCP1までの距離をD0とし、光カプラCP1からサーキュレータCCを経由してコリメートレンズCL3までの距離をD2とし、コリメートレンズCL3から可動ミラーMR3までの距離をD3とし、コリメートレンズCL3から偏波コントローラPCと光カプラCP3を経由してレーザ光源LA2までの距離をD4とする。   For example, the distance from the optical coupler CP1 to the fixed mirror MR1 is D1, and is the distance to be measured. However, for simplicity, it is assumed that the gap between the collimating lens CL1 and the fixed mirror MR1 is connected by an optical fiber. Further, it is assumed that the noise peak due to the reflected light from the fixed mirror MR1 can be specified from the noise peak contrast and the like. Here, the distance from the laser light source LA1 to the optical coupler CP1 is D0, the distance from the optical coupler CP1 through the circulator CC to the collimating lens CL3 is D2, and the distance from the collimating lens CL3 to the movable mirror MR3 is D3. The distance from the collimating lens CL3 to the laser light source LA2 via the polarization controller PC and the optical coupler CP3 is D4.

レーザ光源LA1,LA2をともに変調周波数f1で駆動し、可動ミラーMR3の遅延位置を調整することにより、ノイズピークが観測される位置D3(1)を決定する。このとき、変調周波数f1に対応する変調周期T1を用いて次の関係式が成り立つ。
n×(D0+2×D1+D2+D4)+2×D3(1)=m1×c×T1 …(1)
The laser light sources LA1 and LA2 are both driven at the modulation frequency f1, and the delay position of the movable mirror MR3 is adjusted to determine the position D3 (1) where the noise peak is observed. At this time, the following relational expression is established using the modulation period T1 corresponding to the modulation frequency f1.
n × (D0 + 2 × D1 + D2 + D4) + 2 × D3 (1) = m1 × c × T1 (1)

ただし、cは光速、nは光ファイバの屈折率、m1は未知の整数である。距離D0,D2,D4を既知とし、上式を測定対象の距離D1についてまとめると次式となる。
n×D1=m1×c×T1/2−D3(1)−n×(D0+D2+D4)/2 …(2)
Where c is the speed of light, n is the refractive index of the optical fiber, and m1 is an unknown integer. When the distances D0, D2, and D4 are known, the above equation is summarized for the distance D1 to be measured, and the following equation is obtained.
n × D1 = m1 × c × T1 / 2−D3 (1) −n × (D0 + D2 + D4) / 2 (2)

次に変調周波数をf2に変化させ同様の実験を行うと、対応する変調周期T2を用いて、次の関係式が得られる。
n×D1=m2×c×T2/2−D3(2)−n×(D0+D2+D4)/2 …(3)
Next, when the same experiment is performed by changing the modulation frequency to f2, the following relational expression is obtained using the corresponding modulation period T2.
n * D1 = m2 * c * T2 / 2-D3 (2) -n * (D0 + D2 + D4) / 2 (3)

ただし、m2は未知の整数、D3(2)は変調周波数f2においてノイズピークが観測される可動ミラーMR3の位置である。   Here, m2 is an unknown integer, and D3 (2) is the position of the movable mirror MR3 where a noise peak is observed at the modulation frequency f2.

上式(2),(3)式の右辺は等しいことから、次式が成り立つ。
c×(m1×T1−m2×T2)=2×(D3(1)−D3(2)) …(4)
Since the right sides of the above equations (2) and (3) are equal, the following equation holds.
c * (m1 * T1-m2 * T2) = 2 * (D3 (1) -D3 (2)) (4)

整数m1,m2の値は一意には決定されないが、各変調周期に対応する光学距離(光速×変調周期:c×T1,c×T2)の最小公倍数に相当する距離以内では、上式(4)を満たす唯一の整数の組(m1,m2)が存在する。   The values of the integers m1 and m2 are not uniquely determined, but within the distance corresponding to the least common multiple of the optical distance (light speed × modulation cycle: c × T1, c × T2) corresponding to each modulation cycle, There is only one set of integers (m1, m2) that satisfies

同様に変調周波数をf3(対応する変調周期T3)に変化させた実験を行うと、次の関係式が得られる。
c×(m1×T1−m3×T3)=2×(D3(1)−D3(3)) …(5)
Similarly, when an experiment in which the modulation frequency is changed to f3 (corresponding modulation period T3) is performed, the following relational expression is obtained.
c * (m1 * T1-m3 * T3) = 2 * (D3 (1) -D3 (3)) (5)

ただし、m3は未知の整数、D3(3)は変調周波数f3においてノイズピークが観測される可動ミラーMR3の位置である。上式(4),(5)を満たす整数の組(m1,m2,m3)は、各変調周期に対応する光学距離(光速×変調周期:c×T1,c×T2,c×T3)の最小公倍数に相当する距離以内に、唯一の解として存在する。   Here, m3 is an unknown integer, and D3 (3) is the position of the movable mirror MR3 where a noise peak is observed at the modulation frequency f3. An integer set (m1, m2, m3) satisfying the above equations (4) and (5) is an optical distance corresponding to each modulation period (light speed × modulation period: c × T1, c × T2, c × T3). It exists as the only solution within a distance corresponding to the least common multiple.

したがって、変調周波数の値を変えて行う実験結果を追加することにより、条件を満足する整数の組は、より長距離の測定対象に対する唯一の解となり、各整数の値は実質的に一意に決定される。こうして、得られた整数m1の値を,式(2)に代入することにより、測定対象の距離D1を求めることができる。   Therefore, by adding experimental results with varying modulation frequency values, the set of integers that satisfy the condition is the only solution for longer distances, and each integer value is determined virtually uniquely. Is done. Thus, the distance D1 to be measured can be obtained by substituting the obtained value of the integer m1 into the equation (2).

例えば、次の4つの変調周波数(光速×変調周期)のもとで上述の実験を行うことにより、6.068km(=31×29×27×25cm)を上限とする範囲で、測定点までの距離を特定することができる。
0.968GHz(31cm), 1.034GHz(29cm)
1.111GHz(27cm), 1.200GHz(25cm)
For example, by performing the above-described experiment under the following four modulation frequencies (light speed × modulation cycle), the range up to 6.068 km (= 31 × 29 × 27 × 25 cm) can be obtained up to the measurement point. The distance can be specified.
0.968 GHz (31 cm), 1.034 GHz (29 cm)
1.111 GHz (27 cm), 1.200 GHz (25 cm)

さらに、変調周波数(光速×変調周期)が1.304GHz(23cm)のもとで行う実験結果を追加することにより、測定点までの距離を特定するための範囲の上限は、139.57kmまで拡大する。   Furthermore, the upper limit of the range for specifying the distance to the measurement point is expanded to 139.57 km by adding the result of an experiment performed under the modulation frequency (light speed × modulation period) of 1.304 GHz (23 cm). To do.

以上の変調周波数を変化させて測定点までの距離を特定する手法は、本実施形態の多点計測システムに限らず、光ファイバを接続する一般的なシステムにおいて、破断点までの距離を計測することに適用できる。この場合は、破断点で生じるフレネル反射に基づく反射光を検出することになる。
The method for specifying the distance to the measurement point by changing the above modulation frequency is not limited to the multipoint measurement system of the present embodiment, and the distance to the break point is measured in a general system connecting optical fibers. It can be applied to. In this case, the reflected light based on Fresnel reflection occurring at the breaking point is detected.

(第5実施形態)
図13は、本発明の第5実施形態を示す構成図である。多点計測システムの全体構成および動作原理は、第4実施形態と同様であるが、1)使用するレーザ光源の数が2台から1台になる点、2)レーザ光源LA1とアイソレータIS1の間に光カプラCP0を挿入している点で相違する。
(Fifth embodiment)
FIG. 13 is a block diagram showing a fifth embodiment of the present invention. The overall configuration and operation principle of the multipoint measurement system is the same as in the fourth embodiment, but 1) the number of laser light sources used is changed from two to one, and 2) between the laser light sources LA1 and the isolator IS1. Is different in that an optical coupler CP0 is inserted.

第4実施形態と同様に駆動されたレーザ光源LA1からの光パルスは、光カプラCP0を通過することにより分岐される。光カプラCP0の分岐比は50:50を想定している。一方の分岐光は、後続のアイソレータIS1を通過して光カプラCP1に入射し、第4実施形態と同じ過程を経て、光カプラCP3へ信号光パルスが帰還される。   The light pulse from the laser light source LA1 driven in the same manner as in the fourth embodiment is branched by passing through the optical coupler CP0. The branching ratio of the optical coupler CP0 is assumed to be 50:50. One branched light passes through the subsequent isolator IS1 and enters the optical coupler CP1, and the signal light pulse is fed back to the optical coupler CP3 through the same process as in the fourth embodiment.

光カプラCP3は光カプラCP0と接続され、信号光パルスがレーザ光源LA1へ注入される。また、レーザ光源LA1からの出力のうち、もう一方の分岐光は、光カプラCP3とアイソレータIS3を通過して、光検出器PDで検出される。   The optical coupler CP3 is connected to the optical coupler CP0, and signal light pulses are injected into the laser light source LA1. The other branched light out of the output from the laser light source LA1 passes through the optical coupler CP3 and the isolator IS3 and is detected by the photodetector PD.

第4実施形態と同様に、可動ミラーMR3の位置を調整し、レーザ光源LA1の時間ゲート幅(光パルスの発生時間帯)に一致するように、信号光パルスを帰還注入することにより、増幅された雑音信号として、注入光パルスが感度良く検出される。   As in the fourth embodiment, the position of the movable mirror MR3 is adjusted, and the signal light pulse is amplified by feedback injection so that it matches the time gate width (light pulse generation time zone) of the laser light source LA1. As a noise signal, the injection light pulse is detected with high sensitivity.

したがって、異なる空間位置で発生した多数の反射光パルスを、複数の光カプラを介して一本の光ファイバ中に導入し、多点計測の信号光パルス列として形成した場合、第4実施形態と同様に、時間遅延を走査することにより、空間位置ごとの光情報を分離計測することができる。   Therefore, when a large number of reflected light pulses generated at different spatial positions are introduced into one optical fiber via a plurality of optical couplers and formed as a signal light pulse train for multipoint measurement, the same as in the fourth embodiment In addition, the optical information for each spatial position can be separately measured by scanning the time delay.

また、第4実施形態と同様に、レーザ光源LA1の変調周波数を変化させた一連の実験を行うことにより、測定点までの距離や光ファイバの破断点までの距離を特定することができる。   Similarly to the fourth embodiment, by performing a series of experiments in which the modulation frequency of the laser light source LA1 is changed, the distance to the measurement point and the distance to the break point of the optical fiber can be specified.

本発明によれば、微弱な光パルスを高い時間分解能で検出することができる点、高空間分解能および高感度特性を有する多点計測システムを実現できる点で産業上極めて有用である。   The present invention is extremely useful industrially in that a weak light pulse can be detected with high temporal resolution, and a multipoint measurement system having high spatial resolution and high sensitivity characteristics can be realized.

LA,DUT,LA1,LA2 レーザ光源
IS,IS1,IS2,IS3 アイソレータ
CC 光サーキュレータ
CP0,CP1,CP2,CP3 光カプラ
FB 光ファイバ
PC 偏波コントローラ
ATT 可変減衰器
CL,CL1,CL2,CL3 コリメートレンズ
MR1,MR2 固定ミラー
MR,MR3 可動ミラー
DR,DR1,DR2 駆動回路
SC 掃引回路
PD 光検出器
ESA 電気スペクトラムアナライザ
OSA 光スペクトラムアナライザ
OSC オシロスコープ
LA, DUT, LA1, LA2 Laser light source IS, IS1, IS2, IS3 Isolator CC Optical circulator CP0, CP1, CP2, CP3 Optical coupler FB Optical fiber PC Polarization controller ATT Variable attenuator CL, CL1, CL2, CL3 Collimating lens MR1 , MR2 fixed mirror MR, MR3 movable mirror DR, DR1, DR2 drive circuit SC sweep circuit PD photodetector ESA electrical spectrum analyzer OSA optical spectrum analyzer OSC oscilloscope

Claims (10)

所定の変調周波数で光パルスを発生するレーザ光源と、
レーザ光源からの自然放出光の強度を検出するための光検出器と、
レーザ光源からの光パルスと同期した被測定光パルスをレーザ光源へ注入するための光カプラと、
光パルスと被測定光パルスとの間の時間差を調整するための時間遅延調整手段とを備えることを特徴とする時間ゲート付き光検出装置。
A laser light source that generates optical pulses at a predetermined modulation frequency;
A photodetector for detecting the intensity of spontaneously emitted light from the laser light source;
An optical coupler for injecting a measured light pulse synchronized with the light pulse from the laser light source into the laser light source;
A photodetection device with a time gate, comprising: a time delay adjusting means for adjusting a time difference between the optical pulse and the measured optical pulse.
所定の変調周波数で光パルスを発生するレーザ光源と、
レーザ光源からの自然放出光の強度を検出するための光検出器と、
レーザ光源からの光パルスを分岐し、分岐した光パルスを再びレーザ光源へ注入するための光カプラと、
光パルスと分岐光パルスとの間の時間差を調整するための時間遅延調整手段とを備えることを特徴とする時間ゲート付き光検出装置。
A laser light source that generates optical pulses at a predetermined modulation frequency;
A photodetector for detecting the intensity of spontaneously emitted light from the laser light source;
An optical coupler for branching a light pulse from a laser light source and injecting the branched light pulse again into the laser light source;
A photodetection device with a time gate, comprising: a time delay adjusting means for adjusting a time difference between the optical pulse and the branched optical pulse.
所定の変調周波数で光パルスを発生するレーザ光源と、
レーザ光源からの自然放出光の強度を検出するための光検出器と、
レーザ光源からの光パルスと同期または、ほぼ同期した被測定光パルスをレーザ光源へ注入するための光カプラと、
レーザ光源の変調周波数を掃引するための掃引回路とを備えることを特徴とする時間ゲート付き光検出装置。
A laser light source that generates optical pulses at a predetermined modulation frequency;
A photodetector for detecting the intensity of spontaneously emitted light from the laser light source;
An optical coupler for injecting an optical pulse to be measured, which is synchronized with or substantially synchronized with an optical pulse from the laser light source, into the laser light source;
A photodetection device with a time gate, comprising: a sweep circuit for sweeping a modulation frequency of a laser light source.
レーザ光源は、半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の時間ゲート付き光検出装置。   The photodetection device with a time gate according to claim 1, wherein the laser light source is a semiconductor laser element. レーザ光源へ注入する光パルスの強度を調整するための可変減衰器をさらに備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の時間ゲート付き光検出装置。   The time-gate photodetection device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a variable attenuator for adjusting the intensity of the light pulse injected into the laser light source. 光パルスと被測定光パルスの偏光状態を揃えるための偏波コントローラを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の時間ゲート付き光検出装置。   The time-gate photodetection device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a polarization controller for aligning the polarization states of the optical pulse and the measured optical pulse. 光検出器からの電気信号の周波数成分を分析するための周波数分析器をさらに備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の時間ゲート付き光検出装置。   The time-gate photodetection device according to any one of claims 1 to 3, further comprising a frequency analyzer for analyzing a frequency component of an electric signal from the photodetector. 光検出器からの電気信号の時間変化を測定するための電子計測器をさらに備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の時間ゲート付き光検出装置。   The photodetection device with a time gate according to any one of claims 1 to 3, further comprising an electronic measuring instrument for measuring a time change of an electric signal from the photodetector. 時間遅延調整手段は、光軸方向に変位可能な可動ミラーを含むことを特徴とする請求項1または2記載の時間ゲート付き光検出装置。   3. The photodetecting device with a time gate according to claim 1, wherein the time delay adjusting means includes a movable mirror that can be displaced in the optical axis direction. 請求項1〜9のいずれかに記載の時間ゲート付き光検出装置を備え、
レーザ光源の注入光として、複数の計測点で反射した複数の光パルスを用いることを特徴とする多点計測システム。
A photodetection device with a time gate according to any one of claims 1 to 9,
A multipoint measurement system using a plurality of light pulses reflected at a plurality of measurement points as injection light of a laser light source.
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