DE60204497T2

DE60204497T2 - Optisch abtastendes Wellenform-Messgerät mit hoher Bandbreite

Info

Publication number: DE60204497T2
Application number: DE60204497T
Authority: DE
Inventors: Akihito Atsugi-shi Otani; Toshinobu Atsugi-shi Otsubo; Hidehiko Musashino-shi Takara; Ippei Musashino-shi Shake; Satoki Musashino-shi Kawanishi
Original assignee: Anritsu Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Anritsu Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2001-03-15
Filing date: 2002-03-14
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2022-03-15
Also published as: DE60204497D1; US20020139924A1; JP2002277329A; CA2376727C; CA2376727A1; EP1241458B1; US6720548B2; JP3517220B2; EP1241458A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform und speziell eine Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform, wobei die Vorrichtung auf einen breiteren Bandbereich abstellt, wenn eine optische Impulswellenform eines optischen Signals gemessen wird, das zu einer optischen Nachrichtenübertragung und dergleichen mit einem Summenfrequenzerzeugungslicht (SFG-Licht) genutzt wird.
Beim Aufbau eines neuen optischen Nachrichtenübertragungssystems, bei der Herstellung einer neuen optischen Übertragungsvorrichtung oder bei der periodischen Überprüfung eines solchen optischen Nachrichtenübertragungssystems und einer solchen optischen Übertragungsvorrichtung ist es im allgemeinen wichtig, eine Impulswellenform eines digitalen optischen Signals zu messen, das gesendet/empfangen werden soll, um die Güte der optischen Nachrichtenübertragung festzustellen.
In den letzten Jahren ist die Übertragungsgeschwindigkeit von Informationen bei der optischen Nachrichtenübertragung gesteigert worden, und derzeit ist eine optische Hochgeschwindigkeits-Nachrichtenübertragung von 10 Gbit/s oder mehr geplant.
Die JP-Patentanmeldung KOKOKU Dokument Nr. 6-63869 zeigt eine Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform für die Messung einer optischen Impulswellenform von optischen Hochgeschwindigkeitssignalen von mehr als 10 Gbit/s mit dem Summenfrequenzerzeugungslicht.
Die 7A, 7B und 7C sowie die 8A und 8B erläutern das Meßprinzip der optischen Abtastwellenform-Meßvorrichtung, die in der genannten JP-Patentanmeldung KOKOKU Dokument Nr. 6-63869 angegeben ist.
Wenn beispielsweise ein Meßobjektlicht "a", das eine Wiederholungsfrequenz "f" der Impulswellenform eines Meßobjekts hat, und ein Abtastlicht "b", das eine weit schmalere Impulsbreite als die des Meßobjektlichts "a" und eine Wiederholungsfrequenz (f-Δf) hat, die geringfügig niedriger als die Wiederholungsfrequenz "f" des Meßobjektlichts "a" ist, in ein nichtlineares optisches Material 1 eingeleitet werden, das eine gleichzeitige Phasenanpassung vom Typ 2 an das Meßobjektlicht "a" und das Abtastlicht "b" nur dann ermöglicht, wenn das Licht "a" und das Licht "b" einander gleichzeitig überlappen, wird von dem nichtlinearen optischen Material 1 ein Summenfrequenzlicht "c" ausgegeben, das zu einem Produkt der Intensitäten des Lichts "a" und des Lichts "b" proportional ist.
Da die Wiederholungsfrequenz dieses Summenfrequenzlichts "c" die Wiederholungsfrequenz (f-Δf) des Abtastlichts "b" ist, muß die Ansprechgeschwindigkeit eines lichtelektrischen Wandlers, der dieses Summenfrequenzlicht "c" in ein elektrisches Signal umwandelt, nur höher als die Wiederholungsfrequenz (f-Δf) sein.
Da ferner die zeitliche Auflösung dieses lichtelektrischen Wandlers in Abhängigkeit von der Impulsbreite des Abtastlichts "b" bestimmt wird, ist dann, wenn die Hüllwellenform dieses elektrischen Signals erhalten wird, nachdem das Summenfrequenzlicht "c" durch diesen lichtelektrischen Wandler in ein elektrisches Signal umgewandelt worden ist, die Form der Hülle dieses elektrischen Signals eine optische Impulswellenform "e" des Meßobjektlichts "a", die auf der Zeitachse vergrößert ist.
Als nächstes werden das Summenfrequenzlicht und die Phasenanpassung beschrieben.
Wenn das Meßobjektlicht "a", das eine Winkelfrequenz ω_D hat, und das Abtastlicht "b", das eine Winkelfrequenz ω_S hat, in eine Fläche des nichtlinearen optischen Materials 1 so eingeleitet werden, daß ihre Polarisierungsrichtungen zueinander senkrecht sind, wie es in 8A gezeigt ist, wird unter der Bedingung, daß das nichtlineare optische Material 1 die Phasenanpassung vom Typ 2 an das Licht "a" und das Licht "b" ermöglicht, das Summenfrequenzlicht "c", das eine Summenwinkelfrequenz (ω_S + ω_D) hat, von der anderen Fläche des nichtlinearen optischen Materials 1 ausgegeben.
Die Phasenanpassung bezieht sich darauf, daß die Geschwindigkeit (Phasengeschwindigkeit) jedes einfallenden Lichts, das in das nichtlineare optische Material 1 eintritt, und die Geschwindigkeit von harmonischem Licht zu dem einfallenden Licht, wie etwa dem Summenfrequenzlicht, die durch das einfallende Licht angeregt wird, in dem Kristall des nichtlinearen optischen Materials 1 miteinander koinzident sind.
Dabei betrifft die Phasenanpassung vom Typ 2 die Phasenanpassung, die ausgeführt wird, wenn die Polarisierungsrichtungen von zwei einfallenden Lichtarten zueinander senkrecht sind.
Die Phasenanpassung vom Typ 1 betrifft dabei die Phasenanpassung, die ausgeführt wird, wenn die Polarisierungsrichtungen von zwei einfallenden Lichtarten zueinander parallel sind.
Die Geschwindigkeit von Licht, das sich in dem nichtlinearen optischen Material 1 fortpflanzt, ist in Abhängigkeit von der Wellenlänge (Frequenz) und der Fortpflanzungsrichtung zu einer kristallinen Achse verschieden.
Damit also die Geschwindigkeit (Phasengeschwindigkeit) jedes oben beschriebenen einfallenden Lichts in dem Kristall und die Geschwindigkeit (Phasengeschwindigkeit) des Summenfrequenzlichts in dem Kristall miteinander koinzident sind, wird dann, wenn die Richtung, die einen Schnittpunkt zwischen einem Refraktionsellipsoid des einfallenden Lichts und einem Refraktionsellipsoid des Summenfrequenzlichts innerhalb der dreidimensionalen Koordinaten des Kristalls miteinander verbindet, als Phasenanpassungsrichtung angesehen wird, die optische Achse jedes oben beschriebenen einfallenden Lichts an die Phasenanpassungsrichtung angepaßt.
Ferner braucht die Polarisierungsrichtung jedes einfallenden Lichts nur zu der Referenzachse eines Kristalls parallel oder senkrecht zu sein, die innerhalb einer Ebene unter einem rechten Winkel zu der Phasenanpassungsrichtung existiert.
Insbesondere ist das nichtlineare optische Material 1 in Form eines rechtwinkligen Rohrs oder Zylinders geschnitten, das bzw. der eine zu dieser Phasenanpassungsrichtung senkrechte Ebene hat.
Derzeit sind als solches nichtlineares optisches Material 1 Materialien, wie z.B. KTP (KH₂, PO₄), LN (LiNbO₃), LT (LiTaO₃), KN (KnbO₃) und dergleichen verfügbar.
9 ist ein Blockschaltbild, das die schematische Struktur einer herkömmlichen Meßvorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform zeigt, die das nichtlineare optische Material 1 aufweist, das die Phasenanpassung vom Typ 2 ermöglicht.
Das Meßobjektlicht "a", das die Wiederholungsfrequenz "f" einer Impulswellenform unter der Winkelfrequenz ω_D von Licht hat, das von außen eingeleitet wird, dann wird in bezug auf seine Polarisierungsrichtung auf 90° in bezug auf die Referenzrichtung (0°-Richtung) von einer Polarisierungsrichtungs-Steuereinheit 2 gesteuert und dann in einen Multiplexer 3 eingeleitet.
Andererseits gibt eine Abtastlichtquelle 4 das Abtastlicht "b" aus, das die Wiederholungsfrequenz (f-Δf) einer Impulswellenform unter der Winkelfrequenz ω_S hat, die von der Winkelfrequenz ω_D des oben genannten Meßobjektlichts "a" verschieden ist.
Nachdem die Polarisierungsrichtung beispielsweise auf die Referenzrichtung (0°-Richtung) mittels einer Polarisierungsrichtungs-Steuereinheit 5 gesteuert worden ist, wird das von der Abtastlichtquelle 4 ausgegebene Abtastlicht "b" in den Multiplexer 3 eingeleitet.
Der Multiplexer 3, der beispielsweise aus einem Strahlteiler (BS) besteht, ermöglicht es dem einfallenden Licht, sich gerade durch einen Halbspiegel 3a fortzupflanzen, und reflektiert es unter einem rechten Winkel.
Daher werden das Abtastlicht "b", das eine Polarisierungsrichtung hat, welche die Referenzrichtung (0°-Richtung) ist, und das Meßobjektlicht "a", das eine Polarisierungsrichtung hat, die in bezug auf die Referenzrichtung (0°-Richtung) unter 90° verläuft, in eine Fläche des nichtlinearen optischen Materials 1 eingeleitet, das gleichzeitig die Phasenanpassung vom Typ 2 ermöglicht, dem genannten Multiplexer 3 nachgeschaltet ist und auf der optischen Achse des Abtastlichts "b" liegt.
Infolgedessen wird von der anderen Fläche des nichtlinearen optischen Materials 1 vom Typ 2 ein Summenfrequenzlicht "c" mit einer Winkelfrequenz von (ω_S + ω_D) ausgegeben.
Das von dem nichtlinearen optischen Material 1 ausgegebene Summenfrequenzlicht "c" wird durch einen optischen Filter 6 in einen Lichtempfänger 7 eingeleitet.
Von dem nichtlinearen optischen Material 1 ausgegebenes Licht enthält Licht (Summenfrequenzlicht "c"), das die Summenwinkelfrequenz (ω_S, ω_D) der Frequenzen ω_S und ω_D des oben angegebenen Lichts "a" und des Lichts "b" hat, Licht, das die Winkelfrequenzen 2ω_S und 2ω_D hat, welche zwar sehr klein, aber das Zweifache der jeweiligen Winkelfrequenzen ω_S und ω_D sind, und Licht, das die jeweiligen Winkelfrequenzen ω_S und ω_D hat, die nicht umgewandelt sind. Daher werden die Komponenten, welche diese Winkelfrequenzen 2ω_S, 2ω_D, ω_S und ω_D haben, von dem optischen Filter 6 ausgefiltert.
Dann wandelt der Lichtempfänger 7 das Summenfrequenzlicht "c" in das elektrische Signal "d" um und sendet es an ein in einer nächsten Stufe angeordnetes Verarbeitungssystem 8 für elektrische Signale.
Dieses elektrische Signalverarbeitungssystem 8 erzeugt aus einem elektrischen Signal "d", das die gleiche Wellenform wie das eingeleitete Summenfrequenzlicht "c" gemäß 7C hat, einen optischen Impuls "e" des Meßobjektlichts "a", der in Richtung der Zeitachse entsprechend der oben beschriebenen Methode vergrößert ist, und zeigt ihn auf einer Anzeigeeinheit 9 an.
Die in 9 gezeigte herkömmliche Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform weist jedoch das nachstehende Problem auf, das zu lösen ist.
Um die Meßgenauigkeit des optischen Impulses "e" in der Vorrichtung zum Messen der optischen Abtastwellenform für die Messung der optischen Impulswellenform "e" des Meßobjektlichts unter Nutzung des Summenfrequenzlichts "c", das von dem vorgenannten nichtlinearen optischen Material 1 erzeugt wird, zu verbessern, ist es erforderlich, den Erzeugungswirkungsgrad des Summenfrequenzlichts, das von dem nichtlinearen optischen Material 1 erzeugt wird, zu verbessern, um dadurch den Störabstand oder Rauschabstand des Summenfrequenzlichts "c" zu verbessern.
Wenn dabei die Intensität des Summenfrequenzlichts "c" mit P_SFG und die Intensitäten des Meßobjektlichts "a" und des Abtastlichts "b" mit P_SIG, P_SAM angenommen werden, wird die Intensität P_SFG des Summenfrequenzlichts "c" wie folgt ausgedrückt: PSFG = η·TPSIG·PSAM,wobei η eine nichtlineare Umwandlungswirkungsgrad-Konstante ist, die in Abhängigkeit von der Art und dem Material des zu verwendenden nichtlinearen optischen Materials 1 automatisch bestimmt wird.
Als nichtlineares optisches Material 1 mit einer hohen nichtlinearen Umwandlungswirkungsgrad-Konstanten η werden KTP, LN, KN und dergleichen, die das vorgenannte anorganische nichtlineare optische Material 1 bilden, verwendet.
Zur Messung der optischen Impulswellenform innerhalb eines einzigen Wiederholungszyklus des Meßobjektlichts, das eine Wiederholungsfrequenz von ungefähr einigen zehn GHz hat, muß jedoch der Störabstand oder Rauschabstand des Summenfrequenzlichts 3 dB oder größer sein.
Daher bestand die Forderung nach der Entwicklung eines geeigneten nichtlinearen optischen Materials 1, das eine hohe nichtlineare Umwandlungswirkungsgrad-Konstante η hat.
Als ein nichtlineares optisches Material, das diese Forderungen erfüllt, zeigt die JP-Patentanmeldung KOKAI Dokument Nr. 9-159536 eine Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform, die 2-Adamantyl-5-nitropyridin (nachstehend AANP) verwendet, das nicht anorganisch, sondern ein organischer nichtlinearer optischer Kristall ist.
Dabei liegt die nichtlineare Umwandlungswirkungsgrad-Konstante η des AANP, das ein organischer nichtlinearer optischer Kristall ist, in der Größenordnung von 10^–2, was wesentlich höher als die nichtlineare Umwandlungswirkungsgrad-Konstante η in der Größenordnung von 10^–4 von KTP, LN, LT, KN und dergleichen ist, welche die vorgenannten anorganischen nichtlinearen optischen Materialien sind.
Wenn daher das AANP, das ein organischer nichtlinearer optischer Kristall ist, als nichtlineares optisches Material für die Vorrichtung zum Messen der optischen Abtastwellenform verwendet wird, dann wird der Störabstand des von diesem AANP emittierten Summenfrequenzlichts verbessert, so daß schließlich die Meßgenauigkeit für die optische Impulswellenform ebenfalls verbessert wird.
Aber auch die Vorrichtung zum Messen der optischen Abtastwellenform, die den nichtlinearen optischen AANP-Kristall verwendet, weist ein Problem auf, das noch zu lösen ist.
Dabei ist ein Haupt-Meßobjektlicht, das der Messung mit der Vorrichtung zum Messen der optischen Abtastwellenform unterliegt, ein optisches Signal in einem optischen Nachrichtenübertragungssystem.
Optische Nachrichtenübertragungssysteme haben derzeit begonnen, nicht nur das C-Band (1530 bis 1565 nm), sondern auch das L-Band (1570 bis 1610 nm) zu nutzen, um eine Steigerung der Übertragungsleistung zu erreichen.
Daher ist es auch notwendig, in der Vorrichtung zum Messen der optischen Abtastwellenform optische Signale in dem C-Band- und L-Band-Wellenlängenbereich zu messen.
Bei dem nichtlinearen optischen AANP-Kristall stellt sich das Problem, daß zwar sein nichtlinearer Umwandlungswirkungsgrad hoch ist, wie oben beschrieben wurde, aber gemäß der herkömmlichen Technologie das 3-dB-Band, welches das SFG-Licht erzeugen kann, ungefähr 40 nm ist, was 1535 bis 1575 nm ergibt (berichtet in ECOC '96 ThB, 1.2), jedoch in einem breiten Bandbereich von 80 nm einschließlich des L-Bands kein SFG-Licht erhalten werden kann.
Dies ist der Grund dafür, daß dann, wenn sich die Meßobjektwellenlänge von ihrem Anfangszustand ändert, auch wenn die Abtastwellenlänge festgelegt ist, rasch eine Unbeständigkeit der Phasenanpassung auftritt, so daß der Umwandlungswirkungsgrad des Meßobjektlichts und des Abtastlichts zu dem Summenfrequenzlicht abfällt.
Denn tatsächlich definiert die Vorrichtung zum Messen der optischen Abtastwellenform die Amplitude eines Meßwerts dadurch, daß die Meßobjektwellenlänge 3 dB ist, und der Meßbandbereich auf der Basis des Stands der Technik ist auf 40 nm begrenzt.
Wenn also ein Meßobjektlicht in einem Bandbereich von 40 nm oder mehr gemessen werden soll, müssen eine Vielzahl der nichtlinearen optischen AANP-Kristalle präpariert werden, die dem Bandbereich der Meßobjektwellenlänge entsprechen.
Ferner muß die Wellenlänge des Abtastimpulses in der Vorrichtung zum Messen der optischen Abtastwellenform zwischen dem C-Band und dem L-Band umgeschaltet werden.
Wenn beispielsweise das C-Band gemessen wird, dann wird die Abtastimpulswellenlänge auf 1555 nm eingestellt, und wenn das L-Band gemessen wird, dann wird sie auf 1590 nm eingestellt, und dann wird die Abtastung durch den entsprechend jeder Wellenlänge geschliffenen nichtlinearen optischen AANP-Kristall ausgeführt, was umständlich ist.
Wenn daher das C-Band und das L-Band gemessen werden sollen, müssen mindestens zwei Vorrichtungen zum Messen der optischen Abtastwellenform entsprechend jedem Band bereitgestellt werden, was im Hinblick auf die Kosten ein erhebliches Problem darstellt.
Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die oben beschriebenen Probleme gemacht. Eine Aufgabe der Erfindung ist die Angabe einer Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform, wobei durch Anwendung eines speziellen Phasenanpassungszustands an das AANP, welches ein nichtlinearer optischer Kristall zum Erzeugen eines Summenfrequenzlichts aus dem Abtastlicht und dem Meßobjektlicht ist, die Bandbreite von 3 dB des Summenfrequenzlicht-Erzeugungswirkungsgrads um das Doppelte oder mehr gesteigert wird, so daß er ein Meßobjektband von 80 nm oder mehr besitzt, so daß ein breiterer Bandbereich erzielt wird.
Zur Lösung der oben beschriebenen Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Meßvorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform angegeben, die folgendes aufweist:
eine Abtastlichtquelle (4), die ein Abtastlicht (b) emittiert, das eine einzige Polarisierungsrichtung hat und dessen Impulsbreite kleiner als die eines eingeleiteten Meßobjektlichts (a) ist, das eine einzige Polarisierungsrichtung hat;
einen Multiplexer (3), der das von der Abtastlichtquelle emittierte Abtastlicht und das Meßobjektlicht auf derselben optischen Achse multiplext, so daß ihre Polarisierungsrichtungen zueinander senkrecht sind;
einen nichtlinearen optischen Kristall (10), der aus 2-Adamantyl-5-nitropyridin (AANP) besteht, was eine Phasenanpassung vom Typ 2 an das Abtastlicht und das Meßobjektlicht ermöglicht, und der dann, wenn das von dem Multiplexer gemultiplexte Abtastlicht und das Meßobjektlicht eingeleitet werden, ein Summenfrequenzlicht (c) des Abtastlichts und des Meßobjektlichts emittiert, wobei das Summenfrequenzlicht auf der Basis des Meßobjektlichts, das eine Winkelfrequenz ω_D hat, und des Abtastlichts, das eine Winkelfrequenz ω_S hat, eine Summenwinkelfrequenz von ω_D + ω_S hat, wobei ihre Polarisierungsrichtungen zueinander senkrecht sind;
einen Lichtempfänger (7), der das von dem nichtlinearen optischen Kristall ausgegebene Summenfrequenzlicht in ein elektrisches Signal (d) umwandelt;
einen Signalverarbeitungsbereich (8), der das von dem Lichtempfänger ausgegebene elektrische Signal verarbeitet, um eine optische Impulswellenform des Meßobjektlichts anzuzeigen; und
Steuereinrichtungen (2, 5), um dann, wenn das Summenfrequenzlicht (c) des Abtastlichts und des Meßobjektlichts von dem nichtlinearen optischen Kristall emittiert wird, die Polarisierungsrichtung des Abtastlichts so zu steuern, daß es parallel zu einer vorbestimmten Referenzachse ist, die innerhalb einer zu einer Phasenanpassungsrichtung (15) des nichtlinearen optischen Kristalls senkrechten Ebene liegt, wobei die vorbestimmte Referenzachse eine einzige Achse ist, welche die Parallelität mit der kristallinen Achse des nichtlinearen optischen Kristalls auch dann aufrechterhält, wenn die Wellenlänge von eingeleitetem Licht geändert wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Meßvorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform gemäß dem ersten Aspekt angegeben, wobei die Abtastlichtquelle imstande ist, eine Vielzahl von Abtastlichtsignalen zu emittieren, von denen jedes eine andere Wellenlänge hat, und wobei jedes von der Vielzahl von Abtastlichtsignalen gewählt und emittiert werden kann.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Meßvorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform angegeben, wobei die Meßvorrichtung folgendes aufweist:
eine Abtastlichtquelle (4), die ein Abtastlicht (b) emittiert, das eine einzige Polarisierungsrichtung hat und dessen Impulsbreite kleiner als die eines eingeleiteten Meßobjektlichts (a) ist, das eine einzige Polarisierungsrichtung hat;
einen Multiplexer (3), der das von der Abtastlichtquelle emittierte Abtastlicht und das Meßobjektlicht auf derselben optischen Achse multiplext, so daß ihre Polarisierungsrichtungen zueinander senkrecht sind;
einen nichtlinearen optischen Kristall (10), der aus 2-Adamantyl-5-nitropyridin (AANP) besteht, was eine Phasenanpassung vom Typ 2 an das Abtastlicht und das Meßobjektlicht ermöglicht, und der dann, wenn das von dem Multiplexer gemultiplexte Abtastlicht und das Meßobjektlicht eingeleitet werden, ein Summenfrequenzlicht (c) des Abtastlichts und des Meßobjektlichts emittiert, wobei das Summenfrequenzlicht auf der Basis des Meßobjektlichts, das eine Winkelfrequenz ω_D hat, und des Abtastlichts, das eine Winkelfrequenz ω_S hat, eine Summenwinkelfrequenz von ω_D + ω_S hat, wobei ihre Polarisierungsrichtungen zueinander senkrecht sind;
eine Einfallswinkel-Änderungseinrichtung (30) zum Ändern eines Einfallswinkels von jedem von dem Abtastlicht und dem Meßobjektlicht, die in den nichtlinearen optischen Kristall einzugeben sind, auf den nichtlinearen optischen Kristall;
einen Lichtempfänger (7), der das von dem nichtlinearen optischen Kristall ausgegebene Summenfrequenzlicht in ein elektrisches Signal (d) umwandelt;
einen Signalverarbeitungsbereich (8), der das von dem Lichtempfänger ausgegebene elektrische Signal verarbeitet, um eine optische Impulswellenform des Meßobjektlichts anzuzeigen; und
Steuereinrichtungen (2, 5), um dann, wenn das Summenfrequenzlicht (c) des Abtastlichts und des Meßobjektlichts von dem nichtlinearen optischen Kristall emittiert wird, die Polarisierungsrichtung des Abtastlichts so zu steuern, daß es parallel zu einer vorbestimmten Referenzachse ist, die innerhalb einer zu einer Phasenanpassungsrichtung (15) des nichtlinearen optischen Kristalls senkrechten Ebene liegt, wobei die vorbestimmte Referenzachse eine einzige Achse ist, welche die Parallelität mit der Kri stallachse des nichtlinearen optischen Kristalls auch dann aufrechterhält, wenn die Wellenlänge von eingegebenem Licht geändert wird.
Diese Zusammenfassung der Erfindung beschreibt nicht unbedingt alle erforderlichen Merkmale, so daß die Erfindung auch eine Unterkombination dieser beschriebenen Merkmale sein kann.
Das Verständnis der Erfindung ergibt sich im einzelnen aus der nachstehenden genauen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen; diese zeigen:
1 ist ein Blockschaltbild und zeigt schematisch eine Struktur einer Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine schematische Darstellung und zeigt eine Hauptausbildung der Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform gemäß 1;
3 ist ein Diagramm, das eine Molekülstruktur von AANP zeigt, das in die Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform gemäß 1 eingebaut ist;
4 ist ein Diagramm, das eine kristalline Struktur des AANP zeigt, das in die Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform gemäß 1 eingebaut ist;
5A und 5B sind Diagramme, die eine Vorgehensweise zum Erhalt einer Phasenanpassungsrichtung in dem AANP zeigen, das in die Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform gemäß 1 eingebaut ist;
6 ist ein Diagramm, das eine Beziehung zwischen der Wellenlänge eines Meßobjektlichts und dem Phasenanpassungswinkel in der Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform gemäß 1 zeigt;
7A, 7B und 7C sind Diagramme zur Erläuterung eines Meßprinzips einer optischen Impulswellenformmessung für ein optisches Signal unter Nutzung eines Summenfrequenzlichts;
8A und 8B sind Diagramme zur Erläuterung der optischen Charakteristik eines nichtlinearen optischen Materials, das eine Phasenanpassung vom Typ 2 aufrechterhält;
9 ist ein Blockschaltbild und zeigt schematisch die Ausbildung einer herkömmlichen Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform;
10 ist ein Diagramm und zeigt die Wellenformabhängigkeit der Charakteristik des SFG-Erzeugungswirkungsgrads durch das AANP, das in die Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform gemäß 1 eingebaut ist;
11 ist ein Diagramm und zeigt einen Unterschied des Umwandlungswirkungsgrads aufgrund einer Differenz in der Neigung des kristallinen Winkels infolge des AANP, das in die Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform gemäß 1 eingebaut ist;
12 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Einfallswinkels eines nichtlinearen optischen Kristalls;
13 ist ein Diagramm, das die Drehwinkelabhängigkeit des SHG-Umwandlungswirkungsgrads zeigt;
14 ist ein Diagramm, das die Höhenwinkelabhängigkeit des SHG-Umwandlungswirkungsgrads zeigt;
15 ist ein Blockschaltbild und zeigt schematisch eine Struktur einer Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
16 ist ein Blockschaltbild und zeigt schematisch eine Struktur einer Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
17 ist ein schematisches Strukturdiagramm einer Einfallswinkel-Änderungseinrichtung, die in die Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eingebaut ist.
Es wird nun im einzelnen auf die derzeit bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung gemäß den beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, in denen gleiche oder entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Nachstehend wird die vorliegende Erfindung allgemein beschrieben.
Bei einer Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Messen einer optischen Abtastwellenform wird als nichtlinearer optischer Kristall organisches nichtlineares optisches kristallines AANP verwendet, und eine spezielle Phasenanpassungsbedingung wird dabei angewandt, um ein Summenfrequenzlicht zu erzeugen, so daß der Störabstand des von dem AANP dieses organischen nichtlinearen optischen Kristalls abgegebenen Summenfrequenzlichts verbessert wird, so daß die Meßgenauigkeit einer optischen Wellenform eines Meßobjektlichts verbessert wird.
Als Bedingung zum Erzeugen des Summenfrequenzlichts durch Phasenanpassung vom Typ 2 für das Meßobjektlicht und das Abtastlicht wird eine optische Achse von jedem von dem Meßobjektlicht und dem Abtastlicht, die so gemultiplext werden, daß ihre Polarisierungsrichtungen einander schneiden, an die Phasenanpassungsrichtung des AANP, das ein organischer nichtlinearer optischer Kristall ist, angepaßt, und die Polarisierungsrichtung von jedem von dem Meßobjektlicht und dem Abtastlicht wird parallel oder senkrecht zu einer vorbestimmten Referenzachse gemacht, die in einer Ebene liegt, die zu der Phasenanpassungsrichtung des AANP senkrecht ist.
Die vorbestimmte Referenzachse ist eine einzige Achse, welche die Parallelität mit der Kristallachse des nichtlinearen optischen Kristalls auch dann beibehält, wenn sich die Wellenlänge des eingeleiteten Lichts ändert.
Wenn in diesem Fall mit dem Einfallswinkel (der Einfallsrichtung) von jedem von dem Meßobjektlicht und dem Abtastlicht zu dem AANP zur Festlegung der Wellenlänge des Abtastlichts die Wellenlänge des Meßobjektlichts geändert wird, dann wird die Phasenanpassungsrichtung geändert, so daß die Phasenanpassung deaktiviert wird.
Infolgedessen ist es leicht vorstellbar, daß die Meßgenauigkeit der optischen Wellenform entsprechend einem Änderungsbetrag eines Winkels in der Phasenanpassungsrichtung abfällt.
Es ist daher vorteilhaft, daß eine geringere Änderung in der Phasenanpassungsrichtung erfolgt, auch wenn die Wellenlänge des Meßobjektlichts geändert wird.
Wie oben beschrieben, wird die Polarisierungsrichtung von jedem von dem Meßobjektlicht und dem Abtastlicht parallel oder senkrecht zu einer vorbestimmten Referenzachse gemacht, die innerhalb einer Ebene liegt, die zu der Phasenanpassungsrichtung des AANP senkrecht ist. Es wurde gezeigt, daß eine Differenz des Änderungsbetrags der Phasenanpassungsrichtung in dem AANP erfolgt, wobei in Abhän gigkeit von deren Polarisierungsrichtung Licht senkrecht zu der vorbestimmten Referenzachse gemacht wird.
6 zeigt ein entsprechendes Beispiel.
Die Kurve A in 6 bezeichnet eine Änderung des Phasenanpassungswinkels, wenn die Wellenlänge des Meßobjektlichts geändert wird, wobei die Polarisierungsrichtung des Meßobjektlichts senkrecht zu der Referenzachse (Achse "a" in diesem Beispiel) des AANP-Kristalls eingestellt ist und die Polarisierungsrichtung des Abtastlichts parallel zu der Referenzachse des AANP-Kristalls eingestellt ist, während gleichzeitig die Wellenlänge des Abtastlichts festgelegt ist.
Umgekehrt zeigt die Kurve B in 6 eine Änderung des Phasenanpassungswinkels, wenn die Wellenlänge des Meßobjektlichts geändert wird, wobei die Polarisierungsrichtung des Meßobjektlichts parallel zu der Referenzachse des AANP-Kristalls eingestellt ist und die Polarisierungsrichtung des Abtastlichts senkrecht zu der Referenzachse des AANP-Kristalls eingestellt ist, während gleichzeitig die Wellenlänge des Abtastlichts festgelegt ist.
Wenn, wie die Kurve A von 6 zeigt, die Polarisierungsrichtung des Meßobjektlichts senkrecht zu der Referenzachse des AANP-Kristalls eingestellt ist, während gleichzeitig die Polarisierungsrichtung des Abtastlichts parallel zu der Referenzachse des AANP-Kristalls eingestellt ist, versteht man ohne weiteres, daß die Änderungsrate der Phasenanpassungsrichtung in bezug auf eine Änderung der Wellenlänge des Meßobjektlichts kleiner ist, so daß eine gemessene optische Wellenform durch die Änderung der Wellenlänge des Meßobjektlichts kaum beeinflußt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird also die Polarisierungsrichtung des Meßobjektlichts senkrecht zu der Referenzachse des AANP-Kristalls eingestellt, während gleichzeitig die Polarisierungsrichtung des Abtastlichts parallel zu der Referenzachse des AANP-Kristalls eingestellt wird.
Diese Einstellungsbedingung ermöglicht es, den erforderlichen Erzeugungswirkungsgrad in einem größeren Bereich zu halten, und zwar auch dann, wenn die Wellenlänge des Meßobjektlichts geändert wird.
Die Einstellungsbedingung steht im Gegensatz zu der Einstellung, die herkömmlich als optimal betrachtet wird.
Dabei sind die Berechnungsmethode und experimentelle Daten über die Ausgabe des bei der zweiten Harmonischen erzeugten Lichts (=SHG-Lichts) infolge einer Abweichung des Winkels von dem Phasenanpassungswinkel in bezug auf den nichtlinearen optischen Kristall wohlbekannt.
Wenn beispielsweise im Fall des AANP die Änderung der Ausgabe des SHG-Lichts, wie in 13 gezeigt, infolge einer Winkelabweichung (Drehwinkel) von dem Phasenanpassungswinkel um die Achse "a" herum, wie in 12 zu sehen ist, mit der Änderung der Ausgabe des SHG-Lichts gemäß 14 infolge der Winkelabweichung (Höhenwinkel) von dem Phasenanpassungswinkel um eine zu der Achse "a" senkrechte Achse herum verglichen wird, ist die Änderungsrate der letzteren (vgl. 14) scheinbar kleiner als die Änderungsrate der ersteren (vgl. 13).
Anders ausgedrückt, es ist ersichtlich, daß das SHG-Licht für die Winkelabweichung um die Achse "a" herum empfindlich ist und daß sich seine Erzeugungsmenge unabhängig von der Winkelabweichung um die zu der Achse "a" senkrechte Achse herum ändert.
In einem optischen System, das den nichtlinearen optischen Kristall verwendet, der die Phasenanpassung vom Typ 2 ermöglicht, ohne die Beziehung hinsichtlich der Position seiner optischen Komponenten zu ändern, wird die Wellenlänge eines Lichts mit festgelegter Wellenlänge nicht geändert. Infolgedessen erfolgt keine Änderung der optischen Achse aufgrund einer Aberration und Streuung der optischen Komponenten. Daher ist die Polarisierungsrichtung senkrecht zu der Achse "a" eingestellt.
Mit der optischen Achse des anderen Lichts, dessen Wellenlänge infolge von Aberration oder Streuung der optischen Komponente geändert wird, wird seine Polarisierungsrichtung parallel zu der Achse "a" vorgegeben.
Bei der in 9 gezeigten herkömmlichen Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform wird das Meßobjektlicht "a" als Licht eingeleitet, dessen Wellenlänge sich ändert, und das Abtastlicht "b" wird als Licht eingeleitet, dessen Wellenlänge sich nicht, ändert.
Das Diagramm in 10 zeigt ein Resultat eines Experiments, das unter Anwendung der vorstehenden Einstellungsbedingung durchgeführt wurde.
Der nichtlineare optische Kristall ist zwar senkrecht zu der Phasenanpassungsrichtung von Licht geschnitten, dessen Wellenlänge wie oben beschrieben genutzt werden soll, aber 10 zeigt ein Resultat in einem Fall, in dem Licht, dessen Wellenlänge von der zu verwendenden Wellenlänge verschieden ist, als Licht mit fester Wellenlänge (Abtastlicht) eingeleitet wird.
In 10 bezeichnet die Abszisse die Wellenlänge (nm) des Lichts mit veränderlicher Wellenlänge (Meßobjektlicht), während die Ordinate den relativen SFG-Umwandlungswirkungsgrad bezeichnet.
Speziell zeigt 10 den Umwandlungswirkungsgrad relativ zu der Wellenlänge des Lichts mit veränderlicher Wellenlänge, wenn die Wellenlänge des Lichts mit fester Wellenlänge 1547 nm (Kurve (b) in 10), 1552 nm (Kurve (a) in 10), 1557 nm (Kurve (c) in 10) in dem optischen System ist, wobei das erste Licht a und das zweite Licht b so angeordnet sind, daß die optischen Achsen davon mit dieser Phasenanpassungsrichtung in dem AANP-Kristall koinzident sind, der senkrecht zu der Phasenanpassungsrichtung von Licht einer Wellenlänge von 1552 nm geschnitten ist.
Aus 10 ist ersichtlich, daß dann, wenn die Phasenanpassungsrichtung des vorgenannten AANP-Kristalls mit der Phasenanpassungsrichtung relativ zu der Wellenlänge von Licht mit fester Wellenlänge koinzident ist (d.h. die Wellenlänge des Lichts mit fester Wellenlänge ist 1552 nm, die genutzt werden soll), die Bandbreite, in welcher das Summenfrequenzlicht erzeugt wird, ungefähr 80 nm unter der Breite von 3 dB liegt.
Wie die Kurve (a) von 10 zeigt, erscheint in diesem Fall ein Bereich, der einen hohen Umwandlungswirkungsgrad hat, wobei die Wellenlänge des Lichts mit variabler Wellenlänge ihr Maximum bei 1552 nm hat.
Wenn jedoch das Licht mit fester Wellenlänge, das die Wellenlänge von 1547 nm hat, eingeleitet wird, dann wird das Maximum des Umwandlungswirkungsgrads zu der Seite der längeren Wellenlänge verlagert, wie die Kurve (b) in 10 zeigt.
Wenn andererseits das Licht fester Wellenlänge, das die Wellenlänge von 1557 nm hat, eingeleitet wird, dann wird das Maximum des Umwandlungswirkungsgrads zu der Seite einer kürzeren Wellenlänge verlagert, wie die Kurve (c) in 10 zeigt.
Daraus ist ersichtlich, daß in einem und demselben optischen System, das denselben AANP-Kristall verwendet, der Wellenlängenbereich (der Bandbereich) des Lichts variabler Wellenlänge (des Meßobjektlichts), der imstande ist, den erforderlichen Summenfrequenzlicht-Erzeugungswirkungsgrad zu erzielen, durch Ändern der Wellenlänge des Lichts mit fester Wellenlänge verlagert werden kann.
Das Diagramm in 11 zeigt den Umwandlungswirkungsgrad des Lichts variabler Wellenlänge in einem Fall, in dem eine Winkelverlagerung um die Achse "a" herum zwischen der Phasenanpassungsrichtung und der optischen Achse –1 ° (Kurve (b) in 11), 0° (Kurve (a) in 11) und +1 ° (Kurve (c) in 11) in einem optischen System ist, das imstande ist, die Richtung der optischen Achse von Licht, das durch Multiplexen des Lichts fester Wellenlänge mit dem Licht variabler Wellenlänge er halten ist, von der Phasenanpassungsrichtung zu verlagern, wenn die Wellenlänge des Lichts fester Wellenlänge 1552 nm relativ zu dem AANP-Kristall ist, der senkrecht zu der Phasenanpassungsrichtung geschnitten ist, die dem Licht mit der Wellenlänge von 1552 nm entspricht.
In diesem Fall ist die Einstellungsbedingung die gleiche wie in 10, wobei die Polarisierungsrichtung des Lichts fester Wellenlänge parallel zu der Referenzachse (Achse "a" in diesem Fall) des AANP-Kristalls vorgegeben ist.
11 zeigt, daß dann, wenn die Phasenanpassungsrichtung mit der Richtung der optischen Achse koinzident ist, ein Bereich mit hohem Umwandlungswirkungsgrad erscheint, wobei die Wellenlänge des Lichts mit veränderlicher Wellenlänge ein Maximum bei 1552 nm hat, wie die Kurve (a) von 11 zeigt.
Wenn jedoch der Winkel um –1° verlagert wird, dann wird das Maximum des Umwandlungswirkungsgrads zu der Seite der längeren Wellenlänge verlagert, wie die Kurve (b) in 11 zeigt.
Wenn dagegen der Winkel um +1° verlagert wird, dann wird das Maximum des Umwandlungswirkungsgrads zur Seite einer kürzeren Wellenlänge verlagert, wie die Kurve (c) von 11 zeigt.
Dies zeigt, daß in einem und demselben optischen System, das denselben AANP-Kristall verwendet, der Wellenlängenbereich (der Bandbereich) des Lichts variabler Wellenlänge (des Meßobjektlichts), in dem der erforderliche Summenfrequenzlicht-Erzeugungswirkungsgrad erhalten werden kann, durch Ändern des Einfallswinkels von Licht verlagert werden kann.
Wenn bei der vorliegenden Erfindung in bezug auf einen nichtlinearen optischen AANP-Kristall, der eine zu der Phasenanpassungsrichtung senkrechte Ebene relativ zu der festen Wellenlänge des Abtastlichts hat, die innerhalb dieser Ebene liegende Achse "a" als die Referenzachse betrachtet wird, dann wird die Polarisierungsrichtung des Meßobjektlichts grundsätzlich rechtwinklig zu der Referenzachse (Achse "a") des Kristalls eingestellt, während die Polarisierungsrichtung des Abtastlichts parallel zu der Referenzachse (Achse "a") des Kristalls eingestellt wird.
Wenn jedoch die Polarisierungsrichtung des Meßobjektlichts rechtwinklig zu der Referenzachse eingestellt wird, die innerhalb der Ebene liegt, die zu der Phasenanpassungsrichtung eines geschnittenen Kristalls senkrecht ist, während die Polarisierungsrichtung des Abtastlichts parallel zu der Referenzachse eingestellt wird, dann wird im wesentlichen die Kurve A in 6 erhalten, so daß es möglich wird, die Phasenanpassung in einem weiteren Bandbereich zu realisieren.
Da hierdurch der Bandbereich zur Nutzung in der Vorrichtung zum Messen der optischen Abtastwellenform verbreitert werden kann, ist es möglich, eine Vorrichtung zum Messen der optischen Abtastwellenform zu erhalten, die einen Meßbereich von 80 nm oder mehr hat.
Als nächstes werden die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf der Basis der vorstehenden allgemeinen Beschreibung in bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Erste Ausführunsgform
1 ist ein Blockschaltbild, das schematisch eine Struktur einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zum Messen einer optischen Abtastwellenform zeigt.
In 1 haben gleiche Komponenten wie bei der in 9 gezeigten bekannten Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform gleiche Bezugszeichen und werden nicht erneut im einzelnen erläutert.
Die Vorrichtung der vorliegenden Ausführungsform zum Messen einer optischen Abtastwellenform weist anstelle eines anorganischen nichtlinearen optischen Materials 1, wie etwa KTP, LN, LT, KN und dergleichen, das in der herkömmlichen Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform die Phasenanpassung vom Typ 2 ermöglicht, ein AANP 10 auf, das ein organischer nichtlinearer optischer Kristall ist.
Dieses AANP 10 hat eine Molekülstruktur, die in 3 gezeigt ist, und eine kristalline Struktur, die in 4 gezeigt ist.
In der kristallinen Struktur gemäß 4 bezeichnet die Achse "a" eine Referenzachse, während die Achsen "b" und "c" die Achse "a" schneiden.
Eine Methode zur Bestimmung der Phasenanpassungsrichtung in dem AANP 10, das ein organischer nichtlinearer optischer Kristall ist, wird unter Bezugnahme auf die 5A und 5B beschrieben.
Wie oben beschrieben, wird die Richtung, die einen Schnittpunkt 14 zwischen einem Refraktionsellipsoid 12 eines Abtastlichts "b" und einem Refraktionsellipsoid 13 eines Summenfrequenzlichts "c" mit der Koordinatenursprungsposition verbindet, als eine Phasenanpassungsrichtung 15 angesehen, und die optische Achse des einfallenden Lichts (des Meßobjektlichts "a", des Abtastlichts "b") wird an die Phasenanpassungsrichtung 15 innerhalb der dreidimensionalen Refraktionskoordinate xyz (abc) in dem Kristall angepaßt.
Dabei wird insbesondere, wie 5B zeigt, ein rechteckiges Rohr oder ein Zylinder, das bzw. der aus einem großen Materialstück (Block) des AANP, das ein organischer nichtlinearer optischer Kristall ist, herausgeschnitten ist, so daß er eine zu der Phasenanpassungsrichtung 15 senkrechte Ebene 11 hat, als das AANP 10 verwendet.
Ein AANP 10 ähnlich einem rechteckigen Rohr oder einem Zylinder, das bzw. der eine zu der Phasenanpassungsrichtung 15 senkrechte Ebene 11 hat und aus dem großen Materialblock) geschnitten ist, ist mit einem Halterahmen 18 aus Epoxidharz über eine reflexmindernde Glasbeschichtung 17 gehaltert, wie 2 zeigt.
Der Winkel des AANP 10 in Form eines rechteckigen Rohrs oder Zylinders ist so eingerichtet, daß die Achse "a", welche eine Referenzachse des AANP-Kristalls 10 ist, wenn sie zu der die Phasenanpassungsrichtung 15 schneidenden Ebene 11 projiziert wird, zu einer Seite 18a parallel ist.
Eine einzige optische Achse 16 des Meßobjektlichts "a" und des Abtastlichts "b", die mit einem Multiplexer 3 gemultiplext werden, so daß ihre Polarisierungsrichtungen einander schneiden, ist so eingestellt, daß sie zu der die Phasenanpassungsrichtung 15 schneidenden Ebene 11 des AANP 10 senkrecht ist.
In diesem Fall ist die Polarisierungsrichtung des Meßobjektlichts "a" rechtwinklig zu der Achse "a" eingestellt, welche die Referenzachse des AANP-Kristalls 10 ist, wie 2 zeigt.
Infolgedessen ist die Polarisierungsrichtung des Abtastlichts "b" parallel zu der Achse "a" eingestellt, welche die Referenzachse des AANP-Kristalls 10 ist.
Nachstehend wird in bezug auf die vorliegende Ausführungsform der Vorrichtung zum Messen der Abtastwellenform ein Fall beschrieben, bei dem der Phasenanpassungswinkel ϕ gleich 90° ist.
Obwohl in diesem Fall die Achse "a", welche die Referenzachse des AANP-Kristalls 10 ist, als die Referenzachse dient, kann der Phasenanpassungswinkel θ in Abhängigkeit von der Wellenlänge des einzugebenden Lichts manchmal 90° sein, und wenn der Phasenanpassungswinkel θ gleich 90° ist, dient die Achse c des AANP-Kristalls 10 als die Referenzachse.
Bei der so aufgebauten Vorrichtung zum Messen der optischen Abtastwellenform wird ein Meßobjektlicht "a", das eine Wiederholungsfrequenz "f" einer Impulswellenform mit einer Winkelfrequenz ω_D eines von außen eingeleiteten Lichts hat, mit einer Polarisierungsrichtungs-Steuereinheit 2 gesteuert, so daß seine Polarisierungsrichtung entlang der Referenzrichtung (der 0°-Richtung) ist, und wird danach in den Multiplexer 3 eingeleitet.
Andererseits gibt eine Abtastlichtquelle 4 das Abtastlicht "b" ab, das die Wiederholungsfrequenz (f-Δf) einer Impulswellenform mit einer Winkelfrequenz ω_S hat.
Das von dieser Abtastlichtquelle 4 abgegebene Abtastlicht "b" wird relativ zu der Referenzrichtung (der 0°-Richtung) im Hinblick auf seine Polarisierungsrichtung von der Polarisierungsrichtungs-Steuereinheit 5 auf 90° gesteuert und danach in den Multiplexer 3 eingeleitet.
Dabei ermöglicht der in einem Halbspiegel 3a vorgesehene Multiplexer 3 den Durchtritt des Meßobjektlichts "a" und reflektiert gleichzeitig das Abtastlicht "b" unter einem rechten Winkel.
Das aus diesem Multiplexer 3 austretende Meßobjektlicht "a" und Abtastlicht "b" schneiden einander daher in ihren Polarisierungsrichtungen und werden durch eine einzige optische Achse 16 gemultiplext.
Durch Multiplexen des Meßobjektlichts "a" und des Abtastlichts "b" erhaltenes Licht, das aus dem Multiplexer 3 ausgegeben wird, tritt in die Ebene (Einfallsfläche) 11 des AANP 10 ein, das ein organischer nichtlinearer optischer Kristall ist, der eine Phasenanpassung vom Typ 2 ermöglicht und auf der optischen Achse 16 angeordnet ist.
Der Zustand, in dem das Meßobjektlicht "a" und das Abtastlicht "b" auf das AANP 10 fallen, ist gleich dem, der in 2 beschrieben worden ist.
Daher wird das Summenfrequenzlicht "c", das eine Winkelfrequenz (ω_S + ω_D) hat, die eine Summe einer Winkelfrequenz ω_S des Meßobjektlichts "a" und einer Winkelfrequenz ω_D des Abtastlichts "b" ist, an der anderen Fläche des AANP 10 ausgegeben, das der organische nichtlineare optische Kristall ist, der eine Phasenanpassung vom Typ 2 ermöglicht.
Das von dem AANP 10 auf diese Weise ausgegebene Summenfrequenzlicht "c" wird durch einen optischen Filter 6 in einen Lichtempfänger 7 eingeleitet.
Dieser Lichtempfänger 7 wandelt das Summenfrequenzlicht "c" in ein elektrisches Signal "d" um und überträgt es an ein nachgeschaltetes elektrisches Signalverarbeitungssystem 8.
Dieses elektrische Signalverarbeitungssystem 8 erzeugt die optische Impulswellenform "e" des Meßobjektlichts "a", und zwar vergrößert in Richtung der Zeitachse, aus einem elektrischen Signal "d", das die gleiche Wellenform wie das eingeleitete Summenfrequenzlicht "c" hat, das in 7C gezeigt ist, und zwar entsprechend der vorgenannten Methode, und gibt es an eine Anzeigeeinheit 9 aus, so daß es angezeigt wird.
Wie oben beschrieben, ist eine nichtlineare Umwandlungswirkungsgrad-Konstante n des AANP 10, welches der bei dieser Vorrichtung zum Messen der Abtastwellenform verwendete organische nichtlineare optische Kristall ist, erheblich größer als eine nichtlineare Umwandlungswirkungsgrad-Konstante η eines anorganischen nichtlinearen optischen Materials.
Eine solche Vorrichtung zum Messen der Abtastwellenform ist daher imstande, den Rauschabstand des Summenfrequenzlichts "c", das von dem AANP 10 abgegeben wird, das der organische nichtlineare optische Kristall ist, zu verbessern und dadurch die Meßgenauigkeit des optischen Impulses "e" zu verbessern, der schließlich an die Anzeigeeinheit 9 ausgegeben und dort angezeigt wird.
Ferner führt diese Vorrichtung zum Messen der Abtastwellenform die Anpassung der optischen Achsen 16 des Meßobjektlichts "a" und des Abtastlichts "b" durch, die gemultiplext sind, so daß ihre Polarisierungsrichtungen einander mit der Phasenanpassungsrichtung 15 des AANP 10 kreuzen als Bedingung dafür, daß das AANP 10 die Phasenanpassung vom Typ 2 mit dem Meßobjektlicht "a" und dem Abtastlicht "b" aufrechterhält, und stellt die Polarisierungsrichtung des Meßobjektlichts "a", dessen Wellenlänge sich in Abhängigkeit von einem Meßobjekt ändert, rechtwinklig zu der Referenzachse des AANP-Kristalls 10 (Achse "a" bei dieser Ausführungsform) ein, während gleichzeitig das Abtastlicht "b", das eine feste Wellenlänge hat, parallel zu der Referenzachse des Kristalls eingestellt wird, um so den Wellenlängenbandbereich des Meßobjekts zu erweitern.
Wenn bei dieser Vorrichtung zum Messen der Abtastwellenform gemäß 6 die Polarisierungsrichtung des Meßobjektlichts "a", die durch die Kurve A bezeichnet ist, im rechten Winkel zu der Referenzachse des AANP-Kristalls 10 eingestellt ist, während die Polarisierungsrichtung des Abtastwellenlichts "b" parallel zu der Referenzachse des Kristalls eingestellt ist, ist die Änderungsrate der Phasenanpassungsrichtung 15 relativ zu einer Änderung der Wellenlänge des Meßobjektlichts "a" kleiner als in einem Fall, in dem die Polarisierungsrichtung des Meßobjektlichts "a", die durch die Kurve B bezeichnet ist, parallel zu der Referenzachse des Kristalls eingestellt ist. Infolgedessen kann diese Vorrichtung zum Messen der Abtastwellenform die Wellenlängenabhängigkeit eines optischen Abtastoszilloskops bis auf 80 nm unterdrücken.
Zweite Ausführungsform
15 ist ein Blockschaltbild, das schematisch eine Struktur einer Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
In 15 haben gleiche Komponenten wie bei der in 1 gezeigten Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform die gleichen Bezugszeichen, und eine genaue Beschreibung von doppelt vorhandenen Bereichen entfällt.
Diese in 15 gezeigte Vorrichtung zum Messen der optischen Abtastwellenform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Vorrichtung zum Messen der optischen Abtastwellenform dadurch, daß die Vorrichtung gemäß 15 dadurch, daß sie eine Abtastlichtquelle 20 verwendet, die eine Vielfachwellenlängen-Lichtquelle 21, die Licht einer Vielzahl von Wellenlängen abgeben kann, und eine Lichtwegumschalteinrichtung 22 aufweist, die selektiv eines von dem Licht der Vielzahl von Wellenlängen abgibt, imstande ist, die Wellenlänge des Abtastlichts "b" anstelle der Abtastlichtquelle 4 von 1, die Licht einer einzigen Wellenlänge abgibt, ändern kann.
In diesem Fall ist es zulässig, eine Abtastlichtquelle variabler Wellenlänge zu verwenden, die imstande ist, die Wellenlänge zu ändern, so daß das Abtastlicht "b" zu einem Festpunkt innerhalb des variablen Wellenlängenbereichs abgegeben wird, während der einzelne Punkt aus einer Vielzahl von Punkten ausgewählt werden kann, um so die Wellenlänge des Abtastlichts "b" zu ändern.
Durch Ändern der Wellenlänge des Abtastlichts "b" beispielsweise auf 1547 nm, 1552 nm oder 1557 nm unter Verwendung der Abtastlichtquelle 20 ist es möglich, eine Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform zu realisieren, die imstande ist, einem Meßobjektlicht "a" eines breiteren Bandbereichs als dem einer einzigen Wellenlänge, wie in 10 gezeigt ist, zu entsprechen.
Dritte Ausführungsform
16 ist ein Blockschaltbild, das die schematische Struktur einer dritten Ausführungsform einer Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform zeigt.
In 16 sind gleiche Komponenten wie bei der in 1 gezeigten Vorrichtung zum Messen der optischen Abtastwellenform mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nicht erneut im einzelnen erläutert.
Die in 16 gezeigte Vorrichtung zum Messen der optischen Abtastwellenform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Vorrichtung zum Messen der optischen Abtastwellenform durch das Vorhandensein einer Einfallswinkel-Änderungseinrichtung 30 zum Ändern des Einfallswinkels des Abtastlichts "b" und des Meßobjektlichts "a" in das AANP 10.
Diese Einfallswinkel-Änderungseinrichtung 30 weist beispielsweise einen Mikrometer-Feindrehtisch 30a auf.
Wie 17 zeigt, ist beispielsweise das AANP 10, welches ein nichtlinearer optischer Kristall ist, auf dem Mikrometer-Feindrehtisch 30a angeordnet, und durch Drehen des Mikrometer-Feindrehtischs 30a wird der Einfallswinkel des Abtastlichts "b" und des Meßobjektlichts "a", die in das AANP 10 einzugeben sind, geändert.
Wenn dann bei der Wellenlänge von 1552 nm des Abtastlichts "b" der Einfallswinkel auf das AANP 10 zu einem von drei Zuständen geändert wird, d.h. in einen Zustand, in dem die Ebene 11 des AANP 10 zu der optischen Achse senkrecht ist, oder in Zustände, in denen die Ebene 11 um 1° nach rechts/links um die Achse "a" mit Hilfe der Einfallswinkel-Änderungseinrichtung 30 gedreht wird, ist es möglich, eine Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform zu realisieren, die imstande ist, einem Meßobjektlicht "a" eines breiteren Bandbereichs zu entsprechen, als wenn das Licht senkrecht zu der Ebene 11 auftrifft, wie in 11 gezeigt ist.
Wie oben beschrieben, werden bei der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Messen der optischen Abtastwellenform die optischen Achsen des Meßobjektlichts und des Abtastlichts an die Phasenanpassungsrichtung des AANP angepaßt, das ein nichtlinearer optischer Kristall ist, und die Polarisierungsrichtung des Meßobjektlichts wird rechtwinklig zu der Referenzachse des AANP-Kristalls eingestellt, während die Polarisierungsrichtung des Abtastlichts parallel zu der Referenzachse des AANP-Kristalls eingestellt wird.
Eine solche Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform kann daher die Änderungsrate der Phasenanpassungsrichtung des AANP, das ein nichtlinearer opti scher Kristall ist, auf ein kleinstes Maß unterdrücken, und zwar auch dann, wenn ein Meßobjektlicht mit einer anderen Wellenlänge eingeleitet wird. Infolgedessen kann die Änderung des Meßobjektlichts einer gemessenen Wellenlänge infolge der Änderung der Wellenlänge bis auf 80 nm unter die Bandbreite von 3 dB unterdrückt werden. Somit kann der Meßobjekt-Wellenlängenbereich eines optischen Abtastoszilloskops erweitert werden.
Ferner kann die Vorrichtung zum Messen der optischen Abtastwellenform, die eine Abtastlichtquelle hat, die ein Abtastlicht einer anderen Wellenlänge als eine Abtastlichtquelle abgeben kann, einem Meßobjektlicht eines größeren Bandbereichs als eine Vorrichtung entsprechen, die nur ein Abtastlicht einer einzigen Wellenlängenart abgibt.
Wie vorstehend im einzelnen beschrieben wird, ist es also gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, eine Vorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform bereitzustellen, die für ein Meßobjektlicht eines breiteren Bandbereichs als bei dem herkömmlichen Beispiel geeignet ist, wobei eine spezielle Phasenanpassungsbedingung bei dem AANP 10 angewandt wird, das ein nichtlinearer optischer Kristall ist, der ein Summenfrequenzlicht aus dem Abtastlicht und dem Meßobjektlicht erzeugt, so daß die Bandbreite von 3 dB des Summenfrequenzlicht-Erzeugungswirkungsgrads um das Doppelte oder mehr gegenüber dem herkömmlichen Beispiel gesteigert wird, so daß ein Meßobjektbandbereich von 80 nm oder mehr gewährleistet wird.

Claims

Meßvorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform, um ein eingegebenes Meßobjektlicht zu messen, das eine einzige Polarisierungsrichtung hat und dessen Impulsbreite größer als diejenige eines Abtastlichtimpulses ist, wobei die Meßvorrichtung folgendes aufweist: – eine Abtastlichtquelle (4) zum Emittieren eines Abtastlichts, das eine einzige Polarisierungsrichtung hat; – einen Multiplexer (3) zum Multiplexen (3) des von der Abtastlichtquelle (4) emittierten Abtastlichts und des Meßobjektlichts auf derselben optischen Achse, so daß ihre Polarisierungsrichtungen zueinander senkrecht sind; – einen nichtlinearen optischen Kristall (10), der aus 2-Adamantyl-5-nitropyridin (AANP) besteht, was eine Phasenanpassung vom Typ 2 an das Abtastlicht und das Meßobjektlicht ermöglicht, und der dann, wenn das von dem Multiplexer (3) gemultiplexte Abtastlicht und Meßobjektlicht eingegeben werden, ein Summenfrequenzlicht des Abtastlichts und des Meßobjektlichts emittiert, wobei das Summenfrequenzlicht auf der Basis des Meßobjektlichts, das eine Winkelfrequenz ω_D hat, und des Abtastlichts, das eine Winkelfrequenz ω_S hat, eine Summenwinkelfrequenz ω_D + ω_S hat, wobei ihre Polarisierungsrichtungen zueinander senkrecht sind; – einen Lichtempfänger (7) zum Umwandeln des von dem nichtlinearen optischen Kristall (10) ausgegebenen Summenfrequenzlichts in ein elektrisches Signal; – einen Signalverarbeitungsbereich (8) zum Verarbeiten des von dem Lichtempfänger (7) ausgegebenen elektrischen Signals, um eine optische Impulswellenform des Meßobjektlichts anzuzeigen; und – Steuereinrichtungen (2, 5), um dann, wenn das Summenfrequenzlicht des Abtastlichts und des Meßobjektlichts von dem nichtlinearen optischen Kristall (10) emittiert wird, die Polarisierungsrichtung des Abtastlichts so zu steuern, daß es parallel zu einer vorbestimmten Referenzachse ist, die innerhalb einer zu einer Phasenanpassungsrichtung des nichtlinearen optischen Kristalls (10) senkrechten Ebene liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Referenzachse eine einzige Achse ist, die die Parallelität mit der kristallinen Achse des nichtlinearen optischen Kristalls (10) auch dann aufrechterhält, wenn die Wellenlänge von eingegebenem Licht geändert wird.
Meßvorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform nach Anspruch 1, wobei die Abtastlichtquelle (4) imstande ist, eine Vielzahl von Abtastlichtsignalen zu emittieren, von denen jedes eine andere Wellenlänge hat, und wobei jedes von der Vielzahl von Abtastlichtsignalen gewählt und emittiert werden kann.
Meßvorrichtung zum Messen einer optischen Abtastwellenform nach Anspruch 1, die ferner folgendes aufweist: eine Einfallswinkel-Änderungseinrichtung (30) zum Ändern eines Einfallswinkels von jedem von dem Abtastlicht und dem Meßobjektlicht, die in den nichtlinearen optischen Kristall (10) einzugeben sind, auf den nichtlinearen optischen Kristall.