JP2003065857A

JP2003065857A - 光サンプリング波形観測装置

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Publication number: JP2003065857A
Application number: JP2001258008A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ota; 裕之太田; Mutsumi Yoshida; 睦吉田
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Ando Electric Co Ltd
Current assignee: Ando Electric Co Ltd; Aisin Corp
Priority date: 2001-08-28
Filing date: 2001-08-28
Publication date: 2003-03-05
Anticipated expiration: 2021-08-28
Also published as: US6980290B2; JP3751547B2; US20030043366A1

Abstract

(57)【要約】【課題】サンプリングパルス光として、被測定信号光
に対してパルス幅の小さい光パルスのラマンシフト光を
用いることにより、超高速な被測定信号光の波形を高感
度、高時間分解能、高精度に測定することができる光サ
ンプリング波形観測装置を提供する。【解決手段】光サンプリング波形観測装置は、被測定
信号光Ｐ８よりパルス幅の狭い光パルスによって非線形
光学効果を用いて、この被測定信号光Ｐ８をサンプリン
グすることで光波形を観測する光サンプリング波形観測
装置において、前記被測定信号光Ｐ８の光サンプリング
を行うサンプリングパルス光Ｐ４として、被測定信号光
Ｐ８よりパルス幅の狭い入力光パルスＰ５から生成した
ラマンシフト光Ｐ１３を用いることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光電変換素子を用
いた手法では観測できない超短時間領域の光波形を観測
する光サンプリング波形観測装置に利用され、特に高感
度、高時間分解能に、入力される被測定信号光の光波形
の観測が可能な光サンプリング波形観測装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光サンプリング波形観測装置とし
ては、２次の非線形光学効果である和周波光発生（Sum-
Frequency Generation；以下「SFG」）、あるいは差周
波光発生（Difference-Frequency Generation；以下「D
FG」）を利用し、被測定光パルス（角周波数ω1）と、
これよりパルス幅の狭いサンプリングパルス光（角周波
数ω2）を非線形光学結晶内で相互相関を行うことによ
って（ω3＝ω1＋ω2）となる和周波光（以下、「SF
光」とする）を取り出していた（特公平6-63869号参
照）。そして、上記光サンプリング波形観測装置は、非
線形光学結晶内において、この非線形光学効果により得
られたＳＦ光を、受光器により光電変換し、電気信号処
理によって波形表示を行っている。

【０００３】そして、この光サンプリング波形観測装置
においては、光波形の測定における時間分解能が、サン
プリングパルス光のパルス幅と、サンプリングパルス光
と被測定信号光との群速度遅延によって制限されてい
る。また、光波形の観測に非線形光学効果を用いる場
合、和周波光等を発生させるために位相整合を行う必要
がある。この位相整合とは、サンプリングパルス光、被
測定信号光と、発生する和周波光等との位相が整合する
ように、非線形光学結晶の複屈折性を利用して非線形光
学結晶素子内へのサンプリングパルス光、被測定信号光
の入射角を調整する角度整合法などがある。このとき、
サンプリングパルス光と被測定信号光との偏光状態が同
一方向の直線偏光において入射する場合の位相整合条件
を第一種位相整合条件、直交した直線偏光で入射する場
合を第二種位相整合条件と呼ばれる。

【０００４】現在、最も非線形光学効果を起こすために
一般的に使われる非線形光学結晶は、第二種位相整合条
件を用いたＫＴＰ（KTiOPO₄）結晶がある（参考文献
１：川口、野極、太田、遠藤、‘310GHz光サンプリング
システムの開発’、電子情報通信学会、ソサイエティ大
会、B-10-149, 2000）。

【０００５】しかしながら、上述した第二種位相整合条
件でのＫＴＰ結晶の非線形光学効果は、あまり大きくな
く、被測定信号光の波形観測の検出精度を向上させるこ
とができない。一方、第一種位相整合条件として、すな
わち、サンプリングパルス光と被測定信号光とが同じ偏
光状態の場合に、非線形光学効果を起こす非線形光学結
晶を用いれば、非線形光学結晶の大きな非線形光学定数
を用い、波形観測の精度を向上させることが可能とな
る。しかし、大きな非線形光学定数を持つＫＴＰ結晶や
ＬｉＮｂＯ₃結晶などは、第一種位相整合条件を持た
ず、この大きな非線形光学定数を用いることが出来な
い。

【０００６】そこで、第一種位相整合条件を満たすよう
に、非線形光学結晶の分極を周期的に反転させることに
よって擬似的に位相整合条件を作り出す、疑似位相整合
が考案されている。これは、例えば、非線形光学素子に
用いられている非線形光学結晶がＬｉＮｂＯ₃結晶のと
き、サンプリングパルス光、被測定信号光波長が、共に
1550nm近辺のであると、上記非線形光学結晶の分極を約
18μm周期において、高温下で高電界を印加することに
より、この非線形光学結晶の分極が反転し、周期分極反
転ＬｉＮｂＯ₃結晶（PPLN: Periodically-polled Lithi
um Niobate）を作製し、このPPLNにサンプリングパルス
光、被測定信号光を入射することによって擬似的に第一
種位相整合条件を満たすことができ、大きな非線形光学
効果を得ることができる。

【０００７】この手法を用いた光サンプリング波形観測
装置も報告されている（参考文献２：野極、川口、太
田、遠藤、‘PPLN結晶を用いた高感度光サンプリングシ
ステムの開発’、電子情報通信学会、総合大会、B-10-1
70, 2000）。上述した第一種位相整合条件を用いて得た
和周波光を、光電変換素子などの受光器によって光電変
換し、電気信号処理により、サンプンプリング結果の波
形表示を行い、被測定信号光の特性評価を行う。この従
来例の光サンプリング波形観測装置の構成を示す概念図
を図７に示す。この図７において、電気信号発生器SG1
は、例えば周期的な電気信号を発生するものであり、繰
り返し周波数として、周波数ｆsigの電気信号Ｐ１を出
力する。電気信号発生器SG2は、例えば周期的な電気信
号を発生するものであり、電気信号Ｐ１に同期して、繰
り返し周波数として、周波数（（ｆsig／ｎ）−Δｆ）
の電気信号P２を発生する。

【０００８】アンプ１００は入力されるサンプリングパ
ルス信号Ｐ２を増幅し、狭パルス発生器１０１により狭
い幅の電気パルスを得る。そして、レーザ発振器１０２
は、上記電気パルスにより利得スイッチ法で短パルス幅
のパルス光を発生し、光サーキュレータ１０３は、この
サンプリングパルス光のタイミングジッタを低減するた
めに、レーザ発振器１０４（ＣＷ light）から発生され
る連続光をレーザ発振器１０２に注入するとともに、レ
ーザ発振器１０２の発生するパルス光Ｐ３を出力する。
そして、ＤＣＦ（分散補償ファイバ）・１０５は、上記
パルス光Ｐ３を線形圧縮し、ＥＤＦＡ（エルビウム・ド
ープド・ファイバ増幅器）１０６は、この線形圧縮され
た光パルスＰ３を増幅し、ＤＳＦ（分散シフトファイ
バ）・１０７は入力される光パルスＰ３を矩形状に伸張
する。

【０００９】次に、光アンプ１０８は、矩形状に変形さ
れた光パルスＰ３を増幅するとともにパルス圧縮し、偏
光方向制御器１０９により、光パルスＰ３の偏光方向を
制御して、サンプリングパルス光Ｐ４として出力する。
また、ＭＬＦＲＬ（モード同期ファイバリングレーザ）
・１１０は、被測定信号Ｐ１の周波数に同期して、光パ
ルスＰ６を発生する。そして、光強度変調器１１２は、
パターンジェネレータ１１１が被測定信号Ｐ１に同期し
て出力する所定のパターン（「０」または「１」で構成
されるデータ列）により、光パルスＰ６を変調して、変
調された光パルスＰ７を出力する。そして、光増幅器１
１３は光パルスＰ７を増幅し、偏光制御器１１４は入力
される光パルスＰ７の偏光方向を制御し、光パルスＰ８
として出力する。

【００１０】波長分割多重器１１５は、光パルスＰ８
と、サンプリングパルス光Ｐ４とを合波して、多重化さ
れた光パルスＰ９として出力される。ＰＰＬＮ・１１６
は、非線形光学結晶素子であり、上述したように、周期
分極反転の非線形光学結晶とし、擬似的に第一種位相整
合条件を満たすように構成する。そして、ＰＰＬＮ・１
１６は、光パルスＰ９において、光サンプリングパルス
光Ｐ４と、第一種位相整合条件において光パルスＰ８と
の位相整合が達成されると、この２つの光パルスの相互
相関信号であるＳＦ光を、大きな非線形光学効果の結果
として射出する。このとき、２つの入射光の偏光方向が
同一であり、非線形光学結晶の複屈折に対して、共に異
常光または共に常光の場合に位相整合が起こるとする。

【００１１】そして、光バンドパスフィルタ１１７は、
上記ＳＦ以外の雑音成分を取り除き、角周波数（ω1＋
ω2）のみの成分としての光パルスである上記ＳＦ光を
出力する。受光器１１８は、アバランシェ・ホト・ダイ
オード等の光電変換素子であり、入力されるＳＦ光を光
電変換して、検出信号ＰＳとして出力する。Ａ／Ｄ変換
器１１９は、入力される検出信号ＰＳのピーク電圧を、
所定のタイミングによりデジタル値に変換して出力す
る。コンピュータ１２０は、上記デジタル値を処理し、
光アイパターンを生成して、この画像を表示部に表示
し、通信に用いられる被測定信号波形（光パルスＰ７）
の特性評価を行う。

【００１２】上述したように、ＰＰＬＮなどを用いた疑
似位相整合条件を用いると、図７において構成を説明し
た文献に示すように、大きな非線形光学効果により光サ
ンプリング波形観測装置として高感度化を果たすことが
できる。また、時間分解能に関しては、前述したように
サンプリングパルス幅と群速度遅延とで決まる。さら
に、第一種位相整合条件は、第二種位相整合条件に比
べ、群速度の遅延を約百分の一程度に抑えることが出
来、例えば１ｃｍの結晶長においては数10fs程度と非常
に小さくなるので、高時間分解能を得ることができる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た疑似位相整合の問題点としては、第二高調波光の発生
がある。通常、サンプリングパルス光、被測定信号光と
もに1550nm帯の波長で生成されるが、疑似位相整合条件
は、第一種位相整合条件であるため、和周波光等の他、
サンプリングパルス光、被測定信号光の第二高調波光が
発生する。この時、サンプリングパルス光には、被測定
信号光のサンプリングするために、被測定信号光よりも
パルス幅の狭い光パルスが用いられる。そして、サンプ
リング光がハイパワーであるが故に、サンプリングパル
ス光の第二高調波光は、サンプリングによって発生した
和周波光よりも非常に大きな光出力となる。

【００１４】また、和周波光、サンプリングパルス光の
第二高調波光ともに、それぞれの波長は、775nm帯の近
接した波長となる。したがって、図７に示すように光バ
ンドパスフィルタ（BPF）・１１７などによって和周波
光のみを選択し、第二高調波光をカットしなければなら
ない。このとき、図７に示す従来の光サンプリング波形
観測装置では、和周波光と第二高調波光との波長が非常
に近接しているため、第二高調波光が除去しきれない、
あるいは和周波光の通過損失が大きくなってしまうと言
う問題点がある。さらに、被測定信号光Ｐ８の波長によ
って、発生する和周波光の波長も変化するため、その波
長が変化する毎に、ＢＰＦ・１１７の選択波長を調整す
る必要が生じる。このとき、第二高調波の波長によって
は、和周波光と第二高調波光との光スペクトルが重なる
ことにより、ＢＰＦ・１１７を第二高調波の通過する成
分が増加し、完全に第二高調波を除去できない場合も考
えられる。

【００１５】この結果、図７の従来の光サンプリング波
形観測装置には、第二高調波の存在に起因する感度劣
化、信号対雑音比の低下、測定できない信号光波長の存
在といった問題点が発生する。上述してきたように、従
来の光サンプリング波形観測装置は、非線形光学効果と
して疑似位相整合等を含めた第一種位相整合条件を用い
る場合、大きな非線形光学定数を利用でき、高感度な測
定が可能ではある。一方、従来の光サンプリング波形観
測装置には、被測定信号光の測定において、感度劣化、
信号対雑音比の低下、測定できない信号光波長というも
のが存在してしまう問題点がある。そこで、本発明の目
的は、上述した背景の下になされたものであり、サンプ
リングパルス光として、被測定信号光に対してパルス幅
の小さい光パルスのラマンシフト光を用いることによ
り、超高速な被測定信号光の波形を高感度、高時間分解
能により、高精度に測定することができる光サンプリン
グ波形観測装置を提供するものである。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の光サンプリング
波形観測装置は、被測定信号光よりパルス幅の狭い光パ
ルスによって非線形光学効果を用いて、この被測定信号
光をサンプリングすることで光波形を観測する光サンプ
リング波形観測装置であり、サンプリングパルス光とし
て、被測定信号光よりパルス幅の狭い光パルスから生成
したラマンシフト光を用いることを特徴とする。本発明
の光サンプリング波形観測装置は、被測定信号光よりパ
ルス幅の狭い光パルスによって非線形光学効果を用い
て、この被測定信号光（被測定信号光Ｐ８）をサンプリ
ングすることで光波形を観測する光サンプリング波形観
測装置であり、サンプリングパルス光（サンプリングパ
ルス光Ｐ４）として、ラマンシフト用光ファイバ（ラマ
ンシフト用光ファイバ２０１）において、被測定信号光
よりパルス幅の狭い光パルス（入力光パルスＰ５）から
生成したラマンシフト光（ラマンシフト光Ｐ１３）を用
い、このラマンシフト光の波長を調整することにより、
非線形光学結晶素子（非線形光学結晶素子１１６）にお
いて、被測定信号光及びサンプリングパルス光とから生
成される和周波光の波長が、同時に生成される第二高調
波光の波長と離れた波長帯域とし、煩わしいバンドパス
フィルタ（ＢＰＦ・１１７）の通過波長帯域を調整せず
とも、さまざまな波長の被測定信号光の測定に対応でき
ることを特徴とする。

【００１７】本発明の光サンプリング波形観測装置は、
前記ラマンシフト光を用い、非線形光学効果として第一
種位相整合条件を用いた和周波光発生効果を利用するこ
とを特徴とする。本発明の光サンプリング波形観測装置
は、前記ラマンシフト光を用い、非線形光学効果として
第一種位相整合条件を用いた差周波光発生効果を利用す
ることを特徴とする。本発明の光サンプリング波形観測
装置は、前記ラマンシフト光を用い、非線形光学効果を
行う非線形光学素子（非線形光学結晶素子１１６）とし
て、周期分極反転を用いた非線形光学結晶を具備するこ
とを特徴とする。

【００１８】本発明の光サンプリング波形観測装置は、
サンプリングパルス光として用いるラマンシフト光の波
長を調整する手段として光可変減衰器（入力パワー制御
用光可変減衰器２０３）を具備することを特徴とする。
本発明の光サンプリング波形観測装置は、サンプリング
パルス光として用いるラマンシフト光の波長を監視して
制御を行うため、ラマンシフト光波長監視機能（光波長
監視装置２０４）を具備することを特徴とする。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態について説明する。図１は本発明の第１の実施形
態によるサンプリング波形観測装置の構成例を示すブロ
ック図であり、図２は本願発明で用いられる光サンプリ
ング波形観測の測定原理を説明する概念図である。図１
において、図７の従来例と同様な構成及び信号に関して
は同一の符号を付している。特に、本願発明と従来例と
の被測定信号光Ｐ８（光パルスＰ８）を生成する構成
は、同様の構成である。はじめに、図２を用いて、本願
発明において用いられる光サンプリング波形観測の測定
原理を説明する。

【００２０】図２において、繰り返し周期「ｆsig」を
持った被測定信号光（光パルスＰ８）と、繰り返し周期
「fsig」の整数（ｎ）分の一よりも数100Hzまたは数kHz
程度低い繰り返し周期「（fsig/n）−Δf」を持つサン
プリングパルス光Ｐ４とを、波長分割多重器１１５によ
り多重化し、非線形光学結晶（例えば、ＰＰＬＮ）など
を素子１１６に入射する。非線形光学結晶素子１１６内
においては、和周波光発生などの非線形光学効果によっ
て、被測定信号光Ｐ８（角周波数ω1）、サンプリング
パルス光Ｐ４（角周波数ω2）の双方が入射したときの
み、位相整合によりＳＦ光（和周波光など）を発生する
ことが出来る。以下、和周波光を例として説明するが、
本願発明においては、差周波光を発生する非線形光学結
晶を材料とした非線形光学結晶素子を、上記非線形光学
結晶素子１１６に換えて用い、この差周波光を受光器
（受光器１１８）で光電変換して、検出信号ＰＳとして
出力させる構成としても良い。

【００２１】このとき、サンプリングパルス光Ｐ４のパ
ルス幅が、被測定信号光Ｐ８のパルス幅よりも十分に狭
ければ、サンプリングの原理より上記被測定信号光Ｐ８
が等時間間隔でサンプリングされることになり、和周波
光などを受光し、波形表示することによって、被測定信
号光Ｐ８の光波形を観測することができる。すなわち、
受光器１１８は、図７に示す従来例と同様に、和周波光
などのＳＦ光を受光し、光電変換して検出信号ＰＳを出
力する。そして、Ａ／Ｄ変換器１１９は、上記検出信号
ＰＳを、デジタル値に変換し、コンピュータ１２が波形
表示することによって、被測定信号光Ｐ８の光波形を、
光アイパターンなどの表示により観測することができる
（繰り返し周期「ｆfsig」の波形を、繰り返し周期
「（ｆsig／ｎ）−Δｆ」の周期に拡大して波形の観測
を行う）。

【００２２】このとき、上述したようにサンプリングパ
ルス光Ｐ４のパルス幅が被測定信号光Ｐ８のパルス幅よ
りも十分に狭い光パルスであれば、サンプリングの原理
より被測定信号光が等時間間隔でサンプリングされるこ
とになり、和周波光などを受光し波形表示することによ
って被測定信号光の光波形を観測することができる。し
かしながら、この光サンプリングを行うために、非線形
光学素子１１６に非線形光学結晶としてＰＰＬＮ結晶を
用いた場合には、図３に示すように、大きな和周波光へ
の変換効率が得られるとともに、光強度の強い第二高調
波光が発生してしまう。図３は、横軸が波長を、縦軸が
光強度（光パワー）を示し、サンプリングパルス光Ｐ
４，被測定信号光Ｐ８，和周波光及び第二高調波光の波
長と光強度との関係を示す図である。

【００２３】したがって、和周波光の測定において、近
傍の波長にある第二高調波光の影響を避けるため、サン
プリングパルス光Ｐ４の波長は、被測定信号光Ｐ８の波
長と離れた波長帯域に設定する必要がある。例えば、す
でに述べた参考文献２においては、サンプリングパルス
光Ｐ４の波長を1534nmに、一方、被測定信号光Ｐ８の波
長を1560nmに設定している。和周波光は、サンプリング
パルス光Ｐ４及び被測定信号光Ｐ８の波長の角周波数の
和となる波長、773.4nmにおいて発生する。このとき、
サンプリングパルス光Ｐ４は、光パルスの幅が狭く、か
つ光強度が大きいため、測定すべき和周波光よりも非常
に大きな第二高調波光が波長780nmに発生する。

【００２４】ここで、被測定信号光Ｐ８の光サンプリン
グ波形観測の結果を得るため、この第二高調波光をＢＰ
Ｆ１１７（光バンドパスフィルタ）等によってカット
し、和周波光のみを取り出すことが必要である。しかし
ながら、すでに述べたように、第二高調波光と和周波光
との波長帯域が近く、かつ第二高調波光の光強度が和周
波光の光強度よりも高いため、上記光バンドパスフィル
タにより、完全に第二高調波光の成分をカットすること
は非常に困難である。

【００２５】さらに、信号光波長Ｐ８がサンプリングパ
ルス光Ｐ４の波長に近接してくると、発生する和周波光
と第二高調波光との波長も、より近接してくるため、和
周波光と第二高調波光との分離の困難さが増すこととな
る。また、光パルスであるがために、和周波光及び第二
高調波光は、波長軸における光スペクトル上において、
所定の帯域幅を持つため、近接しすぎることにより、双
方の光スペクトルが重なってしまう。この結果、光バン
ドパスフィルタは、第二高調波光の成分をカットする波
長の帯域であると、一緒に和周波光の成分も除去されて
しまうため、第二高調波光の成分のみを除去することは
不可能である。

【００２６】上述した問題点を解決するためには、被測
定信号光P４の波長とは大きく波長が異なる波長を持つ
サンプリングパルス光P4を用いればよい。例えば、チタ
ンサファイアレーザなどを用いれば、波長780nm帯で100
fs程度の光パルスを得ることは容易である。しかしなが
ら、チタンサファイアレーザを使用した場合、光サンプ
リング波形観測装置が大きくなるため、この装置のコス
ト、及び被測定信号光Ｐ８との同期を取る必要性等か
ら、サンプリングパルス光Ｐ４としては、被測定信号光
Ｐ８の波長と同じ1550nm帯が好ましい。

【００２７】したがって、本発明においては、被測定信
号光Ｐ８を測定するサンプリングパルス光Ｐ４として、
ラマンシフト光を用いていることを特徴としている。こ
のラマンシフト光とは、光ファイバ中に超短パルス光を
入射すると、ファイバ中を伝搬するとともに、非線形光
学効果の一種であるラマン効果により、入射したパルス
光とは別に、長波長側にあるいは短波長側へ波長がシフ
トして発生する超短パルス光のことである。そして、発
生するラマンシフト光は、パルス波形は綺麗なsech2の
波形となる（参考文献３：N. Nishizawa and T. Goto,
'Compact system of wavelength-tunable femtosecond
soliton pulse generation using optical fibers', I
EEE Photon. Technol. Lett., pp. 325-327, vol. 11,
1999）。このラマンシフト光の特徴は、綺麗なsech2型
の光パルスが得られることの他に、この入射パワー（光
強度）を変えることによって発生するラマンシフト光Ｐ
８の波長が変わることである。

【００２８】本願発明において、ラマンシフト光をサン
プリングパルス光Ｐ４として用いた場合の利点を、図４
を用いて説明する。図４は、横軸が波長を、縦軸が光強
度（光パワー）を示し、サンプリングパルス光Ｐ４，被
測定信号光Ｐ８，和周波光及び第二高調波光の波長と光
強度との関係を示す図である。ここで、ラマンシフト光
は、被測定信号光Ｐ８と同じ1550nm帯の入力光パルスを
元に発生している。この1550nm帯の上記入力光パルスの
発生手段としては、半導体レーザを利得スイッチング法
によって発生する手法やファイバレーザを用いて発生す
る手法等、各種提案されており、比較的容易に低コスト
で発生することができる。

【００２９】また、これらの上記入力光パルスの発生手
法は、被測定信号光Ｐ８と同期を取ることも比較的容易
である。この入力光パルス（入力光パルスＰ５）を光フ
ァイバに入力し、上述したラマンシフト光を発生させる
と、参考文献３に記載されているように、たとえ入力パ
ルス光の波形がカー効果等によって乱れていたとして
も、発生するラマンシフト光は理想的なsech²型光パル
スの波形を得ることができ、かつこのラマンシフト光の
波長は1550nm〜2000nm，あるいはそれ以上または1550nm
より短波長側の波長にシフトした、波長の値として得る
ことができる。ここで、sechは、双曲線正割関数（ｓｅ
ｃｏｎｄｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎ）で
ある。

【００３０】例えば、ラマンシフト光の波長が2000nmと
した場合、このラマンシフト光を用いて、すなわちこの
ラマンシフト光をサンプリングパルス光Ｐ４として用い
て、被測定信号光Ｐ８の光サンプリングを行えば、1550
nmの波長の被測定信号光に対し、和周波光の波長が873.
2nm、第二高調波光の波長が1000nmと大きく異なってい
るため、光バンドパスフィルタを用いて、和周波光（Ｓ
Ｆ光）のみを取り出すことは比較的容易である。さら
に、例えば、被測定信号光Ｐ８の波長が1600nmに変化し
た場合、入力光パルスの光強度を調整して、上記ラマン
シフト光の波長を1922nmに変えることにより、和周波光
の波長を上述した値と同様に、873.2nm、第二高調波光
の波長を961nmに制御することができる。

【００３１】これにより、第二高調波光及び和周波光の
波長が大きく離れているため、光バンドパスフィルタを
用いることにより、第二高調波光のカットは容易に行う
ことができる。また、被測定信号光Ｐ８の波長が変わっ
たとしても、上述したように、入射光パルスの強度を調
整して、ラマンシフト光の波長を変えることにより、和
周波光の波長を常に一定に保つことができる。この結
果、一つの利点として、BPF（光バンドパスフィルタ）
の通過させる波長帯域の設定を変える必要が無く、光バ
ンドパスフィルタの通過波長の帯域を、常に一定波長に
設定しておけば良いため、光バンドパスフィルタの面倒
な調整が不要となり、測定の効率を向上させることが可
能となる。

【００３２】さらに、他の利点として、和周波光を発生
させるため、ＰＰＬＮによる非線形光学素子１１６を用
いることと関連している。通常、上記非線形光学素子１
１６（ＰＰＬＮ）内における非線形光学効果により、和
周波光を発生させる場合、この非線形光学素子１１６
は、和周波光の変換効率に、有限幅の波長帯域幅を有し
ている。通常、入力波長を変化させた場合に変換効率が
3dB低下する波長範囲（３ｄＢ低下しない領域）を、波
長帯域幅と呼んでいる。しかしながら、例えば、非線形
光学素子１１６の長さが5mmのとき、波長帯域幅は約5nm
となる。このとき、波長帯域の中心波長は、非線形光学
素子１１６（ＰＰＬＮ）の分極反転周期で決まるが、非
線形光学素子１１６は、この中心波長よりも2.5nm以上
離れた波長を有する被測定信号光Ｐ８に対しては、変換
効率が急激に小さくなり、光サンプリングとしての感度
が悪化することとなる。

【００３３】ここで、ドメイン反転（強誘電体分極反
転）周期は、各非線形光学結晶において固定であるた
め、上記中心波長を可変とすることができない。このた
め、非線形光学結晶素子１１６においては、入力される
さまざまな波長の被測定信号光P8に対応するため、上記
波長帯域幅を広げることが必要である。そして、波長帯
域幅を広くすることは、ＰＰＬＮ結晶（非線形光学結晶
素子１１６における）の長さを短くするで対応可能であ
り、例えば、参考文献２に示すように、このＰＰＬＮ結
晶の長さを1.4mmにすることにより、非線形光学結晶素
子１１６の波長帯域幅は、22.5nmにまで広げることがで
きる。しかしながら、結晶長を短くすることは変換効率
を下げることになるので、あまり好ましいことではな
い。

【００３４】一方、本願発明の様に、サンプリングパル
ス光Ｐ４としてラマンシフト光を用いることにより、サ
ンプリングパルス光Ｐ４の波長が変われば、等価的に分
極反転周期を変えたことと同じ効果が得られ（発生
し）、上記波長帯域幅における中心波長を可変とし、所
定の中心波長に変えることが出来る。このため、非線形
光学結晶素子１１６に波長帯域幅の狭いＰＰＬＮ結晶を
用いても、上記ラマンシフト光の波長を調整することに
より、入力されるさまざまな波長の被測定信号光Ｐ８に
対応することが可能となる。また、このとき、上述した
ように、被測定信号光及びサンプリングパルス光双方の
波長が変わった場合に、和周波光の波長を一定に保つこ
とが出来るためにBPF・１１７（図１参照）の設定を、
被測定信号光Ｐ８の波長に対応させて変える必要が無
く、一定の通過帯域に設定されたＢＰＦ・１１７によ
り、従来に比較して容易に和周波光のみを取り出すこと
ができる。

【００３５】上述してきたように、サンプリングパルス
光Ｐ４としてラマンシフト光を用いることにより、この
ラマンシフト光の元となる入力光パルスの入力パワー
（入力強度）を調整し、ラマンシフト用の光ファイバ
（図１のラマンシフト用光ファイバ２０１）へ入力させ
ることにより、ラマンシフト光、すなわちサンプリング
パルス光Ｐ４の波長を任意に変えることができる。この
結果、本願発明の光サンプリング波形観測装置は、被測
定信号光Ｐ８の波形の光サンプリングにおいて、ＰＰＬ
Ｎ結晶等で構成された非線形光学結晶素子１１６を使用
することにより、ラマンシフト光の波長を調整し、常に
一定帯域の波長の和周波光を発生し、あらゆる波長で入
力される被測定信号光Ｐ８の波形を高感度、高時間分解
能に観測することが可能である。

【００３６】次に、図１を用いて、本願発明における第
１の実施形態の光サンプリング波形観測装置の構成を詳
細に説明する。例えば、被測定信号光Ｐ８の生成におい
て、電気信号発生器ＳＧ１は、例えば繰り返し周波数ｆ
sigが「10GHz」の電気信号を、被測定信号Ｐ１として出
力する。そして、ＭＬＦＲＬ・１１０は、入力される被
測定信号Ｐ１によって励起され、10GHzの繰り返し周波
数ｆsigによりパルス光Ｐ６を光パルス列として発生す
る。次に、パターンジェネレータ１１１及び光強度変調
器１１２とは、このパルス光Ｐ６を10Gb/s光信号列にデ
ータ変調を行い、光パルスＰ７として出力する。そし
て、光増幅器１１３は、入力される光パルスＰ７を光増
幅し、偏光方向制御器１１４を介して、被測定信号光で
ある被測定信号光Ｐ８（角周波数ω1）を出射する。

【００３７】次に、サンプリングパルス光Ｐ４（角周波
数ω2）の生成において、電気信号発生器ＳＧ２は、繰
り返し周期が「（fsig/n）−Δf」、例えば50MHz-100Hz
の繰り返し周期の電気信号を、電気信号発生器ＳＧ１の
出力するＰ１と同期させて発生し、サンプリング基準信
号Ｐ２として、パルス光源１へ出力する。そして、パル
ス光源１は、サンプリング基準信号に対応して、波長が
1550nm帯であり、上記「（fsig/n）−Δf」の繰り返し
周期を持つ、高安定，低タイミングジッタであり、かつ
狭パルス幅のパルス光Ｐ１０（光パルス列）を射出す
る。

【００３８】そして、光増幅器２０２は、パルス光源１
の出射するパルス光１０の光強度を増幅し、入力光パル
スＰ５としてラマンシフト用光ファイバ２０１へ射出す
る。ここで、ラマンシフト用光ファイバ２０１は、例え
ば100ｍの長さを有し、コア径6マイクロメートルの偏波
保存ファイバであり、入力光パルスが入射されることに
より、この入力光パルスの強度に対応した波長のラマン
シフト光Ｐ１３が発生する。

【００３９】また、ラマンシフト用光ファイバ２０１
は、ラマンシフト光Ｐ１３の他に、基本波として入射し
た1550nm帯のパルス光Ｐ１０の成分も存在している。そ
して、基本波除去用ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）・２
００は、ラマンシフト光Ｐ１３のみを通過させ、ラマン
シフト光Ｐ１３のみを取り出し、偏光方向制御器１０９
へ射出する。

【００４０】そして、合波器１１５は、このサンプリン
グパルス光Ｐ４と被測定信号光Ｐ８とを合波し、非線形
光学結晶素子１１６（ＰＰＬＮ結晶で構成された）へ射
出する。また、偏光方向制御器１１４，１０９は非線形
光学素子１１６で非線形光学効果が発生し得る位相整合
状態になるように被測定信号光Ｐ８，サンプリングパル
ス光Ｐ４の偏光方向の設定を行う。これにより、非線形
光学素子１１６は、入射されたサンプリングパルス光Ｐ
４及び被測定信号光Ｐ８の合波された光パルスに基づく
非線形光学効果により、和周波光を発生することによ
り、被測定信号光Ｐ８の光サンプリングを行う。次に、
ＢＰＦ１１７はサンプリングパルス光Ｐ４の第二高調波
光をカットし、和周波光のみを通過させる。そして、受
光器１１８は、入射するＳＦ光（和周波光）を光電変換
し、Ａ／Ｄ変換器１１９及びコンピュータ１２０は、こ
の光電変換されたＳＦ光の信号を波形処理する。これに
より、本願発明の光サンプリング波形観測装置は、被測
定信号光Ｐ８の光サンプリングにおいて、上述の測定原
理に記載されているように、ＰＰＬＮ結晶等で構成され
た非線形光学結晶素子１１６を使用することにより、ラ
マンシフト光の波長を調整し、常に一定帯域の波長の和
周波光を観測することにより、ＢＰＦ・１１７の通過帯
域の波長を変更することなく、あらゆる波長で入力され
る被測定信号光Ｐ８の波形を高精度，高感度，高時間分
解能，超高速に観測することが可能である。

【００４１】パルス光源１から発生した光パルスＰ１０
を、ラマンシフト用光ファイバ２０１へ入射させると
き、光増幅器２０２により光増幅を行った後、光パルス
Ｐ５として、ラマンシフト用光ファイバ２０１へ入射さ
せる。このとき、たとえば、上記光パルスＰ５の光パワ
ー（光強度）を、数十mW以上とすると、ラマンシフト用
光ファイバ２０１において、非線形光学効果の一種であ
るカー効果によって、出力される光パルスＰ５の波形
は、自己位相変調を受け、光パルス幅の狭窄化、および
ペデスタルと呼ばれる光パルス波形の裾引き成分が発生
する。

【００４２】しかしながら、ラマンシフト効果（ラマン
効果）は、この狭窄化された光パルス幅の部分のみに発
生し、ペデスタルの領域には発生しない。そのためにラ
マンシフト光Ｐ１３の光パルス波形は、パルス光源１の
射出する光パルスＰ１０の光パルス幅よりも狭窄化され
た、理想的なsech²型の光パルス波形となる。この光パ
ルス波形の狭窄化が起こることにより、サンプリングパ
ルス光Ｐ４の光パルス幅がより狭くなり、被測定信号光
Ｐ８の光サンプリングに対して、光サンプリングの時間
分解能の向上にもつながる。

【００４３】以上述べてきたように、本発明の第１の実
施形態による光サンプリング波形観測装置は、被測定信
号光Ｐ８の光サンプリングにおいて、上述の測定原理に
記載されているように、ＰＰＬＮ結晶等で構成された非
線形光学結晶素子１１６を使用することにより、ラマン
シフト光Ｐ１３の波長を調整し、常に一定帯域の波長の
和周波光を観測することにより、被測定信号光Ｐ８の波
長が変化しても、煩わしいＢＰＦ・１１７の調整を行う
必要が無く、容易に、あらゆる波長で入力される超高速
な被測定信号光Ｐ８の波形を高精度，高感度，高時間分
解能，超高速に観測することができ、テラビットクラス
（領域）の被測定信号光Ｐ８の光パルス波形も充分観測
可能となる。また、本発明の第１の実施形態による光サ
ンプリング波形観測装置は、第二高調波光の波長と離れ
た帯域にある波長に和周波光の波長が発生するように、
入力光パルスＰ５の光強度を制御し、サンプリングパル
ス光Ｐ４の波長を調整することにより、第二高調波光の
成分の和周波光への重畳を防止することができるため、
容易に、あらゆる波長で入力される超高速な被測定信号
光Ｐ８の波形を高精度，高感度，高時間分解能，超高速
に観測することができ、テラビットクラス（領域）の被
測定信号光Ｐ８の光パルス波形も充分観測可能となる。

【００４４】以上、本発明の一実施形態を図面を参照し
て詳述してきたが、具体的な構成はこの第１の実施形態
に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範
囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。本願発明
の第２の実施形態による光サンプリング波形観測装置を
図５を参照して説明する。図５は、第２の実施形態によ
る光サンプリング波形観測装置の構成例を示すブロック
図である。図５の第２の実施形態において、図１に示す
第１の実施形態と同様な構成要素には、第１の実施形態
と同一の符号を付して、説明を省略する。

【００４５】第２の実施形態の光サンプリング波形観測
装置は、第１の実施形態に対し、ラマンシフト用光ファ
イバ２０１への入力パワーの制御を行う、入力パワー制
御用光可変減衰器２０３を、光増幅器２０２とラマンシ
フト用光ファイバ２０１との間に介挿（配置）して点で
ある。これにより、入力パワー制御用光可変減衰器２０
３は、ラマンシフト用光ファイバへ入力される入力光パ
ルスＰ５の入力パワーを、任意の光強度に制御すること
ができる。そして、ラマンシフト用光ファイバ２０１
は、入力される入力光パルスＰ５の光強度により、発生
するラマンシフト光Ｐ１３の波長を、任意に制御する。

【００４６】これにより、本願発明の光サンプリング波
形観測装置は、上記入力パワー制御用可変減衰器２０３
により、ラマンシフト用光ファイバ２０１に入力される
入力光パルスＰ５の光強度を任意に変更することで、ラ
マンシフト光Ｐ１３の波長、すなわちサンプリングパル
ス光Ｐ４の波長を任意に変え、和周波光の波長を一定と
して出力させるため、入力されるさまざまな波長の被測
定信号光Ｐ８の波形観測を、ＢＰＦ・１１７の通過させ
る波長の帯域を変更することなく、一定の波長帯域に設
定されたＢＰＦ・１１７により容易に行うことができ
る。また、第２の実施形態の光サンプリング波形観測装
置は、第１の実施形態の光サンプリング波形観測装置と
同様な効果を有する。

【００４７】本願発明の第３の実施形態による光サンプ
リング波形観測装置を図６を参照して説明する。図６
は、第３の実施形態による光サンプリング波形観測装置
の構成例を示すブロック図である。図６の第３の実施形
態において、図１に示す第１の実施形態と同様な構成要
素には、第１及び第２の実施形態と同一の符号を付し
て、説明を省略する。第３の実施形態による光サンプリ
ング波形観測装置は、第２の実施形態の光サンプリング
波形観測装置に対し、ラマンシフト用光ファイバ２０１
の発生したラマンシフト光Ｐ１３の波長を監視する光波
長監視装置２０４が設けられている。これにより、光波
長監視装置２０４は、入射される入力光パルスＰ５の光
強度に応じた波長により、ラマンシフト用光ファイバ２
０１が発生したラマンシフト光Ｐ１３の波長を測定し、
その測定結果を入力パワー制御用光可変減衰器２０３に
フィードバックすることにより、必要な任意の波長にラ
マンシフト光Ｐ１３の波長を高い精度に制御することが
できる。

【００４８】したがって、本願発明の光サンプリング波
形観測装置は、上記光波長監視装置２０４の測定結果に
基づいて、入力パワー制御用光可変減衰器２０３を制御
し、必要な波長のサンプリングパルス光Ｐ４が得られる
ように、ラマンシフト用光ファイバ２０１へ入射される
入射光パルスＰ５の光強度を調整し、ラマンシフト光Ｐ
１３をラマンシフト用光ファイバ２０１によって発生さ
せるため、測定に必要なサンプリングパルス光Ｐ４を正
確に生成することができ、これによって波長領域におい
て被測定信号光Ｐ８の光波形を正確に観測することがで
きる。また、第３の実施形態の光サンプリング波形観測
装置は、第１及び第２の実施形態の光サンプリング波形
観測装置と同様な効果を有する。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光サンプ
リング波形観測装置は、非線形光学効果を用いてサンプ
リングパルス光で光サンプリングを行う際、ＰＰＬＮ結
晶で構成された非線形光学結晶素子（非線形光学結晶素
子・１１６）において、和周波光と第二高調波光との波
長が近接した波長帯域でなく、離れた波長帯域となるサ
ンプリングパルス光を、ラマンシフト光から生成して用
いるため、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ・１１７）によ
り和周波光の成分を抽出することが容易に行え、また、
和周波光が常に一定の波長帯域で生成されるようにする
ことで、バンドパスフィルタを被測定信号光の波長が変
化する毎に調整する必要が無いため、バンドパスフィル
タの通過する周波数帯域調整するような、煩わしい通過
周波数の帯域調整の操作を行うことなく、容易に、高安
定に超高速な被測定信号光の光波形を観測することが可
能となる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の光サンプリング光
波形観測装置の構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の光サンプリング光波形観測の概念を
示す概念図である。

【図３】サンプリングパルス光Ｐ４と被測定信号光Ｐ
８とに基づき、非線形光学結晶素子１１６で発生する和
周波光及び第二高調波光の波長の関連を示す概念図であ
る。

【図４】サンプリングパルス光Ｐ４と被測定信号光Ｐ
８とに基づき、非線形光学結晶素子１１６で発生する和
周波光及び第二高調波光の波長の関連を示す概念図であ
る。。

【図５】本発明の第２の実施形態の光サンプリング光
波形観測装置の構成を示すブロック図である。

【図６】本発明の第３の実施形態の光サンプリング光
波形観測装置の構成を示すブロック図である。

【図７】従来例による光サンプリング光波形観測装置
の構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

１パルス光源１０９，１１４偏光方向制御器１１０ＭＬＦＲＬ１１１パターンジェネレータ１１２光強度変調器１１３，２０２光増幅器１１５合波器１１６非線形光学結晶素子（ＰＰＬＮ）１１９Ａ／Ｄ変換器１２０コンピュータ２００基本波除去用ＢＰＦ２０１ラマンシフト用光ファイバ２０３入力パワー制御用光可変減衰器２０４光波長監視装置ＳＧ１，ＳＧ２電気信号発生器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉田睦愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地アイシン精機株式会社内Ｆターム(参考） 2G065 AA12 AB02 AB09 AB16 BA09 BB02 BB27 BB39 BC28 BC35 DA05 2K002 AA04 AB12 BA02 CA03 DA06 DA10 FA27 HA20 HA24

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被測定信号光よりパルス幅の狭い光パル
スによって非線形光学効果を用いて、この被測定信号光
をサンプリングすることで光波形を観測する光サンプリ
ング波形観測装置において、サンプリングパルス光として、被測定信号光よりパルス
幅の狭い光パルスから生成したラマンシフト光を用いる
ことを特徴とする光サンプリング波形観測装置。
【請求項２】請求項１記載の光サンプリング波形観測
装置において、非線形光学効果として第一種位相整合条件を用いた和周
波光発生効果を利用することを特徴とする光サンプリン
グ波形観測装置。
【請求項３】請求項１記載の光サンプリング波形観測
装置において、非線形光学効果として第一種位相整合条件を用いた差周
波光発生効果を利用することを特徴とする光サンプリン
グ波形観測装置。
【請求項４】請求項１から請求項３のいずれかに記載
の光サンプリング波形観測装置において、非線形光学効果を行う非線形光学素子として、周期分極
反転を用いた非線形光学結晶を具備することを特徴とす
る光サンプリング波形観測装置。
【請求項５】請求項１から請求項４のいずれかに記載
の光サンプリング波形観測装置において、発生するラマンシフト光の波長を調整する手段として光
可変減衰器を具備することを特徴とする光サンプリング
波形観測装置。
【請求項６】請求項１から請求項５のいずれかに記載
の光サンプリング波形観測装置において、ラマンシフト光の波長を監視して制御を行うため、ラマ
ンシフト光波長監視機能を具備することを特徴とする光
サンプリング波形観測装置。