JP2003294539A - 光サンプリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被測定光の偏波方向の影響を受けず、最大感
度でサンプリングすることができるようにする。 【解決手段】 入力端子２０ａと偏波合成器２２の間に
は、入力端子２０ａから入射された被測定光Ｘの偏波方
向を、偏波合成器２２が合成する一方の偏波方向あるい
はそれに直交する方向にするために任意の角度回転させ
て偏波合成器２２に入射する第１の偏波制御素子３１が
設けられ、光パルス発生器２１と偏波合成器２２の間に
は、光パルス発生器２１から出射された光パルスＰの偏
波方向を、第１の偏波制御素子３１で設定された偏波方
向と直交するように任意の角度回転させて偏波合成器２
２に入射する第２の偏波制御素子３２が設けられてい
る。制御部４０は、光電変換器２４から出力される電気
信号Ｅｓを受けて、その平均値が最大となるように第
１、第２の偏波制御素子３１、３２を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定光と光パル
スを偏波合成器に入射してサンプリングを行なう光サン
プリング装置において、被測定光の偏波方向の影響をな
くし、最大感度でサンプリングするための技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば、高速な繰り返し信号で強度変調
された光信号の波形を観測するための装置として、図１
０に示す光サンプリング装置１０を備えた波形観測シス
テムがある。

【０００３】この光サンプリング装置１０の光パルス発
生器１１は、入力端子１０ａから図１１の（ａ）のよう
に入射される被測定光Ｘの強度を変調している信号Ｍｘ
の周期Ｔｘの整数ｎ倍（図で理解し易いようにｎ＝１の
例を示している）より僅かに長い周期Ｔ（＝ｎ・Ｔｘ＋
ΔＴ）の光パルスＰを図１１の（ｂ）のように出射す
る。

【０００４】偏波合成器１２は、光パルス発生器１１か
ら出射された光パルスＰと入力端子１０ａから入射され
た被測定光Ｘとを受け、両光の偏波成分のうち、互いに
偏波方向が直交する成分同士を合成し、その合成光を非
線形光学結晶１３に入射する。

【０００５】非線形光学結晶１３は、特定の偏波方向の
光と、その特定方向に対して直交する偏波方向の光とが
入射されると、両光の強度の積に比例した強度を有し、
両光の周波数の和に等しい周波数を有する光を出射する
特性を有しており、偏波合成器１２が合成する一方の偏
波方向と特定方向とが一致するように配置されている。

【０００６】したがって、この非線形光学結晶１３は、
偏波合成器１２から特定あるいはそれに直交する偏波方
向の光パルスＰが入射される毎に、その光パルスＰと被
測定光Ｘの強度の積に比例した強度を有し、両光の周波
数の和に等しい周波数を有する光パルスＰｓを図１１の
（ｃ）のように生成して、光電変換器１４に出射する。

【０００７】光電変換器１４は、非線形光学結晶１３か
ら出射された光パルスＰｓを電気信号Ｅｓに変換して出
力して、波形表示手段１７に出力する。

【０００８】波形表示手段１７は、光電変換器１４から
出力される電気信号Ｅｓのピーク値を求め、図１１の
（ｃ）に示しているようにそのピーク値をつなぐような
波形Ｍｘ′を、被測定光Ｘの波形として表示する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように、被測定光Ｘと光パルスＰのうち、互いに偏波方
向が直交する成分同士を偏波合成器１２によって合成し
て非線形光学結晶１３に入射する構成の光サンプリング
装置１０では、偏波合成器１２に入射される被測定光Ｘ
のうち、光パルスＰの偏波方向に直交する成分が少ない
と、非線形光学結晶１３から出射される光パルスＰｓの
強度も小さくなってしまい、感度が低下するという問題
がある。しかも、この被測定光Ｘの偏波方向は時間とと
もに変動する場合があり、ある時刻のサンプリング結果
と別の時刻のサンプリング結果とが一致しないという問
題が生じる。

【００１０】本発明は、この課題を解決して、被測定光
の偏波方向の影響を受けず、最大感度でサンプリングす
ることができる光サンプリング装置を提供することを目
的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の請求項１の光サンプリング装置は、被測定
光を入射するための入力端子（２０ａ）と、光パルスを
所定周期で出射する光パルス発生器（２１）と、前記入
力端子から入力された被測定光と前記光パルス発生器か
ら出射された光パルスとを受け、両光の偏波成分のうち
偏波方向が直交する成分同士を合成して出射する偏波合
成器（２２）と、前記偏波合成器から互いに偏波方向が
直交するように合成された光を受ける毎に該両光の強度
の積に比例する強度を有する光パルスを出射する非線形
光学結晶（２３）と、前記非線形光学結晶から出射され
た光パルスを受光して、電気信号に変換する光電変換器
（２４）とを有する光サンプリング装置において、前記
入力端子と前記偏波合成器との間に挿入され、前記入力
端子から入射される被測定光の偏波方向を制御して前記
偏波合成器に出射する偏波制御素子（３１）と、前記入
力端子に被測定光が入射されているときに、前記光電変
換器から出力される電気信号を受けて、該電気信号の平
均値が最大となるように前記偏波制御素子を調整する制
御手段（４０）とを設けたことを特徴としている。

【００１２】また、本発明の請求項２の光サンプリング
装置は、前記光パルス発生器と前記偏波合成器の間に挿
入され、前記光パルス発生器から出射された光パルスの
偏波方向を回転させて前記偏波合成器に出射する偏波制
御素子（３２）を有し、前記制御手段は、前記入力端子
に被測定光が入射されているときに、前記光電変換器か
ら出力される電気信号を受けて、該電気信号の平均値が
最大となるように前記入力端子と前記偏波合成器との間
および前記光パルス発生器と前記偏波合成器の間の偏波
制御素子を調整することを特徴としている。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面に基づいて本発明の実
施の形態を説明する。図１は、本発明を適用した実施形
態の光サンプリング装置２０の構成を示している。

【００１４】図１に示しているように、この光サンプリ
ング装置２０は、入力端子２０ａから入射される被測定
光Ｘと、光パルス発生器２１から被測定光Ｘの変調周期
ＴｘよりΔＴだけ長い周期Ｔで出射された光パルスＰと
を偏波合成器２２に入射して、両光の偏波成分のうち偏
波方向が互いに直交する成分同士を合成し、その合成光
を非線形光学結晶２３に入射する。

【００１５】なお、光パルス発生器２１は、光源から出
射された連続光を光変調器で変調して得られた所定周期
Ｔの光パルスを分散減少ファイバに入射し、この分散減
少ファイバによってさらに幅の狭い光パルスを生成して
出射する。

【００１６】非線形光学結晶２３は、前記したように、
特定（例えば垂直あるいは水平）の偏波方向の光と、そ
の特定方向に対して直交（例えば水平あるいは垂直）す
る偏波方向の光とが入射されると、両光の強度の積に比
例した強度を有し、両光の周波数の和に等しい周波数を
有する光を出射する特性を有し、偏波合成器２２が合成
する一方の偏波方向と特定方向とが一致するように配置
され、光パルスＰが入射される毎に、その光パルスＰと
被測定光Ｘの強度の積に比例した強度を有し、両光の周
波数の和に等しい周波数を有する光パルスＰｓを出射す
る。

【００１７】非線形光学結晶２３から出射された光パル
スＰｓは、光電変換部２４に入射されて電気信号Ｅｓに
変換される。

【００１８】光電変換器２４は、アバランシェフォトダ
イオード（以下ＡＰＤと記す）２４ａと、ＡＰＤ２４ａ
に接続された負荷回路２４ｂと、ＡＰＤ２４ａに逆バイ
アス電圧Ｖｒを印加して、ＡＰＤ２４ａに増倍率Ｍを与
える電源２４ｃとを有し、入射光に対してＡＰＤ２４ａ
が出力する電流を負荷回路２４ｂに与えてその電流に比
例した電圧の信号Ｅｓを出力する。なお、ＡＰＤ２５ａ
の増倍率Ｍは逆バイアス電圧Ｖｒが大きいほど増加する
が、それにつれて素子雑音も増加するので、一般的にＳ
／Ｎが最もよくなる値（最適増倍率Ｍｏ）に設定されて
いる。

【００１９】上記構成は、前記した従来の光サンプリン
グ装置１０と同様であるが、この光サンプリング装置２
０の入力端子２０ａと偏波合成器２２の間には、入力端
子２０ａから入射された被測定光Ｘの偏波方向を前記特
定方向あるいはそれに直交する方向（例えば垂直あるい
は水平）にするために任意の角度回転させて偏波合成器
２２に入射する第１の偏波制御素子３１が設けられてい
る。

【００２０】また、光パルス発生器２１と偏波合成器２
２の間には、光パルス発生器２１から出射された光パル
スＰの偏波方向を、第１の偏波制御素子３１で設定され
た偏波方向（例えば特定方向あるいはそれに直交する方
向）と直交する（例えば垂直あるいは水平）ように任意
の角度回転させて偏波合成器２２に入射する第２の偏波
制御素子３２が設けられている。

【００２１】第１の偏波制御素子３１および第２の偏波
制御素子３２は、例えばλ／２板や、光ファイバとその
光ファイバに応力を加えて偏波方向を回転させるピエゾ
素子等で構成され、その偏波方向の角度が制御部４０に
よって制御される。

【００２２】制御部４０は、例えば図示しない操作部や
他の装置から偏波方向の調整を指示する指示信号Ｈを受
けると、第１の偏波制御素子３１および第２の偏波制御
素子３２による偏波方向の調整処理を、図２、図３に示
すフローチャートにしたがって行なう。

【００２３】即ち、図２に示しているように、指示信号
Ｈが入射されると、制御部４０は、光電変換器２４から
出力される電気信号Ｅｓの所定時間Ｔａの平均値Ａｐを
求める（Ｓ１、Ｓ２）。

【００２４】なお、この所定時間Ｔａは、光パルスＰに
よるサンプリングが被測定光Ｘの波形１周期分に相当す
る回数（Ｔｘ／ΔＴ）行なわれるのに必要な時間（Ｔ・
Ｔｘ／ΔＴ）あるいはその整数倍である。

【００２５】また、この電気信号Ｅｓの平均値Ａｐは、
所定時間Ｔａの間でサンプリング毎に出力されるパルス
状の信号のピーク値の平均値であってもよく、また、パ
ルス状の信号が無い期間を含めた所定時間Ｔａ全体の平
均値であってもよい。

【００２６】そして、第１の偏波制御素子３１を制御し
て被測定光Ｘの偏波方向を微小な角度αだけ所定方向に
変化させて、再び所定時間Ｔａの電気信号Ｅｓの平均値
Ａｑを求め、前の平均値Ａｐと比較する（Ｓ３〜Ｓ
５）。

【００２７】そして、新たに求めた平均値Ａｑが前の平
均値Ａｐより大きい場合には、平均値ＡｑをＡｐに置き
換えて、第１の偏波制御素子３１を制御して被測定光Ｘ
の偏波方向を角度αだけ所定方向に回転させて、所定時
間Ｔａの電気信号Ｅｓの平均値Ａｑを求め、前の平均値
Ａｐと比較するという処理を繰り返し、新たに求めた平
均値Ａｑが前の平均値Ａｐと等しくなるか小さくなった
ときに、この第１の偏波制御素子３１が、偏波合成器２
２から被測定光Ｘの成分が最も大きく出射される状態に
設定されたものとする（Ｓ６〜Ｓ９）。

【００２８】また、処理Ｓ５で、新たに求めた平均値Ａ
ｑが前の平均値Ａｐより小さいか等しいと判定された場
合には、平均値ＡｑをＡｐに置き換えて、第１の偏波制
御素子３１を制御して被測定光Ｘの偏波方向を角度αだ
け所定方向と反対方向に変化させて、所定時間Ｔａの電
気信号Ｅｓの平均値Ａｑを求め、前の平均値Ａｐと比較
するという処理を繰り返し、新たに求めた平均値Ａｑが
前の平均値Ａｐと等しくなるか小さくなったときに、こ
の第１の偏波制御素子３１が、偏波合成器２２から被測
定光Ｘの成分が最も大きく出射される状態に設定された
ものとする（Ｓ１０〜Ｓ１３）。

【００２９】次に、図３に示しているように、第２の偏
波制御素子３２による光パルスＰの偏波方向の調整を、
被測定光Ｘの場合と全く同様に行い、所定期間Ｔａにお
ける出力信号Ｅｓの平均値が最大となるように調整する
（Ｓ１４〜Ｓ２５）。

【００３０】この調整処理により、偏波合成器２２に入
射される被測定光Ｘと光パルスＰの偏波方向は、特定方
向とそれに直交する方向に正確に合わされ、偏波合成器
２２でほとんど損失することなく合成されて、非線形光
学結晶２３に入射されることになり、被測定光Ｘをその
偏波方向の影響を受けずに最大感度でサンプリングする
ことができる。

【００３１】なお、ここでは、光パルスＰの偏波方向を
調整していたが、光パルス発生器２１は装置内部にある
ため、光パルス発生器２１から出射される光パルスＰの
偏波方向は変動することが少ないので、第２の偏波制御
素子３２による偏波方向の調整を頻繁に行なう必要はな
い。

【００３２】したがって、第２の偏波制御素子３２を手
動式にして、第１の偏波制御素子３１のみを制御部４０
で調整してもよい。

【００３３】また、この光サンプリング装置２０のよう
に入力端子２０ａと偏波合成器２２の間に第１の偏波制
御素子３１を設けた場合、被測定光Ｘの成分を偏波合成
器２２から出射させずに、光パルスＰの成分だけを偏波
合成器２２から出射することができ、この強度が安定し
ている光パルス成分を利用して、光電変換器２４の感度
校正（増倍率設定）を行なうことができる。

【００３４】ただし、このような感度校正を行なう場合
には、図４に示す光サンプリング装置２０′のように、
偏波合成器２２から出射された光パルスＰの偏波方向を
特定方向に対して例えば４５°傾ける偏波回転素子（例
えばλ／２板）４５と、この偏波回転素子４５を偏波合
成器２２と非線形光学素子２３との間に進入、退出させ
る移動装置４６を設け、移動装置４６を制御部４０によ
って制御する。

【００３５】次に、この光サンプリング装置２０′の制
御部４０の感度校正処理を図５のフローチャートに基づ
いて説明する。なお、この感度校正処理は、前記した偏
波方向の調整の前に行なっても後に行なってもよいが、
ここでは、予め偏波方向の調整が終了していて、そのと
きの第１の偏波制御素子３１と第２の偏波制御素子３２
の最適な偏波方向の角度が記憶されているものとする。

【００３６】上記の状態から、制御部４０は、第１の偏
波制御素子３１を可変して、光電変換器２４の出力信号
Ｅｓの平均値が最小（理想的には０）となるように調整
する（Ｓ３１、Ｓ３２）。

【００３７】この状態は、被測定光Ｘの偏波方向が図６
のように、光パルスＰの偏波方向（特定方向）と平行な
状態で偏波合成器２２に入射されて、この光パルスＰと
合成される成分が生じない状態であり、光パルスＰの成
分だけが非線形光学結晶２３側へ出射される。

【００３８】そして、この状態から制御部４０は、偏波
回転素子４５を偏波合成器２２と非線形光学結晶２３の
間に進入させる（Ｓ３３）。

【００３９】このとき偏波回転素子４５には、図７のよ
うに偏波方向が特定方向（上下方向）となる光パルスＰ
だけが入射されるが、その偏波方向は偏波回転素子４５
によって図８のように４５°傾けられるため、偏波方向
がそれぞれ特定方向とそれに直交する方向で強度が等し
い２つの光パルス成分Ｐｘ、Ｐｙが生じ、この光パルス
成分Ｐｘ、Ｐｙが非線形光学結晶２３に入射されること
になる。

【００４０】したがって、光電変換器２４には、光パル
スＰの強度の２乗に比例した強度の光パルスＰｓが入射
され、その光パルスＰｓの強度に対応するピーク値のパ
ルス状の信号Ｅｓが出力されることになる。

【００４１】制御部４０は、この電気信号Ｅｓを受けて
そのピーク値を検出し、検出したピーク値が、光パルス
Ｐの強度に対して予め設定されている適正電圧範囲内に
あるか否かを判定する（Ｓ３４）。

【００４２】ピーク値が適正電圧範囲内にあるときに
は、光電変換器２４の感度が正常であると判断し、偏波
回転素子４５を偏波合成器２２と非線形光学結晶２３の
間から退出させ、第１の偏波制御素子３２を前記調整で
得られた状態に戻して、被測定光Ｘを前記調整された偏
波方向で入射させる（Ｓ３６、Ｓ３７）。

【００４３】また、ピーク値が適正電圧範囲外でその近
傍にあるときには、光電変換器２４のＡＰＤ２４ａの増
倍率Ｍの変動と判断し、電源２４ｃを制御し逆バイアス
電圧Ｖｒを調整して、ピーク値が適正電圧範囲内に入る
ようにして、ＡＰＤ２４ａの増倍率Ｍを所定値に設定す
る（Ｓ３５）。

【００４４】なお、上記した逆バイアス電圧の調整処理
Ｓ３４、Ｓ３５の代わりに、図９の処理Ｓ３８〜Ｓ４０
のように、始めに逆バイアス電圧Ｖｒを０ボルトにして
ＡＰＤ２４ａの増倍率Ｍを１に設定し、このときの出力
信号Ｅｓのピーク値を基準値Ａとして記憶してから、出
力信号のピーク値が基準値Ａの例えば前記最適増倍率Ｍ
ｏ倍になるように逆バイアス電圧を調整すれば、光パル
ス発生器２１から出射される光パルスＰの強度に変動が
ある場合や、温度変化によってＡＰＤ２４ａの増倍率が
変動する場合でも、所望の増倍率をＡＰＤ２４ａに与え
ることができる。

【００４５】なお、この光サンプリング装置２０′で
は、偏波回転素子４５の偏波回転角が４５°に固定され
ていたが、直交する２つの光のパワーの比が同一でなく
てもよい場合、この角度は原理的に９０°の整数倍以外
であればよく、また、第１、第２の偏波制御素子３１、
３２のように偏波回転角を任意に可変できる素子を用い
てもよい。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光サンプ
リング装置では、入力端子と偏波合成器との間に挿入さ
れ、入力端子から入射される被測定光の偏波方向を回転
させて偏波合成器に出射する偏波制御素子と、入力端子
に被測定光が入射されているときに、光電変換器から出
力される電気信号を受けて、その電気信号の平均値が最
大となるように偏波制御素子を調整する制御手段とを設
けている。

【００４７】このため、被測定光をその偏波方向の影響
を受けずに最大感度でサンプリングすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の構成を示す図

【図２】実施形態の要部の処理手順を示すフローチャー
ト

【図３】実施形態の要部の処理手順を示すフローチャー
ト

【図４】他の実施形態の構成を示す図

【図５】他の実施形態の要部の処理手順を示すフローチ
ャート図

【図６】実施形態の動作を説明するための図

【図７】実施形態の動作を説明するための図

【図８】実施形態の動作を説明するための図

【図９】実施形態の要部の他の処理手順を示すフローチ
ャート図

【図１０】従来装置の構成を示す図

【図１１】従来装置の動作を説明するためのタイミング
図

【符号の説明】

２０、２０′……光サンプリング装置、２１……光パル
ス発生器、２２……偏波合成器、２３……非線形光学結
晶、２４……光電変換器、２４ａ……アバランシェフォ
トダイオード、２４ｂ……負荷回路、２４ｃ……電源、
３１……第１の偏波制御素子、３２……第２の偏波制御
素子、４０……制御部、４５……偏波回転素子、４６…
…移動装置

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定光を入射するための入力端子（２０
   ａ）と、 光パルスを所定周期で出射する光パルス発生器（２１）
   と、 前記入力端子から入力された被測定光と前記光パルス発
   生器から出射された光パルスとを受け、両光の偏波成分
   のうち偏波方向が直交する成分同士を合成して出射する
   偏波合成器（２２）と、 前記偏波合成器から互いに偏波方向が直交するように合
   成された光を受ける毎に該両光の強度の積に比例する強
   度を有する光パルスを出射する非線形光学結晶（２３）
   と、 前記非線形光学結晶から出射された光パルスを受光し
   て、電気信号に変換する光電変換器（２４）とを有する
   光サンプリング装置において、 前記入力端子と前記偏波合成器との間に挿入され、前記
   入力端子から入射される被測定光の偏波方向を制御して
   前記偏波合成器に出射する偏波制御素子（３１）と、 前記入力端子に被測定光が入射されているときに、前記
   光電変換器から出力される電気信号を受けて、該電気信
   号の平均値が最大となるように前記偏波制御素子を調整
   する制御手段（４０）とを設けたことを特徴とする光サ
   ンプリング装置。
2. 【請求項２】前記光パルス発生器と前記偏波合成器の間
   に挿入され、前記光パルス発生器から出射された光パル
   スの偏波方向を制御して前記偏波合成器に出射する偏波
   制御素子（３２）を有し、 前記制御手段は、前記入力端子に被測定光が入射されて
   いるときに、前記光電変換器から出力される電気信号を
   受けて、該電気信号の平均値が最大となるように前記入
   力端子と前記偏波合成器との間および前記光パルス発生
   器と前記偏波合成器の間の偏波制御素子を調整すること
   を特徴とする請求項１記載の光サンプリング装置。