JP2005191829A - 光パルスタイミング検出装置、光パルスタイミング検出方法、光パルスタイミング調整装置、光パルスタイミング調整方法、光パルス処理装置、及び光パルス処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】時間分解能を犠牲にすることなく、ダイナミックレンジを拡大して光パルスのタイミング揺らぎを検出する装置を提供する。
【解決手段】制御光パルス２Ａの照射時に照射部分にのみオン状態の領域が形成される光スイッチ５０と制御光パルス２Ａを出射する光源との間であって、制御光パルス２Ａの進行経路途中に、分割・遅延素子６０を配置する。入射する信号光パルス１Ａ〜１Ｈを光スイッチ５０に照射し、光スイッチ５０のオン状態の領域で透過された出力光パルス３Ａｕ〜３Ｈｎを、複数の画素が２次元状に配列された光検出器７０の透過領域に対応する画素で検出する。タイミング演算部１００は、光検出器７０の検出結果に基づいて、検出された信号光パルスが光スイッチ５０に到達したタイミングを演算する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光パルスタイミング検出装置、光パルスタイミング検出方法、光パルスタイミング調整装置、光パルスタイミング調整方法、光パルス処理装置、及び光パルス処理方法にかかり、特に、光パルスまたはパルス列のタイミングゆらぎをフェムト秒オーダーの時間分解能で検出する光パルスタイミング検出装置及び光パルスタイミング検出方法と、その検出結果に基づいて光パルスまたはパルス列のタイミングを調整する光パルスタイミング調整装置及び光パルスタイミング調整方法と、光パルスのタイミング揺らぎを低減させる光パルス処理装置及び光パルス処理方法と、に関する。即ち、本発明は、超高速光信号の計測技術、及び光時分割多重等の超高速光通信技術におけるジッター・スキューの計測・補償方式に関するものである。

光パルスを用いた信号処理、信号伝送、計測においては、光パルスの時間的ゆらぎが、信号対雑音比や分解能を劣化させる大きな要因となっている。従って、光パルスの時間的ゆらぎを精度高く検出し制御することが、高速の光パルス伝送を実現するために不可欠とされる。

従来、光パルスの時間的ゆらぎやズレを検出する方法としては、F. Salinらによって提案された非線形光学結晶を用いた和周波・差周波を利用する方法が一般的に知られている（例えば、非特許文献１参照）。この方法では、二つの光パルスを時間的な位置関係が一部重なるように非線形光学結晶に入射させた際に、その周波数の和（または差）に相当する和周波光が発生する。その和周波光を受信器で受信し、最も光強度が強くなった点を二つの光パルスの時間的位置が合致している点とし、その点での強度と時間的位置がずれた点での強度との差に基づいて、合致している点からの時間差、即ち、光パルスの時間的ズレを計算する。

また、非特許文献１記載の方法を応用して、和周波光を観測する和周波光受信器を備えた高速光パルスのタイミング検出回路も提案されている（例えば、特許文献１参照）。このタイミング検出回路では、和周波光受信器の受信信号の増減を信号識別回路で検出し、この検出結果を遅延制御用信号として光遅延制御回路（光路長制御器）へフィードバックすることで、最適遅延位置に光パルスタイミングを調整制御している。

なお、和周波光を発生する非線形光学結晶に代えて、二光子吸収電力を発生する受光素子を用いることもできる。

しかしながら、和（差）周波や二光子吸収電力を用いた光パルスタイミング検出方法は、計測に時間がかかりすぎ、リアルタイムの計測には不向きである。また調整が困難で、強度の弱い光パルスの場合は検出が難しく、さらにノイズも大きくなると言う問題があった。これらの問題を解決すべく、本出願人は先に特願２００２−３４００５７を出願している。この方法を、図２７を参照しながら以下に説明する。

図２７に示すように、光ファイバなどの光導波路１０を伝送してきた信号光１’が、光学系２０で拡大されて信号光パルス１Ａ〜１Ｆの列からなる信号光１となり、光スイッチ３０に入射する。光スイッチ３０は、互いに独立した光シャッター部として機能する複数の領域Ｗｐ〜Ｗｕを備えている。

このとき、信号光１に同期させて、制御光２を、その進行方向を光スイッチ３０の長さ方向に対して傾けて、所定幅Ｗに渡って光スイッチ３０に入射させる。これにより、光スイッチ３０がＷｕからＷｐまで順にオン状態になる。信号光１は光スイッチ３０がオン状態になった領域でのみ透過できるため、順に信号光１から出力光パルス３Ａｕ〜３Ｆｐ（出力光３）が切り出される。

この出力光３が光検出器４０で検出される。光検出器４０は、光スイッチ３０の領域Ｗｕ〜Ｗｐにそれぞれ対応する複数の画素を有している。該画素で光を検出すると、対応する光スイッチ３０の領域がオン状態になった時刻が求められ、それによりタイミング演算部１００が信号光パルス１Ａ〜１Ｆの光スイッチ３０への到達タイミングを検出する。このような装置及び方法によれば、タイミングを求めるのに複雑な演算を行わないため、リアルタイムでの計測が可能になる。

図２８は、この装置及び方法を３次元的に表したものである。なお、図２７では、制御光２を信号光１の出射側から光スイッチ３０に入射させているが、図２８では、制御光２を信号光１の入射側から光スイッチ５０に入射させている。信号光パルスの進行方向と光スイッチが垂直である場合、制御光２は、光スイッチ３０に対して斜め方向から照射されていれば特に限定されず、入射方向は、信号光１の入射側及び出射側のいずれでもよい。

制御光２が光スイッチ３０に対して斜め方向から照射されることにより、あたかもスリット部ＳＬ（光スイッチ３０のオン状態となる領域）が光スイッチ３０の長さ方向に移動するように、光スイッチ３０の複数の領域Ｗｐ〜Ｗｕが順次制御光２と交差して透過状態となる。これにより透過した出力光は、光検出器４０で検出される。このとき、検出した光検出器４０の画素は、出力光が透過した光スイッチ３０の領域に対応している。

この特願２００２−３４００５７で提案された装置及び方法では、光スイッチ３０と光検出器４０との間に拡大光学系または縮小光学系を配置することにより、時間分解能とダイナミックレンジを調整することができる。
F.Salin, P.Georges, G.Roger, and A.Brun, "Single-shot measurement of a 52-fs pulse" Applied Optics Vol.26 No.21 (1987) 特開２００１−５３６８４号公報（図４、段落００６３〜段落００６４）

特願２００２−３４００５７で提案された装置及び方法により、例えば、到達タイミングを２倍の精度で求める（すなわち、時間分解能を２倍向上させる）ためには、２倍の拡大光学系を配置し、出力光を２倍に拡大すればよい。出力光が２倍に拡大されることで、１画素が相当する時間は半分になり、拡大光学系を用いない場合と比べて時間分解能は２倍良くなるが、拡大されて光検出器（検出領域）の外側に出射された出力光は検出できないため、測定できる出力光は時間的にも空間的にも２分の１になってしまう（以下、このことを「ダイナミックレンジが２分の１になる」という）。また、逆に、ダイナミックレンジを２倍にするためには、１／２倍の縮小光学系を配置して、出力光を１／２倍に縮小すればよいが、時間分解能は２分の１の精度になってしまう。

すなわち、光スイッチ３０と光検出器７０の間に結像倍率がｎ倍の光学系を配置した場合には、光検出器の時間分解能はｎ倍良くなるが、ダイナミックレンジは１／ｎ倍になる。逆に、結像倍率が１／ｎ倍の光学系を配置した場合には、光検出器のダイナミックレンジはｎ倍良くなるが、時間分解能は１／ｎ倍悪くなる。

このため、時間分解能を変化させずにダイナミックレンジを拡大することができる装置の開発が望まれていた。

本発明は上記の問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、時間分解能を犠牲にすることなく、ダイナミックレンジを拡大して光パルスのタイミング揺らぎを検出することができる光パルスタイミング検出装置及び光パルスタイミング検出方法と、時間分解能を犠牲にすることなく、ダイナミックレンジを拡大して検出された光パルスのタイミング揺らぎを調整する光パルスタイミング調整装置及び光パルスタイミング調整方法と、光パルスのタイミング揺らぎを低減する光パルス処理装置及び光パルス処理方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の光パルスタイミング検出装置は、制御光パルスの照射部分に、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が形成される光スイッチと、複数の制御光パルスを前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する制御光照射手段と、前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを検出する複数の画素を備えた光検出器と、前記光検出器の検出結果に基づいて前記信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、該画素の位置情報と該画素に対応する前記光スイッチの領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、該検出された信号光パルスが該光スイッチに到達したタイミングを演算するタイミング演算手段と、を含んで構成されている。

本発明の第１の光パルスタイミング検出装置では、制御光パルスの照射部分にオン状態の領域が形成される光スイッチを用いる。該オン状態の領域は、入射する信号光パルスを透過又は反射させることができる。制御光照射手段は、複数の制御光パルスを光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する。

例えば、第１の制御光パルスを光スイッチの上半分の領域に照射し、第２の制御光パルスを光スイッチの下半分の領域に照射する。照射のタイミングは、例えば、第１の制御光パルスの照射終了と同時に第２の制御光パルスの照射が開始されるようにすれば、制御光パルスが光スイッチ上に存在する時間レンジが２倍になり、これによりダイナミックレンジを２倍に拡大することができる。また、検出途中に検出不要な信号光パルスが存在する場合には、不要な信号光パルスが照射されている間だけ第２の制御光パルスの照射開始タイミングを遅延させればよい。これにより、制御光パルスの無駄な照射を削減できると共に、ダイナミックレンジもそれに応じて拡大することができる。

光検出器は、複数の画素を備え、該複数の画素で光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを検出する。光検出器に配置される複数の画素は制御光パルスの光スイッチに対する通過時間に対応して配置することができる。光検出器の各画素と光スイッチのオン状態とされる各領域とを予め対応づけておけば、信号光パルスを検出した画素の位置情報から該画素に対応する光スイッチの領域を特定することができると共に、ダイナミックレンジを拡大した状態でも、時間分解能は低下しない。

タイミング演算部は、光検出器の検出結果に基づいて所定の信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、該画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、所定の信号光パルスが光スイッチに到達したタイミングを演算する。即ち、所定の信号光パルスを検出した画素の位置情報が取得されると、この画素の位置情報から該画素に対応する時刻を特定することができる。そして、この領域がオン状態にされた時刻が分かれば、所定の信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを求めることができる。このように、タイミング演算部では複雑な演算を行わないので、リアルタイムでの計測が可能になる。

ここで、信号光パルスが光スイッチに到達するタイミングの検出精度は、光スイッチの切り替え速度に依存する。本発明では、制御光パルスの照射により光スイッチの切り替えを行っているので、フェムト秒オーダーの制御光パルスでオンオフ動作させることができる。従って、光パルスまたはパルス列のタイミングゆらぎをフェムト秒オーダーの時間分解能で検出することができる。

このように、複数の制御光パルスを光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射すると共に、該制御光パルスの照射によりオン状態となった光スイッチの領域を透過し或いは該領域で反射された信号光パルスは光検出器に備えられた複数の画素で検出されるため、時間分解能を犠牲にせずにダイナミックレンジを拡大させた状態で、光パルスまたはパルス列のタイミングゆらぎをフェムト秒オーダーの時間分解能でリアルタイムに検出することができる。

前記制御光照射手段は、入射された制御光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の制御光パルスを、前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射することができる。

即ち、１つの制御光パルスをダイナミックレンジの拡大率に応じて複数に分割するようにすれば、所望の拡大率でダイナミックレンジを拡大することができる。この場合、例えば、ハーフミラー等を用いて１つの制御光パルスを分割し、全反射ミラー等で光路長を変化させることにより、入射された制御光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の制御光パルスを、前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射するようにしてもよいが、所定の光学媒質を用いてもよい。すなわち、前記制御光照射手段は、制御光パルスの一部が入射され、入射されない制御光パルスに対して入射された制御光パルスの光路長を異ならせる所定の光学媒質により構成された光学素子、または各々光路長が異なる複数の光学媒質により構成された光学素子により構成され、入射された制御光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の制御光パルスを、前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射することができる。

例えば、制御光パルスの一部を光学素子に入射させ、残りの部分は入射されないようにすれば、制御光パルスは２分割され、光学素子に入射されない部分は先に光スイッチに到達し、光学素子に入射した部分は光路長の差により遅延されて到達することとなる。また、例えば、制御光パルスを各々光路長が異なる３つの光学媒質により構成された光学素子に入射させることにより、制御光パルスは３分割され、光路長が長くなる光学媒質に入射した部分ほど遅延されて光スイッチに到達する。また、制御光パルスの一部を各々光路長が異なる複数の光学媒質により構成された光学素子に入射させ、残りの部分は入射されないようにすることもできる。これによっても、同様の作用により、制御光パルスを分割して、各々異なるタイミングで光スイッチの異なる領域に照射させることができる。

ここで、前記光学媒質の屈折率及び前記光学媒質の制御光パルスの進行方向の厚さの少なくとも一方を変化させて前記光路長を異ならせてもよい。光学媒質は、特に限定されないが、例えばガラスなどの透明な材料を用いることができる。このような光学媒質は透過率が高く、光学媒質中で制御光パルスの光量はほとんど変化しない。このため、分割された複数の制御光パルスの光量が等しくなるように調整する必要がなく、好適である。

本発明の第２の光パルスタイミング検出装置は、制御光パルスの照射部分に、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が形成される光スイッチと、信号光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の信号光パルスを前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する信号光照射手段と、前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを検出する複数の画素を備えた光検出器と、前記光検出器の検出結果に基づいて前記信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、該画素の位置情報と該画素に対応する前記光スイッチの領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、該検出された信号光パルスが該光スイッチに到達したタイミングを演算するタイミング演算手段と、を含んで構成されている。

本発明の第２の光パルスタイミング検出装置では、信号光パルスを複数に分割し、該分割された複数の信号光パルスを前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する。この場合には、制御光パルスが光スイッチ上に存在する時間レンジは変わらないが、例えば、２分割して得られた信号光パルスの一方を遅延させて光スイッチに照射すれば、基準とする時刻（例えば、先に到達した信号光パルスの光スイッチへの到達時刻）より前に出射された信号光パルスについても検出できるようになるため、ダイナミックレンジを拡大することができる。ここで、光検出器の各画素と光スイッチのオン状態とされる各領域とを予め対応づけておけば、信号光パルスを検出した画素の位置情報から該画素に対応する光スイッチの領域を特定することができると共に、ダイナミックレンジを拡大した状態でも、時間分解能は低下しない。

このように、信号光パルスを複数に分割し、該分割された複数の信号光パルスを前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射することにより、時間分解能を犠牲にせずにダイナミックレンジを拡大させた状態で、光パルスまたはパルス列のタイミングゆらぎをフェムト秒オーダーの時間分解能でリアルタイムに検出することができる。

なお、信号光パルスを複数に分割し、該分割された複数の信号光パルスを光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する場合に、例えば、ハーフミラー等を用いて１つの信号光パルスを分割し、全反射ミラー等で光路長を変化させることにより、信号光パルスを複数に分割し、該分割された複数の信号光パルスを光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射するようにしてもよいが、所定の光学素子を用いてもよい。すなわち、前記信号光照射手段は、信号光パルスの一部が入射され、入射されない信号光パルスに対して入射された信号光パルスの光路長を異ならせる所定の光学媒質により構成された光学素子、または各々光路長が異なる複数の光学媒質により構成された光学素子により構成され、入射された信号光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の信号光パルスを、前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射することができる。

例えば、信号光パルスの一部を光学素子に入射させ、残りの部分は入射されないようにすれば、信号光パルスは２分割され、光学素子に入射されない部分は先に光スイッチに到達し、光学素子に入射した部分は光路長の差により遅延されて到達することとなる。また、例えば、信号光パルスを各々光路長が異なる３つの光学媒質により構成された光学素子に入射させることにより、信号光パルスは３分割され、光路長が長くなる光学媒質に入射した部分ほど遅延されて光スイッチに到達する。また、信号光パルスの一部を各々光路長が異なる複数の光学媒質により構成された光学素子に入射させ、残りの部分は入射されないようにすることもできる。これによっても、同様の作用により、信号光パルスを分割して、各々異なるタイミングで光スイッチの異なる領域に照射させることができる。

ここで、前記光学媒質の屈折率及び前記光学媒質の信号光パルスの進行方向の厚さの少なくとも一方を変化させて前記光路長を異ならせてもよい。光学媒質は、特に限定されないが、例えばガラスなどの透明な材料を用いることができる。

また、上記第１及び第２の光パルスタイミング検出装置において、前記光検出器に備えられた複数の画素は、２次元的に配列されていることが好ましい。もちろん、１次元的に配列されていてもよいが、制御光パルス或いは信号光パルスの分割数に応じて、光スイッチを透過或いは反射した信号光パルスの進行方向を例えばミラー等を用いて変更する必要がある。これに対して、光スイッチの各領域に対応した各画素を２次元的に配列することによって、光スイッチを透過或いは反射したときの進行方向のまま信号光パルスを検出することができるため、信号光パルスの進行方向を変える必要がなくなり、装置の構成を簡易にすることができる。

上記第１及び第２の光パルスタイミング検出装置において、光スイッチを、入射する信号光パルスの進行方向に対して垂直に配置すると共に、前記制御光パルスの進行方向に対し所定角度傾けて配置することができる。この場合、制御光パルスにより光スイッチが所定方向に走査されて、あたかもスリットが移動するようにオン状態の領域が順次形成される。

また、前記制御光パルスの進行方向に対して垂直に配置すると共に、入射する信号光パルスの進行方向に対し所定角度傾けて配置してもよい。この場合、光スイッチの照射領域全体が、制御光パルスにより所定の時間間隔でオン状態とされる。なお、制御光パルスは、前記信号光パルスの入射タイミングに同期して前記光スイッチに照射するのが好ましい。

上記第１及び第２の光パルスタイミング検出装置において、前記光検出器としては、例えば、フォトダイオードの表面抵抗を利用したスポット光の位置センサ、ＣＣＤカメラ、又はフォトディテクタアレイを用いることができる。

前記光スイッチとしては、光照射により吸収係数が変化し且つ緩和時間が短い非線形光学材料を含む機能性薄膜を備えた光スイッチを用いることができる。この光スイッチでは、前記非線形光学材料の過飽和吸収を利用してオン状態の領域を形成してもよく、前記非線形光学材料の光カー効果を利用してオン状態の領域を形成してもよい。また、前記機能性薄膜としては、色素分子膜が好ましく、スクエアリリウム色素のＪ−会合体で構成された色素分子膜が特に好ましい。

上記第１及び第２の光パルスタイミング検出装置では、光検出器の出力を元に信号処理を施す信号処理装置を更に設けることができる。例えば、ＣＣＤあるいはフォトディテクタアレイの複数画素に対して、一定の形状の信号パルスが計測されるとき、検出される出力信号の重心位置を計算することによって、信号光パルスの存在位置をサブピクセルの精度で検出することが可能になる。

また、本発明の第１の光パルスタイミング検出方法は、複数の制御光パルスを、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が制御光パルスの照射部分に形成される光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射し、前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを複数の画素を備えた光検出器で検出し、前記光検出器の検出結果に基づいて信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、前記画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、検出された信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算する、ことを特徴とする。

本発明の第１の光パルスタイミング検出方法も、本発明の第１の光パルスタイミング検出装置と同様に作用するため、時間分解能を犠牲にせずにダイナミックレンジを拡大させた状態で、光パルスまたはパルス列のタイミングゆらぎをフェムト秒オーダーの時間分解能でリアルタイムに検出することができる。

本発明の第２の光パルスタイミング検出方法は、制御光パルスを、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が制御光パルスの照射部分に形成される光スイッチに照射し、信号光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の信号光パルスを、前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射し、前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを複数の画素を備えた光検出器で検出し、前記光検出器の検出結果に基づいて信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、前記画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、検出された所定の信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算する、ことを特徴とする。

本発明の第２の光パルスタイミング検出方法も、本発明の第２の光パルスタイミング検出装置と同様に作用するため、時間分解能を犠牲にせずにダイナミックレンジを拡大させた状態で、光パルスまたはパルス列のタイミングゆらぎをフェムト秒オーダーの時間分解能でリアルタイムに検出することができる。

また、本発明の第１の光パルスタイミング調整装置は、制御光パルスの照射部分に、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が形成される光スイッチと、複数の制御光パルスを前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する制御光照射手段と、前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを検出する複数の画素を備えた光検出器と、前記光検出器の検出結果に基づいて前記信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、該画素の位置情報と該画素に対応する前記光スイッチの領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、該検出された信号光パルスが該光スイッチに到達したタイミングを演算するタイミング演算手段と、前記タイミング演算部で演算されたタイミングに基づいて、信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを調整する調整手段と、を含んで構成されている。

本発明の第１の光パルスタイミング調整装置は、調整手段により、タイミング演算部で演算されたタイミングに基づいて、信号光パルスを遅延させる等により、信号光パルスの光スイッチへの到達タイミングを調整する。この調整装置では、上述した第１の光パルスタイミング検出装置の構成を備えることで、時間分解能を変化させずにダイナミックレンジを拡大した状態で、光パルスまたはパルス列のタイミングゆらぎを検出することができるので、時間分解能の面で精度を低下させずに広いダイナミックレンジで光パルスまたはパルス列のタイミングを調整することができる。また、タイミング演算部ではリアルタイムでタイミングを演算することができるので、これに基づいてリアルタイムで到達タイミングを調整することができる。

本発明の第２の光パルスタイミング調整装置は、制御光パルスの照射部分に、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が形成される光スイッチと、信号光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の信号光パルスを前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する信号光照射手段と、前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを検出する複数の画素を備えた光検出器と、前記光検出器の検出結果に基づいて前記信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、該画素の位置情報と該画素に対応する前記光スイッチの領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、該検出された信号光パルスが該光スイッチに到達したタイミングを演算するタイミング演算手段と、前記タイミング演算部で演算されたタイミングに基づいて、信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを調整する調整手段と、を含んで構成されている。

本発明の第２の光パルスタイミング調整装置においても、第１の光パルスタイミング調整装置と同様に、調整手段により、タイミング演算部で演算されたタイミングに基づいて、信号光パルスを遅延させる等により、信号光パルスの光スイッチへの到達タイミングを調整する。この調整装置では、上述した第２の光パルスタイミング検出装置の構成を備えることで、時間分解能を変化させずにダイナミックレンジを拡大した状態で、光パルスまたはパルス列のタイミングゆらぎを検出することができるので、時間分解能の面で精度を低下させずに広いダイナミックレンジで光パルスまたはパルス列のタイミングを調整することができる。また、タイミング演算部ではリアルタイムでタイミングを演算することができるので、これに基づいてリアルタイムで到達タイミングを調整することができる。

上記第１及び第２の光パルスタイミング調整装置において、前記調整手段は、前記光スイッチまでの信号光パルスの光路長を変化させることにより信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを調整することができる。

また、前記調整手段は、タイミングの検出に用いた信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミング、またはタイミングの検出に用いた信号光パルスに後続する信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを調整することができる。

このような構成により、信号光パルスのタイミング揺らぎのフィードバック調整、またはフィードフォワード調整が可能となる。

本発明の第１の光パルスタイミング調整方法は、複数の制御光パルスを、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が制御光パルスの照射部分に形成される光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射し、前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを複数の画素を備えた光検出器で検出し、前記光検出器の検出結果に基づいて信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、前記画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、検出された信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算し、前記演算されたタイミングに基づいて、信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを調整する、ことを特徴とする。

本発明の第１の光パルスタイミング調整方法も、本発明の第１の光パルスタイミング調整装置と同様に作用するため、時間分解能を変化させずにダイナミックレンジを拡大した状態で、光パルスまたはパルス列のタイミングゆらぎを検出することができ、時間分解能の面で精度を低下させずに広いダイナミックレンジで光パルスまたはパルス列のタイミングを調整することができる。

本発明の第２の光パルスタイミング調整方法は、制御光パルスを、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が制御光パルスの照射部分に形成される光スイッチに照射し、信号光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の信号光パルスを、前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射し、前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを複数の画素を備えた光検出器で検出し、前記光検出器の検出結果に基づいて信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、前記画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、検出された信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算し、前記演算されたタイミングに基づいて、信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを調整する、ことを特徴とする。

本発明の第２の光パルスタイミング調整方法も、本発明の第２の光パルスタイミング調整装置と同様に作用するため、時間分解能を変化させずにダイナミックレンジを拡大した状態で、光パルスまたはパルス列のタイミングゆらぎを検出することができ、時間分解能の面で精度を低下させずに広いダイナミックレンジで光パルスまたはパルス列のタイミングを調整することができる。

本発明の第１の光パルス処理装置は、制御光パルスの照射部分に、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が形成される光スイッチと、複数の制御光パルスを前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する制御光照射手段と、前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを検出する複数の画素を備えた光検出器と、前記光スイッチの予め定められた範囲外のオン状態の領域を透過し又は該領域で反射される信号光パルスが前記光検出器で検出されないように該信号光パルスを遮断する遮断手段と、を含んで構成されている。

本発明の第１の光パルス処理装置では、制御光パルスの照射部分にオン状態の領域が形成される光スイッチと、複数の制御光パルスを光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する制御光照射手段と、光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを検出する光検出器と、を設けたため、第１の光パルスタイミング検出装置及び第１の光パルスタイミング調整装置と同様に、ダイナミックレンジを拡大することができる。

更に、第１の光パルス処理装置には、光スイッチの予め定められた範囲外のオン状態の領域を透過し又は該領域で反射される信号光パルスが光検出器で検出されないように該信号光パルスを遮断する遮断手段が設けられる。

例えば、信号光パルスのタイミング揺らぎの許容範囲を予め設定し、光スイッチ上に該許容範囲に対応する２次元的な範囲（位置）を予め定める。光スイッチ上の予め定められた範囲に到達した信号光パルスはタイミング揺らぎが許容範囲内であるとみなすことができる。また、予め定められた範囲外に到達した信号光パルスは、タイミング揺らぎが大きく、許容範囲を超えているとみなすことができる。従って、例えば光スイッチの受光面或いは受光面と反対側の面に、光スイッチの予め定められた範囲外のオン状態の領域を透過し又は該領域で反射される信号光パルスが光検出器で検出されないように遮断手段を設けることにより、タイミング揺らぎが許容範囲を超えた信号光パルスを遮断することができる。すなわち、光スイッチを透過或いは反射した信号光パルスは、タイミング揺らぎが低減される。

本発明の第２の光パルス処理装置は、制御光パルスの照射部分に、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が形成される光スイッチと、信号光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の信号光パルスを前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する信号光照射手段と、前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを検出する複数の画素を備えた光検出器と、前記光スイッチの予め定められた範囲外のオン状態の領域を透過し又は該領域で反射される信号光パルスが前記光検出器で検出されないように該信号光パルスを遮断する遮断手段と、を含んで構成されている。

本発明の第２の光パルス処理装置では、制御光パルスの照射部分にオン状態の領域が形成される光スイッチと、信号光パルスを複数に分割し、該分割された複数の信号光パルスを前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する信号光照射手段と、光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを検出する複数の画素を備えた光検出器と、を設けたため、第２の光パルスタイミング検出装置及び第２の光パルスタイミング調整装置と同様に、ダイナミックレンジを拡大することができる。

更に、第１の光パルス処理装置と同様に、光スイッチの予め定められた範囲外のオン状態の領域を透過し又は該領域で反射される信号光パルスが光検出器で検出されないように該信号光パルスを遮断する遮断手段が設けられることにより、例えば、タイミング揺らぎが許容範囲を超えた信号光パルスを遮断することができ、光スイッチを透過或いは反射した信号光パルスは、タイミング揺らぎが低減される。

本発明の第１の光パルス処理方法は、複数の制御光パルスを、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が制御光パルスの照射部分に形成される光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射し、信号光パルスを前記光スイッチに照射し、前記光スイッチの予め定められた範囲外のオン状態の領域を透過し又は該領域で反射される信号光パルスが複数の画素を備えた光検出器で検出されないように該信号光パルスを遮断し、前記光スイッチの予め定められた範囲内のオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを前記光検出器で検出する、ことを特徴とする。

本発明の第１の光パルス処理方法も、本発明の第２の光パルス処理装置と同様に作用するため、信号光パルスのタイミング揺らぎを低減させることができる。

本発明の第２の光パルス処理方法は、制御光パルスを、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が制御光パルスの照射部分に形成される光スイッチに照射し、信号光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の信号光パルスを、前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射し、前記光スイッチの予め定められた範囲外のオン状態の領域を透過し又は該領域で反射される信号光パルスが複数の画素を備えた光検出器で検出されないように該信号光パルスを遮断し、前記光スイッチの予め定められた範囲内のオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを前記光検出器で検出する、ことを特徴とする。

本発明の第２の光パルス処理方法も、本発明の第２の光パルス処理装置と同様に作用するため、信号光パルスのタイミング揺らぎを低減させることができる。

以上説明した如く本発明によれば、時間分解能を犠牲にせずにダイナミックレンジを拡大することができる、という優れた効果を奏する。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下では、上記背景技術の図２７で説明したタイミング検出装置と同様の構成については同一の符号を付して説明する。

［第１の実施の形態］
第１の実施の形態に係るタイミング検出装置は、図１に示すように、信号光１’を伝送する光ファイバなどの光導波路１０と、該光導波路１０から出射された信号光１’を拡大して信号光パルス１Ａ〜１Ｈ（図１では信号光パルス１Ａのみ図示）の列からなる信号光１とする光学系２０と、２次元的に配列され互いに独立した光シャッタ部として機能する複数の領域ＡＲｐ〜ＡＲｗ（後述の図３に図示）を備え、制御光２（制御光パルス２Ａ）の照射による該光シャッター部のオンオフ動作により信号光１から出力光パルスを切り出す透過型かつ面型の光スイッチ５０と、光スイッチ５０から出射された出力光を検出する光検出器７０と、空気と屈折率の異なる光学媒質から構成され、制御光２（制御光パルス２Ａ）を分割・遅延する分割・遅延素子６０と、光検出器７０での検出結果に基づいて信号光パルス１Ａ〜１Ｈの光スイッチ５０への到達タイミングを演算するタイミング演算部１００と、を備えている。

光ファイバなどの光導波路１０中に伝送される信号光は、複数チャンネルの信号光が時間的にシリアルに多重化された、ビットレートが１テラビット／秒（Ｔｂｉｔ／ｓ）、パルス時間間隔が１ｐｓのものである。

光学系２０は、複数のレンズを組み合わせて構成され、光導波路１０から入射された信号光１’を、進行方向に対して垂直な面方向に波面が広げられた、各チャンネルの信号光パルス１Ａ〜１Ｈの列からなる信号光１に変換する。信号光パルスの時間間隔は１ｐｓであるので、空間的な距離間隔は３００μｍとなる。

透過型の光スイッチ５０は、受光面が信号光１の進行方向に対して垂直になるように配置された面型の光スイッチである。この配置により、２次元的に所定の広がりを有する信号光１を受光面に入射させると共に、制御光２を、その進行方向を光スイッチ５０の受光面に対して傾けて、光スイッチ５０に入射させる。

制御光２は、不図示の光源から出射され、信号光１と同様に進行方向に対して垂直な面方向に波面が広げられた光であり、信号光パルス１Ａ〜１Ｈの１組につき１つの制御光パルス２Ａを含むパルス列から構成されている。また、制御光２は信号光１に同期している。信号光１’には、信号光パルス１Ａ〜１Ｈの列の始まりを示す情報が挿入され、これらの情報から、信号光１に対して所定の時間関係で信号光１に同期した制御光２を形成することができる。また、制御光２（制御光パルス２Ａ）は、光スイッチ５０の受光面に対して所定角度傾けた状態で（すなわち斜めに）照射される。なお、図１では、制御光２を信号光１の入射側から光スイッチ５０に入射させているが、制御光２を信号光１の出射側から光スイッチ５０に入射させてもよい。

また、光スイッチ５０の光シャッタ部として機能する複数の領域ＡＲｐ〜ＡＲｗは、制御光２が照射されるか否かにより吸収係数（吸光度）が変化し且つ緩和時間が短い非線形光学材料によって形成されており、制御光２が照射された瞬間だけ透過率が変化して信号光１を所定値以上の透過率で透過させる。即ち、光スイッチ５０は、非線形光学材料の過飽和吸収を利用してオンオフ動作を行う。光スイッチ５０のオンオフ動作は、総ての信号光パルスに同期している必要はなく、必要に応じて選択された信号光パルスに同期していればよい。

なお、本発明者等は先に有機色素膜を用いた平面型の光−光スイッチを提案している（特開平１１−１５０３１号公報）。この光−光スイッチを、本実施の形態に係る面型の光スイッチ５０として好適に使用することができる。

この光−光スイッチは、図２に示すように、石英基板３１上に、フェムト秒オーダーで可飽和吸収を示す機能性薄膜３２を形成し、その機能性薄膜３２上に、アルミニウムの蒸着およびエッチングにより、遮光層３３を所定パターンに形成して、機能性薄膜３２の遮光層３３で覆われていない部分３４を、互いに独立の複数の光シャッタ部として機能させるものである。

機能性薄膜３２としては、ＡｌＰｏ−Ｆ（フルオロ−アルミニウムフタロシアニン）、ポリジアセチレン、ポリチオフェンなどのπ共役系高分子、スクエアリリウムなどの色素会合体、Ｃ６０薄膜などを用いることができる。機能性薄膜３２をこれら有機材料で構成することにより、膜厚の制御が容易になり、光スイッチの大面積化が可能となる。これらの中でも、スクエアリリウム色素の色素分子膜が好ましい。スクエアリリウム色素の色素分子膜は、そのＪ−会合体を用いることで効率良くスイッチング動作を行うことができる。なお、上記の光スイッチの製造方法は、特開平１１−１５０３１号公報に記載されている。

分割・遅延素子６０は、空気と屈折率の異なる透明な光学媒質（例えばガラス）から構成された光学素子であり、光スイッチ５０と制御光２（制御光パルス２Ａ）を出射する光源（不図示）との間であって制御光パルス２Ａの進行経路途中に、制御光パルス２Ａの下半分のみが入射され、制御光パルス２Ａの上半分は入射されないように配置されている。この配置により、制御光パルス２Ａが、分割・遅延素子６０に入射されない上半分（制御光パルス２Ａａ）と、分割・遅延素子６０に入射された下半分（制御光パルス２Ａｂ）とに分割される。また、空気と光学媒質の屈折率差により光路長に差が生じて、分割・遅延素子６０に入射されずに空気中を通過した制御光パルス２Ａａが先に進行し、分割・遅延素子６０に入射された制御光パルス２Ａｂは遅れて進行する。これにより、制御光パルス２Ａａは、光スイッチ５０の上半分の領域に先に照射され、それより所定時間遅れて制御光パルス２Ａｂが光スイッチ５０の下半分の領域に照射される。

このように、分割されて得られた２つの制御光パルス２Ａａ、２Ａｂの、光スイッチ５０に到達するタイミングは各々異なる。この到達タイミングの時間差は、分割・遅延素子６０の屈折率を変えることにより調整できる。本実施の形態では、制御光パルス２Ａａ、２Ａｂが連続的に光スイッチ５０に照射されるように、制御光パルス２Ａａの光スイッチ５０に対する照射終了と同時に、制御光パルス２Ａｂの光スイッチ５０に対する照射が開始されるような屈折率の分割・遅延素子６０を用いる。

なお、ここでは、制御光２（制御光パルス２Ａ）は、光スイッチ５０の受光面に対して斜めに照射されるため、分割されて得られた制御光パルス２Ａａ、２Ａｂが光スイッチ５０の受光面に到達した後、制御光パルス２Ａａ、２Ａｂの進行に伴って徐徐に照射領域（すなわち、制御光パルス２Ａａ或いは２Ａｂと光スイッチ５０とが交差してオン状態となる領域）が変化する。具体的にはあたかもスリット部ＳＬ（光スイッチ５０のオン状態となる領域）が図１の光スイッチの受光面上の点線で示される矢印方向に移動するように、光スイッチ５０の複数の領域ＡＲｐ〜ＡＲｗが順次制御光パルス２Ａａ、２Ａｂと交差して透過状態となる。

光検出器７０は、多数の画素が２次元状に配列されたＣＣＤカメラやフォトディテクタアレイ、フォトダイオードの表面抵抗を利用したスポット光の位置センサ（ポジション・センシティブ・ダイオード）などの光検出素子で構成されており、各画素は、光スイッチ５０の光シャッター部として機能する複数の領域に対応する信号光１の各空間位置部分の光路上に位置するように配置されている。

タイミング演算部１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力部等を備えた通常のパーソナル・コンピュータで構成されている。

次に、光スイッチ５０のシャッター機能及び光検出器７０の信号光検出機能について図３から図７を参照しながら説明する。なお、図３乃至図７では、信号光１及び制御光１の位置が図１と異なっているが、光スイッチ５０の受光面が信号光１の進行方向に対して垂直に設けられ、制御光２が光スイッチ５０の受光面に対して所定角度傾けた状態で（すなわち斜めに）照射される点においては同一である。

また、ここでは、図３に示すように、光スイッチ５０の受光面に対して垂直な方向から照射され等間隔ｔで並ぶ信号光パルス１Ａ〜１Ｈを例に挙げる。便宜上、等間隔に並んでいる信号光パルスを例としてあげるが、実際の測定では等間隔に並んでいる必要はない。また、制御光パルス２Ａは、分割・遅延素子６０により上下半分に分割されて（制御光パルス２Ａａ、２Ａｂ）、上述したように異なるタイミングで光スイッチ５０の受光面に対して所定角度傾けて照射される。

図４に示すように、信号光パルス１Ａが光スイッチ５０に到達した時点で、制御光パルス２Ａの上半分の制御光パルス２Ａａが光スイッチ５０の受光面の上段の領域ＡＲｐに到達するように、制御光２を信号光１に対して同期させる。これにより、信号光パルス１Ａが光スイッチ５０に到達した時点で、光スイッチ５０の上段の領域ＡＲｐが透過状態とされ、該領域ＡＲｐに対応する信号光パルス１Ａの空間位置部分が透過して、出力光パルス３Ａｐとして切り出される。

更に、図５に示すように、制御光パルス２Ａａの進行に伴い、光スイッチ５０の上段の透過状態とされる領域が順次変化すると共に、信号光パルス１Ｂ、１Ｃ、１Ｄが順次光スイッチ５０に到達するため、透過状態とされた領域ＡＲｑ〜ＡＲｓに対応する信号光パルス１Ｂ〜１Ｄの空間位置部分が透過して、それぞれ出力光パルス３Ｂｑ，３Ｃｒ、３Ｄｓとして切り出される。また、先に切り出された出力光パルスは、光検出器７０に到達し、順次光検出器７０の対応する画素で検出される。

制御光パルス２Ａａの光スイッチ５０への照射が終了したと同時に、制御光パルス２Ａの下半分の制御光パルス２Ａｂが光スイッチ５０に到達する。図５に示すように、信号光パルス１Ｅが光スイッチ５０に到達した時点で、制御光パルス２Ａｂが光スイッチ５０に到達し、光スイッチ５０の下段の領域ＡＲｔが透過状態とされ、該領域ＡＲｔに対応する信号光パルス１Ｅの空間位置部分が透過して、出力光パルス３Ｅｇとして切り出される。

更に、図６に示すように、光スイッチ５０の下段でも上段と同様に透過状態とされる領域が順次変化すると共に信号光パルス１Ｆから１Ｈが光スイッチ５０に順次到達するため、透過状態とされた領域ＡＲｕ〜ＡＲｗに対応する信号光パルス１Ｆ〜１Ｈの空間位置部分が透過して、それぞれ出力光パルス３Ｆｕ、３Ｇｖ、３Ｈｗとして切り出され、順次光検出器７０の対応する画素で検出される。

最終的には図７に示すように、各出力光パルスが光検出器７０に到達し、光検出器７０の２次元状に等間隔に配列された画素により、光スイッチ５０を上下段にそれぞれ等間隔に透過した出力光パルス（信号光パルス）が検出される。

制御光パルス２Ａを分割しない状態で照射すると、制御光パルス２Ａａのみ照射した場合と等価となり、信号光パルス１Ｅ〜１Ｈの検出はできないが、本実施の形態で示したように、制御光パルスを上下に２分割して、異なるタイミングで（ここでは、上半分の制御光パルス２Ａａの照射終了と同時に制御光パルス２Ａｂの照射が開始されるように）照射し、かつ光検出器７０の画素を光スイッチ５０の透過状態とされる領域ＡＲｐ〜ＡＲｗに対応する信号光１の各空間位置部分の光路上に位置するように配置することによって、信号光パルス１Ａ〜１Ｈの検出が可能となる。すなわち、制御光パルスが１つの場合に比べてダイナミックレンジは２倍となる。

ここで、図８を参照しながらタイミング演算部１００で実施されるタイミング演算処理について説明する。なお、ここでは、図３乃至図７で説明したような配置で出力光３を検出した場合の演算方法を説明する。

図８は、出力光３の検出状態を上方から見た図であり、光スイッチ５０の上段の領域、光検出器７０の２次元状に配列された複数の画素の上段部分の画素、該上段の画素で検出される出力光パルス（すなわち、制御光パルス２Ａａの照射により切り出された出力光パルス３Ａｐ、３Ｂｑ、３Ｃｒ、３Ｄｓ）が図示されている。

上述した通り、出力光パルス３Ａｐ〜３Ｈｗの各々が、光検出器７０の対応する画素で順次検出される。光検出器７０は、出力光パルス３Ａｐ〜３Ｈｗを検出した画素の位置情報をタイミング演算部１００に出力する。

次に、タイミング演算部１００は、入力された位置情報から、出力光パルス３Ａｐ〜３Ｈｗを検出した画素の位置座標を算出する。既に説明した通り、光検出器７０の各画素は、信号光１の各空間位置部分（図８では、上段の空間位置部分が１ｐ、１ｑ、１ｒ、１ｓとして示されている）の光路上に位置するように配置されており、検出した画素の位置座標から信号光１が光スイッチ５０を通過した位置（スリット位置）を特定することができる。この関係に基づいて、検出した画素の位置座標から、各信号光パルス１Ａ〜１Ｈが光スイッチ５０の対応する各領域ＡＲｐ〜ＡＲｗへ到達するタイミングを演算する。即ち、信号光１の光パルスタイミング（パルス列の時間差）を検出する。

なお、空間位置を検出する光検出器として、ＣＣＤやフォトディテクタアレイを用い、信号光パルスが複数の画素にまたがるように検出されるとき、各画素で検出される光量に基づいて重心検出等の演算を施すことにより、パルスの到着タイミングを、光検出器の空間解像度よりも細かい分解能で検出することができる。

次に、光検出器７０において最初の出力光パルス３Ａｐが検出された画素の位置座標を原点とし、次の出力光パルス３Ｂｑが検出された画素の位置座標をＸ（ｍ）とし、スリットＳＬの移動速度をＶ（ｍ／ｓ）とすると、光スイッチ５０に信号光パルス１Ａが到達してから次の信号光パルス１Ｂが到達するまでの時間ｔは下記式で表される。

ここで、制御光２の照射角度（入射角）をθ、光速をｃ（ｍ／ｓ）とすると、スリットＳＬの移動速度Ｖは下記式で表される。この式から分かるように、制御光の照射角度θを適宜変更することによって、タイミング検出の時間分解能を更に調整することができる。

従って、上記の時間ｔは下記式で表される。

即ち、スリットＳＬによって、信号光１の光パルスの到達時間差は光検出器７０の画素の位置座標の差に変換される。従って、光検出器７０で得られた位置情報から、逆に、信号光１の光パルスの到達時間差を求めることができる。上述した通り、光スイッチ５０の各光シャッター部は、フェムト秒オーダーの制御光パルスでオンオフ動作させることができるので、フェムト秒オーダーの時間分解能で信号光１の光パルスの到達時間差を求めることができる。従って、光パルスまたはパルス列にタイミングゆらぎが発生している場合にも、このタイミングゆらぎをフェムト秒オーダーの時間分解能で検出することができる。また、複雑な演算を行わないため、リアルタイムでタイミングゆらぎを検出することができる。

なお、スリットＳＬの幅は、制御光と光パルスまたはパルス列の照射角度と時間幅、スイッチのオン・オフ速度によって決定される。

以上説明したように、制御光パルスを分割し、分割して得られた複数の制御光パルスを光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射することにより、時間分解能を悪化させることなく、ダイナミックレンジを拡大することができる。

以下、上記実施の形態の変形例について説明する。

（変形例１）
上記実施の形態では、空気と屈折率の異なる透明な光学媒質から構成された分割・遅延素子６０を、制御光パルス２Ａの下半分のみが入射され、制御光パルス２Ａの上半分は入射されないように配置することにより制御光パルス２Ａを分割して、光スイッチ５０の上半分の領域と下半分の領域に、それぞれ異なるタイミングで照射する例について説明したが、該分割・遅延素子６０に代えて、図９に示されるように、制御光パルス２Ｂの進行方向に厚さの異なる複数の透明媒質（例えばガラス）により構成された光学素子６１を配置することにより制御光パルス２Ｂを分割して、異なるタイミングで照射するようにしてもよい。図示される光学素子６１は、第１の透明媒質６１ａ、第２の透明媒質６１ｂ、第３の透明媒質６１ｃの３つの透明媒質から構成されており、各透明媒質は、制御光パルス２Ｂの進行方向の厚さがそれぞれ、第１の透明媒質６１ａ、第２の透明媒質６１ｂ、第３の透明媒質６１ｃの順に長くなっている。

この配置により、制御光パルス２Ｂが、光学素子６１に入射されない制御光パルス２Ｂａと、光学素子６１の第１の透明媒質６１ａに入射された制御光パルス２Ｂｂと、光学素子６１の第２の透明媒質６１ｂに入射された制御光パルス２Ｂｃと、光学素子６１の第３の透明媒質６１ｃに入射された制御光パルス２Ｂｄと、に分割される。また、厚さの異なる３つの透明媒質により光路長に差が生じ、各制御光パルスは光スイッチ５０の異なる領域に異なるタイミングで（制御光パルス２Ｂａ、２Ｂｂ、２Ｂｃ、２Ｂｄの順に）到達する。図９に示す例では、制御光パルス２Ｂが４つに分割されるため、ダイナミックレンジを４倍にすることが可能となる。

なお、透明媒質としては、ガラスに限定されず他の材質（アクリル等）を、所望の遅延となるように選択して用いることができる。このように、配置する光学素子の構成を変更して、制御光パルスの分割数や遅延時間を変更することにより、柔軟性高くダイナミックレンジを変更することができる。

（変形例２）
また、図１０に示すように、ハーフミラー６２を用いて制御光パルスを分割し、全反射ミラー６３、６４、６５を用いて、光路長を調整するようにしてもよい。図示されるように、制御光パルス２Ｃの進行方向に対して４５度傾けて配置されたハーフミラー６２により、制御光パルス２Ｃは２つの制御光パルス２Ｃａ、２Ｃｂに分割される。更に、分割した一方の制御光パルス２Ｃｂの進行方向に全反射ミラー６３を設け、この全反射ミラー６３により制御光パルス２Ｃｂを反射して他方の制御光パルス２Ｃａと平行にして出力する。更に、この制御光パルス２Ｃｂの進行方向に全反射ミラー６４を設け、この全反射ミラー６４により制御光パルス２Ｃｂを反射して制御光パルス２Ｃａの光路に近づける。更に、この制御光パルス２Ｃｂの進行方向に全反射ミラー６５を設け、この全反射ミラーにより制御光パルス２Ｃｂを反射して、制御光パルス２Ｃａの光路と平行にして出力する。なお、全反射ミラー６５は、光スイッチ５０の制御光パルス２Ｃａが照射する領域と異なる領域に制御光パルス２Ｃｂが照射されるように配置される。これにより、制御光パルス２Ｃａに比べて、ハーフミラー６２と全反射ミラー６３間、及び全反射ミラー６４と全反射ミラー６５間の光路長分だけ差が生じ、制御光パルス２Ｃｂを遅延させることができる。

このような構成において光路長を調整するには、図示されるように、全反射ミラー６３、６４を、ハーフミラー６２と全反射ミラー６３間、及び全反射ミラー６４と全反射ミラー６５間の光路長が変更されるように移動すればよい。例えば、全反射ミラー６３、６４を、図示される６３’、６４’の方向に移動すれば更に光路長を長くすることができる。また、分割数を増やすには、ハーフミラー及び全反射ミラーを増やして同様に配置すればよい。なお、この場合には、分割された制御光パルスのそれぞれの光量が異なってしまう場合があるため、全ての制御光パルスが同じ光量となるように分割量を調整する必要がある。

（変形例３）
上記では、制御光パルス２Ａを分割・遅延して光スイッチ５０に対する照射時間を拡大することによりダイナミックレンジを拡大する例について説明したが、図１１に示されるように信号光パルス１Ａを分割・遅延することによりダイナミックレンジを拡大することもできる。

本例の分割・遅延素子６０も、上記図１に示した分割・遅延素子と同様に、空気と屈折率の異なる透明な光学媒質から構成された光学素子であるが、ここでは、光スイッチ５０と光学系２０との間であって信号光パルス１Ａの進行経路途中に、信号光パルス１Ａの下半分のみが入射され、信号光パルス１Ａの上半分は入射されないように配置されている。

この配置により、信号光パルス１Ａが、分割・遅延素子６０に入射されない上半分（信号光パルス１Ａａ）と、分割・遅延素子６０に入射された下半分（信号光パルス１Ａｂ）とに分割される。また、空気と光学媒質の屈折率差により光路長に差が生じて、分割・遅延素子６０に入射されずに空気中を通過した信号光パルス１Ａａが先に進行し、分割・遅延素子６０に入射された信号光パルス１Ａｂは遅れて進行する。これにより、信号光パルス１Ａａは、光スイッチ５０の上半分の領域に先に照射され、それより所定時間遅れて信号光パルス１Ａｂが光スイッチ５０の下半分の領域に照射される。

他の構成要素は、図１と同様であるため、図１と同一の符号を付して説明を省略する。

図１２は、光検出器７０における分割された信号光パルスの検出状態を模式的に示した図である。上下の数字は、タイミングのずれを示しており、この図の場合には、上段の画素では０〜４の範囲のずれを測定することができ、下段では−４〜０の範囲のずれを測定することができる。

基準時刻を０とし、上段０の位置で信号光パルス１Ａａに対応する出力光パルスを検出した際に信号光パルス１Ａｂに対応する出力光パルスを下段０の位置で検出できるように信号光パルス１Ａの分割・遅延を行えば、基準時刻０より前に到達した出力光パルスについても検出できるようになる。

より具体的には、分割されて得られた上半分の信号光パルス１Ａａは遅延させずに（基準時刻０に光スイッチ５０に到達するように）光スイッチ５０に照射し、下半分の信号光パルス１Ａｂは、基準時刻０から４だけタイミングを異ならせて（遅延させて）光スイッチ５０に照射する。図１２において、信号光パルス１Ａ自体にタイミングのずれが無い場合には、光検出器７０の上段の基準時刻０に相当する画素で、分割されて先に光スイッチ５０に到達した信号光パルス１Ａａの出力光パルス３Ａａが検出され、下段の基準時刻０に相当する画素で、信号光パルス１Ａｂの出力光パルス３Ａｂが検出される。ここで、信号光パルス１Ａの到達タイミングが遅かった場合には、そのタイミングのずれは光検出器７０の上段のいずれかの画素で検出することができ、逆に到達タイミングが早かった場合には、そのタイミングのずれは光検出器７０の下段のいずれかの画素で検出することができる。

このように、信号光パルス１Ａの分割・遅延を行わない場合にはダイナミックレンジは０から４までであったのに対し、信号光パルス１Ａを分割して一方を遅延させた場合には、基準時刻０より前に到達した出力光パルスも検出できるため、ダイナミックレンジは−４から４に拡大できる。

なお、基準時刻としては、例えば、２分割された信号光パルス１Ａａの光スイッチ５０への到達時刻を基準時刻０としてもよいし、制御光パルス２Ａの光スイッチ５０への到達時刻を基準時刻０としてもよい。なお、後者の場合には、タイミングを演算する際に制御光パルス２Ａの到達時刻と信号光パルス１Ａａの到達時刻との差分でタイミングのずれ量を調整することが好ましい。

（変形例４）
上記実施の形態では、光スイッチ５０を、その受光面が信号光１（信号光パルス１Ａ）の進行方向に対して垂直になるように配置し、制御光２（制御光パルス２Ａ）を、その進行方向を光スイッチ５０の受光面に対して傾けて光スイッチ５０に入射させる例について説明したが、光スイッチ５０を、その受光面が制御光２（制御光パルス２Ａ）の進行方向に対して垂直になるように配置し、信号光１（信号光パルス１Ａ〜１Ｈ）を、その進行方向を光スイッチ５０の受光面に対して傾けて光スイッチ５０に入射させるようにしてもよい。

図１３は、このようなタイミング検出装置の構成を上方から見た図である。図示されるように、透過型の光スイッチ５０が、信号光１（信号光パルス１Ａ〜１Ｈ）の進行方向に対して所定角度（図では、４５°）傾けて配置されている。この配置により、２次元的に所定の広がりを有する信号光１を受光面に斜めに入射させると共に、制御光２（制御光パルス２Ａ）を、その進行方向が光スイッチ５０の受光面に垂直になるように入射させる。また、分割・遅延素子６０により、制御光パルス２Ａは、上半分の制御光パルス２Ａａと下半分の制御光パルス２Ａｂに分割される。更に、分割・遅延素子６０により分割された２つの制御光パルス２Ａａ、２Ａｂの光路長に差が生じ、制御光パルス２Ａａは、光スイッチ５０の上半分の領域に先に照射され、それより所定時間遅れて制御光パルス２Ａｂが光スイッチ５０の下半分の領域に照射される。

なお、図１３は、タイミング検出装置の構成を上方から見た図であるため、光スイッチ５０は、制御光パルス２Ａａにより照射される光スイッチ５０の上半分の領域のみが図示されており、制御光パルス２Ａｂにより照射される光スイッチ５０の下半分の領域は図示されていない。同様に、光検出器７０の２次元状に配列された画素については、上段に配列された画素のみが図示されており、下段に配列された画素については図示されていない。

更に、図１３では、制御光２を信号光１の出射側から光スイッチ５０に入射させているが、制御光２を信号光１の入射側から光スイッチ５０に入射させてもよい。また、上記で図１を用いて説明したタイミング検出装置と同一部分には同じ符号を付して説明を省略する。

ここで、本例における光スイッチ５０のシャッター機能及び光検出器７０の信号光検出機能について説明する。図１３に示す装置でも、図７に示されるような互いに独立した光シャッター部として機能する複数の領域ＡＲｐ〜ＡＲｗを備えた透過型の光スイッチ５０を用いているが、制御光パルス２Ａａ、２Ａｂを光スイッチ５０に垂直に入射させるので、光スイッチ５０の上半分の複数の領域ＡＲｐ〜ＡＲｓは制御光パルス２Ａａにより同時に透過状態となり、下半分の複数の領域ＡＲｔ〜ＡＲｗは制御光パルス２Ａｂにより複数の領域ＡＲｐ〜ＡＲｓとは異なるタイミングで同時に透過状態となる。

図１４に示すように、分割・遅延素子６０により分割された上半分の制御光パルス２Ａａが光スイッチ５０の上半分の各領域ＡＲｐ〜ＡＲｓを同時に照射し、同時に透過状態にする。そして、４つの信号光パルス１Ａ〜１Ｄが光スイッチ５０の対応する領域ＡＲｐ〜ＡＲｓに同時に到達する時点で、制御光パルス２Ａａが光スイッチ５０の各領域ＡＲｐ〜ＡＲｓに到達するように、制御光２を信号光１に対して同期させる。

従って、制御光パルス２Ａａが光スイッチ５０の各領域ＡＲｐ〜ＡＲｓに到達した時点で、信号光パルス１Ａの空間位置部分１ｐが領域ＡＲｐを、信号光パルス１Ｂの空間位置部分１ｑが領域ＡＲｑを、信号光パルス１Ｃの空間位置部分１ｒが領域ＡＲｒを、信号光パルス１Ｄの空間位置部分１ｓが領域ＡＲｓを、それぞれ透過して、図１５に示すように、それぞれ出力光パルス３Ａｐ，３Ｂｑ，３Ｃｒ，３Ｄｓとして切り出される。そして、この出力光パルス３Ａｐ〜３Ｄｓが、光検出器７０の対応する画素で検出される。

続いて、図１６に示すように、分割・遅延素子６０により分割され遅延された制御光パルス２Ａの下半分の制御光パルス２Ａｂが、制御光パルス２Ａａと異なるタイミングで光スイッチ５０の下半分の各領域ＡＲｔ〜ＡＲｗを同時に照射し、同時に透過状態にする。そして、４つの信号光パルス１Ｅ〜１Ｈが光スイッチ５０の対応する領域ＡＲｔ〜ＡＲｗに同時に到達する時点で、制御光パルス２Ａａが光スイッチ５０の各領域ＡＲｔ〜ＡＲｗに到達するように、制御光２を信号光１に対して同期させる。

従って、制御光パルス２Ａｂが光スイッチ５０の各領域ＡＲｔ〜ＡＲｗに到達した時点で、信号光パルス１Ｅの空間位置部分１ｔが領域ＡＲｔを、信号光パルス１Ｆの空間位置部分１ｕが領域ＡＲｕを、信号光パルス１Ｇの空間位置部分１ｖが領域ＡＲｖを、信号光パルス１Ｈの空間位置部分１ｗが領域ＡＲｗを、それぞれ透過して、図１７に示すように、それぞれ出力光パルス３Ｅｔ，３Ｆｕ，３Ｇｖ，３Ｈｗとして切り出される。そして、この出力光パルス３Ｅｔ〜３Ｈｗが、光検出器７０の対応する画素で検出される。

なお、図１３乃至図１７では一部を省略したが、信号光１は信号光パルス１Ａ〜１Ｈの組がシリアルに連続するもので、光スイッチ５０からは、図１８に示すように、出力光パルス３Ａｐ〜３Ｈｗの組が連続して切り出される。但し、同図は、出力光パルス３Ａｐ〜３Ｈｗの空間的位置関係を示したもので、時間的には、制御光パルス２Ａａの照射により出力光パルス３Ａｐ〜３Ｄｓが同時に切り出され、それとは異なるタイミングで制御光パルス２Ａｂの照射により出力光パルス３Ｅｔ〜３Ｈｗが同時に切り出される。

このように、制御光パルス２Ａを分割しない場合には、制御光パルス２Ａａのみ照射した場合と等価となり、信号光パルス１Ａ〜１Ｄ（出力光パルス３Ａｐ〜３Ｄｓ）しか検出することはできないが、制御光パルス２Ａを上下に２分割して、異なるタイミングで照射し、かつ光検出器７０の画素を光スイッチ５０の透過状態とされる領域ＡＲｐ〜ＡＲｗに対応する信号光１の各空間位置部分１ｐ〜１ｗの光路上に位置するように配置することによって、信号光パルス１Ａ〜１Ｈの検出が可能となる。すなわち、制御光パルスが１つの場合に比べてダイナミックレンジは２倍となる。

ここで、図１９を参照しながら本例のタイミング演算部１００で実施されるタイミング演算処理について説明する。なお、図１９（Ａ）では、光スイッチ５０の上段の領域、光検出器７０の２次元状に配列された複数の画素の上段部分の画素、該上段の画素で検出される出力光パルス（すなわち、制御光パルス２Ａａの照射により切り出された出力光３Ａｐ、３Ｂｑ、３Ｃｒ、３Ｄｓ）が図示されている。

上述した通り、出力光パルス３Ａｐ〜３Ｈｗの各々が、光検出器７０の対応する画素で順次検出される。光検出器７０は、出力光パルス３Ａｐ〜３Ｈｗを検出した画素の位置情報をタイミング演算部１００に出力する。

次に、タイミング演算部１００は、入力された位置情報から、出力光パルス３Ａｐ〜３Ｈｗを検出した画素の位置座標を算出する。既に説明した通り、光検出器７０の各画素は、信号光１の各空間位置部分（図１９（Ａ）では、信号光パルス１Ａ〜１Ｄに対応する空間位置部分１ｐ、１ｑ、１ｒ、１ｓのみが示されている）の光路上に位置するように配置されており、検出した画素の位置座標から信号光１が光スイッチ５０を通過した位置（スリット位置）を特定することができる。この関係に基づいて、検出した画素の位置座標から、各信号光パルス１Ａ〜１Ｈが光スイッチ５０の対応する各領域ＡＲｐ〜ＡＲｗへ到達するタイミングを演算する。即ち、信号光１の光パルスタイミング（パルス列の時間差）を検出する。

次に、光スイッチ５０の上段に配列された複数の領域ＡＲｐ〜ＡＲｓは同時に制御光パルス２Ａａと交差して透過状態とされるが、このシャッター動作は、図１９（Ｂ）に示すように、信号光１の進行方向と直交する方向にスリット部ＳＬが移動する場合と同等である。ここで、信号光１の光スイッチ５０への入射角度（即ち、光スイッチ５０の傾斜角度）をθ₁、光速をｃ（ｍ／ｓ）とすると、スリットＳＬの移動速度Ｖ₁は下記式で表される。この式から分かるように、光スイッチ５０の傾斜角度θ₁を適宜変更することによって、タイミング検出の時間分解能を調整することができる。

光検出器７０において最初の出力光パルス３Ａｐが検出された画素の位置座標を原点とし、次の出力光パルス３Ｂｑが検出された画素の位置座標をＸ₁（ｍ）とすると、信号光パルス１Ａと信号光パルス１Ｂとのパルス間隔ｔ₁は下記式で表される。

即ち、スリットＳＬによって、信号光１の光パルスの到達時間差は光検出器７０の画素の位置座標の差に変換される。従って、光検出器７０で得られた位置情報から、逆に、信号光１の光パルス列のパルス間隔を求めることができる。上述した通り、光スイッチ５０の各光シャッター部は、フェムト秒オーダーの制御光パルスでオンオフ動作させることができるので、フェムト秒オーダーの時間分解能で信号光１の光パルス列のパルス間隔を求めることができる。従って、光パルスまたはパルス列にタイミングゆらぎが発生している場合にも、このタイミングゆらぎをフェムト秒オーダーの時間分解能で検出することができる。また、複雑な演算を行わないため、リアルタイムでタイミングゆらぎを検出することができる。

（変形例５）
上記実施の形態や変形例では、光スイッチとして透過型の面型光スイッチを用いた例について説明したが、反射型の面型光スイッチを用いてもよい。

図２０は、変形例４の透過型の光スイッチに代えて反射型の光スイッチを用いたタイミング検出装置の構成を上方から見た図である。図示されるように、反射型の光スイッチ５０が、信号光１（信号光パルス１Ａ〜１Ｈ）の進行方向に対して所定角度（図では、４５°）傾けて配置されている。この配置により、２次元的に所定の広がりを有する信号光１を受光面に入射させると共に、制御光２（制御光パルス２Ａ）を、その進行方向を光スイッチ５０の受光面に垂直に入射させる。また、分割・遅延素子６０により、制御光パルス２Ａは、上半分の制御光パルス２Ａａと下半分の制御光パルス２Ａｂに分割される。更に、分割・遅延素子６０により分割された２つの制御光パルス２Ａａ、２Ａｂの光路長に差が生じ、制御光パルス２Ａａは、光スイッチ５０の上半分の領域に先に照射され、それより所定時間遅れて制御光パルス２Ａｂが光スイッチ５０の下半分の領域に照射される。

なお、図２０は、タイミング検出装置の構成を上方から見た図であるため、光スイッチ５０は、制御光パルス２Ａａにより照射される光スイッチ５０の上半分の領域のみが図示されており、制御光パルス２Ａｂにより照射される光スイッチ５０の下半分の領域は図示されていない。同様に、光検出器７０の２次元状に配列された画素については、上段に配列された画素のみが図示されており、下段に配列された画素については図示されていない。

反射型の光スイッチ５０は、制御光２が照射されるか否かにより屈折率が変化し且つ緩和時間が短い非線形光学材料によって形成されており、制御光２が照射された瞬間だけ干渉により反射状態となって信号光１を所定値以上の反射率で反射する。また、信号光１が光スイッチ５０で反射した後の位置には、多数の画素が２次元状に配列された光検出器７０が、その各画素が信号光１の各空間位置部分１ｐ〜１ｗ（図では信号光パルス１Ａ〜１Ｄに対応する空間位置部分１ｐ〜１ｓのみが示されている）の反射光を受けるように配置されている。その他は、上記変形例４と同じであるため、同一部分には同じ符号を付して説明を省略する。

このような構成によっても、時間分解能を犠牲にせずにダイナミックレンジを拡大することができる。

（変形例７）
上記の実施の形態や変形例では、非線形光学材料の過飽和吸収を利用してオンオフ動作を行う光スイッチを使用する例について説明したが、特開２００２−２５８３３３号公報に記載されているように、制御光によって偏光面が回転する光カー効果を利用してオンオフ動作を行う光スイッチを用いることもできる。この場合は、光スイッチの前後に偏光子を直交させて配置することにより、一次元光検出器でのバックグラウンド（ノイズ）を抑制することができる。

（変形例８）
上記の実施の形態や変形例では、出力光を検出した画素の位置情報を光検出器からタイミング演算部に直接入力して光パルスのタイミングを演算する例について説明したが、信号光パルスが光検出器の複数の画素にまたがって受光される状況において、各画素の出力信号を基にして、重心検出等の信号処理を施すことにより、出力光の位置情報を抽出し、これに基づいて光パルスのタイミングを演算してもよい。これにより、サブピクセルの分解能で出力信号のタイミングを検出することができる。

（変形例９）
上記実施の形態や変形例では、２つの制御光パルス２Ａａ、２Ａｂを異なるタイミングで光スイッチ５０照射する際、先に照射された制御光パルス２Ａａの照射終了と同時に次の制御光パルス２Ａｂの照射を開始する（すなわち連続的に照射する）例について説明したが、信号光１の中で検出不要な信号光パルスが存在する場合には、該不要な信号光パルスを検出しないように、各制御光パルスの照射インターバルを大きくする、すなわち、次の制御光パルスの照射を開始するタイミングを所定の時間だけ更に遅延させるようにすることもできる。これにより、制御光パルスの分割数が２であっても、分割されて得られた各制御光パルスの遅延時間によってはダイナミックレンジを２倍以上に拡大することができる。

（変形例１０）
上記実施の形態や変形例では、多数の画素が２次元状に配列された光検出器を用いて出力光を検出する例について説明したが、１次元状に配列された光検出器を用いてもよい。この場合には、光スイッチにより切り出された出力光が、該１次元状に配列された対応する画素の位置に到達するように、その進行方向を全反射ミラー等により変更する必要がある。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態に係るタイミング調整装置は、第１の実施の形態に示した構成を備えたタイミング検出装置を用いて構成されたタイミング調整装置であり、タイミング検出装置の被検出光パルスである信号光パルスの到達タイミングを調整するものである。

図２１は、タイミング調整装置の構成と動作の概要を説明する図である。タイミング調整装置は、不図示の光源から発生した複数の信号光パルスの列からなる信号光１を２分割する分割素子４００と、２分割された信号光１の一方を入射してタイミング揺らぎを検出するタイミング検出装置２００と、２分割された信号光１の他方を入射して、タイミング検出装置２００で検出されたタイミング揺らぎに基づいて、該入射した信号光パルスまたは信号光パルス列のタイミング揺らぎを調整して出射するタイミング制御器３００と、を備えている。

例えば、図２１の信号光１が何らかの外乱等を受け、該信号光１の光スイッチ５０へのタイミングが本来その信号光１が到着すべきタイミングからずれている場合には、このズレ（タイミング揺らぎ）は、タイミング検出装置２００によって検出され、検出されたズレが補償されるように、タイミング制御器３００を制御し、信号光１のタイミングズレが低減されるようにする。

なお、ここでは、図示されるように、信号光１は、分割素子４００によって、タイミング検出装置２００に入射される系（タイミングが検出される系）と、タイミング制御器３００に入射される系（タイミングが調整される系）の２系統に分けられる。また、信号光パルスのタイミングはタイミング検出装置２００により電気信号として得られるが、タイミング制御器３００の内部では光電変換は行われない。すなわち、タイミングの制御は全光学的に行われる。

タイミング制御器の実装方式としては様々な方式がある。タイミング検出装置２００で信号光１のタイミングのずれを検出してからタイミング制御器３００でタイミングを調整するまでには、実際にはある程度の時間（レイテンシ）が発生するが、この時間が経過する間も、信号光は光速で媒体中を伝搬する。以下、このレイテンシを考慮した実装方式（フィードフォワード型）と考慮しない実装方式（フィードバック型）の２つタイミング調整装置について説明する。

まず、図２２を参照しながら、フィードバック型のタイミング調整装置について説明する。このタイミング調整装置は、信号光１のパルス列を発生させる不図示の信号光発生光源と、信号光発生光源から入力される信号光１を、タイミングを検出する系（タイミング検出装置２００に入射される系）Ｓ１の信号光と、及びタイミングを調整する系（タイミング制御器３００に入射される系）Ｓ２の信号光の２系統に分ける分割素子４００と、制御光２のパルス列を発生させる不図示の制御光発生光源と、信号光１のパルス列の光スイッチ５０への到着タイミングを検出するタイミング検出装置２００と、タイミング検出装置で検出された到着タイミングに基づいて信号光パルスまたは信号光パルス列の到着タイミングを調整するタイミング制御器３００と、を備えている。また、ダイナミックレンジを拡大しない場合にはこのままの構成を用い、拡大する場合には、上記構成に加えて、第１の実施の形態で説明したように分割・遅延素子６０を配置する。

タイミング検出装置２００は、上述した通り、光スイッチ５０と、光スイッチ５０から出射された出力光を検出する光検出器７０と、光検出器７０での検出結果に基づいて信号光パルス列の光スイッチ５０への到達タイミングを演算するタイミング演算部１００と、を備えており、タイミングを検出する系Ｓ１の信号光１のパルス列の到着タイミングを検出する。

タイミング制御器３００は、分割素子４００と光スイッチ５０との間であってタイミングを調整する系Ｓ２の途中に配設され、タイミング演算部１００の演算結果（検出結果）に基づいて、信号光パルスまたは信号光パルス列の到達タイミングを遅延させることにより調整する。

このタイミング調整装置では、タイミング検出装置２００に、信号光発生光源から信号光１のパルス列が入力されて、光パルス列の到達タイミングが演算される。タイミング検出装置２００は、この演算結果をタイミング制御器３００に入力する。タイミング制御器３００は、検出された到達タイミングから所望の到達タイミングを補償するための遅延時間を演算し、演算した遅延時間が達成されるように信号光発生光源から光スイッチ５０までの光路長を変化させ、光パルス列の到着タイミングを調整する。このように、タイミング検出装置２００の演算結果をタイミング制御器３００に随時フィードバックすることで、リアルタイムで光パルスタイミングを調整できる。

すなわち、所定間隔で入力された信号光パルスまたは信号光パルス列に、図２２に示されるようにタイミング揺らぎが含まれている場合には、本タイミング調整装置のタイミング制御器３００によってタイミング揺らぎの補償が施されるのは、必要なレイテンシが経過したあとに到達した信号光パルスまたは信号光パルス列に対してである。すなわち、この場合には、タイミング検出の対象となる信号光パルスまたは信号光パルス列と、タイミング制御の対象となる信号光パルスまたは信号光パルス列とは、厳密には異なっている。

ただし、タイミング揺らぎのダイナミクスが、タイミング揺らぎの検出及び制御に必要なレイテンシよりも十分に低速であれば、タイミング揺らぎの低減は実効的には可能となる。これにより、フィードバック型のタイミング調整装置は、ワンダーと呼ばれるゆっくりとしたタイミング揺らぎの低減等において適用できる。

次に、図２３を参照しながら、フィードフォワード型のタイミング調整装置について説明する。ここでは、上述したフィードバック型のタイミング調整装置と同一の構成については同一符号を付して説明を省略する。

このフィードフォワード型のタイミング調整装置には、遅延線３０２が、分割素子４００とタイミング制御器３００との間であって、タイミングを調整する系Ｓ２の途中に配設されている。この遅延線３０２は、タイミング検出の対象となる信号光パルスまたは信号光パルス列が、タイミング制御の対象となるように、入力された信号光１を遅延させるためのものである。ここでは、タイミング検出装置２００で信号光１のパルス列のタイミングズレを検出してからタイミング制御器３００でタイミングの調整が開始されるまでの時間（レイテンシ）分だけ遅延させるように構成されている。この遅延線３０２以外の構成は、上述したフィードバック型のタイミング調整装置と同様である。

このような構成により、タイミング検出のレイテンシに対応する時間だけ信号光１のパルス列を遅延させることができ、検出に用いた信号光１のパルス列に対してタイミング制御を施すことができる。このようなタイミング調整装置は、光パケットスイッチングシステムにおける光パケットの同期など、検出に用いた信号光パルスまたはパルス列と補償が施される信号光パルスまたはパルス列とが一致することが本質的に必要なシステムにおいて好適である。

なお、上述したタイミング制御器３００のタイミング調整方法として、実際には様々な方法を採用することができる。以下、２種類のタイミング制御器３００を例に挙げて説明する。

図２４（Ａ）に示したタイミング制御器３００は、全反射ミラー３０４を複数用いたタイミング制御器であり、ミラー３０４の位置を調整することによって、光の伝搬距離（光路長）を制御でき、これにより信号光パルスまたはパルス列の光スイッチ５０への到達タイミングを制御することができる。

図２４（Ｂ）に示したタイミング制御器３００は、異なる距離の遅延線３０８を複数用いたタイミング制御器である。入力端と出力端の間には、複数の分岐線３０６が設けられている。この複数の分岐線３０６により、信号光１を複数の系統に分岐することができる。分岐後のそれぞれのチャンネルには、異なる距離の遅延線３０８が配置され、信号光１の光路長を異ならせることができる。更に、分岐線３０６上にあって遅延線３０８の後方には光ゲートスイッチ３１０が配置され、遅延時間に応じていずれか一つの光ゲートスイッチ３０８が選択される。

これにより、タイミング検出装置２００によって検出されたタイミングのズレに対応して、必要な遅延を決定し、これに対応したチャンネルの光ゲートスイッチ３１０をＯＮすることによってタイミングを制御することができる。

［第３の実施の形態］
上述した第２の実施の形態では、タイミング検出装置２００により信号光１のパルス列の到着タイミングを検出し、該検出結果に基づいてタイミング制御器３００により信号光１のパルス列の到着タイミングを調整することにより、タイミング揺らぎを低減する例について説明したが、本実施の形態では、タイミング制御器３００を用いずにタイミング揺らぎを低減させる光パルス処理装置について説明する。

図２５は、本実施の形態に係る光パルス処理装置を上方から見た図である。本光パルス処理装置は、許容可能なタイミング揺らぎの範囲（許容範囲）を予め定めておき、タイミング揺らぎが許容範囲外の信号光パルスを廃棄するものである。タイミングの揺らぎは、光スイッチ５０上の位置と対応づけられる。図示されるように、本光パルス処理装置は、信号光１のパルス列を発生させる不図示の信号光発生光源と、制御光２のパルス列を発生させる不図示の制御光発生光源と、面型の光スイッチ５０と、光スイッチ５０の一部を遮光する遮光部８０と、光スイッチの５０を透過した信号光パルス（出力光パルス）を検出する光検出器７０（図２５では不図示）とを備えている。

光スイッチ５０は、第１の実施の形態で説明したものと同様の構成である。光スイッチ５０は、遮光部８０が設けられていない許容範囲の領域と、遮光部８０が設けられている許容範囲外の領域とにより構成される。図２５では遮光部８０は、光スイッチ５０の受光面と反対側の面に設けられているが、受光面側に設けられていてもよい。このような構成により、光スイッチ５０上にタイミング揺らぎの許容範囲に対応した空間的な範囲を導くことができ、許容範囲外に到達した光（タイミング揺らぎが許容範囲を超えた光）を遮断することができる。

本実施の形態でも、第２の実施の形態と同様に、ダイナミックレンジを拡大しない場合にはこのままの構成を用い、拡大する場合には、上記構成に加えて、第１の実施の形態で説明したように分割・遅延素子６０を配置する。

以下、本光パルス処理装置の動作について詳細に説明する。

信号光パルス１が、その進行方向が光スイッチ５０の受光面に対して垂直になるように入射され、不図示の分割・遅延素子６０により制御光パルス２Ａが分割されて得られた制御光パルス２Ａａが光スイッチ５０の受光面に対して斜めに（θ₂の角度で）入射される。ここで、第１の実施の形態で説明したように制御光パルス２Ａａと光スイッチ５０の交差する領域が透過状態とされ、該透過状態とされた領域において、信号光パルス１Ａが光スイッチ５０を透過することができる。ここで、信号光パルス１Ａの光スイッチ５０への到達タイミングにズレ（タイミング揺らぎ）があると、第１の実施の形態で説明した通り、光スイッチ５０上で透過する領域がタイミングにズレが無い場合の領域と異なることになる。このタイミングの揺らぎは、上述したように、光スイッチ５０上での空間的な位置ずれに対応する。タイミング揺らぎが許容範囲内である場合には、信号光パルス１Ａは遮光部８０に遮断されずに光スイッチ５０を透過することができる。ここで透過した信号光パルスは、光検出器７０で検出でき、所望の処理に用いることができる。また、信号光パルス１Ａのタイミング揺らぎが大きく、許容範囲外である場合には、遮光部８０に遮断され光スイッチ５０を透過することはできない。従って光検出器７０では検出されない。

図２６に示されるように、タイミング揺らぎが許容範囲内ＡＲ₁の信号光パルス（１）は光スイッチ５０を透過して出力される。タイミング揺らぎが許容範囲外ＡＲ₂の信号光パルス（２）は遮光部８０によりブロックされ光スイッチ５０を透過できずに廃棄される（出力されない）。すなわち、光スイッチ５０を透過して出力された信号光（出力光）では、タイミング揺らぎが低減される。

第１の実施の形態に係るタイミング検出装置の構成を示す図である。 透過型の光スイッチの具体的構成を表す断面図である。 図１に示す光スイッチのシャッター機能及び光検出器の信号光検出機能について説明する図である。 図１に示す光スイッチのシャッター機能及び光検出器の信号光検出機能について説明する図である。 図１に示す光スイッチのシャッター機能及び光検出器の信号光検出機能について説明する図である。 図１に示す光スイッチのシャッター機能及び光検出器の信号光検出機能について説明する図である。 図１に示す光スイッチのシャッター機能及び光検出器の信号光検出機能について説明する図である。 タイミングの演算方法を説明するための図である。 分割・遅延素子の変形例を示す図である。 分割・遅延素子の変形例を示す図である。 信号光を分割・遅延することによりダイナミックレンジを拡大する変形例３のタイミング検出装置の構成を示す図である。 変形例３の光検出器における分割された信号光パルスの検出状態を模式的に示した図である。 信号光を光スイッチの受光面に対して斜めに照射する変形例４のタイミング検出装置の構成を示す図である。 図１３に示す光スイッチのシャッター機能及び光検出器の信号光検出機能について説明する図である。 図１３に示す光スイッチのシャッター機能及び光検出器の信号光検出機能について説明する図である。 図１３に示す光スイッチのシャッター機能及び光検出器の信号光検出機能について説明する図である。 図１３に示す光スイッチのシャッター機能及び光検出器の信号光検出機能について説明する図である。 図１３に示す光スイッチのシャッター機能及び光検出器の信号光検出機能について説明する図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はタイミングの演算方法を説明するための図である。 反射型の光スイッチを用いたタイミング検出装置の一例を示す図である。 タイミング調整装置の構成と動作の概要を説明する図である。 フィードバック型のタイミング調整装置の構成を示す図である。 フィードフォワード型のタイミング調整装置の構成を示す図である。 （Ａ）は、ミラーを複数用いたタイミング制御器を示す図であり、（Ｂ）は異なる距離の遅延線を複数用いたタイミング制御器を示す図である。 第３の実施の形態に係る光パルス処理装置の構成を示す図である。 図２５に示す光パルス処理装置の動作を示す図である。 従来のタイミング検出装置の構成を示す図である。 図２７の構成を３次元的に表した図である。

符号の説明

１ 信号光
１Ａ〜１Ｈ 信号光パルス
２ 制御光
２Ａ、２Ａａ、２Ａｂ 制御光パルス
３ 出力光
１０ 光導波路
２０ 光学系
５０ 光スイッチ
ＡＲｐ〜ＡＲｗ 領域
６０ 分割・遅延素子
７０ 光検出器
８０ 遮光部
１００ タイミング演算部
２００ タイミング検出装置
３００ タイミング制御器

Claims (26)

1. 制御光パルスの照射部分に、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が形成される光スイッチと、
   複数の制御光パルスを前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する制御光照射手段と、
   前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを検出する複数の画素を備えた光検出器と、
   前記光検出器の検出結果に基づいて前記信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、該画素の位置情報と該画素に対応する前記光スイッチの領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、該検出された信号光パルスが該光スイッチに到達したタイミングを演算するタイミング演算手段と、
   を含む光パルスタイミング検出装置。
2. 前記制御光照射手段は、入射された制御光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の制御光パルスを、前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する請求項１記載の光パルスタイミング検出装置。
3. 前記制御光照射手段は、制御光パルスの一部が入射され、入射されない制御光パルスに対して入射された制御光パルスの光路長を異ならせる所定の光学媒質により構成された光学素子、または各々光路長が異なる複数の光学媒質により構成された光学素子により構成され、入射された制御光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の制御光パルスを、前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する請求項２記載の光パルスタイミング検出装置。
4. 前記光学媒質の屈折率及び前記光学媒質の制御光パルスの進行方向の厚さの少なくとも一方を変化させて前記光路長を異ならせた請求項３記載の光パルスタイミング検出装置。
5. 制御光パルスの照射部分に、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が形成される光スイッチと、
   信号光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の信号光パルスを前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する信号光照射手段と、
   前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを検出する複数の画素を備えた光検出器と、
   前記光検出器の検出結果に基づいて前記信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、該画素の位置情報と該画素に対応する前記光スイッチの領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、該検出された信号光パルスが該光スイッチに到達したタイミングを演算するタイミング演算手段と、
   を含む光パルスタイミング検出装置。
6. 前記信号光照射手段は、信号光パルスの一部が入射され、入射されない信号光パルスに対して入射された信号光パルスの光路長を異ならせる所定の光学媒質により構成された光学素子、または各々光路長が異なる複数の光学媒質により構成された光学素子により構成され、入射された信号光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の信号光パルスを、前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する請求項５記載の光パルスタイミング検出装置。
7. 前記光学媒質の屈折率及び前記光学媒質の信号光パルスの進行方向の厚さの少なくとも一方を変化させて前記光路長を異ならせた請求項６記載の光パルスタイミング検出装置。
8. 前記光検出器に備えられた複数の画素は、２次元的に配列される請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の光パルスタイミング検出装置。
9. 前記光スイッチは、入射する信号光パルスの進行方向に対して垂直に配置されると共に、前記制御光パルスの進行方向に対し所定角度傾けて配置された請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の光パルスタイミング検出装置。
10. 前記光スイッチは、前記制御光パルスの進行方向に対して垂直に配置されると共に、入射する信号光パルスの進行方向に対し所定角度傾けて配置された請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の光パルスタイミング検出装置。
11. 前記光スイッチは、光照射により吸収係数が変化し且つ緩和時間が短い非線形光学材料を含む機能性薄膜を備えた請求項１乃至請求項１０のいずれか１項記載の光パルスタイミング検出装置。
12. 前記光スイッチは、前記非線形光学材料の過飽和吸収を利用してオン状態の領域を形成する請求項１１記載の光パルスタイミング検出装置。
13. 前記光スイッチは、前記非線形光学材料の光カー効果を利用してオン状態の領域を形成する請求項１１記載の光パルスタイミング検出装置。
14. 前記機能性薄膜が、色素分子膜である請求項１１乃至請求項１３のいずれか１項記載の光パルスタイミング検出装置。
15. 複数の制御光パルスを、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が制御光パルスの照射部分に形成される光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射し、
    前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを複数の画素を備えた光検出器で検出し、
    前記光検出器の検出結果に基づいて信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、
    前記画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、検出された信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算する、
    光パルスタイミング検出方法。
16. 制御光パルスを、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が制御光パルスの照射部分に形成される光スイッチに照射し、
    信号光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の信号光パルスを、前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射し、
    前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを複数の画素を備えた光検出器で検出し、
    前記光検出器の検出結果に基づいて信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、
    前記画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、検出された所定の信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算する、
    光パルスタイミング検出方法。
17. 制御光パルスの照射部分に、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が形成される光スイッチと、
    複数の制御光パルスを前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する制御光照射手段と、
    前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを検出する複数の画素を備えた光検出器と、
    前記光検出器の検出結果に基づいて前記信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、該画素の位置情報と該画素に対応する前記光スイッチの領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、該検出された信号光パルスが該光スイッチに到達したタイミングを演算するタイミング演算手段と、
    前記タイミング演算部で演算されたタイミングに基づいて、信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを調整する調整手段と、
    を含む光パルスタイミング調整装置。
18. 制御光パルスの照射部分に、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が形成される光スイッチと、
    信号光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の信号光パルスを前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する信号光照射手段と、
    前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを検出する複数の画素を備えた光検出器と、
    前記光検出器の検出結果に基づいて前記信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、該画素の位置情報と該画素に対応する前記光スイッチの領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、該検出された信号光パルスが該光スイッチに到達したタイミングを演算するタイミング演算手段と、
    前記タイミング演算部で演算されたタイミングに基づいて、信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを調整する調整手段と、
    を含む光パルスタイミング調整装置。
19. 前記調整手段は、前記光スイッチまでの信号光パルスの光路長を変化させることにより信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを調整する請求項１７または請求項１８記載の光パルスタイミング調整装置。
20. 前記調整手段は、タイミングの検出に用いた信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミング、またはタイミングの検出に用いた信号光パルスに後続する信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを調整する請求項１７乃至請求項１９のいずれか１項記載の光パルスタイミング調整装置。
21. 複数の制御光パルスを、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が制御光パルスの照射部分に形成される光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射し、
    前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを複数の画素を備えた光検出器で検出し、
    前記光検出器の検出結果に基づいて信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、
    前記画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、検出された信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算し、
    前記演算されたタイミングに基づいて、信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを調整する、
    光パルスタイミング調整方法。
22. 制御光パルスを、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が制御光パルスの照射部分に形成される光スイッチに照射し、
    信号光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の信号光パルスを、前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射し、
    前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを複数の画素を備えた光検出器で検出し、
    前記光検出器の検出結果に基づいて信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、
    前記画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、検出された信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算し、
    前記演算されたタイミングに基づいて、信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを調整する、
    光パルスタイミング調整方法。
23. 制御光パルスの照射部分に、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が形成される光スイッチと、
    複数の制御光パルスを前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する制御光照射手段と、
    前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを検出する複数の画素を備えた光検出器と、
    前記光スイッチの予め定められた範囲外のオン状態の領域を透過し又は該領域で反射される信号光パルスが前記光検出器で検出されないように該信号光パルスを遮断する遮断手段と、
    を含む光パルス処理装置。
24. 制御光パルスの照射部分に、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が形成される光スイッチと、
    信号光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の信号光パルスを前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射する信号光照射手段と、
    前記光スイッチのオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを検出する複数の画素を備えた光検出器と、
    前記光スイッチの予め定められた範囲外のオン状態の領域を透過し又は該領域で反射される信号光パルスが前記光検出器で検出されないように該信号光パルスを遮断する遮断手段と、
    を含む光パルス処理装置。
25. 複数の制御光パルスを、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が制御光パルスの照射部分に形成される光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射し、
    信号光パルスを前記光スイッチに照射し、
    前記光スイッチの予め定められた範囲外のオン状態の領域を透過し又は該領域で反射される信号光パルスが複数の画素を備えた光検出器で検出されないように該信号光パルスを遮断し、
    前記光スイッチの予め定められた範囲内のオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを前記光検出器で検出する、
    光パルス処理方法。
26. 制御光パルスを、入射する信号光パルスを透過または反射させるオン状態の領域が制御光パルスの照射部分に形成される光スイッチに照射し、
    信号光パルスを複数に分割し、該分割して得られた複数の信号光パルスを、前記光スイッチの異なる領域に異なるタイミングで照射し、
    前記光スイッチの予め定められた範囲外のオン状態の領域を透過し又は該領域で反射される信号光パルスが複数の画素を備えた光検出器で検出されないように該信号光パルスを遮断し、
    前記光スイッチの予め定められた範囲内のオン状態の領域を透過し又は該領域で反射された信号光パルスを前記光検出器で検出する、
    光パルス処理方法。

Images