JP2008502896A - 非常に短い単一パルスの波形を測定する装置 - Google Patents

Abstract

本発明は単一光パルスの波形を測定する装置に関するものであり、本装置は、
−初期光パルスの一連のレプリカパルス（Ｒｉ）を、初期光パルス（Ｉ）に基づいて生成する手段（１，Ｆ）と、
−これらのレプリカパルス（Ｒｉ）の振幅を互いにほぼ同じ値になるように調整するスレーブ手段（２，３，４，ＡＭＰ）と、
−光サンプル（Ｅｉ）をレプリカパルス（Ｒｉ）に基づいて形成するサンプリング手段（７，Ｅｃｈ）と、そして
−電気信号を光サンプル（Ｅｉ）に基づいて形成する検出手段（Ｄ）と、を備える。
本発明は、単一の光パルスまたは電気パルス、或いは繰り返し周波数の低いパルスの測定に適用することができる。

Description

技術分野
本発明は非常に短い単一パルスの波形を測定する装置に関する。

背景技術
本発明は、通常、１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚのアナログ周波数帯における数ピコ秒〜数十ナノ秒の期間のレーザパルスに関する測定であって、光ファイバ及び関連部品に関する現在の技術を取り入れた測定に適用することができる。
本発明は、１０ＧＨｚ〜１００ＧＨｚのアナログ周波数帯における数十ピコ秒〜数十ナノ秒の期間の単一電気パルスに関する測定であって、電気光学変調器に関する現在の技術を取り入れた測定にも適用することができる。
有利なことに、本発明は、繰り返し周波数が低い光パルス及び電気パルスの測定にも適用することができる。

短い単一パルスの波形の測定は普通、難しく、かつ高価な計測機器を必要とする。異なるタイプの計測機器が要求性能によって変わる形で使用され、計測機器として例えば：
−アナログ周波数帯が通常、例えば０〜７ＧＨｚに変化するパルスに関して単一サンプルを使用する電気オシロスコープ（従って、「フラッシュ」変換技術が使用される）、
−アナログ周波数帯が通常、数ＧＨｚ〜１００ＧＨｚに変化するパルスに関するスリット内蔵ストリークカメラ（ＳＳＣカメラ）（使用する技術は電子真空管に関する技術と同じであり、直線偏向及び横偏向を利用して時間軸に沿った再生を可能にする）。スリット内蔵ストリークカメラは複雑で高価な一式の機器であり、これらの機器は頻繁に再校正する必要があり、光感度が低く、そして環境振動の影響を受け易い。
−通常のアナログ周波数帯が数百ＧＨｚ〜数十ＴＨｚに変化するパルスに関する自己相関器（この機器は実際には、パルス期間の相対測定値のみを供給し、そして前記測定値は波形の形状に関する前提を考慮に入れて取得される）。非線形光学技術は、時間／空間変換を画像解析及び信号処理と組み合わせる形で使用される。
本発明による測定装置と先行技術による単一パルス測定装置との違いは、本発明による測定装置が、測定パルスのアナログ周波数帯を著しく広くする簡単かつ画期的な手段を最適な形で組み合わせていることである。

発明の概要
本発明は、単一光パルスの波形、または繰り返し周波数の低い波形を測定する装置に関するものであり、本装置は、
−初期光パルスの一連のレプリカパルスを、これらのレプリカパルスが周期τを持つように初期光パルスに基づいて生成する手段と、
−これらのレプリカパルスの振幅を互いにほぼ同じ値になるように調整するスレーブ手段と、
−レプリカパルスをサンプリングして、レプリカパルスに基づく光サンプルを出力する手段と、
−電気信号をサンプリング手段が出力する光サンプルに基づいて形成する検出手段と、
を備え、光サンプリング手段はレーザ光源を含み、レーザ光源は周波数１／Ｔ_Ｏ及び初期光パルスよりも非常に短い期間を示すレーザパルスを放出し、レプリカパルスの周期τ、及びレーザパルスの周期Ｔ_Ｏは、δｔを初期光パルス期間よりも非常に短い期間の時間ドリフトとする場合に、次の等式により表わされる関係を有し、
τ＝Ｔ_Ｏ−δｔ，
そして光サンプラーはレプリカパルス及びレーザパルスによって照射され、光サンプラーはレーザサンプリングパルスの影響を受けながらレプリカパルスを実質的に透過するようになる。

本発明の第１変形例によれば、光サンプラーはＫｅｒｒセルであり、このセルは２つの直交偏光子の間に配置されるＫｅｒｒ効果活性媒質を含む。
本発明の第２変形例によれば、光サンプラーは、
−レプリカパルスを第１レプリカパルス部分及び第２レプリカパルス部分に分割する分割器と、
−第１及び第２レプリカパルス部分によってそれぞれ照射される第１ゾーン及び第２ゾーンを含む可飽和吸収体と、そして
−光減算干渉型素子（ＤＩＳＯ）と、を含み、
第１ゾーンはサンプリングレーザ光源からのパルスの影響を受けることによりほぼ透明となり、光減算干渉型素子は光サンプルを、第１可飽和吸収体ゾーンから出力されるサンプリング済み信号と第２可飽和吸収体ゾーンから出力される信号との差をとった結果として出力する。

本発明の別の特徴によれば、測定装置は、光サンプラーの出力に配置されて光サンプルの幅を狭くする干渉型素子を備える。
本発明の一の好適な実施形態によれば、初期光パルスの一連のレプリカパルスを生成する手段は、４ポートカプラー、及びカプラーにループバックする導波路、例えばシングルモード光ファイバを含む。

本発明はまた、単一電気パルスまたは繰り返し周波数の低いパルスの波形を測定する装置に関するものであり、前記装置は、本発明による、光パルスの波形を測定する装置に直列に配置される電気光学変調器を備えることを特徴とする。
本発明による、光パルスを測定する装置は、単一光パルスを測定する既存のオシロスコープでは依然として不可能な周波数帯に対応することができる。約１００ＧＨｚの周波数を実現する唯一の方法は、ＳＳＣカメラを使用することであるが、コーディング範囲は８ビットよりもずっと狭く、かつこの範囲は本発明による装置を使用することにより実現する。

本発明によるパルス測定装置は非常に高い時間分解能に関連する拡張コーディング範囲を構成として有する。この範囲は、スレーブループのノイズ要素及び出力光／電気変換によってほぼ制限される。計測機器の伝達関数は、最適な安定性を維持する飽和プロセスを使用する。この構成は、非線形「パラメータ増幅」または「光周波数変換」タイプの変換機構、或いは「自己相関器」タイプの構成には用いられない。
本発明により実現する測定感度は非常に高い。同じ時間分解能に関して、ＳＳＣカメラよりも数十倍高い感度を実現することができる。本発明による装置の性能は、自己相関器の性能と比較しても有利であり、自己相関器では、非線形光変換法は低速光信号の変換に適用することができない。

本発明による装置を、可飽和吸収体に接続されるファイバループを用いて使用することにより、ファイバループが技術的に非常に簡単であり、かつ非常に少ない数の能動部品しか含まないという利点をもたらすことができる。実現可能な性能に関してこのような簡単な構成を用いることにより、装置を低コストで作製することができると言える。この点に関して、非常に有利な結論が導かれる比較を、電気通信分野のアプリケーションに関する「全ての光」オシロスコープに対して、そしてＳＳＣカメラに対して行なうことができる。その結果、測定値の変換に必ず伴う信号処理及び校正ニーズが緩和される。本発明による装置は、定期的な再校正が必要なＳＳＣカメラの使用に対する制約を考えると、使用の点で非常に大きな利点をもたらす。
本発明による装置は特に堅牢である。サンプリング機能を持つ全ての必須の光学部品は、電気通信及びレーザ分野において確立されている技術を用いて製造されるファイバにより作製されることが好ましい。同様に、装置の出力側の電子部品は、光学部品の高いアナログ周波数よりもずっと低い周波数帯での使用が指定される部品群により構成される。例えば、最高速の部品は電気／光変換フォトダイオードであり、これらのダイオードは積分モードで自然に動作し、かつこれらのダイオードでは、応答時間はτよりも短い時間を維持する必要があるだけである。

電気パルス測定を行なう場合、本発明による装置は、広い周波数範囲内でのパルス波形の解析を可能にするので有利である。入力電気／光変換器を挿入することによってアナログフィルタの通過帯域が狭くなるのにも拘らず、本発明による電気パルス測定装置は、例えばＳＳＣカメラのような既存の機器よりもずっと優れた性能を有し、ＳＳＣカメラでは、コーディング範囲がこれらのカメラをカメラの最高速時間分解能で使用する場合に非常に狭くなる。
本発明による測定装置の基本コンセプトは非常に柔軟であり、かつ変えることができる、というのは、このコンセプトを、要求される測定性能に関して最適化される、広い妥協の範囲の解決法に適合させることができるからである。

本発明の他の特徴及び利点は、本発明の好適な実施形態を添付の図を参照しながら一読することにより一層明らかになる。
同じ記号は図の全てにおける同じ構成要素を指す。

発明の実施形態の詳細な説明
図１は、本発明の好適な実施形態による、光パルスを測定する装置を示している。
本装置は、４つのポートを備えるカプラー１と、シングルモード光ファイバＦと、３ポートカプラー２と、制御回路３と、絶縁アンプ（一方向性増幅）ＡＭＰと、アンプＡＭＰと直列接続される電気制御光電子減衰器４（周期的制御）と、非常に短い期間を有する繰り返しレーザパルスの光源７と、光サンプラーＥｃｈと、検出器Ｄと、アナログ／デジタル変換器ＣＮと、そしてメモリＭと、を備える。図１に示す事例では、サンプラーＥｃｈは、「透過」モードで動作する。しかしながら、本発明は、サンプラーＥｃｈが「反射」モードで動作する別の実施形態に適用することもできることに注目されたい。
長さＬの光ファイバＦは、伝搬するパルス信号の幅を広げるモード分散効果が生じないようにするシングルモードタイプである。カプラー１は４つのポートａ，ｂ，ｃ，ｄを有する。ポートａは測定装置の入力を構成し、ポートｂは３ポートカプラー２の入力に接続され、ポートｃはアンプＡＭＰの入力にファイバＦの第１セグメントを通して接続され、そしてポートｄは減衰器４の出力にファイバＦの第２セグメントを通して接続される。

４ポートカプラー１は次のように動作する方向性カプラーである。
−ポートａに入力する信号のα％（例えば５％）部分がポートｂに送信され、そして（１−α）％（例えば９５％）に等しい残りの部分がポートｃに送信され、そして
−ポートｄに入力する信号のα％部分がポートｂに送信され、そして（１−α）％に等しい残りの部分がポートｃに送信される。
その結果、測定装置にカプラー１のポートａを通して入力される初期レーザパルスＩはポートｂに出力される第１パルス部分（α％）、及びポートｃに出力される第２パルス部分（（１−α）％）に分割される。第１パルス部分はカプラー２に送信され、そして第２パルス部分はファイバＦ、アンプＡＭＰ、及び減衰器４を通してカプラー１のポートｄにループバックされる。第２パルス部分が長さＬのファイバＦを通って伝搬する伝搬速度Ｖによってループ時間τを次式のように求めることができる。
τ＝Ｌ／Ｖ

第２パルス部分がポートｄに達すると、このようにループバックされる第２パルス部分は、当該部分自体が、ポートｂに出力されてカプラー２に向かう第３パルス部分（α％）、及びポートｄにループバックされる第４パルス部分（（１−α）％）に分割される。従って、パルス部分がループバックされる度に、カプラー１は、当該カプラーが受信する電力のα％部分を出力ポートｂに、そして（１−α）％部分をポートｃに返す。
従って、測定装置にカプラー１のポートａを通して入力される初期レーザパルスから、期間τによって互いから分離される初期パルスの一連のレプリカパルスが生成される。ループに位置する減衰器４の透過係数、及びアンプＡＭＰのゲインＧを動的に調整して結合損失を補償して、量α×Ｇが通常、０．９５〜１（０．９５＜α×Ｇ＜１）となるようにする。アナログ−デジタル変換の後に使用される校正係数によって、全てのレプリカの振幅をリセットして次の基本条件が満たされるようにする。
α×Ｇ≒１ （１）

上の関係式（１）はデジタルスレーブループを使用して得られる。この関係式を得るために、各レプリカの一部分をカプラー２を使用してサンプリングする。カプラー２は３つのポートｅ，ｆ，及びｇを備えるカプラーである。ポートｅはカプラー１のポートｂに接続され、ポートｆは分割器５の入力に接続され、そしてポートｇは制御回路３の入力に接続される。カプラー２にポートｅを通して入力される信号は、ポートｇに出力される第１部分、及びポートｆに出力される第２部分に分割される。ポートｇに出力される部分は、例えばポートｅに入力される信号の３％に等しくなるようにすることができる。この第１信号部分は制御回路３への入力信号を構成する。制御回路３は、当該回路がその入力で受信する信号部分の振幅を求め、その結果として減衰命令Ｃｇを出力し、この減衰命令を減衰器４に印加して、減衰器に通常０．９５〜１のループゲインを持たせて全てのレプリカの振幅が同様の大きさになるようにする。
従って、カプラー２の出力ポートｆにおいて収集されるパルスは、周期τの一連のレプリカパルスＲｉ（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）を形成する。レプリカパルスＲｉは光サンプラーＥｃｈの入力に送信され、このサンプラーはこれらのレプリカパルスを、レーザパルス光源７から出力されるレーザパルスＩＬの作用によりサンプリングする。レーザパルス光源７はモード阻止性能を有する光源（ｍｏｄｅ ｂｌｏｃｋｉｎｇ ｓｏｕｒｃｅ）であることが好ましく、モード阻止性能を有するこの光源は周期Ｔ_Ｏで、τよりもずっと短い期間Ｒ_ＭＬ（Ｒ_ＭＬ≪τ）のレーザパルスを出力する。

図２Ａ〜２Ｄはレプリカパルスをサンプリングする様子を示す時間図を示している。
図２Ａは、レーザ光源７が出力する幅Ｔ_ＭＬ及び周期Ｔ_Ｏのパルスを示している。
図２Ｂは、図２Ａに示すパルスに基づいてサンプリングされる一連のレプリカＲ１，Ｒ２，Ｒ３，．．．ＲＮを示している。第１レプリカＲ１は時間Ｔ１の第１位置でサンプリングされ、時間Ｔ１の位置はレプリカＲ１の開始を示す時点及びサンプリング時点の間の期間を表わす。ｉ（ｉ＞１）が１よりも大きい場合のｉ番目のレプリカＲｉは、時間Ｔ１＋（Ｉ−１）δｔの該当する位置でサンプリングされる。従って、サンプリング時点は連続するレプリカの波形の内部で量δｔだけ順にインクリメントされる。このサンプリング原理は繰り返しパルスに使用される電子式連続サンプリングの概念と同様である。しかしながら、本発明による光パルス測定のフレームワークに使用される構成は繰り返し電気パルスを測定するフレームワークに使用される構成とは大きく異なる。本発明によるプロセスは、このプロセスによって、繰り返し電気パルスを測定する場合のような時間軸で平均した波形ではなく、純粋なパルス波形を再生することができるという利点をもたらす。

図２Ｃは連続するレプリカの例を示し、これらのレプリカに関して、包絡線は特殊な場合におけるレプリカの経時的なピーク強度の変化を表わし、この特殊な場合では、スレーブ機器が減衰器４を周期的に駆動する。この例では、スレーブ機器による駆動周期Ｔｅｏｎは周期Ｔ_Ｏの３倍に等しい。この場合においては、ピーク強度変化ΔＰｏｐｔは１０％未満であり、かつ周期的である。所定期間Ｔｅｏｎ内の包絡線の変化はα×Ｇの値によって決まり、かつ定数値α×Ｇ＜１の場合に指数関数形で表わされる。スレーブ機器による次の駆動周期の最後における系の動作は、レプリカＲ７のピーク強度がスレーブ機器による前の駆動周期におけるレプリカＲ１のピーク強度と同じ値になるように行なわれる。従って、校正係数は各レプリカＲ１〜Ｒ７に関連付けられ、そしてこの校正係数をアナログ−デジタル変換後に考慮に入れることにより、等価条件（１）に戻ることができる。
図２Ｄは、スレーブ機器が制御線Ｃｇを通して制御する減衰値Ａｔｔ（減衰器入力における信号レベルに対する減衰器出力における信号レベルの比）の変化を示している。減衰は周期Ｔ_Ｏに渡って一定であり、そして次の周期の間には切り替わって異なる値となるので、強度損失ΔＰｏｐｔが正確に補償される。

他のスレーブ動作モードも使用することができ、そしてここでは詳細には説明しない。
光サンプラーＥｃｈが出力するサンプルＥｉ（ｉ＝１，２，．．．，Ｎ）は検出器Ｄ、例えばフォトダイオードに送信される。例えば、検出器Ｄは、現在では電気通信技術において可能になっているように、１０ＧＨｚ〜６０ＧＨｚのアナログ周波数帯で動作することができる。検出器Ｄが使用する光／電気変換は積分モードで行なわれる。積分モードでは、所定の光サンプルの振幅が、時間軸で積分される検出器の電気応答の値に等しいことを考慮に入れる。この場合、発生し、かつ補正する必要のある誤差は、検出器の非飽和現象、連続する電気パルスを重ねることにより生じるベースラインのオフセットなどにより生じる誤差だけである。
検出器Ｄは、アナログデジタル変換器ＣＮに送信される電気サンプルを出力し、この変換器は、受信する信号のレベルをコーディングする。例えば、コーディングは８ビットまたは１０ビットで行なうことができる。コーディング時間は重要ではない。コーディング時間は単純にτの値によって制限される。次に、アナログデジタル変換器ＣＮが出力するデジタルデータがメモリＭに送信され、このメモリではアクセス時間が少なくともτに等しい。

図３は、本発明の第１変形例による光サンプラーＥｃｈを示している。
光サンプラーＥｃｈはＫｅｒｒセルである。Ｋｅｒｒセル（カーセル）は、２つの直交偏光子Ｐ１，Ｐ２の間に配置され、かつＫｅｒｒ効果測定に用いる活性媒質Ｋを備える。光源７が出力するレーザパルスＩＬが印加されると、媒質Ｋには、装置を非導電状態（２つの直交偏光子の間に配置され、かつ偏光解消することのない媒質）から導電状態（偏光成分を出力偏光子の平面で透過する）にするために十分な過渡複屈折（ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ）が生じる。
Ｋｅｒｒセルの形態の光サンプラーは時間分解能が非常に高い。約２百フェムト秒の幅を有する光サンプルを出力することが可能になる。
例えば、Ｋｅｒｒ効果（磁気光学効果）測定に用いる活性媒質はＣＳ_２液とすることができ、この液は封入用チャンバーに貯留する必要がある。Ｋｅｒｒ効果測定に用いる活性媒質はガラス固化媒質とすることもでき、この媒質の場合、レーザ強度を光源７の出力において大きくする必要がある。

図４は、本発明の第２変形例による光サンプラーＥｃｈを示している。
光サンプラーＥｃｈは２分割器５と、高速の可飽和吸収体６と、光減算干渉型素子（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｕｂｔｒａｃｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ）ＤＩＳＯと、そしてコリメーションレンズＬ１，Ｌ２，Ｌ３，及びＬ４と、を含む。光減算干渉型素子ＤＩＳＯは、２つの入力アームＢ１，Ｂ２、及び再結合素子Ｊを含み、アームＢ２には位相シフターＤｐｈを設け、再結合素子Ｊは２つの入力及び１つの入力を備える。サンプラーの入力及び出力はそれぞれ、２分割器５の入力、及び再結合素子Ｊの出力である。アームＢ１及びＢ２、及び再結合素子Ｊは、いずれかのタイプの光導波路、例えば光ファイバを使用して作製される。

サンプラーＥｃｈの入力で受信されるレプリカパルスＲｉを第１パルス部分Ｉａ及び第２パルス部分Ｉｂに分割し、第２パルス部分Ｉｂの振幅はパルス部分Ｉａの振幅とほぼ同じである。第１パルス部分Ｉａは可飽和吸収体の第１ゾーンＺ１に第１コリメーションレンズＬ１を通して送信され、そして第２パルス部分Ｉｂは可飽和吸収体の第２ゾーンＺ２に第２コリメーションレンズＬ２を通して送信される。
可飽和吸収体の動作は、吸収飽和現象に基づいて行なわれる。可飽和吸収体を通過する低強度信号は、特有の吸収係数を持つ吸収媒質に入力するので、当該信号の一部分が吸収される。他方、高強度信号は吸収媒質を白化し、この媒質を信号が、媒質の吸収係数が初期吸収係数よりもずっと小さい値になるまで通過し続ける。従って、高強度信号は部分的に送信することができる。

数学的に、可飽和吸収体の伝達特性は次の関係により表わされる。

上の式において、
−Ａ（Φ）は吸収体の吸収係数であり、この吸収係数は吸収体を照射する信号の強度Φの関数であり、
−Ａ_Ｏは照射が無い状態での吸収体の減衰係数であり、そして
−Φ_ｓａｔは吸収体の固有の飽和強度（Ｗ／ｃｍ^２）である。

本発明においては、ゾーンＺ１はパルス部分Ｉａによって、そしてパルスＩＬによって照射され、ゾーンＺ２はパルス部分Ｉｂによってのみ照射される。モード阻止性能を有するレーザ光源（ＳＭＬ（セルフォックマイクロレンズ）内蔵型レーザ光源）７から出力されるパルスＩＬのピーク電力Ｐ_ＭＬは、吸収体の透過率を、光源７が出力するレーザパルスの期間Ｔ_ＭＬの間に完全に飽和させる、または少なくとも非常に強く飽和させるように選択される。パルスＩＬのビーム及びパルス部分Ｉａのビームは同一直線の上には位置しない。パルスＩＬのビームは可飽和吸収体のゾーンＺ１にコリメーションレンズＬｃを通して、パルス部分Ｉａのビームがコリメートされる軸から数度〜数十度だけずれた軸に沿ってコリメートされる。ゾーンＺ１の出力から収集され、かつコリメーションレンズＬ３を通してアームＢ１の入力にコリメートされる信号は、ゾーンＺ１を通過するパルス部分Ｉａによってのみ構成される。
パルス部分ＩａがゾーンＺ１を通過する場合、ゾーンＺ１はサンプリングゲートのように動作し、サンプリングゲートはモード阻止性能を有するレーザ光源の周波数Ｆ_Ｏ（Ｆ_Ｏ＝１／Ｔ_Ｏ）で動作する。サンプリングゲートの開放時間Ｔ_ｅｃｈは可飽和吸収体のオーバーラップ時間Ｔ_ｓａｔにほぼ等しい。オーバーラップ時間Ｔ_ｓａｔの期間はパルス期間Ｔ_ＭＬよりも長い。

τ及びＴ_Ｏの大きさには次式のような関係がある。
τ＝（Ｔ_Ｏ−δｔ） （２）
上の式において、δｔは、２つのループが元に戻る時点を表わすサンプリング時点の時間すれを表わす（図２Ｂ参照）。従って、測定装置のサンプリングレートは、Ｔ_ｓａｔよりも大きい、またはＴ_ｓａｔに等しいが、入力パルスの期間Ｔ_Ｉよりもずっと短いδｔに等しい。取得することができるサンプルの最大数は次式により表わされる。
Ｎ＝τ／δｔ （３）
数Ｎは次式のように表わすこともできる。
Ｎ＝１／（（Ｔ_Ｏ／τ）−１） （４）

本発明による可飽和吸収体は、幾つかの異なる技術を使用して作製することができる。溶液を固体マトリクス中の色素を用いて調合する、または固体の可飽和吸収体をカーボンナノチューブまたは半導体を用いて作製することが考えられる。現在使用されるこのタイプの超高速固体吸収体は約１〜５ピコ秒のオーバーラップ時間Ｔ_ｓａｔを有する。更に、可飽和吸収体は、ネオジウム、イットリウム、またはエルビウム系レーザに有用な周波数帯である近赤外線周波数帯における光学動作のスペクトルとほぼ同じスペクトルを示すように選択することが好ましい。
ゾーンＺ１はサンプリングゲートのように動作するが、ゾーンＺ２は係数Ａｏの吸収を引き起こす。ゾーンＺ２が出力する信号はアームＢ２の入力にコリメーションレンズＬ４を通して送信される。

図５ＡはゾーンＺ１の出力において収集されるサンプリング信号Ｅ（Ｂ１）を示し、そして図５ＢはゾーンＺ２の出力において収集されるサンプリング信号Ｅ（Ｂ２）を示す。信号Ｅ（Ｂ１）は、幅Ｔ_ｅｃｈを有するサンプリングピークＰ_ｅｃｈを、パルス部分Ｉａを再生するとともに減衰させる信号の内部に含む。信号Ｅ（Ｂ２）はパルス部分Ｉｂを再生するとともに減衰させる。
アームＢ２には、電圧制御位相シフターＤｐｈが設けられる。位相シフターＤｐｈに印加される電圧Ｖｎを調整して、アームＢ１から出力される光信号の位相が、アームＢ２から出力される信号の位相とは逆になるようにする。アームＢ１及びＢ２から出力される信号を合計する再結合素子Ｊが、幅Ｔ_ｅｃｈを有するサンプルＥｉを出力する（図５Ｃ参照）。

図６は、図１に示す測定装置に改良を加えた構成を示している。従って、本発明による改良は第１変形例の事例、及び第２変形例の事例に同じように適用することができる。
図１に示す構成要素の他に、測定装置は分散補償器１５と、光学窓１６と、そして波形整形干渉型素子（ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｒｅｓｈａｐｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ）１７と、を備える。３つのデバイス１５，１６，及び１７は説明を分かり易くするために同じ図として示している。実際には、デバイス１５，１６，及び１７は互いに独立しており、かつ測定装置に一体化して組み込むことができる、または別々に組み込むことができる。

補償器１５は減衰器４の出力とカプラー１のポートｄとの間のループに挿入される。補償器はループにおける色分散を補償するように機能し、色分散の補償が行なわれない場合には、伝搬パルスの劣化が生じる。例えば、補償器１５はチャープブラッグネットワークデバイス（ｃｈｉｒｐｅｄ Ｂｒａｇｇ ｎｅｔｗｏｒｋ ｄｅｖｉｃｅ）またはファイバセグメントとすることができ、このデバイスまたはセグメントにおいては、分散係数の符号はループを構成する他の要素の分散係数の符号とは逆である。
光学窓１６はパルスＩＬの光源７とサンプラーＥｃｈとの間に配置される。光学窓１６は期間ΔＴ_Ｅの基本サンプリング系列を次式のように定義する。
ΔＴ_Ｅ＝Ｎｘδｔ
上の式において、Ｎは取得することができるサンプルの最大数である（等式（３）参照）。従って、光パルスの期間Ｔ_ＩはΔＴ_Ｅよりも短くする必要がある。光ゲート１６は、光源７が放出するパルスストリームを印加する時間窓を設定するように機能する。種々の要素の中でもとりわけ、この時間窓は可飽和吸収体がもはや半永久的に照射されることがないことを意味する。

本発明の第２変形例の一の特定の実施形態（光サンプラーが分割器及び可飽和吸収体を含む事例）によれば、４ポートカプラー１、４ポートカプラーにループバックする導波路、３ポートカプラー２、減衰器４、アンプＡＭＰ、及び分割器５が、導波路が埋め込まれた半導体基板に集積化される。従って、減衰器４及びアンプＡＭＰは半導体技術を使用して作製される。従って、この特定の実施形態のフレームワークでは、本発明による改良を実現する補償器１５は導波路中に作製されるブラッグネットワークにより構成される。
図７は自由空間での伝搬が行なわれる場合の波形整形干渉型素子１７を示し、そして図８Ａ及び８Ｂは干渉型素子１７の動作を示す時間図を示している。

干渉型素子１７は平衡分離器（ｂａｌａｎｃｅｄ ｓｅｐａｒａｔｏｒ）１８と、外部から極性を変化させることによる調整が可能な遅延回路１９と、コンバイナ２０と、２つのミラー２１，２３と、そして固定遅延回路２２（遅延Ｔ_ｄ）と、を備える。調整可能な遅延回路１９は極性電圧（ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ ｖｏｌｔａｇｅ）Ｖｂによって制御される。光サンプラーＥｃｈが出力する光サンプルＥｉは平衡分離器１８に送信される。次に、平衡分離器１８は第１サブサンプルを、極性を変化させることによって狭い値の範囲に収まるように調整を行なうことができる遅延回路１９に送信し、そして第２サブサンプルをミラー２１に送信する。ミラー２１に送信されるサブサンプルはこのミラーによって反射され、そして第２ミラー２３に遅延回路２２を通して送信される。ミラー２３は、当該ミラーが受信するサブサンプルを反射し、そして当該サブサンプルをコンバイナ２０に送信し、このコンバイナは、極性を変化させることによる調整が可能な遅延回路１９を通して送信されるパルスサブサンプルも受信する。コンバイナ２０は、当該コンバイナが受信する２つのサブサンプルを合成し、そして波形整形済みサンプル信号をフォトダイオード８に送信する。
遅延回路２２は遅延Ｔｄを生成して当該遅延が第１サブサンプルと第２サブサンプルとの間に生じるようにする。次に、遅延回路２２を通過する第２サブサンプルを、遅延回路１９を通過する第１サブサンプルよりもＴｄだけ遅らせる。サンプル信号が分離器１８に到達した場合に、かつ期間Ｔｄが経過することがない限り、干渉型素子１７が出力する信号は、調整可能な遅延回路１９を通過する第１サブサンプルによってのみ構成される。遅延Ｔｄが経過すると、干渉型素子１７が出力する信号は第１サブサンプル及び第２サブサンプルの合成サンプル（コンバイナ２０）により構成される。調整可能な遅延回路１９は、半波電圧に等しい極性電圧Ｖｂに調整される。その結果、第１及び第２サブサンプルが合成され、そして位相が逆になり、干渉によって互いに消去される。従って、干渉型素子１７が出力する信号は期間Ｔｄを有する１つのサブサンプルによって構成され、この期間Ｔｄが経過すると、残るのは小さな消去残留成分Ｒ_ｅｘｔ（第１サブサンプルと第２サブサンプルとの間の干渉による残留成分）だけである。図８Ｂは干渉型素子１７が出力する信号Ｓ_Ｂを示している。図８Ａは異なる信号を示し、これらの信号が合成されて図８Ｂに示す信号Ｓ_Ｂが得られる。信号Ｓ１は回路１９を通過する第１サブサンプルを示し、そして信号Ｓ２は遅延回路２２を通過する第２サブサンプルを示す。
干渉型素子１７は、可飽和吸収体を透過するオーバーラップ時間の位相を特徴付ける波形のような単調準指数関数型の減衰波形が得られるように良好に適合させる（図８Ａ及び８Ｂを参照）。

遅延値Ｔｄは干渉型素子１７の２つのアームの間の光路の長さの差によって変わる。この遅延値はほぼ一定であり、かつ高精度である必要がある。自由空間での伝搬が行なわれる実施形態の場合、遅延回路２２は、例えば校正済み屈折率及び厚さを有し、かつ２つの反射ミラー２１と２３との間に配置されるプレートにより作製することができる。従って、媒質の長さは、期間Ｔｄに必要な値によって変わる形で選択される。導波路に沿った伝搬が行なわれる場合、干渉型素子１７は、例えば通信用モジュレータに使用される方法と同様の方法により、光電変換基板に埋め込まれる導波路素子に一体的に組み込むことができる。
既に述べたように、干渉型素子１７を設けない場合、時間分解能は、出来る限り短くする必要のある、可飽和吸収体のオーバーラップ時間Ｔ_ｓａｔにより制限される。有利なことに、干渉型素子１７を使用して、オーバーラップ時間Ｔ_ｓａｔよりも短いサンプリング信号期間を得ることができる。従って、例えば１〜５ピコ秒の値Ｔ_ｓａｔを有する期間Ｔ_ｅｃｈを、数百フェムト秒に等しい値Ｔ_ｄにまで短くすることができる。干渉型素子１７を設けることにより、測定における粗い時間分解能を大幅に改善することができ、従って本発明の適用分野を広げることができる。

後の方の遷移部分の波形整形の調整を非常に高精度に行なって後の方の遷移部分以降の全ての信号残留成分を消去する必要があるということとは別に、別の現象を考慮に入れる必要がある。すなわち、干渉型素子が行なう波形整形によってエネルギーバランスが変化する。特定の校正係数を使用して信号の波形の変化を考慮に入れることができる。従って、校正段階を前に設ける必要がある。
本発明を制限する訳ではないが、幾つかの特性指標によって、基本絶対値、及び本発明の技術範囲に含むことができる性能の範囲を定量化し易くなる。標準的なＳＬＭ光源の事例について考察するが、この場合、Ｔ_ＭＬ＝１００〜２００ｆｓであり、かつループ時間は普通の値Ｆ_Ｏ＝１００ＭＨｚに対応するτ＝１０ｎｓ（すなわち、Ｌ＝２ｍ）である。サンプルの最大数は、ループのアンプ４が十分大きな飽和電力を有し、かつゾーンＺ１の出力での結合比が小さい値に維持される限り、Ｎ＝１０^２〜１０^３サンプルの範囲内である。例えば、期間Ｔ_Ｉ＝３ｎｓのパルスの波形に関する分解能値がδｔ＝３ｐｓの場合、Ｎ＝１０００ポイントが必要となる。Ｎは、取得サンプルを保存するために必要な最小メモリ深度でもある。干渉型素子１７を含む全ての構成を前提として、本発明に包含される適用領域及び測定性能領域を推定することができる。市場から入手できる光学部品に関する現状の技術では、数十ピコ秒〜数十ナノ秒の範囲で変化する期間Ｔ_Ｉのパルスの場合、次の値が予測性能の概要を示すことになる。すなわち、時間分解能δｔの範囲は０．５ピコ秒〜数ピコ秒であり、振幅コーディング範囲は８ビット以上であり、波形測定の繰り返し周波数は単一パルス〜数ギガヘルツである。８ビットのコーディングは市販のファイバアンプ及び標準のフォトダイオードの性能と同等のレベルである。現時点では、最良のアンプはＦ＝４〜５ｄＢの雑音係数を有する。光電力に所定の減衰量を与える高速の光減衰器は、導波路を実現するための種々の技術において採用され、この場合、応答時間は１ナノ秒よりもずっと短いので、スレーブ機器が行なう制御によって実現する時間と同じレベルの時間である。通常のフォトダイオードは約３０ｄＢの帯域幅を示す。これらの数値の全てに関して、妥協できる値を測定ニーズによって変わる形で求める必要がある。可飽和吸収体において１ピコ秒の周期で照射を行なう必要がある場合、例えば美白作用（ｔｏｔａｌ ｗｈｉｔｅｎｉｎｇ）が約１０ＭＷ／ｃｍ^２で生じるカーボンナノチューブの場合、これらのカーボンナノチューブが、既存のＳＭＬ光源の技術を、Ｆ_０＝１００ＭＨｚ、及び１０μｍ^２セクションにおける１０ｐＪのサンプリングレーザパルス当たりのエネルギーに対応するＰ_ＭＬ＝１０ＭＷ／ｃｍ^２、すなわち１ｍＷに等しい平均光源電力の条件で使用することができる範囲のフルエンス率に十分に収まるように指定する必要もある。

図９は、本発明による測定装置の別の実施形態を示している。
測定装置は、４ポートカプラー１と、シングルモードタイプの光ファイバＦと、３ポートカプラー２と、制御回路３と、減衰器４と、アンプＡＭＰと、２分割器５と、可飽和吸収体６と、レーザパルス光源７と、２つの検出器８，９と、２つのアナログ／デジタル変換器１０，１１と、差動回路１２と、メモリ１３と、そして表示装置１４と、を備える。
要素１，２，３，４，ＡＭＰ，５，６，及び７は互いに対して上に説明した方法と同じ方法で接続される。この場合、吸収体のゾーンＺ１が出力する信号は第１検出器８に送信され、そしてゾーンＺ２が出力する信号は第２検出器９に送信される。検出器８及び９はフォトダイオードであることが好ましく、これらのフォトダイオードでは、立ち上がり時間は、例えば約１０ピコ秒〜数百ピコ秒の範囲に収めることができる。フォトダイオード８，９は、コリメート結合系においてゾーンＺ１及びＺ２の後段に配置される。フォトダイオード８及び９は、例えば現在電気通信ネットワーク技術において規格化されている１０ＧＨｚ〜６０ＧＨｚのアナログ周波数帯で動作することができる。必須ではないが、シングルモードファイバによる一括伝送がゾーンＺ１及びＺ２の出力と該当する検出器８及び９との間で可能になる。サンプリング機能に関する帯域制限は大幅に緩和され、かつ電気／光変換が積分モードで行なわれる。
フォトダイオード８及び９が出力する電気パルスは、該当するアナログ−デジタル変換器１０及び１１にそれぞれ送信され、これらの変換器は受信する信号のレベルをデジタルコーディングする。例えば、コーディングは８〜１０ビットで行なうことができる。コーディング時間は重要ではない。コーディング時間はτの値によってのみ制限される。次に、デジタル化されたデータは演算器（差動回路１２）によって変換され、演算器はアナログ−デジタル変換器１０が出力する信号とアナログ−デジタル変換器１１が出力する信号との差ΔＰを求める機能を備える。前に光学的に行なわれる差分演算はこの場合はデジタル領域で行なわれる。

図１０は図９に示す測定装置に改良を加えた構成を示している。図９に示す構成要素の他に、測定装置は補償器１５及び光学窓１６を備える。補償器１５及び光学窓１６は、図６に既に示した改良型構成における位置と同じ位置に配置され、かつ前と同じ利点を有する。
有利なことに、本発明は光パルスだけでなく、電気パルスにも適用することができる。この場合、測定対象の電気パルスを光パルスに変換する必要があるだけである。次に、電気光学変調器をカプラー１のポートａに配置して変換を行なう。電気光学変調器は直接的な変調を行なう変調器または間接的な変調を行なう変調器とすることができる。間接的な変調を行ない、かつ最大の通過帯域を利用することができる変調器を使用する場合、変調器はその入力で低電力ＤＣレーザ光源によって駆動される。直接的な変調を行なう場合、変調器は、例えばダイオードとすることができる。しかしながら、電気パルスを測定する場合には周波数特性の或る程度の低下を考慮に入れる必要がある、というのは、電気光学変調器の伝達関数は、装置のアナログ信号通過帯域の観点からは制限要素となるからである。しかしながら、サンプリングの時間分解能は維持される。

例えば、電気光学変調器は電子吸収体を使用して、またはポリマー技術を用いて構成することができる、または進行波変調器とすることができる。図１１は本発明による、電気パルスを測定する装置を示している。装置は、本発明による光パルスの波形を測定する装置２５と直列接続される電気光学変調器２４を含む。電気光学変調器２４は電気パルスＩ_Ｅを光パルスＩに変換する。

本発明による単一光パルスを測定する装置を示す。 Ａ〜Ｄは、図１に示す測定装置の動作を示す時間図を示す。 本発明による測定装置の特定の回路の第１変形例を示す。 特定の回路の第２変形例を示し、特定の回路の第１変形例は図３に示される。 Ａ〜Ｃは、図４に示す回路の動作を示す時間図を示す。 図１に示す測定装置の改良版を示す。 図６に示す改良版に従った測定装置における回路の詳細図を示す。 Ａ，Ｂは、図７に示す回路の動作を示す時間図を示す。 本発明による測定装置の別の実施形態を示す。 図９に示す測定装置の改良版を示す。 本発明による単一電気パルスを測定する装置を示す。

Claims (26)

1. 非常に短い単一光パルスまたは繰り返し周波数の低いパルスの波形を測定する装置であって、前記装置は、初期光パルスの一連のレプリカパルス（Ｒｉ）を、これらのレプリカパルスが周期τを持つように、初期光パルス（Ｉ）に基づいて生成する手段（１，Ｆ）と、これらのレプリカパルス（Ｒｉ）の振幅を互いにほぼ同じ値になるように調整するスレーブ手段（２，３，４）と、レプリカパルス（Ｒｉ）をサンプリングしてレプリカパルス（Ｒｉ）に基づく光サンプル（Ｅｉ）を出力する手段（７，Ｅｃｈ）と、そして電気信号をサンプリング手段（７，Ｅｃｈ）が出力する光サンプル（Ｅｉ）に基づいて形成する検出手段（Ｄ）と、を備え、光サンプリング手段はレーザ光源（７）を含み、レーザ光源は周波数１／Ｔ_Ｏ及び初期光パルスよりも非常に短い期間（Ｔ_ＭＬ）を示すレーザパルス（ＩＬ）を放出し、レプリカパルスの周期τ、及びレーザパルスの周期Ｔ_Ｏは、δｔを初期光パルス期間よりも非常に短い期間の時間ドリフトとする場合に、次の等式により表わされる関係を有し、
   τ＝Ｔ_Ｏ−δｔ，
   光サンプラー（Ｅｃｈ）はレプリカパルス（Ｒｉ）及びレーザパルス（ＩＬ）によって照射され、レーザサンプリングパルスの影響を受けてレプリカパルス（Ｒｉ）を実質的に透過するようになることを特徴とする、装置。
2. 光サンプラー（Ｅｃｈ）はＫｅｒｒセルであり、このセルは２つの直交偏光子（Ｐ１，Ｐ２）の間に配置されるＫｅｒｒ効果活性媒質（Ｋ）を含むことを特徴とする、請求項１記載の装置。
3. 光サンプラー（Ｅｃｈ）は、レプリカパルス（Ｒｉ）を第１レプリカパルス部分（Ｉａ）及び第２レプリカパルス部分（Ｉｂ）に分割する分割器（５）と、第１及び第２レプリカパルス部分によってそれぞれ照射される第１ゾーン（Ｚ１）及び第２ゾーン（Ｚ２）を含む可飽和吸収体（６）と、そして光減算干渉型素子（ＤＩＳＯ）と、を含み、第１ゾーン（Ｚ１）はレーザパルス（ＩＬ）の影響を受けることによりほぼ透明となり、光減算干渉型素子は光サンプル（Ｅｉ）を、第１可飽和吸収体ゾーン（Ｚ１）から出力されるサンプリング済み信号と第２可飽和吸収体ゾーン（Ｚ２）から出力される信号との差をとった結果として出力することを特徴とする、請求項１記載の装置。
4. 光減算干渉型素子（ＤＩＳＯ）は、第１ゾーン（Ｚ１）から出力されるサンプリング済み信号を収集する入力を有する第１アーム（Ｂ１）と、第２ゾーン（Ｚ２）から出力される信号を収集する第２アーム（Ｂ２）と、第２アームと直列に配置されて第１アーム（Ｂ１）が出力する光信号と第２アーム（Ｂ２）が出力する光信号との間の位相シフトΠを設定する電圧制御位相シフター（Ｄｐｈ）と、そして２つの入力及び１つの出力を有する再結合素子（Ｊ）と、を含み、再結合素子は、第１アーム（Ｂ１）が出力する信号を第１入力で、そして第２アーム（Ｂ２）が出力する信号を第２入力で収集し、かつ光サンプル（Ｅｉ）をその出力から出力することを特徴とする、請求項３記載の装置。
5. 可飽和吸収体は色素を含んだ溶液であることを特徴とする、請求項３又は４記載の装置。
6. 可飽和吸収体はカーボンナノチューブを含むことを特徴とする、請求項３又は４記載の装置。
7. 可飽和吸収体は半導体可飽和吸収素子であることを特徴とする、請求項３又は４記載の装置。
8. 装置は、光サンプラー（Ｅｃｈ）の出力に配置されて光サンプル（Ｅｉ）の幅を狭くする干渉型素子（１７）を備えることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれか一項に記載の装置。
9. 干渉型素子（１７）は、
   −光サンプルを第１サブサンプル及び第２サブサンプルに分離する平衡分離器（１８）と、
   −第１ミラー（２１）、第２ミラー（２３）、及び第１ミラーと第２ミラーとの間に配置されて第１サブサンプルの第１光路を形成する遅延回路（２２）と、を含む第１アームと、
   −外部から極性を変化させることによる調整が可能な遅延回路（１９）を含む第２アームであって、遅延回路において半波電圧にほぼ等しい電圧（Ｖｂ）に極性を変化させることにより第２サブサンプルの第２光路を形成する構成の第２アームと、そして
   −第１アーム及び第２アームをそれぞれ伝搬する第１サブサンプル及び第２サブサンプルを合成するコンバイナ（２０）と、
   を含むことを特徴とする、請求項８記載の装置。
10. 初期光パルスの一連のレプリカパルス（Ｒｉ）を生成する手段（１，Ｆ）は、４ポートカプラー（ａ，ｂ，ｃ，ｄ）、及び導波路（Ｆ）を含み、４ポートカプラーは２つの入力ポート（ａ，ｄ）、及び２つの出力ポート（ｂ，ｃ）を含み、第１入力ポート（ａ）は初期光パルスが測定装置に入力する入力を構成し、そして第１出力ポート（ｂ）はレプリカパルスが出力される出力を構成し、導波路（Ｆ）は第２出力ポート（ｃ）を第２入力ポート（ｄ）に接続することを特徴とする、請求項１ないし９のいずれか一項に記載の装置。
11. スレーブ手段（２，３，４）は、３ポートカプラー（２）と、制御回路（３）と、アンプ（ＡＭＰ）と、そして減衰器（４）と、を含み、３ポートカプラーの内、１つの入力ポート（ｅ）はレプリカパルスが出力される出力に接続され、アンプ（ＡＭＰ）及び減衰器（4）は導波路（Ｆ）に沿って直列に配置され、３ポートカプラー（２）によってレプリカパルス部分のサンプリングが可能になり、これにより前記レプリカパルス部分が制御回路（３）に送信され、制御回路は、サンプリングされたレプリカパルス部分の振幅によって変わる制御信号（Ｃｇ）を送出し、制御信号（Ｃｇ）は減衰器（４）に、電気的制御に関する方法と同じ方法により印加されることを特徴とする、請求項１０記載の装置。
12. 導波路（Ｆ）はシングルモードファイバであることを特徴とする、請求項１０又は１１記載の装置。
13. 装置は、シングルモードファイバ（Ｆ）に沿って直列に配置される分散補償器（１５）を備えることを特徴とする、請求項１２記載の装置。
14. 補償器（１５）はチャープファイバブラッグネットワークであることを特徴とする、請求項１３記載の装置。
15. 補償器（１５）は一のファイバセグメントであり、前記セグメントでは、分散係数の符号がシングルモードファイバ（Ｆ）の分散係数の符号と逆であることを特徴とする、請求項１３記載の装置。
16. 他のいずれかの請求項に直接的に従属する場合を除いて、請求項３ないし７のいずれか一項に記載の装置に直接的に関連する場合、４ポートカプラー（１）、導波路、３ポートカプラー（２）、減衰器（４）、アンプ（ＡＭＰ）、及び分割器（５）は導波路を搭載する半導体基板に集積化されることを特徴とする、請求項１１記載の装置。
17. 装置はブラッグネットワークにより形成される分散補償器（１５）を備え、ブラッグネットワークは導波路中に作製され、かつ導波路に沿って直列に配置されることを特徴とする、請求項１６記載の装置。
18. 装置は、レーザパルス光源（７）と光サンプラー（Ｅｃｈ）との間のレーザパルス（ＩＬ）の経路に配置される光学窓（１６）を備えることを特徴とする、請求項１ないし１７のいずれか一項に記載の装置。
19. 検出手段（Ｄ，ＣＮ）は、アナログ／デジタル変換器（ＣＮ）に直列接続される少なくとも一つのフォトダイオード（Ｄ）を含むことを特徴とする、請求項１ないし１８のいずれか一項に記載の装置。
20. アナログ／デジタル変換器（ＣＮ）は８ビット変換器または１０ビット変換器であることを特徴とする、請求項１９記載の装置。
21. 装置は、アナログ／デジタル変換器（ＣＮ）が出力する信号を保存するメモリ（Ｍ）を備えることを特徴とする、請求項１９又は２０記載の装置。
22. レーザパルス光源（７）はモード阻止性能を有する光源であることを特徴とする、請求項１ないし２１のいずれか一項に記載の装置。
23. 単一電気パルスまたは繰り返し周波数の低いパルスの波形を測定する装置であって、前記装置は、光パルスの波形を測定する請求項１ないし２２のいずれか一項に記載の装置に直列に配置される電気光学変調器を備えることを特徴とする装置。
24. 電気光学変調器は間接的な変調を行なう変調器であることを特徴とする、請求項２３記載の装置。
25. 電気光学変調器は直接的な変調を行なう変調器であることを特徴とする、請求項２３記載の装置。
26. 電気光学変調器はダイオードであることを特徴とする、請求項２５記載の装置。

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