JP2677372B2 - 光サンプリングオシロスコープ - Google Patents

光サンプリングオシロスコープ

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JP2677372B2
JP2677372B2 JP63042320A JP4232088A JP2677372B2 JP 2677372 B2 JP2677372 B2 JP 2677372B2 JP 63042320 A JP63042320 A JP 63042320A JP 4232088 A JP4232088 A JP 4232088A JP 2677372 B2 JP2677372 B2 JP 2677372B2
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【発明の詳細な説明】 (発明の属する技術分野) 本発明は強度変調光通信等に用いられる光パルス波形
を和周波光発生を利用して測定する装置において、単独
のサンプリングによる測定情報を保持しつつ、これを表
示することにより被測定光パルスの振幅と位相の変動を
観測することができる光サンプリングオシロスコープに
関するものである。
(従来の技術) 従来、非線形光学効果(和周波光発生)を利用した光
パルスの観測では、観測すべき光パルスとそれより幅の
狭い別のサンプリング光パルス列を非線形光学結晶に導
き、両者の相互相関信号を和周波光として取り出す方法
を使用している。
上記和周波光とは入射する二つの光の周波数の和の周
波数を持つ光のことであり、入射光が同じ周波数のと
き、和周波光は2倍の周波数を持つことになる。また、
これを波長でいえば半分になることであり、1.55μm以
下の近赤外領域の入射光に対しては可視光が得られる。
第8図は、和周波光発生を利用した光サンプリングの
原理を示す。ここではサンプリングパルス(イ)の繰り
返し周波数(fs Hz)を被測定光パルス波形(ア)の繰
り返し周波数(f Hz)より若干低くする(fs=f−Δf:
Δf;周波数差)ことによって、被測定光パルス波形
(ア)とサンプリングパルス(イ)の時間的な相対位置
を掃引させ、これによって被測定光パルス波形(ア)と
相似な低速の相互相関波形(ウ)が得られる。
一般的には、上記の周波数差はサンプリングの繰り返
し周波数に比べほんの僅かなので、実際のサンプリング
動作は図に示したものよりはるかに密になり、ほぼ連続
的なサンプリングになる。
なお、(ウ)の相互相関波形をもつ相互相関信号はサ
ンプリングパルスの繰り返し周波数fsを有するパルス列
であり、その包絡線(ウ)′が被測定光パルス波形
(ア)に対応する。すなわち、必要な波形の情報はその
包絡線に含まれているので、波形観測に必要な帯域は掃
引速度に相当する上記周波数差程度であればよく、従来
は高速の受光器は必要ないとされている。
第9図は従来の光サンプリング波形測定装置の構成を
示し、サンプリング周波数発振器1の発振信号を用いて
サンプリングパルス発生部2でサンプリングパルス(第
10図(イ))を発生し、結合器3に加える。一方、外部
装置である被測定パルス列発生部4からの被測定光パル
ス(第10図(ア))も結合器3に加えられる。この両パ
ルスが結合器3で合波され非線形結晶5に加えられ、こ
こで合波された2つの光の和周波光パルス、即ち相互相
関信号(第10図(ウ)の相互相関波形)を発生する。こ
れを低速受光器6で和周波光パルスを包絡線検波し、増
幅器7を介して表示部8に表示する。この表示部には前
記サンプリング周波数発振器1の出力 と被測定パルス列発生部4からの被測定パルス(f)と
をRFミクサ9で混合した出力を低域ろ波器(LPF)10で
ろ波しトリガ信号(Δf)を得て前記和周波光パルスの
表示部8へ入力しその表示制御を行なう。
上記第9図の例では、被測定光パルスf(ア)とサン
プリングパルスfs(イ)との各周波数がほぼ等しい場合
を示したが、本原理説明から明らかなように、サンプリ
ング周波数そのものは整数分の1(f/n Hz)近傍であっ
てもよい。従って、サンプリング周波数そのものは、サ
ンプリングパルス発生素子がそのパルス幅を狭くできる
周波数に選ぶことができる。
しかし、上記で説明した包絡線検波を用いる従来の測
定系では被測定光パルス列(ア)が強度変調された信号
の場合、1及び0に対応する相関信号(和周波光パルス
列)が平均化され、マーク・スペース時の波形を表すア
イパターンが得られない。
すなわち第10図に示すように、被測定光パルス(ア)
がパルス変調されているとすると非線形結晶5において
発生する和周波光パルス(ウ)は被測定光パルス(ア)
の「マーク」に対してのみに発生するので、このパルス
を低速の受光器6で包絡線検波すると測定波形振幅はマ
ーク率に比例して減少することになる。
これが第10図の(エ)であり、低速の受光器6の帯域
制限により時間平均されて表示部8に実線に示すような
波形が表示され、破線図示のようなピーク値表示のアイ
パターンが得られない欠点があった。
また、個々のパルスのジッタや振幅変動の情報も平均
化され、光変調時に生ずる光波形の変動が観測できない
問題がある。従って、光通信用の光波形測定器としては
従来の電気領域におけるサンプリングオシロスコープに
相当する光領域のサンプリングオシロスコープの実現が
望まれていた。
(発明の目的) 本発明は和周波光発生技術を用いた光サンプリングオ
シロスコープにおいて、被測定光パルスの振幅と位相の
変動を観測することができるように、個々のサンプリン
グ値を表示することができる光波形測定手段を提供する
ことを目的とするものである。
(発明の構成) (発明の特徴と従来技術との差異) 本発明は上記目的を達成するため、サンプリング光パ
ルス列の繰返し周波数程度以上の帯域を有する受光回路
で和周波光パルスを検出し、パルス波形のピーク値を保
持し、これを表示することを最も主要な特徴とする。
従来技術とは、被測定光パルスの振幅と位相の変動を
観測できるように個々のサンプリング値を表示すること
ができる点が異なる。
(実施例) 本発明による単独のサンプリング値を表示させるため
の動作原理としては、連続する和周波光パルス列の互い
の裾の重なりが無視できるほど広帯域な高速受光器を用
いて和周波光パルス列を電気パルス列に変換すると、各
々の電気パルスのピーク値は各々の和周波光パルスのそ
れに比例しているといえる。
この場合、受光器の帯域はサンプリング周波数程度の
帯域があればよい。既に述べたように、サンプリング周
波数は被測定パルスの整数分の1近傍を選べばよいた
め、受光器の帯域に対する要求条件は直接検波に比べる
と遥かに緩和することができる。
即ち第1図に単独のサンプリング値を表示するための
信号処理手順を示すように、(ア)は振幅変動を有する
被測定光パルス,(ウ)は光サンプリングされた和周波
光パルス,(エ)は上記(ウ)を光電変換して得た電気
パルス,(オ)はこの電気パルス(エ)のピーク値を保
持した信号を示し、この電気パルス(エ)のピーク値を
いわゆる「サンプル・ホールド」回路で保持し、これを
表示すればよい。また、ホールドする周期もまた、サン
プリング信号と同じ周期である必要はなく、これらの整
数倍でもよい。すなわち、ホールドする繰り返し周波数
はサンプリング周波数のさらに整数分の1にできる。第
1図ではこれらの周期が同じである場合を示している
が、これは本来ホールド回路等他の回路の応答速度で決
定されるべきものである。
第2図は第1図に示す信号処理手順にもとづき構成し
た本発明の第1の実施例を示し、第9図と同一数字記号
は同じものである。図において11は和周波光パルス列の
互いの裾の重なりが無視できるほど広帯域の高速受光
器、12は増幅器7の増幅出力のピーク値を保持する保持
回路、13は保持回路12の出力の一部を切り出すゲート回
路、14は分周回路で、サンプリング周波数発振器1の信
号を分周し、1つは前記保持回路12のゲートパルス
(e)(第3図)として、他の1つはゲート矩形波発生
器15に入力してゲート矩形波(d)(第3図)とする。
なお、上記構成において、一般に、非線形結晶5によ
る和周波光発生効率は低いので、電気信号に変換された
パルスは増幅する必要がある。この場合、受光器11の前
で光増幅器を用いて増幅してもよい。
次に本実施例の動作を第3図の動作タイミングチャー
トを用いて説明する。既に第9図でのべたように非線形
結晶5で得られた和周波光(相互相関信号)は高速受光
器11で検出され、増幅器7で増幅された電気パルス
(a)は保持回路12に入力される。一方、ホールドする
瞬間とその周波数を規定するゲートパルス(e)はサン
プリング周波数発振器1からの信号を分周回路14で分周
した信号(1/2分周比)で発生させる。保持回路12の出
力(b)は次のゲートパルス(e)までの間増幅器出力
(a)のピーク値を保持する。次段のゲート回路13はゲ
ートパルスを矩形波に変換したゲート矩形波(d)で保
持回路出力(b)の一部を切り出し、表示信号(c)に
加工する。これは表示部8の縦軸入力となる。横軸の掃
引はトリガ信号(f)に同期させればよい。また、ゲー
ト矩形波(d)は表示信号(c)の不要な部分(波線で
示す)を表示しないように、いわゆるブランキング信号
として入力する。これにより、本発明のアイパターンは
第10図(オ)に示すように、従来の波形(エ)に比べピ
ーク値表示が大きいものがえられる。なお、第3図のゲ
ートパルス(e)はサンプリングパルスの繰り返しの1/
2に分周されている場合を示している。
実際の測定器においては入力被測定信号が独立な信号
源で駆動されることが一般的なため、サンプリング信号
はこれに同期して発生できることが望ましい。サンプリ
ング信号を被測定信号から生成する場合には第2図の破
線で囲んだ部分を第4図(a)に示す構成に置き換えれ
ばよい。すなわち、まず同期増幅器16で被測定パルスに
同期した信号を抽出・増幅し、周波数シフタ17でΔfだ
け周波数fを下方に偏移させる。この信号に同期させて
サンプリングパルス発生部2を制御してサンプリングパ
ルスを発生させればよい。
また、第4図(b)に示すように掃引鋸歯状波発生器
20を用い、その鋸歯状波で制御する位相シフタ19を用い
て同期信号の位相を0から2π(360度)まで直線的に
掃引してもよい。この場合、掃引の繰り返し周波数は上
記の鋸歯状波で決定されることになる。
次に従来の高速の電気信号を観測するために用いるサ
ンプリングオシロスコープに準拠した方法も利用でき
る。この場合の第2の実施例の構成を第5図に、また、
これのタイミングチャートを第6図に示す。ここで数字
記号,英字記号は第2図,第3図でのべたものと同じ意
味をもつ、まず被測定パルスに同期した電気信号(g)
は同期増幅鋸歯状波発生器21に入力され、これは被測定
パルスに同期した鋸歯状波(h)を発生させる。このと
き、上述したように同期信号(g)をn段分周してサン
プリング周波数を下げてもよい。また、これとは独立に
表示の横軸の掃引を規定するゆっくりとした掃引鋸歯状
波(i)を掃引鋸歯状波発生器20で発生させておき、こ
れらの信号のレベルが交差する時点を始点としてサンプ
リングパルス(j)を発生させる。掃引鋸歯状波(i)
はそのまま表示部8の横軸入力にできる。他の処理は第
2図に示す実施例と同じである。
以上述べてきた形式のものをアナログ型とよぶことに
する。
次に本発明は保持回路12の出力をアナログ/ディジタ
ル(A/D)変換することによりディジタル処理すること
ができる。
第7図はこの場合の本発明の第3の実施例の構成を示
す。図において22はA/D変換器で、保持回路12の出力
(第3図b)をディジタル変換する。23はディジタル処
理部で、前記A/D変換器22かの並列なディジタル出力を
低域ろ波器10からのトリガ信号(Δf)で処理し、D/A
変換器24に加え、表示部8へ表示する。この場合、サン
プリングパルスを外部信号に同期させて発生する必要が
ある場合は、前述の第2の実施例(第5図)で述べた方
法を適用すればよい。処理系としては現在実用化されて
いるディジタルオシロスコープと同様のものでよい。
(発明の効果) 以上説明したように本発明は構成されているので、被
測定光パルスの振幅と位相の変動を観測できるように個
々のサンプリング値を表示することができるので、従来
のサンプリングオシロスコープと同様にアイパターンや
ジッタの観測が可能になる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による単独のサンプリング値を表示する
ための信号処理手順の説明用波形図、第2図は本発明の
第1の実施例の光サンプリングオシロスコープの構成
図、第3図は第2図のタイミングチャート、第4図は第
2図の破線で囲んだサンプリングパルス発生部分の構成
例図、第5図は本発明の第2の実施例による光サンプリ
ングオシロスコープの構成図、第6図は第5図のサンプ
リングパルス生成のタイミングチャート、第7図は本発
明の第3の実施例による光サンプリングオシロスコープ
の構成図である。 また、第8図は被測定光パルスとサンプリングパルスの
時間的な相対位置の変化と、これによって得られる低速
の相互相関波形を示す図、第9図は従来の光サンプリン
グ波形測定装置の構成図、第10図は被測定光パルスがラ
ンダムに変調されている場合に得られる和周波光パルス
波形を示す図である。 1……サンプリング周波数発振器、2……サンプリング
パルス発生部、3……結合器、4……被測定パルス列発
生部、5……非線形結晶、6……低速受光器、7……増
幅器、8……表示部、9……RFミクサ、10……低域ろ波
器(LPF)、11……高速受光器、12……保持回路、13…
…ゲート回路、14……分周回路、15……ゲート矩形波発
生回路、16……同期増幅器、17……周波数シフタ、18…
…掃引信号発振器、19……位相シフタ、20……掃引鋸歯
状波発生器、21……同期増幅鋸歯状波発生器、22……A/
D変換器、23……ディジタル処理部、24……D/A変換器。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】繰り返しを有する入射光パルス波形を測定
    する光サンプリング波形測定器であって, 前記入射光パルスより幅の狭い別のサンプリング光パル
    ス列を発生する手段と, 前記入射光パルス列と前記サンプリング光パルス列とを
    重畳する手段と, 前記サンプリングパルスの入射光パルスに対する遅延を
    掃引する手段と, 前記重畳した光を非線形光学結晶に導き,前記入射光パ
    ルス列と前記サンプリング光パルス列との相互相関信号
    を和周波光として取り出し,前記サンプリング光パルス
    列の繰り返し周波数程度以上の帯域を有する受光回路に
    よって,サンプリングされた和周波光パルスの波形を検
    出する手段と, 検出した和周波光パルス波形のピーク値を保持する手段
    と, 前記ピーク値を保持するタイミングを与えるゲートパル
    スを発生する手段とを備え, 前記ピーク値を保持する手段の出力の一部を切り出して
    表示する ことを特徴とする光サンプリングオシロスコープ。
  2. 【請求項2】請求項1記載の光サンプリングオシロスコ
    ープにおいて, 前記遅延を掃引する手段は,入射光パルス列の整数分の
    一の周波数よりもわずかに周波数の異なる信号を生成す
    る手段である ことを特徴とする光サンプリングオシロスコープ。
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