JP2970667B1 - 光パルス応答計測装置 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 光ファイバー通信や光情報処理に用いる物質
や素子の低パルスエネルギー領域での光パルス相関によ
る応答の時間波形およびスペクトルを、繰り返し表示し
かつ積算、平均化あるいは平滑化処理を施す。 【解決手段】 変調信号発生部１０９で異なる変調周波
数を発生させ、励起用ビーム１０３および計測用光ビー
ム１０２を変調部１０７，１０８で100kHz以上のおのお
の異なる周波数で電気変調し、その差周波あるいは和周
波成分に同期する信号のみを測定部１１０からの応答信
号として位相弁別検出部１１２で抽出し、波形表示部１
０６で繰り返し表示および積算、平均化あるいは平滑化
可能な構成として光パルス応答を計測する。これによ
り、低ノイズ化・高ダイナミックレンジ化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二つの光パルス間
の相関を利用して、物質の超高速光応答を電気的に計測
する光パルス応答計測装置に関し、特に、光通信・光情
報処理に用いる物質あるいは素子の時間波形およびスペ
クトルを繰り返し表示し、同時に積算、平均化、あるい
は平滑化処理を施すことが可能な光パルス応答計測装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、光を計測する場合、時間領域で
の応答が極めて速いため、普通の電子的計測装置ではそ
の応答に追い付けず、計測できなかった。そこで、従来
より、二つの光パルスを物質に照射して、一方の光パル
スで他方の光パルスの時間領域を拡張することにより、
光通信・光情報処理に用いる物質の超高速光応答を電気
的に計測していた。従来の二つのパルス間の相関を利用
した光パルス応答評価技術としては、例えば、モード同
期レーザーからの光パルスをビームスプリッタで二経路
に分離し、一方の経路に遅延時間を与え、この遅延時間
を掃引しながら、パルス間相関により生じた光応答を繰
り返し表示するものである。スピーカーを振動させるこ
とで遅延時間を掃引し、AlGaAsにおける光キャリアの動
特性を測定した事例が、フィジカルレビューレターズ１
９８３年第５１巻９号８４０〜８４３ページ（Physical
Review Letters Vol. 51, No. 9, pp. 840-843 (198
3)）に報告されている。また、この用途に用いる掃引型
遅延時間発生装置の精度を向上する事例が、レビューオ
ブサイエンテイフィックインスツルメンツ１９９１年第
６２巻３号５７９〜５８３ページ（Review of Scientif
ic Instruments Vol. 62, No. 3 pp. 579-583 (1991)）
に報告されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、光ファイバ
ー通信や光情報処理に用いる物質や素子の特性を知り、
これを最適化するには、光パルスに対する応答を時間波
形およびスペクトルとして計測し評価することが必要で
ある。しかし、上述の光パルス応答評価技術を、光ファ
イバー通信や光情報処理に用いる物質や素子の応答を評
価する目的に利用するためには以下のような問題があ
る、 二つのパルス間の相関による光パルス応答を測定する
に際し、ビームスプリッタで二経路に分割し、片方に遅
延時間を与えた後、信号変調処理をすることなく直接被
測定物に入射するという方法と取っている。しかし、光
ファイバー通信や光情報処理に用いる光のパルスエネル
ギーは10pＪ（ｐ＝10の−(マイナス)12乗）あるいはそ
れ以下である。信号変調処理を施すことなく直接被測定
物に入射したのでは、単一の光パルス自体による発光成
分を除去して、ノイズを低減しダイナミックレンジを上
昇することはできない。二経路に分離した光ビーム双方
を各々異なる電気周波数で変調し、その相関成分のみを
抽出して繰り返し表示および積算、平均化あるいは平滑
化する光パルス応答計測装置が必要になる。

【０００４】また、従来の二つのパルス間の相関を利
用した光パルス応答評価技術では、時間波形のみを計測
する構成となっている。光ファイバー通信や光情報処理
に用いる物質や素子の応答を評価するには、応答の生ず
るスペクトル領域を同時に把握する必要がある。スペク
トル領域の把握は、光パルス圧縮や光スイッチに利用さ
れる自己位相変調・相互位相変調などの特性を評価する
上でも不可欠であり、時間波形およびスペクトルを繰り
返し表示および積算、平均化あるいは平滑化する光パル
ス応答計測装置が必要となる。 また、従来の二つのパルス間の相関を利用した光パル
ス応答評価技術では、被測定物の温度、電気バイアス、
測定用光源の波長などの測定制御パラメーターは、自動
制御ではなく、手動により変化させる方法をとってい
る。そのため、系統的に測定パラメーターを変化させな
がら、時間波形を取得する効率は低い。測定パラメータ
を自動制御し、系統的に時間波形・スペクトルを取得す
ることが、データ取得効率の向上に必要である。

【０００５】そこで、本発明の目的は、これら従来の課
題を全て解決し、光ファイバー通信や光情報処理に用い
る物質や素子の低パルスエネルギー領域での光パルス応
答を、二つのパルス間の相関を利用して評価するに際し
て、ノイズが低減し、ダイナミックレンジが上昇し、さ
らに時間波形とスペクトルの両方を繰り返し表示し、か
つ積算、平均化あるいは平滑化処理することが可能で、
測定パラメーターを自動制御することが可能な光パルス
応答計測装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の光パルス応答評価装置では、励起用および
計測用光ビームを100kHz以上のおのおの異なる周波数で
電気変調し、その差周波あるいは和周波成分に同期する
信号のみを応答信号として位相弁別抽出し、繰り返し表
示および積算、平均化あるいは平滑化可能な構成とし
た。これにより、二パルスの相関による光応答を計測す
る装置の低ノイズ化・高ダイナミックレンジ化ができ、
光ファイバー通信や光情報処理に用いる物質や素子の低
パルスエネルギー領域での光パルス応答を計測すること
ができる。そして、被測定物の光パルス応答のスペクト
ル解析を行うことが可能な測定部の構成、あるいは励起
用および計測用光パルスの波長をおのおの個別に制御す
ることが可能な光源の構成を取ることにより、光パルス
応答の時間波形およびスペクトルを繰り返し表示および
積算、平均化あるいは積算化することができる。さら
に、本発明の光パルス応答評価装置では、光源、光ビー
ム変調部、測定部、検出部などをすべてネットワーク接
続して一括制御できる構成を取ることにより、測定パラ
メータを自動制御できる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の原理および実施例
を、図面により詳細に説明する。 (原理)超高速光通信や情報処理に用いる光エレクトロニ
クス素子を開発するには、物質の持つ超高速非線形光学
応答を時間およびスペクトル領域で計測し、最適化する
ことが必要である。毎秒１テラビット(テラ＝10の12乗)
あるいはそれを越える伝送速度では、フェムト秒(フェ
ムト＝10の−(マイナス)15乗)の時間スケールで生ずる
非線形光学応答を光パルス応答として計測する技術が必
要になる。通常の計測器による直接波形測定では、1ps
以下の時間スケールでの光パルス応答を任意の光パルス
繰り返し周期で行うことは困難であり、光パルス間の相
関による時間分解測定が利用される。この測定技術で
は、時間軸は二つの光パルス間の相対的な遅延時間とし
て与えられる。この遅延時間を与える方法は、光学ステ
ージも用いて片方のパルスの伝送距離を変化させ、その
距離変化分を光の伝送時間の変化分に換算することによ
る。非線形光学応答の強度を得る方法は、二光パルスの
うち一方を光励起を行うポンプパルスとし、他方をポン
プパルスによる光励起に伴う物質の反射率や吸収係数な
どの変化を検出するためのプローブパルスとし、ポンプ
パルス照射によるプローブパルスの強度変化をモニター
することによる。ポンプ・プローブパルス間の遅延時間
を掃引しながらプローブパルスの強度変化をモニターす
ることにより、光パルス応答の時間波形を計測すること
ができる。また、ポンプ・プローブパルス間の遅延時間
を決めておき、モニターする波長を掃引しながらプロー
ブパルスの強度変化をモニターすることにより、光パル
ス応答のスペクトルを計測することができる。光パルス
応答の時間波形あるいはスペクトル波形をデジタルオシ
ロスコープなど波形表示機器上に表示させることによ
り、その機器の持つ高速のデータ処理機能を活用した計
測装置を構成することができる。

【０００８】図１０（ａ）（ｂ）は、本発明の光パルス
応答計測装置の原理を示す図である。非線形光学応答で
強度の変化を得るために、図１０（ａ）に示すように、
ポンプパルス１１を物質１０に照射して、物質１０内で
光キャリア１０ａを発生させ、その光キャリアにより出
射される再結合発光の光パルス応答１３を得る。そし
て、非線形定数の時間変化を調べるために、別のパルス
（プローブパルス）１２を物質１０に照射し、二つのパ
ルスに時間差を与えるため、その一方（ポンプパルス１
１）に遅延時間発生部で発生した遅延時間を与える。ポ
ンプパルス１１およびプローブパルス１２間の遅延時間
を掃引しながらプローブパルス１２の強度変化を監視す
ることで、光パルス応答１３の時間波形を計測できる。
ポンプパルス１１の照射により発生した光キャリアの電
子と正孔が再結合し、散乱発光１０ｂが生じるが、その
散乱発光１０ｂが強い場合には、図１０（ｂ）に示すよ
うに、その散乱発光１０ｂによる信号がバックグラウン
ドノイズ１５となり、応答信号としての相関成分１４は
ノイズ１５上に乗る形状となる。バックグラウンド成分
が大きいと、モニター信号の精度が低下して、ダイナミ
ックレンジが下ってしまう。

【０００９】そこで、本発明では、ポンプパルス１１と
プローブパルス１２をそれぞれ異なる周波数ｆ１，ｆ２
で変調し、それらの差または和の周波数で変調された信
号成分のみを検出することにより、バックグラウンド成
分を除去している。ここでは、InGaAsなど光通信用半導
体材料の非線形反射・透過特性を光パルス応答として計
測する用途に用いる場合を例に取ると、ポンプパルス１
１は光励起用であり、通常10pJ程度以上のパルスエネル
ギーを持つ。一方、プローブパルス１２は検出用として
それ自身による光励起をさけるため、ポンプパルス１１
の１％程度以下のパルスエネルギーに抑えられる。よっ
て、ポンプパルス照射によるプローブパルス１２の強度
変化を検出する際、ポンプパルス照射により発生した光
キャリアの再結合発光が相対的に強くなり、その再結合
発光による信号が背景ノイズ１５として混入してしま
う。この背景ノイズを除去し、ポンプ・プローブパルス
間の相関により発生した信号部分のみを取り出すために
は、ポンプパルスビームおよびプローブパルスビームの
双方をおのおの異なる周波数f1・f2で変調し、その差周
波（|f1-f2|）または和周波（f1+f2）で変調された信号
成分のみを位相検波器を備えた機器で検出すればよい。

【００１０】(実施例)図１は、本発明の第１の実施例を
示す光パルス応答の時間波形を計測する光パルス応答計
測装置の全体構成図である。まず、光パルス応答の時間
波形の表示および測定制御・データ処理について、図１
により説明する。パルス光源１０１は、異なる二つの光
パルスビーム１０２および１０３を同じ時間タイミング
で発生するものである。例えば、光パルスビーム１０２
をプローブパルスビーム、光パルスビーム１０３をポン
プパルスビームとする。光路長を周期的に掃引する遅延
時間発生部１０４を用いて、ポンプパルス１０３の遅延
時間を周期的に掃引する。遅延時間発生部１０４から出
力される光路長信号を、時間基準信号（Ｔ）１０５とし
て波形表示部１０６に入力する。遅延時間発生部１０４
の機能は、波形表示部１０６で表示される時間波形の時
間軸を拡大することである。例えば、遅延時間発生部１
０４で遅延時間掃引幅を6ps、掃引繰り返しを12Hzと設
定して、波形表示部１０６で時間波形を表示するとき、
波形表示部１０６の実際の掃引幅は2msとなる。この場
合、時間軸の拡大率は約3.3億倍となる。また、遅延時
間掃引幅を3ps、繰り返しを8Hzとすると、時間拡大率は
約10億（１０の９乗）倍に達する。さらに、遅延時間発
生部１０４の光路掃引誤差を減少することにより、遅延
時間掃引幅を3ps以下にすることが可能である。その結
果、本発明の構成により、光学応答の時間波形を毎秒１
秒より速い繰り返しで表示するとき、時間拡大率を最大
で10億（１０の９乗）倍以上にすることができる。そこ
で、図１では、プローブパルスビーム１０２およびポン
プパルスビーム１０３を変調するためのビーム変調部１
０７および１０８を設けている。各々のビーム変調部１
０７，１０８に供給する周波数f1・f2の変調用電気信
号、その差周波または和周波の位相弁別用参照電気信号
REFを供給するために、各変調用および参照用電気信号
間で位相同期のとれた変調信号発生部１０９を設ける。
周波数f1およびf2で変調されたプローブおよびポンプパ
ルスビーム１０２，１０３を計測対象の物質を設置した
測定部１１０に導入する。

【００１１】InGaAsなどの光通信用半導体材料の再結合
発光の超高速特性を光パルス応答として計測する場合に
は、ポンプパルス１０３のみを被計測物質に照射し、出
射される再結合発光とプローブパルス１０２を二次非線
形光学効果を示す媒質に入射し、非線形光学周波数混合
を用いて時間波形を計測する。この場合には、光学周波
数混合の効率ができるだけ上昇するようにプローブパル
ス１０２の強度は高く保たれるが、再結合発光あるいは
プローブパルス１０２自体の光学周波数混合がバックグ
ラウンドノイズとして混入することを避けるには、前述
のようにポンプ・プローブパルス双方を異なる電気変調
周波数で変調し、相関成分のみ取り出すことが必要にな
る。測定部１１０では、ポンプ・プローブパルス間相関
により発生した信号が応答信号１１１として出力され
る。この応答信号１１１の例は、ポンプパルス１０３に
よって反射あるいは透過率が変化したプローブ光パルス
１０２の強度を、測定部１１０内の光検出器で検知し、
信号強度に応じて増幅された電気信号、またはポンプパ
ルス１０３によって発生した再結合発光をプローブパル
ス１０２との非線形光学周波数混合で光学周波数変換さ
れた光成分を検出器で検知し増幅された電気信号であ
る。波長をパラメーターとして時間波形を測定したい場
合には、検出器の前に分光器などスペクトル解析部を設
け、スリット幅を調節して得たいスペクトル領域の信号
のみを検出器へと送るようにすればよい。スペクトル全
域の信号を得たいときには、スリットを全開するか、ス
ペクトル解析部を取り外せばよい。

【００１２】応答信号１１１は、位相弁別検出部１１２
へと入力され、変調電気信号の差周波あるいは和周波の
参照信号REFに同期する相関信号のみが抽出される。位
相弁別検出部１１２で抽出した相関信号を時間ベース信
号Ｔに応じて変化するポンプ・プローブ相関信号Ｙ(Ｔ)
として波形表示部１０６に入力し、積算・平均化処理に
よる高速ノイズ除去を施し、波形表示部１０６上に時間
波形として表示する。波形表示部１０６は通常のオシロ
スコープでよく、遅延時間発生部１０４からの時間基準
信号Ｔにより、実際には短いスケールであるが距離を変
えることで時間スケールを長いスケールに変換してい
る。表示した時間波形を制御部１１３に転送し、制御部
１１３でデジタルデータとして保存する。また、制御部
１１３の演算回路とメモリーを利用して、データの更な
る積算・平均化あるいはデータを利用した計算・解析を
行うことができる。この制御部１１３は、実験条件を制
御するためにも用いられる。制御される実験条件は、パ
ルス光源１０１から出射される光パルスのピーク波長、
遅延時間発生部１０４で生ずる遅延時間の大きさと、遅
延時間掃引の周期、変調信号発生部１０９で発生する変
調電気信号の周波数f1・f2、測定部１１０において被測
定物に印加する電気バイアス、温度および検出信号増幅
率、位相弁別検出部１１２の感度・積算時定数・フィル
ター特性などである。従って、上記の各装置は制御部１
１３と接続され（図１の破線参照）、制御・データ信号
の送受を行うことができるようにネットワークが構成さ
れている。

【００１３】図２は、本発明の第２の実施例を示す光パ
ルス応答のスペクトル波形を計測するための光パルス応
答計測装置の全体構成図である。光パルス応答のスペク
トル波形の表示および測定制御・データ処理の動作を、
図２により説明する。パルス光源２０１は、異なる２つ
の光パルスビーム２０２および２０３を同じ時間タイミ
ングで発生する。光パルスビーム２０２をプローブパル
スビーム、光パルスビーム２０３をポンプパルスビーム
とする。遅延時間発生部２０４においてポンプパルスに
一定の遅延時間を与える。ポンプ・プローブ相関信号の
みを抽出するため、プローブ・ポンプパルスビームをビ
ーム変調部２０５および２０６を通し、異なる電気周波
数f1・f2で変調する。変調電気信号および参照電気信号
は、変調信号発生部２０７において発生される。被測定
物を設けた測定部２０８に変調されたポンプ・プローブ
パルスを入射する。被測定物からのポンプ・プローブ相
関信号を応答信号２０９として位相弁別検出部２１０に
入力する。また、測定部２０８に設けたスペクトル解析
装置からの波長基準信号（Ｗ）２１１を波形表示部２１
２に入力する。ここで、Ｗは波長であって、ＡＣ信号を
入力して光スペクトルアナライザでプリズム回折効果に
より波長を変化させる。位相弁別検出部２１０において
抽出した差周波または和周波成分を波長掃引に伴う相関
信号の強度変化Ｙ（Ｗ）として波形表示部２１２に入力
することによって、スペクトル波形を得る。データ処理
・実験条件の制御を制御部２１３を用いて行うため、破
線で示したように各部がネットワーク接続される（破線
参照）。ポンプパルス２０３に与える遅延時間をパラメ
ーターとして変化させ、その度にスペクトル波形を計測
することにより、時間分解スペクトル波形を得ることが
できる。このようにして得た時間分解スペクトル波形
は、被測定物の相互位相変調に伴う非線形屈折率の超高
速応答に関する情報を与えるため、光パルス圧縮素子や
光スイッチの開発に有効である。

【００１４】以下、本発明の第３の実施例について説明
する。図１に示した時間波形を計測する構成、および図
２に示したスペクトルを計測する構成を、単一のシステ
ムとして統合することができる（第３の実施例）。すな
わち、遅延時間発生部１０４，２０４やスペクトル解析
装置の設定と接続ケーブルの系統を切り替えることによ
り、時間波形およびスペクトルが単一の装置により計測
できる。図１と図２の間で異なっている箇所は、図１の
波形表示部１０６の時間軸信号は遅延時間発生部１０４
から接続され、図２の波形表示部２１２の時間軸信号は
測定部２０８から接続されている点であるため、切り換
えコネクタで時間波形測定の場合には遅延時間発生部１
０４，２０４側へ、スペクトルの測定の場合には測定部
１１０，２０８側へ、切り換えるようにすればよい。そ
れ以外は共通の接続構成でよい。時間波形とスペクトル
を計測する場合の違いは、以下の４点である。（１）時
間波形計測の場合、遅延時間発生部１０４で遅延時間を
掃引し、遅延時間モニター用信号を波形表示部１０６の
掃引用基準信号として使用する。（２）スペクトル計測
の場合、遅延時間発生部２０４でまず一定の遅延時間を
発生し、測定部２０８内のスペクトル解析装置からの波
長掃引信号を掃引用基準信号として波形表示部２１２に
入力する。スペクトル計測後遅延時間を変化させ、再度
スペクトルを計測する。この操作を繰り返し、遅延時間
をパラメーターとしてスペクトル波形が得られる。
（３）スペクトル計測時には、スペクトル解析装置の波
長分解能を光パルスのスペクトル幅よりも狭くすること
が必要である。（４）時間波形計測時には、スペクトル
解析装置は波長掃引せず、一定の波長で使用することが
できる。この場合、時間波形計測後波長を変化させ、再
度時間波形を計測する。この操作を繰り返すことによ
り、波長をパラメーターとして時間波形が得られる。

【００１５】図３は、図１および図２におけるパルス光
源の構成図である。第４の実施例として、光パルスビー
ム１０２および１０３としてピーク波長がおのおの等し
い光パルス（波長1500nm帯）を発生するパルス光源１０
１を用いて、InGaAs薄膜の反射および吸収における光パ
ルス応答の時間波形を計測する構成を説明する。このよ
うな光源の例は、モード同期Ti:sapphireレーザーで同
期励起された光パラメトリック発振器がある。装置全体
の構成は、図１のようになり、またパルス光源１０１の
構成は、図３のようになる。光パルス列を発生する光パ
ルス発生部３０１からの光パルスビームをビームスプリ
ッター３０２により二つの経路に分割する。ビームスプ
リッター３０２を透過した方のビーム３０３を、図１の
光パルスビーム１０２として利用する。ビームスプリッ
ター３０２で反射したビーム３０４の進行方向をミラー
３０５で曲げ透過したビーム３０３と平行にし、図１の
光パルスビーム１０３とする。透過したビーム３０３と
反射したビーム３０４とでは、伝送距離が異なるため伝
送時間が異なりタイミングがずれてしまう。そこで、伝
送時間補正部３０６を設け、タイミングを合わせる。こ
こで、伝送時間補正部３０６は伝送経路長を調整するこ
とができる光学遅延回路で構成される。本実施例では、
光通信素子に用いる材料であるInGaAsの光パルス応答の
時間波形を計測する場合を取り上げる。そこで、光パル
ス光源３０１は波長1500nm帯をカバーするものを用い
る。実際に使用するものは、繰り返し80MHzで光パルス
の半値全幅120fs、パルススペクトル幅20nmの光パラメ
トリック発振器である。繰り返し1GHz以上での計測を行
いたい場合などは、半導体モード同期レーザーなどを用
いればよい。

【００１６】図１の遅延時間発生部１０４で生じた時間
基準信号１０５は、周期的に掃引される光路長を電圧信
号として出力したものである。その電圧を遅延時間に変
換することで時間基準が得られる。ここでは、その校正
値は2000fs/Vである。波形表示部１０６には、積算演算
や平均化などのデータ処理機能を有するデジタルオシロ
スコープを用いる。入力チャンネルは、強度信号Ｙ(Ｔ)
表示・データ処理用に１〜２チャンネル、時間基準信号
T表示・データ処理用に１チャンネル、遅延時間掃引に
オシロスコープを同期させるためのトリガー信号用に１
チャンネルと、少なくとも４チャンネル必要である。オ
シロスコープのサンプリングレートとしては、平均化処
理に使用可能な最大ビット数を確保し得るレート以上で
あることが必要条件である。本実施例では、遅延時間掃
引周波数は20Hz以下でデータレコード長は10Kバイト以
下とし、サンンプリングレートは全チャンネル毎秒1Gサ
ンプルである。

【００１７】図４は、図１および図２における変調信号
発生部の構成例を示す図である。ビーム変調部１０７、
１０８には、音響光学変調素子を用いる。波長1500nm帯
では、音響光学結晶としてカルコゲナイド結晶を用いた
素子を使用する。変調電気信号および参照信号を供給す
る図１の変調信号発生部１０９の構成は、図４(ａ)また
は(ｂ)に示したものである。図４(ａ)は、３台の信号発
生部を用いて変調信号と参照信号を発生する。図４(ｂ)
では、２台の信号発生部とミキサーおよび電気フィルタ
ーを用いて変調・参照信号を得る。まず、図４(ａ)の構
成を説明する。信号発生部４０１〜４０３が同期して電
気信号発生するために、１台から同期信号４０４を発生
し、他の２台はこの同期信号と同調させる。ここでは、
信号発生部４０３を同期信号源CLKとする。信号発生部
４０１、信号発生部４０２および信号発生部４０３か
ら、おのおの周波数f1の変調信号４０５、周波数f2の変
調信号４０６および参照信号（REF）４０７を発生させ
る。変調信号４０５、４０６で光パルスビーム１０２、
１０３を変調する。参照信号（REF）４０７の周波数
は、差周波で位相弁別検出部１１２を動作させる場合に
はf1-f2の絶対値、また和周波の場合にはf1+f2となる。

【００１８】本実施例では、図３の光パルス発生部３０
１のパルス繰り返し周波数は80MHzである。効率の高い
変調を行うためには、変調周波数はパルス繰り返し周波
数よりも十分低くなければならない。本実施例では、f1
およびf2をおのおの1020kHzおよび850kHzとする。よっ
て、その差周波および和周波は、おのおの170kHzおよび
1870kHzとなる。パルス繰り返し周波数に対する変調周
波数の設定は、時間波形のノイズが最小となるように設
定すればよい。変調周波数が高いほど光源の持つ1/fノ
イズは減少するが変調効率が低下し、位相弁別検出部１
１２での応答信号検出感度が低下し、ノイズが相対的に
上昇してしまう。そこで、変調周波数のある領域でノイ
ズが最小となる。本実施例では、それは170kHz付近であ
った。

【００１９】次に、図４(ｂ)の構成を説明する。信号発
生部４０８および信号発生部４０９を同期信号４１０で
同調させ、変調信号４１１、４１２をTTL出力ポートよ
り発生する。信号発生部４０８および信号発生部４０９
の波形出力ポートからの信号をミキサー４１３に導入
し、差周波をローパスフィルター４１４および和周波を
ハイパスフィルター４１５を通して抽出し、参照信号４
１６、４１７を得る。図４(ａ)もしくは(ｂ)のいずれの
構成を選択するかは、各装置の性能に依存する。(ａ)で
は、３台の信号発生部を同調させるため、同調ずれが問
題となりやすい。その反面、参照信号４０７もデジタル
波形とすることができ、参照信号の波形歪みを抑えるこ
とができる。一方、(ｂ)では、同調対象は２台の信号発
生器４０８、４０９だけであり、同調ずれの可能性は低
くなる。しかし、参照信号波形がミキサー４１３および
フィルター４１４、４１５の周波数特性に左右されるた
め、波形歪みの確率が高くなる。実施例中で評価した限
りでは、(ａ)，(ｂ)ともにノイズ特性に相違は見られな
い。すなわち、両者の差は、検出器などで発生するノイ
ズよりは低い。他の例に応用する場合には、装置の性能
や機器間の配線の特性に応じて選択する必要がある。

【００２０】図５は、図１および図２における測定部の
構成例を示す図である。測定部１１０について、反射型
の配置での時間波形計測に適する構成を説明する。本実
施例での被測定物であるInGaAs薄膜を試料保持部５０１
に設置する。試料保持部５０１は、外部から光パルスビ
ーム５０４、５０５を被測定物に入射し、被測定物から
反射された光パルスビームを外部に出射できるよう、使
用する波長領域で透明な窓を有する。なお、被測定物を
冷却・加熱する必要がある場合には、試料保持部５０１
は恒温漕の機能も兼ねる。被測定物に電気バイアス加え
る場合には、バイアス制御部５０２を試料保持部５０１
に接続する。温度制御が必要な場合には、温度制御部５
０３を試料保持部５０１に接続する。バイアス制御部５
０２および温度制御部５０３は、図１に示した制御部１
１３と接続され、制御部１１３により制御される。

【００２１】図１の光パルスビーム１０２をビーム変調
部１０７で変調し、図５のプローブパルスビーム５０４
として被測定物に入射する。図１の光パルスビーム１０
３をビーム変調部１０８で変調し、図５のポンプパルス
ビーム５０５として、遅延時間発生部１０４で遅延時間
を掃引しながら被測定物に入射する。プローブ・ポンプ
パルスビーム５０４、５０５は、レンズ５０６を通して
被測定物の表面で集光される。被測定物表面上のビーム
スポットを、カメラ５０７でモニターする。モニター画
像は、図１の制御部１１３へ転送されて、画像処理され
る。ポンプ・プローブパルスビームの重なりが最大、か
つスポットサイズが最小となるように、制御部１１３か
らパルス光源１０１内部のミラー３０５とレンズ５０６
おのおののマウント駆動部に位置補正信号が送られる。
プローブパルスビーム５０４はレンズ５０６で平行光に
戻され、スペクトル解析部である分光器５０８で特定の
スペクトル領域の成分が抽出され、光検出器５０９で電
気信号に変換される。この電気信号は、プローブパルス
ビーム５０４の強度に比例する。したがって、ポンプパ
ルスビーム５０５の照射に伴うプローブパルスビーム５
０４の反射強度変化に応じて、電気信号は遅延時間の関
数として変化する。この電気信号を図１の応答信号１１
１として位相弁別検出部１１２に入力する。ここでは、
測定部１１０は反射型の配置で計測することを念頭に置
いたが、透過型の配置でも以下の変更を行うことにより
時間波形を計測できる。まず、試料保持部５０１が背面
にも透明な窓を持つように変更する。次に、背面側にも
レンズを設け、透過したプローブパルスビーム５０４を
平行光とする。光検出器５０８を試料保持部５０１の背
面側に置き換えて、透過したプローブパルスビーム５０
４の強度を検出すればよい。

【００２２】以上のようにして、図１の装置の構成でIn
GaAs薄膜の光パルス応答の反射型および透過型配置での
時間波形が計測される。得られる時間波形から、可飽和
吸収あるいは二光子吸収に関する緩和時間や強度が求め
られる。また、時間波形の波長依存性から、相互位相変
調によるスペクトル変化を見積もることができる。本装
置で得られる時間波形を解析することにより、InGaAs薄
膜の超高速光応答を光通信あるいは光情報処理用の素子
の仕様に向け、最適化することができる。本実施例で示
した技術は、被測定物はInGaAs薄膜に限らず、他の光通
信用半導体材料にも適用できる。また、パルス光源１０
１として紫外・可視・近赤外の波長領域で光パルスを発
生する光源を選択することにより、紫外・可視・近赤外
の波長領域で光応答を示す無機・有機物質の光パルス応
答の時間波形を計測することができる。実験条件を制御
するためには、制御部１１３を用いるが、制御するため
の数値パラメーターは使用者が入力する必要がある。入
力する装置としては、キーボードやマウスなどの入力端
末装置を使用すればよい。

【００２３】図６および図７は、本発明の第５の実施例
を示すピーク波長の異なる二つのパルスビームを用いた
光パルス応答計測装置の光源の説明図である。第１およ
び第２の実施例では、ポンプ・プローブパルスのピーク
波長が同一であった。ポンプ・プローブパルス間でピー
ク波長が異なるパルスを用いると、ポンプパルスで励起
した光キャリアのスペクトル拡散にともなう時間波形を
得ることができる。この目的には、図１の装置全体構成
図において光パルスビーム１０２、１０３が互いに異な
るピーク波長となるようにパルス光源１０１を選択すれ
ばよい。そこで、ピーク波長の異なる２本のパルスビー
ムを発生する光源を、第２の実施例として図６および図
７を用いて説明する。光パルス発生部６０１は、図１の
光パルス発生部１０１と同じく、波長1500nm帯をカバー
する光パラメトリック発振器（繰り返し80MHz、光パル
スの半値全幅120fs、パルススペクトル幅20nm）であ
る。光パルス発生部６０１からの光パルスビームをビー
ムスプリッター６０２により２方向に分割する。ビーム
スプリッター６０２を透過したビーム６０３を波長変換
し、図１の光パルスビーム１０２とし、プローブパルス
ビームとして用いる。ビームスプリッター６０２で反射
したビーム６０４をミラー６０５で進路変更して、他方
のビームと平行に伝送させる。このビームを光パルスビ
ーム１０３とし、ポンプパルスビームとして用いる。ビ
ームスプリッター６０２を透過したビーム６０３を波長
変換し、光パルスビーム１０２とする構成について述べ
る。まず、ビーム６０３をスペクトル幅拡大部６０６に
入射する。拡大したスペクトル幅のうち、使用したい波
長成分を光学フィルター６０７を用いて抽出する。スペ
クトル幅拡大部６０６および光学フィルター６０７の持
つ群速度分散を補正しパルス時間幅の拡がりを抑えるた
めに、光パルスを群速度分散補正部６０８に導く。群速
度分散補正部６０８から出射された光パルスビームが光
パルスビーム１０２となる。光学フィルター６０７の透
過特性を変化することにより、光パルスビーム１０２の
ピーク波長を制御することができる。また、それに応じ
て群速度分散補償部６０８における補償量を調整するこ
とにより、パルスの時間幅の拡がりが除去される。

【００２４】本実施例で使用するスペクトル幅拡大部６
０６、光学フィルター６０７および群速度分散補償部６
０８の具体例を、図７に示す。スペクトル幅拡大部６０
６は、光ファイバー７０１である。すなわち、光ファイ
バー７０１は、強い光を入射するとスペクトルが変化す
るため、スペクトル幅拡大部６６として好適な材料とな
る。この光ファイバー７０１は、波長1550nmで群速度分
散がゼロになる単一モードシリカ光ファイバーで、長さ
1mである。図６でビームスプリッター６０２を透過した
ビームを入射ビーム７０２とし、レンズ７０３で光ファ
イバー７０１端面に集光する。光ファイバー７０１を伝
送する際の光パルスの自己位相変調によりスペクトル幅
が拡大する。光ファイバー７０１の別の端面から出射す
るビームをレンズ７０４で平行光束に戻し、プリズム対
７０５、７０６を透過させる。スペクトル幅拡大部６０
６を通ることで、波長の相違が生じ、それに伴って屈折
率が異なり、屈折率が大きいと光速が遅くなる。プリズ
ム対７０５，７０６は、逆の収差特性を与えることによ
り、パルス幅の広がりを補正するために用いられる。す
なわち、プリズム７０６を透過した後の光ビームは、伝
送方向と直交する断面で波長分散が生じている。そこ
で、光ビームの断面内の適当な位置にスリット７０７を
置き、必要な波長成分のみをスリット窓から選択して透
過させる。スリット窓の位置と幅を調整することによ
り、光パルスのピーク波長とスペクトル幅を変化させる
ことができる。透過した波長成分は、ルーフミラー７０
８で位置を上方にシフトし逆方向に伝送し、再びプリズ
ム対７０６、７０５を透過した後、ミラー対７０９、７
１０により、出射ビーム７１１として抽出される。出射
ビーム７１１は図１の光パルスビーム１０２、すなわち
プローブパルスビームとして用いられる。

【００２５】ここで、スリット７０７は、図６の光学フ
ィルター６０７として機能する。この場合、スリット７
０７は群速度分散のない光学フィルターの機能を提供す
るので、光ファイバー７０１の群速度分散のみを補償す
ればよい。また、前述のように、相対する向きにおかれ
た２個のプリズムからなるプリズム対７０５、７０６が
群速度分散補償部６０８の役割を担う。プリズム７０６
を並進させることにより、分散補償量を調整することが
できる。以上のことから、プリズム７０６およびスリッ
ト７０７おのおのをモータードライブ機能を持つ光学ス
テージ上に設置することにより、制御部１１３でプロー
ブパルスビームのピーク波長とスペクトル幅ならびにパ
ルス時間幅の最適化を行うことができる。以上、本実施
例で説明した光源をパルス光源１０１として用いること
により、ポンプ・プローブパルスビームのピーク波長を
おのおの独立に変化させて時間波形を計測することが可
能となる。

【００２６】図８は、図１における測定部の内部構成図
である。第１の実施例では、時間波形の計測を行う配置
として反射型および透過型をとりあげた。第６の実施例
では、図８の配置での測定系を測定部１１０の内部に具
備する場合の時間波形の計測について説明する。図８
(ａ)には、発光の時間波形を計測するための光学測定系
の例を示す。ポンプパルスビームを励起パルスビーム８
０１としてレンズ８０２を通して被測定物表面に集光す
る。被測定物は試料保持部８０３中に配置されている。
簡単のため、図では制御部およびカメラなどは省略して
いる。被測定物から出射する発光８０４を曲面ミラー８
０５で集光して２次非線形結晶８０６に入射する。用い
た２次非線形結晶８０６は、LiIO3である。プローブパ
ルスビームをゲートパルスビーム８０７として、発光８
０４と空間的に重なるように２次非線形結晶８０６に入
射する。プローブパルスは、２次非線形結晶８０６での
波長変換効率が最大となるように最大パワーに保たれ
る。ただし、その最大パワーは２次非線形結晶８０６の
破壊パワー値より低いものとする。ここで、ポンプパル
スビーム８０１の遅延時間を図１の遅延時間発生部１０
４により掃引すると、発光８０４とゲートパルス８０７
が時間的に重なった時だけ波長変換光８０８が発生す
る。波長変換光８０８は、発光８０４とゲートパルス８
０７の光学的和周波として発生される。このようにし
て、波長変換光として時間分解発光が得られる。これを
光検出器５０８で検出し応答信号１１１とすることで、
発光の時間波形が得られる。

【００２７】次に、図８(ｂ)の光電流検出型の測定系を
説明する。プローブパルスおよびポンプパルスをおのお
の入射パルスビーム８０９、８１０とし、おのおの等し
いパワーに保たれ、レンズ８１１を通して集光され、被
測定物に入射される。被測定物は、試料保持部８１２内
に配置されている。被測定物に光パルスが入射すると、
過渡的な光伝導が発生する。被測定物が非線形光学効果
を有すると、光伝導度に非線形性が現れる。よって、光
パルス間の遅延時間を掃引して光電流を測定することに
より、光電流パルス応答の時間波形が得られる。この方
法は、光導波路のように出射される光強度が弱い構造で
の光応答の時間波形計測に有効である。出射される光パ
ルスを検出する代わりに電流を直接検出することによ
り、検出感度が増す。被測定部から出力される光電流を
負荷８１３を通して電圧に変換し、光伝導信号８１４が
得られる。これが応答信号１１１となる。入射パルスビ
ーム８１０の遅延時間を掃引して、時間波形が得られ
る。

【００２８】図９は、図２における測定部の構成例を示
す図である。第７の実施例として、スペクトル計測装置
に使用する測定部の構成を、図９により説明する。測定
の配置は反射型で説明する。透過型配置での測定系は、
第２の実施例で説明した変更を施すことにより、構成す
ることができる。その他の構成部分の性能は第２の実施
例に記述したものと等しい。図２の光パルスビーム２０
２をプローブパルスビーム９０１としてレンズ９０２で
集光し、被測定物に入射する。被測定物は、例えばInGa
As薄膜である。この場合、測定する波長領域は1500nm帯
である。被測定物は、試料保持部９０３に設置されてい
る。図２の光パルスビーム２０３を、ポンプパルスビー
ム９０４として被測定物に入射する。ポンプ・プローブ
ビームスポットの重なりを最大とし、スポットサイズが
最小となるように制御するための画像情報を、カメラ９
０５により得る。ポンプパルスビーム９０４とプローブ
パルスビーム９０１との間で、相互位相変調が発生す
る。このため、反射プローブパルスビーム９０６のスペ
クトルには、相互位相変調による位相変化が微分形とな
って反映される。このスペクトル特性を検出するため、
反射プローブパルスビーム９０６を光スペクトル解析部
９０７に入力する。光スペクトル解析部９０７では、反
射プローブパルスビーム９０６の強度が波長の関数とし
て得られる。

【００２９】光スペクトル解析部９０７は、回転する回
折格子を有する分光器である。本実施例では、5Hzの繰
り返し周波数で回折格子が回転する分光器を使用するこ
とにより、波長軸が5Hzで周期的に掃引される。この周
期的な波長掃引を周期的な電圧信号として取り出し、波
長掃引信号９０８とする。この波長掃引信号９０８が図
２の波長基準信号（Ｗ）２１１となり波形表示部２１２
に入力される。同時に、波長の絶対値と掃引信号の電圧
の絶対値の対応を測定し、波長基準信号（Ｗ）２１１の
校正を行う。例えば、2.5V=1500nmおよび100nm/Vのよう
に校正される。一方、反射プローブパルスビーム９０６
は、光スペクトル解析部９０７の回折格子で波長分解さ
れた強度スペクトルとして光検出器９０９で受光され、
応答信号９１０として図２の位相弁別検出部２１０に入
力される。プローブ・ポンプパルスビーム９０１、９０
４はおのおのビーム変調部２０５、２０６を通して周波
数f1・f2で変調されている。位相弁別検出部２１０で
は、応答信号９１０の差周波成分がポンプ・プローブ相
関によるスペクトル特性信号Ｙ(Ｗ)として抽出され、波
形表示部２１２に入力される。このようにして、相互位
相変調によるスペクトル特性が得られる。

【００３０】なお、図２の構成は、前述の第３の実施例
で述べたように、図１の構成と統合して単一のシステム
として時間軸・スペクトル軸上での光応答を計測するシ
ステムとして使用することができる。この場合、計測目
的に応じて、設定と接続を切り替えればよい。例えば、
緩和時間の値とその波長依存性を得たいときには、図１
の構成を選択し、波長をパラメーターとして時間波形を
計測する方が適当である。また、非線形位相変調による
スペクトル変化などを調べるときには、図２の構成を選
択し、時間をパラメーターとしてスペクトルを計測する
ことが適切となる。ポンプパルスビームの遅延時間を遅
延時間発生部２０４で変化させ、スペクトル波形を順次
表示・保存・解析することにより、相互位相変調の過渡
特性を評価することが可能となる。それにより、非線形
屈折率の大きさと時間応答が得られる。以上より、本装
置は非線形過渡スペクトル応答を表示し・データ処理す
ることのできる時間分解光スペクトルアナライザーの機
能を実現する。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
二つのパルス間の相関を利用して被測定物の光パルス応
答を評価するに際して、ノイズを低減させ、ダイナミッ
クレンジを上昇させ、さらに時間波形とスペクトルの両
方を計測することが可能であり、かつ積算、平均化ある
いは平滑化処理することが可能である。そして、測定パ
ラメーターを自動制御することができる光パルス応答計
測装置を実現することができるので、光ファイバー通信
や光情報処理に用いる物質や素子の低パルスエネルギー
領域での光パルス応答を評価することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す光パルス応答の時
間波形を計測するための装置の全体構成図である。

【図２】本発明の第２の実施例を示す光パルス応答のス
ペクトル波形を計測するための装置の全体構成図であ
る。

【図３】図１、図２に用いられるピーク波長が等しい２
本の光パルスビームを発生するパルス光源の構成図であ
る。

【図４】図１、図２に用いられる変調信号発生部の構成
図である。

【図５】図１、図２に用いられる反射型光パルス応答時
間波形計測用測定部の構成図である。

【図６】本発明におけるピーク波長が異なる２本の光パ
ルスビームを発生するパルス光源の構成図である。

【図７】図６の具体例を示す光パルスの波長変換部分の
構成図である。

【図８】図１における時間波形を計測するための測定部
の構成図である。

【図９】図２における光パルス応答のスペクトル波形を
計測するための測定部の構成図である。

【図１０】本発明の光パルス応答計測装置の原理を示す
図である。

【符号の説明】

１０１，２０１：パルス光源、１０２，２０２，５０
４，７０２，８０７，９０１：プローブパルスビーム、
１０３，２０３，５０５，８０１，８１０，９０４：ポ
ンプパルスビーム、１０４，２０４：遅延時間発生部、
１０５：時間基準信号、１０６，２１２：波形表示部、
１０７，２０５：ビーム変調部１、１０８，２０６：ビ
ーム変調部２、１０９，２０７：変調信号発生部、１１
０，２０８：測定部、１１１，２０９，９１０：応答信
号、１１２，２１０：位相弁別検出部、１１３，２１
３：制御部、２１１：波長基準信号、３０１：光パルス
発生部、３０２，３０５，６０２：ビームスプリッタ
ー、３０３，６０３：スプリッター透過ビーム、３０
４，６０４：スプリッター反射ビーム、３０６：伝送時
間補正部、４０１，４０２，４０３，４０８，４０９：
信号発生部、４０４，４１０：同期信号、４０７：参照
信号、４０５，４０６，４０７，４１１，４１２：変調
信号、４１３：ミキサー、４１４：ローパスフィルタ
ー、４１５：ハイパスフィルター、４１６：参照信号(|
f1-f2|) 、４１７：参照信号(f1+f2)、５０１，８０
３，８１２，９０３：試料保持部、５０２：バイアス制
御部、５０３：温度制御部、５０６，７０３，７０４，
８０２，８１１，９０２：レンズ、５０７，９０５：カ
メラ、５０８：分光器、５０９，９０９：光検出器、６
０１：光パルス発生部、６０５：ミラー、６０６：スペ
クトル幅拡大部、６０７：光学フィルター、６０８：群
速度分散補償部、７０１：光ファイバー、７０２：入射
ビーム、７０５，７０６：プリズム、７０７：スリッ
ト、７０８：ルーフミラー、７０９，７１０：ミラー、
７１１：出射ビーム、８０１：励起パルスビーム、８０
４：発光、８０５：曲面ミラー、８０６：２次非線形結
晶、８０７：ゲートパルスビーム、８０８：波長変換
光、８０９：入射パルスビーム１、８１０：入射パルス
ビーム２、８１３：負荷、８１４：光伝導信号、９０
６：反射プローブパルスビーム、９０７：光スペクトル
解析部、９０８：波長掃引信号。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二つの光パルス照射に伴う被測定物質の
   光学応答の時間波形およびスペクトルを表示する光パル
   ス応答計測装置であって、 励起用および計測用光ビームを異なる周波数で電気変調
   するビーム変調部と、 上記励起用光ビームに対して遅延時間を発生させる遅延
   時間発生部と、 変調された光ビームを上記被測定物質に照射することに
   より、上記異なる周波数の差周波あるいは和周波成分に
   同期する信号のみを応答信号として出力する測定部と、 該応答信号を入力して位相弁別抽出する位相弁別検出部
   と、 上記遅延時間発生部からの時間基準信号または上記測定
   部からの波長基準信号のいずれかを切り換え接続すると
   ともに、上記位相弁別検出部からの相関信号を接続し
   て、時間波形またはスペクトルを繰り返し表示および積
   算、平均化あるいは平滑化して出力する波形表示部とを
   有することを特徴とする光パルス応答計測装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の光パルス応答計測装置
   において、 前記波形表示部は、被測定物質の光学応答の時間波形を
   毎秒１回より速い繰り返しで表示する場合に、表示画面
   上で時間軸の最大拡大倍率を１０の９乗倍以上に拡張さ
   せることを特徴とする光パルス応答計測装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の光パルス応答
   計測装置において、 前記測定部は、中心波長が１２００ナノメートルから１
   ６００ナノメートルの範囲にある光パルスに対し、光フ
   ァイバー通信に使用される物質もしくは素子の光応答を
   計測することを特徴とする光パルス応答計測装置。
4. 【請求項４】 請求項１ないし３のいずれかに記載の光
   パルス応答計測装置において、 前記遅延時間発生部は、遅延時間を掃引しながら励起パ
   ルスを被測定物に入射することにより、スペクトルの計
   測時に二つのパルス間の遅延時間を可変にし、 前記測定部は、遅延時間の関数としてスペクトルを計測
   することを特徴とする光パルス応答計測装置。
5. 【請求項５】 請求項１または４のいずれかに記載の光
   パルス応答計測装置において、 前記二つの光パルスの波長を、独立可変にしたことを特
   徴とする光パルス応答計測装置。
6. 【請求項６】 請求項１ないし５のいずれかに記載の光
   パルス応答計測装置において、 前記各部に接続され、光パルスの波長、光パルスの遅延
   時間、波形表示の繰り返し周波数、被測定物に加える電
   圧、被測定物の温度、波形を検出する感度もしくは光パ
   ルス列を変調する周波数を入力端末を用いて制御する制
   御部を具備したことを特徴とする光パルス応答計測装
   置。