JP3833556B2 - 光振幅位相時間応答測定装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は光情報処理、光通信に利用される光デバイスあるいはその光デバイスを構成する非線形応答物質の時間応答評価に使用される光振幅位相時間応答測定装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光通信に利用される光デバイス或いはその光デバイスを構成する非線形応答物質の時間応答を超高速(<10ピコ秒)で評価するためには、電気的に測定することはできないので、遅延時間を設けた二つの光パルス(以下、ポンプ光とプローブ光と呼ぶ)を光デバイス或いは非線形応答物質に照射し、出力信号を遅延時間の関数として測定するポンプ−プローブ法が用いられる。
【0003】
従来の光振幅位相時間応答測定装置としては、プローブ光が通過する干渉計内に光デバイスを配置し、また、干渉計の一つの光路に周波数変調器を配置し、干渉計の出力のビート信号を検波することにより、光デバイス或いはその光デバイスを構成する非線形応答物質のポンプ光による変調振幅と変調位相を評価する、ヘテロダイン法とポンプ−プローブ法を組み合わせた方法がオプティクスコミュニケーションズ(Optics Communications) 1999年、第169巻、317〜324頁で報告されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の光振幅位相時間応答測定装置にあっては、プローブ光の評価、特にその位相を評価するためには干渉計を光の波長以下に安定化する必要があった。
【0005】
この発明は上記のような課題を解消するためになされたもので、干渉計を安定化させることなく被測定試料での位相変化を高精度に測定できる光振幅位相時間応答測定装置を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の目的に鑑み、この発明は、光振幅位相時間応答測定装置において、パルス光源と、前記パルス光源からの光パルスの互いに直交する二つの光成分の一方に他方に対して遅延時間を与える偏光依存遅延時間発生器と、この偏光依存遅延時間発生器からの光パルスを被測定試料と周波数変調器のそれぞれに供給する光分波器と、前記光分波器の出力を周波数変調する前記周波数変調器と、前記光分波器からの出力のそれぞれ前記被測定試料、前記周波数変調器を通過した後のものを合波する光合波器と、この光合波器からの出力を互いに直交する二つの光成分に分岐する偏光依存光分波器と、分岐された二つの光成分をそれぞれ検波する一対の光検波器と、前記偏光依存遅延時間発生器で遅延された2つの成分の間に入るように、前記パルス光源からの別の光パルスに遅延時間を与えて被測定試料に供給する遅延時間発生器と、前記一対の光検波器からの出力交流信号のうちの、前記偏光依存遅延時間発生器で遅延されていない成分と同じ側の成分側の光検波器からの出力交流信号を参照信号とし他方側の出力交流信号を評価信号とし、評価信号の振幅および参照信号との位相差を検出する位相弁別検出器と、を備えたことを特徴とする光振幅位相時間応答測定装置にある。
【0007】
また、前記遅延時間発生器が遅延時間に比例した同期信号を出力し、この同期信号と前記位相弁別検出器からの測定信号を時間基準として時間波形を繰り返し表示および積算・平均化して出力する波形表示部をさらに備えたことを特徴とする。
【0008】
また、前記評価信号側の光検波器の出力と前記パルス光源からのパルスを検波した出力とを差動増幅したものを前記評価信号として出力する差動増幅器をさらに備えたことを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1にこの発明の実施の形態1による光振幅位相時間応答測定装置の構成図を示す。図1において光振幅位相時間応答測定装置はパルス光源1、偏光依存遅延発生器2、光分波器3、被測定試料4、周波数変調器5、光合波器6、偏光依存光分波器7、光検波器8、光検波器9、位相弁別検出器10、遅延時間発生器11、制御器12により構成される。また図2は動作を説明するための図である。
【0010】
ここで、パルス光源1はビームスプリッタなどを用いて同期したプローブ光13とポンプ光14を出力する。偏光依存遅延発生器2は図2の(a)に示すように互いに直交した二つの偏光成分に遅延時間を与える。以下、二つの偏光成分を縦偏光成分22と横偏光成分23と呼び、縦偏光成分22が横偏光成分23より先行するものとする。逆の順序でも一般性は失われない。この偏光依存遅延発生器2は図2の(b)に示すように二つの偏光ビームスプリッタ24、25とリトロリフレクタ26、または図2の(c)の1軸性の複屈折結晶27で構成される。
【0011】
光分波器3と光合波器6はマッハ−ツェンダ(Mach-Zehnder)−干渉計を構成するもので、光分波器3はプローブ光13を同時に分岐し、光合波器6はプローブ光13を同時に合波するものである。これらは縦偏光成分22と横偏光成分23の分岐比を変えないために無偏光ビームスプリッタを用いることが望ましい。周波数変調器5はプローブ光13の光周波数を一定の値だけ変化させるものであり、アコースティック−オプティクス(Acoustic Optics)変調器で構成される。
【0012】
偏光依存光分波器7は光合波器6から出力されたプローブ光13の縦偏光成分22と横偏光成分23を分離する。光検波器8は横偏光成分23を検波し、評価信号15を出力し、光検波器9は縦偏光成分22を検波し参照信号16を出力する。ここで、光検波器8、9は周波数変調器5の周波数変化量よりも大きな帯域を有するフォトディテクタで構成され、特に光検波器9はパルス光源1のパルスの繰り返し周波数成分を減衰させるフィルターを兼ね備える。
【0013】
位相弁別検出器10は、評価信号15の振幅および参照信号16との位相差を検出するものであり、RF帯域で動作するロックインアンプを用いることができる。遅延時間発生器11はポンプ光14に遅延時間を与えるもので可変ステージとリトロリフレクタで構成される。
【0014】
次に、動作を説明する。プローブ光13は偏光依存遅延発生器2を通過した後マッハ−ツェンダ−干渉計を構成する光分波器3、被測定試料4、周波数変調器5、光合波器6に入力される。一方の光路の光成分は周波数変調器5により周波数が変化するため、光合波器6からの出力強度は二つの光路からの光成分の周波数差に対応した周期で振動する。
【0015】
ポンプ光14は遅延時間発生器11により、プローブ光13のうち先行する縦偏光成分22よりも先行しない範囲で(偏光依存遅延時間発生器2で遅延された2つの成分の間に入るように)遅延時間を変えて被測定試料4に照射される。ポンプ光14の照射した後は被測定試料4の吸収係数および屈折率が変化するために、被測定試料4を通過したプローブ光13のうちの横偏光成分23の振幅および位相はポンプ光14を照射しないときと比べて変化する。これにより、光合波器6からの出力のうち縦偏光成分22の振幅と位相は変化しないが、横偏光成分23の振動の振幅と位相は被測定試料4でのプローブ光13とポンプ光14との到達時間差に依存して変化する。
【0016】
偏光依存光分波器7により横偏光成分23と縦偏光成分24は分離され、それぞれ光検波器8と9で評価信号15と参照信号16の交流電気信号に変換される。ここで光検波器9にはバンドパスフィルターが含まれており、参照信号16として周波数変調器5の変調周波数成分のみが出力される。評価信号15は位相弁別検出器10により周波数変調器5の変調周波数での振幅と参照信号16との位相差が検出され、それら振幅と位相差の値は制御器12により遅延時間発生器11での遅延時間の関数として記録される。
【0017】
以上、互いに直交する偏光成分に遅延をかけて干渉計に入力することにより、干渉計が安定していなくても測定信号15と参照信号16の位相差は変わらないので、ポンプ光14による被測定試料4でのプローブ光13の位相変化を高精度に測定できる。
【0018】
実施の形態2.
図3はこの発明の実施の形態2による光振幅位相時間応答測定装置の構成図を示す。図3において図1と同一もしくは相当部分は同一符号で示し、説明は省略する。実施の形態1と異なる点は遅延時間発生器11の遅延時間を周期的に発生させ、遅延時間に比例した同期信号18を出力する。位相弁別検出器10により出力された測定信号19は同期信号18とともに、オシロスコープおよびADコンバータ付のパソコンで構成される波形表示器17に繰り返し取り込まれ、表示、および積算・平均化がなされ結果が出力される。このことによりレーザ強度揺らぎ等の低周波の雑音が低減され、ポンプ光14による被測定試料4でのプローブ光13の振幅変化および位相変化を高精度に測定できる。
【0019】
実施の形態3.
図4はこの発明の実施の形態3による光振幅位相時間応答測定装置の構成図を示す。図4において図1と同一もしくは相当部分は同一符号で示し、説明は省略する。実施の形態1と異なる点はプローブ光13の一部を光分波器1aで分波し光検波器20で検出する。光検波器20からの出力信号は光検波器8からの出力信号とともに差動増幅器21に入力され評価信号15として出力される。このことによりレーザ強度の揺らぎが低減され、ポンプ光14による被測定試料4でのプローブ光13の振幅変化および位相変化を高精度に測定できる。
【0020】
【発明の効果】
以上のようにこの発明によれば、光振幅位相時間応答測定装置において、パルス光源と、前記パルス光源からの光パルスの互いに直交す二つの光成分の一方に他方に対して遅延時間を与える偏光依存遅延時間発生器と、この偏光依存遅延時間発生器からの光パルスを被測定試料と周波数変調器のそれぞれに供給する光分波器と、前記光分波器の出力を周波数変調する前記周波数変調器と、前記光分波器からの出力のそれぞれ前記被測定試料、前記周波数変調器を通過した後のものを合波する光合波器と、この光合波器からの出力を互いに直交する二つの光成分に分岐する偏光依存光分波器と、分岐された二つの光成分をそれぞれ検波する一対の光検波器と、前記偏光依存遅延時間発生器で遅延された2つの成分の間に入るように、前記パルス光源からの別の光パルスに遅延時間を与えて被測定試料に供給する遅延時間発生器と、前記一対の光検波器からの出力交流信号のうちの、前記偏光依存遅延時間発生器で遅延されていない成分と同じ側の成分側の光検波器からの出力交流信号を参照信号とし他方側の出力交流信号を評価信号とし、評価信号の振幅および参照信号との位相差を検出する位相弁別検出器と、を備えたことを特徴とする光振幅位相時間応答測定装置としたので、互いに直交する偏光成分に遅延をかけて光分波器、周波数変調器および光合波器からなる干渉計に入力することにより、干渉計を安定化させることなく被測定試料での位相変化を高精度に測定できる。
【0021】
また、前記遅延時間発生器が遅延時間に比例した同期信号を出力し、この同期信号と前記位相弁別検出器からの測定信号を時間基準として時間波形を繰り返し表示および積算・平均化して出力する波形表示部をさらに備えたので、周期的に遅延時間を与え、これに同期した信号を積算・平均化することにより、レーザ強度揺らぎなどの雑音を低減し、被測定試料での光パルスの振幅変化および位相変化を高精度に測定できる。
【0022】
また、前記評価信号側の光検波器の出力と前記パルス光源からのパルスを検波した出力とを差動増幅したものを前記評価信号として出力する差動増幅器をさらに備えたので、レーザ強度揺らぎなどの雑音を低減し、被測定試料での光パルスの振幅変化および位相変化を高精度に測定できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1による光振幅位相時間応答測定装置の構成図を示す。
【図2】 図2は装置の動作を説明するための図である。
【図3】 この発明の実施の形態2による光振幅位相時間応答測定装置の構成図を示す。
【図4】 この発明の実施の形態3による光振幅位相時間応答測定装置の構成図を示す。
【符号の説明】
1 パルス光源、2 偏光依存遅延発生器、1a,3 光分波器、4 被測定試料、5 周波数変調器、6 光合波器、7 偏光依存光分波器、8,9,20光検波器、10 位相弁別検出器、11 遅延時間発生器、12 制御器、17 波形表示器、21 差動増幅器。
Claims (3)
- 光振幅位相時間応答測定装置において、
パルス光源と、
前記パルス光源からの光パルスの互いに直交する二つの光成分の一方に他方に対して遅延時間を与える偏光依存遅延時間発生器と、
この偏光依存遅延時間発生器からの光パルスを被測定試料と周波数変調器のそれぞれに供給する光分波器と、
前記光分波器の出力を周波数変調する前記周波数変調器と、
前記光分波器からの出力のそれぞれ前記被測定試料、前記周波数変調器を通過した後のものを合波する光合波器と、
この光合波器からの出力を互いに直交する二つの光成分に分岐する偏光依存光分波器と、
分岐された二つの光成分をそれぞれ検波する一対の光検波器と、
前記偏光依存遅延時間発生器で遅延された2つの成分の間に入るように、前記パルス光源からの別の光パルスに遅延時間を与えて被測定試料に供給する遅延時間発生器と、
前記一対の光検波器からの出力交流信号のうちの、前記偏光依存遅延時間発生器で遅延されていない成分と同じ側の成分側の光検波器からの出力交流信号を参照信号とし他方側の出力交流信号を評価信号とし、評価信号の振幅および参照信号との位相差を検出する位相弁別検出器と、
を備えたことを特徴とする光振幅位相時間応答測定装置。 - 前記遅延時間発生器が遅延時間に比例した同期信号を出力し、この同期信号と前記位相弁別検出器からの測定信号を時間基準として時間波形を繰り返し表示および積算・平均化して出力する波形表示部をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の光振幅位相時間応答測定装置。
- 前記評価信号側の光検波器の出力と前記パルス光源からのパルスを検波した出力とを差動増幅したものを前記評価信号として出力する差動増幅器をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の光振幅位相時間応答測定装置。
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