JP4436305B2

JP4436305B2 - 光パルス測定装置及び光パルス測定方法

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Publication number: JP4436305B2
Application number: JP2005296531A
Authority: JP
Inventors: 泰之小関; 繁弘高坂
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2010-03-24
Anticipated expiration: 2025-10-11
Also published as: JP2007107917A

Description

本発明は、光パルスを測定する光パルス測定装置及び光パルス測定方法に関する。

光パルスを出力するパルス光源は、超高速光通信、光加工、センシング等、様々な分野に応用されている。パルス光源の開発や動作確認には、光パルスの測定技術が不可欠である。初期に開発された光パルス測定法では、非線形光学結晶が用いられていた（非特許文献１及び２参照）。非線形光学結晶を用いる方式では、被測定光パルスが高い光パワーを有する必要があるため、低感度であった。

また、近年、光変調器を使用した光パルス測定法が提案されている（非特許文献３〜５参照）。光変調器を用いる方式は、非線形光学効果を使用しないため、極めて高感度な測定が可能である。その中でも、非特許文献３に示された方式は、非特許文献４及び５に示された方式と比較すると、時間幅の短い光パルス（ピコ秒〜１００フェムト秒程度）まで測定が可能であるという特長を有する。

以下、非特許文献３に示された従来の光パルス測定法の原理を説明する。
この従来技術の最終目標は、複素光電界の時間波形e(t)＝|e(t)|exp[jφ(t)]を測定することである。そのために、e(t)を直接測定するのではなく、e(t)をフーリエ変換したＥ(ω)＝|Ｅ(ω)|exp[jφ₁(ω)]を測定し、Ｅ(ω)の逆フーリエ変換によってe(t)を求める。

|Ｅ(ω)|²は光スペクトルであり、光スペクトルアナライザ（Optical Spectrum Analyzer）により測定可能である。一方、φ₁(ω)は、光スペクトルアナライザでは測定できない。φ₁(ω)を測定するため、非特許文献３では、図５に示すような光パルス測定装置２００を用いている。光パルス測定装置２００は、図５に示すように、干渉計１０、位相変調器２０、光スペクトラムアナライザ３０により構成される。

光パルス測定装置２００では、干渉計１０によって、被測定光パルスを２つに分け、時間差τを与えて合波する。その後、位相変調器２０によって両光パルスに対しΩの周波数差を与え、光スペクトラムアナライザ３０によって、両光パルスのスペクトルを測定する。図５では、位相変調器２０によって両光パルスに対し、正弦波状の位相変調を施す場合を示しており、前方と後方の光パルスで位相変調の方向が逆になっている。これによって、両光パルスに周波数差Ωが生じる。光スペクトラムアナライザ３０で測定されるスペクトル|Ｅ₁(ω)|²は、式（１）のように表される（非特許文献４参照）。

式（１）の右辺第３項は、スペクトルが（ωの関数として）振動することを示す。この振動成分はフリンジと呼ばれる。フリンジの位相[φ₁(ω＋Ω)−φ₁(ω)]をωの関数として求めると、和演算によりφ₁(ω)が得られる。φ₁(ω)が求められると、|Ｅ(ω)|exp[jφ₁(ω)]の逆フーリエ変換によりe(t)を得ることができる。
Daniel J. Kane and Rick Trebino,"Characterization of Arbitrary Femtosecond Pulses Using Frequency-Resolved Optical Gating,"IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.29, No.2, February 1993, pp571 C. Iaconis and I. A. Walmsley, "Spectral phase interferometry for direct electric-field reconstruction of ultrashort optical pulses,"Optics Letters, Vol.23, No.10, May 15, 1998, pp792 Christophe Dorrer and Inuk Kang, "Highly sensitive direct characterization of femtosecond pulses by electro-optic spectral shearing interferometry,"Optics Letters, Vol.28, No.6, March 15, 2003, pp477 Christophe Dorrer and Inuk Kang, "Simultaneous temporal characterization of telecommunication optical pulses and modulators by use of spectrograms,"Optics Letters, Vol.27, No.15, August 1, 2002, pp1315 Christophe Dorrer and Inuk Kang, "Complete temporal characterization of short optical pulses by simplified chronocyclic tomography,"Optics Letters, Vol.28, No.16, August 15, 2003, pp1481

しかしながら、従来技術には以下のような２つの問題があった。第一に、図５に示すように、干渉計１０、位相変調器２０、光スペクトルアナライザ３０の３つの構成要素が必要であるため、構成が複雑である。第二に、繰り返し周波数ω_repの高い光パルスを測定することは難しい。これは以下の理由による。式（１）は単一の光パルスのスペクトルである。一方、実際の光パルスのスペクトルは櫛状の線スペクトル構造を有しており、櫛の間隔がω_repに等しい。ω_repが十分に低い場合は、スペクトルは密な線スペクトルの集合であるため、式（１）で表されるフリンジを測定することができる。一方、ω_repが高くなるにつれて、光スペクトルは離散的になる。このとき、フリンジは櫛の間に埋もれ、測定することができない。

本発明の課題は、従来より簡素な構成の光パルス測定装置を用いて、繰り返し周波数の大きさにかかわらず、光パルスの測定を可能とすることである。

上記課題を解決するために、請求項１に記載の光パルス測定装置は、光パルスのスペクトルを測定するための光パルス測定装置であって、光パルスを出力するパルス光源と、前記パルス光源から出力された光パルスを少なくとも２つに分波し、当該分波されたそれぞれの光パルスに対して位相変調を施し、当該位相変調後のそれぞれの光パルスを合波して出力するマッハツェンダ型光強度変調器と、前記マッハツェンダ型光強度変調器内の高周波導波路に対して、前記分波された光パルスが互いに異なる位相を有するように、電圧値を変化させながらバイアス電圧を印加するバイアス電圧生成部と、前記マッハツェンダ型光強度変調器内の高周波導波路に対して、前記分波された光パルスに所定の周波数差が生じるように当該周波数差に対応する高周波信号を印加する高周波信号生成部と、前記マッハツェンダ型光強度変調器から出力される光パルスのスペクトルを測定することによって、当該光パルスの周波数変換結果を得るスペクトル測定手段と、を備え、前記マッハツェンダ型光強度変調器は、前記分波された光パルスに対し、前記バイアス電圧及び前記高周波信号に応じた位相変調を施すことを特徴としている。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の光パルス測定装置において、前記バイアス電圧の時間波形は三角波状であることを特徴としている。

請求項３に記載の光パルス測定方法は、光パルスのスペクトルを測定するための光パルス測定方法であって、パルス光源から光パルスを出力し、マッハツェンダ型光強度変調器を用いて、前記パルス光源から出力された光パルスを少なくとも２つに分波し、前記マッハツェンダ型光強度変調器内の高周波導波路に対し、前記分波された光パルスに所定の周波数差が生じるように当該周波数差に対応する高周波信号を印加するとともに、前記分波された光パルスが互いに異なる位相を有するように、電圧値を変化させながら前記高周波導波路に対してバイアス電圧を印加することによって、当該分波されたそれぞれの光パルスに対して位相変調を施し、前記位相変調後のそれぞれの光パルスを合波し、前記合波された光パルスのスペクトルを測定することによって、当該光パルスの周波数変換結果を得ることを特徴としている。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の光パルス測定方法において、前記バイアス電圧の時間波形は三角波状であることを特徴としている。

本発明によれば、従来より簡素な構成の光パルス測定装置を用いて光パルスを測定することが可能となる。また、繰り返し周波数の大きさにかかわらず、光パルスの測定が可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１に、本発明の実施形態に係る光パルス測定装置１００の構成を示す。光パルス測定装置１００は、図１に示すように、高周波信号生成部１０１、バイアス電圧生成部１０２、パルス光源３、マッハツェンダ型光強度変調器６、光スペクトラムアナライザ７により構成される。

高周波信号生成部１０１は、基準信号源１と位相調整器２により構成される。基準信号源１は、被測定光パルスの繰り返し周波数の基準となる高周波信号（電気信号）を出力する。位相調整器２は、基準信号源１から出力された高周波信号の位相を調整し、位相調整された高周波信号によってマッハツェンダ型光強度変調器６を駆動する。

パルス光源３は、基準信号源１から出力された高周波信号に同期した被測定光パルス（以下、単に「光パルス」という。）を出力する。

バイアス電圧生成部１０２は、トリガ信号源４と三角波生成器５により構成される。トリガ信号源４は、三角波生成器５と光スペクトラムアナライザ７を同期させるための電気トリガ信号を出力する。三角波生成器５は、マッハツェンダ型光強度変調器６に、時間波形が三角波状のバイアス電圧を印加する。

マッハツェンダ型光強度変調器６は、光パルスを入力するための光パルス入力端子と、位相調整器２からの高周波信号を入力させるための高周波信号入力端子と、三角波生成器５からのバイアス電圧を入力（印加）させるためのバイアス電圧入力端子を有し、パルス光源３から出力された光パルスに対し、印加された高周波信号及びバイアス電圧に応じた位相変調を施す。

光スペクトラムアナライザ７は、マッハツェンダ型光強度変調器６で位相変調された光パルスのスペクトルを測定する。光スペクトラムアナライザ７は、本発明のスペクトル測定手段としての機能を有する。

図２に、マッハツェンダ型光強度変調器６の内部構成を示す。マッハツェンダ型光強度変調器６は、図２に示すように、入力されたパルス光を２つに分波し、位相変調を与えた後、合波している。即ち、マッハツェンダ型光強度変調器６は、従来の干渉計と位相変調器（図５参照）が一体となった構造をしている。但し、本実施形態のマッハツェンダ型光強度変調器６では、干渉計の時間差が０であることに注意を要する。従って、図５における干渉計１０と位相変調器２０をそのまま光強度変調器に置き換えただけでは、式（１）のスペクトルを得ることはできない。

図２では、マッハツェンダ型光強度変調器６の上のアームにおいて、位相変調によって光パルスの位相が時間に対して遅れる場合を示し、下のアームにおいて、位相変調によって光パルスの位相が時間に対して進む場合を示している（図２の点線）。

ここで注目するべき点は、三角波生成器５によって、マッハツェンダ型光強度変調器６に適切なバイアス電圧を印加することによって、干渉計の位相差φを制御できることである。図３に、典型的なマッハツェンダ型光強度変調器６の構成例を２つ示す。図３（ａ）では、バイアスＴを使用して、位相調整器２からの高周波信号と三角波生成器５からのバイアス電圧の双方をマッハツェンダ型光強度変調器６に入力する。図３（ｂ）では、マッハツェンダ型光強度変調器６が高周波信号入力端子及びバイアス電圧入力端子を有している。

以下、マッハツェンダ型光強度変調器６に印加すべきバイアス電圧の算出方法を説明する。以下では、パルス光源３から入力される光パルスの複素電界をe(t)、マッハツェンダ型光強度変調器６に印加される高周波信号電圧をＶ_RF、バイアス電圧をＶ_b、マッハツェンダ型光強度変調器６の駆動電圧（又は「半波長電圧」ともいう。）をＶπとする。駆動電圧Ｖπは、マッハツェンダ型光強度変調器６に依存する電圧であり、典型的な電圧値は５Ｖ程度である。本実施形態では、説明を簡単にするため、マッハツェンダ型光強度変調器６の光損失、周波数特性、チャープを無視することにする。

マッハツェンダ型光強度変調器６に入力された光パルスは二つの光導波路に分岐され、マッハツェンダ型光強度変調器６に印加された高周波信号電圧Ｖ_RFとバイアス電圧Ｖ_bに応じた位相変調が施される。マッハツェンダ型光強度変調器６のチャープが無いとすれば、両光導波路の複素光電界e₁(t)、e₂(t)は、それぞれ、式（２）、式（３）のように表される。

式（２）及び式（３）において、1/2^1/2は、光パルスが分波される際にエネルギーが半減することを表す係数である。また、マッハツェンダ型光強度変調器６のチャープが無いことから、分波された光パルスの各々に対する位相変調は互いに逆相である。ここで、高周波信号電圧Ｖ_RFが、角周波数ω_m、振幅Ｖ₀の正弦波であるとすると、高周波信号電圧Ｖ_RFは式（４）のように表される。

式（４）において|t|<<ω_m ^-1が満たされる場合、式（５）が成り立つ。

このとき、マッハツェンダ型光強度変調器６の出力光e_out(t)は式（６）のように与えられる。

また、e_out(t)のフーリエ変換は式（７）のようになる。

ここで、式（８）〜式（１０）のように定義すると、式（７）のＥ_out(ω)は、式（１１）のように表される。

式（１０）は、干渉計の位相差φとバイアス電圧Ｖ_bとの関係を表す式である。

式（１１）より、光スペクトラムアナライザ７で測定されるスペクトルは式（１２）のようになる。

式（１２）より、光スペクトラムアナライザ７におけるスペクトル測定に合わせて、光スペクトラムアナライザ７がある瞬間に測定している光周波数ωに対し、式（１３）が満たされるようにバイアス電圧Ｖ_bを制御すれば、式（１）と等価なスペクトルが得られることがわかる。

式（１３）を満たすバイアス電圧の時間波形は三角波状である。従って、光パルス測定装置１００では、マッハツェンダ型光強度変調器６に三角波状のバイアス電圧を印加しながら、マッハツェンダ型光強度変調器６の出力光のスペクトルを測定することにより、光パルス測定が可能になる。

以上のように、本実施形態の光パルス測定装置１００によれば、従来の光パルス測定装置に比べて、簡素な系を用いて光パルスの測定が可能になる。従来の光パルス測定装置では、干渉計と位相変調器を使用するが、干渉計は必ずしも一般的なデバイスではない。一方、マッハツェンダ型光強度変調器は、光通信システム等で極めて一般的に使用されるデバイスである。また、三角波生成器も極めて安価な電子回路で実現することができる。

また、本実施形態の光パルス測定装置１００によれば、光パルスのスペクトルが離散状であっても、マッハツェンダ型光強度変調器６に印加するバイアス電圧を制御することによって測定データにフリンジを作ることができるため、従来技術よりも繰り返し周波数の高い光パルスを測定することが可能となる。

次に、図１の光パルス測定装置１００による光パルス測定の具体例について説明する。本実施例１では、パルス光源３としてモード同期ファイバレーザを用い、このモード同期ファイバレーザが出力する繰り返し周波数10 GHzの光パルスを測定した場合を示す。実験条件はΩ＝0.082 ps^-1、τ＝250 psである。ここで、τが繰返し周期(100 ps)より大きいことに注目されたい。これは、フリンジ周期（τ^-1＝4 GHz）が離散スペクトルの間隔(10 GHz)より狭いことを意味する。このような実験条件が可能となるのは、光パルス測定装置１００の特徴である。

図４に、光パワーが100μＷのときの測定結果を実線及び破線で示す。図４（ａ）において、実線は光パルスの強度波形を表し、破線は位相を表す。また、図４（ｂ）において、実線は、光パルスのスペクトル強度波形を示し、破線はスペクトル位相を示す。測定されたパルス幅は1.72 psである。図４に示す測定結果より、繰り返し周波数（10GHz）が非常に高いにもかかわらず、光パルス測定が可能であることがわかる。

次に、再現性と高感度性を実証するため、光パワーを１μＷまで減少させて光パルスの測定を行ったときの測定結果を図４において黒丸（強度、スペクトル強度）及び白丸（位相、スペクトル位相）で示す。この場合のパルス幅も上述と同様に1.72 psであり、光パワーが100 μＷの場合とほぼ同じ波形が得られている。これらの測定結果から、光パルス測定装置１００による光パルス測定が、高い再現性と高感度性を有することが示された。

なお、本発明の実施形態における記述内容は、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、図１の光パルス測定装置１００と同一の系を用いて等価な測定データを得る他の方法もある。これは、光スペクトラムアナライザの掃引中はバイアス電圧を一定に保つが、複数のバイアス電圧設定に対してそれぞれ光スペクトルを測定するという方法である。この方法は、高速掃引の可能な光スペクトラムアナライザを使用する場合に特に有効である。

また、本実施形態では、式（２）及び式（３）に示すように、分波された２つの光パルスに対し、互いに逆相で同一の大きさの位相変調を施した場合を示したが、両光パルスに対する位相変調の方法はこれに限定されない。例えば、分波された２つの光パルスに対し、互いに逆相で異なる大きさの位相変調を施す方法や、各々の光パルスの位相変調を独立に制御する方法なども可能である。

更に、本実施形態では、マッハツェンダ型光強度変調器６に三角波状のバイアス電圧を印加する場合を示したが、バイアス電圧の時間波形は三角波状に限定されない。例えば、三角波に近い階段状の波形を用いることも可能である。また、他の形状の時間波形を用いた場合、測定データ取得後のデータの順番を入れ替えることによって、三角波と同様のデータを得ることが可能である。

本発明の実施形態に係る光パルス測定装置の構成を示すブロック図。マッハツェンダ型光強度変調器の内部構成と、位相変調の様子を示す図。バイアスＴを用いて高周波信号及びバイアス電圧を印加するマッハツェンダ型光強度変調器を示す図（ａ）と、高周波信号入力端子及びバイアス電圧入力端子を有するマッハツェンダ型光強度変調器を示す図（ｂ）。本実施形態の光パルス測定装置による測定結果を示す図。従来の光パルス測定装置の構成を示すブロック図。

符号の説明

１基準信号源
２位相調整器
３パルス光源
４トリガ信号源
５三角波生成器
６マッハツェンダ型光強度変調器
７光スペクトラムアナライザ（スペクトル測定手段）
１００光パルス測定装置
１０１高周波信号生成部
１０２バイアス電圧生成部

Claims

光パルスのスペクトルを測定するための光パルス測定装置であって、
光パルスを出力するパルス光源と、
前記パルス光源から出力された光パルスを少なくとも２つに分波し、当該分波されたそれぞれの光パルスに対して位相変調を施し、当該位相変調後のそれぞれの光パルスを合波して出力するマッハツェンダ型光強度変調器と、
前記マッハツェンダ型光強度変調器内の高周波導波路に対して、前記分波された光パルスが互いに異なる位相を有するように、電圧値を変化させながらバイアス電圧を印加するバイアス電圧生成部と、
前記マッハツェンダ型光強度変調器内の高周波導波路に対して、前記分波された光パルスに所定の周波数差が生じるように当該周波数差に対応する高周波信号を印加する高周波信号生成部と、
前記マッハツェンダ型光強度変調器から出力される光パルスのスペクトルを測定することによって、当該光パルスの周波数変換結果を得るスペクトル測定手段と、を備え、
前記マッハツェンダ型光強度変調器は、前記分波された光パルスに対し、前記バイアス電圧及び前記高周波信号に応じた位相変調を施すことを特徴とする光パルス測定装置。
前記バイアス電圧の時間波形は三角波状であることを特徴とする請求項１に記載の光パルス測定装置。
光パルスのスペクトルを測定するための光パルス測定方法であって、
パルス光源から光パルスを出力し、
マッハツェンダ型光強度変調器を用いて、前記パルス光源から出力された光パルスを少なくとも２つに分波し、
前記マッハツェンダ型光強度変調器内の高周波導波路に対し、前記分波された光パルスに所定の周波数差が生じるように当該周波数差に対応する高周波信号を印加するとともに、前記分波された光パルスが互いに異なる位相を有するように、電圧値を変化させながら前記高周波導波路に対してバイアス電圧を印加することによって、当該分波されたそれぞれの光パルスに対して位相変調を施し、
前記位相変調後のそれぞれの光パルスを合波し、
前記合波された光パルスのスペクトルを測定することによって、当該光パルスの周波数変換結果を得ることを特徴とする光パルス測定方法。
前記バイアス電圧の時間波形は三角波状であることを特徴とする請求項３に記載の光パルス測定方法。