JP5410534B2 - 位相シフトを入力波形に対して付与する装置 - Google Patents

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本ＰＣＴ出願は、２００８年１０月１４日に出願された「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｂａｓｅｄ Ｕｌｔｒａｆａｓｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ」という名称の米国仮特許出願第６１／１０５，２１７号明細書の優先権を主張するものであり、この仮特許出願を参照により本明細書に援用する。

本発明は、一般に光学装置に関し、特に位相シフトを入力波形に対して付与する光学装置に関する。

背景技法

より高速の通信データレートの実現ならびに超高速化学反応および超高速物理反応に対する関心の拡大に伴い、サブピコ秒の分解能で光学波形を単純に測定できる技法を開発することが重要になった。高速光検出器を有する先端技術のオシロスコープは、３０ｐｓ分解能でシングルショットでの波形測定を提供する。マルチショットサンプリング技法は、数ピコ秒分解能を達成可能であるが、時間的に高速に変化する事象、非同期事象、または発生回数が１回のみである可能性のある事象を解析するためには、シングルショット測定が必要である。シングルショット分解能のさらなる改良は、マイクロエレクトロニクスの帯域幅制限により難題である。これら制限を解消するために、研究者は、フォトニクスにより可能になる大きな処理帯域幅により、全光学技法に目を向けた。これは、標準電子工学プラットフォームへのフォトニクスの統合に対する関心の高まりを生み、これは、シリコンフォトニクスの分野を発生させ、次世代コンピュータ処理ユニットの可能性および高帯域幅通信の進歩を約束した。数フェムト秒精度で光学波形を測定するいくつかの確立された非線形光学技法が存在するが、シングルショット記録長は数十ピコ秒に制限され、更新レートが制限される。

時間イメージング装置の位相シフトは通常、電子光学位相変調器を使用して適用されるが、和周波数生成および差周波数生成等のパラメトリック非線形光波混合プロセスを使用することにより、代替の方式を実現することができる。この後者の技法は、パラメトリック時間イメージングと呼ばれ、線形チャープポンプと光波混合して、線形周波数チャープを有する信号波形と略同等であるか、または時間レンズに必要な２次位相シフトと同等である変換波形をもたらすことからなる。パラメトリック時間レンズは、１００πを超える位相シフトを有し、これは、電子光学位相変調器を使用した場合に可能な最大位相シフト１０πよりもはるかに大きく、したがって、時間イメージングシステムの用途を大きく広げる。和周波数生成および差周波数生成の２次非線形プロセスを使用することの欠点は、狭い範囲の材料しか２次非線形モーメントを有さず、変換波形が本質的に、ポンプまたは入力信号の波長とは広く異なる波長で生成されることである。差周波数生成を使用する時間拡大に基づく波形測定は、９００ｆｓ未満の分解能かつ同時に１００ｐｓという記録長での超高速波形のシングルショット測定を含め、有望な結果をもたらした。電子光学変調を使用する時間−周波数変換に基づく波形測定は、マルチショット平均化を使用して３１ｐｓ記録長にわたって分解能３ｐｓを実証した。

これら分野、例えば、通信でのシリコンフォトニクスの成功のために、光学性能モニタリングのためのオンチップ光学信号処理が極めて重要であることが証明されるであろう。次世代通信を超えて、シリコン互換性超高速計測学が、超高速測定技法が生み出し続ける科学的影響から明らかなように、多くの基礎研究分野にとってかなり有用であろう。

一実施形態において、位相シフトを入力波形に対して付与し、変換波形を出力する装置および方法が説明される。一実施形態では、位相シフトは、入力波形とポンプパルスとの四光波混合(four wave mixing)により提供することができる。一実施形態では、入力波形の高分解能時間領域表現を生成する装置および方法であって、入力波形を分散させて、分散入力波形を生成すること、所望の入力波形と分散ポンプパルスとを結合して、変換波形を生成することにより、分散入力波形に四光波混合を受けさせること、および変換波形を検出ユニットに提示することを含む装置および方法が説明される。一実施形態では、検出ユニットは、変換波形を記録し、入力波形を表す記録を出力する分光計（スペクトル解析器）を含むことができる。

本明細書において説明される特徴は、後述する図面を参照してよりよく理解することができる。図面は必ずしも一定の縮尺ではなく、一定の縮尺に代えて一般に、本発明の原理を説明することに重点が置かれている。図面中、同様の番号は、様々な図を通して同様の部分を示すために使用される。

レンズのフーリエ変換特性の利用を示す図である。 オシロスコープの図である。 オシロスコープを使用した場合の記録出力の分解能および記録長を特徴付ける図である。 相互相関器を使用して測定された波形（右図）と比較したオシロスコープの同じ波形の出力波形（左図）を示す図である。 相互相関器を使用して測定された波形（右図）と比較したオシロスコープの同じ波形の出力波形（左図）を示す図である。 相互相関器を使用して測定された波形（右図）と比較したオシロスコープの同じ波形の出力波形（左図）を示す図である。 相互相関器を使用して測定された波形（右図）と比較したオシロスコープの同じ波形の出力波形（左図）を示す図である。 一実施形態でのオシロスコープの図である。 複数の出力を有するオシロスコープの図である。 複数の出力を有するオシロスコープの図である。 ユーザインタフェースを有するシステム内に組み込まれた、複数の出力を有するオシロスコープの図である。 オシロスコープを組み込んだシステムの図である。 オシロスコープを組み込んだシステムの図である。 内部に組み込まれたオシロスコープを有するフォトニックチップの概略断面図である。 フォトニックチップを組み立てる例示的な方法を示す図である。 フォトニックチップを組み立てる例示的な方法を示す図である。 フォトニックチップを組み立てる例示的な方法を示す図である。 フォトニックチップを組み立てる例示的な方法を示す図である。 オシロスコープを組み込んだフォトニックチップの装置構造の上面図である。 一実施形態でのオシロスコープの図である。 図１７Ａはレンズのフーリエ変換特性の利用を示す図である。図１７Ｂはオシロスコープの図である。 オシロスコープを使用した場合の記録出力の分解能および記録長を特徴付ける図である。 相互相関器を使用して測定された波形（右図）と比較したオシロスコープの同じ波形の出力波形（左図）を示す図である。

電子測定とこれら方法、例えば、相互相関周波数分解光ゲート法(cross-correlations frequency resolved optical gating)および直接電場再構築のためのスペクトル位相干渉法との間の時間領域を橋渡し、高速更新可能な光学検出を可能にするために、電磁波および関連する現象の空間−時間双対性(duality)を使用する技法が開発された。この双対性は、空間場の回折伝播を支配する近軸波動方程式と、時間場の分散伝播を支配するスカラー波動方程式とが等しいことに依存している。この双対性は、レンズまたはプリズム等の空間光学構成要素が、時間場に対して２次または１次のそれぞれの時間位相シフトを付与することにより実施可能な時間レンズまたは時間プリズムとして知られる時間的な対応物を有することを暗示する。さらに、これら構成要素により、波形の時間イメージング等の、空間的な対応物と同様の方法での時間処理が可能である。

空間−時間双対性を使用する２つの方法を適用して、超高速光学波形を測定することができる。空間レンズ(spatial lens)がイメージを拡大できるのと同じように、時間レンズ(temporal lens)は超高速波形を時間的に長くすることができ、拡大なしの波形では不十分な時間分解能を有する光検出器およびオシロスコープを使用して測定できるようにする。この技法は時間拡大として既知である。

第２の測定方法はレンズのフーリエ特性を利用する−レンズの前焦点面に位置決めされた物体は、後焦点面に物体のフーリエ変換を生み出す（図１Ａ）。時間波形のフーリエ変換は光学スペクトルであるため、空間フーリエプロセッサを時間領域に拡張することにより、入力の時間（スペクトル）プロファイルを出力のスペクトル（時間）プロファイルに変換する装置がもたらされる（図１Ｂ）。したがって、フーリエ面においてスペクトルを直接測定することにより、入射波形の時間振幅がもたらされ、このプロセスは時間−周波数変換と呼ばれる。

実施例１
本明細書において、四光波混合（ＦＷＭ）の３次非線形プロセスに基づくパラメトリック時間レンズ(parametric time-lens)が実証されると共に、シリコンチップに基づく超高速光オシロスコープ(optical oscilloscope)の作成へのこの時間レンズの適用がさらに実証される。本発明による装置は、３次カー非線形性に基づくため、ＦＷＭに基づく時間レンズは、本明細書において使用されるＣＭＯＳ互換性シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）フォトニックプラットフォームを含め、任意の材料プラットフォームで実施することができる。この時間レンズの出力は、ポンプおよび入力波の波長に近い波長で生成され、相互作用するすべての波をＳ通信帯、Ｃ通信帯、およびＬ通信帯内にすることができ、それにより、例えば、これら帯で利用可能な明確に確立された機器および構成要素を使用してすべての波を処理することが可能である。本発明による装置を使用して、１００ｐｓよりも長い記録長にわたって２２０ｆｓ分解能でかなり複雑な波形の測定が実行される。この２２０ｆｓ分解能と１００ｐｓよりも長い記録長との組み合わせは、ピコ秒時間範囲であらゆるシングルショット可能な波形測定技法の最大の記録長対分解能比（＞４５０）を表す。さらに、直接電場再構築のための周波数分解光ゲート法およびスペクトル位相干渉法等の一般に使用される技法と異なり、本発明の実施態様は、再構築アルゴリズムを使用せずに時間振幅プロファイルを直接測定し、高速更新可能なシングルショット測定が可能である。

様々な入力波形を使用して、シリコンチップに基づく超高速光オシロスコープの性能をテストする。各入力波形は装置に入り、一定長の光ファイバからなる分散要素を通過する。ＦＷＭ時間レンズの焦点距離に合うように、入力波は、分散長が２倍の光ファイバを通過したポンプパルスと混合される。光ファイバを通過した後、ポンプパルスおよびテスト波形が結合され、ＦＷＭがＳＯＩナノ導波管(nanowaveguide)内で実行される。これらシリコン構造の強力な光閉じ込めにより、高度に効率的な非線形プロセスが可能であると共に、広いポンプ調整可能性を有して１５０ｎｍよりも大きな変換帯域幅をもたらすことができる操作可能な群速度分散が可能である。光学分光計を使用して、その結果生成されるＦＷＭ生成のスペクトルを測定して、入力の時間プロファイルが特定される。
［実施例１の終了］

図１Ａおよび図１Ｂを参照して、シリコンに基づく超高速光オシロスコープを説明する。超高速オシロスコープは、シリコンチップ上の四光波混合に基づくパラメトリック時間レンズを使用して実施される。図１Ａを参照して、空間光学フーリエ変換プロセッサを示す。空間レンズは、示される２焦点距離構成を使用して入力波形をフーリエ変換したものを生成することができる。図１Ｂを参照して、時間光学フーリエ変換プロセッサを示す。時間レンズは、入力の時間プロファイルを出力のスペクトルプロファイルに変換することができる。ＦＷＭ時間レンズの場合、焦点距離（Ｄ）は、ポンプパルスが通過する光ファイバの分散長（２Ｄ）の半分である。次に、単にプロセッサの出力のスペクトルを測定することにより、シングルショット時間測定を実行することができる。

ポンプパルス帯域幅および分散路の長さが、オシロスコープの記録長および分解能を決める。ＦＷＭに基づく変換器の時間−周波数変換係数は、

により与えられ、式中、Δｔは入力信号の時間シフトであり、Δωは結果として生じるスペクトルシフトであり、β_２は群速度分散パラメータであり、Ｌは分散信号路の長さである。本発明によるシステムでは、この関係は、５．２ｐｓの時間位置シフトで１ｎｍの変換波長シフトがもたらされる。ＦＷＭを使用して、ポンプ帯域幅の２倍にわたる狭帯域信号を変換することができ、これは、ＦＷＭに基づくオシロスコープのおおよその記録長τ_{ＲＥＣＯＲＤ}：

をもたらし、式中、Ω_ｐｕｍｐはポンプパルスのスペクトル帯域幅である。オシロスコープの分解能は、機器システムを通しての時間デルタ関数の伝達を考慮することにより予測される。このインパルス応答は精密に機器の時間分解能τ_{ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ}であり、

により与えられ、式中、τ_ｐｕｍｐはポンプパルス幅である。本発明によるシステムの場合、これら関係は、記録長１５０ｐｓおよび分解能２００ｆｓを予測する。実際には、ポンプと信号との分離およびＦＷＭ変換帯域幅により、記録長が制限されることになる。３次分散に起因するようなポンプパルスでの２次位相からの逸脱、ＦＷＭ変換帯域幅、および分光計のスペクトル分解能によっても、時間分解能が決まる。ＦＷＭ変換帯域幅は記録長および分解能の両方を制限するため、この値を最大にすることが重要である。本発明の実施態様に使用されるシリコン導波管(waveguide)は、３次分散および分光計性能に起因する収差によってのみ制限される超高速光オシロスコープの実行を可能にするために十分に大きな変換帯域幅（＞１５０ｎｍ）を有する。

実施例２
３４２ｆｓパルスを注入し、その時間位置を変更することにより、本発明によるシステムの記録長および分解能を実験的に特徴付ける。図２に示されるように、１００ｐｓの記録長にわたってパルス位置を測定することが可能である。ＦＷＭに基づくオシロスコープの分解能を特徴付けるために、装置の記録長にわたるこのパルスの平均観測幅からの時間分解能をデコンボリューションする。平均パルス幅４０７ｆｓを測定し、これは、実際のパルス幅３４２ｆｓと比較された場合、本発明の実施態様での時間分解能２２０ｆｓを示す。

図２を参照して、超高速オシロスコープの記録長および分解能の特徴付けについての図を説明する。３４２ｆｓパルスは、記録長１００ｐｓを実証するシリコンチップに基づく超高速光オシロスコープを使用して時間的に走査され測定される。オシロスコープにより観測されるように、この走査範囲にわたる３４２ｆｓパルスの平均幅は４０７ｆｓであり、２２０ｆｓ．ａ．ｕ．（ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｕｎｉｔｓ（任意の単位））のデコンボリューション後分解能を示す。各色（陰影）は、パルスが走査される際の別個の測定を表す。

実施例３
シリコンに基づく超高速光オシロスコープを実験的に特徴付けるために、超高速ファイバレーザまたは光学パラメトリック発振器からポンプおよび入力波を生成する。パルス列は、２８０ｆｓポンプパルスおよび信号パルスにスペクトル的に分けられる。各入力波形は、オシロスコープに入り、５０ｍ長の分散補償ファイバからなる分散要素を通過し、１００ｍ長の分散補償ファイバを通過したポンプパルスと混合される。図３ａ〜図３ｃのテスト波形は、非線形スペクトル拡張、分散、および干渉の組み合わせを使用して生成された。１．５ｃｍ長のシリコンナノ導波管は、断面サイズ３００ｎｍ×７５０ｎｍ、線形伝播損失１．５ｄＢ／ｃｍ、および結合効率３ｄＢを有する。マルチショット測定の場合、ＦＷＭ光学スペクトルは、光学スペクトル解析器を使用して特徴付けられる。シングルショット実証の場合、シングルショット分光計が、モノクロメータおよび赤外線カメラを使用して実施され、単一の事象がフレーム毎に作成される。

レーザ源に関して、使用される超高速ファイバレーザは、３８ＭＨｚ繰り返し数で８０ｆｓパルスを生成する。使用される光学パラメトリック発振器は、７６ＭＨｚ繰り返し数で１５０ｆｓパルスを生成する。ポンプパルスは２８０ｆｓパルスであり、１，５５０ｎｍを中心とした帯域幅１５０ｎｍを有する。図３Ａ〜図３Ｄのテスト波形は、１，５８０ｎｍを中心とした可変帯域幅信号パルスから生成される。光ファイバに関して、標準のシングルモードファイバ（Ｃｏｒｎｉｎｇ型番：ＳＭＦ−２８）の１２分の１の分散勾配を有するため、分散補償ファイバ（Ｃｏｒｎｉｎｇ型番：ＤＣＭ−Ｄ−０８０−０４）の使用を選択する。このように３次分散が小さいことにより、レンズ収差が低減し、実験的に、ＳＭＦ−２８を使用する同等のシステムと比較して時間分解能が２倍に向上することが分かった。分散補償ファイバを通過した後、１５ｎｍ帯域幅ポンプパルスは、エルビウムドープファイバ増幅器を使用して増幅され、続けてＦＷＭがＣＭＯＳ互換性埋め込みＳＯＩナノ導波管内で実行される。テスト波形に関して、図３Ａのテスト波形は、エルビウムドープファイバ増幅器内で信号パルスを増幅し、増幅器内で非線形スペクトル拡張を誘導することにより生成される。スペクトル拡張パルスは続けて、２０ｍ長の光ファイバを通過する。図３Ｂのテスト波形は、５０ｍの光ファイバおよびマイケルソン干渉計を使用して２つの３００ｆｓパルスを分散させ干渉させることにより生成される。図３Ｃのテスト波形は、９．６ＧＨｚの繰り返し数を有する時間レンズ圧縮レーザ源を３６ＭＨｚで動作する超高速ファイバレーザポンプ源に同期させることにより生成される。９．６ＧＨｚ源のパルス幅は、時間レンズ圧縮器に使用される位相変調器に送られる電気正弦波の大きさにより決まる。図３ｄのテスト波形は、５０ｍのＳＭＦ−２８を使用して３００ｆｓパルスをチャープさせ、マイケルソン干渉計を使用して２つのパルスに分割するうことにより生成される。次に、干渉計の遅延ステージを使用して、パルスの分離を調整することができる。シリコン導波管に関して、シリコン導波管の寸法は、零群速度分散点をＣ通信帯内に位置決めすることにより、変換帯域幅を増大にするように選択された。ナノ導波管内部のピーク光パワーは、シリコン内での自己位相変調および２光子により誘導される自由キャリア効果を回避するために、１００ｍＷ未満に維持される。シングルショット測定に関して、単一の事象が、シングルショット分光計のフレーム毎に生成される。３８ＭＨｚ源は、１つのみのパルスが、カメラの積分時間に対応する０．５ｍｓ毎に生成され、したがって、カメラ画像毎にシングルショットが生成されるように、電子光学変調器を使用してダウンサンプリングされる。

様々な複雑性のテスト波形を生成することにより、シリコンチップに基づくオシロスコープの測定性能をさらに調べる。第１に、４５０ｆｓ分解能および１００ｐｓ記録長を示す超高速光オシロスコープを使用して、非線形スペクトル拡張および分散を受けたパルスを測定する。相互相関と比較した超高速光オシロスコープを使用するこのパルスの測定は、図３Ａに示される。９００ｆｓ時間特徴を有する１２０ｐｓ波形を生成することにより、さらに複雑性の高い光学波形を測定する。分解能２２０ｆｓを有するシリコンチップに基づく超高速光オシロスコープを使用して、この波形を測定する。この測定の結果および相互相関との比較は、図３Ｂに示される。

図３Ａおよび図３Ｂのテスト波形は、ポンプパルスと同じレーザ源から導出される。超高速光オシロスコープが、９．６ＧＨｚの繰り返し数を有する可変パルス幅時間レンズ圧縮レーザ源を、３６ＭＨｚで動作する超高速ファイバレーザポンプ源に同期させることにより、別個のソースからの波形の測定の実行にも使用可能なことを実証する。分解能２２０ｆｓを有する装置を使用して、３０ｍＷピーク電力を有する３０ｐｓパルスを１５０ｍＷピーク電力を有する６ｐｓパルスに圧縮することを観測することにより、９．６ＧＨｚ源のパルス幅を最適化する。相互相関と比較した超高速光オシロスコープを使用するこの最適化の結果は、図３Ｃに示される。

最後に、シングルショット分光計を組み込むことにより、装置のシングルショット性能を実証する。８６ｐｓ、２７ｐｓという時間的に隔たりを有し、時間的におおよそ重なった２つのパルスで構成される３つのシングルショット光学波形を測定する。マルチショット相互相関と比較したこれらシングルショット測定の結果は、図３ｄに示される。８６ｐｓの隔たりにより示されるように、１００ｐｓ記録長が維持される。パルスが重なる場合、３ｐｓ期間を有する時間干渉縞が観測される。この実施態様では、時間分解能は、赤外線カメラにより、ピクセル当たり７６６ｆｓに制限され、すなわち、記録長対分解能比が１３０に制限される。１，０００ピクセルを超える高ダイナミックレンジ線形アレイが市販されており、本発明による装置の完全な記録長対分解能比（＞４５０）を利用することが可能である。

図３Ａ〜図３Ｃに関して、超高速オシロスコープおよび相互相関器を使用する測定の比較を示す。図３Ａに関して、エルビウムドープファイバ増幅器内での非線形スペクトル拡張を通して生成され、続けて２０ｍのシングルモード光ファイバを伝播した３０ｐｓパルスの測定を示す。図３Ｂに関して、２つの３００ｆｓパルスを分散させ干渉させることにより生成された複雑性の高い波形の測定を示す。差し込み図に関して、６０ｐｓから７０ｐｓまでの１０ｐｓ時間領域の拡大図を示す。図３Ｃに関して、様々なパルス持続時間で動作する別個の超高速パルスレーザ源の測定を示す。シリコンチップに基づく超高速光オシロスコープが使用されて、レーザ源内の電子光学変調器への電圧を変更することにより、リアルタイムでこのソースから発せられるパルス幅が最小化される。図３Ｄに関して、マルチショット相互相関と比較した、様々な時間的隔たりを有する２つのチャープパルスのシングルショット測定を示す。パルスが時間的に重なる場合、干渉縞が時間領域において観測される。

測定のすべてにおいて、本発明によるシリコンに基づく超高速光オシロスコープと２８０ｆｓパルスを有する相互相関との間に良好な一致が観測される。それにも関わらず、特に波形およびポンプパルスがオシロスコープと比較して相互相関器に到着する時間を同期させるために使用される光ファイバの長さがわずかに異なる（３ｍ未満の違い）ことに起因するいくらかの逸脱が観測される。さらなる不一致はおそらく、ＦＷＭ時間レンズ内でのポンプパルス不完全性による。最適な性能のために、ポンプパルスに対して明確で均一なスペクトル振幅および位相を得ることに注意を払わなければならない。さらに、分解能は最終的に、分散要素内の３次分散から生じる収差により制限される。分散平坦化ファイバまたは分散が操作された導波管を分散路に使用することにより、この収差は軽減され、サブ１００ｆｓポンプパルスを使用することにより、サブ１００ｆｓ分解能に向けての道を提供する。

ここで、シリコンチップ上での四光波混合という非線形プロセスを介して時間−周波数変換を使用して、シリコンフォトニックプラットフォーム内での波形測定技術を実証する。１００ｐｓを超える長さにわたって２２０ｆｓ分解能で光学波形を測定し、これは、任意のシングルショット可能なピコ秒波形測定技法の最大の記録長対分解能比（＞４５０）を表す。本発明による実施態様では、シングルショット測定が可能であり、相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）互換性シリコンオンインシュレータ技術およびシングルモード光ファイバという高度に開発された電子材料および光学材料のみが使用される。成熟したシリコンオンインシュレータプラットフォームおよび電子工学とこれらＣＭＯＳ互換性フォトニクスとを統合する能力は、この技術を一般的な卓上機器およびチップスケール機器に拡張する大きな約束を提供する。
［実施例３の終了］

この測定システムの構成要素は潜在的に、その全体をオンチップに集積することができる。特に、パルスレーザ源、分散路の低損失分散操作された導波管、ならびに一体化されたシングルショット分光計および検出器の集積は、シリコンフォトニクスでの現在のすべての研究分野にある。さらに、ＦＷＭ時間レンズの柔軟性およびナノ導波管内で利用可能な分散操作は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）およびオキシ窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）等の他のＣＭＯＳ互換性導波管材料を使用することにより、この技法を異なる波長体制（例えば、可視）に簡単に拡張できるようにする。さらに、任意の繰り返し数のソースを測定するために本発明によるオシロスコープを使用するには、繰り返し数柔軟性を有する超高速ポンプレーザが必要であり、例えば、時間レンズ圧縮源を使用して実施することができる。興味深いことに、シングルショット性能により、単一の光学事象の測定のみならず、光学クロックと同期した場合、通信信号の多くのシングルショット測定をオーバーレイすることにより、「アイダイアグラム」の測定も可能である。通信を超えて、集積測定装置は、光学波形の単純な超高速測定が必要とされる多くの科学分野での研究に役立つ。

最終的に、シングルショット測定のダイナミックレンジは、自己位相変調および自由キャリア生成を回避しながらシリコンナノ導波管内で許される最大電力ならびにピクセル毎の検出可能な最小電力により制限される。これら制約は、時間レンズの信号ピーク電力範囲を１００μＷ〜１００ｍＷに制限するはずであり、これはダイナミックレンジ１０^３に対応する。狭い時間特徴はレンズ前の分散伝播中に拡散し、したがって、レンズでのピーク電力がかなり低くなるため、超高速光オシロスコープへの最大電力は特徴の幅に依存する。分解能が制限された時間特徴が考慮される場合、４０Ｗピーク電力が可能であり、これはダイナミックレンジ１０^５に対応する。さらに、検出可能な最小電力は所望のシングルショット分解能に依存するが、最大電力は所望のシングルショット分解能に依存しないため、このシステムでは、分解能が低いほど、高いダイナミックレンジ測定が可能である。

入力波形およびポンプパルスを分散させるマッチングしない分散要素の使用が、いくつかの実施形態では有利であると考えられるが、入力波形を分散させる分散要素の分散とポンプパルスを分散させる分散要素の分散とのマッチングは、特定の利点を提供する。分散が本明細書において説明されるようにマッチングするように分散要素を構成することにより、入力波形は２次位相シフトの場所から１焦点距離のところで注入され、出力波形は、入力波形をフーリエ変換したものを含むことになる。したがって、出力波形のスペクトルは、入力波形の時間形状を表す。入力波形のスペクトルを含む出力波形を使用して、出力分散量に関わりなく、分光計で出力波形を測定することにより、入力波形の時間パターン表現をもたらすことができる。したがって、一実施形態では、分光計を使用して、出力分散要素なしで入力波形を表す出力を検出することができ、それにより、サイズおよびコストの利点がもたらされる。

一実施形態でのオシロスコープが図４に示される。図４の実施形態では、オシロスコープ１００は、第１の分散要素１２０および第２の分散要素１４０を含む。第１の分散要素１２０は、第２の分散要素１４０の分散が第１の分散要素１２０の分散と２：１の比を有するように分散要素を構成することにより、第２の分散要素１４０とマッチングするように構成することができる。第１の分散要素１２０および第２の分散要素１４０の出力は、例えば、フォトニック導波管（例えば、半導体導波管）の形態の光学要素２００に組み合わせることができ、フォトニック導波管内では、第１の分散要素１２０により分散した入力波形５０および第２の分散要素１４０により分散したポンプパルス７０が、四光波混合により結合されて、出力波形が出力される。別の実施形態では、第１の分散要素１２０および第２の分散要素１４０は、第２の分散要素１４０の分散と１：１の比を有するように第１の分散要素１２０の分散を提供し、四光波混合プロセスに第３の連続波または略連続波を組み込むことによりマッチングすることができる。

分光計を備えた検出ユニット３００を設けて、出力波形のスペクトルを検出することができる。出力波形のスペクトルは、入力波形の時間プロファイルを含むため、検出ユニット３００が設けられる場合、検分光計により提供される検出ユニット３００は、入力波形の時間プロファイル表現を出力することができる。入力波形の時間プロファイルは、出力波形のスペクトルを測定することにより生成することができるため、出力分散要素の分散は、任意であることができ、一実施形態では、分光計の検出ユニット３００を光学要素２００の出力に実質的に直接組み合わせて（直結される実施形態を含む）、出力波形のスペクトルを測定し、ひいては、入力波形の時間形状表現を生成することができる。図４に示される実施形態では、分光計により提供される測定ユニット３００は、光学要素２００と検出ユニット３００との間に分散要素が介在せずに、四光波混合が行われる半導体導波管により提供される光学要素２００に組み合わせられる。分光計をフォトニック導波管に実質的に直接組み合わせることにより、出力分散が低減し、したがって、出力分散要素を設けることができる代替の設計と比較して、オシロスコープ１００のサイズが低減する。図４の実施形態では、第１および第２の分散要素１２０、１４０は、例えば、集積フォトニック導波管（例えば、半導体導波管）、光ファイバ、導波管内のチャープブラッグ格子、自由空間格子、プリズム等により提供することができる。

図５を参照して、オシロスコープ１００の検出ユニット３００が分光計３０２および光検出器３０４の両方を含む実施形態が示される。第１の分散要素１２０、第２の分散要素１４０、および光学要素２００は、図４に関連して説明したように提供することができ、光検出器３０４を組み合わせることができる出力分散要素４００を提供することができる。分光計３０２を提供して、光学要素２００により出力される出力波形のスペクトルを検出することにより、入力波形の時間プロファイルを測定することができる。光検出器３０４を使用して、入力波形の時間形状を直接測定することができる。分光計３０２は、分散要素４００の前に四光波混合光学要素２００の出力に直結されて示されるが、原理上、長さに沿った任意のポイントで出力分散要素４００に組み合わせることができる。分光計３０４を四光波混合光学要素２００の出力に組み合わせることにより、分散要素４００を伝播する結果として生じ得る損失が回避されるため、測定信号の強度が向上する。別の実施形態では、オシロスコープ１００は、四光波混合以外のプロセスにより入力波形に位相シフトを受けさせるように動作可能である。分光計３０２に関して、一実施形態での分光計３０２は、スペクトルフィルタを含むことができ、出力波形のスペクトル内の波長帯を検出するように動作できる。

分光計３０２および光検出器３０４に関して、いくつかの実施形態での分光計３０２が、比較的弱い信号を検出する場合に有利であり得る。光検出器３０４に関して、光検出器３０４は、波形を高速サンプリングする場合に有利であり得、より高い倍率Ｍで毎秒当たり追加の測定が可能であり、表現される信号Ｒが、間隔のより狭い時間特徴を有する場合、光検出器を使用する場合の記録出力は、離間された時間特徴を重複した特徴として表現して、オシロスコープの出力記録長を制限する恐れがある。記録が分光計を使用して出力される場合、出力記録長は一般に、式２に付与される機器記録長により制限される。データ記録の出力に分光計を使用することにより、光検出器を使用して提供される出力記録長と比較して出力記録長を増大させることができるため、間隔が比較的狭い時間特徴を有する複雑な信号がある用途では、分光計が有利であり得る。したがって、分光計３０２および光検出器３０４の両方を設けることにより、広範囲の用途での入力波形の出力記録表現の生成が最適化される。

出力分散要素４００の群速度分散が、入力分散要素の群速度分散よりも十分に大きく、入力分散要素がポンプ分散要素に適宜マッチングされる場合、本明細書において説明するオシロスコープ１００に入力される入力波形の拡大は、倍率
Ｍ＝ｄ_ｏＬ_ｏ/ｄ_ｉＬ_ｉ＝Ｄ_ｏ/Ｄ_ｉ 式４
により与えられ、式中、ｄ_ｏは出力分散要素の単位長当たりの群速度分散であり、ｄ_ｉは入力分散要素の群速度分散であり、Ｌ_ｏは出力分散要素の長さであり、Ｌ_ｉは入力分散要素の長さであり、Ｄ_ｏは群速度出力分散であり、Ｄ_ｉは群速度入力分散である。出力波形の時間幅は、出力分散要素の分散を制御することにより制御することができる。オシロスコープ１００の開発において、光学要素２００および分散ポンプパルスにより形成される時間レンズが、入力波形が２次位相シフトの場所から１焦点距離のところで入力された場合、倍率を決定する出力分散量に関係なく、入力波形の表現が出力波形内に含まれるという点で空間レンズのように動作することが決定された。

入力波形の表現を生成するに当たり、表現される波形の出力分解能は、検出ユニット３００の測定分解能により制限され得る。例えば、所与の光検出器３０４は一般に、測定分解能限界Ｒｅｓ_Ｍを有する。場合によっては、オシロスコープ１００の出力分解能は、測定分解能により制限され得る。しかし、検出ユニット３００の測定分解能が小さくなる（理想的になる）につれて、オシロスコープ１００の出力分解能は、本明細書において説明したように、τ_{ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ}によってのみ制限され得ることが分かる。パラメータτ_{ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ}は、オシロスコープ１００の機器分解能としてみなすことができる。一般に、

の場合、オシロスコープ１００の出力分解能は、測定分解能限界により制限される。

の場合、オシロスコープ１００の出力分解能は、測定分解能限界が出力分解能を制限しないように、機器分解能により制限される。
出力分解能が機器分解能により制限されるようにオシロスコープ１００を構成することが有利であり得る。式６を参照すると、倍率Ｍを調整することにより、任意の光検出器（分解能があまり良くない光検出器であっても）を使用して、そのような構成を達成可能なことが分かる。倍率の調整は、より大きな出力分散Ｄ_ｏを有する出力分散要素を選択することにより達成することができる。

特定の実施形態では、オシロスコープ１００の出力分散要素４００の分散は、Ｒｅｓ_Ｍ／Ｍの値がτ_{ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ}とおおよそ等しいか、またはτ_{ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ}未満になり、それにより、出力分解能が機器分解能により制限されるように選択することができる。Ｒｅｓ_Ｍ／Ｍがτ_{ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ}におおよそ等しくなるように、出力分散を選択することにより、余分な分散材料の使用に起因するコスト消費を回避しながら、出力分解能を機器分解能により制限できる。

式３および式６を考慮に入れて、オシロスコープ１００の出力分散要素が、条件

を満たすように選択される場合、オシロスコープ１００の出力分解能は、機器分解能によってのみ有利に制限することができ、Ｒｅｓ_Ｍ／Ｍがτ_ｐｕｍｐ／２におおよそ等しい場合、分散材料の使用を経済的にすることができる。

図６のオシロスコープを参照すると、オシロスコープ１００は、異なる出力分散Ｄ_ｏをそれぞれ有する複数の出力分散要素４００、４０１、４０２を含むことができる。オシロスコープ１００は、各分散要素に関連付けられた異なる光検出器３０４をさらに有することができる。様々な分散要素４００、４０１、４０２に関連付けられた異なる分散により、各出力分散要素４００、４０１、４０２に関連付けられた倍率および出力波形時間幅は異なる。

出力分解能が検出ユニット３００の測定分解能により制限されないように装置１００の倍率Ｍを確立することが、有利であり得ることを上述した。出力分解能が検出ユニット３００の測定分解能限界により制限されるように倍率Ｍを確立することも有利であり得る。倍率Ｍが大きいほど、よりよい出力分解能に繋がり得るが、光検出器がデータ記録の出力に利用されるオシロスコープ１００の出力記録長は、倍率が大きいほど短くなる傾向を有する。倍率Ｍが高いほど、離間されているが間隔が狭いパルスが、光検出器３０４を使用して出力される出力データ記録において重複パルスとして誤って表現される恐れがある。

逆に、倍率Ｍが低くなるにつれて、光検出器を使用して検出される出力データ記録を有するオシロスコープ１００の出力記録長は増大でき、式２により与えられる機器記録長によってのみ制限されることになり得る。比較的長い出力記録長を提供することにより、重要な利点をもたらすことができる。例えば、ガウスパルスを使用して符号化された符号化ビットセットが、解析中の場合、記録長が長ければ、解析を受けることができる一続きのパルスが増大し、それにより、より大きなサンプルを必要とする種類の解析が可能になる。

図７に示されるように、システム１０００内に組み込まれたオシロスコープ１００を参照すると、オシロスコープ１００は、複数の出力分散要素４００、４０１、４０２、および光学要素２００の出力に組み合わせて、分散要素４００、４０１、４０２のうちの１つを選択すると共に、分光３０２に組み合わされたスイッチ５０１を含む。光検出器３０４は、各分散要素４００、４０１、４０２に組み合わせることができる。スイッチ５０１は、図５の実施形態において説明したように、光学要素２００の出力を分光計３０２に組み合わせるように動作できる。制御アクチュエータおよびインジケータ、例えば、電子ディスプレイを有するユーザインタフェース５１０は、ユーザインタフェース（ＵＩ）５１０を使用しての操作により、コマンドを入力できるようにスイッチ１００に組み合わせることができる。

オシロスコープ１００は、ユーザインタフェース５１０を利用して入力された１つまたは複数のコマンドの入力により、オペレータが、出力データ記録の出力フォーマットを変更できるようにするように動作できる。オシロスコープ１００は、分光計３０２および各光検出器３０４に組み合わせられたマルチプレクサ５１２を含むことができる。マルチプレクサ５１２は、スイッチ５０１の状態に基づいて、光検出器３０４または分光計３０２のうちの適切な１つにより出力された出力データ記録をユーザインタフェース５１０に組み合わせるように動作できる。図７の構成は、複数の分散要素を通しての組み合わせによる信号損失量を低減する。図７の実施形態でのオシロスコープ１００は、データ記録の出力にアクティブであるのが分光計３０２であるか、またはいずれの光検出器３０４であるかに応じて、異なる出力フォーマットでデータ記録を出力するように動作できる。

一実施形態では、オシロスコープ１００のユーザインタフェース５１０を、図８および図９に関連して本明細書において説明するように、処理ユニット、例えば、処理ユニット７１０により実行できるプログラムアプリケーション等のアプリケーションインタフェース（ＡＩ）で置換できる。プログラムアプリケーションは、一例として、システムコントロールへの入力を決定するために処理ユニットにより実行されるプログラムアプリケーションが可能である。したがって、図７に示されるユーザインタフェース５１０は、アプリケーションインタフェースとの置換可能性を示すために、ラベルＵＩ／ＡＩを使用して参照される。システムコントロールのために、オシロスコープの出力がアプリケーションインタフェースに入力される例について、本明細書において図８および図９に関連して説明する。

本明細書において説明されるオシロスコープが、少なくとも２２０ｆｓの分解能および少なくとも１００ｐｓの記録長を有する測定を記録できることを説明した。したがって、一連の出力パルスの場合、出力記録は複数のパルスの表現を含むことができる。

本明細書において説明したように、オシロスコープ１００は、時間プロファイルまたは入力パルスの表現を生成するように動作できる。オシロスコープ１００を利用する用途について、図８を参照して説明する。

本明細書における任意の実施形態において説明したオシロスコープ１００を組み込んだシステム１０００は、光学データ符号化ソース７０２および光ファイバ伝送線７０６を含むことができる。オシロスコープ１０００は、データソース７０２に近い場所で伝送線７１０に組み合わせられ、データソースの出力における波形の表現を出力することができる。システム１０００は、オシロスコープ１００を利用して、データソース７００により伝送中のデータの品質を特定するように動作できる。

データソース７０２は、変調器および符号器を有する送信器を含むことができ、符号化データが所定の名目上の特徴(nominal characteristic)のセットを有する光学データを符号化するように動作できる。例えば、データソース７０２は、ビットストリームを符号化するように動作可能であり、ビットはパルスを使用して符号化され、一続きのパルスのうちの各パルスは、例えば、パルスの形状、幅、および振幅により示される所定の名目上のプロファイルを含む。オシロスコープ１００は、一実施形態では、図７の実施形態に従って構成することができ、パルスのうちの１つまたは複数の時間プロファイル表現を含む記録を出力でき、システム１０００は、複数の時間プロファイルを処理するように動作できる。

オシロスコープ１００を使用して出力された記録は、処理のために処理ユニット７１０に送信できる。処理ユニット７１０は、ＣＰＵベースにあり得、一続きのパルスの表現を処理して、一続きのパルスが、許容可能な許容誤差内で名目上のプロファイルを有するパルスを示す基準を満たすか否かを判断できる。そのような基準は、例えば、一続きのパルスにわたるパルスの幅、形状、または振幅の標準偏差が閾値を超えるか否かを含むことができる。一続きのパルスが名目上のプロファイルを示すか否かを判断するために、処理ユニット７１０は、一実施形態では、複数のパルス表現をオーバーレイすることによりアイダイアグラムを生成できる。処理ユニット７１０は、アイダイアグラムが所定の特徴を有する場合、データ符号化が満足のいくものであると判断できる。アイダイアグラムに関連して処理ユニット７１０により実行されるプロセスは、クリアなアイ図があるか否かを判断するための処理、励起比が閾値を超えるか否かを判断するための処理、「１」上のノイズレベルが閾値を超えるか否かを判断するための処理、タイミングジッタが閾値を超えるか否かを判断するための処理のうちの１つまたは複数を含むことができる。定量値、例えば、故障率曲線をそのようなアイダイアグラムから抽出できる。

各データ品質の特定を実行する際に、処理ユニット７１０は、複数のパルス、例えば、一続きのパルスが一貫したプロファイルを有するか否かを判断するように動作可能である。上記アイダイアグラム処理は、データ品質のそのような評価特定に対して有用である。処理ユニット７１０は、単一のパルスまたは限られた数のパルスを評価して、単一のパルスまたは一続きのパルスが名目上の特徴を有するか否かを判断するようにも動作可能である。一般に、第１のタイプの処理（プロファイル一貫性についての解析）では、より大きな記録長を有する記録が有利である。第２のタイプの処理（単一または限られた数のパルス表現が、名目上のプロファイルからの逸脱について調べられる）では、より短い記録長、より高い出力分解能の記録が有利である。本明細書において説明される実施形態では、オシロスコープ１００は、より長い記録長を有する１つの出力フォーマット、よりよい出力分解能を有する第２の出力フォーマットを含む複数の出力フォーマットで記録を出力するように動作可能である。一実施形態では、データ品質を評価する処理ユニット７１０は、オシロスコープ１００が、記録長が長く、分解能が低い第１のフォーマットを有する第１の記録および出力記録長が短く、分解能が高い第２のフォーマットを有する第２の記録の両方を出力するように、１つまたは複数の通信をオシロスコープ１００に送信するように動作可能である。処理ユニット７１０は、記録長が長く、出力分解能が低い第１の記録および記録長が短く、出力分解能がデータ品質評価実行および処理ユニットの出力の決定により最適な第２の記録のそれぞれを処理するように動作可能である。例えば、処理ユニット７１０は、本明細書において説明される第１のタイプの処理（プロファイル一貫性についての解析）に第１のフォーマットを有する記録を利用するように動作可能であり、第２のタイプの処理（名目上のプロファイルからの逸脱についての解析）に第２のフォーマットを有する記録を利用するようにさらに動作可能である。第１のタイプの処理（プロファイル一貫性についての解析）では、処理ユニット７１０は、分光計３０２を使用して出力された記録を利用できる。分光計３０２を使用して出力される記録は一般に、機器記録長に対応する比較的長い出力記録長を有する。

処理ユニット７１０により実行される品質評価により、データが満足のいくものであることが示される場合、処理ユニット７１０により出力される出力は、データが満足のいくものであることを示す、インジケータ７１６への１つまたは複数の通信を含むことができる。処理ユニット７１０により、所定の基準が満たされないと判断された場合、処理ユニット７１０により出力される出力は、インジケータがデータの失敗を示すことになる、インジケータ７１６への１つまたは複数の通信トランザクションを含むことができる。処理ユニット７１０により、満足のいくデータ品質を示す基準が満たされないと判断された場合、処理ユニット７１０により出力される出力は、ソース７０２への１つまたは複数の通信を含むことができ、ソース７０２は、その１つまたは複数の通信に応答して、データソースの送信器を制御する１つまたは複数の制御パラメータを調整できる。そのような制御パラメータは、例えば、偏光パラメータ、バイアス電圧パラメータ、ＲＦ電力パラメータであり得る。

これより図９のシステム１０００を参照すると、１つまたは複数のオシロスコープ１００、１００’は、光学通信データ中継器７５０の近傍に動作的に配置することができ、光学通信データ中継器７５０は、受信器７５２およびリブロードキャスタ(rebroadcaster)７５４を備え、リブロードキャスタ７５４は、変調器および符号器を有する送信器を含むことができる。第１のオシロスコープ１００は、受信器７５２の出力に組み合わせることができ、処理ユニット７１０に出力を送信するように構成できる。本明細書において説明されるオシロスコープ１００の任意の実施形態により構成された第２のオシロスコープ１００’は、受信器７５２の入力に組み合わせることができ、出力を処理ユニット７１０に送信するように動作可能である。リブロードキャスタ７５４により出力されるデータの品質を特定するために、処理ユニット７１０は、リブロードキャスタ７５４により出力されるデータを受信器７５２に入力されるデータと比較できる。そのような比較に応答して、処理ユニット７１０は、リブロードキャスタ７５４が送信器のどの動作パラメータを調整できるかに応答して、１つまたは複数の通信をリブロードキャスタ７５４に送信できる。そのような動作パラメータは、例えば、偏光パラメータ、バイアス電圧、ＲＦ電力パラメータを含むことができる。処理ユニット７１０は、データソース７０２により出力されるデータに関して、図１０の例の処理ユニット７１０のように、リブロードキャスタ７５４により出力される光学データの品質評価を実行するようにも動作可能である。ソース７０２およびリブロードキャスタ７５４のそれぞれは、符号化データを送信する装置としてみなすことができる。処理ユニット７１０により、満足のいくデータ品質を示す基準が満たされないと判断される場合、処理ユニット７１０により出力される出力は、リブロードキャスタ７５４が、リブロードキャスタ７５４の送信器を制御する１つまたは複数のどの制御パラメータを調整できるかに応答して、リブロードキャスタ７５４に１つまたは複数の通信を含むことができる。そのような制御パラメータは、例えば、偏光パラメータ、バイアス電圧パラメータ、ＲＦ電力パラメータであり得る。

一実施形態では、システム１０００は、オシロスコープ１００を含み、オシロスコープ１００が、処理ユニット７１０により処理されるデータ記録を、開ループベースで変化する様々な記録フォーマットで出力するように動作可能である。別の実施形態では、システム１０００は、処理ユニット７１０による処理のためにオシロスコープ１００により出力される記録フォーマットが、閉ループベースで動的に変化するように、すなわち、記録フォーマットが前の記録の処理に応答できるように、動作可能である。一例では、処理ユニット７１０は、光検出器を利用して出力される第１のデータ記録を第１のフォーマットで処理できる。第１のデータ記録の処理の一環として、処理ユニット７１０は、第１の記録内で表現されるパルスの振幅を調べることができる。システム１０００は、処理ユニット７１０により、パルス振幅が閾値未満であると判断された場合、処理ユニット７１０が、オシロスコープ１００がオシロスコープの出力フォーマットを、分光計３０２を利用して出力される第２の記録出力フォーマットに変更できることに応答して、１つまたは複数の通信をオシロスコープ１００に送信できるように動作可能である。次に、処理ユニット７１０は、第２の記録を利用して、本明細書において説明されるデータ品質評価処理を実行し、本明細書において説明される様式での処理に応答して、送信する装置、例えば、データソース７００にフィードバックを提供できる（動作パラメータの調整に繋がる）。分光計３０４には、多くの場合、比較的弱い信号を感知するためにより良い感度およびより高い機能を有するという形での所与のコスト制約セットが提供され得るため、分光計を利用して出力される第２のフォーマットのデータ記録の処理は、データ処理の精度および確実性を向上させることができる。

図１０〜図１５を参照して説明される実施形態では、オシロスコープ１００の要素は、相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）集積回路製造プロセスを利用することにより製造された（組み立てられた）チップスケール製品内に設けられて示される。フォトニックチップのいくつかの実施形態は半導体材料がなくてもよいが、それにも関わらず、ＣＭＯＳ集積回路の組み立てに一般的な製造ステップを利用できるため、製造方法はＣＭＯＳ製造方法としてみなし得ることが理解される。

図１０〜図１５の実施形態では、第１の分散要素１２０および第２の分散要素１４０は、ＣＭＯＳ組み立てプロセスにより組み立てられたフォトニック導波管により提供されて示される。図１０〜図１５の実施形態を参照して、かつ図１５のデバイス構造上面図から分かるように、オシロスコープ１００は、フォトニック導波管により提供される光学要素２００を含むことができ、光学要素２００上に、第１の分散要素１２０および第２の分散要素１４０を組み合わせることができる。第２の分散要素１４０の分散は、第１の分散要素１２０の分散とマッチングさせることができる。入力１２０２において入力される入力波形は、第１の分散要素１２０により分散させ、入力１４０２において入力され、第２の分散要素１４０により分散したポンプパルスと四光波混合により結合させることができる。

図１０〜図１５に示されるオシロスコープの特定のフォトニックチップ実施形態に関して、オシロスコープ１００は、交互になった絶縁体と半導体層を含むことができる。図１０〜図１５に示されるオシロスコープ１００は、半導体基板６０２、絶縁層６０４、デバイス構造６０６、および絶縁層６０８を含むことができる。

デバイス構造６０６に関して、デバイス構造６０６は１つまたは複数の層を備えることができる。デバイス構造６０６を形成する方法について、図１１〜図１５を参照して説明する。図１１を参照して、シリコンＳｉの層６０６２を絶縁体ＳｉＯ_２の層６０２上に堆積させて、導波管材料を画定する。酸化物の薄い層６０６４を層６０６２上に堆積させることができる。ゲルマニウムＧｅまたは他の感光性半導体の層６０６６を層６０６４上に堆積させて、感光性材料を画定できる。層６０６６の感光性半導体材料は、検出すべき波長帯の光子を吸収し、光子を電子正孔対に変換することができ、電子孔対は電場をかけることにより取り出され、検出可能な電流を生成できる。

オシロスコープ１００を図１１に示されるように部分的に製造した状態で、フォトレジストまたは電子ビームレジスト（例えば、フォトレジストまたは電子ビームレジスト）を層６０６６上に塗布し、組立体を放射エネルギーに露出させて、レジスタ内に素子を画定し、次に、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）等のエッチングを使用して、パターンをレジストから素子材料に転写し、ゲルマニウム層６０６６が、複数の光検出器を画定する図１２に示されるような外観を有するように、レジストが存在しないゲルマニウムの部分を除去することができる。

組立体が図１２に示されるような状態で、別のレジストを層６０６６および６０６４の露出部分に塗布し、放射エネルギーに露出させてシリコン素子を画定し、次に、ＲＩＥ等のエッチングを使用して、酸化物層６０６４およびシリコンＳｉ層６０６２の部分を除去することができる。結果として生成される組立体は、図１３に示されるような形態を有することができ、層６０６２により画定されるのは、第１および第２の分散要素１２０、１４０を画定する第１の部分６０６７、四光波混合光学要素２００を画定する第２の部分６０６８、ならびに分光計３０２の部分を画定する第３の部分６０６９である。

組立体が図１３に示されるような状態で、絶縁材料６０６１、例えば、ＳｉＯ_２を組立体上に堆積させて、図１４に示されるような状態の新しい組立体を画定できる。絶縁材料６０６１を堆積させた後、図１４に示されるような状態の組立体にレジストを塗布し、組立体を放射エネルギーに露出させ、絶縁材料６０６１を通り、ゲルマニウム層６０６６の残留部分により画定される画定された光検出器まで延びるバイア６０６３を画定できる。バイア６０６３には、導電体、例えば、金属を充填して、完成したフォトニックチップの外部にアクセス可能な電気接点６０６５（図１０）を画定できる。電気接点６０６５（図１０）は、電気信号出力を画定し、入力波形を表す電気信号を出力できる。デバイス構造６０６が完成した状態で、例えば、ＳｉＯ_２を含む絶縁層６０８を基板６０６の絶縁材料６０６１上に堆積させることができる。接点６０６５に関して、接点の数は、Ｒ＝記録長／τ_{ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ}の比率以上まで増大させ得、ここで、τ_{ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ}はオシロスコープ１００の機器分解能である。接点の数が比率Ｒ未満の場合、オシロスコープ１００の出力分解能が分光計３０２の測定分解能限界により制限されることが分かる。酸化物層６０６４に関して、酸化物層が電気絶縁を提供することができる。

図１５を参照して、デバイス構造６０６の様々な要素を示す、図１３により示される状態の組立体の上面図が示される。図１５の上面図に見られるように、本明細書において説明されたエッチングプロセス（レジストを塗布し、光子または電子を含む放射エネルギーに露出して、レジスト層内に素子形状を画定し、次に、例えば、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）によりエッチングして、レジスト層のパターンを素子材料に転写し、望ましくない材料をエッチングにより除去することを含む）により形成される半導体導波管によりそれぞれ画定される第１の分散要素１２０および第２の分散要素１４０が画定される。デバイス構造６０６内に、本明細書において説明されるエッチングプロセスにより形成される半導体導波管により画定される光学要素２００も画定できる。層６０６２をエッチングして、様々な要素１２０、１４０、２００を画定する際、様々な要素の寸法、ひいては分散は、本明細書において説明されるように制御を受けることができる。

デバイス構造６０６に、特定の実施形態では、格子３０２２と光検出器アレイ３０２６との間に通信を提供する導波管アレイ３０２４と共に、光学要素２００により出力される出力波形のスペクトルを分割する光学格子３０２２を含む検出ユニット、例えば、分光計３０２またはその部分をさらに画定できる。格子３０２２および導波管アレイ３０２４に関して、格子３０２２および導波管アレイ３０２４は、本明細書において説明されるエッチングプロセスにより層６０６２を除去することにより形成できる。光検出器アレイ３０２６に関し、光検出器３０２６は、本明細書において説明されるように、層６０６６をエッチングにより除去することにより画定された光検出器を含むことができる。

ゲルマニウムＧｅは、通信帯（Ｓ帯、Ｃ帯、およびＬ帯を含む）内での放射エネルギーに応答するため、層６０６６用に選択できるが、別の半導体材料、例えば、通信帯よりも小さなバンドギャップを有する窒化インジウム（ＩＩＩ）、アンチモン化ガリウム、鉛（ＩＩ）、硫化物等を選択してもよい。光学要素１００により出力される出力波形が通信帯外の帯で出力される場合、光検出器アレイ３０２６用の別の感光性材料を選択することができる。さらにデバイス構造６０６に関して、本明細書において説明されるエッチングプロセスにより形成されるフォトニック導波管により画定される出力分散要素４００を含むことができる。出力分散要素４００は、オシロスコープ１００の外部からアクセス可能な光学出力４００２を画定する。

シリコンＳｉにより提供されるものとして説明される層６０６２に関して、半導体層６０６２は、別の適した導波管材料により提供可能である。導波管材料層６０６２は、絶縁材料、例えば、窒化ケイ素、オキシ窒化ケイ素を含む、カー非線形媒質として機能できる任意の導波管材料により提供できる。導波管材料層６０６２は一般に、他の種類のガラス（例えば、シリカ、カルコゲナイド）および他の種類の半導体材料を含むことができる。

絶縁材料６０６１に関して、絶縁材料６０６１は、導波管材料形成層６０６２よりも低い屈折率を有する別の物質、例えば、空気で置換できる。

追加の分散材料を出力４００２に組み合わせて、分散光学要素４００の分散を増大できる。分散要素４００の遠位端部（例えば、出力４００２または追加の分散材料の端子）において、時間領域において出力波形を検出する光検出器３０４を組み合わせることができる。

一実施形態では、本明細書において様々な要素１２０、１４０、２００を画定するために層６０６２をエッチングする際に、様々な要素の寸法ひいては分散は、本明細書において説明されるような制御を受け得る。本明細書では、図１０〜図１５を参照して説明されたフォトニックチップ実施形態の特定の一実施態様において、入力波形の表現を生成する装置であって、入力波形が伝播する第１の分散要素１２０と、導波管材料をエッチングすることにより形成される導波管２００であって、Ｃ通信帯内に零群速度分散点を有し、１００ｎｍよりも大きな変換帯域幅をもたらす分散を有し、出力波形を出力するように構成される、導波管２００と、ポンプパルスを導波管２００に入力するポンプパルス入力ユニットであって、導波管に組み合わせられ、ポンプパルスが伝播する第２の分散要素１４０を有し、前記第２の分散要素１４０も導波管材料をエッチングすることにより形成される、ポンプパルス入力ユニットとを含む、装置が説明され、装置は、入力波形、ポンプパルス、および出力波形のそれぞれがＳ通信帯、Ｃ通信帯、およびＬ通信帯内にあるように構成され、第１の分散要素１２０および第２の分散要素１４０は、適切な寸法決めにより、第１の分散要素の分散が第２の分散要素の分散とマッチングされるように構成され、装置は、入力１２０２に入力できる入力波形および入力１４０２に入力できるポンプパルスが、導波管２００での四光波混合により、出力波形が入力波形に対して位相シフトするように結合されるように構成され、装置は、導波管２００内部のピーク光パワーが１００ｍＷ未満に維持されるように構成される。

本明細書において説明される半導体チップの別の実施形態では、半導体チップは、破線６２０の右側にある要素を有さず、破線６２０の左側にある要素のみを備えるように形成できる。そのように形成された半導体チップでは、第１の光学出力１００２を光学要素１００２の遠位端部に画定し、第２の光学出力４００２を出力分散要素４００の遠位端部に画定できる。チップ外部の分光計３０２を出力１００２に組み合わせられて、周波数領域において出力波形を検出できる。光検出器３０４は（恐らく、出力４００２と光検出器３０４との間に追加の分散材料を使用して）、出力４００２に組み合わせられて、周波数領域において出力波形を検出できる。

入力波形とポンプパルスとを結合する光学要素の特定の特徴について、本明細書において説明した。本明細書において一実施形態で説明したように、四光波混合により入力波形とポンプパルスとを結合する光学要素は、半導体導波管を備えることができる。半導体導波管材料の使用は、電力効率的であり、自己位相変調（ＳＰＭ）および自由キャリア生成等の悪影響を回避できるようにする。一実施形態では、光学要素２００は、半導体導波管を含むことができ、強力な光閉じ込め性および１００ｎｍよりも大きな変換帯域幅をもたらし得る分散を有するように構成できる。別の態様では、光学要素２００は、Ｃ通信帯内に分散点を含むことができる。

参照により本明細書に援用される、Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｂａｓｅｄ Ｕｌｔｒａｆａｓｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅという名称の２００８年１０月１４日に出願された米国仮特許出願第６１／１０５，２１７号明細書の抜粋部分を、本願に関連付けられたフォーマット規則に対応し、図番の重複を回避するように再フォーマットして本明細書において以下に提示する。

［Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｂａｓｅｄ Ｕｌｔｒａｆａｓｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅという名称の２００８年１０月１４日に出願された米国仮特許出願第６１／１０５，２１７号明細書の抜粋部分の開始］

本発明の分野に関して、本発明は、一般には光学システムに関し、特に、入力波形の特徴を測定する際に使用される光学システムに関する。

本発明の背景に関して、時間領域において波形を測定するには、超高速光学センサが必要である。最良のセンサであっても、２５＋ｐｓ(picoseconds)の間隔を測定することしかできない。しかし、周波数領域では、分散要素（レンズ等）を使用して、波形をセンサアレイに散乱させることにより、波形を構成するすべての周波数をシングルショットで測定することができる。本発明は、波形を時間領域から周波数領域に変換することにより、＄２５０，０００〜５００，０００の費用がかかる先端技術の機械よりも２０倍良好な分解能１００ｆｓを有する超高速オシロスコープを可能にする。

本発明の概要に関して、この装置は、１００ｐｓよりも長い記録長にわたって１００フェムト秒よりも良好な分解能で光学波形を測定することができる。さらに、この装置は、波形をシングルショットで測定することができる。この装置は、半導体導波管内での四光波混合に基づく時間レンズを利用することができる。装置内の導波管の断面積は、１００ｎｍを超える変換帯域幅を可能にするのに適切な分散を生み出すように設計できる。装置は、信号がある長さの分散導波管を通過し、次に、２倍の長さの分散を通して、信号の分散の２倍の分散性を有する分散要素を通過することにより分散したポンプパルスと結合される分散要素を含むことができる。分散は、任意の分散要素、すなわち、光ファイバ、半導体導波管、ファイバブラッグ格子、自由空間格子、プリズム等により生じさせ得る。結合波(combined wave)は、適宜スケーリングされた導波管内での四光波混合に基づいて、波長変換を受け得る。分光計を使用して、変換された信号のスペクトルを測定し、信号の時間形状を復元する。動作原理は、時間レンズ(temporal lens)として四光波混合を使用することに基づくことができる。信号は、分散の１焦点距離分を移動し、次に、時間レンズを通過する。次に、スペクトルは、入力信号の時間プロファイルである、入力信号のスペクトルをフーリエ変換したものを含む。原理上、半導体組立技術を使用して、すべての構成要素を単一のチップスケール素子に集積することができる。

図面の簡単な説明に関して、図１６は、分散入力波形および分散ポンプパルスの四光波混合を刺激する時間レンズ(temporal lens)を備えた波形解析装置の概略図である。

本発明の説明のための例に関して、入力光学波形が分散を受け、四光波混合が刺激されて、変換された多色波形を出力する光学波形解析装置について説明する。変換された多色波形をスペクトル解析器に入力することができ、測定されるスペクトルは、時間−周波数変換係数を使用してのスケーリング後、時間領域で表現される入力光学波形を直接もたらす。

本説明による波形解析装置１０の一例を図１６に示す。装置１０は、入力波形５を受信する第１の分散要素１２と、ポンプパルス７を受信する第２の分散要素１４と、四光波混合が刺激される時間レンズ２０とを含むことができる。時間レンズ２０では、入力波形５（分散後）とポンプパルス７（第２の分散要素１４による分散後）との四光波混合を刺激することができる。

一実施形態での第１の分散要素１２および第２の分散要素１４に関して、第１の分散要素１２は、入力波形５が、時間レンズ２０に達する前に分散の１焦点距離を移動するように構成することができ、第２の分散要素１４は、第２の分散要素１２が、２倍の分散長さを通して第１の分散要素１２の２倍の分散であるように構成することができる。第１の分散要素１２および第２の分散要素１４の分散特徴は、時間レンズ２０の特徴に基づいて選択することができ、時間レンズ２０の特徴が変更した場合に変更することができる。

第１の分散要素１２および／または第２の分散要素１４、例えば、光ファイバ、半導体導波管、ファイバブラッグ格子、自由空間格子、プリズム等を設け得る。

時間レンズ２０は、スペクトル解析器３０に提示することができる変換された色分離された波形を出力できる。スペクトル解析器３０により測定されたスペクトルは、信号の時間領域振幅の直接測定である。波長軸は、較正された時間−周波数変換係数を使用して対応する時間位置に変換することができる。１００ｆｓよりも高い分解能を有する出力を達成することができる。

本明細書において説明されるシステム、方法、および装置の少数のサンプルは以下である。
（Ａ１）入力波形の高分解能時間領域表現を生成する方法であって、入力波形を分散させて、分散入力波形を生成すること、分散入力背景を分散ポンプパルスと結合して、変換波形を生成することにより、分散入力波形に四光波混合を施すこと、および変換波形をスペクトル解析器に提示して、変換波形を記録することを含む、方法。
（Ｂ１）入力波形の高分解能時間領域表現を生成する装置であって、前記入力波形を受信するための入力端部および出力端部を有する第１の分散要素と、ポンプパルスを受信するための入力端部および出力端部を有する第２の分散要素と、前記第１の分散要素および前記第２の分散要素のそれぞれの前記出力端部に組み合わせられて、前記第１の分散要素による分散後に、前記入力波形の四光波混合を刺激する時間レンズと、前記時間レンズの出力を受信するスペクトル解析器とを備える、装置。
（Ｃ１）入力部および出力部を有する時間レンズであって、入力部は、四光波混合が刺激されるように分散入力波形および分散ポンプパルスを受信し、出力部は、変換波形をスペクトル解析器に出力して、前記入力波形を復元する、時間レンズ。

説明される装置ならびに関連する装置および方法の詳細および変形が、以下の説明において説明される：（Ａ）シリコンチップに基づく超高速光オシロスコープ。

（Ａ）シリコンチップに基づく超高速光オシロスコープ
より高速の通信データレートの実現ならびに超高速化学反応および超高速物理反応に対する関心の拡大に伴い、サブピコ秒の分解能で光学波形を単純に測定できる技法を開発することが重要になった。［Ｄｏｒｒｅｒ． Ｃ． Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ． ＩＥＥＥ Ｓｅｌｅｃｔ． Ｔｏｐｉｃ Ｑｕａｎｔ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． １２， ８４３−８５８ （２００６）］。高速光検出器を有する先端技法のオシロスコープは、３０ｐｓ分解能でシングルショットでの波形測定を提供する。マルチショットサンプリング技法は、数ピコ秒分解能を達成可能であるが、時間的に高速に変化する事象、非同期事象、または発生回数が１回のみである可能性のある事象を解析するためには、シングルショット測定が必要である。シングルショット分解能のさらなる改良は、マイクロエレクトロニクスの帯域幅制限により難題である。これら制限を解消するために、研究者は、フォトニクスにより可能になる大きな処理帯域幅により、全光学技法に目を向けた。これは、標準電子工学プラットフォームへのフォトニクスの統合に対する関心の高まりを生み、これは、シリコンフォトニクスの分野を発生させ［Ｊａｌａｌｉ， Ｂ． Ｃａｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｈａｎｇｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ？ Ｐｈｙｓ． Ｓｔａｔｕｓ Ｓｏｌｉｄｉ ２０５， ２１３−２２４ （２００８）］、次世代コンピュータ処理ユニットの可能性および高帯域幅通信の進歩を約束した。

これら分野でのシリコンフォトニクスの成功のために、光学性能モニタリングのためのオンチップ光学信号処理が極めて重要であることが証明されるであろう。次世代通信を超えて、シリコン互換性超高速計測学が、超高速測定技法が生み出し続ける科学的影響から明らかなように、多くの基礎研究分野にとってかなり有用であろう［Ｄｕｄｌｅｙ， Ｊ． Ｍ．， Ｆｉｎｏｔ， Ｃ．， Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ， Ｄ． Ｊ． ＆ Ｍｉｌｌｏｔ， Ｇ． Ｓｅｌｆ−ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ ｉｎ ｕｌｔｒａｆａｓｔ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃｓ． Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｙｓ． ３， ５９７−６０３ （２００７）； Ｓｏｌｌｉ， Ｄ． Ｒ．， Ｒｏｐｅｒｓ， Ｃ．， Ｋｏｏｎａｔｈ， Ｐ． ＆ Ｊａｌａｌｉ， Ｂ． Ｏｐｔｉｃａｌ ｒｏｇｕｅ ｗａｖｅｓ． Ｎａｔｕｒｅ ４５０， １０５４−１０５７ （２００７）］。ここで、シリコンチップ上での四光波混合という非線形プロセスを介して時間−周波数変換を使用して［Ｋａｕｆｆｍａｎ， Ｍ． Ｔ．， Ｂａｎｙａｌ， Ｗ． Ｃ．， Ｇｏｄｉｌ， Ａ． Ａ． ＆ Ｂｌｏｏｍ， Ｄ． Ｍ． Ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６４， ２７０−２７２ （１９９４）］、シリコンフォトニックプラットフォーム内での波形測定技術を実証する。１００ｐｓを超える長さにわたって２２０ｆｓ分解能で光学波形を測定し、これは、あらゆるシングルショット可能なピコ秒波形測定技法のうちで最大の記録長対分解能比（＞４５０）を表す［Ｋａｕｆｆｍａｎ， Ｍ． Ｔ．， Ｂａｎｙａｌ， Ｗ． Ｃ．， Ｇｏｄｉｌ， Ａ． Ａ． ＆ Ｂｌｏｏｍ， Ｄ． Ｍ． Ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６４， ２７０−２７２ （１９９４）； Ｂｅｎｎｅｔｔ， Ｃ． Ｖ．， Ｓｃｏｔｔ， Ｒ． Ｐ． ＆ Ｋｏｌｎｅｒ， Ｂ． Ｈ． Ｔｅｍｐｏｒａｌ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｖｅｒｓａｌ ｏｆ １００ Ｇｂ／ｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｄａｔａ ｗｉｔｈ ａｎ ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｉｍｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６５， ２５１３−２５１５ （１９９４）； Ｂｅｎｎｅｔｔ， Ｃ． Ｖ． ＆ Ｋｏｌｎｅｒ， Ｂ． Ｈ． Ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｉｍｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｎｇ １０３３ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ２４， ７８３−７８５ （１９９９）； Ｍｏｕｒａｄｉａｎ， Ｌ． Ｋ．， Ｌｏｕｒａｄｏｕｒ， Ｆ．， Ｍｅｓｓａｇｅｒ， Ｖ．， Ｂａｒｔｈｅｌｅｍｙ， Ａ． ＆ Ｆｒｏｅｈｌｙ， Ｃ． Ｓｐｅｃｔｒｏ−ｔｅｍｐｏｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｅｖｅｎｔｓ． ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． ３６， ７９５−８０１ （２０００）； Ａｚａｎａ， Ｊ．， Ｂｅｒｇｅｒ， Ｎ． Ｋ．， Ｌｅｖｉｔ， Ｂ． ＆ Ｆｉｓｃｈｅｒ， Ｂ． Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ ｒｅｇｉｍｅ： Ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｔｉｍｅ ｌｅｎｓ ｏｎ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌｌ ｐｕｌｓｅ． Ａｐｐｌ． Ｏｐｔ． ４３， ４８３−４９０ （２００４）； Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ−Ｐｏｕｓａ， Ｃ． Ｒ． Ｔｅｍｐｏｒａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ３１， ３０４９−３０５１ （２００６）； Ｂｅｎｎｅｔｔ， Ｃ． Ｖ．， Ｍｏｒａｎ， Ｂ． Ｄ．， Ｌａｎｇｒｏｃｋ， Ｃ．， Ｆｅｊｅｒ， Ｍ． Ｍ． ＆ Ｉｂｓｅｎ， Ｍ． ６４０ ＧＨｚ ｒｅａｄ ｔｉｍｅ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ． Ｉｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ ［ＣＤ］ ｐａｐｅｒ ＣｔｕＡ６ （ＯＳＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ Ｓｅｒｉｅｓ， Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ （２００８）； Ｋａｎ’ａｎ， Ａ． Ｍ． ＆ Ｗｅｉｎｅｒ， Ａ． Ｍ． Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｓｐａｃｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ． Ｊ． Ｏｐｔ． Ｓｏｃ． Ａｍ． Ｂ１５， １２４２−１２４５ （１９９８）； Ｏｂａ， Ｋ．， Ｓｕｎ， Ｐ． Ｃ．， Ｍａｚｕｒｅｎｋｏ， Ｙ． Ｔ． ＆ Ｆａｉｎｍａｎ， Ｙ． Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ； Ａ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ａｐｐｒｏａｃｈ． Ａｐｐｌ． Ｏｐｔ． ３８， ３８１０−３８１７ （１９９９）； Ｃｈｏｕ， Ｊ．， Ｂｏｙｒａｚ， Ｏ． ＆ Ｊａｌａｌｉ， Ｂ． Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ ｄｉｇｉｔｉｚｅｒ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ９１， １６１１０５ （２００７）； Ｂｒｏｍａｇｅ， Ｊ．， Ｄｏｒｒｅｒ， Ｃ．， Ｂｅｇｉｓｈｅｖ， Ｉ． Ａ．， Ｕｓｅｃｈａｋ， Ｎ． Ｇ． ＆ Ｚｕｅｇｅｌ， Ｊ． Ｄ． Ｈｉｇｈｌｙ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ， ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈｓ ｆｒｏｍ ０．４ ｔｏ ８５ ｐｓ ｕｓｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ３１， ３５２３−３５２５ （２００６）］。本実施態様では、シングルショット測定が可能であり、相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）互換性シリコンオンインシュレータ技術およびシングルモード光ファイバが使用される。成熟したシリコンオンインシュレータプラットフォームおよび電子工学とこれらＣＭＯＳ互換性フォトニクスとを統合する能力は、この技術を一般的な卓上機器およびチップスケール機器に拡張する大きな約束を提供する。

数フェムト秒精度で光学波形を測定するいくつかの確立された非線形光学技法［Ｋａｎｅ， Ｄ． Ｊ． ＆ Ｔｒｅｂｉｎｏ， Ｒ． Ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ＰＨＡＳＥ ｏｆ ａｎ ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ｐｕｌｓｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｇａｔｉｎｇ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． １８， ８２３−８２５ （１９９３）； Ｄｏｒｒｅｒ， Ｃ． ｅｔ ａｌ． Ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈｉｒｐｅｄ−ｐｕｌｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｂｙ ｓｐｅｃｔｒａｌ ＰＨＡＳＥ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ−ｆｉｅｌｄ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ２４， １６４４−１６４６ （１９９９）］が存在するが、シングルショット記録長は数十ピコ秒に制限され、更新レートが制限される。電子測定とこれら方法との間の時間領域を橋渡し、高速更新可能な直接光学検出を可能にするために、電磁波および関連する現象の時間−空間双対性を使用する技法が開発された［Ｋａｕｆｆｍａｎ， Ｍ． Ｔ．， Ｂａｎｙａｌ， Ｗ． Ｃ．， Ｇｏｄｉｌ， Ａ． Ａ． ＆ Ｂｌｏｏｍ， Ｄ． Ｍ． Ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６４， ２７０−２７２ （１９９４）； Ｂｅｎｎｅｔｔ， Ｃ． Ｖ．， Ｓｃｏｔｔ， Ｒ． Ｐ． ＆ Ｋｏｌｎｅｒ， Ｂ． Ｈ． Ｔｅｍｐｏｒａｌ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｖｅｒｓａｌ ｏｆ １００ Ｇｂ／ｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｄａｔａ ｗｉｔｈ ａｎ ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｉｍｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６５， ２５１３−２５１５ （１９９４）； Ｂｅｎｎｅｔｔ， Ｃ． Ｖ． ＆ Ｋｏｌｎｅｒ， Ｂ． Ｈ． Ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｉｍｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｎｇ １０３３ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ２４， ７８３−７８５ （１９９９）； Ｍｏｕｒａｄｉａｎ， Ｌ． Ｋ．， Ｌｏｕｒａｄｏｕｒ， Ｆ．， Ｍｅｓｓａｇｅｒ， Ｖ．， Ｂａｒｔｈｅｌｅｍｙ， Ａ． ＆ Ｆｒｏｅｈｌｙ， Ｃ． Ｓｐｅｃｔｒｏ−ｔｅｍｐｏｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｅｖｅｎｔｓ． ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． ３６， ７９５−８０１ （２０００）； Ａｚａｎａ， Ｊ．， Ｂｅｒｇｅｒ， Ｎ． Ｋ．， Ｌｅｖｉｔ， Ｂ． ＆ Ｆｉｓｃｈｅｒ， Ｂ． Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ ｒｅｇｉｍｅ： Ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｔｉｍｅ ｌｅｎｓ ｏｎ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌｌ ｐｕｌｓｅ． Ａｐｐｌ． Ｏｐｔ． ４３， ４８３−４９０ （２００４）； Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ−Ｐｏｕｓａ， Ｃ． Ｒ． Ｔｅｍｐｏｒａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ３１， ３０４９−３０５１ （２００６）； Ｂｅｎｎｅｔｔ， Ｃ． Ｖ．， Ｍｏｒａｎ， Ｂ． Ｄ．， Ｌａｎｇｒｏｃｋ， Ｃ．， Ｆｅｊｅｒ， Ｍ． Ｍ． ＆ Ｉｂｓｅｎ， Ｍ． ６４０ ＧＨｚ ｒｅａｄ ｔｉｍｅ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ． Ｉｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ ［ＣＤ］ ｐａｐｅｒ ＣｔｕＡ６ （ＯＳＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ Ｓｅｒｉｅｓ， Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ （２００８）； Ｋａｎ’ａｎ， Ａ． Ｍ． ＆ Ｗｅｉｎｅｒ， Ａ． Ｍ． Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｓｐａｃｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ． Ｊ． Ｏｐｔ． Ｓｏｃ． Ａｍ． Ｂ１５， １２４２−１２４５ （１９９８）； Ｏｂａ， Ｋ．， Ｓｕｎ， Ｐ． Ｃ．， Ｍａｚｕｒｅｎｋｏ， Ｙ． Ｔ． ＆ Ｆａｉｎｍａｎ， Ｙ． Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ； Ａ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ａｐｐｒｏａｃｈ． Ａｐｐｌ． Ｏｐｔ． ３８， ３８１０−３８１７ （１９９９）； Ｃｈｏｕ， Ｊ．， Ｂｏｙｒａｚ， Ｏ． ＆ Ｊａｌａｌｉ， Ｂ． Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ ｄｉｇｉｔｉｚｅｒ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ９１， １６１１０５ （２００７）； Ｂｒｏｍａｇｅ， Ｊ．， Ｄｏｒｒｅｒ， Ｃ．， Ｂｅｇｉｓｈｅｖ， Ｉ． Ａ．， Ｕｓｅｃｈａｋ， Ｎ． Ｇ． ＆ Ｚｕｅｇｅｌ， Ｊ． Ｄ． Ｈｉｇｈｌｙ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ， ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈｓ ｆｒｏｍ ０．４ ｔｏ ８５ ｐｓ ｕｓｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ３１， ３５２３−３５２５ （２００６）］。この双対性は、空間場の回折伝播を支配する近軸波動方程式と、時間場の分散伝播を支配するスカラー波動方程式とが等しいことに頼る［Ａｋｈｍａｎｏｖ， Ｓ． Ａ．， Ｖｙｓｌｏｕｋｈ， Ｖ． Ａ． ＆ Ｃｈｉｒｋｉｎ， Ａ． Ｓ． Ｓｅｌｆ−ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｖｅ ｐａｃｋｅｔｓ ｉｎ ａ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｍｅｄｉｕｍ ａｎｄ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ． Ｓｏｖ． Ｐｈｙｓ． Ｕｓｐ． ２９， ６４２−６７７ （１９８６）； Ｋｏｌｎｅｒ， Ｂ． Ｈ． Ｓｐａｃｅ−ｔｉｍｅ ｄｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ， ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． ３０， １９５１−１９６３ （１９９４）］。この双対性は、レンズまたはプリズム等の空間光学構成要素が、時間場に対して２次または１次のそれぞれの時間位相シフトを付与することにより実施可能な時間レンズまたは時間プリズムとして知られる時間的な対応物を有することを暗示する［Ａｋｈｍａｎｏｖ， Ｓ． Ａ．， Ｖｙｓｌｏｕｋｈ， Ｖ． Ａ． ＆ Ｃｈｉｒｋｉｎ， Ａ． Ｓ． Ｓｅｌｆ−ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｖｅ ｐａｃｋｅｔｓ ｉｎ ａ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｍｅｄｉｕｍ ａｎｄ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ． Ｓｏｖ． Ｐｈｙｓ． Ｕｓｐ． ２９， ６４２−６７７ （１９８６）； Ｋｏｌｎｅｒ， Ｂ． Ｈ． Ｓｐａｃｅ−ｔｉｍｅ ｄｕａｌｉｔｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ， ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． ３０， １９５１−１９６３ （１９９４）］。さらに、これら構成要素により、波形の時間イメージング等の、空間的な対応物と同様の方法での時間処理が可能である。

空間−時間双対性を使用する２つの方法を適用して、超高速光学波形を測定することができる。空間レンズがイメージを拡大できるのと同じように、時間レンズは超高速波形を時間的に長くすることができ、拡大なしの波形では不十分な時間分解能を有する光検出器およびオシロスコープを使用して測定できるようにする。この技法は時間拡大として既知である［Ｂｅｎｎｅｔｔ， Ｃ． Ｖ．， Ｓｃｏｔｔ， Ｒ． Ｐ． ＆ Ｋｏｌｎｅｒ， Ｂ． Ｈ． Ｔｅｍｐｏｒａｌ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｖｅｒｓａｌ ｏｆ １００ Ｇｂ／ｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｄａｔａ ｗｉｔｈ ａｎ ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｉｍｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６５， ２５１３−２５１５ （１９９４）； Ｂｅｎｎｅｔｔ， Ｃ． Ｖ． ＆ Ｋｏｌｎｅｒ， Ｂ． Ｈ． Ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｉｍｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｎｇ １０３３ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ２４， ７８３−７８５ （１９９９）； Ｂｅｎｎｅｔｔ， Ｃ． Ｖ．， Ｍｏｒａｎ， Ｂ． Ｄ．， Ｌａｎｇｒｏｃｋ， Ｃ．， Ｆｅｊｅｒ， Ｍ． Ｍ． ＆ Ｉｂｓｅｎ， Ｍ． ６４０ ＧＨｚ ｒｅａｄ ｔｉｍｅ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ． Ｉｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ ［ＣＤ］ ｐａｐｅｒ ＣｔｕＡ６ （ＯＳＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ Ｓｅｒｉｅｓ， Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ （２００８）］。第２の測定方法はレンズのフーリエ特性を利用する［Ｇｏｏｄｍａｎ， Ｊ． Ｗ． Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｏｐｔｉｃｓ （ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ， １９６８）］−レンズの前焦点面に位置決めされた物体は、後焦点面に物体のフーリエ変換を生み出す（図１７ａ）。時間波形のフーリエ変換は光学スペクトルであるため、空間フーリエプロセッサを時間領域に拡張することにより、入力の時間（スペクトル）プロファイルを出力のスペクトル（時間）プロファイルに変換する装置がもたらされる（図１７ｂ）。したがって、フーリエ面においてスペクトルを直接測定することにより、入射波形の時間振幅がもたらされ、このプロセスは時間−周波数変換と呼ばれる［Ｋａｕｆｆｍａｎ， Ｍ． Ｔ．， Ｂａｎｙａｌ， Ｗ． Ｃ．， Ｇｏｄｉｌ， Ａ． Ａ． ＆ Ｂｌｏｏｍ， Ｄ． Ｍ． Ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６４， ２７０−２７２ （１９９４）］。

時間イメージング装置の位相シフトは通常、電子光学位相変調器を使用して適用されるが、和周波数生成および差周波数生成等のパラメトリック非線形光波混合プロセスを使用することにより、代替の方式を実現することができる。この後者の技法は、パラメトリック時間イメージングと呼ばれ［Ｂｅｎｎｅｔｔ， Ｃ． Ｖ． ＆ Ｋｏｌｎｅｒ， Ｂ． Ｈ． Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ−Ｐａｒｔ Ｉ： Ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｓ． ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． ３６， ４３０−４３７ （２０００）］、線形チャープポンプと光波混合して、線形周波数チャープを有する信号波形と略同等であるか、または時間レンズに必要な２次位相シフトと同等である変換波形をもたらすことからなる。パラメトリック時間レンズは、１００πを超える位相シフトを有し、これは、電子光学位相変調器を使用した場合に可能な最大位相シフト１０πよりもはるかに大きく、したがって、時間イメージングシステムの用途を大きく広げる。和周波数生成および差周波数生成の２次非線形プロセスを使用することの欠点は、狭い範囲の材料しか２次非線形モーメントを有さず、変換波形が本質的に、ポンプまたは入力信号の波長とは広く異なる波長で生成されることである。差周波数生成を使用する時間拡大に基づく波形測定は、９００ｆｓ未満の分解能かつ同時に１００ｐｓという記録長での超高速波形のシングルショット測定を含め、有望な結果をもたらした［Ｂｅｎｎｅｔｔ， Ｃ． Ｖ．， Ｍｏｒａｎ， Ｂ． Ｄ．， Ｌａｎｇｒｏｃｋ， Ｃ．， Ｆｅｊｅｒ， Ｍ． Ｍ． ＆ Ｉｂｓｅｎ， Ｍ． ６４０ ＧＨｚ ｒｅａｄ ｔｉｍｅ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ． Ｉｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ ［ＣＤ］ ｐａｐｅｒ ＣｔｕＡ６ （ＯＳＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ Ｓｅｒｉｅｓ， Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ （２００８）］。電子光学変調を使用する時間−周波数変換に基づく波形測定は、マルチショット平均化を使用して３１ｐｓ記録長にわたって分解能３ｐｓを実証した［Ｋａｕｆｆｍａｎ， Ｍ． Ｔ．， Ｂａｎｙａｌ， Ｗ． Ｃ．， Ｇｏｄｉｌ， Ａ． Ａ． ＆ Ｂｌｏｏｍ， Ｄ． Ｍ． Ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６４， ２７０−２７２ （１９９４）］。

本明細書において、四光波混合（ＦＷＭ）の３次非線形プロセスに基づくパラメトリック時間レンズが実証されると共に、シリコンチップに基づく超高速光オシロスコープの作成へのこの時間レンズの適用がさらに実証される。本発明による装置は、３次カー非線形性に基づくため、ＦＷＭに基づく時間レンズは、本明細書において使用されるＣＭＯＳ互換性シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）フォトニックプラットフォームを含め、任意の材料プラットフォームで実施することができる。この時間レンズの出力は、ポンプおよび入力波の波長に近い波長で生成され、相互作用するすべての波をＳ通信帯、Ｃ通信帯、およびＬ通信帯内にすることができ、それにより、例えば、これら帯で利用可能な明確に確立された機器および構成要素を使用してすべての波を処理することが可能である。本発明による装置を使用して、１００ｐｓよりも長い記録長にわたって２２０ｆｓ分解能でかなり複雑な波形の測定が実行される。この２２０ｆｓ分解能と１００ｐｓよりも長い記録長との組み合わせは、ピコ秒時間範囲であらゆるシングルショット可能な波形測定技法の最大の記録長対分解能比（＞４５０）を表す［Ｋａｕｆｆｍａｎ， Ｍ． Ｔ．， Ｂａｎｙａｌ， Ｗ． Ｃ．， Ｇｏｄｉｌ， Ａ． Ａ． ＆ Ｂｌｏｏｍ， Ｄ． Ｍ． Ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６４， ２７０−２７２ （１９９４）； Ｂｅｎｎｅｔｔ， Ｃ． Ｖ．， Ｓｃｏｔｔ， Ｒ． Ｐ． ＆ Ｋｏｌｎｅｒ， Ｂ． Ｈ． Ｔｅｍｐｏｒａｌ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｖｅｒｓａｌ ｏｆ １００ Ｇｂ／ｓ ｏｐｔｉｃａｌ ｄａｔａ ｗｉｔｈ ａｎ ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｉｍｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ６５， ２５１３−２５１５ （１９９４）； Ｂｅｎｎｅｔｔ， Ｃ． Ｖ． ＆ Ｋｏｌｎｅｒ， Ｂ． Ｈ． Ｕｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｉｍｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｎｇ １０３３ ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｗａｖｅｆｏｒｍｓ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ２４， ７８３−７８５ （１９９９）； Ｍｏｕｒａｄｉａｎ， Ｌ． Ｋ．， Ｌｏｕｒａｄｏｕｒ， Ｆ．， Ｍｅｓｓａｇｅｒ， Ｖ．， Ｂａｒｔｈｅｌｅｍｙ， Ａ． ＆ Ｆｒｏｅｈｌｙ， Ｃ． Ｓｐｅｃｔｒｏ−ｔｅｍｐｏｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｅｖｅｎｔｓ． ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． ３６， ７９５−８０１ （２０００）； Ａｚａｎａ， Ｊ．， Ｂｅｒｇｅｒ， Ｎ． Ｋ．， Ｌｅｖｉｔ， Ｂ． ＆ Ｆｉｓｃｈｅｒ， Ｂ． Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ ｒｅｇｉｍｅ： Ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｂｙ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｓｉｎｇｌｅ ｔｉｍｅ ｌｅｎｓ ｏｎ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌｌ ｐｕｌｓｅ． Ａｐｐｌ． Ｏｐｔ． ４３， ４８３−４９０ （２００４）； Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ−Ｐｏｕｓａ， Ｃ． Ｒ． Ｔｅｍｐｏｒａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔｓ ｏｆ ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ３１， ３０４９−３０５１ （２００６）； Ｂｅｎｎｅｔｔ， Ｃ． Ｖ．， Ｍｏｒａｎ， Ｂ． Ｄ．， Ｌａｎｇｒｏｃｋ， Ｃ．， Ｆｅｊｅｒ， Ｍ． Ｍ． ＆ Ｉｂｓｅｎ， Ｍ． ６４０ ＧＨｚ ｒｅａｄ ｔｉｍｅ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｔｅｍｐｏｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ． Ｉｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｌａｓｅｒｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ ［ＣＤ］ ｐａｐｅｒ ＣｔｕＡ６ （ＯＳＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ Ｓｅｒｉｅｓ， Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ （２００８）； Ｋａｎ’ａｎ， Ａ． Ｍ． ＆ Ｗｅｉｎｅｒ， Ａ． Ｍ． Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｔｉｍｅ−ｔｏ−ｓｐａｃｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅｓ． Ｊ． Ｏｐｔ． Ｓｏｃ． Ａｍ． Ｂ１５， １２４２−１２４５ （１９９８）； Ｏｂａ， Ｋ．， Ｓｕｎ， Ｐ． Ｃ．， Ｍａｚｕｒｅｎｋｏ， Ｙ． Ｔ． ＆ Ｆａｉｎｍａｎ， Ｙ． Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ； Ａ ｔｉｍｅ−ｄｏｍａｉｎ ａｐｐｒｏａｃｈ． Ａｐｐｌ． Ｏｐｔ． ３８， ３８１０−３８１７ （１９９９）； Ｃｈｏｕ， Ｊ．， Ｂｏｙｒａｚ， Ｏ． ＆ Ｊａｌａｌｉ， Ｂ． Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ ｄｉｇｉｔｉｚｅｒ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ． ９１， １６１１０５ （２００７）； Ｂｒｏｍａｇｅ， Ｊ．， Ｄｏｒｒｅｒ， Ｃ．， Ｂｅｇｉｓｈｅｖ， Ｉ． Ａ．， Ｕｓｅｃｈａｋ， Ｎ． Ｇ． ＆ Ｚｕｅｇｅｌ， Ｊ． Ｄ． Ｈｉｇｈｌｙ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ， ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈｓ ｆｒｏｍ ０．４ ｔｏ ８５ ｐｓ ｕｓｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ３１， ３５２３−３５２５ （２００６）］。さらに、直接電場再構築のための周波数分解光ゲート法［Ｋａｎｅ， Ｄ． Ｊ． ＆ Ｔｒｅｂｉｎｏ， Ｒ． Ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ａｎｄ ｐｈａｓｅ ｏｆ ａｎ ａｒｂｉｔｒａｒｙ ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ ｐｕｌｓｅ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｇａｔｉｎｇ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． １８， ８２３−８２５ （１９９３）］およびスペクトル位相干渉法［Ｂｒｏｍａｇｅ， Ｊ．， Ｄｏｒｒｅｒ， Ｃ．， Ｂｅｇｉｓｈｅｖ， Ｉ． Ａ．， Ｕｓｅｃｈａｋ， Ｎ． Ｇ． ＆ Ｚｕｅｇｅｌ， Ｊ． Ｄ． Ｈｉｇｈｌｙ ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ， ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈｓ ｆｒｏｍ ０．４ ｔｏ ８５ ｐｓ ｕｓｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｐｔｉｃ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ３１， ３５２３−３５２５ （２００６）； Ｄｏｒｒｅｒ， Ｃ． ｅｔ ａｌ． Ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈｉｒｐｅｄ−ｐｕｌｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｂｙ ｓｐｅｃｔｒａｌ ＰＨＡＳＥ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ−ｆｉｅｌｄ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ２４， １６４４−１６４６ （１９９９）］等の一般に使用される技法と異なり、本発明の実施態様は、再構築アルゴリズムを使用せずに時間振幅プロファイルを直接測定し、高速更新可能なシングルショット測定が可能である。

様々な入力波形を使用して、シリコンチップに基づく超高速光オシロスコープの性能をテストする。各入力波形は装置に入り、一定長の光ファイバからなる分散要素を通過する。ＦＷＭ時間レンズの焦点距離に合うように、入力波は、分散長が２倍の光ファイバを通過したポンプパルスと混合される。光ファイバを通過した後、ポンプパルスおよびテスト波形が結合され、ＦＷＭがＳＯＩナノ導波管内で実行される。これらシリコン構造の強力な光閉じ込めにより、高度に効率的な非線形プロセスが可能であると共に、広いポンプ調整可能性を有して１５０ｎｍよりも大きな変換帯域幅をもたらすことができる操作可能な群速度分散が可能である［Ｄｕｌｋｅｉｔｈ， Ｅ．， Ｘｉａ， Ｆ．， Ｓｃｈａｒｅｓ， Ｌ．， Ｇｒｅｅｎ， Ｗ． Ｍ． Ｊ． ＆ Ｖｌａｓｏｖ， Ｙ． Ａ． Ｇｒｏｕｐ ｉｎｄｅｘ ａｎｄ ｇｒｏｕｐ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｗｉｒｅｓ． Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ １４， ３８５３−３８６３ （２００６）； Ｔｕｒｎｅｒ， Ａ． Ｃ． ｅｔ ａｌ． Ｔａｉｌｏｒｅｄ ａｎｏｍａｌｏｕｓ ｇｒｏｕｐ−ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ． Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ １４， ４３５７−４３６２ （２００６）； Ｆｏｓｔｅｒ， Ｍ． Ａ． ｅｔ ａｌ． Ｂｒｏａｄ−ｂａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｇａｉｎ ｏｎ ａ ｓｉｌｉｃｏｎ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｃｈｉｐ． Ｎａｔｕｒｅ ４４１， ９６０−９６３ （２００６）； Ｌｉｎ， Ｑ．， Ｚｈａｎｇ， Ｊ．， Ｆａｕｃｈｅｔ， Ｐ． Ｍ． ＆ Ａｇｒａｗａｌ， Ｇ． Ｐ． Ｕｌｔｒａｂｒｏａｄｂａｎｄ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ． Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ １４， ４７８６−４７９９ （２００６）； Ｆｏｓｔｅｒ， Ｍ． Ａ．， Ｔｕｒｎｅｒ， Ａ． Ｃ．， Ｓａｌｅｍ Ｒ．， Ｌｉｐｓｏｎ， Ｍ． ＆ Ｇａｅｔａ， Ａ． Ｌ． Ｂｒｏａｄ−ｂａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗａｖｅｇｕｉｄｅ． Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ １５， １２９４９−１２９５８ （２００７）］。光学分光計を使用して、その結果生成されるＦＷＭ生成のスペクトルを測定して、入力の時間プロファイルが特定される。

ポンプパルス帯域幅および分散路の長さが、オシロスコープの記録長および分解能を決める。ＦＷＭに基づく変換器の時間−周波数変換係数は、

により与えられ、式中、Δｔは入力信号の時間シフトであり、Δωは結果として生じるスペクトルシフトであり、β_２は群速度分散パラメータであり、Ｌは分散信号路の長さである。本発明によるシステムでは、この関係は、５．２ｐｓの時間位置シフトで１ｎｍの変換波長シフトがもたらされる。ＦＷＭを使用して、ポンプ帯域幅の２倍にわたる狭帯域信号を変換することができ、これは、ＦＷＭに基づくオシロスコープのおおよその記録長τ_{ＲＥＣＯＲＤ}：

をもたらし、式中、Ω_ｐｕｍｐはポンプパルスのスペクトル帯域幅である。オシロスコープの分解能は、機器システムを通しての時間デルタ関数の伝達を考慮することにより予測される。このインパルス応答は精密に機器の時間分解能τ_{ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ}であり、

により与えられ、式中、τ_ｐｕｍｐはポンプパルス幅である。本発明によるシステムの場合、これら関係は、記録長１５０ｐｓおよび分解能２００ｆｓを予測する。実際には、ポンプと信号との分離およびＦＷＭ変換帯域幅により、記録長が制限されることになる。３次分散に起因するようなポンプパルスでの２次位相からの逸脱、ＦＷＭ変換帯域幅、および分光計のスペクトル分解能によっても、時間分解能が決まる。ＦＷＭ変換帯域幅は記録長および分解能の両方を制限するため、この値を最大にすることが重要である。本発明の実施態様に使用されるシリコン導波管は、３次分散および分光計性能に起因する収差によってのみ制限される超高速光オシロスコープの実行を可能にするために十分に大きな変換帯域幅（＞１５０ｎｍ）を有する［Ｆｏｓｔｅｒ， Ｍ． Ａ．， Ｔｕｒｎｅｒ， Ａ． Ｃ．， Ｓａｌｅｍ Ｒ．， Ｌｉｐｓｏｎ， Ｍ． ＆ Ｇａｅｔａ， Ａ． Ｌ． Ｂｒｏａｄ−ｂａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗａｖｅｇｕｉｄｅ． Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ １５， １２９４９−１２９５８ （２００７）］。

３４２ｆｓパルスを注入し、その時間位置を変更することにより、本発明によるシステムの記録長および分解能を実験的に特徴付ける。図１８に示されるように、１００ｐｓの記録長にわたってパルス位置を測定することが可能である。ＦＷＭに基づくオシロスコープの分解能を特徴付けるために、装置の記録長にわたるこのパルスの平均観測幅からの時間分解能をデコンボリューションする。平均パルス幅４０７ｆｓを測定し、これは、実際のパルス幅３４２ｆｓと比較された場合、本発明の実施態様での時間分解能２２０ｆｓを示す。

様々な複雑性のテスト波形を生成することにより、シリコンチップに基づくオシロスコープの測定性能をさらに調べる。第１に、４５０ｆｓ分解能および１００ｐｓ記録長を示す超高速光オシロスコープを使用して、非線形スペクトル拡張および分散を受けたパルスを測定する。相互相関と比較した超高速光オシロスコープを使用するこのパルスの測定は、図１９ａに示される。９００ｆｓ時間特徴を有する１２０ｐｓ波形を生成することにより、さらに複雑性の高い光学波形を測定する。分解能２２０ｆｓを有するシリコンチップに基づく超高速光オシロスコープを使用して、この波形を測定する。この測定の結果および相互相関との比較は、図１９ｂに示される。図１９ａおよび図１９Ｂのテスト波形は、ポンプパルスと同じレーザ源から導出される。超高速光オシロスコープが、９．６ＧＨｚの繰り返し数を有する可変パルス幅時間レンズ圧縮レーザ源を、３６ＭＨｚで動作する超高速ファイバレーザポンプ源に同期させることにより、別個のソースからの波形の測定の実行にも使用可能なことを実証する［Ｄｏｒｒｅｒ， Ｃ． ｅｔ ａｌ． Ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈｉｒｐｅｄ−ｐｕｌｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｂｙ ｓｐｅｃｔｒａｌ ＰＨＡＳＥ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ−ｆｉｅｌｄ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ２４， １６４４−１６４６ （１９９９）］。分解能２２０ｆｓを有する装置を使用して、３０ｍＷピーク電力を有する３０ｐｓパルスを１５０ｍＷピーク電力を有する６ｐｓパルスに圧縮することを観測することにより、９．６ＧＨｚ源のパルス幅を最適化する。相互相関と比較した超高速光オシロスコープを使用するこの最適化の結果は、図１９ｃに示される。

最後に、シングルショット分光計を組み込むことにより、装置のシングルショット性能を実証する。８６ｐｓ、２７ｐｓという時間的に隔たりを有し、時間的におおよそ重なった２つのパルスで構成される３つのシングルショット光学波形を測定する。マルチショット相互相関と比較したこれらシングルショット測定の結果は、図１９ｄに示される。８６ｐｓの隔たりにより示されるように、１００ｐｓ記録長が維持される。パルスが重なる場合、３ｐｓ期間を有する時間干渉縞が観測される。この実施態様では、時間分解能は、赤外線カメラにより、ピクセル当たり７６６ｆｓに制限され、すなわち、記録長対分解能比が１３０に制限される。１，０００ピクセルを超える高ダイナミックレンジ線形アレイが市販されており、本発明による装置の完全な記録長対分解能比（＞４５０）を利用することが可能である。

最終的に、シングルショット測定のダイナミックレンジは、自己位相変調および自由キャリア生成を回避しながらシリコンナノ導波管内で許される最大電力［Ｄｏｒｒｅｒ， Ｃ． ｅｔ ａｌ． Ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｈｉｒｐｅｄ−ｐｕｌｓｅ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ｂｙ ｓｐｅｃｔｒａｌ ＰＨＡＳＥ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ ｆｏｒ ｄｉｒｅｃｔ ｅｌｅｃｔｒｉｃ−ｆｉｅｌｄ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ２４， １６４４−１６４６ （１９９９）］ならびにピクセル毎の検出可能な最小電力により制限される。これら制約は、時間レンズの信号ピーク電力範囲を１００μＷ〜１００ｍＷに制限するはずであり、これはダイナミックレンジ１０^３に対応する［Ｄｕｄｌｅｙ， Ｊ． Ｍ．， Ｆｉｎｏｔ， Ｃ．， Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ， Ｄ． Ｊ． ＆ Ｍｉｌｌｏｔ， Ｇ． Ｓｅｌｆ−ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ ｉｎ ｕｌｔｒａｆａｓｔ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｏｐｔｉｃｓ． Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｙｓ． ３， ５９７−６０３ （２００７）］。狭い時間特徴はレンズ前の分散伝播中に拡散し、したがって、レンズでのピーク電力がかなり低くなるため、超高速光オシロスコープへの最大電力は特徴の幅に依存する。分解能が制限された時間特徴が考慮される場合、４０Ｗピーク電力が可能であり、これはダイナミックレンジ１０^５に対応する［Ｓｏｌｌｉ， Ｄ． Ｒ．， Ｃｈｏｕ， Ｊ． ＆ Ｊａｌａｌｉ， Ｂ． Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｔｉｍｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｒｅａｌｔｉｍｅ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ． Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎ． ２， ４８−５１ （２００８）］。さらに、検出可能な最小電力は所望のシングルショット分解能に依存するが、最大電力は所望のシングルショット分解能に依存しないため、このシステムでは、分解能が低いほど、高いダイナミックレンジ測定が可能である。

測定のすべてにおいて、本発明によるシリコンに基づく超高速光オシロスコープと２８０ｆｓパルスを有する相互相関との間に良好な一致が観測される。それにも関わらず、特に波形およびポンプパルスがオシロスコープと比較して相互相関器に到着する時間を同期させるために使用される光ファイバの長さがわずかに異なる（３ｍ未満の違い）ことに起因するいくらかの逸脱が観測される。さらなる不一致はおそらく、ＦＷＭ時間レンズ内でのポンプパルス不完全性による。最適な性能のために、ポンプパルスに対して明確で均一なスペクトル振幅および位相を得ることに注意を払わなければならない。さらに、分解能は最終的に、分散要素内の３次分散から生じる収差により制限される。分散平坦化ファイバまたは分散が操作された導波管を分散路に使用する［Ｄｕｌｋｅｉｔｈ， Ｅ．， Ｘｉａ， Ｆ．， Ｓｃｈａｒｅｓ， Ｌ．， Ｇｒｅｅｎ， Ｗ． Ｍ． Ｊ． ＆ Ｖｌａｓｏｖ， Ｙ． Ａ． Ｇｒｏｕｐ ｉｎｄｅｘ ａｎｄ ｇｒｏｕｐ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｗｉｒｅｓ． Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ １４， ３８５３−３８６３ （２００６）； Ｔｕｒｎｅｒ， Ａ． Ｃ． ｅｔ ａｌ． Ｔａｉｌｏｒｅｄ ａｎｏｍａｌｏｕｓ ｇｒｏｕｐ−ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ． Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ １４， ４３５７−４３６２ （２００６）］ことにより、この収差は軽減され、サブ１００ｆｓポンプパルスを使用することにより、サブ１００ｆｓ分解能に向けての道を提供する。

この測定システムの構成要素は潜在的に、その全体をオンチップに集積することができる。特に、パルスレーザ源［Ｋｏｃｈ， Ｂ． Ｒ．， Ｆａｎｇ， Ａ． Ｗ．， Ｃｏｈｅｎ， Ｏ． ＆ Ｂｏｗｅｒｓ， Ｊ． Ｅ． Ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ ｌａｓｅｒｓ． Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ １５， １１２２５−１１２３３ （２００７）］、分散路の低損失分散操作された導波管［Ｄｕｌｋｅｉｔｈ， Ｅ．， Ｘｉａ， Ｆ．， Ｓｃｈａｒｅｓ， Ｌ．， Ｇｒｅｅｎ， Ｗ． Ｍ． Ｊ． ＆ Ｖｌａｓｏｖ， Ｙ． Ａ． Ｇｒｏｕｐ ｉｎｄｅｘ ａｎｄ ｇｒｏｕｐ ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｗｉｒｅｓ． Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ １４， ３８５３−３８６３ （２００６）； Ｔｕｒｎｅｒ， Ａ． Ｃ． ｅｔ ａｌ． Ｔａｉｌｏｒｅｄ ａｎｏｍａｌｏｕｓ ｇｒｏｕｐ−ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｃｈａｎｎｅｌ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ． Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ １４， ４３５７−４３６２ （２００６）］、ならびに一体化されたシングルショット分光計および検出器［Ｃｈｅｂｅｎ， Ｐ． ｅｔ ａｌ． Ａ ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ ａｒｒａｙｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅ ｇｒａｔｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｗｉｔｈ ｓｕｂｍｉｃｒｏｍｅｔｅｒ ａｐｅｒｔｕｒｅ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ． Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ １５， ２２９９−２３０６ （２００７）］の集積は、シリコンフォトニクスでの現在のすべての研究分野にある。さらに、ＦＷＭ時間レンズの柔軟性およびナノ導波管内で利用可能な分散操作は、窒化ケイ素（ＳｉＮ）およびオキシ窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）等の他のＣＭＯＳ互換性導波管材料を使用することにより、この技法と異なる波長体制（例えば、可視）に簡単に拡張できるようにする。さらに、任意の繰り返し数のソースを測定するために本発明によるオシロスコープを使用するには、繰り返し数柔軟性を有する超高速ポンプレーザが必要であり、例えば、時間レンズ圧縮源［ｖａｎ Ｈｏｗｅ， Ｊ．， Ｌｅｅ， Ｊ． Ｈ． ＆ Ｘｕ， Ｃ． ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ３．５ ｎＪ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅｓ ｆｒｏｍ ａ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈｏｕｔ ｍｏｄｅ ｌｏｃｋｉｎｇ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ３２， １４０８−１４１０ （２００７）］を使用して実施することができる。興味深いことに、シングルショット性能により、単一の光学事象の測定のみならず、光学クロックと同期した場合、通信信号の多くのシングルショット測定をオーバーレイすることにより、「アイダイアグラム(eye-diagrams)」の測定も可能である。通信を超えて、集積測定装置は、光学波形の単純な超高速測定が必要とされる多くの科学分野での研究に役立つ。

方法の概要
シリコンに基づく超高速光オシロスコープを実験的に特徴付けるために、超高速ファイバレーザまたは光学パラメトリック発振器からポンプおよび入力波を生成する。パルス列は、２８０ｆｓポンプパルスおよび信号パルスにスペクトルに分けられる。各入力波形は、オシロスコープに入り、５０ｍ長の分散補償ファイバからなる分散要素を通過し、１００ｍ長の分散補償ファイバを通過したポンプパルスと混合される。図１９ａ〜図１９ｃのテスト波形は、非線形スペクトル拡張、分散、および干渉の組み合わせを使用して生成された。１．５ｃｍ長のシリコンナノ導波管は、断面サイズ３００ｎｍ×７５０ｎｍ、線形伝播損失１．５ｄＢ／ｃｍ、およびカップリング効率（coupling efficiency)３ｄＢを有する。マルチショット測定の場合、ＦＷＭ光学スペクトルは、光学スペクトル解析器を使用して特徴付けられる。シングルショット実証の場合、シングルショット分光計が、モノクロメータおよび赤外線カメラを使用して実施され、単一の事象がフレーム毎に作成される。

方法
レーザ源。使用される超高速ファイバレーザは、３８ＭＨｚ繰り返し数(repetition rate)で８０ｆｓパルスを生成する。使用される光学パラメトリック発振器は、７６ＭＨｚ繰り返し数で１５０ｆｓパルスを生成する。ポンプパルスは２８０ｆｓパルスであり、１，５５０ｎｍを中心とした帯域幅１５ｎｍを有する。図１９のテスト波形は、１，５８０ｎｍを中心とした可変帯域幅信号パルスから生成される。

光ファイバ。標準のシングルモードファイバ（Ｃｏｒｎｉｎｇ型番：ＳＭＦ−２８）の１２分の１の分散勾配を有するため、分散補償ファイバ（Ｃｏｒｎｉｎｇ型番：ＤＣＭ−Ｄ−０８０−０４）の使用を選択する。このように３次分散が小さいことにより、レンズ収差が低減し、実験的に、ＳＭＦ−２８を使用する同等のシステムと比較して時間分解能が２倍に向上することが分かった。分散補償ファイバを通過した後、１５ｎｍ帯域幅ポンプパルスは、エルビウムドープファイバ増幅器を使用して増幅され、続けてＦＷＭがＣＭＯＳ互換性埋め込みＳＯＩナノ導波管内で実行される。

テスト波形。図１９ａのテスト波形は、エルビウムドープファイバ増幅器内で信号パルスを増幅し、増幅器内で非線形スペクトル拡張を誘導することにより生成される。スペクトル拡張パルスは続けて、２０ｍ長の光ファイバを通過する。図１９ｂのテスト波形は、５０ｍの光ファイバおよびマイケルソン干渉計を使用して２つの３００ｆｓパルスを分散させ干渉させることにより生成される。図１９ｃのテスト波形は、９．６ＧＨｚの繰り返し数を有する時間レンズ圧縮レーザ源［ｖａｎ Ｈｏｗｅ， Ｊ．， Ｌｅｅ， Ｊ． Ｈ． ＆ Ｘｕ， Ｃ． ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ３．５ ｎＪ ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅｓ ｆｒｏｍ ａ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈｏｕｔ ｍｏｄｅ ｌｏｃｋｉｎｇ． Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ３２， １４０８−１４１０ （２００７）］を３６ＭＨｚで動作する超高速ファイバレーザポンプ源に同期させることにより生成される。９．６ＧＨｚ源のパルス幅は、時間レンズ圧縮器に使用される位相変調器に送られる電気正弦波の大きさにより決まる。図１９ｄのテスト波形は、５０ｍのＳＭＦ−２８を使用して３００ｆｓパルスをチャープさせ、マイケルソン干渉計を使用して２つのパルスに分割することにより生成される。次に、干渉計の遅延ステージを使用して、パルスの分離を調整することができる。

シリコン導波管。シリコン導波管の寸法は、零群速度分散点をＣ通信帯内に位置決めすることにより、変換帯域幅を増大にするように選択された。ナノ導波管内部のピーク光パワーは、シリコン内での自己位相変調および２光子により誘導される自由キャリア効果を回避するために、１００ｍＷ未満に維持される［Ｆｏｓｔｅｒ， Ｍ． Ａ．， Ｔｕｒｎｅｒ， Ａ． Ｃ．， Ｓａｌｅｍ Ｒ．， Ｌｉｐｓｏｎ， Ｍ． ＆ Ｇａｅｔａ， Ａ． Ｌ． Ｂｒｏａｄ−ｂａｎｄ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗａｖｅｇｕｉｄｅ． Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ １５， １２９４９−１２９５８ （２００７）］。

シングルショット測定。単一の事象が、シングルショット分光計のフレーム毎に生成される。３８ＭＨｚ源は、１つのみのパルスが、カメラの積分時間に対応する０．５ｍｓ毎に生成され、したがって、カメラ画像毎にシングルショットが生成されるように、電子光学変調器を使用してダウンサンプリングされる。

図１７ａ〜図１９ｄに提示される情報の説明を本明細書において以下に提示する。

図１７−シリコンに基づく超高速光オシロスコープ。超高速オシロスコープは、シリコンチップ上の四光波混合に基づくパラメトリック時間レンズを使用して実施される。ａ．空間光学フーリエ変換プロセッサ。空間レンズは、示される２焦点距離構成を使用して入力波形をフーリエ変換したものを生成することができる。ｂ．時間光学フーリエ変換プロセッサ。時間レンズは、入力の時間プロファイルを出力のスペクトルプロファイルに変換することができる。ＦＷＭ時間レンズの場合、焦点距離（Ｄ）は、ポンプパルスが通過する光ファイバの分散長（２Ｄ）の半分である。次に、単にプロセッサの出力のスペクトルを測定することにより、シングルショット時間測定を実行することができる。

図１８−超高速オシロスコープの記録長および分解能の特徴付け。３４２ｆｓパルスは、記録長１００ｐｓを実証するシリコンチップに基づく超高速光オシロスコープを使用して時間的に走査され測定される。オシロスコープにより観測されるように、この走査範囲にわたる３４２ｆｓパルスの平均幅は４０７ｆｓであり、２２０ｆｓ、ａ．ｕ．、任意単位のデコンボリューション後分解能を示す。各色（陰影）は、パルスが走査される際の別個の測定を表す。

図１９−超高速オシロスコープおよび相互相関器を使用しての測定の比較。ａ．エルビウムドープファイバ増幅器内での非線形スペクトル拡張を通して生成され、続けて２０ｍのシングルモード光ファイバを伝播した３０ｐｓパルス。ｂ．２つの３００ｆｓパルスを分散させ干渉させることにより生成された複雑性の高い波形。差し込み図、６０ｐｓから７０ｐｓまでの１０ｐｓ時間領域。ｃ．様々なパルス持続時間で動作する別個の超高速パルスレーザ源の測定。シリコンチップに基づく超高速光オシロスコープが使用されて、レーザ源内の電子光学変調器への電圧を変更することにより、リアルタイムでこのソースから発せられるパルス幅が最小化される。ｄ．マルチショット相互相関と比較した、様々な時間的隔たりを有する２つのチャープパルスのシングルショット測定。パルスが時間的に重なる場合、干渉縞が時間領域において観測される。
［Ａ．シリコンチップに基づく超高速光オシロスコープの説明の終了］

本発明についていくつかの特定の実施形態を参照して説明したが、本発明の真の主旨および範囲は、本明細書によりサポート可能な特許請求の範囲に関してのみ決定されるべきであることが理解される。さらに、システム、装置、および方法が特定の数の要素を有するものとして説明される、本明細書におけるいくつかの場合において、そのようなシステム、装置、および方法を、言及された特定の数よりも少数の要素を使用して実施してもよいことが理解される。
［２００８年１０月１４日に出願された「Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−Ｂａｓｅｄ Ｕｌｔｒａｆａｓｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ」という名称の米国仮特許出願第６１／１０５，２１７号明細書の抜粋部分の終了］

本明細書において説明されるシステム、方法、装置の少数のサンプルは、以下である。

Ａ１．
入力波形が伝播する第１の分散要素と、
出力波形を出力する光学要素と、
光学要素にポンプパルスを入力するポンプパルス入力ユニットであって、光学要素に組み合わせられ、ポンプパルスが伝播する第２の分散要素を有する、ポンプパルス入力ユニットと
を備えた装置であって、
光学要素およびポンプパルス入力ユニットは時間レンズを形成し、第１の分散要素およびポンプパルス入力ユニットのそれぞれは、光学要素に組み合わせられ、
第１の分散要素および第２の分散要素は、第１の分散要素の分散が第２の分散要素の分散にマッチングするように構成され、
出力波形が入力波形に対して位相シフトされるように、入力波形およびポンプパルスが光学要素において四光波混合により結合されるように構成される、装置。

Ａ２．第１の分散要素の分散を第２の分散要素の分散と調整するために、第２の分散要素および第１の分散要素は２：１の分散比を有する、項目Ａ１に記載の装置。

Ａ３．入力波形およびポンプパルスが四光波混合により結合される光学要素は、フォトニックチップ上に設けられた導波管を備える、項目Ａ１に記載の装置。

Ａ４．第１の分散要素およびポンプパルス入力ユニットは、入力波形が、光学要素に達する前に分散の１焦点距離を移動するように構成される、項目Ａ１に記載の装置。

Ａ５．ポンプパルス入力ユニットは、ポンプパルス源および第２の分散要素により提供される、項目Ａ１に記載の装置。

Ａ６．出力波形を検出する検出ユニットをさらに備える、項目Ａ１に記載の装置。

Ａ７．出力波形を検出する検出ユニットをさらに備え、検出ユニットは、分光計および光検出器を有する、項目Ａ１に記載の装置。

Ａ８．光学要素は、フォトニック導波管により提供され、第１の分散要素、第２の分散要素、およびフォトニック導波管は、フォトニックチップスケール素子内に組み込まれる、項目Ａ１に記載の装置。

Ａ９．フォトニック導波管は半導体導波管である、項目Ａ８に記載の装置。

Ａ１０．光学要素は、１００ｎｍよりも大きな変換帯域幅をもたらす分散を含むように構成される、項目Ａ１に記載の装置。

Ａ１１．光学要素は、１５０ｎｍよりも大きな変換帯域幅をもたらす分散を含むように構成される、項目Ａ１に記載の装置。

Ａ１２．光学要素は、Ｃ通信帯内に零群速度分散点を含むように構成される、項目Ａ１に記載の装置。

Ａ１３．光学要素は、光学要素の信号ピーク電力ダイナミックレンジが１０^３であるように構成される、項目Ａ１に記載の装置。

Ａ１４．光学要素は、光学要素の信号ピーク電力ダイナミックレンジが１００μＷ〜１００ｍＷの範囲内であるように構成される、項目Ａ１に記載の装置。

Ａ１５．光学要素は、入力波形、ポンプパルス、および出力波形のそれぞれがＳ通信帯、Ｃ通信帯、およびＬ通信帯内にあるように構成される、項目Ａ１に記載の装置。

Ａ１６．導波管内部のピーク光パワーが、自己位相変調を回避するために十分に低いレベルに維持されるように構成される、項目Ａ１に記載の装置。

Ａ１７．導波管内部のピーク光パワーが、２光子により誘導される自由キャリア効果を回避するために十分に低く維持されるように構成される、項目Ａ１に記載の装置。

Ａ１８．導波管内部のピーク光パワーが１００ｍＷ未満に維持されるように構成される、項目Ａ１に記載の装置。

Ｂ１．入力波形の表現を生成する装置であって、
入力波形が伝播する第１の分散要素と、
出力波形を出力する光学要素と、
光学要素にポンプパルスを入力するポンプパルス入力ユニットであって、光学要素に組み合わせられ、ポンプパルスが伝播する第２の分散要素を有する、ポンプパルス入力ユニットと、
出力波形を検出する検出ユニットと、を備え、
光学要素およびポンプパルス入力ユニットが時間レンズを形成し、第１の分散要素およびポンプパルス入力ユニットのそれぞれが前記光学要素に組み合わせられ、
第１の分散要素および第２の分散要素が、第１の分散要素の分散が第２の分散要素の分散にマッチングするように構成され、
出力波形が入力波形に対して位相シフトされるように、入力波形およびポンプパルスが光学要素において四光波混合により結合されるように構成される、装置。

Ｂ２．検出ユニットは、分光計および光検出器のそれぞれを含む、項目Ｂ１に記載の装置。

Ｂ３．光学要素に実質的に直接組み合わせられた分光計を含む、項目Ｂ１に記載の装置。

Ｂ４．出力分散を有する出力分散要素を含み、第１の分散要素は入力分散を有し、装置は、条件

を満たすように構成され、式中、Ｒｅｓ_Ｍは検出ユニットの分解能限界であり、τ_ｐｕｍｐはポンプパルス幅であり、Ｍは、入力分散に対する出力分散の比率により決まる倍率である、項目に記載の装置。

Ｂ５．出力分散を有する出力分散要素を含み、第１の分散要素は入力分散を有し、条件

を満たすように構成され、式中、Ｒｅｓ_Ｍは検出ユニットの分解能限界であり、τ_ｐｕｍｐはポンプパルス幅であり、Ｍは、入力分散に対する出力分散の比率により決まる倍率である、項目に記載の装置。

Ｃ１．入力波形の表現を生成する装置であって、
入力波形が伝播する第１の分散要素と、
フォトニックチップ上に設けられた導波管であって、Ｃ通信帯内に零群速度分散点を有すると共に、１００ｎｍよりも大きな変換帯域幅をもたらす分散を有し、出力波形を出力するように構成された導波管と、
光学要素にポンプパルスを入力するポンプパルス入力ユニットであって、光学要素に組み合わせられ、ポンプパルスが伝播する第２の分散要素を有し、入力波形、ポンプパルス、および出力波形のそれぞれがＳ通信帯、Ｃ通信帯、およびＬ通信帯内にあるように前記装置が構成される、ポンプパルス入力ユニットと、
出力波形を検出する検出ユニットであって、分光計および光検出器のうちの１つまたは複数を備える、検出ユニットと、を備え、
導波管およびポンプパルス入力ユニットは、時間レンズを形成し、第１の分散要素およびポンプパルス入力ユニットのそれぞれは、導波管に組み合わせられ、
第１の分散要素および第２の分散要素は、第１の分散要素の分散が第２の分散要素の分散にマッチングするように構成され、
装置は、出力波形が入力波形に対して位相シフトされるように、入力波形およびポンプパルスが導波管において四光波混合により結合されるように構成され、
導波管内部のピーク光パワーが１００ｍＷ未満に維持されるように構成される、装置。

Ｄ１．入力波形の表現を生成する装置であって、
フォトニックチップ上に設けられた導波管であって、入力波形を組み合わせるように構成された導波管と、
導波管にポンプパルスを入力するポンプパルス入力ユニットであって、ポンプパルス入力ユニットは導波管に結合され、ポンプパルス入力ユニットは、導波管と併せて時間レンズを形成する、ポンプパルス入力ユニットと
を備え、
入力波形およびポンプパルスが導波管内で四光波混合により結合されるように構成され、
出力波形は導波管から出力され、
出力波形を検出する検出ユニットをさらに含む、装置。

Ｄ２．導波管は、１００ｎｍよりも大きな変換帯域幅をもたらす分散を含むように構成される、項目Ｄ１に記載の装置。

Ｄ３．導波管は、１５０ｎｍよりも大きな変換帯域幅をもたらす分散を含むように構成される、項目Ｄ１に記載の装置。

Ｄ４．導波管は、Ｃ通信帯内に零群速度分散点を含むように構成される、項目Ｄ１に記載の装置。

Ｄ５．導波管は、導波管の信号ピーク電力ダイナミックレンジが１０^３であるように構成される、項目Ｄ１に記載の装置。

Ｄ６．導波管は、導波管の信号ピーク電力ダイナミックレンジが１００μＷ〜１００ｍＷの範囲内であるように構成される、項目Ｄ１に記載の装置。

Ｄ７．入力波形、ポンプパルス、および出力波形のそれぞれがＳ通信帯、Ｃ通信帯、およびＬ通信帯内にあるように構成される、項目Ｄ１に記載の装置。

Ｄ８．導波管内部のピーク光パワーが、自己位相変調を回避するために十分に低いレベルに維持されるように構成される、項目Ｄ１に記載の装置。

Ｄ９．導波管内部のピーク光パワーが、２光子により誘導される自由キャリア効果を回避するために十分に低く維持されるように構成される、項目Ｄ１に記載の装置。

Ｄ１０．導波管内部のピーク光パワーが１００ｍＷ未満に維持されるように構成される、項目Ｄ１に記載の装置。

Ｄ１１．フォトニックチップ上に設けられた導波管は半導体材料を含む、項目Ｄ１に記載の装置。

Ｅ１．入力波形の表現を生成する装置であって、
入力波形が伝播する第１の分散要素と、
フォトニックチップ上に設けられた導波管であって、出力波形を出力し、入力波形を組み合わせるように構成された導波管と、
出力波形を検出する検出ユニットと、
導波管にポンプパルスを入力するポンプパルス入力ユニットであって、導波管に組み合わせられ、第２の分散要素を含み、導波管と併せて時間レンズを形成する、ポンプパルス入力ユニットと、を備え、
第１の分散要素および第２の分散要素は、第１の分散要素の分散が第２の分散要素の分散にマッチングするように構成され、
出力波形が入力波形に対して位相シフトされるように、ポンプパルスを導波管内での四光波混合により入力波形に結合するように構成される、装置。

Ｅ２．第１の分散要素および第２の分散要素は、フォトニックチップ上に設けられる、項目Ｅ１に記載の装置。

Ｅ３．第１の分散要素、第２の分散要素、および検出ユニットは、フォトニックチップ上に設けられる、項目Ｅ１に記載の装置。

Ｆ１．入力波形の高分解能時間領域表現を生成する方法であって、
入力波形を分散させて、分散入力波形を生成すること、
分散入力波形を分散ポンプパルスと結合して、変換波形を生成することにより、分散入力波形に四光波混合を受けさせること、および
変換波形をスペクトル解析器に提示して、変換波形を記録すること
を含む、方法。

Ｆ２．入力波形を分散させることは、入力波形が分散する分散を、ポンプパルスが分散する分散にマッチングさせることを含む、項目Ｆ１に記載の方法。

Ｆ３．マッチングさせることは、入力波形が分散する分散の２倍の分散性を有するポンプパルスを分散させる分散を提供することを含む、項目Ｆ２に記載の方法。

Ｆ４．入力波形に四光波混合を受けさせることは、フォトニックチップ上に設けられた導波管を利用することを含み、導波管は、Ｃ通信帯に零群速度分散点を含むように構成される、項目Ｆ１に記載の方法。

Ｆ５．入力波形に四光波混合を受けさせることは、フォトニックチップ上に設けられた導波管を利用することを含み、導波管は、導波管内部のピーク光パワーが１００ｍＷ未満に維持されるように構成される、項目Ｆ１に記載の方法。

Ｆ６．Ｓ通信帯、Ｃ通信帯、およびＬ通信帯内である入力波形、ポンプパルス、および出力波形を提供することを含む、項目Ｆ１に記載の方法。

Ｇ１．入力波形の表現を生成する装置であって、
光学要素であって、装置が入力波形が光学要素に組み合わせられるように構成され、
装置が入力波形が光学要素内で２次位相シフトを受けて、入力波形に対して位相シフトした出力波形を出力するように構成される、光学要素と、
出力波形を検出するように動作可能な検出ユニットであって、
検出ユニットが、第１の出力記録長を有する第１の記録を出力するように動作可能であり、第２の出力記録長を有する第２の記録を出力するようにさらに動作可能なように構成される、検出ユニットと、を備える、装置。

Ｇ２．第１および第２の分散を有する第１および第２の出力分散要素を含み、第１の分散は第２の分散と異なり、出力波形を第１および第２の出力分散要素のそれぞれに組み合わせるように動作可能であり、検出ユニットは、第１の出力分散要素に組み合わせられて、第１のデータ記録を出力する第１の光検出器と、第２の出力分散要素に組み合わせられて、第２の記録を出力する第２の光検出器を有する、項目Ｇ１に記載の装置。

Ｇ３．検出ユニットは、第１の記録を出力する分光計および第２の記録を出力する光検出器を含む、項目Ｇ２に記載の装置。

Ｇ４．第１の出力分散要素および第２の出力分散要素を含み、出力波形を第１の出力分散要素および第２の出力分散要素のうちの一方に選択的に組み合わせるスイッチをさらに含む、項目Ｇ３に記載の装置。

Ｇ５．２次位相シフトが四光波混合を利用して提供されるように構成される、項目Ｇ１に記載の装置。

Ｈ１．入力波形を処理するシステムであって、
入力波形を組み合わせる光学要素を有し、入力波形が光学要素内で２次位相シフトを受けて、入力波形に対して位相シフトされた出力波形を出力するように構成されたオシロスコープであって、入力波形を表す第１および第２の記録を出力する検出ユニットを有する、オシロスコープと、
第１および第２の記録のそれぞれを処理する処理ユニットであって、処理に応答して、処理ユニット出力を決定するように動作可能な処理ユニットと
を備える、システム。

Ｈ２．処理ユニット出力は、符号化光学データを送信する装置を制御する、項目Ｈ１に記載のシステム。

Ｈ３．システムは、処理のための第１および第２の記録が開ループベースで変化するように動作可能である、項目Ｈ１に記載のシステム。

Ｈ４．検出ユニットにより出力された第２の記録が、処理ユニットによる第１の記録の処理に応答して出力されるように動作可能である、項目Ｈ１に記載のシステム。

Ｈ５．第１の記録が、出力波形を検出する分光計を使用して出力されるように動作可能であり、システムは、第２の記録が光検出器を使用して出力されるようにさらに動作可能である、項目Ｈ１に記載のシステム。

Ｈ６．第１の出力分散を通して分散した出力波形を検出する光検出器を使用して出力されるように動作可能であり、第２の記録が、第２の分散を通して分散した出力波形を検出する光検出器を使用して出力されるようにさらに動作可能である、項目Ｈ１に記載のシステム。

Ｉ１．符号化光学データを送信する装置を使用するシステムであって、送信されるデータは、一続きの光学パルスを利用して符号化された二進データを含み、光学パルスは名目上の特徴を有し、
装置により出力された一続きの光学パルスを表す少なくとも１つの記録を出力する装置の出力に組み合わせられたオシロスコープであって、入力波形に位相シフトを付与するように動作可能であり、記録が、２２０ｆｓに等しいか、またはこれよりも良好な分解能および１００ｐｓ以上の記録長を有するように動作可能なオシロスコープと、
記録を処理する処理ユニットであって、記録を表す１つまたは複数のパルスを処理して、１つまたは複数の光学パルスが、１つまたは複数のパルスが許容可能な品質を有することを示す基準を満たすか否かを判断するように動作可能な処理ユニットと、を備え、
処理ユニットが、処理に応答して出力を生成するように動作可能である、システム。

Ｉ２．出力はインジケータを制御する、項目Ｉ１に記載のシステム。

Ｉ３．出力は装置を制御する、項目Ｉ１に記載のシステム。

Ｉ４．オシロスコープは、第１の出力記録長を有する第１の記録および第２の出力記録長を有する第２の記録を出力するように動作可能であり、処理ユニットは、オシロスコープが処理ユニットによる処理のために処理ユニットに返すのが、出力記録長がより長い第１のフォーマットの第１の記録であるか、それとも出力記録長のより短い第２のフォーマットの第２の記録であるかに応答して、オシロスコープに１つまたは複数の通信を送信するように動作可能であり、処理ユニットは、第１の記録および第２の記録を処理するように動作可能である、項目Ｉ１に記載のシステム。

Ｉ５．処理ユニットにより出力される出力に応答して、装置が、偏光パラメータ、バイアス電圧パラメータ、バイアス電圧パラメータ、およびＲＦ電力パラメータのうちの１つまたは複数を調整するように動作可能である、項目Ｉ１に記載のシステム。

Ｊ１．フォトニックチップであって、
基板と、
（ａ）入力波形を分散させる分散を有する第１の分散要素、（ｂ）第１の分散要素の分散にマッチングした分散を有するポンプパルスを分散させるように構成された第２の分散要素、（ｃ）出力波形を出力する導波管であって、導波管により出力される出力波形が入力波形に対して位相シフトされるように、四光波混合により入力波形およびポンプパルスを結合するように構成された導波管、の要素を有するデバイス構造と、
を備え、
第１の分散要素、第２の分散要素、および導波管のそれぞれは、基板の上に配置された導波管材料をエッチングすることにより形成される、フォトニックチップ。

Ｊ２．デバイス構造は、出力波形の検出に使用される検出器部分をさらに備え、検出器部分は、導波管材料をエッチングすることにより形成される、項目Ｊ１に記載のフォトニックチップ。

Ｊ３．デバイス構造は、出力波形を検出する検出器をさらに備え、検出器の第１の部分は、導波管材料をエッチングすることにより形成され、検出器の第２の部分は、感光性半導体材料をエッチングすることにより形成され、感光性半導体材料は、導波管材料の近傍に配置される、項目Ｊ２に記載のフォトニックチップ。

Ｊ４．デバイス構造は、格子および光検出器アレイを有し、出力波形を検出する分光計をさらに備え、格子は導波管材料をエッチングすることにより形成され、光検出器アレイは感光性半導体材料をエッチングすることにより形成され、感光性半導体材料は、導波管材料の近傍に配置される、項目Ｊ１に記載のフォトニックチップ。

Ｊ５．デバイス構造は、出力波形を分散させる出力分散要素をさらに備え、出力分散要素は、導波管材料をエッチングすることにより形成される、項目Ｊ１に記載のフォトニックチップ。

Ｊ６．デバイス構造は、入力波形を表す電気信号記録を出力する電気信号出力および出力波形を出力する光学出力を内部に画定する、項目Ｈ１に記載のフォトニックチップ。

Ｊ７．デバイス構造は、入力波形を入力するための第１の光学入力と、ポンプパルスを入力するための第２の光学入力と、光学出力および電気信号出力からなる群から選択される少なくとも１つの出力とを内部に画定する、項目Ｈ１に記載のフォトニックチップ。

本発明についていくつかの特定の実施形態を参照して説明したが、本発明の真の主旨および範囲は、本明細書によりサポート可能な特許請求の範囲に関してのみ決定されるべきであることが理解される。さらに、システム、装置、および方法が特定の数の要素を有するものとして説明される、本明細書におけるいくつかの場合において、そのようなシステム、装置、および方法を、言及された特定の数よりも少数の要素を使用して実施してもよいことが理解される。

Claims (21)

1. 入力波形を特徴付ける装置であって、
   入力波形が通過する入力分散要素と、
   ポンプパルスが通過するポンプパルス分散要素と、
   光学要素とを備え、前記光学要素では、前記入力分散要素により分散された後の分散された入力波形、及び前記ポンプパルス分散要素により分散された後のポンプパルスが、出力波形の出力のために四光波混合により結合され、前記出力波形が前記入力波形に対して位相シフトされ、
   前記入力分散要素の分散、及び前記ポンプパルス分散要素の分散は、前記出力波形のスペクトルが前記入力波形の時間プロファイルを表すようにマッチングされる、装置。
2. 前記装置は、前記出力波形を通過する出力分散要素をさらに備え、前記装置が、前記入力波形を時間的に長くするように構成される、請求項１に記載の装置。
3. 前記装置が前記出力波形を測定する光検出器をさらに備える、請求項２に記載の装置。
4. 前記装置が前記出力波形のスペクトルを測定する分光計をさらに備え、前記スペクトルが前記入力波形の前記時間プロファイルを表す、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記装置が、前記出力波形を測定する光検出器と、前記出力波形のスペクトルを測定する分光計とをさらに備える、請求項２に記載の装置。
6. 前記入力波形、前記ポンプパルス、及び前記出力波形は、それぞれＳ通信帯、Ｃ通信帯、及びＬ通信帯内にある波長を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記入力分散要素の分散、及び前記ポンプパルス分散要素の分散は、前記ポンプパルス分散要素が前記入力波形分散要素の分散長を２倍にすることにより、マッチングされる、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記装置はポンプパルス生成器をさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記出力波形は、あるファクターにより前記入力波形に対して時間的に伸ばされ、前記ファクターは、前記出力分散要素及び前記入力分散要素の全分散の間の比率により決まる、請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記入力分散要素及び前記ポンプパルス分散要素の１つ以上は、光ファイバ、光導波管、チャープブラッグ格子、自由空間格子、及びプリズムを含むグループから選択される構造を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記装置は、前記入力波形の時間プロファイルのシングルショット測定を実行するシングルショット分光計をさらに備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記装置のある分散要素は、３次分散に起因する歪みを避けるために十分に低い分散勾配を有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記装置のある分散要素は、１，５５０ｎｍで０．００３３５ｎｍ ^−１ より小さい相対的分散勾配を有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記光学要素がフォトニックチップ上に集積される、請求項１から１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記入力分散要素が前記フォトニックチップ上に集積される、請求項１４に記載の装置。
16. 前記ポンプパルス分散要素が、前記フォトニックチップ上に集積される、請求項１４または１５に記載の装置。
17. 前記装置が、前記フォトニックチップ上に集積されるポンプパルス源をさらに備える、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の装置。
18. 前記装置が、前記フォトニックチップ上に集積される分光計をさらに備える、請求項１４から１７のいずれか一項に記載の装置。
19. 前記分光計が格子および光検出器アレイを有し、前記格子が前記出力波形を検出する分光計をさらに備え、前記格子が導波管材料の塊をエッチングすることにより製造され、前記光検出器アレイが感光性半導体材料の塊をエッチングすることによりが形成される、請求項１８に記載の装置。
20. 前記装置が、一続きの光学パルスを表す記録を出力するシステム内に含まれ、前記装置は、前記記録を処理する処理ユニットを備え、前記処理ユニットは、前記記録を表す１つまたは複数のパルスを処理して、１つまたは複数の光学パルスが、前記１つまたは複数のパルスが許容可能な品質を有することを示す基準を満たすか否かを判断するように動作可能であり、前記処理ユニットが、前記処理に応答して出力を生成するように動作可能である、請求項１から１９のいずれか一項に記載の装置。
21. 前記装置は、第１および第２の分散を有する第１および第２の出力分散要素を含み、前記装置は、第１の記録長を有する第１の記録を出力する第１の出力分散要素に結合される第１の光検出器と、第２の記録長を有する第２の記録を出力する第２の出力分散要素に結合される第２の光検出器とを有し、前記第２の記録長は前記第１の記録長とは異なる、請求項１から１９のいずれか一項に記載の装置。