JP5543742B2 - 光又は電気信号間の時間間隔における変化の検出 - Google Patents

Description

本発明は、光又は電気信号と光又は電気基準信号との間の時間間隔の変化を検出する方法及び装置に関する。また、本発明は、光又は電気信号を光又は電気基準信号に同期させるための上記方法の使用法に関する。

多くのタイム・クリティカルな応用分野、例えば、電気通信、データ伝送、測量技術、ナビゲーション・システム又は大規模な研究システムにおいて、高精度に光又は電気信号を同期させることは重要である。特定の用途においては、フェムト秒すなわち１０^-15秒単位で光又は電気信号を光又は電気基準信号に同期させることが必要な場合がある。そのような精度で同期させるためには、２つの信号間の時間間隔を安定させることができるように２つの信号間の時間間隔の変化を高精度に検出することが必要である。

光は１フェムト秒では約０．３μｍの経路長を進むだけなので、例えば、光学部品の熱膨張の結果生じる長さの微小な変化でさえも光信号と光基準信号との間の時間間隔の変化をもたらすということは、すぐに判明する。特に、これは長いガラス繊維の光導波路における光信号の伝達において懸念される。伝送路の長さの変化を全て修正できるように、光信号と光基準信号との間の時間間隔の変化はフェムト秒まで検出しなければならない。

特に、紫外又はＸ線領域で、例えば、ハンブルグの自由電子レーザ（ＦＬＡＳＨ）やヨーロッパ自由電子レーザ（ＸＦＥＬ）などの、自由電子レーザを動作させるには、加速器内のさまざまな構成要素をフェムト秒まで同期させることが必要である。ＸＦＥＬの場合、同期させるべき構成要素は互いに最大で３．５ｋｍ離れており、その結果、同軸分配系が限界に達する。

一般的には、基準パルス・レーザを使用して共通の光基準信号を全ての同期させるべき構成要素に送信する。基準パルス・レーザ自体は、通常、例えば、マイクロ波発振器によってあらかじめ定義された電気的原基準信号に同期される。基準パルス・レーザ光に同期させるべき構成要素は、基準パルス・レーザからの光基準信号に同期させなければならない光又は電気信号を使用する。

加速器におけるそのような構成要素としては、例えば、電子パルスの到達時刻を特定するために使用される到達時刻モニタがある。このためには、到達時刻モニタは、例えば、加速器内の他の場所にある他の到達時刻モニタからの信号に同期させる光又は電気信号を必要とする。したがって、全ての到達時刻モニタは、基準パルス・レーザからの共通の光基準信号を使用する。

しかしながら、この場合の問題は、構成要素への基準信号の各分岐が、例えば、温度影響など、異なる外的条件にさらされるので、基準信号の個々の構成要素への経路長において、互いに相関がなく信号の同期を妨げる変動が生じるということである。

非線形結晶を用いて重なり合う２つの光パルス信号の相関をとり、高精度な同期を得るために相関の急峻なエッジを用いることが、従来技術から知られている。しかしながら、そのような周知の方法の欠点は、相関が信号の偏光に依存しているということである。さらに、この方法は、その他に対して、時間的に重なり合わなければならないパルス幅に強く依存している。

したがって、本発明の目的は、従来技術の欠点を克服する方法及び装置を提供し、光又は電気信号をフェムト秒まで同期させるための改善された使用法を提供することである。

この目的は、請求項１、１４及び１７に記載の方法、使用法及び装置により達成される。各従属クレームは、本発明の好ましい実施形態に関連している。

本発明の第１の態様は、光検出器を用いて光又は電気信号と光又は電気基準信号との間の時間間隔の変化を検出する方法を提供する。この方法は、
信号が電気的な場合に、電気信号に基づいて光信号を変調するステップと、
基準信号が電気的な場合に、電気基準信号に基づいて光基準信号を変調するステップと、
光検出器によって、光信号及び光基準信号を受け取るステップと、
時間間隔に依存する周波数スペクトルを有する電気応答信号を光検出器の出力端子から出力するステップと、
出力された電気応答信号の周波数スペクトルから選択高調波をフィルタリングにより抽出するステップと、
選択高調波の振幅の変化から時間間隔の変化を検出するステップと、
を有する。

上記の方法は、以下のテーブルに示される４つの異なるモードで使用できる。

電気信号又は電気基準信号の場合、すなわち、光‐光モード以外の全ての方法モードにおいては、まず第一に、電気信号又は電気基準信号に基づいて光信号又は光基準信号を変調する必要がある。この場合、好ましくは、光信号又は光基準信号の振幅が電気信号又は電気基準信号に基づいて変調される。ここで、上記時間間隔は、元の光又は電気信号と元の光又は電気基準信号との間の時間を指すことに留意すべきである。

したがって、電気信号又は電気基準信号の場合、この時間間隔の変化は、変調された光信号と光基準信号との間の時間間隔の変化ではなく、例えば、振幅変調という形でだけ表される場合がある。時間間隔を検出する対象の信号及び基準信号が光信号である場合、すなわち、光学‐光学方法モードの場合、変調ステップは必要ない。

上記光信号及び上記光基準信号は、同じ光検出器で受け取る。これにより、異なる光検出器の差異が回避され、時間間隔を検出するときの系統誤差が最小になる。ここで、光信号及び光基準信号は同じ供給源を持ちかつ／又は同じ光信号から分岐されたものでもよいことに留意すべきである。

本発明の方法は、とりわけ、光信号又は光基準信号の偏光に依存せず、しかも、広い範囲にわたってそれぞれのパルス幅に依存しないという点において、周知の方法より有利である。さらに、信号のパルス及び基準信号のパルスは、時間的に重なり合う必要はない。提案された方法は、時間的変化の検出に適した、光信号と光基準信号との間の考え得る様々な時間的オフセットを提供する。したがって、適切な動作点を確保するには、わずかな追加の経路長を挿入するだけでよい。

光信号及び／又は光基準信号は、好ましくは一つ以上のモード結合短パルス・レーザにより生成される。光信号及び／又は光基準信号は、好ましくは持続時間に比べて比較的小さいパルス幅、例えば、１ピコ秒の何分の１のパルス幅を有する周期的なパルス信号である。

一方、通常５０〜２５０ＭＨｚのパルス周波数で動作させる短パルス・レーザについては、持続時間は４〜２０ナノ秒であり、その時間は１．２〜６メートルの光の経路長に対応する。したがって、パルスが０．３ミリメートル未満の光の経路長に対応する幅で重なり合うことを確実にするためにそのような長い経路長を挿入する必要がないことは、本発明の大きな利点である。

時間間隔は、光信号の持続時間の０．４から０．６倍まで、好ましくは、０．４５から０．５５倍までの範囲の値に設定すると有利である。このようにすると、高調波を適切に選んだ場合、変化に対する感度を最大にできることが分かった。選択高調波は、好ましくは高次の、すなわち、例えば、５次以上の高調波である。

これは、変化に対する感度は高次の、特に５次以上の高調波で特に高く、様々な時間間隔を適切な動作点として使用できる、ということがさらに示されたからである。選択可能な最大次数は、光検出器のバンド幅及びフィルタ・ユニットのフィルタ幅により制限される。まだ適切に測定あるいはフィルタリングできる振幅を持つ次数の数は、これにより制限されるからである。

周波数スペクトルは、例えば、フーリエ解析又は変換を用いて、時間信号から得てもよい。時間信号は、例えば、高調波の和として表すことができる：

ここで、Ａ（ｔ）は、時間ｔの関数としての振幅Ａの形で表された光信号及び光基準信号から構成されている結合信号、ｎは高調波の次数、Ａ_nはｎ次の高周波の振幅、ｆ₀は基本周波数、φ_nはｎ次の高周波の位相シフトである。したがって、離散周波数スペクトルは、ｎ次の高周波の周波数に対応する周波数ｎｆ₀の関数としての各周波数成分の振幅Ａ_nを含む。

光信号及び光基準信号が、同じ持続時間Ｔ₀すなわち同じパルス周波数ｆ₀＝１／Ｔ₀と、同じ振幅Ａ_tと、時間間隔ΔＴとを有する場合、ΔＴ＝Ｔ₀／（２ｋ）ならば、ｋ＝１，２．．．，Ｎ、φ₀＝０に対し、Ａ₀＝ｃＡ_t、Ａ_k＝０、Ａ_2k=Ａ₀である。ここで、本発明は方程式（１）で表わされる高調波に制限されず、任意の表現を有してもよいことに留意すべきである。

選択高調波の振幅の変化から時間間隔の変化を検出するための考え得る方法は複数ある。１つの単純な方法としては、選択高調波の振幅の変化を時間間隔の変化を示す直接的な尺度として使用することが考えられる。周波数スペクトルは時間間隔に依存するので、包絡線は時間間隔に基づいて変化する。

ここで、周波数スペクトルの包絡線の傾きの大きさが最大になる周波数の高調波を選択してフィルタリングにより抽出すると有利である。その場合、選択高調波の振幅は、時間間隔の変化に対する感度が最も高くなる。あるいは、高調波を適切に選択する代わりに、選択に要求される高調波がこの特性を有するように時間間隔を設定してもよい。

この考え得る方法の欠点は、光信号又は光基準信号が振幅の変動に依存することである。選択高調波の振幅の変化が時間間隔の変化を示す直接的な尺度として適切なのは、光信号又は光基準信号の振幅が極めて一定なときだけである。それ以外は、光信号又は光基準信号における振幅の変動は、時間間隔の変化として誤って解釈されてしまう。

したがって、出力された電気応答信号の周波数スペクトルからさらに第２の選択高調波をフィルタリングにより抽出し、選択高調波の振幅と第２の選択高調波の振幅との差の変化を時間間隔の変化を示す尺度として使用すると有利なである。これは、振幅の変動は２つの選択高調波に同じ影響を及ぼすので、選択高調波の振幅と第２の選択高調波の振幅との差の振幅の変動への依存は、最大限に低いからである。

第２の選択高調波は、好ましくは選択高調波の次数より１つ下又は上の次数を持つ。これは、隣接した次数を持つ高調波、特に持続時間の半分に近い時間間隔を有する高調波の振幅の差は、時間間隔の変化に対する感度が特に高いということが分かっているからである。さらに、光検出器及び／又は下流の電子機器及び／又はフィルタ・ユニットによって、生じる可能性のある誤差は、隣接した高調波に対して特に小さいことが分かっている。

また、計測上の理由から、周波数スペクトルの包絡線の大きさが選択高調波の周波数において、最小になるように高調波を選択又は時間間隔を設定することが有利である。光信号及び光基準信号の振幅が同じであって適切な時間間隔を有する場合、選択高調波は消去できるので、その結果、振幅はゼロ点において、測定できる。これは、特定の用途に対しては有利である。しかしながら、ゼロ点における振幅の変化は時間間隔の変化の方向に関するいかなる情報も含まないので、更なる補助的手段を使用しなくては信号を基準信号に同期させることができないという欠点がある。

時間間隔の変化の方向を特定するために、上記の方法が以下の更なるステップを有すると有利である：
第２の光検出器によって光信号又は光基準信号を受け取るステップと、
周波数スペクトルを有する第２の電気応答信号を第２の光検出器の出力端子から出力するステップと、
出力された第２の電気応答信号の周波数スペクトルから、選択高調波と同じ次数を持つ基準高調波をフィルタリングにより抽出するステップと、
ミキサにおいて基準高調波及びフィルタリングされた選択高調波をミキシングするステップと、
出力信号をミキサの出力端子から出力するステップと、
出力信号の振幅の変化を時間間隔の変化を示す尺度として用いて時間間隔の変化を検出するステップ。

基準高調波及びフィルタリングされた選択高調波を、好ましくはミキシング中に乗算する。両振動がミキサに同位相で送られる場合、ミキサは「振幅検出器」として使用できる。基準高調波及びフィルタリングされた選択高調波の積は、特定の振幅を中心に２倍の周波数で振動する出力信号である。

出力信号の振幅の符号付きの変化は、例えば、出力信号の振動成分を取り除くローパス・フィルターを用いて、抽出できる。この場合、出力信号の振幅の変化は、時間間隔の変化の方向に依存する符号を有するので、その結果、時間間隔の変化の方向は出力信号から特定することができ、それに応じて調整できる。

また、遅延装置を用いて、選択された時間だけ光信号及び／又は光基準信号を遅延させると有利である。そのような遅延装置は、例えば、光信号及び／又は光基準信号の経路長を延長させたものでもよい。

本発明の第２の態様は、光又は電気信号を光又は電気基準信号に同期させるための上記の方法の使用法であって、上記の方法によって検出される時間間隔の変化に基づいて時間間隔を調整する上記の方法の使用法を提供する。時間間隔は、好ましくはフィードバックによって調整される。隣接した次数を持つ２つの選択高調波の振幅間の差をゼロに調整することは、特に有利である。

本発明の第３の態様は、光検出器と、フィルタ・ユニットと、測定装置とを備え、光又は電気信号と光又は電気基準信号との間の時間間隔の変化を検出する装置を提供する。この装置において、
電気信号及び／又は電気基準信号の場合には、少なくとも一つの電気光学変調器が設けられ、当該電気光学変調器は電気信号又は電気基準信号に基づいて光信号又は光基準信号を変調するように設計されており、
光検出器は、光信号及び光基準信号を受け取って、時間間隔に依存する周波数スペクトルを有する電気応答信号を光検出器の出力端子から出力するように設計されており、
フィルタ・ユニットは、光検出器の出力端子に接続されており、また、出力された電気応答信号の周波数スペクトルから選択高調波をフィルタリングにより抽出するように設計されており、
測定装置は、フィルタ・ユニットに接続されており、また、選択高調波の振幅の変化から時間間隔の変化を検出するように設計されている。

光検出器は好ましくは広いバンド幅を有し、その結果、出力された電気応答信号の周波数スペクトルは少なくとも５つの高調波から構成される。時間検出分解能は測定装置の測定精度により制限されるので、測定装置が選択高調波の振幅に対して少なくともδＡ／Ａ＝１０^-3、好ましくは少なくともδＡ／Ａ＝１０^-4の測定精度を有すると有利である。

また、光検出器の出力端子に接続されており、また、出力された電気応答信号の周波数スペクトルから第２の選択高調波をフィルタリングにより抽出するように設計されている第２のフィルタ・ユニットを、上記の装置が備えていると有利である。第２のフィルタ・ユニットには、選択高調波の振幅と第２の選択高調波の振幅との差の変化から時間間隔の変化を検出するように設計されている測定装置が接続される。この装置により、時間間隔の変化の検出が光信号又は光基準信号における振幅の変動に依存しないように上記の方法を実施することが可能になる。

好ましくは、少なくとも１つのフィルタ・ユニットが測定装置に組み込まれる。すなわち、少なくとも１つのフィルタ・ユニットと測定装置との接続は、測定装置内部で確保される。上記の装置が、選択された時間だけ光信号及び／又は光基準信号を遅延させるように設計されている遅延装置を備えていると有利である。したがって、時間間隔は、任意に設定できる。そのような遅延装置は、例えば、光信号及び／又は光基準信号の経路長を延長させたものでもよい。

１つの有利な実施形態においては、上記の装置は、第２の光検出器と、追加フィルタ・ユニットと、ミキサとを備える。この装置において、
第２の光検出器は、光信号又は光基準信号を受け取って、周波数スペクトルを有する第２の電気応答信号を第２の光検出器の出力端子から出力するように設計されており、
追加フィルタ・ユニットは、第２の光検出器の出力端子に接続されており、また、出力された第２の電気応答信号の周波数スペクトルから選択高調波と同じ次数を持つ選択基準高調波をフィルタリングにより抽出するように設計されており、
ミキサは、フィルタ・ユニットに接続された第１の入力端子と、追加フィルタ・ユニットに接続された第２の入力端子と、出力端子とを有しており、
ミキサは、基準高調波及びフィルタリングされた選択高調波をミキシングして、振幅の変化から時間間隔の変化が検出可能な出力信号をミキサの出力端子から出力するように設計されている。

ミキサ及び追加フィルタ・ユニットは、測定装置に組み込まれていてもよい。さらに、測定装置は、時間間隔を調整するように設計されている制御装置にフィードバックを介して接続されていてもよい。制御装置は、例えば、参照レーザの繰り返し率を制御してもよい。

これは、例えば、参照レーザ自体をマイクロ波発振器からの電気基準信号に同期させるよう意図されている、すなわち、上記装置が光‐電気モードで前記方法を実施するよう意図されている場合に適切である。他方、制御装置が参照レーザからの光基準信号に同期させるよう意図されている電気信号を再調整してもよい。この場合、上記装置は電気‐光モードで上記方法を実施するよう意図されている。

本発明の第１の有利な実施形態の模式図を示す。 本発明の第２の有利な実施形態の模式図を示す。 信号の経路長を修正するための、本発明の考え得る使用法の模式図を示す。 本発明の第３の実施形態の模式図を示す。 同期を得るための使用法を有する本発明の第４の実施形態の模式図を示す。 同期を得るための別の使用法を有する本発明の第４の実施形態の模式図を示す。 光信号及び光基準信号を、時間の関数及び周波数の関数として示す模式図である。 光信号及び光基準信号を、時間の関数及び周波数の関数として、時間間隔の別の値に対して示す模式図である。 光信号及び光基準信号を、時間の関数及び周波数の関数として、時間間隔の別の値に対して示す模式図である。 光信号及び光基準信号を、時間の関数及び周波数の関数として、時間間隔の別の値に対して示す模式図である。 光信号及び光基準信号を、時間の関数及び周波数の関数として、時間間隔の別の値に対して示す模式図である。 ４４次と４５次の選択高調波間の振幅の差を時間間隔の関数として示す。

以下、添付の図１〜１２を参照して、本発明の好ましい実施形態を更に詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の好ましい実施形態を示しており、光信号１及び光基準信号３が、測定装置９のフィルタ・ユニット７に接続された出力端子を持つ光検出器５に到達している。

この例では、光信号１及び光基準信号３は、同じ持続時間Ｔ₀すなわちｆ₀＝１／Ｔ₀のパルス・レートを有するレーザ・パルスであり、光信号１及び光基準信号３は、同じ光導波路１１によって、光検出器５へ導かれる。光信号１及び光基準信号３の振幅Ａ_tは、時間的に一定であって、同じ大きさである。ΔＴの時間間隔が、光信号１のパルスと光基準信号３のパルスとの間にある。

ここで、光検出器５が光信号１及び光基準信号３を受け取ると、光検出器５は電気応答信号１５を光検出器５の出力端子１３から出力する。電気応答信号１５は、時間間隔ΔＴに依存する周波数スペクトルを有する。

次に、フィルタ・ユニット７を用いて、出力された電気応答信号１５の周波数スペクトルから選択高調波をフィルタリングにより抽出し、その振幅を測定装置９を用いて測定する。そして、選択高調波の測定された振幅の変化から、時間間隔ΔＴの変化を検出できる。例えば、これは、光信号１及び光基準信号３の振幅Ａ_tが時間的に一定である場合、測定した振幅の変化からの直接測定として実現可能である。

例として、図７〜図１１は、ΔＴ＝０、０．０１・Ｔ₀、０．０２・Ｔ₀、０．２・Ｔ₀及び０．４８・Ｔ₀の時間間隔に対して、光信号１及び光基準信号３の振幅を、上部に時間ｔの関数として、下部に周波数ｆの関数として示している。光信号１及び光基準信号３は、同じ振幅Ａ_tと、同じパルス波形と、同じ持続時間Ｔ₀すなわちｆ₀＝１／Ｔ₀のパルス・レートとを有する。

図７において、時間間隔はΔＴ＝０なので、その結果、光信号１のパルスと光基準信号３のパルスは完全に重なっている。したがって、下段の図における電気応答信号１５の振幅は離散周波数スペクトルを示しており、４６次までの高調波が示されている。

本発明の本実施形態は、図７に示すように、ΔＴ＝０の時間間隔にはあまり適さない。全ての高調波の振幅がＡ₀となるからである。ΔＴ＝０から時間間隔をわずかにずらしても、光検出器５のバンド幅によってもはやカバーされないか、あるいは、フィルタ・ユニット７によってもはやフィルタリングできず、もはや適切に検出できないような非常に高次の高調波の振幅にしか効果が出ないであろう。

図８は、時間間隔の値がΔＴ＝０．０１・Ｔ₀のとき、周波数スペクトルがどのように見えるかを示す。ΔＴ＝０．０１・Ｔ₀のとき、周波数スペクトルは余弦曲線Ａ（ｆ）＝０．５・Ａ₀（１＋ｃｏｓ（０．０１・２πｆ／ｆ₀））の形状を有する包絡線１７を有する。従って、次数５０、１５０、２５０、．．．、等の高調波は、各々消去される。包絡線１７の傾きの大きさは周波数ｆ＝２５・ｆ₀において最も大きいので、第２５高調波の振幅は光検出器のバンド幅の範囲内でΔＴ＝０．０１・Ｔ₀の時間間隔の変化に対する感度が最も高い。

図９〜図１１より、周波数ｆ及び時間間隔ΔＴの関数として、次の式が包絡線１７の形状にあてはまることが明らかになる：

これは、包絡線１７がｆ₀・Ｔ₀／ΔＴの周期長を有することを意味する。例えば、ΔＴ＝Ｔ₀／２の時間間隔については、ちょうど１つおきに高調波、すなわち奇数次の高周波が、消去される。図９は、例えば、時間間隔がΔＴ＝０．０２・Ｔ₀のとき、第２５高調波がどのように消去されるかを示す。

図７〜図１１より、高調波を適切に選択すれば、時間間隔の変化に対する感度は原則として、高次の、すなわち、少なくとも５次以上の高調波に対してより高くなることがすぐに判明する。包絡線１７の傾きの大きさが最大になる、例えば、図１０のΔＴ＝０．２・Ｔ₀のときの次数１、４、６、９、１１、１４、１６、．．．、等の高調波は、特に適切である。これらの特に適切な高調波の中で、光検出器のバンド幅の範囲内でまだ適切に測定できる最も高い次数、例えば、４６次は、時間間隔ΔＴの変化に対する感度が最も高い。

しかしながら、図９に示すように、設定された時間間隔ΔＴに対して消去される高調波を選択することが適切な場合もある。この点において、包絡線１７は最小になる、すなわち、傾きの大きさがゼロになるので、その結果、時間間隔ΔＴの変化に対する感度は比較的低くなるが、それはゼロ点に調整するために用いることができる。これは、計測上有益である。時間間隔ΔＴの変化の結果としての振幅の変化が、時間間隔ΔＴの変化の方向に関するいかなる情報も含まないということである。したがって、時間間隔ΔＴの変化の方向を特定するために更なる補助的手段が必要である。

ΔＴ＝Ｔ₀／２の付近の、すなわち０．４〜０．６、好ましくは０．４５〜０．５５の範囲における時間間隔の値に対して感度が特に高いことも明らかである。この範囲においては、包絡線１７が短い周期長とそれゆえ急峻な傾きを有するからである。

図２は、本発明の第２の有利な実施形態を示す。この装置は第２のフィルタ・ユニット１９を備え、第２のフィルタ・ユニット１９は、測定装置９に接続され、かつ測定装置９に組み込まれており、光検出器５の出力端子に接続されている。第２のフィルタ・ユニット１９は、出力された電気応答信号１５の周波数スペクトルから第２の選択高調波をフィルタリングにより抽出するように設計されている。測定装置９は、選択高調波の振幅と第２の選択高調波の振幅との差を形成して、時間間隔ΔＴの変化をこの差の変化から検出するように設計されている。

図１１及び図１２は、時間間隔がΔＴ＝０．４８・Ｔ₀のとき、どのように第４５高調波及び第４４高調波が選択されてフィルタリングにより抽出され、振幅Ａ₄₅及びＡ₄₄が測定され、差ΔＡ＝Ａ₄₄−Ａ₄₅が形成されるのかを示す。差ΔＡの光信号１又は光基準信号３の振幅Ａ_tの変動に対する依存は、最大限に低い。前記変動は、２つの振幅Ａ₄₅及びＡ₄₄に同じ影響を及ぼし、したがって、差ΔＡを不変のままにしておくからである。

図１２は、差ΔＡ＝Ａ₄₄−Ａ₄₅を時間間隔ΔＴの関数として示す。ここで、差ΔＡがどれほど強く時間間隔ΔＴに依存するかが特に明白になる。図１１のΔＴ＝０．４８・Ｔ₀のときの動作点は、白抜きの丸としてプロットされている。（２ｋ−１）個のゼロ交差の一つにおいて、傾きの大きさが最大になり、差ΔＡはΔＴの変化に対し最も高い感度を有する。ここで、選択された４５次に対し、ｋ＝４５である。ΔＡ＝０の値に調整することが可能であることの利点は、他にもある。傾きは、ΔＴ＝Ｔ₀／２に近いゼロ交差において、最も急峻である。すなわち、

方程式（３）から、感度は、低次の高周波よりも高次の高調波に対してより大きいことがすぐに明らかになる。好ましい動作点（図１２において、黒い点で示されている）は、ΔＴ∈［Ｔ₀／２−Ｔ₀／（２ｋ−１），Ｔ₀／２］の動作範囲において、ΔＡ＝０に調整することが可能な、ΔＴ＝Ｔ₀／２［１−１／（２ｋ−１）］のゼロ交差でもよい。考え得る動作点としてのΔＴ値の多様性は、図１２からも明らかになる。

図３は、他の構成要素（図示せず）との同期をとるために到達時刻モニタ２１が必要とする光信号１の経路長を修正ための、本発明の考え得る用途を示す。このためには、光信号である原信号２４はモード結合短パルス・レーザ２３により生成され、そこから、半透過性の第１のミラー２５を用いて光信号１を分岐させる。

原信号２４は、同期をとるために同様に光信号１を分岐させる他の構成要素にも送られる。信号１は、光導波路２７を介して第１のミラー２５から到達時刻モニタ２１に送られる。ここで、例えば、温度の影響により光導波路２７の長さが変化すると、他の構成要素との同期に支障をきたす可能性がある。

本発明に係る方法を用いて、光導波路２７の長さのあらゆる変化を検出できる。このためには、到達時刻モニタ２１側の光導波路２７の端部にある半透過性の第２のミラー２９を用いて、信号１を１８０度反射したものである基準信号３を生成する。したがって、基準信号３は、光導波路２７において、信号１に対して反対方向に逆行する。

第１のミラー２５側の光導波路２７の端部にある第３のミラー３１は、基準信号３を１８０度反射して再び信号１の方向に向ける。そして、第２のミラー２９と第３のミラー３１との間の光導波路２７の所望の位置にある半透過性の第４のミラー３３は、光検出器５に対して信号１及び基準信号３を分岐する。

信号１とは対照的に、基準信号３は、光検出器５に達するまでに、第２のミラー２９と第３のミラー３１との間の経路長、すなわち、ほぼ光導波路２７の長さを２回通る。第２のミラー２９の及び／又は第３のミラー３１の位置は、信号１のパルス及び基準信号３のパルスが所望の時間間隔ΔＴを有するように設定できる。これは、好ましくは信号１の又は基準信号３の持続時間Ｔ₀の０．４５倍から０．５５倍の範囲の間隔である。

ここで、光検出器５の出力端子１３に接続されている測定装置９は、本発明に係る方法を用いて時間間隔ΔＴの変化を検出できる。そのような変化は、例えば、基準信号３が信号１の２倍よりも長く光導波路２７を通過したために光導波路２７の長さが変化するときに生じる。そして、この検出された変化は、例えば、光導波路２７の長さの変化を補償するために第２のミラー２９と第３のミラー３１との間の光の経路長を再調整するように設計されているアクチュエータ３２に、情報として送ることができる。

図４は、本発明の第３の好ましい実施形態を示す。この実施形態においては、第２の光検出器３３と、追加フィルタ・ユニット３５と、ミキサ３７とを用いて、時間間隔の変化を検出する。これは、選択高調波の振幅が時間間隔ΔＴの所望の値において消去され、このゼロ値に調整されるよう意図されているときに有利である。

その場合、ミキサ３７における出力信号の振幅の変化の符号は、時間間隔ΔＴの変化の方向に関する情報を提供する。例えば、出力信号の振動成分を取り除くローパス・フィルター４９を用いて出力信号の振幅の符号付きの変化を抽出することができる。その場合、出力信号の振幅の変化は、時間間隔の変化の方向に依存する符号を有するので、その結果、時間間隔の変化の方向は、出力信号から特定することができ、それに応じて調整することができる。

第２の光検出器３３は、分岐光信号１を受け取って、第２の電気応答信号３９を第２の光検出器３３の出力端子４１から出力するように設計されている。この場合、第２の電気応答信号３９も、周波数スペクトルを有する。追加フィルタ・ユニット３５は、第２の光検出器の出力端子４１に接続され、出力された第２の電気応答信号３９の周波数スペクトルから選択基準高調波をフィルタリングにより抽出するように設計されている。この場合、基準高調波は、第１の光検出器５によって電気応答信号１５と共に出力された周波数スペクトルからの選択高調波と同じ次数を持つ。

ミキサ３７は、第１のフィルタ・ユニット７に接続された第１の入力端子４３と、追加フィルタ・ユニット３５に接続された第２の入力端子４５と、出力端子４７とを有する。ミキサ３７は、基準高調波及びフィルタリングされた選択高調波をミキシングして、出力信号をミキサ３７の出力端子４７から出力するように設計されており、時間間隔ΔＴの変化は、出力信号の振幅の符号付きの変化から検出できる。ミキサ３７及び追加フィルタ・ユニット３５は、測定装置９に組み込まれていてもよい。

図５及び図６は、同期を得るための異なる使用法を有する、本発明の第４の実施形態を示す。図５は、短パルス・レーザ２３の繰り返し率をマイクロ波発振器５１からの電気基準信号にどのように同期させるかを示す。すなわち、前述の方法が光‐電気モードで使用されている。

図４において示される第３の実施形態と同様に、まず、第２の光検出器３３及び追加フィルタ・ユニット３５を用いて、短パルス・レーザ２３より送出される分岐光基準信号３から選択基準高調波をフィルタリングにより抽出する。例えば、光路長を延長させた形の遅延装置５３に通される光信号１も、基準信号３から分岐される。

そして、光基準信号３は、マイクロ波発振器５１によって生成されて電気光学変調器５５の入力端子に入力される電気基準信号に基づいて基準信号３のパルスの振幅Ａ_tを変調する電気光学変調器５５を通過する。その後、光信号１は、振幅変調した光基準信号３と再び合成される。

この場合、遅延装置５３は、振幅変調した光基準信号３のパルスと光信号１のパルスとの間にＴ₀／２の経路差が生じるように設定される。この経路差を、本実施形態において光信号１及び電気基準信号に関連する時間間隔ΔＴと混同しないよう注意されたい。したがって、レーザ・パルスは、第１の光検出器５に周波数２ｆ₀で到達し、１つおきに電気基準信号に基づいて振幅変調されている。

光基準信号３の持続時間Ｔ₀と電気基準信号の持続時間は同じであり、そして、可能であれば、振幅変調は同じ振幅に及ぶ。電気光学変調器５５は、例えば、時間間隔がΔＴ＝０のとき、全ての変調されたパルスがＡ_t／２の振幅を有し、基準信号３のパルスが電気基準信号のゼロ交差に正確に一致するように、光基準信号３を変調することができる。光基準信号３の振幅は、光信号１及び電気基準信号間の時間間隔ΔＴの変化の仕方によって、大きくなるように又は小さくなるように変調される。

さらに、光信号１の振幅がＡ_t／２の振幅に設定される場合、１つおきに高調波が消去された、すなわち、奇数次の高周波が消去された周波数スペクトルが、ΔＴ＝０の時間間隔に対して生じる。ここで、第１の光検出器５によって電気応答信号１５と共に出力される周波数スペクトルから奇数次の高調波が選択されると、上で既に述べたように最小振幅に調整することが可能である。これは、ΔＴ≠０の時間間隔が生じるとすぐに、基準信号３の振幅変調は奇数次の選択高調波の振幅の増加をもたらすからである。

その場合、第３の実施形態と同様に、時間間隔の所望の値ΔＴ＝０において消去される選択高調波の振幅のゼロ値又は最小値に調整することが可能である。この場合、第２の光検出器３３によって受け取られて、追加フィルタ・ユニット３５でフィルタリングにより抽出される基準高調波は、第１の光検出器５によって電気応答信号１５と共に出力される周波数スペクトルからの選択高調波と同じ次数を持つ。

光基準信号３又は光信号１が振幅変調される光‐電気又は電気‐光モードにおける前述の方法の実施形態においては、時間間隔ΔＴの変化が光信号１のパルスと光基準信号３のパルスとの間の経路差の変化によって表されないので、経路差の変化に対する感度は、この場合最小にするべきである。

経路差の変化は、例えば、光信号１の又は光基準信号３の経路長の変化によって生じる。したがって、これらの実施形態に対しては、例えば、光信号１の又は光基準信号３の経路長の変化の影響を最小にするために、低次の高調波を選択すると有利である。ここで、ミキサ３７からの出力信号の振幅の符号付きの変化から時間間隔ΔＴの変化も検出するため、第１のフィルタ・ユニット７に接続された第１の入力端子４３と、追加フィルタ・ユニット３５に接続された第２の入力端子４５と、出力端子４７とを有するミキサ３７もここで設けられる。

ミキサ３７は、基準高調波及びフィルタリングされた選択高調波をミキシングして、出力信号をミキサ３７の出力端子４７から出力するように設計されており、出力信号の振幅の符号付きの変化から時間間隔ΔＴの変化を検出できる。ここで、ミキサ３７及び追加フィルタ・ユニット３５は、測定装置９に組み込まれる。

短パルス・レーザ２３の繰り返し率をマイクロ波発振器５１からの電気基準信号に同期させる場合は、図５に示すように、ミキサ３７の出力端子４７は、フィードバック５７を介して短パルス・レーザ２３の制御装置５９に接続され、前記制御装置は、出力信号を使用して短パルス・レーザ２３の繰り返し率を制御して時間間隔ΔＴを調整するように設計されている。

フィードバック以外は、図６は図５に対応し、光信号１と光基準信号３の役割が交換される。したがって、この場合は、光信号１を電気基準信号に同期させるのではなく、むしろ逆に電気信号を光基準信号３に同期させる。すなわち、前述の方法が電気‐光モードで使用される。この場合、光基準信号３は短パルス・レーザ２３からの光信号１から分岐され、光信号１は電気光学変調器５５によって電気信号の場合と同様に振幅変調される。

電気信号をそれに応じて同期させるために、ミキサ３７の出力端子４７はこの場合フィードバック５７を介してマイクロ波発振器５１の制御装置５９に接続され、前記制御装置は、出力信号の振幅の符号付きの変化によってマイクロ波発振器５１の位相シフトを制御して、時間間隔ΔＴを調整するように設計されている。

Claims (25)

1. 光検出器（５）を用いて光又は電気信号（１）と光又は電気基準信号（３）との間の時間間隔（ΔＴ）の変化を検出する方法であって、
   前記信号が電気的な場合に、前記電気信号に基づいて光信号（１）を変調するステップと、
   前記基準信号が電気的な場合に、前記電気基準信号に基づいて光基準信号（３）を変調するステップと、
   前記光検出器（５）によって前記光信号（１）及び前記光基準信号（３）を受け取るステップと、
   前記時間間隔（ΔＴ）に依存する周波数スペクトルを有する電気応答信号（１５）を前記光検出器（５）の出力端子（１３）から出力するステップと、
   出力された前記電気応答信号（１５）の前記周波数スペクトルから選択高調波をフィルタリングにより抽出するステップと、
   前記選択高調波の振幅の変化から前記時間間隔（ΔＴ）の変化を検出するステップと、
   を含む方法。
2. 前記光信号（１）及び／又は前記光基準信号（３）は、１つ以上のモード結合短パルス・レーザ（２３）によって生成される、請求項１に記載の方法。
3. 前記時間間隔（ΔＴ）は、前記光信号（１）の持続時間（Ｔ₀）の０．４倍から０．６倍までの範囲の値に設定される、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記選択高調波は、高次の、すなわち、５次以上の高調波である、請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 電気信号の場合には、前記光信号（１）の振幅は前記電気信号に基づいて変調され、電気基準信号の場合には、前記光基準信号（３）の振幅は前記電気基準信号に基づいて変調される、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記選択高調波の振幅の変化は、前記時間間隔（ΔＴ）の前記変化を示す直接的な尺度として使用される、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 出力された前記電気応答信号（１５）の前記周波数スペクトルから第２の選択高調波がさらにフィルタリングにより抽出され、前記選択高調波の振幅と前記第２の選択高調波の振幅との間の差（ΔＡ）の変化が前記時間間隔（ΔＴ）の前記変化を示す尺度として使用される、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記第２の選択高調波は、前記選択高調波の次数より１つ下又は上の次数を持つ、請求項７に記載の方法。
9. 前記周波数スペクトルの包絡線の傾きの大きさが前記選択高調波の周波数において最大になるように、少なくとも１つの高調波が選択又は前記時間間隔が設定される、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記周波数スペクトルの包絡線（１７）の大きさが前記選択高調波の周波数において最小になるように、少なくとも１つの高調波が選択又は前記時間間隔（ΔＴ）が設定される、請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
11. 第２の光検出器（３３）によって前記光信号（１）又は前記光基準信号（３）を受け取るステップと、
    周波数スペクトルを有する第２の電気応答信号（３９）を前記第２の光検出器（３３）の出力端子（４１）から出力するステップと、
    出力された前記第２の電気応答信号（３９）の前記周波数スペクトルから、前記選択高調波と同じ次数を持つ基準高調波をフィルタリングにより抽出するステップと、
    ミキサ（３７）において前記基準高調波及び前記フィルタリングされた選択高調波をミキシングするステップと、
    出力信号を前記ミキサ（３７）の出力端子（４７）から出力するステップと、
    前記出力信号の振幅の変化を前記時間間隔（ΔＴ）の変化を示す尺度として用いて前記時間間隔（ΔＴ）の変化を検出するステップと、
    をさらに含む、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記基準高調波及び前記フィルタリングされた選択高調波を、ミキシング中に乗算する、請求項１１に記載の方法。
13. 遅延装置（５３）を用いて、選択された時間だけ前記光信号（１）及び／又は前記光基準信号（３）を遅延させる、請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 光又は電気信号（１）を光又は電気基準信号（１）に同期させるための、請求項１から１３のいずれか１項に記載の方法の使用法であって、
    前記時間間隔（ΔＴ）は、前記方法によって検出される前記時間間隔（ΔＴ）の前記変化に基づいて調整される使用法。
15. 前記時間間隔（ΔＴ）は、フィードバック（５７）によって調整される、請求項１４に記載の使用法。
16. 隣接した次数を持つ２つの選択高調波の振幅間の差（ΔＡ）は、ゼロに調整される、請求項１４又は１５に記載の使用法。
17. 光検出器（５）と、フィルタ・ユニット（７）と、測定装置（９）とを備え、光又は電気信号（１）と光又は電気基準信号（３）との間の時間間隔（ΔＴ）の変化を検出する装置であって、
    電気信号及び／又は電気基準信号の場合には少なくとも１つの電気光学変調器（５５）が設けられ、当該電気光学変調器（５５）は前記電気信号又は前記電気基準信号に基づいて光信号（１）又は光基準信号（３）を変調するように設計されており、
    前記光検出器（５）は、前記光信号（１）及び前記光基準信号（３）を受け取って、前記時間間隔（ΔＴ）に依存する周波数スペクトルを有する電気応答信号（１５）を前記光検出器（５）の出力端子（１３）から出力するように設計されており、
    前記フィルタ・ユニット（７）は、前記光検出器（５）の前記出力端子（１３）に接続されており、また、出力された前記電気応答信号（１５）の前記周波数スペクトルから選択高調波をフィルタリングにより抽出するように設計されており、
    前記測定装置（９）は、前記フィルタ・ユニット（７）に接続されており、また、前記選択高調波の振幅の変化から前記時間間隔（ΔＴ）の変化を検出するように設計されている装置。
18. 前記光検出器（５）は広いバンド幅を有し、その結果、出力された前記電気応答信号（１５）の前記周波数スペクトルは少なくとも５つの高調波から構成される、請求項１７に記載の装置。
19. 前記測定装置（９）は、前記選択高調波の振幅に対して少なくともδＡ／Ａ＝１０^-3 の測定精度を有する、請求項１７又は１８に記載の装置。
20. 前記光検出器（５）の前記出力端子（１３）に接続されており、また、出力された前記電気応答信号（１５）の前記周波数スペクトルから第２の選択高調波をフィルタリングにより抽出するように設計されている第２のフィルタ・ユニット（１９）をさらに備え、
    前記測定装置（９）は、前記第２のフィルタ・ユニット（１９）に接続されており、また、前記選択高調波の振幅と前記第２の選択高調波の振幅との間の差（ΔＡ）の変化から前記時間間隔（ΔＴ）の変化を検出するように設計されている、
    請求項１７から１９のいずれか１項に記載の装置。
21. 少なくとも１つのフィルタ・ユニット（７、１９）が、前記測定装置（９）に組み込まれている、請求項１７から２０のいずれか１項に記載の装置。
22. 選択された時間だけ前記光信号（１）及び／又は前記光基準信号（３）を遅延させるように設計されている遅延装置（５３）をさらに備える、請求項１７から２１のいずれか１項に記載の装置。
23. 第２の光検出器（３３）と、追加フィルタ・ユニット（３５）と、ミキサ（３７）とをさらに備え、
    前記第２の光検出器（３３）は、前記光信号（１）又は前記光基準信号（３）を受け取って、周波数スペクトルを有する第２の電気応答信号（３９）を前記第２の光検出器（３３）の出力端子（４１）から出力するように設計されており、
    前記追加フィルタ・ユニット（３５）は、前記第２の光検出器（３３）の前記出力端子（４１）に接続されており、また、出力された前記第２の電気応答信号（３９）の前記周波数スペクトルから前記選択高調波と同じ次数を持つ選択基準高調波をフィルタリングにより抽出するように設計されており、
    前記ミキサ（３７）は、前記フィルタ・ユニット（５）に接続された第１の入力端子（４３）と、前記追加フィルタ・ユニット（３５）に接続された第２の入力端子（４５）と、出力端子（４７）とを有しており、
    前記ミキサ（３７）は、前記基準高調波及び前記フィルタリングされた選択高調波をミキシングして、振幅の変化から前記時間間隔（ΔＴ）の変化が検出可能な出力信号を前記ミキサ（３７）の前記出力端子（４７）から出力するように設計されている、
    請求項１７から２２のいずれか１項に記載の装置。
24. 前記ミキサ（３７）及び前記追加フィルタ・ユニット（３５）は、前記測定装置（９）に組み込まれている、請求項２３に記載の装置。
25. 前記測定装置（９）は、前記時間間隔（ΔＴ）を調整するように設計されている制御装置（５７）にフィードバックを介して接続されている、請求項１７から２４のいずれか１項に記載の装置。

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