JP6585410B2 - 光相関器 - Google Patents

Description

本発明は、光相関器に関し、短い光パルスや高速な光信号の波形を測定する波形測定器に関する。

近年、光通信や光計測では高速な光パルス信号が扱われ、高速光パルス信号の時間波形の測定が求められる。例えば、光パルスのパルス幅は100ps以下、高速なものでは10ps以下に達している。100ps程度のパルス幅であれば、高速なリアルタイムオシロスコープで計測可能であるが、1000万円程度の高価な装置である。さらにパルス幅が短い短パルスの計測にはサンプリングオシロスコープが用いられ、500〜1000万円程度の装置で最速では数psのパルスを計測することができる。

上記したリアルタイムオシロスコープやサンプリングオシロスコープは大型で高価な装置である。一方、安価にパルス波形を観測する装置として、従来から光パルスのパルス幅を測定する自己相関計が知られている。

自己相関計は、例えば、入射された光パルスをビームスプリッタで２つのビームに分割し、分割された一方の光路のビームを固定ミラーで反射し、分割された他方のビームを可動ミラーで反射し、それぞれの反射ビームをビームスプリッタを経てSHG（Second Harmonic Generation）結晶に集光させ、SHG結晶による第２高調波発生を利用したSHG相関法により自己相関波形を取得し、自己相関波形に基づいて光パルスのパルス幅を測定することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

上記した光相関計は可変遅延線が必要であり、現在、可変遅延線は空間光ビームの往復距離を機械式可変ミラーで変えることにより実現される。この機械式可変ミラーは数十センチ角のボックスサイズの光学測定機器であり、サイズが大型であるという問題の他に、応答速度が１０〜１００Ｈｚであるため、単発の光パルスの測定が困難であるという問題がある。

また、本願の出願人は、可変遅延線として機械式可動式ミラーに代えてフォトニック結晶のスローライト効果を用いることによって小型化を実現したオンチップの超小型光相関計を提案している（特許文献２参照）

特開２００３−１０６９０３号公報（段落［0003］,［0004］） 特開２０１４−１７３８７３号

光通信や光計測の高速化に伴って１０ps以下の光パルスの測定の要求が高まっているが、機械式可動式ミラーを用いた光相関計の応答速度は高々１０〜１００Ｈzであり、スローライト効果を用いた場合であっても、熱光学効果を用いた場合の応答速度は１〜１０ｋＨzであり、キャリアプラズマ効果を用いた場合であっても応答速度は０．１〜１ＧＨzに過ぎない。

そのため、従来の光相関計によれば１０ps以下の光パルスの計測は可能であるが、単発パルスで計測するに十分な動作速度を得ることはできないため、可変遅延線を用いて光パルスを繰り返すことで測定動作を複数行う必要がある。

そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、光相関計測の動作速度を高め、光パルスの単発パルスでの波形計測を可能とすることを目的とする。

本願発明は、光パルスの被測定光を空間領域に入射し、両方の光が重なる重なり領域を形成して自己相関又は相互相関による光相関を行わせ、この重なり領域を複数の光検出器で検出し、光強度に応じた光電流を出力する。得られた光電流の空間分布は被測定光の相関波形と対応しており、被測定光の波形を求めることができる。

光相関で形成される光の重なり領域に対応して、複数の光検出器を配置すると、各光検出器から同時点で検出される光電流の空間的な分布は、各光相関で形成された光の重なり領域での分布を表し、また、各光検出器から順次に検出される光電流は、重なり領域の各位置における光相関の状態変化を表している。重なり領域の各位置において光相関で得られる光電流を累積して得られる光の重なり領域での光電流の分布は、被測定光の光相関波形に対応する。これによって、各光検出器から同時に検出される光電流の空間的な分布の累積によって被測定光の光相関波形を求めることによって、光相関波形から被測定光の波形を求めることができる。

光相関で形成される光の重なり領域での分布は単一の光パルスを入射することで形成することができ、この光の重なり領域での分布を複数の光検出器で検出することができるため、従来構成のように可変遅延線を用いて被測定光を繰り返して入射することなく、一つの光パルスで波形検出が可能となる。したがって、光パルスの被測定光の波形計測を、単発パルスで行うことができる。

本願発明の光相関器は、被測定光と重ね合わせ光とを入射し、被測定光と重ね合わせ光とを光学的に重ね合わせてなる重なり領域と、重なり領域の複数位置において、各位置における光強度に基づいて得られる光電流を出力する複数個の光検出器を重なり領域に沿ってアレイ状に配置してなる光検出部と、光電流から被測定光の波形を測定する波形測定部とを備える。

光検出器は、二光子吸収特性（非線形吸収特性）を有するフォトデテクタを用いることができる。光パルスの強度が高く、フォトデテクタのバンドギャップの半分よりも光子エネルギーが大きい時には二光子吸収（非線形吸収）が発生し、光強度の二乗に比例した光電流が発生する。

重なり領域において、被測定光と重ね合わせ光とが光学的に重なる場合には、被測定光又は重ね合わせ光が単独である場合よりも光強度が増し、さらに二光子吸収によって増大された光強度の二乗に比例した光電流が発生するため、相関波形が現れる。

光導波路に対して２つの光信号を同時に入射したとき、これら２つの光信号が異なる速度を有している場合には、光導波路内において一方の光が他方の光を追い越す現象、又はすれ違う現象が生じ、特定の位置において両方の光が重なる。二光子吸収による光電流は光強度の二乗に比例するため、重なり位置での光検出器の光電流は大きく、重なり位置から離れるに従って光検出器の光電流は徐々に小さくなる。光電流の空間的な分布は２つの光信号の波形を反映するため、光電流の空間的分布から光信号の波形を求めることができる。

波形測定部は、光検出部の複数個の光検出器の配置位置に基づいて光電流の重なり領域における空間分布を取得し、光電流の空間分布に基づいて被測定光と重ね合わせ光との光相関で得られる相関波形に基づいて被測定光の波形を形成する。

波形測定部は、光検出部の複数個の光検出器の配置位置と各光検出器の光電流とから、重なり領域における空間分布を取得する空間分布取得部と、光電流の空間分布に基づいて被測定光と重ね合わせ光との相関波形を求め、相関波形から被測定光の波形を形成する波形形成部を備える構成としてもよい。

重なり領域は、被測定光と重ね合わせ光とを光学的に重ね合わせて光相関による光を形成する領域であり、重ね合わせ光は、被測定光を分岐して得られる分岐光、又は被測定光よりも十分に波形幅が狭いパルス光を用いることができる。

被測定光を分岐して得られる分岐光を重ね合わせ光とした場合には、被測定光同士を重ね合わせることになるため、自己相関による光相関となる。パルス光を重ね合わせ光とした場合には、被測定光に対してパルス光をゲート光として重ね合わせることになるため、相互相関による光相関となる。

本願発明の光相関器は、被測定光の光相関を形成する重なり領域として、光導波路とする態様、又は空間領域とする態様とすることができる。

［重なり領域を光導波路とする態様］
被測定光の光相関を形成する重なり領域として光導波路を用いる態様では、光導波路の両端から被測定光と重ね合わせ光を互いに伝搬方向を逆方向にして対向させて入射して光相関を行う形態、及び光導波路の同一の一端から被測定光と重ね合わせ光とを伝搬方向を同方向にして入射させ、光導波路の伝搬中に重ね合わせ光と被測定光の何れかが他方を追い越すことによって光相関を行う形態とすることができる。上記した両形態は、共に光導波路を伝搬する２つの光信号の速度を変えることによって、光導波路の伝搬中において光を重ね合わせて光相関を行わせるものである。

（光導波路の両端から入射する形態）
光導波路の両端から入射する形態では、光相関器は、被測定光を分岐する分岐器と、分岐器で分岐した光を両端から入射する光導波路とを備える。

重なり領域は光導波路上に形成される。光導波路において、分岐器で分岐した一方の分岐光を被測定光として一方の端部から入射し、他方の分岐光を重ね合わせ光として他方の端部から入射する。光導波路内において両端から入射した被測定光及び重ね合わせ光は逆の光伝搬方向に重ね合わされて光相関が行われる。

光検出部は、光導波路の内部又は光導波路に隣接する位置において、光伝搬方向に沿って複数の光検出器を配置し、重なり領域の複数位置において光を検出する。

（高精細な波形検出）
光導波路の両端から入射する形態において、重なり領域内の検出点を増加させ、光電流の検出個数を増やすことによって被測定光について高精細な波形を検出することができる。この高精細な波形検出は、重ね合わせ光として被測定光を用いることによって自己相関波形を形成する形態、及び重ね合わせ光としてパルス光を用いることによって相互相関波形を形成する形態の各形態で構成することができる。

自己相関波形を形成する形態では、重ね合わせ光を形成する構成において、可変遅延器を用いて形成する構成、及び分散器を用いて形成する構成とすることができる。

可変遅延器を用いて重ね合わせ光を形成する構成では、分岐器と光導波路の一方の端部との間に可変遅延器を備える。可変遅延器は遅延時間を異にする重ね合わせ光を形成し、重なり領域において、被測定光と重ね合わせ光との重ね合わせのタイミングを異ならせて複数の自己相関波形を形成する。この構成によれば、重なり領域において光電流の取得点の点数を増加することができる。

分散器を用いて重ね合わせ光を形成する構成では、分岐器の入射側に分散器を備える。分散器は被測定光及び重ね合わせ光の時間幅を広げ、重なり領域において、被測定光と重ね合わせ光が光学的に重ね合わさる時間幅を広げて自己相関波形を形成する。この構成によれば、重なり領域において光電流の取得点の点数を増加することができる。

相互相関波形を形成する形態では、重ね合わせるパルス光を形成する構成として、分岐器と光導波路の一方の端部との間に光増幅器及び非線形光導波路を備え、分岐器と光導波路の他方の端部との間に遅延補償用光導波路を備える。光増幅器及び非線形光導波路は、被測定光よりも時間幅の狭いパルス光を形成する。他方、遅延補償用光導波路は、光増幅器及び非線形光導波路によって生じるパルス光の遅延に合わせて被測定光を遅延させ、光導波路への入射のタイミングを合わせ、これによって重なり領域において、パルス光を重ね合わせ光として被測定光と光学的に重ね合わせ相互相関波形を形成する。

（光導波路の一端から入射する形態）
光導波路の一端から入射する形態として第１の形態、及び第２の形態とすることができる。

光導波路の一端から入射する第１の形態では、光相関器は、被測定光を分岐する分岐器と、分岐器で分岐した一方の被測定光を波長変換又は偏波変換する変換器と、分岐器で分岐した一方の被測定光と、変換器の光を重ね合わせ光として合波する合波器と、合波器で合波した被測定光及び重ね合わせ光を入射する光導波路を備える。

重なり領域は光導波路上に形成される。光導波路としては、異なる波長、異なる偏光などに対して光の伝搬速度が異なるものを用いる。これにより、光導波路内において、重ね合わせ光が被測定光を追い越すことで重ね合わせを行い自己相関波形を形成する。光検出部は、複数の光検出器を光導波路の内部、又は光導波路に隣接する位置に光伝搬方向に沿って配置し、重なり領域の複数位置において光を検出する。

光導波路の一端から入射する第２の形態は、光相関器は、被測定光を分岐する分岐器と、分岐器で分岐した一方の被測定光をパルス圧縮するパルス圧縮器と、分岐器で分岐した一方の被測定光と、パルス圧縮器の光を重ね合わせ光として合波する合波器と、合波器で合波した被測定光及び前記重ね合わせ光を入射する光導波路を備える。

重なり領域は光導波路上に形成される。光導波路内において、重ね合わせ光が被測定光を追い越すことで重ね合わせを行って相互相関波形を形成する。光検出部は、複数の光検出器を光導波路の内部、又は光導波路に隣接する位置に光伝搬方向に沿って配置し、重なり領域の複数位置において光を検出する。

（光導波路で重ね合わせを行う他の態様）
光導波路で重ね合わせを行う他の態様は、複数の光検出器を重なり領域に沿ってアレイ状に配置する構成に代えて、複数個の重なり領域を構成し、各重なり領域に光検出器を配置する構成である。

この態様の光相関器は、被測定光を２分する第１の分岐器と、第１の分岐器で分岐した一方の被測定光を複数に分岐する第２の分岐器と、第１の分岐器で分岐した他方の被測定光を複数に分岐する第３の分岐器とを備え、第２の分岐器で分岐した光と第３の分岐器で分岐した光を両端から入射する複数の分岐光導波路とを備える。

複数の各分岐光導波路はそれぞれ光検出部を備える。各分岐光導波路において、分岐光導波路の内部、又は分岐光導波路に隣接する位置であって、分岐光導波路の中央からの距離が順に異なる位置に光検出器を配置し、各分岐光導波路の重なり領域の複数位置において光を検出する。

（フォトデテクターの出力補償）
重なり領域を光導波路で形成する構成において、一般に光導波路の入射端側に配置された光検出器の光電流は入射端から離れた位置に配置された光検出器の光電流よりも強度が大きくなるため、配置位置による光電流の強度差を補償するために、光導波路において入射端から離れた位置に配置する光検出器の伝搬方向の幅を入射端側に配置する光検出器の伝搬方向の幅よりも幅広とする。

光導波路の両端から光を入射する場合には、光導波路の中央部側に配置する光検出器の伝搬方向の幅を光導波路の両端側に配置する光検出器の伝搬方向の幅よりも幅広とする。また、光導波路の一方の端部から２つの光を入射する場合には、光導波路の入射端から離れた位置に配置する光検出器の伝搬方向の幅を光導波路の入射端側に配置する光検出器の伝搬方向の幅よりも幅広とする。

［空間領域で重ね合わせを行う態様］
被測定光の光相関を形成する重なり領域として空間領域を用いる態様では、平行ビームの被測定光及び重ね合わせ光を空間伝搬させ、入射面に対して所定の入射角度で重ね合わせる空間領域を重なり領域とする。

重なり領域において、被測定光及び重ね合わせ光を時間差を有して重ね合わせることで光相関を行わせる。光検出部は、複数の光検出器を重なり領域において光が順に重ね合わさる方向に沿って配置し、重なり領域の複数位置の光を検出する。

以上説明したように、本願発明の光相関器によれば、光相関計測の動作速度を高め、光パルスの単発パルスでの波形計測が可能である。

本願発明の光相関器の概略構成を説明するための図である。 光導波路の両端から光を入射する形態の概略構成を説明するための図である。 光導波路の両端から光を入射した場合の光相関を説明するための図である。 複数の光検出器をアレイ状に離散的に配置した構成を説明するための図である。 光導波路の両端から光を入射した場合の光相関を説明するための図である。 光導波路に配置した光検出器の光電流の出力特性を説明するための図である。 被測定光の波形を高精細に求める第１の構成を説明するための図である。 被測定光の波形を高精細に求める第２の構成を説明するための図である。 被測定光の波形を高精細に求める第３の構成を説明するための図である。 相互相関による光相関による構成を説明するための図である。 相互相関による光相関による光の重なり状態及び光電流を説明するための図である。 本願発明の光相関器のその他の構成例を説明するための図である。 本願発明の光相関器のその他の構成例の光の重なり状態を説明するための図である。 光導波路の片端から被測定光及び重ね合わせ光を入射する形態を説明するための図である。 光導波路の片端から被測定光及び重ね合わせ光を入射する形態を説明するための図である。 光の重ね合わせを空間領域で行う構成を説明するための図である。 二光子吸収フォトダイオードにより検出される光電流値の計算例を示す図である。

以下、本願発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。以下、図１を用いて本願発明の光相関器の概略構成例を説明し、図２〜図１５を用いて光を重ね合わせる重なり領域を光導波路とする構成を説明し、図１６を用いて光を重ね合わせる重なり領域を空間領域とする構成を説明する。図２〜図１５において、図２〜図１３は本願発明の光相関器において光導波路の両端部から光を入射する構成例を示し、図１４，１５は本願発明の光相関器において光導波路の片方の端部から光を入射する構成例を示している。図１７は二光子吸収フォトダイオードにより検出される光電流値の計算例を示している。

［光相関器の概略構成例］
図１は本願発明の光相関器の概略構成を説明するための図である。光相関器１は、波形の測定を行う被測定光Ａと、被測定光Ａとの光学的な重ね合わせによる光相関で得られる重畳光を複数個の光検出器３ａで検出し、得られた光電流によって被測定光の波形を求める。ここで、被測定光との重ね合わせによって光相関を得るための他方の光を「重ね合わせ光」とし、図では被測定光Ａに対して重ね合わせ光Ｂで表記する。重ね合わせ光は、被測定光の分岐光、あるいは被測定光よりも波形幅が狭いパルス光とすることができ、被測定光の分岐光を用いた場合の光相関は自己相関であり、パルス光を用いた場合の光相関は相互相関となる。

図１において、被測定光Ａと重ね合わせ光Ｂを同方向から入射した際に両光の速度が異なる場合には、一方の光が他方の光を追い越す現象が発生し、又、被測定光Ａと重ね合わせ光Ｂとを互いに逆方向から入射した場合には、両方の光が互いにすれ違う現象が発生し、重なり領域２において空間的に両方の光が重なる。重なり領域２では、被測定光Ａと重ね合わせ光Ｂとの光相関によって光強度が空間的に分布し、この光強度の空間的分布は光の移動と共に変化する。

光相関器１は、光検出部３と、光検出部３で得られる光電流から被測定光Ａの波形を形成する波形測定部４とを備える。

光検出部３は、重なり領域２の複数位置において、複数個の光検出器３ａを重なり領域に沿ってアレイ状に配置して構成され、各光検出器３ａは各配置位置における光強度に基づいて光電流(Ｐ１〜Ｐ９)を出力する。なお、図１では、光検出器３ａを９個配置した例を示しているが、一例であって配置個数は任意に定めることができる。

波形測定部４は、光検出部３の複数個の光検出器３ａの配置位置に基づいて光電流の重なり領域２における空間分布を取得し、光電流の空間分布に基づいて被測定光Ａと重ね合わせ光Ｂとの光相関で得られる相関波形に基づいて被測定光Ａの波形を形成する。

なお、波形測定部４は、光検出部３の複数個の光検出器３ａの配置位置と各光検出器３ａの光電流とから、重なり領域２における光電流の空間分布２０を取得する空間分布取得部４ａと、光電流の空間分布２０に基づいて被測定光Ａと重ね合わせ光Ｂとの相関波形２１を求め、相関波形２１から被測定光Ａの波形２２を形成する波形形成部４ｂを備える構成としてもよい。波形形成部４ｂは、光電流の空間分布２０の点データから補間処理によって連続データを取得する補間処理部を備える構成とすることができる。

［重なり領域を光導波路とする構成］
以下、図２〜図１５を用いて、光相関器において、被測定光の光相関を形成する重なり領域を光導波路とする態様について説明する。

被測定光の光相関を形成する重なり領域として光導波路を用いる態様では、光導波路を伝搬する２つの光信号の速度を変える形態として、光導波路の両端から被測定光と重ね合わせ光を互いに伝搬方向を逆方向にして対向させて入射して光相関を行う形態、及び光導波路の同一の一端から被測定光と重ね合わせ光を伝搬方向を同方向にして入射させ、光導波路の伝搬中に重ね合わせ光と被測定光の何れかが他方を追い越すことによって光相関を行う形態とすることができる。

（光導波路の両端から入射する形態）
以下、重なり領域を光導波路とする光相関器１Ａについて、図２〜図１３を用いて光導波路の両端から被測定光及び重ね合わせ光を入射する形態について説明し、図２〜図６を用いて概略構成を説明し、図７〜図１１を用いて波形測定を高精度に行う第１の構成例〜第４の構成例を説明し、図１２，１３を用いて更に別の構成例を説明する。

図２は光導波路の両端から光を入射する形態の概略構成を説明するための図である。図２は光検出部３の概略構成を示している。光検出部３は、ＳＯＩ基板３ｂに形成した光導波路３ｃの伝搬方向に沿って、光導波路３ｃ上あるいは光導波路３ｃに隣接させて複数の光検出器３ａ（３ａ１〜３ａｎ）をアレイ状に配置する。

光検出器３ａは、ｎドープ領域３ｎとｐドープ領域３ｐとを、両ドープ領域の隣接部が光導波路３ｃ上となるように形成し、ｎドープ領域３ｎ側に直流電源を接続し、ｐドープ領域３ｐ側に電流検出器を接続する。

光導波路３ｃの両端にはスポットサイズ変換器３ｄが設けられる。スポットサイズ変換器３ｄは、レンズ３ｅを通して入射された光を光導波路３ｃの光路幅に変換した後、光導波路３ｃに入射する。

図３は光導波路の両端から光を入射した場合の光相関を説明するための図である。ここでは、光パルスＡと光パルスＢを光導波路３ｃの両端から入射させた場合において、光相関の時間変化を模式的に示し、実線は光パルスＡを示し、破線は光パルスＢを示し、両光パルスが重なる部分を地模様で示している。

光導波路３ｃ中の濃淡表示は、各光パルスＡ，Ｂ及び両光パルスの光相関を光検出して得られる光電流の大きさを表し、濃い部分は淡い部分よりも光電流が大きいことを表している。

図３（ａ）〜図３（ｈ）は、左方から入射し右方向に伝搬する光パルスＡと右方から入射し左方向に伝搬する光パルスＢが光導波路３ｃの中央側で重なり、その後、離れて互いに反対側の端部方向に向かって伝搬する状態を示している。図３（ｅ）は光パルスＡと光パルスＢとが重なった状態を示している。図３（ｉ）は、各時点の光電流を光導波路の伝搬方向について累積して得られる電流分布を示しており、この電流分布は光パルスの波形を表している。

図３は、光導波路３ｃの全領域について連続的に光電流を求めた際に得られる状態を示している。

本願発明の光相関器は、図２に示す様に光導波路３ｃの伝搬方向に沿って複数の光検出器３ａをアレイ状に離散的に配置した構成であるため、図３の様に連続的に光電流を検出することはできない。

図４は、複数の光検出器３ａをアレイ状に離散的に配置した構成について示している。図４（ａ）、（ｂ）は光導波路に対する光の入射について概略構成及び詳細構成を示している。

図４（ａ）において、光入力を第１の分岐器６で分岐して二つの分岐光とし、一方の分岐光を光路７ａを介して光導波路３ｃの一方の端部に入射し、他方の分岐光を光路７ｂを介して光導波路３ｃの他方の端部に入射する。

図４（ｂ）において、第１の分岐器６、光路７ａ，７ｂ、光導波路３ｃ、及び光検出器３ａをＳＯＩ基板上に形成する。第１の分岐器６はシリコンフォトニクスの細線導波路によって構成し、導波路３ｃはフォトニック結晶スローライト導波路で構成し、光検出部３（３Ａ）はフォトニック結晶スローライト導波路に複数個のｐｎダイオードを集積して分布型二光子吸収フォトダイオードを構成して光検出器３ａを形成することができる。

図５は、図３と同様に、光導波路の両端から光を入射した場合の光相関を説明するための図であり、複数の光検出器３ａは光導波路３ｃの伝搬方向に沿ってアレイ状に配置される。図５（ａ）〜（ｈ）は、図３（ａ）〜（ｈ）の光パルス及び光電流の状態と対応している。

図５の光導波路３ｃ内の斜線を施した矩形形状は光検出器３ａを模式的に示している。複数の光検出器３ａは、光パルスＡ、光パルスＢ、及び両光パルスの重なりの光を検出し、各配置位置における光の光強度に応じた光電流を出力する。光検出器３ａは、二光子吸収特性によって、光強度の二乗に比例した光電流を出力する。

図５（ｉ）の×印は、各時点の光電流を光導波路の伝搬方向について、各光検出器３ａの光電流を累積して得られる電流分布を示している。図５（ｉ）中の×印で示す電流分布は、光検出器３ａの配置に対応した離散値な分布である。これらの離散値を補間処理することによって連続的な電流分布とし、これによって被測定光の波形を求めることができる。図５（ｉ）中の曲線は、離散的な電流値分布から求められる連続的な電流分布を示している。

（光検出器（フォトデテクター）の出力補償）
光検出器（フォトデテクター）のバンドギャップよりも短波長の光パルスを光導波路に入射すると、入射端近くから徐々に吸収され光電流が発生する。

このような短波長に対しては大きな光吸収が発生するため、光は導波路内部には到達せずに消滅する。また、アレイ状の光検出器に生ずる光電流の分布も、光パルス形状を反映したものとはならない。一方、バンドギャップよりも長波長光パルスを光導波路に入射すると、上記したような光吸収が起こらないため、光電流も発生しない。しかし、光パルスの強度が高い場合に、非線形吸収である二光子吸収が起こり、これによる光電流が発生する。このような吸収は一般には強くないので、光パルスは二光子吸収を受けながらも光導波路を伝搬し、光強度の二乗に比例する光電流を発生させる。この場合、二つの光パルスの追い越しや、すれ違いによって、部分的に光パルスが重なると、大きな光電流が発生する。これが結果的に、アレイ状の光検出器に生じる光電流の分布が、光パルスの相関波形に対応する原理となる。ただし、このような光吸収の場合も、光は徐々に吸収されるので、一般に光導波路の入射端側に配置された光検出器の光電流は、入射端から離れた位置に配置された光検出器の光電流よりも大きくなる。

図６は光導波路に配置した光検出器の光電流の出力特性を示している。図６（ａ）〜（ｄ）は光導波路の両端から同波形の光パルスを入射した場合であり、図６（ｅ）〜（ｈ）は光導波路の一方の端部から同波形の光パルスを入射した場合であり、それぞれ光導波路に配置した光検出器の配置、及び光電流の出力特性を示している。

図６（ａ）は光検出器３ａの伝搬方向の幅を同一とした構成（３α）を示し、図６（ｂ）は構成（３α）の両端から入射して得られる光電流の分布特性を示している。また、図６（ｅ）は光検出器３ａの伝搬方向の幅を同一とした構成（３α）を示し、図６（ｆ）は構成（３α）の一方の端部から２つの光を入射して得られる光電流の分布特性を示している。

光検出器３ａの伝搬方向の幅を同一とした構成（３α）では、図６（ｂ）及び図６（ｆ）の光電流の分布特性が示す様に、光導波路に配置した光検出器で得られる光電流は入射端から遠ざかる程光電流が小さくなるため、得られる光電流の分布特性は入射端部側の電流値が大きくなり、電流分布に誤差が生じる。

光導波路における光検出器の光電流の強度差を補償するために、入射端から遠くに配置する光検出器の伝搬方向の幅を入射端側に配置する光検出器の伝搬方向の幅よりも幅広とする。

図６（ｃ）は光検出器３ａの伝搬方向の幅を両端側よりも中央部側を幅広とする構成（３β）を示し、図６（ｄ）は構成（３β）の両端から入射して得られる光電流の分布特性を示している。また、図６（ｇ）は光検出器３ａの伝搬方向の幅を入射端側よりも出射端側を幅広とする構成（３γ）を示し、図６（ｆ）は構成（３γ）の一方の端部から２つの光を入射して得られる光電流の分布特性を示している。

入射端から遠くに配置する光検出器３ａの伝搬方向の幅を入射端側に配置する光検出器３ａの伝搬方向の幅よりも幅広とする構成（３β、３γ）とすることによって、図６（ｄ）及び図６（ｈ）の光電流の分布特性が示す様に、入射端から離れて配置された光検出器が検出する光電流の強度の低下を抑制して電流分布の誤差を補償する。

なお、光検出器の伝搬方向の幅を幅広とする構成において、入射端からの距離に応じて直線的に広げる構成に限られるものではなく、光検出器の出力特定に基づいて広げる構成としてもよい。

以下、被測定光の波形を高精細に求める第１の構成〜第３の構成について図７〜図９を用いて説明する。

（第１の高精細構成）
図７を用いて被測定光の波形を高精細に求める第１の構成について説明する。図７（ａ）は第１の構成の概略を説明するための図である。図７（ａ）において、光入力を第１の分岐器６で分岐して二つの分岐光とし、一方の分岐光を光路７ａを介して光導波路３ｃの一方の端部に入射し、他方の分岐光を光路７ｂ及び光路７ｂに設けた可変遅延器８を介して光導波路３ｃの他方の端部に入射する。

可変遅延器８は、光路７ｂを介して光導波路３ｃの端部に入射する光のタイミングを、光路７ａを介して光導波路３ｃの他方の端部に入射する光よりもΔｔ分だけ遅くする。一方の端部から入射する光のタイミングをΔｔだけ遅らせることによって、光導波路３ｃ内で２つの光が重なりあう位置をずらせることができる。

図７（ｂ）はΔｔ＝０として遅延がない場合を示し、図７（ｃ），（ｄ）はそれぞれ遅延分ΔｔがΔｔ１及びΔｔ２である場合を示し、光導波路３ｃ内において２つの光が重なり合う位置がずれていることを示している。

図７（ｅ），（ｆ），（ｇ）は、図７（ｂ），（ｃ），（ｄ）の光の重なり状態で検出される光電流の空間分布を示している。図７（ｈ）は、図７（ｅ），（ｆ），（ｇ）の各光電流の空間分布を重ね合わせて状態を示している。位置ずれした複数の光の重なりから得られる光電流の電流値は、図７（ｅ）の光電流の電流値を空間的に補間するものとなり、被測定光の波形を高精細に求めることができる。

（第２の高精細構成）
図８を用いて被測定光の波形を高精細に求める第２の構成について説明する。図８（ａ）は第２の構成の概略を説明するための図である。図８（ａ）において、分散器９を通した光入力を第１の分岐器６で分岐して二つの分岐光とし、一方の分岐光を光路７ａを介して光導波路３ｃの一方の端部に入射し、他方の分岐光を光路７ｂを介して光導波路３ｃの他方の端部に入射する。

分散器９は光入力の信号幅を既知の割合だけ広げる。入射する光入力の信号幅を広げることによって、光導波路３ｃ内で２つの光が重なりあう範囲を伝搬方向に広げ、光検出を行う光検出器の個数を増加させる。

図８（ｂ），（ｃ）は分散器を通すこと無く、光入力をそのまま光導波路３ｃに入射したときの光の重なり状態を示し、図８（ｄ），（ｅ）は分散器を通して信号幅を広げた光入力を光導波路３ｃに入射したときの光の重なり状態を示している。

図８（ｆ），（ｇ）は、図８（ｃ），（ｅ）の光の重なり状態で検出される光電流の空間分布を示している。図８（ｇ）の光電流の検出点の点数は、図８（ｆ）の光電流の検出点の点数よりも増大しているため、図８（ｆ）の光電流の電流値を空間的に補間するものとなり、被測定光の波形を高精細に求めることができる。

（第３の高精細構成）
図９を用いて被測定光の波形を高精細に求める第３の構成について説明する。図９（ａ）は第３の構成の概略を説明するための図である。図９（ａ）において、二つの光検出部３Ａ，３Ｂを並設し、両光検出部３Ａ，３Ｂの光導波路の一端に第１の分岐器６で分岐した分岐光の一方を入射し、両光検出部３Ａ，３Ｂの光導波路の他端に第１の分岐器６で分岐した分岐光の他方を入射する。また、光検出部３Ａ，３Ｂは、光導波路３ｃの伝搬方向に沿って配置する複数の光検出器の配置位置をずらしておく。

両光検出部３Ａ，３Ｂの光導波路に入射する分岐光のタイミングを合わせることによって、両方の光導波路の光の重なり状態は同じ分布となる。また、光検出部３Ａ，３Ｂの光検出器の配置位置をずらすことによって、光の重なり状態を検出する検出点を増加させることができる。

図９（ｂ），（ｃ）は二つの光検出部３Ａ，３Ｂの光の重なり状態で検出される光電流の空間分布を示している。同じ光電流の空間分布について、図９（ｂ）に示す光電流の検出点の検出位置と、図９（ｃ）に示す光電流の検出点の検出位置は重なること無く、互いに補間する関係になり、被測定光の波形を高精細に求めることができる。（図９（ｄ））

（相互相関による構成例）
上記した各構成例は、本願発明の光相関器において自己相関による光相関を行う例を示している。次に、本願発明の光相関器において相互相関による光相関を行う例について図１０，１１を用いて説明する。

図１０は相互相関による光相関による構成を説明するための図である。図１０において、光入力を第１の分岐器６で分岐して二つの分岐光とし、一方の分岐光を光路７ａ及び光路７ａに設けた遅延補償用ファイバ１２を介して光導波路３ｃの一方の端部に入射し、他方の分岐光を光路７ｂ及び光路７ｂに設けた光増幅器１０、非線形ファイバ１１を介して光導波路３ｃの他方の端部に入射する。

光増幅器１０及び非線形ファイバ１１は、スペクトルを広げてパルス圧縮を行う構成であり、遅延補償用ファイバ１２は光増幅器１０及び非線形ファイバ１１によって生じるパルス光の遅延に合わせて被測定光を遅延させ、光導波路３ｃへの入射のタイミングを合わせ、これによって重なり領域において、パルス光を重ね合わせ光として被測定光と光学的に重ね合わせ相互相関波形を形成する。

図１１（ａ）において、一方の端部から被測定光Ａを入射し、他方の端部から光パルスＣを入射する。

図１１（ｂ）〜図１１（ｆ）は、光の重なり状態を示している。光パルスＣは被測定光Ａに対してゲート光として重ね合わさるため、相互相関による光相関が得られる。図１１（ｇ）は光の重なり状態で検出される光電流の空間分布を示している。図１１（ｇ）において、ｃ，ｄ，ｅ，ｆは、それぞれ図１１（ｂ）〜（ｆ）における光電流の値を示している。

（他の構成例）
次に、本願発明の光相関器のその他の構成例について図１２，１３を用いて説明する。図１２は概略構成を示し、図１３は光の重なり状態、及び各光検出器の検出状態を示している。

光導波路で重ね合わせを行う他の構成として、前記した複数の光検出器を重なり領域に沿ってアレイ状に配置する構成に代えて、複数の分岐光導波路のそれぞれに重なり領域を構成し、各分岐光導波路において中央からの距離を異ならせた位置に光検出器を配置し、これら各光検出器によって相関波形を得る構成とすることもできる。

図１２において、光相関器１Ｂは、被測定光を２分する第１の分岐器６と、第１の分岐器６で分岐した一方の被測定光を複数の分岐光に分岐する第２の分岐器１３と、第１の分岐器６で分岐した他方の被測定光を複数の分岐光に分岐する第３の分岐器１４とを備え、第２の分岐器１３で分岐した分岐光と第３の分岐器１４で分岐した分岐光を両端から入射する複数の分岐光導波路１５ａ〜１５ｎとを備える。

複数の分岐光導波路１５ａ〜１５ｎは第２の分岐器１３及び第３の分岐器１４に接続され、それぞれの中に重なり領域が形成される。各分岐光導波路は長さが同一でも、異なっていてもよい。光検出部３は、各分岐光導波路１５ａ〜１５ｎにおいて、分岐光導波路の内部、又は分岐光導波路に隣接する位置であって、分岐光導波路のそれぞれの中央からの距離が順に異なる位置に光検出器３ａ１〜３ａｎを配置し、各分岐光導波路の重なり領域の複数位置において光を検出する。１つの分岐光導波路１５ａには、その導波路の中央の位置に１つの光検出器３ａ１が配置される。その他の分岐光導波路１５ｂには２つの光検出器３ａ２が配置される。光検出器３ａ２は、その導波路の中央の位置から等距離の位置に配置される。分岐光導波路１５ｃ（図示していない）は、その中央から等距離の位置に２つの光検出器３ａ３（図示していない）〜３ａｎが配置される。光検出器３ａ２〜３ａｎは、各分岐光導波路１５ｂ〜１５ｎ間において、各導波路の中央からの距離が異なる。また、各分岐光導波路１５ｂ〜１５ｎにおいては、それぞれの光検出器３ａは各導波路の中央から等距離に配置される。

なお、図１２に示す構成では、光路長が最も短い分岐光導波路１５ａに１つの光検出器３ａ１を配置する構成例を示しているが、２つの光検出器３ａ１を中央から等距離に配置する構成としてもよい。

図１３において、（ａ）〜（ｈ）は複数の分岐光導波路における光の重なり状態の時間変化を時間経過順に示している。（ｉ）は光の重なり領域を光検出器が検出して得られる光電流分布を示している。ここでは、４つの分岐光導波路について示し、一方の入射端（図の左方側）からの入射光を実線で示し、他方の入射端（図の右方側）からの入射光を破線で示し、縦の細い破線は各光検出器の位置を示している。（ｉ）は（ａ）〜（ｈ）の光の重なり領域について各光検出器の出力を累積した光電流の分布を示している。なお、（ｉ）は、図示していない光検出器の光電流についても示している。光相関器１Ｂの構成によれば、被測定光の波形を求めることができる。ここでは各分岐導波路の長さが異なる場合を示しているが、必ずしもその必要はなく、一部、または全ての導波路の長さが等しくてもよい。

（光導波路の片端から光を入射する構成）
以下、重なり領域を光導波路とする光相関器１Ａについて、図１４、１５を用いて光導波路の片端から被測定光及び重ね合わせ光を入射する形態について説明する。

図１４（ａ）は光導波路の片端から被測定光及び重ね合わせ光を入射する構成の概略を説明するための図である。図１４（ａ）において、光入力を第１の分岐器６で分岐して二つの分岐光とし、一方の分岐光を光路７ｃを介して合波器１６に入射し、他方の分岐光を光路７ｄに設けた波長変換器１７又は偏波変換器１８の変換器、あるいはパルス圧縮器１９を介して合波器１６に入射する。

光導波路が備える波長依存性や偏波依存性によって、波長変換、偏波変換、パルス圧縮によって光導波路内での群速度が異なる場合には、同じ一端から入射した被測定光と重ね合わせ光とは伝搬中に重ね合わせが生じ、光相関が得られる。波長変換器１７又は偏波変換器１８の変換器、あるいはパルス圧縮器１９は、光導波路内３ｃでの群速度を異ならせる。図１４（ｂ）は波長変換の例を示し、例えば、被測定光の波長λ１を波長λ２に波長変換する。図１４（ｃ）は偏波変換の例を示し、図１４（ｄ）は波長を変換しながらパルス圧縮する例を示している。図１５（ａ）は異なる波長を用いた光相関の例を示し、図１５（ｂ）は異なる波長に変換されパルス圧縮されたパルス光を用いて光相関の例を示している。

［光の重ね合わせを空間領域で行う構成］
次に、光相関器において、被測定光の光相関を形成する重なり領域を空間領域とする態様について説明する。

被測定光の光相関を形成する重なり領域として空間領域を用いる態様では、平行ビームの被測定光及び重ね合わせ光を空間で伝搬させ、互いに入射面に対して所定の入射角度で空間内で重ね合わせる。これにより重なり領域は空間領域となる。

図１６は、光の重ね合わせを空間領域で行う構成を説明するための図である。図１６（ａ）において、平行ビームの被測定光Ａ及び重ね合わせ光Ｂを空間内を伝搬させ、重なり領域２に対して所定の入射角度で入射させる。重なり領域２に対して射角を有して入射した光は、重なり領域２の一方の端部から他方の端部に沿って光ビームが到達する時間にずれが生じる。

被測定光Ａ及び重ね合わせ光Ｂは重なり領域２に対して所定の入射角度で入射するため、被測定光及び重ね合わせ光は重なり領域内において時間差を有して重ね合わさる。この時間差を有した重ね合わせによって光相関が行われる。光検出部３は、重なり領域２に沿って複数の光検出器３ａを重なり領域において光が順に重ね合わさる方向に沿って配置し、重なり領域２の複数位置での光を検出する。

図１６（ｂ）〜（ｆ）は、被測定光Ａと重ね合わせ光Ｂの重なり状態の時間変化を示している。互いに対向する方向に入射した被測定光Ａと重ね合わせ光Ｂは、重なり領域２の中央付近で重なりが生じ、光相関による波形を前記した光導波路を用いた構成と同様に得ることができる。

図１７は、同形状の二つの光パルスを長さ２００ミクロン、群屈折率２０の光導波路の両端から同時に入射したときに得られる二光子吸収フォトダイオードの光電流値の計算例を示している。

図１７では、パルスの半値全幅がそれぞれ１ps、２ps、５ps、及び１０psの光パルスについて得られる光電流値の空間分布例を、光導波路の位置（μｍ）を横軸にとり、規格化電流を縦軸にとって示している。なお、光電流は背景電流を含んでいるため、０値となっていない。

なお、本発明は前記各実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨に基づいて種々変形することが可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の光相関計は、光通信、データ通信、光計測、ＬＳＩチップの内外を光接続する光インターコネクションにおける光デバイス、光を用いた検査機器等に適用することができる。

１，１Ａ，１Ｂ 光相関器
２重なり領域
３，３Ａ，３Ｂ 光検出部
３ａ，３ａ１-３ａｎ 光検出器
３ｂ ＳＯＩ基板
３ｃ 光導波路
３ｄ スポットサイズ変換器
３ｅ レンズ
３ｎ ドープ領域
３ｐ ドープ領域
４ 波形測定部
４ａ 空間分布取得部
４ｂ 波形形成部
６ 第１の分岐器
７ａ，７ｂ、７ｃ，７ｄ 光路
８ 可変遅延器
９ 分散器
１０ 光増幅器
１１ 非線形ファイバ
１２ 遅延補償用ファイバ
１３ 第２の分岐器
１４ 第３の分岐器
１５ａ-１５ｎ 分岐光導波路
１６ 合波器
１７ 波長変換器
１８ 偏波変換器
１９ パルス圧縮器
２０ 空間分布
２１ 相関波形
２２ 波形

Claims (12)

1. 被測定光と重ね合わせ光とを入射し、前記被測定光と前記重ね合わせ光とが光学的に重なる重なり領域と、
   前記重なり領域の複数位置において、各位置における光強度に基づいて得られる光電流を出力する複数個の光検出器を前記重なり領域に沿ってアレイ状に配置してなる光検出部と、
   前記光電流から前記被測定光の波形を測定する波形測定部とを備え、
   前記光検出部は、前記被測定光と前記重ね合わせ光とが光学的に重なる場合に発生する、二光子吸収によって増大された光強度の二乗に比例する前記光電流を出力し、
   前記波形測定部は、
   前記光検出部の複数個の光検出器の配置位置に基づいて前記光電流の前記重なり領域における空間分布を取得し、
   前記光電流の空間分布に基づいて前記被測定光と前記重ね合わせ光との光相関で得られる相関波形に基づいて前記被測定光の波形を形成することを特徴とする光相関器。
2. 前記被測定光を分岐する分岐器と、
   前記分岐器で分岐した光を両端から入射する光導波路とを備え、
   前記重なり領域は前記光導波路上に形成され、当該光導波路において、前記分岐器で分岐した一方の分岐光を前記被測定光として一方の端部から入射し、他方の分岐光を前記重ね合わせ光として他方の端部から入射し、前記光導波路内において両端から入射した前記被測定光及び前記重ね合わせ光を逆の光伝搬方向に重ね合わせることで光相関を行わせ、
   前記光検出部は、前記光導波路の内部又は前記光導波路に隣接する位置において、光伝搬方向に沿って複数の光検出器を配置し、前記重なり領域の複数位置において光を検出することを特徴とする請求項１に記載の光相関器。
3. 前記分岐器と前記光導波路の一方の端部との間に可変遅延器を備え、
   前記可変遅延器は遅延時間を異にする重ね合わせ光を形成し、前記重なり領域において、前記被測定光と前記重ね合わせ光との重ね合わせのタイミングを異ならせて複数の自己相関波形を形成し、前記重なり領域において前記光電流の取得点を増加することを特徴とする請求項２に記載の光相関器。
4. 前記分岐器の入射側に分散器を備え、
   前記分散器は前記被測定光及び前記重ね合わせ光の時間幅を広げ、前記重なり領域において、前記被測定光と前記重ね合わせ光が光学的に重ね合わさる時間幅を広げて自己相関波形を形成し、前記重なり領域において前記光電流の取得点を増加することを特徴とする請求項２に記載の光相関器。
5. 前記分岐器と前記光導波路の一方の端部との間に光増幅器及び非線形光導波路を備え、
   前記分岐器と前記光導波路の他方の端部との間に遅延補償用光導波路を備え、
   前記光増幅器及び非線形光導波路は、前記被測定光よりも時間幅の狭いパルス光を形成し、
   前記遅延補償用光導波路は、前記被測定光の遅延時間を前記パルス光の遅延時間に合わせ、
   前記重なり領域において、前記パルス光を前記重ね合わせ光として前記被測定光と光学的に重ね合わせ相互相関波形を形成することを特徴とする請求項２に記載の光相関器。
6. 前記被測定光を分岐する分岐器と、
   前記分岐器で分岐した一方の前記被測定光を波長変換又は偏波変換する変換器と、
   前記分岐器で分岐した一方の前記被測定光と、前記変換器の光を前記重ね合わせ光として合波する合波器と、
   前記合波器で合波した前記被測定光及び前記重ね合わせ光を入射する光導波路を備え、
   前記重なり領域は前記光導波路上に形成され、当該光導波路内において、前記重ね合わせ光が前記被測定光を追い越すことで重ね合わせを行って自己相関波形を形成し、
   前記光検出部は、複数の光検出器を前記光導波路の内部、又は前記光導波路に隣接する位置に光伝搬方向に沿って配置し、前記重なり領域の複数位置において光を検出することを特徴とする請求項１に記載の光相関器。
7. 前記被測定光を分岐する分岐器と、
   前記分岐器で分岐した一方の前記被測定光をパルス圧縮するパルス圧縮器と、
   前記分岐器で分岐した一方の前記被測定光と、前記パルス圧縮器の光を前記重ね合わせ光として合波する合波器と、
   前記合波器で合波した前記被測定光及び前記重ね合わせ光を入射する光導波路を備え、
   前記重なり領域は前記光導波路上に形成され、当該光導波路内において、前記重ね合わせ光が前記被測定光を追い越すことで重ね合わせを行って相互相関波形を形成し、
   前記光検出部は、複数の光検出器を前記光導波路の内部、又は前記光導波路に隣接する位置に光伝搬方向に沿って配置し、前記重なり領域の複数位置において光を検出することを特徴とする請求項１に記載の光相関器。
8. 前記重なり領域は、平行ビームの前記被測定光及び前記重ね合わせ光を空間伝搬させ、入射面に対して所定の入射角度で重なる空間領域であり、
   前記重なり領域において、前記被測定光及び前記重ね合わせ光を時間差を有して重ね合わせることで光相関を行わせ、
   前記光検出部は、複数の光検出器を前記重なり領域において光が順に重ね合わさる方向に沿って配置し、前記重なり領域の複数位置の光を検出することを特徴とする請求項１に記載の光相関器。
9. 前記光検出器において、前記光導波路の中央側に配置する前記光検出器の伝搬方向の幅は、前記光導波路の両端側に配置する前記光検出器の伝搬方向の幅よりも幅広であることを特徴とする、請求項２から５の何れか一つに記載の光相関器。
10. 前記光検出器において、前記光導波路の入射端側に配置する前記光検出器の伝搬方向の幅は、出射端側に向かって幅広であることを特徴とする、請求項７に記載の光相関器。
11. 前記被測定光を２分する第１の分岐器と、
    前記第１の分岐器で分岐した一方の前記被測定光を複数に分岐する第２の分岐器と、
    前記第１の分岐器で分岐した他方の前記被測定光を複数に分岐する第３の分岐器とを備え、
    前記第２の分岐器で分岐した光と前記第３の分岐器で分岐した光を両端から入射する複数の分岐光導波路とを備え、
    前記光検出部は、各分岐光導波路において、分岐光導波路の内部、又は分岐光導波路に隣接する位置であって、分岐光導波路の中央からの距離が順に異なる位置に光検出器を配置し、各分岐光導波路の前記重なり領域の複数位置において光を検出することを特徴とする請求項１に記載の光相関器。
12. 前記光検出器は、検出した光強度の二乗に比例する前記光電流を出力する非線形特性を有する二光子吸収フォトダイオードであることを特徴とする、請求項１から１１の何れか一つに記載の光相関器。