JPH02311722A - 光サンプリング波形測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光通信等に用いられる光パルス波形を和周波
光発生を利用して測定する光サンプリング波形測定装置
に利用され、特に、背景光を除去することにより、高Ｓ
Ｎ比で光パルス波形を測定できるようにした光サンプリ
ング波形測定装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、２次の非線形光学効果である和周波光発生（Ｓｕ
ｍ　Ｆｒｅｑｅｎｃｙ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）　（以
下、ＳＦＧという。）を利用した光サンプリング波形測
定では、観測すべき光パルスとそれより幅の狭いサンプ
リング光パルスを非線形光学結晶に導き、両者の相互相
関信号を和周波光（以下ＳＦ光という。）として取り出
す方法を使用している。

ＳＦＧとは角周波数ω１とω２の２光波を非線形光学材
料に入射すると和の角周波数（ω１＋ω２）の光が発生
する現象である。特に、２光波の角周波数が等しいとき
、（ωＤＡＴＡ　”ωＳＡＸ　＝ω。）は第二次高調波
（Ｓｅｃｏｎｄ　）ｌａｒｍｏｎｉｃ　Ｇｅｎｅｒａｔ
ｉｏｎ）　　（以下、ＳＨＧという。）と呼び、２倍の
角周波数２ωの光が発生する。ＳＦＧは特定の直線偏光
の入射光のみに対して位相整合が達成される。

位相整合とは、入射光により起きる非線形分極波の位相
速度と、それによって生ずるＳＦ光の位相速度が一致す
ることを意味しており、このときエネルギの変換が最も
効率良く起こる。

従来、この位相整合には、「タイプ１」の位相整合を行
う非線形光学結晶が用いられていた（特願昭６３〜３５
３５１号、特願昭６３−４２３２０号参照）。「タイプ
ｌ」の位相整合とは、二つの入射光（被測定光とサンプ
リング光）の偏光方向が同一で非線形光学結晶の複屈折
に対してともに異常光、またはともに常光の場合に位相
整合が起こることである。

非線形光学結晶は、一般に光学的異方性を持ち、光を入
射すると複屈折により二つの屈折光が現われ、光学軸方
向に伝搬する場合以外は光線速度は異なる。

非線形光学結晶として、ＫＴＰ　、いＮｂＯ３、Ｌｉ１
０３およびＫＮｂＯ３等が用いられるが、これらは−軸
性の結晶である。この場合、二つの屈折光のうち光線速
度が伝搬方向によらず一定となる偏光方向をもつ光を常
光、伝搬方向によって異なる光線速度が異なる光を異常
光と呼ぶ。従って、光線の伝搬方向を調節して異常光の
光線速度に適当に決めることによって、ＳＦＧの位相整
合を達成することが可能となる。

このＳＦＧを利用した光サンプリング波形測定方法にお
ける被測定パルスとサンプリング光パルスの時間的な相
対位置の変化と、これによって得られる低速の相互相関
信号波形を第５図に示す。

サンプリング光パルスの繰り返し周波数を被測定パルス
の繰り返し周波数ｆ　（Ｈｚ）よりも若干、すなわちΔ
ｆ　　（Ｈｚ）だけ低く、または高くすることによって
、第５図のようなΔｆ　　（Ｈｚ）の相互相関信号波形
を得る。従って、被測定光波形の時間軸を拡大して測定
することができるので極めて高速の光パルス波形の検出
が可能となる。

前記第５図の例では、被測定光パルスとサンプリング光
パルスとの周波数がほぼ等しい場合を示したが、サンプ
リング周波数そのものは整数分の１　　（ｆ／ｎ　Ｈｚ
）近傍であってもよい。

第６図（ａ）は、従来の光サンプリング波形測定装置の
一例を示すブロック構成図である（ただし、ｆは被測定
光の繰り返し周波数）。第６図（ａ）において、１はサ
ンプリング光パルス列を繰り返し周波数ｆ−Δ「で発生
するサンプリング光源、２および３はサンプリング光お
よび被測定光の偏光方向を制御する偏光方向制御器、４
は被測定光とサンプリング光を合波する合波器、５は「
タイプ１」の位相整合のＳＦＧを起こす「タイプ１」非
線形光学結晶、６はこの結晶を透過した被測定光とサン
プリング光を取り除く光学フィルタ、７は発生したＳＦ
光を検出して電気信号に変換する光検出器、８は電気信
号を処理する電気信号処理系、および９は被測定光波形
を表示する表示器である。

具体的には、偏光方向制御器２および３としては４分の
１波長板と２分の１波長板の組合せや、バビネ・ソレイ
ユ補償板等、合波器４としてはファイバ結合器やビーム
スプリフタ等が用いられる。

第６図（ａ）に示したように、偏光方向制御器２および
３で被測定光とサンプリング光の偏光方向を異常光（常
光）同士に一致させ、２光波を非線形光学結晶５に入射
すると、「タイプ１」の位相整合が達成され２光波の相
関信号であるＳＦ光が発生する。

〔発明が解決しようとする問題点〕

第６図ら）は、光波の角周波数とパワーの関係を示した
もので、左側が非線形光学結晶５に入射する被測定光と
サンプリング光、右側は非線形光学結晶５で発生される
出射光を示している。第６図ら）から明らかなように、
従来の技術では被測定光自身のＳＨ先の角周波数２ωＤ
ＡＴＡおよびサンプリング光パルス自身のＳＨ光の角周
波数２ω５Ａ）ｌと二つの光の相互相関信号であるＳＦ
光の角周波数（ω５ＡＩＩ＋ωＤＡＴＡ）が近接するた
めＳＦ光のみを取り出すのは困難である欠点があった。

また、「タイプＩ」の位相調整の場合、被測定光とサン
プリング光の角周波数ωＤＡＴＡとωＳＡ、ｌの値がか
なり近いため、以下に示す理由で測定値のＳＮ比が低く
なる欠点があった。

第７図はこの理由であるショットノイズを発生する背景
光発生説明図である。同図の上方は非線形光学結晶５へ
入射する光を、和周波光が発生する組合せごとにそれぞ
れ示したものであり、一つの組合せの中には被測定光が
ある場合「１」とない場合「０」とをそれぞれ示しであ
る。同図の下方は非線形光学結晶５から出射する光を前
記各組合せごとにそれぞれ示しである。各組合せごとに
符号■、■および■を付し、実際に受光器７の出力とし
て得られる波形を符号■で示している。また、丸で囲っ
た矢印は偏光の方向を示し、太矢印および細矢印はそれ
ぞれサンプリング光および被測定光を表わしている。

すなわち、「タイプ１」の位相整合の場合、第７図に示
すように、被測定光パルス（角周波数のＤＡＴＡ）とサ
ンプリング光パルス（角周波数ω５Ａ）ｌ）を同一偏光
方向で入射させるため、二つの光の相互相関信号である
ＳＦ光（角周波数ωＳＡＷ＋ω［１ＡＴＡ　）［第７図
■］の他に、被測定光自身のＳＨ光（角周波数２ω。Ａ
７Ａ）［第７図■］、およびサンプリング光パルス自身
のＳＨ光（角周波数２ω、Ａ、）［第７図■］も位相整
合する。従って、出射光パワーはこれらの総和となる。

なおもちろん、ＳＦ光へ変換されないで、元の周波数の
ままの光も出射光には含まれている。

光サンプリングでは相互相関信号を大きくするため、サ
ンプリング光パワーＰ（ω、□）をできるだけ大きくす
るので、相互相関信号の光パワーＰ（ω５Ａ１１＋ωｆ
ｌＡＴＡ）″　（Ｐ（ω５ＡＩＩＩ）　　・　Ｐ（ωＤ
ＡＴＡ））に比べ、サンプリング光のＳＨ光パワーｐ　
（２ωＳＡ、ｌ）　ｃｌｃ（Ｐ　（ＣＬＩＳＡＩＩ　＞
　）　２が著しく大きくなる。従って、全出力光パワー
はＰ　（２ω、□）ｏｅ（ｐ（ω、□））２による大き
な背景光が重なることになる。一方、ＳＦ光およびＳＨ
光に変換されない被測定光およびサンプリング光も非線
形光学結晶５を透過するが、光学フィルタ６により取り
除く。ここで、この出力光を受光器７で検出して電気信
号に変換すると、ショットノイズが全出力パワーで発生
する光電流に比例するため、第７図■に示すように、相
互相関信号成分にＰ　（２ω５Ａ１４　）による大きな
ショットノイズ成分が重畳されるので、ＳＮ比が極めて
悪くなる。従来の方法では、被測定光とサンプリング光
の角周波数ωＤＡＴＡとω５ＡＩＩの値がかなり近いた
め、ＳＦ光の角周波数（ω５□＋ωＤＡＴＡ　）と、被
測定光・サンプリング光の自己相関ＳＨ波の角周波数（
２ωＤＡＴＡ・２ωＳＡ、１）の差が小さくなるので両
者を光フィルタで分離することが困難であった。従って
、従来の光サンプリング光波形測定は、背景光（信号光
およびサンプリング光の自己相関５ＨＧ）によるショッ
トノイズによってＳＮ比が制限される。

本発明の目的は、前記の欠点を除去することにより、個
々のサンプリング値のＳＮ比を向上し、高精度で簡易な
光サンプリング波形測定装置を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、被測定光信号よりパルス幅の狭いサンプリン
グ光パルス列を発生するサンプリング光発生器と、被測
定光およびサンプリング光の偏向方向を制御する偏向方
向制御器と、被測定光とサンプリング光とを合波する合
波器と、被測定光パルスとサンプリング光パルスの相互
相関信号を和周波光として発生する非線形光学結晶と、
光学フィルタと、発生した和周波光を検出して電気信号
に変換する光検出器と、電気信号を処理して被測定光パ
ルス波形を表示する電気処理系とを備えた光サンプリン
グ波形測定器において、前記サンプリング光発生器とし
て被測定光に対して角周波数差の大きいサンプリング光
源を用い、前記非線形光学結晶として「タイプ１」の位
相整合を生じる非線形光学結晶を用い、前記光学フィル
タとして和周波光のみを透過するバンドパスフィルタを
用いたことを特徴とする。

また、本発明は、被測定光信号よりパルス幅の狭いサン
プリング光パルス列を発生するサンプリング光発生器と
、被測定光およびサンプリング光の偏向方向を制御する
偏向方向制御器と、被測定光とサンプリング光とを合波
する合波器と、被測定光パルスとサンプリング光パルス
の相互相関信号を和周波光として発生する非線形光学結
晶と、光学フィルタと、発生した和周波光を検出して電
気信号に変換する光検出器と、電気信号を処理して被測
定光パルス波形を表示する電気処理系とを備えた光サン
プリング波形測定器において、前記サンプリング光発生
器として被測定光に対して角周波数が接近したサンプリ
ング光源を用い、前記非線形光学結晶として「タイプ２
」の位相整合を生じる非線形光学結晶を用いたことを特
徴とする。

また、本発明は、被測定光信号よりパルス幅の狭いサン
プリング光パルス列を発生するサンプリング光発生器と
、被測定光およびサンプリング光の偏向方向を制御する
偏向方向制御器と、被測定光とサンプリング光とを合波
する合波器と、被測定光パルスとサンプリング光パルス
の相互相関信号を和周波光として発生する非線形光学結
晶と、光学フィルタと、発生した和周波光を検出して電
気信号に変換する光検出器と、電気信号を処理して被測
定光パルス波形を表示する電気処理系とを備えた光サン
プリング波形測定器において、前記サップリング光発生
器として被測定光に対して角周波差の大きいサンプリン
グ光源を用い、前記非線形光学結晶として「タイプ２」
の位相整合を生じる非線形光学結晶を用い、前記光学フ
ィルタとして和周波光のみを透過するバンドパスフィル
タを用いたことを特徴とする。

なお、ここで、「タイプ１」の位相整合とは、二つの入
射光の偏光方向が同一で非線形光学結晶の複屈折に対し
てともに異常光またはともに常光の場合に位相整合が起
こる場合をいい、「タイプ２」の位相整合とは、互いに
直交する異常光と常光とによって位相整合が起こる場合
をいう。

〔作用〕

被測定光と角周波数差が大きいサンプリング光源を用い
た場合は、「タイプｌ」非線形光学結晶によっても、二
つの光の相互相関信号のＳＦ光の角周波数（ω５ＡＪｌ
＋ωＤＡＴＡ）と、サンプリング光自身のＳＨ先の角周
波数（２ω５Ａ１４）および被測足元自身のＳＨ光の角
周波数（２ω。ＡＨＡ）との差は広がる。従って、ＳＦ
光のみを透過するバンドパスフィルタを使用することに
より背景光を取り除きＳＦ光のみを検出することができ
る。

「タイプ２」非線形光学結晶は、互いに偏光方向が直交
したサンプリング光と被測定光を入射すると「タイプ２
」の位相整合が達成されＳＦＧが起こる。しかし、被測
定光自身のＳＨ光およびサンプリング光自身のＳＨ先は
、同一偏光方向の「タイプ１」の位相整合に属するため
発生しない。

従って、背景光が除去され２光の相互相関信号のみが発
生される。

すなわち、被測定光と角周波数差が大きいサンプリング
光源およびＳＦ光のみを透過するバンドパスフィルタと
、「タイプ２」非線形光学結晶とを適切に組み合わせて
使用することにより、背景光の除去を図り、ＳＮ比の向
上をはかることが可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図（ａ）は本発明の第一実施例を示すブロック構成
図、第１図（ｂ）はその「タイプｌ」非線形光学結晶の
人出力特性図である。

本第−実施例は、被測定光信号よりパルス幅の狭いサン
プリング光パルス列を発生するサンプリング光発生器と
、被測定光右よびサンプリング光の偏向方向を制御する
偏向方向制御器２および３と、被測定光とサンプリング
光とを合波する合波器４と、被測定光パルスとサンプリ
ング光パルスの相互相関信号を和周波光として発生する
非線形光学結晶と、光学フィルタと、発生した和周波光
を検出して電気信号に変換する光検出器としての受光器
７と、電気信号を処理して被測定光パルス波形を表示す
る電気処理系８と、表示器９とを備えた光サンプリング
波形測定器において、前記サンプリング光発生器として
、被測定光の角周波数（ωＤＡＴＡ）に接近した角周波
数（ω５ＡＷ）を持つサンプリング光パルス列を発生す
るサンプリング光源１０を用い、前記非線形光学結晶と
じて「タイプ１」の位相整合を生じる「タイプ１」非線
形光学結晶５を用い、前記光学フィルタとして和周波光
のみを透過するバンドパスフィルタ１１を用いたもので
ある。

本発明の特徴は、第１図（ａ）において、サンプリング
光源１０およびバンドパスフィルタ１１を用いたことに
ある。

本発明の実施例では、非線形光学結晶としてＫＴＰのバ
ルク結晶（アスカル社製）を用いているが、Ｌ＋Ｎｂ０
ｚ、Ｌｉ１Ｏ３およびＫＮｂＯ３等を用いてもよい。

また、バルク型でなく導波路型でもよい。本実施例のＫ
ＴＰ結晶のように、同一種類の結晶においても、結晶の
面の切り出し角（光の入射方向と垂直）を適当に決定す
ることにより、タイプｌまたはタイプ２の位相整合を達
成することが可能である。

本第−実施例は、被測定光との角周波数差が大きいサン
プリング光源１０と、ＳＦ光のみを透過するバンドパス
フィルタ１１とを使用した場合である。

この場合、第１図ら）に示すように、二つの光の相互相
関信号のＳＦ光の角周波数（ω、□＋ωＤＡＴＡ　）と
、サンプリング光自身のＳＨ先の角周波数（２ω５Ａ１
１　）および被測定光自身のＳＨ先の角周波数（２ω。

、１．）との差は広がる。従って、ＳＦ光のみを透過す
るバンドパスフィルタ１１を使用することにより、ＳＦ
光のみを検出することができる。

例えば、被測定光の波長１．３２μｓ、サンプリング光
の波長１．５５４の場合、ＳＦ光の波長は０．７０７　
ａｍ。

被測定光とサンプリング光の自己相関ＳＨ先の波長はそ
れぞれ０．６６０−１０．７７５　ｔｍとなる。すなわ
ち、０．７０７μｓを中心に半値幅０．０９贋程度のバ
ンドパスフィルタ１１を用いることにより、背景光を取
り除きＳＦ光のみを取り出すことができる。

第２図は本発明の第二実施例を示すブロック構成図であ
る。

本第二実施例は、前記サンプリング光発生器として被測
定光に対して角周波数差の小さいサンプリング光源ｌを
用い、前記非線形光学結晶として、「タイプ２」の位相
整合を生じる「タイプ２」非線形光学結晶１２を用いた
ものである。

本発明の特徴は、第２図において、「タイプ２」非線形
光学結晶Ｉ２を用いたことにある。

「タイプ２」の位相整合ＳＦＧとは、第２図を見てわか
るように互いに直交する異常光と常光によってＳＦＧ位
相整合が達成されることを意味している。第３図は「タ
イプ２」の位相整合のＳＦＧを説明する説明図である。

第３図ａに示すように、互いに偏光方向が直交したサン
プリング光と被測定光を入射すると「タイプ２」の位相
整合が達成されＳＦＧが起こる。しかし、第３図すおよ
びＣに示すように、従来の技術で述べた被測定光自身の
ＳＨ光、およびサンプリング光自身のＳＨ光は同一偏光
方向の「タイプ１」の位相整合に属するため発生しない
。従って、第３図ｄに示すように背景光が除去され２光
の相関信号のみを発生するため、ＳＮ比が非常に高く取
れる。

第４図は本発明の第三実施例を示すブロック構成図であ
る。

本第三実施例は、前記サンプリング光発生器として被測
定光に対して角周波数差の大きいサンプリング光源１０
を用い、前記非線形光学結晶とじて「タイプ２」非線形
光学結晶１２を用い、光学フィルタとしてＳＦ光のみを
透過するバンドパスフィルタ１１を用いたものである。

本発明の特徴は第４図において、サンプリング光源１０
、「タイプ２」非線形光学結晶１２およびバンドパスフ
ィルタ１１を用いたことにある。

すなわち、本第三実施例は、前述の第一および第二実施
例を合わせた場合で、ＳＮ比がさらに向上する利点があ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、ＳＦ光のフィルタリン
グ、または「タイプ２」の位相整合を生じる「タイプ２
」非線形光学結晶、または両方法を併用することにより
、背景光を除去でき個々のサンプリング値のＳＮ比を著
しく向上することができる効果がある。これにより、光
サンプリング波形測定装置の平均化処理の回数低減や除
去が可能となり、測定の高感度化および装置の小型化等
が達成でき、その効果は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の第一実施例を示すブロック構成
図。 第１ｒ！！Ｊ（ｂ）はその「タイプｌ」非線形光学結晶
の入出力特性図。 第２図は本発明の第二実施例を示すブロック構成図。 第３図は「タイプ２」の位相整合ＳＦＧによる背景光除
去の説明図。 第４図は本発明の第三実施例を示すブロック構成図。 第５図は被測定光パルスとサンプリング光パルスの相互
相関信号発生の説明図。 第６図（ａ）は従来例を示すブロック構成図。 第６図ら）はその「タイプ１」非線形光学結晶の人出力
特性図。 第７図は従来例における背景光発生の説明図。 １．１０・・・サンプリング光源、２．３・・・偏光方
向制御器、４・・・合波器、５・・・「タイプ１」非線
形光学結晶、６・・・光学フィルタ、７・・・受光器、
８・・・電気信号処理系、９・・・表示器、１１・・・
バンドパスフィタノ収１２・・・「タイプ２」非線形光
学結晶、ωＤＡＴＡ・・・被測定光の角周波数、ωＳＡ
、ｌ・・・サンプリング光パルスの角周波数。 特許出願人　　日本電信電話株式会社 代理人　　弁理士　井　出　直　孝 ｒ″ＩＪ　　　’ＯＪ　　　　　　　５ＨＬＯＰｅＸｒ
ＪＬ　　　　５Ｈｆｆｉ／）発１ｒＪｕｌ″１．　　　
ｒ□。 ■ Ｍ　３　図　萬二夾亮例（買！Ｐ、九虎五貌明口）従辰
例（ａ＋！Ｌ椙閲休１え体綻明図）？ｆ５５　回

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、被測定光信号よりパルス幅の狭いサンプリング光パ
   ルス列を発生するサンプリング光発生器と、被測定光お
   よびサンプリング光の偏向方向を制御する偏向方向制御
   器と、被測定光とサンプリング光とを合波する合波器と
   、被測定光パルスとサンプリング光パルスの相互相関信
   号を和周波光として発生する非線形光学結晶と、光学フ
   ィルタと、発生した和周波光を検出して電気信号に変換
   する光検出器と、電気信号を処理して被測定光パルス波
   形を表示する電気処理系とを備えた光サンプリング波形
   測定器において、 前記サンプリング光発生器として被測定光に対して角周
   波数差の大きいサンプリング光源を用い、前記非線形光
   学結晶として「タイプ１」の位相整合を生じる非線形光
   学結晶を用い、前記光学フィルタとして和周波光のみを
   透過するバンドパスフィルタを用いた ことを特徴とする光サンプリング波形測定装置。 ２、被測定光信号よりパルス幅の狭いサンプリング光パ
   ルス列を発生するサンプリング光発生器と、被測定光お
   よびサンプリング光の偏向方向を制御する偏向方向制御
   器と、被測定光とサンプリング光とを合波する合波器と
   、被測定光パルスとサンプリング光パルスの相互相関信
   号を和周波光として発生する非線形光学結晶と、光学フ
   ィルタと、発生した和周波光を検出して電気信号に変換
   する光検出器と、電気信号を処理して被測定光パルス波
   形を表示する電気処理系とを備えた光サンプリング波形
   測定器において、 前記サンプリング光発生器として被測定光に対して角周
   波数が接近したサンプリング光源を用い、前記非線形光
   学結晶として「タイプ２」の位相整合を生じる非線形光
   学結晶を用いた ことを特徴とする光サンプリング波形測定装置。 ３、被測定光信号よりパルス幅の狭いサンプリング光パ
   ルス列を発生するサンプリング光発生器と、被測定光お
   よびサンプリング光の偏向方向を制御する偏向方向制御
   器と、被測定光とサンプリング光とを合波する合波器と
   、被測定光パルスとサンプリング光パルスの相互相関信
   号を和周波光として発生する非線形光学結晶と、光学フ
   ィルタと、発生した和周波光を検出して電気信号に変換
   する光検出器と、電気信号を処理して被測定光パルス波
   形を表示する電気処理系とを備えた光サンプリング波形
   測定器において、 前記サンプリング光発生器として被測定光に対して角周
   波差の大きいサンプリング光源を用い、前記非線形光学
   結晶として「タイプ２」の位相整合を生じる非線形光学
   結晶を用い、前記光学フィルタとして和周波光のみを透
   過するバンドパスフィルタを用いた ことを特徴とする光サンプリング波形測定装置。