JPH09101208A

JPH09101208A - 光サンプリング波形観測方法および光サンプリング波形観測装置

Info

Publication number: JPH09101208A
Application number: JP25601895A
Authority: JP
Inventors: Kazuro Kikuchi; 和朗菊池; Akira Watabe; 明渡部; Yoshio Cho; 吉夫張
Original assignee: OYO KODEN KENKIYUUSHITSU KK
Current assignee: OYO KODEN KENKIYUUSHITSU KK
Priority date: 1995-10-03
Filing date: 1995-10-03
Publication date: 1997-04-15

Abstract

(57)【要約】【課題】繰り返し波形を示す被観測光の当該波形を、
被観測光とサンプリングパルスとの強度同士の相互作用
により生じる二次光に基づいて観測する方法において、
サンプリングパルスを安定に供給できる方法を提供す
る。【解決手段】被観測光Ｓ₀ をパワー的に一部分離し、
該分離光Ｓ₁ に基づいて被観測光と同じ繰り返し周波数
を持つ超短パルスＳ_S を生成する。該生成した超短パル
スを光路長が所定条件で変化する光路長可変手段３８を
経由させる。該光路長可変手段３８を経由させた超短パ
ルスをサンプリングパルスＳ_sampとして用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、繰り返し波形を
示し然も超高速な被観測光の当該波形を観測する方法、
およびその実施に好適な光波形観測装置に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】例えばピコ（１０^-12 ）秒台からフェム
ト（１０^-15 ）秒台に至る、いわゆる極超短時間内に変
化する光の波形を比較的簡単な装置で観測する必要性
が、現在、非常に高まってきている。それは、レーザー
の出現以来、上述のような極超短時間内に起こる物理
的、化学的あるいはまた、生物学的諸現象の観測がレー
ザー光を通じて可能となってきたことや、情報処理、コ
ンピュータに要求される処理速度が急激に高まってきた
ために、これをレーザー光によって観測する必要性が出
てきたこと、さらに、より直接的には、光通信の出現以
来、その通信速度の急激な向上にともなって、超短時間
内に変化する光波形、いわゆる超高速光パルスなどの観
測が必要となってきたことなどによる。しかもこれらの
諸要求は、光波形観測装置に要求される時間分解能のさ
らなる向上を必要としている。

【０００３】このような超高速光波形の観測は、通常、
半導体接合で構成された半導体接合光検出器によってな
されるが、半導体接合光検出器においては、高速化のた
めに特に工夫された最高速のものでも、ピコ秒台の時間
分解能が得られるに過ぎない。その時間分解能の改善
は、接合内の電子速度の改善と電極構造の微小化とによ
ってなされてきたが、さらなる改善には限度がある。半
導体接合によらないものとして、高価、複雑になるが、
ストリークカメラがある。その時間分解能は、現在、
０．５ピコ秒程度まで向上してきているが、これについ
ても、その原理的な制約から、この程度の時間分解能が
限度とされている。

【０００４】このように、超高速光波形の観測に対応で
きる高速光検出器には、現在のところ越えがたい限度が
あるため、ピコ秒台以下、フェムト台に至る、超高速光
波形の観測には、より高度な物理現象である透明物質の
光非線形性を利用した、光波形の自己相関関数の観測が
利用されている。しかし、自己相関関数は、光波形その
ものではないから、これによって得られる情報には限界
があり、ある仮定のもとに、たとえば、光パルスのパル
ス幅の推定などには利用されているが、光波形自体の観
測、計測には役立たない。

【０００５】そこで最近、光波形自体の観測、計測を実
現する新たな方法が提案されている（例えば文献：電子
情報通信学会技術研究報告ＯＣＳ９５−２（１９９５年
５月）ｐｐ．９〜１６）。それは、時間分解分光計測、
特に、固体など、凝縮系における超高速緩和ルミネッセ
ンスの分光計測などに広く用いられてきた光非線形効果
を利用した光サンプリング時間分解分光技術にもとづい
たものである。

【０００６】サンプリング計測一般についての概要を図
７を参照して以下に述べる。サンプリング計測は被観測
光が繰り返し波形を示すものであることが前提である。
まず、被観測光の繰り返しの１周期よりも十分短い、つ
まり、実効的にデルタ関数と見做せるサンプリングパル
ス（図７（Ｂ）参照）と被観測波形（図７（Ａ）参照）
との間の積をとることによって、つまり、サンプリング
検出を行なうことによって、被測定波形のサンプル時点
における値が得られる。サンプル時点を、繰り返す被観
測波形上で、順次ずらせてゆく、すなわち掃引すること
によって、一連の時間順サンプル値を任意の低速の掃引
によって、もとの波形を保存したまま、時間軸を拡大す
ることができる。掃引の方法として従来例で用いられて
きたものは、サンプリングパルス（図７（Ｂ））の繰り
返し周波数（１／Ｔ₁ ）が被観測光（図７（Ａ））の繰
り返し周波数（１／Ｔ）と異なるようにサンプリングパ
ルスを設定することである。このように、超短時間内に
終始する超高速波形も、それが繰り返し波形である場合
にはこれをゆっくりと観測することが出来る。このこと
がサンプリング計測の大きな特長である。ここで、サン
プリング計測に必要なものは、理想的にはデルタ関数で
あるべきサンプリングパルスと、このサンプリグパルス
および被観測光の「積」演算処理を果たせる手段とであ
る。電気量についてのサンプリングにおいては、これ
ら、サンプリングパルスの発生並びにサンプリングパル
スと被観測光との積処理は、すべて半導体素子によって
行なわれ、現在の技術では、２０ピコ秒台の時間分解能
が実現されている。

【０００７】また、上述の従来の光サンプリング波形観
測方法を実施するための装置１０の代表的な構成を図８
に示す。この図８において、１１は被観測光を発してい
る何らかの媒体、１２は被観測光の波形（ただし、空間
的に描いたもの）、１３は被観測光を装置１０に導入す
る端子、１４は被観測光の偏波面を調整する偏波面調整
器、１５は被観測光の波形の繰り返し周波数ｆ_sig を決
定している信号発生器、１６は信号発生器１５で決定さ
れる繰り返し周波数に同期する同期信号を装置１０に導
入する端子をそれぞれ示す。さらに、図８において、１
７は上記同期信号により制御され、サンプリングパルス
の繰り返し周波数ｆ_samp（≠ｆ_sig ）を決定する信号発
生器、１８は信号発生器１７の出力を増幅するための高
周波増幅器、１９はサンプリングパルスを発生する超短
パルス発生レーザ、２０は被観測光とサンプリングパル
スとを後述の非線形光学結晶に導くビームスプリッタ、
２１は被観測光とサンプリングパルスとの非線形光学効
果による二次光を発生する非線形光学結晶をそれぞれ示
す。ここで、非線形光学結晶２１の発する二次光は、被
観測光とサンプリングパルスの両光の電場の積の２乗し
たがって強度同士の積に比例する信号光（第２高調波、
和周波光など）である。この過程によってサンプリング
波形観測に必要な「積」演算処理が果たされるのであ
る。さらに、図８において２２は非線形光学結晶で生じ
た信号光を検出しさらに電気信号に変換するための光検
出器、２３は光検出器２２からの信号を増幅する低周波
増幅器、２４はＡ／Ｄ変換器、２５は波形表示装置、２
６は上記Ａ／Ｄ変換された信号を格納するメモリをそれ
ぞれ示す。この装置１０によれば、周期が被観測光のそ
れとは異なっているサンプリングパルスが構成成分１５
〜１９により生成される。また、二次光の発生が効率良
く行われるよう、偏波面調整器１４により、被観測光の
偏波面が適性に調節される。この二次光は光検出器２２
により電気信号として取り出される。この取り出された
電気信号の軌跡（図７（Ｃ）中で破線で示されている）
により波形表示装置２５上に被観測光の波形が、時間軸
が拡大された状態で表現される。このように、この装置
１０によれば、図７（Ａ）〜（Ｃ）を用いて説明した従
来の波形観測方法を容易に実施できた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の光波
形観測方法および装置において所望の波形観測を実現す
るためには、繰り返し周波数が安定しているサンプリン
グパルスが必要となる。具体的には、少なくともサンプ
リングパルスの所望の繰り返し周波数ｆ_sampに対し、実
際に得られるサンプリングパルスの周波数偏差が｜ｆ
_sig −ｆ_samp｜より小さい範囲に納まるような周波数安
定度が、必要となる。そうでないと、時系列に沿ったサ
ンプリングが行なえないからである。例えば、ｆ_sampが
１ＧＨｚであって、かつ、｜ｆ_sig −ｆ_samp｜を数１０
Ｈｚオーダとする場合で考えれば、（偏差）／（所望の
ｆ_samp）で表される比でいって１０^-7から１０^-8のオー
ダーの周波数安定度が必要となる。このような安定度の
サンプリングパルスは、極めて安定度の高い信号発生器
などを駆使することにより、例えば図８を用い説明した
装置の例で考えれば安定度の高い信号発生器１５、１６
を同期させて使用する等により、得られるかもしれな
い。しかし、充分な安定度を長期間にわたって維持する
ことは困難であると考えられる。しかも、高価な信号発
生器を必要とするから、光波形観測装置自体が高価なも
のとなってしまう。また、図８を用い説明した装置の例
で考えれば２台の信号発生器をリンクさせる分、装置構
成が複雑になる。また、図８を用い説明した装置の例で
考えれば、サンプリングパルスの繰り返し周波数を決定
するには信号発生器５からの同期信号を必要とするの
で、この同期信号が得られない被観測光の波形観測、す
なわち繰り返し周波数ｆ_sig が分からない被観測光の波
形観測には、上記の従来方法は適用できないことにな
る。このようなことを考えると、サンプリングパルスを
上記従来方法とは全く別の方法で供給して光波形を観測
できる方法およびその実施に好適な装置の実現が望まれ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】そこで、この出願の第一
発明によれば、繰り返し波形を示す被観測光の当該波形
を、光非線形効果によって生成する、被観測光とサンプ
リングパルスとの強度同士の積に比例する二次光に基づ
いて観測する方法において、被観測光をパワー的に一部
分離し、該分離光に基づいて被観測光と同じ繰り返し周
波数を持つ超短パルスを生成し、該生成した超短パルス
を光路長が所定条件で変化する光路長可変手段を経由さ
せ、該光路長可変手段を経由させた超短パルスをサンプ
リングパルスとして用いることを特徴とする。

【００１０】また、この出願の第二発明によれば、繰り
返し波形を示す被観測光の当該波形を、光非線形効果に
よって生成する、被観測光とサンプリングパルスとの強
度同士の積に比例する二次光に基づいて観測する光波形
観測装置において、被観測光をパワー的に一部分離して
分離光を得る光分離手段と、該分離光に基づいて前記被
観測光と同じ繰り返し周波数を持つ超短パルスを生成す
る超短パルス生成手段と、該生成される超短パルスが入
力され、光路長の可変制御が可能な光路長可変手段と、
前記被観測光および、サンプリングパルスとしての前記
光路長可変手段を経由した超短パルスがそれぞれ入力さ
れ、これらの強度同士の積に比例する二次光を生成する
二次光生成手段と、該二次光を検出する二次光検出手段
とを具えたことを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの出願の
各発明の実施の形態について説明する。しかしながら、
説明に用いる各図はこれらの発明を理解出来る程度に概
略的に示してあるにすぎない。また、各図において同様
な構成成分については同一の番号を付して示す。

【００１２】１．第１の実施の形態図１〜図５を参照してこの出願の光サンプリング波形観
測方法（光波形観測方法ともいう。）および光サンプリ
ング波形観測装置（光波形観測装置、または装置ともい
う。）それぞれの第１の実施の形態について説明する。
ここで、図１は第１の実施の形態の光波形観測装置３０
の構成を示した図、図２は超短パルス生成手段３７の一
構成例を示した図、図３は光路長可変手段３８の一構成
例を示した図である。また、図４および図５はこの発明
の光波形観測方法の原理を説明する図であって、特に、
図４はこの第１の実施の形態の装置３０の主な個所での
信号の様子を示した図、図５はこの発明の方法で波形が
観測される様子を示した図である。

【００１３】先ず図１において、３１は被観測光Ｓ₀ を
装置３０に導入するための端子、３２は被観測光Ｓ₀ の
偏波面を調整するための偏波面調整器、３３は被観測光
Ｓ₀をパワー的に一部分離して分離光Ｓ₁ を得るための
光分離手段、３４は分離光Ｓ₁ を増幅するための光増幅
器、３５は光アイソレータ、３６ａはミラー、３７は分
離光Ｓ₁ に基づいて被観測光と同じ繰り返し周波数を持
つ超短パルスＳ_S を生成する超短パルス生成手段、３８
は超短パルスＳ_S が入力され光路長の可変制御が可能な
光路長可変手段、３６ｂはミラーをそれぞれ示す。さら
に図１において、３９は遅延手段、４０は被観測光Ｓ₀
とサンプリングパルスＳ_sampとしての光路長遅延手段３
８を経由させた超短パルスとを後段に導く導波手段、４
１は導波手段４０により導かれた両光の光非線形効果に
もとづく相互作用による二次光を生成する二次光生成手
段をそれぞれ示す。ここで遅延手段３９は、被観測光Ｓ
₀と、これから分離された分離光Ｓ₁ に基づき生成され
るサンプリングパルスＳ_sampとが、導波手段４０に時間
的にほぼ一致して到達するように、被観測光Ｓ₀ に遅延
を与えるものである。この遅延手段３９は遅延量を可変
出来るものが好ましい。さらに、図１において、４２は
二次光生成手段４１で生じた二次光を検出しさらに電気
信号に変換するための光検出手段、４３は光検出手段４
２からの信号を増幅する低周波増幅器、４４はＡ／Ｄ変
換器、４５は波形表示装置、４６は上記Ａ／Ｄ変換され
た信号を格納するメモリをそれぞれ示す。

【００１４】ここで、光分離手段３３は例えばビームス
プリッタにより構成出来る。また、光増幅器３４、光ア
イソレータ３５、ミラー３６ａは、従来公知のものでそ
れぞれ構成出来る。

【００１５】また超短パルス生成手段３７は、例えば公
知の非線形レーザ増幅器で構成出来る。被線形レーザ増
幅器の具体的な構成例および動作について図２を参照し
て説明する。この非線形レーザ増幅器は、概略的には、
光ファイバー３７ａをその一部をリング状にし、かつ、
このファイバー３７ａに対し所定の構成成分（後述）を
配置した構成となっている。図２において３７ｂは入力
端、３７ｃは出力端、３７ｄは５０：５０のファイバー
光方向性結合器、３７ｅはファイバーレーザ増幅部、３
７ｆはファイバーレーザ増幅部３７ｅを励起するための
励起用レーザ光源、３７ｇは励起用レーザ光をファイバ
ーレーザ増幅部３７ｅに導入するための波長依存型方向
性結合器である。なお光ファイバー３７ａは、その中に
て光パルス強度のピーク時点で光非線形性による位相シ
フトが充分に得られるように、十分な長さを持つよう構
成してある。また、ファイバーレーザー増幅部３７ｅ
は、ファイバー３７ａのリング形状となっている部分の
うちの、光方向性結合器３７ｄに近い一端に、配置して
ある。この非線形レーザ増幅器に、該増幅器において光
非線形性を誘起できるに充分なパワーを持つ光を入力す
る。この実施の形態の場合であれば、分離光Ｓ₁ がそれ
自身このようなパワーを持っている場合なら分離光Ｓ₁
をそのまま、またそうでない場合は分離光Ｓ₁ を光増幅
器３４で増幅してから非線形レーザ増幅器に入れる。こ
の非線形レーザ増幅器に入った光は、５０：５０のファ
イバー光方向性結合器３７ｄによって分けられリング形
状のファイバー中を、時計回りの光と反時計回りの光と
して伝播させられる。そして図２の例の場合は、時計回
りの光はファイバーレーザー増幅部３７ｅで増幅された
後光ファイバー３７ａ中を伝播し、一方、反時計回りの
光は光ファイバー中を伝播した後ファイバーレーザ増幅
部３７ｅで増幅される。このような条件では、時計回り
の光は光ファイバー３７ａ中を伝播する際反時計回りの
光より大きなパワーを持つので、ファイバー中の非線形
性のため、時計回りの光の方が反時計回りの光より大き
な位相シフトを受ける。その結果、両方向を回っていた
光が方向性結合器３７ｄに再び入射するときの両者の位
相関係は、ファイバー中での光非線形性が生じない時に
比べて大きく変化する。光非線形性が生じなければ、上
記位相関係は、光を入力端３７ｂに出射するが出力端３
７ｃには出射しないものとなるが、光非線形性が生じる
と、上記位相関係は、光を入力端３７ｂに出射せずに出
力端３７ｃに出射するごときものとなる。光非線形性が
光波形のピーク付近で起こるように非線形レーザ増幅器
を調整しておけば、光波形のピークのみが出力端３７ｃ
から出射され、該光波形のピーク付近以外の部分は入力
端３７ｂ側に出射されるようになる。この結果、この非
線形レーザ増幅器からは被観測光と同じ繰り返し周波数
を持ちしかも被観測光の波形の繰り返しの１周期分より
十分短い（実効的にデルタ関数と見做せる）パルス、す
なわち目的の超短パルスが出射される。また、入力端３
７ｂ側に出射された光は光アイソレータ３５により処理
されるので、被観測光側に悪影響を及ぼすことはない。
なお、ここではリング形ファイバーを用いた型の非線形
レーザ増幅器の例を説明したが、他の型の非線形レーザ
増幅器を用いても良い。例えば、ファイバーの非線形複
屈折性を利用したもの、これを半導体レーザと組み合わ
せたもの、多重共振器構造を取り入れたもの、さらにこ
れらを組み合わせたものなどでも良い。

【００１６】また、光路長可変手段３８は、ここでは、
台座３８ａ、ミラー３８ｂ，３８ｃ、台座駆動機構３８
ｄおよび台座駆動制御部３８ｅを具えたいわゆる掃引型
ディレーラインで構成してある。その拡大図を図３に示
した。ただし、台座駆動制御部３８ｅの図示はこの図３
では省略してある。ここで、ミラー３８ａ、３８ｂは、
超短パルス生成手段３７で生じた超短パルスをミラー３
６ｂを介しビームスプリッタ４０に導くことができるよ
うな光学的配置で台座３８ａに固定してある。また、こ
の台座３８ａは、台座駆動機構３８ｄおよび台座駆動用
制御部３８ｅにより、超短パルス生成手段３７に対し遠
ざかったり近づいたりするような方向（図１、図３中の
Ｐ方向）に移動するように、構成してある。また、台座
駆動制御部３８ｅは、台座駆動機構を駆動し台座３８ａ
を移動させるものである。この制御部３８ｅは、台座の
移動条件を任意に設定出来る構成、具体的には等速度に
よる移動条件、移動速度が所々で変わるようなプログラ
ム的な移動条件などの任意の移動条件を設定できる構成
としてある。たとえば、台座の移動条件を波形表示装置
４５の水平掃引時間に同期するような条件とすることも
できる構成としてある。このような構成の光路長可変手
段３８では、台座３８ａをＰ方向にそって左右に移動さ
せることで超短パルスＳ_S の光路長を可変できる。この
図３を用いて説明した光路長可変手段は光路長の可変幅
を大きく出来るという利点がある。なお、光路長可変手
段３８の構成は図３を用いたものに限られない。設計に
よっては例えば、電気光学効果を示す材料の屈折率を電
気的に変化させることにより該材料中を伝播する光の光
路長を変えるような手段も、この発明でいう光路長可変
手段として利用出来ると考えられる。

【００１７】また、遅延手段３９は例えば公知のディレ
イラインにより、導波手段４０は例えばビームスプリッ
タ又は偏波依存型ビームスプリッタにより、二次光生成
手段は例えば非線形光学結晶によりそれぞれ構成出来
る。また、二次光検出手段４２は、この場合検光子４２
ａおよび光検出器４２ｂで構成出来る。また、低周波増
幅器４３、Ａ／Ｄ変換器４４、波形表示装置４５、メモ
リ４６はそれぞれ公知のもので構成出来る。なお、波形
表示装置４５は、光路長可変手段３８の、台座駆動制御
部３８ｅの制御信号と同期する構成としておくのがよ
い。

【００１８】次に、光波形観測方法の第１の実施の形態
について、図１を用いて説明した第１の実施の形態の装
置３０の動作と共に説明する。この説明を図４および図
５をも参照して行なう。

【００１９】繰り返し波形を示す被観測光Ｓ₀ は、装置
３０の入力端子３１から装置３０に導入される。そして
この被観測光は、偏波面調整器３２によりその偏波面が
調整された後、光分離手段３３においてパワー的にその
一部が分離される。これにより分離光Ｓ₁ が得られる
（図４参照）。この図４の場合は、周期Ｔ（従って繰り
返し周波数ｆ_sig ＝１／Ｔ）の繰り返し波形を示す被観
測光Ｓ₀ から周期Ｔの分離光Ｓ₁ を得た様子を示してい
る。ただし、この図４では被観測光Ｓ₀ と分離光Ｓ₁ の
パワーレベル関係については無視して示している。さら
に図４での被観測光Ｓ₀ の波形は時間的に示したもので
あるので、図１において入力端子３１の直前に示した波
形（空間的に描いたもの）とは、線対称の状態で描いて
あることは理解されたい。

【００２０】被観測光はＳ₀ 遅延手段３９に入射する。
一方、分離光Ｓ₁ は、光増幅器３４により増幅された
後、光アイソレータ３５を通過して超短パルス生成手段
３７に入射する。この超短パルス生成手段３７では、図
２を用いて説明した原理により入射する波形の中でパワ
ーが最大となる部分のみを増幅しそれ以外の部分を完全
に抑圧するごとき現象が生じるので、入射された分離光
Ｓ₁ は、被観測光と同じ繰り返し周波数（従って周期
Ｔ）を持つ超短パルスＳ_S となる（図４参照）。このよ
うに生成された超短パルスＳ_S は、既に説明したように
被観測光のパルス幅をせばめたものであるからその周期
は被観測光と同じＴであり、従って、そのままではサン
プリングパルスとして用いることができない。そこでこ
の超短パルスＳ_S を、光路長が所定条件で変化する光路
長可変手段３８を経由させる。そして、該光路長可変手
段３８を経由させた超短パルスをサンプリングパルスＳ
_sampとして用いる。光路長可変手段３８を経由させた超
短パルスがサンプリング光として利用出来る点につい
て、図５を参照してより詳細に説明する。ここで図５に
おいて、（Ａ）図は被観測光Ｓ₀ を示す図、（Ｂ）図は
光路長可変手段３８の台座３８ａが移動方向Ｐ（図１、
図３参照）におけるある位置のときに該手段３８から出
力される超短パルスＳ_S1が被観測光Ｓ₀ に対しとる時間
関係を示した図、（Ｃ）図は光路長可変手段３８の台座
３８ａが（Ｂ）図の状態からある距離移動されたときに
該手段３８から出力される超短パルスＳ_S1が被観測光Ｓ
₀ に対しとる時間関係を示した図である。（Ｂ）図およ
び（Ｃ）図を比べて明らかなように、（Ｂ）に対し
（Ｃ）図では時間にしてΔｔ分、被観測光Ｓ₀ に対して
の超短パルスの位置がずれることになる。図５の（Ｄ）
図は台座３８ａをさらに移動させた状態のときに該手段
３８から出力される超短パルスＳ_Snが被観測光Ｓ₀ に対
しとる時間関係を示した図である。

【００２１】この図５から分かるように、被観測光に対
し超短パルスが図５の（Ｂ）の時間関係となるようにし
た場合は二次光生成手段４１は、被観測光の繰り返し波
形のピーク付近ごとのパワーと超短パルスとの相互作用
による二次光を周期Ｔで生成することになり、そして二
次光検出手段４２はこの二次光をパルス列として検出す
る。ただし、検出器の発生するパルス列はもとの光パル
スに完全に応答するものである必要はない。パルス列の
平均値に応答するものであってもよい。また、被観測光
に対し超短パルスが図５の（Ｃ）の時間関係となるよう
にした場合は二次光生成手段４１は、被観測光の繰り返
し波形のピークよりやや右に下がった位置でのパワーと
超短パルスとの相互作用による二次光を周期Ｔで生成す
ることになり、そして二次光検出手段４２はこの二次光
をパルス列として検出する。また、被観測光に対し超短
パルスが図５の（Ｄ）の時間関係となるようにした場合
は二次光生成手段４１は、被観測光の繰り返し波形のピ
ークよりやや左に下がった位置でのパワーと超短パルス
との相互作用による二次光を周期Ｔで生成することにな
り、そして二次光検出手段４２はこの二次光をパルス列
として検出する。図５の（Ｂ）の状態、（Ｃ）の状態、
・・、（Ｄ）の状態各々を同じ時間生じさせるように
し、そして、各状態ごとの二次光の検出値（各状態ごと
の総和でも平均値でもかまわない）を時間軸に対しプロ
ットすれば、被観測光の波形を時間軸を延長した状態で
観測出来ることになる。図５の（Ｅ）にはこの様子を示
してある。この図５の（Ｅ）において、Ｄ_S1は長短パル
スＳ_S1により得られるデータであり、Ｄ_S2は長短パルス
Ｓ_S2により得られるデータであり、・・、Ｄ_Snは長短パ
ルスＳ_Snにより得られるデータである。図５の（Ｂ）の
状態、（Ｃ）の状態、・・、（Ｄ）の状態各々を同じ時
間生じさせる最も簡単な方法は、光路超可変手段３８の
台座３８ａを一定速度で移動させる方法である。もちろ
ん、図５の（Ｂ）の状態、（Ｃ）の状態、・・、（Ｄ）
の状態各々を同じ時間生じさせずに異ならせ、この時間
の違いを後のデータ処理により補正するようにしてもよ
い。また、図５に示したΔｔの大小により波形表示にお
けるサンプリングステップの大小を選択出来る。

【００２２】なお、図５を用いた上述の説明では波形観
測の原理を説明したが、二次光の検出からその後の処理
までは実際は例えば次のように行なえる。この第１の実
施の形態の場合は、二次光は、第２高調波発生に由来し
て生じるものである。したがってこの発明で必要とする
二次光以外の第２高調波も発生している。例えばサンプ
リングパルス自体の第２高調波は発生する危険性が高
い。しかし、この実施の形態の場合は、被観測光の偏波
面を予め偏波調整器により調整してあるので、目的の二
次光（第２高調波）とそれ以外の第２高調波の偏波面は
異なる。従って、目的とする以外の第２高調波は検光子
４２ａにより取り除けるので、目的とする二次光のみ
（実際は光パルス列）を光検出器４２ｂに選択的に入力
出来る。光検出器４２ｂはこの光パルス列を光電変換
し、光電流で示されるパルス列を低周波増幅器４３に出
力する。低周波増幅器４３によりこのパルス列の包絡線
成分のみ増幅すれば、その結果の信号は被観測光の波形
を時間軸を拡大した状態で示したものとなる。この増幅
された信号をＡ／Ｄ変換器４４によってディジタル値に
変換し、さらに加算平均処理などのデータ処理をした
後、波形表示装置４５に被観測光の波形として表示する
と共に、その後の便宜のためメモリ４６に格納する。こ
こで波形表示装置４５での水平掃引処理を、光路長可変
手段３８の移動に同期するように行なうようにしておく
と、波形表示装置４５上には被観測光の波形が表示され
ることになる。

【００２３】この第１の実施の形態の説明から明らかな
ようにこの出願の光波形観測方法および光波形観測装置
によれば、被測定光を一部分離して分離光を得、次に、
この分離光を用いて被測定光と繰り返し周波数が同じ超
短パルスを生成し、そして、この超短パルスの被観測光
に対する時間的な重なり具合を光路長可変手段により調
整したパルスをサンプリングパルスとして用いる。この
ため、外部からの同期信号や高価な信号発生器を用いる
ことなく、長期間に渡り安定なサンプリングパルスを生
成出来る。高価な信号発生器を用いずに済む分、光波形
観測装置を安価なものとできるし、また、外部からの同
期信号を必要としないので繰り返し周波数が未知の被観
測光の波形観測も容易に出来る。また、被測定光にジッ
タがあってもそれはサンプリングパルスに同様に反映さ
れるので、ジッタに関する問題も解決出来る。

【００２４】２．第２の実施の形態の説明上述の第１の実施の形態においては、被観測光の光周波
数とサンプリングパルスの光周波数とが同じ例を説明し
た。しかし、サンプリングパルスの光周波数を被観測光
のそれと違えてもよい。こうすると二次光として和周波
光が得られるので、二次光と目的以外の二次光との選択
を波長選択手段で行なえることとなり、便宜になる場合
があるからである。以下、詳細に説明する。

【００２５】図６はこの第２の実施の形態の光波形観測
装置５０の一構成例を示したブロック図である。ただ
し、第１の実施の形態の装置３０における構成成分と同
様な構成成分についてはその説明を省略する。

【００２６】この第２の実施の形態の装置５０の第１の
実施の形態の装置３０との第１の相違点は、分離光Ｓ₁
の光周波数または超短パルスの光周波数をシフトさせる
光周波数シフト手段を具えたことであり、第２の相違点
は二次光を検出する光検出手段４２に光フィルタ４２ｃ
を追加して具えたことである。そしてこの図６の例の場
合は、分離光Ｓ₁ の光周波数をシフトさせる手段５１を
具えた例を示している。

【００２７】ここでこの光周波数シフト手段５１は、レ
ーザ光源５１ａと、ビームスプリッタ５１ｂと、四光波
混合用半導体レーザ増幅器５１ｃと、光フィルタ５１ｄ
と、光増幅器５１ｅとで構成してある。レーザ光源５１
ａ、ビーームスプリッタ５１ｂおのおのは、レーザ光源
５１ａからの光と光増幅器３４において増幅された分離
光Ｓ₁ とが、四光波混合用半導体レーザ５１ｃに入力さ
れるような光学的配置に、設けてある。また、四光波混
合用半導体レーザ５１ｃおよび光フィルタ５１ｄそれぞ
れは、該レーザ５１ｃの光が光フィルタ５１ｄを介して
光アイソレータ３５に入力できるような光学的配置に、
設けてある。また、レーザ光源５１ａは被観測光の光周
波数ω_sig に対しΔωだけずれた光周波数ω_L をもつ光
を発するものとしてある。このレーザ光源５１ａは連続
動作（ＣＷ）レーザ光源とする方が好ましい。レーザ光
源５１ａからの光と分離光Ｓ₁ との同期調整などを考え
ずに済むからである。また、四光波混合用半導体レーザ
５１ｃは、１段でも良いのであるが、多段にした方が好
ましい。なぜなら、この増幅器５１ｃを２段直列に接続
した場合、四光波混合光が強く取り出せる（少なくとも
５ｄＢは強い光が取り出せる）ことがこの出願に係る発
明者の現在までの実験から分かっているからである。

【００２８】次に、この光周波数シフト手段５１の動作
について説明する。光増幅器３４から出力された分離光
Ｓ₁ とレーザ光源５１ａから出力された光とは、ビーム
スプリッタ５１ｂにおいて重ね合わされて四光波混合用
レーザ増幅器５１ｃに入射される。ここで、分離光Ｓ₁
およびレーザ光源５１ａからの光のそれぞれの光周波数
を、それぞれω_sig およびω_L と異なっているものと
し、その差をΔωとする。このように光周波数の異なる
２つの光が四光波混合用レーザ増幅器５１ｃに入射され
ると、半導体レーザの光非線形性のために、四光波混合
が生じ該増幅器５１ｃの出力端には、スペクトル上の、
ω_L を中心としてω_sig とは反対側にΔωだけ離れた周
波数位置に、光周波数ω_out の新たな光を生ずる。この
新たな光は分離光Ｓ₁ と同一の波形を有するが光周波数
が２Δωだけ分離光Ｓ₁ と異なるものとなる。光フィル
タ５１ｄを、光周波数ω_out の光を選択的に通過出来る
ものとしておくことで、光周波数ω_out の光を選択的に
取り出せる。なお、四光波混合によるω_sig からω_out
への変換効率は一般に低いので、これを補うために、光
周波数ω_out の光を光増幅器５１ｅにより増幅してから
超短パルス生成手段３７に入力している。超短パルス生
成手段３７では、光周波数ω_out の光に基づいて、光周
波数はω_out であるが繰り返し周波数は分離光Ｓ₁ と同
じである超短パルスを生成する。この超短パルスはその
後は第１の実施の形態と同様に光路長可変手段３８、ミ
ラー３６ａ、ビームスプリッタ４０を経て二次光生成手
段４１に入力される。二次光生成手段４１は、これに応
じ今度は和周波発生による二次光を出力する。目的の二
次光以外の光は検光子４２ａおよび光フィルタ４２ｃに
より除去される。したがって、目的の二次光を波長に基
づいて分離出来る。

【００２９】その後の、波形表示までの一連の処理は第
１の実施の形態の場合と同様であるので、ここではその
説明を省略する。

【００３０】この第２の実施の形態の場合は第１の実施
の形態で得られる効果に加え、二次光を光波長フィルタ
により選択できるという効果が得られる。この結果、二
次光と目的以外の二次光との選別し易さの程度が強化さ
れる。その結果、より低レベルの波形観測が可能とな
り、測定感度の向上が図れることとなる。

【００３１】上述においては、この出願の各発明の実施
の形態について説明したが、これら発明は上記の実施の
形態のみに限られない。例えば上記の実施の形態では、
被観測光とサンプリングパルスとの強度同士の積に比例
する二次光を生じさせる具体的な方法として、非線形光
学効果による第２高調波や和周波光を発生させる方法を
用いていた。しかし二次光の生成方法は他の任意好適な
方法でも良い。例えば、被観測光およびサンプリングパ
ルスを半導体材料に共に入射し、該半導体材料から前記
各光の強度の積に比例する反射光を得る方法でも良い。

【００３２】また、第２の実施の形態では分離光の光周
波数をシフトさせる例を説明したが、分離光の光周波数
をシフトさせるのではなく超短パルスＳ_S （Ｓ_sampの場
合があっても良い）の光周波数をシフトさせる場合があ
っても良い。その場合は光周波数シフト手段を超短パル
ス発生手段の後段の好適な位置に設ける。

【００３３】

【発明の効果】上述した説明から明らかな様にこの出願
の第一発明の光波形観測方法によれば、被測定光を一部
分離して分離光を得る。次に、この分離光を用いて被測
定光と繰り返し周波数が同じ超短パルスを生成する。そ
して、この超短パルスの被観測光に対する時間的な重な
り具合を光路長可変手段により調整したパルスをサンプ
リングパルスとして用いる。このため、外部からの同期
信号や高価な信号発生器を用いることなく、長期間に渡
り安定なサンプリングパルスを生成出来る。また、外部
からの同期信号を必要としないので繰り返し周波数が未
知の被観測光の波形観測も容易に出来る。また、被測定
光にジッタがあってもそれはサンプリングパルスに同様
に反映されるので、ジッタに関する問題も解決出来る。

【００３４】また、この出願の第二発明の光波形観測装
置によれば、所定の光分離手段、超短パルス生成手段、
光路長可変手段、二次光生成手段および二次光検出手段
を具えたので、第一発明を容易に実施できる装置であっ
て、かつ、従来にくらべ安価な光波形観測装置が実現出
来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の装置構成を説明する図であ
る。

【図２】超短パルス生成手段の一構成例を示す図であ
る。

【図３】光路長可変手段の一構成例を示す図である。

【図４】この発明の光波形観測方法の原理の説明図（そ
の１）である。

【図５】この発明の光波形観測方法の原理の説明図（そ
の２）である。

【図６】第２の実施の形態の装置構成を説明する図であ
る。

【図７】従来技術の説明図（その１）である。

【図８】従来技術の説明図（その２）である。

【符号の説明】

Ｓ₀ ：被観測光Ｓ₁ ：分離光Ｓ_S ：超短パルスＳ_samp：サンプリングパルス３０：第１の実施の形態の光波形観測装置３１：入力端子３２：偏波面調整器３３：光分離手段３４：光増幅器３５：光アイソレータ３６ａ，３６ｂ：ミラー３７：超短パルス生成手段３８：光路長可変手段３８ａ：台座３８ｂ，３８ｃ：ミラー３８ｄ：台座駆動機構３８ｅ：台座駆動制御部３９：ディレーライン４０：導波手段４１：二次光生成手段４２：二次光検出手段４２ａ：検光子４２ｂ：光検出器４２ｃ：光フィルタ４３：低周波増幅器４４：Ａ／Ｄ変換器４５：波形表示装置４６：メモリ５０：第２の実施の形態の光波形観測装置５１：光周波数シフト手段５１ａ：レーザ光源５１ｂ：ビームスプリッタ５１ｃ：四光波混合用レーザ増幅器５１ｄ：光フィルタ５１ｅ：光増幅器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】繰り返し波形を示す被観測光の当該波形
を、光非線形効果によって生成する、被観測光とサンプ
リングパルスとの強度同士の積に比例する二次光に基づ
いて観測する方法において、被観測光をパワー的に一部分離し、該分離光に基づいて
被観測光と同じ繰り返し周波数を持つ超短パルスを生成
し、該生成した超短パルスを光路長が所定条件で変化する光
路長可変手段を経由させ、該光路長可変手段を経由させた超短パルスをサンプリン
グパルスとして用いることを特徴とする光サンプリング
波形観測方法。
【請求項２】請求項１に記載の光サンプリング波形観
測方法において、前記超短パルスの代わりに、前記分離光に基づいて前記
被観測光と同じ繰り返し周波数を持ち然も被観測光とは
異なる光周波数を持つ超短パルスを生成することを特徴
とする光サンプリング波形観測方法。
【請求項３】請求項１または２に記載の光サンプリン
グ波形観測方法において、前記光路長可変手段において光路長を一定の割合で変化
させることを特徴とする光サンプリング波形観測方法。
【請求項４】繰り返し波形を示す被観測光の当該波形
を、光非線形効果によって生成する、被観測光とサンプ
リングパルスとの強度同士の積に比例する二次光に基づ
いて観測する光サンプリング波形観測装置において、被観測光をパワー的に一部分離して分離光を得る光分離
手段と、該分離光に基づいて前記被観測光と同じ繰り返し周波数
を持つ超短パルスを生成する超短パルス生成手段と、該生成される超短パルスが入力され、光路長の可変制御
が可能な光路長可変手段と、前記被観測光および、サンプリングパルスとしての前記
光路長可変手段を経由した超短パルスがそれぞれ入力さ
れ、これらの強度同士の積に比例する二次光を生成する
二次光生成手段と、該二次光を検出する二次光検出手段とを具えたことを特
徴とする光サンプリング波形観測装置。
【請求項５】請求項４に記載の光サンプリング波形観
測装置において、前記分離光の光周波数または前記超短パルスの光周波数
をシフトさせる光周波数シフト手段をさらに具えたこと
を特徴とする光サンプリング波形観測装置。
【請求項６】請求項５に記載の光サンプリング波形観
測装置において、前記光周波数シフト手段を、半導体レーザ増幅器を含む
四光波混合光発生手段をもって構成したことを特徴とす
る光サンプリング波形観測装置。
【請求項７】請求項５に記載の光サンプリング波形観
測装置において、前記光周波数シフト手段を、半導体レーザ増幅器を多段
含む四光波混合光発生手段をもって構成したことを特徴
とする光サンプリング波形観測装置。
【請求項８】請求項４〜７のいずれか１項に記載の光
サンプリング波形観測装置において、前記光路長可変手段が、前記光路長を一定の割合で変化
させる機能をも有するものであることを特徴とする光サ
ンプリング波形観測装置。