JPH09138165A

JPH09138165A - 光波形測定方法及びその装置

Info

Publication number: JPH09138165A
Application number: JP29691395A
Authority: JP
Inventors: Kazuro Kikuchi; 和朗菊池; Akira Watabe; 明渡部
Original assignee: OYO KODEN KENKIYUUSHITSU KK
Current assignee: OYO KODEN KENKIYUUSHITSU KK
Priority date: 1995-11-15
Filing date: 1995-11-15
Publication date: 1997-05-27

Abstract

(57)【要約】【課題】パルス光である被測定光の繰り返し周波数の
揺動に従い、サンプリング光の繰り返し周波数を変化さ
せる。【解決手段】周期的パルス光である被測定光の時間波
形を、被測定光と、被測定光より短いパルス幅を持ち被
測定光とは一定の差を有している繰り返し周波数を持つ
サンプリング光との和周波光を発生させる光・光サンプ
リング部１２と、和周波光を検出して被測定光の波形信
号を測定し、測定された波形信号の雑音成分を抑圧した
後に被測定光の時間波形の表示を行う波形表示部１４
と、サンプリング光と被測定光との四光波混合光を発生
させる四光波混合光発生部４０と、この四光波混合光か
らサンプリング光の繰り返し周波数を制御する制御信号
を発生させる繰り返し周波数制御部５０と、この制御信
号によりサンプリング光の繰り返し周波数を変化させる
サンプリング光源１６と、波形表示部１４、四光波混合
光発生部４０、繰り返し周波数制御部５０およびサンプ
リング光源１６に一定周波数信号を入力する基準周波数
信号発生部７６とを具えてなる。

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、特に光通信およ
びレーザ計測に用いて好適な光波形測定方法及びその装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】レーザ装置から発生される光パルス信号
の時間幅の測定を行う装置として、従来、（イ）高速応
答光検出器とオシロスコープとの組み合わせによる測定
装置と、（ロ）光干渉性を利用する測定装置とがある。
装置（イ）は、２０（ｐｓ）以上の時間領域の測定にお
いて用いられ、且つ、光パルスの時間波形を測定するこ
とが可能である。近年、レーザ光パルスの時間幅の短時
間化に伴い、装置（ロ）が用いられることが多くなって
きている。（ロ）の装置によれば、数十ｐｓ〜数ｆｓの
時間領域において測定を行うことができる。しかし、装
置（ロ）は自己相関関数を測定して時間幅の測定を行う
ものであり、自己相関関数を測定しているのであって、
実際の光パルス波形を直接測定しているのではない。装
置（イ）の他に光パルス波形を直接測定することが可能
な装置としては光ストリークカメラ（例えば、（株）浜
松ホトニクスが製造している。）がある。しかしなが
ら、光ストリークカメラの測定時間領域は１ｐｓ〜数十
ｐｓであり、フェムト秒時間領域の波形計測に用いるに
は不十分である。このように、フェムト秒時間領域にお
いて光パルス波形を直接測定することができる装置は実
現されていない。

【０００３】一方、「和周波光を用いた光・光サンプリ
ング法」によれば、フェムト秒時間領域において、光パ
ルス波形を観測することが可能であることが知られてい
る。この光・光サンプリング法は、繰り返し波形を示す
被測定光の時間波形を、被測定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（第２光調
波光、和周波光、四光波混合光などの光）に基づいて観
測する方法である。この光サンプリング方法およびその
装置については、例えば、文献「電子情報通信学会技術
研究報告ＯＳＣ９５−２（１９９５．２），ｐｐ．９〜
１６」に開示されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の「和周波光を用
いた光・光サンプリング法」による光波形測定において
は、被測定光の強度変化の繰り返し周期と、サンプリン
グ光の強度変化の繰り返し周期との間の位相差は常に一
定であることが必要である。しかしながら、被測定光の
繰り返し周波数は例えば、ジッターの存在のために揺動
する場合がある。このため、従来、正確に光波形やパル
ス幅を測定することが困難であり、装置として実験レベ
ルでは実現できるが、商品として耐え得るものは無かっ
た。また、ジッターは複合的な原因から発生するため、
その原因を特定することは非常に難しい場合が多い。従
って、このような短時間領域の光・光サンプリング法に
おいては、常に被測定光光源のジッターの存在を仮定し
ておき、このジッターに対処できる方法および装置であ
ることが必要である。

【０００５】また、上述に記載した文献に開示されてい
るように、被測定光とサンプリング光のこれら両光の繰
り返し周波数を位相同期させるために、それぞれの光源
に繰り返し周波数を決定するための駆動周波数信号発生
器を具え、これらを電気的に接続することにより、互い
の位相関係を一定に保ちタイミング合わせを行っている
例がある。しかし、実際の計測装置では、被測定光に具
えられている周波数信号発生器から電気信号をもらいう
けることができない場合がある。従って、任意の繰り返
し周波数の光を測定するためには、サンプリング光の繰
り返し周波数が調節可能であることが望ましい。また、
この駆動周波数信号発生器には極めて安定度の高いもの
が必要であるが、長期間に渡ってその安定度を維持する
ことは難しい。しかも、駆動周波数信号発生器は比較的
高価であるという問題がある。

【０００６】従って、従来より、被測定光の繰り返し周
波数の揺動に対してサンプリング光の繰り返し周波数を
追従させる方法と、その方法の実施に好適な装置とが望
まれていた。

【０００７】

【課題を解決するための手段】そこで、この出願の第一
の発明によれば、周期的に強度の変化を繰り返す被測定
光の時間波形を、この被測定光およびサンプリング光間
の非線形相互作用により測定する光波形測定方法におい
て、前述した被測定光およびサンプリング光の強度を反
映する二次光を用い、この被測定光の繰り返し周波数の
揺動に従いサンプリング光の繰り返し周波数の制御を行
うことを特徴とする。

【０００８】この第一の発明によれば、被測定光の繰り
返し周波数の揺動を補償するようにサンプリング光の繰
り返し周波数を変化させることが可能になる。

【０００９】また、この出願の第二の発明によれば、周
期的に強度の変化を繰り返す被測定光の時間波形を、こ
の被測定光およびサンプリング光間の非線形相互作用に
より測定する光波形測定装置において、被測定光および
サンプリング光間の非線形相互作用により和周波光を発
生させる光・光サンプリング部と、この和周波光を検出
し、前述した被測定光の時間波形を表示する波形表示部
と、前述したサンプリング光および被測定光間の非線形
相互作用により二次光を発生させる二次光発生部と、こ
の二次光を検出して、被測定光の繰り返し周波数の揺動
に対応してサンプリング光の繰り返し周波数を制御する
信号を発生する繰り返し周波数制御部と、前述の信号を
入力としてサンプリング光の繰り返し周波数を変化させ
るサンプリング光源と、前述した波形表示部、二次光発
生部、繰り返し周波数制御部およびサンプリング光源に
入力する一定周波数信号を発生させる基準周波数信号発
生部とを具えてなる。

【００１０】上述の通り、光・光サンプリング部、波形
表示部、二次光発生部、サンプリング光源制御部、サン
プリング光源および基準周波数信号発生部を具えたので
フェーズロックループ（位相同期ループ）系を有した光
波形測定装置が構成される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の光波形測定方法及びその装置について説明する。尚、
図は、この発明が理解できる程度に概略的に示してある
に過ぎず、また、この実施の形態の形状および数値条件
は単なる好適例であり、従って、この発明は、この構成
例に何等限定されるものではない。

【００１２】図１〜７は、この実施の形態の構成の説明
に供するブロック図である。各図には、光信号および電
気信号が矢印で記載されて示されている（矢印の向き
が、光の進行方向または電気信号の伝達方向を示してい
る。）。

【００１３】図１は、この実施の形態の光波形測定装置
の構成を示すブロック図である。先ず、この構成例の装
置は、被測定光Ｌ_DUT およびサンプリング光Ｌ_S 間の非
線形相互作用により和周波光Ｌ_M を発生させる光・光サ
ンプリング部１２を具えている。被測定光Ｌ_DUT および
サンプリング光Ｌ_S は周期的なパルス光であって、サン
プリング光Ｌ_S のパルス幅は被測定光Ｌ_DUT のパルス幅
に比べ十分短いように設定されている。また、両光の繰
り返し周波数は、被測定光の繰り返し周波数がサンプリ
ング光の繰り返し周波数の整数倍から外れた値に設定さ
れている。

【００１４】また、この構成例の光波形測定装置は、和
周波光Ｌ_M を検出し、被測定光Ｌ_DU _T の時間波形を表示
する波形表示部１４を具えている。

【００１５】そして、この構成例の装置は、サンプリン
グ光Ｌ_S および被測定光Ｌ_DUT 間の非線形相互作用によ
り四光波混合光Ｌ_F を発生させる四光波混合光発生部４
０と、その四光波混合光Ｌ_F を検出して、被測定光Ｌ
_DUT の繰り返し周波数の揺動に対応してサンプリング光
Ｌ_S の繰り返し周波数を制御する信号Ｓ₄ を発生する繰
り返し周波数制御部５０を具える。また、この信号Ｓ₄
を入力し、サンプリング光Ｌ_S の繰り返し周波数を変化
させるサンプリング光源１６を具えている。

【００１６】また、この構成例の光波形測定装置は、波
形表示部１４、四光波混合光発生部４０、繰り返し周波
数制御部５０およびサンプリング光源１６に入力する一
定周波数信号Ｓ₃ を発生させる基準周波数信号発生部７
６を具えている。

【００１７】この発明の光波形測定方法は、被測定光が
周期的な強度の変化を示す繰り返し光であって、この被
測定光の時間波形を被測定光およびサンプリング光間の
非線形相互作用により測定する光波形測定方法におい
て、被測定光およびサンプリング光の強度を反映する二
次光を用い、被測定光の繰り返し周波数の揺動に従い、
サンプリング光の繰り返し周波数の制御を行うことを特
徴としている。この実施の形態では、前述の二次光とし
て四光波混合光を用いている。しかし、この発明は、こ
れに限らず、所望の動作が行え得るのであれば非線形相
互作用による他の二次光を用いてもよい。

【００１８】上述の光波形測定方法を用いた装置は、被
測定光Ｌ_DUT およびサンプリング光Ｌ_S 間の非線形相互
作用によって発生した四光波混合光Ｌ_F を用いて、この
被測定光Ｌ_DUT の繰り返し周波数の揺動に対応させてサ
ンプリング光Ｌ_S の繰り返し周波数の制御を行う位相同
期ループ機構を有している。このように、この発明の光
波形測定方法を用いた装置は、和周波光Ｌ_M を用いた光
・光サンプリング法による光波形測定装置に位相同期ル
ープ系を付加した構成である。

【００１９】以上、この構成例の装置の概略について説
明した。以下、各構成要素について順次説明する。

【００２０】［光・光サンプリング部］図２は、この実
施の形態の光・光サンプリング部の構成の説明に供する
ブロック図である。図２に記載されて示されるように、
光・光サンプリング部１２は、先ず、被測定光Ｌ_DUT を
光波形測定装置内に導入する際に平行光線に変換する光
ファイバ接続コネクタ３０と、平行光線であるサンプリ
ング光Ｌ_S および被測定光Ｌ_DUT を非線形光学結晶１０
の内部に集光するレンズ３２、３４とを具えている。そ
して、入射されたサンプリング光Ｌ_S および被測定光Ｌ
_DUT の両光を互いに直交した直線偏光とし、これらの光
軸を同一になす偏光ビームスプリッタ２０と、これら直
線偏光になされたサンプリング光Ｌ_S および被測定光Ｌ
_DUT を入射し、両光間の非線形相互作用によって和周波
光Ｌ_M を発生させる非線形光学結晶１０と、この和周波
光Ｌ_M を、サンプリング光Ｌ_S 、被測定光Ｌ_DUT および
その他の光から分離させる波長選択素子２２とを具えて
いる。この実施の形態においては、波長選択素子２２と
して波長選択鏡２６および光学フィルタ２８の組み合わ
せを用いている。

【００２１】和周波光Ｌ_M の発生方法によっては、非線
形光学結晶１０から出射する光に、和周波光Ｌ_M の他に
被測定光Ｌ_DUT 、サンプリング光Ｌ_S およびそれぞれの
第２高調波光が含まれる場合がある。従って、これらの
光から和周波光Ｌ_M のみを選択して検出する必要があ
る。このために、波長選択鏡２６および光学フィルタ２
８が設けられている。波長選択鏡２６により被測定光Ｌ
_DUT およびサンプリング光Ｌ_S が透過され、その他の光
は反射される。この反射光の中から光学フィルタ２８に
より和周波光Ｌ_M のみが選択されて透過され、図１に記
載して示したように、波形表示部１４に入射される。一
方、サンプリング光Ｌ_S および被測定光Ｌ_DUT 各々の一
部の光は、非線形光学結晶１０を透過し、波長選択鏡２
６を透過して図１に記載して示したように、四光波混合
光発生部４０に入射される。

【００２２】［波形表示部］図３は、この実施の形態の
波形表示部１４の構成の説明に供するブロック図であ
る。先ず、この波形表示部１４は、光サンプリング部１
２から出力された和周波光Ｌ_M を検出する光検出器２４
を具えている。次に、光検出器２４の出力：波形信号Ｓ
₁ の雑音成分を抑圧する信号処理回路３６を具えてい
る。この信号処理回路３６は、通常の積分処理と加算平
均処理により雑音処理を行う回路である。尚、この信号
処理回路３６は、図１に記載された基準信号発生部７６
から、周波数信号Ｓ₃ （以下、周波数信号Ｓ₃ を基準周
波数信号と呼び、その周波数をΔｆとする。）を入力し
て波形表示に用いられる掃引周波数を決定している。信
号処理回路３６を通過した波形信号Ｓ₁ は表示装置３８
に伝送される。表示装置３８においては、入力される波
形信号Ｓ₁ に基づいて、その強度を反映した図形を前述
した掃引周波数で表示させる。

【００２３】［四光波混合光発生部］図４は、この実施
の形態の四光波混合光発生部４０の構成の説明に供する
ブロック図である。図４に記載されて示されるように、
四光波混合光発生部４０は、半導体レーザ増幅器４４お
よび光学フィルタ４６から構成される。

【００２４】光・光サンプリング部１２から出力された
サンプリング光Ｌ_S および被測定光Ｌ_DUT を入力し、こ
れら両光を、先ず、半導体レーザ増幅器４４に入力させ
て四光波混合光Ｌ_F を発生させる。半導体レーザ増幅器
４４は、図１に記載されて示した基準信号発生部７６か
ら基準周波数信号Ｓ₃ を入力し、この周波数Δｆに基づ
いて動作している。半導体レーザ増幅器４４から出射す
る光には四光波混合光Ｌ_F だけではなく、サンプリング
光Ｌ_S および被測定光Ｌ_DUT 並びに非線形相互作用によ
って生じた他の光の透過光が含まれるので、これらと四
光波混合光Ｌ_Fとを分離させるために光学フィルタ４６
を設けている。

【００２５】［繰り返し周波数制御部］図５は、この実
施の形態の繰り返し周波数制御部５０の構成の説明に供
するブロック図である。

【００２６】四光波混合光発生部４０から発生した四光
波混合光Ｌ_F は、光検出器４８に入射される。繰り返し
周波数制御部５０は、この光検出器４８、乗算器５４、
低域通過フィルタ５２、周波数／電圧変換器５６および
電圧加算器５８から構成される。低速の受光系である光
検出器４８は、被測定光やサンプリング光の繰り返し周
波数には追従できないが、基準周波数Δｆには追従でき
るフォトダイオードである。この光検出器４８の出力か
ら信号：位相差信号Ｓ₂ が得られる。この位相差信号Ｓ
₂ は、乗算器５４の一方の入力端子に入力され、他方の
入力端子に入力される基準周波数信号Ｓ₃ との位相差が
検出される。この乗算器５４の出力：位相差電圧信号Ｓ
₅ は、低域通過フィルタ５２によってその高周波成分が
除去され、電圧加算器５８の一方の入力端子に入力され
る。電圧加算器５８の他方の入力端子に入力される信号
は、基準周波数信号Ｓ₃ を周波数／電圧変換器５６に通
すことにより、電圧信号に変換された基準周波数電圧信
号Ｓ₆ である。位相差電圧信号Ｓ₅ と基準周波数電圧信
号Ｓ₆ とは、電圧加算器５８により加算されて出力され
る。この電圧加算器５８の出力が繰り返し周波数制御信
号Ｓ₄ であり、この信号はサンプリング光源１６に入力
される。

【００２７】［サンプリング光源］図６は、この実施の
形態のサンプリング光源１６の構成の説明に供するブロ
ック図である。この実施の形態のサンプリング光源１６
は、繰り返し周波数制御部５０から繰り返し周波数制御
信号Ｓ₄ を入力し、この繰り返し周波数制御信号Ｓ₄ か
らサンプリング光Ｌ_S の繰り返し周波数を決定してサン
プリング光Ｌ_S を出射する光源である。

【００２８】この実施の形態のサンプリング光源１６
は、先ず、レーザ媒質８６、アイソレータ８８、光変調
器９０、ミラー９４、９６、１２８、１３６、半透過鏡
９８、、波長可変フィルタ１３０、１／２波長板１３
２、１／４波長板１３４、および偏光ビームスプリッタ
９２によりリング共振器を構成する。ミラー９４、９６
は第１移動台１０８に設けられていて、これらで周長変
化手段を構成している。第１移動台１０８にはモータが
備えられていて、ａ方向（図中の矢印ａで示される方
向。）に移動させることができ、リング共振器の周長
（リング共振器内を導波されている光の光路長）を変化
させる。また、ミラ−１３６は、ピエゾ光学変調器１２
６に接して設けられている。入力された繰り返し周波数
制御信号Ｓ₄ に従い、コントローラ１２４は微小周長変
化手段としえのピエゾ光学変調器１２６を変動させ、ミ
ラー１３６はｃ方向（図中の矢印ｃで示される方向。）
に変動する。この動作によって、リング共振器周長をわ
ずかに変化させることができる。

【００２９】レーザ媒質８６により発光および増幅され
る光Ｌ_S は、このリング共振器内を図６の時計回りにの
み導波されているとする。アイソレータ８８は戻り光を
遮断して、上述の時計回り光のみの存在を保証してい
る。光変調器９０を透過する光の強度は、光変調器９０
に入力される制御信号の有無によって調節される。波長
可変フィルタ１３０は、サンプリング光源１６の発振波
長を変化させる。１／２波長板１３２、１／４波長板１
３４および偏光ビームスプリッタ９２によって光を直角
方向に二分し、その分離比は調節することができる。偏
光ビームスプリッタ９２によって反射された光の一部は
レーザ媒質８６に再度入射される。偏光ビームスプリッ
タ９２を透過した光は、サンプリング光Ｌ_S としてサン
プリング光源外部に出射され、偏光ビームスプリッタ２
０に入射される。

【００３０】コントローラ１２０には、後述する規定周
波数制御信号Ｓ₁₁が入力される。コントローラ１２０
は、第１移動台１０８に備えられているモータを制御す
るための制御ユニットを備えており、この規定周波数制
御信号Ｓ₁₁によってコントローラ１２０は第１移動台１
０８の移動量を制御する。

【００３１】次に、この実施の形態のサンプリング光源
１６は、光ディレーラインを具えた光変調部を具えてな
る。半透過鏡９８を透過した光は、ミラー１００、１０
２により光検出器１０４に導かれる。光検出器１０４の
出力は、マイクロ波帯増幅器１０６により増幅されて光
変調器９０に入力される（正帰還される）。

【００３２】また、光検出器１０４の出力信号は高域通
過フィルタ６４に伝送され、低周波数成分が除去され、
高周波信号Ｓ₈ として位相比較器７４の一方の入力端子
に入力される。この位相比較器７４の他方の入力端子に
は、基準信号発生部７６から周波数逓倍器７２によって
逓倍操作を施された基準周波数信号Ｓ₃ を入力し、これ
らの信号の位相差が検出される。この電圧信号：規定周
波数制御信号Ｓ₁₁は前述のコントローラ１２０に入力さ
れる。また、高周波信号Ｓ₈ は、高周波増幅器６６に入
力されて増幅され、この増幅された高周波信号Ｓ₉ は、
コントローラ１２２に入力される。

【００３３】ミラー１００、１０２は第２移動台１１０
に設けられていて、これらで光路長変化手段を構成して
いる。第２移動台１１０には、第１移動台１０８と同様
にモータが備えられていて、第２移動台１１０はｂ方向
（図中の矢印ｂで示される方向。）に沿って移動し、光
変調器９０から光検出器１０４までの光路長を変化させ
る。コントローラ１２２には、このモータを制御するた
めの制御ユニットが搭載されていて、信号Ｓ₉ を入力と
して第２移動台１１０の移動量を決定する。また、コン
トローラ１２２にはカウンタが備えられていて、サンプ
リング光Ｌ_S の繰り返し周波数を表示させることができ
る。

【００３４】［基準周波数信号発生部］図７は、この実
施の形態の基準周波数信号発生部の構成の説明に供する
ブロック図である。この実施の形態の基準周波数信号発
生部７６は、周波数信号発生器７８、周波数除算器８
０、外部接続端子８２および切り替えスイッチ８４から
構成される。周波数信号発生器７８は、基準周波数信号
Ｓ₃ を発生させ、この基準周波数信号Ｓ₃ は、波形表示
部１４、四光波混合光発生部４０、サンプリング光源制
御部５０およびサンプリング光源１６に入力される。

【００３５】また、外部接続端子８２と切り替えスイッ
チ８４により、外部から周波数信号を入力して、この信
号を基準周波数信号Ｓ₃ として用いることも可能であ
る。外部から入力された周波数信号は、周波数除算器８
０により適当に周波数変換されて用いられる。

【００３６】次に、この発明の光波形測定方法および光
波形測定方法を用いた装置の動作について説明する。

【００３７】［光・光サンプリング法］先ず、「和周波
光を用いた光・光サンプリング法」について説明する。
図８は、この光・光サンプリング法の説明に供するグラ
フであり、被測定光Ｌ_DUT およびサンプリング光Ｌ_S の
入射タイミング、およびこれら両光と出力される和周波
光Ｌ_M との時間的な関係を示す図である。図８の（Ａ）
〜（Ｃ）の各図は、横軸に時間ｔを取り、縦軸に光強度
Ｉを取って示したグラフ、図８の（Ｄ）は、横軸に時間
ｔを取り、縦軸に電圧Ｖを取って示したグラフである。
図８の（Ａ）〜（Ｄ）の各グラフはそれぞれ被測定光Ｌ
_DUT 、サンプリング光Ｌ_S 、被測定光Ｌ_DUT とサンプリ
ング光Ｌ_S を同一グラフに重ねて示したもの、および和
周波光Ｌ_Ｍの光強度の時間変化の様子を示している。各
光強度の観測は同一位置で行い、被測定光Ｌ_ＤＵＴお
よびサンプリング光Ｌ_S が非線形光学結晶１０に入射す
るときの時刻をｔ＝０とする（図８の（Ａ）、
（Ｂ））。また、便宜のため、和周波光Ｌ_M は遅延時間
無しで、すなわちｔ＝０の時に発生するものとする。

【００３８】被測定光Ｌ_DUT およびサンプリング光Ｌ_S
は、位相整合条件を満たす目的で、互いに直交した直線
偏光とされ、光軸を同一にして非線形光学結晶１０に入
射される。非線形光学結晶１０中では、入射された被測
定光Ｌ_DUT およびサンプリング光Ｌ_S 間の非線形光学効
果により和周波光Ｌ_M が発生する。位相整合条件とは、
入射光により生じる非線形分極波の位相速度と、生じた
和周波光の位相速度とを一致させる条件であり、この条
件が満たされるときにエネルギーの変換が効率よく行わ
れる。位相整合条件としては、被測定光Ｌ_DUT とサンプ
リング光Ｌ_S を互いに直交させた直線偏光とする他に、
互いに平行な直線偏光として行う場合もある。非線形光
学結晶１０として、例えばＫＴＰ結晶を用いる場合に
は、互いに直交させた直線偏光とする方が位相整合条件
を満足し易い。

【００３９】被測定光Ｌ_DUT の光中心周波数をω_DUT 、
サンプリング光Ｌ_S の光中心周波数をω_S とすると、和
周波光Ｌ_M の光中心周波数は（ω_DUT ＋ω_S ）で表され
る。和周波光Ｌ_M の光強度は、被測定光Ｌ_DUT およびサ
ンプリング光Ｌ_S の各々の光強度に比例する。従って、
一定のピーク強度を示し、被測定光Ｌ_DUT のパルス幅に
比べて十分小さいパルス幅のサンプリング光Ｌ_S を用い
ることにより、和周波光Ｌ_M の光強度が被測定光Ｌ_DUT
の光強度に依存するので、被測定光Ｌ_DUT 強度の時間変
化をサンプリングすることができる。

【００４０】被測定光Ｌ_DUT およびサンプリング光Ｌ_S
の光パルスの繰り返し周波数を、それぞれｆ_DUT および
ｆ_S とする。従って、被測定光Ｌ_DUT およびサンプリン
グ光Ｌ_S の光パルスの繰り返し周期は、それぞれｆ_DUT
^-1 およびｆ_S ^-1 である。そして、ｆ_DUT のｎ（ｎはｎ
＞０を満たす整数）分の一倍に比べｆ_S の方がΔｆだけ
小さいとする（図８の（Ａ）、（Ｂ）においては、ｆ_S
^-1 −２ｆ_DUT ^-1 ＝Δｆ^−１として示してある。また、
図８の（Ａ）の横軸はｆ_ＤＵＴ ^−１にて目盛り、図８
の（Ｂ）、（ｃ）および（Ｄ）の横軸はｆ_S ^-1 にて目盛
ってある。）。従って、次の（１）式が成り立つ。

【００４１】ｆ_S ＝ｆ_DUT ／ｎ−Δｆ（１）図８の（Ｃ）に、被測定光Ｌ_DUT とサンプリング光Ｌ_S
とを重ねて示した。この重なり部分（図の斜線で表す領
域）の各時間の強度の積に比例する強度を持つ和周波光
Ｌ_M が発生する。この和周波光Ｌ_M の光強度を検出する
ことにより、時間ｆ_S ^-1 毎に被測定光Ｌ_DUT の光強度の
時間変化がサンプリングされ（図８の（Ｄ）の実線で示
し、各時間ｆ_S ^-1 毎の検出電圧値を直線で結んで示して
ある。）、一連の被測定光Ｌ_DUT の時間波形（図８の
（Ａ））が、時間を引き伸ばされて電気的に再構築され
る（図８の（Ｄ）の点線で示す曲線。）。図８の（Ｄ）
のグラフで示される被測定光Ｌ_DUT の波形は繰り返し周
波数Δｆで変化する周期信号である。

【００４２】上述の光・光サンプリング方法によれば、
被測定光のパルス幅がフェムト秒時間領域の光パルスで
あっても、直接、その波形を観測することが原理的には
可能である。時間分解能を決める要因の一つは、非線形
光学結晶の光進行方向の厚さである。非線形光学結晶１
０として、例えば、ＫＴＰ結晶を用いる場合には、厚さ
１（ｍｍ）で約５７（ｆｓ）の時間分散（時間のぼけ）
が在り、ＬＮ結晶を用いる場合には、同じく厚さ１（ｍ
ｍ）で約１６０（ｆｓ）の時間分散が生じる。

【００４３】［繰り返し周波数制御信号の生成手順］次
に、この実施の形態での繰り返し周波数制御信号生成手
順について説明する。図９および図１０は、その説明に
供するグラフである。各図の横軸には時間ｔを取り、Δ
ｆ^-1にて目盛ってある。

【００４４】前述の通り、被測定光Ｌ_DUT のパルス幅が
フェムト秒時間領域である場合、被測定光Ｌ_DUT および
サンプリング光Ｌ_S 間の位相差を必要とする時間分解能
以内の安定度で一定に保持することは困難である。ま
た、被測定光Ｌ_DUT の繰り返し周波数が変動して不安定
である場合も同様に、被測定光Ｌ_DUT およびサンプリン
グ光Ｌ_S 間の位相差を一定に保持することができない。
従って、被測定光の時間波形を正確に測定することが困
難である。このような事態に対処するために、被測定光
Ｌ_DUT の繰り返し周波数の揺動に対応させて、サンプリ
ング光Ｌ_S の繰り返し周波数を制御する必要がある。そ
のための制御信号をこの実施の形態では以下に説明する
ように生成する。

【００４５】先ず、被測定光Ｌ_DUT およびサンプリング
光Ｌ_S 間の位相差を検出する系について説明する。この
位相差を検出するには、被測定光Ｌ_DUT およびサンプリ
ング光Ｌ_S 間の非線形相互作用によって発生する四光波
混合光Ｌ_F を用いる。四光波混合光Ｌ_F の光強度は、被
測定光Ｌ_DUT の強度およびサンプリング光Ｌ_S の強度の
２乗に比例する。サンプリング光Ｌ_S のパルスピーク強
度は一定になされているので、四光波混合光Ｌ_F の光強
度は、被測定光Ｌ_DUT の光強度に依存する。ジッターに
より被測定光Ｌ_F の繰り返し周波数が変化したとき、被
測定光Ｌ_DUT およびサンプリング光Ｌ_S 間の位相差が乱
れ、この乱れに基づく揺らぎ周波数成分が四光波混合光
Ｌ_F の繰り返し周波数に含まれてくる。従って、ジッタ
ーに基づく被測定光Ｌ_DUT およびサンプリング光Ｌ_S 間
の位相差の乱れを検出するために、四光波混合光Ｌ_F を
検出する。

【００４６】四光波混合光Ｌ_F を得るために、半導体レ
ーザ増幅器４４を用いる。半導体レーザ増幅器４４の活
性領域内に被測定光Ｌ_DUT およびサンプリング光Ｌ_S を
光軸を同一にして入射させると、通常の光増幅と同時に
半導体レーザ増幅器４４内のキャリアおよび入射光間の
非線形相互作用により四光波混合光Ｌ_F が発生する。こ
の実施の形態では、半導体レーザ増幅器４４に入射され
る光はほぼ位相整合条件を満たしている。非線形光学結
晶による和周波光の発生効率は高々２０％であり大部分
の光が透過されるので、これら透過光を半導体レーザ増
幅器に入射して四光波混合光を発生させる目的に用いる
ことができる。

【００４７】被測定光Ｌ_DUT の光中心周波数をω_DUT 、
サンプリング光Ｌ_S の光中心周波数をω_S とし、ω_DUT
＞ω_S とすると、四光波混合光Ｌ_F の光中心周波数は
（２ω_S −ω_DUT ）で表される。ω_DUT とω_S とを比較
的接近して用いることが考えらるので、半導体レーザ増
幅器４４から出力される四光波混合光Ｌ_F の光中心周波
数もω_DUT 、ω_S に接近していると考えられる。このよ
うな四光波混合光Ｌ_F を光学フィルタ４６だけで他の光
から分離して検出することは難しいので、半導体レーザ
増幅器４４の駆動電流を基準周波数信号Ｓ₃ により変調
し、この基準周波数信号Ｓ₃ の周波数Δｆで変動する信
号のみを検出するいわゆる同期検波を行っている。これ
により四光波混合光Ｌ_F だけを選択して検出することが
でき、背景ノイズが抑圧される。

【００４８】また、この実施の形態においては、上述の
ように半導体レーザ増幅器４４を基準周波数信号Ｓ₃ で
変調することは、前述の位相差を検出するために必須な
手段となっている。式（１）で設定したように、被測定
光Ｌ_DUT およびサンプリング光Ｌ_S 間の位相差は基準周
波数Δｆで変動する。四光波混合光Ｌ_F が半導体レーザ
増幅器４４内で発生する際、半導体レーザ増幅器４４の
ゲインは周波数Δｆ（従って、周期Δｆ^-1）で変化し
（図９の（Ａ））、出射される四光波混合光Ｌ_Fの強度
は周波数Δｆで変調される。図９の（Ａ）は、縦軸に半
導体レーザ増幅器４４のゲイン値Ｇを取って示したグラ
フである。この実施の形態においては、ゲインＧの変化
は正弦波に従って変化する。

【００４９】発生した四光波混合光Ｌ_F は、光学フィル
タ４６によって選択され、光検出器４８により検出され
る。検出される四光波混合光Ｌ_F の光強度は、半導体レ
ーザ増幅器４４の駆動電流が一定値の場合（従って、変
調を加えない場合。）、和周波光Ｌ_M の波形（図８の
（Ｄ））と同様に、繰り返し周波数Δｆで変化する。図
９の（Ｂ）は、変調を受けないときの四光波混合光Ｌ_F
の強度変化を示すグラフであり、縦軸に光強度Ｉを取っ
て示した。この繰り返し周波数Δｆと同じ周波数で半導
体レーザ増幅器４４を変調する。

【００５０】図９の（Ｃ）および（Ｄ）は、光検出器４
８で検出される出力信号すなわち位相差信号Ｓ₂ の値の
変化を示すグラフであり、縦軸に電圧Ｖを取って示し
た。これらの各時間毎の信号値は、図９の（Ａ）および
（Ｂ）に示した各時間毎のそれぞれの波形の積の大きさ
およびゲイン値に比例する。しかし、光検出器４８は、
前述したように被測定光Ｌ_DUT またはサンプリング光Ｌ
_S の繰り返し周波数に追従できないので、被測定光Ｌ
_DUT のジッターが無いときには、図９の（Ｃ）に示す通
り、繰り返し周波数Δｆで変動する正弦波状の波形が観
測される。被測定光Ｌ_DUT にジッターが有るときには、
図９の（Ｂ）に示した波形の繰り返し周波数Δｆが変動
し、各時間の半導体レーザ増幅器４４のゲイン変化との
位相差にずれが生じる。この周波数Δｆの変動に基づ
き、位相差信号Ｓ₂ の変化はビートが生じた波形（図９
の（Ｄ）の実線で示した曲線。）となる。この波形の包
絡線（図９の（Ｄ）の点線で示した曲線。）の周波数を
δｆとする。このδｆ周波数成分が、被測定光Ｌ_DUT お
よびサンプリング光Ｌ_S 間の位相差の変化を反映してい
る。

【００５１】次に、検出した位相差信号Ｓ₂ の信号処理
過程について説明する。位相差信号Ｓ₂ は、乗算器５４
の一方の入力端子に入力される。乗算器５４の他方の入
力端子には、基準周波数信号Ｓ₃ が入力され、この乗算
器５４によって、各入力端子に入力された二つの信号値
の積が出力される。また、この乗算器５４の出力信号
は、低域通過フィルタ５２によって、その高周波数成分
が除去された信号となる。低域通過フィルタ５２の出力
信号の値は、乗算器５４の各入力端子に入力された二つ
の信号の位相差に比例する。これら乗算器５４および低
域通過フィルタ５２は、位相比較器を構成している。

【００５２】図１０の（Ａ）および（Ｂ）は、低域通過
フィルタ５２の出力信号の変化の様子を、横軸に時間
ｔ、縦軸に電圧Ｖを取って示したグラフである。横軸
は、時間Δｆ^-1にて目盛ってある。

【００５３】図１０の（Ａ）は、被測定光Ｌ_DUT の繰り
返し周波数に変動が無い場合である。この場合、位相差
信号Ｓ₂ の信号値は繰り返し周波数Δｆで周期的に変動
する。従って、この位相差信号Ｓ₂ および基準周波数信
号Ｓ₃ 間の位相差は常に一定であり、低域通過フィルタ
５２の出力電圧値は、その位相差に比例した一定値であ
る。

【００５４】図１０の（Ｂ）は、被測定光Ｌ_DUT の繰り
返し周波数に変動が有る場合である。この場合、位相差
信号Ｓ₂ にはΔｆ周波数成分の他に、δｆ周波数成分が
含まれる。この位相差信号Ｓ₂ と基準周波数信号Ｓ₃ と
を乗算器５４によって積を取り、低域通過フィルタ５２
を通すことによって、周波数δｆで変動する電圧信号が
得られる。

【００５５】低域通過フィルタ５２の出力を位相差電圧
信号Ｓ₅ とする。位相差電圧信号Ｓ₅ は、電圧加算器５
８の一方の入力端子に入力される。電圧加算器５８の他
方の入力端子には、周波数／電圧変換器５６を通過した
基準周波数信号Ｓ₃ が入力される。周波数／電圧変換器
５６は、入力された周波数信号をその周波数の値に比例
した値の電圧信号に変換する。この周波数／電圧変換器
５６の出力を基準周波数電圧信号Ｓ₆ とする。これらの
基準周波数電圧信号Ｓ₆ および位相差電圧信号Ｓ₅ は電
圧加算器５８に入力されて加算される。この電圧信号を
繰り返し周波数制御信号Ｓ₄ とする。繰り返し周波数制
御信号Ｓ₄ は、サンプリング光源１６に入力される。以
上説明した通り、繰り返し周波数制御信号Ｓ₄ は、被測
定光Ｌ_DUT の繰り返し周波数の変動を反映した信号であ
り、この信号に基づいてサンプリング光の繰り返し周波
数は制御される。繰り返し周波数制御信号Ｓ₄ は、サン
プリング光源１６に設けられているコントローラ１２０
に入力される。

【００５６】［サンプリング光の制御手順］サンプリン
グ光Ｌ_S の繰り返し周波数ｆ_S の値は、常に観測して各
制御部（光変調器９０に帰還する系、第２移動台１１０
を制御するコントローラ１２２に帰還する系、および第
１移動台１０８を制御するコントローラ１２０に帰還す
る系。）に帰還せしめる。先ず、サンプリング光源１６
のリング共振器中に導波されている光の一部を取り出
し、光検出器１０４によって電気信号に変換する。この
光検出器１０４の出力は、周波数ｆ_S で強度が変化する
信号である。この出力信号を高域通過フィルタ６４に通
して低周波数成分を除去し、高周波信号Ｓ₈ を得る。高
周波信号Ｓ₈ は、高周波増幅器６６によって増幅され、
コントローラ１２２に入力される。コントローラ１２２
にはカウンタが設けられており、サンプリング光Ｌ_S の
繰り返し周波数ｆ_S の値が表示される。また、高周波信
号Ｓ₈ は、位相比較器７４の一方の入力端子に入力され
る。前述したように、位相比較器７４の出力：規定周波
数制御信号Ｓ₁₁は、コントローラ１２０に入力される。
また、光検出器１０４の出力信号は、マイクロ波帯増幅
器１０６によって増幅され、光変調器９０に入力され
る。

【００５７】被測定光Ｌ_DUT の繰り返し周波数の変動に
依存しないサンプリング光Ｌ_S の繰り返し周波数の設定
について、以下に説明する。

【００５８】この発明の光波形測定装置に用いられるサ
ンプリング光源からの発生光の繰り返し周波数ｆ_S と被
測定光の繰り返し周波数ｆ_DUT との間には、（１）式で
表される関係が満足されていなければならない。揺らぎ
周波数成分δｆが無い場合の理想状態を考え、またここ
ではΔｆを無視して考える。Δｆは、被測定光Ｌ_DUTの
パルス波形を表示する際の、掃引周波数であって、デー
タ処理に要する時間などから決定される。例えば、ｆ
_DUT を１〜２０（ＧＨｚ）とすると、Δｆは数ＫＨｚ程
度に過ぎないので、これを無視することができる。そう
だとして、また、ｎ本おきに光（被測定光）パルスを測
定するとした場合は、ｆ_S とｆ_DUT との関係は次式で表
される。

【００５９】ｆ_S ＝ｆ_DUT ／ｎ（２）このように、先ず、被測定光の整数分の一倍の繰り返し
周波数を得る方法について説明する。

【００６０】サンプリング光Ｌ_S のパルス幅は、被測定
光Ｌ_DUT のパルス幅に比べて十分短くなければならな
い。例えば、被測定光Ｌ_DUT のパルス幅がピコ秒台であ
れば、サンプリング光Ｌ_S のパルス幅は大きくても０．
１ピコ秒台でなければならない。このような超短パルス
光が、比較的容易に、かつ安定な出射光が得られる方法
としてモード同期法を採用した。

【００６１】モード同期法とは、外部から変調周波数信
号により変調を加えることにより、この変調周波数とレ
ーザ共振器の縦モード間隔周波数ｆ₀ とを同期させ、共
振器中の光パルスの繰り返し周波数がこれらの周波数ｆ
₀ に等しくなることによって短パルス光を発生させるレ
ーザ発振方法である。縦モード間隔周波数ｆ₀ と等しい
大きさの周波数の変調周波数信号を得るには自己再生変
調法を用いる。発生するレーザ発振光の繰り返し周波数
には、ｆ₀ 成分が必ず含まれているので、この光周波数
成分を電気的に増幅して、これを共振器中の変調器に正
帰還となるようにフィードバックさせる。変調器の透過
率が周波数ｆ₀ で変化するので、変調器を通過する光の
強度は周波数ｆ₀ で変化するようになる。このようにし
て、発振レーザ光は、正帰還作用とレーザ媒質の非線形
性のために、ｆ₀ の繰り返し周波数を持つパルス発振を
維持する。

【００６２】このサンプリング光源１６のレーザ共振器
の周長をＬとすると、ｆ₀ は次式のようにＬを用いて表
される。

【００６３】ｆ₀ ＝Ｎｃ／Ｌ（３）ここで、ｃは光速であり、Ｎは共振器の１周長中に発生
しているパルス光の数である（つまり、或る光パルスが
リング共振器を１周する時間が、光パルスの繰り返し周
期のＮ倍である。）。具体的に、例えば、サンプリング
光Ｌ_S の可変周波数範囲を１〜２（ＧＨｚ）とすると、
ｆ_S （＝ｆ₀ ）は、この範囲で連続して変化可能でなけ
ればならない。このとき、Ｎ＝１のときには（３）式の
関係から周長Ｌは、Ｌ＝３０（ｃｍ）からＬ＝１５（ｃ
ｍ）まで連続して変化させる必要がある。しかし、この
ような短い周長では、図３に示した各光学素子を共振器
中に設置することができない。例えば、レーザ媒質８６
としてファイバ状媒質のものを用いる場合には、周長Ｌ
として通常少なくとも数十ｃｍ以上が必要である。ま
た、この方法では測定可能な周波数領域が非常に限られ
たものになってしまう。そこで、周長Ｌの中のパルス光
の数を複数個（Ｎ＞１）にして動作させる。

【００６４】図６に記載されている光変調器９０、半透
過鏡９８、ミラー１００、１０２および光検出器１０４
は光ディレーラインを構成しており、ミラー１００およ
び１０２が設けられている第２移動台１１０の移動によ
り、リング共振器中を導波されている光パルスが光変調
器９０中を通過する時間と、光変調器９０の透過率が最
大になる時間との関係を調整することができる。光変調
器９０の透過率は、光検出器１０４に光が入射されると
きに最大となる。第１の光パルスが光変調器９０を通過
してから、続いて第２の光パルスが光変調器９０を通過
するまでの時間間隔Ｔ_P は、Ｔ_P ＝１／ｆ₀ ＝Ｌ／（Ｎｃ）（４）で表される。また、光パルスが光変調器９０を通過して
から光検出器１０４に受光されるまでの時間をＴ_d とす
ると、Ｔ_P とＴ_d との関係は、常に次式のように設定す
ることが可能である。

【００６５】Ｔ_d ＝Ｌ_d ／ｃ＝ＮＴ_P −Ｔ_P ＝（１−１／Ｎ）Ｌ／ｃ（５）この式からＮが整数になるようにＴ_P とＴ_d の比を調整
する。Ｔ_d を変化させるには、第２移動台１１０を移動
させることにより光変調器９０から光検出器１０４に至
るまでの光路長Ｌ_d を変化させればよい。（５）式のよ
うにＴ_d を調整すると、或るパルス光が光変調器９０を
通過してから、再び光変調器９０に入射されるまでの時
間ＮＴ_P よりＴ_P だけ早い時間に光変調器９０の透過率
が最大になる。ところで、定常状態発振においては、定
常発振強度の変動成分は、共振器周長Ｌで決まる縦モー
ド間隔周波数ｆ₀ の成分を必ず含んでいる。また、この
変動成分は一般に鋭いパルス状の変動を示す。従って、
強度変動のスペクトルはｆ₀ のかなり高い次数の高調波
成分を含む。これらの多くの高調波成分の周波数の逆数
である強度変動の周期時間のいずれかは、（５）式で示
したパルス間隔時間Ｔ_P に等しい。よって、この変動成
分を自己再生変調法により正帰還せしめることによっ
て、パルス時間間隔Ｔ_P のパルス列が形成されている定
常モード同期状態が達成される。このモード同期動作に
よって得られるパルス光の繰り返し周波数ｆ_S （＝ｆ
₀ ）は、前述の（３）式で表される。

【００６６】以上の説明から明らかなように、先ず、第
２移動台１１０を移動調節して光路長Ｌ_d を変化させ遅
延時間Ｔ_d を設定し、次に第１移動台１０８を移動調節
して周長Ｌを変化させ、繰り返し周波数ｆ_S を連続的に
変化させることができる。また、この逆に、先に第１移
動台１０８を移動させ、その後、第２移動台１１０を移
動させてもよい。一度で設定できなかったときには、こ
の一連の動作を繰り返して行う。

【００６７】表１に具体的な数値を一例として示した。
表１には、Ｎ＝５、６、７、８、９の場合が示してあ
り、各々のＮの値に対するサンプリング光の繰り返し周
波数ｆ_S の可能変化範囲をΔｆ_S （ＧＨｚ単位）、周長
Ｌの変化範囲をΔＬ（ｍ単位）、遅延時間Ｔ_d の変化範
囲をΔＴ_d （ｎｓ単位）および光路長Ｌ_d の変化量をΔ
Ｌ_d （ｃｍ単位）として示した。このように周長Ｌは
１．５ｍを基準として２０ｃｍ程度変化させる場合が好
適であり、この周長であれば各光学素子を無理なく設け
ることができる。

【００６８】

【表１】

【００６９】以上、サンプリング光の繰り返し周波数の
制御法について説明した。理想状態を考えたので上記に
おいては既に述べたように被測定光の揺らぎ周波数成分
がない場合を述べたが、被測定光Ｌ_DUT が揺らぎ周波数
成分δｆを含むときには、この揺らぎ周波数成分δｆを
検出し、前述した式（２）のｆ_S にδｆを加えた値の周
波数に変化させる。以下に、サンプリング光Ｌ_S の繰り
返し周波数ｆ_S が、各制御信号Ｓ₄ 、Ｓ₉ およびＳ₁₁か
ら設定される様子をステップ毎に説明する。図１１は、
この説明に供する流れ図である。

【００７０】（ａ）先ず、ステップ１において、被測定
光Ｌ_DUT が入力されている状態のもとでサンプリング光
源を起動する（図１１のＳ１）。ステップ２では、起動
時の繰り返し周波数ｆ_S0の値が制御信号Ｓ₉ の入力によ
って検出される（図１１のＳ２）。このときのＮ（共振
器中に発生しているパルス数。）の値は、ステップ３の
周波数逓倍器７２（従って、規定周波数制御信号Ｓ₁₁）
によって設定される（図１１のＳ３）。ステップ４で
は、このｆ_S0の値およびＮの値から周長Ｌの値が式
（３）に従い求められ、第１移動台１０８の移動可能範
囲内かどうかが判断される（図１１のＳ４）。移動可能
範囲内ではない場合にはステップ５に移りＮの値は別の
値に変更され（図１１のＳ５）、ステップ６においてＮ
の値に従い第１移動台１０８が移動する（図１１のＳ
６）。そして、次のステップ７において、設定されたＬ
の値およびＮの値から式（５）に従い光路長Ｌ_d の値が
求められ、第２移動台１１０が移動する（図１１のＳ
７）。ステップ８で、Ｆ＝｜ｆ_S0−Ｎｃ／Ｌ｜の値が最
小になったかどうかを判断し（図１１のＳ８）、これら
の動作ステップ２からステップ８がＦの値が最小に至る
まで繰り返し行われる。設定されたサンプリング光の繰
り返し周波数の値をｆ_S1で表す。

【００７１】（ｂ）サンプリング光の繰り返し周波数ｆ
_S1が設定された後は、被測定光の繰り返し周波数の変動
δｆに追従する動作に移る。ステップ９において、ピエ
ゾ光学変調器１２６の移動範囲を制御するコントローラ
１２４に、繰り返し周波数制御信号Ｓ₄ が入力される
（図１１のＳ９）。この制御信号Ｓ₄ の値に従いピエゾ
光学変調器１２６を移動させ、周長Ｌをわずかに変化さ
せてサンプリング光の繰り返し周波数をδｆだけ変化さ
せる（図１１のＳ１１）。その際、ステップ１０におい
て、繰り返し周波数制御信号Ｓ₄ の値がピエゾ光学変調
器１２６の移動範囲を越えるかどうかが判断され（図１
１のＳ１０）、越える場合にはステップ３に戻り、新た
なＮの値が設定され、繰り返し周波数ｆ_S1が変更され
る。移動範囲であれば、ステップ１１に移り、ピエゾ光
学変調器１２６を移動し、これらの動作ステップ９から
ステップ１１が繰り返される。

【００７２】以上の説明において、被測定光Ｌ_DUT はす
でに入力されているものとした。従って、この構成例の
光波形測定装置は、四光波混合光Ｌ_F を発生させる四光
波混合光発生部４０と、この強度を測定して被測定光Ｌ
_DUT とサンプリング光Ｌ_S との強度の積を求め、これら
の位相差を検出する繰り返し周波数制御部５０と、この
位相差を入力としてサンプリング光Ｌ_S の繰り返し周波
数ｆ_S を調節するサンプリング光源１６とを設けている
ことにより、この位相同期ループ機構により、被測定光
Ｌ_DUT の繰り返し周波数ｆ_DUT の揺動による位相差変化
を検出し、サンプリング光源にフィードバックさせてサ
ンプリング光Ｌ_S の繰り返し周波数ｆ_Sを（１）式で表
される設定周波数に同期させることができるのである。
このとき、（１）式中の整数ｎは位相同期ループの働き
により、被測定光Ｌ_DUT の繰り返し周波数ｆ_DUT とステ
ップ３におけるＮの初期設定値に応じて自動的に決ま
る。従って、表１に１例を示したサンプリングパルスの
繰り返し周波数可変範囲（この例では１．０〜２．０Ｇ
Ｈｚ）によっても、例えば、ｎ＝１〜１０の範囲が自動
的に決定されるよう構成されておれば、ｆ_DUT ＝１〜２
０ＧＨｚの広範囲な被測定光Ｌ_DUT の波形測定が可能と
なる。

【００７３】この結果、この構成の光波形測定装置によ
れば、周期的パルス光である被測定光Ｌ_DUT の繰り返し
周波数ｆ_DUT が一定でなく不安定であっても、直ちにサ
ンプリング光Ｌ_S の繰り返し周波数ｆ_S を変化させてｆ
_DUT とは常に一定の位相差の状態に保持し、従って、被
測定光Ｌ_DUT の波形を正確に測定することが可能にな
る。

【００７４】また、この構成例の光波形測定装置によれ
ば、適当な周波数領域の任意の繰り返し周波数の被測定
光を観測することが可能である。この構成例の光波形測
定装置のサンプリング光源は、共振器周長の長さを連続
的に変化させることにより、或る周波数領域の任意の繰
り返し周波数の光を発生させることができる。さらに、
この構成例は、共振器中に導波されている光パルスを任
意の数にすることができ、このパルス数に対応して、前
述の周波数領域を選択することができる。従って、発生
する光の繰り返し周波数の範囲が更に広くなり、しかも
連続的に変化させることができるといった顕著なる効果
が得られる。また、この構成例においては、従来の構成
に用いていた高精度の信号発生器を本体に内蔵もしくは
併設する必要がない。このため、装置の構成が簡単とな
り、従来の構成のように高価な高精度信号発生器を必要
としないといった効果ももたらされるジッターδｆの原因は複合的に発生するため特定できな
いのが現状である。主な原因として、被測定光源が、半
導体レーザであるならば、レーザ光そのものの揺らぎが
原因である。また、光ファイバ増幅器を用いる構成例の
場合には、通過させるときに光ファイ中で発生する自然
放出光との干渉によりジッターが生じるとも考えられて
いる。いずれにしても、ジッターの有無は確認できるが
その原因の特定はなされていない。従って、この発明の
光波形測定方法及びその方法を用いた装置は、このよう
なジッターの問題に対する効果的な解決手段を備えてい
ることが理解される。

【００７５】

【発明の効果】上述した説明から明らかなように、この
発明の光波形測定方法によれば、被測定光の繰り返し周
波数が変動する場合、その変動した周波数と常に一定の
差を維持させてサンプリング光の繰り返し周波数を制御
することが可能であり、正確に被測定光の時間波形を測
定することができる。

【００７６】また、この発明の光波形測定装置によれ
ば、光・光サンプリング法を用いた光波形測定装置に、
位相同期ループ系を付加した構成となるので、被測定光
の繰り返し周波数が一定でなく不安定であっても、その
揺動に従いサンプリング光の繰り返し周波数を追従させ
ることができる。よって、正確な光波形の測定を行うこ
とが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態の光波形測定装置の構成の説明に供
する図である。

【図２】実施の形態の光・光サンプリング部の構成の説
明に供する図である。

【図３】実施の形態の波形表示部の構成の説明に供する
図である。

【図４】実施の形態の四光波混合光発生部の構成の説明
に供する図である。

【図５】実施の形態の繰り返し周波数制御部の構成の説
明に供する図である。

【図６】実施の形態のサンプリング光源の構成の説明に
供する図である。

【図７】実施の形態の基準周波数信号発生部の構成の説
明に供する図である。

【図８】実施の形態の光・光サンプリング動作の説明に
供する図である。

【図９】実施の形態の繰り返し周波数制御信号の生成処
理の説明に供する図である。

【図１０】実施の形態の繰り返し周波数制御信号の生成
処理の説明に供する図である。

【図１１】実施の形態のサンプリング動作の説明に供す
る図である。

【符号の説明】

１０：非線形光学結晶１２：光・光サンプリング部１４：波形表示部１６：サンプリング光源２０：偏光ビームスプリッタ２２：波長選択素子２４、４８、１０４：光検出器２６：波長選択鏡２８、４６：光学フィルタ３０：光ファイバ接続コネクタ３２、３４：レンズ３６：信号処理回路３８：表示装置４０：四光波混合光発生部４４：半導体レーザ増幅器５０：繰り返し周波数制御部５２：低域通過フィルタ５４：乗算器５６：周波数／電圧変換器５８：電圧加算器７２：周波数逓倍器７４：位相比較器７６：基準周波数信号発生部７８：周波数信号発生器８０：周波数除算器８２：外部接続端子８４：切り替えスイッチ８６：レーザ媒質８８：アイソレータ９０：光変調器９２：偏光ビームスプリッタ９４、９６、１００、１０２、１２８、１３６：ミラー９８：半透過鏡１０６：マイクロ波帯増幅器１０８：第１移動台１１０：第２移動台６４：高域通過フィルタ６６：高周波増幅器１２０、１２２、１２４：コントローラ１２６：ピエゾ光学変調器１３０：波長可変フィルタ１３２：１／２波長板１３４：１／４波長板Ｓ₁ ：波形信号Ｓ₂ ：位相差信号Ｓ₃ ：基準周波数信号Ｓ₄ ：繰り返し周波数制御信号Ｓ₅ ：位相差電圧信号Ｓ₆ ：基準周波数電圧信号Ｓ₈ 、Ｓ₉ ：高周波信号Ｓ₁₁：規定周波数制御信号Ｌ_DUT ：被測定光Ｌ_S ：サンプリング光Ｌ_M ：和周波光Ｌ_F ：四光波混合光

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周期的に強度の変化を繰り返す被測定光
の時間波形を該被測定光およびサンプリング光間の非線
形相互作用により測定する光波形測定方法において、前記被測定光および前記サンプリング光の強度を反映す
る非線形光学効果による二次光を用い、該被測定光の繰
り返し周波数の揺動に従い、該サンプリング光の繰り返
し周波数の制御を行うことを特徴とする光波形測定方
法。
【請求項２】請求項１に記載の光波形測定方法におい
て、前記二次光の生成に際しては所定の基準周波数信号によ
る変調を実施し、該変調した二次光を光電変換し、該光電変換した信号と、前記所定の基準周波数信号との
位相差に基づいて繰り返し周波数制御信号を得、該制御信号により前記制御を行うことを特徴とする光波
形測定方法。
【請求項３】周期的に強度の変化を繰り返す被測定光
の時間波形を該被測定光およびサンプリング光間の非線
形相互作用により測定する光波形測定装置において、被測定光およびサンプリング光間の非線形相互作用によ
り和周波光を発生させる光・光サンプリング部と、該和周波光を検出し、前記被測定光の時間波形を表示す
る波形表示部と、前記サンプリング光および前記被測定光間の非線形相互
作用により二次光を発生させる二次光発生部と、前記二次光を検出して、前記被測定光の繰り返し周波数
の揺動に対応してサンプリング光の繰り返し周波数を制
御する信号を発生する繰り返し周波数制御部と、前記信号を入力として前記サンプリング光の繰り返し周
波数を変化させるサンプリング光源と、前記波形表示部、前記二次光発生部、前記繰り返し周波
数制御部および前記サンプリング光源に入力する一定周
波数信号を発生させる基準周波数信号発生部とを具えて
なる光波形測定装置。
【請求項４】請求項３に記載の光波形測定装置におい
て、前記サンプリング光源として、モード同期レーザを
用いることを特徴とする光波形測定装置。
【請求項５】請求項４に記載の光波形測定装置におい
て、前記モード同期レーザはリング共振器と、該リング
共振器中に設けられた光変調器と、該リング共振器中に
導波されている光の一部を検出するための光検出器と、
該光検出器の出力を前記光変調器に正帰還するための手
段とを具えることを特徴とする光波形測定装置。
【請求項６】請求項５に記載の光波形測定装置におい
て、サンプリング光の繰り返し周波数の設定値に比例した信
号により制御され、前記リング共振器の共振器周長を変
化させるための周長変化手段と、前記サンプリング光の繰り返し周波数値の測定値に比例
した信号により制御され、前記変調器から前記光検出器
までの光路長を変化させるための光路長変化手段とをさ
らに具えたことを特徴とする光波形測定装置。
【請求項７】請求項６に記載の光波形測定装置におい
て、被測定光の繰り返し周波数の揺らぎ周波数値に比例
した信号により制御され、前記周長変化手段に比べ僅か
に前記共振器周長を変化させる微小周長変化手段をさら
に具えたことを特徴とする光波形測定装置。
【請求項８】請求項６に記載の光波形測定装置におい
て、前記光路長変化手段は、前記リング共振器周長が、
前記リング共振器中を導波されている光パルスの空間的
パルス間隔の整数（但し、１より大きい整数）倍となる
ように光路長を変化させるための手段としてあることを
特徴とする光波形測定装置。