JP3102811B2 - 超高速光波形測定法 - Google Patents
超高速光波形測定法Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、超短光パルスのような
超高速光波形の測定方法に関し、特に、１００ｆｓから
１００ｐｓの光パルスの波形が測定でき、このような高
速シリアル信号をパラレル信号に変換して測定可能な超
高速光波形測定法に関する。
超高速光波形の測定方法に関し、特に、１００ｆｓから
１００ｐｓの光パルスの波形が測定でき、このような高
速シリアル信号をパラレル信号に変換して測定可能な超
高速光波形測定法に関する。
【０００２】
【従来の技術】超短光パルスを発生させる技術は１９８
０年代に急速に進歩し、現在ではサブピコ秒のパルスを
チューナブルで安定して得ることができるようになって
いる。このような超短光パルスは、時間分解分光、非線
形分光の光源として物理、化学等の分野に大きく貢献し
ている。さらに、近年では、超短光パルスのパルス波形
を自由に整形する技術も現れ始め、より高度な光計測手
段としての応用へ道が開かれつつある。また、波形整形
を利用して超短光パルスに情報を書き込めば、Ｔｂｉｔ
ｓ／ｓ以上の光信号を生成することができるので、現在
より数桁高速度の光通信や光情報処理が実現する可能性
もある。しかし、そのような高速の光信号を生成して
も、それを読み取ることができなければ意味がない。現
在の光検出器（ＰＩＮフォトダイオード、アバランシェ
フォトダイオード等）の応答速度は、速いものでも数１
０ＧＨｚが限度であるから、Ｔｂｉｔｓ／ｓ以上の光信
号を直接読み取ることはできない。
０年代に急速に進歩し、現在ではサブピコ秒のパルスを
チューナブルで安定して得ることができるようになって
いる。このような超短光パルスは、時間分解分光、非線
形分光の光源として物理、化学等の分野に大きく貢献し
ている。さらに、近年では、超短光パルスのパルス波形
を自由に整形する技術も現れ始め、より高度な光計測手
段としての応用へ道が開かれつつある。また、波形整形
を利用して超短光パルスに情報を書き込めば、Ｔｂｉｔ
ｓ／ｓ以上の光信号を生成することができるので、現在
より数桁高速度の光通信や光情報処理が実現する可能性
もある。しかし、そのような高速の光信号を生成して
も、それを読み取ることができなければ意味がない。現
在の光検出器（ＰＩＮフォトダイオード、アバランシェ
フォトダイオード等）の応答速度は、速いものでも数１
０ＧＨｚが限度であるから、Ｔｂｉｔｓ／ｓ以上の光信
号を直接読み取ることはできない。
【０００３】ピコ秒より速い領域で光の波形を読み取る
方法として、代表的なものには、ストリークカメラを用
いる方法と、非線形相関法（ＳＨＧオートコリレーショ
ン、クロスコリレーション等）がある。前者は、光波形
を直接測定できるという利点があるが、時間分解能力は
ピコ秒からサブピコ秒までであることと、非常に高価と
いう欠点がある。後者は、時間分解能には問題はない
が、プローブパルスを掃引する必要があるので、瞬時に
読み取ることを要求する光通信等には適用されない。
方法として、代表的なものには、ストリークカメラを用
いる方法と、非線形相関法（ＳＨＧオートコリレーショ
ン、クロスコリレーション等）がある。前者は、光波形
を直接測定できるという利点があるが、時間分解能力は
ピコ秒からサブピコ秒までであることと、非常に高価と
いう欠点がある。後者は、時間分解能には問題はない
が、プローブパルスを掃引する必要があるので、瞬時に
読み取ることを要求する光通信等には適用されない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような状
況に鑑みてなされたものであり、その目的は、上記のよ
うな従来技術の欠点を解決して、時間分解能がエレクト
ロニクスに制限されず、安価で、プローブパルスの掃引
を必要としない全く新しい原理に基づく超高速光波形測
定法を提供することである。
況に鑑みてなされたものであり、その目的は、上記のよ
うな従来技術の欠点を解決して、時間分解能がエレクト
ロニクスに制限されず、安価で、プローブパルスの掃引
を必要としない全く新しい原理に基づく超高速光波形測
定法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の超高速光波形測定法は、測定時間波形を回折格子に
入射させ、その０次以外の所定次数の回折光を空間的に
フーリエ変換し、その位相項をプローブ光パルスと非線
形物質中で光混合させて消去し、位相項消去後、再び空
間的にフーリエ変換して、測定時間波形をそれと相似の
空間パターンとして読み出すことを特徴とする方法であ
る。
明の超高速光波形測定法は、測定時間波形を回折格子に
入射させ、その０次以外の所定次数の回折光を空間的に
フーリエ変換し、その位相項をプローブ光パルスと非線
形物質中で光混合させて消去し、位相項消去後、再び空
間的にフーリエ変換して、測定時間波形をそれと相似の
空間パターンとして読み出すことを特徴とする方法であ
る。
【０００６】この場合、前記プローブ光パルスと非線形
物質中での光混合は、和周波光混合である場合、及び、
４光波混合である場合があるが、４光波混合の場合、前
記プローブ光パルスを非線形物質へ入射させる前に別の
回折格子に入射させ、その０次以外の所定次数の回折光
を非線形物質へ入射させて４光波混合を行わせるように
することもできる。また、各空間的フーリエ変換は光学
的に行わせることができる。
物質中での光混合は、和周波光混合である場合、及び、
４光波混合である場合があるが、４光波混合の場合、前
記プローブ光パルスを非線形物質へ入射させる前に別の
回折格子に入射させ、その０次以外の所定次数の回折光
を非線形物質へ入射させて４光波混合を行わせるように
することもできる。また、各空間的フーリエ変換は光学
的に行わせることができる。
【０００７】なお、この超高速光波形測定法は、時間的
シリアル光信号を空間的パラレル光信号に変換するのに
適用できる。
シリアル光信号を空間的パラレル光信号に変換するのに
適用できる。
【０００８】
【作用】本発明においては、測定時間波形を回折格子に
入射させ、その０次以外の所定次数の回折光を空間的に
フーリエ変換し、その位相項をプローブ光パルスと非線
形物質中で光混合させて消去し、位相項消去後、再び空
間的にフーリエ変換して、測定時間波形をそれと相似の
空間パターンとして読み出すので、時間波形を瞬時に読
み取ることができ、時間分解能がエレクトロニクスに制
限されず、安価で、プローブパルスの掃引を必要としな
いものである。この方法により、１００ｆｓから１００
ｐｓの光パルスの波形が測定できる。
入射させ、その０次以外の所定次数の回折光を空間的に
フーリエ変換し、その位相項をプローブ光パルスと非線
形物質中で光混合させて消去し、位相項消去後、再び空
間的にフーリエ変換して、測定時間波形をそれと相似の
空間パターンとして読み出すので、時間波形を瞬時に読
み取ることができ、時間分解能がエレクトロニクスに制
限されず、安価で、プローブパルスの掃引を必要としな
いものである。この方法により、１００ｆｓから１００
ｐｓの光パルスの波形が測定できる。
【０００９】
【実施例】本発明の超高速光波形測定法は、基本的に
は、波形整形技術の逆過程を利用することにより実現さ
れる。以下にまずその原理について説明する。
は、波形整形技術の逆過程を利用することにより実現さ
れる。以下にまずその原理について説明する。
【００１０】ピコ秒より速い光波形は、光検出器を用い
て直接時間波形を電気信号として測定することはできな
いので、本発明においては、時間波形を空間パターンに
変換して光の空間パターンとして読み取る方法をとる。
この方法は、回折格子を用いて時間波形を空間に投影
し、その空間パターンをフーリエ変換面上で非線形光混
合することで固定して、読み取るというものである。図
１にその原理図を示す。以下、時間波形が空間パターン
として読み出される過程を詳しく追って行く。
て直接時間波形を電気信号として測定することはできな
いので、本発明においては、時間波形を空間パターンに
変換して光の空間パターンとして読み取る方法をとる。
この方法は、回折格子を用いて時間波形を空間に投影
し、その空間パターンをフーリエ変換面上で非線形光混
合することで固定して、読み取るというものである。図
１にその原理図を示す。以下、時間波形が空間パターン
として読み出される過程を詳しく追って行く。
【００１１】被測定光パルスの時間波形をＵ（ｔ）とす
る。簡単のため、被測定光パルスの空間パターンは十分
広い範囲で一様な関数Ｒ（ｘ）とする。すなわち、入射
パルスを Ｅinput （ｘ，ｔ）＝Ｒ（ｘ）Ｕ（ｔ） ・・・（１） とする。Ｕ（ｔ）が測定したいパルス波形である。この
パルスが回折格子Ｇに当たると、１次の回折光は回折格
子直後では次式のように表される。
る。簡単のため、被測定光パルスの空間パターンは十分
広い範囲で一様な関数Ｒ（ｘ）とする。すなわち、入射
パルスを Ｅinput （ｘ，ｔ）＝Ｒ（ｘ）Ｕ（ｔ） ・・・（１） とする。Ｕ（ｔ）が測定したいパルス波形である。この
パルスが回折格子Ｇに当たると、１次の回折光は回折格
子直後では次式のように表される。
【００１２】 Ｅ1 （ｔ，ｘ）＝Ｒ（ｓｘ）Ｕ（ｔ−αｘ） ・・・（２） ここで、ｘは光の進行方向に垂直で紙面に平行な空間座
標、αとｓは回折格子の溝間隔と入射角で決まる回折パ
ラメーターである。なお、ここで、ｔ→ｔ−αｘに変換
されるのは、図１に示すようにパルスが回折光の進行方
向に対して傾いていることを表している。回折格子Ｇの
隣合った溝から回折される光は、波長の長さだけ光路長
が異なるので、図１に示したように回折されたパルスは
傾き、時間波形が各時刻でｘ軸に投影されている。ｔ→
ｔ−αｘに変換されるのがこのことを表している。ただ
し、図１から分るように、投影される位置が時刻と共に
移動するので、この段階で時間積分して空間パターンを
観測しても時間波形を知ることはできない。
標、αとｓは回折格子の溝間隔と入射角で決まる回折パ
ラメーターである。なお、ここで、ｔ→ｔ−αｘに変換
されるのは、図１に示すようにパルスが回折光の進行方
向に対して傾いていることを表している。回折格子Ｇの
隣合った溝から回折される光は、波長の長さだけ光路長
が異なるので、図１に示したように回折されたパルスは
傾き、時間波形が各時刻でｘ軸に投影されている。ｔ→
ｔ−αｘに変換されるのがこのことを表している。ただ
し、図１から分るように、投影される位置が時刻と共に
移動するので、この段階で時間積分して空間パターンを
観測しても時間波形を知ることはできない。
【００１３】次に、この光電場を焦点距離ｆのレンズＬ
1 用いて空間的にフーリエ変換すると、焦点面では、 Ｅ2 （ｔ，ｘ）∝Ｒ（ｓｔ／α）Ｖ（２πｘ／αλｆ）× ｅｘｐ（−ｉ２πｘｔ／αλｆ） ・・・（３） となる。ここで、Ｖ（Δω）はＵ（ｔ）のフーリエ変換
である。Ｅ2 （ｔ，ｘ）は、被測定波形のフーリエ変換
と位相項ｅｘｐ（−ｉ２πｘｔ／αλｆ）の積になって
いるが、これをそのままレンズＬ2 でフーリエ変換する
と、 Ｅ3'（ｔ，ｘ）∝Ｒ（ｓｔ）Ｕ（ｔ＋αｘ） ・・・（4'） となる。これは（２）式と傾きが逆になっているだけ
で、何も分からない。
1 用いて空間的にフーリエ変換すると、焦点面では、 Ｅ2 （ｔ，ｘ）∝Ｒ（ｓｔ／α）Ｖ（２πｘ／αλｆ）× ｅｘｐ（−ｉ２πｘｔ／αλｆ） ・・・（３） となる。ここで、Ｖ（Δω）はＵ（ｔ）のフーリエ変換
である。Ｅ2 （ｔ，ｘ）は、被測定波形のフーリエ変換
と位相項ｅｘｐ（−ｉ２πｘｔ／αλｆ）の積になって
いるが、これをそのままレンズＬ2 でフーリエ変換する
と、 Ｅ3'（ｔ，ｘ）∝Ｒ（ｓｔ）Ｕ（ｔ＋αｘ） ・・・（4'） となる。これは（２）式と傾きが逆になっているだけ
で、何も分からない。
【００１４】そこで、この位相項ｅｘｐ（−ｉ２πｘｔ
／αλｆ）を消去して、再びレンズＬ2 でフーリエ変換
すると、 Ｅoutput（ｔ，ｘ）∝Ｒ（ｓｔ／α）Ｕ（αｘ） ・・・（４） となる。（４）式をみると、入射パルスの時間波形Ｕ
（ｔ）がｘ軸に投影されていることが分る。すなわち、
時間波形が時刻によらず同じ位置に投影されるので、時
間積分して空間パターンを観測すると、時間波形と相似
のパターンが得られる。
／αλｆ）を消去して、再びレンズＬ2 でフーリエ変換
すると、 Ｅoutput（ｔ，ｘ）∝Ｒ（ｓｔ／α）Ｕ（αｘ） ・・・（４） となる。（４）式をみると、入射パルスの時間波形Ｕ
（ｔ）がｘ軸に投影されていることが分る。すなわち、
時間波形が時刻によらず同じ位置に投影されるので、時
間積分して空間パターンを観測すると、時間波形と相似
のパターンが得られる。
【００１５】位相項ｅｘｐ（−ｉ２πｘｔ／αλｆ）を
消すのには、それと複素共役の位相項を持った光電場と
非線形物質Ｎ中で光混合させればよい。図１の場合は、
そのための光をＥP （ｔ，ｘ）と表している。ＥP の作
り方はいくつか考えられるが、ここでは、２次と３次の
非線形性を利用したものだけについて述べる。
消すのには、それと複素共役の位相項を持った光電場と
非線形物質Ｎ中で光混合させればよい。図１の場合は、
そのための光をＥP （ｔ，ｘ）と表している。ＥP の作
り方はいくつか考えられるが、ここでは、２次と３次の
非線形性を利用したものだけについて述べる。
【００１６】図２（ａ）に２次の非線形を利用する場合
の配置を示す。被測定波形に比べてずっと短いパルスを
回折格子Ｇ1 とレンズＬ3 でフーリエ変換したものをＥ
P とし、Ｅ2 との和周波混合光ＥP Ｅ2 をフーリエ逆変
換して空間パターンを得る。回折格子Ｇ1 とレンズＬ3
は、被測定波形に用いたものと同じパラメーターを持つ
ものを用い、回折する方向を逆にすれば、ＥP は位相ｅ
ｘｐ（＋ｉ２πｘｔ／αλｆ）を持つので、上記位相項
はキャンセルする。
の配置を示す。被測定波形に比べてずっと短いパルスを
回折格子Ｇ1 とレンズＬ3 でフーリエ変換したものをＥ
P とし、Ｅ2 との和周波混合光ＥP Ｅ2 をフーリエ逆変
換して空間パターンを得る。回折格子Ｇ1 とレンズＬ3
は、被測定波形に用いたものと同じパラメーターを持つ
ものを用い、回折する方向を逆にすれば、ＥP は位相ｅ
ｘｐ（＋ｉ２πｘｔ／αλｆ）を持つので、上記位相項
はキャンセルする。
【００１７】図２（ｂ）に３次の非線形を利用する場合
の配置を示している。２次の非線形を利用する場合と同
じように、被測定波形に比べてずっと短いパルスを回折
格子Ｇ2 とレンズＬ4 でフーリエ変換したものをＥP と
し、４光波混合光ＥP ＥP Ｅ2 * をフーリエ逆変換して
空間パターンを得る。このとき、ＥP に用いる回折格子
Ｇ2 の溝間隔を被測定波形に用いた回折格子Ｇに比べて
半分のものにするか、又は、焦点距離２ｆのレンズＬ4
を用いれば、ＥP の位相因子はＥ2 の半分になるので、
上記位相項はキャンセルする。
の配置を示している。２次の非線形を利用する場合と同
じように、被測定波形に比べてずっと短いパルスを回折
格子Ｇ2 とレンズＬ4 でフーリエ変換したものをＥP と
し、４光波混合光ＥP ＥP Ｅ2 * をフーリエ逆変換して
空間パターンを得る。このとき、ＥP に用いる回折格子
Ｇ2 の溝間隔を被測定波形に用いた回折格子Ｇに比べて
半分のものにするか、又は、焦点距離２ｆのレンズＬ4
を用いれば、ＥP の位相因子はＥ2 の半分になるので、
上記位相項はキャンセルする。
【００１８】図２（ｃ）では、もっと簡単に、短パルス
をそのままＥP とし、Ｅ2 との４光波混合光ＥP ＥP Ｅ
2 * をフーリエ逆変換している。すなわち、非常に短い
パルスでＥ2 の一部分を切り出して読むことで、前記位
相項を無視してしまうという方法である。この方法は、
Ｅ2 の一部分しか使わないので、効率が悪そうに思える
が、ＥP として短パルスをそのまま使うので、ピークパ
ワーが大きくなり、４光波混合光ＥP ＥP Ｅ2 * は図２
（ｂ）の場合よりも強くなる。また、光学系もミラーＭ
を用いるだけで非常に単純になる。
をそのままＥP とし、Ｅ2 との４光波混合光ＥP ＥP Ｅ
2 * をフーリエ逆変換している。すなわち、非常に短い
パルスでＥ2 の一部分を切り出して読むことで、前記位
相項を無視してしまうという方法である。この方法は、
Ｅ2 の一部分しか使わないので、効率が悪そうに思える
が、ＥP として短パルスをそのまま使うので、ピークパ
ワーが大きくなり、４光波混合光ＥP ＥP Ｅ2 * は図２
（ｂ）の場合よりも強くなる。また、光学系もミラーＭ
を用いるだけで非常に単純になる。
【００１９】以上に述べた方法で、理想的には（４）式
に表されるように、被測定波形の相似形が空間パターン
として得られることになるが、実際の系では、いくつか
の要因が波形測定の精度を落としている。以下、その要
因と対策をまとめておく。
に表されるように、被測定波形の相似形が空間パターン
として得られることになるが、実際の系では、いくつか
の要因が波形測定の精度を落としている。以下、その要
因と対策をまとめておく。
【００２０】１）被測定パルスの空間広がりが時間幅に
光速ｃを掛けたものに比べて十分大きい範囲で一様であ
るという仮定が（２）式から（３）式を導くのに使われ
ている。実際には、空間広がり（すなわち、ビーム径）
は有限であるので、（３）式のフーリエ変換には、空間
広がりを表わす関数Ｒ（ｘ）の重みが付いたフーリエ変
換となる。被測定波形の時間幅が１００ｐｓ以下なら
ば、回折格子面上でのビーム径を数ｃｍとればこの影響
は無視できるようになる。時間幅が１００ｐｓ以上にな
ると、回折格子の大きさも有限であるため、この効果は
無視できなくなり、波形測定の精度は落ちてしまう。
光速ｃを掛けたものに比べて十分大きい範囲で一様であ
るという仮定が（２）式から（３）式を導くのに使われ
ている。実際には、空間広がり（すなわち、ビーム径）
は有限であるので、（３）式のフーリエ変換には、空間
広がりを表わす関数Ｒ（ｘ）の重みが付いたフーリエ変
換となる。被測定波形の時間幅が１００ｐｓ以下なら
ば、回折格子面上でのビーム径を数ｃｍとればこの影響
は無視できるようになる。時間幅が１００ｐｓ以上にな
ると、回折格子の大きさも有限であるため、この効果は
無視できなくなり、波形測定の精度は落ちてしまう。
【００２１】２）実際に光混合する時には、光混合光と
元の光を分離させるため、Ｅ2 とＥP はある角度をもっ
て交わるようにする。このことが位相項のキャンセルを
不完全なものとする。しかし、この影響は、１００ｆｓ
（ｆｓ：１０-15 秒）より長いパルスを測定する場合に
は、角度を１０度以下にしておけば問題にならないこと
が数値計算の結果より明らかになっている。
元の光を分離させるため、Ｅ2 とＥP はある角度をもっ
て交わるようにする。このことが位相項のキャンセルを
不完全なものとする。しかし、この影響は、１００ｆｓ
（ｆｓ：１０-15 秒）より長いパルスを測定する場合に
は、角度を１０度以下にしておけば問題にならないこと
が数値計算の結果より明らかになっている。
【００２２】３）ＥP を作るための短パルスは、δ関数
でなく有限の幅ＵP （ｔ）を持っているので、実際に得
られる空間パターンは被測定波形の正確な相似形ではな
く、ＵP （ｔ）とのコンボリューションＵ＊ＵP （α
ｘ）となる。
でなく有限の幅ＵP （ｔ）を持っているので、実際に得
られる空間パターンは被測定波形の正確な相似形ではな
く、ＵP （ｔ）とのコンボリューションＵ＊ＵP （α
ｘ）となる。
【００２３】以上まとめると、被測定波形が１００ｆｓ
から１００ｐｓの間にあり、それに比べて短いパルスＵ
P （ｔ）を用意できれば、ＵP （ｔ）の幅の精度で時間
波形を空間パターンとして読み取ることができる。この
ことは、超短光パルスを波形整形して得られる超高速光
信号を、元の超短光パルスと光混合することで読み出せ
ることを意味している。これは、光信号のシリアル→パ
ラレル変換に相当し、以下に実例を示す。また、被測定
波形よりも短いパルスが用意できない場合（モードロッ
クされたパルス波形を知りたい場合等）には、被測定パ
ルス自身をＥP として用いれば、パルス波形のコンボリ
ューションや自己相関波形を知ることができる。その実
例を後に述べる。
から１００ｐｓの間にあり、それに比べて短いパルスＵ
P （ｔ）を用意できれば、ＵP （ｔ）の幅の精度で時間
波形を空間パターンとして読み取ることができる。この
ことは、超短光パルスを波形整形して得られる超高速光
信号を、元の超短光パルスと光混合することで読み出せ
ることを意味している。これは、光信号のシリアル→パ
ラレル変換に相当し、以下に実例を示す。また、被測定
波形よりも短いパルスが用意できない場合（モードロッ
クされたパルス波形を知りたい場合等）には、被測定パ
ルス自身をＥP として用いれば、パルス波形のコンボリ
ューションや自己相関波形を知ることができる。その実
例を後に述べる。
【００２４】以下、波形測定の実例について述べる。図
２（ｃ）の配置で、ＥP として被測定パルス自身を用い
て波形を測定した例を示す。ＥP ＥP Ｅ2 * の４光波混
合を用いているので、物理的なメカニズムとしては、Ｅ
P とＥ2 で形成された動的回折格子ＥP Ｅ2 * でＥP が
回折されることになる。このとき、動的回折格子の緩和
時間Ｔ1 の大きさによって、得られる空間パターンは異
なる。緩和時間が被測定パルス幅よりずっと長ければ、
入射光電場の自己相関関数に比例した信号が得られる。
逆に、ずっと短ければ、パルスの３次の強度自己相関波
形が得られる。いずれの場合も、パルス波形に対応した
信号をリアルタイムで（ＳＨＧ自己相関法のようにスキ
ャンの必要がなく）得ることができる。
２（ｃ）の配置で、ＥP として被測定パルス自身を用い
て波形を測定した例を示す。ＥP ＥP Ｅ2 * の４光波混
合を用いているので、物理的なメカニズムとしては、Ｅ
P とＥ2 で形成された動的回折格子ＥP Ｅ2 * でＥP が
回折されることになる。このとき、動的回折格子の緩和
時間Ｔ1 の大きさによって、得られる空間パターンは異
なる。緩和時間が被測定パルス幅よりずっと長ければ、
入射光電場の自己相関関数に比例した信号が得られる。
逆に、ずっと短ければ、パルスの３次の強度自己相関波
形が得られる。いずれの場合も、パルス波形に対応した
信号をリアルタイムで（ＳＨＧ自己相関法のようにスキ
ャンの必要がなく）得ることができる。
【００２５】図３に示す配置で、モードロック色素レー
ザー（ローダミン６Ｇ）より得られるピコ秒パルスのパ
ルス波形を測定した。非線形物質Ｎとして、エタノール
中濃度１０-5Ｍ／Ｌの色素溶液（ＤＯＤＣＩ）を厚さ１
ｍｍのセルに入れたものを用いている。また、回折格子
Ｇとして２４００本／ｍｍのものを用い、レンズＬ1 、
Ｌ2 として焦点距離３００ｍｍのシリンドリカルレンズ
を用いている。空間パターンはＣＣＤカメラで観察し
た。図４に得られた空間パターンを示す。ＤＯＤＣＩの
緩和時間は測定するパルス幅よりずっと長いので、光電
場の自己相関関数が得られている。図４の横軸はＣＣＤ
カメラの位置を表しているが、対応する時間に換算して
ある。この方法では、必要なものは色素溶液とＣＣＤカ
メラだけなので、非常に安価な超短光パルス測定システ
ムとなる。
ザー（ローダミン６Ｇ）より得られるピコ秒パルスのパ
ルス波形を測定した。非線形物質Ｎとして、エタノール
中濃度１０-5Ｍ／Ｌの色素溶液（ＤＯＤＣＩ）を厚さ１
ｍｍのセルに入れたものを用いている。また、回折格子
Ｇとして２４００本／ｍｍのものを用い、レンズＬ1 、
Ｌ2 として焦点距離３００ｍｍのシリンドリカルレンズ
を用いている。空間パターンはＣＣＤカメラで観察し
た。図４に得られた空間パターンを示す。ＤＯＤＣＩの
緩和時間は測定するパルス幅よりずっと長いので、光電
場の自己相関関数が得られている。図４の横軸はＣＣＤ
カメラの位置を表しているが、対応する時間に換算して
ある。この方法では、必要なものは色素溶液とＣＣＤカ
メラだけなので、非常に安価な超短光パルス測定システ
ムとなる。
【００２６】次に、本発明の方法を高速光信号のシリア
ル→パラレル変換に用いた例について説明する。前にも
述べたように、超短光パルスを波形整形して情報を書き
込めば、Ｔｂｉｔｓ／ｓ以上の容量を持つ光信号を生成
することができる。しかし、それだけ高速の光信号を読
み取れる光検出器が現在のところ存在しないので、時間
波形を空間パターンに変換して読むことになる。すなわ
ち、光信号のシリアル→パラレル変換を行う必要があ
る。このような目的に以上に述べた波形測定法を利用さ
せることを考えると、非線形物質の緩和時間が問題にな
る。波形整形で生成することのできる信号の長さは１０
０ｐｓ程度までなので、伝送容量を最大にするには、１
００ｐｓの繰り返しでシリアル→パラレル変換を行う必
要がある。すなわち、非線形物質の緩和時間は１００ｐ
ｓ以下が要求される。その要求を満たす非線形物質とし
て、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させたＺｎＳ
ｅ薄膜を用いた。
ル→パラレル変換に用いた例について説明する。前にも
述べたように、超短光パルスを波形整形して情報を書き
込めば、Ｔｂｉｔｓ／ｓ以上の容量を持つ光信号を生成
することができる。しかし、それだけ高速の光信号を読
み取れる光検出器が現在のところ存在しないので、時間
波形を空間パターンに変換して読むことになる。すなわ
ち、光信号のシリアル→パラレル変換を行う必要があ
る。このような目的に以上に述べた波形測定法を利用さ
せることを考えると、非線形物質の緩和時間が問題にな
る。波形整形で生成することのできる信号の長さは１０
０ｐｓ程度までなので、伝送容量を最大にするには、１
００ｐｓの繰り返しでシリアル→パラレル変換を行う必
要がある。すなわち、非線形物質の緩和時間は１００ｐ
ｓ以下が要求される。その要求を満たす非線形物質とし
て、ＧａＡｓ基板上にエピタキシャル成長させたＺｎＳ
ｅ薄膜を用いた。
【００２７】ＺｎＳｅは波長４４２ｎｍに励起子共鳴が
あり、温度９°Ｋにおいて大きな３次の非線形感受率
（χ(3) 〜１０-2ｅｓｕ）を持ち、生成される動的回折
格子の緩和時間は２０ｐｓ程度であることが報告されて
いる。膜厚２．４μｍのＺｎＳｅを用意し、反射型の４
光波混合光ＥP ＥP Ｅ2 * を用いてシリアル→パラレル
変換を行わせた。
あり、温度９°Ｋにおいて大きな３次の非線形感受率
（χ(3) 〜１０-2ｅｓｕ）を持ち、生成される動的回折
格子の緩和時間は２０ｐｓ程度であることが報告されて
いる。膜厚２．４μｍのＺｎＳｅを用意し、反射型の４
光波混合光ＥP ＥP Ｅ2 * を用いてシリアル→パラレル
変換を行わせた。
【００２８】図５にそのための配置を示す。１つの超短
光パルスから、図に示したように、３５ｐｓ離れた２つ
のプローブパルスとそれに同期した０．１２ＴＨｚで３
ｂｉｔのシリアル信号を作成した。光源の波長は、Ｚｎ
Ｓｅの励起子共鳴にあわせて４４２ｎｍとしている。ま
た、ＺｎＳｅ薄膜は、励起子共鳴効果を上げるために、
９°Ｋに冷やしている。４光波混合光ＥP ＥP Ｅ2 * の
空間パターンはＣＣＤカメラで検出している。
光パルスから、図に示したように、３５ｐｓ離れた２つ
のプローブパルスとそれに同期した０．１２ＴＨｚで３
ｂｉｔのシリアル信号を作成した。光源の波長は、Ｚｎ
Ｓｅの励起子共鳴にあわせて４４２ｎｍとしている。ま
た、ＺｎＳｅ薄膜は、励起子共鳴効果を上げるために、
９°Ｋに冷やしている。４光波混合光ＥP ＥP Ｅ2 * の
空間パターンはＣＣＤカメラで検出している。
【００２９】ＣＣＤカメラで検出された空間パターン
は、シリアル信号の波形に一致していることが確認され
た。図６に検出パターンの１例を示す。図の（ｃ）は、
プローブパルス“ａ”、“ｂ”がそれぞれシリアル信号
“０１１”と“１００”を読み出し、その和が検出され
ている（ＣＣＤカメラは時間積分した信号を検出するた
め、２つの信号の和となる。）。この時、プローパルス
“ｂ”をなくせば、“０１１”信号だけ変換され、逆に
プローブパルス“ａ”をなくせば、“１１０”信号だけ
変換されているのが、図６（ａ）、（ｂ）より分る。プ
ローブパルスは変換のゲートパルスとして働き、その応
答速度は３５ｐｓ以下だということが分る。
は、シリアル信号の波形に一致していることが確認され
た。図６に検出パターンの１例を示す。図の（ｃ）は、
プローブパルス“ａ”、“ｂ”がそれぞれシリアル信号
“０１１”と“１００”を読み出し、その和が検出され
ている（ＣＣＤカメラは時間積分した信号を検出するた
め、２つの信号の和となる。）。この時、プローパルス
“ｂ”をなくせば、“０１１”信号だけ変換され、逆に
プローブパルス“ａ”をなくせば、“１１０”信号だけ
変換されているのが、図６（ａ）、（ｂ）より分る。プ
ローブパルスは変換のゲートパルスとして働き、その応
答速度は３５ｐｓ以下だということが分る。
【００３０】このシステムを用いて変換のサイクルをど
こまで速くとれるかを次のようにして評価した。１つの
シグナルパルスとプローブパルスの組みに、時間遅れｔ
p だけ遅れてもう１つのプローブパルスを用意した。最
初のシグナルパルスとプローブパルスが動的回折格子を
形成するが、遅れてくる第２のプローブパルスが到着す
るまでにその動的回折格子は消えていなければいけな
い。そうしないと、第２のプローブパルスに同期したシ
グナル信号はないにもかかわらず、誤りの信号がが得ら
れてしまう。この誤り信号を、時間遅れを変化させて測
定した結果を図７に示す。時間遅れが１３ｐｓ以上で
は、誤り信号が観測されないことが分る。このことよ
り、このシステムの変換サイクルは７０ＧＨｚ以上に及
ぶことが確認された。
こまで速くとれるかを次のようにして評価した。１つの
シグナルパルスとプローブパルスの組みに、時間遅れｔ
p だけ遅れてもう１つのプローブパルスを用意した。最
初のシグナルパルスとプローブパルスが動的回折格子を
形成するが、遅れてくる第２のプローブパルスが到着す
るまでにその動的回折格子は消えていなければいけな
い。そうしないと、第２のプローブパルスに同期したシ
グナル信号はないにもかかわらず、誤りの信号がが得ら
れてしまう。この誤り信号を、時間遅れを変化させて測
定した結果を図７に示す。時間遅れが１３ｐｓ以上で
は、誤り信号が観測されないことが分る。このことよ
り、このシステムの変換サイクルは７０ＧＨｚ以上に及
ぶことが確認された。
【００３１】この評価で用いている超短光パルスは４ｐ
ｓなので、シリアル信号として０．１２ＴＨｚにまでし
か作成できなかったが、サブピコ秒パルスを使えば、Ｔ
Ｈｚ以上の信号を数１０ＧＨｚのサイクルで変換でき
る。
ｓなので、シリアル信号として０．１２ＴＨｚにまでし
か作成できなかったが、サブピコ秒パルスを使えば、Ｔ
Ｈｚ以上の信号を数１０ＧＨｚのサイクルで変換でき
る。
【００３２】このシステムの変換効率は、非線形物質中
に形成される動的回折格子の回折効率によって決まる。
３次の非線形光学効果を利用しているので、回折効率は
入力する光の強度に依存する。上記の場合、その値は約
０．１％であった。この値は決して大きいとは言えない
が、光検出器（この場合：ＣＣＤカメラ）の感度に対し
ては十分である。
に形成される動的回折格子の回折効率によって決まる。
３次の非線形光学効果を利用しているので、回折効率は
入力する光の強度に依存する。上記の場合、その値は約
０．１％であった。この値は決して大きいとは言えない
が、光検出器（この場合：ＣＣＤカメラ）の感度に対し
ては十分である。
【００３３】以上、波形整形法を利用したリアルタイム
波形測定法について述べた。この方法は、１００ｆｓか
ら１００ｐｓのパルスに対して有効であり、測定するパ
ルスより短いプローブパルスを用意すれば、波形を空間
パターンとして瞬時に読み取ることができる。また、プ
ローブパルスとして被測定パルス自身を用いても、波形
のコンボリューションや３次の相関波形が得られる。
波形測定法について述べた。この方法は、１００ｆｓか
ら１００ｐｓのパルスに対して有効であり、測定するパ
ルスより短いプローブパルスを用意すれば、波形を空間
パターンとして瞬時に読み取ることができる。また、プ
ローブパルスとして被測定パルス自身を用いても、波形
のコンボリューションや３次の相関波形が得られる。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の超高速光
波形測定法によると、次のような効果が得られる。 １）非線形物質として色素が使えるので、広範囲な波長
に渡って、安価な波形測定システムとなる。
波形測定法によると、次のような効果が得られる。 １）非線形物質として色素が使えるので、広範囲な波長
に渡って、安価な波形測定システムとなる。
【００３５】２）スキャンを必要とせず、単発現象の測
定にも利用できる。
定にも利用できる。
【００３６】３）プローブパルスとして被測定パルス自
身を用いても、得られる空間パターンは３次の相関波形
なので、波形の非対称性も知ることができる。
身を用いても、得られる空間パターンは３次の相関波形
なので、波形の非対称性も知ることができる。
【図１】本発明の超高速光波形測定法の測定原理を説明
するための原理図である。
するための原理図である。
【図２】位相項を消去するためのいくつかの配置を示す
図である。
図である。
【図３】モードロック色素レーザーより得られるピコ秒
パルスのパルス波形を測定するための配置を示す図であ
る。
パルスのパルス波形を測定するための配置を示す図であ
る。
【図４】図３の配置により波形を測定した例を示す図で
ある。
ある。
【図５】シリアル→パラレル変換のための配置を示す図
である。
である。
【図６】図５の配置による検出パターンの１例を示す図
である。
である。
【図７】図５の配置による変換サイクルの速度を評価す
るための測定結果を示す図である。
るための測定結果を示す図である。
Ｇ、Ｇ1 、Ｇ2 …回折格子 Ｌ1 、Ｌ2 、Ｌ3 、Ｌ4 …レンズ Ｎ…非線形物質 Ｍ…ミラー
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−201122（ＪＰ，Ａ) 江馬 一弘 他「波形整形を利用した 超高速光波形測定法とその応用」東京大 学工学部総合研究所年報 （日）東京大 学工学部総合試験所 平成３年９月発行 第50巻 79〜85頁 Ｋ．Ｅｍａ “Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ Ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ Ｐｕｌｓｅ ａ ｎｄ Ｐｕｌｓｅ−Ｓｈａｐｅ Ｍｅａ ｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｄ ｙｎａｍｉｃ Ｇｒａｔｉｎｇ”Ｊａｐ ａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａ ｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ（日）応 用物理学欧文誌刊行会 1991年12月１日 発行 Ｖｏｌ．30 Ｎｏ．12Ａ ｐ. 2046〜2049 江馬 一弘 「超短光パルス波形の制 御」応用物理（日）応用物理学会 1991 年１月５日 発行 第60巻 第１号 41 〜44頁 江馬 一弘 他 「ピコ秒パルスの実 時間波形整形法に関する研究」東京大学 工学部総合研究所年報 （日）東京大学 工学部総合試験所 平成２年９月発行 第49巻 93〜96頁 (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01J 11/00 G01J 1/00 G01J 1/42 - 1/44
Claims (6)
- 【請求項１】 測定時間波形を回折格子に入射させ、そ
の０次以外の所定次数の回折光を空間的にフーリエ変換
し、その位相項をプローブ光パルスと非線形物質中で光
混合させて消去し、位相項消去後、再び空間的にフーリ
エ変換して、測定時間波形をそれと相似の空間パターン
として読み出すことを特徴とする超高速光波形測定法。 - 【請求項２】 前記プローブ光パルスと非線形物質中で
の光混合が和周波光混合であることを特徴とする請求項
１記載の超高速光波形測定法。 - 【請求項３】 前記プローブ光パルスと非線形物質中で
の光混合が４光波混合であることを特徴とする請求項１
記載の超高速光波形測定法。 - 【請求項４】 前記プローブ光パルスを非線形物質へ入
射させる前に別の回折格子に入射させ、その０次以外の
所定次数の回折光を非線形物質へ入射させて４光波混合
を行わせることを特徴とする請求項３記載の超高速光波
形測定法。 - 【請求項５】 前記各空間的フーリエ変換を光学的に行
うことを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の
超高速光波形測定法。 - 【請求項６】 時間的シリアル光信号を空間的パラレル
光信号に変換することを特徴とする請求項１から５の何
れか１項記載の超高速光波形測定法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03229249A JP3102811B2 (ja) | 1991-09-10 | 1991-09-10 | 超高速光波形測定法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP03229249A JP3102811B2 (ja) | 1991-09-10 | 1991-09-10 | 超高速光波形測定法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0572047A JPH0572047A (ja) | 1993-03-23 |
| JP3102811B2 true JP3102811B2 (ja) | 2000-10-23 |
Family
ID=16889155
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP03229249A Expired - Fee Related JP3102811B2 (ja) | 1991-09-10 | 1991-09-10 | 超高速光波形測定法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3102811B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3490020B2 (ja) * | 1999-03-26 | 2004-01-26 | 科学技術振興事業団 | 時間信号の２次元空間信号への超高速変換方法 |
| JP2002006350A (ja) * | 2000-06-20 | 2002-01-09 | Japan Science & Technology Corp | 光信号の超高速時間空間変換方法 |
-
1991
- 1991-09-10 JP JP03229249A patent/JP3102811B2/ja not_active Expired - Fee Related
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Ｋ．Ｅｍａ "Ｒｅａｌ−Ｔｉｍｅ Ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ Ｐｕｌｓｅ ａｎｄ Ｐｕｌｓｅ−Ｓｈａｐｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｕｓｉｎｇ ａ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｇｒａｔｉｎｇ"Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ（日）応用物理学欧文誌刊行会 １９９１年１２月１日 発行 Ｖｏｌ．３０ Ｎｏ．１２Ａ ｐ．２０４６〜２０４９ |
| 江馬 一弘 「超短光パルス波形の制御」応用物理（日）応用物理学会 １９９１年１月５日 発行 第６０巻 第１号 ４１〜４４頁 |
| 江馬 一弘 他 「ピコ秒パルスの実時間波形整形法に関する研究」東京大学工学部総合研究所年報 （日）東京大学工学部総合試験所 平成２年９月発行 第４９巻 ９３〜９６頁 |
| 江馬 一弘 他「波形整形を利用した超高速光波形測定法とその応用」東京大学工学部総合研究所年報 （日）東京大学工学部総合試験所 平成３年９月発行 第５０巻 ７９〜８５頁 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0572047A (ja) | 1993-03-23 |
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Legal Events
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