JPH01212320A

JPH01212320A - 光パルス幅測定装置

Info

Publication number: JPH01212320A
Application number: JP63035350A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Yamabayashi; 由明山林; Atsushi Takada; 篤高田; Masatoshi Saruwatari; 猿渡　正俊
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1988-02-19
Filing date: 1988-02-19
Publication date: 1989-08-25

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Ｊ本発明は、強度変調光通信に用いられる光パルスのパル
ス幅を簡易に測定する装置に関するものである。

［従来の技術１従来、光パルス幅を測定するにあたって次のような方法
が用いられている。

（ａ）光パルスを高速の受光素子で電気パルスに変換し
、サンプリングオシロスコープ等でそのパルス波形を観
測する方法。

（ｂ）ストリークカメラで光パルス波形を観測する方法
。

（Ｃ）第２高調波発生（ＳＨＧ）技術を用い、光パルス
の自己相関波形を求める方法。

この方法では、たとえば第６図に示すような測定系を用
い、被測定パルス光源１から得た繰り返しを有する測定
すべき光パルスを半透鏡２で２つに分離して移動プリズ
ム３および固定プリズム４に入射させる。移動プリズム
３を制御装置９からの移動制御信号に従って矢印のよう
に光軸に沿って穆動させることによって、一方の光パル
スの遅延を掃引しながら、固定プリズム４からの光パル
スと共に半透鏡２を経て、さらに集光レンズ５を通して
、２次の非線形光学効果を示す非線形結晶６に導き、こ
こでこれらの光ビームを重ねる。この結晶６からは、２
つの光パルスの重なった部分に比例する光電力の第２高
調波光が得られる。この光を受光素子７で受け、さらに
オシロスコープ８に供給する。

このオシロスコープ８には制御装置９からの制御信号を
も供給し、第２高調波光の強度を遅延時間の関数として
描くことにより自己相関波形が得られる。光パルスの遅
延量は較正する必要があるため、光学系を空間ビーム系
とし、第６図に示すような移動プリズム３による折り返
し光路の光路長で制御することが一般に行われている。

すなわち、その移動情報を較正するために、制御装置９
を較正装置ｌＯによって制御して、時間軸方向について
較正ずみの移動情報を得る。

（ｄ）和周波光発生技術を用い、観測すべき光パルスよ
り幅の狭いサンプリング光パルスとの相互相関波形より
光パルス幅を求める方法。

［発明が解決しようとする課題］上述したそれぞれの方法の欠点を列挙すると、次のよう
になる。

（ａ）の方法では、光受光素子およびそれ以降の電気回
路の周波数特性が測定に大きく影響し、数１０ｐｓ程度
より幅の狭い光パルスには適用できない。

（ｂ）の方法については、現在よく使われるストリーク
カメラは光パルスをいったん電子パルスに変換し、高速
で偏向・走査することによりパルスの時間的な広がりを
空間的な広がりに変換するものであって、数ｐｓの分解
能が実用機器で実現されているが、装置が大型かつ高価
であり、手軽さに欠ける。

（ｃ）の方法は、光学系が振動に敏感である上、移動情
報を較正してから入力する必要があるために調整が面倒
であるという欠点がある。この欠点を克服できるものと
して光フアイバ光学系があるが、この系においては較正
された遅延を発生させることが困難であるという欠点が
ある。つまり、光ファイバを力学的に延伸することによ
り遅延を発生させることはできるはずであるが、実際の
ファイバはナイロン等で被覆されているため、ファイバ
自体の延伸量はファイバ外皮の延伸量に一致しないため
である。

（ｄ）の方法では、幅が既知でかつ被測定パルスより狭
いパルスが必要とされる点が難点である。

しかも、この測定パルスはジッタのないものでもなけれ
ばならないが、ジッタのないパルスを得ることは実用１
難しい。

上で述べたように、パルス幅だけを測定するのであれば
５）ＩＧ相関法が最も手軽である。そこで、本発明は光
フアイバ光学系構成のＳＨＧ相関法に改良を加えること
を意図する。

すなわち、本発明の目的は、ＳＨＧ自己相関法を改良す
ることによって、従来の方法のもつ欠点を克服し、簡易
で高精度な光パルス幅の測定装置を提供することにある
。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するために、本発明は、繰り返しを有す
る測定すべき入射光パルスを２つの光パルスに分割する
手段と、分割された一方の光パルスに可変の遅延を与え
る手段と、その遅延された光パルスと分割手段で分割さ
れた他方の光パルスとを合波する手段と、その合波出力
に基づいて、その合波された２つの光パルスの時間的に
重なった部分に比例する光電力の第２高調波光を得る第
２高調波光発生手段と、その第２高調波光の電力を遅延
時間の関数として出力する手段とを有し、当該出力手段
から入射光パルスのパルス幅を測定する光パルス幅測定
装置において、分割された入射光パルスのうちの他方の
光パルスをさらに２つに分割する手段と、その分割され
た光パルスの相互間に所定の時間間隔を与える手段と、
その相互に所定の時間間隔をもつ光パルスを合波したパ
ルス列を得る手段と、当該パルス列を、分割された他方
の光パルスの代わりに、合波手段に供給するようにした
ことを特徴とする。

［作　用１本発明では、分離された一方の光パルスに時間の情報を
乗せる。そのために、この光パルスをざらに分割し、そ
の一方の光パルスを一定の時間だけ遅延させた後に再び
重ねるのである。ただし、このときの遅延量はパルス幅
よりも十分大きくなければならない。これにより、分離
された一方のパルスは一定の時間間隔を持つ２つのパル
スに分割されることになる。このような光遅延多重器は
、光フアイバ光学系を用いても実現することができる。

このような遅延多重器を導入することにより、可変の遅
延を与える手段として従来用いられた移動プリズムに代
えて、ファイバを延伸することによって−様な、しかし
未較正の遅延を加えて自己相関波形を得た場合であ）て
も、横軸（時間軸）を較正することができる。すなわち
、この場合に得られる時間波形は双峰形をなしており、
その山と山との間隔が遅延多重器によって設定された遅
延時間に相当するので、被測定光パルスのパルス幅に比
例するそれぞれの山の半値全幅と、山と山の間隔とを比
較することにより、被測定光パルスのパルス幅を求める
ことができる。

［実施例］以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明の一実施例の構成を示すブロック図で
ある。

第１図において、１１は被測定パルス光源１からの被測
定パルス光を分岐（振幅分割）する光分岐素子であり、
たとえば第６図に示した半透鏡２と同様の半透鏡あるい
は光フアイバ分岐器により構成できる。

１２は光分岐素子１１により分岐された一方の光パルス
に時間の情報をのせるための遅延多重器、すなわち遅延
多重光回路であって、ここで、入力された光パルスをさ
らに分岐し、その一方の光パルスを一定の時間だけ遅延
させた後に、ここで分岐された他方の光パルスに再び重
ね合わせて、遅延多重光パルスを得る。

１３は光分岐素子１２で分岐された他方の光パルスに対
して可変の遅延を与える遅延制御器、すなわち可変遅延
器であって、たとえば第６図示の移動プリズム３のよう
な移動プリズムあるいは圧電材料により構成したドラム
に光ファイバを巻きつけた装置で構成でき、そのプリズ
ムの移動の指示あるいはドラムの直径を変化させるため
の電圧の指示を制御装置１８からの移動制御信号により
与える。

１４は遅延多重器１２および遅延制御器１３からの各出
力光パルスを合波する合波素子であり、これら出力光パ
ルスを、たとえば第６図示のように、半透鏡２に導き、
ここで両光パルスを重ね合わせて合波出力を取り出す。

この合波出力を、第６図示のような集光レンズ５を介し
て、第６図示の非線形結晶の形態とすることのできる第
２高調波光発生素子１５に導く。ここで、合波される２
つの光パルスの重なった部分に比例する光電力の第２高
調波出力光を取り出し、その出力光を受光器１６に導い
て取り出した電気出力を第６図示のオシロスコープのよ
うな表示装置１７に供給する。この表示装置１７には、
制御装置１８からの移動制御信号をも供給し、それによ
って、第２高調波出力光の強度を遅延時間の関数として
抽出することによって、自己相関波形を表示させる。

ここで、遅延多重器１２および制御装置１８から取り出
された移動制御信号を何ら較正する必要がない点を除け
ば、第６図示の従来の自己相関波形測定系と木質的に同
じ構成である。

本発明では、光分岐素子１１から合波素子１４までは、
第２高調波光発生素子１５およびこの素子１５へ光を導
く集光レンズ５を除いて、単一モード先導波路、たとえ
ば単一モードファイバを用いた完全な光フアイバ系で構
成することができる。

次に、遅延多重器１２の具体的な構成例について述べ、
次に２種類の遅延制御器の場合についてそれぞれの５Ｉ
ＩＧ相関器の実施例を示す。

遅延多重器１２の２つの具体例を第２図および第３図に
示す。

第２図は単一モード先導波路、たとえばパンダファイバ
の偏波分散を利用するものであり、遅延多重器１２をパ
ンダファイバ２２で構成する。入射パルスの偏光を、パ
ンダファイバ２２の主軸に対して４５度の角度をなす直
線偏光あるいは円偏光の形態で入射端２２＾に入射させ
る。偏波分散値ｄ　（ｐｓ／ｋｍ）とファイバ長Ｌ　（
ｋｍ）との積で与えられる群遅延量がパルス幅より大き
くなるような条件下では、直交する主軸方向に直線偏光
した２つのパルスがパルス間隔Ｄ　＝　ｄＬ（ｐｓ）で
出射端２２Ｂから出射する。

たとえば、ｄ　＝　ｌｎｓ／ｋｗ＋のファイバを用いた
場合、５０ｐｓの遅延を与えるファイバ長は５０ｍであ
る。この遅延量としては、測定すべき光パルスの半値全
幅のおよそ２倍以上程度とすることが好ましい。

パンダファイバ２２の出射端２２Ｂから得られる光パル
スは互いに直交した直線偏波であるので、偏光依存性の
ある５）ＩＧ相関器で測定する場合は、片方の偏光軸に
対して４５度の偏光子を通過させれば偏光軸の揃った２
つのパルス列が得られる。

これにより、環境温度の変動や振動に対して安定な遅延
と偏光を持つパルスペアが、光ファイバのみを用いて得
られる。

もっと直接的には、たとえば第３図に示すように、異な
った伝搬長をもつ単一モード導波路で遅延多重器１２を
構成できる。ここで、光分岐素子２３および合波素子２
４としての２つの方向性結合器のボートの間を、異なっ
た長さ（長さの差：Ｌ）の光ファイバ２５および２６で
接続することにより遅延を発生させて、パルス間隔Ｄ　
＝　ｎＬ／ｃ　（ｓ）で２つのパルスを合波素子２４よ
り取り出す。この場合、たとえば２■の長さの差が１０
ｐｓの遅延に相当するので、狭い光パルスを測定する場
合には精密なファイバ長制御が必要となる。これら２本
の光ファイバ２５および２６が極端に違フた温度条件下
におかれることがなければ、周囲温度の変動はほとんど
影響しない。また偏波保存ファイバを用いれば偏光依存
性のある５）ＩＧ相関器に対しても安定な特性が得られ
る。

以上述べたような遅延多重器１２を挿入して構成した第
１図示の５）ＩＧ相関器は、第４図に示すように、間隔
りをもって遅延多重したパルスベア３１゜３２と単独の
パルス、すなわち時間軸上を破線から実線で示す波形の
ように走査するサンプリングパルス３３との相互相関を
取るように動作する。

ここで、遅延制御器１３が、（１）−様に変化する遅延
を与える場合と、（２）−様に変化しない遅延を与える
場合とについて説明する。

（１）−様に変化する遅延を与える場合可変遅延器１３
が発生する遅延、すなわち間隔りを時間的に一様に変化
させることによって時間軸の較正を簡単化することがで
きる。この場合は、得られる相関信号を通常のオシロス
コープやｘ−ｔレコーダなどのように一定速度で横軸を
掃引する表示装置１７で表示すればよい。

表示装置１７に表示されるデータは、たとえば第５図に
示すように、双峰形をなし、その山と山との間隔Ｂ（た
とえばｃｍ）は遅延多重器１２によって設定された遅延
時間（Ｄ　ｐｓ）に相当するので、この山と山との間隔
Ｂとひとつの山の半値全幅Ｗｒ＝Ｗｈ”Ｗｔ　（たとえ
ばｃｍ）との比から被測定パルス幅を測定できる。

光パルスをガウス型で近似すると、自己相関波形の半値
全幅Ｗ、は実際のパルス全幅Ｗｐのｆｆ倍であるから、Ｗ、〜ＷｒＤ／（トＪτ）で求められる。しかし、一方のパルスをＤ（ｐｓ）だけ
ずらせて多重したことにより、観測されるそれぞれの波
形の山の裾が重なり合って半値全幅の測定に誤差を生じ
る。すなわち、Ｗｆ＝　ｗｈ＋　ｗｌ＞　ｚｗｈＬ！ｒ４ｒＴＷ。

の関係があるので、”ｌを用いずにＷｈのみで測定する
方がよい、つまり、第５図に示したように、山の外側の
半値半幅Ｗｈを測定し、Ｗ、〜ｗ　ｈｏ　−ＪＴ／Ｂよりパルス全幅を求める方が誤差が少ない。

（２）−様に変化しない遅延を与える場合遅延制御器１
３における遅延は必ずしも一様に変化しなければならな
いわけではない。たとえば、ファイバを弦のように張り
、振動させて伸縮させるような場合は、遅延の変化も正
弦的になるであろうから、このような場合には、振動に
同期させた正弦波を横軸に入力すればよい。

この場合にも、表示される波形は（１）の場合と同様に
なる。

［発明の効果］以上から明らかなように、本発明によれば、分割された
一方の光パルスに基づいてさらに多重遅延されたパルス
ベアを発生させることによって、分割された他方の光パ
ルスの遅延量を較正することなく、当該他方の光パルス
との自己相関波形を得、その双峰形の相関波形からパル
ス幅を求めることができるので、本発明はおおよそのパ
ルス幅がわかっている場合に、そのパルス幅を簡易に測
定する場合に適用して有効である。

たとえば、和周波光発生技術による相互相関波形より光
パルス波形を観測する従来方法に本発明を適用すること
により、この測定系の分解能を大きく左右するサンプリ
ング光パルス幅を測定することができる。この系におい
ては非常に狭い幅のパルスが必要とされるが、半導体レ
ーザでこれを発生させる場合は、レーザの温度等で発振
しきい値が変化するため、パルス幅を測定する度毎に、
レーザの駆動条件を最適化する必要がある。この場合に
本発明を適用すれば、簡易に光パルス幅の最適調整が容
易に行えるうえ、測定時の分解能も知ることができる。

また、遅延光多重器で与えられる固定の遅延が被測定光
パルスのパルス幅より十分大きく、互いの相関波形の裾
がもう一方の波形に及ぼす影響を無視できるときには、
測定される図形は入射光パルスの自己相関波形を２つず
らせて描いたものとして見なしてもよいので、この測定
器を単にパルス幅測定だけでなく、自己相関波形測定器
とじて利用することもできる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すブロック図、第２図は
偏波分散を利用した遅延多重光回路の一例を示す構成図
、第３図は２本の遅延線を用いた遅延多重光回路の他の例
を示す構成図、第４図は遅延多重器を挿入したＳＨＧ相関器の動作の説
明図、第５図は観測されるＳＨＧ相関波形を示す波形図、第６図は第２高調波発生技術を用いた従来の自己相関波
形測定系を示すブロック図である。ｌ・・・被測定パルス光源、２・・・半透鏡、３・・・移動プリズム、４・・・固定プリズム、５・・・集光レンズ、６・・・非線形結晶、７・・・受光素子、８・・・オシロスコープ、９・・・制御装置、１０・・・較正装置、　　９１１・・・光分岐素子、１２・・・遅延多重器、１３・・・遅延制御器、１４・・・合波素子、１５・・・第２高調波光発生素子、１６・・・受光器、１７・・・表示装置、１８・・・制御装置、２２・−・パンダファイバ、２２Ａ・・・パンダファイバ２２の入射端、２２Ｂ・・
・パンダファイバ２２の出射端、２３・・・光分岐素子
、２４・・・合波素子、２５．２６・・・光ファイバ、３１．３２・・・遅延多重したパルスペア、３３・・・
サンプリングパルス。旧ネ尤明の焚−’ＩＩＡ’ｆ’Ｊのブロック図第１図傭シｆＬテ１友、苓斥り用した砺）乏多重昏０構さｄ刀
第２図２ネ０１１嘩孝衆を用・）た１蛯うＬ賂０構成図第３０３１．３２　：　ｉ延シ史したへ°ζレス公丁３３：？
ンアリシグｒ　ＸＨルス遅延多里務を神λしたＳＨＧ相関格の市力作説明図第４
図傘地シリ１に剖１、ろＳＨＧオ目閲ンＩ形図第５図

Claims

【特許請求の範囲】１）繰り返しを有する測定すべき入射光パルスを２つの
光パルスに分割する手段と、分割された一方の光パルスに可変の遅延を与える手段と
、その遅延された光パルスと前記分割手段で分割された他
方の光パルスとを合波する手段と、その合波出力に基づ
いて、その合波された２つの光パルスの時間的に重なっ
た部分に比例する光電力の第２高調波光を得る第２高調
波光発生手段と、その第２高調波光の電力を遅延時間の関数として出力す
る手段とを有し、当該出力手段から前記入射光パルスの
パルス幅を測定する光パルス幅測定装置において、前記分割された入射光パルスのうちの他方の光パルスを
さらに２つに分割する手段と、その分割された光パルスの相互間に所定の時間間隔を与
える手段と、その相互に所定の時間間隔をもつ光パルスを合波したパ
ルス列を得る手段と、当該パルス列を、前記分割された他方の光パルスの代わ
りに、前記合波手段に供給するようにしたことを特徴と
する光パルス幅測定装置。