JPH0810162B2 - 光サンプリング波形測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、強度変調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
形測定装置に関し、特に、被測定光パルスの偏光状態の
変動を自動的に補償して光パルス波形を測定する装置に
関するものである。

［従来の技術］ 従来、２次の非線形光学系による和周波光発生を利用
した光パルスの観測では、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として取り出す方法
を使用している。

この方法における被測定パルスとサンプリングパルス
の時間的な相対位置の変化と、これによって得られる低
速の相互相関波形を第５図に示す。サンプリングパルス
の繰り返し周明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Δｆ［Hz］だけ低くするこ
とによってこのような動作が可能になる。

一般的には、この周波数差はサンプリングの繰り返し
周波数ｆ−Δｆ［Hz］よりもはるかに低いので、実際の
サンプリング動作は図に示したものよりはるかに連続的
なサンプリングに近い。相互相関波形のもつ帯域はこの
周波数差程度であるので高速の受光器を必要としない利
点がある。

さて、和周波光発生素子としての非線形光学結晶は特
定の直線偏光の入射光に対してのみ最適に動作する。た
とえば、異常光（または常光）同士で最大の和周波光が
発生するような結晶を「タイプＩ」結晶と称している。
この場合、第５図に示した相互相関波形（和周波光）の
強度はサンプリングパルスと被測定パルスの強度（Is,I
m）のうち、異常光（または常光）に対応する成分（Is
e,Ime）（またはIso,Imo）の積に比例する。従って、最
大の和周波光を得るためには、サンプリングパルスと被
測定パルスは異常光（または常光）に対応する直線偏光
にする必要がある。特に、和周波光発生効率が高いとさ
れる導波路型の結晶においてはタイプＩの動作をするも
のが多いので、サンプリングパルスと被測定パルスは異
常光（または常光）に対応する直線偏光にする必要が特
に大である。

一方、光パルスの偏光状態は、それが伝搬する光ファ
イバの複屈折により規定される。

測定に使用する単一モード光ファイバにも複屈折があ
り、光ファイバの曲がりや外圧によって、出射端におけ
る光の偏光状態は影響を受ける。従って、明確な偏光特
性を持つ光源からのパルスであっても、偏光保持特性を
持たない通常の光ファイバを伝送させる限り、測定器の
入力部における偏光状態は一義的に定まらず、むしろラ
ンダムに変動する。

ただし、この変動はファイバに加わる外乱の変動の速
さと同じ程度であり、特殊な条件下でなければこれが1H
zより速くなることはあまりないといえる。

タイプＩ結晶を用いた場合、観測すべき光パルスの偏
光状態が変動すると実効的に効率が変動するのと等価に
なり、観測される相関波形の振幅が変動し、正しい波形
データが得られないことになる。

［発明が解決しようとする課題］ 確かに、光ファイバが静置されている状態では、光フ
ァイバの複屈折も変化しないので、出射端における偏光
状態は変動しない。この場合はバビネ・ソレイユ補償板
やファイバループを組み合わせた偏光補償回路を用い
て、タイプＩ結晶の入射端面における偏光状態を最適化
することができる。

そのために、これまでは、ファイバループを組み合わ
せた偏光制御回路を光ファイバ伝送路中に挿入して、タ
イプＩ結晶への入射偏波条件を最適化したのち、光ファ
イバに触れないようにして測定を行っていた。

第６図にこのような従来の光サンプリング光波形測定
装置の構成例を示す。

第６図において、１はサンプリング周波数ｆ−Δｆの
発振器、２は発振器１からの発振出力に応じてサンプリ
ングパルス光を発生するサンプリングパルス発生部であ
る。そのサンプリングパルス光を偏光制御部３に入射さ
せて、そのサンプリングパルス光の偏波状態を最適状態
に調整する。

他方、サンプリング周波数発振器１からの発振出力を
RFミクサ４に導き、ここで外部装置としての被測定パル
ス列発生部５からの周波数ｆの電気パルスと上述の発振
出力とを混合する。その混合出力をローパスフィルタ６
に供給して周波数Δｆの成分を抽出してトリガ信号とな
し、そのトリガ信号を表示部７に供給する。

さらに、被測定パルス列発生部５からの周波数ｆの被
測定光パルスを偏光制御部８に導き、ここでその光パル
スの偏波状態を最適状態に調整する。偏光制御部３およ
び８で、それぞれ、偏光状態が調整されたサンプリング
光パルスおよび被測定光パルスを結合器９を介してタイ
プＩ非線形結晶10に導き、ここで周波数Δｆの低速の相
互相関出力光を得る。その出力光を低速受光器11で受光
して電気信号に変換したのちに、信号処理部12に供給し
て適切な信号処理を施してから表示部７に供給する。表
示部７では、信号処理部12からの出力をトリガ信号のタ
イミングで第４図に示すような波形として表示する。

なお、第６図における太い実線は光信号の流れを示
し、細い実線は電気信号の流れを示す。

結合器９では、繰り返し周波数ｆの被測定光パルスに
対して、その光パルスよりパルス幅の狭い別のサンプリ
ングパルスを重畳し、その重畳出力光を特定の直線偏光
についてのみ最適に動作する非線形光学結晶10に入射さ
せて、さらにこのサンプリングパルスの遅延を掃引した
ときに、両光パルスの重なった部分に比例して発生する
和周波光電力が描く相互相関波形を表示装置７上に表示
させて、入射光パルス波形を測定する。

しかしながら、実際の測定においては光ファイバに触
れずにおくことは不可能に近く、最適な偏光状態を維持
するためには偏光状態を常にモニタする必要がある。

以上の測定装置においては、半導体レーザからの光パ
ルスのようにパルス内で発振周波数が変化する（チャー
ブする）被測定パルス列の場合、光ファイバのような複
屈折媒質を通過させると、結果としてそのパルス内での
偏光状態も変化することになる。このときは、上記の偏
光補償回路では十分に補償しきれない部分が必ず存在す
ることになり、観測波形は真の波形から大きくずれるこ
とになる。

従って、任意の偏光状態の入射光パルスに対して、高
感度で正しい波形観測を行うためには、出力信号が入射
偏光状態に依存しない光サンプリング波形測定装置の開
発が必要になる。

最も単純には、非線形結晶を２つ用意し、これら２つ
の非線形結晶を各々の偏光成分に対して割り振れば良い
のであるが、これではサンプリング測定系を２台設ける
のと同じである。加えて、この方法では、２台の測定系
の感度を一致させる必要があり、安定性、信頼性、経済
性の点で問題がある。

そこで、本発明の目的は、和周波光発生技術を用いた
光サンプリング波形測定装置において、上述した問題点
を解決して、ランダムな偏光状態の変動による測定波形
の振幅変動を自動的に補償するようにした光サンプリン
グ波形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に対し、入射光パルスより
幅の狭い別のサンプリング光パルスを重畳し、その重畳
出力光を特定の直線偏光にのみ最適に動作する非線形光
学結晶に入射させ、さらにサンプリング光パルスの遅延
を掃引したときに、これら２つの光パルスの重なった部
分に比例して発生する和周波光電力が描く相互相関波形
より、入射光パルスの波形を測定する光サンプリング波
形測定装置において、入射光パルスを互いに直交する２
つの直線偏光成分に分離する偏光分離手段と、その分離
された一方の光パルスをパルス幅に比べて大きい時間だ
け相対的に遅延させる遅延手段と、偏光分離手段と同種
の光学素子で構成され、遅延手段からの同一の光軸上に
結合させる結合手段と、その結合出力から互いに直交す
る２つの直線偏光成分に対応する時間的に分離されたパ
ルスを形成する手段と、その分離されたパルスを加算す
ることにより、入射光パルスの偏光状態の変動による測
定波形の振幅変動を自動的に補償する手段とを具えたこ
とを特徴とする。

［作 用］ 本発明では、入射する光パルスを互いに直交する２つ
の直線偏光のパルスに分離し、別々に光サンプリングを
実施した後、各々の測定波形を加算する。すなわち、本
発明では、１つの結晶を被測定光パルスの直交する２つ
の直線偏光成分の光パルスに対して時分割で動作させ、
時間的にシリアルにえられる直交成分に対する測定波形
を電気的に加算処理する。

特定の波長帯と材料においてのみ実現可能であるが、
いわゆる「タイプII」と呼ばれる非線形光学結晶を用い
て、サンプリングパルスの偏光状態を最適化することに
より、結晶内を伝搬する常光も異常光も和周波光発生に
寄与させるうことができ、それによれば入射光の偏光状
態の変動に左右されない和周波光発生を実現できる。

以上のようにして、本発明では、ランダムな偏光状態
の変動による測定波形の振幅変動を自動的に補償するこ
とによって、安定に光パルス波形を測定することができ
る。

［実施例］ 以下に図面を参照して本発明を詳細に説明する。

第１図および第２図に本発明の第１実施例の構成を示
す。

この第１実施例は、パルスの繰り返し周期ｔよりもパ
ルス幅が十分に小さい場合に適用可能である。

第１図に示すように、被測定光信号としての繰り返し
周期ｔの入射光パルスをローションプリズム21に導き、
ここで直交する直線偏光成分に分け、異なった長さの行
路を伝搬させることにより一方の光パルスをD/2だけ遅
延させた後、両光パルスを再び第２のローションプリズ
ム22に導き、ここで結合させる。光路差をパルス幅より
大きくすれば、２つの互いに直交した直線偏光の光パル
スが時間的に光路差Ｄだけ分離して得られる。ここで用
いた光部品による反射損や吸収損を無視すれば、これら
２つの光パルスの電力の和は入射した光パルスの電力に
等しい。

これらの光パルスを一般的な「タイプＩ」非線形光学
結晶10を用いた通常の光サンプリング法で観測する。た
だし、結晶10が最大効率を示す偏光方向に対して入射光
パルスの直線偏光方向が45度をなすようにする必要があ
る。そこで、上述した両光パルスを結晶10の偏向方向の
検光子23に通す。これにより、各々の偏光成分が等しく
1/2の寄与をすることになる。なお、結晶10がこの検光
子23の働きを兼ねる場合には、この検光子23を省略する
ことができる。

このようにして検光子23から得た光出力をサンプリン
グパルス光と共に半透鏡などによる結合器９に通してサ
ンプリングパルスと重畳し、その重畳光出力を非線形光
学結晶10に入射させる。ここで、サンプリングパルスの
掃引周期をＴとすると、観測される相互相関出力におけ
るパルス波形も周期Ｔをもち、各々の偏光成分に対応し
て時間的にTD/tだけ離れた２つのパルスが周期Ｔ内に観
測される。Ｔを数10msecのオーダにすれば、この周期内
で偏光は一定であると考えられる。

そこで、受光器11からの相互相関出力を処理する信号
処理部12では、たとえば第２図に示すように、この相互
相関についての観測電気波形信号を分岐器24に供給して
さらに２分割し、その一方の信号を遅延器25に通すこと
によって、各々の偏光成分に対応した２つのパルスが重
なるよう遅延させてから、加算器26によって加算し、重
ならない部分を切り捨てる。これによれば、入射光パル
スの偏光状態に依存しない光サンプリングを実現でき
る。

また、偏光分離プリズムとしてのローションプリズム
21代わりに、偏波分散の大きい単一モードファイバを用
意し、後段の検光子23の透過偏光面がこの主軸に対して
45度をなすように配置しても同様の効果が得られる。

なお、光パルスの繰り返し周期ｔに比べ、パルス幅が
十分に小さいとはいえない場合には、第３図に示す第２
実施例が有効である。

第３図に示すように、入射光パルスを偏波偏光プリズ
ム31に通して直交する２つの直線偏光を持つ光パルスに
分割した後に、これら光パルスを光スイッチ32に導き、
ここでサンプリング周期に同期した切り替え信号によっ
ていずれか一方の光パルスのみが取り出されるように切
り替えて、２つの偏光成分を図示のＡとＢのように時間
的に分割して出力する。このように切り替えられた光パ
ルスを、第１実施例と同様の構成でサンプリング測定す
る。

信号処理部12では、このようにして得られる切り替え
前後の波形ＡとＢとを、第４図に示すようにして加算す
る。それにより、各々の偏光成分による波形が加算され
ることになり、以て、入射光パルスの偏光状態に依存し
ない光サンプリング測定波形を実現できる。

本発明のさらに他の実施例では、和周波光発生素子で
ある非線形光学結晶として、いわゆる「タイプII」整合
条件が実現できる種類の結晶を用いることもできる。こ
の種の非線形光学結晶は、基本波の波長における常光と
異常光の屈折率の平均値が第２次高調波光の波長におけ
る屈折率に等しくなるもので、一般的に得られるもので
はない。しかし、この条件が実現される特定の結晶およ
び波長では、入射光パルスの偏光状態に依存しない光サ
ンプリング光波形測定装置を以下に述べるようにして実
現できる。

まず、タイプII結晶においては、互いに直交する異常
光と常光が和周波光発生に寄与する。つまり、サンプリ
ング光の常光成分（Iso）と被測定光の異常光成分（Im
e）の積に比例するような和数波光発生の過程と、サン
プリング光の異常光成分（Ise）と被測定光の常光成分
（Imo）の間の和周波光発生の過程とが同時に進行す
る。そこで、サンプリング光も異常光と常光に等しい振
幅で入射するように、常光の偏光面に対して45度傾斜し
た偏光面の直線偏光、あるいは円偏光として入射させる
ようにしておけば、入射光パルスがいかなる偏光状態で
あっても、その偏光状態の変動による測定波形の振幅変
動を自動的に補償して、安定したサンプリングを実現で
きる。

［発明の効果］ 以上説明してきたように、本発明によれば、ランダム
な偏光状態の変動による測定波形の振幅変動を自動的に
補償することができる。

偏光状態のランダムな変化が非常にゆっくりであれ
ば、バビネ・ソレイユ補償板等で直線偏光に補償しても
実質的に問題は少ないが、一つのパルス内で偏光状態が
変化するような場合は、このような方法では不都合であ
り、本発明によってはじめて偏光状態の変動による測定
被形の振幅変動を自動的に補償することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例における光信号に対する処
理系統を示す構成図、 第２図は本発明の第１実施例における電気信号処理手順
を示す説明図、 第３図は本発明の第２実施例における光信号に対する処
理系統を示す構成図、 第４図は本発明の第２実施例における電気信号処理手順
を示す説明図、 第５図は被測定パルスとサンプリングパルスの時間的な
相対位置の変化と、これによって得られる低速の相互相
関波形を示す波形図、 第６図は従来の光サンプリング光波形測定装置の構成例
を示すブロック図である。 １……サンプリング周波数発振器、 ２……サンプリングパルス発生部、 ３……偏光制御部、 ４……RFミクサ、 ５……被測定パルス列発生部、 ６……ローパスフィルタ、 ７……表示部、 ８……偏光制御部、 ９……結合器、 10……Ｉ非線形光学結晶、 11……低速受光器、 12……信号処理部、 21,22……ローションプリズム、 23……検光子、 24……分岐器、 25……遅延器、 26……加算器、 31……偏光分離プリズム 32……光スイッチ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】繰り返しを有する測定すべき入射光パルス
   に対し、該入射光パルスより幅の狭い別のサンプリング
   光パルスを重畳し、その重畳出力光を特定の直線偏光に
   のみ最適に動作する非線形光学結晶に入射させ、さらに
   前記サンプリング光パルスの遅延を掃引したときに、こ
   れら２つの光パルスの重なった部分に比例して発生する
   和周波光電力が描く相互相関波形より、前記入射光パル
   スの波形を測定する光サンプリング波形測定装置におい
   て、 前記入射光パルスを互いに直交する２つの直線偏光成分
   に分離する偏光分離手段と、 その分離された一方の光パルスをパルス幅に比べて大き
   い時間だけ相対的に遅延させる遅延手段と、 前記遅延手段からの時間的に分離された光パルスを同一
   の光軸上に結合させる結合手段と、 その結合出力から互いに直交する２つの直線偏光成分に
   対応する時間的に分離されたパルスを形成する手段と、 その分離されたパルスを加算することにより、前記入射
   光パルスの偏光状態の変動による測定波形の振幅変動を
   自動的に補償する手段と を具えたことを特徴とする光サンプリング波形測定装
   置。
2. 【請求項２】繰り返しを有する測定すべき入射光パルス
   と結晶における常光の偏光方向に対して45度傾斜した直
   線偏光または円偏光方向を持つサンプリングパルスとを
   重畳する手段と、 その重畳出力から該常光と異常光の強度の積に比例する
   和周波光を発生させる手段と を具備し、前記和周波光の電力が描く相互相関波形より
   前記入射光パルスの波形を測定することを特徴とする光
   サンプリング波形測定装置。