JPH0875556A - 光パルス形状測定器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は光パルス幅が１ｐｓ以下から数ｎｓ
にわたる光パルスの時間波形を１ｐｓ以下の高分解能で
計測する新しい光パルス形状測定器を提供することを目
的とする。 【構成】 上記目的を達成するために、本発明は半絶縁
基板上に形成されたマイクロストリップラインまたはコ
プレーナラインと、このラインに構成された２対の電極
を有し同一特性の光伝導素子（フォトコンダクタ）の新
しい検出手段を用い、第１電極では被測定光パルスを光
電変換し、第２電極では被測定光パルスに同期を取りつ
つ発振させた極細の光プローブパルスに遅延時間τを与
えつつ第１電極からの電気信号をサンプリングして検出
信号を得る。この検出信号は被測定光パルスと光プロー
ブパルスとのの相互相関波形ｙ（ｔ）であることから、
この検出信号をデコンボリューションして元の波形に戻
し、表示する構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば光パルス幅が
１ｐｓ（ピコ秒＝１０−１２ 秒）以下の極短光パルス
幅から数ｎｓ（ナノ秒＝１０−９秒）の連続して発振す
る光パルスの時間波形を、あるいはその光パルスを入力
し出力する被試験素子のインパルス応答光パルスの時間
波形を、１ｐｓ以下の高分解能で高速に測定する光パル
ス形状測定器に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の光パルスの測定は、光の干渉を利
用して自己相関で測定するオートコリレータや、ＰＤ
（フォト・ダイオード）のようなＯ／Ｅ変換器を通して
サンプリング・スコープで測定していた。

【０００３】オートコリレータによる光パルスの形状測
定では分解能は高くとれるが、被測定光がマルチモード
では干渉縞がとれないので測定できず、測定できるのは
単一モードの光のみである。サンプリング・スコープで
は測定できる最高周波数は、約５０ＧＨｚであり、最高
分解能はたかだか２０ｐｓ程度である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】最近の超高速光技術の
進展はとどまるところを知らず、光パルスの測定も益々
高分解能の測定器が望まれているが、前述のように高速
で高分解能の測定技術は未だ確定されていない。この発
明は光パルスの測定を高速で分解能は１ｐｓあるいはそ
れ以下の高分解能で測定する光パルス形状測定器を提供
するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は半絶縁基板上に形成されたマイクロストリ
ップラインまたはコプレーナライン（以下総称して「伝
送ライン」という）とその伝送ラインに構成された２対
の電極とを有する光伝導素子（フォトコンダクタ）から
成る検出手段を用いて測定する。被測定光パルスを検出
手段の伝送ラインに構成された第１電極に照射して光電
変換するディテクタとして動作させ、その光電変換した
電気信号を第２電極では光プローブパルスを遅延時間を
変えつつ照射してサンプリングし、被測定光パルスと光
プローブパルスとの相互相関波形ｙ（ｔ）を伝送ライン
の他端から検出し、その検出信号をデコンボリューショ
ンして元の波形に戻し、表示するものである。ここで、
被測定光パルスを第１電極に光プローブパルスを第２電
極に照射するとしたが、これはどちらの電極でもよく、
つまり光プローブパルスを第１電極に、被測定光パルス
を第２電極に照射しても同一効果を生じるものである
が、説明上、本明細書では上記の構成で説明する。そし
て請求項では「一の電極」として第１電極でも第２電極
でもよく、「他の電極」は他方の電極とすることとす
る。以下詳細に説明する。

【０００６】被測定光パルスを発生する被測定光源は、
光プローブパルスを発生するモードロックレーザ発振器
と同期して被測定光パルスを発生する。高分解能を得る
ためには測定システム全体の同期が大切である。そこで
同期の基準タイミング信号が必要であり、タイミング・
ジェネレータを設けてよく、あるいは被測定光源の発振
タイミング信号を用いてもよいが、本明細書では演算手
段、例えばコンピュータからタイミング信号を送出する
こととする。

【０００７】被測定光源からの被測定光パルス、あるい
はその光パルスを入力し出力する被測定素子のインパル
ス応答光パルスは、関数ｘ（ｔ）として検出手段である
伝送ラインの第１電極に照射する。検出手段は、例えば
半絶縁基板であるＦｅ（鉄）をドープしたＩｎＰ（イン
ジウム・リン）基板上に、金属膜の伝送ラインとその伝
送ラインに超微細間隔のギャップによる２対の電極を有
する光伝導素子（フォトコンダクタ）で構成されてい
る。ここで光伝導素子とは通常は絶縁体であるが、光を
照射すると電気伝導体となる物質をいう。電極は対向型
電極や櫛型電極が用いられ、そのギャップ幅は数μｍ以
下である。１μｍ以下にすることも可能である。このよ
うに極小ギャップにして、導電時のオン抵抗を４０Ω以
下とし、電極間容量を３ｆＦ（３フェムト・ファラッド
＝３×１０−１５ Ｆ）とした。このようにして高速で
高分解能の新しい検出手段が得られた。高速・高分解能
の検出手段は、同期信号と同様に高分解能を得るに必須
の手段である。検出手段である伝送ラインの第１電極側
の一端には直流電源を接続して第１電極に電界を加えて
おく。第２電極側の伝送ラインの他端は出力端子とす
る。

【０００８】前記被測定光パルスに同期してモードロッ
クレーザ発振器では光プローブパルスを発生させる。光
プローブパルスは、例えばパルス幅が８０ｆｓ（８０フ
ェムト秒＝８０×１０−１５ 秒）で繰り返し周波数が
１００ＭＨｚ程度の極めて細いインパルス列の光プロー
ブパルスである。分解能を高めるには、極短光パルスも
必須要件の一つである。この光プローブパルスを遅延手
段を通して遅延時間τを与えつつ上記検出手段の第２電
極に照射して、伝送ラインの第１電極側から入力される
光電変換された電気パルス信号ｘ（ｔ）を、光プローブ
パルスの関数ｈ（ｔ＋τ）でサンプリングする。する
と、その検出手段からの出力信号ｙ（ｔ）はｘ（ｔ）と
ｈ（ｔ＋τ）との相互相関波形となる。

【０００９】つまり、検出手段の伝送ラインからの検出
信号ｙ（ｔ）は、ｙ（ｔ）＝∫ｘ（τ）ｈ（ｔ＋τ）ｄ
τ 但し積分は−無限大から＋無限大までとなる。この
検出信号ｙ（ｔ）を演算手段でデコンボリューションす
ると元の波形に復元することとなり、この復元波形を表
示手段に表示する。ここで表示手段とはいかなる表示で
あっても全てを含むものとする。例えばＣＲＴ表示やプ
リントアウトの表示はもとより、データ伝送による他部
署での表示やデータ加工後の表示や一時記憶し後に表示
することも含む。

【００１０】光プローブパルスに遅延時間τを与える遅
延手段には、従来技術の可動鏡を用いてよい。１μｍ
（１ミクロン＝１×１０−６ｍ）の可動鏡移動で、光プ
ローブパルスに往復で６．６ｆｓの遅延を与える。即
ち、光速は３×１０８ ｍ／ｓであるから、２×１０−
６ｍ／３×１０８ ｍ／ｓ＝６．６×１０−１５ ｓ＝
６．６ｆｓとなる。従って１μｍの可動鏡の移動毎に、
その遅延された光プローブパルスでサンプリングする
と、分解能は６．６ｆｓとなる。そして例えば全体の移
動区間を５ｃｍとすると、３３３ｐｓの遅延を与えるこ
とになり、被測定光パルスを６．６ｆｓの分解能で３３
３ｐｓ区間の波形を測定できることとなる。可動鏡を移
動させるには、演算装置からのタイミング信号を受けて
ステージドライバで可動鏡を駆動するとよい。

【００１１】遅延手段としては、可動鏡を用いずに可動
部が不要の光変調器で行うこともできる。例えばタンタ
ル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３ ）結晶やニオブ酸リチウ
ム（ＬｉＮｂＯ３ ）結晶のようなＥ／Ｏ変調器は、ポ
ッケルス効果により電界を与えることで光の屈折率を変
化させ、屈折率の変化は光速度の変化となり、光プロー
ブパルスに遅延τを与えることができる。電界を変える
ことにより遅延時間τが変化する。従って、可動鏡のよ
うな可動部が無くなり集積化が可能となり、測定の高速
化と信頼性の向上も図れる。また遅延手段としてＥ／Ｏ
変調器の他に磁気光学変調器等の光変調器を用いること
もできる。

【００１２】ところで、前記可動鏡で遅延手段を構成す
ると、例えば１μｍステップで移動して全区間を５ｃｍ
とすると、前述のように６．６ｆｓの分解能で３３３ｐ
ｓまでのパルス幅の被測定パルスを測定することができ
るが、それ以上のパルス幅のものは部分的な測定とな
る。そこで移動の全区間を１０ｃｍとしても、たかだか
６６７ｐｓまでの測定である。しかしながら、状況によ
っては数ｎｓ（ナノ秒＝１０−９秒）までの被測定パル
ス信号を測定したい場合があるが、可動鏡での測定は困
難であった。

【００１３】この問題を解決するために、被測定光パル
スを発生する被測定光源と光プローブパルスを発生する
モードロックレーザ発振器との間に遅延同期手段を設け
ることにより解決できた。遅延同期手段とは同期を完全
に取りながら、一方のモードロックレーザ発振器を数ｐ
ｓから数ｎｓの遅延時間を与えて駆動させるものであ
る。従って、遅延同期手段は高精度の遅延素子でもよ
く、高精度の時計を用いてもよく、あるいは信号発生器
（ＳＧ）をランプ信号で位相変調して遅延制御してもよ
い。以下、本発明の実施例について説明する。

【００１４】

【実施例】図１に本発明の一実施例の構成図を、図２に
他の実施例の構成図を、図３に遅延手段２５の他の実施
例を示す。図１の基づいて説明する。演算手段１６から
は被測定光源１０やモードロックレーザ発振器２１やス
テージドライバ２７やＡ／Ｄ変換手段１５等にタイミン
グ信号を送出して駆動させる。タイミング信号は演算手
段１６以外からでも特定信号を基準に用いて測定システ
ムの同期を取ってもよい。被測定光源１０はタイミング
信号毎に被測定光パルス４０を発生する。被測定光パル
ス４０、あるいは図示していないが、この被測定光パル
ス４０を入力し出力する被測定素子のインパルス応答光
パルスを、レンズ２９ａで集光し、検出手段１１の第１
電極１３ａを照射する。

【００１５】一方、モードロックレーザ発振器２１はタ
イミング信号により、被測定光源１０と同期して光プロ
ーブパルス４２を発生する。光プローブパルス４２のパ
ルス幅は、８０ｆｓで、繰り返し周波数は１００ＭＨｚ
程度でよい。このモードロックレーザ発振器２１は、例
えば米国のスペクトラ・フィジィクス社製のモードロッ
ク・チタンサファイヤレーザ発振器を用いることができ
る。この製品は主レーザ２３にチタンサファイヤレーザ
を、励起用レーザ２４にアルゴンレーザを、同期回路２
２には Lok to Clock を用いて上記の光プローブパルス
４２を発生できる。

【００１６】この光プローブパルス４２はミラー２８
ａ、２８ｂを通して、遅延手段２５の可動鏡２６に達
し、可動鏡２６で反射されてミラー２８ｃで９０度反射
し、レンズ２９ｂで集光されて検出手段１１の第２電極
１３ｂを照射し、第１電極１３ａからの光電変換された
パルス信号をサンプリングする。このサンプリングは可
動鏡２６を被測定光パルス４０のパルス幅分のマイナス
側からプラス側の時間分移動させながら、多数のサンプ
リングを行う。サンプリングされた検出信号は、前述の
ように相互相関波形ｙ（ｔ）である。この相互相関波形
ｙ（ｔ）をデコンボリューションすると元の波形が求ま
る。

【００１７】遅延手段２５の可動鏡２６は、ステージド
ライバ２７の駆動で光の進行方向に対し前後に移動で
き、光プローブパルス４２に遅延時間τを与えつつサン
プリング信号を作る。ステージドライバ２７は演算手段
１６からのタイミング信号を受けて可動鏡２６をステッ
プ状あるいは連続して駆動する。

【００１８】検出手段１１は前述のように、例えば半絶
縁基板であるＩｎＰ基板上に金属膜の伝送ライン１２と
この伝送ライン１２に超微細間隔のギャップを有する２
対の電極による光伝導素子から構成され、この伝送ライ
ン１２の一端に直流電源１８を接続して第１電極１３ａ
に電界を加えておく。第１電極１３ａ及び第２電極１３
ｂのギャップ幅は数μｍ以下である。よって第１電極１
３ａでの被測定光パルス４０及び第２電極１３ｂでの遅
延を与えられた光プローブパルス４２の照射は、感度よ
く光電変換ができ、被測定光パルス４０を時間を少しづ
つずらしながらサンプリングすることができる。ここで
前述のように、伝送ラインとはマイクロストリップライ
ンまたはコプレーナラインのことを指す。

【００１９】サンプリングされた検出信号は、例えばロ
ックイン・アンプのような増幅器１４で増幅してＡ／Ｄ
変換する。Ａ／Ｄ変換手段１５は検出されたアナログ信
号をタイミング信号に応じてデジタル信号に変換する。
そのデジタル化された検出信号を、演算手段１６に与
え、演算手段１６ではデコンボリューションの演算を行
う。表示手段１７はその演算結果を表示する。表示手段
１７は前述のようにいかなる表示手段をも含む。

【００２０】図２は他の実施例の構成図である。図１と
比較して被測定光源１０とモードロックレーザ発振器２
１との間に遅延同期手段２０を追加している。遅延同期
手段２０はパルス幅が数ｎｓという被測定光パルス４０
を測定するために、光プローブパルス４２の遅延時間を
数ｎｓまで広げるために設けて解決した。つまり、前述
したように遅延手段２５の可動鏡２６での遅延時間は、
最大１０ｃｍ移動しても６６７ｐｓ範囲までしか測定で
きないからである。

【００２１】被測定光源１０とＳＧ（信号発生器）３１
はフェイズロック、つまり同期してそれぞれが発振して
いる。ＳＧ３１は例えばドイツのローデ・アンド・シュ
ワルツ社製のＳＭＨ型信号発生器を用いることができ
る。ＲＧ（ランプ信号発生器）３０はＨＰ社製のファン
クション・ジェネレータを用いてランプ信号４１を発生
させることができる。ＲＧ３０はタイミング信号でラン
プ信号４１を発生し、ＳＧ３１に与えている。ＳＧ３１
ではランプ信号４１を位相シフト用入力端子に入力し、
位相変調かけて正確な遅延信号を発生し、モードロック
レーザ発振器２１の同期回路２２に出力し光プローブパ
ルス４２を発生させる。

【００２２】図２の遅延同期手段２０は被測定光源１０
と同期を取りつつ、正確な遅延信号を発生させるもので
ある。従って、ＲＧ３０及びＳＧ３１に代え、高精度の
遅延回路や高精度の時計（クロック発生器）に置き換え
ることもできる。

【００２３】図３は遅延手段２５の他の実施例である。
モードロックレーザ発振器２１からの光プローブパルス
４２は、光変調器３５を通過して検出手段１１の第２電
極１３ｂを照射する。光変調器３５は光の可変遅延素子
でもある。図３ではＥ／Ｏ変調器で示しているが、磁気
光学変調器でもよい。光変調器３５に電界又は磁界を加
えると電界又は磁界の強さに比例して、光の遅延時間τ
が変化する。従って、光変調器３５に加える電圧又は電
流を変化させて電界を変え、遅延時間τを変化させた光
プローブパルス４２を第２電極１３ｂに照射し、第１電
極１３ａで光電変換された被測定光パルス４０をサンプ
リングする。被測定光パルス４０は高ｎ物質（高屈折率
物質）３６を通して一定時間遅延させて第１電極１３ａ
を照射する。光変調器３５の遅延時間と調和をとるため
である。この高ｎ物質３６は被測定光源１０に内蔵させ
てもよい。サンプリングされた検出信号は、前述のよう
に、被測定光パルス４０と光プローブパルス４２との相
互相関波形ｙ（ｔ）である。この相互相関波形ｙ（ｔ）
をデコンボリューションして元の波形に戻し、表示す
る。

【００２４】上述のように、光変調器３５で光遅延素子
を構成すると、電圧又は電流を変えるだけで遅延時間τ
を変化することができ、可動部分が不要である。従って
測定器の固体化、集積化が可能となり、また測定の高速
化や信頼性の向上も図れる。

【００２５】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明
は、従来測定不可能であったパルス幅が１ｐｓ以下の極
短光パルスから数ｎｓの光パルスを、分解能を１ｐｓ以
下の高分解能で測定できるので、従来の分解能の数十分
の１の高分解能である。しかも検出手段１１である光伝
導素子の改良によりこれ以上の超高分解能の測定器も可
能である。このように本発明の技術的効果は大である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成図である。

【図２】本発明の他の実施例の構成図である。

【図３】図１、図２の遅延手段２５の他の実施例の構成
図である。

【符号の説明】

１０ 被測定光源 １１ 検出手段 １２ コプレーナライン １３ａ 第１電極 １３ｂ 第２電極 １４ 増幅器 １５ Ａ／Ｄ変換手段 １６ 演算手段 １７ 表示手段 ２０ 遅延同期手段 ２１ モードロックレーザ発振器 ２２ 同期回路 ２３ 主レーザ ２４ 励起用レーザ ２５ 遅延手段 ２６ 可動鏡 ２７ ステージドライバ ２８ａ、２８ｂ、２８ｃ ミラー ２９ａ、２９ｂ レンズ ３０ ＲＧ（ランプ信号発生器） ３１ ＳＧ（信号発生器） ３５ 光変調器 ３６ 高ｎ物質（高屈折率物質） ４０ 被測定光パルス ４１ ランプ信号 ４２ 光プローブパルス

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同期信号により被測定光パルス（４０）
   を発生させる被測定光源（１０）と、 上記被測定光源（１０）と同期して光プローブパルス
   （４２）を発振するモードロックレーザ発振器（２１）
   と、 上記モードロックレーザ発振器（２１）で発振された上
   記光プローブパルス（４２）に任意の遅延時間を与える
   遅延手段（２５）と、 半絶縁基板上に形成された伝送ライン（１２）と上記伝
   送ライン（１２）に構成された２対の電極（１３ａ、１
   ３ｂ）を有する光伝導素子から成り、上記伝送ライン
   （１２）の一端に直流電圧が印加され他端を出力端子と
   し、上記２対の電極の一の電極に上記被測定光パルス
   （４０）が照射され、他の電極に上記光プローブパルス
   （４２）が照射される検出手段（１１）と、 上記検出手段（１１）で検出された電気信号をＡ／Ｄ変
   換するＡ／Ｄ変換手段（１５）と、 上記Ａ／Ｄ変換手段（１５）の出力信号をデコンボリュ
   ーションする演算手段（１６）と、 上記演算手段（１６）の演算結果を表示する表示手段
   （１７）と、を具備することを特徴とする光パルス形状
   測定器。
2. 【請求項２】 同期信号により被測定光パルス（４０）
   を発生させる被測定光源（１０）と、 上記被測定光源（１０）と同期して任意の遅延同期信号
   を発生する遅延同期手段（２０）と、 上記遅延同期手段（２０）からの上記遅延同期信号によ
   り光プローブパルス（４２）を発振するモードロックレ
   ーザ発振器（２１）と、 上記モードロックレーザ発振器（２１）で発振された上
   記光プローブパルス（４２）に任意の遅延時間を与える
   遅延手段（２５）と、 半絶縁基板上に形成された伝送ライン（１２）と上記伝
   送ライン（１２）に構成された２対の電極（１３ａ、１
   ３ｂ）を有する光伝導素子から成り、上記伝送ライン
   （１２）の一端に直流電圧が印加され他端を出力端子と
   し、上記２対の電極の一の電極に上記被測定光パルス
   （４０）が照射され、他の電極に上記光プローブパルス
   （４２）が照射される検出手段（１１）と、 上記検出手段（１１）で検出された電気信号をＡ／Ｄ変
   換するＡ／Ｄ変換手段（１５）と、 上記Ａ／Ｄ変換手段（１５）の出力信号をデコンボリュ
   ーションする演算手段（１６）と、 上記演算手段（１６）の演算結果を表示する表示手段
   （１７）と、を具備することを特徴とする光パルス形状
   測定器。
3. 【請求項３】 遅延手段（２５）は遅延時間を任意に可
   変できる光変調器の遅延手段（３５）である請求項１又
   は２記載の光パルス形状測定器。