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JP3102811B2 - Ultrafast optical waveform measurement method - Google Patents
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JP3102811B2 - Ultrafast optical waveform measurement method - Google Patents

Ultrafast optical waveform measurement method

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JP3102811B2
JP3102811B2 JP03229249A JP22924991A JP3102811B2 JP 3102811 B2 JP3102811 B2 JP 3102811B2 JP 03229249 A JP03229249 A JP 03229249A JP 22924991 A JP22924991 A JP 22924991A JP 3102811 B2 JP3102811 B2 JP 3102811B2
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mixing
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  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for measuring an ultrafast optical waveform such as an ultrashort optical pulse, and more particularly to a method for measuring an optical pulse waveform from 100 fs to 100 ps. The present invention relates to an ultra-high-speed optical waveform measurement method capable of measuring by converting into an optical signal.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art A technique for generating an ultrashort optical pulse is 198.
It progressed rapidly in the 0's, and it is now possible to obtain tunable and stable subpicosecond pulses. Such an ultrashort light pulse greatly contributes to fields such as physics and chemistry as a light source for time-resolved spectroscopy and nonlinear spectroscopy. Furthermore, in recent years, a technique for freely shaping the pulse waveform of an ultrashort light pulse has begun to appear, and a way is being opened for application as a more advanced optical measurement means. In addition, if information is written into an ultrashort optical pulse using waveform shaping, Tbit
Since an optical signal of s / s or more can be generated, there is a possibility that optical communication and optical information processing at a speed several orders of magnitude higher than at present can be realized. However, there is no point in generating such a high-speed optical signal unless it can be read. The response speed of current photodetectors (PIN photodiodes, avalanche photodiodes, etc.) is as fast as several
Since 0 GHz is the limit, an optical signal of Tbits / s or more cannot be directly read.

【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。
[0003] Typical methods for reading the light waveform in a region faster than picosecond include a method using a streak camera and a non-linear correlation method (SHG autocorrelation, cross correlation, etc.). The former has the advantage that the optical waveform can be measured directly, but has the disadvantage that the time resolution is from picoseconds to sub-picoseconds and that it is very expensive. The latter has no problem in the time resolution, but it is necessary to sweep the probe pulse, so that it is not applied to optical communication or the like that requires instantaneous reading.

【0004】[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。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to solve the above-mentioned drawbacks of the prior art so that the time resolution is not limited to electronics. It is an object of the present invention to provide an ultra-fast optical waveform measurement method based on a completely new principle that is inexpensive and does not require sweeping of a probe pulse.

【0005】[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。
According to the present invention, there is provided an ultrahigh-speed optical waveform measuring method according to the present invention, in which a measuring time waveform is incident on a diffraction grating, and diffracted light of a predetermined order other than the 0th order is spatially Fourier-transformed. After the phase term is erased by optically mixing it with the probe light pulse in a nonlinear substance, the phase term is erased, and then Fourier-transformed again spatially, and the measured time waveform is read out as a spatial pattern similar to that. It is a method.

【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。
In this case, the mixing of the probe light pulse and the light in the nonlinear material is a sum frequency light mixing, and
In the case of four-wave mixing, in the case of four-wave mixing, the probe light pulse is made incident on another diffraction grating before being made incident on the nonlinear material, and diffracted light of a predetermined order other than the 0th order is made into the nonlinear material. The light may be incident to perform four-wave mixing. Also, each spatial Fourier transform can be performed optically.

【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。
[0007] This ultra-high-speed optical waveform measurement method can be applied to convert a temporal serial optical signal into a spatially parallel optical signal.

【0008】[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。
According to the present invention, a measurement time waveform is made incident on a diffraction grating, and diffracted light of a predetermined order other than the 0th order is spatially Fourier-transformed, and its phase term is optically mixed with a probe light pulse in a nonlinear material. After the phase term is erased, the Fourier transform is performed spatially again and the measured time waveform is read out as a spatial pattern similar to that, so the time waveform can be read instantaneously, and the time resolution is not limited to electronics. It is inexpensive and does not require sweeping of probe pulses. By this method, 100 fs to 100
The waveform of the optical pulse of ps can be measured.

【0009】[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。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The ultra-high-speed optical waveform measurement method of the present invention is basically realized by utilizing the inverse process of the waveform shaping technique. First, the principle will be described below.

【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。
In the present invention, a time waveform cannot be directly measured as an electric signal using a photodetector for an optical waveform faster than picoseconds. Therefore, in the present invention, the time waveform is converted into a spatial pattern to be used as a spatial pattern of light. Take the reading method.
In this method, a temporal waveform is projected into space using a diffraction grating, and the spatial pattern is fixed and read by nonlinear light mixing on a Fourier transform plane. FIG. 1 shows the principle diagram. Hereinafter, the process of reading the time waveform as a spatial pattern will be described in detail.

【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。
The time waveform of the light pulse to be measured is U (t). For simplicity, the spatial pattern of the measured light pulse is assumed to be a uniform function R (x) over a sufficiently wide range. That is, the incident pulse is set as follows: E input (x, t) = R (x) U (t) (1) U (t) is a pulse waveform to be measured. When this pulse hits the diffraction grating G, the first-order diffracted light is expressed by the following equation immediately after the diffraction grating.

【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。
E 1 (t, x) = R (sx) U (t−αx) (2) where x is a space coordinate perpendicular to the traveling direction of light and parallel to the paper, and α and s are This is a diffraction parameter determined by the groove spacing of the diffraction grating and the incident angle. Here, the conversion from t to t-αx indicates that the pulse is inclined with respect to the traveling direction of the diffracted light as shown in FIG. Since the light diffracted from the adjacent grooves of the diffraction grating G has different optical path lengths by the length of the wavelength, the diffracted pulse is inclined as shown in FIG. 1, and the time waveform is projected on the x-axis at each time. Have been. t →
This is converted to t-αx. However, as can be seen from FIG. 1, since the projected position moves with time, even if the spatial pattern is observed by integrating the time at this stage, the time waveform cannot be known.

【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。
Next, the electric field is converted to a lens L having a focal length f.
When spatially Fourier-transformed by using 1 , at the focal plane, E 2 (t, x) ∝R (st / α) V (2πx / αλf) × exp (−i2πxt / αλf) (3) . Here, V (Δω) is a Fourier transform of U (t). E 2 (t, x) is the product of the Fourier transform of the waveform to be measured and the phase term exp (−i2πxt / αλf). If this is directly Fourier transformed by the lens L 2 , E 3 ′ (t, x) x) ∝R (st) U (t + αx) (4 ′) This is because the slope is opposite to the equation (2), but nothing is known.

【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。
Therefore, the phase term exp (-i2πxt
/ Αλf) is eliminated and Fourier-transformed again by the lens L 2 , the following equation is obtained: E output (t, x) ∝R (st / α) U (αx) (4) Looking at equation (4), the time waveform U of the incident pulse
It can be seen that (t) is projected on the x-axis. That is,
Since the time waveform is projected at the same position regardless of the time, observing the spatial pattern by performing time integration yields a pattern similar to the time waveform.

【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。
In order to eliminate the phase term exp (-i2πxt / αλf), it is sufficient to optically mix the photoelectric field having the complex-conjugated phase term with the nonlinear substance N. In the case of FIG.
The light for that is represented as E P (t, x). There are several ways to create E P , but here, only those utilizing second-order and third-order nonlinearities will be described.

【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 2 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。
FIG. 2A shows an arrangement in the case of utilizing second-order nonlinearity. E those obtained by Fourier transformation of much shorter pulses as compared to the measured waveform in the diffraction grating G 1 and the lens L 3
Is P, to obtain a spatial pattern by inverse Fourier transform of the sum frequency mixing light E P E 2 and E 2. Diffraction grating G 1 and lens L 3
, If used as having the same parameters as used for the waveform to be measured, the direction of diffracting Conversely, E P phase e
Since it has xp (+ i2πxt / αλf), the phase term is canceled.

【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
し、4光波混合光EP P 2 * 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
2 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。
FIG. 2B shows an arrangement in the case of utilizing the third-order nonlinearity. As with the case of using the second-order nonlinear, a material obtained by Fourier transformation of much shorter pulses as compared to the measured waveform in the diffraction grating G 2 and lens L 4 and E P, 4-wave mixing light E P E P E Inverse Fourier transform of 2 * to get a spatial pattern. In this case, either the groove spacing of the diffraction grating G 2 used in E P to that of half the grating G using the waveform to be measured, or, lens L 4 having a focal length 2f
, The phase factor of E P is half of E 2 ,
The phase term is cancelled.

【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 P
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、
2 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 P 2 * 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。
In FIG. 2 (c), the short pulse is simply referred to as E P , and the four-wave mixed light E P E P E with E 2 is used.
2 * is Fourier inverse transformed. In other words, by reading by cutting a portion of the E 2 in a very short pulses, a method that would ignore the phase term. This method
Since only a part of E 2 is used, it seems that the efficiency is low. However, since the short pulse is used as E P , the peak power becomes large, and the four-wave mixing light E P E P E 2 * is shown in FIG.
It becomes stronger than the case of (b). The optical system is mirror M
Is very simple.

【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。
By the above-described method, ideally, a similar shape of the measured waveform can be obtained as a spatial pattern as expressed by the equation (4). A factor is reducing the accuracy of waveform measurement. The factors and countermeasures are summarized below.

【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。
1) The assumption that the spatial spread of the pulse to be measured is uniform over a range sufficiently larger than the time width multiplied by the speed of light c is used to derive equation (2) from equation (2). ing. In practice, the spatial spread (ie, beam diameter)
Is finite, the Fourier transform of equation (3) is a Fourier transform with a weight of a function R (x) representing a spatial spread. If the time width of the measured waveform is 100 ps or less, this effect can be ignored if the beam diameter on the diffraction grating surface is several cm. When the time width is 100 ps or more, the size of the diffraction grating is finite, so that this effect cannot be ignored, and the accuracy of waveform measurement decreases.

【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。
[0021] 2) When the actual light mixing, in order to separate the light mixing light and original optical, to intersect at an angle to the E 2 and E P. This makes the cancellation of the phase term incomplete. However, this effect is 100 fs
(Fs: 10 −15 seconds) It has been clarified from the result of the numerical calculation that if the pulse is measured longer than 10 degrees, no problem occurs if the angle is set to 10 degrees or less.

【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。
3) Since the short pulse for producing E P has a finite width UP (t) instead of the δ function, the spatial pattern actually obtained is not an exact analog of the waveform to be measured. , convolution of the U P (t) U * U P (α
x).

【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。
In summary, the measured waveform is 100 fs
From 100 ps to a shorter pulse U
If prepared P (t), the time waveform accuracy of the width of the U P (t) can be read as a spatial pattern. This means that an ultrafast optical signal obtained by shaping the waveform of an ultrashort optical pulse can be read out by optically mixing it with the original ultrashort optical pulse. This corresponds to serial-to-parallel conversion of an optical signal, and an actual example will be described below. When it is not ready it is shorter pulse than the waveform to be measured (such as if you want to know the mode locked pulse waveform) is, by using the measured pulse itself as E P, a convolution or autocorrelation waveform of a pulse waveform You can know. Examples will be described later.

【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 P 2 * 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 2 * でEP
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。
An example of waveform measurement will be described below. In the arrangement of FIG. 2 (c), the illustrating an example of measurement of the waveform using the measured pulse itself as E P. Because of the use of four-wave mixing of E P E P E 2 *, as the physical mechanisms, E
E P is diffracted by the dynamic diffraction grating E P E 2 * formed by P and E 2 . At this time, the relaxation magnitude of the time T 1 of the dynamic diffraction grating, the resulting space pattern is different. If the relaxation time is much longer than the measured pulse width,
A signal proportional to the autocorrelation function of the incident photoelectric field is obtained.
Conversely, if it is much shorter, a third-order intensity autocorrelation waveform of the pulse is obtained. In any case, a signal corresponding to the pulse waveform can be obtained in real time (without the need for scanning unlike the SHG autocorrelation method).

【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
2 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。
In the arrangement shown in FIG. 3, the pulse waveform of a picosecond pulse obtained from a mode-locked dye laser (Rhodamine 6G) was measured. As a non-linear substance N, a dye solution (DODCI) having a concentration of 10 -5 M / L in ethanol having a thickness of 1
What was put in the cell of mm was used. Further, a diffraction grating G of 2400 lines / mm was used, and the lens L 1 ,
And using the cylindrical lens of focal length 300mm as L 2. The spatial pattern was observed with a CCD camera. FIG. 4 shows the obtained spatial pattern. Since the relaxation time of DODCI is much longer than the pulse width to be measured, the autocorrelation function of the optical electric field has been obtained. The horizontal axis in FIG. 4 is CCD
The position of the camera is represented, but is converted to the corresponding time. In this method, since only the dye solution and the CCD camera are required, a very inexpensive ultrashort light pulse measurement system is obtained.

【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。
Next, an example in which the method of the present invention is used for serial-to-parallel conversion of a high-speed optical signal will be described. As described above, if the information is written by shaping the waveform of the ultrashort optical pulse, an optical signal having a capacity of Tbits / s or more can be generated. However, there is currently no photodetector capable of reading such a high-speed optical signal, so that the time waveform is converted into a spatial pattern and read. That is, it is necessary to perform serial-to-parallel conversion of the optical signal. Considering that the above-described waveform measurement method is used for such a purpose, the relaxation time of the nonlinear material becomes a problem. The length of the signal that can be generated by waveform shaping is 10
Since it is up to about 0 ps, to maximize the transmission capacity, 1
It is necessary to perform serial-to-parallel conversion by repeating 00 ps. That is, the relaxation time of the nonlinear material is 100p
s or less is required. As a non-linear material that satisfies the requirements, ZnS epitaxially grown on a GaAs substrate
e thin film was used.

【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 P 2 * を用いてシリアル→パラレル
変換を行わせた。
ZnSe has an exciton resonance at a wavelength of 442 nm, has a large third-order nonlinear susceptibility (χ (3) -10 −2 esu) at a temperature of 9 ° K, and has a relaxation time of a generated dynamic diffraction grating. Is reported to be about 20 ps. A 2.4 μm-thick ZnSe is prepared, and a reflection type 4
Was made serial → parallel conversion using wave mixing light E P E P E 2 *.

【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 P 2 *
空間パターンはCCDカメラで検出している。
FIG. 5 shows an arrangement for this purpose. From one ultrashort optical pulse, as shown in the figure, two probe pulses separated by 35 ps and 3
A bit serial signal was created. The wavelength of the light source is Zn
The thickness is set to 442 nm in accordance with the exciton resonance of Se. In addition, a ZnSe thin film is used to increase the exciton resonance effect.
Cool to 9 ° K. Four-wave mixing light E P E P E 2 * of the space pattern is detected by a CCD camera.

【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。
It was confirmed that the spatial pattern detected by the CCD camera coincided with the serial signal waveform. FIG. 6 shows an example of the detection pattern. (C) of FIG.
The probe pulses “a” and “b” read the serial signals “011” and “100”, respectively, and the sum is detected. (Because the CCD camera detects the time-integrated signal, it becomes the sum of the two signals. .). At this time, if the probe pulse "b" is eliminated, only the "011" signal is converted. Conversely, if the probe pulse "a" is eliminated, only the "110" signal is converted. ) It turns out that the probe pulse works as a gate pulse for conversion, and its response speed is 35 ps or less.

【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。
Using this system, how fast the conversion cycle can be taken was evaluated as follows. The time lag t
Another probe pulse was prepared with a delay of p . The first signal pulse and the probe pulse form a dynamic grating, but the dynamic grating must disappear before the arrival of the second delayed probe pulse. Otherwise, an erroneous signal will be obtained even though there is no signal signal synchronized with the second probe pulse. FIG. 7 shows the result of measuring this error signal while changing the time delay. When the time delay is 13 ps or more, no error signal is observed. This confirms that the conversion cycle of this system extends over 70 GHz.

【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。
The ultrashort light pulse used in this evaluation is 4p
s, it could only be created up to 0.12 THz as a serial signal, but if subpicosecond pulses are used, T
Hz or higher can be converted in a cycle of several tens of GHz.

【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。
The conversion efficiency of this system depends on the diffraction efficiency of a dynamic grating formed in a nonlinear material.
Since the third-order nonlinear optical effect is used, the diffraction efficiency depends on the intensity of the input light. In the above case, the value was about 0.1%. This value is by no means large but sufficient for the sensitivity of the photodetector (in this case: CCD camera).

【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。
The real-time waveform measurement method using the waveform shaping method has been described above. This method is effective for a pulse of 100 fs to 100 ps. If a probe pulse shorter than the pulse to be measured is prepared, the waveform can be instantaneously read as a spatial pattern. Further, even when the measured pulse itself is used as the probe pulse, a waveform convolution or a third-order correlation waveform can be obtained.

【0034】[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。
As described above, according to the ultrafast optical waveform measuring method of the present invention, the following effects can be obtained. 1) Since a dye can be used as a nonlinear substance, an inexpensive waveform measurement system can be provided over a wide range of wavelengths.

【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。
2) It does not require scanning and can be used for measurement of a single event.

【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。
3) Even if the measured pulse itself is used as the probe pulse, the spatial pattern obtained is a third-order correlated waveform, so that the asymmetry of the waveform can be known.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【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。
FIG. 1 is a principle diagram for explaining the measurement principle of the ultrafast optical waveform measurement method of the present invention.

【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。
FIG. 2 shows several arrangements for canceling phase terms.

【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。
FIG. 3 is a diagram showing an arrangement for measuring a pulse waveform of a picosecond pulse obtained from a mode-locked dye laser.

【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。
FIG. 4 is a diagram showing an example of measuring a waveform by the arrangement of FIG. 3;

【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。
FIG. 5 is a diagram showing an arrangement for serial-to-parallel conversion.

【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。
6 is a diagram showing an example of a detection pattern according to the arrangement of FIG.

【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。
FIG. 7 is a diagram showing measurement results for evaluating the speed of a conversion cycle according to the arrangement of FIG. 5;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

G、G1 、G2 …回折格子 L1 、L2 、L3 、L4 …レンズ N…非線形物質 M…ミラーG, G 1, G 2 ... diffraction grating L 1, L 2, L 3 , L 4 ... Lens N ... nonlinear material M ... mirror

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 Continuing from the front page (56) References JP-A-1-201122 (JP, A) Kazuhiro Ema et al. "Ultrafast Optical Waveform Measurement Method Using Waveform Shaping and Its Application" Annual Report of Research Institute, Faculty of Engineering, The University of Tokyo (Japan) Tokyo University Faculty of Engineering Laboratory, September 1991, Volume 50, pp. 79-85 Ema "Real-Time Ultrashort Pulse and then Pulse-Shape Measurement Use a Dynamic Grating" Japan Announcement of Journal of Applied Physics. 30 No. 12A pp. 2046-2049 Kazuhiro Ema "Control of Ultrashort Optical Pulse Waveforms" Japan Society of Applied Physics (Japan) Japan Society of Applied Physics Issued January 5, 1991 Vol. 60 No. 1 pp. 41-44 Eka Kazuhiro et al. On Real-Time Waveform Shaping Method of the University of Tokyo ”Annual Report of the Institute of Engineering, The University of Tokyo (Japan) The Institute of Engineering, The University of Tokyo Published September 1990, Vol. 49, pp. 93-96 (58) Fields surveyed (Int. Cl. 7) G01J 11/00 G01J 1/00 G01J 1/42-1/44

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【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。
1. A measurement time waveform is made incident on a diffraction grating, and diffracted light of a predetermined order other than the 0th order is spatially Fourier-transformed, and its phase term is optically mixed with a probe light pulse in a non-linear substance to be erased. An ultra-high-speed optical waveform measurement method characterized by spatially Fourier transforming again after erasing a phase term and reading out a measurement time waveform as a spatial pattern similar to the waveform.
【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。
2. The ultrafast optical waveform measurement method according to claim 1, wherein the optical mixing of the probe light pulse and the nonlinear substance in the nonlinear material is a sum frequency optical mixing.
【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。
3. The method according to claim 1, wherein the mixing of the probe light pulse and the light in the nonlinear material is four-wave mixing.
The ultrafast optical waveform measurement method described.
【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。
4. The method according to claim 1, wherein the probe light pulse is made incident on another diffraction grating before being made incident on the nonlinear material, and diffracted light of a predetermined order other than the zero order is made incident on the nonlinear material to perform four-wave mixing. 4. The method for measuring an ultrafast optical waveform according to claim 3, wherein:
【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。
5. The ultrafast optical waveform measurement method according to claim 1, wherein each of the spatial Fourier transforms is performed optically.
【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。
6. An ultra-high-speed optical waveform measurement method according to claim 1, wherein a temporal serial optical signal is converted into a spatial parallel optical signal.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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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

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