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JP3404479B2 - Optical sampling waveform observation device - Google Patents
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JP3404479B2 - Optical sampling waveform observation device - Google Patents

Optical sampling waveform observation device

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JP3404479B2
JP3404479B2 JP05193999A JP5193999A JP3404479B2 JP 3404479 B2 JP3404479 B2 JP 3404479B2 JP 05193999 A JP05193999 A JP 05193999A JP 5193999 A JP5193999 A JP 5193999A JP 3404479 B2 JP3404479 B2 JP 3404479B2
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、光電変換素子に
より直接的に検出することのできない超短時間領域にお
ける光信号の波形を観測するための光サンプリング波形
観測装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical sampling waveform observing device for observing an optical signal waveform in an ultra-short time region which cannot be directly detected by a photoelectric conversion element.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、光信号の波形を観測するための光
サンプリング波形観測装置が知られている。この光サン
プリング波形観測装置は、2次の非線形光学効果である
和周波発生(Sum-Frequency Generation:以下「SF
G」という)の現象を利用した光サンプリングを行うこ
とにより、光電変換素子で検出可能な周波数に変換して
被測定光信号を観測するものである。具体的にこの装置
は、観測対象の被測定光信号(光角周波数ωsig )と、
これよりパルス幅の狭いサンプリングパルス光(光角周
波数ωsamp)とを非線形光学結晶内で相互相関させるこ
とにより、光角周波数が「ωsig +ωsamp」となる和周
波光信号(以下、「SF光」という)を取り出し、この
SF光を光電変換して被測定光信号の波形を表示するも
のである。
2. Description of the Related Art Conventionally, an optical sampling waveform observing device for observing the waveform of an optical signal is known. This optical sampling waveform observing apparatus uses a sum-frequency generation (Sum-Frequency Generation), which is a second-order nonlinear optical effect.
The optical signal to be measured is observed by converting it to a frequency that can be detected by the photoelectric conversion element by performing optical sampling using the phenomenon of "G"). Specifically, this device is designed to measure an optical signal under measurement (optical angular frequency ωsig)
By summing the sampling pulse light (optical angular frequency ωsamp) having a narrower pulse width than this in the nonlinear optical crystal, the sum frequency optical signal whose optical angular frequency becomes “ωsig + ωsamp” (hereinafter referred to as “SF light”) ) Is taken out, and the SF light is photoelectrically converted to display the waveform of the measured optical signal.

【0003】図6は、上述した従来の光サンプリング波
形観測装置の一構成例を示すブロック図である。図6を
用いて従来の光サンプリング波形観測装置の動作を説明
すると、被測定光信号(光角周波数ωsig )Sが、サン
プリングパルス光発生部1より発せられるサンプリング
パルス光(光角周波数ωsamp)Pとともに、光合波部2
において合波され、次いで非線形光学結晶8に入力され
る。非線形光学結晶8は、2次の非線形光学効果に基づ
き、被測定光信号Sとサンプリングパルスパルス光Pと
のSF光3を発生する。
FIG. 6 is a block diagram showing an example of the configuration of the above-mentioned conventional optical sampling waveform observation apparatus. The operation of the conventional optical sampling waveform observing device will be described with reference to FIG. 6. The measured optical signal (optical angular frequency ωsig) S is the sampling pulse light (optical angular frequency ωsamp) P emitted from the sampling pulse light generating unit 1. Together with the optical multiplexer 2
Are combined at, and then input to the nonlinear optical crystal 8. The nonlinear optical crystal 8 generates SF light 3 of the measured optical signal S and the sampling pulse pulse light P based on the second-order nonlinear optical effect.

【0004】このとき、サンプリングパルス光Pのパル
ス幅を被測定光信号の被測定光信号のパルス幅よりも十
分に狭くし、サンプリングパルス光Pの繰り返し周波数
を被測定光信号の基本周波数の整数分の1から若干高く
(あるいは、若干低く)する方法、あるいはサンプリン
グパルス光Pの繰り返し周波数を被測定光信号Sの基本
周波数の整数分の1近傍に設定し、サンプリングパルス
光Pを遅延させ、その遅延量を掃引する方法等によっ
て、被測定光信号Sとサンプリングパルス光Pとの時間
的相対位置を掃引し、被測定光信号Sとサンプリングパ
ルス光Pの相互相関信号をSF光3として非線形光学結
晶8から出力させ、受光部4に入射することができる。
At this time, the pulse width of the sampling pulsed light P is made sufficiently narrower than the pulse width of the measured optical signal of the measured optical signal, and the repetition frequency of the sampling pulsed light P is an integer of the fundamental frequency of the measured optical signal. 1 to a little higher (or slightly lower), or the repetition frequency of the sampling pulse light P is set to a value close to an integer fraction of the fundamental frequency of the measured optical signal S, and the sampling pulse light P is delayed. The time relative position between the measured optical signal S and the sampling pulse light P is swept by a method of sweeping the delay amount, and the cross-correlation signal between the measured optical signal S and the sampling pulse light P is set as the SF light 3 and is nonlinear. The light can be output from the optical crystal 8 and incident on the light receiving unit 4.

【0005】受光部4は、このSF光3を検波(光電変
換)してこれを電気信号処理部5に出力する。電気信号
処理部5は、受光部4の出力信号を増幅した後にアナロ
グデジタル変換処理を施し、波形表示部6に被測定光信
号Sの波形を表示することができる。
The light receiving section 4 detects (photoelectrically converts) the SF light 3 and outputs it to the electric signal processing section 5. The electric signal processing unit 5 can display the waveform of the measured optical signal S on the waveform display unit 6 by amplifying the output signal of the light receiving unit 4 and then performing analog-digital conversion processing.

【0006】ここで、前述の非線形光学結晶8として、
これまで一般的に非線形光学効果の比較的高いKTiO
PO4(KTP)結晶が用いられている。このKTP結
晶を用いることによりSF光3の発生効率は1×10-4
-1が得られており、光サンプリング波形観測装置とし
て被測定光信号Sのピーク強度2.3mWにおいて20
dBの信号対雑音(SN)比が得られている。(太田
他:「Highlysensitive optica
l samplingsystem using ti
ming−jitter−reduced gain−
switched optical pulse」、E
LECTRONICS LETTERS、Vol.3
3、No.25、pp.2142−2143、1997
参照)
As the above-mentioned nonlinear optical crystal 8,
Up to now, generally, KTiO having a relatively high nonlinear optical effect
A PO 4 (KTP) crystal is used. By using this KTP crystal, the generation efficiency of SF light 3 is 1 × 10 −4.
W -1 was obtained, and it was 20 at the peak intensity of 2.3 mW of the measured optical signal S as an optical sampling waveform observation device.
A signal to noise (SN) ratio of dB has been obtained. (Ota
Others: "Highly sensitive optica
l sampling system using ti
ming-jitter-reduced gain-
switched optical pulse ", E
LECTRONICS LETTERS, Vol. Three
3, No. 25, pp. 2142-2143, 1997
reference)

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし、実際に観測す
る光信号の中には、微弱の光信号もあり、光増幅器等で
増幅して波形を観測する場合、光ファイバ内での非線形
光学効果で光波形が変化したり、光増幅器の雑音に埋も
れて元の光信号の波形が再現できないことがあった。従
って、このような微弱光信号は、直接波形観測しなけれ
ばならず、上記のSN比では不十分であった。
However, among the optical signals actually observed, there are weak optical signals, and when the waveform is observed after being amplified by an optical amplifier or the like, the nonlinear optical effect in the optical fiber is observed. In some cases, the optical waveform changed, and the original optical signal waveform could not be reproduced because it was buried in the noise of the optical amplifier. Therefore, such a weak optical signal must be directly observed in waveform, and the above SN ratio was insufficient.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決達成する
ため、この発明は以下の各々の構成を具備してなるもの
である。即ち、本発明にかかる光サンプリング波形観測
装置は、被測定光信号よりもパルス幅が狭く繰り返し周
波数の低いサンプリングパルス光を発生するサンプリン
グパルス光発生手段と、前記被測定光信号と前記サンプ
リングパルス光発生手段より出力されるサンプリングパ
ルス光とを合波する光合波手段と、前記光合波手段の出
力光を非線形光学結晶内で相互相関させて前記被測定光
信号の光周波数と前記サンプリングパルス光発生手段よ
り出力されるサンプリングパルス光の光周波数の和の周
波数を有する和周波光を発生する光相互相関手段と、前
記光相互相関手段が発生する光を電気信号に変換する光
電変換手段と、前記光電変換手段から出力される電気信
号から前記被測定光信号の時間波形を表示する波形表示
手段を有した光サンプリング波形観測装置であって、前
記非線形光学結晶が、その非線形光学結晶の内部から発
生する前記和周波光の位相が整合するように、前記非線
形光学結晶の分極を周期的に反転させるものからなるこ
とを特徴とする。以上の構造によれば、非線形光学結晶
の分極反転周期を擬似位相整合条件とすると、SF光の
発生効率が最大になる。これにより、非線形光学結晶か
ら大きなSF光が発生されるので、信号成分が向上し、
SN比が向上する。
In order to solve the above problems, the present invention has the following respective configurations. That is, the optical sampling waveform observing apparatus according to the present invention is a sampling pulse light generating means for generating sampling pulse light having a pulse width narrower than that of the measured optical signal and a low repetition frequency, the measured optical signal and the sampling pulse light. Optical combining means for combining the sampling pulse light output from the generating means, and the output light of the optical combining means are cross-correlated in the nonlinear optical crystal, and the optical frequency of the measured optical signal and the sampling pulse light generation Optical cross-correlation means for generating sum frequency light having a sum of optical frequencies of sampling pulsed light output from the means, photoelectric conversion means for converting the light generated by the optical cross-correlation means into an electrical signal, An optical sampler having waveform display means for displaying the time waveform of the measured optical signal from the electric signal output from the photoelectric conversion means. A waveform observing device, wherein the nonlinear optical crystal is configured to periodically invert the polarization of the nonlinear optical crystal so that the phase of the sum frequency light generated from the inside of the nonlinear optical crystal is matched. Is characterized by. According to the above structure, when the polarization inversion period of the nonlinear optical crystal is used as the quasi phase matching condition, the SF light generation efficiency is maximized. As a result, a large SF light is generated from the nonlinear optical crystal, so that the signal component is improved,
The SN ratio is improved.

【0009】また、本発明にかかる光サンプリング波形
観測装置は、先に記載の発明にかかる光サンプリング波
形観測装置において、前記非線形光学結晶の分極を反転
させた周期を、前記非線形光学結晶の内部の各位置から
発生する、前記サンプリングパルス光発生手段より出力
されるサンプリングパルス光の光周波数の2倍の周波数
を有する第二高調波光の位相が整合しない長さにするこ
とを特徴とする。この場合、非線形光学結晶の分極反転
周期を擬似位相整合条件を満足するように設定した上で
上述の関係とすることで、サンプリングパルス光がSH
光を発生させてしまうことに起因する雑音成分としての
SH光が容易に分離されるので、被測定光信号からのS
F光のみが測定に利用される。
Further, the optical sampling waveform observing device according to the present invention is the optical sampling waveform observing device according to the above-mentioned invention, wherein the period in which the polarization of the nonlinear optical crystal is inverted is set in the inside of the nonlinear optical crystal. It is characterized in that the phase of the second harmonic light having a frequency twice as high as the optical frequency of the sampling pulse light generated from each position and outputted from the sampling pulse light generating means is not matched. In this case, by setting the polarization inversion period of the nonlinear optical crystal so as to satisfy the quasi-phase matching condition, and setting the above relationship, the sampling pulsed light is sh
Since the SH light as a noise component due to the generation of light is easily separated, the S light from the measured optical signal is
Only F light is used for measurement.

【0010】更に本発明にかかる光サンプリング波形観
測装置は、先のいずれかの発明にかかる光サンプリング
波形観測装置において、前記非線形光学結晶からの出力
光のうち、前記和周波光を選択的に前記光電変換手段へ
導く手段を有することを特徴とする。このように和周波
光を選択的に光電変換手段に送ることで電気信号処理部
において波形表示が可能となる。
Further, the optical sampling waveform observing device according to the present invention is the optical sampling waveform observing device according to any one of the preceding inventions, wherein the sum frequency light is selectively extracted from the output light from the nonlinear optical crystal. It is characterized in that it has means for leading to photoelectric conversion means. By selectively sending the sum frequency light to the photoelectric conversion means in this way, it becomes possible to display a waveform in the electric signal processing section.

【0011】更に本発明にかかる光サンプリング波形観
測装置は、先のいずれかの請求項に記載の発明にかかる
光サンプリング波形観測装置において、前記非線形光学
結晶に周期的分極反転ニオブ酸リチウム結晶を用いるこ
とを特徴とする。
Further, the optical sampling waveform observing device according to the present invention is the optical sampling waveform observing device according to any one of the preceding claims, wherein a periodically poled lithium niobate crystal is used as the nonlinear optical crystal. It is characterized by

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】(第1の実施形態)図1は、この
発明の第1の実施の形態にかかる光サンプリング波形観
測装置の一構成例を示すブロック図であり、同ブロック
図において従来技術にかかる図6に示す要素と共通する
要素については、個々に同一符号を付し、それら部分の
説明を適宜省略する。図1に示す構成例の光サンプリン
グ波形観測装置Hは、サンプリングパルス光発生部(サ
ンプリングパルス光発生手段)1と光合成部(光合波手
段)2と光相互相関手段30と受光部4と電気信号処理
部5と波形表示部6を有し、光相互相関手段30として
用いられる非線形光学結晶に周期的分極反転ニオブ酸リ
チウム結晶(以下PPLN結晶と略称する)が使用され
てなるものであり、他の構成要素は、図6に示す従来装
置の構成要素と同等とされている。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (First Embodiment) FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of an optical sampling waveform observing apparatus according to the first embodiment of the present invention. Elements common to the elements shown in FIG. 6 according to the technique are individually denoted by the same reference numerals, and description of those elements will be omitted as appropriate. The optical sampling waveform observing device H of the configuration example shown in FIG. 1 includes a sampling pulse light generating section (sampling pulse light generating means) 1, an optical combining section (optical combining means) 2, an optical cross-correlation means 30, a light receiving section 4, and an electric signal. Periodically poled lithium niobate crystal (hereinafter abbreviated as PPLN crystal) is used as the nonlinear optical crystal used as the optical cross-correlation means 30 having the processing section 5 and the waveform display section 6. 6 are equivalent to those of the conventional apparatus shown in FIG.

【0013】即ち、被測定光信号(光角周波数ωsig )
Sに対し、サンプリングパルス光発生部1より発せられ
るサンプリング用の光パルス(光角周波数ωsamp)Pを
光合波部2で合波し、被測定光信号Sとサンプリングパ
ルス光Pによる和周波光の疑似位相整合条件を持つ光相
互相関手段(周期的分極反転型ニオブ酸リチウム結晶:
PPLN結晶)30に入力する。
That is, the measured optical signal (optical angular frequency ωsig)
For S, an optical pulse (optical angular frequency ωsamp) P for sampling emitted from the sampling pulse light generation unit 1 is combined by the optical combining unit 2, and the measured optical signal S and the sum frequency light by the sampling pulse light P are combined. Optical cross-correlation means with quasi-phase matching condition (periodically poled lithium niobate crystal:
PPLN crystal) 30.

【0014】PPLN結晶の光相互相関手段30は、2
次の非線形光学効果に基づき、被測定光信号Sとサンプ
リングパルス光Pとの和周波光を発生する。このとき、
サンプリングパルス光Pのパルス幅を被測定光信号Sの
被測定光信号のパルス幅よりも十分に狭くし、サンプリ
ングパルス光Pの繰り返し周波数を被測定光信号Sの基
本周波数の整数分の1から若干高く(あるいは低く)す
る方法、あるいはサンプリングパルス光Pの繰り返し周
波数を被測定光信号Sの基本周波数の整数分の1近傍に
設定し、サンプリングパルス光Pを遅延させ、その遅延
量を掃引する方法等によって被測定光信号Sとサンプリ
ングパルス光Pとの時間的相対位置を掃引することがで
き、被測定光信号Sとサンプリングパルス光Pの相互相
関信号を和周波光としてPPLN結晶の光相互相関手段
30から出力することができる。
The optical cross-correlation means 30 of the PPLN crystal is 2
Based on the following non-linear optical effect, the sum frequency light of the measured optical signal S and the sampling pulse light P is generated. At this time,
The pulse width of the sampling pulsed light P is made sufficiently narrower than the pulse width of the measured optical signal of the measured optical signal S, and the repetition frequency of the sampling pulsed light P is set to an integer fraction of the fundamental frequency of the measured optical signal S. A method of making it slightly higher (or lower), or setting the repetition frequency of the sampling pulse light P near one integer of the fundamental frequency of the measured optical signal S, delaying the sampling pulse light P, and sweeping the delay amount The relative position in time between the measured optical signal S and the sampling pulse light P can be swept by a method or the like, and the cross-correlation signal between the measured optical signal S and the sampling pulse light P is used as the sum frequency light and the optical mutual of the PPLN crystal is It can be output from the correlation means 30.

【0015】次に、受光部(光電変換手段)4は、この
和周波光を検波(光電変換)して電気信号処理部5に出
力する。電気信号処理部5は、受光部4の出力信号を増
幅した後にアナログデジタル変換処理を施し、波形表示
部(ディスプレイ等の波形表示手段)6に被測定光信号
Sの波形を表示するので、被測定光信号Sの波形を視覚
的に認識することができる。
Next, the light receiving section (photoelectric conversion means) 4 detects (photoelectrically converts) this sum frequency light and outputs it to the electric signal processing section 5. The electric signal processing section 5 amplifies the output signal of the light receiving section 4 and then performs analog-to-digital conversion processing to display the waveform of the measured optical signal S on the waveform display section (waveform display means such as a display) 6. The waveform of the measurement optical signal S can be visually recognized.

【0016】次に、PPLN結晶の光相互相関手段30
によるSF光3の発生効率は後述する数式1のように表
すことができる。ただし、数式1において、ηsf はS
F光の発生効率、Psf はSF光の光強度、Psig は被
測定光信号の光強度、Psamp はサンプリングパルス光
Pの光強度、μ0 は真空中の透磁率、ε0 は真空中の誘
電率、ωsig は被測定光信号の光角周波数、ωsamp
サンプリングパルス光Pの光角周波数、d33 はPPL
N結晶の非線形光学定数、l はPPLN結晶の長さ、
sf はSF光の波数ベクトル、ksig は被測定光信号
の波数ベクトル、ksamp はサンプリングパルス光Pの
波数ベクトル、Λ はPPLN結晶の分極反転周期、n
sig は被測定光信号の波長におけるPPLN結晶の屈折
率、nsamp はサンプリングパルス光の波長におけるP
PLN結晶の屈折率、nsf はSF光の波長におけるP
PLN結晶の屈折率、AはPPLN結晶内におけるビー
ム断面積を表す。
Next, the optical cross-correlation means 30 of the PPLN crystal is used.
The generation efficiency of the SF light 3 due to can be expressed as in Equation 1 described later. However, in Equation 1, η sf is S
Generation efficiency of F light, P sf is light intensity of SF light, P sig is light intensity of optical signal to be measured, P samp is light intensity of sampling pulse light P, μ 0 is magnetic permeability in vacuum, and ε 0 is vacuum. Where ω sig is the optical angular frequency of the measured optical signal, ω samp is the optical angular frequency of the sampling pulse light P, and d 33 is the PPL.
Non-linear optical constant of N crystal, l is the length of PPLN crystal,
k sf is the wave number vector of SF light, k sig is the wave number vector of the measured optical signal, k samp is the wave number vector of the sampling pulse light P, Λ is the polarization inversion period of the PPLN crystal, n
sig is the refractive index of the PPLN crystal at the wavelength of the measured optical signal, and n samp is P at the wavelength of the sampling pulse light.
The refractive index of the PLN crystal, n sf, is P at the wavelength of SF light.
The refractive index of the PLN crystal, A represents the beam cross-sectional area within the PPLN crystal.

【0017】[0017]

【数1】 [Equation 1]

【0018】図2は数式1に基づいてSF光の発生効率
と分極反転周期Λの関係の一例を表した特性図である。
図2に示す特性から、PPLN結晶の分極反転周期Λを
2π/(Ksf−Ksig−Ksamp)に設定する(これは疑
似位相整合条件と呼ぶことができる。)と、SF光の発
生効率ηは最大となる。従って、PPLN結晶の光相互
相関手段30から大きなSF光の発生が得られ、受光部
4及び電気信号処理部5における信号成分が向上し、光
サンプリング波形観測装置のSN比が向上することが明
らかになった。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing an example of the relationship between the SF light generation efficiency and the polarization inversion period Λ based on Expression 1.
From the characteristics shown in FIG. 2, when the polarization inversion period Λ of the PPLN crystal is set to 2π / (Ksf-Ksig-Ksamp) (this can be called a quasi phase matching condition), the SF light generation efficiency η is obtained. It will be the maximum. Therefore, it is clear that a large amount of SF light is generated from the optical cross-correlation means 30 of the PPLN crystal, the signal components in the light receiving unit 4 and the electric signal processing unit 5 are improved, and the SN ratio of the optical sampling waveform observation device is improved. Became.

【0019】(第2の実施形態)この発明の第2の実施
形態にかかる光サンプリング波形観測装置の大略構成は
第1の実施の形態と同一である。ただし、第2の実施形
態では、PPLN結晶の分極反転周期Λ及びサンプリン
グパルス光Pの波長を、SF光発生の疑似位相整合条件
を満足させるように設定すると同時に、PPLN結晶の
分極反転周期Λが、サンプリングパルス光の第二高調波
(SH)光の疑似位相整合条件から、はずれるように設
定する。
(Second Embodiment) The optical sampling waveform observing apparatus according to the second embodiment of the present invention has the same general structure as that of the first embodiment. However, in the second embodiment, the polarization inversion period Λ of the PPLN crystal and the wavelength of the sampling pulse light P are set so as to satisfy the quasi-phase matching condition of SF light generation, and at the same time, the polarization inversion period Λ of the PPLN crystal is set. , The sampling pulse light is set so as to deviate from the pseudo phase matching condition of the second harmonic (SH) light.

【0020】サンプリングパルス光PのSH光3の発生
効率は以下の数式2のように表すことができる。ただ
し、数式2において式1と同じ記号は式1と同一のパラ
メータを表し、η shはサンプリングパルス光PのSH光
の発生効率、PshはSH光の光強度、kshはSH光の波
数ベクトル、nshはSH光の波長におけるPPLN結晶
の屈折率を表す。
Generation of SH light 3 of sampling pulse light P
The efficiency can be expressed as shown in Equation 2 below. However
However, in Formula 2, the same symbols as in Formula 1 are the same as in Formula 1.
Represents the meter, η shIs the SH light of the sampling pulse light P
Generation efficiency, PshIs the light intensity of SH light, kshIs the wave of SH light
A number vector, nshIs a PPLN crystal at the wavelength of SH light
Represents the refractive index of.

【0021】[0021]

【数2】 [Equation 2]

【0022】サンプリングパルス光Pの第二高調波(S
H)光は、サンプリングパルス光Pの光強度が被測定光
信号Sに比べ非常に大きいため容易に発生し易く、ま
た、サンプリングパルス光PのSH光は、SF光3の波
長に近く分離しにくい。仮に、受光部4にSF光3と同
時にサンプリングパルス光PのSH光が入力されると、
サンプリングパルス光PのSH光は雑音となり、光サン
プリング波形観測装置のSN比を劣化させる。大きなS
F光3を得ながら、サンプリングパルス光Pの雑音成分
としてのSH光をできるだけ発生させないためには、P
PLN結晶の分極反転周期Λとサンプリングパルス光の
波長を適切に、即ち、PPLN結晶の分極反転周期Λが
サンプリングパルス光の第二高調波(SH)光の疑似位
相整合条件からはずれるように設定する必要がある。
Second harmonic of sampling pulse light P (S
H) light is easily generated because the light intensity of the sampling pulse light P is much higher than that of the optical signal S to be measured, and the SH light of the sampling pulse light P is separated near the wavelength of the SF light 3. Hateful. If the SH light of the sampling pulse light P is input to the light receiving unit 4 at the same time as the SF light 3,
The SH light of the sampling pulse light P becomes noise and deteriorates the SN ratio of the optical sampling waveform observation device. Big S
In order to obtain SH light as a noise component of the sampling pulse light P as much as possible while obtaining the F light 3,
The polarization inversion period Λ of the PLN crystal and the wavelength of the sampling pulse light are appropriately set, that is, the polarization inversion period Λ of the PPLN crystal is set so as to deviate from the quasi phase matching condition of the second harmonic (SH) light of the sampling pulse light. There is a need.

【0023】図3は、被測定光信号Sの波長が1559nm
の場合、数式1及び数式2に基づいてSF光3及びサン
プリングパルス光PのSH光の発生効率とサンプリング
パルス光Pの波長との関係の一例を表した特性図であ
る。図3中、実線がSF光3の発生効率とサンプリング
パルス光Pの波長との関係を示し、波線がサンプリング
パルス光PのSH光の発生効率とサンプリングパルス光
Pの波長との関係を表している。
In FIG. 3, the wavelength of the measured optical signal S is 1559 nm.
In the case of, a characteristic diagram showing an example of the relationship between the generation efficiency of the SH light of the SF light 3 and the sampling pulse light P and the wavelength of the sampling pulse light P based on Expressions 1 and 2. In FIG. 3, a solid line represents the relationship between the generation efficiency of the SF light 3 and the wavelength of the sampling pulse light P, and a broken line represents the relationship between the generation efficiency of the SH light of the sampling pulse light P and the wavelength of the sampling pulse light P. There is.

【0024】例えば、図3より、PPLN結晶の分極反
転周期Λを18.92 μmとし、サンプリングパルス光Pの
波長を1533nmとすれば、実線が示すようにSF光3の
疑似位相整合条件が満たされ、最大のSF光3の発生効
率が得られる。また、波線が示すようにサンプリングパ
ルス光Pの波長を1533nmとした場合は、サンプリング
パルス光PのSH光の発生効率は非常に小さい。従っ
て、被測定光信号の波長を1559nmとした場合、PPL
N結晶の分極反転周期Λを18.92 μmとし、サンプリン
グパルス光Pの波長を1533nmにすると大きなSF光3
を得ることができると共に、雑音となるサンプリングパ
ルス光PのSH光を抑圧することができる。これによ
り、光サンプリング波形観測装置のSN比を向上できる
効果を得ることができる。
For example, referring to FIG. 3, when the polarization inversion period Λ of the PPLN crystal is set to 18.92 μm and the wavelength of the sampling pulse light P is set to 1533 nm, the quasi phase matching condition of the SF light 3 is satisfied as shown by the solid line, The maximum SF light 3 generation efficiency is obtained. When the wavelength of the sampling pulse light P is 1533 nm as indicated by the wavy line, the SH light generation efficiency of the sampling pulse light P is very small. Therefore, if the wavelength of the measured optical signal is 1559 nm, the PPL
If the polarization inversion period Λ of the N crystal is set to 18.92 μm and the wavelength of the sampling pulse light P is set to 1533 nm, the large SF light 3
And the SH light of the sampling pulse light P that becomes noise can be suppressed. As a result, it is possible to obtain the effect of improving the SN ratio of the optical sampling waveform observation device.

【0025】(第3の実施形態)図4は、この発明の第
3の実施形態にかかる光サンプリング波形観測装置の構
成例を示すブロック図であり、同図において図1に示す
要素と共通する要素については同一符号を付し、その説
明を適宜省略する。図4に示す第3の実施形態にかかる
装置の構成は、図1に示す構成に対し、PPLN結晶の
光相互相関手段30より出力されるSF光3を透過さ
せ、サンプリングパルス光PのSH光を抑圧して受光部
4へ出力する光帯域フィルタ7を備えた点に特徴を有す
る。この光帯域フィルタ7を備えたことにより、大きな
SF光3の発生が得られると同時に、雑音となるサンプ
リングパルス光PのSH光を抑圧できるため、光サンプ
リング波形観測装置のSN比を向上させることができ
る。
(Third Embodiment) FIG. 4 is a block diagram showing a configuration example of an optical sampling waveform observing apparatus according to a third embodiment of the present invention, which is common to the elements shown in FIG. The same reference numerals are given to the elements, and the description thereof will be omitted as appropriate. The configuration of the device according to the third embodiment shown in FIG. 4 is different from the configuration shown in FIG. 1 in that the SF light 3 output from the optical cross-correlation means 30 of the PPLN crystal is transmitted and the SH light of the sampling pulse light P is transmitted. It is characterized in that an optical bandpass filter 7 that suppresses and outputs to the light receiving unit 4 is provided. By providing this optical bandpass filter 7, a large amount of SF light 3 can be obtained, and at the same time, the SH light of the sampling pulse light P that becomes noise can be suppressed, so that the SN ratio of the optical sampling waveform observation apparatus can be improved. You can

【0026】図5は、この発明の第3の実施の形態にか
かる光サンプリング波形観測装置の被測定光信号ピーク
強度とSN比の関係の一例を示す特性図である。図中●
印がPPLN結晶を用いた本発明例の実験結果、実線が
理論計算結果、▲印が従来のKTP(KTiOPO4
結晶を非線形光学結晶に用いた光サンプリング波形観測
装置の実験結果を表している。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing an example of the relationship between the measured optical signal peak intensity and the SN ratio of the optical sampling waveform observing apparatus according to the third embodiment of the present invention. In the figure ●
The mark indicates the experimental result of the present invention using PPLN crystal, the solid line indicates the theoretical calculation result, and the mark indicates the conventional KTP (KTiOPO 4 ).
The experimental results of an optical sampling waveform observation device using a crystal as a nonlinear optical crystal are shown.

【0027】図5に示す結果から、従来のKTP結晶を
非線形光学結晶に用いた光サンプリング波形観測装置に
比べ、本発明にかかるPPLN結晶を非線形光学結晶に
用いた光サンプリング波形観測装置の方がS/N比が約
15dB向上している。しかも本発明にかかるPPLN
結晶を非線形光学結晶に用いた光サンプリング波形観測
装置は、理論計算値に近いという極めて優れたSN比を
示すことが明らかになった。
From the results shown in FIG. 5, the optical sampling waveform observing apparatus using the PPLN crystal according to the present invention as compared to the conventional optical sampling waveform observing apparatus using the KTP crystal as the nonlinear optical crystal is better. The S / N ratio is improved by about 15 dB. Moreover, the PPLN according to the present invention
It was revealed that the optical sampling waveform observation device using the crystal as a nonlinear optical crystal exhibits an extremely excellent SN ratio close to the theoretical calculated value.

【0028】[0028]

【発明の効果】以上説明したように、本発明は、光サン
プリング波形観測装置の光相互相関手段の非線形光学結
晶として、分極を周期的に反転させてた非線形光学結晶
を用いることにより、大きなSF光の発生が可能とな
り、光サンプリング波形観測装置のSN比を向上させる
ことができる効果を奏する。従って本発明装置によれ
ば、微弱光信号の波形を直接測定することができ、光増
幅器による波形の劣化や雑音の影響を受けない光サンプ
リング波形観測を行うことができる効果を奏する。
As described above, according to the present invention, a nonlinear optical crystal in which polarization is periodically inverted is used as the nonlinear optical crystal of the optical cross-correlation means of the optical sampling waveform observation apparatus. It is possible to generate light, and it is possible to improve the SN ratio of the optical sampling waveform observation device. Therefore, according to the device of the present invention, it is possible to directly measure the waveform of the weak optical signal, and it is possible to perform the optical sampling waveform observation that is not affected by the deterioration of the waveform due to the optical amplifier or the noise.

【0029】また、非線形光学結晶の分極反転周期を、
サンプリングパルス光の光周波数の2倍の周波数を有す
る第二高調波光の位相と整合しない長さにすることで、
サンプリングパルス光がSH光を発生させてしまうこと
に起因する雑音成分としてのSH光を容易に分離できる
ので、被測定光信号からのSF光のみを測定に有効に利
用することができ、雑音成分に影響されない光サンプリ
ング波形観測を行うことができる効果を奏する。
The polarization inversion period of the nonlinear optical crystal is
By setting the length that does not match the phase of the second harmonic light having a frequency twice that of the sampling pulsed light,
Since the SH light as the noise component caused by the sampling pulsed light generating the SH light can be easily separated, only the SF light from the measured optical signal can be effectively used for the measurement, and the noise component It is possible to perform an optical sampling waveform observation that is not affected by.

【0030】更に、非線形光学結晶からの出射光のう
ち、和周波光を選択的に光電変換手段に導くならば、微
弱光信号の波形を直接確実に測定することができ、光増
幅器による波形の劣化や雑音の影響を受けない光サンプ
リング波形観測をより確実に行うことができる。また、
非線形光学結晶として具体的に周期的反転ニオブ酸リチ
ウム結晶を用いることで、波形の劣化や雑音の影響を受
けない光サンプリング波形観測を理想的な理論計算結果
に近いS/N比で行うことができる。
Furthermore, if the sum frequency light of the light emitted from the nonlinear optical crystal is selectively guided to the photoelectric conversion means, the waveform of the weak optical signal can be directly and surely measured, and the waveform of the waveform by the optical amplifier can be measured. Optical sampling waveform observation that is not affected by deterioration or noise can be performed more reliably. Also,
By using a periodically inverted lithium niobate crystal as the non-linear optical crystal, it is possible to perform optical sampling waveform observation with an S / N ratio close to the ideal theoretical calculation result without being affected by waveform deterioration or noise. it can.

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

【図1】 本発明の第1の実施形態及び第2の実施形態
にかかる光サンプリング波形観測装置の主構成を示すブ
ロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing the main configuration of an optical sampling waveform observation apparatus according to a first embodiment and a second embodiment of the present invention.

【図2】 本発明の装置によるSF光の発生効率と分極
反転周期Λとの関係を測定した結果を示す特性図であ
る。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a result of measuring a relationship between a generation efficiency of SF light and a polarization inversion period Λ by the device of the present invention.

【図3】 本発明の装置によるSF光の発生効率及びサ
ンプリングパルス光の第二高調波の発生効率とサンプリ
ングパルス光の波長との関係の測定結果を示す特性図で
ある。
FIG. 3 is a characteristic diagram showing measurement results of the relationship between the generation efficiency of SF light and the generation efficiency of the second harmonic of sampling pulse light and the wavelength of sampling pulse light by the device of the present invention.

【図4】 本発明の第3の実施形態及にかかる光サンプ
リング波形観測装置の構成を示すブロック図である。
FIG. 4 is a block diagram showing a configuration of an optical sampling waveform observation device according to a third embodiment of the present invention.

【図5】 本発明の第3の実施形態にかかる光サンプリ
ング波形観測装置の被測定光信号ピーク強度とSN比の
関係の測定結果を示す特性図である。
FIG. 5 is a characteristic diagram showing a measurement result of the relationship between the measured optical signal peak intensity and the SN ratio of the optical sampling waveform observation apparatus according to the third embodiment of the present invention.

【図6】 従来技術にかかる光サンプリング波形観測装
置の一構成例を示すブロック図である。
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of an optical sampling waveform observation apparatus according to a conventional technique.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

H・・・光サンプリング波形観測装置、P・・・サンプリング
光パルス、S・・・被測定光信号、1・・・サンプリングパル
ス光発生部(光パルス発生手段)、2・・・光合波部(光
合成手段)、3・・・SF光、30・・・光相互相関手段(P
PLN結晶)、4・・・受光部(光電変換手段)、5・・・電
気信号処理部、6・・・波形表示部(波形表示手段)、7・
・・光帯域フィルタ。
H ... Optical sampling waveform observing device, P ... Sampling light pulse, S ... Optical signal to be measured, 1 ... Sampling pulse light generating unit (light pulse generating means), 2 ... Optical combining unit (Photosynthetic means), 3 ... SF light, 30 ... Optical cross-correlation means (P
PLN crystal), 4 ... Light receiving part (photoelectric conversion means), 5 ... Electric signal processing part, 6 ... Waveform display part (waveform display means), 7 ...
..Optical band filters

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 被測定光信号よりもパルス幅が狭く繰り
返し周波数の低いサンプリングパルス光を発生するサン
プリングパルス光発生手段と、前記被測定光信号と前記
サンプリングパルス光発生手段より出力される光パルス
とを合波する光合波手段と、前記光合波手段の出力光を
非線形光学結晶内で相互相関させて前記被測定光信号の
光周波数と前記サンプリングパルス光発生手段より出力
されるサンプリングパルス光の光周波数との和の周波数
を有する和周波光を発生する光相互相関手段と、前記光
相互相関手段が発生する光を電気信号に変換する光電変
換手段と、前記光電変換手段から出力される電気信号か
ら前記被測定光信号の時間波形を表示する波形表示手段
を有した光サンプリング波形観測装置であって、前記非
線形光学結晶が、その非線形光学結晶の内部から発生す
る前記和周波光の位相が整合するように、前記非線形光
学結晶の分極を周期的に反転させるものであり、この反
転周期が、前記非線形光学結晶の内部から発生するサン
プリングパルス光の第二高調波光の位相が整合しない長
さに設定されることを特徴とする光サンプリング波形観
測装置。
1. A sampling pulse light generating means for generating sampling pulse light having a pulse width narrower than that of an optical signal to be measured and a low repetition frequency, and an optical pulse output from the optical signal to be measured and the sampling pulse light generating means. Of the sampling pulse light output from the sampling pulse light generating means and the optical frequency of the optical signal under measurement by cross-correlating the output light of the optical multiplexing means with each other in the nonlinear optical crystal. An optical cross-correlation means for generating sum frequency light having a sum frequency with an optical frequency, a photoelectric conversion means for converting the light generated by the optical cross-correlation means into an electric signal, and an electric power output from the photoelectric conversion means. An optical sampling waveform observation apparatus having waveform display means for displaying a time waveform of the measured optical signal from a signal, wherein the nonlinear optical crystal is Of the as the phase of the sum frequency light are aligned to occur from the interior of the nonlinear optical crystal, and the polarization of the nonlinear optical crystal one which periodically inverted, the counter
A switching period is generated from the inside of the nonlinear optical crystal.
The length that the phase of the second harmonic light of the pulling pulse light does not match
Optical sampling waveform measuring apparatus characterized by being configured to.
【請求項2】 前記非線形光学結晶からの出力光のう
ち、前記和周波光を選択的に前記光電変換手段へ導く手
段を具備することを特徴とする請求項1に記載の光サン
プリング波形観測装置。
2. The output light from the nonlinear optical crystal
A means for selectively guiding the sum frequency light to the photoelectric conversion means
The optical sampling waveform observation device according to claim 1, further comprising a step .
【請求項3】 前記非線形光学結晶として、周期的分極
反転ニオブ酸リチウム結晶を用いることを特徴とする請
求項1または請求項2に記載の光サンプリング波形観測
装置。
3. The periodic polarization as the nonlinear optical crystal
The optical sampling waveform observation device according to claim 1 or 2, wherein an inverted lithium niobate crystal is used .
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