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JPH0769220B2 - 光サンプリング波形測定装置 - Google Patents
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JPH0769220B2 - 光サンプリング波形測定装置 - Google Patents

光サンプリング波形測定装置

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JPH0769220B2
JPH0769220B2 JP17573889A JP17573889A JPH0769220B2 JP H0769220 B2 JPH0769220 B2 JP H0769220B2 JP 17573889 A JP17573889 A JP 17573889A JP 17573889 A JP17573889 A JP 17573889A JP H0769220 B2 JPH0769220 B2 JP H0769220B2
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悟基 川西
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  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、光通信等に用いられる光パルス波形を2次の
非線形光学材料による和周波光発生を利用して高い時間
分解能で測定する光サンプリング波形測定装置に関する
ものである。
[従来の技術] 従来、2次の非線形光学効果である和周波光発生(SF
G)を利用した光サンプリング波形測定では、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と
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(SF光)として取り出す方法を使用している。ここ
で、SFGとは角周波数ωとωの2光波を非線形光学
材料に入射すると、和の角周波数ω+ωの光が発生
する現象である。
第5図は、このSFGを利用した光サンプリングによる光
波形測定法の原理を示したものであり、被測定光パルス
(A)とサンプリング光パルス(B)との相対的な時間
関係と、これによって得られる低速の相互相関波形
(C)を示している。サンプリング光パルス(B)の繰
り返し周波数を、被測定光パルス(A)の繰り返し周波
数fC[Hz]よりも若干、すなわちΔf(Hz)だけ低く
(または高く)することによって、第5図(C)に示す
ようなΔf(Hz)の相互相関信号波形を得る。従って、
被測定光パルス(A)の波形の時間軸を拡大して測定す
ることができるので、光検出器の帯域制限無しに極めて
高速の光パルス波形の測定が可能となる。
前述した第5図の例では被測定光パルスとサンプリング
光パルスの周波数がほぼ等しい場合を示したが、サンプ
リング周波数そのものは整数(n)分の1(fO/nHz)近
傍であってもよい。
第6図に、従来の光サンプリング波形測定装置の具体的
な構成例を示す。ここで、サンプリング光源1におい
て、繰り返し周波数fS=fO−Δf(ただし、fOは被測定
光の繰り返し周波数)で、被測定光信号よりパルス幅の
狭いサンプリング光パルス列(第5図(B))を発生
し、偏光方向制御器2でそのサンプリング光パルスの偏
光方向を直線偏光に制御したのち、合波器4に導く。ま
た、繰り返し周波数fOの被測定光パルス列(第5図
(A))も偏光方向制御器3で偏光方向をサンプリング
光と同一方向の直線偏光に制御したのち合波器4に導
く。
合波器4で合波された同一偏光の2つの光パルス列を、
タイプI位相整合を有する2次の非線形光学材料5に入
射し、そこで2つの光の和周波光パルス、すなわち相互
相関信号(第5図(C))が発生する。タイプI位相整
合を有する材料では、第6図に示すように、2つの光パ
ルスの偏光方向が一致したときに、両者の重なり部分で
SF光が発生する。この相互相関信号を受光器7で検出し
て電気信号に変換した後、電気信号処理系8で平均化処
理して表示画面9に表示する。
第6図において、円内の矢印は光の偏光方向を表わす。
ここで、タイプI非線形光学結晶5に使用される非線形
光学材料について言及すると、従来は構成や調整の容易
さなどにより、タイプI位相整合を有するLiNbO3,LiID3
等が用いられていた。しかしながら、タイプI位相整合
を有する材料では、被測定光とサンプリング光とのSFG
の他に、サンプリング光自身や被測定光自身もほぼ位相
整合するので、各々の第2次高調波(SH)光も発生して
背景光となる。
ここで、タイプI位相整合を有する材料を用いた従来の
光サンプリング装置の信号対雑音比(SN比)について考
察する。個々のサンプリング値の電気段での信号電力
は、発生したSF光(信号光)による光電流の自乗
(iSF 2)である。他方、雑音電力は背景光電流ibも含め
た全光電流によるショット雑音Nsh(∝iSF+ib)と受光
回路系の熱雑音Nthとの和となる。ここで、受光素子の
増倍率が大きなフォトマルチプライア、APD等を使用す
ればNsh≫Nthとできるので、光サンプリングのSN比は次
式で近似できる。
ここで、ηはSFG変換効率、PsigおよびPsamはそれぞれ
被測定光およびサンプリング光のパワー、Aは比例定数
である。この式は通常の使用条件Psig≪Psamでは S/N=ηPsig 2/A (2) となり、SN比はPsamに依存しなくなり、Psigとηの値で
定まることを意味する。
[発明が解決しようとする課題] 第7図に示す特性(a)は、タイプIの材料の場合のサ
ンプリング光パワーとSN比との関係を図示したものであ
る。通常のタイプIの材料を用いた光サンプリングで
は、Psig=1mW,η=10-4程度とすると、10-4程度のSN比
しか得られない。従って、従来は、サンプリング測定値
を多数回平均化してSN比を向上させていた。これがた
め、従来は周期的に同一波形を繰り返し光信号しか測定
できなかった。因みに、第8図の波形(A)のように強
度変調された光信号の場合は、この被測定光パルス
(A)と第8図に示すサンプリング光パルス(B)との
相互相関信号として、第8図(C)に示すような和周波
光パルス(C)が取り出される。この場合には、“1"お
よび“0"に変調された光が平均化されるため、伝送波形
を評価するのに重要なマーク・スペースの波形を表わす
アイパターン測定ができないという欠点があった。
上述の問題点を解決するため、本発明の目的は、SFGを
用いる光サンプリング光波形測定装置において、背景光
を除去し、非線形光学材料への入射光のパワーを増倍す
ることによって個々のサンプリング値のSN比を向上さ
せ、アイパターンを測定することができるように構成し
た光サンプリング波形装置を提供することにある。
[課題を解決するための手段] このような目的を達成するために、本発明は、被測定光
信号よりパルス幅の狭いサンプリング光パルスの列を発
生するサンプリング光発生器と、被測定光信号とサンプ
リング光パルスとを合波する合波器と、合波器からの合
波出力を受けて、被測定光信号とサンプリング光パルス
との和周波光を発生する非線形光学材料と、非線形光学
材料において発生した和周波光を検出して電気信号に変
換する光検出器とを備えた光サンプリング波形測定器に
おいて、非線形光学材料は非測定光信号およびサンプリ
ング光パルスの偏光方向が互いに直交しているときに位
相整合して和周波光を発生する非線形光学材料であり、
被測定光信号のパワーおよびサンプリング光パルスのパ
ワーの少なくとも一方のパワーを光増幅する光増幅器を
非線形光学材料への光入射側に配設したことを特徴とす
る。
[作 用] 本発明は、2つの光の偏光方向が互いに直交していると
きにSFGの位相整合を起こす非線形光学材料を用いて背
景光を除去し、光増幅器を用いて被測定光パワーまたは
サンプリング光パワーまたはその両方の光パワーを増倍
することにより、高いSN比で光波形をサンプリング測定
できることを特徴とする。従来の技術とは、タイプII位
相整合を行う非線形光学材料および光増幅器を使用する
ことが異なる。
[実施例] 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。
(実施例1および2) 第1図および第2図は本発明の実施例1および2をそれ
ぞれ示す図であり、図示の構成を従来の技術を示した第
6図の破線で囲んだ部分に配置する。本実施例における
その他の部分は従来と同じである。第1図はサンプリン
グ光を増幅する実施例1、第2図は被測定光を増幅する
実施例2である。
第1図および第2図において、2および3はサンプリン
グ光および被測定光の偏光方向をそれぞれ制御する偏光
方向制御器、4は被測定光とサンプリング光との合波す
る合波器、10は2つの光の偏光方向が互いに直交してい
るときに位相整合してSFGを起こすタイプII非線形光学
材料、11は希土類ドープファイバ形光増幅器である。
第1図の実施例1では、サンプリング光を光増幅器11で
増幅してから偏光方向制御器2を介して合波器4に導
く。被測定光を偏光方向制御器3を介して合波器4に導
く。合波器4からの合波出力光を非線形光学材料10に導
く。
第2図の実施例2では、サンプリング光を偏光方向制御
器2を介して分波器4に導く。被測定光を光増幅器11で
増幅してから偏光方向制御器3を介して合波器4に導
く。合波器4からの合波出力光をタイプII非線形光学材
料10に導く。
具体的には、タイプII位相整合SFGを起こす非線形光学
材料10としてはKTP、LiIO3,LiNbO3,KNbO3等のバルク結
晶を用いてもよいし、あるいはまた、バルク結晶ではな
く導波路構造の形態の非線形光学素子を用いてもよい。
また、光増幅器11として本実施例では希土類ドープファ
イバ形光増幅器を用いているが、これに代えて、半導体
レーザ増幅器やファイバラマン増幅器を用いてもよい。
ただし、その場合は光増幅器11に偏光方向依存性がある
ため、偏光方向制御器2または3は光増幅器11の前また
は前後に配置することが必要となる。
これら実施例の場合、偏光制御器2および3でサンプリ
ング光および被測定光の偏光方向を互いに直交するよう
に調節するため、サンプリング光と被測定光の相関信号
であるSF光は位相整合して発生するが、背景光(被測定
光自身のSH光およびサンプリング光自身のSH光)は同一
偏光方向のタイプI位相整合に属するため発生しない。
従って、(1)式においてib=0であるから、この場合
のSN比を表わす(1)式は次式のように表わされる。
これを用いてサンプリング光パワーとSN比との関係を計
算した結果を第7図に特性(b)として示す。ただし、
ここで、被測定光のピークパワーを1mWと仮定した。
第7図から明らかなように、タイプIIの場合は従来のタ
イプIに比べSN比を高くとることができるとともに、サ
ンプリング光パワーを増大することによってさらにSN比
を向上させることができる。
第1図の実施例1において、サンプリング光としてピー
クパワー100mWの半導体レーザパルスを用い、このサン
プリング光を希土類光ドープファイバ形光増幅器11によ
り30dB増幅(ピークパワー100W)したとすると、第7図
の特性(b)よりSN比は約10まで改善でき、個々のサン
プリング値を決定することができる。また、第2図のよ
うに被測定光の方を光増幅器11により増幅しても、
(3)式より同様の効果を期待できる。
(実施例3および4) 第3図および第4図は、本発明の実施例3および4をそ
れぞれ示す図であり、いずれの場合にもサンプリング光
および被測定光の双方を光増幅する。
第3図の実施例では、被測定光およびサンプリング光を
光増幅器12および13によってそれぞれ別個に増幅し、各
増幅出力光を偏光方向制御器2および3をそれぞれ介し
て合波器4に導く。合波器4からの合波出力光をタイプ
II非線形光学材料10に導く。
第4図の実施例では被測定光およびサンプリング光を1
つの光増幅器で増幅する。すなわち、サンプリング光を
偏光方向制御器2を介して分波器4に導く。被測定光を
偏光方向制御器3を介して合波器4に導く。合波器4か
らの合波出力光を光増幅器14により増幅してから非線形
光学結晶10に導く。
これら実施例において、光増幅器12,13および14は第1
図または第2図に示した希土類ドープファイバ形光増幅
器11と同じ構成の光増幅器である。
これら実施例の場合、サンプリング光パワーおよび被測
定光パワーに対する光増幅器12および13または14の増幅
率の積がSN比向上に寄与する。サンプリング光パワー10
0mW、被測定光パワー1mW、各光パワーの増幅率とも30dB
とすると、SN比は104もの高い値となる。また、このと
きSN比が10程度でよいとすると、検出可能な被測定光パ
ワーは1μW程度となる。すなわち、サンプリング光と
して半導体レーザを用いて、μW程度の微小パワーの被
測定光を、個々のサンプリング値を決定するのに十分な
SN比で測定することが可能となる。
[発明の効果] 以上説明したように、本発明は、2つの光の偏光方向が
互いに直交しているときに位相整合してSFGを起こすタ
イプIIの非線形光学材料および光増幅器を用いること
で、背景光の発生無しにSF光のパワーを増大させること
ができるので、SN比の大幅な向上が期待できる。従っ
て、本発明によれば、光サンプリング波形測定の高感度
化を達成できるので、平均化処理の回数を低減させるこ
ともでき、さらにはアイパターン測定が可能となる。さ
らにまた、本発明では半導体レーザをサンプリング光源
として使用できるため、サンプリング周波数の同期をと
りやすく、しかも装置の小型化および低価格化が容易で
あるなど効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明光サンプリング波形測定装置の実施例1
の構成を示すブロック図、 第2図は本発明光サンプリング波形測定装置の実施例2
の構成を示すブロック図、 第3図は本発明光サンプリング波形測定装置の実施例3
の構成を示すブロック図、 第4図は本発明光サンプリング波形測定装置の実施例4
の構成を示すブロック図、 第5図は従来の光サンプリングによる光波形測定法の原
理の説明図、 第6図は従来の光サンプリング波形測定装置の一例の構
成を示すブロック図、 第7図はサンプリング光パワーとSN比との関係を計算し
て示す特性図、 第8図は強度変調された光パルス列を光サンプリングし
た場合の測定波形例を示す信号波形図である。 1……サンプリング光源、 2,3……偏光方向制御器、 4……合波器、 5……タイプI位相整合の和周波光発生を行う非線形光
学材料、 6……光学フィルタ、 7……受光器、 8……電気信号処理系、 9……表示画面、 10……タイプII位相整合の和周波光発生を行う非線形光
学材料、 11,12,13,14……希土類ドープファイバ形光増幅器。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被測定光信号よりパルス幅の狭いサンプリ
    ング光パルスの列を発生するサンプリング光発生器と、
    前記被測定光信号と前記サンプリング光パルスとを合波
    する合波器と、前記合波器からの合波出力を受けて、前
    記被測定光信号と前記サンプリング光パルスとの和周波
    光を発生する非線形光学材料と、前記非線形光学材料に
    おいて発生した和周波光を検出して電気信号に変換する
    光検出器とを備えた光サンプリング波形測定器におい
    て、前記非線形光学材料は前記非測定光信号および前記
    サンプリング光パルスの偏向方向が互いに直交している
    ときに位相整合して和周波光を発生する非線形光学材料
    であり、前記被測定光信号のパワーおよび前記サンプリ
    ング光パルスのパワーの少なくとも一方のパワーを光増
    幅する光増幅器を前記非線形光学材料への光入射側に配
    設したことを特徴とする光サンプリング波形測定装置。
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