(57)【要約】  本発明は、単発の光パルス又は繰り返しレートが低い光パルスの波形を測定する装置に関するものであり、本装置は、−初期光パルス（Ｉ）の一連のレプリカパルスを繰り返し周期（τ）で生成する複製手段（１００、１０５、１２０、１２５、１３０）、−前記レプリカパルスを抽出する手段（１００ｂ、１５０）、−抽出されたレプリカパルス（Ｒｉ）をサンプリングして、サンプリング周期（Ｔｅ）で抽出レプリカパルス（Ｒｉ）に基づく光サンプル（Ｅｉ）を出力する光サンプリング手段（１６０、１６１）であって、その際サンプリング周期と繰り返し周期とのずれが、非ゼロで且つ繰り返し周期よりもずっと短く選択されるサンプリング手段、並びに、−前記光サンプリング手段（１６０、１６１）が出力する光サンプル（Ｅｉ）に基づいて電気信号を形成する検出手段（１８０）を備え、−前記複製手段は、前記レプリカパルスを増幅するパラメトリック増幅手段（１２０、１４０、１４１、１４２）を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一光パルス又は繰り返しレートの低い光パルスの波形を測定する装置であって、
−初期光パルス（Ｉ）の一連のレプリカパルスを繰り返し周期（τ）で生成する複製手段（１００、１０５、１２０、１２５、１３０）、
−前記レプリカパルスを抽出する手段（１００ｂ、１５０）、
−抽出されたレプリカパルス（Ｒｉ）をサンプリングして、抽出されたレプリカパルス（Ｒｉ）に基づいてサンプリング周期（Ｔｅ）で光サンプル（Ｅｉ）を出力する光サンプリング手段（１６０、１６１）であって、サンプリング周期と繰り返し周期とのずれが、非ゼロで、且つ繰り返し周期よりもずっと短くなるように選択される、光サンプリング手段、及び
−前記光サンプリング手段（１６０、１６１）が出力する光サンプル（Ｅｉ）に基づいて電気信号を取得する検出手段（１８０）
を備え、
−前記複製手段が、前記レプリカパルスを増幅するパラメトリック増幅手段（１２０、１４０、１４１、１４２）を含む
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記複製手段が複数の光ファイバセグメント（１１０）を含む光ループを含むことを特徴とする、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記パラメトリック増幅手段が、少なくとも一つの光ファイバセグメント、パラメトリックポンプレーザ（１４２）、及び前記レーザからポンプ光を受信して前記光ファイバセグメントにポンプパルスを出力する時間波形整形手段（１４１）を含むことを特徴とする、請求項２記載の装置。
【請求項４】
時間波形整形手段が、非常に平坦なパルス波形と小さい雑音とを有するポンプパルスを出力する機能を有することを特徴とする、請求項３記載の装置。
【請求項５】
ポンプパルスを、パラメトリック増幅手段に入射するレプリカパルスと同期させる同期化手段（１７０）を備えることを特徴とする、請求項３又は４記載の装置。
【請求項６】
前記複製手段が更に、前記パラメトリック増幅手段の出力においてポンプ信号及びアイドラー信号をフィルタリングする機能を有する光フィルタ（１３０）を含むことを特徴とする、請求項３ないし５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
前記複製手段は、前記パラメトリック増幅手段の出力に光減衰器（１２５）を含むことを特徴とする、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
抽出手段が、２つの入力ポート及び２つの出力ポートを有するカプラー（１００）を含み、一方の入力ポート（１００ｄ）及び一方の出力ポート（１００ｃ）が前記光ループに接続され、他方の入力ポート（１００ａ）が初期光パルスを受信し、他方の出力ポート（１００ｂ）が前記抽出されたレプリカパルスを出力することを特徴とする、請求項２ないし７のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
光サンプリング手段（１６０）が、２つの直交する偏光板（Ｐ１、Ｐ２）の間に取り付けられるＫｅｒｒセル（Ｋ）を含むことを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１０】
光サンプリング手段（１６０）が、レプリカパルスを第１レプリカパルス部分（Ｉａ）と第２レプリカパルス部分（Ｉｂ）に分割する分割器（６５０）、第１及び第２レプリカパルス部分によってそれぞれ照射される第１ゾーン（Ｚ１）及び第２ゾーン（Ｚ２）を含む可飽和吸収体（６６０）であって、第１ゾーン（Ｚ１）が光サンプリング信号（ＩＬ）の影響を受けてほぼ透明となる吸収体、並びに、光減算干渉型素子（ＤＩＳＯ）であって、第１ゾーン（Ｚ１）から出力されるサンプリング済み信号と第２ゾーン（Ｚ２）から出力される信号との差の結果として光サンプル（Ｅｉ）を出力する光減算干渉型素子を含むことを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１１】
光減算干渉型素子が、第１ゾーン（Ｚ１）から出力されるサンプリング済み信号を収集する入力を有する第１アーム（Ｂ１）、第２ゾーン（Ｚ２）から出力される信号を収集する第２アーム（Ｂ２）、第２アーム上に直列に取り付けられて、第１アーム（Ｂ１）から出力される光信号と第２アーム（Ｂ２）から出力される光信号の間の位相シフトΠを設定する電圧制御位相シフター（Ｄｐｈ）、並びに、２つの入力及び１つの出力を有するジャンクション（Ｊ）であって、第１アーム（Ｂ１）から出力される信号を第１入力上に、第２アーム（Ｂ２）から出力される信号を第２入力上に収集し、且つその出力から光サンプル（Ｅｉ）を出力するジャンクションを含むことを特徴とする、請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
可飽和吸収体が色素を含む溶液であることを特徴とする、請求項１０又は１１記載の装置。
【請求項１３】
可飽和吸収体がカーボンナノチューブを含むことを特徴とする、請求項１０又は１１記載の装置。
【請求項１４】
可飽和吸収体が主に半導体からなることを特徴とする、請求項１０又は１１記載の装置。
【請求項１５】
光サンプリング手段（６６０）が、光サンプリング信号によって励起される低利得パラメトリック増幅器と、その下流の、アイドラー信号を前記パラメトリック増幅器の出力において分離する光フィルタとを含み、前記光サンプルが前記アイドラー信号によって与えられることを特徴とする、請求項１ないし８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１６】
光検出器と、その下流の、アナログ−デジタル変換器とを含み、それによって光サンプルをデジタル値に変換する光−電気変換器（１８０）を備えることを特徴とする、請求項１ないし１５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項１７】
前記アナログ−デジタル変換器は可変利得変換器であることを特徴とする、請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
パラメトリック増幅手段及びアナログ−デジタル変換器の利得を制御する制御手段（１７１）を備えることを特徴とする、請求項１７記載の装置。
【請求項１９】
複製手段が更に減衰変調器（１０５）を含み、前記制御手段は前記減衰変調器の減衰レベルを制御することを特徴とする、請求項１８記載の装置。
【請求項２０】
較正フェーズにおいて光パルスが測定装置に注入され、制御手段によってアナログ−デジタル変換器の利得及び／又は減衰変調器の減衰レベルが決定されて、デジタルサンプルの値が所定のレベルに維持されることを特徴とする、請求項１８又は１９記載の装置。
【請求項２１】
単一電気パルス又は繰り返しレートが非常に低い電気パルスの波形を測定する装置であって、請求項１ないし２０のいずれか一項に記載の光パルスの波形測定装置と直列に配置される電気−光変調器を備えることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の開示】
【０００１】
技術分野及び従来技術
本発明は、非常に短い時間幅の単一の光パルス又は電気パルスの波形を測定する装置に関する。
本発明はまた、繰り返しレートの非常に低い光パルス又は電気パルスの波形を測定する装置に関する。
【０００２】
本発明は、光ファイバ及び関連部品に関する現在の技術を考慮して、一般的な１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚのアナログ信号周波数帯域で、数ピコ秒〜数十ナノ秒の時間幅のレーザパルスを測定する場合に適用することができる。
本発明はまた、電気−光変調器に関する現在の技術を考慮して、１０ＧＨｚ〜１００ＧＨｚのアナログ信号周波数帯域で、数十ピコ秒〜数十ナノ秒の時間幅の単一の電気パルスを測定する場合に適用することができる。
【０００３】
短い時間幅の単一パルス波形の測定は通常難しく、高価な計測手段を必要とする。要求される性能に応じて異なる種類の計測器が使用される。下記に例を挙げる。
−通常のアナログ信号周波数帯域が、例えば０〜７ＧＨｚの範囲で変化するパルスには、単一パルスサンプリングオシロスコープ（この場合「フラッシュ」変換技術が使用される）が使用される。
−アナログ信号周波数帯域（信号スペクトルを形成する）が通常、数ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの範囲で変化するパルスにはスリットスキャンカメラ（ＣＢＦカメラ）が使用される。（使用する技術は、直線的に横方向に偏向して時間軸を復元する真空電子管技術である）スリットスキャンカメラは複雑であり、頻繁な再較正が必要な高価な計測器であり、光感度が低く、且つ周囲からの外乱に対する感度が高い。
−通常のアナログ信号周波数帯域が数百ＧＨｚ〜数十ＴＨｚの範囲で変化するコヒーレント光学系におけるパルスには、スペクトル位相の処理を利用する自己相関器又は装置（これらの計測器は実際に、波形の形状に関する仮定に基づいて得られるパルス幅の相対測定値を供給する）が使用される。この技術は非線形光学系技術を利用するもので、画像分析及び信号処理と連結させて時間／空間変換を行なう。
【０００４】
測定されるパルスのアナログ信号周波数帯域を大幅に拡大するために使用される測定装置が既に、本出願人により２００４年６月１５日に出願された未公開のフランス国特許出願第０４／５１２７７号の主題となっている。
本発明による装置はこれらの目的を達成すると同時に、雑音指数を大幅に小さくすることにより測定機構も改善することができる。
【０００５】
発明の提示
本発明は、単一光パルス又は繰り返しレートの低いパルスの波形を測定する装置によって定義され、本装置は、
−初期光パルス（Ｉ）の一連のレプリカパルスを繰り返し周期（τ）で生成する複製手段（１００、１０５、１２０、１２５、１３０）、
−前記レプリカパルスを抽出する手段（１００ｂ、１５０）、
−抽出されたレプリカパルス（Ｒｉ）をサンプリングし、抽出されたレプリカパルス（Ｒｉ）を使用してサンプリング周期（Ｔｅ）で光サンプル（Ｅｉ）を出力する光サンプリング手段（１６０、１６１）であって、その際のサンプリング周期と繰り返し周期とのずれが、非ゼロで、且つ繰り返し周期よりもずっと短く選択される手段、及び
−前記光サンプリング手段（１６０、１６１）が出力する光サンプル（Ｅｉ）から電気信号を取得する検出手段（１８０）
を備え、
−前記複製手段が、前記レプリカパルスを増幅するパラメトリック増幅手段（１２０、１４０、１４１、１４２）を含む。
【０００６】
本発明はまた、単一電気パルス又は繰り返しレートの低いパルスの波形を測定する装置に関するものであり、本装置は、光パルスの波形を測定するこのような装置と直列に配置される電気−光変調器を備える。
いずれの場合も、パラメトリック増幅手段の雑音比が非常に低くても、特に感度の高い測定機構を実現するために十分である。
【０００７】
本発明の他の特徴及び利点は、添付の図を参照して本発明の好適な実施形態を一読することにより明らかになる。
同じ参照番号は、同じ構成要素を表わす全ての図に使用される。
【実施例】
【０００８】
本発明の実施形態の詳細な説明
図１は、本発明の一の実施形態による光パルスの測定装置を示している。
本装置は、４つのポートを有するオプティカルカプラー１００、複数のセグメントを含むシングルモード光ファイバ１１０、一つ又は幾つかのファイバセグメントから構成できるパラメトリック増幅器１２０、及び光フィルタ１３０を備え、上述の要素はループ状に配置される。
【０００９】
カプラー１００の４つのポートは、ａ、ｂ、ｃ、及びｄと表示する。ポートａは、装置の入力であって測定対象のレーザパルスを受信し、ポートｂは、３つのポートを有するオプティカルカプラー１５０の入力に接続され、ポートｃは、ファイバ１１０の第１セグメントを経由してパラメトリック増幅器の入力に接続され、ポートｄは、ファイバ１１０の第２セグメントを経由して光フィルタの出力に接続される。
パラメトリック増幅器１２０は、レーザ光源１４２により生成されるポンプ光によって励起され、パラメトリック増幅器の前記ポンプ光は、時間波形整形装置１４１及び光伝送ファイバ１４０を経由して前記増幅器に出力される。パラメトリック増幅器１２０の出力はファイバ１１０の第３セグメントを経由して光フィルタ１３０に接続される。
【００１０】
破線で示す要素１０５及び１２５は任意の要素であり、後で説明する。
オプティカルカプラー１５０の３つのポートはａ’、ｂ’、及びｃ’ と表示する。ポートａ’は、カプラー１００のポートｂに接続され、ポートｂ’は制御装置１７１に接続され、ポートｃ’は光サンプラー１６０に接続され、これらの接続は光ファイバを使用して行なわれる。
【００１１】
光サンプラー１６０は、光源１６１によって出力される光サンプリング信号を使用して、ポートｃ’から出力される信号をサンプリングする。光源１６１は非常に短い幅の繰り返しレーザパルスを生成する。図１に示すサンプラー１６０は、「透過」モードで動作する。しかしながら、別の構成として「反射」モードで動作するサンプラーを使用することもできる。
光サンプラー１６０、時間波形整形装置１４１と制御装置１７１は、オプトエレクトロニック同期化装置１７０によってクロック同期させる。
【００１２】
サンプラー１６０から出力される光信号は電気信号に変換され、変換器１８０によってデジタル化される。変換器によって生成されるデジタルサンプルはメモリ１８１に格納される。
制御装置１７１は、メモリに格納されるサンプル、及びカプラー１５０のポートｂ’でサンプリングされた信号を使用して、変換器１８０の利得制御、及び／又はパラメトリック増幅器のポンプレーザ１４２及び／又は光減衰器１２５及び／又は変調器１０５の利得制御に適用される利得を決定する。
【００１３】
光ファイバ１１０の種類は、ファイバを伝搬するパルス信号を時間軸上で広く分散させてしまうモード分散現象の発生を防止するシングルモードである。
４ポート式カプラー１００は次のように動作する方向性カプラーである。
−ポートａに入力される信号は、α％の部分、例えば５０％の部分がポートｂに到達し、残りの（１−α）％の部分、例えば５０％の部分がポートｃに到達するように伝送され、
−ポートｄに入力される信号は、α％の部分がポートｂに到達し、残りの（１−α）％の部分がポートｃに到達するように伝送される。
【００１４】
測定対象のレーザパルスＩは、カプラー１００のポートａから測定装置に入力し、次にポートｂに出力される第１パルス部分（α％）、及びポートｃに出力される第２パルス部分（（１−α）％）に分割される。第１パルス部分はカプラーに向かい、第２パルス部分は、光ファイバ１１０、パラメトリック増幅器１２０、光フィルタ１３０を経由してカプラー１００のポートｃにループバックする。
ループを周回するレーザパルスは、パラメトリック増幅器１２０を通過するときに増幅される。パラメトリック増幅の原理は本技術分野の当業者に公知であり、この原理に関する記述は、例えばＧ．Ｐ．  Ａｇｒａｗａｌによる「Applications of non-linear fibre optics」と題する論文（Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ）に掲載されている。パラメトリック増幅は、光Ｋｅｒｒ効果に基づく光波間のエネルギー交換の非線形プロセスであり、伝搬媒体とのエネルギー交換は行われない。簡単に説明すると、周波数ω１のポンプ光（高パワーの）、及び周波数ω２の光信号（低強度の）が、何らかの非線形特性を有する同じ媒体中で混合されると、ポンプ光及び信号波によって周波数Δω＝ω２−ω１のビートが生成される。光強度Ｉをこのように変調することにより、光Ｋｅｒｒ効果によって屈折率ｎ＝ｎ０＋ｎ１．Ｉを有するグレーティングが生じ、ｐを非ゼロの整数とした場合、異なる周波数次数ω１±ｐ．Δωでポンプ光を回折する。−１の次数は、信号の周波数ω１及びコヒーレント増幅に対応し、＋１の次数は、「アイドラー」と呼ばれ且つ周波数２ω１−ω２を有する第３の波の生成に対応する。
【００１５】
パラメトリック増幅器のポンプから信号への最適なエネルギー伝達を達成するために、ファイバの分散によって生じる線形位相シフトは、光Ｋｅｒｒ効果によって生じる非線形位相シフトについて補償されなければならない。パラメトリック増幅器が光ファイバを使用して作製される場合、増幅利得は、ポンプ−信号の間のスペクトル変位、ファイバの長さ及び非線形性、並びにポンプのパワーに応じて変化する。パラメトリック増幅器が、ファイバのゼロ分散波長に近いポンプ光長を選択する単一のファイバセグメントを使用して作製される場合、スペクトル的に非常に広い利得帯域が得られる。
【００１６】
図２は、パラメトリック増幅器から出力される光信号のスペクトルを示している。ポンプ２００、増幅済み信号２１０、及び「アイドラー」２２０のスペクトル包絡線は明確に異なっている。信号及び「アイドラー」の波は、ポンプ光から対応するエネルギーを取得しながらポンプ光と共に伝搬する際に増幅される。
パラメトリック増幅器は、非線形光学結晶を使用して既知の方法により作製することができるか、又は上述のように、もっと単純に光ファイバセグメントを使用して作製することができる。この増幅器のアーキテクチャは一般にＦＯＰＡ（光ファイバパラメトリック増幅器）と呼ばれる。この場合、パラメトリック増幅をファイバ１１０の一つのセグメントに使用すると有利である。
【００１７】
光フィルタ１３０の機能は、ポンプ光及び「アイドラー」波を、ループを周回するたびに除去して、これらの波がフィルタを通り過ぎてから信号光と相互作用することがないようにすることである。光フィルタ透過率は、信号の中心周波数ω２を中心とするスペクトル領域の外でゼロ又は最小になるように選択される。
更に、同期化装置１７０は、ループの伝搬時間τに等しい繰り返し周期で、且つ装置１４１から出力されるポンプパルスがパラメトリック増幅器において測定されるレーザパルスの通過と同期するように調整された位相で、装置１４１にトリガー信号を供給する。
【００１８】
その結果、増幅条件は再初期化され、各ループ周回において完全に安定し、ループの利得は、ポンプのパワー、測定対象のパルスの並進距離、及びポンプパルスのみに依存する。
時間波形整形装置１４１は、有利には、電子式波形整形信号発生器、及び前記信号を使用してポンプ光の強度を変調する電気−光変調器を含む。変調信号の形状を決定し、電気−光変調器によって生じる歪みを補正し、よってファイバ１４０に注入されるポンプパルスを頂部が非常に平坦なパルスとなるようにする。ポンプパルスの幅は、測定対象のレーザパルスがパラメトリック増幅器に入力される前に始まり、レーザパルスが増幅器から出力された後に終わるように選択される。いずれにしても、ポンプパルスの幅は、ループ伝搬時間よりも短くなるように選択される。波形整形信号発生器は、ＡｓＧａ  ＦＥＴトランジスタによって接続される一連の伝送線路から構成されるフィルタを使用して作製することができ、伝送線路の長さ及びＦＥＴのゲートに現われる電圧によってフィルタのパルス応答が決まる。このようなフィルタの例示的な一実施形態は、Ａ．Ｊｏｌｌｙ等による論文「Front-End Sources of the LIL-LMJ Fusion Lasers: Progress Report and Prospects」（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  Ｊｏｕｒｎａｌ、  Ｖｏｌ．  ４２  Ｎｏ．  ５、２００３年５月）に記載されている。別の実施形態によれば、波形整形装置１４１はプリディストーションフィルタを含まず、飽和モードで動作し、且つ電気−光変調器の出力に位置する光学素子を含む。
【００１９】
パラメトリック増幅器のポンプレーザは、シングルモードで、時間的に非常に安定で、且つ雑音が小さくなるように選択され、よって効率的なポンピングが達成される。
パラメトリック増幅器のポンプレーザ及び時間波形整形装置に関する上述の特徴によって、測定対象のパルスが増幅器に入射し、そのスペクトル帯域に亘って均一に伝送される時間の間に一定の増幅利得を確保することができるので、ループ周回する度に前記パルスが歪む現象を防止することができる。
【００２０】
例えば、上述特許出願に記載されている刺激による増幅に替えて、パラメトリック増幅を使用することが本発明の基本的な特徴である。各ループ周回において蛍光雑音（ＡＳＥ（自然放射増幅光）雑音）を非常に大きい値で増幅し、従って連続的なレプリカ生成の間に信号対雑音比を急激に悪化させてしまう刺激増幅を用いる増幅器とは異なり、パラメトリック増幅器の雑音比は、ポンプ自体の雑音が大きくない場合には３ｄＢに近く、パラメトリック蛍光に起因するポンプ固有の雑音の電力レベルは、ＡＳＥ雑音の電力レベルよりもずっと小さい。
更に、パラメトリック増幅の利得は、ポンプパワーがゼロの場合にゼロ（０ｄＢ）なので、ポンプパルスの外に位置する全ての雑音は減衰される。従って、寄生的なレーザ信号が増幅される危険を伴うことなく１を超えるループ利得を達成することができる。
【００２１】
パラメトリック増幅の利得は基本的に、ポンプパルスの強度、及び並進距離によって決定される。場合によっては、光減衰器１２５をループに配置することにより、損失の微調整、従ってループ利得の微調整が可能になる。通常、減衰率は数ｄＢ〜１５ｄＢの範囲内で調整することができる。しかしながら、後述するように、約０ｄＢのループ利得を達成する必要はないが、可能な最小値を設定することが好ましい。光減衰器１２５の利得（減衰率）の調整により、パラメトリック増幅器のポンプレーザパワーのこのような緩慢なドリフトが細かく補償される。
波形が測定される初期光パルスと呼ばれる光パルスは、カプラー１００のポートａから測定装置に注入される。光パルスは、ポートｂの第１パルス部分（α％）と、ポートｃの第２パルス部分（（１−α）％）に分割される。従来、この第２パルス部分は０次レプリカと呼ばれる。このレプリカは、パラメトリック増幅器１２０によって上述のように増幅され、場合によって減衰器１２５によって減衰させることができ、次いで光フィルタ１３０によってフィルタ処理された後、カプラー１００のポートｄに入力する。
【００２２】
このレプリカがポートｄに入射すると、第２パルス部分自体が、ポートｂに出力される第３パルス部分（α％）と第１レプリカと呼ばれる第４パルス部分（（１−α）％）に分割され、第４パルス部分は増幅された後にポートｄにループバックされる。ループ周回する度に、カプラー１００は、ポートｄから受け取る電力のα％部分をポートｂの出力に伝送し、（１−α）％部分をポートｃに伝送する。
従って、測定対象のパルスによって、初期パルスの一連のレプリカパルスも得られ、これらのレプリカは互いから繰り返し周期τ、すなわちループの伝搬時間だけ分離されている。レプリカパルスはカプラー１００のポートｂで抽出される。
【００２３】
このようにして抽出されたレプリカパルスはオプティカルカプラー１５０のポートａ’に伝送される。パルスの一部分はポートｂ’でサンプリングされ、残りの部分はポートｃ’を通って光サンプラー１６０に伝送され、光サンプラー１６０はレーザパルス光源１６１が出力するレーザパルスＩＬの作用下で残りの部分をサンプリングする。後で詳述する光サンプラーの機能は、レーザパルスＩＬの影響下でレプリカパルスをほぼ透過させるようにすること、及びこれらのパルスを用いない場合にはほぼ不透過とすることである。レーザパルス光源１６１は、好ましくは、周期Ｔｅ、及びτよりもずっと短い幅ＴＭＬ（ＴＭＬ≪τ）でレーザパルスを出力するモード阻止源である。
【００２４】
図３Ａ〜３Ｃは、レプリカパルスのサンプリングを示すタイムチャートを示している。
図３Ａは、波形が測定される光パルスを示す。
図３Ｂは、幅ＴＭＬ及び周期Ｔｅを有し、且つレーザ光源１６１から出力されるパルスを示す。
図３Ｃは、複製ループから抽出され、図３Ｂに示すパルスに基づいてサンプリングされる一連のレプリカＲ１、Ｒ２、Ｒ３、．．．、ＲＮを示している。第１レプリカＲ１は、時刻Ｔ１の第１位置でサンプリングされ、時刻Ｔ１の位置は、レプリカＲ１の始点をマークする時点とサンプリング時点を隔てている時間幅を測定する。１よりも大きい次数ｉ（ｉ＞１）を有するレプリカＲｉは、時刻Ｔ１＋（ｉ−１）δｔの対応する位置でサンプリングされ、この場合、δｔ＝Ｔｅ−τである。従って、サンプリング時点は、増分δｔだけ、連続するレプリカの波形の内側で徐々にスライドする。量δｔ、すなわちサンプリング周期とレプリカの繰り返し周期との間のずれは、ずれの絶対値が分析対象のパルスの幅よりもずっと短く、この幅自体が繰り返し周期よりも短くなるように選択される。
【００２５】
測定装置によって採取することができるサンプルの最大数は、Ｎ＝τ／δｔ＝１／（（Ｔｅ／τ）−１）である。分析対象のパルス幅をΔＴとすると、測定は、最善の場合、τ．ΔＴ／δｔで表わされる時間が経過した後で行なうことができる。換言すれば、τ．ΔＴ／δｔだけ隔てられる連続パルス、すなわち１／Ｎに等しい最大繰り返し率（パルス幅／２つの連続するパルスを隔てる時間の比）で繰り返される連続パルスを、連続的に分析することができる。
光サンプラー１６０が出力するサンプルＥｉ（ｉ＝１、２、．．．、Ｎ）は、可変利得の光−電気変換器１８０に送信される。この変換器は光検出器、例えばフォトダイオードと、その後の可変利得のアナログデジタル変換器とを含む。光検出器は、例えば電気通信技術により現時点で可能な１０ＧＨｚ〜６０ＧＨｚのアナログ信号周波数帯域で動作することができるが、雑音低減要求を満たすためにそれよりもずっと狭い周波数帯域（１００ＭＨｚ〜１ＧＨｚ）に留まることが好ましい。従って、光検出器において使用される光／電気変換は積分モードで行なうことができる。積分モードでは、光検出器の電気応答時間の期間に渡って積分される値を有する所定の光サンプルの振幅を取り込む。従って、発生する誤差は、光検出器の飽和現象又は不飽和現象、連続する電気パルスが重なる現象によって生じる基線のずれなどにより生じる誤差だけであり、可能な限り補正される。光検出器が出力する電気サンプルはアナログ−デジタル変換器に送信され、アナログ−デジタル変換器はそれらサンプルを周波数１／τでデジタル化する。例えば、デジタル化は８ビット又は１０ビットに符号化することができる。符号化時間は重要でない。符号化時間はτの値によってのみ制限される。次に、アナログ−デジタル変換器が出力するデジタルデータは、バッファメモリ１８１に送信され、バッファメモリ１８１へのアクセス時間はτ未満である。
【００２６】
制御装置１７１は、ループから抽出されるレプリカからサンプリングされた信号Ｐを受信し、バッファメモリ内のサンプルの数値を読み出す。制御装置は、変換器１８０の利得、及びパラメトリック増幅器のポンプレーザパワー１４２を制御する。任意で、複製ループは微調整光減衰器１２５を含むことができ、光減衰器１２５を使用してパラメトリック増幅器のポンプレーザパワー１４２の緩慢なドリフトを補償することができる。従って、制御装置１７１は設定レベルＧＰをポンプレーザに適用し、実効ポンプパワーの緩慢なドリフトを補償する。更に任意で、複製ループは電気−光変調器１０５を含むことができ、変調器１０５を使用して、経時的に可変の光利得（減衰率）を、ループを周回するレプリカパルスに適用することができる。この場合、制御装置１７１は更に、制御信号を前記変調器に供給する。電気−光変調器１０５を通して適用される利得変化は、光減衰器１２５を通して適用される利得変化よりもずっと高速（約τだけ）である。
前の較正フェーズでは、既知の形状及び強度を有するパルス、例えば時間パルスを、測定装置の入力に注入する。装置１７１は、サンプリングされた信号Ｐの電力を測定し、メモリに格納された対応するサンプルを分析する。装置１７１は、時間の経過に伴うサンプルの振幅の減衰を補償するために、光−電気変換器１８０に適用される利得法則を推定する。電気−光減衰変調器１０５がある場合、変換器１８０の利得法則、及び変調器１０５の利得法則を装置１７１に基づいて推定し、組み合わせて前記補償を行なう。
【００２７】
図４Ａは、複製ループから抽出される一連のレプリカＲｉを示す。この場合、ループ利得が１未満であり、レプリカの強度が時間と共に小さくなることが分かる。しかしながら、ループ利得は、パラメトリック増幅利得が、ループの他の構成要素に適用される減衰率よりも大きい場合は１より大きい値とすることもできる。
図４Ｂは、時間波形整形装置１４１の出力におけるパラメトリック増幅器のポンプの強度を示す。平坦部分の高さＰＰは、利得制御ＧＰによりパラメトリック光源のピークパワーに作用する制御装置１７１によって安定に維持される。
図４Ｃは、時間の関数として変換器１８０に付加される利得を示す。利得法則を較正フェーズにおいて導出することにより、レプリカ強度の変化を補償する。これにより、変換器１８０において最大雑音対信号比での動作が可能になる。変調器をループに使用する場合、同様の法則を変調器の入力に適用することができ、２つの利得法則を組み合わせることにより補償が可能になる。
【００２８】
有利には、矩形の光パルスが前の較正フェーズの間に使用される。このフェーズの間に保存されるデジタル値は、補償対象の強度変化法則を表わしている。一実施形態によれば、較正は周期的に、例えばループ周回の度に行なわれる。これを行なうために、較正された矩形の整形光パルスは、測定装置の入力において、測定対象の波形を有する光パルスと時分割多重される。前者の矩形整形光パルスの幅は、後者の光パルスの幅よりも長くなるように選択される。２つのパルスによって、一連の交互レプリカが生成される。較正済みパルスのレプリカ、及び測定対象パルスのレプリカは、同じポンプパルスによって、又は異なるポンプパルスによって増幅することができ、この場合、同期化装置１７０がループ周回の度に、時間波形整形装置１４１を通る２つのポンプパルスを発生させる。次に、較正済みパルスのサンプルに関連するデジタル値を補間後に必要に応じて使用することにより、各ループ周回の間に変換器１８０及び／又は変調器１０５に付加される利得が決定される。
使用する較正の種類に関係なく、最大でも１／τの複製レートで利得値を適用すればよいことが分かる。従って、制御電子機器は従来の方法により作製することができる。
【００２９】
図５は、光サンプラー１６０の第１の実施形態を示す。
図示の光サンプラーはＫｅｒｒセルである。Ｋｅｒｒセルは、光Ｋｅｒｒ効果を有する活性媒質Ｋを含み、この媒質は、２つの直交する偏光板Ｐ１とＰ２との間に配置することができる。光源１６１から出力されるレーザパルスＩＬを照射している間、媒質Ｋは、装置を非導通状態（２つの直交する偏光板の間に非偏光解消媒質が配置される）から導通状態（出力偏光板の面内の偏光成分が透過する状態）に変化させるのに十分な過渡的複屈折を示す。
【００３０】
Ｋｅｒｒセルの形態の光サンプラーは極めて高い時間分解能を持ち、約２００フェムト秒の幅の光サンプルを出力することができる。
Ｋｅｒｒ効果を示す活性媒質は、例えば密閉チャンバー内での調整を必要とするＣＳ２液とすることができる。Ｋｅｒｒ効果を示す活性媒質は、ガラスを主成分とする固体媒質とすることもでき、その場合、光源１６１の出力におけるレーザ強度を更に大きくする必要がある。
【００３１】
図６は、光サンプラー１６０の第２の実施形態を示す。
この場合、サンプラー１６０は、２分割器６５０、高速可飽和吸収体６６０、光減算干渉素子ＤＩＳＯ、及びコリメーションレンズＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４を含む。光減算干渉型素子ＤＩＳＯは、２つの入力アームＢ１、Ｂ２と、２つの入力及び１つの出力を備える再結合ジャンクションＪとを含み、アームＢ２には位相シフターＤｐｈが設けられている。サンプラーの入力と出力はそれぞれ、２分割器６５０の入力と、再結合ジャンクションＪの出力である。アームＢ１及びＢ２と、再結合ジャンクションＪとは、いずれかの種類の光導波路、例えば光ファイバを使用して作製される。
【００３２】
サンプラー１６０の入力で受信されるレプリカパルスＲｉは、第１パルス部分Ｉａと、パルス部分Ｉａの振幅とほぼ同じ振幅を有する第２パルス部分Ｉｂに分割される。第１パルス部分Ｉａは、第１コリメーションレンズＬ１を通して可飽和吸収体の第１ゾーンＺ１に送信され、第２パルス部分Ｉｂは、可飽和吸収体の第２ゾーンＺ２に第２コリメーションレンズＬ２を通して送信される。
可飽和吸収体の動作は、吸収飽和現象に基づいている。可飽和吸収体を通過する低強度信号は、吸収媒質に特有の吸収を受け、結果として部分的に吸収される。他方、高強度信号は、吸収の値が初期の吸収の値よりずっと小さくなるまで、通過する吸収媒質を白化する。従って、高強度信号は部分的に送信することができる。
【００３３】
数学的に、可飽和吸収体の伝達特性は次の関係式により表わされる。
2009516184.tif 000003
上式中、
−Ａ（Φ）は、吸収体を照射する信号の強度Φに応じて変化する吸収体の吸収係数であり、
−ＡＯは照射が無い状態での吸収体の減衰係数であり、
−Φｓａｔは吸収体に固有の飽和強度（Ｗ／ｃｍ２）である。
本発明においては、ゾーンＺ１はパルス部分Ｉａによって、及びパルスＩＬによって照射され、ゾーンＺ２はパルス部分Ｉｂによってのみ照射される。モード阻止性レーザ光源１６１から出力されるパルスＩＬのピーク電力ＰＭＬは、期間ＴＭＬの間に、吸収体の透過率を、完全に又は少なくとも有意に飽和させるように選択される。パルスＩＬのビーム及びパルス部分Ｉａのビームは、同一直線の上には位置しない。パルスＩＬのビームは、可飽和吸収体のゾーンＺ１上で、コリメーションレンズＬｃにより、パルス部分Ｉａのビームがコリメートされる軸から数度〜数十度だけずれた軸に沿ってコリメートされる。従って、ゾーンＺ１の出力で収集され、且つコリメーションレンズＬ３によりアームＢ１の入力上にコリメートされる信号は、ゾーンＺ１を通過したパルス部分Ｉａによってのみ構成される。
【００３４】
パルス部分ＩａがゾーンＺ１を通過する場合、ゾーンＺ１は、モード阻止性レーザ光源の周波数Ｆｅ（Ｆｅ＝１／Ｔｅ）で動作するサンプリングゲートのように動作する。サンプリングゲートの開放時間Ｔｅｃｈは、可飽和吸収体のオーバーラップ時間Ｔｓａｔにほぼ等しい。オーバーラップ時間Ｔｓａｔの期間はパルス期間ＴＭＬよりも長い。測定装置のサンプリング増分δｔは、連続するサンプルに重なりが生じないように、Ｔｓａｔよりも長いか、又はＴｓａｔと等しくなるように選択する必要がある。
本発明による可飽和吸収体は、複数の異なる技術を使用して作製することができる。固体マトリクス中の色素を用いた溶液、又はカーボンナノチューブ又は半導体（ＳＥＳＡＭ）を用いた固体の可飽和吸収体を使用することができる。この種類の固体吸収体が現時点で最高速の吸収体であり、約１ピコ秒のオーバーラップ時間Ｔｓａｔを有する。スペクトル的には、可飽和吸収体はまた、ネオジウムレーザ、イッテルビウムレーザ、又はエルビウムレーザに有用な周波数帯である近赤外線周波数帯における光学的動作と適合するように選択することが好ましい。
ゾーンＺ１はサンプリングゲートのように動作し、ゾーンＺ２は係数Ａｏの吸収を行う。ゾーンＺ２が出力する信号は、コリメーションレンズＬ４を通ってアームＢ２の入力に送信される。
【００３５】
図７ＡはゾーンＺ１の出力において収集されるサンプリング信号Ｅ（Ｂ１）を示し、図７ＢはゾーンＺ２の出力において収集される信号Ｅ（Ｂ２）を示す。信号Ｅ（Ｂ１）は、パルス部分Ｉａを再生し且つ減衰させる信号の内部に、幅Ｔｅｃｈを有するサンプリングピークＰｅｃｈを示す。信号Ｅ（Ｂ２）はパルス部分Ｉｂを再生し且つ減衰させる。
アームＢ２には、電圧制御位相シフターＤｐｈが取り付けられる。位相シフターＤｐｈに印加される電圧Ｖｎを調整して、アームＢ１の出力で生成される光信号の位相が、アームＢ２から出力される信号の位相と逆になるようにする。すると、アームＢ１及びＢ２から出力される信号を合計するジャンクションＪは、図７Ｃに示すように、幅Ｔｅｃｈを有するサンプルＥｉを出力する。
【００３６】
図８は、光サンプラー１６０の第３の実施形態を概略的に示す。
本光サンプラーは、非線形光学結晶８１０、例えばＫＤＰ結晶を含み、モード阻止性レーザ１６１からのパルスＩＬと複製ループから抽出されるレプリカＲｉを混合する。ωＩＬ及びω２を、レーザ１６１、及び測定対象の波形を有するレーザパルスの、対応する光周波数とする。非線形結晶によって、ＰＩＬ．Ｐ２に比例するパワーを有する周波数ωＩＬ＋ω２の光信号が生成され、この場合、ＰＩＬ及びＰ２はそれぞれ、サンプリング信号及びレプリカパルスの瞬時電力である。この光信号は、周波数ωＩＬ＋ω２を中心とし、且つ周波数ωＩＬ及びω２を遮断する伝達関数を持つ光フィルタ８２０によって分離される。サンプリング信号の電力がゼロの場合、フィルタ出力での信号の電力はほぼゼロであり、パルスＩＬが照射される場合、出力信号の電力はレプリカパルスの瞬時電力に比例する。
【００３７】
図９は、光サンプラー１６０の第４の実施形態を示す。
本サンプラーは、非線形結晶又は光ファイバセグメント（ＦＯＰＡ）により作製される低利得パラメトリック増幅器９１０を含む。この増幅器はレーザ１６１のパルスＩＬによって励起される。この場合、パルスは安定で、雑音が少ししか発生しないようにする必要がある。励起中にレプリカパルスＲｉが増幅され、ポンプパワーとレプリカパルスの瞬時電力とに比例する対応する「アイドラー」信号が生じる。「アイドラー」信号の周波数２ωＩＬ−ω２を中心とし、且つ増幅済みレプリカ信号及び残留光を阻止する通過帯域フィルタ９２０が、パラメトリック増幅器の出力に配置されている。フィルタからの出力信号のみが、サンプリングパルスＩＬの存在下で現われ、その電力はレプリカパルスの瞬時電力に比例する。
【００３８】
有利には、本発明は光パルスだけでなく電気パルスにも適用することができる。この場合、測定対象の電気パルスを光パルスに変換するだけで十分である。従って、電気−光変調器をカプラー１００のポートａに配置することによりこの変換を行なう。電気−光変調器は、直接変調又は間接変調を行なう変調器とすることができる。通過帯域幅を最大にすることができる間接変調の場合においては、変調器の入力に低出力連続波安定化レーザ光源による供給を受ける。直接変調の場合、変調器は、例えばダイオードとすることができる。しかしながら、電気パルスの測定を行なう場合には、周波数特性がある程度悪化することを考慮する必要があり、電気−光変調器の伝達関数が、装置の動的なアナログ通過帯域に関する制限要素として作用する。対照的に、サンプリング時間分解能は維持される。
例えば、電気−光変調器は、電波吸収体又はポリマー技術を使用する変調器、或いは進行波変調器とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明による単一光パルスの測定装置を示す。
【図２】図１の装置に使用されるパラメトリック増幅器から出力される光信号のスペクトルを示す。
【図３】Ａ〜Ｃは、図１の測定装置の動作を示すタイムチャートを示す。
【図４】Ａ〜Ｃは、図１の測定装置における利得制御の使用方法を示すタイムチャートを示す。
【図５】光サンプラーの第１の変形実施形態を示す。
【図６】光サンプラーの第２の変形実施形態を示す。
【図７】Ａ〜Ｃは、図６に示す回路の動作を示すタイムチャートを示す。
【図８】光サンプラーの第３の変形実施形態を示す。
【図９】光サンプラーの第４の変形実施形態を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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