(57)【要約】【課題】拡大率に優れる高分解能な光サンプリング装置を提供する。【解決手段】被測定信号光から再生およびＮ分周された繰り返し周波数ｆ０／Ｎの光パルス列を発生し、オフセット周波数ＭΔｆを与えて周波数間隔が（ｆ０／Ｎ）−ＭΔｆの光信号にし、この周波数間隔が（ｆ０／Ｎ）−ＭΔｆの光信号をもとにＭ分周された（ｆ０／ＮＭ）−Δｆの光パルス列を発生するパルス光源を有し、これによりオフセット周波数を加える。【選択図】  図１
2004340812.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定信号光とパルス光の相互相関信号光を光ゲート素子で発生し、前記相互相関信号光に基づいて、前記被測定信号光の時間拡大された波形を表示する光サンプリング装置において、
繰り返し周波数ｆ０の被測定信号光からＮ分周（Ｎは自然数）された繰り返し周波数ｆ０／Ｎの光パルス列を出力する手段と、
この光パルス列からモード間隔ｆ０／Ｎの光信号を分波する手段と、
この分波した一方の光信号にオフセット周波数ＭΔｆ（Ｍは整数）を与える手段と、
この分波した光信号の位相を調整する手段と、
この分波した光信号と前記分波してオフセット周波数ＭΔｆを与えた光信号を合波して波長間隔（ｆ０／Ｎ）−ＭΔｆの光信号を出力する手段と、
前記波長間隔（ｆ０／Ｎ）−ＭΔｆの光信号を周波数（ｆ０／Ｎ）−ＭΔｆの電気信号に変換する手段と、
前記電気信号を周波数（ｆ０／ＮＭ）−ΔｆにＭ分周する手段と、
前記Ｍ分周された電気信号に同期した繰り返し周波数（ｆ０／ＮＭ）−Δｆの光パルス列を出力する手段と、
前記光パルス列と前記被測定信号光との相互相関信号光を発生する光ゲート素子と、
前記相互相関信号光を電気信号に変換する手段と、
前記電気信号を処理して被測定信号光波形を表示する電気処理系と
を備えたことを特徴とする光サンプリング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速の光信号の波形観測を行う光サンプリング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光サンプリング装置は、非線形光学結晶中の和周波数混合現象を用いて数ｐｓｅｃの分解能を実現しており、例えば、非特許文献１に記載されている。図３は従来の光サンプリング装置の構成の一例を示した図である。図３において実線は光信号の流れを、点線は電気信号の流れを示している。１、２２は光カプラ、２は光クロック抽出器、１１は信号処理部、１２は表示部、１８、２４は受光素子、１９は帯域フィルタ、２０はＰＬＬ回路、２１はサンプリング光源、２３は非線形光学材料である。なお、受光素子１８、２４としてはＰＩＮフォトダイオード、ＡＰＤや単一走行キャリアフォトダイオード（以下、ＵＴＣ−ＰＤと記す。例えば、特許文献１参照）を採用することができる。
【０００３】
繰り返し周波数ｆ０の被測定信号は光カプラ１で分岐され、一方は光クロック抽出器２に入力される。光クロック抽出器２では入力された被測定信号光に同期してＮ分周された繰り返し周波数ｆ０／Ｎの光パルス列が出力される。出力された繰り返し周波数ｆ０／Ｎの光パルス信号は受光素子１８で電気信号に変換され、中心周波数ｆｃ（＝ｆ０／Ｎ）の帯域フィルタ１９で周波数ｆ０／Ｎの正弦波信号がろ波されて、ＰＬＬ回路２０に入力される。
【０００４】
ＰＬＬ回路２０では、入力された周波数ｆ０／Ｎの正弦波信号はＭ分周され、オフセット周波数Δｆが与えられ、周波数（ｆ０／ＮＭ）−Δｆの正弦波信号としてサンプリング光源２１に供給される。サンプリング光源２１は半導体モード同期レーザやモード同期ファイバリングレーザなどの能動モード同期型のレーザで、外部から入力される電気信号に同期したパルス光が出力される。したがって、サンプリング光源２１はＰＬＬ回路に同期した繰り返し周期（ｆ０／ＮＭ）−Δｆのパルス光を出力する。
【０００５】
光カプラ２２ではサンプリング光源２１からのパルス光と被測定信号とが合波され、非線形光学材料２３に入力される。非線形光学材料２３は和周波数光発生（ＳＦＧ：Ｓｕｍ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）等の２次の非線形光学効果を有するＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ４）、その他の強誘電体結晶や四光波混合（ＦＷＭ：Ｆｏｕｒ  Ｗａｖｅ  Ｍｉｘｉｎｇ）等の３次の非線形光学効果を有する半導体光増幅器や光ファイバその他の石英系光導波路等からなり、入力された被測定信号光とパルス光の相互相関信号光を出力する。受光素子２４は非線形光学材料２３から出力される相互相関信号光を電気パルスに変換する。
【０００６】
信号処理部１１はサンプリング光源の繰り返し周波数（ｆ０／ＮＭ）−Δｆと同期して受光素子２４から入力される電気パルスのピーク値を抽出した後、オフセット周波数Δｆをトリガにして表示部で重ね書き表示する。時間軸上の拡大率はｆ０／（ＮＭΔｆ）となり、例えばｆ０＝１００ＧＨｚ、Ｎ＝１０、Ｍ＝１０、Δｆ＝１ＭＨｚで１０３倍となり、受光素子２４の応答速度が１００ＭＨｚで１００ＧＨｚの信号を観測することができる。
【０００７】
上記のようなＰＬＬ回路２０を用いてオフセット周波数を与える方法では、ＰＬＬ回路２０の入力周波数が１０ＧＨｚ程度に制限されてしまう。したがって、光クロック抽出器２で再生分周された光クロック信号の繰り返し周期が１０ＧＨｚ以上の場合には、電気信号に変換した後で分周器などを用いて１０ＧＨｚ以下の低繰り返し周期にする必要がある。このため、１０ＧＨｚ以上の繰り返し周期の光クロック信号に直接オフセット周波数を与えることは困難となる。
【０００８】
これに対し、例えば、非特許文献２に記載されているように、ミクサと帯域フィルタとの組み合わせによる方法では、１０ＧＨｚ以上の繰り返し周期の光クロック信号に直接オフセット周波数を与えることができる。図４に従来の別の技術の構成を示す。１、２２は光カプラ、２は光クロック抽出器、４は発振器、１１は信号処理部、１２は表示部、１８、２４は受光素子、１９、２６は帯域フィルタ、２１はサンプリング光源、２３は非線形光学材料、２５はミクサである。
【０００９】
繰り返し周波数ｆ０の被測定信号光は光カプラ１で分岐されて一方は光クロック抽出器２に入力される。光クロック抽出器２では入力された被測定信号光に同期してＮ分周された繰り返し周波数ｆ０／Ｎの光パルス信号が出力される。出力された繰り返し周波数ｆ０／Ｎの光パルス信号は受光素子１８で電気信号に変換され、中心周波数ｆ０／Ｎの帯域フィルタ１９で周波数ｆ０／Ｎの正弦波信号がろ波されて、ミクサ２５に入力される。ミクサ２５には発振器４からオフセット周波数δｆの正弦波信号が入力され、周波数（ｆ０／Ｎ）＋δｆと周波数（ｆ０／Ｎ）−δｆの電気信号が出力されて中心周波数（ｆ０／Ｎ）−δｆの帯域フィルタ２６により（ｆ０／Ｎ）−δｆの正弦波信号がろ波されてサンプリング光源２１に供給される。
【００１０】
サンプリング光源２１からは入力された正弦波信号に同期した繰り返し周波数（ｆ０／Ｎ）−δｆのパルス光が出力されて、光カプラ２２に入力される。光カプラ２２で被測定信号光とパルス光とが合波され、非線形光学材料２３に出力される。非線形光学材料２３では非測定信号光とパルス光の相互相関信号光を出力する。受光素子２４は非線形光学材料２３から出力される相互相関信号光を電気パルス信号に変換する。信号処理部１１はサンプリング光源の繰り返し周波数（ｆ０／ＮＭ）−δｆと同期して受光素子２４から入力される電気パルス信号のピーク値を抽出した後、オフセット周波数δｆをトリガにして表示部で重ね書き表示する。時間軸上の拡大率はｆ０／（ＮＭδｆ）となり、例えばｆ０＝１００ＧＨｚ、Ｎ＝１０、Ｍ＝１０、δｆ＝１０ＭＨｚとすると、１００倍となる。
【００１１】
したがって、ＡＰＤの応答速度が１００ＭＨｚでも１００ＧＨｚの信号が観測できる。しかし、一般的にＱ値が１０００以上のフィルタを実現することは困難なため、上記のようなミクサと帯域フィルタとを組み合わせてδｆを与える方法では、δｆを１０ＭＨｚ以下にできない。
【００１２】
【非特許文献１】
“光サンプリング光信号波形測定法の高感度化の検討”高良他、電子情報通信学会技術研究報告Ｖｏｌ．９６，Ｎｏ．６４，ｐｐ．２９−３６（１９９６）
【非特許文献２】
“和周波光発生を用いた光サンプリングによる超高速光波形測定法”（高良他、電子情報通信学会論文誌Ｂ−１，Ｖｏｌ．Ｊ７５−Ｂ−Ｉ  Ｎｏ．５  ｐｐ，３７２−３８０，１９９２年５月
【特許文献１】
特開平９−２７５２２４号公報
【特許文献２】
特開平１１−３１１７６０号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の光サンプリング装置では、繰り返し周波数ｆ０の被測定信号光に同期して周波数（ｆ０／Ｎ）−Δｆの信号を出力するのが一般的である。最初に光クロック抽出回路で被測定信号光から繰り返し周波数ｆ０／Ｎの光クロック信号を再生分周する。引き続き、受光素子（例えばＡＰＤやＵＴＣ−ＰＤ）で電気信号に変換し、ＰＬＬ回路やミクサと帯域フィルタの組み合わせなどを用いてオフセット周波数Δｆを与え、周波数（ｆ０／Ｎ）−Δｆの正弦波信号を出力する。ＰＬＬ回路を用いてオフセット周波数Δｆを与える場合には、ＰＬＬ回路の分周器や位相比較器の動作速度の制限により、ＰＬＬ回路への入力信号は１０ＧＨｚ程度に分周しなければならない。従って、１００ＧＨｚ以上の繰り返し周期の分周再生クロックに直接オフセット周波数を与えることができない。
【００１４】
一方、１０ＧＨｚ以上の分周再生クロックに直接オフセット周波数を与える方法として、ミクサと帯域フィルタとを組み合わせる方法がある。しかし、一般的に帯域フィルタのＱ値は１０００程度が限界なため、１０ＧＨｚ以上でオフセット周波数を１０ＭＨｚ以下にするのが困難となる。オフセット周波数はサンプリング波形の時間軸上の拡大率と関係しており、オフセット周波数を小さくできない場合には、十分な拡大率が得られない問題がある。このように、再生分周された高繰り返し周期の光クロック信号に１００ｋＨｚ程度の小さなオフセット周波数を与えることが課題となる。
【００１５】
本発明は、このような背景に行われたものであって、拡大率に優れる高分解能な光サンプリング装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高速の光信号の波形を時間的に拡大して観測する光サンプリング装置である。時間的に拡大した波形観測を行うためには、分周された繰り返し周波数に、それに比べて小さなオフセット周波数を加える過程が必要となり、オフセット周波数が低ければ低いほど、時間的な拡大率を大きくとることができる。従来の方式では、この過程を電気的に行っていたため、オフセット周波数は１０ＭＨｚ程度まで低くすることしかできなかったが、本発明では、この過程を光学的に行うことにより、オフセット周波数を、例えば、従来の１／１００の１００ｋＨｚ程度まで低くすることができることを特徴とする。これにより、拡大率を１００倍にすることができ、１０ＧＨｚ以上の高速な光信号の波形を容易に観測することができる。
【００１７】
すなわち、本発明は、被測定信号光とパルス光の相互相関信号光を光ゲート素子で発生し、前記相互相関信号光に基づいて、前記被測定信号光の時間拡大された波形を表示する光サンプリング装置である。
【００１８】
ここで、本発明の特徴とするところは、繰り返し周波数ｆ０の被測定信号光からＮ分周（Ｎは自然数）された繰り返し周波数ｆ０／Ｎの光パルス列を出力する手段と、前記光パルス列からモード間隔ｆ０／Ｎの光信号を分波する手段と、この分波した一方の光信号にオフセット周波数ＭΔｆ（Ｍは整数）を与える手段と、この分波した光信号の位相を調整する手段と、この分波した光信号と前記分波してオフセット周波数ＭΔｆを与えた光信号を合波して波長間隔（ｆ０／Ｎ）−ＭΔｆの光信号を出力する手段と、前記波長間隔（ｆ０／Ｎ）−ＭΔｆの光信号を周波数（ｆ０／Ｎ）−ＭΔｆの電気信号に変換する手段と、前記電気信号を周波数（ｆ０／ＮＭ）−ΔｆにＭ分周する手段と、前記Ｍ分周された電気信号に同期した繰り返し周波数（ｆ０／ＮＭ）−Δｆの光パルス列を出力する手段と、前記光パルス列と前記被測定信号光との相互相関信号光を発生する光ゲート素子と、前記相互相関信号光を電気信号に変換する手段と、前記電気信号を処理して被測定信号光波形を表示する電気処理系とを備えたところにある。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明実施形態について詳細に説明する。
【００２０】
図１は本実施形態の光サンプリング装置の構成図である。１は光カプラ、２は光クロック抽出器、３は光周波数シフタ、４は発振器、５、１０は受光素子、６、１３は分周器、７は帯域フィルタ、８はサンプリング光源、９はＵＴＣ−ＰＤと電界吸収型光変調器（ＥＡＭ）とをモノリシック集積化したＰＤ−ＥＡＭ素子（例えば、特許文献２参照）、１１は信号処理部、１２は表示部である。
【００２１】
また、受光素子５、１０としては、ＡＰＤやＵＴＣ−ＰＤを採用することができる。図１中において、実線は光信号の流れを、点線は電気信号の流れを示している。
【００２２】
次に、図１の光サンプリング装置の動作について説明する。繰り返し周波数ｆ０の被測定信号光は光カプラ１で分岐されて光クロック抽出器２に入力される。光クロック抽出器２では被測定信号光と同期してＮ分周（Ｎは自然数）された繰り返し周波数ｆ０／Ｎの光パルス列を光周波数シフタ３に出力する。図２には光周波数シフタ３の構成例を示しており、アレイ導波路（以下ＡＷＧと略す）１４、移相器１５、音響光学変調器１６、発振器４、光カプラ１７から構成されている。
【００２３】
ＡＷＧ１４には光クロック抽出器２で再生およびＮ分周された繰り返し周波数ｆ０／Ｎの光クロック信号が入力される。ＡＷＧ１４ではスペクトル間隔がｆ０／Ｎの光信号は分波され、一方の光信号は移相器１５に入力される。移相器１５では、分波されたもう一方の光信号の位相と一致するように調整して光カプラ１７に出力する。分波されたもう一方の光信号は音響光学変調器１６に入力される。
【００２４】
音響光学変調器１６に周波数ＭΔｆ（Ｍは整数で、図２ではＭ＝１の場合を示している）の音響波が入力されている場合、入力光（周波数＝ω０）に対して、０次回折光の周波数はω０、１次回折光の周波数はω０−ＭΔｆ、２次回折光の周波数はω０−２ＭΔｆ、…、Ｌ次回折光（Ｌは整数で、図２ではＬ＝１の場合を示している）の周波数はω０−ＬＭΔｆにそれぞれ周波数シフトする。音響光学変調器１６の出力光として１次回折光を選択した場合には、入力された光信号の周波数に対してＭΔｆシフトされて光カプラ１７に入力される。光カプラ１７で再び合波された波長間隔は（ｆ０／Ｎ）−ＭΔｆとなり、繰り返し周波数ｆ０／Ｎに対して常に、ＭΔｆの周波数差を有する光信号として出力される。
【００２５】
周波数差が（ｆ０／Ｎ）−ＭΔｆの光信号は受光素子５で周波数（ｆ０／Ｎ）−ＭΔｆの電気信号に変換され、分周器６でＭ分周（Ｍは自然数）されて繰り返し周波数（ｆ０／ＮＭ）−Δｆの電気信号を出力し、中心周波数（ｆ０／ＮＭ）−Δｆの帯域フィルタ７により不要波を取り除き、サンプリング光源８への入力信号とする。なお、Ｍが１の場合には、分周器６や帯域フィルタ７は不要となる。また、帯域フィルタ７はミキサ出力ではなく分周器出力を帯域制限するため、図４に示す従来例の帯域フィルタ２６よりも帯域を広くできる。
【００２６】
サンプリング光源８としては利得スイッチＤＦＢ−ＬＤや半導体モード同期レーザなどの能動モード同期型のレーザで、外部から入力される電気信号に同期したパルス光が出力される。従ってサンプリング光源８で出力される繰り返し周期（ｆ０／ＮＭ）−Δｆのサンプリングパルス光と光カプラ１で分岐されたもう一方の被測定信号光はＰＤ−ＥＡＭ素子９に入力され、サンプリングパルス光と被測定信号光の相互相関信号光が出力される。なお、ここではＰＤ−ＥＡＭ素子９を用いて相互相関信号光を出力したが、ＰＤ−ＥＡＭ素子９の代わりに非線形光学材料２３を用いてもよい。
【００２７】
相互相関信号光は受光素子１０で電気信号に変換され、信号処理部１１に入力される。信号処理部１１では、サンプリング光の繰り返し周期（ｆ０／ＮＭ）−Δｆと同期して受光素子１０から入力される電気パルスのピーク値を抽出した後、発振器４のオフセット周波数ＭΔｆをＭ分周した周波数Δｆの電気信号をトリガにして表示部で重ね書きして時間拡大された被測定信号光を表示する。なお、本実施形態において、各電気配線部には電気増幅器を、各光配線部にはファイバ増幅器や光半導体増幅器などの光増幅器を必要に応じて適宜挿入してもよい。
【００２８】
このような構成を用いることで、光周波数シフタ３のＡＷＧ１４では１０ＧＨｚから１００ＧＨｚの周波数差の光信号が分波でき、音響光学変調器１６では１００ｋＨｚから１ＧＨｚの周波数シフトが可能である。従って、繰り返し周期が１０ＧＨｚから１００ＧＨｚの再生分周された光クロック信号に１００ｋＨｚのオフセット周波数を容易に与えることができる。１０ＧＨｚ以上の高繰り返し周期のサンプリング光を用いることでジッタが低減でき、高分解能な光サンプリングが可能となる。また、サンプリング波形の拡大率はｆ０／（ＮＭΔｆ）と表され、オフセット周波数Δｆは相互相関信号光の拡大率を決定する要因の一つとなる。本発明の構成ではΔｆは１００ｋＨｚ、従来例では１０ＭＨｚであるため、本発明の拡大率は従来例と比べて１００倍改善される。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ＡＷＧと音響光学変調器を用いて再生分周された光クロック信号にオフセット周波数を与えるため、拡大率に優れる高分解能な光サンプリング装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施形態の光サンプリング装置の構成図。
【図２】光周波数シフタの構成例を示した図。
【図３】従来の光サンプリング装置の構成の一例を示す図。
【図４】従来の光サンプリング装置の構成の一例を示す図。
【符号の説明】
１、１７、２２  光カプラ
２  光クロック抽出器
３  光周波数シフタ
４  発振器
５、１０、１８、２４  受光素子
６、１３  分周器
７、１９、２３、２６  帯域フィルタ
８、２１  サンプリング光源
９  ＰＤ−ＥＡＭ素子
１１  信号処理部
１２  表示部
１４  ＡＷＧ
１５  移相器
１６  音響光学変調器
２０  ＰＬＬ回路
２３  非線形光学材料
２５  ミクサ
【図１】
2004340812.tif 000003
【図２】
2004340812.tif 000004
【図３】
2004340812.tif 000005
【図４】
2004340812.tif 000006