(57)【要約】【課題】光パルスまたはパルス列のタイミングゆらぎをフェムト秒オーダーの時間分解能で且つリアルタイムに検出することができる光パルスタイミング検出装置等を提供する。【解決手段】制御光パルス２ａの照射時に照射部分にのみオン状態の領域が形成される光スイッチ３０を用い、光スイッチ３０に制御光パルス２ａを照射して、入射する信号光パルス１Ａ〜１Ｆをオン状態の領域で透過させて信号光パルス１Ａ〜１Ｆの光路を空間的に切替える。光スイッチ３０のオン状態の領域で透過された出力光パルス３Ａｕ〜３Ｆｐを、複数の画素を備えた光検出器４０の透過領域に対応する画素で検出する。タイミング演算部１００は、光検出器４０の検出結果に基づいて所定の出力光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、この画素の位置情報とこの画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、所定の信号光パルスが光スイッチ３０に到達したタイミングを演算する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御光パルスの照射時に照射部分にのみオン状態の領域が形成され、入射する信号光パルスを前記オン状態の領域で透過又は反射させて前記信号光パルスの光路を空間的に切替える光スイッチと、
複数の画素を備え且つ前記光スイッチのオン状態の領域で透過又は反射された信号光パルスを該領域に対応する画素で検出する光検出器と、
前記光検出器の検出結果に基づいて所定の信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、該画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、所定の信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算するタイミング演算部と、
を備えた光パルスタイミング検出装置。
【請求項２】
前記光スイッチは、入射する信号光パルスの進行方向に対して垂直に配置されると共に、前記制御光パルスの進行方向に対し所定角度傾けて配置された請求項１に記載の光パルスタイミング検出装置。
【請求項３】
前記光スイッチは、前記制御光パルスの進行方向に対して垂直に配置されると共に、入射する信号光パルスの進行方向に対し所定角度傾けて配置された請求項１に記載の光パルスタイミング検出装置。
【請求項４】
前記制御光パルスを、前記信号光パルスの入射タイミングに同期して前記光スイッチに照射する請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光パルスタイミング検出装置。
【請求項５】
前記光検出器を、フォトダイオードの表面抵抗を利用したスポット光の位置センサで構成した請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光パルスタイミング検出装置。
【請求項６】
前記光検出器を、ＣＣＤカメラで構成した請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光パルスタイミング検出装置。
【請求項７】
前記光検出器を、フォトディテクタアレイで構成した請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光パルスタイミング検出装置。
【請求項８】
前記光スイッチと前記光検出器との間に、拡大光学系又は縮小光学系を配置した請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光パルスタイミング検出装置。
【請求項９】
前記光スイッチは、光照射により吸収係数が変化し且つ緩和時間が短い非線形光学材料を含む機能性薄膜を備えた請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光パルスタイミング検出装置。
【請求項１０】
前記光スイッチは、前記非線形光学材料の過飽和吸収を利用してオン状態の領域を形成する請求項９に記載の光パルスタイミング検出装置。
【請求項１１】
前記光スイッチは、前記非線形光学材料の光カー効果を利用してオン状態の領域を形成する請求項９に記載の光パルスタイミング検出装置。
【請求項１２】
前記機能性薄膜が、色素分子膜である請求項９乃至１１のいずれか１項に記載の光パルスタイミング検出装置。
【請求項１３】
前記色素分子膜が、スクエアリリウム色素のＪ−会合体で構成された請求項１２に記載の光パルスタイミング検出装置。
【請求項１４】
前記光検出器の出力信号に対して信号処理を施す信号処理装置を更に備えた請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の光パルスタイミング検出装置。
【請求項１５】
前記信号処理によって、前記光検出器の空間解像度よりも細かい分解能で光パルスの空間位置を検出する請求項１４に記載の光パルスタイミング検出装置。
【請求項１６】
制御光パルスの照射時に照射部分にのみオン状態の領域が形成される光スイッチを用い、該光スイッチに制御光パルスを照射して、入射する信号光パルスを前記オン状態の領域で透過又は反射させて前記信号光パルスの光路を空間的に切替え、
前記光スイッチのオン状態の領域で透過又は反射された信号光パルスを、複数の画素を備えた光検出器の前記領域に対応する画素で検出し、
前記光検出器の検出結果に基づいて所定の信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、
該画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、所定の信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算する、
光パルスタイミング検出方法。
【請求項１７】
前記光検出器の出力信号に対して信号処理を施す請求項１６に記載の光パルスタイミング検出方法。
【請求項１８】
前記信号処理によって、前記光検出器の空間解像度よりも細かい分解能で光パルスの空間位置を検出する請求項１７に記載の光パルスタイミング検出方法。
【請求項１９】
制御光パルスの照射時に照射部分にのみオン状態の領域が形成され、入射する信号光パルスを前記オン状態の領域で透過又は反射させて前記信号光パルスの光路を空間的に切替える光スイッチと、
複数の画素を備え且つ前記光スイッチのオン状態の領域で透過又は反射された信号光パルスを該領域に対応する画素で検出する光検出器と、
前記光検出器の検出結果に基づいて所定の信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、該画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、所定の信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算するタイミング演算部と、
前記タイミング演算部で演算されたタイミングに基づいて、後続する信号光パルスを遅延させる遅延装置と、
を備え、
信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを調整する光パルスタイミング調整装置。
【請求項２０】
前記光検出器の出力信号に対して信号処理を施す請求項１９に記載の光パルスタイミング調整装置。
【請求項２１】
前記信号処理によって、前記光検出器の空間解像度よりも細かい分解能で光パルスの空間位置を検出する請求項２０に記載の光パルスタイミング調整装置。
【請求項２２】
前記遅延装置は、後続する信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングが所望のタイミングとなるように、後続する信号光パルスを遅延させる請求項１９乃至２１のいずれか１項に記載の光パルスタイミング調整装置。
【請求項２３】
制御光パルスの照射時に照射部分にのみオン状態の領域が形成され、入射する複数種類の信号光パルスを前記オン状態の領域で透過又は反射させて前記複数種類の信号光パルスの光路を空間的に切替える光スイッチと、
複数の画素を備え且つ前記光スイッチのオン状態の領域で透過又は反射された複数種類の信号光パルスを該領域に対応する画素で検出する光検出器と、
前記光検出器の検出結果に基づいて所定の信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、該画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、所定の信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算するタイミング演算部と、
前記信号光パルスの種類毎に設けられ、前記タイミング演算部で演算されたタイミングに基づいて、複数種類の信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングが所定のタイミングとなるように、後続する信号光パルスを遅延させる複数の遅延装置と、
を備え、
複数種類の信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを各々調整する光パルスタイミング調整装置。
【請求項２４】
前記遅延装置は、前記光スイッチまでの信号光パルスの光路長を変化させて、後続する信号光パルスを遅延させる請求項１９乃至２３のいずれか１項に記載の光パルスタイミング調整装置。
【請求項２５】
制御光パルスの照射時に照射部分にのみオン状態の領域が形成される光スイッチを用い、該光スイッチに制御光パルスを照射して、入射する信号光パルスを前記オン状態の領域で透過又は反射させて前記信号光パルスの光路を空間的に切替え、
前記光スイッチのオン状態の領域で透過又は反射された信号光パルスを、複数の画素を備えた光検出器の前記領域に対応する画素で検出し、
前記光検出器の検出結果に基づいて所定の信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、
該画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、所定の信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算し、
演算されたタイミングに基づいて、後続する信号光パルスを遅延させて、信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを調整する、
光パルスタイミング調整方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光パルスタイミング検出装置、光パルスタイミング検出方法、光パルスタイミング調整装置、及び光パルスタイミング調整方法にかかり、特に、光パルスまたはパルス列のタイミングゆらぎをフェムト秒オーダーの時間分解能で検出することができる光パルスタイミング検出装置及び光パルスタイミング検出方法と、その検出結果に基づいて光パルスまたはパルス列のタイミングを調整する光パルスタイミング調整装置及び光パルスタイミング調整方法と、に関する。即ち、本発明は、超高速光信号の計測技術、及び光時分割多重等の超高速光通信技術におけるジッター・スキューの計測・補償方式に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光パルスを用いた信号処理、信号伝送、計測においては、光パルスの時間的ゆらぎが、信号対雑音比や分解能を劣化させる大きな要因となっている。一方で、光パルスの計測においては、微小な時間差を電気的に検出するのは非常に難しいことが知られている。例えば、超高速の光時分割多重方式（ＯＴＤＭ：Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）では、パルス間隔が１ピコ秒（ｐｓ：１０−１２秒）以下となり、光電子変換を伴う光電子技術では原理的に光パルスのタイミングゆらぎを検出することができない。しかしながら、このような高速の光現象の計測と制御は、高速の光パルス伝送を実現するには不可欠な技術である。
【０００３】
現在、テラビット級の超高速ＯＴＤＭ技術の実験的検証が行われている。この実験的検証では、４０ギガビット／秒（Ｇｂｉｔ／ｓ）又は１０Ｇｂｉｔ／ｓのパルス光源（例えば、モードロックレーザ）を用い、このパルス光源と光変調器との組み合わせによって４０Ｇｂｉｔ／ｓ又は１０Ｇｂｉｔ／ｓのビット列を生成し、Ｎ個のパルス光源からのビット列の各々を、光導波路等により適当な時間差を付けつつ複製し、合成することによって、元のパルス光源のＮ倍のビットレートで多重化する場合が多い。
【０００４】
分散補償や光伝送の基本的性能の検証を目的とする場合には、上記の構成でも対応可能である。しかしながら、超高速ＯＴＤＭの各タイムスロットを別々の信号源からの情報によって構成するためには、複数の信号源を微少な時間差を付けつつ多重化する技術を確立する必要がある。例えば、図１５に示すように、信号源１〜信号源４からの光パルスをマルチプレクサＭＵＸで多重化してＯＴＤＭ信号を得る場合には、個別の信号源又はその間を結ぶ各種システムは、それぞれ様々な要因による擾乱を受けているため、それぞれの信号源からの光パルスを、ＯＴＤＭ信号の適当なタイムスロットＡ〜Ｄにいかに適正に組み込むかが課題となる。しかも、超高速ＯＴＤＭでは、そのタイムスロットはピコ秒程度しかなく、３００フェムト秒程度のジッターしか許容されない。このようにジッターを厳密に補正しなければならない場合、ジッターをリアルタイムに計測して補正する必要がある。
【０００５】
従来、この光パルスの時間的ゆらぎやズレを検出する方法としては、Ｆ．  Ｓａｌｉｎらによって提案された非線形光学結晶を用いた和周波・差周波を利用する方法が一般的に知られている（例えば、非特許文献１参照）。この方法では、二つの光パルスを時間的な位置関係が一部重なるように非線形光学結晶に入射させた際に、その周波数の和（または差）に相当する和周波光が発生する。その和周波光を受信器で受信し、最も光強度が強くなった点を二つの光パルスの時間的位置が合致している点とし、その点での強度と時間的位置がずれた点での強度との差に基づいて、合致している点からの時間差、即ち、光パルスの時間的ズレを計算する。
【０００６】
また、非特許文献１記載の方法を応用して、和周波光を観測する和周波光受信器を備えた高速光パルスのタイミング検出回路も提案されている（例えば、特許文献１参照）。このタイミング検出回路では、和周波光受信器の受信信号の増減を信号識別回路で検出し、この検出結果を遅延制御用信号として光遅延制御回路（光路長制御器）へフィードバックすることで、最適遅延位置に光パルスタイミングを調整制御している。
【０００７】
なお、和周波光を発生する非線形光学結晶に代えて、二光子吸収電力を発生する受光素子を用いることもできる。二光子吸収電力を利用する際は、パルスの重なり部分に発生する二光子吸収電力の増減を測定することによって時間差を計算している。
【０００８】
【非特許文献１】
Ｆ．Ｓａｌｉｎ，  Ｐ．Ｇｅｏｒｇｅｓ，  Ｇ．Ｒｏｇｅｒ，  ａｎｄ  Ａ．Ｂｒｕｎ，  ”Ｓｉｎｇｌｅ−ｓｈｏｔ  ｍｅａｓｕｒｅｅｎｔ  ｏｆ  ａ  ５２−ｆｓ  ｐｕｌｓｅ”  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ｖｏｌ．２６  Ｎｏ．２１  （１９８７）
【特許文献１】
特開２００１−５３６８４号公報（図４、段落００６３〜段落００６４）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、和（差）周波や二光子吸収電力を用いた光パルスタイミング検出方法は、リアルタイムの計測には不向きである。即ち、和（差）周波や二光子吸収電圧を用いた光パルスタイミング検出方法では、まず、ピークの位置（パルスの重なり）を検出し、その位置から光強度（二光子吸収の場合は電力）の差によって時間差を計測しているため、一見どの程度の時間差がついているのか分かり難く、計測に手間が掛かり過ぎる。
【００１０】
また、和（差）周波を用いた光パルスタイミング検出方法では、基本的に和（差）周波光が被検出光と同軸ではなく、光パルスの波長が変化すると結晶の角度・検出器の角度を変える必要があり調整が煩雑であるといった問題や、非線形光学効果を用いているため強度の弱い光パルスの場合は検出が難しいといった問題がある。
【００１１】
更に、二光子吸収電力を利用した光パルスタイミング検出方法では、ある程度のオン・オフ比を得るためには、被検出光パルス及び基準光パルスともに非常に強度の強い光パルスを必要とし、それゆえバックグラウンド（ノイズ）も大きくなるという問題があった。
【００１２】
本発明は上記の問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、光パルスまたはパルス列のタイミングゆらぎをフェムト秒オーダーの時間分解能で且つリアルタイムに検出することができる光パルスタイミング検出装置及び光パルスタイミング検出方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、光パルスまたはパルス列のタイミングをフェムト秒オーダーの時間分解能で且つリアルタイムに調整することができる光パルスタイミング調整装置及び光パルスタイミング調整方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
（光パルスタイミング検出装置）
上記目的を達成するために本発明の光パルスタイミング検出装置は、制御光パルスの照射時に照射部分にのみオン状態の領域が形成され、入射する信号光パルスを前記オン状態の領域で透過又は反射させて前記信号光パルスの光路を空間的に切替える光スイッチと、複数の画素を備え且つ前記光スイッチのオン状態の領域で透過又は反射された信号光パルスを該領域に対応する画素で検出する光検出器と、前記光検出器の検出結果に基づいて所定の信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、該画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、所定の信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算するタイミング演算部と、を備えたことを特徴としている。
【００１４】
本発明の光パルスタイミング検出装置では、制御光パルスの照射時に照射部分にのみオン状態の領域が形成される光スイッチを用い、該光スイッチに制御光パルスを照射して、入射する信号光パルスを前記オン状態の領域で透過又は反射させて前記信号光パルスの光路を空間的に切替える。前記光スイッチのオン状態の領域で透過又は反射された信号光パルスは、複数の画素を備えた光検出器の前記領域に対応する画素で検出される。このように光検出器の画素と前記光スイッチの領域とを対応づけておくことで、画素の位置情報から該画素に対応する領域を特定することができる。
【００１５】
タイミング演算部は、前記光検出器の検出結果に基づいて所定の信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、該画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、所定の信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算する。即ち、所定の信号光パルスを検出した画素の位置情報が取得されると、この画素の位置情報から該画素に対応する時刻を特定することができる。そして、この領域がオン状態にされた時刻が分かれば、所定の信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを求めることができる。このように、タイミング演算部では複雑な演算を行わないので、リアルタイムでの計測が可能になる。
【００１６】
ここで、信号光パルスが光スイッチに到達するタイミングの検出精度は、光スイッチの切り替え速度に依存する。本発明では、制御光パルスの照射により光スイッチの切り替えを行っているので、フェムト秒オーダーの制御光パルスでオンオフ動作させることができる。従って、光パルスまたはパルス列のタイミングゆらぎをフェムト秒オーダーの時間分解能で検出することができる。
【００１７】
上記の光パルスタイミング検出装置において、光スイッチを、入射する信号光パルスの進行方向に対して垂直に配置すると共に、前記制御光パルスの進行方向に対し所定角度傾けて配置することができる。この場合、制御光パルスにより光スイッチが所定方向に走査されて、あたかもスリットが移動するようにオン状態の領域が順次形成される。また、光スイッチを傾ける角度を適宜変更することによって、タイミング検出の時間分解能とダイナミックレンジとを調整することができる。
【００１８】
また、前記制御光パルスの進行方向に対して垂直に配置すると共に、入射する信号光パルスの進行方向に対し所定角度傾けて配置してもよい。この場合、光スイッチの照射領域全体が、制御光パルスにより所定の時間間隔でオン状態とされる。なお、制御光パルスは、前記信号光パルスの入射タイミングに同期して前記光スイッチに照射するのが好ましい。また、この場合も、光スイッチを傾ける角度を適宜変更することによって、タイミング検出の時間分解能とダイナミックレンジとを調整することができる。
【００１９】
上記の光パルスタイミング検出装置において、前記光検出器としては、例えば、フォトダイオードの表面抵抗を利用したスポット光の位置センサ、ＣＣＤカメラ、又はフォトディテクタアレイを用いることができる。また、この光検出器と光スイッチとの間には、拡大光学系又は縮小光学系を配置してもよい。光検出器上での結像倍率を適宜変更することによって、タイミング検出の時間分解能とダイナミックレンジを調整することができる。
【００２０】
前記光スイッチとしては、光照射により吸収係数が変化し且つ緩和時間が短い非線形光学材料を含む機能性薄膜を備えた光スイッチを用いることができる。この光スイッチでは、前記非線形光学材料の過飽和吸収を利用してオン状態の領域を形成してもよく、前記非線形光学材料の光カー効果を利用してオン状態の領域を形成してもよい。また、前記機能性薄膜としては、色素分子膜が好ましく、スクエアリリウム色素のＪ−会合体で構成された色素分子膜が特に好ましい。
【００２１】
上記の光パルスタイミング検出装置では、光検出器の出力を元に信号処理を施す信号処理装置を更に設けることができる。例えば、ＣＣＤあるいはフォトディテクタアレイの複数画素に対して、一定の形状の信号パルスが計測されるとき、検出される出力信号の重心位置を計算することによって、信号光パルスの存在位置をサブピクセルの精度で検出することが可能になる。
【００２２】
（光パルスタイミング検出方法）
上記目的を達成するために本発明の光パルスタイミング検出方法は、制御光パルスの照射時に照射部分にのみオン状態の領域が形成される光スイッチを用い、該光スイッチに制御光パルスを照射して、入射する信号光パルスを前記オン状態の領域で透過又は反射させて前記信号光パルスの光路を空間的に切替え、前記光スイッチのオン状態の領域で透過又は反射された信号光パルスを、複数の画素を備えた光検出器の前記領域に対応する画素で検出し、前記光検出器の検出結果に基づいて所定の信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、該画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、所定の信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算する、ことを特徴とする。
【００２３】
上記の光パルスタイミング検出方法では、光検出器の出力を元に信号処理を施すことができる。例えば、ＣＣＤあるいはフォトディテクタアレイの複数画素に対して、一定の形状の信号パルスが計測されるとき、検出される出力信号の重心位置を計算することによって、信号光パルスの存在位置をサブピクセルの精度で検出することが可能になる。
【００２４】
（光パルスタイミング調整装置）
上記目的を達成するために本発明の光パルスタイミング調整装置は、制御光パルスの照射時に照射部分にのみオン状態の領域が形成され、入射する信号光パルスを前記オン状態の領域で透過又は反射させて前記信号光パルスの光路を空間的に切替える光スイッチと、複数の画素を備え且つ前記光スイッチのオン状態の領域で透過又は反射された信号光パルスを該領域に対応する画素で検出する光検出器と、前記光検出器の検出結果に基づいて所定の信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、該画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、所定の信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算するタイミング演算部と、前記タイミング演算部で演算されたタイミングに基づいて、後続する信号光パルスを遅延させる遅延装置と、を備え、信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを調整することを特徴とする。
【００２５】
本発明の光パルスタイミング調整装置は、遅延装置により、タイミング演算部で演算されたタイミングに基づいて、後続する信号光パルスを遅延させて、信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを調整する。この調整装置では、上述した光パルスタイミング検出装置の構成を備えることで、光パルスまたはパルス列のタイミングゆらぎをフェムト秒オーダーの時間分解能で検出することができるので、光パルスまたはパルス列のタイミングをフェムト秒オーダーの時間分解能で調整することができる。また、タイミング演算部ではリアルタイムでタイミングを演算することができるので、これに基づいてリアルタイムで到達タイミングを調整することができる。
【００２６】
上記の光パルスタイミング調整装置において、前記遅延装置は、後続する信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングが所望のタイミングとなるように、後続する信号光パルスを遅延させるように構成することができる。また、前記遅延装置としては、前記光スイッチまでの信号光パルスの光路長を変化させて、後続する信号光パルスを遅延させる装置を用いることができる。
【００２７】
また、複数種類の信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを各々調整することもできる。例えば、光パルスタイミング調整装置を、制御光パルスの照射時に照射部分にのみオン状態の領域が形成され、入射する複数種類の信号光パルスを前記オン状態の領域で透過又は反射させて前記複数種類の信号光パルスの光路を空間的に切替える光スイッチと、複数の画素を備え且つ前記光スイッチのオン状態の領域で透過又は反射された複数種類の信号光パルスを該領域に対応する画素で検出する光検出器と、前記光検出器の検出結果に基づいて所定の信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、該画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、所定の信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算するタイミング演算部と、前記信号光パルスの種類毎に設けられ、前記タイミング演算部で演算されたタイミングに基づいて、複数種類の信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングが所定のタイミングとなるように、後続する信号光パルスを遅延させる複数の遅延装置と、を備えるように構成することができる。
【００２８】
（光パルスタイミング調整方法）
上記目的を達成するために本発明の光パルスタイミング調整方法は、制御光パルスの照射時に照射部分にのみオン状態の領域が形成される光スイッチを用い、該光スイッチに制御光パルスを照射して、入射する信号光パルスを前記オン状態の領域で透過又は反射させて前記信号光パルスの光路を空間的に切替え、前記光スイッチのオン状態の領域で透過又は反射された信号光パルスを、複数の画素を備えた光検出器の前記領域に対応する画素で検出し、前記光検出器の検出結果に基づいて所定の信号光パルスを検出した画素の位置情報を取得し、該画素の位置情報と該画素に対応する領域がオン状態にされた時刻とに基づいて、所定の信号光パルスが前記光スイッチに到達したタイミングを演算し、演算されたタイミングに基づいて、後続する信号光パルスを遅延させて、信号光パルスの前記光スイッチへの到達タイミングを調整する、ことを特徴としている。
【００２９】
上記の光パルスタイミング調整方法では、光検出器の出力を元に信号処理を施すことができる。例えば、ＣＣＤあるいはフォトディテクタアレイの複数画素に対して、一定の形状の信号パルスが計測されるとき、検出される出力信号の重心位置を計算することによって、信号光パルスの存在位置をサブピクセルの精度で検出することが可能になる。
【００３０】
なお、本発明の光パルスタイミング検出方法は、レーザーパルスの比較に基づく光パルス計測装置、高速の光オシロスコープを用いた光パルス計測装置にも使用可能である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
［タイミング検出装置の構成］
第１の実施の形態に係るタイミング検出装置は、図１に示すように、信号光１’を伝送する光ファイバなどの光導波路１０と、該光導波路１０から出射された信号光１’を拡大して信号光パルス１Ａ〜１Ｆの列からなる信号光１とする光学系２０と、互いに独立した光シャッター部として機能する複数の領域Ｗｐ〜Ｗｕを備え、制御光２の照射による該光シャッター部のオンオフ動作により信号光１から出力光パルス３Ａｕ〜３Ｆｐ（出力光３）を切り出す透過型の光スイッチ３０と、光スイッチ３０から出射された出力光３を検出する光検出器４０と、光検出器４０での検出結果に基づいて信号光パルス１Ａ〜１Ｆの光スイッチ３０への到達タイミングを演算するタイミング演算部１００と、を備えている。
【００３２】
光ファイバなどの光導波路１０中に伝送される信号光１’は、複数チャンネル（図１では、６チャンネル）の信号光が時間的にシリアルに多重化された、ビットレートが１テラビット／秒（Ｔｂｉｔ／ｓ）、パルス時間間隔が１ｐｓのものである。
【００３３】
光学系２０は、複数のレンズを組み合わせて構成され、入射された信号光１’を、進行方向に対して垂直な面方向に波面が広げられた、各チャンネルの信号光パルス１Ａ〜１Ｆの列からなる信号光１に変換する。信号光パルスの時間間隔は１ｐｓであるので、空間的な距離間隔は３００μｍとなる。
【００３４】
透過型の光スイッチ３０は、長尺状に構成され、その長さ方向が信号光１の進行方向に対して垂直になるように配置されている。この配置により、光スイッチ３０の長さ方向に所定幅Ｗの広がりを有する信号光１を、その所定幅Ｗに渡って光スイッチ３０に入射させると共に、制御光２を、その進行方向を光スイッチ３０の長さ方向に対して傾けて、所定幅Ｗに渡って光スイッチ３０に入射させる。なお、図１では、制御光２を信号光１の出射側から光スイッチ３０に入射させているが、制御光２を信号光１の入射側から光スイッチ３０に入射させてもよい。
【００３５】
制御光２は、信号光１と同様に進行方向に対して垂直な面方向に波面が広げられた光であり、信号光パルス１Ａ〜１Ｆの１組につき１つの制御光パルス２ａを含むパルス列から構成されている。また、制御光２は信号光１に同期している。信号光１’には、信号光パルス１Ａ〜１Ｆの列の始まりを示す情報が挿入され、これらの情報から、信号光１に対して所定の時間関係で信号光１に同期した制御光２を形成することができる。
【００３６】
また、光スイッチ３０の領域Ｗｐ〜Ｗｕは、制御光２が照射されるか否かにより吸収係数（吸光度）が変化し且つ緩和時間が短い非線形光学材料によって形成されており、制御光２が照射された瞬間だけ透過率が変化して信号光１を所定値以上の透過率で透過させる光シャッター部として機能する。即ち、光スイッチ３０は、非線形光学材料の過飽和吸収を利用してオンオフ動作を行う。光スイッチ３０のオンオフ動作は、総ての信号光パルスに同期している必要はなく、必要に応じて選択された信号光パルスに同期していればよい。なお、光スイッチ３０の詳細な構造については後述する。
【００３７】
光検出器４０は、多数の画素が１次元アレイ状又は２次元アレイ状に配列されたＣＣＤカメラやフォトディテクタアレイ、フォトダイオードの表面抵抗を利用したスポット光の位置センサ（ポジション・センシティブ・ダイオード）などの光検出素子で構成されており、その各画素が信号光１の各空間位置部分１ｐ〜１ｕの光路上に位置するように配置されている。
【００３８】
タイミング演算部１００は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力部等を備えた通常のパーソナル・コンピュータで構成されている。
【００３９】
［光スイッチのシャッター機能］
次に、光スイッチ３０のシャッター機能について説明する。図１に示す装置において、図２（Ａ）に示すように、信号光パルス１Ａが光スイッチ３０に到達した時点で、制御光パルス２ａが光スイッチ３０の領域Ｗｕに到達するように、制御光２を信号光１に対して同期させる。これにより、信号光パルス１Ａが光スイッチ３０に到達した時点で、光スイッチ３０の領域Ｗｕが透過状態とされ、信号光パルス１Ａの空間位置部分１ｕが領域Ｗｕを透過して、図２（Ｂ）に示すように、出力光パルス３Ａｕとして切り出される。
【００４０】
次に、図２（Ｂ）に示すように、信号光パルス１Ｂが光スイッチ３０に到達すると、制御光パルス２ａが光スイッチ３０の領域Ｗｔに到達して、領域Ｗｔが透過状態とされ、信号光パルス１Ｂの空間位置部分１ｔが領域Ｗｔを透過して、図２（Ｃ）に示すように、出力光パルス３Ｂｔとして切り出される。
【００４１】
次に、図２（Ｃ）に示すように、信号光パルス１Ｃが光スイッチ３０に到達すると、制御光パルス２ａが光スイッチ３０の領域Ｗｓに到達して、領域Ｗｓが透過状態とされ、信号光パルス１Ｃの空間位置部分１ｓが領域Ｗｓを透過して、図１に示したように、出力光パルス３Ｃｓとして切り出される。
【００４２】
以下、同様にして、信号光パルス１Ａの空間位置部分１ｕ、信号光パルス１Ｂの空間位置部分１ｔ、信号光パルス１Ｃの空間位置部分１ｓ、信号光パルス１Ｄの空間位置部分１ｒ、信号光パルス１Ｅの空間位置部分１ｑ、信号光パルス１Ｆの空間位置部分１ｐが、それぞれ出力光パルス３Ａｕ，３Ｂｔ，３Ｃｓ，３Ｄｒ，３Ｅｑ，３Ｆｐとして順次切り出され、光検出器４０の対応する画素で順次検出される。
【００４３】
即ち、この光スイッチ３０では、図２（Ｄ）に示すように、制御光２の伝搬に伴いあたかもスリット部ＳＬが光スイッチ３０の長さ方向に移動するように、光スイッチ３０の複数の領域Ｗｐ〜Ｗｕが順次制御光と交差して透過状態とされ、信号光パルス１Ａ〜１Ｆが光スイッチ３０に到達したときに透過状態になる領域に対応する空間位置部分が切り出される。
【００４４】
［透過型の光スイッチの具体例］
次に、透過型の光スイッチ３０の具体例について説明する。本発明者等は先に有機色素膜を用いた平面型の光−光スイッチを提案している（特開平１１−１５０３１号公報）。この光−光スイッチを、上記の光スイッチ３０として好適に使用することができる。
【００４５】
この光−光スイッチは、図３に示すように、石英基板３１上に、フェムト秒オーダーで可飽和吸収を示す機能性薄膜３２を形成し、その機能性薄膜３２上に、アルミニウムの蒸着およびエッチングにより、遮光層３３を所定パターンに形成して、機能性薄膜３２の遮光層３３で覆われていない部分３４を、互いに独立の複数の光シャッタ部として機能させるものである。
【００４６】
機能性薄膜３２としては、ＡｌＰｏ−Ｆ（フルオロ−アルミニウムフタロシアニン）、ポリジアセチレン、ポリチオフェンなどのπ共役系高分子、スクエアリリウムなどの色素会合体、Ｃ６０薄膜などを用いることができる。機能性薄膜３２をこれら有機材料で構成することにより、膜厚の制御が容易になり、光スイッチの大面積化が可能となる。これらの中でも、スクエアリリウム色素の色素分子膜が好ましい。スクエアリリウム色素の色素分子膜は、そのＪ−会合体を用いることで効率良くスイッチング動作を行うことができる。
【００４７】
なお、上記の光スイッチの製造方法は、特開平１１−１５０３１号公報に記載されている。
【００４８】
［タイミング検出装置の動作］
次に、タイミング検出装置の動作について説明する。
【００４９】
信号光１を、所定幅Ｗに渡って光スイッチ３０に入射させるとともに、制御光２を、その進行方向を光スイッチ３０の長さ方向に対して傾けて、所定幅Ｗに渡って光スイッチ３０に入射させる。
【００５０】
但し、信号光パルス１Ａが領域Ｗｕのみから、信号光パルス１Ｂが領域Ｗｔのみから、というように、信号光パルス１Ａ〜１Ｆが、光スイッチ３０の対応する領域Ｗｕ〜Ｗｐのみから、空間的に分離されて切り出されるように、制御光２の広げられた波面の光スイッチ３０に対する傾斜による、制御光パルス２ａの領域Ｗｕ〜Ｗｐへの到達時間の差を、信号光パルスの時間間隔と等しくするとともに、制御光パルス２ａの時間幅を、信号光パルスの時間間隔より十分短くする。
【００５１】
上述した通り、信号光パルス１Ａの空間位置部分１ｕ、信号光パルス１Ｂの空間位置部分１ｔ、信号光パルス１Ｃの空間位置部分１ｓ、信号光パルス１Ｄの空間位置部分１ｒ、信号光パルス１Ｅの空間位置部分１ｑ、信号光パルス１Ｆの空間位置部分１ｐが、それぞれ出力光パルス３Ａｕ，３Ｂｔ，３Ｃｓ，３Ｄｒ，３Ｅｑ，３Ｆｐとして順次、切り出される。
【００５２】
次に、出力光パルス３Ａｕ〜３Ｆｐの各々が、光検出器４０の対応する画素で順次検出される。光検出器４０は、出力光パルス３Ａｕ〜３Ｆｐを検出した画素の位置情報をタイミング演算部１００に出力する。
【００５３】
次に、タイミング演算部１００は、入力された位置情報から、出力光パルス３Ａｕ〜３Ｆｐを検出した画素の位置座標を算出する。既に説明した通り、光検出器４０の各画素は、信号光１の各空間位置部分１ｐ〜１ｕの光路上に位置するように配置されており、検出した画素の位置座標から信号光１が光スイッチ３０を通過した位置（スリット位置）を特定することができる。この関係に基づいて、検出した画素の位置座標から、信号光パルス１Ａ〜１Ｆが光スイッチ３０の対応する領域Ｗｕ〜Ｗｐへ到達するタイミングを演算する。即ち、信号光１の光パルスタイミング（パルス列の時間差）を検出する。
【００５４】
空間位置を検出する光検出器として、ＣＣＤやフォトディテクタアレイを用い、信号光パルスが複数の画素にまたがるように検出されるとき、各画素で検出される光量に基づいて重心検出等の演算を施すことにより、パルスの到着タイミングを、光検出器の空間解像度よりも細かい分解能で検出することができる。
【００５５】
［タイミングの演算］
次に、図４を参照して、上記のタイミング演算部１００で実施されるタイミングの演算方法について説明する。
【００５６】
光検出器４０において最初の出力光パルス３Ａｕが検出された画素の位置座標を原点とし、次の出力光パルス３Ｂｔが検出された画素の位置座標をＸ（ｍ）とし、スリットＳＬの移動速度をＶ（ｍ／ｓ）とすると、光スイッチ３０に信号光パルス１Ａが到達してから次の信号光パルス１Ｂが到達するまでの時間ｔは下記式で表される。
【００５７】
【数１】
2004179694.tif 000003
【００５８】
ここで、制御光２の照射角度（入射角）をθ、光速をｃ（ｍ／ｓ）とすると、スリットＳＬの移動速度Ｖは下記式で表される。この式から分かるように、制御光の照射角度θを適宜変更することによって、タイミング検出の時間分解能を更に調整することができる。
【００５９】
【数２】
2004179694.tif 000004
【００６０】
従って、上記の時間ｔは下記式で表される。
【００６１】
【数３】
2004179694.tif 000005
【００６２】
即ち、スリットＳＬによって、信号光１の光パルスの到達時間差は光検出器４０の画素の位置座標の差に変換される。従って、光検出器４０で得られた位置情報から、逆に、信号光１の光パルスの到達時間差を求めることができる。上述した通り、光スイッチ３０の各光シャッター部は、フェムト秒オーダーの制御光パルスでオンオフ動作させることができるので、フェムト秒オーダーの時間分解能で信号光１の光パルスの到達時間差を求めることができる。従って、光パルスまたはパルス列にタイミングゆらぎが発生している場合にも、このタイミングゆらぎをフェムト秒オーダーの時間分解能で検出することができる。また、複雑な演算を行わないため、リアルタイムでタイミングゆらぎを検出することができる。
【００６３】
なお、スリットＳＬの幅は、制御光と光パルスまたはパルス列の照射角度と時間幅、スイッチのオン・オフ速度によって決定される。
【００６４】
（第２の実施の形態）
［タイミング検出装置の全体構成］
第２の実施の形態に係るタイミング検出装置では、図５に示すように、透過型の光スイッチ３０が、その長さ方向が信号光１の進行方向に対して所定角度（図５では、４５°）傾けて配置されている。この配置により、光スイッチ３０の長さ方向に所定幅Ｗの広がりを有する制御光２を、その所定幅Ｗに渡って光スイッチ３０に垂直に入射させると共に、信号光１を、その進行方向を光スイッチ３０の長さ方向に対して傾けて、所定幅Ｗに渡って光スイッチ３０に入射させる。
【００６５】
なお、図５では、制御光２を信号光１の出射側から光スイッチ３０に入射させているが、制御光２を信号光１の入射側から光スイッチ３０に入射させてもよい。また、第１の実施の形態と同一部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００６６】
［光スイッチのシャッター機能］
次に、光スイッチ３０のシャッター機能について説明する。図５に示す装置では、第１の実施の形態と同様に、互いに独立した光シャッター部として機能する複数の領域Ｗｐ〜Ｗｕを備えた透過型の光スイッチ３０を用いているが、制御光２を光スイッチ３０に垂直に入射させるので、複数の領域Ｗｐ〜Ｗｕは同時に透過状態となる。
【００６７】
図６（Ａ）に示すように、制御光パルス２ａが光スイッチ３０の各領域Ｗｐ〜Ｗｕを同時に照射し、同時に透過状態にする。そして、図示するように、信号光パルス１Ａ〜１Ｆが光スイッチ３０の対応する領域Ｗｐ〜Ｗｕに同時に到達する時点で、制御光パルス２ａが光スイッチ３０の各領域Ｗｐ〜Ｗｕに到達するように、制御光２を信号光１に対して同期させる。
【００６８】
従って、制御光パルス２ａが光スイッチ３０の各領域Ｗｐ〜Ｗｕに到達した時点で、信号光パルス１Ａの空間位置部分１ｐが領域Ｗｐを、信号光パルス１Ｂの空間位置部分１ｑが領域Ｗｑを、信号光パルス１Ｃの空間位置部分１ｒが領域Ｗｒを、信号光パルス１Ｄの空間位置部分１ｓが領域Ｗｓを、信号光パルス１Ｅの空間位置部分１ｔが領域Ｗｔを、信号光パルス１Ｆの空間位置部分１ｕが領域Ｗｕを、それぞれ透過して、図６（Ｂ）に示すように、それぞれ出力光パルス３Ａｐ，３Ｂｑ，３Ｃｒ，３Ｄｓ，３Ｅｔ，３Ｆｕとして切り出される。そして、この出力光パルス３Ａｐ〜３Ｆｕが、光素子４０の対応する画素で検出される。
【００６９】
即ち、この光スイッチ３０では、光スイッチ３０の複数の領域Ｗｐ〜Ｗｕが同時に制御光２と交差して透過状態とされ、これら領域Ｗｐ〜Ｗｕが透過状態となったときに光スイッチ３０に到達した信号光パルス１Ａ〜１Ｆの空間位置部分が切り出される。
【００７０】
なお、図５、図６（Ａ）及び図６（Ｂ）では一部を省略したが、信号光１は信号光パルス１Ａ〜１Ｆの組がシリアルに連続するもので、光スイッチ３０からは、図６（Ｃ）に示すように、出力光パルス３Ａｐ〜３Ｆｕの組が連続して切り出される。但し、同図は、出力光パルス３Ａｐ〜３Ｆｕの空間的位置関係を示したもので、時間的には、出力光パルス３Ａｐ〜３Ｆｕの一組が同時に切り出され、Ｎ＝６の場合には信号光パルスの時間間隔の６倍の時間後に、出力光パルス３Ａｐ〜３Ｆｕの次の一組が同時に切り出される。
【００７１】
［タイミング検出装置の動作］
次に、タイミング検出装置の動作について説明する。
【００７２】
制御光２を、その所定幅Ｗに渡って光スイッチ３０に垂直に入射させると共に、信号光１を、その進行方向を光スイッチ３０の長さ方向に対して傾けて、所定幅Ｗに渡って光スイッチ３０に入射させる。
【００７３】
但し、信号光パルス１Ａが領域Ｗｐのみから、信号光パルス１Ｂが領域Ｗｑのみから、というように、信号光パルス１Ａ〜１Ｆが、光スイッチ３０の対応する領域Ｗｐ〜Ｗｕのみから、空間的に分離されて切り出されるように、制御光パルス２ａの時間幅は、信号光１の広げられた波面方向の、領域Ｗｐ〜Ｗｕに対応する空間位置部分１ｐ〜１ｕの、領域Ｗｐ〜Ｗｕまでの光路長の違いによる、領域Ｗｐ〜Ｗｕへの到達時間の差より十分短くする。
【００７４】
即ち、図５のように光スイッチ３０を信号光１に対して４５°傾ける場合には、制御光パルス２ａの時間幅を信号光パルスの時間間隔より十分短くする。即ち、光スイッチ３０の光シャッター部は微小時間間隔で開閉される。例えば、信号光パルスの時間幅が、時間間隔（１ｐｓ）の１／１０の１００ｆｓ（フェムト秒）であれば、制御光パルス２ａの時間幅は、信号光パルスのそれと同程度か、それより若干短くすればよい。
【００７５】
上述した通り、信号光パルス１Ａの空間位置部分１ｐ、信号光パルス１Ｂの空間位置部分１ｑ、信号光パルス１Ｃの空間位置部分１ｒ、信号光パルス１Ｄの空間位置部分１ｓ、信号光パルス１Ｅの空間位置部分１ｔ、信号光パルス１Ｆの空間位置部分１ｕが、それぞれ出力光パルス３Ａｐ，３Ｂｑ，３Ｃｒ，３Ｄｓ，３Ｅｔ，３Ｆｕとして切り出される。
【００７６】
次に、出力光パルス３Ａｐ〜３Ｆｕの各々が、光検出器４０の対応する画素で順次検出される。光検出器４０は、出力光パルス３Ａｕ〜３Ｆｐを検出した画素の位置情報をタイミング演算部１００に出力する。
【００７７】
次に、タイミング演算部１００は、入力された位置情報から、出力光パルス３Ａｕ〜３Ｆｐを検出した画素の位置座標を算出する。既に説明した通り、光検出器４０の各画素は、信号光１の各空間位置部分１ｐ〜１ｕの光路上に位置するように配置されており、検出した画素の位置情報から信号光１が光スイッチ３０を通過した位置を特定することができる。この関係に基づいて、検出した画素の位置座標から、信号光パルス１Ａ〜１Ｆが光スイッチ３０の対応する領域Ｗｐ〜Ｗｕへ到達するタイミングを演算する。即ち、信号光１の光パルスタイミング（パルス列の時間差）を検出する。
【００７８】
［タイミングの演算］
次に、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）を参照して、上記のタイミング演算部１００で実施されるタイミングの演算方法について説明する。
【００７９】
光スイッチ３０の長さ方向に配列された複数の領域Ｗｐ〜Ｗｕは同時に制御光２と交差して透過状態とされるが、このシャッター動作は、図７（Ｂ）に示すように、信号光１の進行方向と直交する方向にスリット部ＳＬが移動する場合と同等である。ここで、信号光１の光スイッチ３０への入射角度（即ち、光スイッチ３０の傾斜角度）をθ１、光速をｃ（ｍ／ｓ）とすると、スリットＳＬの移動速度Ｖ１は下記式で表される。この式から分かるように、光スイッチ３０の傾斜角度θ１を適宜変更することによって、タイミング検出の時間分解能を調整することができる。
【００８０】
【数４】
2004179694.tif 000006
【００８１】
光検出器４０において最初の出力光パルス３Ａｐが検出された画素の位置座標を原点とし、次の出力光パルス３Ｂｑが検出された画素の位置座標をＸ１（ｍ）とすると、信号光パルス１Ａと信号光パルス１Ｂとのパルス間隔ｔ１は下記式で表される。
【００８２】
【数５】
2004179694.tif 000007
【００８３】
即ち、スリットＳＬによって、信号光１の光パルスの到達時間差は光検出器４０の画素の位置座標の差に変換される。従って、光検出器４０で得られた位置情報から、逆に、信号光１の光パルス列のパルス間隔を求めることができる。上述した通り、光スイッチ３０の各光シャッター部は、フェムト秒オーダーの制御光パルスでオンオフ動作させることができるので、フェムト秒オーダーの時間分解能で信号光１の光パルス列のパルス間隔を求めることができる。従って、光パルスまたはパルス列にタイミングゆらぎが発生している場合にも、このタイミングゆらぎをフェムト秒オーダーの時間分解能で検出することができる。また、複雑な演算を行わないため、リアルタイムでタイミングゆらぎを検出することができる。
【００８４】
以下、上記実施の形態の変形例について説明する。
［反射型光スイッチを備えた装置］
上記の実施の形態では、透過型の光スイッチを用いる例について説明したが、以下に説明するように、反射型の光スイッチを用いることもできる。
【００８５】
例えば、図８に示すように、反射型の光スイッチを用いて、これに信号光を斜めに入射させ、制御光を垂直に入射させる場合である。この例では、第２の実施形態と同様に、光スイッチ３０は、その長さ方向を信号光１の進行方向に対して４５°傾けて、信号光１の光路上に配置されている。反射型の光スイッチ３０は、制御光２が照射されるか否かにより屈折率が変化し且つ緩和時間が短い非線形光学材料によって形成されており、制御光２が照射された瞬間だけ干渉により反射状態となって信号光１を所定値以上の反射率で反射する。また、信号光１が光スイッチ３０で反射した後の位置には、多数の画素が１次元状又は２次元状に配列された光検出器４０が、その各画素が信号光１の各空間位置部分１ｐ〜１ｕの反射光を受けるように配置されている。その他は、第２の実施形態と同じであるため、同一部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００８６】
また、例えば、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、反射型の光スイッチを用いて、これに信号光を垂直に入射させ、制御光を斜めに入射させる場合である。なお、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）は、互いに直交する方向から見た図である。この例では、第１の実施形態と同様に、光スイッチ３０の長さ方向を信号光１の進行方向に対して垂直にして、光スイッチ３０を信号光１の光路上に配置するが、その光スイッチ３０は反射型のものとし、信号光１を、ハーフミラー５０を介して光スイッチ３０の反射面側に入射させるとともに、制御光２を、その進行方向を光スイッチ３０の長さ方向に対して傾けて、光スイッチ３０の反射面側から光スイッチ３０に入射させる。そして、信号光１が光スイッチ３０で反射し、さらにハーフミラー５０で反射した後の位置に、光検出器４０を、その各画素が信号光１の各空間位置部分１ｕ〜１ｐの反射光を受けるように配置する。その他は、第１の実施形態と同じであるため、同一部分には同じ符号を付して説明を省略する。
【００８７】
なお、ハーフミラー５０を用いないで、図９（Ｂ）において一点鎖線で示すように、光スイッチ３０に入射する信号光１と、光スイッチ３０から反射する出力光３との間に、角度を持たせるようにしてもよい。
【００８８】
［シャッターアレイ］
上記の実施の形態では、光シャッター部として機能する複数の領域が長さ方向に１次元状に配列された長尺状の光スイッチを用いる例について説明したが、光シャッター部として機能する複数の領域が２次元状に配列された光スイッチ（シャッターアレイ）を用いることもできる。この場合、各光シャッター部の開閉タイミングを、シャッターアレイ内の空間的位置によって異ならせる必要がある。例えば、空間変調素子で変調した制御光を光スイッチに照射することで、各光シャッター部の開閉タイミングを異ならせることができる。
【００８９】
［カー効果利用のスイッチ］
上記の実施の形態では、非線形光学材料の過飽和吸収を利用してオンオフ動作を行う光スイッチを使用する例について説明したが、特開２００２−２５８３３３号公報に記載されているように、制御光によって偏光面が回転する光カー効果を利用してオンオフ動作を行う光スイッチを用いることもできる。この場合は、光スイッチの前後に偏光子を直交させて配置することにより、一次元光検出器でのバックグラウンド（ノイズ）を抑制することができる。
【００９０】
［画像処理後の画像からの位置情報抽出］
上記の実施の形態では、出力光を検出した画素の位置情報を光検出器からタイミング演算部に直接入力して光パルスのタイミングを演算する例について説明したが、信号光パルスが光検出器の複数の画素にまたがって受光される状況において、各画素の出力信号を基にして、重心検出等の信号処理を施すことにより、出力光の位置情報を抽出し、これに基づいて光パルスのタイミングを演算してもよい。これにより、サブピクセルの分解能で出力信号のタイミングを検出することができる。
【００９１】
［結像倍率］
上記の実施の形態では、光スイッチからの出力光を光学系を介さずに光検出器に入力する例について説明したが、光スイッチと光検出器との間に拡大光学系または縮小光学系を配置することもできる。光検出器における検出座標の倍率を変更することによって、タイミング検出の時間分解能とダイナミックレンジを変えることができる。例えば、光検出器の分解能をａとすると、光スイッチと光検出器との間に結像倍率がｎ倍となる光学系を設置した場合には、光検出器の分解能はａ／ｎ  倍となる。
【００９２】
【実施例】
以下、具体的な実施例を挙げて、本発明を更に詳細に説明する。
（実施例１）
本実施例では、図１に示した構成を備えたタイミング検出装置を用いてタイミング調整装置を構成し、被検出光パルスである信号光パルスの到達タイミングを調整した。
【００９３】
このタイミング調整装置は、図１０に示すように、制御光２のパルス列を発生させる制御光発生光源２００と、信号光１のパルス列を発生させる信号光発生光源２０２と、信号光１のパルス列の到着タイミングを検出するタイミング検出装置２０６と、を備えている。タイミング検出装置２０６は、上述した通り、光スイッチ３０と、光スイッチ３０から出射された出力光を検出する光検出器４０と、光検出器４０での検出結果に基づいて信号光パルスの光スイッチ３０への到達タイミングを演算するタイミング演算部１００と、を備えている。
【００９４】
上記の信号光発生光源２０２と光スイッチ３０との間には、タイミング演算部１００の演算結果（検出結果）に基づいて、信号光１のパルス列の到達タイミングを遅延させる光可変遅延装置２０４が配置されている。また、タイミング演算部１００には、演算結果を表示するためのモニタ２１４が接続されている。
【００９５】
このタイミング調整装置では、タイミング検出装置２０６に、信号光発生光源２０２から信号光１のパルス列が入力されて、光パルス列の到達タイミングが演算される。タイミング検出装置２０６は、この演算結果を光可変遅延装置２０４に入力する。光可変遅延装置２０４は、検出された到達タイミングから所望の到達タイミングを補償するための遅延時間を演算し、演算した遅延時間が達成されるように信号光発生光源２０２から光スイッチ３０までの光路長を変化させ、光パルス列の到着タイミングを調整する。このように、タイミング検出装置２０６の演算結果を光可変遅延装置２０４に随時フィードバックすることで、リアルタイムで光パルスタイミングを調整できる。
【００９６】
上記の構成において、波長７６０ｎｍ、平均パワー１．４ｍＷ、パルス幅約１００ｆｓの信号光１と、信号光１と同期した波長８００ｎｍ、平均パワー２３０ｍＷ、パルス幅約１００ｆｓの制御光２とを用い、光スイッチ３０の機能性薄膜にはスクエアリリウム色素Ｊ−会合体色素膜を用い、光検出器としてＣＣＤカメラを使用して、到着タイミングを０ｆｓ〜７００ｆｓの間で変化させたときのＣＣＤカメラの画素の位置座標の変化を調べた。検出値（◇点）をプロットした結果を、図１１に示す。
【００９７】
図１１に示すように、到着タイミングのずれ量（遅延時間）は画素の位置座標差に比例して増加するので、この図１１から、所定の基準時間に相当するＣＣＤの画素を定めた際に、基準時間に相当する画素と光パルス列を検出した画素との差から、基準時間と光パルスまたはパルス列時間とのずれ量が検出できる。この例では、ＣＣＤカメラの１画素分が約１６ｆｓに相当する。
【００９８】
なお、光スイッチ３０とＣＣＤカメラとの間に、結像倍率が１／２となるように光学系を配置した場合には、◆点で示すプロットになる。この場合、ＣＣＤカメラの１画素分が約３０ｆｓに相当する。即ち、結像倍率が大きい方が、時間分解能が向上し、より微小なタイミングのずれ量を検出できる。但し、ＣＣＤの画素数が同様であれば、結像倍率を大きくすることによって、ダイナミック・レンジは減少する。
【００９９】
（実施例２）
本実施例では、実施例１のタイミング調整装置（図１０参照）を用いて、被検出光パルスである信号光パルスの時間的なゆらぎを補正した。図１２に示すように、光パルス列が、周期的に繰り返される時間的なゆらぎを有している場合がある。この場合、ＣＣＤカメラの画像でも、照射スポットが空間的にゆらいでいる様子が観測される。
【０１００】
実施例１と同様に、タイミング検出装置２０６の演算結果を光可変遅延装置２０４に随時フィードバックすることで、リアルタイムで光パルスタイミングを調整することができる。具体的には、タイミング演算部１００で所定の光パルスを検出した画素の位置座標を演算し、演算された位置座標を光可変遅延装置２０４に入力する。光可変遅延装置２０４は、所定の光パルスの検出画素が任意の位置座標に留まるように光パルスの遅延時間を演算し、演算した遅延時間が達成されるように信号光発生光源２０２から光スイッチ３０までの光路長を変化させ、光パルス列の到着タイミングを調整する。これによって、図１２に示すように、光パルス列が、振幅約３００ｆｓ、周波数０．２Ｈｚで周期的に繰り返される時間的なゆらぎを有している場合でも、補正を行うことで時間的ゆらぎの振幅が１／６程度に抑えることができる。なお、◆点のプロットが補正前のタイミングゆらぎを表し、◇点のプロットが補正後のタイミングゆらぎを表す。
【０１０１】
（実施例３）
本実施例では、図１に示した構成を備えたタイミング検出装置を用いてタイミング調整装置を構成し、信号光パルス列Ａ及び信号光パルス列Ｂが同時に光スイッチに到達するように到達タイミングを調整した。
【０１０２】
このタイミング調整装置は、図１３に示すように、制御光２のパルス列を発生させる制御光発生光源２００と、信号光パルス列Ａを発生させる信号光発生光源２０２Ａと、信号光パルス列Ｂを発生させる信号光発生光源２０２Ｂと、タイミング検出装置２０６と、を備えている。信号光パルス列Ａと信号光パルス列Ｂとは、多重化されて信号光１として光スイッチ３０に入力される。
【０１０３】
上記の信号光発生光源２０２Ａと光スイッチ３０との間には、タイミング演算部１００の演算結果（検出結果）に基づいて、信号光パルス列Ａの到達タイミングを遅延させる光可変遅延装置２０４が配置されている。その他は、図１０に示すタイミング調整装置と同じ構成であるため、同じ構成部分には同一符号を付して説明を省略する。
【０１０４】
このタイミング調整装置では、タイミング検出装置２０６に、信号光発生光源２０２Ａから信号光パルス列Ａが入力され、信号光発生光源２０２Ｂからは信号光パルス列Ｂが入力されて、各信号光パルス列の到達タイミングが演算される。タイミング検出装置２０６は、この演算結果を光可変遅延装置２０４に入力する。光可変遅延装置２０４は、検出された信号光パルス列Ｂの到達タイミングに、信号光パルス列Ａの到達タイミングを一致させるための信号光パルス列Ａの遅延時間を演算し、演算した遅延時間が達成されるように信号光発生光源２０２Ａから光スイッチ３０までの光路長を変化させ、光パルス列Ａの到着タイミングを調整する。このように、タイミング検出装置２０６の演算結果を光可変遅延装置２０４に随時フィードバックすることで、リアルタイムで光パルスタイミングを調整できる。
【０１０５】
図１４に示すように、光パルス列Ｂが、振幅約３００ｆｓ、周波数０．２Ｈｚで周期的に繰り返される時間的なゆらぎを有している場合に、補正を行うことで光パルス列Ａと光パルス列Ｂの時間差、すなわちスキューを低減することができる。なお、◆点のプロットが光パルス列Ａの時間的ゆらぎを表し、◇点のプロットが光パルス列Ｂの時間的ゆらぎを表す。
【０１０６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光パルスタイミング検出装置及び光パルスタイミング検出方法によれば、光パルスまたはパルス列のタイミングゆらぎをフェムト秒オーダーの時間分解能で且つリアルタイムに検出することができる、という効果がある。
【０１０７】
また、本発明の光パルスタイミング調整装置及び光パルスタイミング調整方法によれば、光パルスまたはパルス列のタイミングをフェムト秒オーダーの時間分解能で且つリアルタイムに調整することができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係るタイミング検出装置の構成を示す図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｄ）は、図１に示すタイミング検出装置における光スイッチのシャッター機能を説明する説明図である。
【図３】透過型の光スイッチの具体的構成を表す断面図である。
【図４】タイミングの演算方法を説明するための図である。
【図５】第２の実施の形態に係るタイミング検出装置の構成を示す図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｃ）は、図５に示すタイミング検出装置における光スイッチのシャッター機能を説明する説明図である。
【図７】タイミングの演算方法を説明するための図である。
【図８】反射型の光スイッチを用いたタイミング検出装置の１例を示す図である。
【図９】反射型の光スイッチを用いたタイミング検出装置の他の例を示す図である。
【図１０】実施例１に係るタイミング調整装置の構成を示す図である。
【図１１】光パルスの到着タイミングのずれ量と画素の位置座標差との関係を示すグラフである。
【図１２】時間的なゆらぎを有する光パルス列が補正される様子を示すグラフである。
【図１３】実施例３に係るタイミング調整装置の構成を示す図である。
【図１４】２種類の光パルス列の時間的なゆらぎが補正により一致する様子を示すグラフである。
【図１５】超高速ＯＴＤＭ技術の課題を示すための図である。
【符号の説明】
１  信号光
１Ａ〜１Ｆ  信号光パルス
１ｐ〜１ｕ  空間位置部分
２  制御光
２ａ  制御光パルス
３  出力光
３Ａｐ〜３Ｆｕ，３Ａｕ〜３Ｆｐ，３ａ  出力光パルス
１０  光導波路
２０  光学系
３０  光スイッチ
Ｗｐ〜Ｗｕ  領域
３２  機能性薄膜（ベース層）
３３  遮光層
３４  光シャッタ部
４０  光検出器
１００  タイミング演算部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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