(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
与えられる２つのパルス光の位相差を調整して出力するタイミング調整装置であって、
前記２つのパルス光の少なくとも一方の前記パルス光を遅延させて、前記位相差を調整する光可変遅延部と、
前記光可変遅延部により前記位相差が調整された２つの前記パルス光のそれぞれを電気信号に変換することにより、２つの調整用信号を生成する光電変換器と、
前記２つの調整用信号の位相差を検出し、検出した前記位相差を予め定められた位相差に近づけるべく、前記光可変遅延部における遅延量を制御する位相比較部と、
前記２つの調整用信号のそれぞれについて、予め定められた周波数より小さい周波数成分を除去して、前記位相比較部に入力するフィルタと
を備えるタイミング調整装置。
【請求項２】
前記フィルタは、前記２つの調整用信号のそれぞれについて、予め定められた次数の高調波を抽出して、前記位相比較部に入力する
請求項１に記載のタイミング調整装置。
【請求項３】
与えられる２つのパルス光の位相差を調整して出力するタイミング調整装置であって、
前記２つのパルス光のうちの一方の前記パルス光のパルス幅を調整するパルス幅調整部と、
前記２つのパルス光の少なくとも一方の前記パルス光と異なる他方の前記パルス光を遅延させて、前記位相差を調整する光可変遅延部と、
前記光可変遅延部により前記位相差が調整された２つの前記パルス光のそれぞれを電気信号に変換することにより、２つの調整用信号を生成する光電変換器と、
前記２つの調整用信号の位相差を検出し、検出した前記位相差を予め定められた位相差に近づけるべく、前記光可変遅延部における遅延量を制御する位相比較部と
を備えるタイミング調整装置。
【請求項４】
与えられる２つのパルス光の位相差を調整して出力するタイミング調整装置であって、
前記２つのパルス光の少なくとも一方の前記パルス光を遅延させて、前記位相差を調整する光可変遅延部と、
前記光可変遅延部により前記位相差が調整された２つの前記パルス光のそれぞれを電気信号に変換することにより、２つの調整用信号を生成する光電変換器と、
前記２つの調整用信号の位相差を検出し、検出した前記位相差を予め定められた位相差に近づけるべく、前記光可変遅延部における遅延量を制御する位相比較部と、
を備え、
前記位相比較部は、
前記２つの調整用信号の前記位相差を検出する位相差検出部と、
前記２つの調整用信号の前記位相差と予め定められた前記位相差との差分に応じた制御電圧を出力する制御電圧出力部と
を有し、
前記光可変遅延部は、
前記位相差検出部が検出した前記位相差に応じて、前記パルス光を遅延させる第１遅延部と、
前記制御電圧出力部が出力する前記制御電圧に応じて、前記第１遅延部より精細な分解能で、前記パルス光を遅延させる第２遅延部と
を有するタイミング調整装置。
【請求項５】
前記第２遅延部は、予め定められた電圧範囲の前記制御電圧に応じて遅延量が変化し、
前記位相比較部は、前記制御電圧出力部が出力する前記制御電圧が、前記予め定められた電圧範囲の略中心となるように、前記第１遅延部の遅延量を制御する制御部を更に有する
請求項４に記載のタイミング調整装置。
【請求項６】
前記制御部は、予め定められた期間毎に前記第１遅延部の遅延量を制御する
請求項５に記載のタイミング調整装置。
【請求項７】
前記第１遅延部は、前記位相差検出部が検出した位相差に応じて変化させることにより前記パルス光の光路長を変化させ、
前記第２遅延部は、前記制御電圧出力部が出力する前記制御電圧の大きさに応じて、前記パルス光の光路長を変化させる
請求項４に記載のタイミング調整装置。
【請求項８】
前記第１遅延部は、固定反射面および可動反射面を有し、
前記固定反射面は、前記パルス光を前記可動反射面に向けて反射し、
前記可動反射面は、前記固定反射面との間の距離を前記位相差検出部が検出した位相差に応じて変化させることにより前記パルス光の光路長を変化させ、
前記第２遅延部は、前記パルス光を伝送する光ファイバを周囲に巻き付けた略円筒形のピエゾ素子に、前記制御電圧を印加して前記光ファイバの長さを変化させることにより、前記パルス光の光路長を変化させる
請求項７に記載のタイミング調整装置。
【請求項９】
被測定光をサンプリングする光サンプリング装置であって、
前記被測定光のうち、与えられる第１パルス光と時間的な重なりを有する部分に応じた光を、第１出力光として出力する第１サンプリング部と、
前記第１出力光と、与えられる第２パルス光とが時間的な重なりを有する場合に、前記第１出力光を増幅した光を第２出力光として出力する第２サンプリング部と、
前記第１パルス光および前記第２パルス光の位相差を調整して、前記第１サンプリング部および前記第２サンプリング部に入力するタイミング調整部と
を備え、
前記タイミング調整部は、
前記第１パルス光および前記第２パルス光の少なくとも一方を遅延させて、前記位相差を調整する光可変遅延部と、
前記光可変遅延部により前記位相差が調整された前記第１パルス光および前記第２パルス光について、それぞれの少なくとも一部を電気信号に変換した第１調整用信号および第２調整用信号を生成する光電変換器と、
前記第１調整用信号および前記第２調整用信号の位相差を検出し、検出した前記位相差が予め定められた位相差となるように、前記光可変遅延部における遅延量を制御する位相比較部と
を有する光サンプリング装置。
【請求項１０】
パルス光を受け取り、前記パルス光を分光した前記第１パルス光および前記第２パルス光を出力する光分岐器と、
前記第１パルス光のパルス幅を、前記第２パルス光のパルス幅より小さくなるように調整して、前記第１サンプリング部に入力するパルス幅調整部と
を更に備え、
前記光可変遅延部は、前記第２パルス光を遅延させる
請求項９に記載の光サンプリング装置。
【請求項１１】
前記タイミング調整部は、
前記パルス幅調整部が出力する前記第１パルス光の一部を前記光電変換器に入力する第１光カプラと、
前記光可変遅延部が出力する前記第２パルス光の一部を前記光電変換器に入力する第２光カプラと
を更に有する請求項１０に記載の光サンプリング装置。
【請求項１２】
前記第１光カプラから前記第１サンプリング部までの光路長と、前記第２光カプラから前記第２サンプリング部までの光路長とは略等しい
請求項１１に記載の光サンプリング装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タイミング調整装置および光サンプリング装置に関する。本発明は、特に、与えられる２つのパルス光の位相差を調整して出力するタイミング調整装置および光サンプリング・オシロスコープ等による光パルス波形の測定に使用される光サンプリング装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光パルス波形の測定は、光通信において、受信端での光信号の品質を評価するために必要であるだけでなく、信号中継器や光ネットワークのノードにおける信号品質の監視にも応用することができる。ところで、光ファイバ通信の大容量化に伴い、１６０Ｇｂ／ｓ以上のビットレートで信号光を送受信することのできる次世代の光ファイバ通信システムの実用化が進められている。このような大容量の通信システムを実現させるためには、上記のような高いビットレートの光信号のパルス波形を高精度に測定する装置が不可欠である。
【０００３】
１６０Ｇｂ／ｓ以上のビットレートの光パルス波形を測定する装置としては、被測定光とパルス光を合波して非線形媒質に入射させることで非線形光学効果を生じさせ、得られた強度相関信号光から測定する装置が知られている（例えば特許文献１を参照）。
【特許文献１】特開２００６−１９４８４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記装置による測定において、被測定光のパルス波形を高い時間分解能で測定するためには、よりパルス幅の狭いパルス光を入射させる必要がある。しかしながら、このようなパルス幅の狭いパルス光と被測定光によって得られる強度相関信号は、その信号強度が小さいのでＳ／Ｎ比が低くなり、結果として高感度での測定が難しかった。
【０００５】
そこで、上記強度相関信号を上記パルス光と異なるパルス光で再度サンプリングすることにより、当該強度相関信号の信号強度を増幅することが考えられる。しかしながら、この場合、強度相関信号とパルス光とを高い時間精度で同期させて非線形媒質に入射させる必要があるが、当該時間精度を長時間連続して安定させることが難しかった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によれば、与えられる２つのパルス光の位相差を調整して出力するタイミング調整装置であって、２つのパルス光の少なくとも一方のパルス光を遅延させて、位相差を調整する光可変遅延部と、光可変遅延部により位相差が調整された２つのパルス光のそれぞれを電気信号に変換することにより、２つの調整用信号を生成する光電変換器と、２つの調整用信号の位相差を検出し、検出した位相差を予め定められた位相差に近づけるべく、光可変遅延部における遅延量を制御する位相比較部と、２つの調整用信号のそれぞれについて、予め定められた周波数より小さい周波数成分を除去して、位相比較部に入力するフィルタとを備えるタイミング調整装置が提供される。
【０００７】
また、本発明の第２の形態によれば、被測定光をサンプリングする光サンプリング装置であって、被測定光のうち、与えられる第１パルス光と時間的な重なりを有する部分に応じた光を、第1出力光として出力する第１サンプリング部と、第1出力光と、与えられる第２パルス光とが時間的な重なりを有する場合に、第1出力光を増幅した光を第２出力光として出力する第２サンプリング部と、第１パルス光および第２パルス光の位相差を調整して、第１サンプリング部および第２サンプリング部に入力するタイミング調整部とを備え、タイミング調整部は、第１パルス光および第２パルス光の少なくとも一方を遅延させて、位相差を調整する光可変遅延部と、光可変遅延部により位相差が調整された第１パルス光および第２パルス光について、それぞれの少なくとも一部を電気信号に変換した第１調整用信号および第２調整用信号を生成する光電変換器と、第１調整用信号および第２調整用信号の位相差を検出し、検出した位相差が予め定められた位相差となるように、光可変遅延部における遅延量を制御する位相比較部とを有する光サンプリング装置が提供される。
【０００８】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１０】
図１は、光サンプリング装置１０の構成を示す概略図である。光サンプリング装置１０は、パルス波形を有する被測定光（信号光）をサンプリングすることのできる装置であり、図１に示すように、パルス光出力部２０と、第１サンプリング部１０１と、第２サンプリング部１０６と、光電変換器６０と、波形表示器７０とを備える。また、パルス光出力部２０は、図１に示すように、アンプ３１、３２、パルス幅調整部４０、タイミング調整部５００、光分岐器８０、レーザ光源２００、高周波電流出力部２６０、変調部４００および分周回路４１０を有する。
【００１１】
図２は、パルス光出力部２０における、レーザ光源２００、高周波電流出力部２６０、変調部４００および分周回路４１０付近を抜き出して示す概略図である。レーザ光源２００は、単一モードのパルス光を出力するパルス光源であり、レーザダイオード２１０、コリメートレンズ２２０、集光レンズ２２２、ミラー２３０、光学バンドパスフィルタ２４０、バイアス電流出力部２５０および電流増幅回路２７０を有する。
【００１２】
高周波電流出力部２６０は、レーザ光源２００の電流増幅回路２７０、および、分周回路４１０とそれぞれ電気的に接続する。この高周波電流出力部２６０は、特定の周波数の高周波電流を出力する。なお、高周波電流出力部２６０が出力する高周波電流の周波数は所望に変更することができる。
【００１３】
バイアス電流出力部２５０は、特定の大きさの直流電流をバイアス電流として出力する。なお、バイアス電流出力部２５０が出力するバイアス電流の大きさは所望に変更することができる。電流増幅回路２７０は、高周波電流出力部２６０から出力される高周波電流をバイアス電流出力部２５０から出力されるバイアス電流に重畳した電流をレーザダイオード２１０に加える。
【００１４】
レーザダイオード２１０は、電流増幅回路２７０から加えられる上記電流によってレーザ光のパルス（以下、「パルス光」と称する）を発光する。レーザダイオード２１０の一対の端面は、それぞれ反射がほとんど生じない低反射面２１１および反射率が３０％以上の高反射面２１２となっており、レーザダイオード２１０で発振したパルス光は低反射面２１１からレーザダイオード２１０の外部に出力する。
【００１５】
コリメートレンズ２２０は、レーザダイオード２１０の低反射面２１１側に配され、レーザダイオード２１０の低反射面２１１側から出力したパルス光をコリメートする。ミラー２３０は、片側の面に全反射面２３２が形成されており、コリメートされた上記パルス光を全反射面２３２で全反射する。光学バンドパスフィルタ２４０は、コリメートレンズ２２０とミラー２３０との間における上記パルス光の光路上に配され、上記パルス光のスペクトル成分のうち上記発振波長を中心とする帯域の成分を透過する。また、光学バンドパスフィルタ２４０は回転可能に取り付けられており、光学バンドパスフィルタ２４０の透過面に対して上記パルス光が斜め方向から入射するように上記光路に対する透過面の角度を変えることができる。したがって、光学バンドパスフィルタ２４０はこの角度に応じて透過する光の帯域を設定することができる。
【００１６】
レーザダイオード２１０でパルス発光したパルス光は、上記のように、コリメートレンズ２２０および光学バンドパスフィルタ２４０を透過してミラー２３０の全反射面２３２で全反射された後、再びレーザダイオード２１０の高反射面２１２で反射される。したがって、上記パルス光は、レーザダイオード２１０の高反射面２１２とミラー２３０の全反射面２３２との間を往復する。ここで、上記パルス光が高反射面２１２と全反射面２３２との間を往復する周期とレーザダイオード２１０のパルス発光の周期が同期するように、高反射面２１２と全反射面２３２との間隔を設定することにより、上記パルス光は増幅されて、その一部がレーザダイオード２１０の高反射面２１２側から出力する。
【００１７】
集光レンズ２２２は、レーザダイオード２１０の高反射面２１２側に配され、レーザダイオード２１０の高反射面２１２側から出力したパルス光を集光して光ファイバ２９０に入射させる。光ファイバ２９０は、レーザ光源２００の外部と接続し、上記パルス光をレーザ光源２００の外部に出力する。
【００１８】
変調部４００は、レーザ光源２００から出力されるパルス光の光路上に配され、分周回路４１０と電気的に接続する。分周回路４１０は、高周波電流出力部２６０から出力される高周波電気信号をＮ分周（Ｎは正の整数）して変調部４００に出力する。変調部４００は、分周回路４１０から入力される電気信号の周波数に応じて上記パルス光の繰り返し周波数を１／ｎに分周したパルス光を出力する。ここで、パルス光の繰り返し周波数は、パルス光の繰返し周期の逆数で定義される。変調部４００としては、例えばＬｉＮｂＯ３光導波路を用いたＬＮ強度変調器であり、数十ＧＨｚ程度の周波数を有する高周波電気信号に忠実に応答して上記パルス光の繰り返し周波数を分周することができる。
【００１９】
レーザダイオード２１０の発振波長、すなわち、レーザ光源２００から出力するパルス光の波長は、第１サンプリング部１０１における後述の第１カラーフィルタ１４１および第２サンプリング部１０６における後述の第２カラーフィルタ１４２の遮断帯域の波長であり、光サンプリング装置１０でサンプリングする被測定光の発振波長に近い波長であることが好ましい。また、レーザ光源２００から出力するパルス光の繰り返し周波数は、光サンプリング装置１０でサンプリングする被測定光の周波数をｆ０としたとき、この周波数をＮ分周した周波数から掃引のための周波数（Δｆ）だけシフトさせた周波数であることが好ましい。
【００２０】
光分岐器８０は、光サンプリング装置１０から出力されるパルス光を受け取り、当該パルス光を分光して、その一方をアンプ３１に出力し、他方をアンプ３２に出力する。この光分岐器８０としては、例えば無偏光ビームスプリッタなどの分光器が用いられる。以下において、光分岐器８０で分光されたこれらのパルス光のうち、アンプ３１に入力される上記一方の光を第１パルス光と称し、アンプ３２に入力される上記他方の光を第２パルス光と称する。
【００２１】
アンプ３１は、上記光分岐器８０で分光された第１パルス光が入力されると、その第１パルス光のピーク強度を増幅する。また、アンプ３２は、上記光分岐器８０で分光された第２パルス光が入力されると、その第２パルス光のピーク強度を増幅する。これらのアンプ３１およびアンプ３２としては、例えばエルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）が用いられる。
【００２２】
パルス幅調整部４０は、スペクトル拡散部４２およびパルス圧縮部４４を有し、第１パルス光のパルス幅を調整する。スペクトル拡散部４２には、例えば高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ）が用いられ、アンプ３１でピーク強度が増幅された第１パルス光に自己位相変調を生じさせてそのスペクトルを拡散する。また、パルス圧縮部４４には、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）が用いられ、スペクトル拡散部４２においてスペクトルが拡散された第１パルス光のパルス幅を分散補償により縮める。なお、スペクトル拡散部４２に用いられる高非線形ファイバの長さ、および、パルス圧縮部４４に用いられるシングルモードファイバの長さは、例えば前者が１０ｍであり、後者が１５ｍである。
【００２３】
図３は、パルス幅調整部４０においてスペクトル拡散部４２側から入力する第１パルス光のパルス幅を圧縮する非線形伝送シミュレーションの結果を示す。また、図３において、「Ａ」は、スペクトル拡散部４２に入力される第１パルス光の時間波形およびスペクトル波形を示す。「Ｂ」は、スペクトル拡散部４２から出力されてパルス圧縮部４４に入力される第１パルス光の時間波形およびスペクトル波形を示す。「Ｃ」は、パルス圧縮部４４から出力された第１パルス光の時間波形およびスペクトル波形を示す。図３に示すように、パルス幅調整部４０により第１パルス光の時間幅は約０．７ｐｓｅｃまで圧縮される。このように、パルス幅調整部４０は、第１パルス光のパルス幅をサブピコ秒のオーダーまで圧縮して出力することができる。
【００２４】
図４は、タイミング調整部５００の構成を示す図である。タイミング調整部５００は、図４に示すように、第１光カプラ５１１と、第２光カプラ５１２と、第１光電変換器５２１と、第２光電変換器５２２と、アンプ５３１、５３２と、第１フィルタ５４１と、第２フィルタ５４２と、光可変遅延部６００と、位相比較部７００とを有する。タイミング調整部５００は、パルス幅調整部４０が出力する第１パルス光およびアンプ３２が出力する第２パルス光の位相差を調整して、第１サンプリング部１０１および第２サンプリング部１０６に入力する。
【００２５】
第１光カプラ５１１は、パルス幅調整部４０が出力する第１パルス光の一部を第１光電変換器５２１に入力する。第１光電変換器５２１は、第１光カプラ５１１で分光した一方の第１パルス光を電気信号に変換することにより、第１調整用信号を生成する。アンプ５３１は、第１光電変換器５２１で生成された第１調整用信号を増幅して第１フィルタ５４１に出力する。第１フィルタ５４１は、第１調整用信号における予め定められた周波数より小さい周波数成分を除去して、位相比較部７００に入力する。具体的には、第１フィルタ５４１は、パルス幅調整部４０が出力する第１パルス光の繰り返し周期が１５６．２５ＭＨｚである場合、第１調整用信号に含まれる周波数成分のうち、当該第１パルス光の繰り返し周期（１５６．２５ＭＨｚ）の３次（４６８．７５ＭＨｚ）または５次（７８１．２５ＭＨｚ）の高調波を選択的に透過するとともに、透過する高調波の周波数以外の周波数成分を吸収する。
【００２６】
第２光カプラ５１２は、後述の光可変遅延部６００が出力する第２パルス光の一部を第２光電変換器５２２に入力する。第２光電変換器５２２は、第２光カプラ５１２で分光した一方の第２パルス光を電気信号に変換することにより、第２調整用信号を生成する。アンプ５３２は、第２光電変換器５２２で生成された第２調整用信号を増幅して第２フィルタ５４２に出力する。第２フィルタ５４２は、第２調整用信号における予め定められた周波数より小さい周波数成分を除去して、位相比較部７００に入力する。具体的には、第２フィルタ５４２は、光可変遅延部６００が出力する第２パルス光の繰り返し周期が上記第１パルス光と同様に１５６．２５ＭＨｚである場合、第２調整用信号に含まれる周波数成分のうち、上記第１フィルタ５４１が透過する高調波と同じ周波数の高調波を透過するとともに、透過する高調波の周波数以外の周波数成分を吸収する。
【００２７】
図５は、光可変遅延部６００の構成を示す図である。光可変遅延部６００は、図５に示すように、第１遅延部６１０と、第２遅延部６２０とを有する。
【００２８】
第１遅延部６１０は、固定反射面６１１、６１２および可動反射面６１５を有する。第１遅延部６１０において、固定反射面６１１は、アンプ３２が出力する第２パルス光の光路上に固定して配され、当該第２パルス光を可動反射面６１５に向けて反射する。可動反射面６１５は、固定反射面６１１が反射した第２パルス光を固定反射面６１２に向けて反射する。固定反射面６１２は、可動反射面６１５が反射した第２パルス光を第２遅延部６２０の光ファイバ６２１に入力する。
【００２９】
ここで、可動反射面６１５は、自身が固定反射面６１１および固定反射面６１２に対して離れる(または近づく)方向に移動することにより、当該可動反射面６１５と固定反射面６１１および固定反射面６１２それぞれとの間の距離（以下、「反射面間距離」と略称する）を、例えば大きさ「Ｌ」のストロークで変化させることができる。したがって、第１遅延部６１０は、入力した第２パルス光が固定反射面６１１から可動反射面６１５を経て固定反射面６１２に至るまでの光路長を最大で大きさ「２Ｌ」だけ変えることができる。これにより、第１遅延部６１０は、上記光路長を長くすることにより、当該光路長が長くなった分だけ第２サンプリング部１０６に入力される第２パルス光を遅延させることができる。第１遅延部６１０における上記反射面間距離は、光サンプリング装置１０を被測定光のサンプリングに用いるときのタイミング調整部５００の初期設定において、可動反射面６１５を例えば手動で移動させることにより所定の大きさ（初期設定値）に設定される。この初期設定値については後述する。また、可動反射面６１５は、モータなどの不図示の駆動機構を有し、後述する位相比較部７００の制御部７３０から入力される制御信号によって移動される。なお、第１遅延部６１０は、上記並びに図５に示す形態に限定されない。第１遅延部６１０は、例えば、アンプ３２から出力する第２パルス光の光路上に間隔を開けて配される２つのコリメートレンズを有してもよい。この場合、アンプ３２から光ファイバを通って伝播される第２パルス光は、当該光ファイバから上記２つのコリメートレンズの一方のレンズ面に向けて拡散して出力された後、当該一方のコリメートレンズで平行光に変換される。さらに、当該平行光に変換された第２パルス光は、例えば空気中を伝播して上記２つのコリメートレンズの他方のレンズ面に入射した後、第２遅延部６２０における後述する光ファイバ６２１の入力端に入力される。ここで、第１遅延部６１０は、上記２つのコリメートレンズの間隔を変化させる構成を有し、当該間隔を変化させることにより、第２パルス光の光路長を変化させることができる。
【００３０】
第２遅延部６２０は、光ファイバ６２１、ピエゾ素子６２２、電極６２３、６２４、および高圧電源６２５を有する。第２遅延部６２０において、光ファイバ６２１は、略円筒形のピエゾ素子６２２の周囲に巻き付けられる。より詳細には、光ファイバ６２１は、略円筒形のピエゾ素子６２２の外周面に配された電極６２３に固定される。また、ピエゾ素子６２２の内周面には、電極６２４が配される。高圧電源６２５は、例えば０〜２ｋＶの範囲で出力電圧の大きさが可変な直流電圧源であり、プラスまたはマイナスの一方の出力端子が電極６２３と接続し、他方の出力端子が電極６２４と接続する。高圧電源６２５は、後述する位相比較部７００の制御電圧出力部７２０から入力される制御電圧の大きさに応じた大きさの電圧を電極６２３および電極６２４の間に印加する。
【００３１】
ピエゾ素子６２２は、電極６２３および電極６２４の間に印加された上記電圧の大きさに応じて変形する。具体的には、ピエゾ素子６２２は、当該電圧が印加されることにより、当該電圧の大きさに応じて断面の半径が変化する。この場合、ピエゾ素子６２２における電極６２３が配された外周面の面積も変化するので、伴って電極６２３に固定された光ファイバ６２１の長さも変化する。これにより、当該光ファイバ６２１を通過する第２パルス光の光路長が変化する。
【００３２】
このように、第２遅延部６２０は、上記制御電圧を電極６２３および電極６２４の間に印加することにより、当該電圧の大きさに応じて当該光ファイバ６２１を通過する第２パルス光の光路長を変化させることができる。したがって、例えば当該光路長が長くなった分だけ第２サンプリング部１０６に入力される第２パルス光を遅延させることができる。なお、第２遅延部６２０は、ピエゾ素子６２２の変形により光ファイバ６２１を伸長または収縮させることで第２パルス光の光路長を変えるので、可動反射面６１５の往復移動により第２パルス光の光路長を変える第１遅延部６１０と比べてより精細な分解能で、第２パルス光が第２サンプリング部１０６に入力するタイミングを遅延させ、または早めることができる。
【００３３】
図６は、位相比較部７００の構成を示す図である。位相比較部７００は、図６に示すように、位相差検出部７１０と、制御電圧出力部７２０と、制御部７３０とを有し、入力される第１調整用信号および第２調整用信号の２つの調整用信号の位相差を検出し、検出した位相差を予め定められた位相差に近づけるべく、上記光可変遅延部６００における遅延量を制御する。
【００３４】
位相差検出部７１０は、第１フリップフロップ７１１、第２フリップフロップ７１２およびＡＮＤ回路７１５を有し、入力される第１調整用信号および第２調整用信号の位相差を検出する。具体的には、第１フリップフロップ７１１は、第１フィルタ５４１から入力される第１調整用信号の信号レベルが論理Ｈに対応する信号レベルとなったときに、論理Ｈを制御電圧出力部７２０およびＡＮＤ回路７１５に出力する。また、第２フリップフロップ７１２は、第２フィルタ５４２から入力される第２調整用信号の信号レベルが論理Ｈに対応する信号レベルとなったときに、論理Ｈを制御電圧出力部７２０およびＡＮＤ回路７１５に出力する。ＡＮＤ回路７１５は、第１フリップフロップ７１１および第２フリップフロップ７１２がともに論理Ｈを出力したときに、第１フリップフロップ７１１および第２フリップフロップ７１２の出力をともに論理Ｌにリセットする。
【００３５】
位相差検出部７１０において、第１フリップフロップ７１１が論理Ｈを出力するタイミングと、第２フリップフロップ７１２が論理Ｈを出力するタイミングとの間には、第１調整用信号および第２調整用信号の位相差に応じた大きさの時間的なずれが生じる。また、上記のように、第１フリップフロップ７１１および第２フリップフロップ７１２は、同じタイミングで論理Ｈを出力している状態から論理Ｌを出力している状態にリセットされる。したがって、上記の時間的なずれの大きさは、第１フリップフロップ７１１および第２フリップフロップ７１２がそれぞれリセットされるまで論理Ｈを連続して出力している時間幅の違いと略等しい。このような第１フリップフロップ７１１および第２フリップフロップ７１２における出力の時間幅の違いは、上記タイミング調整部５００の第１光カプラ５１１で分光された第１パルス光と第２光カプラ５１２で分光された第２パルス光との位相差に対応する。したがって、位相差検出部７１０は、当該第１パルス光と第２パルス光との位相差を、当該位相差に対応した出力の時間幅の違いに変換して制御電圧出力部７２０に出力する。なお、制御電圧出力部７２０に対しては、論理Ｈおよび論理Ｌの各論理値に応じた大きさの電圧が出力される。
【００３６】
制御電圧出力部７２０は、コンデンサ７２１、７２２、コンパレータ７２５、およびオフセット電圧印加部７２７を有し、上記２つの調整用信号の位相差と予め定められた位相差との差分に応じた制御電圧を出力する。具体的には、上記第１フリップフロップ７１１が論理Ｈを連続して出力している時間幅だけコンデンサ７２１に対して論理Ｈに応じた大きさの電圧が入力されるとともに、上記第２フリップフロップ７１２が論理Ｈを連続して出力している時間幅だけコンデンサ７２２に対して論理Ｈに応じた大きさの電圧が入力されると、コンデンサ７２１およびコンデンサ７２２には、それぞれ入力される電圧の時間幅に応じた大きさの電圧が生じる。
【００３７】
コンパレータ７２５は、コンデンサ７２１およびコンデンサ７２２にそれぞれ生じた電圧の大きさを比較して、当該電圧の大きさの違いに応じた大きさの電圧をオフセット電圧印加部７２７に出力する。ここで、コンパレータ７２５から出力される電圧の大きさは、上記第１調整用信号および第２調整用信号の位相差に応じた大きさとなる。オフセット電圧印加部７２７は、コンパレータ７２５から出力される電圧に所定の大きさのオフセット電圧を加えた制御電圧を第２遅延部６２０および制御部７３０に出力する。
【００３８】
ここで、オフセット電圧印加部７２７が加えるオフセット電圧の大きさは、光サンプリング装置１０を被測定光のサンプリングに用いるときのタイミング調整部５００の初期設定において、予め定められた大きさ（初期設定値）に設定される。この初期設定値については後述する。また、この場合、オフセット電圧印加部７２７から出力される制御電圧は、オフセット電圧を中心として上記第１調整用信号および第２調整用信号の位相差に応じて一定の範囲を変動する電圧となる。
【００３９】
制御部７３０は、制御電圧出力部７２０が出力する制御電圧を検出し、当該制御電圧が予め定められた電圧範囲の略中心となっているか、すなわち上記オフセット電圧近傍の大きさであるかどうかを判別する。ここで、制御電圧がオフセット電圧と大きく異なる値である場合、当該制御電圧を当該オフセット電圧に近づけるべく、上記光可変遅延部６００の第１遅延部６１０に制御信号を出力する。
【００４０】
第１遅延部６１０は、制御部７３０から制御信号が入力された場合、その制御信号に応じて可動反射面６１５を駆動して上記反射面間距離を変化させることにより、第２サンプリング部１０６に入力される第２パルス光に与える遅延量を変える。これにより、第１サンプリング部１０１に入力される第１パルス光と第２サンプリング部１０６に入力される第２パルス光との間に生じる位相差が変化する。このように、制御部７３０は、上記制御電圧を上記オフセット電圧に近づけるべく、予め定められた期間毎に第１遅延部６１０の遅延量を制御する。第２遅延部６２０は、制御電圧出力部７２０から制御電圧が入力された場合、上記のように高圧電源６２５が当該制御電圧の大きさに応じて第２パルス光の光路長の長さを変化させることにより、第２サンプリング部１０６に入力される第２パルス光を遅延させ、または早めることができる。
【００４１】
このように、位相比較部７００は、上記第１調整用信号および第２調整用信号の２つの調整用信号の位相差を検出し、検出した位相差を予め定められた位相差に近づけるべく、光可変遅延部６００に対して制御信号および制御電圧を出力することにより、第１光カプラ５１１で分光した第１パルス光と第２光カプラ５１２で分光した第２パルス光との位相差を一定に保持すべく光可変遅延部６００が第２パルス光に与える遅延量を制御することができる。したがって、光可変遅延部６００および位相比較部７００を有するタイミング調整部５００を備えた光サンプリング装置１０は、第１サンプリング部１０１に入力される第１パルス光と、第２サンプリング部１０６に入力される第２パルス光との位相差に基づくこれら２つのパルス光の時間精度を長時間連続して安定させることができる。
【００４２】
また、位相比較部７００は、上記のように第１パルス光および第２パルス光から生成された第１調整用信号および第２調整用信号の高調波を利用して、これら第１パルス光および第２パルス光の位相差を検出する。したがって、第１パルス光および第２パルス光の繰り返し周波数から位相差を検出する場合と比べて、検出の分解能が向上する。
【００４３】
また、タイミング調整部５００において、上記第１パルス光と第２パルス光との位相差を予め定めた位相差に保持した場合でも、例えば時間の経過とともに温度など環境変動により第１パルス光の光路長が変化することがある。このような場合、オフセット電圧印加部７２７から出力される制御電圧がオフセット電圧から大きくずれることがある。しかしながら、当該電圧のずれを位相比較部７００の制御部７３０が予め定められた期間毎に検出するとともに、検出結果に基づいた制御信号により光可変遅延部６００において、第２パルス光の第１パルス光に対する位相差を制御することができる。
【００４４】
なお、本実施形態において、第１光カプラ５１１から第１サンプリング部１０１までの光路長と、第２光カプラ５１２から第２サンプリング部１０６までの光路長とは略等しいことが好ましい。また、上記第１パルス光の光路上の例えばパルス幅調整部４０と第１光カプラ５１１との間に光可変遅延部６００と同様の光可変遅延部を有してもよい。この場合、第１パルス光と第２パルス光との位相差をそれぞれ別個に制御することができる。
【００４５】
図７は、第１サンプリング部１０１の構成を示すブロック図である。また、図８は、第１サンプリング部１０１において第１パルス光によって被測定光をサンプリングする様子を示す概略図である。第１サンプリング部１０１は、図７に示すように、第１入力側偏光制御部１１１、光結合器１１８、第１光ファイバ１２１、第１出力側偏光部１３１および第１カラーフィルタ１４１を有し、外部から入力される被測定光のうち、パルス光出力部２０から入力される第１パルス光と時間的な重なりを有する部分に応じた光を、第1出力光として出力する。
【００４６】
第１入力側偏光制御部１１１は、偏光制御素子１１３および偏光制御素子１１４を有する。偏光制御素子１１３には、外部から第１サンプリング部１０１に入力された被測定光が入力される。また、偏光制御素子１１４には、上記パルス光出力部２０から出力されて第１サンプリング部１０１に入力された第１パルス光が入力される。第１入力側偏光制御部１１１は、偏光制御素子１１３に入力した被測定光および偏光制御素子１１４に入力した第１パルス光を、偏光方向が相互に４０〜５０度の角度を有する直線偏光となるようにそれぞれの偏光方向を制御する。第１入力側偏光制御部１１１において偏光方向が制御された被測定光および第１パルス光は、それぞれ偏光制御素子１１３および偏光制御素子１１４から光結合器１１８に向けて出力される。
【００４７】
図７において、偏光制御素子１１３および偏光制御素子１１４の出力側に、これらから出力された被測定光および第１パルス光の偏光方向を円で囲んだ矢印の方向で示す。図７に示すように、本実施形態では、第１入力側偏光制御部１１１の偏光制御素子１１３および偏光制御素子１１４からそれぞれ出力された被測定光および第１パルス光の偏光方向は相互に略４５度の角度を有する。また、このとき、偏光制御素子１１３から出力される被測定光の偏光方向は概ね水平方向であり、偏光制御素子１１４から出力される第１パルス光の偏光方向は水平方向に対して略４５度の角度を有する。
【００４８】
光結合器１１８は、偏光制御素子１１３から出力される被測定光および偏光制御素子１１４から出力される第１パルス光を結合して第１光ファイバ１２１に出力する。光結合器１１８としては、例えばハーフミラーまたはビームスプリッタ等が用いられる。
【００４９】
第１光ファイバ１２１は、入力された被測定光および第１パルス光が少なくとも一部において時間的な重なりを有して内部を通過するときに、これらの光の間に光カー効果および四光波混合を含む非線形光学効果を生じさせる。より具体的には、図８に示すように、第１光ファイバ１２１の内部を通過する被測定光の特定のパルスと第１パルス光の特定のパルスとが少なくとも一部において時間的に重なるとき、被測定光の当該パルスは、その偏光軸が光カー効果によって回転することにより、第１パルス光の当該パルスの偏光方向と略同じ偏光方向となる。この第１光ファイバ１２１には、例えば平均零分散波長が上記第１パルス光の波長と略一致し、非線形定数がおよそ２０（／Ｗ／ｋｍ）程度である高非線形ファイバが用いられる。
【００５０】
ここで、被測定光における上記のような偏光軸の回転は、被測定光全体に生じるのではなく、被測定光と第１パルス光とが時間的に重なる部分にのみ生じる。したがって、例えば、第１パルス光のパルスのパルス幅が被測定光のパルスのパルス幅よりも短い場合、被測定光のパルスにおける第１パルス光のパルスと時間的に重なる一部だけが上記のように偏光軸が回転し、偏光方向が第１パルス光と略同じ偏光方向となる。
【００５１】
図９は、図７に示す第１サンプリング部１０１のブロック図において丸付き数字１〜丸付き数字４を付して示す位置を、時間的な重なりを有して通過する光の強さを光周波数毎に示す。なお、図９において、横軸は光周波数を表し、ω０、ω１およびω２は、それぞれ第１パルス光、被測定光（丸付き数字４は第１出力光）およびアイドラー光の光周波数を示す。また、図９においてこの横軸と直交する方向に伸びる矢印の長さは、それぞれの光周波数における光の強度を表す。
【００５２】
第１パルス光の強度が被測定光と比べて非常に大きい場合、図９の丸付き数字２および丸付き数字３に示すように、第１光ファイバ１２１を通過する被測定光における上記のような偏光軸が回転する部分、すなわち、被測定光における第１パルス光と時間的に重なる部分は、その強度が増幅される。これは、被測定光における当該部分が第１光ファイバ１２１内で四光波混合による光パラメトリック増幅により増幅されることによる。ここで、被測定光における当該部分が光パラメトリック増幅により増幅された光は、被測定光と同じ光周波数（波長）の直線偏光であり、その偏光方向は上記第１パルス光の偏光方向と略同じ方向である。したがって、被測定光における上記増幅された部分の偏光方向は水平方向に対して４５度の角度を有する。
【００５３】
このように、第１光ファイバ１２１を通過する被測定光および第１パルス光において互いに時間的な重なりを有する部分があるとき、第１光ファイバ１２１を通過した被測定光における当該部分は、第１パルス光と略同じ偏光方向で強度の増幅された光となる。なお、被測定光における増幅された部分の強度は、第１パルス光の強度が一定である場合、被測定光における当該部分の増幅される前の強度と相関関係を有する。
【００５４】
また、上記のように、第１光ファイバ１２１を通過する被測定光および第１パルス光において互いに時間的な重なりを有する部分があるとき、図９に示すように、被測定光および第１パルス光の上記部分と時間的な重なりを有するアイドラー光が四光波混合により新たに発生する。このアイドラー光は、第１パルス光と略同じ偏光方向の直線偏光として発生する。したがって、上記アイドラー光の偏光方向は、水平方向に対して略４５度の角度を有する。また、上記アイドラー光の強度は、偏光方向が第１パルス光の偏光方向と略同じ方向に回転して増幅された被測定光の上記部分と同じ強度である。したがって、上記アイドラー光の強度もまた、第１パルス光の強度が一定である場合、被測定光における上記部分の増幅される前の強度と相関関係を有する。
【００５５】
また、上記被測定光の光周波数ω１と上記第１パルス光の光周波数ω０との差は、上記アイドラー光の光周波数ω２と上記第１パルス光の光周波数ω０との差と等しい。
【００５６】
第１出力側偏光部１３１は、第１光ファイバ１２１を通過する光の光路上に配される偏光素子１３３を有する。この偏光素子１３３は、入射する光のうち偏光方向が水平方向の成分の光を吸収し、鉛直方向（水平方向と直交する方向）の成分の光を透過する。したがって、図８に示すように、第１光ファイバ１２１を通過した第１パルス光は、その鉛直方向の成分が偏光素子１３３を透過する。また、第１光ファイバ１２１を通過した被測定光のうち第１光ファイバ１２１において第１パルス光と時間的に重ならない部分は、偏光素子１３３に吸収される。
【００５７】
これに対し、被測定光のうち第１光ファイバ１２１において第１パルス光と時間的に重なる部分は、上記のように偏光方向が第１パルス光と略同じ方向、すなわち水平方向に対して略４５度の方向に回転するので、その鉛直方向の成分が偏光素子１３３を透過する。また、第１光ファイバ１２１において発生した上記アイドラー光は、偏光方向が第１パルス光の偏光方向と同じであるので、その鉛直方向の成分が偏光素子１３３を透過する。
【００５８】
第１カラーフィルタ１４１は、上記第１出力側偏光部１３１の偏光素子１３３を透過する光の光路上に配され、上記被測定光の波長λ１と同じ帯域の波長の光だけを透過する特性を有する。したがって、偏光素子１３３を透過した光のうち、被測定光の波長λ１と異なる波長の光である上記第１パルス光および上記アイドラー光の成分は第１カラーフィルタ１４１に吸収され、被測定光の波長λ１（光周波数ω１）と同じ波長の成分だけが第１カラーフィルタ１４１を透過する。以下において、第１カラーフィルタ１４１を透過した光を第１出力光と称する。
【００５９】
なお、上記第１カラーフィルタ１４１は、上記アイドラー光の波長λ２と同じ帯域の波長の光だけを透過する特性を有してもよい。この場合、上記第１パルス光および上記被測定光の成分は第１カラーフィルタ１４１に吸収されるので、第１カラーフィルタ１４１を透過するアイドラー光の成分が第１出力光となる。この場合でも、アイドラー光の強度および波長が、上記のように被測定光と相関関係を有することから、アイドラー光の成分からなる第１出力光を被測定光に対応させることができる。
【００６０】
このように、第１サンプリング部１０１では、被測定光のうち第１光ファイバ１２１において第１パルス光と時間的に重ならない部分は、偏光素子１３３に吸収される。したがって、被測定光のパルス波形をサンプリングして得られる第１出力光のＳＮ比をより大きくすることができる。
【００６１】
また、例えば上記パルス光出力部２０がサブピコ秒オーダーのパルス光を第１パルス光として出力することにより、第１サンプリング部１０１においてパルス幅の非常に短い第１パルス光で被測定光をサンプリングすることができるので、第１サンプリング部１０１における被測定光のサンプリングの時間分解能をサブピコ秒オーダーにまで高めることができる。
【００６２】
図１０は、第２サンプリング部１０６の構成を示すブロック図である。図１０において、円で囲んだ矢印の方向は、第１出力光および後述する偏光制御素子１１５から出力される第２パルス光の偏光方向を示す。また、図１１は、第２サンプリング部１０６において第２パルス光によって第１出力光を光パラメトリック増幅する様子を示す概略図である。第２サンプリング部１０６は、図１０に示すように、第２入力側偏光制御部１１２、光結合器１１９、第２光ファイバ１２２および第２カラーフィルタ１４２を有し、第１サンプリング部１０１から入力される第１出力光と、パルス光出力部２０のタイミング調整部５００から第２サンプリング部１０６に入力される第２パルス光とが時間的な重なりを有する場合に、第1出力光を増幅した光を、第２出力光として出力する。
【００６３】
第２入力側偏光制御部１１２は、偏光制御素子１１５を有する。偏光制御素子１１５には、上記パルス光出力部２０のタイミング調整部５００から出力されて第２サンプリング部１０６に入力された第２パルス光が入力される。第２入力側偏光制御部１１２は、偏光制御素子１１５に入力した第２パルス光の偏光方向が上記第１出力光の偏光方向と略同じになるように第２パルス光の偏光方向を制御する。本実施形態では、上記第１出力光の偏光方向が鉛直方向であることから、第２入力側偏光制御部１１２は、偏光制御素子１１５に入力した第２パルス光を、その偏光方向が略鉛直方向となるように制御する。
【００６４】
第２入力側偏光制御部１１２において偏光方向が制御された第２パルス光は、偏光制御素子１１５から光結合器１１９に向けて出力される。なお、第２入力側偏光制御部１１２は、上記パルス光出力部２０から出力される第２パルス光の偏光方向が、第１出力光の偏光方向と略同じである場合はなくてもよい。この場合、第１サンプリング部１０１の部品点数を削減することができる。光結合器１１９は、第１出力光および偏光制御素子１１５から出力される第２パルス光を結合して第２光ファイバ１２２に出力する。光結合器１１９としては、例えばハーフミラーまたはビームスプリッタ等が用いられる。
【００６５】
光結合器１１９によって結合された第１出力光および第２パルス光は、第２光ファイバ１２２に入力される。ここで、タイミング調整部５００の上記初期設定により、第２サンプリング部１０６に入力される第２パルス光は、第１出力光と第２光ファイバ１２２において時間的な重なりを有する。具体的には、当該初期設定において、光可変遅延部６００の第１遅延部６１０における上記反射面間距離の初期設定値、並びに制御電圧出力部７２０のオフセット電圧印加部７２７が加えるオフセット電圧の初期設定値は、光可変遅延部６００から第２サンプリング部１０６に入力される第２パルス光が第２光ファイバ１２２において第１出力光と時間的な重なりを有するような大きさに設定される。
【００６６】
図１２は、図１０に示す第２サンプリング部１０６のブロック図において丸付き数字５〜丸付き数字７の番号を付して示す位置を、時間的な重なりを有して通過する光の強さを光周波数毎に示す。なお、図１２において、横軸は光周波数を表し、ω０、ω１およびω２は、それぞれ第２パルス光、第１出力光（丸付き数字７は第２出力光）およびアイドラー光の光周波数を示す。また、図１２においてこの横軸と直交する方向に伸びる矢印の長さは、それぞれの光周波数における光の強度を表す。
【００６７】
第２光ファイバ１２２は、時間的な重なりを有して内部を通過する第１出力光および第２パルス光の間に非線形光学効果である四光波混合を生じさせる。第２パルス光の強度が第１出力光と比べて非常に大きい場合、図１２の丸付き数字５および丸付き数字６に示すように、第１出力光における第２パルス光と時間的に重なる部分は、その強度が増幅される。これは、第１出力光における当該部分が第２光ファイバ１２２内で四光波混合による光パラメトリック増幅により増幅されることによる。この第２光ファイバ１２２には、上記と第１光ファイバ１２１同様に、例えば平均零分散波長が上記第２パルス光の波長と略一致し、非線形定数がおよそ２０（／Ｗ／ｋｍ）程度である高非線形ファイバが用いられる。
【００６８】
このように、第２光ファイバ１２２を通過した第１出力光は、第２パルス光と略同じ偏光方向で強度の増幅された光となる。なお、増幅された第１出力光の強度は、第２パルス光の強度が一定である場合、増幅される前の第１出力光の強度と相関関係を有する。
【００６９】
また、図１２に示すように、第２光ファイバ１２２において、第１出力光および第２パルス光と時間的な重なりを有するアイドラー光が四光波混合により新たに発生する。このアイドラー光は、第１出力光および第２パルス光と略同じ偏光方向の直線偏光として発生する。したがって、上記アイドラー光の偏光方向は略鉛直方向の角度を有する。また、上記アイドラー光の強度は、上記光パラメトリック増幅により増幅された第１出力光と同じ強度である。したがって、上記アイドラー光の強度もまた、第２パルス光の強度が一定である場合、第１出力光の増幅される前の強度と相関関係を有する。
【００７０】
また、上記第１出力光の光周波数ω１と上記第２パルス光の光周波数ω０との差は、上記アイドラー光の光周波数ω２と上記第２パルス光の光周波数ω０との差と等しい。
【００７１】
第２カラーフィルタ１４２は、上記第２光ファイバ１２２を通過した光の光路上に配され、上記第１出力光の波長と同じ帯域の波長の光を透過する特性を有する。したがって、第２光ファイバ１２２を通過した光のうち、第１出力光の波長λ１と異なる波長の光である上記第２パルス光および上記アイドラー光の成分は第２カラーフィルタ１４２に吸収され、第１出力光の波長λ１（光周波数ω１）と同じ波長の成分だけが第２カラーフィルタ１４２を透過する。以下において、第２カラーフィルタ１４２を透過した光を第２出力光と称する。
【００７２】
なお、上記第２カラーフィルタ１４２は、上記アイドラー光の波長λ２と同じ帯域の波長の光だけを透過する特性を有してもよい。この場合、上記第２パルス光および上記第１出力光の成分は第２カラーフィルタ１４２に吸収されるので、第２カラーフィルタ１４２を透過するアイドラー光の成分が第２出力光となる。この場合でも、アイドラー光の強度および波長が、上記のように被測定光と相関関係を有することから、アイドラー光の成分からなる第２出力光を被測定光に対応させることができる。
【００７３】
また、上記第１サンプリング部１０１から出力される第１出力光が上記のように第１光ファイバ１２１で発生するアイドラー光の成分である場合、第１出力光の波長はλ２（光周波数ω２）である。したがって、上記第２光ファイバ１２２において、波長がλ０（光周波数ω０）の第２パルス光と波長がλ２（光周波数ω２）の第１出力光との間に生じる四光波混合により発生するアイドラー光の波長は、λ１（光周波数ω１）となる。
【００７４】
このように、第２サンプリング部１０６では、第１サンプリング部１０１から入力される第１出力光を第２光ファイバ１２２において光パラメトリック増幅により増幅することによりその強度を大きくすることができる。したがって、第１サンプリング部１０１で被測定光をサンプリングすることにより得られた第１出力光の強度が小さい場合でも、第１出力光に対する第２出力光のＳＮ比を低下させることなく、被測定光のサンプリング出力光である第２出力光をその強度を増幅して出力することができる。
【００７５】
また、第２サンプリング部１０６は、上記のように、第２入力側偏光制御部１１２を有することにより、第２パルス光の偏光方向と第１出力光の偏光方向とを略同じになるように制御している。したがって、第２光ファイバ１２２内で第１出力光が四光波混合による光パラメトリック増幅により増幅されるときの増幅効率は略最大となり、被測定光のサンプリングにおけるゲインをより高めることができる。
【００７６】
光電変換器６０は、第２カラーフィルタ１４２を透過した光の光路上に配され、上記第２出力光を受光してその時間−強度成分に対応した電気信号に変換し波形表示器７０に出力する。この光電変換器６０には、例えばフォトダイオードなどの光電変換素子が用いられる。このとき、光電変換器６０における感度が最も良好な光の波長は、上記第２出力光の波長と略一致することが好ましい。波形表示器７０は、光電変換器６０と電気的に接続し、上記電気信号を繰返し周期に応じて表示させる。
【００７７】
以上において説明したように、上記光サンプリング装置１０は、被測定光を高い時間分解能でサンプリングすることのできる第１サンプリング部１０１と、第１サンプリング部１０１で得られたサンプリング出力である第１出力光の強度を効率よく増幅する第２サンプリング部１０６を備えているので、被測定光のパルス波形を高感度かつ高い時間分解能で観測することができる。
【００７８】
なお、上記光サンプリング装置１０において、第１サンプリング部１０１に配される第１カラーフィルタ１４１は、第１出力側偏光部１３１の出力側に別個に配される形態に限定されない。例えば第２サンプリング部１０６の光結合器１１９が第１出力光の入光面および第２パルス光の入光面を有する場合、第１カラーフィルタ１４１は、当該光結合器１１９における第２パルス光の入光面に一体的に形成されてもよい。
【００７９】
図１３は、第１サンプリング部１０２および第２サンプリング部１０７の構成を示すブロック図である。上記および図１〜図１２を参照して説明した光サンプリング装置１０は、第１サンプリング部１０１および第２サンプリング部１０６に替えて、図１３に示す第１サンプリング部１０２および第２サンプリング部１０７を備えてもよい。なお、図１３に示す第１サンプリング部１０２および第２サンプリング部１０７において、上記第１サンプリング部１０１および第２サンプリング部１０６と同じ参照番号を付したものについては略同じ構成であるので説明を部分的に省略する。
【００８０】
第１サンプリング部１０２は、図１３に示すように、第１入力側偏光制御部１１１、光結合器１１８、第１光ファイバ１２１および第１カラーフィルタ１４１を有する。
【００８１】
第１入力側偏光制御部１１１は、偏光制御素子１１３に入力した被測定光および偏光制御素子１１４に入力した第１パルス光を、偏光方向が略同じ方向である直線偏光となるようにそれぞれの偏光方向を制御する。第１入力側偏光制御部１１１において偏光方向が制御された被測定光および第１パルス光は、それぞれ偏光制御素子１１３および偏光制御素子１１４から光結合器１１８に向けて出力される。
【００８２】
図１３において、偏光制御素子１１３および偏光制御素子１１４の出力側に、これらから出力された被測定光および第１パルス光の偏光方向を円で囲んだ矢印の方向で示す。図１３に示すように、本実施形態では、第１入力側偏光制御部１１１の偏光制御素子１１３および偏光制御素子１１４からそれぞれ出力された被測定光および第１パルス光の偏光方向はともに略鉛直方向である。しかしながら、被測定光および第１パルス光の偏光方向は、第１入力側偏光制御部１１１によって略同じ方向に制御されていれば、本実施形態のように鉛直方向に限定されない。
【００８３】
また、図１３に示す形態において、パルス光出力部２０から出力される第１パルス光は、後述する第１光ファイバ１２１を通過するときに被測定光と時間的に重なるべく、適切なタイミングおよび十分なパルス幅を有している。第１パルス光のタイミングおよびパルス幅は、上記パルス光出力部２０の変調部４００およびパルス幅調整部４０等において調整される。
【００８４】
第１光ファイバ１２１は、時間的な重なりを有して内部を通過する第１出力光および第２パルス光の間に非線形光学効果である四光波混合を生じさせる。第１パルス光の強度が被測定光と比べて十分に大きい場合、被測定光は、その強度が増幅される。このように、第１光ファイバ１２１を通過した被測定光は、第１パルス光と略同じ偏光方向で強度の増幅された光となる。なお、増幅された被測定光の強度は、第１パルス光の強度が一定である場合、増幅される前の被測定光の強度と相関関係を有する。
【００８５】
また、第１光ファイバ１２１において、被測定光および第１パルス光と時間的な重なりを有するアイドラー光が四光波混合により新たに発生する。このアイドラー光は、被測定光および第１パルス光と略同じ偏光方向の直線偏光として発生する。したがって、上記アイドラー光の偏光方向は略鉛直方向の角度を有する。また、上記アイドラー光の強度は、上記光パラメトリック増幅により増幅された被測定光と同じ強度である。したがって、上記アイドラー光の強度もまた、第１パルス光の強度が一定である場合、被測定光の増幅される前の強度と相関関係を有する。また、上記被測定光の波長と上記第１パルス光の波長との差は、上記アイドラー光の波長と上記第１パルス光の波長との差と等しい。
【００８６】
第１カラーフィルタ１４１は、上記第１光ファイバ１２１を通過した光の光路上に配され、上記被測定光の波長と同じ帯域の波長の光を透過する特性を有する。したがって、第１光ファイバ１２１を通過した光のうち、被測定光の波長と異なる波長の光である上記第１パルス光および上記アイドラー光の成分は第１カラーフィルタ１４１に吸収され、被測定光の波長と同じ波長の成分だけが第１カラーフィルタ１４１を透過する。以下において、第１カラーフィルタ１４１を透過した光を第１出力光と称する。
【００８７】
第２サンプリング部１０７は、図１３に示すように、第２入力側偏光制御部１１２、光結合器１１９、第２光ファイバ１２２、第２出力側偏光部１３２および第２カラーフィルタ１４２を有する。
【００８８】
第２入力側偏光制御部１１２は、偏光制御素子１１５に入力した第２パルス光の偏光方向が、上記第１出力光の偏光方向に対して４０〜５０度の角度を有する直線偏光となるように第２パルス光の偏光方向を制御する。第２入力側偏光制御部１１２において偏光方向が制御された第２パルス光は、偏光制御素子１１５から光結合器１１９に向けて出力される。
【００８９】
図１３において、偏光制御素子１１５の出力側に、偏光制御素子１１５から出力された第２パルス光の偏光方向を円で囲んだ矢印の方向で示す。図１３に示すように、本実施形態では、例えば上記のように第１出力光の偏光方向が略鉛直方向である場合、第２入力側偏光制御部１１２の偏光制御素子１１５から出力された第２パルス光の偏光方向は、鉛直方向に対して略４５度の角度を有することが好ましい。
【００９０】
第２光ファイバ１２２は、入力された第１出力光および第２パルス光が少なくとも一部において時間的な重なりを有して内部を通過するときに、これらの光の間に光カー効果および四光波混合を含む非線形光学効果を生じさせる。より具体的には、第２光ファイバ１２２の内部を通過する第１出力光の特定のパルスと第２パルス光の特定のパルスとが少なくとも一部において時間的に重なるとき、第１出力光の当該パルスは、その偏光軸が光カー効果によって回転することにより、第２パルス光の当該パルスの偏光方向と略同じ偏光方向となる。ここで、第１出力光における上記のような偏光軸の回転は、第１出力光全体に生じるのではなく、第１出力光と第２パルス光とが時間的に重なる部分にのみ生じる。
【００９１】
第２パルス光の強度が第１出力光と比べて非常に大きい場合、第２光ファイバ１２２を通過する第１出力光における上記のような偏光軸が回転する部分、すなわち、第１出力光における第２パルス光と時間的に重なる部分は、その強度が光パラメトリック増幅により増幅される。ここで、第１出力光における当該部分が光パラメトリック増幅により増幅された光は、第１出力光と同じ波長の直線偏光であり、その偏光方向は第２パルス光の偏光方向と略同じ方向である。したがって、本実施形態では、第１出力光における上記増幅された部分の偏光方向は、鉛直方向に対して略４５度の角度を有する。
【００９２】
このように、第２光ファイバ１２２を通過する第１出力光および第２パルス光において互いに時間的な重なりを有する部分があるとき、第２光ファイバ１２２を通過した第１出力光における当該部分は、第２パルス光と略同じ偏光方向で強度の増幅された光となる。なお、第１出力光における増幅された部分の強度は、第２パルス光の強度が一定である場合、第１出力光における当該部分の増幅される前の強度と相関関係を有する。
【００９３】
また、上記のように、第２光ファイバ１２２を通過する第１出力光および第２パルス光において互いに時間的な重なりを有する部分があるとき、第１出力光および第２パルス光の上記部分と時間的な重なりを有するアイドラー光が四光波混合により新たに発生する。このアイドラー光は、第２パルス光と略同じ偏光方向の直線偏光として発生する。したがって、上記アイドラー光の偏光方向は、鉛直方向に対して略４５度の角度を有する。また、上記アイドラー光の強度は、偏光方向が第２パルス光の偏光方向と略同じ方向に回転して増幅された第１出力光の上記部分と同じ強度である。したがって、上記アイドラー光の強度もまた、第２パルス光の強度が一定である場合、第１出力光における上記部分の増幅される前の強度と相関関係を有する。
【００９４】
第２出力側偏光部１３２は、第２光ファイバ１２２を通過する光の光路上に配される偏光素子１３４を有する。この偏光素子１３４は、入射する光のうち偏光方向が鉛直方向の成分の光を吸収し、水平方向の成分の光を透過する。したがって、図１３に示すように、第２光ファイバ１２２を通過した第２パルス光は、その水平方向の成分が偏光素子１３４を透過する。また、第２光ファイバ１２２を通過した第１出力光のうち第２光ファイバ１２２において第２パルス光と時間的に重ならない部分は、偏光方向が鉛直方向であるので、偏光素子１３４に吸収される。
【００９５】
これに対し、第１出力光のうち第２光ファイバ１２２において第２パルス光と時間的に重なる部分は、上記のように偏光方向が第２パルス光と略同じ方向、すなわち鉛直方向に対して略４５度の方向に回転するので、その水平方向の成分が偏光素子１３４を透過する。また、第２光ファイバ１２２において発生した上記アイドラー光は、偏光方向が第２パルス光の偏光方向と同じであるので、その水平方向の成分が偏光素子１３４を透過する。
【００９６】
第２カラーフィルタ１４２は、上記第２出力側偏光部１３２の偏光素子１３４を透過する光の光路上に配され、上記第１出力光の波長と同じ帯域の波長の光だけを透過する特性を有する。したがって、偏光素子１３４を透過した光のうち、第１出力光の波長と異なる波長の光である上記第２パルス光および上記アイドラー光の成分は第２カラーフィルタ１４２に吸収され、第１出力光の波長と同じ波長の成分だけが第２カラーフィルタ１４２を透過する。以下において、第２カラーフィルタ１４２を透過した光を第２出力光と称する。
【００９７】
なお、上記第２カラーフィルタ１４２は、上記アイドラー光の波長と同じ帯域の波長の光だけを透過する特性を有してもよい。この場合、上記第２パルス光および上記第１出力光の成分は第２カラーフィルタ１４２に吸収されるので、第２カラーフィルタ１４２を透過するアイドラー光の成分が第２出力光となる。この場合でも、アイドラー光の強度および波長が、上記のように第１出力光と相関関係を有することから、アイドラー光の成分からなる第２出力光を第１出力光に対応させることができる。
【００９８】
このように、第２サンプリング部１０７では、第１出力光のうち第２光ファイバ１２２において第２パルス光と時間的に重ならない部分は、偏光素子１３４に吸収される。したがって、第１出力光のパルス波形をサンプリングして得られる第２出力光のＳＮ比をより大きくすることができる。
【００９９】
また、例えば上記パルス光出力部２０がサブピコ秒オーダーのパルス光を第２パルス光として出力することにより、第２サンプリング部１０７においてパルス幅の非常に短い第２パルス光で第１出力光をサンプリングすることができるので、第２サンプリング部１０７における第１出力光のサンプリングの時間分解能をサブピコ秒オーダーにまで高めることができる。
【０１００】
以上において説明したように、光サンプリング装置１０は、図１３に示す第１サンプリング部１０２および第２サンプリング部１０７を備えることにより、第１サンプリング部１０２において被測定光の強度を効率よく増幅するとともに、第２サンプリング部１０７において増幅された第１出力光を高い時間分解能でサンプリングすることができる。したがって、被測定光のパルス波形を高感度かつ高い時間分解能で観測することができる。
【０１０１】
なお、上記および図１〜図１２を参照して説明した光サンプリング装置１０は、第２サンプリング部１０６に替えて、第２サンプリング部１０７を備えてもよい。この場合、光サンプリング装置１０は、第１サンプリング部１０１および第２サンプリング部１０７を備える。なお、この第２サンプリング部１０７については、図１３を参照して説明した上記第２サンプリング部１０７と同じものであり、同様の構成および作用効果を奏することから説明を省略する。
【０１０２】
光サンプリング装置１０は、第１サンプリング部１０１および第２サンプリング部１０７を備えることにより、第１サンプリング部１０１において被測定光を高い時間分解能でサンプリングするとともに、第２サンプリング部１０７において、第１出力光をそのＳＮ比を低下させることなく再度サンプリングすることができる。したがって、被測定光をより高い時間分解能で観測することができる。
【０１０３】
また、上記および図１〜図１２を参照して説明した光サンプリング装置１０は、第１サンプリング部１０１に替えて、第１サンプリング部１０２を備えてもよい。この場合、光サンプリング装置１０は、第１サンプリング部１０２および第２サンプリング部１０６を備える。なお、この第１サンプリング部１０２については、図１３を参照して説明した上記第１サンプリング部１０２と同じものであり、同様の構成および作用効果を奏することから説明を省略する。
【０１０４】
光サンプリング装置１０は、第１サンプリング部１０２および第２サンプリング部１０６を備えることにより、第１サンプリング部１０２において被測定光の強度を効率よく増幅するとともに、第２サンプリング部１０６において増幅された第１出力光をさらに効率よく増幅することができる。したがって、被測定光のサンプリングにおけるゲインをより高めることができる。
【０１０５】
図１４は、パルス光出力部２１を備えた光サンプリング装置１０の概略図である。上記および図１〜図１３を参照して説明した光サンプリング装置１０は、パルス光出力部２０に替えて、図１４に示すパルス光出力部２１を備えてもよい。なお、図１４に示す光サンプリング装置１０において、図１に示す光サンプリング装置１０と同じ参照番号を付したものについては同じ構成であるので説明を省略する。
【０１０６】
図１４に示すように、パルス光出力部２１は、高周波電流出力部２６１、第１レーザ光源２０１、第２レーザ光源２０２および分周回路４１１を有する。第１レーザ光源２０１および第２レーザ光源２０２は、ともに上記レーザ光源２００と同様の構成を有し、単一モードのパルス光を出力するパルス光源である。第１レーザ光源２０１から出力されるパルス光は、変調部４００、アンプ３１およびパルス幅調整部４０を経て第１パルス光として第１サンプリング部１０１（１０２）に入力される。また、第２レーザ光源２０２から出力されるパルス光は、アンプ３２およびタイミング調整部５００を経て第２パルス光として第２サンプリング部１０６（１０７）に入力される。
【０１０７】
高周波電流出力部２６１は、第１レーザ光源２０１の電流増幅回路（不図示）、および、分周回路４１１とそれぞれ電気的に接続する。この高周波電流出力部２６１は、上記高周波電流出力部２６０と同様に、特定の周波数の高周波電流を出力する。なお、高周波電流出力部２６１が出力する高周波電流の周波数は所望に変更することができる。
【０１０８】
分周回路４１１は、高周波電流出力部２６１から出力される高周波電気信号をＮ分周（Ｎは正の整数）して変調部４００および第２レーザ光源２０２の電流増幅回路（不図示）に出力する。したがって、変調部４００は、分周回路４１１から入力される電気信号の周波数に応じて上記第１レーザ光源２０１から出力されるパルス光の繰り返し周波数を１／ｎに分周したパルス光を出力する。また、第２レーザ光源２０２は、分周回路４１１から入力される電気信号の周波数、すなわち、高周波電流出力部２６１から出力される高周波電気信号の繰り返し周波数を１／ｎに分周した繰り返し周波数を有するパルス光を出力する。
【０１０９】
図１５は、パルス光出力部２２を備えた光サンプリング装置１０の概略図である。上記および図１〜図１３を参照して説明した光サンプリング装置１０は、パルス光出力部２０に替えて、図１５に示すパルス光出力部２２を備えてもよい。なお、図１５に示す光サンプリング装置１０において、図１に示す光サンプリング装置１０と同じ参照番号を付したものについては同じ構成であるので説明を省略する。
【０１１０】
図１５に示すように、パルス光出力部２２は、高周波電流出力部２６２、第１レーザ光源２０１、第２レーザ光源２０２および分周回路４１２を有する。第１レーザ光源２０１および第２レーザ光源２０２は、ともに上記レーザ光源２００と同様の構成を有し、単一モードのパルス光を出力するパルス光源である。第１レーザ光源２０１から出力されるパルス光は、変調部４００、アンプ３１およびパルス幅調整部４０を経て第１パルス光として第１サンプリング部１０１（１０２）に入力される。また、第２レーザ光源２０２から出力されるパルス光は、変調部４００、アンプ３２およびタイミング調整部５００を経て第２パルス光として第２サンプリング部１０６（１０７）に入力される。
【０１１１】
高周波電流出力部２６２は、第１レーザ光源２０１の電流増幅回路（不図示）、第２レーザ光源２０２の電流増幅回路（不図示）、および、分周回路４１２とそれぞれ電気的に接続する。この高周波電流出力部２６２は、上記高周波電流出力部２６０と同様に、特定の周波数の高周波電流を出力する。なお、高周波電流出力部２６２が出力する高周波電流の周波数は所望に変更することができる。
【０１１２】
分周回路４１２は、高周波電流出力部２６２から出力される高周波電気信号をＮ分周（Ｎは正の整数）して、変調部４００に出力する。したがって、第１レーザ光源２０１および第２レーザ光源２０２それぞれの出力側に配される変調部４００は、分周回路４１２から入力される電気信号の周波数に応じて上記第１レーザ光源２０１および第２レーザ光源２０２からそれぞれ出力されるパルス光の繰り返し周波数を１／ｎに分周したパルス光を出力する。
【０１１３】
なお、本実施形態の光サンプリング装置１０において、レーザ光源２００は、第１パルス光および第２パルス光の共通の光源であるが、第１パルス光を出力する光源と第２パルス光を出力する光源とを別々に備えてもよい。また、パルス幅調整部４０は、第２パルス光の光路上に配されて、当該第２パルス光のパルス幅を調整してもよい。また、パルス幅調整部４０は、第１パルス光および第２パルス光の両方のパルス光の光路上にそれぞれ配されて、これら２つのパルス光のパルス幅を調整してもよい。
【０１１４】
また、タイミング調整部５００は、本実施形態の光サンプリング装置１０の一部として用いられる形態に限られず、与えられる２つのパルス光の位相差を調整して出力するタイミング調整装置として例えば光信号のＰＭ変調などにも用いることができる。
【０１１５】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることができることは当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】光サンプリング装置１０の構成を示す概略図である。
【図２】パルス光出力部２０における、レーザ光源２００、高周波電流出力部２６０、変調部４００および分周回路４１０付近を抜き出して示す概略図である。
【図３】パルス幅調整部４０においてスペクトル拡散部４２側から入力する第１パルス光のパルス幅を圧縮する非線形伝送シミュレーションの結果を示す。
【図４】タイミング調整部５００の構成を示す図である。
【図５】光可変遅延部６００の構成を示す図である。
【図６】位相比較部７００の構成を示す図である。
【図７】第１サンプリング部１０１の構成を示すブロック図である。
【図８】第１サンプリング部１０１において第１パルス光によって被測定光をサンプリングする様子を示す概略図である。
【図９】図７に示す第１サンプリング部１０１のブロック図において丸付き数字１〜丸付き数字４を付して示す位置を、時間的な重なりを有して通過する光の強さを光周波数毎に示す。
【図１０】第２サンプリング部１０６の構成を示すブロック図である。
【図１１】第２サンプリング部１０６において第２パルス光によって第１出力光を光パラメトリック増幅する様子を示す概略図である。
【図１２】図１０に示す第２サンプリング部１０６のブロック図において丸付き数字５〜丸付き数字７の番号を付して示す位置を、時間的な重なりを有して通過する光の強さを光周波数毎に示す。
【図１３】第１サンプリング部１０２および第２サンプリング部１０７の構成を示すブロック図である。
【図１４】パルス光出力部２１を備えた光サンプリング装置１０の概略図である。
【図１５】パルス光出力部２２を備えた光サンプリング装置１０の概略図である。
【符号の説明】
【０１１７】
１０  光サンプリング装置、２０、２１、２２  パルス光出力部、３１、３２  アンプ、４０  パルス幅調整部、４２  スペクトル拡散部、４４  パルス圧縮部、６０  光電変換器、７０  波形表示器、８０  光分岐器、１０１、１０２  第１サンプリング部、１０６、１０７  第２サンプリング部、１１１  第１入力側偏光制御部、１１２  第２入力側偏光制御部、１１３、１１４、１１５  偏光制御素子、１１８、１１９  光結合器、１２１  第１光ファイバ、１２２  第２光ファイバ、１３１  第１出力側偏光部、１３２  第２出力側偏光部、１３３、１３４  偏光素子、１４１  第１カラーフィルタ、１４２  第２カラーフィルタ、２００  レーザ光源、２０１  第１レーザ光源、２０２  第２レーザ光源、２１０  レーザダイオード、２１１  低反射面、２１２  高反射面、２２０  コリメートレンズ、２２２  集光レンズ、２３０  ミラー、２３２  全反射面、２４０  光学バンドパスフィルタ、２５０  バイアス電流出力部、２６０、２６１、２６２  高周波電流出力部、２７０  電流増幅回路、２９０  光ファイバ、４００  変調部、４１０、４１１、４１２  分周回路、５００  タイミング調整部、５１１  第１光カプラ、５１２  第２光カプラ、５２１  第１光電変換器、５２２  第２光電変換器、５３１、５３２  アンプ、５４１  第１フィルタ、５４２  第２フィルタ、６００  光可変遅延部、６１０  第１遅延部、６１１、６１２  固定反射面、６１５  可動反射面、６２０  第２遅延部、６２１  光ファイバ、６２２  ピエゾ素子、６２３、６２４  電極、６２５  高圧電源、７００  位相比較部、７１０  位相差検出部、７１１  第１フリップフロップ、７１２  第２フリップフロップ、７１５  ＡＮＤ回路、７２０  制御電圧出力部、７２１、７２２  コンデンサ、７２５  コンパレータ、７２７  オフセット電圧印加部、７３０  制御部
【図１】
0005008483.tif 000002
【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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