(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定信号光よりパルス幅の狭い光パルスによって非線形光学効果を用いて、この被測定信号光をサンプリングすることで光波形を観測する光サンプリング波形観測装置において、
前記光パルスにより発生するラマンシフト光をサンプリング光とし、光パルスの強度によりラマンシフト光の波長を任意に変化させ、ラマンシフト光及び被測定信号光により発生する和周波光または差周波光と、第二高調波との波長帯域を離し、この和周波光または差周波光を測定して被測定信号光の観測を行うことを特徴とする光サンプリング波形観測装置。
【請求項２】
請求項１記載の光サンプリング波形観測装置において、
非線形光学効果として第一種位相整合条件を用いた和周波光発生効果を利用することを特徴とする光サンプリング波形観測装置。
【請求項３】
請求項１記載の光サンプリング波形観測装置において、
非線形光学効果として第一種位相整合条件を用いた差周波光発生効果を利用することを特徴とする光サンプリング波形観測装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の光サンプリング波形観測装置において、
非線形光学効果を行う非線形光学素子として、周期分極反転を用いた非線形光学結晶を具備することを特徴とする光サンプリング波形観測装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の光サンプリング波形観測装置において、
発生するラマンシフト光の波長を調整する手段として光可変減衰器を具備することを特徴とする光サンプリング波形観測装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の光サンプリング波形観測装置において、
ラマンシフト光の波長を監視して制御を行うため、ラマンシフト光波長監視機能を具備することを特徴とする光サンプリング波形観測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光電変換素子を用いた手法では観測できない超短時間領域の光波形を観測する光サンプリング波形観測装置に利用され、特に高感度、高時間分解能に、入力される被測定信号光の光波形の観測が可能な光サンプリング波形観測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光サンプリング波形観測装置としては、２次の非線形光学効果である和周波光発生（Sum-Frequency Generation；以下「SFG」）、あるいは差周波光発生（Difference-Frequency Generation；以下「DFG」）を利用し、被測定光パルス（角周波数ω1）と、これよりパルス幅の狭いサンプリングパルス光（角周波数ω2）を非線形光学結晶内で相互相関を行うことによって（ω3＝ω1＋ω2）となる和周波光（以下、「SF光」とする）を取り出していた（特公平6-63869号参照）。
そして、上記光サンプリング波形観測装置は、非線形光学結晶内において、この非線形光学効果により得られたＳＦ光を、受光器により光電変換し、電気信号処理によって波形表示を行っている。
【０００３】
そして、この光サンプリング波形観測装置においては、光波形の測定における時間分解能が、サンプリングパルス光のパルス幅と、サンプリングパルス光と被測定信号光との群速度遅延によって制限されている。
また、光波形の観測に非線形光学効果を用いる場合、和周波光等を発生させるために位相整合を行う必要がある。
この位相整合とは、サンプリングパルス光、被測定信号光と、発生する和周波光等との位相が整合するように、非線形光学結晶の複屈折性を利用して非線形光学結晶素子内へのサンプリングパルス光、被測定信号光の入射角を調整する角度整合法などがある。
このとき、サンプリングパルス光と被測定信号光との偏光状態が同一方向の直線偏光において入射する場合の位相整合条件を第一種位相整合条件、直交した直線偏光で入射する場合を第二種位相整合条件と呼ばれる。
【０００４】
現在、最も非線形光学効果を起こすために一般的に使われる非線形光学結晶は、第二種位相整合条件を用いたＫＴＰ（KTiOPO4）結晶がある（参考文献１：川口、野極、太田、遠藤、‘310GHz光サンプリングシステムの開発’、電子情報通信学会、ソサイエティ大会、B-10-149, 2000）。
【０００５】
しかしながら、上述した第二種位相整合条件でのＫＴＰ結晶の非線形光学効果は、あまり大きくなく、被測定信号光の波形観測の検出精度を向上させることができない。
一方、第一種位相整合条件として、すなわち、サンプリングパルス光と被測定信号光とが同じ偏光状態の場合に、非線形光学効果を起こす非線形光学結晶を用いれば、非線形光学結晶の大きな非線形光学定数を用い、波形観測の精度を向上させることが可能となる。
しかし、大きな非線形光学定数を持つＫＴＰ結晶やＬｉＮｂＯ3結晶などは、第一種位相整合条件を持たず、この大きな非線形光学定数を用いることが出来ない。
【０００６】
そこで、第一種位相整合条件を満たすように、非線形光学結晶の分極を周期的に反転させることによって擬似的に位相整合条件を作り出す、疑似位相整合が考案されている。
これは、例えば、非線形光学素子に用いられている非線形光学結晶がＬｉＮｂＯ3結晶のとき、サンプリングパルス光、被測定信号光波長が、共に1550nm近辺のであると、上記非線形光学結晶の分極を約18μm周期において、高温下で高電界を印加することにより、この非線形光学結晶の分極が反転し、周期分極反転ＬｉＮｂＯ3結晶（PPLN: Periodically-polled Lithium Niobate）を作製し、このPPLNにサンプリングパルス光、被測定信号光を入射することによって擬似的に第一種位相整合条件を満たすことができ、大きな非線形光学効果を得ることができる。
【０００７】
この手法を用いた光サンプリング波形観測装置も報告されている（参考文献２：野極、川口、太田、遠藤、‘PPLN結晶を用いた高感度光サンプリングシステムの開発’、電子情報通信学会、総合大会、B-10-170, 2000）。
上述した第一種位相整合条件を用いて得た和周波光を、光電変換素子などの受光器によって光電変換し、電気信号処理により、サンプンプリング結果の波形表示を行い、被測定信号光の特性評価を行う。この従来例の光サンプリング波形観測装置の構成を示す概念図を図７に示す。
この図７において、電気信号発生器SG1は、例えば周期的な電気信号を発生するものであり、繰り返し周波数として、周波数ｆsigの電気信号Ｐ１を出力する。
電気信号発生器SG2は、例えば周期的な電気信号を発生するものであり、電気信号Ｐ１に同期して、繰り返し周波数として、周波数（（ｆsig／ｎ）−Δｆ）の電気信号P２を発生する。
【０００８】
アンプ１００は入力されるサンプリングパルス信号Ｐ２を増幅し、狭パルス発生器１０１により狭い幅の電気パルスを得る。
そして、レーザ発振器１０２は、上記電気パルスにより利得スイッチ法で短パルス幅のパルス光を発生し、光サーキュレータ１０３は、このサンプリングパルス光のタイミングジッタを低減するために、レーザ発振器１０４（ＣＷ light）から発生される連続光をレーザ発振器１０２に注入するとともに、レーザ発振器１０２の発生するパルス光Ｐ３を出力する。
そして、ＤＣＦ（分散補償ファイバ）・１０５は、上記パルス光Ｐ３を線形圧縮し、ＥＤＦＡ（エルビウム・ドープド・ファイバ増幅器）１０６は、この線形圧縮された光パルスＰ３を増幅し、ＤＳＦ（分散シフトファイバ）・１０７は入力される光パルスＰ３を矩形状に伸張する。
【０００９】
次に、光アンプ１０８は、矩形状に変形された光パルスＰ３を増幅するとともにパルス圧縮し、偏光方向制御器１０９により、光パルスＰ３の偏光方向を制御して、サンプリングパルス光Ｐ４として出力する。
また、ＭＬＦＲＬ（モード同期ファイバリングレーザ）・１１０は、被測定信号Ｐ１の周波数に同期して、光パルスＰ６を発生する。
そして、光強度変調器１１２は、パターンジェネレータ１１１が被測定信号Ｐ１に同期して出力する所定のパターン（「０」または「１」で構成されるデータ列）により、光パルスＰ６を変調して、変調された光パルスＰ７を出力する。
そして、光増幅器１１３は光パルスＰ７を増幅し、偏光制御器１１４は入力される光パルスＰ７の偏光方向を制御し、光パルスＰ８として出力する。
【００１０】
波長分割多重器１１５は、光パルスＰ８と、サンプリングパルス光Ｐ４とを合波して、多重化された光パルスＰ９として出力される。
ＰＰＬＮ・１１６は、非線形光学結晶素子であり、上述したように、周期分極反転の非線形光学結晶とし、擬似的に第一種位相整合条件を満たすように構成する。
そして、ＰＰＬＮ・１１６は、光パルスＰ９において、光サンプリングパルス光Ｐ４と、第一種位相整合条件において光パルスＰ８との位相整合が達成されると、この２つの光パルスの相互相関信号であるＳＦ光を、大きな非線形光学効果の結果として射出する。
このとき、２つの入射光の偏光方向が同一であり、非線形光学結晶の複屈折に対して、共に異常光または共に常光の場合に位相整合が起こるとする。
【００１１】
そして、光バンドパスフィルタ１１７は、上記ＳＦ以外の雑音成分を取り除き、角周波数（ω1＋ω2）のみの成分としての光パルスである上記ＳＦ光を出力する。
受光器１１８は、アバランシェ・ホト・ダイオード等の光電変換素子であり、入力されるＳＦ光を光電変換して、検出信号ＰＳとして出力する。
Ａ／Ｄ変換器１１９は、入力される検出信号ＰＳのピーク電圧を、所定のタイミングによりデジタル値に変換して出力する。
コンピュータ１２０は、上記デジタル値を処理し、光アイパターンを生成して、この画像を表示部に表示し、通信に用いられる被測定信号波形（光パルスＰ７）の特性評価を行う。
【００１２】
上述したように、ＰＰＬＮなどを用いた疑似位相整合条件を用いると、図７において構成を説明した文献に示すように、大きな非線形光学効果により光サンプリング波形観測装置として高感度化を果たすことができる。
また、時間分解能に関しては、前述したようにサンプリングパルス幅と群速度遅延とで決まる。
さらに、第一種位相整合条件は、第二種位相整合条件に比べ、群速度の遅延を約百分の一程度に抑えることが出来、例えば１ｃｍの結晶長においては数10fs程度と非常に小さくなるので、高時間分解能を得ることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した疑似位相整合の問題点としては、第二高調波光の発生がある。
通常、サンプリングパルス光、被測定信号光ともに1550nm帯の波長で生成されるが、疑似位相整合条件は、第一種位相整合条件であるため、和周波光等の他、サンプリングパルス光、被測定信号光の第二高調波光が発生する。
この時、サンプリングパルス光には、被測定信号光のサンプリングするために、被測定信号光よりもパルス幅の狭い光パルスが用いられる。
そして、サンプリング光がハイパワーであるが故に、サンプリングパルス光の第二高調波光は、サンプリングによって発生した和周波光よりも非常に大きな光出力となる。
【００１４】
また、和周波光、サンプリングパルス光の第二高調波光ともに、それぞれの波長は、775nm帯の近接した波長となる。
したがって、図７に示すように光バンドパスフィルタ（BPF）・１１７などによって和周波光のみを選択し、第二高調波光をカットしなければならない。
このとき、図７に示す従来の光サンプリング波形観測装置では、和周波光と第二高調波光との波長が非常に近接しているため、第二高調波光が除去しきれない、あるいは和周波光の通過損失が大きくなってしまうと言う問題点がある。
さらに、被測定信号光Ｐ８の波長によって、発生する和周波光の波長も変化するため、その波長が変化する毎に、ＢＰＦ・１１７の選択波長を調整する必要が生じる。
このとき、第二高調波の波長によっては、和周波光と第二高調波光との光スペクトルが重なることにより、ＢＰＦ・１１７を第二高調波の通過する成分が増加し、完全に第二高調波を除去できない場合も考えられる。
【００１５】
この結果、図７の従来の光サンプリング波形観測装置には、第二高調波の存在に起因する感度劣化、信号対雑音比の低下、測定できない信号光波長の存在といった問題点が発生する。
上述してきたように、従来の光サンプリング波形観測装置は、非線形光学効果として疑似位相整合等を含めた第一種位相整合条件を用いる場合、大きな非線形光学定数を利用でき、高感度な測定が可能ではある。
一方、従来の光サンプリング波形観測装置には、被測定信号光の測定において、感度劣化、信号対雑音比の低下、測定できない信号光波長というものが存在してしまう問題点がある。
そこで、本発明の目的は、上述した背景の下になされたものであり、サンプリングパルス光として、被測定信号光に対してパルス幅の小さい光パルスのラマンシフト光を用いることにより、超高速な被測定信号光の波形を高感度、高時間分解能により、高精度に測定することができる光サンプリング波形観測装置を提供するものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の光サンプリング波形観測装置は、被測定信号光よりパルス幅の狭い光パルスによって非線形光学効果を用いて、この被測定信号光をサンプリングすることで光波形を観測する光サンプリング波形観測装置において、前記光パルスにより発生するラマンシフト光をサンプリング光とし、光パルスの強度によりラマンシフト光の波長を任意に変化させ、ラマンシフト光及び被測定信号光により発生する和周波光または差周波光と、第二高調波との波長帯域を離し、この和周波光または差周波光を測定して被測定信号光の観測を行うことを特徴とする。
本発明の光サンプリング波形観測装置は、被測定信号光よりパルス幅の狭い光パルスによって非線形光学効果を用いて、この被測定信号光（被測定信号光Ｐ８）をサンプリングすることで光波形を観測する光サンプリング波形観測装置であり、サンプリングパルス光（サンプリングパルス光Ｐ４）として、ラマンシフト用光ファイバ（ラマンシフト用光ファイバ２０１）において、被測定信号光よりパルス幅の狭い光パルス（入力光パルスＰ５）から生成したラマンシフト光（ラマンシフト光Ｐ１３）を用い、このラマンシフト光の波長を調整することにより、非線形光学結晶素子（非線形光学結晶素子１１６）において、被測定信号光及びサンプリングパルス光とから生成される和周波光の波長が、同時に生成される第二高調波光の波長と離れた波長帯域とし、煩わしいバンドパスフィルタ（ＢＰＦ・１１７）の通過波長帯域を調整せずとも、さまざまな波長の被測定信号光の測定に対応できることを特徴とする。
【００１７】
本発明の光サンプリング波形観測装置は、前記ラマンシフト光を用い、非線形光学効果として第一種位相整合条件を用いた和周波光発生効果を利用することを特徴とする。
本発明の光サンプリング波形観測装置は、前記ラマンシフト光を用い、非線形光学効果として第一種位相整合条件を用いた差周波光発生効果を利用することを特徴とする。
本発明の光サンプリング波形観測装置は、前記ラマンシフト光を用い、非線形光学効果を行う非線形光学素子（非線形光学結晶素子１１６）として、周期分極反転を用いた非線形光学結晶を具備することを特徴とする。
【００１８】
本発明の光サンプリング波形観測装置は、サンプリングパルス光として用いるラマンシフト光の波長を調整する手段として光可変減衰器（入力パワー制御用光可変減衰器２０３）を具備することを特徴とする。
本発明の光サンプリング波形観測装置は、サンプリングパルス光として用いるラマンシフト光の波長を監視して制御を行うため、ラマンシフト光波長監視機能（光波長監視装置２０４）を具備することを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の第１の実施形態によるサンプリング波形観測装置の構成例を示すブロック図であり、図２は本願発明で用いられる光サンプリング波形観測の測定原理を説明する概念図である。
図１において、図７の従来例と同様な構成及び信号に関しては同一の符号を付している。特に、本願発明と従来例との被測定信号光Ｐ８（光パルスＰ８）を生成する構成は、同様の構成である。
はじめに、図２を用いて、本願発明において用いられる光サンプリング波形観測の測定原理を説明する。
【００２０】
図２において、繰り返し周期「ｆsig」を持った被測定信号光（光パルスＰ８）と、繰り返し周期「fsig」の整数（ｎ）分の一よりも数100Hzまたは数kHz程度低い繰り返し周期「（fsig/n）−Δf」を持つサンプリングパルス光Ｐ４とを、波長分割多重器１１５により多重化し、非線形光学結晶（例えば、ＰＰＬＮ）などを素子１１６に入射する。
非線形光学結晶素子１１６内においては、和周波光発生などの非線形光学効果によって、被測定信号光Ｐ８（角周波数ω1）、サンプリングパルス光Ｐ４（角周波数ω2）の双方が入射したときのみ、位相整合によりＳＦ光（和周波光など）を発生することが出来る。
以下、和周波光を例として説明するが、本願発明においては、差周波光を発生する非線形光学結晶を材料とした非線形光学結晶素子を、上記非線形光学結晶素子１１６に換えて用い、この差周波光を受光器（受光器１１８）で光電変換して、検出信号ＰＳとして出力させる構成としても良い。
【００２１】
このとき、サンプリングパルス光Ｐ４のパルス幅が、被測定信号光Ｐ８のパルス幅よりも十分に狭ければ、サンプリングの原理より上記被測定信号光Ｐ８が等時間間隔でサンプリングされることになり、和周波光などを受光し、波形表示することによって、被測定信号光Ｐ８の光波形を観測することができる。
すなわち、受光器１１８は、図７に示す従来例と同様に、和周波光などのＳＦ光を受光し、光電変換して検出信号ＰＳを出力する。
そして、Ａ／Ｄ変換器１１９は、上記検出信号ＰＳを、デジタル値に変換し、コンピュータ１２が波形表示することによって、被測定信号光Ｐ８の光波形を、光アイパターンなどの表示により観測することができる（繰り返し周期「ｆfsig」の波形を、繰り返し周期「（ｆsig／ｎ）−Δｆ」の周期に拡大して波形の観測を行う）。
【００２２】
このとき、上述したようにサンプリングパルス光Ｐ４のパルス幅が被測定信号光Ｐ８のパルス幅よりも十分に狭い光パルスであれば、サンプリングの原理より被測定信号光が等時間間隔でサンプリングされることになり、和周波光などを受光し波形表示することによって被測定信号光の光波形を観測することができる。しかしながら、この光サンプリングを行うために、非線形光学素子１１６に非線形光学結晶としてＰＰＬＮ結晶を用いた場合には、図３に示すように、大きな和周波光への変換効率が得られるとともに、光強度の強い第二高調波光が発生してしまう。
図３は、横軸が波長を、縦軸が光強度（光パワー）を示し、サンプリングパルス光Ｐ４，被測定信号光Ｐ８，和周波光及び第二高調波光の波長と光強度との関係を示す図である。
【００２３】
したがって、和周波光の測定において、近傍の波長にある第二高調波光の影響を避けるため、サンプリングパルス光Ｐ４の波長は、被測定信号光Ｐ８の波長と離れた波長帯域に設定する必要がある。
例えば、すでに述べた参考文献２においては、サンプリングパルス光Ｐ４の波長を1534nmに、一方、被測定信号光Ｐ８の波長を1560nmに設定している。
和周波光は、サンプリングパルス光Ｐ４及び被測定信号光Ｐ８の波長の角周波数の和となる波長、773.4nmにおいて発生する。
このとき、サンプリングパルス光Ｐ４は、光パルスの幅が狭く、かつ光強度が大きいため、測定すべき和周波光よりも非常に大きな第二高調波光が波長780nmに発生する。
【００２４】
ここで、被測定信号光Ｐ８の光サンプリング波形観測の結果を得るため、この第二高調波光をＢＰＦ１１７（光バンドパスフィルタ）等によってカットし、和周波光のみを取り出すことが必要である。
しかしながら、すでに述べたように、第二高調波光と和周波光との波長帯域が近く、かつ第二高調波光の光強度が和周波光の光強度よりも高いため、上記光バンドパスフィルタにより、完全に第二高調波光の成分をカットすることは非常に困難である。
【００２５】
さらに、信号光波長Ｐ８がサンプリングパルス光Ｐ４の波長に近接してくると、発生する和周波光と第二高調波光との波長も、より近接してくるため、和周波光と第二高調波光との分離の困難さが増すこととなる。
また、光パルスであるがために、和周波光及び第二高調波光は、波長軸における光スペクトル上において、所定の帯域幅を持つため、近接しすぎることにより、双方の光スペクトルが重なってしまう。
この結果、光バンドパスフィルタは、第二高調波光の成分をカットする波長の帯域であると、一緒に和周波光の成分も除去されてしまうため、第二高調波光の成分のみを除去することは不可能である。
【００２６】
上述した問題点を解決するためには、被測定信号光P４の波長とは大きく波長が異なる波長を持つサンプリングパルス光P4を用いればよい。
例えば、チタンサファイアレーザなどを用いれば、波長780nm帯で100fs程度の光パルスを得ることは容易である。
しかしながら、チタンサファイアレーザを使用した場合、光サンプリング波形観測装置が大きくなるため、この装置のコスト、及び被測定信号光Ｐ８との同期を取る必要性等から、サンプリングパルス光Ｐ４としては、被測定信号光Ｐ８の波長と同じ1550nm帯が好ましい。
【００２７】
したがって、本発明においては、被測定信号光Ｐ８を測定するサンプリングパルス光Ｐ４として、ラマンシフト光を用いていることを特徴としている。
このラマンシフト光とは、光ファイバ中に超短パルス光を入射すると、ファイバ中を伝搬するとともに、非線形光学効果の一種であるラマン効果により、入射したパルス光とは別に、長波長側にあるいは短波長側へ波長がシフトして発生する超短パルス光のことである。
そして、発生するラマンシフト光は、パルス波形は綺麗なsech2の波形となる（参考文献３：N. Nishizawa and T. Goto, 'Compact system of wavelength-tunable femtosecond soliton pulse generation using optical fibers', IEEE Photon. Technol. Lett., pp. 325-327, vol. 11, 1999）。このラマンシフト光の特徴は、綺麗なsech2型の光パルスが得られることの他に、この入射パワー（光強度）を変えることによって発生するラマンシフト光Ｐ８の波長が変わることである。
【００２８】
本願発明において、ラマンシフト光をサンプリングパルス光Ｐ４として用いた場合の利点を、図４を用いて説明する。図４は、横軸が波長を、縦軸が光強度（光パワー）を示し、サンプリングパルス光Ｐ４，被測定信号光Ｐ８，和周波光及び第二高調波光の波長と光強度との関係を示す図である。
ここで、ラマンシフト光は、被測定信号光Ｐ８と同じ1550nm帯の入力光パルスを元に発生している。
この1550nm帯の上記入力光パルスの発生手段としては、半導体レーザを利得スイッチング法によって発生する手法やファイバレーザを用いて発生する手法等、各種提案されており、比較的容易に低コストで発生することができる。
【００２９】
また、これらの上記入力光パルスの発生手法は、被測定信号光Ｐ８と同期を取ることも比較的容易である。
この入力光パルス（入力光パルスＰ５）を光ファイバに入力し、上述したラマンシフト光を発生させると、参考文献３に記載されているように、たとえ入力パルス光の波形がカー効果等によって乱れていたとしても、発生するラマンシフト光は理想的なsech2型光パルスの波形を得ることができ、かつこのラマンシフト光の波長は1550nm〜2000nm，あるいはそれ以上または1550nmより短波長側の波長にシフトした、波長の値として得ることができる。
ここで、sechは、双曲線正割関数（ｓｅｃｏｎｄ ｈｙｐｅｒｂｏｌｉｃ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）である。
【００３０】
例えば、ラマンシフト光の波長が2000nmとした場合、このラマンシフト光を用いて、すなわちこのラマンシフト光をサンプリングパルス光Ｐ４として用いて、被測定信号光Ｐ８の光サンプリングを行えば、1550nmの波長の被測定信号光に対し、和周波光の波長が873.2nm、第二高調波光の波長が1000nmと大きく異なっているため、光バンドパスフィルタを用いて、和周波光（ＳＦ光）のみを取り出すことは比較的容易である。
さらに、例えば、被測定信号光Ｐ８の波長が1600nmに変化した場合、入力光パルスの光強度を調整して、上記ラマンシフト光の波長を1922nmに変えることにより、和周波光の波長を上述した値と同様に、873.2nm、第二高調波光の波長を961nmに制御することができる。
【００３１】
これにより、第二高調波光及び和周波光の波長が大きく離れているため、光バンドパスフィルタを用いることにより、第二高調波光のカットは容易に行うことができる。
また、被測定信号光Ｐ８の波長が変わったとしても、上述したように、入射光パルスの強度を調整して、ラマンシフト光の波長を変えることにより、和周波光の波長を常に一定に保つことができる。
この結果、一つの利点として、BPF（光バンドパスフィルタ）の通過させる波長帯域の設定を変える必要が無く、光バンドパスフィルタの通過波長の帯域を、常に一定波長に設定しておけば良いため、光バンドパスフィルタの面倒な調整が不要となり、測定の効率を向上させることが可能となる。
【００３２】
さらに、他の利点として、和周波光を発生させるため、ＰＰＬＮによる非線形光学素子１１６を用いることと関連している。
通常、上記非線形光学素子１１６（ＰＰＬＮ）内における非線形光学効果により、和周波光を発生させる場合、この非線形光学素子１１６は、和周波光の変換効率に、有限幅の波長帯域幅を有している。
通常、入力波長を変化させた場合に変換効率が3dB低下する波長範囲（３ｄＢ低下しない領域）を、波長帯域幅と呼んでいる。
しかしながら、例えば、非線形光学素子１１６の長さが5mmのとき、波長帯域幅は約5nmとなる。
このとき、波長帯域の中心波長は、非線形光学素子１１６（ＰＰＬＮ）の分極反転周期で決まるが、非線形光学素子１１６は、この中心波長よりも2.5nm以上離れた波長を有する被測定信号光Ｐ８に対しては、変換効率が急激に小さくなり、光サンプリングとしての感度が悪化することとなる。
【００３３】
ここで、ドメイン反転（強誘電体分極反転）周期は、各非線形光学結晶において固定であるため、上記中心波長を可変とすることができない。
このため、非線形光学結晶素子１１６においては、入力されるさまざまな波長の被測定信号光P8に対応するため、上記波長帯域幅を広げることが必要である。そして、波長帯域幅を広くすることは、ＰＰＬＮ結晶（非線形光学結晶素子１１６における）の長さを短くするで対応可能であり、例えば、参考文献２に示すように、このＰＰＬＮ結晶の長さを1.4mmにすることにより、非線形光学結晶素子１１６の波長帯域幅は、22.5nmにまで広げることができる。
しかしながら、結晶長を短くすることは変換効率を下げることになるので、あまり好ましいことではない。
【００３４】
一方、本願発明の様に、サンプリングパルス光Ｐ４としてラマンシフト光を用いることにより、サンプリングパルス光Ｐ４の波長が変われば、等価的に分極反転周期を変えたことと同じ効果が得られ（発生し）、上記波長帯域幅における中心波長を可変とし、所定の中心波長に変えることが出来る。
このため、非線形光学結晶素子１１６に波長帯域幅の狭いＰＰＬＮ結晶を用いても、上記ラマンシフト光の波長を調整することにより、入力されるさまざまな波長の被測定信号光Ｐ８に対応することが可能となる。
また、このとき、上述したように、被測定信号光及びサンプリングパルス光双方の波長が変わった場合に、和周波光の波長を一定に保つことが出来るためにBPF・１１７（図１参照）の設定を、被測定信号光Ｐ８の波長に対応させて変える必要が無く、一定の通過帯域に設定されたＢＰＦ・１１７により、従来に比較して容易に和周波光のみを取り出すことができる。
【００３５】
上述してきたように、サンプリングパルス光Ｐ４としてラマンシフト光を用いることにより、このラマンシフト光の元となる入力光パルスの入力パワー（入力強度）を調整し、ラマンシフト用の光ファイバ（図１のラマンシフト用光ファイバ２０１）へ入力させることにより、ラマンシフト光、すなわちサンプリングパルス光Ｐ４の波長を任意に変えることができる。
この結果、本願発明の光サンプリング波形観測装置は、被測定信号光Ｐ８の波形の光サンプリングにおいて、ＰＰＬＮ結晶等で構成された非線形光学結晶素子１１６を使用することにより、ラマンシフト光の波長を調整し、常に一定帯域の波長の和周波光を発生し、あらゆる波長で入力される被測定信号光Ｐ８の波形を高感度、高時間分解能に観測することが可能である。
【００３６】
次に、図１を用いて、本願発明における第１の実施形態の光サンプリング波形観測装置の構成を詳細に説明する。
例えば、被測定信号光Ｐ８の生成において、電気信号発生器ＳＧ１は、例えば繰り返し周波数ｆsigが「10GHz」の電気信号を、被測定信号Ｐ１として出力する。
そして、ＭＬＦＲＬ・１１０は、入力される被測定信号Ｐ１によって励起され、10GHzの繰り返し周波数ｆsigによりパルス光Ｐ６を光パルス列として発生する。
次に、パターンジェネレータ１１１及び光強度変調器１１２とは、このパルス光Ｐ６を10Gb/s光信号列にデータ変調を行い、光パルスＰ７として出力する。
そして、光増幅器１１３は、入力される光パルスＰ７を光増幅し、偏光方向制御器１１４を介して、被測定信号光である被測定信号光Ｐ８（角周波数ω1）を出射する。
【００３７】
次に、サンプリングパルス光Ｐ４（角周波数ω2）の生成において、電気信号発生器ＳＧ２は、繰り返し周期が「（fsig/n）−Δf」、例えば50MHz-100Hzの繰り返し周期の電気信号を、電気信号発生器ＳＧ１の出力するＰ１と同期させて発生し、サンプリング基準信号Ｐ２として、パルス光源１へ出力する。
そして、パルス光源１は、サンプリング基準信号に対応して、波長が1550nm帯であり、上記「（fsig/n）−Δf」の繰り返し周期を持つ、高安定，低タイミングジッタであり、かつ狭パルス幅のパルス光Ｐ１０（光パルス列）を射出する。
【００３８】
そして、光増幅器２０２は、パルス光源１の出射するパルス光１０の光強度を増幅し、入力光パルスＰ５としてラマンシフト用光ファイバ２０１へ射出する。ここで、ラマンシフト用光ファイバ２０１は、例えば100ｍの長さを有し、コア径6マイクロメートルの偏波保存ファイバであり、入力光パルスが入射されることにより、この入力光パルスの強度に対応した波長のラマンシフト光Ｐ１３が発生する。
【００３９】
また、ラマンシフト用光ファイバ２０１は、ラマンシフト光Ｐ１３の他に、基本波として入射した1550nm帯のパルス光Ｐ１０の成分も存在している。
そして、基本波除去用ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）・２００は、ラマンシフト光Ｐ１３のみを通過させ、ラマンシフト光Ｐ１３のみを取り出し、偏光方向制御器１０９へ射出する。
【００４０】
そして、合波器１１５は、このサンプリングパルス光Ｐ４と被測定信号光Ｐ８とを合波し、非線形光学結晶素子１１６（ＰＰＬＮ結晶で構成された）へ射出する。
また、偏光方向制御器１１４，１０９は非線形光学素子１１６で非線形光学効果が発生し得る位相整合状態になるように被測定信号光Ｐ８，サンプリングパルス光Ｐ４の偏光方向の設定を行う。
これにより、非線形光学素子１１６は、入射されたサンプリングパルス光Ｐ４及び被測定信号光Ｐ８の合波された光パルスに基づく非線形光学効果により、和周波光を発生することにより、被測定信号光Ｐ８の光サンプリングを行う。
次に、ＢＰＦ１１７はサンプリングパルス光Ｐ４の第二高調波光をカットし、和周波光のみを通過させる。
そして、受光器１１８は、入射するＳＦ光（和周波光）を光電変換し、Ａ／Ｄ変換器１１９及びコンピュータ１２０は、この光電変換されたＳＦ光の信号を波形処理する。
これにより、本願発明の光サンプリング波形観測装置は、被測定信号光Ｐ８の光サンプリングにおいて、上述の測定原理に記載されているように、ＰＰＬＮ結晶等で構成された非線形光学結晶素子１１６を使用することにより、ラマンシフト光の波長を調整し、常に一定帯域の波長の和周波光を観測することにより、ＢＰＦ・１１７の通過帯域の波長を変更することなく、あらゆる波長で入力される被測定信号光Ｐ８の波形を高精度，高感度，高時間分解能，超高速に観測することが可能である。
【００４１】
パルス光源１から発生した光パルスＰ１０を、ラマンシフト用光ファイバ２０１へ入射させるとき、光増幅器２０２により光増幅を行った後、光パルスＰ５として、ラマンシフト用光ファイバ２０１へ入射させる。
このとき、たとえば、上記光パルスＰ５の光パワー（光強度）を、数十mW以上とすると、ラマンシフト用光ファイバ２０１において、非線形光学効果の一種であるカー効果によって、出力される光パルスＰ５の波形は、自己位相変調を受け、光パルス幅の狭窄化、およびペデスタルと呼ばれる光パルス波形の裾引き成分が発生する。
【００４２】
しかしながら、ラマンシフト効果（ラマン効果）は、この狭窄化された光パルス幅の部分のみに発生し、ペデスタルの領域には発生しない。
そのためにラマンシフト光Ｐ１３の光パルス波形は、パルス光源１の射出する光パルスＰ１０の光パルス幅よりも狭窄化された、理想的なsech2型の光パルス波形となる。
この光パルス波形の狭窄化が起こることにより、サンプリングパルス光Ｐ４の光パルス幅がより狭くなり、被測定信号光Ｐ８の光サンプリングに対して、光サンプリングの時間分解能の向上にもつながる。
【００４３】
以上述べてきたように、本発明の第１の実施形態による光サンプリング波形観測装置は、被測定信号光Ｐ８の光サンプリングにおいて、上述の測定原理に記載されているように、ＰＰＬＮ結晶等で構成された非線形光学結晶素子１１６を使用することにより、ラマンシフト光Ｐ１３の波長を調整し、常に一定帯域の波長の和周波光を観測することにより、被測定信号光Ｐ８の波長が変化しても、煩わしいＢＰＦ・１１７の調整を行う必要が無く、容易に、あらゆる波長で入力される超高速な被測定信号光Ｐ８の波形を高精度，高感度，高時間分解能，超高速に観測することができ、テラビットクラス（領域）の被測定信号光Ｐ８の光パルス波形も充分観測可能となる。
また、本発明の第１の実施形態による光サンプリング波形観測装置は、第二高調波光の波長と離れた帯域にある波長に和周波光の波長が発生するように、入力光パルスＰ５の光強度を制御し、サンプリングパルス光Ｐ４の波長を調整することにより、第二高調波光の成分の和周波光への重畳を防止することができるため、容易に、あらゆる波長で入力される超高速な被測定信号光Ｐ８の波形を高精度，高感度，高時間分解能，超高速に観測することができ、テラビットクラス（領域）の被測定信号光Ｐ８の光パルス波形も充分観測可能となる。
【００４４】
以上、本発明の一実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの第１の実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
本願発明の第２の実施形態による光サンプリング波形観測装置を図５を参照して説明する。図５は、第２の実施形態による光サンプリング波形観測装置の構成例を示すブロック図である。図５の第２の実施形態において、図１に示す第１の実施形態と同様な構成要素には、第１の実施形態と同一の符号を付して、説明を省略する。
【００４５】
第２の実施形態の光サンプリング波形観測装置は、第１の実施形態に対し、ラマンシフト用光ファイバ２０１への入力パワーの制御を行う、入力パワー制御用光可変減衰器２０３を、光増幅器２０２とラマンシフト用光ファイバ２０１との間に介挿（配置）して点である。
これにより、入力パワー制御用光可変減衰器２０３は、ラマンシフト用光ファイバへ入力される入力光パルスＰ５の入力パワーを、任意の光強度に制御することができる。
そして、ラマンシフト用光ファイバ２０１は、入力される入力光パルスＰ５の光強度により、発生するラマンシフト光Ｐ１３の波長を、任意に制御する。
【００４６】
これにより、本願発明の光サンプリング波形観測装置は、上記入力パワー制御用可変減衰器２０３により、ラマンシフト用光ファイバ２０１に入力される入力光パルスＰ５の光強度を任意に変更することで、ラマンシフト光Ｐ１３の波長、すなわちサンプリングパルス光Ｐ４の波長を任意に変え、和周波光の波長を一定として出力させるため、入力されるさまざまな波長の被測定信号光Ｐ８の波形観測を、ＢＰＦ・１１７の通過させる波長の帯域を変更することなく、一定の波長帯域に設定されたＢＰＦ・１１７により容易に行うことができる。
また、第２の実施形態の光サンプリング波形観測装置は、第１の実施形態の光サンプリング波形観測装置と同様な効果を有する。
【００４７】
本願発明の第３の実施形態による光サンプリング波形観測装置を図６を参照して説明する。図６は、第３の実施形態による光サンプリング波形観測装置の構成例を示すブロック図である。図６の第３の実施形態において、図１に示す第１の実施形態と同様な構成要素には、第１及び第２の実施形態と同一の符号を付して、説明を省略する。
第３の実施形態による光サンプリング波形観測装置は、第２の実施形態の光サンプリング波形観測装置に対し、ラマンシフト用光ファイバ２０１の発生したラマンシフト光Ｐ１３の波長を監視する光波長監視装置２０４が設けられている。これにより、光波長監視装置２０４は、入射される入力光パルスＰ５の光強度に応じた波長により、ラマンシフト用光ファイバ２０１が発生したラマンシフト光Ｐ１３の波長を測定し、その測定結果を入力パワー制御用光可変減衰器２０３にフィードバックすることにより、必要な任意の波長にラマンシフト光Ｐ１３の波長を高い精度に制御することができる。
【００４８】
したがって、本願発明の光サンプリング波形観測装置は、上記光波長監視装置２０４の測定結果に基づいて、入力パワー制御用光可変減衰器２０３を制御し、必要な波長のサンプリングパルス光Ｐ４が得られるように、ラマンシフト用光ファイバ２０１へ入射される入射光パルスＰ５の光強度を調整し、ラマンシフト光Ｐ１３をラマンシフト用光ファイバ２０１によって発生させるため、測定に必要なサンプリングパルス光Ｐ４を正確に生成することができ、これによって波長領域において被測定信号光Ｐ８の光波形を正確に観測することができる。
また、第３の実施形態の光サンプリング波形観測装置は、第１及び第２の実施形態の光サンプリング波形観測装置と同様な効果を有する。
【００４９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光サンプリング波形観測装置は、非線形光学効果を用いてサンプリングパルス光で光サンプリングを行う際、ＰＰＬＮ結晶で構成された非線形光学結晶素子（非線形光学結晶素子・１１６）において、和周波光と第二高調波光との波長が近接した波長帯域でなく、離れた波長帯域となるサンプリングパルス光を、ラマンシフト光から生成して用いるため、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ・１１７）により和周波光の成分を抽出することが容易に行え、また、和周波光が常に一定の波長帯域で生成されるようにすることで、バンドパスフィルタを被測定信号光の波長が変化する毎に調整する必要が無いため、バンドパスフィルタの通過する周波数帯域調整するような、煩わしい通過周波数の帯域調整の操作を行うことなく、容易に、高安定に超高速な被測定信号光の光波形を観測することが可能となる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態の光サンプリング光波形観測装置の構成を示すブロック図である。
【図２】  本発明の光サンプリング光波形観測の概念を示す概念図である。
【図３】  サンプリングパルス光Ｐ４と被測定信号光Ｐ８とに基づき、非線形光学結晶素子１１６で発生する和周波光及び第二高調波光の波長の関連を示す概念図である。
【図４】  サンプリングパルス光Ｐ４と被測定信号光Ｐ８とに基づき、非線形光学結晶素子１１６で発生する和周波光及び第二高調波光の波長の関連を示す概念図である。。
【図５】  本発明の第２の実施形態の光サンプリング光波形観測装置の構成を示すブロック図である。
【図６】  本発明の第３の実施形態の光サンプリング光波形観測装置の構成を示すブロック図である。
【図７】  従来例による光サンプリング光波形観測装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１  パルス光源
１０９，１１４  偏光方向制御器
１１０  ＭＬＦＲＬ
１１１  パターンジェネレータ
１１２  光強度変調器
１１３，２０２  光増幅器
１１５  合波器
１１６  非線形光学結晶素子（ＰＰＬＮ）
１１９  Ａ／Ｄ変換器
１２０  コンピュータ
２００  基本波除去用ＢＰＦ
２０１  ラマンシフト用光ファイバ
２０３  入力パワー制御用光可変減衰器
２０４  光波長監視装置
ＳＧ１，ＳＧ２  電気信号発生器
【図１】
0003751547.tif 000002
【図２】
0003751547.tif 000003
【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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