JP2005031571A - パルス電圧発生器 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成で、直流出力状態から波形歪みやドリフトの無い正規のパルス出力状態へ瞬時に切り替えできるパルス電圧発生器を提供する。
【解決手段】 パルス電圧発生器１０であって、光パルス信号を出力する光パルス発生部１と、光パルス発生部１に連結し、該光パルス信号の透過と吸収とを瞬時に切り替えるＥＡ型光変調器３と、ＥＡ型光変調器３に連結し、該ＥＡ型光変調器３を透過した光パルス信号を電気パルス信号に変換して出力する光電変換器７とからなり、スイッチ４の開／閉に連動して波形歪みやドリフトの無い正規のパルス信号を瞬時に出力するようにしたものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、パルス電圧発生器に関し、例えば、情報処理・化学分析・計測・情報通信の分野で利用されるものである。

従来、直流出力（無出力を含む）状態からパルス出力状態へ切り替えるパルス電圧発生器（回路）は、電子部品のみによって構成されていた。このパルス電圧発生器に、高速トランジスタや高速ＩＣ等の電子部品を用いることにより、直流出力状態からパルス出力状態への高速切り替えが試みられている。

そこで、光信号と電子部品とを融合して波形歪みが無く、電位ドリフトも無い高速パルス信号の発生を試みる手法が提案されている（下記特許文献１を参照）。但し、この手法では、光パルス信号を電気パルス信号に変換する機能を有する電子回路が複雑な構成になっていた。

一方、光パルス信号を波形歪みが無く、ドリフトも無い電気パルス信号に高速で変換する簡易な手法としてマイクロストリップ線路に間隙を設け、この間隙に光パルス信号光を照射する手法が提案されている（下記非特許文献１を参照）。この手法では、３０ＧＨｚの高速域までフラットな周波数特性が得られている反面、１０ｄＢ以上の高い損失がある。

特開平７−１４２９７２号公報 堀井康史、堤誠著、「レーザ照射シリコン基板マイクロストリップ線路の伝搬特性」、電子情報通信学会論文誌、Ｃ−Ｉ、Ｖｏｌ．Ｊ７９−Ｃ−Ｉ、Ｎｏ．１０、ｐｐ．３８９−３９５、１９９６年１０月

上述した特許文献１に記載された手法では、光パルス信号を電気パルス信号に変換する電子回路が複雑な構成であるため、小型化および省電力化ならびに低コスト化を図ることが困難であるという問題があった。
また、非特許文献１に記載された手法では、光パルス信号を電気パルス信号に変換する回路における損失が大きく、出力電力が大幅に低下してしまうという問題があると共に、光励起された電子−正孔プラズマがＳｉ基板中の深さ方向に拡散し、この拡散度合いも照射光の強度により異なるため、間隙のインピーダンス制御が極めて難しいという問題があった。

このようなことから、本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、簡易化および損失の低下を図ることができる構成からなり、応答性を向上させて、直流出力（無出力を含む）状態からパルス出力状態へ瞬時に切り替えることができるパルス電圧発生器を提供することを目的とする。

前述した課題を解決する第１の発明に係るパルス電圧発生器は、パルス信号電圧を光パルス信号に変換して出力するパルス光源と、該光パルス信号の吸収と透過とを切り替える光変調器と、変調した光パルス信号を電気パルス信号に瞬時に変換して瞬時に出力する光電変換器とからなることを特徴とする。
前記パルス光源から出力された光パルス信号の前記光電変換器への入射が、前記光変調器への電圧供給により光パルス信号の吸収と透過とを瞬時に切り替えられることにより、波形歪みやドリフトの無い電気パルス信号の出力の瞬時の切り替えを実現する。

前述した課題を解決する第２の発明は、第１の発明に係るパルス電圧発生器において、前記光変調器は電界吸収型の光変調器であることを特徴とする。

前述した課題を解決する第３の発明は、第１の発明に係るパルス電圧発生器において、前記光変調器はマッハ−ツェンダー型光干渉系の光変調器であることを特徴とする。

前述した課題を解決する第４の発明は、第１乃至第３の何れかの発明に係るパルス電圧発生器において、前記光電変換器は間隙を設けたマイクロストリップ線路であり、該マイクロストリップ線路が半絶縁性ＩｎＰ基板上に形成されると共に該間隙がＩｎＧａＡｓ３元混晶またはＩｎＧａＡｓＰ４元混晶からなり、該間隙に直流電圧を印加し、該間隙に波長１．６μｍよりも短波長の光パルス信号を照射することにより、該光パルス信号を電気パルス信号に瞬時に変換して出力することを特徴とする。

前述した課題を解決する第５の発明は、第１乃至第４の何れかの発明に係るパルス電圧発生器において、前記光変調器の電源端子にスイッチを設けて、該スイッチの開閉を切り替えることにより、該光変調器への電源供給を制御できるようにしたことを特徴とする。
この発明に係るパルス電圧発生器によれば、光変調器の電源端子に設けたスイッチの開／閉切り替えをクロック信号や外部のトリガー信号と同期を取って行うことで、任意の信号と同期の取れたパルス信号の瞬時出力が可能となる。

第１の発明に係るパルス電圧発生器によれば、光パルス信号を出力する光パルス発生部と、該光パルス信号の吸収と透過とを切り替える光変調器と、変調した光パルス信号を電気パルス信号に変換して出力する光電変換器とからなり、前記パルス光源で直流電圧から変換され、前記光変調器で変調された光パルス信号に応じて前記光電変換器が電気パルス信号を出力することにより、入力された直流電圧が瞬時に電気パルス信号に変換されて出力されるようになり、直流電圧出力状態から瞬時にパルス電圧出力状態に切り替えることができる。そのうえ、パルス電発生器を構成する部品点数が少なくなると共に、回路構成が簡易になるので、パルス電圧発生器自体のコストを低減することができる。

また、第２の発明に係るパルス電圧発生器によれば、第１の発明において、光変調器は電界吸収型の光変調器であることにより、前記光変調器自体が小型であり、パルス電圧発生器を小型化することができる。そのうえ、前記光変調器自体が低電圧で動作するので、パルス電圧発生器の消費電力を低減することができる。

また、第３の発明に係るパルス電圧発生器によれば、第１の発明において、光変調器はマッハ−ツェンダー型光干渉系の光変調器であることにより、前記光変調器に電圧を印加して発生する電気光学効果は応答時間の速い現象であり、前記光変調器に入射した光パルス信号の吸収／透過を高速に切り替えて出力することができるので、パルス電圧発生器の応答速度の高速化を図ることができる。

また、第４の発明に係るパルス電圧発生器によれば、第１乃至第３の発明において、光電変換器は間隙を設けたマイクロストリップ線路であり、該マイクロストリップ線路が半絶縁性ＩｎＰ基板上に形成されると共に該間隙がＩｎＧａＡｓ３元混晶またはＩｎＧａＡｓＰ４元混晶からなり、該間隙に直流電圧を印加し、該間隙に波長１．６μｍよりも短波長の光パルス信号を照射することにより、光パルス信号を電気パルス信号に瞬時に変換することができ、パルス電圧発生器の応答速度の高速化を図ることができる。そのうえ、間隙を設けたマイクロストリップ線路における損失が小さいので、出力電力の低下を防ぐことができる。

さらに、第５の発明に係るパルス電圧発生器によれば、第１乃至第４の発明において、光変調器の電源端子にスイッチを設けて、該スイッチの開閉を切り替えることにより、該光変調器への電源供給を制御できるようにしたので、前記スイッチを該スイッチや逓倍クロック信号等に同期して切り替えることができると共に、パルス電圧発生器から電気パルス信号を瞬時に且つ高速に出力することができ、極めて高速かつ過渡的な状態の測定や分析に適用することができるようになる。

以下に、本発明の一実施形態に係るパルス電圧発生器を、実施例に基づき具体的に説明する。なお、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係るパルス電圧発生器を示す構成図である。図２は、本発明の一実施形態に係るパルス電圧発生器に用いられる間隙を設けたマイクロストリップ線路の斜視図である。図３は、間隙を設けたマイクロストリップ線路の間隙に照射した光パルス信号の光強度とパルス列の透過係数との関係を示すグラフである。図４は、光パルス信号を照射したときのパルス電圧変動−経過時間特性を示すグラフである。

図１に示すように、直流出力（無出力を含む）状態からパルス出力状態へ瞬時に切り替えるパルス電圧発生器１０は、ＬＤ（レーザダイオード）光源（波長１５００ｎｍ）１と通常のパルス発生器からなる光パルス発生部１に接続する光ファイバ２と、該光ファイバ２の他端に接続する電界吸収型光変調器（以下ＥＡ（ＥＡ：Electro-Adsorption））型変調器と略す）３と、該ＥＡ型光変調器３に接続する光ファイバ５と、該光ファイバ５の他端に接続する光電変換器７とからなる。なお、ＥＡ型光変調器３は小型であり、低電圧で動作する。パルス電圧発生器１０の先、つまり、光電変換器７の先に５０オームのロード９が接続される。光電変換器７とロード９との間にバイアスＴ８が介設され、該バイアスＴ８の先に可変電源が接続される。

ここで、光パルス発生部１より出力された光パルス列は、光ファイバ２を導波しＥＡ型光変調器３に入射する。ＥＡ型光変調器３では、このパルス列の透過／吸収をスイッチ４の開／閉に応じて行う。スイッチ４が開の場合、光パルス列はＥＡ型光変調器３を透過し、光パルス列は光ファイバ５を導波して光電変換器７に入射する。
ただし、スイッチ４の開／閉は、手動スイッチにより任意に行う場合とクロック信号や外部トリガー信号などの任意の電気信号と同期を取って行う場合とが選択可能になっている。

図２に示すように、光電変換器７は、半絶縁性ＩｎＰ基板２１の上に設けられるマイクロストリップ線路２２と、該マイクロストリップ線路２２を二分する間隙２３と、該間隙２３に直流電圧を印加するバイアス端子６とからなる。なお、マイクロストリップ線路２２は、間隙２３に強度１０ｍＷの程度の光（波長１５００ｎｍ）が入射した際に、インピーダンスが５０Ωとなるように設計している。間隙２３は、ＩｎＧａＡｓ３元混晶またはＩｎＧａＡｓＰ４元混晶からなる。これらの混晶は、良好な高周波特性を実現するために光照射により生じた電子−正孔プラズマが、非照射時に短期間で消失するように低温（４５０℃以下）で結晶成長されている。

このバイアス端子６に５Ｖの直流バイアスを印加する。通常、間隙２３のインピーダンスは極めて高いため、この間隙２３を電気は導電しない。間隙２３のＩｎＧａＡｓ３元混晶またはＩｎＧａＡｓＰ４元混晶の吸収端波長は１．６μｍ（１６００ｎｍ）である。この間隙２３に波長１．５μｍ（１５００ｎｍ）の光パルス信号２４を照射すると、光吸収により間隙２３に電子−正孔プラズマが瞬時に形成され、印加された電圧（以下印加電圧と略す）が間隙２３を導電してロード９（図１参照）に出力する。このとき、光パルス信号の照射に応じて印加電圧が瞬時に出力するので、光パルス信号２４が電気パルス信号に変換されて出力することとなる。

この際、波長１．５μｍの光パルスはＩｎＰ基板に吸収されず即ち透過し、且つ電子−正孔プラズマはＩｎＰとＩｎＧａＡｓＰとの間のバンドオフセットによりＩｎＰ基板側に拡散できず、表面のＩｎＧａＡｓＰ層のみに形成される。そのため、照射光強度により間隙２３のインピーダンスを精密に制御できると共に、プラズマ形成層と金属配線層との形状を同等に形成することができ、極めて低損失なマイクロストリップ線路２を得ることができる。
なお、間隙２３は５〜１００μｍであり、この間隙２３に応じてマイクロストリップ線路２２の幅を２０〜１５０μｍ、その厚さを１〜２０μｍに形成し、間隙２３の透過係数およびインピーダンスを入射光強度により調整できる。

光パルス発生部１に入力された１Ｇｂｐｓの電圧パルス列は、光パルス列に変換され、光ファイバ２を導波してＥＡ型変調器３へ入射する。このとき、入射光のパルス高は２０ｍＷである。

ここで、パルス電圧発生器１０の出力スイッチを開状態、即ちパルス電圧発生器１０からパルス電圧を発生させないようにしたときの回路動作について、以下に説明する。
スイッチ４を閉（導通）状態にし、ＥＡ型変調器３に吸収電位（−５Ｖ）を供給して、該ＥＡ型変調器３に入射したパルス光を吸収し、光ファイバ５を経由して光電変換器７に入射するパルス光の高さは０．０１ｍＷと極めて小さい。そのため、パルス光が照射されていない状態と同等と見なせる。
図３に示すように、０．０１ｍＷのパルス光（図３の破線）に対するパルス列の透過係数Ｓ₂₁は−３５ｄＢであるので、間隙２３を透過するパルス電位は−２ｍＶ以下である。このパルス電位は非常に小さいので、０Ｖの直流出力と同等に見なすことができる。よって、パルス電圧発生器１０に直流電圧を供給しても、該パルス電圧発生器１０からパルス電圧は発生しない。

また、パルス電圧発生器１０の出力スイッチを閉状態、即ちパルス電圧発生器１０からパルス電圧を発生させるようにしたときの回路動作について、以下に説明する。
スイッチ４を開状態にすることにより、ＥＡ型変調器３に入射した光パルスのほとんどはそのまま透過し、光ファイバ５を経由して光電変換器７に入射する。具体的には、マイクロストリップ線路７の間隙２３に入射する。このパルス光の高さは１０ｍＷである。
図３に示すように、１０ｍＷのパルス光（図３の実線）に対するパルス列の透過係数Ｓ₂₁は−４ｄＢとなるので、マイクロストリップ線路７の先に接続する５０Ωロード９におよそ０．２Ｗ（３．２Ｖ、６４ｍＡ）のパルス電力が供給される。
ここで、ＥＡ型光変調器３は印加電圧のＯＮ／ＯＦＦに極めて短時間で吸収／透過の応答を行うと共に、光電変換器７も入射パルス光に対して高速（おおよそ２０ｐｓｅｃ（ピコ秒））に応答するので、スイッチ４を開、即ちパルス電圧発生器１０の出力スイッチが閉状態になることに連動して瞬時に波形歪みの無いパルス電圧が発生する。
なお、端子６の印加電圧を調整することにより、このパルス電力の出力電圧を容易に調整することができる。

ＥＡ型変調器３の電源端子に介設したスイッチ４により、光パルス発生部１に印加するパルス信号に同期したクロック信号あるいは逓倍クロック信号を可変遅延線を介してスイッチ４に接続し、その切り替えを行い、同時に逓倍クロック信号で外部の測定器等を同期させることによって、パルスパターンの最初のビット出力に同期した測定等を容易に実施することができる。
マイクロストリップ線路７とロード９との間にバイアスＴ８を介して任意の直流電圧を与えることにより、任意の直流出力状態からパルス出力状態へ切り替えることができる。

図４に、パルス出力スイッチを閉（図１のスイッチ４を開）にした瞬間からのパルス電圧出力特性を示す。横軸にパルス出力スイッチを閉にした瞬間からの経過時間、縦軸に５０オームのロード９の両端で測定したパルス電圧を示す。ここで、実線は本発明の一実施形態に係るパルス電圧発生器１０におけるパルス出力特性を、破線は従来のパルス電圧発生器におけるパルス出力特性を示す。
なお、ここで発生したパルス列は、１Ｇｂ／ｓ−ＮＲＺ（Non-Return-to-Zero）信号のパルス列である。

図４において、実線と破線とを比較して判るように、本発明に係るパルス電圧発生器１０ではパルス出力スイッチの閉（図１のスイッチ４が開状態）に連動して歪みや振幅低下の無い安定した電圧パルスが瞬時に出力される。
なお、本実施例では、１Ｇｂｐｓのパルス列を用いて説明したが、ビットレート（伝送速度）１０Ｇｂｐｓあるいは４０Ｇｂｐｓのパルス列においても、上記実施例１と同様の効果があることを確認した。

実施例１において用いたＥＡ型変調器３をマッハ−ツェンダー（ＭＺ：Mach-Zehnder）型光干渉系の光変調器（以下ＭＺ型光変調器と略す）に置き換えたものである。スイッチ４を通じて印加する電圧を半波長電圧にすることでも、実施例１と同様な作用効果を得られることを確認している。
ＭＺ型光変調器に電圧を印加して発生する電気光学効果は応答時間の速い現象であるので、ＭＺ型光変調器に入射した光パルス信号の吸収／透過の切り替えをより高速に行うことができる。よって、パルス電圧発生器の応答速度の向上が可能となる。

本発明の一実施形態に係るパルス電圧発生器を示す構成図である。 本発明の一実施形態に係るパルス電圧発生器に用いられる間隙を設けたマイクロストリップ線路の斜視図である。 間隙を設けたマイクロストリップ線路の間隙に照射した光パルスの光強度とパルス列の透過係数との関係を示すグラフである。 光パルス信号を照射したときのパルス電圧変動−経過時間特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 光パルス発生部
２、５ 光ファイバ
３ ＥＡ型変調器
４ スイッチ
６ バイアス端子
７ 光電変換器
８ バイアスＴ
９ ロード
１０ パルス電圧発生器
２１ 半絶縁性ＩｎＰ基板
２２ マイクロストリップ線路
２３ 間隙
２４ 光パルス信号

Claims (5)

1. パルス信号電圧を光パルス信号に変換して出力するパルス光源と、該光パルス信号の吸収と透過とを切り替える光変調器と、変調した光パルス信号を電気パルス信号に瞬時に変換して出力する光電変換器とからなることを特徴とするパルス電圧発生器。
2. 請求項１に記載のパルス電圧発生器において、
   前記光変調器は電界吸収型の光変調器であることを特徴とするパルス電圧発生器。
3. 請求項１に記載のパルス電圧発生器において、
   前記光変調器はマッハ−ツェンダー型光干渉系の光変調器であることを特徴とするパルス電圧発生器。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のパルス電圧発生器において、
   前記光電変換器は間隙を設けたマイクロストリップ線路であり、該マイクロストリップ線路が半絶縁性ＩｎＰ基板上に形成されると共に前記間隙がＩｎＧａＡｓ３元混晶またはＩｎＧａＡｓＰ４元混晶からなり、前記間隙に直流電圧を印加し、前記間隙に波長１．６μｍよりも短波長の光パルス信号を照射することにより、該光パルス信号を電気パルス信号に瞬時に変換して出力することを特徴とするパルス電圧発生器。
5. 請求項１乃至４の何れかに記載のパルス電圧発生器において、
   前記光変調器の電源端子にスイッチを設けて、該スイッチの開閉を切り替えることにより、前記光変調器への電源供給を制御できるようにしたことを特徴とするパルス電圧発生器。
   

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