JP2005260925A

JP2005260925A - 光ファイバケーブルを介して遠隔から刺激を与え、電気信号を計測する装置

Info

Publication number: JP2005260925A
Application number: JP2005031755A
Authority: JP
Inventors: Tuyl Rory L Van; ローリー・エル・ヴァン・チュイル
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2005-02-08
Publication date: 2005-09-22
Also published as: EP1566619A2; CN1658249A; US7280267B2; US20050185246A1

Abstract

【課題】
遠隔地で計測された電気信号を歪ませることなく計測器まで伝送する手段を提供すること。
【解決手段】
光信号変調器１０５、２０５、３０５並びに該光信号変調器に接続された入力光導波路１０４および出力光導波路１０４を含む光電気システム１００、２００、３００。本システムは光信号変調器内に光反射要素４０３をさらに含み、該要素は、入力光導波路１０４から入射した入力光ビーム１２を出力光導波１０４を通じて出力光ビーム１４として反射させるように配置される。本システムは光信号変調器に電気端子１０６をさらに有する。電気端子は該電気端子上の電気信号を入力光ビーム１２と相互作用させるように構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は遠隔電気試験および計測に関し、詳しくは光ファイバケーブルを介して遠隔から刺激を与え、電気信号を計測するシステムおよび方法に関する。

発信源の電気信号や検出対象の電気信号が急激な変化を有する場合、すなわち高周波成分を含む場合、それらの電気信号を従来の手段を用いて遠隔地とやりとりすることはしばしば困難になる。一般に高周波信号は同軸ケーブルその他の伝送線路を介して伝送され、中継増幅器の助けを借りる場合もあれば、中継増幅器を必要としない場合もある。

従来の伝送線路は周波数分散特性を有する。すなわち、伝送信号の高周波成分が低周波成分に対して減衰または過度に遅延され、伝送された信号が発信信号や検出信号に対して歪む性質を持つ。また、従来の伝送線路は、線路のインピーダンスの不均一性によって起こる反射によって信号が歪むこともある。通信システムの場合、或る程度の信号歪みを許容することもできるが、計測システムの場合、信号歪みを最小限に抑えなければならない。さらに、試験機器と試験対象デバイスとの間に大きな直流電圧差がある場合や、同軸ケーブル等の導電素子が存在する場合は、アンテナ試験等の測定に影響を与える可能性があるため、同軸ケーブル等による接続は実用的でない。

本発明は一実施形態において光電気システムを提供する。この光電気システムは、光信号変調器、並びに該光信号変調器に接続された入力光導波路および出力光導波路を含む。このシステムは光信号変調器内に光反射要素をさらに含む。光反射要素は、入力光導波路を通って入射してきた入力光ビームを出力光導波路を通じて出力光ビームとして反射するように配置される。このシステムは光信号変調器内に電気端子をさらに含む。電気端子は、該電気端子上の電気信号を入力光ビームと相互作用させるように構成される。

本発明は他の実施形態において、変調された信号を遠隔伝送する方法を提供する。この方法は、入力光ビームを光信号変調を用いて電気信号で変調するステップと、変調された光ビームを出力光ビームとして入力光ビームとは異なる方向へ反射させるステップとを含む。

電気信号の検出は、その検出データを処理する計測機器から離れた場所で行なうことが必要とされたり、望ましい場合がある。同様に、電気信号は、その信号源から離れた場所まで伝送しなければならないことがある。実際、信号の検出と伝送を両方とも同じ物理的装置で行ない、効率的な方法で試験対象デバイスの性質を完全に究明できるようにすることが望ましい場合がある。

遠隔試験に従来から用いられている距離範囲（数メートルから数百メートルの範囲）においてシングルモード光ファイバケーブルはその拡散性が十分に低く、無視できる程度の信号歪みしか生じない。また、光検出器やＲＥＡＭ（反射モード電界吸収変調器）は、有用範囲の信号レベルにおいて信号歪みが小さくなるように設計することができる。したがって、同軸ケーブルのような従来の電気伝送線路に比べて、電子計測機器と遠隔の試験対象デバイスとの間の距離を長くすることができる。

図１は、本発明の一実施形態による、遠隔の試験対象デバイスから電子計測機器へ光ファイバケーブルを介して電気応答信号の複製を伝送するシステム１００を示す。図１に示す遠隔検出構成において、ＣＷ光源１０１から発射された連続波（ＣＷ）光ビーム１１は、光サーキュレータ１０２を通過し、ＣＷ光ビーム１２として光導波路１０４を通過する。ＣＷ光ビーム１２は、遠隔検出点の光信号変調器、例えばＲＥＡＭ（反射モード電界吸収変調器）１０５において、遠隔の電気デバイス１０７によって生成された遠隔電気信号１３で変調される。通常、ＲＥＡＭ１０５にはバイアス電圧１０６が印加され、線形動作が行なわれる。次に、変調された光ビーム１４はＲＥＡＭ１０５で反射され、光導波路１０４、光サーキュレータ１０２および光導波路１０８を通って、変調された光ビーム１５として戻される。次に、変調された光ビーム１５は通常、光増幅器１０９によって増幅され、増幅された光ビーム１６として光導波路１１１を通して出力される。変調・増幅された光ビーム１６は通常、光検出器１１０によって検出される。光検出器１１０は光電気信号１７を生成し、それを電気ケーブル１１２を通して出力する。光電気信号１７は遠隔電気信号１３の複製であり、通常は電子計測機器１１３によって処理される。

図２は、本発明の一実施形態による、遠隔の電気デバイスを刺激するための変調された信号を光ファイバ接続を介して遠隔伝送するシステム２００を示す。変調信号源２０１からの変調された光信号２１は、光ファイバリンク１０３および光サーキュレータ１０２を通過し、変調された光信号２２として光ファイバリンク１０４を通過し、ＲＥＡＭ（反射モード電界吸収変調器）２０５に入射する。ＲＥＡＭ２０５は、図１に示したＲＥＡＭ１０５と同一のものでよい。ＲＥＡＭ２０５は通常、負の電圧２０６でバイアスされ、変調された光信号２２を電気信号２３に変換する。電気信号２３は試験対象の電気デバイス２０７に刺激を与える。遠隔電気デバイス２０７の応答は他の手段でモニタすることができ、その場合、サーキュレータ１０２、光増幅器１０９、光検出器１１０、電子計測計器１１３を使用する必要はない。それらの構成要素が描かれているのは、図２の刺激試験および図１の応答試験が、どちらも同じ装置を用いて実施できることを示すためである。両者の違いは、光源がＣＷ光源であるか、変調光源であるかにある。

図３は、本発明の一実施形態による、遠隔の電気デバイスに対して光ファイバリンクを介して刺激信号と応答信号の両方を双方向に同時に伝送するシステム３００を示す。変調光源２０１からの変調された光信号２１は、光ファイバ接続１０３および光サーキュレータ１０２を通過し、変調された光信号２２として光ファイバ接続１０４を通過し、反射モード電界吸収変調器（ＲＥＡＭ）３０５に入射する。ＲＥＡＭ３０５は、図２に示したＲＥＡＭ２０５と同一のものでよい。ＲＥＡＭ３０５は通常、線形動作させるためにバイアス電圧３０６によってバイアスされ、変調された光信号２２を電気信号３３に変換する。電気信号３３は試験対象の電気デバイス３０７に刺激を与える。電気デバイス３０７は刺激（３３）に応答（３４）して該電気デバイス３０７の端子電圧を変化させ、ＲＥＡＭ３０５の反射係数を変調させる。ＲＥＡＭ３０５の反射係数は入射光２２に相互作用し、応答電圧３４の変調された複製光３５は、光導波路１０４、光サーキュレータ１０２および光導波路セグメント１０８を通って変調された複製光３６として反射される。変調された複製光３６は通常、光増幅器１０９によって増幅され、変調・増幅された複製光１６として光導波路セグメント１１１を通じて光検出器１１０に伝送され、電子計測機器１１３によって処理される。図３に示した構成の典型的応用形態は時間分域反射率測定（ＴＤＲ）であるが、刺激／応答の他の組み合わせの応用形態を実施することもでき、例えば、ネットワーク分析（電子ネットワークの周波数領域試験）等を実施することもできる。

頭字語「ＲＥＡＭ」は、「反射モード電界吸収変調器」（"Reflection-mode Electroabsorption Modulator"）を表す。ＲＥＡＭは、基本的に反射モードで動作するように構成された電界吸収変調器である。ＲＥＡＭは、例えば変調器の第１の面に光を入射させ、変調器の反対側の面を鏡で終端することによって、反射モードで動作する。反射変調器は自由空間光ビームと共に使用され、通信システムの形成に使用される。

光信号変調器は、電気光学変調（ＥＯＭ）タイプ、電気機械変調（ＥＭＭ）タイプおよび電界吸収変調（ＥＡＭ）タイプなどを含む、いかなるタイプの反射モード変調器であってもよい。電気信号を変調された光に変換する電気−光変調器（ＥＯＭ）や、変調された光を電気信号に変換する光検出器の使用は、多くの光通信システムで普通に実施されている。電界吸収変調器（ＥＡＭ）を実施する利点は少ないが、電界吸収変調器（ＥＡＭ）は、種々の変調器タイプの中でもとりわけ、光の変調器としての機能と、光の検出器としての機能とを両方とも備えている点が、特に優れているものと考えられる。

図４Ａは、電界吸収変調器（ＥＡＭ）４０１を含む変調器構成４００を示す。電界吸収変調器（ＥＡＭ）４０１は、光ビームの伝送強度を印加制御電圧４０２に比例させるように制御する。ＥＡＭ４０１は、左側の面から入射した光４１のうちの時間変動する比率に応じた部分を変調された光４２として右側の面から出射させ、その時間変動する比率を時間変動する制御電圧４０２によって制御し、伝送される光を変調する。図４Ｂは、本発明の一実施形態による反射モードＥＡＭ（ＲＥＡＭ）４１０を示す。ＥＡＭ（ＲＥＡＭ）４１０は、ＥＡＭ４０１に反射面４０３（例えば、鏡など）を結合し、入力ビーム４１や変調された出力ビーム４３を変調器の左側の面から入出力するように構成したものである。

検出やプロービングなどの応用分野におけるＲＥＡＭ構造の利点は、光路を１本しか必要としない点にある。例えば光路を光ファイバにすれば、全体の組立てを非常に容易かつ簡単に行なうことができるようになる。

図５は、本発明の一実施形態による典型的なＲＥＡＭにおいて入射電力を一定にしたときの制御電圧と反射電力の関係を示す伝達曲線を示すグラフである。反射電力は、水平軸５０１の制御電圧の関数として、垂直軸５０２に沿って示されてる。バイアス電圧は、選択された特定値の制御電圧である。線形動作範囲の中央付近でデバイスをバイアスするために、電圧５０５のような負の直流バイアス値を印加しなければならない。これによって、平衡反射電力値５０４が生成される。そして、バイアス点５０３を中心とする線形動作が可能になる。Ｖｂｉａｓ＝０でデバイスを構成することもできるが、そのようなデバイスは一般に、変調電圧の変化に対する反射応答が遅くなる。

ＲＥＡＭは、波長および制御電圧Ｖｃｏｎｔｒｏｌの特定の値に応じて決まる度合いで光を吸収する。通常、Ｖｃｏｎｔｒｏｌが０ボルトであるとき、ＲＥＡＭは「透明」であると言われ、全ての光が反射される。ＶｃｏｎｔｒｏｌをＶｂｉａｓに設定すると、ＲＥＡＭは線形領域で動作し、反射される光の量はその印加電圧に線形比例する。このＶｂｉａｓ値は、検出モードの動作で検出効率が最大でなくてもよいときに使用されることがある。ＲＥＡＭを例えばＶｂｉａｓ＝−５Ｖでバイアスすると、ほぼ全ての入射光が吸収される。このＶｂｉａｓ値は、検出モードの動作で最大の検出効率および帯域が必要とされるときに使用されることがある。

Ｖｃｏｎｔｒｏｌを負の電圧に設定してＲＥＡＭをバイアスすると、入射光が吸収され、入射光のエネルギーを用いて、可動電荷の「正孔−電子対」が生成される。それらの可動の正孔および電子は、ＲＥＡＭの電気端子から電荷の流れ（光電流）として掃き出される。この光電流の応答時間は短いため、入射光の強度が変調されると、その光を吸収することによって生成される光電流も変調され、それによって変調された光の光強度の有用な電気的複製が生成される。このような動作メカニズムは光電効果と呼ばれ、従来は光検出器に用いられていたが、これによってＲＥＡＭを光検出器として使用することが可能になる。

電界吸収変調器の一例の動作に関する基本的説明については、インターネット上の下記のＵＲＬから入手することができる。
http://www.bell-labs.com/project/oevlsi/tutorial/

量子井戸内においてのみ観察される特定の電界吸収メカニズムは、「量子閉じ込めシュタルク効果」と呼ばれる。このメカニズムは、半導体における他の電界吸収メカニズムと同様に、非常に高速である。タイムスケールが１ピコ秒を遥かに下回るまで、メカニズム自体に速度制限は基本的に全く存在しない。事実上、速度制限になるのは量子井戸に電圧を印加するのに要する時間だけであり、その時間は通常、外部回路の抵抗−キャパシタンス制限によって決まる。４０ＧＨｚの速度が、実証されている。

図６は、電界吸収変調器（ＥＡＭ）の一例である量子井戸変調器の構造６００を示す。量子井戸６０１は、ｎがドープされた基板６０４上のｐがドープされた上部接点６０２と、ｎがドープされた底部接点６０３との間に挟まれた、複数層の何もドープされていない半導体層である。これがダイオード構造を形成する。接点６０５，６０６を介してこのダイオード構造を逆バイアスすると、量子井戸層に対して垂直な変調された電界をかけることができる。この電界は、入力光ビーム６１を変調し、変調された光ビーム６２を出力させる。構造６００は、波長約８５０ｎｍで最も良好に動作するように、砒化ガリウムやアルミニウム砒化ガリウムを用いて製作されているが、他の半導体材料を用いることもできる。量子井戸の構造および動作に関するさらに詳しい説明は、例えばＤ．Ａ．Ｂ．Ｍｉｌｌｅｒ著の「Optoelectronic applications of quantum wells」、Optics and Photonics News １、第２号、１９９０年２月、ｐｐ７−１５に記載されている。

電気光学変調器は通常、ニオブ−タンタル酸カリウムやチタン酸バリウム等の結晶が有する二次電気光学効果（電気光学カー効果）を利用している。他の光変調器としては、二重水素リン酸カリウムや二重水素砒酸セシウム等の結晶に生じる線形電気光学効果（ポッケルス効果）を利用したものもある。電気機械変調器は、応力複屈折や光弾性の原理を利用していて、結晶の水晶等の材料を用いた音響光学変調器の類を含む。電気光学変調および電気機械変調の概要については、Ｈｅｃｈｔ著の「Optics」、第２版、アディソン−ウェズリー出版社、１９８７年、ｐｐ．３１４−３２１に記載されている。

図７Ａは、本発明の一実施形態による、線形動作を行なわせるために、入力信号に結合された交流電圧でバイアスされたＲＥＡＭ構造７００を示す。基本的なＲＥＡＭデバイス７０１は、電子ダイオードとして図示されている。バイアス抵抗７０３を通してバイアス電圧７１を印加するとともに、交流結合コンデンサ７０２を通して電気信号７２を出し入れし、電気信号７２を交流電圧に結合させる。ＲＥＡＭ７０１には基準電圧７３が印加される。光ビーム７４，７５が電気信号７２によって変調される。あるいは、光ビーム７４，７５が電気信号７２を変調する。多くの電気デバイスと同様に、図５に関して説明したように、ＲＥＡＭは通常バイアスされる。この適当なバイアス電圧は、検出対象電圧に一致させる必要はない。多くの場合、ＲＥＡＭと試験対象電圧との間に交流結合が必要である。

図７Ｂは、本発明の一実施形態による差動対ＲＥＡＭ構造７１０を示す。直流結合ＲＥＡＭセンサを構成する一つの方法は、２つの基本的なＲＥＡＭデバイス７０１を差動対として動作するように構成することである。各バイアス抵抗７０３，７０４を通して負のバイアス電圧７１を印加するとともに、バイアス抵抗７０５を通して正バイアス電圧７０を印加し、それらの電気信号を７２，７３の部分でそれぞれ接続する。信号は、変調された電圧信号であってもよいし、直流基準電圧であってもよい。光ビーム７４〜７７が電気信号７２，７３によって変調される。あるいは、光ビーム７４〜７７が電気信号７２，７３を変調する。

図８Ａ〜図８Ｅは、ＲＥＡＭ構造の様々な応用形態を示す。図８Ａは、本発明の一実施形態によるＲＥＡＭ構造８００を示す。ＲＥＡＭ構造８００では、信号８０７およびグラウンド８０５からの電圧が、ハウジング８０８内の接点プローブチップ８０４，８０６を通じてＲＥＡＭ８０１に印加される。入力光ビームおよび出力光ビーム８１，８２は、光ファイバ８０３とＲＥＡＭ８０１の間のレンズ８０２によって結合される。ＲＥＡＭ構造８００は、高い入力インピーダンスを有し、信号線に対して最小限の電気的負荷しか有しない。

図８Ｂは、本発明の一実施形態によるＲＥＡＭ構造８２０を示す。ＲＥＡＭ構造８２０では、ハウジング８０８内の非接触静電結合プローブチップ８０９，８１１を通じて、ＲＥＡＭ８０１に電圧８１０，８１２が印加される。入力光ビームおよび出力光ビーム８１，８２は、光ファイバ８０３とＲＥＡＭ８０１の間のレンズ８０２によって結合される。ＲＥＡＭ構造８２０は、高い入力インピーダンスを有し、信号線に対して最小限の電気的負荷しか有しない。

図８Ｃは、本発明の一実施形態によるＲＥＡＭ構造８４０を示す。ＲＥＡＭ構造８４０では、同軸コネクタ８１４に取り付けられたインピーダンス整合回路網８１３を通じてＲＥＡＭ８０１に電圧が印加される。入力光ビームおよび出力光ビーム８１，８２は、光ファイバ８０３とＲＥＡＭ８０１の間のレンズ８０２によって結合される。ＲＥＡＭ構造８４０は、同軸コネクタ（通常は５０オーム）と同じ負荷を有する。

図８Ｄは、本発明の一実施形態によるＲＥＡＭ構造８６０を示す。ＲＥＡＭ構造８６０は、アンテナ８１５の端子を通じてＲＥＡＭ８０１に電圧が印加される。従来の構成と同様に、アンテナ８１５は、少なくとも２つの端子を有する単一のアンテナとして構成することができる。端子の１つは接地される場合がある。整合回路網８１３は、ＲＥＡＭのインピーダンスをアンテナ８１５にとって最適な負荷に変換する。入力光ビームおよび出力光ビーム８１，８２は、光ファイバ８０３とＲＥＡＭ８０１の間のレンズ８０２によって結合される。

図８Ｅは、本発明の一実施形態によるＲＥＡＭ構造８８０を示す。ＲＥＡＭ構造８８０では、電磁波方向性結合器８１６を介してＲＥＡＭ８０１に電圧が印加される。この電圧は、電磁線路８１７上を進行する波形の振幅に比例する。入力光ビームおよび出力光ビーム８１，８２，８３，８４は、光ファイバ８０３とＲＥＡＭ８０１の間のレンズ８０２によって結合される。

本発明は特定の実施形態を参照して説明されているが、当業者であれば、上記の説明から多数の代替、修正、及び変形が明らかとなるであろう。従って、本発明には、特許請求の範囲に記載される本発明の思想および範囲に含まれるようなそれらの代替、修正、及び変形もすべて含めることを意図している。

本発明の一実施形態による、遠隔の試験対象電気デバイスから電子計測機器へ光ファイバケーブルを介して電気応答信号の複製を伝送するシステムを示す図である。本発明の一実施形態による、光ファイバ接続を介して遠隔電気デバイスを刺激する変調された信号を伝送するシステムを示す図である。本発明の一実施形態による、遠隔の電気デバイスに対して光ファイバを介して刺激信号と応答信号の両方を双方向に同時に伝送するシステムを表わす図である。光ビームの伝送強度を印加制御電圧に比例させるように制御する電界吸収変調器（ＥＡＭ）を含む変調器構成を示す図である。ＥＡＭに反射面を結合して構成された、本発明の一実施形態による反射モードＥＡＭ（ＲＥＡＭ）を示す図である。本発明の一実施形態による典型的なＲＥＡＭにおいて入射電力を一定にしたときの制御電圧と反射電力の関係を示す伝達曲線を示すグラフである。電界吸収変調器（ＥＡＭ）の一例である量子井戸変調器の構造を示す図である。本発明の一実施形態による、線形動作させるために、入力信号に結合された交流電圧でバイアスされるＲＥＡＭ構成を示す図である。本発明の一実施形態による差動対ＲＥＡＭ構成を示す図である。ＲＥＡＭ構成の一応用形態を示す図である。ＲＥＡＭ構成の他の応用形態を示す図である。ＲＥＡＭ構成の他の応用形態を示す図である。ＲＥＡＭ構成の他の応用形態を示す図である。ＲＥＡＭ構成の他の応用形態を示す図である。

符号の説明

１００、２００、３００光電気システム
１０５、２０５、３０５光信号変調器
１０４光導波路
１４、２２入力光ビーム
１４、３５出力光ビーム
２３刺激信号
３４応答信号
１０６バイアス電圧
１１３電子計測機器
４１０ＲＥＡＭ（反射モード電界吸収変調器）

Claims

光信号変調器（１０５，２０５，３０５）と、
前記光信号変調器に接続された入力光導波路（１０４）および出力光導波路（１０４）と、
前記入力光導波路（１０４）を通って入射した入力光ビーム（１２）を出力光ビーム（１４）として前記出力光導波路（１０４）を通じて反射させるように前記光信号変調器に配置された光反射要素（４０３）と、
前記光信号変調器（１０５）に設けられた電気端子（１０６）であって、該電気端子上の電気信号を前記入力光ビーム１２と相互作用させるように構成された電気端子（１０６）と
からなる光電気システム（１００，２００，３００）。
前記光信号変調器（１０５）は、電界吸収変調器（ＥＡＭ）（４１０）である、請求項１に記載の光電気システム。
前記入力光ビーム（２２）は、前記電気信号（２３）を変調する働きをする、請求項２に記載の光電気システム。
前記電気信号（１３）は、前記出力光ビーム（１４）を変調する働きをする、請求項２に記載の光電気システム。
変調された信号を伝送する方法であって、
光信号変調を用いて入力光ビーム（１２）を電気信号（１３）で変調するステップと、
変調された光ビーム（１４）を出力光ビームとして前記入力光ビーム（１２）の方向とは異なる方向に反射させるステップと
からなる方法。
電界吸収変調を用いて前記入力光ビーム（２２）と相互作用させることにより、前記電気信号（３３）を同時に変調するステップをさらに含む、請求項５に記載の方法。
前記出力光ビーム（１４）および前記入力光ビーム（１４）が、１本の光ファイバ（１０４）を通って反対方向に伝搬する、請求項５に記載の方法。
前記入力光ビーム（２２）は、電気刺激信号（２３）の複製を伝送する、請求項５に記載の方法。
前記出力光ビーム（３５）は、遠隔の電気デバイス（３０７）からの電気応答信号（３４）を電子計測機器（１３３）に伝送する、請求項５の方法。
前記入力光ビーム（２２）は、電気刺激信号（３３）の複製を遠隔の電気デバイス（３０７）に伝送する、請求項９に記載の方法。