JP2010217116A - 電気信号計測用プローブおよび電気信号計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】余分な伝送線を付加せずに反射波（反射信号）の影響をうけずに正確な信号波形の測定を可能とする電気信号計測用プローブを提供する。
【解決手段】RFプローブ30（電気信号計測用プローブ）が、平面回路の伝送線11の表面に接触し、伝送線11を伝播する電気信号を取り込むティップ4と、レーザ光が入力される電気光学結晶1とを備えている。この電気光学結晶1は、ティップ4を伝播する電気信号の電磁誘導によって発生する電磁波が自身に入射するよう、ティップ4の表面に接してあるいは当該表面の近傍に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、パルスレーザ光と電気光学結晶の有する電気光学効果を利用して、回路基板上の集積回路あるいはデバイスから出力される高速電気信号を測定する際に用いて好適な電気信号計測用プローブおよび電気信号計測システムに関する。

高速電気信号の波形を、少ない擾乱、高時間分解能で計測する手段として、電気光学サンプリングと呼ばれる手法が広く用いられている（例えば特許文献１参照）。この手法は、電界によって複屈折率が変化する性質を有する電気光学結晶を、電界センサーとして利用する。すなわち、図５に示すように、該電気光学結晶1を電気信号が伝播する伝送線11上に配置（密着させあるいは間隙を設けて配置）する。そして、パルスレーザ光（入射光）をその電気光学結晶1に照射すると、電気信号（電界信号）の強度に応じて、電気光学結晶1から戻ってきたレーザ光（出射光）の偏光状態が変化する。この偏光変化は偏光板によって、光強度に変換することができるので、結局、電気信号の大きさを光の強度として計測することができる。このようにして、パルスレーザ光を用いることで、時間的に変化する電気信号をパルス幅の分解能（通常1ピコ秒以下）で計測することができる。

なお、図５は、本願発明の背景技術としての電気信号測定手法を説明する図である。図５に示す電気信号計測システムは、回路基板10の上にLSI（Large Scale Integration）などの電子デバイスからなる被測定回路9と、被測定回路9の入出力電気信号を伝送する伝送線11が搭載されている。この伝送線11にはティップ4が接続され、同軸ケーブル5、同軸コネクタ6を介して、図示していない計測器へあるいは計測器から伝送線11に通電される電気信号が入出力される。この伝送線11上には、上述したように、レーザ光が照射された電気光学結晶1が配置されている。そして、その電気光学結晶1に伝送線11から誘導される電磁波が作用することにより、電気光学結晶1から出力されるレーザ光の偏光状態が変化する。この偏光状態の変化をレーザ光の強度変化として検出することにより、伝送線11に通電する電気信号の波形を観測することができる。

また、この手法は、電気信号が発生する回路基板10上で電気信号を計測できるため、同軸ケーブルを使ってサンプリングオシロスコープに信号を接続する手法に比べ、信号のロスや歪の問題が無く、正確な信号波形測定が行える唯一のものである。

特開平５−７２２９９号公報

しかしながら、電気光学サンプリングを利用した電気信号計測は上記のような優れた特長を有しながらも、次のような反射波に関連する問題とそれを解決すべく課題があった。

これを説明するため、通常の測定手順を述べる。まず、図５に示すように、被測定回路（デバイス）9への電源を供給し、さらに回路9の電気的な終端をするために、高周波（Radio Frequency＝RF）プローブと呼ばれるプローブ20を信号伝送線11の一端にコンタクトさせる。RFプローブ20は、同軸ケーブル5の一方の先端にティップ4と呼ばれるコンタクト用の端子（通常、3つあり、グランド端子2本とその間の信号端子からなる）があり、もう一方は同軸コネクタ6となっている。該伝送線11とRFプローブ20内の同軸ケーブル5の特性インピーダンスは50Ωに設定されている。つぎに、電気光学結晶1を被測定回路9の近傍に配置して、前述の電気光学サンプリングにより電気信号波形を光学的に測定する。

ところが、RFプローブ20のティップ4を回路基板10上の伝送線11にコンタクトさせる場合、平面回路から立体回路への接続となるため、コンタクト点において通常、10%以上の反射が生じる。この反射による反射波（反射信号）は電気光学結晶1側にもどり、図６に示すように、時間的に遅れて信号波形に重畳される。

図６はパルス波形を測定した例を示しているが、同図（b）のように、小さな振幅の2つ目のパルスが計測される。2つ目のパルスの極性は、ティップ4のコンタクトの状況に依存し極性が負になることもある。反射が無い場合の波形（a）に対し、（c）のようになると、反射波が元信号波形に重なり、両者を分離することができない。反射波が到達する時間は、RFプローブ20と電気光学結晶1との距離をLとした場合、2L／vで与えられる。vは伝送線11上の信号の速度で、回路基板10の種類（Si、GaAs、InPなど）により異なるが、1ピコ秒あたり、150μm程度となる。例えば、30GHzの帯域を有するパルス波形（立上がり、立下り時間としてそれぞれ10ピコ秒）の測定には、最低20ピコ秒の時間領域に渡って、「反射波フリー」である必要がある。そのためには、1.5mmもの伝送線11の距離が必要となる。通常は、その2倍程度のマージン（従って3mm）を設定するので、これは一般的な回路やデバイスのチップサイズ（0.5mm角）に比べると甚だしく大きくなる。

回路基板10上で信号を測定できるというメリットを生かした計測を行うためには、以上のように、余分な伝送線11をデバイス9に付加する必要があった。この数mmもの伝送線11のスペースは回路基板10上では無駄なスペースであり、一般には、このような伝送線11を付加してまで測定を行うというケースは限られていた。

本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、余分な伝送線を付加せずに反射波（反射信号）の影響をうけずに正確な信号波形の測定を可能とする電気信号計測用プローブおよび電気信号計測システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、平面回路の伝送線の表面に接触し、前記伝送線を伝播する電気信号を取り込むティップ部と、レーザ光が入力される電気光学結晶とを備え、前記電気光学結晶は、前記ティップ部を伝播する電気信号の電磁誘導によって発生する電磁波が当該電気光学結晶に入射するよう、前記ティップ部の表面に接してあるいは当該表面の近傍に配置されることを特徴とする電気信号計測用プローブである。

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の電気信号計測用プローブにおいて、前記レーザ光は、集光レンズを介して、光ファイバにより電気光学結晶に入力されることを特徴とする電気信号計測用プローブである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２に記載の電気信号計測用プローブと、前記電気信号計測用プローブにレーザ光を供給するレーザ光源と、前記電気信号計測用プローブの前記電気光学結晶から出力されたレーザ光の偏光状態の変化をレーザ光の強度変化に変換する手段と、前記レーザ光の強度変化を測定する手段とを備えることを特徴とする電気信号計測システムである。

上記構成によれば、電気光学結晶がティップ部に配置されているので、回路基板上の集積回路あるいはデバイスから出力される高速電気信号の波形を測定するために、余分な伝送線を付加しなくても、反射波（反射信号）の影響なく正確な信号波形の測定が可能となる。また、測定毎に、電気光学結晶を被測定回路上（あるいはその近傍）に配置する必要がなくなり、トータルの測定に費やされる時間が短縮される。さらに、信号電圧振幅の較正が容易となる。

本発明に係わる電気信号測定プローブの構成を示す図である。 本発明に係わる電気信号測定プローブの詳細構成を示す図である。 本発明に係わる他の電気信号測定プローブの構成を示す図である。 本発明に係わる他の電気信号測定プローブの構成を示す図である。 本発明の背景技術としての電気信号測定手法を説明する図である。 被測定信号がパルス波形である場合の、反射波の影響を説明するための図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明による電気信号測定プローブ（RFプローブ30）の基本的な構成を説明するための模式図であり、（ａ）がRFプローブ30を回路基板10上の伝送線（あるいは信号線）11にコンタクトさせた場合を示す側面図、（ｂ）がRFプローブ30を示す側面図である。また、図２は、図１に示すRFプローブ30の詳細構成例を示す斜視図である。

図１に示す電気光学結晶1は、RFプローブ30のティップ4上に配置され、レーザ光は光ファイバ3を介して、該電気光学結晶1に導入される。ティップ4は傾斜しており、またRFプローブ30を回路基板10上の伝送線（あるいは信号線）11にコンタクトさせる場合に、電気光学結晶1の位置や傾きが変わるため、光ファイバ3によってレーザ光を導入するようにしている。また、図２に示すように、光ファイバ3からの光を効率的に電気光学結晶1に導くため、光ファイバ3と電気光学結晶1の間には、コリメータ用のレンズ2を挿入することができる。

図２は、電気光学結晶1とRFプローブ30のティップ4との位置関係を詳細に示したものである。電気光学結晶1は、ティップ4の信号線4b上に配置され、その底面にはレーザ光を反射させるための反射膜7が施されている。反射膜7は、誘電体であっても、金属であっても構わない。

また、ティップ4には同軸ケーブル5を介して同軸コネクタ6が接続されている。この同軸コネクタ6には図示してない他の同軸ケーブルを介して図示していない計測器が接続されている。また、図1に示す構成例では、ティップ4、同軸ケーブル5及び同軸コネクタ6が、パッケージ筐体12内に保持されている。

なお、図２において、図１のティップ4に対応する構成は、ティップ4a、4b及び4cの3本である。この場合、両側のティップ4a及び4cがグランド端子となり、その間のティップ4bが信号端子となる。また、図１の同軸ケーブル5は、図２では、グランド線となる同軸ケーブル5a（シールド線部）と、中心導体となる同軸ケーブル5bとに分けて符号が付けられている。この場合、同軸ケーブル5aがティップ4a及び4cに接続され、同軸ケーブル5bがティップ4bに接続されている。

本実施形態では、RFプローブ30のティップ4を伝送線11に接触させ、被測定回路9に電源を投入すると、伝送線11より電気信号が出力される。この電気信号の一部はティップ4に取り込まれ、ティップ4の先に接続された終端部（不図示）にて終端される。この終端により、ティップ4で取り込まれた電気信号の反射は抑えられる。

すなわち、本発明の実施形態としてのRFプローブ30は、被測定回路9を搭載した回路基板10（平面回路）の伝送線11の表面に接触し、伝送線11を伝播する電気信号を取り込むティップ4（ティップ部）と、レーザ光が入力される電気光学結晶1とを構成要素として備えるものである。ただし、さらにティップ4（ティップ部）より取り込まれた電気信号を終端する終端部（不図示）を構成要素として備えるようにすることもできる。また、この場合の電気光学結晶1は、ティップ4（ティップ部）を伝播する電気信号の電磁誘導によって発生する電磁波が当該電気光学結晶1に入射するよう、ティップ4（ティップ部）の表面に接して（あるいは表面の近傍に）配置されている。

本実施形態において、ティップ4を流れる電気信号は、電磁誘導により電磁波を放出する。この電磁波が、ティップ4に接触するように（あるいは近傍に位置するように）配置された電気光学結晶1に入射すると、電気光学結晶1の複屈折率が変化し、自身に入射されているレーザ光の偏光状態を変化させる。電気光学結晶1において偏光状態が変化して出力されるレーザ光は、例えば図示していない外部の偏光子などにより、偏光状態の変化が強度変化に変換される。このレーザ光の強度変化をフォトダイオードなどにより電気信号の強度に変換した後、ロックインアンプ等を用いて測定することにより、ティップ4を伝播する電気信号の波形、すなわち、被測定回路9から出力され伝送線11を伝播する電気信号の波形を計測することができる。すなわち、本実施形態あるいは下記実施形態のRFプローブ30（あるいはRFプローブ30a、30b）を用い、電気光学結晶1にレーザ光源よりレーザ光を供給し、電気光学結晶1から出力されたレーザ光の偏光状態の変化をレーザ光の強度変化に変換し、レーザ光の強度変化を測定することにより、ティップ4を伝播する電気信号の波形を計測する電気信号計測システムを構成することができる。

この構成によって反射波の影響がいかに低減されるかについて、以下に説明する。RFプローブ30のティップ4上では、伝送線11からティップ4に取込まれた信号が計測される。その信号が反射するのは、RFプローブ30の上面にある同軸コネクタ6の部分であるが、そこまでの距離は、通常5mm以上あるため、仮に反射が生じたとしても問題にはならない。また、もともとコネクタ6同士の接続にともなう反射は、伝送線11とRFプローブ30のティップ4とのコンタクト点での反射に比べると小さい。一方、RFプローブ30のティップ4と伝送線11とのコンタクト点で反射した信号は、被測定回路（デバイス）9側でもう一度反射されて、ふたたび、RFプローブ30のティップ4上へと伝播する。しかしながら、被測定回路（デバイス）9側での反射は、フォトダイオードなどの単体のデバイスであっても、入力容量や抵抗の影響で完全（100%）反射にはならない（多くても30〜50%程度）。このため、RFプローブ30のティップ4上の反射波の強度は低減されるので多くの場合問題とはならない。より一般的には、被測定回路（デバイス）9には出力抵抗（通常50Ω）を設けるなど、インピーダンス整合が図られているので、このような多重反射は問題にならない場合が多い。

図３は、上記実施形態で示した電気信号測定プローブ（RFプローブ30）の性能・機能を改善したものである。すなわち、RFプローブ30aは、電気光学結晶1と光ファイバ3を、パッケージ筐体12の中に配置した構成であり、ティップ4の伝送線11との接触部周辺に光ファイバ、電気光学結晶などの部品が露出することがなくなり、ティップ4の伝送線11との接触部が上方から観察しやすくなる。その結果、伝送線11へのティップ4の位置決めが容易となる。また、例えば、ティップ4の先端から、3mm以上の距離を置いて電気光学結晶1を配置することができるので、上記、被測定回路（デバイス）9からの反射波の影響を完全に回避することが可能となる。ただし、この例では電気光学結晶1は斜めに配置されるので、できるだけその先端が小さいものが望ましい。

図４は、本発明の電気信号測定プローブの他の実施形態を示す模式図である。図４のRFプローブ30bは、図３のRFプローブ30aにおいて、光ファイバの取り回しを容易にするために、光ファイバ3が接続されたコリメータ用のレンズ2のあとに直角プリズム8を挿入して、光路を90度曲げて電気光学結晶1に光を導入した例である。

図１〜図４に示した実施形態において、実用上重要なメリットがもうひとつ存在する。それは、被測定回路（デバイス）9によらず、測定感度が一定なので、電圧振幅の較正が可能になることである。従来、図５のように電気光学結晶1を被測定回路（デバイス）9上（あるいはその近傍）に配置する場合には、回路パターン（配線形状）によって、電気光学結晶1に結合する電界の大きさが変わる。そのため、電圧振幅を知ろうとすると、回路パターン毎に電圧振幅の較正が必要となっていたが、本発明ではこのような問題がない。

なお、本発明の実施の形態は、上記のものに限られず、例えば、さらにレーザ光の光路に光学系レンズを追加したり、ティップ4の形状や本数を変更したりする変更などを適宜行うことができる。

30、30a、30b RFプローブ
1 電気光学結晶
2 レンズ
3 光ファイバ
4、4a、4b、4c ティップ
7 反射膜
8 直角プリズム
9 被測定回路（平面回路）
10 回路基板（平面回路）
11 伝送線（平面回路）

Claims (3)

1. 平面回路の伝送線の表面に接触し、前記伝送線を伝播する電気信号を取り込むティップ部と、
   レーザ光が入力される電気光学結晶と
   を備え、
   前記電気光学結晶は、前記ティップ部を伝播する電気信号の電磁誘導によって発生する電磁波が当該電気光学結晶に入射するよう、前記ティップ部の表面に接してあるいは当該表面の近傍に配置される
   ことを特徴とする電気信号計測用プローブ。
2. 前記請求項１に記載の電気信号計測用プローブにおいて、
   前記レーザ光は、集光レンズを介して、光ファイバにより電気光学結晶に入力される
   ことを特徴とする電気信号計測用プローブ。
3. 前記請求項１または２に記載の電気信号計測用プローブと、
   前記電気信号計測用プローブにレーザ光を供給するレーザ光源と、
   前記電気信号計測用プローブの前記電気光学結晶から出力されたレーザ光の偏光状態の変化をレーザ光の強度変化に変換する手段と、
   前記レーザ光の強度変化を測定する手段とを備える
   ことを特徴とする電気信号計測システム。

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