JP2827264B2 - 光を用いた物理量測定装置 - Google Patents

光を用いた物理量測定装置

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Description

【発明の詳細な説明】 <産業上の利用分野> この発明は光を用いて物理量を測定する装置に関し、
特に高速現象を測定する事が出来る光を用いた物理量測
定装置に関するものである。
<従来技術> 最近の高速電子デバイスは高速なものが多く開発され
ている。例えば、HEMT(High Electron Mobility Trans
istor)ではゲート遅延時間が約10ps程度であり、また
光通信などに用いられる半導体レーザーの直接変調帯域
も数十GHzに達している。この様な高速電子デバイスに
よる高速現象の測定には、通常サンプリングオシロスコ
ープが用いられている。第5図にサンプリングオシロス
コープの原理を示す。すなわち、(A)のように連続す
るN個の被測定信号に対して、ゲート時間を少しずつず
らしながら測定して行き、その結果を合成して(B)の
ような測定値を得る。この技術では、サンプリング幅が
測定結果の分解能になる。
一方、GaAs基板は電気光学効果を有するので、流れる
電流の大きさによってその戻り光の偏波面が変化する。
この現象を利用して、光を用いた測定装置が開発されて
いる。第6図にこの様な光を用いた測定装置の構成を示
す。YAGレーザー1の出力はパルス圧縮部2でps程度の
パルス幅に圧縮され、偏光子3、波長板4を介してGaAs
集積回路5に入力される。また、その戻り光は波長板4
を通り、偏光子3で反射されて受光素子6でその強度が
測定され、表示部8で表示される。駆動回路7でGaAs集
積回路5に流す電流を変えるとその戻り光の偏光面が変
化し、偏光子3によって受光素子6に入射する光の強度
が変化する。駆動回路7によりYAGレーザー1の出力光
のタイミングとGaAs集積回路5に電流を流すタイミング
を同期させ、かつその位相差を少しずつずれして行くこ
とによって、第6図で説明したサンプリング技術と同じ
原理でGaAs集積回路5の動作を測定する事が出来る。
<発明が解決すべき課題> しかしながら、第5図のサンプリングオシロスコープ
では、サンプリング幅はステップリカバリダイオードの
速度に制限され、25ps程度が限界であり、光パルスを測
定する光オシロスコープでも10ps程度が限界であるとい
う課題があった。
また、第6図の光を用いて測定装置ではpsオーダーの
測定が可能であるが、受光素子6に入射する光の強度が
微弱な為、S/N比を高くすることが困難であり、加算平
均処理などの信号処理をしなければならないという課題
もあった。
<発明の目的> この発明の目的は、高速現象をも高S/N比で測定でき
る光を用いた物理量測定装置を提供することにある。
<課題を解決する為の手段> 前記課題を解決するために本発明では、第1の光パル
ス発生手段を被測定物に照射して、その戻り光と第2の
光パルス発生手段のより時間幅の短いパルスの光を合波
し、この合波光を非線形材料で作られた高調波光発生手
段に入射して高調波光を発生させて、この高調波光をフ
ィルタで選別して、受光素子その光強度を測定するよう
にした構成とし、前記戻り光、第2の光パルス発生手段
の出力光のいずれかを遅延手段で遅延させ、その遅延量
を連続的に変化させるようにしたものである。
また、光を遅延させる代わりに、被測定物を駆動する
タイミングと第2の光パルス発生手段の駆動のタイミン
グの位相を連続的にずらすようにしたものである。
<作用> 高調波光発生手段により、戻り光と参照光の強度の積
に比例する高調波光を発生させることにより、高S/N比
で物理量を測定することが出来る。
<実施例> 第1図に本発明に係る光を用いた物理量測定装置の一
実施例を示す。第1図において、10はパルスレーザーで
あり、第1の光パルス発生手段に相当し、その出力光は
紙面に対して垂直に偏光しているものとする(○印で表
わす)。11はハーフミラーであり、パルスレーザー10の
出力光が入射され、その光を2つに分岐する。12はパル
ス圧縮器であり、ハーフミラー11で分岐された光の1つ
が入射され、そのパルス幅を時間的に圧縮する。パルス
レーザー10とパルス圧縮器12で第2の光パルス発生手段
を構成している。14は光のディレイラインであり、ミラ
ー13で反射されたパルス圧縮器12の出力光が入射され
る。ディレイライン14はミラー141及びコーナーキュー
ブ142から構成され、入射光はミラー141で反射されてコ
ーナーキューブ142に至り、コーナーキューブ142で方向
が反転されてミラー141で再度反射されて出力される。
従って、コーナーキューブ142を矢印の方向に移動させ
てミラー141とコーナーキューブ142間の距離を変えるこ
とにより、遅延量を変えることが出来る。15は偏光子で
あり、ディレイライン14の出力光が入射される。16は偏
光子であり、ハーフミラー11で分岐されたパルスレーザ
ー10の他方の出力光が入射され、透過される。この透過
光はλ/4、λ/2波長板17を透過して対物レンズ18で集束
されて被測定物19に照射される。被測定物19は例えばGa
As集積回路であり、駆動部20で駆動される。GaAs集積回
路は電気光学効果を有し、照射された光の偏光面を変え
て反射する。この偏光面の変化はGaAs集積回路である測
定物に流れる電流によって変化するので、その変化を測
定することにより、被測定物19に流れる電流を測定する
ことが出来る。被測定物19の戻り光は偏光子16に入射さ
れる。偏光子16は紙面内で偏光した光(|で表わす)の
みを反射する。波長板17はこの戻り光が最大になるよう
に調整される。偏光子16で反射した光は偏光子15に入射
され、別に入射されたディレイライン14の出力光と合波
される。21は高調波光発生手段であり、偏光子15で合波
された光が入射され、この入射光の2次高調波を出力す
る。22はフィルタであり、高調波光発生手段21の出力光
が入射され、2次高調波のみを透過させる。23は受光素
子であり、フィルタ22の透過光の光強度を電気信号に変
換する。24は演算・表示部であり、受光素子23の出力が
入力され、この信号から被測定物19に流れる電流の大き
さを演算して表示する。
次に、この実施例の動作を説明する。被測定物19であ
るGaAs集積回路は電気光学効果を有する。従って、この
集積回路が動作状態であると、流れる電流に応じてその
戻り光の偏波面は入射光のそれとは異なった状態にな
る。この性質を利用して被測定物19の物理量を測定す
る。その為、駆動部20で被測定物19に電流を流し、また
パルスレーザー10を動作させ、紙面に対して垂直に偏光
した光を出力させる。この光はハーフミラー11で2つに
分岐され、その一方は対物レンズ18で集束されて被測定
物19に照射され、その戻り光のうち紙面内で偏光したも
ののみが偏光子16で反射され、偏光子15に入射される。
従って、偏光子15に入射される光の強度は被測定物19に
流れる電流によって変化する。また、ハーフミラー11で
分岐された他方の光はパルス圧縮器12でそのパルス幅が
時間的に圧縮されてディレイライン14に入射され、所定
の遅延が与えられる。偏光子15に入射される2つの光は
互いに直交する直線偏波になっている。従って、その出
力光は第2図に示すような時間関係を有する。第2図に
おいて、30は被測定物19からの戻り光、31,32はディレ
イライン14の出力光である。31はディレイライン14の遅
延量が小さい場合、32は大きい場合に相当する。コーナ
ーキューブ142を移動させて遅延量を変えることによ
り、戻り光30との位相差を変えることができ、戻り光30
の全域に渡ってスキャンすることが出来る。
例えば、遅延量が“0"の場合にディレイライン14の出
力光が戻り光30の立ち上がり時点で同時に立ち上がる場
合には、コーナーキューブ142を移動させて遅延量を徐
々に増加させることによりディレイライン14の出力光が
第2図中の出力光31から出力光32に向かって移動するこ
とになるので戻り光30の全域をスキャンすることが可能
になる。偏光子15で合波された光は高周波光発生手段21
に入射される。高調波光発生手段21はKDP結晶で構成さ
れ、その光学軸は光の入射方向に対して約59°にされ
る。高調波光発生手段21は入射光の2次高調波を発生
し、その強度Pは次式(1)に従う。
P=r123・E1・E2/2 ………(1) 但し、E1、E2はそれぞれ高調波光発生手段21の点におけ
る被測定物19からの戻り光の強度及びディレイライン14
の出力光強度、r123は非線形効果の生じ易さを表わす定
数である。従って、2次高調波はこれらの光が時間的に
オーバーラップした部分についてのみ発生する。高調波
光発生手段21の出力はフィルタ22で2次高調波の部分の
みが取り出され、受光素子23に入射され、その光強度が
電気信号に変換される。被測定物19の戻り光とパルス圧
縮器12の出力光の位相差はディレイライン14で連続的に
変化させられるので、受光素子23で測定した2次高調波
の時間的な変化は、ディレイライン14の出力光強度を一
定とすると、被測定物19の戻り光強度の時間的な分布に
なる。その為、被測定物19に流れる電流、すなわち物理
量の分布の時間的変化を測定することが出来る。また、
前記(1)式からわかるように、パルス圧縮器12の光強
度を増加することにより、被測定物19からの戻り光強度
が弱くても2次高調波の強度を高くすることが出来、信
号のS/N比を改善することが可能になる。
第3図に本発明の他の実施例を示す。なお、第1図と
同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。この実
施例はディレイライン14の挿入位置を変えたものであ
る。すなわち、偏光子16で反射された被測定物19の戻り
光の光路にディレイライン14を挿入し、戻り光の遅延時
間を変えるようにする。ミラー13で反射されたパルス圧
縮器12の出力光は直接偏光子15に入射するようにする。
本発明は第2のパルス発生手段の出力光と被測定物19か
らの戻り光の位相差を変えればよいので、この様にして
も同一の目的を達成する事が出来る。
第4図にさらに他の実施例を示す。なお、第1図と同
じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。この実施
例はディレイライン14を用いず、駆動部20においてパル
スレーザー10をも駆動し、被測定物19を駆動するタイミ
ングとの位相差を少しずつ変えるようにしたものであ
る。すなわち、被測定物19であるGaAs集積回路に電流を
流し、Δt時間経過後にパルスレーザー10を駆動して光
パルスを発生させる。このΔtを少しずつ長くして行く
ことにより、被測定物19の物理量の一連の変化を観測す
ることが出来る。なお、この実施例の構成では、パルス
圧縮器12の出力光すなわち第2の光パルス発生手段の出
力を被測定物19に照射し、その戻り光とパルスレーザー
10すなわち第1の光パルス発生手段の出力光を合波する
ようにしてもよい。
なお、これらの実施例では第1の光パルス発生手段で
あるパルスレーザー10の出力光をパルス圧縮器12で時間
的に圧縮して第2の光パルス発生手段としたが、各々独
立に構成するようにしてもよい。
また、これらの実施例では被測定物として電気光学効
果を有するGaAs集積回路について説明したが、電気光学
効果を有さないシリコンなどについても測定出来る。こ
の場合は、シリコンに電気光学効果を有するLiTaO3単結
晶を近付け、そこに生じる電界をLiTaO3単結晶の電気光
学効果によって測定すればよい。
また、これらの実施例では第1、第2の光パルス発生
手段の出力光の波長は同じであるとしたが、波長を変え
て和または差の周波数の光の強度を測定するようにして
もよい。この場合は、フィルタ22の特性を、和または差
の周波数の光が透過するように変えればよい。
さらに、2次高調波光でなく、3次以上の高調波光を
用いるようにしてもよい。
<発明の効果> 以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、こ
の発明では幅の広い光パルスと狭い光パルスを用い、一
方を被測定物に照射してその戻り光と他方の光を合波し
て、その高調波光の強度から物理量を測定するようにし
た。その為、被測定物からの戻り光が弱くても、合波す
る光の強度を高くすると信号強度を高く出来るので、S/
N比のよい測定が出来るという効果がある。
また、光を用いるので非接触で測定でき、かつ本質的
に高速測定が可能であるという効果もある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明に係る光を用いた物理量測定装置の一実
施例を示す構成図、第2図はその動作を説明する為の特
性曲線図、第3図及び第4図は他の実施例を示す構成
図、第5図はサンプリング技術の原理を示す図、第6図
は従来の光を用いた測定装置の構成を示す図である。 10…パルスレーザー、12…パルス圧縮器、14…ディレイ
ライン、15,16…偏光子、19…被測定物、21…高調波光
発生手段、22…フィルタ、23…受光素子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01R 19/00 G01R 15/24 G01R 31/308

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】その出力光が被測定物に照射される第1の
    光パルス発生手段と、 この第1の光パルス発生手段の出力光よりも時間幅の短
    いパルス光を出力する第2の光パルス発生手段と、 この第2の光パルス発生手段の出力光の経路に挿入され
    これらの光を所定時間遅延させる遅延手段と、 この遅延手段の出力光及び前記被測定物からの戻り光を
    合波する合波手段と、 この合波手段の出力光が入射され非線形光学効果により
    この入射光の高調波光を発生する高調波光発生手段と、 この高調波光発生手段の出力光が入射され特定の波長の
    光のみ透過させるフィルタと、 このフィルタの出力光が入射されその光強度を電気信号
    に変換する受光素子とからなり、前記遅延手段の遅延量
    を可変させるようにしたことを特徴とする光を用いた物
    理量測定装置。
  2. 【請求項2】その出力光が被測定物に照射される第1の
    光パルス発生手段と、 この第1の光パルス発生手段の出力光よりも時間幅の短
    いパルス光を出力する第2の光パルス発生手段と、 前記被測定物の戻り光の経路に挿入されこの光を所定時
    間遅延させる遅延手段と、 この遅延された光及び前記第2の光パルス発生手段の出
    力光を合波する合波手段と、 この合波手段の出力光が入射され非線形光学効果により
    その入射光の高調波光を発生する高調波光発生手段と、 この高調波光発生手段の出力光が入射され特定の波長の
    光のみ透過させるフィルタと、 このフィルタの出力光が入射されその光強度を電気信号
    に変換する受光素子を有し、前記遅延手段の遅延量を可
    変させるようにしたことを特徴とする光を用いた物理量
    測定装置。
  3. 【請求項3】第1の光パルス発生手段と、 この第1の光パルス発生手段の出力光よりも時間幅の短
    いパルス光を出力する第2の光パルス発生手段と、 前記第1の光パルス発生手段及び被測定物を駆動する駆
    動部と、 前記第1または第2の光パルス発生手段の一方の出力光
    のうち被測定物に照射されない方の出力光及び前記被測
    定物の戻り光を合波する合波手段と、 この合波手段の出力光が入射され非線形光学効果により
    その入射光の高調波光を発生する高調波光発生手段と、 この高調波光発生手段の出力光が入射され特定の波長の
    光のみ透過させるフィルタと、 このフィルタの出力光が入射されその光強度を電気信号
    に変換する受光素子とからなり、前記第1または第2の
    光パルス発生手段の他方の出力光を前記被測定物に照射
    すると共に第1の光パルス発生手段の駆動タイミングと
    前記被測定物の駆動タイミングとの位相差を変化させる
    ことができるようにしたことを特徴とする光を用いた物
    理量測定装置。
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