JPH04148873A - 光サンプリング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業−にの利用分野〉 この発明は高速の電気信号を測定する装置に関し、特に
Ｓ／Ｎを改善した光サンプリング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遠なものが多く開発されて
いる。例えは、ＨＥ　Ｍ　Ｔ　（Ｈ１（Ｉｈ　ｆ　＋ｅ
ｃｔｒ。

ｎ　Ｎｏｂｉｌｉｔｙ　’ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ　）で
はゲート遅延時間が約１．０　ｐ　ｓ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Ｇ　Ｈｚに達している。このような高速電子デバ
イスによる高速現象の測定は、通常サンプリングオシロ
スコープが用いられている。第４図にサンプリングオシ
ロスコープの原理を示ず。ずなわち、（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（Ｆ
（）のような測定値を？）る。

この技術ては、サンプリング幅が測定結果の分解能にな
る。

しかしながら、第１１１ン］のサンプリングオシＩ７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
パルスを用いる光オシ１７スコープで６１０ｐｓ程疫が
限界であるという速反上の欠点があっな。

一方、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板は゛、Ｅ気光学効果を有する
ので、電界の大きさに応じてその戻り光の１祠波面が変
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５図にこのような光を用いた測定装置
の構成を示す。Ｙ　Ａ　Ｇレーザー１の出力光はパルス
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Ｇ　ａ　ＡＳ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
されて受光索子６でその強度がＡ１す定され、表示部８
て表示される。

駆動回路７でＧ　ａ　Ａ、　ｓ集積回路５が発生ずる電
界を変えるとその戻り光の偏光面が変化し、偏光子３に
よって受光索子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−１の出力光のタイミング
とＧ　ａ　Ａ　ｓ集積回路５を駆動するタイミングを同
期させ、かつその位相差を少しずつずらして行くことに
よって、第４図で説明しなザンブリンク技術と同１．〕
原理でＧ　ａ　Ａ　Ｓ集積回路５の内部電圧波形を測定
する事が出来る。この装置によればｐｓオーダーのサン
プリング幅で測定が１．ＩＪ能である。

〈発明が解決すべき課題〉 しかしながら、第５図の装置ではＦ１ａ５ｈランプ励起
によるＮｄ：ＹＡＧレーザが用いられており、これはサ
イズ（全長的２ｍ）、パワー消費、コスｌ〜および帯域
の各点で問題があり、改善が望まれている。そこで、現
在、半導体レーザや、半導体レーザ励起による固体レー
ザ等で置き変えが考えられているが、光パワーが小さい
なめ、Ｓ／Ｎが悪いという課題かある。

〈発明の目的〉 この発明はＬ記の課題を解決するなめになされたもので
、半導体レーザ等を用いて高速の測定信号を高いＳ／Ｎ
比で測定できる光サンプリンタ装置を実現することを目
的とする。

く課題を解決する為の手段〉 本発明は光パルスの偏波面の状態を被測定回路の動作電
圧に応じて変化させ、この偏波面の変化を検出して被測
定回路の電圧波形を測定する光サン゛ブリンク装化゛に
ｆ系るもので、その特徴とするところは第１の光周波数
を持つ光パルスを出力する光パルス発生手段と、この光
パルス発生手段の出力光を入射し°Ｃ被測定回路の動作
電圧に対応する電界により偏波面を変化させる電気光学
素子と、第２の光周波数を持つ連続光を出力するレーザ
光源と、前記電気光学素子からの戻り光と前記レザ光源
の出力）〜１とを合波する音波手１ｊＱと、この合波１
段の出力光を受光する受光素ｒ−と、この受光素子の出
力に基ついて被測定回路の電圧波形を演算する演算回路
をｆｌｌ−え　演算回ｊ路の出力に基づいて被諧ｊ定回
路の電坪波形を測定するように構成［７た点にある。

く作用〉 第１の光周波数を持つ光パルスを被測定回路の電界が加
わった電気光学素子において偏波面を回転し、第２の光
周波数を有する局部発振光とともに受光素子に入射して
光周波数ヘテロタイン検波を行うことにより、等測的に
信号を増幅し、被測定回路の内部電圧波形を高いＳ／Ｎ
比で測定することができる。

〈実施例〉 第１図に本発明に係る光サンプリング装置の−・実施例
を示す。

第１図において、１０は第１の光周波数で１−Ｄｌを持
った光パルスを出力する光パルス発生手段でコヒーレン
シーの高い半導体レーザ゛からなるもの、１１は半導体
レーザ１０の出力光を通過し戻り光を団ＩＪ−１する光
アイソレータ、１２は光゛γイソレタから出力された光
を透過する面光子、１３は偏光子１３の出力光の偏波面
を調整する波長板、１４（」波長板１３から出力された
光をＧ　ａ、　Ａ　ｓ集積回路からなる肢測定回１賂１
．５　（Ｃ集光するしンスである。１６は半導体し一ザ
ＩＯを１）ｌ＜動する電気パルスを介ノｌするパルス発
生回路、１７は光パルスθ）繰返１−７周波数ｆ′１．
の！上弦波１１１号でパルス発生回路１６を駆動する高
周波発振器、１８は発振器１７と同期しｌ：周波数から
微小周波数Δｆずれた周波数で被測定回路１５を駆動す
る駆動回路、２０は局部介ＪＩ６光源を楢成し、第２の
光周波数ｆ１．２を持ち、コヒーレンシーの高い連続光
を出力するレーザ光源、２１は半導体し・−ザ２０の出
力光を通過し戻り光を阻止する光アイソし　夕、２２は
被測定回路１５からの反射光をレンズト１．波長＆１３
および偏光子１２を介し７て光アイソレータ２１の出力
光ととらに音波するｔン波手段を禍成するハーフミラ−
２２３はハーフミラ−２２の出力光が入用する受光素１
’−１２・′１は受光素−１′２３の電気出力に基つい
て被測定四Ｒ１，、５の内部電圧波形を演算表小する演
算表示回路である。

上記構成の装置の動作を次に説明する。

パルス発生回ｉＮ８１６の電気パルス出力により、半導
体レーザ１０は狭光パルスを発生ずる。この光パルスは
光アイソレータ１１．偏光子１２．波長板１３を透過し
、レンズ１４により被測定回路１５Ｉ−に焦点を結ぶ。

この入射光は、第２図に小ずように、被測定回路１５の
裏面から入射してＧａ　Ａ、、　ｓ基板３１を透過し、
被測定回路１５の表面にあるＩＣパターン３２の裏面で
反射され、占ひＧ　ａ、　Ａ　ｓ基板３１を逆向きに透
過して裏面から出射される。この反射光の偏波面は、被
測定回路１５のＧａＡｓ基板が電気光学効果を持つため
、入射光パルスの偏波面に対し、ＩＣパターン上の電気
信号強度に対応して発生ずる電界強度に応じて変化する
。この反射光パルスは、レンズ１４．波長板１３を逆向
きに透過した後、偏光子１２において反射する際にその
偏波面に応じて光強度変調を受ける。藺光了１２の反射
光は光アイソレータ２１を透過した半導体レーザ２０の
連続出力光とバー　フミラー２２で合波され、受光素子
２３で検出され、両光が重なった区間について後述のよ
うにヘデ冒タイン検波が行なわれる。演算表示装置２４
は受光素子２３の出力に基づいて被測定回路１５の内部
信号波形を表示する。

一１１記へテ１７ダイン検波について以−１・に式を用
いて説明する。例えば半導体レーザ１０からの光出力は
光周波数がω１であるとすると、Ｅ１ｓｉｎω１１で表
され、半導体レーザ２０からの光出力は光周波数が６．
１２であるとすると、１−”）　２　Ｓ　１　ｎ　Ｏ，
）２［、て表される。この２つの光かハ　フミラ−２２
によって合波されると、受光素子２３の受光部−Ｌの合
波光を表す式は、 け：ｓｉｎ　　ω　　　　ｔ、　−１Ｅ　　　　　！、
；　　　ｉ　　　ｎ　　（メ）　２　　ｔ　　）・・　
く　１　） となる。受光素子２３により電気信号に変換後、ローパ
スフィルタおよびＤＣカッ−へ回路を通過した後のｆ、
−１号は、 Ｅ　　−Ｅ　　Ｃ０８（ω　　ω２）ｔ、　　＝（２）
となる。ここて ω　−ω　−２π（ｆ　　　−ｆ　　　）１　　２　　
　　　　１Ｄ１　　　　＋１１２・・（３） である。（２）式において、Ｅｌに被）１１す定回路１
５の内部電圧信号に対ル６した有益な情報が含まれてい
るが、通常、 Ｅ　　＜＜Ｆ、　　、　Ｅ２−−−一定であるから、 Ｅｌ（Ｅｌ　・Ｅ２ であり、等測的に信号Ｅ１がＥ２倍増幅されたことにな
り、Ｓ／Ｎ比が改善されることが明らかである。

またサンプリング技術を用いるために、駆動回路１８か
ら出力される被測定回路１５の駆動信号の基本周波数ゴ
′ｄは ｆｄ二Ｎ−ｆ、＋Δｆ　　　　　　　・・・（４）で表
される。ここでＮ＝１．２，３．・・・１、Δｆは微小
周波数である。（４）式にお（°）るΔｆの存在により
、被測定回路１５内の被測電信すに対し、位相を僅かず
つずらして光パルスでサンプリングすることができ、高
速な現象を低速な現象として処理することができる。こ
れを基本周波数によって説明ずれは、被測定物内の高い
周波数ｆｄが低い周波数Δｆに変換されることになる。

このような構成の光サンプリンタ装置によれば、ヘテロ
ダイン検波を用いることにより、Ｓ／Ｎ比を改善するこ
とかてさ、半導体レーザや半導体レザ励起固体レー１ノ
゛等のように、光パワーが小さいが→ノーイス、パワー
消費、コスト、帯域の点で而れだ光源の使用を可能とな
る。

また被ａ！１１定物に入射する光パワーを小さくするこ
とができるので、過大光パワー人力によって生じる光電
子や逆電気光学効果の発生を防ぐことができ、被測定回
路への影響を抑えることかできる。

なお上記の実施例では半導体レーザを光源として用いた
が、高いコヒーレンシーを持つ半導体レザ励起による固
体レーザを使用することもてきる。

第３図は第１図装置の変形例で、Ｓ／Ｎ比をさらに改善
するするなめに検出部を差動構成としたものを示す要部
構成ブロック図である。第１図と同じ部分は同一の記号
を付している。半導体し→ノ”１０からの光出力は、爛
光子３３、回転子３７および偏光ｒ−１２を透過し、被
測定回路１５へ導かれる。被測定回路１５からの出力光
は、その偏波面のＸ、Ｙ方向成分について、それぞれ＋
１ｉＩ光子１２と偏光−ｒ−３３で分離され、出力され
る６各分離光は、それぞれバー　フミラー　３８．３９
にて半導体レーザ２０の光出力と合波される。各合波光
はそれぞり、受光素子３４および３５で検出され、減算
器３６で互いに引算される。光パルスの偏波面は被測定
回路１５においてＸ、Ｙ方向成分が逆極性で変調される
ので、受光索子３４．．３５に逆位相成分同士が等量入
射するように光学系のアラインメン１〜を行えば、光源
自体のノイズは位相に無関係なので受光素子３４．３５
で同相となって引算により相殺され、被測定回路１５て
変調を受けた検出光の信−り成分は逆相となって引算に
より足し合わされる。しながってＳ　／　Ｎ比がさらに
白土する。

なおこれらの実施例では被測定物かＧ　ａ、　Ａ　ｓ集
積回路の場合すなわち、被測定物自身が電気光学材料で
構成されている場合を説明したが、シリコン等の電気光
学効果を有さないイ１料にも適用される。この場合はシ
リ：７ン等の被測定物に近接して１−７ｊ′Ｉ″ａ　Ｏ
３単結晶などの電気光学効果を有する材料を配置し、こ
のＬ　ｉ　’Ｉ″ａＯ３屯結晶に光全結晶して、シリコ
ン等からなる被測定回路が発生ずる電界により電気光学
効果を生じさせるようにずれはよい。

また被測定回路の反射光の１扁波面の状態の変化を検出
する代りに透過光を検出してもよい。

〈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、本発
明によれは、半導体レーザ等を用いて高速の測定１８号
を高いＳ／Ｎ比て測定てきる光サンプリング装置を簡単
な構成て実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る光サンプリンタ装置の一実施例を
示す構成ブＩ７ツタ図、第２図は第１図装置の動作を説
明するなめの説明し１、第３Ｉ’ａは第１図装置の変形
例を示す要部構成ブロック図、第４１り１はサンブリン
ク技術の原理図、第５図は従来の光サンプリンタ装置の
構成図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 光パルスの偏波面の状態を被測定回路の動作電圧に応じ
   て変化させ、この偏波面の変化を検出して被測定回路の
   電圧波形を測定する光サンプリング装置において、 第１の光周波数を持つ光パルスを出力する光パルス発生
   手段と、 この光パルス発生手段の出力光を入射して被測定回路の
   動作電圧に対応する電界により偏波面を変化させる電気
   光学素子と、 第２の光周波数を持つ連続光を出力するレーザ光源と、 前記電気光学素子からの戻り光と前記レーザ光源の出力
   光とを合波する合波手段と、 この合波手段の出力光を受光する受光素子と、この受光
   素子の出力に基づいて被測定回路の電圧波形を演算する
   演算回路を備え、 演算回路の出力に基づいて被測定回路の電圧波形を測定
   するように構成したことを特徴とする光サンプリング装
   置。