JPH05267408A - 電界検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光パルスサンプリング法による電界測定を手
軽に利用するための測定用プローブを備えた構造とす
る。 【構成】 光学的に精密性を要する部分をあらかじめプ
ローブとして堅固な一体的な構造にしておき、このプロ
ーブと光源や受光手段が実装された本体装置とを柔軟な
光ファイバで接続する。 【効果】 プローブを手動で操作して、その先端を被測
定電極に接触させて使用するから、微動ステージなどの
手間のかかる装置を不要にし、きわめて高速な現象を一
般のオシロスコープのように簡便に観測することがで
き、安定に電界強度を測定できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電気回路上における電界
強度測定に利用する。特に、電気光学素子を用いた光変
調による電界強度検出技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、レーザの分野では、数ピコ秒（ｐ
ｓ、１０^-12 秒）から数フェムト秒（ｆｓ、１０
^-15 秒）の光パルスを得ることが可能になってきてい
る。この光パルスをサンプリングオシロスコープのサン
プリングパルスとして用いるのが光サンプリング装置で
あり、従来の電気的な手法では測定できなかった高速な
信号を測定することが可能となっている。また、被測定
素子にプローブ等を接触させる必要が無いため、素子に
影響を与えずに測定することができる。

【０００３】図６を参照して従来例を説明する。図６は
従来例装置のブロック図である。

【０００４】測定される高速な電気信号を実時間で処理
することは不可能なため、一般にサンプリング法を用い
て低速の現象として処理する。

【０００５】図７を参照してサンプリング法の原理を説
明する。図７はサンプリング法の原理を説明する図であ
る。

【０００６】被測定回路の駆動回路の繰り返し周波数
（ｆ）をレーザのパルスの繰り返し周波数（ｆ₀ ）より
わずかに（Δｆ）ずらしサンプリングを行う。これによ
り、繰り返し波形の一部分を順次ずらしながら抜き取る
ことになり、元の波形が周波数Δｆで再現される。これ
を式で表すと、 ｆ＝ｎ×ｆ₀ ＋Δｆ （ｎは整数） となる。サンプリング法の時間分解能を決定するのは波
形を抜き取る信号の時間幅、つまり光のパルス幅である
（この一連の動作は従来のサンプリングオシロスコープ
と同様である）。

【０００７】図８を参照して電気光学効果による電界強
度の検出原理を説明する。図８は電気光学効果による電
界強度の検出原理を説明する図である。

【０００８】電界強度の検出原理は電気光学効果により
光の偏波面が変化することを利用している。図８（ａ）
では、パルス光源からのパルス光は偏光子を通り被測定
回路に照射される。ここで被測定回路がＧａＡｓやＩｎ
Ｐなど電気光学効果を持つ材料で作られているとする
と、回路が動作状態にあれば照射された光の偏波面を変
化させる。したがって、その反射戻り光は入射光とは異
なる偏波面を持つ。この成分を偏光子で検出する（これ
を直接プローブ法と呼ぶ）。

【０００９】図８（ｂ）では、被測定回路がシリコンな
どの電気光学効果を持たない材料の場合の構成例であ
る。タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃ ）やＫＴＰ（Ｋ
ＴｉＯＰＯ₄ ）など電気光学効果を持つ結晶材料を被測
定回路の近くに置き、その漏れ電界を同様に光パルスで
測定する（非接触プローブ法）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、直接プローブ
法は、基板がＩｎＰやＧａＡｓに限定されるだけでな
く、基板の裏面が電極などで光をさえぎることがなく、
しかも光学的な研磨面でなければならず、限られた構造
の素子の測定にしか使用できないという問題がある。

【００１１】また、非接触プローブ法は、直接プローブ
法のような制約がなく、実用的な手法である。しかし、
現状ではこのプローブは集積回路の一部分を測定するこ
とを前提に設計されている。そのためプローブと被測定
回路の間の厳密な位置調整が必要になり、微動ステージ
などの精密機構が必要になる。

【００１２】しかし、あらかじめ用意された電極部分を
測定する場合には、むしろ微動ステージなどの調整機構
は操作性を損なうため、一般のオシロスコープのプロー
ブのように手動または厳密な位置調整の必要なしに移動
可能なプローブが望まれる。本発明は、このような背景
に行われたものであり、小型で操作性の高い手動または
厳密な位置調整不要な光サンプリング法による電界検出
装置の提供を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、偏光子と、波
長板と、被測定電界に曝される電気光学素子と、光反射
面とが前記の順に光軸上に配列され、前記電気光学素子
には電極を備え、光源からの入力光を前記偏光子の光入
力面に導く入力用光回路と、前記偏光子の光出力面に現
れる出力光を受光手段に導く出力用光回路とを備えた電
界検出装置において、前記偏光子、前記波長板、前記電
極、前記電気光学素子および前記光反射面は前記電気光
学素子がその先端近傍に位置するようにプローブとして
一体化され、前記入力用光回路および前記出力用光回路
は、前記光源と前記プローブおよび前記プローブと前記
受信手段をそれぞれ接続する光ファイバを含み、前記プ
ローブの先端には、被測定電界を発生する物体にその一
部を接触させる導電体層が設けられたことを特徴とす
る。

【００１４】なお、前記電極は、前記光軸に対して垂直
に配置され、光の透過部分が欠如されもしくは透明であ
ることが望ましい。

【００１５】また、前記電極が基準電位に接続されるこ
とが望ましい。

【００１６】さらに、前記導電体層と前記電気光学素子
との間に空気層を設けた構成とすることもできる。

【００１７】前記導電体を三角錐状に形成した構成とす
ることもできる。

【００１８】前記導電体を円盤状に形成した構成とする
こともできる。

【００１９】前記電気光学素子を台形状に形成した構成
とすることもできる。

【００２０】前記反射面を前記導電体に備えた構成とす
ることもできる。

【００２１】

【作用】光学的に精密な精度を必要とする偏光子、波長
板、電気光学素子および光反射面をプローブとしてあら
かじめ堅固な構造に一体的に構成し、光源や受光手段を
内蔵する本体装置とは柔軟な光ファイバで接続し、その
プローブを被測定物に直接当接させて使用できるから、
測定の際に微動ステージその他の精密機械が必要でなく
なり、プローブを手動で操作して簡便に使用することが
できる。

【００２２】光ファイバにより電界検出装置に接続され
たプローブには、装置本体から送出された光パルスが入
射用の光ファイバに導かれ入射され、レンズ、偏光子、
波長板を通り、プローブ先端部分に到達する。

【００２３】プローブ先端部分は、被測定電極と基準電
位の電源を介して接続された電極と、電気光学素子と、
接触部から構成される。

【００２４】光パルスは、被測定電極と固定電極の間に
発生した被測定電界中に置かれた電気光学素子に入射し
て、この入射面の裏面または接触部に設けられた光反射
面により回帰反射される。

【００２５】接触部は導電体で構成され、接触部が接触
している被測定電極の電位はそのまま接触部によりプロ
ーブ内に導かれる。したがって、いかなる形状の被測定
電極でもそれに適した形状の接触部を用意することによ
り、その電位をそのままプローブ内に導いて電気光学素
子に備えられた電極とこの被測定電極から導かれた電位
との間に被測定電界を構成できる。

【００２６】電気光学素子の電気光学効果により、光パ
ルスの偏光面はその電界強度に応じた割合で位相差変調
される。

【００２７】この位相差変調された光パルスは最初に通
過した偏光子に戻るが、偏光子は特定の偏光面の光のみ
を透過させる性質があるので、電気光学効果の影響によ
り位相差変調された光パルスはここで強度変調される。

【００２８】この強度変調された光パルスを出射用の光
ファイバに入射させ、装置本体の受光素子へと導く。装
置本体では、送出した光パルスの強度と、この戻り光の
強度を比較することにより、偏光面の変化率を知ること
で電界強度を測定する。

【００２９】また、偏光子内に、出射用光ファイバに光
パルスを誘導するために備えられたミラーをハーフミラ
ーとして、その光を出射用の光ファイバに入射させる他
に、偏光子内のハーフミラーを透過する戻り光をさらに
別の出射用の光ファイバに入射させ、装置本体に入射さ
せる方法もある。この戻り光は、上述の戻り光に対して
ミラーの裏と表の関係から逆位相となっていることは周
知のとおりである。その一方で、不特定箇所から侵入す
るノイズ成分は同位相であることを利用し、信号の中か
らノイズ成分を検出して除去できる。

【００３０】

【実施例】本発明第一実施例の構成を図１を参照して説
明する。図１は本発明第一実施例の構成図である。

【００３１】本発明は、偏光子５と、波長板６と、被測
定電界１２に曝される電気光学素子としての電気光学結
晶８と、光反射面９とが前記の順に光軸上に配列され、
電気光学結晶８には電極７を備え、光源からの入力光を
偏光子５の光入力面に導く入力用光回路と、偏光子５の
光出力面に現れる出力光を受光手段に導く出力用光回路
とを備えた電界検出装置において、偏光子５、波長板
６、電極７、電気光学結晶８および光反射面９は電気光
学結晶８がその先端近傍に位置するようにプローブとし
て一体化され、前記入力用光回路および前記出力用光回
路は、前記光源と前記プローブおよび前記プローブと前
記受信手段をそれぞれ接続する光ファイバ１および３を
含み、前記プローブの先端には、被測定電界１２を発生
する物体としての被測定電極１１にその一部を接触させ
る導電体層としての接触部１０が設けられたことを特徴
とする。

【００３２】なお、電極７は、前記光軸に対して垂直に
配置され、光の透過部分が欠如されもしくは透明であ
る。

【００３３】また、電極は基準電位の電源２０に接続さ
れる。

【００３４】さらに、導電体層としての接触部１０と電
気光学結晶８との間に空気層１３を設けた構成である。

【００３５】次に、本発明第一実施例の動作を説明す
る。

【００３６】パルス光は、光ファイバ１を通りレンズ２
により平行光となり、偏光子５および波長板６を通り電
気光学結晶８に入射する。２枚の波長板６は、２分の１
波長板と４分の１波長板であり、それぞれ入射する光パ
ルスに位相差を与えるが、２分の１波長板は光の偏光面
と電気光学結晶８の方位を最適にする働きをする。４分
の１波長板は、光変調器の変調の動作点を光学的にバイ
アスする働きをする。

【００３７】電気光学結晶８には、電極７が設けられて
あり、電源２０を介して被測定電極１１と接地により接
続されている。電極７は透明電極であり光パルスは透過
する。

【００３８】一方、電圧を測定しようとする被測定電極
１１には、三角錐状に形成された接触部１０の三角錐の
頂点が接触している。したがって、被測定電極１１の電
位はそのまま接触部１０によりプローブ内に導かれる。
この接触部１０と電気光学結晶８の電極７との間には、
被測定電界１２が生じる。そのため、電気光学結晶８の
内部を通過する光パルスの位相差をさらに電界強度に応
じて変化させ、その結果として偏光面を変化させる。光
パルスは電気光学結晶８のもう一方のにある光反射面９
で反射し、再び波長板６および偏光子５からレンズ４を
通って、光ファイバ３へ入射する。この光を受光素子で
検出する。光ファイバ３へ導かれる光の強度は、電界強
度に比例しており、これを利用して被測定電極１１の電
界強度が測定できる。この動作は、電気光学結晶８を用
いた光変調器と同様であり、公知であるから詳細な説明
は省略する（図中に点線で示したものは、全体を一体化
しているフレームの断面である）。

【００３９】次に、図２を参照して本発明第二実施例を
説明する。図２は本発明第二実施例の構成図である。

【００４０】本発明第二実施例は、空気層１３を省略し
た例である。電極７および被測定電極１１からの電位を
導く接触部１０との距離が短くなるため電気光学結晶８
にかかる電界強度が強くなり、検出感度が向上するが、
交流信号に対してはインピーダンスが低下する。そのた
め、プローブが接触した状態でもその動作に影響が生じ
ないような測定対象に限定される。

【００４１】次に、図３を参照して本発明第三実施例を
説明する。図３は本発明第三実施例の構成図である。

【００４２】本発明第三実施例は、接触部１０の形状を
三角錐状から円盤状にし、被測定電極１１と接触部１０
の接触面積を増大し、接触圧力を低下させる。ピン接触
では傷付いたり、形状を維持できないような柔軟な材質
あるいは脆い材質上での測定に適する。

【００４３】次に、図４を参照して本発明第四実施例を
説明する。図４は本発明第四実施例の構成図である。

【００４４】本発明第四実施例は、電気光学結晶８の内
部で電界方向と光の方向を直交させている。この方式の
利点は、電気光学結晶８に利用される物質はいろいろ確
認されているが、その中には電界と光の方向を直交させ
る構成の方が電界の検出感度が向上するものもある。こ
のようなことから、電界の方向と光の方向は、その電気
光学結晶８の性質によって、最適な方向を用いることが
望ましい。このような観点から本発明第三実施例の方式
は有用性を持つ。

【００４５】次に、図５を参照して本発明第五実施例を
説明する。図５は本発明第五実施例の構成図である。

【００４６】本発明第五実施例では信号検出を差動検出
で行う。電気光学結晶８からの戻り光を偏光子５内のハ
ーフミラーで二つに分離する。この両方の成分をそれぞ
れ、光ファイバ３および１４に入射させ、それぞれ受光
素子で電気信号に変換した後、両者の差をとって検出信
号とする。光ファイバ３に入射する戻り光と、光ファイ
バ１４に入射する戻り光では、偏光子５内のハーフミラ
ーにおいて鏡の裏と表の関係となり信号は逆相である
が、ノイズ成分は同相であるため、その差をとることで
光のノイズ成分のみを打ち消すことができる。そのた
め、パルス光源の不安定や、光ファイバ１で発生するノ
イズ成分などを打ち消すことができるという利点があ
る。

【００４７】なお、受信側回路構成を図５に示した。光
ファイバ３および１４の光は受光素子１５および１５′
に入射され、増幅器１６および１６′でそれぞれ増幅さ
れ、演算回路１７でそれぞれの信号の差を取り、残った
信号を検出信号出力端子１８から出力する。

【００４８】なお、本発明第一〜第五実施例について、
２分の１波長板は、電気光学結晶８と偏光子５の回転角
度を最適に選べば省略することができる。これは、２分
の１波長板は偏光面と、電気光学結晶８の方位を最適に
するためのものであり、あらかじめ最適な方位に設定す
ることにより省略できる。

【００４９】また、光反射面９は、電気光学結晶８の一
方の面としたが、接触部１０または他に光反射面を設け
る構成とすることもできる。

【００５０】レンズ２とレンズ４は、どちらか一方でも
よく、一般に、光ファイバ１は、単一モードファイバを
使用するが、光ファイバ３および１４は、コア径の大き
いファイバを用いる方が光の損失が少なく、位置ずれの
許容差が大きく取れるなどの利点がある。したがって、
コア径の差があることからレンズ４を省略する構成とす
ることもできる。

【００５１】電気光学結晶８の電極７は透明電極でな
く、光が通過する部分だけ穴をあけた形状でもよく、電
極７を電気光学結晶８の側面に設ける構成としてもよ
い。

【００５２】

【発明の効果】測定の際に微動ステージその他の精密機
械が必要で、測定までの準備に手間がかかり、特殊な用
途でしか利用できなかった光サンプリング法による電界
強度検出が、光学的に精密な精度を必要とする偏光子、
波長板、電気光学素子および光反射面をプローブとして
あらかじめ堅固な構造に一体的に構成し、光源や受光手
段を内蔵する本体装置とは柔軟な光ファイバで接続し、
そのプローブを被測定物に直接当接させて使用できるか
ら一般のオシロスコープのプローブ感覚で使用できる。

【００５３】また、接触部を被測定電極に接触させるた
め、常に安定に電界強度を測定できる。接触部は導体で
構成され、接触部が接触している被測定電極の電位はそ
のまま接触部のプローブ内に導かれる。したがって、い
かなる形状の被測定電極でもそれに適した形状の接触部
を用意することにより、その電位をそのままプローブ内
に導いて被測定電界を発生させ測定することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明第一実施例装置の構成図。

【図２】本発明第二実施例装置の構成図。

【図３】本発明第三実施例装置の構成図。

【図４】本発明第四実施例装置の構成図。

【図５】本発明第五実施例装置の構成図。

【図６】従来例装置のブロック図。

【図７】光サンプリング法の原理を説明する図。

【図８】電気光学効果による電界強度の検出原理を説明
する図。

【符号の説明】

１、３、１４光ファイバ ２、４ レンズ ５ 偏光子 ６ 波長板 ７ 電極 ８ 電気光学結晶 ９ 光反射面 １０ 接触部 １１ 被測定電極 １２ 被測定電界 １３ 空気層 １５、１５′受光素子 １６、１６′増幅器 １７ 演算回路 １８ 検出信号出力端子 ２０ 電源

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 偏光子と、波長板と、被測定電界に曝さ
   れる電気光学素子と、光反射面とが前記の順に光軸上に
   配列され、前記電気光学素子には電極を備え、光源から
   の入力光を前記偏光子の光入力面に導く入力用光回路
   と、前記偏光子の光出力面に現れる出力光を受光手段に
   導く出力用光回路とを備えた電界検出装置において、 前記偏光子、前記波長板、前記電極、前記電気光学素子
   および前記光反射面は前記電気光学素子がその先端近傍
   に位置するようにプローブとして一体化され、 前記入力用光回路および前記出力用光回路は、前記光源
   と前記プローブおよび前記プローブと前記受信手段をそ
   れぞれ接続する光ファイバを含み、 前記プローブの先端には、被測定電界を発生する物体に
   その一部を接触させる導電体層が設けられたことを特徴
   とする電界検出装置。
2. 【請求項２】 前記電極は、前記光軸に対して垂直に配
   置され、光の透過部分が欠如されもしくは透明である請
   求項１記載の電界検出装置。
3. 【請求項３】 前記電極が基準電位に接続された請求項
   １記載の電界検出装置。
4. 【請求項４】 前記導電体層と前記電気光学素子との間
   に空気層を設けた請求項１記載の電界検出装置。