DE10004367A1

DE10004367A1 - Elektrooptische Sonde

Info

Publication number: DE10004367A1
Application number: DE10004367A
Authority: DE
Inventors: Akishige Ito; Katsushi Ohta; Toshiyuki Yagi; Mitsuru Shinagawa; Tadao Nagatsuma; Junzo Yamada
Original assignee: Ando Electric Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Ando Electric Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1999-02-12
Filing date: 2000-02-02
Publication date: 2000-09-07
Also published as: GB2346692A; US6410906B1; GB0003091D0; GB2346692B

Abstract

Es wird eine elektrooptische Sonde bereitgestellt, die es ermöglicht, dass das von den optischen Bauelementen in der elektrooptischen Sonde reflektierte überflüssige Licht nicht in die Photodioden eintritt. DOLLAR A Die optischen Bauelemente, die eine Abrennungseinrichtung bilden, sind unter einem bestimmten Winkel bezüglich des optischen Weges eines parallelen Lichtstrahles angeordnet, der von einer Kollimatorlinse ausgeht, so dass von den Oberflächen dieser optischen Bauelemente reflektierte überflüssige Lichtstrahlen nicht in Photodioden eintreten. DOLLAR A Der Neigungswinkel dieser optischen Bauelemente liegt innerhalb eines Winkelbereiches, der durch einen Winkel bestimmt ist, der durch einen optischen Weg von dem jeweiligen optischen Bauelement zu einem Lichtempfangselement in der Photodiode und dem Durchmesser des Lichtempfangselements gebildet wird und einem Winkel, der für das optische Bauelement noch zulässig ist, um seinen Transmissionsgrad beizubehalten.

Description

Hintergrund der Erfindung Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrooptische Sonde zur Beobachtung oder Erfassung von Wellenformen von Testsignalen anhand des Polarisationszustandes von einfallendem Licht, das auf einen elektrooptischen Kristall auftrifft, der mit einem durch das Testsignal erzeugten elektrischen Feld gekoppelt ist. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine verbesserte elektrooptische Sonde.

Stand der Technik

Die Wellenform eines Testsignals kann anhand des Polarisationszustandes von Laserlicht gemessen werden, das in einen elektrooptischen Kristall eintritt, der mit einem durch ein Testsignal erzeugtes elektrisches Feld gekoppelt ist. Durch Verwendung von Laserimpulsen und Durchführung einer Abtastmessung lässt sich eine sehr hohe zeitliche Auflösung erreichen.

Nachstehend wird ein elektrooptisches Abtast-Oszilloskop beschrieben, das unter Verwendung einer solchen elektrooptischen Sonde gebildet wird. Das elektrooptische Abtast-Oszilloskop (das nachstehend als EOS- Oszilloskop bezeichnet wird) besitzt im Vergleich zu herkömmlichen Abtast- Oszilloskopen mit elektrischen Sonden die folgenden Vorteile:

1. Die Messungen sind einfach, da während einer Messung keine Erdung erforderlich ist.
2. Da ein an der Oberseite der elektrooptischen Sonde angeordneter Metallstift bezüglich der Messschaltung isoliert ist, ist eine hohe Eingangsimpedanz vorhanden, durch die Einflussgrößen beseitigt werden, die zu einer Störung der Messpunktbedingungen führen.
3. Die Verwendung von Lichtimpulsen ermöglicht die Durchführung von Breitbandmessungen bis in den Gigaherzbereich.

Nachstehend wird anhand von Fig. 3 der Aufbau einer herkömmlichen elektrooptischen Sonde beschrieben, die zur Messung von Signalen mittels eines EOS-Oszilloskops verwendet wird. Bei der in Fig. 3 dargestellten elektrooptischen Sonde ist mit dem Bezugszeichen 1 ein aus einem Isolator bestehender Sondenkopf bezeichnet, in den ein Metallstift 1a eingeführt ist. Mit dem Bezugszeichen 2 ist ein elektrooptisches Element bezeichnet. Auf einer Außenfläche des elektrooptischen Elements 2 ist ein reflektierender Film 2a ausgebildet, mit dem der Metallstift 1a in Kontakt steht. Mit den Bezugszeichen 3 und 8 sind Kollimatorlinsen bezeichnet, während mit dem Bezugszeichen 4 ein Viertelwellenplättchen oder ein λ/4-Plättchen bezeichnet ist. Mit den Bezugszeichen 5 und 7 sind Polarisationsstrahlteiler bezeichnet. Mit dem Bezugszeichen 6 ist ein Faraday-Element bezeichnet, durch das die Polarisationsebene um 45° gedreht wird. Mit dem Bezugszeichen 9 ist eine Laserdiode zum Emittieren eines Laserstrahls ansprechend auf ein Steuersignal bezeichnet, das von einem (nicht dargestellten) EOS- Oszilloskopgehäuse ausgegeben wird, welches das Ausgangssignal der Sonde nach Umwandlung des Laserstrahls in elektrische Signale empfängt. Mit dem Bezugszeichen 12 ist ein Sondengehäuse bezeichnet, während mit dem Bezugszeichen 13 eine optische Abtrennungseinrichtung bezeichnet ist, die das λ/4-Plättchen 4, die Polarisationsstrahlteiler 5 und 7 und das Faraday- Element 6 umfasst.

Nachstehend wird anhand von Fig. 3 der optische Weg des von der Laserdiode 9 emittierten Laserlichtes beschrieben. Der Weg des Laserlichtes ist mit dem Bezugszeichen A bezeichnet.

Der von der Laserdiode 9 emittierte Laserstrahl wird durch die Kollimatorlinse 8 in einen parallelen Strahl umgewandelt oder kollimiert und tritt in das elektrooptische Element 2 ein, nachdem er sich geradlinig durch den Polarisationsstrahlteiler 7, das Faraday-Element 6 und den Polarisationsstrahlteiler 5 ausgebreitet und das λ/4-Plättchen 4 passiert hat und durch die Kollimatorlinse 3 gebündelt wurde. Der in das elektrooptische Element 2 eintretende Lichtstrahl wird durch den reflektierenden Film 2a reflektiert, der an der dem Metallstift 1a gegenüberliegenden Endfläche des elektrooptischen Elements 2 ausgebildet ist.

Der reflektierte Laserstrahl tritt in die Photodiode 10 ein, nachdem er durch die Kollimatorlinse 3 in einen parallelen Strahl umgewandelt oder kollimiert wurde und das λ/4-Plättchen 4 passiert hat und nachdem ein Teil des Laserstrahls an dem Polarisationsstrahlteiler 5 reflektiert wurde. Der Teil des durch den Polarisationsstrahlteiler 5 übertragenen Laserstrahls tritt in die Photodiode 11 ein, nachdem er an dem Polarisationsstrahlteiler 5 reflektiert wurde.

Der Drehwinkel des λ/4-Plättchens 4 ist so eingestellt, dass die Intensitäten der in die zwei Photodioden eintretenden zwei Laserstrahlen gleich sind.

Nachstehend wird anhand von Fig. 3 ein Messvorgang unter Verwendung der elektrooptischen Sonde beschrieben.

Wenn der Metallstift 1a einen Testpunkt berührt, wird in dem Metallstift 1a ein elektrisches Feld erzeugt, dass sich bis zu dem elektrooptischen Element 2 ausbreitet und infolge des Pockels-Effektes eine Veränderung des Brechungsindexes des elektrooptischen Elements 2 bewirkt. Wenn der von der Laserdiode 9 emittierte Laserstrahl nach der Veränderung des Brechungsindexes des elektrooptischen Elements in das elektrooptische Element eintritt und sich in diesem ausbreitet, ändert sich der Polarisationszustand des Laserlichts. Der Laserstrahl, dessen Polarisationszustand so verändert wurde, wird in die Photodioden 10 und 11 eingeleitet und in ein elektrisches Signal umgewandelt, nachdem er von dem reflektierten Film 2a reflektiert wurde.

Die Veränderung einer an dem Messpunkt anliegenden Spannung zeigt sich als Veränderung des Polarisationszustandes des Laserlichts durch das elektrooptische Element 2, die als Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Photodioden 10 und 11 erfasst wird. Das an dem Metallstift 1a anliegende elektrische Signal ist somit als Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Photodioden 10 und 11 messbar.

Bei der oben beschriebenen elektrooptischen Sonde werden die elektrischen Signale aus den Photodioden zur Verarbeitung in ein Oszilloskop eingegeben. Es ist jedoch möglich, die Signale zu messen, indem eine Steuerungseinrichtung zur Steuerung der Signalmessung zwischen diesen Photodioden 10 und 11 und einer Messvorrichtung, wie zum Beispiel ein Echtzeit-Oszilloskop, angeschlossen wird. Die Verwendung der elektrooptischen Sonde ermöglicht somit eine Breitbandmessung.

Bei einer herkömmlichen elektrooptischen Sonde tritt der regulär an der Oberfläche des λ/4-Plättchens 4a reflektierte Laserstrahl, so wie dies durch das Bezugszeichen B in Fig. 3 gekennzeichnet ist, in die Photodiode 10 ein, nachdem er von dem Polarisationsstrahlteiler 5 reflektiert wurde. Dieser Laserstrahl stellt eine Störung oder ein Rauschen dar und verschlechtert das Signal-Rausch-Verhältnis oder S/N-Verhältnis nach seiner Umwandlung in ein elektrisches Signal, wenn er durch das Oszilloskop erfasst wird. Der Rausch- oder Störstrahl wird nicht nur an der Oberfläche 4a des λ/4-Plättchens 4 erzeugt, sondern auch an der Oberfläche 5a des Polarisationsstrahlteilers 5, so wie dies in Fig. 3 durch das Bezugszeichen C gekennzeichnet ist. Er wird auch von anderen optischen Bauteilen erzeugt.

Obgleich sich der Reflexionsgrad der optischen Bauteile durch Aufbringen einer Antireflexionsbeschichtung verringern lässt, ist es nicht möglich, die Reflexion ganz zu beseitigen. Zudem erhöhen sich die Kosten für die optischen Bauelemente durch Aufbringen einer Antireflexionsbeschichtung.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung einer elektrooptischen Sonde, mit der sich überflüssige Reflexionen verringern lassen und das S/N-Verhältnis verbessern lässt. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst eine erfindungsgemäße elektrooptische Sonde die folgenden Bauteile:
eine Laserdiode zum Emittieren eines Laserstrahls, basierend auf Steuersignalen eines Oszilloskopgehäuses;
eine erste Linse zum Umwandeln des Laserstrahls in einen parallelen Strahl;
eine zweite Linse zum Bündeln oder Konzentrieren des parallelen Strahls;
ein elektrooptisches Element mit einem reflektierenden Film an einer Endfläche;
eine Abtrennungs- oder Abtrenneinrichtung zum Abtrennen des von dem reflektierten Film reflektierten Laserstrahls, nachdem dieser von der Laserdiode emittiert wurde und sich zu dem reflektierenden Film ausgebreitet hat; und
mehrere Photodioden zum Umwandeln des reflektierten Laserstrahls in elektrische Signale nach erfolgter Abtrennung des Laserstrahls durch die Abtrenneinrichtung; wobei
die die Abtrenneinrichtung bildenden optischen Bauteile so unter einem bestimmten Winkel bezüglich der optischen Achse angeordnet sind, dass die an den Oberflächen der optischen Bauteile regulär reflektierte Lichtstrahlen nicht in die Photodioden eintreten.

Gemäß einem zweiten Aspekt sind bei einer elektrooptischen Sonde gemäß dem ersten Aspekt die mehreren Photodioden und die Laserdiode mit einem elektrooptischen Abtast-Oszillator verbunden, wobei die Laserdiode basierend auf einem durch den elektrooptischen Abtast-Oszillator erzeugten Steuersignal einen gepulsten Laserstrahl emittiert.

Gemäß einem dritten Aspekt emittiert die Laserdiode bei einer elektrooptischen Abtastsonde gemäß dem ersten Aspekt einen kontinuierlichen Laserstrahl.

Gemäß einem vierten Aspekt liegt der Neigungswinkel der optischen Bauelemente bei einer elektrooptischen Sonde gemäß dem ersten Aspekt in einem bestimmten Winkelbereich, der durch einen Winkel bestimmt ist, der durch einen optischen Weg von dem jeweiligen optischen Bauelement zu einem Lichtempfangselement in der Photodiode und dem Durchmesser des Lichtempfangselements gebildet wird und einem Winkel, der für das optische Bauelement noch zulässig ist, um seinen Transmissionsgrad beizubehalten.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels.

Fig. 2 zeigt anhand eines Diagramms den optischen Weg des reflektierten Lichtes bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1.

Fig. 3 zeigt den Aufbau einer herkömmlichen elektrooptischen Sonde.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Nachstehend wird anhand der zugehörigen Zeichnungen eine elektrooptische Sonde (die nachstehend einfach als Sonde bezeichnet wird) gemäß einem bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel beschrieben.

Fig. 1 zeigt den Aufbau eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels. In Fig. 1 sind die gleichen Bauteile wie in Fig. 3 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei entsprechende Erklärungen unterbleiben.

Die in Fig. 1 dargestellte Sonde unterscheidet sich von der herkömmlichen Sonde dadurch, dass das λ/4-Plättchen 4, die Polarisationsstrahlteiler 5 und 7 und die Faraday-Elemente in anderen Winkeln angebracht sind. Zusätzlich hierzu sind die Photodioden 10 und 11 in einer Richtung angeordnet, in die der Laserstrahl durch die entsprechenden reflektierenden Oberflächen 5c und 7c der Polarisationsstrahlteiler 5 und 7 reflektiert wird, nachdem das Laserlicht durch die Kollimatorlinse 3 in einen parallelen Strahl umgewandelt oder kollimiert wurde.

Als nächstes wird der optische Weg des von der Laserdiode 9 emittierten Laserstrahls beschrieben. In Fig. 1 ist der optische Weg des Laserstrahls mit dem Bezugszeichen D gekennzeichnet.

Der von der Laserdiode 9 emittierte Laserstrahl wird durch die Kollimatorlinse in einen parallelen Strahl umgewandelt und passiert bei seiner Ausbreitung den Polarisationsstrahlteiler 7, das Faraday-Element 6, den Polarisationsstrahlteiler 5 und das λ/4-Plättchen 4.

Das durch das λ/4-Plättchen 4 übertragene parallele Licht tritt nun in das elektrooptische Element 2 ein nachdem es durch die Kollimatorlinse 3 gebündelt oder konzentriert und durch den reflektierenden Film reflektiert wurde, der an der dem Metallstift 1a gegenüberliegenden Oberfläche des elektrooptischen Elementes 2 ausgebildet ist.

Da die Kollimatorlinse 3 an einer Stelle angeordnet ist, deren Abstand ihrer Brennweite entspricht, wird der in einen parallelen Strahl umgewandelte Laserstrahl auf einen Punkt der reflektierenden Oberfläche 2a gebündelt oder konzentriert.

Das von dem reflektierenden Film 2a reflektierte Licht wird wiederum durch die Kollimatorlinse 3 kollimiert, bevor es das λ/4-Plättchen 4 passiert und nach erfolgter Abtrennung durch die Polarisationsstrahlteiler 5 und 7 in die Photodioden 10 und 11 eintritt, um dort in elektrische Signale umgewandelt zu werden.

Da das λ/4-Plättchen nicht senkrecht, sondern unter einem bestimmten Winkel bezüglich der Lichtachse angeordnet ist, kehrt der an der Oberfläche 4a des λ/4-Plättchens 4 reflektierte Laserstrahl nicht zu der Lichtachse zurück, so wie dies durch das Bezugszeichen E dargestellt ist. Das an der Oberfläche 4a reflektierte Licht tritt somit nicht in die Photodiode 10 ein. Wenn dieses reflektierte Licht die reflektierende Oberfläche 5c des Polarisationsstrahlteilers 5 erreicht, tritt das reflektierte Licht nicht die Photodiode 10 ein, da der Polarisationsstrahlteiler 5 unter einem bestimmten Winkel bezüglich der Lichtachse angeordnet ist.

Da der Polarisationsstrahlteiler 5 unter einem bestimmten Winkel angeordnet ist, tritt der an der reflektierenden Oberfläche 5a reflektierte Laserstrahl nicht in die Photodiode 11 ein. Entsprechend tritt auch der an der Oberfläche 4b des λ/4-Plättchens 4 und an der Oberfläche 5b des Polarisationsstrahlteilers 5 reflektierte Laserstrahl nicht in die Photodioden 10 und 11 ein. Zusätzlich hierzu tritt auch der von dem Faraday-Element 6 und dem Polarisationsstrahlteiler 7 reflektierte Laserstrahl nicht die Photodioden 10 und 11 ein.

Nachfolgend wird der Winkel dieser optischen Bauteile erläutert.

Fig. 2 zeigt anhand eines Diagrammes den optischen Weg des an der Oberfläche 4a des λ/4-Plättchens 4 reflektierten Laserstrahls. Mit dem Bezugszeichen 10a ist ein Lichtempfangselement in der Photodiode 10 bezeichnet. Mit den Bezugszeichen 10b und 10c ist eine Stellung der um 90° gedrehten Photodiode 10 bezeichnet. Mit dem Bezugszeichen L ist die optische Weglänge des reflektierten Strahls bezeichnet, während mit dem Bezugszeichen D1 der Lichtempfangsdurchmesser des Lichtempfangselementes 10a (10c) bezeichnet ist. Mit dem Bezugszeichen A1 ist der Winkel bei einem Blick von einem Punkt 4p auf der Oberfläche 4a des λ/4-Plättchens 4 bezeichnet.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist, tritt von dem an dem Punkt 4p des λ/4-Plättchens 4 reflektierten Laserstrahl lediglich der innerhalb des Winkels A1 reflektierte Strahl in das Lichtempfangselement ein.

Da die Oberfläche 4a des λ/4-Plättchens eben ausgebildet ist, wird das Laserlicht hauptsächlich regulär reflektiert.

Wenn der auf das λ/4-Plättchen auftreffende Strahl parallel ausgebildet ist und das λ/4-Plättchen in Richtung auf die Lichtachse um einen größeren Winkel als A1 geneigt ist, trifft der an dem Punkt 4p reflektierte Strahl nicht auf das Lichtempfangselement 10a auf.

Der Winkel A1 ist durch die folgende Gleichung ausdrückbar: A1 = 2 × tan^-1 ((D1/2)/L), wobei D1 den Lichtempfangsdurchmesser des Lichtempfangselementes und L die optische Weglänge repräsentieren.

Da sich die Eigenschaften der optischen Bauteile, wie zum Beispiel die Durchlässigkeit, dabei verändern, wenn sie unter einem bestimmten Winkel angeordnet werden, ist der Neigungswinkel in vielen Fällen begrenzt.

Durch Bestimmung des Neigungswinkels dieser optischen Bauteile innerhalb eines Bereiches von A1 bis zu einem maximal zulässigen Winkel, bei dem ihre Eigenschaften noch gewährleistet sind, lässt sich überflüssiges reflektiertes Licht unter Beibehaltung der Eigenschaften der einzelnen optischen Bauteile vermeiden.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Anordnung sind vier optische Bauteile bezüglich der optischen Achse unter einem bestimmten Winkel angeordnet. Da der Einfluss von reflektiertem überflüssigen Licht mit zunehmender optischer Weglänge zu den Photodioden 10 und 11 zunimmt, lässt sich dieser Einfluss dadurch verringern, dass lediglich die optischen Bauelemente benachbart zu der Kollimatorlinse 3 unter einem bestimmten Winkel angeordnet werden.

Die Neigungsrichtung verläuft entweder im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn. Wenn mehrere optische Bauteile unter einem bestimmten Winkel angeordnet sind, müssen die Neigungsrichtungen der einzelnen Bauteile nicht übereinstimmen.

Wenn bei dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel in der elektrooptischen Sonde ein kontinuierlicher Laserstrahl emittiert wird, können auch herkömmliche Messvorrichtungen, wie zum Beispiel ein Echtzeit-Oszilloskop, ein Abtast-Oszilloskop oder eine Spektralanalyse-Einrichtung verwendet werden. Diese herkömmlichen Vorrichtungen können über die der EO-Sonde zugeordnete Steuerungseinrichtung mit den Photodioden verbunden werden, wobei sie das EOS-Oszilloskop ersetzen.

Wie oben bereits beschrieben wurde, lässt sich durch die vorliegende Erfindung das S/N-Verhältnis verbessern, da die optischen Bauteile mit flachen Oberflächen bezüglich der optischen Achse unter einem bestimmten Winkel angeordnet oder geneigt sind, so dass überflüssiges reflektiertes Licht, das zu der Lichtachse zurückkehrt, außer Betracht bleibt. Zusätzlich hierzu besteht ein anderer Effekt darin, dass optische Bauteile ohne einen aufgebrachten Antireflexionsfilm verwendbar sind.

Der andere Effekt wird dadurch erreicht, dass die Neigungswinkel der optischen Bauteile auf einen erlaubten Bereich begrenzt sind, der bestimmte Eigenschaften der optischen Bauteile gewährleistet, und dass die Eigenschaften der optischen Bauteile erhalten bleiben, während überflüssiges reflektiertes Licht daran gehindert wird, in die Photodioden einzutreten. Zusätzlich hierzu wird die Anordnung der optischen Bauteile erleichtert, da die optischen Bauteile jeweils innerhalb eines bestimmten Bereiches unter einem bestimmten Neigungswinkel angeordnet werden können.

Claims

1. Elektrooptische Sonde mit folgenden Bauteilen:
eine Laserdiode zum Emittieren eines Laserstrahls, basierend auf Steuersignalen eines Oszilloskopgehäuses;
eine erste Linse zum Umwandeln des Laserstrahls in einen parallelen Strahl;
eine zweite Linse zum Bündeln des parallelen Strahls;
ein elektrooptisches Element mit einem reflektierenden Film an einer Endfläche;
eine Abtrenneinrichtung zum Abtrennen des von dem reflektierenden Film reflektierten Laserstrahls, nachdem dieser von der Laserdiode emittiert wurde und sich bis zu dem reflektierenden Film ausgebreitet hat; und
mehrere Photodioden zum Umwandeln des reflektierten Laserstrahls in elektrische Signale nach der Abtrennung des Laserstrahls durch die Abtrenneinrichtung; wobei
die die Abtrenneinrichtung bildenden optischen Bauteile so unter einem bestimmten Winkel bezüglich der optischen Achse schräg angeordnet sind, dass die an den Oberflächen der optischen Bauteile regulär reflektierte Laserstrahlen nicht in die Photodioden eintreten.

2. Elektrooptische Sonde nach Anspruch 1, wobei die mehreren Photodioden und die Laserdiode mit einem elektrooptischen Abtast- Oszillator verbunden sind und wobei die Laserdiode basierend auf einem durch den elektrooptischen Abtast-Oszillator erzeugten Steuersignal einen gepulsten Laserstrahl emittiert.

3. Elektrooptische Sonde nach Anspruch 1, wobei die Laserdiode einen kontinuierlichen Laserstrahl emittiert.

4. Elektrooptische Sonde nach Anspruch 1, wobei der Neigungswinkel der optischen Bauteile innerhalb eines Winkelbereichs liegt, der durch einen Winkel bestimmt ist, der durch einen optischen Weg von dem jeweiligen optischen Bauelement zu einem Lichtempfangselement in der Photodiode und dem Durchmesser des Lichtempfangselements gebildet wird und einem Winkel, der für das optische Bauelement noch zulässig ist, um seinen Transmissionsgrad beizubehalten.