DE19946709A1 - Elektrooptische Sonde - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrooptische Sonde, die die folgenden Komponenten umfaßt: eine Laserdiode (9) zum Emittieren eines Modulationslaserlichts gemäß Steuersignalen, die in einem Hauptkörper (19) des elektrooptischen Abtastoszilloskops erzeugt werden; eine erste Linse (8) zum Umwandeln des Modulationslaserlichts in einen parallelen Strahl; eine zweite Linse (3) zum Fokussieren des parallelen Strahls; ein optoelektronisches Element (2) mit einer Reflexionsschicht (2a) an einem Reflexionsende; eine zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse angeordnete Isolatorvorrichtung (14) zum Übertragen des Modulationslaserlichts und zum Zerlegen eines reflektierten Strahls, der an der Reflexionsschicht (2a) erzeugt wird, in Signalstrahlen; und Photodioden (13, 12) zum Umwandeln der optischen Energien der Signalstrahlen, die durch die Isolatorvorrichtung (14) zerlegt werden, in jeweilige elektrische Signale, wobei die Signalstrahlen zum Eintritt in die Photodioden (13, 12) so gelenkt werden, daß sie sich in Richtung der Laserdiode (9) ausbreiten, und die Photodioden in Längsrichtung eines Sondengehäuses (15) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen eine elektrooptische Sonde für Abtastoszilloskope zum Beobachten von Wellenformen gemäß Polarisationszuständen von Zielsignalen, die durch Koppeln von durch die Zielsignale gebildeten elektrischen Feldern mit einem elektrooptischen Kristall und Einspeisen von optischen Taktimpulsen in den elektrooptischen Kristall erzeugt werden, und betrifft insbesondere eine elektrooptische Sonde mit einem verbesserten optischen System.

Diese Anmeldung beruht auf der in Japan eingereichten Patentanmeldung Nr. Hei 10-294566, deren Inhalt hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.

Es ist möglich, Wellenformen von Zielsignalen durch Koppeln von durch die Zielsignale gebildeten elektrischen Feldern mit einem optoelektronischen Kristall und Einspeisen von Laserlicht in den Kristall und Beobachten des Polarisationszustands des Laserlichts zu beobachten. Wenn das Laserlicht pulsiert, können die modulierten Zielsignale mit einer feinen Auflösung analysiert werden. Ein optisches Abtastoszilloskop verwendet eine elektrooptische Sonde, die auf diesem Phänomen beruht.

Das elektrooptische Abtastoszilloskop (als EOS-Oszilloskop abgekürzt) hat aufgrund der folgenden speziellen Merkmale des Instruments im Vergleich zu einem Oszilloskop, das eine normale elektrische Sonde verwendet, viel Aufmerksamkeit erlangt:

• 1. Die Signalmessung wird erleichtert, da das Oszilloskop keine Masseleitung benötigt;
• 2. es besteht praktisch keine Auswirkung auf das Verhalten der Zielsignale, da der als Spitze der elektrooptischen Sonde verwendete Metallstift von dem Schaltungssystem elektrisch isoliert ist, um eine hohe Eingangsimpedanz vorzusehen; und
• 3. die Bandbreite des Meßbereichs wird auf einen GHz- Bereich erhöht, da optische Impulse zum Modulieren der Zielsignale verwendet werden.

Fig. 5 zeigt einen Aufbau eines herkömmlichen elektrooptischen Sondensystems, das aus folgendem besteht: einem elektrooptischen Sondenkopf 1, der aus einem elektrischen Isolator besteht, in dessen Zentrum ein Metallstift 1a eingesetzt ist; einem elektrooptischen (e-o) Kristall 2 mit einer Reflexionsschicht 2a am Reflexionsende, die mit dem Metallstift 1a in Kontakt steht; Kollimationslinsen 3, 8; einem Viertelwellenlängenplättchen 4; Polarisationsstrahlenteilern 5, 7; einem Faraday-Element 6 zum Drehen der Polarisationsebene des eingespeisten Lichts um 45 Grad; einer Laserdiode 9 zum Erzeugen von Modulationslaserlicht als Reaktion auf Modulationssignale, die aus einer Impulsschaltung (nicht dargestellt) ausgegeben werden, welche im Hauptkörper 19 des EOS- Oszilloskops vorgesehen ist; Kollimationslinsen 10, 11; Photodioden 12, 13 zum Umwandeln des eingespeisten Modulationslaserlichts in elektrische Signale und zum Ausgeben der elektrischen Signale an den Hauptkörper 19 des EOS-Oszilloskops; einer Isolatorvorrichtung 14, die aus dem Viertelwellenlängenplättchen 4, den Polarisationsstrahlenteilern 5, 7 und dem Faraday-Element 6 besteht; und einem Sondengehäuse 15, das aus einem elektrischen Isolator besteht.

Als nächstes wird der Strahlengang des von der Laserdiode 9 erzeugten Laserlichts mit Bezug auf Fig. 5 erläutert. In Fig. 5 ist der einfallende Laserstrahl mit dem Buchstaben A bezeichnet.

Zuerst wird von der Laserdiode 9 emittiertes Laserlicht durch die Kollimationslinse 8 in einen parallelen Lichtstrahl umgewandelt und breitet sich in einer geraden Linie durch den Polarisationsstrahlenteiler 7, das Faraday- Element 6 und den Polarisationsstrahlenteiler 5 und in das Viertelwellenlängenplättchen 4 aus und wird durch die Kollimationslinse 3 fokussiert, um in das e-o-Element 2 einzutreten. Das einfallende Licht wird durch die Reflexionsschicht 2a reflektiert, die auf der Oberfläche am Reflexionsende des e-o-Elements 2 ausgebildet ist.

Das reflektierte Licht wird durch die Kollimationslinse 3 wieder in einen parallelen Lichtstrahl umgewandelt, der durch das Viertelwellenlängenplättchen 4 hindurchtritt, und ein Teil des reflektierten Strahls wird am Polarisationsstrahlenteiler 5 reflektiert und tritt in die Photodiode 12 ein, während das durch den Polarisationsstrahlenteiler 5 hindurchtretende reflektierte Licht am Polarisationsstrahlenteiler 7 reflektiert wird und in die Photodiode 13 eintritt.

Das Viertelwellenlängenplättchen 4 dient zum Ausgleichen der Intensitäten der Laserstrahlen, die in die Photodioden 12, 13 eintreten.

Der Betrieb der in Fig. 5 gezeigten elektrooptischen Sonde zum Messen von Zielsignalen wird im folgenden erläutert.

Wenn der Metallstift 1a mit einem Meßpunkt in Kontakt gebracht wird, wird durch die an den Metallstift 1a angelegte Spannung der Pockels-Effekt erzeugt, wodurch die Doppelbrechung des e-o-Elements 2 aufgrund des piezoelektrischen Effekts verändert wird. Dies verursacht Änderungen der Polarisationszustände des einfallenden Laserlichts, das von der Laserdiode 9 emittiert wird und sich durch das e-o-Element 2 ausbreitet. Der einfallende Strahl wird mit geänderten Polarisationszuständen durch die Reflexionsschicht 2a reflektiert und die an den Strahlenteilern 5, 7 erzeugten Signalstrahlen werden in den Photodioden 12, 13 in elektrische Signale umgewandelt.

Wenn sich die Spannung des Meßpunkts ändert, offenbaren sich die Änderungen in den Polarisationszuständen, die durch die Differenzen der Ausgangssignale aus den Photodioden 12, 13 dargestellt werden, welche durch die elektrischen Signale, die durch den Metallstift 1a abgetastet werden, verursacht werden.

Beim Betrieb der vorstehend erläuterten elektrooptischen Sonde werden die von den Photodioden 12, 13 erhaltenen elektrischen Signale zur Verarbeitung in das herkömmliche EOS-Oszilloskop eingegeben; anstelle dieses Prozesses ist es jedoch möglich, Zielsignale unter Verwendung eines herkömmlichen Echtzeit-Meßoszilloskops zu messen, indem es über zweckgebundene Steuereinheiten mit den Photodioden 12, 13 verbunden wird. Dieser Prozeß ermöglicht Messungen über einen breiten Bereich von Bandbreiten unter Verwendung der herkömmlichen elektrooptischen Sonde.

Da jedoch bei der Konstruktion der herkömmlichen elektrooptischen Sonde die optischen Achsen der Photodioden 12, 13 zum Empfangen der an der Reflexionsschicht 2a erzeugten Signalstrahlen quer zur optischen Längsachse des eingespeisten Laserlichts, das von der Laserdiode 9 emittiert wird, angeordnet sind, sind die Anschlüsse für die Photodioden 12, 13 in radialer Richtung des Sondengehäuses 15 angeordnet. Da die Meßkabel an den Anschlüssen befestigt werden müssen, besteht ferner die Notwendigkeit, Querräume zur Unterbringung der Kabel vorzusehen, was zu einem übermäßigen effektiven Durchmesser des Sondengehäuses 15 führt. Da die Sonde von einer Bedienungsperson in der Hand gehalten wird, um einen Meßpunkt, wie z. B. eine Verdrahtungsverzweigung in einer Leiterplatte, zu berühren, stellt eine solche voluminöse Sonde ein ernstes Hindernis für eine feinfühlige Handhabung dar, die bei der genauen Durchführung von Wellenformmessungen erforderlich ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektrooptische Sonde mit einem schmalen Sondengehäuse bereitzustellen, um die Ausführung von empfindlichen Meßvorgängen durch Verringern des Durchmessers des Sondengehäuses zu ermöglichen.

Die Aufgabe wurde in einer elektrooptischen Sonde für ein Oszilloskop gelöst, welche folgendes umfaßt:
eine Laserdiode zum Emittieren eines Modulationslaserlichts gemäß Steuersignalen, die in einem Hauptkörper des Abtastoszilloskops erzeugt werden;
eine erste Linse zum Umwandeln des Modulationslaserlichts in einen parallelen Strahl;
eine zweite Linse zum Fokussieren des parallelen Strahls;
ein optoelektronisches Element mit einer Reflexionsschicht an einem Reflexionsende;
eine zwischen der ersten Linse und der zweiten Linse angeordnete Isolatorvorrichtung zum Übertragen des Modulationslaserlichts und zum Zerlegen eines reflektierten Strahls, der an der Reflexionsschicht erzeugt wird, in Signalstrahlen;
und Photodioden zum Umwandeln der optischen Energien der Signalstrahlen, die durch die Isolatorvorrichtung zerlegt werden, in jeweilige elektrische Signale; wobei
die Signalstrahlen zum Eintritt in die Photodioden so gelenkt werden, daß sie sich in Richtung der Laserdiode ausbreiten, und die Photodioden in Längsrichtung eines Sondengehäuses angeordnet sind.

Da die vorliegende Konstruktion der Sonde die Photodioden seitlich bezüglich der Laserdiode in einer gemeinsamen Ebene anordnet, wird außerdem die Ausrichtung der optischen Achse der Signalstrahlen, die in die Photodioden eintreten, parallel zur optischen Achse des Modulationslaserlichts, das von der Laserdiode emittiert wird, durch Umlenken der Signalstrahlen an den Polarisationsstrahlenteilern um neunzig Grad ermöglicht. Diese Konstruktion ermöglicht, daß der Sondendurchmesser durch Beseitigen der Notwendigkeit, Querräume für die Komponenten vorzusehen, minimiert wird, wodurch eine schmale Sonde hergestellt wird, die sich zur genauen Durchführung von empfindlichen Wellenformmessungen eignet.

Es sollte beachtet werden, daß die zu speziellen Komponenten in den Ansprüchen beigefügten Bezugsziffern die technische Interpretation der Ansprüche nicht begrenzen.

Ausführungsformen der elektrooptischen Sonde werden im folgenden mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Zeichnung einer Ausführungsform der elektrooptischen Sonde der Erfindung.

Fig. 2 eine schematische Zeichnung zur Orientierung der Strahlenteiler 5a, 7a um die optische Achse in der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform.

Fig. 3 eine schematische Zeichnung der Struktur einer alternativen Anordnung, die Strahlenteiler 5, 7 und Planspiegel 51, 71 anstelle der in Fig. 1 dargestellten Strahlenteiler 5a, 7a verwendet.

Fig. 4 eine schematische Zeichnung einer weiteren Ausführungsform der elektrooptischen Sonde.

Fig. 5 eine schematische Zeichnung einer herkömmlichen elektrooptischen Sonde in einem EOS-Oszilloskop.

Fig. 1 zeigt eine schematische Zeichnung der Struktur einer ersten Ausführungsform der elektrooptischen Sonde (nachstehend als Sonde abgekürzt). In Fig. 1 sind diejenigen Teile, die dieselben wie jene der herkömmlichen Sonde sind, mit denselben Bezugsziffern bezeichnet und auf ihre Erläuterungen wird verzichtet. Die vorliegende Sonde unterscheidet sich von der herkömmlichen Sonde in folgender Hinsicht. Erstens sind Kollimationslinsen 10, 11 und Photodioden 12, 13 so angeordnet, daß die optischen Achsen der in die Photodioden 12, 13 eintretenden Signalstrahlen parallel zur optischen Achse des eingespeisten Laserlichts, das von der Laserdiode 9 emittiert wird, liegen. Zweitens sind die Polarisationsstrahlenteiler 5a, 7a als paralleler vierseitiger Block geformt. Die Strahlenteiler 5a, 7a werden durch Zusammensetzen von zwei würfelförmigen Strahlenteilern hergestellt und können nicht nur den Strahl aufspalten, sondern den Strahlengang des Signalstrahls um neunzig Grad umlenken.

Fig. 2 zeigt eine Orientierungsbeziehung der Polarisationsstrahlenteiler 5a, 7a, der Photodioden 12, 13 und der Laserdiode 9. Die Zeichnung zeigt eine entlang der optischen Längsachse der Laserdiode 9 betrachtete Stirnansicht. Wie in Fig. 2 gezeigt, sind die Polarisationsstrahlenteiler 5a, 7a so angeordnet, daß sie um 45 Grad um die optische Achse der Laserdiode 9 verdreht sind. Daher sind die Photodioden 12, 13 ebenso angeordnet, so daß sie relativ zueinander um 45 Grad um die optische Achse verdreht sind, wodurch ermöglicht wird, daß die durch die Polarisationsstrahlenteiler 5a, 7a zerlegten Strahlen in die jeweilige Photodiode 12, 13 reflektiert werden.

Als nächstes wird der Strahlengang des von der Laserdiode 9 emittierten Laserstrahls mit Bezug auf Fig. 1 erläutert. Der Strahlengang des Laserlichts ist mit dem Buchstaben B bezeichnet.

Zuerst wird das von der Laserdiode 9 emittierte Laserlicht durch die Kollimationslinse 8 in einen parallelen Lichtstrahl umgewandelt und breitet sich in einer geraden Linie durch den Polarisationsstrahlenteiler 7a, das Faraday-Element 6 und den Polarisationsstrahlenteiler 5a und in das Viertelwellenlängenplättchen 4 aus.

Als nächstes wird der durch das Viertelwellenlängenplättchen 4 durchgelassene parallele Strahl durch die Kollimationslinse 3 fokussiert, um in das e-o-Element 2 einzutreten, und wird durch die Reflexionsschicht 2a, die auf der Oberfläche am Reflexionsende des e-o-Elements 2 ausgebildet ist, reflektiert. Da die Kollimationslinse 3 an ihrem Brennpunkt angeordnet ist, bündelt sich der durch die Kollimationslinse 10 erzeugte parallele Strahl in diesem Fall an einem Punkt auf der Reflexionsschicht 2a.

Der von der Reflexionsschicht 2a reflektierte Strahl wird durch die Kollimationslinse 3 wieder zu einem parallelen Strahl kollimiert, tritt noch einmal durch das Viertelwellenlängenplättchen 4 hindurch, wird an der Reflexionsfläche 5b des Polarisationsstrahlenteilers 5a reflektiert, an der Reflexionsfläche 5c um 90 Grad umgelenkt, durch die Kollimationslinse 10 fokussiert und tritt in die Photodiode 12 ein. Ein Teil des durch den Polarisationsstrahlenteiler 5a durchgelassenen Laserstrahls wird durch die Reflexionsfläche 7b des Polarisationsstrahlenteilers 7a reflektiert, an der Reflexionsfläche 7c um 90 Grad umgelenkt, durch die Kollimationslinse 11 fokussiert und tritt in die Photodiode 13 ein. Die in die Photodioden 12, 13 eingehenden Signalstrahlen werden in elektrische Signale umgewandelt, die auf einem im Hauptkörper 19 vorgesehenen Bildschirm angezeigt werden.

Durch Anordnen der Photodioden 12, 13 seitlich in einer mit der Laserdiode 9 gemeinsamen Ebene sind die Abtastelemente der Photodioden 12, 13 folglich der Längsrichtung des Sondengehäuses 15 zugewandt, was folglich die Notwendigkeit beseitigt, Querräume für die Verdrahtung vorzusehen, und es ermöglicht, ein schmales Sondengehäuse 15 bereitzustellen.

Ferner müssen die Photodioden 12, 13 nicht notwendigerweise mit der Laserdiode 9 koplanar sein, solange sie in Längsrichtung des Sondengehäuses 15 angeordnet sind.

Außerdem ist es nicht obligatorisch, daß die optische Achse des Modulationslichts von der Laserdiode 9 zur optischen Achse des Signallichts in die Photodioden 12, 13 parallel ist, es ist nur erforderlich, daß das Signallicht in die Photodioden 12, 13 in Richtung der Laserdiode 9 gelenkt wird.

Es sollte beachtet werden, daß die Polarisationsstrahlenteiler 5a, 7a unter Verwendung von würfelförmigen Strahlenteilern 5, 7 und Planspiegeln 51, 71 aufgebaut werden können. Die Verwendung von Planspiegeln ermöglicht es, die Kosten der zur Herstellung einer elektrooptischen Sonde erforderlichen optischen Komponenten zu verringern.

Eine weitere Ausführungsform der elektrooptischen Sonde wird mit Bezug auf Fig. 4 dargestellt.

Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform in folgender Hinsicht: die Laserdiode 9 und die Photodioden 12, 13 sind im Hauptkörper 19 des EOS-Oszilloskops angeordnet und das Sondengehäuse 15 und der Hauptkörper 19 des Abtastoszilloskops stehen über optische Faserkabel 18 in Verbindung.

Der Strahlengang in der zweiten Ausführungsform wird mit Bezug auf Fig. 4 erläutert.

Zuerst tritt von der Laserdiode im Hauptkörper 19 emittiertes Modulationslaserlicht in das Eingangsende 18a des Faserkabels 18 ein. Das eingespeiste Laserlicht breitet sich entlang des Faserkabels 18 aus und verläßt das Ausgangsende 18b und tritt in die Kollimationslinse 8 ein, welche das Licht in einen parallelen Strahl umwandelt.

Der parallele Strahl wird wie bei der in Fig. 1 gezeigten ersten Ausführungsform an der Reflexionsschicht 2a reflektiert, in der Isolatorvorrichtung 14 zerlegt und durch die Kollimationslinse 10, 11 fokussiert.

Der fokussierte Signalstrahl tritt in das Eingangsende 18c des Kabels 18 ein, breitet sich durch das Faserkabel 18 hindurch aus und verläßt das Ausgangsende 18d, um in die Photodioden 12, 13 einzutreten.

Durch Anordnen der Laserdiode 9 und der Photodioden 12, 13 innerhalb des Hauptkörpers 19, so daß nur die Endanschlüsse 18b, 18c des Faserkabels 18 im Sondengehäuse 15 angeordnet sind, kann folglich der Bedarf für die Bereitstellung von Räumen für die Laserdiode 9 und die Photodioden 12, 13 innerhalb des Sondengehäuses 15 beseitigt werden.

Da innerhalb des Sondengehäuses 15 keine Verdrahtung mehr erforderlich ist, besteht ferner kein Bedarf für die Bereitstellung irgendeiner elektrischen Abschirmung innerhalb des Sondengehäuses 15, wodurch die Sonde noch schmaler und leichtgewichtiger gemacht wird.

Es sollte bei den obigen Ausführungsformen beachtet werden, daß, wenn das Ausgangslicht aus der Laserdiode 9 kontinuierlich ist, Wellenformmessungen unter Verwendung von herkömmlichen Mehrzweckinstrumenten, wie z. B. einem Echtzeit-Oszilloskop, einem Abtastoszilloskop oder einem Spektralanalysator, durchgeführt werden können. In einem solchen Fall erzeugt die Laserdiode 9 gemäß einem von einem Meßinstrument erzeugten Steuersignal ein Meßlicht, und anstelle des EOS-Oszilloskops sind die Photodioden 12, 13 mit zweckgebundenen Steuereinheiten verbunden, so daß die Messungen durch das Echtzeit-Oszilloskop, das Abtastoszilloskop oder den Spektralanalysator mittels der zweckgebundenen Steuereinheiten durchgeführt werden können.

Durch Anordnen des Systems so, daß die Laserdiode Laserlicht gemäß Steuersignalen, die von einem Steueroszilloskop ausgegeben werden, erzeugt, kann die vorliegende elektrooptische Sonde andererseits mit Mehrzweck-Meßinstrumenten, wie z. B. einem EOS-Oszilloskop oder einem Echtzeit-Oszilloskop, verwendet werden, um den Meßbereich auf große Bandbreiten zu erweitern.

Claims (6)

1. Elektrooptische Sonde für ein Oszilloskop, umfassend:
eine Laserdiode (9) zum Emittieren eines Laserlichts gemäß Steuersignalen, die in einem Hauptkörper (19) des elektrooptischen Abtastoszilloskops erzeugt werden;
eine erste Linse (8) zum Umwandeln des Laserlichts in einen parallelen Strahl;
eine zweite Linse (3) zum Fokussieren des parallelen Strahls;
ein optoelektronisches Element (2) mit einer Reflexionsschicht (2a) an einem Reflexionsende;
ein zwischen der ersten Linse (8) und der zweiten Linse (3) angeordnetes Isolatormittel (14) zum Übertragen des Laserlichts und zum Zerlegen eines reflektierten Strahls, der an der Reflexionsschicht (2a) erzeugt wird, in Signalstrahlen; und
Photodioden (13, 12) zum Umwandeln der optischen Energien der Signalstrahlen, die durch das Isolatormittel (14) zerlegt werden, in jeweilige elektrische Signale; wobei
die Signalstrahlen zum Eintritt in die Photodioden (13, 12) so gelenkt werden, daß sie sich in Richtung der Laserdiode (9) ausbreiten, und die Photodioden (13, 12) in Längsrichtung eines Sondengehäuses (15) angeordnet sind.

2. Elektrooptische Sonde nach Anspruch 1, wobei die Laserdiode (9) und die Photodioden (13, 12) innerhalb eines Hauptkörpers (19) des elektrooptischen Abtastoszilloskops vorgesehen sind, und sich ein von der Laserdiode (9) emittiertes Laserlicht durch ein erstes optisches Faserkabel (18) ausbreitet, um in die Sonde einzutreten, und sich die durch das Isolatormittel (14) zerlegten Signalstrahlen durch ein zweites optisches Faserkabel (18) ausbreiten, um in die jeweiligen Photodioden (13, 12) einzutreten.

3. Elektrooptische Sonde nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Isolatormittel (14) parallelogrammförmige Strahlenteiler (5a, 7a) zum Ausrichten der optischen Achsen der Signalstrahlen parallel zu einer optischen Achse eines Laserlichts umfaßt.

4. Elektrooptische Sonde nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Isolatormittel (14) würfelförmige Strahlenteiler (5, 7) und Planspiegel (51, 71) umfaßt, um Laserlicht mittels der Teiler (5, 7) zu zerlegen und die optischen Achsen der Signalstrahlen mittels der Planspiegel (51, 71) parallel zu einer optischen Achse eines Laserlichts auszurichten.

5. Elektrooptische Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Photodioden und eine Laserdiode mit einem elektrooptischen Abtastoszilloskop verbunden sind und die Laserdiode Impulslicht gemäß Steuersignalen erzeugt, die durch das elektrooptische Abtastoszilloskop erzeugt werden.

6. Elektrooptische Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Laserdiode eine Dauerstrich-Laserquelle ist.