JP2000147021A - 電気光学サンプリングオシロスコープ用受光回路 - Google Patents

電気光学サンプリングオシロスコープ用受光回路

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JP2000147021A
JP2000147021A JP10321131A JP32113198A JP2000147021A JP 2000147021 A JP2000147021 A JP 2000147021A JP 10321131 A JP10321131 A JP 10321131A JP 32113198 A JP32113198 A JP 32113198A JP 2000147021 A JP2000147021 A JP 2000147021A
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light
electro
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photodiodes
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JP10321131A
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Inventor
Jun Kikuchi
潤 菊池
Nobunari Takeuchi
伸成 竹内
Koju Yanagisawa
幸樹 柳澤
Choichi Tomoshiro
暢一 伴城
Yoshio Endo
善雄 遠藤
Mitsuru Shinagawa
満 品川
Tadao Nagatsuma
忠夫 永妻
Junzo Yamada
順三 山田
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Ando Electric Co Ltd
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Ando Electric Co Ltd
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R13/00Arrangements for displaying electric variables or waveforms
    • G01R13/20Cathode-ray oscilloscopes
    • G01R13/22Circuits therefor
    • G01R13/34Circuits for representing a single waveform by sampling, e.g. for very high frequencies
    • G01R13/347Circuits for representing a single waveform by sampling, e.g. for very high frequencies using electro-optic elements

Abstract

(57)【要約】 【課題】 サンプリング周期が短くなっても、受光した
光信号を精度よく電気信号に変換することのできるEO
Sオシロスコープ用受光回路を提供すること。 【解決手段】 正のバイアス電源50Pと負のバイアス
電源50Nとの間に直列接続されたフォトダイオード5
1および52により、被測定信号の電圧に応じた偏光状
態を有する光信号を受光して電気信号に変換する。増幅
器53は、フォトダイオード51とフォトダイオード5
2との接続点Pに現れる電気信号を増幅する。電流モニ
タ54,57は、フォトダイオード51,52により変
換された電気信号をそれぞれ検出し、A/D変換器5
5,58がこれをA/D変換する。減算回路60から構
成される調整部は、参照光を受光した場合の電流モニタ
54,57の検出値の差分を小さくする方向に光信号の
偏光比を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、被測定信号が偏光
状態に反映された光信号を受光して、その光信号の偏光
状態により被測定信号に応じた電気信号を得る電気光学
サンプリングオシロスコープ用受光回路に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、ICなどの内部信号の波形を観測
するための装置として、被測定対象の信号を光学的にサ
ンプリングして波形を再現する電気光学サンプリング
(Electro Optic Sampling)オシロスコープ(以下「E
OSオシロスコープ」と略記する)がある。
【0003】このEOSオシロスコープは、測定対象の
内部信号(以下、被測定信号と略記する)が現れる部位
に、電界により偏光面が変化する電気光学結晶を結合さ
せ、この電気光学結晶からの反射光の偏光状態により被
測定信号を再現するものであって、被測定信号に応じた
偏光状態を有する光信号を取り出すための光学系が内蔵
された電気光学プローブと、この光信号を受光してその
偏光状態に応じた電気信号を取り出すための受光回路を
備えて構成されている。
【0004】EOSオシロスコープは、電気式プローブ
を用いた従来のサンプリングオシロスコープと比較し
て、 1)信号を測定する際にグランド線を必要としないた
め、測定が容易 2)電気光学プローブの先端にある金属ピンがオシロス
コープ側の回路系から電気的に絶縁されているので、被
測定信号の状態をほとんど乱すことなく波形観測が可能 3)光パルスを利用することからギガヘルツのオーダー
までの広帯域測定が可能といった特徴を有するため、注
目を集めている。
【0005】EOSオシロスコープに用いられる電気光
学プローブの構成例を図2により説明する。同図におい
て、符号1は、絶縁体からなるプローブヘッドであり、
この中心に被測定信号が現れる部位に接触する金属ピン
1aが嵌め込まれている。符号2は、電界により偏光面
が変わる電気光学素子(電気光学結晶)であり、金属ピ
ン1a側の端面に反射膜2aが設けられ、金属ピン1a
に接している。
【0006】符号4は、1/2波長板であり、符号5
は、1/4波長板である。符号6及び8は、偏光ビーム
スプリッタである。符号7は、ファラデー素子である。
符号9は、EOSオシロスコープ本体(図示せず)から
出力されるパルス信号(制御信号)に応じてレーザ光を
発するレーザダイオードである。符号10は、レーザダ
イオード9からのレーザー光を一方向に収束して平行光
に変換するコリメートレンズであり、これにより収束さ
れたレーザー光Aの光路上に、電気光学素子2、1/2
波長板4、1/4波長板5、偏光ビームスプリッタ6,
8、ファラデー素子7が配置される。
【0007】符号11及び13は、集光レンズであり、
偏光ビームスプリッタ6,8により分離されたレーザー
光を集光する。符号12及び14は、後述する受光回路
を構成するフォトダイオードであり、集光レンズ11,
13により集光されたレーザ光を電気信号に変換してE
OSオシロスコープ本体へ出力する。
【0008】符号15は、プローブ本体である。符号1
7は、1/4波長板、2つの偏光ビームスプリッタ6、
8、及びファラディ素子8からなるアイソレータであ
り、レーザダイオード9が出射した光を通過させ、反射
膜2aによって反射された光を分離するためのものであ
る。
【0009】次に、EOSオシロスコープに用いられて
いる従来の受光回路の構成例を図3により説明する。同
図において、符号100はバイアス電源、符号101,
104はフォトダイオード、符号102,105は抵
抗、符号103,106は増幅器、符号107は電流モ
ニタ、符号108はA/D変換器、符号109は抵抗1
09A〜109Dと演算増幅器109Eからなる差動増
幅器、符号110は抵抗、符号111はA/D変換器で
ある。
【0010】すなわち、この受光回路は、バイアス電源
100でバイアスされたフォトダイオード101が発生
する電流を増幅器103,106によりそれぞれ増幅
し、これら増幅器103,106の出力の差分を差動増
幅器109により増幅して測定信号を得るように構成さ
れ、この差動増幅器109の出力値はA/D変換器11
によりA/D変換される。また、フォトダイオード10
1,104が発生する電流は電流モニタ107によりモ
ニタされ、その電流値はA/D変換器108によりA/
D変換される。
【0011】次に、この従来装置の動作を説明する。図
2に示すレーザダイオード10は、パルス信号(制御信
号)に駆動されてサンプリング周期を有するパルス状の
レーザー光Aを出射する。このレーザ光Aは、コリメー
トレンズ9により平行光に変換され、偏光ビームスプリ
ッタ8、ファラデー素子7及び偏光ビームスプリッタ6
を直進し、さらに、1/4波長板5と1/2波長板4を
通って電気光学素子2に入射する。
【0012】入射したレーザー光は、金属ピン1a側の
電気光学素子2の端面に形成された反射膜2aにより反
射される。ここで、金属ピン1aを測定点に接触させる
と、金属ピン1aに加わる電圧に応じた電界が電気光学
素子2へ伝搬し、ポッケルス効果により電気光学素子2
の複屈折率が変化する現象が起きる。これにより、レー
ザダイオード9から発せられたレーザ光が電気光学素子
2を伝搬するときに光の偏光状態が変化し、この結果、
電気光学素子2の端面で反射されたレーザ光は、被測定
信号の電圧に応じた偏光成分を含むものとなる。
【0013】電気光学素子2の端面で反射されたレーザ
光は、再び1/2波長板4と1/4波長板5を通り、こ
のレーザ光の一部(被測定信号の電圧に応じた偏光成
分)は、偏光ビームスプリッタ6により分離され、集光
レンズ11によって集光されて、受光回路を構成するフ
ォトダイオード101へ入射される。偏光ビームスプリ
ッタ6を透過したレーザ光は、偏光ビームスプリッタ8
で分離され、集光レンズ13によって集光されて、図3
に示すフォトダイオード104へ入射され、電気信号に
変換される。
【0014】ここで、受光回路の動作を説明する。被測
定信号の電圧の変化にともなって、電気光学素子2の偏
光面が変化すると、フォトダイオード101とフォトダ
イオード104の出力に差が生じる。受光回路は、この
出力差を検出することによって、被測定信号に応じた測
定信号を出力するように動作する。
【0015】すなわち、受光回路のフォトダイオード1
01が偏光ビームスプリッタ6からのレーザー光を受光
すると、フォトダイオード101はこのレーザー光の強
度に応じた電流を発生し、この電流に応じた電圧が抵抗
102の一端側に現れ、増幅器103で増幅される。同
様にフォトダイオード104が発生する電流に応じた電
圧が抵抗105の一端側に現れ、増幅器106で増幅さ
れる。差動増幅器109は増幅器103と106との出
力差に応じた測定信号を出力する。
【0016】上述のように、従来の受光回路によれば、
フォトダイオード101および104で検出された信号
は、増幅器103および106でそれぞれ増幅され、こ
の後、差動増幅器109でその差分を取ることにより測
定信号のみを検出するものとなっている。
【0017】なお、電流モニタ107によりモニタされ
た電流はA/D変換器108によりA/D変換されて、
A/D変換器111により変換された測定信号の値と共
に、フォトダイオード101,104の動作の検証やキ
ャリブレーションなどに用いられる。また、電気光学素
子2の結晶軸に対して、入射するレーザ光の偏光面を合
わせる必要があり、このため、1/2波長板4と1/4
波長板5を回転させることによって偏光面の調整が行わ
れる。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
従来の受光回路によれば、フォトダイオード101およ
び104で検出された信号は、増幅器103および10
6で別々に増幅されるため、サンプリングが高速化され
てサンプリング周期が短くなると、増幅器103と10
6の過渡応答特性の違いが顕在化する結果、フォトダイ
オード101,104の同相信号成分が差動増幅器10
9から出力される測定信号の誤差となって現れ、波形の
S/Nが劣化するという問題があった。
【0019】この発明は、このような事情に鑑みてなさ
れたもので、サンプリングが高速化されてサンプリング
周期が短くなっても、フォトダイオードの同相信号成分
が測定信号の誤差となって現れることがなく、受光した
光信号を精度よく電気信号に変換することのできる電気
光学サンプリングオシロスコープ用受光回路を提供する
ことを課題とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】請求項1に記載の発明
は、被測定信号の電圧に応じた偏光状態を有する光信号
を偏光分離して得られる第1および第2の光信号を受光
し、前記第1の光信号と前記第2の光信号との信号強度
の相対関係に応じた電気信号を得る電気光学サンプリン
グオシロスコープ用受光回路であって、第1のバイアス
電源と第2のバイアス電源との間に直列接続され、前記
第1および第2の光信号をそれぞれ受光して電気信号に
変換する第1および第2の光電変換素子と、前記第1の
光電変換素子と前記第2の光電変換素子との接続点に現
れる電気信号を入力して増幅する増幅器と、前記第1お
よび第2の光電変換素子により変換された電気信号をそ
れぞれ検出する第1および第2の検出器と、を備えたこ
とを特徴とする。
【0021】また、請求項2に記載の発明は、前記第1
および第2の光電変換素子が参照光を受光した場合に、
前記第1および第2の検出器の検出値の差分を小さくす
る方向に前記光信号の偏光比を調整する調整部をさらに
備えたことを特徴とする。
【0022】また、請求項3に記載の発明は、前記第1
および第2の検出器の検出値の和の変動量に応じて前記
増幅器の出力値を補正する補正部をさらに備えたことを
特徴とする。
【0023】
【発明の実施の形態】以下、この発明の一実施形態にか
かる電気光学サンプリングオシロスコープ用受光回路に
ついて図面を参照して説明する。なお、この実施の形態
にかかる受光回路が適用されるEOSオシロスコープ
は、図2に示す電気光学プローブを備えるものとする。
ただし、この電気光学プローブは、図2に示すフォトダ
イオード101,104に代えて図1に示すフォトダイ
オード51,52から構成される。
【0024】図1に、この実施形態にかかる受光回路の
構成を示す。同図に示すように、正のバイアス電源50
P(第1の電源)と負のバイアス電源50N(第2の電
源)との間には、光電変換素子としてのフォトダイオー
ド51(第1の光電変換素子)とフォトダイオード52
(第2の光電変換素子)とが、電流方向を揃えて直列接
続されており、これらフォトダイオード51とフォトダ
イオード52との接続点Pには演算増幅器53Aと帰還
用の抵抗53Bとからなる増幅器53の入力部が接続さ
れている。この増幅器53は、トランス・インピーダン
ス回路として構成され、電流/電圧変換回路として機能
する。
【0025】ここで、フォトダイオード51および52
は、図3に示す従来回路にかかるフォトダイオード10
1および104にそれぞれ対応するものであって、図2
に示す偏光ビームスプリッタ6および8からの光信号
(レーザー光)がフォトダイオード51および52に受
光される。
【0026】バイアス電源50Pとフォトダイオード5
1との間の電流経路には電流モニタ54が設けられ、こ
の電流モニタ54のモニタ値はA/D変換器55により
A/D変換されて、減算回路60および加算回路61に
入力される。同様に、バイアス電源50Nとフォトダイ
オード52との間の電流経路には電流モニタ57が設け
られ、この電流モニタ57のモニタ値はA/D変換器5
8によりA/D変換されて、減算回路60および加算回
路61に入力される。ここで、電流モニタ54および5
7のモニタ値は、フォトダイオード51および52が発
生する電流の検出値(絶対値)を表す。
【0027】減算回路60は、フォトダイオード51お
よびフォトダイオード52の特性のバラツキ(特性の違
い)を補正するための調整部(符号なし)を構成するも
のであって、フォトダイオード51およびフォトダイオ
ード52が所定の信号強度を有する参照光を受光した場
合に、電流モニタ54および57の検出値の差分を小さ
くする方向にフォトダイオード51,52が受光する光
信号の偏光比を調整するものである。
【0028】また、加算回路61は、例えば図2に示す
レーザーダイオード9の出力変動に起因した測定信号の
変動量を補正するための補正部を構成するものであっ
て、電流モニタ54,57のモニタ値(検出値)の和の
変動量に応じて増幅器53の出力値を補正するためのも
のである。
【0029】なお、バイアス電源50Pとフォトダイオ
ード51との間、およびバイアス電源50Nとフォトダ
イオード52との間は、同軸ケーブル56,59で接続
される。この同軸ケーブルは、グランド電位にシールド
されると共に所定のキャパシタンスを有し、雑音などの
高周波成分を除去するフィルタとして機能する。また、
特に図示しないが、フォトダイオードの接続点Pと増幅
器53の入力部との間は、シールド機能のみを有する同
軸ケーブルで接続されている。ただし、同軸ケーブル以
外で接続してもよい。
【0030】以下、この実施の形態にかかる受光回路の
動作を説明する。受光回路のフォトダイオード51は、
図2に示す偏光ビームスプリッタ6から被測定信号に応
じた偏光状態を有するレーザー光を受光し、このレーザ
ー光の強度に応じた電流を発生する。一方、フォトダイ
オード52は、偏光ビームスプリッタ8からのレーザー
光を受光し、このレーザー光の強度に応じた電流を発生
する。
【0031】フォトダイオード51およびフォトダイオ
ード52でそれぞれ発生した電流は接続点Pに現れ、こ
れら電流の差分が増幅器53に流れ込み、この差分電流
に応じた電圧が測定信号として出力される。すなわち、
この測定信号は、フォトダイオード51が受光する光信
号とフォトダイオード52が受光する光信号との信号強
度の相対関係に応じた電気信号として得られる。そし
て、この受光回路が適用されたEOSオシロスコープ
は、この受光回路により得られた測定信号から被測定信
号の波形を再現するための種々の処理を行う。
【0032】ここで、仮にフォトダイオード51と52
との特性にバラツキが存在すると、見かけ上、フォトダ
イオード51とフォトダイオード52が受光する光信号
の信号強度が変化し、被測定信号を精度よく再現するこ
とができなくなる。そこで、減算回路60が構成する調
整部により、フォトダイオード51と52との特性の違
いに起因する測定信号の変動量を補正する。
【0033】具体的には、信号強度が既知の参照光をフ
ォトダイオード51,52に入射し、減算回路60によ
り、このときの電流モニタ54,57のモニタ値の差分
を求める。このとき、フォトダイオード51,52の特
性が揃っていれば電流モニタ54,57のモニタ値は等
しくなり、これらの差分はゼロとなる。
【0034】これに対して、特性に違いがある場合、差
分はゼロとはならず、特性の違いに応じた差分が得られ
る。そこでこの場合、フォトダイオード51,52の特
性の違いを考慮して、フォトダイオード51,52が参
照光を受光したときの電流モニタ54,57のモニタ値
の差分を小さくする方向に、フォトダイオード51,5
2が受光する光信号の偏光比を調整しておく。この調整
は、例えば1/4波長板5を回転させることにより行わ
れる。
【0035】また、レーザーダイオード9の出力が変動
すると、被測定信号が一定状態を保っていたとしても、
フォトダイオード51と52でそれぞれ発生する電流の
差分が変化し、この結果、測定信号が変動する。そこ
で、加算回路61が構成する補正部により、レーザーダ
イオード9の出力変動に起因する測定信号の変動分を補
正する。
【0036】ここで、フォトダイオード51,52が発
生する各電流は、フォトダイオード51,52がそれぞ
れ受光する各光信号の信号強度に依存し、これらフォト
ダイオード51,52がそれぞれ受光する各光信号の信
号強度の和は、レーザーダイオード9が出力するレーザ
ー光Aの強度に等しい(各部での損失を無視)。したが
って、電流モニタ54,57の各電流の和からレーザー
ダイオード9が出力するレーザー光Aの変動を知ること
できる。
【0037】そこで、加算回路61により、電流モニタ
54,57の各モニタ値の和を求め、この和に応じて測
定信号を補正する。具体的には、レーザーダイオード9
の出力変動がない場合の電流モニタ54,57の各モニ
タ値の和を基準として、各モニタ値の和の変動量の割合
だけ測定信号を増減する。たとえば、電流モニタ54,
57の各モニタ値の和が5パーセントだけ増加したとす
れば、測定信号の値を同じく5パーセントだけ減少させ
る。これにより、測定信号には被測定信号のみが反映さ
れ、波形を精度良く再現することが可能となる。
【0038】なお、上述した実施の形態では、減算回路
60が構成する調整部は、フォトダイオード51,52
の特性のバラツキに起因した電流差を調整するものとし
たが、被測定信号以外の要因によるフォトダイオード5
1,52の電流差を調整するものであればよい。また、
加算回路61が構成する補正部は、レーザーダイオード
9の出力変動に起因したフォトダイオード51,52の
電流差の変動を補正するものとしたが、被測定信号以外
の要因によるフォトダイオード51,52の電流差の変
動分を調整するものであればよい。
【0039】また、減算回路60を用いて、フォトダイ
オード51,52のバランスをモニタするものとした
が、図3に示す従来技術にかかる差動増幅器109の出
力をモニタすることにより、バランスをモニタするよう
に構成することも可能である。また、減算回路60から
なる調整部や加算回路61からなる補正部は、CPUな
どの演算回路により実現してもよい。
【0040】また、フォトダイオード51,52の特性
のバラツキが充分に小さい場合には減算回路60からな
る調整部を省略してもよく、レーザーダイオードの出力
の変動が充分に小さい場合には加算回路61からなる補
正部を省略してもよい。また、フォトダイオード51,
52に代えて他の光電変換素子を用いることもできる。
【0041】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば
以下の効果を得ることができる。すなわち、請求項1に
記載された発明によれば、被測定信号の電圧に応じた偏
光状態を有する第1および第2の光信号を受光し、これ
ら第1の光信号と第2の光信号との信号強度の差分に応
じた電流を増幅するようにしたので、サンプリングが高
速化されても、第1および第2の光信号の同相信号成分
が測定信号の誤差となって現れることがなく、受光した
光信号を精度よく電気信号に変換することができる。し
たがって、EOSオシロスコープの動作の高速化および
高感度化を実現することができる。
【0042】また、請求項2に記載された発明によれ
ば、参照光を受光した場合に発生する電流値の差分を小
さくする方向に第1および第2の光信号の偏光比を調整
するようにしたので、例えば第1および第2の光信号を
電気信号に変換するための素子の特性にバラツキが生じ
たとしても、この特性のバラツキが測定信号の誤差とな
って現れることがなく、受光した光信号を精度よく電気
信号に変換することができる。
【0043】さらに、請求項3に記載された発明によれ
ば、第1および第2の光信号に応じて発生する電気信号
の和の変動量に応じて出力値を補正するようにしたの
で、例えばサンプリング用のレーザー光の出力が変動し
ても、この変動が測定信号の誤差となって現れることが
なく、受光した光信号を精度よく電気信号に変換するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態にかかる電気光学サン
プリングオシロスコープ用受光回路の構成図である。
【図2】 EOSオシロスコープに用いられる電気光学
プローブの構成図である。
【図3】 従来技術にかかるEOSオシロスコープ用受
光回路の構成図である。
【符号の説明】
1…プローブヘッド、1a…金属ピン、2…電気光学素
子、2a…反射膜、4…1/2波長板、5…1/4波長
板、6,8…偏光ビームスプリッタ、7…ファラデー素
子、9…レーザダイオード、10…コリメートレンズ、
11,13…集光レンズ、15…プローブ本体、17…
アイソレータ、50P…バイアス電源(+)、50N…
バイアス電源(−)、51,52…フォトダイオード、
53…増幅器、53A…演算増幅器、53B…抵抗、5
4,57…電流モニタ、55,58…A/D変換器、5
6,59…同軸ケーブル、60…減算回路、61…加算
回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 竹内 伸成 東京都大田区蒲田4丁目19番7号 安藤電 気株式会社内 (72)発明者 柳澤 幸樹 東京都大田区蒲田4丁目19番7号 安藤電 気株式会社内 (72)発明者 伴城 暢一 東京都大田区蒲田4丁目19番7号 安藤電 気株式会社内 (72)発明者 遠藤 善雄 東京都大田区蒲田4丁目19番7号 安藤電 気株式会社内 (72)発明者 品川 満 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 永妻 忠夫 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 山田 順三 東京都新宿区西新宿三丁目19番2号 日本 電信電話株式会社内

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被測定信号の電圧に応じた偏光状態を有
    する光信号を偏光分離して得られる第1および第2の光
    信号を受光し、前記第1の光信号と前記第2の光信号と
    の信号強度の相対関係に応じた電気信号を得る電気光学
    サンプリングオシロスコープ用受光回路であって、 第1のバイアス電源と第2のバイアス電源との間に直列
    接続され、前記第1および第2の光信号をそれぞれ受光
    して電気信号に変換する第1および第2の光電変換素子
    と、 前記第1の光電変換素子と前記第2の光電変換素子との
    接続点に現れる電気信号を入力して増幅する増幅器と、 前記第1および第2の光電変換素子により変換された電
    気信号をそれぞれ検出する第1および第2の検出器と、 を備えたことを特徴とする電気光学サンプリングオシロ
    スコープ用受光回路。
  2. 【請求項2】 前記第1および第2の光電変換素子が参
    照光を受光した場合に、前記第1および第2の検出器の
    検出値の差分を小さくする方向に前記光信号の偏光比を
    調整する調整部をさらに備えたことを特徴とする請求項
    1に記載された電気光学サンプリングオシロスコープ用
    受光回路。
  3. 【請求項3】 前記第1および第2の検出器の検出値の
    和の変動量に応じて前記増幅器の出力値を補正する補正
    部をさらに備えたことを特徴とする請求項1または2の
    いずれかに記載された電気光学サンプリングオシロスコ
    ープ用受光回路。
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