JP2001099871A - 電気光学プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構成部品を減らして組立を容易にし、調整作
業を減らすことができる電気光学プローブを提供する。 【解決手段】 レーザダイオード１１より出射したレー
ザ光をコリメートレンズ１０によって平行光にし、偏光
ビームスプリッタ９、ファラディ素子８、１／２波長板
７、及び偏光ビームスプリッタ６を通過した光を、偏光
ビームスプリッタ６と電気光学素子２との間に設けた集
光レンズ３により集光する。入射平行光は反射膜２ａ上
の１点に集光され、反射膜２ａで反射した光は集光レン
ズ３により平行光に変換される。この平行光の光軸のず
れ量は反射膜２ａの角度ずれ量に対し、わずかな平行移
動量で済むため、集光レンズ１２と集光レンズ１４によ
って、容易に軸合わせすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定信号によっ
て発生する電界を電気光学結晶に結合させ、この電気光
学結晶に光を入射し、入射光の偏光状態により、被測定
信号の波形を観測する電気光学プローブであって、特
に、電気光学サンプリングオシロスコープあるいは、リ
アルタイムオシロスコープ等に用いられる電気光学プロ
ーブに関する。

【０００２】

【従来の技術】被測定信号によって発生する電界を電気
光学結晶に結合させ、この電気光学結晶にレーザ光を入
射し、レーザ光の偏光状態により被測定信号の波形を観
測することができる。ここでレーザ光をパルス状にし、
被測定信号をサンプリングすると非常に高い時間分解能
で測定することができる。この現象を利用した電気光学
プローブを用いたのが電気光学サンプリングオシロスコ
ープである。

【０００３】この電気光学サンプリング（Electro Opt
ic Sampling）オシロスコープ（以下「ＥＯＳオシロス
コープ」と略記する）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回路系か
ら絶縁されているので高入力インピーダンスを実現で
き、その結果被測定点の状態をほとんど乱すことがない ３）光パルスを利用することからＧＨｚオーダーまでの
広帯域測定が可能といった特徴があり注目を集めてい
る。

【０００４】ＥＯＳオシロスコープによる信号測定を行
う際に用いられる従来の電気光学プローブの構成を図４
により説明する。図４において、符号１は、絶縁体でで
きたプローブヘッドであり、この中心に金属ピン１ａが
嵌め込まれている。符号２は、電気光学素子であり、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。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９は、偏光ビ
ームスプリッタである。符号７は、１／２波長板であ
り、符号８は、ファラデー素子である。符号１０は、コ
リメートレンズであり、符号１１は、レーザダイオード
である。符号１２及び１４は、集光レンズであり、符号
１３及び１５は、フォトダイオードである。また、２つ
の偏光ビームスプリッタ６、９、１／２波長板７、及び
ファラディ素子８は、レーザダイオード１１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
するためのアイソレータ１６である。

【０００５】次に、図４を参照して、レーザダイオード
１１から発せられたレーザ光の光路について説明する。
図４において、レーザ光の光路を符号Ａで表す。先ず、
レーザダイオード１１から出射したレーザ光はコリメー
トレンズ１０により平行光に変換され、偏光ビームスプ
リッタ９、ファラデー素子８、１／２波長板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。
入射した光は、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により反射する。

【０００６】反射したレーザ光は、再び１／２波長板４
と１／４波長板５を通り、レーザ光の一部は、偏光ビー
ムスプリッタ６により反射され、集光レンズ１２によっ
て集光されて、フォトダイオード１３へ入射する。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９で反射され、集光レンズ１４によって集光
されて、フォトダイオード１５へ入射する。なお、１／
２波長板４と１／４波長板５はフォトダイオード１３と
フォトダイオード１５へ入射するレーザ光の強度が同一
になるように調整される。

【０００７】次に、図４に示した電気光学プローブを用
いて、被測定信号を測定する動作について説明する。金
属ピン１ａを、測定点に接触させると、金属ピン１ａに
加わる電圧によって、電気光学素子２では、その電界が
電気光学素子２へ伝搬し、ポッケルス効果により屈折率
が変化する現象が起きる。これにより、レーザダイオー
ド１１から発せられたレーザ光が電気光学素子２へ入射
して、その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する。そして、この偏光状態が変化
したレーザ光は、反射膜２ａによって反射され、フォト
ダイオード１３、１５へ集光されて入射し、電気信号に
変換される。

【０００８】測定点の電圧の変化にともなって、電気光
学素子２によって偏光状態の変化がフォトダイオード１
３とフォトダイオード１５の出力差になり、この出力差
を検出することによって、金属ピン１ａに加わる電気信
号を測定することができる。

【０００９】なお、以上説明した電気光学プローブにお
いて、フォトダイオード１３、１５から得られた電気信
号は、ＥＯＳオシロスコープに入力されて、処理される
が、これに代えて、フォトダイオード１３、１５に専用
コントローラを介してリアルタイムオシロスコープ等の
従来からある測定器を接続し、信号測定を行うこともで
きる。これにより、電気光学プローブを使用して広帯域
測定を簡単に行うことができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、電気光学プ
ローブでは、金属ピン１ａを伝搬する電界が、電気光学
素子２中を伝搬する光の偏光状態に変化を与える効果を
利用しているため、測定信号による電界の変化を効率よ
く偏光の変化に変換しようとすると、電気光学素子２中
を伝搬する光は金属ピン１ａの径よりも細いビームであ
ることが望ましい。

【００１１】また、電気光学素子２では反射膜２ａによ
って、入射したレーザ光を反射させる構成であるが、反
射光を２個のフォトダイオード１３、１５に効率よく入
射させるためには平行光の、入射するときの光軸と反射
するときの光軸とを一致させる必要がある。入射光と反
射光の光軸が一致していない場合は、図４において、破
線で示した光路（図４の符号Ｂ）をレーザ光が通ること
になり、フォトダイオード１３、１５へレーザ光が入射
されなくなってしまう。従って、反射膜２ａは平行光の
光軸に対して垂直に配置しなければならない。

【００１２】しかしながら、平行光の入射光軸と反射膜
２ａを垂直に配置するためには高度の調整技術と多くの
調整時間が必要であるという問題がある。また、電気光
学素子２を固定したプローブヘッド１を交換する場合、
新たなプローブヘッド１の電気光学素子２の端面の反射
膜２ａ配置を、交換する前と同じ位置に固定することは
困難なため、再度光軸合わせの調整作業が必要になると
いう問題がある。

【００１３】また、反射光を分離する偏光ビームスプリ
ッタ６と偏光ビームスプリッタ９は、フォトダイオード
１３とフォトダイオード１５を同一平面内に配置できる
ように２つの偏光ビームスプリッタ６、９の偏光面を一
致させている。このために、ファラディ素子８で４５度
回転した偏光面を元に戻すために、１／２波長板７が配
置されており、従って、構成部品が多くなり、調整箇所
が多くなると共に、内部の不要な反射光が増えてしまう
という問題がある。

【００１４】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たもので、レーザダイオードが発したレーザ光を効率よ
くフォトダイオードへ入射することができ、さらに構成
部品を減らして組立を容易にし、調整作業を減らすこと
ができる電気光学プローブを提供することを目的とす
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、オシロスコープ本体の制御信号に基づいてレーザ光
を発するレーザダイオードと、前記レーザ光を平行光に
するコリメートレンズと、端面に反射膜を有する電気光
学素子と、前記コリメートレンズと前記電気光学素子と
の間に設けられ、前記レーザダイオードが発したレーザ
光を通過させ、前記レーザ光が前記反射膜によって反射
された反射光の分離をするアイソレータと、前記アイソ
レータによって分離された反射光を電気信号に変換する
フォトダイオードとを備える電気光学プローブにおい
て、前記アイソレータと前記電気光学素子との間に設け
られ、前記平行光を前記反射膜上の１点に集光して、前
記反射膜によって反射された前記反射光を再び平行光に
して、前記反射膜に対して入射する光の光軸と前記反射
膜によって反射された光の光軸とを一致させる集光レン
ズを備えたことを特徴とする。

【００１６】また、請求項２に記載の発明は、請求項1
記載の電気光学プローブにおいて、前記フォトダイオー
ド及び前記レーザダイオードは、電気光学サンプリング
オシロスコープに接続され、前記レーザダイオードは、
前記レーザ光を前記電気光学サンプリングオシロスコー
プからの制御信号に基づいてパルス光として発すること
を特徴とする。また、請求項３に記載の発明は、請求項
1記載の電気光学プローブにおいて、前記レーザダイオ
ードは、前記レーザ光として連続光を発することを特徴
とする。 また、請求項４に記載の発明は、請求項1記
載の電気光学プローブにおいて、前記アイソレータ部
は、前記レーザダイオードの出射したレーザ光を通過さ
せ、反射膜によって反射された前記レーザ光を分離する
第１及び第２の偏光ビームスプリッタと、偏光面を４５
度回転するファラディ素子とからなり、前記第２の偏光
ビームスプリッタは、前記レーザ光の光軸を中心として
４５度回転して配置したことを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の第1の実施形態に
よる電気光学プローブを図面を参照して説明する。図１
は同実施形態の電気光学プローブの構成を示した図であ
る。図１において、図４に示す従来のプローブと同一の
部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。この
図に示す電気光学プローブが従来技術と異なる点は、電
気光学素子２と１／２波長板との間に集光レンズ３を設
けた点である。この集光レンズ３は、電気光学素子２の
端面に設けられた反射膜２ａから集光レンズ３の焦点距
離だけ離れた位置に配置される。

【００１８】次に、図１を参照して、レーザダイオード
１１から発せられたレーザ光の光路について説明する。
図１において、レーザ光の光路を符号Ｃで表す。先ず、
レーザダイオード１１から出射したレーザ光はコリメー
トレンズ１０により平行光に変換され、偏光ビームスプ
リッタ９、ファラデー素子８、１／２波長板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を通る。

【００１９】次に、１／２波長板４を透過した平行光
は、集光レンズ３によって集光されて電気光学素子２に
入射し、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により反射する。集光レンズ３は、反
射膜２ａから集光レンズ３に焦点距離だけはなれた位置
に配置されているために、コリメートレンズ１０によっ
て平行光に変換されたレーザ光は、反射膜２ａ上の１点
に集光される。

【００２０】反射膜２ａにおいて、反射されたレーザ光
は、集光レンズ３によって再び平行光に変換され、さら
に、１／２波長板４、１／４波長板５を通り、偏光ビー
ムスプリッタ６、９によって分離されて、フォトダイオ
ード１３、１５に入射し、電気信号に変換される。

【００２１】このように、集光レンズ３を用いて、入射
平行光を反射膜２ａ上の１点に集光することによって、
反射膜２ａが入射平行光に対して、垂直でない場合で
も、反射膜２ａで反射した光は集光レンズ３によって再
び平行光に変換される（図１の符号Ｄ）ため、反射平行
光と入射平行光の光軸は平行とすることができる。この
平行光の光軸のずれ量は反射膜２ａの角度ずれ量に対
し、わずかな平行移動量で済むために、集光レンズ１２
と集光レンズ１４によって、効率良く、容易に軸合わせ
することができる。

【００２２】また、プローブヘッドを交換した場合に、
反射膜２ａが光軸に対して垂直でない場合も、反射光が
集光レンズ１２と集光レンズ１４をはずれることなく、
フォトダイオード１３とフォトダイオード１５へレーザ
ダイオード１１の出射光を全て集光することができる。

【００２３】なお、光学系の集光レンズ３の口径を、反
射膜２ａの取付角度の公差に基づいて決めることによっ
て、反射膜２ａの取付角度の最大許容値分だけ取付角度
がずれてもフォトダイオード１３、１５に集光すること
ができる。また、光学系を構成する集光レンズ３以外の
構成部品も集光レンズ３の口径に合わせて、有効面の大
きさを決めればよい。

【００２４】また、図１、２に示したコリメートレンズ
１０及び集光レンズ３、１２、１４は、１枚の凸レンズ
を図示したが、複数の凹凸レンズを組み合わせて、収差
の補正等を行ってもよい。また、反射鏡を用いた光学系
としてもよい。

【００２５】次に、第２の実施形態を図２、３を参照し
て説明する。図２は第２の実施形態の構成を示した図で
ある。図２において、図１に示す電気光学プローブと同
一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
この図に示す電気光学プローブが図１に示す電気光学プ
ローブと異なる点は、アイソレータ１６の構成から、１
／２波長板７を省き、偏光ビームスプリッタ６、９とフ
ァラディ素子８によって構成した点である。ただし、偏
光ビームスプリッタ６は、コリメートレンズ１０によっ
て変換された平行光の光軸を中心として４５度回転して
ある。

【００２６】図３は、偏光ビームスプリッタ６、９と集
光レンズ１２、１４とフォトダイオード１３、１５とを
プローブヘッド１側から見た側面図である。この図に示
したように、偏光ビームスプリッタ６の偏光面を４５度
回転することによって、コリメートレンズ１０から出射
した平行光は、偏光ビームスプリッタ９を通り、ファラ
ディ素子８によって偏光面が４５度回転するが、偏光ビ
ームスプリッタ６の偏光面を４５度回転して配置したの
で、１／２波長板７を省いても光は通過する。以下、前
述したように反射膜２ａによって反射され、偏光ビーム
スプリッタ６、９によって分離され、集光レンズ１２、
１４によって集光されてフォトダイオード１３、１５へ
入射する。

【００２７】このように、１／２波長板７を省いても偏
光ビームスプリッタ６、集光レンズ１２、及びフォトダ
イオード１３を、光軸を中心として４５度回転すること
によって、１／２波長板７を設けた時と同等の動作が得
られ、さらに、構成部品を削減でき、組立作業時の調整
箇所を減らすことができる。

【００２８】なお、上記実施の形態において、レーザダ
イオード１１から連続光を発するようにすれば、リアル
タイムオシロスコープ、サンプリングオシロスコープ、
スペアナ等の従来からある汎用測定器による信号測定も
可能となる。この場合、フォトダイオード１３、１５に
ＥＯＳオシロスコープに代えて、専用コントローラを介
して、リアルタイムオシロスコープ、サンプリングオシ
ロスコープ、スペアナなどを接続するようにすればよ
い。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１に記載の
発明によれば、端面に反射膜を形成した電気光学素子の
取付角度の公差を緩和することができるため、組立作業
を容易にすることができるという効果が得られる。ま
た、電気光学素子を含むプローブヘッドを交換する場合
でも、プローブヘッドの組立における取付角度のばらつ
きがあっても、安定した性能を得ることができ、さらに
プローブヘッド交換後の光軸合わせ等の調整が不要にな
るという効果が得られる。

【００３０】また、請求項４に記載の発明によれば、電
気光学プローブを構成する光学部品を削減することがで
きるため、コストの低減、調整箇所の削減、不要な反射
光の削減をすることができるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明における第１の実施形態の構成を示し
た構成図である。

【図２】 本発明における第２の実施形態の構成を示し
た構成図である。

【図３】 図２に示した実施形態の光学系の配置を示し
た側面図である。

【図４】 従来技術による電気光学プローブの構成を示
した構成図である。

【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 ３ 電気光学素子用集光レンズ ４ １／２波長板 ５ １／４波長板 ６ 偏光ビームスプリッタ ７ １／２波長板 ８ ファラデー素子 ９ 偏光ビームスプリッタ １０ レーザダイオード用コリメートレンズ １１ レーザダイオード １２ フォトダイオード用集光レンズ １３ フォトダイオード １４ フォトダイオード用集光レンズ １５ フォトダイオード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 太田 克志 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 八木 敏之 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 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 永妻 忠夫 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 久良木 億 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 大野 一英 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 神 好人 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 2G011 AA01 AC32 2G025 AB09 AB12 AC06 CC06 DA03 EB03 EC03 2G032 AF07

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 オシロスコープ本体の制御信号に基づい
   てレーザ光を発するレーザダイオードと、 前記レーザ光を平行光にするコリメートレンズと、 端面に反射膜を有する電気光学素子と、 前記コリメートレンズと前記電気光学素子との間に設け
   られ、前記レーザダイオードが発したレーザ光を通過さ
   せ前記レーザ光が前記反射膜によって反射された反射光
   の分離をするアイソレータと、 前記アイソレータによって分離された反射光を電気信号
   に変換するフォトダイオードと、 を備える電気光学プローブにおいて、 前記アイソレータと前記電気光学素子との間に設けら
   れ、前記平行光を前記反射膜上の１点に集光して、前記
   反射膜によって反射された前記反射光を再び平行光にし
   て、前記反射膜に対して入射する光の光軸と前記反射膜
   によって反射された光の光軸とを一致させる集光レンズ
   を備えたことを特徴とする電気光学プローブ。
2. 【請求項２】 前記フォトダイオード及び前記レーザダ
   イオードは、電気光学サンプリングオシロスコープに接
   続され、 前記レーザダイオードは、前記レーザ光を前記電気光学
   サンプリングオシロスコープからの制御信号に基づいて
   パルス光として発することを特徴とする請求項１記載の
   電気光学プローブ。
3. 【請求項３】 前記レーザダイオードは、前記レーザ光
   として連続光を発することを特徴とする請求項１記載の
   電気光学プローブ。
4. 【請求項４】 前記アイソレータ部は、前記レーザダイ
   オードの出射したレーザ光を通過させ、反射膜によって
   反射された前記レーザ光を分離する第１及び第２の偏光
   ビームスプリッタと、 偏光面を４５度回転するファラディ素子と、 からなり、 前記第２の偏光ビームスプリッタは、前記レーザ光の光
   軸を中心として４５度回転して配置したことを特徴とす
   る請求項１に記載の電気光学プローブ。