JP2003344457A

JP2003344457A - 電気光学プロ―ブ

Info

Publication number: JP2003344457A
Application number: JP2002155556A
Authority: JP
Inventors: Akinari Ito; 昭成伊藤; Koju Yanagisawa; 幸樹柳沢
Original assignee: Ando Electric Co Ltd
Current assignee: Ando Electric Co Ltd
Priority date: 2002-05-29
Filing date: 2002-05-29
Publication date: 2003-12-03

Abstract

(57)【要約】【課題】測定感度及び測定精度を向上させることがで
きる電気光学プローブを提供する。【解決手段】電気光学素子１３は、金属ピン１１を介
して結合される電界に応じて入射する検出光の偏光状態
を変える。この電気光学素子１３は、近傍に金属ピン１
１が配置される面に、金属ピン１１と電気光学素子１３
との電気的結合を高めるとともに、入射した前記検出光
を反射する金属反射膜１５を備える。

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
て生ずる電界を電気光学素子に結合させ、電気光学結結
晶に入射させた検出光の偏光状態の変化により被測定信
号を測定する電気光学プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】電気光学プローブは、電気光学素子と、
被測定信号により生ずる電界を電気光学素子に結合させ
る金属ピンと、電気光学素子に検出光としてのレーザ光
を入射させる光源と、電気光学素子を介したレーザ光の
偏光状態を検出する検出回路とを含んで構成される。こ
の電気光学プローブを用いた被測定信号を測定する場合
には、被測定信号の伝送線路（例えば、マイクロストリ
ップライン）に電気光学プローブの金属ピンを当接させ
て被測定信号により生ずる電界を電気光学素子に結合さ
せた状態で、例えば円偏光のレーザ光を電気光学素子に
入射させ、電気光学素子を介したレーザ光の偏光状態を
検出回路で検出する。

【０００３】上記の電気光学プローブにおいて、電気光
学素子に入射させるレーザ光をパルス状にして被測定信
号をサンプリングするサンプリング機能を備えるものが
案出されている。かかるサンプリング機能を備える電気
光学プローブは、被測定信号を極めて高い時間分解能で
測定することが可能となる。このサンプリング機能を備
える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。

【０００４】この電気光学サンプリングオシロスコープ
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）被測定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となる、
（２）電気光学プローブの先端にある金属ピンが回路系
（上記の検出回路等）から絶縁されており高入力インピ
ーダンスを実現できるため被測定点の状態を殆ど乱すこ
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であるといった特徴を有
する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年におい
ては電気光学サンプリングオシロスコープの測定感度及
び測定精度の向上が望まれている。上述したように、電
気光学サンプリングオシロスコープに設けられる電気光
学プローブは金属ピンを介して被測定信号により生ずる
電界を電気光学素子に結合させている。このため、測定
感度を向上させるためには電気光学プローブに設けられ
ている電気光学素子に対して極力損失が無く効率よく被
測定信号により生ずる電界を結合させる必要がある。

【０００６】また、上述したように電気光学プローブは
電気光学素子にレーザ光を入射させて電気光学素子を介
したレーザ光の偏光状態を検出しているため、入射させ
たレーザ光を電気光学素子から損失無く効率的に取り出
すことも測定感度を向上させる上では極めて重要にな
る。更に、測定精度の向上のためには電気光学素子内に
おけるレーザ光の多重反射に起因するノイズを低減する
ことも重要になる。

【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、測定感度及び測定精度を向上させることができる
電気光学プローブを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の電気光学プローブは、検出光を射出する光
（２１）源と、結合される電界に応じて入射する前記検
出光の偏光状態を変化させる電気光学素子（１３）と、
当該電気光学素子の近傍に配置されて被測定信号により
生ずる電界を前記電気光学素子に結合させる金属ピン
（１１）と、前記電気光学素子を介した検出光の偏光状
態を検出する検出手段（２９）とを備える電気光学プロ
ーブにおいて、前記電気光学素子は、近傍に前記金属ピ
ンが配置される面に、前記金属ピンと前記電気光学素子
との電気的結合を高めるとともに、入射した前記検出光
を反射する金属反射膜（１５）を備えることを特徴とし
ている。この発明によれば、検出光を反射するために電
気光学素子に設けられる反射膜として、金属ピンと電気
光学素子との電気的結合を高める金属反射膜を設けてい
るため、測定感度及び測定精度を向上させることができ
るという効果がある。また、本発明の電気光学プローブ
は、前記検出光の進行方向における前記電気光学素子の
長さが、５ｍｍよりも短い長さに設定されることを特徴
としている。また、本発明の電気光学プローブは、前記
電気光学素子が、前記検出光の入射面側に前記検出光の
損失が少なく、前記電気光学素子の長さを補うための光
透過性部材（１４）を備えることを特徴としている。ま
た、本発明の電気光学プローブは、前記電気光学素子及
び前記光透過性部材は、対向する面が前記検出光の進行
方向に対して傾斜して形成されていることを特徴として
いる。また、本発明の電気光学プローブは、前記光透過
性部材が、前記検出光の入射面に反射防止膜（１６）を
備えることを特徴としている。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態による電気光学プローブについて詳細に説明す
る。図１は、本発明の一実施形態による電気光学プロー
ブの構成を示す図である。図１に示すように、本発明の
一実施形態による電気光学プローブ装置は、大別すると
プローブヘッド１０と絶縁体で構成されたプローブ本体
２０とから構成される。尚、本実施形態においては、電
気光学サンプリングオシロスコープ設けられる電気光学
プローブを例に挙げて説明する。

【００１０】プローブヘッド１０は、金属ピン１１と電
気光学素子部材１２とを含んで構成される。金属ピン１
１は、その長さが３ｍｍ程度に設定されており、被測定
信号の測定時において、その先端部が被測定信号の伝送
線路（例えば、マイクロストリップライン）に当接さ
れ、被測定信号により生ずる電界を電気光学素子部材１
２に結合させる。金属ピン１１は、プローブヘット１０
の中心に嵌め込まれている。電気光学素子部材１２は、
結合される電界に応じて入射する検出光（レーザ光）の
偏光状態を変化させるためのものであり、金属ピン１２
に接している。

【００１１】ここで、金属ピン１１及び電気光学素子部
材１２について詳細に説明する。図２は、金属ピン１１
及び電気光学素子部材１２の構成を詳細に示す図であ
る。尚、図２において、図１に示した部材と同一の部材
には同一の符号を付してある。図２に示すように、電気
光学素子部材１２は、電気光学素子１３と光透過性部材
１４とを含んで構成され、四角柱又は円柱形状の部材で
ある。

【００１２】電気光学素子１３は、例えばＣａＴｅ、Ｂ
ｉＳiＯ₂、ＬｉＮＯ₃等の電気光学結晶から構成され、
結合される電界に応じて副屈折率が変化し、入射する検
出光（レーザ光）の偏光状態を変化させる。この電気光
学素子１３は、その一端面（金属ピン１１が近傍に配置
される面又は金属ピン１１が接する面）に、金属ピン１
１と電気光学素子１２との電気的結合を高めるととも
に、入射した検出光を反射する金属反射膜１５が設けら
れている。

【００１３】この金属反射膜１５は、例えばアルミニウ
ムを蒸着して形成され、その膜厚は１００ｎｍ程度であ
る。電気光学素子１３に入射した検出光を反射させるた
めには、誘電体多層膜によっても実現することができ
る。しかしながら、反射率を高めるためには誘電体多層
膜の膜厚は数μｍ程度必要となり、金属ピン１１と電気
光学素子１２との間に隙間が生じてしまい、金属ピン１
１と電気光学素子１２との電気的結合が弱まる結果とし
て検出感度が低下してしまう。本実施形態では、金属ピ
ン１１と電気光学素子１２との電気的結合を高め、且つ
検出光の反射率を高反射率に維持するために、金属反射
膜１５を設けている。

【００１４】尚、金属反射膜１５と電気光学素子１３と
の接合強度が弱い場合には、金属反射膜１５を形成する
面に１００ｎｍ程度の薄い膜厚を有するＳｉＯ₂等の下
地層を形成し、この下地層上に金属反射膜１５を形成し
ても良い。また、上記金属ピン１１は銀ペーストにより
金属反射膜１５に接着される。ここで、金属ピン１１と
金属反射膜１５との接着力が弱い場合には、金属反射膜
１５上に１００ｎｍ程度の薄い膜厚を有するＳｉＯ₂等
の下地層を形成してから金属ピン１１を接着するように
しても良い。

【００１５】図２において、符号Ｄ１を付して示した検
出光の進行方向における電気光学素子１３の長さは、５
ｍｍよりも短い長さ、好ましくは１ｍｍ程度に設定され
る。これは被測定信号により生ずる電界を結合させるた
めには、電気光学素子１３の長さが５ｍｍよりも短い長
さ（１ｍｍ程度）であれば十分であることがシミュレー
ションの結果から得られたためである。

【００１６】ここで、電気光学素子１３内における電界
の様子について説明する。図３は、電気光学素子１３内
の電界の様子を概略的に示す図である。図３において、
Ｗは表面にマイクロストリップラインＳＬが形成され、
裏面に接地電極ＧＬが形成された基板である。マイクロ
ストリップラインＳＬ中を進行する被測定信号を測定す
る場合には、図３に示すように金属ピン１１の先端をマ
イクロストリップラインＳＬに当接させる。

【００１７】かかる状態において、マイクロストリップ
ラインＳＬ中を進行する被測定信号により生ずる電界
（電気力線）は金属反射膜１５から放射されるが、放射
された電気力線は図３に示すように、殆どが基板Ｗの面
方向へ広がる。そして、基板Ｗを介して接地電極ＧＬに
至る経路を辿る。このため、電気光学素子１３の長さを
長くしても電界の電気的結合は高くならない。

【００１８】検出光の進行方向Ｄ１における電気光学素
子１３の長さが長くなると検出光の吸収が大きくなっ
て、却って検出感度を低下させる原因となる。電気光学
素子１３の長さが５ｍｍに設定されている場合に、検出
光が電気光学素子１３を往復すると、例えば２ｄＢ程度
の損失が生ずる。本実施形態では、高い測定感度を得る
ために被測定信号により生ずる電界との十分な電気的結
合が得られ、かつ吸収の影響を抑えるために、検出光の
進行方向Ｄ１における電気光学素子１３の長さは、５ｍ
ｍよりも短い長さ、好ましくは１ｍｍ程度に設定され
る。

【００１９】また、例えば電気光学プローブの製造時に
おいては、電気光学素子１３そのものを取り扱う必要が
あるが、電気光学素子１３の取り扱いには５ｍｍ程度以
上の長さを必要とする。上述したように電気光学素子１
３の長さを５ｍｍより短い長さ（１ｍｍ程度）に設定す
ると、電気光学素子１３の取り扱いに不具合が生ずる。
かかる不具合を防止するために、検出光の入射面側に電
気光学素子１３の長さを補う光透過性部材１４が設けら
れる。

【００２０】この光透過性部材１４は、例えばガラス等
の吸収等による検出光の損失が少ない材質が用いられ
る。光透過性部材１４は電気光学素子１３の検出光の入
射面側に光学接着剤を用いて接着される。光透過性部材
１４の長さは、電気光学素子１３の長さとの和が５ｍｍ
程度以上になるように設定される。例えば、電気光学素
子１３の長さが１ｍｍであれば、光透過性部材１４の長
さは４ｍｍ程度以上に設定される。

【００２１】ここで、電気光学素子１３と前記光透過性
部材１４との対向する面１３ａ，１４ａが検出光の進行
方向Ｄ１に対して傾斜して形成されている。これは、光
透過性部材１４と電気光学素子１３との境界面（面１３
ａ，１４ａ）における検出光の反射光がノイズになって
測定精度を悪化させるのを防止するためである。更に、
同様の理由で、光透過性部材１４における検出光の入射
面（面１４ｂ）には、検出光に対する反射防止膜１６が
形成されている。

【００２２】図１に戻り、プローブ本体２０は、光源２
１、コリメートレンズ２２、偏光ビームスプリッタ２
３、ファラデー素子２４、偏光ビームスプリッタ２５、
１／４波長板２６、コリメートレンズ２７、コリメート
レンズ２８、及びフォトダイオード２９を含んで構成さ
れる。尚、上記の偏光ビームスプリッタ２３、ファラデ
ー素子２４、偏光ビームスプリッタ２５、及び１／４波
長板２６は、アイソレータ３０を構成する。

【００２３】光源２１は、レーザダイオードから実現さ
れ、例えば円偏向の検出光（レーザ光）を射出する。コ
リメートレンズ２２は光源２１から射出された検出光を
平行光に変換する。偏光ビームスプリッタ２３は、入射
する光（電気光学素子部材１２を介した光）を、その偏
光状態に応じて反射又は透過させるものである。この偏
光ビームスプリッタ２３は、キューブ形のビームスプリ
ッタを２個組み合わせた形をしたビームスプリッタであ
り、分離した光（反射光）を更に９０度偏向させること
ができるものである。

【００２４】ファラデー素子２４は、入射する光の偏光
面を４５度回転する。偏光ビームスプリッタ２５は、上
記の偏光ビームスプリッタ２３と同様のものである。１
／４波長板２６は、２つ設けられたフォトダイオード２
９各々に入射する検出光の強度比を調整するものであ
る。コリメートレンズ２７は、１／４波長板２６からの
検出光を集光して電気光学素子部材１２に入射させ、電
気光学素子部材１２からの検出光を平行光に変換するも
のである。コリメートレンズ２８は、偏光ビームスプリ
ッタ２３からの光を集光する。

【００２５】フォトダイオード２９は、コリメートレン
ズ２８で集光された光を光電変換して電気信号に変換す
る。ここで、コリメートレンズ２８及びフォトダイオー
ド２９は、各々２個設けられている。これは、電気光学
素子部材１２からの光の偏光状態（Ｐ偏光、Ｓ偏光）毎
の光強度を得るためである。ここで、光源２１、偏光ビ
ームスプリッタ２３，２５、及びフォトダイオード２９
の位置関係について説明する。

【００２６】図４は、光源２１、偏光ビームスプリッタ
２３，２５、及びフォトダイオード２９の位置関係を示
す図である。この図は、図１に示した電気光学プローブ
を光源２１から電気光学素子部材１２の方向に向かって
見た図である。図４に示すように、偏光ビームスプリッ
タ２３，２５は、光源２１の光軸を中心として４５度回
転された状態で配置されている。従って、２つのフォト
ダイオード２９もこれに合わせて光源２１の光軸周りに
４５度回転させた位置に配置されている。これによっ
て、偏光ビームスプリッタ２３によって分離された検出
光と偏光ビームスプリッタ２５によって分離された検出
光とを異なるフォトダイオード２９へ導くことができ
る。各フォトダイオード２９の検出結果は不図示の電気
光学サンプリングオシロスコープに出力される。

【００２７】上記構成において、光源２１から検出光が
射出されると、検出光はコリメートレンズ２２によって
平行光に変換されて、偏光ビームスプリッタ２３、ファ
ラデー素子２４、及び偏光ビームスプリッタ２５を通過
した後、１／４波長板２７を介してコリメートレンズ２
７によって集光されて電気光学素子部材１２に入射す
る。

【００２８】検出光が電気光学素子部材１２に入射する
と、光透過性部材１４を透過した後、電気光学素子１３
に入射し、電気光学部材１３の金属ピン１１側に形成さ
れた金属反射膜１５で反射される。金属反射膜１５で反
射された検出光は電気光学素子１３及び光透過性部材１
４を順に透過した後、コリメートレンズ２７によって再
び平行光に変換され、１／４波長板２７を介して偏光ビ
ームスプリッタ２５へ入射する。

【００２９】偏光ビームスプリッタ２５に入射した検出
光の一部は、偏光ビームスプリッタ２５により反射され
て、一方のコリメートレンズ２８を介して一方のフォト
ダイオード１２へ入射する。また、偏光ビームスプリッ
タ２５を透過した検出光は、偏光ビームスプリッタ２３
で反射されて、他方のコリメートレンズ２８を介して他
方のフォトダイオード２９へ入射する。

【００３０】被測定信号を測定する場合には、金属ピン
１１を測定点に接触させる。この被測定点に印加される
被測定信号の電圧値に応じた電界（電気力線）が金属反
射膜１５から電気光学素子１３に放射され、この電界の
大きさに応じてポッケルス効果による複屈折率の変化量
が変わる。これにより、光源２１から射出された検出光
が電気光学素子１３に入射して、その検出光が電気光学
素子１３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検出光は、金属反射膜１
５によって反射され、２つのフォトダイオード２９にそ
れぞれ入射して電気信号に変換される。

【００３１】測定点における被測定信号の電圧値の変化
に伴って、電気光学素子１３内における検出光の偏光状
態は変化するが、この偏光状態の変化は、２つのフォト
ダイオード２９から出力される電気信号の大きさの変化
として現れる。よって、２つのフォトダイオード２９か
ら出力される電気信号の大きさの変化（又は、２つのフ
ォトダイオード２９から出力される電気信号の差分）を
検出することによって、被測定信号を測定することがで
きる。

【００３２】尚、上記実施形態においては、電気光学サ
ンプリングオシロスコープに設けられる電気光学プロー
ブについて説明したが、光源２１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。この場合においては、
フォトダイオード２９から出力される信号をリアルタイ
ムオシロスコープ、サンプリングオシロスコープ、スペ
クトラムアナライザ等に出力すれば良い。

【００３３】また、上記実施形態においては、偏光ビー
ムスプリッタ２５で反射された検出光と偏光ビームスプ
リッタ２３で反射された検出光との双方を検出している
が、何れか一方のみを用いて検出光の偏光状態を検出す
るようにしても良い。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
検出光を反射するために電気光学素子に設けられる反射
膜として、金属ピンと電気光学素子との電気的結合を高
める金属反射膜を設けているため、測定感度及び測定精
度を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態による電気光学プローブ
の構成を示す図である。

【図２】金属ピン１１及び電気光学素子部材１２の構
成を詳細に示す図である。

【図３】電気光学素子１３内の電界の様子を概略的に
示す図である。

【図４】光源２１、偏光ビームスプリッタ２３，２
５、及びフォトダイオード２９の位置関係を示す図であ
る。

【符号の説明】

１１金属ピン１３電気光学素子１４光透過性部材１５金属反射膜１６反射防止膜２１光源２９フォトダイオード（検出手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】検出光を射出する光源と、結合される電
界に応じて入射する前記検出光の偏光状態を変化させる
電気光学素子と、当該電気光学素子の近傍に配置されて
被測定信号により生ずる電界を前記電気光学素子に結合
させる金属ピンと、前記電気光学素子を介した検出光の
偏光状態を検出する検出手段とを備える電気光学プロー
ブにおいて、前記電気光学素子は、近傍に前記金属ピンが配置される
面に、前記金属ピンと前記電気光学素子との電気的結合
を高めるとともに、入射した前記検出光を反射する金属
反射膜を備えることを特徴とする電気光学プローブ。
【請求項２】前記検出光の進行方向における前記電気
光学素子の長さは、５ｍｍよりも短い長さに設定される
ことを特徴とする請求項１記載の電気光学プローブ。
【請求項３】前記電気光学素子は、前記検出光の入射
面側に前記検出光の損失が少なく、前記電気光学素子の
長さを補うための光透過性部材を備えることを特徴とす
る請求項２記載の電気光学プローブ。
【請求項４】前記電気光学素子及び前記光透過性部材
は、対向する面が前記検出光の進行方向に対して傾斜し
て形成されていることを特徴とする請求項３記載の電気
光学プローブ。
【請求項５】前記光透過性部材は、前記検出光の入射
面に反射防止膜を備えることを特徴とする請求項４記載
の電気光学プローブ。