JP2005164350A - 電子ビーム発生装置及びこの装置を用いた光サンプリング装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 正確な高帯域のサンプリングが可能な電子ビーム発生装置及びこの装置を用いたサンプリング装置を実現する。
【解決手段】 光信号を陰極カソードに照射して電子ビームを発生させる装置と、発生した電子ビームを偏向する偏向電極と、偏向された電子ビームの一部を透過させるサンプリングスリットと、透過した電子ビームの電荷量（又は積算電流）を検出する電荷検出手段を備えている。

【選択図】 図１

Description

本発明は、電子ビーム発生装置及びこの装置で発生した電子ビームの波形をサンプリングする光サンプリング装置に関するものである。
光サンプリングの先行技術としては、例えば下記のようなものがある。
特開平４−２９７８３６号公報 特開２００３−５７１１８号公報
上記特許文献1に記載された技術は、入射する被測定高周波光信号を高周波電気信号に変換するフォトディテクタと、光パルス信号を受光する光導電性スイッチと、フォトディテクタ及び光導電性スイッチの両者間を接続する電極とを有し、光導電性スイッチに入射される光パルス信号によって高周波電気信号をサンプリングして出力信号を出力するように構成されている。
また、電極は、被測定高周波光信号及び光パルス信号が相互に干渉することがない構成とし、且つ電極内での反射波により出力信号に波形歪を生じる寸法より短い寸法にしたものである。
上記特許文献２に記載された技術は、所定の波長範囲内で１光子吸収に応じた１光電子放出の感度を有する電子管と、所定の波長範囲外で所定波長のサンプリング光パルスを発生するパルス光源とを備えている。そして、被測定光とサンプリング光パルスとが電子管の光電面上に合致して入射したときに、光電面に多光子吸収に応じた１光電子放出を生じさせるようにしたものである。
図５は従来より一般に用いられている光サンプリング装置の要部構成図である。
図５において、光信号１はフォトダイオード等の光電変換素子２により電気信号に変換され、その電気信号が電気サンプラ３によりサンプリングされて、オシロスコープ４により表示される。
しかしながら、超高周波の電気信号を電気回路（素子）で取り扱うには、寄生容量やインダクタンスなどの影響が大きく正確な測定が難しいという問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、電気信号を電気回路（素子）で取り扱うことなく、光信号を電子ビームに変換してサンプリングすることにより正確な高帯域のサンプリングが可能な光サンプリング装置を実現することにある。
このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
光信号を陰極カソードに照射し、前記光信号を反映した電子ビームを得るように構成したことを特徴とする。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の電子ビーム発生装置において、
前記陰極カソードは、光信号が照射されたときにトンネル効果によって電子ビームを発生することを特徴とする。
請求項３記載の発明は、
光信号が照射されて前記光信号に関連した電子ビームを発生する陰極カソードと、発生した電子ビームを偏向する偏向電極と、偏向された電子ビームの一部を透過させるサンプリングスリットと、透過した電子ビームの電荷量（又は積算電流）を検出する電荷検出手段を備えたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の光サンプリング装置において、
前記陰極カソード、偏向電極、サンプリングスリットは真空中に配置されたことを特徴とする。
請求項５記載の発明は、請求項３記載の光サンプリング装置において、
前記陰極カソード、偏向電極、サンプリングスリットは第１基板と第２基板の少なくとも一方に形成された凹部に配置され、これら第１，第２基板を密着させて真空封入されたことを特徴とする。
本発明によれば次のような効果がある。請求項１記載の電子ビーム発生装置によれば、
光信号を陰極カソードに照射し前記光信号を反映した電子ビームを得るようにしたので、光−電子ビームの変換が可能となり正確な高帯域のサンプリングができる。
請求項２記載の電子ビーム発生装置によれば、請求項１記載の光サンプリング装置において、
前記陰極カソードは、光信号が照射されたときにトンネル効果によって電子ビームを発生するので速度が速くなる。
請求項３乃至５記載の光サンプリング装置によれば、
光信号が照射されて前記光信号に関連した電子ビームを発生する陰極カソードと、発生した電子ビームを偏向する偏向電極と、偏向された電子ビームの一部を透過させるサンプリングスリットと透過した電子ビームの電荷量（又は積算電流）を検出する電荷検出手段を備えており、
陰極カソード、偏向電極、サンプリングスリットは第１基板と第２基板の少なくとも一方に形成された凹部に配置され、これら第１，第２基板を密着させて真空封入されているので高帯域光サンプリングＩＣを実現することができる。
以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る光サンプリング装置の要部を示す構成図である。
図１において、光信号１はレンズ５により絞られてカーボンナノチューブ（ＣＮＴ）からなる陰極カソ―ド６に照射される。その結果、陰極カソ―ド６からは照射した光信号を反映した電子ビーム７が出射する。即ち、光信号に対応して電子ビームの電流が変化する。
出射した電子ビーム７は偏向電極８により例えば１サイクルの偏向照射幅Ｘが数ｍｍ程度に電子ビームの偏向が調節される。なお、陰極カソードとしての材料はカーボンナノチューブのほか、タングステンフィラメント（Ｗ）、６ホウ化ランタン（ＬａＢ６）、シリコン（Ｓｉ）などを用いることができる。
スリット板９には、例えば１０μｍ程度の幅のサンプリングスリット９ａが形成されており、電子ビーム８の一部がこのスリット９ａを通過する。通過した電子ビームは電極板１０で捕捉され電流計（或いは積算電流計）１１により検出される。
ここで、陰極カソード６にレンズ５を介して絞った光を照射した場合の挙動について図２を用いて説明する。
金属・半導体を問わず伝導帯の電子ｅはフェルミ順位と呼ばれる状態にある。この状態に光エネルギーを照射することにより電子の運動エネルギーが増加し、より高い順位に移り障壁Ｓをトンネルする効果を起こしやすくなる。この現象を利用して陰極カソードに光信号を照射することにより光信号を反映した電子ビームが放出される。
図３はサンプリングスリット幅ｙを１０μｍ、偏向掃引幅を１０ｍｍとし、偏向電極を２ｎｓ（ナノ秒）で動作させた場合の検出周波数帯域を示すものである。
即ち、１０μｍ／１０ｍｍ＝１／１０００
２ｎｓ×１／１０００＝２ｐｓ
なので ｆｃ＝１／２π×２ｐｓ＝８０ＧＨｚ
となる。
従って上述の条件で動作させると８０ＧＨｚの帯域を作り出すことが可能となる。
なお、サンプリングスリット幅（ｙ）、偏向照射幅の機械的寸法の変更や偏向電極の動作周波数を高くすることにより更なる広帯域化や高速化が可能となる。
図４は図１に示す光サンプリング装置をパッケージした状態を示すものである。
図において、矩形状の第１基板２０の一方の面には第１電極より面積の小さな矩形状の第２基板２１が固定されている。これら基板２０，２１を重ね合わせた部分の少なくとも一方の基板には凹部（図示省略）が形成されており、その凹部に図１に示す陰極カソード６，偏向電極８，サンプリングスリット９，電極板１１等が収納されている。
２２は第１部電極の空きスペースに設けられたパッドであり、図1に示す偏向電極８に電圧を印加したり、電極板１１からの電気信号を取り出すためのものである。第２基板２１の一辺の縁部近くには光信号を導入するための光信号入射窓１２が形成されている。なお、この窓は透明体で気密にシールされており、重ね合わされた基板の中に収納された図１に示す陰極カソード６，偏向電極８，サンプリングスリット９，電極板１１等が光サンプリング装置として機能するように真空中に配置されている。
上述のように図１に示す光サンプリング装置を図４に示す構成の真空パッケージに収納することで、高帯域光サンプリングＩＣを実現できる。即ち、高周波電気信号のＩ／Ｏが不要なため、光信号入射窓を有するハーメチックケースであればどのような形状のものでもよい。
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。例えば基板の形状や陰極カソードの材質などは実施例に限ることなく適宜変更可能である。したがって本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
本発明の電子ビーム発生装置及びこの装置を用いた光サンプリング装置の一実施例を示す構成図である。 陰極カソードに光を照射した場合の電子のトンネル効果による挙動を示す図である。 偏向電極とスリットの関係により高速化が可能なことを示す説明図である 光サンプリング装置をパッケージした状態を示す斜視図である 従来の光サンプリング装置を示すブロック構成図である
符号の説明
１ 光信号
２ 受光素子
３ 電気サンプラ
４ オシロスコープ
５ レンズ
６ 陰極カソード
７ 電子ビーム
８ 偏向電極
９ スリット板
９ａ サンプリングスリット
１０ 電極板
１１ 電流計
１２ 光信号入射窓
２０ 第１基板
２１ 第２基板
２２ パッド
























Claims (5)

  1. 光信号を陰極カソードに照射し、前記光信号を反映した電子ビームを得るように構成したことを特徴とする電子ビーム発生装置。
  2. 前記陰極カソードは、光信号が照射されたときにトンネル効果によって電子ビームを発生することを特徴とする請求項１記載の電子ビーム発生装置。
  3. 光信号が照射されて前記光信号に関連した電子ビームを発生する陰極カソードと、発生した電子ビームを偏向する偏向電極と、偏向された電子ビームの一部を透過させるサンプリングスリットと、透過した電子ビームの電荷量（又は積算電流）を検出する電荷検出手段を備えたことを特徴とする光サンプリング装置。
  4. 前記陰極カソード、偏向電極、サンプリングスリットは真空中に配置されたことを特徴とする請求項３記載の光サンプリング装置。
  5. 前記陰極カソード、偏向電極、サンプリングスリットは第１基板と第２基板の少なくとも一方に形成された凹部に配置され、これら第１，第２基板を密着させて真空封入されたことを特徴とする請求項３記載の光サンプリング装置。

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