JP2023001463A - 光電圧プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】完成された１つの光電圧プローブだけを使用しても、広い範囲の電圧信号の測定を可能とする光電圧プローブを提供する。【解決手段】２つの変調電極１１，１２を備え、その印加電圧に依存して入射光を強度変調して出力する光変調器１と、光変調器１に接続された入出力光ファイバ２と、被測定点に接触可能な２つの接触端子３、４を着脱可能に構成した２つの接触端子取り付け部５，６と、接触端子３，４の間に生ずる電圧信号を変調電極１１，１２に導く信号線路と、パッケージ８と、を有し、電圧信号を光強度変調信号に変換して入出力光ファイバ２より出力する電圧プローブヘッドであって、信号線路に直列に挿入されてパッケージ８内に収納されたトリマコンデンサ３３と、その容量をパッケージ８の外部より調整する調整手段を備え、印加する電圧信号の振幅を調整手段により調整可能とした。【選択図】図１

Description

本発明は、接触端子から得られる電圧信号を光変調器に印加して光変調信号に変換し、光ファイバによりその光変調信号を出力する光電圧プローブに関する。

近年、高速のＣＰＵ等を用いた様々な制御装置が開発されており、誤動作の防止対策のため、その電気回路基板等で発生するノイズ信号の検出や、電気回路基板等のノイズ耐性試験等が行われている。これらの試験においては、電気回路基板上に設置された電気部品の入出力信号や配線上を伝わる電気信号を正確に測定することが要求されている。

電気部品や配線の電気信号を測定する一般的な方法は、接触端子を有する電気プローブにより被測定点の電気信号をオシロスコープ等の測定器に導いてその伝達された電圧波形等を測定する方法である。しかし、被測定点のグランドレベルが測定器と異なる場合や、グランドされていない２点間の電圧信号を測定する場合等には、アースからの信号の混入や電気プローブの有する容量の影響などのため、正確な電圧波形の測定が困難となる。特に高周波領域においては上記のグランドや容量の影響は大きい。
さらに、ＩＣ、ＬＳＩ等の集積回路において、入力インピーダンスおよび出力インピーダンスは５０Ωではないものが多く、例えばアンプ素子については高インピーダンス入力、低インピーダンス出力となっている。このため入力インピーダンスが小さい電気プローブを使ってノイズ入力電圧を測定すると、電気プローブ側に電流が流れてしまい、本来測定すべきノイズ電圧を低下させるプロービングの負荷効果が生じてしまう。

この問題を解決する手段として、電圧信号を光信号に変換し、その光信号を光ファイバにより測定器に導く光電圧プローブを使用した測定器が開発されている。この方式では、プローブの有する容量成分が非常に小さいため、入力インピーダンスが非常に高く、被測定点と測定器が電気的に完全に分離される。光電圧プローブでは高周波成分まで測定でき、グランドの影響や途中での電気信号ノイズの混入等を防ぐことができる。

このような従来の光電圧プローブの例が特許文献１及び２に記載されている。導波路型の光変調器を用いた光電圧プローブであって、ニオブ酸リチウム結晶基板上に形成した分岐干渉型光変調器の２つの変調電極間に接触端子の電圧信号を印加して光強度変調信号を得るものである。光源とＯ／Ｅ変換器とを備えた装置と光電圧プローブは光ファイバで接続されている。特許文献１の光電圧プローブは、電波の遮蔽効果を有するパッケージを用いることにより、周囲の電磁波ノイズに影響されることなく被測定点の電圧信号を正確に測定可能とするものであり、特許文献２の光電圧プローブは、想定外の電圧入力による破壊のリスクを軽減することを可能とするものである。

特許第６８１３７６３号公報 特開２０２０－８５３７号公報

上記の導波路型の光変調器により光信号に変換して電圧信号を測定するプローブでは、測定対象の電圧信号の大きさに依存して最適な変調電極を設計することが可能である。この設計により、それぞれの測定対象とする範囲の電圧信号に対応した光電圧プローブを実現することができる。しかし、光電圧プローブヘッドに使用する光変調器が固定されると、印加電圧の振幅に対する光強度変調信号の変調度が決まり、検出可能な電圧信号の大きさの範囲は限られてしまう。特許文献２の光電圧プローブでは、変調電極に直列にコンデンサを挿入して構成することにより変調電極だけで決定される電圧信号よりも大きな電圧信号に対応可能としているが、やはりその測定電圧範囲は一定の範囲に限られてしまっていた。すなわち、従来の光電圧プローブでは、完成された１つの光電圧プローブだけを使用して、広い範囲の電圧信号を測定することはできない、という問題があった。

本発明の目的は、上記の課題を解決し、完成された１つの光電圧プローブだけを使用しても、広い範囲の電圧信号の測定を可能とする光電圧プローブを提供することにある。

上記課題を解決するため、第１の観点では、本発明による光電圧プローブは、少なくとも２つの変調電極を備え、該２つの変調電極間の電圧に依存して入射光を強度変調して出力する光変調器と、前記光変調器に接続された入力光ファイバ及び出力光ファイバと、前記変調電極に接続され、電気回路又は電気配線上の被測定点に接触可能な２つの接触端子、又は、前記変調電極に接続され、電気回路又は電気配線上の被測定点に接触可能な接触端子を接触させて着脱可能に構成した２つの接触端子取り付け部と、前記接触端子を前記被測定点に接触させることにより前記接触端子の間に生ずる電圧信号を前記変調電極に導く信号線路と、前記光変調器と前記入力光ファイバ及び前記出力光ファイバの一部を収納したパッケージと、を有し、前記電圧信号を前記光変調器により光強度変調信号に変換して前記出力光ファイバより出力する電圧プローブヘッドであって、前記信号線路のいずれかに直列に挿入されて前記パッケージ内に収納されたコンデンサと、該コンデンサの容量を前記パッケージの外部より調整する調整手段とを備え、前記変調電極に印加される前記電圧信号の振幅を前記調整手段により調整可能としたことを特徴とする。

本発明の光電圧プローブにおいては、上記のように、２つの接触端子の間の電圧信号を光変調器の変調電極に導く信号線路のいずれかに直列に挿入されたコンデンサをパッケージ内に有している。また、このコンデンサの容量を前記パッケージの外部より調整する調整手段を備えている。変調電極に直列に挿入されたコンデンサの存在により、接触端子で検出された電圧信号の振幅は、コンデンサの容量と変調電極の有する容量とに依存した所定の割合で縮小されて変調電極に印加されるので、本発明においては、その容量を外部より調整可能とすることで、接触端子間の電圧信号を任意の大きさに縮小して変調電極に印加することができる。これにより、完成された１つの光電圧プローブだけを使用しても、従来よりも大幅に広い範囲の電圧信号の測定が可能となる。

ここで、コンデンサの容量をパッケージの外部より調整する調整手段の一つは、コンデンサとして、市販の一般的な可変容量コンデンサやトリマコンデンサ等の回転軸を回転させることによりコンデンサの容量を変えられるコンデンサを用い、その回転軸を外部より調整可能とするような穴をパッケージに設ける方法である。他の方法としては、変調電極の一方に容量の異なるコンデンサを並列に接続して置き、そのコンデンサの出力側を外部より選択して信号線路側と接続する方法等がある。

なお、光電圧プローブでは回路基板等の測定点に接触端子を接触させて測定を行うが、接触端子は光電圧プローブに一体として設けてもよく、又は、目的に合わせて接触端子を選択可能とするため、光電圧プローブに接触端子取り付け部を備えてもよい。

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点の光電圧プローブにおいて、前記コンデンサの容量の最小値が前記２つの変調電極間の容量の２倍未満であって、前記コンデンサの容量が最大値となるときに前記変調電極に印加される前記電圧信号の振幅に対し前記コンデンサの容量が最小値となるときに前記変調電極に印加される前記電圧信号の振幅は２／３以下であることを特徴とする。

本発明において、直列に挿入されるコンデンサの容量が変調電極間の容量の２倍であるときは、直列に挿入されるコンデンサの容量と変調電極間の容量の比が２：１となるので、変調電極に印加される電圧信号の振幅は接触端子での振幅の２／３となり、接触端子で検出可能な電圧信号の振幅は１．５倍となる。一方、直列に挿入されるコンデンサの容量を調整し、変調電極間の容量に比べて十分に大きくしたときは、変調電極に印加される電圧信号の振幅は、接触端子での振幅とほぼ等しくなる。そこで、このようなコンデンサの容量の調整により、検出可能な電圧信号のダイナミックレンジは、コンデンサがない場合、又はコンデンサの容量が固定されている場合の１．５倍となる。従来に比べダイナミックレンジが１．５倍以上になれば光電圧プローブの適用範囲は非常に広くなる。さらに、コンデンサの容量の最小値が変調電極間の容量に比べ、等しい場合、１／２の場合、１／３の場合は、それぞれ、変調電極に印加される電圧信号の振幅は接触端子での振幅の、１／２、１／３、１／４となるので、接触端子で検出可能な電圧信号の振幅はさらに大きくなり、検出可能な電圧信号のダイナミックレンジはさらに大きくなる。

第３の観点では、本発明は、前記第１又は第２の観点の光電圧プローブにおいて、前記コンデンサは、回転軸を有する筐体に組み込まれて前記回転軸を回転することにより容量を調整可能とした可変容量コンデンサであって、前記パッケージは、外部より前記回転軸を回転させるための用具を差し込むための穴を有することを特徴とする。本観点の発明は、一般的な可変容量コンデンサやトリマコンデンサ等の回転軸をパッケージに設けた穴からドライバ等を挿入して回転させることによりコンデンサの容量を変えるものである。

第４の観点では、本発明は、前記第３の観点の光電圧プローブにおいて、前記調整の後に、前記穴を塞ぐ手段を有することを特徴とする。パッケージに穴を開けたままにしておくと、パッケージが電磁波の遮蔽効果を有する場合には遮蔽効果の劣化が生じてしまう。そこで遮蔽材料をその穴に挿入するか、又は遮蔽材料で穴の蓋をする等の方法により遮蔽効果の劣化を防ぐことができる。また、穴を塞ぐことにより、パッケージ内への埃等の侵入をふせぐことができる。

第５の観点では、本発明は、前記第１又は第２の観点の光電圧プローブにおいて、前記コンデンサは前記変調電極の一方に並列に接続された複数のコンデンサを有し、該複数のコンデンサの少なくとも１つを選択して前記信号線路に直列に接続する接続手段を有することを特徴とする。本観点の発明では、例えば、変調電極の一方に並列に互いに容量の異なる複数のコンデンサの一方の端子を接続しておき、上記のコンデンサの１つを選択してその他方の端子を接触端子又は接触端子取り付け部から導かれる信号線路に接続する切り替え器等を備え、その切り替え器の操作をパッケージの外部より操作可能とすることにより、信号線路に直列に挿入されるコンデンサの容量を調整することができる。

第６の観点では、本発明は、前記第１又は第２の観点の光電圧プローブにおいて、前記変調電極の一方に並列に接続された容量が互いに異なる複数のコンデンサと、該複数のコンデンサにそれぞれ直列に接続され、電気回路又は電気配線上の被測定点に接触可能な接触端子を接触させて着脱可能に構成した複数の接触端子取り付け部と、前記変調電極の他方に接続され、電気回路又は電気配線上の被測定点に接触可能な接触端子を接触させて着脱可能に構成した１つの接触端子取り付け部を有することを特徴とする。本観点の発明では、それぞれ異なる容量のコンデンサを直列に接続した信号線路を有する複数の接触端子取り付け部を備えており、接触端子取り付け部を選択することにより接触端子から導かれる信号線路に直列に挿入されるコンデンサの容量を選択して調整することができる。

第７の観点では、本発明は、前記第１乃至第６の観点の光電圧プローブにおいて、前記パッケージは、前記接触端子又は前記接触端子取り付け部を開放にして測定周波数の電波を照射した場合に出力する前記光強度変調信号の強度が、該パッケージがない場合に出力する光強度変調信号の強度に対して１５ｄＢ以上の減衰を生ずる電波の遮蔽効果を有することを特徴とする。光変調器を電波の遮蔽効果を有するパッケージで覆うことにより、測定個所の周囲の電磁波ノイズが光変調器の変調電極や変調電極に至る途中の信号線路等の配線により受信されるのを防ぐことができる。光電圧プローブでは、電波の遮蔽効果として、接触端子に何も接続しない状態において、パッケージがない場合に受信される電磁波ノイズ信号を１５ｄB以上減衰させる遮蔽効果を有するパッケージであれば、実用上、目的とする十分な性能が得られることを発明者らの実験により確認している。

なお、電波の遮蔽効果を得るためのパッケージの材料としては、金属が代表的な材料であるが、金属以外にもカーボンのような導電体材料も可能であり、また、電波吸収体でパッケージを構成してもよい。パッケージの形状は光変調器及び接触端子から変調電極に至る途中の配線を内部に収納して覆うものであれば任意の形状が可能である。光電圧プローブにおいて、測定時に接触端子からの電磁波ノイズの受信を防ぐため、接触端子の長さはできるだけ短い方が望ましい。また、接触端子取り付け部を有する場合、接触端子取り付け部はパッケージの表面の位置より内側に設置されていることが望ましい。その部分がパッケージより外側に突出していると、接触端子を接続したときの突出部分の全体の長さも長くなり、電磁波ノイズのアンテナとなってしまうからである。

第８の観点では、本発明は、前記第１乃至第７の観点の光電圧プローブにおいて、前記光変調器は、ニオブ酸リチウム結晶基板上に形成された光導波路を用いた分岐干渉型光変調器であることを特徴とする。本観点の発明は、光変調器として、従来から用いられているニオブ酸リチウム結晶上に形成された光導波路による分岐干渉型光変調器を用いるものである。分岐干渉型光変調器の基本構成は、光の入射側から延びる入力光導波路と、入力光導波路から二股に分岐して延びる２本の位相シフト導波路と、その２本の位相シフト光導波路が合流して光の出射側につながる出力光導波路と、位相シフト導波路に並行に配置された変調電極により構成される。電圧信号を変調電極を介して位相シフト導波路に印加し、位相シフト光導波路の屈折率を変化させ、その２つの位相シフト光導波路を通過した光が合流して干渉し、光強度が変調される。小型、高効率、広帯域の光変調器が得られるので、本発明の光電圧プローブに適している。

第９の観点では、本発明は、前記第８の観点の光電圧プローブにおいて、前記光変調器は、入射光を内部で反射して折り返す反射型光変調器であって、前記入力光ファイバと出力光ファイバは１本の入出力光ファイバで構成されていることを特徴とする。本観点の発明の反射型光変調器は、入射光を位相シフト導波路において反射させて入射側の光導波路に戻す構成を用いる。このような反射型の光変調器の構成を用いることにより、透過型の光変調器に比べて同じ電極長に対して２倍の長さ光が透過するので、光変調器の高効率化、広帯域化が可能となり、かつ小型化が可能となる。さらに、光変調器に接続される光ファイバが１本であるので取り扱いが容易となる。

第１０の観点では、本発明は、前記第８又は第９の観点の光電圧プローブにおいて、前記２つの変調電極間には、該２つの変調電極と互いに容量結合した少なくとも１つの電極を有することを特徴とする。本観点の発明は、変調電極として、長手方向に分割され互いに容量結合した複数の電極からなるいわゆる分割電極を用いるものである。一般的に、変調電極の光導波路に沿った長さを長くすると変調効率が高くなり、光電圧プローブにおける検出電圧感度は大きくなる。しかし、変調電極の長さを長くすると電気容量は増加してしまう。電極容量が大きいと電気信号の周波数が高くなるにつれて等価的なインピーダンスが低下し、電極に印加される電圧が低下することにより変調効率が低下する。そこで、高周波の信号検出のためには、電極の容量はできるだけ小さいことが望ましい。この変調電極の長さと電気容量のトレードオフの関係を改善する有力な手段が、１つの変調電極を容量結合した複数の電極に分割した分割電極である。この分割電極を使用することにより、高効率、広帯域の光変調器を得ることができる。

上記のように、本発明により、完成された１つの光電圧プローブだけを使用しても、広い範囲の電圧信号の測定を可能とする光電圧プローブが得られる。

実施例１に係る光電圧プローブの構成を模式的に示す構成図であり、図１（ａ）は透過型の平面図、図１（ｂ）は透過型の側面図、図１（ｃ）は接触端子取り付け部の部分拡大断面図。 実施例１に係る光電圧プローブを用いた測定システムのブロック構成図。 実施例１の光電圧プローブに内蔵される反射型の光変調器の構成の一例を模式的に示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）はＡ－Ａ断面図。 実施例２に係る光電圧プローブの構成を模式的に示す図であり、図４（ａ）は透過型の平面図、図４（ｂ）は複数のコンデンサを備えた信号線路部の構成を示す部分拡大平面図、図４（ｃ）は透過型の側面図、図４（ｄ）はコンデンサの選択構造の部分拡大断面図。 実施例３に係る光電圧プローブの構成を模式的に示す図であり、図５（ａ）は透過型の平面図、図５（ｂ）は光変調器上に配置された複数のコンデンサ電極の構成を示す部分拡大平面図、図５（ｃ）は透過型の側面図。

以下、図面を参照して本発明の光電圧プローブを実施例により詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、その重複した説明を省略する。

図１は実施例１に係る光電圧プローブの構成を模式的に示す構成図であり、図１（ａ）は透過型の平面図、図１（ｂ）は透過型の側面図、図１（ｃ）は接触端子取り付け部の部分拡大断面図である。

図１において、本実施例の光電圧プローブ１０は、２つの変調電極１１及び１２を備え、変調電極１１と変調電極１２間の電圧に依存して入射光を強度変調して出力する光変調器１と、光変調器１に接続された入力光ファイバ及び出力光ファイバとを備えている。さらに、電気回路又は電気配線上の被測定点に接触可能に構成される２つの接触端子３及び４をそれぞれ接続可能に構成した接触端子取り付け部５及び６備え、接触端子３、４を被測定点に接触させることにより接触端子の間に生ずる電圧信号を変調電極１１、１２にそれぞれ導く信号線路を備えている。

本実施例においては、光変調器１は、入射光を内部で反射して折り返す反射型光変調器であって、光変調器１への入力光ファイバと光変調器１からの出力光ファイバは１本の入出力光ファイバ２で構成されている。入出力光ファイバ２の先端は、光変調器１の入出射端面と端面同士を接着固定するため、フェルール７内に挿入され固定されている。また、光変調器１はパッケージ８に固定された台座９に固定され、光変調器１及び入出力光ファイバ２の一部は、金属で構成された直方体状のパッケージ８の中に収納されている。

パッケージ８内には、光変調器１に隣接して接続基板３０が固定されている。接続基板３０上には、接触端子３から変調電極１１に至る信号線路の一部として接続線路部３１と、接触端子４から変調電極１２に至る信号線路の一部として接続線路部３２が設置されている。接続線路部３１には変調電極１１と接触端子取り付け部５との間に直列にトリマコンデンサ３３が接続されている。トリマコンデンサ３３は、回転軸を有する筐体に組み込まれてその回転軸を回転することにより容量を調整可能としたコンデンサであり、パッケージ８の上部に設けた穴３４よりドライバを挿入してトリマコンデンサ３３の上部のマイナス溝を回転できるようにしている。接続線路部３２は変調電極１２と接触端子取り付け部６との間を接続する電極パッドである。変調電極１１及び１２と接続線路部３１及び３２との間、及び接続線路部３１及び３２と接触端子取り付け部５及び６との間は、それぞれリード線で接続されている。また、本実施例では遮蔽効果の劣化を防ぐため、穴３４を塞ぐための金属又は導電物質で構成された蓋３５を備えている。

接触端子取り付け部５及び６は、図１（ｃ）に示すように、筒状の絶縁体１４と、その内部に収納され固定された金属の筒状の端子挿入部１５とからなり、測定時には接触端子取り付け部５の端子挿入部１５に接触端子３が挿入され、接触端子取り付け部６の端子挿入部１５に接触端子４が挿入される。端子挿入部１５には接続線路部３１又は３２へ接続するためのリード線１６が取り付けられ、絶縁体１４がパッケージ８に固定されている。本実施例においては、接触端子取り付け部５及び６はパッケージ８の表面の位置より内側に設置されている。また、２つの接触端子取り付け部５と６の中心間隔は５ｍｍ程度であり、２つの接触端子３及び４が取り付けられたとき、その間隔Ｐも５ｍｍ程度となる。このように接触端子の間隔を３ｍｍ以上離すことにより、高い入力インピーダンスが得られている。

次に、本実施例の光電圧プローブ１０を用いた測定システムについて説明する。
図２は実施例１に係る光電圧プローブを用いた測定システムのブロック構成図である。図２に示すように、光電圧プローブ１０には、光送受信ユニット２１より入出力光ファイバ２を通して入射光１７が送られ、光変調器１より出力される光強度変調信号１８が同じ入出力光ファイバ２より送受信ユニット２１に入力される。
光送受信ユニット２１は、半導体レーザ等の光源２２、Ｏ／Ｅ変換器２３、入射光１７と光強度変調信号１８を分離するための送受分離器２４、アンプ２５を備えている。光源２２からの出射光は送受分離器２４を通して入出力光ファイバ２に結合し、入出力光ファイバ２から戻る光強度変調信号１８は送受分離器２４を通してＯ／Ｅ変換器２３に入力する。Ｏ／Ｅ変換器２３において光強度変調信号１８は電気信号に変換され、アンプ２５により増幅されて出力端子２６に出力される。その電気信号はオシロスコープ等の測定器２７の入力端子２８に入力される。送受分離器２４は、光サーキュレータ、光ファイバ分岐、半透過ミラーのいずれかを用いて構成することができる。

図２は、被測定点として、電気回路基板２９上に組み込まれた電気部品１９の２つの端子間に印加されている電圧信号を測定する場合を示している。電気部品１９の測定しようとする２つの端子に光電圧プローブ１０の接触端子３及び４を接触させる。

以上のように、接触端子３及び４を通して入力される電圧信号はトリマコンデンサ３３の容量と変調電極１１及び１２間の容量とに依存した所定の割合で縮小されて変調電極１１及び１２に導かれ、この電圧信号が光変調器１により光強度変調信号１８に変換される。その光強度変調信号１８は光送受信ユニット２１内で電気信号に変換される。測定器２７によりその電圧波形を観測等することにより電気部品１９の２つの端子間に印加されている電圧信号波形を把握することができる。

図３は、本実施例の光電圧プローブ１０に内蔵される反射型の光変調器１の構成の一例を模式的に示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）はＡ－Ａ断面図である。

図３において、光変調器１は、電気光学効果を有する結晶であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）結晶からＸカットで切り出して作られた基板４１と、基板４１の上面側にＴｉ拡散によって作られた分岐干渉型光導波路４２と、基板４１の上面側に成膜されたバッファ層４３と、バッファ層４３の上に成膜された変調電極１１及び１２を含む変調電極部４４と、基板４１の一方の端部に設置された光反射部４５とから構成されている。変調電極部４４は、スパッタリング等によって成膜されたクロム（Ｃｒ）と金（Ａｕ）の２層膜である。

分岐干渉型光導波路４２は、入力光の入射側に延びる１本の入出力光導波路４２ａと、入出力光導波路４２ａから二股に分岐して延びる２本の位相シフト導波路４２ｂ，４２ｃとから構成されている。入出力光導波路４２ａや位相シフト光導波路４２ｂ，４２ｃでは、延伸方向に垂直な方向の幅Ｗはすべて等しい。また、位相シフト光導波路４２ｂ，４２ｃは、それらの延伸方向の長さはほぼ等しい。

これらの光導波路の幅Ｗは、５～１２μｍの範囲にある。位相シフト光導波路４２ｂ，４２ｃの延伸方向の長さは、１０～３０ｍｍの範囲にある。位相シフト光導波路４２ｂと４２ｃは、その中央部分が幅方向へ所定の間隔で離間し、互いに平行に延びている。中央部分における位相シフト光導波路４２ｂと４２ｃの間の間隔は、１５～５０μｍの範囲にある。なお、入出力光導波路４２ａ、位相シフト光導波路４２ｂ、４２ｃの幅Ｗ、位相シフト光導波路４２ｂ，４２ｃの長さ、位相シフト光導波路４２ｂ、４２ｃ間の間隔について特に限定はなく、それら寸法を任意に設定することができる。

バッファ層４３は、光導波路４２を伝播する光の一部が変調電極部４４に吸収されることを防止する目的で設けられる。バッファ層４３は、主として二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜等から作られ、その厚さは０．１～１．０μｍ程度である。

光変調器１においては、変調電極部４４は、分岐干渉型光導波路４２の長手方向に分割され互いに容量結合した３つの電極４６、４７、４８からなる分割電極により構成されている。なお、電極４６は変調電極１１の一部であり、電極４８は変調電極１２の一部である。信号入力側の変調電極１１の一部である電極４６は、位相シフト光導波路４２ｂと４２ｃの間に配置された電極部４６ａを有している。電極４７は、位相シフト光導波路４２ｂ，４２ｃを挟んで電極部４６ａの両側に配置された電極部４７ｂと、位相シフト光導波路４２ｂと４２ｃの間に配置された電極部４７ａを有している。変調電極１２の一部である電極４８は、位相シフト光導波路４２ｂ，４２ｃを挟んで電極部４７ａの両側に配置された電極部４８ｂを有している。変調電極１１と１２間で、電極４６と４７、及び電極４７と４８は互いに容量結合して直列に配置されていることになる。

基板４１の入出力光導波路４２ａの光入出射端には入出力光ファイバ２の入出射端面が結合している。光反射部４５は、入出力光導波路４２ａから入射して位相シフト光導波路４２ｂ，４２ｃを伝播した光を反射し、位相シフト光導波路４２ｂ，４２ｃから入出力光導波路４２ａへ戻して伝播させる。変調電極１１及び１２間への電圧印加により、電極部４６ａと４７ｂとの間、及び電極部４７ａと４８ｂとの間の２つの位相シフト光導波路４２ｂ，４２ｃ中に互いに逆向きに電界が印加される。これにより、位相シフト光導波路４２ｂと４２ｃには互いに逆向きの屈折率変化が生じ、それらを通過する光に互いに逆極性の位相シフトが生じ、それらの光が合流するときに互いに干渉して強度変化が生ずる。これにより変調電極１１及び１２間への印加電圧に対応した光強度変化を有する光強度変調信号が得られる。

本実施例の具体的な設計値の一例として、変調電極１１と１２の間の容量の値を２ｐＦ程度とすることができ、この場合トリマコンデンサ３３の容量を０．５～４ｐＦの間で調整可能とすると、接触端子３及び４間の電圧信号は調整により１／５～２／３程度の範囲で縮小されて変調電極１１と１２の間に印加されるので、光電圧プローブの検出可能な電圧信号のダイナミックレンジはトリマコンデンサ３３がない場合の３倍以上となり、広い範囲の電圧信号の測定が可能となる。

図４は実施例２に係る光電圧プローブの構成を模式的に示す図であり、図４（ａ）は透過型の平面図、図４（ｂ）は複数のコンデンサを備えた信号線路部の構成を示す部分拡大平面図、図４（ｃ）は透過型の側面図、図４（ｄ）はコンデンサの選択構造の部分拡大断面図である。図４に示すように、本実施例２の光電圧プローブ２０において、実施例１と同様に、光変調器１が金属で構成された直方体状のパッケージ３８内に設置され固定され、被測定点に接触可能に構成される２つの接触端子３及び４をそれぞれ接続可能に構成した接触端子取り付け部５及び６を備え、接触端子３、４を被測定点に接触させることにより接触端子の間に生ずる電圧信号を変調電極１１、１２にそれぞれ導く信号線路を備えている。

パッケージ３８内には、光変調器１に隣接して接続基板５０が固定されている。接続基板５０上には、接触端子３から変調電極１１に至る信号線路の一部として接続線路部５１と、接触端子４から変調電極１２に至る信号線路の一部として接続線路部５９が設置されている。接続線路部５９は、変調電極１２と接触端子取り付け部６とを接続する電極パッドである。接続線路部５１には変調電極１１側の電極パッド５２と接触端子取り付け部５側の電極パッド５３が対抗して設けられている。電極パッド５２と５３の間には信号線路部５４、５５、５６、５７からなる４つの信号線路部が設けられ、その中の任意の１つの信号線路部を選択して接触端子３から変調電極１１に至る信号線路に直列に接続可能に構成されている。信号線路部５４には電極パッド５２に接続した電極パッドが設置され電極パッド５３との間に隙間を設けている。信号線路部５５、５６、５７には電極パッド５２に接続したそれぞれ容量の異なるチップコンデンサが設置され、すべて電極パッド５３との間に隙間を設けている。

さらに、信号線路部５４、５５、５６、５７と電極パッド５３との間の隙間を上部から覆ってそのいずれかの対向電極間を短絡する薄い金属板５８ａをゴム等の弾力性を有する絶縁体棒５８ｂの先端に設けた短絡棒５８を挿入する４つの管を備えた差込部６０を設けている。また、短絡棒５８を上から押さえて固定し、かつ、差込部６０を塞ぐための蓋６１を備えている。これにより、信号線路部５４、５５、５６、５７と電極パッド５３との間のいずれかを選択して短絡棒５８により短絡することができる。

本実施例の具体的な設計値の一例として、変調電極１１と１２の間の容量の値を２ｐＦとする場合、信号線路部５５、５６、５７に接続したチップコンデンサの容量をそれぞれ４ｐF、１ｐＦ、０．５ｐFとすれば、接触端子３及び４間の電圧信号は、それぞれの信号線路部を通過して変調電極に印加される場合、それぞれ、２／３、１／３、１／５となるので、光電圧プローブの検出可能な電圧信号のダイナミックレンジは切り替えにより信号線路部５４のみを通過する通常の場合に比べて５倍まで可能となり、広い範囲の電圧信号の測定が可能となる。

図５は実施例３に係る光電圧プローブの構成を模式的に示す図であり、図５（ａ）は透過型の平面図、図５（ｂ）は光変調器上に配置された複数のコンデンサ電極の構成を示す部分拡大平面図、図５（ｃ）は透過型の側面図である。図５に示すように、本実施例３の光電圧プローブ７０において、実施例１と同様に、変調電極１１及び１２を有する光変調器８１が金属で構成された直方体状のパッケージ８８内に設置され、台座８９により固定されている。本実施例においては、被測定点に接触可能に構成される接触端子３を接続可能に構成した４つの接触端子取り付け部８３，８４、８５、８６と接触端子４を接続可能にした接触端子取り付け部８２を備えている。接触端子３、４を被測定点に接触させることにより接触端子の間に生ずる電圧信号は、接触端子取り付け部８３，８４、８５、８６のいずれか１つと接触端子取り付け部８２を通過する信号線路により変調電極１１、１２に導かれる。接触端子取り付け部８２～８６の基本構造は接触端子取り付け部５及び６と同じである。

本実施例の光変調器８１の変調電極は、実施例１の光変調器１の変調電極１１及び１２と同様な変調電極を有し、それらの電極の外部への取り出し部として変調電極１１及び１２にそれぞれ電極パッド７１及び電極パッド７２を付加している。電極パッド７２は変調電極１２を電極端子取出し部８２に接続するための電極パッドである。図５（ｂ）に示すように、電極パッド７１には、電極パッド７１に接続された電極パッド７３と、電極パッド７１とそれぞれ異なる間隔ｄを挟んで対向する電極パッドからなるコンデンサ電極７４、７５、７６が設置され、電極パッド７３、コンデンサ電極７４、７５、７６はそれぞれ電極端子取出し部８３、８４、８５、８６に接続されている。すなわち、電極パッド７１とコンデンサ電極７４，７５、７６によりそれぞれ異なる容量のコンデンサが構成されており、接続端子３を接続する電極端子取出し部８３、８４、８５、８６の選択により、接続端子３及び４の間に生ずる電圧信号は、直列に挿入された異なる容量のコンデンサを経由して変調電極１１及び１２に導かれる。

本実施例の具体的な設計値の一例として、変調電極１１と１２の間の容量の値を２ｐＦとする場合、コンデンサ電極７４、７５、７６の幅を１～２ｍｍ、電極７１との間の間隔ｄの値をそれぞれ２．５μｍ、５．０μｍ、１０μｍ程度とすると、電極７１との間で構成されるコンデンサの容量はそれぞれ１～３ｐＦ、０．５～１．５ｐＦ、０．３～０．８ｐＦ程度となる。これにより、接触端子３及び４間の電圧信号は、接触端子取り付け部８４、８５、８６をそれぞれ通過して変調電極に印加される場合、それぞれ、１／２程度、１／３程度、１／５程度となるので、光電圧プローブの検出可能な電圧信号のダイナミックレンジは接触端子８３のみを通過する通常の場合よりも大幅に拡大される。

上記のように、本発明の光電圧プローブにおいては、従来よりも大幅に広い範囲の電圧信号の測定が可能となる。

なお、本発明は上記の実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、目的に応じて様々な変形が可能である。例えば、信号線路に直列に挿入されてパッケージ内に収納されたコンデンサ、及びそのコンデンサの容量をパッケージの外部より調整する調整手段は上記の実施例に示した以外のものであってもよい。また、使用する光変調器の方式は反射型だけでなく、透過型光変調器であってもよい。変調電極に分割電極を使用する場合、その分割数は、目的とする測定電圧の周波数、振幅などに応じて任意に設定可能である。変調電極は分割電極でなくともよい。接触端子及び接触端子取り付け部の形状、構造、接続及び固定方法なども目的に合わせて選択可能である。また、パッケージの材料も目的に合わせて選択可能である。パッケージの形状や構造も任意に選択可能である。

１ 光変調器
２ 入出力光ファイバ
３，４ 接触端子
５，６，８２，８３，８４，８５，８６ 接触端子取り付け部
７ フェルール
８，３８，８８ パッケージ
９，８９ 台座
１０，２０，７０ 光電圧プローブ
１１，１２ 変調電極
１３ 固定部品
１４ 絶縁体
１５ 端子挿入部
１６ リード線
１７ 入射光
１８ 光強度変調信号
１９ 電気部品
２１ 光送受信ユニット
２２ 光源
２３ Ｏ／Ｅ変換器
２４ 送受分離器
２５ アンプ
２６ 出力端子
２７ 測定器
２８ 入力端子
２９ 電気回路基板
３０，５０ 接続基板
３１，３２，５１，５９ 接続線路部
３３ トリマコンデンサ
３４ 穴
３５，６１ 蓋
４１ 基板
４２ 分岐干渉型光導波路
４２ａ 入出力光導波路
４２ｂ，４２ｃ 位相シフト光導波路
４３ バッファ層
４４ 変調電極部
４５ 光反射部
４６，４７，４８ 電極
４６ａ，４７ａ，４７ｂ，４８ｂ 電極部
５２，５３，７１，７２，７３ 電極パッド
５４，５５，５６，５７ 信号線路部
５８ 短絡棒
５８ａ 金属板
５８ｂ 絶縁体棒
６０ 差込部
７４，７５，７６ コンデンサ電極

Claims (10)

1. 少なくとも２つの変調電極を備え、該２つの変調電極間の電圧に依存して入射光を強度変調して出力する光変調器と、
   前記光変調器に接続された入力光ファイバ及び出力光ファイバと、
   前記変調電極に接続され、電気回路又は電気配線上の被測定点に接触可能な２つの接触端子、又は、前記変調電極に接続され、電気回路又は電気配線上の被測定点に接触可能な接触端子を接触させて着脱可能に構成した２つの接触端子取り付け部と、
   前記接触端子を前記被測定点に接触させることにより前記接触端子の間に生ずる電圧信号を前記変調電極に導く信号線路と、
   前記光変調器と前記入力光ファイバ及び前記出力光ファイバの一部を収納したパッケージと、を有し、
   前記電圧信号を前記光変調器により光強度変調信号に変換して前記出力光ファイバより出力する電圧プローブヘッドであって、
   前記信号線路のいずれかに直列に挿入されて前記パッケージ内に収納されたコンデンサと、該コンデンサの容量を前記パッケージの外部より調整する調整手段とを備え、
   前記変調電極に印加される前記電圧信号の振幅を前記調整手段により調整可能としたことを特徴とする光電圧プローブ。
2. 前記コンデンサの容量の最小値が前記２つの変調電極間の容量の２倍未満であって、前記コンデンサの容量が最大値となるときに前記変調電極に印加される前記電圧信号の振幅に対し前記コンデンサの容量が最小値となるときに前記変調電極に印加される前記電圧信号の振幅は２／３以下であることを特徴とする請求項１に記載の光電圧プローブ。
3. 前記コンデンサは、回転軸を有する筐体に組み込まれて前記回転軸を回転することにより容量を調整可能とした可変容量コンデンサであって、前記パッケージは、外部より前記回転軸を回転させるための用具を差し込むための穴を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光電圧プローブ。
4. 前記調整の後に、前記穴を塞ぐ手段を有することを特徴とする請求項３に記載の光電圧プローブ。
5. 前記コンデンサは前記変調電極の一方に並列に接続された複数のコンデンサを有し、該複数のコンデンサの少なくとも１つを選択して前記信号線路に直列に接続する接続手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光電圧プローブ。
6. 前記変調電極の一方に並列に接続された容量が互いに異なる複数のコンデンサと、該複数のコンデンサにそれぞれ直列に接続され、電気回路又は電気配線上の被測定点に接触可能な接触端子を接触させて着脱可能に構成した複数の接触端子取り付け部と、
   前記変調電極の他方に接続され、電気回路又は電気配線上の被測定点に接触可能な接触端子を接触させて着脱可能に構成した１つの接触端子取り付け部を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光電圧プローブ。
7. 前記パッケージは、前記接触端子又は前記接触端子取り付け部を開放にして測定周波数の電波を照射した場合に出力する前記光強度変調信号の強度が、該パッケージがない場合に出力する光強度変調信号の強度に対して１５ｄＢ以上の減衰を生ずる電波の遮蔽効果を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光電圧プローブ。
8. 前記光変調器は、ニオブ酸リチウム結晶基板上に形成された光導波路を用いた分岐干渉型光変調器であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光電圧プローブ。
9. 前記光変調器は、入射光を内部で反射して折り返す反射型光変調器であって、前記入力光ファイバと出力光ファイバは１本の入出力光ファイバで構成されていることを特徴とする請求項８に記載の光電圧プローブ。
10. 前記２つの変調電極間には、該２つの変調電極と互いに容量結合した少なくとも１つの電極を有することを特徴とする請求項８又は９に記載の光電圧プローブ。
    
    

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