JP2521656B2 - ピコセコンドの分解能を有する電気信号の測定 - Google Patents

ピコセコンドの分解能を有する電気信号の測定

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JP2521656B2 JP58500851A JP50085183A JP2521656B2 JP 2521656 B2 JP2521656 B2 JP 2521656B2 JP 58500851 A JP58500851 A JP 58500851A JP 50085183 A JP50085183 A JP 50085183A JP 2521656 B2 JP2521656 B2 JP 2521656B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ピコセコンドの分解能を有する電気信号の測定 本発明は，ピコセコンドの分解能を有する電気信号の
測定装置，詳しくは，分析される信号をピコセコンドで
電気光学的にサンプリングする信号分析および表示のた
めの装置に関する。
本発明は，特に，ピコセコンドの光検出器，光導電ス
イツチ，および他の超高速素子によつて発生されるよう
な小さい（ミリボルトの振幅），過渡的な信号の測定に
適しているものであり，ピコセコンドの正確さをもつて
このような信号の応答特性を測定することを可能にする
ものである。
超高速電気信号の測定を行なうことは困難であつた。
サンプリングオシロスコープが使用されていたが，一般
的には、約25ピコセコンドである電子工学的サンプリン
グウインドウにより時間的な分解能が限定されている。
５ないし10ピコセコンドのような短い電気過渡現象を分
析するに十分な速さでアモルフアス半導体がスイツチさ
れ得るということが示唆され（D.H.Auston,et al.,App
l.Phys.Lett.37,371,1980参照）。測定の分解能は，約1
0ピコセコンドである実質的な回復時間によつて拘束さ
れている。Alferness,et al.,Appl.Phys.Lett,37
（７）,597,1980の論文によると，光電スイツチ／変調
器自身の応答は，ピコセコンドの光サンプリングパルス
によつて測定されるが，一般に電気信号の表示および分
析に対しては行なわれていない。電気信号をサンプリン
グするのに，この電気信号と光ビームが結晶に沿つて同
じ方向に伝播している電気光学的技術を使用することが
示唆されている（1971年10月19日発行のGunnの米国特許
第3,614,451号参照）。しかしながら，ピコセコンドの
範囲における測定の分解能については記載されていな
い。
本発明の目的は，時間的におよび振幅において（例え
ば，ピコセコンドの領域における時間的な分解能および
最低100マイクロボルト以下の感度で）高い分解能をも
つて電気光学的に電気信号を測定する改良された装置を
提供するにある。
本発明の他の目的は，振幅における変化（例えば,20
ピコセコンド以下のようなピコセコンド領域における立
ち上り時間）を表示し，分析することができるような非
常に広い帯域幅（例えば,20GHz以上）を有する信号を分
析し，表示することができる改良された装置を提供する
にある。
本発明の更に他の目的は，電気信号の分析および表示
に対して極めて高い感度（例えば，最低100マイクロボ
ルト以下の感度）を有し，かつ時間的に高い分解能（例
えば，ピコセコンド領域において）を有する装置を提供
するにある。
本発明の別の目的は，超高速動作する（例えば，ピコ
セコンドで作動する）光検出器および光導電スイツチの
ような光学的に作動する素子の応答特性を測定する改良
された装置を提供するにある。
本発明の更に別の目的は，ポツケルス効果を使用して
電気光学的にサンプリングすることにより電気信号を測
定する改良された装置を提供するにある。
本発明の更にまた別の目的は，電気光学サンプリング
装置による時間的および振幅における分解能の制限が低
減されている電気光学的サンプリングを使用した改良さ
れた信号分析および表示装置を提供するにある。
簡単に記載すると，本発明を具体化する電気信号をピ
コセコンドの分解能をもつて測定する装置は，信号の連
続的に発生する部分を電気光学的にサンプリングする進
行波ポツケルスセルを含む手段を使用する。信号を分析
し，測定し得るように，信号の継続時間に比例し，より
長い時間ベースで信号を表示するのにサンプリングした
ものを処理する手段が採用する。
本発明の前記および他の目的，特徴および利点，およ
びその現在の好適実施例は，添付図面についての次の記
載を閲読することにより明白となるであろう。
第１図は，本発明を実施するピコセコンドの分解能を
もつて電気信号を測定する電気光学的装置を説明するブ
ロツク図であり， 第２図は，第１図に示す偏光手段および進行波ポツケ
ルスセルを有する電気光学的サンプリング装置の透過曲
線図であり， 第３図は，典型的な電気信号,1980年８月19日に発行
されたG.Mourouの米国特許第4,218,618号に記載されて
いる形式のクロム・ドープ処理されたガリウム・ヒ化物
光導電固体スイツチの検出器の応答を表示しているもの
である。
より詳しくは第１図を参照すると，光パルス発生器10
は，ミラー16,18,20および22によつて画定される別々の
通路12および14に沿つて同時に発生する別々のパルス列
を発生し，伝送する。この発生器10は，レーザ，好まし
くはCWアルゴンレーザによつてエネルギーを供給される
CWモードロツクリングダイレーザである。リングレーザ
は，パルスを発生し，通路12および14に沿つてパルスを
伝播する衝突パルスモードロツク（CPM）レーザとして
作動する。サブピコセコンドのパルスを発生するどのよ
うなレーザを使用してもよい。本実施例におけるパルス
は,6150オングストロームの波長のものであり，レーザ
ポンプは,5145オングストロームである。パルスは100MH
zの速度で繰返し，サブピコセコンドの継続時間，例え
ば120フエムトセコンドの継続時間を有する。
通路14は，電気光学的サンプリングチヤンネル24を通
過するものであつて，光サンプリングパルス用のもので
ある。通路12に沿つて伝播されるパルスは，測定される
べき信号の発生および伝播を同期化するために使用され
る。このパルスは，本実施例においては光導電素子であ
る信号源26を駆動する。本装置は，この素子の応答特性
を測定する。チヤンネル24を介して伝送される光サンプ
リングパルスと同期して電気光学的サンプリング用に発
生又はスイツチされるいかなる信号も本装置の手段によ
つて測定され得るものである。信号源26が，光作動固体
スイツチのような光導電素子である場合には，それは光
パルスによつて直接作動される。従つて，測定される信
号は，自動的に光サンプリングパルスと同期する。
サンプリングチヤンネル24には，進行波ポツケルスセ
ル28が使用される。ポツケルスセルは，形成される電界
に比例した屈折率を有する複屈折物質の結晶である。こ
の結晶は，リチウム・ニオブ酸塩で構成されていること
が好ましく，またリチウム・タンタル酸塩（LiTaO3）の
結晶を使用してもよい。進行波ポッケルスセル（travel
ling wave Pockels cell）とは、それを通って電圧パル
スが進行するように構成されたポッケルスセルを意味す
る。結晶は矩形であつて，電気信号の伝播方向において
長さｌを有し，通過する光パルスの伝送方向に幅ｗを有
し，厚さｔである。l,wおよびｔがそれぞれほぼ10ミリ
メートル,1.5ミリメートル,0.7ミリメートルである結晶
を使用した場合，少なくとも17GHzの帯域幅を有する信
号が最低感度100ミリボルトで測定された。感度は厚さ
に対する幅の比率に比例し，基本的な帯域幅は幅（光サ
ンプリングパルスがセル内にある時間）に逆比例するの
で，幅および厚さの寸法を小さくすることによつて感度
を低下させることなく,50GHz以上の帯域幅を提供するこ
とができる。従つて，本装置の時間的分解能は非常に高
く，セル内に使用される物質によつて限定されないとい
うことがわかるであろう。
信号源からの電界は，セルの厚さ方向の対向面上のス
トリツプ電極30と接地ストリツプ電極32とによつて形成
される平衡ストリツプ伝送線上をセルの長さ方向に沿つ
て伝播する。信号源26は，好ましくは信号源とストリツ
プ線との間のインピーダンス整合をとつた同軸ケーブル
34によつてストリツプ線に連結されている。他の広帯域
連結手段を使用してもよい。ストリツプ線は，ストリツ
プ線のインピーダンスに整合し，他の同軸ケーブル36に
よつて接続された抵抗Z0に終つている。信号源が光パル
スによつて作動される毎に，信号が送出され，セルの長
さ方向に沿つて伝播される。
サンプリングパルスは，偏光子38を通過して,Eベクト
ル40によつて示されるような直線偏光を発生する。この
光は，レンズ42によつて焦点を合わせられて狭いビーム
になる。偏光の光パルスは，伝播信号により結晶中の電
界の振幅をサンプルし，その偏光を変える。すなわち，
偏光の変化は，信号の振幅の関数として変るのである。
第１の結晶と同じであるが電極のない第２の結晶33が
第１の結晶に隣接して配設して，第２の結晶の常軸と異
常軸は第１の結晶のものと入れ変わつている。これは，
静的な複屈折効果を除去する。結晶28および33を通つて
伝送されたビームは，他のレンズ44によつて平行光線に
され，補償器46および検光子48を通過する。補償器46
は，セル28に信号がない場合に円偏光が検光子48に到着
するように別の可変複屈折結晶を間に置いているのであ
る。これは，分析器の前方にあるＥベクトル50によつて
示されている。
このようにして補償器は,4分の１波長点に変調器構成
38〜48をバイアスしているのである。これは，第２図に
示されており，この第２図の曲線はセルの厚さ方向に電
界を発生する電圧の関数として装置の透過応答特性を示
しているものである。補償器は，透過特性の急峻な傾斜
部で装置を作動させている。ストリツプ線に直流バイア
スを使用して装置をバイアスすることも可能であり，ま
たは円偏光が検光子48に到達するように，バイアスとと
もに，セル28および補償器46中の偏光を変化させる直流
バイアスと補償器との組合せを使用することも可能であ
る。
各光検出器52および56は，検光子に到達する偏光の直
交する直線成分に対応するそれぞれの出力を得る。透過
した成分（Ｅベクトル40に直交するＥベクトル50）は，
光検出器52に到達し，拒否（反射）された成分（Ｅベク
トル40に平行なＥベクトル）は，光検出器56に到達す
る。電気信号がない時，両光検出器の出力は等しい。従
つて光検出器の出力間の差に応答する差動増幅器58は，
本質的にゼロ出力を発生する。信号が伝播すると，検光
子に到達する偏光成分は，信号がストリツプ線に沿つて
伝播する時，信号の極性によつて増加したり，または減
少する単一成分と反対方向に変化するので，この差出力
は変化する。
可変遅延装置60は，チヤンネル24を通つて伝送される
光パルスが信号の逐次部分をサンプルすることを可能に
する。可変遅延装置60は，チヤンネル24およびセル28内
のサンプリングパルスと同期する光学パルスが通過する
遅延手段64を有している。
この遅延手段は，一定の速度，例えば１秒間に１セン
チメートルの速度で直線通路に沿つて往復運動をする。
遅延手段は，光パルスが信号源26に到達する前に，光パ
ルスに往復の通路を与えるように角度反射器70を使用し
ている。遅延手段64が１ミリメートル走行すると，約６
ピコセコンドの遅延を生ずるので，信号源26に到達する
パルスは種々様々に遅延させられている。信号は，パル
スが信号源に到達する毎に，繰返し発生する。光パルス
は種々様々に遅延させられているので，遅延手段が第１
図に示すように，左から右に走行する時信号の異なる各
部分はセル28を通つて伝送される光サンプリングパルス
と一致する。遅延手段60は，点線74で示すように，表示
装置72と連結されているので，遅延手段60の走行速度は
表示装置72の時間ベースと同期している。表示装置がオ
シロスコープである場合には，時間ベースを定める水平
スイープが遅延手段64の変位に対応している。例えば，
遅延手段を動かすモーターまたは電気機械アクチユエー
タを駆動する傾斜電圧が水平スイープを制御するのに使
用されてもよい。従つて，スイープの時間は，セル28内
に送出される信号の種々様々な遅延時間に比例してい
る。それ故，表示は，信号の時間的に拡大された複製で
ある。
チヨツパー62は，典型的には1KHzの速度で信号を効果
的にオン・オフすることによつて，結晶に加えられる電
気信号を符号化するのに使用されている。チヨツパー62
は，光パルスを1KHzの速度で連続パルス群に断続する市
販の回転円盤チヨツパーでよい。通路12に沿つて伝播さ
れる光パルス列は,100MHz,すなわち10ナノセコンドの間
隔で繰返されている。このパルス列は，符号66で示され
ている。このパルス列は,1KHzの速度で繰返すグループ
に断続される。各グループは，符号68で示すように,1/2
ミリセコンドの長さである。チヨツパーは，これらのパ
ルス群の光パルスに同期した速度信号を発生する。ロツ
クイン増幅器76は，同じ周波数に同調されていて，結晶
上の信号の振幅に比例した1KHzの信号を抽出し，これに
より非常に効果的に信号対雑音比を増大している。
更に雑音を低減し，測定感度を増大するべく作動する
信号平均化装置78によつて表示装置に信号が加えられて
いる。装置に使用するのに適したロツクイン増幅器は，
差動増幅器58を前置増幅器として有してもよい。このよ
うなロツクイン増幅器は,EG ＆ G.,Princeton Applied
Research of Princeton,New Jersey（例えば，モデル12
4A）から市販品として入手可能のものである。また，信
号平均化装置は，同じ会社から入手可能のものであつ
て，例えばモデル4202又は4203である。
第３図は,40ボルトでバイアスされ,90マイクロメート
ルの空隙を有し，クロム・ドープ処理されたガリウム・
ヒ化物光導電スイツチの応答特性を示すものである。こ
のスイツチは，チヨツパーおよび可変遅延装置60を通つ
て伝送された光学パルスによつて作動される。各パルス
の光学エネルギーは,0.1ナノジユールである。第３図
は，信号の立ち上り時間が21ピコセコンドであり、半分
の大きさの全幅が65ピコセコンドであることを示してい
る。この表示された立ち上り時間は，図示の実施例の構
造の光学的サンプリング時間，同軸コネクターおよびス
トリツプ線の回旋状の帯域幅制限効果によつている。こ
れらは，帯域幅は感度を増大するように容易に改良する
ことができるものである。
以上の説明は本発明の基本原理を説明したものであっ
て、実際の測定では光学的サンプリングパルスの周波数
を変化させて測定すべき電気信号に同期させる。
前述の記載から，マイクロボルト領域の感度でピコセ
コンド領域の時間応答特性を有して電気パルスを測定す
る改良された装置が提供されていることが明らかであろ
う。本発明の範囲内においてここに記載した装置を変更
および変形することは疑いもなく当業者に示唆されるこ
とであろう。例えば，より高い分解能（50GHz以上の帯
域幅）および100マイクロボルトより良い感度は，セル2
8の結晶の寸法ｗおよびｔを減少することによつて得ら
れるものである。従つて，前述の記載は，例示としての
ものであつて，これによつて限定されるものではないの
である。
フロントページの続き (56)参考文献 米国特許3614451（ＵＳ，Ａ)

Claims (17)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】周波数可変の光パルス発生手段と、伝送線
    を有する進行波ポッケルスセルを含み、光パルスを伝送
    線上の電気信号の伝播方向を横切る方向に前記セルを通
    過して伝播させる光変調手段と、光パルスを電気信号の
    パルスとおおむね同期させる手段と、該ポッケルスセル
    に発生する光学情報をサンプルとして検出する手段と、
    該サンプルを処理して該電気信号を表示する手段を含む
    逐次連続的に発生する電気信号をピコセコンドの分解能
    で測定する装置。
  2. 【請求項２】前記進行波ポッケルスセルを構成する結晶
    が、リチウム・ニオブ酸塩およびリチウム・タンタル酸
    塩から選択されるものである特許請求の範囲第１項に記
    載の装置。
  3. 【請求項３】前記ポッケルスセルを構成する結晶が長方
    形であり、電気信号が伝播される方向の前記結晶の長さ
    が前記光サンプリングパルスが透過する方向の幅よりも
    長く、前記伝送線が、前記幅を形成している対向する二
    つの面上に電極を有し、前記の対向する面が、前記結晶
    の厚さを定め、該結晶に隣接して静的複屈折を補償する
    もう一つの結晶が設けられている特許請求の範囲第１ま
    たは２項に記載の装置。
  4. 【請求項４】前記逐次連続的に発生する電気信号が前記
    光パルスの発生源と同一の発生源によって発生させられ
    る特許請求の範囲第１ないし３項のいずれかの項に記載
    の装置。
  5. 【請求項５】前記逐次連続的に発生する電気信号の発生
    源が、概ね同期する前記光パルスをほぼ一定の速度で繰
    り返し断続して、光パルス群に分ける手段と、該断続手
    段と同期して前記サンプルを処理する手段を作動させる
    手段を有する特許請求の範囲第１ないし４項のいずれか
    の項に記載の装置。
  6. 【請求項６】前記逐次連続的に発生する電気信号の発生
    源が、前記進行波ポッケルスセルを透過する前記光サン
    プリングパルスに対して前記電気信号の発生を可変的に
    遅延させる手段を有する特許請求の範囲第１ないし４項
    のいずれかの項に記載の装置。
  7. 【請求項７】前記逐次連続的に発生する電気信号の発生
    源が、前記各光パルスに応答して繰り返される前記電気
    信号を発生する光導電素子である特許請求の範囲第１な
    いし４項のいずれかの項に記載の装置。
  8. 【請求項８】前記光サンプリングパルスを発生する手段
    が、ある速度でパルス間隔よりも短い継続時間を有する
    光パルスを逐次連続的に発生するレーザ手段を有する特
    許請求の範囲第１ないし７項の何れかの項に記載の装
    置。
  9. 【請求項９】前記レーザ手段が、前記のある速度が100M
    Hzの単位のものであり、前記継続時間が100フェムトセ
    コンドの単位であるパルスを発生する手段を有するモー
    ドロックレーザである特許請求の範囲第８項に記載の装
    置。
  10. 【請求項１０】前記レーザ手段からの前記パルスを、第
    １の導路に沿って前記進行波ポッケルスセルを通らせ、
    また第２の導路に沿って前記信号発生手段へ方向づけ
    し、前記信号の繰り返しを前記光パルスの逐次連続する
    部分に同期させる手段を備えている特許請求の範囲第４
    ないし９項のいずれかの項に記載の装置。
  11. 【請求項１１】光学情報をサンプルとして検出する手段
    が、前記信号のない時に偏光のほぼ等しい強度の直交成
    分を発生する手段と、前記成分の異なる強度に対応する
    別々の出力を前記処理手段に供給する手段とを有する特
    許請求の範囲第１項に記載の装置。
  12. 【請求項１２】光パルスを伝送線上の電気信号の伝播方
    向を横切る方向に前記進行波ポッケルスセルを通過して
    伝播させる光変調手段が、偏光手段と検光手段と、前記
    進行波ポッケルスセルと前記検光手段の間に配設された
    前記進行波ポッケルスセルを通って伝送される偏光を変
    化させる補償手段を有し；光学情報をサンプルとして検
    出する手段が、前記検光手段を透過する偏光の直交成分
    に対応して別々の出力を発生する別々の光検出器を有
    し、前記偏光手段と検光手段とが、前記セルを通る光の
    通過路内の前記セルの対向する側に配設されている特許
    請求の範囲第１項に記載の装置。
  13. 【請求項１３】前記光学情報を処理する手段が、前記別
    々の出力に対応して、それらの振幅の差に対応する出力
    を処理する手段を有する特許請求の範囲第12項に記載の
    装置。
  14. 【請求項１４】前記光学情報を処理する手段が、前記信
    号に同期して作動し、前記差出力を処理するロックイン
    増幅器を有する特許請求の範囲第13項に記載の装置。
  15. 【請求項１５】光パルスを伝送線上の電気信号の伝播方
    向を横切る方向に前記進行波ポッケルスセルを通過して
    伝播させる光変調手段が、光サンプリングパルスの形の
    前記光を前記偏光手段、前記進行波ポッケルスセル、前
    記補償器および前記検光手段を介して前記光検出器に伝
    送させ、前記光サンプリングパルスに同期し、かつ種々
    に遅延した状態で、かつある速度で繰り返す連続パルス
    群で前記セルを通って前記信号を伝播させ、前記光学情
    報を処理して電気信号を表示する手段が、前記連続パル
    ス群で前記ロックイン増幅器をロックする手段を有する
    特許請求の範囲第14項に記載の装置。
  16. 【請求項１６】前記光学情報を処理する手段が、前記ロ
    ックイン増幅手段での処理の後に前記差出力で作動する
    信号平均化手段を有する特許請求の範囲第15項に記載の
    装置。
  17. 【請求項１７】該サンプルを処理して該電気信号を表示
    する手段が、前記信号の可変遅延時間に比例し、かつ同
    期した期間、前記信号平均化装置で平均化した後に、差
    出力を表示する手段を有する特許請求の範囲第16項に記
    載の装置。
JP58500851A 1982-02-12 1983-01-21 ピコセコンドの分解能を有する電気信号の測定 Expired - Lifetime JP2521656B2 (ja)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
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