JP2631138B2 - 電圧測定装置 - Google Patents

電圧測定装置

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JP2631138B2 JP63251532A JP25153288A JP2631138B2 JP 2631138 B2 JP2631138 B2 JP 2631138B2 JP 63251532 A JP63251532 A JP 63251532A JP 25153288 A JP25153288 A JP 25153288A JP 2631138 B2 JP2631138 B2 JP 2631138B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電気光学効果を有する電気光学材料が設け
られた光プローブを用いて被測定物の電圧を測定する電
圧測定装置に関する。
〔従来の技術〕
電気光学効果を有するLiTaO3などの電気光学材料が設
けられた光プローブを用いて集積回路等の被測定物の所
定部分の電圧を測定する電圧測定装置が従来知られてい
る（例えば1984年５月１日発行の米国特許第4,446,425
号、1986年１月発行の文献「IEEE J.Quantum Electroni
cs Vol.QE−22 No.169乃至78頁」、1987年発行の文献
「CLEO′87 第352乃至353頁 著者J.A.Valdmanis」、1
987年発行の文献「LLE Review ７月〜９月号 第158
乃至163頁」など）。
第10図，第11図は上記文献に開示されている電圧測定
の原理図であって、第10図，第11図の各光プローブ50,6
0には、結晶のＺ軸が底端面51,61と平行となるように切
出された電気光学材料52,62が用いられている。
なお、第10図においては、電気光学材料52の底端面51
にはさらに誘電体多層膜による全反射ミラー53が設けら
れている。
被測定物70は、測定されるべき電圧を発生する電極71
の他にこの電極71からの電気力線を終端させるための電
極（例えばアース電極）72を有する構造のものであっ
て、この被測定物70の電極71の電圧を測定するために、
各光プローブ50,60を第10図，第11図に示すような位置
でかつ各電気光学材料52,62のＺ軸が電極71,72を結ぶ線
と平行になるように配置して、被測定物70の表面に対し
て水平方向の電界（電気力線）強度を検出するようにし
ている。すなわち水平方向の電界強度に応じて電気光学
材料52,62の屈折率が変化するので、第10図では光ビー
ムI1を光プローブ50の中心軸線Ｂ−Ｂに沿って入射させ
全反射ミラー53で反射させ、また第11図では光ビームI1
を光プローブ60の内面で３回全反射させて、それぞれ光
プローブ50,60からの出射する光ビームR1の偏光状態の
変化を抽出することによって水平方向の電界強度を検出
し、これによって電極71の電圧を測定している。
〔発明が解決しようとする課題〕
しかしながら、上記のような光プローブ50,60を用い
る電圧測定装置では、原理的に、被測定物70の２つの電
極71,72の間の電界強度を測定できるのみであり、被測
定物70の電極71の絶対電圧を測定することができないと
いう問題があった。
本発明は、被測定物の所定部分の絶対電位を測定する
ことの可能な電圧測定装置を提供することを目的として
いる。
〔課題を解決するための手段〕
上記目的を達成するために、本発明の電圧測定装置
は、電気光学効果を有する電気光学材料が配置されてい
る光プローブと、光プローブの電気光学材料に入射させ
るための光ビームを出力する光源と、電気光学材料から
出射した光ビームの偏光状態を検出する光検出手段と、
可変電圧を出力する電圧印加手段とを備え、絶対電位を
測定するために前記光プローブには前記電圧印加手段か
らの可変電圧が印加される補助電極が設けられているこ
とを特徴としたものである。
上記補助電極は、透明なものであって光プローブの先
端と相対して電気光学材料の面に設けられても良いし、
光プローブの側面に電気光学材料の上端面に近接して設
けられても良い。さらに上記光源をパルス光源にし上記
光検出手段をフォトダイオードなどの光検出器にしてこ
れらを組合わせて用いても良いし、光源を直流光源また
はパルス光源にし光検出手段をストリークカメラなどの
高速応答検出器にしてこれらを組合わせて用いても良
い。また上記電圧印加手段は、可変電圧を発生する電源
と、可変電圧を検知する電圧計とから構成されている。
〔作用〕
上記のように構成された電圧測定装置では、光プロー
ブを被測定物の電圧測定部分の上方に接近させて位置決
めする。このように位置決めすると、電気光学材料の上
端面にまたは光プローブの側面に設けられた補助電極へ
の印加電圧が“0"のときには、被測定物の電圧測定部分
からの電気力線の大部分は、光プローブの中心軸線とほ
ぼ平行に電気光学材料を通って補助電極に向かうので、
電気光学材料内には、電圧測定部分の電圧に比例した屈
折率変化が生じる。この屈折率変化によって光源から出
力され電気光学材料に入射した光ビームはその偏光状態
が変化して電気光学材料から出射し、光検出手段におい
てこの偏光状態の変化を検出することができる。なお、
光源をパルス光源にし光検出手段を高速フォトダイオー
ドなどの光検出器にしてこれらを組合わせて用いた場合
には、電圧測定部分の電圧を電気光学材料への光ビーム
でサンプリングすることによって偏光状態の変化を高時
間分解検出できる。また光源を直流光源またはパルス光
源にし光検出手段をストリークカメラなどの高速光応答
検出器にしてこれらを組合わせて用いた場合には、光ビ
ームの強度を観測することによって偏光状態の変化を高
時間分解検出できる。次いで電圧印加手段からの印加電
圧を徐々に増加させると、被測定物の電圧測定部分の電
圧との電位差が減少するので、電気光学材料の屈折率変
化は小さくなり、光ビームの偏光状態の変化は徐々にな
くなる。光検出手段において偏光状態の変化が検出でき
なくなったときには、電圧印加手段からの印加電圧が電
圧測定部分の電圧と同じになったものとみなされ、この
ときの印加電圧を電圧計で検知することによって電圧測
定部分の絶対電圧を測定することができる。
〔実施例〕
以下、本発明の一実施例を図面に基づいて説明する。
第１図は本発明に係る電圧測定装置の第１の実施例の
構成図である。この実施例の電圧測定装置においては、
光プローブ１内に電気光学効果を有するLiTaO3,LiNbO3
などの電気光学材料２が設けられている。電気光学材料
２は、その上端面2a,底端面2bがＺ軸から55゜傾いた方
位と垂直となるように切出され、上端面2a,底端面2bが
光プローブの中心軸線Ａ−Ａと垂直になるように配置さ
れている。電気光学材料２の底端面2bには誘電体多層膜
などによる全反射ミラー４が設けられ、電気光学材料２
の上端面2aには補助電極５が設けられている。補助電極
５は透明なものであって、この補助電極５には光プロー
ブ１の側面に設けられた外部電極６を介して電圧印加装
置７からの電圧VSが印加されるようになっている。電圧
印加装置７は、電圧VSを可変に発生する電源８と、電圧
VSを検知する電圧計９とから構成されている。さらに電
圧測定装置は、光プローブ１の電気光学材料２に入射さ
せるための光ビームI0を出力する光源41と電気光学材料
２から出射した光ビームR0の偏光状態変化を検出する光
検出手段42とを有する装置10を備えている。
このような構成の電圧測定装置によって集積回路など
の被測定物の電圧を測定する際の操作を説明する。
第２図（ａ），（ｂ）は被測定物70が、測定されるべ
き電圧を発生する電極71の他にこの電極71からの電気力
線を終端させるための電極（例えばアース電極）72を有
する構造のものである場合に、この被測定物70の電極71
の電圧V0を測定する仕方を説明するための図である。被
測定物70の電極71の電圧V0を測定するに際して、先づ光
プローブ１の先端を電極71の上方に電極71に接近して位
置させる。このときに光プローブ１の先端が電極71に接
触しても良い。次いで、電圧印加装置７からの電圧VSを
“0"に初期設定し光プローブ１の補助電極５を接地電位
にする。第２図（ａ）にはこのときの状態が示されてお
り、電極71の電圧V0による電気力線の大部分は、電気光
学材料２内を光プローブ１の中心軸線Ａ−Ａとほぼ平行
に通り補助電極５に向かう。これにより、電気光学材料
２内には電界強度V0に比例した屈折率変化が生じる。光
源41からの光ビームI0は、光プローブ１の中心軸線Ａ−
Ａに沿って透明な補助電極５を透過し電気光学材料２に
入射して、電気光学材料２内でその偏光状態が上記屈折
率変化に応じて変化しすなわち変調されて光ビームR0と
なって電気光学材料２から出射する。電気光学材料２か
ら出射した光ビームR0は、補助電極５を透過し光検出手
段42においてその偏光状態の変化すなわち変調結果が検
出される。
次いで、電圧印加装置７からの電圧VSを“0"から徐々
に増加すると、被測定物70の電極71の電圧V0と電圧VSと
の電位差“V0−VS"が徐々に小さくなるので、第２図
（ｂ）に示すように電極71から電気力線は他の電極72に
向かうようになり、電気光学材料２内の電界強度は小さ
くなる。これにより電気光学材料２の屈折率変化も小さ
くなって光ビームR0の偏光状態の変化も小さくなる。こ
のようにして電圧VSを徐々に増加し、光検出手段42で光
ビームR0の偏光状態の変化を検出できなくなったときに
は、電圧印加装置７からの電圧VSが電極71の電圧V0と同
じになったことを意味するので、このときの電圧VSを電
圧計９で検知することによって電極71の絶対電圧V0を測
定することができる。
なお、電気光学材料２は、上端面2a,底端面2bがＺ軸
から55゜傾いた方位と垂直となるように切出されている
ので、光プローブ１の中心軸線Ａ−Ａに沿って入射する
光ビームI0の偏光状態変化を最大にすることができて偏
光状態変化の検出感度を高めることができて、これによ
り絶対電圧V0を精度良く検出できる。
第２図（ａ），（ｂ）では、被測定物70が電極71から
の電気力線を終端させるための電極72を有する構造とな
っているが、この実施例の電圧測定装置では電極72に相
当する電極が設けられていない被測定物に対しても所定
部分の絶対電圧を測定できる。第３図（ａ），（ｂ）は
被測定物80が測定されるべき電圧を発生する電極81だけ
を有している構造のものである場合に、この電極81の電
圧V0を測定する仕方を説明するための図である。この場
合にも第２図（ａ），（ｂ）で説明したと同様に、先づ
光プローブ１の先端を電極81の上方に電極81に接近して
位置させ、電圧VSを“0"に初期設定する。第３図（ａ）
にはこのときの状態が示されており、電極81の電圧V0に
よる電気力線は、電気光学材料２を通って補助電極５に
向かい電気光学材料２内には電界強度V0に比例した屈折
率変化が生じ、これに応じて光ビームR0の偏光状態が変
化する。電圧VSを“0"から増加すると、第３図（ｂ）に
示すように電気光学材料２内の電気力線強度すなわち電
界強度は小さくなり、電圧VSが電圧V0となったときに光
ビームR0の偏光状態の変化を検出できなくなるので、こ
のときの電圧VSを検知することによって電極81の絶対電
圧V0を測定できる。
第４図は本発明に係る電圧測定装置の第２の実施例の
構成図であって、第１図と対応した箇所には同様の符号
を付している。この電圧測定装置においては、補助電極
12が光プローブ11の側面に電気光学材料２の上端面2aに
接近して設けられており、この補助電極12には電圧印加
装置７からの電圧VSが直接印加されるようになってい
る。補助電極12は光プローブ11内に存在しないので、こ
れを透明のものとせずとも良い。また補助電極12は、電
気光学材料２の周囲を取り囲んでも良いし、その一部分
のみに設けられても良い。
補助電極12を上記のように設けた場合にも、第２図
（ａ），（ｂ），第３図（ａ），（ｂ）に示したと同様
に光プローブ11の先端を被測定物70,80の電極71,81の上
方に接近して位置させ、補助電極12に加わる電圧VSを
“0"から徐々に増加させて光ビームR0の偏光状態の変化
がなくなったときの電圧VSを検知することによって電極
71,81の絶対電圧V0を測定することができる。
上述の第１および第２の実施例に用いられる装置10
は、具体的には例えば第５図，第６図または第７図のよ
うな構成となっている。
第５図の装置では、被測定物70,80がこれに内臓され
た光検出器（図示せず）によって駆動され電圧測定が行
なわれる場合に適用され、CPMレーザなどのパルス光源2
0からの超短パルス光をハーフミラー21,光遅延器22を介
して被測定物70,80に入射させて被測定物70,80を超短パ
ルス光に同期させて駆動するとともに、パルス光源20か
らの超短パルス光を偏光子23,ハーフミラー24を介して
光プローブ1,1に光ビームI0として入射させている。ま
た光プローブ1,11から出射した光ビームR0をハーフミラ
ー24,ソレイユ・バビネ補償板25を介して検光子26に入
射させ検光子26で所定の偏光成分を抽出しこの偏光成分
の強度をフォトダイオードなどの通常の光検出器27で検
出した結果を増幅器（図示せず）等で増幅して出力する
糸からなるサンプリング検出装置29で表示している。す
なわち、サンプリング検出装置29では、被測定物70,80
の電極71,81の測定したい電圧V0が光プローブ1,11への
光ビームI0の入射と同じタイミングで生起するよう光遅
延器22を調整し、その状態で光検出器27からの検出結果
をサンプリングし増幅器の出力として表示している。こ
のようにして偏光状態の変化を高時間分解検出し、被測
定物の電圧波形を高時間分解測定表示することができ
る。
被測定物70,80の電極71,81における例えば電圧波形の
測定したい１点の絶対電圧値V0を測定する場合には、光
遅延器22を調整して、測定点に固定し、サンプリング検
出する。増幅器の出力は、光プローブ1,11から出射した
光ビームR0の偏光状態の変化の度合を表示しているの
で、オペレータは、増幅器の出力を監視しながら電圧印
加装置７からの電圧VSを徐々に増加させ、増幅器の出力
が零になった時、その電圧VSを検知することにより、電
圧波形の測定したい点の絶対電圧値V0を知ることができ
る。
上の例では、電圧波形のある一点の絶対電圧値しか知
ることができなかったが、光遅延器22を連続して動作さ
せて、サンプリング点を次々と移動させながら、上記と
同様に、電圧印加装置からの電圧VSを徐々に増加させる
と、電圧波形の各点における絶対電位V0を順次検知する
ことができる。また、補助電極12に印加する電圧を基準
となる電圧VSに設定しておき、光遅延器22を連続して動
作させてサンプリング点を次々と移動させると、電圧波
形のどの点が電圧VSであるかを検知することができるの
で、コンパレータとして使用することができる。
なお光遅延器22から被測定物70,80に向かう光を所定
周波数でチョップするとともに前記増幅器をロックイン
アンプとして前記所定周波数成分の信号だけを狭帯域で
増幅するロックイン検出を行なうなどの工夫によりS/N
比を向上させることができる。なおこの場合、補助電極
12に加える電圧VSは単なる直流電圧ではなく、前記チョ
ップと同期した前記所定周波数の方形波とする必要があ
る。この方形波は、零電位と電圧VSとから構成される。
上記と同様に、電圧VSを徐々に増加させてロックインア
ンプの出力が零になった時にその電圧VSを検知すること
により、電圧波形の測定したい点の絶対電位V0を知るこ
とができる。
また第６図の装置は、第５図と同様の原理で作動する
が、被測定物70,80が光検出器を内蔵しておらず、光パ
ルスではなく電気パルスによって駆動される場合に適用
される。すなわちこの装置では、駆動回路30から出力さ
れる電気パルスによって被測定物70,80を駆動するとと
もに、この電気パルスを電気遅延器31で遅延してレーザ
ダイオード32を駆動し、レーザダイオード32から光パル
スを出力させるようにし、サンプリング検出装置29によ
って電気遅延器31を調整することによって第５図の装置
と同様にして偏光状態の変化を検出することができる。
また第６図の装置において、ロックイン検出する場合に
は、駆動回路30と同期した方形波を用いて、第５図と同
様に、絶対電位V0を知ることができる。
さらに第７図の装置は、He−Neレーザなどの直流光源
33からの直流レーザ光を偏光子34,ハーフミラー35を介
して光プローブ1,11に光ビームI0として入射させ、光プ
ローブ1,11から出射した光ビームR0をハーフミラー35,
ソレイユ・バビネ補償板36を介して検光子37に入射さ
せ、検光子37で所定の偏光成分を抽出しこの偏光成分の
強度の時間変化をストリークカメラなどの高速光応答検
出器38で検出し高時間分解測定するようにしている。
第８図は第７図の装置を用いて光ビームR0の偏光状態
の変化を検出する様子を示しており、第８図では電気光
学材料２のバイアス点として零付近が使用されている。
すなわち電圧印加装置７からの電圧VSが“0"のときに
は、被測定物70,80の電極71,81のパルス電圧は符号P1で
示すようにバイアス点“0"を基準にして電気光学材料２
に加わり、高速光応答検出器38では符号Q1で示すような
波形が観測される。電圧VSを“0"から増加させ電圧VSが
パルス電圧の最大電圧値V0と同じになったときにはパル
ス電圧は符号P2で示すようにバイアス点“VS"を基準に
して電気光学材料２に加わり、高速光応答検出器38では
符号Q2で示すような波形Q2が観測される。波形Q2はその
ピークだけが零となっており、このような波形Q2が観測
されたときの電圧VSを検知することによって、パルス電
圧の最大電圧値すなわち絶対電圧V0を知ることができ
る。なお、第７図の装置では、補助電極5,12に逆の極性
の電圧VSすなわち電気光学材料２内での電界強度を増加
させる極性の電圧VSを電圧印加装置７から加えるように
しても、絶対電圧V0を観測できる。すなわち、この場合
には、符号P3,Q3で示すように、電圧VS印加時の波形の
基準部分の強度が電圧VSを印加していない時の波形Q1の
ピーク強度と同じになるように電圧VSを調整する。この
ときの電圧VSを検知することによって絶対電圧V0を測定
できる。また第７図の装置においては直流光源33のかわ
りにパルス光源を用いても良い。
上述した各実施例では、第１図乃至第４図に示したよ
うに、光プローブ1,11の中心軸線Ａ−Ａに沿って光ビー
ムI0を入射させ光ビームR0を出射させるようにしている
ので、電気光学材料２の底端面2bに全反射ミラー４を設
けたが、第11図に示したと同様に入射した光ビームI0を
光プローブ1,11内で３回全反射させて出射させるように
すれば、全反射ミラー４を設けずとも良い。また光プロ
ーブ1,11に入射する光ビームI0は、空間分解能を良くす
るために集光されていても良いし、空間分離能が要求さ
れない場合にも集光されていなくとも良い。
また、上述した各実施例において、光プローブ1,11の
内面あるいは装置10の各光学素子（偏光子23,34、検光
子26,37、ソレイユ・バビネ補償板25,36など）等には光
ビームの不要な反射，散乱を防止するために無反射コー
ティングが施されているのが良い。この結果、光プロー
ブ1,11,装置10で構成される光変調器の消光比を向上さ
せることができ光バイアスを下げて大きな変調度を得る
ことができる。また多重反射を防止できるので、異なっ
た偏光状態の光を低下させて精度の良い測定ができる。
さらに、上述の各実施例において光プローブ1,11は、
第９図に示すように回転自在のホルダ40に着脱自在に取
付られていても良く、このようなホルダ40に配置した場
合には、ホルダ40に複数の光プローブを配置しホルダ40
を回転させることによって、光プローブを容易に交換で
きる。
また光プローブ1,11の内壁を黒色塗料で塗布して散乱
光を防止するようにしても良い。
〔発明の効果〕
以上に説明したように、本発明によれば、光プローブ
の補助電極への印加電圧を変化させながら電気光学材料
からの光ビームの偏光状態の変化を光検出手段によって
検出するようにしているので、光ビームの偏光状態の変
化が検出されなくなったときの補助電圧への印加電圧を
検知することによって被測定物の所定部分の絶対電圧を
測定することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る電圧測定装置の第１の実施例の構
成図、第２図（ａ），（ｂ）は被測定物が測定されるべ
き電圧を発生する電極の他にこの電極からの電気力線を
終端させる電極を有する構造のものである場合にこの被
測定物の電極の電圧を第１図の電圧測定装置によって測
定する仕方を説明するための図、第３図（ａ），（ｂ）
は被測定物が測定されるべき電圧を発生する電極だけを
有している構造のものである場合にこの電極の電圧を第
１図の電圧測定装置によって測定する仕方を説明するた
めの図、第４図は本発明に係る電圧測定装置の第２の実
施例の構成図、第５図乃至第７図は光源および光検出手
段の具体例を示す図、第８図は第７図の光源および光検
出手段において光ビームの偏光状態の変化を検出する様
子を示す図、第９図は回転自在のホルダに着脱自在に取
付けられた光プローブを示す図、第10図，第11図は従来
の電圧測定の原理図である。 1,11……光プローブ、２……電気光学材料、 2a……電気光学材料の上端面、 2b……電気光学材料の底端面、 ４……全反射ミラー、5,12……補助電極、 ６……外部電極、７……電圧印加装置、８……電源、 ９……電圧計、41……光源、42……光検出手段

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電気光学効果を有する電気光学材料が配置
    されている光プローブと、光プローブの電気光学材料に
    入射させるための光ビームを出力する光源と、電気光学
    材料から出射した光ビームの偏光状態を検出する光検出
    手段と、可変電圧を出力する電圧印加手段とを備え、絶
    対電位を測定するために前記光プローブには前記電圧印
    加手段からの可変電圧が印加される補助電極が設けられ
    ており、前記補助電極は、透明なものであって、光プロ
    ーブの先端と相対した電気光学材料の面に設けられてお
    り、また、前記光源は、パルス光を出力するパルス光源
    であり、前記光検出手段は電気光学材料から出射した光
    ビームの偏光状態の変化をサンプリング検出するように
    なっていることを特徴とする電圧測定装置。
  2. 【請求項２】電気光学効果を有する電気光学材料が配置
    されている光プローブと、光プローブの電気光学材料に
    入射させるための光ビームを出力する光源と、電気光学
    材料から出射した光ビームの偏光状態を検出する光検出
    手段と、可変電圧を出力する電圧印加手段とを備え、絶
    対電位を測定するために前記光プローブには前記電圧印
    加手段からの可変電圧が印加される補助電極が設けられ
    ており、前記補助電極は、光プローブの側面に電気光学
    材料の上端面に接近して設けられていることを特徴とす
    る電圧測定装置。
  3. 【請求項３】前記光源は、パルス光を出力するパルス光
    源であり、前記光検出手段は電気光学材料から出射した
    光ビームの偏光状態の変化をサンプリング検出するよう
    になっていることを特徴とする請求項２記載の電圧測定
    装置。
  4. 【請求項４】前記光源は、直流光を出力する直流光源ま
    たはパルス光を出力するパルス光源であり、前記光検出
    手段は電気光学材料から出射した光ビームの偏光状態の
    変化を検出する高速光応答検出器であることを特徴とす
    る請求項２記載の電圧測定装置。
  5. 【請求項５】前記電圧印加手段は、可変電圧を発生する
    電源と、可変電圧を検知する電圧計とから構成されてい
    ることを特徴とする請求項１または請求項２記載の電圧
    測定装置。
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