JP2906633B2 - 光サンプリング装置 - Google Patents
光サンプリング装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】 ＜産業上の利用分野＞ この発明は超高速電子デバイス（GaAs IC,InP IC）
等における高速の電気信号を測定する装置に関し、特に
被測定回路への影響を小さくした光サンプリング装置に
関するものである。
等における高速の電気信号を測定する装置に関し、特に
被測定回路への影響を小さくした光サンプリング装置に
関するものである。
＜従来技術＞ 最近の高速電子デバイスは高速なものが多く開発され
ている。例えば、HEMT（High Electron Mobility Trans
istor）ではゲート遅延時間が約10ps程度であり、また
光通信などに用いられる半導体レーザーの直接変調帯域
も数十GHzに達している。このような高速電子デバイス
による高速現象の測定は、通常サンプリングオシロスコ
ープが用いられている。第４図にサンプリングオシロス
コープの原理を示す。すなわち、（Ａ）のように連続す
るＮ個の被測定信号に対して、ゲート時間を少しずつず
らしながら測定して行き、その結果を合成して（Ｂ）の
ような測定値を得る。この技術では、サンプリング幅が
測定結果の分解能になる。
ている。例えば、HEMT（High Electron Mobility Trans
istor）ではゲート遅延時間が約10ps程度であり、また
光通信などに用いられる半導体レーザーの直接変調帯域
も数十GHzに達している。このような高速電子デバイス
による高速現象の測定は、通常サンプリングオシロスコ
ープが用いられている。第４図にサンプリングオシロス
コープの原理を示す。すなわち、（Ａ）のように連続す
るＮ個の被測定信号に対して、ゲート時間を少しずつず
らしながら測定して行き、その結果を合成して（Ｂ）の
ような測定値を得る。この技術では、サンプリング幅が
測定結果の分解能になる。
しかしながら、第４図のサンプリングオシロスコープ
では、サンプリング幅はステップリカバリダイオードの
速度に制限され、25ps程度が限界であり、光パルスを用
いる光オシロスコープでも10ps程度が限界であるという
速度上の欠点があった。
では、サンプリング幅はステップリカバリダイオードの
速度に制限され、25ps程度が限界であり、光パルスを用
いる光オシロスコープでも10ps程度が限界であるという
速度上の欠点があった。
一方、GaAs基板は電気光学効果を有するので、電界の
大きさに応じてその戻り光の偏波面が変化する。この現
象を利用して、光を用いた測定装置が開発されている。
第５図にこのような光を用いた測定装置の構成を示す。
YAGレーザー１の出力光はパルス圧縮部２でps程度のパ
ルス幅に圧縮され、偏光子３、波長板４を介してGaAs集
積回路５に入力される。また、その戻り光は波長板４を
通り、偏光子３で反射されて受光素子６でその強度が測
定され、表示部８で表示される。駆動回路７でGaAs集積
回路５が発生する電界を変えるとその戻り光の偏光面が
変化し、偏光子３によって受光素子６に入射する光の強
度が変化する。駆動回路７により、YAGレーザー１の出
力光のタイミングとGaAs集積回路５を駆動するタイミン
グを同期させ、かつその位相差を少しずつずらして行く
ことによって、第４図で説明したサンプリング技術と同
じ原理でGaAs集積回路５の内部電圧波形を測定する事が
出来る。この装置によればpsオーダーのサンプリング速
度で測定が可能である。
大きさに応じてその戻り光の偏波面が変化する。この現
象を利用して、光を用いた測定装置が開発されている。
第５図にこのような光を用いた測定装置の構成を示す。
YAGレーザー１の出力光はパルス圧縮部２でps程度のパ
ルス幅に圧縮され、偏光子３、波長板４を介してGaAs集
積回路５に入力される。また、その戻り光は波長板４を
通り、偏光子３で反射されて受光素子６でその強度が測
定され、表示部８で表示される。駆動回路７でGaAs集積
回路５が発生する電界を変えるとその戻り光の偏光面が
変化し、偏光子３によって受光素子６に入射する光の強
度が変化する。駆動回路７により、YAGレーザー１の出
力光のタイミングとGaAs集積回路５を駆動するタイミン
グを同期させ、かつその位相差を少しずつずらして行く
ことによって、第４図で説明したサンプリング技術と同
じ原理でGaAs集積回路５の内部電圧波形を測定する事が
出来る。この装置によればpsオーダーのサンプリング速
度で測定が可能である。
＜発明が解決すべき課題＞ しかしながら、第５図の装置では被測定回路に入射さ
れる光パルスの光パワーが充分小さくないため、発生す
る光電子や逆電気光学効果により、回路動作に悪影響を
与えるという課題がある。またS/N比が十分得られない
ため微小信号の測定が難しい。
れる光パルスの光パワーが充分小さくないため、発生す
る光電子や逆電気光学効果により、回路動作に悪影響を
与えるという課題がある。またS/N比が十分得られない
ため微小信号の測定が難しい。
＜発明の目的＞ この発明は上記の課題を解決するためになされたもの
で、S/N比を改善することにより最小の測定信号が測定
でき、被測定回路に悪影響を与えることなく高速の測定
信号を測定できる光サンプリング装置を実現することを
目的とする。
で、S/N比を改善することにより最小の測定信号が測定
でき、被測定回路に悪影響を与えることなく高速の測定
信号を測定できる光サンプリング装置を実現することを
目的とする。
＜課題を解決するための手段＞ 本発明は光パルスの偏波面の状態を被測定回路の動作
電圧に応じて変化させ、この偏波面の変化を検出して被
測定回路の電圧波形を測定する光サンプリング装置に係
るもので、その特徴とするところは光パルスを出力する
光パルス発生手段と、この光パルス発生手段の出力光を
２つに分離する分離手段と、この分離手段の一方の出力
光を狭光パルス化するパルスコンプレッサと、このパル
スコンプレッサの出力光を入射して被測定回路の動作電
圧に対応する電界により偏波面を変化させる電気光学素
子と、この電気光学素子からの戻り光の偏波面の変化を
光強度の変化に変換する偏光手段と、前記分離手段の他
方の出力光を周波数シフトする光音響変調器と、前記偏
光手段の出力光と前記光音響変調器の出力光とを合波す
る合波手段と、この合波手段の出力光を受光する受光素
子と、この受光素子の出力に基づいて被測定回路の電圧
波形を演算する演算回路を備え、演算回路の出力に基づ
いて被測定回路の電圧波形を測定するように構成した点
にある。
電圧に応じて変化させ、この偏波面の変化を検出して被
測定回路の電圧波形を測定する光サンプリング装置に係
るもので、その特徴とするところは光パルスを出力する
光パルス発生手段と、この光パルス発生手段の出力光を
２つに分離する分離手段と、この分離手段の一方の出力
光を狭光パルス化するパルスコンプレッサと、このパル
スコンプレッサの出力光を入射して被測定回路の動作電
圧に対応する電界により偏波面を変化させる電気光学素
子と、この電気光学素子からの戻り光の偏波面の変化を
光強度の変化に変換する偏光手段と、前記分離手段の他
方の出力光を周波数シフトする光音響変調器と、前記偏
光手段の出力光と前記光音響変調器の出力光とを合波す
る合波手段と、この合波手段の出力光を受光する受光素
子と、この受光素子の出力に基づいて被測定回路の電圧
波形を演算する演算回路を備え、演算回路の出力に基づ
いて被測定回路の電圧波形を測定するように構成した点
にある。
＜作用＞ 光パルス発生手段から出力された光パルスをパルスコ
ンプレッサで狭光パルス化した後、被測定回路の電界が
加わった電気光学素子において偏波面を回転し、前記光
パルス発生手段の光周波数を光音響変調器でシフトした
局部発振光とともに受光素子に入射して光周波数ヘテロ
ダイン検波を行うことにより、等価的に信号を増幅する
ことができる。
ンプレッサで狭光パルス化した後、被測定回路の電界が
加わった電気光学素子において偏波面を回転し、前記光
パルス発生手段の光周波数を光音響変調器でシフトした
局部発振光とともに受光素子に入射して光周波数ヘテロ
ダイン検波を行うことにより、等価的に信号を増幅する
ことができる。
＜実施例＞ 第１図に本発明に係る光サンプリング装置の一実施例
を示す。
を示す。
第１図において、10は繰返し周波数fpの光パルスを出
力する光周波数fLDの光パルス発生手段でモードロック
固体レーザからなるもの、11は光パルス発生手段10の出
力光を２光ビームに分離する分離手段を構成するハーフ
ミラー、12はハーフミラー11の透過光をさらに狭光パル
ス化するパルスコンプレッサ、13はパルスコンプレッサ
12の出力を透過する偏光子、14は偏光子13の出力光の偏
波面を調整する波長板、15は波長板14から出力された光
をGaAs集積回路からなる被測定回路16のパターン裏面
（後述）に集光するレンズである。17は光パルスの繰返
し周波数fpの正弦波信号で光パルス発生手段10を駆動す
る高周波発振器、18は発振器17と同期した周波数から微
小周波数Δｆずれた周波数で被測定回路16を駆動する駆
動回路、20は局部発振光を作るために、ハーフミラー11
の反射光の光周波数をΔfLDだけ周波数シフトする光音
響変調器、21,22,23は光音響変調器20の出力光の光路長
を調整するための光路長調整手段を構成するミラー、24
は被測定回路16からの反射光をレンズ15,波長板14およ
び偏光子13を介してミラー23の反射光とともに合波する
合波手段を構成するハーフミラー、25はハーフミラー24
の出力光が入射する受光素子、26は受光素子25の電気出
力に基づいて被測定回路16の内部電圧波形を演算表示す
る演算表示回路である。
力する光周波数fLDの光パルス発生手段でモードロック
固体レーザからなるもの、11は光パルス発生手段10の出
力光を２光ビームに分離する分離手段を構成するハーフ
ミラー、12はハーフミラー11の透過光をさらに狭光パル
ス化するパルスコンプレッサ、13はパルスコンプレッサ
12の出力を透過する偏光子、14は偏光子13の出力光の偏
波面を調整する波長板、15は波長板14から出力された光
をGaAs集積回路からなる被測定回路16のパターン裏面
（後述）に集光するレンズである。17は光パルスの繰返
し周波数fpの正弦波信号で光パルス発生手段10を駆動す
る高周波発振器、18は発振器17と同期した周波数から微
小周波数Δｆずれた周波数で被測定回路16を駆動する駆
動回路、20は局部発振光を作るために、ハーフミラー11
の反射光の光周波数をΔfLDだけ周波数シフトする光音
響変調器、21,22,23は光音響変調器20の出力光の光路長
を調整するための光路長調整手段を構成するミラー、24
は被測定回路16からの反射光をレンズ15,波長板14およ
び偏光子13を介してミラー23の反射光とともに合波する
合波手段を構成するハーフミラー、25はハーフミラー24
の出力光が入射する受光素子、26は受光素子25の電気出
力に基づいて被測定回路16の内部電圧波形を演算表示す
る演算表示回路である。
上記構成の装置の動作を次に説明する。
光パルス発生手段10は発振器17の出力に同期して光パ
ルスを発生する。この光パルスはハーフミラー11で２つ
に分れ、透過光はパルスコンプレッサ12でさらに狭光パ
ルス化され、偏光子13,波長板14を透過し，レンズ15に
より被測定回路16上に焦点を結ぶ。この入射光は、第２
図に示すように、被測定回路16の裏面から入射してGaAs
基板31を透過し、被測定回路16の表面にあるICパターン
32の裏面で反射され、再びGaAs基板31を逆向きに透過し
て裏面から出射される。この反射光の偏波面は、被測定
回路16のGaAs基板が電気光学効果を持つ電気光学素子で
あるため、入射光パルスの偏波面に対し、ICパターン上
の電気信号強度に対応して発生する電界強度に応じて変
化する。この反射光パルスは、レンズ15を逆向きに透過
し、波長板14で偏波面が調整された後、偏光子13におい
て反射する際にその偏波面に応じて光強度変調を受け
る。他方、ハーフミラー11で反射した光はミラー19で光
路方向を変えた後光音響変調器20で光周波数をΔfLDだ
け周波数シフトされる。その出力光はミラー21〜23を経
由してパルスコンプレッサ12を経由する光と等しい光路
長となるように調整され、局部発振光として、偏光子13
で反射した光とハーフミラー24で合波された後、受光素
子25で検出され、両光が重なった区間について後述のよ
うに光ヘテロダイン検波が行なわれる。パルスコンプレ
ッサ12を経由する光は光音響変調器20を経由する光より
も狭光パルスなので、２光を完全に重なり合せることが
できる。演算表示装置26は受光素子25の出力に基づいて
被測定回路16の内部信号波形を表示する。
ルスを発生する。この光パルスはハーフミラー11で２つ
に分れ、透過光はパルスコンプレッサ12でさらに狭光パ
ルス化され、偏光子13,波長板14を透過し，レンズ15に
より被測定回路16上に焦点を結ぶ。この入射光は、第２
図に示すように、被測定回路16の裏面から入射してGaAs
基板31を透過し、被測定回路16の表面にあるICパターン
32の裏面で反射され、再びGaAs基板31を逆向きに透過し
て裏面から出射される。この反射光の偏波面は、被測定
回路16のGaAs基板が電気光学効果を持つ電気光学素子で
あるため、入射光パルスの偏波面に対し、ICパターン上
の電気信号強度に対応して発生する電界強度に応じて変
化する。この反射光パルスは、レンズ15を逆向きに透過
し、波長板14で偏波面が調整された後、偏光子13におい
て反射する際にその偏波面に応じて光強度変調を受け
る。他方、ハーフミラー11で反射した光はミラー19で光
路方向を変えた後光音響変調器20で光周波数をΔfLDだ
け周波数シフトされる。その出力光はミラー21〜23を経
由してパルスコンプレッサ12を経由する光と等しい光路
長となるように調整され、局部発振光として、偏光子13
で反射した光とハーフミラー24で合波された後、受光素
子25で検出され、両光が重なった区間について後述のよ
うに光ヘテロダイン検波が行なわれる。パルスコンプレ
ッサ12を経由する光は光音響変調器20を経由する光より
も狭光パルスなので、２光を完全に重なり合せることが
できる。演算表示装置26は受光素子25の出力に基づいて
被測定回路16の内部信号波形を表示する。
上記ヘテロダイン検波について以下に式を用いて説明
する。例えば光パルス発生手段10からの光出力は光周波
数がω１であるとすると、E1sinω1tで表され、光音響
変調器20からの光出力は光周波数がω２であるとする
と、E2sinω2tで表される。この２つの光がハーフミラ
ー24によって合波されると、受光素子25の受光部上の合
波光を表す式は、 （E1sinω1t＋E2sinω2t）２ …（１） となる。受光素子25により電気信号に変換後、ローパス
フィルタおよびDCカット回路を通過した後の信号は、 E1・E2cos（ω１−ω２）ｔ …（２） となる。ここで ω１−ω２＝２πΔfLD …（３） である。（２）式において、E1に被測定回路16の内部電
圧信号に対応した有益な情報が含まれているが、通常 E1≪E2、E2＝一定 であるから、 E1≪E1・E2 であり、等価的に信号E1がE2倍増幅されたことになり、
S/N比が改善されることが明らかである。したがって被
測定回路16に入射する光パワーを従来例に比べて小さく
しても従来例と同等以上のS/Nを得ることができる。
する。例えば光パルス発生手段10からの光出力は光周波
数がω１であるとすると、E1sinω1tで表され、光音響
変調器20からの光出力は光周波数がω２であるとする
と、E2sinω2tで表される。この２つの光がハーフミラ
ー24によって合波されると、受光素子25の受光部上の合
波光を表す式は、 （E1sinω1t＋E2sinω2t）２ …（１） となる。受光素子25により電気信号に変換後、ローパス
フィルタおよびDCカット回路を通過した後の信号は、 E1・E2cos（ω１−ω２）ｔ …（２） となる。ここで ω１−ω２＝２πΔfLD …（３） である。（２）式において、E1に被測定回路16の内部電
圧信号に対応した有益な情報が含まれているが、通常 E1≪E2、E2＝一定 であるから、 E1≪E1・E2 であり、等価的に信号E1がE2倍増幅されたことになり、
S/N比が改善されることが明らかである。したがって被
測定回路16に入射する光パワーを従来例に比べて小さく
しても従来例と同等以上のS/Nを得ることができる。
またサンプリング技術を用いるために、駆動回路18か
ら出力される被測定回路16の駆動信号の基本周波数fdは fd＝Ｎ・fp＋Δｆ …（４） で表される。ここでＮ＝1,2,3,…，、Δｆは微小周波数
である。（４）式におけるΔｆの存在により、被測定回
路16内の被測定信号に対し、位相を僅かずつずらして光
パルスでサンプリングすることができ、高速な現象を低
速な現象として処理することができる。これを基本周波
数によって説明すれば、被測定物内の高い周波数fdが低
い周波数Δｆに変換されることになる。
ら出力される被測定回路16の駆動信号の基本周波数fdは fd＝Ｎ・fp＋Δｆ …（４） で表される。ここでＮ＝1,2,3,…，、Δｆは微小周波数
である。（４）式におけるΔｆの存在により、被測定回
路16内の被測定信号に対し、位相を僅かずつずらして光
パルスでサンプリングすることができ、高速な現象を低
速な現象として処理することができる。これを基本周波
数によって説明すれば、被測定物内の高い周波数fdが低
い周波数Δｆに変換されることになる。
このような構成の光サンプリング装置によれば、サン
プリング光に光ヘテロダイン検波を用いることにより、
被測定回路に入射する光パワーを小さくすることができ
るので、光電子や逆電気光学効果を減少し、被測定回路
動作への悪影響を小さくすることができる。
プリング光に光ヘテロダイン検波を用いることにより、
被測定回路に入射する光パワーを小さくすることができ
るので、光電子や逆電気光学効果を減少し、被測定回路
動作への悪影響を小さくすることができる。
なお上記の実施例ではモードロック固定レーザを光源
として用いたが、これに限らず半導体レーザ等を使用す
ることもできる。
として用いたが、これに限らず半導体レーザ等を使用す
ることもできる。
第３図は第１図装置の変形例で、S/N比をさらに改善
するために検出部を差動構成としたものを示す要部構成
ブロック図である。第１図と同じ部分は同一の記号を付
している。パルスコンプレッサ12からの光出力は、偏光
子33,回転子37および偏光子13を透過し、波長板14へ入
射される。波長板14からの出力光はその偏波面のX,Y方
向成分について、それぞれ偏光子13と偏光子33で分離さ
れ、出力される。各分離光は、それぞれ、ハーフミラー
24,38にて光路長調整ミラーからの出力光と合波され
る。各合波光はそれぞれ受光素子35および34で検出さ
れ、減算器36で互いに引算される。光パルスの偏波面は
被測定回路16においてX,Y方向成分が逆極性で変調され
るので、受光素子34,35に逆位相成分同士が等量入射す
るように光学系のアライメントを行えば、光源自体のノ
イズは位相に無関係なので受光素子34,35で同相となっ
て引算により相殺され、被測定回路16で変調を受けた検
出光の信号成分は逆相となって引算により足し合わされ
る。したがってS/N比がさらに向上する。
するために検出部を差動構成としたものを示す要部構成
ブロック図である。第１図と同じ部分は同一の記号を付
している。パルスコンプレッサ12からの光出力は、偏光
子33,回転子37および偏光子13を透過し、波長板14へ入
射される。波長板14からの出力光はその偏波面のX,Y方
向成分について、それぞれ偏光子13と偏光子33で分離さ
れ、出力される。各分離光は、それぞれ、ハーフミラー
24,38にて光路長調整ミラーからの出力光と合波され
る。各合波光はそれぞれ受光素子35および34で検出さ
れ、減算器36で互いに引算される。光パルスの偏波面は
被測定回路16においてX,Y方向成分が逆極性で変調され
るので、受光素子34,35に逆位相成分同士が等量入射す
るように光学系のアライメントを行えば、光源自体のノ
イズは位相に無関係なので受光素子34,35で同相となっ
て引算により相殺され、被測定回路16で変調を受けた検
出光の信号成分は逆相となって引算により足し合わされ
る。したがってS/N比がさらに向上する。
なお上記の各実施例では被測定物がGaAs集積回路の場
合すなわち、被測定物自身が電気光学材料で構成されて
いる場合を説明したが、シリコン等の電気光学効果を有
さない材料にも適用される。この場合はシリコン等の被
測定物に近接してLiTaO3単結晶などの電気光学効果を有
する材料を配置し、このLiTaO3単結晶に光を照射して、
シリコン等からなる被測定回路が発生する電界により電
気光学効果を生じさせるようにすればよい。
合すなわち、被測定物自身が電気光学材料で構成されて
いる場合を説明したが、シリコン等の電気光学効果を有
さない材料にも適用される。この場合はシリコン等の被
測定物に近接してLiTaO3単結晶などの電気光学効果を有
する材料を配置し、このLiTaO3単結晶に光を照射して、
シリコン等からなる被測定回路が発生する電界により電
気光学効果を生じさせるようにすればよい。
また被測定回路の反射光の偏波面の状態の変化を検出
する代りに透過光を検出してもよい。
する代りに透過光を検出してもよい。
また十分コヒーレンシーの高い光源を用いたときは光
路長調整手段は省略できる。
路長調整手段は省略できる。
＜発明の効果＞ 以上、実施例に基づいて具体的に説明したように、本
発明によれば、S/N比を改善することにより微小の測定
信号が測定でき、被測定回路に悪影響を与えることなく
高速の測定信号を測定できる光サンプリング装置を簡単
な構成で実現することができる。
発明によれば、S/N比を改善することにより微小の測定
信号が測定でき、被測定回路に悪影響を与えることなく
高速の測定信号を測定できる光サンプリング装置を簡単
な構成で実現することができる。
第１図は本発明に係る光サンプリング装置の一実施例を
示す構成ブロック図、第２図は第１図装置の動作を説明
するための説明図、第３図は第１図装置の変形例を示す
要部構成ブロック図、第４図はサンプリング技術の原理
図、第５図は従来の光サンプリング装置の構成図であ
る。 10……光パルス発生手段、11……分離手段、12……パル
スコンプレッサ、13……偏光手段、16……被測定回路、
20……光音響変調器、24,33……合波手段、25,34,35…
…受光素子、26……演算回路、31……電気光学素子。
示す構成ブロック図、第２図は第１図装置の動作を説明
するための説明図、第３図は第１図装置の変形例を示す
要部構成ブロック図、第４図はサンプリング技術の原理
図、第５図は従来の光サンプリング装置の構成図であ
る。 10……光パルス発生手段、11……分離手段、12……パル
スコンプレッサ、13……偏光手段、16……被測定回路、
20……光音響変調器、24,33……合波手段、25,34,35…
…受光素子、26……演算回路、31……電気光学素子。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01R 19/00 - 19/32 H01L 21/66 G01R 31/28 - 31/3193
Claims (1)
- 【請求項１】光パルスの偏波面の状態を被測定回路の動
作電圧に応じて変化させ、この偏波面の変化を検出して
被測定回路の電圧波形を測定する光サンプリング装置に
おいて、 光パルスを出力する光パルス発生手段と、 この光パルス発生手段の出力光を２つに分離する分離手
段と、 この分離手段の一方の出力光を狭光パルス化するパルス
コンプレッサと、 このパルスコンプレッサの出力光を入射して被測定回路
の動作電圧に対応する電界により偏波面を変化させる電
気光学素子と、 この電気光学素子からの戻り光の偏波面の変化を光強度
の変化に変換する偏光手段と、 前記分離手段の他方の出力光を周波数シフトする光音響
変調器と、 前記偏光手段の出力光と前記光音響変調器の出力光とを
合波する合波手段と、 この合波手段の出力光を受光する受光素子と、 この受光素子の出力に基づいて被測定回路の電圧波形を
演算する演算回路を備え、 演算回路の出力に基づいて被測定回路の電圧波形を測定
するように構成したことを特徴とする光サンプリング装
置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2274732A JP2906633B2 (ja) | 1990-10-12 | 1990-10-12 | 光サンプリング装置 |
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