JP2959152B2 - 光サンプリング装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は超高速電子デバイス
（ＧａＡｓ ＩＣ，ＩｎＰＩＣ）等における高速の電気
信号や、高速の光パルス波形を測定する光サンプリング
装置の改良に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】最近の高速電子デバイスであるＧａＡｓ
のＭＥＳＦＥＴでは発振周波数が１００ＧＨｚを越え、
ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ変調ド―プＦＥＴでは２０
０ＧＨｚ以上の特性が得られている。これらの高速電子
デバイスは、従来のサンプリングオシロスコ―プ等では
次の２つの理由からその特性を測定することができな
い。（イ）測定帯域幅の不足最近の高速電子デバイスの
特性は、従来のサンプリングオシロスコ―プやネットワ
―クアナライザの測定帯域を上回ってしまう。（ロ）接
触による測定一般に素子が高速になるほどその配置に依
存する寄生容量等の影響を受けやすくなり、高速化を妨
げる原因となる。従来のサンプリングオシロスコ―プは
測定時に素子にブロ―ブを接触させるために、素子の特
性に影響を与えてしまう。

【０００３】従来、高速現象の測定には、サンプリング
法が用いられていた。図５にサンプリング法の原理を示
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。このため高速現象でも低速現象として処理すること
ができる。この技術では、サンプリング幅が測定結果の
時間分解能を決定する。測定帯域幅を増大させるには、
このサンプリング幅を短縮する必要がある。一方、レ―
ザの分野では近年、数ｐｓから数ｆｓの光パルスを得る
ことが可能となってきている。そこで、この光パルスを
サンプリングのゲ―トパルスとして用いることで、従来
の電気的な手法では測定できなかった高速な信号を測定
することができるようになり、さらに被測定素子にプロ
―ブを接触させる必要がないので、素子に影響を与えず
に測定することができるようになった。

【０００４】上記のように光パルスをサンプリングに用
いた測定装置の従来例を図６に示す。この装置は、Ｇａ
Ａｓ基板が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とを利用してい
る。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
て被測定回路５に照射される。ここで被測定回路５がＧ
ａＡｓ集積回路やＩｎＰ等の電気光学効果を持つ材料で
作られているとすると、回路が動作状態にあれば、その
発生電界により照射された光の偏波面が変化する。した
がってその反射戻り光は入射光とは異なる偏波面を持
つ。この偏波成分は偏光子３で分離された後受光素子６
でその強度が測定され、表示部８で測定電圧波形が表示
される。被測定回路５を駆動する駆動回路７の繰返し周
波数をＹＡＧレーザー１のパルスの繰返し周波数から僅
かにずらし順次サンプリングすることにより、高速の現
象も低速の現象として処理することができ、図５で説明
したサンプリング技術と同じ原理で被測定回路５の内部
電圧波形を測定することができる。この装置によればｐ
ｓオーダーのサンプリング速度で測定が可能である。

【０００５】また従来から高速の光パルスを測定する手
段として、自己相関法を用いるＳＨＧ相関計が用いられ
ている。被測定光パルスを２つの光路に分け、光路差を
与えてＳＨＧ結晶に入射させ、ＳＨＧ結晶から発生する
２次高調波の強度を光路差を変化させながら測定するこ
とにより、光のパルス幅を測定することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図６の
装置では測定信号とサンプリングパルス間のジッタによ
り時間分解能が低下するという課題がある。すなわちジ
ッタが光のパルス幅に比べて大きくなると、そのジッタ
程度のパルス幅の光でサンプリングすることと同等とな
り、パルス幅でなくジッタによって時間分解能が決まる
ようになる。このようなジッタは０．１ｐｓ程度は必ず
存在するので、時間分解能が制限されてしまう。また上
記の装置では時形列のサンプリング法を用いているの
で、同じ波形が繰返さなければ測定できず、単発現象を
測定することはできない。一方、前述のＳＨＧ相関計に
は次のような問題があり、その使用が制限されていた。 （イ）繰返し光パルスしか測定できず、単一光パルスの
測定が本質的に不可能である。 （ロ）自己相関法であるために、パルスの形状を測定す
ることができない。したがって、同じパルス幅であって
も、パルスの形状が異なるとパルス幅が異なって測定さ
れてしまう。 （ハ）ＳＨＧ結晶で２次高調波を発生する構成であるた
め効率が悪く、被測定光の強度が低いと測定することが
できない。

【０００７】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、ジッタに影響されず、高い時間分解能を
持ち、単発現象でも測定することが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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る光サンプリ
ング装置の第１は出力光パルスが被測定回路に照射され
る第１の光パルス発生手段と、この第１の光パルス発生
手段の出力光と同期して時間的により短い光パルスを出
力する第２の光パルス発生手段と、前記被測定回路から
の戻り光と前記第２の光パルス発生手段からの光パルス
が空間的に時間差が生じるようにその内部で交差して照
射される非線形光学材料と、この非線形光学材料から発
生する光の空間的な分布を電気信号に変換するラインセ
ンサとを備え、ラインセンサ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。本発明に係る光サンプリング装置の第２は被測定光
を出力する被測定光源と、この被測定光源と同期して時
間的により短い光パルスを出力する光パルス発生手段
と、前記被測定光源からの出力光と前記光パルス発生手
段からの光パルスが空間的に時間差が生じるようにその
内部で交差して照射される非線形光学材料と、この非線
形光学材料から発生する光の空間的な分布を電気信号に
変換するラインセンサとを備え、ラインセンサの出力に
基づいて被測定光源から出力される光パルスの強度の時
間変化を測定するように構成したことを特徴とする。

【０００９】

【作用】被測定回路からの戻り光パルスと第２の光パル
ス発生手段からの短い光パルスが非線形光学材料上で交
差する際に空間的な時間差が生じ、これをラインセンサ
が２次高調波を介して検出することにより、前記戻り光
パルスが前記短い光パルスでサンプリングされるので、
測定電圧波形を測定することができる。また被測定光パ
ルスと光パルス発生手段からの短い光パルスが非線形光
学材料上で交差する際に空間的な時間差が生じ、非線形
光学材料の出射光をラインセンサが検出することによ
り、前記被測定光パルスが前記短い光パルスでサンプリ
ングされるので、被測定光パルス強度の時間変化を測定
することができる。

【００１０】

【実施例】以下本発明を図面を用いて詳しく説明する。
図１に本発明に係る光サンプリング装置の一実施例を示
す。図１において、１１はＹＡＧレ―ザ等のパルスレ―
ザ、１２はパルスレ―ザ１１から出力される光パルスの
通過を制御するシャッタを構成するポッケルスセル、１
３はポッケルスセルから出力された光を２光路に分割す
る分離手段を構成するハ―フミラ―、１４はハ―フミラ
―１３を透過した光の方向を変えるミラ―、１５はミラ
―１４で反射した光の光路長を調整するための光のディ
レイライン、１６はディレイライン１５を通過した光を
反射する偏光子、１７は偏光子１６からの反射光が照射
されるＧａＡｓ集積回路からなる被測定回路である。１
８はハ―フミラ―１３で反射した光のパルス時間幅を小
さくするパルス圧縮器、２０は非線形光学材料で、被測
定回路１７からの戻り光が偏光子１７およびミラ―１９
を介して一方から入射し、パルス圧縮器１８の出力光が
他方から入射して、両者が内部で交差するように配置さ
れたＫＴＰやＢＢＯ等の非線形光学結晶を用いたもの、
２１は非線形結晶２０と対向してその後部に近接して設
けられ、非線形結晶で発生する２次高調波を受光するラ
インセンサで、ＣＣＤ（Charge-Coupled Device ）等の
ように一直線上の光の強度分布を測定するもの、２２は
ラインセンサ２１の出力に基づいて被測定回路１７の信
号電圧波形を演算・表示する演算表示部、２３は被測定
回路１７の駆動信号、ラインセンサ２１のスキャン信
号、パルスレ―ザ１１のタイミング信号およびポッケル
スセル１２の駆動信号を発生する同期駆動部である。こ
こでポッケルスセルとは電気光学効果であるポッケルス
効果を用いた光スイッチの一種である。パルスレ―ザ１
１、ポッケルスセル１２およびハ―フミラ―１３は被測
定回路１７に照射する光パルスを発生する第１の光パル
ス発生手段を構成し、パルスレ―ザ１１、ポッケルスセ
ル１２、ハ―フミラ―１３およびパルス圧縮器１８は第
１の光パルス発生手段の出力光と同期して時間的により
短い光パルスを出力する第２の光パルス発生手段を構成
する。

【００１１】上記装置の動作を次に説明する。パルスレ
―ザ１１は光のパルス列を発生するが、この中から１つ
の光パルスだけがポッケルスセル１２を透過する。この
光パルスの一部はハ―フミラ―１３を透過してミラ―１
４およびディレイライン１５を介して偏光子１６で反射
され被測定回路１７に照射される。被測定回路１７はＧ
ａＡｓが電気光学効果を持つので、回路が動作状態にあ
れば、照射された光の偏波面を変化させる。すなわちそ
の反射戻り光は入射光とは異なる偏波面を持つ。この偏
波面の変化量は内部の電界強度に比例するので、この偏
波成分を偏光子１６で分離すると、この光は被測定回路
内部の電界強度の変化を光の強度に変換したものとな
る。一方ハ―フミラ―１３で反射した光パルスはパルス
圧縮器１８で圧縮され、パルス幅が細くなる。

【００１２】被測定回路１７からの光パルスとパルス圧
縮器１８で圧縮された光パルスは、図２に示すように非
線形光学結晶２０に等しい角度で入射する。また２つの
光パルスはディレイライン１５により光路差を調節され
ているので、非線形光学結晶２０に同時に到着する。こ
のとき２つの入射光は互いに直交する偏波面を持つ。非
線形光学結晶２０は２つの光が同時に入射したときに入
射光の２次高調波、すなわち波長が１／２の光を発生す
る。ラインセンサ２１はこの２次高調波のみを受光す
る。図２に示すように、被測定回路１７からの光パルス
と圧縮された光パルスは非線形光学結晶２０内部で交差
するように入射するので、非線形光学結晶２０の横軸方
向すなわち図のＸ軸方向に２つの光パルスの間の時間差
が生じ、横軸方向が時間差に相当することになる。図２
の非線形光学結晶２０内部のａ点，ｂ点，ｃ点における
２つの光ビ―ムの時間差の関係を図３（Ａ），（Ｂ），
（Ｃ）にそれぞれ示す。ここで被測定回路１７からの光
を３１、パルス圧縮された光を３２で表す。非線形光学
結晶２０は２つの光が同時に入射した時に入射光の２次
高調波を発生するので、２つの光強度の掛算をしている
ことになる。すなわち図２の横方向に、被測定回路１７
からの光を、パルス圧縮された光でサンプリングしてい
ることになる。具体的には図２において、パルス圧縮光
３２が戻り光３１と時間的にｃ点→ｂ点→ａ点の順で交
差するので、図３（Ｃ）（Ｂ）（Ａ）の順で戻り光のサ
ンプリングが行なわれたことになる。その結果、従来時
系列で行っていたサンプリングを空間的なサンプリング
で置換えることができる。ラインセンサ２１のスキャン
により検出された信号は演算表示部２２で時間軸上の波
形として表示され、被測定回路１７の動作電圧が測定さ
れる。

【００１３】このような構成の光サンプリング装置によ
れば、被測定回路の時間軸上の特性に比例した強度を持
つ第１の光パルスと、これよりも細いパルス幅を持つ第
２の光パルスを、空間的に時間差が生じるように配置
し、その強度の積を非線形光学結晶で得るように構成し
ているため、次のような利点がある。イ．繰返し現象で
なく単発現象でも測定することができる。ロ．複数周期
サンプリングする必要が無いので、従来のサンプリング
装置と異なり被測定回路の駆動信号と光パルスの間のジ
ッタによる時間分解能の制限が無く、高い時間分解能の
光サンプリング装置を実現することができる。

【００１４】なお被測定回路はＧａＡｓ集積回路に限ら
ず、ＩｎＰ等の電気光学効果を持つ任意の材料で作られ
ているものに適用することができる。また上記の各実施
例ではＧａＡｓ集積回路のように、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持た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ＬｉＴａＯ
₃ （タンタル酸リチウム）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からの漏れ電界
により電気光学効果を生じさせるようにすればよい。ま
た上記の実施例では電気光学効果による偏波面の変化を
検出しているが、これに限らず半導体のキャリア密度の
変化による吸収スペクトルの変化等の物理量を検出して
もよい。この場合は、電気光学材料を用いる代りに半導
体材料を被測定回路の電界内に配置し、被測定回路から
の電界によりその光吸収率を変化させ、これにパルス光
を入射してその光強度を変調する。また被測定回路の反
射光を検出する代りに透過光を検出してもよい。また被
測定回路に照射される光パルスおよびパルス圧縮された
光パルスは異なる２台の光源を同期させて用いてもよ
い。また非線形光学材料２０として結晶以外の材料を用
いることもできる。また図２において、戻り光パルスと
圧縮光パルスは等しい角度で非線形光学結晶２０に入射
するときに効率が最大となるが、異なる角度で入射させ
てもよい。

【００１５】図４は本発明に係る光サンプリング装置の
他の実施例で高速光パルスの強度の時間変化を測定する
ものを示す構成ブロック図である。図１と同じ部分は同
一の記号を付して詳しい説明を省略する。図において、
被測定光源４０から出力された被測定パルス光は平行光
となり、非線形光学結晶２０に入射する。パルス光源１
１から出力されるパルス光はポッケルスセル１２，パル
ス圧縮器１８，ディレイライン１５を通り、非線形光学
結晶２０に入射する。２つの光は図２の場合と同様、非
線形光学結晶内部で交差するように配置されている。デ
ィレイライン１５は２つの光パルスが非線形光学結晶２
０に同時に到着するように、光路差を調節するために設
けられている。非線形光学結晶２０の後部にはラインセ
ンサ２１があり、非線形光学結晶２０で発生する２次高
調波を受光する。ラインセンサ２１の出力は演算表示部
２２に導かれる。パルス光源１１，ポッケルスセル１
２，ラインセンサ２１，演算表示部２２および被測定光
源４０は同期駆動部２３により駆動される。パルスレ―
ザ１１、ポッケルスセル１２およびパルス圧縮器１８は
被測定光源と同期して時間的により短い光パルスを出力
する光パルス発生手段を構成する。

【００１６】図４の装置は動作は図１の場合と同様であ
る。パルス圧縮器１８でパルス圧縮された光パルス４２
は被測定光源４０からの光パルス４１に比べて十分に細
くなり、図２，図３で示したのと同様の動作で光パルス
４１を光パルス４２でサンプリングすることになる。そ
の結果、被測定光源４０からの光パルスを演算表示部２
２で時間軸上の波形として表示することができる。

【００１７】このような構成の光サンプリング装置によ
れば、被測定光源からの光パルスと、これよりも細い光
パルスを、空間的に時間差が生じるように配置し、その
強度の積を非線形光学結晶で得るように構成しているた
め、次のような利点がある。 （イ）被測定光パルスが繰返し現象でなく、単発現象で
も測定することができる 。（ロ）従来の自己相関測定と異なり、パルスの形状が
測定できる。 （ハ）被測定光のパワ―が微弱でも測定できる。これは
被測定光源からの光パルスが微弱であっても、もう一方
の光パルスの強度を十分強くすれば、非線形効果により
発生する光の強度を測定に充分な強度まで増加させるこ
とができるためである。

【００１８】なお上記の各実施例では２つの光パルスの
波長が等しい場合なので２次高調波をラインセンサで受
光しているが、波長が異なる場合には和周波，差周波，
パラメトリック発振等により非線形光学材料（ＫＴＰ，
ＢＢＯでも可能）から（少なくとも一方の）入射光と異
なる波長の光を発生させ、これをラインセンサで検出し
てもよい。

【００１９】

【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、ジッタに影響されず、高い時
間分解能を持ち、単発現象でも測定することができる光
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】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である。

【図２】図１の回路の動作を示すための動作説明図であ
る。

【図３】図１の回路の動作を示すための他の動作説明図
である。

【図４】本発明に係る光サンプリング装置の他の実施例
を示す構成ブロック図である。

【図５】従来のサンプリング技術の原理図である。

【図６】光サンプリング装置の従来例を示す構成ブロッ
ク図である。

【符号の説明】

１１ パルスレ―ザ １２ ポッケルスセル １３ ハ―フミラ― １５ ディレイライン １７ 被測定回路 １８ パルス圧縮器 ２０ 非線形光学材料 ２１ ラインセンサ ４０ 被測定光源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−259472（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−257069（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−41329（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−311722（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01R 31/302 G01J 11/00 H01L 21/66

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】出力光パルスが被測定回路に照射される第
   １の光パルス発生手段と、この第１の光パルス発生手段
   の出力光と同期して時間的により短い光パルスを出力す
   る第２の光パルス発生手段と、前記被測定回路からの戻
   り光と前記第２の光パルス発生手段からの光パルスが空
   間的に時間差が生じるようにその内部で交差して照射さ
   れる非線形光学材料と、 この非線形光学材料から発生
   する光の空間的な分布を電気信号に変換するラインセン
   サとを備え、ラインセンサ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。
2. 【請求項２】被測定光を出力する被測定光源と、この被
   測定光源と同期して時間的により短い光パルスを出力す
   る光パルス発生手段と、前記被測定光源からの出力光と
   前記光パルス発生手段からの光パルスが空間的に時間差
   が生じるようにその内部で交差して照射される非線形光
   学材料と、この非線形光学材料から発生する光の空間的
   な分布を電気信号に変換するラインセンサとを備え、ラ
   インセンサの出力に基づいて被測定光源から出力される
   光パルスの強度の時間変化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。