JP3283660B2 - 電圧測定装置 - Google Patents
電圧測定装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、被測定対象の局部に与
えられている微少な電圧を検出する電圧測定装置に関す
る。
えられている微少な電圧を検出する電圧測定装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】被測定対象の局部における電圧変化を検
出してこの部分に印加されている微小電圧信号を測定す
る方法として、電気光学材料からなるＥ−Ｏプローブを
用いる方法がある。具体的には、被測定対象の局部に近
接して配置したＥ−Ｏプローブ中に形成される電界変化
に起因する電気光学材料の屈折率変化を利用し、被測定
対象の局部に印加されている微小電圧信号を検出するこ
とが行われている（U.S.Pat.No.4446425等）。
出してこの部分に印加されている微小電圧信号を測定す
る方法として、電気光学材料からなるＥ−Ｏプローブを
用いる方法がある。具体的には、被測定対象の局部に近
接して配置したＥ−Ｏプローブ中に形成される電界変化
に起因する電気光学材料の屈折率変化を利用し、被測定
対象の局部に印加されている微小電圧信号を検出するこ
とが行われている（U.S.Pat.No.4446425等）。
【０００３】図９に、Ｅ−Ｏプローブを用いた従来の電
圧測定装置の構成例を示す。半導体装置その他の被測定
デバイス１００からの電界によって、Ｅ−Ｏプローブ１
０１の屈折率が変化する。このＥ−Ｏプローブ１０１
に、駆動装置１０２によって制御された光源１０３から
の光ビームが、コリメートレンズ１０４、偏光ビームス
プリッタ１０５、波長板１０６、集光レンズ１０７を順
次通過して入射する。Ｅ−Ｏプローブ１０１で反射して
戻ってきた光ビームは、偏光ビームスプリッタ１０５で
入射してきた時と直交する偏光の光のみが取り出されて
光検出器１０８に入射しここで電気信号に変換される。
この電気信号は、Ｅ−Ｏプローブ１０１に形成された電
界の変化、すなわち被測定デバイス１００の局部に印加
されている電気信号の変化を反映したものとなってい
る。
圧測定装置の構成例を示す。半導体装置その他の被測定
デバイス１００からの電界によって、Ｅ−Ｏプローブ１
０１の屈折率が変化する。このＥ−Ｏプローブ１０１
に、駆動装置１０２によって制御された光源１０３から
の光ビームが、コリメートレンズ１０４、偏光ビームス
プリッタ１０５、波長板１０６、集光レンズ１０７を順
次通過して入射する。Ｅ−Ｏプローブ１０１で反射して
戻ってきた光ビームは、偏光ビームスプリッタ１０５で
入射してきた時と直交する偏光の光のみが取り出されて
光検出器１０８に入射しここで電気信号に変換される。
この電気信号は、Ｅ−Ｏプローブ１０１に形成された電
界の変化、すなわち被測定デバイス１００の局部に印加
されている電気信号の変化を反映したものとなってい
る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】集積回路などでは電気
信号の振幅は高々数ボルトである。このような振幅しか
ない被測定デバイス１００からの電界によって生じるＥ
−Ｏプローブ１０１内での屈折率変化は小さい。したが
って、Ｅ−Ｏプローブ１０１で反射した光ビームの偏光
状態の変化も小さい。Ｅ−Ｏプローブ１０１では、この
偏光状態の変化を強度変化に変換して検出するので、高
い感度で検出するのは困難であった。
信号の振幅は高々数ボルトである。このような振幅しか
ない被測定デバイス１００からの電界によって生じるＥ
−Ｏプローブ１０１内での屈折率変化は小さい。したが
って、Ｅ−Ｏプローブ１０１で反射した光ビームの偏光
状態の変化も小さい。Ｅ−Ｏプローブ１０１では、この
偏光状態の変化を強度変化に変換して検出するので、高
い感度で検出するのは困難であった。
【０００５】本発明はこのような問題を解決し、被測定
対象の局部における電圧変化を精度よく検出できる電圧
測定装置を提供することを目的とする。
対象の局部における電圧変化を精度よく検出できる電圧
測定装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、第１の発明の電圧測定装置は、（ａ）第１及び第２
の出射端面を有するレーザー光源と、（ｂ）表面に高反
射コートが形成された曲面を有し、この曲面の曲率中心
点とレーザー光源の第１の出射端面の光出射点とが一致
するように曲面の反対側の面とレーザー光源の第１の出
射端面とを接合させた、電界に応じて光に対する屈折率
が変化する電気光学部材と、（ｃ）レーザー光源の第２
の出射端面側に設けられた反射手段と、（ｄ）反射手段
を透過して出射するレーザー光の光強度を検出する検出
手段とを備える。
に、第１の発明の電圧測定装置は、（ａ）第１及び第２
の出射端面を有するレーザー光源と、（ｂ）表面に高反
射コートが形成された曲面を有し、この曲面の曲率中心
点とレーザー光源の第１の出射端面の光出射点とが一致
するように曲面の反対側の面とレーザー光源の第１の出
射端面とを接合させた、電界に応じて光に対する屈折率
が変化する電気光学部材と、（ｃ）レーザー光源の第２
の出射端面側に設けられた反射手段と、（ｄ）反射手段
を透過して出射するレーザー光の光強度を検出する検出
手段とを備える。
【０００７】また、第２の発明の電圧測定装置は、
（ａ）第１及び第２の出射端面を有するレーザー光源
と、（ｂ）レーザー光源の第１の出射端面からの出射光
を一方のファイバ端面から導入する偏波面保持型の光フ
ァイバと、（ｃ）表面に高反射コートが形成された曲面
を有し、この曲面の中心点と光ファイバの他方のファイ
バ端面の光導出点とが一致するように曲面の反対側の面
と光ファイバの他方のファイバ端面とを接合させた、電
界に応じて光に対する屈折率が変化する電気光学部材
と、（ｄ）レーザー光源の第２の出射端面側に設けられ
た反射手段と、（ｅ）反射手段を透過して出射するレー
ザー光の光強度を検出する検出手段とを備える。
（ａ）第１及び第２の出射端面を有するレーザー光源
と、（ｂ）レーザー光源の第１の出射端面からの出射光
を一方のファイバ端面から導入する偏波面保持型の光フ
ァイバと、（ｃ）表面に高反射コートが形成された曲面
を有し、この曲面の中心点と光ファイバの他方のファイ
バ端面の光導出点とが一致するように曲面の反対側の面
と光ファイバの他方のファイバ端面とを接合させた、電
界に応じて光に対する屈折率が変化する電気光学部材
と、（ｄ）レーザー光源の第２の出射端面側に設けられ
た反射手段と、（ｅ）反射手段を透過して出射するレー
ザー光の光強度を検出する検出手段とを備える。
【０００８】
【作用】第１の発明の電圧測定装置によれば、レーザー
光源の第１の出射端面から出射した光は電気光学部材内
を拡散して、高反射コートが形成された曲面で反射す
る。電気光学部材の曲面の曲率中心点とレーザー光源の
第１の出射端面上の光出射点とを一致させているので、
反射光の大部分はこの光出射点に集まり、レーザー光源
に入射する。入射した光はレーザー光源の第２の出射端
面に到達し、反射手段で反射して、レーザー光源内を第
１の出射端面に向けて進行する。このように、電気光学
部材の曲面と反射手段との間で共振器が構成され、この
共振器内でレーザー発振が起こる。この結果、反射手段
を透過してレーザー光が出力される。
光源の第１の出射端面から出射した光は電気光学部材内
を拡散して、高反射コートが形成された曲面で反射す
る。電気光学部材の曲面の曲率中心点とレーザー光源の
第１の出射端面上の光出射点とを一致させているので、
反射光の大部分はこの光出射点に集まり、レーザー光源
に入射する。入射した光はレーザー光源の第２の出射端
面に到達し、反射手段で反射して、レーザー光源内を第
１の出射端面に向けて進行する。このように、電気光学
部材の曲面と反射手段との間で共振器が構成され、この
共振器内でレーザー発振が起こる。この結果、反射手段
を透過してレーザー光が出力される。
【０００９】電気光学部材を被測定物に接近させると、
被測定物の測定点に印加される電圧によって生じる電界
に応じて、電気光学部材の光の屈折率が変化する。この
屈折率の変化に伴い共振器の特性が変わるので、出力さ
れるレーザー光の光強度も変化する。このレーザー光の
光強度を検出手段で検出することにより、被測定物の測
定点に印加される電圧を測定することができる。
被測定物の測定点に印加される電圧によって生じる電界
に応じて、電気光学部材の光の屈折率が変化する。この
屈折率の変化に伴い共振器の特性が変わるので、出力さ
れるレーザー光の光強度も変化する。このレーザー光の
光強度を検出手段で検出することにより、被測定物の測
定点に印加される電圧を測定することができる。
【００１０】また、第２の発明の電圧測定装置は、第１
の発明の電圧測定装置のレーザー光源と電気光学部材と
の間に偏波面保持型の光ファイバを設けることにより、
反射手段と電気光学部材の曲面との間で光ファイバを介
してレーザー発振を起こさせるものである。このため、
第１の発明の電圧測定装置と同様に、被測定物の測定点
に印加される電圧をレーザー光の光強度として検出する
ことができる。
の発明の電圧測定装置のレーザー光源と電気光学部材と
の間に偏波面保持型の光ファイバを設けることにより、
反射手段と電気光学部材の曲面との間で光ファイバを介
してレーザー発振を起こさせるものである。このため、
第１の発明の電圧測定装置と同様に、被測定物の測定点
に印加される電圧をレーザー光の光強度として検出する
ことができる。
【００１１】
【実施例】以下、第１及び第２の発明の一実施例につい
て、添付図面を参照して説明する。
て、添付図面を参照して説明する。
【００１２】図１は第１の発明の一実施例に係る電圧測
定装置の構成を示す斜視図である。本実施例の電圧測定
装置は、例えばＬＳＩ素子などの被測定物１０の測定点
に接近させて測定点の被測定電気信号により発生する電
界を測定するプローブ部２０と、プローブ部２０に電流
を供給する電源装置３０と、プローブ部２０から出力し
たレーザー光を導波する光ファイバ４０とを備えてい
る。さらに、光ファイバ４０から導出したレーザー光の
光強度を電気信号に変換する受光器５０と、受光器５０
からの電気信号を解析する解析装置６０とを備えてい
る。プローブ部２０はＸＹＺステージ７０に装着されて
おり、このＸＹＺステージ７０を駆動してプローブ部２
０を移動させることによって被測定物１０の表面を走査
することができる。
定装置の構成を示す斜視図である。本実施例の電圧測定
装置は、例えばＬＳＩ素子などの被測定物１０の測定点
に接近させて測定点の被測定電気信号により発生する電
界を測定するプローブ部２０と、プローブ部２０に電流
を供給する電源装置３０と、プローブ部２０から出力し
たレーザー光を導波する光ファイバ４０とを備えてい
る。さらに、光ファイバ４０から導出したレーザー光の
光強度を電気信号に変換する受光器５０と、受光器５０
からの電気信号を解析する解析装置６０とを備えてい
る。プローブ部２０はＸＹＺステージ７０に装着されて
おり、このＸＹＺステージ７０を駆動してプローブ部２
０を移動させることによって被測定物１０の表面を走査
することができる。
【００１３】プローブ部２０の内部構造を図２の斜視図
に示す。同図より、プローブ部２０は、下面２１ａが曲
面状に加工された略円柱形状を有する電気光学結晶２１
と、一方の出射端面２２ａが電気光学結晶２１の上面２
１ｂと接合した半導体レーザー２２とを備えている。電
気光学結晶２１としては、ＬｉＴａＯ3 ，ＬｉＮｂ
Ｏ3 ，ＺｎＴｅなどの材質のものが用いられ、下面２１
ａには誘電体多層膜などの高反射コーティングが施され
ている。また、半導体レーザー２２の他方の出射端面２
２ｂにも、電気光学結晶２１の下面２１ａと同様の高反
射コーティングが施されている。
に示す。同図より、プローブ部２０は、下面２１ａが曲
面状に加工された略円柱形状を有する電気光学結晶２１
と、一方の出射端面２２ａが電気光学結晶２１の上面２
１ｂと接合した半導体レーザー２２とを備えている。電
気光学結晶２１としては、ＬｉＴａＯ3 ，ＬｉＮｂ
Ｏ3 ，ＺｎＴｅなどの材質のものが用いられ、下面２１
ａには誘電体多層膜などの高反射コーティングが施され
ている。また、半導体レーザー２２の他方の出射端面２
２ｂにも、電気光学結晶２１の下面２１ａと同様の高反
射コーティングが施されている。
【００１４】その結果、電気光学結晶２１の下面２１ａ
と半導体レーザー２２の出射端面２２ｂとの間がレーザ
ー共振器となる。半導体レーザー２２は電源装置３０に
接続されており、電源装置３０から電流を半導体レーザ
ー２２に流すことにより、電気光学結晶２１と半導体レ
ーザー２２で構成されるレーザー共振器内でレーザー発
振が起こる。
と半導体レーザー２２の出射端面２２ｂとの間がレーザ
ー共振器となる。半導体レーザー２２は電源装置３０に
接続されており、電源装置３０から電流を半導体レーザ
ー２２に流すことにより、電気光学結晶２１と半導体レ
ーザー２２で構成されるレーザー共振器内でレーザー発
振が起こる。
【００１５】ＸＹＺステージ７０を駆動してプローブ部
２０を移動させることにより、ＸＹＺステージ７０に載
置された被測定物１０の測定点にプローブ部２０を接近
させたり、或いは遠ざけたりすることができる。そし
て、プローブ部２０を被測定物１０に接近させると、測
定点の被測定信号によって発生する電界によって電気光
学結晶２１の状態が変化する。この状態変化に伴い、電
気光学結晶２１と半導体レーザー２２で構成されるレー
ザー共振器の特性が変化するので、このレーザー共振器
から出力するレーザー光強度も変化する。レーザー光は
半導体レーザー２２の出射端面２２ｂに結合された光フ
ァイバ４０に導入され、受光器５０まで導かれる。受光
器５０では、光ファイバ４０から導出されたレーザー光
の光強度変化を電気信号に変換する。この電気信号は解
析装置６０に与えられ、被測定物１０の測定点での時間
電圧波形の再構成等を行い、測定点の被測定電気信号の
電圧値を検出する。本実施例はこのように機能すること
により、プローブ部２０を被測定物１０に接触させるこ
となく、測定点に印加された電圧を測定することができ
る。
２０を移動させることにより、ＸＹＺステージ７０に載
置された被測定物１０の測定点にプローブ部２０を接近
させたり、或いは遠ざけたりすることができる。そし
て、プローブ部２０を被測定物１０に接近させると、測
定点の被測定信号によって発生する電界によって電気光
学結晶２１の状態が変化する。この状態変化に伴い、電
気光学結晶２１と半導体レーザー２２で構成されるレー
ザー共振器の特性が変化するので、このレーザー共振器
から出力するレーザー光強度も変化する。レーザー光は
半導体レーザー２２の出射端面２２ｂに結合された光フ
ァイバ４０に導入され、受光器５０まで導かれる。受光
器５０では、光ファイバ４０から導出されたレーザー光
の光強度変化を電気信号に変換する。この電気信号は解
析装置６０に与えられ、被測定物１０の測定点での時間
電圧波形の再構成等を行い、測定点の被測定電気信号の
電圧値を検出する。本実施例はこのように機能すること
により、プローブ部２０を被測定物１０に接触させるこ
となく、測定点に印加された電圧を測定することができ
る。
【００１６】図３は、プローブ部２０の構造を示す断面
図である。同図より、電気光学結晶２１と半導体レーザ
ー２２とは、電気光学結晶２１の下面２１ａの曲率中心
点と、半導体レーザー２２の出射端面２２ａの光出射点
とを一致させて、接合している。さらに、電気光学結晶
２１の下面２１ａには高反射コーティングが施されてい
るため、半導体レーザー２２の出射端面２２ａから出射
した光は、電気光学結晶２１内を２０〜３０度の広がり
角で拡散し、下面２１ａで反射する。反射した光は出射
光が進行した光路と同一の光路を逆方向に進行し、下面
２１ａの曲率中心点に到達する。この曲率中心点は半導
体レーザー２２の出射端面２２ａの光出射点と一致して
いるので、曲率中心点に到達した光の大部分は、半導体
レーザー２２の出射端面２２ａから導波路内に戻る。本
実施例は、このような構造を有しているので、特別な集
光系が無くても、半導体レーザー２２の出射端面２２ａ
から出射した光を、効率良く半導体レーザー２２の導波
路に戻すことができる。
図である。同図より、電気光学結晶２１と半導体レーザ
ー２２とは、電気光学結晶２１の下面２１ａの曲率中心
点と、半導体レーザー２２の出射端面２２ａの光出射点
とを一致させて、接合している。さらに、電気光学結晶
２１の下面２１ａには高反射コーティングが施されてい
るため、半導体レーザー２２の出射端面２２ａから出射
した光は、電気光学結晶２１内を２０〜３０度の広がり
角で拡散し、下面２１ａで反射する。反射した光は出射
光が進行した光路と同一の光路を逆方向に進行し、下面
２１ａの曲率中心点に到達する。この曲率中心点は半導
体レーザー２２の出射端面２２ａの光出射点と一致して
いるので、曲率中心点に到達した光の大部分は、半導体
レーザー２２の出射端面２２ａから導波路内に戻る。本
実施例は、このような構造を有しているので、特別な集
光系が無くても、半導体レーザー２２の出射端面２２ａ
から出射した光を、効率良く半導体レーザー２２の導波
路に戻すことができる。
【００１７】また、このような構造であるので、電気光
学結晶２１内を往復する光の光路長が全ての光路で一定
になり、光の偏光状態の変化も一定になるといった顕著
な効果が発揮される。なお、接合面での反射が起こらな
いように、接合面に無反射コーティングを施したり、マ
ッチング材を挿入してもよい。
学結晶２１内を往復する光の光路長が全ての光路で一定
になり、光の偏光状態の変化も一定になるといった顕著
な効果が発揮される。なお、接合面での反射が起こらな
いように、接合面に無反射コーティングを施したり、マ
ッチング材を挿入してもよい。
【００１８】次に、本実施例の原理について説明する。
図１に示した本実施例に係る電圧測定装置のプローブ部
２０の構成と等価な構成を図４の原理図に示す。この原
理図では、電気光学結晶２１の下面２１ａに施された高
反射コーティングと置き換えて反射ミラー８０を、レー
ザー媒質２２の出射端面２２ａに施された高反射コーテ
ィングと置き換えて出力ミラー８１をそれぞれ配置して
いる。反射ミラー８０と出力ミラー８１の間には、電気
光学結晶８２とレーザー媒質８３がそれぞれ配置されて
おり、反射ミラー８０と出力ミラー８１の間がレーザー
共振器になっている。
図１に示した本実施例に係る電圧測定装置のプローブ部
２０の構成と等価な構成を図４の原理図に示す。この原
理図では、電気光学結晶２１の下面２１ａに施された高
反射コーティングと置き換えて反射ミラー８０を、レー
ザー媒質２２の出射端面２２ａに施された高反射コーテ
ィングと置き換えて出力ミラー８１をそれぞれ配置して
いる。反射ミラー８０と出力ミラー８１の間には、電気
光学結晶８２とレーザー媒質８３がそれぞれ配置されて
おり、反射ミラー８０と出力ミラー８１の間がレーザー
共振器になっている。
【００１９】ここで、電気光学結晶８２は反射ミラー８
０と出力ミラー８１間を往復する光ビームの光軸方向の
電界を検出する結晶軸を有し、レーザー媒質８３はｘ方
向の偏光利得しか持たず、さらに、レーザー媒質８３か
ら電気光学結晶８２へ向かう光の偏光はｘ方向の直線偏
光であるとする。レーザー媒質８３から出射した光は、
電気光学結晶８２を透過して反射ミラー８０で反射し、
もう一度電気光学結晶８２を透過してレーザー媒質８３
に戻る。ここで、電気光学結晶８２に電界が加わってい
れば、楕円方向の偏光となる。この光がレーザー媒質８
３を透過すると、楕円偏光のｘ方向の成分のみが増幅さ
れる。増幅された光は出力ミラー８１で反射して、レー
ザー媒質８３を透過し、さらに増幅される。このように
して、レーザー媒質８３から出射した光はレーザー共振
器内を周回し、最終的には出力ミラー８１から出力され
る。
０と出力ミラー８１間を往復する光ビームの光軸方向の
電界を検出する結晶軸を有し、レーザー媒質８３はｘ方
向の偏光利得しか持たず、さらに、レーザー媒質８３か
ら電気光学結晶８２へ向かう光の偏光はｘ方向の直線偏
光であるとする。レーザー媒質８３から出射した光は、
電気光学結晶８２を透過して反射ミラー８０で反射し、
もう一度電気光学結晶８２を透過してレーザー媒質８３
に戻る。ここで、電気光学結晶８２に電界が加わってい
れば、楕円方向の偏光となる。この光がレーザー媒質８
３を透過すると、楕円偏光のｘ方向の成分のみが増幅さ
れる。増幅された光は出力ミラー８１で反射して、レー
ザー媒質８３を透過し、さらに増幅される。このように
して、レーザー媒質８３から出射した光はレーザー共振
器内を周回し、最終的には出力ミラー８１から出力され
る。
【００２０】反射ミラー８０の外側から電気光学結晶８
２に被測定物１０を近付けると、被測定物１０に与えら
れている被測定電気信号の電圧によって、電気光学結晶
８２から出力される光の偏光状態が変わり、それに伴っ
て出力ミラー８１から出力されるレーザー光の光強度も
変化する。電気光学結晶８２からの出射光の偏光状態が
直線偏光で、レーザー媒質８３の偏光利得のもっとも高
い方向に合っているとき（図ではｘ方向）が最大出力強
度となり、それと９０度傾いた（図ではｙ方向）直線偏
光状態の場合に最小出力強度となる。また、共振器内部
の損失（素子での減衰、反射、散乱等）よりもレーザー
媒質８３の利得が高くない場合にはレーザー発振が起き
ず、出力は自然放出光となる。したがって、偏光状態が
変わる時に出力特性にしきい値が生じる。
２に被測定物１０を近付けると、被測定物１０に与えら
れている被測定電気信号の電圧によって、電気光学結晶
８２から出力される光の偏光状態が変わり、それに伴っ
て出力ミラー８１から出力されるレーザー光の光強度も
変化する。電気光学結晶８２からの出射光の偏光状態が
直線偏光で、レーザー媒質８３の偏光利得のもっとも高
い方向に合っているとき（図ではｘ方向）が最大出力強
度となり、それと９０度傾いた（図ではｙ方向）直線偏
光状態の場合に最小出力強度となる。また、共振器内部
の損失（素子での減衰、反射、散乱等）よりもレーザー
媒質８３の利得が高くない場合にはレーザー発振が起き
ず、出力は自然放出光となる。したがって、偏光状態が
変わる時に出力特性にしきい値が生じる。
【００２１】出力特性例を図５に示す。横軸は電気光学
結晶８２に印加される電圧であり、半波長電圧Ｖπ で
示した。縦軸は相対出力強度である。実線は本実施例で
の出力光強度の特性例であり、点線は図９に示した従来
例での出力光強度の特性例である。図５より、実線で示
す本実施例での出力光強度は、電気光学結晶８２への印
加電圧が０のときに最大となり、印加電圧が半波長電圧
Ｖπ のときに最小となることが判る。本実施例がこの
ような特性を有するのは次の理由による。まず、電気光
学結晶８２への印加電圧が０Ｖのときには電気光学結晶
８２内で光の偏光状態が変化しない。このため、電気光
学結晶８２からレーザー媒質８３に戻った光の偏光状態
は直線偏光であり、この方向のときにレーザー媒質８３
の偏光利得が最大となるので、出力ミラー８１から出力
されるレーザー光の出力強度は最大になる。反対に、電
気光学結晶８２への印加電圧が半波長電圧に等しいとき
には電気光学結晶８２内で光の偏光状態が９０度傾くの
で、出力ミラー８１から出力されるレーザー光の出力強
度は最小になる。
結晶８２に印加される電圧であり、半波長電圧Ｖπ で
示した。縦軸は相対出力強度である。実線は本実施例で
の出力光強度の特性例であり、点線は図９に示した従来
例での出力光強度の特性例である。図５より、実線で示
す本実施例での出力光強度は、電気光学結晶８２への印
加電圧が０のときに最大となり、印加電圧が半波長電圧
Ｖπ のときに最小となることが判る。本実施例がこの
ような特性を有するのは次の理由による。まず、電気光
学結晶８２への印加電圧が０Ｖのときには電気光学結晶
８２内で光の偏光状態が変化しない。このため、電気光
学結晶８２からレーザー媒質８３に戻った光の偏光状態
は直線偏光であり、この方向のときにレーザー媒質８３
の偏光利得が最大となるので、出力ミラー８１から出力
されるレーザー光の出力強度は最大になる。反対に、電
気光学結晶８２への印加電圧が半波長電圧に等しいとき
には電気光学結晶８２内で光の偏光状態が９０度傾くの
で、出力ミラー８１から出力されるレーザー光の出力強
度は最小になる。
【００２２】さらに、図５の特性曲線から次のことが判
る。本実施例の特性曲線（実線）と、従来例の特性曲線
（点線）を比べると、印加電圧が０ＶからＶπ ／２Ｖ
までの間は、本実施例の特性曲線の傾きの方が大きい。
また、印加電圧が反対の極性の場合にも同様の特性曲線
を有するので、本実施例の特性曲線は印加電圧が−Ｖ
π ／２ＶからＶπ ／２Ｖまでの間のときに傾きが大き
い。一般に電気光学結晶８２に印加される電圧の電圧変
化に対する出力強度変化の割合、すなわち特性曲線の傾
きが大きいほど電圧変化に対して大きな出力強度変化が
得られる。したがって、特性曲線の傾きが大きい−Ｖ
π ／２ＶからＶπ ／２Ｖまでの電圧が電気光学結晶８
２に印加された状態で、被測定電気信号の電圧振幅を測
定すれば、高い感度で印加電圧を検出することができ
る。この状態を実現するためには、電気光学結晶８２に
所定のバイアス電圧Ｖbiasを印加する方法がある。
る。本実施例の特性曲線（実線）と、従来例の特性曲線
（点線）を比べると、印加電圧が０ＶからＶπ ／２Ｖ
までの間は、本実施例の特性曲線の傾きの方が大きい。
また、印加電圧が反対の極性の場合にも同様の特性曲線
を有するので、本実施例の特性曲線は印加電圧が−Ｖ
π ／２ＶからＶπ ／２Ｖまでの間のときに傾きが大き
い。一般に電気光学結晶８２に印加される電圧の電圧変
化に対する出力強度変化の割合、すなわち特性曲線の傾
きが大きいほど電圧変化に対して大きな出力強度変化が
得られる。したがって、特性曲線の傾きが大きい−Ｖ
π ／２ＶからＶπ ／２Ｖまでの電圧が電気光学結晶８
２に印加された状態で、被測定電気信号の電圧振幅を測
定すれば、高い感度で印加電圧を検出することができ
る。この状態を実現するためには、電気光学結晶８２に
所定のバイアス電圧Ｖbiasを印加する方法がある。
【００２３】しかしながら、本実施例では図３の断面図
からも判るように、電気光学結晶８２にはバイアス電圧
Ｖbiasは印加していない。本実施例では、バイアス電圧
Ｖbiasを印加する代りに光学的に同様なバイアスを与え
ているのである（図４の原理図では、電気光学結晶８２
にバイアス電圧Ｖbiasが印加されているように表現され
ているが、これは本実施例の構成と等価な構成を模式的
に表しているためであり、実際にはバイアス電圧Ｖbias
は印加されていない。）。つまり、電気光学結晶８２に
電圧を加えるということは、電気光学結晶８２の屈折率
を変化させ、光の常光と異常光との位相差Γを変えるこ
とである。したがって、この位相差を光学的に与えれば
よい。これを電気光学結晶８２の自然複屈折を利用して
行っている。
からも判るように、電気光学結晶８２にはバイアス電圧
Ｖbiasは印加していない。本実施例では、バイアス電圧
Ｖbiasを印加する代りに光学的に同様なバイアスを与え
ているのである（図４の原理図では、電気光学結晶８２
にバイアス電圧Ｖbiasが印加されているように表現され
ているが、これは本実施例の構成と等価な構成を模式的
に表しているためであり、実際にはバイアス電圧Ｖbias
は印加されていない。）。つまり、電気光学結晶８２に
電圧を加えるということは、電気光学結晶８２の屈折率
を変化させ、光の常光と異常光との位相差Γを変えるこ
とである。したがって、この位相差を光学的に与えれば
よい。これを電気光学結晶８２の自然複屈折を利用して
行っている。
【００２４】図４の原理図に基づいて説明する。レーザ
ー媒質８３からの出射光の発振波長をλとして、この波
長での電気光学結晶８２の常光、異常光の屈折率を
ｎo 、ｎe とする。電気光学結晶８２の常光、異常光の
波数ｋo 、ｋe は、 ｋo ＝２πｎo ／λ ， ｋe ＝２πｎe ／λ 電気光学結晶８２の厚さをｄとすると、往復での位相差
Γは、 Γ＝２ｄ（ｋo −ｋe ） ＝４πｄ（ｎo −ｎe ）／λ 位相差Γは、２π毎の周期性を持つので、 ２ｍπ＋Γ＝４πｄ（ｎo −ｎe ）／λ （ｍ＝
０，１，２…） また、電圧と位相差の関係は、 Γ＝π（Ｖbias／Ｖπ ） であるのでこれを代入して、ｄについて解くと、 ｄ＝λ／（ｎo −ｎe ）×｛ｍ／２＋Ｖbias／４
Ｖπ ｝ となる。この式を満たすように、電気光学結晶８２の厚
さｄを調整すれば、バイアス電圧Ｖbiasが電気光学結晶
８２に印加された場合の屈折率変化と同一の屈折率変化
が自然複屈折によって得られる。バイアス電圧Ｖbiasと
しては、図５の特性曲線の傾きが大きい−Ｖπ ／２〜
Ｖπ ／２の間に設定すればよい。
ー媒質８３からの出射光の発振波長をλとして、この波
長での電気光学結晶８２の常光、異常光の屈折率を
ｎo 、ｎe とする。電気光学結晶８２の常光、異常光の
波数ｋo 、ｋe は、 ｋo ＝２πｎo ／λ ， ｋe ＝２πｎe ／λ 電気光学結晶８２の厚さをｄとすると、往復での位相差
Γは、 Γ＝２ｄ（ｋo −ｋe ） ＝４πｄ（ｎo −ｎe ）／λ 位相差Γは、２π毎の周期性を持つので、 ２ｍπ＋Γ＝４πｄ（ｎo −ｎe ）／λ （ｍ＝
０，１，２…） また、電圧と位相差の関係は、 Γ＝π（Ｖbias／Ｖπ ） であるのでこれを代入して、ｄについて解くと、 ｄ＝λ／（ｎo −ｎe ）×｛ｍ／２＋Ｖbias／４
Ｖπ ｝ となる。この式を満たすように、電気光学結晶８２の厚
さｄを調整すれば、バイアス電圧Ｖbiasが電気光学結晶
８２に印加された場合の屈折率変化と同一の屈折率変化
が自然複屈折によって得られる。バイアス電圧Ｖbiasと
しては、図５の特性曲線の傾きが大きい−Ｖπ ／２〜
Ｖπ ／２の間に設定すればよい。
【００２５】例えば、電気光学結晶８２がＬｉＮｂＯ3
の場合、波長λ＝６３３［ｎｍ］のときには、ｎo ＝
２．２６８、ｎe ＝２．２００となる。バイアス電圧Ｖ
bias＝Ｖπ ／４Ｖが電気光学結晶８２に印加された場
合と同様の位相差を自然複屈折を利用して得るには、ｍ
＝１の場合、 ｄ＝５．２４［μｍ］ とすればよい。
の場合、波長λ＝６３３［ｎｍ］のときには、ｎo ＝
２．２６８、ｎe ＝２．２００となる。バイアス電圧Ｖ
bias＝Ｖπ ／４Ｖが電気光学結晶８２に印加された場
合と同様の位相差を自然複屈折を利用して得るには、ｍ
＝１の場合、 ｄ＝５．２４［μｍ］ とすればよい。
【００２６】図６は第２の発明の一実施例に係る電圧測
定装置である。第１の発明の実施例では電気光学結晶２
１と半導体レーザー２２とを密着させていたが、本実施
例では、電気光学結晶２１と半導体レーザー２２の間に
偏波面保持ファイバ９０を設けている。具体的には、図
７（ａ）（ｂ）の斜視図に示すように、プローブ部２０
に備えられた電気光学結晶２１と、受光器５０に備えら
れた半導体レーザー２２とを偏波面保持ファイバ９０で
接続しているのである。受光器５０には、さらに半導体
レーザー２２から出力されたレーザー光を集束する光学
レンズ５１と、光学レンズ５１で集束した光を受光する
受光素子５２とが備えられており、半導体レーザー２２
から出力されたレーザー光の光強度が検出される。
定装置である。第１の発明の実施例では電気光学結晶２
１と半導体レーザー２２とを密着させていたが、本実施
例では、電気光学結晶２１と半導体レーザー２２の間に
偏波面保持ファイバ９０を設けている。具体的には、図
７（ａ）（ｂ）の斜視図に示すように、プローブ部２０
に備えられた電気光学結晶２１と、受光器５０に備えら
れた半導体レーザー２２とを偏波面保持ファイバ９０で
接続しているのである。受光器５０には、さらに半導体
レーザー２２から出力されたレーザー光を集束する光学
レンズ５１と、光学レンズ５１で集束した光を受光する
受光素子５２とが備えられており、半導体レーザー２２
から出力されたレーザー光の光強度が検出される。
【００２７】このように構成することで、被測定物１０
から電気回路（半導体レーザー２２、半導体レーザー２
２と電源装置３０を接続するケーブル９１など）を離す
ことができ、またケーブル９１を短くすることができ
る。このため、被測定物１０に与える電気的影響や、電
磁ノイズなど外部から受ける影響などを避けることがで
きるので、精度良く測定することが可能となる。
から電気回路（半導体レーザー２２、半導体レーザー２
２と電源装置３０を接続するケーブル９１など）を離す
ことができ、またケーブル９１を短くすることができ
る。このため、被測定物１０に与える電気的影響や、電
磁ノイズなど外部から受ける影響などを避けることがで
きるので、精度良く測定することが可能となる。
【００２８】図８は、共振器を構成する各素子の位置関
係を示す断面図である。電気光学結晶２１の下面２１ａ
の曲率中心点は、偏波面保持ファイバ９０のファイバ端
面９０ａの光導出点と一致させているので、偏波面保持
ファイバ９０から出射した光は、電気光学結晶２１の光
反射コーティングが施された下面２１ａで反射してファ
イバ端面９０ａに戻ってくる。偏波面保持ファイバ９０
の出射光は数十度の広がり角を持つが、特別な集光系が
無くても、上記の構造にすることで出射光を効率良く偏
波面保持ファイバ９０に戻すことができる。また、電気
光学結晶２１内を往復する光路長がすべての光路で一定
になるので、光の偏光状態の変化も一定になる。さらに
偏波面保存ファイバ９０が用いられているので、電気光
学結晶２１と半導体レーザー２２を、光の偏光状態を保
ちながら結合できる。
係を示す断面図である。電気光学結晶２１の下面２１ａ
の曲率中心点は、偏波面保持ファイバ９０のファイバ端
面９０ａの光導出点と一致させているので、偏波面保持
ファイバ９０から出射した光は、電気光学結晶２１の光
反射コーティングが施された下面２１ａで反射してファ
イバ端面９０ａに戻ってくる。偏波面保持ファイバ９０
の出射光は数十度の広がり角を持つが、特別な集光系が
無くても、上記の構造にすることで出射光を効率良く偏
波面保持ファイバ９０に戻すことができる。また、電気
光学結晶２１内を往復する光路長がすべての光路で一定
になるので、光の偏光状態の変化も一定になる。さらに
偏波面保存ファイバ９０が用いられているので、電気光
学結晶２１と半導体レーザー２２を、光の偏光状態を保
ちながら結合できる。
【００２９】図３に示した第１の発明の実施例と同様
に、電気光学結晶２１の下面２１ａと半導体レーザー２
２の出射端面２２ｂ間がレーザー共振器となり、出射端
面２２ｂからレーザー光が出力される。
に、電気光学結晶２１の下面２１ａと半導体レーザー２
２の出射端面２２ｂ間がレーザー共振器となり、出射端
面２２ｂからレーザー光が出力される。
【００３０】なお、第１及び第２の発明の実施例では、
レーザー媒質に半導体レーザーを用いて説明したが、偏
光利得特性を持つレーザー媒質ならば他のものでもよ
い。
レーザー媒質に半導体レーザーを用いて説明したが、偏
光利得特性を持つレーザー媒質ならば他のものでもよ
い。
【００３１】また、プローブ部２０に光源を内蔵させ、
光源からの光照射によってレーザー媒質を光励起しても
よい。この場合、レーザー媒質に電圧を印加する必要が
ないので、電圧印加によって生じる電界による測定への
悪影響を防止することができる。
光源からの光照射によってレーザー媒質を光励起しても
よい。この場合、レーザー媒質に電圧を印加する必要が
ないので、電圧印加によって生じる電界による測定への
悪影響を防止することができる。
【００３２】
【発明の効果】第１の発明の電圧測定装置では、電気光
学部材とレーザー光源とで共振器を構成している。また
第２の発明の電圧測定装置では、電気光学部材と光ファ
イバとレーザー光源とで共振器を構成している。
学部材とレーザー光源とで共振器を構成している。また
第２の発明の電圧測定装置では、電気光学部材と光ファ
イバとレーザー光源とで共振器を構成している。
【００３３】このように共振器内に電気光学部材が配置
されているので、従来より感度良く被測定物の測定点に
印加される電圧の測定が可能である。
されているので、従来より感度良く被測定物の測定点に
印加される電圧の測定が可能である。
【００３４】また、波長板やレンズの役割を電気光学部
材が行っているので、波長板やレンズなどの光学素子が
不要となり、構造が簡単になった。これに伴って、光学
素子で発生していた反射、吸収、散乱等の問題がなくな
ったので、共振器全体としての光損失を減少させること
ができた。
材が行っているので、波長板やレンズなどの光学素子が
不要となり、構造が簡単になった。これに伴って、光学
素子で発生していた反射、吸収、散乱等の問題がなくな
ったので、共振器全体としての光損失を減少させること
ができた。
【図１】第１の発明の一実施例に係る電圧測定装置の構
成を示す斜視図である。
成を示す斜視図である。
【図２】プローブ部の内部構造を示す斜視図である。
【図３】プローブ部の構造を示す断面図である。
【図４】本実施例に係る電圧測定装置の原理を示す図で
ある。
ある。
【図５】出力特性例を示す図である。
【図６】第２の発明の一実施例に係る電圧測定装置の構
成を示す斜視図である。
成を示す斜視図である。
【図７】プローブ部及び受光器の内部構造を示す斜視図
である。
である。
【図８】共振器を構成する各素子の位置関係を示す断面
図である。
図である。
【図９】従来の電圧測定装置の構成例を示す斜視図であ
る。
る。
１０…被測定物、２０…プローブ部、２１，８２…電気
光学結晶、２２…半導体レーザー、３０…電源装置、４
０…光ファイバ、５０…受光器、５１…光学レンズ、５
２…受光素子、６０…解析装置、７０…ＸＹＺステー
ジ、８０…反射ミラー、８１…出力ミラー、８３…レー
ザー媒質、９０…偏波面保持ファイバ、９１…ケーブ
ル。
光学結晶、２２…半導体レーザー、３０…電源装置、４
０…光ファイバ、５０…受光器、５１…光学レンズ、５
２…受光素子、６０…解析装置、７０…ＸＹＺステー
ジ、８０…反射ミラー、８１…出力ミラー、８３…レー
ザー媒質、９０…偏波面保持ファイバ、９１…ケーブ
ル。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−82490（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−27843（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−189482（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−289082（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−94270（ＪＰ，Ａ) 実開 昭59−104558（ＪＰ，Ｕ) 特公 平３−45328（ＪＰ，Ｂ２) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01R 15/24 G01R 19/00 - 19/32 G01R 31/28 - 3/3193 G01R 29/12 H01L 21/66
Claims (4)
- 【請求項１】 第１及び第２の出射端面を有するレーザ
ー光源と、 表面に高反射コートが形成された曲面を有し、この曲面
の曲率中心点と前記レーザー光源の第１の出射端面の光
出射点とが一致するように前記曲面の反対側の面と前記
レーザー光源の第１の出射端面とを接合させた、電界に
応じて光に対する屈折率が変化する電気光学部材と、 前記レーザー光源の第２の出射端面側に設けられた反射
手段と、 前記反射手段を透過して出射するレーザー光の光強度を
検出する検出手段とを備えることを特徴とする電圧測定
装置。 - 【請求項２】 第１及び第２の出射端面を有するレーザ
ー光源と、 前記レーザー光源の第１の出射端面からの出射光を一方
のファイバ端面から導入する偏波面保持型の光ファイバ
と、 表面に高反射コートが形成された曲面を有し、この曲面
の曲率中心点と前記光ファイバの他方のファイバ端面の
光導出点とが一致するように前記曲面の反対側の面と前
記光ファイバの他方のファイバ端面とを接合させた、電
界に応じて光に対する屈折率が変化する電気光学部材
と、 前記レーザー光源の第２の出射端面側に設けられた反射
手段と、 前記反射手段を透過して出射するレーザー光の光強度を
検出する検出手段とを備えることを特徴とする電圧測定
装置。 - 【請求項３】 前記反射手段は、前記レーザー光源の第
２の出射端面に形成された高反射コートであることを特
徴とする請求項１または請求項２に記載の電圧測定装
置。 - 【請求項４】 前記電気光学部材の曲率半径ｄは、発振
波長をλ、常光の屈折率をｎo 、異常光の屈折率を
ｎe 、半波長電圧をＶπ とすると、 ｄ＝λ／（ｎo −ｎe ）｛ｍ／２＋Ｖbias／４Ｖπ ｝ （ｍ＝０，１，２…） を満たす長さであり、この式でのＶbiasは−Ｖπ ／２
からＶπ ／２の間の値であることを特徴とする請求項
１から請求項３までのいずれかに記載の電圧測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26255593A JP3283660B2 (ja) | 1993-10-20 | 1993-10-20 | 電圧測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26255593A JP3283660B2 (ja) | 1993-10-20 | 1993-10-20 | 電圧測定装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07120504A JPH07120504A (ja) | 1995-05-12 |
| JP3283660B2 true JP3283660B2 (ja) | 2002-05-20 |
Family
ID=17377439
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26255593A Expired - Fee Related JP3283660B2 (ja) | 1993-10-20 | 1993-10-20 | 電圧測定装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3283660B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8233753B2 (en) | 2005-06-29 | 2012-07-31 | Nec Corporation | Electric field sensor, magnetic field sensor, electromagnetic field sensor and electromagnetic field measuring system using these sensors |
| WO2019193629A1 (ja) * | 2018-04-02 | 2019-10-10 | 三菱電機株式会社 | 光強度変調器 |
-
1993
- 1993-10-20 JP JP26255593A patent/JP3283660B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07120504A (ja) | 1995-05-12 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |