JP4656282B2

JP4656282B2 - 磁界測定装置

Info

Publication number: JP4656282B2
Application number: JP2004052859A
Authority: JP
Inventors: 瑞樹岩波; 茂樹星野; 昌弘土屋; 眞人岸
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2004-02-27
Filing date: 2004-02-27
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2024-02-27
Also published as: US20050190358A1; JP2005241489A; US7385393B2; US20080238419A1

Description

本発明は、集積回路/大規模集積回路（以下、IC/LSIと呼ぶ）チップ上、IC/LSIパッケージ上、およびプリント回路基板上の近傍において磁界測定を行うための装置に関する。

図５は光技術を利用した従来の磁界測定装置の一例を示した概念図である。本磁界測定装置は、磁界検知素子である磁気光学結晶（以下、MO結晶と呼ぶ）、光ファイバ、および光学装置から成る（例えば、非特許文献１参照）。図５における右側の図は、本磁界測定装置の先端部の拡大図である。先端部は、具体的には光ファイバ３とその先端に接着されたMO結晶12、および結晶底面に施された光を反射させるための誘電体膜13を示している。

本磁界測定装置における磁界検出原理を以下に概述する。連続波発生型の半導体レーザ光源２から出射された光はファイバアンプ（光増幅器）４−１にて増幅された後、偏波コントローラ５および光循環器６を経由して、光ファイバ３の先端からMO結晶12に垂直入射される。入射光は、結晶底面に施された誘電体膜13により反射された後、再び光ファイバ３に戻る。MO結晶12に入射し、再び光ファイバ３に戻るまでの間、光はファラデー効果により外部磁界の強さに応じた偏光変調を受ける。

偏光変調された光は、再び光循環器６を通った後、アナライザ（検光子）７により強度変調光に変換され、ファイバアンプ４−２で増幅された後にフォトディテクタ８で光電変換される。フォトディテクタ８からの光電流は同軸ケーブル９を通してスペクトラムアナライザ10に入力される。スペクトラムアナライザ10は光電流を検出し、その時発生するピークを外部磁界に起因する信号とする。

本測定系の原理上、外部磁界の強さに応じて信号強度が異なるため、被測定物11上のMO結晶12の位置を変えることにより磁界分布が得られる。

図５に示されたような従来型の磁界測地装置を用いて外部磁界分布を測定する場合、その空間分解能は結晶内を伝搬するプローブ光の体積によって決まり、体積が小さいほど高空間分解能となる。

図６に示すように、結晶中のプローブ光15の体積は、近似的には光ファイバ３のコア14の径を直径とする円を上面および底面に持ち、結晶厚さを高さとする円柱の体積と等価である（例えば、非特許文献２参照）。

これまでに、磁界測定装置の先端部の構成要素として約10μmのコア径を有する単一モードファイバおよび厚さ11μmのMO結晶を用いることで、配線幅/間隔が10μmのつづら折れ型配線を構成する各平行導体から発生する磁界を十分に識別できる空間分解能が実現されたことが報告されている（例えば、非特許文献３参照）。すなわち、光技術を利用した従来型の磁界測定装置により、10μm級の空間分解能が達成されている。

前述したように、10μm級の空間分解能を有する磁界測定装置が実現されている。しかしながら、電子機器あるいは電子回路における不要電磁放射（以下、EMIと呼ぶ）源の探査を行う場合、現状では十分な分解能とは言い難い。EMI源探査の典型的対象はIC/LSIである。最近の微細配線LSIチップあるいは小型LSIパッケージを測定対象とした場合、磁界測定装置の更なる高空間分解能化が望まれる。前記のように、MO結晶と光学装置から成る磁界測定装置の場合、その空間分解能は結晶内を伝搬するプローブ光の体積によって決まる。

従って、従来型のMO結晶と光学装置から成る磁界測定装置より更に空間分解能の高い装置を実現するためには、結晶中に占めるプローブ光の体積を縮小することが課題である。

「光ファイバ端磁気光学（FEMO）プローブによる微小領域マイクロ波帯磁界分布測定」（土屋、山崎、若菜、岸）日本応用磁気学会誌、Vol.26、No.3 、pp128-134（2002）「Study of the Crystal Size Effect on Spatial Resolution in Three-Dimensional Measurement of Fine Electromagnetic Field Distribution by Optical Probing」（若菜、山崎、岩波、星野、岸、土屋）Jpn.J.Appl.Phys.Vol.42(2003)ｐｐ6637−6640 「Magnetic Near-Field Distribution Measurements over Fine Meander Circuit Patterns by Fiber-Optic Magneto-Optic Probe」（岩波、星野、岸、土屋） Proc. 2003 IEEE Symp. On Electromagnetic Compatibility, pp347-352, August 18-22 (2003)

本発明は、EMI源探査対象としてのIC/LSI、IC/LSIパッケージ、およびプリント回路基板から発生する高周波磁界を高空間分解能で測定するための磁界測定装置を提供することを目的とする。

本発明においては、磁界測定装置の先端部に集光用レンズを組み込むことにより課題解決を実現している。例えば、磁界測定装置の先端部の光ファイバとMO結晶との間に集光用レンズを介在させることにより課題が解決できる。あるいは、磁界測定装置の先端部の光ファイバに通常の単一モードファイバよりコア径の小さな高開口数ファイバあるいはフォトニック結晶ファイバを用いても課題を解決できる。具体的には、磁界測定装置は、MO結晶と、該MO結晶にプローブ光を導入するための光ファイバと、前記MO結晶と前記光ファイバとの間にあって、前記MO結晶に入射する前記プローブ光の光径を絞る円柱状の集光用レンズとを備えることを特徴とする。

本発明による磁界測定装置は、次のような効果を奏する。

第１の効果として、電子回路、特に最近の微細配線LSIを対象としたEMI源探査が詳細且つ精密に行える点が挙げられる。

第２の効果として、高空間分解能な磁界測定により高精度な電流分布測定が可能となるため、複雑な電子回路の動作チェックあるいは故障診断/解析が行える点が挙げられる。

はじめに、図２を参照して本発明の原理について説明する。図２はMO結晶と光学装置から成る磁界測定装置の先端部を簡略化した模式図である。図２は、プローブ光16が直接MO結晶12に入射する場合（図a）と、プローブ光16が集光用レンズ17を介してMO結晶12に入射する場合（図ｂ）とで結晶中に占めるプローブ光15の体積を平面的に比較できるように示している。

プローブ光16が直接MO結晶12に入射する場合、結晶中に占めるプローブ光15の体積は、近似的に光径を直径とする円を上面および底面に持ち、結晶厚さを高さとする円柱の体積と等価である。

一方、プローブ光16が集光用レンズ17を介してMO結晶12に入射する場合、集光用レンズ17中で光径が絞られる結果、図２（b）に示されるように、プローブ光の体積15は明らかにMO結晶に直接入射する図２（a）の場合よりも小さくなる。従って、磁界測定装置の先端部に集光用レンズ17を組み込むことにより、従来型の磁界測定装置よりも結晶中に占めるプローブ光の体積を縮小させることができ、その結果、更なる高空間分解能測定が可能となる。

また、磁界測定装置の先端部の光ファイバに通常の単一モードファイバよりコア径の小さな光ファイバを用いることにより、結晶に入射するプローブ光の径そのものが小さくなる。その結果、従来型の磁界測定装置よりも高空間分解能な測定が可能である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本発明による磁界測定装置の第1の実施の形態は、図１に示されるような先端部を有する。図１において、この先端部は、単一モード光ファイバ18、集光用レンズ17、およびMO結晶12から成り、単一モード光ファイバ18とMO結晶12との間に集光用レンズ17が存在する。本磁界測定装置は、図１に示される先端部以外は、図5に示されるような測定系で構成される。この先端部における各構成要素は、例えばエポキシ樹脂を用いた接着剤により接合する。

なお、図５において、各光学装置は全て光ファイバで接続されており、図１においても磁界測定装置の先端部に光ファイバが存在する。しかし、磁界測定装置に必ずしも光ファイバを使用する必要は無く、空間中を伝搬するレーザ光をプローブ光として利用しても良い。また、本発明の磁界測定装置には必ずレーザ光源を要するが、それは連続波光源、パルス光源のどちらでも問題ない。

図１に示されるような先端部を有し、この先端部以外は図５に示されるような測定系で構成される磁界測定装置における磁界検出/磁界分布測定原理は、前述した従来型の磁界測定装置における原理と同様である。

前述したように、MO結晶と光学装置からなる磁界測定装置の場合、磁界検出にMO結晶中を伝搬する光のファラデー効果による偏光変調を利用し、その空間分解能は結晶中に占めるプローブ光の体積により決定される。

例えば、図１のように磁界測定装置の先端部に集光用レンズ17を組み込むことにより、従来型の磁界測定装置よりも結晶中に占めるプローブ光の体積を縮小させることができる。その結果、本発明の磁界測定装置によれば、従来型の磁界測定装置よりも高空間分解能な測定が可能となる。

図３は、本発明による磁界測定装置の先端部の一実施例である。磁界測定装置の先端部は、長さ15.8mm、外径2.8mmの円筒形ガラスチューブ20、単一モード光ファイバ18、ファイバ固定用ガラススリーブ19、長さ4.4mm、直径1.8mmの円柱状集光用レンズ17、集光用レンズ17の先端に接着された直方体状のMO結晶12から構成されている。図３は、内部表示のためガラスチューブ20の一部を除去した模式図である。図３において、ガラススリーブ19と集光用レンズ17との間には、結晶中のプローブ光の径をより小さくするために空隙21が設けられている。MO結晶12のサイズは、平面サイズ289μm×289μm、厚み16.5μmとなっている。

本発明の磁界測定装置の一実施例の構成は、図３に示した磁界測定装置の先端部と図５に示した光学装置全体からなり、両者の接続には例えば光コネクタを用いる。

図３に示した磁界測定装置の先端部と図５に示した光学装置全体からなる磁界測定装置を動作させた場合、MO結晶中に占めるプローブ光の体積は、近似的に約５μmの光径を直径とする円を上面および底面に持ち、16.5μmの結晶厚さを高さとする円柱の体積となる。この体積値は、前述した10μm級の空間分解能を有する従来型の磁界測定装置における結晶中プローブ光の体積値の半分以下である。従って、本発明による磁界測定装置は、従来型の磁界測定装置よりも高空間分解能測定が可能である。

図４は、従来型の磁界測定装置による磁界分布測定結果と、本発明の磁界測定装置による磁界分布測定結果とを比較のために示す。被測定物は３本の平行導体からなるつづら折れ型配線で、配線幅/間隔は５μmである。

図４は、磁界測定装置の先端部を配線横断方向に走査させたときに得られた結果である。従来型の磁界測定装置では各導体からの磁界がほとんど検出されていないが、本発明の磁界測定装置では各導体からの磁界が分離検出できている。本結果は、本発明の磁界測定装置が従来型の磁界測定装置よりも空間分解能が高いことを示す一例である。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本第２の実施の形態は、例えば図５において磁界測定装置の先端部の光ファイバを単一モードファイバよりもコア径の小さなファイバとしたような磁界測定装置である。該当する光ファイバとして、高開口数ファイバあるいはフォトニック結晶ファイバが存在する。例えば、コア径5μmの高開口数ファイバおよび厚さ16.5μmのMO結晶からなる先端部と図５に示した光学装置全体からなる磁界測定装置を動作させるものとする。この場合、結晶中に占めるプローブ光の体積は、近似的に直径が約5μmの円を上面および底面とし高さが16.5μmの円柱の体積となる。本実施の形態の磁界測定装置による磁界分布測定結果と、従来型の磁界測定装置による磁界分布測定結果とを比較した場合も、例えば図４のようになり、従って、本第２の実施の形態による磁界測定装置も、従来型の磁界測定装置よりも高空間分解能測定が可能である。

本発明の第１の実施の形態を説明するために磁界測定装置の先端部の構成を概念的に示した図である。本発明の原理を従来例と比較しながら説明するために、MO結晶と光学装置から成る磁界測定装置における先端部を模式的に示した図である。本発明の一実施例を説明するために磁界測定装置の先端部の構成を概念的に示した図である。従来型の磁界測定装置による磁界分布測定結果と本発明の磁界測定装置による磁界分布測定結果を比較説明するための図である。光技術を利用した従来型の磁界測定装置の一例を示した概念図である。図５に示した従来型の磁界測定装置の先端部における結晶中プローブ光の模式図である。

符号の説明

１磁界測定装置
２半導体レーザ光源
３光ファイバ
４−１，４−２ファイバアンプ
５偏波コントローラ
６光循環器
７アナライザ
８フォトディテクタ
９同軸ケーブル
10 スペクトラムアナライザ
11 被測定物
12 磁気光学結晶
13 誘電体膜
14 光ファイバのコア
15 結晶中のプローブ光
16 プローブ光
17 集光用レンズ
18 単一モード光ファイバ
19 ガラススリーブ
20 ガラスチューブ
21 空隙

Claims

磁気光学結晶と、該磁気光学結晶にプローブ光を導入するための光ファイバと、前記磁気光学結晶と前記光ファイバとの間にあって、前記磁気光学結晶に入射する前記プローブ光の光径を絞る円柱状の集光用レンズとを備えることを特徴とする磁界測定装置。
前記磁気光学結晶と前記集光用レンズとが接合されていることを特徴とする請求項１に記載の磁界測定装置。
前記光ファイバの一部と前記集光用レンズとがガラスチューブに収容されていることを特徴とする請求項２に記載の磁界測定装置。
前記光ファイバは、単一モード光ファイバよりコア径の小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の磁界測定装置。