JP5417563B2 - 試料中を伝搬する電気信号の特徴付け方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気信号の特徴付けのための電気光学サンプリングの方法および装置であって、特に電気信号の伝搬方向を求めるための当該の方法および装置に関するものである。また、本発明は、本発明に係る装置において用いられる電気光学プローブに関するものでもある。

本発明の適用分野は、電気光学サンプリング、電気信号、特に導波構造内を伝搬する超短電気パルスの測定および特徴付けの分野である。

光通信およびマイクロエレクトロニクスなどの分野では、より高速の部品が益々求められるようになってきている。通信分野の現在の手段では、単一チャンネルの敷設線中で１０ギガビット／秒の速度である。４０ギガビット／秒の速度が、研究段階では既に実証され定着し始めてきており、また８０ギガビット／秒の速度が予測されている。

電子部品および光電子部品中の電気信号を測定するために従来の測定機器を用いると、ネットワークアナライザで２１０ギガヘルツ未満、オシロスコープで１１０ギガヘルツ未満の周波数に限定される。これは数ピコ秒の時間分解能に対応する。

より高い周波数については、電気光学サンプリングに基づく測定機器を用いることができる。電気光学サンプリング技術の原理については、文献、特に、特許文献１，非特許文献２，非特許文献３及び特許文献４に広範囲に亘って記載されている。これは、ポッケルス効果、すなわち、電界の影響下の電気光学結晶の光学特性の変化に基づいている。電気光学結晶は、例えば、電気信号が伝搬する試料の近くに配置される。この結晶の屈折率は電界の存在下で変化する。この結晶を通過する測定光ビームは、電界により誘起された屈折率変化によって変化する偏光のものである。この偏光の変化を測定することによって、印加された電界の値を導き出することができる。非特許文献２に記載されているような装置では、測定光ビームは電気信号の伝搬方向に対して直交する方向に結晶中を伝搬する。
米国特許出願公開第２００２／００１７９１３Ａ１号公報 「Ａ ２１０−ＧＨｚ Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ Ｓａｍｐｌｅｒ ｆｏｒ Ｌａｒｇｅ Ｓｉｇｎａｌ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＩｎＰ−Ｂａｓｅｄ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ」，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，ｖｏｌ．１７，ｎｏ．１２ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ ２００５ 「Ｓｕｂｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃ Ｓａｍｐｌｉｎｇ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ Ａａａｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｖｏｌ． ＱＥ−２２，ｎｏ．１， Ｊａｎｕａｒｙ １９８６ 米国特許第４６８１４４９号公報

しかし、今日の電気光学サンプリング装置は電気信号の伝搬方向を決定することができない。従って、そのような装置は、反対方向に伝搬する二つの信号を区別できないという欠点を有している。それ故、それらの装置は、回路を伝搬する一方のオリジナル信号と他方のエコー信号（すなわち、オリジナル信号の寄生的な跳ね返り信号）とを区別することができない。これらのエコーすなわち跳ね返り信号は、一般に、回路内のインピーダンスの不整合現象の結果として放出されて、一般に、オリジナル信号の方向と反対方向に伝搬する。これらの寄生効果の特徴付けは重要である。なぜなら、これらの効果はオリジナル信号に干渉妨害するからである。

また、今日のファイバ系電気光学サンプリング装置は、周波数に限界がある。

本発明は、電気信号の伝搬方向を決定することを可能にするとともに、以下の利点のうちの少なくとも一つを有する、電気信号の特徴付け方法および装置、ならびに本発明に係る装置において用いられる電気光プローブを提供することを課題とする。
・寄生的なエコーの存在を判断して、これらのエコーを特徴付けることができることと、
・従来技術のファイバ系電気光学システムと比較して時間的分解能が優れていること。

この課題は、
電界に晒された時に少なくとも１つの光学特性が変化する電気光学媒質中を、第１の光ビームを第１の伝搬方向に伝搬させる工程と、
第２の光ビームを、この電気光学媒質中を第１の伝搬方向とは異なる第２の方向に伝搬させる工程と、
前記光ビームの各々に関して、電気光学媒質中での伝搬に起因する光ビームの光学特性の変化を測定する工程と、
この測定から、電気光学媒質を電界の作用下におく電気信号の伝搬方向を求める工程を含んでいる、電気信号の特徴付け方法によって達成される。

本発明の一実施形態においては、二つの光ビームの、電気光学媒質中の伝搬は、光ビームがこの電気光学媒質中を伝搬している最中に、電気信号が電気光学媒質の少なくとも１つの光学特性を変えるようにほぼ同時に行われる。

また、電気光学媒質中のこれらの二つの光ビームの伝搬を時間的に間隔をおいて行われるようにした別の実施形態も想定することができる。この場合、前記光ビームのそれぞれがこの電気光学媒質中を伝搬している最中に、伝搬方向を求めようとする同一の電気信号が、電気光学媒質の少なくとも１つの光学特性を変えるように電気光学媒質の近辺において連続して二度伝搬する。

電気信号の伝搬方向を求める上で活用されることは、各光ビームの光学的特性の変化が当該電気信号の伝搬方向に関連した、ビームの、媒質中での伝搬方向に左右されるという事実である。

好ましくは、光ビームのうちの一方の伝搬方向が電気信号の伝搬方向とほぼ同一線上に揃う。このようにすると、光ビームのうちの一方の伝搬方向は電気信号の伝搬方向と平行になる。これによって、問題のジオメトリーと、電気信号の伝搬方向を求めることが簡略化される。

同様にして、伝搬の第１方向と第２方向は、有益なことに、ほぼ反対になる。このようにすれば、これらの光ビームの伝搬方向は平行になる。これによって、問題のジオメトリーと電気信号の伝搬方向を求めることが簡略化される。この変形例では、これらの二つのビームは実質的に融合した経路に沿って媒質中を伝搬することができる。

これらの光ビームのうちの少なくとも１つは光パルスからなることができる。また、本発明による方法は、これらの２つの光ビームを同一の光パルスによって生成することを含んでいてもよい。パルスが短いほど、測定の時間的分解能は小さく、すなわち、より良く（時間的分解能が高く）なる。

電界に晒された時に変化する電気光学媒質の特性のうちの１つは、例えば、媒質の屈折率であり得る。電界に晒された時に変化するこの媒質の特性としては、例えば、複屈折結晶の場合には、複数の屈折率を有する。一般に、電界は、電気光学媒質の誘電率テンソルを修正し、これによって、この媒質の屈折率および他の特性にも影響を及ぼすことができる。

光ビームのうちの少なくとも一方についての測定は、その光ビームの偏光の変化を測定すること又はこのビームの強度変化を直接測定することを含んでいてもよい（実際、屈折率の変化は、電気光学媒質の透過率を変化させることができ、その結果、透過されるビームの強度が変化する）。また、本発明による方法は、例えば、偏光子によって、光ビームの偏光の変化を光ビームの強度の変化に変換することを含んでいてもよい。

また、本発明による方法は、伝搬電気信号を生成することを含んでいてもよく、それにより、例えば、プリント配線などの試料中を電気信号が伝搬するトリガとなることを可能にする。電気信号を生成することには、光トリガリングパルスを電気信号に変換することを含んでいてもよい。

また、本発明による方法は、同一の初期光パルスによってこの光トリガリングパルスと光ビームのうちの少なくとも１つ（好ましくは両方）を生成することを含んでいてもよい。また、本発明による方法は、電気信号の生成と電気光学媒質中の光ビームの伝搬との間の遅延時間を変化させることを含んでいてもよい。

伝搬する電気信号により、電気光学媒質中の電界伝搬が生ぜしめられる。また、本発明による方法は、電気信号又は電界の値を求めることを含んでいてもよい。この電界は、伝搬中に、媒質の少なくとも一つの光学特性を変化させる。光ビームが媒質中を伝搬するとき、媒質の光学特性の変化によって、第１および第２の光ビームの光学特性を変化させることができる。こうして、これらの第１および第２の光ビームは電気光学媒質を介して電気信号と相互作用する。これらのビームのうちの一方と電界又は電気信号とが相互作用する時間は、特に、当該ビームの伝搬方向と電気信号の伝搬方向のなす角度（又はそれら間の差異）に左右される。これらのビームのうちの一方の光学特性（通常は偏光）の変化を測定することによって、当該ビームが媒質を介して信号と相互作用する時点の信号又は電界の値を求めることができる。また、本発明による方法は、電気信号又は電界の時間的プロファイルを求めることを含んでいてもよい。この時間的プロファイルを求めることは、例えば、第１及び第２のビームを複数の光パルスの形態で媒質中を連続的に伝搬させることにより行うことができる。各光パルスは電気信号の異なる部分と相互作用し、したがって、時間の経過を通して電気信号又は電界の様々な値を求めることができる。

また、本発明による方法は、電気信号の寄生的なエコー及び／又は跳ね返りを特徴付けることを含んでいてもよい。このエコー（又は跳ね返り）の特徴付けは、エコーの電界の値を求めること、エコーの時間的プロファイルを求めること、エコーのオリジンでのエコーと電気信号との間の遅延時間を求めること、またはエコーの伝搬方向を求めることを含んでいてもよい。

本発明の別の側面によれば、電気信号を特徴付けるための装置が得られる。この装置は、
第１の光ビームを、電界に晒された時にその少なくとも一つの光学特性が変化する電気光学媒質中を第１の伝搬方向に伝搬させる手段と、
第２の光ビームを、電気光学媒質中を第１の方向とは異なる第２の伝搬方向に伝搬させる手段と、
光ビームのそれぞれについて、当該ビームの、電気光学媒質中での伝搬に起因する光ビームの光学特性の変化を測定する手段と、
該変化の測定から、電気光学媒質を電界の作用下におく電気信号の伝搬方向を求める手段を有している。

この装置は、これら光ビームの第１及び第２の伝搬方向がほぼ反対になるように配置することができる。

この装置は、これら二つの光ビームが媒質中に実質的に融合した伝搬経路を有するように配置することができる。

この装置は、これらの光ビームのうちの一方の伝搬方向が電気信号の伝搬方向とほぼ同一線上に揃うように配置することができる。

また、本発明による装置は、同一の光パルスから第１及び第２の光ビームを生成する手段を含んでいてもよい。この手段は、二つのビーム間に生じ得る時間のずれを制限することを可能にする。

測定手段は、これらの光ビームのうちの少なくとも一方について、当該光ビームの偏光の変化を測定する手段又は当該光ビームの強度の変化を測定する手段を含んでいてもよい。また、本発明による装置は、当該光ビームの偏光の変化を当該光ビームの強度の変化に変換する手段を含んでいてもよい。

また、本発明による装置は、電気信号又は電界の値を求める手段及び／又は電気信号又は誘起電界の時間的プロファイルを求める手段を含んでいてもよい。

また、本発明による装置は、電気信号の寄生的なエコー及び／又は跳ね返りを特徴付けるための手段を含んでいてもよい。

電気光学媒質は、電気光学結晶、好ましくは、タンタル酸リチウム（ｌｉｔｈｉｕｍ ｔａｎｔａｌｉｔｅ（ＬｉＴａＯ_３））、テルル化亜鉛（ｚｉｎｃ ｔｅｌｌｕｒｉｄｅ（ＺｎＴｅ））、または（ジエチルアミノ）サルファー・トリフルオライド（（ｄｉｅｔｈｙｌ ａｍｉｎｏ）ｓｕｌｐｈｕｒ ｔｒｉｆｌｕｏｒｉｄｅ（ＤＡＳＴ））の結晶を含んでいてもよい。

光ビームのうちの少なくとも一つの光周波数での電気光学媒質の屈折率は、電気信号の周波数での電気光学媒質の屈折率とほぼ等しいものであってもよい。

また、本発明による装置は、例えば、プリント配線のような試料を励起させるために、伝搬電気信号を生成する手段を含んでいてもよい。この電気信号を生成する手段は、光トリガリングパルスを電気信号に変換する手段を含んでいてもよい。また、本発明による装置は、同一の初期光パルスから光トリガリングパルスと前記光ビームのうちの少なくとも一つとを生成する手段を含んでいてもよい。また、本発明による装置は、伝搬電気信号の生成と光ビームの媒質中の伝搬との間の遅延時間を変化させる手段を含んでいてもよい。

電気信号は、プリント配線などの特徴付けすべき試料中を伝搬するものであってもよい。

更に、電気光学媒質は、電気信号が伝搬し且つ特徴付けすべき試料に近接して設置されるように設けられた電気光学プローブの一部であってもよい。

本発明の更に別の側面によれば、本発明による装置において用いられる電気光学プローブが得られる。このプローブは、
電界に晒された時に少なくとも一つの光学特性が変化する電気光学媒質と、
電気光学プローブに向かうほぼ同一の伝搬方向を有する第１及び第２の光ビームを集光する手段と、
前記第１及び第２の光ビームが前記電気光学媒質中を互いに異なる伝搬方向に伝搬するようにする手段を含んでいる。

この電気光学プローブは、これらの光ビームが媒質を通って伝搬する方向がほぼ反対になるように配置させることができる。

この電気光学プローブは、これら二つの光ビームが媒質を通る実質的に融合した伝搬経路を有するように配置させることができる。

この電気光学プローブは、電気光学媒質の第１の側面と第２の側面にそれぞれ沿った二つのプリズムを含んでいてもよく、これらのプリズムは、媒質を通る一つの平面に対してほぼ対称に配置される。

電気光学媒質は、ほぼ直方体の形状を有していてもよく、また、その側面にほぼ直交する上面及び下面と呼ばれる二つの対向面を有していてもよい。この下面は、電気信号が伝搬する試料に近接して設置されるように設けられている。各プリズムは、
側面のうちの一方に沿った第１の面と、
第１又は第２の光ビームを集光し、前記上面側において側面のうちの当該一側面とほぼ直角の角度を形成するように設けられた第２の面と、
前記下面側において側面のうちの当該一側面と鋭角を成す面であって、第１又は第２のビームを第２の面から電気光学媒質に向けて反射するかあるいはその逆の作用をする第３の面を有している。前記電気光学プローブは、前記媒質中での前記光ビームのうちの一つの伝搬の方向が前記媒質の前記下面とほぼ平行になるように配置することができる。

本発明の他の利点および特徴については、非限定的な実施形態について添付図面を参照して行った後述の詳細な説明を参照することにより明らかになるであろう。

本発明に係る方法を実施するための、本発明に係る装置の好ましい実施例を、図１〜図３を参照して説明する。

この装置は、第１の光ビーム１８と第２の光ビーム１９を放出する手段１、５を含んでいる。電気光学結晶１７を有している電気光学プローブ１４が、前記二つの放出されたビームを集光して、それらを二つの異なる伝搬方向に向かって結晶１７を通過させるように配置されている。この電気光学プローブは、電気信号１０がその中を伝搬する集積回路の如き試料１１に近接して位置するように設けられている。前記結晶を通過したビームに関する測定を実施する手段２４〜２７は、前記回路中の電気信号の伝搬方向２０を決定することを可能にする。

一般に、この電気信号は集積回路１１のライン３９に沿って伝搬して、特徴付けられる。従って、電気信号の伝搬方向２０を決定することは、前記ライン３９に沿った電気信号の伝搬方向を決定することを意味する。

本発明の一般的な原理は以下の通りである。回路１１内を伝搬する電気信号１０により、電気光学媒質１７中での電界の伝搬が誘起される。電界は、伝搬中に電気光学媒質１７の屈折率などの少なくとも一つの光学特性を変化させる。光ビーム１８、１９が媒質１７中を伝搬する時に、この媒質の光学特性が変化することによって第１の光ビーム１８および／または第２の光ビーム１９の光学特性、特にそれらの偏光特性が変化する。これらのビームのうちの一つと電界との相互作用時間は、特に、当該ビームの伝搬方向と電気信号の伝搬方向のなす角度によって左右される。媒質１７中でのこれらビームの伝搬方向は、各ビームと電界との相互作用時間が相違するように異なっている。従って、第１のビームの光学特性の経時的な変化は第２のビームのものとは異なる。これらの変化の差異によって、電気信号１０の伝搬方向２０を決定することができる。

第１および第２の光ビームを放出する手段は、光ファイバ２を介して第１の光カップラ６に接続されたレーザ源１を有している。この光ファイバによって導かれる分散は管理される。例えば、運ばれる波長およびパワーでは分散が小さくなる光ファイバまたは分散現象を補償する（負分散ファイバなどの）手段を用いることができる。レーザ源１は、持続時間２００フェムト秒、波長１５５０ナノメートル、反復周波数１４メガヘルツの光パルスを供給する。カップラ６は、各パルスを第１のチャネル上の光学トリガリングパルスと第２のチャネル上の光学トリガリングパルスとに分ける。

第１のチャネル内では、光学トリガリングパルスが光ファイバ７（その端部は、回路１１の方に向いており、レンズ８を備えている。）に沿って運ばれ、次いで光―電気変換器９によって電気信号（一般に、ガウス電気パルス）に変換される。従って、レンズ８によって変換器９上に集束された光パルスは、集積回路１１の一部分３９中での電気信号１０の伝搬をトリガすることを可能にするものである。この変換を実施する手段は、電気信号をできるだけ短くさせるように配置された高速光導電体を有している。この光導電体は、自体ができるだけ高速になりかつ電気信号ができるだけ短くなるように、集積回路の活性半導体層のイオンで照射されていることが好ましい。実際、電気信号１０が短くなる程、回路１１の応答を高周波数で特徴付ける可能性が高くなってくる。

第２のチャネル内では、光学分析パルスが、光ファイバ３，４を介して第２のカプラ５に向けられ、次いでこの第２のカプラ５によって前記第１および第２の光ビームにそれぞれ対応する第１および第２の光パルスに分けられる。第１の光パルス１８は、第１のファイバ・サーキュレータ２２と、電気光学プローブ１４に光学的に接続された第１の可撓性光ファイバ１２とを介して結晶１７に向けられる。同様に、第２の光パルス１９は、第２のファイバ・サーキュレータ２３と、電気光学プローブ１４に光学的に接続された第２の可撓性光ファイバ１３とを介して結晶１７に向けられる。光パルス１８，１９は同一のレーザパルスによって同時に生成されるので、これらのパルスはプローブ１４の電気光学結晶内を事実上同時に伝搬する。

電気光学プローブ１４は、第１のプリズム１５と第２のプリズム１６との間に配置された電気光学結晶１７を備えたプリズムヘッドを有している。プリズムの組立ては、分子付着による接合または光学用接着剤を用いた接合などの方法で実施することができる。光学用接着剤の場合は、その屈折率が電気光学結晶の屈折率と略同一である接着剤が用いられる。結晶は、好ましくはＺｎＴｅの結晶である。プリズムは、タイプＢＫ７ガラスの如き、光学分野で一般に用いられている材料から作られている。この電気光学結晶は、ほぼ直方体の形状を有している。二つのプリズムが、それぞれ、結晶の第１の側面２９と第２の側面３０に対向して位置している。これらの２つの側面は、結晶を通り且つ二つのプリズムの間に在る対称平面をプローブが有するように向かい合っている。また、結晶は、可撓性ファイバ１２，１３の方に向いた上面３２と、集積回路１１の一部分３９に近接して位置するように設けられた下面３１を有している。これらの下面３１と上面３２は、互いに反対側に位置していて、二つの側面２９，３０に対してほぼ直交している。

また、各プリズムは、
前記側面２９又は３０のうちの一方に沿った第１の面と、
前記第１の光ビーム１８又は前記第２の光ビーム１９を集光し、且つ、前記上面３２側で前記側面２９又は３０のうちの前記一方とほぼ直角を成す第２の面３３又は３５と、
前記下面３１側で前記側面２９又は３０のうちの前記一方と鋭角Ａを成し、前記第１のビーム１８又は前記第２のビーム１９を前記第２の面３３又は３５から前記電気光学媒質１７に向けて反射するかまたはまたはこの逆に作用するように配置された第３のビームを有している。

これら二つのプリズムの第２の面は、ファイバ１２，１３の方向に向けられていて、共に、前記ビーム１８，１９の電気光学プローブ１４に向かう伝搬方向にほぼ直交している。各プルズムの第２の面３３，３５上には、反射防止処理がデポジションによって施されている。

ファイバ１２，１３を離れると、光パルス１８，１９は共に、結晶の面３２及びプリズムの面３３と３５とからなる平面に対してほぼ垂直に伝搬する。第１の光パルス１８は、第１のファイバ１２から離れて、第１のプリズム１５の第２の面３３によって集光され、この第１のプリズム１５の第３の斜面３４によって結晶１７に向かって反射され、結晶の第１の側面２９を通って結晶に進入し、この結晶を通過し、結晶の第２の側面３０を通って結晶を離れて、第２のプリズム１６の第３の斜面３６によって第２のプリズム１６の第２の面３５に向かって反射され、第３のファイバ１３の内部に進入する。

第２の光パルス１９は逆の経路をたどる。従って、このパルスは、第２のファイバ１３を離れ、結晶をその第２の側面３０から第１の側面２９に向かって通過し、第１のファイバ１２内に進入する。

このように、これらのプリズムは、電気光学プローブに進入する前にほぼ同じ伝搬方向を有するパルス１８，１９が結晶中を反対方向に伝搬するようにこれらのパルスの方向を変える。

角度Ａは、パルス１８，１９の斜面３４，３６上での反射がトータルになるように４７°以下になっている。一般に、これらのパルス１８，１９は、約１００マイクロメートルの幅にわたって結晶を通過し、各プリズムを約２００マイクロメートルの幅および約２ミリメートルの高さにわたって通過する。

図２においては、パルス１８，１９の経路が、図をより分かり易くするために離間して示されている。実際は、これらのパルス１８と１９の経路は、好ましくは、略合併する。

ファイバ１２，１３及び電気光学プローブは、パルス１８，１９ができるだけ近接し且つ結晶１７の下面３１のなす平面にほぼ平行に伝搬するように配置される。三つの並進運動の軸線を有するプレート２１によって、パルス１８，１９が通って出てくるファイバ１２，１３の遠位端（すなわち、回路１１の方に向いた端部）と電気光学プローブ１４を合わせて一体的に変位させることができる。こうして、パルス１８，１９が結晶を通過すると同時に、パルス１８，１９と同じレーザパルスによって生成された電気信号１０が電気光学プローブ１４の下面３１の下を伝搬し、且つ、その伝搬方向が光パルス１８，１９のうちの一つの伝搬方向とほぼ同一線上に揃うように、プレート２１によって、下面３１を回路１１の一部分３９に近接させて位置決めさせることが可能になる。

電気信号は、電気光学プローブに近接して位置する回路１１中を伝搬する際に、結晶を電界の作用下におく。結晶の屈折率は変化し、第１のパルス１８及び第２のパルス１９の各々の偏光は、これらのパルスが結晶１７を通過する間に変化する。

第１のパルス１８は、結晶１７を通過した後、第２のファイバ１３の内部にその遠位端から進入する。第２のファイバ・サーキュレータ２３は、偏光系２５の後にあるフォトダイオード２７の方に第１のパルス１８を向かわせる。同様に、第２のパルス１９は、結晶１７を通過した後、第１のファイバ１２の内部にその遠位端から進入する。第１のファイバ・サーキュレータ２２は、偏光系２４の後にあるフォトダイオード２６の方に第２のパルス１９を向かわせる。これら偏光系２４，２５は、それぞれ、第１の光パルス１８又は第２の光パルス１９の偏光の変化を、フォトダイオード２７又ははフォトダイオード２６によってそれぞれ測定される光強度の変化に変換させることができる。

従って、光ダイオード２６，２７は、２つの測定を同時に実施することができる。第１の測定では、結晶中を伝搬する光パルス１８と結晶の下面３１の近くを伝搬する電気信号とは同じ伝搬方向を有し、第２の測定では、結晶中を伝搬する光パルス１９と結晶の下面３１の近くを伝搬する電気信号とは反対の伝搬方向を有する。

この伝搬する電気信号１０は、電気光学結晶１７内に電界を伝搬させる。この電界は、伝搬中に結晶１７の屈折率を変化させる。光ビーム１８，１９が媒質中を伝搬する時、屈折率の変化によって前記第１と第２の光ビームの偏光が変化する。こうして、第１の光ビーム１８と第２の光ビーム１９は、電気光学結晶１７を介して電気信号と相互作用する。こららのビームのうちの一方と電界または電気信号とが相互作用する時間は、特に、当該ビームの伝搬方向と前記電気信号の伝搬方向とのなす角度によって左右される。ビームのうちの一方の偏光変化、ひいてはこのビームについて測定される時間経過にわたる信号の強度は、相互作用時間ひいては当該ビームの伝搬方向によって左右される。また、偏光変化の測定は、ビームが媒質を介して信号と相互作用するときの信号又は電界の値に比例する。

時間ｔの関数として測定された信号Ｓは、どちらの測定の場合についても図３に示されている。好ましくは、光ダイオード２６と２７は、測定信号上のノイズを制限するために、できるだけ結晶１７の近くに設置される。同期検出の方法を用いることによってもこのノイズを低減させることができる。

第１の測定の場合、光ダイオード２７によって測定される信号３７は歪んでいない。第２の測定の場合、光ダイオード２６によって測定される信号３８は、光パルス１９の伝搬ベクトルと電気信号１０の伝搬ベクトルとが互いに逆の伝搬べクトルになっているので、時間軸で広がっている。測定を処理／解析するための電子ユニットによって、電気信号１０の伝搬方向を求めることができる。従って、これらの二つの測定を比較することによって、電気信号１０の伝搬方向２０のデータを求めることができる。すなわち、この電気信号は、光パルスで測定された偏光変化が最大になり、時間軸での広がりが最小になるような光パルスと同じ方向に伝搬する。この信号１０及び電界の値は、電気信号１０と同じ方向に伝搬する光パルスの全体にわたって光ダイオード２７によって測定されたものである。

伝搬方向を求めるには、電気信号１０と光ビーム１８又は１９とが同一方向に伝搬する場合あるいは逆方向に伝搬する場合で測定結果が異なるという事象に留意する。非特許文献２に記載の装置の構成の如き構成においては、測定用光ビームと電気信号とが直交するので、測定の結果は、電気信号の伝搬方向に対して感度が低いことを示している。

また、本発明による装置は、ファイバ遅延線２８も備え、伝搬電気信号１０の生成と、結晶を介した光パルス１８，１９の伝搬との間の遅延時間を変化させることを可能にさせる。遅延時間のこの変化によって、例えば、処理／解析ユニットを用いて、
電気信号１０の時間的なプロファイルを求めること、
テストすべき回路１１の応答をサンプリングし、それによって、回路の時間的な電気応答を求めること、または、
たとえば、回路１１におけるインピーダンス不整合に起因する電気信号の寄生的なエコーまたは跳ね返りを特徴付けることを可能にさせる。

エコー（又は跳ね返り）の特徴付けは、一般的に、エコーの電界の値を求めること、エコーの時間的プロファイルを求めること、エコーのオリジンでのエコーと電気信号１０の間の遅延時間を求めること、または、エコーの伝搬方向を求めることを含んでいる。エコーの伝搬方向を求めることは、二つの光信号１８，１９を用いた電気信号１０の伝搬方向を求めることと同様の方法で実施される。

結晶１７は、好ましくは、その屈折率が、結晶を通過するビーム１８の光周波数での値（ビーム１８の波長に対応）と電気信号１０の周波数（一般的に、電気信号のフーリエ変換であって、テラヘルツのオーダである）での値がほぼ同じになるように選択される。これによって、パルス１８は、電気信号の伝搬によって結晶内に誘起される電界とほぼ同じ伝搬速度で結晶内を伝搬する。従って、本発明による装置の時間的分解能とバンド幅は、実質的に、光パルス１８の持続時間にのみ左右される。本発明による装置は、一般的に、３００ギガヘルツを超えるバンド幅と約数フェムト秒の時間的分解能とを有することができる。

非特許文献２に記載の装置のもののような構造では、結晶を通って伝搬する光パルスと、電気信号は直交する。電気信号は、結晶内を伝搬する電界を誘起する。光パルスの縦方向の通過全体にわたって、結晶内を横方向に伝搬する電界は平均化される。従って、このような構成の時間的分解能は、光パルスと結晶内に存在する電界との相互作用時間によって制限され、一般的に、１００マイクロメートルの厚さの結晶の場合２．２ｐｓである。これは、２２０ギガヘルツのバンド幅に相当する。

勿論、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、それら実施形態に対して多くの変更を加えることができる。

上述した実施形態の変形例として、２つの光ビームに対して光学特性の変化の測定を同時に実施しないことが考えられる。同一の電気信号を連続して数回伝搬させる手段によって、第１の光ビーム又は第２の光ビームの光学特性の変化の第１及び第２の測定をそれぞれ２回実施することを可能にさせる。

また、第１及び第２の光ビームの電気光学媒質中の伝搬方向は、どちらも電気信号の伝搬方向と平行である必要はなく、電気信号の伝搬方向とは異なる方向に伝搬することができる。例えば、光ビームのうちの一方のみが電気信号の伝搬方向と同一線上に揃う第１の伝搬成分を有し（このビームの第２の伝搬成分は信号の伝搬方向にほぼ直交する）、他のビームは前記第１の成分と反対方向の伝搬成分を１つだけ（このビームの別の伝搬成分は信号の伝搬方向にほぼ直交する）有する構成を想定することができる。この場合、二つのビームが電気信号により誘起された電界と相互作用する時間は異なり、これによって、電気信号の伝搬方向を求めることが可能になる。

最後に、本発明による装置又は方法は、第１及び第２の光ビームが通る電気光学媒質に近接して位置する試料中を伝搬する電気信号を特徴付けることに限定されず、電気光学媒質中を直接伝搬する電気信号の伝搬方向を特徴付けかつ求めるために適用することもできる。

本発明による装置の好ましい実施例の概略図である。 図１に示した装置の電気光学プローブの拡大図である。 本発明による装置によって測定された二つの信号を示した図である。

Claims (37)

1. 電気信号（１０）の特徴付け方法であって、ここで、第１の光ビーム（１８）を、電界に晒された時に少なくとも一つの光学特性が変化する電気光学媒質（１７）中を第１の伝搬方向に伝搬させることを含む当該の特徴付け方法において、
   第２の光ビーム（１９）を、前記電気光学媒質中を前記第１の伝搬方向とは異なる第２の方向に伝搬させることと、
   各光ビームにつき、前記電気光学媒質（１７）中での伝搬に基因する前記光ビーム（１８または１９）の光学特性の変化を測定することと、
   当該の測定から、前記電気光学媒質（１７）を電界の作用下におく前記電気信号（１０）の伝搬方向を求めること、
   を更に含むことを特徴とする電気信号（１０）の特徴付け方法。
2. 前記２つの光ビームの、前記電気光学媒質中の前記伝搬は、前記光ビームが前記電気光学媒質中を伝搬する際、前記電気信号が前記電気光学媒質の少なくとも１つの光学特性を変えるようにほぼ同時に行うものであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記２つの光ビームの前記電気光学媒質中の前記伝搬間には時間間隔を設けるようにし、前記光ビームのそれぞれが前記電気光学媒質中を伝搬する際、当該の電気信号が、前記電気光学媒質の少なくとも１つの光学特性を変えるように連続して２度伝搬するようにしたことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 伝搬の前記第１方向と前記第２方向がほぼ反対になることを特徴とする、請求項１〜３の一項に記載の方法。
5. 前記２つのビームが実質的に融合した経路に沿って前記媒質中を伝搬することを特徴とする、請求項１〜４の一項に記載の方法。
6. 前記光ビームのうちの１つ（１８）の伝搬方向が前記電気信号（１０）の前記伝搬方向とほぼ同一線上に揃うことを特徴とする、請求項１〜５の一項に記載の方法。
7. 前記光ビームのうちの少なくとも１つ（１８または１９）が光パルスからなることを特徴とする、請求項１〜６の一項に記載の方法。
8. 前記光ビーム（１８または１９）を同一の光パルスによって生成することを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 電界を印加されたとき変化する前記媒質（１７）の前記特性は、前記媒質の少なくとも１つの屈折率を含むことを特徴とする、請求項１〜８の一項に記載の方法。
10. 前記光ビームのうちの少なくとも１つ（１８または１９）についての前記測定は前記光ビームの偏光変化を測定することまたは前記ビームの強度変化を測定することを含むことを特徴とする、請求項１〜９の一項に記載の方法。
11. 前記光ビームの偏光の前記変化を前記光ビームの強度の変化に変換することを更に含むことを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
12. 前記伝搬用電気信号（１０）の生成を更に含むことを特徴とする、請求項１〜１１の一項に記載の方法。
13. 前記電気信号の前記生成がトリガ用光パルスを前記電気信号（１０）に変換することを含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
14. 同一の初期光パルスによって前記トリガ用光パルスと前記光ビームのうちの少なくとも１つを生成することを含むことを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
15. 前記電気信号の前記生成と前記光ビームの前記電気光学媒質中の前記伝搬との間の遅延時間を変化させることを更に含むことを特徴とする、請求項１２〜１４の一項に記載の方法。
16. 前記電気信号の時間的なプロファイルを求めることを更に含むことを特徴とする、請求項１〜１５の一項に記載の方法。
17. 前記電気信号の寄生的なエコーおよび／または跳ね返りを特徴付けることを更に含むことを特徴とする、請求項１〜１６の一項に記載の方法。
18. 電気信号の特徴付け装置であって、第１の光ビームを、電界印加時にその少なくとも１つの光学特性が変化する電気光学媒質（１７）中を第１の伝搬方向に伝搬させる手段（１、５、１５、３３、３４）を含むものである当該の装置において、
    第２の光ビームを、前記電気光学媒質（１７）を前記第１の方向とは異なる第２の伝搬方向に伝搬させる手段（１、５、１６、３５、３６）と、
    前記光ビームのそれぞれについて、前記光ビームの、電気光学媒質（１７）中での伝搬に基因する前記光ビーム（１８または１９）の光学特性の変化を測定する手段（２５、２７または２４、２６）と、
    前記変化の測定から、前記媒質を電界の作用下におく前記電気信号（１０）の伝搬方向（２０）を求める手段と、
    を備えることを特徴とする電気信号の特徴付け装置。
19. 前記光ビームの前記第１および第２の伝搬方向がほぼ反対になるように配置することを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
20. 前記２つの光ビームが前記媒質中に実質的に融合した伝搬経路を有するように配置することを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
21. 前記光ビームのうちの１つ（１８）の伝搬方向が前記電気信号（１０）の伝搬方向（２０）とほぼ同一線上に揃うように配置することを特徴とする、請求項１８〜２０の一項に記載の装置。
22. 同一の光パルスから前記第１の光ビーム（１８）と前記第２の光ビーム（１９）を生成する手段（１、５）を備えることを特徴とする、請求項１８〜２１の一項に記載の装置。
23. 前記測定手段は、前記光ビームのうちの少なくとも１つについて、前記光ビーム（１９または１８）の前記偏光の変化を測定する手段（２４、２６または２５、２７）、または前記ビームの強度の変化を測定する手段を備えることを特徴とする、請求項１８〜２２の一項に記載の装置。
24. 前記光ビーム（１９または１８）の偏光の変化を前記光ビームの強度の変化に変換する手段（２４または２５）を更に備えることを特徴とする、請求項２３に記載の装置。
25. 前記電気信号の時間的プロファイルを求める手段（２８）を更に備えることを特徴とする、請求項１８〜２４の一項に記載の装置。
26. 前記電気信号の寄生的なエコーおよび／または跳ね返りを特徴付ける手段（２８）を更に備えることを特徴とする、請求項１８〜２５の一項に記載の装置。
27. 前記電気光学媒質は、電気光学結晶、好ましくは、リチウム・タンタレート（ＬｉＴａＯ_３）、ジンク・テルライド（ＺｎＴｅ）、または（ジエチルアミノ）サルファー・トリフルオライド（ＤＡＳＴ）の結晶を含むことを特徴とする、請求項１８〜２６の一項に記載の装置。
28. 前記光ビームのうちの少なくとも１つの光周波数での前記電気光学媒質の屈折率は、前記電気信号の周波数での前記電気光学媒質の屈折率とほぼ等しいものであることを特徴とする、請求項１８〜２７の一項に記載の装置。
29. 前記伝搬用電気信号を生成する手段（１、２、６、７、８、９）を更に備えることを特徴とする、請求項１８〜２８の一項に記載の装置。
30. 前記電気信号を生成する前記手段はトリガ用光パルスを前記電気信号に変換する手段（９）を備えることを特徴とする、請求項２９に記載の装置。
31. 前記同一の初期光パルスから前記トリガ用光パルスと前記光ビームのうちの少なくとも１つとを生成する手段（１、２、６）を更に備えることを特徴とする、請求項３０に記載の装置。
32. 前記伝搬用電気信号の前記生成と前記光ビーム（１８、１９）の前記媒質（１７）中の前記伝搬との間の遅延時間を変化させる手段を更に備えることを特徴とする、請求項２９〜３１の一項に記載の装置。
33. 前記電気信号は、特徴付けすべき試料中を伝搬することを特徴とする、請求項１８〜３２の一項に記載の装置。
34. 前記電気光学媒質（１７）は、前記電気信号（１０）がその中を伝搬する試料（１１）に近接して設置されるように設けられた電気光学プローブ（１４）の一部であることを特徴とする、請求項１８〜３３の一項に記載の装置。
35. 電気光学プローブ（１４）が、
    電界を印加されるとき少なくとも１つの光学特性が変化する前記電気光学媒質（１７）と、
    前記電気光学プローブに向かうほぼ同一の伝搬方向を有する前記第１および前記第２の光ビームを集光する手段（１５、１６）と、
    前記第１および前記第２の光ビームが前記電気光学媒質中を相異なる伝搬方向に伝搬するようにする手段（１５、１６）と、
    を備えることを特徴とする、請求項３４に記載の装置。
36. 前記電気光学プローブ（１４）は前記電気光学媒質（１７）の第１の側面（２９）と第２の側面（３０）にそれぞれ沿った２つのプリズム（１５、１６）を備え、前記プリズムは前記電気光学媒質（１７）を通る１つの平面に対してほぼ対称に配置されることを特徴とする、請求項３４または３５に記載の装置。
37. 前記電気光学光学媒質（１７）がほぼ直方体の形状を有しており、前記媒質がその側面（２９、３０）にほぼ直交する上面（３２）および下面（３１）と呼ばれる２つの対向面を有し、前記下面は前記電気信号がその中を伝搬する試料（１１）に近接して設置されるように設けられており、および各プリズムが、
    前記側面（２９または３０）のうちの当該の一側面に沿った第１の面と、
    前記第１の光ビーム（１８）または前記第２の光ビーム（１９）を集光し、前記上面（３２）側に前記側面（２９または３０）のうちの当該の一側面とほぼ直角の角度を形成するように設けられた第２の面（３３または３５）と、
    前記下面（３１）側にて前記側面（２９または３０）のうちの当該の一側面と鋭角を成す面であって、前記第１のビーム（１８）および前記第２のビーム（１９）を前記第２の面（３３または３５）から前記電気光学媒質（１７）に向けて反射するかあるいはその逆の働きもする第３の面（３４または３６）と、
    を備えることを特徴とする、請求項３６に記載の装置。

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