JPH0271160A - 電気光学サンプラ及びそれを利用した電気信号波形測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、電気光学現象を利用して、電気信号をピコ
秒オーダの極短パルス光によりサンプリングする電気光
学サンプラ及びそれを用いた高速度の電気信号波形測定
装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来、高速の電気信号波形を観測する方法には、サンプ
リングオシロスコープがあり、高速のダイオードを用い
たサンプリングヘッドが使われていた。

しかし、このサンプリングヘッドの時間分解能はせいぜ
い２０ピコ秒程度であり、１０ピコ秒以下の応答を示す
ようなＩｔ　ＥＭＴやトンネルダイオードのような超高
速の電子素子の電気信号波形観測には対応出来なくなっ
ている。そこで、更に時間分解能を向上し数ピコ秒の時
間分解能を得る方法として、ジョセフソンサンプリング
（例えば、中西ほか、昭６２電子情報通信学会全国大会
２６６）やＥ１０サンプリング（例えば、Ｇ１１　ｎ　
ｎによる米国特許第３６１４４５１号やＭｏｕｒｏｕほ
かの進行波形ポッケルスセルを用いた方法、特表昭５９
−５００１８６．　特公昭６０−２５３８７８．　　米
国特許第４４４６４２５号、米国特許第４６０３２９３
号）が提案されてきた。しかしジョセフソンサンプリン
グは、サンプリングヘッドにジョセフソン素子を使用し
ていることから、超低温状態を得るためのクライオ装置
を必要としたり、人力信号をクライオ装置内に置かれた
サンプリングヘッドまで導くための人力手段が伝搬特性
が劣化させたりして、ジョセフソン素子の持つ本来の性
能を発揮することができないでいる。

また、Ｅ１０サンプリングでは、サンプリングヘッドと
して用いる電気光学効果素子の構造及びその特性から電
圧感度が非常に低いものであった。

そのため、サンプリングパルス光の光源として、出力の
非常に大きい、例えば数ｋＷビーク値をもつパルスレー
ザを用い、かつサンプリングした信号の処理系にロック
インアンプを用いたり、アベレージングの回数を大きく
したりしてＳ／Ｎを改善して対処していたが、そのため
に長い測定時間を必要としていた。また電気光学効果素
子を位相変調素子として用いるために、非常に精度の高
い温度補償を必要としたり、電気信号に変換する前に位
相変調光から強度変調光に変える必要があり、そのため
の光学素子や、位相バイアスのための光学素子を必要と
していた。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、従来知られている電気光学素子（ときにはポ
ッケルスセルと呼ばれる）を用いたＥ１０サンプリング
のもっていた次の諸欠点を解−決しようとするものであ
る。

（１）サンプリングのための変調感度が極度に低い。

（２）Ｅ１０サンプラで波形測定装置を形成して測定し
た場合、測定時間が一波形観測に数分を要するほど長い
。

（３）検光子を使用して位相変調光を強度変調光にして
いるため、測定中にサンプリングパルス光のスペクトル
の変動があるとそれが雑音となって検出されＳ／Ｎの悪
化につながる。

（４）温度変化に対して非常に敏感である。

（５）温度の変化により電気光学効果素子の光学的動作
点を設定するための作業と、加えて特に静的複屈折に起
因する光学的動作点の変動を補償するためのコンペンセ
ータの調整が困難である。

上記の課題のすべてを解決し、高速度かつ温度安定度の
すぐれたサンプラと、それを利用した電器信号波形測定
Ｈ置を提供するのが目的である。

［課題を解決するための手段］ 本発明では、次のような手段を採用して新しい電気光学
サンプラを提供する。

（１）電気光学効果をもつ素材の基板を用い、そこに光
導波路を形成する。

（２）光導波路内に光を閉じ込めて、光エネルギーの集
中をはかる。

（３）その光導波路の途中で二つの光路に分ける。

（４）二つの光路に対し　互いに反対方向で位相変調を
かけるように電極を配置する。

（５）光導波路には、電気光学定数の大きな結晶の配位
を利用して変調度を高めるようにする。

（６）変調用電極は、平面状の光導波路に隣接して、薄
膜で形成できる。

（７）位相変調素子波して、互いに反対方向で位相変調
された光を干渉させ、位相変調の深さに応じて強度変調
された光を得る。

（８）光検出器を光導波路に近接して配置して光電変換
により、強度変調光を振幅変調された電気信号に変換す
る。

（９）二つの光路を通った光を使用することにより、温
度によるゆらぎを打ち消すようになる。

［作用コ 例えば、リチウムナイオベートのような電気光学効果を
もつ基板の表面に導波モードの偏向方向を光学軸方向に
一致させ、かつ光学軸に沿って外部から該基板に電界を
印加すると、最大の電気光学定数ｒ３３を利用できるの
で効率を非常に高めることができる。すなわち半波長電
圧を非常に小さくすることが可能なために導波路光の位
相変調感度を飛躍的に高めることができる。

光導波路に導かれた光はまず入力端の分岐導波路で二つ
に等分割され、二つの導波路を伝搬する。

それぞれの導波路を伝搬する光は位相変調を受けてのち
に合波導波路で合波されると、干渉を生じ両者の位相差
に対応して強度変調された出力光を得ることができる。

また、二つの導波路を伝搬する光の干渉を利用すること
から温度変化による出力の影響が非常に少ない。また、
出力光が強度変調されているので、従来のＥ１０サンプ
リングに使用している位相変調光を強度変調光に変える
光学器（検光子）を必要としないで出力光を直接光検出
器で電気信号に変換できる。

なおこの作用は、マツハツエンダ干渉形強度変調器の原
理を類推すると理解しやすい。

［実施例］ １１五ヱ上皇 第１図は本発明の電気光学サンプラの実施例、第２図は
動作点バイアス用電極を付加した電気光学サンプラの実
施例、第３図は電気光学素子の導波路と電極の構造の実
施例を示す。以下、図面を用いて本発明の第１の実施例
を説明する。

基板ｌはリチウムナイオベートの様な電気光学効果をも
つＺカットした素材であり、光の入射面と出射面は光束
を効率良く伝搬させるように研磨されている。基板１の
表面の一方の端面（入射口６）から対向する他端面（出
射ロア）に向かって設けられた光導波路２は、Ｙ状の分
岐導波路２ｃで二つの平行した導波路２ａ及び２ｂに分
けられ、さらにＹ状の合波導波路２ｄで二つの導波路２
ａ及び２ｂは再び一つの光導波路になり他端面に至る構
造になっている。ここで上記二つの導波路２ａ及び２ｂ
の長さは等しくなるよう光の進む方向に線対称の形状に
している。基板ｌの表面の進行波形コブラナストリップ
ラインのＧＮＤ（グランド）電極３と信号電極４は電極
対をなし、これらの電極間に発生する電界により、二つ
の導波路２ａ及び２ｂを伝搬する光のそれぞれに同量で
しかも極性が反転した位相変化を与えるように二つの導
波路２ａ及び２ｂ上に配置される。被測定電気信号は、
入力端子８を経由して進行波形コブラナストリップライ
ン（電極対３及び４）を伝搬し、出力端子９を経由して
外部へ出力される。出力端子９は終端器（図示せず）に
よって終端されるか、他の装置に信号を供給するための
ケーブルが接続される。

サンプル光入力コネクタ１０に入射されたサンプリング
極短パルス光の光束は、レンズ１１で平行光束になり、
偏光子１２で光学軸に平行の直線偏光の光束となり、さ
らにレンズ１３で絞り込まれ、入射口６から基板ｌの光
導波路２に入射される。

入射されたサンプリングパルス光は、Ｙ状の分岐導波路
２ｃで二つの導波路上に等分割される。この二つの導波
路を伝搬する光は、高周波電界によりそれぞれΔφ及び
−Δφの位相変調を受ける。

高周波電界は外部から加えた被測定電気信号に対応して
、信号電極４とＧＮＤ電極３で構成される進行波形コブ
ラナストリップラインによって発生される。この様子を
第３図に示す。すなわち第３図（ａ）では、ＧＮＤ電極
３及び信号電極４による電極対がそれぞれ導波路２ａ及
び２ｂの上に形成された例であり、第３図（ｂ）では信
号電極４が二つの導波路２ａ及び２ｂの間に置かれた例
である。電極から出る、或は電極に入る電気力線は電極
面に垂直になるから二つの導波路２ａ及び２ｂは、第３
図（ａ）、第３図（ｂ）のいずれの場合でも十と−の互
いに反対方向の位相で変調を受ける。この位相変調の深
さは、基板ｌの電気光学定数に依存するから、基板結晶
の配位は工夫を要する。これら二つの導波路２ａ及び２
ｂを伝搬する光がＹ状の合波導波路２ｄにより、合波・
干渉され、そこで両者の位相差に対応した光の強度の変
化が得られ、出射ロアより出射される。

本実施例では、基板１に形成させる光導波路２として、
埋込み形を例に挙げて説明するが、光導波路が基板ｌ上
に突出する如く形成されたもの、或は基板ｌの一方の表
面から他方の表面までが光導波路２となるようなもので
もよい。

出射光の強度ＩＯは次の式（１）で表される。

ここで、 ｎｅ：異常光線屈折率 ｒ３３：電気光学定数 ■＝電極対に印加される電圧 Ｗ：電極の間隔 Ｌ：高周波電界の加わっている導波路長■に：　人力サ
ンプリングパルス光に比例する値 である。式（１）のｒ３３は最大の電気光学定数を得る
ように結晶を切断することができるため、変調感度を非
常に大きくすることができる。例えば、ｒ３３はリチウ
ムナイオベートでは３０．８Ｘ　１０”　２ｍ／Ｖとい
う電気光学定数をとることができ、この値は他の電気光
学定数ｒ１３の８．６Ｘ　１０−”’ｍ／ｖを３倍強上
回る。また、分岐後再び合波・干渉までの前記二つの導
波路２ａ及び２ｂの長さが等しいときの外部変調信号に
よる光学的動作点は第４図の動作点（１）となり、被測
定電気信号電圧が小さい場合、変調感度（ｄＩｏ／ｄＶ
）が低くかつ直線性が悪い。そこで、変調感度が高く直
線性のよい動作点（２）にて動作させるために、次に挙
げる三つの手法のいずれかが適用できる。

（イ）二つの導波路２ａ及び２ｂの長さに、サンプリン
グパルス光のλ／４に相当する距離差（△Ｌ）をもたせ
る。例えば、距離差ΔＬをもたせた場合、距離差ΔＬに
よる位相の変化は（２π／λ）Ｘｎｅ×△Ｌとなるが、
ΔＬは１μｍ以下の非常に小さな値をもつので、温度に
よる異常光線屈折率ｎｅの変動があっても光学的動作点
を大きく動かす位相の変化は小さい値である。

（ロ）半波長電圧が数ボルトから数１０ボルトと小さい
ので、二つの導波路２ａ及び２ｂの長さに距離差をもた
せず進行波コプラナ形ストリップラインの電極間にλ／
４電圧電圧式イアス電圧（半波長電圧の半分）を加えて
動作させることも容易である。

但し、この場合はキャパシタを用いて直流成分を阻止す
る必要がある。

（ハ）第２図のように動作点バイアス電極２１及び２２
を二つの導波路２ａ及び２ｂに接して設け、それら両電
極間に直流電圧を印加することで所望の動作点（２）を
容易に得ることができる。２３゜２４は動作点バイアス
の電圧を加えるための端子である。

高時間分解能を実現するためには、二つの導波路２ａ及
び２ｂを伝搬する光が偏光される時間を短く、すなわち
偏光を受ける部分の導波路長を短くする如く進行波コブ
タナ形ストリップラインを配置すればよく、例えば、偏
光を受ける部分の導波路長が１．ｏｍｍのとき、この領
域の帯域幅は約６０ＧＨｚである。また、この場合の半
波長電圧は約５０Ｖとなる。

この値は、従来のＥ１０サンプリング素子の半波長電圧
が数ｋＶ〜数１０ｋＶあったことから比較して、非常に
小さい。

こうして得られた強度変調されたサンプリングパルス光
の光束はレンズ１４で平行光になりレンズ１５で紋り込
まれ、光検出器５に到達する。光検出器５は、例えばフ
ォトダイオードでサンプリングパルス光を検出し、電気
信号に変換し、その電気信号を電気信号出力コネクタ１
６を経由して外部へ出力する。１７は光検出器に外部か
らバイアス電圧を加えるためのバイアス端子である。

１λ立災上ｌ 第５図は本発明の電気光学サンプラを用いた高速の電気
信号波形測定装置の一実施例を示すブロック図であり、
第６図はサンプリングのタイミング図である。第５図及
び第６図を用いて本発明の第２の実施例を説明する。

基準発振部３１は、掃引波形制御部３７から所望の周波
数を得るための制御信号を受けて基準信号（周波数：　
ｆ）を発生し、その信号を被測定電気信号発生源３２へ
送出する。更に、基準発振部３１は、基準信号（ｆ）を
分周比ｎ（ｎ＝１，２，３゜・・・・）で分周する機能
を有し、分周信号（ｆ　／　ｎ　）を周波数変換部３４
へ送出する。波瀾定電気信号発生源３２は、一般には被
測定物であり、基準信号に関連した信号（以下「被測電
気定信号」という）を発生する。被測定電気信号は、第
１の実施例で説明した電気光学サンプラ２０の入力端子
８に人力され、進行波形コブラナストリップラインを伝
搬して出力端子９で終端器３３によって終端される。オ
フセット周波数発振器３５は、掃引波形制御部３７から
所望の周波数を得るための制御信号を受けてオフセット
信号（周波数：Δｆ）を発生し、その信号を周波数変換
部３４へ送出する。周波数変換部３４は、分周信号（ｆ
　／　ｎ　）とオフセット信号（Δｆ）との差の周波数
（ｆ　／　ｎ−Δｆ）の電気信号を発生し、パルス光発
生器３６へ送出する。この電気信号はサンプリング間隔
を決定する。パルス光発生器３６では半導体レーザで垣
短パルス光を発生させ、更に例えば分散ファイバーとグ
レーティングの組合せによりパルス圧縮を行い、５ピコ
秒程度のパルス幅、平均パワー０．１ｍｗ、　　波長１
．３７１　ＩＩＩの超短サンプリングパルス光を発生さ
せる。

その光束は電気光学サンプラ２０のサンプル光人力コネ
クタ１０へ光ファイバー等を介して人力される。ここで
人力されたサンプリングパルス光の光束は、被測定電気
信号のサンプリングパルス光と同タイミングの電圧で強
度変調を受は振幅変調された低周波の電気信号に変換さ
れ、電気信号出力コネクタ１６を経由して信号処理器３
８へ人力される。ここでサンプリングのタイミング関係
は次のように表される。

サンプリング時間間隔： Ｔｓ＝ｎ／（ｆ−ｎＸΔｆ）・・・・・・・・・・・・
（２）サンプリングステップ時間間隔： Ｔｉ＝ｎ／（ｆ−ｎＸΔｆ）−ｎ／ｆ−４３）第６図は
分周比ｎ＝１の例を示すもので、イ）は基準発振部出力
の基準信号を、口）は被測定電気信号を、ハ〉はサンプ
リングパルス光のタイミングを、二）は振幅変調された
電気信号を、ホ）はサンプリングされた波形とサンプリ
ングステップ時間の関係を示す。

このように被測定電気信号の繰り返し周波数とサンプリ
ングパルス光の繰り返し周波数との間に一定の差をもた
せることで、被測定電気信号のサンプリング位置が順次
一定の間隔でシフトして、（ｆ−Δｆ）／Δｆ回のサン
プリング回数で被測定電気信号の一周期分の波形を再現
することができる。　ここで、　ｆ　＝　ＩＧＨｚ、　
　△ｆ　＝　１００ｋＨｚとすると、一周期分（１ナノ
秒）の電気信号波形を、０．１ピコ秒のサンプリングス
テップ時間間隔て約１０マイクロ秒の時間で測定するこ
とができる。

直流電源３６は、電気光学サンプラ２０の光学的動作点
を設定するための電圧可変直流電源であり、第４図の動
作点（３）に設定し、最大の変調感度が得られるように
している。直流電源３７は、電気光学サンプラ２０の光
検出器１７のバイアス用の可変的に設定可能な直流電源
である。

信号処理器３８に入力したサンプリングされた低周波電
気信号は、ここで積分され、更に平均化されＳ／Ｎを改
善して、表示器３９のＸ軸に入力される。一方、掃引波
形制御部３７では、基準発振周波数ｆ、オフセット周波
数Δｆ、　　ｌＩ測時間幅とに対応した掃引電気信号を
発生させ、表示器３９のＹ軸に人力される。

このようにして一定の時間間隔で繰り返す被測定電気信
号は、超短サンプリングパルス光により、電気光学的に
サンプリングされ、表示器３９で観測することができる
。

［発明の効果］ この発明では電気光学効果を持つ素材を基板として利用
し、光導波路を形成したから、光のエネルギーを集中す
ることができ、変調感度の高いサンプラを得た（課題１
の解決）。加えて、これを利用した電気信号波形測定装
置を構成した場合、波形測定時間の短縮ができた（課題
２の解決）。

光導波路の途中にほぼ光を二つに等分する分岐導波路を
設け、それぞれに対して、位相が反対向きの電界によっ
て変調を加えるようにし、その後、合波により光を干渉
させる構造とし、さらに合波後の光を光検出器で光電変
換し、干渉後に得られた強度変調光を振幅変調電気信号
としたから、温度による悪影響を軽減できた（課題３，
４．５の解決）。

そこで本発明の電気光学サンプラを用いた電気信号波形
測定装置は、この電気光学サンプラが従来の電気光学素
子を用いたＥ１０サンプリングとは異なり、サンプリン
グのための変調感度は従来より数ｌＯ倍〜数１００倍良
くなり、サンプリング回数やアベレージングの回数を減
らすことができるから被測定電気信号の波形観測に要す
る時間を短くすることが可能となった。更に、サンプリ
ングパルス光の光源として、出力パワーの少ない半導体
レーザの採用が容易となった。また、温度による影響が
少なくなったことから、光学的動作点を設定するための
難しい調整作業が不要となった。

また、位相変調されたサンプリングパルス光を強度変調
光にするための検光子も不要になり、サンプリングパル
ス光のスペクトラムの変動によって発生する雑音も少な
くなった。

【図面の簡単な説明】

第１図は第１の実施例の構成を示す図、第２図は動作点
バイアス電極を用いた第１の実施例の構成を示す図、第
３図は電気光学効果素子（リチウムナイオベート）の導
波路及び電極の構造を示す図、第４図はサンプラの出射
光の強度変調特性を示す図、第５図は第２の実施例の構
成を示す図、第６図はサンプリングのタイミング図であ
る。 図中の、ｌは基板、２は光導波路、３は信号電極、４は
ＧＮＤ電極、５は光検出器、２０は電気光学サンプラ、
３６はパルス光発生器、３８は信号処理器である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）電気光学効果をもつ素材で成る基板（１）と、該基
   板の一方の表面から形成され、ほぼ等量の光をそれぞれ
   が伝搬する分岐導波路と合波導波路を備え、その間に介
   在して二つの導波路を有する光導波路（２）と、 前記各導波路に隣接して設けられ、該各導波路を伝搬す
   る光のそれぞれを互いに逆位相で変調するために、高周
   波電界を前記導波路の一方と他方とに互いに反対方向の
   極性をもつように付与する電極対（３、４）と、 前記各導波路を経由した後、前記合波導波路により合波
   されて干渉により位相変調度に応じて強度変調された光
   を前記光導波路から得て、それを光電変換する光検出器
   （５）とから成る電気光学サンプラ。 ２）パルス光発生器（３６）と、 該パルス光発生器の光を光導波路（２）に受け、被測定
   電気信号を電極対（３、４）で受ける請求項１記載の電
   気光学サンプラ（２０）と、 該電気光学サンプラの光検出器からの信号を処理する信
   号処理器（３８）とから成る電気信号波形測定装置。