JPH05126866A - 超高速電気信号の測定方法及び装置 - Google Patents
超高速電気信号の測定方法及び装置Info
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- JPH05126866A JPH05126866A JP3315191A JP31519191A JPH05126866A JP H05126866 A JPH05126866 A JP H05126866A JP 3315191 A JP3315191 A JP 3315191A JP 31519191 A JP31519191 A JP 31519191A JP H05126866 A JPH05126866 A JP H05126866A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 本発明は、超高速電子デバイスの評価方法に
関するものである。反転対称性の破れた表面で発生する
第２高調波を利用することによって超高速電気信号の変
化を測定することができる。 【構成】 フェムト秒レーザ光１は、ビームスプリッタ
２で時間遅延をつけたパルス３とパルス４に分けられ、
レンズ５で集光される。パルス３は、光導電素子のギャ
ップ上に集光され、フェムト秒の電圧パルスが発生させ
られる。パルス４は、伝送線間に照射され、表面から第
２高調波が発生する。このとき、伝送線間に電位が存在
することによって、表面に分極が生じ、発生する第２高
調波の強度がこの分極によって変化する。 【効果】 １００ｆｓ以下の超高速電気信号波形を測定
することが可能となる。
関するものである。反転対称性の破れた表面で発生する
第２高調波を利用することによって超高速電気信号の変
化を測定することができる。 【構成】 フェムト秒レーザ光１は、ビームスプリッタ
２で時間遅延をつけたパルス３とパルス４に分けられ、
レンズ５で集光される。パルス３は、光導電素子のギャ
ップ上に集光され、フェムト秒の電圧パルスが発生させ
られる。パルス４は、伝送線間に照射され、表面から第
２高調波が発生する。このとき、伝送線間に電位が存在
することによって、表面に分極が生じ、発生する第２高
調波の強度がこの分極によって変化する。 【効果】 １００ｆｓ以下の超高速電気信号波形を測定
することが可能となる。
Description
【産業上の利用分野】本発明は、電子計測技術分野に係
り、光導電素子の電気信号を非接触で測定する方法に関
する。
り、光導電素子の電気信号を非接触で測定する方法に関
する。
【従来の技術】近年、電子デバイスの高速化の流れはめ
ざましく、研究レベルでは動作速度が１ｐｓ以下のデバ
イスも実現されつつある。この様な電子デバイスから出
力される電気信号を測定することは、デバイス開発を促
進する上で非常に重要であるが、従来の電気的なサンプ
リングオシロスコープでは、内部に使われているゲート
素子の応答時間で時間分解能が決定されるため、最先端
の超高速電子デバイスから出力される電気信号の測定は
不可能であった。そのため、ゲート信号にフェムト秒レ
ーザ光を利用し、時間分解能１ｐｓ以下を実現した電気
光学（Ｅ−Ｏ）サンプリング技術が考案された。 それは、（１）電気光学結晶（LiTaO3,LiNbO3,GaAs等）
を被測定デバイス近傍に配置する方法 Rochester大 J.
A.Valdmanis等 「特開昭５９−５００１８６号公報記
載のピコセコンドの分解能を有する電気信号の測定」 （２）被測定デバイスを作製した基板自身の電気光学効
果を利用する方法 Stanford大 K.J.Weingarten等IEEE J.Quantum Electro
n. 24 p198 (1988) の２つに分類されるが、それらはそれぞれ重大な問題点
を持つ。（１）は、電気信号から外部に発生する電界中
に電気光学結晶を挿入し、電界により電気光学結晶内の
複屈折を変化させ（ポッケルス効果）、その複屈折変化
量をフェムト秒レーザ光により検出する。この方法で
は、被測定デバイスの材質、形状に依らず、同一の光学
系で測定でき、また時間分解能は、電気光学効果の応答
時間で決定され、LiTaO3（タンタル酸リチウム）を使用
した場合、およそ３００ｆｓである。しかし、この方法
では、必ず外部電界中に空気よりも誘電率の大きな物質
を挿入しなければならないため、その箇所でインピーダ
ンスの変化が生じ、電気信号を変化させてしまい、正確
な電気信号の測定は不可能である。（２）は、別の電気
光学結晶を使用しないため、（１）に比べ正確な電気波
形の測定が可能であり、また化合物半導体の電気光学効
果の応答時間は１００ｆｓ前後と非常に高速である。し
かしこの方法では、電気光学効果を有する基板上に作製
されたデバイス以外測定不可能であり、現在主流である
Ｓｉ基板上のデバイスの測定は不可能である。さらに、
複屈折変化量を検出するフェムト秒レーザ光の取り出し
は、伝送線側（表面）からレーザ光を入射し、裏面で
反射させる方法、表面からレーザ光を入射し、裏面を
透過させる方法、裏面からレーザ光を入射し、伝送線
で反射させる方法、裏面からレーザ光を入射し、表面
を透過させる方法、の４種類が考えられるが、は、基
板の厚みがおよそ５００μｍと厚く、電界中を光が通る
時間が長くなり、時間分解能を低下させる。は、
被測定デバイスのホールド方法やＥ−Ｏサンプリング装
置の光学系が複雑になり、汎用性が乏しくなる。また、
将来電子の波動性を利用した量子効果デバイスが実現し
た場合、その応答時間は１００ｆｓ以下になる可能性が
あるため、電気光学効果での測定は困難になると予想さ
れる。
ざましく、研究レベルでは動作速度が１ｐｓ以下のデバ
イスも実現されつつある。この様な電子デバイスから出
力される電気信号を測定することは、デバイス開発を促
進する上で非常に重要であるが、従来の電気的なサンプ
リングオシロスコープでは、内部に使われているゲート
素子の応答時間で時間分解能が決定されるため、最先端
の超高速電子デバイスから出力される電気信号の測定は
不可能であった。そのため、ゲート信号にフェムト秒レ
ーザ光を利用し、時間分解能１ｐｓ以下を実現した電気
光学（Ｅ−Ｏ）サンプリング技術が考案された。 それは、（１）電気光学結晶（LiTaO3,LiNbO3,GaAs等）
を被測定デバイス近傍に配置する方法 Rochester大 J.
A.Valdmanis等 「特開昭５９−５００１８６号公報記
載のピコセコンドの分解能を有する電気信号の測定」 （２）被測定デバイスを作製した基板自身の電気光学効
果を利用する方法 Stanford大 K.J.Weingarten等IEEE J.Quantum Electro
n. 24 p198 (1988) の２つに分類されるが、それらはそれぞれ重大な問題点
を持つ。（１）は、電気信号から外部に発生する電界中
に電気光学結晶を挿入し、電界により電気光学結晶内の
複屈折を変化させ（ポッケルス効果）、その複屈折変化
量をフェムト秒レーザ光により検出する。この方法で
は、被測定デバイスの材質、形状に依らず、同一の光学
系で測定でき、また時間分解能は、電気光学効果の応答
時間で決定され、LiTaO3（タンタル酸リチウム）を使用
した場合、およそ３００ｆｓである。しかし、この方法
では、必ず外部電界中に空気よりも誘電率の大きな物質
を挿入しなければならないため、その箇所でインピーダ
ンスの変化が生じ、電気信号を変化させてしまい、正確
な電気信号の測定は不可能である。（２）は、別の電気
光学結晶を使用しないため、（１）に比べ正確な電気波
形の測定が可能であり、また化合物半導体の電気光学効
果の応答時間は１００ｆｓ前後と非常に高速である。し
かしこの方法では、電気光学効果を有する基板上に作製
されたデバイス以外測定不可能であり、現在主流である
Ｓｉ基板上のデバイスの測定は不可能である。さらに、
複屈折変化量を検出するフェムト秒レーザ光の取り出し
は、伝送線側（表面）からレーザ光を入射し、裏面で
反射させる方法、表面からレーザ光を入射し、裏面を
透過させる方法、裏面からレーザ光を入射し、伝送線
で反射させる方法、裏面からレーザ光を入射し、表面
を透過させる方法、の４種類が考えられるが、は、基
板の厚みがおよそ５００μｍと厚く、電界中を光が通る
時間が長くなり、時間分解能を低下させる。は、
被測定デバイスのホールド方法やＥ−Ｏサンプリング装
置の光学系が複雑になり、汎用性が乏しくなる。また、
将来電子の波動性を利用した量子効果デバイスが実現し
た場合、その応答時間は１００ｆｓ以下になる可能性が
あるため、電気光学効果での測定は困難になると予想さ
れる。
【発明が解決しようとする課題】前項のような現状を踏
まえ、本発明は、超高速電子デバイスから出力される電
気信号の波形測定において、主として次の２つの課題を
解決しようとするものである。 （１）電気光学効果を持たない基板上に作られたデバイ
スに対しても、別の電気光学結晶を使わず、非接触な電
気信号の測定を可能にすること。 （２）電気信号波形測定の時間分解能を１００ｆｓ以下
にすること。 本発明は、上記課題を解決することによって、フェムト
秒の時間分解能を有する超高速電子デバイス電気信号波
形の測定方法を提供することを目的とするものである。
まえ、本発明は、超高速電子デバイスから出力される電
気信号の波形測定において、主として次の２つの課題を
解決しようとするものである。 （１）電気光学効果を持たない基板上に作られたデバイ
スに対しても、別の電気光学結晶を使わず、非接触な電
気信号の測定を可能にすること。 （２）電気信号波形測定の時間分解能を１００ｆｓ以下
にすること。 本発明は、上記課題を解決することによって、フェムト
秒の時間分解能を有する超高速電子デバイス電気信号波
形の測定方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】本発明の関わる電気信号
波形の測定方法は、電気光学効果を利用する代わりに、
物質が本質的に持っている、表面という空間的境界条件
を利用した、表面ＳＨＧ（Second Harmonic Generatio
n:第２高調波発生）の電界による強度変化利用すること
を特徴としている。
波形の測定方法は、電気光学効果を利用する代わりに、
物質が本質的に持っている、表面という空間的境界条件
を利用した、表面ＳＨＧ（Second Harmonic Generatio
n:第２高調波発生）の電界による強度変化利用すること
を特徴としている。
【作用】物質表面は、物質内部と異なり空間的に反転対
称性が全ての物質で破れているために、物質表面に光ま
たは電磁波を照射することによって、対称性のある物質
内部では発生しない偶数次の高調波の発生が表面から引
き起こされる。特に最低次の２次の高調波は高次の高調
波に比して発生する強度が大きいため容易に観測するこ
とができ、表面を解析する上で有効なプローブとなる。
この表面で発生する第２高調波強度は、表面の電位勾配
によって変化することが知られている。この変化は物質
の電子分極過程を利用するので１ｆｓ以下の応答速度を
持つ。この物理過程をＥ−Ｏサンプリング法に応用する
ことによって時間分解能は光導電素子内に発生する電圧
パルスの幅とプローブ光のパルス幅のみで決定され、従
来のポッケルス効果を用いたＥ−Ｏサンプリング法では
達成することが不可能であった１００ｆｓ以下の時間分
解能を有するＥ−Ｏサンプリングを行うことが可能とな
ることを本発明者らは見いだした。本発明の実現は以下
の要領で行われる。超短パルスレーザ光を光導電素子に
照射することによって超高速な電圧パルスが発生し、伝
送線間に誘起分極を引き起こす。このとき別のレーザ光
を伝送線間に照射することによってその表面から第２高
調波が発生する。この第２高調波の発生効率は、電圧パ
ルスによって生じた誘起分極によって変化する。そこで
フェムト秒レーザ等の超短パルスレーザを用いて、この
誘起分極によって変化する表面第２高調波を検出するこ
とによって、光導電素子内を伝播する超高速電気信号の
波形測定が可能となる。
称性が全ての物質で破れているために、物質表面に光ま
たは電磁波を照射することによって、対称性のある物質
内部では発生しない偶数次の高調波の発生が表面から引
き起こされる。特に最低次の２次の高調波は高次の高調
波に比して発生する強度が大きいため容易に観測するこ
とができ、表面を解析する上で有効なプローブとなる。
この表面で発生する第２高調波強度は、表面の電位勾配
によって変化することが知られている。この変化は物質
の電子分極過程を利用するので１ｆｓ以下の応答速度を
持つ。この物理過程をＥ−Ｏサンプリング法に応用する
ことによって時間分解能は光導電素子内に発生する電圧
パルスの幅とプローブ光のパルス幅のみで決定され、従
来のポッケルス効果を用いたＥ−Ｏサンプリング法では
達成することが不可能であった１００ｆｓ以下の時間分
解能を有するＥ−Ｏサンプリングを行うことが可能とな
ることを本発明者らは見いだした。本発明の実現は以下
の要領で行われる。超短パルスレーザ光を光導電素子に
照射することによって超高速な電圧パルスが発生し、伝
送線間に誘起分極を引き起こす。このとき別のレーザ光
を伝送線間に照射することによってその表面から第２高
調波が発生する。この第２高調波の発生効率は、電圧パ
ルスによって生じた誘起分極によって変化する。そこで
フェムト秒レーザ等の超短パルスレーザを用いて、この
誘起分極によって変化する表面第２高調波を検出するこ
とによって、光導電素子内を伝播する超高速電気信号の
波形測定が可能となる。
【実施例】以下、本発明の実施例に付いて図を参照しな
がら説明する。第１図は本発明におけるフェムト秒の時
間分解能を有する電気信号の測定方法の一実施例を示す
ブロック図である。パルス幅１００ｆｓ、繰り返し１０
０ＭＨｚ、出力１０ｍＷのフェムト秒レーザ１光は、ビ
ームスプリッタ２で時間遅延をつけたパルス３とパルス
４に分けられ、レンズ５で集光される。パルス３は、図
２で示すように光導電素子のギャップ上に集光され、フ
ェムト秒の電圧パルスが発生させられる。パルス４は、
図２に示すように伝送線間に照射され、表面から第２高
調波が発生する。このとき、伝送線間に電位が存在する
ことによって、表面に分極が生じ、発生する第２高調波
の強度がこの分極によって変化する。この第２高調波は
レーザからの基本波をカットし第２高調波成分だけを通
過させるようなフィルター６を通して光検出器７に入射
させられる。このとき電圧の変化によって生じる第２高
調波の変化は非常に微弱なので、図１に示すように光チ
ョッパー８及び、ロックインアンプ９を用いたロックイ
ン検出が行われる。パルス３によって発生させられた超
高速電気信号の時間変化をパルス４の第２高調波強度変
化として捕らえるためには、パルス３とパルス４を空間
的に時間遅延をつけて移動させればよい。図３は、上記
方法を用いて測定された、超高速電子デバイスの電気信
号波形測定結果である。時間遅延０ｆｓからの第２高調
波強度の立ち上がり変化より、１００ｆｓ以下の時間分
解能を有する電気信号波形の測定が可能であることがわ
かる。またこの方法は従来のＥ−Ｏサンプリング法と比
較して光学系が非常に簡単になるので従来法を上記方法
に置き換えることによって装置構成が簡単になるという
利点をもつ。
がら説明する。第１図は本発明におけるフェムト秒の時
間分解能を有する電気信号の測定方法の一実施例を示す
ブロック図である。パルス幅１００ｆｓ、繰り返し１０
０ＭＨｚ、出力１０ｍＷのフェムト秒レーザ１光は、ビ
ームスプリッタ２で時間遅延をつけたパルス３とパルス
４に分けられ、レンズ５で集光される。パルス３は、図
２で示すように光導電素子のギャップ上に集光され、フ
ェムト秒の電圧パルスが発生させられる。パルス４は、
図２に示すように伝送線間に照射され、表面から第２高
調波が発生する。このとき、伝送線間に電位が存在する
ことによって、表面に分極が生じ、発生する第２高調波
の強度がこの分極によって変化する。この第２高調波は
レーザからの基本波をカットし第２高調波成分だけを通
過させるようなフィルター６を通して光検出器７に入射
させられる。このとき電圧の変化によって生じる第２高
調波の変化は非常に微弱なので、図１に示すように光チ
ョッパー８及び、ロックインアンプ９を用いたロックイ
ン検出が行われる。パルス３によって発生させられた超
高速電気信号の時間変化をパルス４の第２高調波強度変
化として捕らえるためには、パルス３とパルス４を空間
的に時間遅延をつけて移動させればよい。図３は、上記
方法を用いて測定された、超高速電子デバイスの電気信
号波形測定結果である。時間遅延０ｆｓからの第２高調
波強度の立ち上がり変化より、１００ｆｓ以下の時間分
解能を有する電気信号波形の測定が可能であることがわ
かる。またこの方法は従来のＥ−Ｏサンプリング法と比
較して光学系が非常に簡単になるので従来法を上記方法
に置き換えることによって装置構成が簡単になるという
利点をもつ。
【発明の効果】本発明は上記の通り電場の変化を表面で
発生する第２高調波を利用して測定するので、従来の電
気光学効果を利用した方法と比較して、時間分解能を１
００ｆｓ以下にすることが可能となる。また、電気光学
結晶等が不要になるので、測定システムが単純になりか
つ、どの様な光導電素子に対しても非接触で電場の変化
を測定することが可能となる。
発生する第２高調波を利用して測定するので、従来の電
気光学効果を利用した方法と比較して、時間分解能を１
００ｆｓ以下にすることが可能となる。また、電気光学
結晶等が不要になるので、測定システムが単純になりか
つ、どの様な光導電素子に対しても非接触で電場の変化
を測定することが可能となる。
【図１】本発明に関わる表面第２高調波を用いた超高速
電気信号の測定方法の一実施例を示す全体図である。
電気信号の測定方法の一実施例を示す全体図である。
【図２】光導電素子を示す図である。
【図３】本発明により得られた測定結果を示す図であ
る。
る。
１ フェムト秒レーザ ２ ビームスプリッタ ３，４ パルス ５ レンズ ６ フィルター ７ 光検出器 ８ 光チョッパー ９ ロックインアンプ １０ 光遅延ライン １１ 半導体基板 １２ 電極
Claims (2)
- 【請求項１】 １０ｐｓ以下のパルス幅を有する超短パ
ルスレーザ光を光導電素子に照射することにより該光導
電素子に電圧を発生させ、その電圧により該光導電素子
伝送線間に生じる分極を該伝送線間に時間遅延をつけて
照射されたもう１つの光パルスが表面で発生する第二高
調波の強度変化をモニタすることにより該光導電素子の
超高速電気信号を測定する方法。 - 【請求項２】 １０ｐｓ以下のパルス幅を有する超短パ
ルスレーザ光を発生させるレーザ装置と、測定対象とし
ての光導電素子と、該レーザ光のパルスを２つに分けて
一方のパルスに時間遅延をつけるための光学系と、一方
のパルスによって光導電素子に発生した電圧変化をもう
一方のパルスの表面で発生する第２高調波の強度変化と
して検出するための光学系を有する光導電素子の超高速
電気信号の測定装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3315191A JPH05126866A (ja) | 1991-11-05 | 1991-11-05 | 超高速電気信号の測定方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3315191A JPH05126866A (ja) | 1991-11-05 | 1991-11-05 | 超高速電気信号の測定方法及び装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05126866A true JPH05126866A (ja) | 1993-05-21 |
Family
ID=18062512
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3315191A Withdrawn JPH05126866A (ja) | 1991-11-05 | 1991-11-05 | 超高速電気信号の測定方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH05126866A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102426306A (zh) * | 2011-09-13 | 2012-04-25 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 超快电子器件测试系统及方法 |
| CN104459369A (zh) * | 2014-10-20 | 2015-03-25 | 北京工业大学 | 测量电信号在金属导线中传输速度的方法及实现装置 |
-
1991
- 1991-11-05 JP JP3315191A patent/JPH05126866A/ja not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102426306A (zh) * | 2011-09-13 | 2012-04-25 | 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 | 超快电子器件测试系统及方法 |
| CN104459369A (zh) * | 2014-10-20 | 2015-03-25 | 北京工业大学 | 测量电信号在金属导线中传输速度的方法及实现装置 |
| CN104459369B (zh) * | 2014-10-20 | 2017-05-17 | 北京工业大学 | 测量电信号在金属导线中传输速度的方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 19990204 |