JPH0814588B2 - 電圧検出装置の評価装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、被測定物、例えば電気回路等の所定部分の
電圧によって光の偏光状態が変化することを利用して電
圧を検出する型式の電圧検出装置の性能を評価する電圧
検出装置の評価装置に関する。

〔従来の技術〕

従来、電気回路などの被測定物の所定部分の電圧を検
出するのに、種々の電圧検出装置が用いられる。この種
の電圧検出装置としては被測定物の所定部分にプローブ
を接触させて、その部分の電圧を検出する型式のもの、
あるいはプローブを接触させずに所定部分に電子ビーム
を入射させることにより所定部分の電圧を検出する型式
のものなどが知られている。

ところで、当業者間には、構造が複雑でかつ小型の集
積回路のような被測定物の微細な部分の高速に変化する
電圧を、微細な部分の状態に影響を与えず精度良く検出
したいという強い要望がある。

しかしながら、プローブを被測定物の所定部分に接触
させる型式の電圧検出装置では、集積回路等の微細部分
にプローブを直接接触させることが容易でなく、またプ
ローブを接触させることができたとしても、その電圧情
報だけに基づき集積回路の動作を適確に解析するのは困
難であった。さらにプローブを接触させることにより集
積回路内の動作状態が変化するという問題があった。

また電子ビームを用いる型式の電圧検出装置では、プ
ローブを被測定物に接触させずに電圧を検出することが
できるものの、測定されるべき部分が真空中に置かれか
つ露出されているものに限られ、また電子ビームにより
測定されるべき部分を損傷するという問題があった。

さらに従来の電圧検出装置では、検出器の動作速度が
高速の電圧変化に追従できず、集積回路等の高速に変化
する電圧を精度良く検出することができないという問題
があった。

〔発明が解決しようとする問題点〕

このような問題点を解決するために、発明者等による
昭和62年５月30日付の特許出願に記載されているような
被測定物の所定部分の電圧によって光ビームの偏光状態
が変化することを利用して電圧を検出する型式の電圧検
出装置が開発された。

第４図は、光ビームの偏光状態が被測定物の所定部分
の電圧によって変化することを利用して被測定物の電圧
を検出する型式の電圧検出装置の構成図である。

第４図において電圧検出装置50は、光プローブ52と、
例えばレーザダイオードによる直流光源53と、直流光源
53から出力される光ビームを集光レンズ60を介して光プ
ローブ52に案内する光ファイバ51と、光プローブ52から
の参照光をコリメータ90を介して光電変換素子55に案内
する光ファイバ92と、光プローブ52からの出射光をコリ
メータ91を介して光電変換素子58に案内する光ファイバ
93と、光電変換素子55,58からの光電変換された電気信
号を比較する比較回路61とから構成されている。

光プローブ52には、電気光学材料62、例えば光学的一
軸性結晶のタルタル酸リチウム（LiTaO₃）が収容されて
おり、電気光学材料62の先端部63は、截頭円錐形状に加
工されている。光プローブ52の外周部には、導電性電極
64が設けられ、また先端部63には金属薄膜あるいは誘導
体多層膜の反射鏡65が被着されている。

光プローブ52内にはさらに、コリメータ94と、集光レ
ンズ95,96と、コリメータ94からの光ビームから所定の
偏光成分をもつ光ビームだけを抽出する偏光子54と、偏
光子54からの所定の偏光成分をもつ光ビームを参照光と
入射光とに分割する一方、電気光学材料62からの出射光
を検出子57に入射させるビームスプリッタ56とが設けら
れている。なお参照光、出射光は、それぞれ集光レンズ
95,96を介して光ファイバ92,93に出力されるようになっ
ている。

このような構成の電圧検出装置50では、検出に際し
て、光プローブ52の外周部に設けられた導電性電極64を
例えば接地電位に保持しておく。次いで、光プローブ52
の先端部63を被測定物、例えば集積回路（図示せず）に
接近させる。これにより、光プローブ52の電気光学材料
62の先端部63の屈折率が変化する。より詳しくは、光学
的一軸性結晶などにおいて、光軸と垂直な平面内におけ
る常光の屈折率の異常光の屈折率との差が変化する。

光源53から出力された光ビームは、集光レンズ60,光
ファイバ51を介して光プローブ52のコリメータ94に入射
し、さらに偏光子54により所定の偏光成分の強度Ｉの光
ビームとなって、ビームスプリッタ56を介して光プロー
ブ52の電気光学材料62に入射する。なおビームスプリッ
タ56により分割された参照光、入射光の強度はそれぞれ
I/2となる。電気光学材料62の先端部63の屈折率は上述
のように被測定物の電圧により変化するので、電気光学
材料62に入射した入射光は先端部63のところでその偏光
状態が屈折率変化に依存して変化し反射鏡65に達し、反
射鏡65で反射され、電気光学材料62から出射光として再
びビームスプリッタ56に向かう。電気光学材料62の先端
部63の長さをｌとすると、入射光の偏光状態は電圧によ
る常光と異常光との屈折率差および長さ2lに比例して変
化する。ビームスプリッタ56に戻された出射光は、検光
子57に入射する。なお検光子57に入射する出射光の強度
は、ビームスプリッタ56によりI/4となっている。検光
子57が例えば偏光子54の偏光成分と直交する偏光成分の
光ビームだけを通過させるように構成されているとする
と、偏光状態が変化して検光子57に入射する強度I/4の
出射光は、検光子57により、強度が（I/4）sin²〔（π/
2）・V/V₀〕となって光電変換素子58に加わることにな
る。ここでＶは被測定物の電圧、V₀は半波長電圧であ
る。

比較回路61では、光電変換素子55において光電変換さ
れた参照光の強度I/2と、光電変換素子58において光電
変換された出射光の強度（I/4）・sin²〔（π/2）V/
V₀〕とが比較される。

出射光の強度（I/4）・sin²〔（π/2）V/V₀〕は、電
圧変化に伴なう電気光学材料62の先端部63の屈折率の変
化によって変わるので、これに基づいて被測定物、例え
ば集積回路の所定部分の電圧を検出することができる。

このように第４図に示す電圧検出装置50では、光プロ
ーブ52の先端部63を被測定物に接近させることで変化す
る電気光学材料62の先端部63の屈折率の変化に基づき、
被測定物の所定部分の電圧を検出するようにしているの
で、特に接触させることが困難で、また接触させること
により被測定電圧に影響を与えるような集積回路の微細
部分などの電圧を、光プローブ52を接触させることなく
検出することができる。また光源としてパルス幅の非常
に短かい光パルスを出力するレーザダイオードなどのパ
ルス光源を用いて、被測定物の高速な電圧変化を非常に
短かい時間幅でサンプリングするかあるいは光源に直流
光源を用い検出器にストリークカメラなどの高速応答検
出器を用いて被測定物の高速な電圧変化を高い時間分解
能で測定することにより、高速な電圧変化をも精度良く
検出することが可能となる。

ところで、第４図に示す電圧検出装置50において、光
源53としてレーザダイオード、ヘリウムネオンレーザな
どのCWレーザすなわち直流光源を用い、検出器としてス
トリークカメラなどの高速応答検出器を用いて高速の電
圧変化を検出しようとする場合、電圧検出装置50がどの
程度高速の電圧変化を検出しうるかを試験して評価する
必要がある。

従来の評価装置としてはパルス幅の短かい評価用の電
気的な電圧パルスを電気光学材料62に印加してストリー
クカメラにおいてこの電圧パルスが所定幅のストリーク
像として検出することができるか否かにより電圧検出装
置50を評価していた。しかしながら、電気的な電圧パル
スのパルス幅は10ピコ秒よりも短かくできないので、評
価用のパルスとして電気的な電圧パルスを用いるシステ
ムでは、フェムト秒のオーダの被測定物の超高速の電圧
変化に対する性能評価を行なうことができないという問
題があった。

本発明では、被測定物の超高速の電圧変化に対する性
能評価をも信頼性良く行なうことの可能な電圧検出装置
の評価装置を提供することを目的としている。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、被測定物の所定部分の電圧によって屈折率
が変化する電気光学材料を用いた型式の電圧検出装置の
性能を評価する評価装置において、数100フェムト秒以
下のパルス幅のパルス光を出力し、このパルス光による
光学チェレンコフ効果により電圧検出装置の電気光学材
料内に瞬時的に極めて短かい時間だけ屈折率変化を生じ
させるフェムト秒レーザと、前記フェムト秒レーザから
分岐され電圧検出装置の偏光子により所定の偏光成分の
み抽出されて電気光学材料に入射されるパルス光の偏光
状態を、電気光学材料内において該パルス光による光学
チェレンコフ効果による電気光学材料の屈折率変化によ
って変化させ、電気光学材料内で偏光状態が変化した光
ビームから所定の偏光成分を抽出した出射光の強度を、
電圧検出装置の高速応答検出器で検出することにより、
または、電圧検出装置の光電検出器で検出しサンプリン
グを行なうことにより、電圧検出装置の時間分解能を評
価する評価手段とを備えていることを特徴とする電圧検
出装置の評価装置によって、上記従来技術の問題点を改
善しようとするものである。なお、ここで、光学チェレ
ンコフ効果とは、例えば、著書「JANIS A.VALDMANIS an
d G.MOUROU」による文献「Subpicosecond Electrooptic
Sampling:Principles and Application,IEEE Journal
of Quantum Electronics,Vol.QE−22 NO.1,1986年１
月、P.P.69〜78」の第76頁右欄に示されているように、
電気的に中性な短パルス光が電気光学結晶に入射すると
きに生じる現象である。すなわち、電気的に中性なパル
ス光が電気光学結晶に入射すると、電気光学結晶内に
は、短パルス光による非線形光学効果により分極が生じ
（inverse electro−optic effect（optical rectifica
tion）と称す）、この分極が電気光学結晶内を伝搬して
いくとき、そこに電磁界が生じ、このとき、この分極の
伝搬速度と光の速度とに違いがあるので、伝搬が衝撃波
のような形（チェレンコフ放射のような形）になり、こ
の伝搬波の部分で屈折率などが変わる。この現象を光学
チェレンコフ効果と呼ぶ。

〔作用〕

本発明では、光源に例えばCWレーザが用いられ検出器
に例えばストリークカメラが用いられる電圧検出装置の
性能を評価する。このために、例えばCPMリング色素レ
ーザなどのフェムト秒オーダのパルス幅のパルス光を出
力するフェムト秒レーザを設け、フェムト秒レーザから
のパルス光を電圧検出装置の電気光学材料に入射させて
光学チェレンコフ効果により電気光学材料内に瞬時的に
極めて短かい時間だけ屈折率変化を生じさせる。これに
より、偏光子により所定の偏光成分を抽出された光源か
らの光ビームは、電気光学材料の屈折率変化により偏光
状態が変化してストリークカメラに加わる。電気光学材
料の屈折率が極めて短かいパルス的な変化をすることに
より、直流光源からの光ビームはその偏光状態がパルス
的に変化し、検出子により所定の偏光成分を持つ出射光
を抽出することにより、ストリークカメラではパルス状
の光強度分布が検出されることになる。本発明の評価シ
ステムは、ストリークカメラで観測されたストリーク像
の光強度分布がフェムト秒レーザからのパルス光に対応
したものであるか否かを評価する。すなわち検出された
パルス状の光強度分布の幅が所定の幅よりも小さいとき
には、電圧検出装置の時間的分解能は良好であると判断
し、所定の幅よりも大きいときには電圧検出装置が所定
の時間分解能をもっていないと判断する。また光源にパ
ルスレーザを用いたサンプリング型の電気検出装置の性
能を評価することもできる。例えば、CPM色素リングレ
ーザなどのフェムト秒レーザからの光パルスをビームス
プリッタで分岐し、一方を光学チェレンコフ効果発生
用、他方を電圧検出用パルスとして電気光学材料に入射
させる。光学チェレンコフ効果により、光学電気材料内
に極めて短かい時間だけ屈折率変化が生じ、偏光子によ
り所定の偏光成分を抽出された電圧検出用光パルスは、
この屈折率変化によって偏光状態が変化する。ビームス
プリッタで分岐した２つの光パルスの一方に可変光学的
遅延を加え、２つの光パルスの相互の光路差を変化させ
ることで検出光の屈折率変化による偏光状態の変化の大
きさが変わり、検光子により所定の偏光成分を抽出する
ことで検出器で検出される光強度が変わる。すなわち電
気光学材料での屈折率変化のサンプリングを行ない、こ
のサンプリングの時間分解能で電圧検出装置の評価をす
る。このようにして、フェムト秒レーザを用いることに
より、電圧検出装置を適切に評価することができる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図は本発明に係る電圧検出装置の評価装置の第１
の実施例の構成図である。

第１図において評価されるべき電圧検出装置１には、
光源53にCWレーザすなわち直流光源が用いられ、検出器
にストリークカメラ７が用いられている。光源53からの
光ビームは偏光子54により所定の偏光成分だけが抽出さ
れ、ビームスプリッタ56を介して前述のように、光プロ
ーブ52内の電気光学材料62に入射光として入射する。電
気光学材料62の先端部63は、被測定物の電圧により屈折
率が変化する。これにより、電気光学材料62に入射した
所定の偏光成分をもつ入射光は、電気光学材料62の先端
部63のところで偏光状態が変化し、反射鏡65で反射され
て再び電気光学材料62から出射光として出力される。電
気光学材料62から出力された出射光は、再びビームスプ
リッタ56に戻され、ビームスプリッタ56で分割され検光
子57によって所定の偏光成分をもつ出射光だけが抽出さ
れてストリークカメラ７に加わるようになっている。

第２図はストリークカメラ７の構成図である。ストリ
ークカメラ７は、検光子57によって抽出された出射光が
入射するスリット11と、スリット11を介して出射光が入
射するレンズ12と、レンズ12により集光された出射光が
入射する光電面13と、光電面13により光電変換された電
子ビームを横方向に偏向させる偏向電極14と、偏向され
た電子ビームを増倍するマイクロチャンネルプレート15
と、マイクロチャンネルプレート15からの電子ビームが
入射する螢光面16とを備えている。なお第２図では、マ
イクロチャンネルプレート15と螢光面16とが分離されて
示されているが、これらは通常互いに接合したものとな
っている。またレンズ12は円筒形状に示されているが通
常は円筒形のものとはなっていない。このようなストリ
ークカメラ７の偏向電極14に所定の電気トリガ信号TRに
同期した鋸歯状電圧を加えることにより、光電面13に時
系列で入射する出射光を螢光面16上で横方向に掃引する
ことができる。これにより、横方向すなわち掃引方向を
時間軸として、螢光面16上で被測定物の所定部分の電圧
変化を一次元の光強度分布FGとして検出することができ
る。

ところで、このような電圧検出装置１の性能を評価す
るには、電気光学材料62に電圧を印加しない状態で、フ
ェムト秒レーザ２を用いフェムト秒レーザ２からの数10
0フェムト秒以下のパルス幅のパルス光を電気光学材料6
2の先端部63に対して垂直にすなわち光源53からの入射
光の光路と平行に入射させる。

これにより、電気光学材料62には、光学チェレンコフ
効果による電磁波EMが数100フェムト秒以下のパルス幅
でチェレンコフコーン状に反射鏡65へ向けて伝搬し、電
気光学材料62の屈折率を数100フェムト秒以下の時間だ
け変化させる。CWレーザの光源53から偏光子54を介して
の入射光の偏光成分並びにストリークカメラ７への出射
光の偏光成分は、電気光学材料62におけるチェレンコフ
コーン状に伝搬する電磁波EMによる屈折率変化に伴なっ
て変化し、検光子57により所定の偏光成分の出射光だけ
が抽出されてストリークカメラ７に加わる。この第１の
実施例では、数100フェムト秒以下のパルス幅のパルス
光を、入射光の光路と平行に電気光学材料62に入射させ
ているので、光源53からの入射光は電気光学材料62内で
パルス的な屈折率変化に追従して進行し相互作用長を長
くすることができ、その偏光成分の変化を大きくするこ
とができて、ストリークカメラ７で電圧検出装置１をよ
り感度良く評価することができる。なおストリークカメ
ラ７の偏向電極14には、フェムト秒レーザ２からのパル
ス光がビームスプリッタ３を介して光電変換素子４で光
電変換され電気トリガ信号TRとして加わるようになって
おり、ストリークカメラ７に入射した出射光は、この電
気トリガ信号TRに同期させてストリークカメラ７の螢光
面16上にストリーク像FGとして検出される。このストリ
ーク像FGすなわち光強度分布は、フェムト秒レーザ２か
らのパルス光により電気光学材料62に生じた屈折率の変
化が数100フェムト秒以下のオーダであることから、理
想的には極超短の輝度幅のものでなければならない。

従って、評価装置は、フェムト秒レーザ２から数100
フェムト秒以下のオーダのパルス光を電気光学材料62の
先端部63に入射させたときに検出されるストリーク像FG
の輝度幅を検出し、この輝度幅が所定の幅よりも小さい
ときには、電圧検出装置１が所定以上の高時間分解能を
有していると評価することができる。

これに対して、検出されたストリーク像FGの輝度幅が
所定の幅よりも大きいときには、電圧検出装置１は高時
間分解能を有していないと判断する。なお、電圧検出装
置１の分解能を低下させる要因としては、電気光学材料
62自体に欠陥があるか、あるいは光源53からストリーク
カメラ７に至るまでの入射光および出射光の光路に欠陥
があって、入射光および出射光の偏光状態の変化が高速
の屈折率変化の高速に応答しないかあるいは入射光およ
び出射光の強度変化が光路を進行中に伝送損失すること
が考えられる。

第３図は本発明に係る電圧検出装置の評価装置の第２
の実施例の構成図である。

第２図の実施例の評価装置では、パルス光源を用いた
サンプリング型の電圧検出装置の評価を行なうようにな
っている。なおサンプリング型の電圧検出装置は、第４
図に示されているのと同様のものであり、第４図と同様
の箇所には同じ符号を付して説明を省略する。このサン
プリング型の電圧検出装置は、フェムト秒レーザ２から
の光パルスをビームスプリッタ17によって２つの光パル
スBM1,BM2に分岐し、一方の光パルスBM1を電圧検出用に
用い、他方の光パルスBM2をチェレンコフコーン状の電
磁波EMを発生させるのに用いている。

ビームスプリッタ17により分岐された一方の光パルス
BM1は、光学的可変遅延手段18を介して偏光子54に入射
し、さらにビームスプリッタ56から電気光学材料62に電
圧検出用入射光として入射するようになっている。

またビームスプリッタ17により分岐された他方の光パ
ルスBM2は、光学的可変遅延手段19を介して電気光学材
料62にチェレンコフコーン状の電磁波EM1発生用として
入射するようになっている。

このような構成の評価装置では、光学的可変遅延手段
18,19によって、電気光学材料62内における電圧検出用
光パルスBM1とチェレンコフコーン状の電磁波EM1により
生じる屈折率の変化位置とが一致するよう２つの光パル
スBM1,BM2の相互の光路長を合わせ、さらに光学的可変
遅延手段18,19のいずれか一方を少しづつ駆動して相互
の光路長を徐々にずらすことにより、電気光学材料62の
パルス的な屈折率変化を光電変換素子55,58,比較回路61
などによりサンプリング測定することができる。すなわ
ち、偏光子54で所定の偏光成分だけが抽出された光パル
スBM1は、ビームスプリッタ56で分割され、一方の集光
レンズ95,光ファイバ92,コリメータ90を介して参照光RE
Fとして光電変換素子55に加わり、他方は電気光学材料6
2内でチェレンコフコーン状の電磁波EM1による屈折率変
化により偏光状態が変化して出射光すなわち信号光SGと
してビームスプリッタ56で分割され検光子57,集光レン
ズ96,光ファイバ93,コリメータ91を介して光電変換素子
58に加わる。光パルスBM1,BM2の相互の光路長を徐々に
ずらすと、信号光SGの光強度は、電気光学材料62内に生
じたパルス的な屈折率変化をサンプリングした結果とな
り、光電変換素子58においてサンプリングした結果を電
気信号に変換する。比較回路61では、光電変換素子55か
らの参照光REFの電気信号に基づいて光電変換素子58か
らの信号光SGの電気信号を比較し、これにより、S/N比
を向上させ評価精度をより向上させることができる。

このようにして電気光学材料62の屈折率を数100フェ
ムト秒以下のオーダの時間だけ変化させることができる
ので、電圧検出装置１が高時間分解能を有しているか否
かを出荷前に試験したり、あるいは使用開始前に点検し
たりすることができて、正確な評価を与えることができ
る。

なお、電気光学材料62の先端部63の側壁をも含めて光
プローブ52を黒塗りし、光プローブ52の内壁に入射する
光ビームが散乱されないようにするのが良い。

〔発明の効果〕

以上に説明したように、本発明によれば、数100フェ
ムト秒以下のパルス幅のパルス光を電圧検出装置の電気
光学材料に入射させるようにしているので、被測定物の
超高速の電圧変化に対する電圧検出装置の性能評価を信
頼性良く行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る電圧検出装置の評価装置の第１の
実施例の構成図、第２図はストリークカメラの概略構成
図、第３図は本発明に係る電圧検出装置の評価装置の第
２の実施例の構成図、第４図は一般的な電圧検出装置の
構成図である。 １……電圧検出装置、２……フェムト秒レーザ、 ７……ストリークカメラ、52……光プローブ、 62……電気光学材料、63……先端部、 EM,EM1……電磁波

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０２Ｆ 1/03 Ｚ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被測定物の所定部分の電圧によって屈折率
   が変化する電気光学材料を用いた型式の電圧検出装置の
   性能を評価する評価装置において、数100フェムト秒以
   下のパルス幅のパルス光を出力し、このパルス光による
   光学チェレンコフ効果により電圧検出装置の電気光学材
   料内に瞬時的に極めて短かい時間だけ屈折率変化を生じ
   させるフェムト秒レーザと、前記フェムト秒レーザから
   分岐され電圧検出装置の偏光子により所定の偏光成分の
   み抽出されて電気光学材料に入射されるパルス光の偏光
   状態を、電気光学材料内において該パルス光による光学
   チェレンコフ効果による電気光学材料の屈折率変化によ
   って変化させ、電気光学材料内で偏光状態が変化した光
   ビームから所定の偏光成分を抽出した出射光の強度を、
   電圧検出装置の高速応答検出器で検出することにより、
   または、電圧検出装置の光電検出器で検出しサンプリン
   グを行なうことにより、電圧検出装置の時間分解能を評
   価する評価手段とを備えていることを特徴とする電圧検
   出装置の評価装置。
2. 【請求項２】前記高速応答検出器は、ストリークカメラ
   であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の
   電圧検出装置の評価装置。
3. 【請求項３】前記サンプリングは、分岐した２つのフェ
   ムト秒レーザ光の相対光路差を変化させることによって
   行なわせることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の電圧検出装置の評価装置。