JPH08146066A - 電気信号測定方法および装置 - Google Patents

電気信号測定方法および装置

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JPH08146066A
JPH08146066A JP6291884A JP29188494A JPH08146066A JP H08146066 A JPH08146066 A JP H08146066A JP 6291884 A JP6291884 A JP 6291884A JP 29188494 A JP29188494 A JP 29188494A JP H08146066 A JPH08146066 A JP H08146066A
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optic crystal
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Yoshinobu Sugiyama
佳延 杉山
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    • G01R15/241—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption
    • G01R15/242—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption based on the Pockels effect, i.e. linear electro-optic effect
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J4/00—Measuring polarisation of light

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電気回路上の電界ベクトルの複数ベクトル成
分を高時間分解能で高精度に測定可能にする。 【構成】 測定装置はレーザ、光学素子、電気光学結
晶、光電変換素子、電気回路からなる。電気光学結晶４
３には電界による光学的主軸方向の屈折率変化と光学的
主軸方向変化の２つの効果を持つものを選び、被測定電
気回路４４が発生する電界中に置かれる。レーザ光は電
気光学結晶に入射され、結晶を通過した反射光は２つの
偏光方向に分解されて、各々光電変換素子５２，５３に
より光電変換される。電気出力の差分信号が測定信号で
ある。光学素子である半波長板４６によりレーザ光の偏
光方向を２つ選ぶことで、結晶の屈折率変化と光学的主
軸方向変化に対応した２信号が得られる。上記２信号の
一次結合から、電界ベクトルの２成分が求まる。 【効果】 測定の再現性・精度を劣化させることなく、
複数方向の電界成分が電気光学結晶を機械的に動かすこ
となく測定可能。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、特に、電気光学結晶の
光学的性質が電界の存在により変化することを利用して
電気信号を測定する電気信号測定方法および装置に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】本発明は一般に電気光学サンプリング法
と総称される電気信号測定方法に関する。以下に、従来
実施されている電気光学サンプリング法について説明す
る。
【０００３】図１に従来の電気光学サンプリング法の測
定の原理を示す。被測定電気回路１に近接してその上方
に電気光学結晶２が配置され、その結晶に対しほぼ垂直
にレーザ光源３から射出されたレーザ光４が照射されて
いる。レーザ光４は結晶２の底面で反射されて検出装置
５に到着する。検出装置５ではレーザ光が電気信号に変
化されて出力する。この構成においてレーザ光４は結晶
２に厳密に垂直には入射されていないが、その結果生じ
る誤差は充分に小さくすることができる。また、電気光
学結晶２を使用する代わりに、被測定電気回路１が形成
されている基板自体の電気光学効果を利用して、レーザ
光４をその基板の側面もしくは基板裏面から測定部位に
向って入射することも、可能かつ望ましい場合には行わ
れている。
【０００４】この原理図において、結晶２への入射光は
時間的に安定した一定の偏光状態になるように制御され
ている。この一定の偏光状態を実現するには、レーザ光
４を後述の図２に示すように、偏光子によって直線偏光
状態に変化させ、その後に適当な位相補償板によって楕
円偏光または円偏光状態とするのが最も確実である。一
方、従来の測定法では、入射光が直線偏光、楕円偏光、
円偏光のいずれであってもかまわないが、簡便のため、
入射光の偏光状態として直線偏光状態が選択されてい
る。また、高速に変化する電気信号の１時点を測定する
のに適切なように、入射光としてはパルス光が使用され
る。そのため、レーザ光源３としてはパルスレーザが使
用される。
【０００５】被測定電気回路１に電圧が印加されると、
それに伴って電界が発生し、その電気力線の一部は電気
光学結晶２も貫通するため、電気光学結晶２の中にも電
界が発生する。電気光学結晶はその性質の一つとして、
電界の印加により光の屈折率が変化する。従って、レー
ザ光４を用いて結晶２の屈折率変化を測定すれば、電気
光学結晶１の中の電界、さらには印加された電圧を測定
することができる。
【０００６】しかしながら、この従来の測定方法を微小
回路中の一点の電圧測定に用いようとすると、上記電界
は電気光学結晶２の被測定電気回路の近傍部分にのみ発
生するので、レーザ光の光路のうちで電界と相互作用を
する長さは微小な値、典型的には１μｍから数十μｍに
ならざるをえない。電気光学効果は微小な効果であるの
で、結果として反射光の位相変化も微小であることか
ら、実際の検出方法としては図２に示す構成による方法
が採用されている。
【０００７】図２では、検出原理を分り易く示すため
に、レーザ光４は電気光学結晶７を透過するように描か
れているが、これは図１の電気光学結晶２においてレー
ザ光４が底面で反射して往復したのに対し、２倍の厚さ
の結晶を透過したものとして描いたものである。電気光
学結晶７は、光学的主軸の１つがレーザ光４に平行にな
り、他の２つの軸がレーザ光４に垂直になるように配置
されている。以後、レーザ光４の入射方向をＸ軸とす
る。
【０００８】図２の（ａ）に、レーザ光の位置８におけ
る偏光状態９を示す。すなわち、偏光子６を透過したレ
ーザ光の偏光方向はＹ軸にもＺ軸にも平行ではないよう
に入射されている。一般にはレーザ光は、偏光方向がＹ
軸とＺ軸に共に４５°の角度をなすように入射される
が、これに限らずＹ軸方向とＺ軸方向の偏波成分を共に
充分に含むように入射すればよい。以後、レーザ光の偏
光方向は光学的主軸方向に対して４５°の角をなすとし
て説明する。
【０００９】電気光学結晶７を透過したレーザ光はＹ軸
方向とＺ軸方向の偏波成分の間で位相の進み方に差が生
じる。その位相差は２つの原因による。その一つは、電
気光学結晶自体の持つ複屈折性によるものであり、もう
一つは、電界が印加されたときの屈折率の変化がＹ軸方
向とＺ軸方向の間で異なることによるものである。図２
の（ｂ）にレーザ光４の位置１０における、電界が存在
しないときの偏光状態１１を模式的に示し、図２の
（ｃ）に位置１０における、電界が存在するときの偏光
状態１２を模式的に示す。偏光状態１１では電気光学結
晶７の複屈折性によって２つの偏波成分の間に位相差が
生じ、そのために楕円偏光となっている。偏光状態１２
では偏光状態１１を生じさせた位相差に電気光学効果に
よる位相差成分が加算され、偏光状態１１とは異なった
楕円偏光となっている。実際には、偏光状態１１と偏光
状態１２の違いは微小である。
【００１０】このレーザ光は検出装置１３に到着する。
検出装置１３は位相補償板１４、複屈折プリズム１５、
および２つの光電変換器１６，１７からなる。位相補償
板１４はＹ軸方向とＺ軸方向の偏波成分にさらに位相差
を与えることを目的とした光学素子であり、位相差が調
節できるようになっている。位相補償板１４を通過した
レーザ光の偏光状態に関し、図２の（ｄ）には電界が存
在しないときの偏光状態１８を、図２の（ｅ）には電界
が存在するときの偏光状態１９を示す。すなわち、電界
が存在しないときには円偏光となるように位相補償板１
４は調節される。この条件下では、電気光学結晶７に電
界が存在するときには偏光状態１９は完全な円偏光とは
ならない。
【００１１】位相補償板１４を通過した後に、レーザ光
は複屈折プリズム１５に到着する。複屈折プリズム１５
は入射光をプリズムが決定する２つの光学的主軸に沿っ
た偏波成分に分解し、各々の偏波成分を異なった経路に
よって射出する機能を持つ。図２の（ｆ）に本装置で用
いるプリズム１５の光学的主軸２０および２１を示す。
すなわち、このプリズム１５により入射光は主軸２０お
よび２１にそれぞれ平行な２つの直線偏光として分解さ
れる。分解されたレーザ光は光電変換器１６および１７
に到着し、電気信号に変換される。光電変換器１６，１
７として例えばフォトダイオードを使用すると、入射光
強度に比例した電流が電気信号として出力される。
【００１２】図２の（ｄ）のようにレーザ光が円偏光１
８の時には、２つの光電変換器１６，１７には等しい強
度の光が到着するので、出力される光電流値は等しくな
る。他方、図２の（ｅ）のように偏光状態が楕円偏光１
９の時には、２つの光電変換器１６，１７には異なった
強度の光が到着するので、出力される光電流値は異な
る。従って、２つの光電変換器１６，１７から出力する
光電流の差分値を検出するような電気回路２２に光電変
換器１６および１７の出力を供給することによって、偏
光状態の変化に比例した電気信号２３を得ることができ
る。
【００１３】実際の測定においては、光電変換強度、す
なわち一定の光が入射したときの出力電流値を、２つの
光電変換器１６，１７で一致させるのには困難が伴うの
で、位相補償板１４を調節することにより、偏光状態１
８の光がプリズム１５で分解されて２つの光電変換器１
６，１７に到着したときに、共に同じ光電流を生じさせ
るように、偏光状態１８を円偏光から微小にずらす操作
を行う。その場合においても、偏光状態１９は偏光状態
１８と異なるため、偏光状態の電界による変化に比例し
た電気信号２３が得られる。
【００１４】上記の従来装置は、一般には被測定電気回
路中の２点間の電圧を測定することに用いられている。
具体的には、被測定電気回路の２点間の適切な位置に電
気光学結晶７とレーザ光４を配置し、その２点間に０Ｖ
を印加し、電気信号２３が０となるように位相補償板１
４を調節した後、その２点間に既知の電圧を印加し、電
気信号２３を測定して、測定電圧と電気信号２３との比
例関係を明らかにした後に、実際の測定を開始するとい
う方法がとられている。
【００１５】その際、上記２点間の電圧によって生じる
電界ベクトルのうちどの成分を検出対象にするかが検討
され、その電界成分に関して電気光学結晶７を通過する
光の位相差が最も大きくなるように、電気光学結晶７の
種類と光学的主軸の配置が決定される。このように決定
された条件では、多くの場合、電界ベクトルの他の成分
による位相差への寄与は０ではないが、２点間の電圧測
定を目的とする限り問題とはならない。
【００１６】一方、上記の測定方法を、電界ベクトルの
各成分を測定するために用いることも考えられている。
これは、電気信号が極めて速い時間で変化をするときに
は、電界ベクトルは複雑な挙動を示し、実験による具体
的測定によって初めて明らかとなることから、測定技術
として極めて重要である。
【００１７】電界ベクトルの１成分のみを正確に測定す
るためには、電界ベクトルの他の成分に関しては感度を
持たず、レーザ光４に電気光学効果による位相差を与え
ないような電気光学結晶の選択、および光学的主軸の配
置を行えばよい。また、電界ベクトルの複数成分を測定
するためには、各々の成分の測定に適した結晶配置での
測定をそれぞれ行えばよい。例えば、電気回路の表面内
の２方向の電界ベクトル成分の測定を行うためには、１
方向の測定を行った後に電気光学結晶を９０°回転させ
て、もう１方向の測定を行えばよい（板谷他、電子情報
通信学会信学技法ＥＤ９３−７０，８７（１９９
３）．）。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように１方向の電界成分のみに感度を持つように電気光
学結晶とその光学的主軸を決定すると、電気光学係数の
小さな成分を利用しなければならないという欠点を持
つ。例えば、現在得られている電気光学結晶の中で、最
も大きな電気光学係数を有するのは強誘電性ペロブスカ
イト結晶であるＬｉＮｂＯ3 やＬｉＴａＯ3 のようなＣ
3V型結晶（複三方錐体型結晶）であるが、その屈折率は
次式（１）のように表わすことができる。
【００１９】
【数１】
【００２０】ここで、ｘ，ｙ，ｚは光学的主軸であり、
この標記では３軸が右手直交系をなし、しかも光学軸を
ｚ軸と定めている。また、ｎ0 ，ｎe は常光線、異常光
線に対する外部電界のないときの屈折率であり、ｎx ，
ｎy ，ｎz はそれぞれｘ軸，ｙ軸，ｚ軸方向の偏光した
光線に関する、外部電界のあるときの屈折率であり、Ｅ
y ，Ｅz はそれぞれ外部から印加された電界のｙ軸，ｚ
軸方向に関する成分であり、ｒ22，ｒ13，ｒ33は電気光
学係数（ポッケルス定数）である。
【００２１】下記の表１にＣ3V型結晶のうちでも最大の
電気光学係数をもつＬｉＮｂＯ3 とＬｉＴａＯ3 の電気
光学係数を示すが、ｒ33はｒ22，ｒ13よりもかなる大き
な値を持つ。このことはＣ3V型結晶において一般的に知
られていることである。
【００２２】
【表１】
【００２３】従来の電気光学サンプリング法では、最大
の電気光学係数ｒ33を利用するために、入射レーザ光は
電気光学結晶の光学軸ｚに垂直なｘ軸またはｙ軸に沿っ
て入射させている。ｘ軸に沿って入射させるときは、入
射レーザ光はｙ軸方向の偏波成分とｚ軸方向の偏波成分
を等しく持つように調整される。そのとき、電気光学効
果による位相変化は、上式（１）に示したように、
【００２４】
【外１】
【００２５】両者の位相変化の相対差はｎe −ｎ0 を定
数項に持ち、変化成分はｒ22Ｅy ＋（ｒ13−ｒ33）Ｅz
に比例することとなる。従って、測定結果は２方向の電
界成分Ｅy ，Ｅz の影響を含む。具体的には、Ｅy の影
響はｒ22に比例した感度で含み、Ｅz の影響はｒ33に比
例した感度で含む。
【００２６】上記と同様の計算によって、ｙ軸に沿って
レーザ光が入射するときにおいても測定結果は２方向の
電界成分Ｅy ，Ｅz の影響を含むことが分かる。いずれ
の場合も、１方向の電界成分のみに比例した測定結果を
得ることができない。仮に、上記の測定を電気光学結晶
を９０°回転させることによって２回実行すれば、Ｅy
とＥz の寄与度の異なる２つの結果を一点において得る
ことができ、両者の間での加減算によって１方向の電界
成分のみに比例した測定結果を得ることは原理的に可能
であるが、これは測定値の精度を大きく劣化させるた
め、実用上非常に困難である。
【００２７】すなわち、上記の２つの測定における結晶
配置での測定感度を等しくするためには、結晶の回転前
後で、電気光学結晶と被測定電気回路との距離を正確に
再現しなければならないが、その距離は１μｍ程度の微
小な値に設定されるので、距離のわずかな変動によって
も電気光学結晶中に誘起される電界強度が大きく変動
し、その結果として測定感度が大幅に変化することが避
けられない。したがって、互いの感度比が不明な状態で
上記の加減算を行っても信頼できる値は得られない。こ
のことは、従来行われている、測定感度を最大とする測
定法においては、１方向の電界成分のみを測定すること
が不可能であることを示している。
【００２８】この問題を解決するために従来採用されて
いる方法は、レーザ光をｚ軸に沿って入射させ、その入
射光をｘ軸方向の偏波成分とｙ軸方向の偏波成分を等し
く持つように調整するという方法である。そのとき、電
気光学効果による位相変化は、上記式（１）に示すよう
に、
【００２９】
【外２】
【００３０】両者の位相変化の相対差に比例する測定結
果はｎx −ｎy に比例することとなる。従って、その測
定結果は１方向の電界成分Ｅy のみに比例した出力とな
る。直交する２方向の電界成分をそれぞれ測定するため
には、２つの測定の間で電気光学結晶を９０°回転すれ
ばよい。この場合、１方向の電場ベクトル成分は１回の
測定で求まるので、測定感度の校正方法が存在する場合
には測定の精度は良い。しかし、実際には直交する２方
向に関して両方ともに校正方法が存在する場合は少ない
ので、電界ベクトルの各成分の大きさの比を精度良く求
めるのに困難が伴う。さらに、この場合の測定感度は電
気光学係数ｒ22に比例するが、ｒ22はｒ33に対して一般
に小さな値であるので、ｘ軸およびｙ軸に沿って入射さ
せる測定方法に比べて、測定感度が大きく劣化するとい
う問題がある。
【００３１】Ｃ3V型以外のＴd 型（六四面体型）のＧａ
Ａｓ等やＣ6V型（複六方錐体型）のＺｎＳ等を電気光学
結晶として測定に利用することも従来から行われている
が、これらの物質の電気光学係数は、前述の表１に示し
たように、Ｃ3V型結晶の最大電気光学係数ｒ33に対して
１桁以上小さい値であり、測定感度の向上は望めないと
いう欠点がある。
【００３２】本発明は、上述の従来の課題を解決するた
めになされたもので、その目的とするところは、電気回
路上の電界ベクトルの複数ベクトル成分を高時間分解能
で高精度に測定可能な電気信号測定方法および装置を提
供することにある。
【００３３】さらに詳しくは、本発明の目的は、測定の
再現性・精度を劣化させることなく、複数方向の電界成
分が電気光学結晶を機械的に動かすことなく測定できる
新規な電気光学サンプリング法による電気信号測定方法
および装置を提供することにある。
【００３４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の方法は、電気光学結晶の光学的性質が電界
の存在により変化することを利用して、該電気光学結晶
に隣接して配置された電気回路から発生する電界もしく
は該電気回路中の２点の電圧を検知することで電気信号
を測定する電気信号測定方法において、偏光状態が明確
に規定された光パルスを前記電気光学結晶の無電界条件
での光学的主軸のうちの１つに並行になる方向で該電気
光学結晶に入射させ、該電気光学結晶を通過して反射も
しくは透過した光の偏光状態を測定するに際して、前記
電気光学結晶を機械的に動かすことなく半波長板と偏光
子を用いて入射光の偏光状態として２つの異なる状態に
おける測定を行うステップと、該２つの異なる状態にお
ける測定の結果から前記電気光学結晶中の電界ベクトル
の３成分のうちの２成分をそれぞれ求めるステップとか
らなることを特徴とする。
【００３５】また、本発明の方法は、他の態様として、
前記電気光学結晶として該結晶中の電界の存在によりそ
の光学的主軸の方向が変化する性質を有する電気光学結
晶を採用し、前記２つの異なる状態における測定のうち
の１つの測定においては入射光の偏光状態として直線偏
光でかつ偏光方向が前記電気光学結晶の無電界状態にお
ける光学的主軸のうちの１つに並行となる状態を採用
し、前記入射光の前記電気光学結晶への入射方向として
屈折率楕円体の回転軸以外の方向を採用して、前記入射
光の偏光状態が前記電気光学結晶中の電界の存在により
変化することを利用して電気信号を測定することを特徴
とすることができる。
【００３６】また、本発明の方法は、他の態様として、
前記電気光学結晶として電気光学効果による屈折率の変
化と該電気光学効果による光学主軸の方向変化という２
つの作用を有する電気光学結晶を採用し、前記入射光の
前記電気光学結晶への入射方向を該電気光学結晶の光軸
以外の光学的主軸方向に一致させることを特徴とするこ
とができる。
【００３７】また、本発明の方法は、他の態様として、
前記電気光学結晶として光学的主軸方向に対応する電気
光学係数と該光学的主軸方向の変化に対応する電気光学
係数の両方が比較的大きいという性質を有する結晶光学
上のＣ3V型結晶、典型的にはＬｉＮｂＯ3 、ＬｉＴａＯ
3 を使用することを特徴とすることができる。
【００３８】また、上記目的を達成するため、本発明の
装置は、電気光学結晶の光学的性質が電界の存在により
変化することを利用して、該電気光学結晶に隣接して配
置された電気回路から発生する電界もしくは該電気回路
中の２点の電圧を検知することで電気信号を測定する電
気信号測定装置において、偏光状態が明確に規定された
光パルスを前記電気光学結晶の無電界条件での光学的主
軸のうちの１つに並行になる方向で該電気光学結晶に入
射させ、該電気光学結晶を通過して反射もしくは透過し
た光の偏光状態を測定するに際して、前記電気光学結晶
を機械的に動かすことなく入射光の偏光状態として２つ
の異なる状態における測定を行うための入射光の偏光方
向を設定する半波長板と設定された該偏光方向に合わせ
ることの可能な偏光子とからなる偏光調整手段と、前記
電気信号による電気光学効果により位相変調を受けて前
記電気光学結晶から出射する光の位相を調整可能に補償
する位相補償板と該位相補償板で補償された光の位相変
化を強度変化に変換する複屈折プリズムと該複屈折プリ
ズムから出射する光を光電変換する光電変換器とからな
る検出手段と、該検出手段から得られる前記２つの異な
る状態における測定の結果から前記電気光学結晶中の電
界ベクトルの３成分のうちの２成分をそれぞれ求める演
算手段とを具備することを特徴とする。
【００３９】また、本発明の装置は、他の態様として、
前記偏光調整手段は前記入射光の偏光方向を前記電気光
学結晶の結晶軸に対して４５°傾けて該電気光学結晶に
入射する測定と、前記入射光の偏光方向を前記電気光学
結晶の結晶軸に沿って該電気光学結晶に入射する測定を
実行し、前記演算手段は前記４５°入射で得られた波形
から進行方向電界成分に起因する成分を除いて正確な立
上がり時間・パルス幅を得ることの可能な補正処理を行
うことを特徴とすることができる。
【００４０】また、本発明の装置は、他の態様として、
前記偏光調整手段は、前記入射光の偏光方向を前記電気
光学結晶の結晶軸に沿って該電気光学結晶に入射する測
定を実行するに際し、このときの前記偏光子の出力が最
大になるように前記半波長板を調整し、出力光が横方向
電界に感度を持たずに進行方向電界に最大の感度を持つ
ように前記位相補償板を調整することを特徴とすること
ができる。
【００４１】
【作用】本発明の作用および原理について以下に詳述す
る。
【００４２】本発明では、２つの測定のうちの一つに、
電気光学効果による屈折率楕円体の主軸方向の変化の計
測を用いる。この主軸方向の変化は、電気光学結晶と入
射レーザ光の配置により規定されるある電界成分に比例
した出力となって計測される。（一方、従来の電気光学
効果による屈折率変化に対応する出力は、上記の主軸変
化に対応する電界成分とそれに直交する電界成分の重ね
合わせとなる。）これらの測定により得られた２つの測
定結果を後述のように加減算することで、直交する２方
向の電界成分を測定することができる。この２つの測定
手順は、電気光学結晶を一定の位置に固定した状態のま
まで実行可能であるので、測定手順の間での感度比の不
確定性は生じず、得られた２つの測定結果を加減算する
ことにより、直交する２方向の電界成分を精度良く計測
できるという顕著な利点が得られる。以下に、電気光学
効果による屈折率楕円体の変化について、この効果を生
じる結晶の１つであるＣ3V型結晶に基づいて説明する。
【００４３】一般に、屈折率に異方性のある物質に対す
る光の屈折率は、空間中に描いた屈折率楕円体と呼ばれ
るものが記述される。ある方向から光を入射したときの
屈折率は、光の入射方向に垂直で、上記楕円体の中心を
含む平面で楕円体を切断したときの切り口が形成する楕
円で記述される。レーザ光をｘ軸に沿って入射させる場
合について以下説明を行う。このときの楕円は次式
（２）で表される。レーザ光をｙ軸に沿って入射させる
ときについても、同様の計算により同様な効果が期待さ
れる。
【００４４】
【数２】
【００４５】この楕円の主軸方向が光学的主軸であり、
式（２）の第１項および第２項から前述の屈折率変化の
式（１）が導き出されている。しかしながら、式（２）
の第３項により、電界Ｅy が存在するときには、光学的
主軸が、電界の存在しないときに対して方向を変化させ
る。主軸方向の変化はｒ51Ｅy に比例する。ただし、こ
の主軸方向の変化は１ｍｒａｄ以下の非常に小さな値で
あるので、主軸方向の屈折率変化に対する寄与は無視で
きる。主軸方向の屈折率変化は、屈折率差（ｎy−ｎ
z ）の電界による変化分であるので、式（１）により、
ｒ22Ｅy ＋（ｒ13−ｒ33）ＥZ に比例する。
【００４６】前述の表１に示したようにＣ3V型電気光学
結晶の電気光学係数ｒ51は、ｒ33と同程度に大きいの
で、両測定における電界成分に対する感度は同程度であ
る。従って、光学的主軸の方向変化と屈折率差の変化に
対応する測定結果を加減算すれば、直交する２つの電界
成分Ｅx ，Ｅy を求めることができる。
【００４７】上述の本発明の測定方法では、電気光学結
晶の配置と、レーザ光の経路を変更しないので、測定精
度は測定感度の校正精度で決定される値にまで向上す
る。さらに、２つの電界の測定値の比の精度は、電気光
学係数の決定精度と同様になり、例えば電気光学結晶と
被測定電気回路との距離の不確定性などの、測定方法に
よって新たに導入される不確定要因というものが存在し
ない。以下に、光学的主軸方向の変化を測定する方法に
ついて述べる。
【００４８】屈折率楕円体の主軸方向の変化を得るため
の方法としては、電気光学結晶を通らない参照レーザ光
との干渉による直接測定、入射レーザ光の偏光方向を変
化させることによる主軸方向の測定、電気光学結晶自身
の複屈折を利用して主軸変化の効果を光の位相変化に置
き換える測定が挙げられる。現在の光学技術において
は、干渉実験による主軸方向の測定における測定精度
は、レーザ光の横モードと光学系の調整に大きく依存す
るので、安定かつ簡便な測定方法ではない。また、入射
レーザ光の偏光方向を変化させることによる主軸方向の
測定は、電気光学効果による主軸方向の微小変化を検出
するのに必要な測定感度を持っていない。従って、電気
光学結晶自身の複屈折を利用して主軸方向の変化を光の
位相変化に置き換える方法が、再現性のある精度良い測
定結果を得る最も有効な手段となる。以下に、この方法
の原理ついて説明する。
【００４９】この方法では、入射レーザ光を、電気光学
結晶のｘ軸に沿って入射させ、レーザ光の偏光状態を直
線偏光とし、その偏光方向をｙ軸またはｚ軸に並行にす
る。結晶中に電界が存在しないときは、入射レーザ光の
偏光方向は、その結晶中の固有偏光方向である主軸方向
に一致しているので、結晶からの出力も直線偏光とな
る。一方、電気光学結晶中に電界が存在すると、その結
晶の光学的主軸はｙ軸もしくはｚ軸から変化する。変化
した後の主軸方向をそれぞれｙ′軸，ｚ′軸とすると、
入射光はｙ′軸方向の偏波成分にｚ′軸方向の偏波成分
が微小に付け加わったものとして振る舞う。この電気光
学結晶に複屈折性が存在すると、ｙ′軸とｚ′軸方向の
屈折率が異なるので、ｙ′軸とｚ′軸間に位相差が発生
し、偏光状態は楕円偏光となる。主軸方向の変化は上記
位相差に比例し、従来の測定で用いられたのと全く同じ
検出装置（図２参照）により、電気信号として出力に変
換される。このときの電気信号出力は、電気光学結晶と
レーザ光の配置により規定されるある方向の電界成分に
比例した出力となる。
【００５０】上記の本発明による測定を、従来の測定と
同じ結晶範囲で、光路も変更せずに実施するための測定
方法の原理を図３を参照して以下に説明する。
【００５１】新たに半波長板２４を、従来実施されてき
た電気光学サンプリング法におけるレーザ光源３と偏光
子６の間に挿入する。半波長板２４は、素子を回転させ
ることによりレーザ光の偏光方向を変える作用を持つ素
子である。偏光子６の偏光方向を半波長板２４を透過し
た光の主な偏光方向に合わせることにより、任意の方向
の直線偏光のレーザ光を小さな挿入損失で実現すること
ができる。なお、半波長板２４を用いずに偏光子６を回
転させるだけでもレーザ光の偏光方向を変化させること
は可能であるが、従来例の説明で既述したように、偏光
方向の変化に伴って出力光の強度が変化するために高感
度測定に不利となり、また各偏光方向での光強度の変化
を正確に測定しないと高精度な測定が行えないという問
題があるので、実用できない。
【００５２】入射光の偏光方向が、図３の（ａ）に示す
ように、電気光学結晶７のｘ軸およびｙ軸に対して４５
°の角をなしているとき、得られる出力は結晶の屈折率
変化に比例したものとなり、従来の測定法と同じにな
る。このときの電気信号出力は、主軸方向の変化に対応
した上記電界成分とそれに垂直な電界成分の重ね合わせ
となる。
【００５３】入射光が上記２つの偏光状態、すなわち偏
光方向が光学的主軸に平行でもなく４５°でもないとき
の電気信号出力は、主軸方向の変化に対応した上記電界
成分とそれに垂直な電界成分の重ね合わせとなるが、こ
れらの２成分の比が４５°入射の時とは異なるようにな
る。
【００５４】以上の手段で得られた、屈折率変化に比例
した出力と、光学的主軸方向の変化に比例した出力を加
減算することにより、直交する２方向の電界成分を求め
ることができる。特に、入射光の偏光方向を結晶のｘ軸
に平行とした１測定を行い、また、ｘ軸およびｙ軸に対
して４５°とした１測定を行い、これらを２測定とすれ
ば、一回の加減算により直交する２方向の電界成分を求
めることができる。同様に、入射光の偏光方向を結晶の
ｙ軸に平行とした１測定を行い（図３の（ｄ）参照）、
また、ｘ軸およびｙ軸に対して４５°とした１測定を行
い、これらを２測定としても、一回の加減算により直交
する２方向の電界成分を求めることができる。
【００５５】本発明の測定において使用する電気光学結
晶は、結晶中の電界により屈折率のみの変化だけでな
く、主軸方向の変化をも引き起こすものでなければなら
ない。また、主軸方向の変化が光出力に比例することを
保証するために、結晶自身が複屈折性を有することが必
要である。さらに、入射レーザ光の方向は、屈折率楕円
体の常光線に対する主軸方向であることが必要である。
本測定に用いるＣ3V型電気光学結晶の２つの電気光学係
数であるｒ51とｒ33は、最も大きな２つの電気光学係数
である。これらの２つの大きな電気光学係数が存在する
ことにより、屈折率の変化と主軸方向の変化に比例した
２つの出力を感度良く測定することができる。このよう
な条件を満たす電気光学結晶としては、ＬｉＮｂＯ3 ，
ＬｉＴａＯ3 が挙げられる。
【００５６】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細
に説明する。
【００５７】図４に本発明の一実施例の構成を示す。使
用するレーザは、アルゴンイオンレーザ３１で励起の衝
突モード同期（ＣＰＭ：Ｃｏｌｌｉｄｉｎｇ Ｐｕｌｓ
ｅＭｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅｄ）色素レーザ３２である。Ｃ
ＰＭ色素レーザ３２の出力光はパルス光であり、繰り返
し周波数は約１００ＭＨｚ、平均出力は約２０ｍＷ、パ
ルス幅は８０ｆｓ（フェムト秒）、中心波長は６２０ｎ
ｍである。電気光学サンプリング部において、色素レー
ザ３２の出力をビームスプリッタ３４により９：１に分
岐し、前者の出力を被測定部の光伝導スイッチの励起レ
ーザ光３５に、後者の出力を電気光学サンプリングにお
ける測定用レーザ光３６として用いる。上記光伝導スイ
ッチは、被測定電気回路４４に、測定用レーザ光３６と
同期した電気パルスを発生させるためのものである。３
８〜４１は励起レーザ光３５を可変遅延するための可動
ミラー系であり、４５は信号発生器である。
【００５８】測定用レーザ光３６は、半波長板４６によ
り偏光方向を設定し、偏光子４７を前述の偏光方向に合
わせた後、被測定電気回路４４に近接して置かれた電気
光学結晶４３に入射される。電気光学結晶４３中で位相
変調されることにより偏光状態の変化した測定用レーザ
光は、ソレイユ・バビネ位相補償板５０により位相補償
された後、複屈折プリズム５１を通して、強度変調に置
き換えられて受光器５２，５３に受光される。フォトダ
イオードからなる光電変換器受光器５２，５３からの出
力は差動増幅器５４により増幅されることにより電気信
号出力５５として得られる。
【００５９】上記被測定回路４４の一例を図５に示す。
この被測定回路４４は、半絶縁性ＧａＡｓ基板上に金属
電極を対向させることにより製作される光伝導スイッ
チ、および２本の並行金属電極線からなるコプラナトラ
ンスミッションラインを一体化して作製したものであ
る。金属電極は厚さ２００ｎｍの金を真空蒸着すること
により作製される。光伝導スイッチにおける金属電極の
ギャップ長は２μｍであり、ストリップラインの金属線
幅と金属線間隔は共に２０μｍである。電気光学結晶４
３はこの被測定回路部４４の上に密着して置かれる。
【００６０】電気光学結晶４３としてはＬｉＴａＯ3 を
用い、その配置は、結晶のｘ軸が被測定回路４４の表面
に垂直になるように設定している。結晶の裏面には、誘
電体多層膜による反射コーティングが施されている。ま
た、結晶の大きさは、縦３００μｍ、横２５０μｍ、厚
さ５０μｍである。
【００６１】２つの測定の１つとして、測定用レーザ光
（プローブビームとも称する）３６の偏光方向を結晶４
３の主軸方向に対して４５°になるように入射する。こ
のとき、上記ストリップライン上を伝搬する電気信号に
対し、進行方向電界と横方向電界が共に電気光学効果を
及ぼすが、結晶４４の配置として、横方向電界に対して
感度が最大になるように設定されている。この測定結果
としては、進行方向電界成分の効果に横方向電界成分の
効果が重畳したものが出力として得られる。このときの
測定結果を後述の図６に示す。
【００６２】また、２つの測定の他の１つとして、測定
レーザ光３６の偏光方向を結晶４３の軸方向に合わせた
場合、進行方向電界成分のみに比例して、電気光学結晶
の主軸方向が変化し、主軸方向の変化に比例した出力が
得られる。このときの測定結果を後述の図７に示す。こ
れらの２つの測定結果から進行方向と横方向の電界成分
が求められる。
【００６３】図６は、サンプリングビーム（測定用レー
ザ光）の偏光方向を結晶軸に対して４５°傾けて電気光
学結晶（ＥＯプローブとも称する）４３に入射したとき
の測定結果を示すものである。測定点は光伝導スイッチ
１５０（μｍ）の位置であり、信号線上Ｓ・伝送線路中
央Ｌ・グランド線上Ｇの３点で測定を行ったものであ
る。信号線上Ｓでの測定においては、アンダーシュート
が顕著に現れる。また、ライン間Ｌおよびグランド線上
Ｇにおいてもアンダーシュートが現れる。これらのアン
ダーシュートの原因は、進行方向電界成分が小さな電気
光学係数ｒ22を介してリターデーションの変化をもたら
すことによる。進行電界成分が横方向電界成分に重畳し
ているときの立ち上がり時間は、進行方向電界成分の寄
与を除いた上で立ち上がり時間・パルス幅を評価しなけ
ればならない。
【００６４】図７は、サンプリングビームの偏光方向を
結晶軸に沿って電気光学結晶４３に入射したときの測定
結果を示す。このとき感度が最大になるように、図４に
示す入射偏光子４７の前方の半波長板４４を回転するこ
とにより偏光子４７の出力を最大になるようにする。ま
た、ソレイユ・バビネ位相補償板５０を調整して、横方
向電界に感度を持たずに進行方向電界に最大に感度をも
つように設定する。測定位置は、図６の４５°入射の時
と同じである。この結果得られる出力波形はインパルス
的であり、それに続いて小さなピークがある。図６との
時間軸上の対応関係をみると、進行方向電界はパルスの
急峻な立ち上がり部に顕著に現れることが確認された。
【００６５】図７において、パルス幅は、信号線上Ｓ・
ライン間Ｌ・グランド線上Ｇの各点において、３００
（ｆｓ）・４００（ｆｓ）・４００（ｆｓ）であり、信
号線上Ｓでは他の測定点より幅の短いものとなってい
る。また、ピーク電界強度のばらつきは１０％以下であ
った。パルスのピーク時刻に関しては、ライン間Ｌで測
定したものが他の測定点でのピーク時刻より前になって
いることが明らかになった。
【００６６】正確な立ち上がり時間を求めるためには、
４５°入射で得られた波形から進行方向電界成分に起因
する成分を除く必要性がある。ライン間Ｌの測定結果と
補正後の結果を図８に示す。補正前の測定結果は図６か
らのものであり、補正用の進行方向電界成分は図７から
得られたものである。図８から分るように、進行方向電
界成分の補正により、パルスの立ち上がり部のリンギン
グがなくなった。補正前の１０〜９０％立ち上がり時間
は３５０（ｆｓ）であり、補正後の立ち上がり時間は３
００（ｆｓ）であった。
【００６７】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
入射レーザ光の偏光状態を変える半波長板と偏光子を使
用することで、測定の再現性・精度を劣化させることな
く、複数方向の電界成分が電気光学結晶を機械的に動か
すことなく測定可能にしているので、従来不可能であっ
た電気回路上の電界ベクトルの複数方向の電界成分に対
応した測定結果を得ることができるようになり、その複
数方向の電界成分ベクトルで規定される平面内の任意の
方向の電界成分を高時間分解能で高精度に求めることが
できるという顕著な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】電気光学サンプリング法における測定の原理を
示す模式図である。
【図２】従来の電気光学サンプリング法の基本的な構成
と、レーザ光の偏光状態を示す説明図である。
【図３】本発明の基本的な構成とレーザ光の偏光状態を
示す説明図である。
【図４】本発明の一実施例の複数の電界成分の測定を可
能とする電気光学サンプリング装置の構成を示す光路図
である。
【図５】図４の本発明の一実施例における被測定部を詳
細に示す斜視図である。
【図６】本発明の一実施例において、測定用レーザ光の
偏光方向を結晶軸に対して４５°の角をなすように入射
したときの光伝導スイッチの測定結果を示すグラフであ
る。
【図７】本発明の一実施例において、測定用レーザ光の
偏光方向を結晶のｚ軸に沿って入射したときの光伝導ス
イッチの測定結果を示すグラフである。
【図８】本発明の一実施例において、ライン間の横方向
電界成分を進行方向電界を補正することにより得られた
波形を示すグラフである。
【符号の説明】
１ 被測定電気回路 ２，７ 電気光学結晶 ３ レーザ光源 ４ レーザ光 ５，１３ 検出装置 ６ 偏光子 １４ 位相補償板 １５ 複屈折プリズム １６，１７ 光電変換器 ２２ 電気回路 ２３ 電気信号 ２４ 半波長板 ３１ アルゴンイオンレーザ ３２ ＣＰＭ色素レーザ ３４ ビームスプリッタ ３５ 励起レーザ光（ポンプビーム） ３６ 測定用レーザ光（プロームビーム、サンプリング
ビーム） ３８〜４１ 可変遅延用の可動ミラー系 ４３ 電気光学結晶（ＥＯプローブ） ４４ 被測定電気回路 ４５ 信号発生器 ４６ 半波長板 ４７ 偏光子 ５０ ソレイユ・バビネ位相補償板 ５１ 複屈折プリズム ５２，５３ 光電変換器受光器 ５４ 差動増幅器
───────────────────────────────────────────────────── 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 Ｇ０１Ｒ 31/302 (72)発明者 太田 公廣 茨城県つくば市梅園１丁目１番４ 工業技 術院電子技術総合研究所内

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電気光学結晶の光学的性質が電界の存在
    により変化することを利用して、該電気光学結晶に隣接
    して配置された電気回路から発生する電界もしくは該電
    気回路中の２点の電圧を検知することで電気信号を測定
    する電気信号測定方法において、 偏光状態が明確に規定された光パルスを前記電気光学結
    晶の無電界条件での光学的主軸のうちの１つに並行にな
    る方向で該電気光学結晶に入射させ、該電気光学結晶を
    通過して反射もしくは透過した光の偏光状態を測定する
    に際して、前記電気光学結晶を機械的に動かすことなく
    半波長板と偏光子を用いて入射光の偏光状態として２つ
    の異なる状態における測定を行うステップと、 該２つの異なる状態における測定の結果から前記電気光
    学結晶中の電界ベクトルの３成分のうちの２成分をそれ
    ぞれ求めるステップとからなることを特徴とする電気信
    号測定方法。
  2. 【請求項２】 前記電気光学結晶として該結晶中の電界
    の存在によりその光学的主軸の方向が変化する性質を有
    する電気光学結晶を採用し、 前記２つの異なる状態における測定のうちの１つの測定
    においては入射光の偏光状態として直線偏光でかつ偏光
    方向が前記電気光学結晶の無電界状態における光学的主
    軸のうちの１つに並行となる状態を採用し、 前記入射光の前記電気光学結晶への入射方向として屈折
    率楕円体の回転軸以外の方向を採用して、 前記入射光の偏光状態が前記電気光学結晶中の電界の存
    在により変化することを利用して電気信号を測定するこ
    とを特徴とする請求項１に記載の電気信号測定方法。
  3. 【請求項３】 前記電気光学結晶として電気光学効果に
    よる屈折率の変化と該電気光学効果による光学主軸の方
    向変化という２つの作用を有する電気光学結晶を採用
    し、 前記入射光の前記電気光学結晶への入射方向を該電気光
    学結晶の光軸以外の光学的主軸方向に一致させることを
    特徴とする請求項２に記載の電気信号測定方法。
  4. 【請求項４】 前記電気光学結晶として光学的主軸方向
    に対応する電気光学係数と該光学的主軸方向の変化に対
    応する電気光学係数の両方が比較的大きいという性質を
    有する結晶光学上のＣ3V型結晶、典型的にはＬｉＮｂＯ
    3 、ＬｉＴａＯ3 を使用することを特徴とする請求項３
    に記載の電気信号測定方法。
  5. 【請求項５】 電気光学結晶の光学的性質が電界の存在
    により変化することを利用して、該電気光学結晶に隣接
    して配置された電気回路から発生する電界もしくは該電
    気回路中の２点の電圧を検知することで電気信号を測定
    する電気信号測定装置において、 偏光状態が明確に規定された光パルスを前記電気光学結
    晶の無電界条件での光学的主軸のうちの１つに並行にな
    る方向で該電気光学結晶に入射させ、該電気光学結晶を
    通過して反射もしくは透過した光の偏光状態を測定する
    に際して、前記電気光学結晶を機械的に動かすことなく
    入射光の偏光状態として２つの異なる状態における測定
    を行うための入射光の偏光方向を設定する半波長板と設
    定された該偏光方向に合わせることの可能な偏光子とか
    らなる偏光調整手段と、 前記電気信号による電気光学効果により位相変調を受け
    て前記電気光学結晶から出射する光の位相を調整可能に
    補償する位相補償板と該位相補償板で補償された光の位
    相変化を強度変化に変換する複屈折プリズムと該複屈折
    プリズムから出射する光を光電変換する光電変換器とか
    らなる検出手段と、 該検出手段から得られる前記２つの異なる状態における
    測定の結果から前記電気光学結晶中の電界ベクトルの３
    成分のうちの２成分をそれぞれ求める演算手段とを具備
    することを特徴とする電気信号測定装置。
  6. 【請求項６】 前記偏光調整手段は前記入射光の偏光方
    向を前記電気光学結晶の結晶軸に対して４５°傾けて該
    電気光学結晶に入射する測定と、前記入射光の偏光方向
    を前記電気光学結晶の結晶軸に沿って該電気光学結晶に
    入射する測定を実行し、 前記演算手段は前記４５°入射で得られた波形から進行
    方向電界成分に起因する成分を除いて正確な立上がり時
    間・パルス幅を得ることの可能な補正処理を行うことを
    特徴とする請求項５に記載の電気信号測定装置。
  7. 【請求項７】 前記偏光調整手段は、前記入射光の偏光
    方向を前記電気光学結晶の結晶軸に沿って該電気光学結
    晶に入射する測定を実行するに際し、このときの前記偏
    光子の出力が最大になるように前記半波長板を調整し、
    出力光が横方向電界に感度を持たずに進行方向電界に最
    大の感度を持つように前記位相補償板を調整することを
    特徴とする請求項６に記載の電気信号測定装置。
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