JPH09211035A

JPH09211035A - 電界測定装置

Info

Publication number: JPH09211035A
Application number: JP8014019A
Authority: JP
Inventors: Tadao Nagatsuma; 忠夫永妻; Mitsuru Shinagawa; 満品川; Shintaro Miyazawa; 信太郎宮澤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-01-30
Filing date: 1996-01-30
Publication date: 1997-08-15

Abstract

(57)【要約】【課題】電気化学結晶を用いて、回路に擾乱を与える
ことなくより高感度に電界を測定できるようにすること
を目的とする。【解決手段】シレナイト構造のビスマスチタン酸化物
（Ｂｉ₁₂ＴｉＯ₂₀）を電気光学結晶１として用い、これ
を（１００）面に平行にカットし、（１００）面を回路
基板４平面に平行に対向させ、レーザ光２の直線偏光方
向をｘあるいはｚ方向に対して４５度となるように設定
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電気光学結晶を
用いた電界測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高速の電気信号波形を計測する手段とし
て、電気光学結晶を電界測定のためのセンサーに用いる
方法が知られている。これは、電界によって複屈折率が
変化するという電気光学結晶の性質を利用するものであ
る。電気光学結晶にレーザ光をプローブ光として照射す
ると、照射した光の直交する２つの方向の振動成分の位
相差，すなわち偏光状態が、電界の大きさに応じて変化
する。通常、この偏光変化は、ある適当な軸方向に設定
された偏光板を通すことによってレーザ光の強度変化に
変換できる。また、レーザ光にパルス波を用いれば、時
間的に変化する電界，すなわち電気信号の時間変化を、
パルス幅に相当する分解能で測定可能となる。これは、
「電気光学サンプリング」と呼ばれている。

【０００３】なかでも、図３（ａ）や図３（ｂ）に示す
方法が最も汎用的な方法であり、一般に「外部プローブ
法」と呼ばれている。まず、図３（ａ）に示す方法で
は、電気光学結晶３１を回路基板３２上に形成された配
線電極３３近傍に配置する。配線電極３３は、信号線３
３ａとグランド３３ｂとから構成されている。そして、
この回路からの漏れ電界３４を電気光学結晶３１に結合
させ、その電界強度変化に応じたレーザ光３５の偏光変
化を検出する。

【０００４】また、図３（ｂ）に示す方法は、電気光学
結晶３１に微小電極３１ａを接続し、配線電極３３によ
る回路の電界をその微小電極３１ａを介して電気光学結
晶３１に結合させ、その電界強度変化に応じたレーザ光
３５の偏光変化を検出する。なお、図３において、レー
ザ光３５は、対物レンズ３６により集光させてプローブ
光としている。

【０００５】特に、この外部プローブ法において、図３
に示すように、レーザ光３５の伝搬方向と平行な方向の
電界成分（縦電界）を感度良く検出するための電気光学
結晶の材料として、ＧａＡｓ，ＺｎＴｅ，ＣｄＴｅなど
の化合物半導体結晶や、Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀，Ｂｉ₄Ｇｅ₃Ｏ
₁₂などのシレナイト構造を有する酸化物結晶が知られて
いる。これらはいずれも、横電界を全く拾わないこと
や、自然複屈折率がなく、これに起因する信号ドリフト
がないなどの特徴を有している。

【０００６】それら、化合物半導体結晶と酸化物結晶と
の大きな違いの一つは、結晶の抵抗率である。これらの
結晶を電界センサに応用することを考えた場合、結晶の
抵抗率はできるだけ高い方が望ましい。抵抗率が低いと
結晶中にある自由キャリアが働いて、結晶に印加された
低周波電界を排除し、結果的に結晶に電界がかからなく
なって低周波帯での感度が減少する。ＧａＡｓなどの化
合物半導体結晶の場合、抵抗率は１０⁹ Ω・ｃｍ程度で
ある。結晶のサイズにも依存するが、１ＭＨｚより低い
周波数では、感度が下がったり検出する波形が歪むなど
の問題が生じる。

【０００７】これに対して、Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀，Ｂｉ₄Ｇ
ｅ₃Ｏ₁₂などの酸化物結晶は、抵抗率が半導体に比べて
３から４桁以上高く、直流までの低周波測定が可能であ
り、波形歪みの問題もない。従って、上述した化合物半
導体結晶よりも酸化物結晶の方が、電気光学結晶として
電気光学サンプリング用のセンサ材料に有望である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した酸化
物結晶には、以下に示すような問題点があった。まず第
１に、Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀，Ｂｉ₄Ｇｅ₃Ｏ₁₂などの酸化物結
晶は、化合物半導体に比べて感度が低いという問題があ
った。感度を示す性能指数であるｎ³ ｒ₄₁（ｒ：屈折
率，ｒ₄₁：電気光学定数）が、ＣｄＴｅでは１５０であ
るのに対し、Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀では約７０，Ｂｉ₄Ｇｅ₃Ｏ
₁₂では約１０と小さい。また、第２に、上述した酸化物
結晶は誘電率が大きく、測定対象の回路に与える擾乱が
大きいという問題があった。図３（ａ）に示すように酸
化物結晶を電気光学結晶として用いる場合、その誘電率
が小さいほど擾乱が小さくなるが、Ｂｉ₄Ｇｅ₃Ｏ₁₂は１
６と半導体結晶に近いが、より感度が高く実用的なＢｉ
₁₂ＳｉＯ₂₀では５６と大きな誘電率を有する。

【０００９】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたものであり、電気化学結晶を用いて、
回路に擾乱を与えることなくより高感度に電界を測定で
きるようにすることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明の電界測定装置
は、電気光学結晶にビスマスチタン酸化物を用いるよう
にした。ビスマスチタン酸化物の結晶は、他の酸化物結
晶より感度が高く誘電率が低い。また、ビスマスチタン
酸化物として、Ｂｉ₁₂ＴｉＯ₂₀を用いるようにした。Ｂ
ｉ₁₂ＴｉＯ₂₀はビスマスチタン酸化物の中でも、特に感
度が高く誘電率が低い。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下この発明の実施の形態を図を
参照して説明する。図１は、この発明の実施の形態にお
ける、電気光学結晶を用いた電界測定の構成を示す構成
図である。同図において、１はシレナイト構造のビスマ
スチタン酸化物（Ｂｉ₁₂ＴｉＯ₂₀）からなる電気光学結
晶、２はレーザ光、３は回路基板４上に形成されている
配線電極である。この配線電極３は、信号線３ａとグラ
ンド３ｂとから構成されている。Ｂｉ₁₂ＴｉＯ₂₀のシレ
ナイト構造の結晶は、感度性能指数ｎ³ ｒ₄₁が約１００
で誘電率が４７である。Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀よりも感度が高
く誘電率が低い。また、抵抗率も、Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀等と
同程度以上の１０¹³Ω・ｃｍ以上が得られる。

【００１２】電気光学結晶１は、（１００）面に平行に
カットし、（１００）面を回路基板４平面に平行に対向
させ、図１（ｂ）に示すように、レーザ光２の直線偏光
方向をｘあるいはｚ方向に対して４５度となるように設
定する。あるいは、図１（ｃ）に示すように、円偏光を
入射させるようにしても良い。そして、レーザ光２は、
結晶面（１００）に垂直に、測定したい配線電極３上に
照射する。この照射したレーザ光２は、配線電極３表面
で反射して同じ光路を戻ってくる。このようにすれば、
配線電極３上の縦方向の電界５だけを検出することにな
り、その電界５の大きさに応じて偏光状態が変化する。

【００１３】なお、上述では、電気光学結晶１を通過し
たレーザ光２は、配線電極３表面で反射させるようにし
ているが、これに限るものではない。電気光学結晶１の
回路基板４に対向する面に誘電体膜からなる高反射ミラ
ーを形成し、ここでレーザ光を反射させるようにしても
良い。このことにより光量の損失を防ぐことができる。
また、電気光学結晶１のレーザ光２入射面に、誘電体膜
からなる反射防止膜を形成するようにしても、光量の損
失を防ぐことができる。

【００１４】ところで、上述したシレナイト構造のビス
マスチタン酸化物からなる電気光学結晶は、外部プロー
ブ法における電界センサ用結晶としてのみでなく、電気
光学サンプリングの原理を用いた様々な構成の電界セン
サーとして用いることが可能であることはいうまでもな
い。例えば、図２に示すようなサンプリングヘッドに用
いることもできる。このサンプリングヘッドは、適当な
大きさに切り出した電気光学結晶２１表面に金属膜を蒸
着することで配線電極２２を形成し、これに高周波同軸
コネクタ２３を接続してある。高周波同軸コネクタ２３
の一端は、図示していないが、抵抗で終端されている。

【００１５】そして、このサンプリングヘッドの電気光
学結晶２１裏面よりレーザ光２４を照射し、その反射光
の偏光状態を観測することで、同軸コネクタ２３を通る
被測定電気信号による、配線電極２２における電界の状
態を測定することができる。そして、この電界の状態に
より、被測定電気信号の波形を測定することが可能とな
る。

【００１６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明では、電
気光学結晶にビスマスチタン酸化物を用い、特のその中
でも誘電率の低く感度の高い、Ｂｉ₁₂ＴｉＯ₂₀を用いる
ようにした。この結果、この発明によれば、電気化学結
晶を用いて、回路に擾乱を与えることなくより高感度
に、その回路から発生する電界を測定できるという効果
がある。例えば、Ｂｉ₁₂ＴｉＯ₂₀のシレナイト構造の結
晶を電気光学結晶として用いれば、Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀に比
べて感度が約１．４倍になり、測定対象の回路に対する
擾乱の程度が約０．８に低減される。感度が１．４倍に
なることにより、測定時間は約半分に短縮される。そし
て、Ｂｉ₁₂ＴｉＯ₂₀は抵抗率が高く、直流から１００Ｇ
Ｈｚ以上の広い周波数範囲にわたって測定が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態における、電気光学結
晶を用いた電界測定の構成を示す構成図である。

【図２】この発明の電気光学結晶をサンプリングヘッ
ドに適応した場合の構成を示す斜視図である。

【図３】外部プローブ法による電界測定装置の構成を
示す構成図である。

【符号の説明】

１…電気光学結晶、２…レーザ光、３…配線電極、３ａ
…信号線、３ｂ…グランド、４…回路基板、５…電界。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電界の強度によって複屈折率が変化する
電気光学結晶に光を入射し、前記光の偏光状態の変化を
測定することで前記電界を測定する電界測定装置におい
て、前記電気光学結晶がビスマスチタン酸化物から構成され
ていることを特徴とする電界測定装置。
【請求項２】請求項１記載の電界測定装置において、前記ビスマスチタン酸化物は、Ｂｉ₁₂ＴｉＯ₂₀であるこ
とを特徴とする電界測定装置。