電気光学プローブ

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【発明の名称】	電気光学プローブ
【発明者】	【氏名】伊藤昭成【氏名】太田克志【氏名】品川満【氏名】永妻忠夫【氏名】久良木億【氏名】大野一英【氏名】神好人
【要約】	【課題】２つのフォトダイオードへの入射光量を調整し、測定信号のＳ／Ｎを向上させることができる電気光学プローブを提供する。【解決手段】計測器本体の制御信号に基づいてレーザ光を発するレーザダイオードと、端面に反射膜を有する電気光学素子と、ダイオードと電気光学素子との間に設けられ、レーザダイオードが発したレーザ光を通過させレーザ光が反射膜によって反射された反射光を分離するアイソレータと、アイソレータにおいて分離された反射光を電気信号に変換する２つのフォトダイオードとを備える電気光学プローブにおいて、フォトダイオードとアイソレータとを結ぶ光路を進む光を遮断する遮光板を備えたことを特徴とする。

【特許請求の範囲】
【請求項１】計測器本体の制御信号に基づいてレーザ光を発するレーザダイオードと、端面に反射膜を有する電気光学素子と、前記ダイオードと前記電気光学素子との間に設けられ、前記レーザダイオードが発したレーザ光を通過させ前記レーザ光が前記反射膜によって反射された反射光を分離するアイソレータと、前記アイソレータにおいて分離された反射光を電気信号に変換する２つのフォトダイオードと、を備える電気光学プローブにおいて、前記フォトダイオードと前記アイソレータとを結ぶ光路を進む光を遮断する遮光板を備えたことを特徴とする電気光学プローブ。
【請求項２】前記遮光板は、前記２つのフォトダイオードのうちいずれか一方のフォトダイオードへ入射する光を遮光することにより、２つのフォトダイオードへ入射する光量が同一になるように調整されることを特徴とする請求項１記載の電気光学プローブ。
【請求項３】計測器本体の制御信号に基づいてレーザ光を発するレーザダイオードと、端面に反射膜を有する電気光学素子と、前記ダイオードと前記電気光学素子との間に設けられ、前記レーザダイオードが発したレーザ光を通過させ前記レーザ光が前記反射膜によって反射された反射光を分離するアイソレータと、前記アイソレータにおいて分離された反射光を電気信号に変換する２つのフォトダイオードと、前記アイソレータにおいて分離された反射光を前記フォトダイオードまで伝播する２本の光ファイバと、を備える電気光学プローブにおいて、前記光ファイバに光減衰器を備え、前記フォトダイオードへ入射する前記反射光の光量を調整することを特徴とする電気光学プローブ。
【請求項４】前記光減衰器は、前記２つのフォトダイオードのうちいずれか一方のフォトダイオードへ入射する光を光ファイバの曲げにより損失させることにより、２つのフォトダイオードへ入射する光量が同一になるように調整されることを特徴とする請求項３記載の電気光学プローブ。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、被測定信号によって発生する電界を電気光学結晶に結合させ、この電気光学結晶に光を入射し、入射光の偏光状態により、被測定信号の波形を観測する電気光学プローブであって、特に、光学系を改良した電気光学プローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】被測定信号によって発生する電界を電気光学結晶に結合させ、この電気光学結晶にレーザ光を入射し、レーザ光の偏光状態により被測定信号の波形を観測することができる。ここでレーザ光をパルス状にし、被測定信号をサンプリングすると非常に高い時間分解能で測定することができる。この現象を利用した電気光学プローブを用いたのが電気光学サンプリングオシロスコープである。
【０００３】この電気光学サンプリング（ＥｌｅｃｔｒｏＯｐｔｉｃＳａｍｐｌｉｎｇ）オシロスコープ（以下「ＥＯＳオシロスコープ」と略記する）は、電気式プローブを用いた従来のサンプリングオシロスコープと比較して、１）信号を測定する際に、グランド線を必要としないため、測定が容易である２）電気光学プローブの先端にある金属ピンが回路系から絶縁されているので高入力インピーダンスを実現でき、その結果被測定点の状態をほとんど乱すことがない３）光パルスを利用することからＧＨｚオーダーまでの広帯域測定が可能であるといった特徴があり注目を集めている。
【０００４】ＥＯＳオシロスコープによる信号測定を行う際に用いられる従来の電気光学プローブの構成を図５を参照して説明する。図５において、符号１は、絶縁体でできたプローブヘッドであり、この中心に金属ピン１ａが嵌め込まれている。符号２は、電気光学素子であり、金属ピン１ａ側の端面に反射膜２ａが設けられ、金属ピン１ａに接している。符号３、８は、コリメートレンズである。符号４は、１／４波長板である。符号５及び７は、偏光ビームスプリッタである。符号６は、入射された光の偏光面を４５度回転するファラディー素子である。符号９は、ＥＯＳオシロスコープ本体１９のパルス発生回路（図示せず）から出力された制御信号に応じてレーザ光を発するレーザダイオードである。符号１０及び１１はコリメートレンズである。符号１２及び１３は、フォトダイオードであり、入力されたレーザ光を電気信号にしてＥＯＳオシロスコープ本体へ出力する。符号１４は、１／４波長板４、偏光ビームスプリッタ５、７及びファラディー素子６からなるアイソレータである。符号１５は、絶縁体でできたプローブ本体である。
【０００５】次に、図５を参照して、レーザダイオード９から発せられたレーザ光の光路について説明する。図５において、レーザ光の光路を符号Ａで表す。先ず、レーザダイオード９から出射したレーザ光はコリメートレンズ８により平行光に変換され、偏光ビームスプリッタ７、ファラデー素子６及び偏光ビームスプリッタ５を直進し、さらに、１／４波長板４を通って、コリメートレンズ３によって集光されて電気光学素子２に入射する。入射した光は、金属ピン１ａ側の電気光学素子２の端面に形成された反射膜２ａにより反射する。
【０００６】反射したレーザ光は、コリメートレンズ３によって再び平行光にされ、１／４波長板４を通り、レーザ光の一部は、偏光ビームスプリッタ５により反射されて、フォトダイオード１２へ入射する。偏光ビームスプリッタ５を透過したレーザ光は、偏光ビームスプリッタ７で反射されて、フォトダイオード１３へ入射する。なお、１／４波長板４はフォトダイオード１０とフォトダイオード１１へ入射するレーザ光の強度が同一になるように調整するものである。
【０００７】次に、図５に示した電気光学プローブを用いて、被測定信号を測定する動作について説明する。金属ピン１ａを、測定点に接触させると、金属ピン１ａに加わる電圧によって、電気光学素子２では、その電界が電気光学素子２へ伝搬し、ポッケルス効果により複屈折率が変化する現象が起きる。これにより、レーザダイオード９から発せられたレーザ光が電気光学素子２へ入射して、そのレーザ光が電気光学素子２を伝搬するときに光の偏光状態が変化する。そして、この偏光状態が変化したレーザ光は、反射膜２ａによって反射され、フォトダイオード１２、１３へ入射し、電気信号に変換される。
【０００８】測定点の電圧の変化にともなって、電気光学素子２によって偏光状態の変化がフォトダイオード１２とフォトダイオード１３の出力差になり、この出力差を検出することによって、金属ピン１ａに加わる電気信号を測定することができる。
【０００９】なお、以上説明した電気光学プローブにおいて、フォトダイオード１２、１３から得られた電気信号は、ＥＯＳオシロスコープに入力されて、処理されるが、これに代えて、フォトダイオード１２、１３に専用コントローラを介してリアルタイムオシロスコープ等の従来からある測定器を接続し、信号測定を行うこともできる。これにより、電気光学プローブを使用して広帯域測定を簡単に行うことができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来技術の電気光学プローブにあっては、フォトダイオード１２とフォトダイオード１３の出力差を検出することによって、金属ピン１ａに加わる電気信号を測定しているために、金属ピン１ａに電気信号が加わっていない状態において、フォトダイオード１２とフォトダイオード１３へ入射する光量が同一である必要がある。しかしながら、電気光学プローブを構成する光学部品に透過率のばらつきがあるために、その影響が２つのフォトダイオード１２、１３の出力差となり、結果的に測定信号のＳ／Ｎ比が悪化するという問題がある。
【００１１】本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、２つのフォトダイオードへの入射光量を調整し、測定信号のＳ／Ｎを向上させることができる電気光学プローブを提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明は、計測器本体の制御信号に基づいてレーザ光を発するレーザダイオードと、端面に反射膜を有する電気光学素子と、前記ダイオードと前記電気光学素子との間に設けられ、前記レーザダイオードが発したレーザ光を通過させ前記レーザ光が前記反射膜によって反射された反射光を分離するアイソレータと、前記アイソレータにおいて分離された反射光を電気信号に変換する２つのフォトダイオードとを備える電気光学プローブにおいて、前記フォトダイオードと前記アイソレータとを結ぶ光路を進む光を遮断する遮光板を備えたことを特徴とする。
【００１３】請求項２に記載の発明は、前記遮光板は、前記２つのフォトダイオードのうちいずれか一方のフォトダイオードへ入射する光を遮光することにより、２つのフォトダイオードへ入射する光量が同一になるように調整されることを特徴とする。
【００１４】請求項３に記載の発明は、計測器本体の制御信号に基づいてレーザ光を発するレーザダイオードと、端面に反射膜を有する電気光学素子と、前記ダイオードと前記電気光学素子との間に設けられ、前記レーザダイオードが発したレーザ光を通過させ前記レーザ光が前記反射膜によって反射された反射光を分離するアイソレータと、前記アイソレータにおいて分離された反射光を電気信号に変換する２つのフォトダイオードと、前記アイソレータにおいて分離された反射光を前記フォトダイオードまで伝播する２本の光ファイバとを備える電気光学プローブにおいて、前記光ファイバに光減衰器を備え、前記フォトダイオードへ入射する前記反射光の光量を調整することを特徴とする。
【００１５】請求項４に記載の発明は、前記光減衰器は、前記２つのフォトダイオードのうちいずれか一方のフォトダイオードへ入射する光を光ファイバの曲げにより損失させることにより、２つのフォトダイオードへ入射する光量が同一になるように調整されることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態による電気光学プローブ（以下プローブと称す）を図面を参照して説明する。図１は同実施形態の構成を示した図である。図１において、符号１は、絶縁体でできたプローブヘッドであり、この中心に金属ピン１ａが嵌め込まれている。符号２は、電気光学素子であり、金属ピン１ａ側の端面に反射膜２ａが設けられ、金属ピン１ａに接している。符号３、８は、コリメートレンズである。符号４は、１／４波長板である。符号５及び７は、偏光ビームスプリッタである。符号６は、入射された光の偏光面を４５度回転するファラディー素子である。符号９は、ＥＯＳオシロスコープ本体１９のパルス発生回路（図示せず）から出力された制御信号に応じてレーザ光を発するレーザダイオードである。符号１０及び１１はコリメートレンズである。符号１２及び１３は、フォトダイオードであり、入力されたレーザ光を電気信号にしてＥＯＳオシロスコープ本体へ出力する。符号１４は、１／４波長板４、偏光ビームスプリッタ５、７及びファラディー素子６からなるアイソレータである。符号１５は、絶縁体でできたプローブ本体である。
【００１７】図１に示すプローブが従来技術と異なる点は、プリズム５２、７２を設け、コリメートレンズ１０、１１へ入射するレーザ光の光軸が、レーザダイオード９が出射したレーザ光の光軸に平行になるようにコリメートレンズ１０、１１を配置した点と、フォトダイオード１２、１３をＥＯＳオシロスコープ本体に設け、プローブ本体１５とフォトダイオード１２、１３との間を光ファイバ１８によって接続した点である。さらに、図１に示すプローブは、プリズム５２、７２とコリメートレンズ１０、１１のそれぞれを結ぶ光路を遮断する遮光板２０を設けてある。その他の構成及び動作は、従来技術と同じであるので、ここでは詳細な説明を省略する。
【００１８】図２は、遮光板２０、及びコリメートレンズ８、１０、１１を、プローブヘッド１側から見た側面図である。遮光板２０は、レーザダイオード９から出射されるレーザ光の光軸周りに回転できるように遮光板固定部２０ａに取り付けられている。この遮光板２０は、初期状態において、コリメートレンズ１０、１１のいずれも遮光状態になっていない。また、遮光板２０は、レーザダイオード９が発するレーザ光の波長に対する反射率が低い材質が用いられるか、または反射率が低い塗料が塗られている。
【００１９】次に、作業者が遮光板２０によってフォトダイオード１２、１３へ入射する光量を同一にする動作を説明する。まず、遮光板２０は、図３に示すように、コリメートレンズ１０、１１を遮らない状態に保持される。この状態において、レーザダイオード９からレーザ光を発して、この光をコリメートレンズ１０、１１を介して２つのフォトダイオード１２、１３によって受光する。この受光された光は、２つのフォトダイオード１２、１３によって、電気信号に変換される。作業者は、２つのフォトダイオード１２、１３から出力された電気信号を参照して、出力の大きい方を特定する。そして、出力される電気信号が大きい方のフォトダイオードへ入射する光量を遮光板２０によって減少させる。
【００２０】例えば、コリメートレンズ１０へ入射する光量が大きい場合、遮光板２０をコリメートレンズ１０側へ回転（図２において、反時計回りに回転）する。図１において、遮光板固定部２０ａは符号Ａで示す面が摺動面であり、遮光板２０は、遮光板固定部２０ａを回転することによって、レーザダイオード９が発するレーザ光の光軸周りに転する。これによって、コリメートレンズ１０へ入射する光量が減少し、コリメートレンズ１１へ入射する光量と同一になるまで、遮光板２０を回転する。このとき、２つのコリメートレンズ１０、１１へ入射した光量が同一になったか否かは、これらのコリメートレンズを介して光が入射する２つのフォトダイオード１２、１３からの電気信号の出力差を参照することによって判断する。なお、この調整動作は、プローブを組み立てる場合に行われるものである。
【００２１】このように、偏光ビームスプリッタ５、７によって分離されたレーザ光がプリズム５２、７２によって９０度折り返されてコリメートレンズ１０、１１にそれぞれ入射する光路の途中に遮光板２０を設け、金属ピン１ａに電気信号が加わっていない状態において、フォトダイオード１２とフォトダイオード１３へ入射する光量が同一になるように遮光板２０によって調整できるようにしたため、フォトダイオード１２とフォトダイオード１３へ入射する光量を同一にすることができる。
【００２２】次に、図３、４を参照して他の実施形態について説明する。図３は、プローブ内に遮光板２０を設ける代わりにプローブとオシロスコープ本体とを結ぶ２本の光ファイバ１８の途中に設けた光減衰器の構成を示す平面図である。図４は、図３に示す光減衰器の側面図である。図３、４において、符号１８は、２本の光ファイバを示している。この光ファイバ１８はそれぞれコリメートレンズ１０、１１によって集光されたレーザ光を入射し、この光をオシロスコープ本体に備えられたフォトダイオード１２、１３へ伝播するものである。符号３１は、光減衰器の可動部である。符号３２は、送りねじであり、この送りねじを回転することによって、可動部３１がガイド３４に沿って移動する。符号３３ａ、３３ｂは、ガイド３４を固定する固定部である。２本の光ファイバ１８は、図４に示すように、固定部３３ａと可動部３１との間に１本配置され、また、固定部３３ｂと可動部３１との間に１本配置される。
【００２３】次に、作業者が図３、４に示す光減衰器によってフォトダイオード１２、１３へ入射する光量を同一にする動作を説明する。まず、２本の光ファイバ１８は、図３に示す状態において直線の状態に保持される。この状態において、レーザダイオード９からレーザ光を発して、この光を２つのフォトダイオード１２、１３によって受光する。この受光された光は、２つのフォトダイオード１２、１３によって、電気信号に変換される。作業者は、２つのフォトダイオード１２、１３から出力された電気信号を参照して、出力の大きい方を特定する。そして、出力される電気信号が大きい方のフォトダイオードに接続されている光ファイバ１８の損失を与えるため、送りねじを回転して、光減衰器の可動部３１を、損失を与える側の光ファイバ１８が配置されている方へ移動する。これによって、光ファイバ１８が曲がり、その曲がった点において透過する光の損失が発生する。可動部３１が固定部３３ｂに近づくにつれ、光ファイバ１８の曲率半径は小さくなり、損失が大きくなる。
【００２４】例えば、フォトダイオード１２へ入射する光量が大きい場合、可動部３１を移動して、フォトダイオード１２へ接続されている光ファイバ１８に損失を与え、フォトダイオード１２へ入射される光量を減少させる。これによって、フォトダイオード１２へ入射する光量が減少し、フォトダイオード１３へ入射する光量と同一になるまで、可動部３１を移動する。このとき、フォトダイオード１２、１３へ入射した光量が同一になったか否かは、これらのフォトダイオード１２、１３から出力される電気信号の出力差を参照することによって判断する。
【００２５】このように、プローブとオシロスコープ本体とを結ぶ２本の光ファイバ１８の途中に光減衰器を設け、２本の光ファイバ１８のうちいずれか一方に曲げによる損失を与えるようにしたため、２つのフォトダイオード１２、１３へ入射する光量を同一にすることができる。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように、この発明によれば、２つのフォトダイオードのうちいずれか一方へ入射する光量を減少するようにして、２つのフォトダイオードへ入射する光量を同一にするように調整できるようにしたため、電気光学プローブによる測定信号のＳ／Ｎ比を向上させることができるという効果が得られる。

【出願人】	【識別番号】０００１１７７４４【氏名又は名称】安藤電気株式会社【識別番号】０００００４２２６【氏名又は名称】日本電信電話株式会社
【出願日】	平成１１年１２月２８日（１９９９．１２．２８）
【代理人】	【識別番号】１０００６４９０８【弁理士】【氏名又は名称】志賀正武（外７名）
【公開番号】	特開２００１－１９４４３０（Ｐ２００１－１９４４３０Ａ）
【公開日】	平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】	特願平１１－３７７３４１