JPH02134576A - 高速電圧測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は例えば光−電気変換素子のように高速応答が
求められる素子の応答特性を測定することに用いること
ができる高速電圧測定装置に関する。

「従来の技術」 急峻に立ち上がるパルスの波形成は光−電気変換素子の
応答特性等を測定するには高速応答型の波形観測器が要
求される。

波形観測器としてはブラウン管オシロスコープが広く用
いられているが、この種の波形観測器は被測定点からケ
ーブルを通じて被測定電圧を取込む構造のため、ケーブ
ルの浮遊容量によって高速信号に含まれる高周波成分が
減衰されてしまい、真の波形を観測し難い欠点がある。

このため電気光学変調器を利用した高速波形観測装置が
考えられている。

第７図を用いて電気光学変調器の構造及びその動作につ
いて説明する。

図中１００は電気光学変調器の全体を指すものとする。

電気光学変調器１００は光透過性の結晶体１０１と、こ
の結晶体１０１の光入射側に配置した偏光子１０２と、
結晶体１０１の光出射側に配置した検光子１０３と、結
晶体１０１に取付けた一対の電１１０４Ａ、１０４Ｂと
によって構成される。尚１０５は補償用波長板を示す。

電極１０４Ａと１０４Ｂは結晶体１０１の光軸と直交す
る向に互に対向して配置され、この電極１０４　Ａト１
０４　Ｂ（７）間ニ被測定信号ａ１０６から被測定電圧
信号■を与える。

結晶体ｌｏｔには被測定電圧信号■の電圧値に対応した
電界が光軸と直交する向に発生し、この電界によって結
晶体１０１を通過する光の偏波面の向が回転され、この
偏波面の回転によって検光子１０３を通過し得る光量が
変化し出射光Ｉの光量が変わる。

例えば偏光子１０２の偏光軸と検光子１０３の偏光軸を
互に直交する関係に配置した場合、被測定電圧信号■が
ゼロのときは通過光量はＯとなる。

これに対し被測定電圧■を漸次高めていくと結晶体１０
１における偏波面が回転し、検光子１０３を通過し得る
光量は漸次増加する。

結晶体１０１における偏波面の回転が９０°に達すると
検光子１０３はほぼ１００％入射光Ｉ。

を透過させ、最大出射光量となる。

結晶体１０１に印加する電圧を更に増加させると、結晶
体１０１を通過する光の偏波面は９０゜を越るため今度
は出射光量が漸次低下する。

この様子を第８図に示す、この図から解るように結晶体
１０１に印加する電圧値に応じて出射光Ｉの光量はＯと
入射光量！、との間を往復する変化を呈する。この出射
光量の変化は １−１ｏｓｉｎ”αＶテ与えラレル。

通常の測定では出射光ｉｌｌが０〜１．の間の範囲を利
用する。出射光量！が１．に達するまでの電圧を半波長
電圧■、と呼んでいる。半波長電圧■、は結晶体１０１
を挟む電極１０４Ａと１０４Ｂの対向間隔ｄ等によって
決まるが高いものでは約１００ボルトから約１０００ボ
ルトに達するものを作ることができる。

尚、補償用波長板１０５は被測定電圧Ｖが０のとき出射
光量Ｉも０となるように調整するために設けられている
。

第９図はこの電気光学変調器１００を利用した従来の高
速波形観測装置を示す。

電気光学変調器１００は先に説明したように結晶体１０
１と、入射側に設けた偏光子１０２と、出射側に設けた
検光子１０３と、結晶体１０１に取付けた一対の電極１
０４Ａ、１０４Ｂと、検光子１０３及び結晶体１０１と
の間に設けた補償用波長板１０５とによって構成される
点は先の説明と同じである０面この例では偏光子１０２
と結晶体１０１の間及び結晶体１０１と検光子１０３と
の間にレンズ１０７を設けた例を示している。

電気光学変調器１００に入射する光パルスは短パルスレ
ーザ発振器２００から与えられる。短パルスレーザ発振
器２００から出射された短パルス状のレーザ光は光分岐
器２０１で２分割される。

２分割された光の一方は電気光学変調器１００に入射さ
れる主光路に導びかれ、他方の光は被測定体３００にト
リガ信号を与えるトリガパルス生成回路３０１に与えら
れる。

電気光学変調器１００の入射光路に分岐された光パルス
は、可変遅延手段２０２と、光パルスに識別機能を与え
る識別機能付加手段２０３を通過して電気光学変！１１
１１００に入射される。

可変遅延手段２０２はこの例では光路長を変化させて光
パルスの遅延量を変化させるようにした構造の可変遅延
手段を用いた場合を示す。

つまり９０′の角度を持って配置した反射鏡２０２Ａを
駆動袋！２０２Ｂによって移動させ、反射ｍ２０２Ａの
移動によって光量長を変化させて光パルスの遅延量を制
御するように構成した場合を示す。

一方、識別機能付加手段２０３は光パルスに測定用光で
あることを識別する機能を付加する。このためには例え
ば音響光学変調器によって光パルス列ＬＰを第１０図に
示すように所定の周波６ｒ。

を持つパルス変調波ＰＭに変調することによって実現す
ることができる。ＭＰは音響光学変調器に与える変調信
号を示す。

このように光パルス列ＬＰを周波数ｆ、を持つパルス変
調波ＰＭに変調することによって取出側において、周波
数ｒ、を持つ電気信号を増幅すればよく、このようにし
てＳＮ比よく測定信号を取込むことができる。

電気光学変調器１００から出射される光は光検出器２０
４で電気信号に変換され弁別器２０５に入力される。

弁別器２０５は例えばロックインアンプを用いることが
できる。この弁別器２０５によって周波数ｒ、を持つ信
号だけを増幅するし、その周波数ｆ、を持つ信号の振幅
値に対応した直流電圧を出力する。識別機能付加手段２
０３に供給する変調信号ＭＰはこの弁別器２０５から送
られる。

つまり第１１図に示すように短パルスレーザ発振器２０
０から出力された光パルス列ＬＰが可変遅延手段２０２
で第１１図Ｂに示すようにτだけ遅延されて電気光学変
調器１００に入射されたとすると、この入射タイミング
における被測定電圧信号■の値に対応した直流電圧■。

、が弁別器２０５から出力される。

従って電気光学変調器１００に入射する光パルスＰＭの
遅延量を漸次遅らせることによって弁別器２０５から出
力される直流電圧■。、は漸次被測定電圧■に対応して
変化する。

よって弁別器２０５から出力される直流電圧の変化を表
示器２０６に与えて表示させることによって被測定電圧
信号■を遅い信号に変換して観測することができる。

このようにして高速度で変化する信号を電気光学変調器
１００によってサンプリングし、そのサンプリングのタ
イミングを順次ずらすことによって高速で変化する信号
を遅く変化する信号に変換するから、表示器２０６は普
通に用いられるブラウン管オシロスコープでもよく高速
信号をブラウン管オシロスコープで観測することができ
る。

「発明が解決しようとする課題」 上述した高速波形観測装置は被測定電圧信号■の１周期
に１回の割合で光パルスを与えてサンプリングしている
。

このため被測定電圧信号の１周期の全てに対応するデー
タをサンプリングするには被測定電圧信号を時間をかけ
てサンプリングしなければならない、このため被測定電
圧信号の波形データが得られるまでに時間がかかる欠点
がある。

この発明の目的は短時間に被測定信号の波形データを得
ることができる高速電圧測定装置を提供するにある。

「課題を解決するための手段」 この発明では可変遅延手段を通った光パルスを光分岐器
によって分岐し、その分岐した光路上に副遅延手段を設
け、この副遅延手段を通った光パルスを先に分岐した元
の光パルスと再結合させる。

この再結合した光パルスは可変遅延手段だけを通った光
パルスと、可変遅延手段と副遅延手段の双方を通った光
パルスである。よって可変遅延手段と副遅延手段の双方
を通った光パルスの遅延量は可変遅延手段だけを通った
光パルスの遅延量より副遅延手段の遅延時間だけ長い。

この遅延量が異なる光パルスを電気光学変調器に入射す
ることによって被測定電圧信号のＩＪｉｌｌＪＩ内を２
回ずつサンプリングすることができる。

この結果取込むことができるデータの量を２倍にするこ
とができるため被測定電圧信号の波形データを従来の１
７２の時間で取込むことができる。

また光パルスを２より多い複数Ｎ個に分岐し、各分岐路
に副遅延手段を設けることによって被測定電圧信号の１
周期内にＮ個のサンプリングパルスを得ることができる
。

この複数の光パルスには各分岐路に設けた識別機能付加
手段で識別機能を付加すれば、データ取込側で識別して
取込むことができる。

よって被測定電圧信号の１周期内にＮ個の光パルスを得
るように構成すればデータの取込時間を１／Ｎに短縮す
ることができる。

「実施例」 第１図にこの発明の一実施例を示す、第１図の実施例は
この出願の第１発明に対応した実施例を示す。この出願
の第１発明では可変遅延手段２０２の後段側に光分岐器
２０７Ａを設け、この光分岐器２０７Ａで分岐した副光
路２０８Ｂ上に副遅延手段２０９を設ける。図示の例で
は副遅延手段２０９を可変遅延手段２０２と同じ構成の
可変遅延回路を用いた場合を示すが特に遅延時間が可変
できる構造でなくてもよい。

光分岐器２０７Ａで分岐した副光路２０８Ｂには副遅延
手段２０９の他に、識別機能付加手段２０３Ｂを設ける
。この識別機能付加手段２０３Ｂは主光路２０８Ａに設
けられている識別機能付加手段２０３Ａと同様に副遅延
手段２０９を通った光パルスに識別機能を付加する。

識別機能は先に説明したと同様に音響光学変調器によっ
て光パルス列を変調周波数ｆ１と１１によって変調した
パルス変調波とすることによって付加される。

識別機能付加手段２０３Ａと２０３Ｂにおいて識別機能
が付加された光パルスは光結合器２１２で結合され電気
光学変調器１００に送り込まれる。

電気光学変調器１００に送り込まれる光パルスを第２図
りに示す。第２図に示すように可変遅延手段２０２で遅
延され、主光路２０８Ａを通る光パルスＰＭ、は元の光
パルスＬＰより可変遅延手段２０２の遅延時間τ１だけ
遅れている。これに対し、副光路２０８Ｂに分岐された
光パルスは副遅延手段２０９の遅延時間τ８だけ遅れた
光パルスＰＭｚ　となる。

この結果光結合器２１２で光結合された光パルスは第２
図りに示すように１周期Ｔ内に２個の光パルスＰＭ、と
ＰＭ、が得られる。

光パルスＰＭ、とＰＭ、は識別機能付加手段２０３Ａ、
２０３Ｂで変調周波数ｒ□とｆ□で変調される。この変
調波を第３図に示す。変調信号ＭＰ、とＭＰオを識別機
能付加手段２０３Ａ。

２０３Ｂに与えることによって識別機能付加手段２０３
Ａ、２０３Ｂから変調波ＰＭ、とＰＭ、が出力される。

電気光学変調器１００の出射側に設けた光検出器２０４
で変換した電気信号は二つの弁別器２０５Ａと２０５Ｂ
に入力され、弁別器２０５Ａと２０５Ｂで各光パルスＰ
Ｍ、とＰＭ、の通過タイミングにおける被測定電圧■の
値に対応した直流電圧Ｅｌ＋Ｅ２　（第２図Ｅ、　　Ｆ
）を出力する。

この直流電圧Ｅ、、Ｅ、は可変遅延手段２０２の遅延時
間τ、を順次大きくする方向に走査させることによって
被測定電圧■の波形に対応して変化し、被測定電圧■の
波形を表示器２０６に表示させることができる。

尚この例では弁別器２０５Ａと２０５Ｂの弁別出力をマ
イクロコンピュータ２０７に入力し、マイクロコンピュ
ータ２０７でデータ処理して表示器２０６に表示させる
ように構成した場合を示す。

また可変遅延手段２０２の遅延時間τ１もマイクロコン
ピュータ２０７で制御されて走査される。

副遅延手段２０９の遅延時間は測定中は固定であるが、
被測定電圧■の立上りの速度等によってその遅延時間τ
２を変化させることもある。

第４図はこの出願の第２発明に対応する実施例を示す。

この例では可変遅延手段２０２の後段に３個の光分岐器
２０７Ａ、２０７Ｂ、２０７Ｃを設け、この３個の光分
岐器２０７Ａ、２０７Ｂ、２０７Ｃによって主光路２０
８Ａに対して３つの副光路２０８Ａ〜２０８Ｄに分岐し
、各副光路２０８Ａ〜２０８Ｄに副遅延手段２０９Ａ、
　　２０９Ｂ、２０９Ｃを挿入するように構成した場合
を示す。

各副遅延手段２０９Ａ、２０９Ｂ、２０９Ｃの後段には
識別機能付加手段２０３Ｂ、２０３Ｃ１２０３Ｄを設け
、これら識別機能付加手段２０３Ｂ、２０３Ｃ，２０３
Ｄにおいて周波数ｆ、ｔ、ｆ　ｓ３、ｆｌでパルス変調
し、そのパルス変調した光パルスを６個の光結合器２１
２Ａ、２１２Ｂ、２１２Ｃ，２１２Ｄ、２１２Ｅ、２１
２Ｆで結合し、電気光学変調器１００に入射する。

このように３個の副遅延手段２０３Ｂ、２０３Ｃ１２０
３Ｄを付加することにより被測定電圧信号■の１周期内
に４個のパルスを得ることができ、データの採取時間は
従来のものと比較してｌ／４にすることができる。

第５図は弁別器２０５の他の実施例を示す、この例では
バンドパスフィルタＢＰＦと、Ａ／Ｄ変換器ＡＤと、平
均化回路ＡＶと、フーリエ変換器ＦＬとによって構成し
た場合を示す。

このようにフーリエ変換器ＦＬによってデータを弁別し
た場合、光パルスの送り側を第４図の実施例を適用した
ものとすると、第６図に示すように識別機能付加手段２
０３Ａ〜２０３Ｄで付加した機能別に、周波数スペクト
ラムＳＰ＋　、ＳＰｚ、ＳＰ、　、ＳＰ、が得られる。

つまり変調周波数ｆ０、ｆ、３、ｆａｎ、ｆ　、、テ変
調される光パルスの遅延時間がτ３、τ２、τ８、τ４
とされ、これら遅延時間τ１、τ２、τ１、τ４がτ１
くτ工くτ３〈τ４に設定されているものとすると、各
周波数スペクトラムＳＰ、。

ＳＰ！　、ＳＰ３　、ＳＰ４の各頂点は被測定電圧■の
波形に対応した位置を指示する。よって可変遅延手段２
０２の遅延時間を時間軸上において走査させることによ
って被測定電圧■の波形データを得ることができる。

「発明の効果」 以上説明したように、この発明によれば被測定電圧■の
１周期内に複数の光パルスを電気光学変調器１００に入
射させることができ、これによって被測定電圧■のｌ］
ＸＪＩ内を複数サンプリングすることができる。

よって短かい時間で被測定電圧■の波形データを得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの出願の第１発明の実施例を示すブロック図
、第２図及び第３図はその動作を説明するための波形図
、第４図はこの出願の第２発明の実施例を示すブロック
図、第５図は弁別器の変形例を示すブロック図、第６図
は第５図の動作を説明するためのグラフ、第７図はこの
発明に用いた電気光学変調器の構造及び動作を説明する
ための分解斜視図、第８図は電気光学変調器の動作を説
明するためのグラフ、第９図は従来の高速波形観測装置
を説明するためのブロック図、第１Ｏ図及び第１１図は
同様の波形図である。 １００：電気光学変調器、１０１　：結晶体、２００：
短パルスレーザ発振器、２０１，２０７Ａ、２０７Ｂ、
２０７Ｃ：光分岐器、２０２：可変遅延手段、２０９Ａ
、２０９Ｂ、２０９Ｃ：副遅延手段、２０３，２０３Ａ
〜２０３Ｄ：識別機能付加手段、２０５：弁別器。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光軸上に配置された結晶体と、この結晶体の光入
   射側に設けられた偏光子と、結晶体の光出射側に設けら
   れた検光子と、結晶体の光軸と直交する向に電界を印加
   する一対の電極とから成る電気光学変調器を具備し、 この電気光学変調器の上記電極間に被測定電圧信号を印
   加し、被測定電圧信号の周期に同期してパルス状のレー
   ザ光を入射し、その出射量を計測すると共に、電気光学
   変調器に与える光のタイミングを可変遅延手段によって
   順次遅延させて被測定電圧信号の周期に対する入射光の
   入射タイミングを順次時間軸方向に走査させ、各出射光
   の光量の変化から被測定電圧信号の波形をとらえるよう
   にした高速電圧信号測定装置において、 上記可変遅延手段を通過した光の光路上に光分岐器を設
   け、この光分岐器で分岐した光路上に副遅延手段を設け
   、この副遅延手段で遅延させた光を光結合器で再び上記
   可変遅延手段で遅延された光に再結合し、この再結合し
   た光を上記電気光学変調器に入射し、被測定電圧信号の
   周期内に複数の光パルスを入射させるようにした高速電
   圧測定装置。
2. （２）上記可変遅延手段を通った光の光路上に複数の光
   分岐器を設け、この複数の光分岐器で分岐した光路にそ
   れぞれ副遅延手段を設け、各副遅延手段で遅延した光を
   再結合して電気光変調器に入射させ、被測定電圧信号の
   周期内に２個以上の光パルスを入射させるようにした高
   速電圧測定装置。