JPH0510983A - 信号波形検出装置の信号処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 電気光学効果を利用して被測定部の高速度の
電気信号を計測する信号波形検出装置の信号処理装置に
関する。測定精度の向上と測定速度の高速化を目的とす
る。 【構成】 被測定電圧波形の各周期内において、光パル
スを基準位相の第１のタイミングと測定位相の第２のタ
イミングで測定対象５１に照射する。これら第１及び第
２のタイミングでＡ／Ｄ変換器４７から取り出される電
圧値を別々の加算処理器４８，４９で加算処理して演算
結果を得る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は信号波形検出装置の信号
処理装置に係り、特に電気光学効果を利用して被測定部
の高速度の電気信号波形を計測する信号波形検出装置の
信号処理装置に関する。

【０００２】ＬＳＩ等の半導体素子を製造、利用する上
で、半導体素子が設計通りに論理的に作動するか否か、
また不良の有無を判定するために半導体素子内外の信号
波形を正確に測定することが必要不可欠である。

【０００３】しかしながら、近年の半導体素子の高速化
に伴い、従来のＬＳＩテスタなどを用いた電気的な信号
波形検出方式では、正確な測定が難しくなってきてい
る。そのため、電気的な信号波形検出方式に代わるもの
として、電気光学効果を用いた光学式の信号波形検出方
式が、高速信号を計測できる方式として注目されるよう
になった（例えば、Ｊ．Ａ. Valdmanis and Ｇ．Mouro
u, “Subpicosecond electronics sampling：princples
and application ”ＩＥＥＥ ＪＯＵＲＮＡＬＯＦ
ＱＵＡＮＴＵＭ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，ＶＯＬ．Ｑ
Ｅ−２２，pp．６９−７８等）。

【０００４】また、本出願人は電気光学結晶の上に被検
ＬＳＩを積載し、電気光学結晶にレーザ光を入射後反射
させてその反射光量を測定することにより、被検ＬＳＩ
入出力端子の電気信号の波形測定を行なう測定装置を提
案している（特開昭平−２８５６６号公報）。

【０００５】このような光学式の信号波形検出装置で
は、被測定電圧信号の電圧情報の精度向上と測定時間の
短縮化が必要である。

【０００６】

【従来の技術】まず、従来より知られている電気光学効
果を利用した光学式の信号波形検出の原理について図９
と共に説明する。同図中、１は電気光学結晶で、例えば
ＧａＡｓ結晶（面方位〔１００〕，厚さ２００μｍ程
度）を薄板状に形成してなる。この電気光学結晶１の一
方の面にはインジウム、スズなどの酸化物からなる透明
電極２が形成され、また電気光学結晶１の他方の面には
フッ化マグネシウム（ＭｇＦ）や二酸化シリコン（Ｓｉ
Ｏ₂ ）その他の誘電体物質による多層膜である反射膜３
が形成されている。透明電極２は接地されている。

【０００７】４は被測定部で、例えば回路基板の配線な
どであり、電圧が印加されている。電気光学結晶１，透
明電極２及び反射膜３からなるプローブは、反射膜３側
が被測定部４に対向するように、被測定部４に近接離間
されている。

【０００８】かかる構成において、被測定部４に電圧を
印加すると、被測定部４から電気光学結晶１内へ電界５
が誘起される。すると、電気光学結晶１は電界５の強度
に応じてポッケルス効果により軸方位によって屈折率が
変化する複屈折性を生ずる。このため、透明電極２を通
して電気光学結晶１内にレーザ光６を反射往復させる
と、反射膜３で反射され電気光学結晶１内から透明電極
２を通して出射される反射レーザ光の偏光状態が上記電
界５に応じて変化する。従って、この反射レーザ光を受
光部（図示せず）で受光して偏光状態の変化を検出する
ことにより、被測定部４に印加された電圧波形を測定す
ることができる。

【０００９】かかる動作原理の従来の信号波形検出装置
では、特に電気光学結晶に誘起された電界より偏光状態
の変化を受けた光パルスを、光−電気変換器によりパル
ス状の電圧に変換し、その電圧パルスを所定のタイミン
グで直接サンプリングして電圧情報を得る方式をとる測
定装置においては、測定電圧情報の精度向上のため、極
めて多くの回数測定を行なってそれらの測定値の加算平
均処理を行なうハードウェア機能を設けている。

【００１０】しかし、光学系の振動や特性変動、電気系
の特性変動等による雑音要素（ドリフト等）があると、
単純な加算平均では電圧分解能の向上に飽和が生ずる。
そこで、従来はソフトウェアにより、被測定電圧波形の
或る基準位相点の測定と測定したい位相点の測定とを交
互に切換え、その差を取ることにより雑音要素を低減し
ている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかるに、上記の従来
装置では、一位相点におけるハードウェアによる加算平
均回数を増加すると、上記の雑音要素による測定誤差が
増大し、測定精度が向上しなくなるため、ハードウェア
による加算平均回数を減らし、その分ソフトウェアによ
りタイミング切換えを多数回行ない、加算平均処理を行
なっているため、ソフトウェア処理時間に長時間を要
し、測定速度が遅くなるという問題がある。また、前記
基準位相点の電圧測定のために、余分な時間がかかって
しまう。

【００１２】本発明は上記の点に鑑みなされたもので、
複数のタイミングで電気光学結晶に照射した光により得
られた複数の測定電圧情報をハードウェア機構で別々に
並列処理することにより、上記の課題を解決した信号波
形検出装置の信号処理装置を提供することを目的とす
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理構成
図を示す。本発明は、被測定部１０に印加される周期的
な被測定電圧により発生する電界を、被測定部１０に接
触または近接して配置した電気光学結晶１１の内部に誘
起させ、その時に電気光学結晶１１内を通過または反射
往復する光パルスの偏光状態を検出することにより、被
測定部１０に印加された前記周期的な被測定電圧波形を
検出する信号波形検出装置において、第１の処理部１２
と第２の処理部１３とを設けたものである。

【００１４】第１の処理部１２は前記被測定電圧波形の
各周期内において、前記光パルスを基準位相の第１のタ
イミングと測定位相の第２のタイミングで前記電気光学
結晶１１内を通過または反射往復させて夫々の光パルス
の偏光状態から前記基準位相及び測定位相のときの前記
被測定電圧波形の電圧値を得る。

【００１５】第２の処理部１３は第１の処理部１２より
得られた前記基準位相の電圧値と前記測定位相の電圧値
を一定数ずつ夫々別々に加算又は加算平均処理を行な
う。

【００１６】

【作用】本発明では、被測定部１０に対し図２に示す如
き周期的な被測定電圧波形が印加される場合、第１の処
理部１２から基準位相Ｔ₀ の第１のタイミングと測定位
相Ｔの第２のタイミングで夫々光パルスを電気光学結晶
１１内を通過または反射往復させ、その光パルスの偏光
状態に応じた電圧値を得る。そして、第２の処理部１３
で基準位相Ｔ₀ の電圧値と測定位相Ｔの電圧値をハード
ウェア構成により夫々並列に一定数ずつ加算処理し、そ
れら二つの演算結果から被測定電圧波形の基準位相点の
電圧値を基準にした、測定位相点の電圧値を得ることが
できる。

【００１７】

【実施例】図３は本発明の一実施例の構成図を示す。同
図中、レーザ光源２１より出射されたレーザ光（光パル
ス）は、図示しないレンズにより平行光とされてからビ
ームスプリッタ２２及び光走査部２３を夫々通過し、更
に透明電極２４（図９の透明電極２に相当）、電気光学
結晶２５（図１の電気光学結晶１１，図９の１に夫々相
当）を透過して被測定大規模集積回路（ＬＳＩ）２７
（図１の被測定部１０，図９の４に相当）の出力被測定
電圧が印加されている所定の光反射電極２６（図９の反
射膜３に相当）に入射され、ここで反射される。光走査
部２３は公知の構成で、光走査レンズやガルバノミラー
などからなり、ガルバノミラーが回動されることにより
光反射電極２６に対する入射レーザ光の走査を行なう。

【００１８】光反射電極２６で反射されたレーザ光（光
パルス）は、入射光路を逆進し、電気光学結晶２５，透
明電極２４及び光走査部２３を夫々通してビームスプリ
ッタ２２に入射され、ここで反射された後偏光ビームス
プリッタ２８に入射される。偏光ビームスプリッタ２８
は入射レーザ光を互いに直交する２つの軸方位の光成分
に分解し、一方の軸方位のレーザ光成分は透過して集光
レンズ（図示せず）を介して第１のフォトダイオード２
９に入射させ、また他方の軸方位のレーザ光成分は反射
して集光レンズ（図示せず）を通して第２のフォトダイ
オード３０に入射させる。

【００１９】ここで、前記したように、光反射電極２６
と透明電極２４との間に印加される被測定ＬＳＩの出力
被測定電圧に応じて、電気光学結晶２５の屈折率が変化
し、これにより電気光学結晶２５内を反射往復するレー
ザ光の偏光状態が変化するため、被測定電圧とフォトダ
イオード２９及び３０の各受光光量とは夫々図４に曲線
ａ，ｂで示す如く変化する。

【００２０】従って、フォトダイオード２９，３０によ
り夫々光−電気変換されて得られた検出電圧のうち、フ
ォトダイオード２９の出力検出電圧をＩ（１＋α）とす
ると（ただしＩは受光光量、αは変化率）、フォトダイ
オード３０の出力検出電圧はＩ（１−α）で表わすこと
ができるため、両出力検出電圧の差を差動アンプ３１に
よりとることにより、差動アンプ３１からは２αＩで表
わされる信号が取り出される。この差動アンプ３１の出
力信号２αＩのうち、２αは被測定ＬＳＩ２７の出力電
圧の関数であるから、この差動アンプ３１の出力信号を
信号処理部３２に供給することにより、２αＩから被測
定電圧波形を測定（検出）することができる。なお、レ
ーザ光源２１はタイミング回路３４よりドライバ３５を
通して印加される駆動信号により間歇的に駆動され、光
パルスを放射する。

【００２１】以上は従来より公知の信号波形検出装置の
一般的な構成及び動作の説明であるが、本実施例では制
御部３３により被測定ＬＳＩ２７を図２に示すような周
期的な被測定電圧が光反射電極２６へ出力されるように
被測定ＬＳＩ２７を駆動すると共に、タイミング回路３
４により前記基準位相Ｔ₀ と測定位相Ｔの２つのタイミ
ングを発生させ、また信号処理部３２で差動アンプ２１
の出力電圧を夫々上記２つのタイミングで夫々並列処理
する点に特徴がある。

【００２２】次に、本発明の要部をなす信号処理部３２
及びタイミング回路３４の第１実施例について図５及び
図６と共に説明する。図５は本発明の要部の第１実施例
の構成図を示す。同図中、図３と同一構成部分には同一
符号を付し、その説明を省略する。図５において、タイ
ミング回路３４は遅延時間Ｔ₀ の遅延回路４１と、遅延
時間Ｔの遅延回路４２と、それらの遅延出力信号の論理
和をとる２入力ＯＲ回路４３とよりなる。また、信号処
理部３２はタイミング調整回路４４〜４６，Ａ／Ｄ変換
器４７，第１及び第２の加算処理器４８及び４９よりな
る。更に、光学系５０は図３のビームスプリッタ２２，
光走査部２３，偏光ビームスプリッタ２８からなる。測
定対象５１は透明電極２４，電気光学結晶２５，光反射
電極２６及び被測定ＬＳＩ２７からなる。また、受光部
５２は図３のフォトダイオード２９，３０及び差動アン
プ３１からなる。

【００２３】図５において、制御部３３から図６（Ａ）
に示す如き波形タイミング信号が遅延回路４１及び４２
に夫々供給される。この波形タイミング信号は図３の被
測定ＬＳＩ２７より光反射電極２６に印加される被測定
電圧波形と同期している。遅延回路４１により時間Ｔ₀
遅延された波形タイミング信号と遅延回路４２により時
間Ｔ遅延された波形タイミング信号とは夫々ＯＲ回路４
３により論理和をとられることにより、図６（Ｂ）に示
す如きトリガタイミング信号とされる。ここで、上記の
時間Ｔ₀ とＴは図２に示した基準位相Ｔ₀ と測定位相Ｔ
に対応する時間であり、測定が互いに干渉しない程度に
離れた値に設定されている。

【００２４】上記のトリガタイミング信号はレーザ光源
２１に印加されて、そのハイレベル期間レーザ光源２１
をトリガし、レーザ光を放射させる。従って、レーザ光
源２１からは上記トリガタイミング信号に同期した光パ
ルスが放射される。これにより、測定対象５１から光学
部５０及び受光部５２を通して図６（Ｃ）に示す如き測
定信号が入力される。

【００２５】また、上記のトリガタイミング信号はタイ
ミング調整回路４４を通してＡ／Ｄ変換器４７にトリガ
信号として印加される。これによりＡ／Ｄ変換器４７は
図６（Ｄ）に示す如きＡ／Ｄ変換タイミングで、同図
（Ｃ）に示した入力測定信号のアナログ・ディジタル変
換を行ない、生成したディジタルデータを加算処理器４
８及び４９に夫々供給する。

【００２６】一方、加算処理器４８には遅延回路４１の
出力遅延信号をタイミング調整回路４５によりタイミン
グ調整して得られた図６（Ｅ）に示す如き信号がトリガ
信号として供給されるため、加算処理器４８は入力ディ
ジタルデータのうち基準位相Ｔ₀ に対応したタイミング
のデータのみ加算処理する。また、もう一つの加算処理
器４９には遅延回路４２の出力遅延信号をタイミング調
整回路４６によりタイミング調整して得られた図６
（Ｆ）に示す如き信号がトリガ信号として供給されるた
め、加算処理器４９は入力ディジタルデータのうち測定
位相Ｔに対応したタイミングのデータのみ加算処理され
る。

【００２７】このようにして、加算処理器４８及び４９
に別々に加算処理して得られたデータは基準位相Ｔ₀ と
測定位相Ｔの各電圧値演算結果を示しており、これらは
信号処理部３２の他の回路部（図示せず）に入力され、
基準位相の電圧値を基準にした測定位相点の電圧値を得
る。

【００２８】本実施例によれば、例えば被測定電圧波形
の測定を行なう位相時間幅を数十ｎｓとした場合、基準
位相Ｔ₀ と測定位相の各タイミング時間間隔は最大で１
００ｎｓ程度になるようにとれるため、１／１００ｎｓ
（＝１０ＭＨｚ）程度以下の、光学系や電気系の雑音が
除去できる。また、加算処理器４８，４９での加算平均
回数を増やしても、タイミング切換えの時間間隔がＴ₀
とＴの間隔で変らない（従来は一つの位相点に設定した
測定回数が増えるから加算平均回数を増やすと増加す
る）ため、電圧分解能の飽和は起きない。更に、被測定
電圧波形の一周期内で、基準位相と測定位相の２つのタ
イミングで電圧測定しているから、タイミング切換えと
基準位相タイミングでの測定による測定時間のオーバー
ヘッドをなくすことができる。

【００２９】次に、本発明の他の実施例について説明す
る。図７は図３中のタイミング回路３４の他の実施例の
構成図を示す。同図中、図５と同一構成部分には同一符
号を付し、その説明を省略する。図７において、遅延回
路４１の出力遅延信号はＯＲ回路４３に入力される一
方、遅延回路６１に入力され、ここで、時間ΔＴ遅延さ
れた後ＯＲ回路４３の他方の入力端子に入力される。こ
こで、遅延時間ΔＴと遅延時間Ｔ₀ との和が時間Ｔとな
るような値に遅延時間ΔＴが設定されているから、遅延
回路６１からは入力波形タイミング信号が時間Ｔ遅延さ
れて取り出される。

【００３０】図８は信号処理部３２の他の実施例の構成
図を示す。同図中、図５と同一構成部分には同一符号を
付し，その説明を省略する。図８において、４４ａ及び
４４ｂはタイミング調整回路、４７ａ及び４７ｂはＡ／
Ｄ変換器である。本実施例は基準位相Ｔ₀ と測定位相Ｔ
の夫々に専用にＡ／Ｄ変換器４７ａ，４７ｂを設け、か
つ、そのＡ／Ｄ変換トリガ信号のタイミング調整回路も
４４ａ，４４ｂで示す如く別々に設けた点に特徴があ
る。本実施例によれば、図５に示したＡ／Ｄ変換器４７
を共用した場合に比し、Ｔ₀ とＴの時間間隔をより短く
できるから、より高速な演算ができる。

【００３１】なお、本発明は上記の実施例に限定される
ものではなく、被測定電圧波形の一周期内の測定位相
は、互いに干渉しない限り、２以上設けるようにしても
よい。

【００３２】また、光パルスを電気光学結晶１１内を透
過させ、その透過光パルスの偏光状態を検出する信号波
形検出装置に本発明を適用することができ、更に図３の
フォトダイオード２９，３０の出力信号の和信号（光量
信号）について本発明を適用し、光量規格化処理を行な
うようにしてもよい。

【００３３】

【発明の効果】上述の如く、本発明によれば、被測定電
圧波形の一周期内の基準位相と測定位相の電圧値を順次
取り込んでハードウェアで別々に検出しているため、基
準位相タイミングと測定位相タイミングの時間間隔の逆
数以下の周波数の雑音を除去できるため、正確な波形検
出ができ、また加算平均回数を増やしてもタイミング切
換えの時間間隔が変わらないため、電圧分解能の飽和は
起きず、また測定速度をソフトウェアによりタイミング
切換えを行なうものに比し高速にできる等の特長を有す
るものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理構成図である。

【図２】本発明の測定タイミング説明図である。

【図３】本発明の一実施例の構成図である。

【図４】図３の要部の特性説明図である。

【図５】本発明の要部の第１実施例の構成図である。

【図６】図５の動作説明用タイムチャートである。

【図７】タイミング回路の他の実施例の構成図である。

【図８】信号処理部の他の実施例の構成図である。

【図９】信号波形の検出原理説明図である。

【符号の説明】

１０ 被測定部 １１ 電気光学結晶 １２ 第１の処理部 １３ 第２の処理部 ３２ 信号処理部 ３４ タイミング回路 ４７，４７ａ，４７ｂ Ａ／Ｄ変換器 ４８，４９ 加算器

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被測定部（１０）に印加される周期的な
   被測定電圧により発生する電界を、該被測定部（１０）
   上に近接して配置した電気光学結晶（１１）の内部に誘
   起させ、その時に該電気光学結晶（１１）内を通過また
   は反射往復する光パルスの偏光状態を検出することによ
   り、被測定部（１０）に印加された前記周期的な被測定
   電圧波形を検出する信号波形検出装置において、 前記被測定電圧波形の各周期内において、前記光パルス
   を基準位相の第１のタイミングと測定位相の第２のタイ
   ミングで前記電気光学結晶（１１）内を通過または反射
   往復させて夫々の光パルスの偏光状態から前記基準位相
   及び測定位相のときの前記被測定電圧波形の電圧値を得
   る第１の処理部（１２）と、 該第１の処理部（１２）より得られた前記基準位相の電
   圧値と前記測定位相の電圧値を一定数ずつ夫々別々に加
   算又は加算平均処理を行なう第２の処理部（１３）とを
   有し、該第２の処理部（１３）から前記被測定電圧波形
   中の前記基準位相を基準とした前記測定位相の電圧値検
   出出力を取り出すことを特徴とする信号波形検出装置の
   信号処理装置。
2. 【請求項２】 前記第１の処理部（１２）は、 レーザ光を放射するレーザ光源（２１）と、 該レーザ光源（２１）を前記基準位相のタイミングと前
   記測定位相のタイミングで夫々駆動して各々のタイミン
   グで光パルスを発生させるタイミング回路（３４）と、 前記レーザ光源（２１）から出射された光パルスを前記
   電気光学結晶（１１）に照射し、これにより該電気光学
   結晶（１１）を通過、または反射往復した光パルスを取
   り出す光学系（５０）と、 該光学系（５０）より取り出された前記光パルスを受光
   して光−電気変換を行ない、得られた電気信号から前記
   被測定電圧波形の電圧値を出力する受光部（５２）と よりなることを特徴とする請求項１記載の信号波形検出
   装置の信号処理装置。
3. 【請求項３】 前記第２の処理部（１３）は、 前記第１の処理部（１２）の出力電圧値のアナログ・デ
   ィジタル変換を行なうＡ／Ｄ変換器（４７：４７ａ，４
   ７ｂ）と、 該Ａ／Ｄ変換器（４７：４７ａ，４７ｂ）の出力ディジ
   タル信号のうち前記基準位相のタイミングによるディジ
   タル信号を加算処理する第１の加算処理器（４８）と、 前記Ａ／Ｄ変換器（４７：４７ａ，４７ｂ）の出力ディ
   ジタル信号のうち前記測定位相のタイミングによるディ
   ジタル信号を加算処理する第２の加算処理器（４９）と
   よりなり、前記第１及び第２の加算処理器（４８，４
   ９）より夫々前記基準位相及び測定位相の演算結果を取
   り出すことを特徴とする請求項１記載の信号波形検出装
   置の信号処理装置。