JPH0750128B2 - サブピコセコンドの分解能を有する電気信号の測定 - Google Patents

サブピコセコンドの分解能を有する電気信号の測定

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JPH0750128B2
JPH0750128B2 JP60059693A JP5969385A JPH0750128B2 JP H0750128 B2 JPH0750128 B2 JP H0750128B2 JP 60059693 A JP60059693 A JP 60059693A JP 5969385 A JP5969385 A JP 5969385A JP H0750128 B2 JPH0750128 B2 JP H0750128B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電気信号をサブピコセコンドの分解能で測定
する方法および装置、詳しくは屈折率がポツケルス効果
に従つて電気信号に応じて変化する電気光学結晶を使用
して電気信号を電気光学的にサンプリングする方法およ
び装置に関する。本発明は、過渡電気信号をサブピコセ
コンドの分解能で測定することを可能にし、これにより
テラヘルツ領域（1012Hz）の帯域幅を有する電気信号の
測定を可能にしている。
ピコセコンドの時間的分解能を有する電気信号のサンプ
リングは進行波ポツケルスセルを使用して達成されてい
る。このポツケルスセルは対向する面上にマイクロ波ス
トリツプの信号伝送線が設けられているニオブ酸リチウ
ムまたはタンタル酸リチウムからなる電気光学結晶で形
成されている。この装置は1982年２月12日にJ.A.Valdma
nisおよびG.Mourouの名で出願され、本出願と同じ譲受
人に譲渡されている米国特許出願第348,127号に記載さ
れている。この出願は特許協力条約に基づいて1983年８
月13日に国際公告第WO83/02829号として公告されてい
る。（公表特許公報（Ａ）昭59-500186号に相当す
る。）この装置はまたAppl.Phys.Lett.,Vol.41-3,211,1
982年８月にJ.A.Valdmanis et alによる“Picosecond E
lectro-optic Sampling System"という名称の論文の主
題である。上述した公告に記載されている進行波ポツケ
ルスセルにおいてはTEMまたは擬TEMモードの伝播が発生
した時のみ望ましいものである。他のモードにおいて
は、セルのサンプリング処理における雑音を増大し、装
置の分解能を低減する反射を生じる。TEMモードに対す
る高い終端カツトオフ周波数はストリツプ線の導体間に
おけるセルの厚さに対して逆に変化する。この関係は次
式のとおりである。
ここにおいて、ｃは光速であり、ｈはストリツプ線の導
体間におけるセルの厚さであり、e*は結晶材質の有効誘
電率である。カツトオフ周波数をテラヘルツ領域まで延
ばすためには、結晶の厚さ（ｈ）はおおよそ10マイクロ
メータのオーダでなければならない。（有効誘電率e*が
ほぼ30である時、約14マイクロメータである。）このよ
うな小さな厚さの結晶を作ることは実行不可能なことで
ある。進行波ポツケルスセルを使用した電気光学サンプ
リング装置はピコセコンド領域、さらには0.5ピコセコ
ンドもの分解能を有し、何百ギガヘルツまでの周波数を
含む信号を測定することができるが、周波数範囲および
このような電気光学サンプルの分解能を更に延ばすこと
が望ましい。また、伝送線が結晶から独立または分離し
ている電気光学サンプリングを行なうことが望ましい。
それから、集積回路チツプ基板上の導体からなる線によ
つて運ばれる信号は高分解能で測定することができる。
本発明によれば、電送線を伝播する電気信号は、該電気
信号により電送線に近接して発生する電界であるフリン
ジ電界（fringe field、以下フリンジ界と記す）を電気
光学的にサンプリングすることによってサブピコセコン
ドの分解能でサンプリングすることができることが見出
された。結晶は電界内に配設され、光学ビームは、結晶
の光学フィールド（optical field光のエネルギーによ
って生ずる電磁界）の成分が結晶の局部化された小さな
サンプリング点において電界と並行にあるように方向付
けられた結晶を通過する。伝送線は結晶の表面に配設さ
れた導電材料からなる複数のストリツプを有する共面伝
送線であつてもよい。光学サンプリングビームは、光学
波面が平面である該ビームの共焦点領域が好ましくは表
面に近接し、結晶の光学軸に直角であるように焦点を結
ぶ。共面導波管は電気信号の伝送をテラヘルツ領域に維
持し、結晶の表面に容易に形成することができるので、
上述した特許公報に記載されている形式のサンプリング
装置がテラヘルツ領域に拡大された帯域幅を有し、サブ
ピコセコンドの分解能を有して信号を測定するように作
動することができる。
従って、本発明の目的は、電気信号が電気光学結晶に沿
つて伝播する時の信号の電気光学サンプリングによつて
電気信号を測定してテラヘルツ領域まで拡張された帯域
幅を有する信号をサブピコセコンドの領域で測定するこ
とができる改良された方法および装置を提供することに
ある。
本発明の更に他の目的は、電気信号が集積回路の線（導
体）を伝播し、電気光学結晶を使用し、電気信号により
線に近接して発生するフリンジ界の電気光学サンプリン
グによつて電気信号を測定する方法および装置を提供す
ることにある。
簡単に説明すると、本発明の一実施例によれば、サブピ
コセコンドの分解能を有する電気信号の測定は、信号が
伝播する伝送線に近接して電界を形成する伝送線の電気
信号に応答している。電気光学結晶は伝送線に近接して
その外側に配設され、電界が少なくとも結晶の一部を通
過してポツケルス効果によつてその屈折率が変化する。
光学パルスビームが結晶を通過し、信号を電気光学的に
サンプルする。ビームは電界の方向を横切る方向に通過
し、信号が伝播する時、信号の連続的に発生する部分を
光学的にサンプルする。サンプルはそれから処理されて
サブピコセコンドの分解能を有して信号を表示する。
本発明の上述したおよび他の目的、特徴および利点、ま
た現在の好適実施例および本発明を実行するために現在
知られている最良のモードは添付図面に関連した次の記
載を閲読することにより一層明確になるであろう。
第１図を参照すると、上述した特許公報に記載されてい
る形式の装置が示されている。本装置の設計および動作
に関するより詳細な説明についてはこの特許公報を参照
することができる。しかしながら、簡単には本装置はタ
ンタル酸リチウムまたはニオブ酸リチウムからなる電気
光学結晶を有する進行波ポツケルスセルを使用してい
る。現在においてはタンタル酸リチウムが好ましいもの
である。このセルは表面に共面導波管を利用して第２図
および第３図に関連して以下に説明するように進行波ポ
ツケルスセルを形成している。また、このセルは第４図
に示すマイクロストリツプ伝送線および第５図に示すよ
うな集積回路の伝送線のような基板上に設けられた伝送
線に近接して電気光学結晶を配設することによつて形成
されてもよい。
第１図に符号10で示すセルを利用した本装置は、CWアル
ゴンレーザ16によつてエネルギを供給される衝突パルス
モードロツクレーザ14からなる光学パルス発生器12を使
用している。衝突パルスモードロツクレーザはリングダ
イレーザ形式のものである。レーザ14は例えば100MHzの
速度で120フエムトセコンド（fs）の幅を有する非常に
短いパルスを発生する。これらのパルスは電気信号源18
を駆動し、また信号がセル10の結晶を横切つて伝播する
時、信号によつて発生する電界を同期的にサンプルす
る。光検出器20および22が検光子24において透過したビ
ームおよび反射された２つの強度を測定するために使用
されている。検出器からの信号は差動増幅器26、ロツク
イン増幅器28および信号平均回路30によつて処理されて
いる。電気光学サンプリング処理は補償器32によって４
分の１波長点においてバイアスされ、線形応答および最
大電圧感度を達成している。光学遅延装置34は、レンズ
38によってセル10の結晶に焦点を合わせられている偏光
子36からの光学プローブパルス光によつて全電気信号の
輪郭を時間的に走査することを可能にしている。他のレ
ンズ40は結晶を通過し、補償器32およびそれから検光子
24に伝送されるパルスビームを透過する。
CRTデイスプレイのようなデイスプレイ42の水平軸は遅
延線に線形的に駆動され、垂直軸は信号平均回路30から
の出力によつて駆動されている。この結果、未知の電気
信号は線形電圧対等価時間で表示され、更に別の処理を
必要としない。比較的遅い検出器を使用することができ
るが、これはこの検出器の必要な帯域幅がロツクイン増
幅器28に関連して使用される光チヨツパ44の周波数によ
つてのみ指図されているからである。
第２図は一方がアースに接続され、両方が結晶46の表面
に設けられている２つの導電ストリツプ48および50を有
する電気光学結晶46によつて形成される進行波セル10を
示している。信号源からの電気信号は同軸線からストリ
ツプ線への駆動接続装置を介して共面並行ストリツプ伝
送線に供給される。第１図に示すように、一方の駆動接
続装置は信号源に接続され、他方は終端インピーダンス
（Zo）に接続されている。図はレーザ14（第１図）から
のパルスによつてトリガーされる信号の伝播方向を図示
している。また、図は結晶の光学軸を示している。光学
パルスレーザビームは、共面ストリツプ線導体48および
50が配設されている結晶46の表面に前記ビームの共焦点
領域が隣接するようにレンズ38によつて焦点を合わせら
れている。導体48および50は互いに非常に接近してい
る。ホトリトグラフイツク技術を使用して、間隔を非常
に小さくすることができる。例えば、15マイクロメート
ル以下の間隔は従来の蒸着装置および適当なマスクを使
用して簡単に得ることができる。
共焦点領域の結晶内のビームの大きさはストリツプ線導
体48および50間の距離より小さい。従つて、結晶内のビ
ームの大きさは信号に対するサブピコセコンドの時間分
解能に対して設けられている。信号は結晶を介して延出
するフリンジ界を有している。３本の線52は電界の方向
を示している。これらの線は焦点位置において結晶軸4
1、すなわちストリツプ線が配設されている結晶の光学
軸に並行になる。ストリツプ線は、電気信号による電界
が結晶の光学軸に並行になるように方向付けられてい
る。共焦点領域を考えると、ビーム軸39に並行な領域の
波面は平面である。これらの平らな波面は光学軸41に直
角である。
第３図を参照すると、ここに示されているセル10は共面
導波管が３つの並行な導体ストリツプ54,56はおよび58
から構成されている以外は第２図に示すセルと同じであ
る。これらのストリツプおよび結晶46は並行共面導波管
を構成している。ストリツプは、ストリツプが配設され
ている表面に近接して結晶46の光学軸に本質的に並行で
ある電界を形成するように互いに近接して配設されてい
る。ストリツプ間の間隔を非常に小さくするために、蒸
着技術を使用してストリツプを堆積している。２つの外
側のストリツプ54および56はアース面として作用し、ス
トリツプ58が信号を伝達する。結晶46の一端のストリツ
プを信号源に接続し、他端のストリツプを終端インピー
ダンスに接続するために駆動接続装置が使用されてもよ
い。このような平衡共面導波管に関するその他の情報
は、IEEE Transactions on Microwave Theory and Tech
niques,1969年12月ページ1087-1080にC.P.Wenによる論
文から得ることができる。
レーザプローブ（測定用）ビームは、その共焦点領域が
第３図に示すように内側導体58と外側導体の一方、例え
ば導体54との間にあるようにレンズ38および40（図を簡
単にするために第３図においては示されていない）によ
つて焦点を合わせられている。
第４図および第4a図を参照すると、表面に導体のない電
気光学結晶60を使用したセルが示されている。この結晶
はサポート62を介してマニプユレータ64、適切にはマイ
クロマニプユレータに接続されている。結晶はマイクロ
ストリツプ導体66の端部に隣接して配設され、該導体の
端面はマイクロストリツプが堆積されている基板68上に
支持されている。マイクロウトリツプ導体は第4a図にお
いて線72によつて図示するようにフリンジ界を形成する
ようにグラウンド面導体70と対向して作用する。結晶60
はマイクロストリツプ導体66の端部に隣接した領域を有
している。サンプリング用電気光学ビームは、その光学
フイールドが電界および好ましくはまた結晶60の光学軸
に並行な成分を有するように第4a図において円74で示す
領域に焦点を合わせられている。電気信号はマイクロス
トリツプに沿って伝播し、結晶においてサンプルされ
る。サンプリングビームは補償器32（第１図）に供給さ
れ、それからサンプリング装置の残りの部分に供給され
て、信号を表示する。多くの導体が基板68上に配設され
る場合には、このような他の導体に沿つて伝播する電気
信号を測定するようにマニプユレータを使用して結晶を
これらの導体の端部に隣接するようにもたらしてもよ
い。
第５図を参照すると、集積回路構成要素78、例えばトラ
ンジスタやダイオードのような能動素子が配設されてい
る基板76が図示されている。信号は導体80によつて形成
される伝送線により素子78間を伝送させられる。これら
の信号を測定するために、電気光学結晶82は素子78およ
び導体80を配設している基板76の表面上に結晶の表面が
配設されている。導体からの電界はそれから結晶を貫通
する。光学プローブビームがレーザで発生し、光学パル
スを偏光子84に伝達する。これらのパルスはビームスプ
リツタ86を通過し、レンズ88によって焦点を合わせられ
てビームの共焦点領域90を結晶上に形成し、ここにおい
て伝送線80の一つからの電界は結晶を貫通し、複屈折を
生じる。他の実施例におけるように、光学フイールドの
成分および電界の成分は共に結晶82の光学軸に並行であ
るようにビームが方向付けられることが好ましい。素子
78および線80が配設されている基板の表面に並置されて
いる結晶82の表面は高い反射コーテイングが施されてい
る。従つて、光学ビームはこのコーテイングによつて反
射され、結晶82を通つて戻り、集光レンズ88を通り、ビ
ームスプリツタ86によつて反射されて検光子92に至る。
それから、出力ビームは補償器32および第１図に示す装
置の残りの部分に供給される。電気信号の輪郭を示す出
力を形成するために、集積回路は遅延装置34を介した光
学パルスと同期して作動する。ビームスプリツタ86は一
方の偏光を電気光学結晶82に向けて下方に通過させる偏
光感知ビームスプリツタであつてよい。偏光子およびビ
ームスプリツタの使用はビームを結晶82および基板76に
対して傾斜させることによつて避けてもよい。それか
ら、反射されたビームはレンズ88を通過し、補償器に至
る。
上述した説明から、共面伝送線を有する進行波セルおよ
び伝送線に近接して配設され、伝送線からの電界を検出
する進行波セルを使用してテラヘルツ領域の非常に高い
周波数の周波数成分を有する電気信号をサブピコセコン
ド領域の時間分解能で測定する改良された方法および装
置が提供されていることが明らかであろう。本発明の範
囲内において、ここに記載した方法および装置に種々の
変形および変更を行なうことができることは疑いもなく
本技術分野に専門知識を有する者によつて示されること
であろう。従つて、上述した記載は例示的なものであつ
て、限定の意味に取られるものではない。
【図面の簡単な説明】
第１図は、前記公告に記載され、測定の分解能を拡大
し、サンプルされて測定される電気信号の高い終端カツ
トオフ周波数を延ばすように進行波導波管ポツケルスセ
ルを利用した電気光学サンプリング装置のブロツク図で
あり、 第２図は、本発明の一実施例による第１図に示す装置に
使用される進行波ポツケルスセルを図式的に示す斜視図
であり、 第３図は、本発明の他の実施例による第１図に示す装置
に使用される進行波ポツケルスセルを図式的に示す斜視
図であり、 第４図および第4a図は、第１図に示すようなサンプリン
グ装置を使用してマイクロストリツプ線に沿つて伝播す
る電気信号の電気光学サンプリングをセルに対して行な
うマイクロストリツプ伝送線のフリンジ界に電気光学結
晶を使用した電気信号の測定を図示する斜視図および拡
大断面図であり、 第５図は、第１図に示すような装置を使用して集積回路
の線に沿つて伝播する信号をサンプルする電気光学結晶
の使用を図式的に示した斜視図である。 10……ポツケルスセル、12……光学パルス発生器、14…
…衝突パルスモードロツクレーザ、16……CWアルゴンレ
ーザ、18……電気信号源、20,22……光検出器、24……
検光子、26……差動増幅器、28……ロツクイン増幅器、
30……信号平均化回路、32……補償器、34……光学遅延
装置、36……偏光子、38,40……レンズ、42……デイス
プレイ、44……チヨツパ、46,60……電気光学結晶、48,
50……ストリツプ線。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特表 昭59−500186（ＪＰ，Ａ) ＩＥＥＥＪ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃ ｔｒｏｎ．，ｖｏｌＱＥ−22，ｐｐ69− 78，Ｊａｎ．1986

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ポッケルス効果を示す結晶を用いて、半導
    体材料の基板上の伝送線を流れる電気信号をサブピコセ
    コンドの分解能で測定する方法であって、該結晶を該基
    板に近接して該伝送線上の電気信号のフリンジ電界内に
    置き、測定用光パルスビームを、該パルスビームの光学
    フィールドの一成分が該結晶内の該フリンジ電界と平行
    であるように投射し、該ビームが通過する該結晶の屈折
    率が該フリンジ電界によって変化して電気信号に相当す
    る光学信号をサブピコセコンドの分解能で発生させ、該
    光学信号を処理して該伝送線を伝播する電気信号を測定
    し、またそれに相当する表示をなすことを特徴とする方
    法。
  2. 【請求項２】特許請求の範囲第１項に記載の方法であっ
    て、測定用光パルスビームの光信号を、電気信号の連続
    的に生起する部分の光学サンプルの形で発生させる方
    法。
  3. 【請求項３】特許請求の範囲第１または第２項に記載の
    方法であって、該伝送線が基体上の面状導電性要素であ
    り、該結晶の一面に反射コーティングを施し、該結晶を
    その反射コーティング面と反対側から入射させて該反射
    コーティング面まで到達させ反射させて、処理されるべ
    き光学サンプルを発生させる方法。
  4. 【請求項４】ポッケルス効果を示す結晶を用いて基板上
    の伝送線を流れる電気信号を測定する装置であって、該
    結晶が該基板上に接して該電気信号によって発生させら
    れるフリンジ電界内に置かれ、測定用光パルスビーム
    を、該パルスビームの光学フィールドの一成分が結晶内
    で該フリンジ電界に平行であるように投射するための光
    パルス発生手段、偏光子、検光子、レンズ手段を備え、
    該フリンジ電界が該結晶の光学軸の一つに平行であり、
    該結晶の屈折率が該フリンジ電界によって変化すること
    によって該電気信号に相当する光学信号をサブピコセコ
    ンドの分解能で発生させ、該光学信号を処理して測定
    し、また相当する表示をなすための手段を備えたことを
    特徴とする装置。
  5. 【請求項５】特許請求の範囲第４項に記載の装置であっ
    て、該測定用光パルスビームを該伝送線上の電気信号と
    同期した光パルスとして発生させ、該光パルスの形で生
    起させる装置。
  6. 【請求項６】特許請求の範囲第４または第５項に記載の
    装置であって、測定用光パルスビームに該結晶内に共焦
    点領域を作り出す手段を有する装置。
  7. 【請求項７】特許請求の範囲第４〜６項のいずれかの項
    に記載の装置であって、該共焦点領域が該測定用パルス
    ビームが入射する該結晶の表面の近傍に形成される装
    置。
  8. 【請求項８】特許請求の範囲第４〜７項のいずれかの項
    に記載の装置であって、該伝送線が該結晶表面に共面伝
    送線を形成する導電性材料の複数の平行のストリップか
    らなり、該共焦点領域を作り出す手段が該測定用光パル
    スビームを前記表面の前記伝送線の間に、電界が測定用
    光パルスビームの光学フィールドの一成分と平行である
    ある共焦点領域が結晶（82）の光学軸と平行関係にある
    ように焦点合せする装置。
  9. 【請求項９】特許請求の範囲第８項に記載の装置であっ
    て、前記ストリップが３個であり、外側のものがアース
    され、該電気信号を印加する手段が内側のストリップに
    印加し、該焦点合せ手段が測定用光パルスビームを該結
    晶の表面近くで内側のストリップに印加し、該焦点合せ
    手段が測定用光パルスビームを該結晶の表面近くで内側
    のストリップと外側にストリップの間に焦点合せする手
    段からなる装置。
  10. 【請求項１０】特許請求の範囲第４〜９項のいずれかの
    項に記載の装置であって、該伝送線が基体の該結晶の反
    射コーティングが該結晶の表面に接する表面上の面状の
    導電性材料の要素からなり、該結晶が反射コーティング
    面を基体の表面に向けて配置され、該測定用パルスビー
    ムが該結晶の反射コーティング面の反対側に入射し、該
    パルスビームが結晶を通って該反射面に至り、反射され
    て光学サンプルとして処理手段に送られる装置。
JP60059693A 1984-03-27 1985-03-26 サブピコセコンドの分解能を有する電気信号の測定 Expired - Lifetime JPH0750128B2 (ja)

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