JPH11142486A - 電気光学プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電圧ならびに電界を正確に測定することがで
きる電気光学プローブを提供する。 【解決手段】 電界を測定する場合には、第１の端面か
ら入射される測定レーザ光を透過させる電気光学素子３
８と第１の端面とは対向する第２の端面側に形成され測
定レーザ光を反射させる反射板３９とから構成され、与
えられた電界の強度に応じて偏光状態が変化した反射光
を出射する先端ブロック３０ｂを用いる。また電圧を測
定する場合には、第１の端面から入射される測定レーザ
光を透過させる電気光学素子３８と、第１の端面とは対
向する第２の端面側に形成され測定レーザ光を反射させ
る反射板３９と第２の端面側に設けられた尖頭形状の電
極４０とから構成され、電極４０が形成する電界の強度
に応じて偏光状態が変化した反射光を出射する先端ブロ
ック３０ａを用いる。

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、電圧や電界等の
測定に用いられる高インピーダンスの電気光学プローブ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】プリント配線板上のパターン各部の信号
波形や電圧を測定するためには、小型で入力インピーダ
ンスの高いプローブを用いる必要がある。従来から、こ
のような用途にはＦＥＴ（Ｆield Ｅffect Ｔransisto
r：電界効果トランジスタ）プローブが用いられてき
た。

【０００３】しかしながらＦＥＴプローブは、信号線と
グランド線との２点で接触して測定する必要があるた
め、この２点が離れると測定周波数帯域特性が劣化する
という欠点がある。

【０００４】またＦＥＴプローブ自体の入力インピーダ
ンスは、概ね１００［ｋΩ］程度と十分に高い値ではな
く被測定回路の動作に影響を与える可能性がある。さら
に、ＦＥＴプローブはプローブヘッドの入力部にＦＥＴ
を使用しているため、静電気によって破壊され易く、取
り扱いには注意が必要である。

【０００５】そこで、このような欠点を持つＦＥＴプロ
ーブに代わるものとして、ＥＯＳ（Ｅlectro-Ｏptic Ｓ
ampling:電気光学サンプリング）プローブが用いられて
いる。図３は、ＥＯＳプローブの概略構成例を示す構成
図である。以下にこの図を参照して、従来のＥＯＳプロ
ーブについて説明する。

【０００６】図３において、５１は偏波保持型の光ファ
イバである。この図に示すＥＯＳプローブ５０には、こ
の光ファイバ５１を介して図示しないレーザダイオード
からレーザ光が供給される。

【０００７】ＥＯＳプローブ５０に供給されたレーザ光
は、レンズ５２によって収束された後、偏光ビームスプ
リッタ５３、ファラデー回転子５４、１／２波長板５
５、偏光ビームスプリッタ５６、そして波長板５７を介
して電気光学素子５８の一端面に入射する（図中の一点
鎖線参照）。

【０００８】上述した電気光学素子５８の他端面には、
反射板５９が形成されているとともに、先端（図３では
左端）が尖形状に形成された電極６０が取り付けられて
いる。

【０００９】電気光学素子５８に入射したレーザ光は、
この電気光学素子５８を透過して反射板５９によって反
射される。この反射レーザ光は、再び波長板５７に向か
って出射する（図中の二点鎖線参照）。

【００１０】通常、電気光学素子５８は絶縁体（誘電
体）である。従って、電極６０の先端をプリント配線パ
ターンの任意の点に接触させると、電流が流れることは
ないが電気光学素子５８に電界が生じる。このため、電
気光学素子５８を透過して反射板５９によって反射され
るレーザ光の偏光面は、電極６０が検出する電圧値に応
じて変化する。

【００１１】反射レーザ光は波長板５７を透過した後、
偏光ビームスプリッタ５６によって、偏光面の変化に応
じた一部が屈折分岐される。偏光ビームスプリッタ５６
を直進透過した反射レーザ光は、１／２波長板５５を透
過する際に偏光面が回転し、偏光ビームスプリッタ５３
によって、偏光面の回転に応じて屈折分岐される。

【００１２】偏光ビームスプリッタ５６、５３で分岐し
たレーザ光は、それぞれフォトダイオード６１あるいは
６２によって電気信号に変換される。このとき、フォト
ダイオード６１および６２が出力する電気信号は、強度
変化が互いに逆相になる。

【００１３】そこで、フォトダイオード６１、６２が出
力する電気信号を差動増幅器に入力することで、信号成
分は増幅され、同相である振動成分や半導体レーザに含
まれる過剰雑音等は除去され、電極６０が接触するプリ
ント配線パターンの電圧値に応じた出力信号が得られ
る。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述した
ような構成のＥＯＳプローブでは、プリント配線パター
ン等の電圧値を測定し得るのみである。即ち、ＥＯＳプ
ローブの先端の電極は導体であるために電界を乱し、正
確な電界測定は期待できない。

【００１５】この発明は、このような背景の下になされ
たもので、電圧ならびに電界を正確に測定することがで
きる電気光学プローブを提供することを目的としてい
る。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１に記載の発明にあっては、第１の端部
から直線偏光の測定レーザ光が供給され、前記供給され
た測定レーザ光の光軸上において互いに同一である所定
の偏光成分を屈折させるとともに当該偏光成分以外は透
過させる第１および第２の偏光光分岐手段と、前記第１
の偏光光分岐手段と前記第２の偏光光分岐手段との間に
おける前記光軸上に透過する光の偏光面を所定角度回転
させる偏光回転手段と、前記第２の偏光光分岐手段と前
記偏光回転手段との間における前記光軸上に透過する光
の互いに直交する成分間に１／２波長の位相差を与える
第１の１／２波長板と、前記第１の端部と対向し前記測
定レーザ光が出射される第２の端部と前記第２の偏光光
分岐手段との間における前記光軸上に透過する光の互い
に直交する成分間に１／４波長の位相差を与える１／４
波長板と１／２波長の位相差を与える第２の１／２波長
板とを具備し、前記第２の端部側における前記光軸上に
当該測定レーザ光を反射させて反射レーザ光を出射する
とともに与えられる電界に応じて当該反射レーザ光の偏
光状態を変化させる測定部が着脱自在に取り付けられる
ことを特徴とする。また、請求項２に記載の発明にあっ
ては、請求項１に記載の電気光学プローブでは、前記第
１の偏光光分岐手段によって屈折された光を電気信号に
変換する第１の光電変換手段と、前記第２の偏光光分岐
手段によって屈折された光を電気信号に変換する第２の
光電変換手段とを具備し、前記偏光回転手段は前記透過
光の偏光面を４５°回転させることを特徴とする。ま
た、請求項３に記載の発明にあっては、請求項１あるい
は請求項２の何れかに記載の電気光学プローブでは、前
記測定部は、第１の端面から前記測定レーザ光が入射さ
れて当該測定レーザ光を透過させる電気光学素子と、前
記電気光学素子における前記第１の端面と対向する第２
の端面側に形成され前記測定レーザ光を反射させる反射
板とから構成され、前記電気光学素子は、与えられた前
記電界の強度に応じて前記偏光状態が変化した前記反射
光を出射することを特徴とする。また、請求項４に記載
の発明にあっては、請求項１あるいは請求項２の何れか
に記載の電気光学プローブでは、前記測定部は、第１の
端面から前記測定レーザ光が入射されて当該測定レーザ
光を透過させる電気光学素子と、前記電気光学素子にお
ける前記第１の端面と対向する第２の端面側に形成され
前記測定レーザ光を反射させる反射板と、前記第２の端
面側に設けられた尖頭形状の測定電極とから構成され、
前記電気光学素子は、前記測定電極が形成する電界の強
度に応じて前記偏光状態が変化した前記反射光を出射す
ることを特徴とする。

【００１７】この発明によれば、第１の端部から供給さ
れる直線偏光の測定レーザ光をそれぞれ光軸上に位置す
る第１の偏光光分岐手段と偏光回転手段と第１の１／２
波長板と第２の偏光光分岐手段と１／４波長板と第２の
１／２波長板とを介して着脱自在に取り付けられた測定
部に入射させ、測定部に与えられた電界に応じて偏光状
態が変化した反射レーザ光は、第２の偏光光分岐手段を
透過して所定の偏光成分が屈折した後に第１の１／２波
長板によって偏光方向が変化し、偏光回転手段を透過す
る際に偏光面が４５°回転して第１の偏光光分岐手段に
入射し所定の偏光成分が屈折する。この第１の偏光光分
岐手段と第２の偏光光分岐手段とは屈折させる偏光成分
が互いに同一であるため、第１の偏光光分岐手段によっ
て屈折された光を変換する第１の光電変換手段が出力す
る電気信号と第２の偏光光分岐手段によって屈折された
光を変換する第２の光電変換手段が出力する電気信号と
は位相が互いに逆相になる。ここで電界を測定する場合
には、第１の端面から入射される測定レーザ光を透過さ
せる電気光学素子と第１の端面とは対向する第２の端面
側に形成され測定レーザ光を反射させる反射板とから構
成され、与えられた電界の強度に応じて偏光状態が変化
した反射光を出射する測定部を用いる。また電圧を測定
する場合には、第１の端面から入射される測定レーザ光
を透過させる電気光学素子と、第１の端面とは対向する
第２の端面側に形成され測定レーザ光を反射させる反射
板と第２の端面側に設けられた尖頭形状の測定電極とか
ら構成され、測定電極が形成する電界の強度に応じて偏
光状態が変化した反射光を出射する測定部を用いる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明について説明す
る。図１は、本発明の一実施の形態にかかる電気光学プ
ローブの本体１０の概略構成を示す構成図である。図１
において、１１はＰＡＮＤＡ（偏波保持）型光ファイバ
である。図示しないレーザダイオード等のレーザ光源か
ら、このＰＡＮＤＡ型光ファイバ１１を介して、本体１
０に直線偏光のレーザ光が供給される。

【００１９】１２はコリメイトレンズであり、ＰＡＮＤ
Ａ型光ファイバ１１を介して供給されたレーザ光を平行
光にする。１３および１６は偏光ビームスプリッタであ
り、入射された光の内の所定の偏光成分を屈折させて出
射し、それ以外は直進のまま透過する。

【００２０】１４はレーザ光の偏光方向を回転させるフ
ァラデー回転子、１５および１８は１／２波長板であ
る。この１／２波長板は、入射された光に対して、この
１／２波長板の結晶軸方向の偏光成分と、結晶軸に直交
する偏光成分との間にλ／２（１８０°）の位相差を与
えるものである。

【００２１】１７は１／４波長板であり、入射された光
に対して、この１／４波長板の結晶軸方向の偏光成分
と、結晶軸に直交する偏光成分との間にλ／４（９０
°）の位相差を与える

【００２２】２１および２２はフォトダイオードであ
り、それぞれ偏光ビームスプリッタ１６あるいは１３が
屈折出射したレーザ光の強度を電気信号に変換する。上
述したコリメイトレンズ１２、偏光ビームスプリッタ１
３、ファラデー回転子１４、１／２波長板１５、偏光ビ
ームスプリッタ１６、１／４波長板１７そして１／２波
長板１８は、順にＰＡＮＤＡ型光ファイバ１１が出射す
るレーザ光の光軸上に配置される。

【００２３】そして、これらを通過したレーザ光は、本
体１０の端部１０ａ（図１では左端部）から出射され
る。また、フォトダイオード２１およびフォトダイオー
ド２２が出力する電気信号は、図示しない差動増幅器に
入力される。

【００２４】上述の端部１０ａは、電圧や電界を測定す
るための先端ブロックが取り付けられる構成となってい
る。なお、先端ブロックを取り付けるための機械的構成
は、差し込み型やねじ込み型等、何れの形状でも良い
が、ここではその詳細な図示や説明は省略する。

【００２５】図２は先端ブロックの概略構成を示す構成
図であり、図２（ａ）は一例として電圧測定に用いる先
端ブロック３０ａ、図２（ｂ）は一例として電界測定に
用いる先端ブロック３０ｂを示している。

【００２６】図２において、３８は電界によって入射す
る光の偏光方向を変える電気光学素子である。電気光学
素子３８は一例として、ＢＳＯ（Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀）等か
ら構成される。

【００２７】この電気光学素子３８の一端には、先端ブ
ロック３０ａあるいは先端ブロック３０ｂにおける取り
付け端部３１側からレーザ光が入射される。また電気光
学素子３８の他端には、反射板３９が形成されている。
この反射板３９は、一例として電気光学素子３８の表面
への誘電体多層膜ミラー等の蒸着によって形成される。

【００２８】なお、先端ブロック３０ｂでは反射板３９
の前面（図２では左方）が検出端３２となるが、先端ブ
ロック３０ａではさらに、有効な電界を形成するため
に、先端（図２（ａ）では左端）が尖形状に形成された
電極４０が取り付けられている。

【００２９】本実施の形態では、これら先端ブロック３
０ａあるいは先端ブロック３０ｂの何れかが、電気光学
プローブ本体１０の端部１０ａに択一的且つ着脱自在に
取り付けられる。

【００３０】ここで、本実施の形態の電気光学プローブ
を用いた測定について説明する。まず、プリント配線パ
ターンの任意の点における電圧を測定する場合には、本
体１０の端部１０ａに先端ブロック３０ａを取り付け
る。ここで、電極４０の先端をプリント配線パターンの
表面に接触させると、電気光学素子３８の周辺に電界が
形成される。

【００３１】一方、ＰＡＮＤＡ型光ファイバ１１を介し
て供給されたレーザ光は、コリメイトレンズ１２によっ
て平行光になり、偏光ビームスプリッタ１３に入射する
（図１中の一点鎖線参照）。またレーザ光は、偏光ビー
ムスプリッタ１３および偏光ビームスプリッタ１６を透
過し、端部１０ａから先端ブロック３０ａに向けて出射
される。

【００３２】先端ブロック３０ａに入射されたレーザ光
は、電気光学素子３８を透過して反射板３９によって反
射され、再び電気光学素子３８を透過して先端ブロック
３０ａから出射されるが、その際、電気光学素子３８内
の電界に応じて偏光面が変化する。

【００３３】こうして先端ブロック３０ａによって反射
されたレーザ光は、再び本体１０の端部１０ａに入射さ
れ、１／２波長板１８および１／４波長板１７を介して
偏光ビームスプリッタ１６に入射する（図１中の２点鎖
線参照）。偏光ビームスプリッタ１６は、先端ブロック
３０ａ側から入射したレーザ光の内、所定の偏光成分の
みを屈折させて、フォトダイオード２１に入射させる。

【００３４】偏光ビームスプリッタ１６を直進透過した
レーザ光は、１／２波長板１５およびファラデー回転子
１４を介して偏光ビームスプリッタ１３に入射される。
レーザ光がこのファラデー回転子１４を通過する際、偏
光面が４５°回転する。

【００３５】従って偏光ビームスプリッタ１３では、偏
光ビームスプリッタ１６において屈折した成分とは異な
る偏光成分が屈折され、この偏光成分はフォトダイオー
ド２２に入射する。

【００３６】このように図１に示す構成によれば、偏光
ビームスプリッタ１６によって屈折させられる偏光成分
と偏光ビームスプリッタ１３によって屈折させられる偏
光成分とは直交し、また強度変化が互いに逆相になる。

【００３７】即ち、偏光ビームスプリッタ１６および偏
光ビームスプリッタ１３によって屈折した偏光成分が入
射するフォトダイオード２１あるいはフォトダイオード
２２が出力する電気信号は、互いに逆相の変化をする。
そこで、この２つの電気信号を図示しない差動増幅器に
入力して増幅することにより、同相の雑音成分が相殺さ
れる。

【００３８】言うまでもなく、この本体１０に先端ブロ
ック３０ａを取り付けた場合、電気光学素子３８は絶縁
体であるので電極４０には電流は流れない。実際には、
一例として入力抵抗１００［ＭΩ］、入力容量０.２［ｐ
Ｆ］と、極めて高い入力インピーダンス特性を示し、１
０［ＧＨｚ］という高い周波数帯域にわたった電圧測定
が可能である。

【００３９】次に、本実施の形態の電気光学プローブを
用いた電界の測定について説明する。この場合、本体１
０の端部１０ａに先端ブロック３０ｂを取り付ける。な
おこの場合の入射レーザ光（図１中の一点鎖線）と反射
レーザ光（同二点鎖線）の経路や変化は、電圧測定の場
合と同様であるので説明は省略する。

【００４０】この先端ブロック３０ｂを用いて、マイク
ロストリップラインや平面アンテナ周辺の電界を測定す
る場合には、例えばこの平面アンテナ近傍の電界測定点
に先端ブロック３０ｂの検出端３２を近接させればよ
い。

【００４１】本実施の形態の先端ブロック３０ｂは、金
属等によって形成される電極を有していないので、測定
点の電界を乱すことはない。従って、フォトダイオード
２１およびフォトダイオード２２からは、測定点の電界
の変化に応じた電気信号が出力される。

【００４２】また本実施の形態では、上述したように先
端ブロック３０ａあるいは先端ブロック３０ｂの何れか
が、電気光学プローブ本体１０の端部１０ａに択一的且
つ着脱自在に取り付けられる構成となっている。

【００４３】従って、電圧測定と電界測定の何れかの場
合に応じて、先端ブロックを使い分けることが可能で、
１つの電気光学プローブ本体を用いて、電圧も電界をも
正確に測定することができる。

【００４４】なお上述の実施の形態では、先端ブロック
３０ｂでは電界測定を行い、電極を有する先端ブロック
３０ａで電圧測定を行う例を挙げて説明したが、例え
ば、先端ブロック３０ａによって、レーザ光の進行方向
と同方向の電界（縦電界）を測定することも可能であ
る。

【００４５】また、先端ブロック３０ｂを用いた場合、
電気光学素子３８の電界検出方向は、この結晶方向に依
存する。従って、電気光学素子３８の結晶方向を変える
ことによって、縦電界の他、レーザ光の進行方向と直交
する方向の電界（横電界）を測定することも可能であ
る。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、第１の端部から供給される直線偏光の測定レーザ光
をそれぞれ光軸上に位置する第１の偏光光分岐手段と偏
光回転手段と第１の１／２波長板と第２の偏光光分岐手
段と１／４波長板と第２の１／２波長板とを介して着脱
自在に取り付けられた測定部に入射させ、測定部に与え
られた電界に応じて偏光状態が変化した反射レーザ光
は、第２の偏光光分岐手段を透過して所定の偏光成分が
屈折した後に第１の１／２波長板によって偏光方向が変
化し、偏光回転手段を透過する際に偏光面が４５°回転
して第１の偏光光分岐手段に入射し所定の偏光成分が屈
折する。この第１の偏光光分岐手段と第２の偏光光分岐
手段とは屈折させる偏光成分が互いに同一であるため、
第１の偏光光分岐手段によって屈折された光を変換する
第１の光電変換手段が出力する電気信号と第２の偏光光
分岐手段によって屈折された光を変換する第２の光電変
換手段が出力する電気信号とは位相が互いに逆相にな
る。ここで電界を測定する場合には、第１の端面から入
射される測定レーザ光を透過させる電気光学素子と第１
の端面とは対向する第２の端面側に形成され測定レーザ
光を反射させる反射板とから構成され、与えられた電界
の強度に応じて偏光状態が変化した反射光を出射する測
定部を用いる。また電圧を測定する場合には、第１の端
面から入射される測定レーザ光を透過させる電気光学素
子と、第１の端面とは対向する第２の端面側に形成され
測定レーザ光を反射させる反射板と第２の端面側に設け
られた尖頭形状の測定電極とから構成され、測定電極が
形成する電界の強度に応じて偏光状態が変化した反射光
を出射する測定部を用いるので、電圧ならびに電界を正
確に測定することができる電気光学プローブが実現可能
であるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施の形態にかかる電気光学プロ
ーブの本体１０の概略構成を示す構成図である。

【図２】 同実施の形態における先端ブロックの概略構
成を示す構成図である。

【図３】 従来技術のＥＯＳプローブの概略構成例を示
す構成図である。

【符号の説明】

１３ 偏光ビームスプリッタ（第１の偏光光分岐手段） １４ ファラデー回転子（偏光回転手段） １６ 偏光ビームスプリッタ（第２の偏光光分岐手段） ２１ フォトダイオード（第２の光電変換手段） ２２ フォトダイオード（第１の光電変換手段） ３０ａ、３０ｂ 先端ブロック（測定部） ３８ 電気光学素子 ３９ 反射板 ４０ 電極（測定電極）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菊池 潤 東京都大田区蒲田４丁目19番７号 安藤電 気株式会社内 (72)発明者 伴城 暢一 東京都大田区蒲田４丁目19番７号 安藤電 気株式会社内 (72)発明者 遠藤 善雄 東京都大田区蒲田４丁目19番７号 安藤電 気株式会社内 (72)発明者 品川 満 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 永妻 忠夫 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内 (72)発明者 松広 一良 東京都新宿区西新宿三丁目19番２号 日本 電信電話株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の端部から直線偏光の測定レーザ光
   が供給され、 前記供給された測定レーザ光の光軸上において互いに同
   一である所定の偏光成分を屈折させるとともに当該偏光
   成分以外は透過させる第１および第２の偏光光分岐手段
   （１３、１６）と、 前記第１の偏光光分岐手段と前記第２の偏光光分岐手段
   との間における前記光軸上に透過する光の偏光面を所定
   角度回転させる偏光回転手段（１４）と、 前記第２の偏光光分岐手段と前記偏光回転手段との間に
   おける前記光軸上に透過する光の互いに直交する成分間
   に１／２波長の位相差を与える第１の１／２波長板（１
   ５）と、 前記第１の端部と対向し前記測定レーザ光が出射される
   第２の端部と前記第２の偏光光分岐手段との間における
   前記光軸上に透過する光の互いに直交する成分間に１／
   ４波長の位相差を与える１／４波長板（１７）と１／２
   波長の位相差を与える第２の１／２波長板（１８）とを
   具備し、 前記第２の端部側における前記光軸上に当該測定レーザ
   光を反射させて反射レーザ光を出射するとともに与えら
   れる電界に応じて当該反射レーザ光の偏光状態を変化さ
   せる測定部（３０ａ、３０ｂ）が着脱自在に取り付けら
   れることを特徴とする電気光学プローブ。
2. 【請求項２】 前記第１の偏光光分岐手段によって屈折
   された光を電気信号に変換する第１の光電変換手段（２
   ２）と、 前記第２の偏光光分岐手段によって屈折された光を電気
   信号に変換する第２の光電変換手段（２１）とを具備
   し、前記偏光回転手段は前記透過光の偏光面を４５°回
   転させることを特徴とする請求項１に記載の電気光学プ
   ローブ。
3. 【請求項３】 前記測定部は、 第１の端面から前記測定レーザ光が入射されて当該測定
   レーザ光を透過させる電気光学素子（３８）と、 前記電気光学素子における前記第１の端面と対向する第
   ２の端面側に形成され前記測定レーザ光を反射させる反
   射板（３９）とから構成され、前記電気光学素子は、 与えられた前記電界の強度に応じて前記偏光状態が変化
   した前記反射光を出射することを特徴とする請求項１あ
   るいは請求項２の何れかに記載の電気光学プローブ。
4. 【請求項４】 前記測定部は、 第１の端面から前記測定レーザ光が入射されて当該測定
   レーザ光を透過させる電気光学素子と、 前記電気光学素子における前記第１の端面と対向する第
   ２の端面側に形成され前記測定レーザ光を反射させる反
   射板と、 前記第２の端面側に設けられた尖頭形状の測定電極（４
   ０）とから構成され、前記電気光学素子は、 前記測定電極が形成する電界の強度に応じて前記偏光状
   態が変化した前記反射光を出射することを特徴とする請
   求項１あるいは請求項２の何れかに記載の電気光学プロ
   ーブ。