(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光出力を受けて、被測定信号の電圧に応じて偏光変化した第１の光信号および第２の光信号を出力する電気光学プローブと、
第１のバイアス電源と第２のバイアス電源との間に直列接続されて、前記第１の光信号と第２の光信号をそれぞれ受光して電気信号に変換する第１の光電変換素子および第２の光電変換素子と、
該第１の光電変換素子と第２の光電変換素子との接続点に得られる電気信号を出力する出力回路と、
前記第１の光電変換素子，第２の光電変換素子および出力回路とともに光入出力ユニットに設けられて、前記第１の光電変換素子および第２の光電変換素子に流れる電流変化に応じた制御電圧を受けて、前記光源に駆動電流を供給する電流駆動回路と、
前記光入出力ユニットに接続されて、前記接続点に得られる電気信号を増幅して測定回路側へ出力する増幅器、および前記光入出力ユニット内の電気回路に電力を供給する電源を有する電源供給／測定信号出力ユニットとを備え、
前記電気光学プローブと光入出力ユニットとがケーブルにより接続され、前記光入出力ユニットと電源供給／測定信号出力ユニットとがコネクタにより分離可能に接続され、
前記電源供給／測定信号出力ユニットが、前記接続点に得られる電気信号を増幅して出力する増幅器を複数チャンネル分備えていることを特徴とする測定信号出力装置。
【請求項２】
光源からの光出力を受けて、被測定信号の電圧に応じて偏光変化した第１の光信号および第２の光信号を出力する電気光学プローブと、
第１のバイアス電源と第２のバイアス電源との間に直列接続されて、前記第１の光信号と第２の光信号をそれぞれ受光して電気信号に変換する第１の光電変換素子および第２の光電変換素子と、
該第１の光電変換素子と第２の光電変換素子との接続点に得られる電気信号を出力する出力回路と、
前記第１の光電変換素子，第２の光電変換素子および出力回路とともに光入出力ユニットに設けられて、前記第１の光電変換素子および第２の光電変換素子に流れる電流変化に応じた制御電圧を受けて、前記光源に駆動電流を供給する電流駆動回路と、
前記光入出力ユニットに接続されて、前記接続点に得られる電気信号を増幅して測定回路側へ出力する増幅器、および前記光入出力ユニット内の電気回路に電力を供給する電源を有する電源供給／測定信号出力ユニットとを備え、
前記電気光学プローブと光入出力ユニットとがケーブルにより接続され、前記光入出力ユニットと電源供給／測定信号出力ユニットとがコネクタにより分離可能に接続され、
前記電気光学プローブが、用途ごとに異なった光入出力ユニットに接続されていることを特徴とする測定信号出力装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定信号の電圧に応じた偏光成分を含む光信号から、前記被測定信号に応じた電気信号を測定信号として取り出して測定器に供給する測定信号出力装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の測定信号出力装置として、例えば、ＩＣなどの測定対象の内部信号（以下、被測定信号という）が現れる部位に、電界により偏光面が変化する電気光学結晶を結合させ、この電気光学結晶からの反射光の偏光状態により被測定信号を再現し、被測定信号に応じた偏光状態を有する光信号を取り出すための光学系が内蔵された電気光学プローブと、この光信号を受光してその偏光状態に応じた電気信号を取り出すための受光回路を備えたものがある。
【０００３】
この測定信号出力装置は、電気式プローブを用いた従来の測定システムと比較して、
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
２）電気光学プローブの先端にある金属ピンがオシロスコープ側の回路系から電気的に絶縁されているので、被測定信号の状態をほとんど乱すことなく波形観測が可能
３）光パルスを利用することからギガヘルツのオーダーまでの広帯域測定が可能といった特徴を有する。
【０００４】
この測定信号出力装置に用いられる電気光学プローブの構成例を、図２について説明する。同図において、符号１は、絶縁体からなるプローブヘッドであり、この中心に、被測定信号が現れる部位に接触する金属ピン１ａが嵌め込まれている。符号２は、電界により偏光面が変わる電気光学素子（電気光学結晶）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。
【０００５】
符号４は、１／２波長板であり、符号５は、１／４波長板である。符号６および８は、偏光ビームスプリッタである。符号７は、ファラデー素子である。符号９は、ＥＯＳオシロスコープなどの測定器本体（図示せず）から出力されるパルス信号（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は、レーザダイオード９からのレーザ光を一方向に収束して平行光に変換するコリメートレンズであり、これにより収束されたレーザ光Ｌの光路上に、電気光学素子２、１／２波長板４、１／４波長板５、偏光ビームスプリッタ６，８、ファラデー素子７が配置される。
【０００６】
符号１１，１３は、集光レンズであり、偏光ビームスプリッタ６，８により分離されたレーザ光を集光する。符号１２，１４は、後述する受光回路を構成する光電変換素子としてのフォトダイオードであり、集光レンズ１１，１３により集光されたレーザ光を電気信号に変換して測定器本体へ出力する。
【０００７】
符号１５は、電気光学プローブとしてのプローブ本体である。符号１７は、１／４波長板、二つの偏光ビームスプリッタ６，８、およびファラデー素子７からなるアイソレータであり、レーザダイオード９が出射した光を通過させ、反射膜２ａによって反射された光を分離するためのものである。
【０００８】
次に測定信号出力装置に用いられている従来の受光回路の構成例を図３について説明する。同図において、符号１００はバイアス電源、符号１２，１４はフォトダイオード、符号１０２，１０５は抵抗、符号１０３，１０６は増幅器、符号１０７は電流モニタ、符号１０８はＡ／Ｄ変換器、符号１０９は抵抗１０９Ａ〜１０９Ｄと演算増幅器１０９Ｅからなる差動増幅器、符号１１０は抵抗、符号１１１はＡ／Ｄ変換器である。
【０００９】
この受光回路では、バイアス電源１００でバイアスされたフォトダイオード１２，１４が発生する電流を増幅器１０３，１０６によりそれぞれ増幅し、これら増幅器１０３，１０６の出力の差分を差動増幅器１０９により増幅して測定信号を得るように構成され、この差動増幅器１０９の出力値はＡ／Ｄ変換器１１１によりＡ／Ｄ変換される。また、フォトダイオード１２，１４が発生する電流は電流モニタ１０７によりモニタされ、その電流値はＡ／Ｄ変換器１０８によりＡ／Ｄ変換される。
【００１０】
次に、この従来装置の動作を説明する。図２に示すレーザダイオード９は、パルス信号（制御信号）により駆動されてサンプリング周期を有するパルス状のレーザ光Ａを出射する。また、このレーザ光Ａは、コリメートレンズ１０により平行光に変換され、偏光ビームスプリッタ８，ファラデー素子７および偏光ビームスプリッタ６を直進し、さらに、１／４波長板５と１／２波長板４を通って電気光学素子２に入射する。
【００１１】
入射したレーザ光は、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により反射される。ここで、金属ピン１ａを測定点に接触させると、金属ピン１ａに加わる電圧に応じた電界が電気光学素子２へ伝搬し、ポッケルス効果により電気光学素子２の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を伝搬するときに光の偏光状態が変化し、この結果、電気光学素子２の端面２ａで反射されたレーザ光は、被測定信号の電圧に応じた偏光成分を含むものとなる。
【００１２】
電気光学素子２の端面２ａで反射されたレーザ光は、再び１／２波長板４と１／４波長板５を通って、このレーザ光の一部（被測定信号の電圧に応じた偏光成分）は、偏光ビームスプリッタ６により分離され、集光レンズ１１によって集光されて、受光回路を構成するフォトダイオード１２へ入射される。偏光ビームスプリッタ６を透過したレーザ光は、偏光ビームスプリッタ８で分離され、集光レンズ１３によって集光されて、図３に示すフォトダイオード１４へ入射されて、電気信号に変換される。
【００１３】
ここで、受光回路の動作を説明する。被測定信号の電圧の変化にともなって、電気光学素子２の複屈折率が変化すると、フォトダイオード１２とフォトダイオード１４の出力に差が生じる。受光回路はこの出力差を検出することによって、被測定信号に応じた測定信号を出力するように動作する。
【００１４】
すなわち、受光回路のフォトダイオード１２が偏光ビームスプリッタ６からのレーザ光を受光すると、フォトダイオード１２はこのレーザ光の強度に応じた電流を発生し、この電流に応じた電圧が抵抗１０２の一端側に現れ、増幅器１０３で増幅される。同様にフォトダイオード１４が発生する電流に応じた電圧が抵抗１０５の一端側に現れ、増幅器１０６で増幅される。差動増幅器１０９は増幅器１０３と１０６との出力差に応じた測定信号を測定器本体側へ出力する。
【００１５】
上述のように、従来の受光回路によれば、フォトダイオード１２，１４で検出された信号は、増幅器１０３，１０６でそれぞれ増幅され、この後、差動増幅器１０９でその差分を取ることにより測定信号のみを検出するものとなっている。
【００１６】
なお、電流モニタ１０７によりモニタされた電流はＡ／Ｄ変換器１０８によりＡ／Ｄ変換されて、Ａ／Ｄ変換器１１１により変換された測定信号の値と共に、フォトダイオード１２，１４の動作の検証やキャリブレーションなどに用いられる。また、電気光学素子２の結晶軸に対して、入射するレーザ光の偏光面を合わせる必要があり、このため、１／２波長板４と１／４波長板５を回転させることによって偏光面の調整が行われる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のこのような測定信号出力装置にあっては、通常プローブ本体１５と、このプローブ本体１５から出力されるレーザ光を光電流に変換するフォトダイオード１２，１４、およびその光電流のモニタ出力の変化にもとづいてプローブ本体１５内のレーザダイオード９に対して駆動電流を出力する電流駆動回路とが、コネクタ（図示しない）などを介して分離可能に接続されているため、その接続部において伝送損失を生じたり、その接続部の電気抵抗（接触抵抗）のアンバランスなどにより光電流および駆動電流の入出力誤差を生じ、測定精度の高い測定信号を測定器に出力できない場合があるという課題があった。
【００１８】
本発明は前記課題を解決するものであり、プローブ本体である電気光学プローブと、電流駆動回路およびフォトダイオードを持つ受光部とを分離不可能に電気・光学的に結合したものとして扱うことで、取り扱う信号としてレベルの低い光信号や被測定信号の損失またはアンバランスの発生を十分に防止できるほか、その取り扱いや使用を容易化できる測定信号出力装置を得ることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
前記目的達成のために、第１の発明にかかる測定信号出力装置は、光源からの光出力を受けて、被測定信号の電圧に応じて偏光変化した第１の光信号および第２の光信号を出力する電気光学プローブと、第１のバイアス電源と第２のバイアス電源との間に直列接続されて、前記第１の光信号と第２の光信号をそれぞれ受光して電気信号に変換する第１の光電変換素子および第２の光電変換素子と該第１の光電変換素子と第２の光電変換素子との接続点に得られる電気信号を出力する出力回路と、前記第１の光電変換素子，第２の光電変換素子および出力回路とともに光入出力ユニットに設けられて、前記第１の光電変換素子および第２の光電変換素子に流れる電流変化に応じた制御電圧を受けて、前記光源に駆動電流を供給する電流駆動回路と、前記光入出力ユニットに接続されて、前記接続点に得られる電気信号を増幅して測定回路側へ出力する増幅器、および前記光入出力ユニット内の電気回路に電力を供給する電源を有する電源供給／測定信号出力ユニットとを備え、前記電気光学プローブと光入出力ユニットとをケーブルにより接続し、前記光入出力ユニットと電源供給／測定信号出力ユニットとをコネクタにより分離可能に接続したものである。
【００２０】
また、第２の発明にかかる測定信号出力装置は、前記電源供給／測定信号出力ユニットに、前記接続点に得られる電気信号を増幅して出力する増幅器を複数チャンネル分設けたものである。
【００２１】
また、第３の発明にかかる測定信号出力装置は、前記電気光学プローブを用途ごとに異なった光入出力ユニットに接続したものである。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の一形態を図について説明する。図１において、符号１５Ａは電気光学プローブであり、これが図２に示した電気光学プローブ１５からフォトトランジスタ１２，１４を外したものとして構成されている。また、符号Ｄは光入出力ユニットであり、この光入出力ユニットＤ内にはフォトダイオード２１，２２が直列接続されている。これらのフォトダイオード２１，２２の直列回路は、第１のバイアス電源としての正のバイアス電源２３と第２のバイアス電源としての負のバイアス電源２４との間に、電流モニタ２５，２６をそれぞれ介して接続されている。これらのフォトダイオード２１，２２の接続点Ｐには、（初段）増幅器２７を介して信号出力端子２８が接続されている。
【００２３】
電流モニタ２５，２６はそれぞれフォトダイオード２１，２２に流れる電流をモニタして電圧変換するもので、これらの各モニタ値Ａ，Ｂは加算回路２９に入力されて、Ａ＋Ｂを演算する。なお、モニタされる前記電流の和の変化はレーザダイオード９の発光量の変化に対応する。この加算回路２９の演算出力は演算増幅器３０の負の入力端子に抵抗３１を介して入力される。また、この演算増幅器３０の正の入力端子には、駆動電流制御回路Ｃを構成する基準電圧発生部３２から出力される任意の基準電圧（制御電圧）が入力されるようになっている。従って、この演算増幅器３０は加算回路２９からの演算出力と基準電圧発生部３２からの基準電圧の差に応じた制御信号を出力する。３３は演算増幅器３０の出力端子と負の入力端子との間に接続されて、抵抗３１とともに増幅率を決める抵抗である。なお、演算増幅器３０および基準電圧発生部３２は抵抗３１，３３とともに前記の駆動電流制御回路Ｃを構成している。
【００２４】
演算増幅器３０の出力側には電流駆動回路３４が接続されている。この電流駆動回路３４はトランジスタ３５のエミッタに電流設定用抵抗３６を接続したものからなる。この電流駆動回路３４はトランジスタ３５のベースに演算増幅器３０からの制御信号を受けて、つまり電流モニタ２５，２６からのモニタ出力の変化に応じた制御信号を受けて、電気光学プローブ１５Ａ内の光源としてのレーザダイオード９に駆動電流をケーブルとしての同軸コード３７を介して供給するように機能する。なお、この電流駆動回路３４はレーザダイオード９をパルス光および連続光のいずれかで発光させる駆動電流を出力するものとする。
【００２５】
また、図示しないが、必要に応じ各フォトダイオード２１，２２に流れる電流のモニタ値（電圧値）を減算回路に入れ、その減算結果として得られる電圧差から光バランスのずれ量を検出することで、間接的にＳ／Ｎの劣化量を知ることができる。そこで、この劣化量を補正するように、つまりこの劣化量を抑制する方向に各フォトダイオード２１，２２が受光する光信号の偏光比を調整することで前記光バランスのずれを抑えることができる。
【００２６】
さらに、電気光学プローブ１５Ａと光入出力ユニットＤとの間には、図２に示すような偏光ビームスプリッタ６，８および集光レンズ１１，１３を介して出射されるレーザ光をフォトダイオード２１，２２に導くケーブルとしての光ファイバケーブル３８，３９が固定的に取り付けられている。
【００２７】
次に、符号Ｅは電源供給／測定信号出力ユニットであり、この電源供給／測定信号出力ユニットＥ内には、光入出力ユニットＤの信号出力端子２８に接続される信号入力端子４０，この信号入出力端子４０から受けた前記測定信号を増幅する前段の増幅器４１，測定信号中の所定周波の信号を除去するフィルタ４２，後段の増幅器４３および測定信号出力端子４４が設けられている。ここで、信号出力端子２８および信号入力端子４０は高周波伝送用のコネクタである同軸コネクタ４５として構成される。
【００２８】
この電源供給／測定信号出力ユニットＥには、光入出力ユニットＤ内の電気回路に電力を供給する電源４６，パネル制御器４７，フォトダイオード２１，２２の光電流差である光バランスのずれ量をモニタするバランスモニタ４８および、レーザダイオード９の光量をフォトダイオード２１，２２の出力電流の和に応じた値でモニタするフォトカレントモニタ４９が設けられている。そして、電源電圧およびバランスモニタ信号，フォトカレントモニタ信号は、多極コネクタ５０を構成する各入出力接触子を通じて、光入出力ユニットＤおよび電源供給／測定信号出力ユニットＥ間で授受可能となっている。なお、光入出力ユニットＤの電源側回路には電源電圧の立ち上がりを緩やかにするスロースタート回路５１が接続されて、過渡電流にもとづく回路素子の破壊を未然に防止している。
【００２９】
次に動作について説明する。まず、電源４６から各電気回路に電力を供給した後、電気光学プローブ１５Ａのプローブヘッド１の金属ピン１ａを測定点に接触させると、前記したように金属ピン１ａに発生した電界が電気光学素子２へ伝搬する。一方、レーザダイオード９からのレーザ光が電気光学素子２に伝搬し、その端面で反射されたレーザ光は、被測定信号の電圧に応じた偏向成分を含んで、１／２波長板４および１／４波長板５を通って偏向ビームスプリッタ６，８から分離出力される。
【００３０】
また、この分離出力された各レーザ光は電気光学プローブ１５Ａを出て光入出力ユニットＤのフォトダイオード２１，２２に各光ファイバケーブル３８，３９を通して照射されて、ここでレーザ光の強度に応じた電気信号に変換される。フォトダイオード２１，２２に発生した光電流は接続点Ｐに現れて、増幅器２７，同軸コネクタ４５，増幅器４１，フィルタ４２，増幅器４３および測定信号出力端子４４を通して、オシロスコープやスペクトラムアナライザなどの測定器へ出力される。
【００３１】
また、レーザダイオード９の出力が変動すると、被測定信号が一定状態を保っていても、フォトダイオード２１，２２に流れる電流が変化する。このため、各電流モニタ２５，２６を介して得られる電圧の加算値も変化し、この加算値は基準電圧発生部３２からの電圧基準値と演算増幅器３０にて比較演算され、この演算結果に従ってレーザダイオード９の光が安定するような制御信号が電流駆動回路３４に入力される。このため、フォトダイオード２１，２２に流れる電流の変化に拘らずレーザダイオード９の光出力を安定させることができ、被測定信号の検出感度を一定に保つことができる。
【００３２】
このように被測定信号の電圧に応じた偏向特性を持つ二つの光信号を受光し、これらの信号の変動に応じてレーザダイオード９の出力光の調整を行えるようにすることで、その変動が測定信号の誤差となって現れるのを防止でき、受光した光信号を精度よく電気信号に変換でき、これにより測定器による測定精度の向上を図ることができる。
【００３３】
そして、本発明によれば、電気光学プローブ１５Ａおよび光入出力ユニットＤ間で取り扱う光信号および電気信号のレベルが比較的小さくかつ微妙に変化するため、これらの光信号および電気信号の授受を、コネクタを使わずに、電気光学プローブ１５Ａおよび光入出力ユニットＤ間に固定的に接続された光ファイバケーブル３８，３９および同軸ケーブル３７を用いて行えるようにしてある。こうすることで、光信号や電気信号の損失や外部への洩れを確実に防止できる。また、その光ファイバケーブル３８，３９および同軸ケーブル３７を短くすれば、損失をさらに低減でき被測定信号の検出感度を一段と向上できる。
【００３４】
また、電気光学プローブ１５Ａは用途により使い分けられ、この場合にも光入出力ユニットＤと一体として組み付けられて取り扱われる。一方、光入出力ユニットＤと電源供給／測定信号出力ユニットＥとは、測定信号の出力用としての同軸コネクタ４５と、電源電圧やバランスモニタ信号，フォトカレントモニタ信号の入出力用としての多極コネクタ５０とによって着脱可能に接続されて、これらの着脱が任意に行えるようになっている。従って、用途に応じて電気光学プローブ１５Ａはこれに一体の光入出力ユニットＤとともに、電源供給／測定信号出力ユニットＥに対し接続替えが行われる。なお、電源供給／測定信号出力ユニットＥに測定信号の伝送系が複数チャンネル分設けられている場合にも、電気光学プローブ１５Ａは光入出力ユニットＤと一体となって所定の同軸コネクタ４５を介していずれかのチャンネルの増幅器４１，４３やフィルタ４２に繋るように着脱可能に接続される。
【００３５】
なお、電気光学プローブ１５Ａの種類としては、例えば感度１，周波数特性１０ＭＨｚ〜１ＧＨｚの標準タイプと、感度３，周波数特性５０ＭＨｚ〜１ＧＨｚの高感度タイプのものがあり、これらには各タイプに応じた性能や機能を持つ光入出力ユニットが一体に接続される。
【００３６】
また、プローブヘッド１の電気光学素子２に金属ピン１ａを当接するのに代えて、この金属ピン１ａを着脱（交換）可能に支持するソケットを当接しておくことで、金属ピン１ａのみの交換を迅速，容易に行うことができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば電気光学プローブと光入出力ユニットとをケーブルにより接続し、前記光入出力ユニットと電源供給／測定信号出力ユニットとをコネクタにより分離可能に接続したので、扱う信号としてレベルの低い光信号や被測定信号の損失またはアンバランスの発生を防止できるほか、扱う信号レベルが比較的大きい部分でのコネクタ接続によってその取り扱いや使用を容易化できるという効果が得られる。
【００３８】
また、本発明によれば前記電源供給／測定信号出力ユニットに、前記接続点に得られる電気信号を増幅して出力する増幅器を複数チャンネル分設けたので、用途に応じて性能が異なる電気光学プローブの複数組を光入出力ユニットとともに電源供給／測定信号出力ユニットに接続することができ、用途別の測定作業の切り換えが迅速に行えるという利点が得られる。また、電気光学プローブを用途ごとに異なった光入出力ユニットに接続するようにしたので、用途ごとに異なる一体の電気光学プローブおよび光入出力ユニットとして、電源供給／測定信号出力ユニットに着脱自在に接続可能となり、その使用や取り扱いが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の一形態による測定信号出力装置を示すブロック図である。
【図２】  従来の測定信号出力装置における電気光学プローブを概念的に示す構成図である。
【図３】  従来の測定信号出力装置における受光回路を示すブロック図である。
【符号の説明】
１５Ａ  電気光学プローブ
２１  フォトダイオード（第１の光電変換素子）
２２  フォトダイオード（第２の光電変換素子）
２３  正のバイアス電源（第１のバイアス電源）
２４  負のバイアス電源（第２のバイアス電源）
２７，４１，４３  増幅器（出力回路）
３４  電流駆動回路
３７  同軸コード（ケーブル）
３８，３９  光ファイバケーブル（ケーブル）
４５  同軸コネクタ（コネクタ）
４６  電源
５０  多極コネクタ（コネクタ）
Ｄ  光入出力ユニット
Ｅ  電源供給／測定信号出力ユニット
Ｐ  接続点
【図１】
0003688544.tif 000002
【図２】
0003688544.tif 000003
【図３】
0003688544.tif 000004