(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を持つ電気光学素子と、
前記電気光学素子に取り付けられるとともに被測定対象に電気的に接続される第１電極と、前記電気光学素子に前記第１電極と分離して取り付けられた第２電極と、
前記電気光学素子に光を照射する第１光源と、
前記電気光学素子を通った光の偏光状態を解析して前記被測定対象の電圧波形の交流成分を検出する偏光解析器と、
前記第２電極に入力端子を接続され、前記被測定対象の電圧波形の直流成分を出力する増幅器と、
前記偏光解析器の出力から得る被測定対象の電圧波形の交流成分と、前記増幅器の出力する被測定対象の電圧波形の直流成分とを合成して被測定対象の測定波形を得る電圧波形合成処理部と
を有する電圧波形測定装置。
【請求項２】
電気光学効果を持つ電気光学素子と、
前記電気光学素子に取り付けられるとともに被測定対象に電気的に接続される第１電極と、前記電気光学素子に前記第１電極と分離して取り付けられた第２電極と、
前記電気光学素子に光を照射する第１光源と、
前記電気光学素子を通った光の偏光状態を解析して前記被測定対象の電圧波形の高周波成分を検出する偏光解析器と、
前記第２電極に入力端子を接続され、前記被測定対象の電圧波形の低周波成分を出力する増幅器と、
前記偏光解析器の出力から得る被測定対象の電圧波形の高周波成分と、前記増幅器の出力する被測定対象の電圧波形の低周波成分とを合成して被測定対象の測定波形を得る電圧波形合成処理部と
を有する電圧波形測定装置。
【請求項３】
前記被測定対象に接触する針状導体を備える
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電圧波形測定装置。
【請求項４】
前記電気光学素子は、
ＢＳＯ、ＧａＡｓまたはＺｎＴｅの何れかの電気光学材料である
ことを特徴とする請求項１、請求項２または請求項３に記載の電圧波形測定装置。
【請求項５】
前記増幅器が、出力を入力に帰還するように構成されている
ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３または請求項４に記載の電圧波形測定装置。
【請求項６】
前記増幅器は、
入力トランジスタとして電界効果トランジスタを用いた演算増幅器で構成した
ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５に記載の電圧波形測定装置。
【請求項７】
前記第２電極は透明電極であり、前記電気光学素子の第１電極と対向する面に取り付けられている
ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５に記載の電圧波形測定装置。
【請求項８】
前記増幅器の出力を検出するときに前記第２電極を増幅器の入力端子に接続し、
前記偏光解析器の出力を検出するときに上記第２電極を増幅器から切り離すかまたは終端させる
ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５に記載の電圧波形測定装置。
【請求項９】
前記電気光学素子に導電性を与える波長の光を照射する第２光源を有する
ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７または請求項８に記載の電圧波形測定装置。
【請求項１０】
前記電気光学素子上の第１電極と第２電極との間を接続する光導電体または抵抗体を備える
ことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５に記載の電圧波形測定装置。
【請求項１１】
前記第２電極に一端を接続され、他端を接地された高抵抗素子を設けたことを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４または請求項５に記載の電圧波形測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電圧波形測定装置に関し、電気光学効果を有する素子を用いて電圧波形測定を行う装置に関する。
ＬＳＩ等の半導体素子を設計、製造する上で、素子内部の配線に印加されている電圧波形を正確に捉えて置くことが必要不可欠である。一方、素子の集積度向上に従って、配線幅は狭くなって来ており、従来の測定技術では対応が難しくなって来ている。そのため、微細配線に対応可能な検査技術、電圧波形観測技術の開発が要望されている。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路内部の微細な配線の高速電圧波形を測定する方法として、顕微鏡下で針状の先端を持つプローブを配線に当ててオシロスコープで電圧を測定する方法、電子顕微鏡で配線に短パルスの電子ビームを当てて放出する２次電子のエネルギーを分析する方法が一般的である。その他に、電気光学効果を持つ素子を測定対象に接近または接触させ、測定対象からの電圧により電気光学素子に誘起された複屈折の変化を電気光学素子に光を当ててその偏光状態の変化を検出することにより高速電圧波形の測定を行う方法がある。さらに光をパルス化してサンプリングを行う方法を以下、「電気光学サンプリング」と呼ぶ。この方法は、電気光学効果の応答が早く、光パルスも極めて短かいものが得られるため超高時間分解能が得られる。また、測定対象へ与える負荷の影響も小さい。一般に電気光学効果が微弱であるため、レーザ光パルス１つで得られる電圧分解能は悪くて繰返し測定による加算平均が必要であるが、電子ビームを使用する方法と比べればＳ／Ｎがよい。一般的に、電気光学サンプリングでは、光学顕微鏡で電気光学素子の測定配線への位置合わせを行うが、位置合わせ手段としての光学顕微鏡の解像限界とともに、電圧測定の空間分解能も電気光学サンプリングに使うパルス光ビーム径で制限され、微細な配線の電圧が測定出来ない。そこで、原子間力顕微鏡の機能を持つ微細な針状導体を付けた電気光学素子を用いて、原子間力顕微鏡による位置合わせと電気光学サンプリングによる電圧測定を一体で行う方法が提案されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
電気光学効果を使用した電圧測定方法では、基本原理的には電気光学素子への印加電圧と偏光状態の検出値の関係を知っていれば、電圧波形測定を直流電圧レベルまで測定することが可能である。しかし、実際には電気光学素子の持つ電気光学効果が大変微小なために、様々な要素のドリフト、例えば温度変化による電気光学素子の複屈折のドリフトや光量、光軸のドリフトなどの影響を受けやすく、高い電圧測定精度を得ることが出来ない。
【０００４】
これらのドリフトによる測定誤差は時間的にゆっくりしたものなので、なんらかの方法でこの低周波成分を除去した測定を行って交流信号成分のみの電圧測定精度を得ることができる。光をパルス化してサンプリングを行うのではなく、連続光を使う場合には、偏光解析器の出力をハイパスフィルタに通すか、あるいはＡ／Ｄ変換後に低周波成分を除去する演算を行えばよい。電気光学サンプリングでの信号処理方法としては、いくつかの方法がある。それぞれに対して、ここで問題としているドリフト成分を除去するには、以下のような方法がある。
【０００５】
周期的な被測定波形に対して、僅かに異なる周期の光パルスで電気光学サンプリングを行い、偏光解析器のパルス状の出力をパルス光繰返し周波数に比べて十分帯域の低いローパスフィルタに通して、被測定波形周波数と光パルス繰返し周波数の差周波数を繰返し周波数とする電圧波形を得るのがもっとも単純な信号処理方式である。この信号処理方式の場合に、問題のドリフト成分を除去するには、ローパスフィルタ出力電圧波形に丁度ドリフトを取り除くようなハイパスフィルタをかけるか、又はＡ／Ｄ変換後に低周波成分を除去する演算を行えばよい。
【０００６】
上記方法で、さらに光パルスをチョッピングしてロックインアンプでチョッピングに同期させて検出する方法もよく使われる。これは、検出電気回路のノイズを除去するのに有効である。この信号処理方式でも上と同様に、ロックインアンプ出力電圧波形に丁度ドリフトを取り除くようなハイパスフィルタをかけるか、Ａ／Ｄ変換後の同等の演算により問題のドリフト成分を除去することができる。
【０００７】
各光パルスに対応した偏光検出器のアナログ出力パルス波形を各パルスタイミングに合わせてＡ／Ｄ変換して、その後の加算平均などの信号処理をデジタル処理で行う方法もある。この場合は、任意のタイミングで光パルスを出力できる光源を使って、被測定波形の各周期における光パルスの照射タイミングをＣＰＵなどから全く任意に設定する測定が可能になる。また、任意のタイミングで光パルスを出力して測定する場合には、被測定繰返し波形の１周期内に適当に基準のタイミングを設定し、ドリフトが無視できるような短い時間間隔内に、任意のタイミングの電圧測定と基準タイミングの電圧測定を交互に行い、基準タイミングの電圧からの電圧差を測定することでドリフト成分を除去する方法（以下「ベースラインサンプリング」と呼ぶ）がある。
【０００８】
しかし、以上のような測定方法では、ドリフトによる電圧測定精度の低下を防ぐことが出来るが、被測定波形の交流成分のみを測定し、直流電圧レベルは測定出来ない。しかしながら、集積回路内部配線の波形測定、検査などには、交流成分のみの測定では不十分で、直流成分まで精度よく測定を行うことが必要であり、従来装置ではこれを満足できないという問題があった。
【０００９】
本発明は上記の点に鑑みなされたもので、電気光学効果を利用して測定された被測定対象の周期的な電圧波形のドリフト成分を除去して直流成分まで高精度に測定できる電圧波形測定装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、電気光学効果を持つ電気光学素子と、
前記電気光学素子に取り付けられるとともに被測定対象に電気的に接続される第１電極と、前記電気光学素子に前記第１電極と分離して取り付けられた第２電極と、
前記電気光学素子に光を照射する第１光源と、
前記電気光学素子を通った光の偏光状態を解析して前記被測定対象の電圧波形の交流成分を出力する偏光解析器と、
前記第２電極に入力端子を接続され、前記被測定対象の電圧波形の直流成分を出力する増幅器と、
前記偏光解析器の出力から得る被測定対象の電圧波形の交流成分と、前記増幅器の出力する被測定対象の電圧波形の直流成分とを合成して被測定対象の測定波形を得る電圧波形合成処理部とを有する。
【００１１】
このように増幅器により被測定対象の電圧波形の直流成分を検出し、この直流成分を偏光解析器で得た交流成分と合成することにより、被測定対象の電圧波形を直流成分から交流成分まで高精度に測定することができる。
請求項２に記載の発明は、電気光学効果を持つ電気光学素子と、
前記電気光学素子に取り付けられるとともに被測定対象に電気的に接続される第１電極と、前記電気光学素子に前記第１電極と分離して取り付けられた第２電極と、
前記電気光学素子に光を照射する第１光源と、
前記電気光学素子を通った光の偏光状態を解析して前記被測定対象の電圧波形の高周波成分を出力する偏光解析器と、
前記第２電極に入力端子を接続され、前記被測定対象の電圧波形の低周波成分を出力する増幅器と、
前記偏光解析器の出力から得る被測定対象の電圧波形の高周波成分と、前記増幅器の出力する被測定対象の電圧波形の低周波成分とを合成して被測定対象の測定波形を得る電圧波形合成処理部とを有する。
【００１２】
このように増幅器により被測定対象の電圧波形の低周波成分を検出し、この低周波成分を偏光解析器で得た高周波成分と合成することにより、被測定対象の電圧波形を直流成分から高周波成分まで高精度に測定することができる。
請求項３に記載の発明は、前記被測定対象に接触する針状導体を備える。
【００１３】
請求項４に記載の発明では、前記電気光学素子は、
ＢＳＯ、ＧａＡｓまたはＺｎＴｅの何れかの電気光学材料である。
【００１４】
請求項５に記載の発明では、前記増幅器が、出力を入力に帰還するように構成されている。
【００１６】
請求項６に記載の発明では、前記増幅器は、
入力トランジスタとして電界効果トランジスタを用いた演算増幅器で構成する。
【００１７】
これにより、増幅器の入力インピーダンスを電気光学素子の第１電極と第２電極との間の抵抗値に比べて充分に高くでき、第２電極の第１電極に対する電圧降下を小さくすることができる。
【００１８】
請求項７に記載の発明では、前記第２電極は透明電極であり、前記電気光学素子の第１電極と対向する面に取り付けられている。
このように、第２電極を透明電極とすることにより、電気光学素子の印加電界方向と測定光の進行方向が平行な縦型変調を行うことが可能となる。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、前記増幅器の出力を検出するときに前記第２電極を増幅器の入力端子に接続し、
前記偏光解析器の出力を検出するときに上記第２電極を増幅器から切り離すかまたは終端させる。
このように、第２電極を増幅器から切り離すことで配線がアンテナとなって第２電極にノイズが入り込むのを防ぐことができ、高周波成分の測定時に第２電極に発生する電圧を吸収して反射による測定波形のみだれを防止できる。
【００２０】
請求項９に記載の発明は、前記電気光学素子に導電性を与える波長の光を照射する第２光源を有する。
これにより、電気光学素子の抵抗値が高すぎて増幅器の電圧測定精度が得られない場合に上記電気光学素子の抵抗値を低下させることができる。
【００２１】
請求項１０に記載の発明は、前記電気光学素子上の第１電極と第２電極との間を接続する光導電体または抵抗体を備える。
【００２２】
これにより、電気光学素子自体の光導電性を利用するよりも効率良く第１，第２電極間の抵抗低減を行うことができ、また、電気光学素子の抵抗値が高すぎる場合に、第１，第２電極間の抵抗値を抵抗体によって簡単に所定の値に設定することができる。
請求項１１に記載の発明は、前記第２電極に一端を接続され、他端を接地された高抵抗素子を設ける。
【００２３】
これによって、抵抗体と高抵抗素子夫々の抵抗値を用いて増幅器の出力電圧から第１電極の平均電圧を正確に知ることができる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
図１は本発明装置の第１実施例の構成図を示す。同図中、電気光学素子１０は例えばＧａＡｓ，Ｂｉ12ＳｉＯ20（ＢＳＯ：ビスマス・シリコン・オキサイド）ＺｎＴｅ等の電気光学効果と僅か導電性を持つ結晶で構成されている。勿論、電気光学素子１０としては結晶作成時に混入する不純物で発生する導電性を利用しても良いし、積極的に不純物を注入して必要とされる導電性を得たものであっても良い。
【００２９】
電気光学素子１０には第１電極１２と、第２電極１４とが互いに分離して取り付けられている。第１電極１２には針状導体１６が接続されており、この針状導体１６の先端をＬＳＩ１８の内部配線２０に接触させ、配線２０の電圧を電気光学素子１０に印加する。第２電極１４は入力インピーダンスの高い、例えば入力トランジスタとしてＦＥＴを用いたＦＥＴ入力の増幅器２２の入力端子に接続されている。
【００３０】
レーザパルス光源及び偏光解析器２４のレーザパルス光源から光パルスを発射し、電気光学素子１０に照射し、電気光学素子１０の内部で反射された反射光を偏光解析器で解析する。この偏光解析器は図２に示すように、反射光をビームスプリッタ３０で直交する２つの偏光成分に分離する。一方の偏光成分はフォトディテクタ３２で検出（光電変換）され、他方の偏光成分はフォトディテクタ３４で検出（光電変換）される。このフォトディテクタ３２，３４夫々の出力は差動増幅器３６に供給されて、両出力の差がとられ、この差信号が解析結果として端子３８から出力される。
【００３１】
電気光学素子１０には第１電極１２の電圧に応じた複屈折が誘起され、これによって偏光状態が変化する。ここではＬＳＩ１８の配線２０に周期的な波形の信号（被測定波形）を印加し、光パルスの照射タイミングを上記の信号周期に対してずらしながら測定を繰り返し、また、従来からある適当な方法によりドリフト成分を除去して被測定波形の高周波成分を得る。なお、このような操作は電圧波形合成処理部２０内で行なわれる。
【００３２】
電気光学素子１０は僅かな電気導電性を持ち、第１電極１２と第２電極１４との間の抵抗値はギガオーム程度となる。第２電極１４に接続されるＦＥＴ入力の増幅器２２の入力インピーダンスは１テラオームから１０００テラオームであり、電気光学素子１０の第１，第２電極間抵抗と比べて１０００倍以上高い。
【００３３】
従って、増幅器２２の出力電圧を測定することにより被測定波形電圧の平均値、つまり低周波成分あるいは直流成分を得ることができる。なお、増幅器２２の応答速度は電気光学素子１０の第１，第２電極間抵抗と、第２電極１４と増幅器２２間の配線容量との積で表わされる時定数を持ち、0.1sec程度であるが、被測定波形電圧の直流成分の測定には何ら問題はない。
【００３４】
上記のレーザパルス光源及び偏光解析器２４，及び増幅器２２夫々の出力する被測定波形の高周波成分と直流成分は電圧波形合成処理部２６に供給されて、ここで合成演算処理を行い、被測定波形を完全に再現して端子２８から出力する。図３は本発明装置の第２実施例の構成図を示す。同図中、電気光学素子１０は例えばＧａＡｓ，ＢＳＯ，ＺｎＴｅ等の電気光学効果と僅か導電性を持つ結晶で構成されている。勿論、電気光学素子１０としては結晶作成時に混入する不純物で発生する導電性を利用しても良いし、積極的に不純物を注入して必要とされる導電性を得たものであっても良い。
【００３５】
電気光学素子１０には第１電極１２と、第２電極１４とが互いに分離して取り付けられている。第１電極１２には針状導体１６が接続されており、この針状導体１６の先端をＬＳＩ１８の内部配線２０に接触させ、配線２０の電圧を電気光学素子１０に印加する。第２電極１４は入力インピーダンスの高い、入力トランジスタとしてＦＥＴを用いたＦＥＴ入力オペアンプ（演算増幅器）４０の非反転入力端子に接続されている。オペアンプ４０の出力端子を反転入力端子に接続してゲイン１の非反転増幅器を構成しており、オペアンプ４０の出力信号は電圧波形合成処理部２６に供給される。
【００３６】
このように、増幅器をオペアンプ４０で構成したときオペアンプの入力バイアス電流が電気光学素子１０に流れオフセット電圧を発生するが、低入力バイアス電流のＦＥＴ入力オペアンプではバイアス電流が0.1pA 以下であり、電気光学素子１０の抵抗が１ＧΩであった場合、オフセット電圧は0.1mV と小さいので無視できる。なお、図３ではオペアンプ４０をゲイン１のボルテージフォロアとして使用しているが、ゲインを１以上として感度を上げる構成としても良い。
【００３７】
図４は本発明装置の第３実施例の構成図を示す。同図中、電気光学素子１０は例えばＧａＡｓ，ＢＳＯ，ＺｎＴｅ等の電気光学効果と僅か導電性を持つ結晶で構成されている。勿論、電気光学素子１０としては結晶作成時に混入する不純物で発生する導電性を利用しても良いし、積極的に不純物を注入して必要とされる導電性を得たものであっても良い。
【００３８】
電気光学素子１０には第１電極１２と、第２電極４２とが互いに分離して取り付けられている。第１電極１２には針状導体１６が接続されており、この針状導体１６の先端をＬＳＩ１８の内部配線２０に接触させ、内部配線２０の電圧を電気光学素子１０に印加する。
【００３９】
第２電極４２は透明電極で構成されている。この透明電極は第１電極１２と対向して電気光学素子１０のレーザパルス光源から光パルスが照射される面に設けられており、高入力インピーダンスの増幅器２２の入力端子に接続されている。このため、光パルスは透明な第２電極４２を通して電気光学素子１０に入射し、その反射光は第２電極４２を通して偏光解析器に向けて出射される。従って、電気光学素子１０への印加電界方向と、光パルスの進行方向が平行な縦型変調（電圧により光パルスの偏光角度を変調している）を行う場合に好適である。
【００４０】
図５（Ａ）は本発明装置の第４実施例の構成図を示す。同図中、電気光学素子１０は例えばＢＳＯ，ＺｎＴｅ等の電気光学効果と僅か導電性を持つ結晶で構成されている。勿論、電気光学素子１０としては結晶作成時に混入する不純物で発生する導電性を利用しても良いし、積極的に不純物を注入して必要とされる導電性を得たものであっても良い。
【００４１】
電気光学素子１０には第１電極１２と、第２電極４２とが互いに分離して取り付けられている。第１電極１２には針状導体１６が接続されており、この針状導体１６の先端をＬＳＩ１８の内部配線２０に接触させ、配線２０の電圧を電気光学素子１０に印加する。
【００４２】
第２電極４２は透明電極で構成されている。この透明電極は第１電極１２と対向して電気光学素子１０のレーザパルス光源から光パルスが照射される面に設けられている。
第２電極４２は外部導体を接地された同軸ケーブル４４の内部導体の一端に接続され、この内部導体の他端はスイッチ４６の可動接点に接続されている。スイッチ４６の第１固定接点は終端素子４８を介して接地され、第２の固定接点は増幅器２０の入力端子に接続されている。スイッチ４６は高周波成分の測定時に第１固定接点を接続し、低周波成分の測定時に第２固定接点を接続する。
【００４３】
この場合、スイッチ４６を第２電極４２の近傍に設けることにより、電気光学効果による高周波成分の測定時に増幅器２２までの配線を切り離して、この配線から入り込むノイズで第２電極４２の電圧が変動し電気光学効果による高周波成分の測定に影響を与えることを防止できる。
【００４４】
更に増幅器２２からスイッチ４６で切り離した第２電極４２を接地することにより、第２電極４２をゼロ電位に保ち、電気光学素子１０に印加される電界強度を強くして電気光学効果による高周波成分の測定感度を上げることもできる。
また、電気光学効果による高周波成分の測定時に第１電極１２上の電圧信号の一部が第１，第２電極間の容量結合によって第２電極４２に誘起され、同軸ケーブル４４を伝搬するが、スイッチ４６から終端素子４８により終端すれば、高入力インピーダンスの増幅器２２あるいは、スイッチで切り離した場合は切り離し部分、接地した場合は接地部分で反射して第２電極４２に戻り高周波成分の測定に影響を与えることを防止できる。
【００４５】
ところで、図５（Ｂ）に示すようにスイッチ４６の第１固定接点を開放しておき、高周波成分の測定時に第２電極４２を増幅器２２から切り離すだけであっても良い。この場合にも第２電極４２う増幅器２２から切り離すことで配線がアンテナとなって第２電極４２にノイズが入り込むことを防止できる。
【００４６】
図６は本発明装置の第５実施例の構成図を示す。同図中、電気光学素子１０は例えばＧａＡｓ，ＢＳＯ，ＺｎＴｅ等の電気光学効果と僅か導電性を持つ結晶で構成されている。勿論、電気光学素子１０としては結晶作成時に混入する不純物で発生する導電性を利用しても良いし、積極的に不純物を注入して必要とされる導電性を得たものであっても良い。
【００４７】
電気光学素子１０には第１電極１２と、第２電極１４とが互いに分離して取り付けられている。第１電極１２には針状導体１６が接続されており、この針状導体１６の先端をＬＳＩ１８の内部配線２０に接触させ、配線２０の電圧を電気光学素子１０に印加する。第２電極１４は入力インピーダンスの高い、例えば入力トランジスタとしてＦＥＴを用いたＦＥＴ入力の増幅器２２の入力端子に接続されている。
【００４８】
電気光学素子２０の光パルス入射面の近傍には第２光源５０が設けられている。この第２光源５０は電気光学素子２０の光導電性を引き起こす波長の光を電気光学素子２０に照射する。
例えば、ＧａＡｓ，ＢＳＯ，ＺｎＴｅなどの電気光学素子２０は、光導電性を持っている。電気光学素子の抵抗が高すぎて、増幅器による低周波成分の電圧測定の精度が得られない場合や、増幅器による測定応答速度をより早くしたい場合に第２光源５０を点灯して電気光学素子２０の抵抗値を低下させると効果的である。
【００４９】
図７，図８夫々は本発明装置の第６，第７実施例の構成図を示す。図７において、電気光学素子１０は例えばＧａＡｓ，ＢＳＯ，ＺｎＴｅ等の電気光学効果と僅か導電性を持つ結晶で構成されている。勿論、電気光学素子１０としては結晶作成時に混入する不純物で発生する導電性を利用しても良いし、積極的に不純物を注入して必要とされる導電性を得たものであっても良い。
【００５０】
電気光学素子１０には第１電極１２と、第２電極４２とが互いに分離して取り付けられている。第１電極１２には針状導体１６が接続されており、この針状導体１６の先端をＬＳＩ１８の内部配線２０に接触させ、配線２０の電圧を電気光学素子１０に印加する。
【００５１】
第２電極４２は透明電極で構成されている。この透明電極は第１電極１２と対向して電気光学素子１０のレーザパルス光源から光パルスが照射される面に設けられており、高入力インピーダンスの増幅器２２の入力端子に接続されている。電気光学素子１０に光導電性を誘起するための第２光源５０からの光を照射するに、電気光学効果測定の光路中に光フィルタ５２を傾斜して設けている。ここで、光フィルタ５２は、電気光学素子１０に光導電を起こす波長の光を反射し、電気光学効果測定用の光波長を通す。このような構成をとることで、細い管で電気光学素子１０が支持されて、その中に電気光学効果測定用の光を通すような、周囲から光を照射できない場合においても、光導電性誘起用の光を電気光学素子に照射することが可能になる。
【００５２】
また、この構成とは逆に、光フィルタ５２として、電気光学素子１０に光導電を起こす波長の光を透過し、電気光学効果測定用の光波長を反射するものを使用し、レーザパルス光源及び偏光解析器２４と第２光源５０の配置を入れ換えた構成にしてもよい。
【００５３】
更に図８では光フィルタ５２の代わりに、中心部に穴の開いたミラー５６を使用している。電気光学効果測定の光はこの穴を通過する。第２光源５０の光は、ミラー５６で反射して電気光学素子１０に入射する。光フィルタを使用すると、電気光学効果測定用光の減衰が起きるが、この方法ではそれが避けられる利点がある。
【００５４】
図９は本発明装置の第８実施例の構成図を示す。同図中、電気光学素子１０は例えばＧａＡｓ，ＢＳＯ，ＺｎＴｅ等の電気光学効果と僅か導電性を持つ結晶で構成されている。勿論、電気光学素子１０としては結晶作成時に混入する不純物で発生する導電性を利用しても良いし、積極的に不純物を注入して必要とされる導電性を得たものであっても良い。
【００５５】
電気光学素子１０には第１電極１２と、第２電極１４とが互いに分離して取り付けられている。第１電極１２には針状導体１６が接続されており、この針状導体１６の先端をＬＳＩ１８の内部配線２０に接触させ、配線２０の電圧を電気光学素子１０に印加する。第２電極１４は入力インピーダンスの高い、例えば入力トランジスタとしてＦＥＴを用いたＦＥＴ入力の増幅器２２の入力端子に接続されている。
【００５６】
電気光学素子１０の第１電極１２と第２電極１４との間には光導電体６０が接合されている。第２光源５０はこの光導電体６０に光導電性を引き起こす波長の光を照射する。これによって第１電極１２と第２電極１４との間の抵抗値を低減でき電気光学素子１０自体の光導電性を利用するよりも効率良く抵抗値低減を行う。
【００５７】
図１０，図１１は本発明装置の第９，第１０実施例の構成図を示す。図１０中、電気光学素子１０は例えばＧａＡｓ，ＢＳＯ，ＺｎＴｅ等の電気光学効果と僅か導電性を持つ結晶で構成されている。勿論、電気光学素子１０としては結晶作成時に混入する不純物で発生する導電性を利用しても良いし、積極的に不純物を注入して必要とされる導電性を得たものであっても良い。
【００５８】
電気光学素子１０には第１電極１２と、第２電極１４とが互いに分離して取り付けられている。第１電極１２には針状導体１６が接続されており、この針状導体１６の先端をＬＳＩ１８の内部配線２０に接触させ、配線２０の電圧を電気光学素子１０に印加する。第２電極１４は入力インピーダンスの高い、例えば入力トランジスタとしてＦＥＴを用いたＦＥＴ入力の増幅器２２の入力端子に接続されている。
【００５９】
電気光学素子１０の第１電極１２と第２電極１４との間は高抵抗体６２で接続されている。これは電気光学素子１０の抵抗値が高すぎて増幅器２２による低周波成分の測定を精度良く行えない場合や、増幅器２２の電圧測定応答速度を速くする場合に有効である。
【００６０】
図１１では増幅器２２の入力端子に抵抗値Ｒ２の高抵抗素子６４の一端を接続し、他端を接地している。高抵抗体６２の抵抗値をＲ１とし、増幅器２２の出力電圧をＶ0 とすると第１電極１２の電圧Ｖi は次式で表わされる。
Ｖi ＝Ｖ0 ×（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ２
これによって、第１電極の電圧を正確に検知できる。
【００６１】
図１２は本発明装置の第１１実施例の構成図を示す。同図中、電気光学素子１０は例えばＢＳＯ，ＺｎＴｅ等の電気光学効果と僅か導電性を持つ結晶で構成されている。勿論、電気光学素子１０としては結晶作成時に混入する不純物で発生する導電性を利用しても良いし、積極的に不純物を注入して必要とされる導電性を得たものであっても良い。
【００６２】
電気光学素子１０には第１電極１２と、第２電極４２とが互いに分離して取り付けられている。第１電極１２には針状導体１６が接続されており、この針状導体１６の先端をＬＳＩ１８の内部配線２０に接触させ、配線２０の電圧を電気光学素子１０に印加する。
【００６３】
第２電極４２は透明電極で構成されている。この透明電極は第１電極１２と対向して電気光学素子１０のレーザパルス光源から光パルスが照射される面に設けられている。
第２電極４２は同軸ケーブル４４の内部導体の一端に接続され、この内部導体の他端はスイッチ４６の可動接点に接続されている。スイッチ４６の第１固定接点は終端素子４８を介して接地され、第２の固定接点は増幅器２０の入力端子に接続されている。同軸ケーブル４４の外部導体はスイッチ６６の可動接点に接続され、スイッチ６６の第１固定接点は接地され、第２固定接点は増幅器２２の出力端子に接続されている。更に増幅器２２まわりの接地面やスイッチ４６，６６の実装部分、電気光学素子１０を支持する部分の周囲の金属部分もスイッチ６６の可動接点に接続すればなおよい。
【００６４】
スイッチ４６，６６夫々は高周波成分の測定時に第１固定接点を接続して同軸ケーブル４４の外部導体を接地し、低周波成分の測定時に第２固定接点を接続して同軸ケーブル４４の外部導体を増幅器２２の出力端子に接続する。
この場合、スイッチ４６を第２電極４２の近傍に設けることにより、電気光学効果による高周波成分の測定時に増幅器２０までの配線を切り離して、この配線から入り込むノイズで第２電極４２の電圧が変動し電気光学効果による高周波成分の測定に影響を与えることを防止できる。
【００６５】
更に増幅器からスイッチで切り離した第２電極を終端素子４８を用いず直接接地することにより、第２電極４２をゼロ電位に保ち、電気光学素子１０に印加される電界強度を強くして電気光学効果による高周波成分の測定感度を上げることもできる。
【００６６】
また、電気光学効果による高周波成分の測定時に第１電極１２上の電圧信号の一部が第１，第２電極間の容量結合によって第２電極４２に誘起され、同軸ケーブル４４を伝搬するが、スイッチ４６から終端素子４８により終端すれば、高入力インピーダンスの増幅器２２あるいは、スイッチで切り離すか、接地した場合は切り離し部分、接地部分で反射して第２電極４２に戻り高周波成分の測定に影響を与えることを防止できる。
【００６７】
低周波成分の測定時には同軸ケーブル４４の外部導体を増幅器２２の出力端子に接続して、第２電極４２に接続される導体をシールドし、かつ導体からのもれ電流を防ぎ、さらに導体に付く容量の影響をキャンセルすることができ、この容量と第１，第２電極間抵抗の積の時定数で表わされる応答遅延をなくし、増幅器２２の測定応答速度を速くすることができる。
【００６８】
以上、第２電極を同軸ケーブルで接続するものとして説明したが、もちろんマイクロストリップライン等の伝送線でも同様に使用できる。
図１３は本発明装置の第１２実施例の構成図を示す。同図中、電気光学素子１０は例えばＧａＡｓ，Ｂｉ12，ＳｉＯ20（ＢＳＯ：ビスマス・シリコン・オキサイド），ＺｎＴｅ等の電気光学効果と僅か導電性を持つ結晶で構成されている。勿論、電気光学素子１０としては結晶作成時に混入する不純物で発生する導電性を利用しても良いし、積極的に不純物を注入して必要とされる導電性を得たものであっても良い。
【００６９】
電気光学素子１０には第１電極１２と、第２電極１４とが互いに分離して取り付けられている。第１電極１２には針状導体１６が接続されており、この針状導体１６の先端をＬＳＩ１８の内部配線２０に接触させ、配線２０の電圧を電気光学素子１０に印加する。第２電極１４は入力インピーダンスの高い、例えば入力トランジスタとしてＦＥＴを用いたＦＥＴ入力の増幅器２２の入力端子に接続されている。
【００７０】
増幅器２２の正電源電圧をツェナーダイオードＤＺ１０とトランジスタＴＲ１０と抵抗Ｒ１０とを用いて増幅器２２出力に一定電圧を加えた値とし、負電源電圧をツェナーダイオードＤＺ２０とトランジスタＴＲ２０と抵抗Ｒ２０とを用いて増幅器２２出力から一定電圧を引いた値とする。増幅器２２にオペアンプを用いた場合、こうすることで増幅器２２の差動入力抵抗を実効的に高めることができ、かつ入力電圧範囲もオペアンプの電源電圧定格を越えて拡大することができる。
【００７１】
また、第１電極１２に複数の既知の電圧を印加して増幅器２２出力を測定して図１９に示すようなマップを作成しておき、この関係をもとにして低周波成分の測定時に増幅器２の測定効果を補正するよう増幅器２２の後段に補正手段を設けても良い。この場合は、第２電極１４の絶縁が十分でなかったり、電気光学素子１０の抵抗が高すぎたり、その他何らかの原因で増幅器２２の出力に誤差が現れる場合にこれを補正することができる。
【００７２】
次に、電圧波形合成処理部２６が実行する処理について説明する。
図１４に示すように周期的な波形の被測定波形の１周期を分割したＮ位相をＰ1 〜ＰN とし、１周期のうちの基準位相をＰb とした場合の各位相Ｐ1 〜ＰN 及びＰb 夫々の測定電圧をＥ1 〜ＥN 及びＥb とする。この測定電圧は偏光解析部で光学的な測定値から結晶印加電圧への変換はされているものの直流電圧レベルは不確な値である。
【００７３】
図１５は基準電圧決定処理の一実施例のフローチャートを示す。同図中、ステップＳ１０では位相を指示する変数ｉに１を初期設定する。次にステップＳ２０で基準位相Ｐb の電圧をサンプリングして測定電圧Ｅb を得、ステップＳ３０で位相Ｐi の電圧をサンプリングして測定電圧Ｅi を得る。上記測定電圧Ｅb ，Ｅi は、１回のサンプリングだけではＳ／Ｎが低いため、複数回のサンプリングで得た値の加算平均を用いる。そしてステップＳ４０で相対値Ｄi ＝Ｅb −Ｅi を求める。この後、ステップＳ５０でｉ≧Ｎか否かを判別して、ｉ＜Ｎの場合にはステップＳ６０でｉを１だけインクリメントしてステップＳ２０に進みステップＳ２０〜Ｓ６０を繰り返す。これによってｉ＝１〜Ｎ夫々に対して相対値Ｄi が得られる。上記のステップＳ１０〜Ｓ６０はベースラインサンプリングである。ステップＳ１０〜Ｓ７０が平均化手段に対応し、ステップＳ８０，Ｓ９０が基準位相電圧決定手段に対応する。
【００７４】
ステップＳ５０でｉ≧Ｎとなった場合はステップＳ７０に進み、次式により平均値ＥAVを求める。
【００７５】
【数１】
0003732594.tif 000002
【００７６】
この平均値ＥAVは図１６に示すように基準位相Ｐb の電圧と、位相Ｐ1 〜ＰN の平均電圧との差となる。このため、ステップＳ８０で増幅器２２の出力する低周波成分測定値である平均電圧ＶDCを読み込み、ステップＳ９０で次式に示すように平均電圧ＶDCに平均値ＥAVを加算することにより、基準位相Ｐb の実電圧Ｖb を得て、処理サイクルを終了する。
【００７７】
Ｖb ＝ＶDC＋ＥAV
上記の処理により基準位相Ｐb の実電圧Ｖb が求まった後は、図１７に示すベースラインサンプリングによって任意の位相Ｐの実電圧Ｖを求めることができる。
【００７８】
図１７は電圧波形決定手段に対応するベースラインサンプリングのフローチャートを示す。同図中、ステップＳ１１０では位相切り換え回数を数える変数ｉに１を初期設定する。次にステップＳ１２０で基準位相Ｐb の電圧をサンプリングして測定電圧Ｅb を得、ステップＳ１３０で位相Ｐi の電圧をサンプリングして測定電圧Ｅi を得る。上記測定電圧Ｅbi，Ｅi は、１回のサンプリングだけではＳ／Ｍが低いため、複数回のサンプリングで得た値の加算平均を用いる。また、Ｅb とＥi を測定している間のドリフトが大きくならないようにＭ回（最低１回）に分けて繰り返し測定する。この後、ステップＳ１４０でｉ≧Ｍか否かを判別して、ｉ＜Ｍの場合にはステップＳ１５０でｉを１だけインクリメントしてステップＳ１２０に進みステップＳ１２０〜Ｓ１５０を繰り返す。ステップＳ１４０でｉ≧Ｍの場合はステップＳ１６０に進み、次式により実電圧Ｖを求め、処理を終了する。
【００７９】
【数２】
0003732594.tif 000003
【００８０】
これによって、任意の位相Ｐに対して実電圧Ｖが得られる。
電気光学的な測定では、一般にノイズを減らすために加算平均をしなければならず、基準点の電圧と平均電圧の差を求めるにも、精度を良くするためには多数回のサンプリングが必要である。しかし、１つの位相のサンプリングは１周期に１度しか出来ないために、周期が長くなると加算平均に必要な時間が長くなる。電気光学的な測定部のサンプリングが、被測定信号に同期して、被測定信号の周期より短い一定間隔で行われる場合には、実時間の１周期内に、複数の位相をサンプリングすることが出来る。このため、図１８に示すように、基準位相をサンプリング間隔（またはその整数倍）だけ相互に離れた複数の位相に設定し、複数の基準位相の平均電圧を基準電圧Ｖb として用いれば、１周期内で複数のサンプリングが出来るため、精度をより短い時間で向上させることが出来る。
【００８１】
基準電圧が決まれば、それに対する相対電圧の測定を、位相をずらして行っていけば、波形全体を測定することが出来るが、基準電圧の測定の安定性が波形測定全体の精度に効いてくるため、基準位相は電圧測定が安定に行える位置に選ぶのがよい。位相ジッタがある程度は避けられないので、位相の変化に対する信号電圧の変化率の小さい部分に基準位相を選べば精度が向上すると期待される。信号電圧の変化率の小さい部分を探すのに、上で述べた基準位相の電圧と平均電圧の差の測定を利用することが出来る。基準電圧に対する各位相Ｐa の電圧測定を行っているので、１周期の波形が測定されていることになる。ただし、電気光学的な測定では、一般にノイズを減らすために加算平均をしなければならず、この過程では全位相の平均で精度が有ればよく、位相Ｐa の各々の精度は十分でなく詳細な波形は分からない可能性があるが、パルス波形の立ち上がり、立ち下がりの部分を避けることなどには使える。
【００８２】
【発明の効果】
上述の如く、請求項１に記載の発明によれば、増幅器により被測定対象の電圧波形の直流成分を検出し、この直流成分を偏光解析器で得た交流成分と合成することにより、被測定対象の電圧波形を直流成分から交流成分まで高精度に測定することができる。
【００８３】
また、請求項２に記載の発明によれば、増幅器により被測定対象の電圧波形の低周波成分を検出し、この低周波成分を偏光解析器で得た高周波成分と合成することにより、被測定対象の電圧波形を直流成分から高周波成分まで高精度に測定することができる。
【００８８】
また、請求項６に記載の発明によれば、増幅器の入力インピーダンスを電気光学素子の第１電極と第２電極との間の抵抗値に比べて充分に高くでき、第２電極の第１電極に対する電圧降下を小さくすることができる。
【００９０】
また、請求項７に記載の発明によれば、第２電極を透明電極とすることにより、電気光学素子の印加電界方向と測定光の進行方向が平行な縦型変調を行うことが可能となる。
【００９１】
また、請求項８に記載の発明によれば、第２電極を増幅器から切り離すことで配線がアンテナとなって第２電極にノイズが入り込むのを防ぐことができ、高周波成分の測定時に第２電極に発生する電圧を吸収して反射による測定波形のみだれを防止できる。
【００９２】
また、請求項９に記載の発明によれば、電気光学素子の抵抗値が高すぎて増幅器の電圧測定精度が得られない場合に上記電気光学素子の抵抗値を低下させることができる。
【００９３】
また、請求項１０に記載の発明によれば、電気光学素子自体の光導電性を利用するよりも効率良く第１，第２電極間の抵抗低減を行うことができ、また、電気光学素子の抵抗値が高すぎる場合に、第１，第２電極間の抵抗値を抵抗体によって簡単に所定の値に設定することができる。
【００９４】
また、請求項１１に記載の発明によれば、抵抗体と高抵抗素子夫々の抵抗値を用いて増幅器の出力電圧から第１電極の平均電圧を正確に知ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の構成図である。
【図２】偏光解析器のブロック図である。
【図３】本発明の構成図である。
【図４】本発明の構成図である。
【図５】本発明の構成図である。
【図６】本発明の構成図である。
【図７】本発明の構成図である。
【図８】本発明の構成図である。
【図９】本発明の構成図である。
【図１０】本発明の構成図である。
【図１１】本発明の構成図である。
【図１２】本発明の構成図である。
【図１３】本発明の構成図である。
【図１４】本発明の電圧測定を説明するための図である。
【図１５】基準電圧決定処理のフローチャートである。
【図１６】本発明の電圧測定を説明するための図である。
【図１７】ベースラインサンプリングのフローチャートである。
【図１８】本発明の電圧測定を説明するための図である。
【図１９】本発明を説明するための図である。
【符号の説明】
１０  電気光学素子
１２  第１電極
１４，４２  第２電極
１６  針状導体
１８  ＬＳＩ
２０  配線
２２  増幅器
２４  レーザパルス光学及び偏光解析器
２６  電圧波形合成部
３０  ビームスプリッタ
３２，３４  フォトディテクタ
３６  差動増幅器
４４  同軸ケーブル
４６  スイッチ
４８  終端素子
５０  第２光源
５２  光フィルタ
５６  穴あきミラー
６０  光導電体
６２  高抵抗体
【図１】
0003732594.tif 000004
【図２】
0003732594.tif 000005
【図３】
0003732594.tif 000006
【図４】
0003732594.tif 000007
【図５】
0003732594.tif 000008
【図６】
0003732594.tif 000009
【図７】
0003732594.tif 000010
【図８】
0003732594.tif 000011
【図９】
0003732594.tif 000012
【図１０】
0003732594.tif 000013
【図１１】
0003732594.tif 000014
【図１２】
0003732594.tif 000015
【図１３】
0003732594.tif 000016
【図１４】
0003732594.tif 000017
【図１５】
0003732594.tif 000018
【図１６】
0003732594.tif 000019
【図１７】
0003732594.tif 000020
【図１８】
0003732594.tif 000021
【図１９】
0003732594.tif 000022