DE68913076T2

DE68913076T2 - Beobachtungsanordnung für elektrische Signale.

Info

Publication number: DE68913076T2
Application number: DE68913076T
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Aoshima; Yutaka Tsuchiya
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1988-05-31
Filing date: 1989-05-26
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2009-05-27
Also published as: EP0344986A2; JPH01302173A; EP0344986A3; US4967144A; DE68913076D1; EP0344986B1; JP2598458B2

Description

Diese Erfindung betrifft Beobachtungseinrichtungen für elektrische Signale, die ein optisches Signal als Meßfühler besitzen und die Wellenform eines zu messenden elektrischen Signals in eine Wellenform optischer Intensität umwandeln, um ein zu beobachtendes Signal zu erhalten.
Im allgemeinen werden sich wiederholende elektrische Hochgeschwindigkeitssignale mit einem Sampling-Oszilloskop (dessen bestmögliche Auflösung 20 bis 30 Picosekunden ist) gemessen, und Einzelvorgänge werden mit einem Echtzeit-Oszilloskop (dessen bestmögliche Auflösung etwa 300 Picosekunden ist) gemessen. Die zu messenden Signale sind jedoch schneller geworden, und folglich besteht ein Bedarf für die Messung elektrischer Signale mit einer höheren Auflösung.
Eine Möglichkeit, höhere Auflösung zu erzielen, wird durch die Spannungsmeßeinrichtung von US-Patent 4,446,425 veranschaulicht. Bei dieser Einrichtung wird ein optischer Modulator mit einem nichtlinearen optischen Medium (Pockels-Zelle), einem Polarisator, einem Analysator und einem Kompensator verwendet, um ein elektrisches Signal mit einem kurzen Impulslichtstrahl abzutasten. Das Verfahren der Abtastung eines elektrischen Signals mit einem kurzen Impulslichtstrahl ist jedoch nicht auf die Messung von Einzelereignissen anwendbar.
Andererseits offenbart EP-A-0197196 ein optisches elektrisch-elektronisches Oszilloskop, bei dem anstelle eines kurzen Impulslichtstrahls ein Dauerstrichlichtstrahl (CW-Lichtstrahl) verwendet wird.
Die oben beschriebene herkömmliche Einrichtung verwendet einen optischen Modulator mit einem nichtlinearen optischen Medium, z.B. einer Pockels-Zelle, die im allgemeinen teuer ist und schwer zu handhaben ist. Außerdem erfordert diese herkömmliche Einrichtung einen Polarisator, einen Analysator und einen Kompensator zusätzlich zu dem nichtlinearen optischen Medium. Ihr optisches System ist daher unvermeidlich kompliziert und sein Abgleich knifflig und beschwerlich. Der optische Modulator, der das nichtlineare optische Medium verwendet, verändert lediglich den Lichtdurchlaßgrad durch Ausnutzen der Änderung in der Lichtpolarisierung und hat ein niedriges Signal/Rauschverhältnis.
Eine erfindungsgemäße Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale, die ein optisches Signal als Meßfühler verwendet, um die Wellenform eines zu messenden elektrischen Signals in eine Wellenform optischer Intensität umzuwandeln, um von dieser ein Beobachtungssignal zu erhalten, umfaßt:
eine Lichtquelle, um ein optisches Dauerstrichsignal zu erzeugen;
eine optische Verstärkungseinrichtung, um das optische Signal mit einer Verstärkung zu verstärken, die durch das zu messende elektrische Signal gesteuert wird;
einen Photodektor, der bei Aktivierung betriebsfähig ist, um das verstärkte optische Signal zu ermittlen und ein Beobachtungssignal zu erzeugen;
eine Triggerschaltung, um den Photodektor synchron mit dem zu messenden elektrischen Signal zu aktivieren; und
eine Anzeigeeinheit, um das von dem Photodektor erzeugte Beobachtungssignal darzustellen.
Bei einem Aspekt der Erfindung umaßt der optische Verstärker einen nicht-resonanten optischen Verstärker des Wanderwellentyps, bei dem eine Reflexion an beiden Enden eines Halbleiter-Lasers verhindert wird.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung werden eine Streifenkamera, die als Photodetektor dient, und eine Mehrzahl gleicher optischer Verstärker verwendet, so daß mit der Streifenkamera in einem parallelen Modus eine Mehrzahl zu messender elektrischer Signale beobachtet werden.
Bei einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Photodetektor ein optisches Sampling-Oszilloskop, und ein Lichtzerhackerelement, um das optische Signal mit einer vorbestimmten Frequenz ein- und auszusachalten, und ein Lock-in Verstärker mit einem schmalen Band, um nur den Frequenzanteil mit der vorbestimmten Frequenz von dem Ausgang des optischen Sampling-Oszilloskops zu ermitteln, sind vorhanden.
Bei noch einem anderen Aspekt der Erfindung dient der optische Verstärker als Lichtzerhackerelement.
Bei einem anderen Aspekt der Erfindung umfaßt mindestens ein Teil des einfallenden und austretenden optischen Systems des optischen Verstärkers und/oder des einfallenden optischen Systems des Photodetektors einen Lichtleiter.
Die begleitenden Zeichnungen, die in diese Beschreibung eingeschlossen sind und einen Teil davon bilden, veranschaulichen vier Ausführungen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklärung der Prinzipien der Erfindung.
Fig. 1 ist ein Blockschaltbild des grundsätzlichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale.
Fig. 2 ist eine Schnittzeichnung, die ein Beispiel der Struktur eines Halbleiterlasers zeigt, der einen optischen Wanderwellenverstärker (TWA) bildet, der in der vorliegenden Erfindung als ein optischer Verstärker verwendet werden kann;
Fig. 3 ist ein Blockschaltbild, das die Betriebseigenschaften des TWA der Erfindung veranschaulicht;
Fig. 4 und 5 sind Kurven der optischen Ausgangsintensitätseigenschaften des TWA der Erfindung;
Fig. 6, 7, 8, 9 und 10 sind Zeichnungen, die verschiedene erfindungsgemäße Modifikationen des TWA zeigen;
Fig. 11 ist ein Blockschaltbild der Anordnung einer ersten bevorzugten Auführung der erfindungsgemäßen Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale;
Fig. 12 ist eine Schnittansicht des Aufbaus der in der in Fig. 11 gezeigten Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale verwendeten Streifenkamera;
Fig. 13 ist ein Blockschaltbild der Anordnung einer zweiten bevorzugten Auführung der erfindungsgemäßen Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale;
Fig. 14 ist eine perspektivische Darstellung der in der in Fig. 13 gezeigten bevorzugten Ausführung verwendeten Faserplatte;
Fig. 15 ist ein Blockschaltbild einer dritten bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale;
Fig. 16 ist eine Schnittansicht, die den Aufbau eines optischen Sampling-Oszilloskops zeigt, das in der in Fig. 15 gezeigten Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale verwendet wird; und
Fig. 17 ist ein Blockschaltbild der Anordnung einer vierten bevorzugten Auführung der erfindungsgemäßen Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale;
Es wird nun im Detail auf die vorliegenden bevorzugten Ausführungen der Erfindungung Bezug genommen, von denen ein Beispiel in den begleitenden Zeichnungen veranschaulicht ist.
In dieser Erfindung wird ein optisches Signal als Meßfühler verwendet, und die Wellenform eines zu messenden elektrischen Slgnals wird in eine optische Intensitätswellenform umgewandelt, um ein Beobachtungssignal zu erhalten. Wie in Fig. 1 gezeigt, erzeugt eine CW-Lichtquelle 10 einen CW-Lichtstrahl, der während der Verstärkung mit einem optischen Verstärker 12 moduliert wird, dessen Verstärkung durch das zu messende elektrische Signal gesteuert wird. Der Ausgangslichtstrahl des optischen Verstärkers 12 wird mit hoher Geschwindigkeit durch einen Photodetektor 14 ermittelt und als Beobachtungssignal an eine Anzeigeinheit 18 angelegt. Bei diesem Vorgang aktiviert eine Triggerschaltung 16 den Photodetektor 14 synchron mit dem zu messenden elektrischen Signal.
Die Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale benötlgt daher keinen Polarisator oder Analysator. Da sie weder einen Polarisator noch einen Analysator benötigt, hat sie einen einfachen Aufbau und ist zu niedrigen Kosten herzustellen, und ihr optisches System ist leicht abzugleichen. Da das optische Signal durch Verändern des Verstärkungsfaktors anstelle des Lichdurchlässigkeitsgrads moduliert wird, kann die Einrichtung ferner das einfallende Licht wirksam nutzen, wodurch sie hochwirksam ist und ein hohes S/N-Verhältnis hat.
Beispiele der CW-Lichtquelle 10 sind He-Ne (Helium-Neon) Laser, Halb leiter-Laser und durch Halbleiter-Laser erregte Festkörper-Laser.
Der optische Verstärker 12, der in der Lage ist, einen optischen Ausgang durch Verstärken von eingegebenem Licht mit einem Faktor, der von einem externen elektrischen Signal abhängt, zu erzeugen, ist in verschiedenen Arten verfügbar, einschließend: einen nicht-resonanten optischen Wanderwellenverstärker (TWA) mit einer Antireflexionsfilmbeschichtung an beiden Endflächen zur Unterdrückung von Reflexionen an diesen Flächen; einen optischen Fabry-Perot-Verstärker (FPA), der einen herkömmlichen Halbleiterlaser, der unterhalb des Schwellenpegels für die Schwingung vorgespannt ist, als optischen Verstärker verwendet; einen faseroptischen Raman-Verstärker, der die in einer optischen Faser bewirkte Raman-Streuung ausnutzt; einen Verstärker mit einem DFB-Laser und einen injektionssynchronen Verstärker. Halbleiterverstärker sind wegen Ihrer Kompaktheit und leichten Steuerbarkeit im Betrieb vorteilhaft.
Unter den optischen Halbleiterverstärkern sind der TWA und der FPA besonders vorteilhaft. Der TWA spricht auf elektrische Signale schnell an und ist in der Lage, optische Hochgeschwindigkeitssignale zu verstärken. Wegen der nicht vorhandenen resonatorabhängigen Wellenlängenselektivität hat der TWA einen breiten (ca. 50 nm) Wellenlängenbereich zur Verstärkung und gewährleistet eine gleichmäßige Verstärkung bei Änderung der Temperatur im Verstärker oder der Wellenlänge des einfallenden Lichts. Der TWA ist ebenfalls in Bezug auf Verstärkungssättigung und Rauschverhalten, die zwei wichtige Eigenschaften eines optischen Verstärkers sind, überlegen. Andererseits ist der FPA leicht herzustellen und erlaubt das Erreichen einer hohen Verstärkung in der Nähe eines Schwellwerts selbst bei niedriger Strominjektion, da er mehrfache Reflexionen zwischen beiden Endflächen ausnutzt, um Signalverstärkung zu erzeugen.
Ein anderer Vorteil der optischen Halbleiterverstärker besteht darin, dar ihre Verstärkung leicht durch Andern des Betrags des Injektionsstroms eingestellt werden kann, so daß sie auch als ein optischer Schalter, wie in der vorliegenden Erfindung, durch Ein- und Ausschalten der Strominjektion verwendet werden können.
Ein TWA, der zur Verwendung in den vorliegenden Verstärkern geeignet ist, hat eine Antireflexionsbeschichtung an beiden Endflächen eines Halbleiterlasers 49 der in Fig. 2 gezeigten VIPS- (V-gerillter innerer Streifen aus P-Substrat) Struktur, die durch die folgenden Schritte gebildet werden kann: in dem ersten Flüssigphasen-Wachstumszyklus werden eine p&sub1;-InP-Pufferschicht 49B, eine n-InP-Sperrschicht 49C und eine p&sub2;-InP Sperrschicht 49D auf einem p-Inp Substrat 49A aufgebracht. Danach wird eine V-förmige Rille mit einer (111)B-Fläche durch Naßätzen in 49B, 49C und 49D gebildet, wobei eine SiO&sub2;-Streifenmaske durch einen herkömmlichen photolithographischen Prozeß vorbereitet wird. In dem zweiten Flüssigphasen-Wachstumsschritt werden eine p-InP-Plattierungsschicht 49E, eine P-Typ- oder undotierte GaInAsP- Aktivschicht 49F, eine n-InP-Plattierungsschicht 49G und eine N+-GaIn AsP-Kontaktschicht 49H nacheinander gebildet. Die GaInAsP-Aktivschicht 49F wird am Boden der V-förmigen Rille gebildet, wobei deren Breite und Dicke auf ca. 1.2 um bzw. 0.10 um gesteuert werden. Danach werden Elektroden gebildet und Endflächen durch Spaltung erzeugt. Ein Antireflexionsfilm wird an beiden Endflächen des resultierenden Halbleiterlasers 49 unter Verwendung eines Materials wie z.B. SiO&sub2; aufgebracht, um so einen TWA herzustellen. Der Halbleiterlaser 49 der VIPS- Struktur hat einen ausreichend hohen Injektionswirkungsgrad in die Aktivschicht, um überlegen hohe Ausgangseigenschaften zu erzeugen, womit der TWA, der diesen Halbleiterlaser verwendet, auch hohe Verstärkung und hohe Sättigungsenergie besitzt.
Der so hergestellte TWA 50 hat einen wie in Fig. 3 gezeigten Grundaufbau. Wenn die Intensität eines in den TWA 50 geworfenen Eingangslichts Iin konstant ist, wird sich die Intensität des Ausgangslichts Iout aus dem TWA 50 als Reaktion auf die Änderung des Eingangsstroms i ändern, wie in Fig. 4 dargestellt ist. Wenn der Wert der einfallenden Lichtintensität Iin konstant ist, kann folglich die Intensität des Ausgangslichts Iout durch den Eingangsstrom i gesteuert werden.
Wenn zur Vereinfachung der Beschreibung angenommen wird, daß nur der lineare Teil der Kennlinie g(i) benutzt wird (der nichtlineare Teil kann ausgeglichen werden), kann aus der Kurve von Fig. 4 eine in Fig. 5 gezeigte graphische Darstellung erhalten werden. Somit kann der TWA 50 in dem in Fig. 5 dargestellten Bereich als linearer Verstärker verwendet werden.
Bei dem TWA 50 wird die Reflexion von beiden Endflächen durch die daran angebrachte Antireflexionsfilmbeschichtung unterdrückt. Es sei jedoch angemerkt, daß der Anti reflexionsfilm nicht die einzige Möglichkeit zum Unterdrücken der Reflexion von beiden Endflächen des Halbleiterlasers ist, und daß die gleichen Ergebnisse durch Schneiden jeder Endfläche unter einem Winkel, der dem Brewsterwinkel entspricht, wie in Fig. 6 gezeigt, erzielt werden können. In diesem Fall wird die Polarisationsebene eingeschränkt. Diese Einschränkung kann jedoch dadurch ein Vorteil sein, daß ein Polarisator oder Analysator unnötig ist, wenn eine Notwendigkeit zur Einschränkung der Polarisatlonsebene auftritt.
Außer dem oben beschriebenen TWA 50 und FPA können andere Arten von optischen Verstärkern in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, einschließlich des in Fig. 7 gezeigten optischen Resonanzverstärkers, der auf einen Pegel gerade unterhalb der Schwingungsschwelle durch Übertragen von Erregerlicht an das feste Lasermedium 52 mit einer Laserdiode 54 vorgespannt wird, und dem in Fig. 8 dargestellten nichtresonanten optischen Verstärker, der dem TWA ähnlich ist, bei dem die Reflexion von beiden Endflächen des festen Lasermediums 52 durch Anbringen eines Antireflexionsfilms oder Einstellen des Winkels jeder Endfläche entsprechend dem Brewsterwinkel unterdrückt wird. In Fig. 7 bezeichnet die Zahl 56 einen Resonanzspiegel. Die Laserdiode 54 kann bei Bedarf mit einem Vorspannungsstrom zum Erreichen eines Werts in der Nähe des Schwellenpegels versorgt werden.
Ein anderer Typ eines optischen Verstärkers 12, der in der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist in Fig. 9 dargestellt. Bei diesem wird ein Farbstoff- oder Gaslasermedium 58 mit Licht aus einer lichtemittierenden Diode, einer Laserdiode, verschiedenen Arten von stromgesteuerten LED-Lampen 60 oder dergleichen erregt. Die Resonanzspiegel 56 können aus dem in Fig. 9 gezeigten System weggelassen werden.
Ein anderer Typ eines optischen Verstärkers 12 ist in Fig. 10 dargestellt. In dem optischen Verstärker von Fig. 10 wird ein Gaslasermedium 62 erregt, wenn eine Spannung über einen Strom- zu Spannungswandler 64 über den Elektroden 62A angelegt wird. Das heißt, eine elektrische Entladung wird zum Erregen des Lasermediums benutzt. In diesem Fall kann der in Fig. 10 gezeigte optische Verstärker ebenfalls ohne die Resonanzspiegel 56 verwendet werden.
In der Eingangs- und/oder Ausgangsoptik des optischen Verstärkers 12 und/oder in mindestens einem Teil des optischen Einfallsystems von Photodetektor 14 können optische Fasern eingesetzt werden. Wenn optische Fasern benutzt werden, sind schwierige Abgleiche des optischen Systems nicht erforderlich, und es besteht größere Freiheit in der Anordnung der Komponenten. Diese Vorteile der optischen Fasern erlauben es, das Bauteil zu miniaturisieren
Wenn der Photodetektor 14 eine Streifenkamera ist und eine Mehrzahl optischer Verstärker 12 verwendet werden, können mit der Streifenkamera parallel eine Mehrzahl elektrischer Signale beobachet werden.
Der oben beschriebene optische Detektor 14 kann ein elektrooptisches Sampling-Oszolloskop sein. Der optische Detektor wird ferner mit einem Lichtzerkackerelement, um ein Lichtsignal unter Messung mit einer vorbestimmten Frequenz ein- und auszuschalten, und mit einem Lock-in Verstärker kombiniert, der nur den Frequenzanteil aus dem Ausgang des Photodetektors 14 nimmt, wodurch eine phasensynchrone Ermittlung durchgeführt wird. Als Folge davon wird neben den oben beschriebenen Wirkungen ein erhöhtes S/N-Verhältnls erzielt.
Das oben beschriebene Lichtzerhackerelement kann bereitgestellt werden als: ein herkömmlicher Lichtzerhacker, der oben beschriebene optische Verstärker, ein Lichtmodulator, der einen elektrooptischen Effekt ausnutzt, ein A-O-Modulator, ein optischer Kerr-Verschluß oder ein Flüssigkristallverschluß oder dergleichen. Wenn das Lichtzerhakkerelement der optische Verstärker ist, der eine Verstärkung hat, kann der Nutzfaktor des Lichts erhöht werden.
Wenn der oben beschriebene optische Verstärker 12 so konstruiert ist, dar er als das Lichtzerhackerelement arbeitet, braucht kein anderes Lichtzerhackerelement vorgesehen zu werden. Als Folge davon wird der Aufbau der Streifenkamera vereinfacht.
Eine erste bevorzugte Ausführung der Erfindung ist wie folgt aufgebaut: in einer Beobachtungseinrichtung für elektrische Signal, in Fig. 11 dargestellt, (mit einer CW-Lichtquelle 12, einem optischen Verstärker 12, einem Photodetektor 14, einer Triggerschaltung 16 und einer Anzeigeeinheit 18) wird der oben beschriebene TWA 50 als optischer Verstärker 12 und eine Streifenkamera 70 (Fig. 12) als Photodetektor 14 verwendet, so daß ein Beobachtungssignal auf der Anzeigeeinheit 18 dargestellt wird.
Die in Fig. 12 dargestellte Streifenkamera 70 umfaßt: eine Streifenröhre 75 und eine Bildaufnahmeeinrichtung 86, z.B. SIT-Kamera oder CCD-Kamera, um durch die Linse 84 in dem ausgehenden optischen System ein Streifenbild zu ermitteln. Die Streifenröhre 75 umfaßt: eine Photokathode 76, um einen Llchtstrahl (Schlitzbild), das durch einen Schlitz 72 und eine Linse 74 in deren optischem Einfallsystem angelegt und gebildet wird, in ein Elektronenbild umzuwandeln; eine gitterartige Beschleunigungselektrode 77, um das durch die Photokathode 76 erzeugte Elektronenbild zu beschleunigen; Ablenkelektroden 80, um die durch die Beschleunlgungselektrode 77 beschleunigten Elektroden in einem Kippmodus senkrecht zu der Längsrichtung des Schlitzes 72 (der in Fig. 12 senkrecht ist), abzulenken; und einen Phosphorschirm 83, um das so durch die Ablenkelektroden 80 abgelenkte Elektronenbild in ein optisches Bild umzuwandeln. Das optische Bild ist ein Streifenbild, das ein Luminanzwertbild ist, bei dem Zeit auf der vertikalen Achse dargestellt ist.
Die Streifenkamera 70 in Fig. 12 enthält weiter eine Fokussierelektrode 78, um die durch die Beschleunigungselektrode 77 beschleunigten Elektronen in einem vorbestimmten Bereich zu fokussieren; eine Blendenelektrode (Anode) 79, um die Elektronen weiter zu beschleunigen; eine Kippschaltung 81, um eine vorbestimmte Kippspannung über die Ablenkelektroden 80 synchron mit dem Durchlauf der Elektronen anzulegen; eine Mikrokanal-Anode 82 vor dem Phosphorschirm 83, um die Zahl der durch die Ablenkelektroden 80 gelaufenen Elektronen zu erhöhen; und eine an der Eingangsseite des Phosphorschirms 83 angebrachte konische Abschirmelektrode, um die aus dem wirksamen Ablenkbereich des Phosphorschirms 83 heraus abgelenkten Elektronen zu blockieren, um die Genauigkeit der Messung zu verbessern.
Die Funktion der ersten Ausführung dieser Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 11 beschrieben.
Die CW-Lichtquelle 10 legt einen CW-Lichtstrahl an den TWA 50 an. Ein zu messendes elektrisches Signal wird über einen Spannungs/Strom- Wandler 90 als Verstärkungsregelsignal an den TWA 50 angelegt, der den mit dem elektrischen Signal modulierten CW-Lichtstrahl an die Streifenkamera 70 anlegt. Wenn diese mit dem zu messenden elektrischen Signal mit Hilfe eines durch die Triggerschaltung 16 ausgegebenen Triggersignals synchronisiert wird, wird daher ein dem zu messenden elektrischen Signal entsprechendes Beobachtungssignal an die Bildaufnahmeeinrichtung 86 in der Streifenkamera 70 angelegt.
Wenn das zu messende elektrische Signal ein Stromsignal ist, kann der Strom/Spannungs-Wandler 90 weggelassen werden.
Bei der oben beschriebenen Ausführung wird die Streifenkamera 70 als Photodetektor verwendet. Daher kann mit der Einrichtung ein einzelner Vorgang beobachtet werden.
Eine zweite bevorzugte Ausführung der Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 13 beschrieben.
Die in Fig. 13 gezeigte zweite Ausführung ist wie folgt aufgebaut: anstelle eines einzelnen TWA 50, wie in Fig. 11, sind eine Mehrzahl von TWAs 50 vorhanden, und die austretenden Lichtstrahlen der TWAs 50 werden durch eine Mehrzahl optischer Fasern 92, wie in Fig. 14 gezeigt, die mit einer Faserplatte 94 verbunden sind, in einer Weise an die Streifenkamera 70 angelegt, dar sie in einer Linie parallel zu dem Schlitz 72 angeordnet sind.
Bei der zweiten bevorzugten Ausführung wird in einer Linie auf dem Phosphorschirm 83 Fluoreszenz erzeugt, die dem zu messenden elektrischen Signal entspricht. Das heißt, bei der bevorzugten Ausführung von Fig. 13 können eine Mehrzahl elektrischer Signale in einem parallelen Modus beobachtet werden. In diesem Fall können vlelfache zu messende elektrische Signale gleichzeitig ermittelt werden, wenn sie gleichzeitig erzeugt werden. Wenn andererseits die vielfachen zu messenden elektrischen Signale zu verschiedener Zeit erzeugt werden, können sie durch vorheriges Justieren der Längen der jeweiligen Leitungen, durch die sich die elektrischen Signale ausbreiten, und durch Anpassung der Zeittakte zum Anlegen der jeweiligen elektrischen Signale an die jeweiligen TWAs gleichzeitig ermittelt werden.
Wenn die Zeittakte der Erzeugung der zu messenden elektrischen Signale bekannt ist, kann ferner durch Justieren der Längen der optischen Fasern eine Beobachtungseinrichtung bereitgestellt werden, die auschließlich gemäß ihrer Anwendung verwendet werden kann, und bei der vielfache, bei verschiedenen Zeittakten erzeugte elektrische Signale gleichzeitig ermittelt werden können.
Ferner sind die optischen Fasern so ausgelegt, dar deren Längen sich voneinander um einen konstanten Betrag, der der zu beobachtenden Zeit (T) der Streifenkamera entspricht, unterscheiden, so daß, wenn ein einzelnes zu messendes elektrisches Signal an die TWAs angelegt wird, das einzelne zu messende elektrische Signal über eine lange Zeit mit einem Abtastvorgang ermittelt wird. Werden z.B. n Fasern verwendet, kann die Ermittlung des zu messenden elektrischen Signals für eine Dauer (nT) mit einem Abtastvorgang durchgeführt werden.
Eine dritte Ausführung der Erfindung wird mit Bezug auf Fig. 15 beschrieben.
Diese Ausführung ist wie folgt aufgebaut: bei der Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale, wie in Fig. 15 gezeigt, (umfassend die CW-Lichtquelle 10 und die Anzeigeeinheit 18) wird der oben beschriebene TWA 50 als optischer Verstärker 12 und ein optisches Sampling- Oszilloskop 96 als Photodetektor 14 verwendet. Der Lock-in Verstärker 98 wird verwendet, um nur einen vorbestimmten Frequenzanteil von dem Ausgang des optischen Sampling-Oszilloskops zu ermitteln, so daß der TWA 50 mit einer vorbestimmten Frequenz des Lock-in Verstärkers 98 ein- und ausgeschaltet wird.
Bei dem optischen Sampling-Oszilloskop 96, wie in Fig. 16 dargestellt, ist eine Schlitzplatte 100 zur räumlichen Begrenzung eines Streifenbilds an der Streifenkamera 70 (in Fig. 12 gezeigt) angeordnet, um einen optischen Abtastvorgang auszuführen. Die von dem Phosphorschirm 83 erzeugte Fluoreszenz wird, nachdem sie durch die Schlitzplatte 100 gesteuert worden ist, durch einen zweidimensionalen Photodetektor, z.B. einen Photovervielfacher 102, in ein elektrisches Signal umgewandelt.
In der dritten Ausführung der Erfindung wird ein optisches Sampling- Oszilloskop als Photodetektor 14 verwendet, die Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale kann zu niedrigen Kosten hergestellt werden und kann mühelos elektrische Signale messen. Außerdem trägt die Verwendung des Lock-in Verstärkers 98 zu einem verbesserten S/N-Verhältnis bei.
Ferner wird bei der dritten Ausführung der TWA 50 als das lichtzerhackende phasensynchrone Ermittlungselement verwendet. Daher hat die Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale einen einfachen Aufbau.
Weiterhin braucht bei dem optischen Sampling-Oszilloskop die Schlitzplatte 100 nicht unbedingt direkt vor dem Photodetektor 102 angeordnet zu sein. Die Schlitzplatte 100 kann z.B. in der Streifenröhre 75, wie in USP 4,694,154 oder USP 4,645,918 offenbart, angeordnet sein.
Eine vierte Ausführung der Erfindung wird im einzelnen mit Bezug auf Fig. 17 beschrieben.
Diese Ausführung der Erfindung ist wie folgt aufgebaut: bei der in Fig. 17 gezeigten Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale ist zusätzlich zu dem TWA 50 ein weiterer TWA 104 als phasensynchron ermittelndes lichtzerhackendes Element vorhanden. Die TWAs 50 und 104, die als optische Verstärker dienen, sind ferner als Tandem angeordnet, um den Verstärkungsfaktor zu verbessern.
Den TWAs 50 und 104 kann erhöhte mechanische Festigkeit und Schwingungsresistenz verliehen werden, indem ihre jeweiligen Stirnseiten aneinander befestigt werden.
Die Position des TWA 50 und des TWA 104 kann vertauscht werden.
Bei den oben beschriebenen Ausführungen wird ein Teil des zu messenden elektrischen Signals direkt an den TWA 50 angelegt. Wenn nötig, kann jedoch das elektrische Signal nach Verstärkung durch einen Breitbandverstärker, wobei die Wellenform unverändert bleibt, an den TWA 50 angelegt werden. Außerdem kann, wenn das zu messende elektrische Signal ein Spannungssignal ist, dieses über einen Spannungs/Strom-Wandler an den TWA 50 angelegt werden.
In der ersten und zweiten Ausführung, wie in Fig. 11 und 13 gezeigt, hann eine 'Synchroscan'- Streifenkamera, wie in SPIE Proc. Vol. 348, Seiten 245-250 (1982) offengelegt, als Streifenkamera 70 benutzt werden. Ferner kann in der dritten und vierten Ausführung, wie in Fig. 15 und 17 gezeigt, ein 'Synchroscan'-Photometer, wie in SPIE Proc. Vol. 491, Seiten 224-229 (1984) offengelegt, als optisches Sampling- Oszilloskop verwendet werden.

Claims

1. Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale, die ein optisches Signal als Meßfühler verwendet, um die Wellenform eines zu messenden elektrischen Signals in eine Wellenform optischer Intensität umzuwandeln, um von dieser ein Beobachtungssignal zu erhalten, umfassend:

eine Lichtquelle (10), um ein optisches Dauerstrichsignal zu erzeugen;

eine optische Verstärkungseinrichtung (12), um das optische Signal mit einer Verstärkung zu verstärken, die durch das zu messende elektrische Signal gesteuert wird;

einen Photodektor (14), der bei Aktivierung betriebsfähig ist, um das verstärkte optische Signal zu ermittlen und ein Beobachtungssignal zu erzeugen;

eine Triggerschaltung (16), um den Photodektor (14) synchron mit dem zu messenden elektrischen Signal zu aktivieren; und

eine Anzeigeeinheit (18), um das von dem Photodektor (14) erzeugte Beobachtungssignal darzustellen.

2. Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale nach Anspruch 1, worin die optische Verstärkereinrichtung (12) einen nicht-schwingenden optischen Wanderwellen-Verstarker (50) mit einem Halbleiter-Laser umfaßt, dessen Endfacetten mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen sind.

3. Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale nach Anspruch 1 oder 2, worin der Photodetektor (14) eine Streifenkamera (70) umfaßt.

4. Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale nach Anspruch 3, worin die optische Verstärkereinrichtung (12) eine Mehrzahl gleicher optischer Verstärker (50) umfaßt, und worin die Streifenkamera (70) auf die verstärkten Signale von der Mehrzahl optischer Verstärker (50) anspricht, um die Beobachtungssignale in einer parallelen Betriebsart zu beobachten.

5. Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale nach Anspruch 1 oder 2, worin der Photodetektor ein optisches Sampling-Oszilloskop (96) umfaßt, um ein Beobachtungssignal zu erzeugen, und worin die Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale weiter ein Lichtzerhackerelement (50, 104), um das optische Dauerstrichsignal mit einer vorbestimmten Frequenz ein- und auszuschalten, und einen Lock-in Verstärker (98) mit einer schmalen Bandbreite enthält, um den vorbrestimmten Frequenzanteil von dem Ausgang des optischen Sampling-Oszilloskops (96) zu ermitteln und zu verstärken.

6. Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale nach Anspruch 5, worin die optische Verstärkungseinrichtung (12) auch als das Lichtzerhackerlelement arbeitet.

7. Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale nach Anspruch 5, worin zwei in Reihe geschaltete TWAs vorhanden sind, von denen einer (50) als der optische Verstärker (12) und der andere (104) als das Lichtzerhackerelement dient.

8. Beobachtungseinrichtung für elektrische Signale nach einem der vorangehenden Ansprüche, die optische Fasern (92) enthält, um optische CW-Signale von der Lichtquelle (10) zu einem Eingang der optischen Verstärkungseinrichtung (12) zu übertragen, und/oder optische Fasern (92) enthält, um verstärke optische Signale von dem optischen Verstärker zu einem Eingang des Photodetektors (14, 70) zu übertragen.