DE3404608A1

DE3404608A1 - Vorrichtung zur optischen messung eines elektrischen feldes

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Publication number: DE3404608A1
Application number: DE19843404608
Authority: DE
Inventors: Hiroyoshi Saitama Matsumura; Kazuyuki Hachioji Nagatsuma; Kazumasa Tokio/Tokyo Takagi
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1983-02-10
Filing date: 1984-02-09
Publication date: 1984-08-16
Also published as: GB2135050A; JPS59147274A; GB8402975D0; DE3404608C2; CA1211155A; JPH0444701B2; US4631402A; GB2135050B

Description

-A-

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen eine Vorrichtung zur Messung eines elektrischen Feldes unter Ausnutzung des elektrooptischen Effekts. Insbesondere betrifft die Erfindung eine derartige Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes; die ein verbessertes Temperaturverhalten aufweist und eine hohe Meßempfindlichkeit zeigt.

Als Material mit elektrooptischer Wirkung für die Vorrichtung zur Messung des elektrischen Feldes, deren Betrieb auf dem elektrooptischen Effekt (Pockels-Effekt) beruht, wurden bislang elektrooptische Kristalle wie z.B. KDP (KH₂PO₄), ADP (NH₄H₂PO₄), LiNbO-, LiTaO₃ und ähnliche verwendet. Die Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes, in der einer der oben genannten elektrooptischen Kristalle Anwendung findet, zeigt jedoch eine schlechte Temperaturcharakteristik. Es wurde daher vorgeschlagen, anstatt eines der oben erwähnten elektrooptischen Kristalle unter dem Gesichtspunkt der Verbesserung der Temperaturcharakteristik der Vorrichtung zur Messung des elektrischen Feldes einen Einkristall aus Bi₁₂SiO₃₀ oder Bi₁₃GeO₂₀ zu verwenden (vgl. japanische Offenlegungsschrift Nr. 100364/1981). Der Einkristall aus Bi₁₂^iO₇₀ oder Bi₁₃GeO₃₀ zeigt jedoch eine zusätzliche optische Aktivität (Rotationspolarisation; Drehung der Polarisationsebene bei der Übertragung linear polarisierten Lichts) zum elektrooptischen Effekt (Pockels-Effekt) . Als Folge davon wird der elektrooptische Effekt durch die optische Aktivität ausgelöscht, wenn die Länge des Sensorelementes erhöht wird. Daher ist es in der Praxis nicht möglich, den elektrooptischen Effekt durch die Erhöhung der Länge des Sensorelementes für das elektrische Feld zu steigern. Darüberhinaus hat der vorgeschlagene Einkristall

eine hohe relative Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 40 bis 60, was sich nachteilig in einer niedrigen Erfassungsempfindlichkeit niederschlägt und insbesondere zu Schwierigkeiten bei der Messung eines elektrischen Feldes mit geringer Intensität führt. Daneben tritt aufgrund der hohen relativen Dielektrizitätskonstanten das Problem auf, daß die Verteilung des zu messenden elektrischen Feldes gestört ist, wodurch die Bestimmung des elektrischen Feldes mit der richtigen Verteilung erschwert wird.

Zum Stand der Technik werden folgende Veröffentlichungen genannt:

(1) Japanische Offenlegungsschrift Nr. 128770/1979,

(2) Japanische Offenlegungsschrift Nr. 67764/1981 und

(3) Japanische Offenlegungsschrift Nr. 100364/1981.

Die generelle Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann darin gesehen werden, eine Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes anzugeben, die die dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile zumindest teilweise überwindet.

Eine spezielle Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes anzugeben, die eine hohe Empfindlichkeit für die Messung des elektrischen Feldes sowie eine verbesserte Temperaturcharakteristik zeigt und geeignet ist, das elektrische Feld ohne Störung seiner Verteilung zu messen.

Angesichts der obigen Aufgabenstellung ist eine Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes nach dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs aufgebaut. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen ausgeführt. Hierbei findet erfindungsgemäß insbesondere ein elektrooptischer Kristall mit einer kristallographischen

Eulytin-Struktur, wie z.B. Bi₄Ge-O₁₃/ ^B:"-4^S^3^Oi2' Bi-(Ge, Si) .,O₁₂ oder ähnlichem, als das'den elektrooptischen Effekt zeigende Material Anwendung.

Die Kristallstruktur der bislang verwendeten Kristalle Bi₁₂^iO₂₀ und Bi₁₂GeO₃₀ ist der Punktgruppe oder KristallklasEc 23 unter den 32 Arten von Symmetrieklassen zuzurechnen. Beide Kristalle weisen eine optische Aktivität von etwa 10 deg/mm auf. Demgegenüber gehört der elektrooptische Kristall mit der kristallographischen Eulytin- oder Bismutblende-Struktur, wie z.B. Bi₄Si-O₁₂, Bi₄Ge^O₁₂ und ähnliche Verbindungen, der gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung Anwendung findet, der Punktgruppe 43 m an und zeigt keine optische Aktivität. Im Gegensatz zur hohen relativen Dielektrizitätskonstante in der Größenordnung von 56 und 40 von Bi₁₃SiO₃₀ bzw. Bi₁₃GeO₃₀ beträgt die relative Dielektrizitätskonstante von Bi.Ge_O₁₂ etwa 16, was etwa 1/3,5 bzw. 1/2,5 der Werte für Bi₁₃SiO₃₀ bzw. Bi₁₃GeO₃₀ ist. Der Wert der relativen Dielektrxzitätskonstanten von Bi₄Si^O₁₂ und von anderen elektrooptischen Kristallen mit der kristallographischen Eulytin-Struktur liegt im wesentlichen in derselben Größenordnung wie für Bi₄Ge^O₁₂.

In der folgenden Tabelle 1 sind der Brechungsindex n„, die Pockels-Konstante γ₄₁, die relative Dielektrizitätskonstante ε und die optische Aktivität (Rotationspolarisation) Θ für die oben genannten vier Arten von Einkristallen aufgeführt .

Tabelle 1

7 -

	ⁿo	Y₄₁ (-10 ¹²m/V)	C	θ (deg/rnjn)
Bi₁₂SiO₂₀	2.45	4.4	56	10.5
Bi₁₂GeO₂₀	2.45	3.2	40	10.2
Bi₄Si₃O₁₂	2.00	0.55	-	0
Bi₄Ge₃O₁₂	2.06	1.0	16	0

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Messung des elektrischen Feldes ist bezüglich des Temperaturverhaltens verbessert, zeigt eine hohe Meßeitipfindlichkeit und erlaubt die Messung des elektrischen Feldes ohne Störung seiner Verteilung, da der elektrooptische Kristall mit den oben genannten Eigenschaften als Material zur Erzeugung des gewünschten elektrooptischen Effektes Anwendung findet.

Die vorliegende Erfindung wird aus der folgenden detaillierten Beschreibung deutlich. Hierbei werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der anliegenden Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht der Grundstruktur einer Vorrichtung zur optischen Messung des elektrischen Feldes die nach dem Prinzip der longitudinalen Modulation arbeitet;

Fig. 2 eine schematische Ansicht der Grundstruktur einer Vorrichtung zur optischen Messung des elektrischen Feldes, die nach dem Prinzip der transversalen Modulation arbeitet;

Fig. 3 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Länge des Sehsorelementes für ein elektrisches Feld und dem (später definierten) Modulationsgrad für die Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes;

Fig. 4 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Länge des Sensorelementes und der elektrischen Kcipazität für die mit der longitudinalen Modulation arbeitende Meßvorrichtung;

Fig. 5 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Länge des Sensorelementes und der elektrischen Kapazität für die mit der transversalen Modulation arbeitende Meßvorrichtung;

Fig. 6 den Aufbau einer Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen dem angelegten elektrischen Feld und der Ausgangsgröße sowie dem Modulationsgrad der Meßvorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der Länge des Sensorelementes und der Ausgangsgröße der Meßvorrichtung nach einer Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 9 eine grafische Darstellung einer Temperaturcharakteristik der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes weist eine Lichtquelle, eine das elektrisehe Feld wahrnehmende Sensoreinrichtung, die ein den elektrooptischen Effekt zeigendes Material beinhaltet, um die Veränderung der Intensität des von der Lichtquelle emittierten Lichts in Abhängigkeit von der Intensität des elektrischen Feldes zu bewirken, eine Meßeinrichtung zur Messung der Inten-

sität des von der Sensoreinrichtung für das elektrische Feld ausgegebenen Lichts sowie optische Fasern auf, um die Lichtquelle, die Sensoreinrichtung für das elektrische Feld und die Meßeinrichtung miteinander optisch zu koppeln, wobei ein elektrooptischer Kristall mit der kristallographischen EuIytin-Struktur als das den elektrooptischen Effekt zeigende Material verwendet wird.

Mit dem obigen erfindungsgemäßen Aufbau der Vorrichtung zur optischen Messung des elektrischen Feldes sind außerordentlich vorteilhafte Ergebnisse zu erzielen, wie z.B. ein verbessertes oder stabilisiertes Temperaturverhalten, eine erhöhte Meßempfindlichkeit und die Möglichkeit zur Messung des elektrischen Feldes ohne Störung der Feldverteilung. Das resultiert aus dem Merkmal, daß als das den elektrooptischen Effekt (Pockels-Effekt) zeigende Material der elektrooptische Kristall mit kristallographischer Eulytin-Struktur verwendet wird, der ein gutes Temperaturverhalten aufweist, keine optische Aktivität (Rotationspolarisation) zeigt und eine niedrige relative Dielektrizitätskonstante hat.

Für den elektrooptischen Kristall mit kristallographischer Eulytin-Struktur können beispielsweise Bi₄Ge₃O₁₂, Bi₄Si₃O₁₂ und Bi₄(Ge, Si)₃O₁₂ genannt werden.

Mit der erfindungsgemäßen optischen Meßvorrichtung für das elektrische Feld läßt sich die beste Wirkung erzielen, wenn die in der Lichtfortpflanzungs- oder -ausbreitungsrichtung gemessene Länge _£ des in der Meßvorrichtung verwendeten elektrooptischen Kristallelementes nicht geringer als diejenige Länge des Sensorelementes (im folgenden mit L bezeichnet) gewählt wird, bei der derselbe Modulationsgrad wie bei Anwendung des bislang bekannten elektrooptischen Kristalls mit einer Kristallstruktur entsprechend der Punktgruppe 23 und mit einer Elementlänge _£ erreicht wird.

Nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das einzelne elektrooptisch^ Kristallelement mit einer Länge nicht kleiner als L durch eine Anordnung ersetzt werden, in der eine Vielzahl von elektrooptischen Kristallelementen mit einer Einzellänge kleiner als die oben definierte Länge L in der Lichtausbreitungsrichtung so angeordnet oder aneinandergereiht ist, daß die Summe der Längen der Einzelelemente in Lichtausbreitungsrichtung einen Wert ergibt, der- nicht kleiner als L ist. Hierbei kann die Anordnung jedoch zumindest ein elektrooptisches Kristallelement mit einer Länge gleich oder größer als L beinhalten, um dadurch den gesamten optischen Weg und damit die Meßempfindlichkeit zu erhöhen.

Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform kann die Anordnung derart ausgelegt werden, daß das Licht veranlaßt wird, zumindest einmal innerhalb des elektrooptischen Kristalls hin- und herzulaufen, so daß die Länge des durch den elektrooptischen Kristall verlaufenden -effektiven optischen Weges nicht kleiner als die oben definierte Länge L ist.

Es kann damit gesagt werden, daß die Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes nach der vorliegenden Erfindung die vorteilhaftesten Ergebnisse zeigt, wenn die im elektrooptischen Kristall mit der kristallographischen Eulytin-Struktur erzielte Gesamtlänge des effektiven optischen Weges nicht kleiner als L ist. Falls die Gesamtlänge des effektiven optischen Weges im elektrooptischen Kristall knapp unter L liegt, bleibt die Meßempfindlichkeit gegenüber der bislang bekannten Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes, in der der zur Punktgruppe 23 gehörende elektrooptische Kristall Verwendung findet, unverbessert, obwohl ein Vorteil dahingehend zu erzielen ist, daß eine Störung des zu messenden elektrischen Feldes verhindert wird.

Im folgenden wird die Vorrichtung zur optischen Messung des elektrischen Feldes unter theoretischen Gesichtspunkten untersucht. Zuerst werden die mathematischen Ausdrücke buschrieben, die die für die Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes grundlegenden Beziehungen wiedergeben. Als ein Faktor zur relativen Bestimmung der Erfassungsempfindlichkeit des Sensorelementes für das elektrische Feld wird als Grad der Modulation oder Modulationsgrad das Verhältnis von Signal-Ausgangswert zu Ruhe-Ausgangswert des Sensorelementes definiert, wobei dieses Element zwischen einem Paar von Elektrodenplatten liegt, die, verglichen mit der Länge des Sensorelementes, mit relativ großem Abstand einander gegenüberliegend angeordnet sind.

Zuerst wird unter Bezugnahme auf Fig. 1 die Meßvorrichtung für das elektrische Feld des longitudinalen Modulationstyps betrachtet, in der die Lichtausbreitung in der Richtung erfolgt, in der das elektrische Feld angelegt ist. Fig. 1 zeigt einen Grundaufbau der Meßvorrichtung für ein elektrisches Feld des longitudinalen Modulationstyps, wobei E die Richtung des angelegten elektrischen Feldes wiedergibt. In der Figur bezeichnet die Bezugsziffer 1 einen Polarisator, Bezugsziffer 2 ein Viertel-Wellenlängenplättchen (λ/4-Plättchen), Bezugsziffer 3 das Sensorelement für das elektrische Feld (elektrooptisches Kristallelement) und Bezugsziffer 4 einen Analysator. Wird die Länge des Sensorelementes 3,gemessen in Lichtausbreitungsrichtung (d.h. in der Richtung, in der in diesem Beispiel auch das elektrische Feld anliegt) , mit £,, die Intensität des extern angelegten elektrischen Feldes mit E- und die Wellenlänge des verwendeten Lichts im freien Raum mit λ bezeichnet, ist die über dem Sensorelement 3 auftretende Spannung näherungsweise durch folgenden Ausdruck gegeben:

V = -A-E₀ (1)

Die Spannung V , die erforderlich ist, um für durch das Sensorelement laufendes Licht die Phase um ti zu ändern (als Halbwellenspannung bezeichnet) ist durch folgende Beziehung gegeben:

V₁₁ = \ (2)

Hierbei bezeichnen ε, n_Q und γ... die relative Dielektrizitätskonstante, den Brechungsindex und die Pockels-Konstante des Sensorelementes 3. Nach Fig. 1 wird zirkulär polarisiertes Licht durch das Zusammenwirken des Polarisators 1 und des Viertel-Wellenlängenplättchens 2 erzeugt und in das Sensorelement 3 für das elektrische Feld eingegeben. Durch Optimierung der kristallinen Orientierung des Sensorelementes 3 für das elektrische Feld und der Richtung der Polarisation des Analysators 4 ist die Ausgangs-Lichtintensität I_Q in Antwort auf das Eingangslicht I. durch

gegeben, wobei

(2Θ£)² (4)

TT

und Θ die optische Aktivität (Rotationspolarisation) bezeichnet.

Wie oben definiert, ist der Modulationsgrad m in Form des Verhältnisses zwischen dem Ruhe-Ausgangswert (I_n)_n und dem Signal-Ausgangswert (I_n) wie folgt gegeben:

ttV sin q
m = —-— · —

^27TnO ^Ύ4 1 £ _ sing- _fC.

= . . E₀ . -Ja- (5)

Im folgenden wird die Vorrichtung des transversalen Modulationstyps zur optischen Messung eines elektrischen FeI-des beschrieben, in der das elektrische Feld in der Richtung senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung angelegt wird. Fig. 2 zeigt einen Grundaufbau einer derartigen Meßvorrichtung, wobei die Richtung, in der das elektrische Feld anliegt, mit E bezeichnet ist. Wird die in dieser Richtung gemessene Länge des Feld-Sensorelementes 3 nach Fig. 2 mit d und die Größe des externen elektrischen Feldes mit E„ bezeichnet, ist die über dem Sensorelement 3 auftretende Spannung näherungsweise durch folgenden Ausdruck gegeben:

V --4"E₀ (6)

Die Halbwellenspannung V im Falle der Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes nach dem transversalen Modulationstyp ist gegeben durch:

V - ^λ . _d_ (7)

^π " 2n ³Y ^l
^zn0 ^Ύ41

Die für die mit longitudinaler Modulation arbeitende FeId-Meßvorrichtung entwickelten Ausdrücke (3) und (4) gelten auch für die optimierte Betriebsbedingung der Vorrichtung vom transversalen Modulationstyp. Damit kann aus den Ausdrücken (6), (7), (3) und (4) der Modulationsgrad oder das Modulationsverhältnis folgendermaßen arithmetisch bestimmt werden:

^2πη0^3γ41 A _ρ sin g

X * -Γ ' ^Εο * α ⁽⁸⁾

Die Gleichung (8) stimmt mit der Gleichung (5) überein, was bedeutet, daß der Modulationsgrad (V/V ) unabhängig davon gleich bleibt, ob die Vorrichtung zur optischen Messung des elektrischen Feldes vom longitudinalen oder vom transversalen Modulationstyp ist.

Im folgenden werden die numerischen Werte der Ausdrücke ttV/V und 2Θ£ der Gleichung (4) vergleichend untersucht.

im Falle des keine optische Aktivität (Rotationspolarisation) zeigenden Kristalls, wie z.B. Bi₄Ge-O₁₅, nimmt der Ausdruck 2Θ£ den Wert Null an. Demgemäß enthält die Gleichung (4) nur den Ausdruck π»V/V . Unter dieser Bedingung ist der Modulationsgrad m unabhängig vom Modulationstyp

T5 durch folgende Gleichung gegeben:

^27τη0^3γ41 £
m = sin ( 1—^L- · -l·- · E₀) (9)

Andererseits nimmt im Fall von Bi-SiO₂₀ und ₁₂₂₀ der die optische Aktivität repräsentierende Ausdruck 2Θ£ einen Wert von etwa (20 χ £) deg oder (0,35 χ £) rad an.

Bei der gewöhnlichen Messung des elektrischen Feldes ist E₀^10kV/mm. Im Falle von Bi₁₂SiO₂₀ berechnet sich das Verhältnis ttV/V für E_Q = 10 kV/mm zu etwa (0,086 χ Z) rad. Das Verhältnis von (ttV/V^.)² und (20£)² liegt in der Größenordnung von 6/100. Es wird angenommen, daß selbst bei einer maximalen Feldstärke des zu messenden elektrischen Feldes (ttV/V )² « (20£)² gilt. Im Falle von Bi-GeO_0n ist der Wert von (ttV/V ), verglichen mit Bi. „SiO_?n ,kleiner, was eine bessere Näherung erlaubt. Damit kann mit Sicherheit gesagt

2 2

werden, daß (irV/V ) << (2Θ£) gilt, wenn das gewöhnliche

elektrische Feld mit einer Intensität nicht höher als 10 kV/iran unter Verwendung von Bi₁₂SiO₂₀ oder Bi₁₂GeO₂-gemessen wird. Demgemäß kann die Gleichung (4) näherungs weise folgendermaßen umgeschrieben werden:

g =* 2Θ£ (10)

Auf Grundlage der Gleichungen (10) und (8) ist der.Modulationsgrad m durch

₌ 0 41
^m

. _A_ . ε ₍₁₁₎

λ ε -"θ 2Θ£ ^UU

gegeben und bleibt unabhängig vom Modulationstyp gültig.

Als nächstes wird der unter Verwendung von Bi₄Ge₃O₁₂ erzielte Modulationsgrad m mit dem verglichen, den man mit Hilfe der Gleichungen (9) und (11) für die Verwendung von Bi₁₂SiO₂₀ und Bi₁₂GeO₂₀ erhält. Der konkrete Wert von m wird mit den in Tabelle 1 aufgelisteten numerischen Daten unter den Annahmen: E = 100 V/mm und λ = 0,85 μΐη errechnet. Die Ergebnisse der Berechnung sind grafisch in Fig. 3 dargestellt. Wie daraus deutlich wird, ist der Wert des Modulationsgrades m selbst bei Erhöhung der Länge S^ des Sensorelementes 3 aufgrund der optischen Aktivität (Rotationspolarisation) von Bi₁₂SiO₂₀ und Bi ₂Ge0_2Q begrenzt. Andererseits kann im Falle von Bi₄Ge₃O₁₂, das keine optische Aktivität (Rotationspolarisation) zeigt, der Modulationsgrad m entsprechend der Erhöhung der Länge £, des Sensorelementes 3 erhöht werden.

Nach Fig. 3 bestimmt sich die Länge !L des Sensorelementes entsprechend den Schnittpunkten der Kurve für Bi₄Ge₃O₁₂ mit den Kurven für Bi₁₃SiO₂₀ bzw. Bi ₂Ge0₂₀, d.h. die Länge _£ des* Sensorelementes, bei der die Gleichheit der Ausdrücke (9) und (11) gilt, zu 5,34 mm bzw. 5,40 mm. Wird in anderen Worten ein Sensorelement aus Bi₄Ge₃O₁₂ mit einer Länge nicht

kleiner als die Länge L verwandt, wobei der Wert L aus der Gleichheitsbedingung zwischen den Ausdrücken (9) und (11), d.h. (9) = (11), bestimmt wird, kann unabhängig vom angewandten Modulationstyp ein Modulationsgrad m erzielt werden, der größer als der mit den Sensorelementen aus Bi₁₂SiO~„ bzw. Bi ₂Ge0₂₀ erreichte ist, wodurch die Meßempfindlichkeit für das elektrische Feld entsprechend gesteigert werden kann. Im Falle von E = 100 V/mm und λ = 0,85 um, sollte die Länge i, des Sensorelementes gleich oder größer als 5,40 mm gewählt werden.

In der vorhergehenden Beschreibung wurde als ein typisches Beispiel des elektrooptischen Kristalls mit der kristallographischen Eulytin-Struktur Bi Ge₃O gewählt. Es liegt jedoch auf der Hand, daß auch die anderen Kristalle, wie z.B. Bi₄Si-O₁₃, Bi₄(Ge, Si)₃O₁₂ und ähnliche, die keine optische Aktivität zeigen, mit ähnlicher Wirkung als Material für ■ das Sensorelement 3 verwendet werden können.

In der obigen Beschreibung wurde angenommen, daß ein einzelnes Sensorelement Anwendung findet, dessen Länge, gemessen in der Lichtausbreitungsrichtung, hinreichend lang gewählt ist, um die Empfindlichkeit für die Messung des elektrischen Feldes zu erhöhen. Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können mehrere, entsprechend vorbereitete Sensorelemente in der Lichtausbreitungsrichtung angeordnet oder in Kaskade aufgereiht werden, womit ein ganz ähnlich vorteilhafter Effekt wie mit der oben beschriebenen Einzelelement-Struktur zu erzielen ist. Wird eine Vielzahl von Sensorelementen in dieser Weise verwendet, besteht eine Neigung zur Erhöhung der an den Oberflächen der einzelnen Sensorelemente erzeugten Reflexionsverluste. Ein derartiger Reflexionsverlust kann jedoch durch angemessene, Reflexion verhindernde Maßnahmen vermieden werden. Die optische Vorrichtung zur Messung des elektrischen Feldes, die

eine Vielzahl von in der Lichtausbreitungsrichtung kaskadenartig angeordneten Sensorelementen umfaßt, ist dagegen in dem Punkt vorteilhaft, daß der Frequenzbereich des erfaßbaren elektrischen Feldes erweitert ist, da die Frequenz der durch die Abmessungen des Sensoreleinentes, die im Falle dieser Ausführungsform klein sind, bestimmten piezoelektrischen Blockierung (piezoelectric clamping) erhöht ist. Die Vorrichtung zur optischen Messung des elektrischen Feldes, in der eine Vielzahl der Sensorelemente entlang der Lichtausbreitungsrichtung kaskadenartig angeordnet ist, liefert einen großen Wert des Modulationsgrades m, wodurch die Empfindlichkeit für die Messung des elektrischen Feldes wie im Falle der oben beschriebenen Einzelelement-Struktur verbessert wird, vorausgesetzt, daß der gesamte, durch die Vielzahl der Sensorelemente definierte effektive optische Weg gleich oder größer als die Länge L gewählt ist, die durch die Gleichheitsbedingung der Ausdrücke (9) und (11) bestimmt ist.

Als nächster Punkt wird die elektrostatische Kapazität oder der elektrische Kapazitätswert des Sensorelementes betrachtet. Im allgemeinen ist eine kleinere elektrostatische Kapazität vorteilhaft, da die Störung, der die Verteilung des zu messenden elektrischen Feldes unterliegt, reduziert wird. Es werden die elektrischen Kapazitätswerte C der Sensorelemente (3) aus unterschiedlichen Kristallmaterialien unter Veränderung der in Lxchtausbreitungsrichtung gemessenen Länge ^ der Elemente mit der Annahme berechnet, daß die Querschnittsfläche des Sensorelementes in der Richtung senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung in der Größenordnung von 5 χ 5 mm liegt. Die Rechenwerte sind grafisch in Fig. 4 (für die Vorrichtung vom longitudinalen Modulationstyp) und in Fig. 5 (für die Vorrichtung vom transversalen Modulationstyp) dargestellt. Wie aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich, hat das Sensorelement aus Bi.Ge^O₁~ einen kleineren

elektrischen Kapazitätswert C als das aus Bi -SiO₂₀ und Bi₁J₂GeO₂₀, da es die kleine relative Dielektrizitätskonstante 16 hat. Damit kann das Sensorelement aus Bi₄Ge-O₁₇ mit einem elektrischen Kapazitätswert oder einer elektrostatischen Kapazität C unter 1 pF realisiert werden.

Insbesondere kann im Falle der Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes vom longitudinalen Modulationstyp der elektrische Kapazitätswert C des Sensorelementes durch Erhöhung seiner Länge vorteilhaft verringert werden. Im Gegensatz dazu nimmt im Falle der Meßvorrichtung vom transversalen Modulationstyp der betreffende elektrische Kapazitätswert in Abhängigkeit von der Erhöhung der Länge des Sensorelementes entsprechend zu, was einen Nachteil mit sich bringt. Diesem Problem kann jedoch mit · einem unten erläuterten Aufbau erfolgreich begegnet werden.

Ein derartiger Aufbau ist nämlich so ausgeführt, daß die Länge des wirksamen optischen Weges dadurch erhöht wird, daß das Licht mehrmals innerhalb des Sensorelementes reflektiert wird, während die tatsächliche Länge des Elementes in der Richtung senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung auf einem kleinen Wert gehalten wird. Die Ausdrücke (6), (7) und (8) bleiben gültig, wenn ^ die effektive Länge des optischen Weges im oben genannten Sinne angibt.

Damit kann die effektive Messung des elektrischen Feldes ohne Erhöhung des elektrischen Kapazitätswertes C ausgeführt werden. Weiterhin kann mit dem Aufbau, in dem das Licht innerhalb des Sensorelementes mehrmals reflektiert wird, so daß die effektive Länge des optischen Weges gleich oder größer als der mittels der Gleichheitsbedingung der Ausdrücke (9) und (11) bestimmte Wert von L ist, ein grösserer Wert des Modulationsgrades erzielt werden, wodurch sich die Empfindlichkeit für die Messung des elektrischen Feldes wie im Falle der vorhergehenden Ausführungsformen erhöht.

Die nutzbringende Anwendung von Bi₄Ge₃O₁₂ ειΐε das den elektrooptischen Effekt zeigende Material wurde oben vom Standpunkt der elektrischen Kapazität durch Vergleich mit Bi ₂Si02Q und Bi GeO.. beschrieben. Es muß jedoch angemerkt werden, daß auch die anderen elektrooptischen Kristalle mit der kristallographischen Eulytin-Struktur, wie z.B. Bi-Si-O₁₂/ Bi₄(Ge, Si)₃O₁₂ und ähnliche, wirkungsvoll und vorteilhaft in Bezug auf den elektrischen Kapazitätswert sind.

Was die Temperaturcharakteristik anlangt, so gehören sowohl die in Frage stehenden Kristalle, d.h. Bi₄Ge₃O₁₂ und Bi₄Si₃O₁₂, als auch die bekannten Kristalle mit der gewünschten Temperaturcharakteristik, d.h. Bi₁₃GeO₂₀, Bi₁₂SiO₂Q und andere, alle zum kubischen System, obwohl sie sich bezüglich der Punktgruppe unterscheiden und keine Doppelbrechung zeigen. Demgemäß kann mit Sicherheit gesagt werden, daß die Temperaturcharakteristik der Kristalle von Bi₄Ge₃O₁₂, Bi₄Si₃O₁₂ und in Frage kommenden anderen so gut wie die der bekannten Kristalle und erheblich besser als

die von LiNbO-, LiTaO-, KDP, ADP und ähnlichen ist, die die Doppelbrechung zeigen.

Fig. 6 zeigt den Aufbau einer Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes nach einer beispielhaften ersten Ausführungsform der Erfindung. Unter Bezugnahme auf die Figur wird eine Leuchtdiode, die eine Ausgangsleistung von 60 mW hat und so ausgelegt ist, daß sie Licht mit einer Wellenlänge von 0,8 μΐη emittiert, als Lichtquelle 5 verwendet. Das von der Lichtquelle 5 ausgegebene Licht wird über eine plattierte Quarzfaser 6-1 mit einem Außendurchmesser von 0,6 mm und eine Linse 7-1 in eine das elektrische Feld wahrnehmende Einheit oder Sensoreinrichtung A einqegeben. Diese ist aus den Linsen 7-1,7-2 und 7-3, einem Polarisator

1, einem Viertel-Wellenlängenplättchen 2, einem das elektrische Feld wahrnehmenden Element (Sensorelement) 3 und einem Analysator (Strahlteiler für polarisiertes Licht)40 aufgebaut, wobei alle Komponenten in einem Behältnis aus einer Glaskeramik untergebracht sind. In diesem Beispiel wird eines von drei rechteckigen Parallelepiped-Elementen, die aus einem Einkristall aus Bi₄Ge₃O₁₂ mit drei (100) - Stirnflächen in den Abmessungen 3x3x5, 3x3x10 und 3 χ 3 χ 15 (alle Maße in mm-Einheiten) gebildet sind, als das Feld-Sensorelement verwendet. Die Richtung, in der das elektrische Feld angelegt ist, sowie die Lichtausbreitungsrichtung sind längs zum Feld-Sensorelement gewählt, über den Analysator 40 werden zwei linear polarisierte Komponenten ausgekoppelt und über die Linsen 7-2 und 7-3 sowie die optischen Quarzfasern 6-2 und 6-3 auf die PIN-Dioden 8-2 und 8-3 gegeben, wo eine Umwandlung in elektrische Signale P1 und P2 erfolgt. Diese elektrischen Signale P1 und P2 werden anschließend nach der Rechenvorschrift

P₁-P₂
S =

durch einen geeigneten arithmetischen Schaltkreis zu einem gemeinsamen Signal S zusammengefaßt.

Die Größe S ist dem oben beschriebenen Modulationsgrad m proportional. Durch diese rechnerische Verarbeitung kann eine stabile Messung durchgeführt werden, die durch Verluste auf dem Übertragungsweg und Vibrationen kaum beeinflußt ist. Mittels paralleler Plattenelektroden, die jeweils einen Durchmesser von 50 cm aufweisen und mit einem Zwischenraum von 20 cm einander gegenüberliegend angeordnet sind, wird ein elektrisches Wechselfeld von 50 Hz bis zu einem Maximalwert von 40 kV angelegt.

Fig. 7 verdeutlicht grafisch die Beziehungen einerseits zwischen dem angelegten elektrischen Feld und der Ausgangsgröße S und andererseits zwischen dem angelegten Feld und dem auf Seite des Ausgangssignals P1 gemessenen Modulationsgrad m, wobei die aufgetragenen Daten auf Messungen zurückgehen, die unter Anwendung des Feld-Sensorelementes mit der Länge 5, von 10 mm durchgeführt wurden. Fig. 8 zeigt die auftretende relative Änderung im Ausgangswert S bei Veränderung der Länge des Feld-Sensorelementes von 5 mm auf 10 mm und danach auf 15 mm.

Fig. 7 ist zu entnehmen, daß, wie erwartet, das Ausgangssignal in einer wesentlichen Größenordnung für das angelegte elektrische Feld mit einer guten Linearität erhalten werden kann. Fig. 8 ist zu entnehmen, daß die Empfindlichkeit für die Messung des elektrischen Feldes proportional zur Länge Jl des Sensorelementes 3 für das elektrische Feld erhöht werden kann. Darüberhinaus zeigt Fig. 9 die Ergebnisse eines Experimentes zur Bestimmung der Stabilität des Ausgangssignals, wobei die Temperatur des Sensorelementes für das elektrische Feld mit einer Länge l_ von 10 mm unter einem konstanten elektrischen Feld von 100 V/mm von 20 auf 70⁰C verändert wurde. Fig. 9 zeigt, daß sich auch eine vorteilhafte Temperaturcharakteristik ergibt.

Nach einer zweiten Ausführungsform ist das im ersten Ausführungsbeispiel verwendete Sensorelement für das elektrische Feld mit den Abmessungen 3x3x15 (mm ) in drei Unterelemente mit Abmessungen von jeweils 3x3x5 (mm ) geteilt, die nach dem Polieren ihrer lichtübertragenden Stirnflächen in Ausrichtung mit dem optischen Weg angeordnet sind, so daß die durch die aufgereihten Unterelemente festgelegte Gesamtlänge des optischen Weges im wesentlichen der Länge des optischen Weges entspricht, der

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durch das ursprüngliche, einstückige Sensorelement vorgegeben ist. Unter diesen Voraussetzungen wurde der Modulationsgrad auf ähnliche Art wie im Falle von Beispiel 1 gemessen. Das Ergebnis der Messung zeigt, daß der Modulationsgrad im wesentlichen unverändert bleibt, unabhängig davon, ob das einzelne einstückige Sensorelement oder die Anordnung der Unterelemente Verwendung findet. Weiterhin wurde durch Messung der Frequenzabhängigkeit des Modulationsgrades für beide Fälle, d.h. das einzelne einstückige Sensorelement und den Aufbau mit geteiltem Element, die Frequenz der piezoelektrischen Vibration untersucht, die von der Länge des Feld-Sensorelementes 3 abhängt. Die entsprechende Frequenz liegt bei Anwendung des einzelnen einstückigen Sensorelementes bei etwa 130 kHz. Es wurde festgestellt, daß die Frequenz im Falle der Verwendung der geteilten Sensorelemente auf etwa 400 kHz anwächst.

Als ein drittes Ausführungsbeispiel wurde eine Vorrichtung zur Messung des elektrischen Feldes hergestellt, die denselben Aufbau wie das erste Ausführungsbeispiel aufweist, bei der jedoch als der Kristall mit elektrooptischem Effekt ein Einkristall aus Bi₄Si₃O₁₂ mit (110), (TIO) und (001) Kristallflächen in einer Größe von 4x4x4 (in ma) Verwendung findet. Das elektrische Feld ist in der mit der {j 1 θ]]-Richtung zusammenfallenden Richtung angelegt. Unter leichter Neigung der Lichtausbreitungsrichtung gegen die j_Ti Oj-Richtung,wodurch das Licht innerhalb des Kristalls einmal, zweimal bzw. dreimal reflektiert wurde, wurde der Modulationsgrad gemessen. Man fand heraus, daß der Modulationsgrad proportional zur Anzahl der innerhalb des Kristalls stattfindenden Reflexionen des Lichts trotz der Verminderung der absoluten Lichtintensität zunimmt. Der Absolutwert des Modulationsgrades, der unter Anlegung eines elektrischen Feldes von 100 V/mm gemessen wird, wobei man das Licht zwei Runden innerhalb des Kristalls

umlaufen läßt, beträgt etwa 0,5%. Dieses Ergebnis rtinu..t im wesentlichen mit dem des ersten Ausführungsbeispiels überein .

In einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung fand ein Einkristall aus Bi. (Ge, Si)₃O₁₂ Verwendung, in dem 5 Mol-% von Si durch Germanium ersetzt wurden. Es wurde eine experimentelle Untersuchung ähnlich der durchgeführt, der das zweite Ausführungsbeispiel unterzogen wurde. Man erhielt Ergebnisse, die denen für Bi₄Si O₁₂ gleichwertig sind oder diese übertreffen.

Aus der vorhergehenden Beschreibung wird deutlich, daß die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes angibt, die eine verbesserte Meßempfindlichkeit und eine stabilisierte Temperaturcharakteristik zeigt und es erlaubt, die Messung des elektrischen Feldes durchzuführen, ohne die Feldverteilung zu stören.

Selbstverständlich sind auf der Grundlage der erfindungsgemäßen technischen Lehre verschiedene Modifikationen und Ab-Wandlungen der vorliegenden Erfindung möglich, die von den im einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispielen abweichen.

Ah/bi

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Claims

STREHL SCHUBl-IL HOPF SCHULZ

WIDENMAYIiRSTRASSI. 17. I) sonn MlWHKN :-J

HITACHI, LTD.
DEA-26412

9. Februar 1984

Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen Feldes

e:

/y Vorrichtung zur optischen Messung eines elektrischen FeI-df S₇

gekennzeichnet durch
(a) eine Lichtquelle (5),

(b) eine Sensoreinrichtung für das elektrische Feld (A), die ein Material (3) mit elektrooptischer Wirkung zur Veränderung der Intensität von von der Lichtquelle erzeugtem Licht in Übereinstimmung mit der Intensität des zu messenden elektrischen Feldes (E) aufweist,

(c) eine Meßeinrichtung (P1, P2) zur Messung der Intensität des von der Sensoreinrichtung für das elektrische Feld (A) ausgegebenen Lichts und

(d) Lichtübertragungswege (6-1, 6-2, 6-3) zur optischen Kopplung der Lichtquelle (5), der Sensoreinrichtung (A) und der Meßeinrichtung (P1, P2),

wobei das Material (3) mit elektrooptischer Wirkung ein elektrooptischer Kristall mit einer kristallographischen Eulytin-Struktur ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die in der Lichtausbreitungsrichtung gemessene Gesamtlänge (£) des effektiven optischen Weges innerhalb des elektrooptischen Kristalls (3) nicht kleiner als eine vorgegebene Länge (L) ist, die zum gleichen Modulationsgrad führt, wie er bei Anwendung eines elektrooptischen Kristalls aus der Punktgruppe auftritt, dessen Länge in der genannten Richtung gleich der des elektrooptischen Kristalls (3) ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von der Lichtquelle (5) zugeführtes Licht zumindest einmal innerhalb des elektrooptischen Kristalls (3) hin- und herläuft.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge des effektiven optischen Weges innerhalb des elektrooptischen Kristalls (3) nicht kleiner als die genannte vorgegebene Länge (L) ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von elektrooptischen Kristal 1 (.'lementen Anwendung findet und entlang der Lichtausbreitunq.srichtung angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der in Lichtausbreitungsrichtung gemessenen Längen der Vielzahl von elektrooptischen Kristallelementen nicht kleiner als die genannte vorgegebene Länge (L) ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrooptische Kristall (3) mit einer kristallographischen Eulytin-Struktur zumindestens ein Kristall aus einer aus Bi₄Ge₃O₁₃, Bi₄Si₃O₁₂ ^un(ä Bi₄(Ge, Si) O₁₂ bestehenden Gruppe ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtlänge des effektiven optischen Weges innerhalb des elektrooptischen Kristalls (3) nicht kleiner als 5,4 mm ist.