JP2011191107A - 多チャンネルロータリージョイントを有する光伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回転によって伝播ロスの偏差が0.2dＢ以内であり、多CHの測定を同時に行なえ、無限回転が可能な光ロータリージョイントおよび光電磁界センサを提供することにある。
【解決手段】
強度変調された測定信号のDCレベルが一定値となるように光によるフィードバック回路の設置を行なうこと、または電気回路によるフィードバック回路を設置することにより、光ロータリージョイントの回転により発生した透過損失の偏差を補償することで、偏差が非常に小さいRF信号を獲得し、更に光ロータリージョイントの上下に波長フィルタからなる合波器および分波器を設置し、異なる波長のレーザで測定することにより、多CH化した高安定性の光電磁界センサが得られる。
【選択図】図1

Description

本発明は、レーザ光源並びに光学結晶を使用して、空間を伝搬する電磁波の電界強度を測定する装置または受信アンテナからの受信電圧を光変調し伝送する光伝送装置であって、主としてＥＭＣ（電磁環境問題／ｅｌｅｃｔｏｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）分野で電波や電磁ノイズの特性測定用の計測器として用いられる電界センサと共に、携帯電話等の特定周波数の信号電波を検出するアンテナとしても機能する伝送装置に関する。

一般に、コンピュータ等の情報機器や通信機器，ロボット等のＦＡ機器，或いは自動車や鉄道等の制御器等の多くの電気機器は、外部からの電磁ノイズによって常に誤動作等の悪影響を受ける危険性を持つことが知られている。

そこで、最近のＥＭＣ分野においては、外部の電磁環境や悪影響を及ぼすような電磁ノイズの大きさ、或いは電気機器自体が発生するノイズ等を正確に測定することが重要となっている。

従来、上述した電磁ノイズを測定するためには、以下に説明するような三つの技術的手法が適用されている。

第１の手法は、通常のアンテナを用いて電磁ノイズを受信し、同軸ケーブルで測定器まで導くものである。又、第２の手法は、電磁ノイズをアンテナを用いて受信し、その受信信号を検波した後に光信号に変換して光ファイバを介して測定器まで導くものである。更に、第３の手法は、印加される電界強度に応じて透過光の強度が変化するように構成された光学素子を用いて電磁ノイズの電界強度変化を光強度変化に変換し、光学素子と光源及び測定器に接続された光検出器との間を光ファイバで接続するものである。

このうち、第１の手法は最も一般的であるが、同軸ケーブル等の電気ケーブルの存在により電界分布を乱す、或いはケーブル途中からノイズ混入の危険がある等の問題があるため、現在では光ファイバを用いた第２の手法及び第３の手法が検討されている。

又、第２の手法は、ダイオードで検波した検波信号を増幅して発光ダイオードに加えて光信号に変換して光ファイバで光検出器に導くものであるが、センサヘッドにおいて電気回路やバッテリを必要とするため、或る程度の大きさの金属部分が存在して形状も大きくなってしまうという問題がある他、電界の検出感度が低くて応答速度が遅いという欠点がある。

更に、第３の手法は、電界強度を透過光の強度変化に変換し、最終的に電気出力に復調する方式であり、第1、第2の方法と区別するため光電界センサと呼ばれている。その素子構造としては、小型アンテナを接続して光ファイバの出射光をレンズで平行光として素子中を通過させ、素子中の電界により偏光方向を回転させて検光子により光強度変調に変換し再び光ファイバに結合するバルク型光電界センサと、素子上に設けた光導波路により電界強度を光強度変調に変換する導波路型光電界センサとがある。通常、導波路型光電界センサの方がバルク型光電界センサよりも１０倍以上検出感度が高くなっているものの、導波路型光電界センサに比べバルク型光電界センサの方がセンサ部を小型化でき、高周波まで検出できるため、その用途によって使い分けることが検討されている。

図６は、従来の光電界センサの基本構成を示したものであり、図７はその電界センサに用いられるバルク型光電界センサヘッドの細部構成を斜視図により示したものである。

ここで図７のセンサヘッドは、偏光子６、波長板７、検光子８、電気光学素子９、平行電極１４、アンテナ１５から構成される。
入力されたレーザ光１６が偏光子６によって特定の方向の直線偏波のみ透過し、この直線偏波が波長板７によって任意の角度に回転され電気光学素子９に入射される。ここで、入射されたレーザ光は、加えられた電界強度に従って偏波方向が回転し、検光子８の偏光方向成分のみ透過する。この効果を使って入力電界強度を光強度変調に変換することで印加された電界強度が測定できる。

図７は導波路型光電界センサに用いられるセンサヘッドの細部構成を斜視図により示したものである。

ここで図７のセンサヘッドは、ニオブ酸リチウム単結晶基板１０上の所定箇所にそれぞれ一対の変調用電極１４’が設置され、アンテナ１５’に接続されている。一対の変調用電極１４’の一方側には入射光導波路１１から分岐した位相シフト光導波路１２が結合され、他方側では位相シフト光導波路１２が合流して出射光導波路１３が形成されている。入射光導波路１１の入射端には入射光用に光ファイバ２’が結合され、出射光導波路１３の出射端には出射光用に光ファイバ３’が接続されている。

導波路型光電界センサでは、光源１’から光ファイバ２’を通った光がセンサヘッド４’に入射光として入射される。センサヘッド４’においては、入射光が入射光導波路１１に入射された後、二つの位相シフト光導波路１２によりエネルギーが分割されて一対の変調用電極１４’の間に伝送される。ここで、外部から電界が印加された場合、アンテナ１５’により一対の変調用電極１４’に対して電圧が誘起され、電極間の位相シフト光導波路１２の片側に電界成分が生じる。この結果、電気光学効果により屈折率変化が生じて位相シフト光導波路１２を伝搬する光波間には印加電界の大きさに応じた位相差が変化する。即ち、印加電界強度に応じて出射光導波路１３を経て光ファイバ３’に出射される出射光の強度は変化することになり、その光強度変化を光検出器（受光器）１７’で測定することにより印加電界の強度を測定できる。

一方、図８に示すように、電界計測用途ではなく、アンテナ１５’’の受信特性を評価する目的や、図示はしないがハイインピーダンス入力であることを利用して、電圧信号伝送のために、高周波コネクタ１８などで被測定アンテナ１５’’と変調用電極１４を電気的に接続することにより、アンテナ１５’の受信電圧信号を光強度信号に変換して伝送する電圧検出装置として利用できる。
これは、バルク型光電界センサ、導波路型光電界センサともに応用可能であるが、前述の電界測定用途および後述のアンテナ計測用途等の光伝送装置の両者を総称して光電界センサとする。

導波路型電界センサのアンテナをループアンテナの様に磁界検出型のアンテナとすることによっても光磁界センサとすることができる。

上述の様に、光電界センサおよび光磁界センサは構造的に本質的な相違が無いため、光電磁界センサと標記する。

ところで、最近では取り扱い易さの必要から、図９に示す様に、センサヘッド４’’’について電気光学素子端、磁気光学素子端に、または図１０に示す様に位相シフト光導波路端に光学的な鏡20,20’を設置することにより、出射光側ファイバの無い、反射型と呼ばれる光電磁界センサが提案され、利用されている。 この場合、光電界センサヘッドへ入射する光と光電界センサヘッドから戻る光を分離するために光サーキュレータ１９が使用される。

この様な反射型光電磁界センサについて、特にアンテナ性能評価方法で注目されている測定内容のひとつとして、携帯電話のMIMOアンテナの評価がある。

これは1台の携帯電話端末に複数のアンテナが設置され、同時に複数のアンテナで無線通信を行い、通信速度の増加を目指した技術である。

このために複数のアンテナの受信性能を同時に評価する必要があり、その方法としては、電波暗室内でターンテーブル上に複数のアンテナが設置された携帯電話端末を固定し、ターンテーブルを回転させながら一定方向からの受信電波強度等を測定し性能を評価する方法が一般的である。

ターンテーブル上のアンテナから信号を取り出すためには、通常の同軸ケーブルを使用する場合、RFロータリージョイントを使用することによって回転側と固定側を電気的に接続している。

一般的な測定系を図１１に示す。ネットワークアナライザ３２からアンプ３１を通じて送信アンテナ１５から電波が放射される。この電波を被測定アンテナ36、36’が受信し同軸ケーブル35、35’を通してターンテーブル33に固定されたRFロータリージョイント34からネットワークアナライザ32に信号が返され、アンテナ特性が評価される。

ここで、RFロータリージョイントは、2本の同軸ケーブルが電気的に分離されたまま回転出来る様に構成されており、同一方向に無限回転が可能であるため1回転毎に条件が異なる測定が出来、測定を効率的に行なうことができる。

特開平０７−０２０１５９号公報

特開平０７−２９４５７５号公報

特開２０００−３３８１５４号公報

本発明者は、以前に、図２に示す様に、光電磁界センサにおいて、光または電気によるフィードバック回路を付加することで、光ファイバの屈曲または応力によって発生する透過損失の補償を行なうことができることを見出した。

しかしながら、アンテナの性能評価において、光電磁界センサを使用した場合、図１２に示す様に光電磁界センサヘッド39がターンテーブル33上に固定され、光ファイバ2で暗室外のフィードバック回路付きレーザ光源/検出器38と接続されているため、ターンテーブルの回転により光ファイバが巻き取られてゆくため、無限回転は不可能であった。

一方、光ロータリージョイントは以前より市販されているが、一組のレンズにより光を空間伝播させ、片側をレンズごと回転させることによって光学的に結合させるものであるが、上下回転軸の精密な一致が必要であり、非常に高価でありさらに回転による伝播ロスの偏差が概ね0.5dＢ程度であり、アンテナ計測に必要な精度は0.2dB以内であるため使用することができなかった。

また、複数の被測定アンテナを同時に測定する際、多CHの光ロータリージョイントが必要となるが、市販の多CH光ロータリージョイントは更に高価であり、伝播ロスの偏差が２dBを超えるため、フィードバック回路でも十分に補正できず光による正確で効率的な測定が行なえないという問題点があった。

本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、回転によって伝播ロスの偏差が0.2dＢ以内であり、多CHの測定を同時に行なえ、無限回転が可能な光ロータリージョイントおよび光電磁界センサを提供することにある。

本発明によれば、強度変調された測定信号のDCレベルが一定値となるように光によるフィードバック回路の設置を行なうこと、または電気回路によるフィードバック回路を設置することにより、光ロータリージョイントの回転により発生した透過損失の偏差を補償することで、偏差が非常に小さいRF信号を獲得し、更に光ロータリージョイントの上下に波長フィルタからなる合波器および分波器を設置し、異なる波長のレーザで測定することにより、多CH化した高安定性の光電磁界センサが得られる。

以上に説明したように出力一定制御回路つきアンプによるフィードバック回路と光ロータリージョイント並びに合波器、分波器および波長の異なる光電磁界センサを組み合わせることにより、多CHのアンテナを同時に測定でき、安定したRF出力が得られる。

本発明の一実施例に係る2台のフィードバック回路つき反射型光電界センサおよび1台の光ロータリージョイントおよび合波器、分波器の構成を示したものである。 フィードバック回路つき反射型光電界センサの基本構成を示したものである。 光ロータリージョイントの透過損失が無いときの光電界センサの入力電圧と動作曲線を示したものである。 光ロータリージョイントの透過損失が増大したときの光電界センサの入力電圧と動作曲線を示したものである。 バルク型光電界センサのセンサヘッドの一例である。 従来の透過型光電界センサの構成を示したものである。 導波路型光電界センサのセンサヘッドの一例である。 外部アンテナを使用した光電界センサの構成を示したものである。 従来の反射型光電界センサの構成をしめしたものである。 導波路型光電界センサ（反射型）のセンサヘッドの一例である。 同軸ケーブルを使用した従来の多CHアンテナ計測の測定系の一例である。 光ファイバを使用した従来の２CHアンテナ計測の測定例の一例である。

以下に実施例を挙げ、本発明の多CH測定用光電磁界センサについて、図面を参照して詳細に説明する。

バルク型光電界センサ並びに導波路型光電界センサは共に、光電界センサヘッドの平行電極に加えられた電圧を光強度変調に変換するわけであるが、その関係は図３の様に表される。

光源からP０の光パワーで出力された入射光（図３−１）は、透過損失が無い場合光電界センサヘッドを通過する際に平行電極間の電圧（図３−３）によって三角関数的に0〜100％の透過率となる様変化する（図３−２）。 このグラフの曲線を動作曲線と呼ぶ。

このとき、平行電極間に電圧が印加されない時の透過率を動作点（Operating Point）と呼ばれているが、５０％の透過率が動作点である場合において、最も感度が高く出来るため、通常、動作点は５０％の位置に決定される。

ここで、平行電極間に印加される電圧を±Viとすると、光電界センサヘッドの透過率は動作点のA―B上を移動し、透過された光は図３−４の様に平均値がOPであり振幅が1/2A’B’となる変調光が得られる。

一方、光ロータリージョイントの回転軸不一致により透過損失が発生し、光電界センサヘッドへの入射光がP０からP１に変化した場合には図４の様になる。

図３と同じ様に光電界センサヘッドの平行電極間に±Vｉの電圧が印加された場合、動作曲線は図４−２となり動作点ＯＰ２はＯＰ１に比べ低くなり、透過された変調光の振幅は1/2C’D’となる。

ここで、図3-4のOP２’をOP１’まで増幅することによって、振幅1/2C’D’を1/2A’B’とすることができ、光ロータリージョイントの透過損失を補正することができる。

動作点OP１’およびOP２’は、図３−４および図４−４の時間平均値またはローパスフィルタ透過によるDC出力によって得られる。

従って、光回路または電気回路中に可変増幅器を設置することによって、動作点OP2が一定値になる様に増幅率を常に調整すれば、光ロータリージョイントの透過損失変動を補正することができる。

更に、波長の異なる光電磁界センサを複数台設置し、合波器で両者を合成し光ロータリージョイントを通過した後、再び分波器で波長毎に分離することによってそれぞれのE/O変換器に入射される。
E/O変換器によって変調された光は、入射時とは逆の工程によって、合波され光ロータリージョイントを通過して分離された後、それぞれのO/E変換器でRF信号に復調される。

図１には、本発明の一実施例に係るフィードバック回路つき反射型光電界センサに光ロータリージョイントを設置し、２CHのアンテナを同時に測定するシステムの基本構成を示したものであり、光ロータリージョイントの前後に合波器、分波器を設置している。

図１においてフィードバック回路付きレーザ光源および検出器（コントローラと呼ぶ）38と光電磁界センサヘッド4を波長1550nmで動作させるシステムとし、コントローラ38’と光電磁界センサヘッド4’を1530nmで動作させるシステムとする。

本システムにおいて、コントローラ38および38’から出射されたレーザ光は、合波器24により1550nmと1530nmの光が合波され、その合波光は光ロータリージョイントに入射される。その後光ロータリージョイントを通過した合波光は、分波器によって再び1550nmと1530nmに分離され、それぞれのE/O変換器に入射される。

次に、送信アンテナ26から送信された電波を被測定アンテナ36および被測定アンテナ36’で受信しそれぞれに接続されているE/O変換器4およびE/O変換器4’に電力が入力される。

E/O変換機4には波長1550nmの無変調光が入力されており、被測定アンテナ36から入力される受信電力によって変調光を出力する。 同様にE/O変換器4’には波長1530nmの無変調光が入力されており、被測定アンテナ36’から入力される電力によって変調光を出力する。

光ファイバ２から波長1550nmの変調光が、光ファイバ２’から波長1530nmの変調光が分波器を逆方向に進むことによって合波され、光ロータリージョイントに入射される。この後合波器を通過することによって分波され、それぞれのRF復調回路に入射され各CHのRF信号として出射される。このときにフィードバック回路を通過することによって光ロータリージョイントの回転による偏差から来る透過損失の変動を補正し、安定した出力が得られる。 更に、波長の異なるレーザ光を信号伝送として使用するため、1台の光ロータリージョイントを使って、多CHのアンテナ評価を行なうことができる。

なお、光電磁界センサの光源については、2光源と合波器によって直交偏波を合成しE/O変換器に入射させても同様の効果が得られるため、本発明の実施例に制限されない。

1, 1’ ,1’’ ,1’’’ 光源
2, 2’, 2’’, 2’’’, 2’’’’ 光ファイバ１
3, 3’, 3’’ 光ファイバ２
4, 4’ ,4’’ ,4’’’ センサヘッド
5 フィードバック回路
6 偏光子
7 波長板
8 検光子
9 電気光学素子
10, 10’ ニオブ酸リチウム単結晶基板
11, 11’ 入射光導波路
12, 12’ 位相シフト光導波路
13 出射光導波路
14, 14’ 平行電極
15, 15’, 15’’,15’’’ アンテナ
16 レーザ光
17, 17’, 17’’,17’’’ 光検出器
18 高周波コネクタ
19 光サーキュレータ
20,20’ 反射板
31 アンプ
32 ネットワークアナライザ
33 ターンテーブル
34 RFロータリージョイント
35 同軸ケーブル
36,36’ 被測定アンテナ
37 電波暗室
38, 38’ フィードバック回路付きレーザ光源/検出器（コントローラ）
39,39’ 光磁界センサヘッド

Claims (6)

1. 出力一定制御回路を含む可変アンプからなるフィードバック回路を具備した光電磁界センサにおいて、光ロータリージョイントを設置したことを特徴とする電界・磁界・電圧検出装置。
2. 請求項１記載の光電磁界センサにおいて、電気光学効果を有する素子に直線偏波のレーザ光を入射し、印加された電界強度に従って偏波の角度が変化することを利用したバルク型光電界センサとしたことを特徴とする電界・電圧検出装置。
3. 請求項１記載の光電界センサにおいて、電気光学効果を有する素子に光導波路を形成し、直線偏波のレーザ光を入射し、印加された電界強度に従って偏波の角度が変化することを利用した導波路型光電界センサとしたことを特徴とする電界・電圧検出装置。
4. 請求項１記載の光電界センサにおいて、電気光学効果を有する素子にマッファツェンダー型光導波路を形成し、直線偏波のレーザ光を入射し、印加された電界強度に従って光強度変調が行なわれることを利用した導波路型光電界センサとしたことを特徴とする電界・電圧検出装置。
5. 請求項１〜４の光電磁界センサにおいて、台数を複数とし、光ロータリージョイントの前後に合波器および分波器を設置し、多CHのアンテナを測定できることを特徴とする電界・電圧検出装置。
6. 請求項１〜２および５において、磁気光学効果を有する素子としたことを特徴とする磁界検出装置。