JP2020126006A - 磁界センサ装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】単一の光路により形成可能であり、且つ、精度高く製造可能な磁界センサ素子を提供する。【解決手段】磁界センサ素子３０は、直線偏波光を第１遅相軸に沿って伝搬される第１直線偏波と、第１直線偏波の伝搬速度より速く伝搬される第２直線偏波とに分離して伝搬する第１偏波保持ファイバ３１と、第２遅相軸及び第２進相軸を有し、第１遅相軸及び第１進相軸が第２遅相軸及び第２進相軸とそれぞれ４５度傾くように第１偏波保持ファイバ３１と接続された第２偏波保持ファイバ３２と、第２偏波保持ファイバ３２と接続され、第２偏波保持ファイバから出射された円偏波光の位相を磁界センサ素子が配置される磁界に応じて変化させるファラデー回転子３３と、ファラデー回転子と接続され、且つ、戻り光を発生させるミラー素子３４とを有する。【選択図】図１
Description
本発明は、磁界センサ装置に関する。
コアに非軸対称な応力を加えることで、伝搬する光の偏波面保持性を高めた偏波保持ファイバ（Polarization Maintaining Fiber、ＰＭＦ）が知られている。偏波保持ファイバとして、ＰＡＮＤＡ（Polarization-maintaining AND Absorption-reducing）ファイバ、ボウタイ（Bow-tie）ファイバ及び楕円ジャケット（Elliptical Jacket）ファイバ等が知られている。
また、偏波保持ファイバを使用した磁界センサ装置が知られている。例えば、特許文献１には、偏波保持ファイバの進相軸及び遅相軸に対して光学軸を４５度傾斜させた１／４波長板を偏波保持ファイバとファラデー回転子との間に配置させて、単一の偏波面保存光ファイバでファラデー回転子に送受光を伝送する磁界センサ装置が記載されている。特許文献１に記載される磁界センサ装置では、１／４波長板は、偏波保持ファイバに導入された直線偏波光を円偏波光に変換する偏波変換素子として機能する。
しかしながら、特許文献１に記載される磁界センサ装置は、１／４波長板の光学軸が視認し難いため、偏波保持ファイバの進相軸及び遅相軸に対して４５度傾斜させて１／４波長板を配置させる光軸調整が煩雑となり、簡便に製造することが容易ではない。
本発明は、単一の光路により形成可能であり、且つ、簡便に製造可能な磁界センサ装置を提供することを目的とする。
本発明に係る磁界センサ装置は、直線偏波光を出射する発光部と、直線偏波光が入射光として導入され、該入射光に応じた戻り光を導出し、且つ、少なくともその一部が所定の磁界内に配置可能な磁界センサ素子と、戻り光をＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離し、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分に基づいて磁界センサ素子が配置される磁界に応じた検出信号を出力する検出信号発生部と、直線偏波光を磁界センサ素子へ透過させ、且つ、戻り光を検出信号発生部へ分岐する光分岐部と、を有し、磁界センサ素子は、直線偏波光を、第１遅相軸に沿って伝搬される第１直線偏波と、第１遅相軸と直交する第１進相軸に沿って第１直線偏波の伝搬速度より速く伝搬される第２直線偏波とに分離して伝搬する第１偏波保持ファイバと、第２遅相軸及び第２進相軸を有し、第１遅相軸及び第１進相軸が第２遅相軸及び第２進相軸とそれぞれ４５度傾くように第１偏波保持ファイバと接続された第２偏波保持ファイバと、第２偏波保持ファイバと光学的に接続され、第２偏波保持ファイバから出射された円偏波光の位相を磁界センサ素子が配置される磁界に応じて変化させるファラデー回転子と、ファラデー回転子と接続され、且つ、戻り光を発生させるミラー素子とを有する。
さらに、本発明に係る磁界センサ装置では、第２偏波保持ファイバの長さは、第２偏波保持ファイバのビート長の０倍及び正の整数倍の長さからビート長の４分の１の長さを増加させた長さであることが好ましい。
さらに、本発明に係る磁界センサ装置では、第２偏波保持ファイバの長さは、第２偏波保持ファイバのビート長の正の整数倍の長さからビート長の４分の１の長さを減少させた長さであることが好ましい。
さらに、本発明に係る磁界センサ装置では、第１偏波保持ファイバと第２偏波保持ファイバとは融着接続されることが好ましい。
さらに、本発明に係る磁界センサ装置では、第１偏波保持ファイバ及び第２偏波保持ファイバは、何れもＰＡＮＤＡファイバであることが好ましい。
また、本発明に係る磁界センサ素子は、入射される直線偏波光を、第１遅相軸に沿って伝搬される第１直線偏波と、第１遅相軸と直交する第１進相軸に沿って第１直線偏波の伝搬速度より速く伝搬される第２直線偏波とに分離して伝搬する第１偏波保持ファイバと、第２遅相軸及び第２進相軸を有し、第１遅相軸及び第１進相軸が第２遅相軸及び第２進相軸とそれぞれ４５度傾くように第１偏波保持ファイバと接続された第２偏波保持ファイバと、第２偏波保持ファイバと光学的に接続され、第２偏波保持ファイバから出射された円偏波光の位相を磁界に応じて変化させるファラデー回転子と、ファラデー回転子と接続され、戻り光を発生させるミラー素子とを有する。
本発明に係る磁界センサ装置は、単一の光路により形成可能であると共に、１／４波長板を必要としないため簡便に製造可能になる。
以下図面を参照して、本発明に係る磁界センサ装置について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
（実施形態に係る磁界センサ装置の構成及び機能）
図１は、実施形態に係る磁界センサ装置を示すブロック図である。
図１は、実施形態に係る磁界センサ装置を示すブロック図である。
磁界センサ装置１は、発光部１０と、光分岐部２０と、磁界センサ素子３０と、検出信号発生部４０とを有する。発光部１０は、発光素子１１と、アイソレータ１２と、偏光子１３とを有する。
発光素子１１は、例えば半導体レーザ又は発光ダイオードである。具体的には、発光素子１１として、ファブリペローレーザー、スーパールミネッセンスダイオード等を好ましく用いることができる。
アイソレータ１２は、発光素子１１から入射された光を光分岐部２０側に透過すると共に、光分岐部２０から入射された光を発光素子１１側に透過しないことで、発光素子１１を保護する。アイソレータ１２は、例えば偏光依存型光アイソレータであり、偏光無依存型光アイソレータであってもよい。
偏光子１３は、発光素子１１が発した光を直線偏波光に偏光するための光学素子であり、その種類は特に限定されない。偏光子１３で得られる直線偏波光は、光分岐部２０を介して磁界センサ素子３０に入射光１０１として入射される。
光分岐部２０は、発光部１０から出射された光を磁界センサ素子３０に透過すると共に、磁界センサ素子３０から出射された戻り光１０２を検出信号発生部４０に分岐する。なお、透過及び分岐の方向は逆であってもよい。光分岐部２０は、例えばハーフミラーであるが、光ファイバを結合分岐する光カプラ、光を分割するビームスプリッタ、及び光サーキュレータ等の光を分波可能な他の光学素子であってもよい。
磁界センサ素子３０は、第１偏波保持ファイバ３１と、第２偏波保持ファイバ３２と、ファラデー回転子３３と、ミラー素子３４とを有し、少なくともその一部が所定の磁界内に配置可能な素子である。磁界センサ素子３０は、発光部１０が出射した直線偏波光が入射光１０１として導入されると共に、導入された入射光１０１に応じた戻り光１０２を導出する。
検出信号発生部４０は、偏光分離素子４１と、第１受光素子４２と、第２受光素子４３と、信号処理部５０とを有し、第１偏波保持ファイバ３１から導出された戻り光１０２を受光する。偏光分離素子４１は、プリズム型、平面型、ウェッジ基板型及び光導波路型等の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、第１偏波保持ファイバ３１から導出された戻り光１０２をＳ偏光成分４４とＰ偏光成分４５とに分離する。
第１受光素子４２及び第２受光素子４３のそれぞれは、例えばＰＩＮフォトダイオードである。第１受光素子４２はＳ偏光成分４４を受光し、第２受光素子４３はＰ偏光成分４５を受光する。第１受光素子４２及び第２受光素子４３のそれぞれは、受光した光を光電変換して、受光した光の光量の応じた電気信号を出力する。
図２（ａ）は、第１偏波保持ファイバ３１の図１に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。
第１偏波保持ファイバ３１は、ＰＡＮＤＡファイバであり、コア３１０と、一対の応力付与部３１１及び３１２と、クラッド３１４とを有する。コア３１０は、酸化ケイ素（ＳｉＯ2）により形成されるクラッド３１４よりも屈折率が大きくなるように例えば二酸化ケイ素に二酸化ゲルマニウム（ＧｅＯ2）を添加して形成される。一対の応力付与部３１１及び３１２のそれぞれは、例えば二酸化ケイ素に酸化ホウ素（Ｂ2Ｏ3）を添加して形成され、第１偏波保持ファイバ３１の紡糸の冷却工程においてクラッド３１４より大きく収縮してＸ軸方向に引張応力を付与する。
第１偏波保持ファイバ３１は、発光部１０から光分岐部２０を介して導入される入射光１０１の偏光面２０１が遅相軸であるＸ軸及び進相軸であるＹ軸のそれぞれに対して４５度傾斜して導入されるように配置される（図２（ａ）参照）。第１偏波保持ファイバ３１は、導入される入射光１０１の偏光面２０１に対してＸ軸及びＹ軸が４５度傾斜して配置されることで、導入された入射光１０１を、Ｘ軸に沿って伝搬する第１直線偏波と、Ｙ軸に沿って伝搬する第２直線偏波とに分離して伝搬する。Ｘ軸に導入される第１直線偏波の振幅は、Ｙ軸に導入される第２直線偏波の振幅と等しい。
なお、第１偏波保持ファイバ３１は、ＰＡＮＤＡファイバであるが、ボウタイファイバ及び楕円ジャケットファイバ等の他の偏波保持ファイバであってもよい。
図２（ｂ）は、第１偏波保持ファイバ３１と第２偏波保持ファイバ３２との接続関係を示す図である。図２（ｂ）において、第１偏波保持ファイバ３１の接続断面は実線で示され、第２偏波保持ファイバ３２の接続断面は破線で示される。
第２偏波保持ファイバ３２は、第１偏波保持ファイバ３１と同様にＰＡＮＤＡファイバであり、コア３２０と、一対の応力付与部３２１及び３２２と、クラッド３２４とを有する。第２偏波保持ファイバ３２の構成は、第１偏波保持ファイバ３１の構成と同様なので、ここでは詳細な説明は省略する。
第２偏波保持ファイバ３２は、第１偏波保持ファイバ３１の遅相軸であるＸ軸及び進相軸であるＹ軸に対して第２遅相軸であるＸ´軸及び第２進相軸であるＹ´軸を４５度傾斜して第１偏波保持ファイバ３１に光学的に接続される。第２偏波保持ファイバ３２は、例えば融着接続によって第１偏波保持ファイバ３１に接続される。なお、第２偏波保持ファイバ３２は、接着剤を介する接続等の融着接続以外の接続方法によって第１偏波保持ファイバ３１に接続されてもよい。
図３は、偏波保持ファイバのビート長Ｌbと第２遅相軸である遅相軸であるＸ軸及び第２遅相軸である進相軸であるＹ軸に対して偏光面が４５度傾斜した入射光１０１の偏波状態との関係を示す図である。
ビート長Ｌbは、偏波保持ファイバ３０１に導入される入射光３００の第１直線偏波と第２直線偏波との位相差が２πになる距離、すなわち入射光３００の偏光状態が４５度傾斜した直線偏波光に戻るまでの距離である。
偏波保持ファイバ３０１に導入された入射光３００の偏光状態は、偏波保持ファイバ３０１の内部を伝搬する間、偏波状態を遷移させる。入射光３００の偏光状態は、直線偏波から楕円偏波に遷移した後に円偏波に遷移する。入射光３００の偏光状態は、円偏波から楕円偏波に遷移した後に直線偏波に遷移する。偏波保持ファイバ３０１に導入された入射光３００の偏光状態は、直線偏波、楕円偏波、円偏波、楕円偏波及び直線偏波と順次遷移する。
具体的には、入射点からビート長Ｌbの４分の１の長さ離隔した場所では、入射光３００の偏光状態は、右回転の円偏波になる。また、入射点からビート長Ｌbの２分の１の長さ離隔した場所では、入射光３００の偏光状態は、導入された入射光３００の偏波方向と直交する直線偏波になる。さらに、入射点からビート長Ｌbの４分の３の長さ離隔した場所では、入射光３００の偏光状態は、左回転の円偏波になる。そして、入射点からビート長Ｌbと同一の長さ離隔した場所では、入射光３００の偏光状態は、偏光面が４５度傾斜した直線偏波に戻る。
式（１）は、入射光の偏光面が遅相軸及び進相軸のそれぞれに対してα度傾斜して入射した場合の偏波保持ファイバのジョーンズ行列を示す。式（１）において、Ｌbは第２偏波保持ファイバ３２のビート長であり、Ｌは偏波保持ファイバの長さである。
式（１）において、直線偏波光が導入される角度αを４５度とすると共に、偏波保持ファイバの長さＬを第２偏波保持ファイバ３２の長さと同様に（１／４）Ｌbとしたときの偏波保持ファイバのジョーンズ行列は、式（２）に示される。
式（２）に示す直線偏波光が導入される角度αを４５度としたときの第２偏波保持ファイバ３２のジョーンズ行列は、１／４波長板のジョーンズ行列に一致する。式（２）に示すジョーンズ行列が１／４波長板のジョーンズ行列に一致するので、第２偏波保持ファイバ３２は、１／４波長板と同様に４５度の方位角で導入された入射光１０１の偏波状態を直線偏波から円偏波に変換する偏波変換素子として機能する。
第２偏波保持ファイバ３２の長さＬを、第２偏波保持ファイバ３２のビート長Ｌbの４分の１の長さとした場合、偏光面が４５度傾斜して導入された直線偏波光として入射された入射光１０１は、円偏波光として第２偏波保持ファイバ３２から導出される。
なお、第２偏波保持ファイバの長さＬは、ビート長Ｌbの０倍及び正の整数倍の長さからビート長の４分の１の長さを増加させた長さであってもよい。また、第２偏波保持ファイバの長さＬは、ビート長Ｌbの正の整数倍の長さからビート長の４分の１の長さを減少させた長さであってもよい。第２偏波保持ファイバの長さＬを、前述した何れかの長さとすることにより１／４波長板と同様の機能を第２偏波保持ファイバに持たせることができる。
図４は、ファラデー回転子３３及びミラー素子３４の模式図である。
ファラデー回転子３３は、誘電体３３０と、誘電体３３０から安定的に相分離した状態で誘電体３３０中に分散しているナノオーダの磁性体粒子３３１とを有するグラニュラー膜であり、第２偏波保持ファイバ３２の端面に配置される。磁性体粒子３３１は、例えば最表層等のごく一部では酸化物が形成されていてもよいが、ファラデー回転子３３の全体では、磁性体粒子３３１が、バインダとなる誘電体と化合物を作らずに、単独で薄膜中に分散している。ファラデー回転子３３内における磁性体粒子３３１の分布は、完全に一様でなくてもよく、多少偏っていてもよい。誘電体３３０として透明性が高いものを用いれば、誘電体３３０中に磁性体粒子３３１が光の波長よりも小さいサイズで存在することにより、ファラデー回転子３３は光透過性を有する。
ファラデー回転子３３は、単層のものに限らず、グラニュラー膜と誘電体膜とが交互に積層した多層膜であってもよい。グラニュラー膜を多層膜することでファラデー回転子３３を形成することで、グラニュラー膜内での多重反射によって、より大きなファラデー回転角が得られる。
誘電体３３０は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ３）、フッ化イットリウム（ＹＦ３）等のフッ化物（金属フッ化物）が好ましい。また、誘電体３３０は、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、五酸化二ニオビウム（Ｎｂ２Ｏ５）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、及び三酸化二アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）等の酸化物であってもよい。誘電体３３０と磁性体粒子３３１との良好な相分離のためには、酸化物よりもフッ化物の方が好ましく、透過率が高いフッ化マグネシウムが特に好ましい。
磁性体粒子３３１の材質は、ファラデー効果を生じるものであればよく、特に限定されないが、磁性体粒子３３１の材質としては、強磁性金属である鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）並びにこれらの合金が挙げられる。Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの合金としては、例えば、ＦｅＮｉ合金、ＦｅＣｏ合金、ＦｅＮｉＣｏ合金、ＮｉＣｏ合金が挙げられる。Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの単位長さ当たりのファラデー回転角は、従来のファラデー回転子に適用されている磁性ガーネットに比べて２〜３桁近く大きい。
ミラー素子３４は、ファラデー回転子３３上に形成されており、ファラデー回転子３３を透過した光をファラデー回転子３３に向けて反射して戻り光１０２を発生する。ミラー素子３４は、磁界センサ素子３０を透過した円偏波光と回転方向が反対の円偏波光をファラデー回転子３０に出射する。ミラー素子３４としては、例えば、銀（Ａｇ）膜、金（Ａｕ）膜、アルミニウム（Ａｌ）膜又は誘電体多層膜ミラー等を用いることができる。特に、反射率の高いＡｇ膜及び耐食性が高いＡｕ膜が成膜上簡便で好ましい。ミラー素子３４の厚さは、９８％以上の十分な反射率を確保できる大きさであればよく、例えばＡｇ膜の場合には、５０ｎｍ以上かつ２００ｎｍ以下であることが好ましい。ミラー素子３４を用いてファラデー回転子３３内で光を往復させることにより、ファラデー回転角を大きくすることができる。
第２偏波保持ファイバ３２からファラデー回転子３３に導出された入射光１０１は、ファラデー回転子３３を透過し、ミラー素子３４で反射し、再びファラデー回転子３３を透過して戻り光１０２となる。ファラデー回転子３３を透過した戻り光１０２は、第２偏波保持ファイバ３２に再度導入される。
第２偏波保持ファイバ３２からファラデー回転子３３に導出された偏光状態が円偏波である入射光１０１は、ファラデー回転子３３に印加される磁界に応じて位相を変化させる。また、ミラー素子３４で反射した偏光状態が円偏波である戻り光１０２は、ファラデー回転子３３に印加される磁界に応じて位相を更に変化させる。ファラデー回転子３３を透過する入射光１０１及び戻り光１０２の位相を変化させることに応じて、第２偏波保持ファイバ３２によって円偏波光から直線偏波光に変換されたときの戻り光１０２の偏光面が回転する。
図５は、磁界センサ素子３０に導入される入射光１０１及び磁界センサ素子３０から導出される戻り光１０２の偏光状態を説明するための図である。図５において、ファラデー回転子３３には磁界が印加されておらず、入射光１０１及び戻り光１０２の位相は、ファラデー回転子３３を透過するときに回転しない。
磁界センサ素子３０に導入された入射光１０１は、第１偏波保持ファイバ３１の第１遅相軸に沿って伝搬される第１入射成分５１０と、第１進相軸に沿って伝搬される第２入射成分５２０とに分離されて第１偏波保持ファイバ３１を伝搬する。すなわち、第１偏波保持ファイバ３１の内部では、第１入射成分５１０の偏波状態は第１遅相軸に平行な直線偏波５１１であり、第２入射成分５２０の偏波状態は第１進相軸に平行な直線偏波５２１である。
第１偏波保持ファイバ３１から第２偏波保持ファイバ３２に導入された第１入射成分５１０の偏光状態は、第２偏波保持ファイバ３２の内部では左回転の楕円偏波５１２である。第２偏波保持ファイバ３２は、ビート長Ｌbの４分の１の長さを有するので、第２偏波保持ファイバ３２から導出される第１入射成分５１０の偏光状態は、左回転の円偏波５１３になる。
第１偏波保持ファイバ３１から第２偏波保持ファイバ３２に導入された第２入射成分５２０の偏光状態は、第２偏波保持ファイバ３２の内部では右回転の楕円偏波５２２である。第２偏波保持ファイバ３２は、ビート長Ｌbの４分の１の長さを有するので、第２偏波保持ファイバ３２から導出される第２入射成分５２０の偏光状態は、左回転の円偏波５２３になる。
第１入射成分５１０及び第２入射成分５２０は、第２偏波保持ファイバ３２から偏光状態が円偏波の光として導出され、ファラデー回転子３３を透過してミラー素子３４で反射する。第２偏波保持ファイバ３２から偏光状態が円偏波の光がミラー素子３４で反射することで、戻り光１０２が発生する。第１入射成分５１０に対応する第１戻り成分５３０の偏光状態は、反転して右回転の円偏波５３１になる。また、第２入射成分５２０に対応する第２戻り成分５４０の偏光状態は、反転して左回転の円偏波５４１になる。ミラー素子３４で発生した戻り光１０２は、ファラデー回転子３３を透過して第２偏波保持ファイバ３２に再び導入される。
第２偏波保持ファイバ３２に導入された戻り光１０２は、第２偏波保持ファイバ３１の第２進相軸に沿って伝搬される第１戻り成分５３０と、第２遅相軸に沿って伝搬される第２戻り成分５４０とに分離されて第２偏波保持ファイバ３２を伝搬する。
第２偏波保持ファイバ３２に導入された第１戻り成分５３０の偏光状態は、第２偏波保持ファイバ３２の内部では右回転の楕円偏波５３２である。第２偏波保持ファイバ３２は、ビート長Ｌbの４分の１の長さを有するので、第２偏波保持ファイバ３２から導出される第１戻り成分５３０の偏光状態は、第１偏波保持ファイバ３１の第１進相軸に平行な直線偏波５３３になる。
第２偏波保持ファイバ３２に導入された第２戻り成分５４０の偏光状態は、第２偏波保持ファイバ３２の内部では左回転の楕円偏波５４２である。第２偏波保持ファイバ３２は、ビート長Ｌbの４分の１の長さを有するので、第２偏波保持ファイバ３２から導出される第２戻り成分５４０の偏光状態は、第１偏波保持ファイバ３１の第１遅相軸に平行な直線偏波５４３になる。
第１偏波保持ファイバ３１に導入された戻り光１０２は、第１偏波保持ファイバ３１の第１進相軸に沿って伝搬される第１戻り成分５３０と、第１遅相軸に沿って伝搬される第２戻り成分５４０とに分離されて第１偏波保持ファイバ３１を伝搬する。
図６は、信号処理部５０の回路ブロック図である。
信号処理部５０は、第１増幅回路５１と、第２増幅回路５２と、第１除算回路５３と、第２除算回路５４と、差動増幅回路５５とを有する。信号処理部５０は、第１受光素子４２及び第２受光素子４３により光電変換された電気信号から２つの偏光成分の強度を差分検出し、検出した数値を電流値に置き換える。
第１増幅回路５１及び第２増幅回路５２のそれぞれは、オペアンプ及び抵抗素子等により形成されるアナログ増幅回路である。
第１増幅回路５１は、第１受光素子４２からＳ偏光成分４４の光量Ｌｐに応じた第１電気信号Ｅｓ１が入力され、入力された第１電気信号Ｅｓ１を増幅して第１増幅電気信号Ｅｓ２を出力する。第２増幅回路５２は、第２受光素子４３からＰ偏光成分４５の光量Ｌｐに応じた第２電気信号Ｅｐ１が入力され、入力された第２電気信号Ｅｐ１を増幅して第２増幅電気信号Ｅｐ２を出力する。
第１除算回路５３及び第２除算回路５４のそれぞれは、オペアンプ及び抵抗素子等により形成されるアナログ除算回路である。
第１除算回路５３は、第２増幅電気信号Ｅｐ２で第１増幅電気信号Ｅｓ２を除算し、除算した出力値を示す第１アナログ信号（Ｅｓ２／Ｅｐ２）を差動増幅回路５５のマイナス入力端子に出力する。第２除算回路５４は、第１増幅電気信号Ｅｓ２で第２増幅電気信号Ｅｐ２を除算し、除算した出力値を示す第２アナログ信号（Ｅｐ２／Ｅｓ２）を差動増幅回路５５のマイナス入力端子に出力する。
差動増幅回路５５は、例えばオペアンプであり、第１除算回路５３から入力される第１アナログ信号（Ｅｓ２／Ｅｐ２）と第２除算回路５４から入力される第２アナログ信号（Ｅｐ２／Ｅｓ２）を差動増幅して検出信号Ｅｄを出力する。
（実施形態に係る磁界センサ装置の作用効果）
磁界センサ装置１は、光学軸が視認し難い１／４波長板の代わりに光学軸が視認し易い偏波保持ファイバを直線偏波光を円偏波光に変換する偏波変換素子として使用するので、単一の光路により形成可能であり且つ簡便に製造可能である。
磁界センサ装置１は、光学軸が視認し難い１／４波長板の代わりに光学軸が視認し易い偏波保持ファイバを直線偏波光を円偏波光に変換する偏波変換素子として使用するので、単一の光路により形成可能であり且つ簡便に製造可能である。
また、磁界センサ装置１は、入射光では遅相軸を伝搬する成分が戻り光では進相軸を伝搬し、入射光では進相軸を伝搬する成分が戻り光では遅相軸を伝搬するため、偏波保持ファイバの遅相軸及び進相軸を戻り光のそれぞれの成分が伝搬される光路長が同一になる。具体的には、第１偏波保持ファイバ３１の第１遅相軸に沿って伝搬された第１入射成分５１０に対応する第１戻り成分５３０は、第１偏波保持ファイバ３１の第１進相軸に沿って伝搬される。一方、第１偏波保持ファイバ３１の第１進相軸に沿って伝搬された第２入射成分５２０に対応する第２戻り成分５４０は、第１偏波保持ファイバ３１の第１遅相軸に沿って伝搬される。
磁界センサ装置１は、戻り光のそれぞれの成分が伝送される遅相軸及び進相軸の光路長が同一になるので、温度変化及び湾曲等の環境要因によってファイバがゆがみ、遅相軸及び進相軸の光路長が変化した場合でも戻り光の成分の互いの光路長は同一に維持される。磁界センサ装置１は、環境要因により戻り光の成分の互いの光路長が相違しないので、戻り光のそれぞれの成分が伝搬される光路長の差に起因して磁界の検出精度が低下するおそれは低い。
また、磁界センサ装置１は、光路長が等しい２つの成分の差動信号を、検出する磁界を示す検出信号として使用するので、環境要因により戻り光が伝搬される光路長が変化した場合でも、磁界の検出精度が光路長が変化によって低下するおそれは低い。
また、磁界センサ装置１は、第１偏波保持ファイバ３１のコアの径は、第２偏波保持ファイバ３２のコアの径と等しいので、コアの径が相違することによるロスが発生せずに、高い効率で磁界検出が可能になる。
また、磁界センサ装置１は、第１偏波保持ファイバ３１と第２偏波保持ファイバ３２とが接着剤等の接合部材を介することなく融着接続されるので、接合部材を配置することにより光路長が変化するおそれがなく、高い精度で磁界検出が可能になる。
１ 磁界センサ装置
１０ 発光部
２０ 光分岐部
３０ 磁界センサ素子
３１ 第１偏波保持ファイバ
３２ 第２偏波保持ファイバ
３３ ファラデー回転子
３４ ミラー素子
４０ 検出信号発生部
１０ 発光部
２０ 光分岐部
３０ 磁界センサ素子
３１ 第１偏波保持ファイバ
３２ 第２偏波保持ファイバ
３３ ファラデー回転子
３４ ミラー素子
４０ 検出信号発生部
Claims (6)
- 直線偏波光を出射する発光部と、
前記直線偏波光が入射光として導入され、該入射光に応じた戻り光を導出し、且つ、少なくともその一部が所定の磁界内に配置可能な磁界センサ素子と、
前記戻り光をＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離し、前記Ｓ偏光成分及び前記Ｐ偏光成分に基づいて前記磁界センサ素子が配置される磁界に応じた検出信号を出力する検出信号発生部と、
前記直線偏波光を前記磁界センサ素子へ透過させ、且つ、前記戻り光を前記検出信号発生部へ分岐する光分岐部と、を有し、
前記磁界センサ素子は、
前記直線偏波光を、第１遅相軸に沿って伝搬される第１直線偏波と、前記第１遅相軸と直交する第１進相軸に沿って前記第１直線偏波の伝搬速度より速く伝搬される第２直線偏波とに分離して伝搬する第１偏波保持ファイバと、
第２遅相軸及び第２進相軸を有し、前記第１遅相軸及び第１進相軸が前記第２遅相軸及び第２進相軸とそれぞれ４５度傾くように前記第１偏波保持ファイバと接続された第２偏波保持ファイバと、
前記第２偏波保持ファイバと光学的に接続され、前記第２偏波保持ファイバから出射された円偏波光の位相を前記磁界センサ素子が配置される磁界に応じて変化させるファラデー回転子と、
前記ファラデー回転子と接続され、且つ、前記戻り光を発生させるミラー素子と、を有する、
ことを特徴とする磁界センサ装置。 - 前記第２偏波保持ファイバの長さは、前記第２偏波保持ファイバのビート長の０倍及び正の整数倍の長さから前記ビート長の４分の１の長さを増加させた長さである、請求項１に記載の磁界センサ装置。
- 前記第２偏波保持ファイバの長さは、前記第２偏波保持ファイバのビート長の正の整数倍の長さから前記ビート長の４分の１の長さを減少させた長さである、請求項１に記載の磁界センサ装置。
- 前記第１偏波保持ファイバと前記第２偏波保持ファイバとは融着接続される、請求項１〜３の何れか一項に記載の磁界センサ装置。
- 前記第１偏波保持ファイバ及び前記第２偏波保持ファイバは、何れもＰＡＮＤＡファイバである、請求項１〜４の何れか一項に記載の磁界センサ装置。
- 入射される直線偏波光を、第１遅相軸に沿って伝搬される第１直線偏波と、前記第１遅相軸と直交する第１進相軸に沿って前記第１直線偏波の伝搬速度より速く伝搬される第２直線偏波とに分離して伝搬する第１偏波保持ファイバと、
第２遅相軸及び第２進相軸を有し、前記第１遅相軸及び第１進相軸が前記第２遅相軸及び第２進相軸とそれぞれ４５度傾くように前記第１偏波保持ファイバと接続された第２偏波保持ファイバと、
前記第２偏波保持ファイバと光学的に接続され、第２偏波保持ファイバから出射された円偏波光の位相を磁界に応じて変化させるファラデー回転子と、
前記ファラデー回転子と接続され、戻り光を発生させるミラー素子と、
を有することを特徴とする磁界センサ素子。
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