JP2021110647A - 光電界センサ - Google Patents

Abstract

【課題】従来に比べて製造コストの大幅な低減を可能とする光電界センサを提供する。【解決手段】基板１１上に形成された光導波路１２と、変調電極１４と、変調電極１４に接続され基板１１上に配置されたアンテナ１５と、光導波路１２を伝播する光波を反射してその伝播方向を反転させる光反射部１６とを有し、アンテナ１５に誘起される電圧信号により光導波路１２に入力された光波の位相を変調し位相変調光として出力する光電界センサヘッド１０と、入力光を供給する光源と、光電界センサヘッド１０より出力された位相変調光を光波の強度を変調した強度変調光に変換する変換手段と、強度変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、光電界センサヘッド１０への入出力光ファイバ１７とを有し、Ｏ／Ｅ変換された電気信号により光電界センサヘッド１０が配置された場の電界を測定する。【選択図】図１

Description

本発明は、光電界センサヘッドを用いて、電磁波などの電界を光信号に変換し、その場の電界を検出する光電界センサに関する。

ＥＭＣ分野における電磁波ノイズの検出やイミュニティ試験等における電磁波強度の測定、放送用又は通信用の送信アンテナから放出される電磁波の監視等において、電磁波の電界強度や位相を任意の場所で正確に測定することが必要とされる。従来、このような目的で、光ファイバにより入力された入力光の強度をその場の電界強度に応じて変調して光ファイバにより出力する光電界センサヘッドと、その出力光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器とを用い、そのＯ／Ｅ変換された電気信号により、その場の電界を測定する光電界センサが使用されている。主として誘電体材料で構成され、電波周波数での応答が可能な広帯域特性を有する光電界センサヘッドを測定箇所に設置し、それと光源およびＯ／Ｅ変換器などの測定機器との間を光ファイバで接続することにより、測定する電磁波や電磁ノイズ、落雷などによる誘導の影響を受けないで、電磁波の強度や位相特性を正確に測定することができるという特徴がある。

通常、光電界センサは、電気光学効果を有する材料から作られた基板、例えばニオブ酸リチウム結晶基板上に、光導波路と、その光導波路近傍に設置された変調電極とにより構成した光変調器と、アンテナとを備え、電磁波等の電界によりアンテナに誘起された電圧を変調電極に印加して光変調器を通過する光波の強度を変調することを動作原理としている。この場合、アンテナは基板上に一体として形成されるか、又は基板の外部に設置される。

このような光電界センサの従来例としては、高周波数化に対応した光電界センサが特許文献１に、３軸方向の電界検出を可能にした光電界センサが特許文献２に記載されている。また、光電界センサを用いた電磁波の測定システムの例が特許文献３及び４に記載されている。

特開平１１−３５２１６５号公報 特開２００７−７８６３３号公報 特開２０１４−２００５号公報 特開２０１７−９４４５号公報

従来、光電界センサヘッドを構成する光導波路型の光変調器としては、分岐干渉型光導波路に変調電極を設置したマッハツェンダ型光変調器が使用されている。しかし、この光変調器を光電界センサヘッドに使用する場合、変調電極への印加電圧が０のときの２つの位相シフト光導波路間の位相差、すなわちバイアス点を一定の範囲内に制御する必要があるため、光導波路の設計や製造条件の制御等を高精度に行う必要があり、また、上記のバイアス点の温度等の周囲環境による変動を小さくするためにも特別な工夫を必要としていた。このため、光電界センサヘッドの製造コストを低減することは容易ではなかった。光電界センサをＥＭＣ分野やアンテナ計測等のより広い分野に適用していくためには、そのコスト低減は重要な課題であった。

本発明の目的は、上記の課題を解決し、従来に比べて製造コストの大幅な低減を可能とする光電界センサを提供することにある。

上記課題を解決するため、第１の観点では、本発明による光電界センサは、電気光学効果を有する材料からなる基板上に形成された光導波路と、該光導波路に電界を印加するために設けた変調電極と、該変調電極に接続され前記基板上に配置されたアンテナと、前記光導波路を伝播する光波を反射してその伝播方向を反転させる光反射部と、を有し、前記アンテナに誘起される電圧信号により前記光導波路に入力された光波の位相を変調し位相変調光として出力するように構成した光電界センサヘッドと、前記光電界センサヘッドの前記光導波路への入力光を供給する光源と、前記光電界センサヘッドから出力された前記位相変調光を光波の強度を変調した強度変調光に変換する変換手段と、前記強度変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、前記光源からの出力光を前記光電界センサヘッドに導き、かつ、前記光電界センサヘッドからの出力光を前記変換手段に導く入出力光ファイバと、を有し、前記のＯ／Ｅ変換された電気信号により前記光電界センサヘッドが配置された場の電界を測定することを特徴とする。

上記のように、本発明における光電界センサヘッドは、その場の電界によって、入力した光波を強度変調するのではなく、位相を変調して位相変調光として出力する。その後、入出力光ファイバから戻ってきた位相変調光を変換手段により強度変調光に変換し、Ｏ／Ｅ変換器により電気信号に変換するものである。本発明のように、入力した光波を位相変調する場合は、電気光学効果を有する材料からなる基板、例えばニオブ酸リチウム結晶基板上に、単なる直線状の光導波路を形成し、その光導波路に電界を印加するための変調電極を光導波路上、又は光導波路を挟んで設けることにより容易に実現できる。この場合は、従来のマッハツェンダ型光変調器のようなバイアス点はないので、光導波路形成においては特別な制御は必要なく、伝搬している光波に位相シフトを与えるだけであるので温度等の周囲環境による変動はほとんど生じない。このため、光電界センサヘッドの製造コストを従来に比べ大幅に低減可能である。また、アンテナを変調電極と同一の製造工程で基板上に形成すれば製造コストも低減できる。

さらに、本発明においては、光導波路を伝播する光波を反射してその伝播方向を反転させる反射型の位相光変調器の構成を用いる。このような反射型の光変調器構成を用いることにより、光波は透過型の光変調器構成に比べて２倍の長さの電極長を通過することになり、位相変調の高効率化、広帯域化が可能となり、かつ小型化が可能となる。さらには、光電界センサヘッドには１本の入出力光ファイバのみが接続されるので、入力及び出力の２本の光ファイバを必要とする透過型の光変調器構成の光電界センサヘッドに比べて、小型化が可能となり、取り扱いも容易となる。また、本発明においては、光サーキュレータや光分岐等を用いることにより、光源からの出力光を入出力光ファイバに入力し、入出力光ファイバからの出力光を変換手段に導くことができる。

一方、本発明においては、光電界センサヘッドの入出力光ファイバから戻る位相変調光を強度変調光に変換するための変換手段が必要となる。この変換手段は、位相変調光をそれと同じ波長成分を有する光波と干渉させる手段を構成することにより実現できる。

なお、基板上に形成するアンテナは変調電極と一体化し、変調電極の一部にアンテナ機能を持たせてもよい。また、複数個の光電界センサヘッドを用いる場合、１つの基板上にそれぞれの光電界センサヘッドに対応する光導波路、変調電極及びアンテナをそれぞれ形成することも可能である。また、１つの光導波路に対して複数のアンテナと複数の変調電極を配置して、変調効率を高め、高感度化を図ることも可能である。

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点の光電界センサにおいて、前記アンテナに誘起される電圧信号は高周波信号であって、前記変調電極の前記光導波路方向の中心と前記光反射部との間の距離Ｄは、前記光導波路中の変調波の波長をＬとすると、ｍＬ／２−Ｌ／８≦Ｄ≦ｍＬ／２＋Ｌ／８、（ここでｍは１以上の整数）であることを特徴とする。本発明の反射型の光電界センサヘッドにおいては、往路の変調電極で位相変調され光反射部で反射された光信号が復路で再び同じ変調電極を通過するとき、さらなる位相変調を受ける。この場合、検出する電界の周波数が低い場合は、光波は電界の大きさや極性が変化する前に往復するので２度の変調により変調度が加算される。しかし、検出する電磁波の周波数が高い場合、変調電極を往復する間に変調電極に印加される電圧信号の極性が反転すると往復により変調度は低下してしまう。

本観点の発明では、検出する電界の周波数が高い場合でも、光波が変調電極を往復することによって変調度が加算されるように反射部の位置を設定している。ここで、光導波路中の変調波の波長Ｌとは、光導波路中の位相変調された光波の位相変化に対応する１周期の長さである。変調電極の中心と光反射部との距離ＤをＬ／２の整数倍とすることにより、光波が変調電極の中心と反射部とを往復する長さがＬの整数倍となり、光波には往復により常に同位相の電圧信号が印加されることになる。距離Ｄの値はＬ／２の整数倍が望ましいが、その値のずれがＬ／８以下であれば変調度は加算される。なお、ニオブ酸リチウム結晶基板上の光導波路を用いる場合、光導波路中の変調波の波長Ｌの値は、変調周波数２ＧＨｚで６．８ｃｍ程度であるので、実際上、２ＧＨｚ程度以上の周波数では本観点の発明は有効である。

第３の観点では、本発明は、前記第２の観点の光電界センサにおいて、前記光導波路方向に沿って配置された複数のアンテナと該複数のアンテナにそれぞれ接続された複数の変調電極とを有し、前記複数の変調電極の前記光導波路方向の中心間隔Ｐは、ｎＬ／２−Ｌ／４≦Ｐ≦ｎＬ／２＋Ｌ／４、（ここでｎは１以上の整数）であることを特徴とする。検出する電磁波の周波数が高い場合、光導波路中の光波が変調電極を通過中に変調電極に印加される電圧信号の極性が反転すると変調度は低下してしまう。そこで、変調電極の光導波路方向の長さは光導波路中の変調波の波長Ｌの１／２以下である必要があり、通常、その長さにより変調効率、すなわち光電界センサヘッドの感度は制限される。本観点の発明では、複数の変調電極を変調度が順次加算されるような間隔で配置して高感度化を図ることができる。例えば、複数の変調電極をＬ／２の中心間隔で配置して、隣り合う変調電極間で光導波路中に互いに逆相の電界が印加されるようにすること、又は、複数の変調電極をＬの中心間隔で配置して、隣り合う変調電極間で光導波路中に同相の電界が印加されるようにすることである。この場合、変調電極にはそれぞれ同じ電圧信号を誘起するアンテナを配置して接続すればよい。上記の逆相の電界を光導波路中に印加する方法としては、例えば、Ｚカットのニオブ酸リチウム結晶基板上の光導波路を用いる場合、後の実施例に述べるように、光導波路上に配置する電極を反対側のアンテナパッドに接続することにより実現できる。中心間隔Ｐの値はＬ／２の整数倍が望ましいが、その値のずれがＬ／４以下であれば変調度は加算される。

第４の観点では、本発明は、前記第１乃至第３の観点の光電界センサにおいて、前記アンテナに誘起される電圧信号は高周波信号であって、前記変換手段は、前記位相変調光をシングルモード光ファイバに入力し、該シングルモード光ファイバの分散特性を利用して前記位相変調光を前記高周波信号により強度変調された強度変調光に変換する手段であることを特徴とする。

光波の位相がマイクロ波周波数等の高周波帯で変調されていれば、シングルモード光ファイバの分散特性を利用して強度変調光に変換することが可能である。波長分散により位相変調された光波成分と無変調の光波成分との間に遅延時間の違いにより半波長の位相差が生ずれば最大振幅の強度変調光が得られる。例えば、１ｋｍ当たり波長分散が約１７ｐｓ／ｎｍであるシングルモード光ファイバを用いれば、変調周波数が３０ＧＨｚである場合、上記の位相差を与えるシングルモード光ファイバの長さは４ｋｍ程度である。本観点の発明を用いれば、変換手段として光分岐などの構成部品が不要となる。

第５の観点では、本発明は、前記第１乃至第３の観点の光電界センサにおいて、前記変換手段は、前記位相変調光を分割し、その分割された２つの位相変調光に位相差を与えて干渉させる手段を有することを特徴とする。位相変調光を強度変調光に変換する手段としては、位相変調光を２分割して、それらの位相変調光に位相差を与えて干渉させてもよい。例えば、光電界センサヘッドから戻る位相変調光を光ファイバ分岐等により２分岐し、その分岐された光波間に位相差を与えて再び合流させればよい。この場合、与える位相差は変調周波数によって最適な値を選択すればよい。

第６の観点では、本発明は、前記第１乃至第３の観点の光電界センサにおいて、前記変換手段は、前記光源からの出力光の一部と、前記位相変調光を干渉させる手段を有することを特徴とする。位相変調光を強度変調光に変換する手段としては、位相変調光を同じ光源からの出力光の一部と干渉させるホモダイン検出光学系を構成する方法が最も一般的である。この場合、光電界センサにおいては、通常の光伝送システムとは異なり、変調された光波はその光源に近接して配置された検出機器に戻って来るので、容易にホモダイン検出光学系を構成可能である。例えば、光源からの光を光ファイバ分岐により２分岐して、一方を光電界センサヘッドに供給し、他方を光電界センサヘッドから戻る位相変調光と光ファイバ合波器等により干渉させることにより実現できる。

第７の観点では、本発明は、前記第６の観点の光電界センサにおいて、前記変換手段は、第１及び第２の入力ポートからなる２つの入力ポートと第１及び第２の出力ポートからなる２つの出力ポートを有する光分岐を備え、前記光源からの出力を前記第１の入力ポートに接続し、前記第１の出力ポートを前記入出力光ファイバに接続し、前記第２の出力ポートに光反射器を接続することにより、前記光反射器から戻る前記光源からの出力光の一部と前記入出力光ファイバから戻る前記位相変調光を干渉させ、前記第２の入力ポートから強度変調光として出力することを特徴とする。

本観点の発明では、光源からの出力光を入出力光ファイバに入力し、入出力光ファイバからの出力光を変換手段に導く入出力光の分離と変換手段の２つの機能を１つの光分岐と光反射器のみを用いて実現することができ、構成の大幅な簡易化が可能となる。この場合の光分岐としては、光ファイバ分岐による２×２分岐器や、半透過プリズムを用いた２×２分岐器を用いることができる。

第８の観点では、本発明は、前記第１乃至第６の観点の光電界センサにおいて、複数の光電界センサヘッドと、合波器と、分波器とを有し、前記光源は波長が異なる複数の光波を出力する光源であって、前記複数の光電界センサヘッドの前記光導波路にはそれぞれ異なる波長の光波を入力し、前記複数の光電界センサヘッドからの出力光を前記合波器により合波し、該合波器の出力を前記変換手段に入力し、前記変換手段からの出力を前記分波器により分波し、該分波器の出力を前記Ｏ／Ｅ変換手段に入力することを特徴とする。

複数の場所や電波の異なる偏波方向の電界を測定する場合、複数の光電界センサヘッドを配置する必要があるが、本観点の発明を用いれば、そのような場合でも検出系の構成を簡易化することが可能となる。複数の光電界センサヘッドにそれぞれ異なる波長の光波を供給し、それらから出力された位相変調光を合波して波長多重光として１つの変換手段に入力し、その出力を分波することにより、必要な変換手段の数を減らすことができる。この場合の光源の波長間隔は、使用する変換手段の動作波長範囲等を考慮して選択すればよい。なお、各光電界センサヘッドからの位相変調光の合波は、検出系において光分岐等により入出力光の分離を行った後に各出力光を合波器に入力して行うことができる。又は、光電界センサヘッドの近くに光分岐等と合波器を配置し、各光電界センサヘッドの入出力端の近くでそれぞれの光分岐により入出力光の分離を行った後に、それぞれの光分岐から戻る出力光を合波器に入力し、合波器の出力を１本の光ファイバにより検出系に伝送してもよい。

さらに、複数波長の光波の光電界センサヘッドへの供給は、光源の各波長の出力光を合波器で合波して１本の光ファイバで光電界センサヘッドの近くまで導き、その後、分波して光電界センサヘッドのそれぞれの光分岐に供給してもよい。また、本観点の発明において、各光電界センサヘッドの出力にそれぞれ対応して複数のＯ／Ｅ変換器を備えてもよいが、Ｏ／Ｅ変換器の必要数を減らすために、各出力光をスイッチ等により順次切り替えて１つのＯ／Ｅ変換器に接続して検出してもよい。

第９の観点では、本発明は、前記第７の観点の光電界センサにおいて、複数の光電界センサヘッドと、合分波器と、分波器とを有し、前記光源は波長が異なる複数の光波を合波して出力する光源であって、前記第１の出力ポートと前記複数の光電界センサヘッドとの間に前記合分波器を挿入することにより該合分波器により分波されたそれぞれ異なる波長の光波が前記複数の光電界センサヘッドに入力し、それらの複数の光電界センサヘッドから戻る出力光が前記合分波器により合波されて前記第１の出力ポートに戻るように構成され、前記第２の入力ポートからの出力を前記分波器により分波し、該分波器の出力を前記Ｏ／Ｅ変換手段に入力することを特徴とする。

複数の光電界センサヘッドを配置する場合、本観点の発明を用いれば、検出系の構成をさらに簡易化することが可能となる。光源から出力される合波された異なる波長の光波を波長多重光として第７の観点の発明の光分岐に導き、その出力を１本の光ファイバで光電界センサヘッドの近くまで導き、その後、合分波器で分波して各光電界センサヘッドの入出力光ファイバに供給する。それらから出力された位相変調光を再び合分波器で合波して波長多重光として上記の光分岐に戻すものである。必要な変換手段の数や入出力光の分離手段の数を減らすことができる。この場合の光源の波長間隔は、光分岐による干渉動作の波長範囲等を考慮して選択すればよい。

上記のように、本発明により、従来に比べて製造コストの大幅な低減を可能とする光電界センサが得られる。

本発明の実施例１に用いる光電界センサヘッドの第１の構成例を模式的に示す図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は部分的な断面図。 本発明の実施例１の光電界センサを用いた測定システムのブロック構成図。 光電界センサヘッドの第２の構成例を模式的に示す上面図。 本発明の実施例２に用いる光電界センサヘッドの構成を模式的に示す上面図。 本発明の実施例２の光電界センサのブロック構成図。 本発明の実施例３の光電界センサのブロック構成図。 本発明の実施例４に用いる光電界センサヘッドの構成を模式的に示す上面図。 本発明の実施例４の光電界センサのブロック構成図。 本発明の実施例５の光電界センサのブロック構成図。

以下、図面を参照して本発明の光電界センサを実施例により詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、その重複した説明を省略する。

図１は、本発明の実施例１の光電界センサに用いる光電界センサヘッドの第１の構成例を模式的に示す図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ断面の拡大図である。

図１において、光電界センサヘッド１０は、電気光学効果を有する代表的な材料であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）結晶からＸカットで切り出して作られた基板１１と、基板１１の上面側にＴｉ拡散によって作られた直線状の光導波路１２と、光導波路１２を挟んで配置された１対の帯状の電極からなる変調電極１４と、変調電極１４に接続され基板１１上に配置されたアンテナ１５と、光導波路１２を伝播する光波を反射してその伝播方向を反転させる光反射部１６と、を有している。その場の電界によりアンテナ１５に誘起される電圧信号により光導波路１２に入力された光波の位相を変調し位相変調光として出力するように構成されている。すなわち、電波等の電界によりアンテナ１５を構成するアンテナパッド１５ａとアンテナパッド１５ｂ間に電圧が誘起され、その電圧が変調電極１４を構成する帯状電極１４ａと帯状電極１４ｂ間に印加されることにより、その間に配置された光導波路１２の屈折率変化が生ずる。この結果、光導波路１２を通過する光波の位相が変調される。さらに、図１のように、光導波路１２を伝播する光波を光反射部１６で反射して戻すことにより、光波が変調電極１４を２回通過するので、位相変調の高効率化が可能となり、かつ小型化が可能となる。なお、光導波路１２を伝搬する光波はＴＥモードとなるように設定されている。

光導波路１２と変調電極１４の間には、光導波路１２を伝播する光波の一部が変調電極１４に吸収されるのを防ぐため、バッファ層１３が設置されている。バッファ層１３は、主として二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜等から作られ、その厚さは０．１〜１．０μｍ程度である。変調電極１４及びアンテナ１５は、スパッタリング等によって成膜されたクロム（Ｃｒ）と金（Ａｕ）の２層膜である。光導波路１２の幅Ｗは５〜１２μｍ程度、光導波路１２の長さは１０〜４０ｍｍ程度である。帯状電極１４ａ及び１４ｂの幅は５〜２０μｍ程度、その長さは５〜３０ｍｍ程度である。帯状電極１４ａと１４ｂの間隔は１０〜５０μｍ程度である。アンテナパッド１５ａ及び１５ｂの大きさは３〜１５ｍｍ程度が可能であり、その形状は矩形である必要はなく、電界により変調電極１４に電圧を誘起できればよい。光反射部１６は、例えば、金属ミラー等を光導波路１２の端面に固定すること等により実現できる。

光導波路１２の光入出射端には入出力光ファイバ１７が接続されている。入出力光ファイバ１７の光導波路１２との接続端部はフェルール等の補強部品内に挿入され、固定されている。入出力光ファイバ１７の一部と基板１１は、その場の電界への影響を防ぐため、樹脂やガラス等の絶縁体材料で構成したパッケージ１８の中に収納されている。

図２は、本発明の実施例１の光電界センサを用いた測定システムのブロック構成図である。図２において、本実施例の光電界センサ２０は、光電界センサヘッド１０と、入出力光ファイバ１７、送受信部２１により構成されている。送受信部２１は、光電界センサヘッド１０の光導波路１２への入力光を供給する光源２２と、光電界センサヘッド１０の入出力光ファイバ１７への入力光の供給と入出力光ファイバ１７からの出力光を分離するための光サーキュレータ２８と、入出力光ファイバ１７から出力された位相変調光を強度変調光に変換する変換手段として、上記光源２２の波長において分散特性を有するシングルモード光ファイバ２３を備えている。さらに、上記の強度変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器２４と、アンプ２５を備え、アンプ２５により増幅された検出信号は光電界センサ２０の出力端子２６から出力する。出力された信号は処理装置２７に送られ、光電界センサヘッドが配置された場の電波等の強度特性及び位相特性の解析、評価等が行われ、それらのデータの保存、表示、出力などが行われる。

本実施例において、例えば、光源２２の波長を１５５０ｎｍ、シングルモード光ファイバ２３の波長分散を約１７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍとすれば、変調周波数が３０ＧＨｚである場合、強度変調光を得るためのシングルモード光ファイバ２３の最適な長さは４ｋｍ程度である。

なお、光電界センサヘッド１０の光導波路１２にＴＥモードの伝搬光を供給する方法としては、入出力光ファイバ１７として偏光保存光ファイバを用いる方法や、光源２２からの出射光を互いに直交する２つの偏波を合成した光波とし、光導波路１２をＴＥモードのみ伝搬可能な光導波路とする方法等がある。

図３は、本発明の光電界センサに適用可能な光電界センサヘッドの第２の構成例を模式的に示す上面図である。本構成例の光電界センサヘッド３０においては、変調電極３４は、光導波路１２の長手方向に分割され互いに容量結合した４つの帯状電極３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄからなる分割電極により構成されている。アンテナ３５は、帯状電極３４ａに接続されたアンテナパッド３５ａと帯状電極３４ｄに接続されたアンテナパッド３５ｂより構成されている。アンテナパッド３５ａに接続された帯状電極３４ａは帯状電極３４ｂの前半部と光導波路１２を挟んで対向し、帯状電極３４ｂの後半部は帯状電極３４ａと光導波路１２の同じ側に配置され、帯状電極３４ｃの前半部と光導波路１２を挟んで対向している。帯状電極３４ｃの後半部は帯状電極３４ａと光導波路１２の同じ側に配置され、帯状電極３４ｄと光導波路１２を挟んで対向している。これにより、帯状電極３４ａと３４ｂ、帯状電極３４ｂと３４ｃ、帯状電極３４ｃと３４ｄは互いに容量結合して直列に配置されていることになる。

一般的に、変調電極の光導波路に沿った長さを長くすると変調効率が高くなり、光電界センサヘッドにおける検出感度は大きくなる。しかし、変調電極の長さを長くすると電気容量は増加してしまう。電極容量が大きいと電気信号の周波数が高くなるにつれて等価的なインピーダンスが低下し、電極に印加される電圧が低下することにより変調効率が低下する。そこで、高周波の信号検出のためには、電極の容量はできるだけ小さいことが望ましい。この変調電極の長さと電気容量のトレードオフの関係を改善する有力な手段が、１つの変調電極を容量結合した複数の電極に分割した分割電極である。この分割電極を使用することにより、高効率、広帯域の特性を得ることができる。本実施例においてはさらに、光波が変調電極３４を２回通過するので、位相変調の高効率化、かつ光電界センサヘッドの小型化が可能となる。

図４は、本発明の実施例２の光電界センサに用いる光電界センサヘッドの構成を模式的に示す上面図である。本実施例の光電界センサヘッド４０においては、変調電極４４は、光導波路１２の長手方向に沿って光導波路１２を挟んで配置された帯状電極４４ａと４４ｂ、及び、それらの帯状電極の終端に配置された終端部４６ａと４６ｂから構成されている。アンテナ４５は、帯状電極４４ａに接続されたアンテナパッド４５ａと帯状電極４４ｂに接続されたアンテナパッド４５ｂとから構成されている。検出電波の周波数帯において、変調電極４４はマイクロ波導波路として機能し、アンテナ４５と変調電極４４はインピーダンス整合され、終端部４６ａ、４６ｂを開放端、又は短絡端とすることにより、変調電極４４を検出電波の周波数において共振させる共振電極とする構造である。この構造では、狭帯域ではあるが、高効率の位相変調特性が得られ、最も高い検出感度を得ることができる。

さらに本実施例においては、変調電極４４の中心と光反射部１６との間の距離Ｄは、光導波路１２中の変調波の波長の１／２のほぼ整数倍となっている。このような設定により、往路の変調電極で位相変調され光反射部１６で反射された光信号が復路で再び同じ変調電極を通過するとき、往路と同相の電圧が印加されるので、往復の２度の変調により変調度が加算される。例えば、ニオブ酸リチウム結晶基板上の光導波路を用いる場合、検出電波の周波数を１０ＧＨｚとすれば、光導波路１２中の変調波の波長Ｌは１３．８ｍｍ程度であるので、距離Ｄとしては、６．９ｍｍ程度、又は１３．８ｍｍ程度とすればよい。

図５は、本発明の実施例２の光電界センサのブロック構成図である。図５において、本実施例の光電界センサ５０は、光電界センサヘッド４０と、入出力光ファイバ１７、送受信部５１により構成され、送受信部５１は、光電界センサヘッド４０の光導波路１２への入力光を供給する光源２２と、強度変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器２４と、アンプ２５を備え、アンプ２５により増幅された検出信号は光電界センサ５０の出力端子２６から出力する。本実施例においては、入出力光ファイバ１７への入力光と入出力光ファイバ１７からの出力光の分離手段として光ファイバ分岐器５８を有し、入出力光ファイバ１７から出力された位相変調光を強度変調光に変換する変換手段として、光源２２からの出力光の一部と位相変調光を干渉させる手段を有している。

具体的には、ハーフミラー等を用いたプリズム型の分岐器５２と合波器５３とを備え、分岐器５２により、光源２２からの出力光を入出力光ファイバ１７への入力光と参照光５４とに分岐し、合波器５３により、入出力光ファイバ１７より伝送された位相変調光と参照光５４を干渉させることにより位相変調光を強度変調光に変換する。このように、位相変調された光波は光源２２を含む送受信部５１に戻って来るので、容易に本実施例のようなホモダイン検出光学系を構成可能である。なお、分岐器５２、合波器５３の代わりに光ファイバ型の分岐器、合波器を用いてもよく、光ファイバ分岐器５８の代わりにプリズム型の分岐器を用いてもよい。

図６は、本発明の実施例３の光電界センサのブロック構成図である。図６において、本実施例の光電界センサ６０は、実施例２と同様の光電界センサヘッド４０と、入出力光ファイバ１７、送受信部６１により構成され、送受信部６１は、光電界センサヘッド４０の光導波路１２への入力光を供給する光源２２と、入出力光ファイバ１７への入力光と入出力光ファイバ１７からの出力光の分離手段として光サーキュレータ２８と、強度変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器２４と、アンプ２５を備え、アンプ２５により増幅された検出信号は光電界センサ６０の出力端子２６から出力する。本実施例においては、光電界センサヘッド４０から出力された位相変調光を強度変調光に変換する変換手段として、位相変調光を分割し、その分割された２つの位相変調光に位相差を与えて干渉させる手段を有している。

具体的には、光ファイバ分岐器６２及び６３を備え、光ファイバ分岐器６２により、入出力光ファイバ１７より伝送された位相変調光を２つに分岐し、その分岐された２つの出力をそれぞれシングルモード光ファイバからなる位相シフト光ファイバ６４及び６５を経由して、光ファイバ分岐器６３に入力し干渉させることにより位相変調光を強度変調光に変換する。本実施例において、例えば、シングルモード光ファイバの等価屈折率を１．５とすると、その光ファイバ中の光波の速度は２．０×１０^８ｍ／秒となり、位相変調の周波数を１０ＧＨｚとすると、光ファイバ中の変調波の波長は２ｃｍとなる。そこで、位相シフト光ファイバ６４と６５に上記の半波長分又はその奇数倍の長さ、すなわち１ｃｍ又はその奇数倍の長さの差を与えれば強度変調光を得ることができる。なお、光ファイバ分岐器６２及び６３の代わりに、プリズム型の分岐器、合波器を用いてもよく、さらには、光ファイバ分岐器６２及び６３と位相シフト部分を一体化した分岐干渉型の光導波路部品として変換手段を構成してもよい。

図７は、本発明の実施例４の光電界センサに用いる光電界センサヘッドの構成を模式的に示す上面図である。本実施例の光電界センサヘッド７０においては、光導波路７２の方向に沿って配置された２つのアンテナ７６及び７７と、アンテナ７６に接続された変調電極７４及びアンテナ７７に接続された変調電極７５とを有している。変調電極７４と変調電極７５の中心間隔Ｐは、光導波路７２中の変調波の波長Ｌのほぼ１／２の長さに等しくなるように設定されている。また、変調電極７４の中心と光反射部１６との間の距離Ｄは、中心間隔Ｐの長さと同様に波長Ｌのほぼ１／２となっている。光電界センサヘッド７０においては、基板７１はニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）結晶からＺカットで切り出して作られた基板であり、光導波路７２を伝搬する光波はＴＭモードとなるように設定されている。

変調電極７４は、光導波路７２の長手方向に沿って光導波路７２上に配置された帯状電極７４ａと帯状電極７４ａと一定の間隔で配置された帯状電極７４ｂとから構成され、変調電極７５は、光導波路７２上に配置された帯状電極７５ｂと帯状電極７５ｂと一定の間隔で配置された帯状電極７５ａとから構成されている。アンテナ７６は、帯状電極７４ａに接続されたアンテナパッド７６ａと帯状電極７４ｂに接続されたアンテナパッド７６ｂとから構成され、アンテナ７７は、帯状電極７５ａに接続されたアンテナパッド７７ａと帯状電極７５ｂに接続されたアンテナパッド７７ｂとから構成されている。検出電波の周波数帯において、変調電極７４及び７５はマイクロ波導波路として機能し、それらの帯状電極の両側の終端部を短絡端とすることにより、変調電極７４及び７５をそれぞれ、検出電波の周波数において共振させる共振電極とする構造である。この構造では、狭帯域ではあるが、高効率の位相変調特性が得られ、高い検出感度を得ることができる。

光電界センサヘッド７０において、変調電極７４及び７５の光導波路７２方向の長さは光導波路中の変調波の波長Ｌの１／２以下である。変調電極７４では上側のアンテナパッド７６ａに接続された帯状電極７４ａを光導波路７２上に配置し、変調電極７５では下側のアンテナパッド７７ｂに接続された帯状電極７５ｂを光導波路７２上に配置することにより、変調電極７４と７５では光導波路７２中に互いに逆相の電界が印加されるようにしている。これにより、変調電極７４と７５を通過することにより変調度が加算されるので高感度化を図ることができる。

さらに、本実施例においては、変調電極７４の中心と光反射部１６との間の距離Ｄは、光導波路１２中の変調波の波長Ｌのほぼ１／２となっているので、変調電極７４及び７５において、復路で往路と同相の電圧が印加され、往復の２度の変調により変調度が加算される。具体的寸法の一例としては、例えば、ニオブ酸リチウム結晶基板上の光導波路を用いる場合、検出電波の周波数を１０ＧＨｚとすれば、光導波路１２中の変調波の波長Ｌは１３．８ｍｍ程度であるので、距離Ｄ及び間隔Ｐとしては、６．９ｍｍ程度とすればよい。

図８は、本発明の実施例４の光電界センサのブロック構成図である。図８において、本実施例の光電界センサ８０は、光電界センサヘッド７０と、入出力光ファイバ１７、送受信部８１により構成され、送受信部８１は、光電界センサヘッド７０の光導波路７２への入力光を供給する光源２２と、強度変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器２４と、アンプ２５を備え、アンプ２５により増幅された検出信号は光電界センサ８０の出力端子２６から出力する。本実施例においては、入出力光ファイバ１７への入力光と入出力光ファイバ１７からの出力光の分離手段及び位相変調光を強度変調光に変換する変換手段の両方の機能を有する光ファイバ分岐器８２を有している。

光ファイバ分岐器８２は、入力ポート８２ａ及び８２ｂからなる２つの入力ポートと、出力ポート８２ｃ及び８２ｄからなる２つの出力ポートを有している。光源２２からの出力を入力ポート８２ａに接続し、出力ポート８２ｃを入出力光ファイバ１７に接続し、出力ポート８２ｄには光ファイバを介して光反射器８３を接続している。これにより、光反射器８３から戻る光源２２からの出力光の一部と入出力光ファイバ１７から戻る位相変調光を干渉させ、入力ポート８２ｂから強度変調光として出力するものである。これにより、構成の大幅な簡易化が可能となる。なお、本実施例において、光源２２と光ファイバ分岐器８２との間に、光源２２への戻り光を遮断する光アイソレータを挿入してもよい。

図９は、本発明の実施例５の光電界センサのブロック構成図である。図９において、本実施例の光電界センサ９０は、実施例１の光電界センサヘッド１０と同様の３つの光電界センサヘッド１０ａ、１０ｂ、１０ｃと、それらの光電界センサヘッドのそれぞれの入出力光ファイバ１７ａ、１７ｂ、１７ｃと、送受信部９１により構成されている。送受信部９１は、光電界センサヘッド１０ａ、１０ｂ、１０ｃに、それぞれ異なる波長であるλ_１、λ_２、λ_３、の光波を供給するための３つの光源９２ａ、９２ｂ、９２ｃと、入出力光ファイバ１７ａ、１７ｂ、１７ｃへの入力光と入出力光ファイバ１７ａ、１７ｂ、１７ｃからの出力光をそれぞれ分離する手段として光ファイバ分岐器９８ａ、９８ｂ、９８ｃと、入出力光ファイバ１７ａ、１７ｂ、１７ｃより伝送された３つの波長λ_１、λ_２、λ_３、の位相変調光を合波するためのＷＤＭカップラ９５を備えている。

さらに、実施例１と同様に、位相変調光を強度変調光に変換する変換手段として、上記λ_１、λ_２、λ_３の波長において分散特性を有するシングルモード光ファイバ９６を備え、λ_１、λ_２、λ_３の波長の強度変調光を分波するためのＷＤＭカップラ９７を備えている。分波された波長λ_１、λ_２、λ_３の３つの強度変調光は、それぞれＯ／Ｅ変換器２４ａ、２４ｂ、２４ｃにより電気信号に変換され、アンプ２５ａ、２５ｂ、２５ｃにより増幅され、それぞれの検出信号は光電界センサ９０の出力端子２６ａ、２６ｂ、２６ｃから出力する。これにより、光電界センサヘッド１０ａ、１０ｂ、１０ｃが置かれた場のそれぞれの電界が検出される。

本実施例の光電界センサでは、光電界センサヘッドが配置された３つの場所の電界を同時に検出できる。また、３つの光電界センサヘッドのアンテナの向きが互いに直交するように配置すれば、電波等の電磁波の異なる偏波方向の電界を測定できる。本実施例の光電界センサでは、１つの変換手段を用いるので検出系の構成を簡易化することができる。使用する波長λ_１、λ_２、λ_３の間隔は、使用するシングルモード光ファイバ９６の分散特性により決定される動作波長範囲を考慮して選択すればよい。例えば、波長１５５０ｎｍで波長分散が１７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであるシングルモード光ファイバを用いれば、変調周波数が３０ＧＨｚである場合、シングルモード光ファイバの長さを４ｋｍ程度とすれば、動作波長範囲は１５３０〜１５６０ｎｍ程度が可能である。

以上のように、本発明により、従来に比べて製造コストの大幅な低減を可能とする光電界センサを得ることができる。

本発明は上記の実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、目的に応じて様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例に示した光電界センサヘッドの各種の形態と光電界センサの送受信部の各種の構成との組み合わせは、任意に選択可能である。また、アンテナの形状、その基板上の配置方法、変調電極との接続方法等も目的に合わせて任意に設計可能である。

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，３０，４０，７０ 光電界センサヘッド
１１，７１ 基板
１２，７２ 光導波路
１３ バッファ層
１４，３４，４４，７４，７５ 変調電極
１４ａ，１４ｂ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，４４ａ，４４ｂ，７４ａ，７４ｂ，７５ａ，７５ｂ 帯状電極
１５，３５，４５，７６，７７ アンテナ
１５ａ，１５ｂ，３５ａ，３５ｂ，４５ａ，４５ｂ，７６ａ，７６ｂ，７７ａ，７７ｂ アンテナパッド
１６ 光反射部
１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ 入出力光ファイバ
１８ パッケージ
２０，５０，６０，８０，９０ 光電界センサ
２１，５１，６１，８１，９１ 送受信部
２２，９２ａ，９２ｂ，９２ｃ 光源
２３，９６ シングルモード光ファイバ
２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ Ｏ／Ｅ変換器
２５，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ アンプ
２６，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ 出力端子
２７ 処理装置
２８ 光サーキュレータ
５２ 分岐器
５３ 合波器
５４ 参照光
５８，６２，６３，８２，９８ａ，９８ｂ，９８ｃ 光ファイバ分岐器
６４，６５ 位相シフト光ファイバ
８２ａ，８２ｂ 入力ポート
８２ｃ，８２ｄ 出力ポート
８３ 光反射器
９５，９７ ＷＤＭカップラ

Claims (9)

1. 電気光学効果を有する材料からなる基板上に形成された光導波路と、該光導波路に電界を印加するために設けた変調電極と、該変調電極に接続され前記基板上に配置されたアンテナと、前記光導波路を伝播する光波を反射してその伝播方向を反転させる光反射部と、を有し、前記アンテナに誘起される電圧信号により前記光導波路に入力された光波の位相を変調し位相変調光として出力するように構成した光電界センサヘッドと、
   前記光電界センサヘッドの前記光導波路への入力光を供給する光源と、
   前記光電界センサヘッドから出力された前記位相変調光を光波の強度を変調した強度変調光に変換する変換手段と、
   前記強度変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、
   前記光源からの出力光を前記光電界センサヘッドに導き、かつ、前記光電界センサヘッドからの出力光を前記変換手段に導く入出力光ファイバと、
   を有し、
   前記のＯ／Ｅ変換された電気信号により前記光電界センサヘッドが配置された場の電界を測定することを特徴とする光電界センサ。
2. 前記アンテナに誘起される電圧信号は高周波信号であって、前記変調電極の前記光導波路方向の中心と前記光反射部との間の距離Ｄは、前記光導波路中の変調波の波長をＬとすると、ｍＬ／２−Ｌ／８≦Ｄ≦ｍＬ／２＋Ｌ／８、（ここでｍは１以上の整数）であることを特徴とする請求項１に記載の光電界センサ。
3. 前記光導波路方向に沿って配置された複数のアンテナと該複数のアンテナにそれぞれ接続された複数の変調電極とを有し、前記複数の変調電極の前記光導波路方向の中心間隔Ｐは、ｎＬ／２−Ｌ／４≦Ｐ≦ｎＬ／２＋Ｌ／４、（ここでｎは１以上の整数）であることを特徴とする請求項２に記載の光電界センサ。
4. 前記アンテナに誘起される電圧信号は高周波信号であって、前記変換手段は、前記位相変調光をシングルモード光ファイバに入力し、該シングルモード光ファイバの分散特性を利用して前記位相変調光を前記高周波信号により強度変調された強度変調光に変換する手段であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電界センサ。
5. 前記変換手段は、前記位相変調光を分割し、その分割された２つの位相変調光に位相差を与えて干渉させる手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電界センサ。
6. 前記変換手段は、前記光源からの出力光の一部と、前記位相変調光を干渉させる手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光電界センサ。
7. 前記変換手段は、第１及び第２の入力ポートからなる２つの入力ポートと第１及び第２の出力ポートからなる２つの出力ポートを有する光分岐を備え、前記光源からの出力を前記第１の入力ポートに接続し、前記第１の出力ポートを前記入出力光ファイバに接続し、前記第２の出力ポートに光反射器を接続することにより、前記光反射器から戻る前記光源からの出力光の一部と前記入出力光ファイバから戻る前記位相変調光を干渉させ、前記第２の入力ポートから強度変調光として出力することを特徴とする請求項６に記載の光電界センサ。
8. 複数の光電界センサヘッドと、合波器と、分波器とを有し、
   前記光源は波長が異なる複数の光波を出力する光源であって、
   前記複数の光電界センサヘッドの前記光導波路にはそれぞれ異なる波長の光波を入力し、前記複数の光電界センサヘッドからの出力光を前記合波器により合波し、該合波器の出力を前記変換手段に入力し、前記変換手段からの出力を前記分波器により分波し、該分波器の出力を前記Ｏ／Ｅ変換手段に入力することを特徴とする請求項1乃至６のいずれか1項に記載の光電界センサ。
9. 複数の光電界センサヘッドと、合分波器と、分波器とを有し、
   前記光源は波長が異なる複数の光波を合波して出力する光源であって、
   前記第１の出力ポートと前記複数の光電界センサヘッドとの間に前記合分波器を挿入することにより該合分波器により分波されたそれぞれ異なる波長の光波が前記複数の光電界センサヘッドに入力し、それらの複数の光電界センサヘッドから戻る出力光が前記合分波器により合波されて前記第１の出力ポートに戻るように設定され、
   前記第２の入力ポートからの出力を前記分波器により分波し、該分波器の出力を前記Ｏ／Ｅ変換手段に入力することを特徴とする請求項７に記載の光電界センサ。

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