JP3627204B2 - 電界センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＥＭＣ分野で電波や電極ノイズの特性測定に用いる計測器に関し，特に，空問を伝搬する電磁波の電界強度を測定するための電界センサ，および放送電波等の特定の周波数の信号電波を検出するアンテナとしての機能する電界センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
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，自動車，鉄道等の制御器など多くの電気機器は，互いに外部からの電磁ノイズによって誤動作などの影響を受ける危険を常にもっている。ＥＭＣ分野においては，外部の電磁環境や影響を及ぼすようなノイズの大きさ，また自ら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。
【０００３】
従来，電界強度の計測において，印加される電界強度に応じて，入射した光の強度が変化して出射するように構成された光学索子を用いて，電界強度を光強度に変換して検出する電界センサが開発されている。
【０００４】
図４は，従来の電界センサの一構成例を示す図である。また，図５は，図４の電界センサに用いるセンサヘッド１６の構成を示す図である。図４を参照すると，従来技術による電界センサ５０は，第１の光源１１および第２の光源１２と，光合成器１３と，第１の光源１１および第２の光源１２と光合成器１３とを夫々接続する第１の偏波面保持ファイバ１４，及び第２の偏波面保持ファイバ１５と，光合成器１３と，センサヘッド１６と，光合成器１３とセンサヘッド１６とを接続する入射光ファイバであるシングルモードファイバ１７と，センサヘッド１６に電気接続されたアンテナ１８と，受光器１９と，センサヘッド１６と受光器１９とを接続するシングルモードファイバ２０とを備えている。
【０００５】
図５を参照すると，センサヘッド１６において，ｃ軸に垂直に切り出したニオブ酸リチウム単結晶の基板５１上には入射光導波路５２，そこから分岐して結合した位相シフト光導波路５３，および上記２本の位相シフト光導波路５３が合流して結合した出射光導波路５４が形成されている。位相シフト光導波路５３上には一対の変調電極５５が設置され，アンテナ１８に接続されている。入射光導波路５２の入射端には，入射光ファイバとしてシングルモードファイバ１７が結合され，出射光導波路１５４の出射端には，出射光ファイバとしてシングルモードファイバ２０が接続されている。
【０００６】
図４を再び参照すると，第１及び第２の光源１１，１２の直線偏光の出射光は，それぞれ第１及び第２の偏波面保持ファイバ１４，１５を通って，光合成器１３に入射され，互いに直交するように合成され，シングルモードファイバ１７を通って，センサヘッド１６の入射光導波路５２に入射される。入射光は，さらに位相シフト光導波路５３にエネルギーが分割される。図５に示すように，電界が印加されている場合，アンテナ１８により変調電極５５に電圧が誘起されて位相シフト光導波路５３中には深さ方向に互いに反対向きの電界成分が生じる。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５３を伝搬する光波に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，出射光ファイバであるシングルモードファイバ２０に出射す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１９で測定することにより印加電界の強度を測定できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電界センサの構成の場合，電界強度の測定はもちろん可能ではあるが，特に，光合成器とセンサヘッドの間が長距離にわたる場合，すなわち長いシングルモードファイバを使用する場合には，ノイズレベルが高くなる。
【０００８】
図６は，図４に示される従来の電界センサによる電界の波形を示す図である。図６に示すように，波形は１．５ｋｍのシングルモードファイバが使われた場合である。
【０００９】
ノイズレベルが高い原因は，必ずしも一元的に明確になってはいないが，センサヘッドと入射光ファイバとの光接続における反射戻り光によりレーザ光源が不安定になるために発生するものとも推定されている。さらに，個別に光アイソレータを具備しているレーザ光源を用いた場合でもノイズを除いた波形を得ることはできない。
【００１０】
そこで，本発明の技術的課題は，電界の波形をノイズを除いて計測する電界センサを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために，本発明の電界センサでは，光源と，センサヘッドと，受光器と，センサヘッドの入出力光伝送路としてのそれぞれ入射光ファイバ及び出射光フアイバと，アンテナとを備えた電界センサにおいて，前記光源は出射光が直線偏光である第１及び第２の光源からなり，前記電界センサは，更に，二つの直線偏光は互いに直交するように合成する光合成器と，前記光合成器と前記センサヘッドとの間に介在する光アイソレータとを備え，前記合成された光は，前記光アイソレータを通してセンサヘッドに入射するように構成されていることを特徴としている。
【００１２】
また，本発明による電界センサでは，前記入射光ファイバは，第１及び第２の光源と光合成器との間が偏波保持ファイバで形成され，前記光合成器と前記センサヘッドの間はシングルモードファイバから形成され，前記出射光ファイバはシングルモードフアイバであることを特徴としている。
【００１３】
また，本発明の電界センサでは，二つの光源の出射光波長が互いに異なることを特徴としている。
【００１４】
また，本発明の電界センサでは，前記センサヘッドは，偏光子を具備し，センサヘッドの入射光は偏光子を通して入射される構成の電界センサとしてもよい。
【００１５】
更に，本発明による電界センサでは，前記第１及び第２の光源のうち少なくとも一方を，半導体励起ＹＡＧレーザ等の半導体励起固体レーザとしたことを特徴としている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施例について，図面を参照して説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は，本発明の第１の実施の形態による電界センサの概略構成を示す図である。図１を参照すると，第１の実施の形態による電界センサ１０は，第１の光源１１および第２の光源１２と，光合成器１３と，第１の光源１１および第２の光源１２と光合成器１３とを夫々接続する第１の偏波面保持ファイバ１４及び第２の偏波面保持ファイバ１５と，光アイソレータ１と，光合成器１３と光アイソレータ１とを接続するシングルモードファイバ２（以下，第１のシングルモードファイバと呼ぶ）と，センサヘッド１６と，光アイソレータ１とセンサヘッド１６とを接続する入射光ファイバであるシングルモードファイバ１７（以下，第２のシングルモードファイバ）と，センサヘッド１６に電気接続されたアンテナ１８と，受光器１９と，センサヘッド１６と受光器１９とを接続するシングルモードファイバ２０（以下，第３のシングルモードファイバと呼ぶ）とを備えている。
【００１８】
次に，第１の実施の形態による電界センサの動作について説明する。第１の光源１１および第２の光源１２は，共に半導体励起ＹＡＧレーザで，出射光波長がそれぞれ１．３１９０ｐｍおよび１．３１９５μｍである。これらの出射光は直線偏光で，光合成器１３によつてそれぞれの偏波面は互いに垂直をなして結合される。さらに，光合成器１３を出射した光は，第１のシングルモードファイバ２を介して偏波面に依存しない光アイソレータ１を通り，第２のシングルモードファイバ１７内を互いに垂直な偏波面を保ちつつ，センサヘッド１６に伝搬し入射する。
【００１９】
第１の実施の形態には，図５に示した光導波路素子から構成されたセンサヘッド１６が用いられている。この場合，センサヘッド１６にはＴＥ波およびＴＭ波の二つの直線偏光が入射する。センサヘッド１６の消光比が高いために，電界強度の測定においては，ＴＭ波の影響は実質的に無視することができ，通常，実用的な測定が可能である。
【００２０】
図１では，第２のシングルモードファイバ１７を伝搬する光の偏光面を矢印を付して示す。このように，光合成器１３で合成された垂直偏波面を有する二直線偏光を，光アイソレータ１を通してセンサヘッド１６に入射させることにより，受光器１９に，図２の周波数と強度との関係を示されるように，ノイズが除去された波形が得られた。
【００２１】
（第２の実施の形態）
図３は本発明の第２の実施の形態による電界センサの概略構成を示す図である。図３に示すように，第２の実施の形態による電界センサ２１においては，第１の実施の形態を基本としつつも，センサヘッド１６が偏光子３を具備した構成をなしている。すなわち，前第１の実施の形態の機能の上に，偏光子３の付加により，特定の偏波面の光（ＴＥ波）のみがセンサヘッド１６に入射される。このため，第１の実施の形態に述べた電界センサに比べて，センサヘッド１６の特性にかかわらず入射光の偏波面に依存することなく，電界の高分解能測定が可能となる。
【００２２】
図１と同様に，図３でも入射光ファイバである第２のシングルモードファイバ１７を伝搬する光の偏光面を矢印を付して示す。その結果，第１の実施の形態の場合と同様に，すなわち，図等に示されるように，ノイズを除いて波形を計測するすることが可能となる。
【００２３】
すでに述べたように，個々に光アイソレータを具備した光源であっても，二つの直線偏光を結合したのちにさらに光アイソレータを装填することが有効である。
【００２４】
また，二つの光源の出射光波長を相違させることによって，二つの出射光相互の干渉が避けられ，電界センサは安定に機能する。
【００２５】
なお，光アイソレータは，入射光の偏波面に依存しないタイプであればよく，光合成器と一体をなしていてもよい。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明は，光合成器によって合成された垂直偏波面を有する二直線偏光を，光アイソレータを通した上でセンサヘッドに入射することにより，入射光ファイバ間の接続，入射光ファイバとセンサヘッド等の接続に用いられる光コネクタからの反射戻り光があっても，ノイズ成分を除いて電界の波形を検出し得る電界センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による電界センサの概略構成を示す図である。
【図２】図１の電界センサによりノイズが除去された波形を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態による電界センサの概略構成を示す図である。
【図４】従来技術による電界センサの構成を示す図である。
【図５】電界センサに用いられるセンサヘッドの構成を示す図である。
【図６】図４に示される従来技術による電界センサによる波形を示す図である。
【符号の説明】
１ 光アイソレータ
２ シングルモードファイバ（第１のシングルモードファイバ）
３ 偏光子
１０，２１，５０ 電界センサ
１１ 第１の光源
１２ 第２の光源
１３ 光合成器
１４ 第１の偏波面保持ファイバ
１５ 第２の偏波面保持ファイバ
１６ センサヘッド
１７ シングルモードファイバ（第２のシングルモードファイバ）
１８ アンテナ
１９ 受光器
２０ シングルモードファイバ（第３のシングルモードファイバ）
５１ 基板
５２ 入射光導波路
５３ 位相シフト光導波路
５４ 出射光導波路
５５ 変調電極

Claims (6)

1. 光源と，センサヘッドと，受光器と，前記センサヘッドの入出力光伝送路としてのそれぞれ入射光ファイバ及び出射光ファイバと，アンテナとを備えた電界センサにおいて，
   前記光源は，出射光が直線偏光である第１及び第２の光源を備え，前記電界センサは，更に，前記二つの直線偏光を互いに直交するように合成する光合成器と，前記光合成器と前記センサヘッドとの間に介在する光アイソレータとを備え，
   前記合成された光が前記光アイソレータ通して前記センサヘッドに入射するように構成されていることを特徴とする電界センサ。
2. 請求項１記載の電界センサにおいて，前記入射光ファイバは，前記第１及び第２の光源と前記光合成器の間に配置された偏波保持フアイバと，前記光合成器と前記センサヘッドの間に配置されたシングルモードファイバとを備え，前記出射光フアイバは，シングルモードファイバであることを特徴とする電界センサ。
3. 請求項１又は２記載の電界センサにおいて，前記第１及び第２の光源の出射光波長が互いに異なることを特徴とする電界センサ。
4. 請求項１乃至３の内のいずれかに記載の電界センサにおいて，前記センサヘッドは，偏光子を具備し，前記センサヘッドの入射光は該偏光子を通して入射される構成であることを特徴とする電界センサ。
5. 請求項１乃至４の内のいずれかに記載の電界センサにおいて，前記第１及び第２の光源のうち少なくとも一方は，半導体励起固体レーザであることを特徴とする電界センサ。
6. 請求項５記載の電界センサにおいて，前記半導体励起固体レーザは，半導体励起ＹＡＧレーザであることを特徴とする電界センサ。

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