JP3720327B2 - ３軸光電界センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を用いて電界の測定を行う光電界センサに係り、特に、３軸方向の電界の測定に好適な３軸光電界センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気光学効果を利用した干渉型光導波路を用いた光電界センサは、以下のような優れた特質を持っている。すなわち、金属部をほとんど持たないために被測定電界を乱さないこと、光ファイバで検出信号を伝送するので途中で誘導や電気的雑音の影響を受けないこと、結晶の電気光学効果を利用するので、高速応答が可能であり、かつその検出信号をそのまま少ない損失で伝送できること、センサ部に電源を必要としないことである。このような特質のゆえに光電界センサは、ＥＭＣ分野などの広範な電界測定に用いられている。
【０００３】
従来例としての３軸方向の電界を測定できる光電界センサを図５に基づいて説明する。光源１から出射した直線偏光の光は偏波保持ファイバ４、光サーキュレータ７、および偏波保持ファイバ１０を経て、３軸光電界センサヘッド１３に入射し、被測定電界による強度変調を受けて、再び、偏波保持ファイバ１０に入射する。その後、変調された光は光サーキュレータ７を経て、シングルモード光ファイバ１４を介して、Ｏ/Ｅ変換器１７に入射し、電気信号に変換される。
【０００４】
他の２軸方向の電界に対しては、図５に示すように、それぞれのセンシング系を有し、その構成は、第１の軸方向と同様である。なお、第２の軸方向の電界に対しては、光源２、偏波保持ファイバ５、光サーキュレータ８、偏波保持ファイバ１１、３軸光電界センサヘッド１３、シングルモード光ファイバ１５、およびＯ/Ｅ変換器１８によってセンシング系が構成されている。また、第３の軸方向の電界に対しては、光源３、偏波保持ファイバ６、光サーキュレータ９、偏波保持ファイバ１２、３軸光電界センサヘッド１３、シングルモード光ファイバ１６、およびＯ/Ｅ変換器１９によってセンシング系が構成されている。この構成により、直交３軸方向の電界を測定することができる。
【０００５】
このような３軸光電界センサは次の特許文献１に開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２５７８８４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の３軸光電界センサは、光源、光サーキュレータ、Ｏ／Ｅ変換器が３軸独立していることから高価な装置であった。
【０００８】
そこで、本発明は、部品点数を削減し、低コストの３軸電界センサを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の３軸光電界センサは、電界を捉える３つのアンテナと、該アンテナと対をなし前記電界により光に強度変調を施す３つの光変調器と、無変調光を発生する光源と、該光源から光サーキュレータを介して供給された光の光路を切替える光スイッチと、該光スイッチの出力光を伝送して前記３つの光変調器の１つに選択的に供給すると共に、該光変調器から出力された変調光を伝送して前記光スイッチに逆方向から入力する光ファイバと、前記光スイッチおよび前記光サーキュレータを介して入力された変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器とを備える３軸光電界センサであって、前記３つの光変調器が正三角柱状に配置され、前記光変調器は電気光学効果を有する基板と該基板上に形成された干渉型の光導波路と該光導波路の近傍に設けられた変調電極からなり、各々の前記変調電極のパターンが前記正三角柱の側面上において正三角柱の軸方向と５４．７度をなす方向に形成され、前記変調電極が前記アンテナの機能を有することを特徴とする。
【００１１】
また、前記光源は、発振周波数がわずかに異なり、互いに直交する２つの直線偏波を出力するレーザ光源とすることができる。
【００１２】
そして、前記光サーキュレータは偏波無依存型とすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、図１から図４に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
図２は、本発明の一実施の形態における３軸センサヘッドの外観斜視図である。２２は３芯シングルモード光ファイバ、２１は非金属の保持ロッド、２０は３軸センサ部である。この３軸センサ部の大きさはφ１２×３５ｍｍであり、３軸方向の電界を測定する反射型マッハツェンダ干渉計から成る光変調部が収められている。
【００１５】
上記３軸センサ部２０を上面から見たときの断面図を図３に示す。正三角柱の支持部材２３の側面に、互いに直交する、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸方向の電界を測定する光変調器が配置されている。２４はｘ軸方向の電界を測定する１軸光変調器、２５はｙ軸方向の電界を測定する１軸光変調器、２６はｚ軸方向の電界を測定する１軸光変調器、１９はハウジングである。このような構成により、３次元直交座標軸、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の電界測定が可能になる。
【００１６】
ここで用いる１軸光変調器は、いずれもＬiＮbＯ3基板上に作製されたＴi拡散導波路と、そこに電圧を印加する金属電極と反射ミラーとシングルモード光ファイバを備えて構成されている。
【００１７】
図４を用いて、ｘ軸、ｙ軸またはｚ軸方向の電界を測定する本実施の形態の１軸光変調器について説明する。２７はシングルモード光ファイバ、２８はＬiＮbＯ３基板、２９は光導波路、３０ａ、３０ｂは分岐光導波路、３１は金属電極（アンテナ）、３２は反射ミラーである。
【００１８】
金属電極（アンテナ）３１は、三角形の金属膜の組み合わせにより形成され、矢印で示す方向（光導波路に対し５４.７度の方向）の電界によって誘起された電圧を分岐光導波路３０ｂに印加するように、そのパターンが決められる。そうすると、図３に示すような正三角柱の側面に、３つの光変調器の導波路方向が図３の紙面に垂直になるように配置することにより、直交３軸方向の電界を測定することができる。
【００１９】
この様子をさらに説明する。正三角柱の１つの側面上において中心軸に平行な辺と５４.７°の角度をなす直線は、他の２つの側面における対応する２つの直線と、互いに直交している。従って、この３直線方向の電界測定によって、直交３軸方向の電界測定が可能となる。
【００２０】
次に、図１を参照して、本実施の形態の３軸光電界センサについて説明する。２０は本実施の形態の３軸センサ部、３３は発振周波数がわずかに異なり、互いに直交する２つの直線偏波を出力する光源、３４は偏波無依存型の光サーキュレータ、３５は光スイッチ、３６は伝送シングルモード光ファイバ、３７はフォトダイオードとアンプからなるＯ／Ｅ変換器である。
【００２１】
このとき用いる光源の波長は、ＬiＮbＯ３基板上のＴi拡散導波路における電気光学効果とロスを考慮して、１.２〜１.６μｍ程度の波長が選ばれる。また、ＲＩＮ（相対雑音強度）特性の良い半導体レーザ励起Ｎd：ＹＡＧレーザや低消費電力の半導体レーザが光源として適している。
【００２２】
半導体レーザ励起のＮd：ＹＡＧレーザを光源に用いる場合には、１.３２μｍのレーザ波長が、そして半導体レーザを光源に用いる場合には、高出力が得られる１.５５μｍのレーザ波長が使いやすい。
【００２３】
次に、この電界センサの動作について説明する。光源３３から出射して発振波長がわずかに異なり互いに直交する２つの直線偏波の光は、シングルモード光ファイバ３８、光サーキュレータ３４、光スイッチ３５、および伝送シングルモード光ファイバ３６を経て、３軸センサ部２０に入射し、被測定電界による強度変調を受けて、再び、伝送シングルモード光ファイバ３６に入射する。その後、変調された光は光スイッチ３５、光サーキュレータ３４を経て、Ｏ／Ｅ変換器３７に入射し、電気信号に変換される。
【００２４】
他の２軸方向に対しては、光スイッチ３５により光路を切り替えることにより第１の軸方向と同様の動作が行われる。
【００２５】
このような構成により、本実施の形態の電界センサ装置は、光変調器のスイッチングによる軸の選択により３軸方向の電界をそれぞれ測定することが可能となった。
【００２６】
本発明の３軸光電界センサにおいては、互いに直交する２つの直線偏波を出力する光源を用いることにより光変調器の偏波依存性を実質的に解消することができる。それに伴い、光スイッチング方式あるいは光伝送路の偏波無依存化が可能となり、その結果、汎用光部品を使用できるようになった。また、ほぼ１軸センサと同様な部品構成が可能となり、実用性の高い３軸光電界センサが実現できた。
【００２７】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、部品点数が削減され、低価格でかつ３軸方向の電界測定が可能な３軸光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】本発明の一実施の形態における３軸光電界センサの構成を示す図。
【図２】本発明の一実施の形態における３軸センサヘッドの外観斜視図。
【図３】本発明の一実施の形態における３軸センサ部を上面から見たときの断面図。
【図４】本発明の一実施の形態における３軸センサヘッドの構成要素である１軸光変調器の構造を示す斜視図。
【図５】従来の３軸光電界センサの構成を示す図。
【符号の説明】
１９ ハウジング
２０ ３軸センサ部
２１ 非金属の保持ロッド
２２ ３芯シングルモード光ファイバ
２３ 支持部材
２４、２５、２６ １軸光変調器
２７ シングルモード光ファイバ
２８ ＬiＮbＯ3基板
２９ 光導波路
３０ａ、３０ｂ 分岐光導波路
３１ 金属電極
３２ 反射ミラー
３３ 光源
３４ 光サーキュレータ
３５ 光スイッチ
３６ 伝送シングルモード光ファイバ
３７ Ｏ／Ｅ変換器
３８ シングルモード光ファイバ
Claims (3)
- 電界を捉える３つのアンテナと、該アンテナと対をなし前記電界により光に強度変調を施す３つの光変調器と、無変調光を発生する光源と、該光源から光サーキュレータを介して供給された光の光路を切替える光スイッチと、該光スイッチの出力光を伝送して前記３つの光変調器の１つに選択的に供給すると共に、該光変調器から出力された変調光を伝送して前記光スイッチに逆方向から入力する光ファイバと、前記光スイッチおよび前記光サーキュレータを介して入力された変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器とを備える３軸光電界センサであって、前記３つの光変調器が正三角柱状に配置され、前記光変調器は電気光学効果を有する基板と該基板上に形成された干渉型の光導波路と該光導波路の近傍に設けられた変調電極からなり、各々の前記変調電極のパターンが前記正三角柱の側面上において正三角柱の軸方向と５４．７度をなす方向に形成され、前記変調電極が前記アンテナの機能を有することを特徴とする３軸光電界センサ。
- 前記光源は、発振周波数がわずかに異なり、互いに直交する２つの直線偏波を出力するレーザ光源であることを特徴とする請求項１記載の３軸光電界センサ。
- 前記光サーキュレータは偏波無依存型であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の３軸光電界センサ。
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