JP3744815B2 - 電界センシング装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光変調器を利用して電界を検出あるいは測定するセンシング装置に係り、特に、放送用、通信用などの電波の中継装置、あるいはＥＭＣ分野での電界測定装置に用いて好適な干渉型光導波路を有する光変調器を備えた電界センシング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の干渉型光導波路を有する光変調器を備えた電界センシング装置には、いくつかのタイプがある。図５に示すタイプは、最も基本的なタイプである。５１はアンテナ、５２はＬiＮbＯ_３光変調器、５３ａは偏波保持光ファイバ、５３ｂはシングルモード光ファイバ、５４は光源、５５はＯ／Ｅ変換器である。
【０００３】
上記の例では、光変調器５２と光源５４の間の距離が長くなると、偏波保持光ファイバ５３ａを大量に使用するので、装置全体のコストが高くなり、実用性が低下する。
【０００４】
この偏波保持光ファイバ５３ａに替えて、シングルモード光ファイバを伝送路とする方式が実用的である。しかし、シングルモード光ファイバにおいては、環境の温度変化などによって誘起される複屈折が時間とともに変化する。従って、偏光依存性のある光変調器を使用するときには、光変調器に入力する無変調光の偏光状態を補償する必要がある。
【０００５】
そのような偏光補償を行った電界センシング装置としては、例えば、特開平０９−１５９７０７、あるいは特開２０００−２１４１９９に開示された装置がある。前者は、波長がわずかに異なり、直交する偏光面を有する２つの光源を用いるものであり、後者は光変調器の２つのポートに、無変調光の２つの偏光成分を互いに逆方向から入力するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の特開平０９−１５９７０７、あるいは特開２０００−２１４１９９によって開示された装置においても、製作コストの低減が容易でないという問題がある。
【０００７】
即ち、特開平０９−１５９７０７の電界センサにおいては、使用する直交２偏光光源の製作コストが高く、また、特開２０００−２１４１９９の電界センシング装置においては、使用する光分離合成器に高度のアイソレーションが必要とされるために、製作コストの低減が困難であった。
【０００８】
そこで、本発明は、低コストの光部品を用い、製作が容易な、低コストの電界センシング装置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、本発明の電界センシング装置においては、低コストの光部品を用いて、特開２０００−２１４１９９の電界センシング装置と同等の機能を実現する。
【００１０】
即ち、本発明の電界センシング装置は、電界を検出するアンテナと、このアンテナの出力電圧に応じて無変調光を変調する光変調器と、前記無変調光を発生する光源と、前記光変調器から出力された変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、前記無変調光あるいは変調光を伝播させる光ファイバを備える電界センシング装置であって、前記光変調器の２つの入出力ポートに２つの光サーキュレータが接続され、さらに、前記光源から光ファイバによって伝送された無変調光を直交する２つの偏光に分離する偏光分離器と、前記２つの光サーキュレータから出力された変調光を合成する光合成器を備えて構成される。
【００１１】
また、前記偏光分離器と前記光源は、シングルモード光ファイバによって接続されているとよい。
【００１２】
また、前記光サーキュレータの第１、第２および第３のポートは、それぞれ、前記偏光分離器、前記光変調器、および前記光合成器に光ファイバで接続されているとよい。
【００１３】
また、前記光変調器は、ＬiＮbＯ₃単結晶基板上に形成された分岐干渉型の光変調器であるとよい。
【００１４】
また、前記光サーキュレータは、１枚のウォークオフ結晶と１枚のファラデー回転子と光結合系からなる偏光依存型の３ポート光サーキュレータであってもよい。
【００１５】
また、前記偏光分離器は、ウォークオフ結晶と光結合系を用いて構成することができる。
【００１６】
さらに、前記光源は、直線偏光を出力する半導体レーザとすることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、図１〜４に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
（実施の形態１）図１は、本発明の実施の形態１による電界センシング装置の構成を示すブロック図である。１１はアンテナ、１２は光変調器、１３ａと１３ｂは光サーキュレータ、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，および１４ｄは偏波保持光ファイバ、１５は偏光分離器、１６は光合成器、１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，および１７ｄはシングルモード光ファイバ、１８は光源、そして、１９はＯ／Ｅ変換器である。
【００１９】
ここで用いる光変調器１２の詳細について、図３に基づいて説明する。３２ａと３２ｂは入出射光導波路、３３ａと３３ｂは位相シフト光導波路であり、これらの光導波路はＴiイオンをＬiＮbＯ_３単結晶基板３５の表面付近に拡散して形成されている。
【００２０】
また、３４ａと３４ｂは変調電極であって、金属膜からなり、図１に示されるアンテナ１１に接続される。
【００２１】
さらに、３１ａと３１ｂは偏波保持光ファイバまたはシングルモード光ファイバであって、光変調器の入出力ポートとなっている。
【００２２】
図４（ａ）は、図１の光サーキュレータ１３ａと１３ｂの構成を示す図である。ウォークオフ結晶４１は、ルチル単結晶からなり、そのｃ軸方向は光学面の法線と４８°の角度をなす。また、４２は４５°ファラデー回転子である。
【００２３】
偏波保持光ファイバに接続され、第１のポート４４ａから入射した直線偏光はウォークオフ結晶４１を常光として透過し、４５°ファラデー回転子４２で、４５°の偏光面回転を受け、レンズ４３を介して、偏波保持ファイバに接続され第２のポート４４ｂに結合する。このとき、第１と第２のポートに接続された偏波保持光ファイバは、そのファースト軸が互いに４５°の角度をなす。
【００２４】
また、第２のポート４４ｂから入力された直線偏光は、レンズ４３で屈折を受け、４５°ファラデー回転子で４５°の偏光面回転を受け、ウォークオフ結晶４１を異常光として透過し、シングルモード光ファイバに接続された第３のポート４４ｃに結合する。
【００２５】
次に、図１の偏光分離器１５の構成を図４（ｂ）に基づいて説明する。シングルモード光ファイバに接続された第１のポート４７ａから入力された光は、凸レンズ４５で屈折され、ウォークオフ結晶４６を透過する。このとき、常光成分は偏波保持光ファイバに接続された第２のポート４７ｂに結合する。一方、異常光成分は、ウォークオフを受け、偏波保持光ファイバに接続された第３のポート４７ｃに結合する。
【００２６】
図４（ｃ）は、図１の光合成器１６の構成を示す。４９ａと４９ｂは併置され、シングルモード光ファイバに接続された第１と第２のポートであり、４８は凸レンズであり、４９ｃはシングルモード光ファイバに接続された第３のポートである。ここでは、凸レンズ４８の結像作用を利用して、２つの光の合成が行われる。
【００２７】
また、図１の光源１８として用いる光源は、波長１.３１μｍの直線偏光が出力されるＤＦＢ半導体レーザである。
【００２８】
次いで、図１に基づいて、本実施の形態による電界センシング装置の全体の動作を説明する。光源１８で発生した光は、シングルモード光ファイバ１７ａによって伝送され、偏光分離器１５に入射し、直交する２つの直線偏光に分離される。その後、それぞれの偏光成分は、偏波保持光ファイバ１４ｃまたは１４ｄを介して、光サーキュレータ１３ａまたは１３ｂに入射し、光変調器１２に入射する。ここで、偏光分離器１５を出射するときは直交していた２つの成分は、偏光方向を光変調器１２に最適な偏光方向に合わせて、互いに逆方向から光変調器１２に入射する。
【００２９】
この光変調器１２においては、アンテナ１１に誘起された電界によって、入射した無変調光は強度変調を受け出射される。その後、一方の変調光は偏波保持光ファイバ１４ａ、光サーキュレータ１３ａ、およびシングルモード光ファイバ１７ｃを経て、光合成器１６に入射する。また、光変調器１２から出射した、もう一方の変調光は偏波保持光ファイバ１４ｂ、光サーキュレータ１３ｂ、およびシングルモード光ファイバ１７ｄを経て、光合成器１６に入射する。
【００３０】
その後、光合成器１６で合成された変調光はシングルモード光ファイバ１７ｂによって伝送され、Ｏ／Ｅ変換器１９で電気信号に変換される。
【００３１】
なお、偏光分離器１５あるいは光サーキュレータ１３ａと１３ｂのアイソレーションが十分でなく、ノイズが発生する場合には、偏光分離器１５と光サーキュレータ１３ａまたは１３ｂの間に光アイソレータを挿入するとよい。また、光合成器１６と光サーキュレータ１３ａまたは１３ｂの間に光アイソレータを挿入することもノイズの低減に有効である。
【００３２】
（実施の形態２）次に、本発明の実施の形態２について、図２を基に説明する。２１はアンテナ、２２は光変調器、２３ａと２３ｂは光サーキュレータ、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅ、および２４ｆは偏波保持光ファイバ、２５は偏光分離器、２６は偏光合成器、２７ａと２７ｂはシングルモード光ファイバ、２８は光源、そして、２９はＯ／Ｅ変換器である。
【００３３】
実施の形態１との違いは、光変調器２２から出力された双方向の変調光を偏光合成器２６によって合成するところである。そのために、光サーキュレータ２３ａまたは２３ｂと偏光合成器２６を接続する光路として、偏波保持光ファイバ２４ｄまたは２４ｅを使用する。
【００３４】
また、偏光合成器２６は、図４（ｂ）に示された偏光分離器と同じ構成であり、光を逆方向から入力して偏光合成を行う。
【００３５】
ところで、偏光合成によって、２つの光を合成するときには、過剰な損失は発生しない。従って、本実施の形態においては、センシング装置としての雑音指数の改善に役立つ。
【００３６】
上記のように、光源としては、直線偏光出力の半導体レーザを用い、長い光伝送路としては、シングルモード光ファイバを用いた。また、偏光分離器としては、ウォークオフ結晶とファラデー回転子による簡単な構成を用い、光合成器または偏光合成器の構成も簡単なものである。
【００３７】
また、光が双方向に伝播する場所は、光変調器を挟んだ２つの光サーキュレータの間だけなので、一方向に光が伝播する場所に汎用の光アイソレータを挿入することによってノイズの低減が可能になる。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、低コストの光部品を用い、製作が容易な、低コストの電界センシング装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１による電界センシング装置の構成を示すブロック図。
【図２】本発明の実施の形態２による電界センシング装置の構成を示すブロック図。
【図３】本発明の実施の形態１または２で用いた光変調器の構造を示す斜視図。
【図４】本発明の実施の形態１または２で用いた光部品の光学的な構成を示す図。図４（ａ）は光サーキュレータの光学的な構成を示す図。図４（ｂ）は偏光分離器または偏光合成器の光学的な構成を示す図。図４（ｃ）は光合成器の光学的な構成を示す図。
【図５】従来例の電界センシング装置の構成を示すブロック図。
【符号の説明】
１１，２１ アンテナ
１２，２２ 光変調器
１３ａ，１３ｂ，２３ａ，２３ｂ 光サーキュレータ
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ，２４ｅ，２４ｆ 偏波保持光ファイバ
１５，２５ 偏光分離器
１６ 光合成器
２６ 偏光合成器
１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，２７ａ，２７ｂ シングルモード光ファイバ
１８，２８ 光源
１９，２９ Ｏ／Ｅ変換器
３１ａ，３１ｂ 偏波保持光ファイバまたはシングルモード光ファイバ
３２ａ，３２ｂ 入出射光導波路
３３ａ，３３ｂ 位相シフト光導波路
３４ａ，３４ｂ 変調電極
３５ ＬiＮbＯ_３単結晶基板

Claims (7)

1. 電界を検出するアンテナと、このアンテナの出力電圧に応じて無変調光を変調する光変調器と、前記無変調光を発生する光源と、前記光変調器から出力された変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、前記無変調光あるいは変調光を伝播させる光ファイバを備える電界センシング装置において、前記光変調器の２つのポートに２つの光サーキュレータが接続され、さらに、前記光源から光ファイバによって伝送された無変調光を直交する２つの偏光に分離する偏光分離器と、前記２つの光サーキュレータからの変調光を合成する光合成器を備えて構成されることを特徴とする電界センシング装置。
2. 前記偏光分離器と前記光源はシングルモード光ファイバを伝送路として接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電界センシング装置。
3. 前記光サーキュレータの第１、第２および第３のポートは、それぞれ、前記偏光分離器、前記光変調器、および前記光合成器に光ファイバで接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電界センシング装置。
4. 前記光変調器はＬiＮbＯ₃単結晶基板上に形成された分岐干渉型の光変調器であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の電界センシング装置。
5. 前記光サーキュレータは１枚のウォークオフ結晶と１枚のファラデー回転子と光結合系からなる偏光依存型の３ポート光サーキュレータであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の電界センシング装置。
6. 前記偏光分離器はウォークオフ結晶と光結合系からなることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の電界センシング装置。
7. 前記光源は、直線偏光を出力する半導体レーザであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の電界センシング装置。

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