(57)【要約】【課題】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、入射光として導入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偏波保持ファイバ３１と、長手方向に延伸する第２遅相軸及び長手方向に直交する短手方向に延伸する第２進相軸を含む平板状の形状を有し、第１遅相軸及び第１進相軸が第２遅相軸及び第２進相軸に対してそれぞれ４５度傾くように偏波保持ファイバ３１と接続され、偏波保持ファイバから入射された直線偏波光を円偏波光に変換する１／４波長板３２と、１／４波長板３２に積層され、１／４波長板３２から出射された円偏波光の位相を、印加される磁界に応じて変化させる磁性膜３３と、磁性膜に重畳して積層され、且つ、入射光に応じた戻り光を発生させる反射膜３４とを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光として導入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偏波保持ファイバと、
長手方向に延伸する第２遅相軸及び前記長手方向に直交する短手方向に延伸する第２進相軸を含む平板状の形状を有し、前記第１遅相軸及び前記第１進相軸が前記第２遅相軸及び前記第２進相軸に対してそれぞれ４５度傾くように前記偏波保持ファイバと接続され、前記偏波保持ファイバから入射された直線偏波光を円偏波光に変換する１／４波長板と、
前記１／４波長板に積層され、前記１／４波長板から出射された円偏波光の位相を、印加される磁界に応じて変化させる磁性膜と、
前記磁性膜に重畳して積層され、且つ、前記入射光に応じた戻り光を発生させる反射膜と、
前記１／４波長板、前記磁性膜及び前記反射膜を収容する筐体と、
を有することを特徴とする磁界センサ素子。
【請求項２】
前記磁性膜が積層された前記磁性膜の反対の面に積層され、前記入射光を透過する応力緩和膜を更に有する、請求項１に記載の磁界センサ素子。
【請求項３】
前記１／４波長板は、端部から延伸する連結部を有し、
前記筐体は、前記連結部と係合されることで前記１／４波長板を固定する固定部を有する、請求項１又は２に記載の磁界センサ素子。
【請求項４】
前記偏波保持ファイバの端部を保持するファイバ保持部材を更に有し、
前記筐体及び前記ファイバ保持部材は、前記第１遅相軸及び前記第１進相軸が前記第２遅相軸及び前記第２進相軸とそれぞれ４５度傾くように互いに係合する係合部を有する、請求項１又は２に記載の磁界センサ素子。
【請求項５】
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入射され、該入射光に応じた戻り光を出射し、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に印加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、
前記入射光として導入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偏波保持ファイバと、
長手方向に延伸する第２遅相軸及び前記長手方向に直交する短手方向に延伸する第２進相軸を含む平板状の形状を有し、前記第１遅相軸及び前記第１進相軸が前記第２遅相軸及び前記第２進相軸に対してそれぞれ４５度傾くように前記偏波保持ファイバと接続され、前記偏波保持ファイバから入射された直線偏波光を円偏波光に変換する１／４波長板と、
前記１／４波長板に積層され、前記１／４波長板から出射された円偏波光の位相を、印加される磁界に応じて変化させる磁性膜と、
前記磁性膜に重畳して積層され、且つ、前記入射光に応じた戻り光を発生させる反射膜と、
前記１／４波長板、前記磁性膜及び前記反射膜を収容する筐体と、
を有することを特徴とする磁界センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界センサ素子及び磁界センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
また、偏波保持ファイバを使用した磁界センサ素子が知られている。例えば、特許文献１には、偏波保持ファイバの一端に１／４波長板、ファラデー回転子及びミラー素子を順に配置して、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素子が記載されている。特許文献１に記載される１／４波長板は、偏波保持ファイバの遅相軸及び進相軸に対して光学軸を４５度傾斜して配置され、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平７−１１１４５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載される磁界センサ素子では、１／４波長板、ファラデー回転子及びミラー素子は、離隔して配置されるため、１／４波長板、ファラデー回転子及びミラー素子のそれぞれを光路上に配置することは容易ではない。また、１／４波長板、ファラデー回転子及びミラー素子のそれぞれを接着剤により接着して光路上に配置することができるが、接着剤の伝送特性は温度依存性があるため、磁界センサ素子の伝送特性が温度の変化に応じて変動するおそれがある。
【０００６】
本発明は、伝送特性の温度依存性が低い磁界センサ素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る磁界センサ素子は、入射光として導入直線偏波光を、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偏波保持ファイバと、長手方向に延伸する第２遅相軸及び長手方向に直交する短手方向に延伸する第２進相軸を含む平板状の形状を有し、第１遅相軸及び第１進相軸が第２遅相軸及び第２進相軸に対してそれぞれ４５度傾くように偏波保持ファイバと接続され、偏波保持ファイバから入射された直線偏波光を円偏波光に変換する１／４波長板と、１／４波長板に積層され、１／４波長板から出射された円偏波光の位相を、印加される磁界に応じて変化させる磁性膜と、磁性膜に重畳して積層され、且つ、入射光に応じた戻り光を発生させる反射膜と、１／４波長板、磁性膜及び反射膜を収容する筐体とを有する。
【０００８】
さらに、本発明に係る磁界センサ素子は、磁性膜が積層された磁性膜の反対の面に積層され、入射光を透過する応力緩和膜を更に有することが好ましい。
【０００９】
さらに、本発明に係る磁界センサ素子では、１／４波長板は、端部から延伸する連結部を有し、筐体は、連結部と係合されることで１／４波長板を固定する固定部を有することが好ましい。
【００１０】
さらに、本発明に係る磁界センサ素子は、偏波保持ファイバの端部を保持するファイバ保持部材を更に有し、
筐体及びファイバ保持部材は、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度傾くように互いに係合する係合部を有することが好ましい。
【００１１】
また、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入射され、該入射光に応じた戻り光を出射し、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に印加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、入射光として導入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偏波保持ファイバと、長手方向に延伸する第２遅相軸及び長手方向に直交する短手方向に延伸する第２進相軸を含む平板状の形状を有し、第１遅相軸及び第１進相軸が第２遅相軸及び第２進相軸に対してそれぞれ４５度傾くように偏波保持ファイバと接続され、偏波保持ファイバから入射された直線偏波光を円偏波光に変換する１／４波長板と、１／４波長板に積層され、１／４波長板から出射された円偏波光の位相を、印加される磁界に応じて変化させる磁性膜と、磁性膜に重畳して積層され、且つ、入射光に応じた戻り光を発生させる反射膜と、１／４波長板、磁性膜及び反射膜を収容する筐体とを有する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る磁界センサ装置は、１／４波長板、ファラデー回転子及びミラー素子の間を接着剤で接着しないため、伝送特性の温度依存性を低くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】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２】（ａ）は図１に示す磁界センサ素子の斜視図であり、（ｂ）は磁界センサ素子の（ａ）に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】偏波保持ファイバの図２（ｂ）に示すＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図４】（ａ）は図１に示す１／４波長板、磁性膜及び反射膜の平面図であり、（ｂ）は（ａ）において矢印Ａの方向から見た１／４波長板、磁性膜及び反射膜の正面図であり、（ｃ）は（ａ）において矢印Ｂの方向から見た１／４波長板、磁性膜及び反射膜の側面図であり、（ｄ）は１／４波長板の底面図である。
【図５】図１に示すファイバ保持部材の斜視図であり、（ｂ）は図１に示す偏波保持ファイバとファイバ保持部材との配置関係を示す図である。
【図６】（ａ）は図１に示す筐体の斜視図であり、（ｂ）は筐体の正面図であり、（ｃ）は（ｂ）に示すＡ−Ａ線に沿う断面図であり、（ｄ）は１／４波長板が固定された状態の筐体の斜視図であり、（ｅ）は１／４波長板が固定された状態の筐体の正面図であり、（ｆ）は（ｅ）に示すＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図７】磁界センサ素子に入射する入射光及び磁界センサ素子から出射される戻り光１０２の偏光状態を説明するための図である。
【図８】図１に示す信号処理部の回路ブロック図である。
【図９】図１に示す磁界センサ素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図１０】図９に示すＳ１０１の工程のより詳細な工程を示す図であり、（ａ）は第１工程を示し、（ｂ）は第２工程を示し、（ｃ）は第３工程を示し、（ｄ）は第４工程を示し、（ｅ）は第５工程を示し、（ｆ）は第６工程を示す。
【図１１】（ａ）は第２実施形態に係る磁界センサ素子の斜視図であり、（ｂ）は磁界センサ素子の（ａ）に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図１２】（ａ）は図１１に示す１／４波長板、磁性膜、反射膜及び応力緩和膜の平面図であり、（ｂ）は（ａ）において矢印Ａの方向から見た１／４波長板、磁性膜、反射膜及び応力緩和膜の正面図であり、（ｃ）は（ａ）において矢印Ｂの方向から見た１／４波長板、磁性膜、反射膜及び応力緩和膜の側面図であり、（ｄ）は１／４波長板の底面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
（第１実施形態に係る磁界センサ装置の構成及び機能）
図１は、第１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。
【００１６】
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。
【００１７】
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、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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
磁界センサ素子３０は、偏波保持ファイバ３１と、１／４波長板３２と、磁性膜３３と、反射膜３４と、ファイバ保持部材３５と、筐体３６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として入射されると共に、入射された入射光１０１に応じた戻り光１０２を出射する。
【００２２】
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、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、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。
【００２３】
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。
【００２４】
図２（ａ）は磁界センサ素子３０の斜視図であり、図２（ｂ）は磁界センサ素子３０の図２（ａ）に示すＡ−Ａ線に沿う断面図であり、図３は偏波保持ファイバ３１の図２（ｂ）に示すＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【００２５】
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とを有し、被覆部材３１５によって被覆される。被覆部材３１５は、ファイバ保持部材３５と接着部材３９によって接着される。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。偏波保持ファイバ３１の端部は、被覆部材３１５が剥離され、ファイバ保持部材３５の内部を貫通して１／４波長板３２の近傍に配置される。偏波保持ファイバ３１の端部は、研磨により鏡面化され例えば光学接着剤３７によって１／４波長板３２に光学的に接続される。
【００２６】
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、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。
【００２７】
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が第１遅相軸であるＸ軸及び第１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３参照）。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。
【００２８】
なお、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。
【００２９】
図４（ａ）は、１／４波長板３２、磁性膜３３及び反射膜３４の平面図である。図４（ｂ）は図４（ａ）において矢印Ａの方向から見た１／４波長板３２、磁性膜３３及び反射膜３４の正面図であり、図４（ｃ）は図４（ａ）において矢印Ｂの方向から見た１／４波長板３２、磁性膜３３及び反射膜３４の側面図である。図４（ｄ）は、１／４波長板３２の底面図である。図４（ａ）において、一点鎖線は１／４波長板３２を形成する水晶の結晶軸を示す。
【００３０】
１／４波長板３２は、切削加工及びエッチング加工により形成された水晶であり、水晶の結晶軸のＸ軸方向に平行に第２遅相軸が延伸し、水晶の結晶軸のＺ軸方向に平行に第２進相軸が延伸する。１／４波長板３２は、第２進相軸を短手方向とし且つ第２遅相軸を長手方向とする平板状の基部３２０と、それぞれが基部３２０の短手方向の端部から第２進相軸に平行に延伸する第１連結部３２１及び第２連結部３２２とを有する。基部３２０は、例えば長手方向の長さが１ｍｍ程度であり、短手方向の長さが０．１ｍｍ程度であり、厚さが４５．８１４μｍである。光学水晶は、結晶軸の方向によりエッチング速度が相違する。光学水晶では、進相軸の延伸方に平行なＺ軸方向のエッチング速度が最も速く、遅相軸の延伸方に平行なＸ軸方向及びＹ軸方向のエッチング速度は、略同一であり、Ｚ軸方向のエッチング速度よりも遅い。進相軸であるＺ軸方向のエッチング速度が遅相軸であるＸ軸方向よりも速いため、エッチング加工される１／４波長板３２は、第２遅相軸の延伸方向に平行なＸ軸方向が長手方向であり、且つ、第２進相軸の延伸方向に平行なＺ軸方向が短手方向となる。
【００３１】
１／４波長板３２は、偏波保持ファイバ３１の第１遅相軸及び第１進相軸に対して第２遅相軸及び第２進相軸を４５度傾斜して偏波保持ファイバ３１に光学的に接続される。１／４波長板３２は、第２遅相軸及び第２進相軸を偏波保持ファイバ３１に対して４５度傾斜して偏波保持ファイバ３１に接続されることで、偏波保持ファイバ３１から入射された直線偏波光を円偏波光として磁性膜３３に出射する。また、１／４波長板３２は、磁性膜３３から入射された円偏波光を直線偏波光として偏波保持ファイバ３１に出射する。
【００３２】
磁性膜３３は、偏波保持ファイバー３１が近接して配置される基部３２０の第１面３２３の反対の第２面３２４の中央部に位置する積層領域３２５に積層される。磁性膜３３は、一例ではコバルトであり、他の例では鉄であり、更に他の例ではコバルトや鉄のナノ粒子をフッ化マグネシウム中に分離したグラニュラ―材料である。磁性膜３３は、例えば、直径が１００μｍ〜３００μｍであり且つ厚さが３μｍの円板状の形状を有する。
【００３３】
磁性膜３３は、１／４波長板３２から入射した円偏波の位相が、印加される磁界に応じて変化すると共に、反射膜３４から反射した円偏波の位相が、印加される磁界に応じて更に変化するファラデー回転子である。
【００３４】
反射膜３４は、磁性膜３３に重畳するように積層領域３２５に積層され、且つ、磁界センサ素子３０への入射光に応じた戻り光を発生させるミラー素子である。反射膜３４は、例えば金であるが、銀及びアルミニウム等の金属並びに誘電体多層膜等の発光素子１１が出射した光を反射する反射部材であればよい。反射膜３４は、例えば、直径が１００μｍ〜３００μｍであり且つ厚さが３μｍの円板状の形状を有する。反射膜３４を用いて磁性膜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。
【００３５】
図５（ａ）はファイバ保持部材３５の斜視図であり、図５（ｂ）は偏波保持ファイバ３１とファイバ保持部材３５との配置関係を示す図である。図５（ｂ）において偏波保持ファイバ３１は破線で示される。
【００３６】
ファイバ保持部材３５は、セラミックス等の部材により形成され、第１円筒部３５１と、第１円筒部よりも径が短い第２円筒部３５２と、凸部３５３とを有する。第１円筒部３５１及び第２円筒部３５２は、偏波保持ファイバ３１が貫通する貫通孔３５４が中心部に形成された円筒状の形状を有する。第１円筒部３５１の一方の端面は偏波保持ファイバ３１の端面と対向するように配置され、第１円筒部３５１の他方の端面は第２円筒部３５２の一方の端面と係合される。第２円筒部３５２の他方の端面は、研磨により鏡面化され、光の減衰及び反射を抑制することができる。第２円筒部３５２は、他方の端面が１／４波長板３２の第１面３２３と対向するように配置される。
【００３７】
凸部３５３は、第２円筒部３５２の側面を第２円筒部３５２の一方の端面から他方の端面まで延伸する突起部である。
【００３８】
偏波保持ファイバ３１は、コア３１０から見て、応力付与部３１１及び３１２の配列方向すなわち遅相軸の延伸方向から９０度シフトした位置に凸部３５３が配置されるように、ファイバ保持部材３５に固定されて、ファイバ保持部材３５と一体化される。偏波保持ファイバ３１は、コア３１０から見て、応力付与部３１１及び３１２の配列方向すなわち遅相軸の延伸方向から９０度シフトした位置に凸部３５３が回転できるよう機構を用いて光学特性を確認しながら調心してもよい。
【００３９】
図６（ａ）は筐体３６の斜視図であり、図６（ｂ）は筐体３６の正面図であり、図６（ｃ）は図６（ｂ）に示すＡ−Ａ線に沿う断面図である。図６（ｄ）は１／４波長板３２が固定された状態の筐体３６の斜視図であり、図６（ｅ）は１／４波長板３２が固定された状態の筐体３６の正面図であり、図６（ｆ）は図６（ｅ）に示すＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【００４０】
筐体３６は、本体部３６０と、第１腕部３６１と、第２腕部３６２とを有する。本体部３６０は、セラミックス、ガラス及びプラスチックのような非磁性材料により形成された円筒状の部材であり、１／４波長板３２、磁性膜３３及び反射膜３４を収容する。本体部３６０の内壁には、互いに対向するように第１固定溝３６３及び第２固定溝３６４が形成されると共に、第１固定溝３６３と第２固定溝３６４とを結ぶ方向から４５度シフトした位置に係合溝３６５が形成される。第１固定溝３６３及び第２固定溝３６４は、１／４波長板を固定する固定部である。
【００４１】
第１固定溝３６３及び第２固定溝３６４は、本体部３６０の一方の端面から他方の端面に向かって延伸する。第１固定溝３６３及び第２固定溝３６４の幅は、１／４波長板３２の第１連結部３２１及び第２連結部３２２の幅よりも大きく、第１連結部３２１及び第２連結部３２２の先端が第１固定溝３６３及び第２固定溝３６４に係合可能である。第１連結部３２１及び第２連結部３２２の先端と第１固定溝３６３及び第２固定溝３６４とを係合することで、１／４波長板３２は筐体３６に固定される。
【００４２】
係合溝３６５は、第１固定溝３６３及び第２固定溝３６４と同様に、本体部３６０の一方の端面から他方の端面に向かって延伸する。係合溝３６５の幅は、ファイバ保持部材３５の凸部３５３の幅よりも大きく、凸部３５３が係合溝３６５に挿入可能である。凸部３５３が係合溝３６５に挿入されることで、ファイバ保持部材３５と筐体３６とは、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度傾くように係合される。凸部３５３及び係合溝３６５は、ファイバ保持部材３５と筐体３６とを係合する係合部である。
【００４３】
第１腕部３６１及び第２腕部３６２は、第１固定溝３６３及び第２固定溝３６４のそれぞれから９０度シフトした方向から第１固定溝３６３と第２固定溝３６４と結ぶ方向に直交する方向に延伸する平板状の部材である。
【００４４】
図７は、磁界センサ素子３０に入射する入射光１０１及び磁界センサ素子３０から出射される戻り光１０２の偏光状態を説明するための図である。図７において、磁性膜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、磁性膜３３を透過するときに変化しない。
【００４５】
磁界センサ素子３０に入射された入射光１０１は、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７１０と、第１進相軸に沿って伝搬される第２入射成分７２０とに分離されて偏波保持ファイバ３１を伝搬する。すなわち、偏波保持ファイバ３１の内部では、第１入射成分７１０の偏波状態は第１遅相軸に平行な直線偏波７１１であり、第２入射成分７２０の偏波状態は第１進相軸に平行な直線偏波７２１である。
【００４６】
偏波保持ファイバ３１から１／４波長板３２に入射される第１入射成分７１０の偏光状態は、１／４波長板３２の内部では左回転の楕円偏波７１２である。１／４波長板３２は、位相をπ／２与えるので、１／４波長板３２から出射される第１入射成分７１０の偏光状態は、左回転の円偏波７１３になる。
【００４７】
偏波保持ファイバ３１から１／４波長板３２に入射された第２入射成分７２０の偏光状態は、１／４波長板３２の内部では右回転の楕円偏波７２２である。１／４波長板３２は、位相をπ／２与えるので、１／４波長板３２から出射される第２入射成分７２０の偏光状態は、右回転の円偏波７２３になる。
【００４８】
第１入射成分７１０及び第２入射成分７２０は、１／４波長板３２から偏光状態が円偏波の光として入射され、磁性膜３３を透過して反射膜３４で反射する。１／４波長板３２から偏光状態が円偏波の光が反射膜３４で反射することで、戻り光１０２が発生する。第１入射成分７１０に対応する第１戻り成分７３０の偏光状態は、反転して右回転の円偏波７３１になる。また、第２入射成分７２０に対応する第２戻り成分７４０の偏光状態は、反転して左回転の円偏波７４１になる。反射膜３４で発生した戻り光１０２は、磁性膜３３を透過して１／４波長板３２に再び入射される。
【００４９】
１／４波長板３２に入射された戻り光１０２は、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７３０と、第２遅相軸に沿って伝搬される第２戻り成分７４０とに分離されて偏波保持ファイバ３１を伝搬する。
【００５０】
１／４波長板３２に入射された第１戻り成分７３０の偏光状態は、１／４波長板３２の内部では右回転の楕円偏波７３２である。１／４波長板３２は、位相をπ／２与えるので、１／４波長板３２から出射される第１戻り成分７３０の偏光状態は、偏波保持ファイバ３１の第１進相軸に平行な直線偏波７３３になる。
【００５１】
１／４波長板３２に入射された第２戻り成分７４０の偏光状態は、１／４波長板３２の内部では左回転の楕円偏波７４２である。１／４波長板３２は、位相をπ／２与えるので、１／４波長板３２から出射される第２戻り成分７４０の偏光状態は、偏波保持ファイバ３１の第１遅相軸に平行な直線偏波７４３になる。
【００５２】
偏波保持ファイバ３１に導入された戻り光１０２は、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７３０と、第１遅相軸に沿って伝搬される第２戻り成分７４０とに分離されて偏波保持ファイバ３１を伝搬する。
【００５３】
図８は、信号処理部５０の回路ブロック図である。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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Ｌｓ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。
【００５７】
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。
【００５８】
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のプラス入力端子に出力する。
【００５９】
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。
【００６０】
（第１実施形態に係る磁界センサ素子の製造方法）
図９は、磁界センサ素子３０の製造方法を示すフローチャートである。図９に示す処理は、磁界センサ素子を製造する製造装置によって実行される。
【００６１】
まず、製造装置は、１／４波長板３２に磁性膜３３及び反射膜３４を積層して、１／４波長板３２、磁性膜３３及び反射膜３４を一体的に製造する（Ｓ１０１）。
【００６２】
図１０は、Ｓ１０１の工程のより詳細な工程を示す図である。図１０（ａ）は第１工程を示し、図１０（ｂ）は第２工程を示し、図１０（ｃ）は第３工程を示し、図１０（ｄ）は第４工程を示し、図１０（ｅ）は第５工程を示し、図１０（ｆ）は第６工程を示す。
【００６３】
まず、第１工程において、製造装置は、１／４波長板３２の原材料となる光学水晶８００が提供される。光学水晶のサイズは、例えば幅が３８ｍｍであり、長さが４３ｍｍであり、厚さが２０ｍｍ〜２５ｍｍである。
【００６４】
次いで、第２工程において、製造装置は、第１工程で提供された光学水晶８００を研磨して、厚さが１／４波長板３２の厚さである所望の厚さである光学水晶８０１を形成する。光学水晶８０１は、例えばラップ加工により研磨される。また、研磨された光学水晶８０１の厚さは、例えば４５．８１４μｍである。
【００６５】
次いで、第３工程において、製造装置は、第２工程で研磨された光学水晶８０１をエッチングして、１／４波長板３２に対応する形状８０２を複数形成する。光学水晶８０１は、例えばフッ酸によりエッチングされる。光学水晶は、結晶軸の方向によりエッチング速度が相違する。光学水晶では、進相軸であるＺ軸方向のエッチング速度が最も速く、遅相軸であるＸ軸方向及びＹ軸方向のエッチング速度は、略同一であり、Ｚ軸方向のエッチング速度よりも遅い。進相軸であるＺ軸方向のエッチング速度が遅相軸であるＸ軸方向よりも速いため、１／４波長板３２は、遅相軸であるＸ軸方向が長手方向であり、且つ、進相軸であるＺ軸方向が短手方向となる。
【００６６】
次いで、第４工程において、製造装置は、１／４波長板３２に対応する形状８０２の中央部の領域である積層領域に磁性体材料が積層されて磁性膜３３を形成する。１／４波長板３２に積層される磁性体材料は、一例ではコバルトであり、他の例では鉄であり、更に他の例ではコバルトや鉄のナノ粒子をフッ化マグネシウム中に分離したグラニュラ―材料である。
【００６７】
次いで、第５工程において、製造装置は、磁性膜３３に重畳するように反射性材料が積層されて反射膜３４を形成する。磁性膜３３に重畳して積層されるて反射膜３４に重畳材料は、一例では金であり、他の例では銀であり、更に他の例ではアルミニウムであり、更に他の例では誘電体材料である。
【００６８】
そして、第６工程において、製造装置は、１／４波長板３２に対応する形状８０２を光学水晶８０１から分離して、磁性膜３３及び反射膜３４が積層領域に重畳して積層された１／４波長板３２を形成する。
【００６９】
次いで、製造装置は、１／４波長板３２、磁性膜３３及び反射膜３４を筐体３６に収容する（Ｓ１０２）。１／４波長板３２は、第１連結部３２１及び第２連結部３２２を第１固定溝３６３及び第２固定溝３６４のそれぞれに係合すると共に、基部３２０を第１腕部３６１及び第２腕部３６２に接着することで、筐体３６に固定される。基部３２０は、長手方向が第１腕部３６１及び第２腕部３６２の延伸方向と一致するように、第１腕部３６１及び第２腕部３６２に接着される。
【００７０】
そして、製造装置は、偏波保持ファイバ３１と一体化されたファイバ保持部材３５を筐体３６に係合する（Ｓ１０３）ことで、磁界センサ素子３０を製造する。ファイバ保持部材３５は、凸部３５３と筐体３６の係合溝３６５とが係合することで、筐体３６に係合される。
【００７１】
（第１実施形態に係る磁界センサ装置及び磁界センサ素子の作用効果）
磁界センサ素子３０は、１／４波長板３２、磁性膜３３及び反射膜３４を接着剤で接着することなく、磁性膜３３及び反射膜３４を１／４波長板３２を積層して配置するので、伝送特性の温度依存性を低くすることができる。
【００７２】
また、磁界センサ素子３０は、１／４波長板３２の第２遅相軸は長手方向に延伸し、第２進相軸は短手方向に延伸するので、偏波保持ファイバ３１の第１遅相軸及び第１進相軸と第２遅相軸及び第２進相軸との間の配置関係を容易に把握できる。磁界センサ素子３０は、第１遅相軸及び第１進相軸と第２遅相軸及び第２進相軸との間の配置関係が容易に把握可能なので、第１遅相軸及び第１進相軸が第２遅相軸及び第２進相軸に対して４５度傾けて配置することが容易である。
【００７３】
また、磁界センサ素子３０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３１の遅相軸及び進相軸を戻り光成分が伝搬される光路長が同一になる。具体的には、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７１０に対応する第１戻り成分７３０は、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、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７２０に対応する第２戻り成分７４０は、偏波保持ファイバ３１の第１遅相軸に沿って伝搬される。
【００７４】
磁界センサ素子３０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。磁界センサ素子３０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。
【００７５】
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。
【００７６】
また、磁界センサ素子３０は、１／４波長板３２から延伸する連結部と筐体３６に形成される固定部とを係合することで、１／４波長板３２を筐体３６に固定できるので、１／４波長板３２と筐体３６との間の位置関係が所望の位置関係となるように配置可能である。具体的には、１／４波長板３２は、短手方向の端部から延伸する第１連結部３２１及び第２連結部３２２を筐体３６の第１固定溝３６３及び第２固定溝３６４に係合することで、筐体３６に固定される。
【００７７】
また、磁界センサ素子３０は、筐体３６の第１腕部３６１及び第２腕部３６２に１／４波長板３２の長手方向が一致するように固定されるので、１／４波長板３２と筐体３６との間の位置関係が所望の位置関係となるように高精度で配置することができる。
【００７８】
また、偏波保持ファイバ３１が一体化されたファイバ保持部材３５は、凸部３５３と筐体３６の係合溝３６５とが係合して筐体３６に係合されるので、偏波保持ファイバ３１と筐体３６に固定された１／４波長板３２の配置関係を所望の配置関係にすることができる。
【００７９】
具体的には、偏波保持ファイバ３１は第１遅相軸から９０度シフトした位置に凸部３５３が配置されるようにファイバ保持部材３５に固定され、１／４波長板３２は第２遅相軸が凸部３５３と係合する係合溝３６５に対して４５度傾斜するように筐体３６に係合される。ファイバ保持部材３５と筐体３６とを凸部３５３と係合溝３６５とを係合することで、偏波保持ファイバ３１の第１遅相軸及び第１進相軸は、１／４波長板３２の第２遅相軸及び第２進相軸とそれぞれ４５度傾くように配置される。
【００８０】
（第２実施形態に係る磁界センサ素子の構成及び機能）
図１１（ａ）は第２実施形態に係る磁界センサ素子の斜視図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）に示す磁界センサ素子のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【００８１】
磁界センサ素子６０は、応力緩和膜３８を有することが磁界センサ素子３０と相違する。応力緩和膜３８以外の磁界センサ素子６０の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された磁界センサ素子３０の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。
【００８２】
応力緩和膜３８は、入射光を透過する光透過膜であり、偏波保持ファイバ３１の端部と１／４波長板３２との間に配置される。
【００８３】
図１２（ａ）は、１／４波長板３２、磁性膜３３、反射膜３４及び応力緩和膜３８の平面図である。図１２（ｂ）は図１２（ａ）において矢印Ａの方向から見た磁性膜３３、反射膜３４及び応力緩和膜３８の正面図であり、図１２（ｃ）は図１２（ａ）において矢印Ｂの方向から見た磁性膜３３、反射膜３４及び応力緩和膜３８の側面図である。図１２（ｄ）は、１／４波長板３２の底面図である。図１２（ａ）において、一点鎖線は１／４波長板３２を形成する水晶の結晶軸を示す。
【００８４】
応力緩和膜３８は、第１面３２３の積層領域３２５に対向する領域に積層される。応力緩和膜３８は、フッ化マグネシウムである。フッ化マグネシウムを形成する理由は、第１面３２３の反対の第２面３２４の中央部に位置する積層領域３２５にフッ化マグネシウムが形成されているためである。なお、応力緩和膜３８は、磁性膜３３が積層されたときに１／４波長板３２に発生する応力を緩和可能な材料であればよい。
【００８５】
１／４波長板３２を形成する光学水晶の熱膨張係数と、磁性膜３３を形成するコバルトの熱膨張係数とが相違するため、磁性膜３３を１／４波長板３２に積層したときに、１／４波長板３２が湾曲することがある。
【００８６】
磁界センサ素子６０は、磁性膜３３が積層される積層領域３２５に対向する第１面３２３の領域に応力緩和膜３８を積層することで、１／４波長板３２に発生する応力を緩和して、１／４波長板３２の湾曲を防止することができる。
【００８７】
（実施形態に係る磁界センサ素子の変形例）
磁界センサ素子３０及び６０では、１／４波長板３２から延伸する連結部と筐体３６に形成される固定部とを係合することで、１／４波長板３２を筐体３６に固定するが、実施形態に係る磁界センサでは、連結部及び固定部は形成されていなくてもよい。実施形態に係る磁界センサでは、連結部及び固定部が形成されていないとき、１／４波長板の長手方向及び短手方向の延伸方向に基づいて、１／４波長板の配置が決定される。
【００８８】
また、磁界センサ素子３０及び６０では、第１連結部３２１及び第２連結部３２２は１／４波長板３２の短手方向の端部から延伸するが、実施形態に係る磁界センサでは、筐体の固定溝と係合する連結部は、１／４波長板の端部から延伸すればよい。
【符号の説明】
【００８９】
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    偏波保持ファイバ
３２    １／４波長板
３３    磁性膜
３４    反射膜
３５    ファイバ保持部材
３６    筐体
３８    応力緩和膜
【図１】
2020165927.tif 000003
【図２】
2020165927.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2020165927.tif 000010
【図９】
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【図１０】
2020165927.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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