(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から射出された光の偏光状態を変換する偏光変換部と、
前記偏光変換部から射出された光が導波される光ファイバーと、
前記光ファイバーの一端に設けられた測定プローブと、
前記測定プローブから射出された光が前記光ファイバーを介して入射する光量検出部と、
前記光量検出部に入射する前記光の偏光状態を検出する偏光状態検出部と、を備え、
前記測定プローブは、前記光ファイバーを介して導波される前記光を直線偏光に変換する偏光素子と、電気光学効果または磁気光学効果により屈折率が変化し前記偏光素子を介した光が入射する光学結晶と、前記光学結晶を透過した光を前記光ファイバーに向けて反射する反射部と、を有しており、
前記偏光変換部は、前記光源と前記光ファイバーとの間の光路上に配置され、前記偏光状態検出部によって検出された前記光の偏光状態に基づいて、前記光ファイバーに入射する光の偏光状態が、前記光ファイバー内で光が受ける偏光状態の変化を相殺する偏光状態となるように、前記光源から入射した光の偏光状態を変換することを特徴とする計測装置。
【請求項２】
前記光量検出部に入射する前記光の偏光状態を維持して一部を分離し、前記偏光状態検出部に導くビームスプリッターを有することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
【請求項３】
前記偏光変換部は、前記光が入射する電気光学結晶を有し、前記電気光学結晶への印加状態を制御することにより、前記光の偏光状態を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の計測装置。
【請求項４】
前記測定プローブは、前記偏光素子と前記光学結晶との間に、前記光学結晶を透過し，前記反射部に入射する光の偏光状態が円偏光となるように、前記偏光素子から入射した光に位相差を付与する位相差板を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の計測装置。
【請求項５】
前記測定プローブとして、ｘ軸方向の電界を測定する第１測定プローブと、ｙ軸方向の電界を測定する第２測定プローブと、ｚ軸方向の電界を測定する第３測定プローブと、を有し、
前記第１測定プローブ、前記第２測定プローブ、前記第３測定プローブのそれぞれに、前記光ファイバーが設けられ、
各々の光ファイバーに対して、前記偏光変換部から射出された光を切り替えて射出する光スイッチが設けられていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電界強度または磁界強度を計測する装置として、レーザー光を利用した計測装置が知られている。例えば、非特許文献１には、レーザー光を導波する光ファイバーの一端に、電気光学（electro-optic:ＥＯ）結晶や磁気光学（magneto-optic:ＭＯ）結晶を設けた計測装置の構成が示されている。このような計測装置では、電界によってＥＯ結晶の屈折率が、または磁界によってＭＯ結晶の屈折率が変化することにより、これらの結晶を通るレーザー光の偏光状態を変化させる電気光学効果または磁気光学効果を利用して、ＥＯ結晶の電界またはＭＯ結晶の磁界を計測する。
【０００３】
すなわち、上述の計測装置では、検出プローブの内部にＥＯ／ＭＯ結晶を包含し、電界または磁界の測定箇所に該検出プローブを配置すると、電界または磁界の影響によりＥＯ／ＭＯ結晶の屈折率が変化する。この屈折率が変化した結晶中にレーザー光を透過させ、さらに該レーザー光を検光子によって平面偏光とすることにより、ＥＯ／ＭＯ結晶の電界／磁界に応じた光の強度を備えた偏光を取り出す。この平面偏光の偏光状態の変化をフォトディテクターにより電気信号に変換することによって、ＥＯ／ＭＯ結晶の電界／磁界を検出する構成となっている。
【０００４】
図６は、上述の計測装置６の概略図である。計測装置６では、レーザー光源６２から射出されたレーザー光が、偏光コントローラ６３を透過しサーキュレータ６４を介して、プローブ６９に入射する構成となっている。プローブ６９内では、レーザー光が偏光子６５、位相差板６６，ＥＯ結晶６７を介して反射ミラー６８に達する。その後、レーザー光は光路を逆に辿り、サーキュレータ６４を介してフォトディテクター６１０で光量が検出される。
【０００５】
ＥＯ結晶６７では、測定箇所の電界に起因した電気光学効果の大きさに応じて屈折率が変化するため、ＥＯ結晶６７に入射した光の偏光状態が変化する。この偏光状態の変化量に応じて、プローブ６９から射出される光の量（偏光子６５を透過可能な光の量）が変化するため、フォトディテクター６１０で光量を検出することにより、間接的にプローブ６９が配置された測定箇所の電界／磁界を検出することができる。
【０００６】
このような構成の計測装置は、ＥＯ／ＭＯ結晶を用いない従来の計測装置に比べると、小型なＥＯ／ＭＯ結晶を使うことによりプローブ部分を小型化することができる。また、プローブ部分やケーブルに金属部分を使用しないので低侵襲性であり、さらに、電界／磁界に対するＥＯ／ＭＯ結晶の応答性が、ＧＨｚ以上の高周波帯域まであるため、優れた検出特性を有することが知られている。
【０００７】
しかし、このような構成の計測装置では、ＥＯ結晶６７に入る光の強度と偏光状態とが一定でないと、得られる信号強度の感度も安定でなくなってしまう。ところが、プローブ６９を引き回す際に、サーキュレータ６４とプローブ６９とをつなぐ光ファイバー６１に加わる応力や、測定環境の温度の変化によって、光ファイバー６１を伝わる光の偏光状態は一定ではなく、結果、偏光子６５を介してＥＯ結晶６７に入る光の強度が一定ではないため、感度が安定しないという問題があった。
【０００８】
この問題に対し、特許文献１，２には感度を安定させるための構成が示されている。いずれも、光検出器で検出された出力を用いてフィードバック制御を行い、サーキュレータと光検出器との光路上で偏光制御を行うことにより、プローブの感度低下を抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−２６６７１１号公報
【特許文献２】特開２００５−２９２０６８号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】S. Wakana, T. Ohara, M. Abe, E. Yamazaki, M. Kishi and M. Tsuchiya,“Fibera-Edge Electrooptic／Magnetooptic Probe for Spectral-Domain Analysis of Electromagnetic Field,”IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol. 48, no. 12, pp.2611-2616
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、上記特許文献の構成には次のような問題がある。すなわち、特許文献１の構成では、観測条件に依存して制御系も調整する必要があり、プローブの検出感度を安定化させることが難しい。特に、微小信号を計測するときには、スペクトラムアナライザの周波数スパンを狭め、スイープタイムを遅くする必要があるため、その条件に影響され安定化にかかる時間が遅くなってしまう。また、特許文献２の構成では、ロックインアンプを用いた複雑な制御システムとなるため、測定に制限を加えることになる。
【００１２】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、光ファイバー内の偏光状態の揺らぎを打ち消し、プローブの感度を安定化して、電界強度または磁界強度の測定を確実に行うことができる計測装置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】
【００１３】
上記の課題を解決するため、本発明の計測装置は、光源と、前記光源から射出された光の偏光状態を変換する偏光変換部と、前記偏光変換部から射出された光が導波される光ファイバーと、前記光ファイバーの一端に設けられた測定プローブと、前記測定プローブから射出された光が前記光ファイバーを介して入射する光量検出部と、前記光量検出部に入射する前記光の偏光状態を検出する偏光状態検出部と、を備え、前記測定プローブは、前記光ファイバーを介して導波される前記光を直線偏光に変換する偏光素子と、電気光学効果または磁気光学効果により屈折率が変化し前記偏光素子を介した光が入射する光学結晶と、前記光学結晶を透過した光を前記光ファイバーに向けて反射する反射部と、を有しており、前記偏光変換部は、前記光源と前記光ファイバーとの間の光路上に配置され、前記偏光状態検出部によって検出された前記光の偏光状態に基づいて、前記光ファイバーに入射する光の偏光状態が、前記光ファイバー内で光が受ける偏光状態の変化を相殺する偏光状態となるように、前記光源から入射した光の偏光状態を変換することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明においては、前記光量検出部に入射する前記光の偏光状態を維持して一部を分離し、前記偏光状態検出部に導くビームスプリッターを有する構成とすることができる。
【００１５】
また、本発明においては、前記偏光変換部は、前記光が入射する電気光学結晶を有し、前記電気光学結晶への印加状態を制御することにより、前記光の偏光状態を制御する構成とすることができる。
【００１６】
また、本発明においては、前記測定プローブは、前記偏光素子と前記光学結晶との間に、前記光学結晶を透過し，前記反射部に入射する光の偏光状態が円偏光となるように、前記偏光素子から入射した光に位相差を付与する位相差板を有する構成とすることができる。
【００１７】
また、本発明においては、前記測定プローブとして、ｘ軸方向の電界を測定する第１測定プローブと、ｙ軸方向の電界を測定する第２測定プローブと、ｚ軸方向の電界を測定する第３測定プローブと、を有し、前記第１測定プローブ、前記第２測定プローブ、前記第３測定プローブのそれぞれに、前記光ファイバーが設けられ、各々の光ファイバーに対して、前記偏光変換部から射出された光を切り替えて射出する光スイッチが設けられている構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る計測装置においては、光ファイバー内を伝わる光に生じる偏光状態の変化を、光ファイバーから射出される光の偏光状態から検知し、該変化を相殺するようにプローブへの入射光を変換するため、プローブの感度を安定化し確実な測定を行うことができる計測装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る計測装置の構成図である。
【図２】第１実施形態の計測装置におけるプローブを示す概略図である。
【図３】ファイバー効果による偏光の変化を示した図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係る計測装置の変形例を示す構成図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る計測装置の構成図である。
【図６】計測装置の従来例を示した構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［第１実施形態］
以下、図１〜図３を参照しながら、本発明の第１実施形態に係る計測装置１について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。
【００２１】
図１は、本実施形態に係る電気光学結晶を有するプローブを備えた計測装置１の構成図である。計測装置１は、安定な直線偏光の光信号を発生するレーザー光源（光源）１２と、偏光コントローラ（偏光変換部）１３と、サーキュレータ１４と、プローブ（測定プローブ）１９と、ビームスプリッター１１０と、フォトディテクター（光量検出部）１１１と、偏光モニタ（偏光状態検出部）１１２と、制御信号処理部１１３と、を有している。
【００２２】
レーザー光源１２から出射されたレーザー光は、偏光コントローラ１３を通り偏光の状態を変移され、サーキュレータ１４を通り光ファイバー１１の先にあるプローブ１９に向かう。
【００２３】
図２は、プローブ１９を示す概略図である。図に示すように、プローブ１９は、偏光子（偏光素子）１５、位相差板１６、ＥＯ結晶１７、高反射率を持つ誘電体多層膜からなる反射ミラー１８を有している。
【００２４】
位相差板１６は、例えばλ／４板であり、入射する直線偏光を円偏光に変換する機能を有している。また、ＥＯ結晶１７としては、ＥＯ効果（ポッケルス効果）の大きいＰＺＴ、ＰＺＬＴ、ＤＡＳＴ、ＢＳＯ、ＬＴＯ結晶を好適に用いることができる。
【００２５】
ここで、偏光子１５の透過光軸、位相差板１６、ＥＯ結晶１７の速軸、遅軸は、それぞれ図に示す様な状態に合わせられている。すなわち、位相差板１６、ＥＯ結晶１７の速軸および遅軸は、それぞれ同方向に向いていると共に、偏光子１５の透過光軸がこれら速軸、遅軸と交差するように配置されている。
【００２６】
このような構成のプローブ１９では、入射するレーザー光（図中（ａ））は、まず偏光子１５で直線偏光を取り出された上で（図中（ｂ））、位相差板１６を透過することにより、直線偏光が円偏光の光に変換される（図中（ｃ））。この円偏光は、測定箇所における電界の影響により屈折率が変化したＥＯ結晶１７に入射され、偏光状態の変化を受ける。
【００２７】
反射ミラー１８で反射しＥＯ結晶１７から射出された光は、ＥＯ結晶１７に入射する前とは異なる楕円偏光の光となって位相差板１６に入射する（図中（ｄ））。楕円偏光の光であるため、位相差板１６から射出された光も楕円偏光の光と変換され、偏光子１５に入射する（図中（ｅ））。偏光子１５では、入射する楕円偏光の光のうち、透過光軸と同方向の直線偏光が取り出されて射出される（図中（ｆ））。すなわち、ＥＯ結晶１７が電界の影響により受ける屈折率の変化量に応じて、取り出される直線偏光の光の量が変化することになる。
【００２８】
図１に戻って、プローブ１９から射出された光は、光ファイバー１１、サーキュレータ１４を再び通り、ビームスプリッター１１０によって分離される。分離された光の一部分は、信号計測用のフォトディテクター１１１に向かい、残りは偏光モニタ１１２に向かう。
【００２９】
偏光モニタ１１２では、光の偏光状態を読み取り、制御信号処理部１１３では、読み取った偏光状態に基づいて、直線偏光を読み取った偏光状態に変化させる変換の逆変換を求め、当該逆変換を直線偏光に適用したときの偏光状態を計算する。そして、制御信号処理部１１３は、偏光コントローラ１３から射出された光が、当該逆変換を直線偏光に適用したときの偏光状態になるように偏光コントローラ１３を調整する。この制御を加えることにより、光ファイバー１１で生じた偏光状態の揺らぎを打ち消すことができる。
【００３０】
図３は、制御信号処理部１１３の計算に基づいて偏光コントローラ１３に加えた調整により、光ファイバー１１に生じる偏光状態の揺らぎを打ち消すことができる仕組みを説明する説明図である。
【００３１】
光ファイバー１１を通って生じる偏光状態の変化量ΔΦは、光の進む向きによらず同じである。そのため、本実施形態のプローブ１９の場合は、光ファイバー１１の出口の偏光状態（レーザー光Ｌｂの偏光状態）を計測することで、光ファイバー１１の入り口から直線偏光で入った光が偏光子１５の手前までで受けた偏光状態の変化（レーザー光Ｌａが受ける偏光状態の変化）を知ることができる。
【００３２】
プローブ１９から射出される光は、偏光子１５を介していることから直線偏光となっている。そのため、偏光モニタ１１２において検出される光の偏光状態の楕円度と偏光軸をモニタリングすることにより、光ファイバー１１を透過する直線偏光が受けた偏光状態の変化をモニタすることができる。この偏光状態の変化は、光ファイバー１１の曲がり、熱膨張、不均一性等の要因によるものである。
【００３３】
したがって、偏光状態の変化を知ることができれば、その逆変換をもともとの直線偏光に与えておくことにより、偏光子１５の手前でちょうど直線偏光になるように保つことができる。
【００３４】
ある光の偏光状態は、球面上の一点が対応する偏光状態を表すポアンカレ球で一意に表現することができる。また、偏光状態をJonesベクトルで表すと、ある偏光状態から別の偏光状態へ変化したときの状態遷移を、行列式を用いて表すことができる。すなわち、制御信号処理部１１３にて、光ファイバー１１通過により受ける状態変化の情報を得ることができ、当該情報から光ファイバー１１から受ける変化に対応した行列の情報を得ることができる。
【００３５】
制御信号処理部１１３では、光ファイバー１１から受ける変化に対応した行列の逆変換を行い、その逆変換によって得られた新たな行列に相当する偏光調整の情報を偏光コントローラ１３に送ることにより、光ファイバー１１に入射する光の偏光状態を変換する。
【００３６】
偏光コントローラ１３は、１／２波長板、１／４波長板を有することにより、入射するレーザー光を自由な偏光状態の偏光に変化することができる。また、これらの波長板に代わりに、ファイバクランク、ファイバコイル、ファラデー回転子、電気光学結晶などを利用することもできる。特に電気光学結晶を用いて偏光状態を制御すると、電気的な制御で偏光状態を変換することができるため、機械的な制御と異なり、ＧＨｚ以上の速い応答速度で偏光の変換が可能であり好ましい。
【００３７】
偏光コントローラ１３で変換された光は、光ファイバー１１の中を透過する際に前述と同じ変換を受け、偏光子１５の手前でちょうど直線偏光となる。したがって、プローブ１９には一定の光量の光を入射することができ、測定感度を安定させることができる。
【００３８】
このような制御システムでは、光量を測定する信号計測系と、偏光状態を制御する制御系と、はほとんど独立しており、従来のシステムに大きな変更を加えることなく付加することができる。そのため、容易に信頼性の高い制御システムとすることができる。
【００３９】
以上のような構成の計測装置１によれば、光ファイバー内の偏光状態の揺らぎを打ち消し、プローブの感度を安定化して、電界強度の測定を確実に行うことができる。
【００４０】
なお、本実施形態の計測装置１では、プローブ１９内に位相差板１６を有する構成とし、ＥＯ結晶１７による影響を検出しやすくしているが、この構成に限らない。位相差板１６が無い構成の場合、ＥＯ結晶１７に入射する光は直線偏光であり、ＥＯ結晶１７を透過することにより楕円偏光へ変換される。このような楕円偏光は、プローブ１９から射出されるときに一部が偏光子１５で遮られ、射出される光量が変化する。したがって、上述の構成と同様にフォトディテクター１１１で光量の変化を計測し、目的とする計測装置とすることができる。
【００４１】
また、本実施形態では、ビームスプリッター１１０によって一部の光を分離して偏光モニタ１１２に導き、偏光状態を検出する構成であることとしたが、これに限らず、例えばフォトディテクター１１１が、偏光状態検出部としての機能も有し、自身に入射する光の光量と同時に偏光状態も検出可能な構成のものを用いることとしても良い。
【００４２】
［第２実施形態］
図４は、本発明の第２実施形態に係る計測装置の説明図である。本実施形態の計測装置は、第１実施形態の計測装置１と一部共通している。異なるのは、ＥＯ結晶１７を有するプローブ１９の代わりに、ＭＯ結晶を有するプローブを用いることである。
【００４３】
図４は、計測装置が有するプローブ４９の構成図である。プローブ４９は、偏光子４１、ＭＯ結晶４２、反射ミラー４３を有している。ＭＯ結晶４２としては、ＭＯ効果（ファラデー効果）の大きなＹＩＧやＢｉ置換型ＹＩＧなどのガーネット結晶を好適に用いることができる。
【００４４】
第１実施形態の計測装置１のプローブ１９を、このようなプローブ４９に取り替えることにより、安定した感度で磁界の計測が可能な計測装置を構成することができる。
【００４５】
［第３実施形態］
図５は、本発明の第３実施形態に係る計測装置の説明図である。図に示すように、本実施形態の計測装置５は、第１実施形態の計測装置１と一部共通している。
【００４６】
計測装置５では、３軸の電界を測定可能とするため、光サーキュレータ１４の直後に光スイッチ５５を配置し、その先に光ファイバー５１を介して、互いに直交するｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向のそれぞれの電界を計測できるｘ軸方向計測用プローブ（第１測定プローブ）５９ｘ、ｙ軸方向計測用プローブ（第２測定プローブ）５９ｙ、ｚ軸方向計測用プローブ（第３測定プローブ）５９ｚが接続されている。
【００４７】
このような構成により、光スイッチで切り替えて導波されている光ファイバー５１で生じる偏光揺らぎの影響を打ち消すことができ、測定感度を安定させて３軸の電界を測定することができる計測装置とすることができる。
【００４８】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１，５，６，  計測装置
１１，５１，６１  光ファイバー
１２，６２，  レーザー光源（光源）
１３，６３，  偏光コントローラ（偏光変換部）
１４，６４，  サーキュレータ
１５，４１，６５  偏光子（偏光素子）
１６，６６  位相差板
１７，６７  ＥＯ結晶（光学結晶）
１８，４３，６８  反射ミラー（反射部）
１９，４９，６９  プローブ（測定プローブ）
４２  ＭＯ結晶（光学結晶）
５５  光スイッチ
５９ｘ  ｘ軸方向計測用プローブ（第１測定プローブ）
５９ｙ  ｙ軸方向計測用プローブ（第２測定プローブ）
５９ｚ  ｚ軸方向計測用プローブ（第３測定プローブ）
１１１，６１０  フォトディテクター（光量検出部）
１１０  ビームスプリッター
１１２  偏光モニタ（偏光状態検出）
１１３  制御信号処理部
【図１】
0005471341.tif 000002
【図２】
0005471341.tif 000003
【図３】
0005471341.tif 000004
【図４】
0005471341.tif 000005
【図５】
0005471341.tif 000006
【図６】
0005471341.tif 000007