(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光電変換部に光パワーを供給する第１の光源と、供給された光パワーを電力に変換する光電変換部と、ここで発生した電圧を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路の出力によって駆動され、被測定電圧を増幅するための増幅器と、増幅された被測定電圧によって光強度を変調する光変調器と、この光変調器に一定強度の光をもたらす第２の光源と、前記光変調器で変調された光を検出する光検出器とを備えて構成されたことを特徴とする光電界センサ装置。
【請求項２】
前記光電変換部に光パワーを供給する第１の光源はレーザ光源と光ファイバを備えて成り、前記光電変換部は直列につないだ２個以上のフォトダイオードと、それらのフォトダイオードに前記光ファイバの出力を分配する光カップラとを備えて構成されたことを特徴とする請求項１記載の光電界センサ装置。
【請求項３】
前記昇圧回路は、略１Ｖの電圧を２Ｖ以上から３０Ｖ以下の範囲に昇圧する昇圧回路とすることを特徴とする請求項１記載の光電界センサ装置。
【請求項４】
前記増幅器は電圧利得が５ｄＢ以上であることを特徴とする請求項１記載の光電界センサ装置。
【請求項５】
前記光変調器はＬｉＮｂＯ３結晶上に作製したマッハツェンダ型光導波路を備えた光変調器であることを特徴とする請求項１記載の光電界センサ装置。
【請求項６】
前記光電変換部に供給される第１の光源からの光は、１.４８μｍ帯の半導体レーザ光であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の光電界センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【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装置に係り、特に、ＥＭＣ分野における電界測定、または放送用あるいは通信用電波の中継装置に用いて好適な干渉型光導波路を有する高感度の光電界センサ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
干渉型光導波路を有し、電気光学効果を利用して、電界測定を行う光電界センサ装置は、以下のような優れた特徴を持っている。
【０００３】
即ち、
（１）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、
（２）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、
（３）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、
（４）センサ部に電源を必要としないこと、
さらには、
（５）光導波路部とアンテナ部を一体化でき、小型化が可能なこと、
などである。
【０００４】
このような特性のために、光電界センサ装置は、ＥＭＣ分野などの電界測定、または放送用あるいは通信用電波の中継装置における電波受信装置として用いられている。
【０００５】
図６は、従来から用いられている光電界センサの外観図である。光ファイバ６１ａを通して入射した光は、ＬｉＮｂＯ３単結晶基板６５の上の光導波路６６ａを経て、２本の分岐光導波路６３ａおよび６３ｂに分岐されて伝搬する。そのとき、分岐光導波路６３ａと６３ｂには、金属電極６２ａ,６２ｂにより、電界が印加され、屈折率の変化が生じている。
【０００６】
また、金属電極６２ａ,６２ｂは、アンテナから導かれた電界が２つの分岐光導波路６３ａと６３ｂに対して、逆向きに印加される形状となっている。いずれの分岐光導波路を伝播する光も、光導波路６６ｂで再び合波されるが、２つの光路の屈折率の差異により生じた位相差のゆえに、合波後の光強度は変化する。このようにして変調された光は、光ファイバ６１ｂに結合して、出射する。
【０００７】
上記の光電界センサを光変調器として用い、光給電による高感度化をはかった従来の光電界センサ装置を図５に示す。
【０００８】
図５の光電界センサ装置にて第２の光源５６から出射した一定強度の光は、偏波保持ファイバ５９を経て、光変調器５４に入射し、アンテナ５１に誘起され、増幅器５２で増幅された電圧により、強度変調を受け、光ファイバ５８ｂを経て、受光器５７に導かれ電気信号に変換される。また、増幅器５２を駆動するために、第１の光源５５からの光パワーを光ファイバ５８ａにより伝送し、光電変換素子５３により電力に変換している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光給電による光電界センサ装置においては、光給電による増幅器の駆動において、光パワーから電力への変換効率が低く、増幅器を駆動するための電圧と電力を得るためには、大出力のレーザ光源が必要であり、装置全体の価格を高価なものとしていた。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、工業的に利用し易い高感度の特性であり、また低価格とした光電界センサ装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
まず、光電界センサ装置の高感度化をはかるために、以下のような考察を行った。
【００１２】
先の図５に示した一般的な光電界センサ装置においては、出力信号のＳ/Ｎは次式で表される。
【００１３】
Ｓ/Ｎ＝１０ log［｛iｐ２（π/２)２(Ｖｉ/Ｖπ)２/２｝/｛iｐ２ RIN＋２e・iｐ＋iｒ２)BW｝］
【００１４】
ここで、iｐはフォトダイオードの平均の光電流であり、光変調器への入射光強度に比例する。Ｖｉは電極に印加される信号電圧の振幅、Ｖπは半波長電圧、RINは光源の相対雑音強度、eは電子の電荷、iｒは光検出器の等価雑音電流、BWは信号帯域幅である。
【００１５】
従って、Ｓ/Ｎを向上させるためには、即ち、感度を高くするためには、以下の方法が可能である。
【００１６】
（１）電極に印加される信号電圧の振幅Ｖｉを大きくする。
（２）相対雑音強度ＲＩＮが低く、光強度の大きな光源を使用する。
（３）半波長電圧Ｖπを小さくする。
【００１７】
（２）については、ＲＩＮが−１６５dＢ/Ｈz以下である半導体レーザ励起固体レーザ光源やＲＩＮが−１５５dＢ/Ｈz以下であるＤＦＢ(分布帰還型)半導体レーザが用いられるが、いずれも数１０ｍＷ以上の出力が要求される。
【００１８】
（３）については、電極長を長くすると、半波長電圧Ｖπは小さくなるが、容量成分、抵抗成分の増加といった問題があり、実際的には、干渉光導波路を折り返して使う反射型の光変調器が用いられることが多い。
【００１９】
（１）については、信号電圧を増幅して、電極に印加する方法が有効である。
【００２０】
ところで、光電界センサは、センサヘッド部に電源を持たないことを特徴とする利点を維持するために、電線による給電は行わず、信号電圧の増幅器を駆動するためには、従来例として説明したような光による給電法がとられる。
【００２１】
上記の３つの方法のうち、（２）の相対雑音強度ＲＩＮが低く、光強度の大きき光源を使うことに関しては、ＤＦＢ半導体レーザが使いやすい。また、（３）の半波長電圧Ｖπを小さくするためには、反射型の光変調器を使うことが実用的である。
【００２２】
本発明においては、（１）の方法に着目し、光による従来の給電手段に代えて、次のような光による給電手段を備えて光電界センサ装置を構成した。
【００２３】
即ち、本発明の光電界センサ装置は、光電変換部に光パワーを供給する第１の光源と、供給された光パワーを電力に変換する光電変換部と、ここで発生した電圧を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路の出力によって駆動され、被測定電圧を増幅するための増幅器と、増幅された被測定電圧によって光強度を変調する光変調と、この光変調部に一定強度の光をもたらす第２の光源と、前記光変調部で変調された光を検出する光検出器とを備えて構成された光電界センサ装置である。
【００２４】
また、本発明の光電界センサ装置は、前記光電変換部に光パワーを供給する第１の光源はレーザ光源と光ファイバを備えて成り、前記光電変換部は直列につないだ２個以上のフォトダイオードと、それらのフォトダイオードに前記光ファイバの出力を分配する光カップラとを備えて構成された光電界センサ装置である。
【００２５】
また、本発明は、前記昇圧回路を、略１Ｖの電圧を２Ｖ以上から３０Ｖ以下の範囲に昇圧する昇圧回路とする光電界センサ装置である。
【００２６】
また、本発明の光電界センサ装置は、前記増幅器の電圧利得を５ｄＢ以上とする光電界センサ装置である。
【００２７】
また、本発明の光電界センサ装置は、前記光変調器をＬｉＮｂＯ３結晶上に作製したマッハツェンダ型光導波路を備えた光変調器とする光電界センサ装置である。
【００２８】
また、本発明の光電界センサ装置は、前記光電変換部に供給される第１の光源からの光を、１.４８μｍ帯の半導体レーザ光とする光電界センサ装置である。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態による光電界センサ装置について、以下に説明する。
【００３０】
本発明の実施の形態による光電界センサ装置は、光電変換部に光パワーを供給する第１の光源と、供給された光パワーを電力に変換する光電変換部と、ここで発生した電圧を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路の出力によって駆動され、被測定電圧を増幅するための増幅器と、増幅された被測定電圧によって光強度を変調する光変調器と、この光変調器に一定強度の光をもたらす第２の光源と、前記光変調器で変調された光を検出する光検出器とを備えて構成された光電界センサ装置とするものである。
【００３１】
図１は、本発明による光電界センサ装置のブロック図である。図１の光電界センサ装置にて、１１は光による給電のための光パワーを発生する第１の光源であり、１２ａは光ファイバであり、１３は光電変換部、１４は昇圧回路、１５は増幅器である。１６は電界を検出するアンテナ、１７は反射型ＬｉＮｂＯ３光変調器、１９は無変調の光を発生する第２の光源、１２ｂ，１２ｃ，１２ｄは光ファイバ、１８は光サーキュレータ、２０は変調光を電気信号に変換する受光器である。
【００３２】
図４は、本発明の光電界センサ装置に用いられる光変調器１７の外観図である。偏波保持ファイバ４１からＬｉＮｂＯ３基板４２の上に形成された入出射光導波路４３に入射した導波光は、分岐光導波路４４ａと４４ｂに分岐され、金属電極４５により電界が印加され、屈折率変化が生じた分岐光導波路４４ａと４４ｂを進行し、反射ミラー４６により反射され、分岐光導波路４４ａと４４ｂを逆行した後、入出射光導波路４３で合波され、偏波保持ファイバ４１に出射される。
【００３３】
このとき、出射光は、分岐光導波路の間の光路差によって生じた位相差に応じて、強度変調を受ける。言い換えると、この光変調器は光路長が印加される電圧によって変化するマッハツェンダ型干渉計として動作する。また、金属電極４５に印加される電圧は、図１のアンテナ１６に誘起され、増幅器１５によって増幅された信号電圧である。
【００３４】
図２は、本発明の光電界センサ装置の増幅器を駆動する手段の説明図である。
【００３５】
図１、図２を参照して、本発明の実施の形態に係る光による給電手段と増幅器について、詳しく説明する。
【００３６】
図１に示す第１の光源１１として、１.４８μｍ帯の半導体レーザを用いた。その光ファイバ出力は、７０ｍＷである。シングルモード光ファイバ１２ａを介して、光電変換部１３に伝送された光パワーは、図２で模式的に示すように、光カップラで２つに分岐され、直列に接続された２つのＩｎＧａＡｓフォトダイオードに導かれ、電力に変換される。得られた１.１ボルトの出力電圧が、昇圧回路により、２.２ボルトに昇圧され、１８ｍＷの電力で増幅器を駆動し、この増幅器により、アンテナからの信号電圧を１２ｄＢ増幅した。
【００３７】
なお、図３は、本発明の光電界センサ装置の増幅器を駆動する電圧を示す図であり、フォトダイオード（ＰＤ）の出力から、増幅器を駆動するのに必要な２Ｖ以上の電圧が得られる様子を模式的に示した。
【００３８】
ところで、昇圧回路を用いずに、フォトダイオードのみを直列につないで、２ボルト以上の電圧を得る方法は、フォトダイオードの光電変換効率が４０％未満であるのに対し、昇圧回路ＩＣにおいては、昇圧後の電力効率が８０％におよぶことから実用的でない。
【００３９】
なお、本発明の実施の形態においては、増幅器の利得を１２ｄＢとしたが、５ｄＢ未満では、本発明の給電手段に係るコストと、他の方法による高感度化、例えば、光源の光出力を増加させる方法などに係るコストと比較して利点がなくなる。
【００４０】
また、光給電のための光源とフォトダイオードの組み合わせは、０.９８μｍ帯半導体レーザとＳiフォトダイオード、あるいは１.４８μm帯半導体レーザとＧeフォトダイオードの組み合わせなども実用的である。さらに、光パワー伝送用の光ファイバとしては、マルチモードファイバも実用的である。
【００４１】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、工業的に広く用いられている構成部品から成る高感度の光電界センサ装置を提供することができる。また、本発明によれば、給電に用いる光パワーを低減し、高信頼の高感度光電界センサ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による光電界センサ装置のブロック図。
【図２】本発明の実施例による光電界センサ装置の増幅器を駆動する手段を説明する図。
【図３】本発明の実施例による光電界センサ装置の増幅器を駆動する電圧を示す図。
【図４】本発明の光電界センサ装置に使用される光変調器の外観図。
【図５】従来の光電界センサ装置の構成を示すブロック図。
【図６】従来の透過型の光電界センサ装置の外観図。
【符号の説明】
１１，５５    第１の光源
１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ，５８ａ,５８ｂ，６１ａ,６１ｂ    光ファイバ
１３    光電変換部
１４    昇圧回路
１５，５２    増幅器
１６，５１    アンテナ
１７，５４    光変調器
１８    光サーキュレータ
１９，５６    第２の光源
２０，５７    受光器（光検出器）
４１，５９    偏波保持ファイバ
４２，６５    ＬｉＮｂＯ３単結晶基板
４３    入出射光導波路
４４ａ，４４ｂ，６３ａ,６３ｂ    分岐光導波路
４５    金属電極
４６    反射ミラー
５３    光電変換素子
６２ａ,６２ｂ    分極電極
６６ａ,６６ｂ    光導波路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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