(57)【要約】 【課題】  電気光学結晶上に形成された金属電極、リード線およびアンテナロッド、またはプリント基板上に形成したアンテナの相関する位置関係およびその長さに依存して指向性の最大感度方向がずれない光電界センサおよび光電界センサの指向性調整方法を提供すること。【解決手段】  電気光学効果を利用した光変調器を備えた光電界センサにおいて、変調電極の長さ方向とアンテナパターンの長さ方向のなす角度を、アンテナパターンが伸びる長さ方向と最大感度方向との指向性のずれ角度Δφと５４．７°を加えた角度＝（Δφ＋５４．７°）とする。また、リード線の長さ方向の長さが、アンテナパターンの長さ方向の長さより、短い長さとし、電界検出方向 (変調器の長さ方向とアンテナパターンの長さ方向のなす角度)で最大感度にすること。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学効果を有する光学結晶基板上に光を分岐させた後、反射ミラーによって、分岐光導波路を逆方向に伝播し、再び合流する形状の光導波路を形成し、分岐後、前記光導波路の屈折率を変動させるための変調電極と、該変調電極に電圧を導くアンテナパターンと前記変調電極と前記アンテナパターンを接続するリード線を形成した光変調器を備えた光電界センサにおいて、前記変調電極の長さ方向と前記アンテナパターンの長さ方向のなす角度を、前記アンテナパターンが伸びる長さ方向と最大感度方向との指向性のずれ角度Δφと５４．７°を加えた角度＝（Δφ＋５４．７°）にしたことを特徴とする光電界センサ。
【請求項２】
電気光学効果を有する光学結晶基板上に光を分岐させた後、反射ミラーによって、分岐光導波路を逆方向に伝播し、再び合流する形状の光導波路を形成し、分岐後、前記光導波路の屈折率を変動させるための変調電極と、該変調電極に電圧を導くアンテナパターンと前記変調電極と前記アンテナパターンを接続するリード線を形成した光変調器を備えた光電界センサにおいて、前記リード線の長さが、前記アンテナパターンの長さより、短く設定され、最大感度の電界検出方向と前記アンテナパターンが伸びる長さ方向とが一致したことを特徴とする光電界センサ。
【請求項３】
電気光学効果を有する光学結晶基板上に光を分岐させた後、反射ミラーによって、分岐光導波路を逆方向に伝播し、再び合流する形状の光導波路を形成し、分岐後、前記光導波路の屈折率を変動させるための変調電極と、該変調電極に電圧を導くアンテナパターンと前記変調電極と前記アンテナパターンを接続するリード線を形成した光変調器を備えた光電界センサの指向性調整方法において、前記変調電極の長さ方向と前記アンテナパターンの長さ方向のなす角度を、前記アンテナパターンが伸びる長さ方向と最大感度方向との指向性のずれ角度Δφと５４．７°を加えた角度＝（Δφ＋５４．７°）に調整することを特徴とする光電界センサの指向性調整方法。
【請求項４】
電気光学効果を有する光学結晶基板上に光を分岐させた後、反射ミラーによって、分岐光導波路を逆方向に伝播し、再び合流する形状の光導波路を形成し、分岐後、前記光導波路の屈折率を変動させるための変調電極と、該変調電極に電圧を導くアンテナパターンと前記変調電極と前記アンテナパターンを接続するリード線を形成した光変調器を備えた光電界センサの指向性調整方法において、前記リード線の長さが、前記アンテナパターンの長さより、短く設定され、最大感度の電界検出方向と前記アンテナパターンが伸びる長さ方向とが一致したことを特徴とする光電界センサの指向性調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を用いて電界の測定を行う光電界センサに関するもので、特に、狭い空間領域の電界測定に好適な小型の光電界センサ及び光電界センサの指向性調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、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、
（１）金属部を殆ど持たないので、被測定電界を乱さない。
（２）光ファイバーで検出信号を伝送するので、伝送途中で電磁誘導の影響により電気的雑音を発生しない。
（３）結晶の電気光学効果を利用することで、高速応答を可能とし、且つその検出信号をそのまま低損失に伝送できる。
（４）センサ部に電源を必要としない。
以上の優れた特徴があるので、ＥＭＣ分野などの広範囲な電界測定に用いられている。
【０００３】
図９は、従来の光電界センサの構造を示す斜視図である。光ファイバー６１から入射した光は、ＬｉＮｂＯ3単結晶基板６７上の光導波路６８を経て、２本に分岐した光導波路６９ａおよび６９ｂに分岐され、一方の分岐した光導波路６９ａには金属電極７０ａ，７０ｂから電界が印加され、屈折率の変化が生じる。他方の分岐した光導波路６９ｂは、電界がかからないので、屈折率の変化が起きない。また、いずれの分岐した光導波路を伝播する光は、反射ミラー７１によって反射され、分岐光導波路を逆方向に伝播し、再び合波され、光ファイバー６１に結合後出射する。この２つの光路を伝播する光は、屈折率の差により位相差を生じ、合波後の光強度は変化する。更に、変調された光は光ファイバーや光サーキュレータを通って、光検出器に導かれ、電気信号に変換される（特許文献１参照）。
【０００４】
ＥＭＣ測定（ノイズ測定）に代表される、フィールド内の電界強度を測定するために用いる光電界センサおよび光電界センサの指向性調整方法が、特許文献２に開示されている。電気光学効果を有する光学結晶基板上に光を分岐させた後、再び合流する形状の光導波路を形成し、分岐後に光導波路の屈折率を変動させる変調電極と変調電極に電圧を導くアンテナパターンを形成した光変調器を備えた光電界センサにおいて、変調電極の分割方向の長さ方向とアンテナパターンの長さ方向のなす角度を調整した光電界センサおよび光電界センサの指向性調整方法である。この方法により、内蔵アンテナの指向性に依存していた光電界センサを、任意の指向性に制御することを可能にする。
【０００５】
また、高い指向性を有する光電界センサの技術は、特許文献３に開示されている。電気光学効果を有する光学結晶基板上に光を分岐させた後、再び合流する形状の光導波路を形成し、分岐後に光導波路の屈折率を変動させる変調電極と変調電極に電圧を導くアンテナパターンを形成した光変調器を備えた光電界センサにおいて、アンテナパターンの光導波路に近接する辺の長さを対向する辺の長さより小さくした光電界センサである。この方法は、アンテナパターン領域を広くとり、アンテナパターン端辺を延ばすことで、高い指向性を得ている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２１９０８８号公報
【特許文献２】特開２００２−５５１３３号公報
【特許文献３】特開２００２−３１６５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の特許文献１の光電界センサは、感度を向上するために外部にアンテナロッドを備えるかまたはプリント基板上にアンテナを形成して接続する。この方法では、電気光学結晶上に形成された金属電極、リード線およびアンテナロッド、またはプリント基板上に形成したアンテナの相関する位置関係およびその長さに依存して指向性の最大感度方向がずれるという問題があった。
【０００８】
上述の特許文献２の光電界センサは、従来の内蔵アンテナの指向性に依存していた光電界センサを任意の指向性に制御する手段を提供しているが、電気光学結晶上に形成された金属電極、リード線およびアンテナロッド、またはプリント基板上に形成したアンテナの相関する位置関係およびその長さに依存して指向性の最大感度方向がずれるという問題を解決できていないという問題があった。
【０００９】
上述の特許文献３の光電界センサは、アンテナパターン領域を広くとり、アンテナパターン端辺を延ばすことで、高い指向性を得ているが、電気光学結晶上に形成された金属電極、リード線およびアンテナロッド、またはプリント基板上に形成したアンテナの相関する位置関係およびその長さに依存して指向性の最大感度方向がずれるという問題を解決できていないという問題があった。
【００１０】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術課題は、電気光学結晶上に形成された金属電極、リード線およびアンテナロッド、またはプリント基板上に形成したアンテナの相関する位置関係およびその長さに依存して指向性の最大感度方向がずれない光電界センサおよび光電界センサの指向性調整方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための第１の発明は、電気光学効果を有する光学結晶基板上に光を分岐させた後、反射ミラーによって、分岐光導波路を逆方向に伝播し、再び合流する形状の光導波路を形成し、分岐後、前記光導波路の屈折率を変動させるための変調電極と、該変調電極に電圧を導くアンテナパターンと前記変調電極と前記アンテナパターンを接続するリード線を形成した光変調器を備えた光電界センサにおいて、前記変調電極の長さ方向と前記アンテナパターンの長さ方向のなす角度を、前記アンテナパターンが伸びる長さ方向と最大感度方向との指向性のずれ角度Δφと５４．７°を加えた角度＝（Δφ＋５４．７°）にした光電界センサである。
【００１２】
上記目的を達成するための第２の発明は、電気光学効果を有する光学結晶基板上に光を分岐させた後、反射ミラーによって、分岐光導波路を逆方向に伝播し、再び合流する形状の光導波路を形成し、分岐後、前記光導波路の屈折率を変動させるための変調電極と、該変調電極に電圧を導くアンテナパターンと前記変調電極と前記アンテナパターンを接続するリード線を形成した光変調器を備えた光電界センサにおいて、前記リード線の長さが、前記アンテナパターンの長さより、短く設定され、最大感度の電界検出方向と前記アンテナパターンが伸びる長さ方向とが一致した光電界センサである。
【００１３】
上記目的を達成するための第３の発明は、電気光学効果を有する光学結晶基板上に光を分岐させた後、反射ミラーによって、分岐光導波路を逆方向に伝播し、再び合流する形状の光導波路を形成し、分岐後、前記光導波路の屈折率を変動させるための変調電極と、該変調電極に電圧を導くアンテナパターンと前記変調電極と前記アンテナパターンを接続するリード線を形成した光変調器を備えた光電界センサの指向性調整方法において、前記変調電極の長さ方向と前記アンテナパターンの長さ方向のなす角度を、前記アンテナパターンが伸びる長さ方向と最大感度方向との指向性のずれ角度Δφと５４．７°を加えた角度＝（Δφ＋５４．７°）に調整する光電界センサの指向性調整方法である。
【００１４】
上記目的を達成するための第４の発明は、電気光学効果を有する光学結晶基板上に光を分岐させた後、反射ミラーによって、分岐光導波路を逆方向に伝播し、再び合流する形状の光導波路を形成し、分岐後、前記光導波路の屈折率を変動させるための変調電極と、該変調電極に電圧を導くアンテナパターンと前記変調電極と前記アンテナパターンを接続するリード線を形成した光変調器を備えた光電界センサの指向性調整方法において、前記リード線の長さが、前記アンテナパターンの長さより、短く設定され、最大感度の電界検出方向と前記アンテナパターンが伸びる長さ方向とが一致した光電界センサの指向性調整方法である。
【発明の効果】
【００１５】
電気光学効果を有する光学結晶基板上に光を分岐させた後、反射ミラーによって、分岐光導波路を逆方向に伝播し、再び合流する形状の光導波路を形成し、分岐後、光導波路の屈折率を変動させるための変調電極と、その変調電極に電圧を導くアンテナパターンとその変調電極とそのアンテナパターンを接続するリード線を形成した光変調器を備えた光電界センサにおいて、変調電極の長さ方向とアンテナパターンの長さ方向のなす角度を、アンテナパターンが伸びる長さ方向と最大感度方向との指向性のずれ角度Δφと５４．７°を加えた角度＝（Δφ＋５４．７°）とする。また、リード線の長さを、アンテナパターンの長さより、短く設定し、最大感度の電界検出方向とアンテナパターンが伸びる長さ方向を一致させる。
【００１６】
その結果、光電界センサのアンテナの相関する位置関係およびその長さに依存しないで、その指向性のずれを補正しつつ指向性を調整し、最大感度の電界検出方向とアンテナパターンが伸びる長さ方向を一致させることで、指向性の最大感度方向のずれを解消した光電界センサおよび光電界センサの指向性調整方法の提供を可能とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明を実施するための最良の形態に係る光電界センサについて、以下、図面を用いて詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明を実施するための最良の形態に係るアンテナパターンの角度を調整した光電界センサを示す模式図である。図２は、本発明を実施するための最良の形態に係るリード線の長さを調整した光電界センサを示す模式図である。図３は、本発明を実施するための最良の形態に係る光電界センサのアンテナパターンの角度を調整したセンサ出力の指向性評価結果を示すグラフである。図４は、光電界センサのセンサ出力の指向性評価状態を示す図である。図５は、プリント基板リード線の長さを調整した光電界センサのセンサ出力の指向性評価結果を示す図である。
【００１９】
本発明を実施するための最良の形態に係る光電界センサは、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２と反射ミラー６と光ファイバー７で構成される。金属電極２とプリント基板上に形成されたアンテナパターン３ａ，３ｂまたはアンテナロッドが、金属電極２がプリント基板のリード線４ａ，４ｂまたはワイヤーで接続された導波路型マッハツェンダ干渉計である。
【００２０】
本発明を実施するための最良の形態では、図１に示すように、プリント基板のリード線４ａ，４ｂの長さは各４ｍｍ、アンテナパターン３ａ，３ｂのトータル長さは２１ｍｍ、金属電極２の長さは６ｍｍにする。次に、この光電界センサの指向性を測定し、プリント基板のリード線４ａ，４ｂと金属電極２の位置関係に起因する指向性のずれ角度Δφ＝１５°を考慮し、更に、計算値と実験値の相関関係を考慮して、アンテナパターン３ａ，３ｂの長さ方向と金属電極２の長さ方向のなす角度が、６８．７°に設計することで、５４．７°のセンサの最大感度方向８の最大感度が一致するように調整する。
【００２１】
次に、図４に示す評価系でこの光電界センサのセンサ出力の指向性を評価する。図４に示すように、平行平板９ａ，９ｂにＲＦ信号を印加することで、１０の方向に電界が発生する。その後、光電界センサをその間に置き、アンテナ３ａ，３ｂがセンサの最大感度方向８と平行になる位置を基準０°として、回転方向１１に３６０°回転しながら、回転方向でのセンサ出力を測定する。
【００２２】
図３に示すように、本発明を実施するための最良の形態では、０°の位置で電界検出方向 (変調器の長さ方向とアンテナパターンの長さ方向のなす角度)＝５４．７°と最大感度が一致していることがわかる。
【００２３】
また、本発明を実施するための最良の形態に係る光電界センサでは、図２に示すようにアンテナパターン３ａ，３ｂの長さ方向が金属電極２の長さ方向に対して５４．７°傾いた方向にのびる形状で作製される。アンテナパターン３ａ，３ｂのトータル長さを２１ｍｍ、金属電極２の長さを６ｍｍに固定し、プリント基板のリード線４ａ，４ｂの長さをアンテナパターン３ａ，３ｂの長さに対して、２分の１程度にする。その後、センサ出力の指向性を評価した上で、少しずつプリント基板リード線４ａ，４ｂの長さを短くする。最終的には、プリント基板のリード線４ａ，４ｂの長さをアンテナパターン３ａ，３ｂの長さに対して、１０分の１程度にして、センサの最大感度方向８で感度が最大になるように調整する。
【００２４】
次に、図４に示す評価系でこの光電界センサのセンサ出力の指向性を評価する。図５より、０°の位置で電界検出方向 (変調器の長さ方向とアンテナパターンの長さ方向のなす角度)＝５４．７°と最大感度が一致していることがわかる。
【実施例】
【００２５】
本発明の実施例と従来例の比較に関して図面を用いて詳細に説明する。図６は、従来の光電界センサの構造を示す図である。図７は、従来の光電界センサのセンサ出力の指向性評価結果を示すグラフである。図８は、従来例の光電界センサで金属電極にリード線だけ接続して測定したセンサ出力の指向性評価結果である。
【００２６】
本発明の実施例の光電界センサは、上述した本発明の最良の形態に係る光電界センサと同様に作製し、同様な評価結果を得た。
【００２７】
従来例の光電界センサは、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２と反射ミラー６と光ファイバー７で構成される。金属電極２とプリント基板上に形成されたアンテナパターン３ａ，３ｂまたはアンテナロッドが、金属電極２がプリント基板のリード線４ａ，４ｂまたはワイヤーで接続された導波路型マッハツェンダ干渉計である。
【００２８】
従来例では、プリント基板のリード線４ａ，４ｂの長さは各４ｍｍ、アンテナパターン３ａ，３ｂのトータル長さは２１ｍｍ、金属電極２の長さは６ｍｍにする。次に、この光電界センサのセンサ出力の指向性を測定した。
【００２９】
図６の従来例の光電界センサでは、最大感度方向はアンテナパターン３ａ，３ｂの方向であるセンサの最大感度方向８（図７の評価データでは０°、１８０°の位置）を向いていなければならないが、その方向から１５°程度ずれていた。
【００３０】
従来の光電界センサの指向性の最大感度方向がセンサの最大感度方向８(変調器の長さ方向とアンテナパターンの長さ方向のなす角度＝５４．７°）に対して１５°程度ずれた要因を調べるために、上記方法で従来例の光電界センサからアンテナ部分を取り除いて、光電界センサの指向性を測定した。
【００３１】
図８の測定結果から、リード線４ａ，４ｂと金属電極２のセンサ出力の指向性とアンテナパターン３ａ，３ｂのセンサ出力の指向性がずれていたことがわかる。また、その感度と外部に取付けたアンテナロッドの感度の合計値が光電界センサの最終的な感度になるために、従来例の光電界センサの指向性は１５°程度ずれたと推定される。
【００３２】
以上のとおり、本発明の実施例では、光電界センサのアンテナの相関する位置関係およびその長さに依存しないで、その指向性のずれを補正しつつ指向性を調整し、電界検出方向（変調器の長さ方向とアンテナパターンの長さ方向のなす角度）に指向性の最大感度方向を一致させることで、指向性の最大感度方向がずれを解消した光電界センサおよび光電界センサの指向性調整方法の提供を可能とすることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明を実施するための最良の形態に係るアンテナパターンの角度を調整した光電界センサを示す模式図。
【図２】本発明を実施するための最良の形態に係るリード線の長さを調整した光電界センサを示す模式図。
【図３】本発明を実施するための最良の形態に係るアンテナパターンの角度を調整した光電界センサのセンサ出力の指向性評価結果を示すグラフ。
【図４】光電界センサのセンサ出力の指向性評価状態を示す図。
【図５】プリント基板リード線の長さを調整した光電界センサのセンサ出力の指向性評価結果を示すグラフ。
【図６】従来の光電界センサの構造を示す模式図。
【図７】従来の光電界センサのセンサ出力の指向性評価結果を示すグラフ。
【図８】従来例の光電界センサで金属電極にリード線だけ接続して測定したセンサ出力の指向性評価結果を示す図。
【図９】従来の光電界センサの構造を示す斜視図。
【符号の説明】
【００３４】
1    ＬｉＮｂＯ3基板
2    金属電極
３ａ，３ｂ    アンテナパターン
４ａ，４ｂ    リード線
５    プリント基板
６    反射ミラー
７    光ファイバー
８    センサの最大感度方向
９ａ，９ｂ    平行平板
１０    電界方向
１１    光電界センサ回転方向
６１    光ファイバー
６７    ＬｉＮｂＯ3単結晶基板
６９ａ，６９ｂ    光導波路
７０ａ，７０ｂ    金属電極
７１    反射ミラー
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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