(57)【要約】【課題】容易に製造することが可能な電界センサを提供する。【解決手段】絶縁基板１０と、絶縁基板１０の上に配置され、偏光の状態が保持されて伝搬されたプローブ光を楕円偏光の第１光に変換する１／４波長板１５と、絶縁基板１０の上に配置され、絶縁基板１０に対して傾斜している座面１７ａを持つ台座１７と、座面１７ａの上に配置され、入射して透過する第１光の一部を、受けた電磁波の瞬時電界に対応して偏光変化させた第２光として出射する電気光学結晶１６と、第２光の中から、瞬時電界に対応して偏光変化させた偏光成分を取り出す偏光分離部１４とを備える。【選択図】図１
2018031642.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁基板と、
前記絶縁基板の上に配置され、偏光の状態が保持されて伝搬されたプローブ光を楕円偏光の第１光に変換する１／４波長板と、
前記絶縁基板の上に配置され、前記絶縁基板に対して傾斜している座面を持つ台座と、
前記座面の上に配置され、入射して透過する前記第１光を、受けた電磁波の瞬時電界に対応して偏光変化させた第２光として出射する電気光学結晶と、
前記第２光の中から、瞬時電界に対応して偏光変化させた偏光成分を取り出す偏光分離部と
を備えることを特徴とする電界センサ。
【請求項２】
前記１／４波長板の直交する２つの主軸は、前記偏光分離部の直交する主軸に対して22.5°+ 45°×ｎの角度をなし、
且つ、前記電気光学結晶の直交する２つの電気的主軸は、前記偏光分離部の直交する主軸に対して22.5°+ 45°×（２ｍ−１＋ｒ）の角度をなし、
ｎとｍは任意の整数とし、r=n mod 2である
ことを特徴とする請求項１に記載の電界センサ。
【請求項３】
前記台座の座面は、前記絶縁基板に対して22.5°±5°傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の電界センサ。
【請求項４】
前記絶縁基板は、平面視において幅の広い第１領域と、前記第１領域よりも幅の狭い第２領域とを備え、
前記第１領域と前記第２領域は、前記第１領域から前記第２領域に向けて徐々に幅が狭くなるテーパ部で連結し、
前記台座と前記電気光学結晶とは、前記第２領域の先端部分に配置され、
前記１／４波長板と前記偏光分離部とは、前記第１領域に配置される
ことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の電界センサ。
【請求項５】
前記絶縁基板の上に配置され、偏光状態が保持されて伝搬されたプローブ光を、平行光にして出射する第１コリメータと、
前記絶縁基板の上に配置され、前記電気光学結晶が出射する前記第２光を、光検出器に導く第２コリメータと
を備えることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の電界センサ。
【請求項６】
前記第１コリメータから出射したプローブ光は、鏡で１回以上反射した後に、前記偏光分離部に入射し、
前記電気光学結晶が出射する前記第２光は、鏡で１回以上反射した後に、前記第２コリメータに入射する
ことを特徴とする請求項５に記載の電界センサ。
【請求項７】
前記絶縁基板の幅の広い第１領域を収容する第１部分と、前記第１領域よりも幅の狭い第２領域を収容する第２部分とからなる前記絶縁基板を収容する絶縁性の筐体を備え、
前記第１部分と前記第２部分の中心、及び前記電気光学結晶の中心が一致していることを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載の電界センサ。
【請求項８】
前記筐体は、前記第１部分と前記第２部分とを連結する前記第２部分に向けて徐々に幅が狭くなるテーパ状の第３部分を備えることを特徴とする請求項７に記載の電界センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気光学結晶と光を利用して電界を検出する電界ゼンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電界センサの一例として、電気光学結晶を用いたセンサが知られている（例えば非特許文献１）。非特許文献１の電界センサは、センサ感度を最大化する目的で、１／４波長板と１／２波長板の双方を備える。また、特許文献１の電界センサは、１／２波長板を用いずに、１／４波長板のみを用いてセンサ感度を最大化している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４０７７３８８号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】K. Weingarten, M. Rodwel, and D. Bloom,“Picosecond optical sampling of GaAs integrated circuits,” IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.24, no.2, pp.198-220, 1988.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された電界センサは、１／２波長板が不要という利点がある一方、電気光学結晶を、他の光学素子に対して傾けて配置する必要がある。しかし、その具体的な配置方法については開示されていない。よって、実用的な電界センサを容易に製造することが出来ないという課題がある。
【０００６】
本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、容易に製造することが可能な電界センサ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】
本実施の形態の一態様に係る電界センサは、絶縁基板と、前記絶縁基板の上に配置され、偏光の状態が保持されて伝搬されたプローブ光を楕円偏光の第１光に変換する１／４波長板と、前記絶縁基板の上に配置され、前記絶縁基板に対して傾斜している座面を持つ台座と、前記座面の上に配置され、入射して透過する前記第１光を、受けた電磁波の瞬時電界に対応して偏光変化させた第２光として出射する電気光学結晶と、前記第２光の中から、瞬時電界に対応して偏光変化させた偏光成分を取り出す偏光分離部とを備えることを要旨とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、容易に製造することが可能な電界センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１の実施の形態に係る電界センサの主要部を示す模式的平面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る電界センサの先端部から見た模式的構造図である。
【図３】偏光変調方式による電界センサの基本構成例を示す模式的斜視図である。
【図４】感度関数ｆ（θ，φ）をプロットした結果を示す図である。
【図５】１／４波長板の角度θと電気光学結晶の角度φとが適切に設定された場合の電界センサのセンサ感度曲線と、被測定信号波形との関係を概念的に示す図である。
【図６】１／４波長板の角度θと電気光学結晶の角度φとが不適切に設定された場合の電界センサのセンサ感度曲線と、被測定信号波形との関係を概念的に示す図である。
【図７】第２の実施の形態に係る電界センサの主要部を示す模式的平面図である。
【図８】変形例の電界センサの先端部から見た模式的構造図である。
【図９】本実施の形態の電界センサを用いてホーンアンテナの近傍電界の測定を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものに
は同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。
【００１１】
〔第１の実施の形態〕
図１に、第１の実施の形態に係る電界センサ１の主要部の模式的平面図を示す。電界センサ１の主要部は、絶縁基板１０、第１コリメータ１１、鏡１２、鏡１３、偏光分離部１４、１／４波長板１５、電気光学結晶１６、台座１７、鏡１８、及び第２コリメータ１９を備える。
【００１２】
絶縁基板１０は、平面視において幅の広い第１領域１０ａと、第１領域１０ａよりも幅の狭い第２領域１０ｂとを備え、第１領域１０ａと第２領域１０ｂは、第１領域１０ａから第２領域１０ｂに向けて徐々に幅が狭くなるテーパ部１０ｃで連結した１枚の基板である。絶縁基板１０はｘ−ｚ面を構成し、その上に光学部品が配置される。
【００１３】
絶縁基板１０は、被測定電波の反射を減らすため、誘電率の低い材料で構成するのが好ましい。例えばテフロン（登録商標）、デルリン等の材料が好適である。
【００１４】
図示していないレーザなどの光源から出射したプローブ光は、直線偏光として偏波保持ファイバー２０内を伝搬した後に、絶縁基板１０の第１領域１０ａの上に配置された第１コリメータ１１に入射する。第１コリメータ１１は、入射したプローブ光を平行光にして絶縁基板１０上の空間に出射する。
【００１５】
空間に出射された平行光の直線偏光は、鏡１２と鏡１３とで反射された後に、偏光分離部１４に入射する。直線偏光のプローブ光は、偏光分離部１４を透過して１／４波長板１５に入射する。
【００１６】
１／４波長板１５は、直線偏光のプローブ光を、楕円偏光のプローブ光に変換し、絶縁基板１０の第２領域１０ｂの先端部分（ｚ軸方向先端部）に配置された電気光学結晶１６に入射させる。
【００１７】
ここで、図２を参照する。図２は、絶縁基板１０の第２領域１０ｂの先端部分から、電気光学結晶１６の方向を見た電界センサ１の模式的構造図である。太い破線で示す円Ｃ１と円Ｃ２は、電界センサ１の主要部を収容する筐体の断面形状を表す。
【００１８】
電気光学結晶１６は、台座１７の上に配置される。台座１７は、絶縁基板１０（ｘ−ｚ面）に対して傾斜している座面１７ａを持ち、絶縁基板１０の先端部分の第２領域１０ｂの上に配置される。電気光学結晶１６の１／４波長板１５と反対側の端面には誘電体鏡１６ａが取り付けられている。
【００１９】
このように台座１７の傾斜している座面１７ａの上に電気光学結晶１６を配置することで、プローブ光に対する電気光学結晶１６の角度を正確に設定することができる。座面１７ａの傾斜は、絶縁基板１０に対して例えばφ=-22.5°である。ここでマイナスは、図２に示したｘ−ｙ面内での時計回りの回転角を表す。この角度について詳しくは後述する。
【００２０】
電気光学結晶１６に入射したプローブ光は、結晶内を伝搬して誘電体鏡１６ａで反射され、再び入射面から空間に出射する。電気光学結晶１６内を伝搬しているプローブ光は、電気光学結晶１６内を伝搬している測定対象の電波の電界に応じて偏光変調を受ける。
【００２１】
電気光学結晶１６から出射したプローブ光は、再び１／４波長板１５を通過した後、偏光分離部１４に入射する。この例では、水平偏波であるＰ偏光は、そのまま偏光分離部１４を通過し、垂直偏波であるＳ偏光成分が反射して抽出される。すなわち、電気光学結晶１６で偏光変調されたプローブ光は、偏光分離部１４によって強度変調されたＳ偏光とＰ偏光に変換される。
【００２２】
抽出されたＳ偏光成分（強度変調光）は、鏡１８で反射した後に第２コリメータ１９を経由して単一モードファイバー２１に入射する。単一モードファイバー２１の他方の端部には図示しない光検出器が接続される。光検出器は、強度変調光を検出することにより、間接的に電波の電界を検出することができる。
【００２３】
以上説明したように本実施の形態の電界センサ１は、絶縁基板１０と、絶縁基板１０の上に配置され、偏光状態が保持されて伝搬されたプローブ光を楕円偏光の第１光に変換する１／４波長板１５と、絶縁基板１０の上に配置され、絶縁基板１０に対して傾斜している座面１７ａを持つ台座１７と、座面１７ａの上に配置され、入射して透過する第１光を、受けた電磁波の瞬時電界に対応して偏光変化させた第２光を出射する電気光学結晶１６と、第２光の中から、瞬時電界に対応して偏光変化させた偏光成分を取り出す偏光分離部１４とを備える。
【００２４】
本実施の形態の電界センサ１によれば、プローブ光に対する電気光学結晶１６の角度を、簡単に且つ高精度に設定することができる。したがって、高感度な電界センサを容易に製造することを可能にする。
【００２５】
（電気光学結晶と１／４波長板の角度）
図３に、偏光変調方式による電界センサの基本構成例を示す。偏光変調方式による電界センサは、偏光分離部１４、１／４波長板１５、及び電気光学結晶１６を備える。１／４波長板１５と電気光学結晶１６に示されたｓとｆは、それぞれ偏光素子としてのslow軸（屈折率の大きい軸）とfast軸（屈折率の小さい軸）を表す。電気光学結晶１６に記載された（００１），（１１０）は結晶軸を表す。例えば、閃亜鉛鉱型構造を有する電気光学結晶(GaAs, ZnTe, CdTeなど)の使用が可能である。
【００２６】
図示しないレーザやＬＥＤ等の光源から出射したプローブ光は、偏波保持ファイバーを伝搬した後、電界センサ内の偏光分離部１４に入射する。偏光分離部１４を透過したプローブ光は、１／４波長板１５を通過した後に電気光学結晶１６に入射する。
【００２７】
電界センサの検出感度を向上させるためには、プローブ光の偏光状態に対する１／４波長板１５と電気光学結晶１６の角度を適切に設定する必要がある。
【００２８】
それぞれの適切な角度について検討する。光の偏光状態は、２次元の複素ベクトルによる演算子で表すことができる。
【００２９】
図３に示したように、ｘ−ｚ面に偏向した直線偏光である入力光の偏光状態｜ψｉｎ＞は次式で表せる。
【００３０】
【数１】
2018031642.tif 000003
【００３１】
また、図３に示すように配置された偏光分離部１４の反射光に対する作用ＰＴは、次式で表せる。
【００３２】
【数２】
2018031642.tif 000004
【００３３】
また、透過光に対する偏光分離部１４の作用ＰＲは次式で表せる。
【００３４】
【数３】
2018031642.tif 000005
【００３５】
また、ｘ−ｙ面内での回転を表す行列は次式で表せる。
【００３６】
【数４】
2018031642.tif 000006
【００３７】
また、１／４波長板１５の作用Ｑ（θ）は次式で表せる。
【００３８】
【数５】
2018031642.tif 000007
【００３９】
また、電気光学結晶１６の作用Ｃ（φ，Γ）は次式で表せる。ｉは虚数単位である。
【００４０】
【数６】
2018031642.tif 000008
【００４１】
ここでΓは、ポッケルス効果による位相変化であり、電気光学結晶１６内の被測定電界の瞬時値に比例する量である。
【００４２】
出力光の偏光状態は次式で表せる。
【００４３】
【数７】
2018031642.tif 000009
【００４４】
光検出器ＰＤで検出されるのは、偏光分離部１４で反射された出力光の強度である。その強度は次式で表せる。
【００４５】
【数８】
2018031642.tif 000010
【００４６】
電気光学結晶１６の感度は、Γ−Ｉ曲線の微係数に比例する。よって、電気光学結晶１６の感度関数は次式で定義できる。
【００４７】
【数９】
2018031642.tif 000011
【００４８】
ここで２は、規格化のための定数である。式（１）〜式（８）を用いて電気光学結晶１６の感度関数を求めると、次式を得る。
【００４９】
【数１０】
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【００５０】
図４に、式（１０）の感度関数ｆ（θ，φ）をプロットした結果を示す。図４は、電界センサの感度（0〜1.0）と、光学素子角度の依存性を示す図である。図４（ａ）と（ｂ）の横軸は１／４波長板１５の角度θ、縦軸は電気光学結晶１６の角度φである。
【００５１】
図４（ａ）から、例えばθ=22.5°，φ=-22.5°で電界センサの感度が最大になることが分かる。これを一般化すると次のように表せる。
【００５２】
１／４波長板１５の直交する２つの主軸は、偏光分離部１４の直交する主軸に対して22.5°+ 45°×ｎの角度をなし、且つ、電気光学結晶１６の直交する２つの電気的主軸は、偏光分離部１４の直交する主軸に対して22.5°+ 45°×（２ｍ−１＋ｒ）の角度をなし、ｎとｍは任意の整数とし、r=n mod 2である。n mod 2は、ｎをｐで割った余りを表す。つまり、例えばｎが偶数でr=0、ｎが奇数でr=1とするとθ=22.5°，φ=-22.5°となる。
【００５３】
また、図４（ａ）の一部分を拡大した図４（ｂ）から、光学素子角度が±5°以内であれば、電界センサの感度低下は概ね10％以下に抑えられることが分かる。
【００５４】
このように高い感度を得るためには、１／４波長板１５の角度θと電気光学結晶１６の角度φは適切に設定する必要がある。本実施の形態の電界センサ１によれば、電気光学結晶１６の角度φは、台座１７の座面１７ａの傾斜で設定される。したがって、電気光学結晶１６は、簡単に高い精度で配置することが可能である。
【００５５】
一方、１／４波長板１５は、その形状の加工が電気光学結晶１６に比べて容易である。例えば、正方形の１／４波長板１５の一辺を22.5°の角度でカットすることは容易である。よって、１／４波長板１５は、一般的な方法でも精度良く配置できる。
【００５６】
図５に、１／４波長板１５の角度θと電気光学結晶１６の角度φとが適切に設定された場合の電界センサのセンサ感度曲線と、被測定信号波形及び検出信号波形との関係を概念的に示す。図５の横軸は、電気光学結晶１６への印加電界であり、縦軸は、光検出器ＰＤによって検出される出力光強度である。また、ｘ−ｙ平面内の正弦曲線は電界センサの感度曲線を表す。
【００５７】
電気光学結晶１６と１／４波長板１５の角度を最適化すると、感度曲線の傾きの大きい領域で被測定信号を測定することができる。その結果、振幅が大きく歪みの少ない検出信号波形が得られる。
【００５８】
図６に、１／４波長板１５の角度θと電気光学結晶１６の角度φとが不適切に設定された場合の電界センサの感度曲線と、被測定信号波形との関係を概念的に示す。横軸と縦軸の関係は、図５と同じである。
【００５９】
光学素子角度が不適切であると、電気光学結晶１６の感度曲線の振幅は小さくなり、且つ対称性が失われる。この場合は、検出信号波形の振幅が小さくなると共に波形歪みが現れる。
【００６０】
〔第２の実施の形態〕
図７に、第２の実施の形態に係る電界センサ２の主要部の模式的平面図を示す。電界センサ２は、電界センサ１（図１）に対して主要部が筐体３０に収容されている点で異なる。電界センサ２の主要部の構成は、電界センサ１と同じである。
【００６１】
筐体３０の形状は、例えば図７に示すようなボトル形状である。ボトル形状の先端の第２部分（首部）３０ｂに、絶縁基板１０の幅の狭い第２領域１０ｂが収容される。また、絶縁基板１０の幅の広い第１領域１０ａは、ボトル形状の第１部分（胴部）３０ａに収容される。また、第１領域１０ａと第２領域１０ｂをつなぐテーパ部１０ｃは、ボトル形状の第３部分（肩部）３０ｃに収容される。第３部分３０ｃは、第１部分３０ａと第２部分１０ｂとを連結する第２部分１０ｂに向けて徐々に幅が狭くなるテーパ状である。
【００６２】
第１領域１０ａと第２領域１０ｂとテーパ部１０ｃの断面（ｘ−ｙ面）は、例えば円形である。また、それぞれの円の中心は共通である。
【００６３】
また、円の中心と電気光学結晶１６の中心を一致させても良い。そうすることで、電界センサ２をｘ−ｙ面内で回転させても、電気光学結晶１６の中心は動かない。よって、センサ感度を安定化させることができる。また、テーパ部１０ｃ（第３部分１０ｃ）を設けることにより、被測定電波が、絶縁基板１０の第領域１０ａ及び筐体３０の第１部分３０ａで反射して被測定物に直接戻ることを防ぐことができる。
【００６４】
筐体３０は、絶縁材料で構成される。その材料は、被測定電波の反射を減らすために、誘電率の低い例えばテフロン（登録商標）、デルリン等が好適である。なお、筐体３０の形状を、断面が円で説明したが、この例に限定されない。断面は、正方形又は長方形の矩形で有っても構わない。
【００６５】
つまり、本実施の形態の電界センサ２は、絶縁基板１０の幅の広い第１領域１０ａを収容する第１部分と、第１領域１０ａよりも幅の狭い第２領域１０ｂを収容する第２部分とからなる絶縁基板を収容する絶縁性の筐体を備え、第１部分と第２部分の中心、及び電気光学結晶１６の中心が一致している。
【００６６】
以上説明したように本実施の形態の電界センサによれば、センサ感度が最大となる電気光学結晶１６と１／４波長板１５の角度の関係を、容易に且つ適切に設定することができる。したがって、高感度な電界センサの量産を容易にし、電界センサの低コスト化を可能にする。
【００６７】
なお、本実施の形態は、台座１７の断面形状を三角形の例で説明したが、この例に限定されない。図８に、変形例の電界センサの先端部から見た模式的構造図を示す。図８に示すように、台座１７は斜面を有する角柱で有っても良い。また、光検出器は、Ｓ偏光成分を検出する例で説明を行ったが、Ｐ偏光成分を検出するようにしても、本実施の形態と同じ作用効果が得られる。
【００６８】
このように本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本実施の形態は、電気光学結晶を用いた偏光変調方式による電界センサに適用することができる。図９に、本実施の形態の電界センサ２を用いてホーンアンテナ５０の近傍電界の測定を模式的に示す。電界センサ２は、例えばアンテナ近傍の電界分布を、高い空間分解能で測定することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１、２：電界センサ
１０：絶縁基板
１０ａ：第１領域
１０ｂ：第２領域
１０ｃ：第３領域
１１：第１コリメータ
１２、１３、１８：鏡
１４：偏光分離部
１５：１／４波長板
１６：電気光学結晶
１６ａ：誘電体鏡
１７：台座
１７ａ：座面
１９：第２コリメータ
２０：偏波保持ファイバー
２１：単一モードファイバー
３０：筐体
３０ａ：第１部分
３０ｂ：第２部分
３０ｃ：第３部分
【図１】
2018031642.tif 000013
【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】
2018031642.tif 000021