(57)【要約】【課題】  被測定電磁界の撹乱を極力抑えながら、ある位置における電界・磁界それぞれの強度を測定することができる単一の電磁界センサを提供する。【解決手段】  レーザ光源１０１と、ファイバアンプ１０２と、レーザ光源１０１の出射光の偏光面を調整する偏光コントローラ１０３と、電磁界センサ１０５と、検光子１０６と、偏光コントローラ１０３の出射光を電磁界センサ１０５へ送出すると共にその戻り光を検光子１０６へ送出する光サーキュレータ１０４と、光強度検出用のフォトディテクタ１０７と、１０７の出力を検出するRFスペクトラムアナライザ１０８とから構成され、電磁界センサ１０５は、電気光学材料層１１と磁気光学材料層１２の積層体により構成される。【選択図】図１
2008216036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学材料層と磁気光学材料層を積層して形成される電磁界センサを有する電磁界測定装置であって、レーザ光源から出射される前記電磁界センサへの入射レーザ光の波長を電気光学材料層の光共振波長と、磁気光学材料層の光共振波長とに合わせることにより電界と磁界のそれぞれを検出することを特徴とする電磁界測定装置。
【請求項２】
光ファイバ端面に電気光学材料層と磁気光学材料層を積層して形成される電磁界センサを有する電磁界測定装置であって、レーザ光源から出射される前記電磁界センサへの入射レーザ光の波長を電気光学材料層の光共振波長と、磁気光学材料層の光共振波長とに合わせることにより電界と磁界のそれぞれを検出することを特徴とする電磁界測定装置。
【請求項３】
検光子と、前記レーザ光源の出射光を前記電磁界センサへ送出しその戻り光を前記検光子へ送出する光サーキュレータと、前記検光子の出射光を検出するフォトディテクタと、前記フォトディテクタの出力信号を検出する無線周波数スペクトラムアナライザと、を更に有することを特徴とする請求項１または２に記載の電磁界測定装置。
【請求項４】
前記レーザ光源と光サーキュレータとの間に、前記レーザ光源の出射光の偏光面を調整する偏光コントローラ、または、光ファイバアンプおよび前記レーザ光源の出射光の偏光面を調整する偏光コントローラが配置されていることを特徴とする請求項３に記載の電磁界測定装置。
【請求項５】
前記電気光学材料層と前記磁気光学材料層の間に第３の材料層として誘電体層を設けたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電磁界測定装置。
【請求項６】
前記電気光学材料層の前記磁気光学材料層とは反対側の表面、または、前記電気光学材料層の前記磁気光学材料層とは反対側の表面のいずれか一方または両方にに光反射膜が形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電磁界測定装置。
【請求項７】
前記電気光学材料層と前記磁気光学材料層とがエアロゾルデポジション法により形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電磁界測定装置。
【請求項８】
電気光学材料層の材料がジルコン酸チタン酸鉛、ランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛、磁気光学材料層の材料がガーネット構造、スピネル構造、ヘキサゴナル構造のいずれかを有するフェライトであることを特徴とする請求項１から６のいずれか記載の電磁界測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ある位置での電界と磁界とのそれぞれの強度が計測可能な電磁界測定装置に関し、特に、レーザ光が照射される電気光学結晶および磁気光学結晶を電磁界プローブとして用いた電磁界測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から電磁界測定装置として、先端に電磁界センサ（あるいは電磁界プローブ）としてアンテナを設けた測定装置が知られている。例えば先端にループアンテナを設け、電磁誘導の法則により磁界を検出するループ型磁界測定装置や先端にダイポールアンテナを設けた電界測定装置が知られている。一つのアンテナにより誘起された電磁界による信号に対し、適切な信号処理を行うことにより、電界と磁界の同時測定を可能とする電磁界測定装置も報告されている。
また、電磁界センサとして電気光学（EO）材料や磁気光学（MO）材料を用い、レーザをはじめとする光計測機器とこれら材料を組合せた光電磁界計測システムが知られており、アンテナやマイクロ波回路、あるいは電子機器から発生する電磁波の検出にこれが活用されてきた。前記光学材料を用いたセンサは、金属を用いないため発生電磁界を殆ど乱さない、高速（広帯域）計測、高空間分解能計測が可能などの優れた利点を有する。
電気光学材料や磁気光学材料を用いるものの中でも、最近、光ファイバ光学を基礎として組み上げられた測定装置が、高性能かつ良好な利便性のために注目を集めており、特にファイバ先端に共振器構造を有する光学結晶を用いた測定装置（例えば、非特許文献１参照）は、高空間分解能性と高感度性を兼備する測定装置を構成し得るものと期待されている。
【非特許文献１】S. Wakana, T. Ohara, M. Abe, E. Yamazaki, M. Kishi, and M. Tsuchiya：“Fiber-Edge Electrooptic/Magnetooptic Probe for Spectral-Domain Analysis of Electromagnetic Field”, IEEE Trans. Microwave Theory Tech., Vol. 48, No. 12, pp. 2611-2616 (Dec. 2000).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来は、電界測定には電界測定装置、磁界測定には磁界測定装置と測定対象に応じて測定装置が選択される場合が殆どであった。このような場合、電界、磁界のどちらも計測したい場合には、それぞれの測定装置を用いるために時間がかかる、コストがかさむ、ある一点での電界、磁界双方の正確な情報が分からない、などの問題があった。
上記のような一つのアンテナを用いて信号処理により電界・磁界同時計測を行う方法を用いれば、上に述べた問題は一応は解決する。しかし、アンテナを用いた計測の場合、アンテナが金属であることから被測定電磁界が撹乱され、また、特に高周波電磁界の測定において、電磁カップリングによる意図しない場所（センサ部以外の場所）で信号が誘起され検出される結果、正確な測定が困難である。
本発明の目的は、レーザ光と光学結晶を用いて被測定電磁界の撹乱を極力抑え、ある位置における電界・磁界それぞれの相対強度を正確に測定することのできる光電磁界測定装置を提供できるようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記の目的を達成するため、本発明によれば、電気光学材料層と磁気光学材料層を積層して形成される電磁界センサを有する電磁界測定装置であって、レーザ光源から出射される前記電磁界センサへの入射レーザ光の波長を電気光学材料層の光共振波長と、磁気光学材料層の光共振波長とに合わせことにより電界と磁界のそれぞれを検出することを特徴とする電磁界測定装置、が提供される。
【０００５】
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、光ファイバ端面に電気光学材料層と磁気光学材料層を積層して形成される電磁界センサを有する電磁界測定装置であって、レーザ光源から出射される前記電磁界センサへの入射レーザ光の波長を電気光学材料層の光共振波長と、磁気光学材料層の光共振波長の２種類とすることにより電界と磁界のそれぞれを検出することを特徴とする電磁界測定装置、が提供される。
【０００６】
そして、好ましくは、上記電磁界測定装置は、検光子と、前記レーザ光源の出射光を前記電磁界センサへ送出しその戻り光を前記検光子へ送出する光サーキュレータと、前記検光子の出射光を検出するフォトディテクタと、前記フォトディテクタの出力信号を検出する無線周波数スペクトラムアナライザと、を更に有する。
【発明の効果】
【０００７】
第１の効果は、ある位置での電界と磁界のそれぞれを一つの測定装置により計測が可能であることにより、計測時間の短縮とコストの低減を図ることができる点にある。
第２の効果は、被測定電磁界を乱すことなく、ある位置での電界と磁界のそれぞれを高空間分解能で計測できる点にある。
第３の効果は、電気光学材料と磁気光学材料の適切な選択により、ある位置での電力が測定できる点にある。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の電磁界測定装置の一実施の形態を示すブロック図である。図１に示されるように、本実施の形態の測定装置は、可変波長レーザで連続発振可能なレーザ光源１０１と、レーザ光源１０１の出射光を増幅するファイバアンプ１０２と、レーザ光源１０１の出射光の偏光面を調整する偏光コントローラ１０３と、電磁界センサ１０５と、検光子１０６と、偏光コントローラ１０３の出射光を電磁界センサ１０５へ送出すると共に電磁界センサ１０５からの戻り光を検光子１０６へ送出する光サーキュレータ１０４と、光強度検出用のフォトディテクタ１０７と、これらの光学素子を連結する光ファイバ１０９と、フォトディテクタ１０７から出力される電気信号を検出する無線周波数スペクトラムアナライザ１０８と、フォトディテクタ１０７と無線周波数スペクトラムアナライザ１０８との間を接続する信号配線１１０とから構成される。ここで、１００は、被測定対象の一例であるマイクロストリップ線路である。
ここで、本実施の形態の電磁界センサ１０５は、図２に示されるように、電気光学結晶により構成される電気光学材料層１１と磁気光学結晶により構成される磁気光学材料層１２との積層体によって構成されている。そして、光サーキュレータ１０４から伸びる光ファイバ１０９の先端は、電気光学材料層１１の表面に例えば透明接着剤を介して接着される。
【０００９】
次に、本実施の形態の電磁界測定装置の動作について説明する。可変波長レーザで連続発振可能なレーザ光源１０１から出射される光の波長域を例えば1500nm〜1600nmとする。各波長の光はファイバアンプ１０２にて増幅された後、偏光コントローラ１０３、光サーキュレータ１０４を通り電磁界センサ１０５に入射する。入射した光の一部は電磁界センサ１０５の表面で反射されるが、残りは電磁界センサ１０５に入射する。電磁界センサに入射した光は、上面と材料層界面、材料層界面と底面、上面と底面の間で多重反射した後、電磁界センサ１０５から放射され再び光ファイバに戻る。電磁界センサ１０５からの戻り光は、再び光サーキュレータ１０４を通った後検光子１０６を通過した後、フォトディテクタ１０７により検出される。そして、フォトディテクタ１０７から出力される電気信号は無線周波数スペクトラムアナライザ１０８により検出される。
【００１０】
電界・磁界の印加された環境に配置された電磁界センサ１０５に、入射された光は、電界によって電気光学材料層１１の屈折率が変化することにより、この材料層を透過する過程においてその偏光状態が変調を受ける。また、印加される磁界の強度により、磁気光学材料層１２を透過する光の偏光面が変化する。入射光に対して加えられた電磁界センサ１０５による偏光の変調は、検光子１０６により光強度変化に変換される。この変化をフォトディテクタ１０７と無線周波数スペクトラムアナライザ１０８とにより検出することにより、電界、磁界が計測される。電界と磁界とが別々に計測可能である理由について、以下説明する。
【００１１】
図３は、屈折率と厚みの異なる電気光学材料層と磁気光学材料層が、それぞれ単独に存在し、電気光学材料層または磁気光学材料層にレーザ光を入射したときに得られる反射スペクトルをそれぞれ実線と点線で表している。一般に、スペクトルは山と谷が交互に出現する、いわゆる共振特性を有するが、電界センサあるいは磁界センサが高感度なセンサとして機能するのはレーザ波長が谷に相当する波長となったときである。その理由は、当該波長において光学材料層中で光の多重反射が起きるために、光学材料が電磁界に晒された場合、偏光変調度が増大するためである。一方、山に相当する波長においては電気光学材料層や磁気光学材料層は電磁界センサとして機能しない。その理由は、このような波長の場合、光は光学材料層表面で、殆ど反射してしまうためである。従って、光学材料が電磁界に晒されても光変調度が小さく、ノイズレベル以上の電磁界による信号を検出できない。本発明は、このような光共振特性に伴うセンサ感度の特徴を利用し、ある場所での電界、磁界のそれぞれを検出するセンサである。すなわち、電気光学材料層と磁気光学材料層とを積層し、電界検出には電気光学材料の共振波長を磁界検出には磁気光学材料の共振波長を入射レーザ光の波長とすることで電磁界を検出する。ただし、それら波長は両材料の特性で山と谷の関係となる必要がある（図３中Ａ、Ｂの波長）。
【００１２】
また、本発明のセンサは、ある位置での電力の相対強度を測定することも可能である。そのためには、レーザ光源波長を例えば図３中Ｃの位置での波長にすればよい。このとき、光は電気光学材料層中、磁気光学材料層中の両方で多重反射するため、電界、磁界の双方による変調度増大が起こる結果、電磁界の相対強度を測定することができる。ポインティングベクトルの式から分かるように、電界・磁界双方の強度は電力と関係付けられるため、光源波長を上記波長とすることで電力の相対強度が分かる。ただし、電気光学材料層、磁気光学材料層の検出電界成分と磁界成分が直交するように、予め材料を選択あるいは設計する必要がある。
【００１３】
電気光学材料層と磁気光学材料層とが積層されたセンサを用いる場合、各光学材料層が単独で電磁界に投入された場合の反射スペクトルでの共振波長の外に積層体での共振波長も観測される。したがって、観測されるスペクトルの共振波長の中から各光学材料層の単独での共振波長を選択すれば電界あるいは磁界を計測することができる。すなわち、Ａの波長での強度を計測することにより電界強度を検出することができ、Ｂの波長での強度を計測することにより電界強度を検出することができる。また、Ｃの波長での強度を計測することにより電力を検出することができる。このように、本発明の測定装置の使用に当たっては予め各光学材料層が単独で存在する場合のそれぞれの反射スペクトルを取得しておく必要がある。つまり、どの波長で電気光学材料層と磁気光学材料層とが共振するのかを予め知っておく必要がある。
【００１４】
上述した実施の形態での電磁界センサ１０５は、電気光学材料層と磁気光学材料層とを単純に積層したものであったが、本発明において電磁界センサ１０５はこのような形態に限定されない。例えば、図４に斜視図で示されるように、電気光学材料層１１と磁気光学材料層１２の間にスペーサとしての透明な誘電体層１３が設けられていてもよい。電気光学材料層と磁気光学材料層の屈折率が近接している場合には、通常それぞれの材料中で独立に共振することが無いため、単に両材料を積層させただけでは電界、磁界のそれぞれを計測することは難しい。このような場合、図４に示されるように、両光学材料層間に誘電体層１３を設けることにより図３中Ａ、Ｂに相当する波長での共振を発生させることができる。
【００１５】
また、図５、図６に示されるように、電気光学材料層１１と磁気光学材料層１２とからなる積層体は、コア１４ａとクラッド１４bを有する光ファイバ１４の端面上に形成されていてもよく、さらに両光学材料層の間にスペーサとしての透明な誘電体層１４が存在していてもよい。光ファイバ端面上に光学材料を形成する手法としては、例えばエアロゾルデポジション（AD）法が存在する。AD法は１μm以上の電気光学材料層、磁気光学材料層、透明な酸化物誘電材料を光ファイバ端面上に形成することができ、各材料を順次積層させることも可能である。このように光ファイバ付きの電磁界センサ１０５を構成した場合、電磁界センサ１０５の光ファイバ１４は、光サーキュレータ１０４から伸びる光ファイバ１０９と光コネクタを介して接続されることになる。
【００１６】
さらに、図７、図８に示されるように、磁気光学材料層１２の裏面、若しくは、電気光学材料層１１の表面と磁気光学材料層１２の裏面とに光反射膜１５が形成されていてもよい。光反射膜１５は誘電体多層膜であり、例えばイオンプレーティング法で形成することができる。光反射膜を設けることで光学材料層中での干渉効果をより高めることが出来るため（共振のQ値を大きくすることが出来るため）、光変調度が増し、センサ感度を高めることが出来る。
【００１７】
電気光学材料層は、ジルコン酸チタン酸鉛、ランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛を用いて形成することができ、また、磁気光学材料層は、ガーネット構造、スピネル構造、ヘキサゴナル構造のいずれかを有するフェライトを用いて形成することができる。
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１８】
本発明の実施例１では図６に示す電磁界センサ１０５を用いた。図９は、本発明の実施例１を説明するための反射スペクトルの計算値である。図中、点線は光ファイバ端面上に屈折率2.5、厚さ13μmの電気光学材料層が形成された場合のスペクトル、鎖線は屈折率2.35、厚さ５μmの磁気光学材料層が形成された場合のスペクトルを表す。また、実線は光ファイバ端面上に順に上記電気光学材料層、屈折率1.82、厚さ11μmの透明誘電体層、上記磁気光学材料層が形成された場合のスペクトルを表す。図中のＤ位置での波長は、点線における谷、破線における山、実線における谷の位置に相当する。従って、センサを上記条件を満足するように作成した上、電磁界測定ポイントに配置し入射光の波長をＤ位置とした場合、電気光学材料層中で共振が発生するため、電界が測定できる。また、図中のＥ位置での波長は、点線における山、破線における谷、実線における谷の位置に相当する。従って、センサを同じ場所とし入射光の波長をＥ位置とした場合、磁気光学材料層中で共振が発生するため、磁界が測定できる。すなわち、電気光学材料層、磁気光学材料層、誘電体層の各々の設計値を上記のようにし、光ファイバ端面に順次形成することで、ある場所での電界と磁界のそれぞれを計測することが可能である。本実施例のセンサは、例えばＡＤ法を用いて、電気光学材料層としてジルコン酸チタン酸鉛、透明誘電材料として光学ガラス、磁気光学材料層としてイットリウム鉄ガーネットを順次積層させることにより作成できる。
【実施例２】
【００１９】
実施例２では図５に示す電磁界センサ１０５を用いた。図１０は、本発明の実施例２を説明するための反射スペクトルの計算値である。図中、点線は光ファイバ端面上に屈折率2.5、厚さ10μmの電気光学材料層が形成された場合のスペクトル、鎖線は屈折率2.35、厚さ６μmの磁気光学材料層が形成された場合のスペクトルを表す。また、実線は光ファイバ端面上に順に上記電気光学材料層、上記磁気光学材料層が形成された場合のスペクトルを表す。図中のＦ位置での波長は、点線における谷、破線における谷、実線における谷の位置に相当する。従って、センサを上記条件を満足するように作成した上、電磁界測定ポイントに配置し入射光の波長をＦ位置とした場合、電気光学材料層、磁気光学材料層の両光学材料層中で共振が発生するため、電力が測定できる。すなわち、電気光学材料層、磁気光学材料層の各々の設計値を上記のようにし、光ファイバ端面に順次形成することで、ある場所での電力を計測することが可能である。本実施例のセンサは、例えばＡＤ法を用いて、電気光学材料層としてジルコン酸チタン酸鉛、磁気光学材料層としてイットリウム鉄ガーネットを順次積層させることにより作成できる。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
本発明の活用例として、実装電気設計支援ツールあるいは回路故障診断ツールとしての電磁界測定装置が挙げられる。すなわち、ＬＳＩ上やＬＳＩパッケージ周辺で本発明の測定装置を用いて電磁界計測を行い、電気設計にフィードバックするための情報を獲得する、あるいは回路の動作検証を行うことが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の電磁界測定装置の一実施の形態を示すブロック図。
【図２】本発明の電磁界測定装置の一実施の形態において用いられる電磁界センサの斜視図。
【図３】磁気光学材料層と電気光学材料層のそれぞれに光を入射したときの反射スペクトルの模式図。
【図４】本発明の電磁界測定装置に用いられる電磁界センサの変更例を示す斜視図。
【図５】本発明の電磁界測定装置に用いられる電磁界センサの変更例を示す模式図。
【図６】本発明の電磁界測定装置に用いられる電磁界センサの変更例を示す模式図。
【図７】本発明の電磁界測定装置に用いられる電磁界センサの変更例を示す模式図。
【図８】本発明の電磁界測定装置に用いられる電磁界センサの変更例を示す模式図。
【図９】本発明の実施例１を説明するための反射スペクトル。
【図１０】本発明の実施例２を説明するための反射スペクトル。
【符号の説明】
【００２２】
１１  電気光学材料層
１２  磁気光学材料層
１３  誘電体層
１４  光ファイバ
１４ａ  コア
１４ｂ  クラッド
１５  光反射膜
１００  マイクロストリップ線路
１０１  レーザ光源
１０２  ファイバアンプ
１０３  偏光コントローラ
１０４  光サーキュレータ
１０５  電磁界センサ
１０６  検光子
１０７  フォトディテクタ
１０８  無線周波数スペクトラムアナライザ
１０９  光ファイバ
１１０  信号配線
【図１】
2008216036.tif 000003
【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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【図１０】
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