(57)【要約】【課題】高電圧が印可されている測定空間内の電界を、高感度で測定することができる光電界測定装置および光電界測定方法を提供する。【解決手段】光電界測定装置１は、測定空間内に配置した光導波路に入射する入射光を発生させ、この入射光を分岐した第一分岐入射光および第二分岐入射光が反射した反射光同士の干渉光に基づいて、当該測定空間内に生じている電界を測定するものであって、半導体レーザＬＤ３と、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１と、ＰＩＮフォトダイオードＰＤ５と、電界計測回路７と、光カプラ９とを備えた。【選択図】      図１
2004317341.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定空間内にある光導波路に入射する入射光を発生させ、この入射光を分岐した第一分岐入射光および第二分岐入射光が当該光導波路内で反射した反射光同士の干渉光に基づいて、当該測定空間内に生じている電界を測定する光電界測定装置であって、
前記入射光を発生する入射光発生手段と、
この入射光発生手段で発生させた入射光を、前記第一分岐入射光および前記第二分岐入射光に分岐すると共に、電気光学効果を生じ多重反射する光導波路である多重光導波路に当該第一分岐入射光を、電気光学効果を生じない光導波路に当該第二分岐入射光を導波する入射光分岐導波手段と、
この入射光分岐導波手段で導波された前記第一分岐入射光および前記第二分岐入射光が反射した反射光同士の干渉光を検出する光検出手段と、
前記入射光発生手段、前記入射光分岐導波手段および前記光検出手段を接続すると共に、前記入射光および前記干渉光をそれぞれ前記入射光分岐導波手段および前記光検出手段に導く接続手段と、
前記光検出手段で検出した干渉光に基づいて、前記測定空間内に生じている電界を測定する電界測定手段と、
を備えることを特徴とする光電界測定装置。
【請求項２】
測定空間内にある光導波路に入射する入射光を発生させ、この入射光を分岐した第一分岐入射光および第二分岐入射光が当該光導波路内で反射した反射光同士の干渉光に基づいて、当該測定空間内に生じている電界を測定する光電界測定装置であって、
前記入射光を発生する入射光発生手段と、
この入射光発生手段で発生させた入射光を、前記第一分岐入射光および前記第二分岐入射光に分岐し、電気光学効果を生じ多重反射する光導波路である多重光導波路に当該第一分岐入射光および当該第二分岐入射光を導波させると共に、当該第一分岐入射光を多重反射させ、当該第二分岐入射光を反射なし、または、１回反射させた後、電気光学効果を生じない光導波路に当該第二分岐入射光を導波する入射光分岐導波手段と、
前記光導波路の末端に設けられ、前記第二分岐入射光の位相と前記第二分岐入射光の損失との少なくとも一方を可変する可変手段と、
前記入射光分岐導波手段で導波された前記第一分岐入射光および前記可変手段で位相と損失との少なくとも一方が可変された前記第二分岐入射光が反射した反射光同士の干渉光を検出する光検出手段と、
前記入射光発生手段、前記入射光分岐導波手段および前記光検出手段を接続すると共に、前記入射光および前記干渉光をそれぞれ前記入射光分岐導波手段および前記光検出手段に導く接続手段と、
前記光検出手段で検出した干渉光に基づいて、前記測定空間内に生じている電界を測定する電界測定手段と、
を備えたことを特徴とする光電界測定装置。
【請求項３】
前記多重光導波路の末端に電気光学効果を有しない光導波路を付加したことを特徴とする請求項２に記載の光電界測定装置。
【請求項４】
前記可変手段を、ＬｉＮｂＯ３結晶に集積した回路によって構成したことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の光電界測定装置。
【請求項５】
前記入射光発生手段に半導体レーザ、前記電気光学効果を有する多重光導波路にＬｉＮｂＯ３としたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光電界測定装置。
【請求項６】
前記多重光導波路の端面である多重反射面を鏡面反射としたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光電界測定装置。
【請求項７】
前記多重光導波路として構成する結晶基板端面に前記第一分岐入射光を全反射させるように、前記第一分岐入射光の入射角を設定したことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光電界測定装置。
【請求項８】
測定空間内にある光導波路に入射する入射光を発生させ、この入射光を分岐した第一分岐入射光および第二分岐入射光が当該光導波路内で反射した反射光同士の干渉光に基づいて、当該測定空間内に生じている電界を測定する光電界測定方法であって、
前記入射光を発生する入射光発生ステップと、
この入射光発生ステップにおいて発生させた入射光を、前記第一分岐入射光および前記第二分岐入射光に分岐する入射光分岐ステップと、
前記第一分岐入射光を、電気光学効果を生じ多重反射する光導波路である多重光導波路に導波する第一分岐入射光導波ステップと、
前記第二分岐入射光を、電気光学効果を生じない光導波路に導波する第二分岐入射光導波ステップと、
これら第一分岐入射光導波ステップおよび第二分岐入射光導波ステップにおいて導波された前記第一分岐入射光および前記第二分岐入射光が反射した反射光同士の干渉光を検出する光検出ステップと、
この光検出ステップにおいて検出した干渉光に基づいて、前記測定空間内に生じている電界を測定する電界測定ステップと、
を含むことを特徴とする光電界測定方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光導波路内に入射する入射光によって測定空間内の電界を測定する光電界測定装置および光電界測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、図８に示すように、測定空間内の電界を測定する高感度な光電界センサ１０１は、センサ部１０３と、光導波路１０５とを備えており、センサ部１０３は、金属製のアンテナ１０７と電極１０９（１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ）とを備えている。
【０００３】
光電界センサ１０１は、金属製のアンテナ１０７によって、当該測定空間内の電界を集約し、この集約した強電界を、電極１０９ａと電極１０９ｂとの間を通過している光導波路１０５ａと、電極１０９ｂと電極１０９ｃとの間を通過している光導波路１０５ｂとのそれぞれに局所的に発生させ、この強電界によって当該光導波路１０５ａおよび光導波路１０５ｂに導波されている光を干渉させて、この光の干渉に基づいて、当該測定空間内の電界を測定するものである（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
また、別の光電界センサとして、電気光学バルク結晶内に光を通過させ、この通過させた光に基づいて、測定空間内の電界を測定するものがあり（例えば、非特許文献２参照）、この別の光電界センサ（以下、光電界センサ１０１と明確に区別するため、バルク結晶光電界センサとする）は完全絶縁体からなるパッシブなセンサといえるものである。
【０００５】
【非特許文献１】
鳥畑ほか「ＥＭＣ向け光電界センサの高確度化」  電気学会  ＩＭ−００−５８  ２０００年１１月２２日、ＰＰ．２５〜２９
【非特許文献２】
センサ技術「光ファイバ応用電圧センサの原理と緒特性」１９８２年１０月号（Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．１１、ＰＰ．５１〜５６）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光電界センサ１０１等のアクティブな素子は、センサ部１０３が金属製のアンテナ１０７と電極１０９とを含んで構成されており、完全な絶縁体でないので、測定空間が強電界空間である場合、金属によって当該測定空間内の電界分布を乱してしまうと共に、放電してしまうおそれがあり、当該光電界センサ１０１の使用上において制限が設けられている。すなわち、従来の光電界センサ１０１等のアクティブな素子は、高電圧が印可されている機器に近接して使用することができない、つまり、高電圧が印可されている機器周辺（機器内部）の空間の電界を測定することができないという問題がある。さらに、従来の光電界センサ１０１は、所定の周波数帯域以上の電界を測定しようとすると放電する可能性があり、動作原理上、測定周波数帯域も制限されている。
【０００７】
また、バルク結晶光電界センサでは、バルク結晶の結晶長を長くすることができない（長結晶のバルク結晶を生成することが技術的に困難）ので、このバルク結晶を通過させる光によって測定空間内の電界を測定する感度が極めて低くなってしまうという問題がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は前記した従来の技術が有する課題を解消し、高電圧が印可されている測定空間内の電界を、高感度で測定することができる光電界測定装置および光電界測定方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記した目的を達成するため、以下に示す構成とした。
請求項１記載の光電界測定装置は、測定空間内にある光導波路に入射する入射光を発生させ、この入射光を分岐した第一分岐入射光および第二分岐入射光が当該光導波路内で反射した反射光同士の干渉光に基づいて、当該測定空間内に生じている電界を測定する光電界測定装置であって、入射光発生手段と、入射光分岐導波手段と、光検出手段と、接続手段と、電界測定手段とを備える構成とした。
【００１０】
かかる構成によれば、光電界測定装置は、まず、入射光発生手段によって光導波路に入射する入射光を発生し、接続手段を介して入射光を入射光分岐導波手段に導波し、この入射光分岐導波手段によって分岐して第一分岐入射光および第二分岐入射光とすると共に、電気光学効果を生じ多重反射する光導波路である多重光導波路に第一分岐入射光を、電気光学効果を生じない光導波路に第二分岐入射光を導波する。
【００１１】
そして、光電界測定装置は、光検出手段によって、これら第一分岐入射光および第二分岐入射光が反射した反射光同士の干渉光を、接続手段を介して検出し、この検出した干渉光に基づいて、電界測定手段によって、測定空間内に生じている電界を測定する。
【００１２】
なお、入射光発生手段によって発生させる入射光は、例えば、コヒーレントな光である。電気光学効果を生じ多重反射する光導波路である多重光導波路は、例えば、結晶基板等であり、電気光学効果を生じない光導波路は、例えば、光ファイバ等である。
【００１３】
請求項２記載の光電界測定装置は、測定空間内にある光導波路に入射する入射光を発生させ、この入射光を分岐した第一分岐入射光および第二分岐入射光が当該光導波路内で反射した反射光同士の干渉光に基づいて、当該測定空間内に生じている電界を測定する光電界測定装置であって、入射光発生手段と、入射光分岐導波手段と、可変手段と、光検出手段と、接続手段と、電界測定手段とを備える構成とした。
【００１４】
かかる構成によれば、光電界測定装置は、まず、入射光発生手段によって光導波路に入射する入射光を発生し、接続手段を介して入射光を入射光分岐導波手段に導波し、この入射光を入射光分岐導波手段によって分岐して第一分岐入射光および第二分岐入射光とすると共に、電気光学効果を生じ多重反射する多重光導波路に第一分岐入射光および第二分岐入射光を導波させ、第一分岐入射光を多重反射させ、第二分岐入射光を反射なし、または、１回反射させた後、この第二分岐入射光を、電気光学効果を生じない光導波路に導波する。続いて、光電界測定装置は、光導波路の末端に備えられた可変手段によって、第二分岐入射光の位相と第二分岐入射光の損失との少なくとも一方を可変する。
【００１５】
そして、光電界測定装置は、光検出手段によって、入射光分岐導波手段で導波した第一分岐入射光と、可変手段で位相と損失との少なくとも一方を可変した第二分岐入射光とが反射した反射光同士の干渉光を、接続手段を介して検出し、この検出した干渉光に基づいて、電界測定手段によって、測定空間内に生じている電界を測定する。
【００１６】
請求項３記載の光電界測定装置は、請求項２に記載の光電界測定装置において、前記多重光導波路の末端に電気光学効果を有しない光導波路を付加した構成とした。
【００１７】
かかる構成によれば、光電界測定装置は、多重光導波路の末端に、電気光学効果を生じない光導波路が付加されている。この光導波路によって、第一分岐入射光と第二分岐入射光との光路差を調整することができる。
【００１８】
請求項４記載の光電界測定装置は、請求項２または請求項３に記載の光電界測定装置において、前記可変手段を、ＬｉＮｂＯ３結晶に集積した回路によって構成した。
【００１９】
かかる構成によれば、光電界測定装置の可変手段は、ＬｉＮｂＯ３結晶に集積した回路によって構成されており、この回路で、第二分岐入射光の分岐路において生じる影響が補正される。
【００２０】
請求項５記載の光電界測定装置は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の光電界測定装置において、前記入射光発生手段に半導体レーザ、前記電気光学効果を有する多重光導波路にＬｉＮｂＯ３としたことを特徴とする。
【００２１】
かかる構成によれば、光電界測定装置は、光源となる入射光を発生させる入射光発生手段に半導体レーザを、また、電気光学効果を有する多重光導波路にＬｉＮｂＯ３を採用している。つまり、多重光導波路を絶縁材料で構成している。
【００２２】
請求項６記載の光電界測定装置は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の光電界測定装置において、前記多重光導波路の端面である多重反射面を鏡面反射としたことを特徴とする。
【００２３】
かかる構成によれば、光電界測定装置は、多重光導波路の端面である多重反射面が鏡面反射するようにコーティングされている。例えば、このコーティングは、非金属性の材料によって行われている。
【００２４】
請求項７記載の光電界測定装置は、請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の光電界測定装置において、前記多重光導波路として構成する結晶基板端面に前記第一分岐入射光を全反射させるように、前記第一分岐入射光の入射角を設定したことを特徴とする。
【００２５】
かかる構成によれば、光電界測定装置は、多重光導波路を構成する結晶基板端面に全反射するように、第一分岐入射光を多重光導波路に入射する際の入射角を設定した。これによって、多重光導波路を構成する結晶基板端面に金属等によるコーティングをなくすことができる。
【００２６】
請求項８記載の光電界測定方法は、測定空間内にある光導波路に入射する入射光を発生させ、この入射光を分岐した第一分岐入射光および第二分岐入射光が当該光導波路内で反射した反射光同士の干渉光に基づいて、当該測定空間内に生じている電界を測定する光電界測定方法であって、入射光発生ステップと、入射光分岐ステップと、第一分岐入射光導波ステップと、第二分岐入射光導波ステップと、光検出ステップと、電界測定ステップと、を含むものである。
【００２７】
これらのステップによれば、光電界測定方法は、まず、入射光発生ステップにおいて、入射光が発生され、この発生させた入射光が、入射光分岐ステップにおいて、第一分岐入射光および第二分岐入射光に分岐され、第一分岐入射光導波ステップにおいて、電気光学効果を生じ多重反射する光導波路である多重光導波路に当該第一分岐入射光が導波され、第二分岐入射光導波ステップにおいて、電気光学効果を生じない光導波路に当該第二分岐入射光が導波される。そして、光電界測定方法は、光検出ステップにおいて、第一分岐入射光導波ステップおよび第二分岐入射光導波ステップにて導波された第一分岐入射光および第二分岐入射光が反射され、この反射した反射光同士の干渉光が検出され、この干渉光に基づいて、電界測定ステップにおいて、測定空間内に生じている電界が測定される。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
この実施の形態において、まず、光電界測定装置の第一の実施形態について、装置の構成、動作を説明し（図１および図２を参照）、続いて、光電界測定装置の第二の実施形態について、装置の構成、動作を説明する（図３および図４を参照）。そして、多重反射路の反射パターンについて説明する（図５を参照）。最後に、測定空間内の電界を光によって測定する原理およびその効果について説明する（図６および図７を参照）。
【００２９】
（光電界測定装置の構成；第一の実施の形態）
これより、光電界装置の構成、動作（第一の実施形態、第二の実施形態）について説明する。
図１に光電界測定装置（第一の実施の形態）のブロック図を示す。この図１に示すように、光電界測定装置１は、半導体レーザＬＤ３と、ＰＩＮフォトダイオードＰＤ５と、電界計測回路７と、光カプラ９と、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１と、光ファイバ１３とを備えている。
【００３０】
半導体レーザＬＤ３は、内蔵されている半導体のバンド間遷移を利用して、光増幅を起こさせて、位相のそろったコヒーレント光（入射光）を発生させる（放出する）ものである。このコヒーレント光は、通常の光ファイバ等（この実施の形態では、光カプラ９に該当）による光ファイバ通信に適合するように、光増幅されたものが結像されたものである。この実施の形態では、この半導体レーザＬＤ３には、ＬｉＮｂＯ３結晶が使用されている。なお、この半導体レーザＬＤ３が特許請求の範囲に記載した入射光発生手段に相当するものである。
【００３１】
ＰＩＮフォトダイオードＰＤ５は、光通信、光ピックアップ、光計測用の光検出素子の一種であり、ｐｎ接合された半導体に逆バイアスを印可した際に生じる空乏層を光吸収領域とする受光素子であって、光カプラ９を介して、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１から出力される干渉光を受光（受信）するものである。なお、このＰＩＮフォトダイオードＰＤ５が特許請求の範囲に記載した光検出手段に相当するものである。
【００３２】
電界計測回路７は、ＰＩＮフォトダイオードＰＤ５で受光された干渉光の強度変化に基づいて、電界を計測（測定）するものである。干渉光の強度変化は、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１内において、入射されたコヒーレント光（入射光）が分岐され反射し、反射光となった際の光路差によって生じるものである。なお、この電界計測回路７が特許請求の範囲に記載した電界測定手段に相当するものである。
【００３３】
光カプラ９は、半導体レーザＬＤ３、ＰＩＮフォトダイオードＰＤ５およびＬｉＮｂＯ３結晶基板１１を光ファイバによって結合させるものであり、半導体レーザＬＤ３で発生されたコヒーレント光（入射光）をＬｉＮｂＯ３結晶基板１１に入射すると共に、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１で生成された干渉光をＰＩＮフォトダイオードＰＤ５に入射するものである。この光カプラ９によって、例えば、光を等配分する場合には、２本の光ファイバを接近させて光結合を利用する方法と、１本の光ファイバを緩やかに２分岐させる方法とがとられる。なお、この光カプラ９が特許請求の範囲に記載した接続手段に相当するものである。
【００３４】
ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１は、ニオブ酸リチウム結晶からなる基板であり、電気光学効果（ポッケルス効果）、すなわち、電界が加わると電界強度に比例して複屈折率が変化する特性を有するもので、測定空間内の電界を検出するセンサの役割を果たすものである。このＬｉＮｂＯ３結晶基板１１は、電界（図１中、電界Ｅ）を測定する測定空間内に配置されるものである。
【００３５】
また、このＬｉＮｂＯ３結晶基板１１内には、半導体レーザＬＤ３で発生されたコヒーレント光（入射光）を分岐する分岐点と、この分岐点で分岐したコヒーレント光（入射光）の一方（第一分岐入射光）を当該基板内で多重反射させる多重光導波路および分岐点で分岐したコヒーレント光（入射光）の他方（第二分岐入射光）を当該基板１１外に導く経路とが設けられている。
【００３６】
さらに、このＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の端面および末端には、鏡面反射するように、非金属性の材料によってコーティング加工が施されており、多重光導波路に導波されたコヒーレント光の一方（第一分岐入射光）は、このＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の端面および末端で反射して、反射光（第一反射光）とされる。
【００３７】
光ファイバ１３は、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１内の分岐点で分岐されたコヒーレント光の他方（第二分岐入射光）を光導波路に導波させて、当該光ファイバ１３の末端で反射させて、当該コヒーレント光の他方（第二分岐入射光）を反射光（第二反射光）とするものである。この光ファイバ１３は、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の分岐点からの分岐路長が多重光導波路の分岐路長と等しくなるように加工されている（長さがカットされている）ものである。なお、このＬｉＮｂＯ３結晶基板１１および光ファイバ１３が特許請求の範囲に記載した光導波路に相当するものである。また、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の分岐点、多重光導波路および光ファイバ１３の光導波路が特許請求の範囲に記載した入射光分岐導波手段に相当するものである。
【００３８】
なお、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の分岐点において、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の端面および末端で反射した反射光（第一反射光）と、光ファイバ１３の末端で反射した反射光（第二反射光）との反射光同士が干渉することによって、干渉光が生成される。また、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１および光ファイバ１３は絶縁体で構成されており、測定空間内に高電圧が印可されていても放電する可能性はないものである。
【００３９】
この光電界測定装置１によれば、半導体レーザＬＤ３によって、光カプラ９を介してＬｉＮｂＯ３結晶基板１１に入射するコヒーレント光（入射光）が発生され、このコヒーレント光（入射光）がＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の分岐点で、分岐され、分岐されたコヒーレント光の一方（第一分岐入射光）がＬｉＮｂＯ３結晶基板１１内の電気光学効果を有する多重光導波路に導波され、分岐されたコヒーレント光（入射光）の他方（第二分岐入射光）がＬｉＮｂＯ３結晶基板１１外に接続された電気光学効果を有しない光ファイバ１３の光導波路に導波される。そして、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の分岐点で、反射光同士（第一反射光および第二反射光）が干渉した干渉光が生成され、この干渉光が光カプラ９を介して、ＰＩＮフォトダイオードＰＤ５で受光され、この受光された干渉光に基づいて、電界計測回路７によって、測定空間内に生じている電界が測定される。
【００４０】
このため、測定空間内で電界を測定する従来の光電界センサに相当する部分にＬｉＮｂＯ３結晶基板１１および光ファイバ１３を用いており、これらは絶縁体（絶縁材料）であるので、高電圧が印可されている測定空間内の電界を遠方から安全に測定することができる。また、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１は、従来のバルク結晶を用いた光電界センサに比べ、感度がいいので（図２参照）、測定空間内の電界を高感度に測定することができる。
【００４１】
また、この光電界測定装置１は、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の多重光導波路の端面である多重反射面を非金属性の材料によって鏡面反射するように加工しているので、コヒーレント光（第一分岐入射光）が反射する多重光導波路を長くすることでき（ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の結晶長が短かったとしても）、測定空間内の電界を測定する感度を向上させることができる。
【００４２】
（光電界測定装置の動作；第一の実施の形態）
図２に示すフローチャートを参照して、光電界測定装置１の動作を説明する（適宜、図１参照）。
まず、光電界装置１の半導体レーザＬＤ３によって、コヒーレント光（入射光）が発生される（Ｓ１）。このコヒーレント光（入射光）が光カプラ９を介して、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１に入射される（Ｓ２）。
【００４３】
すると、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１では、分岐点において、コヒーレント光（入射光）が分岐され、分岐された一方のコヒーレント光（第一分岐入射光）はＬｉＮｂＯ３結晶基板１１内の多重光導波路に入射され、このコヒーレント光（第一分岐入射光）は多重光導波路で多重反射し、反射光（第一反射光）とされる（Ｓ３）。
【００４４】
また、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１では、分岐点において、分岐された他方のコヒーレント光（第二分岐入射光）は、光ファイバ１３の光導波路に入射され、このコヒーレント光（第二分岐入射光）は光導波路で反射し、反射光（第二反射光）とされる（Ｓ４）。
【００４５】
そして、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の分岐点において、反射光同士（第一反射光および第二反射光）が干渉して干渉光が生成される（Ｓ５）。この干渉光が光カプラ９を介して、ＰＩＮフォトダイオードＰＤ５に入射される（Ｓ６）。すると、このＰＩＮフォトダイオードＰＤ５で干渉光が受光（受信）される（Ｓ７）。
【００４６】
その後、ＰＩＮフォトダイオードＰＤ５によって受光された干渉光が、電界計測回路７に入射され、この電界計測回路７で干渉光に基づいて、電界が計測される（Ｓ８）。
【００４７】
（光電界測定装置の構成；第二の実施の形態）
次に、光電界測定装置の第二の実施形態について説明する。図３に光電界測定装置（第二の実施の形態）のブロック図を示す。この図３に示すように、光電界測定装置１Ａは、半導体レーザＬＤ３と、ＰＩＮフォトダイオードＰＤ５と、電界計測回路７と、光カプラ９と、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１と、光ファイバ１３と、位相損失可変素子１５と、光ファイバ１７とを備えている。なお、この光電界測定装置１Ａの構成の中で、光電界測定装置１の構成と同じものは、同一の符号を付して、その説明は省略する。
【００４８】
位相損失可変素子１５は、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の分岐点において、分岐された他方のコヒーレント光（第二分岐入射光）の位相を可変、損失を可変（補填）するものである。つまり、この位相損失可変素子１５は、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１内の多重光導波路において、多重反射する一方のコヒーレント光（第一分岐入射光）の位相変化、損失（劣化）に対応するように、他方のコヒーレント光（第二分岐入射光）を調整するものである。なお、この位相損失可変素子１５は、金属等の導電体を含んで構成されており、この位相損失可変素子１５を測定空間内に配置することを防止するために、光ファイバ１３が十分に長く（位相損失可変素子１５が測定空間外に配置されるように）構成されている。この位相損失可変素子１５が特許請求の範囲に記載した可変手段に相当するものである。
【００４９】
光ファイバ１７は、位相損失可変素子１５を測定空間外に配置するために延長した光ファイバ１３の長さに対応するように設けられたもので、この光ファイバ１７は、一方のコヒーレント光（第一分岐入射光）の光路長と他方のコヒーレント光（第二分岐入射光）の光路長とをほぼ同じに保つためのものである。なお、光ファイバ１３および光ファイバ１７は、単に、電気光学効果がなく、コヒーレント光の反射が可能な物質（材料）であればよいものである。この光ファイバ１７が特許請求の範囲に記載した光導波路に相当するものである。
【００５０】
この光電界測定装置１Ａによれば、半導体レーザＬＤ３によって、光カプラ９を介してＬｉＮｂＯ３結晶基板１１に入射するコヒーレント光（入射光）が発生され、このコヒーレント光（入射光）がＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の分岐点で、分岐され、一方のコヒーレント光（第一分岐入射光）と、他方のコヒーレント光（第二分岐入射光）とされる。続いて、分岐された一方のコヒーレント光（第一分岐入射光）および他方のコヒーレント光（第二分岐入射光）がＬｉＮｂＯ３結晶基板１１内の電気光学効果を有する多重光導波路に導波され、一方のコヒーレント光（第一分岐入射光）を多重反射させ、電気光学効果のない光ファイバ１７の光導波路に導波する。また、他方のコヒーレント光（第二分岐入射光）を反射なし、または、１回反射させた後、この他方のコヒーレント光（第二分岐入射光）を電気光学効果のない光ファイバ１３の光導波路に導波する。さらに、この他方のコヒーレント光（第二分岐入射光）は、光ファイバ１３の末端に接続された位相損失可変素子１５によって、他方のコヒーレント光（第二分岐入射光）の位相と、当該他方のコヒーレント光（第二分岐入射光）の損失との少なくとも一方が可変される。
【００５１】
そして、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の分岐点で、一方のコヒーレント光が光ファイバ１７の端面で反射した反射光（第一反射光）と、他方のコヒーレント光が位相損失可変素子１５で可変され、反射した反射光（第二反射光）とが干渉した干渉光が生成され、この干渉光が光カプラ９を介して、ＰＩＮフォトダイオードＰＤ５で受光され、この受光された干渉光に基づいて、電界計測回路７によって、測定空間内に生じている電界が測定される。
【００５２】
このため、測定空間内で電界を測定する光電界センサに相当する部分にＬｉＮｂＯ３結晶基板１１、光ファイバ１３、光ファイバ１７を用いており、これらは絶縁体（絶縁材料）であるので、高電圧が印可されている測定空間内の電界を遠方から安全に測定することができる。また、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１は、従来のバルク結晶を用いた光電界センサに比べ、感度がいいので（後記する図７参照）、測定空間内の電界を高感度に測定することができる。
【００５３】
また、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の多重光導波路の延長上に光ファイバ１７を設けたことによって、一方のコヒーレント光（第一分岐入射光）と他方のコヒーレント光（第二分岐入射光）と光路長が調整され（光路差が調整され）、導電体等を含んで構成される位相損失可変素子１５を測定空間外に配置することができる。
【００５４】
さらに、光ファイバ１３と位相損失可変素子１５とを設けることによって、光干渉を良好に保ち、測定器本体（半導体レーザＬＤ３、ＰＩＮフォトダイオードＰＤ５および電界計測回路７）からＬｉＮｂＯ３結晶１１までの距離を十分とることができる（離すことができる）。さらに、温度の影響や変調特性のバイアス点を自由に選ぶことができ、測定空間内の電界を算出するための信号処理（電界計測回路７における処理）を軽減することができる。
【００５５】
（光電界測定装置の動作；第二の実施の形態）
図４に示すフローチャートを参照して、光電界測定装置１の動作を説明する（適宜、図３参照）。
まず、光電界装置１の半導体レーザＬＤ３によって、コヒーレント光（入射光）が発生される（Ｓ１１）。このコヒーレント光（入射光）が光カプラ９を介して、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１に入射される（Ｓ１２）。
【００５６】
すると、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１では、分岐点において、コヒーレント光（入射光）が分岐され、分岐された一方のコヒーレント光（第一分岐入射光）はＬｉＮｂＯ３結晶基板１１内の多重光導波路に入射され、このコヒーレント光（第一分岐入射光）は多重光導波路で多重反射し（Ｓ１３）、このコヒーレント光（第一分岐入射光）が光ファイバ１７の光導波路に導波され、当該光ファイバ１７の端面で反射し、反射光（第一反射光）とされる（Ｓ１４）。
【００５７】
また、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１では、分岐点において、分岐された他方のコヒーレント光（第二分岐入射光）は、光ファイバ１３の光導波路に入射され、このコヒーレント光（第二分岐入射光）は光導波路を通過し（Ｓ１５）、位相損失可変素子１５に入射される。この位相損失可変素子１５において、コヒーレント光（第二分岐入射光）の位相、損失の少なくとも一方が可変され、反射されて、反射光（第二反射光）とされる（Ｓ１６）。
【００５８】
そして、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の分岐点において、反射光同士（第一反射光および第二反射光）が干渉して干渉光が生成される（Ｓ１７）。この干渉光が光カプラ９を介して、ＰＩＮフォトダイオードＰＤ５に入射される（Ｓ１８）。すると、このＰＩＮフォトダイオードＰＤ５で干渉光が受光（受信）される（Ｓ１９）。
【００５９】
その後、ＰＩＮフォトダイオードＰＤ５によって受光された干渉光が、電界計測回路７に入射され、この電界計測回路７で干渉光に基づいて、電界が計測される（Ｓ２０）。
【００６０】
（多重反射路の反射パターンについて）
図５を参照して、結晶基板内に設けられた多重反射路における反射パターンについて説明する。
この図５は、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１において、全反射する一方のコヒーレント光（第一分岐入射光）を示したものである。この図５に示すように、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の一方の端面αから入射した、一方のコヒーレント光（第一分岐入射光）がＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の他方の端面βで全反射している。つまり、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１に一方のコヒーレント光（第一分岐入射光）が入射する際に、当該ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１内で全反射するように入射角が設定されている。これによって、アルミニウムＡｌ等の金属材料を使用して、ＬｉＮｂＯ３結晶基板１１の反射面をコーティングする必要を無くすことができる。
【００６１】
（測定空間内の電界を光によって測定する原理およびその効果について）
最後に、図６および図７を参照して、光電界測定装置において、測定空間内の電界を光によって測定する原理およびその効果について補足説明する。
光電界測定装置は、当該装置を配置した場所から遠方に位置する場所（測定空間）の電界を測定するものであり、この場所（測定空間）内に配置した電気光学効果のある光導波路（従来の光電界センサに相当）に、発生させた光を入射させ、この入射した光が光導波路の末端で反射し、反射した反射光の干渉波の強度変化によって、電界を測定するものである。
【００６２】
図６に示すように、測定空間内に生じている電界を光によって測定する場合、「光源」と、「光導波路」と、「光検出器」と、「信号処理回路」とが必要とされる。なお、これら「光源」、「光導波路」、「光検出器」および「信号処理回路」は、複数の光ファイバが結合してなる「光カプラ」によって接続されている。
【００６３】
すなわち、「光源」でコヒーレントな光（コヒーレント光）が発生され、このコヒーレント光が、「光カプラ」を介して、電界Ｅの生じている測定空間内に配置された「光導波路」を通過し、この「光導波路」の端面（Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３）で反射される。そして、反射した反射光が「光カプラ」を介して「光検出器」で受光され、この反射光が光電変換された後「信号処理回路」で信号処理される。
【００６４】
なお、「光導波路」は、電気光学効果を有する結晶基板上で２分岐され、一方は結晶基板上に形成した多重光反射路（多重光導波路）に、他方は結晶基板上の外部に取り付けた光ファイバ（電気光学効果のない光導波路）に導波され、これら２つの分岐路長がほぼ等しくなるように構成されている。
【００６５】
これによって、２分岐された光は、多重光導波路および光導波路のそれぞれの末端で反射された後、再び２分岐路に戻り、ここで２波は干渉し、電界Ｅによって生じた位相差が光強度（光強度レベル）に変換され、この光強度レベルが「光検出器」および「信号処理回路」によって計測される。
【００６６】
すなわち、「光導波路」の多重光導波路では、多重反射によって、電気光学効果（ポッケルス効果）を受ける導波路（経路）を長くとれるため、入射されたコヒーレント光（第一分岐入射光）により電界強度を検出する感度を高くすることができる。このため、従来の光電界センサで電界検出感度を増加させるために必要であったアンテナや電極等の金属部分が不必要となり、センサ部を絶縁体で構成することができる。また、２分岐されたコヒーレント光（第一分岐入射光および第二分岐入射光）の光路長差をコヒーレント長（例えば、一般のレーザの場合、１０ｃｍ程度）内に収めるため、分岐路の一方にダミーとして電界Ｅの影響を受けない光ファイバを取り付けている。
【００６７】
ここで、電界Ｅによって変化する光出力レベル（光強度レベル）の計算例（「信号処理回路」による）を示す。なお、電気光学効果のある結晶基板として、ＬｉＮｂＯ３結晶（ニオブ酸リチウム結晶）を使用した場合について説明する。
【００６８】
電界Ｅにより発生した分岐光（第一分岐入射光、第二分岐入射光）の位相差をΔΦとすると、分岐干渉形光導波路（多重光導波路および光導波路）の干渉点（図６中、Ａ）での光出力レベル（光強度レベル）Ｐは、一般に次式の数式（１）で表される。
Ｐ＝Ｐ０・ｓｉｎ２（ΔΦ／２）
・・・数式（１）
【００６９】
この分岐干渉形光導波路の構成において、分岐路の一方（光導波路）を光ファイバで構成しているため、電界Ｅによる電気光学効果はない。従って、ＬｉＮｂＯ３結晶上に形成されたもう一方（多重光導波路）のみが電界Ｅによって位相変調される。
【００７０】
つまり、ＬｉＮｂＯ３結晶の電気光学効果からその位相差は、次式の数式（２）で表される。
2004317341.tif 000003
【００７１】
半波長となる電界強度条件（光出力レベルを最大値から最小値まで変化させるのに必要な電界強度条件）は、ΔΦ＝πであるので、このΔΦ＝πを数式（２）に代入すると、
π＝（π）・（ｎ３・γ・Ｌ・Ｅ）／λとなり、
１＝ｎ３・γ・Ｌ・Ｅ／λ
・・・数式（３）
【００７２】
ここで、結晶の屈折率  ：ｎ＝２．２
電気光学係数  ：γ＝３４．４×１０−１３
光の波長      ：λ＝１．３×１０−６ｍ
光導波路の長さ：Ｌ＝０．０３・２・Ｎ
（結晶長さ３ｃｍ、反射回数Ｎの場合）
とすると、このときの電界強度Ｅは、以下の値となる。
2004317341.tif 000004
【００７３】
つまり、結晶基板内における反射回数Ｎにより、半波長電界を大幅に下げる（感度を上げる）ことができる。例えば、反射回数を５０回（Ｎ＝５０）とすれば、半波長電界は約１２ｋＶ／ｍとなる。従来の光電界センサで使用されていたバルク結晶では、半波長電界が５９１ｋＶ／ｍも必要であるのに対して、ＬｉＮｂＯ３結晶では、半波長電界がわずか１２ｋＶ／ｍで済む。
【００７４】
したがって、ＬｉＮｂＯ３結晶の結晶長３ｃｍの結晶基板上に多重光導波路（反射回数５０回）を形成すれば、約１２ｋＶ／ｍの電界強度が半波長電界（または電圧）となり、図２に示すように、光出力レベルは最大値から最小値まで変化する。すなわち、反射回数５０回の多重反射によって、結晶長３ｃｍのＬｉＮｂＯ３結晶の感度は、結晶長３ｃｍのバルク結晶の感度よりも約１００倍向上したことになる。
【００７５】
以上、２つの実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。
例えば、光電界測定装置１、１Ａの各構成を一つずつの過程ととらえた光電界測定方法とみなすことができる。この場合、光電界測定装置１、１Ａと同様の効果を得ることができる。
【００７６】
【発明の効果】
請求項１、８記載の発明によれば、光導波路に入射する入射光が発生され、この入射光が分岐され第一分岐入射光および第二分岐入射光とされると共に、電気光学効果を生じ多重反射する多重光導波路に第一分岐入射光が、電気光学効果を生じない光導波路に第二分岐入射光が導波される。そして、これら第一分岐入射光および第二分岐入射光が反射した反射光同士の干渉光が検出され、この検出した干渉光に基づいて、測定空間内に生じている電界が測定される。そして、測定空間内で電界を測定する部分にＬｉＮｂＯ３結晶基板および光ファイバを用いており、これらは絶縁体（絶縁材料）であるので、高電圧が印可されている測定空間内の電界を遠方から安全に測定することができる。また、ＬｉＮｂＯ３結晶基板は、従来のバルク結晶を用いた光電界センサに比べ、感度がいいので、測定空間内の電界を高感度に測定することができる。
【００７７】
請求項２記載の発明によれば、光導波路に入射する入射光が発生され、この入射光が分岐され第一分岐入射光および第二分岐入射光とされると共に、電気光学効果を生じ多重反射する多重光導波路に第一分岐入射光および第二分岐入射光を導波され、第一分岐入射光が多重反射され、第二分岐入射光が反射なし、または、１回反射された後、この第二分岐入射光が電気光学効果を生じない光導波路に導波される。続いて、第二分岐入射光の位相と第二分岐入射光の損失との少なくとも一方が可変され、反射した第一分岐入射光および第二分岐入射光の干渉光が検出され、この干渉光に基づいて、測定空間内に生じている電界が測定される。そして、測定空間内で電界を測定する部分にＬｉＮｂＯ３結晶基板および光ファイバを用いており、これらは絶縁体（絶縁材料）であるので、高電圧が印可されている測定空間内の電界を遠方から安全に測定することができる。また、ＬｉＮｂＯ３結晶基板は、従来のバルク結晶を用いた光電界センサに比べ、感度がいいので、測定空間内の電界を高感度に測定することができる。
【００７８】
請求項３記載の発明によれば、多重光導波路の末端に、電気光学効果を有しない光導波路が付加されており、これによって、第一分岐入射光と第二分岐入射光との光路差を調整することができる。
【００７９】
請求項４記載の発明によれば、可変手段が、ＬｉＮｂＯ３結晶に集積した回路によって構成されており、この回路によって、第二分岐入射光の分岐路において生じる影響を補正することができる。
【００８０】
請求項５記載の発明によれば、入射光を発生させる入射光発生手段に半導体レーザを、また、電気光学効果を有する多重光導波路にＬｉＮｂＯ３を採用しているので、多重光導波路を絶縁材料で構成することができる。
【００８１】
請求項６記載の発明によれば、多重光導波路の端面である多重反射面が鏡面反射するようにコーティングされており、これによって、第一分岐入射光は当該端面で全反射され、測定空間内の電界を測定する感度を向上させることができる。
【００８２】
請求項７記載の発明によれば、第一分岐入射光を多重光導波路に入射する際の入射角が設定され、これによって、多重光導波路を構成する結晶基板端面に金属等によるコーティングをなくすことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による一実施の形態である光電界測定装置のブロック図である。
【図２】図１に示した光電界測定装置の動作を説明したフローチャートである。
【図３】本発明による他の実施の形態である光電界測定装置のブロック図である。
【図４】図３に示した光電界測定装置の動作を説明したフローチャートである。
【図５】結晶基板内に設けられた多重反射路における反射パターンについて説明した図である。
【図６】測定空間内の電界を光によって測定する原理について説明した図である。
【図７】光出力レベルの最大値から最小値まで示した図である。
【図８】従来の光電界センサを説明した図である。
【符号の説明】
１、１Ａ    光電界測定装置
３          半導体レーザＬＤ（入射光発生手段）
５          ＰＩＮフォトダイオードＰＤ（光検出手段）
７          電界計測回路（電界測定手段）
９          光カプラ（接続手段）
１１        ＬｉＮｂＯ３結晶基板（入射光分岐導波手段；電気光学効果有）
１３、１７  光ファイバ（入射光分岐導波手段；電気光学効果無）
１５        位相損失可変素子（可変手段）
【図１】
2004317341.tif 000005
【図２】
2004317341.tif 000006
【図３】
2004317341.tif 000007
【図４】
2004317341.tif 000008
【図５】
2004317341.tif 000009
【図６】
2004317341.tif 000010
【図７】
2004317341.tif 000011
【図８】
2004317341.tif 000012