(57)【要約】【課題】温度変動による利得の変動を低減した光電界センサを提供すること。【解決手段】光電界センサにおいて、増幅器５２の利得温度特性に、前記光変調器５４と逆特性を持たせた。【選択図】　　　図６
2004037383.tif 000002
【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手段と、供給された光パワーを電力に変換する光電変換部と、この光電変換部の出力電力によって駆動され、受信信号を増幅するための増幅器と、増幅された受信信号によって光強度を変調する光変調部と、この光変調部に一定強度の光をもたらす光源部と、前記光変調部て変調された光を検出する光検出器とを備えて構成される光電界センサ装置において、前記増幅器の利得温度特性に、前記光変調器と逆特性を持たせたことを特徴とする光電界センサ装置。
【請求項２】
請求項１記載の光電界センサ装置において、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光電界センサ装置。
【請求項３】
請求項１又は２記載の光電界センサ装置において、前記光変調器の動作点は光振幅の１０〜４０％であることを特徴とする光電界センサ装置。
【請求項４】
請求項１記載の光電界センサ装置において、前記増幅器にＭＯＳ‐ＦＥＴを用い、電力利得が１０ｄＢ以上であることを特徴とする光電界センサ装置。
【請求項５】
請求項１記載の光電界センサ装置において、前記増幅器にバイポーラトランジスタを用い、電力利得が１０ｄＢ以上であることを特徴とする光電界センサ装置。
【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関し、特に、ＥＭＣ分野における電界測定や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ものである。
【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は以下のような優れた特長を有している。
【０００３】
即ち、（ｉ）金属部を殆ど持たないために被測定電界を乱さないこと、（ｉｉ）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、（ｉｉｉ）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、且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、（ｉｖ）センサ部に電源を必要としないこと、更には、（ｖ）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。このような特質のゆえに光電界センサは、ＥＭＣ分野なとの電界測定や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。
【０００４】
従来技術による光電界センサ装置は、アンテナに接続された増幅器と、増幅器に夫々接続された光電変換素子及び光変調器とを備えている。一方、第１の光源と光電変換素子とは、第１の光ファイバを介して接続され、第２の光源と光変調器とは、偏波保持ファイバからなる第２の光ファイバを介して接続されている。光変調器と受光器とは第３の光ファイバを介して連絡している。
【０００５】
この従来技術による光電界センサ装置においては、第２の光源から出射した一定強度の光は偏波保持ファイバを経て、光変調器に入射する。ここで、この光は、アンテナに誘起され、増幅器で増幅された電圧により強度変調を受け、第３の光光ファイバを経て、受光器に導かれ電気信号に変換される。また、増幅器を駆動するために、第１の光源からの光パワーを光ファイバにより伝送し、光電変換素子により電力に変換している。
【０００６】
従来の光電界センサ装置において、光変調器として光電界センサ素子が用いられている。この従来の光電界センサ素子は、ＬｉＮｂＯ３単結晶基板上に２本の平行な分岐導波路が形成され、夫々の分岐導波路の両側及び間に金属電極が設けられている。そして２本の分岐導波路は両端で夫々合流して導波路となりＬｉＮｂＯ３単結晶基板の両端まで延び、この外側両端部分で、夫々光ファイバの一端に夫々接続されている構成を備えている。
【０００７】
従来の光電界センサ素子においては、一方の光ファイバの他端側から、この光ファイバを通して入射した光は、ＬｉＮｂＯ３単結晶基板上の一方の光導波路を経て、２本の分岐光導波路に分岐されて伝搬する。そのとき、２つの分岐光導波路間には、金属電極により、電界が印加され、屈折率の変化が生している。また、金属電極は、アンテナから導かれた電界が２つの分岐光導波路対して、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、他方の光導波路で、再び合波されるが、２つの分岐導波路の屈折率の差異により生した位相差のゆえに、合波後の光強度は変化する。このようにして、変調された光は他方の光ファイバに結合して出射するものである。
【０００８】
【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、増幅器、及ひ光変調器はそれそれ温度特性を持ち、組み合わせることによりシステムの温度特性を大きなものとし、その温度補償のためにシステム設計の複雑化を招く一要因となっていた。
【０００９】
そこで、本発明の技術的課題は、温度変動による利得の変動を低減した光電界センサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、光電変換部に光パワーを供給する手段と、供給された光パワーを電力に変換する光電変換部と、この光電変換部の出力電力によって駆動され、受信信号を増幅するための増幅器と、増幅された受信信号によって光強度を変調する光変調部と、この光変調部に一定強度の光をもたらす光源部と、前記光変調部て変調された光を検出する光検出器とを備えて構成される光電界センサにおいて、前記増幅器の利得温度特性に、前記光変調器と逆特性を持たせたことを特徴とする光電界センサが得られる。
【００１１】
また、本発明によれば、前記光電界センサ装置において、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てあることを特徴とする光電界センサ装置が得られる。
【００１２】
また、本発明によれば、前記いずれかに記載の光電界センサ装置において、前記光変調器の動作点は光振幅の１０〜４０％であることを特徴とする光電界センサ装置が得られる。
【００１３】
また、本発明によれば、前記光電界センサ装置において、前記増幅器にＭＯＳ‐ＦＥＴを用い、電力利得が１０ｄＢ以上であることを特徴とする光電界センサ装置が得られる。
【００１４】
また、本発明によれば、前記光電界センサ装置において、前記増幅器にバイポーラトランジスタを用い、電力利得が１０ｄＢ以上であることを特徴とする光電界センサ装置が得られる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施の形態による光電界センサ装置の構成を概略的に示す図である。図１に示すように、光電界センサ装置５０は、アンテナ５１と、アンテナ５１に接続された増幅器５２と、増幅器５２に夫々接続された光電変換素子５３及び光変調器５４と、第１の光源５５と、第１の光源５５と光電変換素子とを結ぶ第１の光ファイバ５８ａと、第２の光源５６と光変調器５４とを連絡する第２の光ファイバ５９と、光変調器５４と受光器５７とを連絡する第３の光ファイバとを備えている。
【００１７】
第１の光源５５と光ファイバー５８ａとは、光電変換部に光パワーを供給する手段として機能し、光電変換素子５３は、光電変換部として機能し、光変調器５４は光変調部として機能する。また、第２の光源５６は、光変調部に一定強度の光をもたらす光源部として機能する。
【００１８】
この光電界センサ装置５０においては、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。
【００１９】
図２は図１の光変調器として用いられている光電界センサ素子の構造を示す平面図である。図２に示すように、光変調器（光電界センサ素子）５４は、透過型呼ばれ、ＬｉＮｂＯ３単結晶基板６５に形成された中央に２本の平行部分を備えた分岐光導波路６３ａおよび６３ｂと、夫々の分岐光導波路６３ａの両端部が合流して接続される一対の光導波路６６ａ，６６ｂと、分岐導波路６３ａの両側及び間に形成されれ両側のものは接続されている金属電極６２ａ，６２ｂと、ＬｉＮｂＯ３単結晶基板６５の端部にある一対の光導波路６６ａ，６６ｂの端部に一端が夫々接続された一対の光ファイバ６１ａ，６１ｂとを備えている。
【００２０】
このような構成の光変調器５４において、一方の光ファイバ６１ａを通して入射した光は、Ｌ１ＮｂＯ３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、屈折率の変化が生している。また、金属電極６２ａ，６２ｂは、図示しない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した位相差のゆえに、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。以上までは、従来技術によるものと同様の構成である。
【００２１】
本発明の実施の形態においては、図１の光電界センサ装置及び図２の光電界センサ素子において、光変調器５４と、増幅器５２の温度特性を考慮して、温度特性が熱膨張等により、動作点が変動し、利得が変動するという欠点を解消したものである。
【００２２】
ここで、本発明の実施の形態においては、光変調器５４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を用いている。
【００２３】
図３は本発明の実施の形態による光変調器の動作点移動による利得変動量との関係を示す図である。
【００２４】
光変調器５４の動作点は雑音指数の考慮により、実験的に１０〜４０％が好ましいことが判明した。このとき、動作点の移動温度係数が正のとき温度上昇に従い利得は増加し、負のとき温度上昇により利得は減少する。
【００２５】
図４は本発明の実施の形態による光変調器の温度による利得変動量の説明に供せられる図である。図４に示すように、温度−１０℃のとき動作点は２７％にあり、このときの利得は動作点５０％を基準とした時、−２．４９ｄＢである。また、温度４０℃のとき動作点は３３％にあり動作点５０％を基準とした時、−１．３０ｄＢである。
【００２６】
以上から本発明の実施の形態による光変調器５４の−１０〜４０℃における利得変動は１．１９ｄＢである。
【００２７】
また、本発明においては、増幅器５２としては、ＭＯＳ−ＦＥＴまたはハイポーラトランジスタを用いることができる。一般的にＭＯＳ−ＦＥＴを用いた場合は、利得温度係数は負であり、ハイポーラトランジスタは正である。
【００２８】
図５は本発明の実施の形態による増幅器５２にＭＯＳ−ＦＥＴを用いた場合の温度特性を示す図である。図５に示すように、温度係数は、−０．０２５ｄＢ／℃であり−１０〜４０℃における利得変動は、１．２５ｄＢてある。また、増幅器５２の電力利得は１０ｄＢ以上にするとよい。
【００２９】
図６は本発明の実施の形態による光電界センサ装置のシステム全体の温度特性を示す図である。図６に示すように、光変調器５４及び増幅器５２の利得変動にそれそれ逆特性を持たせることにより−１０〜４０℃において利得の変動を０．１ｄＢ以下にすることができることが判かる。
【００３０】
このように、本発明の実施の形態においては、光変調器５４と増幅器５２の温度による利得の変動がそれぞれ反対になる様に組み合わせることによりシステム全体の利得温度変動を低減することが出来る。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば、新たに構成部品を増やすことなく温度変動の少ない光電界センサ装置を提供することか出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による光電界センサ装置の構成を示す図である。
【図２】図１の光変調器に用いられる光電界センサ素子の概略を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態による光変調器の動作点による利得変動を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る光変調器の温度による利得変動を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る増幅器の温度特性を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態における光電界センサ装置の温度特性を示す図である。
【符号の説明】
５０　　光電界センサ装置
５１　　アンテナ
５２　　増幅器
５３　　光電変換素子
５４　　光変調器（光電界センサ素子）
５５　　第１の光源
５６　　第２の光源
５７　　受光器
５８ａ　　第１の光ファイバ
５８ｂ　　光ファイバ
５９　　第２の光ファイバ
６１ａ，６１ｂ　　光ファイバ
６２ａ，６２ｂ　　金属電極
６３ａ，６３ｂ　　分岐光導波路
６５　　ＬｉＮｂＯ３単結晶基板
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】
2004037383.tif 000007
【図６】
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