(57)【要約】【課題】電界センシング装置の光電界センサヘッドにおける光学バイアス点の最適化を行った電界センシング装置とその製造方法を提供すること。【解決手段】電気光学結晶の基板上に金属電極およびマッハツェンダ干渉計型の分岐光導波路を形成してなる光電界センサヘッド３１と、光ファイバ３２、３３と、レーザ光源３０１と、光検出器３０２とを備える電界センシング装置であって、レーザ光源３０１の波長は、前記金属電極に電界が印加されない時に分岐光導波路を通過した光の位相差が所定値になるように選択された電界センシング装置とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学結晶の基板上に金属電極およびマッハツェンダ干渉計型の分岐光導波路を形成してなる光電界センサヘッドと、光ファイバと、レーザ光源と、光検出器とを備える電界センシング装置であって、前記レーザ光源の波長は、前記金属電極に電界が印加されない状態で前記分岐光導波路を通過した光の位相差が所定値になるように選択されたことを特徴とする電界センシング装置。
【請求項２】
前記電気光学結晶はＬｉＮｂＯ３単結晶であり、前記分岐光導波路は、前記電気光学結晶基板上にＴｉイオンを拡散して形成されたことを特徴とする請求項１記載の電界センシング装置。
【請求項３】
前記レーザ光源は半導体レーザであることを特徴とする請求項１または２記載の電界センシング装置。
【請求項４】
電気光学結晶の基板上に金属電極およびマッハツェンダ干渉計型の分岐光導波路を形成してなる光電界センサヘッドと、レーザ光源と、光検出器とを組み合わせてなる電界センシング装置の製造方法であって、得られた光電界センサヘッドの予め定められた波長における光学バイアス点を測定する工程と、目標とする光学バイアス点との差に応じて、レーザ光源の波長を変化させて、光学バイアス点を最適に調整する工程とを含むことを特徴とする電界センシング装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気光学効果を利用して電界の測定を行う電界センシング装置に係り、特に、狭小空間、高確度、高感度および高周波の電界測定に好適な干渉型光導波路を用いた電界センシング装置およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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および電界センシング装置は、以下のような特長を持っている。即ち、金属部をほとんど持たないために被測定電界を乱さないこと、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、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、か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、センサ部に電源を必要としないこと、さらに、光導波路とアンテナ電極が一体で、また電源を有しないために小型化が容易なことなどである。このような特質のゆえに光電界センサは、ＥＭＣ分野の電界測定などに用いられている。
【０００３】
まず、電界センシング装置に用いられる光電界センサヘッドについて説明する。図２は、一般的な光電界センサヘッドの構造を示す模式的斜視図である。光ファイバ１２から入射した光はＬｉＮｂＯ３単結晶基板１１上の光導波路２１を経て、２本の分岐光導波路２２ａおよび２２ｂに分岐される。そのとき一方の分岐光導波路２２ａでは、金属電極（アンテナ電極）２３ｍ、２３ｎにより電界が印加されると、屈折率の変化が生じる。
【０００４】
他方、分岐光導波路２２ｂには電界による屈折率の変化はない。それぞれの分岐光導波路を伝播した光は光導波路２４において合波されるが、２つの光路の屈折率の差により生じた位相差のゆえに、図３のように合波後の光の振幅は変化する。図３（ａ）は２つの分岐光に位相差がほとんどない場合を示し、図３（ｂ）は２つの分岐光に１／４波長分の位相差がある場合を示す。振幅の２乗が光の強度であるので、２つの光路の位相差により光の強度が変化することとなる。その後、光は、光導波路２４を経て、光ファイバ１３に結合して出射される。
【０００５】
一般に、光電界センサヘッドにおいては、分岐光導波路の光路長を意図的にずらしたり、分岐光導波路の一部で屈折率の調整を行うなどにより、電界が印加されていない場合にも、合波する際の光に位相差を生じさせて用いる。多くは、分岐した光の位相差が１／４波長分あるいは３／４波長分程度生じるようにして用いる。
【０００６】
図４に３／４波長分の位相差を生じさせた場合の、印加された電界と出射された光の強度の関係（変調曲線）を示す。電界が印加されていなときのＡ点を光学バイアス点と呼ぶ。この場合、印加される電界に応じて光の強度が変化することとなり、交流の電界を印加した場合には、出射される光は印加した交流電界に応じて強度変調されることになる。
【０００７】
以上のような光電界センサヘッドを用い、従来の電界センシング装置では、波長が固定されているレーザ光源、光検出器、および光ファイバを組み合わせて電界センシング装置が構成されている。
【０００８】
そして実際に光電界センサヘッドを製作する際、電界が印加されないときに分岐光導波路を通過した光の位相差の制御すなわち光学バイアス点をコントロールするには、光路の長さの厳密なコントロールや光導波路の屈折率の正確な管理が必要であり、現実的には非常に困難な工程となっていた。
【０００９】
そこで、従来は、光電界センサヘッドを製作し、光学バイアス点の不適格なものは廃棄するか、あるいは光導波路の一部に応力を印加し屈折率を変化させて光学バイアス点を後調整することなどが行われている。
【００１０】
例えば、光導波路の側面から外力を加えて光学バイアス点を調整する技術が次の特許文献１に開示されている。
【００１１】
【特許文献１】
特開平６−３３７３８５号公報
【００１２】
また、反射型光導波路を用いた素子では、反射ミラーの角度を変化させて光学バイアス点を後調整することなどが行われている。例えば、次の特許文献２に開示されているとおりである。
【００１３】
【特許文献２】
特開平１０−２６０３２８号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
バイアス点の不適格な光電界センサヘッドを廃棄し、目標とする光学バイアス点となっている光電界センサヘッドのみを選別して使用する場合には大きなコスト増となる。また、光導波路の一部に応力を印加するなど後調整した場合には経時変化に問題が残ることとなる。また、反射ミラーの角度を変化させて光学バイアス点を後調整する方法は透過型の光電界センサヘッドには適用することができない。
【００１５】
そこで、本発明は、電界センシング装置の光電界センサヘッドにおける分岐光導波路の電界が印加されない状態での光路長差の最適化、すなわち光学バイアス点の最適化を行った電界センシング装置とその製造方法を提供することを課題とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の電界センシング装置は、電気光学結晶の基板上に金属電極およびマッハツェンダ干渉計型の分岐光導波路を形成してなる光電界センサヘッドと、光ファイバと、レーザ光源と、光検出器とを備える電界センシング装置であって、前記レーザ光源の波長は、前記金属電極に電界が印加されない状態で前記分岐光導波路を通過した光の位相差が所定値になるように選択されたことを特徴とする。
【００１７】
また、前記電気光学結晶はＬｉＮｂＯ３単結晶であり、前記分岐光導波路は、前記電気光学結晶基板上にＴｉイオンを拡散して形成することができる。
【００１８】
また、本発明の電界センシング装置の製造方法は、電気光学結晶の基板上に金属電極およびマッハツェンダ干渉計型の分岐光導波路を形成してなる光電界センサヘッドと、レーザ光源と、光検出器とを組み合わせてなる電界センシング装置の製造方法であって、得られた光電界センサヘッドの光学バイアス点を測定する工程と、目標とする光学バイアス点との差に応じて、レーザ光源の波長を変化させて、光学バイアス点を調整する工程とを含むことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
まず、ＬｉＮｂＯ３単結晶基板上にＴｉイオンを熱拡散し、マッハツェンダ干渉計型の光導波路を形成した後、入出力用の光ファイバを接続して本実施の形態の光電界センサヘッドを作製した。
【００２１】
図５は、作製した光電界センサヘッドに電界を印加した場合の、印加電界強度と出射光の強度との関係（変調曲線）を示す図であり、このとき用いたレーザ光源の波長は１５３０ｎｍである。光学バイアス点、すなわち電界が印加されていない状態で分岐光導波路を通過した光の位相差に対応する、変調曲線上の点は、Ｂ点であり、およそ１１８°の位相差が２つの分岐光導波路を通過した光の間に生じている。
【００２２】
ところで、目標とする光学バイアス点の最適値は電界センシング装置の用途によって異なるが、今、目標とする光学バイアス点は、９０°±１０°とする。
【００２３】
そこで、マイナス２８°の光学バイアス点の差を調整するためにレーザ光源の波長を１５４２ｎｍとした。この波長において、光電界センサヘッドに電界を印加した場合の印加電界強度と出射光の強度の関係（変調曲線）を図６に示す。光学バイアス点は８９°となっており、目標の範囲内に容易に光学バイアス点を調整することができた。
【００２４】
この光電界センサを用いて、本実施の形態の電界センシング装置を作製した。
【００２５】
図１は、本実施の形態における電界センシング装置を示す模式図である。３１は光電界センサヘッド、３２および３３は光ファイバ、３４はレーザ光源ヘッド、３５はレーザ光源駆動回路、３６はフォトディテクタ、３７はＯ／Ｅ変換用アンプ、３９は電気信号出力端子を示す。また、レーザ光源３０１はレーザ光源ヘッド３４、レーザ光源駆動回路３５、および電源ユニット３８からなり、光検出器３０２はフォトディテクタ３６と、電源ユニット３８から電力を供給されたＯ／Ｅ変換用アンプ３７とからなる。
【００２６】
ところで、実際の製造においては、レーザ光源の波長変化は次のように行われる。波長可変レーザ光源の波長を変化させて光電界センサヘッドの光学バイアス点を目標値にいったん調整すれば、後で波長を再調整する必要はない。そこで、最適の光学バイアス点を与える波長を決定した後は、昨今、１ｎｍ刻みで市場に流通している波長固定の半導体レーザに光源に置き換えている。
【００２７】
なお、本実施の形態においては光変調部の基板結晶として、ＬｉＮｂＯ３単結晶を用いたが、例えば、ＬｉＴａＯ３単結晶を用いるとレーザ光による光損傷を低減することができる。また、Ｔｉ拡散導波路に代えて、Ｈ＋交換導波路を用いることもできる。
【００２８】
また、本実施の形態においては、透過型の分岐光導波路を有する光電界センサヘッドについて説明したが、反射型の分岐光導波路を有する光電界センサヘッドを用いた電界センシング装置においても、本発明が有効であることは明らかである。
【００２９】
さらに、本実施の形態においては、電気光学結晶の基板上に形成された金属電極が、測定しようとする電界を検知するアンテナおよび変調電極の両方の機能をなすが、アンテナを基板の外に設けてもよいことは明らかである。
【００３０】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、光電界センサヘッドにおいて電界が印加されていない状態で分岐光導波路を通過した光の位相差に対応する変調曲線上のバイアス点である光学バイアス点を容易に調整することが可能な電界センシング装置およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における電界センシング装置を示す模式図。
【図２】一般的な光電界センサヘッドの構造を示す模式的斜視図。
【図３】２つの分岐光を合波したときの光の振幅を示す図。図３（ａ）は２つの分岐光に位相差がほとんどない場合を示し、図３（ｂ）は２つの分岐光に１／４波長分の位相差がある場合を示す図。
【図４】分岐光導波路に３／４波長分の位相差がある場合の変調曲線を示す図。
【図５】得られた光電界センサヘッドにおける波長１５３０ｎｍでの変調曲線を示す図。
【図６】本発明によりレーザ光源の波長を調整した後の変調曲線を示す図。
【符号の説明】
１１    ＬｉＮｂＯ３単結晶基板
１２，１３    光ファイバ
２１，２４    光導波路
２２ａ，２２ｂ    分岐光導波路
２３ｍ，２３ｎ    金属電極
３１    光電界センサヘッド
３２，３３    光ファイバ
３４    レーザ光源ヘッド
３５    レーザ光源駆動回路
３６    フォトディテクタ
３７    Ｏ／Ｅ変換用アンプ
３８    電源ユニット
３９    電気信号出力端子
３０１    レーザ光源
３０２    光検出器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2004212136.tif 000006
【図５】
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【図６】
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