(57)【要約】【課題】簡略な構成で電界検出の等方性を有する小型の光電界センサ装置を提供すること。【解決手段】光源５１ａ、５１ｂ、および第１の偏波合成器５２ａからなる光源部と、この光源部からの光を３つに分波する４ポート偏波分離光サーキュレータ５３と、第２の偏波合成器５２ｂと、電気光学結晶基板上に変調電極と分岐光導波路とを設けてなるマッハツェンダ干渉計の３つを、それぞれ、直交するｘ、ｙ、ｚ軸方向の電界を検出するように配置してなる３軸光電界センサ５０と、光アッテネータ５４と、光検出器５５とを備える光電界センサ装置であり、３軸光電界センサ５０からのｘ、ｙ、ｚ軸方向の電界による変調光は、４ポート偏波分離光サーキュレータ５３により合成された後、光検出器５５に入力される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定強度の光を生成する光源部と、前記光源部からの光を３つに分波する分波手段と、電気光学結晶の基板上に変調電極と分岐光導波路とを設けてなるマッハツェンダ干渉計の３つを、それぞれ、直交するｘ、ｙ、ｚ軸方向の電界を検出するように配置してなる３軸光電界センサ素子と、前記３つのマッハツェンダ干渉計により変調された３つの信号光を合波させる合波手段と、合波された信号光を電気信号に変換して検波する光検出器とを備えることを特徴とする光電界センサ装置。
【請求項２】
前記分波手段は４ポート偏波分離光サーキュレータであり、前記マッハツェンダ干渉計のいずれか１つと前記４ポート偏波分離光サーキュレータとの間には光アッテネータが挿入され、前記マッハツェンダ干渉計の他の２つと前記４ポート偏波分離光サーキュレータとの間には偏波合成器が挿入されたことを特徴とする請求項１記載の光電界センサ装置。
【請求項３】
前記光源部は互いに直交する直線偏光を発生する２つのレーザ光源と他の偏波合成器とからなることを特徴とする請求項１または２記載の光電界センサ装置。
【請求項４】
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ＬｉＮｂＯ３単結晶の基板上に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から３のいずれか記載の光電界センサ装置。
【請求項５】
前記レーザ光源は半導体レーザ光源であることを特徴とする請求項３記載の光電界センサ装置。
【請求項６】
前記レーザ光源は半導体レーザ励起のＮｄ：ＹＡＧレーザ光源であることを特徴とする請求項３記載の光電界センサ装置。
【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係り、特に空間の任意の方向に伝搬する電磁波の電界強度の測定に好適な光電界センサ装置に関する。
【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は、以下のような優れた特徴を持っている。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分野などの電界測定に用いられている。
【０００３】
従来例としての３軸方向の電界を測定できる光電界センサを説明するにあたって、まず、そこに使用される１軸方向の電界を測定する光電界センサについて図６に基づいて説明する。
【０００４】
図６（ｂ）は、従来の反射型の１軸光電界センサの構造を示す斜視図である。光ファイバ１６、１７あるいは１８から入射した光はＬｉＮｂＯ３単結晶基板１４上の光導波路１５を経て、２本の分岐光導波路１３ａおよび１３ｂに分岐される。そのとき、一方の分岐光導波路１３ａには金属電極１０ａ、１０ｂにより、電界が印加され、屈折率の変化が生じている。他方、分岐光導波路１３ｂには電界による屈折率の変化はない。いずれの分岐光導波路を伝播する光も反射ミラー１１によって反射され、分岐光導波路を逆方向に伝播し、再び合波されるが、２つの光路の屈折率の差異により生じた位相差のゆえに、合波後の光強度は変化する。その後、光ファイバ１６、１７あるいは１８に結合して出射する。
【０００５】
なお、金属電極１０ａ、１０ｂは分岐光導波路１３ａ、１３ｂに垂直な方向１２の感度が高くなるように形成されている。
【０００６】
続いて、３軸方向の電界を測定できる光電界センサ装置の従来例について説明する。
【０００７】
図６（ｂ）に示した反射型の１軸光電界センサを図６（ａ）に示すように配置すると、３軸方向の電界を測定することが可能な３軸光電界センサを構成することができる。すなわち、基板１９ａ、１９ｂ、１９ｃは、それぞれＸ、Ｙ、Ｚ方向の電界を検出するように配置される。その結果、光ファイバ１６、１７、１８から入射した光はそれぞれＸ、Ｙ、Ｚ方向の電界により変調され、出射する。
【０００８】
図５に、従来の３軸光電界センサ装置の構成をブロック図で示す。なお、図５おいて、実線で記された両方向の矢印は偏光方向を示し、破線で記された一方向の矢印は光の進行方向を示す。
【０００９】
光源６１ａ、６１ｂより出射した光は偏波合成器６２によって偏波状態を直交して合成され、さらに光カプラ６３にて３波に分波する。その後、３波はそれぞれ偏波依存光サーキュレータ６４ａ、６４ｂ、６４ｃを通過して３軸光電界センサ６０に入射する。この３軸光電界センサ６０によって変調された光信号は再び偏波依存光サーキュレータ６４ａ、６４ｂ、６４ｃに戻り、それぞれの光検出器６５ａ、６５ｂ、６５ｃに導かれて電気信号に変換される。
【００１０】
この光検出器６５ａ、６５ｂ、６５ｃから出力された、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向各々の電気信号から被測定電界のＸ成分、Ｙ成分、およびＺ成分が得られるが、電界強度の大きさは、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）などに取りこみまれた、Ｘ成分、Ｙ成分、およびＺ成分を計算によって合成することで得られる。
【００１１】
この型の３軸光電界センサ装置は、次の特許文献１に開示されている。
【００１２】
【特許文献１】
特開２００２−２５７８８４号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、ＥＭＣ分野などでの電界測定においては、伝播する電磁波による電界の大きさ（電界強度）が測定対象となり、電界ベクトルの方向は不要である場合が多い。このような測定において、従来の手法では、１台の光カプラと３台の偏波依存光サーキュレータ、および３台の光検出器を必要とし、さらに電界検出の等方性を得るために検出信号をＰＣ上などで計算処理する必要があった。従って、ＥＭＣ分野などでの電界測定用としては、小型化および価格低減を図るために光電界センサ装置を簡略化することが肝要である。
【００１４】
そこで、本発明は、簡略な構成であって電界検出の等方性を有する小型の光電界センサ装置を提供することを課題とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明は以下の構成を有する。すなわち、請求項１の発明は、光電界センサ装置に係り、一定強度の光を生成する光源部と、前記光源部からの光を３つに分波する分波手段と、電気光学結晶の基板上に変調電極と分岐光導波路とを設けてなるマッハツェンダ干渉計の３つを、それぞれ、直交するｘ、ｙ、ｚ軸方向の電界を検出するように配置してなる３軸光電界センサ素子と、前記３つのマッハツェンダ干渉計により変調された３つの信号光を合波させる合波手段と、合波された信号光を電気信号に変換して検波する光検出器とを備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明は、請求項１記載の光電界センサ装置に係り、前記分波手段は４ポート偏波分離光サーキュレータであり、前記マッハツェンダ干渉計のいずれか１つと前記４ポート偏波分離光サーキュレータとの間には光アッテネータが挿入され、前記マッハツェンダ干渉計の他の２つと前記４ポート偏波分離光サーキュレータとの間には偏波合成器が挿入されたことを特徴とする。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１または２記載の光電界センサ装置に係り、前記光源部は互いに直交する直線偏光を発生する２つのレーザ光源と他の偏波合成器とからなることを特徴とする。
【００１８】
請求項４の発明は、請求項１から３のいずれか記載の光電界センサ装置に係り、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ＬｉＮｂＯ３単結晶の基板上にＴｉイオンを拡散して形成されたことを特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明は、請求項３記載の光電界センサ装置に係り、前記レーザ光源は半導体レーザ光源であることを特徴とする。
【００２０】
請求項６の発明は、請求項３記載の光電界センサ装置に係り、前記レーザ光源は半導体レーザ励起のＮｄ：ＹＡＧレーザ光源であることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に、図面に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。
【００２２】
図４は、本発明の一実施の形態における３軸光電界センサの外観斜視図である。４３は３心の偏波保持光ファイバ、４２は非金属の保持ロッド、４１はセンサヘッド部である。このセンサヘッド部の大きさはφ１２×３５ｍｍであり、３軸方向の電界を測定する反射型マッハツェンダ干渉計から成る光変調部が収められている。
【００２３】
図２に、上記センサヘッド部４１を上面から見たときの断面図を示す。直角二等辺三角形の断面を有する三角柱の支持部材２４の側面にｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸方向の電界を測定できるような角度で図３に示す１軸光電界センサが配置されている。
【００２４】
この１軸光電界センサはいずれもＬｉＮｂＯ３結晶基板３２上に作製されたＴｉ拡散光導波路を備え、そこに電圧を印加する金属電極３５と、反射ミラー３６と、偏波保持光ファイバ３１を備えて構成されている。また、３３は入出射光導波路、３４ａおよび３４ｂは分岐光導波路である。
【００２５】
図２に戻って、３軸光電界センサの説明を続ける。２１はｘ軸方向の電界を測定する１軸光電界センサ、２２はｙ軸方向の電界を測定する１軸光電界センサ、２３はｚ軸方向の電界を測定する１軸光電界センサ、そして２５はハウジングである。また、図示されていないが、それぞれの１軸光電界センサの分岐光導波路の方向と偏波保持光ファイバの引き出し方向は、紙面に垂直な方向である。このような構成により、３次元直交座標軸、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の電界測定が可能になる。
【００２６】
次に、図１を参照して、本実施の形態の光電界センサ装置について説明する。図１において、５０は本実施の形態の３軸光電界センサ、５１ａおよび５１ｂはそれぞれ第１および第２の光源、５２ａおよび５２ｂは第１および第２の偏波合成器、５３は４ポート偏波分離光サーキュレータ、５４は光アッテネータ、５５はフォトダイオードとアンプからなる光検出器、５６は偏波保持光ファイバである。なお、実線で記された両方向の矢印は偏光方向を示し、破線で記された一方向の矢印は光の進行方向を示す。
【００２７】
このとき用いる光源の波長は、ＬｉＮｂＯ３基板上のＴｉ拡散導波路における電気光学効果とロスを考慮して、１．２〜１．６μｍ程度の波長が選ばれる。また、ＲＩＮ（相対雑音強度）特性の良い半導体レーザ励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザや低消費電力の半導体レーザが光源として適している。
【００２８】
半導体レーザ励起のＮｄ：ＹＡＧレーザを光源に用いる場合には、１．３２μｍのレーザ波長が、そして半導体レーザを光源に用いる場合には、高出力が得られる１．４８μｍのレーザ波長が使いやすい。
【００２９】
次に、この３軸光電界センサ装置の動作について説明する。
【００３０】
第１および第２の光源５１ａおよび５１ｂから出射した直交偏波の光は偏波保持光ファイバ５６を経て偏波合成器５２ａのポート▲３▼およびポート▲２▼にそれぞれに入射され、偏波方向が直交するように合波されポート▲１▼から出射して、４ポート偏波分離光サーキュレータ５３のポート▲１▼に入射される。
【００３１】
この４ポート偏波分離光サーキュレータ５３に入射された光は、縦・横それぞれの偏波に分解され、さらに偏波方向を４５度回転されてポート▲４▼およびポート▲３▼より出射される。
【００３２】
ポート▲３▼から出射された光は光アッテネータ５４にて減衰された後、３軸光センサ５０に入射される。
【００３３】
また、ポート▲４▼より出射された光は偏波合成器５２ｂにより縦・横それぞれの偏波に分解され３軸光センサ５０に入射される。
【００３４】
この様に３軸光センサ５０に入射された３波は被測定電界による強度変調を受けて、再び偏波保持光ファイバ５６に入射され、往路として伝播して来た経路をそのまま復路とする形で４ポート偏波分離光サーキュレータ５３のポート▲４▼およびポート▲３▼に入射される。その際、ポート▲４▼およびポート▲３▼に戻る偏波状態は出射時の状態が保たれている。
【００３５】
４ポート偏波分離光サーキュレータ５３に入射された光は再び合波され３軸の合成変調信号となり、ポート▲２▼より出射後、偏波保持光ファイバ５６を経由して光検出器（Ｏ／Ｅ変換器）５５に入射される。
【００３６】
このような無変調光と変調光の経路において、光アッテネータ５４は第２の偏波合成器５２ｂを通過する光と、第２の偏波合成器５２ｂを通過しない光との間の挿入損失の差を補償することができる。また、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸のいずれにも、同一構造の１軸光電界センサを用いたので、３次元のあらゆる方向に向いた被測定電界ベクトルの大きさ（電界強度）を、光電界センサヘッド部を回転することなく、測定することができる。すなわち容易に電界検出の等方性を確保できる。
【００３７】
また、本実施の形態の光電界センサ装置は、ＥＭＣ測定などにおいて重要である、空間の任意の方向に伝播する電磁波の電界強度の測定に特に好適である。
【００３８】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、従来例では、光カプラ１台、偏波依存光サーキュレータ３台、光検出器３台の計７台必要としていたブロック群を、４ポート偏波分離光サーキュレータ１台、光アッテネータ１台、光検出器を１台の計３台にすることができ、部品点数が減ったことで装置の小型化および低価格化が可能となった。さらにＰＣ上での計算処理をすることなく、また光電界センサ装置のセンサヘッド部を回転することなく、電界強度の大きさ（等方性データ）を即座に取得することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における光電界センサ装置を示すブロック図。
【図２】本発明の一実施の形態における光電界センサのセンサヘッド部を上面から見たときの断面図。
【図３】本発明の一実施の形態における光電界センサ装置の構成要素であるｘ軸、ｙ軸、ｚ軸、各方向の電界を検出する１軸光電界センサを示す斜視図。
【図４】本発明の一実施の形態における３軸光電界センサの外観斜視図。
【図５】従来の３軸光電界センサ装置のブロック図。
【図６】従来の３軸光電界センサの構成を示す図。図６（ａ）は、３個の１軸光電界センサの配置を示す斜視図、図６（ｂ）は、３軸光電界センサの構成要素である１軸光電界センサを示す斜視図。
【符号の説明】
２１    ｘ軸方向用１軸光電界センサ
２２    ｙ軸方向用１軸光電界センサ
２３    ｚ軸方向用１軸光電界センサ
２４    支持部材
２５    ハウジング
３１，５６    偏波保持光ファイバ
３２    ＬｉＮｂＯ３結晶基板
３３    入出射光導波路
３４ａ，３４ｂ    分岐光導波路
３５    金属電極
３６    反射ミラー
４１    センサヘッド部
４２    非金属の保持ロッド
４３    ３心の偏波保持光ファイバ
５０    ３軸光電界センサ
５１ａ，５１ｂ    光源
５２ａ，５２ｂ    偏波合成器
５３    ４ポート偏波分離光サーキュレータ
５４    光アッテネータ
５５    光検出器
【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】
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【図６】
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