(57)【要約】【課題】センサヘッドに収容された電気光学結晶より出射した光信号を、光ファイバで信号処理部に伝播する構成の電波センサにおいて、センサヘッドの変位による感度の低下が抑制できるようにする。【解決手段】電気光学結晶１０１とともに偏光素子１０２及び偏光分離手段である偏光ビームスプリッタ１０３がセンサヘッド１００内に収容され、光源であるレーザ１２１から出射された光源光は、例えば、偏波保持ファイバ１３１により、光源より出射されたときの偏波の状態が保持された状態でセンサヘッド１００に供給され、電気光学結晶１０１にまで到達する。【選択図】  図１
2005106590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサヘッドに収容され、光源より出射されて偏波の状態が保持されて伝播された光源光を所定の偏光状態の第１光とする偏光素子と、
前記センサヘッドに収容され、入射して透過する前記第１光の少なくとも一部を、受けた電磁波の電界変化に対応して偏光変化させて第２光として出射する電気光学結晶と、
前記センサヘッドに収容され、前記電気光学結晶より出射した前記第２光の中より第１の偏光成分を取り出す偏光分離手段と、
前記偏光分離手段により取り出された前記第１の偏光成分を伝播する光ファイバと、
この光ファイバを伝播した前記第１の偏光成分を光電変換して電気信号とする光電変換素子と、
この光電変換素子により光電変換された電気信号を処理する信号処理手段と
を少なくとも備え、
前記センサヘッドは可動する状態に設けられ、
前記偏光素子を出射した第１光は、前記偏光素子と前記電気光学結晶との間の空間を通過して前記電気光学結晶に入射する
ことを特徴とする電波センサ。
【請求項２】
請求項１記載の電波センサにおいて、
前記光源より出射された光源光の偏波の状態を保持して前記センサヘッドに伝播する偏波保持伝播手段を備え、
前記偏光素子は、前記偏波保持伝播手段により偏波の状態が保持されて伝播された前記光源光を所定の偏光状態の第１光とする
ことを特徴とする電波センサ。
【請求項３】
請求項１記載の電波センサにおいて、
前記光源は、前記センサヘッドに収容され
たことを特徴とする電波センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電波センサにおいて、
前記電気光学結晶は、前記第１光の入射面の対向面に反射面を備え、
前記偏光分離手段は、前記光源光は透過して前記光源光と偏光の状態が異なる光は光路を異なる方向に変更することで、前記電気光学結晶より出射した前記第２光の中より前記第１の偏光成分を取り出す偏光ビームスプリッタであり、
前記光源光は、前記偏光ビームスプリッタを透過して前記偏光素子に入射し、
前記偏光素子を出射した第１光は、前記電気光学結晶の入射面より入射し、
前記電気光学結晶の前記入射面より入射した光は前記反射面で反射して前記入射面より出射し、
前記電気光学結晶の入射面より出射した光は、前記偏光素子を通過して前記偏光ビームスプリッタに入射する
ことを特徴とする電波センサ。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の電波センサにおいて、
前記電気光学結晶は、前記第１光の入射面の対向面に反射面を備え、
前記偏光分離手段は、
第１偏光状態の光は透過して第１偏光状態の光と偏光の状態が異なる第２偏光状態の光は光路を異なる方向に変更する第１偏光ビームスプリッタ及び第２偏光ビームスプリッタと、
これら第１偏光ビームスプリッタ及び第２偏光ビームスプリッタの間の光路に配置され、前記第１偏光ビームスプリッタを透過した光の偏光状態を、前記第２偏光ビームスプリッタに対して第１偏光状態とし、前記第２偏光ビームスプリッタを透過した光の偏光状態を前記第１偏光ビームスプリッタに対して第２偏光状態とする偏光変化手段と
から構成され、
前記第２偏光ビームスプリッタで光路を異なる方向に変更された光を伝搬する第１光ファイバと、
前記第１偏光ビームスプリッタで光路を異なる方向に変更された光を伝搬する第２光ファイバと、
前記第１光ファイバを伝播した前記光を光電変換して電気信号とする第１光電変換素子と、
前記第２光ファイバを伝播した前記光を光電変換して電気信号とする第２光電変換素子と、
これら第１，第２光電変換素子により光電変換された２つの電気信号を差動増幅する差動アンプと、
この差動アンプより出力された電気信号を処理する信号処理手段と
を備え、
前記光源光は、前記第１偏光ビームスプリッタ，前記偏光変化手段，及び前記第２偏光ビームスプリッタをこの順に透過して前記偏光素子に入射し、
前記偏光素子を出射した第１光は、前記電気光学結晶の入射面より入射し、
前記電気光学結晶の前記入射面より入射した光は前記反射面で反射して前記入射面より出射し、
前記電気光学結晶の入射面より出射した光は、前記偏光素子を通過して前記第２偏光ビームスプリッタに入射し、
前記電気光学結晶の入射面より出射して前記第２偏光ビームスプリッタにより光路を異なる方向に変更された前記第１の偏光成分は、前記第１光ファイバにより伝播され、
前記電気光学結晶の入射面より出射して前記第２偏光ビームスプリッタを透過した前記第１の偏光成分とは偏光状態が異なる第２の偏光成分は、前記偏光変化手段を透過して前記第１偏光ビームスプリッタに入射し、前記第１偏光ビームスプリッタにより光路を異なる方向に変更されて第２光ファイバにより伝播される
ことを特徴とする電波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光やＸ線では観察できない物体の探査を、ミリ波帯の電磁波源を電気光学結晶により検出することで行う電波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電波を検出するセンサの一例として、電気光学結晶を用いた電波センサがある（特許文献１，２参照）。図１０は、電波センサの一例を示す構成図である。この電波センサは、反射面１００１ａを備える電気光学結晶１００１、レンズ１００２ａ，１００２ｂ、光ファイバ１００３、所定の周期のパルス光を出力するレーザ１００４、光検出器１００５、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１００６、１／２波長板（ＨＷＰ：half-wave plate）１００７、１／４波長板（ＱＷＰ：quarter-wave plate）１００８、アンプ１００９、電気信号測定器１０１０を備えている。
【０００３】
この電波センサでは、まず、レーザ１００４より出射されたパルス光は、ＰＢＳ１００６により一方の偏光は透過し、この透過する偏光に直交する他方の偏光は光路を直角方向に変更される。ＰＢＳ１００６を透過した光は、適当な角度に配置されたＱＷＰ１００８，ＨＷＰ１００７によって所定の偏光状態となるように調整される（非特許文献１参照）。なお、所定の偏光状態とは、本電波センサの感度が最大となるような偏光状態である。
【０００４】
ＱＷＰ１００８，ＨＷＰ１００７を通過した光は、レンズ１００２ｂにより集光されて光ファイバ１００３に結合され、光ファイバ１００３を伝播してレンズ１００２ａを通過し、電気光学結晶１００１に入射する。
【０００５】
電気光学結晶１００１に入射した光は、反射面１００１ａで反射して電気光学結晶１００１内を検出する電波と同じ方向に伝播する。このとき、電気光学結晶１００１内を伝播する光の偏光状態は、電気光学結晶１００１内を伝播する電波の電界に応じて変調される。このようにして、電気光学結晶１００１内で変調を受けた光は、再度、レンズ１００２ａ，光ファイバ１００３，レンズ１００２ｂを通り、また、ＨＷＰ１００７，ＱＷＰ１００８を通過してＰＢＳ１００６に入射する。
【０００６】
このようにしてＰＢＳ１００６に入射した偏光変調光は、ＰＢＳ１００６により光路を直角方向に変更されて強度変調光に変換され、光検出器１００５に入射する。光検出器１００５では、入射した光の強度に比例した電気信号を出力する。光検出器１００５より出力された電気信号は、アンプ１００９により増幅された後、電気信号測定器１０１０によって信号処理される。電気信号測定器１０１０は、例えば、スペクトラムアナライザやロックインアンプである。
【０００７】
なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
【特許文献１】特開２００１−０５０９０８
【特許文献２】特開２００３−０１４８０１
【非特許文献１】K.J.Weingarten, M.J.W.Rodwel, and D.M.Bloom, "Picosecond Optical Sampling of GaAs Integrated Circuits," IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.24, No.2, pp.198-220,1988.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した従来の電波センサは、以下に示すような問題があった。
図１０に示すように、電気光学結晶１００１を備えるセンサヘッド１０１１と、信号処理がなされる信号処理部１０１２とは、光ファイバ１００３により接続されている。ここで、センサヘッド１０１１の変位により光ファイバ１００３に応力が加わると、光ファイバ１００３を伝播する光の偏光状態は変化する。このため、図１０に示した構成の従来の電波センサでは、センサヘッド１０１１の変位により、電気光学結晶１００１に入射する光の偏光状態が変化するため、センサヘッド１０１１を動かすと、感度が低下するという問題があった。
【０００９】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、センサヘッドに収容された電気光学結晶より出射した光信号を、光ファイバで信号処理部に伝播する構成の電波センサにおいて、センサヘッドの変位による感度の低下が抑制できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る電波センサは、センサヘッドに収容され、光源より出射されて偏波の状態が保持されて伝播された光源光を所定の偏光状態の第１光とする偏光素子と、センサヘッドに収容され、入射して透過する第１光の少なくとも一部を、受けた電磁波の電界変化に対応して偏光変化させて第２光として出射する電気光学結晶と、センサヘッドに収容され、電気光学結晶より出射した第２光の中より第１偏光成分を取り出す偏光分離手段と、偏光分離手段により取り出された第１偏光成分を伝播する光ファイバと、この光ファイバを伝播した第１偏光成分を光電変換して電気信号とする光電変換素子と、この光電変換素子により光電変換された電気信号を処理する信号処理手段とを少なくとも備え、センサヘッドは可動する状態に設けられ、偏光素子を出射した第１光は、偏光素子と電気光学結晶との間の空間を通過して電気光学結晶に入射するようにしたものである。
【００１１】
上記電波センサにおいて、光源より出射された光源光の偏波の状態を保持してセンサヘッドに伝播する偏波保持伝播手段を備えるようにし、偏光素子は、偏波保持伝播手段により偏波の状態が保持されて伝播された光源光を所定の偏光状態の第１光とするものであればよい。偏波保持伝播手段は、例えば偏波保持ファイバであればよい。また、光源は、センサヘッドに収容されていれば、電気光学結晶に伝播される光源光は、偏波の状態が保存された状態となる。
【００１２】
上記電波センサにおいて、電気光学結晶は、第１光の入射面の対向面に反射面を備え、偏光分離手段は、光源光は透過して光源光と偏光の状態が異なる光は光路を異なる方向に変更することで、電気光学結晶より出射した第２光の中より第１偏光成分を取り出す偏光ビームスプリッタであり、光源光は、偏光ビームスプリッタを透過して偏光素子に入射し、偏光素子を出射した第１光は、電気光学結晶の入射面より入射し、電気光学結晶の入射面より入射した光は反射面で反射して入射面より出射し、電気光学結晶の入射面より出射した光は、偏光素子を通過して偏光ビームスプリッタに入射するものであればよい。
【００１３】
また、上記電波センサにおいて、電気光学結晶は、第１光の入射面の対向面に反射面を備え、偏光分離手段は、第１偏光状態の光は透過して第１偏光状態の光と偏光の状態が異なる第２偏光状態の光は光路を異なる方向に変更する第１偏光ビームスプリッタ及び第２偏光ビームスプリッタと、これら第１偏光ビームスプリッタ及び第２偏光ビームスプリッタの間の光路に配置され、第１偏光ビームスプリッタを透過した光の偏光状態を、第２偏光ビームスプリッタに対して第１偏光状態とし、第２偏光ビームスプリッタを透過した光の偏光状態を第１偏光ビームスプリッタに対して第２偏光状態とする偏光変化手段とから構成され、第２偏光ビームスプリッタで光路を異なる方向に変更された光を伝搬する第１光ファイバと、第１偏光ビームスプリッタで光路を異なる方向に変更された光を伝搬する第２光ファイバと、第１光ファイバを伝播した光を光電変換して電気信号とする第１光電変換素子と、第２光ファイバを伝播した光を光電変換して電気信号とする第２光電変換素子と、これら第１，第２光電変換素子により光電変換された２つの電気信号を差動増幅する差動アンプと、この差動アンプより出力された電気信号を処理する信号処理手段とを備えたものであり、光源光は、第１偏光ビームスプリッタ，偏光変化手段，及び第２偏光ビームスプリッタをこの順に透過して偏光素子に入射し、偏光素子を出射した第１光は、電気光学結晶の入射面より入射し、電気光学結晶の入射面より入射した光は反射面で反射して入射面より出射し、電気光学結晶の入射面より出射した光は、偏光素子を通過して第２偏光ビームスプリッタに入射し、電気光学結晶の入射面より出射して第２偏光ビームスプリッタにより光路を異なる方向に変更された第１の偏光成分は、第１光ファイバにより伝播され、電気光学結晶の入射面より出射して第２偏光ビームスプリッタを透過した第２偏光成分（第１偏光成分と偏光状態が異なる）は、偏光変化手段を透過して第１偏光ビームスプリッタに入射し、第１偏光ビームスプリッタにより光路を異なる方向に変更されて第２光ファイバにより伝播される。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように、本発明では、電気光学結晶とともに偏光素子及び偏光分離手段をセンサヘッド内に収容し、光源から出射された光源光が、光源より出射されたときの偏波の状態が保持された状態でセンサヘッドに供給され、電気光学結晶に到達するようにした。例えば、偏波保持ファイバなどの偏波保持伝播手段により光源光を伝播することや、光源をセンサヘッド内に収容することで、光源から出射された光源光が、光源より出射されたときの偏波の状態が保持された状態でセンサヘッドに供給できる。
【００１５】
これらの構成としたことで、本願発明によれば、センサヘッドが変位した場合においても、センサヘッド内に入射する光の偏光状態と強度が一定に保たれるため、センサヘッドの変位による感度の低下が抑制できるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
［実施の形態１］
図１は、本発明の第１の実施の形態における電波センサの構成例を示す構成図である。この電波センサは、センサヘッド１００と信号処理部１２０とから構成され、まず、センサヘッド１００に、反射面１０１ａを備える電気光学結晶１０１、偏光素子１０２，偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０３、レンズ１０４ａ，１０４ｂを備える。これらは、センサヘッド１００の内部の自由空間内に配置された光学系である。
【００１７】
電気光学結晶１０１は、入射して透過する光の少なくとも一部を、受けた電磁波の電界変化に対応して偏光変化させて出射する。電気光学結晶１０１は、反射面１０１ａに平行な関係で対向する入出射面を備え、入出射面より入射する光の光路は、入出射面−反射面−入出射面となる。この光路を伝播する間に、伝播（透過）する光の少なくとも一部が、電気光学結晶１０１の受けた電磁波の電界変化に対応し、偏光変化する。
【００１８】
ＰＢＳ１０３は、電気光学結晶１０１より出射した光の中より上述した偏光の変化分を取り出す偏光分離手段である。ＰＢＳ１０３は、所定の偏光状態とされた光源光は透過し、光源光と偏光の状態が異なる光は光路を異なる方向、例えば９０°異なる方向に変更することで、電気光学結晶１０１より出射した光の中より偏光の変化分を取り出す。
偏光素子１０２は、ＰＢＳ１０３を透過した光源光を、所望の楕円偏光として電気光学結晶１０１に入射させる。
【００１９】
また、信号処理部１２０は、レーザ１２１，光検出器１２２，アンプ１２３，電気信号測定器１２４を備える。レーザ１２１は、上述した光源光を生成する光源である。光検出器１２２は、例えばフォトダイオードなどの光電変換素子である。
信号処理部１２０のレーザ１２１より出射したレーザ光（光源光）は、偏波保持ファイバ（polarization-maintaining fiber:ＰＭＦ）１３１によりセンサヘッド１００に伝播され、センサヘッド１００より出力される光信号は、光ファイバ１３２により信号処理部１２０の光検出器１２２に接続される。
【００２０】
偏波保持ファイバ１３１は、導波する光の偏波の状態を保持する光ファイバであり、例えば、Ｂ2Ｏ3が添加された石英ガラスからなる直径３０μｍ程度の部分（応力付与部）を、コアの両側のクラッド中に備えるようにした光ファイバである。センサヘッド１００を変位させると偏波保持ファイバ１３１は変形するが、偏波保持ファイバ１３１を伝播する光源光の偏光状態は保持される。
【００２１】
従って、図１に示す電波センサでは、光源光は、光源であるレーザ１２１より出射された後、偏波の状態が保持された状態で、ＰＢＳ１０３を透過して偏光素子１０２に入射することになる。なお、偏波保持ファイバ１３１より出射した光源光は、急激に発散するため、レンズ１０４ａにより平行光となるように成形してからＰＢＳ１０３に入射させる。
【００２２】
上述したように、レーザ１２１より出射されて偏波保持ファイバ１３１により偏光の状態が保持されてセンサヘッド１００に伝播された光源光は、レンズ１０４ａにより平行光とされ、ＰＢＳ１０３に入射する。レーザ１２１より出射される光源光は、直線偏光状態のままＰＢＳ１０３に入射する。ここで、直線偏光状態のままＰＢＳに入射する光源光は、Ｐ偏光であり、電界のベクトルは、図１の紙面上下方向（ｘ方向）に平行である。なお、以降の説明において、Ｐ偏光とＳ偏光を入れ替えても同様である。
【００２３】
平行光とされてＰＢＳ１０３に入射する光源光は、ほぼ全てが透過し、偏光素子１０２により楕円偏光に変換され、電気光学結晶１０１に入出射面より入射する。入射した楕円偏光は、電気光学結晶１０１内を伝播して反射面１０１ａに到達し、ここで反射して上記入出射面より出射する。入射した楕円偏光は、電気光学結晶１０１内において、図１の紙面左右方向（ｚ軸に平行）に伝播する。
【００２４】
反射面１０１ａは、例えば、光を反射して電波を透過する鏡である。従って、電気光学結晶１０１に電波が照射されると、この電波は反射面１０１ａを透過し、電気光学結晶１０１内を−ｚ方向に伝播する。このとき、電気光学結晶１０１内を伝播している光（楕円偏光）は、電気光学結晶１０１内を伝播している電波の電界（瞬時電界振幅）に応じて偏光変調を受ける。
【００２５】
このようにして、偏光変調を受けて電気光学結晶１０１より出射した光は、偏光素子１０２を透過してＰＢＳ１０３に入射する。電気光学結晶１０１より出射してＰＢＳ１０３に入射した光のうち、Ｐ偏光は直進し、Ｓ偏光は進行方向を９０°変更され、レンズ１０４ｂにより集光されて光ファイバ１３２に入射（結合）する。従って、電気光学結晶１０１により偏光変調を受けた光は、ＰＢＳ１０３により強度変調光として分離される。
【００２６】
ＰＢＳ１０３により分離されて光ファイバ１３２に結合された強度変調光は、信号処理部１２０に伝播される。なお、光ファイバ１３２は、偏波保持ファイバである必要はない。電気光学結晶１０１による変調周波数があまり高くない場合、光ファイバ１３２は、光（光ビーム）を結合しやすいマルチモード光ファイバが適している。一方、変調周波数が高い場合には、光ファイバ１３２は、シングルモード光ファイバである方が望ましい。
【００２７】
以上のことにより、光ファイバ１３２によりセンサヘッド１００から信号処理部１２０に伝搬された強度変調光は、光検出器１２２により強度に比例した電気信号に変換される。従って、光検出器１２２より出力される電気信号は、電気光学結晶１０１により検出された被測定対象の電波の情報を荷なっている。
光検出器１２２より出力される電気信号は、アンプ１２３で増幅された後、電気信号測定器１２４によって所定の信号処理がなされる。電気信号測定器１２４は、例えば、スペクトラムアナライザやロックインアンプであればよい。
【００２８】
以上に説明したように構成された図１の電波センサによれば、レーザ１２１を出射した光源光は、偏波保持ファイバ１３１によってセンサヘッド１００に伝播されるため、センサヘッド１００が変位して偏波保持ファイバ１３１に外力が加わっても、光源光は、偏光の状態と強度とがほとんど変化しない。この結果、電気光学結晶１０１に入射する光と電気光学結晶１０１より出射された光との、各々の偏光状態と強度とが、ほとんど変化しない状態となるため、センサヘッド１００を動かしても、電波の検出の感度を常に高い状態に保てるようになる。
【００２９】
［実施の形態２］
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。図２は、本発明の他の実施の形態における電波センサの構成例を示す構成図である。この電波センサは、図１に示した電波センサと同様に、センサヘッド１００と信号処理部１２０とから構成され、まず、センサヘッド１００に、反射面１０１ａを備える電気光学結晶１０１、偏光素子１０２，偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０３、レンズ１０４ａ，１０４ｂを備える。加えて、図２に示す電波センサでは、センサヘッド１００の内部に、光源光を生成するレーザ１４１を備える。これらは、センサヘッド１００の内部の自由空間内に配置された光学系である。
【００３０】
従って、図２に示す電波センサでは、信号処理部１２０は、光検出器１２２，アンプ１２３，電気信号測定器１２４を備えるが、光源となるレーザは配置されていない。また、レーザ１４１より出射される光源光は、偏光保持ファイバなどを介することなく、センサヘッド１００の内部の自由空間内を伝播し、ＰＢＳ１０３や偏光素子１０２を透過して電気光学結晶１０１に入射する。なお、他の構成は図２の電波センサと同様であり、センサヘッド１００より出力される光信号は、光ファイバ１３２により信号処理部１２０の光検出器１２２に接続される。
【００３１】
図２に示す電波センサにおいても、光源光は、光源であるレーザ１４１より出射された後、偏波の状態が保持された状態で、ＰＢＳ１０３を透過して偏光素子１０２に入射することになる。なお、レーザ１４１より出射した光源光は、急激に発散するため、レンズ１０４ａにより平行光となるように成形しててからＰＢＳ１０３に入射させる。
【００３２】
上述したように、レーザ１４１より出射された光源光は、レンズ１０４ａにより平行光とされ、直線偏光状態のままＰＢＳ１０３に入射する。直線偏光状態のままＰＢＳに入射する光源光は、例えば、Ｐ偏光であり、電界のベクトルは、図２の紙面上下方向（ｘ方向）に平行である。平行光とされてＰＢＳ１０３に入射する光源光は、ほぼ全てが透過し、偏光素子１０２により楕円偏光に変換され、電気光学結晶１０１に入出射面より入射する。入射した楕円偏光は、電気光学結晶１０１内を伝播して反射面１０１ａに到達し、ここで反射して上記入出射面より出射する。入射した楕円偏光は、電気光学結晶１０１内において、図２の紙面左右方向（ｚ軸に平行）に伝播する。
【００３３】
電気光学結晶１０１に電波が照射されると、この電波は反射面１０１ａを透過し、電気光学結晶１０１内を−ｚ方向に伝播する。このとき、電気光学結晶１０１内を伝播している光は、電気光学結晶１０１内を伝播している電波の電界に応じて偏光変調を受ける。
【００３４】
このようにして、偏光変調を受けて電気光学結晶１０１より出射した光は、偏光素子１０２を透過してＰＢＳ１０３に入射し、ＰＢＳ１０３により強度変調光として分離される。ＰＢＳ１０３により分離されて光ファイバ１３２に結合された強度変調光は、信号処理部１２０に伝播される。以上のことにより、光ファイバ１３２によりセンサヘッド１００から信号処理部１２０に伝搬された強度変調光は、光検出器１２２により強度に比例した電気信号に変換される。光検出器１２２より出力される電気信号は、アンプ１２３で増幅された後、電気信号測定器１２４によって所定の信号処理がなされる。
【００３５】
以上に説明したように構成された図２の電波センサによれば、レーザ１４１を出射した光源光は、センサヘッド１００内の自由空間内で伝播するため、センサヘッド１００がどの様に変位しても、光源光は、偏光の状態と強度とが変化しない。この結果、図２に示す電波センサでも、電気光学結晶１０１に入射する光と電気光学結晶１０１より出射された光との、各々の偏光状態と強度とが、ほとんど変化しない状態となるため、センサヘッド１００を動かしても、電波の検出の感度を常に高い状態に保てるようになる。
【００３６】
［実施の形態３］
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。
図３は、本実施の形態における電波センサの構成例を示した構成図である。この電波センサは、図１に示した電波センサと同様に、センサヘッド１００と信号処理部１２０とから構成され、センサヘッド１００に、反射面１０１ａを備える電気光学結晶１０１、偏光素子１０２，偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０３ａ、レンズ１０４ａ，１０４ｂを備える。
【００３７】
加えて、図３に示すセンサヘッド１００では、ＰＢＳ１０３と偏光素子１０２との間の光学系に、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０３ｂと、ファラデー回転子（ＦＲ：Faraday rotator）１０５及び１／２波長板（ＨＷＰ：half-wave plate）１０６から構成された偏光変化手段を備える。従って、図３に示す電波センサでは、２つの偏光ビームスプリッタ１０３ａ，１０３ｂと偏光変化手段とにより、偏光分離手段が構成されている。
一方、図３に示す電波センサの信号処理部１２０は、レーザ１２１，電気信号測定器１２４に加え、２つの光検出器１２２ａ，１２２ｂと、これらの出力を差動増幅する差動アンプ１２３ａを備える。
【００３８】
図３に示す電波センサでは、信号処理部１２０のレーザ１２１より出射した光源光は、図１の電波センサと同様に、偏波保持ファイバ１３１によりセンサヘッド１００に伝播される。また、図３に示す電波センサでは、まず、ＰＢＳ１０３ａで分離された強度変調光は、レンズ１０４ｂにより集光されて光ファイバ１３２ａに結合し、光ファイバ１３２ａを伝播して信号処理部１２０の光検出器１２２ａに接続される。また、ＰＢＳ１０３ｂで分離された強度変調光は、レンズ１０４ｃにより集光されて光ファイバ１３２ｂに結合し、光ファイバ１３２ｂを伝播して信号処理部１２０の光検出器１２２ｂに接続される。
【００３９】
以下、図３に示す電波センサの動作例について、図４とともに説明する。なお、図４に示すｘ，ｙは、図３に示すｘ，ｙを示し、図４は、図３の紙面に垂直な方向の面、言い換えると、センサヘッド１００の内部自由空間に配置された光学系の光路の断面を示している。また、図４に示す一点鎖線は、ＨＷＰ１０６の配置角度を示し、両端に矢印のある太線が、光学系を伝播する光の偏光状態を示している。
【００４０】
レーザ１２１より出射されて偏波保持ファイバ１３１により偏光の状態が保持されてセンサヘッド１００に伝播された光源光は、レンズ１０４ａにより平行光とされ、ＰＢＳ１０３ａに入射する。レーザ１２１より出射される光源光は、直線偏光状態のままＰＢＳ１０３ａに入射する。ここで、直線偏光状態のままＰＢＳに入射する光源光は、例えばＰ偏光であり、電界のベクトルは、図４（ａ）に示すように、Ｘ軸に平行な状態となる。なお、図３の紙面では上下方向（ｘ方向）に平行である。
【００４１】
レンズ１０４ａにより平行光とされてＰＢＳ１０３ａに入射する光源光は、ほぼ全てが透過し、ＦＲ１０５に入射する。ＦＲ１０５に入射した光源光（Ｐ偏光）は、ＦＲ１０５を透過することで、図４（ｂ）に示すように、ｘｙ面内において＋４５°回転する。次いで、ＨＷＰ１０６を透過した光源光は、−４５°回転し、図４（ｃ）に示すように、Ｐ偏光に戻る。このようにしてＰ偏光に戻った光源光は、ＰＢＳ１０３ｂも透過して直進し、偏光素子１０２に入射する。
【００４２】
偏光素子１０２に入射した光源光は、偏光素子１０２により楕円偏光に変換され、電気光学結晶１０１に入出射面より入射する。入射した楕円偏光は、電気光学結晶１０１内を伝播して反射面１０１ａに到達し、ここで反射して上記入出射面より出射する。電気光学結晶１０１に電波が照射されると、この電波は反射面１０１ａを透過し、電気光学結晶１０１内を−ｚ方向に伝播する。このとき、電気光学結晶１０１内を伝播している楕円偏光は、電気光学結晶１０１内を伝播している電波の電界に応じて偏光変調を受ける。
【００４３】
このようにして、偏光変調を受けて電気光学結晶１０１より出射した光は、偏光素子１０２を透過してＰＢＳ１０３ｂに入射する。電気光学結晶１０１より出射してＰＢＳ１０３ｂに入射した光のうち、Ｐ偏光は直進し、Ｓ偏光は進行方向を９０°変更され、レンズ１０４ｃにより集光されて光ファイバ１３２ｂに入射（結合）する。従って、電気光学結晶１０１により偏光変調を受けた光は、ＰＢＳ１０３ｂにより強度変調光として分離される。
【００４４】
また、ＰＢＳ１０３ｂに入射した光の内、直進した光は、図４（ｄ）に示すように、ｘ軸に平行なＰ偏光であり、ＨＷＰ１０６を透過することで、図４（ｅ）に示すように、ｘ−ｙ平面内で、＋４５°回転する。さらに、ＦＲ１０５を透過することで、ＰＢＳ１０３ｂを直進して戻ってきた光は、図４（ｆ）に示すように、＋４５°回転し、Ｓ偏光となる。この結果、ＰＢＳ１０３ｂ，ＨＷＰ１０６，ＦＲ１０５を透過した光は、ＰＢＳ１０３ａにより進行方向を９０°偏光され、レンズ１０４ｂにより集光されて光ファイバ１３２ａに入射する。
【００４５】
以上に説明したように、図３に示す電波センサでは、電気光学結晶１０１を透過して出射した光の中で、Ｓ偏光は、光ファイバ１３２ｂにより信号処理部１２０に伝播され、Ｐ偏光は、光ファイバ１３２ａにより信号処理部１２０に伝播されることになる。このようにして、光ファイバ１３２ａを伝播した光は、光検出器１２２ａにより光電変換され、光ファイバ１３２ｂを伝播した光は、光検出器１２２ｂで光電変換される。光検出器１２２ａ，１２２ｂで光電変換されて出力された２つの電気信号は、差動アンプ１２３ａにより差動増幅され、電気信号測定器１２４によって所定の信号処理がなされる。
【００４６】
図５は、光検出器１２２ａ，１２２ｂ，及び差動アンプ１２３ａの出力電気信号の状態を示す特性図であり、（ａ）は、光検出器１２２ａの出力電気信号の状態を示し、（ｂ）は、光検出器１２２ｂの出力電気信号の状態を示し、（ｃ）は、差動アンプ１２３ａの出力電気信号の状態を示している。偏光素子１０２により、電気光学結晶１０１を出射した光におけるＳ偏光成分とＰ偏光成分との平均強度は、ＰＢＳ１０３ｂに入射する直前において、等しくなるように調整されている。従って、２つの光検出器１２２ａ，１２２ｂの出力電気信号は、全光強度の半分に対応する値（０．５Ｖ0）を中心に、被測定電波に応じて変化する（図５（ａ），図５（ｂ））。
【００４７】
全光強度は常に一定であるので、光検出器１２２ａの出力電気信号の振幅が大きくなった瞬間に、光検出器１２２ｂの出力電気信号の対応する部分の振幅は小さくなる。すなわち、光検出器１２２ａと光検出器１２２ｂの出力電気信号は、被測定電波が検出された際には逆相で変化する。図５（ｃ）に示すように、差動アンプ１２３ａの出力電気信号には、直流成分は存在せず、さらに、振幅は１つの光検出器の出力電気信号の２倍である。また、光検出器により検出される光の強度雑音の影響は、２つの光検出器１２２ａ，１２２ｂにおいて同相で変化する。従って、差動アンプ１２３ａにより差動増幅される２つの出力電気信号においては、上記雑音の影響が低減されている。
【００４８】
以上に説明したように構成された図３の電波センサにおいても、レーザ１２１を出射した光源光は、偏波保持ファイバ１３１によってセンサヘッド１００に伝播されるため、センサヘッド１００が変位して偏波保持ファイバ１３１に外力が加わっても、光源光は、偏光の状態と強度とがほとんど変化しない。この結果、電気光学結晶１０１に入射する光と電気光学結晶１０１より出射された光との、各々の偏光状態と強度とが、ほとんど変化しない状態となるため、センサヘッド１００を動かしても、電波の検出の感度を常に高い状態に保てるようになる。
【００４９】
［実施の形態４］
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。図６は、本実施の形態における電波センサの構成例を示した構成図であり、偏光変化手段をＦＲ１０５だけから構成し、上述した差動増幅による作用効果を得るようにしたものである。図６では、センサヘッド１００の内部の自由空間内において、光学系の光軸がｚ軸方向に平行な状態を示している。この電波センサでは、ｚ軸を中心に、ＰＢＳ１０３ａを４５°回転した状態で配置した。
【００５０】
従って、レンズ１０４ａで平行光とされた光源光は、図６（ｂ）の斜視図の偏光方向（１）に示すように、ＰＢＳ１０３ａを透過するとＰＢＳ１０３ａに対してＰ偏光となる。この後、ＦＲ１０５を透過した光源光は、偏光方向（２）に示すように、４５°回転してＰＢＳ１０３ｂに対してＰ偏光となる。
【００５１】
一方、光学結晶１０１を出射してきた光のうち、ＰＢＳ１０３ｂを透過する偏光方向（３）に示す状態のＰ偏光は、ＦＲ１０５を透過することで、偏光方向（４）に示すように、４５°回転してＰＢＳ１０３ａに対してＳ偏光となる。この結果、このＳ偏光は、ＰＢＳ１０３ａにより９０°進行方向が変更される。
このように、図６に示す電波センサでは、ＨＷＰを省略することを可能としている。
【００５２】
次に、最適な偏光素子１０２の構成例について説明する。偏光素子１０２は、例えば、図７（ａ）に示すように、１／４波長板（ＱＷＰ：quarter-wave plate）１０２ａと１／２波長板（ＨＷＰ：half-wave plate）１０２ｂとから構成すればよい。高感度の検出を行うためには、電気光学結晶１０１に入射する光ビームの偏光状態は、適切な状態に調整した方がよい。
【００５３】
電気光学結晶１０１に入射させるべき光の偏光状態は、用いる電気光学結晶１０１の種類、面方位、配置角度、また、被測定電波の電界の方向など、様々な因子に依存する。ＱＷＰ１０２ａとＨＷＰ１０２ｂとの双方の角度を各々調整することで、電気光学結晶１０１に入射させる光を任意の偏光状態とすることができる。従って、図７（ａ）に示す構成とすることで、ＱＷＰ１０２ａとＨＷＰ１０２ｂとを調整することで、電気光学結晶１０１の条件や被測定電波の電界方向によらず、常に高感度な測定を行うことが可能となる。
【００５４】
また、偏光素子１０２は、図７（ｂ）に示すように、ＱＷＰ１０２ａのみから構成するようにしてもよい。例えば、電気光学結晶１０１の電気的主軸が既知となっていれば、偏光素子として特定の角度の調整したＱＷＰ１０２ａのみで、高感度な測定を行うことが可能となる。
【００５５】
図８は、図７（ｂ）に示す構成における、ＱＷＰ１０２ａの角度と電気光学結晶１０１の電気的主軸の角度とを変数とし、検出感度を等高線で示した特性図である。図８においては、白い部分で示す領域が、最も高感度な状態を示している。図８に示すように、例えば、ＱＷＰ１０２ａの角度が２２．５°で、電気光学結晶１０１の電気的主軸の角度が−２２．５°のとき、高感度であることが判る。
【００５６】
図９（ａ）は、上述した高感度な状態が得られるＱＷＰ１０２ａと電気光学結晶１０１との配置関係を示す説明図である。軸Ｓと軸Ｆは、ＱＷＰの直交する２つの主軸を示している。主軸Ｓは、ｘ軸と２２．５°の角度をなしている。このような配置の状態のとき、電気光学結晶に入射する光の偏光状態は、図９（ａ）の楕円で示す状態となる。なお、電気光学結晶の直交する２つの電気的主軸は、Ｘ，Ｙであり、Ｘ軸は、ｘ軸と−２２．５°の角度をなしている。
【００５７】
図９（ｂ）は、閃亜鉛鉱型の結晶構造をもつ電気光学結晶９０１を用いた場合の、ＱＷＰと電気光学結晶との配置関係を示す説明図である。光は、電気光学結晶９０１の（１１０）面から入射させる。電気光学結晶９０１は、（１−１０）面に垂直な電界成分を有する電波に対して感度を有する。被測定対象電波の電界ベクトルの方向が既知である場合、電界ベクトルが電気光学結晶９０１の（１−１０）面に対して垂直となるように、電気光学結晶９０１の配置状態を設定すればよい。この状態とすることで、最大の感度を得ることができる。
【００５８】
なお、上述した電気光学結晶としては、ＧａＡｓ，ＺｎＴｅ，ＣｄＴｅなどの化合物半導体結晶や、Ｂｉ12ＳｉＯ20，Ｂｉ4Ｇｅ3Ｏ12などのシレナイト構造を有する酸化物結晶などが利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１の実施の形態における電波センサの構成例を示す構成図である。
【図２】本発明の他の実施の形態における電波センサの構成例を示す構成図である。
【図３】本発明の他の実施の形態における電波センサの構成例を示す構成図である。
【図４】センサヘッド１００の内部の光路を伝播する光の偏光の状態を示す説明図である。
【図５】光検出器１２２ａ，１２２ｂ，及び差動アンプ１２３ａの出力電気信号の状態を示す特性図である。
【図６】本発明の他の実施の形態における電波センサの構成例を示す構成図である。
【図７】偏光素子１０２の構成例を示す構成図である。
【図８】ＱＷＰ１０２ａの角度と電気光学結晶１０１の電気的主軸の角度とを変数とし、検出感度を等高線で示した特性図である。
【図９】高感度な状態が得られるＱＷＰと電気光学結晶との配置関係を示す説明図である。
【図１０】従来よりある電波センサの一例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００６０】
１００…センサヘッド、１０１…電気光学結晶、１０１ａ…反射面、１０２…偏光素子、１０３…偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、１０４ａ…レンズ、１０４ｂ…レンズ、１２０…信号処理部、１２１…レーザ、１２２…光検出器、１２３…アンプ、１２４…電気信号測定器、１３１…偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）、１３２…光ファイバ。
【図１】
2005106590.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005106590.tif 000007
【図６】
2005106590.tif 000008
【図７】
2005106590.tif 000009
【図９】
2005106590.tif 000010
【図１０】
2005106590.tif 000011
【図８】
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