(57)【要約】【課題】センサヘッド部の変位による検出感度の低下を抑制する。【解決手段】光源２００から出射した直線偏光を偏波保持ファイバ３によってセンサヘッド部１のＥＯ結晶１０１に伝送して、ＥＯ結晶１０１によって偏光変調された光を光ファイバ４によって信号処理部２に伝送する。光ファイバ４によって伝送された光を、被測定電界の周波数の下限値よりも低い応答速度の直線偏光生成器２０１によって直線偏光に変換し、偏光ビームスプリッタ２０３によってＳ偏光とＰ偏光に分離した後、光検出器２０４，２０５によって光電変換する。【選択図】  図１
2005214892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学結晶を備えるセンサヘッド部と、
このセンサヘッド部の出力に基づいて被測定電界を検出する信号処理部と、
この信号処理部からの光を前記センサヘッド部に伝送して前記電気光学結晶の第１面に入射させる偏波保持ファイバと、
前記電気光学結晶中を伝搬して前記電気光学結晶の第１面と対向する第２面から出射した光を前記信号処理部に伝送する光ファイバとを有し、
前記信号処理部は、
直線偏光を放射し、この直線偏光を前記偏波保持ファイバにより前記センサヘッド部へ伝送させる光源と、
前記光ファイバによって伝送された光を予め設定された角度の偏波面を有する直線偏光に変換する直線偏光生成器と、
この直線偏光生成器の出力光をＳ偏光とＰ偏光に分離する偏光分離素子と、
前記Ｓ偏光を光電変換する第１の光検出器と、
前記Ｐ偏光を光電変換する第２の光検出器と、
前記第１の光検出器の出力電気信号と前記第２の光検出器の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅器と、
この差動増幅器の出力電気信号に基づいて被測定電界を検出する電気信号測定器とを備えるものであり、
前記電気光学結晶の第１面に入射する直線偏光の偏波面の角度は、前記電気光学結晶の２つの電気的主軸のうちいずれかの軸に対して略４５度をなし、
前記直線偏光生成器の応答速度は、前記被測定電界の周波数の下限値よりも低いことを特徴とする電界センサ。
【請求項２】
電気光学結晶および前記電気光学結晶の入射面である第１面と対向する第２面に形成された誘電体鏡を備えるセンサヘッド部と、
このセンサヘッド部の出力に基づいて被測定電界を検出する信号処理部と、
この信号処理部からの光を前記センサヘッド部に伝送して前記電気光学結晶の第１面に入射させると共に、前記電気光学結晶中を伝搬して前記誘電体鏡で反射された後に前記電気光学結晶中を入射経路と逆に伝搬して前記第１面から出射した光を前記信号処理部に伝送する偏波保持ファイバとを有し、
前記信号処理部は、
直線偏光を放射する光源と、
入射光を予め設定された角度の偏波面を有する直線偏光に変換する直線偏光生成器と、
前記センサヘッド部からの光を前記直線偏光生成器に伝送する光ファイバと、
前記光源からの直線偏光を前記偏波保持ファイバに送出して前記センサヘッド部へ伝送させると共に、前記センサヘッド部から前記偏波保持ファイバにより伝送された光を前記光ファイバに送出して前記直線偏光生成器へ伝送させる伝搬経路切替手段と、
前記直線偏光生成器の出力光をＳ偏光とＰ偏光に分離する偏光分離素子と、
前記Ｓ偏光を光電変換する第１の光検出器と、
前記Ｐ偏光を光電変換する第２の光検出器と、
前記第１の光検出器の出力電気信号と前記第２の光検出器の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅器と、
この差動増幅器の出力電気信号に基づいて被測定電界を検出する電気信号測定器とを備えるものであり、
前記電気光学結晶の第１面に入射する直線偏光の偏波面の角度は、前記電気光学結晶の２つの電気的主軸のうちいずれかの軸に対して略４５度をなし、
前記直線偏光生成器の応答速度は、前記被測定電界の周波数の下限値よりも低いことを特徴とする電界センサ。
【請求項３】
請求項１または２記載の電界センサにおいて、
前記信号処理部は、さらに、前記直線偏光生成器と前記偏光分離素子との間に、入射光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える１／４波長板を備えるものであり、
前記直線偏光生成器は、前記被測定電界が印加されていない状態において、出力光がＰ偏光またはＳ偏光となるように設定され、
前記１／４波長板は、前記被測定電界が印加されていない状態において、スロー軸またはファスト軸が前記直線偏光生成器の出力光の偏波面に対して略４５度の角度をなし、かつ前記スロー軸またはファスト軸が光の進行方向に対して垂直となるように設定されていることを特徴とする電界センサ。
【請求項４】
請求項１または２記載の電界センサにおいて、
前記信号処理部は、さらに、前記直線偏光生成器と前記偏光分離素子との間に、入射光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える１／４波長板を備えるものであり、
前記直線偏光生成器は、前記被測定電界が印加されていない状態において、出力光がＰ偏光の成分とＳ偏光の成分とを１体１の割合で含むように設定され、
前記１／４波長板は、前記被測定電界が印加されていない状態において、スロー軸またはファスト軸が前記直線偏光生成器の出力光の偏波面に対して平行で、かつ前記スロー軸またはファスト軸が光の進行方向に対して垂直となるように設定されていることを特徴とする電界センサ。
【請求項５】
請求項１または２記載の電界センサにおいて、
前記信号処理部は、さらに、前記直線偏光生成器と前記偏光分離素子との間に、入射光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える１／４波長板と、入射光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える１／２波長板とを備えるものであり、
前記１／４波長板と前記１／２波長板のスロー軸およびファスト軸の角度は可変であることを特徴とする電界センサ。
【請求項６】
請求項２記載の電界センサにおいて、
前記伝搬経路切替手段は、サーキュレータであることを特徴とする電界センサ。
【請求項７】
請求項２記載の電界センサにおいて、
前記伝搬経路切替手段は、カプラであることを特徴とする電界センサ。
【請求項８】
請求項２記載の電界センサにおいて、
前記伝搬経路切替手段は、ビームスプリッタであることを特徴とする電界センサ。
【請求項９】
請求項１記載の電界センサにおいて、
前記電気光学結晶の第１面および第２面と異なる第３面に金属プローブが取り付けられていることを特徴とする電界センサ。
【請求項１０】
請求項２記載の電界センサにおいて、
前記誘電体鏡の表面に金属プローブが取り付けられていることを特徴とする電界センサ。
【請求項１１】
電気光学結晶を備えるセンサヘッド部と、このセンサヘッド部の出力に基づいて被測定電界を検出する信号処理部と、この信号処理部からの光を前記センサヘッド部に伝送して前記電気光学結晶の第１面に入射させる偏波保持ファイバと、前記電気光学結晶中を伝搬して前記電気光学結晶の第１面と対向する第２面から出射した光を前記信号処理部に伝送する光ファイバとを有する電界センサを用いて被測定電界を検出する電界検出方法であって、
前記信号処理部の光源から出射した直線偏光を前記偏波保持ファイバにより前記センサヘッド部へ伝送させると共に、前記電気光学結晶の第２面から出射した光を前記光ファイバにより前記信号処理部へ伝送させる伝送手順と、
前記信号処理部の直線偏光生成器により、前記光ファイバによって伝送された光を予め設定された角度の偏波面を有する直線偏光に変換する直線偏光生成手順と、
この直線偏光生成手順によって得られた出力光をＳ偏光とＰ偏光に分離する偏光分離手順と、
前記Ｓ偏光を光電変換する第１の光検出手順と、
前記Ｐ偏光を光電変換する第２の光検出手順と、
前記第１の光検出手順の出力電気信号と前記第２の光検出手順の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅手順と、
この差動増幅手順の出力電気信号に基づいて被測定電界を検出する電気信号測定手順とを備え、
前記電気光学結晶の第１面に入射する直線偏光の偏波面の角度は、前記電気光学結晶の２つの電気的主軸のうちいずれかの軸に対して略４５度をなし、
前記直線偏光生成器の応答速度は、前記被測定電界の周波数の下限値よりも低いことを特徴とする電界検出方法。
【請求項１２】
電気光学結晶および前記電気光学結晶の入射面である第１面と対向する第２面に形成された誘電体鏡を備えるセンサヘッド部と、このセンサヘッド部の出力に基づいて被測定電界を検出する信号処理部と、この信号処理部からの光を前記センサヘッド部に伝送して前記電気光学結晶の第１面に入射させると共に、前記電気光学結晶中を伝搬して前記誘電体鏡で反射された後に前記電気光学結晶中を入射経路と逆に伝搬して前記第１面から出射した光を前記信号処理部に伝送する偏波保持ファイバとを有する電界センサを用いて被測定電界を検出する電界検出方法であって、
前記信号処理部の光源から出射した直線偏光を前記偏波保持ファイバに送出して前記センサヘッド部へ伝送させると共に、前記センサヘッド部から前記偏波保持ファイバにより伝送された光を光ファイバに送出する伝搬経路切替手順と、
前記信号処理部の直線偏光生成器により、前記光ファイバによって伝送された光を予め設定された角度の偏波面を有する直線偏光に変換する直線偏光生成手順と、
この直線偏光生成手順によって得られた出力光をＳ偏光とＰ偏光に分離する偏光分離手順と、
前記Ｓ偏光を光電変換する第１の光検出手順と、
前記Ｐ偏光を光電変換する第２の光検出手順と、
前記第１の光検出手順の出力電気信号と前記第２の光検出手順の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅手順と、
この差動増幅手順の出力電気信号に基づいて被測定電界を検出する電気信号測定手順とを備え、
前記電気光学結晶の第１面に入射する直線偏光の偏波面の角度は、前記電気光学結晶の２つの電気的主軸のうちいずれかの軸に対して略４５度をなし、
前記直線偏光生成器の応答速度は、前記被測定電界の周波数の下限値よりも低いことを特徴とする電界検出方法。
【請求項１３】
請求項１１または１２記載の電界検出方法において、
前記直線偏光生成手順と前記偏光分離手順との間に、入射光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える１／４波長板によって前記直線偏光生成手順の出力光の偏光状態を調整する調整手順を備え、
前記直線偏光生成器は、前記被測定電界が印加されていない状態において、出力光がＰ偏光またはＳ偏光となるように設定され、
前記１／４波長板は、前記被測定電界が印加されていない状態において、スロー軸またはファスト軸が前記直線偏光生成器の出力光の偏波面に対して略４５度の角度をなし、かつ前記スロー軸またはファスト軸が光の進行方向に対して垂直となるように設定されていることを特徴とする電界検出方法。
【請求項１４】
請求項１１または１２記載の電界検出方法において、
前記直線偏光生成手順と前記偏光分離手順との間に、入射光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える１／４波長板によって前記直線偏光生成手順の出力光の偏光状態を調整する調整手順を備え、
前記直線偏光生成器は、前記被測定電界が印加されていない状態において、出力光がＰ偏光の成分とＳ偏光の成分とを１体１の割合で含むように設定され、
前記１／４波長板は、前記被測定電界が印加されていない状態において、スロー軸またはファスト軸が前記直線偏光生成器の出力光の偏波面に対して平行で、かつ前記スロー軸またはファスト軸が光の進行方向に対して垂直となるように設定されていることを特徴とする電界検出方法。
【請求項１５】
請求項１１または１２記載の電界検出方法において、
前記直線偏光生成手順と前記偏光分離手順との間に、入射光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える１／４波長板と、入射光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える１／２波長板とによって前記直線偏光生成手順の出力光の偏光状態を調整する調整手順を備え、
前記１／４波長板と前記１／２波長板のスロー軸およびファスト軸の角度は可変であることを特徴とする電界検出方法。
【請求項１６】
請求項１２記載の電界検出方法において、
前記伝搬経路切替手順にサーキュレータを用いることを特徴とする電界検出方法。
【請求項１７】
請求項１２記載の電界検出方法において、
前記伝搬経路切替手順にカプラを用いることを特徴とする電界検出方法。
【請求項１８】
請求項１２記載の電界検出方法において、
前記伝搬経路切替手順にビームスプリッタを用いることを特徴とする電界検出方法。
【請求項１９】
請求項１１記載の電界検出方法において、
前記電気光学結晶の第１面および第２面と異なる第３面に金属プローブを取り付けることを特徴とする電界検出方法。
【請求項２０】
請求項１２記載の電界検出方法において、
前記誘電体鏡の表面に金属プローブを取り付けることを特徴とする電界検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電界が印加されている電気光学結晶に光を入射させ、この電気光学結晶から出射された光を検出することにより交流信号を得る電界センサおよび電界検出方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
交流電界を検出するセンサの１例として、電気光学結晶を用いた電界センサがある（例えば特許文献１〜特許文献４参照）。
図１２は、従来の電界センサの１構成例を示すブロック図である。図１２の電界センサは、電気光学（Electro-Optic ；EO）結晶を備えるセンサヘッド部１１と、センサヘッド部１１の出力に基づいて被測定電界を検出する信号処理部１２と、センサヘッド部１１と信号処理部１２とを接続する光ファイバ１３とからなる。
【０００３】
図１２の電界センサでは、光源１２００を出射した光ビームは、偏光ビームスプリッタ（Polarizing-Beam Splitter；PBS ）１２０１，１２０４、ファラデー回転子（Faraday Rotator；FR ）１２０２、１／２波長板（Half-Wave Plate；HWP）１２０３，１２０６、１／４波長板（Quarter-Wave Plate；QWP ）１２０５およびレンズ１２０７などで構成された偏光検出系を透過した後、光ファイバ１３によってセンサヘッド部１１に伝送される。センサヘッド部１１で空間に出射した光ビームは、レンズ１１００によって平行光に変換され、ＥＯ結晶１１０１に入射する。光ビームはＥＯ結晶１１０１の端面に形成された誘電体鏡１１０２で反射され、ＥＯ結晶１１０１内を逆行する。
【０００４】
被測定電界は、誘電体鏡１１０２を通してＥＯ結晶１１０１内に進入することが可能である。ＥＯ結晶１１０１に被測定電界が印加されると、ＥＯ結晶１１０１の複屈折率が変化するため、ＥＯ結晶１１０１内を伝播する光は偏光変調を受ける。偏光変調された光ビームは、レンズ１１００によって集光されて再び光ファイバ１３に入射し、信号処理部１２の偏光検出系により強度変調光に変換された後に、光検出器（Photo Detector；PD）１２０８，１２０９で検出される。差動増幅器１２１０は、ＰＤ１２０８と１２０９の出力電気信号を差動増幅し、電気信号測定器１２１１は、差動増幅器１２１０の出力電気信号に基づいて被測定電界を検出する。
【０００５】
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２０００−１７１４８７号公報
【特許文献２】特開２００１−０５０９０８号公報
【特許文献３】特開２００３−０１４８０１号公報
【特許文献４】特開２００３−３３９５８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１２に示した従来の電界センサにおいて、センサヘッド部１１と信号処理部１２とは、光ファイバ１３により接続されている。ここで、センサヘッド部１１の変位により光ファイバ１３に応力が加わると、光ファイバ１３を伝播する光の偏光状態が変化する。このため、従来の電界センサでは、センサヘッド部１１の変位により、ＥＯ結晶１１０１に入射する光の偏光状態と信号処理部１２の偏光検出系に入射する光の偏光状態が変化するため、センサヘッド部１１を動かすと、検出感度が低下するという問題点があった。
【０００７】
また、上記の問題点を解決するため、図１３に示したように、ＰＢＳ１１０４，１１０７、ＦＲ１１０５、ＨＷＰ１１０６，１１０９，ＱＷＰ１１０８およびレンズ１１１０，１１１１からなる偏光素子をセンサヘッド部１１ａ内に集積した電界センサが提案されている。一般に、このような電界センサにおいては、センサヘッド部１１ａに伝播される光は直線偏光であるので、偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）１４を利用することにより、応力による偏光変化を避けることが可能である。しかし、図１３に示した電界センサでは、センサヘッド部１１ａ内に複数の光学部品を配置する必要があるため、センサヘッド部１１ａが大きくなり、被測定電界に大きな擾乱を与えてしまうという問題点があった。
【０００８】
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、センサヘッド部内のＥＯ結晶から出射した光信号をファイバで信号処理部に伝送する構成の電界センサにおいて、センサヘッド部の変位による検出感度の低下を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の電界センサは、電気光学結晶を備えるセンサヘッド部と、このセンサヘッド部の出力に基づいて被測定電界を検出する信号処理部と、この信号処理部からの光を前記センサヘッド部に伝送して前記電気光学結晶の第１面に入射させる偏波保持ファイバと、前記電気光学結晶中を伝搬して前記電気光学結晶の第１面と対向する第２面から出射した光を前記信号処理部に伝送する光ファイバとを有し、前記信号処理部は、直線偏光を放射し、この直線偏光を前記偏波保持ファイバにより前記センサヘッド部へ伝送させる光源と、前記光ファイバによって伝送された光を予め設定された角度の偏波面を有する直線偏光に変換する直線偏光生成器と、この直線偏光生成器の出力光をＳ偏光とＰ偏光に分離する偏光分離素子と、前記Ｓ偏光を光電変換する第１の光検出器と、前記Ｐ偏光を光電変換する第２の光検出器と、前記第１の光検出器の出力電気信号と前記第２の光検出器の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅器と、この差動増幅器の出力電気信号に基づいて被測定電界を検出する電気信号測定器とを備えるものであり、前記電気光学結晶の第１面に入射する直線偏光の偏波面の角度は、前記電気光学結晶の２つの電気的主軸のうちいずれかの軸に対して略４５度をなし、前記直線偏光生成器の応答速度を、前記被測定電界の周波数の下限値よりも低くしたものである。
【００１０】
また、本発明の電界センサは、電気光学結晶および前記電気光学結晶の入射面である第１面と対向する第２面に形成された誘電体鏡を備えるセンサヘッド部と、このセンサヘッド部の出力に基づいて被測定電界を検出する信号処理部と、この信号処理部からの光を前記センサヘッド部に伝送して前記電気光学結晶の第１面に入射させると共に、前記電気光学結晶中を伝搬して前記誘電体鏡で反射された後に前記電気光学結晶中を入射経路と逆に伝搬して前記第１面から出射した光を前記信号処理部に伝送する偏波保持ファイバとを有し、前記信号処理部は、直線偏光を放射する光源と、入射光を予め設定された角度の偏波面を有する直線偏光に変換する直線偏光生成器と、前記センサヘッド部からの光を前記直線偏光生成器に伝送する光ファイバと、前記光源からの直線偏光を前記偏波保持ファイバに送出して前記センサヘッド部へ伝送させると共に、前記センサヘッド部から前記偏波保持ファイバにより伝送された光を前記光ファイバに送出して前記直線偏光生成器へ伝送させる伝搬経路切替手段と、前記直線偏光生成器の出力光をＳ偏光とＰ偏光に分離する偏光分離素子と、前記Ｓ偏光を光電変換する第１の光検出器と、前記Ｐ偏光を光電変換する第２の光検出器と、前記第１の光検出器の出力電気信号と前記第２の光検出器の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅器と、この差動増幅器の出力電気信号に基づいて被測定電界を検出する電気信号測定器とを備えるものであり、前記電気光学結晶の第１面に入射する直線偏光の偏波面の角度は、前記電気光学結晶の２つの電気的主軸のうちいずれかの軸に対して略４５度をなし、前記直線偏光生成器の応答速度は、前記被測定電界の周波数の下限値よりも低くしたものである。
【００１１】
また、本発明の電界センサの１構成例において、前記信号処理部は、さらに、前記直線偏光生成器と前記偏光分離素子との間に、入射光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える１／４波長板を備えるものであり、前記直線偏光生成器は、前記被測定電界が印加されていない状態において、出力光がＰ偏光またはＳ偏光となるように設定され、前記１／４波長板は、前記被測定電界が印加されていない状態において、スロー軸またはファスト軸が前記直線偏光生成器の出力光の偏波面に対して略４５度の角度をなし、かつ前記スロー軸またはファスト軸が光の進行方向に対して垂直となるように設定されるものである。
また、本発明の電界センサの１構成例において、前記信号処理部は、さらに、前記直線偏光生成器と前記偏光分離素子との間に、入射光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える１／４波長板を備えるものであり、前記直線偏光生成器は、前記被測定電界が印加されていない状態において、出力光がＰ偏光の成分とＳ偏光の成分とを１体１の割合で含むように設定され、前記１／４波長板は、前記被測定電界が印加されていない状態において、スロー軸またはファスト軸が前記直線偏光生成器の出力光の偏波面に対して平行で、かつ前記スロー軸またはファスト軸が光の進行方向に対して垂直となるように設定されるものである。
また、本発明の電界センサの１構成例において、前記信号処理部は、さらに、前記直線偏光生成器と前記偏光分離素子との間に、入射光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える１／４波長板と、入射光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える１／２波長板とを備えるものであり、前記１／４波長板と前記１／２波長板のスロー軸およびファスト軸の角度は可変である。
【００１２】
また、本発明の電界センサの１構成例において、前記伝搬経路切替手段は、サーキュレータである。
また、本発明の電界センサの１構成例において、前記伝搬経路切替手段は、カプラである。
また、本発明の電界センサの１構成例において、前記伝搬経路切替手段は、ビームスプリッタである。
また、本発明の電界センサの１構成例は、前記電気光学結晶の第１面および第２面と異なる第３面に金属プローブが取り付けられたものである。
また、本発明の電界センサの１構成例は、前記誘電体鏡の表面に金属プローブが取り付けられたものである。
【００１３】
また、本発明は、電気光学結晶を備えるセンサヘッド部と、このセンサヘッド部の出力に基づいて被測定電界を検出する信号処理部と、この信号処理部からの光を前記センサヘッド部に伝送して前記電気光学結晶の第１面に入射させる偏波保持ファイバと、前記電気光学結晶中を伝搬して前記電気光学結晶の第１面と対向する第２面から出射した光を前記信号処理部に伝送する光ファイバとを有する電界センサを用いて被測定電界を検出する電界検出方法であって、前記信号処理部の光源から出射した直線偏光を前記偏波保持ファイバにより前記センサヘッド部へ伝送させると共に、前記電気光学結晶の第２面から出射した光を前記光ファイバにより前記信号処理部へ伝送させる伝送手順と、前記信号処理部の直線偏光生成器により、前記光ファイバによって伝送された光を予め設定された角度の偏波面を有する直線偏光に変換する直線偏光生成手順と、この直線偏光生成手順によって得られた出力光をＳ偏光とＰ偏光に分離する偏光分離手順と、前記Ｓ偏光を光電変換する第１の光検出手順と、前記Ｐ偏光を光電変換する第２の光検出手順と、前記第１の光検出手順の出力電気信号と前記第２の光検出手順の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅手順と、この差動増幅手順の出力電気信号に基づいて被測定電界を検出する電気信号測定手順とを備え、前記電気光学結晶の第１面に入射する直線偏光の偏波面の角度は、前記電気光学結晶の２つの電気的主軸のうちいずれかの軸に対して略４５度をなし、前記直線偏光生成器の応答速度が、前記被測定電界の周波数の下限値よりも低くなるようにしたものである。
【００１４】
また、本発明は、電気光学結晶および前記電気光学結晶の入射面である第１面と対向する第２面に形成された誘電体鏡を備えるセンサヘッド部と、このセンサヘッド部の出力に基づいて被測定電界を検出する信号処理部と、この信号処理部からの光を前記センサヘッド部に伝送して前記電気光学結晶の第１面に入射させると共に、前記電気光学結晶中を伝搬して前記誘電体鏡で反射された後に前記電気光学結晶中を入射経路と逆に伝搬して前記第１面から出射した光を前記信号処理部に伝送する偏波保持ファイバとを有する電界センサを用いて被測定電界を検出する電界検出方法であって、前記信号処理部の光源から出射した直線偏光を前記偏波保持ファイバに送出して前記センサヘッド部へ伝送させると共に、前記センサヘッド部から前記偏波保持ファイバにより伝送された光を光ファイバに送出する伝搬経路切替手順と、前記信号処理部の直線偏光生成器により、前記光ファイバによって伝送された光を予め設定された角度の偏波面を有する直線偏光に変換する直線偏光生成手順と、この直線偏光生成手順によって得られた出力光をＳ偏光とＰ偏光に分離する偏光分離手順と、前記Ｓ偏光を光電変換する第１の光検出手順と、前記Ｐ偏光を光電変換する第２の光検出手順と、前記第１の光検出手順の出力電気信号と前記第２の光検出手順の出力電気信号とを差動増幅する差動増幅手順と、この差動増幅手順の出力電気信号に基づいて被測定電界を検出する電気信号測定手順とを備え、前記電気光学結晶の第１面に入射する直線偏光の偏波面の角度は、前記電気光学結晶の２つの電気的主軸のうちいずれかの軸に対して略４５度をなし、前記直線偏光生成器の応答速度が、前記被測定電界の周波数の下限値よりも低くなるようにしたものである。
【００１５】
また、本発明の電界検出方法の１構成例は、前記直線偏光生成手順と前記偏光分離手順との間に、入射光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える１／４波長板によって前記直線偏光生成手順の出力光の偏光状態を調整する調整手順を備え、前記直線偏光生成器は、前記被測定電界が印加されていない状態において、出力光がＰ偏光またはＳ偏光となるように設定され、前記１／４波長板は、前記被測定電界が印加されていない状態において、スロー軸またはファスト軸が前記直線偏光生成器の出力光の偏波面に対して略４５度の角度をなし、かつ前記スロー軸またはファスト軸が光の進行方向に対して垂直となるように設定されるものである。
また、本発明の電界検出方法の１構成例は、前記直線偏光生成手順と前記偏光分離手順との間に、入射光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える１／４波長板によって前記直線偏光生成手順の出力光の偏光状態を調整する調整手順を備え、前記直線偏光生成器は、前記被測定電界が印加されていない状態において、出力光がＰ偏光の成分とＳ偏光の成分とを１体１の割合で含むように設定され、前記１／４波長板は、前記被測定電界が印加されていない状態において、スロー軸またはファスト軸が前記直線偏光生成器の出力光の偏波面に対して平行で、かつ前記スロー軸またはファスト軸が光の進行方向に対して垂直となるように設定されるものである。
また、本発明の電界検出方法の１構成例は、前記直線偏光生成手順と前記偏光分離手順との間に、入射光の独立な直線偏光成分に位相差９０度を与える１／４波長板と、入射光の独立な直線偏光成分に位相差１８０度を与える１／２波長板とによって前記直線偏光生成手順の出力光の偏光状態を調整する調整手順を備え、前記１／４波長板と前記１／２波長板のスロー軸およびファスト軸の角度は可変である。
【００１６】
また、本発明の電界検出方法の１構成例は、前記伝搬経路切替手順にサーキュレータを用いるようにしたものである。
また、本発明の電界検出方法の１構成例は、前記伝搬経路切替手順にカプラを用いるようにしたものである。
また、本発明の電界検出方法の１構成例は、前記伝搬経路切替手順にビームスプリッタを用いるようにしたものである。
また、本発明の電界検出方法の１構成例は、前記電気光学結晶の第１面および第２面と異なる第３面に金属プローブを取り付けるようにしたものである。
また、本発明の電界検出方法の１構成例は、前記誘電体鏡の表面に金属プローブを取り付けるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光源から出射した直線偏光を偏波保持ファイバによってセンサヘッド部の電気光学結晶まで伝送しているため、常に一定の偏光状態にある光を電気光学結晶に入射させることが可能である。さらに、電気光学結晶で偏光変調された光を光ファイバによって信号処理部に伝送するが、この光ファイバによって伝送された光を被測定電界の周波数の下限値よりも低い応答速度の直線偏光生成器によって直線偏光に変換することにより、光ファイバで伝送する際に偏光変調光に生じたランダムな偏光変化を自動的に補償することができる。したがって、センサヘッド部を動かすことにより光ファイバにかかる応力が変化して偏光変調光にランダムな偏光変化が加わったり、あるいは光ファイバの温度が変化して偏光変調光にランダムな偏光変化が加わったりしても、電界センサの検出感度の変化を抑制することが可能である。
【００１８】
また、伝搬経路切替手段を設けることにより、光源からの直線偏光とセンサヘッド部からの偏光変調光とを分離することができ、１本の偏波保持ファイバでセンサヘッド部と信号処理部とを接続することができる。
【００１９】
また、直線偏光生成器と偏光分離素子との間に１／４波長板を設け、直線偏光生成器を、被測定電界が印加されていない状態において出力光がＰ偏光またはＳ偏光となるように設定し、１／４波長板を、被測定電界が印加されていない状態においてスロー軸またはファスト軸が直線偏光生成器の出力光の偏波面に対して略４５度の角度をなし、かつスロー軸またはファスト軸が光の進行方向に対して垂直となるように設定することにより、偏光分離素子に入射する偏光変調光の偏光状態を、この偏光変調光がＰ偏光とＳ偏光に効率良く分離される状態にすることができ、電界センサの検出感度を最大にすることができる。
【００２０】
また、直線偏光生成器と偏光分離素子との間に１／４波長板を設け、直線偏光生成器を、被測定電界が印加されていない状態において出力光がＰ偏光の成分とＳ偏光の成分とを１体１の割合で含むように設定し、１／４波長板を、被測定電界が印加されていない状態においてスロー軸またはファスト軸が直線偏光生成器の出力光の偏波面に対して平行で、かつスロー軸またはファスト軸が光の進行方向に対して垂直となるように設定することにより、偏光分離素子に入射する偏光変調光の偏光状態を、この偏光変調光がＰ偏光とＳ偏光に効率良く分離される状態にすることができ、電界センサの検出感度を最大にすることができる。
【００２１】
また、直線偏光生成器と偏光分離素子との間に、１／４波長板と１／２波長板とを設け、１／４波長板と１／２波長板のスロー軸およびファスト軸の角度を可変とすることにより、被測定電界が印加されていない状態において直線偏光生成器が生成する直線偏光の偏波面がｘ軸と任意の角度をなしている場合においても、偏光分離素子に入射する偏光変調光の偏光状態を、この偏光変調光がＰ偏光とＳ偏光に効率良く分離される状態にすることができ、電界センサの検出感度を最大にすることができる。
【００２２】
また、電気光学結晶の第１面および第２面と異なる第３面に金属プローブを取り付けるか、あるいは誘電体鏡の表面に金属プローブを取り付けることにより、電子デバイス中を流れる電気信号を検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態となる電界センサの構成例を示すブロック図である。図１の電界センサは、電気光学結晶（以下、ＥＯ結晶とする）１０１を備えるセンサヘッド部１と、センサヘッド部１の出力に基づいて被測定電界を検出する信号処理部２と、信号処理部２からの光をセンサヘッド部１に伝送する偏波保持ファイバ（Polarization-maintaining fiber、以下、ＰＭＦと略する）３と、センサヘッド部１からの光を信号処理部２に伝送する光ファイバ４とからなる。
【００２４】
センサヘッド部１は、ＰＭＦ３から出射した光ビームを平行光に変換してＥＯ結晶１０１の第１面に入射させるレンズ１００と、ＥＯ結晶１０１と、ＥＯ結晶１０１中を伝搬してＥＯ結晶１０１の第１面と対向する第２面から出射した光を集光して光ファイバ４に入射させるレンズ１０２とを有する。
【００２５】
信号処理部２は、直線偏光を放射する光源２００と、光ファイバ４によって伝送された光を予め設定された角度の偏波面を有する直線偏光に変換する直線偏光生成器２０１と、直線偏光生成器２０１の出力光の偏光状態を調整する１／４波長板（Quarter-Wave Plate、以下、ＱＷＰと略する）２０２と、ＱＷＰ２０２を通過した光をＳ偏光とＰ偏光に分離する偏光分離素子となる偏光ビームスプリッタ（Polarizing-Beam Splitter、以下、ＰＢＳと略する）２０３と、ＰＢＳ２０３の２つの光出力を光電変換する光検出器（Photodetector 、以下、ＰＤと略する）２０４，２０５と、ＰＤ２０４と２０５の出力電気信号を差動増幅する差動増幅器２０６と、差動増幅器２０６の出力電気信号に基づいて被測定電界を検出する電気信号測定器２０７とを有する。
【００２６】
ＰＭＦ３のスロー（slow）軸またはファスト（fast）軸と偏波面が一致した直線偏光ビームは、ＰＭＦ３に多少の応力が加わったとしても、偏光状態が保たれたまま伝播する。これにより、光源２００を出射した直線偏光ビームは、ＰＭＦ３によって直線偏光のままセンサヘッド部１に伝送され、センサヘッド部１内のレンズ１００によって平行光に変換され、ＥＯ結晶１０１に入射する。
【００２７】
図２に、ＥＯ結晶１０１の電気的主軸α，βとＥＯ結晶１０１に入射する直線偏光の偏波面との関係を示す。ただし、本明細書を通して、ｘ−ｙ−ｚ系は右手系であり、光の進行方向（右手の親指と人差指と中指とを互いに直角にしたときの人差指の方向であり、図２では紙面の向こう側からこちら側への方向）をｚ軸、鉛直上向き（親指の方向）をｙ軸、水平方向（中指の方向）をｘ軸とする。図２に示したように、ＥＯ結晶１０１に入射する直線偏光の偏波面は、ＥＯ結晶１０１の電気的主軸αまたはβのいずれかに対して略４５度の角度に保たれている必要がある。直線偏光の偏波面とＥＯ結晶１０１の電気的主軸との角度が略４５度からずれると、電界センサの検出感度が低下する。
【００２８】
ＥＯ結晶１０１に被測定電界が印加されると、ＥＯ結晶１０１の複屈折率が変化する。このため、ＥＯ結晶１０１内を伝播する直線偏光は、被測定電界の強度に応じて偏光変調される。ＥＯ結晶１０１内で偏光変調された光は、レンズ１０２によって集光され、光ファイバ４に結合される。光ファイバ４は、必ずしもＰＭＦである必要はなく、通常のシングルモードファイバ（Single-mode fiber；SMF）やマルチモードファイバ（Multi-mode fiber；MMF ）でも良い。
【００２９】
そして、偏光変調光は、光ファイバ４によって信号処理部２の直線偏光生成器２０１へ伝送される。このとき、偏光変調光の偏光状態は、光ファイバ４内を伝搬するにつれて、光ファイバ４の温度変化や光ファイバ４に加わる応力によりランダムに変化する。直線偏光生成器２０１は、波長板などによって、任意の偏光状態の光を、ｘ軸に対して使用者が予め設定した任意の角度の偏波面を有する直線偏光に変換して出力するものである。また、直線偏光生成器２０１の応答速度は遅く、入力する光の偏光状態がゆっくり変化した場合には、常に直線偏光を出力し続けるが、入射する光の偏光状態が高速に変化した場合には、直線偏光を出力し続けることはない。
【００３０】
したがって、直線偏光生成器２０１は、光ファイバ４に加わった応力や光ファイバ４の温度変化に起因する、入射光のゆっくりとした偏光変化に対しては追従するが、被測定電界に起因する、入射光の高い周波数成分の偏光変化に対しては追従しない。直線偏光生成器２０１の応答周波数の上限は、被測定電界が有する周波数成分の下限値よりも低いことが必要である。通常は、直線偏光生成器２０１の応答周波数の上限は、１ｋＨｚ程度が適当である。
【００３１】
図１に示したように、直線偏光生成器２０１を透過した偏光変調光は、ＱＷＰ２０２を通過した後で、ＰＢＳ２０３によってＳ偏光とＰ偏光に分離される。ＰＢＳ２０３で反射する直線偏光成分をＳ偏光と呼び、ＰＢＳ２０３を透過する直線偏光成分をＰ偏光と呼ぶ。Ｓ偏光とＰ偏光を分離する面は任意であるが、一般にｘ−ｚ面内に分離することが多いので、本実施の形態でもｘ−ｚ面内に分離するものとして説明を進める。この場合、Ｓ偏光の偏波面はｙ軸に平行であり、Ｐ偏光の偏波面はｘ軸に平行となる。
【００３２】
本実施の形態では、被測定電界の無入力時に直線偏光生成器２０１が生成する直線偏光がＳ偏光またはＰ偏光になるように、直線偏光生成器２０１が設定されており、かつＱＷＰ２０２のスロー（slow）軸またはファスト（fast）軸はｘ軸と４５度の角度をなすように設定されている。
【００３３】
このような場合において、ＱＷＰ２０２を通過する前の偏光変調光の偏光状態を図３（ａ）〜図３（ｃ）に示し、ＱＷＰ２０２を通過した後の偏光変調光の偏光状態を図３（ｄ）〜図３（ｆ）に示す。ただし、図３では、例として、被測定電界の無入力時に直線偏光生成器２０１が生成する直線偏光をＳ偏光とし、ＱＷＰ２０２のスロー軸がｘ軸と４５度の角度をなすものとした。また、図３（ｆ）は、時刻ｔの関数として被測定電界Ａ（ｔ）を表したものであり、Ａ（ｔ0 ）＝０、Ａ（ｔ1 ）＞０、Ａ（ｔ2 ）＜０であることを表している。
【００３４】
図３（ａ）に示すように、Ａ（ｔ0 ）＝０のときには、直線偏光生成器２０１を出射した直後の偏光変調光はＳ偏光であり、ＱＷＰ２０２を通過すると、図３（ｄ）に示すように右回り円偏光に変換される。一方、Ａ（ｔ1 ）＞０のときには、直線偏光生成器２０１を出射した直後の偏光変調光は図３（ｂ）に示すようにｙ軸を長軸とした左回り楕円偏光であり、ＱＷＰ２０２を通過すると、図３（ｅ）に示すようにｘ軸を長軸とした右回り楕円偏光に変換される。そして、Ａ（ｔ2 ）＜０のときには、直線偏光生成器２０１を出射した直後の偏光変調光は図３（ｃ）に示すようにｙ軸を長軸とした右回り楕円偏光であり、ＱＷＰ２０２を通過すると、図３（ｆ）に示すようにｙ軸を長軸とした右回り楕円偏光に変換される。
【００３５】
ＰＢＳ２０３は、入射した偏光変調光をＰ偏光とＳ偏光に分離することにより、偏光変調光を被測定電界の振幅に応じて互いに逆相に変化する２つの強度変調光に変換する。ＰＢＳ２０３によって分離されたＳ偏光、Ｐ偏光は、それぞれＰＤ２０４，２０５によって光電変換される。差動増幅器２０６は、ＰＤ２０４，２０５の出力電気信号の差を求める。
【００３６】
Ｓ偏光、Ｐ偏光の偏波面がそれぞれｙ軸、ｘ軸に平行であることを考慮すると、ＰＤ２０４，２０５の出力電気信号Ｖ1（ｔ），Ｖ2（ｔ）は、それぞれ図４（ａ）、図４（ｂ）に示したとおりになる。ただし、図４（ａ）、図４（ｂ）において、電気信号の振幅を表す縦軸は規格化されており、ＰＢＳ２０３に円偏光が入射したときにＰＤ２０４，２０５が出力する電気信号Ｖ1（ｔ），Ｖ2（ｔ）の電圧を０．５とした。図１に示した差動増幅器２０６は、ΔＶ（ｔ）≡Ｖ1（ｔ）−Ｖ2（ｔ）を出力するので、差動増幅器２０６の出力電気信号ΔＶ（ｔ）は、図４（ｃ）のようになる。また、図４（ｄ）に、被測定電界Ａ（ｔ）の波形を示す。
【００３７】
差動増幅器２０６の出力電気信号ΔＶ（ｔ）は、被測定電界Ａ（ｔ）に比例した信号であるので、この出力電気信号ΔＶ（ｔ）を検出することは、被測定電界Ａ（ｔ）を検出することと等価である。したがって、電気信号ΔＶ（ｔ）から抽出したい情報に応じて、適当な電気信号測定器２０７により電気信号ΔＶ（ｔ）を検出すればよい。電気信号測定器２０７としては、用途に応じて、スペクトラムアナライザ、オシロスコープ、ロックインアンプなどを使い分ければよい。被測定電界Ａ（ｔ）の振幅に関する情報のみを得るのであれば、スペクトラムアナライザが便利である。被測定電界Ａ（ｔ）の振幅だけでなく位相の情報も得る必要があるのであれば、オシロスコープやロックインアンプを使うのが便利である。
【００３８】
本実施の形態によれば、光源２００から出射した直線偏光をＰＭＦ３によってセンサヘッド部１のＥＯ結晶１０１まで伝送しているため、常に一定の偏光状態にある光をＥＯ結晶１０１に入射させることが可能である。さらに、ＥＯ結晶１０１で偏光変調された光を光ファイバ４によって信号処理部２に伝送するが、この光ファイバ４によって伝送された光を被測定電界の周波数の下限値よりも低い応答速度の直線偏光生成器２０１によって直線偏光に変換することにより、光ファイバ４で伝送する際に偏光変調光に生じたランダムな偏光変化を自動的に補償することができる。
【００３９】
また、被測定電界が印加されていない状態において、スロー軸またはファスト軸が直線偏光生成器２０１の出力光の偏波面に対して略４５度の角度をなし、かつスロー軸またはファスト軸が光の進行方向に対して垂直となるように、ＱＷＰ２０２を設定することにより、ＰＢＳ２０３に入射する偏光変調光の偏光状態を、この偏光変調光がＰ偏光とＳ偏光に効率良く分離される状態にすることができ、電界センサの検出感度を最大にすることができる。
【００４０】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。本実施の形態においても、電界センサの構成は図１に示した第１の実施の形態の構成と同じなので、図１の符号を用いて説明する。本実施の形態では、被測定電界の無入力時に直線偏光生成器２０１が生成する直線偏光の偏波面がｘ軸と４５度の角度をなすように設定されており、かつＱＷＰ２０２のスロー軸またはファスト軸がｘ軸と４５度の角度をなすように設定されている点で、第１の実施の形態と異なる。
【００４１】
図３と同様に、本実施の形態においてＱＷＰ２０２を通過する前の偏光変調光の偏光状態を図５（ａ）〜図５（ｃ）に示し、ＱＷＰ２０２を通過した後の偏光変調光の偏光状態を図５（ｄ）〜図５（ｆ）に示す。図３（ｆ）と同様に、図５（ｆ）は時刻ｔの関数として被測定電界Ａ（ｔ）を表したものである。
【００４２】
Ａ（ｔ0 ）＝０のときには、ＱＷＰ２０２を通過する前後の偏光変調光は、図５（ａ）、図５（ｄ）に示すように偏波面がｘ軸と４５度の角度をなす直線偏光である。一方、Ａ（ｔ1 ）＞０のときには、直線偏光生成器２０１を出射した直後の偏光変調光は図５（ｂ）に示すようにＱＷＰ２０２のスロー軸を長軸とした左回り楕円偏光であり、ＱＷＰ２０２を通過すると、図５（ｅ）に示すように直線偏光に変換される。そして、Ａ（ｔ2 ）＜０のときには、直線偏光生成器２０１を出射した直後の偏光変調光は図５（ｃ）に示すようにＱＷＰ２０２のスロー軸を長軸とした右回り楕円偏光であり、ＱＷＰ２０２を通過すると、図５（ｆ）に示すように直線偏光に変換される。
【００４３】
その結果、ＰＤ２０４，２０５の出力電気信号Ｖ1（ｔ），Ｖ2（ｔ）、差動増幅器２０６の出力電気信号ΔＶ（ｔ）は、それぞれ図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）のようになる。図４（ｄ）と同様に、図６（ｄ）に被測定電界Ａ（ｔ）の波形を示す。第１の実施の形態と同様に、電気信号測定器２０７によって差動増幅器２０６の出力電気信号ΔＶ（ｔ）を検出することにより、被測定電界Ａ（ｔ）を検出することができる。
【００４４】
本実施の形態によれば、被測定電界が印加されていない状態において、スロー軸またはファスト軸が直線偏光生成器２０１の出力光の偏波面に対して平行で、かつスロー軸またはファスト軸が光の進行方向に対して垂直となるように、ＱＷＰ２０２を設定することにより、電界センサの検出感度を最大にすることができる。
【００４５】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図７は、本発明の第３の実施の形態となる電界センサの構成例を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。図７の電界センサは、センサヘッド部１と、信号処理部２ａと、ＰＭＦ３と、光ファイバ４とからなる。本実施の形態の信号処理部２ａにおいては、直線偏光生成器２０１とＱＷＰ２０２との間に、１／２波長板（Half-Wave Plate 、以下、ＨＷＰと略する）２０８を挿入している。
【００４６】
本実施の形態は、被測定電界の無入力時に直線偏光生成器２０１が生成する直線偏光の偏波面がｘ軸と任意の角度を有している場合に有効である。何故ならば、ＨＷＰ２０８のスロー軸またはファスト軸とｘ軸がなす角度を調整することにより、ＨＷＰ２０８に入射する光の偏光状態を、光の進行方向に垂直な面内で任意に回転させるという機能をＨＷＰ２０８が有するからである。
【００４７】
したがって、ＱＷＰ２０２の角度に応じてＨＷＰ２０８の角度を適当に調整することにより、被測定電界の無入力時に直線偏光生成器２０１が生成する直線偏光の偏波面がｘ軸と任意の角度をなしている場合においても、ＰＢＳ２０３に入射する偏光変調光の偏光状態を図３（ｄ）〜図３（ｆ）に示した状態または図５（ｄ）〜図５（ｆ）に示した状態に持ち込むことが可能になり、電界センサの検出感度を最大にすることができる。なお、図７の例では、直線偏光生成器２０１を出射した光はＨＷＰ２０８を通過した後にＱＷＰ２０２に入射するようになっているが、ＨＷＰ２０８とＱＷＰ２０２の配置順を入れ替えてもよい。
【００４８】
［第４の実施の形態］
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。図８は、本発明の第４の実施の形態となる電界センサの構成例を示すブロック図であり、図１と同一の構成には同一の符号を付してある。図８の電界センサは、センサヘッド部１ａと、信号処理部２ｂと、センサヘッド部１ａと信号処理部２ｂとを接続するＰＭＦ５とからなる。
【００４９】
センサヘッド部１ａは、ＥＯ結晶１０１と、ＰＭＦ５から出射した光ビームを平行光に変換してＥＯ結晶１０１の第１面に入射させると共に、ＥＯ結晶１０１の第１面から出射した光を集光してＰＭＦ５に入射させるレンズ１０３と、ＥＯ結晶１０１の第１面と対向する第２面に形成された誘電体鏡１０４とを有する。
【００５０】
信号処理部２ｂは、光源２００と、直線偏光生成器２０１と、ＱＷＰ２０２と、ＰＢＳ２０３と、ＰＤ２０４，２０５と、差動増幅器２０６と、電気信号測定器２０７と、光源２００から出射した直線偏光ビームを伝送するＰＭＦ２０９と、ＰＭＦ５からの光とＰＭＦ２０９からの光とを分離する伝搬経路切替手段となるサーキュレータ２１０と、サーキュレータ２１０から出射した光を直線偏光生成器２０１に導く光ファイバ２１１とを有する。
【００５１】
光源２００を出射した直線偏光ビームは、ＰＭＦ２０９によってサーキュレータ２１０に伝送され、サーキュレータ２１０を透過後、ＰＭＦ５によってセンサヘッド部１ａに伝送される。サーキュレータ２１０は、端子Ｐ１に入射した光ビームを端子Ｐ２から出力し、端子Ｐ２に入射した光ビームを端子Ｐ３から出力する機能を有するデバイスである。また、このサーキュレータ２１０は、入力された直線偏光ビームの偏光状態を変えずに出力するものである。
【００５２】
センサヘッド部１ａに到達した直線偏光は、レンズ１０３によって平行光に変換され、図２に示した関係を保ってＥＯ結晶１０１に入射する。ＥＯ結晶１０１の一端には、誘電体鏡１０４が形成されている。この誘電体鏡１０４は、光を反射し、かつ被測定電界を透過させる性質を有する。したがって、ＥＯ結晶１０１内で被測定電界によって偏光変調された光は、誘電体鏡１０４で反射された後、ＥＯ結晶１０１内を逆方向に伝搬して、レンズ１０３によって集光され、再びＰＭＦ５に入射する。
【００５３】
ＰＭＦ５からサーキュレータ２１０の端子Ｐ２に入射した偏光変調光は、端子Ｐ３に出力され、光ファイバ２１１によって直線偏光生成器２０１に伝送される。サーキュレータ２１０と直線偏光生成器２０１とを結ぶ光ファイバ２１１は、必ずしもＰＭＦである必要はなく、通常のＳＭＦやＭＭＦでも良い。
直線偏光生成器２０１、ＱＷＰ２０２、ＰＢＳ２０３、ＰＤ２０４，２０５、差動増幅器２０６および電気信号測定器２０７の動作は第１の実施の形態と同じである。こうして、本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５４】
［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。図９は、本発明の第５の実施の形態となる電界センサの構成例を示すブロック図であり、図１、図８と同一の構成には同一の符号を付してある。図９の電界センサは、センサヘッド部１ａと、信号処理部２ｃと、ＰＭＦ５とからなる。
【００５５】
本実施の形態では、第４の実施の形態におけるサーキュレータ２１０の代わりに、伝搬経路切替手段としてカプラ２１２を用いる。図９に示したカプラ２１２は、端子Ｐ１に入射した光の一部を端子Ｐ２から出射し、端子Ｐ２に入射した光を端子Ｐ３と端子Ｐ１とに分割して出射するデバイスである。
【００５６】
したがって、端子Ｐ２に入射した偏光変調光は、端子Ｐ３から出射して光ファイバ２１１により直線偏光生成器２０１に伝送されるとともに、端子Ｐ１から出射して光源２００に再入射し、光源２００の動作を不安定にさせる恐れがある。そこで、光源２００の方向から入射する光を透過させ、カプラ２１２の方向から入射する光を遮断するアイソレータ２１３を、光源２００とカプラ２１２との間に挿入している。これにより、カプラ２１２から出射した光が光源２００に再入射して光源２００の動作が不安定になることを回避することができる。
【００５７】
［第６の実施の形態］
次に、本発明の第６の実施の形態について説明する。図１０は、本発明の第６の実施の形態となる電界センサの構成例を示すブロック図であり、図１、図８、図９と同一の構成には同一の符号を付してある。図１０の電界センサは、センサヘッド部１ａと、信号処理部２ｄと、ＰＭＦ５とからなる。
【００５８】
信号処理部２ｄは、光源２００と、直線偏光生成器２０１と、ＱＷＰ２０２と、ＰＢＳ２０３と、ＰＤ２０４，２０５と、差動増幅器２０６と、電気信号測定器２０７と、光源２００の方向から入射する光を透過させ、後述するビームスプリッタの方向から入射する光を遮断するアイソレータ２１４と、伝搬経路切替手段となるビームスプリッタ（Beam Splitter 、以下、ＢＳと略する）２１５と、ＢＳ２１５を出射した光を集光してＰＭＦ５に入射させるレンズ２１６と、ＢＳ２１５で反射した光を吸収する吸収体２１７とを有する。
【００５９】
本実施の形態の構成は、信号処理部２ｄにおける光の伝送に光ファイバを用いていない点を除けば、第４の実施の形態または第５の実施の形態と同じである。光源２００からは、直線偏光が空間に放射され、アイソレータ２１４を経由して、その一部はＢＳ２１５を透過し、一部は反射する。このとき、ＢＳ２１５で反射された光は不要であるので、吸収体２１７を使って再び測定系に戻らないようにする。
【００６０】
ＢＳ２１５を透過した直線偏光は、レンズ２１６によってＰＭＦ５に結合され、センサヘッド部１ａに伝送される。ＥＯ結晶１０１中で被測定電界によって偏光変調された光は、再びＰＭＦ５によって信号処理部２ｄに伝送され、ＢＳ２１５に入射する。ＢＳ２１５を透過した偏光変調光は、アイソレータ２１４で遮断されるので、光源２００に戻ることはない。ＢＳ２１５で反射した偏光変調光は、直線偏光生成器２０１に入射する。直線偏光生成器２０１、ＱＷＰ２０２、ＰＢＳ２０３、ＰＤ２０４，２０５、差動増幅器２０６および電気信号測定器２０７の動作は第１の実施の形態と同じである。こうして、本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６１】
［第７の実施の形態］
次に、本発明の第７の実施の形態について説明する。図１１（ａ）、図１１（ｂ）は、本発明の第７の実施の形態となる電界センサのセンサヘッド部の構成例を示すブロック図である。第１の実施の形態〜第６の実施の形態の電界センサは、空間を伝播する電磁波を検出したり、電子デバイス近傍の電界を非接触に検出したりするためのものであるが、本実施の形態の電界センサは、金属プローブを電子デバイスに接触させることにより、電子デバイス中を流れる電気信号を検出するものである。
【００６２】
図１１（ａ）は、図１、図７のセンサヘッド部１の変形例を示し、図１１（ｂ）は、図８〜図１０のセンサヘッド部１ａの変形例を示している。すなわち、センサヘッド部１のＥＯ結晶１０１の第１面および第２面と異なる第３面（図１では左側面）には金属プローブ６が接着され（図１１（ａ））、同様に、センサヘッド部１ａの誘電体鏡１０４の表面には、金属プローブ６が接着されている。
【００６３】
金属プローブ６を電子デバイス等の被測定物に接触させると、金属プローブ６の電位は被測定物の接触部位の電位と等しくなる。したがって、金属プローブ６からは、被測定物中の電気信号に応じて電界が発生する。このとき、金属プローブ６と接触しているＥＯ結晶中１０１（図１１（ｂ）の場合には誘電体鏡１０４を介して金属プローブ６と接触しているＥＯ結晶１０１）にも電界が発生するので、ＥＯ結晶１０１に入射した光を偏光変調することが可能になる。これにより、本実施の形態では、電子デバイス中を流れる電気信号を検出することができる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の電界センサは、空間を伝搬する電磁波の検出や電子デバイス近傍の電界の検出、あるいは電子デバイス中を流れる電気信号の検出に適している。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第１の実施の形態となる電界センサの構成例を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態において電気光学結晶に入射する直線偏光の偏波面と電気光学結晶の電気的主軸との関係を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態において１／４波長板を通過する前後の偏光変調光の偏光状態を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態における光検出器および差動増幅器の出力電気信号を示す波形図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態において１／４波長板を通過する前後の偏光変調光の偏光状態を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態における光検出器および差動増幅器の出力電気信号を示す波形図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態となる電界センサの構成例を示すブロック図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態となる電界センサの構成例を示すブロック図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態となる電界センサの構成例を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第６の実施の形態となる電界センサの構成例を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第７の実施の形態となる電界センサのセンサヘッド部の構成例を示すブロック図である。
【図１２】従来の電界センサの１構成例を示すブロック図である。
【図１３】従来の電界センサの他の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００６６】
１、１ａ…センサヘッド部、２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ…信号処理部、３、５…偏波保持ファイバ、４…光ファイバ、６…金属プローブ、１００、１０２、１０３…レンズ、１０１…ＥＯ結晶、１０４…誘電体鏡、２００…光源、２０１…直線偏光生成器、２０２…１／４波長板、２０３…偏光ビームスプリッタ、２０４、２０５…光検出器、２０６…差動増幅器、２０７…電気信号測定器、２０８…１／２波長板、２０９…偏波保持ファイバ、２１０…サーキュレータ、２１１…光ファイバ、２１２…カプラ、２１３…アイソレータ、２１４…アイソレータ、２１５…ビームスプリッタ、２１６…レンズ、２１７…吸収体。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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