(57)【要約】 【課題】  小型のセンサヘッド部を有し、かつ高感度が得られ、広い範囲で応用が可能な高感度３軸光電界センサを提供すること。【解決手段】  信号用光源１２の光はシングルモード光ファイバ２３、光サーキュレータ１３、第１の光スイッチ１４、および伝送シングルモード光ファイバ１５を経て、アンテナに増幅器を介して接続された反射型光変調器、前記増幅器に電力を供給する光電変換器を有する１軸センサヘッド３個からなる３軸センサヘッド１１の中の１つの１軸センサヘッドに入射し、被測定電界による強度変調を受けて、行きと同じ経路を戻り、光サーキュレータ１３を経てＯ／Ｅ変換器１６に入射し、電気信号に変換される。一方、電力用光源１７の光はマルチモード光ファイバ２４、第２の光スイッチ１８、および伝送マルチモード光ファイバ１９を経て、被測定電界を検出している１軸センサヘッドの光電変換器に入射してその増幅器に電力を供給する。【選択図】  図１
2007078633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに異なる方位の電界成分に感度を有する３つのアンテナと、それらのアンテナにそれぞれ接続された３つの電気的な増幅器と、それらのそれぞれの増幅器からの電圧により入射光に対してそれぞれ強度変調を与える３つの反射型光変調器と、前記増幅器のそれぞれに電力を供給するための３つの光電変換器とからなる３軸センサヘッドと、無変調光を発生する信号用光源と、この信号用光源からの無変調光が入射する光サーキュレータと、この光サーキュレータからの出射光の光路を切替える少なくとも３つの出力ポートを持つ第一の光スイッチと、その第一の光スイッチの各ポートの出力光を前記反射型光変調器に導くための３つの信号用の光ファイバと、前記反射型光変調器から前記信号用の光ファイバ、前記第一の光スイッチ、前記光サーキュレータを介して戻ってきた前記強度変調を与えられた出力光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、前記光電変換器に光を供給するための電力用光源と、その電力用光源からの光を前記それぞれの光電変換器に導くための３つの電力用の光ファイバと、前記電力用光源から出射された光を上記３つの電力用の光ファイバに切り替えるための第二の光スイッチを備えたことを特徴とする高感度３軸光電界センサ。
【請求項２】
前記第一の光スイッチと第二のスイッチは、一つの反射型光変調器及びそれに接続された増幅器に電力を供給する光電変換器に対して同時にそれぞれ信号用光源からの無変調光および電力用光源からの光を与えるように選択する機能を持つことを特徴とする請求項１に記載の高感度３軸光電界センサ。
【請求項３】
前記信号用光源は、発振周波数がわずかに異なり、互いに直交する２つの直線偏波を合波して出力するレーザ光源であることを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載の高感度３軸光電界センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主として、干渉型光導波路による光変調器を用いて電界の測定を行う光電界センサに係り、特に、Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向の電界の測定に好適な高感度３軸光電界センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気光学効果を利用した干渉型光導波路による光変調器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】
Ｘ、Ｙ、Ｚの３軸方向の電界を測定できる光電界センサの従来例を図５、図６、図７に従い説明する。これは、特許文献１および特許文献２に示されている。
【０００４】
図５は、従来の３軸光電界センサの３軸センサヘッドの構成要素である１軸センサヘッドの構造を示す平面図である。
【０００５】
図５を参照すれば、１軸方向の電界測定用の光電界センサのセンサヘッド部は、一端側に反射ミラー５１が設けられたＬｉＮｂＯ3結晶から成るＬｉＮｂＯ3結晶基板５７上に他端側から一端側に向かって入出射光導波路５８より分岐された２本の分岐光導波路５９ａ，５９ｂが反射ミラー５１に結合されるように設けられると共に、ＬｉＮｂＯ3結晶基板５７における他端側の入出射光導波路５８には、光ファイバ５２が結合され、分岐光導波路５９ａを挟む所定の箇所には、電界を検出するアンテナの役割をする４対の対向する金属電極５３が設置されて、反射型光変調器とアンテナが一体となって構成されている。
【０００６】
上記金属電極５３は、三角形の金属膜の組み合わせにより形成され、矢印で示す方向（光導波路に対し５４．７度の方向）の電界によって誘起された電圧を分岐光導波路５９ａに印加するように、そのパターンが決められる。
【０００７】
この動作は、光ファイバ５２から入射した光がＬｉＮｂＯ3結晶基板５７上の入出射光導波路５８を経て２本の分岐光導波路５９ａ，５９ｂに分岐され、このとき一方の分岐光導波路５９ａには金属電極５３により電界が印加されて屈折率の変化が生じるが、他方の分岐光導波路５９ｂには電界による屈折率の変化は無く、何れの分岐光導波路５９ａ，５９ｂを伝播する光も反射ミラー５１で反射された後、分岐光導波路５９ａ，５９ｂを逆方向に伝播して再び入出射光導波路５８で合波される。この合波に際して、２つの光路の屈折率の差異により生じる位相差のため干渉が生じ、合波後の光強度は変調され、この後この変調光は光ファイバ５２に結合して出射する。
【０００８】
ここで、上記光導波路がＴＥモードまたはＴＭモードのいずれか一方の強度変調を与える伝搬モードのみしか導波しない場合には、光ファイバ５２はシングルモード光ファイバをそのまま使用できる。両者の伝搬モードを導波する場合には、入射側に偏光分離器が必要となり、光ファイバ５２には偏光保存光ファイバが使用される。
【０００９】
図６は、上記の１軸のセンサヘッド３個を正三角柱の支持部材に実装した３軸電界測定用光電界センサの３軸センサヘッドの断面図を示す。図６に示すように、正三角柱の支持部材６３の側面に、上記と同様な３つの反射型光変調器６４、６５、６６をそれぞれの光導波路方向が図６の紙面に垂直になるように配置する。
【００１０】
これにより、上記３つの反射型光変調器の金属電極の方向は互いに直交し、その直交３軸方向の被測定電界成分によってそれぞれのアンテナすなわち金属電極に誘起された電圧によって反射型光変調器への入射光は変調される。
【００１１】
図７は、従来の３軸光電界センサ装置全体の構成を示し、互いに直交する２つの直線偏波からなる光源７３から出射した光は、シングルモード光ファイバ７８、光サーキュレータ７４、光スイッチ７５、および伝送シングルモード光ファイバ７６を経て、３軸センサヘッド７０の１つの反射型光変調器に入射し、被測定電界による強度変調を受けて、再び、伝送シングルモード光ファイバ７６に入射する。その後、変調された光は光スイッチ７５、光サーキュレータ７４を経て、Ｏ／Ｅ変換器７７に入射し、電気信号に変換される。光スイッチ７５により光変調器を選択することにより、直交する３軸方向の電界を順次測定することができる。
【００１２】
【特許文献１】特開２００２−２５７８８４号公報
【特許文献２】特開２００４−２１２１３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
３軸光電界センサは、通常、狭い領域での電界や被測定物に近接した領域での電界の検出に利用されるので、センサヘッド部分には小型化が要求される。そこで、上記従来例のように、ＬｉＮｂＯ3結晶基板上に設置した金属電極パターンをアンテナとしている。このような場合、上述のようにアンテナ長が制限されるので電界によりアンテナに誘起される電圧は非常に小さく、検出感度は非常に小さくなってしまう。そこで、従来の３軸光電界センサは電界強度が大きい場合の計測用途に限られており、適用領域が大幅に制限されていた。
【００１４】
そこで、本発明は、小型のセンサヘッド部を有し、かつ高感度が得られ、広い範囲で応用が可能な高感度３軸光電界センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明の高感度３軸光電界センサでは、互いに異なる方位の電界成分に感度を有する３つのアンテナと、それらのアンテナにそれぞれ接続された３つの電気的な増幅器と、それらのそれぞれの増幅器からの電圧により入射光に対してそれぞれ強度変調を与える３つの反射型光変調器と、前記増幅器のそれぞれに電力を供給するための３つの光電変換器とからなる３軸センサヘッドと、無変調光を発生する信号用光源と、この信号用光源からの無変調光が入射する光サーキュレータと、この光サーキュレータからの出射光の光路を切替える少なくとも３つの出力ポートを持つ第一の光スイッチと、その第一の光スイッチの各ポートの出力光を前記反射型光変調器に導くための３つの信号用の光ファイバと、前記反射型光変調器から前記信号用の光ファイバ、前記第一の光スイッチ、前記光サーキュレータを介して戻ってきた前記強度変調を与えられた出力光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、前記光電変換器に光を供給するための電力用光源と、その電力用光源からの光を前記それぞれの光電変換器に導くための３つの電力用の光ファイバと、前記電力用光源から出射された光を上記３つの電力用の光ファイバに切り替えるための第二の光スイッチを備えている。
【００１６】
また、前記第一の光スイッチと第二のスイッチは、一つの反射型光変調器及びそれに接続された増幅器に電力を供給する光電変換器に対して同時にそれぞれ信号用光源からの無変調光および電力用光源からの光を与えるように選択する機能を持つことが望ましい。
【００１７】
また、前記信号用光源は、発振周波数がわずかに異なり、互いに直交する２つの直線偏波を合波して出力するレーザ光源であってもよい。
【発明の効果】
【００１８】
上述の構成により、本発明によれば、小型のセンサヘッド部を有し、かつ高感度が得られ、広い範囲で応用が可能な高感度３軸光電界センサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、図１〜図４に基づいて、本発明の実施の形態について説明する。
【００２０】
図２は、本発明の高感度３軸光電界センサの一実施の形態における３軸センサヘッド部の外観斜視図である。２２は信号用の３本の光ファイバと電力用の３本の光ファイバの束、２１は非金属の保持ロッド、２０は３軸センサヘッドである。
【００２１】
この３軸センサヘッドの大きさはφ５０×７０ｍｍであり、３軸方向の電界を測定するため、３つのアンテナロッド、３つの電気的な増幅器、３つの光電変換器、３つの反射型光変調器が収められている。
【００２２】
上記３軸センサヘッド２０を上面から見たときの断面図を図３に示す。正三角形の断面を有する三角柱の支持部材３１の３つの側面にｘ軸方向の電界を測定する１軸センサヘッド３２、ｙ軸方向の電界を測定する１軸センサヘッド３３、ｚ軸方向の電界を測定する１軸センサヘッド３４がそれぞれ配置されている。それぞれの１軸センサヘッドには、それぞれの方向の電界に対応したアンテナロッド３５、電気的な増幅器３７、光電変換器３８、反射型光変調器３６がそれぞれ配置されている。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。
【００２３】
ここで用いる１軸センサヘッドの構成の概略図を図４に示す。上述の図５の従来のセンサヘッドと同様に、反射型光変調器３６はＬｉＮｂＯ3結晶基板４１上に作製されたＴｉ拡散光導波路からなる入出射光導波路４２、２本の分岐光導波路４３、その一方の分岐光導波路を挟んで設けられた金属電極４４、反射ミラー４５よりなり、入出射光導波路４２の入射端には光ファイバ４６が結合している。
【００２４】
アンテナロッド３５は、反射型光変調器３６の外部に設置され、そこに誘起された電圧は電気的な増幅器３７により増幅され、上記金属電極４４に印加される。電気的な増幅器３７は電力用光ファイバ３９によって電力光を供給された光電変換器３８から誘起される電圧により駆動される。
【００２５】
なお、図４は、センサヘッドの構成、動作を説明するため、アンテナロッド３５、増幅器３７、光電変換器３８、反射型光変調器３６は、それらの大きさ、配置などは模式的に示しているが、実際には電界の検出に与える影響を少なくするために、図３に示すように正三角柱の支持部材３１の３つの側面にコンパクトに実装されている。
【００２６】
本実施の形態では、支持部材３１の断面形状は正三角形で各アンテナロッドの角度は図５と同様な向きに５４．７度となっているが、本発明では、アンテナロッドは反射型光変調器とは分離されているため、その方向は支持部材の形状との組み合わせで互いに直交すればよく、支持部材の形状、アンテナロッドの角度は上記にはとらわれない。例えば、支持部材の断面形状を直角三角形、アンテナロッドの向きを反射型光変調器の光導波路方向と上記直角三角形の直角を挟む２辺の方向とすることができる。
【００２７】
また、金属電極４４は２本の分岐光導波路４３の両方にプッシュプルに電圧が印加されるような形状でも良く、また、広帯域の感度特性を得るためには分割電極構成としても良い。
【００２８】
次に、図１を参照して、本実施形態の高感度３軸光電界センサについて説明する。１１は本実施の形態の３軸センサヘッド、１２は互いに直交する２つの直線偏波を出力する信号用光源、１３は光サーキュレータ、１４は第１の光スイッチ、１５は信号伝送用の伝送シングルモード光ファイバ、１６はフォトダイオードとアンプからなるＯ／Ｅ変換器である。一方、１７は電力用光源、１８は第２の光スイッチ、１９は電力伝送用の伝送マルチモード光ファイバである。
【００２９】
次に、この電界センサの動作について説明する。信号用光源１２から出射した互いに直交する２つの直線偏波の光は、シングルモード光ファイバ２３、光サーキュレータ１３、第１の光スイッチ１４、および伝送シングルモード光ファイバ１５を経て、３軸センサヘッド１１の中の１つの１軸センサヘッドに入射し、被測定電界による強度変調を受けて、再び、伝送シングルモード光ファイバ１５に入射する。その後、変調された光は第１の光スイッチ１４、光サーキュレータ１３を経て、Ｏ／Ｅ変換器１６に入射し、電気信号に変換される。一方、電力用光源１７からから出射した光はマルチモード光ファイバ２４を経て、第２の光スイッチ１８、および伝送マルチモード光ファイバ１９を経て、３軸センサヘッド１１に入射し、被測定電界を検出している１軸センサヘッドの光電変換器に入射して電力を生成し、その増幅器に電力を供給する。
【００３０】
他の２軸方向に対しては、第１および第２の光スイッチ１４、１８により光路を切り替えることにより第１の軸方向と同様に動作する。
【００３１】
このような構成により、本実施の形態の高感度３軸光電界センサは、第１の光スイッチ及び第２の光スイッチのスイッチングによる軸の選択により３軸方向の電界をそれぞれ測定することが可能となる。
【００３２】
なお、高感度を得るための電気的な増幅器への電力の供給をより簡単に行うためには、１つの光電変換器によりまとめて３つの増幅器への給電を行う方法が考えられ、この場合には電力用光ファイバは１本で良く、また第２の光スイッチも不要となる。また、第２の光スイッチの代わりに光を３分岐する光カップラの使用も考えられる。
【００３３】
しかし、これらの場合には、１つの軸の電界の測定を行うときに他のアンテナに誘起された電圧が増幅されているため、被測定軸の電界検出に大きな影響を与えることが実験的に明らかとなった。そこで本発明では電力供給用の光電変換器を各３軸で分離し、被測定軸以外ではアンテナで誘起された電圧が増幅されるのを防ぐことを可能とすることにより上記干渉を防止している。
【００３４】
以上のように、従来の３軸光電界センサが電磁ノイズに対する装置の耐性試験、即ち、イミュニティ試験などの場合のように、強電界を測定する用途に応用が限られていたのに比べ、本発明により得られた小型のセンサヘッド部を有し、かつ高感度を有する高感度３軸光電界センサは、従来に比べて２０ｄＢ以上の感度改善が得られるもので、装置などが放出するノイズの測定、即ち、エミッション測定用途などにも使用することができ、広い範囲で応用が可能となる。
【００３５】
本発明の高感度３軸光電界センサにおいては、互いに直交する２つの直線偏波を出力する光源を用いることにより光変調器の偏波依存性を解消することができ、それに伴い、光スイッチング方式、光伝送路の偏波無依存化が可能となり汎用部品の使用、ほぼ１軸センサと同様な部品構成が可能となり実用性の高い装置が実現できる。
【００３６】
上述の２つの光源の発信周波数差は、それにより発生するビートノイズが測定周波数領域に影響を及ぼさないように、測定周波数の上限の２倍程度以上の値、例えば、測定周波数が３ＧＨｚの場合は、６ＧＨｚ程度以上に設定される。
【００３７】
また、部品の共通化のため、電力供給用の光ファイバとしてもシングルモード光ファイバを用いることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の一実施の形態における高感度３軸光電界センサの構成を示す図。
【図２】本発明の一実施の形態における３軸センサヘッドの外観斜視図。
【図３】本発明の一実施の形態における３軸センサヘッドを上面から見たときの断面図。
【図４】本発明の一実施の形態における３軸センサヘッドの構成要素である１軸センサヘッドの構成を示す図。
【図５】従来の３軸光電界センサの３軸センサヘッドの構成要素である１軸センサヘッドの構造を示す平面図。
【図６】従来の３軸光電界センサの３軸センサヘッドを上面から見たときの断面図。
【図７】従来の３軸光電界センサの構成を示す図。
【符号の説明】
【００３９】
１１    ３軸センサヘッド
１２    信号用光源
１７    電力用光源
１３，７４    光サーキュレータ
１４    第１の光スイッチ
１８    第２の光スイッチ
１５，７６    伝送シングルモード光ファイバ
２３，７８    シングルモード光ファイバ
２４    マルチモード光ファイバ
１９    伝送マルチモード光ファイバ
１６，７７    Ｏ／Ｅ変換器
２０，７０    ３軸センサヘッド
２１    非金属保持ロッド
２２    信号用の３本の光ファイバと電力用の３本の光ファイバの束
３１，６３    支持部材
３２    ｘ軸方向の電界を測定する１軸センサヘッド
３３    ｙ軸方向の電界を測定する１軸センサヘッド
３４    ｚ軸方向の電界を測定する１軸センサヘッド
３５    アンテナロッド
３６，６４，６５，６６    反射型光変調器
３７    電気的な増幅器
３８    光電変換器
４６，５２    光ファイバ
３９    電力用光ファイバ
４１，５７    ＬｉＮｂＯ3結晶基板
４２，５８    入出射光導波路
４３，５９ａ，５９ｂ    分岐光導波路
４４，５３    金属電極
４５，５１    反射ミラー
【図１】
2007078633.tif 000003
【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】
2007078633.tif 000008
【図７】
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