(57)【要約】      （修正有）【課題】バイアス調整を行わない状態で使用しても、動作点のズレに伴う感度特性のばらつきが発生しない電界センサを提供する。【解決手段】長さが異なる１対の光導波路と、１対の光導波路の光入射側と光出射側とのそれぞれに接続された２つの３ｄＢ光カプラと、２つの３ｄＢ光カプラのそれぞれに接続された光入力ポートおよび光出力ポートと、一方の光導波路に設けられた電気線路を有するＭＺ干渉回路と、１対の導波路に光を入力する光入力手段と、ＭＺ干渉回路の電気線路に入力するＲＦ信号受信手段と、ＭＺ干渉回路から出力された光出力を検出する光検出手段と、光入力手段からＭＺ干渉回路に入力する光を決定した波長に調整する調整手段とを備え、受信したＲＦ信号を電気光学効果を起こすことより１対の光導波路の出射光の位相差に変化を与え、光検出器は、１対の光導波路から出射された光の位相差を検出することにより、ＲＦ信号の出力を測定する。【選択図】図３
2012112886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに長さが異なる１対の光導波路と、該１対の光導波路の光入射側と光出射側とのそれぞれに接続された２つの３ｄＢ光カプラと、該２つの３ｄＢ光カプラのそれぞれに接続された光入力ポートおよび光出力ポートと、電気光学効果を起こすように前記１対の光導波路のうちの一方の光導波路に設けられた電気線路とを有するＭＺ干渉回路と、
前記ＭＺ干渉回路の光入力ポートに接続され、前記ＭＺ干渉回路の１対の導波路に光を入力する光入力手段と、
ＲＦ信号を受信して、前記ＭＺ干渉回路の電気線路に入力するＲＦ信号受信手段と、
前記ＭＺ干渉回路の光出力ポートに接続され、前記ＭＺ干渉回路から出力された光出力を検出する光検出手段と、
前記ＭＺ干渉回路に前記ＲＦ信号を入力しない状態で、前記光入力手段の光波長の変化に対して前記光検出手段の検出値が線形応答する光波長を決定して、前記光入力手段から前記ＭＺ干渉回路に入力する光を該決定した波長に調整する調整手段とを備え、
前記ＭＺ干渉回路は、前記１対の光導波路のバイアス調整を行わずに、前記光入力手段で前記調整された波長の光を入力しながら前記受信したＲＦ信号を前記一方の光導波路上に設けられた電気線路に入力して電気光学効果を起こすことより前記１対の光導波路の出射光の位相差に変化を与え、前記光検出器は、前記１対の光導波路から出射された光の位相差を検出することにより、前記ＲＦ信号受信手段から入力されるＲＦ信号の出力の測定を行うことを特徴とする電界センサ。
【請求項２】
前記光入力手段が前記ＭＺ干渉回路に入力する光の波長は、前記ＲＦ信号を入力しない状態で、位相差が９０度または２７０度となるような波長に設定されることを特徴とする請求項１に記載の電界センサ。
【請求項３】
１対の光導波路は、それぞれ、基板上に順次形成された第１の電極層、第１のクラッド層、光コア層、第２のクラッド層、第２の電極層からなる積層半導体構造を含み、
前記１対の光導波路の光導波路長差は１０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の電界センサ。
【請求項４】
光出射側の前記３ｄＢ光カプラは、前記１対の光導波路からの２つの出射光を再び結合させて光干渉させて１つの光出力とする２×１タイプの光カプラであり、前記光検出手段は、該光干渉した光出力を検出することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電界センサ。
【請求項５】
光出射側の前記３ｄＢ光カプラは、前記１対の光導波路からの２つの出射光を反転して出力する２×２タイプの光カプラであり、前記光検出手段は、バランス形の光検出器であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電界センサ。
【請求項６】
前記光入力ポートと前記光出力ポートとは同一の方向に配置されていることを特徴とする請求項３から５のいずれかに記載の電界センサ。
【請求項７】
互いに長さが異なる１対の光導波路と、該１対の光導波路の光入射側と光出射側とのそれぞれに接続された２つの３ｄＢ光カプラと、該２つの３ｄＢ光カプラのそれぞれに接続された光入力ポートおよび光出力ポートと、電気光学効果を起こすように前記１対の光導波路のうちの一方の光導波路に設けられた電気線路とを有するＭＺ干渉回路を用意する用意工程と、
前記用意工程で用意したＭＺ干渉回路の光入力ポートに波長をスイープさせながら光を入力して、該ＭＺ干渉回路の光出力ポートから出力された光出力を検出する光検出工程と、
前記光検出工程において、入力光の波長変化に対して検出された光出力が線形応答となる波長に入力光の波長を調整する波長調整工程と、
ＲＦ信号を受信して前記ＭＺ干渉回路の前記電気線路に入力するＲＦ信号受信工程と、
前記ＭＺ干渉回路で前記１対の光導波路のバイアス調整を行わずに、前記調整された波長の光を入力しながら、前記ＲＦ信号受信工程で受信したＲＦ信号を前記一方の光導波路上に設けられた電気線路に入力して電気光学効果を起こすことで前記１対の光導波路の出射光の位相差に変化を与えて、前記１対の光導波路から出射された光の位相差を検出することにより、前記ＲＦ信号受信手段から入力されるＲＦ信号の出力の測定を行う測定工程とを含むことを特徴とするＲＦ信号の測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は半導体ＭＺ干渉回路を利用した光変調器およびこれを用いた電界センサに関し、さらに詳細には無給電で動作可能な光変調器およびこれを用いたマイクロ波及びミリ波の出力を測定するための電界センサおよびこれを用いたＲＦ信号の測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
メタルケーブルによる電力供給なしに、マイクロ波を光変調信号に変換して受信する技術として、いわゆる「無給電マイクロ波センサ」が知られている。「無給電マイクロ波センサ」は、テレビ電波の不感地帯向けの簡易な受信システム、また、マイクロ波伝搬状態（電波環境）の観測にとって、重要な技術となっている。マイクロ波を光信号に変換するには、材料の光吸収や屈折率が電界によって変化する性質を利用する。光の屈折率変化は、いわゆる「ポッケルス効果」（電気光学効果）に基づくものであり、「無給電マイクロ波センサ」では、マイクロ波電界によって光導波路内の光位相や光偏光の変調させて光強度変化に変換して信号を出力している。
【０００３】
従来のこの種の装置には、ＬｉＮｂＯ3（ＬＮ）結晶の電気光学効果を利用したマッハツェンダ（ＭＺ）干渉計形の光変調器（非特許文献１）、また、ＣｄＴｅなどのバルク結晶と光ファイバを直接接続した反射形電界センサ（非特許文献２）が用いられている。いずれにしても、感度の高い光変調器を無給電で動作させることができれば、ロスが少なく帯域制限のない光ファイバを伝送線として利用することで、空間的に離れた場所、あるいは、電気ケーブルを接続できない環境においても、光キャリアを用いてマイクロ波を伝送することが可能となる。
【０００４】
前者の光変調器は、光導波路とマイクロ波電極を結合させることにより、比較的高い感度特性を得ることができ、ＬＮ結晶と光ファイバの結合も容易であることから最も一般的である。また、素子が基板上に配置できるので素子形状に自由度があり、使用する周波数帯域に合わせて光導波路形態や電極構造を最適化することが可能である。ＬＮ結晶に加え、半導体結晶を光導波路として用いた変調器も同様の機能を実現することができる。
【０００５】
しかしながら、通常のＭＺ変調器では、干渉計の対をなす二つの光導波路のアーム長を、光波長程度のスケールで厳密に制御することは難しい。すなわち、アーム印加電圧の調整を行わない「無給電素子」では干渉状態が素子毎にある程度の差が生じ、感度最大の動作状態からずれること、すなわち、特性ばらつきが発生するという問題がある。半導体変調器の場合は、ＬＮ変調器の場合よりも一般に光導波路の寸法が小さく、加工精度の影響を受けやすいことから、アーム印加電圧の調整を行わない「無給電素子」においては、干渉状態が素子毎にばらつくという問題はより顕著となる。
【０００６】
一方、バルク結晶を用いた反射形電界センサでは、単に入射光の反射状態の変化をセンシングするので、ＭＺ干渉計の様な特性ばらつきの問題は生じない。ただし、この種のバルク形電界センサは、電気光学結晶が立体的であるので、アンテナを作りこむ（集積化する）ことが難しく、結果的に感度は低くなってしまう。特に、マイクロ波帯以上の高周波領域では十分なＳ／Ｎ比が得られないという問題がある。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】鳥畑成典著「光導波路型電界センサの実用化と将来展望」、レーザー研究、２００５年６月、ｐｐ．３８４−３８８。
【０００８】
【非特許文献２】都甲浩芳ら著「金属素子を有しない超小型ＥＯプローブを用いた生体等価ファントム内における電界計測」信学技報、ＩＥＩＣＥ  Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ  Ｒｅｐｏｒｔ、ＥＭＣＪ２００５−７９、ｐｐ。１２１−１２６  （２００５−０９）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
このように従来、無給電、すなわち、バイアス調整を行わない状態で使用するＭＺ干渉回路を備えた光変調器を用いた電界センサでは、動作点のズレに伴う感度特性のばらつきが発生するという問題があった。
【００１０】
本発明の課題は、無給電、すなわち、バイアス調整を行わない状態で使用しても、動作点のズレに伴う感度特性のばらつきが発生しない電界センサおよびこれを用いたＲＦ信号の測定方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、互いに長さが異なる１対の光導波路と、該１対の光導波路の光入射側と光出射側とのそれぞれに接続された２つの３ｄＢ光カプラと、該２つの３ｄＢ光カプラのそれぞれに接続された光入力ポートおよび光出力ポートと、電気光学効果を起こすように前記１対の光導波路のうちの一方の光導波路に設けられた電気線路とを有するＭＺ干渉回路と、前記ＭＺ干渉回路の光入力ポートに接続され、前記ＭＺ干渉回路の１対の導波路に光を入力する光入力手段と、ＲＦ信号を受信して、前記ＭＺ干渉回路の電気線路に入力するＲＦ信号受信手段と、前記ＭＺ干渉回路の光出力ポートに接続され、前記ＭＺ干渉回路から出力された光出力を検出する光検出手段と、前記ＭＺ干渉回路に前記ＲＦ信号を入力しない状態で、前記光入力手段の光波長の変化に対して前記光検出手段の検出値が線形応答する光波長を決定して、前記光入力手段から前記ＭＺ干渉回路に入力する光を該決定した波長に調整する調整手段とを備え、前記ＭＺ干渉回路は、前記１対の光導波路のバイアス調整を行わずに、前記光入力手段で前記調整された波長の光を入力しながら前記受信したＲＦ信号を前記一方の光導波路上に設けられた電気線路に入力して電気光学効果を起こすことより前記１対の光導波路の出射光の位相差に変化を与え、前記光検出器は、前記１対の光導波路から出射された光の位相差を検出することにより、前記ＲＦ信号受信手段から入力されるＲＦ信号の出力の測定を行うことを特徴とする電界センサである。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電界センサにおいて、前記光入力手段が前記ＭＺ干渉回路に入力する光の波長は、前記ＲＦ信号を入力しない状態で、位相差が９０度または２７０度となるような波長に設定されることを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載された電界センサにおいて、１対の光導波路は、それぞれ、基板上に順次形成された第１の電極層、第１のクラッド層、光コア層、第２のクラッド層、第２の電極層からなる積層半導体構造を含み、前記１対の光導波路の光導波路長差は１０〜１００μｍであることを特徴とする。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の電界センサにおいて、光出射側の前記３ｄＢ光カプラは、前記１対の光導波路からの２つの出射光を再び結合させて光干渉させて１つの光出力とする２×１タイプの光カプラであり、前記光検出手段は、該光干渉した光出力を検出することを特徴とする。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の電界センサにおいて、光出射側の前記３ｄＢ光カプラは、前記１対の光導波路からの２つの出射光を反転して出力する２×２タイプの光カプラであり、前記光検出手段は、バランス形の光検出器であることを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項３から５のいずれかに記載の電界センサにおいて、前記光入力ポートと前記光出力ポートとは同一の方向に配置されていることを特徴とする。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、互いに長さが異なる１対の光導波路と、該１対の光導波路の光入射側と光出射側とのそれぞれに接続された２つの３ｄＢ光カプラと、該２つの３ｄＢ光カプラのそれぞれに接続された光入力ポートおよび光出力ポートと、電気光学効果を起こすように前記１対の光導波路のうちの一方の光導波路に設けられた電気線路とを有するＭＺ干渉回路を用意する用意工程と、前記用意工程で用意したＭＺ干渉回路の光入力ポートに波長をスイープさせながら光を入力して、該ＭＺ干渉回路の光出力ポートから出力された光出力を検出する光検出工程と、前記光検出工程において、入力光の波長変化に対して検出された光出力が線形応答となる波長に入力光の波長を調整する波長調整工程と、ＲＦ信号を受信して前記ＭＺ干渉回路の前記電気線路に入力するＲＦ信号受信工程と、前記ＭＺ干渉回路で前記１対の光導波路のバイアス調整を行わずに、前記調整された波長の光を入力しながら、前記ＲＦ信号受信工程で受信したＲＦ信号を前記一方の光導波路上に設けられた電気線路に入力して電気光学効果を起こすことで前記１対の光導波路の出射光の位相差に変化を与えて、前記１対の光導波路から出射された光の位相差を検出することにより、前記ＲＦ信号受信手段から入力されるＲＦ信号の出力の測定を行う測定工程とを含むことを特徴とするＲＦ信号の測定方法である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の電界センサの概略構成を示す図である。
【図２】ＭＺ干渉回路における、バイアス電圧と光出力との関係を示す図である。
【図３】（Ａ）は第１の実施形態にかかるＭＺ干渉回路の構成例を模式的に示したものであり、（Ｂ）は、そのＡ−Ａ断面図である。
【図４】本発明にかかるＭＺ干渉回路において、電気入力しないときの、光波長λに対して出力光の位相差Φが変化する様子を示す図である。
【図５】第２の実施形態にかかるＭＺ干渉回路の構成例を模式的に示したものである。
【図６】第３の実施形態にかかるＭＺ干渉回路の構成例を模式的に示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は本発明の電界センサの概略構成を示す図である。
【００２０】
本発明の電界センサ１は、入力された光を２つに分岐して互いに長さが異なる１対の光導波路を伝搬させることにより光変調を与えるＭＺ干渉回路１０と、このＭＺ（マッハツェンダ）干渉回路１０の１対の光導波路を伝搬させる光を入力する光入力手段４０と、ＲＦ信号受信手段３０とを備え、１対の光導波路のバイアス調整を行わずに、ＲＦ信号受信手段３０で受信したＲＦ信号をＭＺ干渉回路１０の一方の光導波路上に設けられた電気線路に入力して電気光学効果を起こすことにより１対の光導波路の出射光の位相差に変化を与えている。さらに電界センサ１は、このＭＺ干渉回路１０の光出力を検出する光検出手段５０と、光入力手段４０が入力する光波長を線形応答領域になる波長に調整する調整手段６０とを備えており、ＲＦ信号の入力により変化する光導波路からの出射光の位相差を検出することによりＲＦ信号の出力を測定している。
【００２１】
本発明の電界センサ１では、ＭＺ干渉回路１０の１対の光導波路の光導波路長が異なる構成を備え、測定前に予め、光検出手段５０の値が線形応答するような所定の波長の光を光入力手段４０が入力するように調整手段６０で調整している。なお、光入力手段４０が１対の導波路に入力する１対の光は互いに同じ波長である。この構成を備えた電界センサ１は、ＭＺ干渉回路のバイアス調整を行わずに、感度特性のばらつきのない測定が可能となる。
【００２２】
図２は、ＭＺ干渉回路における、干渉光パワーと２つの光の位相差との関係を示す図である。通常のマッハツェンダ干渉計は、１対の光導波路の光導波路長が互いに等しい構成を備えているため、図２の位相差Ｖ＝０が原点（位相変調を与えないとき）となるように動作する。これに対し、本光変調器６０のＭＺ干渉回路１０は、１対の光導波路の光導波路長が互いに異なる構成を備えている。本電界センサ１では、使用に当たっては、調整手段６０が１対の光導波路に入力する光の波長を設定することが必要となる。まず、ＲＦ信号受信手段３０にＲＦ信号を入力しない状態で、この長さが異なる１対の光導波路を伝搬させる光の波長をスイープさせると１対の光導波路の位相差が変化し、ＲＦ信号を入力しない状態でも光出力が次第に変化する。そこで光出力が、図２の領域ａとなったところを使用する光波長として設定する。領域ａは、入力光の波長変化に対し出力がほぼ線形応答をする領域であり、典型的には１対の光導波路で与えられる位相差が９０度または２７０度となる領域である。ここで線形に応答するとは、厳密な意味で線形応答することに限定されず、センサとして機能する範囲で出力が入力に対してほぼ線形的な応答をすることを含む。
【００２３】
このように調整手段６０で使用する波長を設定した後、さらに電界センサ１において、光入力手段４０でこの設定した光波長の光を１対の光導波路に入力して、その光出力を光検出手段５０で検出することによりＲＦ信号の出力の測定をすると、光導波路からの光出力がＲＦ信号受信手段３０で受信したＲＦ信号に線形に応答する。この構成により本発明の電界センサ１は、ＭＺ干渉回路１０のバイアス調整を行わずに、光出力を検出することにより、測定対象のＲＦ信号を感度特性のばらつきなく測定することができる。
【００２４】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態の電界センサを、図３に基づいてさらに詳細に説明する。図３（Ａ）は、図１に示す電界センサ１に用いられるＭＺ干渉回路１０ａの構成を模式的に示したものであり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＡ−Ａ断面図である。ＭＺ干渉回路１０ａは、ＩｎＰ基板２０上に形成された第１の電極層としてのｎ形電極層２１と、このｎ形電極層２１上に設けられた１対の光導波路（光導波路アーム）１４ａ、１４ｂとを備えている。光導波路１４ａ、１４ｂは、光入力側の３ｄＢ光カプラ１３ａおよび光導波路１１ａを介して光入力ポート１１に接続され、また、光出力側の３ｄＢ光カプラ１３ｂおよび光導波路１２ａを介して光出力ポート２に接続されている。１対の光導波路１４ａ、１４ｂは、互いに異なる光導波路長を有している。本実施形態では、光導波路１４ｂは光導波路１４ａよりも、１０ミクロン長く構成されている。本実施形態では、ＲＦ信号受信手段３０（図１参照）と接続される電気ＲＦ信号入力ポート１５を備えた電気線路１６ａが設けられている光導波路１４ａが位相変調手段を伴った光導波路である。
【００２５】
光導波路１４ａは、位相変調手段としての高周波信号が入力される電気線路を設けた光導波路であり、第１のクラッド層２３ａ、コア層２４ａ、第２のクラッド層２５ａ、第２の電極層２６ａ、電気線路１６ａが積層されて構成されている。光導波路１４ａの電気線路１６ａには、ＲＦ信号受信手段３０（図１参照）と接続される電気ＲＦ信号入力ポート１５が入力端に設けられている。また電気線路１６ｂの出力端は、整合抵抗１７を介してグランドに接地されている。したがって、電気線路１６ａには電気ＲＦ信号入力ポート１５から測定対象となるＲＦ信号が入力され、グランドで終端される。
【００２６】
また、光導波路１４ｂは、信号入力がなくグランド固定された電気線路を設けた光導波路であり、光導波路１４ａと同様に、第１のクラッド層２３ｂ、コア層２４ｂ、第２のクラッド層２５ｂ、第２の電極層２６ｂ、電気線路１８ａが積層されて構成されている。光導波路１４ｂの電気線路１８ａの両端には、整合抵抗１９ａ、１９ｂが接続され、グランド接地されている。
【００２７】
さらに２つの電気線路１６ａ、１８ａに共通のｎ形電極層２１上の電気線路１６ａ、１８ａの両脇には、アノード電極としての電気線路１６ｂ、１８ｂに沿って、カソード電極としての電極１６ｂ、１８ｂ、共通のカソード電極としての共通電極２２が設けられている。また、共通電極２２および両側のカソード電極１６ｂ、１８ｂは設置されているが、本ＭＺ干渉回路１０ａでは、１対の光導波路１４ａ、１４ｂのバイアス調整を行わないので、これらのアノード−カソード電極間のＤＣ印加電圧は常にゼロである。これらのアノード電極、カソード電極、共通電極は、説明を容易にするために設けたものであるので、本電界センサ１を構成する上では必須の構成ではない。
【００２８】
この構成により、光入力ポート１１から導入したレーザ光は、光入力側の３ｄＢ光カプラ１３ａで分岐され、再び光出力側の３ｄＢ光カプラ１３ｂで二つの光信号を合波、干渉させることで、ＭＺ干渉計として機能する。ここで、電気ＲＦ入力ポート１５に印加された電圧やマイクロ波信号に応じて光導波路１４ａを伝搬する光が位相変調されるので、入力されたＲＦ信号を光の強度変化として光出力ポート１２から信号を出力することができる。
【００２９】
第１の実施形態にかかるＭＺ干渉計形のＭＺ干渉回路を製作方法について説明する。例えば、半絶縁性ＩｎＰ基板２０上に、基板側から、第１の電極層２１としてのｎ形ＩｎＰ、第１のクラッド層２３ａ、２３ｂとしてのアンドープ（低濃度）ＩｎＰ、コア層２４ａ、２４ｂとしてのＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓの多重量子井戸層、第２のクラッド層２５ａ、２５ｂとしてのアンドープ（低濃度）ＩｎＰ、第２の電極層２６ａ、２６ｂとしてのｐ形ＩｎＰ電極層を、エピタキシャル成長技術を用いて順次堆積、Ｓｉ０2などでエッチングマスクをパタニングする。その後、リアクティブイオンエッチングにより所望のメサ形光導波路１１ａ、１２ａ、１４ａ、１４ｂとマルチモード干渉計（ＭＭＩ）形の３ｄＢ光カプラ１３ａ、１３ｂのメサ構造を形成する。さらに、ストライプ状の第１の電極層２１と第２の電極層２６ａ、２６ｂに金属電極を形成、マイクロストリップ（ＭＳ）ラインの形で光導波路１４ａ、１４ｂに結合する電気線路とする。最後に、最上層にある電極層２６ａ、２６ｂの一部を、適宜、除去することにより、二つの電気線路間の分離を行うことにより、本電界センサに用いられるＭＺ干渉回路が得られる。  
本電界センサの動作について以下に説明する。
【００３０】
光変調動作の基本は、光の干渉を用いるという点においては、通常のＭＺ変調器と変わらない。しかし、対をなす光導波路の長さが異なり、干渉条件（＝動作点）をあらかじめ正確に決めるべく設計することができない。例えば、光ファイバを介して光入力ポート１１に導入されたレーザ光は、ＭＭＩ形の３ｄＢ光カプラ１３ａで２分岐され、光変調部（位相変調手段としての光導波路１４ａおよび電気線路１６ａ）で電気光学効果による光の位相変調を受け、再び３ｄＢ光カプラ１３ｂで光干渉した際に、光伝搬時間差を反映した信号が光出力ポート１２から観測される。なお、１対の光導波路１４ａ、１４ｂのバイアス調整を行わないので、１対の光導波路１４ａ、１４ｂに結合するおのおのの電気線路１６ａ、１８ａは、直流的に、カソード／アノード間が接続されており、光導波路１４ａ、１４ｂのＤＣ印加電圧は常にゼロである。
【００３１】
ＭＺ干渉回路１０ａを、電界センサ、特にマイクロ波センサとして応用する際、電気ＲＦ信号入力ポート１５からの電気入力（ＲＦ信号）に対して、光強度変化の高調波歪が少なく線形応答する状態で出力される最適動作点とするのが望ましい。そのために、２×１形の３ｄＢ光カプラ（１３ｂ）への光導波路対の光信号入力は、電気ＲＦ信号入力ポート１５からの電気入力がない状態で互いの光位相が±９０°ずれる設定とする。これは、電気ＲＦ信号入力ポート１５からの電気入力がない状態で図２の領域ａに示す光出力となる設定である。
【００３２】
本実施形態では、光入射側の３ｄＢ光カプラ１３ａで２分岐された光が、光出射側３ｄＢ光カプラ１３ｂに到達した際、光導波路１４ａよりも光導波路１４ｂの方が長いので、その分だけ光導波路１４ｂの光位相が遅れることとなる。この光位相の遅れによる位相差が、そのままでは最適な光干渉状態ではなくとも、以下に説明する様に、光波長を選ぶことにより最適点に調整することが可能である。
【００３３】
例えば、光導波路の実効屈折率をｎｅｆｆ、光導波路長の差をΔＬ、光波長とλとすると、１対の光導波路間の光信号の位相差は、
Φ＝２πｎｅｆｆ×ΔＬ／λ              （１）
であり、図４に示すように、光波長λの変化に対して両光導波路１４ａ、１４ｂのアームを通過した光の位相差Φが周期的に変化する特性を持つことになる。したがって、本電界センサは、すべてのカソード／アノード間電圧が直流的に０（ゼロ）Ｖに固定されているが、使用する波長を可変波長レーザ光源などを用いて適宜調整することにより、電気ＲＦ信号入力ポート１５からの電気入力がない状態で、光出射側の３ｄＢ光カプラ１３ｂへの入射点での二つの出射光の位相差を９０°もしくは２７０°に設定することが可能となる。位相差を９０°もしくは２７０°となるときの光波長を光入力手段４０（図１参照）で使用する光波長と決めることができる。
【００３４】
こうして使用する光波長を決めた後、電気信号を入力ポート１５からマイクロ波信号を加えると、入力ポート１５からの入力電圧に比例した光の位相変調が光導波路１４ａ側で生じる。３ｄＢ光カプラ１３ｂにおいて、この位相変調された光を、光導波路１４ｂ側を通過した位相変調されていない光と干渉させ、光導波路１２ａ、１２ｂを経由して光出力ポート１２から光強度変調された信号として出力される。
【００３５】
本実施形態の電界センサは、光出力ポート１２から出力された干渉光の光出力を検出することによって、１対の光導波路１２ａ、１２ｂから出射された光の位相差を検出することができる。
【００３６】
また、本発明にかかるＭＺ干渉回路において、光導波路長差ΔＬがあまり大きすぎると光波長λの調整が難しくなる。したがって、光入力手段４０として使用される光源の種類によって、光導波路長差ΔＬはある程度の範囲内とされることが好ましい。例えば、光入力手段４０として通信用のＣ−バンド波長可変レーザを用いた場合に、必要な光導波路長差ΔＬは、以下の様に求めることができる。（１）式から、光波長変化に対する位相変化は、屈折率分散を無視して、下記（２）式となる。
ｄΦ／ｄλ＝−２πｎｅｆｆ×ΔＬ／λ＾２        （２）
【００３７】
（２）式に従えば、ｎｅｆｆ＝３.２５を仮定した場合、例えばΔＬ＝２０μｍとすると、使用する光波長を９ｎｍ程度変化させることにより、位相差（ｄΦ）は９０°調整できることになる。通信用のＣ−バンド波長可変レーザは、１５３０〜１５６０ｎｍで動作するので、十分な調整範囲がある。ΔＬは、例えば１０〜１００μｍとすることが好ましい。より厳密な調整が必要な場合には、ΔＬをより大きめに取るとよい。半導体のＭＺ変調器で、動作波長を吸収端近傍に設定する際がそのケースに当たる。
【００３８】
本実施形態の電界センサ１によれば、半導体ＭＺ干渉回路を利用した、無給電で動作可能なマイクロ波及びミリ波の電界センサを提供でき、従来の、ＭＺ変調器をベースとするこの種のセンサで問題となっていた「動作点のズレ」に伴う感度特性のばらつき問題を解決する。すなわち、素子の製作で起こる光導波路長設計からのズレを、光波長を適宜調整することにより実効的に回復させ、感度が最大となる状態とすることが可能となる。
【００３９】
また、本発明の電界センサは、典型的には半導体光導波路を用いたセンサに適用されるものであり、ＬＮ変調器をベースとする素子に比べ小形化できる利点も有する。
【００４０】
本実施形態では、第１の電極層２１をｎ形、第２の電極層２６ａ、２６ｂをｐ形とするｐｉｎ形の接合で光導波路を構成しているが、これに限定されない。第１の電極層２１、第２の電極層２６ａ、２６ｂを、他の構成、例えば、第１の電極層をｎ形、第２のクラッド層の一部をｐ形、第２の電極層をｎ形とするｎｐｉｎ形とすることも可能である。また、光導波路を半絶縁性のＩｎＰで埋め込んだ、いわゆる埋め込み形光導波路としてもよい。  
【００４１】
また、本実施形態においては、ＩｎＰクラッド層と、ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ多重量子井戸層をコア層とする光導波路を例に挙げて説明したが、半導体材料の種類を制限するものではなく、他の半導体材料の組み合わせによる光導波路構成を採用することもできる。
【００４２】
（第２の実施形態）
第２の実施形態の電界センサに用いられるＭＺ干渉回路１０ｂを図５に示す。本実施形態のＭＺ干渉回路１０ｂでは、第１の実施形態のＭＺ干渉回路の出力側の３ｄＢ光カプラ１３ｂとして２×１タイプの光カプラに代えて、出力反転形の２×２タイプの光カプラを用いている。本実施形態にかかるＭＺ干渉回路１０ｂでは、図５に示すように、３ｄＢ光カプラ１３ｃの出力側には光導波路１２ｂ、１２ｃが接続され、この光導波路１２ｂ、１２ｃは２つの光出力ポート１２ｄ、１２ｅで終端している。さらに、本実施形態の電界センサでは、光検出器５０（図１参照）としてバランス形の光検出器を用いることができる。また、出力側の光カプラ以外の構成は、第１の実施形態と同一の構成とすることができる。
【００４３】
２×２タイプの光カプラを用いると、２つの光出力ポートの光強度を反転状態とすることが可能となる。ただし、そのためには、入射光位相の差を調整することが必要であり、ここでも、第１の実施形態で述べた「光の波長を選択することによる位相差調整」で、素子の動作点を最適条件にすることが可能となる。この場合、例えば、２×２タイプの３ｄＢ光カプラに入力される二つの光導波路アームからの光位相差を、光導波路１２ｂ、１２ｃへの光信号出力を極性が反転して強度が等しくなる様にバランスを調整する。
【００４４】
本実施形態の電界センサでは、光検出手段５０としてバランス型検出器を用いて光出力ポート１２ｄ、１２ｅからの光出力を干渉光させて１対の光導波路１４ａ、１４ｂから出射された光の位相差を検出することができる。
【００４５】
本実施形態のＭＺ干渉回路１０ｂを用いた電界センサによれば、上記第１の実施形態の利点に加えて、ＭＺ干渉回路１０ｂの出力は互いに反転した２出力となるので、これらをバランス形のレシーバで受信することにより、レーザ光源のノイズなどの同相のノイズ成分を除去することができ、結果的に検出信号のＳ／Ｎ比を上げることができる。
【００４６】
（第３の実施形態）
次に第３の実施形態の電界センサに用いられるＭＺ干渉回路１０ｃを図６に示す。第３の実施形態の電界センサに用いられるＭＺ干渉回路１０ｃは、図６に示すように、光入力ポートと光出力ポートとを同一の方向に配置するため、第２の実施形態で説明したＭＺ干渉回路１０ｂの１対の光導波路の出力側を１８０°方向転換して構成している。本実施形態にかかるＭＺ干渉回路１０ｃは、図６に示すように、光入力ポート１１、光出力ポート１２は、基板２０の片端（図示左側）に並ぶように構成した以外は、第２の実施形態と同一の構成とすることができる。
【００４７】
電気信号と結合しない光導波路１４ｂが内側にあり、光導波路長が自動的に短くなる。光導波路１４ａが電気線路と結合する光変調部であり、光導波路１４ａの部分は、この例では、信号ラインの電位を接地し、電気信号とは分離されたパッシブ光導波路としている。
【００４８】
本実施形態のＭＺ干渉回路１０ｃを用いた電界センサによれば、上記第２の実施形態の利点に加えて、光導波路１４ａ、１４ｂとして多芯の光ファイバを使用することにより、ファイバアクセスが一方向となるので、ファイバを含めたマイクロ波センサを小形化できるという利点がある。
【００４９】
なお、本実施形態では、出力側の３ｄＢ光カプラとして、図６に示した２×２タイプのものを用いているが、これに限らず、２×１タイプのものを用いてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１：電界センサ
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ：ＭＺ干渉回路
１１：光入力ポート
１１ａ：光入力ポートに接続された光導波路
１２：光出力ポート
１２ａ：光出力ポートに接続された光導波路
１３ａ：光入力側の３ｄＢ光カプラ
１３ｂ：光出力側の３ｄＢ光カプラ
１４ａ、１４ｂ：対をなす光導波路（光導波路アーム）
１５：電気ＲＦ信号入力ポート、
１６：電気線路部分
１７：整合抵抗
１８：電気線路
１９ａ、１９ｂ：整合抵抗
２０：基板
１６ａ：アノード電極
１６ｂ：カソード電極
１８ａ：アノード電極
１８ｂ：カソード電極
２１：第１のｎ形電極層
２２：共通のカソード電極
２３ａ、２３ｂ：第１のクラッド層
２４ａ、２４ｂ：コア層
２５ａ、２５ｂ：第２のクラッド層
２６ａ、２６ｂ：第２の電極層
３０：ＲＦ信号受信手段
４０：光入力手段
５０：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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