(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナと、光源と、電界強度によって光強度を変調する光変調器と、変調光を電気信号に変換する光検出器と、前記光変調器の温度をモニタする温度計と、この温度計からの温度信号を用いて電界測定の感度係数を補正する感度補正演算部とを備え、前記光検出器は、電気信号を直流成分と高周波成分とに分けて出力する手段を備え、前記感度補正演算部は、前記温度計からの温度信号を用いてバイアス点のずれを求める演算手段と、前記光変調器の挿入損失を含む前記直流成分と前記バイアス点のずれとから入射光強度を求める演算手段と、前記入射光強度と前記高周波成分とから被測定電界の強度を求める演算手段とを備えていることを特徴とする光電界センサ装置。
【請求項２】
アンテナと、光源と、電界強度によって光強度を変調する光変調器と、変調光を電気信号に変換する光検出器と、前記光変調器の温度をモニタする温度計と、この温度計からの温度信号を用いて電界測定の感度係数を補正する感度補正演算部とを備え、前記光検出器は、電気信号を直流成分と高周波成分とに分けて出力する手段を備え、前記感度補正演算部は、前記温度計からの温度信号を用いてバイアス点のずれを求める演算手段と、前記光変調器の挿入損失を含む前記直流成分と前記バイアス点のずれとから入射光強度を求める演算手段と、前記入射光強度と前記バイアス点のずれと前記高周波成分とから被測定電界の強度を求める演算手段とを備えていることを特徴とする光電界センサ装置。
【請求項３】
前記温度計は、光ファイバで温度信号を伝送する手段を備えている温度計であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光電界センサ装置。
【請求項４】
前記光変調器は、電気光学結晶に設けられた導波路型マッハツェンダ干渉計であることを特徴とする請求項１ないし請求項３いずれかに記載の光電界センサ装置。
【請求項５】
前記電気光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３単結晶であることを特徴とする請求項４に記載の光電界センサ装置。
【請求項６】
前記導波路型マッハツェンダ干渉計は、ＬｉＮｂＯ３結晶基板上にＴｉイオンを拡散してなる光導波路を備えて構成されることを特徴とする請求項４または請求項５に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、ＥＭＣ分野における電界測定や放送用あるいは通信用電波の中継装置に用いて好適な干渉型光導波路を有する高感度の光電界センサ装置に係る。
【０００２】
【従来の技術】
干渉型光導波路を有し、電気光学効果を利用して、電界測定を行う光電界センサは、以下のような優れた特徴を持っている。
【０００３】
即ち、（１）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、（２）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、（３）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、（４）センサ部に電源を必要としないこと、さらには、（５）光導波路部とアンテナ部を一体化でき、小型化が可能なことなどである。
【０００４】
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や放送用あるいは通信用電波の中継装置における電波受信装置として用いられている。
【０００５】
図７は、従来から用いられている光電界センサの構造を示す図である。光ファイバ７１ａを通して入射した光は、ＬｉＮｂＯ３単結晶基板７５上の光導波路７６を経て、２本の分岐光導波路７３ａおよび７３ｂに分岐される。そのとき、金属電極７２ａ、７２ｂには、アンテナから導かれた電圧が印加され、分岐光導波路７３ａと７３ｂには、逆向きの電界が印加され、電気光学効果により、屈折率の変化が生じている。
【０００６】
その結果、２つの分岐光導波路７３ａと７３ｂを導波して、光導波路７７で合波される光は、位相差に応じて、光強度が変調される。この変調光は、光ファイバ７１ｂに結合して出射する。
【０００７】
図８は、図７に示した光電界センサを光変調器として用いる従来の光電界センサ装置を示す図である。光源８６から出射した一定強度の光は、偏波保持ファイバ８４を経て光変調器８２に入射し、アンテナ８１から導かれた被測定電圧により、強度変調を受けた後、シングルモードファイバ８３を経て、受光器８５に入射して、電気信号に変換される。光源８６と電界を測定しようとする点、即ち、光変調器６２の設置点が、さほど離れていないときは、このような構成が従来よく用いられていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光変調部が温度変化の大きな環境で使用されると、電界測定値の確度が低下するという問題があった。それは、電気光学結晶の上に作製された光導波路の光路長が温度に依存して変化するために、バイアス点がずれるということによっている。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、使用環境の温度変化に係わらず、確度の高い電界測定が可能な光電界センサ装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
まず、電界の測定値が温度によって変動する原因を探るために、以下のような考察を行った。
【００１１】
電極への印加電圧Ｖに対し、光変調器からの出力光強度Ｐ０は、次式（１）で表される。
【００１２】
Ｐ０＝α（Ｐｉ／２）｛１＋ｓｉｎ（πＶ／Ｖπ）｝・・・・・・・（１）
【００１３】
ここで、Ｐｉは入射光強度、Ｖπは半波長電圧、αは光変調器の挿入損失の項である。この様子を図２に示す。ｆ(Ｖ）は電極への印加電圧Ｖの関数として、（１）式を表したものである。この曲線の谷から山までの電圧差が半波長電圧Ｖπである。なお、測定する電圧は、半波長電圧Ｖπに比べて小さいので、入力電圧として図の下部に示した。ｆ(Ｖ）に従って変調された出力光の強度を図の右側部分に示した。
【００１４】
ところで、温度変化があると、導波路の光路長の変化により、ｆ(Ｖ)は横軸方向にずれる。その結果、出力光強度Ｐは次式（２）で表される。
【００１５】
Ｐ＝α（Ｐｉ／２）［１＋ｓｉｎ｛（π（Ｖ＋Δ）／Ｖπ｝］・・・・・・・（２）
ここで、Δは温度変化によるバイアス点のずれを表す項である。
【００１６】
図３は、（２）式に基づいて、ΔとＰｉに依存して出力光強度が変化する様子を示す図である。曲線ａは温度変化がない場合を示し、曲線ｂは温度変化によりバイアス点がずれた場合を示し、さらに曲線ｃは温度変化はないが、入射光強度が８０％に減少した場合を示している。
【００１７】
（２）式において、実際のＶはＶπに比べて小さいので、ｓｉｎＸ＝Ｘと近似する。さらに、Ｖは交流電圧なので、簡略化して、Ｖ＝Ｖ０ｃｏｓ（２πｆｔ）、ただし、ｆは周波数、ｔは時間、と置くと、（２）式は、以下の（３）式のように書き換えることができる。
【００１８】
Ｐ＝α（Ｐｉ／２）（１＋πΔ／Ｖπ）＋α（Ｐｉ／２）（Ｖ０／Ｖπ）ｃｏｓ（２πｆｔ）・・・・・（３）
【００１９】
第１項が直流成分（ＤＣ成分）であり、第２項が高周波成分（ＲＦ成分）である。被測定電圧Ｖ０ｃｏｓ（２πｆｔ）は、第２項に含まれる。
【００２０】
次に、ＤＣ成分に着目して、入射光強度Ｐｉを求めることを考える。もし、温度変化をモニタすることができれば、バイアス点のずれを表す量であるΔを求めることができる。そして、Δが分かれば、（３）式の第１項であるＤＣ成分から、入射光強度Ｐｉを求めることができる。このＰｉを用いて、（３）式の第２項であるＲＦ成分から、被測定電圧、Ｖ０ｃｏｓ（２πｆｔ）を正しく求めることができる。
【００２１】
このような考察に基づき、光変調部の温度をモニタしながら、感度係数の補正を行う実験を行ったところ、温度依存性の少ない、確度の高い電界測定が可能となった。
【００２２】
また、光電界センサは、金属部による測定電界の乱れがないことを特徴としているので、温度計としては、光によるセンサ部を有し、光ファイバで温度信号を伝送する光温度計を使用するのが好適であった。
【００２３】
そこで、本発明の光電界センサ装置は、光温度計と上記感度補正の演算部を備え、以下のように構成されている。
【００２４】
即ち、本発明の光電界センサ装置の一例は、アンテナと、光源と、電界強度によって光強度を変調する光変調器と、変調光を電気信号に変換する光検出器と、前記光変調器の温度をモニタする温度計と、この温度計からの温度信号を用いて電界測定の感度係数を補正する感度補正演算部とを備え、前記光検出器は、電気信号を直流成分と高周波成分とに分けて出力する手段を備え、前記感度補正演算部は、前記温度計からの温度信号を用いてバイアス点のずれを求める演算手段と、前記光変調器の挿入損失を含む前記直流成分と前記バイアス点のずれとから入射光強度を求める演算手段と、前記入射光強度と前記高周波成分とから被測定電界の強度を求める演算手段とを備えている。
【００２５】
また、本発明の光電界センサ装置の他の一例は、アンテナと、光源と、電界強度によって光強度を変調する光変調器と、変調光を電気信号に変換する光検出器と、前記光変調器の温度をモニタする温度計と、この温度計からの温度信号を用いて電界測定の感度係数を補正する感度補正演算部とを備え、前記光検出器は、電気信号を直流成分と高周波成分とに分けて出力する手段を備え、前記感度補正演算部は、前記温度計からの温度信号を用いてバイアス点のずれを求める演算手段と、前記光変調器の挿入損失を含む前記直流成分と前記バイアス点のずれとから入射光強度を求める演算手段と、前記入射光強度と前記バイアス点のずれと前記高周波成分とから被測定電界の強度を求める演算手段とを備えている。
【００２６】
本発明の光電界センサ装置の他の一例として、前記温度計が光ファイバで温度信号を伝送する手段を備えている温度計である。
【００２７】
本発明の光電界センサ装置の他の一例として、前記光変調器が電気光学結晶に設けられた導波路型マッハツェンダ干渉計である。
【００２８】
本発明の光電界センサ装置の他の一例として、前記電気光学結晶がＬｉＮｂＯ３単結晶である。
【００２９】
本発明の光電界センサ装置の他の一例として、前記導波路型マッハツェンダ干渉計がＬｉＮｂＯ３結晶基板上にＴｉイオンを拡散してなる光導波路を備えて構成されている。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明の光電界センサ装置の発明の実施の形態を説明する。
【００３１】
本発明の光電界センサ装置は、アンテナと、光源と、電界強度によって光強度を変調する光変調器と、変調光を電気信号に変換する光検出器を備え、さらに、前記光変調器の温度をモニタする温度計と、この温度計からの温度信号を用いて、電界測定の感度係数を補正する感度補正演算部とを備えた光電界センサ装置とするものである。
【００３２】
（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光電界センサ装置の構成を説明するブロック図である。１１は半導体レーザ（ＬＤ）光源、１２はアンテナ、１３は光変調器、１４は光変調器１３の温度をモニタする光温度計、１５は変調光を電気信号に変換し、直流成分と高周波成分に分けて出力する光検出器、１６は光温度計１４からの温度信号と、直流成分と高周波成分から、感度係数を補正して、電界信号を出力する感度補正演算部である。
【００３３】
ここで用いる光変調器１３は、従来例として説明した図７のＬｉＮｂＯ３光変調器と同じである。ＬｉＮｂＯ３単結晶基板上にＴｉイオンを熱拡散させて、マッハツェンダ型光導波路を形成し、分岐導波路には被測定電界を印加する金属電極膜が形成されている。
【００３４】
次に、図４は、本実施の形態の光電界センサ装置において用いた光温度計１４の構成を示す図である。図４において、半導体レーザ光源を出射した光は、光サーキュレータを経て、光ファイバによって測定点まで伝送され、測定点である光変調器部分に設置された光ルミネッセンス素子に入射する。この光で励起された、２種類の発光スペクトルを持つルミネッセンス光は、光ファイバを逆行し、光サーキュレタを経て、スペクトル比較演算部に導かれる。このとき、一方の発光スペクトルは、温度にほとんど依存しない発光強度を持ち、もう一方の発光スペクトルは温度に大きく依存して強度変化する。従って、両者の比をとることによって、温度を測定することができる。
【００３５】
さらに、感度補正演算部１６について詳しく説明する。
【００３６】
図５は、本実施の形態における感度係数の補正の流れを示す図である。図１の光温度計１４からの温度信号によって、バイアス点のずれ量、即ち、(２）式に示したΔを求める。Δは光導波路の屈折率が温度によって変化することによって生じるので、その温度依存性は、半波長電圧Ｖπと同様に、ＬｉＮｂＯ３光変調器の導波路の設計によって定まっている。
【００３７】
バイアス点のずれΔが求まれば、光検出器から出力されたＤＣ成分と合わせて、（３）式の第１項で表した式による演算を行い、入射光強度Ｐｉと挿入損失αの積を定める。このとき、（３）式では入射光強度Ｐｉと挿入損失αは積として用いられるので、高周波成分測定のために分離する必要は無い。
【００３８】
次に、光検出器１５からの高周波成分と入射光強度Ｐｉに（３）式の第２項による演算を加え、測定する電界強度を決定する。
【００３９】
このようにして、感度係数に温度補正を加えた電界強度の測定ができた。また、光温度計には、光ファイバで温度信号を伝送するタイプのものを用いたので、測定電界を乱さないという光電界センサの特徴を維持することができた。特に、測定点の経時的な温度変動による測定確度の低下を防ぐことができた。
【００４０】
（第２の実施の形態）次に、本発明の第２の実施の形態における光電界センサ装置について説明する。本実施の形態において、第１の実施の形態と異なる部分は、感度補正演算部のみであるので、この部分に説明を絞る。
【００４１】
図６は、本実施の形態における感度係数の補正の流れを示す図である。光温度計１４からの温度信号によって、バイアス点のずれを定める。
【００４２】
【００４３】
そこで、本実施の形態においては、得られたバイアス点のずれ量と高周波成分とに演算を加え、電界強度を決定する。
【００４４】
このような感度係数の補正演算を行うことによって、経時的な温度変動に伴う電界測定値のばらつきは、さらに低減することができた。
【００４５】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明によれば、使用環境の温度変化にかかわらず、経時的に安定した、確度の高い電界測定が可能な光電界センサ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態による光電界センサ装置を示すブロック図。
【図２】  光変調器の電極に印加する入力電圧と出力光強度の関係を示す図。
【図３】  バイアス点の変動を示す説明図。
【図４】  本発明の実施の形態において用いられた光温度計の構成を示す図。
【図５】  本発明の第１の実施の形態における感度係数の補正処理の流れを示す図。
【図６】  本発明の第２の実施の形態における感度係数の補正処理の流れを示す図。
【図７】  従来の光電界センサ装置の構成を示す斜視図。
【図８】  従来の光電界センサ装置の構成を示す図。
【符号の説明】
１１  半導体レーザ光源
１２  アンテナ
１３  光変調器
１４  光温度計
１５  光検出器
１６  感度補正演算部
７１ａ，７１ｂ  光ファイバ
７２ａ，７２ｂ  金属電極
７３ａ，７３ｂ  分岐光導波路
７５  ＬｉＮｂＯ３単結晶基板
７６，７７  光導波路
８６  光源
６２，８２  光変調器
８１  アンテナ
８４  偏波保持ファイバ
８５  受光器
【図１】
0004851000.tif 000002
【図２】
0004851000.tif 000003
【図３】
0004851000.tif 000004
【図４】
0004851000.tif 000005
【図５】
0004851000.tif 000006
【図６】
0004851000.tif 000007
【図７】
0004851000.tif 000008
【図８】
0004851000.tif 000009