(57)【要約】【課題】  隣接するアンテナエレメント間において、電圧位相を打ち消すことのない優れた感度を有する広帯域導波路型の光電界センサを提供する。【解決手段】  マッハツェンダー型又は単一導波路型の導波路を備え、前記導波路と交叉する方向に延出するアンテナエレメントを、その長さ及び／又は間隔が対数周期となるように隣接して配置した光電界センサであって、隣接する前記アンテナエレメントの極性を反転させるようにしたことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マッハツェンダー型又は単一導波路型の導波路を備え、前記導波路と交叉する方向に延出するアンテナエレメントを、その長さ及び／又は間隔が対数周期となるように隣接して配置した光電界センサであって、隣接する前記アンテナエレメントの極性を反転させるようにしたことを特徴とする光電界センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の光電界センサにおいて、前記導波路の短いアンテナエレメント側を反射端とし、他端側を入出力端としたことを特徴とする光電界センサ。
【請求項３】
前記アンテナエレメントが半波長共振する角周波数（ω）と、前記導波路中において光が前記アンテナエレメントから前記反射端により反射されて該アンテナエレメントに戻るまでの時間（τ）との関係を、ω・τ＝２πとなるようにしたことを特徴とする請求項２に記載の光電界センサ。
【請求項４】
前記各アンテナエレメントが形成された基板と前記導波路が形成された基板とを異なる誘電率の材料により形成したことを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の光電界センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波障害対策（ＥＭＣ対策）のための電磁界測定や、情報通信産業における光変調器等として使用するのに好適で、優れた感度の広帯域導波路型光電界センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
広帯域導波路型光電界センサとして、例えば、特許文献１等に開示されている。これらの光電界センサの中でも、マッハツェンダー型の導波路を採用したものが、特許文献２に開示されている。
この特許文献２に開示されるアンテナ電極構造は、図５に示すように、１つの導波路４２に対してアンテナエレメント３の電極３ａ〜３ｅを設けている。
しかしながら、このようなアンテナ電極構造の場合、アンテナエレメント３が共振する際に、隣接するアンテナエレメント３同士で、電圧位相を打ち消すことがあり、感度が低下するという問題があった。
【０００３】
【特許文献１】特許第３４６２７６９号公報
【特許文献２】特開２００６−３１７２３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、本発明は、隣接するアンテナエレメント間において、電圧位相を打ち消すことのない優れた感度を有する広帯域導波路型の光電界センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するために、本発明者等は、鋭意検討の結果、下記の通り解決手段を見出した。
即ち、本発明の光電界センサは、請求項１に記載の通り、マッハツェンダー型又は単一導波路型の導波路を備え、前記導波路と交叉する方向に延出するアンテナエレメントを、その長さ及び／又は間隔が対数周期となるように隣接して配置した光電界センサであって、隣接する前記アンテナエレメントの極性を反転させるようにしたことを特徴とする。
請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載の光電界センサにおいて、前記導波路の短いアンテナエレメント側を反射端とし、他端側を入出力端としたことを特徴とする。
請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載の光電界センサにおいて、前記アンテナエレメントが半波長共振する角周波数（ω）と、前記導波路中において光が前記アンテナエレメントから前記反射端により反射されて該アンテナエレメントに戻るまでの時間（τ）との関係を、ω・τ＝２πとなるようにしたことを特徴とする。
また、請求項４に記載の本発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の光電界センサにおいて、前記各アンテナエレメントが形成された基板と前記導波路が形成された基板とを異なる誘電率の材料により形成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、隣同士の電極の電圧位相がほぼ同相になるために、互いに強め合い広帯域波路型の光電界センサの感度が向上する。また、変調波の影響を受けることにより、位相不整合が生じやすい反射型の光電界センサであっても感度の低下を生じることがない。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の光電界センサは、マッハツェンダー型又は単一の導波路を備え、この導波路と交叉する方向に延出するアンテナエレメントを、その長さ及び／又は間隔が対数周期となるように隣接して配置したものである。尚、本明細書において、マッハツェンダー型の導波路とは、１つの光束から分離された導波路をいうものとする。
アンテナエレメントの長さが対数周期の関係にあるとは、隣接するアンテナエレメントの長さを、導波路の反射端側から他端側に向かって、Ｐ1，Ｐ2，・・・，Ｐn-1，Ｐnとすると、
Ｐn＝ａ×Ｐn-1
ａは1以上の定数、ｎはアンテナエレメントの本数・・・（式１）
の関係にあることをいい、また、アンテナエレメントの間隔が対数周期の関係にあるとは、隣接するアンテナエレメントの間隔を、導波路の反射端側から他端側に向かって、Ｄ2，Ｄ3，・・・，Ｄn-1，Ｄnとすると、
Ｄn＝ｂ×Ｄn-1
ｂは、1以上の定数、ｎはアンテナエレメントの本数（ただし、3以上）・・・（式２）
の関係にあることをいう。アンテナエレメントの長さ又はアンテナエレメントの間隔が前記のような関係にあるとき、それらの対数をとると、それぞれの差が一定となる。つまり、
ｌｏｇ（Ｐn）−ｌｏｇ（Ｐn-1）＝ｌｏｇ（ａ）・・・（式３）
ｌｏｇ（Ｄn）−ｌｏｇ（Ｄn-1）＝ｌｏｇ（ｂ）・・・（式４）
となる。尚、前記アンテナエレメントの長さ及び／又は間隔の全てが対数周期となることに限定するものではなく、少なくとも、部分的に隣接するアンテナエレメント間で、対数周期であればよい。
【０００８】
前記アンテナエレメントは、電磁界の変動を測定できるように金属製材料を、公知（例えば、蒸着等）の方法により基板上に設けることにより形成される。アンテナエレメントの長さは、適宜設定することができるが、通常は、受信しようとする波長の半分程度としている。また、アンテナエレメントが形成された基板を小さくするためには、前記基板に用いる材料は、比誘電率が１よりも十分に大きい材料とすることが好ましく、具体的には、回路基板等を選択することができる。一般的に誘電率の大きい材料に金属製のアンテナエレメントを設けると波長短縮効果が現れ、自由空間中のアンテナエレメントよりも短い長さで半波長共振しやすいからである。
【０００９】
上記のような構成の光電界センサにおいて、本発明では、隣接するアンテナエレメントの極性を、互いに反転するようにしたものである。極性を反転するとは、電圧の位相差を少なくとも９０°以上２７０°以下であることをいうものとする。具体的には、分割された導波路の場合には、図１に示すように分割された導波路４１，４２の反射端４ｂ側から導波路４１，４２に対して交互にアンテナエレメントの電極３ａ〜３ｅを設ける方法や、図２に示すように分割された導波路４１，４２の反射端４ｂ側から、各アンテナエレメント３に対応するようにして、導波路４１，４２の外側と、導波路４１，４２間に電極３ａ〜３ｅ（図示したものでは、３本）を入力端側に向かって所定の間隔をおいて隣接配置し、隣接する電極間（例えば、３ａと３ｂ）同士で、まず、電極３ａでは、一方の基板２１側のアンテナエレメント３は、中央の電極と基板２１側の電極とをワイヤーや金属薄膜等により接続し、他方の基板２２側のアンテナエレメント３は、両側の電極を接続し、これに隣接する電極３ｂでは、上記電極３ａと逆に接続する方法等が考えられる。また、単一導波路の場合には、図２に示すように、導波路４の両側に電極３ａ〜３ｅを設け、隣接する電極間（例えば、３ａと３ｂ）同士で、まず、電極３ａでは、アンテナエレメント３は、アンテナエレメント３に近い側の電極とをワイヤーや金属薄膜等により接続し、これに隣接する電極３ｂでは、アンテナエレメント３は、導波路４を超えて反対側の電極を接続する方法等が考えられる。尚、これらは単に例示に過ぎず、本発明は、極性を反転できるものであれば特に限定するものではない。
これにより、隣り合うアンテナエレメント同士の電圧位相がほぼ同相になるために、互いに強め合い感度が向上することになる。
【００１０】
前記光電界センサにおいて、短いアンテナエレメント側を反射端とし、他端側を入出力端として反射型の光電界センサとすることが好ましい。光路長が長くなっても、位相不整合の影響を受けにくくなるからである。
【００１１】
各アンテナエレメントが形成された基板と導波路が形成された基板とを、それぞれ異なる誘電率の材料から形成することが好ましい。具体的には、導波路が形成された基板に、各アンテナエレメントに対応する位置に、電気的に絶縁した電極を設け、アンテナエレメントが設けられた基板と接合する。
【００１２】
具体的には、アンテナエレメントが形成される基板を構成する材料を回路基板等とし、導波路が形成される基板を構成する材料を、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３、以下「ＬＮ」とする。）等により構成する。また、アンテナエレメントと、電極とは、ワイヤーボンディング等により接合する。
【００１３】
更に、好ましくは、光電界センサ全体の大きさに制約がある場合は、アンテナエレメントが形成される基板の比誘電率を、1よりも十分大きくすることが好ましい。一方、特に高い周波数での感度を高めるためには、アンテナエレメントを長くする必要があるのでアンテナエレメントが形成される基板の比誘電率を、1に近づけることが好ましい。
【００１４】
次に、図面を参照して説明する。
図１に示す光電界センサ１は、基板２1及び基板２2上に、その長さと間隔が対数周期的になるようにアンテナエレメント３を配置して構成される。アンテナエレメント３の長さ（Ｐk）は、Ｐk＝ａ(k-1)×Ｐ1の関係（ｋは正の整数，ａは１以上の値）を有し、アンテナエレメント３の間隔は、Ｄk＝ｂ(k-1)×Ｄ2の関係を有する。また、導波路４は、入出力端４ａから２つに分割４１，４２され、それぞれに反射端４ｂを備えている。
【００１５】
そして、隣接するアンテナエレメント３の各電極３ａ〜３ｅは、分割された導波路４１，４２に対して交互に設けられている。図示されるものでは、反射端４ｂ側からみて、電極３ａは導波路４２側，電極３ｂは導波路４１側，電極３ｃは導波路４2側，電極３ｄは導波路４1側，電極３ｅは導波路４2側，・・・というようにして電極が設けられ、これにより、隣接するアンテナエレメント３間で極性が反転する。
【００１６】
更に、周波数の変調波で半波長共振するアンテナエレメント３から反射端４ｂまでの距離をＬkとし、光がＬkを往復するのに要する時間をτとすると、変調波の角周波数ωとτの積ωτが２πである場合、光が往路で受けた変調と復路で受けた変調の位相が一致し、互いに強め合う関係になる。これにより、光電界センサ１の感度は、透過型である場合と比べて２倍となる。
例えば、ａ＝ｂであって変調波が２ＧＨｚである場合、ωτを２πとするためには、τ＝５×１０-10ｓｅｃである必要があり、導波路４を備える基板５の屈折率を２．２２と見積ると、Ｌｋが３３．７５ｍｍの場合にその間を光が往復するために必要な時間が５×１０-10ｓｅｃとなる。変調波が６ＧＨｚの場合は、Ｌｋが１１．２５ｍｍ（２ＧＨｚの場合の１／３）でωτ＝２πとなり、半波長共振するアンテナエレメント３の長さも同様に２ＧＨｚの場合の１／３となる。
このように、ある周波数でωτ＝２πとなるようにＬｋを設定すれば、ほぼ全ての周波数でωτ＝２πとなる関係を維持することができる。
この構成を採用することにより、半波長共振のアンテナエレメント３の長さが変調波の波長に比例する周波数領域では、広帯域において互いに強め合う関係を維持することができ、マイクロ波帯域であっても、位相整合を容易にすることができる。その結果、変調波が作用する光路が長くなることに起因する位相不整合が生じやすい反射型の光電界センサであっても感度の低下を生じることがない。
【実施例】
【００１７】
（実施例１）
図１に示す構造の光電界センサ１を、次のようにして作製した。
まず、厚み約1ｍｍ、幅約2ｍｍ、長さ約70ｍｍの矩形状のＬＮ製の基板５に、マッハツェンダー型の導波路４を設けた。次に、厚み約1.6ｍｍ、幅約25ｍｍ、長さ約50ｍｍの矩形状の高周波用回路基板製の基板２1及び基板２2を用意して、それぞれにアンテナエレメント３を形成した。アンテナエレメント３は、最終的に光電界センサ１とした場合に、長さ6ｍｍ〜約60ｍｍ、幅0.1ｍｍ〜1ｍｍ、間隔0.3ｍｍ〜3ｍｍの間で対数周期的（比例定数ａ＝ｂ＝約1.08）な30対のアンテナエレメント３が備わるようにした。尚、アンテナエレメント３が半波長共振する角周波数（ω）と、導波路４中において光がアンテナエレメント３から反射端４ｂにより反射されて該アンテナエレメント３に戻るまでの時間（τ）との関係を、ω・τ＝２πとなるように、反射端４ｂから各アンテナエレメント３までの距離Ｌｋを調整した。
そして、アンテナエレメント３が形成された基板２1及び基板２2間に、導波路４を備えた基板５を挟み込み、アンテナエレメント３と電極３ａ〜３ｅとをそれぞれ金製のワイヤにより接続した。このとき、隣接するアンテナエレメント３の各電極３ａ〜３ｅは、分割された導波路４１，４２に対して交互になるように接続した。
【００１８】
（比較例１）
図４に示すように、単一の導波路４を、厚み0.5ｍｍ、幅50ｍｍ、長さ28ｍｍの矩形状のＬＮ製の基板２上に設け、更に、この基板２上に、長さ3.4ｍｍ〜45ｍｍ、幅0.043ｍｍ〜0.56ｍｍ、間隔0.085ｍｍ〜1.125ｍｍの間で対数周期的（比例定数ａ＝ｂ＝1.05）になるように54対のアンテナエレメント３を設けて光電界センサ１とした。
【００１９】
（比較例２）
図５に示すように、厚み0.5ｍｍ、底辺50ｍｍ、高さ28ｍｍの略三角形状のＬＮ製の基板２上に、三角形の頂部（頂角90度）に形成される反射端４ｂから底辺の入出力端４ａに向かって、長さ3.4ｍｍ〜45ｍｍ、幅0.043ｍｍ〜0.56ｍｍ、間隔0.085ｍｍ〜1.125ｍｍの間で対数周期的（比例定数ａ＝ｂ＝1.05）になるように54対のアンテナエレメント３を設けて光電界センサ１とした。尚、本例の場合、マッハツェンダー型の導波路４の一方の導波路４２のみにアンテナエレメント３の電極３ａ〜３ｅを設けるようにした。
【００２０】
図６は、比較例１、比較例２及び実施例１の感度を比較したものである。図では、最も感度の高い実施例１の感度の最大点を０ｄＢとしている。送信側のアンテナにはダブルリッジドガイドホーンアンテナを用いた。
比較例２では比較例１に比べて若干の感度の向上が認められるものの、周波数の変化に対する感度の変動が大きく、その変動の周期は、概ね各アンテナエレメントの共振周波数ごとに現れている。
位相反転を施した実施例１では、比較例１に比較して、概ね各周波数で約３０ｄＢの感度の向上がみられた。また、比較例２のようなアンテナエレメントの共振周波数ごとに顕著に現れる周期的な感度の変動をなくすことができた。
【００２１】
次に、実施例２と従来の測定系アンテナであるダブルリッジドガイドホーンアンテナ（ＤＲＧＡ）、ダイポールアンテナ（２ＧＨｚ用、２．４ＧＨｚ用、５ＧＨｚ用）及びバイコニカルアンテナの感度を比較したところ、図６に示す通りとなった。送信側のアンテナには、ＤＲＧＡを用い、各アンテナは２０ｍの同軸ケーブルで測定器とつないだ。図５の基準となる０ｄＢはダブルリッジドガイドホーンアンテナ同士を対向させ測定した場合の感度である。
このように、３ＧＨｚ以下では、実施例１の方が、基準となるダブルリッジドガイドホーンアンテナよりも若干感度が高く、２．４ＧＨｚ付近では、ダイポールアンテナに比較し約１０ｄＢ感度が高い。また、バイコニカルアンテナと比較すると測定した２〜６ＧＨｚの範囲では、ほぼ実施例１の感度が優っていることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明の光電界センサは、近傍と遠方の中間領域（約数ｃｍ〜約１ｍ）では、ＥＭＩ測定に適しており、このようなセンサと被測定物を近づけることができるという利点を活かし、複素誘電率測定への応用も期待できる。更に、高感度・広帯域であることと、広い指向性を有することを活かし、マイクロ波通信を光で中継するシステムなどをはじめとして産業上広く利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施の形態の光電界センサの説明模式図
【図２】本発明の他の実施の形態の光電界センサの説明模式図
【図３】本発明の他の実施の形態の光電界センサの説明模式図
【図４】比較例１の光電界センサの説明模式図
【図５】従来の光電界センサ（比較例２の光電界センサ）のアンテナエレメントの構造の説明模式図
【図６】実施例１、比較例１及び２の感度の比較を説明するためのグラフ
【図７】実施例１と従来のアンテナの感度の比較を説明するためのグラフ
【符号の説明】
【００２４】
１    光電界センサ
２１，２２    基板（アンテナエレメント用）
３    アンテナエレメント
３ａ〜３ｄ    電極
４    導波路
４１，４２  分割された導波路
４ａ  入出力端
４ｂ  反射端
５    基板（導波路用）
【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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