(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気光学結晶を導波管内に挿入するステップと、
前記導波管内を伝播する高周波電磁波が進入した前記電気光学結晶に対して前記高周波電磁波の進入方向と逆方向にプローブ光を入射するステップと、
前記電気光学結晶に入射しこの電気光学結晶を透過したプローブ光を導波管内に配置した鏡で反射させ、前記導波管内を伝播し前記鏡を透過した前記高周波電磁波の進行方向と同一方向に進行させてから電気光学結晶に再入射させるステップと、
前記電気光学結晶に再入射されこの電気光学結晶中で前記高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を強度変化光に変換するステップと、
前記強度変化光に変換されたプローブ光を電気信号に変換するステップと
を有することを特徴とする高周波電磁波検出方法。
【請求項２】
電気光学結晶を導波管内に挿入するステップと、
前記導波管内を伝播する高周波電磁波が進入した前記電気光学結晶に対して前記高周波電磁波の進入方向と逆方向にプローブ光を入射するステップと、
前記電気光学結晶に入射しこの電気光学結晶を透過したプローブ光をこの電気光学結晶に蒸着された誘電体反射膜で反射させ、前記導波管内を伝播し前記誘電体反射膜を透過した前記高周波電磁波の進行方向と同一方向に進行させてから電気光学結晶に再入射させるステップと、
前記電気光学結晶に再入射されこの電気光学結晶中で前記高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を強度変化光に変換するステップと、
前記強度変化光に変換されたプローブ光を電気信号に変換するステップと
を有することを特徴とする高周波電磁波検出方法。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記プローブ光を光ファイバを用いて電気光学結晶に導くステップを有することを特徴とする高周波電磁波検出方法。
【請求項４】
電気光学結晶を導波管内に挿入するステップと、
前記導波管に開けた孔からプローブ光を導波管内に入射し、この入射プローブ光を前記導波管内に配置した鏡によって反射させ、前記導波管内を伝播し前記鏡を透過した前記高周波電磁波の進行方向と一致させてから前記高周波電磁波とともに電気光学結晶に入射させるステップと、
前記電気光学結晶に入射されこの電気光学結晶中で前記高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を強度変化光に変換するステップと、
前記強度変化光に変換されたプローブ光を電気信号に変換するステップと
を有することを特徴とする高周波電磁波検出方法。
【請求項５】
電気光学結晶を導波管内に挿入するステップと、
前記導波管に開けた第１の孔からプローブ光を導波管内に入射し、この入射プローブ光を前記導波管内に配置した第１の鏡によって反射させ、前記導波管内を伝播し前記第１の鏡を透過した前記高周波電磁波の進行方向と一致させてから前記高周波電磁波とともに電気光学結晶に入射させるステップと、
前記電気光学結晶に入射されこの電気光学結晶中で前記高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を前記導波管内に配置した第２の鏡によって反射させ、この反射プローブ光を前記導波管に開けた第２の孔から導波管外へ出射するステップと、
導波管外へ出射され前記偏光変化を起こしたプローブ光を強度変化光に変換するステップと、
前記強度変化光に変換されたプローブ光を電気信号に変換するステップと
を有することを特徴とする高周波電磁波検出方法。
【請求項６】
導波管として矩形導波管を用い、かつ電気光学結晶としてせん亜鉛鉱型結晶を用いた場合に、前記結晶を前記矩形導波管に挿入可能な直方体に加工するステップと、
前記直方体に加工された結晶を前記直方体のｘｙ面、ｙｚ面及びｘｚ面のうち何れか一方の面が高周波電磁波の進行方向に対して垂直となるように前記矩形導波管に挿入するステップと、
前記矩形導波管内を伝播する高周波電磁波が進入した前記せん亜鉛鉱型結晶に対してプローブ光を入射するステップと、
前記せん亜鉛鉱型結晶に入射されこのせん亜鉛鉱型結晶中で前記高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を強度変化光に変換するステップと、
前記強度変化光に変換されたプローブ光を電気信号に変換するステップと
を有することを特徴とする高周波電磁波検出方法。
【請求項７】
導波管として円形導波管を用い、かつ電気光学結晶としてせん亜鉛鉱型結晶を用いた場合に、前記結晶を、前記円形導波管の断面に内接するような円形の底面を有する円柱に加工するステップと、
前記円柱に加工された結晶を前記底面が高周波電磁波の進行方向に対して垂直となるように前記円形導波管に挿入するステップと、
前記円形導波管内を伝播する高周波電磁波が進入した前記せん亜鉛鉱型結晶に対してプローブ光を入射するステップと、
前記せん亜鉛鉱型結晶に入射されこのせん亜鉛鉱型結晶中で前記高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を強度変化光に変換するステップと、
前記強度変化光に変換されたプローブ光を電気信号に変換するステップと
を有することを特徴とする高周波電磁波検出方法。
【請求項８】
導波管として円形導波管を用い、かつ電気光学結晶としてせん亜鉛鉱型結晶を用いた場合に、前記結晶を、前記円形導波管の断面に内接するような正方形の底面を有する四角柱に加工するステップと、
前記四角柱に加工された結晶を前記底面が高周波電磁波の進行方向に対して垂直となるように前記円形導波管に挿入するステップと、
前記円形導波管内を伝播する高周波電磁波が進入した前記せん亜鉛鉱型結晶に対してプローブ光を入射するステップと、
前記せん亜鉛鉱型結晶に入射されこのせん亜鉛鉱型結晶中で前記高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を強度変化光に変換するステップと、
前記強度変化光に変換されたプローブ光を電気信号に変換するステップと
を有することを特徴とする高周波電磁波検出方法。
【請求項９】
導波管と、
前記導波管の内部に挿入された電気光学結晶と、
前記導波管内を伝播する高周波電磁波が進入した前記電気光学結晶に対して前記高周波電磁波の進入方向と逆方向にプローブ光を入射する第１の入射手段と、
前記第１の入射手段により電気光学結晶に入射されこの電気光学結晶を透過したプローブ光を導波管内に配置した鏡で反射させ、前記導波管内を伝播し前記鏡を透過した前記高周波電磁波の進行方向と同一方向に進行させてから電気光学結晶に再入射させる第２の入射手段と、
前記第２の入射手段により前記電気光学結晶に再入射されこの電気光学結晶中で高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を強度変化光に変換する第１の変換手段と、
前記強度変化光に変換されたプローブ光を電気信号に変換する第２の変換手段と
を有することを特徴とする高周波電磁波検出装置。
【請求項１０】
導波管と、
前記導波管の内部に挿入された電気光学結晶と、
前記導波管内を伝播する高周波電磁波が進入した前記電気光学結晶に対して前記高周波電磁波の進入方向と逆方向にプローブ光を入射する第１の入射手段と、
前記第１の入射手段により電気光学結晶に入射されこの電気光学結晶を透過したプローブ光をこの電気光学結晶に蒸着された誘電体反射膜で反射させ、前記導波管内を伝播し前記誘電体反射膜を透過した前記高周波電磁波の進行方向と同一方向に進行させてから電気光学結晶に再入射させる第２の入射手段と、
前記第２の入射手段により前記電気光学結晶に再入射されこの電気光学結晶中で高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を強度変化光に変換する第１の変換手段と、
前記強度変化光に変換されたプローブ光を電気信号に変換する第２の変換手段と
を有することを特徴とする高周波電磁波検出装置。
【請求項１１】
請求項９又は１０において、
前記プローブ光を電気光学結晶に導く光ファイバを有することを特徴とする高周波電磁波検出装置。
【請求項１２】
導波管と、
前記導波管の内部に挿入された電気光学結晶と、
前記導波管に開けた孔からプローブ光を導波管内に入射し、この入射プローブ光を前記導波管内に配置した鏡によって反射させ、前記導波管内を伝播し前記鏡を透過した前記高周波電磁波の進行方向と一致させてから前記高周波電磁波とともに電気光学結晶に入射させる入射手段と、
前記入射手段により前記電気光学結晶に入射されこの電気光学結晶中で高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を強度変化光に変換する第１の変換手段と、
前記強度変化光に変換されたプローブ光を電気信号に変換する第２の変換手段と
を有することを特徴とする高周波電磁波検出装置。
【請求項１３】
導波管と、
前記導波管の内部に挿入された電気光学結晶と、
前記導波管に開けた第１の孔からプローブ光を導波管内に入射し、この入射プローブ光を前記導波管内に配置した第１の鏡によって反射させ、前記導波管内を伝播し前記第１の鏡を透過した前記高周波電磁波の進行方向と一致させてから前記高周波電磁波とともに電気光学結晶に入射させる入射手段と、
前記入射手段により前記電気光学結晶に入射されこの電気光学結晶中で前記高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を前記導波管内に配置した第２の鏡によって反射させ、この反射プローブ光を前記導波管に開けた第２の孔から導波管外へ出射する出射手段と、
前記出射手段により導波管外へ出射され偏光変化を起こしたプローブ光を強度変化光に変換する第１の変換手段と、
前記強度変化光に変換されたプローブ光を電気信号に変換する第２の変換手段と
を有することを特徴とする高周波電磁波検出装置。
【請求項１４】
矩形導波管と、
前記矩形導波管に挿入可能な直方体に加工され、前記直方体のｘｙ面、ｙｚ面及びｘｚ面のうち何れか一方の面が高周波電磁波の進行方向に対して垂直となるように前記矩形導波管に挿入された電気光学結晶であるせん亜鉛鉱型結晶と、
前記矩形導波管内を伝播する高周波電磁波が進入した前記せん亜鉛鉱型結晶に対してプローブ光を入射する入射手段と、
前記入射手段により入射された前記せん亜鉛鉱型結晶中で前記高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を強度変化光に変換する第１の変換手段と、
前記強度変化光に変換されたプローブ光を電気信号に変換する第２の変換手段と
を有することを特徴とする高周波電磁波検出装置。
【請求項１５】
円形導波管と、
前記円形導波管の断面に内接するような円形の底面を有する円柱に加工され、前記底面が高周波電磁波の進行方向に対して垂直となるように前記円形導波管に挿入された電気光学結晶であるせん亜鉛鉱型結晶と、
前記円形導波管内を伝播する高周波電磁波が進入した前記せん亜鉛鉱型結晶に対してプローブ光を入射する入射手段と、
前記入射手段により入射された前記せん亜鉛鉱型結晶中で前記高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を強度変化光に変換する第１の変換手段と、
前記強度変化光に変換されたプローブ光を電気信号に変換する第２の変換手段と
を有することを特徴とする高周波電磁波検出装置。
【請求項１６】
円形導波管と、
前記円形導波管の断面に内接するような正方形の底面を有する四角柱に加工され、前記底面が高周波電磁波の進行方向に対して垂直となるように前記円形導波管に挿入された電気光学結晶であるせん亜鉛鉱型結晶と、
前記円形導波管内を伝播する高周波電磁波が進入した前記せん亜鉛鉱型結晶に対してプローブ光を入射する入射手段と、
前記入射手段により入射された前記せん亜鉛鉱型結晶中で前記高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を強度変化光に変換する第１の変換手段と、
前記強度変化光に変換されたプローブ光を電気信号に変換する第２の変換手段と
を有することを特徴とする高周波電磁波検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波電磁波の検出を行う高周波電磁波検出方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
周波数が３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚまでの電磁波をミリ波、３００ＧＨｚ〜３ＴＨｚまでの電磁波をサブミリ波と呼ぶ。ただし、以下に述べる“ミリ波”とは、３０ＧＨｚ〜３ＴＨｚまでの電磁波をまとめて指すものとする。
【０００３】
近年、ミリ波の技術開発が盛んになっているが、常温動作、高感度および広帯域という３つの条件を十分に満たす検出器が存在しないことが問題となっている。ミリ波の伝送線路としては導波管が一般的である。導波管中を伝播するミリ波を検出するための一般的な方法の１つとして熱的検出法を挙げることができる。これは、ミリ波のエネルギーを熱に変換し、その熱量を測定することによってミリ波のパワーを決定する方法である。本手法のメリットは感度がミリ波の周波数に依らないことであり、幅広い周波数にわたるミリ波の検出には便利である。
【０００４】
しかし、常温で利用する場合には感度が十分でないため、より高感度のミリ波検出器の開発が必要である。例えば市販のミリ波パワーメータ（DORAD0:Mode1 PS-28-6）の最小検出パワーは、−１０ｄＢｍ程度にすぎない。また熱的検出法は応答時間が長いという欠点もある。例えば前記市販のパワーメータの場合、測定に必要な時間が４０秒程度とかなり長く、測定時間の短縮が望まれる。導波管中を伝播するミリ波を検出するためのもう１つの代表的な検出法は、ショットキーダイオードを使った検出法である。代表的な市販のショットキーダイオードの最小検出パワーは−３０ｄＢｍ程度であり、熱的検出法に比べて２桁ほど感度が高い。ただし、感度がミリ波の周波数に対して複雑に変化するという欠点がある。また、ミリ波パワーに対する出力の線型性も十分とは言えない。
【０００５】
一方、光を用いたミリ波帯電磁波の検出法として、電気光学サンプリング（E1ectro-Optic Sampling:EOS）と呼ばれるものがある。本検出法はＤＣからＴＨｚ帯電磁波まで平坦な周波数応答を持ち、電磁波の振幅に対する出力の線型性も優れている。ＥＯＳに関する詳細は、例えば文献１（K.J.Weingarten et al:“Picosecond Optical Sampling of GaAs Integrated Circuits",IEEE Journal of Quantum Electronics,Vol.24,No.2,1988,p.198）などに記されている。
【０００６】
ＥＯＳはもともと高周波回路中の電気信号波形を観測することを目的に開発されたものであるが、適用範囲はそれだけにはとどまらず、近年は自由空間を伝播するミリ波帯電磁波の検出にも利用されている。このような応用については、例えば文献２（Q.Wu et al:“Free-space electro-optic sampling of terahertz beams",Applied Physics Letters,Vol.67,1995,p.3523）などに記されている。またＥＯＳにおいて、レーザ光学系にファイバを用いた利便性の高い方法が、文献３（佐々木、永妻、品川：“電気光学サンプリングによる自由空間ミリ波の高感度測定”、電子情報通信学会１９９９年総合大会講演論文集、Ｃ−２−１０９）に記されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
導波管中を伝播するミリ波帯電磁波を検出する場合、常温検出、高感度検出、高速検出および広帯域（＝周波数特性の平坦性）検出という４点を満たす検出方法はこれまで存在せず、これらの４点を同時に満たす検出方法が要望されている。
したがって、本発明は、ミリ波帯電磁波を検出する場合、広い周波数帯域にわたって、常温、高感度かつ高速検出が可能な方法を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するために本発明は、電気光学（Electro-Optic：以下、ＥＯという）結晶を導波管内に挿入し、かつ導波管内を伝播する高周波電磁波が進入した前記ＥＯ結晶に対し高周波電磁波の進入方向と逆方向にプローブ光を入射させるとともに、ＥＯ結晶を透過したプローブ光を導波管内に配置した鏡で反射させて高周波電磁波の進行方向と同方向に進行させてから再びＥＯ結晶に入射させ、このときにＥＯ結晶中で高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を偏光検出素子により強度変化光に変換し、強度変化光に変換されたプローブ光を光検出器により電気信号に変換する方法である。
【０００９】
また、本発明の高周波電磁波検出法の１構成例は、導波管内を伝播する高周波電磁波の進行方向と逆方向に進行するプローブ光をＥＯ結晶に入射し、ＥＯ結晶を透過したプローブ光をこのＥＯに蒸着された誘電体反射膜で反射させて高周波電磁波の進行方向と同方向に進行させてから再びＥＯ結晶に入射し、このときにＥＯ結晶中で高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を検出する方法である。
また、本発明の高周波電磁波検出法の１構成例は、プローブ光を光ファイバを用いて電気光学結晶に導くステップを有する。
また、本発明の高周波電磁波検出法の１構成例は、導波管に開けた孔からプローブ光を導波管内に入射し、この入射プローブ光を導波管内に配置した鏡によって反射させ、導波管内を伝播し鏡を透過した高周波電磁波の進行方向と一致させてから高周波電磁波とともにＥＯ結晶に入射させるステップと、ＥＯ結晶に入射されこのＥＯ結晶中で高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を強度変化光に変換するステップとを有する。
また、本発明の高周波電磁波検出法の１構成例は、導波管に開けた第１の孔からプローブ光を導波管内に入射し、この入射プローブ光を導波管内に配置した第１の鏡によって反射させ、導波管内を伝播し前記第１の鏡を透過した高周波電磁波の進行方向と一致させてから高周波電磁波とともにＥＯ結晶に入射させるステップと、ＥＯ結晶中で高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を導波管内に配置した第２の鏡によって反射させ、この反射プローブ光を導波管に開けた第２の孔から導波管外へ出射するステップと、導波管外へ出射され前記偏光変化を起こしたプローブ光を強度変化光に変換するステップとを有する。
【００１０】
また、本発明の高周波電磁波検出法の１構成例は、鏡の代わりにＥＯ結晶に蒸着した誘電体反射膜を使うものである。
また、本発明の高周波電磁波検出法の１構成例は、プローブ光の伝播経路にファイバを用いるものである。
また、本発明の高周波電磁波検出法の１構成例は、導波管の側面に開けた孔からプローブ光を入射し、導波管内に斜めに配置した鏡によってプローブ光の進行方向を高周波電磁波の進行方向に一致させてから、前記プローブ光と前記高周波電磁波を前記ＥＯ結晶に入射させるものである。
【００１１】
また、本発明の高周波電磁波検出法の１構成例は、前記導波管の側面の２箇所に孔２６Ａ，２６Ｂをそれぞれ開けて、一方の孔（孔２６Ａ）からプローブ光を導波管内に入射し、導波管内に斜めに配置した鏡３Ａによってプローブ光の進行方向を高周波電磁波の進行方向に一致させてから、前記プローブ光と前記高周波電磁波を前記ＥＯ結晶に入射させ、前記ＥＯ結晶を透過した前記プローブ光を鏡３Ａとは別の鏡（鏡３Ｂ）によって反射して孔２６Ｂから出射して再びＥＯＳシステム５に伝播させるものである。
【００１２】
また、本発明の高周波電磁波検出法の１構成例は、ＥＯ結晶としてせん亜鉛鉱型結晶を用いかつ導波管として矩形導波管を用い、前記結晶を（１，１，０）面、（１，−１，０）面、（０，０，１）面を表面としかつ前記矩形導波管内に挿入可能な大きさの直方体に加工するとともに、高周波電磁波の進行方向と前記結晶の（１，１，０）面が垂直になるように前記結晶を前記矩形導波管内に挿入するものである。
【００１３】
また、本発明の高周波電磁波検出法の１構成例は、ＥＯ結晶としてせん亜鉛鉱型結晶を用いかつ導波管として円形導波管を用いた場合に、前記結晶を（１，１，０）面を底面としかつ円形導波管内部にその曲面が内接するような円柱状に加工するとともに、高周波電磁波の進行方向に対して（１，１，０）面が垂直になるように前記結晶を前記円形導波管内に配置するものである。
また、本発明の高周波電磁波検出法の１構成例は、ＥＯ結晶としてせん亜鉛鉱型結晶を用いかつ導波管として円形導波管を用いた場合に、前記結晶を（１，１，０）面を底面としかつその底面が正方形であるような四角柱でありかつその底面の正方形が円形導波管の断面（円）に内接するように加工するとともに、高周波電磁波の進行方向に対して（１，１，０）面が垂直になるように前記結晶を前記円形導波管内に配置するものである。
また、本発明は、導波管と、導波管の内部に挿入されたＥＯ結晶と、導波管内を伝播する高周波電磁波が進入したＥＯ結晶に対して高周波電磁波の進入方向と逆方向にプローブ光を入射する第１の入射手段と、第１の入射手段によりＥＯ結晶に入射されこのＥＯ結晶を透過したプローブ光を導波管内に配置した鏡で反射させ、導波管内を伝播し鏡を透過した高周波電磁波の進行方向と同一方向に進行させてからＥＯ結晶に再入射させる第２の入射手段と、第２の入射手段によりＥＯ結晶に再入射されこのＥＯ結晶中で高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を強度変化光に変換する第１の変換手段と、強度変化光に変換されたプローブ光を電気信号に変換する第２の変換手段とを備える高周波電磁波検出装置である。
また、本発明は、第２の入射手段は、第１の入射手段によりＥＯ結晶に入射されこのＥＯ結晶を透過したプローブ光を、このＥＯ結晶に蒸着された誘電体反射膜で反射させ、導波管内を伝播し誘電体反射膜を透過した高周波電磁波の進行方向と同一方向に進行させてからＥＯ結晶に再入射させるものである。
この場合、プローブ光をＥＯ結晶に導く光ファイバを備えるものである。
また、本発明は、導波管に開けた孔からプローブ光を導波管内に入射し、この入射プローブ光を導波管内に配置した鏡によって反射させ、導波管内を伝播し鏡を透過した高周波電磁波の進行方向と一致させてから高周波電磁波とともにＥＯ結晶に入射させる入射手段を備えるものである。
また、本発明は、導波管に開けた第１の孔からプローブ光を導波管内に入射し、この入射プローブ光を導波管内に配置した第１の鏡によって反射させ、導波管内を伝播し第１の鏡を透過した高周波電磁波の進行方向と一致させてから高周波電磁波とともにＥＯ結晶に入射させる入射手段と、入射手段によりＥＯ結晶に入射されこのＥＯ結晶中で高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を前記導波管内に配置した第２の鏡によって反射させ、この反射プローブ光を導波管に開けた第２の孔から導波管外へ出射する出射手段とを備え、第１の変換手段は、出射手段により導波管外へ出射され偏光変化を起こしたプローブ光を強度変化光に変換するものである。
また、本発明は、矩形導波管と、矩形導波管に挿入可能な直方体に加工され、直方体のｘｙ面、ｙｚ面及びｘｚ面のうち何れか一方の面が高周波電磁波の進行方向に対して垂直となるように矩形導波管に挿入されたＥＯ結晶であるせん亜鉛鉱型結晶とを備えるものである。
また、本発明は、円形導波管と、円形導波管の断面に内接するような円形の底面を有する円柱に加工され、底面が高周波電磁波の進行方向に対して垂直となるように円形導波管に挿入されたＥＯ結晶であるせん亜鉛鉱型結晶とを備えるものである。
また、本発明は、円形導波管と、円形導波管の断面に内接するような正方形の底面を有する四角柱に加工され、底面が高周波電磁波の進行方向に対して垂直となるように円形導波管に挿入されたＥＯ結晶であるせん亜鉛鉱型結晶とを備えるものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面を参照して説明する。
図１０〜図１２は、本発明に係る高周波電磁波検出方法を適用したシステムの基本的な構成を示す図である。図１０を参照して、本システムの基本的な動作について説明する。
アンテナ１などを通じて自由空間中に放射されたミリ波は、ミリ波レンズ２などを使ってＥＯＳ（E1ectro-Optic Sampling:電気光学サンプリング）システム５のセンサヘッドである電気光学（Electro-Optic：以下、ＥＯという）結晶４に集光される。ＥＯ結晶４としては、ＧａＡｓ，ＺｎＴｅ，ＣｄＴｅなどといった、せん亜鉛鉱型結晶が用いられることが多い。ここで、高周波電磁波の検出を行う基本的なシステムは、図１０に示すように、レーザ光源９、偏光検出素子６、光検出器７、ＥＯ結晶４、鏡３および電気信号計測器８によって構成される。
【００１５】
ＥＯＳシステム５内のレーザ光源９で発生したプローブ光は、偏光検出素子６に入射する。プローブ光の一部は偏光検出素子（偏光ビームスプリッタが一般的）６を透過し、ＥＯ結晶４に入射する。ＥＯ結晶４を透過したプローブ光は鏡３で反射され、ＥＯ結晶４内を逆行（図１０における右方向）する。
【００１６】
一方、前述したようにアンテナ１から放射されＥＯ結晶４に集光されたミリ波の一部はＥＯ結晶４内に進入し、ミリ波とプローブ光は結晶中をほぼ同じ速度で伝播する。このとき、プローブ光はミリ波の電界振幅に応じて偏光変化を受ける。偏光変化を受けたプローブ光は偏光検出素子６に入射するが、ＥＯ結晶４中でミリ波の電界に応じて偏光変化を受けたプローブ光の一部は偏光検出素子６で反射されて光検出器７によって検出され、電気信号に変換される。変換された電気信号の出力は一般には微弱なので、スペクトラムアナライザ（ＳＡ）やロックインアンプ（ＬＩＡ）などの電気信号計測器８を用いて狭帯域検出を行う。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、本システムの第１の実施の形態を示す図である。図１において、本システムの導波管２２内には、ＥＯ結晶４と鏡３とが挿入されている。この鏡３は光を反射するが、ミリ波を透過する材質でできたものである。導波管２２内を伝播するミリ波２１は、鏡３を透過してＥＯ結晶４に入射する。一方、ＥＯＳシステム５から出射したプローブ光２３は、導波管２２内に挿入されたＥＯ結晶４に入射する。ＥＯ結晶４を透過したプローブ光２３は鏡３で反射されて再びＥＯ結晶４に入射する。
【００１８】
ＥＯ結晶４に再入射したプローブ光２３は、同じくＥＯ結晶４に入射したミリ波２１とほぼ同じ速度でＥＯ結晶４中を伝播し、このときにミリ波２１の電界振幅に応じて偏光変化を受ける。ミリ波２１によって偏光変化を受けたプローブ光２３はＥＯ結晶４を出射した後、ＥＯＳシステム５内の図１０に示す偏光検出素子６で強度変化した光（強度変化光）に変換される。強度変化光に変換されたプローブ光２３はＥＯＳシステム５内の図１０に示す光検出器７によって電気信号に変換される。これにより、スペクトラムアナライザ（ＳＡ）やロックインアンプ（ＬＩＡ）などを用いてミリ波２１の情報を抽出することができる。
【００１９】
（第２の実施の形態）
図２は、本システムの第２の実施の形態を示す図である。第２の実施の形態では、図１に示す第１の実施の形態の鏡３の代わりに、誘電体反射膜１１をＥＯ結晶に蒸着していること以外の点では第１の実施の形態と同様の構成である。ここで、誘電体反射膜１１は、ミリ波２１を透過するが、プローブ光２３にとっては鏡としての機能を有する。
【００２０】
（第３の実施の形態）
図３は、本システムの第３の実施の形態を示す図である。第３の実施の形態では、プローブ光２３を伝送する手段としてファイバ２５を用いている。ファイバ２５を出射したプローブ光２３は、レンズ２４でコリメートされてからＥＯ結晶４に入射する。第１及び第２の実施の形態で説明したように、ＥＯ結晶４の近くに配置された鏡３、またはＥＯ結晶４に蒸着された誘電体反射膜１１で反射したプローブ光２３は、ＥＯ結晶４内でミリ波２１によって偏光変化を受けた後にレンズ２４で集光されてファイバ２５内に入射する。プローブ光２３はファイバ２５内を伝播してＥＯＳシステム５に到達し、検出される。
【００２１】
（第４の実施の形態）
図４は、本システムの第４の実施の形態４を示す図である。第４の実施の形態では、導波管２２に開けた小孔２６からプローブ光２３を入射し、導波管２２内に配置した鏡３によってプローブ光２３の進行方向をミリ波２１の進行方向と一致させる。小孔２６の直径がミリ波２１の波長に比べて十分小さければ、小孔２６がミリ波２１の伝播に与える影響は無視できる。その他の点においては、第１の実施の形態と同じである。
【００２２】
（第５の実施の形態）
図５は、本システムの第５の実施の形態を示す図である。第５の実施の形態では、導波管２２の２箇所に小孔２６Ａ，２６Ｂを開ける。そして、前述の第４の実施の形態と同様に、小孔２６Ａからプローブ光２３を入射する。前記第４の実施の形態と異なる点は、ミリ波２１とともにＥＯ結晶４を透過したプローブ光２３を、鏡３Ｂで再度反射させて進行方向を変え、小孔２６Ｂから出射させてＥＯＳシステム５に導く点である。その他の点においては、第４の実施の形態と同じである。
【００２３】
（第６の実施の形態）
図６は、本システムの第６の実施の形態を示す図であり、ＥＯ結晶４の構造を示すものである。ＥＯ結晶４として用いられることの多い結晶は、ＧａＡｓ，ＺｎＴｅ，ＣｄＴｅなどである。これらの結晶は、せん亜鉛鉱型と呼ばれる同一の結晶構造をとる。検出するミリ波２１の電界の向きが決まっている場合には、結晶の切り出し方と配置の方法を最適化することができる。本実施の形態では、導波管２２として矩形導波管２２Ａを用いる場合において、最大の電気光学効果を引き出すために、結晶の切り出し方と配置を図６に示したようにすることを特徴とする。
【００２４】
通常用いられる一般的な導波管は図６に示したような矩形状のもので、その断面は、辺の長さの比が１：２の長方形になっている。この導波管２２Ａは矩形導波管と呼ばれる。ここで、電磁波の進行方向をｚ軸とし、導波管断面の長方形の短軸および長軸の方向をそれぞれｘ軸とｙ軸とする。矩形導波管２２Ａ内を伝播する電磁波のモードは多数あるが、特殊な用途を除いて、ＴＥ１０と呼ばれる最低次のモードが一般的であり、この場合には電界Ｅの向きがｘ軸に平行である（ただし、電界Ｅの向きがｘ軸に平行なのは、ＴＥ１０モードだけとは限らない）。
【００２５】
電界Ｅの向きが一定の場合には、ＥＯ結晶４のカッティングに関して最適な方向が存在する。図６のように電界の向きがｘ軸に平行な場合には、ｘ，ｙ，ｚ軸に垂直な結晶面をそれぞれ（１，−１，０）面、（０，０，１）面、（１，１，０）面とすることにより、システムの感度が最大になる。
【００２６】
（第７の実施の形態）
前述の図６に示す矩形導波管２２Ａの次に一般的な導波管は、図７に示す円形導波管２２Ｂである。円形導波管２２Ｂの最低次のモードはＴＥ１１と呼ばれるモードで、導波管断面における電界の空間分布は図７に示すようになる。ｘ，ｙ軸は図７に示すとおりであり、ｚ軸は紙面に垂直で紙面の表から裏に向かう方向であり、これをミリ波２１の進行方向とする。図７に示したとおり、円形導波管２２ＢにおけるＴＥ１１モードの電界方向は一定ではないが、電界ベクトルを導波管断面内で積分すると、その対称性から、電界ベクトルの積分値がｘ軸に平行であることは明らかである。
【００２７】
せん亜鉛鉱型のＥＯ結晶４を用いる場合には、第６の実施の形態と同様に、ｘ，ｙ，ｚ軸に垂直な結晶面をそれぞれ（１，−１，０）面、（０，０，１）面、（１，１，０）面とすることにより、システムの感度を最大にすることができる。円形導波管２２ＢのＴＥ１１モードに限らず全ての導波管の全てのモードに関して、せん亜鉛鉱型のＥＯ結晶４を用いる場合には、（１，１，０）面および（１，−１，０）面を、それぞれミリ波２１の進行方向および導波管断面における電界ベクトルの積分値の方向に対して垂直にすることで、最大の感度が得られる。
【００２８】
円形導波管２２ＢにＥＯ結晶４を挿入するためには、図７のように導波管内径と等しい直径の円筒状（円柱）にＥＯ結晶４を加工し、導波管に挿入するのが望ましい。ＥＯ結晶４を円筒状に加工するのが困難な場合は、図８に示すように、円形導波管内部に内接するような直方体（ただし、（１，１，０）面は正方形：四角柱）に加工し、導波管２２Ｂに挿入する。
【００２９】
このように本システムは、ＥＯ結晶４とＥＯＳシステム５を用い、ＥＯ結晶４を導波管２２内に配置するようにしたので、導波管２２内を伝播する高周波電磁波２１を、広い周波数帯域にわたって一定の感度で、更に常温、高感度、高速応答で検出することができる。
【００３０】
図９は、本システムによる検出方法と市販のミリ波パワーメータの感度比較を、周波数１００ＧＨｚのミリ波に対して行った結果を示すグラフである。図９のグラフによれば、本システムによる検出方法を用いた場合は、パワーメータに比べて５０ｄＢ、ショットキダイオードに比べて３０ｄＢの高い感度で検出できることがわかる。更に、市販のパワーメータを用いた場合に測定に要する時間は４０秒ほどであるが、本システムでは測定に要する時間は１秒以内である。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、ＥＯ結晶を導波管内に挿入し、かつ導波管内を伝播する高周波電磁波が進入した前記ＥＯ結晶にプローブ光を入射するとともに、ＥＯ結晶中で高周波電磁波の電界振幅に応じて偏光変化を起こしたプローブ光を偏光検出素子により強度変化光に変換し、強度変化光に変換されたプローブ光を光検出器により電気信号に変換するようにしたので、導波管内を伝播する高周波電磁波を広い周波数帯域にわたって、常温、高感度かつ高速で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る高周波電磁波検出方法を適用したシステムの第１の実施の形態を示すブロック図である。
【図２】  前記システムの第２の実施の形態を示すブロック図である。
【図３】  前記システムの第３の実施の形態を示すブロック図である。
【図４】  前記システムの第４の実施の形態を示すブロック図である。
【図５】  前記システムの第５の実施の形態を示すブロック図である。
【図６】  前記システムの第６の実施の形態を示す図である。
【図７】  前記システムの第７の実施の形態を示す図である。
【図８】  前記システムの第７の実施の形態を示す図である。
【図９】  前記システムの検出状況を示すグラフである。
【図１０】  高周波電磁波を検出するシステムの基本構成を示すブロック図である。
【図１１】  高周波電磁波を検出するシステムの基本構成を示すブロック図である。
【図１２】  高周波電磁波を検出するシステムの基本構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…アンテナ、２…ミリ波レンズ、３，３Ａ，３Ｂ…鏡、４…ＥＯ結晶、５…ＥＯＳシステム、６…偏光検出素子、７…光検出器、８…電気信号計測器、９…レーザ光源、１１…誘電体反射膜、２１…ミリ波、２２，２２Ａ，２２Ｂ…導波管、２３…プローブ光、２４…レンズ、２５…ファイバ、２６，２６Ａ，２６Ｂ…小孔。
【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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