特開 2022-144811 光学ユニット及び干渉型光磁界センサ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022144811

(43)【公開日】2022-10-03

(54)【発明の名称】光学ユニット及び干渉型光磁界センサ装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 33/032 20060101AFI20220926BHJP

   G02B 27/28 20060101ALI20220926BHJP

【ＦＩ】

G01R33/032

G02B27/28 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021045982

(22)【出願日】2021-03-19

(71)【出願人】

【識別番号】000166948

【氏名又は名称】シチズンファインデバイス株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000001960

【氏名又は名称】シチズン時計株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100180806

【弁理士】

【氏名又は名称】三浦 剛

(74)【代理人】

【識別番号】100160716

【弁理士】

【氏名又は名称】遠藤 力

(72)【発明者】

【氏名】久保 利哉

(72)【発明者】

【氏名】宮本 光教

(72)【発明者】

【氏名】饗場 哲也

(72)【発明者】

【氏名】土屋 智春

(72)【発明者】

【氏名】須江 聡

【テーマコード（参考）】

2G017

2H199

【Ｆターム（参考）】

2G017AA01

2G017AD12

2G017AD15

2G017BA05

2G017BA15

2H199AB45

2H199AB47

2H199AB48

(57)【要約】

【課題】干渉型光磁界センサ装置の小型化が可能な光学ユニットを提供する。
【解決手段】光学ユニット１は、第１直線偏光と第２直線偏光を出射し、且つ、第３直線偏光及び第４直線偏光が入射される第１偏光素子と、第１直線偏光及び第４直線偏光を伝搬する第１光路、及び、第２直線偏光及び第３直線偏光を伝搬する第２光路を有する光路部とを有し、光路部は、第１偏光素子から入射された第１直線偏光及び第２直線偏光を第１光路及び第２光路のそれぞれに分波すると共に、第２光路を伝搬した第３直線偏光及び第１光路を伝搬した第４直線偏光を合波して第１偏光素子に出射する第１複屈折素子と、第１光路を伝搬した第１直線偏光及び第２光路を伝搬した第２直線偏光を合波して第２ポートに出射すると共に、第２ポートから入射された第３直線偏光及び第４直線偏光を第１光路及び第２光路のそれぞれに分波する第２複屈折素子とを有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１直線偏波光が入射される第１ポートと、
前記第１直線偏波光が入射されることに応じて、第１直線偏光と前記第１直線偏光に直交する第２直線偏光を出射し、且つ、第３直線偏光及び前記第３直線偏光と直交する第４直線偏光が入射されることに応じて、第２直線偏波光を出射する第１偏光素子と、
前記第１偏光素子に光学的に接続され、前記第１直線偏光及び前記第４直線偏光を伝搬する第１光路、及び、前記第２直線偏光及び前記第３直線偏光を伝搬する第２光路を有する光路部と、
前記第１直線偏波光及び前記第２直線偏波光を出射すると共に、前記第３直線偏光及び前記第４直線偏光が入射される第２ポートと、を有し、
前記光路部は、
前記第１偏光素子から入射された前記第１直線偏光及び前記第２直線偏光を前記第１光路及び前記第２光路のそれぞれに分波すると共に、前記第２光路を伝搬した前記第３直線偏光及び前記第１光路を伝搬した前記第４直線偏光を合波して前記第１偏光素子に出射する第１複屈折素子と、
前記第１光路を伝搬した前記第１直線偏光及び前記第２光路を伝搬した前記第２直線偏光を前記第２ポートに出射すると共に、前記第２ポートから入射された前記第３直線偏光及び前記第４直線偏光を前記第１光路及び前記第２光路のそれぞれに出射する第２複屈折素子と、
を有する、ことを特徴とする光学ユニット。

【請求項2】

前記光路部は、前記第１光路に配置され、前記第３直線偏光と前記第４直線偏光との間の位相差が９０度になるように、前記第１直線偏光及び前記第４直線偏光の位相を調整する第２光学素子を更に有する、請求項１に記載の光学ユニット。

【請求項3】

前記第２直線偏波光が前記第１偏光素子から入射されことに応じて、前記第２直線偏波光を第５直線偏光と前記第５直線偏光に直交する第６直線偏光とに分波する第３複屈折素子を更に有する、請求項１又は２に記載の光学ユニット。

【請求項4】

前記第３複屈折素子から前記第５直線偏光及び前記第６直線偏光が入射される第４複屈折素子と、
前記第４複屈折素子から前記第５直線偏光が入射される第３ポートと、
前記第４複屈折素子から前記第６直線偏光が入射される第４ポートと、
を更に有する、請求項３に記載の光学ユニット。

【請求項5】

前記第１複屈折素子、前記第２複屈折素子、前記第３複屈折素子及び前記第４複屈折素子は、方解石により形成される、請求項４に記載の光学ユニット。

【請求項6】

前記第１複屈折素子と前記第２複屈折素子とは、空間結合される、請求項１～５の何れか一項に記載の光学ユニット。

【請求項7】

第１直線偏波光を出射する発光部と、
少なくともその一部が所定の磁界内に配置可能であり、入射光が入射されることに応じて戻り光を出射する磁界センサ素子と、
前記第１直線偏波光が入射される第１ポート、前記入射光を出射すると共に前記戻り光が入射される第２ポート、並びに前記戻り光を分波した第５直線偏光及び第６直線偏光を出射する第３ポート及び第４ポートを有する光学ユニットと、
前記第５直線偏光及び前記第６直線偏光を受光して電気信号に変換することで、前記磁界センサ素子に印加される磁界に応じた検出信号を出力する検出信号発生部と、を有し、
前記光学ユニットは、
前記第１直線偏波光が入射されることに応じて、第１直線偏光と前記第１直線偏光に直交する第２直線偏光を出射し、且つ、第３直線偏光及び前記第３直線偏光と直交する第４直線偏光が入射されることに応じて、第２直線偏波光を出射する第１偏光素子と、
前記第１偏光素子に光学的に接続され、前記第１直線偏光及び前記第４直線偏光を伝搬する第１光路、及び、前記第２直線偏光及び前記第３直線偏光を伝搬する第２光路を有する光路部と、
前記第２直線偏波光が前記第１偏光素子から入射されことに応じて、前記第２直線偏波光を第５直線偏光と前記第５直線偏光に直交する第６直線偏光とに分波する第３複屈折素子と、を有し、
前記光路部は、
前記第１偏光素子から入射された前記第１直線偏光及び前記第２直線偏光を前記第１光路及び前記第２光路のそれぞれに分波すると共に、前記第２光路を伝搬した前記第３直線偏光及び前記第１光路を伝搬した前記第４直線偏光を合波して前記第１偏光素子に出射する第１複屈折素子と、
前記第１光路を伝搬した前記第１直線偏光及び前記第２光路を伝搬した前記第２直線偏光を合波して前記第２ポートに出射すると共に、前記第２ポートから入射された前記第３直線偏光及び前記第４直線偏光を前記第１光路及び前記第２光路のそれぞれに分波する第２複屈折素子と、
を有する、ことを特徴とする干渉型光磁界センサ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学ユニット及び干渉型光磁界センサ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

光ファイバの先端に配置されたファラデー回転子を透過した光を光電変換してファラデー回転子に印加される磁界に応じた検出信号を生成する干渉型光磁界センサ装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。特許文献１に記載される干渉型光磁界センサ装置は、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分のそれぞれの強度に比例する電気信号の差動信号を反転増幅して直流成分が除去された検出信号を生成するので、検出される磁界に応じた検出信号のＳＮ比を高くすることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－１２６００７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、特許文献１に記載される干渉型光磁界センサ装置は、ビームスプリッタ及び所定の長さを有する光ファイバを使用してＳ偏光成分の光とＰ偏光成分の光が通る光路を形成しているので、小型化することは容易ではない。

【0005】

本発明は、このような課題を解決するものであり、干渉型光磁界センサ装置の小型化が可能な光学ユニット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】

【0006】

本発明に係る光学ユニットは、第１直線偏波光が入射される第１ポートと、第１直線偏波光が入射されることに応じて、第１直線偏光と第１直線偏光に直交する第２直線偏光を出射し、且つ、第３直線偏光及び第３直線偏光と直交する第４直線偏光が入射されることに応じて、第２直線偏波光を出射する第１偏光素子と、第１偏光素子に光学的に接続され、第１直線偏光及び第４直線偏光を伝搬する第１光路、及び、第２直線偏光及び第３直線偏光を伝搬する第２光路を有する光路部と、第１直線偏波光及び第２直線偏波光を出射すると共に、第３直線偏光及び第４直線偏光が入射される第２ポートとを有し、光路部は、第１偏光素子から入射された第１直線偏光及び第２直線偏光を第１光路及び第２光路のそれぞれに分波すると共に、第２光路を伝搬した第３直線偏光及び第１光路を伝搬した第４直線偏光を合波して第１偏光素子に出射する第１複屈折素子と、第１光路を伝搬した第１直線偏光及び第２光路を伝搬した第２直線偏光を合波して第２ポートに出射すると共に、第２ポートから入射された第３直線偏光及び第４直線偏光を第１光路及び第２光路のそれぞれに分波する第２複屈折素子とを有する。

【0007】

さらに、本発明に係る光学ユニットでは、光路部は、第１光路に配置され、第３直線偏光と第４直線偏光との間の位相差が９０度になるように、第１直線偏光及び第４直線偏光の位相を調整する第２光学素子を更に有することが好ましい。

【0008】

さらに、本発明に係る光学ユニットは、第２直線偏波光が第１偏光素子から入射されことに応じて、第２直線偏波光を第５直線偏光と第５直線偏光に直交する第６直線偏光とに分波する第３複屈折素子を更に有することが好ましい。

【0009】

さらに、本発明に係る光学ユニットは、第３複屈折素子から第５直線偏光及び第６直線偏光が入射される第４複屈折素子と、第４複屈折素子から第５直線偏光が入射される第３ポートと、第４複屈折素子から第６直線偏光が入射される第４ポートとを更に有することが好ましい。

【0010】

さらに、本発明に係る光学ユニットでは、第１複屈折素子と第２複屈折素子とは、空間結合されることが好ましい。

【0011】

また、本発明に係る干渉型光磁界センサ装置は、第１直線偏波光を出射する発光部と、少なくともその一部が所定の磁界内に配置可能であり、入射光が入射されることに応じて戻り光を出射する磁界センサ素子と、第１直線偏波光が入射される第１ポート、入射光を出射すると共に戻り光が入射される第２ポート、並びに戻り光を分波した第５直線偏光及び第６直線偏光を出射する第３ポート及び第４ポートを有する光学ユニットと、第５直線偏光及び第６直線偏光を受光して電気信号に変換することで、磁界センサ素子に印加される磁界に応じた検出信号を出力する検出信号発生部とを有し、光学ユニットは、第１直線偏波光が入射されることに応じて、第１直線偏光と第１直線偏光に直交する第２直線偏光を出射し、且つ、第３直線偏光及び第３直線偏光と直交する第４直線偏光が入射されることに応じて、第２直線偏波光を出射する第１偏光素子と、第１偏光素子に光学的に接続され、第１直線偏光及び第４直線偏光を伝搬する第１光路、及び、第２直線偏光及び第３直線偏光を伝搬する第２光路を有する光路部と、第２直線偏波光が第１偏光素子から入射されことに応じて、第２直線偏波光を第５直線偏光と第５直線偏光に直交する第６直線偏光とに分波する第３複屈折素子と、を有し、光路部は、第１偏光素子から入射された第１直線偏光及び第２直線偏光を第１光路及び第２光路のそれぞれに分波すると共に、第２光路を伝搬した第３直線偏光及び第１光路を伝搬した第４直線偏光を合波して第１偏光素子に出射する第１複屈折素子と、第１光路を伝搬した第１直線偏光及び第２光路を伝搬した第２直線偏光を合波して第２ポートに出射すると共に、第２ポートから入射された第３直線偏光及び第４直線偏光を第１光路及び第２光路のそれぞれに分波する第２複屈折素子とを有する。

【発明の効果】

【0012】

本発明に係る光学ユニットを使用することで、干渉型光磁界センサ装置は、小型化が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】実施形態に係る干渉型光磁界センサ装置のブロック図である。

【図2】図１に示す光学ユニットの平面図である。

【図3】図２に示す第１複屈折素子の光学特性を示す図である。

【図4】（ａ）は図２に示す光学ユニットにおける第１直線偏波光の光路図であり、（ｂ）は（ａ）に示す第１直線偏波光の偏光面の遷移を示す図である。

【図5】（ａ）は図２に示す光学ユニットにおける第２直線偏波光の光路図であり、（ｂ）は（ａ）に示す第２直線偏波光の偏光面の遷移を示す図である。

【図6】図１に示す干渉型光磁界センサ装置及び比較例に係る干渉型光磁界センサ装置の出力強度とノイズとの関係を示す図である。

【図7】変形例に係る光学ユニットの平面図である。

【図8】図８に示す光学ユニットにおける第１直線偏波光の光路図である。

【図9】図８に示す光学ユニットにおける第２直線偏波光の光路図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明に係る光学ユニット及び干渉型光磁界センサ装置について図を参照しつつ説明する。但し、本開示の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

【0015】

（実施形態に係る干渉型光磁界センサ装置の構成及び機能）
図１は、実施形態に係る干渉型光磁界センサ装置のブロック図である。

【0016】

干渉型光磁界センサ装置１００は、光学ユニット１と、発光部１１０と、１／４波長板１２０と、平凸レンズ１３０と、磁界センサ素子１４０と、検出信号発生部１５０とを有し、磁界センサ素子１４０に印加される磁界に応じた検出信号を出力する。

【0017】

発光部１１０は、発光素子１１１と、アイソレータ１１２と、偏光子１１３とを有する。発光素子１１１は、例えば半導体レーザ又は発光ダイオードである。具体的には、発光素子１１１として、ファブリペローレーザー、スーパールミネッセンスダイオード等を好ましく用いることができる。

【0018】

アイソレータ１１２は、発光素子１１１から入射された光を光学ユニット１側に透過すると共に、光学ユニット１から入射された光を発光素子１１１側に透過しないことで、発光素子１１１を保護する。アイソレータ１１２は、例えば偏光依存型光アイソレータであり、偏光無依存型光アイソレータであってもよい。

【0019】

偏光子１１３は、発光素子１１１が発した光を直線偏波光Ｂ１にするための光学素子であり、その種類は特に限定されない。偏光子１１３で得られる第１直線偏波光Ｂ１は、光学ユニット１に入射される。

【0020】

光学ユニット１は、筐体１０と、第１ポート１１と、第２ポート１２と、第３ポート１３と、第４ポート１４とを有し、出射する第５直線偏光Ｂ２Ｐ３と第６直線偏光Ｂ２Ｐ４の位相差が９０度になるように入射される光の位相を調整する。筐体１０は、アルミニウム等の熱伝導率が高い部材で形成された収容部であり、光学ユニット１が有する種々の光学素子を所定の位置に配置する。

【0021】

第１ポート１１は、第１直線偏波光Ｂ１を入射する入力ポートであり、筐体１０の長手方向の一方の端面の中央部に配置され、第１直線偏波光Ｂ１が入射される。第２ポート１２は、磁界センサ素子１４０に入射される入射光ＢＩを出射すると共に、磁界センサ素子１４０からの戻り光ＢＲが入射される入出力ポートであり、筐体１０の長手方向の他方の端面の中央部に配置される。

【0022】

第３ポート１３は、第５直線偏光Ｂ２Ｐ３を出射する出力ポートであり、筐体１０の長手方向の一方の端面の一端に配置される。第４ポート１４は、第６直線偏光Ｂ２Ｐ４を出射する出力ポートであり、筐体１０の長手方向の一方の端面の他端に配置される。

【0023】

１／４波長板１２０は、水晶等の複屈折材料で形成され、第１直線偏波光Ｂ１の偏光面の向きに対して光軸が４５度傾斜して配置される。１／４波長板１２０は、第２ポート１２から出射される入射光ＢＩの直線偏光成分である第１入射偏光ＢＩＰ１及び第２入射偏光ＢＩＰ２を、磁界センサ素子１４０に入射される円偏光に変換して、平凸レンズ１３０に出射する。また、１／４波長板１２０は、磁界センサ素子１４０から円偏光として入射される戻り光ＢＲを直線偏光成分である戻り光ＢＲＰ１及び戻り光ＢＲＰ２に変換する。

【0024】

平凸レンズ１３０は、１／４波長板１２０から出射された入射光ＢＩを磁界センサ素子１４０に集光すると共に、磁界センサ素子１４０から出射された戻り光ＢＲを磁界センサ素子１４０に集光する。

【0025】

磁界センサ素子１４０は、ファラデー回転子１４１と、ミラー素子１４２とを有し、少なくともその一部が所定の磁界内に配置可能な素子である。磁界センサ素子１４０は、平凸レンズ１３０から入射光ＢＩが入射されると共に、入射された入射光ＢＩに応じた戻り光ＢＲを平凸レンズ１３０に出射する。

【0026】

ファラデー回転子１４１は、誘電体と、誘電体から安定的に相分離した状態で誘電体中に分散しているナノオーダの磁性体粒子とを有するグラニュラー膜であり、平凸レンズ１３０から平凸レンズ１３０の焦点距離だけ離隔して配置される。磁性体粒子は、例えば最表層等のごく一部では酸化物が形成されていてもよいが、ファラデー回転子１４１の全体では、磁性体粒子が、バインダとなる誘電体と化合物を作らずに、単独で薄膜中に分散している。ファラデー回転子１４１内における磁性体粒子の分布は、完全に一様でなくてもよく、多少偏っていてもよい。誘電体として透明性が高いものを用いれば、誘電体中に磁性体粒子が光の波長よりも小さいサイズで存在することにより、ファラデー回転子１４１は光透過性を有する。

【0027】

ファラデー回転子１４１は、単層のものに限らず、グラニュラー膜と誘電体膜とが交互に積層した多層膜であってもよい。グラニュラー膜を多層膜することでファラデー回転子１４１を形成することで、グラニュラー膜内での多重反射によって、より大きなファラデー回転角が得られる。

【0028】

誘電体は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ₂）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ₃）、フッ化イットリウム（ＹＦ₃）等のフッ化物（金属フッ化物）が好ましい。また、誘電体は、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）、五酸化二ニオビウム（Ｎｂ₂Ｏ₅）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、及び三酸化二アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）等の酸化物であってもよい。誘電体と磁性体粒子との良好な相分離のためには、酸化物よりもフッ化物の方が好ましく、透過率が高いフッ化マグネシウムが特に好ましい。

【0029】

磁性体粒子の材質は、ファラデー効果を生じるものであればよく、特に限定されないが、磁性体粒子の材質としては、強磁性金属である鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）並びにこれらの合金が挙げられる。Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの合金としては、例えば、ＦｅＮｉ合金、ＦｅＣｏ合金、ＦｅＮｉＣｏ合金、ＮｉＣｏ合金が挙げられる。Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの単位長さ当たりのファラデー回転角は、従来のファラデー回転子に適用されている磁性ガーネットに比べて２～３桁近く大きい。

【0030】

ミラー素子１４２は、ファラデー回転子１４１上に形成されており、ファラデー回転子１４１を透過した光をファラデー回転子１４１に向けて反射する。ミラー素子１４２としては、例えば、銀（Ａｇ）膜、金（Ａｕ）膜、アルミニウム（Ａｌ）膜又は誘電体多層膜ミラー等を用いることができる。特に、反射率の高いＡｇ膜及び耐食性が高いＡｕ膜が成膜上簡便で好ましい。ミラー素子１４２の厚さは、９８％以上の十分な反射率を確保できる大きさであればよく、例えばＡｇ膜の場合には、５０ｎｍ以上かつ２００ｎｍ以下であることが好ましい。ミラー素子１４２を用いてファラデー回転子１４１内で光を往復させることにより、ファラデー回転角を大きくすることができる。

【0031】

磁界センサ素子１４０では、入射光ＢＩがミラー素子１４２に向かってファラデー回転子１４１の内部を伝搬するときに、ファラデー回転子１４１に印加される磁界に応じて位相をθ_F変化させる。また、ミラー素子１４２から反射した戻り光ＢＲがファラデー回転子１４１の内部を伝搬するときに、ファラデー回転子１４１に印加される磁界に応じて位相をθ_F変化させる。入射光ＢＩと戻り光ＢＲとの位相差は２θ_Fである。

【0032】

検出信号発生部１５０は、第１受光素子１５１と、第２受光素子１５２と、信号処理回路１５３とを有し、光学ユニット１において第５直線偏光Ｂ２Ｐ３及び第６直線偏光Ｂ２Ｐ４に分波された戻り光ＢＲを受光する。

【0033】

第１受光素子１５１及び第２受光素子１５２のそれぞれは、例えばＰＩＮフォトダイオードである。第１受光素子１５１は第５直線偏光Ｂ２Ｐ３を受光し、第２受光素子１５２は第６直線偏光Ｂ２Ｐ４を受光する。第１受光素子１５１及び第２受光素子１５２のそれぞれは、受光した光を光電変換して、受光した光の光量の応じた電気信号を出力する。信号処理回路１５３は、第５直線偏光Ｂ２Ｐ３を示す電気信号及び第６直線偏光Ｂ２Ｐ４を示す電気信号を差動増幅することで、磁界センサ素子に印加される磁界に応じた検出信号Ｅｄを、オシロスコープ等の表示装置に出力する。

【0034】

図２は、光学ユニット１の平面図である。

【0035】

光学ユニット１は、第１複屈折素子２１と、第２複屈折素子２２と、第３複屈折素子２３と、第４複屈折素子２４とを更に有する。光学ユニット１は、第１ファラデー回転子２５と、第２ファラデー回転子２６と、第１（１／２）波長板２７と、第２（１／２）波長板２８と、第１（１／４）波長板２９と、第２（１／４）波長板３０とを更に有する。光学ユニット１は、第１光学素子３１と、第２光学素子３２と、第１基台３３と、第２基台３４と、第３基台３５とを更に有する。第１複屈折素子２１、第２複屈折素子２２、第２ファラデー回転子２６、第１（１／４）波長板２９及び第２（１／４）波長板３０は、光路部２０を形成する。光学ユニット１に含まれる光学素子である第１複屈折素子２１～第２光学素子３２のそれぞれは、光ファイバを介することなく空間結合される。

【0036】

第１ポート１１は、第１直線偏波光Ｂ１が発光部１１０から入射され、入射された第１直線偏波光Ｂ１を第１ファラデー回転子２５に出射する。

【0037】

第２ポート１２は、入射光ＢＩが第２複屈折素子２２から入射され、入射された入射光ＢＩを１／４波長板１２０に出射する。また、第２ポート１２は、戻り光ＢＲが１／４波長板１２０から入射され、入射された戻り光ＢＲを第２複屈折素子２２に出射する。

【0038】

第３ポート１３は、第５直線偏光Ｂ２Ｐ３が第１光学素子３１から入射され、入射された第５直線偏光Ｂ２Ｐ３を第１受光素子１５１に出射する。第４ポート１４は、第６直線偏光Ｂ２Ｐ４が第２光学素子３２から入射され、入射された第６直線偏光Ｂ２Ｐ４を第２受光素子１５２に出射する。

【0039】

第１複屈折素子２１、第２複屈折素子２２、第３複屈折素子２３及び第４複屈折素子２４は、例えば方解石（ＣａＣＯ₃）により形成される複屈折素子である。

【0040】

図３は、第１複屈折素子２１の光学特性を示す図である。

【0041】

第１複屈折素子２１は、第１面２１ａと、第２面２１ｂと、光軸２１ｃとを有し、単一の光路を伝搬する偏波光Ｂを第１面２１ａから入出力すると共に、２つの光路を伝搬する第１偏光ＢＰ１及び第２偏光ＢＰ２を第２面２１ｂから入出力する。第１偏光ＢＰ１は、図３において水平方向に偏光面を有し、常光線とも称される。また、第２偏光ＢＰ２は、図３において鉛直方向に偏光面を有し、異常光線とも称される。第１複屈折素子２１は、所望の第１偏光ＢＰ１及び第２偏光ＢＰ２を入出射可能となる向きに光軸２１ｃが向くように配置される。

【0042】

第１複屈折素子２１は、第１面２１ａに偏波光Ｂが入射したとき、第１複屈折素子２１の長手方向に沿って伝搬する第１偏光ＢＰ１と、第１複屈折素子２１の長手方向から傾斜して伝搬する第２偏光ＢＰ２とに偏波光Ｂを分波する。第１複屈折素子２１は、第１面２１ａに偏波光Ｂが入射したとき、第１偏光ＢＰ１及び第２偏光ＢＰ２を第２面２１ｂから出射する。第１複屈折素子２１は、第２面２１ｂに第１偏光ＢＰ１及び第２偏光ＢＰ２が入射したとき、第１偏光ＢＰ１と第２偏光ＢＰ２とを合波して、偏波光Ｂを第１面２１ａから出射する。

【0043】

第２複屈折素子２２、第３複屈折素子２３及び第４複屈折素子２４は、第１複屈折素子２１と同様な光学特性を有するので、ここでは詳細な説明は省略する。

【0044】

第１複屈折素子２１は、第１面２１ａが第２（１／２）波長板２８に対向すると共に、第２面２１ｂが第１（１／４）波長板２９に対向するように配置される。第２複屈折素子２２は、第１面２１ａが第２（１／４）波長板３０に対向すると共に、第２面２１ｂが第２ポート１２に対向するように配置される。

【0045】

第３複屈折素子２３は、第１面２１ａが第２（１／２）波長板２８に対向すると共に、第２面２１ｂが第１（１／２）波長板２７に対向するように配置される。第４複屈折素子２４は、第１面２１ａが第１ファラデー回転子２５に対向すると共に、第２面２１ｂが第１ポート１１、第１光学素子３１及び第２光学素子３２に対向するように配置される。

【0046】

第１ファラデー回転子２５及び第２ファラデー回転子２６は、ビスマス鉄ガーネット等の強磁性体材料で形成され、入射する直線偏光及び円偏光の位相を４５度シフトさせる。第１ファラデー回転子２５は、第４複屈折素子２４と第１（１／２）波長板２７との間に配置される。第２ファラデー回転子２６は、第１（１／４）波長板２９と第２（１／４）波長板３０との間に配置され、第２偏光素子とも称される。

【0047】

第１（１／２）波長板２７及び第２（１／２）波長板２８は、水晶等の複屈折材料で形成され、発光部１１０から入射される第１直線偏波光Ｂ１の偏光面の向きに対して光軸が２２．５度傾斜して配置され、入射する直線偏光の位相を４５度シフトさせる。第１（１／２）波長板２７は、第１ファラデー回転子２５と第３複屈折素子２３との間に配置される。第２（１／２）波長板２８は、第１複屈折素子２１と第３複屈折素子２３との間に配置され、第１偏光素子とも称される。

【0048】

第１（１／４）波長板２９及び第２（１／４）波長板３０は、水晶等の複屈折材料で形成され、発光部１１０から入射される第１直線偏波光Ｂ１の偏光面の向きに対して光軸が４５度傾斜して配置され、直線偏光を円偏光に変換すると共に、円偏光を直線偏光に変換する。第１（１／４）波長板２９は、第１複屈折素子２１と第２ファラデー回転子２６との間に配置される。第２（１／４）波長板３０は、第２複屈折素子２２と第２ファラデー回転子２６との間に配置される。

【0049】

第１光学素子３１及び第２光学素子３２は、ロンボイドプリズムである。第１光学素子３１は、第３ポート１３と第４複屈折素子２４との間に配置され、第４複屈折素子２４から出射された第５直線偏光Ｂ２Ｐ３を第３ポート１３に出射する。第２光学素子３２は、第４ポート１４と第４複屈折素子２４との間に配置され、第４複屈折素子２４から出射された第６直線偏光Ｂ２Ｐ４を第４ポート１４に出射する。

【0050】

第１基台３３、第２基台３４及び第３基台３５のそれぞれは、筐体１０に固定される。第１基台３３は、第１ファラデー回転子２５及び第１（１／２）波長板２７を、第３複屈折素子２３と第４複屈折素子２４との間に保持する。第２基台３４は、第２（１／２）波長板２８を、第３複屈折素子２３と第１複屈折素子２１との間に保持する。第３基台３５は、第２ファラデー回転子２６、第１（１／４）波長板２９及び第２（１／４）波長板３０を、第１複屈折素子２１と第２複屈折素子２２との間に保持する。

【0051】

図４（ａ）は光学ユニット１における第１直線偏波光Ｂ１の光路図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に示す第１直線偏波光Ｂ１の偏光面の遷移を示す図である。

【0052】

まず、矢印Ａに示すように、第１直線偏波光Ｂ１は、発光部１１０から第１ポート１１を介して入射される。第１直線偏波光Ｂ１は、常光線であるので、第４複屈折素子２４の内部を第４複屈折素子２４の長手方向に沿って伝搬する。

【0053】

次いで、矢印Ｂに示すように、第１直線偏波光Ｂ１は、第４複屈折素子２４から出射され、第１ファラデー回転子２５に入射される。第１直線偏波光Ｂ１は、第１ファラデー回転子２５の内部を伝搬するときに位相が４５度シフトし、矢印Ｃに示すように、位相が４５度シフトして第１ファラデー回転子２５から出射され、第１（１／２）波長板２７に入射する。

【0054】

第１直線偏波光Ｂ１は、第１（１／２）波長板２７の内部を伝搬するときに位相が－４５度シフトし、矢印Ｄに示すように、偏光面が第１ファラデー回転子２５に入射する前に戻って第１（１／２）波長板２７から出射され、第３複屈折素子２３に入射する。第１直線偏波光Ｂ１は、常光線であるので、第３複屈折素子２３の内部を第３複屈折素子２３の長手方向に沿って伝搬する。

【0055】

次いで、矢印Ｅに示すように、第１直線偏波光Ｂ１は、第３複屈折素子２３から出射され、第２（１／２）波長板２８に入射される。第１直線偏波光Ｂ１は、第２（１／２）波長板２８の内部を伝搬するときに位相が４５度シフトし、矢印Ｆに示すように、位相が４５度シフトして第２（１／２）波長板２８から出射され、第１複屈折素子２１に入射する。

【0056】

第１直線偏波光Ｂ１は、第１複屈折素子２１に入射すると、常光線である第１直線偏光Ｂ１Ｐ１と、異常光線である第２直線偏光Ｂ１Ｐ２に分波される。第１直線偏波光Ｂ１は、常光線であるので、第１複屈折素子２１の内部を第１複屈折素子２１の長手方向に沿って伝搬する。

【0057】

矢印Ｇに示すように、第１直線偏光Ｂ１Ｐ１は、第１複屈折素子２１を出射し、第１（１／４）波長板２９に入射する。第１直線偏光Ｂ１Ｐ１は、第１（１／４）波長板２９の内部を伝搬するときに第１円偏光Ｂ１Ｃ１に変換される。矢印Ｈに示すように、第１円偏光Ｂ１Ｃ１は、第１（１／４）波長板２９から出射され、第２ファラデー回転子２６に入射する。

【0058】

第１円偏光Ｂ１Ｃ１は、第２ファラデー回転子２６の内部を伝搬するときに、円偏光の位相を４５度シフトし、矢印Ｉに示すように、第２ファラデー回転子２６から出射され、第２（１／４）波長板３０に入射する。第１円偏光Ｂ１Ｃ１は、第２（１／４）波長板３０の内部を伝搬するときに、第１直線偏光Ｂ１Ｐ１に変換される。矢印Ｊに示すように、第１直線偏光Ｂ１Ｐ１は、第２（１／４）波長板３０から出射され、第２複屈折素子２２に入射する。

【0059】

一方、異常光線である第２直線偏光Ｂ１Ｐ２は、第１複屈折素子２１の内部を第１複屈折素子２１の長手方向から傾斜して伝搬する。矢印Ｋに示すように、第２直線偏光Ｂ１Ｐ２は、第１複屈折素子２１から出射され、第２複屈折素子２２に入射する。

【0060】

第２複屈折素子２２において、第１直線偏光Ｂ１Ｐ１は、第２複屈折素子２２の内部を第２複屈折素子２２の長手方向に沿って伝搬する。一方、第２直線偏光Ｂ１Ｐ２は、第２複屈折素子２２の内部を第２複屈折素子２２の長手方向から傾斜して伝搬する。矢印Ｌに示すように、第１直線偏光Ｂ１Ｐ１及び第２直線偏光Ｂ１Ｐ２は、合波されて第２複屈折素子２２から入射光ＢＩとして出射される。

【0061】

図５（ａ）は光学ユニット１における第２直線偏波光Ｂ２の光路図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示す第２直線偏波光Ｂ２の偏光面の遷移を示す図である。

【0062】

まず、矢印Ａに示すように、戻り光ＢＲは、１／４波長板１２０から第２ポート１２を介して入射される。戻り光ＢＲは、第３直線偏光Ｂ２Ｐ１と、第３直線偏光Ｂ２Ｐ１と直交する偏光成分である第４直線偏光Ｂ２Ｐ２とを有する。

【0063】

戻り光ＢＲは、第２複屈折素子２２に入射すると、第３直線偏光Ｂ２Ｐ１と、第４直線偏光Ｂ２Ｐ２とに分波される。第３直線偏光Ｂ２Ｐ１は、常光線であるので、第２複屈折素子２２の内部を第２複屈折素子２２の長手方向に沿って伝搬する。一方、第４直線偏光Ｂ２Ｐ２は、異常光線であるので、第２複屈折素子２２の内部を第２複屈折素子２２の長手方向から傾斜して伝搬する。

【0064】

矢印Ｂに示すように、第３直線偏光Ｂ２Ｐ１は、第２複屈折素子２２から出射され、第２（１／４）波長板３０に入射する。第３直線偏光Ｂ２Ｐ１は、第２（１／４）波長板３０の内部を伝搬するときに、第３円偏波光Ｂ２Ｃ１に変換される。矢印Ｃに示すように、第３円偏波光Ｂ２Ｃ１は、第２（１／４）波長板３０から出射し、第２ファラデー回転子２６に入射する。

【0065】

第３円偏波光Ｂ２Ｃ１は、第２ファラデー回転子２６の内部を伝搬するときに、円偏光の位相を－４５度シフトし、矢印Ｄに示すように、第２ファラデー回転子２６から出射され、第１（１／４）波長板２９に入射する。第３円偏光Ｂ２Ｃ１は、第１（１／４）波長板２９の内部を伝搬するときに、第３直線偏光Ｂ２Ｐ１に変換される。矢印Ｅに示すように、第３直線偏光Ｂ２Ｐ１は、第１（１／４）波長板２９から出射され、第１複屈折素子２１に入射する。

【0066】

一方、異常光線である第４直線偏光Ｂ２Ｐ２は、第２複屈折素子２２の内部を第２複屈折素子２２の長手方向から傾斜して伝搬する。矢印Ｆに示すように、第４直線偏光Ｂ２Ｐ２は、第２複屈折素子２２から出射され、第１複屈折素子２１に入射する。

【0067】

第１複屈折素子２１において、第３直線偏光Ｂ２Ｐ１は、第１複屈折素子２１の内部を第１複屈折素子２１の長手方向に沿って伝搬する。一方、第４直線偏光Ｂ２Ｐ２は、第１複屈折素子２１の内部を第１複屈折素子２１の長手方向から傾斜して伝搬する。矢印Ｇに示すように、第３直線偏光Ｂ２Ｐ１及び第４直線偏光Ｂ２Ｐ２は、合波されて第１複屈折素子２１から第２（１／２）波長板２８に第２直線偏光Ｂ２として出射される。

【0068】

第２直線偏光Ｂ２は、第２（１／２）波長板２８の内部を伝搬するときに、位相が－４５度シフトして第２（１／２）波長板２８から出射される。矢印Ｈに示すように、第３直線偏光Ｂ２Ｐ１及び第４直線偏光Ｂ２Ｐ２のそれぞれは、位相が－４５度シフトして第３複屈折素子２３に入射する。

【0069】

第３直線偏光Ｂ２Ｐ１及び第４直線偏光Ｂ２Ｐ２は、第３複屈折素子２３の内部を伝搬するときに、異常光線である第５直線偏光Ｂ２Ｐ３と、常光線である第６直線偏光Ｂ２Ｐ４とに分波される。第５直線偏光Ｂ２Ｐ３は、異常光線であるので、矢印Ｉに示すように、第３複屈折素子２３の内部を第３複屈折素子２３の長手方向から傾斜して伝搬して、第３複屈折素子２３から出射し、第１（１／２）波長板２７に入射する。

【0070】

第５直線偏光Ｂ２Ｐ３は、第１（１／２）波長板２７の内部を伝搬するときに位相が－４５度シフトし、矢印Ｊに示すように、位相が－４５度シフトして第１（１／２）波長板２７から出射され、第１ファラデー回転子２５に入射する。

【0071】

第５直線偏光Ｂ２Ｐ３は、第１ファラデー回転子２５の内部を伝搬するときに位相が更に－４５度シフトし、矢印Ｋに示すように、位相が更に－４５度シフトして第１ファラデー回転子２５から出射され、第４複屈折素子２４に入射する。

【0072】

第５直線偏光Ｂ２Ｐ３は、常光線であるので、矢印Ｌに示すように、第４複屈折素子２４の内部を第３複屈折素子２３の長手方向に沿って伝搬して、第４複屈折素子２４から出射し、第１光学素子３１に入射する。第５直線偏光Ｂ２Ｐ３は、第１光学素子３１を介して第３ポート１３から出射される。

【0073】

第６直線偏光Ｂ２Ｐ４は、常光線であるので、矢印Ｍに示すように、第３複屈折素子２３の内部を第３複屈折素子２３の長手方向に沿って伝搬して、第３複屈折素子２３から出射し、第１（１／２）波長板２７に入射する。

【0074】

第６直線偏光Ｂ２Ｐ４は、第１（１／２）波長板２７の内部を伝搬するときに位相が－４５度シフトし、矢印Ｎに示すように、位相が－４５度シフトして第１（１／２）波長板２７から出射され、第１ファラデー回転子２５に入射する。

【0075】

第６直線偏光Ｂ２Ｐ４は、第１ファラデー回転子２５の内部を伝搬するときに位相が更に－４５度シフトし、矢印Ｏに示すように、位相が更に－４５度シフトして第１ファラデー回転子２５から出射され、第４複屈折素子２４に入射する。

【0076】

第６直線偏光Ｂ２Ｐ４は、異常光線であるので、矢印Ｐに示すように、第４複屈折素子２４の内部を第３複屈折素子２３の長手方向から傾斜して伝搬して、第４複屈折素子２４から出射し、第２光学素子３２に入射する。第６直線偏光Ｂ２Ｐ４は、第２光学素子３２を介して第４ポート１４から出射される。

【0077】

（実施形態に係る光学ユニットの作用効果）
光学ユニット１は、分波処理及び合波処理を実行する素子として、ビームスプリッタよりも小型化が可能な複屈折素子を採用しているので、干渉型光磁界センサ装置１００は、ビームスプリッタを使用する干渉型光磁界センサ装置よりも小型化が可能になる。例えば、ビームスプリッタの一辺の長さは３００ｍｍ～６００ｍｍ程度であるのに対し、複屈折素子の１つである方解石は、幅及び高さが３０ｍｍであり、長さが１００ｍｍである。

【0078】

また、光学ユニット１及び干渉型光磁界センサ装置１００は、光学素子の間の光路に光ファイバを配置することなく、光学素子の間を空間結合する。光学ユニット１及び干渉型光磁界センサ装置１００は、光学素子の間を空間結合することで、光学素子の間の光路に光ファイバを配置する干渉型光磁界センサ装置よりも小型化が可能になる。

【0079】

さらに、光学ユニット１に使用される複屈折素子の１つである方解石は、ビームスプリッタよりもノイズが小さい。光学ユニット１及び干渉型光磁界センサ装置１００は、ビームスプリッタよりもノイズが小さい複屈折素子を使用することで、ビームスプリッタを使用する干渉型光磁界センサ装置よりもノイズが小さくなる。

【0080】

図６は、干渉型光磁界センサ装置１００及び比較例に係る干渉型光磁界センサ装置の出力強度とノイズとの関係を示す図である。図６において、横軸は検出信号生成部の受光素子の出力電圧を示し、縦軸はノイズを示す。

【0081】

図６において、波形７００は、干渉型光磁界センサ装置１００のノイズ特性の実測値を示す。また、波形７０１は、光学素子の間を光ファイバによって結合し、且つ、ビームスプリッタを偏光分離素子として使用した干渉型光磁界センサ装置のノイズ特性の実測値を示す。また、波形７０２は、光学素子の間を光ファイバを介さず空間結合し、且つ、ビームスプリッタを偏光分離素子として使用した干渉型光磁界センサ装置のノイズ特性の実測値を示す。また、波形７０３は、光学素子の配置を波形７０２に対応する干渉型光磁界センサ装置よりも最適化した干渉型光磁界センサ装置のノイズ特性の実測値を示す。波形７０４は、干渉型光磁界センサ装置１０００のノイズ特性のシミュレーション値を示す。

【0082】

また、波形７０１に示すノイズは、波形７０２に示すノイズよりも大きいことから、光学素子の間を光ファイバを使用せずに空間結合することで、ノイズ特性が向上することが分かる。また、波形７０２及び７０３に示すノイズは、波形７００に示すノイズよりも大きいことから、ビームスプリッタに代えて方解石を偏光分離素子として使用することにより、ノイズ特性が向上することが分かる。

【0083】

なお、波形７００は、波形７０４と略一致している。

【0084】

（実施形態に係る光学ユニットの変形例）
光学ユニット１は、筐体１０の長手方向の一方の面に第１ポート１１、第３ポート１３及び第４ポート１４が配置され、筐体１０の長手方向の他方の面に第２ポート１２が配置される。しかしながら、実施形態に係る光学ユニットは、１つの面に第１ポート１１～第４ポート１４が配置されてもよい。

【0085】

図７は変形例に係る光学ユニットの平面図であり、図８は図７に示す光学ユニットにおける第１直線偏波光Ｂ１の光路図であり、図９は図７に示す光学ユニットにおける第２直線偏波光Ｂ２の光路図である。

【0086】

光学ユニット２は、筐体４０を筐体１０の代わりに有することが光学ユニット１と相違する。また、光学ユニット２は、光学素子４１を第２ファラデー回転子２６及び第１（１／２）波長板２７の代わりに有することが光学ユニット１と相違する。また、光学ユニット２は、第１光路プリズムミラー５１～第６光路プリズムミラー５６を有することが光学ユニット１と相違する。また、光学ユニット２は、第１出射プリズムミラー６１～第４出射プリズムミラー６４を第１光学素子３１及び第２光学素子３２の代わりに有することが光学ユニット１と相違する。

【0087】

筐体４０、光学素子４１、第１光路プリズムミラー５１～第６光路プリズムミラー５６及び第１出射プリズムミラー６１～第４出射プリズムミラー６４以外の光学ユニット２の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された光学ユニット１の構成要素の構成及び機能である。したがって、筐体４０、光学素子４１、第１光路プリズムミラー５１～第６光路プリズムミラー５６及び第１出射プリズムミラー６１～第４出射プリズムミラー６４以外の光学ユニット２の構成要素の構成及び機能は、ここでは詳細な説明は省略する。

【0088】

筐体４０は、第２ポートが第１ポート１１、第３ポート１３及び第４ポート１４と同一面に配置される。また、光学素子４１は、第２ファラデー回転子２６及び第１（１／２）波長板２７を一体化した素子である。

【0089】

第１光路プリズムミラー５１～第６光路プリズムミラー５６及び第１出射プリズムミラー６１～第４出射プリズムミラー６４は、何れも直角プリズムミラーである。第１光路プリズムミラー５１及び第２光路プリズムミラー５２は、第１複屈折素子２１と第１（１／４）波長板２９との間を光学的に接続する光路に配置され、光路を反転させる。

【0090】

第３光路プリズムミラー５３～第６光路プリズムミラー５６は、第１複屈折素子２１と第２複屈折素子２２との間を光学的に接続する光路に配置される。第３光路プリズムミラー５３及び第４光路プリズムミラー５４は、第１複屈折素子２１と第２複屈折素子２２との間の光路を反転させる。第５光路プリズムミラー５５及び第６光路プリズムミラー５６は、第１複屈折素子２１と第２複屈折素子２２との間の光路を、筐体４０の短手方向の内側にシフトする。

【0091】

第１出射プリズムミラー６１及び第２出射プリズムミラー６２は、第１光学素子３１と同様に第４複屈折素子２４と第３ポート１３との間を光学的に接続する。また、第３出射プリズムミラー６３及び第４出射プリズムミラー６４は、第２光学素子３２と同様に第４複屈折素子２４と第４ポート１４との間を光学的に接続する。

【0092】

また、光学ユニット１は、第３複屈折素子２３及び第４複屈折素子２４等の第２直線偏波光Ｂ２を第５直線偏光Ｂ２Ｐ３及び第６直線偏光Ｂ２Ｐ４に分波する光学素子を有する。しかしながら、実施形態に係る光学ユニットは、第２直線偏波光Ｂ２を分波する光学素子を有さなくてもよい。

【0093】

また、光学ユニット１は、第３複屈折素子２３及び第４複屈折素子２４の２つの２つの複屈折素子により第２直線偏波光Ｂ２を分波するが、実施形態に係る光学ユニットは、単一又は３つ以上の複屈折素子により第２直線偏波光Ｂ２を分波してもよい。

【0094】

また、光学ユニット１では、第１複屈折素子２１～第２複屈折素子２２は方解石により形成されるが、実施形態に係る光学ユニットでは、複屈折素子は、方解石以外の複屈折材料により形成されてもよい。

【0095】

例えば、実施形態に係る光学ユニットでは、複屈折素子は、水晶(ＳｉＯ₂)、金紅石（ルチル、ＴｉＯ₂)及び鋼玉（サファイヤ、Ａｌ₂Ｏ₃）によって形成されてもよい。波長が５８９．３ｎｍの光が入射したときの方解石の常光線の屈折率は１．６５８４であり、異常光線の屈折率は１．４８６４である。一方、波長が５８９．３ｎｍの光が入射したときの水晶の常光線の屈折率は１．５４４３であり、異常光線の屈折率は１．５５３４である。また、波長が５８９．３ｎｍの光が入射したときの金紅石の常光線の屈折率は２．６１６０であり、異常光線の屈折率は２．９０３である。また、波長が５８９．３ｎｍの光が入射したときの鋼玉の常光線の屈折率は１．７６８であり、異常光線の屈折率は１．７６００である。

【符号の説明】

【0096】

１、２ 光学ユニット
１１ 第１ポート
１２ 第２ポート
１３ 第３ポート
１４ 第４ポート
２１ 第１複屈折素子
２２ 第２複屈折素子
２３ 第３複屈折素子
２４ 第４複屈折素子
２５ 第１ファラデー回転子
２６ 第２ファラデー回転子（第２偏光素子）
２７ 第１（１／２）波長板
２８ 第２（１／２）波長板（第１偏光素子）
１００ 干渉型光磁界センサ装置
１１０ 発光部
１２０ １／４波長板
１３０ 平凸レンズ
１４０ 磁界センサ素子
１５０ 検出信号発生部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】