特許 7174423 光電界センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-11-09

(45)【発行日】2022-11-17

(54)【発明の名称】光電界センサ

(51)【国際特許分類】

   G01R 29/08 20060101AFI20221110BHJP

   G02F 1/035 20060101ALI20221110BHJP

【ＦＩ】

G01R29/08 F

G02F1/035

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2019221760

(22)【出願日】2019-12-07

(65)【公開番号】P2021092405

(43)【公開日】2021-06-17

【審査請求日】2022-07-22

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000147350

【氏名又は名称】株式会社精工技研

(74)【代理人】

【識別番号】100178906

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 充和

(72)【発明者】

【氏名】鳥羽 良和

【審査官】永井 皓喜

(56)【参考文献】

【文献】特開平２－１８４７７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１５５７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１１／００４５３６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－２１５１４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－３２１３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２３０９５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１１－２０２０１０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ ２９／０８

Ｇ０１Ｒ １５／２４

Ｇ０２Ｆ １／０３５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気光学効果を有する材料からなる基板上に形成された光導波路と、該光導波路に電界を印加するために設けた変調電極と、該変調電極に接続され前記基板上に配置されたアンテナとを有し、前記アンテナに誘起される電圧信号により前記光導波路に入力された光波の位相を変調し位相変調光として出力するように構成した光電界センサヘッドと、
前記光電界センサヘッドの前記光導波路への入力光を供給する光源と、
前記光電界センサヘッドから出力された前記位相変調光を光波の強度を変調した強度変調光に変換する変換手段と、
前記強度変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、
前記光源からの出力光を前記光電界センサヘッドに導く入力光ファイバと、
前記光電界センサヘッドからの出力光を前記変換手段に導く出力光ファイバと、
を有し、
前記のＯ／Ｅ変換された電気信号により前記光電界センサヘッドが配置された場の電界を測定する光電界センサにおいて、
前記アンテナに誘起される電圧信号は高周波信号であって、前記変換手段は、前記位相変調光をシングルモード光ファイバに入力し、該シングルモード光ファイバの分散特性を利用して前記位相変調光を前記高周波信号により強度変調された強度変調光に変換する手段であることを特徴とする光電界センサ。

【請求項2】

電気光学効果を有する材料からなる基板上に形成された光導波路と、該光導波路に電界を印加するために設けた変調電極と、該変調電極に接続され前記基板上に配置されたアンテナとを有し、前記アンテナに誘起される電圧信号により前記光導波路に入力された光波の位相を変調し位相変調光として出力するように構成した光電界センサヘッドと、
前記光電界センサヘッドの前記光導波路への入力光を供給する光源と、
前記光電界センサヘッドから出力された前記位相変調光を光波の強度を変調した強度変調光に変換する変換手段と、
前記強度変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、
前記光源からの出力光を前記光電界センサヘッドに導く入力光ファイバと、
前記光電界センサヘッドからの出力光を前記変換手段に導く出力光ファイバと、
を有し、
前記のＯ／Ｅ変換された電気信号により前記光電界センサヘッドが配置された場の電界を測定する光電界センサにおいて、
前記変換手段は、前記光源からの出力光の一部と、前記位相変調光を干渉させる手段を有することを特徴とする光電界センサ。

【請求項3】

電気光学効果を有する材料からなる基板上に形成された光導波路と、該光導波路に電界を印加するために設けた変調電極と、該変調電極に接続され前記基板上に配置されたアンテナとを有し、前記アンテナに誘起される電圧信号により前記光導波路に入力された光波の位相を変調し位相変調光として出力するように構成した光電界センサヘッドと、
前記光電界センサヘッドの前記光導波路への入力光を供給する光源と、
前記光電界センサヘッドから出力された前記位相変調光を光波の強度を変調した強度変調光に変換する変換手段と、
前記強度変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、
前記光源からの出力光を前記光電界センサヘッドに導く入力光ファイバと、
前記光電界センサヘッドからの出力光を前記変換手段に導く出力光ファイバと、
を有し、
前記のＯ／Ｅ変換された電気信号により前記光電界センサヘッドが配置された場の電界を測定する光電界センサにおいて、
前記変換手段は、前記位相変調光を分割し、その分割された２つの位相変調光に位相差を与えて干渉させる手段を有することを特徴とする光電界センサ。

【請求項4】

複数の光電界センサヘッドと、合波器と、分波器とを有し、
前記光源は波長が異なる複数の光波を出力する光源であって、
前記複数の光電界センサヘッドの前記光導波路にはそれぞれ異なる波長の光波を入力し、前記複数の光電界センサヘッドからの出力光を前記合波器により合波し、該合波器の出力を前記変換手段に入力し、前記変換手段からの出力を前記分波器により分波し、該分波器の出力を前記Ｏ／Ｅ変換器に入力することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項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、光電界センサヘッドを用いて、電磁波などの電界を光信号に変換し、その場の電界を検出する光電界センサに関する。

【背景技術】

【0002】

ＥＭＣ分野における電磁波ノイズの検出やイミュニティ試験等における電磁波強度の測定、放送用又は通信用の送信アンテナから放出される電磁波の監視等において、電磁波の電界強度や位相を任意の場所で正確に測定することが必要とされる。従来、このような目的で、光ファイバにより入力された入力光の強度をその場の電界強度に応じて変調して光ファイバにより出力する光電界センサヘッドと、その出力光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器とを用い、そのＯ／Ｅ変換された電気信号により、その場の電界を測定する光電界センサが使用されている。主として誘電体材料で構成され、電波周波数での応答が可能な広帯域特性を有する光電界センサヘッドを測定箇所に設置し、それと光源およびＯ／Ｅ変換器などの測定機器との間を光ファイバで接続することにより、測定する電磁波や電磁ノイズ、落雷などによる誘導の影響を受けないで、電磁波の強度や位相特性を正確に測定することができるという特徴がある。

【0003】

通常、光電界センサは、電気光学効果を有する材料から作られた基板、例えばニオブ酸リチウム結晶基板上に、光導波路と、その光導波路近傍に設置された変調電極とにより構成した光変調器と、アンテナとを備え、電磁波等の電界によりアンテナに誘起された電圧を変調電極に印加して光変調器を通過する光波の強度を変調することを動作原理としている。この場合、アンテナは基板上に一体として形成されるか、又は基板の外部に設置される。

【0004】

このような光電界センサの従来例としては、高周波数化に対応した光電界センサが特許文献１に、３軸方向の電界検出を可能にした光電界センサが特許文献２に記載されている。また、光電界センサを用いた電磁波の測定システムの例が特許文献３及び４に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開平１１－３５２１６５号公報

【文献】特開２００７－７８６３３号公報

【文献】特開２０１４－２００５号公報

【文献】特開２０１７－９４４５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

従来、光電界センサヘッドを構成する光導波路型の光変調器としては、分岐干渉型光導波路に変調電極を設置したマッハツェンダ型光変調器が使用されている。しかし、この光変調器を光電界センサヘッドに使用する場合、変調電極への印加電圧が０のときの２つの位相シフト光導波路間の位相差、すなわちバイアス点を一定の範囲内に制御する必要があるため、光導波路の設計や製造条件の制御等を高精度に行う必要があり、また、上記のバイアス点の温度等の周囲環境による変動を小さくするためにも特別な工夫を必要としていた。このため、光電界センサヘッドの製造コストを低減することは容易ではなかった。光電界センサをＥＭＣ分野やアンテナ計測等のより広い分野に適用していくためには、そのコスト低減は重要な課題であった。

【0007】

本発明の目的は、上記の課題を解決し、従来に比べて製造コストの大幅な低減を可能とする光電界センサを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記課題を解決するため、第１の観点では、本発明による光電界センサは、電気光学効果を有する材料からなる基板上に形成された光導波路と、該光導波路に電界を印加するために設けた変調電極と、該変調電極に接続され前記基板上に配置されたアンテナとを有し、前記アンテナに誘起される電圧信号により前記光導波路に入力された光波の位相を変調し位相変調光として出力するように構成した光電界センサヘッドと、前記光電界センサヘッドの前記光導波路への入力光を供給する光源と、前記光電界センサヘッドから出力された前記位相変調光を光波の強度を変調した強度変調光に変換する変換手段と、前記強度変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、前記光源からの出力光を前記光電界センサヘッドに導く入力光ファイバと、前記光電界センサヘッドからの出力光を前記変換手段に導く出力光ファイバと、を有し、前記のＯ／Ｅ変換された電気信号により前記光電界センサヘッドが配置された場の電界を測定することを特徴とする。

【0009】

上記のように、本発明における光電界センサヘッドは、その場の電界によって、入力した光波を強度変調するのではなく、位相を変調して位相変調光として出力する。その後、出力光ファイバから戻ってきた位相変調光を変換手段により強度変調光に変換し、Ｏ／Ｅ変換器により電気信号に変換するものである。本発明のように、入力した光波を位相変調する場合は、電気光学効果を有する材料からなる基板、例えばニオブ酸リチウム結晶基板上に、単なる直線状の光導波路を形成し、その光導波路に電界を印加するための変調電極を光導波路上、又は光導波路を挟んで設けることにより容易に実現できる。この場合は、従来のマッハツェンダ型光変調器のようなバイアス点はないので、光導波路形成においては特別な制御は必要なく、伝搬している光波に位相シフトを与えるだけであるので温度等の周囲環境による変動はほとんど生じない。このため、光電界センサヘッドの製造コストを従来に比べ大幅に低減可能である。また、アンテナを変調電極と同一の製造工程で基板上に形成すれば製造コストも低減できる。

【0010】

一方、本発明においては、光電界センサヘッドの出力光ファイバからの位相変調光を強度変調光に変換するための変換手段が必要となる。この変換手段は、位相変調光をそれと同じ波長成分を有する光波と干渉させる手段を構成することにより実現できる。

【0011】

なお、基板上に形成するアンテナは変調電極と一体化し、変調電極の一部にアンテナ機能を持たせてもよい。また、複数個の光電界センサヘッドを用いる場合、１つの基板上にそれぞれの光電界センサヘッドに対応する光導波路、変調電極及びアンテナをそれぞれ形成することも可能である。

【0012】

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点の光電界センサにおいて、前記アンテナに誘起される電圧信号は高周波信号であって、前記変換手段は、前記位相変調光をシングルモード光ファイバに入力し、該シングルモード光ファイバの分散特性を利用して前記位相変調光を前記高周波信号により強度変調された強度変調光に変換する手段であることを特徴とする。

【0013】

光波の位相がマイクロ波周波数等の高周波帯で変調されていれば、シングルモード光ファイバの分散特性を利用して強度変調光に変換することが可能である。波長分散により位相変調された光波成分と無変調の光波成分との間に遅延時間の違いにより半波長の位相差が生ずれば最大振幅の強度変調光が得られる。例えば、１ｋｍ当たり波長分散が約１７ｐｓ／ｎｍであるシングルモード光ファイバを用いれば、変調周波数が３０ＧＨｚである場合、上記の位相差を与えるシングルモード光ファイバの長さは４ｋｍ程度である。本観点の発明を用いれば、変換手段として光分岐などの構成部品が不要となる。

【0014】

第３の観点では、本発明は、前記第１の観点の光電界センサにおいて、前記変換手段は、前記光源からの出力光の一部と、前記位相変調光を干渉させる手段を有することを特徴とする。位相変調光を強度変調光に変換する手段としては、位相変調光を同じ光源からの出力光の一部と干渉させるホモダイン検出光学系を構成する方法が最も一般的である。この場合、光電界センサにおいては、通常の光伝送システムとは異なり、変調された光波はその光源に近接して配置された検出機器に戻って来るので、容易にホモダイン検出光学系を構成可能である。例えば、光源からの光を光ファイバ分岐により２分岐して、一方を光電界センサヘッドに供給し、他方を光電界センサヘッドから戻る位相変調光と光ファイバ合波器等により干渉させることにより実現できる。

【0015】

第４の観点では、本発明は、前記第１の観点の光電界センサにおいて、前記変換手段は、前記位相変調光を分割し、その分割された２つの位相変調光に位相差を与えて干渉させる手段を有することを特徴とする。位相変調光を強度変調光に変換する手段としては、位相変調光を２分割して、それらの位相変調光に位相差を与えて干渉させてもよい。例えば、光電界センサヘッドから戻る位相変調光を光ファイバ分岐等により２分岐し、その分岐された光波間に位相差を与えて再び合流させればよい。この場合、与える位相差は変調周波数によって最適な値を選択すればよい。

【0016】

第５の観点では、本発明は、前記第１乃至第４の観点の光電界センサにおいて、複数の光電界センサヘッドと、合波器と、分波器とを有し、前記光源は波長が異なる複数の光波を出力する光源であって、前記複数の光電界センサヘッドの前記光導波路にはそれぞれ異なる波長の光波を入力し、前記複数の光電界センサヘッドからの出力光を前記合波器により合波し、該合波器の出力を前記変換手段に入力し、前記変換手段からの出力を前記分波器により分波し、該分波器の出力を前記Ｏ／Ｅ変換手段に入力することを特徴とする。

【0017】

複数の場所や電波の異なる偏波方向の電界を測定する場合、複数の光電界センサヘッドを配置する必要があるが、本観点の発明を用いれば、そのような場合でも検出系の構成を簡易化することが可能となる。複数の光電界センサヘッドにそれぞれ異なる波長の光波を供給し、それらから出力された位相変調光を合波して波長多重光として１つの変換手段に入力し、その出力を分波することにより、必要な変換手段の数を減らすことができる。この場合の光源の波長間隔は、使用する変換手段の動作波長範囲等を考慮して選択すればよい。なお、各光電界センサヘッドからの位相変調光を合波する合波器は、検出系の中に配置してもよく、又は、光電界センサヘッドの近くに合波器を配置し、１本の光ファイバで検出系まで導いてもよい。また、複数波長の光波の光電界センサヘッドへの供給は、各光源の出力光を合波器で合波して１本の光ファイバで光電界センサヘッドの近くまで導き、その後、分波して各光電界センサヘッドに供給してもよい。また、本観点の発明において、各光電界センサヘッドの出力にそれぞれ対応して複数のＯ／Ｅ変換器を備えてもよいが、Ｏ／Ｅ変換器の必要数を減らすために、各出力光をスイッチ等により順次切り替えて１つのＯ／Ｅ変換器に接続して検出してもよい。

【発明の効果】

【0018】

上記のように、本発明により、従来に比べて製造コストの大幅な低減を可能とする光電界センサが得られる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施例１に用いる光電界センサヘッドの第１の構成例を模式的に示す図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）は部分的な断面図。

【図2】本発明の実施例１の光電界センサを用いた測定システムのブロック構成図。

【図3】光電界センサヘッドの第２の構成例を模式的に示す上面図。

【図4】光電界センサヘッドの第３の構成例を模式的に示す上面図。

【図5】本発明の実施例２の光電界センサのブロック構成図。

【図6】本発明の実施例３の光電界センサのブロック構成図。

【図7】本発明の実施例４の光電界センサのブロック構成図。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、図面を参照して本発明の光電界センサを実施例により詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、その重複した説明を省略する。

【実施例1】

【0021】

図１は、本発明の実施例１の光電界センサに用いる光電界センサヘッドの第１の構成例を模式的に示す図であり、図１（ａ）は上面図、図１（ｂ）はＡ－Ａ断面の拡大図である。

【0022】

図１において、光電界センサヘッド１０は、電気光学効果を有する代表的な材料であるニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）結晶からＸカットで切り出して作られた基板１１と、基板１１の上面側にＴｉ拡散によって作られた直線状の光導波路１２と、光導波路１２を挟んで配置された１対の帯状の電極からなる変調電極１４と、変調電極１４に接続され基板１１上に配置されたアンテナ１５とを有している。その場の電界によりアンテナ１５に誘起される電圧信号により光導波路１２に入力された光波の位相を変調し位相変調光として出力するように構成されている。すなわち、電波等の電界によりアンテナ１５を構成するアンテナパッド１５ａとアンテナパッド１５ｂ間に電圧が誘起され、その電圧が変調電極１４を構成する帯状電極１４ａと帯状電極１４ｂ間に印加されることにより、その間に配置された光導波路１２の屈折率変化が生ずる。この結果、光導波路１２を通過する光波の位相が変調される。なお、光導波路１２を伝搬する光波はＴＥモードとなるように設定されている。

【0023】

光導波路１２と変調電極１４の間には、光導波路１２を伝播する光波の一部が変調電極１４に吸収されるのを防ぐため、バッファ層１３が設置されている。バッファ層１３は、主として二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜等から作られ、その厚さは０．１～１．０μｍ程度である。変調電極１４及びアンテナ１５は、スパッタリング等によって成膜されたクロム（Ｃｒ）と金（Ａｕ）の２層膜である。光導波路１２の幅Ｗは５～１２μｍ程度、光導波路１２の長さは１０～４０ｍｍ程度である。帯状電極１４ａ及び１４ｂの幅は５～２０μｍ程度、その長さは５～３０ｍｍ程度である。帯状電極１４ａと１４ｂの間隔は１０～５０μｍ程度である。アンテナパッド１５ａ及び１５ｂの大きさは３～１５ｍｍ程度が可能であり、その形状は矩形である必要はなく、電界により変調電極１４に電圧を誘起できればよい。

【0024】

光導波路１２の光入射端には入力光ファイバ１６が接続され、光導波路１２の光出射端には出力光ファイバ１７が接続されている。入力光ファイバ１６及び出力光ファイバ１７の光導波路１２との接続端部はフェルール等の補強部品内に挿入され、固定されている。入力光ファイバ１６及び出力光ファイバ１７の一部と基板１１は、その場の電界への影響を防ぐため、樹脂やガラス等の絶縁体材料で構成したパッケージ１８の中に収納されている。

【0025】

図２は、本発明の実施例１の光電界センサを用いた測定システムのブロック構成図である。図２において、本実施例の光電界センサ２０は、光電界センサヘッド１０と、入力光ファイバ１６及び出力光ファイバ１７、送受信部２１により構成されている。送受信部２１は、光電界センサヘッド１０の光導波路１２への入力光を供給する光源２２と、光電界センサヘッド１０から出力された位相変調光を強度変調光に変換する変換手段として、上記光源２２の波長において分散特性を有するシングルモード光ファイバ２３を備えている。さらに、上記の強度変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器２４と、アンプ２５を備え、アンプ２５により増幅された検出信号は光電界センサ２０の出力端子２６から出力する。出力された信号は処理装置２７に送られ、光電界センサヘッドが配置された場の電波等の強度特性及び位相特性の解析、評価等が行われ、それらのデータの保存、表示、出力などが行われる。

【0026】

本実施例において、例えば、光源２２の波長を１５５０ｎｍ、シングルモード光ファイバ２３の波長分散を約１７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍとすれば、変調周波数が３０ＧＨｚである場合、強度変調光を得るためのシングルモード光ファイバ２３の最適な長さは４ｋｍ程度である。

【0027】

なお、光電界センサヘッド１０の光導波路１２にＴＥモードの伝搬光を供給する方法としては、入力光ファイバ１６として偏光保存光ファイバを用いる方法や、光源２２からの出射光を互いに直交する２つの偏波を合成した光波とし、光導波路１２をＴＥモードのみ伝搬可能な光導波路とする方法等がある。

【0028】

図３は、本発明の光電界センサに適用可能な光電界センサヘッドの第２の構成例を模式的に示す上面図である。本構成例の光電界センサヘッド３０においては、変調電極３４は、光導波路１２の長手方向に分割され互いに容量結合した４つの帯状電極３４ａ、３４ｂ、３４ｃ、３４ｄからなる分割電極により構成されている。アンテナ３５は、帯状電極３４ａに接続されたアンテナパッド３５ａと帯状電極３５ｄに接続されたアンテナパッド３５ｂより構成されている。アンテナパッド３５ａに接続された帯状電極３４ａは帯状電極３４ｂの前半部と光導波路１２を挟んで対向し、帯状電極３４ｂの後半部は帯状電極３４ａと光導波路１２の同じ側に配置され、帯状電極３４ｃの前半部と光導波路１２を挟んで対向している。帯状電極３４ｃの後半部は帯状電極３４ａと光導波路１２の同じ側に配置され、帯状電極３４ｄと光導波路１２を挟んで対向している。これにより、帯状電極３４ａと３４ｂ、帯状電極３４ｂと３４ｃ、帯状電極３４ｃと３４ｄは互いに容量結合して直列に配置されていることになる。

【0029】

一般的に、変調電極の光導波路に沿った長さを長くすると変調効率が高くなり、光電界センサヘッドにおける検出感度は大きくなる。しかし、変調電極の長さを長くすると電気容量は増加してしまう。電極容量が大きいと電気信号の周波数が高くなるにつれて等価的なインピーダンスが低下し、電極に印加される電圧が低下することにより変調効率が低下する。そこで、高周波の信号検出のためには、電極の容量はできるだけ小さいことが望ましい。この変調電極の長さと電気容量のトレードオフの関係を改善する有力な手段が、１つの変調電極を容量結合した複数の電極に分割した分割電極である。この分割電極を使用することにより、高効率、広帯域の特性を得ることができる。

【0030】

図４は、本発明の光電界センサに適用可能な光電界センサヘッドの第３の構成例を模式的に示す上面図である。本構成例の光電界センサヘッド４０においては、変調電極４４は、光導波路１２の長手方向に沿って光導波路１２を挟んで配置された帯状電極４４ａと４４ｂ、及び、それらの帯状電極の終端に配置された終端部４６から構成されている。アンテナ４５は、帯状電極４４ａの始端に接続されたアンテナパッド４５ａと帯状電極４４ｂの始端に接続されたアンテナパッド４５ｂとから構成されている。本構成の変調電極は、いくつかの構造を取ることができる。第１の構造では、検出電波の周波数帯において、変調電極４４はマイクロ波導波路として機能し、アンテナ４５と変調電極４４はインピーダンス整合され、終端部４６は反射が生じないような抵抗値で終端する構造である。第２の構造では、第１の構造にさらに加えて、変調電極４４を伝搬するマイクロ波の速度が光導波路１２を伝搬する光波とほぼ等しくなるような進行波型電極とする構造である。第２の構造は設計及び製造が複雑となるが、最も広帯域の位相変調特性を得ることができる。第３の構造は、終端部４６を開放端、又は短絡端とすることにより、変調電極４４を検出電波の周波数において共振させる共振電極とする構造である。この第３の構造では、狭帯域ではあるが、高効率の位相変調特性が得られ、最も高い検出感度を得ることができる。光電界センサの目的に応じて、上記の第１乃至第３のいずれかの構造を選択すればよい。

【実施例2】

【0031】

図５は、本発明の実施例２の光電界センサのブロック構成図である。図５において、本実施例の光電界センサ５０は、実施例１と同様の光電界センサヘッド１０と、入力光ファイバ１６及び出力光ファイバ１７、送受信部５１により構成され、送受信部５１は、実施例１と同様に、光電界センサヘッド１０の光導波路１２への入力光を供給する光源２２と、強度変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器２４と、アンプ２５を備え、アンプ２５により増幅された検出信号は光電界センサ５０の出力端子２６から出力する。しかし、本実施例においては、光電界センサヘッド１０から出力された位相変調光を強度変調光に変換する変換手段として、光源２２からの出力光の一部と位相変調光を干渉させる手段を有している。

【0032】

具体的には、ハーフミラー等を用いたプリズム型の分岐器５２と合波器５３とを備え、分岐器５２により、光源２２からの出力光を入力光ファイバ１６への出射光と参照光５４とに分岐し、合波器５３により、出力光ファイバ１７より伝送された位相変調光と参照光５４を干渉させることにより位相変調光を強度変調光に変換する。このように、位相変調された光波は光源２２を含む送受信部５１に戻って来るので、容易に本実施例のようなホモダイン検出光学系を構成可能である。なお、分岐器５２、合波器５３の代わりに光ファイバ型の分岐器、合波器を用いてもよい。

【実施例3】

【0033】

図６は、本発明の実施例３の光電界センサのブロック構成図である。図６において、本実施例の光電界センサ６０は、実施例１と同様の光電界センサヘッド１０と、入力光ファイバ１６及び出力光ファイバ１７、送受信部６１により構成され、送受信部６１は、実施例１と同様に、光電界センサヘッド１０の光導波路１２への入力光を供給する光源２２と、強度変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器２４と、アンプ２５を備え、アンプ２５により増幅された検出信号は光電界センサ６０の出力端子２６から出力する。しかし、本実施例においては、光電界センサヘッド１０から出力された位相変調光を強度変調光に変換する変換手段として、位相変調光を分割し、その分割された２つの位相変調光に位相差を与えて干渉させる手段を有している。

【0034】

具体的には、光ファイバ分岐器６２と光ファイバ合波器６３とを備え、光ファイバ分岐器６２により、出力光ファイバ１７より伝送された位相変調光を２つに分岐し、その分岐された２つの出力をそれぞれシングルモード光ファイバからなる位相シフト光ファイバ６４及び６５を経由して、光ファイバ合波器６３に入力し干渉させることにより位相変調光を強度変調光に変換する。本実施例において、例えば、シングルモード光ファイバの等価屈折率を１．５とすると、その光ファイバ中の光波の速度は２．０×１０^８ｍ／秒となり、位相変調の周波数を１０ＧＨｚとすると、光ファイバ中の変調波の波長は２ｃｍとなる。そこで、位相シフト光ファイバ６４と６５に上記の半波長分又はその奇数倍の長さ、すなわち１ｃｍ又はその奇数倍の長さの差を与えれば強度変調光を得ることができる。なお、光ファイバ分岐器６２、光ファイバ合波器６３の代わりに、プリズム型の分岐器、合波器を用いてもよく、さらには、合波器、分波器と位相シフト部分を一体化した分岐干渉型の光導波路部品として変換手段を構成してもよい。

【実施例4】

【0035】

図７は、本発明の実施例４の光電界センサのブロック構成図である。図７において、本実施例の光電界センサ７０は、実施例１の光電界センサヘッド１０と同様の３つの光電界センサヘッド１０ａ、１０ｂ、１０ｃと、それらの光電界センサヘッドへのそれぞれの入力光ファイバ１６ａ、１６ｂ、１６ｃと、それらの光電界センサヘッドからのそれぞれの出力光ファイバ１７ａ、１７ｂ、１７ｃと、送受信部７１により構成されている。送受信部７１は、光電界センサヘッド１０ａ、１０ｂ、１０ｃに、それぞれ異なる波長であるλ_１、λ_２、λ_３、の光波を供給するための３つの光源７２ａ、７２ｂ、７２ｃと、出力光ファイバ１７ａ、１７ｂ、１７ｃより伝送された３つの波長λ_１、λ_２、λ_３、の位相変調光を合波するためのＷＤＭカップラ７５を備えている。

【0036】

さらに、実施例１と同様に、位相変調光を強度変調光に変換する変換手段として、上記λ_１、λ_２、λ_３の波長において分散特性を有するシングルモード光ファイバ７６を備え、λ_１、λ_２、λ_３の波長の強度変調光を分波するためのＷＤＭカップラ７７を備えている。分波された波長λ_１、λ_２、λ_３の３つの強度変調光は、それぞれＯ／Ｅ変換器２４ａ、２４ｂ、２４ｃにより電気信号に変換され、アンプ２５ａ、２５ｂ、２５ｃにより増幅され、それぞれの検出信号は光電界センサ７０の出力端子２６ａ、２６ｂ、２６ｃから出力する。これにより、光電界センサヘッド１０ａ、１０ｂ、１０ｃが置かれた場のそれぞれの電界が検出される。

【0037】

本実施例の光電界センサでは、光電界センサヘッドが配置された３つの場所の電界を同時に検出できる。また、３つの光電界センサヘッドのアンテナの向きが互いに直交するように配置すれば、電波等の電磁波の異なる偏波方向の電界を測定できる。また、本実施例の光電界センサでは、１つの変換手段を用いるので検出系の構成を簡易化することができる。使用する波長λ_１、λ_２、λ_３の間隔は、使用するシングルモード光ファイバ７６の分散特性により決定される動作波長範囲を考慮して選択すればよい。例えば、波長１５５０ｎｍで波長分散が１７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであるシングルモード光ファイバを用いれば、変調周波数が３０ＧＨｚである場合、シングルモード光ファイバの長さは４ｋｍ程度とすれば、動作波長範囲は１５３０～１５６０ｎｍ程度が可能である。

【0038】

以上のように、本発明により、従来に比べて製造コストの大幅な低減を可能とする光電界センサを得ることができる。

【0039】

本発明は上記の実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、目的に応じて様々な変形が可能である。例えば、光電界センサヘッドの基板としてニオブ酸リチウム結晶のＺカット基板を用いてもよく、その場合は変調電極を構成する帯状電極の一方は光導波路上に配置され、光伝搬モードはＴＭモードとなる。また、アンテナの形状、その基板上の配置方法、変調電極との接続方法等も目的に合わせて任意に設計可能である。

【符号の説明】

【0040】

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 光電界センサヘッド
１１ 基板
１２ 光導波路
１３ バッファ層
１４，３４，４４ 変調電極
１４ａ，１４ｂ，３４ａ，３４ｂ，３４ｃ，３４ｄ，４４ａ，４４ｂ 帯状電極
１５，３５，４５ アンテナ
１５ａ，１５ｂ，３５ａ，３５ｂ，４５ａ，４５ｂ アンテナパッド
１６，１６ａ，１６ｂ，１６ｃ 入力光ファイバ
１７，１７ａ，１７ｂ，１７ｃ 出力光ファイバ
１８ パッケージ
２０，５０，６０，７０ 光電界センサ
２１，５１，６１，７１ 送受信部
２２，７２ａ，７２ｂ，７２ｃ 光源
２３，７６ シングルモード光ファイバ
２４，２４ａ，２４ｂ，２４ｃ Ｏ／Ｅ変換器
２５，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ アンプ
２６，２６ａ，２６ｂ，２６ｃ 出力端子
２７ 処理装置
５２ 分岐器
５３ 合波器
５４ 参照光
６２ 光ファイバ分岐器
６３ 光ファイバ合波器
６４，６５ 位相シフト光ファイバ
７５，７７ ＷＤＭカップラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】