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(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】2023-02-07
(45)【発行日】2023-02-15
(54)【発明の名称】干渉型光磁界センサ装置
(51)【国際特許分類】
G01R 33/032 20060101AFI20230208BHJP
【ＦＩ】
G01R33/032
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2019019134
(22)【出願日】2019-02-05
(65)【公開番号】P2020126007
(43)【公開日】2020-08-20
【審査請求日】2021-12-07
(73)【特許権者】
【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
(73)【特許権者】
【識別番号】000001960
【氏名又は名称】シチズン時計株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】504180239
【氏名又は名称】国立大学法人信州大学
(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】宮本 光教
(72)【発明者】
【氏名】久保 利哉
(72)【発明者】
【氏名】佐藤 敏郎
(72)【発明者】
【氏名】藤城 佑太
(72)【発明者】
【氏名】曽根原 誠
【審査官】續山 浩二
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１１－５１０３２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－１４６３１０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１１３４２３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２００９／０２１４１２５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１８／１６９１６５（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１２－０５３０１７（ＪＰ，Ａ）
【文献】田村仁志、他，“ガーネット単結晶を用いたリング干渉型光磁界センサ”，Journal of the Magnetics Society of Japan，［オンライン］，日本，公益社団法人 日本磁気学会，2010年07月01日，Vol. 34, No. 4，p.537-542，［ 検索日： 2019.10.08 ］， インターネット＜URL:https//www.jstage.jst.go.jp/article/mshmag/34/4/34_1006R010/_article/-char/ja/＞，＜DOI:10.3379/msjmag.1006R010＞
【文献】KAMADA, O., TAMURA, H.，“Magnetic field sensors based on a ring interferometry”，IEEE Transactions on Magnetics, ［ オンライン］，IEEE，1999年09月，Volume 35, Issue 5，p.3628-3630，［検索日 2019.10.10］，インターネット： ＜ ieeexplore.ieee.org/document/800612 ＞ ， ＜DOI:10.1109/20.800612＞
【文献】LEE, Byoungho，“Review of the present status of optical fiber sensors”，Optical Fiber Technology, ［オンライン］，米国，Elsevier Science，2003年04月，Volume 9, Issue 2，p.57-79、特に、p.68-71，［検索日 2019.10.10］，インターネット＜https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1068520002005278＞，＜DOI:10.1016/S1068-5200(02)00527-8＞
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｒ ３３／０３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１直線偏波光を出射する発光部と、入射された前記第１直線偏波光に応じて、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、入射された第３直線偏光と前記第３直線偏光と直交する第４直線偏光に応じて、第２直線偏波光を出射する第１光学素子と、
少なくともその一部が所定の磁界内に配置可能な磁界センサ素子と、
前記第１光学素子及び前記磁界センサ素子に接続され、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、
入射された前記第２直線偏波光をＳ偏光成分光及びＰ偏光成分光に分離し、前記Ｓ偏光成分光及び前記Ｐ偏光成分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、
前記第１直線偏波光を前記光路部へ透過させ、且つ、前記第２直線偏波光を前記検出信号発生部へ分岐する光分岐部と、を有し、
前記磁界センサ素子は、前記光路部を伝搬された前記第１直線偏光及び前記第２直線偏光を入射光とし、前記第１直線偏光に応じた前記第３直線偏光及び前記第２直線偏光に応じた前記第４直線偏光を戻り光として出射する、
ことを特徴とする干渉型光磁界センサ装置。
【請求項2】
前記光路部は、前記第２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２直線偏光及び前記第３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に記載の干渉型光磁界センサ装置。
【請求項3】
前記第１光学素子は、前記発光部から入射された前記第１直線偏波光の偏光面方位角が２２．５度になるように配置された１／２波長板である、請求項１又は２に記載の干渉型光磁界センサ装置。
【請求項4】
前記発光部、前記第１光学素子、前記光路部、前記磁界センサ素子及び前記検出信号発生部との間は、偏波保持ファイバによって接続される、請求項１～３の何れか一項に記載の干渉型光磁界センサ装置。
【請求項5】
前記第１光路及び前記第２光路は、偏波保持ファイバを有する、請求項４に記載の干渉型光磁界センサ装置。
【請求項6】
前記偏波保持ファイバは、何れもＰＡＮＤＡファイバである、請求項５に記載の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、干渉型光磁界センサ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
光ファイバ先端にファラデー回転子を設けたプローブ型センサを磁界センサ素子として使用し、磁界センサ素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、非特許文献１を参照）。非特許文献１に記載される干渉型光磁界センサ装置は、磁界センサ素子が有するファラデー回転子として希土類鉄ガーネット結晶(TbY)IGを使用することで、磁界センサ素子に対して平行な磁界に加えて垂直な磁界が測定可能になる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0003】
【文献】「ガーネット単結晶を用いたリング干渉型光磁界センサ」（田村仁志ら、Journal of the Magnetics Society of Japan Vol. 34, No. 4, 2010）
【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、非特許文献１に記載される干渉型光磁界センサ装置は、磁界センサ素子を透過した光を直接光電変換して検出信号を生成するため、生成される検出信号は、ファラデー回転子に印加される磁界にかかわらず一定値となる直流成分を多く含むことになる。生成される検出信号に含まれる直流成分は、ファラデー回転子に印加される磁界の検出に寄与しない雑音成分となる。非特許文献１に記載される干渉型光磁界センサ装置は、検出される磁界の検出に寄与しない雑音成分を多く含むので、検出信号のＳＮ比が低くなり、検出感度が低くなるおそれがある。
【0005】
本発明は、このような課題を解決するものであり、磁界を検出する検出信号のＳＮ比が高い干渉型光磁界センサ装置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、入射された前記第１直線偏波光に応じて、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、入射された第３直線偏光と前記第３直線偏光と直交する第４直線偏光に応じて、第２直線偏波光を出射する第１光学素子と、少なくともその一部が所定の磁界内に配置可能な磁界センサ素子と、前記第１光学素子及び前記磁界センサ素子に接続され、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、入射された前記第２直線偏波光をＳ偏光成分光及びＰ偏光成分光に分離し、前記Ｓ偏光成分光及び前記Ｐ偏光成分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、前記第１直線偏波光を前記光路部へ透過させ、且つ、前記第２直線偏波光を前記検出信号発生部へ分岐する光分岐部と、を有し、前記磁界センサ素子は、前記光路部を伝搬された前記第１直線偏光及び前記第２直線偏光を入射光とし、前記第１直線偏光に応じた前記第３直線偏光及び前記第２直線偏光に応じた前記第４直線偏光を戻り光として出射する。
【0007】
さらに、本発明に係る干渉型光磁界センサ装置では、光路部は、第２光路に配置され、第３直線偏波と第４直線偏波との間の位相差が９０度になるように、第２直線偏波及び第３直線偏波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、本発明に係る干渉型光磁界センサ装置では、第１光学素子は、発光部から入射された第１直線偏波光の偏光面方位角が２２．５度になるように配置された１／２波長板であることが好ましい。
【0009】
さらに、本発明に係る干渉型光磁界センサ装置では、発光部、第１光学素子、光路部、磁界センサ素子及び検出信号発生部との間は、偏波保持ファイバによって接続されることが好ましい。
【0010】
さらに、本発明に係る干渉型光磁界センサ装置では、第１光路及び第２光路は、偏波保持ファイバを有することが好ましい。
【0011】
さらに、本発明に係る干渉型光磁界センサ装置では、偏波保持ファイバは、何れもＰＡＮＤＡファイバであることが好ましい。
【発明の効果】
【0012】
本発明に係る干渉型光磁界センサ装置は、偏光面が４５度回転された直線偏波光をＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離し、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分を受光して検出信号を生成するので、磁界を検出する検出信号のＳＮ比を高くすることができる。
【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を示すブロック図である。
【図8】（ａ）は図１に示すファラデー回転子に印加される磁界と第３直線偏波ＣＷ２及び第４直線偏波ＣＣＷ２の合波のＳ偏光成分及びＰ偏光成分の光強度との関係の一例を示す図であり、（ｂ）はファラデー回転子５２に印加される磁界と（ａ）に示す第３直線偏波ＣＷ２及び第４直線偏波ＣＣＷ２の合波のＳ偏光成分の光強度とＰ偏光成分の光強度との差分との関係を示す図である。
【図9】実施形態に係る干渉型光磁界センサ装置の変形例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下図面を参照して、本発明に係る干渉型光磁界センサ装置について説明する。但し、本発明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を示すブロック図である。
図１は、実施形態に係る干渉型光磁界センサ装置を示すブロック図である。
【0016】
干渉型光磁界センサ装置１は、発光部１０と、サーキュレータ２０と、第１光学素子３０と、光路部４０と、磁界センサ素子５０と、検出信号発生部６０とを有する。発光部１０、サーキュレータ２０、第１光学素子３０、光路部４０、磁界センサ素子５０及び検出信号発生部６０の間の光路は、ＰＡＮＤＡ（Polarization-maintaining AND Absorption-reducing）ファイバによって形成される。なお、第１光学素子３０、光路部４０、磁界センサ素子５０及び検出信号発生部６０の間の光路は、ボウタイ（Bow-tie）ファイバ及び楕円ジャケット（Elliptical Jacket）ファイバ等の偏波保持ファイバによって形成されてもよい。
【0017】
発光部１０は、発光素子１１と、アイソレータ１２と、偏光子１３とを有する。発光素子１１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１１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１２は、発光素子１１から入射された光を光分岐部２０側に透過すると共に、サーキュレータ２０から入射された光を発光素子１１側に透過しないことで、発光素子１１を保護する。アイソレータ１２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１３は、発光素子１１が発した光を直線偏波光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１３で得られる第１直線偏波光は、サーキュレータ２０を介して第１光学素子３０に入射される。
【0020】
サーキュレータ２０は、発光部１０から出射された第１直線偏波光を第１光学素子３０に透過すると共に、第１光学素子３０から出射された第２直線偏波光を検出信号発生部６０に分岐する光分岐部である。サーキュレータ２０は、例えばファラデー回転子、１／２波長板、偏光ビームスプリッタ、及び反射ミラーによって形成される。
【0021】
第１光学素子３０は、例えばサーキュレータ２０から入射される第１直線偏波光の偏光面に対して方位角が２２．５度になるように配置された１／２波長板であり、サーキュレータ２０から入射される第１直線偏波光の偏光面を４５度回転し、光路部４０に第１直線偏波光を出射する。第１光学素子３０で偏光面が４５度回転した第１直線偏波光は、Ｐ偏光である第１直線偏光ＣＷ１と、第１直線偏光ＣＷ１に直交するＳ偏光である第２直線偏光ＣＣＷ１とを有する。
【0022】
また、第１光学素子３０は、光路部４０から入射される直線偏波光である第２直線偏波光の偏光面を４５度回転し、サーキュレータ２０に出射する。
【0023】
光路部４０は、第１ビームスプリッタ４１と、第２ビームスプリッタ４２と、第１光路４３と、第２光路４４と、第２光学素子４５とを有する。
【0024】
第１ビームスプリッタ４１は、第１直線偏光ＣＷ１を第１光路４３に出射すると共に、第２直線偏光ＣＣＷ１を第２光路４４に出射する。また、第１ビームスプリッタ４１は、第３直線偏光ＣＷ２が第２光路４４から入射されると共に、第４直線偏光ＣＣＷ２が第１光路４３から入射される。第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＷ２は、第１光学素子３０に出射される第２直線偏波光の互いに直交する偏光成分である。
【0025】
第２ビームスプリッタ４２は、第１直線偏光ＣＷ１が第１光路４３から入射されると共に、第２直線偏光ＣＣＷ１が第２光路４４から入射される。また、第２ビームスプリッタ４２は、第３直線偏光ＣＷ２を第２光路４４に出射すると共に、第４直線偏光ＣＣＷ２を第１光路４３に出射する。
【0026】
第１ビームスプリッタ４１及び第２ビームスプリッタ４２は、入射光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、且つ、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とを合成し出射する。第１ビームスプリッタ４１及び第２ビームスプリッタ４２は、例えばプリズム型ビームスプリッタであるが、平面型ビームスプリッタ又はウェッジ型ビームスプリッタであってもよい。
【0027】
第１光路４３は、第１ビームスプリッタ４１から導入された第１直線偏光ＣＷ１を第２ビームスプリッタ４２に導出すると共に、第２ビームスプリッタ４２から導入された第４直線偏光ＣＣＷ２を第１ビームスプリッタ４１に導出する。第２光路４４は、第１ビームスプリッタ４１から導入された第２直線偏光ＣＣＷ２を第２ビームスプリッタ４２に導出すると共に、第２ビームスプリッタ４２から導入された第３直線偏光ＣＷ２を第１ビームスプリッタ４１に導出する。
【0028】
第１光路４３は、一端が第１ビームスプリッタ４１に光学的に接続され且つ他端が第２ビームスプリッタ４２に光学的に接続されたＰＡＮＤＡファイバである。第２光路４４は、一端が第１ビームスプリッタ４１に光学的に接続され且つ他端が第２ビームスプリッタ４２に光学的に接続されたＰＡＮＤＡファイバである。なお、第１光路４３及び第２光路４４は、ボウタイファイバ及び楕円ジャケットファイバ等の偏波保持ファイバであってもよい。第２光路４４には、第２光学素子４５が配置される。
【0029】
第２光学素子４５は、第１（１／４）波長板４６と、第２（１／４）波長板４７と、４５度ファラデー回転子４８とを有する。
【0030】
第１（１／４）波長板４６は、第２光路４４を形成するＰＡＮＤＡファイバの遅相軸及び進相軸に対して光学軸が４５度傾斜して配置される１／４波長板である。第１（１／４）波長板４６は、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。
【0031】
第２（１／４）波長板４７は、第２光路４４を形成するＰＡＮＤＡファイバの遅相軸及び進相軸に対して光学軸が－４５度傾斜して配置される１／４波長板である。第２（１／４）波長板４７は、４５度ファラデー回転子４８から円偏光を直線偏光に変換すると共に、直線偏光を円偏光に変換する。
【0032】
４５度ファラデー回転子４８は、第１（１／４）波長板４６及び第２（１／４）波長板４７のそれぞれから入射される円偏光の位相を変化させるファラデー回転子である。
【0033】
４５度ファラデー回転子４８は、第２（１／４）波長板４７から出射される第２直線偏光ＣＣＷ１の位相が第１（１／４）波長板４６に入射される直線偏光である第２直線偏光ＣＣＷ１の位相から４５シフトするように、第１（１／４）波長板４６から入射される円偏光の位相を変化させる。また、４５度ファラデー回転子４８は、第１（１／４）波長板４６から出射される第３直線偏光ＣＷ２の位相が第２（１／４）波長板４６に入射される第３直線偏光ＣＷ２の位相から－４５シフトするように、円偏光の位相を変化させる。
【0034】
磁界センサ素子５０は、１／４波長板５１と、ファラデー回転子５２と、ミラー素子５３とを有し、ＰＡＮＤＡファイバを介して第２ビームスプリッタ４２に接続され、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５０は、発光部１０が出射した直線偏波光が入射光として入射されると共に、入射された入射光に応じた戻り光を出射する。
【0035】
検出信号発生部６０は、第３ビームスプリッタ６１と、第１受光素子６２と、第２受光素子６３と、信号処理回路７０とを有し、サーキュレータ２０で分岐された第２直線偏波光を受光する。検出信号発生部６０は、第２直線偏波光をＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離し、Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分を受光して電気信号に変換して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を出力する。第３ビームスプリッタ６１は、プリズム型、平面型、ウェッジ基板型及び光導波路型等の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であり、サーキュレータ２０で分岐された第２直線偏波光をＳ偏光成分６４とＰ偏光成分６５とに分離する。
【0036】
第１受光素子６２及び第２受光素子６３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６２はＳ偏光成分６４を受光し、第２受光素子６３はＰ偏光成分６５を受光する。第１受光素子６２及び第２受光素子６３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７０は、Ｓ偏光成分を示す電気信号及びＰ偏光成分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を出力する。
【0037】
図２は、磁界センサ素子５０の模式図である。
【0038】
１／４波長板５１は、第２ビームスプリッタ４２との間を光学的に接続するＰＡＮＤＡファイバの遅相軸及び進相軸に対して光学軸が４５度傾斜して配置される１／４波長板である。１／４波長板５１は、直線偏光である入射光の偏光状態を円偏光に変換すると共に、ファラデー回転子５２から円偏光として入射される戻り光の偏光状態を直線偏光に変換する。
【0039】
ファラデー回転子５２は、誘電体５２０と、誘電体５２０から安定的に相分離した状態で誘電体５２０中に分散しているナノオーダの磁性体粒子５２１とを有するグラニュラー膜であり、１／４波長板５１の端面に配置される。磁性体粒子５２１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５２の全体では、磁性体粒子５２１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５２内における磁性体粒子５２１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５２０として透明性が高いものを用いれば、誘電体５２０中に磁性体粒子５２１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５２は光透過性を有する。
【0040】
ファラデー回転子５２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５２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。
【0041】
誘電体５２０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５２０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５２０と磁性体粒子５２１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。
【0042】
磁性体粒子５２１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５２１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。
【0043】
ミラー素子５３は、ファラデー回転子５２上に形成されており、ファラデー回転子５２を透過した光をファラデー回転子５２に向けて反射する。ミラー素子５３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５３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５３を用いてファラデー回転子５２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。
【0044】
１／４波長板５１からファラデー回転子５２に入射した円偏光は、ファラデー回転子５２を透過し、ミラー素子５３で反射し、再びファラデー回転子５２を透過して戻り光となる。ファラデー回転子５２を透過した戻り光は、１／４波長板５１に再度入射される。
【0045】
１／４波長板５１からファラデー回転子５２に入射した円偏光は、ファラデー回転子５２に印加される磁界に応じて位相を変化させる。また、ミラー素子５３で反射した円偏光は、ファラデー回転子５２に印加される磁界に応じて位相を更に変化させる。
【0046】
図３は、第１受光素子６２、第２受光素子６３、及び信号処理回路７０の回路ブロック図である。
【0047】
信号処理回路７０は、例えばオペアンプである増幅素子７１と、抵抗素子７２とを有する。第１受光素子６２のアノード及び第２受光素子６３のカソードは、増幅素子７１のマイナス入力端子に接続され、第１受光素子６２のカソードは正電源＋Ｖに接続され、第２受光素子６３のアノードは負電源－Ｖに接続される。
【0048】
第１受光素子６２は、第３直線偏光及び第４直線偏光の合波のＳ偏光成分の強度に比例する電流である第１電気信号Ｅ１を出力する。第２受光素子６３は、第３直線偏光及び第４直線偏光の合波のＰ偏光成分の強度に比例する電流である第２電気信号Ｅ２を出力する。増幅素子７１のマイナス入力端子には、Ｓ偏光成分の強度に比例する第１電気信号とＰ偏光成分の強度に比例する第２電気信号との差動信号（Ｅ１－Ｅ２）が入力される。
【0049】
第３直線偏光及び第４直線偏光の合波のＳ偏光成分Ｐ0及び第３直線偏光及び第４直線偏光の合波のＰ偏光成分Ｐ90は、以下の式（１）及び式（２）で示される。
【0050】
【数1】
【0051】
ここで、ＥCW,0は検出信号発生部に入射する第３直線偏光のＳ偏光成分であり、ＥCCW,0は検出信号発生部に入射する第４直線偏光のＳ偏光成分である。また、ＥCW,90は検出信号発生部に入射する第３直線偏光のＰ偏光成分であり、ＥCCW,90は検出信号発生部に入射する第４直線偏光のＰ偏光成分である。また、θFはファラデー回転子５２に印加される磁界に応じたファラデー回転角である。
【0052】
増幅素子７１のマイナス入力端子に入力される差動信号（Ｅ１－Ｅ２）は、第３直線偏光及び第４直線偏光の合波のＳ偏光成分Ｐ0及びＰ偏光成分Ｐ90の差分に比例するものであり、ファラデー回転角θFに応じた電気信号である。
【0053】
信号処理回路７０は、反転増幅回路であり、増幅素子７１のマイナス入力端子に入力される差動信号（Ｅ１－Ｅ２）を反転増幅して、検出信号Ｅｄを出力する。検出信号Ｅｄは、基準光強度に相当する直流成分が除去された電気信号である。
【0054】
（実施形態に係る干渉型光磁界センサ装置の動作）
図４は干渉型光磁界センサ装置の動作を示す図（その１）であり、図５は干渉型光磁界センサ装置の動作を示す図（その２）であり、図６は干渉型光磁界センサ装置の動作を示す図（その３）である。図７は、干渉型光磁界センサ装置の動作を示す図（その４）である。図４は、偏光子１３及び第１光学素子３０の動作を示す。図５は、第１直線偏光ＣＷ１及び第３直線偏光ＣＷ２が伝送されるときの光路部４０及び磁界センサ素子５０の動作を示す。図６は、第２直線偏光ＣＣＷ１及び第４直線偏光ＣＣＷ２が伝送されるときの光路部４０及び磁界センサ素子５０の動作を示す。図７は、第１光学素子３０が伝送されるときの第１光学素子３０及び検出信号発生部６０の動作を示す。
図４は干渉型光磁界センサ装置の動作を示す図（その１）であり、図５は干渉型光磁界センサ装置の動作を示す図（その２）であり、図６は干渉型光磁界センサ装置の動作を示す図（その３）である。図７は、干渉型光磁界センサ装置の動作を示す図（その４）である。図４は、偏光子１３及び第１光学素子３０の動作を示す。図５は、第１直線偏光ＣＷ１及び第３直線偏光ＣＷ２が伝送されるときの光路部４０及び磁界センサ素子５０の動作を示す。図６は、第２直線偏光ＣＣＷ１及び第４直線偏光ＣＣＷ２が伝送されるときの光路部４０及び磁界センサ素子５０の動作を示す。図７は、第１光学素子３０が伝送されるときの第１光学素子３０及び検出信号発生部６０の動作を示す。
【0055】
図４において矢印Ａで示されるように、Ｐ偏光である直線偏波光４０１は、サーキュレータ２０を介して偏光子１３から出射される。次いで、図４において矢印Ｂで示されるように、偏光子１３から出射された直線偏波光４０１は、第１光学素子３０を透過することで、サーキュレータ２０から入射される直線偏波４０１光の偏光面を４５度回転する。偏光面が４５度回転された直線偏波４０１光は、第１直線偏光ＣＷ１と、第２直線偏光ＣＣＷ１とを有する。
【0056】
次いで、図５において矢印Ｃで示されるように、第１光学素子３０から出射された第１直線偏光ＣＷ１は、第１ビームスプリッタ４１、第１光路４３及び第２ビームスプリッタを介して磁界センサ素子５０に入射される。次いで、図５において矢印Ｄで示されるように、磁界センサ素子５０に入射した第１直線偏光ＣＷ１の偏光状態は、１／４波長板５１を透過することで直線偏光から左回転の円偏光に変換される。次いで、図５において矢印Ｅで示されるように、１／４波長板５１を透過した円偏光は、ファラデー回転子５２を透過することで、ファラデー回転子５２に印加される磁界に応じて位相を－θF変化させる。
【0057】
次いで、図５において矢印Ｆで示されるように、ファラデー回転子５２から出射された左回転の円偏光は、ミラー素子５３で反射されることで、右回転の円偏光となる。次いで、図５において矢印Ｇで示されるように、ミラー素子５３で反射した円偏光は、ファラデー回転子５２を透過することで、ファラデー回転子５２に印加される磁界に応じて位相を更に－θF変化させて合計で－２θF変化させる。次いで、図５において矢印Ｈで示されるように、ファラデー回転子５２を透過した戻り光の偏光状態は、１／４波長板５１を透過することで右回転の円偏波からＳ偏光である第３直線偏光ＣＷ２に変換される。
【0058】
次いで、図５において矢印Ｉで示されるように、第２ビームスプリッタ４２に入射した第３直線偏波ＣＷ２の偏光状態は、第２ビームスプリッタ４２を透過することで、Ｓ偏光からＰ偏光に変換される。次いで、図５において矢印Ｊで示されるように、第２光学素子４５を透過した第３直線偏波ＣＷ２は、位相を－４５度シフトさせる。次いで、図５において矢印Ｋで示されるように、第１ビームスプリッタ４１に入射した第３直線偏波ＣＷ２の偏光状態は、第１ビームスプリッタ４１を透過することで、Ｐ偏光からＳ偏光に変換される。
【0059】
図６において矢印Ｌで示されるように、第１光学素子３０から出射された第２直線偏光ＣＣＷ１は、第１ビームスプリッタ４１を介して第２光路４４に出射される。第２直線偏光ＣＣＷ１の偏光状態は、第１ビームスプリッタ４１を透過することで、Ｓ偏光からＰ偏光に変換される。次いで、図６において矢印Ｍで示されるように、第２光学素子４５を透過した第２直線偏光ＣＣＷ１は、位相を４５度シフトさせる。次いで、図６において矢印Ｎで示されるように、第２ビームスプリッタ４２に入射した第２直線偏光ＣＣＷ１の偏光状態は、第２ビームスプリッタ４２を透過することで、Ｐ偏光からＳ偏光に変換される。
【0060】
次いで、図６において矢印Ｏで示されるように、磁界センサ素子５０に入射した第２直線偏光ＣＣＷ１の偏光状態は、１／４波長板５１を透過することで直線偏波から右回転の円偏波に変換される。次いで、図６において矢印Ｐで示されるように、１／４波長板５１を透過した円偏光は、ファラデー回転子５２を透過することで、ファラデー回転子５２に印加される磁界に応じて位相をθF変化させる。
【0061】
次いで、図６において矢印Ｑで示されるように、ファラデー回転子５２から出射された円偏光は、ミラー素子５３で反射されることで、左回転の円偏光となる。次いで、図６において矢印Ｒで示されるように、ミラー素子５３で反射した円偏光は、ファラデー回転子５２を透過することで、ファラデー回転子５２に印加される磁界に応じて位相を更にθF変化させて合計で２θF変化させる。次いで、図６において矢印Ｓで示されるように、ファラデー回転子５２を透過した戻り光の偏光状態は、１／４波長板５１を透過することで左回転の円偏波からＰ偏光である第４直線偏光ＣＣＷ２に変換される。次いで、磁界センサ素子５０から出射された第４直線偏光ＣＣＷ２は、第２ビームスプリッタ４２及び第１光路４３を介して第１ビームスプリッタ４１に入射され、第３直線偏波ＣＷ２と合波される。
【0062】
次いで、図７において矢印Ｕで示されるように、第１ビームスプリッタ４１で合波された第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２の合波７０１は、第１光学素子３０を透過することで、偏光面が４５度回転される。そして、図７において矢印Ｖで示されるように、第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２の合波７０１のＳ偏光成分７１１は、第３ビームスプリッタ６１を介して第１受光素子６２に入射する。また、図７において矢印Ｗで示されるように、第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２の合波７０１のＰ偏光成分７１２は、第３ビームスプリッタ６１を介して第２受光素子６３に入射する。
【0063】
（実施形態に係る干渉型光磁界センサ装置の作用効果）
干渉型光磁界センサ装置１では、Ｓ偏光成分の強度に比例する第１電気信号とＰ偏光成分の強度に比例する第２電気信号との差動信号（Ｅ１－Ｅ２）を反転増幅して検出信号Ｅｄを生成するので、検出信号は、基準光強度に相当する直流成分が除去される。干渉型光磁界センサ装置１は、基準光強度に相当する直流成分が除去された検出信号を利用するので、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。
干渉型光磁界センサ装置１では、Ｓ偏光成分の強度に比例する第１電気信号とＰ偏光成分の強度に比例する第２電気信号との差動信号（Ｅ１－Ｅ２）を反転増幅して検出信号Ｅｄを生成するので、検出信号は、基準光強度に相当する直流成分が除去される。干渉型光磁界センサ装置１は、基準光強度に相当する直流成分が除去された検出信号を利用するので、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。
【0064】
図８（ａ）は、ファラデー回転子５２に印加される磁界と第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２の合波のＳ偏光成分及びＰ偏光成分の光強度との関係の一例を示す図である。図８（ｂ）は、ファラデー回転子５２に印加される磁界と、図８（ａ）に示す第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２の合波のＳ偏光成分の光強度とＰ偏光成分の光強度との差分との関係を示す図である。図８（ａ）及び８（ｂ）において、横軸はファラデー回転子５２に印加される磁界を示し、図８（ａ）において、縦軸は第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２の合波のＳ偏光成分及びＰ偏光成分の光強度を示す。また、図８（ｂ）において、縦軸は図８（ａ）に示す第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２の合波のＳ偏光成分の光強度とＰ偏光成分の光強度との差分を示す。図８（ａ）において、ひし形印は第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２の合波のＳ偏光成分を示し、正方形印は第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２の合波のＰ偏光成分を示す。
【0065】
図８（ａ）に示す例では、第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２の合波のＳ偏光成分及びＰ偏光成分の光強度の双方は、図８（ａ）において破線で示される２４３．７μＷの基準光強度を有する。図８（ｂ）に示すように、第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２の合波のＳ偏光成分の光強度とＰ偏光成分の光強度との差分は、２４３．７μＷである基準光強度が除去されているので、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。
【0066】
（実施形態に係る干渉型光磁界センサ装置の変形例）
図９は、実施形態に係る干渉型光磁界センサ装置の変形例を示すブロック図である。
図９は、実施形態に係る干渉型光磁界センサ装置の変形例を示すブロック図である。
【0067】
干渉型光磁界センサ装置２は、発光部１５及び検出信号発生部８０を発光部１０及び検出信号発生部６０の代わりに有することが干渉型光磁界センサ装置１と相違する。発光部１５及び検出信号発生部８０以外の干渉型光磁界センサ装置２の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された干渉型光磁界センサ装置１の構成要素の構成及び機能と同様なので、ここでは詳細な説明は省略する。
【0068】
発光部１５は、パルス信号発生器１６を有することが発光部１０と相違する。パルス信号発生器１６以外の発光部１５の構成要素の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された発光部１０の構成要素の構成及び機能と同様なので、ここでは詳細な説明は省略する。パルス信号発生器１６は、不図示の信号処理部の指示に基づいて、発光素子１１が所定のパルス幅を有する光を所定の周期で出射するように発光素子１１を制御する制御信号を発光素子１１に出力する。
【0069】
発光素子１１から出射されたパルス信号は、偏光子１３によって偏光されて、所定のパルス幅を有する第１直線偏波光として出射される。偏光子１３から出射された第１直線偏波光は、サーキュレータ２０、第１光学素子３０、光路部４０及び磁界センサ素子５０を介して、第１直線偏波光が有するパルス幅に対応したバルス幅を有する第２直線偏波光として検出信号発生部８０に入射される。
【0070】
検出信号発生部８０は、第３ビームスプリッタ８１と、第１光路８２と、第２光路８３と、フォトカプラ８４と、受光素子８５と、信号処理回路８６とを有する。第３ビームスプリッタ８１は、プリズム型、平面型、ウェッジ基板型及び光導波路型等の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）である。第３ビームスプリッタ８１は、サーキュレータ２０で分岐された第２直線偏波光を、第２直線偏波光が有するパルス幅に対応したバルス幅を有するＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離する。第３ビームスプリッタ８１によって分離されたＳ偏光成分は第１光路８２に導入され、第３ビームスプリッタ８１によって分離されたＰ偏光成分は第２光路８３に導入される。
【0071】
第１光路８２及び第２光路８３は、例えばＰＡＮＤＡファイバ等の偏波保持ファイバであり、光路長が互いに相違する。第１光路８２及び第２光路８３の光路長は、第２光路８３に導入されたＰ偏光成分が第１光路８２に導入されたＳ偏光成分よりも少なくともＳ偏光成分が有するパルス幅よりも遅延するように規定される。
【0072】
フォトカプラ８４は、例えば３ｄＢカプラであり、第１光路８２から導出されるＳ偏光成分と、第２光路８３から導出されるＰ偏光成分とを合波して、合波した光を受光素子８５に出射する。受光素子８５は、例えばＰＩＮフォトダイオードであり、フォトカプラ８４が合波した光を受光し、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。
【0073】
信号処理回路８６は、受光素子８５から入力される電気信号をＳ偏光成分を示す電気信号とＰ偏光成分を示す電気信号とに分離し、分離たＳ偏光成分を示す電気信号及びＰ偏光成分を示す電気信号を差動増幅することで、検出される磁界に応じた検出信号Ｅｄを出力する。信号処理回路８６は、例えばパルス信号発生器１６が発光素子１１に出力する制御信号、並びにＳ偏光成分及びＰ偏光成分フォトカプラ８４に入射されるタイミングに基づいて電気信号をＳ偏光成分を示す電気信号とＰ偏光成分を示す電気信号とに分離する。また、信号処理回路８６は、例えばオペアンプ等によって形成される差動増幅回路によって、Ｓ偏光成分を示す電気信号及びＰ偏光成分を示す電気信号を差動増幅する。
【符号の説明】
【0074】
１、２ 干渉型光磁界センサ装置
１０ 発光部
２０ サーキュレータ（光分岐部）
３０ 第１光学素子
４０ 光路部
５０ 磁界センサ素子
６０ 検出信号発生部
１０ 発光部
２０ サーキュレータ（光分岐部）
３０ 第１光学素子
４０ 光路部
５０ 磁界センサ素子
６０ 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】