特許 7240570 電界検出デバイス及び電界検出装置

(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】2023-03-08

(45)【発行日】2023-03-16

(54)【発明の名称】電界検出デバイス及び電界検出装置

(51)【国際特許分類】

   G01R 29/08 20060101AFI20230309BHJP

   H01Q 13/08 20060101ALI20230309BHJP

   H01Q 21/06 20060101ALI20230309BHJP

【ＦＩ】

G01R29/08 F

H01Q13/08

H01Q21/06

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2019120210

(22)【出願日】2019-06-27

(65)【公開番号】P2020160040

(43)【公開日】2020-10-01

【審査請求日】2022-01-28

(31)【優先権主張番号】P 2019053978

(32)【優先日】2019-03-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】304026696

【氏名又は名称】国立大学法人三重大学

(73)【特許権者】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(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】村田 博司

(72)【発明者】

【氏名】黒川 悟

(72)【発明者】

【氏名】鳥羽 良和

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 正博

【審査官】永井 皓喜

(56)【参考文献】

【文献】特開平７－２９４５７５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１８１８６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－９７９８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平４－１７４３６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００２－１６８８９６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平９－５１３０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２８４１７４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－２６１７５５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－１０６３６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００１－１１９３３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００９／０００２２３９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許第５６６１４９４（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｒ ２９／０８

Ｈ０１Ｑ １３／０８

Ｈ０１Ｑ ２１／０６

(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と、前記基板上に形成された互いに交差する第１及び第２の光導波路と、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に電界を印加するために設けた４つの変調電極と、前記基板上に配置された４つのパッチアンテナとを有し、
前記４つのパッチアンテナは、長方形の４つの頂点付近にそれぞれ右回りに順に配置された第１、第２、第３及び第４のパッチアンテナからなり、
前記第１の光導波路は前記第１及び第２のパッチアンテナ間と前記第３及び第４のパッチアンテナ間を通過し、前記第２の光導波路は前記第１及び第４のパッチアンテナ間と前記第２及び第３のパッチアンテナ間を通過するように配置され、
前記４つの変調電極は、前記第１の光導波路に沿って設けられた、前記第１及び第２のパッチアンテナから給電される第１の変調電極と、前記第４及び第３のパッチアンテナから給電される第２の変調電極と、前記第２の光導波路に沿って設けられた、前記第１及び第４のパッチアンテナから給電される第３の変調電極と、前記第２及び第３のパッチアンテナから給電される第４の変調電極とからなり、
前記第１、第２のパッチアンテナ間に誘起される電圧信号と前記第３、第４のパッチアンテナ間に誘起される電圧信号により前記第１の光導波路を伝搬する光波が変調され、前記第１、第４のパッチアンテナ間に誘起される電圧信号と前記第２、第３のパッチアンテナ間に誘起される電圧信号により前記第２の光導波路を伝搬する光波が変調されるように構成されたことを特徴とする電界検出デバイス。

【請求項2】

前記４つの変調電極は、それぞれ、前記４つのパッチアンテナに誘起される電圧信号の周波数において共振するように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の電界検出デバイス。

【請求項3】

前記４つの変調電極は、それぞれ、前記第１の光導波路又は第２の光導波路に沿って配置され一定の間隔で互いに対向する１組の帯状の電極部を有し、前記１組の帯状の電極部の両端が互いに短絡又は開放されることにより共振器を構成したことを特徴とする請求項２に記載の電界検出デバイス。

【請求項4】

前記第１の変調電極により変調された光波が前記第２の変調電極を通過することによりその変調度が増大し、前記第３の変調電極により変調された光波が前記第４の変調電極を通過することによりその変調度が増大するように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の電界検出デバイス。

【請求項5】

前記第２の変調電極の前記１組の帯状の電極部の前記第１の光導波路の幅方向に対する相対位置が前記第１の変調電極の前記１組の帯状の電極部と異なることにより、前記第２の変調電極により前記第１の光導波路に印加される電界の方向が前記第１の変調電極により前記第１の光導波路に印加される電界の方向とは逆となり、
前記第４の変調電極の前記１組の帯状の電極部の前記第２の光導波路の幅方向に対する相対位置が前記第３の変調電極の前記１組の帯状の電極部と異なることにより、前記第４の変調電極により前記第２の光導波路に印加される電界の方向が前記第３の変調電極により前記第２の光導波路に印加される電界の方向とは逆となるように構成されたことを特徴とする請求項４に記載の電界検出デバイス。

【請求項6】

前記基板の前記第２の変調電極により電圧信号が印加される領域及び前記第４の変調電極により電圧信号が印加される領域は、前記第１の変調電極により電圧信号が印加される領域及び前記第３の変調電極により電圧信号が印加される領域に対して分極方向が反転していることを特徴とする請求項４に記載の電界検出デバイス。

【請求項7】

前記第３及び第４のパッチアンテナから前記第２の変調電極に給電するための給電線路が前記第１及び第２のパッチアンテナから前記第１の変調電極に給電するための給電線路とは異なることにより、前記第２の変調電極により前記第１の光導波路に印加される電界の方向が前記第１の変調電極により前記第１の光導波路に印加される電界の方向とは逆となり、
前記第２及び第３のパッチアンテナから前記第４の変調電極に給電するための給電線路が前記第１及び第４のパッチアンテナから前記第３の変調電極に給電するための給電線路とは異なることにより、前記第４の変調電極により前記第２の光導波路に印加される電界の方向が前記第３の変調電極により前記第２の光導波路に印加される電界の方向とは逆となるように構成されたことを特徴とする請求項４に記載の電界検出デバイス。

【請求項8】

前記４つのパッチアンテナはそれぞれ方形パッチアンテナであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電界検出デバイス。

【請求項9】

前記４つの方形パッチアンテナは、それぞれの方形パッチアンテナに接続された変調電極に給電するための給電線路との間のインピーダンス整合をとるために、それぞれの方形アンテナに接続された前記給電線路の両側に切り込み部を有することを特徴とする請求項８に記載の電界検出デバイス。

【請求項10】

前記４つの方形パッチアンテナは、それぞれ、前記切り込み部を有する辺と対向する辺の前記切り込み部と対称な位置に、前記切り込み部と略同一形状の切り込み部を有することを特徴とする請求項９に記載の電界検出デバイス。

【請求項11】

前記第１及び第２の光導波路は互いに７０度～１１０を成す角度で交差していることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電界検出デバイス。

【請求項12】

前記第１の光導波路を伝搬する光波の波長と、前記第２の光導波路を伝搬する光波の波長は、互いに異なることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電界検出デバイス。

【請求項13】

前記基板の平面形状は略４角形であり、
前記第１及び第２の光導波路はそれぞれ曲線状の光導波路を有し、
前記第１及び第２の光導波路の光入射端面は前記４角形の１辺に形成され、前記第１及び第２の光導波路の光出射端面は前記光入射端面と対向する前記４角形の１辺に形成されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の電界検出デバイス。

【請求項14】

請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の電界検出デバイスと、
前記第１及び第２の光導波路をそれぞれ伝搬する光波を供給するための光源と、
前記第１及び第２の光導波路をそれぞれ出射した光波を電気信号に変換し、前記電気信号より、前記第１、第２パッチアンテナ間及び前記第４、第３パッチアンテナ間の電界信号に対応する信号と、前記第１、第４パッチアンテナ間及び前記第２、第３パッチアンテナ間の電界信号に対応する信号とを出力する処理装置と、
を備えることを特徴とする電界検出装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電磁波などの電界を検出するデバイス及び装置に関し、特に電磁波の信号を光信号に変換して検出する電界検出デバイス及び装置に関する。

【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、電界を検出するための電界検出デバイスとして、光ファイバにより入力された入力光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が使用されている。その変調された出力光をＯ／Ｅ変換器を用いて電気信号に変換し、その電気信号により電界強度を測定するものである。光電界センサや光ファイバが主として非金属材料で構成されるので、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、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導波路を通過する光波の位相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。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】

【0004】

【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】

【0005】

電磁波の電界検出においては、その電磁波の最大の電界強度や偏波状態を把握することが必要とされる場合が多い。しかし、従来の光電界センサは、通常、１つのデバイスでは１つの方向の電界成分しか検出できないので、上記の目的に対しては、そのデバイスに設置されたアンテナの向きを変えながら測定する必要があり、最大電界強度や偏波状態の測定のためには複雑な操作が必要とされた。このため任意の被測定点に設置して偏波の状態を監視するという目的には使用できなかった。
一方、特許文献２に記載の光電界センサは、３つの異なる方位のアンテナを有する３個の光電界センサを組み合わせ、３軸方向の電界成分を検出可能としたものである。しかし、３つのデバイスを使用するので形状が大きくなり、任意の被測定点での電磁波を測定することが難しいことや、厳密には、それぞれの電界成分の検出位置が異なってしまうこと、形状を小型化すると十分な感度が得られないという問題があった。

【0006】

任意の被測定点では、直交する２つの軸方向の電界成分が得られれば、その点の電磁波の電界は算出可能であるので、１つのデバイスで同時に直交する２軸方向の電界の測定が可能で、高感度化が可能な電界検出デバイスが望まれていた。

【0007】

本発明の目的は、上記の課題を解決し、小型で直交する２軸方向の電界成分が測定可能で、かつ、高感度化が可能な電界検出デバイス及びそれを用いた電界検出装置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、本発明は、電気光学効果を有する材料からなる基板と、前記基板上に形成された互いに交差する第１及び第２の光導波路と、前記第１の光導波路及び前記第２の光導波路に電界を印加するために設けた４つの変調電極と、前記基板上に配置された４つのパッチアンテナとを有し、前記４つのパッチアンテナは、長方形の４つの頂点付近にそれぞれ右回りに順に配置された第１、第２、第３及び第４のパッチアンテナからなり、前記第１の光導波路は前記第１及び第２のパッチアンテナ間と前記第３及び第４のパッチアンテナ間を通過し、前記第２の光導波路は前記第１及び第４のパッチアンテナ間と前記第２及び第３のパッチアンテナ間を通過するように配置され、前記４つの変調電極は、前記第１の光導波路に沿って設けられた、前記第１及び第２のパッチアンテナから給電される第１の変調電極と、前記第４及び第３のパッチアンテナから給電される第２の変調電極と、前記第２の光導波路に沿って設けられた、前記第１及び第４のパッチアンテナから給電される第３の変調電極と、前記第２及び第３のパッチアンテナから給電される第４の変調電極とからなり、前記第１、第２のパッチアンテナ間に誘起される電圧信号と前記第３、第４のパッチアンテナ間に誘起される電圧信号により前記第１の光導波路を伝搬する光波が変調され、前記第１、第４のパッチアンテナ間に誘起される電圧信号と前記第２、第３のパッチアンテナ間に誘起される電圧信号により前記第２の光導波路を伝搬する光波が変調されるように構成されたことを特徴とする電界検出デバイスを提供する。

【0009】

上記のように、本発明においては、長方形の４つの頂点付近にそれぞれ右回りに順に配置された第１、第２、第３及び第４のパッチアンテナが測定する電磁波の電界を受信する。先ず、第１及び第２のパッチアンテナ間に誘起される電圧が第１の変調電極に印加され、第４及び第３のパッチアンテナ間に誘起される電圧が第２の変調電極に印加される。第１及び第２の変調電極により第１の光導波路を伝搬する光波が変調される。第１及び第２のパッチアンテナ間を結ぶ向きと第３及び第４のパッチアンテナ間を結ぶ向きは同じであり、これをＹ方向とすると、検出する電磁波のＹ方向の電界成分により第１の光導波路を伝搬する光波の位相が変調されることになる。
同様に、第１及び第４のパッチアンテナ間に誘起される電圧が第３の変調電極に印加され、第２及び第３のパッチアンテナ間に誘起される電圧が第４の変調電極に印加される。第３及び第４の変調電極により第２の光導波路を伝搬する光波が変調される。第１及び第４のパッチアンテナ間を結ぶ向きと第２及び第３のパッチアンテナ間を結ぶ向きは共にＹ方向に直交する向きであり、これをＸ方向とすると、上記の電磁波のＸ方向の電界成分により第２の光導波路を伝搬する光波の位相が変調されることになる。

【0010】

この結果、第１及び第２の光導波路を出力したそれぞれの光波の位相変化を検出すれば、Ｘ方向、及びＹ方向の電界成分を分離して測定することができる。ここで、位相変調された光波の位相変化量は、参照光と干渉させた後、Ｏ／Ｅ変換器により電気信号に変換することにより、又は、光スペクトラムアナライザにより変調光成分のサイドバンドの大きさを測定すること等により得ることができる。

【0011】

なお、第１及び第２の光導波路によりそれぞれ分岐干渉型光導波路を構成し、それぞれの変調電極と組み合わせてマッハツェンダ型変調器を構成すれば、電磁波のＸ方向及びＹ方向の電界成分によりそれぞれ強度変調された出力光が得られる。この場合、第１及び第２変調電極、又は第３及び第４の変調電極に対してそれぞれ独立して１つの分岐干渉型光導波路を設けてもよく、又は１つの分岐干渉型光導波路に対して第１及び第２変調電極が配置され、１つの分岐干渉型光導波路に対して第３及び第４の変調電極が配置されるように構成してもよい。

【0012】

また、本発明に用いる電気光学効果を有する基板の代表的なものは、ニオブ酸リチウム結晶基板であり、この場合、Ｚ板のみでなくＸ板も用いることができる。いずれの基板においても、Ｚ軸方向に電界が印加されるように変調電極を構成する。

【0013】

本発明においては、第１の光導波路を伝搬する光波に対して、第１及び第２の２つの変調電極により変調電圧が印加され、第２の光導波路を伝搬する光波に対して、第３及び第４の２つの変調電極により変調電圧が印加される。一般的に、光導波路を伝搬する光波の変調効率は、変調電圧が印加される部分の長さに依存して増加する。一方、周波数が高い場合、周波数が増加するほど、電極容量の影響が大きくなることや、電極長を光信号が伝搬する時間より電圧信号の位相変化が速いと変調度が低下することから、有効な変調を行うためには１つの変調電極の長さを短くする必要がある。本発明では、変調電極は２箇所あるので、従来の１つの変調電極で変調する場合に比べて、高効率化が可能となり、電界検出の高感度化が可能となる。このように、本発明においては、４つのパッチアンテナの従来にない新規な配置により、Ｘ方向、Ｙ方向のそれぞれ２つの変調電極に電圧を誘起でき、効率的な変調を行うことができる。また、１つの基板上で構成できるので小型化が可能である。
なお、周波数が低い場合は、２つの変調電極に同相で変調電圧を印加すればよいが、周波数が高い場合、最初の変調電極で変調された光信号が２番目の変調電極の光導波路部分を伝搬中に逆極性の電圧を印加されると変調が打ち消されてしまうため、最初の変調電極で変調された光信号の光導波路中の伝搬に合わせて、２番目の変調電極で印加する変調電圧の位相を整合させる必要がある。

【0014】

本発明に用いる４つのパッチアンテナは、測定する周波数の電磁波に対して受信感度を有し、変調電圧を発生させるものであればよい。例えば、方形パッチアンテナや円形パッチアンテナ等であり、その形状は周波数帯や必要な変調電圧に基づいて設計すればよい。この場合、４つのパッチアンテナはすべて同一の形状である必要はないが、Ｘ方向及びＹ方向の同じ電界強度に対して同じ変調電圧を誘起するものが望ましい。また、４つのパッチアンテナは、Ｘ方向及びＹ方向においてそれぞれ互いに対向するように、長方形の頂点付近に配置される。パッチアンテナ間の距離が等しくなるように４つのパッチアンテナを正方形の頂点付近に配置し、さらに４つのパッチアンテナを同一形状とした場合、設計が最も容易となる。なお、Ｘ方向、Ｙ方向に対して検出感度が異なっていても、その感度比が一定であれば、電界を検出した後に補正が可能である。

【0015】

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点の電界検出デバイスにおいて、前記４つの変調電極は、それぞれ、前記４つのパッチアンテナに誘起される電圧信号の周波数において共振するように構成されたことを特徴とする。
検出する周波数を高くする場合、上述のように変調電極の長さを短くするに従って変調効率は低下する。本観点の発明では、このような高周波帯においても変調効率を増加させるため、変調電極を共振型電極構造として印加する電圧を増大させるものである。このような共振型の変調電極の形態は従来のマイクロ波の平面回路の共振器構造を適用可能であり、光導波路に沿って設置される変調電極部分に共振によって増大した電圧が誘起されるように構成すればよい。

【0016】

第３の観点では、本発明は、前記第２の観点の電界検出デバイスにおいて、前記４つの変調電極は、それぞれ、前記第１の光導波路又は第２の光導波路に沿って配置され一定の間隔で互いに対向する１組の帯状の電極部を有し、前記１組の帯状の電極部の両端が互いに短絡又は開放されることにより共振器を構成したことを特徴とする。
本観点の発明における１組の帯状の電極部は、一般的な変調電極として用いられており、ニオブ酸リチウム結晶基板においてＺ板の場合は一方の帯状の電極部が光導波路上に、他方が一定の間隔で対向して配置される。Ｘ板の場合は、それらの２つの帯状の電極部は光導波路を挟んで対向して配置される。このような電極部を用いて共振型電極を構成するには、その２つの帯状の電極部をマイクロ波線路と考えてその長さを周波数に応じて選択し、両端を短絡又は開放することにより反射端とし、共振させることができる。いわゆる定在波共振線路電極を構成するものである。

【0017】

第４の観点では、本発明は、前記第３の観点の電界検出デバイスにおいて、前記第１の変調電極により変調された光波が前記第２の変調電極を通過することによりその変調度が増大し、前記第３の変調電極により変調された光波が前記第４の変調電極を通過することによりその変調度が増大するように構成されたことを特徴とする。

【0018】

電磁波の周波数が高い場合、本発明において、第１及び第２の光導波路にそれぞれ設置する２つの変調電極により効率的に変調を行うためには、最初の変調電極で変調された光信号の光導波路中の伝搬に合わせて、２番目の変調電極で印加する変調電圧の位相を整合させる必要がある。例えば、ニオブ酸リチウム結晶基板において屈折率を２．２とする場合、光導波路を伝搬する光波の速度は１．３６×１０^１１ｍｍ／秒程度となり、変調周波数を３０ＧＨｚとすると、光導波路中の変調波の波長は４．５５ｍｍ程度となる。そこで、第１又は第３の変調電極で変調されて生じた光信号がそれぞれ第２又は第４の変調電極に到達するとき、その光信号の位相に合わせて第２又は第４の変調電極に印加する電圧信号の位相を合わせれば変調が加算され、変調度が増大する。

【0019】

第５の観点では、本発明は、前記第４の観点の電界検出デバイスにおいて、前記第２の変調電極の前記１組の帯状の電極部の前記第１の光導波路の幅方向に対する相対位置が前記第１の変調電極の前記１組の帯状の電極部と異なることにより、前記第２の変調電極により前記第１の光導波路に印加される電界の方向が前記第１の変調電極により前記第１の光導波路に印加される電界の方向とは逆となり、前記第４の変調電極の前記１組の帯状の電極部の前記第２の光導波路の幅方向に対する相対位置が前記第３の変調電極の前記１組の帯状の電極部と異なることにより、前記第４の変調電極により前記第２の光導波路に印加される電界の方向が前記第３の変調電極により前記第２の光導波路に印加される電界の方向とは逆となるように構成されたことを特徴とする。

【0020】

本観点の発明では、第１又は第３の変調電極で変調されて生じた光信号の位相がそれぞれ第２又は第４の変調電極の部分で反転している場合、第２又は第４の変調電極に印加する電圧信号の位相を反転させることにより変調を加算することができる。この目的のためには、例えば、ニオブ酸リチウム結晶基板のＺ板において、第１の変調電極において第１のパッチアンテナからの給電線に接続された帯状の電極部を光導波路上に配置する場合、第２の変調電極において、第１の光導波路の反対側にある第３のパッチアンテナからの給電線に接続された帯状の電極部を光導波路上に配置すればよい。本観点の発明は、第１と第２の変調電極の中心間隔、及び第３と第４の変調電極の中心間隔が光導波路中の変調波の波長の１／２の奇数倍に近いときに有効である。なお、上記間隔が光導波路中の変調波の波長の１／２倍の奇数倍よりも偶数倍に近いときは電圧信号の位相は反転の必要はない。

【0021】

第６の観点では、本発明は、前記第４の観点の電界検出デバイスにおいて、前記基板の前記第２の変調電極により電圧信号が印加される領域及び前記第４の変調電極により電圧信号が印加される領域は、前記第１の変調電極により電圧信号が印加される領域及び前記第３の変調電極により電圧信号が印加される領域に対して分極方向が反転していることを特徴とする。本観点の発明は、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において、その分極方向を反転させることによって、同じ電界を印加しても生じる屈折率変化は正負が逆となることを利用するものである。すなわち、光導波路に対する帯状の電極部の配置が同じであっても、その部分の基板の分極が反転されていれば、光波に対して逆極性の位相変化を与えることになり、印加する電圧信号の位相を反転するのと同じ効果を得ることができる。なお、ニオブ酸リチウム結晶基板における分極反転領域は、その領域に基板のＺ軸方向の高電界を印加することにより形成することができる。

【0022】

第７の観点では、本発明は、前記第４の観点の電界検出デバイスにおいて、前記第３及び第４のパッチアンテナから前記第２の変調電極に給電するための給電線路が前記第１及び第２のパッチアンテナから前記第１の変調電極に給電するための給電線路とは異なることにより、前記第２の変調電極により前記第１の光導波路に印加される電界の方向が前記第１の変調電極により前記第１の光導波路に印加される電界の方向とは逆となり、前記第２及び第３のパッチアンテナから前記第４の変調電極に給電するための給電線路が前記第１及び第４のパッチアンテナから前記第３の変調電極に給電するための給電線路とは異なることにより、前記第４の変調電極により前記第２の光導波路に印加される電界の方向が前記第３の変調電極により前記第２の光導波路に印加される電界の方向とは逆となるように構成されたことを特徴とする。

【0023】

本観点の発明は、第１の光導波路に対する帯状の電極部の配置が第１の変調電極と第２の変調電極で同じであっても、又は第２の光導波路に対する帯状の電極部の配置が第３の変調電極と第４の変調電極で同じであっても、それぞれのパッチアンテナからの給電線路の長さ等を変えることにより、第１及び第３の変調電極に対して、それぞれ第２及び第４の変調電極に印加される電圧信号の位相を反転させるものである。例えば、第１及び第２のパッチアンテナから第１の変調電極へは同じ長さの給電線路を接続し、第４及び第３のパッチアンテナから第２の変調電極へはそれらの給電線路を伝わるマイクロ波の１／２波長分だけ給電線路の長さが異なるようにすればよい。例えば、給電線路を蛇行させる等の方法である。この場合、上記の長さの差を実現するため、第３及び第４のパッチアンテナから第２の変調電極に給電するための給電線路、及び第２及び第３のパッチアンテナから第４の変調電極に給電するための給電線路の断面構造をそれぞれ異ならしめてもよい。

【0024】

第８の観点では、本発明は、前記第１乃至第７の観点の電界検出デバイスにおいて、前記４つのパッチアンテナはそれぞれ方形パッチアンテナであることを特徴とする。本発明に用いる４つのパッチアンテナは、同じ形態の方形パッチアンテナとすることにより電界検出デバイスの設計が容易となる。

【0025】

第９の観点では、本発明は、前記第８の観点の電界検出デバイスにおいて、前記４つの方形パッチアンテナは、それぞれの方形パッチアンテナに接続された変調電極に給電するための給電線路との間のインピーダンス整合をとるために、それぞれの方形アンテナに接続された前記給電線路の両側に切り込み部を有することを特徴とする。
方形パッチアンテナに誘起された電気信号を給電線路を介して変調電極に効率的に供給するためには、方形パッチアンテナと給電線路との間のインピーダンス整合をとる必要がある。このため、本観点の発明では、それぞれの方形アンテナに接続された給電線路の両側に切り込み部を備え、その切り込み部の幅及び長さを調整してインピーダンス整合をとるものである。

【0026】

第１０の観点では、本発明は、前記第９の観点の電界検出デバイスにおいて、前記４つの方形パッチアンテナは、それぞれ、前記切り込み部を有する辺と対向する辺の前記切り込み部と対称な位置に、前記切り込み部と略同一形状の切り込み部を有することを特徴とする。
方形パッチアンテナは、目的とする電波の受信周波数において共振して出力信号が最大となるように、その形状が設計される。しかし、方形パッチアンテナの給電線路側にのみ切り込み部を設けた場合、形状の対称性が崩れ、共振特性の劣化が生じてしまう。本観点の発明は、切り込み部を有し給電線路が接続された辺と対向する側にも切り込み部を設けて、方形パッチアンテナの形状を対称として、アンテナ形状の非対称性に起因する特性劣化を改善するものである。

【0027】

第１１の観点では、本発明は、前記第１乃至第１０の観点の電界検出デバイスにおいて、前記第１及び第２の光導波路は互いに７０度～１１０度を成す角度で交差していることを特徴とする。本発明の電界検出デバイスにおいては、第１の光導波路の出射光から得られるＹ方向の検出電界に対する信号と第２の光導波路の出射光から得られるＸ方向の検出電界に対する信号とが分離されていること、すなわち、それぞれの光導波路を伝搬する光波が互いに混じらないことが必要である。２つの光導波路が交差する場合、その交差角度が大きければクロストークはほとんど生じない。また、Ｘ方向、Ｙ方向の電界を検出するための４つのパッチアンテナと４つの変調電極の配置を考慮すると、その交差角度は９０度に近い方が設計が容易である。

【0028】

第１２の観点では、本発明は、前記第１乃至第１０の観点の電界検出デバイスにおいて、前記第１の光導波路を伝搬する光波の波長と、前記第２の光導波路を伝搬する光波の波長は、互いに異なることを特徴とする。２つの光導波路を伝搬する光波の波長を変え、それぞれの光導波路の出射光を波長フィルタを通して取り出すことにより、Ｘ方向、Ｙ方向の検出電界に対する信号を十分に分離することができる。

【0029】

第１３の観点では、本発明は、前記第１乃至第１２の観点の電界検出デバイスにおいて、前記基板の平面形状は略４角形であり、前記第１及び第２の光導波路はそれぞれ曲線状の光導波路を有し、前記第１及び第２の光導波路の光入射端面は前記４角形の１辺に形成され、前記第１及び第２の光導波路の光出射端面は前記光入射端面と対向する前記４角形の１辺に形成されていることを特徴とする。

【0030】

本発明の電界検出デバイスを実用化する場合、取り扱いを容易にするためには、光ファイバが第１及び第２の光導波路の入出射端面に結合され固定されていることが望ましい。本観点の発明の電界検出デバイスは、例えば平面形状が長方形の結晶基板を用いる場合、その１辺に第１及び第２の光導波路の光入射端面が形成され、対抗する１辺にそれらの光出射端面が形成される。これにより光ファイバに結合するために端面研磨が必要な面は２つの端面のみとなり、４つの端面を研磨するよりも製作工程が大幅に簡略化される。また、光ファイバが結合固定される端面も２つのみとなるので、４つの端面に光ファイバが結合固定されている場合と比べて、取り扱いも容易である。

【0031】

第１４の観点では、本発明は、第１乃至第１３の観点の電界検出デバイスと、前記第１及び第２の光導波路をそれぞれ伝搬する光波を供給するための光源と、前記第１及び第２の光導波路をそれぞれ出射した光波を電気信号に変換し、前記電気信号より、前記第１、第２パッチアンテナ間及び前記第４、第３パッチアンテナ間の電界信号に対応する信号と、前記第１、第４パッチアンテナ間及び前記第２、第３パッチアンテナ間の電界信号に対応する信号とを出力する処理装置と、を備えることを特徴とする電界検出装置を提供する。本発明の電界検出装置においては、必要に応じて、ＥＤＦＡ等の光増幅器、参照光源とその関連する光学系、処理装置として、Ｏ／Ｅ変換器や、オシロスコープやスペクトラムアナライザ等の測定器を備えてもよい。

【発明の効果】

【0032】

上記のように、本発明により、小型で直交する２軸方向の電界成分が測定可能で、かつ、高感度化が可能な電界検出デバイス及びそれを用いた電界検出装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】実施例１に係る電界検出デバイスを用いた電界検出装置の模式的な構成図。

【図2】実施例１の電界検出デバイスの構成を示す模式的な平面図。

【図3】実施例１の電界検出デバイスの動作を説明するために示す模式的な断面図であり、（ａ）は変調電極１１の部分、（ｂ）は変調電極１２の部分を示す図。

【図4】実施例２の電界検出デバイスの構成を示す模式的な平面図。

【図5】実施例３の電界検出デバイスの構成を示す模式的な平面図。

【図6】実施例４の電界検出デバイスの構成を示す模式的な平面図。

【図7】実施例５の電界検出デバイスの構成を示す模式的な平面図。

【発明を実施するための形態】

【0034】

以下、図面を参照して本発明の電界検出デバイス及び電界検出装置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】

【0035】

図１は実施例１に係る電界検出デバイスを用いた電界検出装置の模式的な構成図である。図２は実施例１の電界検出デバイスの構成を示す模式的な平面図である。

【0036】

図１において、本実施例の電界検出装置４は、電界検出デバイス１０と、光源５と、処理装置としての機能を有する光スペクトラムアナライザ８とを備えている。光源５からの出射光は光分岐９により２つに分岐され、それぞれ光ファイバ２５及び２６を経由して電界検出デバイス１０の第１の光導波路である光導波路１及び第２の光導波路である光導波路２の入射端面に結合される。光導波路１及び光導波路２の出射端面より出射した光波は、それぞれ光ファイバ２７及び２８を経由して光スペクトラムアナライザ８に入射する。光スペクトラムアナライザ８では、光ファイバ２７からの出射光を入力することにより、電界検出デバイス１０に設けられた第１のパッチアンテナであるアンテナ２１と第２のパッチアンテナであるアンテナ２２間及び第４のパッチアンテナであるアンテナ２４と第３パッチアンテナであるアンテナ２３間で誘起される電界信号、すなわちＹ方向の電界信号に対応する信号が得られる。同様に、光ファイバ２８からの出射光を入力することにより、アンテナ２１とアンテナ２４間及びアンテナ２２とアンテナ２３間で誘起される電界信号、すなわちＸ方向の電界信号に対応する信号が得られる。光スペクトラムアナライザ８では、上記の電界信号は中心光周波数のサイドバンドとして現れるので、その大きさを測定することにより、電界検出デバイス１０の位置に置ける電磁波のＹ方向及びＸ方向の電界の大きさを検出することができる。

【0037】

図２に示すように、電界検出デバイス１０において、電気光学効果を有する材料であるニオブ酸リチウム結晶のＺ板からなる基板３上に、直線状で互いに略９０度で交差する光導波路１と光導波路２がＴｉ拡散光導波路により形成されている。また、光導波路１に電界を印加するために変調電極１１と変調電極１２が光導波路１に沿って、光導波路２に電界を印加するために変調電極１３と変調電極１４が光導波路２に沿って、それぞれ基板３上に設けられている。アンテナ２１、２２、２３、２４は正方形の４つの頂点付近にそれぞれ右回りに順に配置された略同一形状の方形パッチアンテナである。光導波路１はアンテナ２１、２２間及びアンテナ２４、２３間を通過し、光導波路２はアンテナ２１、２４間及びアンテナ２２、２３間を通過するように配置されている。

【0038】

変調電極１１はアンテナ２１からの給電線３１とアンテナ２２からの給電線３２とにより給電され、変調電極１２はアンテナ２４からの給電線３３とアンテナ２３からの給電線３４によって給電される。また、変調電極１３はアンテナ２１からの給電線３５とアンテナ２４からの給電線３６によって給電され、変調電極１４はアンテナ２２からの給電線３７とアンテナ２３からの給電線３８により給電される。すなわち、アンテナ２１と２２間に誘起される電圧信号とアンテナ２４と２３間に誘起される電圧信号により光導波路１を伝搬する光波が変調され、アンテナ２１と２４間に誘起される電圧信号とアンテナ２２と２３間に誘起される電圧信号により光導波路２を伝搬する光波が変調されるように構成されている。

【0039】

ここで、４つの変調電極、１１、１２、１３、１４は、それぞれ、光導波路１又は光導波路２に沿って配置され一定の間隔で互いに対向する１組の帯状の電極部、すなわち帯状電極１１ａと１１ｂ、帯状電極１２ａと１２ｂ、帯状電極１３ａと１３ｂ、帯状電極１４ａと１４ｂをそれぞれ有し、それらの帯状電極の両端が短絡されることにより共振器を構成している。すなわち、それぞれ１組の帯状電極により定在波共振線路電極を構成している。

【0040】

さらに、本実施例の電界検出デバイス１０においては、変調電極１１及び１３で変調されて生じた光信号の位相がそれぞれ変調電極１２及び１４の部分で反転している場合、変調電極１２及び１４に印加する電圧信号の位相を反転させることにより変調を加算することができるように構成している。このため、変調電極１１においてアンテナ２１からの給電線３１に接続された帯状電極１１ａを光導波路１上に配置し、変調電極１２においてアンテナ２１とは光導波路１の反対側にあるアンテナ２３からの給電線３４に接続された帯状電極１２ｂを光導波路１上に配置している。同様に、変調電極１３においてアンテナ２４からの給電線３６に接続された帯状電極１３ｂを光導波路２上に配置し、変調電極１４においてアンテナ２４とは光導波路２の反対側にあるアンテナ２２からの給電線３７に接続された帯状電極１４ａを光導波路２上に配置している。

【0041】

図３は実施例１の電界検出デバイスの動作を説明するために示す模式的な断面図であり、（ａ）は変調電極１１の部分、（ｂ）は変調電極１２の部分を示す。本実施例においては、アンテナ２１～２４の形状は略同一であり、給電線３１～３８の形状も略同一であるので、アンテナ２１と２２間に誘起され変調電極１１に印加される電圧信号とアンテナ２４と２３間に誘起され変調電極１２に印加される電圧信号は同じであると考えられる。一方、光導波路１上に配置された帯状電極１１ａはアンテナ２１に接続され、光導波路１上に配置された帯状電極１２ｂはアンテナ２３に接続されるので、基板３中の光導波路１への印加電界の方向は変調電極１１と変調電極１２とでは逆向きとなる。これにより、変調電極１２に印加する電圧信号の位相を反転させることができる。

【0042】

次に、本実施例の電界検出デバイス１０の具体的な形状の一例を示す。光導波路１及び２の光導波路幅は５～１５μｍ程度、深さは５～１０μｍ程度とすることができる。検出する電磁波の周波数を２８ＧＨｚとする場合、アンテナ２１～２４の一辺の長さａ＝１．８ｍｍ、給電線３１～３８の幅は５０μｍ、長さＬｍ＝２．６ｍｍ、変調電極１１～１４の長さＬｅ＝２．５ｍｍ、帯状電極１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの幅は３０μｍ、各対の対向間隔は３０μｍ、アンテナと給電線とのインピーダンス整合のための切り込み部の長さｄ＝０．５９ｍｍ、等の値とすることができる。

【実施例2】

【0043】

図４は実施例２の電界検出デバイスの構成を示す模式的な平面図である。図４において、本実施例の電界検出デバイス２０は、基板１７の第２の変調電極及び第４の変調電極が形成される部分において分極方向が反転した分極反転領域５１及び５２が基板１７に形成されていること、第２の変調電極である変調電極１８及び第４の変調電極である変調電極１９を構成する帯状電極の幅方向の配置が異なることを除けば、実施例１の電界検出デバイス１０と同じ構成である。

【0044】

本実施例の電界検出デバイス２０においても、実施例１と同様に、変調電極１１及び１３で変調されて生じた光信号の位相がそれぞれ変調電極１８及び１９の部分で反転している場合でも、変調を加算することができるように構成している。本実施例においては、変調電極１８及び１９に印加される電圧信号の位相は変調電極１１及び１３に印加される電圧信号の位相と同じである。本実施例においては、変調電極１８及び１９の部分では分極方向が反転しているので、印加される電圧に対して屈折率変化の極性は変調電極１１及び１３の部分とは逆となり、分極反転しないで印加する電圧信号の位相を反転させる場合、すなわち実施例１の電界検出デバイス１０と同じ効果が得られる。

【実施例3】

【0045】

図５は実施例３の電界検出デバイスの構成を示す模式的な平面図である。図５において、本実施例の電界検出デバイス３０は、第１～第４の変調電極が異なることを除けば、実施例１の電界検出デバイス１０と同じ構成である。

【0046】

図５において、本実施例の電界検出デバイス３０では、第１～第４の変調電極はすべて共振器構造を有していない。４つの変調電極、４１、４２、４３、４４は、それぞれ、光導波路１又は光導波路２に沿って配置され一定の間隔で互いに対向する１組の帯状の電極部、すなわち帯状電極４１ａと４１ｂ、帯状電極４２ａと４２ｂ、帯状電極４３ａと４３ｂ、帯状電極４４ａと４４ｂをそれぞれ有している。それらの帯状電極は光導波路の幅方向に対して同じ配置となっている。また、帯状電極の両端部は開放となっている。

【0047】

ここで、本実施例の電界検出デバイス３０は実施例１や実施例２に比べて、周波数の低い電磁波の電界を検出するときに使用することができる。例えば、光導波路中の変調波の半波長の長さが変調電極４１の入射端から変調電極４２の出射端までの長さより大きい場合等である。この場合には変調電極４１と４２には同相で電圧信号を印加すればよい。変調電極４３と４４についても同様である。

【実施例4】

【0048】

図６は実施例４の電界検出デバイスの構成を示す模式的な平面図である。図６において、本実施例の電界検出デバイス４０は、基板、及び、第１の光導波路及び第２の光導波路の形状が異なることを除けば、実施例１の電界検出デバイス１０と同様である。なお、図６では、４つのアンテナや４つの変調電極の構成、形状は実施例１の電界検出デバイス１０と同じ構成としているが、実施例２や実施例３の電界検出デバイス２０又は３０と同じ構成とすることができる。

【0049】

図６において、本実施例の電界検出デバイス４０は、基板５３の平面形状は略長方形であり、第１の光導波路である光導波路５４及び第２の光導波路である光導波路５５の光入射端面は長方形の１辺である辺５３ａに形成され、光導波路５４及び光導波路５５の光出射端面は辺５３ａと対向する辺５３ｂに形成されている。このため、光導波路５４及び光導波路５５は、それぞれ入射端からの入射光を変調電極に導く曲線状の光導波路５４ａ及び５５ａと、変調電極からの出射光を出射端に導く曲線状の光導波路５４ｂ及び５５ｂとを有している。これにより光ファイバに結合するために端面研磨が必要な面は２つの端面のみとなり、製作工程が大幅に簡略化される。また、光ファイバが固定される端面も２つのみであるので、取り扱いも容易である。なお、例えば、ニオブ酸リチウム結晶基板のＴｉ拡散光導波路の場合は光導波路の曲率半径が３０ｍｍ程度以上であれば放射損失は十分に小さいので、本実施例の電界検出デバイス４０は容易に実現可能である。

【実施例5】

【0050】

図７は実施例５の電界検出デバイスの構成を示す模式的な平面図である。図７において、本実施例の電界検出デバイス５０は、第１～第４のパッチアンテナが異なることを除けば、実施例１の電界検出デバイス１０と同じ構成である。

【0051】

図７において、本実施例の電界検出デバイス５０では、第１のパッチアンテナであるアンテナ６１、第２のパッチアンテナであるアンテナ６２、第３のパッチアンテナであるアンテナ６３及び第４のパッチアンテナであるアンテナ６４は、すべて、それらのアンテナに接続された給電線路のそれぞれの両側に設けた切り込み部を有する辺と対向する辺のそれぞれの切り込み部と対称な位置に、それらの切り込み部と同一形状の切り込み部を有している。すなわち、アンテナ６１は、給電線路３１の両側に設けた切り込み部６１ａと対向する辺の対称な位置に切り込み部６１ａと同形状の切り込み部６１ｃを有し、給電線路３５の両側に設けた切り込み部６１ｂと対向する辺の対称な位置に切り込み部６１ｂと同形状の切り込み部６１ｄを有している。同様に、アンテナ６２では、切り込み部６２ａ、６２ｂとそれぞれ対称な切り込み部６２ｃ、６２ｄを有し、アンテナ６３では、切り込み部６３ａ、６３ｂとそれぞれ対称な切り込み部６３ｃ、６３ｄを有し、アンテナ６４では、切り込み部６４ａ、６４ｂとそれぞれ対称な切り込み部６４ｃ、６４ｄを有している。

【0052】

なお、本実施例において、アンテナ６１～６４の一辺の長さや１つの切り込み部の長さ等の値は実施例１と同じとすることができる。例えば、検出する電磁波の周波数を２８ＧＨｚとする場合、各切り込み部の長さは０．５９ｍｍ程度、各切り込み部の空隙幅は３０μｍ程度とすることができる。

【0053】

方形パッチアンテナにおいて、実施例１のアンテナ２１～２４のように非対称な切り込み部がある場合、その切り込み部の大きさが小さくても、Ｘ方向、Ｙ方向の形状の対称性が崩れ、アンテナの共振特性が若干劣化してしまう。本実施例のアンテナ６１～６４では、給電線路が接続された辺と対向する側にも切り込み部を設けることにより、Ｘ方向、Ｙ方向の対称性を高め、アンテナ形状の非対称性に起因する特性劣化を改善することができる。

【0054】

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、光導波路、アンテナ、変調電極、給電線等の構成や形状は様々な変形が可能である。

【符号の説明】

【0055】

１，２，５４，５５ 光導波路
３，１７，５３ 基板
４ 電界検出装置
５ 光源
８ 光スペクトラムアナライザ
９ 光分岐
１０，２０，３０，４０，５０ 電界検出デバイス
１１，１２，１３，１４，１８，１９，４１，４２，４３，４４ 変調電極
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ，１３ａ，１３ｂ，１４ａ，１４ｂ，４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂ，４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂ 帯状電極
２１，２２，２３，２４，６１，６２，６３，６４ アンテナ
２５，２６，２７，２８ 光ファイバ
３１，３２，３３，３４，３５，３６，３７，３８ 給電線
５１，５２ 分極反転領域
５４ａ，５４ｂ，５５ａ，５５ｂ 曲線状の光導波路
６１ａ，６１ｂ，６１ｃ，６１ｄ，６２ａ，６２ｂ，６２ｃ，６２ｄ，６３ａ，６３ｂ，６３ｃ，６３ｄ，６４ａ，６４ｂ，６４ｃ，６４ｄ 切り込み部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】