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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】2024-10-30
(45)【発行日】2024-11-08
(54)【発明の名称】光学ユニットの設計方法
(51)【国際特許分類】
G01R 33/032 20060101AFI20241031BHJP
G02B 27/28 20060101ALI20241031BHJP
【ＦＩ】
G01R33/032
G02B27/28 Z
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2021045989
(22)【出願日】2021-03-19
(65)【公開番号】P2022144816
(43)【公開日】2022-10-03
【審査請求日】2023-12-27
(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
(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】饗場 哲也
(72)【発明者】
【氏名】須江 聡
(72)【発明者】
【氏名】土屋 智春
(72)【発明者】
【氏名】宮本 光教
(72)【発明者】
【氏名】久保 利哉
【審査官】永井 皓喜
(56)【参考文献】
【文献】特開２０２０－１２６００７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６１－１５１６１２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平９－８０３５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２０－１６０４５６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平９－５０２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－１６３２９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－１４８４３５（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０２４９４８７７（ＣＮ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｒ ３３／０２
Ｇ０１Ｒ １５／００
Ｇ０２Ｂ ２７／００
Ｇ０２Ｆ １／００
Ｇ０２Ｂ ６／３５
Ｇ０２Ｂ ５／３０
Ｇ０２Ｂ ５／１８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
干渉型光磁界センサ装置において、発光部から出射された光をセンサ素子へ導き、且つ、当該センサ素子で反射された光をＰ偏光成分の光及びＳ偏光成分の光として出力する光学ユニットの設計方法であって、前記干渉型光磁界センサ装置における所望のノイズ量を設定し、
予め定められたノイズ量と消光比との関係式に基づいて、前記所望のノイズ量に応じた消光比を算出し、
算出された前記消光比となるように前記光学ユニットの構成を選択する、ステップを含み、
前記消光比は、非測定状態において、前記光学ユニットに前記発光部から出射された光が入射され、且つ、前記センサ素子から反射された場合に前記光学ユニットから出力されるＰ偏光成分の光とＳ偏光成分の光との比を言い、
前記関係式は、以下の式（１）であり、
Ｎ＝Ｋ１×Ｅｒ －Ｋ２ ×（Ｐ×Ｓ×ＴＩＡ×１／２）＋Ｋ３ （１）
ここで、Ｎは前記所望のノイズ量（ｍＶ）、Ｅｒは前記消光比（ｄＢ）、Ｐは前記光学ユニットから出力されるＰ偏光成分の光を電気信号に変換する第１光電変換素子の出力及びＳ偏光成分の光を電気信号に変換する第２光電変換素子の出力の合計（ｍＷ）、Ｓは前記第１光電変換素子及び前記第２光電変換素子の光電変換係数（Ａ／Ｗ）、ＴＩＡは前記第１光電変換素子及び前記第２光電変換素子のそれぞれから出力される電気信号を増幅するときの増幅率、及び、Ｋ１～Ｋ３は定数を表す、
ことを特徴とする設計方法。
【請求項2】
前記定数Ｋ１～Ｋ３は、周波数帯域に応じて設定される、請求項１に記載の設計方法。
【請求項3】
前記光学ユニットは、前記センサ素子で反射された光をＰ偏光成分の光及びＳ偏光成分の光に分離する偏光分離素子を含み、前記消光比となるように前記光学ユニットの構成を選択するステップでは、算出された前記消光比となるような前記偏光分離素子を選択することを含む、請求項１又は２に記載の設計方法。
【請求項4】
前記光学ユニットは、前記発光部と前記偏光分離素子、及び、前記偏光分離素子と前記センサ素子とを接続する光路を含み、前記消光比となるように前記光学ユニットの構成を選択するステップでは、算出された前記消光比となるように前記光路の種類を選択することを含む、請求項３に記載の設計方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光学ユニットの設計方法に関する。
【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】
【文献】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では、出力される検出信号は、Ｐ偏光成分の光及びＳ偏光線分の光に分離する偏光分離素子等で発生するノイズを含むため、ファラデー回転子に印加される磁界の検出精度が低下するおそれがある。干渉型光磁界センサ装置の光学ユニットでは、光学ユニットで発生するノイズのノイズ量を所望の大きさに設定可能な光学ユニットの設計方法が望まれている。
【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光学ユニットで発生するノイズのノイズ量を所望の大きさに設定可能な光学ユニットの設計方法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の設計方法は、干渉型光磁界センサ装置において、発光部から出射された光をセンサ素子へ導き、且つ、当該センサ素子で反射された光をＰ偏光成分の光及びＳ偏光線分の光として出力する光学ユニットの設計方法であって、干渉型光磁界センサ装置における所望のノイズ量を設定し、予め定められたノイズ量と消光比との関係式に基づいて、所望のノイズ量に応じた消光比を算出し、算出された消光比となるように光学ユニットの構成を選択する、ステップを含み、消光比は、非測定状態において、光学ユニットに発光部から出射された光が入射され、且つ、センサ素子から反射された場合に光学ユニットから出力されるＰ偏光成分の光とＳ偏光線分の光との比を言う。
【0007】
さらに、本発明に係る光学ユニットの設計方法では、関係式は、以下の式（１）であり、
Ｎ＝Ｋ１×Ｅｒ-K2×（Ｐ×Ｓ×ＴＩＡ×１／２）＋Ｋ３ （１）
ここで、Ｎは所望のノイズ量（ｍＶ）、Ｅｒは消光比（ｄＢ）、Ｐは光学ユニットから出力されるＰ偏光成分の光を電気信号に変換する第１光電変換素子の出力及びＳ偏光線分の光を電気信号に変換する第２光電変換素子の出力の合計（ｍＷ）、Ｓは第１光電変換素子及び第２光電変換素子の光電変換係数（Ａ／Ｗ）、ＴＩＡは第１光電変換素子及び第２光電変換素子のそれぞれから出力される電気信号を増幅するときの増幅率、及び、Ｋ１～Ｋ３は定数を表すことが好ましい。
Ｎ＝Ｋ１×Ｅｒ-K2×（Ｐ×Ｓ×ＴＩＡ×１／２）＋Ｋ３ （１）
ここで、Ｎは所望のノイズ量（ｍＶ）、Ｅｒは消光比（ｄＢ）、Ｐは光学ユニットから出力されるＰ偏光成分の光を電気信号に変換する第１光電変換素子の出力及びＳ偏光線分の光を電気信号に変換する第２光電変換素子の出力の合計（ｍＷ）、Ｓは第１光電変換素子及び第２光電変換素子の光電変換係数（Ａ／Ｗ）、ＴＩＡは第１光電変換素子及び第２光電変換素子のそれぞれから出力される電気信号を増幅するときの増幅率、及び、Ｋ１～Ｋ３は定数を表すことが好ましい。
【0008】
さらに、本発明に係る光学ユニットの設計方法では、定数Ｋ１～Ｋ３は、周波数帯域に応じて設定されることが好ましい。
【0009】
さらに、本発明に係る光学ユニットの設計方法では、光学ユニットは、センサ素子で反射された光をＰ偏光成分の光及びＳ偏光線分の光に分離する偏光分離素子を含み、消光比となるように光学ユニットの構成を選択するステップでは、算出された消光比となるような偏光分離素子を選択することを含むことが好ましい。
【0010】
さらに、本発明に係る光学ユニットの設計方法では、光学ユニットは、発光部と偏光分離素子、及び、偏光分離素子とセンサ素子とを接続する光路を含み、消光比となるように光学ユニットの構成を選択するステップでは、算出された消光比となるように光路の種類を選択することを含むことが好ましい。
【発明の効果】
【0011】
本発明に係る光学ユニットの設計方法を使用することで、光学ユニットで発生するノイズのノイズ量を所望の大きさに設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】施形態に係る光学ユニットの設計方法を実行する設計システムのブロック図である。
【図7】（ａ）は消光比と、ノイズ量を第１電気信号及び第２電気信号の振幅の平均値によって除した傾きとの関係を示す図であり、（ｂ）は周波数帯域とノイズ量との関係を示す図（その１）であり、（ｃ）は周波数帯域とノイズ量との関係を示す図（その２）である。
【図9】実施形態に係る光学ユニットの設計方法によって最適化された干渉型光磁界センサ装置の出力強度とノイズ量との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
以下、本発明に係る光学ユニットの設計方法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。
【0014】
（実施形態に係る光学ユニットの設計方法の概要）
本願発明の発明者等は、特許文献１に記載される干渉型光磁界センサ装置のＳＮ比を向上させるために種々の検討を行った。本願発明の発明者等は、検討の結果、所定のノイズ量と消光比との関係式に基づいて、所望のノイズ量に応じた消光比を算出し、算出された消光比となるように光学ユニットの構成を選択することで、光学ユニットのＳＮ比を向上させることを見出した。ここで、消光比は、非測定状態において、光学ユニットに発光部から出射された光が入射され、且つ、センサ素子から反射した場合に光学ユニットから出力されるＰ偏光成分の光とＳ偏光線分の光との比を言う。
本願発明の発明者等は、特許文献１に記載される干渉型光磁界センサ装置のＳＮ比を向上させるために種々の検討を行った。本願発明の発明者等は、検討の結果、所定のノイズ量と消光比との関係式に基づいて、所望のノイズ量に応じた消光比を算出し、算出された消光比となるように光学ユニットの構成を選択することで、光学ユニットのＳＮ比を向上させることを見出した。ここで、消光比は、非測定状態において、光学ユニットに発光部から出射された光が入射され、且つ、センサ素子から反射した場合に光学ユニットから出力されるＰ偏光成分の光とＳ偏光線分の光との比を言う。
【0015】
具体的には、本願発明の発明者等は、発光部から出射された光をセンサ素子へ導き、且つ、センサ素子で反射された光をＰ及びＳ偏光線分の光として出力する光学ユニットにおいて、以下の式（１）によりノイズ量に応じた消光比を算出することを見出した。
Ｎ＝Ｋ１×Ｅｒ-K2×（Ｐ×Ｓ×ＴＩＡ×１／２）＋Ｋ３ （１）
Ｎ＝Ｋ１×Ｅｒ-K2×（Ｐ×Ｓ×ＴＩＡ×１／２）＋Ｋ３ （１）
【0016】
ここで、Ｎは所望のノイズ量（ｍＶ）であり、Ｅｒは消光比（ｄＢ）であり、Ｐは光学ユニットから出力されるＰ偏光成分の光を電気信号に変換する第１光電変換素子の出力及びＳ偏光線分の光を電気信号に変換する第２光電変換素子の出力の合計（ｍＷ）である。また、Ｓは第１光電変換素子及び第２光電変換素子の光電変換係数（Ａ／Ｗ）であり、ＴＩＡは第１光電変換素子及び第２光電変換素子のそれぞれから出力される電気信号を増幅するときの増幅率であり、第１定数Ｋ１、第２定数Ｋ２及び第３定数Ｋ３は定数を表す。
【0017】
本発明に係る光学ユニットの設計方法は、所望のノイズ量に応じて算出された消光比となるように光学ユニットの構成を選択することで、所望のノイズ量に応じた光学ユニットの構成を容易に実現できる。
【0018】
（実施形態に係る光学ユニットの設計方法を実行する設計システムの構成及び機能）
図１は、実施形態に係る光学ユニットの設計方法を実行する設計システムのブロック図である。
図１は、実施形態に係る光学ユニットの設計方法を実行する設計システムのブロック図である。
【0019】
設計システム１は、干渉型光磁界センサ装置２と、オシロスコープ３と、設計装置４とを有し、設計装置４によって干渉型光磁界センサ装置２のノイズ量から干渉型光磁界センサ装置２の消光比が算出される。また、設計システム１では、干渉型光磁界センサ装置２は、光学素子等が交換されることによって、発生するノイズノイズ量を所望のノイズ量とすることができる。
【0020】
図２は、干渉型光磁界センサ装置２のブロック図である。
【0021】
干渉型光磁界センサ装置２は、発光部１０と、光学ユニット１１と、１／４波長板１２と、平凸レンズ１３と、磁界センサ素子１４と、検出信号発生部１５とを有し、磁界センサ素子１４に印加される磁界に応じた検出信号を出力する。
【0022】
発光部１０は、発光素子１０１と、アイソレータ１０２と、偏光子１０３とを有する。発光素子１０１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１０１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。
【0023】
アイソレータ１０２は、発光素子１０１から入射された光を光学ユニット１１側に透過すると共に、光学ユニット１１から入射された光を発光素子１０１側に透過しないことで、発光素子１０１を保護する。アイソレータ１０２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。
【0024】
偏光子１０３は、発光素子１０１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１０３で得られる第１直線偏波光Ｂ１は、光学ユニット１１に入射される。
【0025】
光学ユニット１１は、筐体２０と、第１ポート２１と、第２ポート２２と、第３ポート２３と、第４ポート２４とを有し、出射する第５直線偏光Ｂ２Ｐ１と第６直線偏光Ｂ２Ｐ２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２０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１１が有する種々の光学素子を所定の位置に配置する。
【0026】
第１ポート２１は、第１直線偏波光Ｂ１を入射する入力ポートであり、筐体２０の長手方向の一方の端面の一端に配置され、第１直線偏波光Ｂ１が入射される。第２ポート２２は、磁界センサ素子１４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１４からの戻り光ＢＲが入射される入出力ポートであり、筐体２０の長手方向の他方の端面の中央部に配置される。
【0027】
第３ポート２３は、第５直線偏光Ｂ２Ｐ１を出射する出力ポートであり、筐体２０の長手方向の一方の端面の中央部に配置される。第４ポート２４は、第６直線偏光Ｂ２Ｐ２を出射する出力ポートであり、筐体２０の長手方向の一方の端面の他端に配置される。
【0028】
１／４波長板１２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１２は、第２ポート２２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１４に入射される円偏光に変換して、平凸レンズ１３に出射する。また、１／４波長板１２は、磁界センサ素子１４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。
【0029】
平凸レンズ１３は、１／４波長板１２から出射された入射光ＢＩを磁界センサ素子１４に集光すると共に、磁界センサ素子１４から出射された戻り光ＢＲを磁界センサ素子１４に集光する。
【0030】
磁界センサ素子１４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１４は、平凸レンズ１３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１３に出射する。
【0031】
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１３から平凸レンズ１３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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
磁界センサ素子１４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θF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θF変化させる。入射光ＢＩと戻り光ＢＲとの位相差は２θFである。
【0037】
検出信号発生部１５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１１において第５直線偏光Ｂ２Ｐ１及び第６直線偏光Ｂ２Ｐ２に分波された戻り光ＢＲを受光する。
【0038】
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は光学ユニット１１から出力されるＰ偏光成分の光を電気信号に変換する第１光電変換素子であり、第２受光素子１５２は光学ユニット１１から出力されるＳ偏光成分の光を電気信号に変換する第２光電変換素子である。
【0039】
第１受光素子１５１は第５直線偏光Ｂ２Ｐ１を受光し、第２受光素子１５２は第６直線偏光Ｂ２Ｐ２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Ｂ２Ｐ１を示す電気信号及び第６直線偏光Ｂ２Ｐ２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３に出力する。
【0040】
図３は、光学ユニット１１のブロック図である。
【0041】
光学ユニット１１は、サーキュレータ２５と、第１光学素子２６と、第１ビームスプリッタ２７と、第２ビームスプリッタ２８と、第１光路２９と、第２光路３０と、第２光学素子３１と、第３ビームスプリッタ３２とを更に有する。
【0042】
第１ポート２１は、第１直線偏波光Ｂ１が発光部１０から入射され、入射された第１直線偏波光Ｂ１をサーキュレータ２５に出射する。
【0043】
第２ポート２２は、入射光ＢＩが第２ビームスプリッタ２８から入射され、入射された入射光ＢＩを１／４波長板１２に出射する。また、第２ポート２２は、戻り光ＢＲが１／４波長板１２から入射され、入射された戻り光ＢＲを第２ビームスプリッタ２８に出射する。
【0044】
第３ポート２３は、第５直線偏光Ｂ２Ｐ１が第３ビームスプリッタ３２から入射され、入射された第５直線偏光Ｂ２Ｐ１を第１受光素子１５１に出射する。第４ポート２４は、第６直線偏光Ｂ２Ｐ２が第３ビームスプリッタ３２から入射され、入射された第６直線偏光Ｂ２Ｐ２を第２受光素子１５２に出射する。
【0045】
サーキュレータ２５は、発光部１０から出射された第１直線偏波光Ｂ１を第１光学素子２６に透過すると共に、第１光学素子２６から出射された第２直線偏波光Ｂ２を第３ビームスプリッタ３２に分岐する光分岐部である。サーキュレータ２５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。
【0046】
第１光学素子２６は、例えばサーキュレータ２５から入射される第１直線偏波光Ｂ１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波長板である。第１光学素子２６は、サーキュレータ２５から入射される第１直線偏波光Ｂ１１の偏光面を４５度回転し、第１ビームスプリッタ２７に出射する。第１光学素子２６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。
【0047】
また、第１光学素子２６は、第１ビームスプリッタ２７から入射される直線偏波光である第２直線偏波光Ｂ２の偏光面を４５度回転し、サーキュレータ２５に出射する。
【0048】
第１ビームスプリッタ２７は、第１直線偏光ＣＷ１を第１光路２９に出射すると共に、第２直線偏光ＣＣＷ１を第２光路３０に出射する。また、第１ビームスプリッタ２７は、第３直線偏光ＣＷ２が第２光路３０から入射されると共に、第４直線偏光ＣＣＷ２が第１光路２９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２６に出射される第２直線偏波光Ｂ２の互いに直交する偏光成分である。
【0049】
第２ビームスプリッタ２８は、第１直線偏光ＣＷ１が第１光路２９から入射されると共に、第２直線偏光ＣＣＷ１が第２光路３０から入射される。また、第２ビームスプリッタ２８は、第３直線偏光ＣＷ２を第２光路３０に出射すると共に、第４直線偏光ＣＣＷ２を第１光路２９に出射する。
【0050】
第１ビームスプリッタ２７及び第２ビームスプリッタ２８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２７及び第２ビームスプリッタ２８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。
【0051】
第１光路２９は、第１ビームスプリッタ２７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２８に導出すると共に、第２ビームスプリッタ２８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２７に導出する。第２光路３０は、第１ビームスプリッタ２７から導入された第２直線偏光ＣＣＷ１を第２ビームスプリッタ２８に導出すると共に、第２ビームスプリッタ２８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２７に導出する。
【0052】
第１光路２９は、一端が第１ビームスプリッタ２７に光学的に接続され且つ他端が第２ビームスプリッタ２８に光学的に接続されたＰＡＮＤＡファイバである。第２光路３０は、一端が第１ビームスプリッタ２７に光学的に接続され且つ他端が第２ビームスプリッタ２８に光学的に接続されたＰＡＮＤＡファイバである。なお、第１光路２９及び第２光路３０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３０には、第２光学素子３１が配置される。
【0053】
第２光学素子３１は、第１（１／４）波長板３３と、第２（１／４）波長板３４と、４５度ファラデー回転子３５とを有する。
【0054】
第１（１／４）波長板３３は、第２光路３０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３３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。
【0055】
第２（１／４）波長板３４は、第２光路３０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３４は、４５度ファラデー回転子３５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。
【0056】
４５度ファラデー回転子３５は、第１（１／４）波長板３３及び第２（１／４）波長板３４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。
【0057】
４５度ファラデー回転子３５は、第２（１／４）波長板３４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３３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、円偏光の位相を変化させる。また、４５度ファラデー回転子３５は、第１（１／４）波長板３３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３４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。
【0058】
第３ビームスプリッタ３２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。サーキュレータ２５で分岐された第２直線偏波光Ｂ２をＳ偏光成分である第５直線偏光Ｂ２Ｐ１とＰ偏光成分である第６直線偏光Ｂ２Ｐ２とに分離する。
【0059】
図４は、第１受光素子１５１、第２受光素子１５２、及び信号処理回路１５３の間の電気的な接続関係を示す回路ブロック図である。
【0060】
信号処理回路１５３は、例えばオペアンプである増幅素子１５４と、抵抗素子１５５とを有する。第１受光素子１５１のアノード及び第２受光素子１５２のカソードは、増幅素子１５４のマイナス入力端子に接続され、第１受光素子１５１のカソードは正電源＋Ｖに接続され、第２受光素子１５２のアノードは負電源－Ｖに接続される。
【0061】
第１受光素子１５１は、第５直線偏光Ｂ２Ｐ１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１５２は、第６直線偏光Ｂ２Ｐ２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１５４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。
【0062】
増幅素子１５４のマイナス入力端子に入力される差動信号（Ｅ１－Ｅ２）は、第５直線偏光Ｂ２Ｐ１及び第６直線偏光Ｂ２Ｐ２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。
【0063】
信号処理回路１５３は、反転増幅回路であり、増幅素子１５４のマイナス入力端子に入力される差動信号（Ｅ１－Ｅ２）を増幅率ＴＩＡにより反転増幅して、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り、オシロスコープ３に出力される。
【0064】
オシロスコープ３は、干渉型光磁界センサ装置２から入力される検出信号Ｅｄを示す画像を表示する表示部３ａを有する。オシロスコープ３は、１００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、１０ＭＨｚ、５０ＭＨｚ及び１００ＭＨｚ等の複数の周波数帯域ｆを選択可能である。
【0065】
オシロスコープ３は、検出信号Ｅｄの最大変化量ΔＥｄを検出し、検出した最大変化量ΔＥｄを示す変化量信号を設計装置４に出力する。また、オシロスコープ３は、選択された周波数帯域ｆを示す周波数帯域信号を設計装置４に出力する。
【0066】
最大変化量ΔＥｄは、干渉型光磁界センサ装置２において、第１受光素子１５１及び第２受光素子１５２のそれぞれが受光する第５直線偏光Ｂ２Ｐ１及び第６直線偏光Ｂ２Ｐ２の光強度の最大変化量ΔＰ（ｍＷ）との間で以下の式（２）の関係を示す。例えば、ΔＰ（ｍＷ）は、第５直線偏光Ｂ２Ｐ１の光強度の最大変化量と第６直線偏光Ｂ２Ｐ２の光強度の最大変化量との平均値である。
ΔＥｄ＝ΔＰ×Ｓ×ＴＩＡ （２）
式（２）において、Ｓ（Ａ／Ｗ）は第１受光素子１５１及び第２受光素子１５２のそれぞれにおける光電変換係数であり、ＴＩＡは信号処理回路１５３において増幅素子１５４が差動信号（Ｅ１－Ｅ２）を増幅して検出信号Ｅｄが生成されるときの増幅率である。
ΔＥｄ＝ΔＰ×Ｓ×ＴＩＡ （２）
式（２）において、Ｓ（Ａ／Ｗ）は第１受光素子１５１及び第２受光素子１５２のそれぞれにおける光電変換係数であり、ＴＩＡは信号処理回路１５３において増幅素子１５４が差動信号（Ｅ１－Ｅ２）を増幅して検出信号Ｅｄが生成されるときの増幅率である。
【0067】
図５は、設計装置４のブロック図である。
【0068】
設計装置４は、通信部４０と、記憶部４１と、入力部４２と、出力部４３と、処理部５０とを有する。設計装置４は、パーソナルコンピュータ等の電子計算機であり、実施形態に係る設計方法を実行する。
【0069】
通信部４０は、オシロスコープ３と設計装置４との間を接続するためのイーサネット（登録商標）等の通信インターフェース回路を備え、通信部４０は、オシロスコープ３から変化量信号及び周波数帯域信号が入力される。通信部４０に入力された変化量信号に対応する最大変化量ΔＥｄ及び周波数帯域信号に対応する周波数帯域ｆは、記憶部４１に記憶される。
【0070】
記憶部４１は、例えば、半導体装置、磁気テープ装置、磁気ディスク装置、又は光ディスク装置のうちの少なくとも一つを備える。記憶部４１は、処理部５０での処理に用いられるオペレーティングシステムプログラム、ドライバプログラム、アプリケーションプログラム、データ等を記憶する。例えば、記憶部４１は、アプリケーションプログラムとして、所望のノイズ量に応じて算出された消光比となるように光学ユニットの構成を選択する設計方法を、処理部５０に実行させるための設計プログラム等を記憶する。設計プログラムは、例えばＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ等のコンピュータ読み取り可能な可搬型記録媒体から、公知のセットアッププログラム等を用いて記憶部４１にインストールされてもよい。
【0071】
また、記憶部４１は、データとして、入力処理で使用するデータ等を記憶する。さらに、記憶部４１は、入力処理等の処理で一時的に使用されるデータを一時的に記憶してもよい。例えば、記憶部４１は、式（１）に示す第１定数Ｋ１、第２定数Ｋ２及び第３定数Ｋ３と、オシロスコープ３において選択された周波数帯域ｆとの間の関係を示す定数テーブル４１０を記憶する。
【0072】
図６は、定数テーブル４１０を示す図である。
【0073】
定数テーブル４１０は、周波数帯域ｆが１００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、１０ＭＨｚ、５０ＭＨｚ及び１００ＭＨｚのそれぞれである場合の第１定数Ｋ１～第３定数Ｋ３を規定する。周波数帯域ｆが１００ｋＨｚであるとき、第１定数Ｋ１～第３定数Ｋ３は、Ｋ１1、Ｋ２1及びＫ３1であり、周波数帯域ｆが１ＭＨｚであるとき、第１定数Ｋ１～第３定数Ｋ３は、Ｋ１2、Ｋ２2及びＫ３2である。周波数帯域ｆが１０ＭＨｚであるとき、第１定数Ｋ１～第３定数Ｋ３は、Ｋ１3、Ｋ２3及びＫ３3であり、周波数帯域ｆが５０ＭＨｚであるとき、第１定数Ｋ１～第３定数Ｋ３は、Ｋ１4、Ｋ２4及びＫ３4である。周波数帯域ｆが１００ＭＨｚであるとき、第１定数Ｋ１～第３定数Ｋ３は、Ｋ１5、Ｋ２5及びＫ３5である。
【0074】
第１定数Ｋ１～第３定数Ｋ３は、周波数帯域ｆが１００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、１０ＭＨｚ、５０ＭＨｚ及び１００ＭＨｚのそれぞれである場合において、実測された複数の光学ユニットの第１及び第２電気信号Ｅ１及びＥ２並びにノイズ量Ｄから算出される。
【0075】
図７（ａ）は消光比Ｅｒと、ノイズ量Ｄを第１電気信号Ｅ１及び第２電気信号Ｅ２の振幅の平均値Ｅａによって除した傾き（Ｄ／Ｅａ）との関係を示す図である。図７（ｂ）は周波数帯域ｆとノイズ量Ｄとの関係を示す図（その１）であり、図７（ｃ）は周波数帯域とノイズ量との関係を示す図（その２）である。図７（ａ）において、横軸は消光比Ｅｒを示し、縦軸は傾き（Ｄ／Ｅａ）を示す。図７（ｂ）及び７（ｃ）において、横軸は周波数帯域ｆを示し、縦軸はノイズ量Ｄを示す。
【0076】
図７（ａ）は、周波数帯域ｆが１００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、１０ＭＨｚ、５０ＭＨｚ及び１００ＭＨｚであるときのノイズ量を、Ｅｒ１、Ｅｒ２、Ｅｒ３及びＥｒ４の４つの消光比を有する光学ユニットにおいて実測した実測値から抽出される。Ｅｒ１、Ｅｒ２、Ｅｒ３及びＥｒ４の４つの消光比を有する光学ユニットのそれぞれにおいて、第１電気信号Ｅ１及び第２電気信号Ｅ２の振幅の平均値Ｅａを増加させながらノイズ量Ｄが実測される。実測された第１電気信号Ｅ１及び第２電気信号Ｅ２の振幅の平均値Ｅａとノイズ量Ｄとにより、傾き（Ｄ／Ｅａ）が算出される。傾き（Ｄ／Ｅａ）は、Ｅｒ１、Ｅｒ２、Ｅｒ３及びＥｒ４の４つの消光比を有する光学ユニットのそれぞれについて、周波数帯域ｆを１００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、１０ＭＨｚ、５０ＭＨｚ及び１００ＭＨｚと変化させながら算出される。
【0077】
図７（ａ）において、曲線Ｌ１１は周波数帯域ｆが１００ｋＨｚであるときの近似曲線であり、曲線Ｌ１２は周波数帯域ｆが１ＭＨｚであるときの近似曲線である。また、曲線Ｌ１３は周波数帯域ｆが１０ＭＨｚであるときの近似曲線であり、曲線Ｌ１４は周波数帯域ｆが５０ＭＨｚであるときの近似曲線であり、曲線Ｌ１５は周波数帯域ｆが１００ＭＨｚであるときの近似曲線である。
【0078】
第２定数Ｋ２1～Ｋ２5のそれぞれは、曲線Ｌ１１～Ｌ１５の変化の割合から算出される。第２定数Ｋ２1は曲線Ｌ１１の変化の割合から算出され、第２定数Ｋ２2は曲線Ｌ１２の変化の割合から算出され、第２定数Ｋ２3は曲線Ｌ１３の変化の割合から算出され、第２定数Ｋ２4は曲線Ｌ１４の変化の割合から算出され、第２定数Ｋ２5は曲線Ｌ１５の変化の割合から算出される。
【0079】
図７（ｂ）は、図７（ａ）が作成されるときに実測されたノイズ量Ｄと、ノイズ量Ｄのそれぞれが実測されたときの周波数帯域ｆの関係を、横軸を周波数帯域ｆとし、縦軸をノイズ量Ｄとして示す。図７（ｂ）において、曲線Ｌ２１は消光比がＥｒ１であるときの近似直線であり、曲線Ｌ２２は消光比がＥｒ２であるときの近似直線である。また、曲線Ｌ２３は消光比がＥｒ３であるときの近似直線であり、曲線Ｌ２４は消光比がＥｒ４であるときの近似直線である。
【0080】
第３定数Ｋ３1～Ｋ３5のそれぞれは、直線Ｌ２１～Ｌ２４の周波数帯域ｆが１００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、１０ＭＨｚ、５０ＭＨｚ及び１００ＭＨｚであるときのノイズ量の平均値から算出される。具体的には、図７（ｃ）に示すように、１００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、１０ＭＨｚ、５０ＭＨｚ及び１００ＭＨｚであるときのノイズ量の平均値Ｐ３１、Ｐ３２、Ｐ３３、Ｐ３４及びＰ３４が算出される。次いで、１００ｋＨｚ、１ＭＨｚ、１０ＭＨｚ、５０ＭＨｚ及び１００ＭＨｚであるときのノイズ量の平均値Ｐ３１、Ｐ３２、Ｐ３３、Ｐ３４及びＰ３４の近似直線である直線Ｌ３が算出される。
【0081】
第３定数Ｋ３1は直線Ｌ４の周波数帯域ｆが１００ｋＨｚであるときのノイズ量であり、第３定数Ｋ３2は直線Ｌ４の周波数帯域ｆが１ＭＨｚであるときのノイズ量であり、第３定数Ｋ３3は直線Ｌ４の周波数帯域ｆが１０ＭＨｚであるときのノイズ量である。第３定数Ｋ３4は直線Ｌ４の周波数帯域ｆが５０ＭＨｚであるときのノイズ量であり、第３定数Ｋ３5は直線４の周波数帯域ｆが１００ＭＨｚであるときのノイズ量である。
【0082】
第１定数Ｋ１1～Ｋ１5のそれぞれは、曲線Ｌ１１～Ｌ１５の変化の割合から算出された第２定数Ｋ２1～Ｋ２5と、直線Ｌ３１～Ｌ３４から算出された第３定数Ｋ３1～Ｋ３5とを式（１）に採用したときに、式（１）が図７（ａ）の抽出に使用された実測値に一致するように決定される。
【0083】
入力部４２は、データの入力が可能であればどのようなデバイスでもよく、例えば、タッチパネル、キーボタン等である。操作者は、入力部４２を用いて、文字、数字、記号等を入力することができる。入力部４２は、操作者により操作されると、その操作に対応する信号を生成する。そして、生成された信号は、操作者の指示として、処理部５０に供給される。
【0084】
出力部４３は、映像やフレーム等の表示が可能であればどのようなデバイスでもよく、例えば、液晶ディスプレイ又は有機ＥＬ（Electro－Luminescence）ディスプレイ等である。出力部４３は、処理部５０から供給された映像データに応じた映像や、動画データに応じたフレーム等を表示する。また、出力部４３は、紙などの表示媒体に、映像、フレーム又は文字等を印刷する出力装置であってもよい。
【0085】
処理部５０は、一又は複数個のプロセッサ及びその周辺回路を有する。処理部５０は、設計装置４の全体的な動作を統括的に制御するものであり、例えば、ＣＰＵである。処理部５０は、記憶部４１に記憶されているプログラム（ドライバプログラム、オペレーティングシステムプログラム、アプリケーションプログラム等）に基づいて処理を実行する。また、処理部５０は、複数のプログラム（アプリケーションプログラム等）を並列に実行できる。
【0086】
処理部５０は、ダイナミックレンジ取得部５１と、ノイズ量算出部５２と、消光比算出部５３と、構成選択部５４とを有する。これらの各部は、処理部５０が備えるプロセッサで実行されるプログラムにより実現される機能モジュールである。あるいは、これらの各部は、ファームウェアとして設計装置４に実装されてもよい。
【0087】
（実施形態に係る光学ユニットの設計方法）
図８は、設計装置４により実行される光学ユニットの設計方法のフローチャートである。図８に示す設計方法は、予め記憶部４１に記憶されているプログラムに基づいて、主に処理部５０により、設計装置４の各要素と協働して実行される。
図８は、設計装置４により実行される光学ユニットの設計方法のフローチャートである。図８に示す設計方法は、予め記憶部４１に記憶されているプログラムに基づいて、主に処理部５０により、設計装置４の各要素と協働して実行される。
【0088】
まず、ダイナミックレンジ取得部５１は、干渉型光磁界センサ装置２の所望のダイナミックレンジＤを取得する（Ｓ１０１）。ダイナミックレンジＤは、干渉型光磁界センサ装置２の性能指標の一例である。ダイナミックレンジ取得部５１は、例えばダイナミックレンジＤを入力することを示すグラフィックユーザインタフェースを出力部４３に表示し、操作者によって入力部４２を介して入力されるダイナミックレンジＤを取得する。ダイナミックレンジ取得部５１は、取得したダイナミックレンジＤを示すダイナミックレンジ情報を記憶部４１に記憶する。
【0089】
次いで、ノイズ量算出部５２は、Ｓ１０１に示す処理で取得されたダイナミックレンジＤ（ｄＢ）及びオシロスコープ３から入力された最大変化量ΔＥｄに基づいて、所望のノイズ量を設定する（Ｓ１０２）。ノイズ量算出部５２は、以下の式（３）を使用してノイズ量を算出し、算出したノイズ量を所望のノイズ量として設定する。
Ｄ（ｄｂ）＝２０×ｌｏｇ（ΔＥｄ（ｍＶ）／Ｎ（ｍＶ）） （３）
Ｄ（ｄｂ）＝２０×ｌｏｇ（ΔＥｄ（ｍＶ）／Ｎ（ｍＶ）） （３）
【0090】
次いで、消光比算出部５３は、予め定められたノイズ量と消光比との関係式である式（１）に基づいて、Ｓ１０２の処理で設定された所望のノイズ量に応じた消光比を算出する（Ｓ１０３）。消光比算出部５３は、記憶部４１に記憶される周波数帯域ｆ及び定数テーブル４１０に基づいて、式（１）において使用される第１定数Ｋ１～第３定数Ｋ３を決定する。例えば、記憶部４１に記憶される周波数帯域ｆが１００ｋＨｚであるとき、消光比算出部５３は、定数テーブル４１０に記憶される第１定数Ｋ１1～第３定数Ｋ３1を第１定数Ｋ１～第３定数Ｋ３に決定する。消光比算出部５３は、決定された第１定数Ｋ１～第３定数Ｋ３が代入された式（１）を使用して、Ｓ１０２の処理で設定された所望のノイズ量を算出する。
【0091】
そして、構成選択部５４は、Ｓ１０３に示す処理で算出された消光比となるように光学ユニットの構成を選択する（Ｓ１０４）。構成選択部５４は、選択可能な光学ユニットの構成を示すグラフィックユーザインタフェースを出力部４３に表示し、操作者によって入力部４２を介して入力される光学ユニットの構成を取得する。ダイナミックレンジ取得部５１は、取得した光学ユニットの構成を示す構成選択情報を記憶部４１に記憶する。
【0092】
（実施形態に係る光学ユニットの設計方法の作用効果）
実施形態に係る光学ユニットの設計方法は、所望のノイズ量に応じて算出された消光比となるように光学ユニットの構成を選択することで、所望のノイズ量に応じた光学ユニットの構成を容易に実現できる。
実施形態に係る光学ユニットの設計方法は、所望のノイズ量に応じて算出された消光比となるように光学ユニットの構成を選択することで、所望のノイズ量に応じた光学ユニットの構成を容易に実現できる。
【0093】
図９は、実施形態に係る光学ユニットの設計方法によって最適化された干渉型光磁界センサ装置の出力強度とノイズ量との関係を示す図である。図９において、横軸は第１受光素子１５１及び第２受光素子１５２の出力電圧を示し、縦軸は検出信号のノイズ量を示す。
【0094】
図９において、波形Ｗ１は、干渉型光磁界センサ装置２のノイズ特性の実測値を示す。また、波形Ｗ２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Ｗ３は、光学素子の配置を波形Ｗ２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Ｗ４は、光学素子の間を空間結合し、且つ、方解石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。
【0095】
干渉型光磁界センサ装置２は、光学ユニット１１に配置される光学素子の間は、光ファイバによって光学的に接続されるため、図９において波形Ｗ１で示されるように、検出信号Ｅｒのノイズ量Ｄは、非常に大きくなる。図９において波形Ｗ２で示されるように、光学ユニット１１に配置される光学素子の間を、光ファイバよりも消光比が小さい空間結合に変更することで検出信号Ｅｒのノイズ量は低減される。
【0096】
光ファイバにより形成される光路よりも消光比が小さい空間結合により形成される光路を選択することで、波形Ｗ２に対応する干渉型光磁界センサ装置の消光比は、干渉型光磁界センサ装置２の消光比よりも小さい所望の消光比となる。消光比が小さく光路の種類を選択することで、波形Ｗ２に対応する干渉型光磁界センサ装置のノイズ量は、干渉型光磁界センサ装置２のノイズ量よりも小さくなる。
【0097】
さらに、光学ユニット１１に配置される光学素子の配置を消光比が小さくなるように変更することで、図９において波形Ｗ３で示されるように、検出信号Ｅｒのノイズ量は、更に低減される。光学ユニット１１に配置される光学素子の配置を適切に選択することで、波形Ｗ３に対応する干渉型光磁界センサ装置の消光比は、干渉型光磁界センサ装置２の消光比よりも小さい所望の消光比となる。波形Ｗ３に対応する干渉型光磁界センサ装置のノイズ量は、波形Ｗ２に対応する干渉型光磁界センサ装置よりも消光比が小さくなることで、波形Ｗ２に対応する干渉型光磁界センサ装置のノイズ量よりも小さくなる。
【0098】
図１０は、波形Ｗ４に対応する干渉型光磁界センサ装置が有する光学ユニットの平面図である。光学ユニット６では、光学ユニット１と同様に、第１ポート２１は入射光ＢＩが入射し、第２ポート２２は入射光ＢＩを出射し且つ戻り光ＢＲが入射される。また、第３ポート２３は第５直線偏光Ｂ２Ｐ１を出射し、第４ポート２４は第６直線偏光Ｂ２Ｐ２を出射する。光学ユニット６では、光学素子のそれぞれは、光ファイバを介することなく空間結合により光学的に接続される。
【0099】
光学ユニット６は、筐体６０を筐体２０の代わりに有することが光学ユニット１１と相違する。また、光学ユニット６は、第１複屈折素子６１、第２複屈折素子６２及び第３複屈折素子６３を第１ビームスプリッタ２７、第２ビームスプリッタ２８及び第３ビームスプリッタ３２の代わりに有することが光学ユニット１１と相違する。また、光学ユニット６は、第４複屈折素子６４、ファラデー回転子６５、（１／２）波長板６６、第１プリズム素子６７、第２プリズム素子６８、第１基台７１、第２基台７２及び第３基台７３を有することが光学ユニット１１と相違する。また、光学ユニット６は、サーキュレータ２５を有さないことが光学ユニット１１と相違する。筐体６０～第２プリズム素子６８及び第１基台７１～第３基台７３以外の光学ユニット６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１１の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは、詳細な説明は省略する。
【0100】
第１複屈折素子６１～第４複屈折素子６４は、方解石（ＣａＣＯ3）により形成される複屈折素子であり、第１ビームスプリッタ２７、第２ビームスプリッタ２８及び第３ビームスプリッタ３２と同様に直線偏波光をＳ偏光及びＰ偏光に分離する。
【0101】
ファラデー回転子６５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。ファラデー回転子６５は、第４複屈折素子６４と（１／２）波長板６６との間に配置される。
【0102】
（１／２）波長板６６は、水晶等の複屈折材料で形成され、発光部１０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。（１／２）波長板６６は、ファラデー回転子６５と第３複屈折素子６３との間に配置される。
【0103】
第１プリズム素子６７及び第２プリズム素子６８は、ロンボイドプリズムである。第１プリズム素子６７は、第３ポート２３と第４複屈折素子６４との間に配置され、第４複屈折素子６４から出射された第５直線偏光Ｂ２Ｐ１を第３ポート２３に出射する。第２プリズム素子６８は、第４ポート２４と第４複屈折素子６４との間に配置され、第４複屈折素子６４から出射された第６直線偏光Ｂ２Ｐ２を第４ポート２４に出射する。
【0104】
第１基台７１、第２基台７２及び第３基台７３のそれぞれは、筐体６０に固定される。第１基台７１は、ファラデー回転子６５及び（１／２）波長板６６を、第３複屈折素子６３と第４複屈折素子６４との間に保持する。第２基台７２は、第１光学素子２６を、第３複屈折素子６３と第１複屈折素子６１との間に保持する。第３基台７３は、第２光学素子３１を、第１複屈折素子６１と第２複屈折素子６２との間に保持する。
【0105】
光学ユニット６では、光学素子のそれぞれは、光ファイバを介することなく空間結合により光学的に接続されるので、光学ユニット６のノイズ量は、光学ユニット１１のノイズ量よりも小さくなる。
【0106】
また、光学ユニット６では、光学ユニット１１に配置されるビームスプリッタを、ビームスプリッタよりも消光比が小さい方解石に置き換えることで、検出信号Ｅｒのノイズ量は、更に低減される。
【0107】
（実施形態に係る光学ユニットの設計方法の変形例）
説明された光学ユニットの設計方法は、設計装置４によって実行されるが、実施形態に係る光学ユニットの設計方法の少なくとも一部は、光学ユニットを設計する設計者によって実行されてもよい。例えば、Ｓ１０４で示される選択処理は、設計者によって実行されてもよい。
説明された光学ユニットの設計方法は、設計装置４によって実行されるが、実施形態に係る光学ユニットの設計方法の少なくとも一部は、光学ユニットを設計する設計者によって実行されてもよい。例えば、Ｓ１０４で示される選択処理は、設計者によって実行されてもよい。
【0108】
また、説明された光学ユニットの設計方法では、干渉型光磁界センサ装置の性能指標として、式（３）に示すダイナミックレンジＤが使用されるが、実施形態に係る光学ユニットの設計方法では、ダイナミックレンジＤ以外の性能指標が使用されてもよい。例えば、実施形態に係る光学ユニットの設計方法では、以下の式（４）で示される感度Ｓが性能指標として使用されてもよい。
Ｓ（ｄｂ／Ｏｅ）＝２０×ｌｏｇ（ΔＥｄ（ｍＶ）／Ｎ（ｍＶ））／１００（Ｏｅ）
（４）
ここで、ｌｏｇ（ΔＥｄ（ｍＶ）／Ｎ（ｍＶ））は、線形性が高い低磁場領域である１００（Ｏｅ）の磁界が磁界センサ素子１４に印加されたときのダイナミックレンジＤである。なお、磁界センサ素子１４に印加される磁界は、ヘルムホルツコイルによって発生される。
Ｓ（ｄｂ／Ｏｅ）＝２０×ｌｏｇ（ΔＥｄ（ｍＶ）／Ｎ（ｍＶ））／１００（Ｏｅ）
（４）
ここで、ｌｏｇ（ΔＥｄ（ｍＶ）／Ｎ（ｍＶ））は、線形性が高い低磁場領域である１００（Ｏｅ）の磁界が磁界センサ素子１４に印加されたときのダイナミックレンジＤである。なお、磁界センサ素子１４に印加される磁界は、ヘルムホルツコイルによって発生される。
【0109】
また、説明された光学ユニットの設計方法では、定数Ｋ１～Ｋ３は、周波数帯域に応じて設定されるが、実施形態に係る光学ユニットの設計方法では、定数Ｋ１～Ｋ３は、周波数帯域にかかわらず単一の定数として規定されてもよい。
【0110】
また、説明された光学ユニットの設計方法では、光路及び偏光分離素子が、選択される構成として例示されるが、実施形態に係る光学ユニットの設計方法では、偏光素子等の他の光学素子が、変更される構成として選択されてもよい。
【符号の説明】
【0111】
１ 設計システム
２ 干渉型光磁界センサ装置
３ オシロスコープ
４ 設計装置
５１ ダイナミックレンジ取得部
５２ ノイズ量算出部
５３ 消光比算出部
５４ 構成選択部
２ 干渉型光磁界センサ装置
３ オシロスコープ
４ 設計装置
５１ ダイナミックレンジ取得部
５２ ノイズ量算出部
５３ 消光比算出部
５４ 構成選択部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】