JP2001108719A - 光源装置及びそれを備える電界センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電界センサの機能を維持するために使用を
余儀なくされていた偏波面保持光ファイバを、実質的に
シングルモード光ファイバに置き換えることを可能とす
る、光源装置を提供すること。 【解決手段】 本発明の光源装置は、直線偏光を出射す
る光源１と、光源１から出射される光を受けて、一部を
透過すると共に残りを変調する音響光学偏向器３２と、
音響光学偏向器（３２，３３，３４）を透過した０次光
と、同音響光学偏向器により変調された１次回折光を受
けて、夫々の偏波面が互いに垂直をなすようにして合成
し、合成された光を出射する偏光合成手段４５とを備え
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光源装置及び電界
センサに関し、特に、複数の直線偏光を出射する光源に
関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータ等の情報機器や通信機器、
ロボット等のＦＡ機器、自動車、鉄道等の制御器などの
多くの電気機器は、外部からの電磁ノイズによって誤動
作などの影響を受ける危険に常に晒されている。かかる
状況を受け、ＥＭＣ分野においては、外部の電磁環境や
影響を及ぼすようなノイズの大きさ、また自らが発生す
るノイズ等を正確に測定することが重要となっている。

【０００３】従来、上述のような電磁ノイズの測定に
は、（ａ）通常のアンテナを用いて受信し、同軸ケーブ
ルで測定器まで導く方法、（ｂ）アンテナを用いて受信
した信号を検波して、光信号に変換し光ファイバで測定
器まで導く方法、（ｃ）印加される電界強度に応じて透
過光の強度が変化するように構成された光学素子を用い
て電界強度変化を光強度変化に変換し、上記光学素子と
光源及び測定器に接続された受光器間を光ファイバで接
続する方法が知られている。このうち、（ａ）のアンテ
ナを用いる方法が最も一般的であったが、同軸ケーブル
等の存在により電界分布が乱れてしまったり、ケーブル
途中からのノイズが混入してしまう恐れがあるなどの問
題があったため、その代替手段として、光ファイバを使
用する上記（ｂ）、（ｃ）の方法についての研究が活発
になされている。

【０００４】上述した（ｂ）の方法は、詳しくは、ダイ
オードで検波した信号を増幅して発光ダイオードに供給
し、そこで光信号に変換して、更に光ファイバで受光器
に導くものである。しかしながら、この技術によって
は、センサヘッド部に電気回路やバッテリを必要とする
ため、金属からなる部分がある程度以上の大きさとな
り、結果として、センサヘッド部の形状も大きくなって
しまうこととなり、更には、電界の検出感度が低く応答
速度が遅いという欠点もあった。

【０００５】一方、上述した（ｃ）の方法では、電界強
度を透過光の強度変化に変換する光学素子として電気光
学効果を有する結晶を用いており、その素子構造は、バ
ルク素子型と導波路型との２つに大別することができ
る。両者とも、結晶には小型アンテナが取り付けられて
おり、それによって結晶中には、周囲の電界強度に応じ
た電界が発生することとなっている。特に、バルク素子
型においては、光ファイバの出射光をレンズで平行光と
して、これを小型アンテナの取り付けられた結晶中に通
すことにより、結晶中に生じている電界により偏光状態
を変化させ、それを検光子で強度変化に変換した後、再
び光ファイバに結合している。一方、導波路型素子は、
結晶上に設けた光導波路により上記光学素子を構成して
いる。なお、通常は、導波路型の方がバルク型よりも１
０倍以上検出感度が高い。また、導波路型の電界センサ
用基板結晶には電気光学定数の高いニオブ酸リチウム単
結晶が一般に使われている。

【０００６】図６は、従来の電界センサの構成を示す図
である。図７は前記電界センサに用いられるセンサヘッ
ドの構成を示す図である。

【０００７】ｃ軸に垂直に切り出したニオブ酸リチウム
単結晶基板１０上には、入射光導波路１１、そこから分
岐した２本の位相シフト光導波路１２、および上記２本
の位相シフト光導波路１２が合流して結合した出射光導
波路１３が形成されている。また、入射光導波路１１の
入射端には、入射光用に偏波面保持光ファイバ８が結合
され、出射光導波路１３の出射端には、出射光用にシン
グルモード光ファイバ６が接続されている。更には、位
相シフト光導波路１２上には一対の変調用電極１４が設
置され、夫々、アンテナ１５に接続されている。

【０００８】光源装置３から出射された光は、偏波面保
持光ファイバ８を通り、入射光として入射光導波路１１
に入射した後、位相シフト光導波路１２にエネルギー分
割される。ここで、電界センサ近傍に電界が印加される
と、アンテナ１５により変調用電極１４間に電圧が誘起
され、位相シフト光導波路１２中には深さ方向に互いに
反対向きの電界成分が生じることとなる。この結果、結
晶中には電気光学効果により屈折率変化が生じ、位相シ
フト光導波路１２を伝播する光波間には印加電界の大き
さに応じた位相差が生じる。すなわち、アンテナ１５に
印加される電界強度に応じてシングルモード光ファイバ
６に出射される出射光の強度が変化することになる。し
たがって、その光強度変化を受光器１７で測定すること
により、アンテナ１５に印加される電界の強度を測定す
ることができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の電界センサにおいては、入射光ファイバとして偏波面
保持光ファイバが用いられている。

【００１０】しかしながら、この偏波面保持光ファイバ
は、シングルモード光ファイバに比べて、はるかに高価
である。そのため、特に光源とセンサヘッドの間の距離
が長い電界センサの場合などにおいては、コスト高を避
けることができず、その打開策が求められていた。

【００１１】なお、入射光ファイバを偏波面保持光ファ
イバからシングルモード光ファイバへと、単純に置き換
えることはできない。もし、単純置換を行ったとする
と、シングルモード光ファイバを通って、光源からセン
サヘッドに到達する過程で入射光の偏波面はシングルモ
ード光ファイバの状態に依存してランダムに変動するこ
ととなり、その結果、センサヘッドの出射光レベルが不
安定となり、電界センサの電界強度を測定する機能は、
著しく低下したものとなってしまう。

【００１２】本発明は、電界センサの機能を維持するた
めに使用を余儀なくされていた偏波面保持光ファイバ
を、実質的にシングルモード光ファイバに置き換えてコ
スト高を抑えるとともに、信頼性の高い電界センサを提
供することを目的とする。

【００１３】また、本発明は、当該電界センサ等に適し
た光源装置を提供することをも目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の発明者らは、従
来、偏波面保持光ファイバを用いて構成されていた部分
をシングルモード光ファイバに置き換えるためには、二
つの直線偏光の偏波面が互いに垂直な、いわゆるランダ
ム偏光の光源が必要であることに着目し、光源装置の改
良を試みた。理論上は、二つの直線偏光光源を用いて、
夫々から出射される二つの直線偏光を合成することでラ
ンダム偏光を得ることも可能であるが、この場合、光源
を組み込む装置の小型化が困難となり、保守管理上に難
点が生じることのみならず、二つの光源のいずれかに波
長変動が生じると相互の干渉やビートが発生し、信頼性
の低下を招いてしまうなど、更なる問題が生じることと
なる。そこで、これらをも考慮しつつ、本発明は、上述
した課題を解決するための手段として、次に掲げる光源
装置を提供することとした。なお、発明に至る経緯は上
記の通りであるが、本発明の光源装置の用途が電界セン
サのみに限られる訳ではないことはいうまでもない。

【００１５】即ち、本発明によれば、第１の光源装置と
して、直線偏光を出射する単一の光源と、当該光源から
出射される光を受けて、一部を透過すると共に残りを変
調する音響光学偏向器と、当該音響光学偏向器を透過し
た０次光と、同音響光学偏向器により変調された１次回
折光を受けて、夫々の偏波面が互いに垂直をなすように
して合成し、合成された光を出射する偏光合成手段とを
備えることを特徴とする光源装置が得られる。

【００１６】また、本発明によれば、第２の光源装置と
して、前記第１の光源装置において、前記光源から出射
される光を前記音響光学偏向器まで伝送するための第１
の伝送路と、前記音響光学偏向器から前記偏光合成手段
に対して前記０次光及び１次回折光を伝送するための第
２及び第３の伝送路とを更に備えることを特徴とする光
源装置が得られる。

【００１７】更に、本発明によれば、第３の光源装置と
して、前記第２の光源装置において、前記第１乃至第３
の伝送路は、夫々、第１乃至第３の偏波面保持光ファイ
バを備えることを特徴とする光源装置が得られる。

【００１８】また、本発明によれば、第４の光源装置と
して、前記第３の光源装置において、コリメートレンズ
を更に備えており、前記第１の偏波面保持光ファイバの
一端は、前記光源側に設けられており、前記コリメート
レンズは、当該第１の偏波面保持光ファイバの他端側に
設けられていることを特徴とする光源装置が得られる。

【００１９】また、本発明によれば、第５の光源装置と
して、前記第３又は第４の光源装置において、前記第２
の伝送路は、前記第２の偏波面保持光ファイバの両端に
設けられた、一対のコリメートレンズを更に備えている
ことを特徴とする光源装置が得られる。

【００２０】更に、本発明によれば、第６の光源装置と
して、前記第３乃至第５のいずれかの光源装置におい
て、前記第３の伝送路は、前記第３の偏波面保持光ファ
イバの両端に設けられた、一対のコリメートレンズを更
に備えていることを特徴とする光源装置が得られる。

【００２１】また、本発明によれば、第７の光源装置と
して、前記第１乃至第６のいずれかの光源装置におい
て、前記偏光合成手段の出射側に設けられたコリメート
レンズを更に備えていることを特徴とする光源装置が得
られる。

【００２２】また、本発明によれば、第８の光源装置と
して、前記第１乃至第７のいずれかの光源装置におい
て、前記光源は、半導体励起固体レーザであることを特
徴とする光源装置が得られる。

【００２３】また、本発明によれば、第９の光源装置と
して、前記第８の光源装置において、前記半導体励起固
体レーザは、半導体励起ＹＡＧレーザであることを特徴
とする光源装置が得られる。

【００２４】更に、本発明によれば、第１０の光源装置
として、前記第１乃至第９のいずれかの光源装置におい
て、前記音響光学偏向器の偏向効率は、約５０％である
ことを特徴とする光源装置が得られる。

【００２５】また、本発明によれば、上述した光源装置
を利用して、次のような電界センサが得られる。

【００２６】即ち、本発明によれば、第１の電界センサ
として、アンテナと、請求項１乃至１０のいずれかに記
載の光源装置と、該光源装置からの光を伝送する第１の
光ファイバと、該第１の光ファイバを通じて前記光源装
置からの光を入射され、前記アンテナにより印加される
電界強度に応じて、当該入射された光の強度を変化させ
て出射するセンサヘッドと、該センサヘッドからの光を
伝送する第２の光ファイバと、該第２の光ファイバを通
じて前記センサヘッドの出射する光を検出する受光器と
を備えることを特徴とする電界センサが得られる。

【００２７】また、本発明によれば、第２の電界センサ
として、前記第１の電界センサにおいて、前記第１及び
第２の光ファイバは、シングルモード光ファイバである
ことを特徴とする電界センサが得られる。

【００２８】更には、本発明によれば、第３の電界セン
サとして、前記第２の電界センサにおいて、偏光子を更
に備えており、前記第１の光ファイバは、一端を前記光
源装置側に接続されており、前記偏光子は、当該第１の
光ファイバの他端側に設けられていることを特徴とする
電界センサが得られる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態による
電界センサ、特にそれに用いられる光源装置について、
図面を用いて、詳細に説明する。

【００３０】本発明の実施の形態による電界センサは、
図１に示されるように、光源装置２、第１の光ファイバ
としてのシングルモード光ファイバ５、センサヘッド
４、センサヘッドに取り付けられたアンテナ１５、第２
の光ファイバとしてのシングルモード光ファイバ６、受
光器１７を備えている。

【００３１】光源装置２は、後述するようにランダム偏
光光源である。この光源装置２から出射された光は、シ
ングルモード光ファイバ５を通じてセンサヘッド４に入
射される。なお、図１には、シングルモード光ファイバ
５を伝播する光の偏波面が矢印にて示されている。

【００３２】センサヘッド４は、図２に示されるよう
に、ｃ軸に垂直に切り出したニオブ酸リチウム単結晶基
板１０を備えている。このニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ
Ｏ_３）単結晶基板１０上には、シングルモード光ファイ
バ５に接続される入射光導波路１１、入射光導波路１１
から２本に分岐し、出射側において再度結合してなる位
相シフト光導波路１２、２本の位相シフト光導波路１２
の結合点とシングルモード光ファイバ６とを結ぶ出射光
導波路１３が形成されている。２本の位相シフト光導波
路１２上には一対の変調用電極１４が設置され、夫々、
アンテナ１５に接続されている。

【００３３】かかるセンサヘッド４及び光源装置２を備
える電界センサにおいては、光源装置２から出射された
光が、シングルモード光ファイバ５を通り、入射光とし
て入射光導波路１１に入射した後、位相シフト光導波路
１２にエネルギー分割される。ここで、電界センサ近傍
に電界が印加されると、アンテナ１５により変調用電極
１４間に電圧が誘起され、位相シフト光導波路１２中に
は深さ方向に互いに反対向きの電界成分が生じることと
なる。この結果、結晶中には電気光学効果により屈折率
変化が生じ、位相シフト光導波路１２を伝播する光波間
には印加電界の大きさに応じた位相差が生じる。すなわ
ち、アンテナ１５に印加される電界強度に応じてシング
ルモード光ファイバ６に出射される出射光の強度が変化
することになる。受光器１７は、シングルモード光ファ
イバ６を通じて、このセンサヘッド４により生じる光強
度変化を測定する。これにより、電界センサは、アンテ
ナ１５に印加される電界の強度を測定することができ
る。

【００３４】続いて、図３及び図４を用いて本実施の形
態における光源装置２について詳細に説明する。

【００３５】本実施の形態による光源装置２において、
光源１は、１．３μｍの波長を有する直線偏光を出射す
る半導体励起ＹＡＧレーザで構成されている。半導体励
起ＹＡＧレーザは、直線偏光を容易に取り出せるのみな
らず、高い信頼性で且つ小型であるため、電界センサの
光源として好適である。

【００３６】この光源１には、第１の偏波面保持光ファ
イバ４１の一端が接続されており、光源１から出射され
た光は、第１の偏波面保持光ファイバ４１を通り、更に
第１の偏波面保持光ファイバ４１の他端に設けられたコ
リメートレンズ２１で絞られ、音響光学媒体３２に入射
する。ここで、音響光学媒体３２には、吸収体３４とト
ランスデューサ３３が、該音響光学媒体３２を両側から
挟むようにして、取り付けられており、更に、トランス
デューサ３３には、駆動回路３５が接続されている。

【００３７】この音響光学媒体３２に対する入射光３７
は、音響光学媒体３２内における超音波３６の作用によ
り、一部が回折し、他は透過して、１次回折光３９、０
次光３８として、出射される。ここで、回折効率は、ト
ランスデューサ３３の駆動電力に依存している。センサ
ヘッド４に入射される二つの直線偏光の強度をほぼ等し
くするために、本実施の形態においては、回折効率を約
５０％とした。

【００３８】音響光学媒体３２を透過した０次光３８
は、コリメートレンズ２１により、第２の偏波面保持光
ファイバ４３に集光され、偏光合成器４５側に伝送され
る。一方、音響光学媒体３２から出射された１次回折光
３９もまた、コリメートレンズ２１により、第３の偏波
面保持光ファイバ４２に集光され、偏光合成器４５側に
伝送される。

【００３９】第２及び第３の偏波面保持光ファイバ４３
及び４２を伝送されてきた０次光３８及び１次回折光３
９は、第２及び第３の偏波面保持光ファイバ４３及び４
２の夫々の他端に設けられたコリメートレンズ２１によ
り、絞られ、偏光合成器４５に入射する。この偏光合成
器４５は、例えばプリズムなどにより構成されており、
０次光３８と１次回折光３９の夫々の偏波面が互いに直
交するようにして、２つの光を合成し、合成した光を出
射側に設けられたコリメートレンズ２１に出射する。こ
の偏光合成器４５の出射側に設けられたコリメートレン
ズ２１は、合成された光を集光し、シングルモード光フ
ァイバ５にその集光された光を導出する。

【００４０】ここで、０次光３８は、音響光学媒体３２
に対する入射光３７と同一波長を有するが、１次回折光
３９は、駆動周波数に応じて周波数のシフトされた光と
なっている。即ち、０次光３８と１次回折光３９との間
には、駆動回路３５の駆動周波数相当の周波数差が生じ
ることとなる。したがって、これらの２つの光は、偏光
合成器４５において合成された際にも、互いに干渉する
ことはない。これに対して、例えば、直線光源を２台用
いて、それらの出射光を単に合成することでランダム光
源を構成しようとすると、二つの光の相互干渉や周波数
の変動からビートが発生するといった問題が生じる。こ
のことからも理解されるように、本実施の形態による光
源装置２は、電界センサの信頼性向上に寄与し得るもの
である。

【００４１】これら２つの直線偏光は、互いに垂直な偏
波面を保持した状態で、シングルモードファイバ５内を
伝播し、センサヘッド４に入射する。このため、センサ
ヘッド４には、安定したレベルを有する光が入射される
こととなる。詳しくは、、センサヘッド４には、シング
ルモード光ファイバ５を介して、ＴＥ波及びＴＭ波の二
つの直線偏光が入射する。光導波路素子からなるセンサ
ヘッドは高い消光比を示す。したがって、電界強度の測
定においては、ＴＭ波の影響を実質的に無視することが
でき、実用的な測定が可能となる。

【００４２】図５を参照すると、上述した実施の形態に
よる電界センサの変形例が示されている。この変形例に
おいては、センサヘッド４の入射端に偏光子１６が設け
られている。これにより、シングルモード光ファイバ５
を伝播してきた光のうち、特定の偏波面の光（例えば、
ＴＥ波）のみをセンサヘッド４に入射することができ
る。かかる構成によれば、入射光の偏波面に依存するセ
ンサヘッド４の特性を全く無視することができ、更に高
分解能な電界測定が可能となる。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
安定したランダム光源を選られることから、光源装置か
らセンサヘッドへの光の伝播に従来用いられていた偏波
面保持光ファイバを、低廉なシングルモード光ファイバ
に置き換えることができ、電界センサ全体としてもコス
ト減を図ることができる。

【００４４】特に、単一の光源からの光を利用して、周
波数の異なる二つの直線偏光からなるランダム光を生成
するため、二つの直線偏光間での相互干渉がなく、信頼
性の高い電界センサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態による電界センサの構成を
示す図である。

【図２】図１に示されるセンサヘッドの構成を示す図で
ある。

【図３】図１に示される光源装置の構成を示す図であ
る。

【図４】音響光学偏向器の原理を説明するために用いら
れる図である。

【図５】本発明の他の実施の形態による電界センサの構
成を示す図である。

【図６】従来の電界センサの構成を示す図である。

【図７】図６に示されるセンサヘッドの構成を示す図で
ある。

【符号の説明】

１ 光源 ２ 光源装置 ３ 光源装置 ４ センサヘッド ５ シングルモード光ファイバ ６ シングルモード光ファイバ ８ 偏波面保持光ファイバ １０ ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）単結晶
基板 １１ 入射光導波路 １２ 位相シフト光導波路 １３ 出射光導波路 １４ 変調用電極 １５ アンテナ １６ 偏光子 １７ 受光器 ２１ コリメートレンズ ３２ 音響光学媒体 ３３ トランスデューサ ３４ 吸収体 ３５ 駆動回路 ３６ 超音波 ３７ 入射光 ３８ ０次光 ３９ １次回折光 ４１ 偏波面保持光ファイバ ４２ 偏波面保持光ファイバ ４３ 偏波面保持光ファイバ ４５ 偏光合成器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H079 AA02 AA12 BA01 CA12 DA13 EA05 EB04 HA11 KA11 KA18 KA19 5F072 AB01 PP07 YY20

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直線偏光を出射する単一の光源と、 当該光源から出射される光を受けて、一部を透過すると
   共に残りを変調する音響光学偏向器と、 当該音響光学偏向器を透過した０次光と、同音響光学偏
   向器により変調された１次回折光を受けて、夫々の偏波
   面が互いに垂直をなすようにして合成し、合成された光
   を出射する偏光合成手段とを備えることを特徴とする光
   源装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光源装置において、前記
   光源から出射される光を前記音響光学偏向器まで伝送す
   るための第１の伝送路と、前記音響光学偏向器から前記
   偏光合成手段に対して前記０次光及び１次回折光を伝送
   するための第２及び第３の伝送路とを更に備えることを
   特徴とする光源装置。
3. 【請求項３】 請求項２記載の光源装置において、前記
   第１乃至第３の伝送路は、夫々、第１乃至第３の偏波面
   保持光ファイバを備えることを特徴とする光源装置。
4. 【請求項４】 請求項３記載の光源装置において、コリ
   メートレンズを更に備えており、前記第１の偏波面保持
   光ファイバの一端は、前記光源側に設けられており、前
   記コリメートレンズは、当該第１の偏波面保持光ファイ
   バの他端側に設けられていることを特徴とする光源装
   置。
5. 【請求項５】 請求項３または４記載の光源装置におい
   て、前記第２の伝送路は、前記第２の偏波面保持光ファ
   イバの両端に設けられた、一対のコリメートレンズを更
   に備えていることを特徴とする光源装置。
6. 【請求項６】 請求項３乃至５のいずれかに記載の光源
   装置において、前記第３の伝送路は、前記第３の偏波面
   保持光ファイバの両端に設けられた、一対のコリメート
   レンズを更に備えていることを特徴とする光源装置。
7. 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれかに記載の光源
   装置において、前記偏光合成手段の出射側に設けられた
   コリメートレンズを更に備えていることを特徴とする光
   源装置。
8. 【請求項８】 請求項１乃至７のいずれかに記載の光源
   装置において、前記光源は、半導体励起固体レーザであ
   ることを特徴とする光源装置。
9. 【請求項９】 請求項８記載の光源装置において、前記
   半導体励起固体レーザは、半導体励起ＹＡＧレーザであ
   ることを特徴とする光源装置。
10. 【請求項１０】 請求項１乃至９のいずれかに記載の光
    源装置において、前記音響光学偏向器の偏向効率は、約
    ５０％であることを特徴とする光源装置。
11. 【請求項１１】 アンテナと、 請求項１乃至１０のいずれかに記載の光源装置と、 該光源装置からの光を伝送する第１の光ファイバと、 該第１の光ファイバを通じて前記光源装置からの光を入
    射され、前記アンテナにより印加される電界強度に応じ
    て、当該入射された光の強度を変化させて出射するセン
    サヘッドと、 該センサヘッドからの光を伝送する第２の光ファイバ
    と、 該第２の光ファイバを通じて前記センサヘッドの出射す
    る光を検出する受光器とを備えることを特徴とする電界
    センサ。
12. 【請求項１２】 請求項１１記載の電界センサにおい
    て、前記第１及び第２の光ファイバは、シングルモード
    光ファイバであることを特徴とする電界センサ。
13. 【請求項１３】 請求項１２記載の電界センサにおい
    て、偏光子を更に備えており、前記第１の光ファイバ
    は、一端を前記光源装置側に接続されており、前記偏光
    子は、当該第１の光ファイバの他端側に設けられている
    ことを特徴とする電界センサ。