CN107923932B - 光调制元件及电场传感器 - Google Patents

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Abstract

在能够通过具有产生电光效应的性质的化合物半导体单晶来调制入射的激光(L)的光调制元件中，在不降低化合物半导体的载体浓度的情况下防止低频带中的信号强度的衰减。光调制元件(23)具备：入射限制单元(25)，设于化合物半导体单晶(24)的能够供激光(L)入射的入射面(24a)或者其附近，限制激光(L)以外的光向入射面(24a)入射；及遮挡件(26)，由具有遮光性并且介电常数低的材料形成，并覆盖化合物半导体单晶(24)的沿着入射到该上述化合物半导体单晶(24)的上述激光(L)的行进方向延伸设置的面(24c)。

Description

光调制元件及电场传感器
技术领域
本发明涉及使用了产生电光效应的化合物半导体单晶的光调制元件及使用了该光调制元件的电场传感器。
背景技术
在化合物半导体单晶中，例如存在有如碲化锌(ZnTe)、砷化镓(GaAs)等这样在作用有电场时折射率发生变化的、产生所谓的光电(EO)效应的材料。这样的化合物半导体单晶(以下称作电光晶体)被作为光调制元件等各种光学设备利用。
迄今为止，这样的光学设备基本以与超过1THz这样的高频的电磁波相对应的设备为主，但是近年来，也进行了关于与100kHz以下的低频的电磁波相对应的设备的研究(参照非专利文献1)。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：A.Sasaki，A.Furuya，and M.Shinagawa，“用于感测极低频电信号的半导体电光调制器的研究”，Sensors and Actuators A：Physical，Vol.151，No.1，pp.1-8，2009.
发明内容
发明所要解决的课题
作为研究的结果，明确了上述这样的电光晶体特别是对于低于10kHz的低频的电磁波无法发挥充分的EO效应，即，在使用该电光晶体构成的传感器中，无法准确地检测出低频的电磁波。作为其原因，可认为是因为存在于电光晶体内的电子或空穴(以下称作载体)以抵消与电光晶体耦合的电场的方式移动。特别是在载体的移动能够追随电场变化的低频带中，电光效应消失，无法检测出电场。
作为防止该现象的方法，例如，可想到通过在电光晶体中添加施主杂质(在ZnTe的情况下为铟(In)、镓(Ga)等)来减少电光晶体中的载体浓度(使结晶高电阻化)的手法。若使用这样的手法，即使对于低频的电磁波，电光晶体也能够发挥较高的EO效应。
然而，存在有如下情况：由于使用环境而照明光等外部光向电光晶体射入，因该外部光而在电光晶体内产生载体，该载体以抵消与电光晶体耦合而成的电场的方式移动，依然无法获得充分的效果。
本发明鉴于上述课题而作出，其目的在于在使用了产生电光效应的化合物半导体单晶的光调制元件中，减少向化合物半导体单晶入射的外部光。
用于解决课题的技术方案
为了解决上述课题，本申请的一个发明为一种光调制元件，能够通过具有产生电光效应的性质的化合物半导体单晶对入射的激光进行调制，上述光调制元件的特征在于，具备：入射限制单元，设于上述化合物半导体单晶的能够供上述激光入射的入射面或者上述入射面附近，限制上述激光以外的光向入射面入射；及遮挡件，由具有遮光性并且介电常数低的材料形成，并覆盖上述化合物半导体单晶的沿着入射到该化合物半导体单晶的上述激光的行进方向延伸设置的面。
另外，在上述发明的基础上，可以是，上述入射限制单元是构成为仅使波长与上述激光的波长相同的光通过并贴附于上述入射面的分色镜。
另外，在上述发明的基础上，可以是，上述入射限制单元是形成有贯通于厚度方向并且直径与上述激光的宽度大致相等的小孔且贴附于上述入射面的遮挡板。
另外，在上述发明的基础上，可以是，上述入射限制单元是通过使上述遮挡件以超出上述入射面而朝向上述激光入射过来的方向的方式延长而成的。
另外，在上述发明的基础上，可以是，在上述入射面与上述入射限制单元之间形成有防反射膜，上述防反射膜防止上述激光在上述入射面反射。
另外，本申请的另一发明为一种电场传感器，其特征在于，具备：上述发明的光调制元件；光源，使激光向上述入射面入射；及转换单元，将穿过了上述光调制元件的激光的偏振光的变化转换为电信号。
发明效果
根据本发明，能够在使用了产生电光效应的化合物半导体单晶的光调制元件中，减少入射至化合物半导体单晶的外部光。
其结果是，能够抑制在化合物半导体单晶内产生载体，能够防止低频带下的电场检测灵敏度下降。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式～第三实施方式的电场传感器的概略结构的框图。
图2是第一实施方式的光调制元件的剖视图。
图3是第二实施方式的光调制元件的剖视图。
图4是第三实施方式的光调制元件的剖视图。
图5是该实施方式的变形例的光调制元件的剖视图。
图6是表示本发明的第四实施方式～第六实施方式的电场传感器的概略结构的框图。
图7是第四实施方式的光调制元件的剖视图。
图8是第五实施方式的光调制元件的剖视图。
图9是第六实施方式的光调制元件的剖视图。
图10是该实施方式的变形例的光调制元件的剖视图。
具体实施方式
＜第一实施方式＞
以下，参照图1、图2，说明本发明的第一实施方式。
(电场传感器、光调制元件的结构)
首先，说明本实施方式的电场传感器的概略结构及该电场传感器具备的调制元件的具体结构。图1是表示本实施方式的电场传感器1的概略结构的框图，图2是将本实施方式的光调制元件23在其端面(与后述的端面遮挡件25的表面正交的面)进行剖切时的剖视图。
本实施方式的电场传感器1为反射型，如图1所示，由激光装置10、探测器20及光纤30构成。
激光装置10由光源11、定向耦合器12、偏振波控制器13、偏振光检测光学部14、光电转换部15、信号处理部16及未图示的输出输入端子构成。
光源11构成为能够生成、射出预定波长的激光L(例如，在将ZnTe、CdTe作为后述的电光晶体24使用的情况下，为比与它们的基本吸收边(能量间隙)相当的波长长的波长(780nm、850nm、1310nm、1550nm等)的红外线激光)。
定向耦合器12构成为将从光源11入射的激光L向偏振波控制器13射出，并且将从偏振波控制器13入射的激光L向偏振光检测光学部14射出。
偏振波控制器13构成为，以能够获得最大信噪(SN)比的方式对从定向耦合器12入射的激光L的偏振光进行调节，并向输出输入端子(光纤30)射出，并且将从输出输入端子(光纤30)入射的激光L向定向耦合器12射出。
偏振光检测光学部14构成为，在从定向耦合器12入射的激光L的偏振光状态不同于由光源11生成的激光L的偏振光状态的情况下，将该偏振光的变化转换为光强度的变化，并向光电转换部15输出。
光电转换部15构成为将从偏振光检测光学部14输入的光强度变化转换为电信号，并向信号处理部16输出。
即，偏振光检测光学部14及光电转换部15作为将穿过光调制元件的激光的偏振光的变化转换为电信号的转换单元发挥作用。
信号处理部16由放大器、滤波器等构成，构成为从由光电转换部15输入的电信号中仅提取、放大所期望的信号。
探测器20由透镜21、波长板22、光调制元件23及收纳它们的未图示的壳体构成。
在壳体的一端部形成有连接口。
透镜21以使其光轴通过连接口的方式配置于壳体的连接口附近。并且，以使从该连接口(光纤30)入射的激光L以平行光(准直光)的状态进入的方式对其进行折射。
波长板22以使其入射面与透镜21的光轴正交的方式配置于比透镜21靠壳体的内部处。并且，以能够得到最大SN比的方式对从透镜21入射的激光L的偏振光进行调节。
光调制元件23以使其端面与透镜21的光轴正交的方式配置于比波长板22靠壳体的内部处。
如图2所示，该光调制元件23具备：电光晶体24、端面遮挡件25、侧面遮挡件26及反射镜27。
电光晶体24由碲化锌(ZnTe)或碲化镉(CdTe)等产生较大的EO效应(泡克耳斯效应)的化合物半导体单晶形成为圆柱状或者棱柱状。电光晶体24的两端面24a、24b位于该电光晶体24的主轴的延长线上，成为与该主轴正交的平面。另外，电光晶体的侧面24c与主轴平行地延伸设置。
端面遮挡件25形成于电光晶体24的一方的端面24a(入射面)，使得以均匀的厚度覆盖该端面24a整体，仅使朝向该端面24a的光中的、特定的波长的光透过，更加具体而言，仅使波长与激光装置10生成的激光L相同的光透过。即，端面遮挡件25作为限制激光L以外的光向电光晶体24的入射面入射的入射限制单元发挥作用。
作为端面遮挡件25的具体的构成方法，例如有从对丙烯酸酯或者甲基丙烯酸酯的聚合物、且是介电常数低且透明性高的非晶质的合成树脂施加着色而成的丙烯板或者分色镜切取端面24a的形状并贴附于该端面24a的方法、通过将由SiO2或Al2O3构成的低折射率膜和由TiO2或ZrO2、HfO2、Ta2O5构成的高折射率膜层叠于端面24a而构成具有波长选择性的电介质多层膜的方法等。膜的形成可以是蒸镀、溅射、涂敷形成为液状的材料等任意方法。
如上所述，电光晶体24的一方的端面24a与主轴正交，端面遮挡件25的厚度在整体上均匀，因此以与端面遮挡件25的表面正交的方式入射的光与主轴平行地进入端面遮挡件25及电光晶体24内。
侧面遮挡件26形成为覆盖电光晶体24的侧面24c整体。如上所述，侧面24c与主轴平行，因此侧面遮挡件26也与主轴平行地延伸设置。侧面遮挡件26优选的是使用具有高遮光性并且介电常数低的材料，但是外部光由各种波长的成分构成，波长与激光L相同的成分极少，因此也可以由供一部分光通过的、即端面遮挡件25所使用的着色的丙烯板、分色镜、电介质多层膜形成。特别是由于着色的丙烯板价格低，因此在降低装置的设计成本的方面有利。另一方面，由于电介质多层膜能够与端面遮挡件25同时地一体地进行制膜，因此具有能够简化制造工序这样的优点。
反射镜27用于反射激光L，例如通过银、银合金等金属、反射率高且介电常数低的电介质等以覆盖电光晶体24的另一方的端面24b整体的方式形成于该端面24b。作为反射镜27的具体的形成方法，具有将金属蒸镀、电镀或者溅射于端面24b的方法和将金属、电介质形成为与端面24b形状相同的板状并贴附于端面24b的方法等。
电光晶体24的另一方的端面24b与主轴正交，因此与主轴平行地进入到电光晶体24内的光被反射镜27朝向180°相反的方向反射。
光纤30的一个端子与激光装置10的输出输入端子连接，另一个端子与探测器20的壳体的连接口连接。并且，使从激光装置10入射的激光L朝向探测器20射出，并且使从探测器20入射的激光L朝向激光装置10射出。
(电场传感器的动作)
在这样构成的电场传感器1中，当接通了激光装置10的电源开关时，生成预定波长的激光L，并经由光纤30向探测器20入射。入射到探测器20内的激光L穿过端面遮挡件25在电光晶体24内与主轴平行地向另一端前进，而被反射镜27反射。被反射的激光L与主轴平行地前进，并穿过端面遮挡件25而从探测器20射出。被射出的激光L经由光纤30向激光装置10入射，被定向耦合器12改变方向而向偏振光检测光学部14入射。这样，电场传感器1成为能够检测电场的状态。
若电场尚未作用于成为该状态的探测器20，则从激光装置10输出的激光L的偏振光状态与向激光装置10输入的激光L的偏振光状态相同，因此偏振光检测光学部14不工作，光电转换部15不输出电信号。
另一方面，当使成为该状态的探测器20例如靠近通电中的电路等时，电光晶体24因由电路产生的电场而使折射率发生变化。当激光L穿过该折射率发生了变化的电光晶体24内时，激光L的偏振光发生变化。该偏振光变化被偏振光检测光学部14转换为光的强度变化，进而该光强度变化被光电转换部15转换为电信号。在该阶段中，不仅在电信号含有噪音，而且电信号本身非常小，通过信号处理部16提取所期望的电信号，进而将其放大。这样，检测出与电光晶体24耦合的电场。
探测器20的壳体因光纤30的连接口的存在等而难以在其构造上完全防止外部光进入。但是，在本实施方式的光调制元件23中，电光晶体24的侧面24c整体被侧面遮挡件26覆盖，并且另一方的端面24b整体被反射镜27覆盖，一方的端面24a因端面遮挡件25而仅能够供波长与激光L相同的光入射。因此，与以往的光调制元件相比，能够大幅地减少入射至电光晶体24的外部光。其结果是，由于不会在电光晶体24内生成额外的载体，因此能够可靠地检测出低频的电场。
＜第二实施方式＞
接下来，参照图1、图3，说明本发明的第二实施方式。此外，在此，仅说明不同于第一实施方式的点。
图3是沿着主轴延长方向剖切本实施方式的光调制元件23A时的剖视图。在本实施方式的电场传感器1A中，光调制元件23A中的主轴的延长方向一端部的构造不同于第一实施方式。
具体而言，第一实施方式的光调制元件23在电光晶体24的一方的端面24a具备分色镜即端面遮挡件25，但是如图3所示，本实施方式的光调制元件23A不具有该部件，而是在该端面24a实施反射防止(AR)涂层28，进而通过遮挡板29从其上方进行覆盖，该遮挡板29呈与端面24a大致相等的轮廓，并在中心部以贯通于厚度方向的方式形成有直径与穿过透镜21及波长板22的激光L的宽度大致相同的小孔29a。另外，该遮挡板29优选的是由介电常数低且具有高遮光性的材料形成，但是也可以由供一部分光通过的、即端面遮挡件25、侧面遮挡件26所使用的着色的丙烯板、分色镜、电介质多层膜等形成。
这样构成本实施方式的光调制元件23A，因此能够遮挡从壳体进入的外部光中的、不朝向小孔29a的部分。即，在本实施方式中，将遮挡板29称作入射限制单元。因此，与以往的光调制元件相比，能够大幅地减少入射至电光晶体24的外部光。其结果是，由于不会在电光晶体24内生成额外的载体，因此能够可靠地检测出低频的电场。
＜第三实施方式＞
接下来，参照图1、图4，说明本发明的第三实施方式。此外，在此，仅说明不同于第一实施方式的点。
图4是沿着主轴延长方向剖切本实施方式的光调制元件23B时的剖视图。在本实施方式的电场传感器1B中，光调制元件23B中的主轴的延长方向一端部的构造不同于第一实施方式。
具体而言，第一实施方式的光调制元件23在电光晶体24的一方的端面24a具备端面遮挡件25，但是如图4所示，本实施方式的光调制元件23B不具有该部件，而是在该端面24a实施AR涂层28，并且侧面遮挡件26B的一端部以超出一方的端面24a而朝向主轴的延长方向(激光L入射过来的方向)的方式延长。
这样地构成本实施方式的光调制元件23B，因此能够遮挡相对于侧面遮挡件26B的一端部的延长方向形成角度地进入的外部光。即，在本实施方式中，将侧面遮挡件26B的一端部(不与电光晶体24的侧面24c接触的部位)称作入射限制单元。因此，与以往的光调制元件相比，能够大幅地减少入射至电光晶体24的外部光。其结果是，由于不会在电光晶体24内生成额外的载体，因此能够可靠地检测出低频的电场。
另外，如图5所示，也可以设为在上述本实施方式的光调制元件23B的AR涂层28的表面贴附第二实施方式所使用的遮挡板29而成的光调制元件23C。
如此一来，与上述光调制元件23A、23B相比，能够减少入射至电光晶体24的外部光。
＜第四实施方式＞
接下来，参照图6、图7，说明本发明的第四实施方式。此外，在此，仅说明不同于第一实施方式的点。
(电场传感器、光调制元件的结构)
首先，说明本实施方式的电场传感器的概略结构及该电场传感器所具备的光调制元件的具体的结构。图6是表示本实施方式的电场传感器1D的概略结构的框图，图7是沿着主轴延长方向剖切本实施方式的光调制元件23D时的剖视图。
本实施方式的电场传感器1D为透射式，如图6所示，由激光装置10D、探测器20D及两个光纤30、30D构成。
本实施方式的激光装置10D不具有与第一实施方式的定向耦合器相当的结构。另外，本实施方式的激光装置10D区分输出端子与输入端子。
另外，本实施方式的偏振波控制器13构成为，与光源11直接连接，对从光源11入射的激光L的偏振光进行调节，并向输出端子射出。
另外，本实施方式的偏振光检测光学部14与输入端子连接。
本实施方式的探测器20D由两个透镜21、21D、波长板22、光调制元件23D及收纳有它们的未图示的壳体构成。
在壳体的两端部分别形成有连接口。
两个透镜21中的一个透镜21与第一实施方式相同地配置于壳体的一方的连接口附近。并且，以使从该一方的连接口(光纤30)入射的激光L以平行光的状态进入的方式对其进行折射。
另外，两个透镜21中的另一个透镜21D以使其光轴通过另一方的连接口的方式配置于壳体的另一方的连接口附近。并且，以使从光调制元件23D的另一端射出的激光L在另一方的连接口聚焦的方式对其进行折射。
第一实施方式的光调制元件23在电光晶体24的另一方的端面24b具备反射镜27，但是如图7所示，本实施方式的光调制元件23D不具有该部件，而成为与一方的端面24a侧相同的结构。即，本实施方式的光调制元件23D在另一方的端面24b具备与一方的端面24a侧相同的端面遮挡件25D。
两个光纤30中的一个光纤30的一方的端子与激光装置10D的输出端子连接，另一方的端子与探测器20D的壳体的一方的连接口连接。并且，使从激光装置10D射出的激光L向探测器20射出。
另外，另一个光纤30D的一方的端子与探测器20D的壳体的另一方的连接口连接，另一方的端子与激光装置10D的输入端子连接。并且，使从探测器20射出的激光L向激光装置10D入射。
(电场传感器的动作)
在这样构成的电场传感器1D中，当接通了激光装置10D的电源开关时，生成预定波长的激光L，并经由光纤30向探测器20入射。入射到探测器20内的激光L穿过一端侧的端面遮挡件25，在电光晶体24内与主轴平行地朝向另一端前进。并且，穿过另一端侧的端面遮挡件25D从探测器20D射出。射出的激光L经由光纤30D向激光装置10D入射。这样，电场传感器1D成为能够检测电场的状态。检测电场的原理与第一实施方式相同。
在探测器20D的壳体中，与第一实施方式相比连接口增加，相应地更加难以防止外部光的侵入。然而，在本实施方式的光调制元件23D中，电光晶体24的侧面24c整体被侧面遮挡件26覆盖，并且两端面24a、24b整体因端面遮挡件25、25D而仅能够供波长与激光L相同的光入射。因此，与第一实施方式的光调制元件23相同，能够大幅地减少入射至电光晶体24的外部光。其结果是，由于不会在电光晶体24内生成额外的载体，因此能够可靠地检测出低频的电场。
＜第五实施方式＞
接下来，参照图6、图8，说明本发明的第五实施方式。另外，在此，仅说明不同于第四实施方式的点。
图8是沿着主轴延长方向剖切本实施方式的光调制元件23E时的剖视图。在本实施方式的电场传感器1E中，光调制元件23E的主轴的延长方向两端部的构造不同于第四实施方式。
具体而言，第四实施方式的光调制元件23D在电光晶体24的两端面24a、24b分别具备端面遮挡件25、25D，但是如图8所示，本实施方式的光调制元件23E不具有这些部件，而是分别对两端面24a、24b实施AR涂层28，进而通过遮挡板29从其上方进行覆盖，该遮挡板29呈与端面24a、24b大致相等的轮廓，并在中心部以贯通于厚度方向的方式形成有直径与激光L的宽度大致相同的小孔29a。
这样地构成本实施方式的光调制元件，因此能够遮挡从壳体进入的外部光中的不朝向小孔29a的部分。因此，与以往的光调制元件相比，能够大幅减少入射至电光晶体24的外部光。其结果是，由于不会在电光晶体24内生成额外的载体，因此能够可靠地检测出低频的电场。
＜第六实施方式＞
接下来，参照图6、图9，说明本发明的第六实施方式。此外，在此，仅说明不同于第四实施方式的点。
图9是沿着主轴延长方向剖切本实施方式的光调制元件23F时的剖视图。在本实施方式的电场传感器1F中，光调制元件23F的主轴的延长方向两端部的构造不同于第四实施方式。
具体而言，第四实施方式的光调制元件23D在电光晶体24的两端面24a、24b分别具备端面遮挡件25，但是如图9所示，在本实施方式的光调制元件23F不具有这些部件，而是分别对两端面24a、24b实施AR涂层28，并且侧面24c的侧面遮挡件26F的两端部分别以超出两端面24a、24b而朝向主轴的延长方向的方式延长。
这样地构成本实施方式的光调制元件23F，因此能够遮挡相对于侧面遮挡件26F的两端部的延长方向形成角度地进入的外部光。因此，与以往的光调制元件相比，能够大幅地减少入射至电光晶体24的外部光。其结果是，由于不会在电光晶体24内生成额外的载体，因此能够可靠地检测出低频的电场。
另外，如图10所示，也可以设为在上述本实施方式的光调制元件23F的各AR涂层28的表面分别贴附第五实施方式所使用的遮挡板29而成的光调制元件23G。
如此一来，与上述光调制元件23E、23F相比，能够减少入射至电光晶体24的外部光。
以上，基于实施方式具体地说明了本发明，但是本发明不限于上述实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够进行变更。
例如，在上述实施方式中，以将光调制元件用于电场传感器的情况为例，但是本发明能够应用于利用EO效应的全部光学设备。
另外，在第一实施方式、第四实施方式中，也可以组合使用第三实施方式、第六实施方式这样的端部被延长的侧面遮挡件26B、26F。
附图标记说明
1、1A～1F、电场传感器；10、10D、激光装置；11、光源；12、定向耦合器；13、偏振波控制器；14、偏振光检测光学部；15、光电转换部；16、信号处理部；20、20D、探测器；21、21D、透镜；22、波长板；23、23A～23G、光调制元件；24、电光晶体(化合物半导体单晶)；24a、一方的端面(入射面)；24b、另一方的端面；24c、侧面；25、25D、端面遮挡件(入射限制单元)；26、侧面遮挡件(遮挡件)；26B、26F、侧面遮挡件(入射限制单元)；27、反射镜；28、AR涂层；29、遮挡板(入射限制单元)；29a、小孔；30、30D、光纤；L、激光。

Claims (6)

1.一种光调制元件，能够通过具有产生电光效应的性质的化合物半导体单晶对入射的激光进行调制，
所述光调制元件的特征在于，具备：
化合物半导体单晶，具有产生电光效应的性质；
入射限制单元，设于所述化合物半导体单晶的能够供所述激光入射的入射面或者所述入射面附近，限制所述激光以外的光向入射面入射；及
遮挡件，由具有遮光性并且介电常数低的材料形成，并覆盖所述化合物半导体单晶的沿着入射到该化合物半导体单晶的所述激光的行进方向延伸设置的面。
2.根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于，
所述入射限制单元是构成为仅使波长与所述激光的波长相同的光通过并贴附于所述入射面的分色镜。
3.根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于，
所述入射限制单元是形成有贯通于厚度方向并且直径与所述激光的宽度大致相等的小孔且贴附于所述入射面的遮挡板。
4.根据权利要求1所述的光调制元件，其特征在于，
所述入射限制单元是通过使所述遮挡件以超出所述入射面而朝向所述激光入射过来的方向的方式延长而成的。
5.根据权利要求3或4所述的光调制元件，其特征在于，
在所述入射面与所述入射限制单元之间形成有防反射膜，所述防反射膜防止所述激光在所述入射面反射。
6.一种电场传感器，其特征在于，具备：
权利要求1～5中任一项所述的光调制元件；
光源，使激光向所述入射面入射；及
转换单元，将穿过了所述光调制元件的激光的偏振光的变化转换为电信号。
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