JP2000338154A

JP2000338154A - 反射型光変調器及び電界測定装置

Info

Publication number: JP2000338154A
Application number: JP11166542A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiko Takeda; 康彦竹田; Tadashi Ichikawa; 正市川; Hiroshi Ito; 伊藤　　博; Tomomi Motohiro; 友美元廣
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1999-03-25
Filing date: 1999-06-14
Publication date: 2000-12-08

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構成でかつ変調信号を容易に利用する
ことができる反射型光変調器及び電界測定装置を得る。【解決手段】反射型光変調器で、例えば光学的異方性
を有する基板３２の端面と反射膜７４の間に、複屈折膜
７２を蒸着し挟み込んだ構造にする。複屈折膜７２は１
／４波長板として機能する。このような反射型光変調器
は、１／４波長板を有する反射型光変調器への入射部分
での偏波状態が変化したときの、変調効率の変動範囲
が、１／４波長板による位相差に５％の誤差があって
も、実用的範囲内にある。これにより、偏波面保存ファ
イバを用いることなく、安価な単一モードファイバを用
いて反射型光変調器を構成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、反射型光変調器及
び電界測定装置にかかり、特に、ファイバにより導入さ
れ一方に向かって伝播される光をその光と逆方向に向か
うように反射して伝播してファイバにより導出する反射
型光変調器及び反射型光変調器を用いて電界を測定する
電界測定装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自然界の物理量として電界や電圧等を計
測する測定装置が知られているが、例えば電界を計測す
る場合、測定装置自体により測定場の被測定電界を乱す
ことがあり、正確な計測には測定場の被測定電界を乱す
ことなく電界強度を計測する装置を必要とする。この測
定場の被測定電界を乱すことがないものとして、基板上
に形成された導波路内を伝播する光を変調する導波型光
変調器を、内部で光が反射される反射型に形成する反射
型光変調器が知られている。

【０００３】図１３には、反射型光変調器の一例を示し
た。反射型光変調器５５は、基板３２を備えており、そ
の基板３２上には導波路３４が設けられている。この導
波路３４の一端は偏波面保存ファイバ（以下、ＰＭＦと
いう）３０に結合される。導波路３４の他端は分岐合波
部３６に連続し、分岐合波部３６は基板３２上に設けら
れた導波路３８、４０の一端に連続している。導波路３
８、４０の他端には反射部４２が設けられている。ま
た、導波路３８、４０上の各々には電極４４、４６が装
荷されている。

【０００４】この反射型光変調器５５は、Ｚ−ｃｕｔ
ＬｉＮｂＯ₃基板３２上にＴｉ拡散により導波路を形成
し、導波路上に保護層を挟んで電極を形成し、反射膜
（反射部４２）を蒸着することにより形成することがで
きる。これにより、ＰＦＭ３０を伝播して入射された光
はＹ分岐部３６で分岐され、各々反射部４２で反射され
た後に再び合波され、ＰＭＦ３０に戻る。このとき、電
極４４に電圧が印加されると、ＬｉＮｂＯ₃のもつ電気
光学効果により、２つの導波路間に光路長の差（即ち位
相差）が生じ、その結果、Ｙ分岐部３６での合波・干渉
の状態が変化して、ＰＭＦ３０に戻る出力光の強度が変
化する。すなわち、この反射型光変調器５５はマッハツ
ェンダ型干渉器となっている。

【０００５】上記反射型光変調器をセンサとして遠隔に
配置し、反射型光変調器における変調作用を利用すれば
電界や電圧を計測することができる。図１４には、上記
反射型光変調器５５を電界測定装置のセンサとして用い
た一例を示した。電界測定装置１００は、計測部５２、
伝搬部５４、及びセンサ部５６から構成される。計測部
５２はスーパールミネッセントダイオード等の光源１０
を備えており、光源１０の射出側にはコリメートレンズ
２０、ビームスプリッタ（以下、ＢＳという）１２、レ
ンズ２２、及びＰＭＦ２６が順に配設されている。な
お、ＢＳ１２の反射側にはレンズ２４及び光検出器１６
が順に配設されている。光検出器１６の出力側はアンプ
１８を介して端子Ｔｇに接続されている。

【０００６】伝搬部５４は、ＰＭＦ２８、３０からな
り、各々は偏波面が保存されて伝播されるようにカップ
リングされ、一端が光源１０からの光が至るＰＭＦ２６
の端部にカップリングされている。センサ部５６は、上
記の反射型反射型光変調器５５と同様の構成であり、異
なる部分は、導波路３８、４０上の各々に装荷される電
極４４、４６に、ダイポールアンテナ４８、５０が接続
されていることである。

【０００７】この電界測定装置１００では、光源１０の
出射光がＢＳ１２を透過し、レンズ２２で集束され、Ｐ
ＭＦ２６に入射され、ＰＭＦ２８、３０を介してセンサ
部５６まで伝播される。センサ部５６に伝播された光
は、導波路３４、分岐合波部３６、及び導波路３８、４
０を伝播して反射部４２で反射され、ＰＭＦ３０へ戻さ
れる。このセンサ部５６では、周囲の電界強度に応じて
伝播される光が強度変調される。すなわち、電極４４、
４６には被測定物理量（電界）に対応する電圧が印加さ
れ、この印加電圧により電気光学効果を生起して、導波
路３８、４０を透過する各々の光に位相差が生じ、分岐
合波部３６において合波されてＰＭＦ３０へ戻された光
は、強度変調光となる。この強度変調光は、ＰＭＦを介
して、ＢＳ１２で反射され、光検出器１６に入射され
る。

【０００８】このように、強度変調光の変動検出によ
り、被測定電界を乱すことなく電界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】しかしながら、従来の
反射型光変調器を用いるためには、偏波面保存ファイバ
を用いなければならない。これは、光導波路を伝播する
光波の偏波面が基板に垂直な場合（ＴＭモード）と平行
な場合（ＴＥモード）とでは、対応する電気光学定数
（ＴＭモードに対してｒ₃₃、ＴＥモードに対してｒ₁₃）
の値が異なるため、変調特性が偏波状態に依存するため
である。

【００１０】このため、ＰＭＦを用いずにシングルモー
ドファイバ（以下、ＳＭＦという）を採用すると、セン
サに入射される光の偏光状態が変動するため、センサ感
度が変動する。

【００１１】ところで、一般的に、ＰＭＦは高価であ
り、その周辺処理（例えば、コネクタ処理）を含めると
装置全体のコストが上昇することになる。これを解消す
るため、変調特性が偏波状態に依存しないものの一例と
して、Ｘ―ｃｕｔ基板を用い、Ｚ−伝播とする技術（J.
Hauden,H. Porte and J.-P.Goedgebuer，IEEE J.Quantm
Electron.30,2325(1994))が提案されている。ところ
が、Ｘ―ｃｕｔ基板は導波路の導波損失が、Ｚ―ｃｕｔ
基板の場合に比べて大きく、ＬｉＮｂ０₃の最も大きい
電気光学定数ｒ₃₃を利用することができない。すなわち
感度が低くなり、実用的ではない。

【００１２】他の例として、導波路の途中に１／４波長
板を挿入する(H.Okayama,a.Matoba,R. Shibuya and T.I
shida,Electron. Lett. 24, 960(1988), H. Takahashi,
Y.Hibino and I. Nishi， Opt. Lett. 17, 499(199
2))、または反射型の素子の場合、反射端面に１／４波
長板を貼り付ける(H.Okayama,M.Kawahara and T.Kamijo
h,J. Lightwave Technol.14,985(1996))技術が提案され
ているが、作製プロセスが複雑であり、高コストにな
る。

【００１３】さらに他の例として、変調器の手前に偏光
解消板と偏光子を設ける技術が提案されているが（特開
平８−６８８１８号公報参照）、この技術も作製プロセ
スが複雑であり、高コストになる。

【００１４】本発明は、上記事実を考慮して、簡単な構
成でかつ変調信号を容易に利用することができる反射型
光変調器及び電界測定装置を得ることが目的である。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の反射型光変調器は、単一モードで光を伝播さ
せる単一モードファイバと、前記単一モードファイバに
結合されると共に、光を伝播させる第１導波路部と、各
々光変調するための電極が設けられかつ、前記第１導波
路部から分岐した複数本の第２導波路部と、前記第２導
波路部の前記第１導波路部から分岐した端部に設けられ
かつ、前記第２導波路部の各々からの光を反射する反射
部、及び該反射部の反射側に形成されて透過する光に対
して１／４波長板として機能するように複屈折膜が形成
された薄膜部、からなる薄膜反射部と、を備えている。

【００１６】前記第２導波路部は、該第２導波路部を伝
播する光波の偏波面の違いにより、対応する電気光学定
数の値が異なるものを使用することができる。また、前
記第２導波路部は、光学異方性を有する基板上に形成す
ることができる。以下の説明では、前記第２導波路部と
して、Ｚ−ｃｕｔＬｉＮｂＯ₃基板上に第２導波路部
が形成されている場合を想定し、説明する。ＬｉＮｂＯ
₃基板上は、光学異方性を有しており、また、Ｚ−ｃｕ
ｔＬｉＮｂＯ₃基板上に形成した導波路は、伝播する
光波の偏波面の違いにより、電気光学定数の値が異なる
ものである。

【００１７】発明者等は、１／４波長板を有する反射型
光変調器への入射部分での偏波状態の変化に対する出力
変化を検討し、実際に反射型光変調器を作製する際は、
例えば薄膜部の膜厚を形成するときに５％程度の誤差が
あることを考慮するという観点から、１／４波長板によ
る位相差の誤差があるときの偏波状態の変化に対する出
力変動について、１／４波長板による位相差に５％の誤
差があっても、偏波状態の変化に対する出力変動の範囲
は±４．４％であり、充分に実用的である反射型光変調
器を見出した。これにより、偏波面保存ファイバを用い
ることなく、安価な単一モードファイバを用いて反射型
光変調器を構成することを可能とする本発明に至った。

【００１８】本発明では、第１導波路部は、単一モード
で光を伝播させる単一モードファイバに結合されてい
る。光源部から単一モードファイバを経由して第１導波
路に入射された光は、これを伝播した後分岐されて複数
の第２導波路部を伝播する。ここで、便宜上、複数の第
２導波路部を、導波路ａ，導波路ｂとする。なお、本発
明は、この導波路ａ，導波路ｂの２本に限定されるもの
ではなく、３本以上の導波路であってもよい。この際に
電極に電圧が印加されると電気光学効果により導波路の
屈折率が変化し、その結果薄膜反射部に達した光は導波
路ａを伝播したものと導波路ｂを伝播したものとの間に
位相差が生じる。薄膜反射部には１／４波長板として機
能する複屈折膜が、その光学軸が基板の法線に対して４
５度傾くように形成されている。分岐点側から伝播され
る光は、薄膜反射部で反射される際、反射の前後で複屈
折膜を２回透過し、ＴＥ成分はＴＭ光に、ＴＭ成分はＴ
Ｅ光にそれぞれ変換される。その後、再び第２導波路部
を伝播し、電圧印加による位相差が生じ、分岐部に達し
て合波・干渉し、第１導波路部、単一モードファイバを
伝播して受光部へ至る。

【００１９】この際、複屈折膜の効果により、分岐後の
光のうちＴＥ成分は、分岐部から薄膜反射部へ至る間に
ＴＥ光に対応する電気光学定数ｒ₁₃に比例した大きさの
位相差が生じるが、薄膜反射部でＴＭ光に変換されるた
め、薄膜反射部から分岐部へ至る間にＴＭ光に対応する
電気光学定数ｒ₃₃に比例した大きさの位相差が生じ、合
計で（ｒ₁₃＋ｒ₃₃）に比例した大きさの位相差が生じ
る。一方、分岐後の光のうちＴＭ成分は、分岐部から薄
膜反射部へ至る間に電気光学定数ｒ₃₃に比例した大きさ
の位相差が生じ、薄膜反射部から分岐部へ至る間に電気
光学定数ｒ₁₃に比例した大きさの位相差が生じ、合計で
やはり（ｒ₁₃＋ｒ₃₃）に比例した大きさの位相差が生じ
る。すなわち、変調器に入射する光の偏光状態にかかわ
らず、（ｒ ₁₃＋ｒ₃₃）に比例した大きさの位相差が生じ
る。従って、変調器に入射する光の偏光状態が変化して
も、変調特性は変化しないため、より安価な単一モード
ファイバを用いて、簡単な構成でかつ変調信号を容易に
利用することができる反射型光変調器を得ることができ
る。

【００２０】前記複屈折膜は、斜め蒸着により形成する
ことができる。この複屈折膜は、例えば、Ｔａ₂Ｏ₅等の
斜め蒸着によって形成することができる。この斜め蒸着
による複屈折膜は、その光学軸は反射型光変調器の基板
の法線に対して４５度傾くように蒸着すると共に、その
膜厚を、透過する光の光学軸方向の偏光とそれに直角方
向の偏光との位相差がπ／２となるように、すなわち１
／４波長板として機能するように設定する。これによ
り、複屈折膜を２回通過することにより、ＴＥ光はＴＭ
光に変換されかつＴＭ光はＴＥ光に変換される。

【００２１】前記反射部は、金属蒸着により形成するこ
とができる。このように、薄膜反射部の反射部を、金属
蒸着により形成することによって、薄膜反射部は、複屈
折膜により形成される１／４波長板と反射膜とからなる
簡単な２層構造で形成することができる。

【００２２】本発明の電界測定装置は、前記反射型光変
調器と、前記単一モードファイバの前記第１導波路部側
との対向側に結合されかつ光を出射する出射手段、及び
光の特性を検出する検出手段を含んで構成した光学手段
と、を備えている。

【００２３】上記のように、反射型光変調器は、より安
価な単一モードファイバを用いて変調信号を容易に得る
ことができるので、簡単な構成でかつ、より安価な電界
測定装置を得ることができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態の一例を詳細に説明する。本実施の形態は、反
射型光変調器を用いた電界センサを有する電界測定装置
に本発明を適用したものである。なお、以下の説明で
は、光が伝播する光軸方向をｘ軸とし、サジタル方向を
ｙ軸とし、メリディオナル方向をｚ軸とした３次元空間
での方向を用いて説明する。

【００２５】図２に示すように、本実施の形態の反射型
光変調器を電界センサに用いた電界測定装置１０２は、
計測部５３、及び単一モードファイバであるＳＭＦ２９
が連結され、かつ光集積回路で構成されるセンサ部５７
から構成される。計測部５３はスーパールミネッセント
ダイオード等のＣＷ発振で用いる光源１０を備えてお
り、光源１０の射出側にはコリメートレンズ２０、ビー
ムスプリッタ（以下、ＢＳという）１２、レンズ２２、
及びＳＭＦ２７が順に配設されている。ＢＳ１２の反射
側にはレンズ２４及び光検出器１６が順に配設されてい
る。光検出器１６には、検出した光強度に応じた信号を
増幅して端子Ｔｇへ出力するためのアンプ１８が接続さ
れている。

【００２６】計測部５３には、ＳＭＦ２９の一端が光源
１０からの光が至るＳＭＦ２７の端部にカップリングさ
れている。

【００２７】本実施の形態では光源１０として１．３μ
ｍ帯の波長域で発光するスーパールミネッセントダイオ
ードをＣＷ発振で用いている。この光源１０は、１．３
μｍ帯の波長域で発振するスーパールミネッセントダイ
オードに限定されるものではなく、０．８μ帯で発振す
るスーパールミネッセントダイオードを用いてもよく、
また、光源として半導体レーザを用いてもよく、Ｈｅ−
Ｎｅレーザ等の気体レーザを用いてもよく、さらに、他
の種類の光源を用いても良い。また、光検出器１６はフ
ォトダイオードを用いている。

【００２８】センサ部５７は、図１に示す反射型光変調
器にＳＭＦ２９が連結されて構成され、導波路３４、３
８、４０が設けられた基板３２に、反射部４３が装着さ
れている。この基板３２はＺ−ｃｕｔＬｉＮｂＯ₃で
形成され、導波路はＴｉ拡散によって形成されている。
また、この反射部４３は、複屈折膜７２と光反射膜７４
とから構成されている。従って、導波路３８、４０を伝
播した各光は複屈折膜７２を透過して光反射膜７４で反
射され、再度、複屈折膜７２を透過して導波路３８、４
０に戻される。なお、センサ部５７の基板３２には、溝
３３が形成されている。

【００２９】複屈折膜７２は、後述するように、例えば
Ｔａ₂Ｏ₅等の斜め蒸着によって形成される。斜め蒸着に
よる複屈折膜７２の光学軸は光変調器（光集積回路）の
基板３２の法線に対して４５度傾くように蒸着されてい
る（詳細は後述）。また、複屈折膜７２の膜厚は、複屈
折膜７２を透過する光の光学軸方向の偏光とそれに直角
方向の偏光との位相差がπ／２となる、すなわち１／４
波長板として機能するように設定されている。また、光
反射膜７４は一般的にはＡｕ，Ａｇ，Ａｌ等の金属薄膜
を蒸着した従来と同様の金属薄膜の反射膜で形成されて
いる。

【００３０】次に、本実施の形態のセンサ部５７の作製
方法について説明する。図３には、本実施の形態のセン
サ部５７である、複屈折膜７２と光反射膜７４とを有す
る反射側光変調器の作製プロセスを示した。まず最初の
工程として、図３の工程２００では、Ｔｉ拡散導波路及
び保護層（ＳｉＯ₂）を形成する。具体的には、レジス
トパターンを形成し、Ｔｉをスパッタ成膜し（５０ｎ
ｍ）、リストオフし、Ｔｉ熱拡散し（Ｏ₂環境下で１０
２５°Ｃ、８時間）、ＳｉＯ₂をスパッタ成膜する（３
００ｎｍ）。

【００３１】導波路等が形成されると、次の工程２１０
において電極を形成する。この工程２１０では、Ｃｒを
電子ビーム蒸着（３０ｎｍ）した後に、Ａｌを電子ビー
ム蒸着（１μｍ）する。次の工程２２０では、反射側光
変調器の入射端面及び反射端面を形成する。この工程２
２０では、切断器であるダイシングソーにより所定の深
さとなるよう切削を限定して溝３３を形成する（レジン
ブレード２００μｍｔ、深さ０．１ｍｍ）と共に、入
射端面及び反射端面を切断により形成する。

【００３２】次の工程２３０では、ファイバ接合と共に
アライメント用のＶ溝を形成する。この工程２３０で
は、ＫｒＦエキシマレーザアブレーションで、０．１３
ｍｍ角のひし形マスクを透過後、１／１０に縮小して照
射及び走査することにより形成する。次の工程２４０で
は、１／４波長板すなわち複屈折膜７２を形成する。こ
の工程２４０では、後述するようにＴａ₂Ｏ₅を２方向か
ら交互に電子ビーム蒸着（８．１μｍ）する。その後、
熱処理（Ｏ₂環境下で２５０°Ｃ、２時間）を行う。次
の工程２５０では、端面の反射膜すなわち光反射膜７４
を形成する。この工程２５０では、Ａｕを電子ビーム蒸
着（３００ｎｍ）する。

【００３３】次に、本実施の形態のセンサ部５７で用い
る複屈折膜７２としての斜め蒸着膜の形成について説明
する。

【００３４】複屈折膜７２は、１／４波長板として機能
するが、この１／４波長板を形成する際の蒸着材料は、
信号光に対して透明な物質であればよく、屈折率が大き
いＴａ₂Ｏ₅、ＷＯ₃、ＣｅＯ₂等を用いることが好まし
い。蒸着方法としては、特に制限はなく、抵抗加熱、電
子ビーム加熱、スパッタ法等を用いることができる。

【００３５】本実施の形態において、蒸着方向は、図４
に示すように、平面Ｓ内にあり、直線ｑと角度ωをなす
２方向Ｑａ，Ｑｂに設定した。図４では、平面Ｔは反射
面（ｙｚ面）を含む面を示し、平面Ｓは光波の進行方向
（ｘ軸）を含みかつ基板法線（ｚ軸）と角度ψ（本実施
の形態では、ψ＝４５°）をなす面を示し、直線ｑは平
面Ｓと平面Ｔの交線を示した。角度ωの値としては、５
°〜３０°程度が望ましく、本実施の形態ではω＝２０
°に設定されている。蒸着の際の基板温度は蒸着物質の
融点の１／３以下とすることが好ましいが、通常は室温
で行うことができる。

【００３６】本実施の形態の複屈折膜７２は、Ｔａ₂Ｏ₅
を電子ビーム蒸着により上記の２方向Ｑａ，Ｑｂを交互
に行い８．１μｍ成膜した。この膜は酸素欠陥のために
茶褐色に着色しているので、透明度を増加させるため、
酸素雰囲気下において２５０°Ｃで２時間熱処理した。
図５には、２方向Ｑａ，Ｑｂで交互に蒸着した膜の状態
を示した。本実施の形態では、２方向Ｑａ，Ｑｂで交互
に蒸着して４層構造の複屈折膜７２を形成した。この交
互の蒸着により、複屈折膜７２は、基板３２側から膜７
２₁，７２₂，７２₃，７２₄の順に形成される。なお、本
実施の形態では、光学特性の評価のために、ガラス基板
上にも複屈折膜７２を形成した。以上のようにして、透
明な１／４波長板を得た。

【００３７】上記のようにして複屈折膜７２を形成した
後には、Ａｕを電子ビーム蒸着により３００ｎｍ成膜す
ることによって、光反射膜７４を形成した。このように
して、反射部４３として基板３２の端面に複屈折膜７２
及び光反射膜７４からなる多層反射膜を形成した。

【００３８】次に、本実施の形態の電界測定装置の作動
を説明する。光源１０から出射された光はＢＳ１２へ照
射される。ＢＳ１２を透過した光は、レンズ２２により
集束されＳＭＦ２７、２９を介してセンサ部５７まで伝
播される。本実施の形態では、ＳＭＦを用いているた
め、ＳＭＦの曲げ状態や温度の変動によって、センサ部
５７である光集積回路の導波路に伝播された光の偏光状
態（例えば偏波面）が変動する。

【００３９】導波路３４を伝播した光は、分岐合波部３
６において導波路３８、４０に分岐される。これら導波
路３８、４０には変調のための電極４４、４６が装荷さ
れており、電極４４、４６の各々には被測定物理量（電
界）に対応する電圧が、すなわちトランスジューサであ
るダイポールアンテナ４８、５０によって変換された電
圧が印加される。この印加された電圧により電気光学効
果を生起して、導波路３８、４０の各々を伝播する各々
の光の間に位相差が生じる。導波路３８、４０を透過し
た各光は端面に至り、複屈折膜７２と光反射膜７４より
なる反射部４３で反射されて戻される。

【００４０】光導波路を伝播してきた光は複屈折膜７２
及び光反射膜７４の２層膜で反射されて戻るとき、１／
４波長板として機能する複屈折膜７２を往路と復路とで
２回通過する。この結果、ＴＥ光はＴＭ光に変換されか
つＴＭ光はＴＥ光に変換され、往路と同一経路をたどり
戻ることになる。導波路３８、４０の各々を戻ってきた
光は分岐合波部３６で合波され、互いが干渉することに
より位相差は強度変化に変換される。このようにして被
測定電界は電極４４、４６の印加電圧、導波路３８、４
０を伝播する光の位相差によって、光強度変化に変換さ
れる。従って、この光強度変化は電界の変化に対応す
る。合波された光は、強度変調された光である信号光と
なる。

【００４１】この信号光は、再び、導波路３４、ＳＭＦ
２９、２７を透過し、ＢＳ１２に戻される。反射された
信号光は光検出器１６により光電変換され電気信号とな
る。この電気信号を測定することにより、センサ部５７
が置かれた場所の電界が測定される。

【００４２】このように、本実施の形態では、反射型光
変調器の反射端面と反射膜の間に、Ｔａ₂Ｏ₅等の斜め蒸
着によって複屈折膜を蒸着し、挟み込んだ構造とし、こ
れに、入出力光が伝搬する光ファイバとして、シングル
モードファイバを接続している。蒸着方向は、この複屈
折膜の光学軸が光変調器の光学軸に対して４５°傾くよ
うに調節する。膜厚は、この薄膜を透過する際の光波の
光学軸方向の偏光とそれに直角方向の偏光との位相差が
π／２、すなわち１／４波長板になるように調節する。
光変調器を伝播してきた光波はこの複屈折膜／反射膜で
反射して戻るとき、１／４波長板を２回通過することに
より、合計でπの位相差が生じる。

【００４３】従って、本実施の形態によれば、反射型光
変調器の端面反射膜を、複屈折膜による１／４波長板と
反射膜の構造にすることにより、ＳＭＦを用いてセンサ
に入射される光の偏光状態が変動しても、センサ感度の
変動を抑制させることができる。

【００４４】次に、本実施の形態の電界測定装置に用い
たセンサ部５７である反射型光変調器の有効性について
説明する。本発明者等は、本実施の形態の反射型光変調
器への入射部分での偏波状態の変化に対する反射型光変
調器の出力変化を検討した。上記構成の端面１／４波長
板付反射型光変調器を電界センサとして用いる場合、斜
め蒸着で形成した複屈折膜すなわち１／４波長板による
位相差がπ／２のときは、センサ感度が偏波状態に依存
しないことが想定されるが、実際に１／４波長板として
機能するように薄膜を作製する場合、例えば形成される
膜厚を水晶振動子式膜厚センサを用いて制御する場合、
一般的に５％程度の膜厚の誤差を避けることができな
い。そこで、本発明者等は、１／４波長板による位相差
がπ／２からずれたときのセンサ感度の変動を求めた。
ここでは、反射型光変調器の入射光と出射光との関係
は、以下の（１）式で表すことができる。なお、（１）
式上の表記の対応関係を図６に示す。

【００４５】

【数１】

【００４６】上記の（１）式にしたがって計算し、図７
に示す結果を得た。また、主な計算結果を次の表１に示
した。

【００４７】

【表１】

【００４８】図７及び表１から理解されるように、１／
４波長板による位相差に５％の誤差があった場合でも、
センサの感度変動の範囲は±４．４％であり、充分に実
用的である、という結果を得た。

【００４９】図８には、上記反射型光変調器を、上記の
工程にしたがって作製し、１／４波長板として機能する
複屈折膜である、Ｔａ₂Ｏ₅による斜め蒸着膜を光が透過
する際の位相差の測定実験の方法及びその結果を示し
た。この測定実験では、波長１．３μｍの半導体レーザ
（図８のＬＤ）から出射されたＴＭモードの光を、偏波
面保存ファイバ（図８のＰＭＦ）を介して導波路センサ
（図８のsensor）に入射させる。この導波路センサは反
射膜が形成されておらず、端面で透過される。透過され
た光は、偏光板（図８のＰ）を介して検出器（図８のＰ
Ｄ）で受光される。このとき、偏光板（図８のＰ）を回
転させ、受光された光強度に応じた信号を出力信号とし
て採取した。この測定結果から、波長１．３μｍでの位
相差が９４°で、設定値（９０°）からの誤差が４％で
あることを得た。

【００５０】図９には、上記反射型光変調器に入射する
光の偏波状態を波長板と偏光板を用いて変化させたとき
の、センサ感度変動の測定実験のシステム構成を示し、
図１０には測定結果を示した。この測定実験では、波長
１．３μｍの半導体レーザ（図９のＬＤ）から出射され
た光を、第１の１／４波長板（図９のＱ１）、偏光板
（図９のＰ）、第２の１／４波長板（図９のＱ２）及び
ビームスプリッタ（図８のＢＳ）を順に透過させ、偏波
面保存ファイバ（図９のＰＭＦ）を介して導波路センサ
（図８のsensor）に入射させる。

【００５１】従って、半導体レーザＬＤから出射された
直線偏光の光は、第１の１／４波長板Ｑ１により円偏光
にされる。その後通過する偏光板Ｐと第２の１／４波長
板Ｑ２の主軸方向を回転させることで、第２の１／４波
長板Ｑ２から出射される光、すなわち偏波面保存ファイ
バＰＭＦに入射される光の偏光状態を変更することがで
きる。この導波路センサでは入射光が端面で反射され、
反射光が再度偏波面保存ファイバ（図９のＰＭＦ）へ入
射され、ビームスプリッタ（図８のＢＳ）を介して検出
器（図９のＰＤ）で受光される。このセンサ電極部Ｇに
１ｋＨｚの交流電圧を印加した際の変調された受光強度
に応じた信号を出力信号として採取した。図１０に示す
ように、測定結果から、感度変動の範囲は最大で±５％
であり、充分に実用的であることがわかった。図１０で
は、横軸ｐは偏光板Ｐの主軸方向を示し、横軸ｑ２は第
２の１／４波長板Ｑ２の主軸方向を示している。

【００５２】図１１には、上記反射型光変調器と光源を
長さ３０ｍの単一モードファイバを用いて接続し、上記
反射型光変調器に入射する光の偏波状態を単一モードフ
ァイバの加熱・冷却により変化させたときのセンサ感度
変動の測定実験のシステム構成を示し、図１２には測定
結果を示した。この測定実験では、波長１．３μｍの半
導体レーザ（図１１のＬＤ）から出射された光を長さ３
０ｍの単一モードファイバを経由して導波路センサ（図
１１のｓｅｎｓｏｒ）に入射させ、反射光はファイバカ
プラ（図１１のＣｏｕｐｌｅｒ）により検出器（図１１
のＰＤ）に受光させる。ここで、単一モードファイバは
オーブン内にあり、加熱・冷却される。このセンサ電極
部Ｇに交流電圧発生器（図１１のＯｓ）により周波数１
ｋＨｚ、電圧０．５Ｖｒｍｓの交流電圧を印加した際の
変調された受光強度に応じた信号のＡＣ成分を出力信号
として採取した。図１２には、単一モードファイバの温
度変動の波形をＡＳで示し、採取した出力信号をＳＳと
して示した。図１２に示すように、測定結果から、感度
変動の範囲は最大で±６％であり、十分に実用的である
ことが理解される。

【００５３】以上の説明から、本実施の形態の反射型光
変調器は変調特性を偏波状態に非依存として利用できる
ので、結合する光ファイバとして、高価な偏波面保存フ
ァイバを用いる必要がなく、安価な単一モードファイバ
であっても、充分に実用的であるものとなる。コスト的
な面の一例では、偏波面保存ファイバが、３，６００円
／ｍ、コネクタ処理２５，０００円／個であり、単一モ
ードファイバが、２００円／ｍ、コネクタ処理７，００
０円／個であるというように、コスト差が大きい。従っ
て、装置を低コストで構成することができる。特に本実
施形態の光変調器を電圧センサとして高圧送電線の監視
用として用いる等、計測器類と光変調器との距離が遠い
場合（数１００ｍ〜数ｋｍ）、偏波無依存化によるコス
トダウン効果は大きいものとなる。

【００５４】なお、本実施の形態では、電界センサとし
て機能する反射型光変調器を備えた電界測定装置に本発
明を適用した場合を説明したが、本発明は電界センサに
限定されるものではなく、電圧センサ、磁界センサ等の
他のセンサ用途に適用した場合も略同様に構成すること
ができる。例えば、電圧センサに適用する場合、図２の
光変調器の電極に接続したダイポールアンテナを電圧測
定点に接続するリード線や接触プローブに換えるのみで
実現可能である。また、磁界センサとして用いる場合に
は、ダイポールアンテナに代えてループアンテナを用い
ればよい。すなわち、どのような被測定物理量でも、所
定のトランスジューサを用いて電圧に変換して光変調器
の電極に接続することで、同様なセンサを構成すること
ができる。

【００５５】また、本実施の形態の光検出器１６はフォ
トダイオードを用いたが、光電子増倍管等の他の光検出
器を用いてもよい。また、光集積回路である反射型光変
調器として分岐干渉型光変調器を例に用いて説明した
が、他の変調器、例えば、方向性結合器型、交差型など
の光変調器も同様の構成が可能である。

【００５６】本実施の形態の電界測定装置のセンサ部で
ある反射型光変調器は、金属の信号ケーブルを用いずに
電界や電圧等を計測するために反射型の光変調素子と光
ファイバ等で構成した測定装置に用いて好適である。

【００５７】なお、本実施の形態は、光学異方性を有す
るＬｉＮｂＯ₃基板を用いて説明したが、本発明は光学
異方性を有しない基板に後処理で電気光学効果を付与し
たものを用いることも可能である。

【００５８】また、本実施の形態の電界測定装置のセン
サ部である反射型光変調器において、変調特性が偏波状
態に依存しない一例として、Ｘ−ｃｕｔＬｉＮｂＯ₃
基板を用い、Ｚ−伝播とする技術が提案されている。と
ころが、Ｘカット基板は、Ｚカット基板の場合に比べて
導波路の導波損失が大きく、ＬｉＮｂ０₃の最も大きい
電気光学定数ｒ₃₃を利用することができないので、感度
が低くなる。一方、本実施の形態の反射型光変調器では
導波路の導波損失を小さくできると共に電気光学定数ｒ
₃₃を利用することができ、本実施の形態によれば、Ｘカ
ット基板を用いた例に比べて導波路損失を小さく、かつ
感度を高くすることができるという利点がある。

【００５９】また、他の例として、導波路の途中に１／
４波長板を挿入する、または反射型の素子の場合、端面
に１／４波長板を貼り付ける技術が提案されている。こ
の例では作製プロセスが複雑で高コストになるが、本実
施の形態によれば、１／４波長板を挿入する例に比べて
反射型光変調器の作製プロセスが容易であり、低コスト
になるという利点がある。

【００６０】さらに、他の例として、変調器の上流側
（入射側）に偏光解消板と偏光子を設ける技術が提案さ
れている。この例でも作製プロセスが複雑で高コストに
なるが、本実施の形態によれば、偏光解消板と偏光子を
設ける例に比べても作製プロセスが容易であり、低コス
トになるという利点がある。

【００６１】

【発明の効果】以上説明したように本発明の反射型光変
調器によれば、単一モードファイバと、透過光に対して
１／４波長板として機能するように複屈折膜が形成され
た薄膜部とを含んで構成するので、より安価でかつ簡単
な構成で変調信号を容易に得ることができる、という効
果がある。

【００６２】また、第２導波路部を、伝播する光波の偏
波面の違いにより、対応する電気光学定数の値が異なる
ように構成すること、さらに、第２導波路部を、光学異
方性を有する基板上に形成することが可能になった。そ
のため、例えば第２導波路部をＺ−ｃｕｔＬｉＮｂＯ
₃基板上に形成することが可能になった。その結果、導
波路損失を小さく、かつ感度を高くすることができる、
という効果を得ることができる。

【００６３】本発明の電界測定装置は、前記反射型光変
調器と、前記単一モードファイバと、検出手段とを含ん
で構成した光学手段と、を備えているので、反射型光変
調器は、より安価な単一モードファイバを用いて変調信
号を容易に得ることができ、装置を容易に構成できか
つ、より安価な装置を得ることができる、という効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態における反射型光変調器の
概略構成を示すブロック図である。

【図２】本発明の実施の形態における電界測定装置の概
略構成を示すブロック図である。

【図３】本発明の実施の形態における反射型光変調器の
製造プロセスを示すフローチャートである。

【図４】複屈折膜の蒸着方向を説明するためのイメージ
図である。

【図５】複屈折膜の蒸着層を説明するためのイメージ図
である。

【図６】入射光の偏波状態変化に対する感度変動を模擬
を説明するための反射型光変調器の概念図である。

【図７】本実施の形態の反射型光変調器における入射光
の偏波状態と感度との間の関係を示す特性図である。

【図８】反射型光変調器の複屈折膜を透過する光の位相
差測定方法及び測定結果を示す線図である。

【図９】本実施の形態の反射型光変調器における入射光
の偏波状態と感度との間の関係を求めるための測定シス
テムの概略構成図である。

【図１０】図９の測定システムによる反射型光変調器に
おける入射光の偏波状態と感度との間の関係を示す特性
図である。

【図１１】本実施の形態の反射型光変調器に関係し、入
射光の偏波状態を単一モードファイバの加熱・冷却によ
り変化させたときのセンサ感度変動の測定実験システム
の概略構成図である。

【図１２】図１１の測定システムによる測定結果を示
し、単一モードファイバの温度変化とセンサからの出力
光強度の時間変化を示す線図である。

【図１３】従来の反射型光変調器の概略構成を示すブロ
ック図である。

【図１４】従来の電界測定装置の概略構成を示すブロッ
ク図である。

【符号の説明】

２９単一モードファイバ５７センサ部４３反射部７２複屈折膜７４光反射膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者伊藤博愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内 (72)発明者元廣友美愛知県愛知郡長久手町大字長湫字横道41番地の１株式会社豊田中央研究所内Ｆターム(参考） 2G025 AA05 AB11 AB13 2H079 AA02 AA12 BA02 BA03 CA11 DA03 EA05 EA28 KA12 KA17 KA20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単一モードで光を伝播させる単一モード
ファイバと、前記単一モードファイバに結合されると共に、光を伝播
させる第１導波路部と、各々光変調するための電極が設けられかつ、前記第１導
波路部から分岐した複数本の第２導波路部と、前記第２導波路部の前記第１導波路部から分岐した端部
に設けられかつ、前記第２導波路部の各々からの光を反
射する反射部、及び該反射部の反射側に形成されて透過
する光に対して１／４波長板として機能するように複屈
折膜が形成された薄膜部、からなる薄膜反射部と、を備えた反射型光変調器。
【請求項２】前記第２導波路部は、該第２導波路部を
伝播する光波の偏波面の違いにより、対応する電気光学
定数の値が異なることを特徴とする請求項１に記載の反
射型光変調器。
【請求項３】前記第２導波路部は、光学異方性を有す
る基板上に形成されていることを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の反射型光変調器。
【請求項４】前記複屈折膜は、斜め蒸着により形成さ
れたことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１
項に記載の反射型光変調器。
【請求項５】前記反射部は、金属蒸着により形成され
たことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項
に記載の反射型光変調器。
【請求項６】請求項１乃至請求項５の何れか１項に記
載の反射型光変調器と、前記単一モードファイバの前記
第１導波路部側との対向側に結合されかつ光を出射する
出射手段、及び光の特性を検出する検出手段を含んで構
成した光学手段と、を備えた電界測定装置。