JP2002122622A

JP2002122622A - 光電界センサ装置

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Publication number: JP2002122622A
Application number: JP2000313385A
Authority: JP
Inventors: Shigenori Torihata; 成典鳥畑; Yoshikazu Toba; 良和鳥羽; Masatoshi Kizawa; 正俊鬼澤
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2000-10-13
Filing date: 2000-10-13
Publication date: 2002-04-26
Anticipated expiration: 2020-10-13
Also published as: JP4851000B2

Abstract

(57)【要約】【課題】使用環境の温度変化に係わらず、確度の高い
電界測定が可能な光電界センサ装置を得る。【解決手段】アンテナ１２と、半導体レーザ光源１１
と、電界強度によって光強度を変調する光変調器１３
と、変調光を電気信号に変換する光検出器１５を備え、
さらに、前記光変調器１３の温度をモニタする光温度計
１４と、この光温度計１４からの温度信号を用いて、電
界測定の感度係数を補正する感度補正演算部１６とを備
えて構成された光電界センサ装置とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光を用いて電界の
測定を行う光電界センサ装置に係り、特に、ＥＭＣ分野
における電界測定や放送用あるいは通信用電波の中継装
置に用いて好適な干渉型光導波路を有する高感度の光電
界センサ装置に係る。

【０００２】

【従来の技術】干渉型光導波路を有し、電気光学効果を
利用して、電界測定を行う光電界センサは、以下のよう
な優れた特徴を持っている。

【０００３】即ち、（１）金属部をほとんど持たないた
めに被測定電界を乱さないこと、（２）光ファイバで検
出信号を伝送するので途中で誘導や電気的雑音の影響を
受けないこと、（３）結晶の電気光学効果を利用するの
で、高速応答が可能であり、かつ、その検出信号をその
まま少ない損失で伝送できること、（４）センサ部に電
源を必要としないこと、さらには、（５）光導波路部と
アンテナ部を一体化でき、小型化が可能なことなどであ
る。

【０００４】このような特質のゆえに、光電界センサ
は、ＥＭＣ分野などの電界測定や放送用あるいは通信用
電波の中継装置における電波受信装置として用いられて
いる。

【０００５】図７は、従来から用いられている光電界セ
ンサの構造を示す図である。光ファイバ７１ａを通して
入射した光は、ＬｉＮｂＯ_３単結晶基板７５上の光導波
路７６を経て、２本の分岐光導波路７３ａおよび７３ｂ
に分岐される。そのとき、金属電極７２ａ、７２ｂに
は、アンテナから導かれた電圧が印加され、分岐光導波
路７３ａと７３ｂには、逆向きの電界が印加され、電気
光学効果により、屈折率の変化が生じている。

【０００６】その結果、２つの分岐光導波路７３ａと７
３ｂを導波して、光導波路７７で合波される光は、位相
差に応じて、光強度が変調される。この変調光は、光フ
ァイバ７１ｂに結合して出射する。

【０００７】図８は、図７に示した光電界センサを光変
調器として用いる従来の光電界センサ装置を示す図であ
る。光源８６から出射した一定強度の光は、偏波保持フ
ァイバ８４を経て光変調器８２に入射し、アンテナ８１
から導かれた被測定電圧により、強度変調を受けた後、
シングルモードファイバ８３を経て、受光器８５に入射
して、電気信号に変換される。光源８６と電界を測定し
ようとする点、即ち、光変調器６２の設置点が、さほど
離れていないときは、このような構成が従来よく用いら
れていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光変調
部が温度変化の大きな環境で使用されると、電界測定値
の確度が低下するという問題があった。それは、電気光
学結晶の上に作製された光導波路の光路長が温度に依存
して変化するために、バイアス点がずれるということに
よっている。

【０００９】そこで、本発明の目的は、使用環境の温度
変化に係わらず、確度の高い電界測定が可能な光電界セ
ンサ装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】まず、電界の測定値が温
度によって変動する原因を探るために、以下のような考
察を行った。

【００１１】電極への印加電圧Ｖに対し、光変調器から
の出力光強度Ｐ_０は、次式（１）で表される。

【００１２】Ｐ_０＝α（Ｐ_ｉ/２）｛１＋sin（πＶ/Ｖ_π）｝・・・・・（１）

【００１３】ここで、Ｐ_ｉは入射光強度、Ｖ_πは半波長
電圧、αは光変調器の挿入損失の項である。この様子を
図２に示す。ｆ(Ｖ）は電極への印加電圧Ｖの関数とし
て、（１）式を表したものである。この曲線の谷から山
までの電圧差が半波長電圧Ｖ _πである。なお、測定する
電圧は、半波長電圧Ｖ_πに比べて小さいので、入力電圧
として図の下部に示した。ｆ(Ｖ）に従って変調された
出力光の強度を図の右側部分に示した。

【００１４】ところで、温度変化があると、導波路の光
路長の変化により、ｆ(Ｖ)は横軸方向にずれる。その結
果、出力光強度Ｐは次式（２）で表される。

【００１５】Ｐ＝α(Ｐ_ｉ/２）［１＋sin｛π（Ｖ＋Δ）/Ｖ_π｝］・・・・・（２）ここで、Δは温度変化によるバイアス点のずれを表す項
である。

【００１６】図３は、（２）式に基づいて、ΔとＰ_ｉに
依存して出力光強度が変化する様子を示す図である。曲
線ａは温度変化がない場合を示し、曲線ｂは温度変化に
よりバイアス点がずれた場合を示し、さらに曲線ｃは温
度変化はないが、入射光強度が８０％に減少した場合を
示している。

【００１７】（２）式において、実際のＶはＶ_πに比べ
て小さいので、sinＸ＝Ｘと近似する。さらに、Ｖは交
流電圧なので、簡略化して、Ｖ＝Ｖ_０cos(２πｆ
ｔ）、ただし、ｆは周波数、ｔは時間、と置くと、
（２）式は、以下の（３）式のように書き換えることが
できる。

【００１８】Ｐ＝α(Ｐ_ｉ/２)（１＋πΔ/Ｖ_π）＋α(Ｐ_ｉ/２）（Ｖ_０/Ｖ_π)cos(２πｆｔ）・・・・・（３）

【００１９】第１項が直流成分（ＤＣ成分）であり、第
２項が高周波成分（ＲＦ成分）である。被測定電圧Ｖ
_０cos(２πｆｔ）は、第２項に含まれる。上記の近似
の範囲内では、ＲＦ成分はバイアス点変動の影響を受け
ないと言える。それに対して、入射光強度Ｐ_ｉの変動に
よる高周波成分の変動は無視できない。実際には、入射
光強度Ｐ_ｉの変化は、光源の発光強度の変化と伝送路の
損失変動によって起こる。

【００２０】そこで、ＤＣ成分に着目して、入射光強度
Ｐ_ｉを求めることを考える。もし、温度変化をモニタす
ることができれば、バイアス点のずれを表す量であるΔ
を求めることができる。そして、Δが分かれば、（３）
式の第１項であるＤＣ成分から、入射光強度Ｐ_ｉを求め
ることができる。このＰ_ｉを用いて、（３）式の第２項
であるＲＦ成分から、被測定電圧、Ｖ_０cos(２πｆ
ｔ）を正しく求めることができる。

【００２１】このような考察に基づき、光変調部の温度
をモニタしながら、感度係数の補正を行う実験を行った
ところ、温度依存性の少ない、確度の高い電界測定が可
能となった。

【００２２】また、光電界センサは、金属部による測定
電界の乱れがないことを特徴としているので、温度計と
しては、光によるセンサ部を有し、光ファイバで温度信
号を伝送する光温度計を使用するのが好適であった。

【００２３】そこで、本発明の光電界センサ装置は、光
温度計と上記感度補正の演算部を備えて、以下のように
構成されている。

【００２４】即ち、本発明の光電界センサ装置は、アン
テナと、光源と、電界強度によって光強度を変調する光
変調器と、変調光を電気信号に変換する光検出器を備
え、さらに、前記光変調器の温度をモニタする温度計
と、この温度計からの温度信号を用いて、電界測定の感
度係数を補正する感度補正演算部とを備えた光電界セン
サ装置である。

【００２５】また、前記光検出器は、電気信号を直流成
分と高周波成分とに分けて出力する手段を備え、前記感
度補正部は、前記温度計からの温度信号を用いてバイア
ス点のずれを求める演算手段と、前記直流成分と前記バ
イアス点のずれから入射光強度を求める演算手段と、前
記入射光強度と前記高周波成分から、被測定電界の強度
を求める演算手段とする光電界センサ装置である。

【００２６】また、前記光検出器は、電気信号を直流成
分と高周波成分とに分けて出力する手段を備え、前記感
度補正部は、前記温度計からの温度信号を用いてバイア
ス点のずれを求める演算手段と、前記直流成分と前記バ
イアス点のずれから入射光強度を求める演算手段と、前
記入射光強度と前記バイアス点のずれと前記高周波成分
から、被測定電界の強度を求める演算手段とを備えた光
電界センサ装置である。

【００２７】また、本発明の光電界センサ装置は、前記
温度計を光ファイバで温度信号を伝送する手段を備えて
成る温度計とした光電界センサ装置である。

【００２８】また、本発明の光電界センサ装置は、前記
光調部を電気光学結晶に設けられた導波路型マッハツェ
ンダ干渉計とする光電界センサ装置である。

【００２９】また、本発明の光電界センサ装置は、前記
電気光学結晶をＬｉＮｂＯ_３単結晶とする光電界センサ
装置である。

【００３０】また、本発明の光電界センサ装置は、前記
導波路型マッハツェンダ干渉計をＬｉＮｂＯ_３結晶基板
にＴｉイオンを拡散して作製した光電界センサ装置であ
る。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
の光電界センサ装置の発明の実施の形態を説明する。

【００３２】本発明の光電界センサ装置は、アンテナ
と、光源と、電界強度によって光強度を変調する光変調
器と、変調光を電気信号に変換する光検出器を備え、さ
らに、前記光変調器の温度をモニタする温度計と、この
温度計からの温度信号を用いて、電界測定の感度係数を
補正する感度補正演算部とを備えた光電界センサ装置と
するものである。

【００３３】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施の形態に係る光電界センサ装置の構成を説明す
るブロック図である。１１は半導体レーザ（ＬＤ）光
源、１２はアンテナ、１３は光変調器、１４は光変調器
１３の温度をモニタする光温度計、１５は変調光を電気
信号に変換し、直流成分と高周波成分に分けて出力する
光検出器、１６は光温度計１４からの温度信号と、直流
成分と高周波成分から、感度係数を補正して、電界信号
を出力する感度補正演算部である。

【００３４】ここで用いる光変調器１３は、従来例とし
て説明した図７のＬｉＮｂＯ_３光変調器と同じである。
ＬｉＮｂＯ_３単結晶基板上にＴｉイオンを熱拡散させ
て、マッハツェンダ型光導波路を形成し、分岐導波路に
は被測定電界を印加する金属電極膜が形成されている。

【００３５】次に、図４は、本実施の形態の光電界セン
サ装置において用いた光温度計１４の構成を示す図であ
る。図４において、半導体レーザ光源を出射した光は、
光サーキュレータを経て、光ファイバによって測定点ま
で伝送され、測定点である光変調器部分に設置された光
ルミネッセンス素子に入射する。この光で励起された、
２種類の発光スペクトルを持つルミネッセンス光は、光
ファイバを逆行し、光サーキュレタを経て、スペクトル
比較演算部に導かれる。このとき、一方の発光スペクト
ルは、温度にほとんど依存しない発光強度を持ち、もう
一方の発光スペクトルは温度に大きく依存して強度変化
する。従って、両者の比をとることによって、温度を測
定することができる。

【００３６】さらに、感度補正演算部１６について詳し
く説明する。

【００３７】図５は、本実施の形態における感度係数の
補正の流れを示す図である。図１の光温度計１４からの
温度信号によって、バイアス点のずれ量、即ち、(２）
式に示したΔを求める。Δは光導波路の屈折率が温度に
よって変化することによって生じるので、その温度依存
性は、半波長電圧Ｖ_πと同様に、ＬｉＮｂＯ_３光変調器
の導波路の設計によって定まっている。

【００３８】バイアス点のずれΔが求まれば、光検出器
から出力されたＤＣ成分と合わせて、（３）式の第１項
で表した式による演算を行い、入射光強度Ｐｉと挿入損
失αの積を定める。このとき、（３）式では入射光強度
Ｐｉと挿入損失αは積として用いられるので、高周波成
分測定のために分離する必要は無い。

【００３９】次に、光検出器１５からの高周波成分と入
射光強度Ｐ_ｉに（３）式の第２項による演算を加え、測
定する電界強度を決定する。

【００４０】このようにして、感度係数に温度補正を加
えた電界強度の測定ができた。また、光温度計には、光
ファイバで温度信号を伝送するタイプのものを用いたの
で、測定電界を乱さないという光電界センサの特徴を維
持することができた。特に、測定点の経時的な温度変動
による測定確度の低下を防ぐことができた。

【００４１】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態における光電界センサ装置について説明す
る。本実施の形態において、第１の実施の形態と異なる
部分は、感度補正演算部のみであるので、この部分に説
明を絞る。

【００４２】図６は、本実施の形態における感度係数の
補正の流れを示す図である。光温度計１４からの温度信
号によって、バイアス点のずれを定める。得られたバイ
アス点のずれと光検出器１５から出力された直流成分に
演算を加え、入射光強度を定める。

【００４３】ところで、問題を解決する手段の項目で、
出力光強度の温度依存性の説明を行ったときには、高周
波成分には、温度変動によるバイアス点のずれが影響を
及ぼさなかった。しかし、それは、ｓｉｎＸ＝Ｘと近似
したからである。実際には、バイアス点のずれによっ
て、特に、入力電圧が大きくなったときには、高周波成
分は無視できない影響を受ける。

【００４４】そこで、本実施の形態においては、得られ
たバイアス点のずれ量と、高周波成分と、得られた入射
光強度に演算を加え、電界強度を決定する。

【００４５】このような感度係数の補正演算を行うこと
によって、経時的な温度変動に伴う電界測定値のばらつ
きは、さらに低減することができた。

【００４６】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、使用環境の温度変化にかかわらず、経時的に安定し
た、確度の高い電界測定が可能な光電界センサ装置を提
供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による光電界センサ
装置を示すブロック図。

【図２】光変調器の電極に印加する入力電圧と出力光強
度の関係を示す図。

【図３】バイアス点の変動を示す説明図。

【図４】本発明の実施の形態において用いられた光温度
計の構成を示す図。

【図５】本発明の第１の実施の形態における感度係数の
補正処理の流れを示す図。

【図６】本発明の第２の実施の形態における感度係数の
補正処理の流れを示す図。

【図７】従来の光電界センサ装置の構成を示す斜視図。

【図８】従来の光電界センサ装置の構成を示す図。

【符号の説明】

１１半導体レーザ光源１２アンテナ１３光変調器１４光温度計１５光検出器１６感度補正演算部７１ａ，７１ｂ光ファイバ７２ａ，７２ｂ金属電極７３ａ，７３ｂ分岐光導波路７５ＬｉＮｂＯ_３単結晶基板７６，７７光導波路８６光源６２，８２光変調器８１アンテナ８４偏波保持ファイバ８５受光器

フロントページの続きＦターム(参考） 2G025 AA08 AB11 AC01 AC06 2H079 AA02 AA12 BA01 CA12 DA03 EA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アンテナと、光源と、電界強度によって
光強度を変調する光変調器と、変調光を電気信号に変換
する光検出器を備え、さらに、前記光変調器の温度をモ
ニタする温度計と、この温度計からの温度信号を用い
て、電界測定の感度係数を補正する感度補正演算部とを
備えて構成されたことを特徴とする光電界センサ装置。
【請求項２】前記光検出器は電気信号を直流成分と高
周波成分とに分けて出力する手段を備え、前記感度補正
部は、前記温度計からの温度信号を用いてバイアス点の
ずれを求める演算手段と、前記直流成分と前記バイアス
点のずれから入射光強度を求める演算手段と、前記入射
光強度と前記高周波成分から、被測定電界の強度を求め
る演算手段とを備えてなることを特徴とする請求項１記
載の光電界センサ装置。
【請求項３】前記光検出器は電気信号を直流成分と高
周波成分とに分けて出力する手段を備え、前記感度補正
部は、前記温度計からの温度信号を用いてバイアス点の
ずれを求める演算手段と、前記直流成分と前記バイアス
点のずれから入射光強度を求める演算手段と、前記入射
光強度と前記バイアス点のずれと前記高周波成分から、
被測定電界の強度を求める演算手段とを備えてなること
を特徴とする請求項１記載の光電界センサ装置。
【請求項４】前記温度計は光ファイバで温度信号を伝
送する手段を備えて成る温度計であることを特徴とする
請求項１ないし３のいずれかに記載の光電界センサ装
置。
【請求項５】前記光調部は電気光学結晶に設けられた
導波路型マッハツェンダ干渉計であることを特徴とする
請求項１ないし３のいずれかに記載の光電界センサ装
置。
【請求項６】前記電気光学結晶はＬｉＮｂＯ_３単結晶
であることを特徴とする請求項５記載の光電界センサ装
置。
【請求項７】前記導波路型マッハツェンダ干渉計はＬ
ｉＮｂＯ_３結晶基板上にＴｉイオンを拡散してなる光導
波路を備えて構成されることを特徴とする請求項５記載
の光電界センサ装置。