JP2002181861A

JP2002181861A - 電界センサユニット

Info

Publication number: JP2002181861A
Application number: JP2000382370A
Authority: JP
Inventors: Masaki Sakakibara; 正毅榊原; Naoshi Sakamoto; 直志坂本
Original assignee: Showa Electric Wire and Cable Co
Current assignee: SWCC Corp
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2002-06-26

Abstract

(57)【要約】【課題】電界に対する無指向性化を図ることができ、而
も、光源等の外乱による光強度変動の影響を受けないな
どの高い測定能力を有する複数の電界センサをユニット
化しても小型化を図ることができる。【解決手段】入射光を受けると共に出射光を出射し、且
つ印加される電界の強度に応じて屈折率を変化させる拡
散型の入出射光導波路４と、この入出射光導波路４に書
き込まれ、入射光をブラッグ回折する波長変調器用グレ
ーティング５と、この波長変調器用グレーティング５に
近接されて設けられる電極６、６′を有するパターンア
ンテナ７、７′とが基板３の同一平面上に形成された電
界センサ２を３つ備え、各電界センサ２Ａ、２Ｂ、２Ｃ
はそれぞれ３方向に互いに直交して設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は電界センサユニッ
トに係り、特に、電気光学効果を有する結晶上に光導波
路が形成された光導波路型素子を用いる電界センサから
成る電界センサユニットに関する。

【０００２】

【従来の技術および発明が解決しようとする課題】コン
ピュータ等の情報機器、通信機器、自動車、電車等に使
用される制御器など多くの電気機器は、互いに外部から
の電磁ノイズによる誤動作などの影響を受けやすく、ま
た電磁波が人体に及ぼす影響が懸念されている。特に、
ＥＭＣ分野（ノイズ分野）において、外部の電磁環境に
影響を及ぼすようなノイズの大きさや、電気機器自体が
発生するノイズ等を正確に測定することが重要になって
きている。この電磁ノイズを測定する測定装置としては
アンテナを使用するものが一般的であるが、同軸ケーブ
ル等の電気ケーブルの存在により電界分布が乱れたり、
また電気ケーブルに対してノイズが混入したりする虞が
あった。

【０００３】このような難点を解決するために、電界強
度を光信号に変換する光学素子をセンサとして使用する
電界センサが開発されている。この電界センサは例えば
図６に示すように、基板５１、入射光導波路５２、２つ
の位相シフト光導波路５３、５３′および出射光導波路
５４を具備している。入射光導波路５２は基板５１上に
形成され入射光ファイバ５７に接続されている。位相シ
フト光導波路５３、５３′は入射光導波路５２から分岐
するように基板５１上に形成され、印加される電界強度
に応じて屈折率が変化するようになっている。出射光導
波路５４は位相シフト光導波路５３、５３′と合流する
ように基板５１上に形成されると共に出射光ファイバ５
８に接続されている。

【０００４】また、基板５１上には位相シフト光導波路
５３、５３′をそれぞれ挟むように配置される一対のパ
ターン電極５５、５５′が形成されている。この一対の
パターン電極５５、５５′の各一辺にはそれぞれロッド
アンテナ５６、５６′が接続されている。

【０００５】このように構成されたマッハツェンダー方
式の電界センサにおいて、入射光ファイバ５７からの入
射光は入射光導波路５２に入射後、位相シフト導波路５
３、５３′に分岐される。このような状態で電界が印加
されると、ロッドアンテナ５６、５６′により一対のパ
ターン電極５５、５５′に電圧が誘起されるので、位相
シフト導波路５３、５３′には深さ方向に互いに反対向
きの電界成分が生ずる。したがって、電気光学効果によ
り屈折率変化が生じて位相シフト導波路５３、５３′を
伝搬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。この位相差が生じている各光波が合流して出射
光導波路５８で結合される場合に、干渉により光強度が
変化することになる。即ち、印加電界の強度に応じて出
射光の強度は変化することになるので、その光強度変化
を検出器で測定すれば印加電界の強度を測定することが
できる。

【０００６】このような光強度変化から電界を検出する
ものとして、電界の検出方法（特開平７−１５１８０４
号公報）、電界センサヘッドおよび電界センサ（特開平
８−４３４６７号公報）が提案されている。

【０００７】しかしながら、このような電界センサで
は、測定しようとする環境電磁波の到来方向や偏波面は
予測することができないので、測定中に様々な方向に当
該電界センサを向けて配置して最大強度方向を探し出し
て測定しなければならなかった。また、電界センサを構
成するロッドアンテナやダイポールアンテナでは指向性
が強いので、電磁波発生源が多方向にある場合は、多数
の測定ポイントで互いに直交する３方向について電界強
度をそれぞれ測定し、解析する必要があった。したがっ
て、電界センサの取扱いの難しさや測定の信頼性等につ
いて難点があった。

【０００８】このような難点を解決するために、図７
（ａ）、（ｂ）に示すような光電界センサ６０が提案さ
れている。この光電界センサ６０は、指向性をもつ３組
のダイポールアンテナ６１Ｘ、６１Ｙ、６１Ｚを直交し
た３軸（Ｘ、Ｙ、Ｚ）に構成し、それぞれの入力を別々
に、同一基板６２上に３個並列に形成したマッハツェン
ダー形光変調器６３Ｘ、６３Ｙ、６３Ｚの変調電極６４
に導く。

【０００９】このように構成されたマッハツェンダー方
式の光電界センサは、それぞれのダイポールアンテナ６
１Ｘ、６１Ｙ、６１Ｚの指向性に依存して各偏波成分を
測定することができるので、３個のマッハツェンダー形
光変調器６３Ｘ、６３Ｙ、６３Ｚによって全方位の測定
を可能とする。

【００１０】このような指向性をもつ３組のダイポール
アンテナで多方向成分の電界強度を測定するものとし
て、光電界センサ（特開平７−２３９３５６号公報）、
光電界センサ（特開平７−２９４５７５号公報）が提案
されている。

【００１１】しかしながら、上述した何れの電界センサ
もマッハツェンダー方式なので、光出力が印加電圧に対
して周期的に三角関数曲線を描くことから最大値と最小
値とを取らなければならず、ダイナミックレンジを取る
ことができない。これにより、最大値を超えた電界強度
に対しては計測能力を失い誤認判定をする虞がある。ま
た、光強度変調のために光源等の外乱による光強度変動
の影響を受け易く、それが信号に重畳されることにより
ノイズとなる。なお、その影響は現時点においては除去
することはできない。また、温度ドリフトによる光学バ
イアスの変化が起こる難点がある。

【００１２】さらに、複数の電界センサに１本のファイ
バーから光を分岐して供給しようとする場合に入射光の
パワーが少なくなると、Ｃ／Ｎ比が小さくなることによ
りダイナミックレンジが小さくなる難点があるので、多
重伝送には適さない。

【００１３】本発明は、このような従来の難点を解決す
るためになされたもので、光源等の外乱による光強度変
動の影響を受けることなく、また、温度ドリフト等の環
境変化による変動を防ぐことができ、さらに、多方向成
分の電界強度を測定すると共に電界の無指向測定を可能
にし、而も多点測定データを波長多重伝送することが可
能な電界センサユニットを提供することを目的とする。

【００１４】また、高い測定能力を有する電界センサを
ユニット化しても小型化が図れる電界センサユニットを
提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
る本発明の電界センサユニットは、入射光を受けると共
に出射光を出射し、且つ印加される電界の強度に応じて
屈折率を変化させる拡散型の入出射光導波路と、入出射
光導波路に書き込まれ、入射光をブラッグ回折する波長
変調器用グレーティングと、波長変調器用グレーティン
グに近接されて設けられる電極を有するパターンアンテ
ナとが基板の同一平面上に形成された電界センサを少な
くとも３つ備え、各電界センサはそれぞれ３方向に互い
に直交して設けられているものである。

【００１６】また、本発明の電界センサユニットは、入
射光を受けると共に出射光を出射する入出射光導波路
と、入出射光導波路に結合され該入出射光導波路からの
入射光を分岐する光分岐結合器と、光分岐結合器で分岐
された各入射光がそれぞれ入射されるように光分岐結合
器に結合され、印加される電界の強度に応じて屈折率を
変化させる第１および第２の拡散型光導波路と、第１の
拡散型光導波路に書き込まれ、分岐された一方の入射光
をブラッグ回折する温度補償用グレーティングと、第２
の拡散型光導波路に書き込まれ、分岐された他方の入射
光をブラッグ回折する波長変調器用グレーティングと、
波長変調器用グレーティングに近接されて設けられる電
極を有するパターンアンテナとが基板の同一平面上に形
成された電界センサを少なくとも３つ備え、各電界セン
サはそれぞれ３方向に互いに直交して設けられているも
のである。

【００１７】このような本発明の電界センサユニットの
各電界センサは、それぞれ入射光が入出射光導波路に入
射すると、波長変調器用グレーティングで基準となる波
長の反射光が反射される。ここで、アンテナに電磁波が
印加されると、電極には電磁波に比例した電圧が誘起さ
れので、この印加電圧に応じた波長の反射光が波長変調
器用グレーティングから反射される。この基準となる波
長と印加電圧に応じた波長との波長差を検出すること
で、電界強度を測定することができる。これにより、光
の波長変調で電界強度の変化を検出することができるの
で、光源等の外乱による光強度変動の影響を受けなくな
る。また、温度補償用グレーティングを併用すれば、温
度補償用グレーティングからの基準波長と、波長変調器
用グレーティングからの波長との差を電界強度として測
定することができるので、温度ドリフト等の環境変化に
よる変動を防ぐことができる。

【００１８】さらに、このような高い測定能力を有する
各電界センサは、それぞれ３方向に互い直交して設けら
れていることから、多方向成分の電界強度を同時に測定
することができるので、電界に対する無指向性化を図る
ことができる。

【００１９】また、本発明の電界センサユニットにおい
て温度補償用グレーティングおよび波長変調器用グレー
ティングは、温度変化に対して同一の屈折率変化を生ず
る構造から成るものが好ましい。これにより、温度変化
に対して同等の波長変化を起こさせることができる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の電界センサユニッ
トの実施の一形態について図面を参照して説明する。

【００２１】本発明の電界センサユニットに用いられる
電界センサは、例えば図２に示すように、基板３上に入
出射光導波路４、波長変調器用グレーティング５および
２つのパターンアンテナ７、７′が形成されている。な
お、基板３は電気光学効果の大きな材料、例えば、LiNb
O₃（ニオブ酸リチウム）結晶板を用いるのが好ましい。

【００２２】入出射光導波路４は偏波保持型の入出射光
ファイバ８に接続され、この入出射光ファイバ８からの
入射光を受けると共に出射光を出射するもので、基板３
上に例えば金属Ti膜をストリップラインに加工し、所定
温度で熱処理してLiNbO₃結晶中に金属Tiを拡散すること
により形成される拡散型光導波路である。したがって、
印加される電界の強度に応じて屈折率を変化させること
ができる。なお、入出射光導波路４は基板３の出力端３
ａまで形成され、この基板３の出力端３ａは入出射光導
波路４に対して垂直にカットされずに、この仮想垂直面
Ｌに対して例えば１２度傾斜した状態でカットされた無
反射端に形成されている。これは、端面から反射された
光が入射側に戻り、波長変調器用グレーティング５から
の反射光のＳ／Ｎの低下を防ぐためである。

【００２３】波長変調器用グレーティング５は、入出射
光ファイバ８から入射する入射光をブラッグ回折するも
ので、入出射光導波路４に書き込まれている。ここでブ
ラッグ回折とは結晶の空間格子の中の一群の格子面で起
こる回折で、屈折率を周期的に変化させる。したがっ
て、波長変調器用グレーティング５は、書き込まれた箇
所で入射光を反射させ波長変調させることができるの
で、検出感度を高くすることができ而も周波数帯域を広
くすることができる。

【００２４】２つのパターンアンテナ７、７′は波長変
調器用グレーティング５を挟むように配置され、それぞ
れ基板３上に例えば渦巻き状に形成されている。この２
つのパターンアンテナ７、７′は、それぞれ入出射光導
波路４に書き込まれている波長変調器用グレーティング
５と同等の長さに形成され、且つ当該波長変調器用グレ
ーティング５に対して近接されて設けられる電極６、
６′を有している。

【００２５】このような電界センサ２は図１に示すよう
に、例えば３つの電界センサ２Ａ、２Ｂ、２Ｃがそれぞ
れ３方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）に互いに直交するように接
着剤等により貼り合わされ、ユニット化されている。こ
れにより、多方向成分の電界強度を同時に測定すること
ができるので、電界に対する無指向性化を図ることがで
きる。

【００２６】次に、電界センサユニット１からの反射波
長を演算処理することにより電界強度を測定する電磁界
測定装置について説明する。

【００２７】電磁界測定装置は図３に示すように、光源
１１、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）１２、ＷＤＭ
（光合分波器）１３、光スイッチ１４、復調器１５、信
号処理回路１６およびＣＰＵ１７から構成されている。
光源１１はＰＢＳ１２を介して光コネクタ１８に接続さ
れ、ＰＢＳ１２の反射側にはＷＤＭ（光合分波器）１
３、光スイッチ１４、復調器１５、信号処理回路１６お
よびＣＰＵ１７がそれぞれ直列に接続されている。

【００２８】このように構成された電磁界測定装置１０
を電界センサユニット１に接続する場合は、分岐素子で
あるスターカプラ１９が用いられる。具体的には、スタ
ーカプラ１９の入力側に、電磁界測定装置１０の光コネ
クタ１８に接続された主幹となる入出射光ファイバ２０
が接続され、入力側から３本に分岐された出力側にそれ
ぞれ枝幹となる入出射光ファイバ８Ａ、８Ｂ、８Ｃが接
続され、各入出射光ファイバ８Ａ、８Ｂ、８Ｃにそれぞ
れ電界センサ２Ａ、２Ｂ、２Ｃの入出射光導波路４が接
続される。なお、分岐素子はスターカプラ１９に限ら
ず、光を等分割できればＷＤＭ等でもよい。

【００２９】このような電磁界測定装置１０が接続され
た電界センサユニット１による電界強度測定について、
以下詳述する。なお、各電界センサ２Ａ、２Ｂ、２Ｃの
反射波長は、それぞれの電界センサ２Ａ、２Ｂ、２Ｃに
設けられた波長変調器用グレーティング５の格子間隔を
各々変化させて反射波長をずらすことにより、所定の波
長間隔で反射されるように調整されている。

【００３０】電磁界測定装置１０の光源１１から図４
（ａ）に示すような広帯域な特性をもつ入射スペクトル
λ₀の入射光を出射させると、入射光はＰＢＳ１２を介
して入出射光ファイバ２０に入射され、スターカプラ１
９で等分割される。スターカプラ１９で等分割された入
射光は、それぞれ各入出射光ファイバ８Ａ、８Ｂ、８Ｃ
を介して各電界センサ２Ａ、２Ｂ、２Ｃに入射される。
例えば、電界センサ２Ａに入射された入射光は、入出射
光導波路４から波長変調器用グレーティング５に入射さ
れる。入射された入射光は、波長変調器用グレーティン
グ５によりブラッグ回折され、ブラッグの回折条件を満
たす波長のみ反射光として入出射光導波路４に反射させ
るので、波長λx＝Ｘ₁の反射光になる。この反射光は図
４（ｂ）に示すように狭帯域な特性をもつ反射スペクト
ルになる。

【００３１】ここで、電界センサ２Ａに電界が印加され
ると、パターンアンテナ７、７′によりパターン電極
６、６′に電圧が誘起され、波長変調器用グレーティン
グ５には深さ方向の電界成分が生ずる。この結果、電気
光学効果により波長変調器用グレーティング５には実効
屈折率変化が生ずるので、波長変調器用グレーティング
５からの反射光の波長λx＝Ｘ₁を印加電圧に応じた波長
λx＝Ｘ₁′に変化させることができる。即ち、パターン
電極６、６′および波長変調器用グレーティング５は波
長変調器となる。

【００３２】このような電界が印加されない反射光と電
界が印加される反射光とは、それぞれスターカプラ１９
に入射される。

【００３３】また、電界センサ２Ｂ、２Ｃに入射された
入射光は、それぞれ波長λy、λzの反射光になってスタ
ーカプラ１９に入射される。なお、電界が印加されない
反射光の波長はそれぞれλy＝Ｙ₁、λz＝Ｚ₁となり、電
界が印加される反射光の波長はそれぞれλy＝Ｙ₁′、λ
z＝Ｚ₁′となる。

【００３４】これら３種類の反射光はスターカプラ１９
で合波され、入出射光ファイバ２０を介して電磁界測定
装置１０に入射される。

【００３５】電磁界測定装置１０は、スターカプラ１９
で合波された３種類の反射光を、ＰＢＳ１２で反射させ
てＷＤＭ１３に入射させる。ＷＤＭ１３はこの合波され
た３種類の反射光を波長毎に分波させ、この分波された
各反射光は光スイッチ１４により光路が切り替えられ、
それぞれ復調器１５に入射される。復調器１５は、電界
を印加しない場合の反射波長と、電界を印加した場合の
反射波長との差を演算処理することにより、例えば図４
（ｃ）に示すように、波長λxの反射光の変調分、即
ち、電界を印加しない場合の反射波長と、電界を印加し
た場合の反射波長との差であるΔλx₁を検出することが
できる。したがって、波長λy、λzの各反射光の変調分
もΔλy₁、Δλz₁として検出することができる。そし
て、この変調分であるΔλx₁、Δλy₁、Δλz₁は、信号
処理回路１６でそれぞれ各電界センサ２Ａ、２Ｂ、２Ｃ
毎の電界強度として値付けられる。最後に、ＣＰＵ１７
でこれら電界強度のデータを統合し演算処理して、信頼
性のある電界強度を求めることができる。

【００３６】なお、本発明の電界センサユニットに用い
られる電界センサは、これに限らず、図６に示すよう
に、基板３上に入出射光導波路４０、光分岐器（光分岐
結合器）２１、第１および第２の拡散型光導波路２２、
２２′、温度補償用グレーティング２３、波長変調用グ
レーティング２４、２つのパターンアンテナ７、７′が
形成されているものでもよい。

【００３７】このような電界センサ２０の入出射光導波
路４０は偏波保持型の入出射光ファイバ８に接続され、
この入出射光ファイバ８からの入射光を受けると共に出
射光を出射するものである。第１および第２の拡散型光
導波路２２、２２′の一端はそれぞれ光分岐器２１を介
して入出射光導波路４０に結合され、印加される電界の
強度に応じて屈折率を変化させることができる。このよ
うな入出射光導波路４０、光分岐器２１、第１および第
２の拡散型光導波路２２、２２′は、上述した電界セン
サ１と同様に、基板３上に例えば金属Ti膜をストリップ
ラインに加工し、所定温度で熱処理してLiNbO₃結晶中に
拡散することにより形成される。なお、第１および第２
の拡散型光導波路２２、２２′は基板３の出力端３ａま
で形成されている。この基板３の出力端３ａは、上述し
た電界センサ１と同様に、第１および第２の拡散型光導
波路２２、２２′に対して垂直にカットせずに、この仮
想垂直面Ｌに対して例えば１２度傾斜した状態でカット
された無反射端に形成させ、端面から反射された光を入
射側に戻すことにより、温度補償用グレーティング２３
および波長変調器用グレーティング２４からの反射光の
Ｓ／Ｎの低下を防いでいる。

【００３８】温度補償用グレーティング２３は光分岐器
２１から第１の拡散型光導波路２２へ分岐された入射光
をブラッグ回折するもので、第１の拡散型光導波路２２
に書き込まれている。また、波長変調器用グレーティン
グ２４は温度補償用グレーティング２３と同様に光分岐
器２１から第２の拡散型光導波路２２′へ分岐された入
射光をブラッグ回折するもので、第２の拡散型光導波路
２２′に書き込まれている。なお、温度補償用グレーテ
ィング２３および波長変調器用グレーティング２４を同
位相で反射させるために、第１および第２の拡散型光導
波路２２、２２′の導波路長を等しくさせると共に、各
グレーティング２３、２４を同一構造にさせる。

【００３９】このように構成された温度補償用グレーテ
ィング２３および波長変調器用グレーティング２４は、
書き込まれた箇所においてそれぞれ反射させて波長変調
させることができるので、検出感度を高くすることがで
き而も周波数帯域を広くすることができる。

【００４０】２つのパターンアンテナ７、７′は上述し
た電界センサ２と同様で、波長変調器用グレーティング
２４を挟むように配置され、それぞれ基板３上に例えば
渦巻き状に形成されている。この２つのパターンアンテ
ナ７、７′は、それぞれ第２の拡散型光導波路２２′に
書き込まれている波長変調器用グレーティング２４と同
等の長さに形成され、且つ当該波長変調器用グレーティ
ング２４に対して近接されて設けられる電極６、６′を
有している。

【００４１】このような電界センサ２０は上述した電界
センサユニット１と同様に、例えば３つの電界センサ２
０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃがそれぞれ３方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ方
向）に互いに直交するように接着剤等により貼り合わさ
れ、ユニット化されている（図５参照）。これにより、
多方向成分の電界強度を同時に測定することができるの
で、電界に対する無指向性化を図ることができる。

【００４２】このように構成された電界センサユニット
１００を図３に示すように、スターカプラ１９を介して
電磁界測定装置１０に接続して、電界強度測定を開始す
る。なお、温度補償用グレーティング２３および波長変
調器用グレーティング２４は、温度変化に対して同等の
波長変化を起こさせるために、温度変化に対して同一の
屈折率変化を生ずる構造とする。また、各電界センサ２
０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの反射波長は上述した電界センサ
ユニット１と同様に、それぞれの電界センサ２０Ａ、２
０Ｂ、２０Ｃに設けられた温度補償用グレーティング２
３および波長変調器用グレーティング２４の格子間隔を
各々変化させて反射波長をずらすことにより、所定の波
長間隔で反射されるように調整されている。

【００４３】電磁界測定装置１０の光源１１から図４
（ａ）に示すような広帯域な特性をもつ入射スペクトル
λ₀の入射光を出射させると、入射光はＰＢＳ１２を介
して入出射光ファイバ２０に入射され、スターカプラ１
９で等分割される。スターカプラ１９で等分割された入
射光は、それぞれ各入出射光ファイバ８Ａ、８Ｂ、８Ｃ
を介して各電界センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃに入射さ
れる。例えば、電界センサ２０Ａに入射された入射光
は、入出射光導波路４０を介して光分岐器２１から第１
の拡散型光導波路２２と第２の拡散型光導波路２２′と
に分岐され、第１の拡散型光導波路２２に入射された入
射光は温度補償用グレーティング２３へ、第２の拡散型
光導波路２２′に入射された入射光は波長変調器用グレ
ーティング２４へとそれぞれ入射される。温度補償用グ
レーティング２３および波長変調器用グレーティング２
４に入射された入射光は、それぞれ温度補償用グレーテ
ィング２３および波長変調器用グレーティング２４によ
りブラッグ回析され、ブラッグの回析条件を満たす波長
のみ反射光として第１の拡散型光導波路２２および第２
の拡散型光導波路２２′に反射させるので、波長λx＝
Ｘ₂の反射光になる。この反射光は図４（ｂ）に示すよ
うに狭帯域な特性をもつ反射スペクトルになる。

【００４４】ここで、電界センサ２０Ａに電界が印加さ
れると、パターンアンテナ７、７′によりパターン電極
６、６′に電圧が誘起され、波長変調器用グレーティン
グ２４には深さ方向の電界成分が生ずる。この結果、電
気光学効果により波長変調器用グレーティング２４には
実効屈折率変化が生ずるので、波長変調器用グレーティ
ング２４からの反射光の波長を印加電圧に応じた波長λ
x＝Ｘ₂′に変化させることができる。即ち、パターン電
極６、６′および波長変調器用グレーティング２４は波
長変調器となる。

【００４５】このような電界が印加されない反射光と電
界が印加される反射光とは、それぞれスターカプラ１９
に入射される。

【００４６】また、電界センサ２０Ｂ、２０Ｃに入射さ
れた入射光は、それぞれ波長λy、λzの反射光になって
スターカプラ１９に入射される。なお、電界が印加され
ない各反射光の波長はそれぞれλy＝Ｙ₂、λz＝Ｚ₂とな
り、電界が印加される各反射光の波長はそれぞれλy＝
Ｙ₂′、λz＝Ｚ₂′となる。

【００４７】これら３種類の反射光はスターカプラ１９
で合波され、入出射光ファイバ２０を介して電磁界測定
装置１０に入射される。

【００４８】電磁界測定装置１０はスターカプラ１９で
合波された３種類の反射光を、ＰＢＳ１２で反射させて
ＷＤＭ１３に入射させる。ＷＤＭ１３はこの合波された
３種類の反射光を波長毎に分波させ、この分波された各
反射光は光スイッチ１４により光路が切り替えられ、そ
れぞれ復調器１５に入射される。復調器１５は、電界を
印加しない場合の反射波長と、電界を印加した場合の反
射波長との差を演算処理することにより、例えば図４
（ｃ）に示すように、波長λxの反射光の変調分、即
ち、温度補償用グレーティング２３からの反射光を基準
にして波長変調器用グレーティング２４からの反射光と
の波長差であるΔλx₂を検出することができる。したが
って、波長λy、λzの各反射光の変調分もΔλy₂、Δλ
z₂として検出することができる。そして、この変調分で
あるΔλx₂、Δλy₂、Δλz₂は、信号処理回路１６でそ
れぞれ各電界センサ２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ毎の電界強
度として値付けられる。最後に、ＣＰＵ１７でこれら電
界強度のデータを統合し演算処理して、信頼性のある電
界強度を求めることができる。

【００４９】なお、温度補償用グレーティング２３およ
び波長変調器用グレーティング２４は、温度変化に対し
て同一の実効屈折率変化を生ずる構造なので、温度変化
による波長変動の影響を防ぐことができる。

【００５０】また、電界センサは図８に示すように、入
出射光ファイバ８からの入射光を入出射光導波路２５、
２５′の何れかを介して第１および第２の拡散型光導波
路２２、２２′に分岐させるために、光方向性結合器
（光分岐結合器）２６を用いてもよい。この光方向性結
合器２６は、入出射光ファイバ８と第１および第２の拡
散型光導波路２２、２２′との間に、入出射光導波路２
５、２５′と共にＴｉ拡散により形成される。即ち、光
方向性結合器２６の入力側の一方が入出射光導波路２
５′を介して入出射光ファイバ８に接続され、出力側の
一方が第２の拡散型光導波路２２′に、他方が第１の拡
散型光導波路２２にそれぞれ接続されている。なお、２
つの入出射光導波路２５、２５′と共に光方向性結合器
２６を形成させる以外は、上述の電界センサ２０と同じ
構成なので、各部品に同一符号を付することで説明を省
略する。

【００５１】このような電界センサ２００は上述した電
界センサユニット１、１００と同様に、例えば３つの電
界センサ２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃがそれぞれ３方
向（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）に互いに直交するように接着剤等
により貼り合わされ、ユニット化されている（図７参
照）。これにより、多方向成分の電界強度を同時に測定
することができるので、電界に対する無指向性化を図る
ことができる。

【００５２】したがって、電界センサ２００Ａ、２００
Ｂ、２００Ｃから成る電界センサユニット１０００は、
上述の電界センサユニット１００と同様の電界強度の測
定結果を得ることができる。

【００５３】このように、本発明の電界センサユニット
は、波長変調によって電界強度の変化を検出することか
ら、入射光のパワーが減少しても測定感度に影響がない
ので、電界センサユニットを複数個パラレルに接続して
１本の光ファイバで波長多重伝送させることが可能にな
る。

【００５４】

【実施例】さらに、本発明の電界センサユニットの動作
性能について、以下のような条件で実験を行なった。

【００５５】電界センサの基板にＺカットのLiNbO₃結晶
の３インチウエハーを使用し、その基板上に５０nmのTi
パターンを形成し１０５０℃の水蒸気雰囲気で１０時間
の熱拡散を行い、Ti拡散光導波路を形成した。また、こ
の拡散型光導波路中に、プラズマエッチングにより入射
光をブラッグ回折するグレーティング構造（以下、「波
長変調用グレーティング」という。）を加工し、さら
に、基板前面にSiO₂膜を成膜して波長変調用グレーティ
ングを形成した。なお、入射光源には、波長１．５５μ
ｍ帯にて広帯域でパワーが強い入射スペクトルを持つ増
幅自然発光光源（以下、「ＡＳＥ光源」と称する。）を
使用した。

【００５６】このような電界センサを、それぞれ３方向
（Ｘ、Ｙ、Ｚ方向）に互いに直交するように貼り合わせ
た電界センサユニットを使用して各性能を測定した。な
お、各電界センサの波長変調器用グレーティング長は約
１５mmで形成し、これら波長変調器用グレーティング長
の周期Λx、Λy、Λzを、反射波長λx、λy、λzの間隔
がそれぞれ約８nmになるように各電界センサ毎に調整し
た。具体的には、 Λx＝0.3481μm、反射波長λx＝1.5430μm Λy＝0.3499μm、反射波長λy＝1.5509μm、Δλy−λx
＝7.9nm Λz＝0.3518μm、反射波長λz＝1.5590μm、Δλz−λy
＝8.1nm とした。

【００５７】この測定によれば、各電界センサからの反
射光の半値幅は、０．１nm以下となり、反射効率６５％
〜７０％を得ることができた。また、電界センサユニッ
トへの入射強度が−１０dBm/１nm〜−３７dBm/１nmの範
囲となり、電界強度測定の精度を落とさずに測定可能に
なるので、各電界センサの測定周波数範囲は３dB帯域幅
DC〜１．２GHzの性能を記録した。したがって、入射レ
ベルが少なくとも測定精度が低下しないことがわかった
ので、電界強度の測定における波長変調方式の電界セン
サの有効性が実証された。

【００５８】また、入射光源に上述のＡＳＥ光源を使用
して、電界センサへの入射強度を−１０dBm/１nm、波長
変調用グレーティングからの反射波長の間隔を８nmで作
成した。これにより、６個の電界センサのカスケード接
続による波長多重伝送が可能になった。

【００５９】また、光源に外部変調器でレベル変調を最
大５０％かけて、電界測定性能を測定した。これによれ
ば、測定精度変化がないことが確認できたので、マッハ
ツェンダー方式の電界センサに比べて光源等のレベル変
動の影響を受けないことが実証された。

【００６０】さらに、電磁界発生源を用意し、それに対
して電界センサユニットを立体角１８０度で変化させ、
電磁界測定装置で当該電界センサユニットの３つの電界
センサ（Ｘ、Ｙ、Ｚ）からの反射光出力から各電界セン
サの電磁界に対する偏波依存性を測定した。この結果、
最大ア５％の電界強度変動が観測された。

【００６１】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明の電界セ
ンサユニットによれば、入射光をブラッグ回析するグレ
ーティングで電界強度変化を波長変調に変換するので、
測定できる電界強度範囲が広く強電界でも計測能力を失
うことはなく、ＥＭＣ分野で空間を伝搬する電磁波の電
界強度の測定、電磁波に重畳された信号を検出できる。
また、光源等の外乱による光強度変動の影響を受けなく
なるので、外乱が多い場合でも測定誤差が生じなくな
る。

【００６２】また、温度補償用グレーティングを併用す
れば、温度補償用グレーティングからの基準波長と、波
長変調器用グレーティングからの波長との差を電界強度
として測定することができるので、温度ドリフト等の環
境変化による波長変動の影響を受けることがなくなる。

【００６３】また、高い測定能力を有する各電界センサ
は、それぞれ３方向に互いに直交して設けられているこ
とから、多方向成分の電界強度を同時に測定することが
できるので、電界に対する無指向性化を図ることができ
る。また、高い測定能力を持たせるための光部品やアン
テナを１つの基板上に全て形成させることができる電界
センサを備えているので、各電界センサをユニット化し
ても小型化を図れる。

【００６４】また、電源が不要なことからメンテナンス
フリーになるので、リモート測定に好適であり、而も絶
縁性に優れた小型電界センサを提供できる。

【００６５】さらに、複数の電界センサユニットからの
反射光を１本の光ファイバに波長多重した伝送方式が可
能になるので、多点で電界強度測定された反射光の波長
多重伝送が容易にできようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電界センサユニットの実施の一形態を
示す斜視図。

【図２】図１の電界センサユニットに使用される電界セ
ンサを示す詳細図。

【図３】本発明の電界センサユニットからの反射波長を
演算処理することにより電界強度を測定する電磁界測定
装置を示す説明図。

【図４】（ａ）は入射光の入射スペクトルの特性を示す
グラフ、（ｂ）は電荷印加前の温度補償用グレーティン
グおよび波長変換器用グレーティングの反射スペクトル
の特性を示すグラフ、（ｃ）は電荷印加時の温度補償用
グレーティングおよび波長変換器用グレーティングの反
射スペクトルの波長変化を示すグラフ。

【図５】本発明の電界センサユニットの他の実施の一形
態を示す斜視図。

【図６】図５の電界センサユニットに使用される電界セ
ンサを示す詳細図。

【図７】本発明の電界センサユニットの他の実施の一形
態を示す説明図。

【図８】図７の電界センサユニットに使用される電界セ
ンサを示す詳細図。

【図９】従来の電界センサを示す図で、（ａ）はアンテ
ナ部の説明図、（ｂ）は電界センサの主要部の説明図。

【図１０】従来の電界センサを示す説明図。

【符号の説明】

１、１００、１０００・・・・・電界センサユニット２、２０、２００・・・・・電界センサ３・・・・・基板４・・・・・拡散型の入出射光導波路５、２４・・・・・波長変調器用グレーティング６、６′・・・・・電極７、７′・・・・・パターンアンテナ２１・・・・・光分岐器（光分岐結合器）２２・・・・・第１の拡散型光導波路２２′・・・・・第２の拡散型光導波路２３・・・・・温度補償用グレーティング２５、２５′、４０・・・・・入出射光導波路２６・・・・・光方向性結合器（光分岐結合器）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光を受けると共に出射光を出射し、且
つ印加される電界の強度に応じて屈折率を変化させる拡
散型の入出射光導波路と、前記入出射光導波路に書き込
まれ、前記入射光をブラッグ回折する波長変調器用グレ
ーティングと、前記波長変調器用グレーティングに近接
されて設けられる電極を有するパターンアンテナとが基
板の同一平面上に形成された電界センサを少なくとも３
つ備え、前記各電界センサはそれぞれ３方向に互いに直
交して設けられていることを特徴とする電界センサユニ
ット。
【請求項２】入射光を受けると共に出射光を出射する入
出射光導波路と、前記入出射光導波路に結合され該入出
射光導波路からの前記入射光を分岐する光分岐結合器
と、前記光分岐結合器で分岐された前記各入射光がそれ
ぞれ入射されるように前記光分岐結合器に結合され、印
加される電界の強度に応じて屈折率を変化させる第１お
よび第２の拡散型光導波路と、前記第１の拡散型光導波
路に書き込まれ、分岐された一方の前記入射光をブラッ
グ回折する温度補償用グレーティングと、前記第２の拡
散型光導波路に書き込まれ、分岐された他方の前記入射
光をブラッグ回折する波長変調器用グレーティングと、
前記波長変調器用グレーティングに近接されて設けられ
る電極を有するパターンアンテナとが基板の同一平面上
に形成された電界センサを少なくとも３つ備え、前記各
電界センサはそれぞれ３方向に互いに直交して設けられ
ていることを特徴とする電界センサユニット。
【請求項３】前記温度補償用グレーティングおよび前記
波長変調器用グレーティングは、温度変化に対して同一
の屈折率変化を生ずる構造から成ることを特徴とする請
求項２記載の電界センサユニット。