JP2004012468A

JP2004012468A - 電界センサ

Info

Publication number: JP2004012468A
Application number: JP2003306065A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Shinagawa; 品川　満; Oku Kuraki; 久良木　億; Junzo Yamada; 山田　順三
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2004-01-15

Abstract

　　【課題】被測定電界を乱さず電界強度分布を高精度に測定でき、また、２次元あるいは３次元的に多数並べて電界プローブを構成しても、小型な電界プローブを構成できる電界センサを提供する。
　　【解決手段】入射されたレーザ光１５の進行方向と平行あるいは直交する方向の電界のみに感度を有する電気光学結晶１を複数個アレイ状に配置して電界プローブ２を構成し、電気光学結晶１にレーザ光１５を照射して、偏光検出光学系６、光検出器７により、各電気光学結晶１に結合する電界強度を検出し、信号処理部８により、信号処理することにより、電界強度分布を測定する。
【選択図】　　図４

Description

　本発明は、電界プローブを用いて電界強度分布を測定する電界センサに係り、特に、電子機器から放射される電界強度分布を測定したり、電磁波が照射されている生体ファントムモデル内部の電界強度分布を測定したり、半導体集積回路内の電界強度分布や複数の測定点における電圧信号を一括して測定する電界センサに関する。

　携帯電話や無線ＬＡＮ（Local Area Network）の普及、情報処理機器の高速化により、それら電子機器から発生する電磁波の電子機器への影響、生体への影響が取り上げられ、高性能な電磁波検出装置が必要となっている。

　電磁波を解析するには、ある領域の電界強度分布を解析することが有効である。従来、電界強度測定には、導波路型光変調器と、レーザ光を利用した電界センサが使用されている。

　図９はこの従来の電界センサの構成を示す図である。

　９１はレーザ光源、９２は電界プローブ、９３は導波路型光変調器、９４は金属からなるロッドアンテナ、９５は受光部である。

　この電界センサは、感度が良いことや測定帯域が広いこと等の利点があり、また電界プローブ９２の大部分を非金属で構成できることから被測定電界を乱さない電界センサとして利用されてきた。
特開平５−７２２９９号公報特開平６−９４８０７号公報特開平８−２６２１１７号公報

　しかしながら、図９に示した導波路型光変調器９３を用いた電界センサでは、金属のロッドアンテナ９４を必要とし、それにより少なからず被測定電界を乱すという課題があった。

　また、導波路型光変調器９３の大きさが少なくとも１００ｍｍ×２０ｍｍ×２０ｍｍ程度あるため、空間分解能が低く、さらに、電界強度分布を調べるため、導波路型光変調器９３とロッドアンテナ９４のセットを２次元あるいは３次元的に多数並べて電界プローブを構成した場合、非常に大きくなり、半導体集積回路内や生体ファントムモデル内の電界分布を計測するのは困難であるという課題がある。

　本発明の目的は、被測定電界を乱さず電界強度分布を高精度に測定でき、また、２次元あるいは３次元的に多数並べて電界プローブを構成しても、小型な電界プローブを構成できる電界センサを提供することにある。

　例えば、特開平５−７２２９９号公報や、特開平６−９４８０７号公報に示される半導体集積回路の内部ノードの信号計測システム、および特開平８−２６２１１７号公報に示されるプリントボード上の波形計測システムに用いられているレーザ光とバルク型電気光学結晶を利用した信号検出技術は、電界を電気光学結晶に結合させ、その電界をレーザ光でピックアップする方式であり、グランド位置に依存しない測定が可能であること、また、プローブヘッドに微小なバルク型電気光学結晶を用いることができるため非常に小さな電界プローブを構成できるという特徴を有する。

　本発明は、この特徴を利用し、従来技術の課題を解決する手段を提供する。すなわち、本発明は、電気光学結晶にレーザ光を照射して電界強度分布を測定する電界センサであり、前記電気光学結晶を複数個アレイ状に配置してなる電界プローブを備え、また前記電気光学結晶は入射されたレーザ光の進行方向と平行な方向の電界のみに感度を有することを特徴とする。

　また、本発明の電界センサは、入射されたレーザ光の進行方向と平行な方向の電界のみに感度を有する電気光学結晶と、前記電気光学結晶を複数個アレイ状に配置してなる電界プローブと、前記電気光学結晶にレーザ光を照射するレーザと、前記レーザを発光させるレーザドライバと、各電気光学結晶への前記レーザ光の光路を変える光スイッチと、前記電気光学結晶に照射されたレーザ光の偏光変化をレーザ光の強度変化に変換する偏光検出光学系と、レーザ光の前記強度変化を電気信号に変換する光検出器と、前記電気信号を増幅し、電界強度分布を求める信号処理部とを有することを特徴とする。

　このような入射されたレーザ光の進行方向と平行な方向の電界のみに感度を有する電気光学結晶として、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀、Ｂｉ₁₂ＴｉＯ₂₀、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ₃）−５５°カット、ＺｎＴｅ、ＫＤ＊Ｐ、ＣｕＣｌ、ＺｎＳ、ＫＴＰ−Ｚカットのいずれかを用いたことを特徴とする。

　また、本発明は、電気光学結晶にレーザ光を照射して電界強度分布を測定する電界センサであり、前記電気光学結晶を複数個アレイ状に配置してなる電界プローブを備え、また前記電気光学結晶は入射されたレーザ光の進行方向と直交する方向の電界のみに感度を有することを特徴とする。

　また、本発明の電界センサは、入射されたレーザ光の進行方向と直交する方向の電界のみに感度を有する電気光学結晶と、前記電気光学結晶を複数個アレイ状に配置してなる電界プローブと、前記電気光学結晶にレーザ光を照射するレーザと、前記レーザを発光させるレーザドライバと、各電気光学結晶への前記レーザ光の光路を変える光スイッチと、前記電気光学結晶に照射されたレーザ光の偏光変化をレーザ光の強度変化に変換する偏光検出光学系と、レーザ光の前記強度変化を電気信号に変換する光検出器と、前記電気信号を増幅し、電界強度分布を求める信号処理部とを有することを特徴とする。

　このような入射されたレーザ光の進行方向と直交する方向の電界のみに感度を有する電気光学結晶として、ＬＴ（ＬｉＴａＯ₃）、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ₃）、ＫＴＰ、ＤＡＳＴ、ＡＡＮＰのいずれかを用いたことを特徴とする。

　また、本発明の電界センサは、前記電気光学結晶へのレーザ光導入部に、レーザ光の偏光を調整する光バイアス制御器を有することを特徴とする。

　本発明では、電界プローブは、非金属の電気光学結晶から構成されるので、被測定電界を乱さずに電界強度分布の高精度な測定が可能である。

　また、電気光学結晶の大きさを例えば１００μｍ角程度としても電界検出が可能であるため、小型で非常に空間分解能が高い電界プローブを構成することが可能である。

　本発明によれば、入射されたレーザ光の進行方向と平行あるいは直交する方向の電界のみに感度を有する電気光学結晶にレーザ光を照射して、各電気光学結晶に結合する電界強度を検出し、信号処理することにより、電界強度分布を測定することが可能となる。また、電界プローブを完全に非金属化することができるので、被測定電界を乱さずに電界強度分布の高精度な測定が可能となる。また、電気光学結晶の大きさを例えば１００μｍ角程度としても電界検出が可能であるため、半導体集積回路内部等の微小領域の電界強度分布を高空間分解能で短時間に測定可能となる。さらに、任意の位置に電気光学結晶を１次元〜３次元的に配置することにより、測定対象の形状に合わせた電界強度分布を短時間に、詳細に測定、解析できる。

　　以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

　実施の形態１
　図１（ａ）は本発明の実施の形態１の電界センサの基本構成を示すブロック図である。

　１は入射されたレーザ光の進行方向と平行な方向の電界のみに感度を有する電気光学結晶、２は複数の電気光学結晶１をアレイ状に配置してなる電界プローブ、３はレーザ、４はレーザ３を発光させるレーザドライバ、５は各電気光学結晶１へのレーザ光の光路を変える光スイッチ、６は電気光学結晶１に照射され、電気光学結晶１から反射してきたレーザ光の偏光変化をレーザ光の強度変化に変換する偏光検出光学系、７はレーザ光の強度変化を電気信号に変換する光検出器（フォトディテクタ）、８は電気信号を増幅し、電界強度分布を求める信号処理部、９は電界強度分布を表示する表示器、１０は光スイッチ５、信号処理部８、表示器９の制御用コンピュータ、１１（太い矢印）は光、１２（細い矢印）は電気を示す。

　図１（ｂ）はレーザ光の方向と電気光学結晶１の電界の方向を示す図である。

　１３は電気光学結晶１のレーザ光入射端面に設けた反射防止膜、１４は電気光学結晶１のレーザ光入射端面とは反対の端面に設けた誘電体ミラー（誘電体からなる反射膜）、１５はレーザ光、１６は電界、１７は電気光学結晶１の電界の方向である。

　本実施の形態では、図１（ｂ）に示すように、入射されたレーザ光１５の進行方向と平行な方向の電界のみに感度を有する電気光学結晶１を用いている。このような電気光学結晶１としては、例えば、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀、Ｂｉ₁₂ＴｉＯ₂₀、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ₃）−５５°カット、ＺｎＴｅ、ＫＤ＊Ｐ、ＣｕＣｌ、ＺｎＳ、ＫＴＰ−Ｚカットのいずれかを用いることができる。電気光学結晶１のレーザ光１５の入射側には反射防止膜１３を、また他端には誘電体ミラー１４がコーティングしてある。

　電界１６が電気光学結晶１に影響を与える（結合する）と、１次の電気光学効果であるポッケルス効果により、電気光学結晶１の屈折率が変化する。この状態の電気光学結晶１にレーザドライバ４（図１（ａ））により駆動されたレーザ３が発するレーザ光１５を入射させると、レーザ光１５の偏光が変化する。

　偏光変化を受けたレーザ光１５は、偏光検出光学系６で、レーザ光１５の強度変化に変換される。

　図１（ｃ）は偏光検出光学系６の構成例を示す図である。

　１８は偏光ビームスプリッタ、１９はλ／２波長板、２０はファラディ素子、２１はλ／４波長板である。

　すなわち、偏光検出光学系６は、２個の偏光ビームスプリッタ１８、λ／２波長板１９、ファラディ素子２０、λ／４波長板２１で構成される差動検出光学系である。

　レーザ光１５の強度変化（すなわち、レーザ光１５の強度変化に変換された検出信号）は、光検出器７で電気信号に変換される。この電気信号は、信号処理部８において、低雑音アンプを用いて増幅され、信号帯域外の不要な雑音成分はローパスフィルタ、ハイパスフィルタ、バンドパスフィルタ等のフィルタで除去した後、電界強度分布あるいは位相等を表示器９で表示する。

　図２は電気光学結晶１を２次元的に配置した電界プローブ２、および表示器９の表示画面を示した図である。

　ある平面内の電界強度分布を測定する場合は、図２に示すように、電気光学結晶１を２次元的に配置した電界プローブ２を使用する。

　図２の表示器９は、ある平面内の電界強度分布を表示した様子を示す。

　図３（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ電気光学結晶１の配置の様子を示す電界プローブ２の斜視図である。（ａ）は電気光学結晶１を１次元的に配置した電界プローブ２、（ｂ）は電気光学結晶１を枠型に配置した電界プローブ２、（ｃ）は電気光学結晶１を３次元的に配置した電界プローブ２を示す。

　すなわち、電界プローブ２の電気光学結晶１は、図３（ａ）に示すように、１次元的に配置したり、（ｂ）に示すように、半導体集積回路のリードフレームに沿った枠型に配置したり、（ｃ）に示すように、例えば人の頭等の物体の形状に合わせて３次元的に配置することもできる。

　本実施の形態では、図２、図３に示すように、複数の電気光学結晶１をアレイ状に配置して電界プローブ２を構成し、図１（ｂ）に示すように、入射されたレーザ光１５の進行方向と平行な方向の電界のみに感度を有する電気光学結晶１にレーザ光１５を照射して、各電気光学結晶１に結合する電界強度を検出し、信号処理することにより、電界強度分布を測定することが可能となる。また、電界プローブ２（プローブヘッド部）を完全に非金属化することができるので、被測定電界を乱さずに電界強度分布の高精度な測定が可能となる。また、電気光学結晶１に小型のバルク結晶を用いることができるので、空間分解能の高い測定が可能で、半導体集積回路内部の電界強度分布の解析が可能になる。また、電気光学結晶１の大きさを例えば１００μｍ角程度としても電界検出が可能であるため、電気光学結晶１を多数配置しても電界プローブ２が大きくならず、電界プローブ２をコンパクトに構成できる。さらに、図３に示すように、任意の位置に電気光学結晶１を１次元〜３次元的に配置することにより、測定対象の形状に合わせた電界強度分布を短時間に、詳細に測定、解析できる。

　実施の形態２
　図４は本発明の実施の形態２の電界センサの基本構成を示すブロック図である。

　４１は光ファイバ、４２は光バイアス制御器である。

　電気光学結晶１に対して光ファイバ４１を用いてレーザ光を導入する場合は、光ファイバ４１の曲げによってレーザ光の偏光状態が変化し、最終的に得られる信号のＳ／Ｎ比が劣化するので、本実施の形態の電界センサでは、図４に示すように、光バイアス制御器４２によって光ファイバ４１の曲げによる偏光の乱れを補正するようになっている。光バイアス制御器４２としては、例えば、回転機構付き波長板や、電圧によって光の位相が変化する液晶を用いる。

　電気光学結晶１を複数配置する場合、光源部や信号処理部を各電気光学結晶１にそれぞれ配置すると、システムが巨大になってしまうので、機能的に切り分けてユニットを共通化することが有効である。

　図１、図４に示した実施の形態１、２では、各電気光学結晶１に対応する偏光検出光学系６、レーザ３、レーザドライバ４、光検出器７、信号処理部８、表示器６を共通化するために、光スイッチ５を使用したものである。光スイッチ５、信号処理部８、表示器６（図４の実施の形態２では、これらに加えて光バイアス制御器４２）はコンピュータ１０で制御する。

　実施の形態３
　図５は本発明の実施の形態３の電界センサの基本構成を示すブロック図である。

　本実施の形態では、電気光学結晶１と偏光検出光学系６とを一体化した構成で、レーザ３、レーザドライバ４、光検出器７、信号処理部８、表示器９を共通化するために、光スイッチ５を使用している。光スイッチ５、信号処理部８、表示器６がコンピュータ１０で制御される。

　実施の形態４
　図６は本発明の実施の形態４の電界センサの基本構成を示すブロック図である。

　本実施の形態では、電気光学結晶１と偏光検出光学系６とレーザ３とを一体化した構成で、光検出器７、信号処理部８、表示器９を共通化するために、光スイッチ５を使用している。光スイッチ５、信号処理部８、表示器９がコンピュータ１０で制御される。

　実施の形態５
　図７は本発明の実施の形態５の電界センサの基本構成を示すブロック図である。

　本実施の形態では、電気光学結晶１と偏光検出光学系６とレーザ３と光検出器７とを一体化した構成で、信号処理部８、表示器９を共通化するために、電気スイッチ７１を使用している。本実施の形態では、電気信号の径路を変更するために電気スイッチ７１を使用している。電気スイッチ７１、信号処理部８、表示器９がコンピュータ１０で制御される。

　実施の形態６
　図８は、本発明の実施の形態６のレーザ光の方向と電気光学結晶１の電界の方向を示す図である。１５はレーザ光、１６は電界、１７は電気光学結晶１の電界の方向を示す。

　前記実施の形態１では、図１（ｂ）に示したように、入射されたレーザ光１５の進行方向と平行な方向の電界のみに感度を有する電気光学結晶１（いわゆる縦型結晶）を用いたが、本実施の形態では、その代わりに、図８に示すように、入射されたレーザ光１５の進行方向と直交する方向の電界のみに感度を有する電気光学結晶１（いわゆる横型結晶）を用いる。このような電気光学結晶１としては、例えば、ＬＴ（ＬｉＴａＯ₃）、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ₃）、ＫＴＰ、ＤＡＳＴ、ＡＡＮＰのいずれかを用いることができる。なお、本実施の形態においても、図１（ｂ）に示した実施の形態１と同様に、電気光学結晶１のレーザ光１５の入射側には反射防止膜１３を、また他端には誘電体ミラー１４がコーティングしてある。このような電気光学結晶１を用いても、前記実施の形態１〜５と同様の構成内容で同様の効果が得られる。

　以上本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。

（ａ）は本発明の実施の形態１の電界センサの基本構成を示すブロック図、（ｂ）は電気光学結晶の感度を有する電界の方向とレーザ光の方向を示す図、（ｃ）は偏光検出光学系の構成例を示す図である。電気光学結晶を２次元的に配置した電界センサの基本構成を示す図である。（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ電気光学結晶の配置の様子を示す電界プローブの斜視図で、（ａ）は電気光学結晶を１次元的に配置した電界プローブ、（ｂ）は電気光学結晶を枠型に配置した電界プローブ、（ｃ）は電気光学結晶を３次元的に配置した電界プローブを示す図である。本発明の実施の形態２の電界センサの基本構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態３の電界センサの基本構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態４の電界センサの基本構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態５の電界センサの基本構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態６のレーザ光の方向と電気光学結晶１の電界の方向を示す図である。従来の電界センサの構成を示す図である。

符号の説明

　１…電気光学結晶、２…電界プローブ、３…レーザ、４…レーザドライバ、５…光スイッチ、６…偏光検出光学系、７…光検出器、８…信号処理部、９…表示器、１０…コンピュータ、１１…光、１２…電気、
　１３…反射防止膜、１４…誘電体ミラー、１５…レーザ光、１６…電界、１７…電気光学結晶の感度を有する電界の方向、
　１８…偏光ビームスプリッタ、１９…λ／２波長板、２０…ファラディ素子、２１…λ／４波長板、
　４１…光ファイバ、４２…光バイアス制御器、７１…電気スイッチ、
　９１…レーザ光源、９２…電界プローブ、９３…導波路型光変調器、９４…ロッドアンテナ、９５…受光部。

Claims

　入射されたレーザ光の進行方向と平行な方向の電界のみに感度を有する電気光学結晶と、
　前記電気光学結晶を複数個アレイ状に配置してなる電界プローブと、
　前記電気光学結晶にレーザ光を照射するレーザと、
　前記レーザを発光させるレーザドライバと、
　各電気光学結晶への前記レーザ光の光路を変える光スイッチと、
　前記光スイッチから各電気光学結晶へ前記レーザ光を導く複数本の光ファイバと、
　前記レーザと前記光スイッチとの間に配置され、前記電気光学結晶に照射されたレーザ光の偏光変化をレーザ光の強度変化に変換する偏光検出光学系と、
　レーザ光の前記強度変化を電気信号に変換する光検出器と、
　前記電気信号を増幅し、電界強度分布を求める信号処理部と、
　前記光スイッチと前記偏光検出光学系との間に配置され、前記光ファイバの曲げによって生ずる偏光の乱れを補正するための光バイアス制御器とを有することを特徴とする電界センサ。
　前記電気光学結晶として、ＣｄＴｅ、ＧａＡｓ、Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀、Ｂｉ₁₂ＴｉＯ₂₀、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ₃）−５５°カット、ＺｎＴｅ、ＫＤ＊Ｐ、ＣｕＣｌ、ＺｎＳ、ＫＴＰ−Ｚカットのいずれかを用いたことを特徴とする請求項１記載の電界センサ。
　入射されたレーザ光の進行方向と直交する方向の電界のみに感度を有する電気光学結晶と、
　前記電気光学結晶を複数個アレイ状に配置してなる電界プローブと、
　前記電気光学結晶にレーザ光を照射するレーザと、
　前記レーザを発光させるレーザドライバと、
　各電気光学結晶への前記レーザ光の光路を変える光スイッチと、
　前記光スイッチから各電気光学結晶へ前記レーザ光を導く複数本の光ファイバと、
　前記レーザと前記光スイッチとの間に配置され、前記電気光学結晶に照射されたレーザ光の偏光変化をレーザ光の強度変化に変換する偏光検出光学系と、
　レーザ光の前記強度変化を電気信号に変換する光検出器と、
　前記電気信号を増幅し、電界強度分布を求める信号処理部と、
　前記光スイッチと前記偏光検出光学系との間に配置され、前記光ファイバの曲げによって生ずる偏光の乱れを補正するための光バイアス制御器とを有することを特徴とする電界センサ。
　前記電気光学結晶として、ＬＴ（ＬｉＴａＯ₃）、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ₃）、ＫＴＰ、ＤＡＳＴ、ＡＡＮＰのいずれかを用いたことを特徴とする請求項３記載の電界センサ。