JP2004212136A - Electric field sensing device and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気光学効果を利用して電界の測定を行う電界センシング装置に係り、特に、狭小空間、高確度、高感度および高周波の電界測定に好適な干渉型光導波路を用いた電界センシング装置およびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
電気光学効果を利用した干渉型光導波路を用いた光電界センサおよび電界センシング装置は、以下のような特長を持っている。即ち、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、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、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、センサ部に電源を必要としないこと、さらに、光導波路とアンテナ電極が一体で、また電源を有しないために小型化が容易なことなどである。このような特質のゆえに光電界センサは、EMC分野の電界測定などに用いられている。
【0003】
まず、電界センシング装置に用いられる光電界センサヘッドについて説明する。図2は、一般的な光電界センサヘッドの構造を示す模式的斜視図である。光ファイバ12から入射した光はLiNbO3単結晶基板11上の光導波路21を経て、2本の分岐光導波路22aおよび22bに分岐される。そのとき一方の分岐光導波路22aでは、金属電極(アンテナ電極)23m、23nにより電界が印加されると、屈折率の変化が生じる。
【0004】
他方、分岐光導波路22bには電界による屈折率の変化はない。それぞれの分岐光導波路を伝播した光は光導波路24において合波されるが、2つの光路の屈折率の差により生じた位相差のゆえに、図3のように合波後の光の振幅は変化する。図3(a)は2つの分岐光に位相差がほとんどない場合を示し、図3(b)は2つの分岐光に1/4波長分の位相差がある場合を示す。振幅の2乗が光の強度であるので、2つの光路の位相差により光の強度が変化することとなる。その後、光は、光導波路24を経て、光ファイバ13に結合して出射される。
【0005】
一般に、光電界センサヘッドにおいては、分岐光導波路の光路長を意図的にずらしたり、分岐光導波路の一部で屈折率の調整を行うなどにより、電界が印加されていない場合にも、合波する際の光に位相差を生じさせて用いる。多くは、分岐した光の位相差が1/4波長分あるいは3/4波長分程度生じるようにして用いる。
【0006】
図4に3/4波長分の位相差を生じさせた場合の、印加された電界と出射された光の強度の関係(変調曲線)を示す。電界が印加されていなときのA点を光学バイアス点と呼ぶ。この場合、印加される電界に応じて光の強度が変化することとなり、交流の電界を印加した場合には、出射される光は印加した交流電界に応じて強度変調されることになる。
【0007】
以上のような光電界センサヘッドを用い、従来の電界センシング装置では、波長が固定されているレーザ光源、光検出器、および光ファイバを組み合わせて電界センシング装置が構成されている。
【0008】
そして実際に光電界センサヘッドを製作する際、電界が印加されないときに分岐光導波路を通過した光の位相差の制御すなわち光学バイアス点をコントロールするには、光路の長さの厳密なコントロールや光導波路の屈折率の正確な管理が必要であり、現実的には非常に困難な工程となっていた。
【0009】
そこで、従来は、光電界センサヘッドを製作し、光学バイアス点の不適格なものは廃棄するか、あるいは光導波路の一部に応力を印加し屈折率を変化させて光学バイアス点を後調整することなどが行われている。
【0010】
例えば、光導波路の側面から外力を加えて光学バイアス点を調整する技術が次の特許文献1に開示されている。
【0011】
【特許文献1】
特開平6−337385号公報
【0012】
また、反射型光導波路を用いた素子では、反射ミラーの角度を変化させて光学バイアス点を後調整することなどが行われている。例えば、次の特許文献2に開示されているとおりである。
【0013】
【特許文献2】
特開平10−260328号公報
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
バイアス点の不適格な光電界センサヘッドを廃棄し、目標とする光学バイアス点となっている光電界センサヘッドのみを選別して使用する場合には大きなコスト増となる。また、光導波路の一部に応力を印加するなど後調整した場合には経時変化に問題が残ることとなる。また、反射ミラーの角度を変化させて光学バイアス点を後調整する方法は透過型の光電界センサヘッドには適用することができない。
【0015】
そこで、本発明は、電界センシング装置の光電界センサヘッドにおける分岐光導波路の電界が印加されない状態での光路長差の最適化、すなわち光学バイアス点の最適化を行った電界センシング装置とその製造方法を提供することを課題とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明の電界センシング装置は、電気光学結晶の基板上に金属電極およびマッハツェンダ干渉計型の分岐光導波路を形成してなる光電界センサヘッドと、光ファイバと、レーザ光源と、光検出器とを備える電界センシング装置であって、前記レーザ光源の波長は、前記金属電極に電界が印加されない状態で前記分岐光導波路を通過した光の位相差が所定値になるように選択されたことを特徴とする。
【0017】
また、前記電気光学結晶はLiNbO3単結晶であり、前記分岐光導波路は、前記電気光学結晶基板上にTiイオンを拡散して形成することができる。
【0018】
また、本発明の電界センシング装置の製造方法は、電気光学結晶の基板上に金属電極およびマッハツェンダ干渉計型の分岐光導波路を形成してなる光電界センサヘッドと、レーザ光源と、光検出器とを組み合わせてなる電界センシング装置の製造方法であって、得られた光電界センサヘッドの光学バイアス点を測定する工程と、目標とする光学バイアス点との差に応じて、レーザ光源の波長を変化させて、光学バイアス点を調整する工程とを含むことを特徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
【0020】
まず、LiNbO3単結晶基板上にTiイオンを熱拡散し、マッハツェンダ干渉計型の光導波路を形成した後、入出力用の光ファイバを接続して本実施の形態の光電界センサヘッドを作製した。
【0021】
図5は、作製した光電界センサヘッドに電界を印加した場合の、印加電界強度と出射光の強度との関係(変調曲線)を示す図であり、このとき用いたレーザ光源の波長は1530nmである。光学バイアス点、すなわち電界が印加されていない状態で分岐光導波路を通過した光の位相差に対応する、変調曲線上の点は、B点であり、およそ118°の位相差が2つの分岐光導波路を通過した光の間に生じている。
【0022】
ところで、目標とする光学バイアス点の最適値は電界センシング装置の用途によって異なるが、今、目標とする光学バイアス点は、90°±10°とする。
【0023】
そこで、マイナス28°の光学バイアス点の差を調整するためにレーザ光源の波長を1542nmとした。この波長において、光電界センサヘッドに電界を印加した場合の印加電界強度と出射光の強度の関係(変調曲線)を図6に示す。光学バイアス点は89°となっており、目標の範囲内に容易に光学バイアス点を調整することができた。
【0024】
この光電界センサを用いて、本実施の形態の電界センシング装置を作製した。
【0025】
図1は、本実施の形態における電界センシング装置を示す模式図である。31は光電界センサヘッド、32および33は光ファイバ、34はレーザ光源ヘッド、35はレーザ光源駆動回路、36はフォトディテクタ、37はO/E変換用アンプ、39は電気信号出力端子を示す。また、レーザ光源301はレーザ光源ヘッド34、レーザ光源駆動回路35、および電源ユニット38からなり、光検出器302はフォトディテクタ36と、電源ユニット38から電力を供給されたO/E変換用アンプ37とからなる。
【0026】
ところで、実際の製造においては、レーザ光源の波長変化は次のように行われる。波長可変レーザ光源の波長を変化させて光電界センサヘッドの光学バイアス点を目標値にいったん調整すれば、後で波長を再調整する必要はない。そこで、最適の光学バイアス点を与える波長を決定した後は、昨今、1nm刻みで市場に流通している波長固定の半導体レーザに光源に置き換えている。
【0027】
なお、本実施の形態においては光変調部の基板結晶として、LiNbO3単結晶を用いたが、例えば、LiTaO3単結晶を用いるとレーザ光による光損傷を低減することができる。また、Ti拡散導波路に代えて、H+交換導波路を用いることもできる。
【0028】
また、本実施の形態においては、透過型の分岐光導波路を有する光電界センサヘッドについて説明したが、反射型の分岐光導波路を有する光電界センサヘッドを用いた電界センシング装置においても、本発明が有効であることは明らかである。
【0029】
さらに、本実施の形態においては、電気光学結晶の基板上に形成された金属電極が、測定しようとする電界を検知するアンテナおよび変調電極の両方の機能をなすが、アンテナを基板の外に設けてもよいことは明らかである。
【0030】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、光電界センサヘッドにおいて電界が印加されていない状態で分岐光導波路を通過した光の位相差に対応する変調曲線上のバイアス点である光学バイアス点を容易に調整することが可能な電界センシング装置およびその製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態における電界センシング装置を示す模式図。
【図2】一般的な光電界センサヘッドの構造を示す模式的斜視図。
【図3】2つの分岐光を合波したときの光の振幅を示す図。図3(a)は2つの分岐光に位相差がほとんどない場合を示し、図3(b)は2つの分岐光に1/4波長分の位相差がある場合を示す図。
【図4】分岐光導波路に3/4波長分の位相差がある場合の変調曲線を示す図。
【図5】得られた光電界センサヘッドにおける波長1530nmでの変調曲線を示す図。
【図6】本発明によりレーザ光源の波長を調整した後の変調曲線を示す図。
【符号の説明】
11 LiNbO3単結晶基板
12,13 光ファイバ
21,24 光導波路
22a,22b 分岐光導波路
23m,23n 金属電極
31 光電界センサヘッド
32,33 光ファイバ
34 レーザ光源ヘッド
35 レーザ光源駆動回路
36 フォトディテクタ
37 O/E変換用アンプ
38 電源ユニット
39 電気信号出力端子
301 レーザ光源
302 光検出器[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electric field sensing device for measuring an electric field using an electro-optic effect, and in particular, to an electric field sensing device using an interference type optical waveguide suitable for measuring a small space, high accuracy, high sensitivity, and high frequency electric field. And its manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
An optical electric field sensor and an electric field sensing device using an interference type optical waveguide utilizing the electro-optic effect have the following features. That is, since the electric field to be measured is not disturbed because it has almost no metal part, the detection signal is transmitted through an optical fiber so that it is not affected by induction or electric noise on the way, and the electro-optic effect of the crystal is used. , High-speed response is possible and the detection signal can be transmitted as it is with little loss, no power supply is required for the sensor part, and the optical waveguide and antenna electrode are integrated and there is no power supply, so miniaturization is achieved. Is easy. Due to such characteristics, the optical electric field sensor is used for electric field measurement in the EMC field.
[0003]
First, the optical electric field sensor head used in the electric field sensing device will be described. FIG. 2 is a schematic perspective view showing the structure of a general optical electric field sensor head. Light incident from the
[0004]
On the other hand, there is no change in the refractive index of the branch
[0005]
Generally, in an optical electric field sensor head, even when an electric field is not applied, the multiplexing is performed by intentionally shifting the optical path length of the branch optical waveguide or adjusting the refractive index of a part of the branch optical waveguide. A phase difference is generated in the light at the time of use. In many cases, the phase difference between the branched light beams is used such that the phase difference is about 1 / or / wavelength.
[0006]
FIG. 4 shows the relationship (modulation curve) between the applied electric field and the intensity of the emitted light when a phase difference of 3 wavelength is generated. Point A when no electric field is applied is called an optical bias point. In this case, the intensity of light changes according to the applied electric field. When an AC electric field is applied, the emitted light is intensity-modulated according to the applied AC electric field.
[0007]
In the conventional electric field sensing device using the optical electric field sensor head as described above, the electric field sensing device is configured by combining a laser light source having a fixed wavelength, a photodetector, and an optical fiber.
[0008]
When actually manufacturing an optical electric field sensor head, in order to control the phase difference of light passing through the branch optical waveguide when no electric field is applied, that is, to control the optical bias point, strict control of the optical path length and optical control are required. Precise control of the refractive index of the waveguide is required, which has been a very difficult process in practice.
[0009]
Therefore, conventionally, an optical electric field sensor head is manufactured, and an optical bias point that is inappropriate is discarded, or a stress is applied to a part of the optical waveguide to change the refractive index, and the optical bias point is post-adjusted. Things have been done.
[0010]
For example, the following Patent Document 1 discloses a technique for adjusting an optical bias point by applying an external force from a side surface of an optical waveguide.
[0011]
[Patent Document 1]
JP-A-6-337385
In an element using a reflection type optical waveguide, the angle of a reflection mirror is changed to adjust an optical bias point afterward. For example, it is as disclosed in the following Patent Document 2.
[0013]
[Patent Document 2]
JP-A-10-260328
[Problems to be solved by the invention]
If the optical electric field sensor head having an inappropriate bias point is discarded, and only the optical electric field sensor head having the target optical bias point is selected and used, the cost is greatly increased. Further, when adjustment is performed after applying a stress to a part of the optical waveguide, a problem remains with time. Further, the method of changing the angle of the reflection mirror to adjust the optical bias point afterward cannot be applied to the transmission type optical electric field sensor head.
[0015]
Therefore, the present invention provides an electric field sensing device that optimizes a difference in optical path length in a state where an electric field of a branch optical waveguide is not applied in an optical electric field sensor head of an electric field sensing device, that is, optimizes an optical bias point, and a method of manufacturing the same. The task is to provide
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, an electric field sensing device according to the present invention includes an optical electric field sensor head formed by forming a metal electrode and a Mach-Zehnder interferometer type branch optical waveguide on an electro-optic crystal substrate, an optical fiber, and a laser. An electric field sensing device including a light source and a photodetector, wherein a wavelength of the laser light source is such that a phase difference of light passing through the branch optical waveguide in a state where an electric field is not applied to the metal electrode is a predetermined value. Is selected.
[0017]
Further, the electro-optic crystal is a LiNbO 3 single crystal, and the branch optical waveguide can be formed by diffusing Ti ions on the electro-optic crystal substrate.
[0018]
Further, the method for manufacturing an electric field sensing device according to the present invention includes an optical electric field sensor head formed by forming a metal electrode and a Mach-Zehnder interferometer type branch optical waveguide on an electro-optic crystal substrate, a laser light source, and a photodetector. A method of measuring the optical bias point of the obtained optical electric field sensor head, and changing the wavelength of the laser light source according to a difference between the target optical bias point and the method. Adjusting the optical bias point.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
[0020]
First, Ti ions were thermally diffused on a LiNbO 3 single crystal substrate to form an optical waveguide of a Mach-Zehnder interferometer type, and optical fibers for input and output were connected to manufacture an optical electric field sensor head of the present embodiment. .
[0021]
FIG. 5 is a diagram showing the relationship (modulation curve) between the intensity of the applied electric field and the intensity of the emitted light when an electric field is applied to the manufactured optical electric field sensor head. The wavelength of the laser light source used at this time is 1530 nm. is there. The point on the modulation curve corresponding to the optical bias point, ie, the phase difference of the light passing through the branch optical waveguide with no electric field applied, is point B, where a phase difference of about 118 ° It occurs during light passing through the wave path.
[0022]
Incidentally, the optimum value of the target optical bias point differs depending on the application of the electric field sensing device, but the target optical bias point is assumed to be 90 ° ± 10 °.
[0023]
Therefore, the wavelength of the laser light source was set to 1542 nm in order to adjust the difference between the optical bias points of minus 28 degrees. FIG. 6 shows a relationship (modulation curve) between the intensity of the applied light and the intensity of the emitted light when an electric field is applied to the optical electric field sensor head at this wavelength. The optical bias point was 89 °, and the optical bias point could be easily adjusted within the target range.
[0024]
Using this optical electric field sensor, an electric field sensing device of the present embodiment was manufactured.
[0025]
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an electric field sensing device according to the present embodiment. 31 is an optical electric field sensor head, 32 and 33 are optical fibers, 34 is a laser light source head, 35 is a laser light source drive circuit, 36 is a photodetector, 37 is an O / E conversion amplifier, and 39 is an electric signal output terminal. The
[0026]
By the way, in actual production, the wavelength change of the laser light source is performed as follows. Once the optical bias point of the optical electric field sensor head is adjusted to the target value by changing the wavelength of the tunable laser light source, it is not necessary to readjust the wavelength later. Therefore, after determining the wavelength for providing the optimum optical bias point, the light source is replaced by a fixed wavelength semiconductor laser that is distributed on the market in increments of 1 nm.
[0027]
In the present embodiment, a LiNbO 3 single crystal is used as the substrate crystal of the light modulating unit. However, for example, when a LiTaO 3 single crystal is used, optical damage due to laser light can be reduced. Further, instead of the Ti diffusion waveguide, an H + exchange waveguide can be used.
[0028]
Further, in the present embodiment, the optical electric field sensor head having the transmission type branch optical waveguide has been described, but the present invention is also applicable to an electric field sensing device using the optical electric field sensor head having the reflection type branch optical waveguide. It is clear that it is effective.
[0029]
Furthermore, in the present embodiment, the metal electrode formed on the substrate of the electro-optic crystal functions as both an antenna for detecting an electric field to be measured and a modulation electrode, but the antenna is provided outside the substrate. Obviously, it may be.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an optical bias point, which is a bias point on a modulation curve corresponding to a phase difference of light that has passed through a branch optical waveguide in a state where an electric field is not applied in an optical electric field sensor head, can be easily determined. An adjustable electric field sensing device and a method for manufacturing the same can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing an electric field sensing device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic perspective view showing the structure of a general optical electric field sensor head.
FIG. 3 is a diagram showing the amplitude of light when two branched lights are combined. FIG. 3A shows a case where there is almost no phase difference between two branched lights, and FIG. 3B shows a case where there is a phase difference of 1/4 wavelength between the two branched lights.
FIG. 4 is a diagram showing a modulation curve when a branch optical waveguide has a phase difference of / wavelength.
FIG. 5 is a diagram showing a modulation curve at a wavelength of 1530 nm in the obtained optical electric field sensor head.
FIG. 6 is a diagram showing a modulation curve after adjusting the wavelength of a laser light source according to the present invention.
[Explanation of symbols]
11 LiNbO 3
Claims (4)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002380295A JP2004212136A (en) | 2002-12-27 | 2002-12-27 | Electric field sensing device and its manufacturing method |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2002380295A JP2004212136A (en) | 2002-12-27 | 2002-12-27 | Electric field sensing device and its manufacturing method |
Publications (1)
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ID=32816560
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Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012112886A (en) * | 2010-11-26 | 2012-06-14 | Ntt Electornics Corp | Electric field sensor and method for measuring rf signal |
CN107664720A (en) * | 2017-09-19 | 2018-02-06 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | M Z-type electric-field sensors |
-
2002
- 2002-12-27 JP JP2002380295A patent/JP2004212136A/en active Pending
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2012112886A (en) * | 2010-11-26 | 2012-06-14 | Ntt Electornics Corp | Electric field sensor and method for measuring rf signal |
CN107664720A (en) * | 2017-09-19 | 2018-02-06 | 中国电子科技集团公司第四十四研究所 | M Z-type electric-field sensors |
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