JP2004219088A

JP2004219088A - ３軸光電界センサ素子

Info

Publication number: JP2004219088A
Application number: JP2003003179A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Ichijo; 淳一條
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2003-01-09
Filing date: 2003-01-09
Publication date: 2004-08-05

Abstract

【課題】１種類の１軸光電界センサ素子を使用して、低コストであり、容易に３軸方向の電界測定が可能な３軸光電界センサ素子を提供すること。
【解決手段】ＬｉＮｂＯ_３基板１に、分岐光導波路４ａ、４ｂ、並びにアンテナおよび変調電極としての金属電極８が形成されてなる導波路型マッハツェンダ干渉計を３個備えて、互いに直交する３軸方向の電界を検出する３軸光電界センサ素子であって、金属電極８はアンテナとして分岐光導波路４ａ、４ｂの方向から、５４．７°傾いた電界を検出するように、ＬｉＮｂＯ_３基板１の面上に形成され、前記３個の導波路型マッハツェンダ干渉計は、いずれも前記分岐光導波路の方向を１つの直線にほぼ平行にして配置され、かつ、前記１つの直線の回りに３回軸対称に配置されている。
【選択図】図１

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光電界センサ素子に係り、特に、狭い空間領域における３軸方向の電界測定に好適な３軸光電界センサ素子に関する。
【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素子は、以下のような優れた特質を持っている。すなわち、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分野などの広範な電界測定に用いられている。
【０００３】
従来例としての３軸方向の電界を測定できる光電界センサ素子を説明するにあたって、まず、そこに使用される１軸方向の電界を測定する１軸光電界センサ素子について説明する。
【０００４】
図５は、従来の第１型の１軸光電界センサ素子の構造を示す斜視図であり、図６は、従来の第２型の１軸光電界センサ素子の構造を示す斜視図である。
【０００５】
図５において、光ファイバ２から入射した光はＬｉＮｂＯ_３基板１上の光導波路３を経て、２本の分岐光導波路４ａおよび４ｂに分岐される。そのとき、一方の分岐光導波路４ａには金属電極５により、電界が印加され、屈折率の変化が生じている。他方、分岐光導波路４ｂには電界による屈折率の変化はない。いずれの分岐光導波路を伝播する光も反射ミラー６によって反射され、分岐光導波路を逆方向に伝播し、再び合波されるが、２つの光路の屈折率の差異により生じた位相差のゆえに、合波後の光強度は変化する。その後、光ファイバ２に結合して、出射する。
【０００６】
図６においては、異なる形状の金属電極７が用いられているが、電界を検知する方向が異なるだけで、他は図５の型と同様である。
【０００７】
ここで、金属電極５は分岐光導波路４ａ、４ｂに対し垂直な電界検出方向９の感度が高くなるように形成され、金属電極７は、分岐光導波路４ａ、４ｂに平行な電界検出方向１０で感度が高くなるように形成されている。
【０００８】
図５、図６に示した反射型の１軸光電界センサ素子を図７に示すように直角三角形断面の固定基台１５に配置すると、図７のように３軸方向の電界を測定することが可能な小型の３軸光電界センサ素子を構成することができる。
【０００９】
ここで、図７はその変調部を上方から見た断面図であり、図８は従来の３軸光電界センサの外観を示す斜視図である。１７はセンサヘッド部、１８は光ファイバ保持ロッド、１９は三角柱基台固定部材である。
【００１０】
図７に示すように、１軸光電界センサ素子基板１２、１３、１４は、それぞれＸ、Ｙ、Ｚ方向の電界を検出するように配置される。ここで、１軸光電界センサ素子基板１２、１３は図５の型の１軸光電界センサ素子の基板であり、１軸光電界センサ素子基板１４は図６の型の１軸光電界センサ素子の基板である。
【００１１】
このように構成された３軸光電界センサ素子によって変調された光は光ファイバや光サーキュレータを経て、光検出器に導かれ、電気信号に変換される。
【００１２】
この型の３軸光電界センサは、次の特許文献１に開示されている。
【００１３】
【特許文献１】
特開２００２−２５７８８４号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
現在、携帯電話など、人体頭部の近くから送信される電磁波による人体頭部への影響に関する本格的な研究が行われている。この研究においては、人体頭部と同じ誘電率を有する頭部ダミーの内部における電界強度の分布を測定することが重要である。この電界測定においては、小型で、３軸方向の電界強度が容易に測定できなければならない。
【００１５】
また、自動車のエンジンルームや車室内などの狭小な場所における電界測定においても、小型の３軸光電界センサ素子は有用である。
【００１６】
しかしながら、従来型の３軸光電界センサ素子においては２種類のアンテナパターン（金属電極パターン）を持つ変調器を用いるため、それぞれを製作する必要がありコストが高く、またアンテナパターンの違いにより感度、周波数特性のずれが大きくなる。
【００１７】
この状況において、本発明は、１種類の１軸光電界センサ素子を使用して、低コストであり、容易に３軸の電界測定が可能な３軸光電界センサ素子を提供することを課題とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の３軸光電界センサ素子は、電気光学結晶基板上に、分岐光導波路、並びにアンテナおよび変調電極としての金属電極が形成されてなる導波路型マッハツェンダ干渉計を３個備えて、互いに直交する３軸方向の電界を検出する３軸光電界センサ素子であって、前記金属電極はアンテナとして前記分岐光導波路の方向から、略５４．７°傾いた電界を検出するように、前記電気光学結晶基板の面上に形成され、前記３個の導波路型マッハツェンダ干渉計は、いずれも前記分岐光導波路の方向を１つの直線にほぼ平行にして配置され、かつ、前記１つの直線の回りに３回軸対称に配置され、前記３個の導波路型マッハツェンダ干渉計に光を入出力する光ファイバの引き出し方向がほぼ同一方向であることを特徴とする。
【００１９】
また、前記導波路型マッハツェンダ干渉計は入出力の光ファイバを共通にした反射型とするとよい。
【００２０】
また、前記分岐光導波路は正三角形断面の基台の３つの側面に固定されるとよい。
【００２１】
そして、前記互いに直交する３軸のいずれか１つに垂直な外形面である３軸指示面を有するとよい。
【００２２】
本発明の３軸光電界センサ素子は上記のように構成されているので、測定対象のＸ軸が、第１の導波路型マッハツェンダ干渉計の電界検出方向に平行になるように合わせ、その後、測定対象のＹ軸と第２の導波路型マッハツェンダ干渉計の電界検出方向が平行になるまで、Ｘ軸を中心に回転すると、測定対象のＺ軸に対しても、第３の導波路型マッハツェンダ干渉計の電界検出方向が平行になる。その結果、容易にＸＹＺ各軸の電界強度が測定できる３軸光電界センサ素子が提供可能になった。
【００２３】
また、１種類の導波路型マッハツェンダ干渉計を３個、３回軸対称に配置したので、３軸方向の感度のばらつきによる特性低下をなくすることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００２５】
本実施の形態で用いる１軸光電界センサ素子は、いずれもＬｉＮｂＯ_３基板上に作製されたＴｉ拡散導波路と、そこに電圧を印加する金属電極と反射ミラーと光ファイバとを備えて構成され、導波路型マッハツェンダ干渉計となっている。
【００２６】
図１は、本実施の形態の１軸光電界センサ素子を示す斜視図である。１はＬｉＮｂＯ_３基板、２は光ファイバ、３は光導波路、４ａおよび４ｂは分岐光導波路、８はアンテナおよび変調電極としての金属電極、６は反射ミラーである。
【００２７】
本実施の形態においては、金属電極８のパターンが、分岐光導波路４ａ、４ｂの方向から５４．７°だけ傾いた方向に伸びた形状に作製され、この電界検出方向１１で感度が最大になっている。
【００２８】
図２は、本実施の形態の３軸光電界センサ素子の変調器部を上から見た断面図である。２１はいずれも図１に示した１軸光電界センサ素子であり、それぞれ、互いに直交する、ξ軸、η軸、ζ軸方向の電界を測定する。
【００２９】
図３は、本実施の形態における３軸光電界センサ素子の変調器部を示す模式的斜視図である。２０は正三角形断面の固定基台、２１は１軸光電界センサ素子である。３つの１軸光電界センサ素子によって、互いに直交する、ξ軸、η軸、ζ軸方向の電界を測定する構造である。また、２３は光ファイバである。
【００３０】
図４は、本実施の形態における３軸光電界センサ素子の外観斜視図である。１７はセンサヘッド部であり、図３で示した３軸光電界センサ素子の変調器部が収納されている。また、１８は非金属の光ファイバ保持ロッドであり、２２は測定対象のＸＹＺ軸にアンテナの位置を合わせるための３軸指示面である。
【００３１】
このような、本発明による３軸光電界センサ素子を用いると、３次元のあらゆる方向に進行する電磁波に対して、その電界強度を測定することができる。
【００３２】
ところで、本実施の形態においては、３個の１軸光電界センサ素子の最大感度の方向は互いに直交しているが、これは、測定電界の振動ベクトルを決定するときの演算処理を容易にする。
【００３３】
以上を簡略に述べると、本実施の形態の３軸光電界センサ素子は、正三角柱の基台に分岐導波路に対し、５４．７°傾いたアンテナパターンを持つ変調器を３個貼り付け、その後アンテナの位置を測定対象のＸＹＺと同様になるように調整することにより、容易にＸＹＺの各軸を測定でき、３個のセンサの感度、周波数特性のずれが少なく、コストを低減できる３軸光電界センサ素子である。
【００３４】
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、ＬｉＮｂＯ_３単結晶を用いたが、例えば、ＬｉＴａＯ_３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。
【００３５】
また、本実施の形態においては、反射型の分岐光導波路を用いた１種類のマッハツェンダ干渉計を３つ組み合わせて、直交３軸の電界を測定する形態を説明したが、透過型の分岐光導波路を用いた１種類のマッハツェンダ干渉計を３つ組み合わせて、直交３軸の電界を測定する場合にも、異なる種類のマッハツェンダ干渉計を組み合わせて用いる場合よりも、感度の周波数特性などの点において有利である。
【００３６】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、狭い空間領域における３軸方向の各軸の電界強度の測定が容易で、各軸の感度のずれ、周波数特性のずれ、および製作コストが低減された３軸光電界センサ素子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１軸光電界センサ素子を示す斜視図。
【図２】本発明の３軸光電界センサ素子の変調器部を上方から見た断面図。
【図３】本発明の３軸光電界センサ素子の変調器部を示す模式的斜視図。
【図４】本発明の３軸光電界センサ素子の外観斜視図。
【図５】従来の第１型の１軸光電界センサ素子を示す斜視図。
【図６】従来の第２型の１軸光電界センサ素子を示す斜視図。
【図７】従来の３軸光電界センサ素子を上方から見た断面図。
【図８】従来の３軸光電界センサ素子を示す外観斜視図。
【符号の説明】
１ＬｉＮｂＯ_３基板
２，２３光ファイバ
３光導波路
４ａ，４ｂ分岐光導波路
５，７，８金属電極
６反射ミラー
９，１０，１１電界検出方向
１２，１３，１４１軸光電界センサ素子基板
１５直角三角形断面の固定基台
１６ハウジング
１７センサヘッド部
１８光ファイバ保持ロッド
１９三角柱基台固定部材
２０正三角形断面の固定基台
２１１軸光電界センサ素子
２２３軸指示面

Claims

電気光学結晶基板上に、分岐光導波路、並びにアンテナおよび変調電極としての金属電極が形成されてなる導波路型マッハツェンダ干渉計を３個備えて、互いに直交する３軸方向の電界を検出する３軸光電界センサ素子であって、前記金属電極はアンテナとして前記分岐光導波路の方向から、略５４．７°傾いた電界を検出するように、前記電気光学結晶基板の面上に形成され、前記３個の導波路型マッハツェンダ干渉計は、いずれも前記分岐光導波路の方向を１つの直線にほぼ平行にして配置され、かつ、前記１つの直線の回りに３回軸対称に配置され、前記３個の導波路型マッハツェンダ干渉計に光を入出力する光ファイバの引き出し方向がほぼ同一方向であることを特徴とする３軸光電界センサ素子。
前記導波路型マッハツェンダ干渉計は入出力の光ファイバを共通にした反射型であることを特徴とする請求項１に記載の３軸光電界センサ素子。
前記分岐光導波路は正三角形断面の基台の３つの側面に固定されたことを特徴とする請求項１または２に記載の３軸光電界センサ素子。
前記互いに直交する３軸のいずれか１つに垂直な外形面である３軸指示面を有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の３軸光電界センサ素子。