JP2006242840A - Photoelectric field sensor and directivity adjusting method for the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光を用いて電界の測定を行う光電界センサに関するもので、特に、狭い空間領域の電界測定に好適な小型の光電界センサ及び光電界センサの指向性調整方法に関する。 The present invention relates to an optical electric field sensor that measures an electric field using light, and more particularly to a small-sized optical electric field sensor suitable for electric field measurement in a narrow space region and a directivity adjustment method for the optical electric field sensor.
従来、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は、
(1)金属部を殆ど持たないので、被測定電界を乱さない。
(2)光ファイバーで検出信号を伝送するので、伝送途中で電磁誘導の影響により電気的雑音を発生しない。
(3)結晶の電気光学効果を利用することで、高速応答を可能とし、且つその検出信号をそのまま低損失に伝送できる。
(4)センサ部に電源を必要としない。
以上の優れた特徴があるので、EMC分野などの広範囲な電界測定に用いられている。
Conventionally, an optical electric field sensor using an interference optical waveguide utilizing an electro-optic effect is
(1) Since there is almost no metal part, the electric field to be measured is not disturbed.
(2) Since the detection signal is transmitted through the optical fiber, no electrical noise is generated due to the influence of electromagnetic induction during the transmission.
(3) By utilizing the electro-optic effect of the crystal, a high-speed response is possible and the detection signal can be transmitted as it is with low loss.
(4) No power is required for the sensor unit.
Since it has the above excellent features, it is used for a wide range of electric field measurements in the EMC field and the like.
図9は、従来の光電界センサの構造を示す斜視図である。光ファイバー61から入射した光は、LiNbO3単結晶基板67上の光導波路68を経て、2本に分岐した光導波路69aおよび69bに分岐され、一方の分岐した光導波路69aには金属電極70a,70bから電界が印加され、屈折率の変化が生じる。他方の分岐した光導波路69bは、電界がかからないので、屈折率の変化が起きない。また、いずれの分岐した光導波路を伝播する光は、反射ミラー71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、光ファイバー61に結合後出射する。この2つの光路を伝播する光は、屈折率の差により位相差を生じ、合波後の光強度は変化する。更に、変調された光は光ファイバーや光サーキュレータを通って、光検出器に導かれ、電気信号に変換される(特許文献1参照)。
FIG. 9 is a perspective view showing the structure of a conventional optical electric field sensor. Light incident from the
EMC測定(ノイズ測定)に代表される、フィールド内の電界強度を測定するために用いる光電界センサおよび光電界センサの指向性調整方法が、特許文献2に開示されている。電気光学効果を有する光学結晶基板上に光を分岐させた後、再び合流する形状の光導波路を形成し、分岐後に光導波路の屈折率を変動させる変調電極と変調電極に電圧を導くアンテナパターンを形成した光変調器を備えた光電界センサにおいて、変調電極の分割方向の長さ方向とアンテナパターンの長さ方向のなす角度を調整した光電界センサおよび光電界センサの指向性調整方法である。この方法により、内蔵アンテナの指向性に依存していた光電界センサを、任意の指向性に制御することを可能にする。
また、高い指向性を有する光電界センサの技術は、特許文献3に開示されている。電気光学効果を有する光学結晶基板上に光を分岐させた後、再び合流する形状の光導波路を形成し、分岐後に光導波路の屈折率を変動させる変調電極と変調電極に電圧を導くアンテナパターンを形成した光変調器を備えた光電界センサにおいて、アンテナパターンの光導波路に近接する辺の長さを対向する辺の長さより小さくした光電界センサである。この方法は、アンテナパターン領域を広くとり、アンテナパターン端辺を延ばすことで、高い指向性を得ている。 A technique of an optical electric field sensor having high directivity is disclosed in Patent Document 3. After splitting the light on an optical crystal substrate having an electro-optic effect, an optical waveguide having a shape that merges again is formed, and a modulation electrode that changes the refractive index of the optical waveguide after branching and an antenna pattern that guides voltage to the modulation electrode are formed. In the optical electric field sensor including the formed optical modulator, the length of the side adjacent to the optical waveguide of the antenna pattern is made smaller than the length of the opposite side. This method obtains high directivity by taking a wide antenna pattern area and extending the edge of the antenna pattern.
上述の特許文献1の光電界センサは、感度を向上するために外部にアンテナロッドを備えるかまたはプリント基板上にアンテナを形成して接続する。この方法では、電気光学結晶上に形成された金属電極、リード線およびアンテナロッド、またはプリント基板上に形成したアンテナの相関する位置関係およびその長さに依存して指向性の最大感度方向がずれるという問題があった。
The above-mentioned optical electric field sensor of
上述の特許文献2の光電界センサは、従来の内蔵アンテナの指向性に依存していた光電界センサを任意の指向性に制御する手段を提供しているが、電気光学結晶上に形成された金属電極、リード線およびアンテナロッド、またはプリント基板上に形成したアンテナの相関する位置関係およびその長さに依存して指向性の最大感度方向がずれるという問題を解決できていないという問題があった。
The above-mentioned optical electric field sensor of
上述の特許文献3の光電界センサは、アンテナパターン領域を広くとり、アンテナパターン端辺を延ばすことで、高い指向性を得ているが、電気光学結晶上に形成された金属電極、リード線およびアンテナロッド、またはプリント基板上に形成したアンテナの相関する位置関係およびその長さに依存して指向性の最大感度方向がずれるという問題を解決できていないという問題があった。 The above-described optical electric field sensor of Patent Document 3 obtains high directivity by taking a wide antenna pattern region and extending the edge of the antenna pattern, but the metal electrode, the lead wire and the electrode formed on the electro-optic crystal. There has been a problem that the problem that the maximum sensitivity direction of the directivity shifts depending on the relative position and length of the antenna rod or the antenna formed on the printed circuit board cannot be solved.
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術課題は、電気光学結晶上に形成された金属電極、リード線およびアンテナロッド、またはプリント基板上に形成したアンテナの相関する位置関係およびその長さに依存して指向性の最大感度方向がずれない光電界センサおよび光電界センサの指向性調整方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve such problems, and its technical problem is to correlate metal electrodes, lead wires and antenna rods formed on an electro-optic crystal, or antennas formed on a printed circuit board. It is an object of the present invention to provide an optical electric field sensor and a directivity adjustment method for the optical electric field sensor in which the maximum sensitivity direction of directivity does not shift depending on the positional relationship and the length thereof.
上記目的を達成するための第1の発明は、電気光学効果を有する光学結晶基板上に光を分岐させた後、反射ミラーによって、分岐光導波路を逆方向に伝播し、再び合流する形状の光導波路を形成し、分岐後、前記光導波路の屈折率を変動させるための変調電極と、該変調電極に電圧を導くアンテナパターンと前記変調電極と前記アンテナパターンを接続するリード線を形成した光変調器を備えた光電界センサにおいて、前記変調電極の長さ方向と前記アンテナパターンの長さ方向のなす角度を、前記アンテナパターンが伸びる長さ方向と最大感度方向との指向性のずれ角度Δφと54.7°を加えた角度=(Δφ+54.7°)にした光電界センサである。 According to a first aspect of the present invention for achieving the above object, after splitting light on an optical crystal substrate having an electro-optic effect, the light is propagated in the opposite direction by the reflecting mirror in the reverse direction and joined again. Optical modulation in which a waveguide is formed, and after branching, a modulation electrode for changing the refractive index of the optical waveguide, an antenna pattern for guiding a voltage to the modulation electrode, and a lead wire connecting the modulation electrode and the antenna pattern are formed In the optical electric field sensor provided with a detector, the angle formed between the length direction of the modulation electrode and the length direction of the antenna pattern is defined as a deviation angle Δφ in directivity between the length direction in which the antenna pattern extends and the maximum sensitivity direction. This is an optical electric field sensor in which an angle obtained by adding 54.7 ° = (Δφ + 54.7 °).
上記目的を達成するための第2の発明は、電気光学効果を有する光学結晶基板上に光を分岐させた後、反射ミラーによって、分岐光導波路を逆方向に伝播し、再び合流する形状の光導波路を形成し、分岐後、前記光導波路の屈折率を変動させるための変調電極と、該変調電極に電圧を導くアンテナパターンと前記変調電極と前記アンテナパターンを接続するリード線を形成した光変調器を備えた光電界センサにおいて、前記リード線の長さが、前記アンテナパターンの長さより、短く設定され、最大感度の電界検出方向と前記アンテナパターンが伸びる長さ方向とが一致した光電界センサである。 According to a second aspect of the invention for achieving the above object, after splitting light on an optical crystal substrate having an electro-optic effect, the light is propagated in the opposite direction by the reflecting mirror in the reverse direction and joined again. Optical modulation in which a waveguide is formed, and after branching, a modulation electrode for changing the refractive index of the optical waveguide, an antenna pattern for guiding a voltage to the modulation electrode, and a lead wire connecting the modulation electrode and the antenna pattern are formed In the optical electric field sensor provided with the detector, the length of the lead wire is set shorter than the length of the antenna pattern, and the electric field detection direction with the maximum sensitivity coincides with the length direction in which the antenna pattern extends. It is.
上記目的を達成するための第3の発明は、電気光学効果を有する光学結晶基板上に光を分岐させた後、反射ミラーによって、分岐光導波路を逆方向に伝播し、再び合流する形状の光導波路を形成し、分岐後、前記光導波路の屈折率を変動させるための変調電極と、該変調電極に電圧を導くアンテナパターンと前記変調電極と前記アンテナパターンを接続するリード線を形成した光変調器を備えた光電界センサの指向性調整方法において、前記変調電極の長さ方向と前記アンテナパターンの長さ方向のなす角度を、前記アンテナパターンが伸びる長さ方向と最大感度方向との指向性のずれ角度Δφと54.7°を加えた角度=(Δφ+54.7°)に調整する光電界センサの指向性調整方法である。 According to a third aspect of the present invention for achieving the above object, after splitting light onto an optical crystal substrate having an electro-optic effect, the light is propagated in the opposite direction by the reflecting mirror in the reverse direction and joined again. Optical modulation in which a waveguide is formed, and after branching, a modulation electrode for changing the refractive index of the optical waveguide, an antenna pattern for guiding a voltage to the modulation electrode, and a lead wire connecting the modulation electrode and the antenna pattern are formed In the method for adjusting the directivity of an optical electric field sensor provided with a detector, the angle formed between the length direction of the modulation electrode and the length direction of the antenna pattern is the directivity between the length direction in which the antenna pattern extends and the maximum sensitivity direction. This is a directivity adjustment method for an optical electric field sensor that is adjusted to an angle obtained by adding 54.7 ° to the deviation angle Δφ of the optical field sensor = (Δφ + 54.7 °).
上記目的を達成するための第4の発明は、電気光学効果を有する光学結晶基板上に光を分岐させた後、反射ミラーによって、分岐光導波路を逆方向に伝播し、再び合流する形状の光導波路を形成し、分岐後、前記光導波路の屈折率を変動させるための変調電極と、該変調電極に電圧を導くアンテナパターンと前記変調電極と前記アンテナパターンを接続するリード線を形成した光変調器を備えた光電界センサの指向性調整方法において、前記リード線の長さが、前記アンテナパターンの長さより、短く設定され、最大感度の電界検出方向と前記アンテナパターンが伸びる長さ方向とが一致した光電界センサの指向性調整方法である。 According to a fourth aspect of the invention for achieving the above object, after splitting light on an optical crystal substrate having an electro-optic effect, the light is propagated in the opposite direction by the reflecting mirror in the reverse direction and joined again. Optical modulation in which a waveguide is formed, and after branching, a modulation electrode for changing the refractive index of the optical waveguide, an antenna pattern for guiding a voltage to the modulation electrode, and a lead wire connecting the modulation electrode and the antenna pattern are formed In the method of adjusting the directivity of the optical electric field sensor provided with the detector, the length of the lead wire is set shorter than the length of the antenna pattern, and the electric field detection direction with the maximum sensitivity and the length direction in which the antenna pattern extends It is the directivity adjustment method of the coincident optical electric field sensor.
電気光学効果を有する光学結晶基板上に光を分岐させた後、反射ミラーによって、分岐光導波路を逆方向に伝播し、再び合流する形状の光導波路を形成し、分岐後、光導波路の屈折率を変動させるための変調電極と、その変調電極に電圧を導くアンテナパターンとその変調電極とそのアンテナパターンを接続するリード線を形成した光変調器を備えた光電界センサにおいて、変調電極の長さ方向とアンテナパターンの長さ方向のなす角度を、アンテナパターンが伸びる長さ方向と最大感度方向との指向性のずれ角度Δφと54.7°を加えた角度=(Δφ+54.7°)とする。また、リード線の長さを、アンテナパターンの長さより、短く設定し、最大感度の電界検出方向とアンテナパターンが伸びる長さ方向を一致させる。 After branching light on an optical crystal substrate having an electro-optic effect, a reflecting mirror propagates the branched optical waveguide in the reverse direction to form an optical waveguide that merges again. After branching, the refractive index of the optical waveguide The length of the modulation electrode in an optical electric field sensor comprising an optical modulator having a modulation electrode for varying the voltage, an antenna pattern for guiding a voltage to the modulation electrode, and a lead wire connecting the modulation electrode and the antenna pattern The angle formed by the direction of the antenna pattern and the length direction of the antenna pattern is an angle obtained by adding a directivity deviation angle Δφ of the length direction in which the antenna pattern extends and the maximum sensitivity direction and 54.7 ° = (Δφ + 54.7 °). . In addition, the length of the lead wire is set shorter than the length of the antenna pattern, and the electric field detection direction with the maximum sensitivity is matched with the length direction in which the antenna pattern extends.
その結果、光電界センサのアンテナの相関する位置関係およびその長さに依存しないで、その指向性のずれを補正しつつ指向性を調整し、最大感度の電界検出方向とアンテナパターンが伸びる長さ方向を一致させることで、指向性の最大感度方向のずれを解消した光電界センサおよび光電界センサの指向性調整方法の提供を可能とする。 As a result, regardless of the relative positional relationship and length of the antenna of the optical electric field sensor, the directivity is adjusted while correcting the deviation in directivity, and the electric field detection direction with the maximum sensitivity and the length that the antenna pattern extends. By matching the directions, it is possible to provide an optical electric field sensor and a directivity adjustment method for the optical electric field sensor in which the shift of the directivity maximum sensitivity direction is eliminated.
本発明を実施するための最良の形態に係る光電界センサについて、以下、図面を用いて詳細に説明する。 Hereinafter, an optical electric field sensor according to the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明を実施するための最良の形態に係るアンテナパターンの角度を調整した光電界センサを示す模式図である。図2は、本発明を実施するための最良の形態に係るリード線の長さを調整した光電界センサを示す模式図である。図3は、本発明を実施するための最良の形態に係る光電界センサのアンテナパターンの角度を調整したセンサ出力の指向性評価結果を示すグラフである。図4は、光電界センサのセンサ出力の指向性評価状態を示す図である。図5は、プリント基板リード線の長さを調整した光電界センサのセンサ出力の指向性評価結果を示す図である。 FIG. 1 is a schematic diagram showing an optical electric field sensor in which the angle of an antenna pattern according to the best mode for carrying out the present invention is adjusted. FIG. 2 is a schematic view showing an optical electric field sensor in which the length of the lead wire according to the best mode for carrying out the present invention is adjusted. FIG. 3 is a graph showing the directivity evaluation result of the sensor output in which the angle of the antenna pattern of the optical electric field sensor according to the best mode for carrying out the present invention is adjusted. FIG. 4 is a diagram showing a directivity evaluation state of the sensor output of the optical electric field sensor. FIG. 5 is a diagram showing the directivity evaluation result of the sensor output of the optical electric field sensor in which the length of the printed circuit board lead wire is adjusted.
本発明を実施するための最良の形態に係る光電界センサは、LiNbO3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2と反射ミラー6と光ファイバー7で構成される。金属電極2とプリント基板上に形成されたアンテナパターン3a,3bまたはアンテナロッドが、金属電極2がプリント基板のリード線4a,4bまたはワイヤーで接続された導波路型マッハツェンダ干渉計である。
An optical electric field sensor according to the best mode for carrying out the present invention comprises a Ti diffusion waveguide fabricated on a LiNbO 3 substrate, a
本発明を実施するための最良の形態では、図1に示すように、プリント基板のリード線4a,4bの長さは各4mm、アンテナパターン3a,3bのトータル長さは21mm、金属電極2の長さは6mmにする。次に、この光電界センサの指向性を測定し、プリント基板のリード線4a,4bと金属電極2の位置関係に起因する指向性のずれ角度Δφ=15°を考慮し、更に、計算値と実験値の相関関係を考慮して、アンテナパターン3a,3bの長さ方向と金属電極2の長さ方向のなす角度が、68.7°に設計することで、54.7°のセンサの最大感度方向8の最大感度が一致するように調整する。
In the best mode for carrying out the present invention, as shown in FIG. 1, the lengths of the
次に、図4に示す評価系でこの光電界センサのセンサ出力の指向性を評価する。図4に示すように、平行平板9a,9bにRF信号を印加することで、10の方向に電界が発生する。その後、光電界センサをその間に置き、アンテナ3a,3bがセンサの最大感度方向8と平行になる位置を基準0°として、回転方向11に360°回転しながら、回転方向でのセンサ出力を測定する。
Next, the directivity of the sensor output of this optical electric field sensor is evaluated by the evaluation system shown in FIG. As shown in FIG. 4, an electric field is generated in 10 directions by applying an RF signal to the
図3に示すように、本発明を実施するための最良の形態では、0°の位置で電界検出方向 (変調器の長さ方向とアンテナパターンの長さ方向のなす角度)=54.7°と最大感度が一致していることがわかる。 As shown in FIG. 3, in the best mode for carrying out the present invention, the electric field detection direction (angle formed by the length direction of the modulator and the length direction of the antenna pattern) at the position of 0 ° = 54.7 °. It can be seen that the maximum sensitivity matches.
また、本発明を実施するための最良の形態に係る光電界センサでは、図2に示すようにアンテナパターン3a,3bの長さ方向が金属電極2の長さ方向に対して54.7°傾いた方向にのびる形状で作製される。アンテナパターン3a,3bのトータル長さを21mm、金属電極2の長さを6mmに固定し、プリント基板のリード線4a,4bの長さをアンテナパターン3a,3bの長さに対して、2分の1程度にする。その後、センサ出力の指向性を評価した上で、少しずつプリント基板リード線4a,4bの長さを短くする。最終的には、プリント基板のリード線4a,4bの長さをアンテナパターン3a,3bの長さに対して、10分の1程度にして、センサの最大感度方向8で感度が最大になるように調整する。
In the optical electric field sensor according to the best mode for carrying out the present invention, the length direction of the
次に、図4に示す評価系でこの光電界センサのセンサ出力の指向性を評価する。図5より、0°の位置で電界検出方向 (変調器の長さ方向とアンテナパターンの長さ方向のなす角度)=54.7°と最大感度が一致していることがわかる。 Next, the directivity of the sensor output of this optical electric field sensor is evaluated by the evaluation system shown in FIG. FIG. 5 shows that the maximum sensitivity matches the electric field detection direction (angle formed by the length direction of the modulator and the length direction of the antenna pattern) = 54.7 ° at the position of 0 °.
本発明の実施例と従来例の比較に関して図面を用いて詳細に説明する。図6は、従来の光電界センサの構造を示す図である。図7は、従来の光電界センサのセンサ出力の指向性評価結果を示すグラフである。図8は、従来例の光電界センサで金属電極にリード線だけ接続して測定したセンサ出力の指向性評価結果である。 A comparison between an embodiment of the present invention and a conventional example will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 6 is a diagram showing the structure of a conventional optical electric field sensor. FIG. 7 is a graph showing the directivity evaluation result of the sensor output of the conventional optical electric field sensor. FIG. 8 shows the directivity evaluation result of the sensor output measured by connecting only the lead wire to the metal electrode with the conventional optical electric field sensor.
本発明の実施例の光電界センサは、上述した本発明の最良の形態に係る光電界センサと同様に作製し、同様な評価結果を得た。 The optical electric field sensor of the example of the present invention was manufactured in the same manner as the above-described optical electric field sensor according to the best mode of the present invention, and the same evaluation result was obtained.
従来例の光電界センサは、LiNbO3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2と反射ミラー6と光ファイバー7で構成される。金属電極2とプリント基板上に形成されたアンテナパターン3a,3bまたはアンテナロッドが、金属電極2がプリント基板のリード線4a,4bまたはワイヤーで接続された導波路型マッハツェンダ干渉計である。
The conventional optical electric field sensor includes a Ti diffusion waveguide fabricated on a LiNbO3 substrate, a
従来例では、プリント基板のリード線4a,4bの長さは各4mm、アンテナパターン3a,3bのトータル長さは21mm、金属電極2の長さは6mmにする。次に、この光電界センサのセンサ出力の指向性を測定した。
In the conventional example, the lengths of the
図6の従来例の光電界センサでは、最大感度方向はアンテナパターン3a,3bの方向であるセンサの最大感度方向8(図7の評価データでは0°、180°の位置)を向いていなければならないが、その方向から15°程度ずれていた。
In the conventional optical electric field sensor of FIG. 6, the maximum sensitivity direction is the direction of the
従来の光電界センサの指向性の最大感度方向がセンサの最大感度方向8(変調器の長さ方向とアンテナパターンの長さ方向のなす角度=54.7°)に対して15°程度ずれた要因を調べるために、上記方法で従来例の光電界センサからアンテナ部分を取り除いて、光電界センサの指向性を測定した。
The maximum sensitivity direction of the directivity of the conventional optical electric field sensor is shifted by about 15 ° with respect to the
図8の測定結果から、リード線4a,4bと金属電極2のセンサ出力の指向性とアンテナパターン3a,3bのセンサ出力の指向性がずれていたことがわかる。また、その感度と外部に取付けたアンテナロッドの感度の合計値が光電界センサの最終的な感度になるために、従来例の光電界センサの指向性は15°程度ずれたと推定される。
From the measurement results of FIG. 8, it can be seen that the directivities of the sensor outputs of the
以上のとおり、本発明の実施例では、光電界センサのアンテナの相関する位置関係およびその長さに依存しないで、その指向性のずれを補正しつつ指向性を調整し、電界検出方向(変調器の長さ方向とアンテナパターンの長さ方向のなす角度)に指向性の最大感度方向を一致させることで、指向性の最大感度方向がずれを解消した光電界センサおよび光電界センサの指向性調整方法の提供を可能とすることを確認した。 As described above, according to the embodiment of the present invention, the directivity is adjusted while correcting the deviation in directivity without depending on the correlated positional relationship and the length of the antenna of the optical electric field sensor, and the electric field detection direction (modulation) The directionality of the optical electric field sensor and the optical electric field sensor in which the deviation of the maximum directionality of directivity has been eliminated by making the maximum sensitivity direction of the directivity coincide with the angle between the length direction of the device and the length direction of the antenna pattern) It was confirmed that an adjustment method could be provided.
1 LiNbO3基板
2 金属電極
3a,3b アンテナパターン
4a,4b リード線
5 プリント基板
6 反射ミラー
7 光ファイバー
8 センサの最大感度方向
9a,9b 平行平板
10 電界方向
11 光電界センサ回転方向
61 光ファイバー
67 LiNbO3単結晶基板
69a,69b 光導波路
70a,70b 金属電極
71 反射ミラー
1 LiNbO 3 substrate
2
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Legal Events
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20101119 |
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A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20101130 |
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A02 | Decision of refusal |
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