JP2008107272A - 電界センサ装置及び自動バイアス設定装置，バイアス設定方法，バイアス設定用プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 電界センサ装置において、信頼性の高い電界測定を可能とする動作点を短時間に決定し保持する。
【解決手段】 マッハチェンダ干渉計光変調器３０の電極３４に周期信号を選択的に印加し、この周期信号によって強度変調された光信号をフィードバック信号として検出してフィードバック制御を実行し、光変調器３０の消光特性における光強度の極大値への保持動作を実施する。同様に電極３４に周期信号を選択的に印加して、光変調器３０の消光特性における光強度の極小値への保持動作を実施する。この極大値と極小値の和の１／２に比例する値を参照電力とすることにより線形性に優れた動作点を短時間に設定し、保持することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気光学素子を用いて電界強度を測定する電界センサ装置に関し、特に、バイアス設定機能を有する電界センサ装置及びそのバイアス設定方法，バイアス設定用プログラムに関する。

従来、ＥＭＣ（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍａｇｎｅｔｉｃ ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ：電磁的両立性）対策のために電気機器やケーブル等において発生する電界の強度を測定する必要があり、この測定のための電界センサ装置として、電気光学効果（ポッケルス効果）を有する素子を用いて電界強度を光信号に変換して測定する装置が一般に利用されている。電界光学効果を利用した電界センサ装置は、電極部分以外は被金属で構成されることになるので、被測定電界を乱さないで電界測定を実行することができる点で優れている。

しかし、電界光学効果を利用した電界センサ装置は、製作精度の問題により、所望の動作点に設定することが困難であった。これを解決するために、マッハチェンダ干渉計を形成する両アームに極性の異なる直流電圧を印加して所望の動作点を設定する電界センサ装置が特許文献１に開示されている。

図１４に示すように、特許文献１の電界センサは、光源１、電界強度を光強度に変換するマッハチェンダ干渉部３０、光信号を電気信号に変換する光電変換素子１０から構成され、マッハチェンダ干渉部３０を構成する光導波路２３１の両アーム位相差を微調可能にするため、光源１を分岐して光電変換素子２０１により直流電圧成分を生成し、光導波路２３１の両アーム上に形成された電極２３３、２３４に、極性の異なる直流電圧をバイアス電圧として印加して動作点を設定している。これにより、製作精度によらず所望の動作点（バイアス）を得られるという利点があった。

特開平９‐１１３５５７号公報

しかしながら、特許文献１の電界センサにおいて、最も線形性に優れた動作点は、電界センサの消光特性における光強度の極大値と極小値の中点付近であり、極大値と極小値の１／２となる直流電圧を求める必要がある。よって、最適な動作点を決定するためには、電界センサの消光特性を測定する必要がある。そのためには、電極２３３、２３４に印加する直流電圧を変えながら、電界センサの出力光パワーを逐次測定する必要があり、動作点を決定するまでに長い時間を要する不都合があった。

そこで、本発明は、上記従来技術の不都合を改善し、電界センサ装置において、最も信頼性の高い電界測定を可能とする動作点を短時間に決定し保持することを、その目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の電界センサ装置は、光源と、バイアス電圧によって動作点を設定し測定対象の電界に基づいて光源からの光を強度変調し出力する光変調器と、この光変調器から出力される光を電界強度信号として検出する光検出手段とを備え、電界が印加されていない光変調器に対して周期信号を印加する周期信号出力手段と、周期信号に基づいて強度変調された光信号を検出するモニタ検出手段と、この検出された光信号に含まれる周波数成分に基づいて光変調器の消光特性における光強度の極大値及び極小値を検出する極大極小検出手段と、電界及び周期信号が印加されていない光変調器の出力光強度を極大値と極小値間の値にするようにバイアス電圧を設定する自動バイアス設定手段とを備えたことを特徴とする（請求項１）。

このような電界センサ装置によれば、電界測定を実行する前段階の周期信号印加により、消光特性における光強度の極大値又は極小値に瞬時に動作点を保持して、極大値電力と極小値電力を求めることが可能となり、求めた極大値電力と極小値電力との間の値を参照電力とすることで、迅速に線形性に優れた動作点を設定することができる。

また、上記の電界センサ装置において、上述した自動バイアス設定手段が、極大値と極小値との差の絶対値に比例定数を乗じた差分値を極小値に加算した値，若しくは差分値を極大値から減算した値を強度設定値として算出し、電界及び周期信号が印加されていない光変調器の出力光強度を強度設定値にするように光変調器へ供給するバイアス電圧を設定してもよい（請求項２）。

このようにすると、電界センサの消光特性における光強度の極大値と極小値との差の絶対値に乗じる比例定数を任意に設定することで、極大値と極小値の間の中点付近に動作点を設定することができる。

またさらに、上記の電界センサ装置において、上述した比例定数を１／２としてもよい（請求項３）。このようにすると、極大値電力と極小値電力の和の１／２を参照電力とすることにより、最も線形性に優れた動作点を短時間に設定することができる。

また、上記の電界センサ装置において、上述した極大極小検出手段は、モニタ検出手段からの信号と周期信号とを同期検波し得られる直流電圧誤差信号を光変調器に対して印加するフィードバック制御を実行する機能と、直流電圧誤差信号がゼロになった時点でのモニタ検出手段からの信号の直流成分を極大値又は極小値として検出する機能とを備えてもよい（請求項４）。

このようにすると、フィードバック制御によって光強度の極大値及び極小値を検出するので、短時間に光強度の極大値及び極小値を保持することができる。

また、上記の電界センサ装置において、上述した光変調器が、電気光学効果素子を有したマッハチェンダ干渉計で構成されていてもよい（請求項５）。このようにすると、電極部分以外は被金属で構成されることになるので、被測定電界を乱さないで電界測定を実行することができる。
また、上記の電界センサ装置において、上述した周期信号出力手段が、予め備えた放射素子を介して光変調器の電気光学効果素子に対して電磁結合により周期信号を印加してもよい（請求項６）。このようにすると、被測定電界に代える形で周期信号を印加してバイアス設定制御を行うので、実際の使用状態に適した動作点を設定することができる。

次に、本発明の自動バイアス設定装置は、バイアス電圧によって動作点を設定し測定対象の電界に基づいて入力光を強度変調し出力する光変調器を備えた電界センサ装置に対してバイアス電圧の設定制御を行う自動バイアス設定装置であり、電界が印加されていない光変調器に対して周期信号を印加する周期信号出力手段と、この周期信号に基づいて光変調器で強度変調された光信号を検出するモニタ検出手段と、この検出された光信号に含まれる周波数成分に基づいて光変調器の消光特性における光強度の極大値及び極小値を検出する極大極小検出手段と、電界及び周期信号が印加されていない光変調器の出力光強度を極大値と極小値の間の値にするようにバイアス電圧を設定する自動バイアス設定手段とを備えたことを特徴とする（請求項７）。

このような自動バイアス設定装置によれば、光変調器に対して周期信号を印加することにより、光変調器の消光特性における光強度の極大値又は極小値に瞬時に動作点を保持して、極大値電力と極小値電力を求めることが可能となり、求めた極大値電力と極小値電力との間の値を参照電力とすることで、光変調器の動作点を線形性に優れた動作点に短時間で設定することができる。

また、上記の自動バイアス設定装置において、上述した自動バイアス設定手段が、検出した極大値と極小値との差の絶対値に比例定数を乗じた差分値を極小値に加算した値，若しくは差分値を極大値から減算した値を設定強度値として算出し、電界及び周期信号が印加されていない光変調器の出力光強度を設定強度値にするようにバイアス電圧を設定してもよい（請求項８）。

このようにすると、比例定数に応じて、光変調器の動作点を、消光特性の極大値と極小値の間の中点付近に設定することができる。

またさらに、上記の自動バイアス設定装置において、上述した比例定数を１／２としてもよい（請求項９）。このようにすると、光変調器の動作点を、消光特性の極大値と極小値の間の中点である最も線形性に優れた動作点に設定することができる。

また、上記の自動バイアス設定装置において、上述した極大極小検出手段は、モニタ検出手段からの信号と周期信号とを同期検波し得られる直流電圧誤差信号を周期信号と共に光変調器に対して印加するフィードバック制御を実行する機能と、直流電圧誤差信号がゼロになった時点でのモニタ検出手段に検出された光信号の直流成分を極大値又は極小値として検出する機能とを備えてもよい（請求項１０）。

このようにすると、光変調器の消光特性における光強度の極大値及び極小値をフィードバック制御によって検出するので、短時間に極大値及び極小値を保持することができる。

次に、本発明の電界センサ装置のバイアス設定方法は、バイアス電圧によって動作点を設定し測定対象の電界に基づいて光源からの光を強度変調し出力する光変調器と、この光変調器から出力される光を電界強度信号として検出する光検出手段とを備えた電界センサ装置にあって、電界が印加されていない光変調器に対して周期信号を印加する周期信号印加工程と、光源からの光を光変調器へ入力する光供給工程と、周期信号に基づいて強度変調された光信号を検出するモニタ検出工程と、この検出された光信号に含まれる周波数成分に基づいて光変調器の消光特性における光強度の極大値及び極小値を検出する極大極小検出工程と、電界及び周期信号が印加されていない光変調器の出力光強度を極大値と極小値間の値にするようにバイアス電圧を設定する自動バイアス設定工程とからなることを特徴とする（請求項１１）。

このような電界センサ装置のバイアス設定方法によれば、電界測定を実行する前段階に周期信号印加し、消光特性における光強度の極大値及び極小値に瞬時に動作点を保持して、極大値電力と極小値電力を求めることが可能である。求めた極大値電力と極小値電力との間の値を参照電力とすることで、迅速に最適な動作点を設定することができる。

また、上記のバイアス設定方法において、上述した自動バイアス設定工程では、検出した極大値と極小値との差の絶対値に比例定数を乗じた差分値を極小値に加算した値，若しくは、差分値を極大値から減算した値を強度設定値として算出し、電界及び周期信号が印加されていない光変調器の出力光強度を強度設定値にするようにバイアス電圧を設定するようにしてもよい（請求項１２）。このようにすると、比例定数に応じて、任意の動作点に設定することができる。

またさらに、上記のバイアス設定方法において、上述した比例定数を１／２としてもよい（請求項１３）。このようにすると、極大値電力と極小値電力の和の１／２を参照電力とすることにより、最も線形性に優れた動作点を短時間に設定することができる。

また、上記のバイアス設定方法において、上述した極大極小検出工程では、モニタ検出工程で検出された光信号と周期信号とを同期検波し得られる直流電圧誤差信号を光変調器に対して印加するフィードバック制御を実行し、直流電圧誤差信号がゼロになった時点でのモニタ検出工程で検出された光信号の直流成分を極大値又は極小値として検出するようにしてもよい（請求項１４）。

このようにすると、フィードバック制御によって光強度の極大値及び極小値を検出するので、短時間に光強度の極大値及び極小値を保持することができる。

次に、本発明のバイアス設定用プログラムは、バイアス電圧によって動作点を設定し測定対象の電界に基づいて入力光を強度変調し出力する光変調器を備えた電界センサ装置に対してバイアス電圧の設定制御を実行するコンピュータに、電界を印加させず周期信号を印加させた光変調器により強度変調され出力された光信号を検出するモニタ検出処理と、この検出された信号に含まれる周波数成分に基づいて光変調器の消光特性における光強度の極大値及び極小値を検出する極大極小検出処理と、電界及び周期信号が印加されていない光変調器の出力光強度を極大値と極小値間の値にするようにバイアス電圧を設定する自動バイアス設定処理とを実行させることを特徴とする（請求項１５）。

また、上記のバイアス設定用プログラムにおいて、上述した自動バイアス設定処理が、極大値と極小値との差の絶対値に比例定数を乗じた差分値を極小値に加算した値，若しくは差分値を極大値から減算した値を強度設定値として算出し、電界及び周期信号が印加されていない光変調器の出力光強度を強度設定値にするようにバイアス電圧を設定するという内容でもよい（請求項１６）。

またさらに、上記のバイアス設定用プログラムにおいて、上述した比例定数を１／２としてもよい（請求項１７）。

また、上記のバイアス設定用プログラムにおいて、極大極小検出処理が、上述したモニタ検出処理で検出した信号と周期信号とを同期検波し得られる直流電圧誤差信号を周期信号と共に光変調器に対して印加するフィードバック制御を実行すると共に、直流電圧誤差信号がゼロになった時点の前記モニタ検出処理で検出された光信号の直流成分を極大値又は極小値として検出するという内容でもよい（請求項１８）。

このようなプログラムによれば、電界センサ装置においては、電界測定を実行する前段階の周期信号印加により、消光特性における光強度の極大値及び極小値に瞬時に動作点を保持することができ、極大値電力と極小値電力を求めることが可能となる。求めた極大値電力と極小値電力との間の値を参照電力とすることで、短時間で線形性に優れた動作点に設定することができる。

本発明は以上のように構成され機能するため、これにより、電界センサ装置においては、周期信号を印加することで、消光特性における光強度の極大値および極小値への保持動作が可能となり、その結果として極大値電力と極小値電力の和の１／２を短時間に求めることが可能となる。極大値電力と極小値電力の和の１／２を参照電力とすることにより、信頼性の高い電界測定を可能とする動作点を短時間に設定することができる。

以下、本発明における一実施形態を、図面を参照して説明する。

図１及び図２は、本発明にかかる第１実施形態の電界センサ装置の構成を示すブロック図である。図１は、第１実施形態の電界センサ装置の構成を示すブロック図であり、図２は、第１実施形態の電界センサ装置におけるバイアス制御回路１００の構成を示すブロック図である。前述した図１２に示す従来の電界センサ装置と同様の構成要素には同一符号を付してある。

本第１実施形態の電界センサ装置は、レーザ光源１と、第１の光分岐素子２及び第２の光分岐素子６と、バイアス電圧によって変調動作点を設定し測定対象の電界に基づいてレーザ光源１からの光を強度変調し出力する光変調器３０と、光変調器３０への制御信号を出力しバイアス電圧の設定制御を行うバイアス設定装置として機能するバイアス制御回路１００と、第１の光アンプ７と、ＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ：自然放出光）雑音を除去するための光バンドパスフィルタである光フィルタ８と、第２の光アンプ９と、光変調器３０から出力される光を電界強度信号として検出する光検出手段２０とを備えて構成されている。

光検出手段２０は、第１の光電変換素子１０及び第１の電流電圧変換素子１１を備えて構成されている。

光変調器３０は、反射型のマッハチェンダ干渉計であり、第３の光分岐素子３１，第１のポッケルス効果素子３２，第２のポッケルス効果素子３３，電極３４，ミラー３５から構成されている。

図２に示すように、バイアス制御回路１００は，第３の光電変換素子１０１，第２の電流電圧変換素子１０２，周期信号発振回路１０３，位相比較回路１０４，第１の積分回路１０５，第１の直流電圧源１０６，バイアス供給回路１０７，第２の直流電圧源１０８，比較回路１０９，第２の積分回路１１０，第１のスイッチ１２０，第２のスイッチ１２１，第３のスイッチ１２２，第４のスイッチ１２３，直流電圧モニタ１３０から構成されている。

周期信号発振回路１０３及び第１のスイッチ１２０は、電界が印加されていない光変調器３０の電極３４に対して周期信号を出力する周期信号出力手段として機能し、第３の光電変換素子１０１及び第２の電流電圧変換素子１０２は、光変調器３０で強度変調され出力される光信号を検出するモニタ検出手段として機能する。

また、位相比較回路１０４，第１の積分回路１０５，第２のスイッチ１２１，直流電圧モニタ１３０は、第３の光電変換素子１０１に受光された光信号に含まれる周波数成分に基づいて光変調器３０の消光特性における光強度の極大値及び極小値を検出する極大極小検出手段として機能し、第２の直流電圧源１０８，比較回路１０９，第２の積分回路１１０，第３のスイッチ１２２，第４のスイッチ１２３は、光変調器３０の出力光強度を極大値と極小値の間の値にするようにバイアス電圧を設定する自動バイアス設定手段として機能する。

本第１実施形態の電界センサ装置において、レーザ光源１から出射されたＣＷ光（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）は、第１の光分岐素子２により光変調器３０に入射され強度変調を施される。第１の光分岐素子２は、入射ポートに対して出力ポートが決まっている光サーキュレータである。光変調器３０においては、入力されたＣＷ光が第３の光分岐素子３１により二分岐され、一方は第１のポッケルス効果素子３２に入射し、他方は第２のポッケルス効果素子３３に入射する。第３の光分岐素子３１は、入射光を２分岐すればよく、例えば、方向性結合回路やＹ分岐回路である。

第１のポッケルス効果素子３２は、被測定対象の電界を検出して、検出した電界に応じて位相シフトを施す。第２のポッケルス効果素子３３は、素子上に電極３４が形成されており、電極３４に印加される制御信号に応じた位相シフトを施す。第１及び第２のポッケルス効果素子は、ＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）やＫＤＰ（リン酸二水素カリウム）等で形成されたポッケルス効果特性を有する素子である。

第１のポッケルス効果素子３２、第２のポッケルス効果素子３３を通過した光信号は、それぞれ端面またはミラー３３により反射され、再び第１の光分岐素子２で合波され、入射時の分波から出射時の合波までの位相差に応じて強度変調された光信号に変換される。

電極３４に印加される制御信号は、直流電圧または周期信号であり、周期信号を印加する場合には、その振幅がＶπ、すなわち、光変調器３０の消光特性における光強度の極小値と極大値間におけるバイアス電圧差より小さい振幅の信号を用いる。

光変調器３０から出射された光信号は、第２の光分岐素子６により二分岐される。一方の経路は、電界によって強度変調された光信号のための経路であり、光信号が第１の光アンプ７、光フィルタ８、第２の光アンプ９を経由して、第１の光電変換素子１０および電流電圧変換素子１１により、電界強度信号として取り出される。

他方の経路は、バイアス設定のための制御信号によって強度変調された光信号のための経路であり、光信号がバイアス制御回路１００に入射され、フィードバック信号として用いられる。図２に示すように、バイアス制御回路１００に入射された光信号は、第２の光電変換素子１０１及び第２の電流電圧変換素子１０２により電気信号に変換され、直流電圧モニタ１３０により検出される。

電界測定を実行する前のバイアス設定時には、まず、第１のスイッチ１２０及び第２のスイッチ１２１がオンになり、周期信号発振回路１０３から出射された周期信号がバイアス供給回路１０７を介して光変調器３０の電極３４に印加される。周期信号を印加された光変調器３０から出力される光信号がフィードバック信号としてバイアス制御回路１００に入射される。バイアス制御回路１００に入射された光信号は、第２の光電変換素子１０１及び第２の電流電圧変換素子１０２により電気信号に変換される。第２の電流電圧変換素子１０２の出力信号は、直流電圧モニタ１３０により検出される。

そして、第２の電流電圧変換素子１０２の出力信号と周期信号発振回路１０３からの周期信号とが同期検波を行うために位相比較回路１０４に入力する。この位相比較回路１０４は、ミキサ回路でもよく、ディジタル乗算回路やアナログ乗算回路でもよい。

位相比較回路１０４から出力される同期検波後の信号は、第１の積分回路１０５に入力する。第１の積分回路１０５では、低域通過フィルタ機能により直流電圧誤差信号を抽出するとともに、増幅機能によりその直流電圧誤差信号の増幅を行う。第１の積分回路１０５から出力された信号は、周期信号発振回路１０３から出力される周期信号とともに、バイアス供給回路１０７に入力される。

バイアス供給回路１０７では、周期信号発振回路１０３からの周期信号と、積分回路１０５から出力された信号、及び、第１の直流電圧源からの定状的な直流電圧信号がそれぞれ独立に加算または減算され出力される。この出力された信号は、図１の光変調器３２の電極３４に印加される。

このようなフィードバック制御は、第１の積分回路１０５から出力される直流電圧誤差信号が０になった時点で終了し、この時点での第２の電流電圧変換素子１０２の出力信号の直流成分値が、直流電圧モニタ１３０に保持される。続いて、直流電圧誤差信号の極性を逆に替えて同様のフィードバック制御を実行する。

周期信号を用いたフィードバック制御が終了した後は、第１のスイッチ１２０、第２のスイッチ１２１がオフになり、第３のスイッチ１２２、第４のスイッチ１２３がオンされて、第２の電流電圧変換素子１０２の出力信号と第２の直流電圧源１０８から出力される直流電圧信号とが、レベル比較のために比較回路１０９に入力する。レベル比較後の信号は、第２の積分回路１１０に入力し、低域通過フィルタ機能により直流電圧誤差信号が抽出されるとともに、増幅機能によりその直流電圧誤差信号の増幅が行われる。第２の積分回路１１０から出力された直流電圧誤差信号は、バイアス供給回路１０７に入力される。

バイアス供給回路１０７では、第２の積分回路１１０から出力された信号、及び、第１の直流電圧源１０６からの定常的な直流電圧信号が加算または減算され、バイアス供給回路１０７から出力される信号は、図１の光変調器３０の電極３４に印加される。

このような直流電圧信号を用いたフィードバック制御が、第２の積分回路１１０から出力される直流電圧誤差信号が０になるように実行されることにより、動作点が保持可能となる。

次に、本第１実施形態の電界センサ装置におけるバイアス設定動作について説明する。

図３は、マッハチェンダ干渉計の光変調器３０の消光特性（光強度出力のバイアス電圧依存性）を示している。本第１実施形態における電界センサ装置のバイアス設定動作は、第１のポッケルス効果素子３２により検出された信号を歪みにくくするため、消光特性において線形性に優れた点Ａが動作点になるように自動設定制御を行うものである。

図３の点Ａとしては、光強度の極大値と極小値の差に対して比例定数を乗じた値を極小値に加算した一定値、もしくは、光強度の極小値と極大値の差に対して比例定数を乗じた値を前記極大値から減算した一定値であればよいが、最も線形性に優れている値として、光強度の極大値と極小値の差に対して比例定数１／２を乗じた値を極小値に加算した一定値、すなわち、光強度の極大値と極小値の和の１／２が好ましい。以下の説明では、光強度の極大値と極小値の和の１／２となる点を点Ａとして説明する。

図４は、本第１実施形態の電界センサ装置におけるバイアス設定動作を示すフローチャートである。ここで、本発明の電界センサ装置のバイアス設定方法についても各工程を示して同時に説明する。

＜ステップａ＞
電界測定を実行する前のバイアス設定時には、まず、第１のスイッチ１２０をオンとした後に［図４：ステップＳ３１］、第２のスイッチ１２１をオンとする［図４：ステップＳ３２］。

周期信号発振回路１０３から出力された基本周波数ｆ０の周期信号が、バイアス供給回路１０７により第１の直流電圧源１０６からの定常的な直流電圧信号とともに、光変調器３０の電極３４へ印加される［周期信号印加工程］。光変調器３０においては、直流電圧信号によって動作点が決定し、レーザ光源１からのレーザ光が入力すると［光供給工程］、入力したレーザ光が周期信号に応じて強度変調される。図５は、動作点が点Ｄの場合について示す説明図である。この強度変調された光信号が光電変換素子１０１及び電流電圧変換素子１０２によって電圧信号に変換されて検出され［モニタ検出工程］、この検出された信号と周期信号とが位相比較回路１０４に入力し基本周波数成分ｆ０で同期検波されて、動作点に応じた直流電圧誤差信号が抽出される［図４：ステップＳ３３］。

また、点Ｄとは消光特性曲線上の傾きが異なる領域内の点Ｅが動作点になった場合を図６に示す。動作点が点Ｅの場合、周期信号に応じて強度変調された光変調器３０からの出力信号は、図６に示すような信号となり、電圧信号に変換されて検出される。この場合、傾きの異なる動作点Ｄの場合とは、検出された信号の周波数成分ｆ０の位相が互いにπ異なるため、得られる直流電圧誤差信号の符号が異なる。

動作点が消光特性における光強度の極大値に一致した場合を図７に示す。動作点が極大値に一致した場合、光変調器３０の出力信号は、図７に示すような信号となり、電圧信号に変換されて検出される。上記と同様に、検出された信号と周期信号とが基本周波数成分ｆ０で同期検波されるが、この場合、検出された信号の周波数成分は２ｆ０であるため、得られる直流電圧誤差信号の値は０となる。

以上のように、動作点の消光特性曲線上の傾きが異なれば、直流電圧誤差信号の符号が異なり、動作点が消光特性曲線の極大値に一致した場合は、直流電圧誤差信号が０となる。よって、極大値を与える動作点からのずれの方向が直流電圧誤差信号の符号で判別可能となるため、直流電圧誤差信号が０となるようにフィードバック制御が実行される［図４：ステップＳ３４］。これによって、動作点を消光特性曲線の極大値に保持可能となる。

抽出される直流電圧誤差信号が０になり、動作点が図３の点Ｂ（光強度の極大値）に収束した時点に、第２の電流電圧変換素子１０２の出力信号の直流成分電圧値Ｖ＿Ｂが直流電圧モニタ１３０により記憶される［図４：ステップＳ３５，極大極小検出工程］。この電圧値Ｖ＿Ｂは動作点Ｂでの光強度に比例する。

＜ステップｂ＞
続いて、第１の積分回路１０５からの直流電圧誤差信号の極性を切り替える［図４：ステップＳ３６］。動作点が図３の点Ｃ（光強度の極大値）に収束した時点に、直流電圧モニタ１３０により電圧値Ｖ＿Ｃが記憶される［図４：ステップＳ３９，極大極小検出工程］。この電圧値Ｖ＿Ｃは動作点Ｃでの光強度に比例する。

ステップｂの動作は、ステップａと同様の動作で、消光特性における光強度の極大値ではなく極小値に動作点を収束させる動作である。ステップａと挙動が異なるのは、極小値を与える動作点からのずれの方向を検出する直流電圧誤差信号の符号が、極大値を与える動作点からのずれの方向を検出する直流電圧誤差信号の符号と正負異なることである。従って、直流電圧誤差信号の極性を切り替えることにより、動作点を消光特性曲線の極小値に保持可能となる。動作点が消光特性曲線の極小値に一致した場合を図８に示す。

＜ステップｃ＞
第２の光電変換素子１０１に受光される光信号を図３の点Ａ（光強度の極大値と極小値の和の１／２となる点）に収束させるため、直流電圧モニタ１３０によって第２の直流電圧源１０８が（Ｖ＿Ｂ＋Ｖ＿Ｃ）／２に設定される［図４：ステップＳ４０］。第１のスイッチ１２０及び第２のスイッチ１２１をオフとして［図４：ステップＳ４１］、周期信号によるフィードバック制御を中止したのち、第３のスイッチ１２２をオンとし［図４：ステップＳ４２］、第４のスイッチ１２３をオンとする［図４：ステップＳ４３］。そして、第２の電流電圧変換素子１０２の出力が第２の直流電圧源１０８の電圧値（Ｖ＿Ｂ＋Ｖ＿Ｃ）／２と一致するように制御することにより、動作点を点Ａに保持することができる。

ステップａ及びステップｂにより、消光特性曲線の極大値及び極小値に動作点が保持される際に、直流電圧モニタ１３０によって極大値電圧Ｖ＿Ｂと極小値電圧Ｖ＿Ｃとが検出保持されているが、図７及び８に示すように、真の極大値および極小値に対して、各々誤差−ΔＶ＿Ｂと＋ΔＶ＿Ｃとが生じている。しかしながら、消光特性は、光強度の極大値と極小値の中点を中心として奇関数であるため、ΔＶ＿ＢとΔＶ＿Ｃとは等しく、光強度の極大値と極小値の中点は、｛（Ｖ＿Ｂ＋ΔＶ＿Ｂ）＋（Ｖ＿Ｃ−ΔＶ＿Ｃ）｝／２＝（Ｖ＿Ｂ＋Ｖ＿Ｃ）／２となり誤差なく求めることができる。

図９に示すように、動作点に応じて光強度が異なるため、（Ｖ＿Ｂ＋Ｖ＿Ｃ）／２との比較により、”光強度の極大値と極小値の和が１／２”となる動作点からのずれの方向を、直流電圧誤差信号の符号により判別可能となる。直流電圧誤差信号が０となるようにフィードバック制御することにより、動作点を“光強度の極大値と極小値の和が１／２”となる点に保持可能となる［自動バイアス設定工程］

＜ステップｄ＞
点Ａを動作点として電界測定を開始する［図４：ステップＳ４４］。

ここで、自動バイアス設定動作の順序として、ステップａ→ステップｂ→ステップｃとしたが、ステップｂ→ステップａ→ステップｃとしても同様に自動バイアス設定が可能であることは明らかである。

このように、本第１実施形態では、電界センサ装置において、光変調器３０の電極３４に周期信号を選択的に印加し、この周期信号によって強度変調された光信号をフィードバック信号として検出してフィードバック制御を実行し、光変調器３０の消光特性における光強度の極大値への動作点保持を実施し、光強度の極大値を短時間に求めるステップａと、同様に電極３４に周期信号を選択的に印加して、光変調器３０の消光特性における光強度の極小値への動作点保持を実施し、光強度の極小値を短時間に求めるステップｂと、この極大値と極小値の和の１／２の値を参照電力とすることにより線形性に優れた動作点を短時間に設定するステップｃとの３ステップによって、信頼性の高い電界測定を可能にする動作点を短時間に設定し、保持することが可能となる。

本第１実施形態では、電流電圧変換素子１０２の出力を検出する直流電圧モニタ１３０を用いているが、これに代えて、光電変換素子１０１の光電流を検出する電流モニタを用いてもよい。電流モニタにより検出した電流値と、電流電圧変換素子１０２の電流電圧変換利得の積を求めることにより、電圧モニタと等価な機能を実現できるからである。

次に、本発明にかかる第２実施形態について説明する。

図１０及び１１は、本発明にかかる第２実施形態の電界センサ装置の構成を示すブロック図である。図１０は、第２実施形態の電界センサ装置の構成を示すブロック図であり、図１１は、第２実施形態の電界センサ装置におけるバイアス制御回路２００の構成を示すブロック図である。図１及び図２に示す第１実施形態と同様の構成要素には同一符号を付してある。

本第２実施形態では、第１実施形態において周期信号を光変調器３０の電極３４に印可する構成を、周期信号を光変調器３０のポッケルス効果素子３２に放射素子１５０を用いて電磁結合により印加している構成としている。放射素子１５０としては、周期信号を効率よく放射できる任意のアンテナでもよく、また、マイクロストリップ線路やコプレーナ線路のような平面回路でもよい。

このように、本第２実施形態でも上述した第１実施形態と同様に、電界センサ装置において、光変調器３０の電極３４に周期信号を選択的に印加し、この周期信号によって強度変調された光信号をフィードバック信号として検出してフィードバック制御を実行し、光変調器３０の消光特性における光強度の極大値への動作点保持を実施し、光強度の極大値を短時間に求め、同様にして光強度の極小値を短時間に求める。そして、この極大値と極小値の和の１／２の値を参照電力とすることにより線形性に優れた動作点を短時間に設定する。よって、信頼性の高い電界測定を可能にする動作点に短時間に設定し、保持することが可能となる。

次に、本発明にかかる第３実施形態について説明する。

図１２（ａ），（ｂ）は、本第３実施形態の電界センサ装置の構成を示すブロック図である。図１２（ａ）は、本第３実施形態の電界センサ装置の構成を示すブロック図であり、図１２（ｂ）は、本第３実施形態におけるバイアス回路３００の構成を示すブロック図である。前述した図１及び２に示す第１実施形態と同様の構成要素には同一符号を付してある。

本第３実施形態は、バイアス制御回路３００に、前述した第１実施形態と同様の構成に加えて、バイアス制御回路３００の動作を制御する制御部として機能する記憶装置１６１，演算装置１６２，制御装置１６３が装備されている。記憶装置１６１，演算装置１６２，制御装置１６３は、直流電圧モニタ１３０，バイアス供給回路１０７，スイッチ１２０，１２１，１２２，１２３を制御しており、これによって、図４に示すフローに従った自動バイアス設定制御が、記憶装置１６１，演算装置１６２，制御装置１６３によって逐次実行されることになる。

ここで、記憶装置１６１，演算装置１６２，制御装置１６３については、その機能をコンピュータに実行させてもよい。この場合、図４に示すフローに従った自動バイアス設定制御の動作内容をプログラム化し、このプログラムをコンピュータに実行させる構成とする。

次に、本発明にかかる第４実施形態について説明する。

図１３（ａ），（ｂ）は、本第４実施形態の電界センサ装置の構成を示すブロック図である。図１３（ａ）は、本第４実施形態の電界センサ装置の構成を示すブロック図であり、図１３（ｂ）は、本第４実施形態におけるバイアス回路４００の構成を示すブロック図である。前述した図１０及び１１に示す第２実施形態と同様の構成要素には同一符号を付してある。

本第４実施形態は、バイアス制御回路４００に、前述した第２実施形態と同様の構成に加えて、バイアス制御回路４００の動作を制御する制御部として機能する記憶装置１６１，演算装置１６２，制御装置１６３が装備されている。記憶装置１６１，演算装置１６２，制御装置１６３は、直流電圧モニタ１３０，バイアス供給回路１０７，スイッチ１２０，１２１，１２２，１２３を制御しており、これによって、図４に示すフローに従った自動バイアス設定制御が、記憶装置１６１，演算装置１６２，制御装置１６３によって逐次実行されることになる。

本発明にかかる第１実施形態の電界センサ装置の構成を示すブロック図である。 図１に開示した実施形態におけるバイアス制御回路の構成を示すブロック図である。 図１に開示した実施形態における光変調器の消光特性を示す図である。 図１に開示した実施形態の電界センサ装置におけるバイアス設定動作を示すフローチャートである。 図１に開示した実施形態の電界センサ装置において動作点が消光特性曲線上の傾き正の領域内にある場合を示す図である。 図１に開示した実施形態の電界センサ装置において動作点が消光特性曲線上の傾き負の領域内にある場合を示す図である。 図１に開示した実施形態の電界センサ装置において動作点が消光特性の光強度極大値にある場合を示す図である。 図１に開示した実施形態の電界センサ装置において動作点が消光特性の光強度極小値にある場合を示す図である。 図１に開示した実施形態の電界センサ装置において様々な動作点を示す図である。 本発明にかかる第２実施形態の電界センサ装置の構成を示すブロック図である。 図１０に開示した実施形態におけるバイアス制御回路の構成を示すブロック図である。 本発明にかかる第３実施形態の電界センサ装置の構成を示すブロック図である。 本発明にかかる第４実施形態の電界センサ装置の構成を示すブロック図である。 従来の電界センサ装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２，６ 光分岐素子
７，９ 光アンプ
８ 光フィルタ
１０ 光電変換素子
１１ 電流電圧変換素子
２０ 光検出手段
３０ 光変調器
３１ 光分岐素子
３２，３３ ポッケルス効果素子
３４ 電極
３５ ミラー
１００，２００，３００，４００ バイアス制御回路
１０１ 光電変換素子
１０２ 電流電圧変換素子
１０３ 周期信号発振回路
１０４ 位相比較回路
１０５ 積分回路
１０６ 直流電圧源
１０７ バイアス供給回路
１０８ 直流電圧源
１０９ 比較回路
１１０ 積分回路
１２０，１２１，１２２，１２３ スイッチ
１３０ 直流電圧モニタ
１５０ 放射素子
１６１ 記憶装置
１６２ 演算装置
１６３ 制御装置
２０１ 光電変換素子
２０２ 計測器
２３１ 光導波路
２３２ 基板
２３３，２３４ 電極
２３５，２３６ アンテナ

Claims (18)

1. 光源と、バイアス電圧によって変調動作点を設定し測定対象の電界に基づいて前記光源からの光を強度変調し出力する光変調器と、この光変調器から出力される光を電界強度信号として検出する光検出手段とを備えると共に、
   前記電界が印加されていない光変調器に対して周期信号を印加する周期信号出力手段と、前記周期信号に基づいて強度変調された光信号を検出するモニタ検出手段とを備え、
   前記モニタ検出手段で検出された光信号に含まれる周波数成分に基づいて前記光変調器の消光特性における光強度の極大値及び極小値を検出する極大極小検出手段と、前記電界及び周期信号が印加されていない前記光変調器の出力光強度を前記極大値と極小値の間の値にするように前記バイアス電圧を設定する自動バイアス設定手段とを備えたことを特徴とする電界センサ装置。
2. 前記請求項１に記載の電界センサ装置において、
   前記自動バイアス設定手段が、前記検出した極大値と極小値との差の絶対値に比例定数を乗じた差分値を前記極小値に加算した値，若しくは前記差分値を前記極大値から減算した値を設定強度値として算出し、前記電界及び周期信号が印加されていない光変調器の出力光強度を前記設定強度値にするように前記バイアス電圧を設定することを特徴とする電界センサ装置。
3. 前記請求項２に記載の電界センサ装置において、
   前記比例定数を１／２としたことを特徴とする電界センサ装置。
4. 前記請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電界センサ装置において、
   前記極大極小検出手段は、前記モニタ検出手段からの信号と前記周期信号とを同期検波し得られる直流電圧誤差信号を前記周期信号と共に前記光変調器に対して印加するフィードバック制御を実行する機能と、前記直流電圧誤差信号がゼロになった時点の前記モニタ検出手段に検出された光信号の直流成分を前記極大値又は極小値として検出する機能とを備えたことを特徴とする電界センサ装置。
5. 前記請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電界センサ装置において、
   前記光変調器が、電気光学効果素子を有するマッハチェンダ干渉計で構成されていることを特徴とする電界センサ装置。
6. 前記請求項５に記載の電界センサ装置において、
   前記周期信号出力手段が、予め備えた放射素子を介して前記光変調器の電気光学効果素子に対して電磁結合により前記周期信号を印加することを特徴とする電界センサ装置。
7. バイアス電圧によって変調動作点を設定し測定対象の電界に基づいて入力光を強度変調し出力する光変調器を備えた電界センサ装置に対して前記バイアス電圧の設定制御を行う自動バイアス設定装置であって、
   前記電界が印加されていない光変調器に対して周期信号を印加する周期信号出力手段と、前記周期信号に基づいて前記光変調器で強度変調された光信号を検出するモニタ検出手段と、この検出された光信号に含まれる周波数成分に基づいて前記光変調器の消光特性における光強度の極大値及び極小値を検出する極大極小検出手段と、前記電界及び周期信号が印加されていない前記光変調器の出力光強度を前記極大値と極小値の間の値にするように前記バイアス電圧を設定する自動バイアス設定手段とを備えたことを特徴とする自動バイアス設定装置。
8. 前記請求項７に記載の自動バイアス設定装置において、
   前記自動バイアス設定手段が、前記検出した極大値と極小値との差の絶対値に比例定数を乗じた差分値を前記極小値に加算した値，若しくは前記差分値を前記極大値から減算した値を設定強度値として算出し、前記電界及び周期信号が印加されていない光変調器の出力光強度を前記設定強度値にするように前記バイアス電圧を設定することを特徴とする自動バイアス設定装置。
9. 前記請求項８に記載の自動バイアス設定装置において、
   前記比例定数を１／２としたことを特徴とする自動バイアス設定装置。
10. 前記請求項７乃至９のいずれか一項に記載の自動バイアス設定装置において、
    前記極大極小検出手段は、前記モニタ検出手段からの信号と前記周期信号とを同期検波し得られる直流電圧誤差信号を前記周期信号と共に前記光変調器に対して印加するフィードバック制御を実行する機能と、前記直流電圧誤差信号がゼロになった時点での前記モニタ検出手段に検出された光信号の直流成分を前記極大値又は極小値として検出する機能とを備えたことを特徴とする自動バイアス設定装置。
11. バイアス電圧によって変調動作点を設定し測定対象の電界に基づいて予め備えた光源からの光を強度変調し出力する光変調器と、この光変調器から出力される光を電界強度信号として検出する光検出手段とを備えた電界センサ装置にあって、
    前記電界が印加されていない光変調器に対して周期信号を印加する周期信号印加工程と、前記光源からの光を前記光変調器へ入力する光供給工程と、前記周期信号に基づいて強度変調された光信号を検出するモニタ検出工程と、この検出された光信号に含まれる周波数成分に基づいて前記光変調器の消光特性における光強度の極大値及び極小値を検出する極大極小検出工程と、前記電界及び周期信号が印加されていない前記光変調器の出力光強度を前記極大値と極小値間の値にするように前記バイアス電圧を設定する自動バイアス設定工程とを設けたことを特徴とする電界センサ装置のバイアス設定方法。
12. 前記請求項１１に記載のバイアス設定方法において、
    前記自動バイアス設定工程では、前記検出した極大値と極小値との差の絶対値に比例定数を乗じた差分値を前記極小値に加算した値，若しくは前記差分値を前記極大値から減算した値を強度設定値として算出し、前記電界及び周期信号が印加されていない光変調器の出力光強度を前記強度設定値にするように前記バイアス電圧を設定するようにしたことを特徴とするバイアス設定方法。
13. 前記請求項１２に記載のバイアス設定方法において、
    前記比例定数を１／２としたことを特徴とするバイアス設定方法。
14. 前記請求項１１乃至１３のいずれか一項に記載のバイアス設定方法において、
    前記極大極小検出工程では、前記モニタ検出工程で検出された光信号と前記周期信号とを同期検波し得られる直流電圧誤差信号を前記周期信号と共に前記光変調器に対して印加するフィードバック制御を実行し、前記直流電圧誤差信号がゼロになった時点での前記モニタ検出工程で検出された光信号の直流成分を前記極大値又は極小値として検出するようにしたことを特徴とするバイアス設定方法。
15. バイアス電圧によって変調動作点を設定し測定対象の電界に基づいて入力光を強度変調し出力する光変調器を備えた電界センサ装置に対して前記バイアス電圧の設定制御を実行するコンピュータに、
    前記電界を印加させず周期信号を印加させた光変調器により強度変調され出力された光信号を検出するモニタ検出処理と、この検出された光信号に含まれる周波数成分に基づいて前記光変調器の消光特性における光強度の極大値及び極小値を検出する極大極小検出処理と、前記電界及び周期信号が印加されていない前記光変調器の出力光強度を前記極大値と極小値の間の値にするように前記バイアス電圧を設定する自動バイアス設定処理とを実行させることを特徴とするバイアス設定用プログラム。
16. 前記請求項１７に記載のバイアス設定用プログラムにおいて、
    前記自動バイアス設定処理が、前記検出した極大値と極小値との差の絶対値に比例定数を乗じた差分値を前記極小値に加算した値，若しくは前記差分値を前記極大値から減算した値を強度設定値として算出し、前記電界及び周期信号が印加されていない光変調器の出力光強度を前記強度設定値にするように前記バイアス電圧を設定するという内容に特定されたことを特徴とするバイアス設定用プログラム。
17. 前記請求項１６に記載のバイアス設定用プログラムにおいて、
    前記比例定数を１／２としたことを特徴とするバイアス設定用プログラム。
18. 前記請求項１５乃至１７のいずれか一項に記載のバイアス設定用プログラムにおいて、
    前記極大極小検出処理が、前記モニタ検出処理で検出した信号と前記周期信号とを同期検波し得られる直流電圧誤差信号を前記周期信号と共に前記光変調器に対して印加するフィードバック制御を実行すると共に、前記直流電圧誤差信号がゼロになった時点の前記モニタ検出処理で検出された光信号の直流成分を前記極大値又は極小値として検出するという内容に特定されたことを特徴とするバイアス設定用プログラム。

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