JP2008157817A - 直交偏光光源装置及び直交偏光光源装置を用いた電界センサ - Google Patents

Abstract

【課題】電源投入時の光検出器帯域内のビート雑音を発生させない、信頼性の高い直交偏光光源装置、及びそれを用いた安定した信頼性の高い電界センサを提供する。
【解決手段】強度がほぼ等しく、かつ互いに異なる波長の直線偏光を出射する２つの光源１、２と、その２つの光源から出射した２つの直線偏光を偏波面を互いにほぼ直交させて合成する光結合器５とからなる直交偏光光源装置において、起動時間に差をつけて２つの光源１、２を順次起動する時間差起動電源回路７を設けることにより前記２つの光源の起動時間を互いに異ならしめる手段を設けた。
【選択図】図３

Description

本発明は、２つの直線偏光を、その偏波面を互いに直交させて合成し出射する直交偏光光源装置、並びにその光源装置を用いた電磁波を測定または検出するための電界センサに関し、主として電磁環境（ＥＭＣ：Ｅｅｌｅｃｔｏｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ）分野で電波や電磁ノイズの計測器として用いられると共に、放送電波等の特定周波数の信号電波を検出するアンテナとしても機能する電界センサに関する。

一般に、コンピュータ等の情報機器や通信機器，ロボット等のＦＡ機器，或いは自動車や鉄道等の制御機器等の多くの電気機器は、外部からの電磁ノイズによって常に誤動作等の悪影響を受ける危険性を持つことが知られている。

そこで、最近のＥＭＣ分野においては、外部の電磁環境や悪影響を及ぼすような電磁ノイズの大きさ、或いは電気機器自体が発生するノイズ等を正確に測定することが重要となっている。

従来、上述した電磁ノイズを測定するためには、以下に説明するような三つの技術的手法が適用されている。

第１の手法は、通常のアンテナを用いて電磁ノイズを受信し、同軸ケーブルで測定器まで導くものである。又、第２の手法は、電磁ノイズをアンテナを用いて受信し、その受信信号を検波した後に光信号に変換して光ファイバを介して測定器まで導くものである。更に、第３の手法は、印加される電界強度に応じて透過光の強度が変化するように構成された光学素子を用いて電磁ノイズの電界強度変化を光強度変化に変換し、光学素子と光源及び測定器に接続された光検出器との間を光ファイバで接続するものである。

この内、第１の手法は最も一般的であるが、同軸ケーブル等の電気ケーブルの存在により電界分布が乱れることがある。或いはケーブル途中からノイズ混入の危険がある等の問題があるため、現在では光ファイバを用いた第２の手法及び第３の手法が主流となっている。

第２の手法はダイオードで検波した後、得られた電圧を周波数変化量に変換する電圧周波数（Ｖ／Ｆ）変換を行い、この信号で発光ダイオードを変調することで光信号に変換して光ファイバで光検出器に導くものである。第２の手法は、センサヘッドにおいて電気回路やバッテリを必要とするため、或る程度の大きさの金属部分が存在して形状も大きくなってしまうという問題があり、また、電界の検出感度が低くて応答速度が遅いという欠点がある。

第３の手法は、電界強度を透過光の強度変化に変換するセンサヘッドとして電気光学効果を有する結晶を用い、電極に接続された小型アンテナにより誘起された電圧で透過光を変調している。その素子構造としては、光ファイバの出射光をレンズで平行光として結晶中を通過させ、結晶中に誘起される電界により偏光状態を変化させて検光子を通した後、再び光ファイバに結合するバルク型素子と、結晶上に設けた光導波路により光学素子を構成する導波路型素子とがある。通常、導波路型素子の方がバルク型素子よりも１０倍以上検出感度が高くなっている。導波路型素子の電界センサ用基板結晶には一般に電気光学定数の大きいニオブ酸リチウム単結晶が使用されている。

図４は、従来の導波路型素子によるセンサヘッドを用いた電界センサの基本構成を示した図であり、図５はそのセンサヘッドの細部構成を示す斜視図である。

図５において、センサヘッド４では、ｃ軸に直交に切り出したニオブ酸リチウム単結晶基板１０上の所定箇所に一対の変調用電極１４が設置され、これらの変調用電極１４はアンテナ１５（図４参照）に接続されている。一対の変調用電極１４の下部の結晶表面にはそれぞれ入射光導波路１１から分岐した位相シフト光導波路１２が形成され、その出射側ではそれら２つの位相シフト光導波路１２が合流して出射光導波路１３が形成されている。
入射光導波路１１の入射端には入射光用に偏波面保持ファイバ２１が結合され、出射光導波路１３の出射端には出射光用にシングルモードファイバ２２が接続されている。

図４において、電界センサでは、電源３に接続された光源１から偏波面保持ファイバ２１を通った光がセンサヘッド４に入射光として入射される。センサヘッド４においては、図５のように入射光が入射光導波路１１に入射された後、２つの位相シフト光導波路１２によりエネルギーが分割されて一対の変調用電極１４の下を伝搬する。

ここで、外部から電界が印加された場合、アンテナ１５により一対の変調用電極１４に対して電圧が誘起されて位相シフト光導波路１２中には深さ方向に互いに反対向きの電界成分が生じる。

この結果、電気光学効果により屈折率変化が生じて位相シフト光導波路１２を伝搬する光波間には印加電界の大きさに応じた位相差が発生し、出射光導波路１３に入射するとき干渉により上記位相差に応じた強度変化が発生する。

即ち、印加電界強度に応じて出射光導波路１３を経てシングルモードファイバ２２に出射される出射光の強度は変化することになり、その光強度変化を光検出器６で電気信号に変換する。その電気信号の強度を測定することにより印加電界の強度を測定でき、また、その電気信号から電波信号を検出できる。

ところで、最近では経済性追求の必要から、センサヘッド４用の入射光ファイバとして偏波面保持ファイバ２１ではなく、シングルモードファイバを用いることが求められ、そのため偏波面が光ファイバ透過中に変動することにより生じる動作上の不利を補うために、下記特許文献１に示されるように、光源に２つの直線偏光光源を組み合わせた構成が提案されている。

図６は、このような従来の電界センサの基本構成を示した図である。この電界センサは、２つの直線偏光を出射する光源１，２を電源３に接続し、これらの光源１，２と光結合器５との間を偏波面を保持する比較的短い偏波面保持ファイバ２３、２４で結合し、更にセンサヘッド４と光結合器５の間をシングルモードファイバ２５で結合し、センサヘッド４と光検出器６の間をシングルモードファイバ２６で結合することによって構成されている。

この構成の場合、２つの光源１，２から出射した２つの直線偏光は偏波面保持ファイバ２３、２４を通過してその偏波面が光結合器５で互いに直交するように合成された後、シングルモードファイバ２５内を互いに偏波面が直交する関係を保ちつつ通過してセンサヘッド４に入射する。

このため、センサヘッド４の入射端ではシングルモードファイバ２５の状態の如何に拘らず、偏波面の直交関係がほぼ保たれるので、センサヘッド４に対して有効に働く偏光成分の強度はほぼ一定となり、実質的に偏波面保持ファイバを用いた場合と同等の効果が得られるようになっている。

尚、ここでの光源１，２及び光結合器５と、これらの間を結合した一対の偏波面保持ファイバ２３，２４とを合わせて直交偏光光源装置と呼ぶ。

上述した図６に示した電界センサの場合、直交偏光光源装置における２つの光源の波長の差が大きいと上述の偏光直交関係が劣化し、逆に波長差が小さくなると干渉によりその波長差に対応した周波数のノイズ、すなわちビート雑音と呼ばれる雑音が光信号に発生することが知られている。

このビート雑音は強度が極めて大きくしばしば光検出器を含めた後段に接続される機器を破壊する。

通常これらを避ける為に使用する光源の波長差をある程度大きくし、ビート雑音発生の周波数を光検出器の帯域より十分高い周波数に選定する。

しかしながら、実際には光源は電源投入時、波長が安定するまでは、周囲温度や、光源固有の特性に依存して立ち上るので、その立ち上がり方に差が生ずる。図７は光源を半導体レーザとした場合の電源投入後の光源の波長変化の様子の一例を示す図である。図７に示すように、波長を近接させた状態では立ち上がり時に２つの光源の波長が近接し、または一致するような状態が存在し、同一波長となること、若しくは、必要以上に波長が近接することにより光検出器の帯域内にビート雑音が発生することは回避できない。

すなわち、従来は安定した状態での２つの光源の波長を近接した状態に保持するときには、その立ち上げ時に発生するビート雑音によって光検出器を含め、後段に接続される機器の破壊を招く危険があった。
特許第３６２７２０４号

本発明は、電源投入時の光検出器帯域内のビート雑音を発生させない、信頼性の高い直交偏光光源装置、及びそれを用いた安定した信頼性の高い電界センサを提供する。

本発明の一態様によれば、強度がほぼ等しく、かつ互いに異なる波長の直線偏光を出射する２つの光源と、２つの光源から出射した２つの直線偏光を偏波面を互いにほぼ直交させて合成する光結合器と、２つの光源の起動時間を互いに異ならしめる手段とを備える直交偏光光源装置が提供される。

又、本発明の他の態様によれば、起動時間に差をつけて２つの光源を順次起動する電源回路を更に備えていてもよい。

又、本発明の他の態様によれば、２つの光源は半導体レーザであってもよい。

又、本発明の他の態様によれば、２つの光源のうち、波長が長い光源を先に起動してもよい。

又、本発明の他の態様によれば、上記の直交偏光光源装置と、光検出器と、アンテナと、アンテナに誘起された電圧により透過光を変調するセンサヘッドと、センサヘッドに直交偏光光源装置からの出射光を供給する入射光ファイバと、センサヘッドにより変調された光を光検出器に導く出射光ファイバとを備える電界センサが提供される。

本発明では、その立ち上がり時に２つの直線偏光光源の波長が近接することがないように起動時間に差をつけることにより、電源投入時の光検出器帯域内のビート雑音を発生させない、信頼性の高い直交偏光光源装置が得られ、又、このような直交偏光光源装置を用いた安定した信頼性の高い電界センサが得られる。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意すべきである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、各構成部品の配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

[第１の実施の形態]
以下に本発明の直交偏光光源装置、及びそれを用いた電界センサの実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は本発明による直交偏光光源装置の一実施形態の基本構成を示す概略図である。図１を参照すると、本実施形態の直交偏光光源装置は、出射光の強度がほぼ等しく、かつ互いに波長の異なる２つの直線偏光を出射する２つの光源１、２と、前記２つの光源の起動時間に差をつけて順次駆動する時間差起動電源回路７と、前記２つの直線偏光を偏波面が互いに直交するように合成する光結合器５および光源１、２の出射光をそれぞれ光結合器５に導く比較的短い偏波面保持ファイバ２３、２４とからなっている。また、本実施の形態においては光源１、２としては半導体レーザを用いる。

一般的に半導体レーザは流す電流量が大きい程、波長は長波長側へ推移する為、起動時の電流が安定するまでの波長は図７に示したように短波長側から長波長側へ推移することになる。また、ビート雑音の発生周波数は以下の式（１）で表される。

ｆ＝ｃ（１／λ１−１／λ２）…（１）
ここで、ｆはビート雑音周波数、ｃは光速、λ１は光源１の波長、λ２は光源２の波長を表し、λ２＞λ１の関係を満足する。

本実施形態において光検出器の帯域は、例えば、１００ｋＨｚ〜１０ＧＨｚである。このとき光源１，２により発生するビート雑音が１０ＧＨｚ以上となるように設計することが必要となるが、光検出器の感度は１０ＧＨｚ以上にも存在するため、本実施形態においては６０ＧＨｚ以上となるように設計するものとし、波長差は、大きすぎると上述のように互いの偏波面の直交性が保たれなくなる為、例えば、５ｎｍ以下程度の近接した状態にされることが望ましい。これに対応して光源１の波長を、例えば、１５５０．０ｎｍ、光源２の波長を、例えば、１５５０．５ｎｍとした。このときのビート雑音周波数ｆは６２．４ＧＨｚである。また、これらの光源１，２はそれぞれ起動後３秒以内に波長が安定する半導体レーザを使用している。

図２は本実施の形態において時間差起動電源回路７の電源を投入したときの光源波長の推移を示す図である。時間差起動電源回路７は電源投入時、最初に長波長側である光源２を駆動させる。光源２は発光し短波長側から長波長側へ波長を変動しながら３秒以内には定格の波長（１５５０．５ｎｍ）で安定する。

そして光源２の波長が安定後、数秒経た後、光源１が駆動され、定格の波長（１５５０．０ｎｍ）で安定する。このように動作させることにより、ビート雑音が観測されることは無かった。

この直交偏光光源装置において、光源１，２から出射される直線偏光は、それぞれ偏波面保持ファイバ２３，２４を経てその偏光状態が保持され、光結合器５で偏波面が互いに直交を成すように結合され、この後はシングルモードファイバ２５内を互いに偏波面が直交した関係を保って伝搬する。

本実施の形態において、時間差起動電源回路７の起動時間差は、使用する半導体レーザなどの光源の立ち上がり特性によって決定することができ、半導体レーザの場合には、少なくとも長波長側の光源の波長が安定するまで時間とすることができる。また、立ち上がり時に常に波長差が設定値以上となればそれ以下の時間を設定してもよい。波長の長い光源２を先に起動し、かつ光源１と光源２の波長の立ち上がりの傾きが同じであれば、例えば上記起動時間差は１０ｍｓ程度以上とすることも可能である。

また、本実施の形態における時間差起動電源回路７の起動時間差を設ける方法は、一般的な電気回路に使用される簡単な遅延回路を一方の光源の起動側の電源部に設置すればよい。

図３は、上記本実施の形態の直交偏光光源を光源として搭載した本発明による電界センサの実施の形態の基本構成を示したものである。本実施の形態の電界センサの基本的な構成は、光源の電源部を除いては図６に示した従来の電界センサと同じである。但し、本実施の形態の電界センサの場合、起動時にビート雑音が発生しないため、十分な安定性と信頼性を有している。また、本電界センサでは、立ち上がり時のビート雑音の影響がないため、従来の電界センサに比べて２つの光源の波長差を設計上小さく設定することが可能となる。このように設定した場合、２つの直線偏光の偏波面の直交状態は光ファイバ中で長く保たれるため、直交偏光光源装置の入射側に結合されるシングルモードファイバ２５の長さを従来よりも長くすることが可能となる。

以上に説明したように、本発明によれば、電源投入時の光検出器帯域内のビート雑音を発生させない、安定した信頼性の高い直交偏光光源装置が得られ、それを用いた安定した信頼性の高い電界センサが得られる。

また、直交偏光光源として半導体レーザ以外の光源、例えば２つの固体レーザ光源を用いた場合にも立ち上がり時の不安定性によりその波長差が設定値以下になり得るので、発信波長が安定するまでの時間を上記の起動時間差として設定して本発明を用いることにより、安定した信頼性の高い直交偏光光源装置が得られる。

なお、本発明の直交偏光光源装置において、２つの光源の起動時間を互いに異ならしめる手段としては、その電源部分に起動時間差を設ける以外にも、例えば２つの半導体レーザの電流駆動回路の一方に遅延回路を設けてもよく、その遅延回路を設置する場所や遅延回路の種類なども光源装置の目的、用途に応じて選択できるのはいうまでもない。

また、２つの光源からの出射光を偏波面を互いに直交させて光結合器で合成する場合には、上記実施の形態では偏波面保持ファイバを用いて導いたが、光源から直接空間ビームで光結合器まで導いてもよい。

[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

本発明による直交偏光光源装置の一実施形態の基本構成を示す概略図。 時間差起動電源回路の電源を投入したときの光源波長の推移を示す図。 本発明による電界センサの一実施の形態の基本構成を示す図。 従来の導波路型素子によるセンサヘッドを用いた電界センサの基本構成を示す図。 電界センサに用いられるセンサヘッドの細部構成を示す斜視図。 ２つの直線偏光光源を組み合わせた従来の電界センサの基本構成を示す図。 光源を半導体レーザとした場合の電源投入後の光源の波長変化の様子の一例を示す図。

符号の説明

１， ２…光源
３…電源
４…センサヘッド
５…光結合器
６…光検出器
７…時間差起動電源回路
１０…ニオブ酸リチウム単結晶基板
１１…入射光導波路
１２…位相シフト光導波路
１３…出射光導波路
１４…変調用電極
１５…アンテナ
２１，２３，２４…偏波面保持ファイバ
２２，２５，２６…シングルモードファイバ

Claims (5)

1. 強度がほぼ等しく、かつ互いに異なる波長の直線偏光を出射する２つの光源と、
   前記２つの光源から出射した２つの直線偏光を偏波面を互いにほぼ直交させて合成する光結合器と、
   前記２つの光源の起動時間を互いに異ならしめる手段
   とを備えることを特徴とする直交偏光光源装置。
2. 起動時間に差をつけて前記２つの光源を順次起動する電源回路を更に備えることを特徴とする請求項１記載の直交偏光光源装置。
3. 前記２つの光源は半導体レーザであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直交偏光光源装置。
4. 前記２つの光源のうち、波長が長い光源を先に起動することを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の直交偏光光源装置。
5. 請求項１から４の何れか１項に記載の直交偏光光源装置と、
   光検出器と、
   アンテナと、
   前記アンテナに誘起された電圧により透過光を変調するセンサヘッドと、
   前記センサヘッドに前記直交偏光光源装置からの出射光を供給する入射光ファイバと、
   前記センサヘッドにより変調された光を前記光検出器に導く出射光ファイバ
   とを備えることを特徴とする電界センサ。

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