JP2011169746A - 電界センシング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度で広帯域特性を有する電界センシング装置を提供する。
【解決手段】電界センシング装置は、無変調光を出射する第１の半導体レーザ光源１６と、前記無変調光を伝送する光ファイバ１５ａと、電気信号によって変調する光変調器１４と、電波を受信するアンテナ１１と、受信された電気信号を光の進行方向に対し、同一方向と逆方向で前記光変調器１４に印加する分配器１２と、前記光変調器１４で変調された変調光を伝送する光ファイバ１５ｂと、伝送された前記変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器１７とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光変調器を利用して電界を検出あるいは計測するセンシング装置に係わり、特に放送、通信用の電波の中継装置、あるいはＥＭＣ分野での電界強度測定器に用いて好適な干渉型光導波路を有する光変調器を備えた電界センシング装置に関する。

近年、放送の再送信やネットワークの柔軟性を高める目的で、無線信号をそのまま光伝送する用途が広がっている。この場合、電源設備の不要化や、雷害、ノイズ対策などの理由で、無線電波の受信点から無給電で信号を受信伝送することが望まれることがある。このためには、受信電波のエネルギーだけで光変調を行うために、高感度な電界センシング装置が要求される。

このような電界センシング装置には幾つかのタイプがあるが、最も基本的なタイプとしては、図１０に示すような構成のものが挙げられる。
この電界センシング装置は、装置外から印加される電界強度に依存して装置内で生成入射した光信号の強度を変化させて出射するもので、電波を受信して電界強度に応じた電気信号が誘起される受信アンテナ１１と、光信号をレーザ発振により生成する第１の半導体レーザ光源１６と、第１の半導体レーザ光源１６からの無変調な光信号の強度を受信アンテナ１１を通して印加される電気信号に応じて変調して出射する光変調器１４と、光変調器１４からの変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器１７と、第１の半導体レーザ光源１６および光変調器１４の間を結合した光ファイバ１５ａと、光変調器１４及びＯ／Ｅ変換器１７の間を結合した光ファイバ１５ｂとを備えて構成されている。

従来、高周波域での高効率の光変調器は、ＬｉＮｂＯ3単結晶基板を用いた導波路型光変調器で実現されている。このような導波路型光変調器としては、（１）外付けの共振回路と組み合わせた分割型電極による光変調器（例えば、非特許文献１参照）、（２）共振型電極による光変調器（例えば、特許文献１参照）、（３）光通信システムで用いられている進行波型光変調器などが知られている。

上記（１）の光変調器方式では、分割電極構造により電極間容量を小さくして共振回路の付加を可能とすることにより、印加電圧を大きくして高効率化している。また、上記（２）の共振電極型では、電極を変調波に対して共振器構造とすることにより、光導波路に印加される電圧を増大させ高効率化している。

上記（３）の進行波型光変調器は、変調波と光波との速度整合を取ることにより広帯域特性を有し、電極長を大きくして低電圧動作可能な光変調器が実現され、光通信用として実用化されている。しかし、上述したような無給電で光変調する用途には（１)、（２）の方式と比較すると感度の面で十分でなかった。

特許第３５９２２４５号公報

電子情報通信学会論文誌Ｃ，Vol.J89-C，No.11，pp.925-932

上述した（１）、（２）の方式は、共振により特定周波数の信号電圧を増幅する方法であり、受信帯域が狭く、汎用性の面で課題があった。例えば本電界センシング装置をＵＨＦ帯で使用した場合、その受信帯域は約３０ＭＨｚであった。
そこで、本発明の目的は、高感度かつ広帯域特性を有する電界センシング装置を提供することにある。

本発明者は、上記問題に鑑みて鋭意検討した結果、受信アンテナからの電気信号を、進行波電極の両端から入力することに上記問題を解決できることを見いだし本発明に至った。すなわち、本発明によれば、無変調光を出射する光源と、前記無変調光を伝送する光ファイバと、電気信号によって光変調する光変調器と、電波を受信するアンテナと、前記光変調器で変調された変調光を伝送する光ファイバと、伝送された前記変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器とを具える電界センシング装置において、
前記光変調器は、光の進行方向に対して、同一方向と逆方向との前記電気信号により光変調を行う電界センシング装置が得られる。

又、本発明によれば、前記電界センシング装置において、前記電気信号を光の進行方向に対して、同一方向と逆方向で前記光変調器に印加する分配器を備えたものである電界センシング装置が得られる。

又、本発明によれば、前記光変調器は、少なくとも電気光学効果を有する基板に形成された光導波路と、この光導波路の直上または近傍に形成され、前記光導波路を進行する光に電気信号を印加して、前記光を変調するための電極と、前記電極の両端に電気信号入力部を備えてなる電界センシング装置が得られる。

更に、前記光変調器の電気信号入力部には、電気的な増幅器を備えてなる電界センシング装置が得られる。
加えて、前記電気的な増幅器の電源として光発電素子が接続されている電界センシング装置が得られる。

本発明の電界センシング装置では、受信アンテナからの電気信号を、進行波電極の両端から入力し、光の進行方向と同一方向および逆方向とで光変調を行うことにより、約２倍の光変調が可能となり、広い周波数領域で、高感度化を実現することができる。

本発明の第1の実施の形態による電界センシング装置を示すブロック図 本発明の第1の実施で用いた光変調器(進行波型光変調器)の概略図 本発明の第1の実施の形態による電界センシング装置の感度特性を示す図 本発明の第２の実施の形態による電界センシング装置を示すブロック図 本発明の第２の実施の形態による電界センシング装置の感度特性を示す図 光の進行方向に対して、同一方向の電気信号を入力した場合における、進行波型光変調器の光強度変調特性を示した図 光の進行方向に対して、逆方向の電気信号を入力した場合における、進行波型光変調器の光強度変調特性を示した図 同一および逆方向の電気信号を同時に入力した場合における、進行波型光変調器の光強度変調特性を示した図 従来の進行波型光変調器の概略図を示した図 従来の電界センシング装置の構成を示す図

以下、本発明を、図面を参照して、本発明の電界センシング装置の発明の実施の形態を説明する。

図９は、従来の進行波型光変調器の概略図を示した図である。基板２１は、電気光学効果を有する材料、例えば、ＬＮから構成される。光導波路２２は、いわゆるマッハツエンダー型光導波路であり、基板２１上に、例えばチタン（Ｔｉ）などを堆積させた後、熱拡散させて形成する。また、図９には示していないが、光導波路２２中を伝搬する光の電極層への吸収を少なくするため、酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）などからなるバッファ層を、基板２１上に形成することもできる。

接地電極２４及び信号電極２３は、金（Ａｕ）などの金属から形成する。図９に示す進行波型光変調器を用いた高速光変調は、以下のようにして行う。入射光は、入射側光ファイバ１５ａから入射させ、光導波路２２中を２分割して進行させる。

一方、信号電極２３には、電気信号入力部(光の進行方向に対して同一方向)２５を通して、電気信号２７が光導波路２２に印加される。

電気信号の印加により光導波路の屈折率が変化、合流する時の干渉により光強度が変調される。このように高速光変調の場合においては、印加電気信号が最大となるように、接地電極２４及び信号電極２３のインピーダンス（特性インピーダンス）を、印加電気信号２７のインピーダンスに整合するように設定する。また、信号電極２３中を伝送する前記印加電気信号が最大となるように、図９に示す進行波型光変調器の電気信号出力部には、前記特性インピーダンスと同じ値の抵抗値を有する終端抵抗２８を設置し、インピーダンス整合を取る。

図６は、光導波路中を進行する光と同一方向の電気信号を入力した場合における、進行波型光変調器の光強度変調特性を示したものである。

一方、図７は、光導波路中を進行する光と逆方向の電気信号を入力した場合における、進行波型光変調器の光強度変調特性を示したものである。図７から明らかなように、逆方向の電気信号によっても光強度変調成分を有し、入射光信号を変調できることが分かる。

図８は、光の進行方向と同一方向と逆方向との電気信号を同時に入力した場合における、光強度変調特性を示したものである。
すなわち、図８から明らかなように、前記同一方向、逆方向の光強度変調成分が重畳され、広い周波数領域で、およそ２倍程度の感度向上がはかれることができる。

本発明の電界センシング装置は、無変調光を出射する光源と、前記無変調光を伝送する光ファイバと、電気信号によって光変調する光変調器と、電波を受信するアンテナと、前記光変調器で変調された変調光を伝送する光ファイバと、伝送された前記変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器とを具える電界センシング装置において、
前記光変調器は、光の進行方向に対して、同一方向と逆方向との前記電気信号により光変調を行うものである。

光の進行方向と逆方向の電気信号が印加された場合の、前記光変調器の光変調帯域ＢＷoは、光速をｃ、光導波路の実効屈折率をｎｏ、電気信号の実効屈折率ｎｅ、電極長をＥＬとすると（１）式で示され、進行する光と同一方向から電気信号が入力された場合と比較すると、速度不整合により光変調帯域の劣化を生じるため、使用周波数よりもＢＷoを高く設定することが好ましい。
ＢＷo＝１．４ｃ／（π│ｎｏ＋ｎｅ│ＥＬ） （１）

以下、本発明を実施例に則してさらに詳述する。

[第１の実施の形態]
図１は、本発明の第1の実施の形態に係る電界センシング装置の構成を説明するブロック図である。
１１は受信アンテナ、１２は分配器、１３ａ、１３ｂは同軸ケーブル、１４は光変調器、１５ａ、１５ｂは光ファイバ、１６は第1の半導体レーザ光源、１７は変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器である。ここで、受信周波数として４７０〜７１０ＭＨｚとしている。

ここで用いる光変調器(進行波型光変調器)１４の概略図を図２に示す。電気信号入力部が２箇所ある以外は、図９と同じであり、ＬｉＮｂＯ3単結晶基板２１上にＴｉイオンを熱拡散させて、マッハツェンダ型光導波路２２を形成し、分岐光導波路には電気信号を印加する金属電極膜２３(信号電極)、２４(接地電極)が形成されている。光変調器１４の電極長は２０ｍｍとし、光の進行方向と同一方向から電気信号を入力した場合の光変調帯域は、１４０００ＭＨｚ、逆方向から電気信号を入力した場合の光変調帯域は９２０ＭＨｚである。

このシステムの動作に関し、説明する。第1の半導体レーザ光源１６で発生した光は光ファイバ１５ａによって、電波の受信点まで送られ、光変調器１４に入射される。ここで、第1の半導体レーザ光源１６は、波長１５５０ｎｍ、出力４０ｍＷである。

引き続き、電波による光変調、光伝送および電気信号の再生について説明する。受信アンテナ１１で受信された電気信号は分配器１２に入力される。

次いで、分配器１２で等分配された電気信号は、同軸ケーブル１３ａ、１３ｂを介し、それぞれ光変調器１４の第１の電気信号入力部２５および第２の電気信号入力部２６に入力される。各々の電気信号は、同位相に調整され、方向は、光の進行方向に対して同一方向と逆方向である。

このようにして、得られた各々の電気信号は、光変調器１４により光強度変調が行われる。その後、光変調器１４から出力される変調光は、光ファイバ１５ｂにより伝送されて、Ｏ／Ｅ変換部１７で電気信号に変換される。

さらに感度特性を測定したところ、図３に示すような特性を示した。また、図３には、光の進行方向に対して同一方向の電気信号を印加した場合の感度特性を合わせて示す。この時、分配器および光変調器の使用しない入力部は５０Ω終端とした。
図３より、４７０〜７１０ＭＨｚの周波数範囲で有効に本発明の効果が得られる。
本実施例では、分配器１２を用い、光の進行方向に対し、同一方向と逆方向との電気信号を光変調器１４に入力したが、分配器１２の変わりに２台の受信アンテナを用いても同様な効果が得られる。

[第２の実施の形態]
図４は本発明の第２の実施の形態に係る電界センシング装置の構成を説明するブロック図である。１１は受信アンテナ、１８は電気的増幅器、１３ａ〜１３ｃは同軸ケーブル、１２は分配器、１４は光変調器、１９は光発電素子、１５ａ〜１５ｃは光ファイバ、１６は第1の半導体レーザ光源、２０は第２の半導体レーザ光源、１７は変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器である。ここで、受信周波数として４７０〜７１０ＭＨｚとしている。

ここで用いる光変調器１４は、第1の実施の形態で用いたものと同様なものである。
このシステムの動作に関し、説明する。第1の半導体レーザ光源１６で発生した光は光ファイバ１５ａによって、電波の受信点まで送られ、光変調器１４に入射される。

一方、第２の半導体レーザ光源２０で発生した光は光ファイバ１５ｃによって、光発電素子１９に入射され、電力に変換され、電気的増幅器１８に供給される。ここで、第1の半導体レーザ光源１６は、波長１５５０ｎｍ、出力４０ｍＷ、第２の半導体レーザ光源２０は、波長１４８０ｎｍ、出力３００ｍＷである。

次いで、電気的増幅器１８で増幅された電気信号は、分配器１２に入力され、第1の実施例同様に、等分配され、それぞれ光変調器１４に印加される。この時の増幅利得は１８ｄＢである。

その後、光変調器１４から出力される変調光は、光ファイバ１５ｂにより伝送されて、Ｏ／Ｅ変換部１７で電気信号に変換される。

さらに感度特性を測定したところ、図５に示すような特性を示した。また、図５には、光の進行方向に対して同一方向の電気信号を印加した場合の感度特性を合わせて示す。感度特性の測定方法については、第1の実施の形態と同様である。

図３と比較し、電気的増幅器１８の利得分感度が上昇した以外は同様な本発明の効果が得られる。

[その他の実施の形態]
上記のように、本発明は第１、第２の実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および図面は、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、実施例および運用技術が明かとなろう。

本発明は、ここでは記載して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。

１１・・・受信アンテナ
１２・・・分配器
１３ａ〜１３ｃ・・・同軸ケーブル
１４・・・光変調器
１５ａ〜１５ｃ・・・光ファイバ
１６・・・第１の半導体レーザ光源
１７・・・Ｏ／Ｅ変換器
１８・・・電気的増幅器
１９・・・光発電素子
２０・・・第２の半導体レーザ光源
２１・・・ＬｉＮｂＯ3単結晶基板
２２・・・マッハツェンダ型光導波路
２３・・・信号電極
２４・・・接地電極
２５・・・第１の電気信号入力部
２６・・・第２の電気信号入力部
２７・・・電気信号
２８・・・終端抵抗(５０Ω)
３１・・・光の進行方向と同一方向の電気信号を印加した時の、光強度変調成分
３２・・・光の進行方向と逆方向の電気信号を印加した時の、光強度変調成分

Claims (5)

1. 無変調光を出射する光源と、前記無変調光を伝送する光ファイバと、電気信号によって光変調する光変調器と、電波を受信するアンテナと、前記光変調器で変調された変調光を伝送する光ファイバと、伝送された前記変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器とを具える電界センシング装置において、
   前記光変調器は、光の進行方向に対して、同一方向と逆方向との前記電気信号により光変調を行うことを特徴とする電界センシング装置。
2. 前記電気信号を光の進行方向に対して、同一方向と逆方向で前記光変調器に印加させる分配器を備えることを特徴とする、請求項１に記載の電界センシング装置。
3. 前記光変調器は、少なくとも電気光学効果を有する基板に形成された光導波路と、
   この光導波路の直上または近傍に形成され、前記光導波路を進行する光に電気信号を印加して、前記光を変調するための電極と、前記電極の両端に電気信号入力部を備えることを特徴とする、請求項１〜２に記載の電界センシング装置。
4. 前記光変調器の電気信号入力部には、電気的な増幅器を備えることを特徴とする請求項１〜３に記載の電界センシング装置。
5. 前記電気的な増幅器の電源として光発電素子が接続されていることを特徴とする請求項４に記載の電界センシング装置。