JP2013210278A - 電界計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源部から光強度変調器まで光波を導入する光ファイバを、偏波保持ファイバを用いずに行い、既存の敷設された光ファイバを利用可能な安価な電界計測装置を提供する。
【解決手段】電磁波を検出するエリア内に設置された被測定装置から発生する電磁波の電界強度を測定する電界計測装置であって、エリア内には、アンテナと、アンテナの出力信号に基づいて光変調を行うＬＮ変調器とが配置され、エリア外には、ＡＳＥ光源と、ＬＮ変調器からの出力光を受光する光受信部と、光受信部の出力に基づき電界強度を測定する測定器とが配置され、ＡＳＥ光源から光波をＬＮ変調器に第１の光ファイバによって導入し、ＬＮ変調器から光波を光受信部に第２の光ファイバによって導出するよう構成された電界計測装置において、ＡＳＥ光源は低コヒーレント光源であり、第１の光ファイバは、シングルモードファイバを用いる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電界計測装置に関し、特に、電子機器などの放射電磁波ノイズ測定、電波暗室などの電磁波測定設備評価、アンテナ評価などの、電磁界計測分野のためのアナログ光伝送技術などに利用される電界計測装置に関する。

放射電磁波ノイズなどの測定は、電波暗室等の設備を利用して測定対象外の電磁波が抑制された測定環境で行われている。このため暗室内の受信アンテナで受信した信号は、隣接する測定室に伝送され、そこに設置された測定器で計測が行われる。

近年電子機器の高速化に伴い電磁波ノイズが高周波化し、１ＧＨｚ超、場合によっては１０ＧＨｚ超の周波数で評価する必要がでてきている。本出願人は特許文献１において、マッハツェンダー型光導波路を有する光変調器や光ファイバなどの光ファイバ伝送装置を利用して、受信アンテナで受信した信号を光伝送する方法を提案した。

図１は、本発明者が提案する電界計測装置の一例である。電波暗室側には、アンテナとヘッド部(送信側）とが設けられている。該ヘッド部には、該アンテナの出力信号を増幅するＲＦ増幅器（アンプ）と、該ＲＦ増幅器からの出力信号に基づいて光変調を行うマッハツェンダー型光導波路を有する光強度変調器（ＬＮ変調器）と、該光強度変調器にＤＣバイアス電圧を印加するＤＣバイアス回路（バイアス制御回路）とが配置されている。

一方、測定室側には、コントローラ部（受信側）が配置されている。該コントローラ部には、光源部（ＬＤ）と、該光強度変調器からの出力光を受光する受光部（光受信部、ＰＤ）と、該受光部（ＰＤ）からの出力信号の強度変化に基づき該光強度変調器に供給するＤＣバイアス電圧を制御するＤＣバイアス制御部（制御回路）とが配置されている。また、測定室側には、受光部（光受信部）の出力に基づき電界強度を測定する測定器が配置されている。

光強度変調器に、ニオブ酸リチウム（ＬＮ）基板などの電界光学効果を有する基板を用いる場合、光強度変調器に入射される光の変調効率は基板の結晶軸（Ｘ軸や、Ｚ軸）のとり方と、入射される光に対して作用する電界向き、及び入射される光の偏光方向との関係に依存して変化する。このため光変調器への入射光は、変調効率が最大となる光変調器の条件に合わせた特定偏波光である必要がある。これを実現するため、光源部には、半導体レーザなどのレーザ光源（ＬＤ）が使用され、光源部から光強度変調器（ＬＮ変調器）までは、偏波条件を特定の条件に合わせて、偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）を用いている。

これにより変調効率が最大となるように調整された偏光子が基板の入力端に配置された場合でも、偏光子の偏光軸とＰＭＦからの出射光の偏光方向とを一致させることにより、偏光方向の変化による偏光子での損失変動をなくし正しい測定値を得ることができるようになる。

また基板の入力端に偏光子が配置されない場合においても、ＰＭＦからの出射光の偏光方向と変調効率が最大となる基板の結晶軸とを一致させることにより、光の偏波変動に応じた変調効率の変動をなくすことができるため正しい測定値を得ることができるようになる。

しかしながら、偏波保持ファイバは、シングルモードファイバなどの通常の光ファイバと違い、高価なため一般的に敷設されている設備ではない。このため、電界計測装置を使用するためには、別途、偏波保持ファイバの敷設工事が必要となっていた。

特開２０１０−１２７７７７号公報

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、光源部から光強度変調器まで光波を導入する光ファイバを、偏波保持ファイバを用いずに行い、既存の敷設された光ファイバを利用可能な安価な電界計測装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明は以下のような技術的特徴を有している。
（１） 電磁波を検出するエリア内に設置された被測定装置から発生する電磁波の電界強度を測定する電界計測装置であって、該エリア内には、アンテナと、該アンテナの出力信号に基づいて光変調を行うマッハツェンダー型光導波路を有する光強度変調器とが配置され、該エリア外には、光源部と、該光強度変調器からの出力光を受光する受光部と、該受光部の出力に基づき該電界強度を測定する測定器とが配置され、該光源部から光波を該光強度変調器に第１の光ファイバによって導入し、該光強度変調器から光波を該受光部に第２の光ファイバによって導出するよう構成された電界計測装置において、該光源部は低コヒーレント光源であり、該第１の光ファイバは、シングルモードファイバを用いることを特徴とする。

（２） 上記（１）に記載の電界計測装置において、該光源部は、ＡＳＥ光源であることを特徴とする。

（３） 上記（１）に記載の電界計測装置において、該光源部は、レーザ光源からの光波を１対１の光強度で２つの光波に分離し、互いに可干渉距離以上となるように光路差を付与し、偏波面が直交するよう当該２つの光波合波する構成を有することを特徴とする。

（４） 上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の電界計測装置において、該光強度変調器は、電界光学効果を有する基板に、光導波路を形成したものであることを特徴とする。

本発明の電界計測装置のように、光源部は低コヒーレント光源であり、光源部と光強度変調器とを繋ぐ第１の光ファイバは、シングルモードファイバを用いることで、偏波保持ファイバを使用する必要が無く、既存の敷設されている光ファイバを利用することができ、安価な電界計測装置を提供することが可能となる。

従来の電界計測装置を示す概略図である。 本発明の電界計測装置を示す概略図である。 図２のコントローラ部の他の応用例を示す図である。 本発明の電界計測装置において、バイアス制御についてもヘッド部とコントローラ部とを光ファイバで接続する例を示す図である。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
図２は、本発明に係る電界計測装置の概略を示す図である。電波暗室などの電磁波を検出するエリア内に設定された被測定装置（不図示）から発生する電磁波の電界強度を測定する。

本発明における「電磁波を検出するエリア」とは、電波暗室に限定されず、オープンサイトなど、被測定装置が発生する電磁波を検出するために、該被測定装置が設置されている空間を意味する。
また、「電磁波を検出するエリア」の外とは、被測定装置が発生する電磁波を計測する際に障害とならない領域を意味し、電波暗室の外部や、被測定装置から十分離れた場所、さらには、後述する測定室のように、本体部や測定器が収納され、機器から発生する電磁波が「電磁波を検出するエリア」に漏出することを遮断した空間であっても良い。
以下では、電波暗室及び測定室を例に説明する。

電波暗室内には、アンテナと、マッハツェンダー型光導波路を有する光強度変調器（ＬＮ変調器）が組み込まれたヘッド部とが配置されている。アンテナの出力信号は、特許文献１や図１などと同様に、光強度変調器の変調電極に印加され、マッハツェンダー型光導波路の屈折率を変化させる。この屈折率変化により、同光導波路を伝搬する光波の位相が変調され、マッハツェンダー型光導波路から出射する光波の光強度が変調される。

光強度変調器は、電気光学効果を有する基板に光導波路及び変調電極を形成した進行波型光変調器が好適に利用可能である。電気光学効果を有する基板としては、例えば、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料などが利用することが可能である。マッハツェンダー型の光導波路は、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面に拡散させたり、リッジ型の凸部を形成することにより、電気光学効果を有する基板上に形成できる。変調電極は、アンテナからの出力信号を印加する信号電極や接地電極から構成され、基板上に、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。さらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を設け、光導波路の上側に形成した電極による光波の吸収や散乱を抑制することも可能である。

電波暗室側のバイアス制御回路と測定室側の制御回路とが協働して行う、光強度変調器のバイアス点の調整方法としては、上述した変調電極に、アンテナからの出力電圧にＤＣバイアス電圧を重畳して印加することにより、光強度変調器のバイアス点を調整することが可能である。また、変調電極以外にバイアス点制御用の電極を別途組込み、このような電極にＤＣバイアス電圧を印加するように構成することも可能である。

電波暗室の外部には、測定室が隣接され、該測定室内には、ヘッド部をコントロールする計測装置のコントローラ部及び、ＥＭＩレシーバーなどの測定器が設置されている。ヘッド部とコントローラ部とは光ファイバと、制御回路からバイアス制御回路への電源供給線路のみで接合されている。

ヘッド部及びコントローラ部における構成を、より詳細に説明する。
ヘッド部には、受信アンテナからの出力信号（３０ＭＨｚ以上）を導入されアンプに入力される。アンプは、アンテナの出力信号を増幅するＲＦ増幅器である。

該ＲＦ増幅器であるアンプからの出力信号と、バイアス制御回路からのＤＣバイアス電圧とが光強度変調器に印加される。アンプの出力信号に基づいて光変調を行うため、マッハツェンダー型光導波路を有する光強度変調器（ＬＮ変調器）が利用される。

コントローラ部には、本発明の特徴である低コヒーレント光源が光源部に利用される。具体的には、図２に示すＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源や、図３に示すような偏波保持ファイバービームスプリッタ（ファイバ溶融延伸スプリッタ、分岐比１：１）を利用した低コヒーレント光源が用いられる。

図３では、レーザ光源（ＬＤ）から出た光波を、偏波保持ファイバービームスプリッタ（ファイバ溶融延伸スプリッタ、分岐比１：１）に入射する。双方のファイバ間での光路差を１０ｋｍ（可干渉距離以上）とし、双方のファイバ出射端で偏波面を直交した状態で、複屈折板（ＰＢＣ）により偏波合波する。このような光回路により、レーザ光は無偏光な低コヒーレント光となる。

光源部に低コヒーレント光源を用いることで、光源部と光強度変調器（ＬＮ変調器）とを繋ぐ光ファイバは、偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）に限定されず、安価なシングルモードファイバ（ＳＭＦ）を用いることが可能となる。

このような構成により、変調効率が最大となるように調整された偏光子が基板の入力端に配置された場合でも、偏光子の偏光軸成分の透過光量は平均化され常に一定となるため、従来のように偏波方向に影響を受けることのない正しい測定値を得ることができるようになる。

また基板の入力端に偏光子が配置されない場合においては、変調効率が最大となる基板の結晶軸と当該結晶軸以外の軸の双方に光が入力されることとなるが、この場合、双方の結晶軸方向成分の光量はそれぞれ平均化され常に一定となる。このため変調効率が最大となる基板の結晶軸成分の光に関しては安定した変調がされ、もう一方の結晶軸成分の光に関しては変調されないまま直流成分の光量が光強度変調器より出射されることとなる。

したがって光強度変調器より出射する光は変調されなかった直流成分に、変調された変調成分が足されたものとなる。基板の入力端に偏光子を配置した場合と比べると光強度変調器から出射される光の消光比は減少することとなるが、本発明の効果を得ることは可能である。

図３のレーザ光源は、１０ｋ〜１０ＭＨｚ変調し、スペクトルを広げることで、１０ｋｍファイバを短くする構成に変更することも可能である。

コントローラ部には、光強度変調器（ＬＮ変調器）からの出力光を受光する受光部（光受信部，ＰＤ）が設けられている。受光部は、図２又は３では、２つの受光素子（光受信部（高速ＰＤ）とＰＤ（モニタＰＤ））から構成されているが、一つのＰＤで構成し、当該ＰＤからの出力信号を３０ＭＨｚ以上の高周波信号と、ＤＣバイアス制御に関する信号帯域である、例えば、３０ＭＨｚ未満の低周波信号とに分離することも可能である。

光受信部（高速ＰＤ）では、アンテナの出力信号に相当する３０ＭＨｚ以上の信号を検出し、高周波通過フィルタ（ＨＰＦ）を通過した信号を、アンプで増幅し、測定器に導入する。

ＰＤ（モニタＰＤ）の信号は、例えば、３０ＭＨｚ未満の低周波信号を出力し、ＤＣバイアス制御回路（制御回路）に入力される。ＤＣバイアス制御部となる制御回路では、受光部であるモニタＰＤからの出力信号の強度変化に基づき光強度変調器に供給するＤＣバイアス電圧を決定する。

ＤＣバイアス制御部から出力されるＤＣバイアス電圧に係る電気信号は、電源供給線路により、直接、ヘッド部内のバイアス制御回路に供給される。なお、当該電気信号は、図４に示すように、コントローラ部内の電気−光学変換器（Ｅ／Ｏ）で光信号に変換し、光ファイバによって測定エリア内に導入することも可能である。その場合には、該エリア内に別途配置された光学−電気変換器（Ｏ／Ｅ）で電気信号に変換され、該電気信号がＤＣバイアス回路に入力されることとなる。バイアス制御回路では上述した電気信号に基づき、光変調器に印加するＤＣバイアスが制御される。

また、ＤＣバイアス制御に光ファイバを用いる場合には、光変調器とモニタＰＤとを接続する光ファイバとは別途に設けることも可能であるが、敷設する光ファイバの本数を低減させるため、図４のように、光強度変調器（ＬＮ変調器）と受光部（光受光器、ＰＤ）とを接続する光ファイバと兼用することも可能である。その際には、光ファイバの端部にサーキュレータや波長合分波素子（ＷＤＭ）を配置し、光変調器からの出力光と、ＤＣバイアス制御に係る光波とを、光波の進行方向によって効率良く分離することが必要となる。

以上説明したように、本発明によれば、光源部から光強度変調器まで光波を導入する光ファイバを、偏波保持ファイバを用いずに行い、既存の敷設された光ファイバを利用可能な安価な電界計測装置を提供することが可能となる。

Claims (4)

1. 電磁波を検出するエリア内に設置された被測定装置から発生する電磁波の電界強度を測定する電界計測装置であって、
   該エリア内には、アンテナと、該アンテナの出力信号に基づいて光変調を行うマッハツェンダー型光導波路を有する光強度変調器とが配置され、
   該エリア外には、光源部と、該光強度変調器からの出力光を受光する受光部と、該受光部の出力に基づき該電界強度を測定する測定器とが配置され、
   該光源部から光波を該光強度変調器に第１の光ファイバによって導入し、
   該光強度変調器から光波を該受光部に第２の光ファイバによって導出するよう構成された電界計測装置において、
   該光源部は低コヒーレント光源であり、
   該第１の光ファイバは、シングルモードファイバを用いることを特徴とする電界計測装置。
2. 請求項１に記載の電界計測装置において、該光源部は、ＡＳＥ光源であることを特徴とする電界計測装置。
3. 請求項１に記載の電界計測装置において、該光源部は、レーザ光源からの光波を１対１の光強度で２つの光波に分離し、互いに可干渉距離以上の光路差を付与し、偏波面が直交するよう当該２つの光波合波する構成を有することを特徴とする電界計測装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の電界計測装置において、該光強度変調器は、電界光学効果を有する基板に、光導波路を形成したものであることを特徴とする電界計測装置。

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