JP2014002005A - 光センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】各測定地点おいて空間を伝播する電磁波の位相を高い信頼性で測定することができ、各測定地点間における電磁波の位相差の測定精度を向上させることができる光センサシステムを提供する。
【解決手段】光センサシステム１０Ａでは、第１および第２光電界センサ１２Ａ，１２Ｂを使用して空間を伝播する電磁波の各測定地点における位相を測定しつつそれら測定地点間の位相差を求める場合において、第１光電界センサ１２Ａから出射された位相データを伝送する第１光ファイバ３０の長さ（Ｌ１）に対する第２光電界センサ１２Ｂから出射された位相データを伝送する第２光ファイバ３１の長さ（Ｌ２）の経路差（ΔＬ）が位相の測定時における温度環境の変化に対して位相を精度よく測定することが可能な適正範囲内になるように、第１光ファイバ３０の長さ（Ｌ１）に対して第２光ファイバ３１の長さ（Ｌ２）が調節されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、少なくとも２つの光電界センサを使用し、空間を伝播する電磁波の少なくとも２つの測定地点の位相を測定しつつ、それら測定地点間の位相差を求める光センサシステムに関する。

電磁波の各周波数の帯域毎に対応する複数の受信アンテナと、複数の受信アンテナが接続され、電界によってそれら受信アンテナに誘起された電圧が受信アンテナのそれぞれに対応した変調電極に印加され、その電圧に依存して透過される光の強度または位相が変化するように構成されたセンサヘッドと、光ファイバを通じてセンサヘッドに光を入射する光源と、光ファイバを通じてセンサヘッドの出射光を検出する光検出器とから形成され、変調電極に印加される電圧の位相と、その電圧によって変調されて変調電極の間の光路を伝送される光変調波の位相とが同期するように、複数の受信アンテナの相互の間隔と、変調電極の間の光路の長さとが設定された位相整合型光電界センサが開示されている（特許文献１参照）。

この位相整合型光電界センサでは、受信アンテナに誘起されてセンサヘッドの変調電極に印加される電圧の位相と各変調電極の間の光導波路を伝送される光変調波の位相とが同期する条件が式：ｄ＝（Ｌ／ｎ）＋（λ／ｎ）・〔（δφ₂−δφ₁）＋ｍ〕で表される。なお、Ｌは、隣接する受信アンテナの間の距離であり、ｄは、隣接する変調電極の中心間の光路の長さである。ｎは、光路の平均の屈折率であり、λは、測定対象とする電磁波の波長である。δφ₁およびδφ₂は、受信アンテナと変調電極の間に接続され、光変調波が進行する順番の遅延要素によるそれぞれの遅延量であり、ｍは、０を含む正の整数である。位相整合型光電界センサでは、各変調電極に印加される電圧の位相と各変調電極のもとでの導波光の位相とを同期させることによって、変調度が高まり、高感度の受信が可能となる。

特開平１１−３５２１６５号公報

ところで、空間における電磁波の放射特性を求め、その放射特性を改善する目的で、空間における少なくとも２つの測定地点における電磁波の位相を測定しつつ、それら測定地点間の位相差を求める場合がある。各測定地点における電磁波の位相の測定の一例としては、光電界センサを利用し、その光電界センサによって各測定地点における電磁波の位相を測定し、測定した位相からそれら測定地点間の位相差を求める。その具体例としては、前記特許文献１に開示の光電界センサと同様に、光電界センサにおいてアンテナが受信した電磁波の電界強度に応じて光の強度を変調し、入力光を変調した変調光を光電界センサからＯ／Ｅ変換器に出射するとともに、Ｏ／Ｅ変換器が変調光を電気信号に変換し、変換した電気信号をネットワークアナライザに出力する。ネットワークアナライザはＯ／Ｅ変換器から出力された電気信号から各測定地点における電磁波の位相を求め、求めた位相からそれら測定地点間の位相差を求める。

光電界センサを利用した位相の測定では、その光電界センサとＯ／Ｅ変換器とが所定長さの光ファイバを介して接続される。ここで、１つの光電界センサを使用して空間を伝播する電磁波の位相を測定すると、位相の測定時における温度環境によって光路長が変化し、それによって光ファイバを伝播する変調光の伝播時間が変化するから、測定した電磁波の位相が変動して（ズレて）位相の測定精度がばらつき、正確な位相を測定することができない場合がある。たとえば、測定対象の電磁波の周波数が０．５３１（ＧＨｚ）、位相の測定時の温度変動幅が６０（℃）、光ファイバの長さが２００（ｍ）の場合、測定された電磁波の位相が３６７（°）変動する（ズレる）。したがって、測定された位相に対する信頼性を担保することが困難であり、測定された位相をそのまま採用することができない。

本発明の目的は、各測定地点おいて空間を伝播する電磁波の位相を高い信頼性で測定することができ、各測定地点間における電磁波の位相差の測定精度を向上させることができる光センサシステムを提供することにある。

本発明にかかる光センサシステムは、少なくとも２つの光電界センサを使用して空間を伝播する電磁波の少なくとも２つの測定地点における位相を測定しつつそれら測定地点間の位相差を求める場合において、それら光電界センサのうちの第１光電界センサから出射された位相データを伝送する第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対する第２〜第ｎ光電界センサから出射された位相データを伝送する第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）の経路差（ΔＬ）（Ｌ１−Ｌ２）が位相の測定時における温度環境の変化に対して位相を精度よく測定することが可能な適正範囲内になるように、第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対して第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）が調節されていることを特徴とする。

本発明の光センサシステムの一例として、光センサシステムでは、第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対する第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）の経路差（ΔＬ）がプラスとマイナスとのうちの少なくとも一方の適正範囲内になるように、第１〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ１，Ｌ２）が調節されている。

本発明の光センサシステムの他の一例としては、経路差（ΔＬ）が式：ΔＬ≦ΔＰｈ／（０．０５７６×Ｆｒｑ×ΔＴ）によって算出される（ΔＬ＝経路差［ｍ］、ΔＰｈ＝位相差［ｄｅｇ］、Ｆｒｑ＝電磁波の周波数［ＧＨｚ］、ΔＴ＝測定時の温度変動幅［℃］、０．０５７６＝位相係数［ｄｅｇ／ＧＨｚ・℃・ｍ］）。

本発明の光センサシステムの他の一例として、光センサシステムにおける電磁波の位相の測定時では、第１〜第ｎ光ファイバにおける温度変動幅（ΔＴ）が同一であり、それら光電界センサにおいてセンシングする電磁波の周波数（Ｆｒｑ）が同一である。

本発明の光センサシステムの他の一例として、光センサシステムにおける電磁波の位相の測定時では、第１〜第ｎ光電界センサによる位相の測定地点が互いに近接している。

本発明の光センサシステムの他の一例としては、光センサシステムが、所定の電磁波を受信しつつその電磁波の電界強度に応じて入力光の強度を変調し、入力光を変調した変調光を出力する少なくとも２つの光電界センサと、それら光電界センサに所定長さの光ファイバを介して接続され、それら光電界センサに入力光を出射する光変調器用光源と、それら光電界センサに所定長さの光ファイバを介して接続され、それら光電界センサから出射された変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器とを含み、第１〜第ｎ光ファイバの長さが第１〜第ｎ光電界センサの出力側とＯ／Ｅ変換器の入力側とを接続する光ファイバの長さである。

本発明の光センサシステムの他の一例としては、光変調器が、電気光学効果を有する材料から作られた基板と、基板に形成された光導波路と、光導波路近傍に設置されたアンテナとを備え、光導波路が、光の入射側に延びる入力光導波路と、入力光導波路から二股に分岐して延びる２本の位相シフト導波路と、光の出射側に延びていてそれら位相シフト光導波路がつながる出力光導波路とから形成され、アンテナが、それら位相シフト導波路に並行して延伸方向へ延びるとともに、電気信号の電界強度をそれら位相シフト導波路に独立して印加することで位相シフト光導波路の屈折率を変化させる。

本発明の光センサシステムの他の一例としては、光変調器が、電気光学効果を有する材料から作られた基板と、基板に形成された光導波路と、基板上に設置されて光導波路を伝播する光を反射する光反射部と、光導波路近傍に設置されたアンテナとを備え、光導波路が、光の入射側に延びる入出力光導波路と、入出力光導波路から二股に分岐して延びていて光反射部に達する２本の位相シフト導波路とから形成され、アンテナが、それら位相シフト導波路に並行して延伸方向へ延びるとともに、電気信号の電界強度をそれら位相シフト導波路に独立して印加することで位相シフト光導波路の屈折率を変化させる。

本発明にかかる光センサシステムによれば、それら光電界センサを使用して空間を伝播する電磁波の各測定地点における位相を測定しつつそれら測定地点間の位相差を求めるから、１つの光電界センサを使用して電磁波の位相を測定する場合と比較し、各光電界センサから延びていて位相データを伝送する光ファイバの長さが測定時の温度環境によって変化し、それによって各光電界センサが測定した位相に変動（ズレ）が生じたとしても、第１光電界センサが測定した位相のズレ量に対して第２〜第ｎ光電界センサが測定した位相のズレ量が近似していることを容易に証明することができ、各光電界センサを利用して空間を伝播する電磁波の位相を高い信頼性で測定することができる。光センサシステムは、各測定地点間の電磁波の位相差を求める場合に、第１光電界センサから出射された位相データを伝送する第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対する第２〜第ｎ光電界センサから出射された位相データを伝送する第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）の経路差（ΔＬ）（Ｌ１−Ｌ２）が適正範囲内になるように、第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対して第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）が調節されているから、各光電界センサが測定した位相が大きく乖離することはなく、それら光電界センサによって略正確な位相が測定され、各測定地点間の位相差の測定精度を向上させることができる。

第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対する第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）の経路差（ΔＬ）がプラスとマイナスとのうちの少なくとも一方の適正範囲内になるように、第１〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ１，Ｌ２）が調節されている光センサシステムは、各光電界センサから延びる光ファイバの長さが位相測定時の温度環境によって変化し、各光ファイバの長さが同一になることはないが、各光ファイバの経路差（ΔＬ）がプラスとマイナスとの少なくとも一方の適正範囲内にあるから、各光電界センサが測定した位相が大きく乖離することはなく、それら光電界センサによって略正確な位相が測定され、各測定地点間の位相差の測定精度を向上させることができる。

経路差（ΔＬ）が式：ΔＬ≦ΔＰｈ／（０．０５７６×Ｆｒｑ×ΔＴ）によって算出される光センサシステムは、前記式を利用することで、各光電界センサが測定した位相の値のズレ量（ΔＰｈ）を許容範囲に設定し、その許容範囲に基づいて各光ファイバの長さを求めることができるから、各測定地点間の電磁波の位相差を求める場合に、各光ファイバの経路差（ΔＬ）が適正範囲内になるように、各光ファイバの長さを調節することができる。光センサシステムは、前記式を利用し、各光ファイバの経路差（ΔＬ）が適正範囲内になるように、第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対して第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）を調節することができるから、各光電界センサが測定した位相が大きく乖離することはなく、それら光電界センサによって略正確な位相が測定され、各測定地点間の位相差の測定精度を向上させることができる。

光センサシステムにおける位相差の測定時において、第１〜第ｎ光ファイバにおける温度変動幅（ΔＴ）が同一であり、それら光電界センサにおいて測定する電磁波の周波数（Ｆｒｑ）が同一である光センサシステムは、式：ΔＬ≦ΔＰｈ／（０．０５７６×Ｆｒｑ×ΔＴ）において、温度変動幅（ΔＴ）および周波数（Ｆｒｑ）が定数となり、各光電界センサが測定した位相のズレ量（ΔＰｈ）を変数とすることで、そのズレ量（ΔＰｈ）を許容範囲に自由に設定することができ、その許容範囲に基づいて各光ファイバの長さを求めることができるとともに、各測定地点間の電磁波の位相差を求める場合に、各光ファイバの経路差（ΔＬ）が適正範囲内になるように、各光ファイバの長さを調節することができる。光センサシステムは、前記式を利用し、各光ファイバの経路差（ΔＬ）が適正範囲内になるように、第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対して第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）を調節することができるから、各光電界センサが測定した位相が大きく乖離することはなく、それら光電界センサによって略正確な位相が測定され、各測定地点間の位相差の測定精度を向上させることができる。

光センサシステムにおける位相差の測定時において、第１〜第ｎ光電界センサによる位相の測定地点が互いに近接している光センサシステムは、各光電界センサによる位相の測定地点が近接することで、第１〜第ｎ光ファイバにおける温度変動幅（ΔＴ）が略同一となり、測定する電磁波の周波数（Ｆｒｑ）を同一とすれば、式：ΔＬ≦ΔＰｈ／（０．０５７６×Ｆｒｑ×ΔＴ）において、温度変動幅（ΔＴ）および周波数（Ｆｒｑ）が定数となり、各光電界センサが測定した位相の値のズレ量（ΔＰｈ）を変数とすることで、そのズレ量（ΔＰｈ）を許容範囲に自由に設定することができ、その許容範囲に基づいて各光ファイバの長さを求めることができるとともに、各測定地点間の電磁波の位相差を求める場合に、各光ファイバの経路差（ΔＬ）が適正範囲内になるように、各光ファイバの長さを調節することができる。光センサシステムは、各光ファイバの経路差（ΔＬ）が適正範囲内になるように、第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対して第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）を調節することができるから、各光電界センサが測定した位相が大きく乖離することはなく、それら光電界センサによって略正確な位相が測定され、各測定地点間の位相差の測定精度を向上させることができる。

入力光を変調した変調光を出力する少なくとも２つの光電界センサ、それら光電界センサに所定長さの光ファイバを介して接続された光変調器用光源、それら光電界センサに所定長さの光ファイバを介して接続されたＯ／Ｅ変換器を含み、第１〜第ｎ光ファイバの長さが第１〜第ｎ光電界センサの出力側とＯ／Ｅ変換器の入力側とを接続する光ファイバの長さである光センサシステムは、各測定地点間の電磁波の位相差を求める場合に、第１光電界センサの出力側とＯ／Ｅ変換器の入力側とを接続する光ファイバの長さである第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対する第２〜第ｎ光電界センサの出力側とＯ／Ｅ変換器の入力側とを接続する光ファイバの長さである第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）の経路差（ΔＬ）（Ｌ１−Ｌ２）が適正範囲内になるように、第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対して第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）が調節されているから、各光電界センサが測定した位相が大きく乖離することはなく、それら光電界センサによって略正確な位相が測定され、各測定地点間の位相差の測定精度を向上させることができる。

光変調器が基板と基板に形成された光導波路と基板上に設置されたアンテナとを備え、アンテナが電気信号の電界強度をそれら位相シフト導波路に独立して印加する光センサシステムは、アンテナから印加された電界強度によって位相シフト光導波路の屈折率を変化させ、位相シフト光導波路を通る入力光の強度を変調するから、空間を伝播する電磁波の測定感度を高くすることができ、外部から電力を供給することなく、受信した電磁波の電力のみによってその電磁波の位相を測定することができる。光センサシステムは、光変調器を利用することで、電磁波の測定効率を高くすることができ、電磁波の位相を確実に測定することができるのみならず、各光ファイバの経路差（ΔＬ）（Ｌ１−Ｌ２）が適正範囲内になるように、第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対して第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）が調節されているから、各光電界センサが測定した位相が大きく乖離することはなく、それら光電界センサによって略正確な位相が測定され、各測定地点間の位相差の測定精度を向上させることができる。

光変調器が基板と基板に形成された光導波路と基板上に設置されて光導波路を伝播する光を反射する光反射部と基板上に設置されたアンテナとを備え、アンテナが電気信号の電界強度をそれら位相シフト導波路に独立して印加する光センサシステムは、アンテナから印加された電界強度によって位相シフト光導波路の屈折率を変化させ、位相シフト光導波路を通る入力光の強度を変調するから、空間を伝播する電磁波の測定感度を高くすることができ、外部から電力を供給することなく、受信した電磁波の電力のみによってその電磁波の位相を測定することができる。光センサシステムは、光変調器を利用することで、電磁波の測定効率を高くすることができ、電磁波の位相を確実に測定することができるのみならず、各光ファイバの経路差（ΔＬ）（Ｌ１−Ｌ２）が適正範囲内になるように、第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対して第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）が調節されているから、各光電界センサが測定した位相が大きく乖離することはなく、それら光電界センサによって略正確な位相が測定され、各測定地点間の位相差の測定精度を向上させることができる。

一例として示す光センサシステムの構成図。 光センサシステムに使用する光電界センサの一例を示す構成図。 図２の光電界センサの光変調器の構成図。 図３の４−４線端面図。 光センサシステムにおける光ファイバの経路差を示す図。 位相のズレ量や位相差を算出する式およびその式によって算出された位相のズレ量や位相差の一例を示す図。 光ファイバの長さや経路差を算出する式およびその式によって算出された光ファイバの長さや経路差の一例を示す図。 他の一例として示す光センサシステムの構成図。 光センサシステムに使用する光電界センサの一例を示す構成図。 図９の光電界センサの光変調器の構成図。 光センサシステムにおける光ファイバの経路差を示す図。

一例として示す光センサシステム１０Ａの構成図である図１等の添付の図面を参照し、本発明にかかる光センサシステムの詳細を説明すると、以下のとおりである。なお、図２は、光センサシステム１０Ａに使用する光電界センサ１２Ａ，１２Ｂの一例を示す構成図であり、図３は、図２の光電界センサ１２Ａ，１２Ｂの光変調器２５の構成図である。図４は、図３の４−４線端面図であり、図５は、光センサシステム１０Ａにおける光ファイバ（Ｌ１，Ｌ２）の経路差ΔＬを示す図である。図６は、位相のズレ量（Ｐｈ）や位相差（ΔＰｈ）を算出する式およびその式によって算出された位相のズレ量（Ｐｈ）や位相差（ΔＰｈ）の一例を示す図であり、図７は、光ファイバの長さ（Ｌ）や経路差（ΔＬ）を算出する式およびその式によって算出された光ファイバの長さ（Ｌ）や経路差（ΔＬ）の一例を示す図である。図３，４では、延伸方向（光（レーザ光）の伝播方向）を矢印Ａ（図３のみ）、幅方向を矢印Ｂで示し、厚み方向を矢印Ｃ（図４のみ）で示す。

光センサシステム１０Ａは、空間を伝播する電磁波の２つの測定地点（第１測定地点Ｋ１および第２測定地点Ｋ２）（図５参照）における位相を測定し、それら測定地点Ｋ１，Ｋ２間における電磁波の位相差を求める。なお、図１では２つの第１および第２光電界センサ１２Ａ，１２Ｂを図示しているが、光電界センサの個数を２つに限定するものではなく、光センサシステム１０Ａ（光センサシステム１０Ｂを含む）において３つ以上の光電界センサ（第１〜第ｎ光電界センサ）を利用して各測定地点における電磁波の位相を測定しつつ、各測定地点間における電磁波の位相差を求める場合もある。

３つの光電界センサ（第１〜第３光電界センサ１２Ａ〜１２Ｃ）を使用する場合は、空間を伝播する電磁波の３つの測定地点（第１〜第３測定地点）における位相を測定し、それら測定地点間における電磁波の位相差を求める。また、４つ光電界センサ（第１〜第４光電界センサ）を使用する場合は、空間を伝播する電磁波の４つの測定地点（第１〜第４測定地点１２Ａ〜１２Ｄ）における位相を測定し、それら測定地点間における電磁波の位相差を求める。

光センサシステム１０Ａは、送受信装置１１と第１光電界センサ１２Ａおよび第２光電界センサ１２Ｂとから形成されている。送受信装置１１は、図１に示すように、光送信部１３と光受信部１４とから形成されている。光送信部１３は、光変調器用光源１５と偏波合成器１６と光カプラ１７（光分配器）とを備えている。光送信部１３では、光変調器用光源１５と偏波合成器１６とが偏波保持光ファイバ３４を介して接続され、偏波合成器１６と光カプラ１７とがシングルモード光ファイバ１８を介して接続されている。

光変調器用光源１５は、所定の偏波面を有する第１のレーザ光（第１の入力光）を出射する光変調器用第１光源１９Ａと、第１のレーザ光と９０°異なる偏波面を有する第２のレーザ光（第２の入力光）を出射する光変調器用第２光源１９Ｂとから形成されている。偏波合成器１６は、光変調器用第１光源１９Ａと光変調器用第２光源１９Ｂとから出射（供給）されたそれらレーザ光を偏波面が互いに直交する合成レーザ光に合成する。光カプラ１７は、偏波合成器１６によって合成された合成レーザ光を２つに分配し、一方の合成レーザ光を第１光電界センサ１２Ａに出射するとともに、他方の合成レーザ光を第２光電界センサ１２Ｂに出射する。

光変調器用第１光源１９Ａは、偏波合成器１６（第１および第２光電界センサ１２Ａ，１２Ｂ）に半導体レーザ光を出射（供給）するレーザ光源であり、光変調器用第２光源１９Ｂは、偏波合成器１６（第１および第２光電界センサ１２Ａ，１２Ｂ）に半導体レーザ光を出射（供給）するレーザ光源である。それら光源１９Ａ，１９Ｂから出射される半導体レーザ光は、１．５５μｍの波長を有するとともに、５０ｍＷの電力量を有する。

なお、それら光源１９Ａ，１９Ｂから出射されるレーザ光は、その波長が１．２６〜１．６８μｍの範囲にあればよく、その電力量が１〜１００ｍＷの範囲にあればよい。レーザ光の波長が１．６８μｍを超過すると、光ファイバにおいて不要なノイズが発生し、光源１９Ａ，１９Ｂから出射されるレーザ光にロスが生じる。レーザ光の電力量が１００ｍＷを超過すると、不必要な電力量を有するレーザ光を第１および第２光電界センサ１２Ａ，１２Ｂに供給することになり、その結果、光センサシステム１０Ａの消費電力を少なくすることができない。

光受信部１４は、第１Ｏ／Ｅ変換器２０Ａおよび第２Ｏ／Ｅ変換器２０Ｂと第１アンプ２１Ａおよび第２アンプ２１Ｂとを備えている。光受信部１４では、それらＯ／Ｅ変換器２０Ａ，２０Ｂとそれらアンプ２１Ａ，２１Ｂとが給電線２２（同軸ケーブル）を介して電気的に接続されている。それらＯ／Ｅ変換器２０Ａ，２０Ｂは、シングルモード光ファイバ１８を介して第１および第２光電界センサ１２Ａ，１２Ｂ（光変調器２５の出力光導波路２７ｄ）に接続されている。

第１および第２Ｏ／Ｅ変換器２０Ａ，２０Ｂは、第１および第２光電界センサ１２Ａ，１２Ｂ（光変調器２５）から変調光を受光し、その変調光を電気信号に変換した後、その電気信号をアンプ２１Ａ，２１Ｂに出力する。それらアンプ２１Ａ，２１Ｂは、給電線２２（同軸ケーブル）を介してネットワークアナライザ２３に電気的に接続されている。ネットワークアナライザ２３は、第１および第２Ｏ／Ｅ変換器２０Ａ，２０Ｂから出力されてアンプ２１Ａ，２１Ｂを介して増幅された電気信号から電磁波の位相を解析し、各測定地点間における電磁波の位相差を求める。

第１および第２光電界センサ１２Ａ，１２Ｂは、図２に示すように、筐体２４と、筐体２４の内部に所定の固定手段を介して設置された光変調器２５（透過タイプ）とから作られている。透過型光変調器２５は、空間を伝播する電磁波を後記するアンテナ２９で受信し、光カプラ１７から入射したレーザ光（入力光）の強度を、アンテナ２９が受信した電磁波の電界強度に応じて変調し、レーザ光を変調した変調光を第１および第２Ｏ／Ｅ変換器２０Ａ，２０Ｂに出射する。

光変調器２５は、電気光学効果を有する結晶基板であるＸカットのニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）結晶（材料）から作られた単結晶基板２６と、基板２６の上面側にＴｉ拡散によって作られたマッハツェンダー型光導波路２７と、基板２６の上面側に成膜されたバッファ層２８と、バッファ層２８の上に成膜されたアンテナ２９とから形成されている。

マッハツェンダー型光導波路２７は、レーザ光（入力光）の入射側に延びる１本の入力光導波路２７ａと、入力光導波路２７ａから二股に分岐して延びる２本の位相シフト導波路２７ｂ，２７ｃと、レーザ光の出射側に延びていてそれら位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃがつながる１本の出力光導波路２７ｄとから形成されている。

入力光導波路２７ａは、シングルモード光ファイバ１８を介して光カプラ１７（偏波合成器１６）に接続されているとともに、出力光導波路２７ｄは、シングルモード光ファイバ１８を介してＯ／Ｅ変換器２０Ａ，２０Ｂに接続されている。入力光導波路２７ａや位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃ、出力光導波路２７ｄは、延伸方向と交差する方向の幅寸法Ｗが等しい。位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃは、それらの延伸方向の長さ寸法が等しい。

それら光導波路２７ａ〜２７ｄの幅寸法Ｗは、５〜１０μｍの範囲にある。各位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃの延伸方向の長さ寸法は、１０〜３０ｍｍの範囲にある。位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃでは、その中央部分が幅方向へ所定寸法離間し、互いに平行して延びている。中央部分におけるそれら光導波路２７ｂ，２７ｃの離間寸法は、２０〜５０μｍの範囲にある。なお、光導波路２７ａ〜２７ｄの幅寸法Ｗや各位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃの長さ寸法、中央部分におけるそれら光導波路２７ｂ，２７ｃの離間寸法について特に限定はなく、それら寸法を任意に設定することができる。

バッファ層２８は、光導波路２７を伝播するレーザ光の一部がそれらアンテナ２９に吸収されることを防止する目的で設けられる。バッファ層２８は、ＳｉＯ_２から作られ、その厚さ寸法が約２００ｎｍである。アンテナ２９は、一方のそれが入力光導波路２７ａの側に位置し、他方のそれが出力光導波路２７ｄの側に位置するように、延伸方向へ並んでいる。それらアンテナ２９は、スパッタリング等によって成膜されたCr、Au膜である。それらアンテナ２９は、空間を伝播する電磁波（電波）を受信し、受信した電磁波の電界強度に比例した電気信号を誘起する。なお、アンテナ２９が受信可能な電磁波の周波数帯域について特に限定はない。

出力光導波路２７ｄの側に位置するアンテナ２９は、位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃの間に配置された延伸部位２９ａを有する。延伸部位２９ａは、それら光導波路２７ｂ，２７ｃの中央部分と平行して延伸方向へ延びている。アンテナ２９の延伸部位２９ａの延伸方向の長さ寸法は、５ｍｍである。

入力光導波路２７ａの側に位置するアンテナ２９は、位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃを挟んでアンテナ２９の延伸部位２９ａの両側に配置された延伸部位２９ｂ，２９ｃを有する。延伸部位２９ｂ，２９ｃは、それら光導波路２７ｂ，２７ｃの中央部分と平行して延伸方向へ延びている。アンテナ２９の延伸部位２９ｂ，２９ｃの延伸方向の長さ寸法は、５ｍｍである。

なお、アンテナの延伸部位２９ａ，２９ｂ，２９ｃの延伸方向の長さ寸法に特に限定はなく、センシングする電磁波の電界強度に応じてその長さを任意に設定することができる。たとえば、センシングする電磁波の電界強度を所定の値に設定したときの延伸部位２９ａ，２９ｂ，２９ｃの長さ寸法を基準長さとした場合、センシングする電磁波の電界強度が所定の値から高くなるにつれて、延伸部位２９ａ，２９ｂ，２９ｃの長さ寸法を基準長さよりも短くする。

この光センサシステム１０Ａでは、図５に示すように、第１および第２光電界センサ１２Ａ，１２Ｂを使用して空間を伝播する電磁波の各測定地点（第１測定地点Ｋ１および第２測定地点Ｋ２）における位相を測定しつつ、各測定地点Ｋ１，Ｋ２間の位相差を求める場合において、第１光電界センサ１２Ａから出射された位相データを伝送する第１光ファイバ３０の長さＬ１に対する第２光電界センサ１２Ｂから出射された位相データを伝送する第２光ファイバ３１の長さＬ２の経路差（ΔＬ）（Ｌ１−Ｌ２）が位相の測定時における温度環境の変化に対して位相を精度よく測定することが可能な適正範囲内（第１光ファイバ３０の長さ（Ｌ１）に対する第２光ファイバ３１の長さ（Ｌ２）の経路差（ΔＬ）がプラスとマイナスとのうちの少なくとも一方の適正範囲内）になるように、第１光ファイバ３０の長さ（Ｌ１）に対して第２光ファイバ３１の長さ（Ｌ２）が調節されている。

具体的には、経路差（ΔＬ）（Ｌ１−Ｌ２）が式：ΔＬ≦ΔＰｈ／（０．０５７６×Ｆｒｑ×ΔＴ）によって算出され、その式によって算出された経路差（ΔＬ）となるように、第１光ファイバ３０の長さ（Ｌ１）と第２光ファイバ３１の長さ（Ｌ２）とが求められている。

前記式において、ΔＬは、経路差［ｍ］であり、ΔＰｈは、位相差［ｄｅｇ］である。Ｆｒｑは、電磁波の周波数［ＧＨｚ］であり、ΔＴは、位相測定時の温度変動幅［℃］であり、０．０５７６は、位相係数［ｄｅｇ／ＧＨｚ・℃・ｍ］である。なお、第１光ファイバ３０の長さは、第１光電界センサ１２Ａの出力側と第１Ｏ／Ｅ変換器２０Ａの入力側とを接続する光ファイバ１８の長さであり、第２光ファイバ３１の長さは、第２光電界センサ１２Ｂの出力側と第２Ｏ／Ｅ変換器２０Ｂの入力側とを接続する光ファイバ１８の長さである。

光センサシステム１０Ａ（光センサシステム１０Ｂを含む）において、３つ以上の光電界センサ（第１〜第ｎ光電界センサ）を使用し、空間を伝播する電磁波の各測定地点（第１〜第ｎ測定地点）における位相を測定しつつ、各測定地点間の位相差を求める場合において、第１光電界センサから出射された位相データを伝送する第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対する第２〜第ｎ光電界センサから出射された位相データを伝送する第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）の経路差（ΔＬ）（Ｌ１−Ｌ２）が位相差の測定時における温度環境の変化に対して位相差を精度よく測定することが可能な適正範囲内（第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対する第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）の経路差（ΔＬ）がプラスとマイナスとのうちの少なくとも一方の適正範囲内）になるように、第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対して第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）が調節される。

この場合においても、経路差（ΔＬ）（Ｌ１−Ｌ２）が前記式によって算出され、第１光ファイバの長さ（Ｌ１）と第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）とが求められる。なお、第２〜第ｎ光ファイバの長さは、第２〜第ｎ光電界センサの出力側と第２〜第ｎＯ／Ｅ変換器の入力側とを接続する光ファイバの長さである。

位相のズレ量（Ｐｈ）は、図６に示すように、式（１）:で算出することができ、位相差（ΔＰｈ）は、式（２）:で算出することができる。また、位相のズレ量（Ｐｈ）に対する光ファイバの長さ（Ｌ）は、図７に示すように、式（３）：で算出することができ、位相差（ΔＰｈ）に対する経路差（ΔＬ）は、式（４）：で算出することができる。

たとえば、図６において、周波数（Ｆｒｑ）が０．５３１［ＧＨｚ］、温度変動幅（ΔＴ）が６０［℃］、光ファイバの長さ（Ｌ）が２００［ｍ］、位相係数が０．０５７６である場合、式（１）によって位相のズレ量（Ｐｈ）＝３６７．０（°）が算出され、周波数（Ｆｒｑ）が０．５３１［ＧＨｚ］、温度変動幅（ΔＴ）が６０［℃］、光ファイバの長さ（Ｌ）が２０１［ｍ］、位相係数が０．０５７６である場合、位相のズレ量（Ｐｈ）＝３６８．０［°］が算出される。さらに、式（２）によって位相差（ΔＰｈ）＝約±１．９［°］が算出される。

また、周波数（Ｆｒｑ）が０．５３１［ＧＨｚ］、温度変動幅（ΔＴ）が５０［℃］、光ファイバの長さ（Ｌ）が１５０［ｍ］、位相係数が０．０５７６である場合、式（１）によって位相のズレ量（Ｐｈ）＝２２９．４（°）が算出され、周波数（Ｆｒｑ）が０．５３１［ＧＨｚ］、温度変動幅（ΔＴ）が５０［℃］、光ファイバの長さ（Ｌ）が１５２［ｍ］、位相係数が０．０５７６である場合、位相のズレ量（Ｐｈ）＝２３２．５［°］が算出される。さらに、式（２）によって位相差（ΔＰｈ）＝約±３．１［°］が算出される。

図７において、位相のズレ量（Ｐｈ）が３６７．０（°）、周波数（Ｆｒｑ）が０．５３１［ＧＨｚ］、温度変動幅（ΔＴ）が６０［℃］、位相係数が０．０５７６である場合、式（３）によって光ファイバの長さ（Ｌ）＝２００［ｍ］が算出され、位相のズレ量（Ｐｈ）が３６８．９（°）、周波数（Ｆｒｑ）が０．５３１［ＧＨｚ］、温度変動幅（ΔＴ）が６０［℃］、位相係数が０．０５７６である場合、光ファイバの長さ（Ｌ）＝２０１［ｍ］が算出される。さらに、さらに、式（４）によって経路差（ΔＬ）＝約±１［ｍ］が算出される。

また、位相のズレ量（Ｐｈ）が２２９．４（°）、周波数（Ｆｒｑ）が０．５３１［ＧＨｚ］、温度変動幅（ΔＴ）が５０［℃］、位相係数が０．０５７６である場合、式（３）によって光ファイバの長さ（Ｌ）＝１５０［ｍ］が算出され、位相のズレ量（Ｐｈ）が２３２．５（°）、周波数（Ｆｒｑ）が０．５３１［ＧＨｚ］、温度変動幅（ΔＴ）が５０［℃］、位相係数が０．０５７６である場合、光ファイバの長さ（Ｌ）＝１５２［ｍ］が算出される。さらに、さらに、式（４）によって経路差（ΔＬ）＝約±２［ｍ］が算出される。

それら式（１）〜式（４）を利用することで、位相のズレ量（Ｐｈ）が適正範囲内になるように、第１光ファイバの長さ（Ｌ１）と第２光ファイバの長さ（Ｌ２）とを求めることができ、経路差（ΔＬ）がプラスとマイナスとのうちの少なくとも一方の適正範囲内になるように、第１光ファイバの長さ（Ｌ１）と第２光ファイバの長さ（Ｌ２）とを求めることができる。

この光センサシステム１０Ａにおける位相や位相差の測定の手順を説明すると、以下のとおりである。なお、光センサシステム１０ＡのスイッチがＯＮになり、各光源１９Ａ，１９Ｂからレーザ光が出射されているものとする。また、光センサシステム１０Ａにおける位相や位相差の測定時では、第１光電界センサ１２Ａおよび第２光電界センサ１２Ｂによる位相の測定地点Ｋ１，Ｋ２が互いに近接している。したがって、第１光電界センサ１２Ａと第２光電界センサ１２Ｂとが近接して配置されている。

光センサシステム１０Ａにおける位相や位相差の測定時では、第１光ファイバ３０および第２光ファイバ３１における温度変動幅（ΔＴ）が同一であり、それら光電界センサ１２Ａ，１２Ｂにおいて測定する電磁波の周波数（Ｆｒｑ）が同一である。他のアンテナ（図示せず）から電磁波が発信されると、その電磁波が光センサシステム１０Ａ（第１および第２光電界センサ１２Ａ，１２Ｂのアンテナ２９）に受信される。

光変調器用第１および第２光源１９Ａ，１９Ｂは、１．５５μｍの波長であって５０ｍＷの電力量のレーザ光を出射している。レーザ光は、光源１９Ａ，１９Ｂから偏波保持光ファイバ３４を通って偏波合成器１６に入射し、偏波合成器１６によって偏波面が互いに直交する合成レーザ光に合成される。合成レーザ光は、光ファイバ１８を通って光カプラ１７に入射し、光カプラにおいて２つに分配された後、第１および第２光電界センサ１２Ａ，１２Ｂの光変調器２６に入射する。

光変調器２５では、図３に矢印Ｘ１で示すように、光カプラ１７（偏波合成器１６）から出射された合成レーザ光が入力光導波路２７ａの入射口から導波路２７ａに進入し、位相シフト導波路２７ｂ，２７ｃにおいて二分（分波）されて導波路２７ｂ，２７ｃに進入した後、出力光導波路２７ｄにおいて再び結合（合波）され、矢印Ｘ２で示すように、出力光導波路２７ｄから出射する。

光変調器２５では、アンテナ２９で受信された電磁波の電界強度（高周波信号）によってアンテナ２９（アンテナの延伸部位２９ａと延伸部位２９ｂ，２９ｃとの間）に電圧が印加されると、図４に矢印Ｚで示すＺ軸方向に互いに逆向きの電界がそれら位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃに印加される（図４参照）。

逆向きの電界が位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃに印加されることにより、光導波路２７ｂ，２７ｃにおける電気光学効果による屈折率変化の方向が互いに逆向きとなり、位相シフト導波路２７ｂ，２７ｃを伝搬するレーザ光（合成レーザ光の一方のレーザ光）に互いに逆向きの位相シフトが生じる。その結果、レーザ光が出力光導波路２７ｄにおける結合時に互いに干渉し、レーザ光の強度が変調されて変調光になる。

光変調器２５によって変調された変調光は、出力光導波路２７ｄから出射され、光ファイバ１８（光ファイバ３０）を通って第１Ｏ／Ｅ変換器２０Ａに入射するとともに、光ファイバ１８（光ファイバ３１）を通って第２Ｏ／Ｅ変換器２０Ｂに入射する。それらＯ／Ｅ変換器２０Ａ，２０Ｂでは、変調光を変換した電気信号を生成し、その電気信号をアンプ２１Ａ，２１Ｂに出力する。アンプ２１Ａ，２１Ｂは、Ｏ／Ｅ変換器２０Ａ，２０Ｂから出力された電気信号を増幅し、増幅した電気信号をネットワークアナライザ２３に出力する。

ネットワークアナライザ２３は、アンプ２１Ａ，２１Ｂ（Ｏ／Ｅ変換器２０Ａ，２０Ｂ）から出力された電気信号に基づいて第１および第２光電界センサ１２Ａ，１２Ｂのアンテナ２９が受信した各測定地点Ｋ１，Ｋ２における電磁波の位相を測定し、それら測定地点Ｋ１，Ｋ２間における電磁波の位相差を求め、測定した位相や求めた位相差をメモリに記憶するとともに、ディスプレイやプリンタから出力する。なお、ネットワークアナライザ２３は、各測定地点Ｋ１，Ｋ２における電磁波の振幅等を測定することもでき、測定した振幅等を記憶しつつ、それらをディスプレイやプリンタから出力することもできる。

光センサシステム１０Ａは、それら光電界センサ１２Ａ，１２Ｂを使用して空間を伝播する電磁波の各測定地点Ｋ１，Ｋ２における位相を測定しつつそれら測定地点Ｋ１，Ｋ２間の位相差を求めるから、１つの光電界センサを使用して電磁波の位相を測定する場合と比較し、各光電界センサ１２Ａ，１２Ｂから延びていて位相データを伝送する光ファイバ３０，３１の長さＬ１，Ｌ２が測定時の温度環境によって変化し、それによって各光電界センサ１２Ａ，１２Ｂが測定した位相に変動（ズレ）が生じたとしても、第１光電界センサ１２Ａが測定した位相のズレ量に対して第２光電界センサ１２Ｂが測定した位相のズレ量が近似していることを容易に証明することができ、各光電界センサ１２Ａ，１２Ｂを利用して空間を伝播する電磁波の位相を高い信頼性で測定することができる。

光センサシステム１０Ａは、各測定地点Ｋ１，Ｋ２間の電磁波の位相差を求める場合に、第１光電界センサ１２Ａから出射された位相データを伝送する第１光ファイバ３０の長さ（Ｌ１）に対する第２光電界センサ１２Ｂから出射された位相データを伝送する第２光ファイバ３１の長さ（Ｌ２）の経路差（ΔＬ）（Ｌ１−Ｌ２）が適正範囲内になるように、ΔＬ≦ΔＰｈ／（０．０５７６×Ｆｒｑ×ΔＴ）を使用して第１光ファイバ３０の長さ（Ｌ１）に対して第２光ファイバ３１の長さ（Ｌ２）が調節されているから、各光電界センサ１２Ａ，１２Ｂが測定した位相が大きく乖離することはなく、それら光電界センサ１２Ａ，１２Ｂによって略正確な位相が測定され、各測定地点Ｋ１，Ｋ２間の位相差の測定精度を向上させることができる。

光センサシステム１０Ａは、光変調器２５のアンテナ２９から印加された電界強度によって位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃの屈折率を変化させ、位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃを通る入力光（合成レーザ光）の強度を変調するから、空間を伝播する電磁波の測定感度を高くすることができ、外部から電力を供給することなく、受信した電磁波の電力のみによってその電磁波の位相を測定することができる。

光センサシステム１０Ａは、光変調器２５を利用することで、電磁波の測定効率を高くすることができ、各光ファイバ３０，３１の経路差（ΔＬ）（Ｌ１−Ｌ２）が適正範囲内になるように、第１光ファイバ３０の長さ（Ｌ１）に対して第２光ファイバ３１の長さ（Ｌ２）が調節されているから、それら光電界センサ１２Ａ，１２Ｂによって、各測定地点Ｋ１，Ｋ２間の位相差の測定精度を確実に向上させることができる。

図８は、他の一例として示す光センサシステム１０Ｂの構成図であり、図９は、光センサシステム１０Ｂに使用する光電界センサ１２Ａ，１２Ｂの一例を示す構成図である。図１０は、図９の光電界センサ１２Ａ，１２Ｂの光変調器２５の構成図であり、図１１は、光センサシステム１０Ｂにおける光ファイバ（Ｌ１，Ｌ２）の経路差ΔＬを示す図である。図９では、延伸方向（光（レーザ光）の伝播方向）を矢印Ａ、幅方向を矢印Ｂで示す。光センサシステム１０Ｂは、システム１０Ａと同様に、空間を伝播する電磁波の２つの測定地点（第１測定地点Ｋ１および第２測定地点Ｋ２）（図１１参照）における位相を測定し、それら測定地点Ｋ１，Ｋ２間における電磁波の位相差を求める。

光センサシステム１０Ｂは、送受信装置１１と第１光電界センサ１２Ａおよび第２光電界センサ１２Ｂとから形成されている。送受信装置１１は、図８に示すように、光送信部１３と光受信部１４と光サーキュレータ３２Ａ，３２Ｂとから形成されている。光送信部１３は、光変調器用光源１５と偏波合成器１６と光カプラ１７（光分配器）とを備えている。光変調器用光源１５と偏波合成器１６とは偏波保持光ファイバ３４を介して接続され、偏波合成器１６と光カプラ１７とはシングルモード光ファイバ１８を介して接続されている。

光変調器用光源１５は、所定の偏波面を有する第１のレーザ光を出射する光変調器用第１光源１９Ａと、第１のレーザ光と９０°異なる偏波面を有する第２のレーザ光を出射する光変調器用第２光源１９Ｂとから形成されている。光変調器用第１光源１９Ａや光変調器用第２光源１９Ｂ、偏波合成器１６、光カプラは、図１のシステム１０Ａのそれらと同一である。なお、光カプラ１７は、シングルモード光ファイバ１８を介して光サーキュレータ３２Ａ，３２Ｂに接続され、偏波合成器１６によって合成された一方の合成レーザ光を光サーキュレータ３２Ａに出射するとともに、他方の合成レーザ光を光サーキュレータ３２Ｂに出射する。

光サーキュレータ３２Ａ，３２Ｂは、合成レーザ光を一方向へのみ出射する。光サーキュレータ３２Ａは、シングルモード光ファイバ１８を介して第１光電界センサ１２Ａ（光変調器２５の入力光導波路２７ａおよび出力光導波路２７ｄ）に接続されているとともに、シングルモード光ファイバ１８を介して第１Ｏ／Ｅ変換器２０Ａに接続されている。光サーキュレータ３２Ｂは、シングルモード光ファイバ１８を介して第２光電界センサ１２Ｂ（光変調器２５の入力光導波路２７ａおよび出力光導波路２７ｄ）に接続されているとともに、シングルモード光ファイバ１８を介して第２Ｏ／Ｅ変換器２０Ｂに接続されている。

光受信部１４は、第１Ｏ／Ｅ変換器２０Ａおよび第２Ｏ／Ｅ変換器２０Ｂと第１アンプ２１Ａおよび第２アンプ２１Ｂとを備えている。光受信部１４では、それらＯ／Ｅ変換器２０Ａ，２０Ｂとそれらアンプ２１Ａ，２１Ｂとが給電線２２（同軸ケーブル）を介して電気的に接続されている。アンプ２１Ａ，２１Ｂは、給電線２２（同軸ケーブル）を介してネットワークアナライザ２３に電気的に接続されている。第１および第２Ｏ／Ｅ変換器２０Ａ，２０Ｂやアンプ２１Ａ，２１Ｂ、ネットワークアナライザ２３は、図１のシステム１０Ａのそれらと同一である。

第１および第２光電界センサ１２Ａ，１２Ｂは、図９に示すように、筐体２４と、筐体２４の内部に所定の固定手段を介して設置された光変調器２５（反射タイプ）とから作られている。反射型光変調器２５は、空間を伝播する電磁波を後記するアンテナ２９で受信し、光サーキュレータ３２Ａ，３２Ｂから入射したレーザ光（入力光）の強度を、アンテナ２９が受信した電磁波の電界強度に応じて変調し、レーザ光を変調した変調光を光サーキュレータ３２Ａ，３２Ｂ（第１および第２Ｏ／Ｅ変換器２０Ａ，２０Ｂ）に出射する。

図８の光電界センサ１２Ａ，１２Ｂにおける反射型光変調器２５は、電気光学効果を有する結晶基板であるＸカットのニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）結晶（材料）から作られた単結晶基板２６と、基板２６の上面側にＴｉ拡散によって作られたマッハツェンダー型光導波路２７と、基板２７の上面側に成膜されたバッファ層２８と、バッファ層２８の上に成膜されたアンテナ２９と、基板２６の他方の端部に設置された光反射部３３とから形成されている。

マッハツェンダー型光導波路２７は、レーザ光（入力光）の入射側に延びる１本の入出力光導波路２７ａと、入出力光導波路２７ａから二股に分岐して延びる２本の位相シフト導波路２７ｂ，２７ｃとから形成されている。入出力光導波路２７ａや位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃは、延伸方向と交差する方向の幅寸法Ｗが等しい。位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃは、それらの延伸方向の長さ寸法が等しい。

それら光導波路２７ａ〜２７ｃの幅寸法Ｗは、５〜１０μｍの範囲にある。各位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃの延伸方向の長さ寸法は、１０〜３０ｍｍの範囲にある。位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃでは、その中央部分が幅方向へ所定寸法離間し、互いに平行して延びている。中央部分におけるそれら光導波路２７ｂ，２７ｃの離間寸法は、２０〜５０μｍの範囲にある。

バッファ層２８は、ＳｉＯ_２から作られ、その厚さ寸法が約２００ｎｍである（図４援用）。アンテナ２９は、一方のそれが入出力光導波路２７ａの側に位置し、他方のそれが入出力光導波路２７ａの逆側に位置するように、延伸方向へ並んでいる。それらアンテナ２９は、スパッタリング等によって成膜されたCr、Au膜である。

入出力光導波路２７ａの逆側に位置するアンテナ２９は、位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃの間に配置された延伸部位２９ａを有し、入出力光導波路２７ａの側に位置するアンテナ２９は、位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃを挟んでアンテナ２９の延伸部位２９ａの両側に配置された延伸部位２９ｂ，２９ｃを有する。それら延伸部位２９ａ，２９ｂ，２９ｃは、それら光導波路２７ｂ，２７ｃの中央部分と平行して延伸方向へ延びている。アンテナ２９の延伸部位２９ａ，２９ｂ，２９ｃの延伸方向の長さ寸法は、５ｍｍである。

光反射部３３は、基板２６のうちの入力光導波路２７ａが延びる一方の端部の反対側の他方の端部に設置されている。光反射部３３は、入出力光導波路２７ａから入射して位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃへ伝播した変調光を反射し、変調光を位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃから入出力光導波路２７ａへ伝播させる。

この光センサシステム１０Ｂでは、図１１に示すように、第１および第２光電界センサ１２Ａ，１２Ｂを使用して空間を伝播する電磁波の各測定地点（第１測定地点Ｋ１および第２測定地点Ｋ２）における位相を測定しつつ、各測定地点Ｋ１，Ｋ２間の位相差を求める場合において、第１光電界センサ１２Ａから出射された位相データを伝送する第１光ファイバ３０の長さＬ１に対する第２光電界センサ１２Ｂから出射された位相データを伝送する第２光ファイバ３１の長さＬ２の経路差（ΔＬ）（Ｌ１−Ｌ２）が位相の測定時における温度環境の変化に対して位相を精度よく測定することが可能な適正範囲内（第１光ファイバ３０の長さ（Ｌ１）に対する第２光ファイバ３１の長さ（Ｌ２）の経路差（ΔＬ）がプラスとマイナスとのうちの少なくとも一方の適正範囲内）になるように、第１光ファイバ３０の長さ（Ｌ１）に対して第２光ファイバ３１の長さ（Ｌ２）が調節されている。

光センサシステム１０Ｂでは、経路差（ΔＬ）（Ｌ１−Ｌ２）が式：ΔＬ≦ΔＰｈ／（０．０５７６×Ｆｒｑ×ΔＴ）によって算出され、その式によって算出された経路差（ΔＬ）となるように、第１光ファイバ３０の長さ（Ｌ１）と第２光ファイバ３１の長さ（Ｌ２）とが求められている。第１光ファイバ３０の長さは、第１光電界センサ１２Ａの出力側と第１Ｏ／Ｅ変換器２０Ａの入力側とを接続する光ファイバ１８の長さであり、第２光ファイバ３１の長さは、第２光電界センサ１２Ｂの出力側と第２Ｏ／Ｅ変換器２０Ｂの入力側とを接続する光ファイバ１８の長さである。

位相のズレ量（Ｐｈ）は、図６に示す式（１）:で算出することができ、位相差（ΔＰｈ）は、図６に示す式（２）:で算出することができる。また、位相のズレ量（Ｐｈ）に対する光ファイバの長さ（Ｌ）は、図７に示す式（３）：で算出することができ、位相差（ΔＰｈ）に対する経路差（ΔＬ）は、図７に示す式（４）：で算出することができる。それら式（１）〜式（４）を利用することで、位相のズレ量（Ｐｈ）が適正範囲内になるように、第１光ファイバの長さ（Ｌ１）と第２光ファイバの長さ（Ｌ２）とを求めることができ、経路差（ΔＬ）がプラスとマイナスとのうちの少なくとも一方の適正範囲内になるように、第１光ファイバの長さ（Ｌ１）と第２光ファイバの長さ（Ｌ２）とを求めることができる。

この光センサシステム１０Ｂにおける位相や位相差の測定の手順を説明すると、以下のとおりである。光センサシステム１０Ｂにおける位相や位相差の測定時では、第１光電界センサ１２Ａおよび第２光電界センサ１２Ｂによる位相の測定地点Ｋ１，Ｋ２が互いに近接している。したがって、第１光電界センサ１２Ａと第２光電界センサ１２Ｂとが近接して配置されている。

光センサシステム１０Ｂにおける位相や位相差の測定時では、第１光ファイバ３０および第２光ファイバ３１における温度変動幅（ΔＴ）が同一であり、それら光電界センサ１２Ａ，１２Ｂにおいて測定する電磁波の周波数（Ｆｒｑ）が同一である。他のアンテナから電磁波が発信されると、その電磁波が光センサシステム１０Ｂ（第１および第２光電界センサ１２Ａ，１２Ｂのアンテナ２９）に受信される。

光変調器用第１および第２光源１９Ａ，１９Ｂは、１．５５μｍの波長であって５０ｍＷの電力量のレーザ光を出射している。レーザ光は、光源１９Ａ，１９Ｂから偏波保持光ファイバ３４を通って偏波合成器１６に入射し、偏波合成器１６によって偏波面が互いに直交する合成レーザ光に合成される。合成レーザ光は、光ファイバ１８を通って光カプラ１７に入射し、光カプラにおいて２つに分配された後、光サーキュレータ３２Ａ，３２Ｂに入射する。光サーキュレータ３２Ａ，３２Ｂは、合成レーザ光を第１および第２光電界センサ１２Ａ，１２Ｂの光変調器２５に入射させる。

反射型光変調器２５では、図９に矢印Ｘ１で示すように、光サーキュレータ３２Ａ，３２Ｂ（偏波合成器１６）から出射された合成レーザ光が入出力光導波路２７ａの入出射口から導波路２７ａに進入し、位相シフト導波路２７ｂ，２７ｃにおいて二分（分波）されて導波路２７ｂ，２７ｃに進入する。その後、合成レーザ光から変調された変調光が光反射部３３において反射され、矢印Ｘ２で示すように、入出力光導波路２７ａの入出射口から光ファイバ１８（光サーキュレータ３２Ａ，３２Ｂ）に出射される。

光変調器２５では、アンテナ２９で受信された電磁波の電界強度（高周波信号）によってアンテナ２９（アンテナの延伸部位２９ａと延伸部位２９ｂ，２９ｃとの間）に電圧が印加されると、互いに逆向きの電界がそれら位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃに印加される（図４援用）。逆向きの電界が位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃに印加されることにより、光導波路２７ｂ，２７ｃにおける電気光学効果による屈折率変化の方向が互いに逆向きとなり、位相シフト導波路２７ｂ，２７ｃを伝搬するレーザ光（合成レーザ光の一方のレーザ光）に互いに逆向きの位相シフトが生じる。その結果、反射部３３によって反射したレーザ光が入出力光導波路２７ａにおける結合時に互いに干渉し、レーザ光の強度が変調されて変調光になる。

光変調器２５によって変調された変調光は、入出力光導波路２７ａから出射され、光ファイバ１８（光ファイバ３０）を通って光サーキュレータ３２Ａから第１Ｏ／Ｅ変換器２０Ａに入射するとともに、光ファイバ１８（光ファイバ３１）を通って光サーキュレータ３２Ｂから第２Ｏ／Ｅ変換器２０Ｂに入射する。それらＯ／Ｅ変換器２０Ａ，２０Ｂでは、変調光を変換した電気信号を生成し、その電気信号をアンプ２１Ａ，２１Ｂに出力する。アンプ２１Ａ，２１Ｂは、Ｏ／Ｅ変換器２０Ａ，２０Ｂから出力された電気信号を増幅し、増幅した電気信号をネットワークアナライザ２３に出力する。

ネットワークアナライザ２３は、アンプ２１Ａ，２１Ｂ（Ｏ／Ｅ変換器２０Ａ，２０Ｂ）から出力された電気信号に基づいて第１および第２光電界センサ１２Ａ，１２Ｂのアンテナ２９が受信した各測定地点Ｋ１，Ｋ２における電磁波の位相を測定し、それら測定地点Ｋ１，Ｋ２間における電磁波の位相差を求め、測定した位相や求めた位相差をメモリに記憶するとともに、ディスプレイやプリンタから出力する。

光センサシステム１０Ｂは、それら光電界センサ１２Ａ，１２Ｂを使用して空間を伝播する電磁波の各測定地点Ｋ１，Ｋ２における位相を測定しつつそれら測定地点Ｋ１，Ｋ２間の位相差を求めるから、１つの光電界センサを使用して電磁波の位相を測定する場合と比較し、各光電界センサ１２Ａ，１２Ｂから延びていて位相データを伝送する光ファイバ３０，３１の長さＬ１，Ｌ２が測定時の温度環境によって変化し、それによって各光電界センサ１２Ａ，１２Ｂが測定した位相に変動（ズレ）が生じたとしても、第１光電界センサ１２Ａが測定した位相のズレ量に対して第２光電界センサ１２Ｂが測定した位相のズレ量が近似していることを容易に証明することができ、各光電界センサ１２Ａ，１２Ｂを利用して空間を伝播する電磁波の位相を高い信頼性で測定することができる。

光センサシステム１０Ｂは、各測定地点Ｋ１，Ｋ２間の電磁波の位相差を求める場合に、第１光電界センサ１２Ａから出射された位相データを伝送する第１光ファイバ３０の長さ（Ｌ１）に対する第２光電界センサ１２Ｂから出射された位相データを伝送する第２光ファイバ３１の長さ（Ｌ２）の経路差（ΔＬ）（Ｌ１−Ｌ２）が適正範囲内になるように、ΔＬ≦ΔＰｈ／（０．０５７６×Ｆｒｑ×ΔＴ）を使用して第１光ファイバ３０の長さ（Ｌ１）に対して第２光ファイバ３１の長さ（Ｌ２）が調節されているから、各光電界センサ１２Ａ，１２Ｂが測定した位相が大きく乖離することはなく、それら光電界センサ１２Ａ，１２Ｂによって略正確な位相が測定され、各測定地点Ｋ１，Ｋ２間の位相差の測定精度を向上させることができる。

光センサシステム１０Ｂは、反射型光変調器２５のアンテナ２９で受信された電気信号の電界強度によって位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃの屈折率を変化させ、位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃを通る入力光（合成レーザ光）の強度を変調するから、空間を伝播する電磁波の測定感度を高くすることができ、外部から電力を供給することなく、受信した電磁波の電力のみによってその電磁波の位相を測定することができる。

光センサシステム１０Ｂは、反射型光変調器２５を利用することで、電磁波の測定効率を高くすることができ、各光ファイバ３０，３１の経路差（ΔＬ）（Ｌ１−Ｌ２）が適正範囲内になるように、第１光ファイバ３０の長さ（Ｌ１）に対して第２光ファイバ３１の長さ（Ｌ２）が調節されているから、それら光電界センサ１２Ａ，１２Ｂによって、各測定地点Ｋ１，Ｋ２間の位相差の測定精度を確実に向上させることができる。

１０Ａ 光センサシステム
１０Ｂ 光センサシステム
１１ 送受信装置
１２Ａ 第１光電界センサ
１２Ｂ 第２光電界センサ
１３ 光送信部
１４ 光受信部
１５ 光変調器用光源
１６ 偏波合成器
１７ 光カプラ
１８ シングルモード光ファイバ
１９Ａ 光変調器用第１光源
１９Ｂ 光変調器用第２光源
２０Ａ 第１Ｏ／Ｅ変換器
２０Ｂ 第２Ｏ／Ｅ変換器
２１Ａ 第１アンプ
２１Ｂ 第２アンプ
２４ 筐体アンテナ
２５ 光変調器
２６ 単結晶基板（基板）
２７ マッハツェンダー型光導波路（光導波路）
２７ａ 入力光導波路（入出力光導波路）
２７ｂ 位相シフト光導波路
２７ｃ 位相シフト光導波路
２７ｄ 出力光導波路
２８ バッファ層
２９ アンテナ
２９ａ 延伸部位
２９ｂ 延伸部位
２９ｃ 延伸部位
３０ 第１光ファイバ
３１ 第２光ファイバ
３２Ａ 光サーキュレータ
３２Ｂ 光サーキュレータ
３３ 光反射部
３４ 偏波保持光ファイバ
Ｋ１ 第１測定地点
Ｋ２ 第２測定地点

Claims (8)

1. 少なくとも２つの光電界センサを使用して空間を伝播する電磁波の少なくとも２つの測定地点における位相を測定しつつそれら測定地点間の位相差を求める場合において、それら光電界センサのうちの第１光電界センサから出射された位相データを伝送する第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対する第２〜第ｎ光電界センサから出射された位相データを伝送する第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）の経路差（ΔＬ）（Ｌ１−Ｌ２）が前記位相の測定時における温度環境の変化に対して該位相を精度よく測定することが可能な適正範囲内になるように、前記第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対して前記第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）が調節されていることを特徴とする光センサシステム。
2. 前記光センサシステムでは、前記第１光ファイバの長さ（Ｌ１）に対する前記第２〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ２）の経路差（ΔＬ）がプラスとマイナスとのうちの少なくとも一方の前記適正範囲内になるように、前記第１〜第ｎ光ファイバの長さ（Ｌ１，Ｌ２）が調節されている請求項１に記載の光センサシステム。
3. 前記経路差（ΔＬ）が、式：ΔＬ≦ΔＰｈ／（０．０５７６×Ｆｒｑ×ΔＴ）によって算出される（ΔＬ＝経路差［ｍ］、ΔＰｈ＝位相差［ｄｅｇ］、Ｆｒｑ＝電磁波の周波数［ＧＨｚ］、ΔＴ＝測定時の温度変動幅［℃］、０．０５７６＝位相係数［ｄｅｇ／ＧＨｚ・℃・ｍ］）請求項１または請求項２に記載の光センサシステム。
4. 前記光センサシステムにおける前記電磁波の位相の測定時では、前記第１〜第ｎ光ファイバにおける温度変動幅（ΔＴ）が同一であり、それら光電界センサにおいてセンシングする前記電磁波の周波数（Ｆｒｑ）が同一である請求項３に記載の光センサシステム。
5. 前記光センサシステムにおける前記電磁波の位相の測定時では、第１〜第ｎ光電界センサによる位相の測定地点が互いに近接している請求項３または請求項４に記載の光センサシステム。
6. 前記光センサシステムが、所定の電磁波を受信しつつその電磁波の電界強度に応じて入力光の強度を変調し、前記入力光を変調した変調光を出力する前記少なくとも２つの光電界センサと、それら光電界センサに所定長さの光ファイバを介して接続され、それら光電界センサに前記入力光を出射する光変調器用光源と、それら光電界センサに所定長さの光ファイバを介して接続され、それら光電界センサから出射された変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器とを含み、前記第１〜第ｎ光ファイバの長さが、前記第１〜第ｎ光電界センサの出力側と前記Ｏ／Ｅ変換器の入力側とを接続する前記光ファイバの長さである請求項１ないし請求項５いずれかに記載の光センサシステム。
7. 前記光変調器が、電気光学効果を有する材料から作られた基板と、前記基板に形成された光導波路と、前記光導波路近傍に設置されたアンテナとを備え、前記光導波路が、光の入射側に延びる入力光導波路と、前記入力光導波路から二股に分岐して延びる２本の位相シフト導波路と、前記光の出射側に延びていてそれら位相シフト光導波路がつながる出力光導波路とから形成され、前記アンテナが、それら位相シフト導波路に並行して前記延伸方向へ延びるとともに、電気信号の電界強度をそれら位相シフト導波路に独立して印加することで該位相シフト光導波路の屈折率を変化させる請求項１ないし請求項６いずれかに記載の光センサシステム。
8. 前記光変調器が、電気光学効果を有する材料から作られた基板と、前記基板に形成された光導波路と、前記基板上に設置されて前記光導波路を伝播する光を反射する光反射部と、前記光導波路近傍に設置されたアンテナとを備え、前記光導波路が、光の入射側に延びる入出力光導波路と、前記入出力光導波路から二股に分岐して延びていて前記光反射部に達する２本の位相シフト導波路とから形成され、前記アンテナが、それら位相シフト導波路に並行して前記延伸方向へ延びるとともに、電気信号の電界強度をそれら位相シフト導波路に独立して印加することで該位相シフト光導波路の屈折率を変化させる請求項１ないし請求項６いずれかに記載の光センサシステム。

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