JP2014215140A

JP2014215140A - 電界計測装置

Info

Publication number: JP2014215140A
Application number: JP2013091876A
Authority: JP
Inventors: 良和鳥羽; Yoshikazu Toba; 一條　淳; Atsushi Ichijo; 淳一條
Original assignee: Seikoh Giken Co Ltd
Current assignee: Seikoh Giken Co Ltd
Priority date: 2013-04-25
Filing date: 2013-04-25
Publication date: 2014-11-17

Abstract

【課題】形状が小さく、且つ接続される光ファイバの数が少なくて取扱易く、空間を伝搬する電磁波の電界強度を正確に計測できる電界計測装置を提供する。【解決手段】光源１、反射型電界センサヘッド５、光検出器８、前記反射型電界センサヘッド５の入射光および出射光の伝送路としての光ファイバ４、および前記反射型電界センサヘッド５へ入射する光と前記反射型電界センサヘッド５から戻る光を分離するために光サーキュレータ３から構成される電界計測装置において、前記光源１に、光スペクトル半値全幅が１０ｎｍ以上、光出力が１ｍＷ以上を備えた電界計測装置。【選択図】図１

Description

本発明は、ＥＭＣ(electromagnetic compatibility)分野で電波や電磁界ノイズの特性測定に用いる測定器に関し、特に空間を伝搬する電磁波の電界強度を測定するための電界計測装置に関する。

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、上述のような電磁ノイズの測定には、（ａ）通常のアンテナを用いて受信し同軸ケーブルで測定器まで導く方法、（ｂ）アンテナを用いて受信した信号を検波して光信号に変換し光ファイバで測定器まで導く方法、（ｃ）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界強度変化を光強度変化に変換し、上記光学素子と光源及び測定器に接続された光検出器間を光ファイバで接続する方法がある。（ａ）のアンテナを用いる方法が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てたり、ノイズ混入のおそれがある等の問題があるため、光ファイバを用いた上記（ｂ）、（ｃ）の方法が開発されている。

上記方法のうち（ｂ）の方法はダイオードで検波した信号を増幅して発光ダイオードに加えて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が、センサヘッド部に電気回路やバッテリを必要とするため、ある大きさの金属部分が存在しかつ形状も大きくなってしまう。また、電界の検出感度が低く応答速度が遅いという欠点がある。

一方、（ｃ）の方法では電界強度を透過光の強度変化に変換する光学素子として電気光学効果を有する結晶を用いている。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小型アンテナを取り付けた結晶中を通過させて結晶中の電界により偏光状態を変化させ、検光子で強度変化に変換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上記光学素子を構成する導波路型素子があり、通常、導波路型のほうがバルク型よりも１０倍以上検出感度が高く、高周波まで検出できることから、導波路型が主に使用されている。

図３は従来の導波路型素子による電界センサヘッド２４の代表的な構成例を示す。Ｃ軸に垂直に切り出したニオブ酸リチウム結晶基板１３上にチタンを拡散して入射光導波路１４、そこから分岐して結合した２本の位相シフト光導波路１５および１６、および上記２本の位相シフト光導波路１５および１６が合流して結合した出射光導波路１７が形成されている。入射光導波路１４の入射端には入力光ファイバ１８が結合され、出射光導波路１７の出射端には出力光ファイバ１９が接続されている。また、位相シフト光導波路１５および１６上には１対の電極２０が設置され、ロッドアンテナ２１に接続されている。図３において、入力光ファイバ１８からの入射光２２は入射光導波路１４に入射した後、位相シフト光導波路１５および１６にエネルギーが分割される。電界が印加された場合、ロッドアンテナ２１により電極２０に電圧が誘起されて位相シフト光導波路１５および１６中には深さ方向に互いに反対向きの電界成分が生ずる。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１５および１６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生じ、それらが合流して出射光導波路１７に結合する場合に干渉により光強度が変化する。すなわち、印加電界強度に応じて出力光ファイバ１９に出射する出力光２３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で測定することにより印加電界の強度を測定できる。

図４は上記従来の電界センサヘッド２４を用いた電界計測装置を示す。図３の電界センサヘッド２４の入力光ファイバ１８が送信用ファイバ２５を介して光源２６に接続され、出力光ファイバが受信用ファイバ２７を介して光検出器２８に接続される。一般に光源は分布帰還型レーザダイオード(ＤＦＢ−ＬＤ)が使用される。また、図では省略してあるが、光検出器からの検出された電気信号は通常の電圧計、電流計またはスペクトラムアナライザ等の測定器に接続される。

最近では取り扱い易さや小型化の必要性から、図５に示す様に位相シフト光導波路２９、３０端に光学的な光反射器３１を設置することにより、出射光側ファイバの無い、反射型と呼ばれる電界センサヘッド３７が提案され、利用されている。この場合、図６に示すように反射型電界センサヘッド３７へ入射する光と戻る光を分離するために光サーキュレータ３９が使用される。反射型電界センサヘッド３７は、位相シフト光導波路が透過型と比べ２倍となり感度の面でも有利である。

特開平０７−２７８０７号公報

しかしながら、反射型電界センサヘッドを使用した電界計測装置の場合、光の干渉により図７に示すように光検出器からの出力信号が不規則に変動する現象が観測される。それゆえ測定精度を低下させていた。また、干渉性を抑えるためクロストーク特性のよい光サーキュレータ（光源側ポート→光検出器側ポート；−７５ｄＢ）を用いれば若干の改善は図れるものの測定精度的に不十分である。また、光通信等で使用されている汎用的な光サーキュレータのクロストーク特性は約５０ｄＢであり、７５ｄＢ以上のクロストーク特性を有する特殊な光サーキュレータは１０倍以上と非常に高価となる。

従って、本発明の目的は、光検出器からの出力信号の安定化を図ることにより空間を伝搬する電磁波の電界強度を正確に計測できる安価な電界計測装置を提供することである。

本発明によれば、光源、反射型電界センサヘッド、光検出器、前記電界センサヘッドの入射光および出射光の伝送路としての光ファイバ、および前記電界センサヘッドへ入射する光と前記電界センサヘッドから戻る光を分離するために光サーキュレータから構成される電界計測装置において、前記光源に、光スペクトル半値全幅が１０ｎｍ以上、光出力が１ｍＷ以上のものを用いた電界計測装置である。

また、前記光源がＳＬＤ（Super Luminecence Diode）の電界計測装置である。

さらに、前記反射型電界センサヘッドは、電気光学効果を持つ光学結晶基板上に形成した入射光導波路、該入射光導波路から分岐した二つの位相シフト光導波路、該二つの位相シフト光導波路が基板端面まで配置され、この基板端面に配置した光反射部、および前記二つの位相シフト光導波路の近傍に形成した変調電極、アンテナからなり、電界によってアンテナに誘導され前記変調電極に印加された電圧に依存して、前記光導波路を通過する光の強度を変化させるものである。

以上説明したように、光検出器からの出力信号が不規則に変動し、測定精度を低下させていた従来の電界計測装置に対して、本発明により、光源に光スペクトル半値全幅が１０ｎｍ以上、光出力が１ｍＷ以上のものを用いることによって、出力信号の揺らぎが極めて少なく、電界強度を正確に計測できる電界計測装置を実現した。

本発明の実施の形態の電界計測装置の構成図。本発明の実施形態の電界計測装置の出力信号の時間変化を示す図。従来の電界センサヘッドを示す図従来の電界計測装置の構成図。反射型電界センサヘッドを示す図。従来の反射型電界センサヘッドを使用した電界計測装置の構成図従来の電界計測装置の出力信号の時間変化を示す図。

以下に実施例を挙げ、本発明の光源に光スペクトル半値全幅１０nm、光出力１ｍＷを用いた電界計測装置について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施例の形態による電界計測装置の構成図である。図１において、光源１はＳＬＤで、出射光波長は1550nm、光スペクトル半値全幅は１０nm、光出力は１ｍＷである。光源から出射される直線偏光は、偏波面保持ファイバ２で偏波面保持型光サーキュレータ３に入射される。偏波面保持型光サーキュレータ３を伝搬した光は、偏波面保持ファイバ４によって反射型電界センサヘッド５に導かれる。伝搬する光の方向を矢印６を付して示す。また、本発明の形態には、図５に示した光導波路素子から構成された反射型電界センサヘッドが用いられている。

反射型電界センサヘッド５の出射光は、再度偏波面保持ファイバ４で偏波面保持光サーキュレータ３に導かれ、入射光から分離され、シングルモードファイバ７を伝搬して光検出器８に入射される。

反射型電界センサヘッド５はＴＥＭセル(transverse electromagnetic cell)９内に配置され、信号発生器１０によりＴＥＭセル内部に電界が印加される。ここでは、信号発生器１０の発信周波数は３００ＭＨｚの連続波である。また、反射型電界センサヘッド５近傍での電界強度は５Ｖ／ｍである。

本実施例の形態の電界計測装置による光検出器８からの相対出力変動の時間変化測定結果を図２に示す。光検出器８からの出力変化は、極めて小さいく０．００５ｄＢであった。

なお、光スペクトル半値全幅が広くても同等の特性が得られる。

また、光出力が高くても同等の特性が得られる。

更に、電界センサヘッドは直接信号を入力するタイプのものでもよい。

加えて、光サーキュレータは、光通信用途で使用される汎用的なものでもよい。

１光源（ＳＬＤ）
２、４、４１、４２偏波面保持ファイバ
３、３８偏波面保持型光サーキュレータ
５、３７反射型電界センサヘッド
６光の方向を示す矢印
７、４３シングルモードファイバ
８、２７、４０光検出器
９ＴＥＭセル
１０信号発生器
１１スペクトラムアナライザ
１２同軸ケーブル
１３、３６ニオブ酸リチウム結晶基板
１４入射光導波路
１５、１６、２９、３０位相シフト導波路
１７出射光導波路
１８入力光ファイバ
１９出力光ファイバ
２０、３４電極
２１、３５ロッドアンテナ
２２入射光
２３出力光
２４透過型電界センサヘッド
２５送信用ファイバ
２６、３８光源（ＤＦＢ−ＬＤ）
２７受信用ファイバ
３１光反射器
３２入出力光導波路
３３入出力光ファイバ

Claims

光源、反射型電界センサヘッド、光検出器、前記電界センサヘッドの入射光および出射光の伝送路としての光ファイバ、および前記電界センサヘッドへ入射する光と前記電界センサヘッドから戻る光を分離するために光サーキュレータから構成される電界計測装置において、前記光源に、光スペクトル半値全幅が１０ｎｍ以上、光出力が１ｍＷ以上のものを用いることを特徴とする電界計測装置。
前記光源はＳＬＤ（Super Luminecence Diode）であることを特徴とする請求項１記載の電界計測装置。
前記反射型電界センサヘッドは、電気光学効果を持つ光学結晶基板上に形成した入射光導波路、該入射光導波路から分岐した二つの位相シフト光導波路、該二つの位相シフト光導波路が基板端面まで配置され、この基板端面に配置した光反射部、および前記二つの位相シフト光導波路の近傍に形成した変調電極、アンテナからなり、電界によってアンテナに誘導され前記変調電極に印加された電圧に依存して、前記光導波路を通過する光の強度を変化させるものであることを特徴とする請求項１、２記載の電界計測装置。