JP2017133926A

JP2017133926A - 電界検出装置

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Publication number: JP2017133926A
Application number: JP2016013736A
Authority: JP
Inventors: 啓渡邉; Hiroshi Watanabe; 優生倉田; Masao Kurata; 愛一郎佐々木; Aiichiro Sasaki
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2017-08-03
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: JP6454288B2

Abstract

【課題】測定時の温度が変化しても安定した測定を高精度に行うことができる電界検出装置を提供すること。
【解決手段】電界検出装置は、入力導波路と、出力導波路と、入力導波路と出力導波路との間に設けられた複数のアーム導波路と、アーム導波路の各々の光路に対応して設けられ、各光路を伝搬する光信号を入射して反射させる複数の電気光学結晶とを含み、複数の電気光学結晶の各々は、温度に対する屈折率の変化が生じないように予め結晶の向きが異なるように配置されている。
【選択図】図４

Description

本発明は、電気光学効果を利用して電界強度の測定を行う位置検出型の電界検出装置に関する。

電界検出装置は、電気光学効果を利用して電界強度の測定を行うために用いられる。特許文献１および非特許文献１に開示された装置は、電界、磁界または／および圧力といった外界の物理量の変化に応じて光学特性が変化する光学結晶（電気光学結晶）を備えており、この結晶内に、光を入射させ、その光の偏波状態の変化に基づいて上記外界の物理量の変化を計測するように構成されている。

また、特許文献２に開示されたシステムは、プローブ光を伝送する偏波保持ファイバと、１／４波長板と、反射手段を有する光学結晶（電気光学結晶）と、サーキュレータと、ビームスプリッターとを備える。このシステムでは、偏波保持ファイバを通過した光は、１／４波長板を介して、光学結晶に入射した後、反射手段によって反射した戻り光は、入射時と同じ経路を通って、サーキュレータおよびビームスプリッタを介して検出される。

特許第４８７５８３５号公報特開２０１０−１４５７９号公報

都甲他２名、「より正確な電界計測を可能にする電気光学プローブ」、ＮＴＴ技術ジャーナル、２００６年６月、第２１−２４頁

上述した装置およびシステムは、金属材料を用いずに構成することが可能であり、測定したい電界または／および磁界の乱れを防止して電界強度を検出することできる。しかしながら、外気温度の変動に対する対策が不十分であるという問題があった。以下、詳細に説明する。

光学結晶（電気光学結晶）では、光学結晶に印可される電界により屈折率が変化する。この光学結晶に、特定の偏波状態で光が入射すると、印加された電界強度に応じて、結晶の複屈折率が変化するため、結晶内を通過する光の偏波状態は変化する。この様子は、非特許文献１の図２に模式的に示してある。このような、外部電界による偏波状態の変化は極めて小さいため、偏波状態の観測には極めて高い感度で行う必要がある。もし、そのようにしなければ、ほぼ同じ形状の偏波状態しか観測できない。

下記表は、電気光学結晶の代表的な材料であるInＰおよびZnTeの物理定数より、波長λ＝1.55μm、および長さＬ＝4000μmの結晶を通過したときの光の位相変化量の計算結果を示してある。

なお、下記表では、比較のため、電気光学効果を持たない光ファイバの材料である石英（Silica）についての計算結果も示してある。

上記表において、ｎ0＝電界がないときの屈折率、Δφ＝(2π/λ)・Δn・L、Δn(E)＝(1/2)・n_０ ³・r・E、Δn(T)＝(dn/dT)・T、λ＝1.55μm、L＝4000μmとする。

上記表において、InＰ結晶の場合、電気光学効果（ポッケルス効果）の係数は、1.3pm/Vである。3V/mの電界強度がある電界の中に、光学結晶を設けた場合を考えると、位相は、電界が無い場合に比べて、1×10^-6[rad] 変化することになる。同様に、ZnTe結晶を用いても、位相は２倍程度に大きくなるが、それでも、位相の桁数は、InＰ結晶の場合と同じで、位相は1.9×10^-6[rad]となる。２つの位相差は極めて小さく、これらの偏波状態をみた場合も、この位相変化に対応する偏波状態の違いを検出する必要がある。

一方、光学結晶が設けられる外気温度が、１℃変化した場合、InPでは位相は1.3[rad]、ZnTeでは2.6[rad]変化する。この量は、上述した電界効果により変化する場合に比べて、6桁大きい。このように、位相変化の変動は、結晶の複屈折率の温度の依存性により大きいと考えられる。屈折率には異方性があり、これが偏波の変化量にも少なくとも影響を及ぼす。

また、結晶材の熱膨張係数により、結晶の長さが温度変化により変わるため、結晶内の偏波状態が変化することになる。InPの線熱膨張係数は、4.60×10^-6程度のため、一辺の長さが4×10^-3ｍ（4mm）の結晶でも１℃変化すると、18×10^-9ｍ（18nm）の長さが変化する。ＩｎＰの屈折率は、3.16程度であるので、真空中で18nmの長さは、結晶中では56nmの長さに相当する。1.55μｍ（1550nｍ）の光から見ると、0.23[rad]の位相変化が結晶の出力側で起こることになる。

つまり、上記考察のように、外部電界の変化により誘起される位相の変化(偏波状態の変化)に比べて、外気温の変化による位相の変化(偏波状態の変化)は、桁違いに大きいものになることがわかる。

また、偏波保持ファイバとはいうものの、外部から加わる応力が変化すると、その偏波状態もまた変化する。非特許文献１に示されているとおり、フェルール内で、ファイバは、接着剤等を用いて固定されるが、これらの固定時に、仮に接着剤が不均一に付いたりすると、温度が変化したときに、その不均一部分での接着剤の応力値が変わる。そのため、結晶に入射される光の偏波状態も変化し、結果、電界変動による偏波状態の変化を検出する以前に、入力状態も変化し得ることになる。

このような状態の下で特定の周波数の変化のみを検出する手法として、例えば、ロックイン検波をすることにより、外気温度の変動信号中、特定の電界変化による光の位相または偏波状態の変化を検出することは可能であるが、上記のように、外気温の変化により変化する量の極めて一部から、該当信号を取り出すことになる。

本発明は、このような状況下において鑑みてなされたものであり、測定時の温度が変化しても安定した測定を高精度に行うことができる電界検出装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、入力導波路と、出力導波路と、前記入力導波路と前記出力導波路との間に設けられた複数のアーム導波路と、前記アーム導波路の各々の光路に対応して設けられ、各光路を伝搬する光信号を入射して反射させる複数の電気光学結晶とを含み、前記複数の電気光学結晶の各々は、電界の印加方向に対して垂直となる結晶面に光信号が入射し、かつ温度に対する屈折率の変化が生じないように予め結晶の向きが異なるように配置されている。

ここで、前記電界検出装置は、平面光波回路で構成されており、前記複数の電気光学結晶は、前記平面光波回路の同一辺に形成されるようにしてもよい。

前記複数のアーム導波路のうちのいずれかは、位相差が設けられた溝が形成され、前記溝には、屈折率の温度依存性の係数が負となる材料で充填されるようにしてもよい。

本発明は、前記複数の電気光学結晶の各々と光結合された複数のレンズをさらに含むようにしてもよい。

本発明は、前記レンズを調芯するための導波路をさらに含むようにしてもよい。

本発明によれば、測定時の温度が変化しても安定した測定を高精度に行うことができる。

実施形態の電界検出装置に関連して事前に作製された電界検出装置の概略構成を示す図である。図１の電界検出装置において、第１アーム導波路からの光が、電気光学結晶に入射して結晶端面で反射して第３アーム導波路へ伝搬していく様子を示す図である。電気光学結晶の屈折率が変化する場合の態様を説明するための図である。第１実施形態の電界検出装置の構成例を示す図である。電界強度の検出結果を評価するために用いられる評価システムの一例を示す図である。電界強度と信号強度との対応関係を示す図である。第２実施形態の電界検出装置の等価回路の一例を示す図である。第３実施形態の電界検出装置の構成例を示す図である。第３実施形態の電界検出装置において、レンズの位置合わせ方法を説明するための図である。第３実施形態の電界検出装置のレンズの位置合わせをするために用いられるアライメントシステムの一例を示す図である。ファイバへの反射光が最大になるようにするためのレンズの位置合わせ手順を説明するための図である。第４実施形態の電界検出装置において、検出感度が最大になる動作点を説明するための図である。第４実施形態の電界検出装置の構成例を説明するための図である。透過スペクトルを説明するための図である。電気光学結晶の各結晶面からみたときの屈折率の変化を説明するための図である。

＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態の電界検出装置１について説明する。

先ず、この電界検出装置１に関連して、事前に作製された電界検出装置１００の構成について、図１〜図３を参照して説明する。図１は、電界検出装置１００の構成を示す図である。図２は、電界検出装置１００の電気光学結晶に光が入射して反射した戻り光が出射していく様子を説明するための図である。図３は、電気光学結晶の屈折率が変化する場合の態様を説明するための図である。

この電界検出装置１００は、マッハツェンダ干渉計として構成されている。図１に示すように、電界検出装置１００は、入力導波路１１と、３ｄｂカプラ２０ａ，２０ｂと、３つのアーム導波路３０，３１，３２と、２つの出力導波路５１，５２とを備える。これらの構成要素１１，２０ａ，２０ｂ，３０〜３２，５１，５２は、基板に形成された平面光波回路（ＰＬＣ：Planar Lightwave Circuit）１０１上に形成されている。図１の例では、平面光波回路１０１は、例えば石英系材料が用いられる。

カプラ２０ａは、１入力２出力の２分岐型カプラであり、カプラ２０ｂは、２入力１出力型カプラである。

レンズ４０と光結合する電気光学結晶４１は、第１のアーム導波路３０からの光をレンズ４０を介して入射し、後述する電気光学結晶の端面４１ａで反射させた戻り光をレンズ４０を介して、第３のアーム導波路３２へ出射するように構成されている。

レンズ４０は、例えば、主に半径方向に屈折率分布をもつ円筒状のＧＲＩＮ(Gradient Index Rod Lenses)レンズであり、コリメートと呼ばれる光学調整を得るために用いられている。図１では、コリメート光（平行光）を電気光学結晶４１に入射したほうが、より低損失となるため、レンズ４０が備えられているが、必ずしもレンズ４０を備える必要はない（後述する実施形態についても同様）。

図１の例では、レンズ４０は、例えば、直径が１ｍｍで、レンズ長が２．６３ｍｍの１／４ピッチとなるように形成されている。なお、ピッチは、光の正弦波の１周期に対するレンズの長さの割合を表している。１／４ピッチは、正弦波の１／４の長さに等しく、点光源からの光をレンズの表面でコリメート光を得ることができる。

電気光学結晶４１は、例えば閃亜鉛鉱型構造を有する結晶である。例えば、この結晶は、１００面を上面に持つＺｎＴｅ結晶である。電気光学結晶４１は、例えば、１辺の長さが１ｍｍの立方体構造を有する。

図１において、平面光波回路１０１は、以下のような手順で作製することができる。先ず、厚さ１ｍｍの石英基板上に、光の伝搬するコア層となるガラスを成膜する。コア層は、ＧｅＯ_２をドーパントとして用いて屈折率が石英の屈折率より高くなるように設定している。コア層の厚さは、６μmである。コア層の屈折率は、コア層の曲げ半径が２ｍｍとなるように調整している。

次に、標準的なフォトリソグラフィー技術およびリアクティブイオンエッチングを用いて、所望の光導波路回路が得られるように上記コア層のパターン化および加工を行った。

その後、FHD（flame-hydrolysis-deposit）法を用いて、オーバークラッドとなるガラスの堆積および透明化を行う。オーバークラッドの厚さは、２０μmである。

図２に示すように、電気光学結晶４１では、（０-１１）面で第１のアーム導波路３０からの光を入射してから（０1−1）面で反射させた戻り光を第３のアーム導波路３２へ出射させるようにしている。電気光学結晶４１では、（０−１１）面には誘電体多層膜からなる無反射（ＡＲ：Anti Reflection）コート４１ａが施され、その逆の（０１−１）面には高反射（ＨＲ：High Reflection）コート４１ｂが施されている。

電気光学結晶４１内では、印加電界に応じて屈折率が変化する。例えば図３に示した例で説明する。電気光学結晶４１の（１００）面に垂直な方向に電界Ｅが加えられ、（０-１１）方向から光ｄ１が入射する場合、電気光学結晶４１の屈折率は大きくなるが、このときの屈折率ｎは、下記式（１）で表されることが知られている。

式（１）において、ｎ_０は電界が印加されていないときの屈折率、ｒ４１はこの結晶４１の電気光学(EO)係数を示す。

なお、図３に示した電気光学結晶４１において、上述した（０-１１）方向に代えて、（０-１-１）方向から光ｄ２が入射しても、式（１）で示した屈折率の符号が異なるだけであり、電界強度の変化に応じて与えられる屈折率ｎは、式（１）のものと同じである。

また、図３において、（１００）面に対して水平な方向に電界Ｅが加えられているのであれば、電界強度の変化によって、屈折率の変化が誘起されない（００１）方向、（００-１）方向、（０１０）方向、および（０-１０）方向でない限り、他の角度からの方向から電界が印加されても電界の検出は可能である。ただし、効率が低下するため、（０-１１）方向あるいは（０-１-１）方向に水平、またはそれに近い角度を有する方向から光を入射することが好ましい。

図１の例では、電気光学結晶４１の長さは、Ｌ（図１では、例えば、１ｍｍ）であり、電気光学結晶４１を入射した光が反射する（つまり、電気光学結晶を往復する）ことを考えると、２Ｌの長さに渡って、上述した屈折率は変化する。このことから、電気光学結晶４１内の位相の変化量は、下記式（２）で与えられる。

このとき、マッハ・チェンダー干渉計としての電界検出装置１００の出力は、下記式（３）で与えられる。

式（３）において、φ０は、電界が印加されていないときの初期位相を示す。

このように、電界検出装置１００は最終的には、電界強度の大きさに応じた光の強度を検出することができる。しかしながら、上述した電界検出装置１００では、外気温度が変化すると、上下２つのアーム（上側アーム導波路３０，３２と、下側アーム導波路３１）間の位相差が変化する。これは、ガラス材で形成されているアーム導波路３０〜３２と電気光学結晶４１の各屈折率が温度依存性や膨張係数により変動し、それに伴って光路長も変動するからである。

しかも、その変動する程度は、上述したように、検出を行おうとする電界強度による位相変化よりも、位相の桁数が６桁も上の程度で変化する。このため、大きなノイズ成分の変動の中、微弱な電界変動による検出成分を検出することになる。また、初期位相φ_０も、温度とともに変化してしまうため、光強度の変化が、電界強度の変化によるものか、温度の変化によるものかの判別がしにくい。そのため、高精度で測定することが困難となり、かつ安定的な測定ができない。

しかしながら、後述する本実施形態の電界検出装置１は、外気温度が変化しても安定した測定を高精度に行うように構成されている。

以下、第１実施形態の電界検出装置１について説明する。図４は、かかる電界検出装置１の構成例を示す図である。

この電界検出装置１は、図１に示した電界検出装置１００と異なり、上側のアーム導波路３０，３２側と、下側のアーム導波路３１，３３側に、それぞれ、電気光学結晶４１，４３を備える。それ以外の構成は、図１に示したものとほぼ同様である。本実施形態の以下の説明では、特に記述しない限り、図１に示した電界検出装置１００の説明で用いた符号等をそのまま用いる。

図４に示すように、電界検出装置１は、入力導波路１１と、３ｄｂカプラ２０ａ，２０ｂと、第１、第２、第３および第４のアーム導波路３０，３１，３２，３３と、出力導波路５１，５２とを備える。これらの構成要素１１，２０ａ，２０ｂ，３０〜３３，５１，５２は、基板に形成された平面光波回路（ＰＬＣ）１０１上に形成されている。

なお、上側のアーム導波路３０，３２（以下、「上アーム」ともいう。）の全長は、下側のアーム導波路３１，３３（以下、「下アーム」ともいう。）の全長と等しくなるように設定されている。

本実施形態の電界検出装置１は、図１に示したものと同様に、電気光学結晶４１を備えるが、それに加えて、電気光学結晶４３も備える。この実施形態では、電気光学結晶４１，４３は、例えば閃亜鉛鉱型構造を有する結晶である。例えば、この結晶は、（１００）面を上面に持つＺｎＴｅ結晶である。電気光学結晶４１，４３は、例えば、１辺の長さが１ｍｍの立方体構造を有する。

なお、電気光学結晶４１，４３は、研磨時に、光路長が同じになるように、垂直軸（図３の電界Ｅのベクトル方向）を中心に面を９０度回転させ、隣接した電気光学結晶４１，４３を一度に研磨することで、電気光学結晶４１，４３の長さを揃えてある。

電気光学結晶４１では、第１のアーム導波路３０からの光がレンズ４０を介して入射し、電気光学結晶の端面４１ａで反射した戻り光がレンズ４０を介して、第３のアーム導波路３２へ出射する。例えば、電気光学結晶４１では、（１００）面に垂直な方向に電界Ｅが加えられ、（０-１１）方向から光が入射するようになっている。

また、電気光学結晶４３では、第２のアーム導波路３１からの光がレンズ４２を介して入射し、電気光学結晶の端面４３ａで反射した戻り光がレンズ４２を介して、第４のアーム導波路３３へ出射する。例えば、電気光学結晶４３では、（１００）面に垂直な方向に電界Ｅが加えられ、（０−１−１）方向から光が入射するようになっている。レンズ４２も、例えば、ＧＲＩＮレンズであり、コリメートと呼ばれる光学調整を得るために用いられている。

電気光学結晶４３は、（０−１−１）面には誘電体多層膜からなる無反射（ＡＲ）コート４３ａが施され、（０１１）面には高反射（ＨＲ）コート４３ｂが施されている。

本実施形態の電界検出装置１では、上側のアーム導波路３０，３２の長さと下側のアーム導波路３１，３３の長さは等しい。また、レンズ４０および電気光学結晶４１中の光の伝搬方向に沿った長さ（厚さ）と、レンズ４２および電気光学結晶４３中の光の伝搬方向に沿った長さ（厚さ）は等しい。このため、仮に、外気温度が変化し、アーム導波路３０〜３２の屈折率と電気光学結晶４１，４３の屈折率が、温度依存性や膨張係数により変化したとしても、上側のアーム導波路３０，３２と下側アーム導波路３１，３３との関係では、その変化量は同じになるため、外気温度の変化による位相差は生じない。すなわち、本実施形態の電界検出装置１は、温度変化による位相変化のキャンセルをすることができる。

一方、上述したように、２つの電気光学結晶４１，４３の向きを９０度回転させた状態で配置されるので、電界変化による位相変化Δφは、上アームと下アームとの間で電界Ｅが印加された場合の位相変動量は、下記式（４）で与えられる。

式（４）に示した位相変動量は、上述した式（２）に示したものの２倍の値になっている。すなわち、本実施形態の電界検出装置１では、図１に示したものと比べて、検出感度を２倍にすることもできる。

したがって、本実施形態の電界検出装置１では、温度変化による位相変化をキャンセルすることに加えて、感度の向上も実現することができる。

［評価システム］
図５は、電界検出装置１の検出結果を評価するために用いられる評価システム２を例示している。

図５において、評価システム２では、光源６０として、例えばＣ帯用のチューナブルレーザを用いる。光源６０から偏波保持ファイバ６１を介して伝搬する光は、電界検出装置１でＴＥ偏光の状態で入射する。図５の例では、電界検出装置１は、２つの平板８１ａ，８１ｂを有する電界印加装置２内に設置されている。電界印加装置２は、平板８１ａ，８１ｂに電圧を加える電圧源７０と、同期信号ｓを生成するファンクションジェネレータ７１とを含む。

電界検出装置１の２つの出力ポート（出力導波路５１，５２）の出力は、２芯シングルモードファイバ６２を介して、ＥＯ変換装置６３に入力する。ＥＯ変換装置６３では、上述した出力ポート（出力導波路５１，５２）からの信号強度（光強度）の差動受信を行い、それらを増幅するロックインアンプ６４にて検出する。この検出結果は、後述する図６に示してある。

図６（ａ）は、前述した電界印加装置によって電界検出装置１に印加された電界強度と信号強度（光強度）の振幅との検出結果Ｓ１が示してある。図６（ａ）では、比較のため、図１に示した電界検出装置１００での検出結果Ｓ２も示してある。図６（ａ）から、検出結果Ｓ１の信号強度は、検出結果Ｓ２のものよりも約２倍の割合で増加していることがわかった。すなわち、本実施形態の電界検出装置１は、図１に示したものよりも、約２倍の検出感度を有する。

図６（ｂ）は、信号強度の時間的安定度を示す検出結果Ｓ３が示してある。図６（ｂ）では、比較のため、図１に示した電界検出装置１００での時間的安定度を示す検出結果Ｓ４も示してある。検出結果Ｓ３をみると、信号強度はほぼ一定になり安定していた。一方、検出結果Ｓ４では、若干ではあるが、信号強度が変動した。これは、大気の温度のゆらぎによるものであり、温度変化により動作点が変動し信号強度が安定しなかったものと考えられる。

以上説明したように、本実施形態の電界検出装置１は、入力導波路１１と、出力導波路５１，５２と、入力導波路１１と出力導波路５１，５２との間に設けられた複数のアーム導波路３０〜３３と、アーム導波路３０〜３３の各々の光路に対応して設けられ、各光路を伝搬する光信号を入射して反射させる複数の電気光学結晶４１，４３とを含む。ここで、電気光学結晶４１，４３は、温度に対する屈折率の変化が生じないように予め結晶の向きが異なるように配置されている。これにより、測定時の温度が変化しても安定した測定を高精度に行うことができる。

＜第２実施形態＞
以下、本発明の第２実施形態である電界検出装置１Ａについて説明する。なお、この電界検出装置１Ａの構成は、図４に示したものとほぼ同一である。本実施形態の以下の説明では、特に記述しない限り、第１実施形態の説明で用いた符号等をそのまま用いる。

図７は、本実施形態の電界検出装置１Ａの一例を示す模式図である。

この電界検出装置１Ａは、第１実施形態の電界検出装置１の電気光学結晶４１，４３を、ＰＬＣ１０１の同一面に配置している点に特徴がある。

他の構成は、第１実施形態の電界検出装置１と同様である。すなわち、電界検出装置１Ａは、入力導波路１１と、３ｄｂカプラ２０ａ，２０ｂと、４つのアーム導波路３０，３１，３２，３３と、２つの出力導波路５１，５２とを備える。これらの構成要素１１，２０ａ，２０ｂ，３０〜３３，５１，５２は、基板に形成されたＰＬＣ１０１上に形成されている。

また、電気光学結晶４１では、第１のアーム導波路３０からの光がレンズ４０を介して入射し、電気光学結晶の端面４１ａで反射した戻り光がレンズ４０を介して、第３のアーム導波路３２へ出射する。例えば、電気光学結晶４１では、（１００）面に垂直な方向に電界Ｅが加えられ、（０−１１）方向から光が入射するようになっている。電気光学結晶４３では、第２のアーム導波路３１からの光がレンズ４２を介して入射し、電気光学結晶の端面４３ａで反射した戻り光がレンズ４２を介して、第４のアーム導波路３３へ出射する。例えば、電気光学結晶４３では、（１００）面に垂直な方向に電界Ｅが加えられ、（０-１−１）方向から光が入射するようになっている。

なお、電界検出装置１Ａでも、第１実施形態の電界検出装置１と同様の作製方法で作製することが可能である。

この電界検出装置１Ａでは、第１実施形態のものと同様の検出結果（図６（ａ）および図６（ｂ））を得た。そのため、電界検出装置１Ａについても、検出感度を高めるとともに信号強度の時間的安定度を向上させることができる。

また、この電界検出装置１Ａでは、電気光学結晶４１，４３がＰＬＣ１０１の同一面に配置されている。そのため、ファイバをＰＬＣ１０１のチップ片側にのみ接続すればよい。すなわち、チップ面積が小さくなる。

一方、第１実施形態の電界検出装置１では、電気光学結晶４１，４３がＰＬＣ１０１の両側に配置されているため、ファイバをＰＬＣ１０１のチップ両側に接続する必要がある。すなわち、チップ面積が大きくなる。このことは、電界検出装置１のモジュールサイズが増大することになる。また、それに加えて、部材のコストが増加したり、組み立てコストが増加したりする。

したがって、本実施形態の電界検出装置１Ａは、第１実施形態の電界検出装置１に比べ、小型化が実現できる。また、部材のコストや組み立てコストを削減することができる。

さらに、本実施形態の電界検出装置１Ａでは、電気光学結晶４１，４３間の距離が第１実施形態の電界検出装置１よりも短くなるため、空間分解能を向上させることができる。空間分解能は、２つの電気光学結晶間の距離に対応する。

＜第３実施形態＞
以下、本発明の第３実施形態である電界検出装置１Ｂについて説明する。なお、この電界検出装置１Ｂの構成は、図４に示したものとほぼ同一である。本実施形態の以下の説明では、特に記述しない限り、第１実施形態の説明で用いた符号等をそのまま用いる。

図８は、本実施形態の電界検出装置１Ｂの一例を示す模式図である。

この電界検出装置１Ｂは、第１実施形態のレンズ４０，４２をそれぞれ調芯するための各調芯用導波路５６，５７を備えた点が、第１実施形態の電界検出装置１と異なる。

他の構成は、第１実施形態の電界検出装置１と同様である。すなわち、電界検出装置１Ｂは、入力導波路１１と、３ｄｂカプラ２０ａ，２０ｂと、アーム導波路３０，３１，３２，３３と、出力導波路５１，５２とを備える。これらの構成要素１１，２０ａ，２０ｂ，３０〜３３，５１，５２は、基板に形成されたＰＬＣ１０１上に形成されている。

また、電気光学結晶４１では、第１のアーム導波路３０からの光がレンズ４０を介して入射し、電気光学結晶の端面４１ｂで反射した戻り光がレンズ４０を介して、第３のアーム導波路３２へ出射する。例えば、電気光学結晶４１では、（１００）面に垂直な方向に電界Ｅが加えられ、（０−１１）方向から光が入射するようになっている。電気光学結晶４３では、第２のアーム導波路３１からの光がレンズ４２を介して入射し、電気光学結晶の端面４３ａで反射した戻り光がレンズ４２を介して、第４のアーム導波路３３へ出射する。例えば、電気光学結晶４３では、（１００）面に垂直な方向に電界Ｅが加えられ、（０−１−１）方向から光が入射するようになっている。

本実施形態の電界検出装置１Ｂでは、図８中の実線の円で示すように、２つの導波路３２，５６が交差するとともに、２つの導波路３３，５７が交差している。そのため、一般的に、交差損失が該当する箇所で生じることになるが、本実施形態の電界検出装置１Ｂでは、調芯用導波路５６，５７を干渉路としての電界検出装置１Ｂのレイアウト上、対称損失となるように交差させている。これにより、交差損失によるアンバランスが解消し、消光比が大きく得られる。

なお、干渉計では、２つのアーム導波路の損失のアンバランスにより消光比が劣化し得るため、２つのアーム導波路で損失が同じになるように、ダミーの交差を設けて等損にすることのが好ましい。

次に、レンズ４０，４２のアライメント方法について、図９を参照して説明する。

図９は、調芯用導波路５７からの光信号ｂ１がレンズ中央軸ｏの位置から入射される場合について示している。図９に示す例では、電気光学結晶の端面４１ｂで反射して戻る戻り光ｂ２は、入射時と同じ中央軸ｏの位置に戻ってきている。

なお、図９において、ｄ１，ｄ２＝100μmとして設定されているが、ｄ１，ｄ２は同じ値にする必要はない。また、ｄ１，ｄ２は、レンズ４０，４２の半径より小さければよく、100μm以外の値に設定することができる。

上述したレンズ特性を利用して、レンズ４０，４２の位置合わせを実施する。以下、この位置合わせの方法について、図１０を参照して説明する。

図１０（ａ）は、戻り光の強度が最大になるようにするための方法を説明するために例示している。このとき、石英からなる導波路に、ファイバを接続し光をレンズ４０，４２に導入する。ＰＬＣ１０１の端面にレンズ４０，４２を微動台に固定し、位置合わせを実施する。この場合、ファイバへの反射光ｄ２の強度が最大になるように、レンズ４０，４２の位置決めを行う。

図１０（ｂ）は、アーム導波路３０〜３３を配置するための方法を説明するために例示している。例えば、中央ｏからｄ１離れた位置に設けられた入力導波路としての第１のアーム導波路３０からレンズ４０に入光する場合、上述したように、レンズ４０は、中心の位置を原点として対称に集光する特性がある。そのため、出力導波路としての第３のアーム導波路３２は、その集光する位置に設ければ良い。このとき、ｄ１＝ｄ２となる。アーム導波路３１，３３についても同様の方法で配置する。

しかし、２つの導波路３０，３２をレンズ４０を介して結合状態を得るこは、難しい場合もある。そこで、２つの導波路３０，３２の他に、アライメント用の導波路を設けておき、このアライメント用の導波路に光を伝搬して図１０（ａ）で説明した方法でレンズ４０の位置合わせをして固定する。

図１０（ｃ）は、かかるアライメント用の導波路２を利用する場合の方法を説明するために例示している。この場合、レンズ４０の特性上、ｄ１＝ｄ２となる位置に導波路２を設計しておけば、中央oの位置が確定した時点で、導波路３０と、導波路３２との光結合を得ることが可能となる。

なお、ｄ１とｄ２の関係は、必ずしもｄ１＝ｄ２である必要はない。例えば、レンズ４０に接続する電気光学結晶４１が、例えば図１０（ｄ）に示す特定の角度θ傾けて固定される場合、ｄ２は、θの関数となる。この関係は、光線追跡等の算術により取り付ける角度に応じて、ｄ２は決定することができる。この場合、レンズ端、および電気光学結晶４１の両端での光反射による検出感度の低下を抑制することができる。これにより、より高感度の検出が実現できる。

図１０（ｄ）の場合も、図１０（ｃ）に示したアライメント用の導波路２を用意して、これに光を入射して図１０（ａ）で説明した方法でレンズ４０の位置合わせをすれば、図１０（ｄ）に示したｄ１の位置から入力した光は、θにより決定されたｄ２の位置にフォーカスする。そのため、導波路３０，３２の光結合を実現できる。アーム導波路３１，３３についても同様の方法で光結合を実現することができる。

図１１は、レンズ４０を調芯するために用いられるシステム構成を示してある。

このシステムでは、パワーメータ８６と、レーザ８７と、サーキュレータ８８とを備える。調芯時は、調芯器にＰＬＣ１０１を設置しておく。そして、調心用導波路５７に、レーザ８７により1.55μmのレーザ光をシングルモードファイバを介して入射させ、導波路５７の調芯作業を行った後、ＰＬＣ１０１に光を入射させる。

その後、３軸稼働するステージを用いて、治具によりレンズ４０のアクティブ調芯を行う。このとき、入力用ファイバにサーキュレータ８８を接続し、レーザ（ＬＳ:Laser）８７から光ｄ１を入射したときの戻り光ｄ２の強度が最大になるようにレンズ４０を動かす。戻り光ｄ２の強度は、パワーメータ８６により検出される。戻り光の強度が最大になったときのレンズ４０の位置でレンズ４０を固定する。固定する方法として、例えば、ＵＶ接着剤を塗布するとともにＵＶ照射が用いられる。レンズ４２についても同様に固定される。

なお、調心用導波路５７を用いた調心後に、本実施形態の電界検出装置１Ｂにおけるアーム導波路３０側から光を入射して、このレンズ４０の挿入による損失増加を計算した。その結果、１箇所あたりの挿入損失は、約１ｄＢであった。

本実施形態の電界検出装置１Ｂによると、アライメント用の導波路５６，５７を有することにより、上述したレンズ４０，４２の位置決めを実現することができる。また、組立スループットの向上、さらにはコスト削減の効果が得られる。

＜第４実施形態＞
以下、本発明の第４実施形態である電界検出装置１Ｃについて説明する。

前述の第１〜第３実施形態では、電界検出装置が等長マッハチェンダー干渉計である場合を例示してきた。しかしながら、アーム導波路からなる干渉計路間に位相差を設けるようにしてもよい。

先ず、この電界検出装置１Ｃを実現するために電界検出装置の動作点について説明する。

図１２は、かかる動作点を説明するための図であって、（ａ）は理想的な場合、（ｂ）はそれ以外の場合を例示している。図１２（ａ）および図１２（ｂ）において、横軸は電界強度、縦軸は光出力を示す。

図１２（ａ）に示した例で説明すると、理想的な動作点は、電界が印加されていない場合（Ｅ＝０の場合）に、電界検出装置１Ｃの２出力（実線および破線）の初期位相はともにπ/４のときである。

図１２（ａ）において、電界強度がわずかに変化したとしても、光強度の変化量が最大になる点が動作点になるのが好ましい。

例えば、図１２（ｂ）のように、動作点が設定された場合、電界強度が変化しても、光強度の変化量が少なくなり、位相変化の検出感度が劣化することになる。つまり、電界検出装置１Ｃにおいて、最大の感度を得るためには、初期位相がπ/4のときに動作点が設定される必要がある。

次に、前述の第１〜第３実施形態の電界検出装置において、電気光学結晶４１，４３の長さＬと、設計値とがわずかにずれた場合を考える。これは、電気光学結晶４１，４３の研磨誤差等から生じ得る。２つの電気光学結晶を同時に研磨すること等を行えば、各電気光学結晶の研磨厚を揃えることができるが、作製上、必ずしも同時にできるとは限らない。例えば、２つの電気光学結晶４１，４３のうちの一つは、別のバッチで研磨したものになる可能性もある。以下では、そのような電気光学結晶の厚さの違いによる影響について考察する。

この場合、電気光学結晶として、例えばＩｎＰを用い、そのＩｎＰの屈折率を3.16程度とする。例えば、1.55μmの波長に対して、電気光学結晶の長さが設計値よりも0.123μmずれた場合、このずれは、屈折率が3.16の電気光学結晶では、λ/4の波長に相当する長さになる。電気光学結晶内で光が往復して伝搬することを考えれば、結局、上記ずれは、λ/2の長さとなる。

つまり、数ミリの電気光学結晶長と設計値とが0.123μmずれることは、電界検出装置の出力はＯＦＦであるのにもかかわらず、欲しいポートの出力が製造誤差によりＯＮになることを意味する。

一般に、電気光学結晶の厚さの誤差や電気光学結晶を固定するための接着剤の厚さ等により、電界検出装置の干渉状態は、設計どおりの状態にはならない。むしろ、電界検出装置において、設計通りに等長動作をさせることは不可能に近く、設計通りに動作点を設定するのは難しい。

上記の観点から、本実施形態の電界検出装置１Ｃでは、干渉計に予め位相差を設けるようにしている。

図１３は、電界検出装置１Ｃの構成例を示す図である。なお、この電界検出装置１Ｃの構成は、図７に示したものとほぼ同一である。本実施形態の以下の説明では、特に記述しない限り、第２実施形態の説明で用いた符号等をそのまま用いる。

図１３において、第２実施形態と同様に、電界検出装置１Ｃは、入力導波路１１と、３ｄｂカプラ２０ａ，２０ｂと、アーム導波路３０，３１，３２，３３と、出力導波路５１，５２とを備える。これらの構成要素１１，２０ａ，２０ｂ，３０〜３３，５１，５２は、基板に形成されたＰＬＣ１０１上に形成されている。

また、電気光学結晶４１では、第１のアーム導波路３０からの光がレンズ４０を介して入射し、電気光学結晶の端面４１ａで反射した戻り光がレンズ４０を介して、第３のアーム導波路３２へ出射する。例えば、電気光学結晶４１では、（１００）面に垂直な方向に電界Ｅが加えられ、（０−１１）方向から光が入射するようになっている。電気光学結晶４３では、第２のアーム導波路３１からの光がレンズ４２を介して入射し、電気光学結晶の端面４３ａで反射した戻り光がレンズ４２を介して、第４のアーム導波路３３へ出射する。例えば、電気光学結晶４３では、（１００）面に垂直な方向に電界Ｅが加えられ、（０−１−１）方向から光が入射するようになっている。

一方、第２実施形態と異なり、電界検出装置１Ｃでは、アーム導波路３０は、複数の溝３０１（例えば、１０箇所の溝３０１）を有する。溝３０１は、アサーマル化（温度無依存化）を実現するために形成されている。溝３０１の幅は、例えば、１2.5μmである。溝３０１の中は、樹脂（シリコーンを主成分とする樹脂）が充填されている。

本実施形態の電界検出装置１Ｃにおいて、温度特性を評価したところ、温度に応じてスペクトルが変化しなかった。この点で、電界検出装置１Ｃによれば、アサーマル化が実現される。

なお、マッハチェンダー干渉計をアサーマル化（温度無依存化）する手法については、国際公開WO2010/079761や特開2012-014151号に開示されている。これらの例では、Ｎ個の分割溝を形成し、i番目の分割溝の長さをdＬiとすると、dＬiは、温度による変動がなくなるように設計されている。すなわち、分割溝に充填される材料の屈折率についての温度依存性は、下記式（６）を満たすようにしてある。

以下、上述した溝３０１の構成について詳述する。

1.55μm帯の波長は、1.6nmの透過光のスペクトル間隔（ＦＳＲ:Free Spectral Range）に相当する。本実施形態では、通信で用いられるＣ帯用のチューナブルレーザが光源６０（図５）として用いられることになるので、Ｃ帯の30nmの間に、19個程度の山が含まれることになる。

光路長差は、ガラスからなる埋め込み導波路において、約500μm程度になる。図１４（ａ）は、理想的なスペクトルの特性を例示している。

図１４（ａ）に示した状態において、例えば、長さがわずかに異なる２つの電気光学結晶を干渉路内に設けると、ＦＳＲがずれることになる（場合によっては、広がる、または狭まる）が、光強度が最大から最小まで変化する様子を観測することができる。

この場合、動作点として、プローブ光の波長を選択することにより、初期位相が、図１２（ａ）に示したπ/4の位置に設定することができる。この場合、電界検出装置の出力は、図１４(b)の出力１に示すようになる。

一方、上述した溝３０１により位相差を設けず、２つの干渉路を等長に設計した場合に、図１４（ｃ）に示すような位相差（波長λ_０，λ_１）が発生したときは、電界検出装置の出力は、図１４(b)の出力２に示すようになる。すなわち、電界検出装置の出力２は、動作波長を変更しても、３ｄＢ点に設定することができなくなる。つまり、光源６０として波長可変レーザを用いたとしても、この可変範囲に、動作点が得られない場合があり得る。

上記のように、干渉路に位相差をあらかじめ設定しておくことにより、実装時や電気光学結晶の研磨時の誤差等により動作点が変動したとしても、電界検出装置が用いるプローブ光の波長を変更することにより、動作点を調整することができる。

しかしながら、上述した位相差を設けることにより、仮に、２つの干渉路間で温度が変化した場合に、干渉路間の位相差が変化する。ここで、２つの干渉路の長さの違いをΔＬ、波長をλとすると、温度がΔＴ変動したときに上記ΔＬで生じる位相差Δφは、下記式（５）で表される。

上記式（５）において、dn/ｄｔは、ガラスの屈折率についての温度依存性を示す係数を示す。式（５）に示した位相差Δφが生じると、図１４（a）に示したスペクトルが波長軸方向に移動し、結果として、動作点が変動する。

そのため、本実施形態の電界検出装置１Ｃでは、２つのアーム導波路３０，３２のうちの長い方のアーム導波路３０上に、式（５）に示したｄｎ/ｄｔ（ガラスの屈折率についての温度依存性を示す係数）とは符号の異なる負の屈折率の温度依存性（ｄｎｒ/ｄｔ）を持つ材料が充填された複数の溝３０１が形成される。図１３の例では、各溝３０１は、アーム導波路３０のコアを分断するように形成される。

なお、本実施形態では、図１３に示した溝３０１はすべて同じサイズである場合について説明したが、溝３０１の幅は、上記式（５）を満たせば溝３０１の各々で異なるように設定することもできる。また、溝３０１に充填される材料についても、上述した負の屈折率の温度依存性（ｄｎｒ/ｄｔ）を有していれば他の材料を用いることができる。

本実施形態の電界検出装置１Ｃは、アーム導波路３０に溝３０１が設けられるので、動作点は、光源６０（例えば、チューナブルレーザ）の稼働範囲に設けることができる。さらに、溝３０１には、温度補償のための材料（樹脂）が充填されるので、アサーマル化（温度無依存化）が実現できる。そのため、電界検出装置１Ｃでは、たとえ温度が変化したとしても、図１２（ａ）に示すようなスペクトル変動がない状態を実現することができる。よって、温度変化に対しても、安定して電界検出が行える。また、高精度に電界検出が行える。

上記各実施形態において、電気光学結晶４１，４３は、温度に対する屈折率の変化が生じないように結晶の向きが異なるように配置されれば各実施形態で説明した例に限られない。例えば、電気光学結晶４１，４３は、温度に対する屈折率の変化が生じない（００１）、（００−１）、（０１０）あるいは（０−１０）の各結晶面方向、またはその同位方向に光が伝搬しないように配置することもできる。このことに関連して、図１５を参照して説明する。図１５（ａ）は、電界Ｅが（１００）面に対して水平な方向に加えられているときの様子を例示してある。この例では、光が、（０−１１）面に入射する場合と、（０−１−１）面に入射する場合が示してある。

例えば、光が上述の（０−１１）面（すなわち、図１５（ａ）に示したｙ方向）に入射する場合、図１５（ｂ）に示すように、（０−１１）面方向からみたときの屈折率は、ｅ１→ｅ２のように変化する。なお、図１５（ｂ）において、ｅ１：電界Ｅの印加前の屈折率、ｅ２：電界Ｅの印加前の屈折率、を示す。

一方、例えば、光が上述の（０−１−１）面（すなわち、図１５（ａ）に示したｘ方向）に入射する場合、図１５（ｃ）に示すように、（０−１−１）面方向からみたときの屈折率は、ｅ３→ｅ４のように変化する。なお、図１５（ｃ）において、ｅ３：電界Ｅの印加前の屈折率、ｅ４：電界Ｅの印加前の屈折率、を示す。

図１５（ｄ）は、同図（ａ）に示した電界Ｅが電気光学結晶に与えられた場合に光の伝搬方向ｋに応じて変化する屈折率の様子を示してある。

図１５（ｄ）において、図１５（ｂ）に示したように、光の伝搬方向ｋがｙ方向の場合は、屈折率の変化の符号は正となり、電界印加前よりも大きくなる（ｅ１→ｅ２）。一方、図１５（ｃ）に示したように、光の伝搬方向ｋがｘ方向の場合は、屈折率の変化の符号は負となり、電界印加前よりも小さくなる（ｅ３→ｅ４）。

このように、光の伝搬方向ｋが変わることによって、屈折率が変化するが、光の伝搬方向ｋは、図１５（ｂ）および図１５（ｃ）で示した例のほかにも考えられる。例えば、光の伝搬方向ｋが、ｘまたはｙ方向に平行でない場合であっても、屈折率の最大変化量が得られないにしても、屈折率は、電界を印加する前後で変化する。この場合、光の伝搬方向ｋが、後述するある方向（点ＯＩを結ぶ方向）の場合を除き、屈折率は大きくなったり、小さくなったりする。なお、Ｏは原点、Ｉは電界印加前の屈折率（同図（ｄ）の実線）と電界印加後の屈折率（同図（ｄ）の破線）の交点を示している。

上記屈折率の変化を鑑み、各実施形態では、干渉計を形成する２本のアーム導波路の少なくとも一方に対して屈折率の変化が正になる方向（負になる方向）に光を伝搬させ、かつ他方に対して屈折率の変化が上記方向とは逆になる方向に光を伝搬させることで、屈折率の変化が全体としてゼロになるように２つの電気光学結晶を配置するようにすればよい。

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ電界検出装置
２電界印加装置
１１入力導波路
２０ａ，２０ｂカップラ
３０，３１，３２，３３アーム導波路
４０，４２レンズ
４１，４３電気光学結晶
５１，５２出力導波路
５６，５７調心用導波路

Claims

入力導波路と、
出力導波路と、
前記入力導波路と前記出力導波路との間に設けられた複数のアーム導波路と、
前記アーム導波路の各々の光路に対応して設けられ、各光路を伝搬する光信号を入射して反射させる複数の電気光学結晶と
を含み、
前記複数の電気光学結晶の各々は、電界の印加方向に対して垂直となる結晶面に光信号が入射し、かつ温度に対する屈折率の変化が生じないように予め結晶の向きが異なるように配置されている
ことを特徴とする電界検出装置。
前記電界検出装置は、平面光波回路で構成されており、
前記複数の電気光学結晶は、前記平面光波回路の同一辺に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電界検出装置。
前記複数のアーム導波路のうちのいずれかは、位相差が設けられた溝が形成され、前記溝には、屈折率の温度依存性の係数が負となる材料で充填されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電界検出装置。
前記複数の電気光学結晶の各々と光結合された複数のレンズをさらに含むことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電界検出装置。
前記レンズを調芯するための導波路をさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の電界検出装置。