JP2017173022A - 光プローブ電流センサ素子及び光プローブ電流センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型化を実現できるとともに、光の損失を低減することができる光プローブ電流センサ素子及び光プローブ電流センサ装置を提供する。【解決手段】この課題を解決する光プローブ電流センサ素子１０は、直線偏光を伝搬する第１の光導波路１１と、第１の光導波路１１の光学的開口部１９に設けられ、面内磁気カー効果を生じさせるセンサ部１４と、センサ部１４に光学的に接続されてセンサ部１４で反射された反射光を伝搬する第２の光導波路１２と、その反射光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とを分岐してそれぞれの光導出部３ｐ，３ｓに伝搬する偏光分離素子１６とを有している。そして、第１の光導波路１１、第２の光導波路１２及び偏光分離素子１６が平面光導波回路で構成されている。第２の光導波路の途中には、１／２λ板１３を好ましく設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、光プローブ電流センサ素子及び光プローブ電流センサ装置に関し、特に、小型化を実現できるとともに、電流や磁界の変化を光の変化で検出する際の光の損失を低減することができる光プローブ電流センサ素子及び光プローブ電流センサ装置に関する。

非特許文献１には、外部からの電磁障害の影響を受けない光をプローブとする電流検出の方法として、磁性体の面内磁気カー（Ｋｅｒｒ）効果を利用した光プローブ電流センサが提案されている。この光プローブ電流センサは、直線偏光を磁性体の表面に入射し、磁性体の表面からの反射光を１／４λ板及びプリズムビームスプリッタ（ＰＢＳ）を通してＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分岐し、各偏光成分の光を光ファイバで伝搬してフォトダイオードで受光するというものである。

上記の光プローブ電流センサでは、被測定対象の電流や磁界の大きさは、面内磁気カー効果を生じる磁性体からの反射光のＰ偏光成分及びＳ偏光成分の光量として変換される。そのため、Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分の光量は、磁性体の面内磁気カー効果による変化以外の理由で光量が変化してはならない。しかし、この光プローブ電流センサにおいて、各偏光成分の光を伝搬する光ファイバに振動や衝撃等の外力が加わると光量が変化し、Ｓ（Ｓｉｇｎａｌ）／Ｎ（Ｎｏｉｓｅ）比等で表される検出精度（測定精度）が低下してしまうという問題があった。

その問題に対し、特許文献１では、検出精度の高い光プローブセンサ装置が提案されている。この光プローブセンサ装置は、発光部及び受光部と、センサ部と、２つの光ファイバコアと、信号処理部とを備え、センサ部は、面内磁気カー効果を生じる磁性体と、磁性体からの反射光をＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分岐する偏光子とを含んでいる。そして、一方の光ファイバコアは、分岐されたＳ偏光成分の光を伝搬し、他方の光ファイバコアは、分岐されたＰ偏光成分の光を伝搬し、受光部は、それぞれの光信号を第１及び第２電気信号に変換し、信号処理部は、第１電気信号で第２電気信号を除算する第１除算回路と、第２電気信号で第１電気信号を除算する第２除算回路と、第１及び第２除算回路のそれぞれの出力値を差動増幅して出力する差動増幅回路とを含むというものである。

曽根原誠、他７名、「Ｆｅ−Ｓｉ／Ｍｎ−Ｉｒ交換結合単磁区磁性薄膜のＫｅｒｒ効果を用いた光プローブ電流センサの基礎検討」、信州大学スピンデバイステクノロジーセンター活動報告書（平成２０年度）、Ｐ．２７−２８．

特開２０１４−１４５７１９号公報

ところで、光カー回転角によるＰ偏光成分とＳ偏光成分との位相変調による光パワー差を検出し、その差分を電流値に置き換える検出方法において、光カー効果をもたらすＦｅの光カー回転角度が１°以下と非常に小さいため、反射後の光伝搬中に偏光状態が変化し、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分との差分の検出が難しいという問題がある。

こうした問題に対しては、反射直後に１／４λ板又は１／２λ板で位相変調増幅し、その後に偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）にて分岐する必要がある。このような構成を実現するために、特許文献１に示す光プローブ電流センサが提案されている。しかしながら、その光プローブ電流センサは、部品数が多くて組み立ての際の光学軸合わせが難しいという問題や、光学部品が大きくて小型化が難しいという問題がある。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、小型化を実現できるとともに、光の損失を低減することができる光プローブ電流センサ素子及び光プローブ電流センサ装置を提供することにある。

（１）本発明に係る光プローブ電流センサ素子は、直線偏光を伝搬する第１の光導波路と、前記第１の光導波路の光学的開口部に設けられ、面内磁気カー効果を生じさせるセンサ部と、前記センサ部に光学的に接続されて前記センサ部で反射された反射光を伝搬する第２の光導波路と、前記反射光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とを分岐してそれぞれの光導出部に伝搬する偏光分離素子とを有し、前記第１の光導波路、前記第２の光導波路及び前記偏光分離素子が平面光導波回路で構成されていることを特徴とする。

この発明によれば、第１の光導波路、第２の光導波路及び偏光分離素子が平面光導波回路（ＰＬＣ）で構成されているので、小型化を実現できるとともに、光の損失を低減することができる。

本発明に係る光プローブ電流センサ素子において、前記第２の光導波路の途中には、１／２λ板が設けられているように構成できる。この発明によれば、反射光が１／２λ板で位相変調されるので、面内磁気カー効果によって光回転時で生じた光強度の変化を直線的に検出することが可能となる。

本発明に係る光プローブ電流センサ素子において、前記第１の光導波路には、前記直線偏光を該第１の光導波路に導入する偏波保持光ファイバが接続されていてもよいし、又は、前記第１の光導波路の途中には、前記第１の光導波路に導入された光を直線偏光する偏光子が設けられていてもよい。これらの発明によれば、直線偏光を二通りの手段でセンサ部に伝搬することができる。

本発明に係る光プローブ電流センサ素子において、前記センサ部が、面内磁気カー効果を生じさせる磁性膜である。

本発明に係る光プローブ電流センサ素子において、前記偏光分離素子が、マッハツェンダ干渉計により構成される。

（２）本発明に係る光プローブ電流センサ装置は、上記本発明に係る光プローブ電流センサ素子と、前記光プローブ電流センサ素子が有する第１の光導波路に光を導入する光入力装置と、前記光プローブ電流センサ素子が有する偏光分離素子を通過した光を受光する光受信装置とを有することを特徴とする。

本発明に係る光プローブ電流センサ装置において、前記光入力装置は、発光素子と、該発光素子から発した光を直線偏光する偏光子と、直線偏光を伝搬する偏波保持光ファイバとを有し、前記偏波保持光ファイバは、前記光プローブ電流センサ素子が有する前記第１の光導波路と光学的に接続されている。

本発明に係る光プローブ電流センサ装置において、前記光受信装置は、前記偏光分離素子を通過したＰ偏光成分とＳ偏光成分をそれぞれ受光する受光素子と、該受光素子で受光した光を電気信号に変換する信号処理部とを有する。

本発明によれば、小型化を実現できるとともに、光の損失を低減することができる光プローブ電流センサ素子及び光プローブ電流センサ装置を提供することができる。

本発明に係る光プローブ電流センサ装置の構成図である。 本発明に係る光プローブ電流センサ素子の一例を示す模式的な平面構成図である。 直線偏光を、第１の光導波路内で行う場合（Ａ）と光入力装置内で行う場合（Ｂ）とを示す模式的な構成図である。 センサ部の一例を示す模式的な拡大平面図である。 光プローブ電流センサ素子の原理の説明図である。 信号処理部のブロック図である。

本発明に係る光プローブ電流センサ素子及び光プローブ電流センサ装置について、図面を参照しつつ説明する。本発明は、その要旨の範囲で以下の説明及び図面に限定されない。

［光プローブ電流センサ装置］
本発明に係る光プローブ電流センサ装置１は、図１に示すように、平面光導波回路で主に構成された光プローブ電流センサ素子１０を備えた装置であり、少なくとも、光プローブ電流センサ素子１０と、光プローブ電流センサ素子１０が有する第１の光導波路１１に光を導入する光入力装置２０と、光プローブ電流センサ素子１０が有する偏光分離素子１６を通過した光を受光する光受信装置３０とを有している。

光プローブ電流センサ素子１０は、図２に示すように、直線偏光を伝搬する第１の光導波路１１と、第１の光導波路１１の光学的開口部１９に設けられ、面内磁気カー効果を生じさせるセンサ部１４と、センサ部１４に光学的に接続されてセンサ部１４で反射された反射光を伝搬する第２の光導波路１２と、反射光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とを分岐してそれぞれの光導出部３（３ｐ，３ｓ）に伝搬する偏光分離素子１６とを有している。そして、第１の光導波路１１、第２の光導波路１２及び偏光分離素子１６が平面光導波回路で構成されることに特徴がある。図２には、１／２λ板１３が第２の光導波路１２の途中に好ましく設けられており、反射光の位相変調を行っている。

光プローブ電流センサ装置１において、光入力装置２０からの光は、第１の光導波路１１を伝搬し、直線偏光となってセンサ部１４に到達する。その直線偏光は、センサ部１４において面内磁気カー効果で極わずかな楕円偏光となって反射する。その反射光は第２の光導波路２１を伝搬し、第２の光導波路の途中に好ましく設けられた１／２λ板１３で位相変調される。位相変調された光は、偏光分離素子２１でＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分岐され、それぞれの光導出部３（３ｐ，３ｓ）に伝搬する。光受信装置３０は、それぞれの偏光成分を受光する。

この光プローブ電流センサ装置１は、平面光導波回路で主に構成された光プローブ電流センサ素子１０を微小なヘッド部として備え、そのヘッド部が光ファイバ２１，３１を介して光入力装置２０と光受信装置３０とに接続されたセンサ装置である。こうした光プローブ電流センサ装置２０は、小型化を実現できるとともに、光の損失を低減することができるという効果を奏する。

以下、光プローブ電流センサ装置の各構成要素を説明する。

＜光プローブ電流センサ素子＞
光プローブ電流センサ素子１０の構成は上記したとおりであり、図２に示すように、第１の光導波路１１と、センサ部１４と、第２の光導波路１２と、偏光分離素子１６とを少なくとも有している。このうち、第１の光導波路１１、第２の光導波路１２及び偏光分離素子１６は平面光導波回路（ＰＬＣ）で構成されている。図２中の１／２λ板１３は、必要に応じて好ましく設けられる。なお、前記で「主に」としたは、光学的開口部１９にセンサ部１４として磁性膜が設けられたり、第２の光導波路１２の途中に１／２λ板１３が別体として挿入されたりするためである。

この光プローブ電流センサ素子１０は、平面光導波回路で主に構成された微小なセンサヘッド形態であることに構造上の特徴がある。その大きさは特に限定されないが、一例としては、幅５ｍｍ、長さ８ｍｍ、高さ１ｍｍ程度のスケールの微小ヘッド部とすることができる。

（第１の光導波路）
第１の光導波路１１は、図２に示すように、直線偏光をセンサ部１４に伝搬する導波路である。第１の光導波路１１は、平面光導波回路（ＰＬＣ）ともいい、シリコンや石英基板上に光ファイバと同じ材料である石英ガラスを積層し、光が伝搬するための導波路を平面上に作製したものである。光ファイバと同じ材料で作製したＰＬＣは、光ファイバとの結合効率が高いので、低損失で機械的安定性や信頼性に優れている。

第１の光導波路１１は、一般的なＰＬＣと同様の方法で作製され、特に限定されない。例えば、ガラス又は石英基板上に屈折率の低いＳｉＯ_２膜を下部クラッド層として火炎堆積法（ＦＨＤ）や化学気相蒸着法（ＣＶＤ）等で成膜し、その後、その下部クラッド層上に、不純物をドーピングした屈折率の高いガラス膜をコア層として成膜する。その後、そのコア層上にポジ型又はネガ型のレジストを塗布し、フォトリソグラフィーによりマスクパターンを露光する。その後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）でコア層をエッチングし、回路パターンを形成する。その後、屈折率の低いオーバークラッド層を成膜してＰＬＣを作製する。作製されたＰＬＣは、コア層の断面が矩形構造であり、且つクラッド層で囲まれた矩形導波路となる。矩形導波路では、光はコア層内で全反射を繰り返して伝搬する。一方、コア層の横方向の閉じ込めがないスラブ導波路であってもよく、その場合は、コア層やクラッド層の屈折率を再現性よくかつ正確に制御することにより、低損失な光導波回路を実現することができる。

屈曲部位１７は、図２に示すように、第１の光導波路１１に必要に応じて設けられている。この屈曲部位１７は、直線偏光をセンサ部１４の方向に伝搬するように湾曲している。屈曲部位１７は、ＰＬＣでは第１の光導波路１１のパターン形成時に任意の曲率で形成できる。ＰＬＣでは、光はコア層内で全反射を繰り返して伝搬するので、バルク型の光学系とは異なり、反射板等を挿入することなく設計することができる。

（直線偏光と偏光子）
第１の光導波路１１は、直線偏光をセンサ部１４に伝搬するが、直線偏光は、図３（Ａ）に示すように、光入力装置２０から光プローブ電流センサ素子１０に導入されたものであってもよいし、図３（Ｂ）に示すように、第１の光導波路１１内で偏光したものであってもよい。

光プローブ電流センサ素子１０に直線偏光を入力する場合の光入力装置２０は、図３（Ａ）に示すように、発光素子２３と、発光素子２３から発した光を直線偏光に偏光する偏光子２６と、偏光された直線偏光を伝搬する偏波保持光ファイバ２１ａとを有している。偏波保持光ファイバ２１ａは、光プローブ電流センサ素子１０の光入力部２に接続し、直線偏光を第１の光導波路１１に入力する。この形態の場合、光プローブ電流センサ素子１０では、入力した直線偏光を第１の光導波路１１がセンサ部１４まで伝搬する。偏波保持光ファイバ２１ａとしては、シングルモード光ファイバのような直交する２つの偏波面をもつモードが存在しない光ファイバであって、例えばコアに非軸対称な応力を与えて２つの偏波モード間に伝搬定数差を生じさせ、それぞれの偏波モードからもう一方の偏波モードへの結合を抑制して偏波保持能力を向上させた光ファイバを例示することができる。

一方、光プローブ電流センサ素子１０内で直線偏光に偏光する場合の光入力装置２０は、図３（Ｂ）に示すように、発光素子２３と、発光素子２３から発した光を伝搬する光ファイバ２１とを有している。この光ファイバ２１は、一般的なシングルモード光ファイバであればよく、光プローブ電流センサ素子１０の光入力部２に接続し、発光素子２３からの光を第１の光導波路１１に入力する。この形態の場合、光プローブ電流センサ素子１０では、第１の光導波路１１内に偏光子２６が配置され、その偏光子２６が発光素子２３からの光を直線偏光に偏光してセンサ部１４まで伝搬する。

偏光子２６は、第１の光導波路１１の途中に設けられたスリットに挿入されている。スリットは、第１の光導波路１１に直交する方向に延びる細い溝であり、その長さと幅は、挿入する偏光子２６の大きさに応じたものとし、その形成は、ダイシングやスクライブ等によって行うことができる。スリットへの偏光子２６の接着は、伝送損失の低下を抑制するため、屈折率調整した接着剤を使用することが好ましい。

光入力部２での光ファイバ２１，２１ａと第１の光導波路１１との光学的な接続手段は特に限定されず、一般的に適用されている接続手段を採用できる。例えば、光ファイバをアレイ化した接続手段や、接着剤を利用した接続手段を挙げることができる。なお、いずれの接続手段も、接続部２２での伝送損失の低下が抑制されることが好ましく、コネクタ式接続手段の場合は接続端面構造等に配慮することが望ましく、接着式接続手段の場合は屈折率を調整した接着剤等を使用することが好ましい。

（センサ部）
センサ部１４は、図１に示すように、ケーブル等の被測定体１００に接触又は近接して電流センサとして作用する。このセンサ部１４は、面内磁気カー効果を生じさせる機能素子部であり、図４に示すように、光導波路をＰＬＣ素子端面で折れ曲げる形態となるように形成され、かつそのＰＬＣ素子端面から光導波路のコア層が露出するように研磨等された部位に設けられる。この部位を、光学的開口部１９と呼ぶ。なお、この光学的開口部１６を境にして、光入力部２側を第１の光導波路１１とし、光導出部３側を第２の光導波路２１という。

したがって、「光学的開口部」は、光導波路を構成するコア層の一部がクラッド層で覆われない部分が存在する部分のことであり、そうした部分では、光は、コア層内で全反射を繰り返して伝搬する状態が一部維持できなくなり、クラッド層で覆われていない「光学的開口部」から光がセンサ部１４（磁性膜）に到達する。センサ部１４に直線偏光の光が斜めに入射したとき、その光（直線偏光）は、その光学的開口部１９に設けられたセンサ部１４（磁性膜）で反射する。その反射光は、面内磁気カー効果により主軸の向きが入射した直線偏光の向きから傾いた極わずかな楕円偏光に偏光される。センサ部１４を光学的開口部１９に設けることにより、センサ部１４と光導波路とが一体構造となり、その結果、バルク型の光学系とは異なり、光が空間伝搬されず、光の減衰を大きく抑制することができる。また、センサ部１４と、１／２λ板１３や偏光ビームスプリッタ１６との距離を極めて短くすることができ、その結果、位相変調後のＰ偏光成分とＳ偏光成分を感度よく取得することができる。

センサ部１４の構成材料としては、面内磁気カー効果を生じさせる磁性膜、例えばＦｅ−Ｓｉ系合金、Ａｌ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金等を好ましく挙げることができる。中でも、Ｆｅ−Ｓｉ合金膜であることが好ましい。磁性膜は、スパッタリング法又は蒸着法により成膜してもよいし、ガラス等に成膜した磁性膜を光学的開口部１９に貼り合わせてもよい。磁性膜の厚さは特に限定されないが、例えばＦｅ−Ｓｉ合金膜を成膜する場合は、１２０ｎｍ程度とすることができる。

センサ部１４には直線偏光の光が斜めに入射して反射する。そのときの光導波路の折れ曲がり角度θは、任意に設計されるが、一例としては、６０°程度を挙げることができる。なお、センサ部１４への入射側の角度と出射側の角度は、通常は同じ角度で設けるが、支障のない範囲で異なっていてもよい。

（センサ原理）
センサ部１４で偏光された極わずかな楕円偏光は、偏光分離素子１６においてＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分岐された状態で伝搬し、光受信装置３０を構成する受光素子３３ｐ，３３ｓでそれぞれの偏光成分を受光し、電気信号に変換して検出する。

図５（Ａ）（Ｂ）は、光プローブ電流センサ素子の原理の説明図である。この図では、磁性膜１４の表面に入射する入射光１０１と、磁性膜１４の表面で反射する反射光１０２も併せて示している。符号θｋはカー回転角である。

図５（Ａ）では、電流はケーブル１００中を流れておらず、電流磁場（印加磁場）は発生していない。磁性膜１４は、ケーブル１００が延びる方向と、面内磁気カー効果を生じる磁性膜１４の磁気モーメント１４Ｍの方向とが一致するように配置されている。この磁性膜１４に直線偏光の入射光１０１を入射させると、磁性膜１４から反射する反射光１０２は、横カー効果によって直線偏光のままである。

一方、図５（Ｂ）では、電流Ｉはケーブル１００中を流れており、電流Ｉによって電流磁場Ｈが発生している。電流磁場Ｈの大きさは、電流Ｉの量によって変化する。この磁性膜１４に直線偏光の入射光１０１を入射させると、磁性膜１４から反射する反射光１０２は、縦カー効果によって極わずかな楕円偏光となった直線偏光となる。なお、図５（Ｂ）では、説明を明解にするために、楕円偏光として反射光１０２を示している。電流磁場Ｈの大きさが変化すると、その変化に応じて磁気モーメント１４Ｍが回転する。このとき、磁性膜１４から反射する反射光１０２は、縦カー効果によって、反射光１０２の回転角が磁気モーメント１４Ｍの回転角に比例して変化する。その結果、反射光１０２の光量（強度）が変化し、Ｐ偏光成分の光量及びＳ偏光成分の光量も変化する。

磁性膜１４として、上記したＦｅ−Ｓｉ系合金やＡｌ−Ｎｉ−Ｃｏ系合金を適用した場合、最大カー回転角θｋ_ｍａｘはそれぞれ１°以下と小さいけれども、本発明では、後述する信号処理部３４において、光量に対応する電気信号を、単に差動増幅回路に入力するのではなく、外乱をキャンセルできる回路構成としているので、その検出精度（例えばＳ／Ｎ比）を高めることができる。

（第２の光導波路）
第２の光導波路１２は、図２に示すように、センサ部１４で反射された反射光を偏光分離素子１６に伝搬する導波路である。この第２の光導波路２１も第１の光導波路１１と同様の方法で作製された平面光導波回路（ＰＬＣ）であり、第１の光導波路１１と同様の機能及び効果を奏するので、ここでの説明は省略する。この第２の光導波路２１は、上記したように、光学的開口部１６を境にした光導出部３側の導波路である。なお、第２の光導波路１２の途中には、後述する１／２λ板１３が設けられていることが好ましい。

屈曲部位１８も上記屈曲部位１７と同様であり、図２に示すように、第２の光導波路２１に必要に応じて設けられている。この屈曲部位１８は、反射光を１／２λ板１３又は偏光分離素子１６の方向に伝搬するように湾曲している。屈曲部位１８は、ＰＬＣでは第２の光導波路２１のパターン形成時に任意の曲率で形成できる。

（１／２λ板）
１／２λ板１３は、図２に示すように、必要に応じて第２の光導波路２１内に設けられている。この１／２λ板は、磁性膜１４の磁性変化に伴う光の変化量を直線的に変化させることができるので、光の４５deg位相変調を行うのに好ましく用いることができる。

この１／２λ板１３も、既述した偏光子２６の場合と同様、光導波路の途中に設けられたスリットに挿入することができる。スリットは、第２の光導波路２１に直交する方向に延びる細い溝であり、その形成は、ダイシングやスクライブ等によって行うことができる。スリットへの１／２λ板１３の接着は、伝送損失の低下を抑制するため、屈折率調整した接着剤を使用することが好ましい。

（偏光分離素子）
偏光分離素子１６は、反射光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とをそれぞれ分岐して伝搬する。図２の例では１／２λ板１３が設けられており、反射光がその１／２λ板１３で位相変調されるので、偏光分離素子１６は、位相変調された光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とをそれぞれ分岐して伝搬する。偏光分離素子１６はマッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）で構成される。こうした偏光分離素子１６は、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とを別々の光路を通してから重ね合わせるので、二つの光路に位相のズレがある場合に干渉を起こし、その位相差が半波長（λ／２）の偶数倍のところは明るく、奇数倍のところは暗くなり、明暗の縞となって表れる。

本発明では、この偏光分離素子１６を光導波路型として、光プローブ電流センサ素子１０の光導波路構造として組み入れている。光導波路型ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）としては、現在までの知られた各種の形態を採用できる。例えば、ガラス基板表層に形成された導波路のコア層上に、誘電体交互多層膜を外部クラッド層として積層して偏光分離機能をもたせたＹ分岐導波路型素子等を挙げることができる。

（光導出部）
光導出部３（３ｐ，３ｓ）は、偏光分離素子１６で分岐・伝搬されたＰ偏光成分とＳ偏光成分とを、後述の光受信装置３０に接続する部分である。この光導出部３ｐ，３ｓでの光導波路と光ファイバ３１との光学的な接続手段は特に限定されず、一般的に適用されている接続手段を採用できる。例えば、光ファイバ３１をアレイ化した接続手段や、接着剤を利用した接続手段を挙げることができる。なお、いずれの接続手段も、接続部３２での伝送損失の低下が抑制されることが好ましく、コネクタ式接続手段の場合は接続端面構造等に配慮することが望ましく、接着式接続手段の場合は屈折率を調整した接着剤等を使用することが好ましい。

＜光入力装置＞
光入力装置２０は、図１及び図３（Ａ）（Ｂ）に示すように、発光素子２３と光ファイバ２１，２１ａとを少なくとも有している。この光入力装置２０は、光プローブ電流センサ素子１０に非偏光の光を入力するか、直線偏光を入力するかで、図３（Ａ）（Ｂ）で既に説明した形態のいずれかにすることができる。なお、図３（Ａ）（Ｂ）での説明欄で既に説明した光ファイバ２１、偏波保持光ファイバ２１ａ、偏光子２６、接続手段の説明は、ここでは省略する。

発光素子２３としては、例えば、半導体レーザを適用することができる。具体的には、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）等を好ましく用いることができる。

光入力装置２０は、発光素子２３と光ファイバ２１，２１ａとを少なくとも有するが、必要に応じて偏光子２６を設けて予め直線偏光にしておけば、直線偏光を光プローブ電流センサ素子１０に入力することができる。光入力装置２０は、光プローブ電流センサ素子１０と一体化してもよいし、長い光ファイバを経由して、発光素子２３と光プローブ電流センサ素子１０とを繋いだものであってもよく、光プローブ電流センサ素子１０を光ファイバで引き回して所定の測定箇所に設置することができ、配線ケーブルの電流検出に利用することができる。

＜光受信装置＞
光受信装置３０は、図１及び図６に示すように、光プローブ電流センサ素子１０の光導出部３ｐ，３ｓに接続し、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とを受光し、その偏光成分を信号処理部３４で電気信号に変換する装置である。受光素子３３としては、ＰＩＮフォトダイオード等を好ましく挙げることができる。

信号処理部３４は種々の形態とすることができるが、図８の例に示すように、フォトダイオード３３ｐ，３３ｓと、増幅器３５ｐ，３５ｓと、除算回路（アナログＩＣ）３６，３７と、差動増幅回路３８とを備える構成とすることができる。

信号処理部３４において、光量ＬｐのＰ偏光成分はフォトダイオード３３ｐで電気信号Ｅｐに変換され、その電気信号Ｅｐは増幅器３５ｐで増幅される。また、光量ＬｓのＳ偏光成分もフォトダイオード３３ｓで電気信号Ｅｓに変換され、その電気信号Ｅｓは増幅器３５ｓで増幅される。増幅された電気信号Ｅｐ，Ｅｓは、電気信号Ｅｐで電気信号Ｅｓを除算する除算回路３６の出力値として、差動増幅回路３８のマイナス側へ入力される。また、増幅された電気信号Ｅｐ，Ｅｓは、電気信号Ｅｓで電気信号Ｅｐを除算する除算回路３の出力値として、差動増幅回路３８のプラス側へ入力される。そして、差動増幅回路３８の出力値を得る。

こうした信号処理部３４により、例えば偏光分離素子１６に外力が加わってＰ偏光成分とＳ偏光成分の光量がそれぞれ変化しても、互いの光量変化を除算回路３６，３７で低減するので、検出精度（例えばＳ／Ｎ比）を高めることが可能になる。特に本発明では、光プローブ電流センサ素子１０をＰＬＣ素子としているので、光導波路に加わる振動や衝撃等の外乱を抑制できる構造形態であり、検出精度をより一層高めることができる。

以上説明したように、光プローブ電流センサ素子１０を平面光導波回路とすることにより、バルク型の光学系で実現していた機能を平面光回路上に素子形態で作製することができ、小型の素子化を実現できる。特に、ヘッド部には、ＰＬＣによるマッハツェンダ干渉計で構成される偏光分離素子を一体化したので、光導波路に加わる振動や衝撃等の外乱を抑制できる構造形態であり、検出精度をより一層高めることができる。

こうした光プローブ電流センサ素子１０及び光プローブ電流センサ装置１は、種々の電子・電気機器用の電流検出用センサ又は磁界検出用センサとして利用可能である。特に、電磁ノイズが存在する環境下や、振動、衝撃等の影響を受ける環境下であっても幅広く利用することができる。また、電気自動車やハイブリッド自動車等において、速度制御やトルク制御で参照される電流を、正確に検出するために用いることもできる。具体的には、電気自動車等のエンジンルーム内に取り付けた場合には、光プローブ電流センサ素子１０を光ファイバで引き回して所定箇所に設置することができ、配線ケーブルの電流検出に利用することができる。

１ 光プローブ電流センサ装置
２ 光入力部
３，３ｐ，３ｓ 光導出部
１０ 光プローブ電流センサ素子
１１ 第１の光導波路
１２ 第２の光導波路
１３ １／２λ板
１４ センサ部（磁性膜）
１４Ｍ 磁気モーメント
１５ 第２の光導波路
１６ 偏光分離素子（偏光ビームスプリッタ）
１７，１８ 屈曲部位
１９ 光学的開口部
２０ 光入力装置
２１ 光ファイバ
２１ａ 偏波保持光ファイバ
２２ 接続部
２３ 発光素子（半導体レーザー）
２６ 偏光子
３０ 光受信装置
３１ 光ファイバ
３２ 接続部
３３，３３ｐ，３３ｓ 受光素子（ＰＩＮフォトダイオード）
３４ 信号処理部
３５ｐ，３５ｓ 増幅器
３６，３７ 除算回路
３８ 差動増幅回路
１００ 被測定体（ケーブル）
１０１ 入射光
１０２ 反射光
θｋ カー回転角
Ｉ 電流
Ｈ 印加磁場

Claims (9)

1. 直線偏光を伝搬する第１の光導波路と、前記第１の光導波路の光学的開口部に設けられ、面内磁気カー効果を生じさせるセンサ部と、前記センサ部に光学的に接続されて前記センサ部で反射された反射光を伝搬する第２の光導波路と、前記反射光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とを分岐してそれぞれの光導出部に伝搬する偏光分離素子とを有し、前記第１の光導波路、前記第２の光導波路及び前記偏光分離素子が平面光導波回路で構成されていることを特徴とする光プローブ電流センサ素子。
2. 前記第２の光導波路の途中には、１／２λ板が設けられている、請求項１に記載の光プローブ電流センサ素子。
3. 前記第１の光導波路には、前記直線偏光を該第１の光導波路に導入する偏波保持光ファイバが接続されている、請求項１又は２に記載の光プローブ電流センサ素子。
4. 前記第１の光導波路の途中には、前記第１の光導波路に導入された光を直線偏光する偏光子が設けられている、請求項１又は２に記載の光プローブ電流センサ素子。
5. 前記センサ部が、面内磁気カー効果を生じさせる磁性膜である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光プローブ電流センサ素子。
6. 前記偏光分離素子が、マッハツェンダ干渉計により構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光プローブ電流センサ素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の光プローブ電流センサ素子と、前記光プローブ電流センサ素子が有する第１の光導波路に光を導入する光入力装置と、前記光プローブ電流センサ素子が有する偏光分離素子を通過した光を受光する光受信装置とを有することを特徴とする光プローブ電流センサ装置。
8. 前記光入力装置は、発光素子と、該発光素子から発した光を直線偏光する偏光子と、直線偏光を伝搬する偏波保持光ファイバとを有し、前記偏波保持光ファイバは、前記光プローブ電流センサ素子が有する前記第１の光導波路と光学的に接続されている、請求項７に記載の光プローブ電流センサ装置。
9. 前記光受信装置は、前記偏光分離素子を通過したＰ偏光成分とＳ偏光成分をそれぞれ受光する受光素子と、該受光素子で受光した光を電気信号に変換する信号処理部とを有する、請求項７又は８に記載の光プローブ電流センサ装置。
   
   

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