JP2017187398A - 電界強度測定器 - Google Patents

Abstract

【課題】測定環境温度の変動の影響を解決し、素子サイズを小さくしつつ電界検出の高感度化を実現することができる電界強度測定器を提供すること。
【解決手段】所定の波長の光を出力する光源と、測定対象の電界中に設けられ、前記光源から出力された光を導波するマッハツェンダー干渉計と、前記マッハツェンダー干渉計を伝搬した光の強度を測定することによって、前記測定対象の電界強度を検出する検出部とを備えた電界強度測定器であって、前記マッハツェンダー干渉計は、電気光学結晶を用いて構成された互いに長さが等しい２本のアーム導波路を有し、該２本のアーム導波路は異なる結晶方位方向に光を導波することを特徴とする電界強度測定器である。
【選択図】図３

Description

本発明は、空間電界強度を測定する電界強度測定器に関するものである。具体的には被測定電界を乱す金属を含まない、電気光学結晶を用いた位相検出型電界強度測定器に関するものである。

近年、携帯電話等の移動端末の普及が拡大しており、無線通信分野は急速に発展している。安定した無線通信をするためには、無線通信設備や機器の誤動作の原因となる電磁障害を未然に防ぐ必要があり、電子機器から生じる電界を測定するために電界強度測定器が用いられる。また無線通信の電波の広がりを確認する際に、電界強度測定器を用いて空間への電界分布を確認している。

電界強度測定器には大別すると、特許文献１に記載されているようにアンテナ部や配線部分に金属を用いているものと、特許文献２に記載されているように金属を含まず、電気光学結晶のみで構成されているものがある。前者は電界を感度良く測定できるという利点を有するが、金属部により被測定電界を乱してしまう。この点後者は、金属部を含まないため、被測定電界を乱さずに電界を測定できる利点を有している。

金属を含まず、電気光学結晶のみを用いた電界強度測定器としては、他にも例えば非特許文献１に記載のものが知られている。図１に一般的な電気光学結晶を用いた電界強度測定器の構造を示す。電界強度を検出するバルクの電気光学結晶１０に、入出力のために光ファイバ１３が取り付けられており、光源１２からの光が光ファイバ１３から電気光学結晶１０内へ入射する。入射した光はＴＥ偏光の光（ＴＥ光）であり、電気光学結晶１０の屈折率に応じて偏光状態が変調される。入射したＴＥ光は電気光学結晶１０内を伝搬後、反射構造１１によって同じ経路を戻り、光ファイバ１３へ出力された光は、サーキュレータ１４によって光検出器１５にドロップされる。光検出器１５に入力された光信号は電気信号へ変換されて、ロックインアンプ１６等によって観測される。

電気光学結晶１０は、外部から電界が印加されることで屈折率が変化する性質、いわゆるポッケルス効果を持ち、ある特定の偏光状態の光を電気光学結晶１０に入射すると、印加電界に応じて結晶内を伝搬する光の偏光状態が変調される。

偏光状態の変化は入力光と出力光の位相変化量として観測することが可能であるので、入力光と出力光の強度から、電界強度に応じて生じた位相変化量を求めることで、電界強度を測定することができる。

特許第４２５１４５９号公報 特許第４８７５８３５号公報

都甲浩芳、他２名著、「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、２１−２４頁

しかしながら、従来の電気光学結晶のみを用いた電界強度測定器では、（１）測定環境温度の影響により、電気光学結晶の屈折率が変化し、電界測定値が不安定である点と、（２）電界に対する光の位相変化量が微小であり、電界強度の測定感度が低い点とが問題点として挙げられる。

まず測定環境温度による電界強度検出の不安定性について説明する。先に述べたように、電気光学結晶に電界が印加されると、伝搬する光の感じる屈折率が変化するので、その伝搬光の位相変化量を観測することで、電界強度を測定することができる。

しかしながら、電気光学結晶は電界、磁界、圧力に加え、温度の変化によっても屈折率が変化してしまう。そのため、印加電界だけでなく、測定環境温度の変動によっても伝搬光の位相が変化してしまう。

ここで、閃亜鉛鉱結晶であるＩｎＰを例に挙げて具体的に説明する。印加電界による屈折率変化量、及び温度による屈折率変化量は、それぞれ（式１）及び（式２）のように表すことができる。
Δｎ＝（１／２）×（ｎ₀ ³ｒ₄₁Ｅ） ・・・（式１）
Δｎ＝（ｄｎ／ｄＴ）×Ｔ ・・・（式２）

上記（式１）、（式２）において、ｎ₀はＩｎＰの初期の屈折率、Ｅは印加電界（Ｖ／ｍ）、Ｔは温度変化量をそれぞれ示す。ＩｎＰのポッケルス係数はｒ₄₁＝３．８×１０^-12（ｍ／Ｖ）であり、温度による屈折率変化係数はｄｎ／ｄＴ＝９．０×１０^-5である。

また下記（式３）に波長λの光の位相変化量Δφと屈折率変化量Δｎの関係を示す。
Δφ＝（２π／λ）×Δｎ×Ｌ ・・・（式３）

上記（式３）からわかるように、光の位相変化量Δφは、電界による屈折率変化量Δｎと光がその結晶内を伝搬する距離Ｌに比例する。

図１で示したような、従来のバルクの電気光学結晶を用いた電界測定器の場合を考える。ここでは伝搬する光の波長をλ＝１．５５μｍ、電気光学結晶の長さを３０００μｍ（光が伝搬する距離Ｌは往復でＬ＝６０００μｍ）と仮定した。

電界強度が１Ｖ／ｍの電界を印加することで生じる屈折率変化量Δｎは６．０×１０^-11であり、これに応じて光の位相は１．５×１０^-6ｒａｄ変化する。一方、測定環境温度が１度変化したときの屈折率変化量Δｎは９．０×１０^-5であり、これに応じて光の位相は２．３ｒａｄ変化する。よって電気光学結晶の屈折率の変化量、またそれに応じた光の位相変化量は、印加電界よりも測定環境温度の影響を桁違いに大きく受けてしまうことが分かる。

例えばロックインアンプ等を用いることによって印加電界による光の位相変化と温度による位相変化を区別して観測することが可能であるが、微小な電界による位相変化を、桁違いに大きい温度変化による位相変化の中から測定することは極めて難しい。したがって電界強度を安定して測定するためには、測定環境温度変動への対策は重要な課題であるといえる。

次に電界測定感度に関する問題点について説明する。電気光学結晶のみを用いた電界測定器では、入力光と出力光の位相変化量Δφから印加電界を求めるが、この位相変化量は下記（式４）で示されるように光の強度Ｉに対応させて観測することができる入力光と出力光の光強度からこの位相変化量Δφを求める。
Ｉ＝αｓｉｎ²（φ＋Δφ）（α：係数）・・・(式４)

先に求めたように、素子に電界１Ｖ／ｍが印加された場合に得られる光の位相変化量Δφはわずか１．５×１０^-6ｒａｄであり、このわずかな位相変化量を光の強度に対応させて読み取ることは非常に困難である。よって印加電界によって生じる位相変化量Δφを大きくして検出するなど、電界検出器の高感度化は重要な課題である。

（式３）に示したように光の位相変化量Δφは電気光学結晶の屈折率変化量Δｎと光が結晶内を伝搬する距離Ｌに比例する。このことから、印加電界に対する位相変化量を大きくする方法の一つとして、光が通過する電気光学結晶の長さＬを長くする方法が考えられるが、図１に示したようなバルクの電気光学結晶のみを用いた電界強度測定器では伝搬距離Ｌはバルク結晶部分の大きさで決まってしまっているため、長さＬを稼ぐことができない。

電界測定感度向上のために伝搬距離Ｌを長くするためには、従来の方法では電気光学結晶そのものを大きくしないといけないため、素子全体が大きくなってしまう。例えば３．０ｍｍ×３．０ｍｍのデバイスサイズを想定するとバルク結晶の長さは３ｍｍ以下であり、伝搬距離Ｌは往復で６ｍｍ以下しか稼ぐことができない。

このように従来のバルクの電気光学結晶を用いると、この伝搬距離Ｌを長くすることで電界測定の感度を向上させるのは難しい。素子サイズを小さく保ったまま、光の伝搬距離を長くする工夫が必要である。

また素子の小型化は電界測定の空間分解能を向上させるだけでなく、素子作製に必要な電気光学結晶の材料そのものを少なくすることができるので、コスト削減につながる。しかしながら、従来の電界強度測定器では装置を小型化すると、電気光学結晶部分を小さくすることになるので、電界強度感度を低下させてしまうこととなる。よってバルクの電気光学結晶を用いた従来の電界強度測定器は電界強度測定感度の向上が困難であるとともに、小型化に不向きであることが分かる。

このように、従来のバルクの電気光学結晶を用いた電界強度測定器では、測定温度への対策が不十分であった。

また電界によって生じる光の位相変化量は極めて微小なので、測定感度を向上させる必要があるが、素子サイズと測定感度のトレードオフから測定感度の向上が不向きである。

本発明は上記従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、測定環境温度の変動の影響を解決し、素子サイズを小さくしつつ電界測定の高感度化を実現することができる電界強度測定器を提供することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、所定の波長の光を出力する光源と、測定対象の電界中に設けられ、前記光源から出力された光を導波するマッハツェンダー干渉計と、前記マッハツェンダー干渉計を伝搬した光の強度を測定することによって、前記測定対象の電界強度を検出する検出部とを備えた電界強度測定器であって、前記マッハツェンダー干渉計は、電気光学結晶を用いて構成された互いに長さが等しい２本のアーム導波路を有し、該２本のアーム導波路は異なる結晶方位方向に光を導波することを特徴とする電界強度測定器である。

従来のバルクの電気光学結晶を用いた電界強度測定器を示す図である。 第１の実施形態の電界強度測定器の構成例を示す図である。 第１の実施形態の電界強度測定器に用いられる電界検出素子の構成例を示す図である。 典型的な光導波路を用いた等長マッハツェンダー干渉計の模式図である。 ＩｎＰ結晶の面方位と電気光学結晶による屈折率変化を示す図である。 光導波路の作製方法について説明するための図である。 電界検出素子の光学特性を測定する測定系構成図を示す図である。 電界検出素子の温度依存性について説明する図である。 電界検出素子における印加電界の強度と透過スペクトルとの関係を示す図である。 第２の実施形態の電界検出素子の構造を示す図である。 電界１００ｋＶ／ｍを印加した場合の位相変化量Δφと、［０＊１］方向の導波路長Ｌの依存性を示す図である。

本明細書においては、結晶面の表記について、アスタリスク（＊）で示した数字は、「１に上線」を意味する。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

[第１の実施形態]
図２は、本実施形態の電界強度測定器の全体の概略構成を示す図であり、図３は、本実施形態の電界強度測定器に用いられる電界検出素子の構成例を示す図である。本実施形態の電界強度測定器は、図２に示すように、光源１と、電界検出素子２と、光強度検出器３とを備えて構成される。光源１と電界検出素子２とはＰＭＦ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ Ｆｉｂｅｒ：偏波保持ファイバ）４により接続され、電界検出素子２と光強度検出器３とはＳＭＦ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ：シングルモードファイバ）５により接続されている。電界強度測定器は、印加電界に応じて伝搬光に位相変化を与える電界検出素子２に対して検出対象の電界Ｅが印加されるように配置して、光強度検出器３において電界検出素子２を伝搬した光の強度を観測することにより電界測定を行なう。

光源１は、レーザなどの単一波長の光をＰＢＳ（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ：偏向ビームスプリッタ）などでＴＥ光とＴＭ光に分離したのち、ＴＥ光のみをＰＭＦ４に出力する。ＰＭＦ４に出力されたＴＥ光は電界検出素子２に入力される。光源１は、レーザ光源とＰＢＳなどにより構成することができる。

電界検出素子２は、印加されている電界Ｅの強度に応じて、入力されたＴＥ光の位相を変調し、干渉光として出力する素子である。電界検出素子２は、電気光学結晶により構成することができる。光強度検出器３は、電界検出素子２から出力された干渉光の光強度を検出する。干渉光の光強度を検出することによって、電界検出素子２で与えられた位相変化量を算出して測定対象の電界強度を得ることができる。光強度検出器３は、パワーメータやロックインアンプを用いて構成することができる。

本実施形態の電界強度測定器は、図３に示すようなマッハツェンダー干渉計構造の光導波路を電界検出素子２として用いることによって、印加されている電界の強度を、２本の光導波路を伝搬するＴＥ光の位相変調による干渉光強度として出力している。

（電界検出素子）
ここで本実施形態の電界強度測定器に用いられる電界検出素子を説明するために、光導波路を用いたマッハツェンダー干渉計について説明する。光導波路を用いたマッハツェンダー干渉計は、通信分野において光スイッチや光位相変調器などで応用されている。図４に典型的な光導波路を用いた等長マッハツェンダー干渉計の模式図を示す。

入力部と出力部にはそれぞれ３ｄＢカプラー２３、２４が接続されており、アーム導波路２１とアーム導波路２２は線対称の構造で長さは等長である。入力部から入射した光は３ｄＢカプラー２３で２分岐され、アーム導波路２１及びアーム導波路２２に分かれて伝搬光１と伝搬光２として伝搬し、３ｄＢカプラー２４で再び合波される。

一般にマッハツェンダー干渉計は、アーム導波路２１とアーム導波路２２の長さや構造が異なる場合や、アーム導波路２１とアーム導波路２２に加わる電界や温度が異なる場合には、伝搬光１と伝搬光２に位相差が生じ、結果として干渉光が得られることを利用して様々な光信号処理等を行なっている。例えばマッハツェンダー干渉計の応用例として挙げられる光スイッチでは、図４に示す等長マッハツェンダー干渉計の構成に加えて、一方のアーム導波路部分にヒーターが取り付けてあり、一方のアーム導波路の温度を変化させることで、生ずる位相差Δφを制御し、出力光の強度を変化させることで、スイッチのＯＮ／ＯＦＦ動作を実現している。
一方、図４に示す構成では、アーム導波路２１及びアーム導波路２２の長さが等しいので、測定環境温度が変動した場合でも、温度変動の影響はアーム導波路２１とアーム導波路２２の両方に等しく作用するため、導波路長による伝搬光１と伝搬光２の位相差Δφは０となる。したがって、図４に示す等長マッハツェンダー干渉計構造は、２つの伝搬光１、２の位相差は測定環境温度の変動の影響を受けない構成といえる。

さらに、図４の構造のような等長のマッハツェンダー干渉計に電界を印加しても、２つのアーム導波路２１、２２は同じ結晶方位方向に光を導波する構造であるので、電気光学結晶効果による屈折率変化はアーム導波路２１およびアーム導波路２２ともに同じとなり、電界による位相差は生じず、電界強度を検出することはできない。

図３に戻って、本実施形態の電界検出素子では、入力部、及び出力部には３ｄＢカプラー２３、２４が接続されており、図４に示す等長マッハツェンダー干渉計と同様に、アーム導波路２５とアーム導波路２６の長さは等しく、全体として等長マッハツェンダー干渉計を構成している。よって測定環境温度の影響は、アーム導波路２５を伝搬する伝搬光Ａとアーム導波路２６を伝搬する伝搬光Ｂとで打ち消しあうため、位相差Δφとしては現れない。

しかしながら本実施形態の電界検出素子では、図４に示す等長マッハツェンダー干渉計と異なり、図３に示すように、アーム導波路２５とアーム導波路２６とは電気光学結晶であるＩｎＰ基板を用いて、異なる結晶方位に沿って光が伝搬するよう構成されている。電気光学結晶は、結晶方位によって印加電界に対する屈折率変化量が異なる特徴を持つため、印加電界による伝搬光Ａと伝搬光Ｂの受ける屈折率変化量は異なり、伝搬光Ａと伝搬光Ｂに位相差が生じる。この位相差を観測することによって電界強度が測定できる。

本実施形態の電界検出素子は、光導波路は例えば電気光学結晶であるＩｎＰ基板を用いて構成することができる。電気光学結晶としては、ＩｎＰ基板に限らず、ポッケルス効果を有するＺｎＴｅやＣｄＴｅなどの閃亜鉛鉱型の結晶であれば、どの材料を用いてもよい。

ここで閃亜鉛鉱型結晶の電気光学効果についてＩｎＰ基板を例に挙げて説明する。図５にＩｎＰ結晶の面方位と電気光学結晶による屈折率変化を示した。図５において、破線は基板に電界を印加しない場合の結晶方位ごとの屈折率のプロファイルであり、実線は電界を印加したときの結晶方位ごとの屈折率のプロファイルである。

図５に示すように、基板に電界を印加しない場合には、結晶の屈折率はどの軸方向にも一様でｎ₀である。一方で、基板の［１００］方向に電界Ｅをかけると、屈折率のプロファイルが楕円型に変化する。

基板の［１００］方向に電界Ｅをかけた場合、［０＊１］方向に伝搬する光の受ける屈折率変化量はΔｎ_x＝（１／２）×（ｎ³ｒＥ）となり、［０＊＊］方向に伝搬する光の屈折率変化量はΔｎ_y＝（−１／２）×（ｎ³ｒＥ）となる。ここでｎは電界がないときの屈折率であり、ｒはポッケルス係数である。

また［１００］に垂直であり［０＊１］と［０＊＊］方向以外の方向へ進む光、たとえば［０＊１］と角度α方向に進む光については、図５で示した楕円型の屈折率プロファイルより屈折率はｎ_αとなる。

本実施形態の電界強度測定器では、光導波路に用いられるＩｎＰ結晶の電気光学効果の特徴をもとに、導波路構造が図３に示す以下の通りに設計されている。

図３において、アーム導波路２５については、長さＬ_A1、Ｌ_A2を持つ２つの［０＊１］方向の光導波路と、４つの９０度曲げ導波路によって構成されている。一方、アーム導波路２６については、長さＬ_B1、Ｌ_B2を持つ２つの［０＊＊］方向の光導波路と、４つの９０度曲げ導波路によって構成されている。

Ｌ_A1＋Ｌ_A2＝Ｌ_B1＋Ｌ_B2であり、９０度曲げ導波路については、それぞれの長さは全て等しくなるように設計されているため、アーム導波路２５とアーム導波路２６は全体として等長である。

ここで電界Ｅを印加したときに生じる、伝搬光Ａと伝搬光Ｂの位相差Δφについて考える。アーム導波路２５の［０＊１］方向の光導波路を伝搬する光はｎ＋Δｎの屈折率を感じて伝搬するので、位相変化量Δφ_A＝２×（π／λ）×Δｎ×（Ｌ_A1＋Ｌ_A2）が生じる。一方、アーム導波路２６の［０＊＊］方向の光導波路を伝搬する光はｎ−Δｎの屈折率を感じて伝搬し、位相変化量Δφ_B＝―２×（π／λ）×Δｎ×（Ｌ_B1＋Ｌ_B2）が生じる。よって伝搬光Ａと伝搬光Ｂには位相差Δφ＝Δφ_A―Δφ_B＝２Δφ_Aが生じることとなる。ここで位相差Δφは、印加電界によって変化するΔｎを変数に含むので、印加電界に依存することが判る。

なお、９０度曲り導波路を伝搬する際にも、光の位相差は生じるが、アーム導波路２５とアーム導波路２６には同じ回転量分曲がる導波路が含まれているため、９０度曲り導波路によっては伝搬光Ａと伝搬光Ｂの位相差としては現れない。

このように、本実施形態に係る電界検出素子では、電気光学結晶効果の結晶方位により屈折率変化が異なる性質（異方性）を利用し［０＊１］方向と［０＊＊］方向の異なる方向に導波路を形成することで、等長マッハツェンダー導波路を用いて、印加電界の強度を、その印加電界によって生じる位相変化として観測することを可能としている。

次いで、本実施形態の電界検出素子を構成する光導波路の作製方法について説明する。図６は、光導波路の作製方法について説明するための図である。図６（ａ）は結晶成長後の基板の層構成を示す図であり、図６（ｂ）は光導波路形成後の光導波路の断面図を示す図である。

ＳＩ−ＩｎＰ基板（ｓｅｍｉ−ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ（半絶縁性）−ＩｎＰ）基板上に、ＭＯＣＶＤ（Ｍｅｔａｌ Ｏｒｇａｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて、ＰＬ（Ｐｈｏｔｏｌｕｍｉｎｅｓｅｎｃｅ）波長１．３ｕｍのバンドギャップを持つＩｎＧａＡｓＰコア層（０．３μｍ）、ＩｎＰクラッド層（１．５μｍ）を成膜した。

この基板上に、図３に示すような光導波路パターンを一般的な露光技術により描画し、ドライエッチングにより、ＩｎＰクラッド層（１．５μｍ）、ＩｎＧａＡｓＰコア層（０．３μｍ）、ＩｎＰクラッド層（１．５μｍ）の光導波路を形成した。その後基板を劈開することにより、光導波路の入力部と出力部の端面を割り出した。

（電界検出素子の光学特性評価）
ここで図３の電界検出素子の光学特性評価を行った。図７に本実施形態の電界検出素子の光学特性を測定する測定系構成図を示す。

図７において、ＴＬＳ（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒ Ｓｏｕｒｃｅ：波長可変光源）３１の出力光がＰＢＳ３２に入力されるように接続しており、ＰＢＳ３２は入力光をＴＥ光、ＴＭ光に分離したのちＰＭＦ３３を介してＴＥ光のみを電界検出素子２に入力する構成となっている。

電界検出素子２の下部と上部に空間１ｍｍの隙間が空くように金属平板４２が配置されており、Ｆｕｎｃｔｉｏｎ Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ４０によって、金属平板４２に交流電圧をかけるアンプ４１を制御することによって金属平板４２間に配置された電界検出素子２に周期的に電界をかけた。

電界検出素子２の出力部から取り出された光はＳＭＦ３４により２つに分岐され、一方はフォトダイオード３７および整流器３８を有する光検出器３６において電気信号に変換されたのちロックインアンプ３９によって観測され、もう一方はパワーメータ３５に接続した。

図８は本実施形態の等長マッハツェンダー干渉計構造を用いた電界検出素子の温度依存性について説明する図である。温度依存性を調べるために、電界を印加していない状態で測定環境温度を摂氏２５℃から３０℃まで一度刻みに変化させて出力光の透過スペクトルをパワーメータ３５で測定した。図８（ａ）に測定環境温度２５℃の時の透過スペクトルを示す。図８（ａ）によれば、透過光の光強度は波長によらず一定であることが読み取れる。

次に波長１５５０ｎｍの透過スペクトルの光強度に注目し、本実施形態の等長マッハツェンダー干渉計構造を用いた電界検出素子における透過スペクトルの光強度の温度依存性をプロットすると図８（ｂ）のようになった。図８（ｂ）によれば、１５５０ｎｍの透過スペクトルについて、出力光の光強度が温度によって変化していないことが読み取れる。図８（ｂ）と同様のプロットを複数の波長の透過スペクトルについて行なったところ、いずれの波長についても出力光の光強度は温度によって変化しないことが判った。

電気光学結晶を用いた光導波路では一般に、位相変化量Δφは印加電界強度と測定環境温度によって変化すると考えられる。しかしながら、本実施形態の等長マッハツェンダー干渉計構造を用いた電界検出素子では、図８（ｂ）からも判るように、電界が印加されていない状態において、透過スペクトル、つまり出力の光強度が変化していない。すなわち、本実施形態の電界強度測定器では、測定環境温度の変化の影響を受けていないといえる。したがって、等長マッハツェンダー干渉計構造を用いることで、測定環境温度の変化の影響を受けていない安定な電界検出素子が得られているといえる。

一方で、本実施形態の等長マッハツェンダー干渉計構造を用いた電界強度測定器では、電界検出素子における透過スペクトルの光強度は印加電界によって変化する。

ここで電界検出素子における印加電界の強度と透過スペクトルとの関係について説明する。図９（ａ）に印加電界を９０ｋＶ／ｍ、１００ｋＶ／ｍと変化させたときにパワーメータ３５で検出した透過スペクトルを示す。図９（ａ）によれば、印加電界を変化させることによって透過スペクトルが波長方向に移動している様子が読み取れる。

図９（ｂ）には印加電界を０ｋＶ／ｍ、９０ｋＶ／ｍ、１００ｋＶ／ｍと変化させたときにロックインアンプ３９によって検出した結果を示す。図９（ｂ）によれば、電界０ｋＶ／ｍの時には、ロックインアンプに入力される参考周波数がないためピークが得られていないが、電界９０ｋＶ／ｍおよび１００ｋＶ／ｍの時には電界に応じて、ピークが立つ波長が変化している様子が読み取れる。

このように図９（ａ）、（ｂ）から、同じ波長の光を用いれば、印加電界強度の変化に応じて出力光の強度が変化していることが分かった。このことから、ＩｎＰ基板のポッケルス効果を利用することで、電界強度を測定できることが示された。

またポッケルス効果により、アーム導波路２５とアーム導波路２６の屈折率は正負の符号が逆の方向に変化することから、［０＊１］方向に伝搬する光と［０＊＊］方向に伝搬する光の位相変化量も＋Δφ、−Δφと符号が逆になり、伝搬光Ａと伝搬光Ｂの位相差は２Δφとなる。

よって同じ伝搬距離Ｌであっても、異なる方向にアーム長を持つマッハツェンダー干渉計を用いることで、光の伝搬距離が同じであっても、電界による位相差を２倍の感度で観測することができる。

（電界強度の測定）
次に、本実施形態の電界強度測定器を用いた電界強度の測定動作について説明する。図２に示す電界強度測定器の電界検出素子２を測定対象の電界Ｅの電界雰囲気中に配置する。

光源１からのＴＥ光がＰＭＦ４を介して図３に示す電界検出素子２に入力される。電界検出素子２に入力されたＴＥ光は光カプラー２３でアーム導波路２５を伝搬する伝搬光Ａおよびアーム導波路２６を伝搬する伝搬光Ｂに２分岐される。

アーム導波路２５を伝搬する伝搬光Ａは、アーム導波路２５を伝搬する間に、印加電界Ｅに応じて、位相差Δφ_A＝２×（π／λ）×Δｎ×（Ｌ_A1＋Ｌ_A2）＝（（２π）／λ）×（（＋１／２）×ｎ³×ｒ×Ｅ）×（Ｌ_A1＋Ｌ_A2）が与えられる。

また、アーム導波路２６を伝搬する伝搬光Ｂは、アーム導波路２６を伝搬する間に、印加電界Ｅに応じて、位相差Δφ_B＝２×（π／λ）×Δｎ×（Ｌ_B1＋Ｌ_B2）＝（（２π）／λ）×（（−１／２）×ｎ³×ｒ×Ｅ）×（Ｌ_B1＋Ｌ_B2）が与えられる。ｎは電界が印加されていないときの電界検出素子２の屈折率であり、ｒはポッケルス定数であり、λはＴＥ光（伝搬光Ａ、伝搬光Ｂ）の波長である。

アーム導波路２５、２６を伝搬した伝搬光Ａと伝搬光Ｂは、光カプラー２４で再び合波される。アーム導波路２５、２６を伝搬した伝搬光Ａと伝搬光Ｂとは、位相差Δφ＝Δφ_A−Δφ_B＝（（２π）／λ）×（ｎ³×ｒ×Ｅ）×Ｌ（式５）で干渉し、電界検出素子２から出力される。かかる位相差Δφは、上記（式５）で示すように、電界検出素子２に印加される電界強度Ｅを変数として表される。

光強度検出器３により、電界検出素子２から出力される光は、Δφの位相差をもつ２つの伝搬光Ａ、Ｂによる干渉光の強度変化として検出される。一般的に光強度は（式４）で表すことができるので、出力光の強度Ｉを観測することで、印加電界によって変化した位相変化量Δφを求めることができ、この得られた位相変化量Δφから電界強度を測定することができる。
Ｉ＝αｓｉｎ²（φ＋Δφ）（α：係数）・・・(式４)

光強度検出器３では、検出された光強度Ｉおよび検出に使用したＴＥ光の振幅αを用いて、上記（式４）からΔφを算出する。
また、上記（式５）より、Ｅ＝（Δφ×λ）／（２π×ｎ³×ｒ×Ｌ）（式６）であるから、算出したΔφと、ＴＥ光の波長λ、導波路の長さＬ_A1＋Ｌ_A2＝ＬまたはＬ_B1＋Ｌ_B2＝Ｌ、電界検出素子２の初期の屈折率ｎとを（式６）に代入することによって検出対象の電界Ｅの電界強度が得られる。

以上説明したように、平面型光導波路によるマッハツェンダー干渉計を用いた電界強度測定器によれば、測定環境温度の変動の影響を解決し、さらに光導波路を用いることで素子サイズを小さくしつつ電界測定の高感度化を実現することができる。

［第２の実施形態］
第１の実施形態では平面光導波路によるマッハツェンダー干渉計構造を有する電界検出素子により、温度に対して安定に電界強度を測定することができた。第２の実施形態では、第１の実施形態の光導波路のアーム導波路長Ｌを長くすることで電界強度の測定感度を高めることを実現した。その他の構成については第１の実施形態と同様であり、その説明を省略する。

図１０に第２の実施形態の電界検出素子の構造を示す。第１の実施形態と同様にマッハツェンダー干渉計構造であり、（１００）面ＩｎＰ基板上に［０＊１］方向と［０＊＊］方向の異なる方向に長い往復する渦巻状のアーム導波路２７およびアーム導波路２８を持つ電界検出素子を作製した。

アーム導波路２７の［０＊１］方向の導波路長とアーム導波路２８の［０＊＊］方向の導波路長、アーム導波路２７の［０＊＊］方向の導波路長とアーム導波路２８の［０＊１］方向の導波路長、アーム導波路２７とアーム導波路２８の９０度曲げ導波路部分の導波路長の和はそれぞれ等長であり、よってアーム導波路２７、アーム導波路２８の全長も等長である。またアーム導波路２７の［０＊＊］方向の光導波路は［０＊１］方向の光導波路に対して十分に短くなるように、アーム導波路２８の［０＊１］方向の光導波路も［０＊＊］方向の光導波路に対して十分に短くなるように設計されている。

具体的には図１０のように導波路を往復する渦巻状に巻くことで、アーム導波路２７では屈折率が正の方向に変化する［０＊１］方向の導波路長、アーム導波路２８では屈折率が負の方向に変化する［０＊＊］方向の導波路長を長くすることが可能である。ここで往復する渦巻状とは、中心部において折り返す往復２本の導波路を、折り返し部分を中心にしてその外周に渦巻状に形成した形状である。

第２の実施形態の電界検出素子では、このような往復する渦巻状導波路に形成することによって、微小領域内に長い導波路を収容するように配置することができる。

ここで位相変化量Δφは（式３）で示されるように、屈折率変化量Δｎと導波路長Ｌに比例する。本実施形態の電界検出素子のように導波路を往復する渦巻状に巻き、さらにこの巻き数を増やすことによって、電界による屈折率差を生み出す方向の導波路長を長くすることができ、その結果位相変化量Δφを高感度に観測することができる。

第１の実施形態と同様に９０度曲げ導波路については、アーム導波路２７とアーム導波路２８に同じ距離分、同じ回転量分含まれており、アーム導波路２７を伝搬する伝搬光Ｃとアーム導波路２８を伝搬する伝搬光Ｄの位相差としては現れない。

次に図１０に示したような往復する渦巻構造を有する電界検出素子の往復する渦巻の巻き数を変化させた素子を複数種類作製し、印加電界に対して検出される位相変化量について評価した。

測定系は第１の実施形態と同様であり、出力光の強度の波長依存性を測定した。

図１１に電界１００ｋＶ／ｍを印加した場合の位相変化量Δφと、［０＊１］方向（または［０＊＊］方向）の導波路長Ｌの依存性を示す。導波路長を長くするにつれて、得られる位相変化量Δφが増大する結果が得られた。

印加電界Ｅに対して得られる位相変化量Δφは比例する。ある電界に対して得られる位相変化量Δφが大きいということは、より微弱な電界変化についても位相変化量Δφとして観測可能であるということである。本実施形態では光導波路の往復する渦巻の巻き数を増やし、導波路長を長くすることによって電界をより高感度に測定可能としている。より微弱な電界変化も位相変化量Δφとして読み取れる。

往復する渦巻状導波路構造を用いることによって、微小領域内に導波路長の長いマッハツェンダー干渉計を作製することが可能であり、これは電界強度測定器の小型化につながる。

図３で示すようなバルクの電気光学結晶を用いた測定器では３ｍｍ角の素子内に最大でも往復６ｍｍ以下の導波路長しか得ることができないが、往復する渦巻状導波路構造の光導波路を用いることによって３ｍｍ角の素子内に６０ｍｍ程度の長さの導波路を作製することができる。この場合、従来のバルク型電界強度測定器に比べて、往復する渦巻状の導波路を用いた電界強度測定器は光の伝搬距離は１０倍であり、さらにポッケルス効果を利用することで２倍の感度が実現できることから、全体として２０倍の感度が得られると考えられる。

なおアーム導波路を、ジグザグの蛇行形状（ミアンダ形状）にすることも可能ではあるが、全体としてコンパクトにするためには、蛇行形状の両端の折り返し部の曲率を大きくしなければ導波路の損失が増すため、あまりメリットはない。

本実施形態の電界強度測定器によれば、高感度な電界強度測定器の実現ができる。また素子の小型化は、空間電界の測定分解能をあげるだけでなく、使用するＩｎＰ材料が少なくて済むので作製コスト削減になるという利点を有する。

また、この光導波路の電界検出素子は、一般的な露光技術とドライエッチングのみのシンプルなプロセスで作製することができるので、作製コストが削減でき、また大量生産も容易である。

１ 光源
２ 電界検出素子
３ 光強度検出器
４ ＰＭＦ
５ ＳＭＦ
１０ 電気光学結晶
１１ 反射構造
１２ 光源
１３ 光ファイバ
１４ サーキュレータ
１５ 光検出器
１６ ロックインアンプ
２１、２２、２５、２６、２７、２８ アーム導波路
２３、２４ ３ｄＢカプラー

Claims (5)

1. 所定の波長の光を出力する光源と、
   測定対象の電界中に設けられ、前記光源から出力された光を導波するマッハツェンダー干渉計と、
   前記マッハツェンダー干渉計を伝搬した光の強度を測定することによって、前記測定対象の電界強度を検出する検出部とを備えた電界強度検出器であって、
   前記マッハツェンダー干渉計は、電気光学結晶を用いて構成された互いに長さが等しい２本のアーム導波路を有し、該２本のアーム導波路は異なる結晶方位方向に光を導波することを特徴とする電界強度測定器。
2. 前記２本のアーム導波路は、基板上に往復する渦巻状に巻いて形成されることにより、微小領域内に長い導波路を配置することを特徴とする、請求項１に記載の電界強度測定器。
3. 前記２本のアーム導波路のうちの一方のアーム導波路は、長さＬ_A1、Ｌ_A2を持つ２つの［０＊１］方向の光導波路と、４つの９０度曲げ導波路によって構成され、他方のアーム導波路は、長さＬ_B1、Ｌ_B2を持つ２つの［０＊＊］方向の光導波路と、４つの９０度曲げ導波路によって構成されており、長さＬ_A1＋Ｌ_A2＝Ｌ_B1＋Ｌ_B2であり、前記アーム導波路の４つの９０度曲げ導波路同士は、互いに等しい長さを有することを特徴とする、請求項１または２に記載の電界強度測定器。
4. 前記検出部で検出した光強度をＩとし、前記マッハツェンダー干渉計の２本のアーム導波路の直線部分の長さＬ_A1＋Ｌ_A2＝Ｌ_B1＋Ｌ_B2＝Ｌ、前記導波する光の波長をλ、ポッケルス係数をｒ、前記電気光学結晶の電界非印加時の屈折率をｎとすると、
   前記検出部は、
   前記光強度Ｉ＝αｓｉｎ²（φ＋Δφ）によりΔφを算出し、
   さらに、ΔφをＥ＝（Δφ×λ）／（２π×ｎ³×ｒ×Ｌ）に代入して測定対象の電界強度Ｅを算出することを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の電界強度測定器。
5. 前記光源から出力される光はＴＥ光であることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の電界強度測定器。

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