JP2019090714A

JP2019090714A - 光磁界・電流計測装置

Info

Publication number: JP2019090714A
Application number: JP2017220244A
Authority: JP
Inventors: 高橋　正雄; Masao Takahashi; 正雄高橋; 平田　幸久; Yukihisa Hirata; 幸久平田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2019-06-13

Abstract

【課題】磁界または電流を高速で測定できる光磁界・電流計測装置を提供する。【解決手段】実施形態の光磁界・電流計測装置は、光源からの光を直線偏光に変換する偏光子と、前記偏光子からの直線偏光を磁界に応じて旋光し、かつ１０％以下の透過率で通過させる厚さ１μｍ以下のファラデー材料膜、を有するファラデー素子と、前記ファラデー材料膜を透過した光を前記旋光に応じた強度の光に変換する検光子と、を具備する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、光磁界・電流計測装置に関する。

計算機を始めとする電子回路の高速化から、電圧や電流の波形を高速で測定したいというニーズが高まっている。
電圧については、ポッケルス効果（電界によって光の偏光特性が変わる現象）を用いた、１０ＧＨｚと高速の電圧測定装置が開発されている。
電流についても、ファラデー効果（磁界によって光の偏光特性が変わる現象）を用いた電流の計測装置が開発されてはいる。
しかし、高速な電流波形を測定することは困難であり、電流値や導体形状にもよるが、１０ＭＨｚ程度が測定の限界である。このため、現状、電圧波形を測定して、電流波形を推測している。

特開平６−２１３９７６号公報

本発明は、磁界または電流を高速で測定できる光磁界・電流計測装置を提供することを目的とする。

実施形態の光磁界・電流計測装置は、光源からの光を直線偏光に変換する偏光子と、前記偏光子からの直線偏光を磁界に応じて旋光し、かつ１０％以下の透過率で通過させる厚さ１μｍ以下のファラデー材料膜、を有するファラデー素子と、前記ファラデー材料膜を透過した光を前記旋光に応じた強度の光に変換する検光子と、を具備する。

第１実施形態に係る光磁界・電流計測装置を表す模式図である。第２実施形態に係る光磁界・電流計測装置を表す模式図である。第２実施形態に係るファラデー素子の詳細を表す断面図である。第２実施形態の変形例に係るファラデー素子の詳細を表す断面図である。第２実施形態の変形例に係るファラデー素子の詳細を表す断面図である。第３実施形態に係るファラデー素子の詳細を表す断面図である。

本実施形態に係る測定装置について図面を参照しながら詳細に説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る光磁界・電流計測装置を表す模式図である。
光磁界・電流計測器は、磁界Ｂまたは電流Ｉを計測する装置であり、光源１１、偏光子１２、ファラデー素子１３、検光子１４、検出器１５、信号処理器１６を有する。

光源１１には、パルスレーザを用いることができる。レーザのパルス幅がフェムト秒程度の短時間であることが好ましい。後述のように、短パルスを用いることで、磁界・電流を高速で計測できる。

偏光子１２は（検光子１４も）、特定方向の直線偏光を通過する光学素子である。偏光子１２は、光源１１から出射した光を直線偏光に変換する。

ファラデー素子１３は、磁界Ｂが印加されると共に、偏光子１２から出射する直線偏光を透過する。磁界Ｂは、例えば、電流Ｉによって発生する。
このとき、ファラデー素子１３は、磁界Ｂの強度に応じて直線偏光の偏光面を回転する（旋光）。なお、ファラデー素子１３の詳細は後述する。

検光子１４は、ファラデー素子１３を通過した光を旋光の大きさに応じた強度の光に変換する。

検出器１５は、検光子１４を通過した光の強度に対応する電気信号（強度信号）を出力する。
信号処理器１６は、検出器１５から出力される電気信号に基づいて、ファラデー素子１３に印加された磁界Ｂまたはその磁界の元となった電流Ｉの大きさを演算、出力する。

以上のように、光源１１からの光は、偏光子１２で直線偏光とされ、ファラデー素子１３で旋光され、検光子１４でその強度が変化される。この光の強度は、検出器１５によって検出され、この強度に基づいて、信号処理器１６がファラデー素子１３に加わった磁界Ｂ（または磁界発生の元となった電流Ｉ）を演算し、出力する。

ファラデー素子１３の詳細
以下、ファラデー素子１３の詳細を説明する。
ファラデー素子１３は、ファラデー材料膜２１、保護膜２２を有する。
ファラデー材料膜２１は、ファラデー材料（磁気旋光性の材料）から形成される。ファラデー材料膜２１は、厚さが１μｍ以下、かつ透過率が１＊１０^−４％〜１０％と低いことが好ましい。

ファラデー材料膜２１には、強磁性金属（例えば、Ｆｅ、Ｃｏ）を用い、蒸着やスパッタなどの成膜手法によって形成できる。また、例えば、図示しない基板（ガラス基板など）に強磁性金属膜を形成してもよい。

ファラデー素子１３によるファラデー旋光角θは、次のように表される。
θ＝Ｖ・Ｂ・ｄ（１）
Ｖ：ベルデ定数
Ｂ：磁界
ｄ：ファラデー素子長（ここでは、ファラデー材料膜２１の厚さ）

従来は、ファラデー素子長ｄを大きくして、大きなファラデー旋光角θを得ていた。この場合、ファラデー素子１３を透過する光の伝播時間によって、応答速度（周波数）は制限される。例えば、素子長ｄが１００ｍｍの場合、ファラデー素子１３を光が透過するのに必要な時間ｔは、次のように表される。
ｔ＝ｎ・ｄ／Ｃ（２）
ｎ：ファラデー素子（ここでは、ファラデー材料膜２１）の屈折率
Ｃ：光速
＝１．５×０．１／（３×１０^８）＝５×１０^−１０（ｓｅｃ）
すなわち、周波数応答の限界は、精々１ＧＨｚ程度までとなる。
また、電流Ｉが小さい場合、電流Ｉが流れる導体の回りに、光ファイバを多数回巻きファラデー素子として用いていた。この場合、ファイバ長はしばしば１０ｍを超え、測定帯域は精々１０ＭＨｚ程度となる。

本実施形態では、ベルデ定数Ｖが大きい強磁性金属の薄膜をファラデー材料膜２１として用いることで、ファラデー素子長（ファラデー材料膜２１の厚さ）ｄを小さくしている。この結果、光がファラデー素子１３（ファラデー材料膜２１）を通過する時間を大幅に短縮し、応答性を高めている。
具体的には、厚さｄを１μｍとすると、次のように、１００ＴＨｚ程度の周波数応答への対応が可能となる。
ｔ＝１．５×１０^−６／（３×１０^８）＝５×１０^−１５（ｓｅｃ）

検出器１５或いは信号処理器１６の測定帯域により、周波数応答が制限されるが、光源１１として短パルスレーザを用いているので、パルスレーザのパルス幅で決まるごく短時間の磁界・電流情報を読みとれる。

ファラデー材料膜２１の透過率を小さくするのは、ファラデー素子１３での反射の影響を低減するためである。
ここでは、ファラデー素子１３はファラデー材料膜２１と保護膜２２で構成される。このため、ファラデー材料膜２１と保護膜２２の界面、および保護膜２２の表面で光が反射される。

この結果、反射することなくファラデー材料膜２１を通過する光路Ｌ０（実線）以外に、ファラデー素子１３の両面（例えば、保護膜２２の表面）で反射される光路Ｌ１が存在する。この光路Ｌ１を通った光は、光路Ｌ０を通った光に比べて、３倍の光路長を有し、ファラデー素子１３を透過する時間およびファラデー旋光角θが３倍になる。このため、光路Ｌ１を通る光は、測定帯域を狭め、かつ誤差を増大させる。

透過率を１０％以下とすることで、光の反射成分（光路Ｌ１の光）が検出器１５に到達することの無いように、減衰させている。無反射光も減衰されるが、反射光（光路Ｌ１の光）は、ファラデー材料膜２１を更に２往復し、無反射光（光路Ｌ０の光）の１％（１０％×１０％＝１／１００）以下まで減衰され、測定結果に殆ど影響しない。
透過率が１＊１０^−４％以上であれば、１００ｍＷの光源１１を用いて、検出器１５において０．１μＷと十分な感度を得ることができる。

強磁性金属（Ｆｅ、Ｃｏなど）は、バルクの状態では実質的に光を通さないが、適正な厚さｄとすることで、大きなファラデー旋光角θ、適切な透過率の両立が可能となる。
強磁性金属のファラデー回転は１０^５〜１０^６（°／ｃｍ）程度であり、１μｍ程度でも十分なファラデー旋光角を得られる。また、吸収も大きく、１μｍ以下の薄膜に置いても１０％以下の透過率を得ることが容易である。
具体的には、厚さ１９０〜８００ｎｍ（より好ましくは、３８０〜６００ｎｍ）のＦｅをファラデー材料膜２１として用いることができる。この範囲の膜厚とすることで、１０〜０．０１％（あるいは１〜０．１％）の透過率とすることができる。

保護膜２２は、ファラデー材料膜２１を覆い、外界（空気及び水分）から保護する。
ファラデー材料膜２１を構成する強磁性金属は、一般に酸化し易く、酸化が進むとその特性が変化する。そのため、強磁性金属に空気及び水分が触れないようにすることが望ましい。

保護膜２２とファラデー材料膜２１の界面でのフレネル反射が生じないことが好ましい。
屈折率ｎの媒質からｎ′の媒質に、これらの界面に垂直に光が入射したとき、反射光の強度は、入射光の強度をＩ_０としたとき、「Ｉ_０[（ｎ−ｎ′）／（ｎ＋ｎ′）]^２」となることが知られている。例えば、鉄の場合、波長１５５０ｎｍのときの屈折率は「３．６１＋ｊ５．５５」なので、１面あたり７２％の反射を生じる。例えば、保護膜２２としてＦｅ_３Ｏ_４を用いると、屈折率は「２．２７＋ｊ０．８６」であり、フレネル反射を起こす界面は増えるが、反射率は５２％まで低減される。より反射率を低減するために、屈折率の異なる複数（例えば、２種）の材料を積層して、保護膜２２としてもよい。

保護膜２２は、測定に用いる光に対して完全に透明で有る必要は無い。保護膜２２中での光の吸収も、ファラデー素子１３での光の反射の低減に寄与する。
ＦｅＯ_４などの保護膜２２は、蒸着、スパッタリングなどの成膜方法で作成できる。

保護膜２２に換えて、ファラデー材料膜２１をポッティング材で覆ってもよい。ポッティング材には光学用エポキシ等、十分な機械的強度と共に、散乱が少なく光の透過率の高い材料を用いることができる。

なお、以下の第２、第３実施形態においても、ファラデー材料膜２１、保護膜２２の材料、膜厚、作成方法は同様とすることができる。

［第２実施形態］
図２は、第２実施形態に係る光磁界・電流計測装置を表す模式図である。
光磁界・電流計測装置は、光源１１ａ、偏光子１２ａ、ファラデー素子１３ａ、検光子１４ａ、検出器１５ａ、信号処理器１６を有する。

第1の実施形態では、光が空間を伝播していたのに対して、第２実施形態では、光は光ファイバ（シングルモードファイバ）Ｆ内を伝播する。

光源１１ａは、ピグテールレーザを用いることができる。ピグテールレーザは、パルスレーザにシングルモードファイバを結合したものであり、光ファイバＦから光を出力する。

偏光子１２ａは、ファイバ型偏光子を用い、シングルモードファイバＦによって光を入出力する。
検光子１４ａは、ファイバ型検光子（例えば、偏波分離カプラ）を用い、シングルモードファイバＦによって光を入出力する。

図３は、ファラデー素子１３ａの詳細を表す断面図である。ファラデー素子１３ａは、ファラデー材料膜２１、保護膜２２、フェルール２３、キャピラリ２４を有する。

ファラデー材料膜２１、保護膜２２は、第１実施形態と同様の材料から構成され、対向する一対の光ファイバの間に保持される。ファラデー材料膜２１（および保護膜２２）は、十分薄いため、レンズ系による集光すること無く、一対の光ファイバＦ間を光結合できる。

ファラデー材料膜２１は、既述のように、蒸着やスパッタなどの成膜手法によって形成できる。ここでは、偏光子１２側の光ファイバＦの端面（およびフェルール２３の端面）にファラデー材料膜２１が形成されている。具体的には、光ファイバＦおよびフェルール２３の端面に第１の保護膜２２、ファラデー材料膜２１、第２の保護膜２２が順に形成されている。

既述のように、保護膜２２は、ファラデー材料膜２１を覆い外界（空気及び水分）から保護する。

フェルール２３は、光ファイバＦを保持する貫通孔を有する略円柱形状の部材である。キャピラリ２４はフェルール２３を保持する略円筒形状の部材である。光ファイバＦをそれぞれ通した一対のフェルール２３をキャピラリ２４で保持することで、光ファイバＦが位置合わせされる（光軸合せ）。すなわち、一対の光ファイバＦの端面が対向した状態となる。

次のように、ファラデー材料膜２１（および保護膜２２）がさらに気密状態に保持されることが好ましい。
ここでは、ファラデー材料膜２１は、保護膜２２、および後述の接着剤Ｃで二重に保護されているが、いずれか一方のみで保護してもよい。

フェルール２３には、ジルコニアセラミックや結晶化ガラス等、空気及び水分を透過しない材料を用いることが好ましい。
キャピラリ２４には、空気及び水分を透過しない材料、例えば石英やステンレスを用いることが好ましい。
次のように、部材間の空隙を空気及び水分の透過しにくい接着剤Ｃで接着する。部材間の空隙は、例えば、（１）フェルール２３とキャピラリ２４の間、（２）フェルール２３と光ファイバ（特に、クラッド石英材）Ｆ間に生じる。接着剤Ｃとしては、例えば、空気や水分の透過が少ないエポキシ接着剤を用いる。さらに、空気や水分の透過を小さくするため、半田付けも有効である。

第２実施形態は、一対の光ファイバＦの間に、ファラデー材料膜２１を配置したシンプルな構成であり、磁界の乱れがなく、かつコンパクトな光磁界・電流計測装置を実現できる。

変形例１
図４は、第２実施形態の変形例１に係る光磁界・電流計測装置のファラデー素子１３ａを表す断面図である。
第２実施形態と異なり、接着剤Ｃを用いず、ファラデー素子１３をポッティング材Ｐで覆っている。ポッティング材Ｐには、例えば、光学用エポキシを用いることができる。十分な機械的強度、低散乱、高透過率を確保できる。

基板２５上に、ファラデー材料膜２１（および保護膜２２）、光ファイバＦ、フェルール２３が配置され、ポッティング材Ｐで覆われている。すなわち、キャピラリ２４を用いず、ファラデー材料膜２１、光ファイバＦ、フェルール２３などの構成部材が位置決めされ、ポッティング材Ｐで基板２５に固定されている。
但し、キャピラリ２４を用いて、構成部材を位置決めし、キャピラリ２４も含めてポッティング材Ｐで覆ってもよい。

ここでは、ファラデー材料膜２１は、保護膜２２、およびポッティング材Ｐで二重に保護されているが、いずれか一方のみで保護してもよい。さらに、ファラデー材料膜２１を保護膜２２、接着剤Ｃ（図３）、ポッティング材Ｐで三重に保護してもよい。

変形例１も、一対の光ファイバＦの間に、ファラデー材料膜２１を配置したシンプルな構成であり、磁界の乱れがなく、かつコンパクトな光磁界・電流計測装置を実現できる。

変形例２
図５は、第２実施形態の変形例２に係る光磁界・電流計測装置のファラデー素子１３ａを表す断面図である。
図３、図４では、ファラデー材料膜２１（および保護膜２２）は、一対の光ファイバＦの一方の端面に形成されていた（ファラデー材料膜２１は一方の光ファイバＦに結合している）。これに対して、この変形例では、ファラデー材料膜２１（および保護膜２２）は、一対の光ファイバＦ間に挟まれている。
変形例２も、磁界の乱れがなく、かつコンパクトな光磁界・電流計測装置を実現できる。

［第３実施形態］
図６は、第３実施形態に係る光磁界・電流計測装置を表す模式図である。
この光磁界・電流計測装置は、光源１１、偏光子１２、ファラデー素子１３ｂ、検光子１４、検出器１５ｂ、信号処理器１６を有する。

ファラデー素子１３ｂは、ファラデー材料膜２１、保護膜２２、透光性基板２７、反射膜２８を有する。

透光性基板２７は、光源１１からの出射光を通す材料、例えば、ガラスから構成できる。
本実施形態では、透光性基板２７とファラデー材料膜２１の境界で光が反射する。このため、透光性基板２７とファラデー材料膜２１の屈折率の差が大きい方が好ましい。既述のように、ファラデー材料膜２１には、強磁性材料を用いることができる。ＦｅやＣｒ等の強磁性体は、屈折率が高い。このため、屈折率差を大きくするには、透光性基板２７に屈折率が低い材料を用いると良い。例えば、ガラスの中でも屈折率の低い珪酸ガラスや合成石英は、屈折率が１．４〜１．５程度であり、透光性基板２７に適する。

反射膜２８は、透光性基板２７での光の反射率を増加する。すなわち、透光性基板２７とファラデー材料膜２１の境界で反射された光を再度反射し、ファラデー材料膜２１に入射させる。この結果、後述のように、磁界Ｂまたは電流Ｉの連続的な変化を高速で計測できる。
反射膜２８には、例えば、ファラデー効果の小さな金属膜、アルミや銅などを用いることができる。また、反射膜２８に、誘電体多層膜を用いても良い。
但し、反射膜２８を用いず、透光性基板２７表面でのフレネル反射を用いてもよい。

検出器１５ｂは、例えば、アレー検出器であり、アレー状（または直線状）に配置される複数の光学検出素子（画素）を有する。複数の光学検出素子を配置することで、磁界Ｂまたは電流Ｉの連続的な変化を高速で計測できる。

第１実施形態では、光源１１からのレーザのパルス幅に応じた短い時間幅での（高速な）計測は可能であるが、パルスとパルスの間の間隔が比較的大きいため、連続的な変化を高速で計測するのは困難である。
第３実施形態は、次のようにして、連続的な変化を高速で計測することが容易となる。

第１実施形態と同様、光源１１からフェムト秒程度の短パルスのレーザ光が出射され、偏光子１２によって直線偏光とされ、ファラデー素子１３ｂに入射する。
この測定光は透光性基板２７を透過し、ファラデー材料膜２１で旋光され、検光子１４で強度が変化した後、検出器１５ｂの１画素に入射して電気信号に変換される（経路Ｌ（０））。

ここで、ファラデー素子１３ｂに入射した光の一部は、透光性基板２７とファラデー材料膜２１の境界で反射する。この反射光は、更に透光性基板２７の反対側の面（反射膜２８側の面）で反射され、ファラデー材料膜２１に入射する。この光は、経路Ｌ（０）の光と比べて、透光性基板２７を往復する時間分遅延して、ファラデー材料膜２１に入射する。
この測定光は透光性基板２７を透過し、ファラデー材料膜２１で旋光され、検光子１４で強度が変化した後、検出器１５ｂの別の画素に入射して電気信号に変換される（経路Ｌ（１））。

経路Ｌ（１）の光の一部は、透光性基板２７とファラデー材料膜２１の境界で反射してから、検出器１５ｂのさらに別の画素に入射して電気信号に変換される（経路Ｌ（２））。
同様に、経路Ｌ（２）の光の一部が、経路Ｌ（３）の光として検出器１５ｂに入射する。

（時間Δｔにつき、訂正・追記願います）
以上のようにして、単一の光パルスが、一定（透光性基板２７を往復する時間Δｔ）間隔の複数のパルスに分解され、順次にファラデー材料膜２１を透過して、検出器１５ｂの異なる画素に入射する。
すなわち、ファラデー材料膜２１を光が透過したときの時間は、検出器１５ｂ上での位置として読み取ることができる。この結果、透光性基板２７を往復する時間Δｔに対応する高速での連続的な計測が可能となる。

この時間Δｔは、次のように表される。
Δｔ＝２・ｎ・Ｄ・ｃｏｓΦ／Ｃ
ｎ：透光性基板２７の屈折率
Ｄ：透光性基板２７の厚さ
Φ：透光性基板２７の傾き
Ｃ：光速

例えば、透光性基板２７の厚さＤが０．１ｍｍの場合、次のように、約１ＴＨｚでの繰り返し検出が可能である。
Δｔ〜２×１．５×１０^−４／（３×１０^８）＝１×１０^−１２（ｓｅｃ）

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１光源
１２偏光子
１３ファラデー素子
１４検光子
１５検出器
１６信号処理器
２１ファラデー材料膜
２２保護膜
２３フェルール
２４キャピラリ
２５基板
２７透光性基板
２８反射膜

Claims

光源からの光を直線偏光に変換する偏光子と、
前記偏光子からの直線偏光を磁界に応じて旋光し、かつ１０％以下の透過率で通過させる厚さ１μｍ以下のファラデー材料膜、を有するファラデー素子と、
前記ファラデー材料膜を透過した光を前記旋光に応じた強度の光に変換する検光子と、
を具備する光磁界・電流計測装置。
対向する端面を有する一対の光ファイバをさらに具備し、
前記ファラデー材料膜が前記対向する端面間に配置される
請求項１に記載の光磁界・電流計測装置。
前記対向する端面のいずれかに前記ファラデー材料膜が接合している
請求項２に記載の光磁界・電流計測装置。
前記ファラデー素子が、前記ファラデー材料膜を覆う保護膜をさらに有する
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光磁界・電流計測装置。
前記保護膜が、Ｆｅ_３Ｏ_４を有する
請求項４に記載の光磁界・電流計測装置。
第1の主面と、前記ファラデー材料膜が形成された第２の主面と、を有する透光性基板と、
前記透光性基板の第２の主面に形成された反射膜と、
前記検光子を通過した測定光を検出する複数の検出素子を有する検出器と、
をさらに具備する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光磁界・電流計測装置。
前記ファラデー材料膜は、強磁性金属から構成される
請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光磁界・電流計測装置。