JP2021196203A

JP2021196203A - 光電界センサヘッド

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Publication number: JP2021196203A
Application number: JP2020101056A
Authority: JP
Inventors: 博司村田; Hiroshi Murata; 悟黒川; Satoru Kurokawa; 良和鳥羽; Yoshikazu Toba; 正博佐藤; Masahiro Sato
Original assignee: Seikoh Giken Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Mie University NUC
Current assignee: Seikoh Giken Co Ltd; National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Mie University NUC
Priority date: 2020-06-10
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2021-12-27
Anticipated expiration: 2040-06-10
Also published as: JP7398672B2

Abstract

【課題】電磁波の伝搬方向を分離して測定することが可能な光電界センサヘッドを提供する。【解決手段】光変調器１と、光変調器１に接続された入出力光ファイバ２と、パッケージ３とを備え、光変調器１は、Ｘカットのニオブ酸リチウム結晶から作られた基板４の上面側に形成された分岐干渉型光導波路５と変調電極６と変調電極６に接続されたアンテナ７とを備えた反射型のマッハツェンダ型光変調器である。入射光を入射側と対向する端面に設けた光反射部８で反射して折り返す構成であり、入力光ファイバと出力光ファイバは１本の入出力光ファイバ２で構成されている。光変調器１の基板４の裏面側から到達する電磁波を吸収するため、パッケージ３の下側に電波吸収体１３を貼り付けている。【選択図】図１

Description

本発明は、その場の電磁波などの電界を検出するため、光変調器を用いてその場の電磁波を光信号に変換して出力する光電界センサヘッドに関する。

ＥＭＣ分野における電磁波ノイズの検出やイミュニティ試験等における電磁波強度の測定、放送用又は通信用の送信アンテナから放出される電磁波の監視等において、電磁波の電界強度や位相を任意の場所で正確に測定することが必要とされる。従来、このような目的で、光ファイバにより入力された入力光の強度をその場の電界強度に応じて変調して光ファイバにより出力する光電界センサヘッドと、その出力光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器とを用い、そのＯ／Ｅ変換された電気信号により、その場の電界を測定する光電界センサが使用されている。主として誘電体材料で構成され、電波周波数での応答が可能な広帯域特性を有する光電界センサヘッドを測定箇所に設置し、それと光源およびＯ／Ｅ変換器などの測定機器との間を光ファイバで接続することにより、測定する電磁波や電磁ノイズ、落雷などによる誘導の影響を受けないで、電磁波の強度や位相特性を正確に測定することができるという特徴がある。

通常、光電界センサヘッドは、電気光学効果を有する材料から作られた基板、例えばニオブ酸リチウム結晶基板上に、光導波路と、その光導波路近傍に設置された変調電極とにより構成した光変調器と、アンテナとを備え、電磁波等の電界によりアンテナに誘起された電圧を変調電極に印加して光変調器を通過する光波の強度を変調することを動作原理としている。この場合、アンテナは基板上に一体として形成されるか、又は基板の外部に設置される。

このような光電界センサヘッドの従来例としては、高周波数化に対応した光電界センサが特許文献１に、３軸方向の電界検出を可能にした光電界センサヘッドが特許文献２に記載されている。また、光電界センサを用いた電磁波の測定システムの例が特許文献３及び４に記載されている。

特開平１１−３５２１６５号公報特開２００７−７８６３３号公報特開２０１４−２００５号公報特開２０１７−９４４５号公報

従来の光電界センサヘッドは、光電界センサヘッドを構成する光導波路型の光変調器とその変調電極に接続されるアンテナを、フォトリソグラフィー等の技術により基板の片側の表面に形成し、光導波路の入出射端に光ファイバを接続した後、光変調器を保護するため、基板と光ファイバの接続部を電磁波を透過するパッケージ内に収納して構成されている。しかし、従来の光電界センサヘッドを用いて電磁波を測定する場合、光変調器の基板として通常用いるニオブ酸リチウム結晶基板等は電磁波を透過するため、表面側からアンテナに到達する電磁波と裏面側からアンテナに到達する電磁波を分離して測定したい場合に対応できなかった。すなわち、電磁波の伝搬方向を分離して測定することができなかった。

本発明の目的は、上記の課題を解決し、電磁波の伝搬方向を分離して測定することが可能な光電界センサヘッドを提供することにある。

上記課題を解決するため、第１の観点では、本発明による光電界センサヘッドは、電気光学効果を有する材料からなる基板上に形成された光変調器と、前記光変調器に接続された入力光ファイバ及び出力光ファイバと、前記基板と前記入力光ファイバ及び前記出力光ファイバの一部を収納したパッケージと、を有し、前記光変調器は、光導波路と該光導波路に電界を印加するために設けた変調電極と、該変調電極に接続され前記基板上に配置されたアンテナと、を有し、前記アンテナに誘起される電圧信号により前記光導波路に入力された光波を変調し変調光として出力するように構成され、前記基板の裏面側又は表面側のいずれか一方に、前記裏面側又は前記表面側より入射する電波を吸収する電波吸収体を配置したことを特徴とする。

上記のように、本発明における光電界センサヘッドでは、基板の裏面側又は表面側のいずれか一方に、その方向から入射する電波を吸収する電波吸収体を配置したことにより、裏面側又は表面側からアンテナに到達する電磁波を遮断し、基板の表面、裏面のいずれか一方の側から到達する電磁波に対してのみ有効な検出感度を持たせるものである。これにより電磁波の伝搬方向を分離して測定することが可能となる。なお、ここで基板の表面側とは、光導波路や変調電極が形成される表面である。光電界センサヘッドの基板として通常用いられる誘電体基板は電磁波を透過するので、アンテナや変調電極以外の例えば接地電極等の電波を遮断する金属体等が形成されていない面を電磁波の検出面とし、その裏側の面に電波吸収体を設置すればよい。また、電波吸収体は、パッケージの内部に収納するか、又はパッケージの外側に貼り付けてもよい。又はパッケージの一部を電波吸収体を用いて構成してもよい。

第２の観点では、本発明による光電界センサヘッドは、電気光学効果を有する材料からなる１つの基板上に形成された２つの光変調器と、前記２つの光変調器にそれぞれ接続された入力光ファイバ及び出力光ファイバと、前記基板と前記入力光ファイバ及び前記出力光ファイバの一部を収納したパッケージと、を有し、前記２つの光変調器は、それぞれ、光導波路と、該光導波路に電界を印加するために設けた変調電極と、該変調電極に接続され前記基板上に配置されたアンテナと、を有し、前記アンテナに誘起される電圧信号により前記光導波路に入力された光波を変調し変調光として出力するように構成され、前記２つのアンテナは、互いにほぼ直交する方向の電界成分に対して最大感度を有するアンテナであって、前記基板の裏面側又は表面側のいずれか一方に、前記裏面側又は前記表面側より入射する電波を吸収する電波吸収体を配置したことを特徴とする。

本観点の発明における光電界センサヘッドは、２組の光変調器とアンテナを有し、それぞれの光変調器とアンテナの組が互いにほぼ直交する方向の電界成分を検出できるように配置することにより、電磁波の２つの直交する偏波成分を同時に分離して測定できるように構成したものである。さらに、基板の裏面側又は表面側のいずれか一方に、裏面側又は表面側より入射する電波を吸収する電波吸収体を配置したことにより、裏面側又は表面側からアンテナに到達する電磁波を遮断し、基板の表面、裏面のいずれか一方の側から到達する電磁波に対して有効な検出感度を持たせるものである。これにより電磁波の伝搬方向を分離して測定することが可能となる。以上により、本観点の発明の光電界センサヘッドは、電磁波の伝搬方向及び偏波成分を各時点において同時に分離して測定可能となる。

第３の観点では、本発明は、前記第１又は第２の観点の光電界センサヘッドにおいて、前記電波吸収体は、前記パッケージ内に収納されていることを特徴とする。本観点の発明では、電波吸収体は基板とともにパッケージ内に収納される。例えば、基板の裏面への貼り付け、パッケージの基板裏面側又は表面側の内面への貼り付け、基板とパッケージ間への挿入固定、等の手段が可能である。パッケージ内に電波吸収体を収納することにより、電波吸収体の環境条件による性能劣化に対する保護、破損の防止等の効果が期待できる。

第４の観点では、本発明は、前記第３の観点の光電界センサヘッドにおいて、前記電波吸収体は、前記基板の裏面に貼り付けられていることを特徴とする。電波吸収体を基板の裏面に直接貼り付けることにより、基板上に設置されたアンテナと電波吸収体の間隔を最も狭めることができ、裏面側から侵入する電波に対する遮断を最も確実に行うことができる。

第５の観点では、本発明は、前記第１又は第２の観点の光電界センサヘッドにおいて、前記電波吸収体は、前記パッケージの外側に貼り付けられていることを特徴とする。本観点の発明では、光変調器と入力及び出力光ファイバをパッケージに収納した後の最後の工程として電波吸収体を設置することができるので、光変調器や光ファイバが強固に保護された取り扱いの容易な状態で電波吸収体の設置工程が行えるという利点がある。

第６の観点では、本発明は、前記第１乃至第５のいずれかの観点の光電界センサヘッドにおいて、前記光変調器は、前記光導波路に入力された光波の位相を変調し位相変調光として出力するように構成したことを特徴とする。本観点の発明における光電界センサヘッドは、その場の電界によって、入力した光波を強度変調するのではなく、位相を変調して位相変調光として出力する。その後、光源及びＯ／Ｅ変換器等を備える端末システムにおいて、出力光ファイバから戻ってきた位相変調光を変換手段により強度変調光に変換し、Ｏ／Ｅ変換器により電気信号に変換するものである。

このように、入力した光波を位相変調する場合は、電気光学効果を有する材料からなる基板、例えばニオブ酸リチウム結晶基板上に、単なる直線状の光導波路を形成し、その光導波路に電界を印加するための変調電極を光導波路上、又は光導波路を挟んで設けることにより容易に実現できる。この場合は、従来の強度変調器であるマッハツェンダ型光変調器のようなバイアス点はないので、光導波路形成においては特別な制御は必要なく、伝搬している光波に位相シフトを与えるだけであるので温度等の周囲環境による変動はほとんど生じない。このため、光電界センサヘッドの製造コストを大幅に低減可能である。一方、本観点の発明においては、端末システムにおいて、光電界センサヘッドの出力光ファイバからの位相変調光を強度変調光に変換するための変換手段が必要となる。この変換手段は、位相変調光をそれと同じ波長成分を有する光波と干渉させる手段を構成すること等により実現できる。

第７の観点では、本発明は、前記第１乃至第５のいずれかの観点の光電界センサヘッドにおいて、前記光変調器は、分岐干渉型の光導波路を用いた分岐干渉型光変調器であって、前記光導波路に入力された光波の強度を変調し強度変調光として出力するように構成したことを特徴とする。本観点の発明は、光変調器として、従来から最も一般的に用いられている分岐干渉型光変調器を用いるものである。分岐干渉型光変調器の基本構成は、光の入射側から延びる入力光導波路と、入力光導波路から二股に分岐して延びる２本の位相シフト導波路と、その２本の位相シフト光導波路が合流して光の出射側につながる出力光導波路と、位相シフト導波路に並行に配置された変調電極により構成される。電圧信号を変調電極を介して位相シフト導波路に印加し、位相シフト光導波路の屈折率を変化させ、その２つの位相シフト光導波路を通過した光が合流して干渉し、光強度が変調される。小型、高効率、広帯域の光変調器が得られ、端末システムにおいて、位相変調器のような変換手段が不要であり、Ｏ／Ｅ変換器により目的とする電気信号が得られる。

第８の観点では、本発明は、前記第６又は第７の観点の光電界センサヘッドにおいて、前記光変調器は、入射光を内部で反射して折り返す反射型光変調器であって、前記入力光ファイバと出力光ファイバは１本の入出力光ファイバで構成されていることを特徴とする。本観点の発明の反射型光変調器は、入射光を変調電極を通過した後の出力側の光導波路部分において反射させて入射側の光導波路に戻す構成を用いる。このような反射型の光変調器の構成を用いることにより、透過型の光変調器に比べて同じ電極長に対して２倍の長さ光が透過するので、光変調器の高効率化、広帯域化が可能となり、かつ小型化が可能となる。さらに、光変調器に接続される光ファイバが１本であるので取り扱いが容易となる。

第９の観点では、本発明は、前記第２の観点の光電界センサヘッドにおいて、前記２つの光変調器は第１及び第２の光変調器から構成され、前記第１の光変調器は第１の光導波路と、該第１の光導波路に電界を印加するための第１及び第２の変調電極とを有し、前記第２の光変調器は第２の光導波路と、該第２の光導波路に電界を印加するための第３及び第４の変調電極とを有し、前記第１の光導波路と前記第２の光導波路は互いに交差し、前記基板上に長方形の４つの頂点付近にそれぞれ右回りに順に配置された第１、第２、第３及び第４のパッチアンテナを有し、前記第１の光導波路は前記第１及び第２のパッチアンテナ間と前記第３及び第４のパッチアンテナ間を通過し、前記第２の光導波路は前記第１及び第４のパッチアンテナ間と前記第２及び第３のパッチアンテナ間を通過するように配置され、前記第１の変調電極は前記第１及び第２のパッチアンテナに接続され、前記第２の変調電極は前記第４及び第３のパッチアンテナに接続され、前記第３の変調電極は前記第１及び第４のパッチアンテナに接続され、前記第４の変調電極は前記第２及び第３のパッチアンテナに接続され、前記第１、第２のパッチアンテナ間に誘起される電圧信号と前記第３、第４のパッチアンテナ間に誘起される電圧信号により前記第１の光導波路を伝搬する光波が位相変調され、前記第１、第４のパッチアンテナ間に誘起される電圧信号と前記第２、第３のパッチアンテナ間に誘起される電圧信号により前記第２の光導波路を伝搬する光波が位相変調されるように構成したことを特徴とする。

上記のように、本観点の発明においては、長方形の４つの頂点付近にそれぞれ右回りに順に配置された第１、第２、第３及び第４のパッチアンテナが測定する電磁波の電界を受信する。先ず、第１及び第２のパッチアンテナ間に誘起される電圧が第１の変調電極に印加され、第４及び第３のパッチアンテナ間に誘起される電圧が第２の変調電極に印加される。第１及び第２の変調電極により第１の光導波路を伝搬する光波が変調される。第１及び第２のパッチアンテナ間を結ぶ向きと第３及び第４のパッチアンテナ間を結ぶ向きは同じであり、これをＹ方向とすると、検出する電磁波のＹ方向の電界成分により第１の光導波路を伝搬する光波の位相が変調されることになる。
同様に、第１及び第４のパッチアンテナ間に誘起される電圧が第３の変調電極に印加され、第２及び第３のパッチアンテナ間に誘起される電圧が第４の変調電極に印加される。第３及び第４の変調電極により第２の光導波路を伝搬する光波が変調される。第１及び第４のパッチアンテナ間を結ぶ向きと第２及び第３のパッチアンテナ間を結ぶ向きは共にＹ方向に直交する向きであり、これをＸ方向とすると、上記の電磁波のＸ方向の電界成分により第２の光導波路を伝搬する光波の位相が変調されることになる。

この結果、第１及び第２の光導波路を出力したそれぞれの光波の位相変化を検出すれば、Ｘ方向、及びＹ方向の電界成分を分離して測定することができる。ここで、位相変調された光波の位相変化量は、参照光と干渉させた後、Ｏ／Ｅ変換器により電気信号に変換することにより、又は、光スペクトラムアナライザにより変調光成分のサイドバンドの大きさを測定すること等により得ることができる。

また、本観点の発明に用いる電気光学効果を有する基板の代表的なものは、ニオブ酸リチウム結晶基板であり、この場合、Ｚ板のみでなくＸ板も用いることができる。いずれの基板においても、Ｚ軸方向に電界が印加されるように変調電極を構成する。

本観点の発明においては、第１の光導波路を伝搬する光波に対して、第１及び第２の２つの変調電極により変調電圧が印加され、第２の光導波路を伝搬する光波に対して、第３及び第４の２つの変調電極により変調電圧が印加される。一般的に、光導波路を伝搬する光波の変調効率は、変調電圧が印加される部分の長さに依存して増加する。一方、周波数が高い場合、周波数が増加するほど、電極容量の影響が大きくなることや、電極長を光信号が伝搬する時間より電圧信号の位相変化が速いと変調度が低下することから、有効な変調を行うためには１つの変調電極の長さを短くする必要がある。本観点の発明では、変調電極は２箇所あるので、従来の１つの変調電極で変調する場合に比べて、高効率化が可能となり、電界検出の高感度化が可能となる。このように、本観点の発明においては、４つのパッチアンテナの配置により、Ｘ方向、Ｙ方向のそれぞれ２つの変調電極に電圧を誘起でき、効率的な変調を行うことができる。また、１つの基板上で構成できるので小型化が可能である。

上記のように、本発明により、電磁波の伝搬方向を分離して測定することが可能な光電界センサヘッドが得られる。

本発明の実施例１の光電界センサヘッドの構成を模式的に示す図であり、図１（ａ）は透過型の側面図、図１（ｂ）は透過型の平面図。実施例１に用いる光変調器の詳細な構成を模式的に示す図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図。実施例１の光電界センサヘッドを用いた測定システムのブロック構成図の一例。実施例２の光電界センサヘッドの構成例を示す図であり、図４（ａ）は光変調器の構成を拡大して示す模式的な上面図、図４（ｂ）は光電界センサヘッドの透過型の側面図。実施例２の光電界センサヘッドを用いた測定システムのブロック構成図の一例。実施例３の光電界センサヘッドに用いる光変調器の構成を拡大して示す模式的な上面図。実施例３の光電界センサヘッドの透過型の側面図。実施例３の光電界センサヘッドを用いた測定システムの模式的な構成図。実施例３の光電界センサヘッドの試作器の測定結果の一例を示す図。

以下、図面を参照して本発明の光電界センサヘッドを実施例により詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、その重複した説明を省略する。

図１は本発明の実施例１に係る光電界センサヘッドの構成を模式的に示す図であり、図１（ａ）は透過型の側面図、図１（ｂ）は透過型の平面図である。図１において、本実施例の光電界センサヘッド１０は、光変調器１と、光変調器１に接続された入出力光ファイバ２と、絶縁体材料で構成され、光変調器１と入出力光ファイバ２の一部を収納したパッケージ３とを備えている。光変調器１は、電気光学効果を有する結晶基板であるＸカットのニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）結晶から作られた基板４の上面側に形成された分岐干渉型光導波路５と変調電極６と変調電極６に接続されたアンテナ７とを備えた反射型のマッハツェンダ型光変調器である。入射光を入射側と対向する端面に設けた光反射部８で反射して折り返す構成であり、入力光ファイバと出力光ファイバは１本の入出力光ファイバ２で構成されている。入出力光ファイバ２の先端は、光変調器１の入出射端面と端面同士を接着固定するため、フェルール９内に挿入され固定されている。光変調器１及び入出力光ファイバ２の一部は、絶縁体材料で構成された直方体状のパッケージ３の中に収納されている。光変調器１はパッケージ３に固定された台座１１に固定され、入出力光ファイバ２はゴム状の固定部品１２によりパッケージ３に固定されている。また、本実施例においては、光変調器１の基板４の裏面側から到達する電磁波を吸収するため、パッケージ３の下側に電波吸収体１３を貼り付けている。

図２は、本実施例に用いる光変調器１の詳細な構成を模式的に示す図であり、図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２において、光変調器１は、基板４の上面側にＴｉ拡散によって作られた分岐干渉型光導波路５と、変調電極６及びアンテナ７と、基板４の一方の端部に設置された光反射部８とを備えている。分岐干渉型光導波路５は、入力光の入射側に延びる１本の入出力光導波路５ａと、入出力光導波路５ａから二股に分岐して延びる２本の位相シフト光導波路５ｂ，５ｃとを備えている。

基板４の一方の端部に入出力光導波路５ａの光入出射端が形成され、他方の端部に光反射部８が設置されている。入出力光導波路５ａの光入出射端には光ファイバ２の入出射端面が結合している。光反射部８は、入出力光導波路５ａから入射して位相シフト光導波路５ｂ，５ｃを伝搬した光を反射し、位相シフト光導波路５ｂ，５ｃから入出力光導波路５ａへ戻して伝搬させる。

変調電極６は位相シフト光導波路５ｂと５ｃの間に配置された帯状の駆動電極部６ａと、位相シフト光導波路５ｂ，５ｃを挟んで駆動電極部６ａの両側にそれぞれ配置された駆動電極部６ｂ及び駆動電極部６ｃとから構成されている。ダイポールアンテナと類似の検出アンテナとして機能するアンテナ７は、アンテナ部７ａと７ｂとから構成され、その場の電界によりアンテナ部７ａと７ｂとの間で電圧信号を誘起する。駆動電極部６ａはアンテナ部７ａに接続され、駆動電極部６ｂ及び６ｃはアンテナ部７ｂに接続されている

分岐干渉型光導波路５と変調電極６及びアンテナ７の間には、分岐干渉型光導波路５を伝搬する光波の一部が変調電極６やアンテナ７に吸収されるのを防ぐため、バッファ層１４が設置されている。バッファ層１４は、主として二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜等から作られ、その厚さは０．１〜１．０μｍ程度である。変調電極６及びアンテナ７は、スパッタリング等によって成膜されたクロム（Ｃｒ）と金（Ａｕ）の２層膜である。分岐干渉型光導波路５の光導波路幅Ｗは５〜１２μｍ程度、分岐干渉型光導波路５の長さは１０〜４０ｍｍ程度である。駆動電極部６ａ、６ｂ及び６ｃの幅は５〜２０μｍ程度、その長さは５〜３０ｍｍ程度である。駆動電極部６ａと駆動電極部６ｂ、６ｃとの間隔は１０〜５０μｍ程度である。アンテナ部７ａ及び７ｂの大きさは３〜１５ｍｍ程度が可能であり、その形状は矩形である必要はなく、電界により変調電極６に電圧を誘起できればよい。光反射部８は、例えば、金属ミラー等を位相シフト光導波路５ｂ，５ｃの端面に固定すること等により実現できる。なお、変調電極としては、長手方向に分割され互いに容量結合した複数の電極からなるいわゆる分割電極を用いてもよい。

アンテナ７が電波を受けたことにより誘起された電圧が駆動電極部６ａと６ｂとの間、及び駆動電極部６ａと６ｃとの間に互いに逆向きに印加されることにより、位相シフト光導波路５ｂと５ｃには互いに逆向きの屈折率変化が生ずる。この結果、位相シフト光導波路５ｂと５ｃを通過する光に互いに逆極性の位相シフトが生ずることにより、それらの光が合流するときに互いに干渉して強度変化が生ずる。これによりアンテナ７で受けた電波の電界強度変化に対応した光強度変化を有する変調光が得られる。本実施例においては、図２のように、位相シフト光導波路５ｂ，５ｃを伝搬する光波を光反射部８で反射して戻すことにより、光波が変調電極６を２回通過するので、高効率化が可能となり、かつ小型化が可能となる。なお、分岐干渉型光導波路５を伝搬する光波はＴＥモードとなるように設定されている。

次に、本実施例の光電界センサヘッド１０を用いた測定システムについて説明する。
図３は実施例１に係る光電界センサヘッドを用いた測定システムのブロック構成図の一例である。図３に示すように、光電界センサヘッド１０には、光送受信部２１より入出力光ファイバ２を通して入射光１７が送られ、光変調器１より出力される光強度変調光１８が同じ入出力光ファイバ２より光送受信部２１に入力される。光送受信部２１は、半導体レーザ等の光源２２、Ｏ／Ｅ変換器２３、入射光１７と光強度変調光１８を分離するための送受分離器２４、アンプ２５を備えている。光源２２からの出射光は送受分離器２４を通して入出力光ファイバ２に結合し、入出力光ファイバ２から戻る光強度変調光１８は送受分離器２４を通してＯ／Ｅ変換器２３に入力する。Ｏ／Ｅ変換器２３において光強度変調光１８は電気信号に変換され、アンプ２５により増幅されて出力端子２６に出力される。その電気信号はオシロスコープ等の測定器２７の入力端子２８に入力される。測定器２７によりその電圧波形を観測等することによりアンテナ７により受信される電磁波の電界信号波形を把握することができる。なお、送受分離器２４は、光サーキュレータ、光ファイバ分岐、半透過ミラーのいずれかを用いて構成することができる。

なお、分岐干渉型光導波路５にＴＥモードの伝搬光を供給する方法としては、入出力光ファイバ２として偏光保存光ファイバを用いる方法や、光源２２からの出射光を互いに直交する２つの偏波を合成した光波とし、分岐干渉型光導波路５をＴＥモードのみ伝搬可能な光導波路とする方法等がある。

本実施例においては、光電界センサヘッド１０の下側から到達する電磁波１５は電波吸収体１３により遮断されアンテナ７では検出されないので、光電界センサヘッド１０の上側から到達する電磁波１６のみを検出することができ、電磁波の伝搬方向を分離して測定することが可能となる。

なお、電波吸収体１３としては、例えば、材料内部の抵抗によって電波によって発生する電流を吸収する導電性繊維の織物等により構成される導電性電波吸収材料、誘電損失を利用し、カーボン粉等をゴム、発泡ウレタン、発泡ポリスチロール等の誘電体に混合して見かけ上の誘電損失を大きくした誘電性電波吸収材料、磁気損失によって電波を吸収する鉄、ニッケル、フェライト等を使用した磁性電波吸収材料等を用いることができる。また、材料形状としては、シート状の材料、塗布型の材料等も可能である。

図４は、本発明の実施例２の光電界センサヘッドの構成例を示す図であり、図４（ａ）は光変調器の構成を拡大して示す模式的な上面図、図４（ｂ）は光電界センサヘッドの透過型の側面図である。図４（ａ）において、本実施例の光電界センサヘッド３０の光変調器３１は、実施例１と同様にニオブ酸リチウム結晶からＸカットで切り出して作られた基板３２と、基板３２の上面側にＴｉ拡散によって作られた直線状の光導波路３３と、光導波路３３を挟んで配置された１対の帯状の駆動電極部３４ａ及び３４ｂからなる変調電極３４と、変調電極３４に接続され基板３２上に配置されたアンテナ３５と、光導波路３３を伝搬する光波を反射してその伝搬方向を反転させる光反射部３６と、を有している。その場の電界によりアンテナ３５に誘起される電圧信号により光導波路３３に入力された光波の位相を変調し位相変調光として出力するように構成されている。すなわち、電波等の電界によりアンテナ３５を構成するアンテナパッド３５ａとアンテナパッド３５ｂ間に電圧が誘起され、その電圧が駆動電極部３４ａと駆動電極部３４ｂ間に印加されることにより、その間に配置された光導波路３３の屈折率変化が生ずる。この結果、光導波路３３を通過する光波の位相が変調される。さらに、図４のように、光導波路３３を伝搬する光波を光反射部３６で反射して戻すことにより、光波が変調電極３４を２回通過するので、位相変調の高効率化が可能となり、かつ小型化が可能となる。なお、光導波路３３を伝搬する光波はＴＥモードとなるように設定されている。

光導波路３３の光入出射端には入出力光ファイバ３７が接続されている。入出力光ファイバ３７の光導波路３３との接続端部はフェルール９内に挿入され、固定されている。入出力光ファイバ３７の一部と光変調器３１は、樹脂やガラス等の絶縁体材料で構成したパッケージ３８の中に収納されている。光変調器３１はパッケージ３８に固定された台座１１に固定され、入出力光ファイバ３7はゴム状の固定部品１２によりパッケージ３８に固定されている。また、本実施例においては、光変調器３１の基板３２の表面側、すなわち上側から到達する電磁波を吸収するため、パッケージ３８の上側の内部に実施例１と同様な電波吸収体１３を貼り付けている。これにより、本実施例の光電界センサヘッド３０は、下側から到達する電磁波のみを検出することができる。

実施例１と同様に、光導波路３３と変調電極３４の間には、光導波路３３を伝搬する光波の一部が変調電極３４に吸収されるのを防ぐため、バッファ層が設置され、変調電極３４及びアンテナ３５は、スパッタリング等によって成膜されたクロム（Ｃｒ）と金（Ａｕ）の２層膜である。光導波路３３の幅は５〜１２μｍ程度、光導波路３３の長さは１０〜４０ｍｍ程度である。駆動電極部３４ａ及び３４ｂの幅は５〜２０μｍ程度、その長さは５〜３０ｍｍ程度である。駆動電極部３４ａと３４ｂの間隔は１０〜５０μｍ程度である。アンテナパッド３５ａ及び３５ｂの大きさは３〜１５ｍｍ程度が可能であり、その形状は矩形である必要はなく、電界により変調電極３４に電圧を誘起できればよい。光反射部３６は、例えば、金属ミラー等を光導波路３３の端面に固定すること等により実現できる。

図５は、本発明の実施例２の光電界センサヘッドを用いた測定システムのブロック構成図の一例である。図５において、本測定システムは、光電界センサヘッド３０と、光送受信部４１、処理装置４７により構成されている。光送受信部４１は、光電界センサヘッド３０の光変調器３１への入力光を供給する光源４２と、光電界センサヘッド３０の入出力光ファイバ３７への入力光の供給と入出力光ファイバ３７からの出力光を分離するための光サーキュレータ４８と、入出力光ファイバ３７から出力された位相変調光を強度変調光に変換する変換手段として、上記光源４２の波長において分散特性を有するシングルモード光ファイバ４３を備えている。さらに、上記の強度変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器４４と、アンプ４５を備え、アンプ４５により増幅された検出信号は光送受信部４１の出力端子４６から出力する。出力された信号は処理装置４７に送られ、光電界センサヘッド３０が配置された場の電波等の強度特性及び位相特性の解析、評価等が行われ、それらのデータの保存、表示、出力などが行われる。

本実施例において、例えば、光源４２の波長を１５５０ｎｍ、シングルモード光ファイバ４３の波長分散を約１７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍとすれば、変調周波数が３０ＧＨｚである場合、強度変調光を得るためのシングルモード光ファイバ４３の最適な長さは４ｋｍ程度である。

本実施例においては、光電界センサヘッド３０の上側から到達する電磁波１６は電波吸収体１３により遮断されアンテナ３５では検出されないので、光電界センサヘッド３０の下側から到達する電磁波１５のみを検出することができ、電磁波の伝搬方向を分離して測定することが可能となる。

図６は、本発明の実施例３の光電界センサヘッドに用いる光変調器の構成を拡大して示す模式的な上面図であり、図７は実施例３の光電界センサヘッドの透過型の側面図である。

本実施例の光電界センサヘッド４０は光変調器４９と光変調器５０とを有し、図６に示すように、電気光学効果を有する材料であるニオブ酸リチウム結晶のＺ板からなる基板５３上に構成されている。光変調器４９は、Ｔｉ拡散光導波路により形成された直線状の光導波路５１と、光導波路５１に電界を印加するために光導波路５１に沿って形成された変調電極６１と変調電極６２とを有し、光変調器５０は、光導波路５１に略９０度で交差するＴｉ拡散光導波路により形成された直線状の光導波路５２と、光導波路５２に電界を印加するために光導波路５２に沿って形成された変調電極６３と変調電極６４とを有している。また、基板５３上には、正方形の４つの頂点付近にそれぞれ右回りに順に配置された略同一形状の方形パッチアンテナであるアンテナ７１、７２、７３、７４が設置され、光導波路５１はアンテナ７１、７２間及びアンテナ７３、７４間を通過し、光導波路５２はアンテナ７１、７４間及びアンテナ７２、７３間を通過するように配置されている。

変調電極６１はアンテナ７１からの給電線８１とアンテナ７２からの給電線８２とにより給電され、変調電極６２はアンテナ７４からの給電線８３とアンテナ７３からの給電線８４によって給電される。また、変調電極６３はアンテナ７１からの給電線８５とアンテナ７４からの給電線８６によって給電され、変調電極６４はアンテナ７２からの給電線８７とアンテナ７３からの給電線８８により給電される。すなわち、アンテナ７１と７２間に誘起される電圧信号とアンテナ７４と７３間に誘起される電圧信号により光導波路５１を伝搬する光波が位相変調され、アンテナ７１と７４間に誘起される電圧信号とアンテナ７２と７３間に誘起される電圧信号により光導波路５２を伝搬する光波が位相変調されるように構成されている。また、アンテナ７１〜７４と給電線８１〜８８との接続部には、それぞれのアンテナと給電線との間のインピーダンス整合を図るため、切り込み部を設けている。

ここで、４つの変調電極、６１、６２、６３、６４は、それぞれ、光導波路５１又は光導波路５２に沿って配置され一定の間隔で互いに対向する１組の帯状の電極、すなわち駆動電極部６１ａと６１ｂ、駆動電極部６２ａと６２ｂ、駆動電極部６３ａと６３ｂ、駆動電極部６４ａと６４ｂをそれぞれ有し、それらの駆動電極部の両端が短絡されることにより共振器を構成している。すなわち、それぞれ１組の駆動電極部により定在波共振線路電極を構成している。

さらに、本実施例の光電界センサヘッド４０においては、変調電極６１及び６３で変調されて生じた光信号の位相がそれぞれ変調電極６２及び６４の部分で反転している場合、変調電極６２及び６４に印加する電圧信号の位相を反転させることにより変調を加算することができるように構成している。このため、変調電極６１においては、アンテナ７１からの給電線８１に接続された駆動電極部６１ａを光導波路５１上に配置し、変調電極６２においては、光導波路５１に対してアンテナ７１の反対側にあるアンテナ７３からの給電線８４に接続された駆動電極部６２ｂを光導波路５１上に配置している。同様に、変調電極６３においては、アンテナ７４からの給電線８６に接続された駆動電極部６３ｂを光導波路５２上に配置し、変調電極６４においては、光導波路５２に対してアンテナ７４の反対側にあるアンテナ７２からの給電線８７に接続された駆動電極部６４ａを光導波路５２上に配置している。アンテナ７１と７２間に誘起され変調電極６１に印加される電圧信号とアンテナ７４と７３間に誘起され変調電極６２に印加される電圧信号は同じであると考えられ、光導波路５１上に配置された駆動電極部６１ａはアンテナ７１に接続され、光導波路５１上に配置された駆動電極部６２ｂはアンテナ７３に接続されるので、基板５３中の光導波路５１への印加電界の方向は変調電極６１と変調電極６２とでは逆向きとなる。これにより、変調電極６２に印加する電圧信号の位相を反転させることができる。

次に、本実施例の光変調器４９及び５０の具体的な形状の一例を示す。光導波路５１及び５２の光導波路幅は５〜１５μｍ程度、深さは５〜１０μｍ程度とすることができる。検出する電磁波の周波数を２８ＧＨｚとする場合、アンテナ７１〜７４の一辺の長さａ＝１．８ｍｍ、給電線８１〜８８の幅は５０μｍ、長さＬｍ＝２．６ｍｍ、変調電極６１〜６４の長さＬｅ＝２．５ｍｍ、駆動電極部６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂ、６４ａ、６４ｂの幅は３０μｍ、各対の対向間隔は３０μｍ、アンテナと給電線とのインピーダンス整合のための切り込み部の長さｄ＝０．５９ｍｍ、等の値とすることができる。

本実施例の光電界センサヘッド４０においては、光変調器４９の光導波路５１の入射端には入力光ファイバ９３、出射端には出力光ファイバ９４が接続され、光変調器５０の光導波路５２の入射端には入力光ファイバ９５、出射端には出力光ファイバ９６がそれぞれ接続されている。入力光ファイバ９３及び９５、出力光ファイバ９４及び９６の光導波路５１及び５２との接続端部はフェルール９内に挿入され、固定されている。また、図７に示すように、入力及び出力光ファイバ９３〜９６の一部と光変調器４９及び５０が形成された基板５３は、樹脂やガラス等の絶縁体材料で構成したパッケージ９８の中に収納されている。本実施例においては、光変調器４９及び５０の基板５３の裏面側、すなわち下側から到達する電磁波を吸収するため、基板５３の裏面に電波吸収体９９を貼り付けている。これにより、本実施例の光電界センサヘッド４０は、上側から到達する電磁波のみを検出することができる。電波吸収体９９はパッケージ９８に固定され、入力及び出力光ファイバ９３〜９６はそれぞれゴム状の固定部品１２によりパッケージ９８に固定されている。

図８は実施例３に係る光電界センサヘッドを用いた測定システムの模式的な構成図である。説明のため、図８においては、光電界センサヘッド４０のパッケージは省略して示している。本測定システムは、光電界センサヘッド４０と、光源９１と、光分岐９２と、処理装置としての機能を有する光スペクトラムアナライザ９７とを備えている。光源９１からの出射光は光分岐９２により２つに分岐され、それぞれ入力光ファイバ９３及び９５を経由して光電界センサヘッド４０の光導波路５１及び光導波路５２の入射端面に結合される。光導波路５１及び光導波路５２の出射端面より出射した光波は、それぞれ出力光ファイバ９４及び９６を経由して光スペクトラムアナライザ９７に入射する。光スペクトラムアナライザ９７では、出力光ファイバ９４からの出射光を入力することにより、光電界センサヘッド４０に設けられたアンテナ７１とアンテナ７２間及びアンテナ７４とアンテナ７３間で誘起される電界信号、すなわちＹ方向の電界信号に対応する信号が得られる。同様に、出力光ファイバ９６からの出射光を入力することにより、アンテナ７１とアンテナ７４間及びアンテナ７２とアンテナ７３間で誘起される電界信号、すなわちＸ方向の電界信号に対応する信号が得られる。光スペクトラムアナライザ９７では、上記の電界信号は中心光周波数のサイドバンドとして現れるので、その大きさを測定することにより、光電界センサヘッド４０の位置に置ける電磁波のＹ方向及びＸ方向の電界の大きさを検出することができる。

光電界センサヘッド４０においては、変調電極は各々２箇所あるので、従来の１つの変調電極で変調する場合に比べて、高効率化が可能となり、電界検出の高感度化が可能となる。このように、本観点の発明においては、４つのパッチアンテナの配置により、Ｘ方向、Ｙ方向のそれぞれ２つの変調電極に電圧を誘起でき、効率的な変調を行うことができる。また、１つの基板上で構成できるので小型化が可能である。

本実施例の光電界センサヘッド４０は、電磁波の伝搬方向及び偏波成分を各時点において同時に分離して測定可能となる。電波吸収体９９としてカーボン粉等を誘電体に混合して誘電損失を大きくした誘電性電波吸収材料のシートを使用した試作器を用いた実験においては、基板の裏面側から到達する電磁波に対する感度は、電波吸収体がない場合に比べて１５ｄＢ以上減衰することが確認できた。図９は本実施例の光電界センサヘッド４０の試作器の測定結果の一例を示す図である。図９は、２６〜３２ＧＨｚの電波に対する試作器の感度特性を測定した結果を示し、基板の表面側からの入射波に対して裏面側からの入射波の感度は２０ｄＢ以上の減衰量が得られ、電磁波の伝搬方向に対する十分な分離性能が得られていることがわかる。なお、基板の表面側からの入射波に対する感度は、裏面側の電波吸収体の有無によりほとんど影響されないことも確認できた。

以上のように、本発明により、電磁波の伝搬方向を分離して測定することが可能な光電界センサヘッドを得ることができる。

本発明は上記の実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、目的に応じて様々な変形が可能である。光導波路、光変調器、アンテナ等の形状、その基板上の配置方法、アンテナと変調電極との接続方法等も目的に合わせて任意に設計可能である。例えば、変調電極の形態としては、長手方向に分割され互いに容量結合した複数の電極からなるいわゆる分割電極を用いること、進行波型電極を用いること、共振型電極を用いること、等が可能である。

１，３１，４９，５０光変調器
２，３７入出力光ファイバ
３，３８，９８パッケージ
４，３２，５３基板
５分岐干渉型光導波路
５ａ入出力光導波路
５ｂ，５ｃ位相シフト光導波路
６，３４，６１，６２，６３，６４変調電極
６ａ，６ｂ，６ｃ，３４ａ，３４ｂ，６１ａ，６２ｂ，６２ａ，６２ｂ，６３ａ，６３ｂ，６４ａ，６４ｂ駆動電極部
７，３５，７１，７２，７３，７４アンテナ
７ａ，７ｂアンテナ部
８，３６光反射部
９フェルール
１０，３０，４０光電界センサヘッド
１１台座
１２固定部品
１３，９９電波吸収体
１４バッファ層
１５，１６電磁波
１７入力光
１８光強度変調光
２１，４１光送受信部
２２，４２，９１光源
２３，４４Ｏ／Ｅ変換器
２４送受分離器
２５，４５アンプ
２６，４６出力端子
２７測定器
２８入力端子
３５ａ、３５ｂアンテナパッド
４３シングルモード光ファイバ
４７処理装置
９２光分岐
９３，９５入力光ファイバ
９４，９６出力光ファイバ
９７光スペクトラムアナライザ

Claims

電気光学効果を有する材料からなる基板上に形成された光変調器と、
前記光変調器に接続された入力光ファイバ及び出力光ファイバと、
前記基板と前記入力光ファイバ及び前記出力光ファイバの一部を収納したパッケージと、を有し、
前記光変調器は、光導波路と、該光導波路に電界を印加するために設けた変調電極と、該変調電極に接続され前記基板上に配置されたアンテナと、を有し、前記アンテナに誘起される電圧信号により前記光導波路に入力された光波を変調し変調光として出力するように構成され、
前記基板の裏面側又は表面側のいずれか一方に、前記裏面側又は前記表面側より入射する電波を吸収する電波吸収体を配置したことを特徴とする光電界センサヘッド。
電気光学効果を有する材料からなる１つの基板上に形成された２つの光変調器と、
前記２つの光変調器にそれぞれ接続された入力光ファイバ及び出力光ファイバと、
前記基板と前記入力光ファイバ及び前記出力光ファイバの一部を収納したパッケージと、を有し、
前記２つの光変調器は、それぞれ、光導波路と、該光導波路に電界を印加するために設けた変調電極と、該変調電極に接続され前記基板上に配置されたアンテナと、を有し、前記アンテナに誘起される電圧信号により前記光導波路に入力された光波を変調し変調光として出力するように構成され、
前記２つのアンテナは、互いにほぼ直交する方向の電界成分に対して最大感度を有するアンテナであって、
前記基板の裏面側又は表面側のいずれか一方に、前記裏面側又は前記表面側より入射する電波を吸収する電波吸収体を配置したことを特徴とする光電界センサヘッド。
前記電波吸収体は、前記パッケージ内に収納されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電界センサヘッド。
前記電波吸収体は、前記基板の裏面に貼り付けられていることを特徴とする請求項３に記載の光電界センサヘッド。
前記電波吸収体は、前記パッケージの外側に貼り付けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光電界センサヘッド。
前記光変調器は、前記光導波路に入力された光波の位相を変調し位相変調光として出力するように構成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光電界センサヘッド。
前記光変調器は、分岐干渉型の光導波路を用いた分岐干渉型光変調器であって、前記光導波路に入力された光波の強度を変調し強度変調光として出力するように構成したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか1項に記載の光電界センサヘッド。
前記光変調器は、入射光を内部で反射して折り返す反射型光変調器であって、前記入力光ファイバと出力光ファイバは１本の入出力光ファイバで構成されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の光電界センサヘッド。
前記２つの光変調器は第１及び第２の光変調器から構成され、
前記第１の光変調器は第１の光導波路と、該第１の光導波路に電界を印加するための第１及び第２の変調電極とを有し、
前記第２の光変調器は第２の光導波路と、該第２の光導波路に電界を印加するための第３及び第４の変調電極とを有し、
前記第１の光導波路と前記第２の光導波路は互いに交差し、
前記基板上に長方形の４つの頂点付近にそれぞれ右回りに順に配置された第１、第２、第３及び第４のパッチアンテナを有し、
前記第１の光導波路は前記第１及び第２のパッチアンテナ間と前記第３及び第４のパッチアンテナ間を通過し、前記第２の光導波路は前記第１及び第４のパッチアンテナ間と前記第２及び第３のパッチアンテナ間を通過するように配置され、
前記第１の変調電極は前記第１及び第２のパッチアンテナに接続され、前記第２の変調電極は前記第４及び第３のパッチアンテナに接続され、前記第３の変調電極は前記第１及び第４のパッチアンテナに接続され、前記第４の変調電極は前記第２及び第３のパッチアンテナに接続され、
前記第１、第２のパッチアンテナ間に誘起される電圧信号と前記第３、第４のパッチアンテナ間に誘起される電圧信号により前記第１の光導波路を伝搬する光波が位相変調され、前記第１、第４のパッチアンテナ間に誘起される電圧信号と前記第２、第３のパッチアンテナ間に誘起される電圧信号により前記第２の光導波路を伝搬する光波が位相変調されるように構成したことを特徴とする請求項２に記載の光電界センサヘッド。