JP2619981B2

JP2619981B2 - 電磁界強度測定装置

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Publication number: JP2619981B2
Application number: JP2301760A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　　博; 正市川; 覚加藤
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1990-11-06
Filing date: 1990-11-06
Publication date: 1997-06-11
Anticipated expiration: 2012-06-11
Also published as: JPH04174369A; US5227715A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は電磁界強度測定装置、特に光学的に電磁界強
度を測定する電磁界強度測定装置の改良に関する。

［従来の技術］周知のように、電磁波は、各種の分野に於て幅広く用
いられており、特に今日のような情報化時代では、放送
や通信のための情報伝達媒体としてますますその重要性
を増している。また、これ以外の分野でも、半導体製造
装置やプラズマ加熱などのエネルギー媒体として電磁波
の応用範囲は広がりつつある。

したがって、これらの技術の向上のためには、使用す
る電磁界の様子を正確に把握することが必要とされる。

また、これとは逆に、電磁波によって引き起こされる
各種電子機器の機能障害に関する問題も増えてきてい
る。大量の情報を高速処理するOA機器や、自動車エレク
トロニクスの分野では、それらの機能障害が甚大な被害
を引きおこすにとどまらず、社会的混乱や人間の生命の
危険を引きおこす可能性もある。このことから、EMIと
略称される電磁波障害対策は極めて重要な課題となって
いる。

従って、この様なEMI対策を行なう上でも、電磁界の
様子を正確に把握することが必要となる。

さらに、環境問題の面からも、電磁界を正確に把握す
る必要が生じている。例えば、強い電磁界は、直接人体
に障害を引き起す危険性がある。電磁波の照射により心
拍数の増加，体温の上昇，組織のえ死などの動物実験結
果が報告されている。現代の我々の生活環境は、様々な
強度，周波数の電磁波に曝されて、健康への障害が懸念
されるようになってきていることから、電磁界強度の安
全基準が設定されるようになっている。

従って、この様な環境問題の面からも、電磁界強度を
正確に測定することの必要性が高まっている。

このため、従来より各種の電磁界強度測定装置の開発
実用化が進められている。

このような電磁界強度測定装置の一つとして、何らか
のプローブアンテナをセンサーとして電磁界中に設置
し、それによって得られた電気信号を金属導体のケーブ
ルを介して、被測定電界の外部に設置された検出回路ま
で伝送するものが知られていた。

しかし、このように金属ケーブルを使用すると、セン
サーとして用いられるプローブアンテナの自由な移動や
設置が妨げられるだけでなく、被測定電界そのものも乱
されてしまい、正確な測定を行うことが出来ないという
問題があった。

このような問題を解決するため、従来LiNbO₃等の電気
光学結晶を用いた電磁界強度測定装置の開発も行われて
いる。

第４図には、この様な電磁界強度測定装置の一例が示
されている。この従来装置は、電磁界の測定場100に設
置されるセンサ部10と、この測定場100の外に設置され
る光源12及び光検出器14とを含み、センサ部10と光源12
および光検出器14は、それぞれ測定光入力用光ファイバ
16及び測定光出力用光ファイバ18を介して光学的に接続
されている。

前記センサ部10は、偏光子20,電気光学結晶22,検光子
24,プローブアンテナ26a,26b及び電気光学結晶22の側面
に相対向するように設けられた一対の電極28a,28bを含
む。ここで、電極28a,28bは、アンテナ26a,26bとそれぞ
れ接続されている。

この従来装置を用いて電磁界を測定する場合には、光
ファイバ16を介し光源12からセンサ部10へ向け測定光を
出力する。

センサ部10の主要部を構成する電気光学結晶22は、同
図に示すようにＸ軸,Y軸,Z軸に沿ってカットされ、光源
12からの測定光が、偏光子20によってＹ軸に対し45゜傾
けた直線偏波の光波としてＸ軸方向へ伝搬されるよう形
成されている。したがって、偏光子20を介し電気光学結
晶22に入射した光波は、常光（Ｙ軸）、異常光（Ｚ軸）
の成分に分解され、各々独立に伝搬されることになる。

このとき、アンテナ26a,26bによって検出された電磁
界は電極28a,28b間に電位差として印加され、この電位
差により誘起される結晶22の電気光学効果により異常光
に対する屈折率が変化する。これにより、この電気光学
結晶22を通過した２成分の光波、即ち常光と異常光の光
波に位相差が生じることになる。この位相差を、前記偏
光子20と直交するように配置された検光子24を用いて検
出する。即ち、位相差がなければ、初期の直線偏光のま
まであり、検光子24を通過する光量はゼロである。しか
し、電磁界により位相差が生じると、光波は、楕円偏光
となり、検光子24を通過する成分が生ずる。検光子24を
通過する光量は、印加された電位差によって決まるた
め、検光子24を通過した光量を光ファイバ18を介して光
検出器14へ導き、その光量を測定することにより、電気
光学結晶22に印加された電位差、ひいては電磁界強度を
測定することができる。

この用な従来の電磁界強度測定装置は、センサ部10、
光ファイバ16,18がほとんど誘電体で構成されているた
め、測定場100内における電磁界がほどんど乱されず、
正確な電磁界強度の測定を行うことができる。

この反面、前記従来装置は、電磁界の測定感度が著し
く低く、微弱な電磁界強度の測定が難しいという問題が
あった。例えば、1mm角という超小型の結晶22を用いて
も、そこを通る光の位相を180度変化させるためには、3
00Vもの電圧が必要とされる。このため、使用するアン
テナ26a,26bの利得にもよるが、微弱な電磁界強度の測
定は極めて難しいという問題があった。

そこで、センサ部10の光強度変調器として用いられる
バルク結晶に代って、導波型の分岐干渉型光変調器を用
いた装置の提案がなされている。

第５図には、従来装置の一例が示されている。尚、第
４図に示す従来装置と対応する部材には、同一符号を付
しその説明は省略する。

この測定装置に於て、センサ部10は一対のアンテナ金
属34a,34bと、導波型の変調器として機能する光集積回
路36とから構成されている。光集積回路36は、その内部
に光ファイバ16を介して入射される測定光を伝搬する導
波路38を有し、この導波路38は変調部40において第１及
び第２の変調用導波路38a,38bに分岐し、再度合流する
よう形成されている。そして、前記第１及び第２の変調
用導波路38a,38bには、アンテナ金属34a,34bを用いて受
信され電圧として出力される電磁界検出信号が、電極28
a,28bを介し正負が逆の電圧信号として印加される。

以上のように構成されたセンサ部10に向け、光源12か
ら光ファイバ16を介しコヒーレントな測定光を入力する
と、この測定光は光集積回路36内の導波路38を介し光変
調部40内を伝搬されることになる。

このとき、一対のアンテナ金属34a,34bにより検出さ
れた電磁界の強度は、電極28a,28bにより、第１及び第
２の光変調用導波路38a,38bに印加される。ここに印加
される電圧は、正負が逆の電圧信号となるため、第１お
よび第２の変調用導波路38a,38b内を通過する光波に位
相差が生じる。この両導波路38a,38bを通過する光波
を、合波路39で合波干渉させることにより、位相差の度
合が光の強弱に変調され、光ファイバ18を介し光検出器
14に入力されることになる。このとき、光量が最大から
最少まで変化するのに要する電圧は、たかだか数Ｖに過
ぎないため、前記第４図に示す従来装置に比べ100倍程
度その測定感度が向上する。

従って、光検出器14を用いて、光集積回路36から出力
される変調された測定光の強弱を測定し、これを信号処
理回路36に入力することにより、信号処理回路36は、変
調された測定光の光の強弱から位相差の度合、ひいては
電磁界強度を演算し、表示器32に表示することができ
る。

このように、従来装置は、測定場100における電磁界
の強度を高い感度で測定することができるため、微弱な
電磁界の強度をも測定することができる。

［発明が解決しようとする問題点］しかし、この従来装置では、光源12から出力される光
の強度変動や、信号伝送路である光ファイバ16,38に加
わる温度，圧力，振動等の各種外乱により、光検出器14
に入力される変調測定光の光強度が大きく変動する。こ
のため、このままでは正確な測定を行うことができない
という問題があった。特に、このような外乱による光の
強度変動は、低周波領域において大きいため、この従来
装置では、低周波領域の測定感度が著しく低いという問
題があった。

本発明は、このような従来の課題に鑑みなされたもの
であり、その目的は、電磁界測定場における電磁界の強
度を高感度でしかも外乱の影響を受けることなく正確に
測定することが可能な電磁界強度測定装置を提供するこ
とにある。

［問題点を解決するための手段］前記目的を解決するために、本発明は、互いに直交しかつわずかに異なる周波数の第１の偏光
成分と第２の偏光成分とを含む測定光を出力する測定光
発生手段と、前記測定光の第１および第２の偏光成分のいずれか一
方がＸ軸偏光軸に入射され、他方がＹ軸偏光軸に入射さ
れ、この測定光を電磁界測定場に導く測定光入力用の偏
波面保存光ファイバーと、前記電磁界測定場に設置され、前記測定光入力用の偏
波面保存光ファイバーを介し測定光が入射され、この入
射測定光の位相を電磁界強度に応じて変調出力するセン
サ手段と、前記センサ手段から出力される測定光の第１および第
２の偏光成分のいずれか一方がＸ軸偏光軸に入射され、
他方がＹ軸偏光軸に入射され、この測定光を電磁界測定
場の外部に導く測定光出力用の偏波面保存光ファイバー
と、前記測定光出力用の偏波面保存光ファイバーを介し出
力される測定光に基づき、電磁界測定場における電磁界
強度を求める電磁界強度測定手段と、を含み、前記センサ手段は、電磁界を検出し検出された電磁界の強度に応じた電圧
を出力するアンテナ部と、前記測定光入力用の偏波面保存光ファイバーの一方の
偏光軸を伝搬されてくる偏光成分をTEモードで、他方の
偏光軸を伝搬してくる偏光成分をTMモードで伝搬する測
定光用導波路と、前記アンテナ部から出力される電圧信
号を前記測定光用導波路に印加し、TMモードの偏光成分
とTEモードの偏光成分との間に電磁界強度に応じた位相
差を生成する位相変調部とを有する光集積回路と、を含み、前記電磁界強度測定手段は、測定光出力用の偏波面保存光ファイバーを介して出力
される測定光が入力され、この測定光に含まれる第１お
よび第２の偏光成分を自乗検波し、２つの偏光成分の周
波数差をビート信号として出力するビート信号検出部
と、前記ビート信号に基づき、第１および第２の偏光成分
の位相差を検出し、電磁界強度を求める演算部と、を含むことを特徴とする。

上記構成において、前記測定光発生手段としては、横
ゼーマン型２周波数HeNeレーザでも、単一周波数レーザ
の光波を音響光学素子を用いて周波数シフトするものを
用いてもよい。

後者の構造のものを用いる場合、この測定光発生手段
は、コヒーレントな測定光を出力する光源と、この測定光を互いに直交する第１および第２の偏光手
段に分離出力する第１の偏光ビームスプリッタと、前記第１の偏光成分の周波数に対し、前記第２の偏光
成分が僅かに異なる周波数を有するよう、第２の偏光成
分の周波数を所定周波数分だけシフトさせる音響光学素
子と、前記第１の偏光成分と、前記音響光学素子を介して出
力される第２の偏光成分を合成し、互いに直交しかつわ
ずかに異なる周波数の第１および第２の偏光成分を含む
測定光として出力する第２の偏光ビームスプリッタと、を含むように構成することが好ましい。

さらに、前記光源として、光ファイバとの整合性か
ら、一般的には半導体レーザを用いることが好ましい。

また、前記光集積回路を構成する材料としては、例え
ば、LiNbO₃,LiTaO₃等の強誘電体、GaAlAs,Si等の半導
体、SiO₂,Si₃N₄等の非晶質等の材料が使用可能である
が、電気光学効果の大きなLiNbO₃を使用することが好ま
しい。

また、前記アンテナ部としては、必要に応じて各種形
態のものを使用可能であるが、例えば高周波電磁界検出
用には微小ダイポールアンテナなどを用いればよく、ま
た低周波電磁界検出用には適切な大きさの、単なる金属
板を用いてもよい。特に、金属板をアンテナ部として用
いる場合には、光集積回路と同一の基板上に、フォトリ
ソグラフィー等で作成された集積化アンテナとしても形
成することも可能であり、これにより、センサー全体の
小型化を図ることが可能となる。

［作用］本発明は以上の構成からなり、次にその作用を説明す
る。

本発明の測定装置を用いて電磁界を測定する場合に
は、まずセンサ手段を電磁界測定場に設置し、測定光発
生手段および電磁界強度測定手段を測定場の外に設置す
る。

そして、測定光発生手段から、互いに直交しかつわず
かに周波数が異なる第１および第２の偏光成分を含む測
定光を出力すると、前記第１および第２の偏光成分のい
ずれか一方は、偏波面保存光ファイバの例えばＸ軸偏光
軸に沿って伝搬され、他方はＹ軸偏光軸に沿って伝搬さ
れ、センサ手段に入力される。

このセンサ手段は、アンテナ部と、光集積回路とを有
し、この光集積回路内には、前記偏波面保存光ファイバ
を介して入力される測定光が伝搬される測定光用導波路
と、前記アンテナ部から出力される電圧信号を前記測定
光用導波路に印加する位相変調部とが形成されている。

そして、前記測定光用導波路に測定光が入力される
と、この測定光に含まれる第１および第２の偏光成分の
いずれか一方がTEモードで、他方がTMモードで伝搬され
ながら、位相変調部を通過する。

この位相変調部内においては、アンテナ部から出力さ
れる電圧信号が導波路に印加されているため、TMモード
で伝搬される偏光成分とTEモードで伝搬される偏光成分
との間に電磁界強度に応じた位相差が生じる。

従って、位相変調部から出力される第１および第２の
偏光成分の位相差を測定することにより、電磁界強度を
測定することができる。

本発明において、位相変調部を通過してきた測定光
は、測定光出力用の偏波面保存光ファイバを介し測定場
の外部に設置された電磁界強度測定手段のビート信号検
出部へ向け出力される。このとき、測定光に含まれる第
１および第２の偏光成分のいずれか一方は、光ファイバ
の例えばＸ軸偏光軸に沿って伝搬され、他方はＹ軸偏光
軸に沿って伝搬される。

そして、ビート信号検出部は、偏波面保存光ファイバ
を介して測定光が入力されると、この測定光に含まれる
第１および第２の偏光成分を自乗検波し、二つの偏光成
分の周波数差をビート信号として出力する。

演算部は、このビート信号に基づき、第１および第２
の偏光成分の位相差を検出し、この位相差に基づき電磁
界強度を演算する。

［発明の効果］このように、本発明によれば、電磁界強度の測定を測
定光の光強度ではなく、光周波数のわずかに異なる第１
および第２の偏光成分のビート信号として検出するた
め、従来のように光源の光強度の変動や光ファイバ等に
加わる外乱により測定光の光強度が変動するような場合
でも、このような外乱に影響されることなく、電磁界強
度を正確に測定することが可能となる。

すなわち、本発明においては、第１および第２の偏光
成分の周波数差をビート信号として検出している。この
ようなビート信号は外乱による影響が極めて少ない。従
って、本発明のように、ビート信号に基づき、第１およ
び第２の偏光成分の位相差を検出することにより、光源
の光強度の変動や、光ファイバに加わる各種の外乱など
の影響をほとんど受けることなく、電磁界測定場内にお
ける電磁界強度を光学的に広範囲にわたり安定かつ正確
に測定することが可能となる。

特に、本発明によれば、従来精度よく測定できなかっ
た直流に近い低周波領域の電磁界強度を安定かつ高精度
に測定することが可能となる。

他の発明［第２の発明］また、第２発明の電磁界強度測定装置において、前記測定光入力用の偏波面保存光ファイバーおよび測
定光出力用の偏波面保存光ファイバーは、測定光に含ま
れる第１の偏光成分が、互いに異なる偏光軸に沿って伝
搬するよう形成されるとともに、第２の偏光成分が互い
に異なる偏光軸に沿って伝搬するよう形成されたことを
特徴とする。

このように、本発明では、測定光に含まれる第１およ
び第２の偏光成分が測定光入力用の偏波面保存光ファイ
バおよび測定光出力用の偏波面保存光ファイバを伝搬す
る際、伝搬する偏光軸を入れ替えてあるため、これら各
光ファイバに加わる外乱（温度、振動、圧力など）の影
響による位相変化は、第１および第２の偏光成分とも全
く同程度になる。

従って、本発明によれば、測定光が偏波面保存光ファ
イバを伝搬する途中で、その第１の偏光成分および第２
の偏光成分の位相が外乱により変化するような場合で
も、第１および第２の偏光成分のビート信号には外乱に
よる位相変化が全く含まれなくなる。従って、光ファイ
バに加わる外乱の影響を受けることなく、電磁界強度を
より正確に測定することが可能となる。

［実施例］次に本発明の好適な実施例を図面に基づき詳細に説明
する。

第１図には、本発明にかかる電磁界強度測定装置の好
適な実施例が示されており、実施例の測定装置は、電磁
界測定場100内に設置されるセンサ部50と、電磁界測定
場100の外に設置される測定光発生部70および電磁界強
度測定回路90とを含む。

前記測定光発生部70とセンサ部50とは測定光入力用の
偏波面保存光ファイバ66を介して光学的に接続され、さ
らにセンサ部50と電磁界強度測定回路90とは測定光出力
用の偏波面保存光ファイバ68を介して光学的に接続され
ている。

前記測定光発生部70は、互いに直交しかつわずかに異
なる周波数をもつ第１の偏光成分200aおよび第２の偏光
成分200bを含む測定光200を出力するコヒーレント光源
として形成されている。このような測定光発生部70は、
横ゼーマン型２周波数HeNeレーザでも、単一周波数レー
ザの光波を音響光学素子を用いて周波数シフトするよう
構成されたものであってもよい。本実施例の測定光発生
部70は、後者のタイプとして形成されており、具体的に
はレーザ光源72、第１の偏光ビームスプリッタ74、反射
ミラー76,78、音響光学素子80、第２の偏光ビームスプ
リッタ82および発振器84を含むよう構成されている。

前記光源72としては、光ファイバ66との整合性から、
半導体レーザが用いられている。そして、この半導体レ
ーザからは、光周波数がf₁のレーザ光が出力される。本
実施例において、このレーザ光は、平行光となるように
コリメートされ、かつその偏光方向は第１図の紙面に対
して45゜傾くように設定されている。

レーザ光源72から出力された測定光は、第１の偏光ビ
ームスプリッタ74により、紙面に平行な第１の偏光成分
200aと、紙面に垂直な第２の偏光成分200bの二つに分け
られる。前記二つの偏光成分のうち、第２の偏光成分20
0bは、ミラー76により反射され、音響光学素子80に導か
れる。この音響光学素子80は、発振器84により駆動され
ており、その発信周波数をf₀とすると、この音響光学素
子80を通過した第２の偏光成分200bは、その周波数が元
の周波数f₁からf₀だけシフトした周波数f₂、すなわちf₂
＝f₁＋f₀となる。そして、この第２の偏光成分200bは、
音響光学素子80から第２のビームスプリッタ82へ入射さ
れる。

また、前記第１の偏光ビームスプリッタ74から分離出
力される第１の偏光成分200aは、反射ミラー78により反
射され、第２の偏光ビームスプリッタ82に導かれる。

この第２の偏光ビームスプリッタ82は、入射される第
１および第２の偏光成分200a,200bを測定光200として合
成し、レンズ86を介し偏波面保存光ファイバ66へ入射す
る。

このようにして、本実施例の測定光発生部70からは、
光周波数f₁の第１の偏光成分200aと、これに直交しかつ
わずかに異なる光周波数f₂の第２の偏光成分200bとを含
む測定光200が出力されることになる。

前記偏波面保存光ファイバ66は、Ｘ軸およびＹ軸の二
つの偏光軸を有し、第１図（Ｂ）に示すよう、入射され
る測定光に含まれる周波数f₁の第１の偏光成分200aを二
つの偏光軸のうちの一つ（例えばＹ軸）に入射し、周波
数f₂の第２の偏光成分200bを他の偏光軸（例えばＸ軸）
に入射するように構成される。

そして、この偏波面保存光ファイバ66内を伝搬される
測定光200は、センサ部50に入射される。

このセンサ部50は、測定光の位相を外部電圧により変
化させる位相変調部58が設けられた光集積回路54と、測
定しようとする電磁界を検出する一対のアンテナ52a,52
bとを含み、偏波面保存光ファイバ66から測定光が入射
されると、この測定光200の位相を測定場100内における
電磁界の強度に応じて変調し、偏波面保存光ファイバ68
へ向け出力する。

前記光集積回路54は、測定光用導波路56と、位相変調
部58とを含み、前記導波路56は、入射測定光200に含ま
れる第１の偏光成分200aをTEモードで伝搬し、第２の偏
光成分200bをTMモードで伝搬するよう構成されている。

前記一対のアンテナ52a,52bは、測定場100内における
電磁界を検出し、これを電磁界強度に応じた電圧信号と
して出力する。このようなアンテナ52a,52bとしては、
必要に応じて各種のものを使用可能である。よく用いら
れるものとしては、高周波検出用には第３図（Ａ）に示
す微小ダイポールアンテナがある。また、低周波検出用
には第３図（Ｂ）に示す適切な大きさの単なる金属板を
用いてもよい。また、光集積回路54と同一の基板上にフ
ォトリソグラフィーなどで、第３図（Ｃ）に示すような
集積化微小ダイポールアンテナとしても形成することが
できる。本実施例では、第１図に示すよう、一対のアン
テナ52a,52bとして、単なる金属板が用いられている。

また、前記位相変調部58は、前記一対のアンテナ52a,
52bから出力される電圧信号が測定光用導波路56に印加
されるよう、電極60a,60bが形成されている。これによ
り、この位相変調部58をTEモードで伝搬される第１の偏
光成分200aと、TMモードで伝搬される第２の偏光成分20
0bとの間には、印加される電圧に応じた位相差φが生成
されることになる。

ここにおいて、前記光集積回路54の材料としては、Li
NbO₃,LiTaO₃等の強誘導体、GaAlAs,Si等の半導体、Si
O₂,Si₃N₄等の非晶質等の材料が使用可能であるが、本実
施例では、電気光学効果の大きなLiNbO₃、特にＺ板LiNb
O₃が使用されている。

また、前記導波路56は、その周囲の材料に比べその屈
折率を高くすることにより、光波をその内部に閉じ込め
て導波するよう構成されている。

そして、第１図（Ｃ）に示すよう、実施例の光集積回
路54は、その基板（Ｚ板LiNbO₃）の結晶軸が、偏波面保
存光ファイバ66の偏光軸に合わせて構成されている。こ
れにより、光ファイバ66のＸ軸偏光軸に沿って伝搬され
てきた第１の偏光成分200aは、導波路56をTEモードで伝
搬され、Ｙ軸偏光軸に沿って伝搬されてきた第２の偏光
成分200bは導波路56をTMモードで伝搬されることとな
る。

なお、光集積回路54の基板として前述したＺ板LiNbO₃
ではなく、Ｘ板LiNbO₃も使用可能であり、このような基
板を使用した場合には、位相変調部58内の電極60a,60b
は、第２図に示すように形成すればよい。

このようにして形成されたセンサ部50では、前記測定
光発生部70から測定光200が出力されると、測定光200に
含まれる光周波数f₁の第１の偏光成分200aおよび光周波
数f₂の第２の偏光成分200bは、偏光面保存光ファイバ66
を介し測定光用導波路56内に入射される。そして、第１
の偏光成分200aは導波路56内をTEモードで伝搬され、第
２の偏光成分200bは導波路56内をTMモードで伝搬され
る。

このとき、位相変調部58内においては、前述したよう
にアンテナ52a,52bから電磁界強度に応じた電圧が印加
されているため、この電圧により誘起される電気光学効
果により、位相変調部58内の導波路56の屈折率が変化
し、導波路56内を伝搬する第１および第２の偏光成分20
0a,200bの位相が変化する。このとき、Ｚ板LiNbO₃結晶
の電気光学効果は、TMモードの光波に対する効果の方が
TEモードの光波に対する効果より遥かに大きいため、TM
モードで伝搬される第２の偏光成分200aのみが位相変調
を受ける。このときの位相変調量をφとする。

そして、位相変調を受けた第１および第２の偏光成分
200a,200bは測定光導波路56の出力端64から偏波面保存
光ファイバ68へ入射される。

この偏波面保存光ファイバ68は、ＸおよびＹの二つの
偏光軸を有し、前記測定光入力側の偏波面保存光ファイ
バ66とは逆に、TEモードの第１の偏光成分200aをＹ軸偏
光軸に沿って伝搬し、TMモードの第２の偏光成分200bを
Ｘ軸偏光軸に沿って伝搬し、磁界強度測定回路90へ向け
出力するように構成されている。さらに、この測定光出
力側の偏波面保存光ファイバ68は、測定光入力用の偏波
面保存光ファイバ66と密着して配置され、敷設経路の途
中で受ける外乱（温度、振動など）の影響が同程度とな
るように形成されている。

前記電磁界強度測定回路90は、入力される測定光200
に基づき、電磁界測定場100における電磁界強度を測定
するものであり、具体的には、光検出素子92と、位相計
94、表示器96とを含むよう構成されている。

前記光検出素子92は、ビート信号検出部として機能す
るものであり、入力される測定光に含まれる周波数f₁の
第１の偏光成分200aと、周波数f₂の第２の偏光成分200b
とを電気信号に変換出力する。このとき、周波数のわず
かに異なる二つの偏光成分200a,200bは、自乗検波さ
れ、二つの偏光成分の周波数差のビート信号として出力
される。このビート信号には、前記位相変調部58内を通
過することによって生じた前記位相変調量φが保存され
ている。

位相計94は、光検出器92から出力されるビート信号
を、発振器84から出力される発信出力を基準信号として
位相検波することにより、前記位相変調量φを検出し、
表示器96へ向け出力する。

この位相変調量φは、測定場100内における電磁界強
度と、所定の関係をもっている。

従って、前記表示器96は、このように入力される位相
変調量φに基づき電磁界強度の値を表示するよう構成さ
れている。

本実施例は以上の構成からなり、次のその作用を説明
する。

電磁界測定場100内における電磁界強度を測定する場
合には、前記センサ部50を測定場100内に設置した後、
レーザ光源72から光周波数f₁のレーザ光を出力する。

このレーザ光は、平行光となるようにコリメートさ
れ、かつその偏光方向が第１図の紙面に対して45゜傾く
ように設定されている。従って、このレーザ光は、第１
の偏光ビームスプリッタ74を通過すると、紙面に平行な
第１の偏光成分200aと、紙面に垂直な第２の偏光成分20
0bの二つの光波に分かれ、さらにこの第２の偏光成分20
0bは、音響光学素子80を通過し、もともとの周波数f₁か
らf₀だけシフトした周波数f₂（＝f₁＋f₀）となる。

そして、光周波数f1の第１の偏光成分200aと、これと
直交しかつわずかに異なる光周波数f₂を有する第２の偏
光成分200bは、第２のビームスプリッタ82よりふたたび
１本の光ビームからなる測定光200として合成出力され
る。

この測定光200は、レンズ86により絞られ、測定光入
力用の偏波面保存光ファイバ66に入射される。このと
き、第１図（Ｂ）に示すよう、周波数f₁の第１の偏光成
分200aは、光ファイバ66の第１のＸ軸偏光軸に沿って伝
搬され、周波数f₂の第２の偏光成分200bは他方のＹ軸偏
光軸に沿って伝搬される。そして、この偏波面保存光フ
ァイバ66内をそれぞれ独立して伝搬された第１および第
２の偏光成分200a,200bは、光集積回路54の入力端62に
より導波路56内に入射される。

そして、第１図に示すよう、前記第１の偏光成分200a
は、この導波路56内をTEモードで伝搬され、第２の偏光
成分200bはTMモードで伝搬されながら、位相変調部58内
を通過する。

このとき、位相変調部58内の各電極60a,60bには、ア
ンテナ52a,52bから出力される電磁界強度に応じた電圧
信号が印加されている。そして、この電圧により誘起さ
れた電気光学効果により、位相変調部58内における導波
路56の屈折率が変化するため、この導波路56を伝搬する
光波の位相が変化することになる。

ここにおいて、実施例の光集積回路54は、Ｚ板LiNbO₃
結晶の基板として構成されているため、その電気光学効
果はTMモードで伝搬される光波に対する効果の方が、TE
モードで伝搬される光波に対する効果より遥かに大きく
なる。従って、位相変調部58内では、TEモードで伝搬さ
れる第１の偏光成分200aはほとんど位相変調を受けず、
TMモードで伝搬される第２の偏光成分200bのみが位相変
調を受けることになる。このときの位相変調量を前述し
たようにφとする。

従って、この位相変調量φを検出すれば、電磁界強度
を求めることができる。

このようにして、位相変調部58を通過した第１および
第２の偏光成分200a,200bは、導波路56の出力端64から
測定光出力用の偏波面保存光ファイバ68に入射される。
そして、測定光入力側とは逆に、TMモードの第２の偏光
成分200bがＸ軸偏光軸に沿って伝搬され、TEモードの第
１の偏光成分200aがＹ軸偏光軸に沿って伝搬される。こ
のように、本実施例では、第１および第２の偏光成分20
0a,200bが光ファイバを伝搬する際、測定光入力用の光
ファイバ66と出力用の光ファイバ68とではＸ軸とＹ軸が
入れ換えてある。従って、敷設経路の途中で受ける外乱
（温度、振動、圧力など）により、第１および第２の偏
光成分200a,200bに位相変化θ₁,θ_２が発生しても、こ
の位相変化は両光波ともほぼ同程度、すなわちθ_１＝θ
_２となる。

そして、光検出素子92に入力された第１および第２の
偏光成分200a,200bは、電気信号に変換された後、自乗
検波され、二つの光波の周波数差（f₁−f₂）のビート信
号として取り出される。

すなわち、位相変調部58内をTMモードで通過した周波
数f₂の第２の偏光成分200aの値E₂は、次式で与えられ
る。

E₂ ＝E₀₂＊COS（２＊π＊f₂＊ｔ＋θ_２＋φ）また、位相変調部58内をTEモードで通過した周波数f₁
の第１の偏光成分200aは、ほとんど位相変調を受けない
ため、その値E₁は次式で与えられる。

E₁＝E₀₁＊COS（２＊π＊f₁＊ｔ＋θ_１）ここで、θ1,θ２は、光ファイバ66,68内を伝搬中に
受ける外乱の影響により生じた位相シフトを表す。

従って、この二つの信号E₁,E₂を自乗検波し、ビート
信号を作成すると、その値Ｉは次式で与えられることに
なる。

Ｉ＝I₀＊COS（２＊π＊（f₁−f₂）＊ｔ＋（θ_１−θ_２）＋φ）ここで、（f₁−f₂）＝f₀である。しかも各光ファイバ
66,68内を伝搬する途中で第１および第２の偏光成分200
a,200bに加わる外乱の影響はほぼ等しく、θ_１＝θ_２で
あるため、前記ビート信号Ｉは次のように書き替えるこ
とができる。

Ｉ＝I₀＊COS（２＊π＊f₀＊ｔ＋φ）このように、光検出素子92から、出力されるビート信
号Ｉには、電磁界強度に応じた位相変調量φが含まれて
おり、しかもこのビート信号Ｉには外乱の影響がほとん
ど含まれていないことが理解される。

そして、位相計94は、光検出素子92から出力されるビ
ート信号Ｉを、発振器84から出力される発信出力を基準
信号として位相検波することにより、位相変調量φを測
定し、この測定された位相変調量φは、次式で示す電圧
信号として表示器96へ向け出力される。

V₀＝Ｋ＊φ ここにおいて、前記位相変調量φは、位相変調部58内
における電極60a,60b間の電圧に対応しているため、位
相計94から出力される電圧V₀はアンテナ52a,52bを用い
て検出した電磁界強度に比例する。

従って、表示器96は、位相計94から出力される電圧V₀
に適切な係数をかけることにより電磁界強を算出し、そ
の値を表示する。

以上説明したように、本発明では、電磁界強度の測定
に、測定光200の光の強弱ではなく、この測定光に含ま
れる第１および第２の偏光成分の位相差φを用いてい
る。そして、この位相差φを抽出するため、本発明では
前記第１および第２の偏光成分200a,200bを互いに直交
させ、しかもわずかに異なる周波数f₁,f₂に設定してい
る。このような第１および第２の偏光成分200a,200bの
周波数f₁,f₂は、例えばレーザ光源72から出力されるレ
ーザ光の光強度が変動しても、また測定光が伝搬される
光ファイバ66,68および導波路56に各種外乱が加わって
もほとんど変動することがない。従って、この第１およ
び第２の偏光成分200a,200bのビート信号を作成するこ
とにより、このビート信号から前記位相変調量φを正確
に抽出することができる、光源強度の変動や、光ファイ
バに加わる温度、振動、圧力などの外乱に起因する光強
度変動の影響を受けることなく、電磁界強度を正確に測
定することができる。

とりわけ本発明によれば、従来技術では測定できなか
った直流に近い低周波領域の電磁界強度をも長期間安定
にかつ高精度で測定することが可能となる。

また、本発明の装置では、前記第１および第２の偏光
成分200a,200bが光ファイバ66,68を伝搬する途中で、測
定光入力用の光ファイバ66と、出力用の光ファイバ68と
ではＸ軸,Y軸が入れ換わるよう構成されており、しかも
その両光ファイバ66,68は密着して敷設されている。

従って、仮に、温度などの変動により光ファイバの全
長が変化し、光検出素子92に入力される第１および第２
の偏光成分200a,200bにθ₁,θ_２の位相シフトが生じた
場合でも、両位相シフトはほぼ等しくθ_１＝θ_２にな
る。

従って、第１および第２の偏光成分200a,200bが光フ
ァイバ66,68内を伝搬する途中において外乱による位相
シフトを受けた場合でも、この外乱による影響をほとん
ど受けず、電磁界強度を正確に測定することが可能とな
る。

さらに、本発明の測定装置は、測定場100内における
非測定電磁界環境をほとんど乱すことなくこれを正確に
測定することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる電磁界強度測定装置の好適な一
例を示すブロック回路図であり、同図（Ａ）はその全体
説明図、同図（Ｂ）はその測定光発生部と測定光入力用
の偏波面保存光ファイバとの接続部分の概略説明図、同
図（Ｃ）は測定光入力用の偏波面保存光ファイバと光集
積回路の導波路との接続部分の概略説明図、同図（Ｄ）
は光集積回路の導波路と測定光出力用の偏波面保存光フ
ァイバとの接続部分の概略説明図、第２図は第１図に示すセンサ部の光集積回路の他の構成
を示す説明図、第３図（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）は、アンテナとして微小
ダイポールアンテナ、低周波用板状アンテナ、集積化微
小ダイポールアンテナをそれぞれ用いた場合の説明図、第４図は従来の電磁界強度測定装置の一例を示す説明
図、第５図は他の従来装置を示す説明図である。 50……センサ部、52a,52b……アンテナ、 54……光集積回路、56……測定光用導波路、 58……位相変調部、 66……測定光入力用の偏波面保存光ファイバ、 68……測定光出力用の偏波面保存光ファイバ、 70……測定光発生部、72……レーザ光源、 74……第１の偏光ビームスプリッタ、 80……音響光学素子、 82……第２の偏光ビームスプリッタ、 90……電磁界強度測定回路、92……光検出素子、 94……位相計、96……表示器、 100……電磁界測定場、200……測定光、 200a……第１の偏光成分、 200b……第２の偏光成分。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭59−19875（ＪＰ，Ａ) 特開平３−85459（ＪＰ，Ａ) 特開平３−158704（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに直交しかつわずかに異なる周波数の
第１の偏光成分と第２の偏光成分とを含む測定光を出力
する測定光発生手段と、前記測定光の第１および第２の偏光成分のいずれか一方
がＸ軸偏光軸に入射され、他方がＹ軸偏光軸に入射さ
れ、この測定光を電磁界測定場に導く測定光入力用の偏
波面保存光ファイバーと、前記電磁界測定場に設置され、前記測定光入力用の偏波
面保存光ファイバーを介し測定光が入射され、この入射
測定光の位相を電磁界強度に応じて変調出力するセンサ
手段と、前記センサ手段から出力される測定光の第１および第２
の偏光成分のいずれか一方がＸ軸偏光軸に入射され、他
方がＹ軸偏光軸に入射され、この測定光を電磁界測定場
の外部に導く測定光出力用の偏波面保存光ファイバー
と、前記測定光出力用の偏波面保存光ファイバーを介し出力
される測定光に基づき、電磁界測定場における電磁界強
度を求める電磁界強度測定手段と、を含み、前記センサ手段は、電磁界を検出し検出された電磁界の強度に応じた電圧を
出力するアンテナ部と、前記測定光入力用の偏波面保存光ファイバーの一方の偏
光軸を伝搬されてくる偏光成分をTEモードで、他方の偏
光軸を伝搬してくる偏光成分をTMモードで伝搬する測定
光用導波路と、前記アンテナ部から出力される電圧信号
を前記測定光用導波路に印加し、TMモードの偏光成分と
TEモードの偏光成分との間に電磁界強度に応じた位相差
を生成する位相変調部とを有する光集積回路と、を含み、前記電磁界強度測定手段は、測定光出力用の偏波面保存光ファイバーを介して出力さ
れる測定光が入力され、この測定光に含まれる第１およ
び第２の偏光成分を自乗検波し、２つの偏光成分の周波
数差をビート信号として出力するビート信号検出部と、前記ビート信号に基づき、第１および第２の偏光成分の
位相差を検出し、電磁界強度を求める演算部と、を含むことを特徴とする電磁界強度測定装置。
【請求項２】請求項（１）において、前記測定光入力用の偏波面保存光ファイバーおよび測定
光出力用の偏波面保存光ファイバーは、測定光に含まれ
る第１の偏光成分が、互いに異なる偏光軸を通過するよ
う形成されるとともに、第２の偏光成分が互いに異なる
偏光軸を通過するように形成されたことを特徴とする電
磁界強度測定装置。