JP2866186B2 - 電磁界強度測定装置 - Google Patents

電磁界強度測定装置

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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の
強さ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、各種の分野において幅広く
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
性が増している。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
起すにとどまらず、社会的混乱や人間の生命の危険を引
き起すおそれもある。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、このようなEMI対策を行う上でも、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おり、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、このよう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、被測定電磁界そのものも
乱され、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３図には、このよう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および光検出器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およ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および電気光学結晶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。従って、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、すなわち常光と異常光
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。すなわち、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。
このような従来の電磁界強度測定装置は、センサ部1
0、光ファイバ16,18がほとんど誘電体で構成されてい
る。このため、測定場100内における電磁界がほとんど
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４図には、従来装置の一例が示されている。なお、
第３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。
この測定装置において、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
および第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および第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42a,42b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42a,42bにより、第１および
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、両導
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、合波部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３
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、光集積回路36に入力用と
出力用の２本の光ファイバ16,18を接続することにより
センサ部10を形成している。このため、センサ部10を実
用上十分な程度まで小型化することができず、狭い場所
での測定が困難であるという問題があった。
すなわち、このような装置に用いられるセンサ部10
は、片持ち構造に形成することが好ましく、このために
は、第５図に示すよう、２本の光ファイバ16,18のうち
一方を折曲げて、センサ部10を構成する必要がある。
しかし、周知のように光ファイバは、屈曲性に富むと
はいえ、その最小折曲げ範囲は数cmのオーダーである。
このため、第５図に示すように一方の光ファイバ18を折
曲げて片持ち構造のセンサ部10を形成する場合には、セ
ンサ部10を実用上要求される20〜30mm以下に小型化する
ことが難しいという問題があった。
このため、出力用光ファイバ18を屈曲することに代
え、光集積回路36内に形成される導波路38を屈曲形成す
ることも考られる。ところが、このような技術に用いる
導波路38は、周囲より屈折率を高くすることにより形成
されている。すなわち、導波路38は、その周囲に比べ屈
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
導波するように構成されている。しかし、導波路38と周
囲との屈折率差はたかだか10-2〜10-3にすぎないため、
前述したように導波路38を折曲げると光の導波損失が増
加してしまい、その実用化は難しいという問題があっ
た。
また、周知のように光ファイバと導波路との接続は、
最も精密な調整を必要とする部位であり、また温度，振
動等の影響による機械的なずれのため、特性の変化が発
生しやすい。
このため、従来のように２本の光ファイバ16,18を必
要とするものでは、光ファイバ16,18と導波路16との接
続を２ヵ所で行わなければならず、その作業は極めてや
っかいなものとなり、これが長期間安定して動作する装
置を、安価に作成する上での妨げとなっていた。
［発明の目的］ 本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、小型で、高感度でかつ安定した
特性を有するセンサ手段を備えた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］ 前記目的を達成するため、本発明の電磁界強度測定装
置は、 光透過方向に直線偏光されたコヒーレントな測定光が
入射される偏光ビームスプリッタと、 前記偏光ビームスプリッタを通過した測定光が光伝達
手段を介して入射され、この入射測定光の強度を電磁界
強度に応じて変調し、再度前記光伝達手段に向け出力す
るセンサ手段と、 前記偏光ビームスプリッタと光伝達手段との間に設け
られ、通過する測定光の偏波面を通過方向に対し所定角
度回転させる偏波面回転手段と、 前記偏光ビームスプリッターにより反射される前記セ
ンサ手段からの測定光の強度に基づき、電磁界測定場内
における電磁界強度を演算する電磁界強度演算手段と、 を含み、 前記センサ手段は、 一端を測定光入射部とし他端を測定光反射部とする導
波路を有し、前記導波路の一部に測定光を変調する光強
度変調部が形成された導波路型の光集積回路と、 前記電磁界測定場における電磁界の強度に応じた電圧
を出力するアンテナ部と、 前記アンテナ部から出力される電圧を前記光強度変調
部位置の導波路に集中して印加する複数の光強度変調部
電極と、 を含むことを特徴とする。
上記構成において、測定光発生手段は、 コヒーレントなレーザ光を出力するレーザ光源と、 出力されるレーザ光を平行光化し、しかも一定方向に
直線偏光化して前記偏光ビームスプリッタへ向け出力さ
せる光学系と、 を含むよう形成することが好ましい。
また、前記レーザ光源としては、例えばHeNeレーザ,Y
AGレーザ，半導体レーザ等、任意のものを使用可能であ
るが、光ファイバとの整合性を考えると、半導体レーザ
ーを用いることが好ましい。
また、前記偏波面回転手段は、通過する光波の偏波面
を所定角度回転させるファラデー素子等を用いて形成す
ることができる。
また、前記測定光入力用の光ファイバとしては、例え
ばマルチモードファイバ（MMF），シングルモードファ
イバ（SMF），偏波面保存ファイバ（PMF）等の各種ファ
イバが使用可能であるが、光利用効率、安定性等の点を
考慮すると、偏波面保存ファイバ（PMF）を用いること
が好ましい。
また、前記光集積回路内に形成される光強度変調部の
変調方式としては、分岐干渉計型，方向性結合器型，交
差型等の種々の形態のものを任意に用いることができ
る。
前記光集積回路を構成する材料としては、例えば、Li
NbO3,LiTaO3等の強誘電体、GzAlAs,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、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。
また、前記光集積回路に形成される測定光反射部は、
光集積回路の研磨端面に、誘電体等の薄膜を蒸着，スパ
ッタリング等の手法で堆積させて形成することが好まし
い。
［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演算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、所定方向に直線偏光化
されたコヒーレントな測定光を出力すると、この測定光
は偏光ビームスプリッタを通り，偏波面回転手段を通る
ことにより所定角度だけ偏波面が回転させられた後、光
ファイバを介しセンサ手段へ入力される。
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、一端が測定光入射部として形成
され他端に測定光反射部が形成された導波路が設けられ
ている。
さらに、前記導波路は、光強度変調部を通過するよう
に形成されており、この光強度変調部内において、導波
路を通過する測定光の強度は、アンテナ部を用いて検出
される外部の電磁界強度に応じて変調されることにな
る。
特に、本発明では、導波路に入出された測定光が反射
部に到達する前に、この光強度変調部を通過すると共
に、測定光反射部で反射された測定光がさらにこの光強
度変調部を通過する。このように本発明では測定光が導
波路内を往復する途中で光強度変調を２回受けることに
なるため、電磁界強度の測定感度が非反射型の光集積回
路に比べほぼ２倍となる。
このようにして光強度変調された測定光は、光集積回
路の導波路から出力され、光ファイバ，偏波面回転手段
を介し偏光ビームスプリッタに入射される。このとき、
偏波面回転手段は、通過する測定光、すなわち変調され
た測定光をその通過方向に対しさらに所定角度回転させ
る。その後、この測定光は偏光ビームスプリッタに入射
される。
従って、偏光ビームスプリッタに入射される変調され
た測定光は、その偏波面の角度が、測定光発生手段から
入力される測定光と異なる角度になるため、この偏光ビ
ームスプリッタを通過できず、電磁界強度演算手段へ向
け反射される。
電磁界強度演算手段は、このようにして反射されてく
る測定光の光の強度に基づき、電磁界測定場における電
磁界強度を演算する。
このように、本発明によれば、センサ手段への測定光
の入出力を１本の光ファイバで行う構成とすることによ
り、片持ち構造のセンサ手段を簡単に形成できる。従っ
て、片持ち構造のセンサ手段を、従来のように光ファイ
バの曲げ半径の制約を受けずに小型化することが可能と
なる。
さらに、本発明では、センサ手段内において測定光が
同一の光強度変調部内を往復２回通過し、２倍の強度変
調を受けるため、約２倍の電磁界検出感度を得ることが
できる。従って、同一の検出感度を得るならば、本発明
のセンサ手段は、本発明のセンサ手段を非反射型に形成
した場合に比べ、その大きさを約1/2以下とすることが
できる。
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、光ファイバを
折り曲げることなくセンサ手段を片持ち構造とし、しか
も測定光は光強度変調部を往復２回通過し約２倍の光強
度変調を受けるため、センサ手段を従来装置に比べ大幅
に小型化し、これまで不可能であった狭い場所での高感
度の電磁界強度の計測を行うことが可能となる。
さらに、本発明では、センサ手段の導波路と光ファイ
バとの接続が１ヵ所で済むため、長期間にわたり安定し
た測定が可能となる。すなわち、光ファイバと導波路の
接続は最も精密な調整を必要とする部分であり、しかも
長期的には機械的ずれのため特性変化を引き起しやす
い。これに対して本発明では、光ファイバを入出力用の
２本用いることなく、１本の光ファイバで測定光の入出
力を行うことができるため、光ファイバと導波路の接続
部位が１ヵ所になり、この面から長期間にわたり安定し
た高精度な測定を行う電磁界強度測定装置を安価に製作
できることになる。
他の発明 ［第２の発明］ また、本発明の電磁界強度測定装置において、光集積
回路内に設けられた光強度変調部を、分岐干渉計型のも
のとするためには、次のように形成することが好まし
い。
すなわち、第２発明の電磁界強度測定装置において、 前記導波路は、 分岐合波部で分岐された第１の変調用導波路および第
２の変調用導波路を含み、 前記測定光反射部は、 前記第１の変調用導波路および第２の変調用導波路の
他端にそれぞれ形成され、 前記複数の光強度変調部電極は、 前記第１の変調用導波路及び第２の変調用導波路に、
電気力線の方向が略逆向きとなるように、前記アンテナ
部から出力される電圧を印加することを特徴とする。
以上の構成とすることより、光ファイバを介して導波
路に入射された測定光は、光強度変調部内を第１および
第２の変調用導波路に分岐して流れた後、測定光反射部
で反射される。そして、この測定光は、第１および第２
の変調用導波路内を逆向きに伝搬され、光強度変調部内
を再度通過した後、分岐合波部で合波干渉することにな
る。
ここで、前記光強度変調部は、アンテナ部から出力さ
れる電圧信号が、第１の変調用導波路および第２の変調
用導波路に印加されるように構成されている。
従って、電磁界測定場内において、アンテナ部が外部
の電磁界の強度に応じた電圧を出力すると、この電圧は
第１および第２の変調用導波路に印加され、これら各導
波路の屈折率を変化させる。従って、これら第１および
第２の変調用導波路内を伝搬する測定光の光波の位相が
変化することになる。
ここで、第１および第２の変調用導波路には、正負が
逆になるよう電圧が印加されるため、これら各導波路を
伝搬する光波は位相変化の符号が逆となり位相差が生じ
ることになる。
特に、本発明の装置では、測定光が第１および第２の
変調用導波路内を往復し、光強度変調部を２度通過する
ことになるため、これら各導波路内を伝搬する光波の位
相変化は２倍となる。
そして、これら第１および第２の変調用導波路内を通
過した測定光を分岐合波部で再度合流させ、両合波を合
波干渉させることにより、位相変化の度合が光の強弱に
変換されることになる。
すなわち、外部に電磁界が存在しない場合には該強度
変調部から出力される測定光は最大強度となり、位相差
が180゜のときは最少光量となる。
従って、このように光強度変調部から変調出力される
測定光の強弱を測定することにより、位相差の度合い、
ひいては電磁界の強度を測定することができる。
なお、前記第１および第２発明の電磁界強度測定装置
は、 前記偏波面回転手段と光ファイバとの間に設けられ、
前記偏波面回転手段により偏波面が所定方向に回転され
た測定光のみを選択的に通過するよう形成された偏光子
を含み、前記光集積回路から光ファイバを介し入力され
る測定光からノイズ成分を除去し前記偏波面回転手段へ
向け出力するよう形成することが好ましい。
すなわち、測定光が光ファイバ，光集積回路内を伝搬
する間に、これらの素子がいかに良好な偏波面保存特性
をもっているとはいえ、温度，圧力，振動等の影響によ
り最初の偏波面とは異なる偏光方向をもった光成分（雑
音成分光波）が生じてしまう。
これに対し、偏波面回転手段と光ファイバとの間に偏
光子を設けることにより、光ファイバを介し入力される
変調された測定光から雑音成分光波を除去することがで
きるため、より正確な電磁界強度の測定が可能となる。
また、前記第１および第２発明の電磁界強度測定装置
において、 前記電磁界強度演算手段は、 入射される測定光を電気信号に変換する光検出器と、 この電気信号から電磁界強度検出用の信号成分を抽出
出力する第１の信号処理部と、 この電気信号から外乱成分を含む低周波成分の信号を
抽出出力する第２の信号処理部と、 前記第１の信号処理部から出力される信号に基づき、
前記第２の信号処理部から出力される電磁界強度検出用
の信号から外乱成分を除去し、電磁界測定場内における
電磁界の強度を演算する演算部と、 を含み、外乱に影響されることなく電磁界の強度を測
定するよう形成することが好ましい。
すなわち、前記センサ手段の光強度変調部を介して出
力される変調された測定光には、測定光発生手段の光源
強度の変動や、各光ファイバやセンサ手段に加わる各種
の外乱、例えば温度、振動、圧力などに起因する外乱成
分が含まれることになる。特に、このような外乱成分
は、低周波領域の電磁界強度を測定する場合に多く含ま
れる。
これに対し、前記電磁界強度演算手段を、光検出器、
第１および第２の信号処理部を有する構成とすることに
より、変調された測定光が、光検出器により電気信号に
変換された後、第１および第２の信号処理部に入力され
ることとなる。
そして、前記第１の信号処理部は、入力される電気信
号から、電磁界強度検出用の信号を抽出し演算部へ向け
出力する。
また、前記第２の信号処理部は、入力される電気信号
から直流成分に近い信号を抽出し演算部へ向け出力す
る。この直流成分には、光源強度の変動や、光ファイバ
内での伝搬損失等の外乱成分が含まれる。
従って、演算部は、第２の信号処理部の出力する電気
信号に基づき、第１の信号処理部の出力する電磁界強度
検出用の電気信号から外乱成分を除去し、電磁界測定場
外における電磁界の強度を外乱に影響されることなく測
定することができる。
［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いる。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、この電磁界
測定場100の外に設置される測定光発生部70,電磁界強度
演算回路72および表示部78を含む。
前記測定光発生部70とセンサ部50とは、偏光ビームス
プリッタ80,ファラデー素子82,偏光子84,レンズ86およ
び光ファイバ88等から構成される光学系を介して光学的
に接続されている。同様に、電磁界強度演算回路72と、
センサ部50は、前述した光学系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、所定方向に直線偏光化された
コヒーレントな測定光を出力するよう形成されており、
具体的にはコヒーレントな光を発生するレーザ光源と、
その出力光を平行光化，直線偏光化し偏光ビームスプリ
ッタ80へ向け出力する光学系とから構成されている。
前記レーザ光源は、例えばHeNeレーザ,YAGレーザ，半
導体レーザ等、任意のものを使用可能であるが、本実施
例では、光ファイバとの整合性から、半導体レーザを用
いている。
前記偏光ビームスプリッタ80は、測定光発生部70によ
り所定方向に直線偏光化された測定光のみを通過し、そ
れ以外の方向に偏光化された光の通過を阻止し、所定方
向に反射するように形成されている。本実施例では、測
定光発生部70から出力される測定光の偏光方向は、第１
図の紙面方向（Ｚ軸）になるように設定されているた
め、この偏光ビームスプリッタ80はＺ軸方向に偏光され
た光のみを通過し、紙面に垂直な方向（Ｙ軸）に偏光し
た光は電磁界強度演算回路72へ向け反射するように形成
されている。そして、この偏光ビームスプリッタ80を通
過した測定光は、ファラデー素子82に入射される。
このファラデー素子82は、通過する測定光の偏波面を
通過方向に対し所定角度回転させる偏波面回転手段とし
て機能するものであり、本実施例では通過する測定光の
偏波面が通過方向に45度回転するように永久磁石等でバ
イアスが加えられている。このようなファラデー素子82
としては、必要に応じて種々のものが使用可能である
が、本実施例ではYIG結晶と永久磁石とを組合せたもの
を用いている。
このようにしてファラデー素子82を通過した測定光
は、次に偏光子84に入射される。この偏光子84は、ファ
ラデー素子82の偏波面の回転に合せて、偏光軸方向を45
度傾けて設置されており、この偏光子84を通過した測定
光は、レンズ86により絞られ、光ファイバ88に入射され
る。
このような光ファイバ88としては、必要に応じて種々
のものが使用可能であるが、本実施例では偏波面保存光
ファイバが用いられている。この光ファイバ88に入射さ
れた測定光は、測定場100内に設置されたセンサ部50に
向け伝搬される。
このセンサ部50は、光ファイバ88から測定光が入射さ
れると、この測定光を測定場100内における電磁界の強
度に応じて変調し、変調された測定光を再度光ファイバ
88へ向け出力するものである。具体的には、測定光の強
度を外部電圧により変化させる光強度変調部66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,52bとを含む。
前記光集積回路54は、その内部に光ファイバを介して
伝搬されてくる測定光が入射される導波路58が形成され
ており、この導波路58は、分岐合波部60において第１の
変調用導波路58aおび第２の変調用導波路58bに分岐する
よう構成されている。これら第１および第２の変調用導
波路58a,58bの他端側には反射面62が形成されており、
各導波路58a,58b内を伝搬されてくる測定光を、再度そ
の入射端へ向け反射するよう構成されている。
前記光強度変調部66は、光集積回路化された導波型の
光変調器として形成されており、このような導波型の光
強度変調部66の方式としては、例えば分岐干渉計型，方
向性結合器型，交差型等種々の形態のものがあり、必要
に応じて任意のものを使用できる。本実施例では、分岐
干渉計型をいくぶん変形した方式のものを用いている。
また、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、これを電磁界の強度に応じた電
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採用可能であるが、
高周波数電界検出用には微小ダイポールアンテナがあ
る。低周波数電界検出用には、適切な大きさの単なる金
属板を用いてもよい。
そして、これら一対のアンテナ52a,52bから出力され
る電磁界強度に応じた電圧信号は、電極64a,64bを介し
て変調部66内の第１の変調用導波路58aおよび第２の変
調用導波路58bに、正負が逆の電圧となるように印加さ
れる。
なお、前記光集積回路54の材料としては、LiNbO3,LiT
aO3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、本実施例では、
電気光学効果の大きなLiNbO3が使用されている。
また、前記導波路58,58a,58b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。
また、前記反射面62は、光集積回路54の研磨端面に、
例えばAl,Au等の金属または誘電体等の薄膜を蒸着，ス
パッタリング等の手法で堆積させて製造することができ
る。
また、本実施例において、前記一対のアンテナ52a,52
bは低周波電界検出用として単なる金属板を用いて形成
されており、このアンテナ52a,52bは、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の手法を用
い集積化アンテナとして形成されている。
従って、本実施例のセンサ部50は、同一の基板上に光
集積回路54とアンテナ52a,52bが一体として形成された
小さなものになるため、その取扱いが極めて容易なもの
となる。
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からコヒーレントなレーザ光が出力される
と、この測定光は、光ファイバ88から入力端56を介し導
波路58内に入射され、さらに光強度変調部72内を、分岐
合波部60で第１および第２の変調用導波路58a,58bの２
つに別れて流れる。この変調部72内においては、前述し
たようにアンテナ52a,52bから電磁界の強度に応じた電
圧信号が印加されているため、電磁界の強度に応じてこ
れら各導波路58a,58bの屈折率が変化し、その内部を伝
搬する光波の位相が変化する。
特に、これら第１および第２の変調用導波路58a,58b
には正負が逆の電圧信号が印加されているため、第１の
変調用導波路58aを伝搬する光波と第２の変調用導波路5
8b内を伝搬する光波では位相変化の符号が逆となり、両
者の間に位相差が生じる。
そして、これら各導波路58a,58bを伝搬した測定光
は、その他端に形成された反射面62で反射され第１およ
び第２の変調導波路58a,58b内を逆向きに伝搬するよう
になる。これにより、各導波路58a,58b内を伝搬する測
定光は再度光強度変調部66内を通過し位相変調を受け、
その位相差は反射面62で反射される前のほぼ２倍にな
る。
そして、第１および第２の変調導波路58a,58b内を反
射，伝搬されくる測定光は、分岐合波部60で合波干渉さ
れ、位相差の度合が光の強弱に変換される。このように
して電磁界強度に応じて光の強度が変調された測定光
は、導波路58の入射端56から再度光ファイバ88へ向け出
力される。
光ファイバ88内を伝搬する変調された測定光は、次に
レンズ86,偏光子84を介しファラデー素子82に入力さ
れ、ここで光通過方向に対し光波の偏波面が45度回転さ
れ、偏光ビームスプリッタ80に入射される。
このように偏光ビームスプリッタ80に入射された測定
光は、光測定光発生部70から入射される最初の測定光に
対し、光波の偏波面が90度回転している。従って、この
変調された測定光は、偏光ビームスプリッタ80を通過で
きず、電磁界強度演算回路72へ向け反射される。
電磁界強度演算回路72は、このようにして反射して入
力される測定光の強度に基づき、電磁界測定場100内に
おける電磁界強度を演算するよう形成されている。
本実施例においてこの電磁界強度演算回路72は、入力
される測定光を電気信号に変換する光検出器74と、変換
された電気信号に基づき電磁界強度を演算する信号処理
回路76とを含み、演算された電磁界強度は表示器78上に
表示されるよう構成されている。
第２図には、前記信号処理回路76の具体的な構成が示
されており、この信号処理回路76は、第１の信号処理部
として機能するバンドパスフィルタ76a,増幅器76b,検波
器76c,割算器76dと、第２の信号処理部として機能する
ローパスフィルタ76eとを含む。そして光検出器74から
入力される電気信号は、バンドパスフィルタ76a,ローパ
スフィルタ76eに入力される。バンドパスフィルタ76a
は、入力される電気信号に含まれる電磁界強度測定用の
信号を検出信号として抽出出力し、この検出信号を増幅
器76b,検波器76cを用いて増幅検波した後、割算器76dの
分子として出力する。
また、ローパスフィルタ76eは、入力される電気信号
から直流に近い成分（外乱による測定光強度の変動成分
がリップル分として含まれる信号）を抽出し、この抽出
信号を外乱成分検出信号として割算器76dへ向け分母と
して出力する。
このように、分子、分母として割算器76dに入力され
る信号には、外乱により変動成分が略同じ比率で含まれ
る。
割算器76dは、このようにして入力される信号に対す
る割算を実行し、検波器76cを介して入力される検出信
号に含まれていた外乱変動成分を除去し、その演算結果
を表示部78上に表示する。表示された演算結果は、外乱
による変動成分が除去されたものであり、電磁界強度を
正確に表すものとなる。
本実施例は以上の構成からなり、次にその作用を説明
する。
測定光発生部70から、Ｚ軸方向に直線偏光化されたコ
ヒーレントな測定光が出力されると、この測定光は偏光
ビームスプリッタ80を通過し、ファラデー素子82により
その偏波面が45度その通過方向に回転される。その後、
この測定光は偏光子84,レンズ86を介し偏波面保存光フ
ァイバ88に入射される。
このとき、偏光子84は、ファラデー素子82による偏波
面の回転に合せて、偏光軸方向傾けて設置されているた
め、測定光はほとんど損失なくこの偏光子84を通過する
ことになる。
そして、光ファイバ88に入射された測定光は、その内
部をセンサ部50に向け伝搬していき、測定光がセンサ部
50に到達すると、入射端56から導波路58内に入射され
る。入射された測定光は導波路58内を伝搬していき、光
強度変調部66に達し、分岐合波部60で分岐し、第１およ
び第２の変調導波路58a,58b内を伝搬する。このときの
分岐比は、必要に応じて任意に設定できるが一般的には
50:50に設定される。
この測定光が第１および第２の変調用導波路58a,58b
内を伝搬する途中で、測定光は電極64a,64bに印加され
た電圧の大きさ、すなわちアンテナ52a,52bで検出され
た測定場100内における電磁界強度の大きさに応じた位
相変調を受ける。
このとき、前記電極64a,64bは、第１および第２の変
調用導波路58a,58bにそれぞれ正負が逆になるように電
圧を印加する。このため、第１の変調導波路58a内を伝
搬する測定光と、第２の変調導波路58b内を伝搬する測
定光は位相変化の符号が逆となり、両者の間に位相差が
生じる。
このように位相変調されながら第１および第２の変調
用導波路58a,58b内を伝搬する測定光は、その他端面に
形成された反射面62で反射され、第１および第２の変調
用導波路58a,58bを逆方向に伝搬する。そして、この測
定光は光強度変調部66を再度通過し、位相変調を受け
る。このため、これら第１および第２の変調導波路58a,
58b内を逆方向に進む測定光の位相差は、反射面62によ
り反射される直前の測定光の位相差のほぼ２倍となる。
これにより、本発明のセンサ部50は、非反射型のセン
サに比べ、同じ大きさでは約２倍の測定感度が得られ、
また同じ測定感度を得ようとする場合には、その大きさ
をほぼ1/2に小型化できることが理解されよう。
そして、このようにして第１および第２の変調用導波
路58a,58b内を逆方向に伝搬されてくる測定光は、分岐
合波部60にて合波干渉され、これにより位相差の度合が
光の強弱に変換されることになる。
すなわち、外部電磁界が存在せず位相差が０のときは
最大光量となり、また外部電磁界が存在し、その位相差
が180゜の時は０または最少光量となる。従って、この
ような変調光の光量の強弱を測定することにより、位相
差の度合いひいては電磁界強度を測定することができ
る。
このようにして、変調部66から出力される変調された
測定光は、導波路58の入射端56から、光ファイバ88に入
射され、光学系86,偏光子84,ファラデー素子82を通過し
た後ビームスプリッタ80に入射される。
このとき、前記ファラデー素子82は、いわゆる非相反
性素子であって、図中左から右に通過した光波も、逆向
きにした光波も全く同じ方向にその偏波面を45度回転す
る。このため、ファラデー素子82を通過したセンサ部50
からの測定光は、45度回転されＹ軸方向を向くため、こ
の測定光は偏光ビームスプリッタ80により光検出器74へ
向け反射されるようになる。
なお、本実施例において、前記偏光子84はファラデー
素子82の機能を高める目的で設けられているのである。
すなわち、測定光が偏波面保存光ファイバ88,光集積
回路54内の中を伝搬する間に、これらの素子がいかに良
好な屈曲性（偏波面保存特性）をもっているとはいえ、
温度，圧力，振動等の影響により最初の偏波面とは異な
る偏光方向をもった光波の成分が生じてしまう。偏光子
84は、これらの雑音成分光波が通過するのを阻止するこ
とによって、光検出器74に入射される変調された測定光
から前述した雑音成分光波を除去することができる。
光検出器74は、このようにして入力される変調された
測定光を電気信号に変換し、第２図に示すように構成さ
れた信号処理回路76へ向け出力する。
このようにして信号処理回路76に入力される信号に
は、測定光発生部70の一部を構成するレーザ光源の光源
強度の変動分や、光ファイバ88等に加わる外乱（温度，
振動，圧力等に起因するもの）による変動成分が含まれ
る。従ってこのままでは電磁界強度の正確な測定を行う
ことができない。
本発明では、前記変動成分が、直流に近い成分として
混入されていることに着目し、光検出器74から出力され
る電気信号を、バンドパスフィルタ76aおよびローパス
フィルタ76eに入力している。
そして、バンドパスフィルタ76aは、増幅器76b,検出
器76cと共に、入力された電気信号から電磁界強度検出
用の所定周波数帯域の信号を抽出し、さらに増幅検波し
これを電磁界強度測定信号として割算器76dへ向け出力
する。
さらに、ローパスフィルタ76eは、入力される電気信
号から直流に近い成分を外乱による変動成分を含む信号
として抽出出力し、割算器76dへ向け出力する。
このとき、光検出器76cを介して出力される検出信号
と、ローパスフィルタ76eを介して出力される変動成分
信号には、外乱により変動成分が略同じ比率で含まれ
る。
従って、割算器76dを用い、検波器76cから出力される
検出信号を、ローパスフィルタ76eから出力される変動
成分信号を用いて割算することにより、検出信号に含ま
れる変動成分を除去し、電磁界強度そのものを正確に求
めることができる。そして、このようにして求められた
電磁界強度は、表示器78上に表示されることになる。
例えば、測定光発生部70から、光強度Ioの測定光を出
力した場合を想定すると、この測定光が光強度変調部66
を通過し光検出器74に到達すると、光検出器74からは次
式で示す信号Ｉが出力される。
ここで、Vosinωｔは変調部電極に印加される外部電
界に比例した交流信号、Ｖπは半波長電圧といい、変調
部出力光強度を最大から最少に変化させるのに要する印
加電圧、△Ioは外乱による変動分を表す。
この信号Ｉは、バンドパスフィルタ76a等を介して出
力すると、その出力Ｉωは、次式で与えられる。
また、この信号Ｉをローパスフィルタ76cを介して出
力すると、その出力Idcは次式で与えられる。
Idc＝Io＋△Io 従って、割算器76dが、前述した除算をすると、その
値Ｒは となり、外乱による変動成分を除去できる。このように
して得られたＲは、電界強度そのものを正確に表わすこ
とが理解されよう。
以上説明したように、本発明の測定装置によれば、光
集積回路54に導かれた測定光が、光強度変調部66内を２
度通過することにより２倍の位相変調を受けるため、そ
の電磁界検出感度もほぼ２倍となる。従って、センサ部
50を非反射型のセンサとして形成したものに比べ、同一
の検出感度ならばその大きさをほぼ1/2まで小型化する
ことができる。
さらに、本発明によれば、光集積回路54に対する測定
光の入出力を１本の光ファイバ88で行うことができる。
このため、従来のように入出力用に２本用意した光ファ
イバのいずれか一方を折り曲げることなく、片持ち式の
センサ部50を容易に構成することができる。従って、従
来のように、光ファイバの折り曲げ半径の制約を受けず
にセンサ部50を小型化することができ、必要ならその直
径を1mm以下とし、従来品に比べ1/10以下に小型化する
ことが可能となる。従って、本発明なセンサ部50を用い
ることにより、従来不可能であった狭い場所での電磁界
強度の測定も可能となる。
さらに、本発明では、光集積回路54の導波路58に対
し、１本の光ファイバ88を接続すればよい。すなわち、
光ファイバと導波路の接続は最も精密な調整を必要とす
る部位であり、また長期的には機械的なずれのため、特
性変化を引き起しやすい。本発明は、このような接続部
位が従来品の半分になるため、長期間安定してしかも高
精度で動作するセンサ部50を安価に製作できることが可
能となる。
さらに、本発明の測定装置では、センサ部50が測定場
合100内における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も可能となる。
以上説明したように、本発明によれば、従来技術の問
題点、すなわち狭い場所での測定の困難性や、低感度等
という問題を解決し、小型で高感度なセンサ部50を用
い、被測定電磁界環境をほどんど乱すことなく電磁界強
度の測定を広周波数帯域にわたり行なうことが可能とな
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、 第２図は第１図に示す電磁界強度演算回路の具体的な構
成を示すブロック回路図、 第３図，第４図、第５図は従来の測定装置の説明図であ
る。 50……センサ部、 52a,52b……アンテナ、 54……光集積回路、56……入射端、 58……導波路、58a……第１の変調用導波路、 58b……第２の変調用導波路、 60……分岐合波部、62……反射面、 70……測定光発生部、 72……電磁界強度演算回路、74……光検出器、 76……信号処理回路、 80……偏光ビームスプリッタ、 82……ファラデー素子、84……偏光子、 88……光ファイバ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−166873（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−184772（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−10465（ＪＰ，Ｕ) 1990年電子情報通信学会秋季全国大会 講演論文集２．224頁

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】光透過方向に直線偏光されたコヒーレント
    な測定光が入射される偏光ビームスプリッタと、 前記偏光ビームスプリッタを通過した測定光が光伝達手
    段を介して入射され、この入射測定光の強度を電磁界強
    度に応じて変調し、再度前記光伝達手段に向け出力する
    センサ手段と、 前記偏光ビームスプリッタと光伝達手段との間に設けら
    れ、通過する測定光の偏波面を通過方向に対し所定角度
    回転させる偏波面回転手段と、 前記偏光ビームスプリッターにより反射される前記セン
    サ手段からの測定光の強度に基づき、電磁界測定場内に
    おける電磁界強度を演算する電磁界強度演算手段と、 を含み、 前記センサ手段は、 一端を測定光入射部とし他端を測定光反射部とする導波
    路を有し、前記導波路の一部に測定光を変調する光強度
    変調部が形成された導波路型の光集積回路と、 前記電磁界測定場における電磁界の強度に応じた電圧を
    出力するアンテナ部と、 前記アンテナ部から出力される電圧を前記光強度変調部
    位置の導波路に集中して印加する複数の光強度変調部電
    極と、 を含むことを特徴とする電磁界強度測定装置。
  2. 【請求項２】請求項１において、 前記偏波面回転手段は、 通過する測定光の偏波面を通過方向に対し45度回転させ
    ることを特徴とする電磁界強度測定装置。
  3. 【請求項３】請求項１、２のいずれかにおいて、 前記光伝達手段は、 偏波面保存光ファイバを用いて形成したことを特徴とす
    る電磁界強度測定装置。
  4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれかにおいて、 前記導波路は、分岐合波部で分岐された第１の変調用導
    波路および第２の変調用導波路を含み、 前記測定光反射部は、 前記第１の変調用導波路および第２の変調用導波路の他
    端にそれぞれ形成され、 前記複数の光強度変調部電極は、 前記第１の変調用導波路及び第２の変調用導波路に、電
    気力線の方向が略逆向きとなるように、前記アンテナ部
    から出力される電圧を印加することを特徴とする電磁界
    強度測定装置。
  5. 【請求項５】請求項１〜４のいずれかにおいて、 前記電磁界強度演算手段は、 前記分岐された前記測定光を電気的な測定信号に変換す
    る手段と、 測定信号から直流成分信号を抽出する手段と、 前記測定信号から測定対象とする周波数成分の信号を抽
    出する手段と、 抽出された測定対象周波数成分信号から、前記直流成分
    信号を用いて外乱成分を除去し、電磁界強度を演算する
    手段と、 を含むことを特徴とする電磁界強度測定装置。
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