JP3123007B2 - 電界センサ装置 - Google Patents

電界センサ装置

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JP3123007B2
JP3123007B2 JP05025201A JP2520193A JP3123007B2 JP 3123007 B2 JP3123007 B2 JP 3123007B2 JP 05025201 A JP05025201 A JP 05025201A JP 2520193 A JP2520193 A JP 2520193A JP 3123007 B2 JP3123007 B2 JP 3123007B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、空間の任意の一点の電
界強度を正確に測定するための電界センサ装置に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】オートマチック車の暴走事件に代表され
るように、近年、電灯のスイッチ等から放射される妨害
波等によりディジタル処理回路が誤動作を起こす現象が
問題となっている。この問題に対処するためには、この
ようなインパルス性の妨害波レベルを測定するためのア
ンテナが必要である。
【0003】インパレス性の電磁界を測定するためのア
ンテナとして現在は、微小ダイポールアンテナ、円錐ア
ンテナやホーンアンテナが使用されている。しかし、こ
れらのアンテナはアンテナと信号の測定器間の接続に同
軸ケーブルを使用しているため、測定した電磁界の特性
にケーブルの影響が出てしまい、測定レベルがケーブル
の引き回しの状況で変化するので、再現性に優れた測定
は困難であった。そのため、電磁界を検出するセンサ部
と測定器間を光ファイバで結ぶ電界センサが検討されて
いる。この種の電界センサは、その機構により、センサ
内部にレーザダイオード等の発光素子を内蔵するもの
と、ニオブ酸リチュウム等の電気光学効果を持つ結晶を
用いた光変調器を内蔵するものに分類される。
【0004】これら2種類のアンテナのうち後者は、前
者に比べて感度では劣るが、バッテリーを内蔵する必要
がないので、ディジタル装置の誤動作の原因となるよう
な、強い電磁界パルスの長時間観測には有効である。
【0005】従来の電界センサ装置の基本的全体構成を
図6に示す。図6において、1は光変調器に無変調の光
電力を送るための光源、2は偏波面保持ファイバ内部を
伝搬する光波の偏波と光源の偏波との関係を調整し、直
線偏向の光波がファイバ内を伝搬するようにするための
偏波補償器、3は光源の光電力を光変調器に伝搬するた
めの偏波面保持ファイバ、4は光変調器がその上に形成
されている電気光学効果持つ材料で作られた基板、5は
光導波路、6は光変調器の電極、7は電界センサの金属
棒であり、2つの同じ長さの金属棒7が直列に配置され
ている。8は電界センサの光変調器を収容した筐体、9
は光変調器と光検出器10を結ぶシングルモード光ファ
イバ、11は光検出器10で変換した電気信号レベルを
測定するためのレベルメータである。
【0006】このセンサ装置は光源として波長1.3μ
mのレーザダイオードを、電気光学効果を持つ結晶とし
てニオブ酸リチュウムを使用している。レーザダイオー
ドを出た光波は偏波面保持ファイバ3を伝搬して、光変
調器に入る。
【0007】従来の光変調器の構造を図7に示す。図7
において、12,13は光導波路である。図7に示す光
変調器はマッハチェンダ光干渉計を用いており、入射し
た光は2つの光導波路12,13にいったん分離され再
び結合され、2本の導波路を通る光の位相差により強度
変調された光信号が得られる。いま、金属棒を電界中に
置くと、電磁誘導により電極6間に電圧が誘起され、図
8に示すように電界が印加される。このとき、導波路1
2には下方向の電界が導波路13には上方向の電界が印
加される。電界が印加されると電気光学効果により導波
路の誘電率が変化する。この場合、電界の印加する方向
が導波路12と導波路13では反対方向であるため、一
方の導波路を進む光波は位相が進み、一方の導波路の光
波は位相が遅れる。従って、これらの導波路を伝搬する
光波の位相差、すなわち印加された電圧に比例した強度
変調光信号が得られる。
【0008】光信号はシングルモード光ファイバ9を伝
搬し、光検出器10に送られる。光検出器10で電気信
号に変換された光信号レベルをレベルメータ11で測定
することにより、電界強度を求めることができる。
【0009】この時の、電界強度Eと光検出器10の出
力レベルVrの関係は式(1)で表される。
【0010】
【数1】 Vr=0.5ηIOUT *[1+cos{((Ehe/(1+jωCma))/Vo)π+φ}](1) 式(1)で Vo:光変調器の半波長電圧 IOUT:光変調器の最大光電力出力レベル η:光検出器の変換効率 he:2本の金属棒で構成されるダイポールエレメント
の実効長 Cm:光変調器の入力容量 Za:2本の金属棒で構成されるダイポールエレメント
の駆動点インピーダンス φ:電界を印加しない時の導波路12と13を伝搬する
光波の位相差(光バイアス角)である。
【0011】電界センサの電極に印加させる電圧と電界
センサの光電力出力レベルの関係を図9に示す。測定で
は電界センサのエレメントに三角波を印加し、光検出器
10の出力レベルVr変化を測定した。式(1)より電
極間に印加される電圧Vxと光検出器10の出力レベル
rの関係は式(2)となる。
【0012】
【数2】 Vr=0.5ηIOUT*[1+cos{(Vx/Vo)π+φ}] (2) 光電力出力レベルは光検出器10の出力レベルVrに比
例するので、光検出器10の出力レベルを測定すること
により、光電力出力レベルの変動を測定することができ
る。式(2)に示すように、印加電圧Vxを変化させる
と図9に示すようなサインカーブを描く。印加電圧がゼ
ロの時、式(2)は式(3)となる。
【0013】
【数3】 Vr=0.5ηIOUT*[1+cos{φ}] (3) 図6に示すように、光変調器には直流DCバイアスを印
加しないので、この状態で動作する。式(3)から明ら
かなように、このときの光電力レベルは光バイアス角に
より決まる。
【0014】一般に、マッハチェンダ光干渉計の場合、
通常、光導波路12,13の長さは同じになるように製
造される。なぜならば、現在の技術では、導波路の個々
の長さを光の位相を考慮してコントロールすることは困
難であるからである。その場合、電圧を印加しない状態
(DCバイアスがゼロの場合)では2つの導波路を伝搬
する光波の位相差がゼロ(光バイアス角がゼロ)とな
り、式(3)より光電力出力レベルは最大となる。図9
では、印加電圧がゼロの時、光電力出力レベルはほぼ最
大となっており、従来の光変調器は光バイアス角はほぼ
ゼロの状態で使用していることがわかる。この場合の光
変調器の入力レベルと変調された光信号レベルの関係を
図10に示す。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】従来のマッハチェンダ
光干渉計では、図10に示すように、光変調器は光バイ
アス角がほぼゼロの状態で使用しているので、光バイア
ス角がゼロ(図の光電力の値が最大になる点)に近づく
と、光電力出力レベルと印加電圧の関係を表す曲線の傾
きが小さくなり、変調効率が悪くなるという問題があっ
た。また、この位置では、曲線の直線部分が短かく、ダ
イナミックレンジが小さくなるという問題があった。
【0016】本発明は、前記問題点を解決するためにな
されたものであり、本発明の目的は変換効率(感度)が
高く、ダイナミックレンジの大きな電界センサ装置を提
供することにある。
【0017】本発明の前記ならびにその他の目的及び新
規な特徴は、本発明書の記述及び添付図面によって明ら
かにする。
【0018】
【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記の通りである。 即ち、本発明は、間に空隙を設けて
直列に配置される2つの金属棒と、前記2つの金属棒に
よって形成される空隙に挿入されるとともに、電気光学
効果を有する基板と、前記電気光学効果を有する基板上
に設けられる光導波路とを有する光変調器とを有し、前
記光変調器に無変調の光信号を入射し、当該入射光信号
を前記2つの金属棒によって形成された空隙に生じた電
界による電磁誘導で光強度変調し、当該変調された光信
号成分を光検出器で検出し、当該検出された変調光信号
成分に基づいて、前記金属棒の置かれた位置の電界強度
を測定する電界センサ装置であって、前記電気光学効果
を有する基板の、前記光導波路が形成されている面とそ
の相対する面を除いた面から、前記電気光学効果を有す
る基板に対して、前記光導波路の延長方向と直交する方
向に応力を印加する手段を有することを特徴とする。
【0019】
【作用】前述の手段によれば、光変調器が形成されてい
る基板に設けた2つの導波路で歪が異なるように応力を
印加するので、導波路を伝搬する光の伝搬速度が変わ
り、光バイアス角を調整することができる。これによ
り、光変調器の無信号時の光出力レベルを光変調器が最
も直線性の良いレベルに調整することが可能となる。
【0020】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。なお、全図において、同一機能を有するもの
は同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【0021】本発明は、印加電圧と光電力出力の関係は
サイン曲線(図9)で表されており、光電力出力レベル
が最大値の半分の位置(光バイアス角φが90度)に調
整すれば、ダイナミックレンジを最も良くすることがで
きる点に着目してなされたものである。
【0022】図1は本発明の原理を説明するための図で
あり、光バイアス角が90度での印加電圧レベルと光変
調信号出力レベルの関係を図示している。図1に示すよ
うに、光バイアス角が90度での曲線の傾きが最も大き
く、変換効率(感度)も最も大きいことがわかる。そこ
で本発明においては、光バイアス角を調整する手段を設
けた。
【0023】以下、実施例について述べる。
【0024】図2は本発明の主要部を構成する光変調器
の一実施例の構成を示す断面図である。図2において、
14は光変調器が形成されている基板に応力を印加する
ための手段であり、筐体8に取付けられている。15は
金属棒を取付けるためのネジである。他の構成要素は従
来のものと差異がないので説明は省略する。
【0025】本実施例では、電気光学効果を有する結晶
として長さ60mm,幅5mm,厚さ1mmのニオブ酸リチュ
ウムの結晶を使用し、この結晶上にチタンを拡散してマ
ッハチェンダ光干渉計を形成している。電極の長さは4
0mm,半波長電圧は約3V,電極間容量は約10pFで
ある。
【0026】光変調器を収容した筐体8はアクリル製
で、その側面に応力印加用の手段としてナイロン製のネ
ジが取り付けられている。図3は本実施例の応力印加部
の構造を示す図であり、16は応力印加用のナイロンネ
ジ、17はナイロンネジがゆるまないようにしておくた
めのナイロン製ナット、18はニオブ酸リチュウム基板
の台である。図に示すようにナイロンネジ16の先端部
で光変調器6が形成された基板の側面方向に応力を印加
している。すなわち基板の側面から、導波路と直交する
方向に応力を印加している。
【0027】基板に応力を印加し導波路に非対称な歪を
加えるためには、基板の幅はできるだけ狭いことが望ま
しいが、あまり狭いと機械的強度が落ちるので、10mm
程度から1mm程度までが実際的な値である。
【0028】図4は実施例の基本的構成を示す図であ
る。このようにして構成した筐体8を図4に示す構成要
素とともに組合わせ、電界センサ装置とした。ニオブ酸
リチュウムは光弾性効果を有しており、弾性体内に歪が
生じると弾性体の屈折率が変化する。従って、導波路1
2と13の場所での歪が異なるように基板の側面方向か
ら、導波路と直交する方向に応力を印加することによ
り、導波路を伝搬する光の伝搬速度が変わり、光バイア
ス角を調整することができる。
【0029】図5は本実施例の電極間電圧と光電力出力
レベルの関係を示す図であり、半波長電圧の測定結果を
示している。本実施例では、光バイアス角の調整機構を
持っているため、最もダイナミックレンジの大きくなる
位置(光電力レベルが最大レベルの半分になる位置)に
光バイアス角と調整することができる。
【0030】電磁パルスの測定では、大きな電界強度を
測定する必要があるので、光バイアス角が最適な位置に
設定されている場合は、ダイナミックレンジが大きくな
り、それだけ正確に強いパルス波形を測定することがで
きる。
【0031】以上本発明を実施例にもとづき具体的に説
明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更し得
ることはいうまでもない。
【0032】
【発明の効果】以上、説明したように、電界センサ装置
を構成する光変調器が形成された基板に応力を印加して
光バイアス角を最適な値に調整できるようにすることに
より、高感度でダイナミックレンジの大きな電界センサ
装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の原理を説明するための図、
【図2】 本発明の主要部を構成する光変調器の一実施
例の構成を示す断面図、
【図3】 本実施例の応力印加部の構造を示す図、
【図4】 本実施例の全体構成を示す図、
【図5】 本実施例の電極間電圧と光電力出力レベルの
関係を示す図、
【図6】 従来の電界センサ装置の全体構成を示す図、
【図7】 従来の光変調器の構造を示す図、
【図8】 従来の光変調器の光導波路に印加された電界
を示す図、
【図9】 従来の電界センサ装置の電界センサの電極間
印加電圧と光電力出力レベルの関係を示す図、
【図10】 従来の電界センサ装置における光バイアス
角がゼロに近い場合の光バイアス角と光変調信号出力レ
ベルの関係を示す図。
【符号の説明】
1…光源、2…偏波補償器、3…偏波面保持ファイバ、
4…基板、5…光導波路、6…光変調器の電極、7…電
界センサの金属棒、8…筐体、9…シングルモード光フ
ァイバ、10…光検出器、11…レベルメータ、12,
13…光導波路、14…基板に応力を印加する手段、1
5…金属棒を取付けるためのネジ、16…基板に応力を
印加するためのナイロンネジ、17…ナイロン製ナッ
ト、18…基板の台。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 間に空隙を設けて直列に配置される2つ
    の金属棒と、 前記2つの金属棒によって形成され空隙に挿入される
    とともに、電気光学効果を有する基板と、前記電気光学
    効果を有する基板上に設けられる光導波路とを有する光
    変調器とを有し、 前記光 変調器に無変調の光信号を入射し、該入射光信
    号を前記2つの金属棒によって形成された空隙に生じた
    電界による電磁誘導で光強度変調し、該変調された光
    信号成分を光検出器で検出し、該検出された変調光信
    号成分に基づいて、前記金属棒の置かれた位置の電界強
    度を測定する電界センサ装置であって、 前記電気光学効果を有する基板の、前記光導波路が形成
    されている面とその相対する面を除いた面から、前記電
    気光学効果を有する基板に対して、前記 光導波路の延長
    方向と直交する方向に応力を印加する手段を有すること
    を特徴とする電界センサ装置。
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JP2010127777A (ja) * 2008-11-27 2010-06-10 Sumitomo Osaka Cement Co Ltd 電界計測装置

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