JP3612557B2

JP3612557B2 - 物理量計測装置および物理量計測方法

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Publication number: JP3612557B2
Application number: JP2000294833A
Authority: JP
Inventors: 克幸笠井
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2005-01-19
Anticipated expiration: 2020-09-27
Also published as: JP2002107176A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，電界，磁界，応力，電流，電圧，温度，振動，圧力，音響，歪み等の物理現象の微小な物理量を検出することのできる物理量計測装置および物理量計測方法に関するものである。特に，量子相関性の強い光を使用してショットノイズレベル（量子雑音）以下の微小な物理量を検出するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光のファラデー効果，電気光学効果等を偏光が変化する光学効果を利用して，電界，磁界，応力，電流，電圧，温度，振動，圧力，音響，歪み等の物理量を検出できることは従来から知られている。以後，そのような計測物理量の例として磁界もしくは電界について代表的に説明する。
【０００３】
図９（ａ），図９（ｂ）は，ファラデー効果素子を使用した従来の磁界測定装置を示す。図９（ａ）は，ファラデー効果の説明図であり，図９（ｂ）はファラデー効果を利用した磁界測定装置の構成である。
【０００４】
図９（ａ），図９（ｂ）において，１０１は偏光子である。垂直方向の偏光面をもっているものである。１０２はファラデー効果素子であって，印加された磁界の大きさに従って，ファラデー効果素子に入力される直線偏光の偏光面を回転させるものである。１０３は偏光子であって，水平方向の偏光面をもつものである。１２１は偏光子１０１を通過した直線偏光である。１２２はファラデー効果素子１０２を通過する過程で，角度θだけ回転した偏光である。１２３は偏光１２２が偏光子１０３を通過して得られた偏光１２２の水平方向成分である。
【０００５】
１００はレーザ光源である。１０４は光−電気変換素子である。１０５は増幅器である。１０６は出力装置である。
【０００６】
図９（ａ），図９（ｂ）の構成において，被測定磁界Ｈがファラデー効果素子１０２の光軸方向に平行に印加されている。レーザ光が偏光子１０１を通過すると，垂直偏光成分が通過し，直線偏光１２１が得られる。直線偏光１２１はファラデー効果素子１０２を通過する時に，被測定磁界Ｈの強さに比例した角度だけ回転し，偏光１２２が得られる。偏光１２２は水平偏光の偏光子１０３を通過して水平方向の成分をもつ偏光１２３が得られる。水平方向の偏光１２３は光−電気変換素子１０４に送られ，電気量に変換され，増幅器１０５で増幅される。その出力値からファラデー効果素子１０２での偏光面の回転量がわかる。出力装置１０６はその被測定磁界Ｈの大きさに応じた信号を出力する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の磁界測定装置は，磁界の大きさが小さいとファラデー効果素子での偏光の回転量が小さいので，レーザ光の雑音の影響などで正確な磁界の大きさを測定することができなかった。
【０００８】
本発明は，微小な磁界等の物理現象の計測物理量（計測対象の物理量）を正確に測定することのできる物理量計測装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本出願人は，光パラメトリック発振器により安定で，高出力の量子相関性の高いコヒーレント光の発振に成功した。そこで，この高出力の安定性の高いコヒーレント光ビームを使用して，微小な物理量を検出できる物理量計測装置を開発した。
【００１０】
図８は本発明で使用する光パラメトリック発振器を示す。図８において，８０はポンプ光生成部であって，ポンプ光光源であり，ＹＡＧレーザとその第二高調波発生装置により構成されるものである。８１はＫＴＰの結晶である。８２，８３は凹面ミラーであって，凹面に部分反射膜８４，８５を形成したものである。
【００１１】
図８の構成において，ポンプ光生成部８０は，５３２ｎｍの第二高調波を発生し，凹面ミラー８２を介してＫＴＰ８１に入射する。ＫＴＰの結晶８１において，凹面ミラー８２と８３の間で，反射を繰り返し，パラメトリック過程によりシグナル光ω_sとアイドラ光ω_iが発生する。ＴＹＰＥIIのＫＴＰの場合，ω_s，ω_iは偏光面が直交している。
【００１２】
光パラメトリック発振器で発生したシグナル光とアイドラ光の間には強い量子相関性がある。そのようなビーム間の光振幅差の揺らぎは量子雑音以下になり，片方のビームに埋もれた量子雑音以下の情報は，光ビームの量子相関性を利用して外部に信号として取り出すことができる。すなわち，一方の光ビームに微小な計測物理量の信号が埋め込まれた場合，両者の差をとることにより，両者に含まれる相関性の強い量子雑音（ショットノイズ）は除去されるが一方の光ビームに埋め込まれた微小な計測物理量の信号は残される。そのため，量子相関性のある光ビームを使用することにより微小な物理量を検出することが可能になる。
【００１３】
図１は，本発明の基本構成を示す図である。
図１（ａ）は本発明の基本構成を示す。
図１（ａ）において，１は光源部であって，２の光ビーム対生成部により，量子相関性の高い光ビーム対を生成するものである。
【００１４】
２０は計測部であって，微小な計測物理量を検出するものである。３は計測物理量検出部であって，計測物理量の情報が光ビームＡに付加される。６は計測対象の物理量を表す。
【００１５】
１０は信号処理部であって，計測部からの光信号を電気信号に変換し，信号処理するものである。１１は雑音除去部であって，計測部２０から送られる量子相関性の高い，計測物理量の情報が付加された光ビームＡと情報が付加されていない光ビームＢを受光し，電気信号に変換して，光ビームＡに含まれる雑音を除去し，計測物理量を取り出すものである。１２’は出力部であって，電気信号に変換された信号を処理するものである。１３は光−電気変換部である。
【００１６】
図１（ａ）の構成の動作を説明する。
光源部１において，光ビーム対生成部２は量子相関性の高い光ビーム対（光ビームＡ，光ビームＢ）を生成する。計測部２０において，計測物理量検出部３は量子相関性の高い光ビーム対の一方である光ビームＡに計測物理量６の情報を付加する。例えば，微小な交番磁界で光ビームＡを変調する。
【００１７】
信号処理部１０において，雑音除去部１１は，光ビームＡおよび光ビームＢを受光し，光−電気変換部１３でそれぞれ電気信号Ａおよび電気信号Ｂに変換する。そして，電気信号Ａと電気信号Ｂに含まれる量子雑音の量子相関性を利用して，例えば，電気信号Ａと電気信号Ｂの差をとる等で光ビームＡから変換した電気信号Ａに含まれる量子雑音を除去する。光ビームＡは量子雑音を除去されることにより計測物理量を表す信号が残される。そこで，出力部１２’はその電気信号を処理し，計測物理量を表す電気信号を取り出すことにより計測物理量を検出することができる。
【００１８】
図１（ｂ），図１（ｃ）は，本発明の微小な計測物理量の測定原理の説明図である。
図１（ｂ）において，横軸は周波数であり，縦軸はノイズレベルを表す。Ｎはショットノイズレベルであり，光ビーム対をもとに変換した電気信号のもつノイズレベルである。Ｍは電気信号Ａと電気信号Ｂの量子雑音を除去したあとのノイズレベルである。光ビームＡは周波数Ｆの計測物理量Ｐの信号を持っている。
【００１９】
図１（ｃ）は光ビームＡと光ビームＢの光振幅差をとった後の信号のノイズレベルを表し，光ビームＡに含まれる計測物理量の信号スペクトルである。
【００２０】
図１（ｂ）と図１（ｃ）で示されるように，量子相関性の高い光ビーム対をもとに光ビームＡと光ビームＢについて光振幅差を取った場合には，光ビームＡのショットノイズは除去され，スペクトルＳが得られる。
【００２１】
従って，この装置によって，ショットノイズレベル以下のような微小な計測物理量Ｐでも，光ビームＡと光ビームＢの量子相関性の高いことを利用して，光ビームＡの雑音を除去することにより，図１（ｃ）に示すように，微小な計測物理量Ｐの信号を取り出すことができる。その結果，微小な計測物理量を測定することができる。このように，本発明によれば，微小な計測物理量を測定することを可能にする。
【００２２】
また，本発明によれば，量子相関性の高い光ビームＡと光ビームＢの双方がなければ，光ビームＡに付加された計測物理量の情報は取り出せないので，計測物理量を秘密に信号処理部に送ることができる。そのため，計測物理量を離れた場所に秘密に送ることが可能になる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図２は本発明の実施の形態１を示す図である。本発明の実施の形態１は，光ビーム対の発生に光パラメトリック発振器を使用する場合を例として説明する。
【００２４】
図２において，１は光源部である。２は光ビーム対生成部であって，例として光パラメトリック発振器を示す。２１はポンプ光生成部であって，ＹＡＧレーザ装置である。本実施の形態ではその第二高調波（５３２ｎｍ）を利用する。２２はλ／２波長板であり，ポンプ光生成部２１から出力される光を減衰調整するものである。２３は光アソレータ（ＩＳＯ）である。２４はλ／２波長板であり，光パラメトリック発振器へのポンプ光の偏光を結晶軸に対して調整するものである。
【００２５】
光ビーム対生成部２（以後，光パラメトリック発振器２として説明する）において，２６はＫＴＰであり，ＴＹＰＥIIのＫＴＰ結晶である。２７は凹面ミラーである。光パラメトリック発振器２において，シグナル光ω_sとアイドラ光ω_iの光ビーム対が発生する。ＴＹＰＥIIのＫＴＰで構成した場合には，シグナル光とアイドラ光の偏光は直交する。本実施例形態では，ω_s，ω_iがほぼ同じ波長の１０６４ｎｍ近傍になるように結晶軸の角度を選んでいる。
【００２６】
２８はλ／２波長板であり，光パラメトリック発振器２の出力光の偏光面をＰＢＳ（２９）に対して，角度調整するものである。
２０は計測部である。２９は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であって，互いに直交している光ビーム対のうちの一方（アイドラ光）を出射し，他方（シグナル光）を計測物理量検出素子３０の側に導くものである。３０は計測物理量検出素子であって，計測物理量６の情報をシグナル光に付加するものである。計測物理量検出素子３０は，例えば，磁界測定のためにはファラデー効果素子等の磁気光学効果を利用した素子を使用する。あるいは電界測定であればポッケルス素子等の電界で偏光する素子を使用する。その他，音響，振動，ひずみ，温度等計測物理量に応じて偏光面が変化するものであれば目的に応じて使用することができる。計測物理量検出素子３０は計測物理量６によりシグナル光の偏光を回転させる。３１はＰＢＳであって，交番磁界で回転した偏光の一定方向の成分変化を求めるものである。計測物理量検出素子３０は計測部２０から光ファイバーで接続したまま外部に引出し，被測定物の近くで測定するようにすることができる。あるいは，計測部自体の大きさを小型にして，計測部２０の全体を被測定物の近くに置くようにしても良い。
【００２７】
１０は信号処理部である。３２はフォトダイオードであって，受光された光ビームを電気信号に変換するものである。３５はフォトダイオードであって，受光された光ビームを電気信号に変換するものである。３３は増幅器であって，フォトダイオード３２で変換された電気信号を増幅する低雑音増幅器である。３４は増幅器であって，フォトダイオード３５で変換された電気信号を増幅する低雑音増幅器である。
【００２８】
５３は差信号検出器であって，電気信号Ａと電気信号Ｂとの振幅の差をとるものである。差信号検出器５３は，差動回路であり，例えば，差動増幅器，あるいは１８０度ハイブリッドジャンクション等を使用する。５４は増幅器であって，差信号検出器５３の出力を増幅するものである。５５はスペクトラムアナライザであって，差信号検出器５３の出力のスペクトルを観測するものである。
【００２９】
５６はローカル発振器であって，増幅器５４の出力信号と混合するための信号である。５８はローパスフィルタであって，信号混合部で混合された信号のうちの低周波成分を通過させるものである。５９はオシロスコープであって，ローパスフィルタを通過した計測物理量の信号を観測するものである。
【００３０】
図２の構成の動作を説明する。
ポンプ光生成部２１はレーザ光を発生する。その第二高調波成分（５３２ｎｍ）をλ／２波長板２２，ＩＳＯ（２３（光アイソレータ）），λ／２波長板２４，レンズ系２５を介して，光パラメトリック発振器２に入射する。λ／２波長板２２はポンプ光生成部２１の発生する入射光を減衰調整してＩＳＯ２３に入射する。光パラメトリック発振器２において，ポンプ光ω_Pを入射することにより，ＫＴＰ２６の一端に形成された反射膜と凹面ミラー２７との間で反射を繰り返し，光パラメトリック発振器によりシグナル光ω_Sとアイドラ光ω_iが発生する。λ／２波長板２４はポンプ光の偏光を調整する。
【００３１】
光パラメトリック発振器２で用いる非線型結晶が，ＴＹＰＥIIのＫＴＰ結晶の場合，シグナル光とアイドラ光は偏光面が互いに直交している。このような光に対しては，波長板２８を用いて通過する光の偏光面の角度を調整することにより偏光ビームスプリッタ２９でシグナル光とアイドラ光を分離することができる。
【００３２】
ＰＢＳ（２９）に入射するシグナル光とアイドラ光の偏光面の角度が，ＰＢＳ（２９）においてシグナル光とアイドラ光が互いに直角な方向に出射されるような角度になるように，λ／２波長板２８により偏光角度を調整する。その結果，ＰＢＳ２９に入射されたアイドラ光はＰＢＳ２９で直角に曲げられ，信号処理部１０に送られる。
【００３３】
一方，シグナル光はＰＢＳ２９を直進し，光ファイバにより計測物理量検出素子３０に入射される。計測物理量検出素子３０は，例えば，ファラデー効果素子であって，交番磁界の場合シグナル光の偏光面を変調する。計測物理量６で変調されたシグナル光はＰＢＳ３１を通過して信号処理部に送られる。
【００３４】
信号処理部１０において，シグナル光はフォトダイオード３２で電気信号Ａに変換され，増幅器３３で増幅される。また，アイドラ光は，フォトダイオード３５で電気信号Ｂに変換され，増幅器３４で増幅される。電気信号Ａと電気信号Ｂは，差信号検出器５３で振幅差が取られ，雑音が除去され，電気信号Ａに含まれる計測物理量を表す信号が取り出される。
【００３５】
差信号検出器５３で取り出された，計測物理量を表す信号は増幅器５４で増幅され，ローカル発振器５６からのローカル信号と信号混合部５７で周波数混合される。そして計測物理量の信号周波数とローカル発振器の周波数との差の信号成分がローパスフィルタ５８により取り出され，計測物理量を表す信号が得られる。
【００３６】
例えば，測定対象の計測物理量を４ＭＨｚの交番磁界とし，ローカル発振周波数を３．９５ＭＨｚとするとローパスフィルタ５８を５０ＫＨｚの信号が通過し，オシロスコープで波形を観測することができる。
【００３７】
なお，上記説明においては，光パラメトリック発振器２をＴＹＰＥIIの非線型結晶（ＫＴＰ等）により構成し，ＰＢＳ２９によりシグナル光とアイドラ光を分離する場合について説明したが，光パラメトリック発振器２をＴＹＰＥ Iの非線型結晶（ＬｉＮｂＯ₃等）により構成した場合には，シグナル光とアイドラ光の偏光は同じ方向になる。そのため，ＰＢＳ２９により，シグナル光とアイドラ光を分離することができない。このような場合には，シグナル光とアイドラ光の周波数の違いを利用し，プリズム等を使用して分離する。あるいはシグナル光は通過するがアイドラ光は反射するような反射膜を形成したビームスプリッタあるいはフィルタにより分離する。
【００３８】
非線型結晶として，上記実施の形態ではＫＴＰを例として説明したが，本発明では，その他ＬｉＮｂＯ₃，ＫＤＰ，Ｂａ₂ＮａＮｂ₅Ｏ₁₅，ＣＯ（ＮＨ₂）₂，ＢＢＯ等が使用できる。また，ポンプ用光源も，ＹＡＧレーザ装置を使用する場合について説明したが，光ビーム対生成用非線型結晶に応じて，Ｎｄ³⁺：ＣａＷＯ₄，Ｎｄ³⁺：ｇｌａｓｓ，ｒｕｂｙ，Ａｒ⁺，Ｔｉ：Ｓａｐｐｈｉｒｅ等のレーザ装置が使用できる。
【００３９】
図３は本発明の実施の形態２であって，ファラデー効果素子としてファラデーガラスを使用し，微小な交番磁界を検出する場合の構成を示す。
図３において，図２と共通の参照番号は共通部分を示す。また，図３の構成において，光源部１の構成は図２の場合と同様である。
計測部２０において，２９はＰＢＳである。３０は計測物理量検出素子であって，ファラデーガラス（例えはＦＲ−５（商標））である。３１はＰＢＳである。
【００４０】
信号処理部１０において，３２，３５は光−電気変換素子（フォトダイオード）である。５３は差信号検出器である。５４は増幅器であって，差信号検出器５３で得られた差信号を増幅するものである。５５はスペクトラムアナライザである。
【００４１】
図３の構成の動作を説明する。計測物理量検出素子３０は微小交番磁界（Ｈａｃ）を検出し，Ｈａｃの大きさに応じてファラデーガラスでシグナル光（計測物理量検出光）の偏光面が回転する。その計測物理量検出光がＰＢＳ３１を通過すると，その回転量に応じて光振幅の変化が得られる。ＰＢＳ３１を通過した光を光−電気変換素子３２に入力することにより，交番磁界の大きさに応じた電気信号を出力する。電気信号の処理で，光−電気変換素子３２，３５の出力を増幅する増幅器は図では省略されている。また，図３では，差信号検出器５３の出力をスペクトラムアナライザで観測する構成としている。
【００４２】
図４は，本発明の実施の形態２で検出した信号の例を示す。図４（ａ）はショットノイズレベルである。図４（ｂ）は，量子相関性によりショットノイズ部分を除去したスペクトルである。
【００４３】
図４は，４ＭＨｚの微小交番磁界を図３の構成で測定した場合の実験データである。横軸は周波数であり，左端は１．６０ＭＨｚに対応し，右端は１２．００ＭＨｚに対応する。本実施の形態２では，４ＭＨｚの交番磁界を印加しているので，図４（ｂ）の４ＭＨｚに対応する位置に交番磁界の信号が生じている。
図４（ｂ）からわかるように，通常の測定ではショットノイズレベル（図４（ａ）のレベル）で埋もれて検出てきないような低レベルの信号でも，本発明によれば，図４（ｂ）のように，二つの光ビームの量子相関性を利用して検出することが可能になる。
【００４４】
図５は，本発明の実施の形態３の電界計測の説明図である。
図５は，計測物理量検出素子としてポッケルス効果素子，もしくはカー効果素子等の電界により偏光面が回転する素子を使用して，電界を測定するものである。
【００４５】
７１は電気光学効果結晶（ＬｉＮｂＯ₃等）であって，結晶に加わる電界により入射光の偏光面を回転させるものである。７４は偏光子である。
ｙ方向へ電気光学効果結晶に入射したシグナル光（直線偏光）は，周囲の電界強度の大きさにより偏光面が回転して，楕円偏光して出射される。偏光子７４を通過する光は入射される楕円偏光の形により透過率が変わるので，その出射光の光強度は電界に応じて変わり，光強度変調される。
【００４６】
本発明で利用できる計測物理量検出素子は，音響信号，圧力，歪み，温度変化等により偏光面が回転する素子を使用して，微小な音圧，振動，応力，歪み，温度変化等を検出することも可能である。
【００４７】
図６は発明の実施の形態４を示す図である。図６は微小な直流磁界を測定する場合の構成を示す。
【００４８】
図６において，図３と共通の参照番号は共通部分を示す。図６において，光源部１は図３の本発明の実施の形態２と同様であるので説明は省略する。信号処理部１０も図３の本発明の実施の形態２と同様であるので，説明は省略する。
【００４９】
計測部２０において，２９はＰＢＳであり，光源部１から送られる光ビームを光ビームＡと光ビームＢに分離するものである。６１はλ／２波長板である。６２はＥＯＭ（電気光学変調素子）であって，印加電圧に応じて偏光面が回転するものである。６３は交流電源であり，ＥＯＭ６２に交流電圧（例えば４ＭＨｚ）を印加するものである。６４はＰＢＳであって，ＥＯＭ６２から出力される交流で変調された光ビームを分けるものである（偏光面はＰＢＳに対して，４５度の角度になるようにする）。６５，６６は反射鏡である。
【００５０】
３０は計測物理量検出素子であり，ＥＯＭ６２で変調されている光の偏光面を被検出対象の直流磁界Ｈｄｃの大きさに応じて，回転させるものである。３１はＰＢＳであって，計測物理量検出素子３０からの光ビームと反射鏡６５からの光ビームとを合成するものである。
【００５１】
図６の動作を説明する。
ＰＢＳ２９で分離した光ビームの一方はλ／２波長板６１でＰＢＳ６４に対して４５度の偏光方向に調整され，ＥＯＭ６２に入射される。分離した他方の光ビームは光−電気変換素子３５に入射される。ＥＯＭ６２に入射した光ビームは交流電圧により変調され，電圧の向きと大きさに応じて偏光面が回転する。ＥＯＭ６２を通過した光ビームは，ＰＢＳ６４で分けられる。ＰＢＳ６４で分けられた光ビームの変調成分（例えば，４ＭＨｚ）は分けられた光ビーム間で１８０度の位相差を持っている。
【００５２】
反射鏡６６で反射された光ビームは計測物理量検出素子３０で直流磁界Ｈｄｃにより偏光面が回転され，ＰＢＳ３１に入射する。ＰＢＳ３１で反射鏡６５で反射した光と計測物理量検出素子３０で偏光面が回転した光が合成される。
【００５３】
ＰＢＳ６４において，反射鏡６５の側に進む光と反射鏡６６の側に進む光ビームの変調成分は位相差が１８０度あるので，計測物理量検出素子３０で磁界が印加されていなければ，ＰＢＳ３１で合成された光ビームに変調成分は現れないが，反射鏡６６で反射した光ビームが磁界Ｈｄｃで偏光面が回転されている場合には，ＰＢＳ３１で合成される１８０度位相の異なる成分の大きさにアンバランスが生じ，ＰＢＳ３１で合成された光ビームに変調された成分（４ＭＨｚ）が現れる。
【００５４】
ＰＢＳ３１の出力光は光−電気変換素子３２で電気信号に変換される。光−電気変換素子３５と光−電気変換素子３２の出力の差が差信号検出器５３で得られ，光−電気変換素子３５で変換された電気信号と光−電気変換素子３２で変換された電気信号に含まれる量子相関性のショットノイズ成分が除去され，ＥＯＭ６２で変調された信号成分が現れ，その大きさは被測定磁場の大きさに応じて，振幅の大小が得られる。従って，スペクトラムアナライザ５５でＥＯＭ６２で変調された信号のスペクトルを観測することによりその有無および大きさにより，磁場Ｈｄｃの存在の有無，大きさを観測することができる。
【００５５】
図７は，本発明の実施の形態５と実施の形態６を示す。
図７（ａ）は本発明の実施の形態５であり，発光素子Ａと発光素子Ｂとにより量子相関性の高い光を生成するものである。
光パラメトリック発振器以外でも量子相関性の高い光を生成することができる。例えば，レーザダイオードあるいは発光ダイオードを複数個直列に接続しておき，安定度の極めて高い電流源を使用して駆動することにより直列に接続した発光素子から量子相関性のある光を発光することが可能である。
【００５６】
図７（ａ）はこのように光ビーム対を発生させる構成を示す。９５は発光素子Ａであって，レーザダイオードもしくは発光ダイオードである。９６は発光素子Ｂであって，レーザダイオードもしくは発光ダイオードである。９７は電流源であり，ゆらぎの極めて小さい，安定度の高い電流源である。
【００５７】
図７（ｂ）は，本発明の実施の形態６であって，検出側装置と信号処理側装置を光ビームを一本にして送信する場合の構成を例示する。
【００５８】
計測物理量の情報を持つ光ビームと情報をもたない光ビームを光源部１において合成し，一本の光ビームにより信号処理側に送信するものである。信号処理部１０で光ビームを光分離し，分離した光をそれぞれ電気信号に変換する。そして，量子相関性を利用して量子雑音を除去し，計測物理量を表す信号を取り出すことができる。
【００５９】
図７（ｂ）で光源部１から信号処理部１０への光伝送は偏光面保存光ファイバ等の伝送する光の偏光面がくずれないような光ファイバを使用する。
【００６０】
図７（ｂ）において，１は光源部である。２は光ビーム対生成部である。２９は光分離器（図２のＰＢＳ２９に同じ）であって，光ビーム対生成部２の発生する光ビームを光ビームＡと光ビームＢに分離するものである。２９’は光合成器であって，計測物理量の情報をもつ光ビームＡと光ビームＢを合成して，一本の光ビームにするものである（例えば，ＰＢＳを使用する）。
【００６１】
計測部２０において，３０は計測物理量検出素子であって，計測物理量で光ビームＡの偏光の方向を変化させるものである。３１は偏光子である。
１０は信号処理部である。８５は光分離部であり，受光した光ビーム９１から，偏光Ａ（９２）と偏光Ｂ（９３）を分離するものである。１３は光−電気変換部Ａであって，光ビームＡ（９２）を電気信号Ａに光−電気変換するものである。１４は光−電気変換部Ｂであって，光ビームＢ（９３）を電気信号Ｂに光−電気変換するものである。６１，６２はそれぞれ増幅器Ａ，増幅器Ｂであって，それぞれ電気信号を増幅するものである。５３は差信号検出器である。
【００６２】
図７（ｂ）の構成の動作を説明する。
光ビーム対生成部２は光ビームＡと光ビームＢの光ビーム対を生成する。光分離器２９は一本の光ビームを光ビームＡと光ビームＢに分離する。計測物理量検出素子３０は，計測物理量で光ビームＡ（９２）の偏光の方向を回転させる。その後，偏光子３１で，一方向の偏光成分が取り出される。光合成器２９’は，計測物理量の情報をもつ光ビームＡと光ビームＢを一本の光ビーム９１に合成する。信号処理部１０は光ビームＡと光ビームＢを含む光ビーム９１を受光する。光分離部８５は光ビーム９１を光ビームＡ（９２）と光ビームＢ（９３）に分離する。光−電気変換部Ａ（１３）は光ビームＡ（９２）を電気信号Ａに変換する。光−電気変換部Ｂ（１４）は光ビームＢ（９３）を電気信号Ｂに変換する。さらに，増幅器Ａ（６１）と増幅器Ｂ（６２）でそれぞれ計測物理量の情報をもつ電気信号Ａと情報をもたない電気信号Ｂを増幅する。差信号検出器５３は電気信号Ａと電気信号Ｂの振幅差をとり，量子雑音を除去する。差信号検出器５３から量子雑音を除去された計測物理量の情報を含む電気信号が出力される。なお，図７（ｂ）では，光ビーム対を光分離器で分離して２本の光ビームにし，一方を計測物理量検出素子に入力するようにしているが，光ビーム対を光分離しないで一本の光ビームのまま，計測物理量検出素子に入力し，一方の偏光（偏光Ａ）に計測物理量の情報を乗せ，情報を乗せた偏光Ａと偏光Ｂを含む一本の光ビームを信号処理部に送るようにしても良い。
【００６３】
また，図７（ｂ）では，光ビーム対生成部は光ビームＡと光ビームＢを含む一本の光ビームを生成し，光分離器で光分離するようにしているが，例えば，図７（ａ）のような装置構成で光ビームＡと光ビームＢの光ビーム対を生成すれば，光分離器２９はなくても良い。
【００６４】
上記においては，微小な電界および磁界を測定する場合について説明したが，本発明は，電界，磁界以外の応力，電流，電圧，温度，振動，圧力，音響，歪み等の物理現象の微小な物理量を，偏光が変化する光学的効果によりそれぞれの計測物理量を検出できる素子を使用することにより測定できるものである。
【００６５】
【発明の効果】
本発明によれば，量子相関性をもつ光ビーム対の量子相関性を利用して，ショットノイズ（量子雑音）以下の微小な計測物理量を測定もしくは検出することができる。また，シグナル光とアイドラ光の両方の信号がなければ，計測物理量を取り出すことができないので，計測物理量を信号処理側に秘密に送信することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態２を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２の実験データの例を示す図である。
【図５】本発明の電界を測定するための計測物理量検出素子の実施の形態３を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態４を示す図である。
【図７】本発明の実施の形態５および実施の形態６を示す図である。
【図８】光パラメトリック発振器の例を示す図である。
【図９】従来の技術を示す図である。
【符号の説明】
１：光源部
２：光ビーム対生成部
３：計測物理量検出部
６：計測物理量
１０：信号処理部
１１：雑音除去部
１２’：出力部
１３：光−電気変換部

Claims

量子相関性のある光ビームＡと光ビームＢよりなる光ビーム対を生成する光源部と，計測物理量を検出する計測部と，光ビームを入力して信号処理する信号処理部を備えた物理量計測装置において，
光源部は光ビームＡを該計測部に送信し，計測部は物理量検出素子を備え，該物理量検出素子は光源部から光ケーブルにより引き出されているものであって，光源部から離れたところにある被測定物を被測定物の近くで測定できるように構成され，該物理量検出素子は光ビームＡを入力して計測物理量に基づいて得られる信号を光ビームＡのショットノイズレベル以下の大きさとして光ビームＡに付加し，光源部に該信号を秘密に送信するものであり，
光源部は該光合成器を備えて，光ビームＢと計測部から送られてくる光ビームＡを合成し，一本の光ビームとして，信号処理部に送信するものであって，光ビームＡもしくは光ビームＢのみでは該信号を検出できないように信号処理部に送信するものであって，
信号処理部は，入力光ビームを光ビームＡと光ビームＢに分離する光分離部を備え，光源部から送信される一本の光ビームを入力し，該光ビームを光ビームＡと光ビームＢに分離し，光ビームＡを電気信号に変換する光−電気変換部Ａと光ビームＢを電気信号に変換する光−電気変換部Ｂと，光−電気変換部Ａで光−電気変換された信号と光−電気変換部Ｂで光−電気変換された信号の差をとり，それぞれの信号に含まれる雑音の量子相関性を利用して雑音を除去することにより計測物理量を出力する信号処理部とを備え，計測物理量に基づく信号を秘密に送信するものであることを特徴とする物理量計測装置。
光源部は，光ビームＡを発光する発光素子Ａと光ビームＢを発光する発光素子Ｂを備え，光ビームＡと光ビームＢは量子相関性があることを特徴とする請求項１に記載の物理量計測装置。
量子相関性のある光ビームＡと光ビームＢよりなる光ビーム対を生成する光源部と，計測物理量を検出する計測部と，光ビームを入力して信号処理する信号処理部を備えた物理量を計測する物理量計測方法において，
光源部は該光ビームＡを計測部に送信し，計測部は物理量検出素子を備え，該物理量検出素子は光源部から光ケーブルにより引き出されているものであって，光源部から離れたところにある被測定物を被測定物の近くで測定できるように構成され，該物理量検出素子は光ビームＡを入力して計測物理量に基づいて得られる信号を光ビームＡのショットノイズレベル以下の大きさとして光ビームＡに付加し，光源部に該信号を秘密に送信し，
光源部は光合成器により光ビームＢと計測部から送られてくる計測物理量に基づく情報を付加した光ビームＡを合成し，一本の光ビームとして電気信号処理部に送信し，
電気信号処理部は，入力光ビームを光ビームＡと光ビームＢに分離する光分離部を備え，光源部から送信される一本の光ビームを入力して，該光ビームを光ビームＡと光ビームＢに分離し，光ビームＡを電気信号に変換する光−電気変換部Ａおよび光ビームＢを電気信号に変換する光−電気変換部Ｂとを備え，
光−電気変換部Ａにおいて光ビームＡを光−電気変換し，該光−電気変換部Ｂにおいて光ビームＢを光−電気変換し，それぞれの信号の差をとり，それぞれの信号に含まれる雑音の量子相関性を利用して雑音を除去することにより計測物理量を出力し，計測物理量に基づく信号を秘密に送信することを特徴とする物理量計測方法。
光源部は，光ビームＡを発光する発光素子Ａと光ビームＢを発光する発光素子Ｂを備え，光ビームＡと光ビームＢは量子相関性があることを特徴とする請求項３に記載の物理量計測方法。