JP3704368B2

JP3704368B2 - 光電界センサ

Info

Publication number: JP3704368B2
Application number: JP00453194A
Authority: JP
Inventors: 高信田辺; 祐一戸叶
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1994-01-20
Filing date: 1994-01-20
Publication date: 2005-10-12
Anticipated expiration: 2020-10-12
Also published as: JPH07209341A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は，ＥＭＣ測定（ノイズ測定）に代表されるフィールド内の電界強度を測定するために用いる，光電界センサの構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来，図７（ａ）で示される光電界センサが用いられている。図示のように，光電界センサは，ＬｉＮｂＯ_３基板上にＴｉ拡散により光導波路型分岐干渉計を作製し，分岐した２本の光導波路の内の１本に電極を設け，この光変調器を硝子容器１に収納固定し，光変調器の電極をアンテナ２に接続している。そして，光変調器の光入射側に偏波保持ファイバー３，光出射側にシングルモードファイバー４を接続して構成している。ところで，光電界センサに内蔵する光変調器は，電気光学効果を持つ光学結晶基板上に，入射光を２分岐した後，合波させる構造の光導波路を形成し，分岐された２本のそれぞれの光導波路近傍に電極を配置する構造を有している。自然または強制発生した電界は，アンテナを通して前記電極に伝わり，光導波路に位相変調を生じさせる。この後合波された光は，強度変調を起こすため，電界に応じた光強度を得られる特徴を有している。
【０００３】
図８は従来の光導波路マッハツェンダー干渉計を示す図で，図７（ａ）の光変調器に用いられている。図８で示すように，光導波路マッハツェンダー干渉計は，光導波路１２，１２を分岐後，分岐された一方または両方の光導波路１２，１２に結晶軸に平行な電界を，変調電極２２，２２を介して印加して導波路の位相を変動させ，再び合波させる形状を備えており，その印加電圧によって合波後の光強度を変動させることから，光強度の測定により，変調電極２２，２２に印加される微小電圧を測定するような電界センサとして用いることが可能である。
【０００４】
図９は図８のマッハツェンダー干渉計の光変調特性を示す図である。図９に示すように，マッハツェンダー干渉計によって強度変調された光の出力強度（相対強度）は，印加電圧に対して三角関数波（正弦）曲線に従って変化する。そこで，印加電圧０Ｖの時に，この三角関数波の直線的な変化部分（極大値と極小値の中点）に光強度が位置するように調整（光学バイアス調整）しておけば，電界センサとして印加電界に対する光強度の変化量が微小電圧に対して比例関係を示すことになり，印加電界を光強度で測る事ができる。つまり，電界センサとして用いる場合にはこのような特性を必要とする。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし，従来の光電界センサにおいて，電極間は数μｍと非常に狭く，その電極間にアルカリイオン等の異物が混入すると，電極間に電圧が印加された時に蓄電圧として残留し，印加電圧に対する光変調度が変動してしまう。高周波よりむしろ低周波でこの変動は起こりやすい。（直流電流が一番影響を受けるＤＣドリフト）こうなってしまっては，光電界センサの測定精度を劣化させることになる。また，この種の光電界センサに温度変化を与えると，結晶内部でキャリアの移動が起こり，結果として出射光の不安定な特性（温度ドリフト）になってしまう。この特性変動は，温度変化が急激であるほど顕著であり，微少な温度変化に対しても敏感に変動する。この温度ドリフトを図７（ｂ），及び図７（ｃ）を用いて簡単に説明する。図７（ｂ）では，光電界センサは，周囲の温度が３０℃という条件下に置かれている。このとき，偏波保持ファイバー３（図７（ａ））に入射する光が，この光電界センサを通りシングルモードファイバー４から出力される正常な光の波形がＡで，横軸が印加電界，縦軸が光強度を表しており，ここではアンテナへの印加電界が０［Ｖ］の時，光強度が極大値と極小値の中点にあるように調節されている。図７（ｃ）は，温度ドリフトを受けた場合のシングルモードファイバー４から出射する光の波形Ｂを示す図である。波形Ｂではアンテナへの印加電界が０［Ｖ］のとき，光強度が入射光の波形Ａより位相でπ／４ズレている。このズレが温度ドリフトであり，光電界センサの温度特性を劣化させ，感度を不安定にしている。
【０００６】
この温度特性改善対策として，従来の光電界センサに用いられる光変調器では，光学結晶にドリフトした量と等しく極性が逆となる歪を，ペルチェ素子等による物理的応力を印加したり変調電界に歪と逆の電界を追加する，等の間接的な補償方法はあった。また，この特性変動は，基板表面に導電性膜を形成し，結晶内で電荷を相殺するような構造をとることで，防止することができることが知られている。
【０００７】
しかし，実質的に温度特性の劣化原因となる光変調器への熱伝導を，抑制するような構造を持った光電界センサは，従来にはなかった。また，上記したように，光変調器の出力をモニターし温度ドリフト量を測定，これを相殺する歪を加えるためには，これらの機構を動作させるための装置が必要となり，更に，精度も要求される。更に，上記したように，一般的な光変調器としては，半導体膜Ｓｉ等の導電性膜でこの特性変動を抑えているが，スパッタや真空蒸着の方法が採られているため，その工程時間の長期化が問題となっていた。
【０００８】
一方，通常上記したようなマッハツェンダー干渉計を作製すると，基板となるＬｉＮｂＯ_３特性や素子の製作条件等によって，前記印加電圧による光変調特性は違ってくる。具体的には，半波長電圧や損失等の特性の再現性はとれるが，印加電圧０Ｖでの光強度を，電界センサとして必要とされる極大値と極小値の中点に合わせることはむづかしい。そのため，作製後の導波路に歪みを与えて調整する方法（光学バイアス調整）がとられるのが一般的である。
【０００９】
また，電界センサは，金属性のアンテナによって電界を受け，光変調器の電極部分に印加電圧を発生させる形状を用いている。この時，センサの周りにアンテナ以外の金属が存在すると，電界センサの周りに発生している電界を乱してしまう。このことから，アンテナ以外の金属成分を除去するため，そのパッケージも非金属で作製するのがよい。一般的にはプラスチック等の樹脂を用いている。このようにして作られた電界センサは，その特性からμＶオーダーの電界強度を測定するため，その周りに発生する電界の影響を受け易い。また，プラスチック等の樹脂製のパッケージ等で発生する静電界は，光学バイアスを変動させる程にも達する。このようなパッケージによる静電界は，湿度等の変動に大きく関与してしまうため，常に一定の光学バイアスの素子にすることは，困難である。しかし，光強度特性が０Ｖの印加電圧で極大値と極小値の中点にあれば静電界による光学バイアス移動はある程度は無視できることから，従来はパッケージ後の光学バイアスの調節に重点がおかれていた。
【００１０】
そこで，本発明の第１の技術的課題は，光電界センサ外部の熱変動が光学結晶に熱伝導されるのを抑える構造により，精度を要求される装置が不要で，かつ温度特性を向上する事が可能な光電界センサを提供することにある。
【００１１】
また，本発明の第２の技術的課題は，安価で簡単な工程により導電性膜を形成した光電界センサを提供することにある。
【００１２】
また，本発明の第３の技術的課題は，異物が混入しやすい電極間に安定な特性を有する物質を塗布することにより，外界との干渉を遮断し，汚れや異物の混入を容易に防止できる光電界センサを提供することにある。
【００１３】
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば，電気光学効果を持つ光学結晶基板上に形成された光導波路近傍に少なくとも一対の変調電極を配置し，前記一対の変調電極に自然または強制発生する電界を導く事によって生じる光強度変化を利用して電界強度を測定するようにした光電界センサにおいて，前記光学結晶基板に温度変化によって発生する不安定な電荷を移動させて相殺できるような抵抗値を有する導電性の樹脂を前記光学結晶基板全面に塗布したことを特徴とする光電界センサが得られる。尚，使用する導電性膜は，ドリフトに影響の無いよう，抵抗値や材質を吟味する必要がある。
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【作用】
本発明においては，光電界センサの周囲温度変化による影響が，光変調器の光学結晶には小さく抑えられ，温度特性が良好な光電界センサを提供する事が可能となる。
【００２０】
また，本発明においては，従来問題となっていた光電界センサの温度特性向上に寄与するばかりでなく，比較的安価で工程時間の要しない，生産性のよい光電界センサを提供することが可能になる。
【００２１】
また，本発明においては，長期的に安定な特性を有する光電界センサを提供することが可能となる。また，特定の設備を必要とせず，作業自体が非常に容易であるため，これによる工程時間の長期化はほとんどない。
【００２２】
【００２３】
【実施例】
以下，本発明の実施例及びその前提となる参考例を図面を参照して説明する。
【００２４】
（参考例１）
図１は参考例１に係る電界センサを示す図である。図１で示すように，ＬｉＮｂＯ_３基板上にＴｉ拡散により光導波路型分岐干渉計を作製し，分岐した２本の光導波路の内の１本に電極を設け，この光変調器を硝子容器１に収納固定し，光変調器の電極をアンテナ２に接続している。光変調器の光入射側に偏波保持ファイバー３，光出射側にシングルモードファイバー４を接続しており，これらを合わせて光電界センサとしている。図１ではこの光電界センサの周囲が３０℃という条件下に置いている。このとき，偏波保持ファイバー３に入射する光がこの光電界センサ本体を経てシングルモードファイバー４から出射する光の正常な波形がＣで，横軸が印加電界，縦軸が光強度を表しており，ここではアンテナへの印加電界が０［Ｖ］の時，光強度が極大値と極小値の中点にあるように調節されている。以上までは，従来と同様の構成を有する。本発明の実施例１に係る光電界センサは，断熱効果を有する発泡スチロール５で覆われている点で従来例とは異なる。ここで，図７（ｃ）に示すように，従来では，シングルモードファイバー４から出射する光が温度ドリフトを受けた波形Ｂとなっている。この波形Ｂでは，前述したように，アンテナへの印加電界が０［Ｖ］のとき，光強度が入射光の波形Ａ（図７（ｂ）参照）より位相でπ／４ズレている。このズレが温度ドリフトであり，光電界センサの温度特性を劣化させ，感度を不安定にするという欠点を有している。しかし，本発明の実施例１に係る光電界センサにおいては，図１（ｂ）に示すように，偏波保持ファイバー３に入射する光がこの光電界センサを経てシングルモードファイバー４から出射する光の正常な波形をＣとして０点調整をしたときに，ここではアンテナへの印加電界が０［Ｖ］の時，光強度が極大値と極小値の中点にある点で従来と同様であるが，しかし，図１（ｃ）に示すように，シングルモードファイバー４から出射する光の波形Ｄが，波形Ｃと重なり，温度ドリフトを受けていない点で異なる。即ち，波形Ｄではアンテナへの印加電界が０［Ｖ］のとき，光強度が０［Ｖ］となっており，正常の出射光の波形Ｃから変動していない。よって，発泡スチロール５によって，光電界センサの温度ドリフトが抑制され，温度特性が良好で，安定した感度が得られている。
【００２５】
以上のような結果から，参考例１による断熱効果を有する材料を用いた光電界センサは，周囲の温度変化による温度ドリフトの影響を抑制し，温度特性の向上をはかり，センサの感度を安定に保つ事ができる。
【００２６】
（実施例１）
図２は本発明の実施例１に係る光電界センサの要部を示す図である。図２で示すように，ＬｉＮｂＯ_３結晶Ｘ基板１１上にＴｉ（膜厚８００Ａ）熱拡散光導波路（以下，単に光導波路と呼ぶ）１２を，分岐後再び合流するような分岐干渉型光導波路に形成し，分岐後合流するまでの間に変調電極１３を形成したマッハツェンダー形光干渉計２０を作製した。素子の両端に７５ｍｍの微小ダイポールアンテナ（図示せず）を２本それぞれの変調電極１３に図８に示すものと同様に接続した。この光入力側には定偏波光ファイバを，出力側にはシングルモード光ファイバを接続した（図示せず）。入力光は１．３μｍ波長のレーザ光とし，出力された光はＯ／Ｅ変換して測定した。このようにして作製された光電界センサの微小ダイポール部に直流電圧を印加して印加電圧に対する光出力の強度変化から，半波長電圧Ｖπを導いた。
【００２７】
このようにして作製された光電界センサの光変調器部に，本発明の導電性スプレを塗布して導電性樹脂膜１４を形成し（工程時間５秒／個程度であった），温度変化に対して出射光強度がどのように変化するかを恒温漕内で確認した。温度は−１０℃〜６０℃で１０℃ステップで行った。比較対照のため，導電性スプレ等の加工を行わない光電界センサも同様な試験を行った。試験のデータは，光強度から図３のＳＧ曲線２５を元に電圧シフトとして取り扱い，半波長電圧Ｖで規格化した。
【００２８】
導電性スプレを使用しない光電界センサは，光強度が安定せず，２５℃付近でも強弱の変動が起こった。また，温度変化に対しても半波長電圧以上のシフト量が確認された。これに対して本発明を利用した光電界センサは，２５℃付近でも光強度変動はなく，−１０℃〜６０℃の温度環境下でも光学バイアスシフト量は，±０．３％（半波長電圧で規格化）以下であることが確認された。
【００２９】
以上のような結果から，本発明の実施例１によれば，光電界センサの温度特性向上に有効であることが確認できた。また，実施例１からも本発明が従来の方法に比べて非常に安価で容易な工程で済むため，生産性向上に大いに寄与することが確認された。
【００３０】
（参考例２）
図４は参考例２に係る光電界センサの要部を示す図である。図４で示すように，ＬｉＮｂＯ_３結晶Ｘ基板１１上にＴｉ（膜厚８００Ａ）熱拡散光導波路１２を，分岐後再び合流するような分岐干渉型光導波路に形成し，分岐後合流するまでの間に変調電極１３を形成したマッハツェンダー形光干渉計を実施例１と同様に作製し，参考例２では光導波路１２に隣接する変調電極１３部分にシリコン樹脂１７を塗布した。素子の両端に７５ｍｍの微小ダイポールアンテナを２本それぞれの変調電極１３に接続した。光入力側には定偏波光ファイバを，出力側にはシングルモード光ファイバを接続した（図示せず）。入力光は１．３μｍ波長のレーザ光とし，出力された光はＯ／Ｅ変換して測定した。このようにして作製された光電界センサの微小ダイポール部に直流電圧を印加して印加電圧に対する光出力の強度変化から，半波長電圧Ｖπを導いた。
【００３１】
このようにして作製された光電界センサに，特性劣化の起こりやすいＤＣ電圧（１２Ｖ）を印加１００時間放置して，ＤＣドリフト量を測定した。同様にシリコン樹脂を塗布しない試料も測定し，比較の対称とした。
【００３２】
測定後，粗悪な環境をつくるため，一般水道水で加湿された６０℃６０％の恒温恒湿試験を１００時間行った後，同様にＤＣドリフト測定を行ったところ，初期ＤＣドリフト量までの時間がシリコン樹脂を塗布したものは変化しなかったのに対し，シリコン樹脂を塗布しない試料は１０倍以上も時間が短縮した。
【００３３】
このことから，参考例２に係る光電界センサを利用すると，工程が非常に安易であるにも関わらず，ＤＣドリフト量の変動を抑え，安定な光電界センサを提供することができることが確認された。
【００３４】
（参考例３）
図６は参考例３に係る光電界センサを示す図である。図６をも参照して，ＬｉＮｂＯ_３結晶Ｚ基板２１上に図８のような従来と同様のマッハツェンダー干渉計パターンをＴｉパターンで作製した後，熱拡散によって光導波路１２を作製した。その後，導波路１２面にＳｉＯ_２膜を形成し，その上に変調電極２２のパターンを形成した。光導波路へのレーザ光の入出射の為，端面研磨を施して入射光側には定偏波ファイバ３を，出射光側にはシングルモードファイバー４を接続した。このようにしてできた素子の光変調特性は従来と同様に図９に示すような特性を示す。以上までは，従来と同様の構成を有する。その後，本発明の実施例４では，更に，変調電極２２に電界検知用アンテナ２を接続して全体を図６で示すようにパッケージした。なお，図６において，アンテナの図示は省略されている。また，パッケージ組上げは有機接着剤を使用して外気が内部素子に影響を与えないように密封した。
【００３５】
このとき，参考例３に係る帯電防止処理を施した塩化ビニール板と比較のための何の処理も施していない塩化ビニール板の２種類を用いて，別々にパッケージ組上げを行い帯電測定を行った。まず，先の２種類のパッケージに同じ強さの電界を加え，一定時間経過後にそれぞれの帯電量を測定しその値を比較した。その結果，電界を加えた３０秒後に，参考例３に係る帯電防止処理パッケージでは帯電量がほとんど見られなかったのに対し，何の処理も施していない比較例に係るパッケージでは印加電界強度の約半分に相当する帯電量が測定された。
【００３６】
以上のような結果から，参考例３によるパッケージを用いた光電界センサは，パッケージの帯電による周囲電界への擾乱影響がないため，測定しようとする電界のみを光変調する事が出来る。
【００３７】
【発明の効果】
以上，説明したように，本発明では，光電界センサ外部の熱変動が光学結晶に熱伝導されるのを抑える構造により，精度を要求される装置が不要で，かつ温度特性を向上する事が可能な光電界センサを提供することができる。
【００３８】
また，本発明では，安価で簡単な工程により導電性膜を形成した光電界センサを提供することができる。
【００３９】
また，本発明では，異物が混入しやすい電極間に安定な特性，即ち，余計なイオンを持たず，信頼性の良い，物質を塗布することにより，外界との干渉を遮断し，汚れや異物の混入を容易に防止できる光電界センサを提供することができる。
【００４０】
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は参考例１に係る光電界センサを示す図である。
（ｂ）及び（ｃ）は（ａ）の光電界センサの光強度と電界との関係の温度による影響を説明するのに供する図である。
【図２】（ａ）は本発明の実施例１に係る光電界センサを示す平面図である。
（ｂ）は（ａ）の光電界センサのＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図２の光電界センサの印加電圧と出力光との関係を示す図である。
【図４】（ａ）は参考例２に係る光電界センサを示す平面図である。
（ｂ）は（ａ）の光電界センサのＡ−Ａ線断面図である。
【図５】図４の光電界センサの印加電圧と出力光との関係を示す図である。
【図６】参考例３に係る光電界センサを示す図である。
【図７】（ａ）は従来例に係る光電界センサを示す図である。
（ｂ）及び（ｃ）は（ａ）の光電界センサの光強度と電界との関係の温度による影響を説明するのに供する図である。
【図８】（ａ）は従来の他の例に係る光電界センサを示す平面図である。
（ｂ）は（ａ）の光電界センサの入力光の時間と光強度との関係を示す図である。
（ｃ）は（ａ）の光電界センサの電界信号の電圧と時間との関係を示す図である。
（ｄ）は（ａ）の光電界センサの出力光の時間と光強度との関係を示す図である。
【図９】図８の光電界センサの印加電圧による光変調特性を示す図である。
【符号の説明】
１硝子容器
２アンテナ
３偏波保持ファイバー
４シングルモードファイバー
１１ＬｉＮｂＯ_３結晶Ｘ基板
１２光導波路
１３変調電極
１４導電性樹脂膜
１７シリコン樹脂
２０マッハツェンダー形光干渉計
２１ＬｉＮｂＯ_３結晶Ｚ基板
２２変調用電極パターン

Claims

電気光学効果を持つ光学結晶基板上に形成された光導波路近傍に少なくとも一対の変調電極を配置し，前記一対の変調電極に自然または強制発生する電界を導く事によって生じる光強度変化を利用して電界強度を測定するようにした光電界センサにおいて，前記光学結晶基板に温度変化によって発生する不安定な電荷を移動させて相殺できるような抵抗値を有する導電性の樹脂を前記光学結晶基板全面に塗布したことを特徴とする光電界センサ。