JP3720327B2

JP3720327B2 - 3-axis optical electric field sensor

Info

Publication number: JP3720327B2
Application number: JP2002380296A
Authority: JP
Inventors: 良和鳥羽
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2002-12-27
Filing date: 2002-12-27
Publication date: 2005-11-24
Anticipated expiration: 2022-12-27
Also published as: JP2004212137A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を用いて電界の測定を行う光電界センサに係り、特に、３軸方向の電界の測定に好適な３軸光電界センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電気光学効果を利用した干渉型光導波路を用いた光電界センサは、以下のような優れた特質を持っている。すなわち、金属部をほとんど持たないために被測定電界を乱さないこと、光ファイバで検出信号を伝送するので途中で誘導や電気的雑音の影響を受けないこと、結晶の電気光学効果を利用するので、高速応答が可能であり、かつその検出信号をそのまま少ない損失で伝送できること、センサ部に電源を必要としないことである。このような特質のゆえに光電界センサは、ＥＭＣ分野などの広範な電界測定に用いられている。
【０００３】
従来例としての３軸方向の電界を測定できる光電界センサを図５に基づいて説明する。光源１から出射した直線偏光の光は偏波保持ファイバ４、光サーキュレータ７、および偏波保持ファイバ１０を経て、３軸光電界センサヘッド１３に入射し、被測定電界による強度変調を受けて、再び、偏波保持ファイバ１０に入射する。その後、変調された光は光サーキュレータ７を経て、シングルモード光ファイバ１４を介して、Ｏ/Ｅ変換器１７に入射し、電気信号に変換される。
【０００４】
他の２軸方向の電界に対しては、図５に示すように、それぞれのセンシング系を有し、その構成は、第１の軸方向と同様である。なお、第２の軸方向の電界に対しては、光源２、偏波保持ファイバ５、光サーキュレータ８、偏波保持ファイバ１１、３軸光電界センサヘッド１３、シングルモード光ファイバ１５、およびＯ/Ｅ変換器１８によってセンシング系が構成されている。また、第３の軸方向の電界に対しては、光源３、偏波保持ファイバ６、光サーキュレータ９、偏波保持ファイバ１２、３軸光電界センサヘッド１３、シングルモード光ファイバ１６、およびＯ/Ｅ変換器１９によってセンシング系が構成されている。この構成により、直交３軸方向の電界を測定することができる。
【０００５】
このような３軸光電界センサは次の特許文献１に開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−２５７８８４号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述の３軸光電界センサは、光源、光サーキュレータ、Ｏ／Ｅ変換器が３軸独立していることから高価な装置であった。
【０００８】
そこで、本発明は、部品点数を削減し、低コストの３軸電界センサを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の３軸光電界センサは、電界を捉える３つのアンテナと、該アンテナと対をなし前記電界により光に強度変調を施す３つの光変調器と、無変調光を発生する光源と、該光源から光サーキュレータを介して供給された光の光路を切替える光スイッチと、該光スイッチの出力光を伝送して前記３つの光変調器の１つに選択的に供給すると共に、該光変調器から出力された変調光を伝送して前記光スイッチに逆方向から入力する光ファイバと、前記光スイッチおよび前記光サーキュレータを介して入力された変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器とを備える３軸光電界センサであって、前記３つの光変調器が正三角柱状に配置され、前記光変調器は電気光学効果を有する基板と該基板上に形成された干渉型の光導波路と該光導波路の近傍に設けられた変調電極からなり、各々の前記変調電極のパターンが前記正三角柱の側面上において正三角柱の軸方向と５４．７度をなす方向に形成され、前記変調電極が前記アンテナの機能を有することを特徴とする。
【００１１】
また、前記光源は、発振周波数がわずかに異なり、互いに直交する２つの直線偏波を出力するレーザ光源とすることができる。
【００１２】
そして、前記光サーキュレータは偏波無依存型とすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
次に、図１から図４に基づいて、本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
図２は、本発明の一実施の形態における３軸センサヘッドの外観斜視図である。２２は３芯シングルモード光ファイバ、２１は非金属の保持ロッド、２０は３軸センサ部である。この３軸センサ部の大きさはφ１２×３５ｍｍであり、３軸方向の電界を測定する反射型マッハツェンダ干渉計から成る光変調部が収められている。
【００１５】
上記３軸センサ部２０を上面から見たときの断面図を図３に示す。正三角柱の支持部材２３の側面に、互いに直交する、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸方向の電界を測定する光変調器が配置されている。２４はｘ軸方向の電界を測定する１軸光変調器、２５はｙ軸方向の電界を測定する１軸光変調器、２６はｚ軸方向の電界を測定する１軸光変調器、１９はハウジングである。このような構成により、３次元直交座標軸、ｘ、ｙ、ｚ軸方向の電界測定が可能になる。
【００１６】
ここで用いる１軸光変調器は、いずれもＬiＮbＯ₃基板上に作製されたＴi拡散導波路と、そこに電圧を印加する金属電極と反射ミラーとシングルモード光ファイバを備えて構成されている。
【００１７】
図４を用いて、ｘ軸、ｙ軸またはｚ軸方向の電界を測定する本実施の形態の１軸光変調器について説明する。２７はシングルモード光ファイバ、２８はＬiＮbＯ_３基板、２９は光導波路、３０ａ、３０ｂは分岐光導波路、３１は金属電極（アンテナ）、３２は反射ミラーである。
【００１８】
金属電極（アンテナ）３１は、三角形の金属膜の組み合わせにより形成され、矢印で示す方向（光導波路に対し５４.７度の方向）の電界によって誘起された電圧を分岐光導波路３０ｂに印加するように、そのパターンが決められる。そうすると、図３に示すような正三角柱の側面に、３つの光変調器の導波路方向が図３の紙面に垂直になるように配置することにより、直交３軸方向の電界を測定することができる。
【００１９】
この様子をさらに説明する。正三角柱の１つの側面上において中心軸に平行な辺と５４.７°の角度をなす直線は、他の２つの側面における対応する２つの直線と、互いに直交している。従って、この３直線方向の電界測定によって、直交３軸方向の電界測定が可能となる。
【００２０】
次に、図１を参照して、本実施の形態の３軸光電界センサについて説明する。２０は本実施の形態の３軸センサ部、３３は発振周波数がわずかに異なり、互いに直交する２つの直線偏波を出力する光源、３４は偏波無依存型の光サーキュレータ、３５は光スイッチ、３６は伝送シングルモード光ファイバ、３７はフォトダイオードとアンプからなるＯ／Ｅ変換器である。
【００２１】
このとき用いる光源の波長は、ＬiＮbＯ_３基板上のＴi拡散導波路における電気光学効果とロスを考慮して、１.２〜１.６μｍ程度の波長が選ばれる。また、ＲＩＮ（相対雑音強度）特性の良い半導体レーザ励起Ｎd：ＹＡＧレーザや低消費電力の半導体レーザが光源として適している。
【００２２】
半導体レーザ励起のＮd：ＹＡＧレーザを光源に用いる場合には、１.３２μｍのレーザ波長が、そして半導体レーザを光源に用いる場合には、高出力が得られる１.５５μｍのレーザ波長が使いやすい。
【００２３】
次に、この電界センサの動作について説明する。光源３３から出射して発振波長がわずかに異なり互いに直交する２つの直線偏波の光は、シングルモード光ファイバ３８、光サーキュレータ３４、光スイッチ３５、および伝送シングルモード光ファイバ３６を経て、３軸センサ部２０に入射し、被測定電界による強度変調を受けて、再び、伝送シングルモード光ファイバ３６に入射する。その後、変調された光は光スイッチ３５、光サーキュレータ３４を経て、Ｏ／Ｅ変換器３７に入射し、電気信号に変換される。
【００２４】
他の２軸方向に対しては、光スイッチ３５により光路を切り替えることにより第１の軸方向と同様の動作が行われる。
【００２５】
このような構成により、本実施の形態の電界センサ装置は、光変調器のスイッチングによる軸の選択により３軸方向の電界をそれぞれ測定することが可能となった。
【００２６】
本発明の３軸光電界センサにおいては、互いに直交する２つの直線偏波を出力する光源を用いることにより光変調器の偏波依存性を実質的に解消することができる。それに伴い、光スイッチング方式あるいは光伝送路の偏波無依存化が可能となり、その結果、汎用光部品を使用できるようになった。また、ほぼ１軸センサと同様な部品構成が可能となり、実用性の高い３軸光電界センサが実現できた。
【００２７】
【発明の効果】
上述のように、本発明によれば、部品点数が削減され、低価格でかつ３軸方向の電界測定が可能な３軸光電界センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における３軸光電界センサの構成を示す図。
【図２】本発明の一実施の形態における３軸センサヘッドの外観斜視図。
【図３】本発明の一実施の形態における３軸センサ部を上面から見たときの断面図。
【図４】本発明の一実施の形態における３軸センサヘッドの構成要素である１軸光変調器の構造を示す斜視図。
【図５】従来の３軸光電界センサの構成を示す図。
【符号の説明】
１９ハウジング
２０３軸センサ部
２１非金属の保持ロッド
２２３芯シングルモード光ファイバ
２３支持部材
２４、２５、２６１軸光変調器
２７シングルモード光ファイバ
２８ＬiＮbＯ₃基板
２９光導波路
３０ａ、３０ｂ分岐光導波路
３１金属電極
３２反射ミラー
３３光源
３４光サーキュレータ
３５光スイッチ
３６伝送シングルモード光ファイバ
３７Ｏ／Ｅ変換器
３８シングルモード光ファイバ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical electric field sensor that measures an electric field using light, and more particularly, to a triaxial optical electric field sensor suitable for measuring an electric field in three axial directions.
[0002]
[Prior art]
An optical electric field sensor using an interference optical waveguide utilizing the electro-optic effect has the following excellent characteristics. In other words, since it has almost no metal part, it does not disturb the electric field to be measured, it transmits the detection signal through the optical fiber, so it is not affected by induction or electrical noise, and uses the electro-optic effect of the crystal The high-speed response is possible, and the detection signal can be transmitted as it is with little loss, and the power supply is not required for the sensor unit. Because of these characteristics, the optical electric field sensor is used for a wide range of electric field measurements in the EMC field.
[0003]
A conventional optical electric field sensor capable of measuring electric fields in three axial directions will be described with reference to FIG. The linearly polarized light emitted from the light source 1 passes through the polarization maintaining fiber 4, the optical circulator 7, and the polarization maintaining fiber 10, enters the triaxial optical electric field sensor head 13, and receives intensity modulation by the electric field to be measured. The light again enters the polarization maintaining fiber 10. Thereafter, the modulated light passes through the optical circulator 7, enters the O / E converter 17 through the single mode optical fiber 14, and is converted into an electric signal.
[0004]
As shown in FIG. 5, the other two-axis electric fields have their respective sensing systems, and the configuration thereof is the same as that of the first axial direction. For the electric field in the second axial direction, the light source 2, the polarization maintaining fiber 5, the optical circulator 8, the polarization maintaining fiber 11, the triaxial optical electric field sensor head 13, the single mode optical fiber 15, and the O / The E converter 18 constitutes a sensing system. For the electric field in the third axial direction, the light source 3, the polarization maintaining fiber 6, the optical circulator 9, the polarization maintaining fiber 12, the three-axis optical electric field sensor head 13, the single mode optical fiber 16, and the O / The E converter 19 constitutes a sensing system. With this configuration, it is possible to measure the electric field in the orthogonal three-axis direction.
[0005]
Such a three-axis optical electric field sensor is disclosed in the following Patent Document 1.
[0006]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-257484
[Problems to be solved by the invention]
The above-described three-axis optical electric field sensor is an expensive device because the light source, the optical circulator, and the O / E converter are independent on three axes.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to provide a low-cost three-axis electric field sensor by reducing the number of parts.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a three-axis optical electric field sensor according to the present invention includes three antennas that capture an electric field, three optical modulators that are paired with the antenna and that modulate the intensity of light by the electric field, A light source that generates light, an optical switch that switches an optical path of light supplied from the light source via an optical circulator, and selectively transmits one of the three optical modulators by transmitting output light of the optical switch. An optical fiber for transmitting the modulated light output from the optical modulator and inputting the modulated light to the optical switch from the opposite direction; and the modulated light input via the optical switch and the optical circulator as an electrical signal. A three-axis optical electric field sensor including an O / E converter for converting, wherein the three optical modulators are arranged in a regular triangular prism shape, and the optical modulator is formed on a substrate having an electro-optic effect and the substrate Interference type A modulation electrode provided in the vicinity of the waveguide and the optical waveguide, and each modulation electrode pattern is formed on the side surface of the regular triangular prism in a direction forming 54.7 degrees with the axial direction of the regular triangular prism, The modulation electrode has a function of the antenna .
[0011]
The light source may be a laser light source that outputs two linearly polarized waves that are slightly different in oscillation frequency and orthogonal to each other.
[0012]
The optical circulator can be a polarization independent type.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0014]
FIG. 2 is an external perspective view of the three-axis sensor head in one embodiment of the present invention. Reference numeral 22 denotes a three-core single mode optical fiber, 21 denotes a non-metallic holding rod, and 20 denotes a three-axis sensor unit. The size of the triaxial sensor unit is φ12 × 35 mm, and an optical modulation unit including a reflective Mach-Zehnder interferometer that measures an electric field in the triaxial direction is accommodated.
[0015]
A cross-sectional view of the triaxial sensor unit 20 as viewed from above is shown in FIG. An optical modulator that measures electric fields in the x-axis, y-axis, and z-axis directions orthogonal to each other is disposed on the side surface of the support member 23 that is a regular triangular prism. 24 is a uniaxial optical modulator that measures an electric field in the x-axis direction, 25 is a uniaxial optical modulator that measures an electric field in the y-axis direction, 26 is a uniaxial optical modulator that measures an electric field in the z-axis direction, and 19 is It is a housing. With such a configuration, electric field measurement in the three-dimensional orthogonal coordinate axes, x, y, and z-axis directions becomes possible.
[0016]
Each of the uniaxial optical modulators used here includes a Ti diffusion waveguide fabricated on a LiNbO ₃ substrate, a metal electrode for applying a voltage thereto, a reflection mirror, and a single mode optical fiber.
[0017]
A uniaxial optical modulator according to this embodiment for measuring an electric field in the x-axis, y-axis, or z-axis direction will be described with reference to FIG. 27 is a single mode optical fiber, 28 is a LiNbO ₃ substrate, 29 is an optical waveguide, 30a and 30b are branched optical waveguides, 31 is a metal electrode (antenna), and 32 is a reflection mirror.
[0018]
The metal electrode (antenna) 31 is formed by a combination of triangular metal films, and applies a voltage induced by an electric field in a direction indicated by an arrow (a direction of 54.7 degrees with respect to the optical waveguide) to the branched optical waveguide 30b. The pattern is determined. Then, by arranging the three optical modulators on the side surfaces of the regular triangular prism as shown in FIG. 3 so that the waveguide directions are perpendicular to the paper surface of FIG. it can.
[0019]
This will be further described. A straight line forming an angle of 54.7 ° with a side parallel to the central axis on one side surface of the regular triangular prism is orthogonal to two corresponding straight lines on the other two side surfaces. Therefore, the electric field measurement in the three orthogonal directions can be performed by the electric field measurement in the three linear directions.
[0020]
Next, the three-axis optical electric field sensor of the present embodiment will be described with reference to FIG. 20 is a triaxial sensor unit of the present embodiment, 33 is a light source that outputs two linearly polarized waves that are slightly different in oscillation frequency, 34 is a polarization-independent optical circulator, 35 is an optical switch, Reference numeral 36 denotes a transmission single mode optical fiber, and reference numeral 37 denotes an O / E converter including a photodiode and an amplifier.
[0021]
The wavelength of the light source used at this time is selected to be about 1.2 to 1.6 μm in consideration of the electro-optic effect and loss in the Ti diffusion waveguide on the LiNbO ₃ substrate. Further, a semiconductor laser pumped Nd: YAG laser with good RIN (relative noise intensity) characteristics and a semiconductor laser with low power consumption are suitable as a light source.
[0022]
When a semiconductor laser-pumped Nd: YAG laser is used as the light source, a laser wavelength of 1.32 μm is easy to use.
[0023]
Next, the operation of this electric field sensor will be described. Two linearly polarized lights that are emitted from the light source 33 and have a slightly different oscillation wavelength and orthogonal to each other pass through a single mode optical fiber 38, an optical circulator 34, an optical switch 35, and a transmission single mode optical fiber 36, and are triaxially transmitted. The light enters the sensor unit 20, undergoes intensity modulation by the electric field to be measured, and again enters the transmission single mode optical fiber 36. Thereafter, the modulated light passes through the optical switch 35 and the optical circulator 34, enters the O / E converter 37, and is converted into an electric signal.
[0024]
For the other two axial directions, the same operation as in the first axial direction is performed by switching the optical path by the optical switch 35.
[0025]
With such a configuration, the electric field sensor device of the present embodiment can measure the electric fields in the three axial directions by selecting the axis by switching the optical modulator.
[0026]
In the triaxial optical electric field sensor of the present invention, the polarization dependence of the optical modulator can be substantially eliminated by using a light source that outputs two linearly polarized waves orthogonal to each other. As a result, it became possible to make the optical switching system or polarization independent of the optical transmission line, and as a result, general-purpose optical components could be used. In addition, a component configuration almost the same as that of a uniaxial sensor is possible, and a highly practical triaxial optical electric field sensor can be realized.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a three-axis optical electric field sensor that can reduce the number of parts, is inexpensive, and can measure electric fields in three axes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a three-axis optical electric field sensor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an external perspective view of a three-axis sensor head according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a triaxial sensor unit according to an embodiment of the present invention when viewed from above.
FIG. 4 is a perspective view showing a structure of a uniaxial optical modulator that is a constituent element of a triaxial sensor head according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a conventional three-axis optical electric field sensor.
[Explanation of symbols]
19 Housing 20 Triaxial sensor portion 21 Non-metallic holding rod 22 Three-core single mode optical fiber 23 Support members 24, 25, 26 Single axis optical modulator 27 Single mode optical fiber 28 LiNbO ₃ substrate 29 Optical waveguides 30a, 30b Branched light Waveguide 31 Metal electrode 32 Reflection mirror 33 Light source 34 Optical circulator 35 Optical switch 36 Transmission single mode optical fiber 37 O / E converter 38 Single mode optical fiber

Claims

Three antennas that capture an electric field, three optical modulators that are paired with the antenna and modulate the intensity of light by the electric field, a light source that generates unmodulated light, and an optical circulator supplied from the light source An optical switch that switches the optical path of the light, and the output light of the optical switch is transmitted and selectively supplied to one of the three optical modulators, and the modulated light output from the optical modulator is transmitted A three-axis optical electric field sensor comprising: an optical fiber that inputs to the optical switch from the opposite direction; and an O / E converter that converts the modulated light input via the optical switch and the optical circulator into an electrical signal. The three optical modulators are arranged in a regular triangular prism shape, and the optical modulator has an electro-optic effect substrate, an interference type optical waveguide formed on the substrate, and a modulation provided in the vicinity of the optical waveguide. Consisting of electrodes In the pattern of each of said modulation electrodes the regular triangular prism on the side is formed in a direction forming a positive triangular prism of the axial and 54.7 degrees, triaxial photoelectric to the modulation electrode and having the function of the antenna Field sensor.

2. The three-axis optical electric field sensor according to claim 1 , wherein the light source is a laser light source that outputs two linearly polarized waves that are slightly different in oscillation frequency and orthogonal to each other.

The three-axis optical electric field sensor according to claim 1 or 2, wherein the optical circulator is a polarization independent type.