JP4077388B2 - Radio wave sensor - Google Patents

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Description

本発明は、光やX線では観察できない物体の探査を、ミリ波帯の電磁波源を電気光学結晶により検出することで行う電波センサに関する。   The present invention relates to a radio wave sensor that searches for an object that cannot be observed with light or X-rays by detecting an electromagnetic wave source in the millimeter wave band with an electro-optic crystal.

電波を検出するセンサの一例として、電気光学結晶を用いた電波センサがある(特許文献1,2参照)。図10は、電波センサの一例を示す構成図である。この電波センサは、反射面1001aを備える電気光学結晶1001、レンズ1002a,1002b、光ファイバ1003、所定の周期のパルス光を出力するレーザ1004、光検出器1005、偏光ビームスプリッタ(PBS)1006、1/2波長板(HWP:half-wave plate)1007、1/4波長板(QWP:quarter-wave plate)1008、アンプ1009、電気信号測定器1010を備えている。   As an example of a sensor for detecting a radio wave, there is a radio wave sensor using an electro-optic crystal (see Patent Documents 1 and 2). FIG. 10 is a configuration diagram illustrating an example of a radio wave sensor. This radio wave sensor includes an electro-optic crystal 1001 having a reflective surface 1001a, lenses 1002a and 1002b, an optical fiber 1003, a laser 1004 that outputs pulse light with a predetermined period, a photodetector 1005, a polarization beam splitter (PBS) 1006, and 1; A half-wave plate (HWP) 1007, a quarter-wave plate (QWP) 1008, an amplifier 1009, and an electric signal measuring device 1010 are provided.

この電波センサでは、まず、レーザ1004より出射されたパルス光は、PBS1006により一方の偏光は透過し、この透過する偏光に直交する他方の偏光は光路を直角方向に変更される。PBS1006を透過した光は、適当な角度に配置されたQWP1008,HWP1007によって所定の偏光状態となるように調整される(非特許文献1参照)。なお、所定の偏光状態とは、本電波センサの感度が最大となるような偏光状態である。   In this radio wave sensor, first, the polarized light emitted from the laser 1004 is transmitted through the PBS 1006, and the polarization of the other polarized light orthogonal to the transmitted polarized light is changed to the perpendicular direction. The light transmitted through the PBS 1006 is adjusted so as to be in a predetermined polarization state by the QWP 1008 and HWP 1007 arranged at an appropriate angle (see Non-Patent Document 1). The predetermined polarization state is a polarization state in which the sensitivity of the radio wave sensor is maximized.

QWP1008,HWP1007を通過した光は、レンズ1002bにより集光されて光ファイバ1003に結合され、光ファイバ1003を伝播してレンズ1002aを通過し、電気光学結晶1001に入射する。   The light that has passed through the QWP 1008 and the HWP 1007 is collected by the lens 1002b, coupled to the optical fiber 1003, propagates through the optical fiber 1003, passes through the lens 1002a, and enters the electro-optic crystal 1001.

電気光学結晶1001に入射した光は、反射面1001aで反射して電気光学結晶1001内を検出する電波と同じ方向に伝播する。このとき、電気光学結晶1001内を伝播する光の偏光状態は、電気光学結晶1001内を伝播する電波の電界に応じて変調される。このようにして、電気光学結晶1001内で変調を受けた光は、再度、レンズ1002a,光ファイバ1003,レンズ1002bを通り、また、HWP1007,QWP1008を通過してPBS1006に入射する。   The light incident on the electro-optic crystal 1001 propagates in the same direction as the radio wave reflected by the reflecting surface 1001a and detected inside the electro-optic crystal 1001. At this time, the polarization state of the light propagating in the electro-optic crystal 1001 is modulated according to the electric field of the radio wave propagating in the electro-optic crystal 1001. In this way, the light modulated in the electro-optic crystal 1001 passes through the lens 1002a, the optical fiber 1003, and the lens 1002b again, passes through the HWP 1007 and the QWP 1008, and enters the PBS 1006.

このようにしてPBS1006に入射した偏光変調光は、PBS1006により光路を直角方向に変更されて強度変調光に変換され、光検出器1005に入射する。光検出器1005では、入射した光の強度に比例した電気信号を出力する。光検出器1005より出力された電気信号は、アンプ1009により増幅された後、電気信号測定器1010によって信号処理される。電気信号測定器1010は、例えば、スペクトラムアナライザやロックインアンプである。   The polarization-modulated light that has entered the PBS 1006 in this way is converted into intensity-modulated light by the optical path being changed by the PBS 1006 in a perpendicular direction, and is incident on the photodetector 1005. The photodetector 1005 outputs an electrical signal proportional to the intensity of incident light. The electric signal output from the photodetector 1005 is amplified by the amplifier 1009 and then processed by the electric signal measuring device 1010. The electric signal measuring device 1010 is, for example, a spectrum analyzer or a lock-in amplifier.

なお、出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を出願時までに発見するには至らなかった。
特開2001−050908 特開2003−014801 K.J.Weingarten, M.J.W.Rodwel, and D.M.Bloom, "Picosecond Optical Sampling of GaAs Integrated Circuits," IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.24, No.2, pp.198-220,1988.
The applicant has not yet found prior art documents related to the present invention by the time of filing other than the prior art documents specified by the prior art document information described in this specification.
JP2001-050908 JP2003-014801A KJWeingarten, MJWRodwel, and DMBloom, "Picosecond Optical Sampling of GaAs Integrated Circuits," IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.24, No.2, pp.198-220, 1988.

しかしながら、上述した従来の電波センサは、以下に示すような問題があった。
図10に示すように、電気光学結晶1001を備えるセンサヘッド1011と、信号処理がなされる信号処理部1012とは、光ファイバ1003により接続されている。ここで、センサヘッド1011の変位により光ファイバ1003に応力が加わると、光ファイバ1003を伝播する光の偏光状態は変化する。このため、図10に示した構成の従来の電波センサでは、センサヘッド1011の変位により、電気光学結晶1001に入射する光の偏光状態が変化するため、センサヘッド1011を動かすと、感度が低下するという問題があった。
However, the conventional radio wave sensor described above has the following problems.
As shown in FIG. 10, a sensor head 1011 including an electro-optic crystal 1001 and a signal processing unit 1012 that performs signal processing are connected by an optical fiber 1003. Here, when stress is applied to the optical fiber 1003 due to the displacement of the sensor head 1011, the polarization state of light propagating through the optical fiber 1003 changes. For this reason, in the conventional radio wave sensor having the configuration shown in FIG. 10, the polarization state of the light incident on the electro-optic crystal 1001 changes due to the displacement of the sensor head 1011. Therefore, when the sensor head 1011 is moved, the sensitivity decreases. There was a problem.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、センサヘッドに収容された電気光学結晶より出射した光信号を、光ファイバで信号処理部に伝播する構成の電波センサにおいて、センサヘッドの変位による感度の低下が抑制できるようにすることを目的とする。   The present invention has been made to solve the above problems, and a radio wave sensor configured to propagate an optical signal emitted from an electro-optic crystal housed in a sensor head to a signal processing unit using an optical fiber. An object of the present invention is to suppress a decrease in sensitivity due to displacement of the sensor head.

本発明に係る電波センサは、センサヘッドに収容され、光源より出射されて偏波の状態が保持されて伝播された光源光を所定の偏光状態の第1光とする1/4波長板からなる偏光素子と、センサヘッドに収容され、入射して透過する第1光の少なくとも一部を、受けた電磁波の電界変化に対応して偏光変化させて第2光として出射する電気光学結晶と、センサヘッドに収容され、電気光学結晶より出射した第2光の中より第1偏光成分を取り出す偏光分離手段と、偏光分離手段により取り出された第1偏光成分を伝播する光ファイバと、この光ファイバを伝播した第1偏光成分を光電変換して電気信号とする光電変換素子と、この光電変換素子により光電変換された電気信号を処理する信号処理手段とを少なくとも備え、センサヘッドは可動する状態に設けられ、1/4波長板の直交する2つの主軸は、偏光分離手段の直交する2つの主軸に対して22.5°の角度をなし、かつ電気光学結晶の直交する2つの電気的主軸は、1/4波長板の直交する2つの主軸に対して45°の角度をなし、偏光素子を出射した第1光は、偏光素子と電気光学結晶との間の空間を通過して電気光学結晶に入射するようにしたものである。 The radio wave sensor according to the present invention includes a quarter-wave plate that is housed in a sensor head and that uses light source light emitted from a light source and propagated while maintaining a polarization state as first light in a predetermined polarization state. A polarizing element, an electro-optic crystal that changes the polarization of at least a portion of the first light that is contained in the sensor head and is incident and transmitted therethrough in response to a change in the electric field of the received electromagnetic wave, and emits the second light, and a sensor A polarization separation means for extracting the first polarization component from the second light emitted from the electro-optic crystal; an optical fiber for propagating the first polarization component extracted by the polarization separation means; and The sensor head includes at least a photoelectric conversion element that photoelectrically converts the propagated first polarization component into an electric signal, and a signal processing unit that processes the electric signal photoelectrically converted by the photoelectric conversion element. It provided that state, two principal axes perpendicular quarter wave plate makes an angle of 22.5 ° with respect to the two principal axes perpendicular polarized light separating means, and two orthogonal electric electrooptic crystal The target main axis forms an angle of 45 ° with respect to two orthogonal main axes of the quarter-wave plate, and the first light emitted from the polarizing element passes through the space between the polarizing element and the electro-optic crystal. The light is incident on the electro-optic crystal.

上記電波センサにおいて、光源より出射された光源光の偏波の状態を保持してセンサヘッドに伝播する偏波保持伝播手段を備え、偏光素子は、偏波保持伝播手段により偏波の状態が保持されて伝播された光源光を所定の偏光状態の第1光とする。偏波保持伝播手段は、例えば偏波保持ファイバであればよい。もしくは、光源は、センサヘッドに収容された状態とする。電気光学結晶に伝播される光源光は、偏波の状態が保存された状態となる。
In the radio wave sensor, e Bei polarization maintaining propagation means for propagating the sensor head to hold the state of polarization of the emitted light beam from the light source, polarizer, the polarization maintaining propagation means polarization state There you source light propagated held a predetermined first optical polarization state. The polarization maintaining propagation means may be a polarization maintaining fiber, for example. Alternatively , the light source is housed in the sensor head . The light source light propagated to the electro-optic crystal is in a state where the polarization state is preserved.

上記電波センサにおいて、電気光学結晶は、第1光の入射面の対向面に反射面を備え、偏光分離手段は、光源光は透過して光源光と偏光の状態が異なる光は光路を異なる方向に変更することで、電気光学結晶より出射した第2光の中より第1偏光成分を取り出す偏光ビームスプリッタであり、光源光は、偏光ビームスプリッタを透過して偏光素子に入射し、偏光素子を出射した第1光は、電気光学結晶の入射面より入射し、電気光学結晶の入射面より入射した光は反射面で反射して入射面より出射し、電気光学結晶の入射面より出射した光は、偏光素子を通過して偏光ビームスプリッタに入射するものであればよい。   In the radio wave sensor, the electro-optic crystal has a reflecting surface on the surface opposite to the incident surface of the first light, and the polarization separating means transmits light from the light source, and light having a different polarization state from the light source light has different directions in the optical path. The polarization beam splitter extracts the first polarization component from the second light emitted from the electro-optic crystal, and the light source light passes through the polarization beam splitter and enters the polarization element. The emitted first light is incident from the incident surface of the electro-optic crystal, the light incident from the incident surface of the electro-optic crystal is reflected by the reflecting surface and emitted from the incident surface, and the light emitted from the incident surface of the electro-optic crystal. Is sufficient if it passes through the polarizing element and enters the polarizing beam splitter.

また、上記電波センサにおいて、電気光学結晶は、第1光の入射面の対向面に反射面を備え、偏光分離手段は、第1偏光状態の光は透過して第1偏光状態の光と偏光の状態が異なる第2偏光状態の光は光路を異なる方向に変更する第1偏光ビームスプリッタ及び第2偏光ビームスプリッタと、これら第1偏光ビームスプリッタ及び第2偏光ビームスプリッタの間の光路に配置され、第1偏光ビームスプリッタを透過した光の偏光状態を、第2偏光ビームスプリッタに対して第1偏光状態とし、第2偏光ビームスプリッタを透過した光の偏光状態を第1偏光ビームスプリッタに対して第2偏光状態とする偏光変化手段とから構成され、第2偏光ビームスプリッタで光路を異なる方向に変更された光を伝搬する第1光ファイバと、第1偏光ビームスプリッタで光路を異なる方向に変更された光を伝搬する第2光ファイバと、第1光ファイバを伝播した光を光電変換して電気信号とする第1光電変換素子と、第2光ファイバを伝播した光を光電変換して電気信号とする第2光電変換素子と、これら第1,第2光電変換素子により光電変換された2つの電気信号を差動増幅する差動アンプと、この差動アンプより出力された電気信号を処理する信号処理手段とを備えたものであり、光源光は、第1偏光ビームスプリッタ,偏光変化手段,及び第2偏光ビームスプリッタをこの順に透過して偏光素子に入射し、偏光素子を出射した第1光は、電気光学結晶の入射面より入射し、電気光学結晶の入射面より入射した光は反射面で反射して入射面より出射し、電気光学結晶の入射面より出射した光は、偏光素子を通過して第2偏光ビームスプリッタに入射し、電気光学結晶の入射面より出射して第2偏光ビームスプリッタにより光路を異なる方向に変更された第1の偏光成分は、第1光ファイバにより伝播され、電気光学結晶の入射面より出射して第2偏光ビームスプリッタを透過した第2偏光成分(第1偏光成分と偏光状態が異なる)は、偏光変化手段を透過して第1偏光ビームスプリッタに入射し、第1偏光ビームスプリッタにより光路を異なる方向に変更されて第2光ファイバにより伝播される。   In the radio wave sensor, the electro-optic crystal includes a reflecting surface on a surface opposite to the incident surface of the first light, and the polarization separating unit transmits the light in the first polarization state and the light in the first polarization state and the polarization. The light of the second polarization state having different states is disposed in the optical path between the first polarization beam splitter and the second polarization beam splitter that change the optical path in different directions, and between the first polarization beam splitter and the second polarization beam splitter. The polarization state of the light transmitted through the first polarization beam splitter is set to the first polarization state with respect to the second polarization beam splitter, and the polarization state of the light transmitted through the second polarization beam splitter is set to the first polarization beam splitter. A first optical fiber configured to include a polarization changing unit configured to be in a second polarization state and propagating light whose optical path is changed in a different direction by the second polarization beam splitter; and a first polarization beam A second optical fiber that propagates light whose optical path has been changed in a different direction by a pre-itter, a first photoelectric conversion element that photoelectrically converts light propagated through the first optical fiber into an electrical signal, and propagates through the second optical fiber A second photoelectric conversion element that photoelectrically converts the converted light into an electrical signal, a differential amplifier that differentially amplifies the two electrical signals photoelectrically converted by the first and second photoelectric conversion elements, and the differential amplifier Signal processing means for processing the output electrical signal, and the light source light passes through the first polarizing beam splitter, the polarization changing means, and the second polarizing beam splitter in this order and enters the polarizing element. Then, the first light emitted from the polarizing element is incident from the incident surface of the electro-optic crystal, and the light incident from the incident surface of the electro-optic crystal is reflected by the reflecting surface and is emitted from the incident surface. Light emitted from the surface The first polarization component that has passed through the polarization element, entered the second polarization beam splitter, exited from the incident surface of the electro-optic crystal, and the optical path was changed in a different direction by the second polarization beam splitter is the first light. The second polarization component (differing in polarization state from the first polarization component) propagated by the fiber and emitted from the incident surface of the electro-optic crystal and transmitted through the second polarization beam splitter is transmitted through the polarization changing means and is transmitted through the first polarization component. The light is incident on the beam splitter, the optical path is changed in a different direction by the first polarizing beam splitter, and the light is propagated by the second optical fiber.

以上説明したように、本発明では、電気光学結晶とともに偏光素子及び偏光分離手段をセンサヘッド内に収容し、光源から出射された光源光が、光源より出射されたときの偏波の状態が保持された状態でセンサヘッドに供給され、電気光学結晶に到達するようにした。例えば、偏波保持ファイバなどの偏波保持伝播手段により光源光を伝播することや、光源をセンサヘッド内に収容することで、光源から出射された光源光が、光源より出射されたときの偏波の状態が保持された状態でセンサヘッドに供給できる。   As described above, in the present invention, the polarization element and the polarization separation means are housed in the sensor head together with the electro-optic crystal, and the polarization state when the light source light emitted from the light source is emitted from the light source is maintained. In this state, the sensor head is supplied to reach the electro-optic crystal. For example, when the light source light is propagated by a polarization maintaining propagation means such as a polarization maintaining fiber or the light source is accommodated in the sensor head, the light source light emitted from the light source is deflected when it is emitted from the light source. It can be supplied to the sensor head in a state where the wave state is maintained.

これらの構成としたことで、本願発明によれば、センサヘッドが変位した場合においても、センサヘッド内に入射する光の偏光状態と強度が一定に保たれるため、センサヘッドの変位による感度の低下が抑制できるという優れた効果が得られる。   With these configurations, according to the present invention, even when the sensor head is displaced, the polarization state and intensity of the light incident on the sensor head are kept constant. An excellent effect that the reduction can be suppressed is obtained.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
[実施の形態1]
図1は、本発明の第1の実施の形態における電波センサの構成例を示す構成図である。この電波センサは、センサヘッド100と信号処理部120とから構成され、まず、センサヘッド100に、反射面101aを備える電気光学結晶101、偏光素子102,偏光ビームスプリッタ(PBS)103、レンズ104a,104bを備える。これらは、センサヘッド100の内部の自由空間内に配置された光学系である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration example of a radio wave sensor according to the first embodiment of the present invention. The radio wave sensor includes a sensor head 100 and a signal processing unit 120. First, the sensor head 100 includes an electro-optic crystal 101 including a reflecting surface 101a, a polarizing element 102, a polarizing beam splitter (PBS) 103, a lens 104a, 104b. These are optical systems arranged in a free space inside the sensor head 100.

電気光学結晶101は、入射して透過する光の少なくとも一部を、受けた電磁波の電界変化に対応して偏光変化させて出射する。電気光学結晶101は、反射面101aに平行な関係で対向する入出射面を備え、入出射面より入射する光の光路は、入出射面−反射面−入出射面となる。この光路を伝播する間に、伝播(透過)する光の少なくとも一部が、電気光学結晶101の受けた電磁波の電界変化に対応し、偏光変化する。   The electro-optic crystal 101 emits at least part of the incident and transmitted light with its polarization changed corresponding to the electric field change of the received electromagnetic wave. The electro-optic crystal 101 includes an incident / exit surface facing in parallel with the reflecting surface 101a, and an optical path of light incident from the incident / exit surface is input / exit surface-reflecting surface-input / exit surface. While propagating through this optical path, at least a part of the propagating (transmitting) light changes in polarization corresponding to the electric field change of the electromagnetic wave received by the electro-optic crystal 101.

PBS103は、電気光学結晶101より出射した光の中より上述した偏光の変化分を取り出す偏光分離手段である。PBS103は、所定の偏光状態とされた光源光は透過し、光源光と偏光の状態が異なる光は光路を異なる方向、例えば90°異なる方向に変更することで、電気光学結晶101より出射した光の中より偏光の変化分を取り出す。
偏光素子102は、PBS103を透過した光源光を、所望の楕円偏光として電気光学結晶101に入射させる。
The PBS 103 is a polarization separation unit that extracts the above-described change in polarization from the light emitted from the electro-optic crystal 101. The PBS 103 transmits the light source light in a predetermined polarization state, and the light emitted from the electro-optic crystal 101 changes the optical path in a different direction, for example, 90 °, for light having a different polarization state from the light source light. The change in polarization is extracted from the inside.
The polarizing element 102 causes the light source light transmitted through the PBS 103 to enter the electro-optic crystal 101 as desired elliptically polarized light.

また、信号処理部120は、レーザ121,光検出器122,アンプ123,電気信号測定器124を備える。レーザ121は、上述した光源光を生成する光源である。光検出器122は、例えばフォトダイオードなどの光電変換素子である。
信号処理部120のレーザ121より出射したレーザ光(光源光)は、偏波保持ファイバ(polarization-maintaining fiber:PMF)131によりセンサヘッド100に伝播され、センサヘッド100より出力される光信号は、光ファイバ132により信号処理部120の光検出器122に接続される。
The signal processing unit 120 includes a laser 121, a photodetector 122, an amplifier 123, and an electric signal measuring device 124. The laser 121 is a light source that generates the light source light described above. The photodetector 122 is a photoelectric conversion element such as a photodiode, for example.
Laser light (light source light) emitted from the laser 121 of the signal processing unit 120 is propagated to the sensor head 100 by a polarization-maintaining fiber (PMF) 131, and an optical signal output from the sensor head 100 is The optical fiber 132 is connected to the photodetector 122 of the signal processing unit 120.

偏波保持ファイバ131は、導波する光の偏波の状態を保持する光ファイバであり、例えば、B23が添加された石英ガラスからなる直径30μm程度の部分(応力付与部)を、コアの両側のクラッド中に備えるようにした光ファイバである。センサヘッド100を変位させると偏波保持ファイバ131は変形するが、偏波保持ファイバ131を伝播する光源光の偏光状態は保持される。 The polarization maintaining fiber 131 is an optical fiber that maintains the polarization state of the guided light. For example, a portion (stress applying portion) having a diameter of about 30 μm made of quartz glass doped with B 2 O 3 is used. An optical fiber provided in the clad on both sides of the core. When the sensor head 100 is displaced, the polarization maintaining fiber 131 is deformed, but the polarization state of the light source light propagating through the polarization maintaining fiber 131 is maintained.

従って、図1に示す電波センサでは、光源光は、光源であるレーザ121より出射された後、偏波の状態が保持された状態で、PBS103を透過して偏光素子102に入射することになる。なお、偏波保持ファイバ131より出射した光源光は、急激に発散するため、レンズ104aにより平行光となるように成形してからPBS103に入射させる。   Accordingly, in the radio wave sensor shown in FIG. 1, the light source light is emitted from the laser 121 as the light source, and then passes through the PBS 103 and enters the polarization element 102 while maintaining the polarization state. . The light source light emitted from the polarization maintaining fiber 131 diverges abruptly. Therefore, the light source light is shaped so as to become parallel light by the lens 104a and then incident on the PBS 103.

上述したように、レーザ121より出射されて偏波保持ファイバ131により偏光の状態が保持されてセンサヘッド100に伝播された光源光は、レンズ104aにより平行光とされ、PBS103に入射する。レーザ121より出射される光源光は、直線偏光状態のままPBS103に入射する。ここで、直線偏光状態のままPBSに入射する光源光は、P偏光であり、電界のベクトルは、図1の紙面上下方向(x方向)に平行である。なお、以降の説明において、P偏光とS偏光を入れ替えても同様である。   As described above, the light source light emitted from the laser 121 and held in the polarization state by the polarization maintaining fiber 131 and propagated to the sensor head 100 is converted into parallel light by the lens 104 a and enters the PBS 103. The light source light emitted from the laser 121 enters the PBS 103 in a linearly polarized state. Here, the light source light incident on the PBS in the linearly polarized state is P-polarized light, and the electric field vector is parallel to the vertical direction (x direction) in FIG. In the following description, the same applies even if the P-polarized light and the S-polarized light are interchanged.

平行光とされてPBS103に入射する光源光は、ほぼ全てが透過し、偏光素子102により楕円偏光に変換され、電気光学結晶101に入出射面より入射する。入射した楕円偏光は、電気光学結晶101内を伝播して反射面101aに到達し、ここで反射して上記入出射面より出射する。入射した楕円偏光は、電気光学結晶101内において、図1の紙面左右方向(z軸に平行)に伝播する。   Almost all of the light source light that is converted into parallel light and enters the PBS 103 is transmitted, is converted into elliptically polarized light by the polarizing element 102, and enters the electro-optic crystal 101 from the incident / exit surface. The incident elliptically polarized light propagates in the electro-optic crystal 101 and reaches the reflecting surface 101a, where it is reflected and emitted from the incident / exiting surface. The incident elliptically polarized light propagates in the left-right direction (parallel to the z-axis) in FIG.

反射面101aは、例えば、光を反射して電波を透過する鏡である。従って、電気光学結晶101に電波が照射されると、この電波は反射面101aを透過し、電気光学結晶101内を−z方向に伝播する。このとき、電気光学結晶101内を伝播している光(楕円偏光)は、電気光学結晶101内を伝播している電波の電界(瞬時電界振幅)に応じて偏光変調を受ける。   The reflecting surface 101a is, for example, a mirror that reflects light and transmits radio waves. Accordingly, when the electro-optic crystal 101 is irradiated with radio waves, the radio waves are transmitted through the reflecting surface 101a and propagate in the electro-optic crystal 101 in the -z direction. At this time, the light propagating in the electro-optic crystal 101 (elliptical polarization) undergoes polarization modulation according to the electric field (instantaneous electric field amplitude) of the radio wave propagating in the electro-optic crystal 101.

このようにして、偏光変調を受けて電気光学結晶101より出射した光は、偏光素子102を透過してPBS103に入射する。電気光学結晶101より出射してPBS103に入射した光のうち、P偏光は直進し、S偏光は進行方向を90°変更され、レンズ104bにより集光されて光ファイバ132に入射(結合)する。従って、電気光学結晶101により偏光変調を受けた光は、PBS103により強度変調光として分離される。   In this way, the light emitted from the electro-optic crystal 101 after being subjected to polarization modulation is transmitted through the polarizing element 102 and enters the PBS 103. Of the light emitted from the electro-optic crystal 101 and incident on the PBS 103, the P-polarized light goes straight, the traveling direction of the S-polarized light is changed by 90 °, is condensed by the lens 104b, and enters (couples) the optical fiber 132. Accordingly, light that has undergone polarization modulation by the electro-optic crystal 101 is separated as intensity-modulated light by the PBS 103.

PBS103により分離されて光ファイバ132に結合された強度変調光は、信号処理部120に伝播される。なお、光ファイバ132は、偏波保持ファイバである必要はない。電気光学結晶101による変調周波数があまり高くない場合、光ファイバ132は、光(光ビーム)を結合しやすいマルチモード光ファイバが適している。一方、変調周波数が高い場合には、光ファイバ132は、シングルモード光ファイバである方が望ましい。   The intensity modulated light separated by the PBS 103 and coupled to the optical fiber 132 is propagated to the signal processing unit 120. The optical fiber 132 need not be a polarization maintaining fiber. When the modulation frequency by the electro-optic crystal 101 is not so high, a multimode optical fiber that is easy to couple light (light beam) is suitable for the optical fiber 132. On the other hand, when the modulation frequency is high, the optical fiber 132 is preferably a single mode optical fiber.

以上のことにより、光ファイバ132によりセンサヘッド100から信号処理部120に伝搬された強度変調光は、光検出器122により強度に比例した電気信号に変換される。従って、光検出器122より出力される電気信号は、電気光学結晶101により検出された被測定対象の電波の情報を荷なっている。
光検出器122より出力される電気信号は、アンプ123で増幅された後、電気信号測定器124によって所定の信号処理がなされる。電気信号測定器124は、例えば、スペクトラムアナライザやロックインアンプであればよい。
As described above, the intensity-modulated light propagated from the sensor head 100 to the signal processing unit 120 through the optical fiber 132 is converted into an electric signal proportional to the intensity by the photodetector 122. Therefore, the electrical signal output from the photodetector 122 is loaded with information on the radio wave to be measured detected by the electro-optic crystal 101.
The electric signal output from the photodetector 122 is amplified by the amplifier 123 and then subjected to predetermined signal processing by the electric signal measuring device 124. The electric signal measuring device 124 may be a spectrum analyzer or a lock-in amplifier, for example.

以上に説明したように構成された図1の電波センサによれば、レーザ121を出射した光源光は、偏波保持ファイバ131によってセンサヘッド100に伝播されるため、センサヘッド100が変位して偏波保持ファイバ131に外力が加わっても、光源光は、偏光の状態と強度とがほとんど変化しない。この結果、電気光学結晶101に入射する光と電気光学結晶101より出射された光との、各々の偏光状態と強度とが、ほとんど変化しない状態となるため、センサヘッド100を動かしても、電波の検出の感度を常に高い状態に保てるようになる。   According to the radio wave sensor of FIG. 1 configured as described above, the light source light emitted from the laser 121 is propagated to the sensor head 100 by the polarization maintaining fiber 131, so that the sensor head 100 is displaced and biased. Even when an external force is applied to the wave holding fiber 131, the state and intensity of polarization of the light source light hardly change. As a result, the polarization state and intensity of the light incident on the electro-optic crystal 101 and the light emitted from the electro-optic crystal 101 are hardly changed. The sensitivity of detection can always be kept high.

[実施の形態2]
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。図2は、本発明の他の実施の形態における電波センサの構成例を示す構成図である。この電波センサは、図1に示した電波センサと同様に、センサヘッド100と信号処理部120とから構成され、まず、センサヘッド100に、反射面101aを備える電気光学結晶101、偏光素子102,偏光ビームスプリッタ(PBS)103、レンズ104a,104bを備える。加えて、図2に示す電波センサでは、センサヘッド100の内部に、光源光を生成するレーザ141を備える。これらは、センサヘッド100の内部の自由空間内に配置された光学系である。
[Embodiment 2]
Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 2 is a configuration diagram showing a configuration example of a radio wave sensor according to another embodiment of the present invention. As in the radio wave sensor shown in FIG. 1, this radio wave sensor is composed of a sensor head 100 and a signal processing unit 120. First, the sensor head 100 includes an electro-optic crystal 101 having a reflective surface 101a, a polarizing element 102, A polarization beam splitter (PBS) 103 and lenses 104a and 104b are provided. In addition, the radio wave sensor shown in FIG. 2 includes a laser 141 that generates light source light inside the sensor head 100. These are optical systems arranged in a free space inside the sensor head 100.

従って、図2に示す電波センサでは、信号処理部120は、光検出器122,アンプ123,電気信号測定器124を備えるが、光源となるレーザは配置されていない。また、レーザ141より出射される光源光は、偏光保持ファイバなどを介することなく、センサヘッド100の内部の自由空間内を伝播し、PBS103や偏光素子102を透過して電気光学結晶101に入射する。なお、他の構成は図2の電波センサと同様であり、センサヘッド100より出力される光信号は、光ファイバ132により信号処理部120の光検出器122に接続される。   Therefore, in the radio wave sensor shown in FIG. 2, the signal processing unit 120 includes the photodetector 122, the amplifier 123, and the electric signal measuring device 124, but no laser as a light source is arranged. In addition, the light source light emitted from the laser 141 propagates in the free space inside the sensor head 100 without passing through the polarization maintaining fiber, passes through the PBS 103 or the polarizing element 102, and enters the electro-optic crystal 101. . The other configuration is the same as that of the radio wave sensor of FIG. 2, and an optical signal output from the sensor head 100 is connected to the photodetector 122 of the signal processing unit 120 through an optical fiber 132.

図2に示す電波センサにおいても、光源光は、光源であるレーザ141より出射された後、偏波の状態が保持された状態で、PBS103を透過して偏光素子102に入射することになる。なお、レーザ141より出射した光源光は、急激に発散するため、レンズ104aにより平行光となるように成形しててからPBS103に入射させる。   Also in the radio wave sensor shown in FIG. 2, the light source light is emitted from the laser 141 which is a light source, and then passes through the PBS 103 and enters the polarizing element 102 while maintaining the polarization state. Since the light source light emitted from the laser 141 diverges abruptly, it is shaped so as to become parallel light by the lens 104a and then incident on the PBS 103.

上述したように、レーザ141より出射された光源光は、レンズ104aにより平行光とされ、直線偏光状態のままPBS103に入射する。直線偏光状態のままPBSに入射する光源光は、例えば、P偏光であり、電界のベクトルは、図2の紙面上下方向(x方向)に平行である。平行光とされてPBS103に入射する光源光は、ほぼ全てが透過し、偏光素子102により楕円偏光に変換され、電気光学結晶101に入出射面より入射する。入射した楕円偏光は、電気光学結晶101内を伝播して反射面101aに到達し、ここで反射して上記入出射面より出射する。入射した楕円偏光は、電気光学結晶101内において、図2の紙面左右方向(z軸に平行)に伝播する。   As described above, the light source light emitted from the laser 141 is converted into parallel light by the lens 104a and is incident on the PBS 103 in a linearly polarized state. The light source light incident on the PBS in the linearly polarized state is, for example, P-polarized light, and the electric field vector is parallel to the vertical direction (x direction) in FIG. Almost all of the light source light that is converted into parallel light and enters the PBS 103 is transmitted, is converted into elliptically polarized light by the polarizing element 102, and enters the electro-optic crystal 101 from the incident / exit surface. The incident elliptically polarized light propagates in the electro-optic crystal 101 and reaches the reflecting surface 101a, where it is reflected and emitted from the incident / exiting surface. The incident elliptically polarized light propagates in the left-right direction (parallel to the z-axis) in FIG.

電気光学結晶101に電波が照射されると、この電波は反射面101aを透過し、電気光学結晶101内を−z方向に伝播する。このとき、電気光学結晶101内を伝播している光は、電気光学結晶101内を伝播している電波の電界に応じて偏光変調を受ける。   When the electro-optic crystal 101 is irradiated with radio waves, the radio waves are transmitted through the reflecting surface 101a and propagate in the electro-optic crystal 101 in the -z direction. At this time, the light propagating in the electro-optic crystal 101 undergoes polarization modulation according to the electric field of the radio wave propagating in the electro-optic crystal 101.

このようにして、偏光変調を受けて電気光学結晶101より出射した光は、偏光素子102を透過してPBS103に入射し、PBS103により強度変調光として分離される。PBS103により分離されて光ファイバ132に結合された強度変調光は、信号処理部120に伝播される。以上のことにより、光ファイバ132によりセンサヘッド100から信号処理部120に伝搬された強度変調光は、光検出器122により強度に比例した電気信号に変換される。光検出器122より出力される電気信号は、アンプ123で増幅された後、電気信号測定器124によって所定の信号処理がなされる。   In this way, the light emitted from the electro-optic crystal 101 after being subjected to polarization modulation is transmitted through the polarization element 102 and incident on the PBS 103, and is separated as intensity-modulated light by the PBS 103. The intensity modulated light separated by the PBS 103 and coupled to the optical fiber 132 is propagated to the signal processing unit 120. As described above, the intensity-modulated light propagated from the sensor head 100 to the signal processing unit 120 through the optical fiber 132 is converted into an electric signal proportional to the intensity by the photodetector 122. The electric signal output from the photodetector 122 is amplified by the amplifier 123 and then subjected to predetermined signal processing by the electric signal measuring device 124.

以上に説明したように構成された図2の電波センサによれば、レーザ141を出射した光源光は、センサヘッド100内の自由空間内で伝播するため、センサヘッド100がどの様に変位しても、光源光は、偏光の状態と強度とが変化しない。この結果、図2に示す電波センサでも、電気光学結晶101に入射する光と電気光学結晶101より出射された光との、各々の偏光状態と強度とが、ほとんど変化しない状態となるため、センサヘッド100を動かしても、電波の検出の感度を常に高い状態に保てるようになる。   According to the radio wave sensor of FIG. 2 configured as described above, since the light source light emitted from the laser 141 propagates in the free space in the sensor head 100, how the sensor head 100 is displaced. However, the light source light does not change its polarization state and intensity. As a result, even in the radio wave sensor shown in FIG. 2, the polarization state and the intensity of the light incident on the electro-optic crystal 101 and the light emitted from the electro-optic crystal 101 are almost unchanged. Even when the head 100 is moved, the sensitivity of detection of radio waves can always be kept high.

[実施の形態3]
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。
図3は、本実施の形態における電波センサの構成例を示した構成図である。この電波センサは、図1に示した電波センサと同様に、センサヘッド100と信号処理部120とから構成され、センサヘッド100に、反射面101aを備える電気光学結晶101、偏光素子102,偏光ビームスプリッタ(PBS)103a、レンズ104a,104bを備える。
[Embodiment 3]
Next, another embodiment of the present invention will be described.
FIG. 3 is a configuration diagram illustrating a configuration example of the radio wave sensor according to the present embodiment. As in the radio wave sensor shown in FIG. 1, this radio wave sensor is composed of a sensor head 100 and a signal processing unit 120. The sensor head 100 includes an electro-optic crystal 101 having a reflective surface 101a, a polarizing element 102, and a polarized beam. A splitter (PBS) 103a and lenses 104a and 104b are provided.

加えて、図3に示すセンサヘッド100では、PBS103と偏光素子102との間の光学系に、偏光ビームスプリッタ(PBS)103bと、ファラデー回転子(FR:Faraday rotator)105及び1/2波長板(HWP:half-wave plate)106から構成された偏光変化手段を備える。従って、図3に示す電波センサでは、2つの偏光ビームスプリッタ103a,103bと偏光変化手段とにより、偏光分離手段が構成されている。
一方、図3に示す電波センサの信号処理部120は、レーザ121,電気信号測定器124に加え、2つの光検出器122a,122bと、これらの出力を差動増幅する差動アンプ123aを備える。
In addition, in the sensor head 100 shown in FIG. 3, a polarizing beam splitter (PBS) 103b, a Faraday rotator (FR) 105, and a half-wave plate are provided in an optical system between the PBS 103 and the polarizing element 102. A polarization changing means composed of (HWP: half-wave plate) 106 is provided. Therefore, in the radio wave sensor shown in FIG. 3, the polarization separation means is configured by the two polarization beam splitters 103a and 103b and the polarization changing means.
On the other hand, the signal processing unit 120 of the radio wave sensor shown in FIG. 3 includes two photodetectors 122a and 122b and a differential amplifier 123a that differentially amplifies the outputs in addition to the laser 121 and the electric signal measuring device 124. .

図3に示す電波センサでは、信号処理部120のレーザ121より出射した光源光は、図1の電波センサと同様に、偏波保持ファイバ131によりセンサヘッド100に伝播される。また、図3に示す電波センサでは、まず、PBS103aで分離された強度変調光は、レンズ104bにより集光されて光ファイバ132aに結合し、光ファイバ132aを伝播して信号処理部120の光検出器122aに接続される。また、PBS103bで分離された強度変調光は、レンズ104cにより集光されて光ファイバ132bに結合し、光ファイバ132bを伝播して信号処理部120の光検出器122bに接続される。   In the radio wave sensor shown in FIG. 3, the light source light emitted from the laser 121 of the signal processing unit 120 is propagated to the sensor head 100 by the polarization maintaining fiber 131 as in the radio wave sensor of FIG. 1. In the radio wave sensor shown in FIG. 3, first, the intensity-modulated light separated by the PBS 103a is collected by the lens 104b, coupled to the optical fiber 132a, propagated through the optical fiber 132a, and detected by the signal processing unit 120. Connected to the device 122a. The intensity-modulated light separated by the PBS 103b is collected by the lens 104c, coupled to the optical fiber 132b, propagates through the optical fiber 132b, and is connected to the photodetector 122b of the signal processing unit 120.

以下、図3に示す電波センサの動作例について、図4とともに説明する。なお、図4に示すx,yは、図3に示すx,yを示し、図4は、図3の紙面に垂直な方向の面、言い換えると、センサヘッド100の内部自由空間に配置された光学系の光路の断面を示している。また、図4に示す一点鎖線は、HWP106の配置角度を示し、両端に矢印のある太線が、光学系を伝播する光の偏光状態を示している。   Hereinafter, an operation example of the radio wave sensor shown in FIG. 3 will be described with reference to FIG. Note that x and y shown in FIG. 4 indicate x and y shown in FIG. 3, and FIG. 4 is arranged in a plane perpendicular to the paper surface of FIG. 3, in other words, in the internal free space of the sensor head 100. The cross section of the optical path of an optical system is shown. Also, the alternate long and short dash line in FIG. 4 indicates the arrangement angle of the HWP 106, and the thick line with arrows at both ends indicates the polarization state of light propagating through the optical system.

レーザ121より出射されて偏波保持ファイバ131により偏光の状態が保持されてセンサヘッド100に伝播された光源光は、レンズ104aにより平行光とされ、PBS103aに入射する。レーザ121より出射される光源光は、直線偏光状態のままPBS103aに入射する。ここで、直線偏光状態のままPBSに入射する光源光は、例えばP偏光であり、電界のベクトルは、図4(a)に示すように、軸に平行な状態となる。なお、図3の紙面では上下方向(x方向)に平行である。 The light source light emitted from the laser 121 and held in the polarization state by the polarization maintaining fiber 131 and propagated to the sensor head 100 is converted into parallel light by the lens 104a and enters the PBS 103a. The light source light emitted from the laser 121 enters the PBS 103a in a linearly polarized state. Here, the light source light incident on the PBS in the linearly polarized state is, for example, P-polarized light, and the electric field vector is in a state parallel to the x- axis as shown in FIG. 3 is parallel to the vertical direction (x direction).

レンズ104aにより平行光とされてPBS103aに入射する光源光は、ほぼ全てが透過し、FR105に入射する。FR105に入射した光源光(P偏光)は、FR105を透過することで、図4(b)に示すように、xy面内において+45°回転する。次いで、HWP106を透過した光源光は、−45°回転し、図4(c)に示すように、P偏光に戻る。このようにしてP偏光に戻った光源光は、PBS103bも透過して直進し、偏光素子102に入射する。   Almost all of the light source light that is converted into parallel light by the lens 104a and enters the PBS 103a is transmitted and enters the FR 105. The light source light (P-polarized light) incident on the FR 105 is transmitted through the FR 105 and rotated by + 45 ° in the xy plane as shown in FIG. Next, the light source light transmitted through the HWP 106 rotates by −45 ° and returns to P-polarized light as shown in FIG. The light source light that has returned to the P-polarized light in this manner passes through the PBS 103 b and travels straight and enters the polarizing element 102.

偏光素子102に入射した光源光は、偏光素子102により楕円偏光に変換され、電気光学結晶101に入出射面より入射する。入射した楕円偏光は、電気光学結晶101内を伝播して反射面101aに到達し、ここで反射して上記入出射面より出射する。電気光学結晶101に電波が照射されると、この電波は反射面101aを透過し、電気光学結晶101内を−z方向に伝播する。このとき、電気光学結晶101内を伝播している楕円偏光は、電気光学結晶101内を伝播している電波の電界に応じて偏光変調を受ける。   The light source light incident on the polarizing element 102 is converted into elliptically polarized light by the polarizing element 102 and enters the electro-optic crystal 101 from the incident / exit surface. The incident elliptically polarized light propagates in the electro-optic crystal 101 and reaches the reflecting surface 101a, where it is reflected and emitted from the incident / exiting surface. When the electro-optic crystal 101 is irradiated with radio waves, the radio waves are transmitted through the reflecting surface 101a and propagate in the electro-optic crystal 101 in the -z direction. At this time, the elliptically polarized light propagating in the electro-optic crystal 101 is subjected to polarization modulation according to the electric field of the radio wave propagating in the electro-optic crystal 101.

このようにして、偏光変調を受けて電気光学結晶101より出射した光は、偏光素子102を透過してPBS103bに入射する。電気光学結晶101より出射してPBS103bに入射した光のうち、P偏光は直進し、S偏光は進行方向を90°変更され、レンズ104cにより集光されて光ファイバ132bに入射(結合)する。従って、電気光学結晶101により偏光変調を受けた光は、PBS103bにより強度変調光として分離される。   In this way, the light emitted from the electro-optic crystal 101 after being subjected to polarization modulation is transmitted through the polarizing element 102 and enters the PBS 103b. Of the light emitted from the electro-optic crystal 101 and incident on the PBS 103b, the P-polarized light travels straight and the traveling direction of the S-polarized light is changed by 90 °, and is condensed by the lens 104c and incident (coupled) on the optical fiber 132b. Accordingly, the light that has undergone polarization modulation by the electro-optic crystal 101 is separated as intensity-modulated light by the PBS 103b.

また、PBS103bに入射した光の内、直進した光は、図4(d)に示すように、x軸に平行なP偏光であり、HWP106を透過することで、図4(e)に示すように、x−y平面内で、+45°回転する。さらに、FR105を透過することで、PBS103bを直進して戻ってきた光は、図4(f)に示すように、+45°回転し、S偏光となる。この結果、PBS103b,HWP106,FR105を透過した光は、PBS103aにより進行方向を90°偏光され、レンズ104bにより集光されて光ファイバ132aに入射する。   In addition, the light traveling straight in the PBS 103b is P-polarized light parallel to the x-axis as shown in FIG. 4D, and passes through the HWP 106, as shown in FIG. 4E. And + 45 ° in the xy plane. Further, the light that has passed through the FR 105 and returned straight after traveling through the PBS 103b is rotated by + 45 ° and becomes S-polarized light, as shown in FIG. 4 (f). As a result, the light transmitted through the PBS 103b, the HWP 106, and the FR 105 is polarized by 90 ° in the traveling direction by the PBS 103a, collected by the lens 104b, and incident on the optical fiber 132a.

以上に説明したように、図3に示す電波センサでは、電気光学結晶101を透過して出射した光の中で、S偏光は、光ファイバ132bにより信号処理部120に伝播され、P偏光は、光ファイバ132aにより信号処理部120に伝播されることになる。このようにして、光ファイバ132aを伝播した光は、光検出器122aにより光電変換され、光ファイバ132bを伝播した光は、光検出器122bで光電変換される。光検出器122a,122bで光電変換されて出力された2つの電気信号は、差動アンプ123aにより差動増幅され、電気信号測定器124によって所定の信号処理がなされる。   As described above, in the radio wave sensor shown in FIG. 3, in the light emitted through the electro-optic crystal 101, S-polarized light is propagated to the signal processing unit 120 by the optical fiber 132b, and P-polarized light is It is propagated to the signal processing unit 120 by the optical fiber 132a. In this way, the light propagated through the optical fiber 132a is photoelectrically converted by the photodetector 122a, and the light propagated through the optical fiber 132b is photoelectrically converted by the photodetector 122b. The two electrical signals photoelectrically converted by the photodetectors 122a and 122b are differentially amplified by the differential amplifier 123a, and predetermined signal processing is performed by the electrical signal measuring device 124.

図5は、光検出器122a,122b,及び差動アンプ123aの出力電気信号の状態を示す特性図であり、(a)は、光検出器122aの出力電気信号の状態を示し、(b)は、光検出器122bの出力電気信号の状態を示し、(c)は、差動アンプ123aの出力電気信号の状態を示している。偏光素子102により、電気光学結晶101を出射した光におけるS偏光成分とP偏光成分との平均強度は、PBS103bに入射する直前において、等しくなるように調整されている。従って、2つの光検出器122a,122bの出力電気信号は、全光強度の半分に対応する値(0.5V0)を中心に、被測定電波に応じて変化する(図5(a),図5(b))。 FIG. 5 is a characteristic diagram showing the states of the output electrical signals of the photodetectors 122a and 122b and the differential amplifier 123a. (A) shows the states of the output electrical signals of the photodetector 122a. Indicates the state of the output electrical signal of the photodetector 122b, and (c) indicates the state of the output electrical signal of the differential amplifier 123a. The average intensity of the S-polarized component and the P-polarized component in the light emitted from the electro-optic crystal 101 is adjusted by the polarizing element 102 to be equal immediately before entering the PBS 103b. Therefore, the output electric signals of the two photodetectors 122a and 122b change according to the measured radio wave, centering on a value (0.5V 0 ) corresponding to half of the total light intensity (FIG. 5 (a), FIG. 5B).

全光強度は常に一定であるので、光検出器122aの出力電気信号の振幅が大きくなった瞬間に、光検出器122bの出力電気信号の対応する部分の振幅は小さくなる。すなわち、光検出器122aと光検出器122bの出力電気信号は、被測定電波が検出された際には逆相で変化する。図5(c)に示すように、差動アンプ123aの出力電気信号には、直流成分は存在せず、さらに、振幅は1つの光検出器の出力電気信号の2倍である。また、光検出器により検出される光の強度雑音の影響は、2つの光検出器122a,122bにおいて同相で変化する。従って、差動アンプ123aにより差動増幅される2つの出力電気信号においては、上記雑音の影響が低減されている。   Since the total light intensity is always constant, the amplitude of the corresponding portion of the output electrical signal of the photodetector 122b decreases at the moment when the amplitude of the output electrical signal of the photodetector 122a increases. That is, the output electrical signals of the photodetectors 122a and 122b change in opposite phases when the measured radio wave is detected. As shown in FIG. 5C, the output electric signal of the differential amplifier 123a has no DC component, and the amplitude is twice that of the output electric signal of one photodetector. Further, the influence of the intensity noise of the light detected by the photodetector changes in phase in the two photodetectors 122a and 122b. Therefore, the influence of the noise is reduced in the two output electric signals that are differentially amplified by the differential amplifier 123a.

以上に説明したように構成された図3の電波センサにおいても、レーザ121を出射した光源光は、偏波保持ファイバ131によってセンサヘッド100に伝播されるため、センサヘッド100が変位して偏波保持ファイバ131に外力が加わっても、光源光は、偏光の状態と強度とがほとんど変化しない。この結果、電気光学結晶101に入射する光と電気光学結晶101より出射された光との、各々の偏光状態と強度とが、ほとんど変化しない状態となるため、センサヘッド100を動かしても、電波の検出の感度を常に高い状態に保てるようになる。   Also in the radio wave sensor of FIG. 3 configured as described above, the light source light emitted from the laser 121 is propagated to the sensor head 100 by the polarization maintaining fiber 131, so that the sensor head 100 is displaced and polarized. Even if an external force is applied to the holding fiber 131, the state and intensity of the light source light hardly change. As a result, the polarization state and intensity of the light incident on the electro-optic crystal 101 and the light emitted from the electro-optic crystal 101 are hardly changed. The sensitivity of detection can always be kept high.

[実施の形態4]
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。図6は、本実施の形態における電波センサの構成例を示した構成図であり、偏光変化手段をFR105だけから構成し、上述した差動増幅による作用効果を得るようにしたものである。図6では、センサヘッド100の内部の自由空間内において、光学系の光軸がz軸方向に平行な状態を示している。この電波センサでは、z軸を中心に、PBS103aを45°回転した状態で配置した。
[Embodiment 4]
Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 is a block diagram showing a configuration example of the radio wave sensor according to the present embodiment, in which the polarization changing means is composed of only the FR 105 so as to obtain the above-described operational effect by the differential amplification. FIG. 6 shows a state in which the optical axis of the optical system is parallel to the z-axis direction in the free space inside the sensor head 100. In this radio wave sensor, the PBS 103a is arranged in a state rotated by 45 ° around the z axis.

従って、レンズ104aで平行光とされた光源光は、図6(b)の斜視図の偏光方向(1)に示すように、PBS103aを透過するとPBS103aに対してP偏光となる。この後、FR105を透過した光源光は、偏光方向(2)に示すように、45°回転してPBS103bに対してP偏光となる。   Therefore, as shown in the polarization direction (1) in the perspective view of FIG. 6B, the light source light converted into parallel light by the lens 104a becomes P-polarized light with respect to the PBS 103a when transmitted through the PBS 103a. Thereafter, the light source light transmitted through the FR 105 is rotated by 45 ° and becomes P-polarized light with respect to the PBS 103b as shown in the polarization direction (2).

一方、光学結晶101を出射してきた光のうち、PBS103bを透過する偏光方向(3)に示す状態のP偏光は、FR105を透過することで、偏光方向(4)に示すように、45°回転してPBS103aに対してS偏光となる。この結果、このS偏光は、PBS103aにより90°進行方向が変更される。
このように、図6に示す電波センサでは、HWPを省略することを可能としている。
On the other hand, of the light emitted from the optical crystal 101, the P-polarized light in the state indicated by the polarization direction (3) that passes through the PBS 103b is rotated by 45 ° as shown in the polarization direction (4) by passing through the FR 105. Thus, it becomes S-polarized light with respect to the PBS 103a. As a result, the traveling direction of this S-polarized light is changed by 90 ° by the PBS 103a.
Thus, in the radio wave sensor shown in FIG. 6, it is possible to omit HWP.

次に、最適な偏光素子102の構成例について説明する。偏光素子102は、例えば、図7(a)に示すように、1/4波長板(QWP:quarter-wave plate)102aと1/2波長板(HWP:half-wave plate)102bとから構成すればよい。高感度の検出を行うためには、電気光学結晶101に入射する光ビームの偏光状態は、適切な状態に調整した方がよい。   Next, a configuration example of the optimum polarizing element 102 will be described. For example, as shown in FIG. 7A, the polarizing element 102 is composed of a quarter-wave plate (QWP) 102a and a half-wave plate (HWP) 102b. That's fine. In order to perform high-sensitivity detection, the polarization state of the light beam incident on the electro-optic crystal 101 should be adjusted to an appropriate state.

電気光学結晶101に入射させるべき光の偏光状態は、用いる電気光学結晶101の種類、面方位、配置角度、また、被測定電波の電界の方向など、様々な因子に依存する。QWP102aとHWP102bとの双方の角度を各々調整することで、電気光学結晶101に入射させる光を任意の偏光状態とすることができる。従って、図7(a)に示す構成とすることで、QWP102aとHWP102bとを調整することで、電気光学結晶101の条件や被測定電波の電界方向によらず、常に高感度な測定を行うことが可能となる。   The polarization state of light to be incident on the electro-optic crystal 101 depends on various factors such as the type, plane orientation, arrangement angle, and direction of the electric field of the measured radio wave. By adjusting the angles of both the QWP 102a and the HWP 102b, the light incident on the electro-optic crystal 101 can be in an arbitrary polarization state. Therefore, by adopting the configuration shown in FIG. 7A, by adjusting the QWP 102a and the HWP 102b, high-sensitivity measurement can always be performed regardless of the conditions of the electro-optic crystal 101 and the electric field direction of the measured radio wave. Is possible.

また、偏光素子102は、図7(b)に示すように、QWP102aのみから構成するようにしてもよい。例えば、電気光学結晶101の電気的主軸が既知となっていれば、偏光素子として特定の角度調整したQWP102aのみで、高感度な測定を行うことが可能となる。 Further, as shown in FIG. 7B, the polarizing element 102 may be configured by only the QWP 102a. For example, the electrical spindle of the electro-optic crystal 101 if already known, only QWP102a adjusted to a specific angle as a polarizing element, it is possible to perform highly sensitive measurements.

図8は、図7(b)に示す構成における、QWP102aの角度と電気光学結晶101の電気的主軸の角度とを変数とし、検出感度を等高線で示した特性図である。図8においては、白い部分で示す領域が、最も高感度な状態を示している。図8に示すように、例えば、QWP102aの角度が22.5°で、電気光学結晶101の電気的主軸の角度が−22.5°のとき、高感度であることが判る。   FIG. 8 is a characteristic diagram in which the detection sensitivity is indicated by contour lines with the angle of the QWP 102a and the angle of the electrical principal axis of the electro-optic crystal 101 as variables in the configuration shown in FIG. 7B. In FIG. 8, the white area indicates the most sensitive state. As shown in FIG. 8, for example, when the angle of the QWP 102a is 22.5 ° and the angle of the electrical principal axis of the electro-optic crystal 101 is −22.5 °, it can be seen that the sensitivity is high.

図9(a)は、上述した高感度な状態が得られるQWP102aと電気光学結晶101との配置関係を示す説明図である。軸Sと軸Fは、QWPの直交する2つの主軸を示している。主軸Sは、x軸と22.5°の角度をなしている。このような配置の状態のとき、電気光学結晶に入射する光の偏光状態は、図9(a)の楕円で示す状態となる。なお、電気光学結晶の直交する2つの電気的主軸は、X,Yであり、X軸は、x軸と−22.5°の角度をなしている。   FIG. 9A is an explanatory diagram showing an arrangement relationship between the QWP 102a and the electro-optic crystal 101 that can obtain the above-described high sensitivity state. An axis S and an axis F indicate two main axes orthogonal to the QWP. The main axis S forms an angle of 22.5 ° with the x axis. In such an arrangement state, the polarization state of the light incident on the electro-optic crystal is in a state indicated by an ellipse in FIG. Note that the two orthogonal electrical principal axes of the electro-optic crystal are X and Y, and the X axis forms an angle of −22.5 ° with the x axis.

図9(b)は、閃亜鉛鉱型の結晶構造をもつ電気光学結晶901を用いた場合の、QWPと電気光学結晶との配置関係を示す説明図である。光は、電気光学結晶901の(110)面から入射させる。電気光学結晶901は、(1−10)面に垂直な電界成分を有する電波に対して感度を有する。被測定対象電波の電界ベクトルの方向が既知である場合、電界ベクトルが電気光学結晶901の(1−10)面に対して垂直となるように、電気光学結晶901の配置状態を設定すればよい。この状態とすることで、最大の感度を得ることができる。   FIG. 9B is an explanatory diagram showing the positional relationship between the QWP and the electro-optic crystal when an electro-optic crystal 901 having a zinc blende type crystal structure is used. Light is incident from the (110) plane of the electro-optic crystal 901. The electro-optic crystal 901 is sensitive to radio waves having an electric field component perpendicular to the (1-10) plane. When the direction of the electric field vector of the measurement target radio wave is known, the arrangement state of the electro-optic crystal 901 may be set so that the electric field vector is perpendicular to the (1-10) plane of the electro-optic crystal 901. . In this state, the maximum sensitivity can be obtained.

なお、上述した電気光学結晶としては、GaAs,ZnTe,CdTeなどの化合物半導体結晶や、Bi12SiO20,Bi4Ge312などのシレナイト構造を有する酸化物結晶などが利用できる。 As the above-described electro-optic crystal, a compound semiconductor crystal such as GaAs, ZnTe, or CdTe, or an oxide crystal having a sillenite structure such as Bi 12 SiO 20 or Bi 4 Ge 3 O 12 can be used.

本発明の第1の実施の形態における電波センサの構成例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structural example of the electromagnetic wave sensor in the 1st Embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態における電波センサの構成例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structural example of the electromagnetic wave sensor in other embodiment of this invention. 本発明の他の実施の形態における電波センサの構成例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structural example of the electromagnetic wave sensor in other embodiment of this invention. センサヘッド100の内部の光路を伝播する光の偏光の状態を示す説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram showing a polarization state of light propagating through an optical path inside the sensor head 100. 光検出器122a,122b,及び差動アンプ123aの出力電気信号の状態を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the state of the output electric signal of photodetector 122a, 122b and the differential amplifier 123a. 本発明の他の実施の形態における電波センサの構成例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structural example of the electromagnetic wave sensor in other embodiment of this invention. 偏光素子102の構成例を示す構成図である。3 is a configuration diagram illustrating a configuration example of a polarizing element 102. FIG. QWP102aの角度と電気光学結晶101の電気的主軸の角度とを変数とし、検出感度を等高線で示した特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram in which detection sensitivity is indicated by contour lines with the angle of the QWP 102a and the angle of the electrical principal axis of the electro-optic crystal 101 as variables. 高感度な状態が得られるQWPと電気光学結晶との配置関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the arrangement | positioning relationship between QWP and electro-optic crystal which can obtain a highly sensitive state. 従来よりある電波センサの一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of a conventional radio wave sensor.

符号の説明Explanation of symbols

100…センサヘッド、101…電気光学結晶、101a…反射面、102…偏光素子、103…偏光ビームスプリッタ(PBS)、104a…レンズ、104b…レンズ、120…信号処理部、121…レーザ、122…光検出器、123…アンプ、124…電気信号測定器、131…偏波保持ファイバ(PMF)、132…光ファイバ。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Sensor head, 101 ... Electro-optic crystal, 101a ... Reflecting surface, 102 ... Polarizing element, 103 ... Polarizing beam splitter (PBS), 104a ... Lens, 104b ... Lens, 120 ... Signal processing part, 121 ... Laser, 122 ... Photodetector, 123... Amplifier, 124... Electrical signal measuring device, 131... Polarization maintaining fiber (PMF), 132.

Claims (4)

センサヘッドに収容され、光源より出射されて偏波の状態が保持されて伝播された光源光を所定の偏光状態の第1光とする1/4波長板からなる偏光素子と、
前記センサヘッドに収容され、入射して透過する前記第1光の少なくとも一部を、受けた電磁波の電界変化に対応して偏光変化させて第2光として出射する電気光学結晶と、
前記センサヘッドに収容され、前記電気光学結晶より出射した前記第2光の中より第1の偏光成分を取り出す偏光分離手段と、
前記偏光分離手段により取り出された前記第1の偏光成分を伝播する光ファイバと、
この光ファイバを伝播した前記第1の偏光成分を光電変換して電気信号とする光電変換素子と、
この光電変換素子により光電変換された電気信号を処理する信号処理手段と
前記光源より出射された光源光の偏波の状態を保持して前記センサヘッドに伝播する偏波保持伝播手段と
を少なくとも備え、
前記センサヘッドは可動する状態に設けられ、
前記1/4波長板の直交する2つの主軸は、前記偏光分離手段の直交する2つの主軸に対して22.5°の角度をなし、かつ前記電気光学結晶の直交する2つの電気的主軸は、前記1/4波長板の直交する2つの主軸に対して45°の角度をなし、
前記偏光素子は、前記偏波保持伝播手段により偏波の状態が保持されて伝播された前記光源光を所定の偏光状態の第1光とし、
前記偏光素子を出射した第1光は、前記偏光素子と前記電気光学結晶との間の空間を通過して前記電気光学結晶に入射する
ことを特徴とする電波センサ。
A polarizing element comprising a quarter-wave plate that is housed in a sensor head and is emitted from a light source and propagated while maintaining a polarization state; the first light having a predetermined polarization state;
An electro-optic crystal that is accommodated in the sensor head, changes the polarization of at least a portion of the first light that is incident and transmitted therethrough in response to a change in the electric field of the received electromagnetic wave, and emits the second light;
Polarization separation means for taking out the first polarization component from the second light contained in the sensor head and emitted from the electro-optic crystal;
An optical fiber that propagates the first polarization component extracted by the polarization separation means;
A photoelectric conversion element that photoelectrically converts the first polarization component propagated through the optical fiber into an electrical signal;
Signal processing means for processing an electrical signal photoelectrically converted by the photoelectric conversion element;
Polarization maintaining and propagating means for propagating to the sensor head while maintaining the polarization state of the light source light emitted from the light source ,
The sensor head is provided in a movable state;
Two orthogonal principal axes of the quarter-wave plate make an angle of 22.5 ° with respect to two orthogonal principal axes of the polarization separating means, and two orthogonal electrical principal axes of the electro-optic crystal are An angle of 45 ° with respect to two orthogonal principal axes of the quarter-wave plate,
The polarizing element uses the light source light propagated while the polarization state is maintained by the polarization maintaining / propagating means as first light in a predetermined polarization state,
The radio wave sensor, wherein the first light emitted from the polarizing element passes through a space between the polarizing element and the electro-optic crystal and enters the electro-optic crystal.
センサヘッドに収容され、光源より出射されて偏波の状態が保持されて伝播された光源光を所定の偏光状態の第1光とする1/4波長板からなる偏光素子と、
前記センサヘッドに収容され、入射して透過する前記第1光の少なくとも一部を、受けた電磁波の電界変化に対応して偏光変化させて第2光として出射する電気光学結晶と、
前記センサヘッドに収容され、前記電気光学結晶より出射した前記第2光の中より第1の偏光成分を取り出す偏光分離手段と、
前記偏光分離手段により取り出された前記第1の偏光成分を伝播する光ファイバと、
この光ファイバを伝播した前記第1の偏光成分を光電変換して電気信号とする光電変換素子と、
この光電変換素子により光電変換された電気信号を処理する信号処理手段と
を少なくとも備え、
前記センサヘッドは可動する状態に設けられ、
前記光源は、前記センサヘッドに収容され、
前記1/4波長板の直交する2つの主軸は、前記偏光分離手段の直交する2つの主軸に対して22.5°の角度をなし、かつ前記電気光学結晶の直交する2つの電気的主軸は、前記1/4波長板の直交する2つの主軸に対して45°の角度をなし、
前記偏光素子を出射した第1光は、前記偏光素子と前記電気光学結晶との間の空間を通過して前記電気光学結晶に入射する
ことを特徴とする電波センサ。
A polarizing element comprising a quarter-wave plate that is housed in a sensor head and is emitted from a light source and propagated while maintaining a polarization state; the first light having a predetermined polarization state;
An electro-optic crystal that is accommodated in the sensor head, changes the polarization of at least a portion of the first light that is incident and transmitted therethrough in response to a change in the electric field of the received electromagnetic wave, and emits the second light;
Polarization separation means for taking out the first polarization component from the second light contained in the sensor head and emitted from the electro-optic crystal;
An optical fiber that propagates the first polarization component extracted by the polarization separation means;
A photoelectric conversion element that photoelectrically converts the first polarization component propagated through the optical fiber into an electrical signal;
Signal processing means for processing an electrical signal photoelectrically converted by the photoelectric conversion element;
Comprising at least
The sensor head is provided in a movable state;
The light source is housed in the sensor head;
Two orthogonal principal axes of the quarter-wave plate make an angle of 22.5 ° with respect to two orthogonal principal axes of the polarization separating means, and two orthogonal electrical principal axes of the electro-optic crystal are An angle of 45 ° with respect to two orthogonal principal axes of the quarter-wave plate,
The radio wave sensor , wherein the first light emitted from the polarizing element passes through a space between the polarizing element and the electro-optic crystal and enters the electro-optic crystal .
請求項1または2記載の電波センサにおいて、
前記電気光学結晶は、前記第1光の入射面の対向面に反射面を備え、
前記偏光分離手段は、前記光源光は透過して前記光源光と偏光の状態が異なる光は光路を異なる方向に変更することで、前記電気光学結晶より出射した前記第2光の中より前記第1の偏光成分を取り出す偏光ビームスプリッタであり、
前記光源光は、前記偏光ビームスプリッタを透過して前記偏光素子に入射し、
前記偏光素子を出射した第1光は、前記電気光学結晶の入射面より入射し、
前記電気光学結晶の前記入射面より入射した光は前記反射面で反射して前記入射面より出射し、
前記電気光学結晶の入射面より出射した光は、前記偏光素子を通過して前記偏光ビームスプリッタに入射する
ことを特徴とする電波センサ。
The radio wave sensor according to claim 1 or 2 ,
The electro-optic crystal includes a reflective surface on a surface facing the incident surface of the first light,
The polarized light separating means changes the optical path of light having a different polarization state from the light source light through the light source light, and changes the optical path in a different direction, so that the second light emitted from the electro-optic crystal is the first light. A polarization beam splitter that extracts a polarization component of 1;
The light source light passes through the polarizing beam splitter and enters the polarizing element,
The first light emitted from the polarizing element is incident from an incident surface of the electro-optic crystal,
Light incident from the incident surface of the electro-optic crystal is reflected by the reflecting surface and emitted from the incident surface.
A radio wave sensor , wherein light emitted from an incident surface of the electro-optic crystal passes through the polarizing element and enters the polarizing beam splitter .
請求項1または2記載の電波センサにおいて、
前記電気光学結晶は、前記第1光の入射面の対向面に反射面を備え、
前記偏光分離手段は、
第1偏光状態の光は透過して第1偏光状態の光と偏光の状態が異なる第2偏光状態の光は光路を異なる方向に変更する第1偏光ビームスプリッタ及び第2偏光ビームスプリッタと、
これら第1偏光ビームスプリッタ及び第2偏光ビームスプリッタの間の光路に配置され、前記第1偏光ビームスプリッタを透過した光の偏光状態を、前記第2偏光ビームスプリッタに対して第1偏光状態とし、前記第2偏光ビームスプリッタを透過した光の偏光状態を前記第1偏光ビームスプリッタに対して第2偏光状態とする偏光変化手段と
から構成され、
前記第2偏光ビームスプリッタで光路を異なる方向に変更された光を伝搬する第1光ファイバと、
前記第1偏光ビームスプリッタで光路を異なる方向に変更された光を伝搬する第2光ファイバと、
前記第1光ファイバを伝播した前記光を光電変換して電気信号とする第1光電変換素子と、
前記第2光ファイバを伝播した前記光を光電変換して電気信号とする第2光電変換素子と、
これら第1,第2光電変換素子により光電変換された2つの電気信号を差動増幅する差動アンプと、
この差動アンプより出力された電気信号を処理する信号処理手段と
を備え、
前記光源光は、前記第1偏光ビームスプリッタ,前記偏光変化手段,及び前記第2偏光ビームスプリッタをこの順に透過して前記偏光素子に入射し、
前記偏光素子を出射した第1光は、前記電気光学結晶の入射面より入射し、
前記電気光学結晶の前記入射面より入射した光は前記反射面で反射して前記入射面より出射し、
前記電気光学結晶の入射面より出射した光は、前記偏光素子を通過して前記第2偏光ビームスプリッタに入射し、
前記電気光学結晶の入射面より出射して前記第2偏光ビームスプリッタにより光路を異なる方向に変更された前記第1の偏光成分は、前記第1光ファイバにより伝播され、
前記電気光学結晶の入射面より出射して前記第2偏光ビームスプリッタを透過した前記第1の偏光成分とは偏光状態が異なる第2の偏光成分は、前記偏光変化手段を透過して前記第1偏光ビームスプリッタに入射し、前記第1偏光ビームスプリッタにより光路を異なる方向に変更されて第2光ファイバにより伝播される
ことを特徴とする電波センサ。
The radio wave sensor according to claim 1 or 2 ,
The electro-optic crystal includes a reflective surface on a surface facing the incident surface of the first light,
The polarization separation means includes
A first polarization beam splitter and a second polarization beam splitter that transmit light in the first polarization state and light in the second polarization state that is different in polarization state from the light in the first polarization state;
The polarization state of light disposed in the optical path between the first polarization beam splitter and the second polarization beam splitter and transmitted through the first polarization beam splitter is set to the first polarization state with respect to the second polarization beam splitter, Polarization changing means for changing the polarization state of the light transmitted through the second polarization beam splitter to the second polarization state with respect to the first polarization beam splitter;
Consisting of
A first optical fiber for propagating light whose optical path is changed in a different direction by the second polarizing beam splitter;
A second optical fiber that propagates light whose optical path is changed in a different direction by the first polarizing beam splitter;
A first photoelectric conversion element that photoelectrically converts the light propagated through the first optical fiber into an electrical signal;
A second photoelectric conversion element that photoelectrically converts the light propagated through the second optical fiber into an electrical signal;
A differential amplifier that differentially amplifies the two electric signals photoelectrically converted by the first and second photoelectric conversion elements;
Signal processing means for processing the electric signal output from the differential amplifier;
With
The light source light passes through the first polarization beam splitter, the polarization changing means, and the second polarization beam splitter in this order and enters the polarization element.
The first light emitted from the polarizing element is incident from an incident surface of the electro-optic crystal,
Light incident from the incident surface of the electro-optic crystal is reflected by the reflecting surface and emitted from the incident surface.
The light emitted from the incident surface of the electro-optic crystal passes through the polarizing element and enters the second polarizing beam splitter,
The first polarization component emitted from the incident surface of the electro-optic crystal and having its optical path changed in a different direction by the second polarization beam splitter is propagated by the first optical fiber,
A second polarization component having a polarization state different from that of the first polarization component emitted from the incident surface of the electro-optic crystal and transmitted through the second polarization beam splitter is transmitted through the polarization changing means and transmitted through the first polarization component. A radio wave sensor that is incident on a polarizing beam splitter, is changed in an optical path in a different direction by the first polarizing beam splitter, and is propagated by a second optical fiber .
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