JP5163850B2 - Electromagnetic field measuring device - Google Patents
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Description
本発明は、ある位置での電界と磁界とのそれぞれの強度が計測可能な電磁界測定装置に関し、特に、レーザ光が照射される電気光学結晶および磁気光学結晶を電磁界プローブとして用いた電磁界測定装置に関する。 The present invention relates to an electromagnetic field measuring apparatus capable of measuring the strength of each of an electric field and a magnetic field at a certain position, and in particular, an electromagnetic field using an electro-optic crystal irradiated with laser light and a magneto-optic crystal as an electromagnetic field probe. It relates to a measuring device.
従来から電磁界測定装置として、先端に電磁界センサ(あるいは電磁界プローブ)としてアンテナを設けた測定装置が知られている。例えば先端にループアンテナを設け、電磁誘導の法則により磁界を検出するループ型磁界測定装置や先端にダイポールアンテナを設けた電界測定装置が知られている。一つのアンテナにより誘起された電磁界による信号に対し、適切な信号処理を行うことにより、電界と磁界の同時測定を可能とする電磁界測定装置も報告されている。
また、電磁界センサとして電気光学(EO)材料や磁気光学(MO)材料を用い、レーザをはじめとする光計測機器とこれら材料を組合せた光電磁界計測システムが知られており、アンテナやマイクロ波回路、あるいは電子機器から発生する電磁波の検出にこれが活用されてきた。前記光学材料を用いたセンサは、金属を用いないため発生電磁界を殆ど乱さない、高速(広帯域)計測、高空間分解能計測が可能などの優れた利点を有する。
電気光学材料や磁気光学材料を用いるものの中でも、最近、光ファイバ光学を基礎として組み上げられた測定装置が、高性能かつ良好な利便性のために注目を集めており、特にファイバ先端に共振器構造を有する光学結晶を用いた測定装置(例えば、非特許文献1参照)は、高空間分解能性と高感度性を兼備する測定装置を構成し得るものと期待されている。
In addition, an electro-optic (EO) material or a magneto-optic (MO) material is used as an electromagnetic field sensor, and an optical measurement device such as a laser and a photoelectric magnetic field measurement system combining these materials are known. This has been used to detect electromagnetic waves generated from circuits or electronic devices. The sensor using the optical material has excellent advantages such as high-speed (broadband) measurement and high spatial resolution measurement that hardly disturb the generated electromagnetic field because no metal is used.
Among those using electro-optic materials and magneto-optic materials, recently, measuring devices built on the basis of optical fiber optics have attracted attention for high performance and good convenience. It is expected that a measurement apparatus using an optical crystal having the above (for example, see Non-Patent Document 1) can constitute a measurement apparatus having both high spatial resolution and high sensitivity.
従来は、電界測定には電界測定装置、磁界測定には磁界測定装置と測定対象に応じて測定装置が選択される場合が殆どであった。このような場合、電界、磁界のどちらも計測したい場合には、それぞれの測定装置を用いるために時間がかかる、コストがかさむ、ある一点での電界、磁界双方の正確な情報が分からない、などの問題があった。
上記のような一つのアンテナを用いて信号処理により電界・磁界同時計測を行う方法を用いれば、上に述べた問題は一応は解決する。しかし、アンテナを用いた計測の場合、アンテナが金属であることから被測定電磁界が撹乱され、また、特に高周波電磁界の測定において、電磁カップリングによる意図しない場所(センサ部以外の場所)で信号が誘起され検出される結果、正確な測定が困難である。
本発明の目的は、レーザ光と光学結晶を用いて被測定電磁界の撹乱を極力抑え、ある位置における電界・磁界それぞれの相対強度を正確に測定することのできる光電磁界測定装置を提供できるようにすることである。
Conventionally, in most cases, an electric field measurement device is selected for electric field measurement, and a measurement device is selected for magnetic field measurement according to the magnetic field measurement device and the measurement object. In such a case, if you want to measure both electric and magnetic fields, it will take time to use each measuring device, it will be costly, and you will not know accurate information on both the electric and magnetic fields at one point. There was a problem.
If the method of performing simultaneous electric field / magnetic field measurement by signal processing using one antenna as described above is used, the above-mentioned problem is solved. However, in the case of measurement using an antenna, the measured electromagnetic field is disturbed because the antenna is made of metal, and particularly in the measurement of high-frequency electromagnetic fields, in unintended locations due to electromagnetic coupling (locations other than the sensor unit) As a result of the signal being induced and detected, accurate measurement is difficult.
An object of the present invention is to provide a photoelectric magnetic field measuring apparatus capable of suppressing the disturbance of an electromagnetic field to be measured as much as possible using a laser beam and an optical crystal and accurately measuring the relative strengths of the electric field and the magnetic field at a certain position. Is to do.
上記の目的を達成するため、本発明によれば、電気光学材料層と磁気光学材料層を積層して形成される電磁界センサを有する電磁界測定装置であって、レーザ光源から出射される前記電磁界センサへの入射レーザ光の波長と前記電気光学材料層および前記磁気光学材料層のそれぞれの共振特性を示すスペクトルにおいて、前記電気光学材料層が谷を示す波長においては前記磁気光学材料層は山を示し、前記磁気光学材料層が谷を示す波長においては前記電気光学材料層は山を示すか、あるいは、両者の谷を示す波長が一致していることを特徴とする電磁界測定装置、が提供される。 In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided an electromagnetic field measuring apparatus having an electromagnetic field sensor formed by laminating an electro-optic material layer and a magneto-optic material layer, wherein the electromagnetic field sensor is emitted from a laser light source. In the spectrum showing the wavelength of the laser beam incident on the electromagnetic field sensor and the respective resonance characteristics of the electro-optic material layer and the magneto-optic material layer, the magneto-optic material layer is An electromagnetic field measuring apparatus, wherein the electro-optic material layer shows a mountain at a wavelength where the magneto-optical material layer shows a valley, or the wavelengths showing both valleys coincide with each other . Is provided.
また、上記の目的を達成するため、本発明によれば、光ファイバ端面に電気光学材料層と磁気光学材料層を積層して形成される電磁界センサを有する電磁界測定装置であって、レーザ光源から出射される前記電磁界センサへの入射レーザ光の波長と前記電気光学材料層および前記磁気光学材料層のそれぞれの共振特性を示すスペクトルにおいて、前記電気光学材料層が谷を示す波長においては前記磁気光学材料層は山を示し、前記磁気光学材料層が谷を示す波長においては前記電気光学材料層は山を示すか、あるいは、両者の谷を示す波長が一致していることを特徴とする電磁界測定装置、が提供される。
In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided an electromagnetic field measuring apparatus having an electromagnetic field sensor formed by laminating an electro-optic material layer and a magneto-optic material layer on an end face of an optical fiber. In the spectrum showing the wavelength of the laser beam incident on the electromagnetic field sensor emitted from the light source and the respective resonance characteristics of the electro-optic material layer and the magneto-optic material layer, the electro-optic material layer has a trough wavelength. The magneto-optical material layer shows a peak, and the electro-optical material layer shows a peak at a wavelength where the magneto-optical material layer shows a valley, or the wavelengths showing both valleys coincide with each other. An electromagnetic field measuring device is provided.
そして、好ましくは、上記電磁界測定装置は、検光子と、前記レーザ光源の出射光を前記電磁界センサへ送出しその戻り光を前記検光子へ送出する光サーキュレータと、前記検光子の出射光を検出するフォトディテクタと、前記フォトディテクタの出力信号を検出する無線周波数スペクトラムアナライザと、を更に有する。 Preferably, the electromagnetic field measurement device includes an analyzer, an optical circulator that sends out the emitted light of the laser light source to the electromagnetic field sensor and sends the return light to the analyzer, and the emitted light of the analyzer And a radio frequency spectrum analyzer for detecting an output signal of the photodetector.
第1の効果は、ある位置での電界と磁界のそれぞれを一つの測定装置により計測が可能であることにより、計測時間の短縮とコストの低減を図ることができる点にある。
第2の効果は、被測定電磁界を乱すことなく、ある位置での電界と磁界のそれぞれを高空間分解能で計測できる点にある。
第3の効果は、電気光学材料と磁気光学材料の適切な選択により、ある位置での電力が測定できる点にある。
The first effect is that the measurement time can be shortened and the cost can be reduced by measuring each of the electric field and the magnetic field at a certain position with one measuring device.
The second effect is that each of an electric field and a magnetic field at a certain position can be measured with high spatial resolution without disturbing the measured electromagnetic field.
The third effect is that the power at a certain position can be measured by appropriate selection of the electro-optic material and the magneto-optic material.
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の電磁界測定装置の一実施の形態を示すブロック図である。図1に示されるように、本実施の形態の測定装置は、可変波長レーザで連続発振可能なレーザ光源101と、レーザ光源101の出射光を増幅するファイバアンプ102と、レーザ光源101の出射光の偏光面を調整する偏光コントローラ103と、電磁界センサ105と、検光子106と、偏光コントローラ103の出射光を電磁界センサ105へ送出すると共に電磁界センサ105からの戻り光を検光子106へ送出する光サーキュレータ104と、光強度検出用のフォトディテクタ107と、これらの光学素子を連結する光ファイバ109と、フォトディテクタ107から出力される電気信号を検出する無線周波数スペクトラムアナライザ108と、フォトディテクタ107と無線周波数スペクトラムアナライザ108との間を接続する信号配線110とから構成される。ここで、100は、被測定対象の一例であるマイクロストリップ線路である。
ここで、本実施の形態の電磁界センサ105は、図2に示されるように、電気光学結晶により構成される電気光学材料層11と磁気光学結晶により構成される磁気光学材料層12との積層体によって構成されている。そして、光サーキュレータ104から伸びる光ファイバ109の先端は、電気光学材料層11の表面に例えば透明接着剤を介して接着される。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of an electromagnetic field measuring apparatus according to the present invention. As shown in FIG. 1, the measurement apparatus according to the present embodiment includes a laser light source 101 that can continuously oscillate with a variable wavelength laser, a fiber amplifier 102 that amplifies the light emitted from the laser light source 101, and the light emitted from the laser light source 101. The polarization controller 103 for adjusting the plane of polarization of the light, the
Here, as shown in FIG. 2, the
次に、本実施の形態の電磁界測定装置の動作について説明する。可変波長レーザで連続発振可能なレーザ光源101から出射される光の波長域を例えば1500nm〜1600nmとする。各波長の光はファイバアンプ102にて増幅された後、偏光コントローラ103、光サーキュレータ104を通り電磁界センサ105に入射する。入射した光の一部は電磁界センサ105の表面で反射されるが、残りは電磁界センサ105に入射する。電磁界センサに入射した光は、上面と材料層界面、材料層界面と底面、上面と底面の間で多重反射した後、電磁界センサ105から放射され再び光ファイバに戻る。電磁界センサ105からの戻り光は、再び光サーキュレータ104を通った後検光子106を通過した後、フォトディテクタ107により検出される。そして、フォトディテクタ107から出力される電気信号は無線周波数スペクトラムアナライザ108により検出される。
Next, the operation of the electromagnetic field measurement apparatus according to this embodiment will be described. The wavelength range of light emitted from the laser light source 101 that can continuously oscillate with the variable wavelength laser is, for example, 1500 nm to 1600 nm. The light of each wavelength is amplified by the fiber amplifier 102 and then enters the
電界・磁界の印加された環境に配置された電磁界センサ105に、入射された光は、電界によって電気光学材料層11の屈折率が変化することにより、この材料層を透過する過程においてその偏光状態が変調を受ける。また、印加される磁界の強度により、磁気光学材料層12を透過する光の偏光面が変化する。入射光に対して加えられた電磁界センサ105による偏光の変調は、検光子106により光強度変化に変換される。この変化をフォトディテクタ107と無線周波数スペクトラムアナライザ108とにより検出することにより、電界、磁界が計測される。電界と磁界とが別々に計測可能である理由について、以下説明する。
The light incident on the
図3は、屈折率と厚みの異なる電気光学材料層と磁気光学材料層が、それぞれ単独に存在し、電気光学材料層または磁気光学材料層にレーザ光を入射したときに得られる反射スペクトルをそれぞれ実線と点線で表している。一般に、スペクトルは山と谷が交互に出現する、いわゆる共振特性を有するが、電界センサあるいは磁界センサが高感度なセンサとして機能するのはレーザ波長が谷に相当する波長となったときである。その理由は、当該波長において光学材料層中で光の多重反射が起きるために、光学材料が電磁界に晒された場合、偏光変調度が増大するためである。一方、山に相当する波長においては電気光学材料層や磁気光学材料層は電磁界センサとして機能しない。その理由は、このような波長の場合、光は光学材料層表面で、殆ど反射してしまうためである。従って、光学材料が電磁界に晒されても光変調度が小さく、ノイズレベル以上の電磁界による信号を検出できない。本発明は、このような光共振特性に伴うセンサ感度の特徴を利用し、ある場所での電界、磁界のそれぞれを検出するセンサである。すなわち、電気光学材料層と磁気光学材料層とを積層し、電界検出には電気光学材料の共振波長を磁界検出には磁気光学材料の共振波長を入射レーザ光の波長とすることで電磁界を検出する。ただし、それら波長は両材料の特性で山と谷の関係となる必要がある(図3中A、Bの波長)。 FIG. 3 shows a reflection spectrum obtained when an electro-optic material layer and a magneto-optic material layer having different refractive indexes and thicknesses exist independently, respectively, and laser light is incident on the electro-optic material layer or the magneto-optic material layer. Represented by solid and dotted lines. In general, the spectrum has a so-called resonance characteristic in which peaks and valleys appear alternately, but the electric field sensor or magnetic field sensor functions as a highly sensitive sensor when the laser wavelength becomes a wavelength corresponding to the valley. The reason is that the degree of polarization modulation increases when the optical material is exposed to an electromagnetic field because multiple reflection of light occurs in the optical material layer at the wavelength. On the other hand, the electro-optic material layer and the magneto-optic material layer do not function as an electromagnetic field sensor at a wavelength corresponding to a mountain. The reason is that, at such a wavelength, light is almost reflected on the surface of the optical material layer. Therefore, even when the optical material is exposed to an electromagnetic field, the degree of light modulation is small, and a signal due to an electromagnetic field exceeding the noise level cannot be detected. The present invention is a sensor that detects each of an electric field and a magnetic field at a certain place by utilizing the characteristics of sensor sensitivity associated with such optical resonance characteristics. In other words, the electro-optic material layer and the magneto-optic material layer are laminated, and the electromagnetic field is generated by setting the resonance wavelength of the electro-optic material to the electric field detection and the resonance wavelength of the magneto-optic material to the wavelength of the incident laser light for the magnetic field detection. To detect. However, these wavelengths need to be in the relationship between peaks and valleys due to the characteristics of both materials (wavelengths A and B in FIG. 3).
また、本発明のセンサは、ある位置での電力の相対強度を測定することも可能である。そのためには、レーザ光源波長を例えば図3中Cの位置での波長にすればよい。このとき、光は電気光学材料層中、磁気光学材料層中の両方で多重反射するため、電界、磁界の双方による変調度増大が起こる結果、電磁界の相対強度を測定することができる。ポインティングベクトルの式から分かるように、電界・磁界双方の強度は電力と関係付けられるため、光源波長を上記波長とすることで電力の相対強度が分かる。ただし、電気光学材料層、磁気光学材料層の検出電界成分と磁界成分が直交するように、予め材料を選択あるいは設計する必要がある。 The sensor of the present invention can also measure the relative strength of electric power at a certain position. For this purpose, the laser light source wavelength may be set to the wavelength at the position C in FIG. 3, for example. At this time, since light is multiple-reflected both in the electro-optic material layer and in the magneto-optic material layer, the degree of modulation increases due to both the electric field and the magnetic field, so that the relative strength of the electromagnetic field can be measured. As can be seen from the equation of the pointing vector, the intensity of both the electric field and the magnetic field is related to the electric power. Therefore, the relative intensity of the electric power can be obtained by setting the light source wavelength to the above wavelength. However, it is necessary to select or design the material in advance so that the detection electric field component and the magnetic field component of the electro-optic material layer and the magneto-optic material layer are orthogonal to each other.
電気光学材料層と磁気光学材料層とが積層されたセンサを用いる場合、各光学材料層が単独で電磁界に投入された場合の反射スペクトルでの共振波長の外に積層体での共振波長も観測される。したがって、観測されるスペクトルの共振波長の中から各光学材料層の単独での共振波長を選択すれば電界あるいは磁界を計測することができる。すなわち、Aの波長での強度を計測することにより電界強度を検出することができ、Bの波長での強度を計測することにより電界強度を検出することができる。また、Cの波長での強度を計測することにより電力を検出することができる。このように、本発明の測定装置の使用に当たっては予め各光学材料層が単独で存在する場合のそれぞれの反射スペクトルを取得しておく必要がある。つまり、どの波長で電気光学材料層と磁気光学材料層とが共振するのかを予め知っておく必要がある。 When a sensor in which an electro-optic material layer and a magneto-optic material layer are laminated is used, the resonance wavelength in the laminate is not only the resonance wavelength in the reflection spectrum when each optical material layer is put into an electromagnetic field alone. Observed. Therefore, an electric field or a magnetic field can be measured by selecting the resonance wavelength of each optical material layer alone from the resonance wavelengths of the observed spectrum. That is, the electric field strength can be detected by measuring the intensity at the wavelength A, and the electric field strength can be detected by measuring the intensity at the wavelength B. Further, the power can be detected by measuring the intensity at the wavelength of C. Thus, when using the measuring apparatus of the present invention, it is necessary to obtain in advance each reflection spectrum when each optical material layer is present alone. That is, it is necessary to know in advance at which wavelength the electro-optic material layer and the magneto-optic material layer resonate.
上述した実施の形態での電磁界センサ105は、電気光学材料層と磁気光学材料層とを単純に積層したものであったが、本発明において電磁界センサ105はこのような形態に限定されない。例えば、図4に斜視図で示されるように、電気光学材料層11と磁気光学材料層12の間にスペーサとしての透明な誘電体層13が設けられていてもよい。電気光学材料層と磁気光学材料層の屈折率が近接している場合には、通常それぞれの材料中で独立に共振することが無いため、単に両材料を積層させただけでは電界、磁界のそれぞれを計測することは難しい。このような場合、図4に示されるように、両光学材料層間に誘電体層13を設けることにより図3中A、Bに相当する波長での共振を発生させることができる。
Although the
また、図5、図6に示されるように、電気光学材料層11と磁気光学材料層12とからなる積層体は、コア14aとクラッド14bを有する光ファイバ14の端面上に形成されていてもよく、さらに両光学材料層の間にスペーサとしての透明な誘電体層14が存在していてもよい。光ファイバ端面上に光学材料を形成する手法としては、例えばエアロゾルデポジション(AD)法が存在する。AD法は1μm以上の電気光学材料層、磁気光学材料層、透明な酸化物誘電材料を光ファイバ端面上に形成することができ、各材料を順次積層させることも可能である。このように光ファイバ付きの電磁界センサ105を構成した場合、電磁界センサ105の光ファイバ14は、光サーキュレータ104から伸びる光ファイバ109と光コネクタを介して接続されることになる。
Further, as shown in FIGS. 5 and 6, the laminate including the electro-
さらに、図7、図8に示されるように、磁気光学材料層12の裏面、若しくは、電気光学材料層11の表面と磁気光学材料層12の裏面とに光反射膜15が形成されていてもよい。光反射膜15は誘電体多層膜であり、例えばイオンプレーティング法で形成することができる。光反射膜を設けることで光学材料層中での干渉効果をより高めることが出来るため(共振のQ値を大きくすることが出来るため)、光変調度が増し、センサ感度を高めることが出来る。
Further, as shown in FIGS. 7 and 8, even if the
電気光学材料層は、ジルコン酸チタン酸鉛、ランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛を用いて形成することができ、また、磁気光学材料層は、ガーネット構造、スピネル構造、ヘキサゴナル構造のいずれかを有するフェライトを用いて形成することができる。
次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する。
The electro-optic material layer can be formed using lead zirconate titanate or lead zirconate titanate to which lanthanum is added, and the magneto-optic material layer is any one of garnet structure, spinel structure, and hexagonal structure. It can be formed using the ferrite which has.
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
本発明の実施例1では図6に示す電磁界センサ105を用いた。図9は、本発明の実施例1を説明するための反射スペクトルの計算値である。図中、点線は光ファイバ端面上に屈折率2.5、厚さ13μmの電気光学材料層が形成された場合のスペクトル、鎖線は屈折率2.35、厚さ5μmの磁気光学材料層が形成された場合のスペクトルを表す。また、実線は光ファイバ端面上に順に上記電気光学材料層、屈折率1.82、厚さ11μmの透明誘電体層、上記磁気光学材料層が形成された場合のスペクトルを表す。図中のD位置での波長は、点線における谷、破線における山、実線における谷の位置に相当する。従って、センサを上記条件を満足するように作成した上、電磁界測定ポイントに配置し入射光の波長をD位置とした場合、電気光学材料層中で共振が発生するため、電界が測定できる。また、図中のE位置での波長は、点線における山、破線における谷、実線における谷の位置に相当する。従って、センサを同じ場所とし入射光の波長をE位置とした場合、磁気光学材料層中で共振が発生するため、磁界が測定できる。すなわち、電気光学材料層、磁気光学材料層、誘電体層の各々の設計値を上記のようにし、光ファイバ端面に順次形成することで、ある場所での電界と磁界のそれぞれを計測することが可能である。本実施例のセンサは、例えばAD法を用いて、電気光学材料層としてジルコン酸チタン酸鉛、透明誘電材料として光学ガラス、磁気光学材料層としてイットリウム鉄ガーネットを順次積層させることにより作成できる。
In Example 1 of the present invention, the
実施例2では図5に示す電磁界センサ105を用いた。図10は、本発明の実施例2を説明するための反射スペクトルの計算値である。図中、点線は光ファイバ端面上に屈折率2.5、厚さ10μmの電気光学材料層が形成された場合のスペクトル、鎖線は屈折率2.35、厚さ6μmの磁気光学材料層が形成された場合のスペクトルを表す。また、実線は光ファイバ端面上に順に上記電気光学材料層、上記磁気光学材料層が形成された場合のスペクトルを表す。図中のF位置での波長は、点線における谷、破線における谷、実線における谷の位置に相当する。従って、センサを上記条件を満足するように作成した上、電磁界測定ポイントに配置し入射光の波長をF位置とした場合、電気光学材料層、磁気光学材料層の両光学材料層中で共振が発生するため、電力が測定できる。すなわち、電気光学材料層、磁気光学材料層の各々の設計値を上記のようにし、光ファイバ端面に順次形成することで、ある場所での電力を計測することが可能である。本実施例のセンサは、例えばAD法を用いて、電気光学材料層としてジルコン酸チタン酸鉛、磁気光学材料層としてイットリウム鉄ガーネットを順次積層させることにより作成できる。
In Example 2, the
本発明の活用例として、実装電気設計支援ツールあるいは回路故障診断ツールとしての電磁界測定装置が挙げられる。すなわち、LSI上やLSIパッケージ周辺で本発明の測定装置を用いて電磁界計測を行い、電気設計にフィードバックするための情報を獲得する、あるいは回路の動作検証を行うことが出来る。 As an application example of the present invention, there is an electromagnetic field measuring device as a mounting electrical design support tool or a circuit failure diagnosis tool. That is, it is possible to perform electromagnetic field measurement using the measuring apparatus of the present invention on an LSI or in the vicinity of an LSI package, to acquire information for feedback to electrical design, or to perform circuit operation verification.
11 電気光学材料層
12 磁気光学材料層
13 誘電体層
14 光ファイバ
14a コア
14b クラッド
15 光反射膜
100 マイクロストリップ線路
101 レーザ光源
102 ファイバアンプ
103 偏光コントローラ
104 光サーキュレータ
105 電磁界センサ
106 検光子
107 フォトディテクタ
108 無線周波数スペクトラムアナライザ
109 光ファイバ
110 信号配線
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