JP5471614B2

JP5471614B2 - 計測装置

Info

Publication number: JP5471614B2
Application number: JP2010049293A
Authority: JP
Inventors: 浩司福田; 瑞樹岩波
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2010-03-05
Filing date: 2010-03-05
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-03-05
Also published as: JP2011185652A

Description

本発明は、光ヘテロダイン検出法を用いた電界及び磁界を計測する計測装置の技術に関する。

近年、小型な電気光学（Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃ）結晶（以下、「ＥＯ結晶」という。）または磁気光学（Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｏｐｔｉｃ）結晶（以下、「ＭＯ結晶」という。）の電気光学効果または磁気光学効果を用いてかつレーザ光を利用して電磁界を検出する計測装置が知られている（例えば、非特許文献１）。

具体的には、このような計測装置は、図７に示すように、計測する電界または計測する磁界に基づいて入射された光の屈折率を変化させるＥＯ結晶またはＭＯ結晶から形成される結晶ユニットと、高反射率膜と、を備えるプローブ７４を有し、結晶ユニット内で屈折率が変化することによって生じた光の偏光状態を光の強度変化に変更するための偏光子７６を有している。そして、この計測装置は、変換された光の強度変換をフォトディテクタ７５によって電気信号に更に変換して結晶ユニットに生じた電界または磁界を検出することができるようになっている。

したがって、このような測定装置は、結晶ユニットを有するプローブ部分及びケーブルに金属部分を使用しないので低侵襲性を有し、さらに当該プローブ部分を小型化することができるようになっている。特に、このような測定装置においては、ＥＯ結晶ユニットの周波数特性がテラヘルツ（ＴＨｚ）領域まであることから、高周波数における電界についても計測可能な特徴を備えている。

一方、１００ＧＨｚ以上の高周波数を計測する計測装置としては、高出力のパルスレーザを発生させてヘテロダイン干渉の技術を用いるものが知られている（例えば、非特許文献２）。また、単一のレーザ光を発生させて光変調器（Ｅｌｅｃｔｒｏ−ＯｐｔｉｃＭｏｄｕｌａｔｏｒ、以下「ＥＯＭ」という。）によって側波帯の周波数を制御することにより高周波数信号を計測する計測装置も知られている（例えば、非特許文献３）。

Ｓ．Ｗａｋａｎａ、Ｔ．Ｏｈａｒａ、Ｅ．Ｙａｍａｚａｋｉ、Ｍ．Ｋｉｓｈｉ、ａｎｄＭ．Ｔｓｕｃｈｉｙａ、「Ｆｉｂｅｒａ−Ｅｄｇｅ／ＭａｇｎｅｔｏｏｐｔｉｃＰｒｏｂｅｆｏｒＳｐｅｃｔｒａｌ−ＤｏｍａｉｎＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＦｉｅｌｄ」ＩＥＥＥＴｒａｎｓＭｉｃｒｏｗＴｈｅｏｒｙＴｅｃｈ．，ｖｏｌ．４８、ｎｏ．１２、ｐｐ２６１１−２６１６ＫｙｏｕｇＹａｎｇ、ＧｅｒｈａｒｄＤａｖｉｄ、Ｊｏｎｇ−ＧｗａｎＹｏｏｋ、ＩｏａｎｎｉｓＰａｐａｏｌｙｍｅｒｏｕＬｉｎｄａＰ．Ｂ．ＫａｔｅｈｉａｎｄＪｏｈｎＦ．Ｗｈｉｔａｋｅｒ「ＥｌｅｃｔｒｏｏｐｔｉｃＭａｐｐｉｎｇａｎｄＦｉｎｉｔｅ−ＥｌｅｍｅｎｔＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆｔｈｅＮｅａｒ−ＦｉｅｌｄＰａｔｔｅｒｎｏｆａＭｉｃｒｏｓｔｒｉｐＰａｔｃｈＡｎｔｅｎｎａ」ＩＥＥＥＴｒａｎｓＭｉｃｒｏｗＴｈｅｏｒｙＴｅｃｈ．，ｖｏｌ．４８、ｎｏ．２、Ｆｅｂｒｕａｒｙ２０００、Ｐ２０８ＫｉｙｏｔａｋａＳａｓａｇａｗａ、ＡｔｓｕｓｈｉＫａｎｎｏａｎｄＭａｓａｈｉｒｏＴｓｕｃｈｉｙａ「ＩｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓＶｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆＫ−ＢａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃＮｅａｒ−ＦｉｅｌｄＢｙａＬｉｖｅＥｌｅｃｔｒｏｏｐｉｔｉｃＩｍａｇｉｎｇＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＤｏｕｂｌｅＳｉｄｅｂａｎｄＳｕｐｐｒｅｓｓｅｄＣａｒｒｉｅｒＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ」ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｖｏｌ．２６、ｎｏ．１５、Ａｕｇｕｓｔ 1，２００８、Ｐ２７８２

しかしながら、上記の図７に示す計測装置にあっては、光の偏光状態が光強度に変換されたレーザ光を直接フォトディテクタによって検出するので、このフォトディテクタの性能や電気的な素子によって計測可能な周波数帯域が制限されてしまう。

また、非特許文献２に記載の計測装置にあっては、光源として高出力で大型なパルスレーザを用いる必要があり、高価で複雑なものになっている。

さらに、非特許文献３に記載の計測装置は、使用するＥＯＭの周波数帯域によって計測される電界の周波数が決まるので、計測可能な周波数帯域がＥＯＭによって制限されてしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、簡易な構成を有するとともに、安価でかつ的確に電界または磁界を計測することができる計測装置を提供することにある。

（１）上記課題を解決するため、本発明は、電界または磁界を計測する計測装置であって、所定の周波数によって測定光を生成する第１光源と、所定の周波数によって前記測定光に対する参照光を生成する第２光源と、前記生成された測定光が入射され、測定対象となる電界または測定対象となる磁界の何れかに基づいて当該入射された測定光の屈折率を変化させる光学結晶ユニットと、前記光学結晶ユニット内にて生じた測定光の屈折率の変化に基づいて当該測定光の周波数を振幅変調に変換させる変換手段と、前記第１光源によって生成される測定光の周波数または前記第２光源によって生成される前記参照光の周波数の少なくとも何れか一方の周波数を調整する調整手段と、前記参照光に基づいて前記周波数を変調した測定光に対してヘテロダイン検出を実行する検出手段と、を備える構成を有している。

（２）本発明は、前記変調手段が、偏光手段を有し、当該偏光手段を用いて前記光学結晶ユニットに入射された測定光の屈折率の変化を当該入射された測定光の光強度の変化に変換することによって、当該入射された測定光の周波数を変調し、前記検出手段が、前記参照光と前記光強度が変化した測定光とを合成しつつ、当該光強度が変化された測定光の周波数と前記参照光の周波数との差の周波数成分からなる光をヘテロダイン検出する構成を有している。

（３）本発明は、前記第１光源または前記第２光源の少なくとも何れか一方が、異なる周波数帯域の複数の光を生成するとともに、前記調整手段が、前記複数の光から一種類の光を前記第１光源または前記第２光源から出力させる構成を有している。

（４）本発明は、前記第１光源または前記第２光源の少なくとも何れか一方の周波数を計測するための波長計を備え、前記調整手段が、前記波長計によって計測された周波数に基づいて前記第１光源と第２光源の周波数差を目的の周波数に合わせて調整する構成を有している。

（５）本発明は、光周波数コムを発生させる光周波数コム発生手段を更に備え、前記第１光源及び前記第２光源が、前記光周波数コム発生手段によって発生された光周波数コムと位相同期することによって所定の周波数の測定光及び参照光を出力する構成を有している。

（６）本発明は、前記第１光源、第２光源の周波数の周波数調整及び安定化のために光共振器を更に備え、前記第１光源または前記第２光源の少なくとも何れか一方が、前記光共振器と連動することによって安定化された所定の周波数を有する測定光または参照光を生成する構成とすることも可能である。

（７）本発明は、前記第１光源及び第２光源が、連続発振する半導体レーザを測定光または参照光として生成する構成を有している。

本発明は、安価で高感度なフォトディテクタをヘテロダイン検出に用いることができるとともに、当該フォトディテクタにおいて光電変換された電気信号に基づいて計測処理を行う測定システムにおいても、低周波数の信号として取り扱うことができるので、簡易な構成であって安価でかつ的確に電界または磁界を計測することができる。

本発明に係る検出装置の第１実施形態における構成を示す構成図である。第１実施形態において、各レーザ光の周波数と光ヘテロダイン検出によって検出される光波の周波数成分の関係を示す図である。第１実施形態のプローブ部の構成を示す構成図である。第１実施形態のプローブ部のその他の構成を示す構成図である。本発明に係る検出装置の第２実施形態における構成を示す構成図である。本発明に係る検出装置の第３実施形態における構成を示す構成図である。一般的な計測装置（検出装置）の構成を示す例である。

以下、本発明の各実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施形態は、２つのレーザ光を用いて光ヘテロダイン検出を実行することによってＥＯ結晶ユニットによってまたはＭＯ結晶ユニットに生じた電界または磁界を検出するための検出装置に本発明の計測装置を適用した場合の実施形態である。

＜第１実施形態＞
はじめに、図１〜図４の各図を用いて本発明に係る検出装置Ｓの第１実施形態について説明する。

まず、図１及び図２を用いて本実施形態の検出装置Ｓの概要について説明する。なお、図１は、本実施形態における検出装置Ｓの構成を示す構成図であり、図２は、各レーザ光の周波数と光ヘテロダイン検出によって検出される光波の周波数成分の関係を示す図である。

本実施形態の検出装置Ｓは、図１に示すように、計測する電界に基づいて入射された光の屈折率を変化させるＥＯ結晶から形成される結晶ユニット（以下、「ＥＯ結晶ユニット」という。）Ｃ１と、ＥＯ結晶ユニットＣ１内で屈折率が変化することによって生じた光の偏光状態を光の強度変化に変換する偏光子Ｐと、を備えるプローブ部１００を有している。

また、この検出装置Ｓは、少なくとも１つの光源の周波数の調整が可能な２つのレーザ光を発生させる第１光源部１３及び第２光源部１２を有し、ＥＯ結晶ユニットＣ１内に一方のレーザ光（以下、「測定用レーザ光」という。）を照射することによって強度変化、すなわち、強度変調が生じたレーザ光（以下、「強度変調レーザ光」という。）に、他方のレーザ光（以下、「参照用レーザ光」という。）を合成するようになっている。

そして、この検出装置Ｓは、この合成された強度変調レーザ光と参照用レーザ光によって生じた側波帯（「ビート周波数」ともいう。）をフォトディテクタ１９によってヘテロダイン検出し、すなわち、強度変調レーザ光と参照用レーザ光の差周波数成分の光波を検出して光電変換し、この光電変換によって得られた電気信号をＥＯ結晶ユニットＣ１において生じた電界の検出結果として外部に出力するようになっている。

すなわち、図２に示すように、周波数（ｆ１）によって測定用レーザ光がＥＯ結晶ユニットＣ１に照射された場合には、測定用レーザ光がプローブ部１００において強度変調された電界を計測するための強度変調レーザ光の周波数（以下、「信号周波数」という。）は、「ｆ１＋Δｆ」となる。また、周波数（ｆ２）によって参照用レーザ光が生成されると、ヘテロダイン検出される光波の差周波数成分（以下、「計測周波数」ともいう。）（ｆｍ）は、（式１）となる。

したがって、検出装置Ｓは、電界を計測するために用いるレーザ光の周波数（測定用レーザ光の周波数（ｆ１）や強度変調レーザ光の周波数（ｆ１＋Δｆ））が高周波数の場合であっても、当該レーザ光の検出にあたり、その周波数を低周波数（ｆｍ）にダウンコンバートすることができるようになっている。

また、この検出装置Ｓは、参照用レーザ光の周波数を調整した上で、強度変調レーザ光と参照用レーザ光の差周波数成分を検出することができるので、フォトディテクタの性能に従って差周波数成分を検出することができるので、安価で高感度なフォトディテクタ１９によってヘテロダイン検出に用いることができる。

次に、上述の図１及び図３の各図を用いて本実施形態の検出装置Ｓの構成について説明する。なお、図３は、本実施形態のプローブ部１００の構成を示す構成図である。

本実施形態の検出装置Ｓは、図１に示すように、測定用レーザ光を生成して出力する第１光源部１３と、測定用レーザ光を分光する第１ビームスプリッタ１１と、測定用レーザ光の偏光状態を調整する偏光コントローラ１６と、ポート間のレーザ光の伝達を制御するサーキュレータ１７と、ＥＯ結晶ユニットＣ１および偏光子Ｐを備え、電界を検出するためのプローブ部１００と、を有している。

また、この検出装置Ｓは、光ヘテロダイン検出用の局部発信光として参照用レーザ光を生成して出力する第２光源部１２と、参照用レーザ光を分光する第２ビームスプリッタ１４と、参照用レーザ光の光量を調整するアッテネータと、を有している。

さらに、この検出装置Ｓは、測定用レーザ光と参照用レーザ光をモニタするために用いられるとともに参照用レーザ光の周波数を制御する波長計１０と、プローブ部１００によって変調された強度変調レーザ光と参照用レーザ光とを合成する第３ビームスプリッタ１８と、光ヘテロダイン検出を行うフォトディテクタ１９と、を有している。

第１光源部１３は、所定の周波数によって測定用レーザ光を生成し、第１ビームスプリッタ１１を介して波長計１０及び偏光コントローラ１６に出力するようになっている。

第１ビームスプリッタ１１は、入射された測定用レーザ光の一部を反射させて波長計１０に出力するとともにその他のレーザ光を透過させて偏光コントローラ１６に出力するようになっている。

偏光コントローラ１６は、第１光源部１３から出力された測定用レーザ光を、第１ビームスプリッタ１１を介して受信し、プローブ部１００の種類に応じて受信した測定用レーザ光を適切な偏光に調整するようになっている。

また、この偏光コントローラ１６は、偏光状態を調整した測定用レーザ光を、サーキュレータ１７を介してプローブ部１００に出力するようになっている。特に、この偏光コントローラ１６は、偏光子Ｐに入力される直前において当該偏光子Ｐの透過光軸に平行となる偏光となるように調整するようになっている。

サーキュレータ１７は、３ポートのサーキュレータであって、偏光コントローラ１６、プローブ部１００及び第３ビームスプリッタ１８に接続されている。また、このサーキュレータ１７は、偏光コントローラ１６から出力された測定用レーザ光をプローブ部１００に出力し、プローブ部１００から出力されかつ変調された測定用レーザ光を第３ビームスプリッタ１８に出力するようになっている。

プローブ部１００は、図３に示すように、偏光子Ｐと、１／８波長板１２０と、ＥＯ結晶ユニットＣ１と、反射膜１４０と、から形成される。また、このプローブ部１００は、偏光子Ｐの透過軸、１／８波長板１２０の速軸及び遅軸、ＥＯ結晶ユニットＣ１４３の速軸、遅軸を合わせてエポキシ樹脂系の接着材で接合されており、底面に誘電体多層膜ミラー４４が形成された構造を有している。

偏光子Ｐは、プローブ部１００に入力された測定用レーザ光を直線偏光に偏光するとともに、後述するように１／８波長板１２０、ＥＯ結晶ユニットＣ１板及び反射膜１４０によって楕円偏光された測定用レーザ光を直線偏光に偏光し、屈折率が変化した測定用レーザ光を、光強度が変化した測定用レーザ光に変換してサーキュレータ１７に出力するようになっている。

ＥＯ結晶ユニットによる偏光変化を考えないとき、１／８波長板１２０は、偏光子Ｐによって直線偏光された測定用レーザ光を楕円偏光に偏光するとともに、反射膜１４０によって反射され、かつ、楕円偏光となっている測定用レーザ光を円偏光に偏光するようになっている。

ＥＯ結晶ユニットＣ１は、測定する電界に基づいて透過する測定用レーザ光の屈折率を変化させるようになっている。また、このＥＯ結晶ユニットＣ１は、１／８波長板１２０から出力された楕円偏光の測定用レーザ光を透過して反射膜１４０に出力するとともに、反射膜１４０によって反射された測定用レーザ光を透過して１／８波長板１２０に出力するようになっている。

反射膜１４０は、ＥＯ結晶ユニットＣ１から出力された測定用レーザ光をサーキュレータ１７に向けて反射し、ＥＯ結晶ユニットＣ１に再度入射させるようになっている。

第２光源部１２は、波長計１０の制御の下、所定の周波数によって参照用レーザ光を生成し、第２ビームスプリッタ１４を介して波長計１０に出力するとともに、プローブ部１００によって変調された測定用レーザ光と合成されるように第２ビームスプリッタ１４及びアッテネータを介して第３ビームスプリッタ１８に出力するようになっている。

第２ビームスプリッタ１４は、入射した参照用レーザ光の一部を反射させて２０１０ふじおまた１０に出力するとともにその他のレーザ光を透過させ、アッテネータを介して第３ビームスプリッタ１８に出力するようになっている。

アッテネータは、第２ビームスプリッタ１４から出力された参照用レーザ光を受信し、フォトディテクタ１９においてヘテロダイン検出する際に当該フォトディテクタ１９が飽和しない程度に参照用レーザ光の光量を調整するようになっている。そして、このアッテネータは、光量が調整された参照用レーザ光を第３ビームスプリッタ１８に出力するようになっている。

波長計１０には、プローブ部１００によって変調される前の測定用レーザ光と参照用レーザ光がそれぞれ入力されるようになっており、この波長計１０は、入力された測定用レーザ光及び参照用レーザ光の波長をモニタすることができるようになっている。そして、この波長計１０は、各レーザ光の波長に基づいて入力されたユーザの指示などにしたがって、第２光源部１２おいて生成するレーザ光の周波数を調整するようになっている。例えば、本実施形態の波長計１０は、第２光源部１２が半導体レーザ光を生成する場合には、電流と温度を調整することにより参照用レーザ光の周波数、すなわち、波長を調整するようになっている。

第３ビームスプリッタ１８は、プローブ部１００によって変調された測定用レーザ光を透過するとともに、アッテネータから出力された参照用レーザ光を反射させ、測定用レーザ光と参照用レーザ光を合成するようになっている。そして、この第３ビームスプリッタ１８は、合成されたレーザ光（以下、「合成レーザ光」ともいう。）をフォトディテクタ１９に出力するようになっている。

フォトディテクタ１９は、第３ビームスプリッタ１８から出力された合成レーザ光を受信して当該合成レーザ光の光強度を検出するようになっている。すなわち、このフォトディテクタ１９は、参照用レーザ光とプローブ部１００の強度変調によって生じた測定用レーザ光によって生じた側波帯（ビート周波数）をヘテロダイン検出し、すなわち、強度変調レーザ光と参照用レーザ光の差周波数成分の光波を検出して光電変換し、この光電変換によって得られた電気信号をＥＯ結晶ユニットＣ１において生じた電界の検出結果として外部に出力するようになっている。

例えば、フォトディテクタ１９の周波数帯域が１００ＭＨｚ程度の周波数帯域の場合であって、測定用レーザ光の波長が１５５０ｎｍの場合には、参照用レーザ光の周波数の波長を１５４９．２ｎｍ程度にすれば、当該フォトディテクタ１９を用いて、ＥＯ結晶ユニットに印加された１００ＧＨｚの電気信号を強度変調レーザ光と参照用レーザ光の差周波数成分として検出することができるようになっている。

また、フォトディテクタ１９の周波数帯域が１００ＭＨｚ程度の周波数帯域の場合であっても、Ｃバンド帯（１５３０〜１５６４ｎｍ）をカバーするレーザ光源を測定用レーザ光及び参照用レーザ光に用いれば、ＥＯ結晶ユニットに印加された４ＴＨｚまでの電気信号を強度変調レーザ光と参照用レーザ光の差周波数成分として検出することができるようになっている。

以上のように、本実施形態の検出装置Ｓは、測定用レーザ光及び測定する電界に基づいて変調された強度変調レーザ光の周波数が高周波数の場合であっても、光学結晶ユニットＣ１に生じた電界の測定にあたりヘテロダイン検出される強度変調レーザ光と参照用レーザ光の差周波数成分を低周波数にダウンコンバートすることができる。

しがって、この検出装置Ｓは、安価で高感度なフォトディテクタ１９をヘテロダイン検出に用いることができるとともに、当該フォトディテクタ１９において光電変換された電気信号に基づいて計測処理を行う測定システムにおいても、低周波数の信号として取り扱うことができるので、簡易な構成であって安価でかつ的確に電界または磁界を計測することができる。この結果、信号処理をも含めた計測システム全体として安価で簡便な測定システムを提供することができるようになっている。

なお、本実施形態の検出装置Ｓは、プローブ部１００にＥＯ結晶ユニットＣ１を有し、電界を測定するようになっているが、当該ＥＯ結晶ユニットＣ１をＭＯ結晶ユニットＣ１に代えて磁界を測定するようにしてもよい。この場合には、プローブ部１００は、図４に示すように、偏光子Ｐとビスマス置換イットリウム鉄ガーネット（Ｂｉ−ＹＩＧ）の単結晶を数百ミクロン角に切削されたＭＯ材料から形成されるＭＯ結晶ユニットＣ２を接合するとともに、底面に誘電体多層膜ミラー１５０が形成された構成を有している。

また、本実施形態の波長計１０は、第２光源部１２を制御して参照用レーザ光の周波数を調整するようになっているが、第２光源部１２に代えてまたは第２光源部１２とともに第１光源部１３を制御し、参照用レーザ光に代えてまたは参照用レーザ光とともに測定用レーザ光の周波数を制御してもよい。

また、本実施形態の検出装置Ｓは、上述の２つの測定用レーザ光及び参照用レーザ光の周波数をそれぞれ制御することによって側波帯の周波数成分を検出するようになっているが、電界を計測するために用いる側波帯の周波数帯域が広い場合には、第１光源部１３及び第２光源部１２を、それぞれ異なる周波数帯のレーザ光を生成可能に形成し、光スイッチによって測定する周波数（すなわち、検出される側波帯の周波数成分）に合わせて生成及び出力する周波数帯のレーザ光を切り換えるように構成してもよい。

例えば、第１光源部１３及び第２光源部１２がそれぞれＣバンド帯（１５３０ｎｍ−１５６５ｎｍ）をカバーする周波数及びＬバンド帯（１５６５ｎｍ−１６２５ｎｍ）をカバーする周波数のレーザ光を生成するとともに、測定する周波数にあわせ光スイッチによって出力するレーザ光を切り換えるようになっている。したがって、この場合には、Ｃバンド帯（のカバーする周波数によって各レーザ光を生成及び出力する場合には、４ＴＨｚ以上の側波帯を計測することができる。この場合において、第１光源部１３及び第２光源部１２それぞれのレーザ光を切り換えるようにしてもよいし、第１光源部１３または第２光源部１２の何れか一方のレーザ光を切り換えるようにしてもよい。

なお、本実施形態においては、第１光源部１３及び第２光源部１２において半導体レーザ光を生成する場合には優れた直接変調の応答性から、レーザの発振周波数を共振器のモードに安定化することができる。

＜第２実施形態＞
次に、図５を用いて本発明に係る検出装置Ｓの第２実施形態について説明する。なお、図５は、本実施形態における検出装置Ｓの構成を示す構成図である。

本実施形態は、第１実施形態において第１光源部１３と第２光源部１２とによってそれぞれレーザ光を生成及び出力する点、及び、波長計１０によってモニタリングされる各レーザ光の波長に基づいて第２光源部１２が制御されて参照用レーザ光の周波数が調整される点に代えて、光周波数コムを生成する光周波数コム生成部２０を用いる点に特徴がある。なお、その他の構成は第１実施形態と同一であり、同一の部材については同一の符号を用いてその説明を省略する。
次に、図５を用いて本実施形態の検出装置Ｓの構成について説明する。

本実施形態の検出装置Ｓは、図５に示すように、測定用レーザ光及び参照用レーザ光を生成する光周波数コム生成部２０と、第１光源部１３と、第１ビームスプリッタ１１と、偏光コントローラ１６と、サーキュレータ１７と、プローブ部１００と、第２光源部１２と、第２ビームスプリッタ１４と、アッテネータと、第３ビームスプリッタ１８と、光ヘテロダイン検出を行うフォトディテクタ１９と、を有している。

また、本実施形態においては、図示しないユーザの指示などにしたがって、光周波数コム生成部２０において測定用レーザ光及び参照用レーザ光を用いて位相ロックをして所定の周波数における測定用レーザ光及び参照用レーザ光の周波数を生成するようになっている。

なお、第１ビームスプリッタ１１及び第２ビームスプリッタ１４は、測定用レーザ光及び参照用レーザ光の一部を光周波数コム生成部２０に出力するようになっている。
次に、本実施形態の光周波数コム生成部２０について説明する。

光周波数コム生成部２０は、周波数軸でみると広帯域のものだと３００ＴＨｚ以上にわたって櫛状にレーザのモードが存在するパルスレーザを発生させるための光源（光周波数コム）生成するようになっている。そして、この光周波数コム生成部２０は、第１ビームスプリッタ１１及び第２ビームスプリッタ１４から出力された測定用レーザ光及び参照用レーザ光に基づいて、第１光源部１３及び第２光源部１２と位相同期し、所定の周波数のレーザ光を第１光源部及び第２光源部に提供するようになっている。

以上のように、本実施形態の検出装置Ｓは、第１実施形態と同様に、測定用レーザ光及び測定する電界に基づいて変調された強度変調レーザ光の周波数が高周波数の場合であっても、光学結晶ユニットＣ１に生じた電界の測定にあたりヘテロダイン検出される強度変調レーザ光と参照用レーザ光の差周波数成分を低周波数にダウンコンバートすることができる。

しがって、この検出装置Ｓは、安価で高感度なフォトディテクタ１９をヘテロダイン検出に用いることができるとともに、当該フォトディテクタ１９において光電変換された電気信号に基づいて計測処理を行う測定システムにおいても、低周波数の信号として取り扱うことができるので、簡易な構成であって安価でかつ的確に電界または磁界を計測することができる。

また、この検出装置Ｓは、光周波数コムを用いて測定用レーザ光及び参照用レーザ光を生成することができるので、光周波数コムによってカバーされる周波数帯域においては、数Ｈｚ以下の精度まで各レーザ光の周波数を安定化することができるとともに、計測する信号の周波数を精度よく計測することが可能になる。

また、本実施形態の検出装置Ｓは、第１実施形態と同様に、プローブ部１００にＥＯ結晶ユニットＣ１を有し、電界を測定するようになっているが、当該ＥＯ結晶ユニットＣ１をＭＯ結晶ユニットＣ２に代えて磁界を測定するようにしてもよい。

＜第３実施形態＞
次に、図６を用いて本発明に係る検出装置Ｓの第３実施形態について説明する。なお、図６は、本実施形態における検出装置Ｓの構成を示す構成図である。

本実施形態は、第１実施形態の構成に加えて第１光源部１３と第２光源部１２の後段にＥＯＭ（電気光学変調機）を用い、変調された測定用レーザ光及び参照用レーザ光に基づいて電界を検出する点に特徴がある。なお、その他の構成は第１実施形態と同一であり、同一の部材については同一の符号を用いてその説明を省略する。
次に、図６を用いて本実施形態の検出装置Ｓの構成について説明する。

本実施形態の検出装置Ｓは、図６に示すように、第１光源部１３と、測定用レーザ光を所定の周波数で変調する第１光変調器３１と、第１ビームスプリッタ１１と、偏光コントローラ１６と、サーキュレータ１７と、プローブ部１００と、を有している。

また、この検出装置Ｓは、第２光源部１２と、参照用レーザ光を所定の周波数で変調する第２光変調器３２と、第２ビームスプリッタ１４と、アッテネータと、波長計１０と、変調された測定用レーザ光及び参照用レーザ光を安定化させるための光共振器３０と、第３ビームスプリッタ１８と、光ヘテロダイン検出を行うフォトディテクタ１９と、を有している。

本実施形態の検出装置Ｓは、第１光源部１３、第１光変調器３１及び光共振器３０と、第２光源部１２、第２光変調器３２及び光共振器３０と、をそれぞれ連動させて、第１光変調器３１おいて発生した側波帯及び第２光変調器３２において発生した側波帯をロックしてそれぞれの側波帯の周波数を安定化させるようになっている。

例えば、本実施形態においては、波長計１０で読み取る値で周波数を調整した場合において電界を測定する際の測定精度が足りないときに、図示しないユーザの指示などにしたがって、波長計１０によって読み取った測定用レーザ光の変調波と参照用レーザ光の変調波における差周波数に基づいて安定な光共振器３０のモードに第１光変調器３１及び第２光変調器３２にて発生したそれぞれの側波帯にロックするようになっている。

したがって、この検出装置Ｓは、安価で高感度なフォトディテクタ１９をヘテロダイン検出に用いることができるとともに、当該フォトディテクタ１９において光電変換された電気信号に基づいて計測処理を行う測定システムにおいても、低周波数の信号として取り扱うことができるので、簡易な構成であって安価でかつ的確に電界または磁界を計測することができる。

また、この検出装置Ｓは、電界の計測に用いるレーザ光の周波数、すなわち、第１光変調器３１において変調されたレーザ光の周波数を安定化することができるので、精度良くＥＯ結晶ユニットＣ１に生じた電界を計測することができる。

また、本実施形態において、光共振器３０の自由スペクトラム間隔（ＦｒｅｅＳｐｅｃｔｒｕｍＲａｎｇｅ：ＦＳＲ）の帯域をカバーするフォトディテクタ１９を用いれば、第１光変調器３１及び第２光変調器３２を省略することも可能である。

本発明の検出装置Ｓは、実装電気設計支援ツールまたは回路故障診断ツールとしての電磁界プローブに用いることができる。すなわち、ＬＳＩまたはＬＳＩパッケージ周辺で本発明のプローブ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の獲得または回路の動作検証を行うことができる。

Ｐ … 偏光子
Ｓ … 検出装置
Ｃ１ … ＥＯ結晶ユニット
Ｃ２ … ＭＯ結晶ユニット
１０ … 波長計
１１ … 第１ビームスプリッタ
１２ … 第２光源部
１３ … 第１光源部
１４ … 第２ビームスプリッタ
１５ … アッテネータ
１６ … 偏光コントローラ
１７ … サーキュレータ
１８ … 第３ビームスプリッタ
１９ … フォトディテクタ
２０ … 光周波数コム生成部
３０ … 光共振器
３１ … 第１変調器
３２ … 第２変調器
１００ … プローブ部
１２０ … １／８波長板
１４０ … 反射膜
１５０ …誘電体多層膜ミラー

Claims

電界または磁界を計測する計測装置であって、
所定の第１周波数によって測定光を生成する第１光源と、
前記第１周波数とは異なる第２周波数によって前記測定光に対する参照光を生成する第２光源と、
前記生成された測定光が入射され、測定対象となる電界または測定対象となる磁界の何れかに基づいて当該入射された測定光の屈折率を変化させる光学結晶ユニットと、
前記光学結晶ユニット内にて生じた測定光の屈折率の変化に基づいて当該測定光の周波数を振幅変調に変換させる変換手段と、
前記生成された参照光と前記振幅変調された測定光とを合成し、合成した光を合成光として出力する合成手段と、
前記出力された合成光に基づいて、前記振幅変調された測定光と前記生成された参照光の差周波数成分を検出する検出手段と、
前記第１光源によって生成される測定光の周波数または前記第２光源によって生成される前記参照光の周波数の少なくとも何れか一方の周波数を調整する調整手段と、
を備えることを特徴とする計測装置。
請求項１に記載の計測装置において、
前記変換手段が、偏光手段を有し、当該偏光手段を用いて前記光学結晶ユニットに入射された測定光の屈折率の変化を当該入射された測定光の光強度の変化に変換することによって、当該入射された測定光の周波数を振幅変調する、計測装置。
請求項１または２に記載の計測装置において、
前記調整手段が、前記複数の光から一種類の光を前記第１光源または前記第２光源から出力させる計測装置。
請求項１または２に記載の計測装置において、
前記第１光源または前記第２光源の少なくとも何れか一方の周波数を計測するための波長計を備え、
前記調整手段が、前記波長計によって計測された周波数に基づいて前記第１光源と第２光源の周波数差を目的の周波数に合わせて調整する計測装置。
請求項１または２に記載の計測装置において、
光周波数コムを発生させる光周波数コム発生手段を更に備え、
前記第１光源及び前記第２光源が、前記光周波数コム発生手段によって発生された光周波数コムと位相同期することによって所定の周波数の測定光及び参照光を出力する計測装置。
請求項１または２に記載の計測装置において、
光共振器を更に備え、
前記第１光源または前記第２光源の少なくとも何れか一方が、前記光共振器と連動することによって安定化された所定の周波数を有する測定光または参照光を生成する計測装置。
請求項１乃至６の何れか一項に記載の計測装置において、
前記第１光源及び第２光源が、連続発振する半導体レーザを測定光または参照光として生成する計測装置。