JP5554952B2

JP5554952B2 - 電磁波計測装置

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Publication number: JP5554952B2
Application number: JP2009196578A
Authority: JP
Inventors: 克裕味戸; 直哉久々津; 忠夫永妻
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2009-08-27
Filing date: 2009-08-27
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2029-08-27
Also published as: JP2011047800A

Description

本発明は、電気光学効果を利用して電磁波を計測する電磁波計測装置に関する。

電波は、周知のとおり、現在の通信やセンシングの技術分野で重要な役割を果たしているが、電波利用状況が逼迫するにつれて、我々が利用する電波の周波数はしだいに高くなる傾向にある。中でも、近年、ミリ波（周波数３０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚ）やテラヘルツ波（１００ＧＨｚ〜１０ＴＨｚ）といった周波数帯域に大きな関心が寄せられている。

通常、電波を計測するには、電波をアンテナで受信した後、非線形ダイオードやミキサを使って電波の振幅や電力あるいは位相を測っているが、一般に、動作周波数が高くなるほど測定が難しくなる。そこで、最近、電気光学効果を利用した計測手法が注目されており、その最新の応用例が例えば非特許文献１に開示されている。

図７は、電気光学効果を利用した従来の電波計測装置の例を説明する図である。この図に示すように、まず電波は、ペリクル１とよばれるポリマー薄膜（厚み数マイクロメートル）を透過して電気光学結晶４に導かれる。一方、レーザ光源２からのレーザ光は、第１のポラライザ３を通過して直線偏光状態にされた後、ペリクル１で反射して電気光学結晶４に導かれる。電気光学結晶４には、電界が印加されると電界強度に応じて屈折率が変化する性質がある。レーザ光が電気光学結晶４を通過すると、屈折率の変化に応じて偏光状態が変化する。例えば、電気光学結晶４にパルスのレーザ光が入射すると、位相の変調を受け、直線偏光から楕円偏光に変化する。この偏光成分の変化量は電波の電界の大きさに対応し、また楕円偏光の向きは電界の向きに対応する。この偏光状態の変化は、第２のポラライザ６を通過させることで、光の強度変化に変換することができる。ここで偏光調整器５は、屈折率変化から光強度変化への変換効率が最大になるよう調整するために用いられる。この偏光調整器５は、例えば、半波長板と４分の１波長板の組み合わせで実現することができる。最終的には、この光強度の変化は、フォトダイオードなどの光電変換器７で電気信号に変換される。したがって、電気光学結晶４に電波が照射されると、その電波の強度に応じた電気信号が出力されることになる。

このような従来の電波計測装置によれば、レーザ光としてフェムト秒からピコ秒のパルス光を用いることで、ミリ波からテラヘルツ波領域の電波まで測定することができる。また、金属製のアンテナを用いなくても電波を検出することができるため、電波伝搬の状態を乱さない（低擾乱）という特長がある。

さらに、図８に示すように、第１のレンズ１０ａを介すことでレーザ光を空間的に広げて電気光学結晶４に照射し、光電変換器７に代えて、レーザ光の２次元像を検出するＣＣＤカメラ９を用いることもできる。ＣＣＤカメラ９を用いて電気光学結晶４を通過した光を検出すると、電波の２次元像を計測することが可能となる。そこで、電波を広げて物体に照射し、その透過波（あるいは反射波）をこの２次元電波像計測装置で測定すれば、２次元の物体イメージング装置に展開することができる（例えば、非特許文献２参照）。

都甲他, 「アンテナ計測に適した光ファイバ電界センサ」, ＮＴＴ技術ジャーナル, vol.20, no.12, 29〜32ページ (2008) M. Usami et al., "Terahertz wideband spectroscopic imaging based on two-dimensional electro-optic sampling technique", Appl. Phys. Lett., vol. 86, 141109 (2005)

しかしながら、電気光学効果を利用した電波の計測技術は、広帯域性や低擾乱性といった優れた特長を有しながらも、電界センサとしての電気光学結晶に関連する次のような問題とそれを解決すべく課題があった。

すなわち、一般に電波計測に利用されている電気光学結晶としては、テルル化亜鉛ＺｎＴｅやテルル化カドミウムＣｄＴｅといった無機結晶や、ＤＡＳＴ（4-dimethylamino-N-methyl-4-stilbazolium Tosylate）と呼ばれる有機結晶が代表的である。ここで、上記の無機結晶では、結晶中での電波の速度と光の速度とが異なるため、１００ＧＨｚを超えるような周波数の電波を効率よく検出するには結晶厚を小さくする必要がある。しかしながら、結晶を薄くすると、電波と光との相互作用長が短くなり、感度の低下を招くという問題があった。すなわち、相互作用長を短くしても感度の高い電気光学結晶が必要であった。一方、有機結晶ＤＡＳＴでは、レーザ光波長１．５５μｍにおいて電波と光との速度整合が実現されるため、高周波の電波計測のために結晶を薄くする必要はないが、現状では、結晶成長プロセス上の問題から数ｍｍを超える厚さの高品質結晶を得ることができない。また、図８に示すような２次元電波像の計測のためには大口径の結晶が必要であるが、ＺｎＴｅでは、２インチ（約５０ｍｍ）径のものが入手できるものの非常に高価である。有機結晶においては、技術的にそのような大口径のものを得られるには至っていない。

本発明は、上述した従来の技術に鑑み、従来の電気光学結晶を電界センサに用いた場合よりも広帯域、高感度、広範囲な計測を低コストで行うことができる電磁波計測装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の態様に係る発明は、電気光学効果を利用して電磁波を計測する装置において、少なくとも一方が電磁波によって屈折率の変化する２種類の誘電体薄膜（結晶構造を有する誘電体薄膜を除く。）を交互に積層して多層化し、入射光に対して所望の偏光状態を作り出す光学素子と、前記光学素子にレーザ光を照射するレーザ光源と、前記光学素子からのレーザ光の偏光状態の変化を強度変化に変換するポラライザと、前記ポラライザからのレーザ光を電気信号に変換する光電変換器とを具備し、前記２種類の誘電体薄膜は、２つの透明直角プリズムの貼り合わせ面上において交互に積層されて多層化されていることを要旨とする。

第２の態様に係る発明は、第１の態様に係る発明において、前記レーザ光が入射および出射する側の前記透明直角プリズム表面に、前記レーザ光のための第１の反射防止膜が形成され、前記電磁波が入射する側の前記透明直角プリズム表面に、前記電磁波のための第２の反射防止膜が形成されていることを要旨とする。

第３の態様に係る発明は、第１又は２の態様に係る発明において、前記光電変換器に代えて、レーザ光の２次元像を検出するＣＣＤカメラを具備することを要旨とする。

第４の態様に係る発明は、第１から３のいずれかの態様に係る発明において、前記光学素子からのレーザ光の偏光状態を調整する偏光調整器を前記ポラライザの前段に具備することを要旨とする。

本発明によれば、従来の電気光学結晶を電界センサに用いた場合よりも広帯域、高感度、広範囲な計測を低コストで行うことができる電磁波計測装置を提供することができる。

本発明の実施の形態における電波計測装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態における誘電体多層膜素子の構成を示す図である。本発明の実施の形態における別の誘電体多層膜素子の構成を示す図である。本発明の実施の形態における別の電波計測装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態における別の電波計測装置の構成を示す図である。本発明の実施の形態における別の電波計測装置による測定結果を示す図である。従来の電波計測装置の例を説明する図である。従来の別の電波計測装置の例を説明する図である。

以下、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、本発明の実施の形態における電波計測装置の構成を示す図である。この電波計測装置は、電気光学効果を利用して電磁波を計測する電磁波計測装置の一例であって、誘電体多層膜素子１１と、レーザ光源２と、第１のポラライザ３と、偏光調整器５と、第２のポラライザ６と、光電変換器７と、差動増幅器１２とを備えている。電気光学効果とは、電界が加わると物質の屈折率が変化する物理現象をいう。誘電体多層膜素子１１は、少なくとも一方が電磁波によって屈折率の変化する２種類の誘電体薄膜を多層化し、入射光に対して所望の偏光状態を作り出す光学素子である。レーザ光源２は、誘電体多層膜素子１１にレーザ光を照射する。第１のポラライザ３は、レーザ光源２からのレーザ光を直線偏光状態に変換する。偏光調整器５は、誘電体多層膜素子１１からのレーザ光の偏光状態を調整する。第２のポラライザ６は、誘電体多層膜素子１１からのレーザ光の偏光状態の変化を強度変化に変換する。光電変換器７は、第２のポラライザ６からのレーザ光を電気信号に変換する。差動増幅器１２は、第２のポラライザ６からの信号と光電変換器７からの信号との差分を一定係数で増幅する。

従来例と比較して最も異なるところは、電気光学結晶に代えて誘電体多層膜素子１１に電波とレーザ光とを入射させている点である。単体の誘電体材料あるいは単層の誘電体膜では電波に対して低い感度しか得られないが、電波を吸収しそれによって光学的屈折率が変化する２種類の誘電体薄膜を交互に積層した多層膜を利用することで、電波に対して高い感度を有する光学素子を実現することができる。

図２は、本発明の実施の形態における誘電体多層膜素子１１の構成を示す図である。図２に示すように、透明基板２１上には、電波を吸収しそれによって光学的屈折率が変化する２種類の誘電体薄膜（第１の誘電体薄膜２２および第２の誘電体薄膜２３）を交互に積層した多層膜が形成されている。２種類の誘電体薄膜の内のひとつの材料だけが電界によって屈折率が変わってもよい。これらの誘電体薄膜は、一般的には、光学的屈折率の大小が異なるもので、その厚さや積層数を変えることで、入射するレーザ光の偏光状態に応じて反射光あるいは透過光の偏光状態を変化させるよう設計されている。図２では、直線偏光が楕円偏光に変わるように設計された素子１１を示している。また、偏波無依存に設計された５０％／５０％（反射／透過）ビームスプリッタの中にはこれと同様の素材および構造のものがあるので、そのようなビームスプリッタを流用することも可能である。

誘電体薄膜としては、一般的にビームスプリッタで用いられている二酸化チタンＴｉＯ_２や二酸化シリコンＳｉＯ_２を用いてもよい。特に、ＴｉＯ_２がミリ波やテラヘルツ波領域で強い吸収を示すことは、最近の文献“S. Brunken, H. S. P. Muller, K. M. Menten, M. C. McCarthy, and P. Thaddeus, Astrophysical Journal, vol. 676, p.1367 (2008) ”に記載されている。ミリ波やテラヘルツ波領域での吸収が大きければ、その波領域で電界強度に応じて屈折率が変化する。また、電気光学効果を示す材料として、例えば、高分子ＥＯポリマーを誘電体薄膜のひとつに用いてもよい。

図２に示すように、レーザ光が入射する側の透明基板２１表面には、レーザ光のための第１の反射防止膜２４が形成されている。この第１の反射防止膜２４がない場合、透明基板２１内で多重反射が生じ、実効的な測定帯域を低下させることが考えられる。

図３は、本発明の実施の形態における別の誘電体多層膜素子１１の構成を示す図である。この誘電体多層膜素子１１は、透明基板２１に代えて透明直角プリズム２６を用いた点が図２の構成と異なる。２つの透明直角プリズム２６の貼り合わせ面上において２種類の誘電体薄膜を多層化すれば、これら誘電体薄膜が保護されるというメリットがあり、また取り扱いも容易になる。透明直角プリズム２６の材料としては、一般にはガラス基板（例えばＢＫ７）が用いられるが、これはテラヘルツ帯で大きな吸収があるため、吸収の少ない合成石英やプラスチックが望ましい。

図３に示すように、レーザ光が入射および出射する側の透明直角プリズム２６表面には、レーザ光のための第１の反射防止膜２４が形成されている。また、電波が入射する側の透明直角プリズム２６表面には、電波のための第２の反射防止膜２５が形成されている。これら反射防止膜２４、２５がない場合、透明直角プリズム２６内で多重反射が生じ、実効的な測定帯域を低下させることが考えられる。

さて、図１にもどり、本発明の実施の形態における電波計測装置の動作原理を説明する。誘電体多層膜素子１１で反射されたレーザ光は、偏光調整器５を通った後、第２のポラライザ６で２つの偏光に分離され、光電変換器７で電気信号に変換され、差動増幅器１２に導かれる。電波が照射されない場合に差動増幅器１２の出力がゼロになるように偏光調整器５を使って調整しておいてもよい。これにより、電波が誘電体多層膜素子１１に照射された場合のみ、差動増幅器１２から信号を出力させることができる。もちろん、従来例と同じように光電変換器７がひとつの構成でも原理的には信号検出は可能であるが、差動検出の方がレーザ光雑音が除去されるので、より高い感度を得ることができる。

図４は、本発明の実施の形態における別の電波計測装置の構成を示す図である。この図に示すように、電波の到来方向とレーザ光の到来方向とを９０度変えても同様の効果を得ることができる。ここでは、誘電体多層膜素子１１に透明直角プリズム２６を用いた構成を例示しているが、透明基板２１を用いた構成を採用することも可能である。

図５は、本発明の実施の形態における別の電波計測装置の構成を示す図である。ここでは、電波の２次元像を計測するための構成を示している。すなわち、光電変換器７に代えて、レーザ光の２次元像を検出するＣＣＤカメラ９を用いて、誘電体多層膜素子１１を通過した光を検出するようになっている。図２および図３に示す構造の電界センサは、従来のような結晶材料を用いたものではないので、真空蒸着装置などを使って大口径のものを大量生産することができる。また、従来の結晶の大きさの限界であった２インチ（５０ｍｍ）を超える大きさのものも安価に製造することが可能である。これにより、一段と広い空間の電波像を計測することができるので、ミリ波・テラヘルツ波イメージングの応用において、より大きな物体の透視画像の取得が可能となる。

図６は、本発明の実施の形態における電波計測装置による測定結果を示す図である。ここでは、図６（ａ）に示すように、２つの透明直角プリズム２６の貼り合わせ面上において２種類の誘電体薄膜を多層化した誘電体多層膜素子１１を用いた。この電界センサに周波数１２０ＧＨｚのミリ波（電力０．１ｍＷ）を照射した時に得られた信号の測定結果を図６（ｂ）に示す。実際には、１２０ＧＨｚのミリ波は、９．６６ｋＨｚで強度変調し、その変調信号成分をスペクトラムアナライザーで計測している。比較のため、誘電体多層膜がない場合の測定結果を図６（ｃ）に示す。これらの結果から、およそ３０ｄＢのＳ／Ｎ比でミリ波が検出できていることが証明された。

以上説明したように、本発明によれば、従来の電気光学結晶を電界センサに用いた場合よりも広帯域、高感度な計測を行うことができ、また、大口径の電界センサが安価に得られるため、より広範囲な計測を低コストで行うことができる。

１…ペリクル
２…レーザ光源
３…第１のポラライザ
４…電気光学結晶
５…偏光調整器
６…第２のポラライザ
７…光電変換器
８…電気増幅器
９…ＣＣＤカメラ
１０ａ…第１のレンズ
１０ｂ…第２のレンズ
１１…誘電体多層膜素子
１２…差動増幅器
２１…透明基板
２２…第１の誘電体薄膜
２３…第２の誘電体薄膜
２４…第１の反射防止膜
２５…第２の反射防止膜
２６…透明直角プリズム

Claims

電気光学効果を利用して電磁波を計測する装置において、
少なくとも一方が電磁波によって屈折率の変化する２種類の誘電体薄膜（結晶構造を有する誘電体薄膜を除く。）を交互に積層して多層化し、入射光に対して所望の偏光状態を作り出す光学素子と、
前記光学素子にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記光学素子からのレーザ光の偏光状態の変化を強度変化に変換するポラライザと、
前記ポラライザからのレーザ光を電気信号に変換する光電変換器とを具備し、
前記２種類の誘電体薄膜は、２つの透明直角プリズムの貼り合わせ面上において交互に積層されて多層化されていることを特徴とする電磁波計測装置。
前記レーザ光が入射および出射する側の前記透明直角プリズム表面には、前記レーザ光のための第１の反射防止膜が形成され、前記電磁波が入射する側の前記透明直角プリズム表面には、前記電磁波のための第２の反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項１記載の電磁波計測装置。
前記光電変換器に代えて、レーザ光の２次元像を検出するＣＣＤカメラを具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波計測装置。
更に、前記光学素子からのレーザ光の偏光状態を調整する偏光調整器を前記ポラライザの前段に具備することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電磁波計測装置。