JP5630008B2

JP5630008B2 - 電磁界測定装置

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Publication number: JP5630008B2
Application number: JP2009268915A
Authority: JP
Inventors: 岩波　瑞樹; 瑞樹岩波; 福田　浩司; 浩司福田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2009-11-26
Filing date: 2009-11-26
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2029-11-26
Also published as: JP2011112498A

Description

本発明は、電界あるいは磁界の強度を測定する電磁界測定装置に関する。

従来、電子機器のノイズ特性を評価したり、外部から電子機器に進入するノイズの防御特性（イミュニティ）を評価するための装置として、電界あるいは磁界を検出できる電磁界測定装置が知られている。
このような電磁界測定装置としては、電界あるいは磁界の強度に応じて屈折率が変化する電気光学材料あるいは磁気光学材料を有する電磁界センサを備え、この電磁界センサにレーザー光を透過させて、電気光学材料あるいは磁気光学材料を透過後のレーザー光の偏光状態が電気光学材料あるいは磁気光学材料の屈折率変化に応じて変調されることを利用して電界あるいは磁界を測定する装置が知られている（例えば特許文献１参照）。
例えば特許文献１に記載された電磁界測定装置では、電気光学材料及び磁気光学材料に入射されるレーザー光及び電気光学材料あるいは磁気光学材料から出射され受光器に入射されるレーザー光は、光ファイバによって伝搬されている。

特開２００８−２１６０３６号公報

ところで、光ファイバに外力が作用して、光ファイバが曲がったりすると、光ファイバ内に応力が発生して光ファイバの屈折率が変化するため、光ファイバの中を伝播する光の偏光状態が変化することが知られている。このため、特許文献１に記載の電磁界測定装置では、電界あるいは磁界の変動による光の偏光状態の変化と、光ファイバに加わる応力に応じた光の偏光状態の変化とが合成された偏光状態が検出されてしまう。その結果、電界あるいは磁界の強度の大きさを示す測定値が光ファイバに加わる応力に応じて変動し、電磁界の強度を測定する精度が低下するおそれがある。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、その目的は光ファイバ中を伝搬する光の偏光状態が光ファイバに加わる応力によって変化しても電磁界の強度を精度よく測定することができる電磁界測定装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明の電磁界測定装置は、レーザー光を発する光源部と、前記レーザー光の偏光を直線偏光に変換する偏光コントローラと、電界あるいは磁界の強度に応じて屈折率が変化する電気光学材料あるいは磁気光学材料を有し、前記偏光コントローラを透過した前記レーザー光の偏光方向を変化させて前記電界あるいは前記磁界の強度を検出する電磁界検出部と、前記電気光学材料あるいは磁気光学材料に入射する前記レーザー光の光量が一定になるように前記レーザー光の偏光方向を変える駆動信号を前記偏光コントローラに対して送信する光量測定制御部と、前記電磁界検出部を透過した前記レーザー光を受光して前記電界あるいは磁界の強度を測定する電磁界強度測定部と、前記光源部から前記電磁界強度測定部に至るまで前記レーザー光を伝搬させる光ファイバと、前記電磁界検出部と前記電磁界強度測定部との間の前記光路に配され前記電磁界検出部を透過した前記レーザー光の一部を分離する光カプラと、を有し、前記電磁界検出部は、前記偏光コントローラを通過した前記レーザー光の偏光成分のうち特定方向の直線偏光成分を透過する偏光子と、１／８波長板と、前記電気光学材料と前記磁気光学材料とのいずれか一方からなる材料部と、反射鏡と、を有し、前記偏光子と前記１／８波長板と前記材料部と前記反射鏡とはこの順に重ねて互いに密着して一体化され、前記偏光コントローラから前記偏光子へと前記レーザー光が入射し前記偏光子と前記１／８波長板と前記材料部とをこの順に通過して前記反射鏡において反射し前記材料部と前記１／８波長板と前記偏光子とをこの順に通過して前記偏光子から出射され、前記光量測定制御部は、前記電磁界検出部を透過した前記レーザー光を前記光カプラを介して受光して、前記光量測定制御部に入射した前記レーザー光の光量と、前記光源部において出射された前記レーザー光の光量に前記光カプラにおいて前記光量測定制御部側へ分離される配分比を掛け合わせた値とが略一致するように、前記偏光コントローラに対して駆動信号を送信することを特徴とする。

本発明の電磁界測定装置によれば、光量測定制御部によって電気光学材料あるいは磁気光学材料に入射するレーザー光の光量を検知し、電気光学材料あるいは磁気光学材料に入射するレーザー光の光量が最大になるように、光ファイバに取り付けられた偏光コントローラを光量測定制御部が制御する。その結果、電気光学材料あるいは磁気光学材料に入射するレーザー光の光量を一定にでき、光ファイバ中を伝搬する光の偏光状態が光ファイバに加わる応力によって変化しても電磁界の強度を精度よく測定することができる。

本発明の第１実施形態の電磁界測定装置の構成を示す模式図である。同電磁界測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。本発明の第２実施形態の電磁界測定装置の構成を示す模式図である。同電磁界測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。同電磁界測定装置の変形例１の構成を示す模式図である。本発明の第３実施形態の電磁界測定装置の構成を示す模式図である。同電磁界測定装置の作用を説明するための説明図である。同電磁界測定装置の作用を説明するためのグラフである。同電磁界測定装置の動作を説明するためのフローチャートである。同電磁界測定装置の変形例２の構成を示す模式図である。（Ａ）は本発明の第４実施形態の電磁界測定装置の構成を示す模式図である。（Ｂ）は同電磁界測定装置の一部の構成を示す斜視図である。

（第１実施形態）
以下、本発明の第１実施形態の電磁界測定装置１について図１及び図２を参照して説明する。図１は、電磁界測定装置１の構成を示す模式図である。また、図２は、電磁界測定装置１の動作を説明するためのフローチャートである。
本実施形態の電磁界測定装置１は、電界あるいは磁界の強度を測定する構成をとることができる。以下では、電磁界測定装置１によって電界の強度を測定するための構成についてまず説明する。

図１に示すように、電磁界測定装置１は、レーザー光源１１と、偏光コントローラ１３と、光サーキュレータ１４と、プローブヘッド（電磁界検出部）Ａと、パワーモニタ（光量測定制御部）１８と、電磁界強度測定部１９と、を備えて構成されている。

また、レーザー光源１１と偏光コントローラ１３との間には、光ファイバ１２が設けられている。また、偏光コントローラ１３と光サーキュレータ１４との間には、レーザー光を伝搬させる光ファイバＦ１が設けられている。また、光サーキュレータ１４とプローブヘッドＡとの間には、レーザー光を伝搬させる光ファイバＦ２が設けられている。また、プローブヘッドＡとパワーモニタ１８との間には、レーザー光を伝搬させる光ファイバＦ３が設けられている。また、光サーキュレータ１４と電磁界強度測定部１９との間には、レーザー光を伝搬させる光ファイバＦ４が設けられている。
光ファイバ１２は、通常のシングルモードファイバであっても偏光保持型ファイバであっても良い。
また、光ファイバＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４は通常のシングルモードファイバであってもよいが、偏光保持型ファイバであることが好ましい。

また、図１にｘ、ｙ、ｚで示す方向は、電磁界測定装置１によって電界が測定される測定空間における座標軸の向く方向である。

レーザー光源１１は、一定強度のレーザー光を出射するレーザー光源である。

偏光コントローラ１３は、レーザー光源１１から出射したレーザー光を直線偏光に変換するためのもので、レーザー光源１１から出射されたレーザー光を透過させるレーザー光の波長に対する１／４波長板と１／２波長板とを有している。１／４波長板と１／２波長板とは、それぞれパワーモニタ１８からの駆動信号に基づいて光軸回りに個別に回転動作できるようになっている。

光サーキュレータ１４は、光ファイバＦ１に接続された端子１４Ａと、光ファイバＦ２に接続された端子１４Ｂと、光ファイバＦ４に接続された端子１４Ｃとを有し、端子１４Ａ、端子１４Ｂ、端子１４Ｃの順で順方向に進む光は低損失、逆方向に進む光は高損失になるように構成されている。このため、端子１４Ａに入射した光は端子１４Ｂから出射し、端子１４Ｂに入射した光は端子１４Ｃから出射するようになっている。

プローブヘッドＡは、光ファイバＦ２に接続された偏光ビームスプリッタ１５と、偏光ビームスプリッタ１５に密着されて設けられた電気光学材料部１６と、電気光学材料部１６に密着して形成された反射鏡１７とを有している。偏光ビームスプリッタ１５と電気光学材料部１６と反射鏡１７とはエポキシ系接着剤

偏光ビームスプリッタ１５は、光サーキュレータ１４の端子１４Ｂから出射されたレーザー光が入射すると、レーザー光のＰ偏光成分（図１に示すｘ方向の偏光成分）は電気光学材料部１６側へ透過させ、レーザー光のＳ偏光成分（図１に示すｙ方向の偏光成分）はパワーモニタ１８側へ反射する。なお、偏光ビームスプリッタ１５として、Ｐ偏光のレーザー光の成分を反射し、Ｓ偏光のレーザー光の成分を透過する偏光ビームスプリッタを採用してもよい。この場合、レーザー光のＰ偏光成分がパワーモニタ１８に入射するようになる。

電気光学材料部１６は、ビスマス、シリコン、及び酸素を含有する化合物（BSO）の単結晶を数百ミクロン角に切削して形成されている。電気光学材料部１６は、レーザー光を透過させると、電気光学材料部１６をとりまく電界の強度に応じて屈折率が変化するものである。

反射鏡１７は、電気光学材料部１６を透過したレーザー光を反射させるようになっている。反射鏡１７の材料としては、例えば屈折率が相対的に低い誘電体と屈折率が相対的に高い誘電体とを交互に積層して形成された誘電体多層膜ミラーを採用することができる。反射鏡１７によって反射されたレーザー光は、再び電気光学材料部１６に入射し、電気光学材料部１６を透過して偏光ビームスプリッタ１５に再び入射するようになっている。

パワーモニタ１８は、偏光ビームスプリッタ１５において反射したレーザー光を受光して、レーザー光の光量に基づいて偏光コントローラ１３の１／４波長板及び１／２波長板を回動させる駆動信号を偏光コントローラ１３へ送信するようになっている。また、パワーモニタ１８には、レーザー光源１１から出射されるレーザー光が電気光学材料部１６に最大限入射した場合にパワーモニタ１８に入射するレーザー光の光量が最小値として設定されており、パワーモニタ１８は、検出されるレーザー光の光量が最小値になるように偏光コントローラ１３を制御するようになっている。

パワーモニタ１８に設定される最小値は、電磁界測定装置１においてレーザー光源１１からレーザー光を照射するとともに偏光コントローラ１３を動作させ、偏光ビームスプリッタ１５からパワーモニタ１８側へ分離されるレーザー光の光量が最小となるときの光量をパワーモニタ１８に記憶させることで設定することができる。また、パワーモニタ１８は、パワーモニタ１８で検出されるレーザー光の光量が最小になるように、偏光コントローラ１３を駆動する駆動信号を生成して偏光コントローラ１３へ送信するようになっている。

電磁界強度測定部１９は、光ファイバＦ４と接続されて光サーキュレータ１４の端子１４Ｃから出射したレーザー光を受光してレーザー光の光量に応じた電気信号を発する受光部１９Ａと、信号線Ｃ２によって受光部１９Ａと電気的に接続され、受光部１９Ａで発せられた電気信号に基づいて電界強度を測定するＲＦスペクトラムアナライザ１９Ｂとを有している。

以上に説明した構成の、本実施形態の電磁界測定装置１の使用時の動作について説明する。
電磁界測定装置１を駆動させると、まず、レーザー光源１１からレーザー光が出射される。このレーザー光は、光ファイバ１２を伝搬して偏光コントローラ１３に入射する。すると、レーザー光は偏光コントローラ１３によって直線偏光にされた後、光ファイバＦ１を伝搬して光サーキュレータ１４の端子１４Ａに入射し、光サーキュレータ１４の端子１４Ｂから出射される。

光サーキュレータ１４の端子１４Ｂから出射されたレーザー光は、光ファイバＦ２を伝搬して偏光ビームスプリッタ１５に入射する。偏光ビームスプリッタ１５では、レーザー光のＰ偏光成分（図１に示すＸ軸の方向に偏光した直線偏光成分）は透過され、レーザー光のＳ偏光成分（図１に示すＹ軸の方向に偏光した直線偏光成分）はパワーモニタ１８側に反射される。

レーザー光のＰ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ１５を出射されて電気光学材料部１６を透過する。このとき、電気光学材料部１６の外部の電界によって電気光学材料部１６の屈折率が変化するため、レーザー光は電界の強度に応じて偏光方向が変化して反射鏡１７に入射する。反射鏡１７に入射したレーザー光は反射して再び電気光学材料部１６を透過し、上述のように電界に応じた屈折率でさらに偏光方向が変化して偏光ビームスプリッタ１５に入射する。電気光学材料部１６を往復して偏光ビームスプリッタ１５に入射したレーザー光のＳ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ１５の偏光面でパワーモニタ１８と反対側へ反射される。
光サーキュレータ１４の端子１４Ｂから偏光ビームスプリッタ１５へ入射したレーザー光のＳ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ１５から出射されて光ファイバＦ３の内部を通じてパワーモニタ１８に入射する。

以下では、パワーモニタ１８の動作について図１及び図２を参照して説明する。
図２に示すように、パワーモニタ１８では、まず、パワーモニタ１８によってレーザー光の光量が測定されるステップＳ１が行われる。
ステップＳ１では、図１に示す偏光ビームスプリッタ１５で分離されたＳ偏光成分のレーザー光の光量が測定される。ステップＳ１が終了したらステップＳ２へ進む。

ステップＳ２では、ステップＳ１で測定されたレーザー光のＳ偏光成分の光量が上述の最小値と等しい場合には、ステップＳ２を終了し、レーザー光の偏光方向の調整は終了する。また、ステップＳ１で測定されたレーザー光のＳ偏光成分の光量が最小値よりも大きい場合には、ステップＳ２を終了し、ステップＳ３へ進む。

ステップＳ３では、偏光コントローラ１３を駆動させる駆動信号を偏光コントローラ１３に対して送信する。駆動信号の送信が終了したらステップＳ３は終了する。

偏光コントローラ１３では、パワーモニタ１８から送信された駆動信号によって、偏光コントローラ１３から出射される直線偏光の偏光方向が変化する。なお、パワーモニタ１８から新たな駆動信号が送信されたときには、新たな駆動信号に基づいて偏光コントローラ１３は動作する。

パワーモニタ１８におけるレーザー光のＳ偏光成分の光量の測定は、電界測定が行われている間、継続して実行されている。パワーモニタ１８によって偏光コントローラ１３が動作されると、偏光ビームスプリッタ１５に入射するレーザー光のＰ偏光成分とＳ偏光成分との割合が変化する。これにより、パワーモニタ１８に入射するＳ偏光成分のレーザー光の光量は偏光コントローラ１３が駆動される前の光量から変化する。

パワーモニタ１８では、パワーモニタ１８に入射したＳ偏光成分のレーザー光の光量が直前に検出した光量よりも大きい場合には、直前に直線偏光のレーザー光の偏光方向を変化させた向きとは逆方向に偏光方向を変化させる駆動信号を偏光コントローラ１３に送信する。
また、パワーモニタ１８に入射したＳ偏光成分のレーザー光の光量が直前に検出した光量よりも小さい場合には、直前に直線偏光のレーザー光の偏光方向を変化させた向きと同方向に偏光方向を変化させる駆動信号を偏光コントローラ１３に送信する。
パワーモニタ１８で検出されるＳ偏光成分のレーザー光の光量が最小値になるまで、パワーモニタ１８は偏光コントローラ１３を駆動させる。

光ファイバ１２は、振動したり曲げられたりすることで、光ファイバ１２に加わる応力によってその屈折率が変動し、光ファイバ１２中を通るレーザー光の偏光方向が変動することがあるが、パワーモニタ１８と偏光コントローラ１３とによってレーザー光の偏光方向を調整することで、Ｓ偏光成分のレーザー光の光量は最小値に維持される。

従って、光ファイバ１２に加わる応力によって光ファイバ１２中を通るレーザー光の偏光方向が変動しても、レーザー光は偏光ビームスプリッタ１５における損失なく電気光学材料部１６に入射し、電気光学材料部１６に入射するレーザー光の光量は略一定に維持される。

電気光学材料部１６を出射されたレーザー光は、偏光ビームスプリッタ１５に入射する。ここで、偏光ビームスプリッタ１５は検光子として機能し、電気光学材料部１６を一往復して戻ってきたレーザー光は、電気光学材料部１６において偏光方向が変化している場合には、レーザー光のＰ偏光と異なる偏光方向の偏光成分が偏光ビームスプリッタ１５において反射される。従って、電気光学材料部１６を透過して電気光学材料部１６の外部の電界強度に応じて偏光方向が変化したレーザー光は、偏光ビームスプリッタ１５によって強度変調される。偏光ビームスプリッタ１５を透過したレーザー光は、偏光ビームスプリッタ１５から出射して光ファイバＦ２を通じて光サーキュレータ１４の端子１４Ｂに入射する。

光サーキュレータ１４の端子１４Ｂに入射したレーザー光は、光サーキュレータ１４の端子１４Ｃから出射して、光ファイバＦ４を通じて電磁界強度測定部１９の受光部１９Ａに入射する。受光部１９Ａではレーザー光の光量を光電変換によって電気信号に変換し、この電気信号は信号線Ｃ２を通じてＲＦスペクトラムアナライザ１９Ｂによって検出される。
これにより、レーザー光源１１から出射したレーザー光を用いて、電気光学材料部１６によって電界の強度を測定することができる。

以上説明したように、本実施形態の電磁界測定装置１によれば、パワーモニタ１８によって電気光学材料部１６に入射するレーザー光の強度を測定し、パワーモニタ１８に入射するレーザー光の光量が最小となるように偏光コントローラ１３を駆動させる。これによって、電気光学材料部１６に入射するレーザー光の光量を最大にすることができる。

さらに、パワーモニタ１８と偏光コントローラ１３とによって継続的にレーザー光の偏光方向を制御しているので、光ファイバ１２に応力が加わって偏光方向が変動しても電気光学材料部１６に入射するレーザー光の光量を一定にできる。その結果、光ファイバ１２中を伝搬するレーザー光の偏光状態が光ファイバ１２に加わる応力によって変化しても電界の強度を精度よく測定することができる。

また、パワーモニタ１８には偏光ビームスプリッタ１５から分離されたレーザー光が入射してレーザー光の光量が最小となるように偏光コントローラ１３が駆動されるので、パワーモニタ１８側に分離される光量が少なくなり、電気光学材料部１６に効率よくレーザー光を入射させることができる。

（第２実施形態）
続いて、本発明の第２実施形態の電磁界測定装置２について図３及び図４を参照して説明する。図３は、電磁界測定装置２の構成を示す模式図である。また、図４は、電磁界測定装置２の動作を説明するためのフローチャートである。本実施形態では、プローブヘッドＡに代えて設けられたプローブヘッドＡ２を備えている点で上述の第１実施形態の電磁界測定装置１と構成が異なっている。

図３に示すように、電磁界測定装置２は、光ファイバＦ２に接続された偏光子２５Ａと、偏光ビームスプリッタ１５に代えて設けられたビームスプリッタ２５Ｂとを備えている。

偏光子２５Ａは、特定の方向に偏光した直線偏光成分のレーザー光を透過する光学部品である。またビームスプリッタ２５Ｂは、レーザー光をある比率で互いに直交する方向へ２分配する光学部品である。

本実施形態でも、偏光コントローラ１３から出射したレーザー光は、１／２波長板と１／４波長板との相対位置関係で定まる偏光方向に偏光した直線偏光である。偏光コントローラ１３から出射したレーザー光は光ファイバＦ１を通じて光サーキュレータ１４へ入射し、さらに光ファイバＦ２を通じて偏光子２５Ａに入射する。

偏光子２５Ａでは、偏光子２５Ａを透過可能な偏光方向と一致している成分のレーザー光は透過してビームスプリッタ２５Ｂ側へ出射される。

ビームスプリッタ２５Ｂでは、ビームスプリッタ２５Ｂに固有の配分比で、レーザー光はパワーモニタ１８側、及び電気光学材料部１６側に分離される。

本実施形態では、パワーモニタ１８には、レーザー光源１１における出射光の光量にビームスプリッタ２５Ｂにおいてパワーモニタ１８側に分離される配分比を乗じた値が規定値として記憶されている。

以下では、本実施形態の電磁界測定装置２の使用時の動作について説明する。
本実施形態では、図３に示すように、レーザー光源１１から出射したレーザー光は、光ファイバ１２、偏光コントローラ１３、光ファイバＦ１、光サーキュレータ１４、光ファイバＦ２をこの順に通って偏光子２５Ａに入射する。偏光子２５Ａでは、偏光子２５Ａを透過可能な一方向の偏光成分のレーザー光が透過してビームスプリッタ２５Ｂに向けて出射される。

ビームスプリッタ２５Ｂでは、上述の配分比に従ってレーザー光が分離されて電気光学材料部１６側へ出射し、その他はパワーモニタ１８側へ出射する。パワーモニタ１８には、偏光子２５Ａを透過したレーザー光の光量に、ビームスプリッタ２５Ｂにおいてパワーモニタ１８側に分離される配分比を乗じた光量のレーザー光が入射する。

以下では、パワーモニタ１８の動作について図３及び図４を参照して説明する。
パワーモニタ１８では、図４に示すように、まず、第１実施形態と同様にステップＳ１が行われ、ビームスプリッタ２５Ｂによってパワーモニタ１８側に分離されたレーザー光の光量が測定される。これでステップＳ１は終了してステップＳ２２へ進む。

ステップＳ２２では、ステップＳ１で測定されたレーザー光の光量を示す値と、レーザー光源１１における出射光の光量にビームスプリッタ２５Ｂの配分比を乗じた上述の規定値とを比較する。ステップＳ１で測定されたレーザー光の光量を示す値と規定値とが所定の誤差範囲に収まっている場合には、ステップＳ２２は終了する。ステップＳ１で測定されたレーザー光の光量を示す値と規定値とが所定の誤差範囲を逸脱している場合には、ステップＳ２２は終了し、第１実施形態と同様に偏光コントローラ１３へ駆動信号が送信される（ステップＳ３）。さらに、第１実施形態と同様に偏光コントローラ１３がパワーモニタ１８によって駆動される。

本実施形態では、パワーモニタ１８によって、ステップＳ１で測定されたレーザー光の光量と、レーザー光源１１における出射光の光量にビームスプリッタ２５Ｂの配分比を乗じた値とが一致（略一致を含む）するように偏光コントローラ１３が駆動される。すると、偏光コントローラ１３から出射したレーザー光の偏光方向は、偏光子２５Ａを透過可能な偏光方向と一致する。

パワーモニタ１８によるレーザー光の光量の測定は、電磁界測定装置２による電界測定の間継続して実行されている。このため、第１実施形態の電磁界測定装置１と同様に、光ファイバ１２に外部から応力が加わってレーザー光の偏光方向が変化しても、電気光学材料部１６に入射するレーザー光の光量を一定に維持することができる。その結果、光ファイバ１２中を伝搬するレーザー光の偏光状態が光ファイバ１２に加わる応力によって変化しても、電界の強度を精度よく測定することができる。

（変形例１）
以下では、電磁界測定装置１の変形例１について図５を参照して説明する。図５は、本変形例の電磁界測定装置の構成を示す模式図である。
図５に示すように、本変形例では、偏光コントローラ１３に代えて、電気光学変調器（ＥＯＭ）１３Ａを備えている点で上述の実施形態の電磁界測定装置と構成が異なっている。

電気光学変調器１３Ａは、詳細な構成は図示しないが、例えば、電気光学結晶からなる電極と、電極に電圧を印加する電源装置とを有し、電極に電圧を印加することで電極の透過光の偏光状態を変化させるものである。

本変形例でも、パワーモニタ１８による駆動信号に基づいて電気光学変調器１３Ａによってレーザー光の偏光方向を変化させることができ、上述の第１実施形態の電磁界測定装置１と同様に電気光学材料部１６に入射するレーザー光の光量を一定に維持することができる。

（第３実施形態）
続いて、本発明の第３実施形態の電磁界測定装置３について図６ないし図９を参照して説明する。図６は、電磁界測定装置３の構成を示す模式図である。また、図７は、電磁界測定装置３の作用を説明するための説明図である。また、図８は、電磁界測定装置３の作用を説明するためのグラフである。また、図９は、電磁界測定装置３の動作を説明するためのフローチャートである。
本実施形態の電磁界測定装置３は、プローブヘッドＡに代えて設けられたプローブヘッドＡ３を備えている点で上述の第１実施形態で説明した電磁界測定装置１と構成が異なっている。

図６に示すように、プローブヘッドＡ３は、偏光子２５Ａと電気光学材料部１６との間に、ビームスプリッタ２５Ｂに代えて１／８波長板３５Ｂを有している。
また、電磁界測定装置３は、光ファイバＦ４から分岐して形成された光ファイバＦ３３を有し、パワーモニタ１８は、光ファイバＦ３３に接続され、光ファイバＦ３３を通じて伝搬されたレーザー光がパワーモニタ１８によって測定されている。
１／８波長板３５Ｂは、直線偏光を楕円偏光に変換する光学部品で、１／８波長板３５Ｂを２回透過すると１／４波長板と等価になり直線偏光を円偏光に変換することができる。

本実施形態では、偏光子２５Ａと１／８波長板３５Ｂと電気光学材料部１６と反射鏡１７とは互いに密着して一体化されている。

光ファイバＦ３３は、図示しない光カプラによって光サーキュレータ１４の端子１４Ｃから出射するレーザー光の半分をパワーモニタ１８側へ伝送するようになっている。

以下では、本実施形態の電磁界測定装置３の動作原理について図７及び図８を参照して説明する。
図７において、符号Ｌはレーザー光の進行方向を示している。図６に示す偏光コントローラ１３から出射されて偏光子２５Ａに入射するレーザー光は、偏光コントローラ１３によって偏光方向が変化させられた直線偏光の光である。このレーザー光が偏光子２５Ａに入射すると、図７に示すように偏光子２５Ａを透過可能な一方向の偏光成分の光のみが偏光子２５Ａを透過して１／８波長板３５Ｂ側へと出射される。

偏光子２５Ａから出射されたレーザー光は、１／８波長板３５Ｂを透過して楕円偏光になる。この楕円偏光のレーザー光は、１／８波長板３５Ｂから出射して電気光学材料部１６に入射する。すると、上述の各実施形態で説明したのと同様に、電気光学材料部１６の外部の電界の強度に応じてレーザー光は屈折され、反射鏡１７において反射されて電気光学材料部１６を往復するように電気光学材料部１６を透過する。

本実施形態では、電気光学材料部１６の電気光学材料の屈折率が電界強度に応じて変化することで、楕円偏光のレーザー光の楕円率は電界の強度に応じて変化する。例えば図７に模式的に示すように、電界の強度が最も高い点Ｐではレーザー光の楕円偏光の楕円率は最も大きくなり、電界の強度が最も低い点Ｒではレーザー光の楕円偏光の楕円率は最も小さくなる。

電気光学材料部１６を透過したレーザー光は１／８波長板３５Ｂ側へと出射する。１／８波長板３５Ｂでは、電気光学材料部１６を取り巻く電界が電気光学材料部１６にはたらかない場合には図７に符号Ｑで示すように楕円偏光を円偏光に変換する。このとき、図７に示すように、電界の影響を受けて楕円率が変化したレーザー光は円偏光にならず、電界の強度に応じた楕円率の楕円偏光になる。

１／８波長板３５Ｂを透過したレーザー光は偏光子２５Ａに入射し、偏光子２５Ａを透過可能な偏光成分のレーザー光のみが光ファイバＦ２側へ出射する。このため、偏光子２５Ａを透過して光ファイバＦ２側へ出射するレーザー光は、楕円偏光の楕円率に応じた光量に強度変調される。

図７に示すように、偏光子２５Ａに入射するレーザー光が偏光子２５Ａによる偏光方向と同じ向きの直線偏光であるときには、変調電界が存在する場合には、偏光子２５Ａから光ファイバＦ２側へ出射するレーザー光の出射光量は電界強度に応じて変化するが、偏光子２５Ａから出射するレーザー光の光量の時間平均は偏光子２５Ａに入射するレーザー光の入射光量の半分になる。

本実施形態では、パワーモニタ１８には、電界によって電気光学材料部１６で変調されたレーザー光の光量変化と、光ファイバ１２に加わる応力によるレーザー光の光量変化とが合成されて入射する。このとき、パワーモニタ１８では周波数が高い電界による光量変化は平均化されて検出されるため、パワーモニタ１８において検出される光量変化のうち、変調電界に依存する光量変化は平均化され、光ファイバ１２に加わる応力に依存する光量変化が測定される。

パワーモニタ１８では、パワーモニタ１８で測定された光量がレーザー光源１１から出射するレーザー光の光量の半分となるように、偏光コントローラ１３から出射するレーザー光の偏光方向を制御することで、偏光コントローラ１３から出射したレーザー光の偏光方向は一定に保たれる。

図８は、偏光子２５Ａに入射するレーザー光に対する偏光子２５Ａから出射するレーザー光の割合（透過率）を示すグラフである。図８において、横軸には電気光学材料部１６で検出される変調電界による印加電圧を示し、縦軸には上記透過率を示している。
図８に示すように、本実施形態では、電界が存在しない場合におけるレーザー光の透過率は０．５であり、電気光学材料部１６において検出される電界の強度が例えば下記（式１）に示すように変動するときには、下記（式２）に示す関係にしたがってレーザー光の透過率が変化する。

すると、偏光子２５Ａを出射するレーザー光の透過率は、時間をｔとするとき、０．５を中心として下記（式３）に示すように電界強度の変動に応じて変動する。

本実施形態では、電気光学材料部１６においては、レーザー光の透過率曲線の傾きが最大となるように、印加電圧がＶ_π／２となる点を中心に光が強度変調されるようになっている。これは、電磁界測定装置３を使用する測定系における電界の感度を高めるためである。

以下では、上述の動作原理の本実施形態の電磁界測定装置３の使用時の動作について説明する。
図９に示すように、まず、第１実施形態と同様に、ステップＳ１が行われる。このとき、上述のように、図６に示すパワーモニタ１８では光ファイバ１２に加わる応力と電気光学材料部１６に加わる電界との影響を受けたレーザー光の光量を測定している。レーザー光の光量を測定したらステップＳ１を終了してステップＳ３２へ進む。

ステップＳ３２では、ステップＳ１で測定されたレーザー光の光量を示す値と、レーザー光源１１における出射光の光量とを比較する。ステップＳ１で測定されたレーザー光の光量とレーザー光源１１における出射光の光量の半分である場合には、ステップＳ３２は終了し、レーザー光の偏光方向の調整は終了する。ステップＳ１で測定されたレーザー光の光量とレーザー光源１１における出射光の光量の半分と異なる光量である場合には、ステップＳ３２は終了し、ステップＳ３へ進む。

ステップＳ３では、上述の第１実施形態で説明したのと同様に偏光コントローラ１３へ駆動信号が送信される。駆動信号の送信が終了したらステップＳ３は終了する。

パワーモニタ１８にから駆動信号が偏光コントローラ１３へ送信されると、上述の第１実施形態で説明したのと同様に偏光コントローラ１３が駆動される。
本実施形態では、パワーモニタ１８によって、ステップＳ１で測定されたレーザー光の光量とレーザー光源１１における出射光の光量の半分になるように偏光コントローラ１３が駆動される。すると、偏光コントローラ１３から出射したレーザー光の偏光方向は、偏光子２５Ａを透過可能な偏光方向と一致する。パワーモニタ１８によるレーザー光の光量の検出動作は、電磁界測定装置３による電界測定の間継続して実行されている。

このため、第１実施形態の電磁界測定装置１と同様に、光ファイバ１２に外部から応力が加わってレーザー光の偏光方向が変化しても、電気光学材料部１６に入射するレーザー光の光量を一定に維持することができる。その結果、光ファイバ１２中を伝搬するレーザー光の偏光状態が光ファイバ１２に加わる応力によって変化しても、電界の強度を精度よく測定することができる。

（変形例２）
以下では、本実施形態の電磁界測定装置３の変形例２について図１０を参照して説明する。図１０は、本変形例の電磁界測定装置の構成を示す模式図である。
図１０に示すように、本変形例では、偏光コントローラ１３に代えて、上述の第１実施形態の変形例１で説明した電気光学変調器（ＥＯＭ）１３Ａが設けられている。このような構成であっても本実施形態と同様の効果を奏することができる。

（第４実施形態）
以下では、本発明の第４実施形態の電磁界測定装置４について図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）を参照して説明する。図１１（Ａ）は、電磁界測定装置４の構成を示す模式図である。また、図１１（Ｂ）は、電磁界測定装置４の一部の構成を示す斜視図である。
図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示すように、電磁界測定装置４は、電気光学材料部１６におけるレーザー光の光路がＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向に沿うように構成された３つのプローブヘッドＡ３、Ｂ、Ｃを備えている。

本実施形態では、電気光学材料部１６には、光の伝搬方向に平行な方向に感度を有する電気光学材料が用いられている。Ｚ軸方向の電界成分を検出するプローブヘッドＡ３には、１／８波長板３５Ｂの端面にそのまま電気光学材料部１６が形成されている。Ｘ軸方向あるいはＹ軸方向の電界成分を検出するプローブヘッドＢ、Ｃには、１／８波長板３５Ｂと電気光学材料部１６との間に、光路を直角に曲げるためのプリズム２１Ａ、２１Ｂが設けられている。

また、各プローブヘッドと光ファイバＦ２との間には、光ファイバＦ２と各プローブヘッドとの間の光路を選択するための光スイッチ２０が設けられており、光スイッチ２０によって光路を選択することで、レーザー光が入射するプローブヘッドを選択し、レーザー光を、光ファイバＦ４２を通じて各プローブヘッドへ伝送し、また各プローブヘッドからの変調信号を光ファイバＦ４２、Ｆ２、Ｆ４を通じて電磁界強度測定部１９に導くことが出来る。

本実施形態においても、第３実施形態の電磁界測定装置３と同様に、レーザー光がパワーモニタ１８に入射した後にパワーモニタ１８がレーザー光の光量を測定し、測定された光量がレーザー光源の光量の半分になるように偏光コントローラ１３を動作させる。

このような構成であっても、上述の各実施形態で説明した電磁界測定装置と同様に、光ファイバ１２中を伝搬するレーザー光の偏光状態が光ファイバ１２に加わる応力によって変化しても電界の強度を精度よく測定することができる。

また、本実施形態では、プローブヘッドＡ３、プローブヘッドＢ、及びプローブヘッドＣのすべてを用いた場合には三つの電界成分を測定することができる。また、一つのプローブヘッドあるいは任意の二つのプローブヘッドの組み合わせによってそれぞれ異なる電界成分を切り替えて測定することもできる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述の各実施形態及び変形例では、電界を測定するために電気光学材料を有する電気光学材料部１６を用いたが、磁界を測定するために、磁気光学材料を有する磁気光学材料部を電気光学材料部１６と置き換えて設けることができる。磁気光学材料の具体的な材質としては、例えばビスマス置換イットリウム鉄ガーネット（Bi-YIG）の単結晶を採用することができ、この単結晶を数百ミクロン角に切削して磁気光学材料部とすることができる。

また、本発明の第４実施形態の電磁界測定装置では、三つの電界成分を検出するために３種のプローブヘッドＡ、Ｂ、Ｃのうち２種にプリズムを設けているが、必ずしもプリズムを設ける必要はなく、例えばＸ軸方向、Ｙ軸方向、及びＺ軸方向のそれぞれに感度を持つ電気光学材料を３種類用意し、それぞれの材料を１／８波長板３５Ｂの端面に直接形成してプローブヘッドを構成することもできる。

また、上述の実施形態及び変形例において示した構成要素は適宜に組み合わせて構成することが可能である。

本発明の活用例として、電子回路のイミュニティ評価用プローブ装置が挙げられる。電子機器の誤動作メカニズムを知るためには、機器内部の電子回路近傍の電界/磁界分布を正確に検出する必要がある。本発明のプローブ装置を用いることで、電子回路近傍の電界あるいは磁界の正確な計測が可能となるため、機器の誤動作メカニズムを知るための知見が得られる。

１、２、３、４電磁界測定装置
１１レーザー光源
１２光ファイバ
１３偏光コントローラ
１４光サーキュレータ
１５偏光ビームスプリッタ
１６電気光学材料部
１７反射鏡
１８パワーモニタ
１９電磁界強度測定部

Claims

レーザー光を発する光源部と、
前記レーザー光の偏光を直線偏光に変換する偏光コントローラと、
電界あるいは磁界の強度に応じて屈折率が変化する電気光学材料あるいは磁気光学材料を有し、前記偏光コントローラを透過した前記レーザー光の偏光方向を変化させて前記電界あるいは前記磁界の強度を検出する電磁界検出部と、
前記電気光学材料あるいは磁気光学材料に入射する前記レーザー光の光量が一定になるように前記レーザー光の偏光方向を変える駆動信号を前記偏光コントローラに対して送信する光量測定制御部と、
前記電磁界検出部を透過した前記レーザー光を受光して前記電界あるいは磁界の強度を測定する電磁界強度測定部と、
前記光源部から前記電磁界強度測定部に至るまで前記レーザー光を伝搬させる光ファイバと、
前記電磁界検出部と前記電磁界強度測定部との間の前記光路に配され前記電磁界検出部を透過した前記レーザー光の一部を分離する光カプラと、
を有し、
前記電磁界検出部は、
前記偏光コントローラを通過した前記レーザー光の偏光成分のうち特定方向の直線偏光成分を透過する偏光子と、
１／８波長板と、
前記電気光学材料と前記磁気光学材料とのいずれか一方からなる材料部と、
反射鏡と、
を有し、
前記偏光子と前記１／８波長板と前記材料部と前記反射鏡とはこの順に重ねて互いに密着して一体化され、前記偏光コントローラから前記偏光子へと前記レーザー光が入射し前記偏光子と前記１／８波長板と前記材料部とをこの順に通過して前記反射鏡において反射し前記材料部と前記１／８波長板と前記偏光子とをこの順に通過して前記偏光子から出射され、
前記光量測定制御部は、前記電磁界検出部を透過した前記レーザー光を前記光カプラを介して受光して、前記光量測定制御部に入射した前記レーザー光の光量と、前記光源部において出射された前記レーザー光の光量に前記光カプラにおいて前記光量測定制御部側へ分離される配分比を掛け合わせた値とが略一致するように、前記偏光コントローラに対して駆動信号を送信することを特徴とする
電磁界測定装置。