JP6266813B2 - 光変調素子および電界センサ - Google Patents
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Description
本発明は、電気光学効果を生じる化合物半導体単結晶を用いた光変調素子、およびこの光変調素子を用いた電界センサに関する。
化合物半導体単結晶の中には、例えばテルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）やヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）等のように、電界が作用すると屈折率が変化する、いわゆる電気光学（ＥＯ）効果を生じるものがある。このような化合物半導体単結晶（以下電気光学結晶）は、光変調素子等の各種光学デバイスとして利用されてきた。
これまで、こうした光学デバイスは、主に、１ＴＨｚを超えるような高周波の電磁波に対応するものが殆どであったが、近年では、１００ｋＨｚ以下の低周波の電磁波に対応するものについても研究がなされている（非特許文献１参照）。
これまで、こうした光学デバイスは、主に、１ＴＨｚを超えるような高周波の電磁波に対応するものが殆どであったが、近年では、１００ｋＨｚ以下の低周波の電磁波に対応するものについても研究がなされている（非特許文献１参照）。
A. Sasaki, A. Furuya, and M. Shinagawa, "Study of semiconductor electro-optic modulators for sensing extremely-low-frequency electrical signals", Sensors and Actuators A: Physical, Vol. 151, No. 1, pp. 1-8, 2009.
研究の結果、上述したような電気光学結晶は、特に１０ｋＨｚを下回る低周波の電磁波に対しては、十分なＥＯ効果を発揮できない、すなわち、この電気光学結晶を用いて構成したセンサでは、低周波の電磁波を正確に検出することができない、ということが明らかになってきた。この原因としては、電気光学結晶内に存在する電子や正孔（以下キャリア）が電気光学結晶に結合した電界を打ち消すように移動することが原因であると考えられている。特に、電界変化にキャリアの移動が追従できる低周波数帯域では、電気光学効果がなくなり電界を検出できなくなってしまう。
これを防ぐ方法としては、例えば、電気光学結晶にドナー不純物（ＺｎＴｅの場合は、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）等）を添加することにより、電気光学結晶中のキャリア濃度を減少させる（結晶を高抵抗化する）手法が考えられる。このような手法を用いれば、電気光学結晶が低周波の電磁波に対しても高いＥＯ効果を発揮することができる。
しかしながら、使用環境によっては、照明光などの外光が電気光学結晶に入射し、その外光によって電気光学結晶内にキャリアが発生し、そのキャリアが電気光学結晶に結合した電界を打ち消すように移動してしまい、依然として十分な効果が得られない場合があった。
これを防ぐ方法としては、例えば、電気光学結晶にドナー不純物（ＺｎＴｅの場合は、インジウム（Ｉｎ）、ガリウム（Ｇａ）等）を添加することにより、電気光学結晶中のキャリア濃度を減少させる（結晶を高抵抗化する）手法が考えられる。このような手法を用いれば、電気光学結晶が低周波の電磁波に対しても高いＥＯ効果を発揮することができる。
しかしながら、使用環境によっては、照明光などの外光が電気光学結晶に入射し、その外光によって電気光学結晶内にキャリアが発生し、そのキャリアが電気光学結晶に結合した電界を打ち消すように移動してしまい、依然として十分な効果が得られない場合があった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、電気光学効果を生じる化合物半導体単結晶を用いた光変調素子において、化合物半導体単結晶に入射する外光を低減することを目的とする。
上記課題を解決するため、本出願に係る一の発明は、電気光学効果を生じる性質を持つ化合物半導体単結晶により入射したレーザー光を変調することが可能な光変調素子であって、前記化合物半導体単結晶における、前記レーザー光が入射可能な入射面またはその近傍に設けられ、前記レーザー光以外の光が入射面に入射するのを制限する入射制限手段と、遮光性を有するとともに誘電率が低い材料で形成され、前記化合物半導体単結晶における、該化合物半導体単結晶に入射した前記レーザー光の進行方向に沿って延設された面を覆う遮蔽材と、を備えることを特徴とする。
なお、上記発明において、前記入射制限手段は、前記レーザー光の波長と同じ波長の光のみ通すように構成され、前記入射面に貼り付けられたダイクロイックミラーであるものとしてもよい。
また、上記発明において、前記入射制限手段は、厚さ方向に貫通するするとともに、前記レーザー光の幅と略等しい径のピンホールが形成され、前記入射面に貼り付けられた遮蔽板であるものとしてもよい。
また、上記発明において、前記入射制限手段は、前記遮蔽材を、前記入射面を超えて前記レーザー光が入射してくる方向に向かうように延長したものとしてもよい。
また、上記発明において、前記入射面と前記入射制限手段との間に、前記レーザー光が前記入射面において反射するのを防ぐ反射防止膜が形成されているものとしてもよい。
また、本出願に係る他の発明は、上記発明に係る光変調素子と、前記入射面にレーザー光を入射させる光源と、前記入射面にレーザー光を入射させる光源と、前記光変調素子を通り抜けてきたレーザー光の偏光の変化を電気信号に変換する変換手段と、を備えることを特徴とする電界センサである。
本発明によれば、電気光学効果を生じる化合物半導体単結晶を用いた光変調素子において、化合物半導体単結晶に入射する外光を低減することができる。
その結果、化合物半導体単結晶内でのキャリアの発生が抑えられ、低周波数帯域における電界検出感度の低下を防ぐことができる。
その結果、化合物半導体単結晶内でのキャリアの発生が抑えられ、低周波数帯域における電界検出感度の低下を防ぐことができる。
＜第一実施形態＞
以下、図１，２を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。
以下、図１，２を参照して、本発明の第一実施形態について説明する。
（電界センサ・光変調素子の構成）
まず、本実施形態に係る電界センサの概略構成、およびこの電界センサが備える光変調素子の具体的構成について説明する。図１は本実施形態に係る電界センサ１の概略構成を示すブロック図、図２は本実施形態に係る光変調素子２３をその端面（後述する端面遮蔽材２５の表面）と直交する面）で切断したときの断面図である。
まず、本実施形態に係る電界センサの概略構成、およびこの電界センサが備える光変調素子の具体的構成について説明する。図１は本実施形態に係る電界センサ１の概略構成を示すブロック図、図２は本実施形態に係る光変調素子２３をその端面（後述する端面遮蔽材２５の表面）と直交する面）で切断したときの断面図である。
本実施形態の電界センサ１は、反射型となっており、図１に示したように、レーザー装置１０と、プローブ２０と、光ファイバー３０と、で構成されている。
レーザー装置１０は、光源１１と、方向性結合器１２と、偏波コントローラ１３と、偏光検出光学部１４と、光電気変換部１５と、信号処理部１６と、図示しない出入力端子と、で構成されている。
光源１１は、所定波長のレーザー光Ｌ（例えば、後述する電気光学結晶２４としてＺｎＴｅやＣｄＴｅを用いる場合には、これらの基礎吸収端（エネルギーギャップ）に相当する波長よりも長い波長（７８０ｎｍ、８５０ｎｍ、１３１０ｎｍ、１５５０ｎｍ等）の赤外線レーザー）を生成・出射することが可能に構成されている。
方向性結合器１２は、光源１１から入射したレーザー光Ｌを偏波コントローラ１３に出射するとともに、偏波コントローラ１３から入射したレーザー光Ｌを偏光検出光学部１４に出射するように構成されている。
偏波コントローラ１３は、方向性結合器１２から入射したレーザー光Ｌの偏光を、最大の信号雑音（ＳＮ）比が得られるように調節し、出入力端子（光ファイバー３０）に出射するとともに、出入力端子（光ファイバー３０）から入射したレーザー光Ｌを方向性結合器１２に出射するように構成されている。
方向性結合器１２は、光源１１から入射したレーザー光Ｌを偏波コントローラ１３に出射するとともに、偏波コントローラ１３から入射したレーザー光Ｌを偏光検出光学部１４に出射するように構成されている。
偏波コントローラ１３は、方向性結合器１２から入射したレーザー光Ｌの偏光を、最大の信号雑音（ＳＮ）比が得られるように調節し、出入力端子（光ファイバー３０）に出射するとともに、出入力端子（光ファイバー３０）から入射したレーザー光Ｌを方向性結合器１２に出射するように構成されている。
偏光検出光学部１４は、方向性結合器１２から入射したレーザー光Ｌの偏光状態が、光源１１で生成されたレーザー光Ｌの偏光状態と異なっている場合に、その偏光の変化を光強度の変化に変換し、光電気変換部１５に出力するよう構成されている。
光電気変換部１５は、偏光検出光学部１４から入力された光強度変化を電気信号に変換し、信号処理部１６に出力するように構成されている。
つまり、偏光検出光学部１４および光電気変換部１５は、光変調素子を通り抜けてきたレーザー光の偏光の変化を電気信号に変換する変換手段として機能するものである。
信号処理部１６は、増幅器、フィルタ等で構成され、光電気変換部１５から入力された電気信号の中から所望の信号だけを抽出・増幅するように構成されている。
光電気変換部１５は、偏光検出光学部１４から入力された光強度変化を電気信号に変換し、信号処理部１６に出力するように構成されている。
つまり、偏光検出光学部１４および光電気変換部１５は、光変調素子を通り抜けてきたレーザー光の偏光の変化を電気信号に変換する変換手段として機能するものである。
信号処理部１６は、増幅器、フィルタ等で構成され、光電気変換部１５から入力された電気信号の中から所望の信号だけを抽出・増幅するように構成されている。
プローブ２０は、レンズ２１と、波長板２２と、光変調素子２３と、これらが収納される図示しないケースと、で構成されている。
ケースの一端部には接続口が形成されている。
ケースの一端部には接続口が形成されている。
レンズ２１は、ケースの接続口の近傍に、その光軸が接続口を通るように配置されている。そして、当該接続口（光ファイバー３０）から入射したレーザー光Ｌを、平行光（コリメート光）の状態で進むように屈折させるようになっている。
波長板２２は、レンズ２１よりもケースの奥に、その入射面がレンズ２１の光軸と直交するように配置されている。そして、レンズ２１から入射したレーザー光Ｌの偏光を、最大のＳＮ比が得られるように調節するようになっている。
波長板２２は、レンズ２１よりもケースの奥に、その入射面がレンズ２１の光軸と直交するように配置されている。そして、レンズ２１から入射したレーザー光Ｌの偏光を、最大のＳＮ比が得られるように調節するようになっている。
光変調素子２３は、波長板２２よりもケースの奥に、その端面がレンズ２１の光軸と直交するように配置されている。
この光変調素子２３は、図２に示したように、電気光学結晶２４と、端面遮蔽材２５と、側面遮蔽材２６と、ミラー２７と、を備えている。
この光変調素子２３は、図２に示したように、電気光学結晶２４と、端面遮蔽材２５と、側面遮蔽材２６と、ミラー２７と、を備えている。
電気光学結晶２４は、テルル化亜鉛（ＺｎＴｅ）やテルル化カドミウム（ＣｄＴｅ）等、比較的大きなＥＯ効果（ポッケルス効果）を生じる化合物半導体単結晶で円柱状または角柱状に形成されている。電気光学結晶２４の両端面２４ａ，２４ｂは、当該電気光学結晶２４の主軸の延長線上に位置し、当該主軸に対し直交する平面となっている。また、電気光学結晶の側面２４ｃは、主軸と平行に延設されている。
端面遮蔽材２５は、電気光学結晶２４の一方の端面２４ａ（入射面）に、当該端面２４ａ全体を均等な厚さで覆うように形成され、当該端面２４ａへと向かう光のうち特定の波長の光、より具体的には、レーザー装置１０が生成したレーザー光Ｌと同じ波長の光だけを透過させるようになっている。すなわち、端面遮蔽材２５は、レーザー光Ｌ以外の光が電気光学結晶２４の入射面に入射するのを制限する入射制限手段として機能するものである。
端面遮蔽材２５の具体的な構成の仕方としては、例えば、アクリル酸エステルあるいはメタクリル酸エステルの重合体であって、誘電率が低く、透明性の高い非晶質の合成樹脂に着色を施したアクリル板、またはダイクロイックミラーを、端面２４ａの形状に切り取って当該端面２４ａに貼り付ける方法や、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３からなる低屈折率膜と、ＴｉＯ２やＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｔａ２Ｏ５からなる高屈折率膜と、を端面２４ａに積層することにより、波長選択性を有する誘電体多層膜を構成する方法等がある。膜の形成は、蒸着、スパッタリング、液状にした材料を塗布する等、何でもよい。
上述したように、電気光学結晶２４の一方の端面２４ａは主軸と直交しており、端面遮蔽材２５の厚さは全体的に均等なので、端面遮蔽材２５の表面と直交するように入射した光は、端面遮蔽材２５および電気光学結晶２４内を、主軸と平行に進むことになる。
端面遮蔽材２５の具体的な構成の仕方としては、例えば、アクリル酸エステルあるいはメタクリル酸エステルの重合体であって、誘電率が低く、透明性の高い非晶質の合成樹脂に着色を施したアクリル板、またはダイクロイックミラーを、端面２４ａの形状に切り取って当該端面２４ａに貼り付ける方法や、ＳｉＯ２やＡｌ２Ｏ３からなる低屈折率膜と、ＴｉＯ２やＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｔａ２Ｏ５からなる高屈折率膜と、を端面２４ａに積層することにより、波長選択性を有する誘電体多層膜を構成する方法等がある。膜の形成は、蒸着、スパッタリング、液状にした材料を塗布する等、何でもよい。
上述したように、電気光学結晶２４の一方の端面２４ａは主軸と直交しており、端面遮蔽材２５の厚さは全体的に均等なので、端面遮蔽材２５の表面と直交するように入射した光は、端面遮蔽材２５および電気光学結晶２４内を、主軸と平行に進むことになる。
側面遮蔽材２６は、電気光学結晶２４の側面２４ｃ全体を覆うように形成されている。上述したように、側面２４ｃは主軸と平行なので、側面遮蔽材２６も主軸と平行に延設されていることになる。側面遮蔽材２６には、高い遮光性を有するとともに誘電率の低い材料を用いることが好ましいが、外光はさまざまな波長の成分からなり、レーザー光Ｌと同じ波長の成分はごくわずかであるため、一部の光を通す、すなわち、端面遮蔽材２５で用いた着色したアクリル板、ダイクロイックミラー、誘電体多層膜で形成しても差し支えない。特に、着色されたアクリル板は安価であるため、装置の設計コストを下げる点で有利である。一方、誘電体多層膜は、端面遮蔽材２５と同時に一体的に製膜することができるので、製造工程を簡略化できるという利点がある。
ミラー２７は、レーザー光Ｌを反射するためのもので、例えば、銀、銀合金等の金属や、反射率が高く誘電率が比較的低い誘電体等によって、電気光学結晶２４の他方の端面２４ｂに、当該端面２４ｂ全体を覆うように形成されている。ミラー２７の具体的な形成の仕方としては、端面２４ｂに、金属を蒸着、めっき或いはスパッタする方法や、金属や誘電体を端面２４ｂと同形の板状に形成して端面２４ｂに貼り付ける方法等がある。
電気光学結晶２４の他方の端面２４ｂは主軸と直交しているので、電気光学結晶２４内を主軸と平行に進んできた光は、ミラー２７によって１８０°逆の方向へと反射されることになる。
電気光学結晶２４の他方の端面２４ｂは主軸と直交しているので、電気光学結晶２４内を主軸と平行に進んできた光は、ミラー２７によって１８０°逆の方向へと反射されることになる。
光ファイバー３０は、一方の端子がレーザー装置１０の出入力端子に接続され、他方の端子がプローブ２０のケースの接続口に接続されている。そして、レーザー装置１０から入射したレーザー光Ｌを、プローブ２０へ出射するとともに、プローブ２０から入射したレーザー光Ｌを、レーザー装置１０へと出射するようになっている。
（電界センサの動作）
このように構成された電界センサ１において、レーザー装置１０の電源スイッチをオンにすると、所定波長のレーザー光Ｌが生成され、光ファイバー３０を介してプローブ２０へと入射する。プローブ２０内に入射したレーザー光Ｌは、端面遮蔽材２５を通過し、電気光学結晶２４内を主軸と平行に他端に向かって直進し、ミラー２７で反射される。反射されたレーザー光Ｌは、主軸と平行に直進し、端面遮蔽材２５を通過し、プローブ２０から出射される。出射されたレーザー光Ｌは、光ファイバー３０を介してレーザー装置１０へと入射し、方向性結合器１２で方向を変えられ、偏光検出光学部１４へと入射する。こうして、電界センサ１は電界を検出可能な状態となる。
このように構成された電界センサ１において、レーザー装置１０の電源スイッチをオンにすると、所定波長のレーザー光Ｌが生成され、光ファイバー３０を介してプローブ２０へと入射する。プローブ２０内に入射したレーザー光Ｌは、端面遮蔽材２５を通過し、電気光学結晶２４内を主軸と平行に他端に向かって直進し、ミラー２７で反射される。反射されたレーザー光Ｌは、主軸と平行に直進し、端面遮蔽材２５を通過し、プローブ２０から出射される。出射されたレーザー光Ｌは、光ファイバー３０を介してレーザー装置１０へと入射し、方向性結合器１２で方向を変えられ、偏光検出光学部１４へと入射する。こうして、電界センサ１は電界を検出可能な状態となる。
この状態となったプローブ２０にまだ電界が作用していなければ、レーザー装置１０から出力されるレーザー光Ｌの偏光状態と、レーザー装置１０に入力されるレーザー光Ｌの偏光状態とは等しいため、偏光検出光学部１４は作動せず、光電気変換部１５は電気信号を出力しない。
一方、この状態となったプローブ２０を、例えば、通電中の電気回路等に近づけると、電気光学結晶２４が、回路から生じている電界により屈折率を変化させる。この屈折率が変化した電気光学結晶２４内をレーザー光Ｌが通過するとレーザー光Ｌの偏光が変化する。この偏光変化が偏光検出光学部１４で光の強度変化に変換され、更にその光強度変化が光電気変換部１５で電気信号に変換される。この段階では電気信号に雑音が含まれる上に、電気信号自体が非常に小さいが、信号処理部１６で所望の電気信号が抽出され、更にそれが増幅される。こうして、電気光学結晶２４に結合した電界が検出される。
一方、この状態となったプローブ２０を、例えば、通電中の電気回路等に近づけると、電気光学結晶２４が、回路から生じている電界により屈折率を変化させる。この屈折率が変化した電気光学結晶２４内をレーザー光Ｌが通過するとレーザー光Ｌの偏光が変化する。この偏光変化が偏光検出光学部１４で光の強度変化に変換され、更にその光強度変化が光電気変換部１５で電気信号に変換される。この段階では電気信号に雑音が含まれる上に、電気信号自体が非常に小さいが、信号処理部１６で所望の電気信号が抽出され、更にそれが増幅される。こうして、電気光学結晶２４に結合した電界が検出される。
プローブ２０のケースは、光ファイバー３０の接続口の存在等、その構造上外光の侵入を完全に防ぐことが困難である。しかし、本実施形態の光変調素子２３は、電気光学結晶２４の側面２４ｃ全体が側面遮蔽材２６で覆われるとともに、他方の端面２４ｂ全体がミラー２７で覆われており、一方の端面２４ａは、端面遮蔽材２５によってレーザー光Ｌと同じ波長の光しか入射できないようになっている。このため、従来の光変調素子に比べ、電気光学結晶２４に入射する外光を大幅に低減することができる。その結果、電気光学結晶２４内に余計なキャリアが生成しないので、低周波の電界を確実に検出することができる。
＜第二実施形態＞
次に、図１，３を参照して、本発明の第二実施形態について説明する。なお、ここでは、第一実施形態と相違する点のみ説明する。
次に、図１，３を参照して、本発明の第二実施形態について説明する。なお、ここでは、第一実施形態と相違する点のみ説明する。
図３は本実施形態に係る光変調素子２３Ａを主軸延長方向に沿って切断したときの断面図である。本実施形態の電界センサ１Ａは、光変調素子２３Ａにおける主軸の延長方向一端部の構造が第一実施形態と異なっている。
具体的には、第一実施形態の光変調素子２３は、電気光学結晶２４の一方の端面２４ａにダイクロイックミラーである端面遮蔽材２５を備えていたが、本実施形態の光変調素子２３Ａは、図３に示したようにこれを有しておらず、当該端面２４ａに反射防止（ＡＲ）コーティング２８が施され、その上から更に、端面２４ａと略等しい輪郭をなし、中心部に、レンズ２１および波長板２２を通過してきたレーザー光Ｌの幅と略同じ径のピンホール２９ａが厚さ方向に貫通するように形成された遮蔽板２９によって覆われている。なお、この遮蔽板２９は、誘電率が低く、高い遮光性を有する材料で形成されていることが好ましいが、一部の光を通す、すなわち、端面遮蔽材２５や側面遮蔽材２６で用いた着色されたアクリル板や、ダイクロイックミラー、誘電体多層膜等で形成してもよい。
具体的には、第一実施形態の光変調素子２３は、電気光学結晶２４の一方の端面２４ａにダイクロイックミラーである端面遮蔽材２５を備えていたが、本実施形態の光変調素子２３Ａは、図３に示したようにこれを有しておらず、当該端面２４ａに反射防止（ＡＲ）コーティング２８が施され、その上から更に、端面２４ａと略等しい輪郭をなし、中心部に、レンズ２１および波長板２２を通過してきたレーザー光Ｌの幅と略同じ径のピンホール２９ａが厚さ方向に貫通するように形成された遮蔽板２９によって覆われている。なお、この遮蔽板２９は、誘電率が低く、高い遮光性を有する材料で形成されていることが好ましいが、一部の光を通す、すなわち、端面遮蔽材２５や側面遮蔽材２６で用いた着色されたアクリル板や、ダイクロイックミラー、誘電体多層膜等で形成してもよい。
本実施形態の光変調素子２３Ａは、このように構成されているため、ケースから入ってきた外光のうち、ピンホール２９ａに向かわないものを遮断することができる。つまり、本実施形態においては、遮蔽板２９が入射制限手段ということになる。このため、従来の光変調素子に比べ、電気光学結晶２４に入射する外光を大幅に低減することができる。その結果、電気光学結晶２４内に余計なキャリアが生成しないので、低周波の電界を確実に検出することができる。
＜第三実施形態＞
次に、図１，４を参照して、本発明の第三実施形態について説明する。なお、ここでは、第一実施形態と相違する点のみ説明する。
次に、図１，４を参照して、本発明の第三実施形態について説明する。なお、ここでは、第一実施形態と相違する点のみ説明する。
図４は本実施形態に係る光変調素子２３Ｂを主軸延長方向に沿って切断したときの断面図である。本実施形態の電界センサ１Ｂは、光変調素子２３Ｂにおける主軸の延長方向一端部の構造が第一実施形態と異なっている。
具体的には、第一実施形態の光変調素子２３は、電気光学結晶２４の一方の端面２４ａに端面遮蔽材２５を備えていたが、本実施形態の光変調素子２３Ｂは、図４に示したようにこれを有しておらず、当該端面２４ａにＡＲコーティング２８が施されるとともに、側面遮蔽材２６Ｂの一端部が、一方の端面２４ａを超えて主軸の延長方向（レーザー光Ｌが入射してくる方向）に向かうように延長されている。
具体的には、第一実施形態の光変調素子２３は、電気光学結晶２４の一方の端面２４ａに端面遮蔽材２５を備えていたが、本実施形態の光変調素子２３Ｂは、図４に示したようにこれを有しておらず、当該端面２４ａにＡＲコーティング２８が施されるとともに、側面遮蔽材２６Ｂの一端部が、一方の端面２４ａを超えて主軸の延長方向（レーザー光Ｌが入射してくる方向）に向かうように延長されている。
本実施形態の光変調素子２３Ｂは、このように構成されているため、側面遮蔽材２６Ｂの一端部の延長方向に対し角度を成して入ってくる外光を遮断することができる。つまり、本実施形態においては、側面遮蔽材２６Ｂの一端部（電気光学結晶２４の側面２４ｃと接していない部位）が入射制限手段ということになる。このため、従来の光変調素子に比べ、電気光学結晶２４に入射する外光を大幅に低減することができる。その結果、電気光学結晶２４内に余計なキャリアが生成しないので、低周波の電界を確実に検出することができる。
なお、図５に示すように、上述した本実施形態の光変調素子２３ＢのＡＲコーティング２８の表面に、第二実施形態で用いた遮蔽板２９を貼り付けた光変調素子２３Ｃとしてもよい。
このようにすれば、電気光学結晶２４に入射する外光を上述した光変調素子２３Ａ，２３Ｂよりも低減することができる。
このようにすれば、電気光学結晶２４に入射する外光を上述した光変調素子２３Ａ，２３Ｂよりも低減することができる。
＜第四実施形態＞
次に、図６，７を参照して、本発明の第四実施形態について説明する。なお、ここでは、第一実施形態と相違する点のみ説明する。
次に、図６，７を参照して、本発明の第四実施形態について説明する。なお、ここでは、第一実施形態と相違する点のみ説明する。
（電界センサ・光変調素子の構成）
まず、本実施形態に係る電界センサの概略構成、およびこの電界センサが備える光変調素子の具体的構成について説明する。図６は本実施形態に係る電界センサ１Ｄの概略構成を示すブロック図、図７は本実施形態に係る光変調素子２３Ｄを主軸延長方向に沿って切断したときの断面図である。
まず、本実施形態に係る電界センサの概略構成、およびこの電界センサが備える光変調素子の具体的構成について説明する。図６は本実施形態に係る電界センサ１Ｄの概略構成を示すブロック図、図７は本実施形態に係る光変調素子２３Ｄを主軸延長方向に沿って切断したときの断面図である。
本実施形態の電界センサ１Ｄは、透過型となっており、図６に示したように、レーザー装置１０Ｄと、プローブ２０Ｄと、２本の光ファイバー３０，３０Ｄと、で構成されている。
本実施形態のレーザー装置１０Ｄは、第一実施形態の方向性結合器に相当する構成を有していない。また、本実施形態のレーザー装置１０Ｄは、出力端子と入力端子が分かれている。
また、本実施形態の偏波コントローラ１３は、光源１１に直接接続され、光源１１から入射したレーザー光Ｌの偏光を調節し、出力端子へ出射するように構成されている。
また、本実施形態の偏光検出光学部１４は、入力端子に接続されている。
また、本実施形態の偏波コントローラ１３は、光源１１に直接接続され、光源１１から入射したレーザー光Ｌの偏光を調節し、出力端子へ出射するように構成されている。
また、本実施形態の偏光検出光学部１４は、入力端子に接続されている。
本実施形態のプローブ２０Ｄは、二つのレンズ２１，２１Ｄと、波長板２２と、光変調素子２３Ｄと、これらが収納される図示しないケースと、で構成されている。
ケースの両端部には接続口がそれぞれ形成されている。
ケースの両端部には接続口がそれぞれ形成されている。
二つのレンズ２１のうち一方のレンズ２１は、ケースの一方の接続口の近傍に、第一実施形態と同様に配置されている。そして、当該一方の接続口（光ファイバー３０）から入射したレーザー光Ｌを、平行光の状態で進むように屈折させるようになっている。
また、二つのレンズ２１のうち他方のレンズ２１Ｄは、ケースの他方の接続口の近傍に、その光軸が他方の接続口を通るように配置されている。そして、光変調素子２３Ｄの他端から出射したレーザー光Ｌを他方の接続口に収束するように屈折させるようになっている。
また、二つのレンズ２１のうち他方のレンズ２１Ｄは、ケースの他方の接続口の近傍に、その光軸が他方の接続口を通るように配置されている。そして、光変調素子２３Ｄの他端から出射したレーザー光Ｌを他方の接続口に収束するように屈折させるようになっている。
第一実施形態の光変調素子２３は、電気光学結晶２４の他方の端面２４ｂにミラー２７を備えていたが、本実施形態の光変調素子２３Ｄは、図７に示したようにこれを有しておらず、一方の端面２４ａ側と同様の構成となっている。すなわち、本実施形態の光変調素子２３Ｄは、他方の端面２４ｂに、一方の端面２４ａ側と同様の端面遮蔽材２５Ｄを備えている。
二本の光ファイバー３０のうちの一方の光ファイバー３０は、一方の端子がレーザー装置１０Ｄの出力端子に接続され、他方の端子がプローブ２０Ｄのケースの一方の接続口に接続されている。そして、レーザー装置１０Ｄから出射されたレーザー光Ｌを、プローブ２０へ出射するようになっている。
また、他方の光ファイバー３０Ｄは、一方の端子がプローブ２０Ｄのケースの他方の接続口に接続され、他方の端子がレーザー装置１０Ｄの入力端子に接続されている。そして、プローブ２０から出射されたレーザー光Ｌを、レーザー装置１０Ｄに入射させるようになっている。
また、他方の光ファイバー３０Ｄは、一方の端子がプローブ２０Ｄのケースの他方の接続口に接続され、他方の端子がレーザー装置１０Ｄの入力端子に接続されている。そして、プローブ２０から出射されたレーザー光Ｌを、レーザー装置１０Ｄに入射させるようになっている。
（電界センサの動作）
このように構成された電界センサ１Ｄにおいて、レーザー装置１０Ｄの電源スイッチをオンにすると、所定波長のレーザー光Ｌが生成され、光ファイバー３０を介してプローブ２０へと入射する。プローブ２０内に入射したレーザー光Ｌは、一端側の端面遮蔽材２５を通過し、電気光学結晶２４内を主軸と平行に他端に向かって直進する。そして、他端側の端面遮蔽材２５Ｄを通過し、プローブ２０Ｄから出射される。出射されたレーザー光Ｌは、光ファイバー３０Ｄを介してレーザー装置１０Ｄへと入射する。こうして、電界センサ１Ｄは電界を検出可能な状態となる。電界を検出する原理は、第一実施形態と同様である。
このように構成された電界センサ１Ｄにおいて、レーザー装置１０Ｄの電源スイッチをオンにすると、所定波長のレーザー光Ｌが生成され、光ファイバー３０を介してプローブ２０へと入射する。プローブ２０内に入射したレーザー光Ｌは、一端側の端面遮蔽材２５を通過し、電気光学結晶２４内を主軸と平行に他端に向かって直進する。そして、他端側の端面遮蔽材２５Ｄを通過し、プローブ２０Ｄから出射される。出射されたレーザー光Ｌは、光ファイバー３０Ｄを介してレーザー装置１０Ｄへと入射する。こうして、電界センサ１Ｄは電界を検出可能な状態となる。電界を検出する原理は、第一実施形態と同様である。
プローブ２０Ｄのケースは、第一実施形態よりも接続口が増える分、外光の侵入を防ぐことがより困難になる。しかし、本実施形態の光変調素子２３Ｄは、電気光学結晶２４の側面２４ｃ全体が側面遮蔽材２６で覆われるとともに、両端面２４ａ，２４ｂ全体が、端面遮蔽材２５，２５Ｄによってレーザー光Ｌと同じ波長の光しか入射できないようになっている。このため、第一実施形態の光変調素子２３と同様に、電気光学結晶２４に入射する外光を大幅に低減することができる。その結果、電気光学結晶２４内に余計なキャリアが生成しないので、低周波の電界を確実に検出することができる。
＜第五実施形態＞
次に、図６，８を参照して、本発明の第五実施形態について説明する。なお、ここでは、第四実施形態と相違する点のみ説明する。
次に、図６，８を参照して、本発明の第五実施形態について説明する。なお、ここでは、第四実施形態と相違する点のみ説明する。
図８は本実施形態に係る光変調素子２３Ｅを主軸延長方向に沿って切断したときの断面図である。本実施形態の電界センサ１Ｅは、光変調素子２３Ｅの主軸の延長方向両端部の構造が第四実施形態と異なっている。
具体的には、第四実施形態の光変調素子２３Ｄは、電気光学結晶２４の両端面２４ａ，２４ｂに端面遮蔽材２５，２５Ｄをそれぞれ備えていたが、本実施形態の光変調素子２３Ｅは、図８に示したようにこれらを有しておらず、両端面２４ａ，２４ｂにそれぞれＡＲコーティング２８が施され、それらの上から更に、端面２４ａ，２４ｂと略等しい輪郭をなし、中心部にレーザー光Ｌの幅と略同じ径のピンホール２９ａが厚さ方向に貫通するように形成された遮蔽板２９によって覆われている。
具体的には、第四実施形態の光変調素子２３Ｄは、電気光学結晶２４の両端面２４ａ，２４ｂに端面遮蔽材２５，２５Ｄをそれぞれ備えていたが、本実施形態の光変調素子２３Ｅは、図８に示したようにこれらを有しておらず、両端面２４ａ，２４ｂにそれぞれＡＲコーティング２８が施され、それらの上から更に、端面２４ａ，２４ｂと略等しい輪郭をなし、中心部にレーザー光Ｌの幅と略同じ径のピンホール２９ａが厚さ方向に貫通するように形成された遮蔽板２９によって覆われている。
本実施形態の光変調素子は、このように構成されているため、ケースから入ってきた外光のうち、ピンホール２９ａに向かわないものを遮断することができる。このため、従来の光変調素子に比べ、電気光学結晶２４に入射する外光を大幅に低減することができる。その結果、電気光学結晶２４内に余計なキャリアが生成しないので、低周波の電界を確実に検出することができる。
＜第六実施形態＞
次に、図６，９を参照して、本発明の第六実施形態について説明する。なお、ここでは、第四実施形態と相違する点のみ説明する。
次に、図６，９を参照して、本発明の第六実施形態について説明する。なお、ここでは、第四実施形態と相違する点のみ説明する。
図９は本実施形態に係る光変調素子２３Ｆを主軸延長方向に沿って切断したときの断面図である。本実施形態の電界センサ１Ｆは、光変調素子２３Ｆの主軸の延長方向両端部の構造が第四実施形態と異なっている。
具体的には、第四実施形態の光変調素子２３Ｄは、電気光学結晶２４の両端面２４ａ，２４ｂに端面遮蔽材２５をそれぞれ備えていたが、本実施形態の光変調素子２３Ｆは、図９に示したようにこれらを有しておらず、両端面２４ａ，２４ｂにそれぞれＡＲコーティング２８が施されるとともに、側面２４ｃの側面遮蔽材２６Ｆの両端部が、両端面２４ａ，２４ｂを超えて主軸の延長方向に向かうようにそれぞれ延長されている。
具体的には、第四実施形態の光変調素子２３Ｄは、電気光学結晶２４の両端面２４ａ，２４ｂに端面遮蔽材２５をそれぞれ備えていたが、本実施形態の光変調素子２３Ｆは、図９に示したようにこれらを有しておらず、両端面２４ａ，２４ｂにそれぞれＡＲコーティング２８が施されるとともに、側面２４ｃの側面遮蔽材２６Ｆの両端部が、両端面２４ａ，２４ｂを超えて主軸の延長方向に向かうようにそれぞれ延長されている。
本実施形態の光変調素子２３Ｆは、このように構成されているため、側面遮蔽材２６Ｆの両端部の延長方向に対し角度を成して入ってくる外光を遮断することができる。このため、従来の光変調素子に比べ、電気光学結晶２４に入射する外光を大幅に低減することができる。その結果、電気光学結晶２４内に余計なキャリアが生成しないので、低周波の電界を確実に検出することができる。
なお、図１０に示すように、上述した本実施形態の光変調素子２３Ｆの各ＡＲコーティング２８の表面に、第五実施形態で用いた遮蔽板２９をそれぞれ貼り付けた光変調素子２３Ｇとしてもよい。
このようにすれば、電気光学結晶２４に入射する外光を上述した光変調素子２３Ｅ，２３Ｆよりも低減することができる。
このようにすれば、電気光学結晶２４に入射する外光を上述した光変調素子２３Ｅ，２３Ｆよりも低減することができる。
以上、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
例えば、上記実施形態では、光変調素子を、電界センサに用いた場合を例にしたが、本発明は、ＥＯ効果を利用する光学デバイス全般に適用することができる。
また、第一，四実施形態において、第三，六実施形態のような端部が延長された側面遮蔽材２６Ｂ，２６Ｆを併用してもよい。
例えば、上記実施形態では、光変調素子を、電界センサに用いた場合を例にしたが、本発明は、ＥＯ効果を利用する光学デバイス全般に適用することができる。
また、第一，四実施形態において、第三，六実施形態のような端部が延長された側面遮蔽材２６Ｂ，２６Ｆを併用してもよい。
１，１Ａ〜１Ｆ 電界センサ
１０，１０Ｄ レーザー装置
１１ 光源
１２ 方向性結合器
１３ 偏波コントローラ
１４ 偏光検出光学部
１５ 光電気変換部
１６ 信号処理部
２０，２０Ｄ プローブ
２１，２１Ｄ レンズ
２２ 波長板
２３，２３Ａ〜２３Ｇ 光変調素子
２４ 電気光学結晶（化合物半導体単結晶）
２４ａ 一方の端面（入射面）
２４ｂ 他方の端面
２４ｃ 側面
２５，２５Ｄ 端面遮蔽材（入射制限手段）
２６ 側面遮蔽材（遮蔽材）
２６Ｂ，２６Ｆ 側面遮蔽材（入射制限手段）
２７ ミラー
２８ ＡＲコーティング
２９ 遮蔽板（入射制限手段）
２９ａ ピンホール
３０，３０Ｄ 光ファイバー
Ｌ レーザー光
１０，１０Ｄ レーザー装置
１１ 光源
１２ 方向性結合器
１３ 偏波コントローラ
１４ 偏光検出光学部
１５ 光電気変換部
１６ 信号処理部
２０，２０Ｄ プローブ
２１，２１Ｄ レンズ
２２ 波長板
２３，２３Ａ〜２３Ｇ 光変調素子
２４ 電気光学結晶（化合物半導体単結晶）
２４ａ 一方の端面（入射面）
２４ｂ 他方の端面
２４ｃ 側面
２５，２５Ｄ 端面遮蔽材（入射制限手段）
２６ 側面遮蔽材（遮蔽材）
２６Ｂ，２６Ｆ 側面遮蔽材（入射制限手段）
２７ ミラー
２８ ＡＲコーティング
２９ 遮蔽板（入射制限手段）
２９ａ ピンホール
３０，３０Ｄ 光ファイバー
Ｌ レーザー光
Claims (6)
- 電気光学効果を生じる性質を持つ化合物半導体単結晶により入射したレーザー光を変調することが可能な光変調素子であって、
前記化合物半導体単結晶における、前記レーザー光が入射可能な入射面またはその近傍に設けられ、前記レーザー光以外の光が入射面に入射するのを制限する入射制限手段と、
遮光性を有するとともに誘電率が低い材料で形成され、前記化合物半導体単結晶における、該化合物半導体単結晶に入射した前記レーザー光の進行方向に沿って延設された面を覆う遮蔽材と、を備えることを特徴とする光変調素子。 - 前記入射制限手段は、前記レーザー光の波長と同じ波長の光のみを通すように構成され、前記入射面に貼り付けられたダイクロイックミラーであることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
- 前記入射制限手段は、厚さ方向に貫通するするとともに、前記レーザー光の幅と略等しい径のピンホールが形成され、前記入射面に貼り付けられた遮蔽板であることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
- 前記入射制限手段は、前記遮蔽材を、前記入射面を超えて前記レーザー光が入射してくる方向に向かうように延長したものであることを特徴とする請求項１に記載の光変調素子。
- 前記入射面と前記入射制限手段との間に、前記レーザー光が前記入射面において反射するのを防ぐ反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の光変調素子。
- 請求項１から５の何れか一項に記載の光変調素子と、
前記入射面にレーザー光を入射させる光源と、
前記光変調素子を通り抜けてきたレーザー光の偏光の変化を電気信号に変換する変換手段と、を備えることを特徴とする電界センサ。
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