JP6454288B2 - Electric field detector - Google Patents

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Description

本発明は、電気光学効果を利用して電界強度の測定を行う位置検出型の電界検出装置に関する。   The present invention relates to a position detection type electric field detection apparatus that measures electric field intensity using an electro-optic effect.

電界検出装置は、電気光学効果を利用して電界強度の測定を行うために用いられる。特許文献1および非特許文献1に開示された装置は、電界、磁界または/および圧力といった外界の物理量の変化に応じて光学特性が変化する光学結晶(電気光学結晶)を備えており、この結晶内に、光を入射させ、その光の偏波状態の変化に基づいて上記外界の物理量の変化を計測するように構成されている。   The electric field detection device is used for measuring the electric field intensity using the electro-optic effect. The devices disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 include an optical crystal (electro-optic crystal) whose optical characteristics change according to changes in an external physical quantity such as an electric field, a magnetic field, and / or pressure. The light is incident on the inside, and the change in the physical quantity of the outside world is measured based on the change in the polarization state of the light.

また、特許文献2に開示されたシステムは、プローブ光を伝送する偏波保持ファイバと、1/4波長板と、反射手段を有する光学結晶(電気光学結晶)と、サーキュレータと、ビームスプリッターとを備える。このシステムでは、偏波保持ファイバを通過した光は、1/4波長板を介して、光学結晶に入射した後、反射手段によって反射した戻り光は、入射時と同じ経路を通って、サーキュレータおよびビームスプリッタを介して検出される。   Further, the system disclosed in Patent Document 2 includes a polarization maintaining fiber that transmits probe light, a quarter-wave plate, an optical crystal (electro-optical crystal) having a reflecting means, a circulator, and a beam splitter. Prepare. In this system, the light passing through the polarization maintaining fiber enters the optical crystal through the quarter-wave plate, and then the return light reflected by the reflecting means passes through the same path as that at the time of incidence, It is detected via a beam splitter.

特許第4875835号公報Japanese Patent No. 4875835 特開2010−14579号公報JP 2010-14579 A

都甲他2名、「より正確な電界計測を可能にする電気光学プローブ」、NTT技術ジャーナル、2006年6月、第21−24頁Toko et al., “An electro-optic probe that enables more accurate electric field measurement”, NTT Technical Journal, June 2006, pp. 21-24

上述した装置およびシステムは、金属材料を用いずに構成することが可能であり、測定したい電界または/および磁界の乱れを防止して電界強度を検出することできる。しかしながら、外気温度の変動に対する対策が不十分であるという問題があった。以下、詳細に説明する。   The above-described apparatus and system can be configured without using a metal material, and can prevent electric field or / and magnetic field disturbance to be measured and detect electric field strength. However, there is a problem that measures against fluctuations in the outside air temperature are insufficient. Details will be described below.

光学結晶(電気光学結晶)では、光学結晶に印可される電界により屈折率が変化する。この光学結晶に、特定の偏波状態で光が入射すると、印加された電界強度に応じて、結晶の複屈折率が変化するため、結晶内を通過する光の偏波状態は変化する。この様子は、非特許文献1の図2に模式的に示してある。このような、外部電界による偏波状態の変化は極めて小さいため、偏波状態の観測には極めて高い感度で行う必要がある。もし、そのようにしなければ、ほぼ同じ形状の偏波状態しか観測できない。   In an optical crystal (electro-optic crystal), the refractive index changes depending on the electric field applied to the optical crystal. When light is incident on this optical crystal in a specific polarization state, the birefringence of the crystal changes according to the applied electric field strength, so the polarization state of the light passing through the crystal changes. This state is schematically shown in FIG. Since the change in the polarization state due to the external electric field is extremely small, it is necessary to observe the polarization state with extremely high sensitivity. If this is not done, only the polarization state of almost the same shape can be observed.

下記表は、電気光学結晶の代表的な材料であるInPおよびZnTeの物理定数より、波長λ=1.55μm、および長さL=4000μmの結晶を通過したときの光の位相変化量の計算結果を示してある。   The following table shows the calculation results of the amount of phase change of light when passing through a crystal with wavelength λ = 1.55 μm and length L = 4000 μm from the physical constants of InP and ZnTe, which are representative materials of electro-optic crystals. It is shown.

なお、下記表では、比較のため、電気光学効果を持たない光ファイバの材料である石英(Silica)についての計算結果も示してある。   In the table below, for comparison, the calculation results for quartz (Silica), which is an optical fiber material having no electro-optic effect, are also shown.

Figure 0006454288
Figure 0006454288

上記表において、n0=電界がないときの屈折率、Δφ=(2π/λ)・Δn・L、Δn(E)=(1/2)・n 3・r・E、Δn(T)=(dn/dT)・T、λ=1.55μm、L=4000μmとする。 In the above table, n0 = refractive index when there is no electric field, Δφ = (2π / λ) · Δn · L, Δn (E) = (1/2) · n 0 3 · r · E, Δn (T) = (dn / dT) · T, λ = 1.55 μm, L = 4000 μm.

上記表において、InP結晶の場合、電気光学効果(ポッケルス効果)の係数は、1.3pm/Vである。3V/mの電界強度がある電界の中に、光学結晶を設けた場合を考えると、位相は、電界が無い場合に比べて、1×10-6[rad] 変化することになる。同様に、ZnTe結晶を用いても、位相は2倍程度に大きくなるが、それでも、位相の桁数は、InP結晶の場合と同じで、位相は1.9×10-6[rad]となる。2つの位相差は極めて小さく、これらの偏波状態をみた場合も、この位相変化に対応する偏波状態の違いを検出する必要がある。 In the above table, in the case of InP crystal, the coefficient of the electro-optic effect (Pockels effect) is 1.3 pm / V. Considering the case where an optical crystal is provided in an electric field having an electric field strength of 3 V / m, the phase changes by 1 × 10 −6 [rad] compared to the case where there is no electric field. Similarly, even if a ZnTe crystal is used, the phase is about twice as large, but the number of phase digits is still the same as in the case of InP crystal and the phase is 1.9 × 10 −6 [rad]. The two phase differences are extremely small, and even when these polarization states are viewed, it is necessary to detect the difference in polarization state corresponding to this phase change.

一方、光学結晶が設けられる外気温度が、1℃変化した場合、InPでは位相は1.3[rad]、ZnTeでは2.6[rad]変化する。この量は、上述した電界効果により変化する場合に比べて、6桁大きい。このように、位相変化の変動は、結晶の複屈折率の温度の依存性により大きいと考えられる。屈折率には異方性があり、これが偏波の変化量にも少なくとも影響を及ぼす。   On the other hand, when the outside air temperature at which the optical crystal is provided changes by 1 ° C., the phase changes 1.3 [rad] in InP and 2.6 [rad] in ZnTe. This amount is six orders of magnitude greater than when changing due to the field effect described above. Thus, the variation in phase change is considered to be greater due to the temperature dependence of the birefringence of the crystal. The refractive index has anisotropy, which at least affects the amount of change in polarization.

また、結晶材の熱膨張係数により、結晶の長さが温度変化により変わるため、結晶内の偏波状態が変化することになる。InPの線熱膨張係数は、4.60×10-6程度のため、一辺の長さが4×10-3m(4mm)の結晶でも1℃変化すると、18×10-9m(18nm)の長さが変化する。InPの屈折率は、3.16程度であるので、真空中で18nmの長さは、結晶中では56nmの長さに相当する。1.55μm(1550nm)の光から見ると、0.23[rad]の位相変化が結晶の出力側で起こることになる。 In addition, because the crystal length changes with temperature change due to the thermal expansion coefficient of the crystal material, the polarization state in the crystal changes. Since the linear thermal expansion coefficient of InP is about 4.60 × 10 −6 , even if the length of a side is 4 × 10 −3 m (4 mm), if it changes by 1 ° C., the length is 18 × 10 −9 m (18 nm) Changes. Since the refractive index of InP is about 3.16, the length of 18 nm in vacuum corresponds to the length of 56 nm in the crystal. When viewed from 1.55 μm (1550 nm) light, a phase change of 0.23 [rad] occurs on the output side of the crystal.

つまり、上記考察のように、外部電界の変化により誘起される位相の変化(偏波状態の変化)に比べて、外気温の変化による位相の変化(偏波状態の変化)は、桁違いに大きいものになることがわかる。   In other words, as discussed above, the phase change (polarization state change) due to changes in the outside air temperature is orders of magnitude higher than the phase change (polarization state change) induced by changes in the external electric field. It turns out that it becomes big.

また、偏波保持ファイバとはいうものの、外部から加わる応力が変化すると、その偏波状態もまた変化する。非特許文献1に示されているとおり、フェルール内で、ファイバは、接着剤等を用いて固定されるが、これらの固定時に、仮に接着剤が不均一に付いたりすると、温度が変化したときに、その不均一部分での接着剤の応力値が変わる。そのため、結晶に入射される光の偏波状態も変化し、結果、電界変動による偏波状態の変化を検出する以前に、入力状態も変化し得ることになる。   Moreover, although it is a polarization maintaining fiber, when the stress applied from the outside changes, the polarization state also changes. As shown in Non-Patent Document 1, the fiber is fixed using an adhesive or the like in the ferrule, but if the adhesive is unevenly attached at the time of fixing, the temperature changes. Further, the stress value of the adhesive in the non-uniform portion changes. For this reason, the polarization state of the light incident on the crystal also changes, and as a result, the input state can also change before the change in the polarization state due to the electric field fluctuation is detected.

このような状態の下で特定の周波数の変化のみを検出する手法として、例えば、ロックイン検波をすることにより、外気温度の変動信号中、特定の電界変化による光の位相または偏波状態の変化を検出することは可能であるが、上記のように、外気温の変化により変化する量の極めて一部から、該当信号を取り出すことになる。   As a method for detecting only a change in a specific frequency under such a condition, for example, by performing lock-in detection, a change in light phase or polarization state due to a specific electric field change in an outside temperature fluctuation signal. However, as described above, the corresponding signal is extracted from an extremely part of the amount that changes due to the change in the outside air temperature.

本発明は、このような状況下において鑑みてなされたものであり、測定時の温度が変化しても安定した測定を高精度に行うことができる電界検出装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such a situation, and an object of the present invention is to provide an electric field detection device capable of performing stable measurement with high accuracy even if the temperature during measurement changes.

上記の課題を解決するため、本発明は、入力導波路と、出力導波路と、前記入力導波路と前記出力導波路との間に設けられた複数のアーム導波路と、前記アーム導波路の各々の光路に対応して設けられ、各光路を伝搬する光信号を入射して反射させる複数の電気光学結晶とを含み、前記複数の電気光学結晶の各々は、電界の印加方向に対して垂直となる結晶面に光信号が入射し、かつ温度に対する屈折率の変化が生じないように予め結晶の向きが異なるように配置されている。   In order to solve the above problems, the present invention provides an input waveguide, an output waveguide, a plurality of arm waveguides provided between the input waveguide and the output waveguide, A plurality of electro-optic crystals that are provided corresponding to the respective optical paths and receive and reflect optical signals propagating through the respective optical paths, each of the plurality of electro-optic crystals being perpendicular to the direction of application of the electric field The crystal orientation is different in advance so that an optical signal is incident on the crystal plane and the refractive index does not change with temperature.

ここで、前記電界検出装置は、平面光波回路で構成されており、前記複数の電気光学結晶は、前記平面光波回路の同一辺に形成されるようにしてもよい。   Here, the electric field detection device may be configured by a planar lightwave circuit, and the plurality of electro-optic crystals may be formed on the same side of the planar lightwave circuit.

前記複数のアーム導波路のうちのいずれかは、位相差が設けられた溝が形成され、前記溝には、屈折率の温度依存性の係数が負となる材料で充填されるようにしてもよい。   Any one of the plurality of arm waveguides may be provided with a groove having a phase difference, and the groove may be filled with a material having a negative temperature dependency coefficient of refractive index. Good.

本発明は、前記複数の電気光学結晶の各々と光結合された複数のレンズをさらに含むようにしてもよい。   The present invention may further include a plurality of lenses optically coupled to each of the plurality of electro-optic crystals.

本発明は、前記レンズを調芯するための導波路をさらに含むようにしてもよい。   The present invention may further include a waveguide for aligning the lens.

本発明によれば、測定時の温度が変化しても安定した測定を高精度に行うことができる。   According to the present invention, stable measurement can be performed with high accuracy even when the temperature during measurement changes.

実施形態の電界検出装置に関連して事前に作製された電界検出装置の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the electric field detection apparatus produced in advance in relation to the electric field detection apparatus of embodiment. 図1の電界検出装置において、第1アーム導波路からの光が、電気光学結晶に入射して結晶端面で反射して第3アーム導波路へ伝搬していく様子を示す図である。In the electric field detection device of FIG. 1, the light from the first arm waveguide is incident on the electro-optic crystal, reflected from the crystal end face, and propagated to the third arm waveguide. 電気光学結晶の屈折率が変化する場合の態様を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the aspect in case the refractive index of an electro-optic crystal changes. 第1実施形態の電界検出装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the electric field detection apparatus of 1st Embodiment. 電界強度の検出結果を評価するために用いられる評価システムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the evaluation system used in order to evaluate the detection result of an electric field strength. 電界強度と信号強度との対応関係を示す図である。It is a figure which shows the correspondence of electric field strength and signal strength. 第2実施形態の電界検出装置の等価回路の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the equivalent circuit of the electric field detection apparatus of 2nd Embodiment. 第3実施形態の電界検出装置の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the electric field detection apparatus of 3rd Embodiment. 第3実施形態の電界検出装置において、レンズの位置合わせ方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the positioning method of a lens in the electric field detection apparatus of 3rd Embodiment. 第3実施形態の電界検出装置のレンズの位置合わせをするために用いられるアライメントシステムの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the alignment system used in order to position the lens of the electric field detection apparatus of 3rd Embodiment. ファイバへの反射光が最大になるようにするためのレンズの位置合わせ手順を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the alignment procedure of the lens for making the reflected light to a fiber become the maximum. 第4実施形態の電界検出装置において、検出感度が最大になる動作点を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the operating point in which detection sensitivity becomes the maximum in the electric field detection apparatus of 4th Embodiment. 第4実施形態の電界検出装置の構成例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the structural example of the electric field detection apparatus of 4th Embodiment. 透過スペクトルを説明するための図である。It is a figure for demonstrating a transmission spectrum. 電気光学結晶の各結晶面からみたときの屈折率の変化を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the change of the refractive index when it sees from each crystal plane of an electro-optic crystal.

<第1実施形態>
以下、本発明の第1実施形態の電界検出装置1について説明する。
<First Embodiment>
Hereinafter, the electric field detection device 1 according to the first embodiment of the present invention will be described.

先ず、この電界検出装置1に関連して、事前に作製された電界検出装置100の構成について、図1〜図3を参照して説明する。図1は、電界検出装置100の構成を示す図である。図2は、電界検出装置100の電気光学結晶に光が入射して反射した戻り光が出射していく様子を説明するための図である。図3は、電気光学結晶の屈折率が変化する場合の態様を説明するための図である。   First, in relation to the electric field detection device 1, the configuration of the electric field detection device 100 manufactured in advance will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of the electric field detection device 100. FIG. 2 is a diagram for explaining how the return light that is reflected by the light incident on the electro-optic crystal of the electric field detection device 100 is emitted. FIG. 3 is a diagram for explaining an aspect when the refractive index of the electro-optic crystal changes.

この電界検出装置100は、マッハツェンダ干渉計として構成されている。図1に示すように、電界検出装置100は、入力導波路11と、3dbカプラ20a,20bと、3つのアーム導波路30,31,32と、2つの出力導波路51,52とを備える。これらの構成要素11,20a,20b,30〜32,51,52は、基板に形成された平面光波回路(PLC:Planar Lightwave Circuit)101上に形成されている。図1の例では、平面光波回路101は、例えば石英系材料が用いられる。   The electric field detection device 100 is configured as a Mach-Zehnder interferometer. As shown in FIG. 1, the electric field detection device 100 includes an input waveguide 11, 3 db couplers 20 a and 20 b, three arm waveguides 30, 31 and 32, and two output waveguides 51 and 52. These components 11, 20a, 20b, 30 to 32, 51, 52 are formed on a planar lightwave circuit (PLC) 101 formed on the substrate. In the example of FIG. 1, for example, a quartz material is used for the planar lightwave circuit 101.

カプラ20aは、1入力2出力の2分岐型カプラであり、カプラ20bは、2入力1出力型カプラである。   The coupler 20a is a two-branch coupler with one input and two outputs, and the coupler 20b is a two-input one-output coupler.

レンズ40と光結合する電気光学結晶41は、第1のアーム導波路30からの光をレンズ40を介して入射し、後述する電気光学結晶の端面41aで反射させた戻り光をレンズ40を介して、第3のアーム導波路32へ出射するように構成されている。   The electro-optic crystal 41 that is optically coupled to the lens 40 enters the light from the first arm waveguide 30 via the lens 40, and the return light reflected by the end face 41a of the electro-optic crystal described later via the lens 40. Thus, the light is emitted to the third arm waveguide 32.

レンズ40は、例えば、主に半径方向に屈折率分布をもつ円筒状のGRIN(Gradient Index Rod Lenses)レンズであり、コリメートと呼ばれる光学調整を得るために用いられている。図1では、コリメート光(平行光)を電気光学結晶41に入射したほうが、より低損失となるため、レンズ40が備えられているが、必ずしもレンズ40を備える必要はない(後述する実施形態についても同様)。   The lens 40 is, for example, a cylindrical GRIN (Gradient Index Rod Lenses) lens mainly having a refractive index distribution in the radial direction, and is used to obtain optical adjustment called collimation. In FIG. 1, the lens 40 is provided because collimated light (parallel light) is incident on the electro-optic crystal 41, so that the loss is lower. However, the lens 40 is not necessarily provided (about the embodiments described later). The same).

図1の例では、レンズ40は、例えば、直径が1mmで、レンズ長が2.63mmの1/4ピッチとなるように形成されている。なお、ピッチは、光の正弦波の1周期に対するレンズの長さの割合を表している。1/4ピッチは、正弦波の1/4の長さに等しく、点光源からの光をレンズの表面でコリメート光を得ることができる。   In the example of FIG. 1, the lenses 40 are formed to have a ¼ pitch with a diameter of 1 mm and a lens length of 2.63 mm, for example. The pitch represents the ratio of the length of the lens to one cycle of the light sine wave. The ¼ pitch is equal to ¼ of the sine wave, and collimated light can be obtained from the point light source on the lens surface.

電気光学結晶41は、例えば閃亜鉛鉱型構造を有する結晶である。例えば、この結晶は、100面を上面に持つZnTe結晶である。電気光学結晶41は、例えば、1辺の長さが1mmの立方体構造を有する。   The electro-optic crystal 41 is a crystal having a zinc blende structure, for example. For example, this crystal is a ZnTe crystal having 100 faces on the upper surface. The electro-optic crystal 41 has, for example, a cubic structure with one side having a length of 1 mm.

図1において、平面光波回路101は、以下のような手順で作製することができる。先ず、厚さ1mmの石英基板上に、光の伝搬するコア層となるガラスを成膜する。コア層は、GeOをドーパントとして用いて屈折率が石英の屈折率より高くなるように設定している。コア層の厚さは、6μmである。コア層の屈折率は、コア層の曲げ半径が2mmとなるように調整している。 In FIG. 1, the planar lightwave circuit 101 can be manufactured by the following procedure. First, a glass serving as a core layer through which light propagates is formed on a quartz substrate having a thickness of 1 mm. The core layer is set so that the refractive index is higher than the refractive index of quartz using GeO 2 as a dopant. The thickness of the core layer is 6 μm. The refractive index of the core layer is adjusted so that the bending radius of the core layer is 2 mm.

次に、標準的なフォトリソグラフィー技術およびリアクティブイオンエッチングを用いて、所望の光導波路回路が得られるように上記コア層のパターン化および加工を行った。   Next, using the standard photolithography technique and reactive ion etching, the core layer was patterned and processed so as to obtain a desired optical waveguide circuit.

その後、FHD(flame-hydrolysis-deposit)法を用いて、オーバークラッドとなるガラスの堆積および透明化を行う。オーバークラッドの厚さは、20μmである。   After that, the glass which becomes the over clad is deposited and made transparent using the FHD (flame-hydrolysis-deposit) method. The overcladding thickness is 20 μm.

図2に示すように、電気光学結晶41では、(0-11)面で第1のアーム導波路30からの光を入射してから(01−1)面で反射させた戻り光を第3のアーム導波路32へ出射させるようにしている。電気光学結晶41では、(0−11)面には誘電体多層膜からなる無反射(AR:Anti Reflection)コート41aが施され、その逆の(01−1)面には高反射(HR:High Reflection)コート41bが施されている。   As shown in FIG. 2, in the electro-optic crystal 41, the return light reflected by the (01-1) plane after the light from the first arm waveguide 30 is incident on the (0-11) plane is the third. It is made to radiate | emit to the arm waveguide 32 of this. In the electro-optic crystal 41, the (0-11) plane is provided with an anti-reflection (AR) coating 41a made of a dielectric multilayer film, and the opposite (01-1) plane is highly reflective (HR: High Reflection) coat 41b is applied.

電気光学結晶41内では、印加電界に応じて屈折率が変化する。例えば図3に示した例で説明する。電気光学結晶41の(100)面に垂直な方向に電界Eが加えられ、(0-11)方向から光d1が入射する場合、電気光学結晶41の屈折率は大きくなるが、このときの屈折率nは、下記式(1)で表されることが知られている。   In the electro-optic crystal 41, the refractive index changes according to the applied electric field. For example, the description will be given with reference to the example shown in FIG. When an electric field E is applied in a direction perpendicular to the (100) plane of the electro-optic crystal 41 and light d1 is incident from the (0-11) direction, the refractive index of the electro-optic crystal 41 is increased. It is known that the rate n is represented by the following formula (1).

Figure 0006454288
Figure 0006454288

式(1)において、nは電界が印加されていないときの屈折率、r41はこの結晶41の電気光学(EO)係数を示す。 In equation (1), n 0 represents the refractive index when no electric field is applied, and r 41 represents the electro-optic (EO) coefficient of the crystal 41.

なお、図3に示した電気光学結晶41において、上述した(0-11)方向に代えて、(0-1-1)方向から光d2が入射しても、式(1)で示した屈折率の符号が異なるだけであり、電界強度の変化に応じて与えられる屈折率nは、式(1)のものと同じである。   In the electro-optic crystal 41 shown in FIG. 3, even if the light d2 is incident from the (0-1-1) direction instead of the (0-11) direction described above, the refraction represented by the formula (1) The only difference is the sign of the rate, and the refractive index n given according to the change in the electric field strength is the same as that in the equation (1).

また、図3において、(100)面に対して水平な方向に電界Eが加えられているのであれば、電界強度の変化によって、屈折率の変化が誘起されない(001)方向、(00-1)方向、(010)方向、および(0-10)方向でない限り、他の角度からの方向から電界が印加されても電界の検出は可能である。ただし、効率が低下するため、(0-11)方向あるいは(0-1-1)方向に水平、またはそれに近い角度を有する方向から光を入射することが好ましい。   Further, in FIG. 3, if the electric field E is applied in a direction horizontal to the (100) plane, the change in the refractive index is not induced by the change in the electric field strength (001) direction, (00-1). ) Direction, (010) direction, and (0-10) direction, the electric field can be detected even if an electric field is applied from a direction from another angle. However, since efficiency is lowered, it is preferable that light is incident from a direction that is horizontal or close to the (0-11) direction or (0-1-1) direction.

図1の例では、電気光学結晶41の長さは、L(図1では、例えば、1mm)であり、電気光学結晶41を入射した光が反射する(つまり、電気光学結晶を往復する)ことを考えると、2Lの長さに渡って、上述した屈折率は変化する。このことから、電気光学結晶41内の位相の変化量は、下記式(2)で与えられる。   In the example of FIG. 1, the length of the electro-optic crystal 41 is L (for example, 1 mm in FIG. 1), and light incident on the electro-optic crystal 41 is reflected (that is, reciprocates through the electro-optic crystal). , The above-described refractive index changes over a length of 2L. From this, the amount of phase change in the electro-optic crystal 41 is given by the following equation (2).

Figure 0006454288
Figure 0006454288

このとき、マッハ・チェンダー干渉計としての電界検出装置100の出力は、下記式(3)で与えられる。   At this time, the output of the electric field detection device 100 as a Mach-Cender interferometer is given by the following equation (3).

Figure 0006454288
Figure 0006454288

式(3)において、φ0は、電界が印加されていないときの初期位相を示す。   In Expression (3), φ0 represents an initial phase when no electric field is applied.

このように、電界検出装置100は最終的には、電界強度の大きさに応じた光の強度を検出することができる。しかしながら、上述した電界検出装置100では、外気温度が変化すると、上下2つのアーム(上側アーム導波路30,32と、下側アーム導波路31)間の位相差が変化する。これは、ガラス材で形成されているアーム導波路30〜32と電気光学結晶41の各屈折率が温度依存性や膨張係数により変動し、それに伴って光路長も変動するからである。   As described above, the electric field detection apparatus 100 can finally detect the intensity of light according to the magnitude of the electric field intensity. However, in the electric field detection device 100 described above, when the outside air temperature changes, the phase difference between the upper and lower arms (the upper arm waveguides 30 and 32 and the lower arm waveguide 31) changes. This is because the refractive indexes of the arm waveguides 30 to 32 and the electro-optic crystal 41 made of a glass material vary depending on temperature dependency and expansion coefficient, and the optical path length also varies accordingly.

しかも、その変動する程度は、上述したように、検出を行おうとする電界強度による位相変化よりも、位相の桁数が6桁も上の程度で変化する。このため、大きなノイズ成分の変動の中、微弱な電界変動による検出成分を検出することになる。また、初期位相φも、温度とともに変化してしまうため、光強度の変化が、電界強度の変化によるものか、温度の変化によるものかの判別がしにくい。そのため、高精度で測定することが困難となり、かつ安定的な測定ができない。 In addition, as described above, the degree of fluctuation varies in such a way that the number of phase digits is 6 digits higher than the phase change due to the electric field strength to be detected. For this reason, a detection component due to a weak electric field fluctuation is detected among fluctuations of a large noise component. Also, since the initial phase φ 0 also changes with temperature, it is difficult to determine whether the change in light intensity is due to a change in electric field strength or a change in temperature. Therefore, it becomes difficult to measure with high accuracy, and stable measurement cannot be performed.

しかしながら、後述する本実施形態の電界検出装置1は、外気温度が変化しても安定した測定を高精度に行うように構成されている。   However, the electric field detection device 1 of the present embodiment, which will be described later, is configured to perform stable measurement with high accuracy even when the outside air temperature changes.

以下、第1実施形態の電界検出装置1について説明する。図4は、かかる電界検出装置1の構成例を示す図である。   Hereinafter, the electric field detection device 1 of the first embodiment will be described. FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration example of the electric field detection device 1.

この電界検出装置1は、図1に示した電界検出装置100と異なり、上側のアーム導波路30,32側と、下側のアーム導波路31,33側に、それぞれ、電気光学結晶41,43を備える。それ以外の構成は、図1に示したものとほぼ同様である。本実施形態の以下の説明では、特に記述しない限り、図1に示した電界検出装置100の説明で用いた符号等をそのまま用いる。   Unlike the electric field detection device 100 shown in FIG. 1, the electric field detection device 1 has electro-optic crystals 41 and 43 on the upper arm waveguides 30 and 32 side and the lower arm waveguides 31 and 33 side, respectively. Is provided. Other configurations are almost the same as those shown in FIG. In the following description of the present embodiment, the reference numerals and the like used in the description of the electric field detection device 100 shown in FIG.

図4に示すように、電界検出装置1は、入力導波路11と、3dbカプラ20a,20bと、第1、第2、第3および第4のアーム導波路30,31,32,33と、出力導波路51,52とを備える。これらの構成要素11,20a,20b,30〜33,51,52は、基板に形成された平面光波回路(PLC)101上に形成されている。   As shown in FIG. 4, the electric field detection device 1 includes an input waveguide 11, 3db couplers 20a and 20b, first, second, third, and fourth arm waveguides 30, 31, 32, and 33. Output waveguides 51 and 52. These components 11, 20a, 20b, 30 to 33, 51, 52 are formed on a planar lightwave circuit (PLC) 101 formed on a substrate.

なお、上側のアーム導波路30,32(以下、「上アーム」ともいう。)の全長は、下側のアーム導波路31,33(以下、「下アーム」ともいう。)の全長と等しくなるように設定されている。   The total length of the upper arm waveguides 30 and 32 (hereinafter also referred to as “upper arm”) is equal to the total length of the lower arm waveguides 31 and 33 (hereinafter also referred to as “lower arm”). Is set to

本実施形態の電界検出装置1は、図1に示したものと同様に、電気光学結晶41を備えるが、それに加えて、電気光学結晶43も備える。この実施形態では、電気光学結晶41,43は、例えば閃亜鉛鉱型構造を有する結晶である。例えば、この結晶は、(100)面を上面に持つZnTe結晶である。電気光学結晶41,43は、例えば、1辺の長さが1mmの立方体構造を有する。   The electric field detection device 1 according to the present embodiment includes the electro-optic crystal 41 as in the case illustrated in FIG. 1, but also includes the electro-optic crystal 43 in addition to the electro-optic crystal 41. In this embodiment, the electro-optic crystals 41 and 43 are crystals having, for example, a zinc blende structure. For example, this crystal is a ZnTe crystal having a (100) plane on the top surface. The electro-optic crystals 41 and 43 have, for example, a cubic structure with one side having a length of 1 mm.

なお、電気光学結晶41,43は、研磨時に、光路長が同じになるように、垂直軸(図3の電界Eのベクトル方向)を中心に面を90度回転させ、隣接した電気光学結晶41,43を一度に研磨することで、電気光学結晶41,43の長さを揃えてある。   The electro-optic crystals 41 and 43 are rotated 90 degrees around the vertical axis (the vector direction of the electric field E in FIG. 3) so that the optical path lengths are the same at the time of polishing. , 43 are polished at the same time so that the electro-optic crystals 41, 43 have the same length.

電気光学結晶41では、第1のアーム導波路30からの光がレンズ40を介して入射し、電気光学結晶の端面41aで反射した戻り光がレンズ40を介して、第3のアーム導波路32へ出射する。例えば、電気光学結晶41では、(100)面に垂直な方向に電界Eが加えられ、(0-11)方向から光が入射するようになっている。   In the electro-optic crystal 41, the light from the first arm waveguide 30 enters through the lens 40, and the return light reflected by the end face 41a of the electro-optic crystal passes through the lens 40 to the third arm waveguide 32. To exit. For example, in the electro-optic crystal 41, an electric field E is applied in a direction perpendicular to the (100) plane, and light enters from the (0-11) direction.

また、電気光学結晶43では、第2のアーム導波路31からの光がレンズ42を介して入射し、電気光学結晶の端面43aで反射した戻り光がレンズ42を介して、第4のアーム導波路33へ出射する。例えば、電気光学結晶43では、(100)面に垂直な方向に電界Eが加えられ、(0−1−1)方向から光が入射するようになっている。レンズ42も、例えば、GRINレンズであり、コリメートと呼ばれる光学調整を得るために用いられている。   In the electro-optic crystal 43, the light from the second arm waveguide 31 enters through the lens 42, and the return light reflected by the end face 43a of the electro-optic crystal passes through the lens 42 and passes through the fourth arm guide. The light is emitted to the waveguide 33. For example, in the electro-optic crystal 43, an electric field E is applied in a direction perpendicular to the (100) plane, and light enters from the (0-1-1) direction. The lens 42 is also a GRIN lens, for example, and is used to obtain optical adjustment called collimation.

電気光学結晶43は、(0−1−1)面には誘電体多層膜からなる無反射(AR)コート43aが施され、(011)面には高反射(HR)コート43bが施されている。   The electro-optic crystal 43 has a non-reflective (AR) coat 43a made of a dielectric multilayer film on the (0-1-1) plane, and a high-reflective (HR) coat 43b on the (011) plane. Yes.

本実施形態の電界検出装置1では、上側のアーム導波路30,32の長さと下側のアーム導波路31,33の長さは等しい。また、レンズ40および電気光学結晶41中の光の伝搬方向に沿った長さ(厚さ)と、レンズ42および電気光学結晶43中の光の伝搬方向に沿った長さ(厚さ)は等しい。このため、仮に、外気温度が変化し、アーム導波路30〜32の屈折率と電気光学結晶41,43の屈折率が、温度依存性や膨張係数により変化したとしても、上側のアーム導波路30,32と下側アーム導波路31,33との関係では、その変化量は同じになるため、外気温度の変化による位相差は生じない。すなわち、本実施形態の電界検出装置1は、温度変化による位相変化のキャンセルをすることができる。   In the electric field detection device 1 of the present embodiment, the lengths of the upper arm waveguides 30 and 32 are equal to the lengths of the lower arm waveguides 31 and 33. Further, the length (thickness) along the light propagation direction in the lens 40 and the electro-optic crystal 41 is equal to the length (thickness) along the light propagation direction in the lens 42 and the electro-optic crystal 43. . For this reason, even if the outside air temperature changes and the refractive index of the arm waveguides 30 to 32 and the refractive index of the electro-optic crystals 41 and 43 change due to the temperature dependence and the expansion coefficient, the upper arm waveguide 30. , 32 and the lower arm waveguides 31, 33 have the same amount of change, and therefore no phase difference due to a change in outside air temperature occurs. That is, the electric field detection device 1 of the present embodiment can cancel the phase change due to the temperature change.

一方、上述したように、2つの電気光学結晶41,43の向きを90度回転させた状態で配置されるので、電界変化による位相変化Δφは、上アームと下アームとの間で電界Eが印加された場合の位相変動量は、下記式(4)で与えられる。   On the other hand, as described above, the two electro-optic crystals 41 and 43 are arranged in a state in which the directions of the two electro-optic crystals 41 and 43 are rotated by 90 degrees. The amount of phase fluctuation when applied is given by the following equation (4).

Figure 0006454288
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式(4)に示した位相変動量は、上述した式(2)に示したものの2倍の値になっている。すなわち、本実施形態の電界検出装置1では、図1に示したものと比べて、検出感度を2倍にすることもできる。   The amount of phase fluctuation shown in Expression (4) is twice the value shown in Expression (2) above. That is, in the electric field detection device 1 of the present embodiment, the detection sensitivity can be doubled compared to that shown in FIG.

したがって、本実施形態の電界検出装置1では、温度変化による位相変化をキャンセルすることに加えて、感度の向上も実現することができる。   Therefore, in the electric field detection device 1 of the present embodiment, in addition to canceling the phase change due to the temperature change, the sensitivity can be improved.

[評価システム]
図5は、電界検出装置1の検出結果を評価するために用いられる評価システム2を例示している。
[Evaluation system]
FIG. 5 illustrates an evaluation system 2 that is used to evaluate the detection result of the electric field detection device 1.

図5において、評価システム2では、光源60として、例えばC帯用のチューナブルレーザを用いる。光源60から偏波保持ファイバ61を介して伝搬する光は、電界検出装置1でTE偏光の状態で入射する。図5の例では、電界検出装置1は、2つの平板81a,81bを有する電界印加装置2内に設置されている。電界印加装置2は、平板81a,81bに電圧を加える電圧源70と、同期信号sを生成するファンクションジェネレータ71とを含む。   In FIG. 5, the evaluation system 2 uses, for example, a C-band tunable laser as the light source 60. Light propagating from the light source 60 through the polarization maintaining fiber 61 is incident on the electric field detection device 1 in a TE polarized state. In the example of FIG. 5, the electric field detection device 1 is installed in an electric field application device 2 having two flat plates 81a and 81b. The electric field applying device 2 includes a voltage source 70 that applies a voltage to the flat plates 81a and 81b, and a function generator 71 that generates a synchronization signal s.

電界検出装置1の2つの出力ポート(出力導波路51,52)の出力は、2芯シングルモードファイバ62を介して、EO変換装置63に入力する。EO変換装置63では、上述した出力ポート(出力導波路51,52)からの信号強度(光強度)の差動受信を行い、それらを増幅するロックインアンプ64にて検出する。この検出結果は、後述する図6に示してある。   The outputs of the two output ports (output waveguides 51 and 52) of the electric field detection device 1 are input to the EO conversion device 63 via the two-core single mode fiber 62. In the EO conversion device 63, differential reception of the signal intensity (light intensity) from the above-described output ports (output waveguides 51 and 52) is performed and detected by a lock-in amplifier 64 that amplifies them. This detection result is shown in FIG.

図6(a)は、前述した電界印加装置によって電界検出装置1に印加された電界強度と信号強度(光強度)の振幅との検出結果S1が示してある。図6(a)では、比較のため、図1に示した電界検出装置100での検出結果S2も示してある。図6(a)から、検出結果S1の信号強度は、検出結果S2のものよりも約2倍の割合で増加していることがわかった。すなわち、本実施形態の電界検出装置1は、図1に示したものよりも、約2倍の検出感度を有する。   FIG. 6A shows a detection result S1 of the electric field intensity applied to the electric field detection apparatus 1 by the electric field application apparatus described above and the amplitude of the signal intensity (light intensity). FIG. 6A also shows the detection result S2 of the electric field detection device 100 shown in FIG. 1 for comparison. From FIG. 6A, it was found that the signal intensity of the detection result S1 increased at a rate about twice that of the detection result S2. That is, the electric field detection device 1 of the present embodiment has a detection sensitivity that is about twice that shown in FIG.

図6(b)は、信号強度の時間的安定度を示す検出結果S3が示してある。図6(b)では、比較のため、図1に示した電界検出装置100での時間的安定度を示す検出結果S4も示してある。検出結果S3をみると、信号強度はほぼ一定になり安定していた。一方、検出結果S4では、若干ではあるが、信号強度が変動した。これは、大気の温度のゆらぎによるものであり、温度変化により動作点が変動し信号強度が安定しなかったものと考えられる。   FIG. 6B shows a detection result S3 indicating the temporal stability of the signal intensity. FIG. 6B also shows a detection result S4 indicating temporal stability in the electric field detection device 100 shown in FIG. 1 for comparison. Looking at the detection result S3, the signal intensity was almost constant and stable. On the other hand, in the detection result S4, the signal intensity changed slightly. This is due to fluctuations in the temperature of the atmosphere, and it is considered that the operating point fluctuated due to temperature changes and the signal intensity was not stable.

以上説明したように、本実施形態の電界検出装置1は、入力導波路11と、出力導波路51,52と、入力導波路11と出力導波路51,52との間に設けられた複数のアーム導波路30〜33と、アーム導波路30〜33の各々の光路に対応して設けられ、各光路を伝搬する光信号を入射して反射させる複数の電気光学結晶41,43とを含む。ここで、電気光学結晶41,43は、温度に対する屈折率の変化が生じないように予め結晶の向きが異なるように配置されている。これにより、測定時の温度が変化しても安定した測定を高精度に行うことができる。   As described above, the electric field detection device 1 according to this embodiment includes a plurality of input waveguides 11, output waveguides 51 and 52, and a plurality of input waveguides 11 and output waveguides 51 and 52. Arm waveguides 30 to 33, and a plurality of electro-optic crystals 41 and 43 that are provided corresponding to the optical paths of the arm waveguides 30 to 33 and receive and reflect an optical signal propagating through each optical path. Here, the electro-optic crystals 41 and 43 are arranged in advance so that the directions of the crystals are different so that the refractive index does not change with temperature. Thereby, even if the temperature at the time of measurement changes, stable measurement can be performed with high accuracy.

<第2実施形態>
以下、本発明の第2実施形態である電界検出装置1Aについて説明する。なお、この電界検出装置1Aの構成は、図4に示したものとほぼ同一である。本実施形態の以下の説明では、特に記述しない限り、第1実施形態の説明で用いた符号等をそのまま用いる。
Second Embodiment
Hereinafter, an electric field detection apparatus 1A according to a second embodiment of the present invention will be described. The configuration of the electric field detection device 1A is almost the same as that shown in FIG. In the following description of the present embodiment, the symbols and the like used in the description of the first embodiment are used as they are unless otherwise specified.

図7は、本実施形態の電界検出装置1Aの一例を示す模式図である。   FIG. 7 is a schematic diagram illustrating an example of the electric field detection device 1A of the present embodiment.

この電界検出装置1Aは、第1実施形態の電界検出装置1の電気光学結晶41,43を、PLC101の同一面に配置している点に特徴がある。   This electric field detection device 1A is characterized in that the electro-optic crystals 41 and 43 of the electric field detection device 1 of the first embodiment are arranged on the same surface of the PLC 101.

他の構成は、第1実施形態の電界検出装置1と同様である。すなわち、電界検出装置1Aは、入力導波路11と、3dbカプラ20a,20bと、4つのアーム導波路30,31,32,33と、2つの出力導波路51,52とを備える。これらの構成要素11,20a,20b,30〜33,51,52は、基板に形成されたPLC101上に形成されている。   Other configurations are the same as those of the electric field detection device 1 of the first embodiment. That is, the electric field detection device 1A includes an input waveguide 11, 3db couplers 20a and 20b, four arm waveguides 30, 31, 32, and 33, and two output waveguides 51 and 52. These components 11, 20a, 20b, 30 to 33, 51, 52 are formed on the PLC 101 formed on the substrate.

また、電気光学結晶41では、第1のアーム導波路30からの光がレンズ40を介して入射し、電気光学結晶の端面41aで反射した戻り光がレンズ40を介して、第3のアーム導波路32へ出射する。例えば、電気光学結晶41では、(100)面に垂直な方向に電界Eが加えられ、(0−11)方向から光が入射するようになっている。電気光学結晶43では、第2のアーム導波路31からの光がレンズ42を介して入射し、電気光学結晶の端面43aで反射した戻り光がレンズ42を介して、第4のアーム導波路33へ出射する。例えば、電気光学結晶43では、(100)面に垂直な方向に電界Eが加えられ、(0-1−1)方向から光が入射するようになっている。   In the electro-optic crystal 41, light from the first arm waveguide 30 enters through the lens 40, and return light reflected by the end face 41a of the electro-optic crystal passes through the lens 40 to the third arm guide. The light is emitted to the waveguide 32. For example, in the electro-optic crystal 41, an electric field E is applied in a direction perpendicular to the (100) plane, and light enters from the (0-11) direction. In the electro-optic crystal 43, light from the second arm waveguide 31 enters through the lens 42, and return light reflected by the end face 43 a of the electro-optic crystal passes through the lens 42 and passes through the fourth arm waveguide 33. To exit. For example, in the electro-optic crystal 43, an electric field E is applied in a direction perpendicular to the (100) plane, and light enters from the (0-1-1) direction.

なお、電界検出装置1Aでも、第1実施形態の電界検出装置1と同様の作製方法で作製することが可能である。   The electric field detection device 1A can be manufactured by the same manufacturing method as the electric field detection device 1 of the first embodiment.

この電界検出装置1Aでは、第1実施形態のものと同様の検出結果(図6(a)および図6(b))を得た。そのため、電界検出装置1Aについても、検出感度を高めるとともに信号強度の時間的安定度を向上させることができる。   In this electric field detection device 1A, the same detection results (FIGS. 6A and 6B) as those in the first embodiment were obtained. Therefore, also in the electric field detection device 1A, the detection sensitivity can be increased and the temporal stability of the signal intensity can be improved.

また、この電界検出装置1Aでは、電気光学結晶41,43がPLC101の同一面に配置されている。そのため、ファイバをPLC101のチップ片側にのみ接続すればよい。すなわち、チップ面積が小さくなる。   In the electric field detection device 1A, the electro-optic crystals 41 and 43 are arranged on the same surface of the PLC 101. Therefore, it is only necessary to connect the fiber to the chip one side of the PLC 101. That is, the chip area is reduced.

一方、第1実施形態の電界検出装置1では、電気光学結晶41,43がPLC101の両側に配置されているため、ファイバをPLC101のチップ両側に接続する必要がある。すなわち、チップ面積が大きくなる。このことは、電界検出装置1のモジュールサイズが増大することになる。また、それに加えて、部材のコストが増加したり、組み立てコストが増加したりする。   On the other hand, in the electric field detection device 1 of the first embodiment, since the electro-optic crystals 41 and 43 are arranged on both sides of the PLC 101, it is necessary to connect the fiber to both sides of the chip of the PLC 101. That is, the chip area increases. This increases the module size of the electric field detection device 1. In addition, the cost of members increases and the assembly cost increases.

したがって、本実施形態の電界検出装置1Aは、第1実施形態の電界検出装置1に比べ、小型化が実現できる。また、部材のコストや組み立てコストを削減することができる。   Therefore, the electric field detection device 1A of the present embodiment can be downsized compared to the electric field detection device 1 of the first embodiment. Moreover, the cost of a member and an assembly cost can be reduced.

さらに、本実施形態の電界検出装置1Aでは、電気光学結晶41,43間の距離が第1実施形態の電界検出装置1よりも短くなるため、空間分解能を向上させることができる。空間分解能は、2つの電気光学結晶間の距離に対応する。   Furthermore, in the electric field detection device 1A of the present embodiment, the distance between the electro-optic crystals 41 and 43 is shorter than that of the electric field detection device 1 of the first embodiment, so that the spatial resolution can be improved. Spatial resolution corresponds to the distance between two electro-optic crystals.

<第3実施形態>
以下、本発明の第3実施形態である電界検出装置1Bについて説明する。なお、この電界検出装置1Bの構成は、図4に示したものとほぼ同一である。本実施形態の以下の説明では、特に記述しない限り、第1実施形態の説明で用いた符号等をそのまま用いる。
<Third Embodiment>
Hereinafter, the electric field detection apparatus 1B which is 3rd Embodiment of this invention is demonstrated. The configuration of the electric field detection device 1B is almost the same as that shown in FIG. In the following description of the present embodiment, the symbols and the like used in the description of the first embodiment are used as they are unless otherwise specified.

図8は、本実施形態の電界検出装置1Bの一例を示す模式図である。   FIG. 8 is a schematic diagram showing an example of the electric field detection device 1B of the present embodiment.

この電界検出装置1Bは、第1実施形態のレンズ40,42をそれぞれ調芯するための各調芯用導波路56,57を備えた点が、第1実施形態の電界検出装置1と異なる。   This electric field detection device 1B is different from the electric field detection device 1 of the first embodiment in that each of the alignment waveguides 56 and 57 for aligning the lenses 40 and 42 of the first embodiment is provided.

他の構成は、第1実施形態の電界検出装置1と同様である。すなわち、電界検出装置1Bは、入力導波路11と、3dbカプラ20a,20bと、アーム導波路30,31,32,33と、出力導波路51,52とを備える。これらの構成要素11,20a,20b,30〜33,51,52は、基板に形成されたPLC101上に形成されている。   Other configurations are the same as those of the electric field detection device 1 of the first embodiment. That is, the electric field detection device 1B includes an input waveguide 11, 3db couplers 20a and 20b, arm waveguides 30, 31, 32, and 33, and output waveguides 51 and 52. These components 11, 20a, 20b, 30 to 33, 51, 52 are formed on the PLC 101 formed on the substrate.

また、電気光学結晶41では、第1のアーム導波路30からの光がレンズ40を介して入射し、電気光学結晶の端面41bで反射した戻り光がレンズ40を介して、第3のアーム導波路32へ出射する。例えば、電気光学結晶41では、(100)面に垂直な方向に電界Eが加えられ、(0−11)方向から光が入射するようになっている。電気光学結晶43では、第2のアーム導波路31からの光がレンズ42を介して入射し、電気光学結晶の端面43aで反射した戻り光がレンズ42を介して、第4のアーム導波路33へ出射する。例えば、電気光学結晶43では、(100)面に垂直な方向に電界Eが加えられ、(0−1−1)方向から光が入射するようになっている。   In the electro-optic crystal 41, light from the first arm waveguide 30 enters through the lens 40, and return light reflected by the end face 41b of the electro-optic crystal passes through the lens 40 to the third arm guide. The light is emitted to the waveguide 32. For example, in the electro-optic crystal 41, an electric field E is applied in a direction perpendicular to the (100) plane, and light enters from the (0-11) direction. In the electro-optic crystal 43, light from the second arm waveguide 31 enters through the lens 42, and return light reflected by the end face 43 a of the electro-optic crystal passes through the lens 42 and passes through the fourth arm waveguide 33. To exit. For example, in the electro-optic crystal 43, an electric field E is applied in a direction perpendicular to the (100) plane, and light enters from the (0-1-1) direction.

本実施形態の電界検出装置1Bでは、図8中の実線の円で示すように、2つの導波路32,56が交差するとともに、2つの導波路33,57が交差している。そのため、一般的に、交差損失が該当する箇所で生じることになるが、本実施形態の電界検出装置1Bでは、調芯用導波路56,57を干渉路としての電界検出装置1Bのレイアウト上、対称損失となるように交差させている。これにより、交差損失によるアンバランスが解消し、消光比が大きく得られる。   In the electric field detection device 1B of the present embodiment, as shown by the solid circle in FIG. 8, the two waveguides 32 and 56 intersect and the two waveguides 33 and 57 intersect. Therefore, generally, a cross loss occurs at a corresponding location. However, in the electric field detection device 1B according to the present embodiment, the layout of the electric field detection device 1B using the alignment waveguides 56 and 57 as interference paths, They are crossed so as to have a symmetrical loss. Thereby, the unbalance due to the crossing loss is eliminated, and a large extinction ratio can be obtained.

なお、干渉計では、2つのアーム導波路の損失のアンバランスにより消光比が劣化し得るため、2つのアーム導波路で損失が同じになるように、ダミーの交差を設けて等損にすることのが好ましい。   In the interferometer, the extinction ratio can be deteriorated due to the loss imbalance between the two arm waveguides, so that a dummy intersection is provided so as to make the loss the same in the two arm waveguides. Is preferred.

次に、レンズ40,42のアライメント方法について、図9を参照して説明する。   Next, an alignment method of the lenses 40 and 42 will be described with reference to FIG.

図9は、調芯用導波路57からの光信号b1がレンズ中央軸oの位置から入射される場合について示している。図9に示す例では、電気光学結晶の端面41bで反射して戻る戻り光b2は、入射時と同じ中央軸oの位置に戻ってきている。   FIG. 9 shows a case where the optical signal b1 from the alignment waveguide 57 is incident from the position of the lens central axis o. In the example shown in FIG. 9, the return light b2 reflected and returned by the end face 41b of the electro-optic crystal returns to the same position of the central axis o as that at the time of incidence.

なお、図9において、d1,d2=100μmとして設定されているが、d1,d2は同じ値にする必要はない。また、d1,d2は、レンズ40,42の半径より小さければよく、100μm以外の値に設定することができる。   In FIG. 9, d1 and d2 are set as 100 μm, but d1 and d2 do not need to be the same value. Moreover, d1 and d2 should just be smaller than the radius of the lenses 40 and 42, and can be set to values other than 100 micrometers.

上述したレンズ特性を利用して、レンズ40,42の位置合わせを実施する。以下、この位置合わせの方法について、図10を参照して説明する。   The lenses 40 and 42 are aligned using the lens characteristics described above. Hereinafter, this alignment method will be described with reference to FIG.

図10(a)は、戻り光の強度が最大になるようにするための方法を説明するために例示している。このとき、石英からなる導波路に、ファイバを接続し光をレンズ40,42に導入する。PLC101の端面にレンズ40,42を微動台に固定し、位置合わせを実施する。この場合、ファイバへの反射光d2の強度が最大になるように、レンズ40,42の位置決めを行う。   FIG. 10A illustrates a method for maximizing the intensity of the return light. At this time, a fiber is connected to a waveguide made of quartz, and light is introduced into the lenses 40 and 42. The lenses 40 and 42 are fixed to the fine movement table on the end face of the PLC 101, and alignment is performed. In this case, the lenses 40 and 42 are positioned so that the intensity of the reflected light d2 to the fiber is maximized.

図10(b)は、アーム導波路30〜33を配置するための方法を説明するために例示している。例えば、中央oからd1離れた位置に設けられた入力導波路としての第1のアーム導波路30からレンズ40に入光する場合、上述したように、レンズ40は、中心の位置を原点として対称に集光する特性がある。そのため、出力導波路としての第3のアーム導波路32は、その集光する位置に設ければ良い。このとき、d1=d2となる。アーム導波路31,33についても同様の方法で配置する。   FIG. 10B illustrates the method for arranging the arm waveguides 30 to 33. For example, when light enters the lens 40 from the first arm waveguide 30 as an input waveguide provided at a position away from the center o by d1, as described above, the lens 40 is symmetrical with the center position as the origin. Has the property of condensing light. Therefore, the third arm waveguide 32 as the output waveguide may be provided at the position where the light is condensed. At this time, d1 = d2. The arm waveguides 31 and 33 are also arranged in the same manner.

しかし、2つの導波路30,32をレンズ40を介して結合状態を得るこは、難しい場合もある。そこで、2つの導波路30,32の他に、アライメント用の導波路を設けておき、このアライメント用の導波路に光を伝搬して図10(a)で説明した方法でレンズ40の位置合わせをして固定する。   However, it may be difficult to obtain a coupled state of the two waveguides 30 and 32 via the lens 40. Therefore, in addition to the two waveguides 30 and 32, an alignment waveguide is provided, and light is propagated to the alignment waveguide, and the lens 40 is aligned by the method described with reference to FIG. To fix.

図10(c)は、かかるアライメント用の導波路2を利用する場合の方法を説明するために例示している。この場合、レンズ40の特性上、d1=d2となる位置に導波路2を設計しておけば、中央oの位置が確定した時点で、導波路30と、導波路32との光結合を得ることが可能となる。   FIG. 10C illustrates the method in the case of using the waveguide 2 for alignment. In this case, if the waveguide 2 is designed at a position where d1 = d2 due to the characteristics of the lens 40, optical coupling between the waveguide 30 and the waveguide 32 is obtained when the position of the center o is determined. It becomes possible.

なお、d1とd2の関係は、必ずしもd1=d2である必要はない。例えば、レンズ40に接続する電気光学結晶41が、例えば図10(d)に示す特定の角度θ傾けて固定される場合、d2は、θの関数となる。この関係は、光線追跡等の算術により取り付ける角度に応じて、d2は決定することができる。この場合、レンズ端、および電気光学結晶41の両端での光反射による検出感度の低下を抑制することができる。これにより、より高感度の検出が実現できる。   Note that the relationship between d1 and d2 is not necessarily d1 = d2. For example, when the electro-optic crystal 41 connected to the lens 40 is fixed at a specific angle θ shown in FIG. 10D, for example, d2 is a function of θ. This relationship can determine d2 according to the angle attached by arithmetic such as ray tracing. In this case, a decrease in detection sensitivity due to light reflection at the lens end and at both ends of the electro-optic crystal 41 can be suppressed. Thereby, detection with higher sensitivity can be realized.

図10(d)の場合も、図10(c)に示したアライメント用の導波路2を用意して、これに光を入射して図10(a)で説明した方法でレンズ40の位置合わせをすれば、図10(d)に示したd1の位置から入力した光は、θにより決定されたd2の位置にフォーカスする。そのため、導波路30,32の光結合を実現できる。アーム導波路31,33についても同様の方法で光結合を実現することができる。   Also in the case of FIG. 10D, the alignment waveguide 2 shown in FIG. 10C is prepared, light is incident on this, and the lens 40 is aligned by the method described in FIG. 10A. Then, the light input from the position d1 shown in FIG. 10D is focused on the position d2 determined by θ. Therefore, optical coupling between the waveguides 30 and 32 can be realized. For the arm waveguides 31 and 33, optical coupling can be realized by the same method.

図11は、レンズ40を調芯するために用いられるシステム構成を示してある。   FIG. 11 shows a system configuration used for aligning the lens 40.

このシステムでは、パワーメータ86と、レーザ87と、サーキュレータ88とを備える。調芯時は、調芯器にPLC101を設置しておく。そして、調心用導波路57に、レーザ87により1.55μmのレーザ光をシングルモードファイバを介して入射させ、導波路57の調芯作業を行った後、PLC101に光を入射させる。   This system includes a power meter 86, a laser 87, and a circulator 88. At the time of alignment, the PLC 101 is installed in the aligner. Then, a laser beam of 1.55 μm is made incident on the aligning waveguide 57 via the single mode fiber by the laser 87, and after aligning the waveguide 57, the light is made incident on the PLC 101.

その後、3軸稼働するステージを用いて、治具によりレンズ40のアクティブ調芯を行う。このとき、入力用ファイバにサーキュレータ88を接続し、レーザ(LS:Laser)87から光d1を入射したときの戻り光d2の強度が最大になるようにレンズ40を動かす。戻り光d2の強度は、パワーメータ86により検出される。戻り光の強度が最大になったときのレンズ40の位置でレンズ40を固定する。固定する方法として、例えば、UV接着剤を塗布するとともにUV照射が用いられる。レンズ42についても同様に固定される。   Thereafter, active alignment of the lens 40 is performed with a jig using a stage that operates in three axes. At this time, the circulator 88 is connected to the input fiber, and the lens 40 is moved so that the intensity of the return light d2 when the light d1 is incident from the laser (LS: Laser) 87 is maximized. The intensity of the return light d2 is detected by the power meter 86. The lens 40 is fixed at the position of the lens 40 when the intensity of the return light reaches the maximum. As a fixing method, for example, a UV adhesive is applied and UV irradiation is used. The lens 42 is similarly fixed.

なお、調心用導波路57を用いた調心後に、本実施形態の電界検出装置1Bにおけるアーム導波路30側から光を入射して、このレンズ40の挿入による損失増加を計算した。その結果、1箇所あたりの挿入損失は、約1dBであった。   After alignment using the alignment waveguide 57, light was incident from the arm waveguide 30 side in the electric field detection device 1B of the present embodiment, and the increase in loss due to the insertion of the lens 40 was calculated. As a result, the insertion loss per location was about 1 dB.

本実施形態の電界検出装置1Bによると、アライメント用の導波路56,57を有することにより、上述したレンズ40,42の位置決めを実現することができる。また、組立スループットの向上、さらにはコスト削減の効果が得られる。   According to the electric field detection device 1B of the present embodiment, the positioning of the lenses 40 and 42 described above can be realized by having the waveguides 56 and 57 for alignment. Further, the assembly throughput can be improved and the cost can be reduced.

<第4実施形態>
以下、本発明の第4実施形態である電界検出装置1Cについて説明する。
<Fourth embodiment>
Hereinafter, an electric field detection device 1C according to a fourth embodiment of the present invention will be described.

前述の第1〜第3実施形態では、電界検出装置が等長マッハチェンダー干渉計である場合を例示してきた。しかしながら、アーム導波路からなる干渉計路間に位相差を設けるようにしてもよい。   In the above-described first to third embodiments, the case where the electric field detection device is an isometric Mach-Cender interferometer has been exemplified. However, a phase difference may be provided between the interferometer lines composed of arm waveguides.

先ず、この電界検出装置1Cを実現するために電界検出装置の動作点について説明する。   First, an operating point of the electric field detection device will be described in order to realize the electric field detection device 1C.

図12は、かかる動作点を説明するための図であって、(a)は理想的な場合、(b)はそれ以外の場合を例示している。図12(a)および図12(b)において、横軸は電界強度、縦軸は光出力を示す。   FIGS. 12A and 12B are diagrams for explaining such operating points. FIG. 12A illustrates an ideal case, and FIG. 12B illustrates the other cases. 12A and 12B, the horizontal axis indicates the electric field intensity, and the vertical axis indicates the light output.

図12(a)に示した例で説明すると、理想的な動作点は、電界が印加されていない場合(E=0の場合)に、電界検出装置1Cの2出力(実線および破線)の初期位相はともにπ/4のときである。   Explaining with the example shown in FIG. 12A, an ideal operating point is the initial of two outputs (solid line and broken line) of the electric field detection device 1C when no electric field is applied (when E = 0). Both phases are at π / 4.

図12(a)において、電界強度がわずかに変化したとしても、光強度の変化量が最大になる点が動作点になるのが好ましい。   In FIG. 12A, even if the electric field intensity changes slightly, it is preferable that the point where the amount of change in the light intensity is the maximum is the operating point.

例えば、図12(b)のように、動作点が設定された場合、電界強度が変化しても、光強度の変化量が少なくなり、位相変化の検出感度が劣化することになる。つまり、電界検出装置1Cにおいて、最大の感度を得るためには、初期位相がπ/4のときに動作点が設定される必要がある。   For example, as shown in FIG. 12B, when the operating point is set, even if the electric field intensity changes, the amount of change in the light intensity decreases, and the detection sensitivity of the phase change deteriorates. That is, in the electric field detection device 1C, in order to obtain the maximum sensitivity, it is necessary to set the operating point when the initial phase is π / 4.

次に、前述の第1〜第3実施形態の電界検出装置において、電気光学結晶41,43の長さLと、設計値とがわずかにずれた場合を考える。これは、電気光学結晶41,43の研磨誤差等から生じ得る。2つの電気光学結晶を同時に研磨すること等を行えば、各電気光学結晶の研磨厚を揃えることができるが、作製上、必ずしも同時にできるとは限らない。例えば、2つの電気光学結晶41,43のうちの一つは、別のバッチで研磨したものになる可能性もある。以下では、そのような電気光学結晶の厚さの違いによる影響について考察する。   Next, consider the case where the length L of the electro-optic crystals 41 and 43 and the design value are slightly shifted in the electric field detection devices of the first to third embodiments described above. This may occur due to polishing errors of the electro-optic crystals 41 and 43. If two electro-optic crystals are polished at the same time or the like, the polishing thickness of each electro-optic crystal can be made uniform. For example, one of the two electro-optic crystals 41 and 43 may be polished in another batch. Below, the influence by the difference in the thickness of such an electro-optic crystal is considered.

この場合、電気光学結晶として、例えばInPを用い、そのInPの屈折率を3.16程度とする。例えば、1.55μmの波長に対して、電気光学結晶の長さが設計値よりも0.123μmずれた場合、このずれは、屈折率が3.16の電気光学結晶では、λ/4の波長に相当する長さになる。電気光学結晶内で光が往復して伝搬することを考えれば、結局、上記ずれは、λ/2の長さとなる。   In this case, for example, InP is used as the electro-optic crystal, and the refractive index of InP is set to about 3.16. For example, when the length of the electro-optic crystal is shifted by 0.123 μm from the design value for a wavelength of 1.55 μm, this shift is a length corresponding to the wavelength of λ / 4 in the electro-optic crystal having a refractive index of 3.16. It will be. Considering that light propagates back and forth in the electro-optic crystal, the above deviation eventually becomes a length of λ / 2.

つまり、数ミリの電気光学結晶長と設計値とが0.123μmずれることは、電界検出装置の出力はOFFであるのにもかかわらず、欲しいポートの出力が製造誤差によりONになることを意味する。   In other words, when the electro-optic crystal length of several millimeters deviates from the design value by 0.123 μm, it means that the output of the desired port is turned ON due to a manufacturing error even though the output of the electric field detection device is OFF. .

一般に、電気光学結晶の厚さの誤差や電気光学結晶を固定するための接着剤の厚さ等により、電界検出装置の干渉状態は、設計どおりの状態にはならない。むしろ、電界検出装置において、設計通りに等長動作をさせることは不可能に近く、設計通りに動作点を設定するのは難しい。   In general, the interference state of the electric field detection device does not become as designed due to an error in the thickness of the electro-optic crystal, the thickness of the adhesive for fixing the electro-optic crystal, or the like. Rather, in an electric field detection device, it is almost impossible to perform an isometric operation as designed, and it is difficult to set an operating point as designed.

上記の観点から、本実施形態の電界検出装置1Cでは、干渉計に予め位相差を設けるようにしている。   From the above viewpoint, in the electric field detection device 1C of the present embodiment, a phase difference is provided in advance in the interferometer.

図13は、電界検出装置1Cの構成例を示す図である。なお、この電界検出装置1Cの構成は、図7に示したものとほぼ同一である。本実施形態の以下の説明では、特に記述しない限り、第2実施形態の説明で用いた符号等をそのまま用いる。   FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration example of the electric field detection device 1C. The configuration of the electric field detection device 1C is almost the same as that shown in FIG. In the following description of the present embodiment, the symbols used in the description of the second embodiment are used as they are unless otherwise specified.

図13において、第2実施形態と同様に、電界検出装置1Cは、入力導波路11と、3dbカプラ20a,20bと、アーム導波路30,31,32,33と、出力導波路51,52とを備える。これらの構成要素11,20a,20b,30〜33,51,52は、基板に形成されたPLC101上に形成されている。   In FIG. 13, as in the second embodiment, the electric field detection device 1C includes an input waveguide 11, 3db couplers 20a and 20b, arm waveguides 30, 31, 32, and 33, output waveguides 51 and 52, and Is provided. These components 11, 20a, 20b, 30 to 33, 51, 52 are formed on the PLC 101 formed on the substrate.

また、電気光学結晶41では、第1のアーム導波路30からの光がレンズ40を介して入射し、電気光学結晶の端面41aで反射した戻り光がレンズ40を介して、第3のアーム導波路32へ出射する。例えば、電気光学結晶41では、(100)面に垂直な方向に電界Eが加えられ、(0−11)方向から光が入射するようになっている。電気光学結晶43では、第2のアーム導波路31からの光がレンズ42を介して入射し、電気光学結晶の端面43aで反射した戻り光がレンズ42を介して、第4のアーム導波路33へ出射する。例えば、電気光学結晶43では、(100)面に垂直な方向に電界Eが加えられ、(0−1−1)方向から光が入射するようになっている。   In the electro-optic crystal 41, light from the first arm waveguide 30 enters through the lens 40, and return light reflected by the end face 41a of the electro-optic crystal passes through the lens 40 to the third arm guide. The light is emitted to the waveguide 32. For example, in the electro-optic crystal 41, an electric field E is applied in a direction perpendicular to the (100) plane, and light enters from the (0-11) direction. In the electro-optic crystal 43, light from the second arm waveguide 31 enters through the lens 42, and return light reflected by the end face 43 a of the electro-optic crystal passes through the lens 42 and passes through the fourth arm waveguide 33. To exit. For example, in the electro-optic crystal 43, an electric field E is applied in a direction perpendicular to the (100) plane, and light enters from the (0-1-1) direction.

一方、第2実施形態と異なり、電界検出装置1Cでは、アーム導波路30は、複数の溝301(例えば、10箇所の溝301)を有する。溝301は、アサーマル化(温度無依存化)を実現するために形成されている。溝301の幅は、例えば、12.5μmである。溝301の中は、樹脂(シリコーンを主成分とする樹脂)が充填されている。   On the other hand, unlike the second embodiment, in the electric field detection device 1C, the arm waveguide 30 has a plurality of grooves 301 (for example, ten grooves 301). The groove 301 is formed in order to realize athermalization (temperature independence). The width of the groove 301 is, for example, 12.5 μm. The groove 301 is filled with a resin (a resin whose main component is silicone).

本実施形態の電界検出装置1Cにおいて、温度特性を評価したところ、温度に応じてスペクトルが変化しなかった。この点で、電界検出装置1Cによれば、アサーマル化が実現される。   In the electric field detection device 1C of the present embodiment, when the temperature characteristics were evaluated, the spectrum did not change according to the temperature. In this respect, according to the electric field detection device 1C, athermalization is realized.

なお、マッハチェンダー干渉計をアサーマル化(温度無依存化)する手法については、国際公開WO2010/079761や特開2012-014151号に開示されている。これらの例では、N個の分割溝を形成し、i番目の分割溝の長さをdLiとすると、dLiは、温度による変動がなくなるように設計されている。すなわち、分割溝に充填される材料の屈折率についての温度依存性は、下記式(6)を満たすようにしてある。   Note that methods for athermalizing the Mach-Cender interferometer (temperature independence) are disclosed in International Publications WO2010 / 079761 and JP2012-014151A. In these examples, assuming that N division grooves are formed and the length of the i-th division groove is dLi, dLi is designed so as not to fluctuate due to temperature. That is, the temperature dependence of the refractive index of the material filled in the dividing groove satisfies the following formula (6).

Figure 0006454288
Figure 0006454288

以下、上述した溝301の構成について詳述する。   Hereinafter, the configuration of the above-described groove 301 will be described in detail.

1.55μm帯の波長は、1.6nmの透過光のスペクトル間隔(FSR:Free Spectral Range)に相当する。本実施形態では、通信で用いられるC帯用のチューナブルレーザが光源60(図5)として用いられることになるので、C帯の30nmの間に、19個程度の山が含まれることになる。   The wavelength in the 1.55 μm band corresponds to a spectral interval (FSR: Free Spectral Range) of transmitted light of 1.6 nm. In the present embodiment, a C-band tunable laser used for communication is used as the light source 60 (FIG. 5), and therefore, about 19 peaks are included in 30 nm of the C-band. .

光路長差は、ガラスからなる埋め込み導波路において、約500μm程度になる。図14(a)は、理想的なスペクトルの特性を例示している。   The optical path length difference is about 500 μm in a buried waveguide made of glass. FIG. 14A illustrates ideal spectral characteristics.

図14(a)に示した状態において、例えば、長さがわずかに異なる2つの電気光学結晶を干渉路内に設けると、FSRがずれることになる(場合によっては、広がる、または狭まる)が、光強度が最大から最小まで変化する様子を観測することができる。   In the state shown in FIG. 14A, for example, if two electro-optic crystals having slightly different lengths are provided in the interference path, the FSR will be shifted (in some cases, widened or narrowed). It is possible to observe how the light intensity changes from maximum to minimum.

この場合、動作点として、プローブ光の波長を選択することにより、初期位相が、図12(a)に示したπ/4の位置に設定することができる。この場合、電界検出装置の出力は、図14(b)の出力1に示すようになる。   In this case, by selecting the wavelength of the probe light as the operating point, the initial phase can be set at the position of π / 4 shown in FIG. In this case, the output of the electric field detection device is as shown by output 1 in FIG.

一方、上述した溝301により位相差を設けず、2つの干渉路を等長に設計した場合に、図14(c)に示すような位相差(波長λ,λ)が発生したときは、電界検出装置の出力は、図14(b)の出力2に示すようになる。すなわち、電界検出装置の出力2は、動作波長を変更しても、3dB点に設定することができなくなる。つまり、光源60として波長可変レーザを用いたとしても、この可変範囲に、動作点が得られない場合があり得る。 On the other hand, when the phase difference (wavelengths λ 0 , λ 1 ) as shown in FIG. 14C is generated when the two interference paths are designed to have the same length without providing the phase difference by the groove 301 described above, The output of the electric field detection device is as shown by output 2 in FIG. That is, the output 2 of the electric field detection device cannot be set to the 3 dB point even if the operating wavelength is changed. That is, even if a wavelength tunable laser is used as the light source 60, an operating point may not be obtained in this variable range.

上記のように、干渉路に位相差をあらかじめ設定しておくことにより、実装時や電気光学結晶の研磨時の誤差等により動作点が変動したとしても、電界検出装置が用いるプローブ光の波長を変更することにより、動作点を調整することができる。   As described above, by setting the phase difference in the interference path in advance, even if the operating point fluctuates due to errors during mounting or polishing of the electro-optic crystal, the wavelength of the probe light used by the electric field detector is changed. By changing, the operating point can be adjusted.

しかしながら、上述した位相差を設けることにより、仮に、2つの干渉路間で温度が変化した場合に、干渉路間の位相差が変化する。ここで、2つの干渉路の長さの違いをΔL、波長をλとすると、温度がΔT変動したときに上記ΔLで生じる位相差Δφは、下記式(5)で表される。   However, by providing the above-described phase difference, if the temperature changes between the two interference paths, the phase difference between the interference paths changes. Here, if the difference in length between the two interference paths is ΔL and the wavelength is λ, the phase difference Δφ generated by ΔL when the temperature fluctuates by ΔT is expressed by the following equation (5).

Figure 0006454288
Figure 0006454288

上記式(5)において、dn/dtは、ガラスの屈折率についての温度依存性を示す係数を示す。式(5)に示した位相差Δφが生じると、図14(a)に示したスペクトルが波長軸方向に移動し、結果として、動作点が変動する。   In the above formula (5), dn / dt represents a coefficient indicating the temperature dependence of the refractive index of the glass. When the phase difference Δφ shown in Expression (5) occurs, the spectrum shown in FIG. 14A moves in the wavelength axis direction, and as a result, the operating point varies.

そのため、本実施形態の電界検出装置1Cでは、2つのアーム導波路30,32のうちの長い方のアーム導波路30上に、式(5)に示したdn/dt(ガラスの屈折率についての温度依存性を示す係数)とは符号の異なる負の屈折率の温度依存性(dnr/dt)を持つ材料が充填された複数の溝301が形成される。図13の例では、各溝301は、アーム導波路30のコアを分断するように形成される。   Therefore, in the electric field detection device 1C of the present embodiment, dn / dt (about the refractive index of the glass shown in the equation (5) is formed on the longer one of the two arm waveguides 30 and 32. A plurality of grooves 301 filled with a material having a negative refractive index temperature dependency (dnr / dt) having a sign different from that of the coefficient indicating temperature dependency is formed. In the example of FIG. 13, each groove 301 is formed so as to divide the core of the arm waveguide 30.

なお、本実施形態では、図13に示した溝301はすべて同じサイズである場合について説明したが、溝301の幅は、上記式(5)を満たせば溝301の各々で異なるように設定することもできる。また、溝301に充填される材料についても、上述した負の屈折率の温度依存性(dnr/dt)を有していれば他の材料を用いることができる。   In the present embodiment, the case where the grooves 301 shown in FIG. 13 are all the same size has been described, but the width of the groove 301 is set to be different for each of the grooves 301 if the above expression (5) is satisfied. You can also. As for the material filled in the groove 301, other materials can be used as long as they have the above-described temperature dependence (dnr / dt) of the negative refractive index.

本実施形態の電界検出装置1Cは、アーム導波路30に溝301が設けられるので、動作点は、光源60(例えば、チューナブルレーザ)の稼働範囲に設けることができる。さらに、溝301には、温度補償のための材料(樹脂)が充填されるので、アサーマル化(温度無依存化)が実現できる。そのため、電界検出装置1Cでは、たとえ温度が変化したとしても、図12(a)に示すようなスペクトル変動がない状態を実現することができる。よって、温度変化に対しても、安定して電界検出が行える。また、高精度に電界検出が行える。   In the electric field detection device 1C of the present embodiment, since the groove 301 is provided in the arm waveguide 30, the operating point can be provided in the operating range of the light source 60 (for example, a tunable laser). Furthermore, since the groove 301 is filled with a material (resin) for temperature compensation, athermalization (temperature independence) can be realized. Therefore, in the electric field detection device 1C, even if the temperature changes, it is possible to realize a state where there is no spectrum fluctuation as shown in FIG. Therefore, the electric field can be detected stably even with respect to temperature changes. In addition, the electric field can be detected with high accuracy.

上記各実施形態において、電気光学結晶41,43は、温度に対する屈折率の変化が生じないように結晶の向きが異なるように配置されれば各実施形態で説明した例に限られない。例えば、電気光学結晶41,43は、温度に対する屈折率の変化が生じない(001)、(00−1)、(010)あるいは(0−10)の各結晶面方向、またはその同位方向に光が伝搬しないように配置することもできる。このことに関連して、図15を参照して説明する。 図15(a)は、電界Eが(100)面に対して水平な方向に加えられているときの様子を例示してある。この例では、光が、(0−11)面に入射する場合と、(0−1−1)面に入射する場合が示してある。   In each of the embodiments described above, the electro-optic crystals 41 and 43 are not limited to the examples described in the embodiments as long as the crystals are arranged in different directions so that the refractive index does not change with temperature. For example, the electro-optic crystals 41 and 43 emit light in the crystal plane directions (001), (00-1), (010), or (0-10), or their isotopic directions, in which the refractive index does not change with temperature. It is also possible to arrange so that does not propagate. This will be described with reference to FIG. FIG. 15A illustrates a state when the electric field E is applied in a direction horizontal to the (100) plane. In this example, the case where light enters the (0-11) plane and the case where light enters the (0-1-1) plane are shown.

例えば、光が上述の(0−11)面(すなわち、図15(a)に示したy方向)に入射する場合、図15(b)に示すように、(0−11)面方向からみたときの屈折率は、e1→e2のように変化する。なお、図15(b)において、e1:電界Eの印加前の屈折率、e2:電界Eの印加前の屈折率、を示す。   For example, when light is incident on the above-described (0-11) plane (that is, the y direction shown in FIG. 15A), the light is viewed from the (0-11) plane direction as shown in FIG. 15B. The refractive index at the time changes as e1 → e2. In FIG. 15B, e1: a refractive index before application of the electric field E and e2: a refractive index before application of the electric field E are shown.

一方、例えば、光が上述の(0−1−1)面(すなわち、図15(a)に示したx方向)に入射する場合、図15(c)に示すように、(0−1−1)面方向からみたときの屈折率は、e3→e4のように変化する。なお、図15(c)において、e3:電界Eの印加前の屈折率、e4:電界Eの印加前の屈折率、を示す。   On the other hand, for example, when light is incident on the (0-1-1) plane (that is, the x direction shown in FIG. 15A), as shown in FIG. 15C, (0-1- 1) The refractive index when viewed from the plane direction changes as e3 → e4. In FIG. 15C, e3: a refractive index before application of the electric field E and e4: a refractive index before application of the electric field E are shown.

図15(d)は、同図(a)に示した電界Eが電気光学結晶に与えられた場合に光の伝搬方向kに応じて変化する屈折率の様子を示してある。   FIG. 15D shows the state of the refractive index that changes according to the light propagation direction k when the electric field E shown in FIG. 15A is applied to the electro-optic crystal.

図15(d)において、図15(b)に示したように、光の伝搬方向kがy方向の場合は、屈折率の変化の符号は正となり、電界印加前よりも大きくなる(e1→e2)。一方、図15(c)に示したように、光の伝搬方向kがx方向の場合は、屈折率の変化の符号は負となり、電界印加前よりも小さくなる(e3→e4)。   In FIG. 15D, as shown in FIG. 15B, when the light propagation direction k is the y direction, the sign of the change in the refractive index is positive, which is larger than before the application of the electric field (e1 → e2). On the other hand, as shown in FIG. 15C, when the light propagation direction k is the x direction, the sign of the change in the refractive index is negative, which is smaller than that before application of the electric field (e3 → e4).

このように、光の伝搬方向kが変わることによって、屈折率が変化するが、光の伝搬方向kは、図15(b)および図15(c)で示した例のほかにも考えられる。例えば、光の伝搬方向kが、xまたはy方向に平行でない場合であっても、屈折率の最大変化量が得られないにしても、屈折率は、電界を印加する前後で変化する。この場合、光の伝搬方向kが、後述するある方向(点OIを結ぶ方向)の場合を除き、屈折率は大きくなったり、小さくなったりする。なお、Oは原点、Iは電界印加前の屈折率(同図(d)の実線)と電界印加後の屈折率(同図(d)の破線)の交点を示している。   As described above, the refractive index changes as the light propagation direction k changes, but the light propagation direction k can be considered in addition to the examples shown in FIGS. 15B and 15C. For example, even if the light propagation direction k is not parallel to the x or y direction, the refractive index changes before and after applying the electric field, even if the maximum amount of change in refractive index cannot be obtained. In this case, the refractive index increases or decreases except when the light propagation direction k is a certain direction (a direction connecting the points OI) described later. O represents the origin, and I represents the intersection of the refractive index before application of the electric field (solid line in FIG. 4D) and the refractive index after application of the electric field (broken line in FIG. 4D).

上記屈折率の変化を鑑み、各実施形態では、干渉計を形成する2本のアーム導波路の少なくとも一方に対して屈折率の変化が正になる方向(負になる方向)に光を伝搬させ、かつ他方に対して屈折率の変化が上記方向とは逆になる方向に光を伝搬させることで、屈折率の変化が全体としてゼロになるように2つの電気光学結晶を配置するようにすればよい。   In view of the change in the refractive index, in each embodiment, light is propagated in a direction in which the change in the refractive index is positive (a direction in which it is negative) with respect to at least one of the two arm waveguides forming the interferometer. In addition, by propagating light in a direction in which the refractive index change is opposite to the above direction with respect to the other, the two electro-optic crystals are arranged so that the refractive index change becomes zero as a whole. That's fine.

1,1A,1B,1C 電界検出装置
2 電界印加装置
11 入力導波路
20a,20b カップラ
30,31,32,33 アーム導波路
40,42 レンズ
41,43 電気光学結晶
51,52 出力導波路
56,57 調心用導波路
1, 1A, 1B, 1C Electric field detection device 2 Electric field application device 11 Input waveguide 20a, 20b Coupler 30, 31, 32, 33 Arm waveguide 40, 42 Lens 41, 43 Electro-optic crystal 51, 52 Output waveguide 56, 57 Waveguide for alignment

Claims (5)

入力導波路と、
出力導波路と、
前記入力導波路と前記出力導波路との間に設けられた複数のアーム導波路と、
前記アーム導波路の各々の光路に対応して設けられ、各光路を伝搬する光信号を入射して反射させる複数の電気光学結晶と
を含み、
前記複数の電気光学結晶の各々は、電界の印加方向に対して垂直となる結晶面に光信号が入射し、かつ温度に対する屈折率の変化が生じないように予め結晶の向きが異なるように配置されている
ことを特徴とする電界検出装置。
An input waveguide;
An output waveguide;
A plurality of arm waveguides provided between the input waveguide and the output waveguide;
A plurality of electro-optic crystals that are provided corresponding to the respective optical paths of the arm waveguides and that receive and reflect an optical signal propagating through the optical paths;
Each of the plurality of electro-optic crystals is arranged in advance so that an optical signal is incident on a crystal plane perpendicular to the direction of application of an electric field and the orientation of the crystals is different so that the refractive index does not change with temperature An electric field detection device characterized by that.
前記電界検出装置は、平面光波回路で構成されており、
前記複数の電気光学結晶は、前記平面光波回路の同一辺に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の電界検出装置。
The electric field detection device is composed of a planar lightwave circuit,
The electric field detection device according to claim 1, wherein the plurality of electro-optic crystals are formed on the same side of the planar lightwave circuit.
前記複数のアーム導波路のうちのいずれかは、位相差が設けられた溝が形成され、前記溝には、屈折率の温度依存性の係数が負となる材料で充填されていることを特徴とする請求項1または2に記載の電界検出装置。   Any one of the plurality of arm waveguides is provided with a groove having a phase difference, and the groove is filled with a material having a negative coefficient of temperature dependency of a refractive index. The electric field detection device according to claim 1 or 2. 前記複数の電気光学結晶の各々と光結合された複数のレンズをさらに含むことを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の電界検出装置。   The electric field detection device according to claim 1, further comprising a plurality of lenses optically coupled to each of the plurality of electro-optic crystals. 前記レンズを調芯するための導波路をさらに含むことを特徴とする請求項4に記載の電界検出装置。   The electric field detection device according to claim 4, further comprising a waveguide for aligning the lens.
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