JP6491611B2

JP6491611B2 - 電界強度測定方法

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Inventors: 渡邉　啓; 啓渡邉; 優生倉田; 藍柳原
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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測定技術に関する。

電界強度の測定方法には、電気光学効果を利用して電界強度の測定を行う手法がある。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として電界強度を計測するように構成されている。

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、反射手段を有する電気光学結晶と、サーキュレータと、ビームスプリッタとを備える。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波長板を介して電気光学結晶に入射した後に反射手段によって反射する。そして、その反射した戻り光は、入射時と同じ電気光学結晶内の経路を通って、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。この特許文献２のシステムにおいても、上記特許文献１と同様に、電気光学結晶を通過した光の変化に応じて電界強度を測定している。

特許第４８７５８３５号特開２０１０−１４５７９号公報

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

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。

電気光学結晶では、印加される電界の強度により屈折率が変化する。この電気光学結晶に、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、偏波状態の観測は極めて高い感度で行う必要がある。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ず、電界強度を決定できない。

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。

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。

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)・n₀ ³・r・E、Δn(T)＝(dn/dT)・T、λ＝1.55μm、L＝4000μmとする。

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、電気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。

一方、電気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桁も大きい。このような温度による位相変化は、結晶の複屈折率の温度の依存性によるものと考えられる。屈折率には異方性があり、これが偏波の変化量にも影響を及ぼす。

つまり、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、桁違いに大きくなることがわかる。

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、接着材等を用いて固定されるが、これらの固定時に、仮に接着材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材の応力値が変わる。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。

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。

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強度測定方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明は、波長可変光源と、前記波長可変光源からの光を入射し、電気光学効果により屈折率が変わる被測定デバイスと、前記被測定デバイスの出力を測定する測定システムと、前記波長可変光源の波長を設定する波長設定システムとを含む電界計測システムによって、前記被測定デバイスに与えられる電界強度を測定する電界強度測定方法であって、前記波長設定システムにより、前記波長可変光源からの光の波長を変えながら、前記被測定デバイスの出力の光強度の極小点を判定するステップと、
前記光強度が極小点と判定された場合に、当該極小点のときの前記波長から予め所定量シフトされた波長の光により前記被測定デバイスに与えられる電界強度を測定するステップと、を含む。

ここで、前記所定量シフトされた波長は、前記測定される電界強度が極大点のときの波長としてもよい。

前記光強度の極小点を判定するステップでは、第１波長、当該第１波長の長波側の波長、および、当該第１波長の短波側の波長を用いて、判定するようにしてもよい。

前記被測定デバイスは、電気光学結晶であり、前記電気光学結晶は、結晶端面の反射率によりファブリペロー共振を生じるように構成するようにしてもよい。

本発明は、前記電気光学結晶と光結合されたレンズをさらに含むようにしてもよい。

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。

従来の電界検出装置の構成を示す図である。電界検出装置において、波長とスペクトルの光強度との関係を示す図である。第１実施形態の電界計測システムに用いられる電界検出装置の構成例を示す図である。電界検出装置において、ＩｎＰ結晶を屈折率が１．４６の接着材中に配置した場合のファブリペロー共振スペクトルの計算結果を示す図である。図４に示した２つの曲線の差分に基づく感度の波長依存性の計算結果を示す図である。Ｒ１（＝Ｒ２）を変化させて計算したファブリペロー共振スペクトルの波長依存性を示す図である。Ｒ１（＝Ｒ２）を変化させ、電界強度５００ｋＶ／ｍを印加した場合の感度の計算結果を示す図である。作製したサンプルにおいて、一定の電界（５ｋＶ／ｍ）を印加した場合の波長ごとのスペクトルおよび電界強度の測定結果を示す図である。作製したサンプルにおいて、温度を変化させたときの光出力の測定結果を示す図である。図９の測定結果に基づく感度曲線の温度依存性の測定結果を示す図である。電界検出装置を用いた電界計測システムの構成例を示す図である。図１１の電界計測システムにおいて、スペクトルの極小値の場合の電界強度を計測するための方法の一例を示すフローチャートである。電界検出装置の波長を動的に変化させた場合の信号変化の結果を示す図である。電界検出装置の波長を動的に変化させた場合の波長を時系列に示した図である。第２実施形態の電界計測システムに用いられるリング共振器の構成例を示す図である。第２実施形態の電界計測システムにおいて、電界を印加する前のスペクトルの測定結果を示す図である。第２実施形態の電界計測システムによって検出された電界強度の感度波長依存性を示す図である。第２実施形態の電界計測システムによって得られた実測値と理論値とを示す図である。第２実施形態の電界計測システムにおいて得られた出力を説明するための図である。

＜第１実施形態＞
以下、第１実施形態の後記電界計測システム１に用いられる電界検出装置１０について説明する。先ず、この電界検出装置１に関連して、従来の電界検出装置１００を図１〜図２を参照して説明する。

図１は、従来の電界検出装置１００の構成を示す図である。この電界検出装置１００は、非特許文献１に示してある。

図１に示す電界検出装置１００では、光ファイバ１０１からの光は、コリメータレンズ１０２を介して、電気光学（ＥＯ: Electro-Optic）結晶１０３に入射される。なお、磁界を検出する場合は、電気光学結晶１０３に代えて、ＭＯ(Magnetic-Optic）結晶が採用される。
電気光学結晶１０３に入射された光は右端の誘電体反射膜１０３Ａで反射し、反射した光は、元の入射経路を通ってコリメータレンズ１０２から出力される。図１において、無反射（ＡＲ:Anti-Reflection)コート１０３Ｂは通常、電気光学結晶１０３のコリメータレンズ１０２側の一端面に施される。

電界検出装置１００では、電気光学結晶１０３に電界が印加されると、電気光学結晶１０３の屈折率が変化し、伝搬する光の位相が変化する。その位相は、偏波の回転量として検出されることが知られている（非特許文献１）。

電界検出装置１００では、電気光学結晶１０３の一端面にＡＲコート１０３Ｂが施されるが、これが施されない場合、電界検出感度が不安定になり得る。つまり、図２（ａ）のように電気光学結晶１０３内でファブリペロー共振が生じ、例えば図２（ｂ）に一例を示すような波長スペクトルが生成される場合、スペクトルの光強度は、電気光学結晶１０３の長さおよび屈折率に基づいて決められる間隔で周期的に変動してしまうからである。

図２（ｃ）は図２（ｂ）に示した波長スペクトルの部分ｃを拡大した様子を示してある。図２（ａ）は図１に示した電界検出装置１００の等価回路図を示してある。なお、図２（ａ）において、ＥＯは電気光学結晶１０３に相当する回路、Ｉは電界検出装置１００の光出力を示す。

電界検出装置１００において、測定中の温度が変化すると、上述した光出力Ｉのスペクトル自体が、電気光学結晶１０３の屈折率の温度依存性によってシフトする。一方、この測定中に、電気光学結晶１０３に電界を与えて電気光学結晶１０３の屈折率を変化させると、位相が変化してスペクトルは変化するが、このスペクトルの変化が温度変化によるものか、電界印加によるものかの判別ができない。

そのために通常は、印加する電界の周波数のみを検波（ロックイン検出等）して、電界変化に基づくスペクトルの変化を検出する。しかしながら、上述した周波数のみを検波したとしても、あるプローブ波長（電界検出のための波長）で電界を検出すれば、スペクトルも変化するし、電界検出装置１００に入射する光の絶対量が波長リップル（図２（ｂ）〜（ｃ））に応じて変化し、しかも感度も波長依存性を持つことから、スペクトルもシフトすることになる。

電界検出装置１００において、図２（ｂ）に示した波長リップルをなくすためには、上述したＡＲコート１０３Ｂによって、スペクトルが可能な限りフラットになるようにする必要がある（図２（ｄ）〜（ｅ））。図２（ｄ）はリップルのない理想的な光強度、図２（ｅ）は図２（ｄ）の一部を拡大した様子を示してある。

［電界検出装置の構成］
次に、本実施形態の電界検出装置１の構成について説明する。図３は、電界検出装置１の構成を示す図であって、（ａ）は電界検出装置１の概略構成、（ｂ）はファイバ５２，５３をＧＲＩＮレンズ６０の中心ｏに対して対称となるように配置した様子、を示す。

図３（ａ）に示すように、電界検出装置１は、入力側のファイバ５２と、出力側のファイバ５３とを備える。この実施形態では、ファイバ５２は、例えば、偏波保持ファイバの一つであるＰＡＮＤＡ（Polarization maintaining AND Absorption reducing）ファイバであり、また、ファイバ５３は、例えば、シングルモードファイバである。ファイバ５２，５３は、ガラスフェルール５１に挿入されており、コリメータレンズとなるＧＲＩＮレンズ６０と光学的に接続されている。なお、ＧＲＩＮレンズ６０は、主に半径方向に屈折率分布をもつ円筒状のレンズである。

樹脂５４は、例えばＵＶ（ultraviolet）硬化接着材であり、ファイバ５２，５３を固定するために用いられる。図３（ｂ）に示すように、ファイバ５２，５３は、ＧＲＩＮレンズ６０の中心ｏに対して対称となるように配置される。

電気光学結晶７０は、例えばＩｎＰ結晶である。図３において、電気光学結晶７０とＧＲＩＮレンズ６０との間の反射率をＲ１とし、電気光学結晶７０の反射端面の反射率をＲ２とする。この実施形態では、一例として、反射率Ｒ１，Ｒ２はともに５４％となるように誘電体多層膜が形成される。なお、電気光学結晶７０は、ＩｎＰ結晶に限らず、他の材料で形成するようにしてもよい。また、反射率Ｒ１，Ｒ２についても、例示した値に限らず、変更するようにしてもよい。

次に、電界検出装置１における電気光学結晶７０の反射端面の反射率Ｒ１について説明する。

一般に、電界検出装置は、コリメートレンズと、それと光学的に接続される電気光学結晶とを備えるが、前述のとおり、一般的な電界検出装置１００では、コリメートレンズ１０２と接続される側の電気光学結晶１０３の端面にはＡＲコート１０３Ｂが施される。このＡＲコート１０３Ｂが形成されなければ、検出感度が測定環境温度の変動により不安定になり得ることは前述したとおりである。

しかしながら、図３の本実施形態における電界検出装置１では、上述した一般的な電界検出装置１００と異なり、電気光学結晶７０内のファブリペロー共振を利用し、意図的に多重反射を発生させることにより、検出感度の向上を実現するようにしている。

図４は、電界検出装置１において、ＩｎＰ結晶７０の屈折率ｎ１を１．４６に設定した場合のファブリペロー共振スペクトルの計算結果を示す図である。図４において、横軸はλ（波長）、縦軸はスペクトル（ｌｏｇ表示）を示してある。

図４の例では、後述の式（１）、式（２）および式（９）に示すように、屈折率ｎ０＝３.１６９、および屈折率ｎ１＝１．４６となるので、屈折率ｎ１＝１．４６の接着材とＩｎＰ結晶７０（コートなし）との境界の反射率は、Ｒ＝０．１３６、すなわち１３．６％となる。このとき、ＩｎＰ結晶７０の長さは、例えば２ｍｍとする。

図３に示した電界検出装置１では、電気光学結晶７０の一方の端面は、上記接着材を介してＧＲＩＮレンズ６０と接続され、他方の端面は、空気と接しているが、以下の説明では、説明の容易のため、電気光学結晶７０の両端面が接着材に接しているものとして説明する。

先ず、この図４のスペクトルに関連して、様々な条件について説明する。以下は、上述した屈折率ｎ１等の条件を示す。

ｎ１＝１.４６（１）
ｎ０＝３.１６９（２）
λ＝１.５４７〜１．５４８（３）
ｄＬ＝２０００μｍ（４）
θ＝０（５）
ｒ＝１．５×１０^-12 （６）
ｎ（Ｅ）＝ｎ０＋１／２ｎ０³×ｒ×Ｅ（７）
δ（λ，Ｅ）＝｛４π×ｎ（Ｅ）×ｄＬ×ｃｏｓ（θ）｝／λ （８）
Ｒ＝（ｎ１−ｎ０）²／（ｎ１＋ｎ０）² Ｒ＝０．１３６（９）
Ｉ（λ，Ｅ）＝
（１−Ｒ）２／［（１−Ｒ）²＋４Ｒ×｛ｓｉｎ（δ（λ，Ｅ）／２｝²］（１０）

なお、ｎ０は電界がないときの屈折率、ｄLは電気光学結晶１０３の長さ、θは電気光学結晶のファブリペロー共振を形成する結晶面に対する光の入射角度、ｒはこの結晶７０の電気光学(EO)係数、δ（λ，Ｅ）は波長λで電界Ｅが印加されたときの位相変動量、Ｉ（λ，Ｅ）は波長λで電界Ｅが印加されたときの電気検出装置１の光出力、を示す。

上記式（１）〜（１０）の条件下において、電気光学結晶７０に例えば500ｋＶ/ｍの電界を印加した場合、図４の実線に示すようなスペクトルが得られる。さらに、より大きい電界を印加することによって、図４の実線に示したスペクトルがシフトして破線に示すようなスペクトルが得られる。これら２つのスペクトルの差分が、電界の印加により位相が変化し、最終的に光強度の変化として検出される。

図５は、図４に上記感度の波長依存性の計算結果を点線として加えて示してある。図５において、横軸は波長λ、縦軸は図４に示した２つのスペクトルの差分の計算結果（ｌｏｇ表示）を示す。

図５に示すスペクトルにおいて、急峻に変化する点では感度は最大値となり、スペクトルが極大または極小となる場合には、感度がほとんど得られないことがわかる。

図６は、図４と同様の図であって、電気光学結晶７０の反射率Ｒ１，Ｒ２がＲ１＝Ｒ２となる場合の共振スペクトルの波長依存性の計算結果を示してある。図６に示す計算結果において、反射率Ｒを高くするにつれ（実線：１３．６％→破線：２７．２％→点線：５４．４％）、ファブリペロー共振のスペクトルは、急峻になることがわかる。

図７は、Ｒ１（＝Ｒ２）を変化させ、電気光学結晶７０に例えば500ｋＶ/ｍの電界を印加した場合に計算した感度の計算結果を示してある。図７に示す計算結果において、反射率Ｒが高くなるにつれ（実線：１３．６％→破線：２７．２％→点線：５４．４％）、感度は、高くなることがわかる。例えば図７の例では、反射率Ｒが５４．４％の場合の感度は、反射率Ｒが１３．６％の場合に比べて４倍程度高くなることがわかる。

なお、電気光学結晶７０の長さを短くしたとしても、同様に検出感度は高くなる。例えば、電気光学結晶７０の長さｄＬ（＝２０００μｍ）を１／４に設定した場合、その感度は、長さｄＬ＝２０００μｍの場合に比べて４倍程度高くなる。これにより、分解能が向上し、電気光学結晶の部材コストが抑制できる。

従来の電界検出装置１００では、感度は、電気光学結晶１０３の物理定数および長さのみによって決定されており、光の不安定となり得る反射特性（Ｒ１，Ｒ２）を形成することは避けられてきたが、本実施形態では必ずしもその必要はない。本実施形態の電界検出装置１では、電気光学結晶７０の反射特性を利用することにより、より高い感度を実現するようにする。

なお、上述した反射率Ｒ１，Ｒ２が低すぎる場合、感度が低くなり、測定環境下において、温度変化に対し動作が不安定となる。そのため、反射率Ｒ１、Ｒ２は、前述の接着材を電気光学結晶７０の両端面に備えると仮定したときの反射率Ｒ（＝0.136）よりも高くするのが好ましい。

このことは、反射率Ｒ１を限りなくゼロに近づける従来の電気光学結晶１０３と異なる点である。さらに、電界測定環境下で温度変化に対する測定感度を向上させるために、本実施形態では、光強度の極小または極大を検出するようにしている。以下、詳述する。

図８は、実際に作製したサンプル（例えば、電気光学結晶７０）に一定電界（例えば、5ｋＶ/ｍ）を印加しながら、スペクトルおよび電界検出強度を各波長で測定した実験結果を示してある。

図８に示すように、電界検出強度（実線）が最大となるのは（Ｂ´）、ファブリペローの共振スペクトルの強度（点線）が急峻に変化する場合である。一方、電界検出強度が最小となるのは（Ａ）、スペクトルが極大または極小となる場合である。

図９は、上述のサンプルおよび電界印加条件（例えば、5ｋＶ/ｍ）において、温度を変化させながら共振スペクトルを測定した結果を示している。図９に示す結果から、温度がわずかに変化しただけでも、スペクトルはシフトすることがわかる。

図１０は、図９に対応する感度曲線の温度依存性の測定結果を示している。図１０に示した測定結果からでも、わずかに温度が変化する（23.0℃→23.5℃→24.0℃→24.5℃）と、感度がシフトしていることがわかる。このことは、あるプローブ波長で電界強度を観測した場合に測定環境の温度がわずかに変化しただけでも、電気光学結晶内のファブリペロー共振が生じると感度が変動し、結果、測定が不安定になることを意味する。

図１０に示す測定結果において、スペクトルが極小となる点（例えば、図８の「Ａ」）と、感度曲線が極大となる点（例えば、図８の「Ｂ´」）との間の波長のズレは、温度が変化したとしても一定間隔となる。例えば、図１０の例では、点Ａの波長と点Ｂ‘の波長は、0.003nm（後述する「shift」の値を参照）ずれている。このずれ幅（すなわち両者の相対位置）は、温度が変化したとしても変化しない。

上記ずれ幅は温度変化にかかわらず一定であることから、本実施形態の電界計測システム１では、スペクトルの極小点（上記Ａ点）を常に監視し、その極小点の波長から所定量シフトさせた上記点Ｂ´の波長での電界強度を測定するようにしている。

図１１は、かかる電界計測システム１０の構成例を示す図である。

図１１において、電界計測システム１０は、波長可変光源（ＴＬＳ: Tunable laser sources）２として、例えばＣ帯用のチューナブルレーザを用いる。波長可変光源２からファイバを介して伝搬するＴＥ偏光は、変換器５でＴＭ偏光に変換され、変換されたＴＭ偏光が被試験デバイス（ＤＵＴ: Device Under Test）３に入射される。この実施形態では、ＤＵＴ３は、図３に示した電界検出装置１である。なお、波長可変光源２は、設定された波長（後述のλ０，λ０＋Δλ，λ０−Δλ）を有する光を生成する。この波長は、コンピュータ（波長設定システム）８によって設定される。

なお、電界検出装置１には、昇圧コンバータ（ＵＰＣ: UP Converter）８の出力電圧ｄ１に伴って電界が与えられる。

ファンクションジェネレータ（ＦＧ: Function Generaor）９は、基準信号（例えば、周波数20.03kHz）ｄ３を生成して、基準信号ｄ３をロックインアンプ７に出力する。さらに、ファンクションジェネレータ９は、電圧信号ｄ２を昇圧コンバータ８に出力する。

電圧信号ｄ２を入力した昇圧コンバータ８は、電圧信号ｄ２を昇圧（例えば１００倍）して上述の出力信号ｄ１を生成する。

ＤＵＴ３としての電界検出装置１の出力は、シングルモードファイバを介して、パワーメータ（ＰＭ: Power Meter）４および光電変換装置（ＯＥＣ: Optical Electrical Converter）６に入力する。光電変換装置６は、例えばフォトダイオード等である。

そして、光電変換装置６からの出力を増幅するロックインアンプ７は、基準信号ｄ３に基づいて同期検出する。そのとき信号強度は、パワーメータ４により検出される。

なお、図１１では、電界検出装置１からの出力は直接、光電変換装置６に入力する場合について示しているが、電界検出装置１に与えられる電界変化による位相変化量を偏波の回転として検出できる場合には、光電変換装置６の入力側に偏波分離素子（ＰＢＳ: Polarizing Beam Splitter）を配置する。そして、偏波分離素子からの出力である横偏波成分および縦偏波成分をそれぞれ測定するようにしてもよい。この場合、２つの上記偏波成分をそれぞれ別のＰＤに入力し、両成分の差動出力を増幅して検出することで、２つのＰＤの雑音成分をキャンセルさせることができ、これにより、より高感度に測定することができる。

また、本実施形態の電界計測システム１０は、コンピュータ８に接続し、後述する図１２のアルゴリズムに従って測定を行っているが、専用の制御回路によって上記アルゴリズムの処理を行うようにしてもよい。

次に、この電界計測システム１０によって実現される計測方法について、図１１〜図１２を参照して説明する。

図１２は、電界計測システム１０において、スペクトルが極小値のときの電界強度を計測するための方法の一例を示すフローチャートである。

図１２において、波長可変光源２の波長λ０の初期値を設定し（ステップＳ１）、λ０，λ０＋Δλ（λ０よりも長波側）およびλ０−Δλ（λ０よりも短波側）の場合の電界検出装置１の各光出力を測定する（ステップＳ２）。例えば、Δλ＝０．００１ｎｍとする。なお、Δλの値は、電界検出装置１の透過光のスペクトル間隔であるＦＳＲ（Free Spectral Range）に対応して選択すればよく、おおむね、ＦＳＲの１／２０〜１／５０の波長間隔を選択するのが好ましい。

この場合、波長可変光源２にて、各波長（λ０，λ０＋Δλ，λ０−Δλ）ごとに、ＴＥ偏光を生成し、ＤＵＴ３としての電界検出装置１に、各波長のＴＭ偏光を入射する。そして、ロックインアンプ７にて電界検出装置１の光出力が検出される。

上述の波長λ０の光出力が極小値か否かを判定し（ステップＳ３）、極小値の場合は、λ０の波長をシフトした（λ０＋ｓｈｉｆｔ）の波長を設定する（ステップＳ４）。例えば、「ｓｈｉｆｔ」の値は予め設定されており、この実施形態では、「ｓｈｉｆｔ」＝−０．０３ｎｍとする。この値は、前述のとおり、温度変化にかかわらずスペクトルの極小（Ａ）と感度の極大（Ｂ´）との間のずれ幅に相当する。

一方、極小値ではない場合（ステップＳ３のＮＯ）、ステップＳ２で測定した各波長での光出力のうち、最小の波長を新たな初期値λ０として設定し（ステップＳ７）、ステップＳ２へ移行する。

次に、ステップＳ４において設定した波長において、電界検出装置１に与えられる電界強度を同期検出により測定し（ステップＳ５）、ステップＳ６に進み、ステップＳ２へ移行する。

このようにして、プローブ波長λ０を変更しながら、上記電界強度を測定する。

上述した電界計測システム１０の測定結果について、図１３および図１４を参照して説明する。

図１３は、かかるプローブ波長λ０を動的に変更しながら測定した信号変化の結果（△印）を示してある。図１４は、図１３のときのプローブ波長λ０を示してある（△印）。

なお、図１３に示す結果において、空調により室内がある程度の温度に保たれている状態での結果であるが、電界検出装置１の温度は調整されていない。図１３および図１４では、比較のため、波長を一定としたときに測定した結果も示してある（◆印）。

本実施形態の電界計測システム１０において、スペクトルのボトム（Ａ点）を常に監視し、そのときの波長から一定量シフトした波長（Ｂ´）のプローブ光として電界強度を測定すれば、変動が抑えらていることが確認できる。例えば、図１３の例では、その変動は、-０．１ｄＢ〜＋０．１ｄＢに抑えられている。

なお、波長を変化させずに電界強度を測定する従来の方法の場合、所定の電界を電界検出装置１００に印加しているにもかかわらず、検出感度が変動し（変動幅は最大１ｄＢ）、結果として、安定的に測定することができなかった。

以上説明したように、本実施形態の電界強度測定方法では、コンピュータ８により、波長可変光源２からの光の波長を変えながら、ＤＵＴ３としての電界検出装置１の出力の光強度の極小点を判定し、光強度が極小点と判定された場合に、当該極小点のときの波長から予め所定量シフトされた波長（例えば、「λ０＋ｓｈｉｆｔ」）のときの電界強度を測定する。ここで、極小点のときの波長から予め所定量シフトされた波長は、温度変化にかかわらず、測定される電界強度が最大となる波長である。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。

また、本実施形態の電気光学結晶１は、スペクトルが急峻になる形状が得られる（例えば、図８参照）ように、結晶両面に形成される反射膜（接着材）の反射率Ｒ１，Ｒ２を調整している。この点で、ＡＲコート１０３Ｂを形成する従来の電界検出装置１００の場合よりも、感度を向上させることができるので、高感度な電界検出が実現される。なお、反射率Ｒ１，Ｒ２が低い場合は、感度を劣化させるだけでなく、環境温度に対しても測定値が不安定になるため、Ｒ１、Ｒ２の値としては、前述のとおり、反射率（Ｒ＝0.136）よりも高くするのが好ましい。

＜第２実施形態＞
以上では、図３および図１１を参照して、ＤＵＴ３として電気光学結晶１を適用した場合について説明した。しかしながら、リング共振器を適用するようにしても、前述の実施形態と同様に電界感度を向上させることができる。

図１５は、かかるリング共振器３０の構成例を示す図であって、（ａ）はリング共振器３０の平面図、（ｂ）はリング共振器３０の断面図を示す。

図１５において、リング共振器３０は、入力導波路３１と、リング導波路３２と、出力導波路３３とを含む。

入力導波路３１は、２ｘ２カップラ３４の入力Ｉ₁に接続され、出力導波路３３は、カップラ３４の出力Ｏ₁に接続されている。カップラ３４の入力Ｉ₂と出力Ｏ₂は、リング導波路３２を介して互いに接続されてリング部を構成している。この実施形態では、このリング部によって電界が検出される。

このリング共振器３０は、以下の手順で作製することができる。

先ず、半絶縁性ＩｎＰ基板上に、バンドギャップが1.3μmとなるように組成調整されたInPと格子整合するＩｎＧａＡｓＰからなる層をＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition）にて成長させる。そして、1.5μm厚のＩｎＰを成長させる。

次に、標準的なリソグラフィー法および反応性イオンエッチングを用いて、図１５（ｂ）に示した断面構造のようになるよう3.8μmのエッチングを施す。その後、基板を劈開し、その端面に必要なＡＲコートを施す。このとき、形成した導波路の幅は1.5μm幅とし、リング部の最少曲げ半径は、200μmとする。また、カップラ３４として、例えばＭＭＩカップラを用い、そのカップラの幅12μm、長さ125μmとする。なお、上記例示した設計値は変更してもよい。

なお、上記基板として、ＩｎＰ導波路を用いたが、電気光学効果を有する結晶であれば、これに限らず他の材料の結晶を適用するようにしてもよい（ＧａＡｓ等）。

このようなリング共振器３０についても、前述のファブリペロー共振器と同様に、急峻なスペクトルが得られる。

図１６は、リング共振器３０に電界を印加する前に測定したスペクトルの測定結果を示してある。このとき得られたFSRは、0.4nm（50ＧＨｚ）である。

一般に、リング共振器のスペクトルの鋭さは、フィネスと呼ばれるＦの表記で表される。このＦが大きいほど、急峻なスペクトルとなる。換言すれば、わずかな電界が印加されたとしても、光強度の変化率が大きくなる（例えば、文献−（岡本勝就著、「光導波路の基礎」、コロナ社、1992年10月20日）参照）。

この場合、２×２カップラ３４の結合率ｋを変化させれば、スペクトルの急峻な程度を調整することができる。

図１７は、カップラ３４の結合率ｋを変化させた場合に検出される電界強度の感度の波長依存性の計算結果を示している。図１７において、横軸はλ（波長）、縦軸は検出感度を示す。

図１７の例では、結合率ｋを０．５，０．４，０．３と調整することで、変調効率が大きくなることがわかる。

図１８は、実際に作製したｋ＝０．３付近のリング共振器３０を用いて測定したスペクトルおよび電界検出感度を示している。なお、測定方法は、この実施形態においても第１実施形態で示したものと同一である。

図１８の例では、スペクトルが、極大または極小となる位置で検出感度は最小となる。また、もっとも急峻にスペクトル変化する点で最大効率が得られていることがわかる。

このように、リング共振器３０を用いたとしても、前述の電気光学結晶（ファブリペロー共振器）７０と同様に、電界検出感度を向上させることができる。

また、この実施形態においても、温度変化に対する測定を安定させるために、図１２に示した方法（ステップＳ１〜Ｓ７）と同様に波長を変えながら、検出感度を一定に保つようにしている。

図１９は、所定の電界をリング共振器３０に印加しながら、リング共振器３０の裏面に対して、波長可変光源を用いて、プローブ波長λ０、ならびに、λ０から微小な波長変化（Δλ）の少なくても３点の透過光強度から、透過光強度の極小値（ないし極大値）を判定し、一定波長ずらした波長に現れる感度最大波長を探索する方法（以下、波長デザリング法）により随時変更した場合の感度の安定性を評価した結果を示している。図１９が示すように、波長デザリングしている場合は感度が一定に保たれている（出力＝0.00015(a.u.)）ことがわかる。なお、比較のため、波長デザリングを実施せずに測定した結果も図１９に示しているが、この場合の感度は時間の経過とともに、測定環境温度変化の影響を大きく受け、感度が変化し不安定になっている（出力＝0.00002〜0.00016(a.u.)）ことがわかる。

上述した波長デザリング法は、電界を検出する場合に、波長に応じて透過強度/反射強度が変化する特性を示す干渉計を用いて、電界印加による屈折率の変化を位相変化として検出する光回路であれば、前述の電気光学結晶としてのファブリペロー共振器のほか、リング共振器３０でも有用である。あるいは、マッハチェンダー干渉計やマイケルソン干渉計等の干渉計を用いても同様に制御することで安定に測定ができる。

１電界検出装置
２波長可変光源
３被測定デバイス
４パワーメータ
７ロックインアンプ
８コンピュータ
９ファンクションジェネレータ
１０電界計測システム
３０カプラ
６０レンズ
７０電気光学結晶
Ｒ１，Ｒ２反射率

Claims

波長可変光源と、前記波長可変光源からの光を入射し、電気光学効果により屈折率が変
わる被測定デバイスと、前記被測定デバイスの出力を測定する測定システムと、前記波長
可変光源の波長を設定する波長設定システムとを含む電界計測システムによって、前記被測定デバイスに与えられる電界強度を測定する電界強度測定方法であって、
前記波長設定システムにより、前記波長可変光源からの光の波長を変えながら、前記被
測定デバイスの出力の光強度の極小点を判定するステップと、
前記光強度が極小点と判定された場合に、当該極小点のときの前記波長から予め所定量
シフトされた波長の光により前記被測定デバイスに与えられる電界強度を測定するステッ
プと、
を含むことを特徴とする電界強度測定方法。
前記所定量シフトされた波長は、前記測定される電界強度が極大点のときの波長である
ことを特徴とする請求項１に記載の電界強度測定方法。
前記光強度の極小点を判定するステップでは、第１波長、当該第１波長の長波側の波長
、および、当該第１波長の短波側の波長を用いて、判定することを特徴とする請求項１に
記載の電界強度測定方法。
前記被測定デバイスは、電気光学結晶であり、前記電気光学結晶は、結晶端面の反射率
によりファブリペロー共振を生じるように構成されていることを特徴とする請求項１に記
載の電界強度測定方法。
前記電気光学結晶と光結合されたレンズをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載の電界強度測定方法。