JP6730052B2 - 光プローブ電流センサ素子及び光プローブ電流センサ装置 - Google Patents
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Description
本発明に係る光プローブ電流センサ装置1は、図1に示すように、平面光導波回路で主に構成された光プローブ電流センサ素子10を備えた装置であり、少なくとも、光プローブ電流センサ素子10と、光プローブ電流センサ素子10が有する第1の光導波路11に光を導入する光入力装置20と、光プローブ電流センサ素子10が有する偏光分離素子16を通過した光を受光する光受信装置30とを有している。
光プローブ電流センサ素子10の構成は上記したとおりであり、図2に示すように、第1の光導波路11と、センサ部14と、第2の光導波路12と、偏光分離素子16とを少なくとも有している。このうち、第1の光導波路11、第2の光導波路12及び偏光分離素子16は平面光導波回路(PLC)で構成されている。図2中の1/2λ板13は、必要に応じて好ましく設けられる。なお、前記で「主に」としたは、光学的開口部19にセンサ部14として磁性膜が設けられたり、第2の光導波路12の途中に1/2λ板13が別体として挿入されたりするためである。
第1の光導波路11は、図2に示すように、直線偏光をセンサ部14に伝搬する導波路である。第1の光導波路11は、平面光導波回路(PLC)ともいい、シリコンや石英基板上に光ファイバと同じ材料である石英ガラスを積層し、光が伝搬するための導波路を平面上に作製したものである。光ファイバと同じ材料で作製したPLCは、光ファイバとの結合効率が高いので、低損失で機械的安定性や信頼性に優れている。
第1の光導波路11は、直線偏光をセンサ部14に伝搬するが、直線偏光は、図3(A)に示すように、光入力装置20から光プローブ電流センサ素子10に導入されたものであってもよいし、図3(B)に示すように、第1の光導波路11内で偏光したものであってもよい。
センサ部14は、図1に示すように、ケーブル等の被測定体100に接触又は近接して電流センサとして作用する。このセンサ部14は、面内磁気カー効果を生じさせる機能素子部であり、図4に示すように、光導波路をPLC素子端面で折れ曲げる形態となるように形成され、かつそのPLC素子端面から光導波路のコア層が露出するように研磨等された部位に設けられる。この部位を、光学的開口部19と呼ぶ。なお、この光学的開口部16を境にして、光入力部2側を第1の光導波路11とし、光導出部3側を第2の光導波路21という。
センサ部14で偏光された極わずかな楕円偏光は、偏光分離素子16においてP偏光成分とS偏光成分とに分岐された状態で伝搬し、光受信装置30を構成する受光素子33p,33sでそれぞれの偏光成分を受光し、電気信号に変換して検出する。
第2の光導波路12は、図2に示すように、センサ部14で反射された反射光を偏光分離素子16に伝搬する導波路である。この第2の光導波路21も第1の光導波路11と同様の方法で作製された平面光導波回路(PLC)であり、第1の光導波路11と同様の機能及び効果を奏するので、ここでの説明は省略する。この第2の光導波路21は、上記したように、光学的開口部16を境にした光導出部3側の導波路である。なお、第2の光導波路12の途中には、後述する1/2λ板13が設けられていることが好ましい。
1/2λ板13は、図2に示すように、必要に応じて第2の光導波路21内に設けられている。この1/2λ板は、磁性膜14の磁性変化に伴う光の変化量を直線的に変化させることができるので、光の45deg位相変調を行うのに好ましく用いることができる。
偏光分離素子16は、反射光のP偏光成分とS偏光成分とをそれぞれ分岐して伝搬する。図2の例では1/2λ板13が設けられており、反射光がその1/2λ板13で位相変調されるので、偏光分離素子16は、位相変調された光のP偏光成分とS偏光成分とをそれぞれ分岐して伝搬する。偏光分離素子16はマッハツェンダ干渉計(MZI)で構成される。こうした偏光分離素子16は、P偏光成分とS偏光成分とを別々の光路を通してから重ね合わせるので、二つの光路に位相のズレがある場合に干渉を起こし、その位相差が半波長(λ/2)の偶数倍のところは明るく、奇数倍のところは暗くなり、明暗の縞となって表れる。
光導出部3(3p,3s)は、偏光分離素子16で分岐・伝搬されたP偏光成分とS偏光成分とを、後述の光受信装置30に接続する部分である。この光導出部3p,3sでの光導波路と光ファイバ31との光学的な接続手段は特に限定されず、一般的に適用されている接続手段を採用できる。例えば、光ファイバ31をアレイ化した接続手段や、接着剤を利用した接続手段を挙げることができる。なお、いずれの接続手段も、接続部32での伝送損失の低下が抑制されることが好ましく、コネクタ式接続手段の場合は接続端面構造等に配慮することが望ましく、接着式接続手段の場合は屈折率を調整した接着剤等を使用することが好ましい。
光入力装置20は、図1及び図3(A)(B)に示すように、発光素子23と光ファイバ21,21aとを少なくとも有している。この光入力装置20は、光プローブ電流センサ素子10に非偏光の光を入力するか、直線偏光を入力するかで、図3(A)(B)で既に説明した形態のいずれかにすることができる。なお、図3(A)(B)での説明欄で既に説明した光ファイバ21、偏波保持光ファイバ21a、偏光子26、接続手段の説明は、ここでは省略する。
光受信装置30は、図1及び図6に示すように、光プローブ電流センサ素子10の光導出部3p,3sに接続し、P偏光成分とS偏光成分とを受光し、その偏光成分を信号処理部34で電気信号に変換する装置である。受光素子33としては、PINフォトダイオード等を好ましく挙げることができる。
2 光入力部
3,3p,3s 光導出部
10 光プローブ電流センサ素子
11 第1の光導波路
12 第2の光導波路
13 1/2λ板
14 センサ部(磁性膜)
14M 磁気モーメント
15 第2の光導波路
16 偏光分離素子(偏光ビームスプリッタ)
17,18 屈曲部位
19 光学的開口部
20 光入力装置
21 光ファイバ
21a 偏波保持光ファイバ
22 接続部
23 発光素子(半導体レーザー)
26 偏光子
30 光受信装置
31 光ファイバ
32 接続部
33,33p,33s 受光素子(PINフォトダイオード)
34 信号処理部
35p,35s 増幅器
36,37 除算回路
38 差動増幅回路
100 被測定体(ケーブル)
101 入射光
102 反射光
θk カー回転角
I 電流
H 印加磁場
Claims (9)
- 直線偏光を伝搬する第1の光導波路と、前記第1の光導波路の光学的開口部に設けられ、面内磁気カー効果を生じさせるセンサ部と、前記センサ部に光学的に接続されて前記センサ部で反射された反射光を伝搬する第2の光導波路と、前記第2の光導波路内に設けられて前記反射光の位相変調を行う1/2λ板と、前記位相変調された前記反射光のP偏光成分とS偏光成分とを分岐してそれぞれの光導出部に伝搬する偏光分離素子とを有し、前記光学的開口部は、前記第1の光導波路及び前記第2の光導波路のクラッド層で覆われていないコア層の一部であり、前記センサ部は前記光学的開口部から前記センサ部に到達した光を反射し、前記光学的開口部で前記センサ部と前記第1の光導波路及び前記第2の光導波路とが一体構造として設けられ、前記1/2λ板は屈折率調整した接着剤で接着されてなり、前記第1の光導波路、前記第2の光導波路及び前記偏光分離素子が平面光導波回路で構成されている、ことを特徴とする光プローブ電流センサ素子。
- 前記1/2λ板は、前記第2の光導波路の途中に設けられたスリットに挿入されている、請求項1に記載の光プローブ電流センサ素子。
- 前記センサ部が、面内磁気カー効果を生じさせる磁性膜である、請求項1又は2に記載の光プローブ電流センサ素子。
- 前記偏光分離素子が、マッハツェンダ干渉計により構成される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の光プローブ電流センサ素子。
- 前記第1の光導波路には、前記直線偏光を該第1の光導波路に導入する偏波保持光ファイバが接続されている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の光プローブ電流センサ素子。
- 前記第1の光導波路の途中には、前記第1の光導波路に導入された光を直線偏光する偏光子が設けられている、請求項1〜4のいずれか1項に記載の光プローブ電流センサ素子。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の光プローブ電流センサ素子と、前記光プローブ電流センサ素子が有する第1の光導波路に光を導入する光入力装置と、前記光プローブ電流センサ素子が有する偏光分離素子を通過した光を受光する光受信装置とを有する、ことを特徴とする光プローブ電流センサ装置。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の光プローブ電流センサ素子と、前記光プローブ電流センサ素子が有する第1の光導波路に光を導入する光入力装置と、前記光プローブ電流センサ素子が有する偏光分離素子を通過した光を受光する光受信装置とを有し、
前記光入力装置は、発光素子と、該発光素子から発した光を直線偏光する偏光子と、直線偏光を伝搬する偏波保持光ファイバとを有し、前記偏波保持光ファイバは、前記光プローブ電流センサ素子が有する前記第1の光導波路と光学的に接続されている、光プローブ電流センサ装置。 - 前記光受信装置は、前記偏光分離素子を通過したP偏光成分とS偏光成分をそれぞれ受光する受光素子と、該受光素子で受光した光を電気信号に変換する信号処理部とを有する、請求項7又は8に記載の光プローブ電流センサ装置。
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