JPH0445813B2

JPH0445813B2 -

Info

Publication number: JPH0445813B2
Application number: JP57023429A
Authority: JP
Inventors: Koji Tada; Miki Kuhara; Masami Tatsumi
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1982-02-15
Filing date: 1982-02-15
Publication date: 1992-07-28
Also published as: JPS58140716A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、フアラデー効果を用いて、磁界を光
に変換する磁界−光変換器に関する。

フアラデー効果は、光軸方向に磁界が存在する
光学材料の中を光が伝播する時、偏波面が回転す
る現象をいう。

第１図に於て、Ｚ軸に平行な光が長さｌの光学
材料Ａを通過する時、偏光方向がθだけ回転する
とする。磁界ＨはＺ軸に平行であるとする。

偏光方向の回転角θは、光学材料Ａの長さｌ
と、磁界Ｈに比例する。

すなわち、回転角θは θ＝VelH (1) と書ける。比例定数Veをベルデ定数という。

光を信号として考える時、振幅、波長、偏光方
向（偏光面）をそれぞれ独立の信号として利用す
る事ができる。(1)式は、磁界の強さを、偏光方向
の変化として測定できる、という事を意味する。

偏光方向の回転角θは、偏光子と、検光子とを
光学材料の前後に設ける事によつて測定する事が
できる。

第２図に於て、光源１から出た光を、偏光子２
を通して、直線偏光とする。磁界Ｈ印加されてい
る長さｌの光学材料Ａを通過すると、偏光方向が
θだけ回転する。これを検光子３を通して、光検
出器４に当てる。検光子３を回転させて、光検出
器４の出力が最大になる位置を捜す。この位置で
の検光子の回転角が、偏光方向回転角θを与え
る。

この他にも、回転角θを、光検出器によつて検
出する方法はさまざまである。

たとえば、検光子３を、偏光子２と、角αだけ
傾けておき、この配置を固定して、光検出器強度
を読み取ることもできる。

検光子の主軸と、偏光方向とは（α−θ）の角
をなすので、光検出器の出力は、 Vout＝Kcos²（α−θ）＝Ｋ／２
｛１＋cos（2α−2θ）｝(2) となる。Ｋは入射光強度と光検出器感度に比例す
る定数である。

たとえば偏光子、検光子の主軸のなす角αを
45°にすると、光検出器出力Voutは Vout＝Ｋ／２（１＋sin2θ） (3) となる。(3)式のうち第２項は、θが小さいとし
て、 ΔVout＝Ｋ／２sin2θKθ＝KVelH (4) となる。

光検出器出力Voutの中に、磁界Ｈに比例した
部分が含まれる。従つて、入射光の強度を一定に
保てば、この装置で磁界Ｈを測定できる。

また、この装置と直角な方向に置いた導体中の
電流Ｉを測定できる。電流Ｉによつて、光学材料
の中に生じる磁場Ｈを測定できるからである。

このように、フアラデー効果を有する光学材料
と、偏光子、検光子、光源、光検出器を組合わせ
て、磁界、電流を測定する事ができる。これは周
知である。

フアラデー効果を有する材料（フアラデー材料
と呼ぶ）として、従来、主として、鉛ガラスが用
いられてきた。鉛ガラスは、比較的大きいベルデ
定数を持つ。波長λが633nｍの光に対し、Ve＝
0.093min／Oe・cmである。また、鉛ガラスは反
磁性ガラスで、温度に対する安定性が優れてい
る。このような理由で、鉛ガラスが用いられた。

これに対し、他の金属元素（たとえばTb）等
を添加した、鉛ガラスの２倍以上のベルデ定数を
有するガラスが製造された。しかし、このような
ガラスは常磁性ガラスであり、ベルデ定数が１／
Ｔ（Ｔは絶対温度）に比例して変化するため温度
特性が悪い。このような難点があつて、安定した
磁界−光変換器として使用する事が困難であつ
た。

本発明は、鉛ガラスより感度が良く、温度特性
も優れたフアラデー材料を用い、特性のよい磁界
−光変換器を与えることを目的とする。

本発明者は、フアラデー材料として、ビスマス
シリコンオキサイド（Bi₁₂SiO₂₀）又はビスマス
ゲルマニウムオシサイド（Bi₁₂GeO₂₀）を用いる
のが有望である、と考えた。ビスマスシリコンオ
キサイド（以下BSOと略記）およびビスマスゲ
ルマニウムオキサイド（以下BGOと略記）は、
比較的大きいベルデ定数を有するからである。こ
の事実は、APPLIED PHYSICS LETTERS
vol16 no.5（1970）201、によつてよく知られてい
る。

しかし、今までBSO、BGOは、フアラデー素
子として実際に用いられた事がない。その理由は
３つある。

(1) BSO、BGOは、フアラデー効果の他に旋光
能をも有する。これは結晶構造に反転対称性が
無い事に起因して、磁界が無い時でも、偏光方
向が回転する性質である。一般に、旋光角の方
が、フアラデー効果による偏光方向の回転角よ
り大きく、フアラデー効果のみを分離する方法
が無かつた。

(2) 旋光能に温度依存性があるため温度変動によ
つて偏光方向の回転角が変動するため測定誤差
が大きくなること。

(3) BSO、BGOは、電気光学効果（ポツケルス
効果）にも示す。このため、電界の影響を受け
やすい、という欠点がある。

以上のような欠点があるので、従来、BSO、
BGOはフアラデー材料として使用されなかつた。

本発明者は、しかしながらBSO、BGOのベル
デ定数が大きく、しかも温度係数が小さいという
長所を生かして、安定で高感度の磁界−光変換器
を構成することができることを発見した。

本発明者は、BSO、BGOの単結晶を数多く育
成するうちに右旋光性のBSO、BGOと、左旋光
性のBSO、BGOとを育成することができる、と
いう事実を発見した。ここで、光に向つて、時計
廻りに偏波面が回転するのを右旋光、半時計廻り
に偏波面が回転するのを左旋光という。

実際、本発明者は、左、右旋光性のBSO又は
BGOを育成しそれらのベルデ定数と、旋光能、
及びこれらの温度依存性等を測定した。

その結果は、以下のようである。

(1) ベルデ定数は、左、右旋光性のBSO、BGO
について全く同一で、温度依存性は皆無であつ
た。

つまり、磁界が同一であれば、左、右の旋光
性に拘わらず、偏波面の回転方向は同一であ
る。

(2) 旋光能は、左、右旋光性のBSO、BGOに於
て、絶対値が等しく、符号が逆である。ここ
で、例えば、旋光能は右旋光のものを正、左旋
光のものを負で表わす。これは、任意の温度で
成立する性質であつた。

結晶の長さがｌで、単位長さあたりの旋光能を
ρo（基準温度で）、旋光能の温度係数をｋとする
と、結晶の中を伝播する光の偏光方向の回転角
は、 (i) 右旋光性のBSO、BGOに対し _R＝ρol（１＋kΔT）＋VeHl (5) (ii) 左旋光性のBSO、BGOに対し _L＝−ρol（１＋kΔT）＋VeHl (6) という式で表わされる。本発明者は、このような
式(5)、(6)の関係をBSO、BGOに対して発見した
のである。ΔTは基準温度からの温度の変化分で
ある。旋光能の温度係数ｋは、測定値により、−
３×10^-4／℃であることを知つた。

左、右旋光性のあるBSO、BGOが(5)、(6)式で
示されるような偏光方向の回転をもたらすなら
ば、ここから、旋光能とその温度係数の影響を消
去する事ができる。

同じ長さの右旋光性BSO、BGOと、左旋光性
のBSO、BGOとを組合せると、全体としての偏
波面（偏光方向）の回転角_tは _t＝_R＋_L＝2VeHl (7) となる。

つまり、左、右旋光性のBSO、BGOを組合わ
すと、旋光能と、その温度依存性を完全に打消す
ことができる。

本発明は、このような発見と着想に基づいてな
された。

第３図は本発明の実施例に係る磁界−光変換器
光学系略図である。

フアラデー素子５は、同じ長さの左旋光性
BSO又はBGO６と、右旋光性BSO又はBGO７と
を、貼合わせて一体としたものである。磁界Ｈ
は、フアラデー素子５の光軸方向に存在するもの
とする。

光源１を出た光は、偏光子２を通つて、直線偏
光になる。直線偏光となつた光は、フアラデー素
子５に入射する。光はフアラデー素子の中で、偏
波面を回転させながら伝播してゆく。

この回転角は、旋光能によるものが大部分を占
める。したがつて、左旋光性BSO又はBGO６に
於て、半時計廻りに、右旋光性BSO又はBGO７
に於て、時計廻りに偏波面が回転する。旋光能に
よる回転は、絶対値が等しく、符号が逆であるの
で、その値は大きいが、左右旋光性材料を通過す
る内に、完全に打消される。

結局、フアラデー効果による回転角のみが残
る。これは磁界Ｈに比例し、式(7)で表わされる。

偏波面（偏光方向）の回転した光は、検光子３
を通る。検光子３の、偏光子２の偏光方向に対す
る傾きαは、通常45°とする。

検光子３を通つた光の振幅は、cos（α−t）
に比例する。光検出器４は、入射光の強度に比例
する光電流を生じるから、検出器出力Voutは(2)
式に示されるものとなりθが小さい時、磁界Ｈに
比例する部分として、(4)式で示される出力信号を
とり出すことができる。

以下に実施例を示す。

フアラデー素子５として長さ20mmの左旋光性
BSOもしくはBGOと、右旋光性のBSO又はBGO
を組合わせたものを用いた。

温度を−10℃〜60℃まで変化させ、光検出器４
の出力を測定したところ温度変化による、光出力
の変動は、測定誤差（±0.3％）の範囲内であつ
た。つまり、本発明のフアラデー素子は、全く温
度依存性がない、という事が確められた。

これと比較するため、右旋光性のみ、又は左旋
光性のみのBSO又はBGOで、同じ長さのフアラ
デー素子を作つた。これを用いて同様の試験をし
た。温度が30℃±30℃範囲で変動させると、回転
角の温度変動は〓8°に達した。これは、長さ１
mmあたりで、30℃の温度変化に対し、−0.2°変動
するという事であり印加磁界Ｈによる回転角_H
と同レベルの変動である。

このように、BSO、BGOにみられる大きい旋
光能の温度変化を打消すことにより温度安定性に
優れた磁界−光変換器を提供することができる。

この例で、一方の左旋光性、他方が右旋光性で
長さが同一のBSO又はBGOを用いた。しかし、
BSO、BGOの旋光能、ベルデ定数は等しいので、
一方をBSOに、他方をBGOにしても良い。

また、左、右旋光性のBSO、又はBGOを多数
枚積層してもよい、左旋光性のBSO又はBGOの
長さの和と、右旋光性のBSO又はBGOの長さの
和とが等しければ良い。

また、各々の素子は必ずしも密着している必要
がない。光の進行方向に、互に離隔して並んでい
ても差支えない。

磁界Ｈの大きさを検出する感度は、フアラデー
素子５の長さに比例する。素子の長さを増加させ
るのが難しい時は、フアラデー素子の両側にミラ
ーを設け、これによつて光を反射し、繰返しフア
ラデー素子の中を往復させれば良い。

長さＬ（＝2l）のフアラデー素子の中を、Ｎ回
往復させると、偏光面の回転角Φ_Nは、 Φ_N＝2VeHNL (8) となる。感度が第１図のものに比して2N倍とな
るわけである。

本発明は、磁界Ｈの測定器として、好適に利用
できる。

また送電線のように、導体中を流れる高電圧の
電流を、非接触で、測定する為にも利用できる。
電線を中心とした同心円方向に、距離に反比例し
た磁界Ｈが生ずるので、これを測定して、電流値
を知ることができる。

しかしながら、BSO、BGOは電気光学効果
（ポツケルス効果）をも備えた非線型光学材料で
ある。電流を測定する場合は、本発明のフアラデ
ー素子の設置状態によつて、ポツケルス効果によ
り、直線偏光が楕円偏光に変調されてしまう。こ
の場合、偏光方向の回転角として得られる信号に
は、電界強度の影響をも含むことになる。

本発明者は、このような欠点を克服する方法に
ついてさらに考察した。そして、結晶全体を透明
な導電性材料で覆えば良い事を見い出した。導電
性材料で覆えば、結晶表面が等電位面になるか
ら、結晶の内部は電界が存在しなくなる。

第４図は、このような実施例を示す断面図であ
る。

光源からの光は、光フアイバ８によつて、本発
明の磁界−光変換器の近傍まで導く。ロツドレン
ズ９が光フアイバ８の終端に設けてあり、これに
より平行光束とする。さらに、この光束は、偏光
子プリズム１０を通り、直線偏光となる。

フアラデー素子１１は、BSO又はBGOの光学
研磨した厚さ３mmの結晶板である。これは、1.5
mmの左旋光性結晶と、1.5mmの右旋光性結晶とを
組合せたものである。

フアラデー素子１１の両面には、平行な反射層
１２，１３が形成してある。これは多層誘電膜に
よる作る事ができる。また、金属を蒸着しても良
い。

さらにフアラデー素子１１の周囲全面には、透
明導電性薄膜１４が設けてある。例えば、In₂O₃
またはIn₂O₃−SnO₂系の透明電極材料をRFスパ
ツタリング法あるいは真空蒸着法により、周囲全
面に付着させるのがよい。

フアラデー素子１１の端部には、光の出口があ
り、この前方に検光子プリズム１５、ロツドレン
ズ１６、光フアイバ１７が設けてある。

検光子プリズム１５は、偏光子プリズム１０と
光学軸が45°の角を成すよう配置してある。光フ
アイバ１７の終端には、光検出器を設ける。

光フアイバ８からの光は、偏光プリズム１０を
通つて、直線偏光となり、フアラデー素子１１の
中へ入射する。入射角を0°よりずらしておき、反
射層１２，１３の間で、何回か反射しながら、フ
アラデー素子の中を伝播するようにする。この例
では、反射層１２，１３で各６回ずつ反射し、フ
アラデー素子１１から出るようになつている。

このようにすると、フアラデー素子の長さを実
効的に長くすることができ、感度もそれだけ増大
する。

また導電性薄膜１４で覆うから、電界の効果を
遮断する事ができる。

導電性薄膜の効果を確めるため、導電性薄膜の
あるもの（Ａ素子）と、導電性薄膜のないもの
（Ｂ素子）とを作つて、高圧送電線の電流Ｉに対
する、本発明装置の光検出器の出力の変調度Ｍと
を試験した。

第５図はその結果を示す。

Ａ素子では、電流Ｉと変調度Ｍとは、リニアー
な関係を示す。

Ｂ素子では、電流Ｉの値の小さい時に、電流Ｉ
と変調度Ｍの間に、リニアリテイからのずれが現
われる。つまり、電流値に対応する値より大きく
変調される事が分る。これが電気光学効果による
変調だと考えられる。送電線直下の電界強度な数
100〜数1000V／mmと高い。フアラデー素子の設
置のしかたによつては、電気光学効果による変調
が起るからである。導電性薄膜で覆うことによ
り、このような難点を克服できる。

なお、透明でなければならないのは、光の入
口、出口だけで、その他の部分は非透明であつて
良い。従つて、入口、出口だけを透明導電性材料
で覆い、その他の金属薄膜でコーテイングするよ
うにしても良い。さらに、この例のように、反射
層を用いて何度も光を反射させるものは、シール
ド用の金属薄膜によつて、反射層を兼用させる事
も可能である。

効果を述べる。

(1) BSO、BGOは鉛ガラスよりもベルデ定数が
大きく、かつ温度に対して安定である。本発明
はBSO又はBGOをフアラデー素子として使う
から、高感度で温度安定性の優れた磁界−光変
換器を構成することができる。

(2) 右旋光性結晶と左旋光性結晶とを組合わして
フアラデー素子とするから、結晶固有の旋光能
を正確に打消すことができる。また、結晶固有
の旋光能の温度依存性をも打消すことができ
る。

(3) さらに、フアラデー素子を導電性薄膜で被覆
する事とすれば、外部電界の影響を遮断でき、
高圧電線を流れる電流をも正確に測定する事が
できる。

このように有用な発明である。

【図面の簡単な説明】

第１図はフアラデー効果の説明図であり、第２
図は従来例に係る磁界−光変換器の光学系構成図
であり、第３図は本発明の実施例に係る磁界−光
変換器光学系略図であり、第４図は他の実施例に
係る磁界−光変換器光学系断面図であり、第５図
はフアラデー素子の周囲に導電性薄膜を設けた場
合Ａと、導電性薄膜の無い場合Ｂとに於て、高圧
送電線の電流Ｉと、光検出器の出力の変調度Ｍの
関係を示すグラフである。１……光源、２……偏光子、３……検光子、４
……光検出器、５……フアラデー素子、６……左
旋光性BSO又はBGO、７……右旋光性BSO又は
BGO、８……光フアイバ、９……ロツドレンズ、
１０……偏光子プリズム、１１……フアラデー素
子、１２，１３……反射層、１４……透明導電性
薄膜、１５……検光子プリズム、１６……ロツド
レンズ、１７……光フアイバ、Ｈ……磁界、θ…
…偏光方向の回転角。

Claims

【特許請求の範囲】１フアラデー効果を用いて磁界の信号を光の信
号に変換する装置において、フアラデー素子とし
て、同じ長さの、右旋光性と左旋光性のビスマス
シリコンオキサイド（Bi₁₂SiO₂₀）又はビスマス
ゲルマニウムオシサイド（Bi₁₂GeO₂₀）を組合わ
せて構成したことを特徴とする磁界−光変換器。２フアラデー素子の表面に、光の入出力部を少
なくとも透明にした導電性薄膜を形成してある特
許請求の範囲第１項記載の磁界−光変換器。３フアラデー素子の平行端面に反射層を設けて
少なくとも１個以上光が反射することを特徴とす
る特許請求の範囲第１項もしくは第２項記載の磁
界−光変換器。