JPH05503995A - 集積光学ポッケルスセルの電圧センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称 集積光学ポッケルスセルの電圧センサー聚五二公！ 本発明は、電界又は電場（ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｅｌｄ）の検出器に関し、よ り具体的には、インテグレイテッドオフティクス、即ち集積光学のポッケルスセ ルを用いた電場検出器に関する。

灸匪二１１ ポッケルスセルは偏光と組み合わせて、ポッケルスセルに影響を及ぼす電場（電 界）の大きさと方向を検出するのに使用されてきた。これは、内蔵したアナライ ザーによって、電場強度、即ち、ポッケルスセルを出て行く光量をめるもので、 検出器が検出した光量は、ポッケルスセル結晶に印加される電場に依存している 。

１９８９年７月１９日公開のイギリス特許公開公報第２２１２２６５Ａ号（タカ ハシ他）は、従来のポッケルスセル電圧検出器の２つの型と、ポッケルスセルを 内蔵し高速光検出器を用いた改良型検出器を開示している。

１９８５年４月９日発行のアメリカ特許４５１０４４１号（カスカベ他）は、改 良した結晶構造を内蔵し、かかる検出器に使用されるポッケルスセル電場検出器 を開示している。

一般的に、ポッケルスセル型の電圧検出器は独立した複数の部品から形成されて おり、例えば振動によって、比較的簡単に損傷を受ける。これは、光伝送を有効 に行なうためには、偏光子と検出器がポッケルスセルと精度良く同一線上に揃っ ていなければならないからである。

もし、適当な整列状態又は−貫した整列状態を維持することができないと、電場 検出器としてのポッケルスセルの精度は著しく損なわれる。

発Ｂの簡　な脱Ｂ 本発明は、集積光学ポッケルスセルの電圧センサーを提供することを目的とする 。

広い意味において、本発明はポッケルスセルを備えた電圧センサーであって、該 センサーは、電気光学媒体に組み込んだ２つの直交モードの偏光の伝播を支持す る導波管（ｗａｖｅ　ｇｕｉｄｅ）を備えている。直交する２つの偏光モードは ｙ軸とｙ軸上にあり、各偏光モードは、媒体が電場内にあるとき、他と異なる角 度となるような伝播定数を有している。導波管はｙ軸とｙ軸に略直交する媒体の Ｚ軸上を伸びている。センサーは、直交するｙ軸とｙ軸の中間の角度に偏向した 光を導波管の一端部の方向に導く手段と、Ｚ軸と平行でｙ軸とｙ軸に対して第２ の角度をなす偏光面と平行な導波管から送られた偏光を受ける受光手段と、検出 器が置かれている電場の強さをめるために、偏光面と平行に偏向した光の量を測 定する測定手段を備えている。

光を導く手段は、偏光を保持する（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｍａｉｎｔａｉ ｎｉｎｇ）第１の光フアイバ一手段を含んでおり、該手段は適当な位置で媒体に 接続され、直交するＸ軸とｙ軸の中間の角度で偏向した光を、導波管の一端部に 向かわせる手段である。受光手段は、偏光を保持する第２の光ファイバーを含ん でおり、該光ファイバーは、媒体に接続され、Ｘ軸及びｙ軸に対して第２の角度 で導波管から送られる光を受けることかできる位置に配置される。

Ｘ軸から測定したとき、前記角度と第２の角度は実質的に等しくすることが望ま しい。

測定手段は、偏光を保持する第２の光ファイバーの直交する各モードにおける光 学パワー（ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｏｗｅｒ）を測定する。そのうちの１つのモード が、第２の角度と平行に偏向した光を受ける。

測定手段は、偏光を保持する第２の光ファイバーの直交する各モードにおける瞬 間の光学パワーを加算する手段を含めることが望ましく、該加算手段によって光 学パワーの合計量をめ、この合計量に対する光学パワーの一測定値の比率を与え ることにより、瞬間の電場をめることができる。

光バツフア層を、導波管を形成した媒体の面上に配設することもできる。

導電層（金属等）を、バッファ層の媒体とは反対側に配設してもよい。

電気光学媒体はニオブ酸リチウム結晶から形成するのが望ましく、導波管はニオ ブ酸リチウムの結晶の中に拡散させた（ｄｉｆｆｕｓｅｄ）チタンの単一片によ って形成することが望ましい。

ニオブ酸リチウム結晶はｙ軸方向を切り取ったニオブ酸リチウムであり、導波管 を結晶の２軸と同一線上に揃えて配備することが望ましい。

本発明は、さらに、電場の強さを測定する方法に関する。本発明の方法によれば 、電気光学媒体によって形成されたポッケルスセルを埋設し、真直な導波管が媒 体の２軸に平行に配備される。導波管は、ポッケルスセルを強さの異なる電場に 置いたとき、Ｘ軸方向の光伝播速度とｙ軸方向の光伝播速度が変化するようにし ており、ポッケルスセルは、被測定電場に関して被測定電場の方向がｙ軸と略平 行になるように配置する。Ｘ軸とｙ軸との中間の角度で偏向させた光を導波管の 中に通し、選択された偏光面内において、導波管によって伝送された光の光学パ ワーを測定し、電場の強さをめる。

選択された偏光面は、Ｚ軸と略平行であり、Ｘ軸及びｙ軸の中間の角度に形成す ることが望ましい。

測定手段はまた、選択面と略直交する第２の偏光面の中で、導波管によって伝送 された光を測定することが望ましい。

の　な脱Ｂ 本発明のその他特徴、目的及び利点については、添付の図面に基づく望ましい実 施例の説明によって明らかなものとなるであろう。

第１図は、ポッケルスセルを内蔵した本発明の検出器の斜視図である。

第２図は、電場を測定するための高電圧導体上の適当な位置に、バッファ層を設 けた本発明の検出器を示している。

第３図は、第２図の３−３線に沿う断面図であって、本発明のセンサーを丸棒状 導体に直接取り付けたときの状態を示している。

第３Ａ図は、ガス密構造の導電体の周壁のポートに取り付けられたセンサーを示 す図である。

第４図は、導波管の２面に入射する光の偏光角度を示す図である。

第５図は、偏向した光が導波管から送られてきたとき、検出される直交偏光角度 を示す図である。

望ましい実施例の説Ｂ 第１図に示す如く、本発明の電圧センサー（１０）は、光源（１２）（光を偏向 させるための手段を含む）を有している。

光源から出た偏光は、偏光を保持する第１光フアイバー素子（１４）に導かれる 。光フアイバー素子（１４）は、光の偏向を素子（１４）の長さ方向に沿って維 持し、偏向した光を素子（１４）に接続された集積光学ポッケルスセルに伝搬す る。

本発明のポッケルスセルは、電気光学媒体又は結晶（１６）によって形成され、 該媒体又は結晶（１６）には集積された導波管（１８）が形成されている。素子 （１４）は、偏向した光を導波管（１８）のインプット端部に伝搬する。偏光を 保持する第２光フアイバー素子（２０）は、適当な位置で結晶（１６）に接続さ れており、望ましくは選択された２つの直交する平面内で導波管（１８）から出 た光を受けて、光度（１ｉｇｈｔ　１ｎｔｅｎｓｉｔｙ）を検出する検出器（２ ２）に伝搬する。検出器では、光源（１２）から送られた光の量が測定される。

このようにして、光はポッケルスセル（１５）を通過し、２つの選択平面内にあ る検出器（２２）に伝送される。このようにして検出された光量は、デバイス、 具体的にはポッケルスセル（１５）が埋設された（　ｉｍｍｅｒｓｅｄ　）電場 の強さに関係しており、これについては後でより詳しく説明する。

ポッケルスセル結晶（１６）はニオブ酸リチウム結晶の如き材料から形成される 。導波管（１８）は、望ましくはチタンの真直な線材を、ニオブ酸リチウム結晶 基板の中にディフージングすることにより形成され、結晶（１６）の略全長に亘 って直線状の導波管が作られる。導波管（１８）は、結晶の２軸に並べて配備さ れる。ニオブ酸リチウム結晶は、Ｘ軸、ｙ軸及びＺ軸を図示の如く表わしたとき 、ｙ軸をカットした結晶配列のものが望ましい。電場に置いたとき、導波管（１ ８）に沿う光伝搬速度（ｒａｔｅ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔ　ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ）の変化は、Ｘ軸方向とｙ軸方向とでは異なるため、偏向した光のＸ成分とＸ成 分は、異なる速度で導波管（１８）を進む。Ｘ成分とＸ成分の速度差は、デバイ スが置かれている電場の強さに依存している。この特性を利用して、電場の強さ をめることができる。

光源（１２）は、適当な任意の光源を用いることができる。

しかしながら、第１及び第２の偏光、即ち入射偏光及び出射偏光を保持する光フ アイバー素子（１４）　（２０）を夫々分解（ｒｅｓｏｌｖｅ）　Ｌ、、選択さ れた２つの直交平面で形成された偏光だけを伝送できるようにする必要がある。

素子（１４）　（２０）の結晶（１６）への取付けは、偏向した光の伝送面が導 波管（１８）の両端部と略同−線上に揃うように行ない、光フアイバー素子（１ ４）　（２０）から伝送された偏光が、結晶（１６）のｙ軸（又はＸ軸）に対し て略同じ角度となるようにしている。

入射側の光フアイバー素子（１４）と出射側の光フアイバー素子（２０）に関し 、これらの選択伝送面を正確に同一線上に揃えることはあまり重要ではないが、 通常の場合、結晶（１６）のｙ軸（又はＸ軸）に対して略同じ角度になるであろ う。

第１の光フアイバー素子と第２の光フアイバー素子の偏光面を正確に同一直線上 に揃えることが最も有効であるとは限らず、第１及び第２の光ファイバー（１４ ）（２０）を、ポッケルスセル（１５）、特に導波管（１８）に関して、経験に 基づいて位置決めすることが望ましいこともある。

導波管（１８）（第４図の１面参照）の入射端（２４）における入射偏光角の偏 光角度Ａｉの設定、及び導波管（１８）（第５図のｅ面参照）の出射端（２６） における偏光角度Ａｅの設定は次のように行なわれる。

入射角Ａｉの設定は、素子（１４）を導波管（１８）と同一線上に揃え、入って くる光フアイバー素子（１４）とポッケルスセル（１５）を導波管（１８）の２ 軸の周りに相対的に回転させることにより行なわれ、Ｘ軸と平行に偏光した出射 端（２６）で受けた光の強さくｐｏｗｅｒ）と、導波管（１８）のｙ軸と平行に 偏光した光の強さを測定し、素子（１４）をポッケルスセル（１５）に角度Ａｉ で固定する。ここで、Ｘ軸と平行に測定した力は、ｙ軸と平行に測定した力と略 等しい。

素子（１４）を所定角度Ａｉでポッケルスセルに取り付けた後、導波管（１８） からの光を受けることができるように素子（２０）を同一線上に揃えて配置する 。素子（２０）とポッケルスセル（１５）は、ポッケルスセル（１５）を強さが 変化する電場に置いたとき、選択軸に沿って所望の光信号が得られるまで導波管 （１８）の２軸の周りを互いに相対回転させる。電場の強さが変化すると、選択 軸に沿う光の強さく光学パワー）は最大値と最小値の間を変動する。角度Ａｅは 、測定した最大値と最小値との間で最大の差異がもたらされるときの角度で固定 される。もし、２つの直交軸を用いる場合、両輪に沿って測定した光学パワーの 最大値を実質的に等しくするべきである。これは最小値についても同じである。

導波管（１８）に入ってくる光の偏光面と、光か素子（２０）の中に伝送される 選択直交面のうちの１つの平面とは、実質的に同じである（即ちＡｉとＡｅは以 下に記載するように実質的に等しい）。素子（１４）（２０）が適当な方向に向 けられたとき、これらの素子は適当な手段（一般的には接着剤）を用いて結晶（ １６）に固定される。

角度Ａｉと角度Ａｅは、実質的に等しくし、導波管（１８）のＸ軸（又はｙ軸） に関して約４５度にすることが望ましい。

本発明に使用することのできる代表的なポッケルスセル結晶（１６）において、 長さＬは約１０〜５０ｍｍの範囲、幅Ｗは約１〜５　ｍｍ、厚さｔは約０１〜１ ｍｍである。

第２図及び第３図は、センサー（１０）のポッケルスセル（１５）の部分を、導 体（３２）上の適当な位置に配備したときの状態を示している。センサー（１０ ）の導体（３２）への配置は、第１図及び第３図中に矢印（３１）で示す電界の 向きと、結晶のｙ軸とが略平行になるように行なう。これによって、Ｘ軸とｙ軸 と平行な平面に沿う光伝搬速度の差は最大となる。デバイス（１０）を導体（３ ２）と実質的に接触させて配置することにより、ｙ軸に対する電場の関係は回動 的に設定される。

センサー（ポッケルスセル（１５））は、必ずしも導体の上に直接配置する必要 はない。また、絶縁カバーの付いた導体の場合、そのように配置できない場合が 多い。

デバイス（１５）を導体（３２）の上に取り付ける場合、第１図に示すデバイス （１５）に変形を加えて、導波管（１８）を覆う光バツフア層（３４）を設ける ことが望ましいこともある。

一般的には、そのようなバッファ層（３４）（第３図参照）は、導波管（１８） の両側に少なくとも僅かな距離だけ離して設ける。或はまた、特に導電性の金属 層（３６）等を設けるとき、導波管（１８）が形成された結晶面の全体を覆い、 導波管（１８）に伝送された光を確実に閉じ込めることができるようにしてもよ い。この導電性の金属層（３６）を設けることにより、ポッケルスセル（１５） に加えられる電場は確実にｙ軸に平行にすることができる。

第３Ａ図は、センサー（ｌＯ）のポッケルスセル（１５）の部分を、中心に導体 （４４）を配備したガス密（ｇａｓ−ｉｎｓｕｌａｔｅｄ）ダクトの円筒ハウジ ング（４２）の入口ポート（４０）に配置した状態を示している。

検出器（２２）は種々の異なる方法で作動させて、電場の強さを読み取ることが できる。しかし、選択した直交面Ｐ、及びＰ２と平行に偏光させた光学パワーの 出力値を測定し、その値を加算し、該加算値に対してＰ、又はＰ２のどちらかの 面の出力値を比率で示し、検出した電界の強さをめることが望ましい。１つの面 の出力値だけを測定して測定値をめ、該測定値から電場の強さをめることもでき る。

本発明を説明したが、当該分野の専門家であれば、添付の請求の範囲に記載した 発明の精神から逸脱することなく変形をなすことができる。

ＦＩＧ、　３Ａ ＦＩＧ、　４　ＦＩＧ、　５ 要約書 電圧センサーに使用される集積光学ポッケルスセルは、電気光学効果をもたらす 結晶を含んでおり、該結晶は、結晶の２軸と略同−線上に揃えて配備した直線状 の導波管を内蔵している。導波管は略直交する２つの偏光軸を有しており、各偏 光軸は夫々、結晶のＸ軸及びｙ軸と略同−線上に位置している。使用に際しては 、結晶のＸ軸及びｙ軸に対して、選択された角度方向で偏向させた光が導波管の 一方の端部に送られ、偏向した光が導波管を出ていくとき、一方の直交軸のＸ軸 とｙ軸に対する方向が、導波管に入る偏光と略同じとなるように偏光させ、この 偏向した光を検出することにより、センサーの置かれた電場の強さをめることが できる。センサーは、偏光を保持する光ファイバーを導波管の方向に向けて配備 し、偏向した光を導波管に送り、導波管から送られた光を受けることができるよ うにしている。

国際調査報告 ｍｓ＋ｍｋｍ　ａ＊ｍｃａｗｎ　ｌｉｅ　ＰＣＴ／ＣＡ　９１１０００２５国際 調査報告 ＣＡ　９１０００２５ Ｓ＾　４４０３７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）ポッケルスセル（１５）を備えた電圧センサー（１０）であって、該セン サーは、電気光学媒体（１６）に組み込んだ２つの直交モードの偏光の伝播を支 持する導波管（１８）を備えており、直交する２つの偏光モードはｘ軸とｙ軸上 にあり、各偏光モードは、媒体が電場内にあるとき、他と異なる角度となるよう な伝播定数を有しており、導波管（１８）は媒体のｘ軸とｙ軸に略直交するｚ軸 上を伸びており、直交するｘ軸とｙ軸の中間の角度に偏光した光を導波管（１８ ）の一端部の方向に導く手段（１２）（１４）と、ｚ軸と平行で、ｘ軸とｙ軸に 対して第２の角度をなす偏光面と平行な導波管（１８）から送られた偏光を受け る受光手段（２０）（２２）と、電圧センサー（１０）が置かれている電場の強 さを求めるために、偏光面と平行に偏光した光の量を測定する測定手段（２２） を備えている、電圧センサー。 （２）光を導く手段は、偏光を保持する第１の光ファイバー手段（１４）を含ん でおり、該手段は適当な位置で媒体に接続され、選択平面内において、直交する ｘ軸及びｙ軸の中間の角度で偏向した光を、導波管（１８）の一端部に向かわせ る手段である請求の範囲第１項に記載の電圧センサー。 （３）受光手段は、偏光面に沿って光を伝送する手段であって偏光を保持する第 ２の光ファイバー手段（２０）を含んでおり、該光ファイバー手段は媒体に接続 され、導波管（１８）からの光を伝送する方向に配備されており、偏光面は、第 ２の光ファイバーが導波管からの光を受ける位置において、ｚ軸と平行であり、 ｘ軸及びｙ軸に対して第２の角度を形成している請求の範囲第２項に記載の電圧 センサー。 （４）角度とｘ軸から測定した角度は実質的に等しい請求の範囲第３項に記載の 電圧センサー。 （５）偏光を保持する第２の光ファイバーは、偏光面と直交する第２の偏光面に 沿って偏光を伝送し、測定手段（２２）もまた、偏光を保持する第２の光ファイ バーの中の第２偏光面に沿って伝送された光の光学パワーを測定する請求の範囲 第４項に記載電圧センサー。 （６）測定手段（２２）は、各偏光面及び第２の光ファイバー内の偏光面の中で 測定された瞬間の光学パワーを加算して、光学パワーの合計量を求め、この合計 量に対する光学パワーの一測定値の比率を求め、電場の瞬間的な強さを求めるこ とができる請求の範囲第５項に記載の電圧センサー。 （７）媒体（１６）は結晶である請求の範囲第４項に記載の電圧センサー。 （８）結晶はニオブ酸リチウムから作られ、導波管はニオブ酸リチウムの結晶の 中に拡散されたチタンの直線状細片によって形成される請求の範囲第７項に記載 の電圧センサー。 （９）光バッファ層（３４）を、導波管（１８）が形成される結晶面の上に配設 している請求の範囲第７項に記載の電圧センサー。 （１０）ニオブ酸リチウムはｙ方向を切り取ったニオブ酸リチウムであり、導波 管（１８）は結晶のｚ軸と同一線上にある請求の範囲第８項に記載の電圧センサ ー。 （１１）光バッファ層（３４）を、導波管（１８）に隣接する媒体（１６）の側 に配備している請求の範囲第４項に記載の電圧センサー。 （１２）導電層（３６）を、媒体（１６）から離れた光バッファ層（３４）の側 に配備している請求の範囲第１１項に記載の電圧センサー。 （１３）電場（３１）の強さを測定する方法であって、電気光学媒体（１６）に よって形成されたポッケルスセル（１５）を埋設する工程を有しており、該媒体 （１６）には、真直な導波管（１８）を媒体のｚ軸に平行に形成しており、導波 管（１８）は、ポッケルスセル（１５）を異なる電場に置いたとき、ｘ軸方向の 光伝播速度とｙ軸方向の光伝播速度が変化するようにしており、被測定電場（３ １）に関して電場の方向がｙ軸と略平行になるようにポッケルスセル（１５）を 配置する工程、ｘ軸とｙ軸との中間の角度で偏向させた光を導波管（１８）の中 を通過させる工程、選択された偏光面内において、導波管によって伝送された光 の瞬間的な光学パワーを測定する工程を有しており、これらの工程によって電場 の強さを求めることができるようにした、電場強さの測定方法。 （１４）選択された偏光面のｘ軸及びｙ軸に対する角度は、ｘ軸及びｙ軸の中間 の角度と実質的に同じである請求の範囲第１３項に記載の方法。 （１５）測定手段（２２）は、選択面と直交する第２の平面の中を、導波管によ って伝送された光の瞬間的な光学パワーを測定する請求の範囲第１４項に記載の 方法。 （１６）各直交面の中で測定された瞬間的な光学パワーを加算して、光学パワー の合計量を求め、合計量に対する一方の光学パワーの測定値の比率を与えること により、電場の瞬間的な強さを求める請求の範囲第１５項に記載の方法。