JPH07140183A

JPH07140183A - 光電圧センサー

Info

Publication number: JPH07140183A
Application number: JP5288556A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Suzuki; 徹郎鈴木
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1993-11-18
Filing date: 1993-11-18
Publication date: 1995-06-02
Anticipated expiration: 2016-12-04
Also published as: JP3235301B2

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザ光を使った光電圧センサーを高感度
で、かつ偏光子、検光子、および１／４波長板など高価
な光学部品を用いないので低価格で作製する。【構成】一次電気光学効果をもつ基板を使用し、基板
のレーザ光の入出射面に反射鏡を形成し、さらに２組の
対向透明電極を反射鏡上に作製する。二光束型を選び反
射光強度と透過光強度の比が２組の対向透明電極にＤＣ
電圧を印加することにより調整され、さらに１組の対向
透明電極に被測定電圧が重畳されることに特徴をもつ光
電圧センサー。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、発変電所や送電ケーブ
ルだけではなく工場および家庭など、あらゆる電力部門
における電圧計測システムに利用できる光電圧センサー
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光電圧センサーは一次電気光学効果を利
用して光の変調から電圧を測定するものである。一次電
気光学効果とは、常光線および異常光線の２種の光の屈
折率が印加する電圧により、電圧に比例して変化する現
象である。光電圧センサーは測定系に一次電気光学効果
を持つ結晶と電界を印加する電極から構成されるポッケ
ルス素子を配置し、これに直線偏光した光を入射させる
と、直交する光の２成分のおのおのに対する屈折率が電
圧によって変化するので、両者間に位相差が生じ、全体
として楕円偏光となる。このため、この複屈折現象によ
る位相差を測定することにより、電圧を測定することが
できる。

【０００３】この一次電気光学効果による位相差を測定
する方法は、一般的には以下のような光強度方式が、用
いられる。偏光子により偏光された光を、ポッケルス素
子の結晶軸（Ｘ軸、Ｙ軸）に対し４５度の偏光角度で入
射させる。この入射光はポッケルス素子において電圧に
比例して位相差Γを生じ出射する。さらにその出射光を
１／４波長板を通すことにより、Ｘ成分とＹ成分の位相
にπ／２を追加して、全体でΓ＋π／２の位相差とな
る。この出射光を偏光子と９０度向きの異なる検光子に
よって検光子主軸方向の光だけを取り出し、フォトダイ
オードにより電気信号に変えて出力させる。

【０００４】ここで被測定電圧が光の伝搬方向に印加さ
れるように対向二電極を作製する場合と電圧が光伝搬方
向に垂直に印加されるように作製する場合とがあり、一
般には前者を縦型、後者を横型の変調方式と区別してい
る。ポッケルス素子に自然複屈折がなく比較的温度特性
の良いビスマス酸ゲルマ（Ｂｉ₁₂ＧｅＯ₁₂）やビスマス
酸シリコン（Ｂｉ₁₂ＳｉＯ₂₀）などの酸化物単結晶が用
いられるときは、縦型方式が選択され、一次電気光学効
果の大きいニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）やタンタ
ル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）などの単結晶が用いられ
るときは横型方式が選択されている。光電圧センサーで
は、送光ファイバからの光をレンズで、一端平行光にし
て偏光子に入射し、検光子から得られる出射光をレンズ
で再び集光し受光ファイバで伝送出来るように各素子が
組み立てられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術で構成さ
れた光電圧センサーではフォトダイオード上での出射光
強度Ｐは次式のように表される。Ｐ≒Ｐｏ｛１＋π・
（Ｖ／Ｖπ）｝、但しπ・（Ｖ／Ｖπ）≪１である。こ
こでＶπは半波長電圧、Ｐｏは入射光強度である。縦型
方式ではポッケルス素子の材料定数および入射光の波長
のみでＶπが得られ、被測定電圧ＶはＶπで規格され、
感度はπ／Ｖπとなり感度が直線性を示す範囲により被
測定電圧のダイナミックレンジの上限が制限されてい
た。また横型方式では光の伝搬長を変えることでＶπを
任意に選べ、結晶長を長くすればＶπは小さくなり、感
度が大きくなるので微弱な被測定電圧の測定が可能にな
るが、被測定電圧ＶはＶπで規格され測定スパン（Ｖ／
Ｖπ比）は縦型方式と同様であった。しかも、横型方式
では屈折率の温度依存性が大きくなり、実用面では大き
な制限となっていた。

【０００６】一方、コスト面でも光電圧センサー内部に
配置される偏光子、検光子および１／４波長板は方解石
から作製されたプリズムが使用されており、これら光学
部品は高価でありセンサーの価格が高くなるという問題
があった。

【０００７】本発明は、高価な光学部品を用いず、被測
定電圧を高感度で測定できる光電圧センサーを作製する
ことを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、一次電気光学
効果をもつ基板の入出射面に形成される反射鏡と、該反
射鏡の表面に作製される二光束が入出射する２組の対向
透明電極と、反射光強度と透過光強度の比を調整できる
ように２組の該対向透明電極にＤＣ電圧を印加する電気
回路と、測定光強度を測定する１組の該透明電極に該Ｄ
Ｃ電圧に重畳して被測定電圧を印加する電気回路とを備
えていることを特徴とするものであり、

【０００９】また、反射光強度と透過光強度を測定する
系と測定光強度を測定する系が、分波器、方向性結合
器、集束性ロッドレンズを含む二光束型であることを特
徴とするものである。

【００１０】

【作用】本発明について光電圧センサー部の構成と作製
法を図１に基づいて説明する。光電圧センサーは、一次
電気光学効果をもつ異方性結晶、等方性結晶または等方
性物質（セラミック、高分子）である基板１０の光入出
射面上に、反射率３４％から９９％までの範囲にある誘
電体多層膜または金属薄膜を真空蒸着法かスパッタ法に
より成膜する。

【００１１】作製された反射鏡８の外側には対向透明電
極９ａおよび９ｂを備え、二光束の入射光について、透
明電極９ａには外部のＤＣ電圧と被測定電圧とが重畳出
来るように、また、透明電極９ｂについては外部のＤＣ
電源のみ印加出来るようリード線１４を配線する。透明
電極は酸化インジウムと酸化スズの組成をもつ導電性薄
膜を用いる。基板１０に使われる異方性結晶、等方性結
晶または等方性物質（セラミック、高分子）は一次電気
光学効果をもつと同時に、光の伝搬方向に垂直面内では
屈折率の異方性のない結晶方位を選ぶ。このように作製
された基板１０、反射鏡８と対向電極９ａ，９ｂから成
るポッケルス素子には、入出射面で２個づづの集束性ロ
ッドレンズ７および１３を配置する。

【００１２】また、入射側では送光ファイバ３ａは分波
器１に接続する。さらに、第２次送光ファイバ５ａおよ
び５ｂと結合された方向性結合器４は、分波器１と送光
ファイバ３ｂでつなげられている。そして、第２次送光
ファイバ５ａのもう一方の端部は、集束性ロッドレンズ
７と接続する。一方、出射側では二本の受光ファイバ６
は出射側の集束性ロッドレンズ１３と透過光強度および
測定光強度を測定するフォトダイオードである検出器２
ａおよび２ｄにそれぞれ結線する。またポッケルス素子
の反射光強度を測定するために方向性結合器４に接続さ
れた第２次送光ファイバ５ｂの一方の端面にフォトダイ
オードからなる検出器２ｂおよび２ｃを配置する。これ
より検出器２ｄの電気出力Ｉ₄を測定し被測定電圧を求
める光電圧センサーが完成する。

【００１３】送光ファイバ３ａ中の光は分波器１でほぼ
等分割され、そこで方向性結合器４を備えた二本の送光
ファイバ３ｂに光が送り込まれる。それぞれの方向性結
合器４でさらに等分割され、一部は集束性ロッドレンズ
７に入射する。光は集束性ロッドレンズ７で平行光とな
り、基板１０で電圧に比例した位相差を受ける。ただ
し、この時点では、被測定電圧を透明電極９ａに印加し
ない。そして検出器２ａの電気出力Ｉ₁、検出器２ｂの
電気出力Ｉ₂とすると、その比ＳはＳ＝２・Ｉ₂／Ｉ₁
と表わせるが、ＤＣ電圧をＳが０．２〜０．８になるよ
うにポッケルス素子の二つの透明電極９ａおよび９ｂに
印加する。ここで被測定電圧の測定中Ｓが一定になるよ
うにＤＣ電圧を調整する。調整後、被測定電圧を透明電
極９ａに重畳する。これより被測定電圧に比例した検出
器２ｄの電気出力Ｉ₄を測定する。

【００１４】本発明の二光束型光電圧センサーは、ファ
ブリ・ペロー干渉計をその構成要素として有する。ファ
ブリ・ペロー干渉計においては、二つの反射鏡間の一次
電気光学効果をもつ物質に電圧が印加されたとき、光は
多重反射を繰り返し、反射回数の異なる部分波で干渉が
生じる。したがって偏光子や検光子を使用しなくとも印
加する電圧に比例した位相差を測定光強度として測定す
ることが可能である。

【００１５】ここで、ポッケルス素子の最大の透過光強
度の半分付近で光電圧センサーの感度が最大になり、印
加される被測定電圧と測定光強度との直線性が最もよく
なる。しかし一般には電圧を印加する以前にポッケルス
素子の屈折率と結晶長の積で表される光路差が存在する
ため、最大透過光強度の半分付近に動作点を調整するの
は難しい。そこで反射光強度および透過光強度をモニタ
ーしＤＣバイアスで反射光強度と透過光強度の比を調整
すれば、動作点が調整される。しかもポッケルス素子の
屈折率の温度変化についても影響を打ち消すことができ
る。また、従来の方式では光電圧センサーの感度はπ／
Ｖπとなり材料定数で決定されるが、本発明の二光束型
光電圧センサーでは感度はＦ／Ｖπとなる（但しＦ＝４
・Ｒ／（１−Ｒ）²：Ｒは反射鏡８の反射率）。したが
って高反射率の反射鏡をもつポッケルス素子により高感
度の光電圧センサーが得られる。例えば９０％の反射率
の場合、感度は従来の約１１５倍になる。

【００１６】

【実施例】以下、実施例に基づいて本発明のより詳細な
説明を行う。ポッケルス素子は次のような基板１０を用
いた。ニオブ酸リチウムを各稜がｘ軸、ｙ軸およびｚ軸
方位に沿って平行に１２×５×５ｍｍ³のブロックに切
り出した。そしてｘ−ｙ面をλ／４の面精度をもつ光学
研磨した。ｘ−ｙ面とｚ軸との垂直度２０〜３０分とな
るようにした。ＴｉＯ₂とＳｉＯ₂の組み合わせによる
６組の誘電体多層膜をｘ−ｙ面に電子ビーム蒸着装置で
成膜した。この膜については１．３μｍの光波に対して
反射率は９０％であった。この反射鏡８上にフォトリソ
グラフで３×３ｍｍ²の電極パターンを形成し、スパッ
タ装置で３８Ω／ｃｍ²の２組の透明電極９ａおよび９
ｂを作製した。アルミブロック１５上に設置された集束
性ロッドレンズ７と１３間に電極９ａ，９ｂ、反射鏡８
を形成した基板１０を挿入し、ワックスで固定した。

【００１７】次に得られた光電圧センサーの動作につい
て述べる。波長１．３μｍの半導体レーザから、送伝フ
ァイバ３ａに光を送り込み、また外部電源よりＤＣ電圧
４９０Ｖを透明電極９ａおよび９ｂに印加した。この
時、検出器２ａで２３０ｍＶの電気出力と検出器２ｂで
４０ｍＶの電気出力となった。これはＳ＝０．３５に相
当する。ここで、０〜１００Ｖの範囲で周波数５０Ｈｚ
のＡＣ電圧を透明電極９ａに重畳した。図２に測定結果
を示した。この場合、測定精度は０．１Ｖ以下と高く、
動作点のドリフトも見られなかった。

【００１８】

【発明の効果】本発明により高価な光学部品を用いず光
電圧センサーが作製され、かつセンサーの感度が高める
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光電圧センサーの構成図である。

【図２】本発明の光電圧センサーの特性を示す線図であ
る。

【符号の説明】

１分波器２ａ光検出器（透過光強度）２ｂ光検出器（反射光強度）２ｃ光検出器２ｄ光検出器（測定光強度）３ａ送光ファイバ３ｂ送光ファイバ４方向性結合器５ａ第二次送光ファイバ５ｂ第二次送光ファイバ６受光ファイバ７集束性ロッドレンズ８反射鏡９ａ対向透明電極９ｂ対向透明電極１０基板１１被測定電圧入力端子１２ＤＣバイアス端子１３集束性ロッドレンズ１４リード線１５アルミブロック

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一次電気光学効果をもつ基板の入出射面
に形成される反射鏡と、該反射鏡の表面に作製される二
光束が入出射する２組の対向透明電極と、反射光強度と
透過光強度の比を調整できるように２組の該対向透明電
極にＤＣ電圧を印加する電気回路と、測定光強度を測定
する１組の該対向透明電極に該ＤＣ電圧に重畳して被測
定電圧を印加する電気回路とを備えていることを特徴と
する光電圧センサー。
【請求項２】反射光強度と透過光強度を測定する系と
測定光強度を測定する系が、分波器、方向性結合器、集
束性ロッドレンズを含む二光束型測定系からなることを
特徴とする請求項１に記載の光電圧センサー。