JPH07311234A - 光変調器及び電界センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 周囲温度の変化による感度の変動のない電界
センサ装置を得る。 【構成】 ２つの金属棒を直列に配置し、前記２つの金
属棒によって形成された空隙に、電気光学効果を有する
基板上に光導波路を用いて形成された光変調器を挿入
し、前記光変調器に光源より無変調の光信号を光ファイ
バを用いて伝送し、前記光信号を電磁誘導により前記２
つの金属棒によって形成された空隙に生じた電圧によ
り、光強度変調し、前記変調された光信号成分を光検出
器に光ファイバを用いて伝送して検出し、電界強度を測
定する電界センサ装置において、前記光変調器の電極間
を所定の抵抗値を有する導電体で連結した。前記光変調
器の電極間を所定の抵抗値を有する導電体で連結した構
造は、当該光変調器の基板上に所定の抵抗値を有する導
電層を設け、その上に電極を接触して設けたものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空間の任意の一点の電
界強度を正確に測定するための電界センサ装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】オートマチック車の暴走事件に代表され
るように、近年、電灯のスイッチ等から放射される妨害
波等によりディジタル処理回路が誤動作を起こす現象が
問題となっている。この問題に対処するためには、この
ようなインパルス性の妨害波レベルを測定するためのア
ンテナが必要である。

【０００３】インパルス性の電磁界を測定するためのア
ンテナとして現在は、微小ダイポールアンテナ、円錐ア
ンテナやホーンアンテナが使用されている。しかし、こ
れらのアンテナはアンテナと信号の測定器間の接続に同
軸ケーブルを使用しているため、測定した電磁界の特性
にケーブルの影響が出てしまい、測定レベルがケーブル
の引き回しの状況で変化するので、再現性に優れた測定
は困難であった。そのため、電磁界を検出するセンサ部
と測定器間を光ファイバで結ぶ電界センサが検討されて
いる。この種の電界センサは、その機構により、センサ
内部にレーザダイオード等の発光素子を内蔵するもの
と、ニオブ酸リチュウム等の電気光学効果を持つ結晶を
用いた光変調器を内蔵するものに分類される。

【０００４】これら２種類のアンテナのうち後者は、前
者に比べて感度では劣るが、バッテリーを内蔵する必要
がないので、ディジタル装置の誤動作の原因となるよう
な、強い電磁界パルスの長時間観測には有効である。

【０００５】この種の従来の電界センサ装置の基本的全
体構成を図６に示す。図６において、１は光変調器に無
変調の光電力を送るための光源、２は偏波面保持ファイ
バ内部を伝搬する光波の偏波と光源の偏波との関係を調
整し、直線偏向の光波がファイバ内を伝搬するようにす
るための偏波補償器、３は光源の光電力を光変調器に伝
搬するための偏波面保持ファイバ、４は光変調器がその
上に形成されている電気光学効果を持つ材料で作られた
基板、５は光導波路、６は光変調器の電極、７は電界セ
ンサの金属棒であり、２つの金属棒７は直列に配置され
ている。８は電界センサの光変調器を収容した筐体、９
は光変調器と光検出器１０を結ぶシングルモード光ファ
イバ、１１は光検出器１０で変換した電気信号レベルを
測定するためのレベルメータである。

【０００６】このような電界センサ装置は光源１として
波長１.３μｍのレーザダイオードを使用しており、電
気光学効果を持つ材料で作られた基板４はニオブ酸リチ
ュウムの結晶を使用している。光源１のレーザダイオー
ドを出た光波は偏波面保持ファイバ３を伝搬して光変調
器に入る。

【０００７】光変調器の構造を図７に示す。図７におい
て、１２，１３は光導波路である。図７に示す光変調器
はマッファチェンダ光干渉計を用いており、入射した光
は２つの光導波路１２，１３に一旦分離され再び結合さ
れ、２本の導波路を通る光の位相差により強度変調され
た光信号が得られる。いま、金属棒を電界中に置くと、
電磁誘導により電極６間に電圧が誘起され、図８に示す
ように電界が印加される。このとき、図８に示すよう
に、光導波路１２には下方向の電界が、光導波路１３に
は上方向の電界が印加される。電界が印加されると電気
光学効果により導波路の誘電率が変化する。この場合、
電界の印加する方向が光導波路１２と光導波路１３では
反対方向であるため、一方の導波路を進む光波は位相が
進み、他方の導波路の光波は位相が遅れる。従って、こ
れらの導波路を伝搬する光波の位相差、すなわち印加さ
れた電圧に比例した強度の光変調光信号が得られる。

【０００８】光信号はシングルモード光ファイバ９を伝
搬し、光検出器１０に送られる。光検出器１０で電気信
号に変換された光信号レベルをレベルメータ１１で測定
することにより、電界強度を求めることができる。

【０００９】この時の電界強度Ｅと光検出器１０の出力
レベルＶ_rの関係は式（１）で表される。

【００１０】

【数１】 Ｖ_r＝０.５ηＩ_OUT ＊［１＋ｃｏｓ｛((Ｅｈ_e／(１＋ｊωＣ_mＺ_a))／Ｖ₀)π＋φ｝］ ……(１） 式（１）で Ｖ₀：光変調器の半波長電圧 Ｉ_OUT：光変調器の最大光電力出力レベル η：光検出器の変換効率 ｈ_e：２本の金属棒で構成されるダイポールエレメント
の実効長 Ｃ_m：光変調器の入力容量 Ｚ_a：２本の金属棒で構成されるダイポールエレメント
の駆動点インピーダンス φ：電界を印加しない時の光導波路１２と１３を伝搬す
る光波の位相差（光バイアス角）である。

【００１１】図６に示す電界センサ装置の光電力出力レ
ベルＩ_OUTの温度依存性を図９に示す。この測定は、電
界センサ装置を恒温槽に入れ、恒温槽の外部に安定化光
源を置いて光電力計を用いて出力レベルの変動を測定し
た。図９に示すように、電界センサ装置の周囲温度を０
〜４０度変化させた場合、通過光電力は最大で２０ｄＢ
程度変動していることがわかる。

【００１２】図６に示す従来の電界センサ装置の光電力
出力レベルの温度変動の要因としては、電界センサ装置
は光変調器の電極を開放の状態で使用しており、かつ、
光変調器が形成されている基板が通常は絶縁体であるた
め、電極間に静電気がたまるためであると考えられる。
数ｋＶ程度の電位の静電気は簡単に蓄積されるので、半
波長電圧が数Ｖ程度の高感度の光変調器では、その電位
の微小な変動によっても大きな影響を受ける。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記の
従来技術では式（１）に示すように、電界センサ装置の
感度は光電力出力レベルに比例するから、この電界セン
サ装置は周囲温度による感度変動が非常に大きい問題が
あった。

【００１４】本発明は、前記問題点を解決するためにな
されたものであり、本発明の目的は周囲温度の変化によ
る感度変動がない電界センサ装置を提供することにあ
る。

【００１５】本発明の前記ならびにその他の目的及び新
規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明ら
かにする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、２つの金属棒を直列に配置し、前記２
つの金属棒によって形成された空隙に、電気光学効果を
有する基板上に光導波路を用いて形成された光変調器を
挿入し、前記光変調器に光源より無変調の光信号を光フ
ァイバを用いて伝送し、前記光信号を電磁誘導により前
記２つの金属棒によって形成された空隙に生じた電圧に
より、光強度変調し、前記変調された光信号成分を光検
出器に光ファイバを用いて伝送して検出し、電界強度を
測定する電界センサ装置において、前記光変調器の電極
間を所定の抵抗値を有する導電体で連結したことを最も
主要な特徴とする。

【００１７】前記光変調器の電極間を所定の抵抗値を有
する導電体で連結した構造は、当該光変調器の基板上に
所定の抵抗値を有する導電層を設け、その上に電極を接
触して設けたことを特徴とする。

【００１８】

【作用】前述の手段によれば、光変調器の基板上に抵抗
型導電層を設け、その上に電極を接触して設けて、光変
調器の電極間を所定の抵抗値を有する抵抗体で連結した
ので、電極を開放の状態で使用することがなくなり、静
電気が蓄積することがなく、周囲温度の変化により測定
結果が大きな影響を受けることがない。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に
説明する。なお、全図において、同一機能を有するもの
は同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。

【００２０】図１は、本発明の電界センサ装置の一実施
例の基本的構成を示す図であり、図２は、図１に示すＡ
−Ａ線で切った断面図である。図１及び図２において、
図６と同一符号のものは同じものであり、１２，１３は
光導波路、１４は光変調器、１５は所定の抵抗値を有す
る導電層である。

【００２１】本実施例の電界センサ装置は、図１に示す
ように、図６に示す光変調器１４の電極６間を所定の抵
抗値を有する導電層１５で連結したものである。

【００２２】前記光変調器１４は、図２に示すように、
電気光学効果を有する材料として、長さ６０mm、幅５m
m、厚さ１mmのニオブ酸リチュウムの結晶を用いて基板
４とし、その結晶上にチタンを拡散して光導波路１２お
よび１３を形成し、マッファチェンダ光干渉計を形成し
ている。さらに、これらの上に抵抗となる導電層１５を
形成し、この導電層１５の上に一対の電極６が設けられ
ている。電極の長さは４０mm、半波長電圧は約３Ｖ、電
極間容量は約１０ｐＦである。

【００２３】光変調器１４は、前述のような構造となっ
ているので、電極６間に設けられた導電層１５の所定の
抵抗値により、静電気の変動に対して十分短い時定数を
持つように設定され、静電気が蓄積しないようにしてい
る。

【００２４】図３は、本発明の主要部を構成する光変調
器の一実施例の構成を示す断面図である。図３におい
て、図２に示す光変調器を筐体８の中に収容している。
１６は筐体８の上面と下面に設けたネジであり、金属棒
７を取付けるためのものである。

【００２５】なお、この電界センサ装置を配置すること
により、周囲の電磁界分布を乱さないようにするため、
電界を検出する電極以外の構成部品は全て非金属で構成
されている。

【００２６】導電層（抵抗）１５が設けられた場合の光
変調器電極の等価回路は、図４に示す回路となる。図４
において、Ｃ_mは光変調器の入力容量、Ｒ_mは電極間に設
けられた抵抗である。Ｒ_mの値は式（２）で求められ
る。

【００２７】

【数２】Ｒ_m＝１／Ｃ_m＊（２πｆ_c） ……（２） 式（２）において、ｆ_cは図４に示す等価回路のカット
オフ周波数で通常１００Ｈｚ程度に設定される。その場
合、Ｃ_mを１０ｐＦとすれば、式（２）よりＲ_mは１６０
ＭΩ以上であれば良いことがわかる。ただし、Ｒ_mの値
を小さくすると電界センサの低域側の感度が悪くなるの
で、Ｒ_mの値は、Ｃ_mが数ｐＦの場合も考慮して３００Ｍ
Ω〜１０ｋΩ程度に設定される。

【００２８】本発明の電界センサ装置の光電力出力レベ
ルの温度依存性を図５に示す。本実施例の場合、電極間
の抵抗値は２０ｋΩである。図５に示すように、図９の
従来品に比べ、出力レベルの温度変動（光電力出力レベ
ルの周囲温度変化に対する変動幅）が１／１０以下にな
っており、実用上、ほぼ問題のないレベルまで温度変動
が抑えられていることがわかる。

【００２９】以上、本発明を実施例に基づき具体的に説
明したが、本発明は前記実施例に限定されるものではな
く、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更し得る
ことはいうまでもない。

【００３０】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、電界センサ装置を構成する光変調器の電極間に所定
の抵抗値を有する導電体を設けることにより、静電気が
蓄積することがないので、周囲温度の変化による感度の
変動がほとんどなく、安定で高精度な電界センサ装置を
得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の電界センサ装置の一実施例の基本的
構成を示す図、

【図２】 図１に示すＡ−Ａ線で切った断面図、

【図３】 本発明の主要部を構成する光変調器の一実施
例の構成を示す断面図、

【図４】 本実施例を構成する光変調器の等価回路図、

【図５】 本実施例の電界センサ装置の光電力出力レベ
ルの温度依存性を示す図、

【図６】 従来の電界センサ装置の構成を示す図、

【図７】 従来の光変調器の構成を示す図、

【図８】 従来の光変調器の光導波路に印加される電界
を示す図、

【図９】 従来の電界センサ装置の光電力出力レベルの
温度依存性を示す図。

【符号の説明】

１…光源、２…偏波補償器、３…偏波面保持ファイバ、
４…基板、５…光導波路、６…光変調器の電極、７…電
界センサの金属棒、８…光変調器を収容した筐体、９…
シングルモード光ファイバ、１０…光検出器、１１…レ
ベルメータ、１２，１３…光導波路、１４…光変調器、
１５…所定の抵抗値を有する導電層、１６…ネジ、Ｃ_m
…光変調器の入力容量、Ｒ_m…電極間の抵抗。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つの金属棒を直列に配置し、前記２つ
   の金属棒によって形成された空隙に、電気光学効果を有
   する基板上に光導波路を用いて形成された光変調器を挿
   入し、前記光変調器に光源より無変調の光信号を光ファ
   イバを用いて伝送し、前記光信号を電磁誘導により前記
   ２つの金属棒によって形成された空隙に生じた電圧によ
   り、光強度変調し、前記変調された光信号成分を光検出
   器に光ファイバを用いて伝送して検出し、電界強度を測
   定する電界センサ装置において、前記光変調器の電極間
   を所定の抵抗値を有する導電体で連結したことを特徴と
   する電界センサ装置。
2. 【請求項２】 前記請求項１における光変調器の電極間
   を所定の抵抗値を有する導電体で連結した構造は、当該
   光変調器の基板上に所定の抵抗値を有する導電層を設
   け、その上に電極を接触して設けたことを特徴とする電
   界センサ装置用光変調器。