JPH0815355A

JPH0815355A - 電場センサ

Info

Publication number: JPH0815355A
Application number: JP6152381A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Yamada; 篤志山田
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-07-04
Filing date: 1994-07-04
Publication date: 1996-01-19

Abstract

(57)【要約】【目的】電気光学効果を利用した電場センサであって、
精度よく電場を検出することができる電場センサを提供
する。【構成】光源６と、光源６から出射された光の偏波方向
を変換する偏波面変換器２と、偏波面変換器２から出射
された光の強度を検出する検出器７とを有する。偏波面
変換器２は、電気光学効果を有する材料で構成された導
波路１２と、導波路１２の伝搬方向に沿って周期的に電
場透過点を持つ電場制限手段３と、電場制限手段３の電
場透過点の周期を変える周期変更手段４１とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電場の大きさを検出す
るための検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバおよび電気光学結晶を用いた
電場センサの研究は、従来から行われている。

【０００３】例えば、図６に示した構成の電場センサが
知られている。図６に示した電場センサは、光軸上に、
光源１０１、入射光ファイバ１０２、偏光子１０３、電
気光学結晶１０４、λ／４板１０５、検光子１０６、出
射光ファイバ１０７、受光器１０８を順に配置した構成
である。検出すべき電場Ｅは、ニオブ酸リチウム等の電
気光学結晶１０４に印加する。

【０００４】光源１０１を出射した光は、入射光ファイ
バ１０２により導かれ、偏光子１０３を通過して直線偏
光になり、電気光学結晶１０４に入射する。そして、光
は、電気光学結晶１０４で電場Ｅの強度に応じた位相変
化Δφを受ける。光ビームは、λ／４板１０５および検
光子１０６を通過し、出射光ファイバ１０７に導かれて
受光器１０８でその光強度を検出される。

【０００５】電気光学結晶１０４として、立方晶系の電
気光学結晶を用いた場合、検出すべき電場を〔００１〕
方向にかけ、光を（１１０）面に入射させる。また、偏
光子１０３からの直線偏光波の偏光方向が電気光学結晶
の主軸ｘ１，ｘ３軸と互いに４５度の角度をなすように
配置する。この場合、電気光学結晶１０４の出射端面で
のｘ１方向成分、ｘ３方向成分の位相差Δφは、 Δφ＝πＬ／λ・〔ｎ₀ ³ｒ₄₁Ｅ＋（ｎ_eff・TE−
ｎ_eff・TM）〕となる。

【０００６】従って、λ／４板１０５、検光子１０６を
通過した光の強度Ｐ_outは、Ｐ_out＝１／２・Ｐ_in（１−ｓｉｎΔφ）〜１／２・Ｐ
_in（１−πＬ／λ・〔ｎ₀ ³ｒ₄₁Ｅ＋（ｎ_eff・TE−ｎ
_eff・TM）〕）で表される。但し、Ｌは電気光学結晶のｘ２方向の長
さ、λは伝搬光の波長、ｎ₀は電気光学結晶の屈折率、
ｒ₄₁は電気光学定数、Ｅは検出すべき外部電場の大き
さ、ｎ_eff・TEは、電気光学結晶のＴＥモード光に対する
実効屈折率、ｎ_eff・TMは、電気光学結晶のＴＭモード光
に対する実効屈折率、Ｐ_inは電気光学結晶に入射した光
の強度である。

【０００７】従来の電場センサでは、受光器１０８で、
検出した光強度をＰ_outとして上述の式に代入すること
により、検出すべき電場の強度Ｅを求めていた。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、従来の
電場センサは、受光器１０８が検出した光強度の値にも
とづいて電場の強度を求める構成である。しかしなが
ら、受光器１０８が検出した光強度には、出射光ファイ
バ１０７内の光損失や電気光学結晶１０４内の光損失が
含まれている。これらの損失をなくすことはむずかし
く、そのため、従来の電場センサで検出精度を高めるの
は困難であった。さらに、図６の従来の電場センサを構
成する複数の光学部品を、同じ材料系で作製することは
できないため、一つの基板上につくり込んで小型集積化
することができなかった。

【０００９】本発明は、電気光学効果を利用した電場セ
ンサであって、精度よく電場を検出することができる電
場センサを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明によれば、光源と、光源から出射された光の偏
波方向を変換する偏波面変換器と、偏波面変換器から出
射された光の強度を検出する検出器とを有する電場セン
サが提供される。ここで、偏波面変換器は、電気光学効
果を有する材料で構成された導波路と、導波路の伝搬方
向に沿って周期的に電場透過点を持つ電場制限手段と、
電場制限手段の電場透過点の周期を変える周期変更手段
とを備え、検出すべき電場を周期的に前記導波路に印加
することにより前記導波路の伝搬光の偏波方向を変換す
る。

【００１１】

【作用】本発明の電場センサで光源から出射された光
は、偏波面変換器の導波路を伝搬する。このとき、電場
制限手段から検出すべき電場が導波路の伝搬方向に沿っ
て周期的に印加される。このように周期的に印加された
電場によって、電気光学効果を有する導波路の屈折率
は、伝搬方向に周期的に変化するため、伝搬する光の偏
波面は、ＴＥモードとＴＭモードとの間で変換される。
偏波面が変換した光は、検出器でその強度が検出され
る。

【００１２】ここで、このような電気光学効果を用いた
偏波面変換器において、偏波面が変換される光の割合
は、導波路に印加される電場の周期と強度とに依存す
る。よって、電場の強度が一定の場合には、導波路に印
加される電場の周期が最適な時に、検出器の出力が最大
となる。また、電場の周期の最適値は、電場の強度に依
存する。

【００１３】本発明では、周期変更手段が、電場制限手
段の電場透過点の周期を変化させ、このときの検出器の
出力を検出し、検出器の出力が最大となる周期を求める
ことにより、偏波面変換器の導波路に印加する電場の周
期の最適値を求めることができる。そして、この電場周
期の最適値は、上述のように導波路に印加される電場の
強度に依存しているため、電場周期の最適値から電場の
強度を求めることができる。本発明では、検出器の出力
は、どの角度のときに光の強度が最大となるかを知るた
めだけに用いられるので、光の強度を定量的に測定する
必要はない。よって、導波路による光の損失に関係な
く、電場の強度を求めることが可能であり、高い精度で
電場の大きさを求めることができる。

【００１４】

【実施例】本発明の一実施例の電場センサについて説明
する。

【００１５】本実施例の電場センサは、図１のように、
基板１上に、光源６と光検出器７とを備え、光源６と光
検出器７との間には、光源６から出射された光を光検出
器１５まで伝搬する導波路１２が設けられている。光導
波路１２には、ＴＥ−ＴＭモードコンバータ２が設けら
れている。また、このＴＥ−ＴＭモードコンバータ２と
光検出器７との間の導波路１２には、ＴＭモードの光の
みを透過させるフィルタ４が設けられている。また、Ｔ
Ｅ−ＴＭモードコンバータ２の部分を除いて、導波路１
２は、金属膜で構成された電場シールド膜１６で覆われ
ている。

【００１６】つぎに、導波路１２、ＴＥ−ＴＭモードコ
ンバータ２、フィルタ４、光源６、光検出器７の構成を
さらに詳しく説明する。

【００１７】本実施例では、基板１としてノンドープの
（１１０）ＧａＡｓ基板を用いている。導波路１２は、
図２、図３に示すように、基板１の上に、Ａｌ_0.35Ｇａ
_0.65Ａｓクラッド層１９、ＧａＡｓコア層１８、Ａｌ
_0.07Ｇａ_0.93Ａｓクラッド層１７を順に積層した構造で
ある。コア層１８は、図３のように、リッジ型の導波路
である。コア層１８のリッジ部分に光が閉じ込められる
ので、本実施例では、このリッジ部分を導波路１２とよ
ぶ。導波路１２は、ＴＥモード光およびＴＭモード光に
関してシングルモードの導波路であり、光の伝搬方向
は、基板の〈１１０〉方向である。クラッド層１９の厚
さは１．００μｍ、コア層１８のリッジ部分の厚さは、
０．４５μｍ、リッジ部分以外の厚さは、０．０１μｍ
である。クラッド層１７は、コア層１８を伝搬する光の
エバーネッセントフィールドよりも厚く形成されてい
る。

【００１８】ＴＥ−ＴＭモードコンバータ２は、導波路
１２と、これに検出すべき電場を周期的に印加する櫛型
電極３とによって構成されている。櫛型電極３は、図
１、図１０のように支持棒４１によって、導波路１２の
上部にわずかな空間を挾んで支持されている。そして、
櫛型電極３の導波路１２に対する角度が任意の角度とな
るように、傾斜をもって支持棒４１によって支持されて
いる。支持棒４１には、ギア４３、４４を介して回転つ
まみ４５が連結されており、回転つまみ４５の回転運動
により電極３が任意の角度に傾く。櫛型電極３は、ガラ
ス基板３１上に、金属膜３２を成膜し、金属膜３２をエ
ッチングにより櫛型に加工したものである。金属膜３２
は、接地されている。

【００１９】フィルタ４は、図７に示すように、導波路
１２の両側に配置された不純物領域４６で構成される。
不純物領域を構成する材料は、導波路１２を伝搬する光
を吸収するものである。領域４６は、導波路１２のＴＥ
モード光のエバネッセントフィールド内に配置されてい
る。

【００２０】光源６は、半導体レーザであり、導波路１
２のクラッド層１７に上に形成されている。その構造
は、図３、図８に示すように、ＧａＡｓで形成した活性
層１４、ＡｌＧａＡｓで形成したクラッド層１３、Ｇａ
Ａｓで形成したキャップ層３１２を備えるものである。
キャップ層３１２上には、導波路１２を挾むように、一
対の電極１１が配置されている。また一対の電極１１の
下部には、クラッド層１７に達する深さまでｐ型拡散層
１５と、ｎ型拡散層１６がそれぞれ設けられられてい
る。光源６の活性層１４内の光は、導波路２の伝搬方向
と同じ方向に進行して、活性層１４の両端面で反復され
て増幅される。

【００２１】光検出器７は、フォトダイオードであり、
導波路１２のクラッド層１７の上に形成されている。そ
の光源は、図４、図９に示すように、光源６と同様に、
ＧａＡｓで形成した活性層２４、ＡｌＧａＡｓで形成し
たクラッド層２３、ＧａＡｓで形成したキャップ層２２
を備えている。キャップ層２２上には、導波路１２を挾
むように一対の電極２１が配置されている。また、一対
の電極２１の下部には、クラッド層１７に達する深さま
でｐ型の拡散層２５と、ｎ型拡散層２６がそれぞれ設け
られている。

【００２２】つぎに、本実施例の電場センサの電場の大
きさを測定する動作について説明する。

【００２３】検出すべき電場は、図１において、紙面の
上から下に印加する。光源６の電極１１間に電流を流し
て発光させる。光源６の活性層１４を進行するＴＥモー
ド光は、エバネッセントカップルにより、クラッド層１
７を介して、導波路１２に入射し、導波路１２をＴＥの
０次モードで伝搬する。そして、ＴＥ−ＴＭモードコン
バータ２の部分において、櫛型電極３の櫛の歯の間を透
過してきた電場が導波路１２に印加される。導波路１２
は、電気光学効果を有するＧａＡｓで構成されているた
め、電場が印加された部分の屈折率が変化する。電場
は、櫛型電極３の櫛の歯の間を透過してきているため、
周期的に導波路１２に印加され、導波路１２の屈折率は
伝搬方向に周期的に変化する。これによって、導波路１
２を伝搬するＴＥモード光の一部は、ＴＭモード光に変
換され、ＴＭモード光が主成分となる。フィルタ４で
は、伝搬光の波長の光を吸収する領域４６が、導波路１
２の両側のＴＥモード光のエバネッセントフィールド内
に設けられているため、ＴＥモード光は、領域４６によ
って吸収され、ＴＭモード光のみが光検出器７まで到達
し、エバネッセントカップルによって光検出器７に入射
し、強度が検出される。また、ＴＥ−ＴＭモードコンバ
ータ２以外の部分には、電場シールド膜１６でおおわれ
ているため、電場は印加されず、導波路１２の屈折率が
変化することはない。また、クラッド層１７は、導波路
１２のエバネッセントフィールドよりも厚く形成されて
いるため、ＴＭモード光が電場シールド膜１６で吸収さ
れることもない。

【００２４】ここで、このような電気光学効果を用いた
ＴＥ−ＴＭモードコンバータ２において、ＴＥモードか
らＴＭモードへ変換される光の割合は、導波路１２に印
加される電場の周期Λと強度Ｅとに依存する。よって、
電場の強度Ｅが一定の場合には、導波路１２に印加され
る電場の周期Λが最適な時に、光検出器７の出力が最大
となる。また、この電場の周期Λの最適値は、導波路１
２に印加される電場の強度Ｅに依存し、下式の関係があ
る。

【００２５】Ｅ＝λ／（ｒ₄₁ｎ₀ ³Λ）………（１）ただし、λは、光源６が出射する光の波長、ｒ₄₁は、導
波路１２のポッケルス定数、ｎ₀は、導波路１２の伝搬
方向の屈折率である。

【００２６】また、図５のように、導波路１２に印加さ
れる電場の周期Λは、櫛型電極３の櫛の歯のピッチｄ
と、櫛型電極３と導波路１２とのなす角度θによって定
まり、 Λ＝ｄｃｏｓθ………（２）である。

【００２７】従って、回転つまみ４５を回転させなが
ら、光検出器７の出力をモニタし、光検出器７の出力が
最大となる角度θを求め、式（１）、（２）に代入する
ことにより、電場Ｅの値を求めることができる。

【００２８】本実施例の導波路１２の場合、ｒ₄₁＝１．
２、ｎ₀＝３．６である。そして、λ＝０．９μｍ、ｄ
＝１００μｍとした場合に、θ＝π／６ｒａｄで、光
検出器７の出力がであれば、上式より、電場の強度Ｅ＝
７．８３５＊１０~⁴ Ｖ／ｍであることが求められる。

【００２９】ここで、本実施例の電場センサの製造方法
について簡単に説明する。

【００３０】まず、ＧａＡｓ基板１上に、ＡｌＧａＡｓ
クラッド層１９と、ＧａＡｓコア層１９を順に液層成長
法により成長させる。つぎに、コア層１９をエッチング
し、リッジ型導波路形状に加工する。この上に、ＡｌＧ
ａＡｓ層、ＧａＡｓ層、ＡｌＧａＡｓ層をＭＢＥによっ
て堆積し、光源６と光検出器７の形状に残し、残りの部
分を取り除き、活性層１４、２４、クラッド層１３、２
３、キャップ層３１２、２２を形成する。そして、ｐ型
不純物、ｎ型不純物を拡散させ、ｐ型拡散層１５、２５
と、ｎ型拡散層１６、２６を形成する。さらに電極１
１、２１を形成する。これにより、光源６と光検出器７
が完成する。さらに、導波路１２の両側に不純物を導入
して、領域４６を形成し、フィルタ４とする。さらに、
光源６、光検出器７、およびＴＥ−ＴＭモードコンバー
タ２の部分を除いて、金膜を形成することにより電場シ
ールド膜１６を形成する。櫛型電極３を導波路１２に近
接する位置に配置し、本実施例の電場センサが完成す
る。

【００３１】上述したように、本実施例の電場センサ
は、電極３を傾斜させ、光検出器７で検出される光強度
が最大値となるときの電極３と導波路１２とのなす角度
θを測定するのみで、電場の大きさを定量的に求めるこ
とができる。また、光検出器７の検出値は、定量的に測
定する必要がないため、導波路１２の伝搬損失に影響さ
れることなく高い精度で電場の大きさを求めることがで
きる。

【００３２】さらに、本実施例の電場センサは、各光学
部品を１つの基板上につくり込むことができるため、小
型で安価に製造できる。

【００３３】上述の実施例では、ＧａＡｓ系の半導体導
波路を用いたが、これに限らず電気光学効果を有する他
の材料で導波路を構成することももちろん可能である。

【００３４】また、櫛型電極３は、導波路１２に周期的
に電場を印加する形状であれば櫛型に限られるものでは
なく、例えば、図１２に示すように、複数のスリットが
平行に設けられた電極２０１を用いることが可能であ
る。また櫛型電極３は、金属性の薄板を打ち抜くことで
作製することもできる。

【００３５】さらに、上述の実施例では、ギア４３、４
４を用いて、櫛型電極３を傾斜させることにより導波路
１２に印加する電場の周期を変化させたが、これ以外の
方法を用いることももちろん可能である。例えば、図１
１、図１２に示すように、電極２０１の一辺を両側から
固定部材２０３により回転可能に支持し、電極２０１の
下に配置した圧電素子２０２に電流を流して電極２０１
を下から持ち上げることにより、電極２０１を傾斜させ
る構成を用いることができる。圧電素子２０２は、電場
を発生するため、導波路１２からできるだけ離れた位置
に配置する。また、固定部材２０３で支持している一辺
と向かい合う辺の下に、支持部材２０４を配置し、電極
２０１のたわみを防止する構成にすることもできる。ま
た、図１２では、固定部材２０３、支持部材２０４を導
波路１２の両側に配置しているが、片側のみに配置して
もよい。

【００３６】さらに上述の実施例では、ＴＥモードから
ＴＭモードへ変換するモードコンバータ２を用いたが、
ＴＭモードからＴＥモードへのモードコンバータを用い
ることもできる。

【００３７】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、偏波面
変換器の変換効率が最大になる時の電場の周期を求める
ことで、電場の強さを知ることができる。この時、モー
ド変換された光量を定量的に測定する必要がないため、
導波路の伝搬損失等に影響されることなく高い精度で電
場を検出することのできる電場センサを得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の電場センサの上面図。

【図２】図１の電場センサのＢ−Ｂ’断面図。

【図３】図１の電場センサのＡ−Ａ’断面図。

【図４】図１の電場センサのＣ−Ｃ’断面図。

【図５】図１の電場センサの櫛型電極３の傾斜を示す説
明図。

【図６】従来の電場センサの構成を示すブロック図。

【図７】図１の電場センサのＤ−Ｄ’断面図。

【図８】図１の電場センサのＢ−Ｂ’部分断面図。

【図９】図１の電場センサのＢ−Ｂ’部分断面図。

【図１０】図１の電場センサのＥ−Ｅ’部分断面図。

【図１１】本発明の別の実施例の電場センサの側面図。

【図１２】図１１の電場センサの上面図。

【符号の説明】

１…基板、２…ＴＥ−ＴＭモードコンバータ、３…櫛型
電極、４…フィルタ、６…光源、７…光検出器、１２…
導波路、１６…電場シールド膜、１７…クラッド層、１
８…コア層、１９…クラッド層。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、前記光源から出射された光の偏波
方向を変換する偏波面変換器と、前記偏波面変換器から
出射された光の強度を検出する検出器とを有し、前記偏波面変換器は、電気光学効果を有する材料で構成
された導波路と、前記導波路の伝搬方向に沿って周期的
に電場透過点を持つ電場制限手段と、前記電場制限手段
の電場透過点の周期を変える周期変更手段とを備え、検
出すべき電場を周期的に前記導波路に印加することによ
り前記導波路の伝搬光の偏波方向を変換することを特徴
とする電場センサ。
【請求項２】請求項１において、前記電場制限手段は、
前記導波路の伝搬方向に沿って一定間隔に複数個のスリ
ットが設けられた電極板であり、前記周期変更手段は、前記電極板と前記導波路とのなす
角度を任意の角度に変える手段であり、前記電極板は、定電位に保たれていることを特徴とする
電場センサ。
【請求項３】請求項１において、前記光源と、前記導波
路と、前記検出器は、同一基板上に形成されていること
を特徴とする電場センサ。
【請求項４】請求項２において、前記導波路のうち、前
記電極板でおおわれていない部分には、前記導波路を外
部の電場から遮断するためので電場遮蔽手段が配置され
ていることを特徴とする電場センサ。
【請求項５】請求項４において、前記電場遮蔽手段は、
前記導波路の伝搬光のエバーネッセントフィールドの外
側に配置されていることを特徴とする電場センサ。