JPH10111177A

JPH10111177A - 光変調器、および、それを用いたセンサ

Info

Publication number: JPH10111177A
Application number: JP26462096A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kumegawa; 宏久米川
Original assignee: Nissin Electric Co Ltd
Current assignee: Nissin Electric Co Ltd
Priority date: 1996-10-04
Filing date: 1996-10-04
Publication date: 1998-04-28

Abstract

(57)【要約】【課題】発光素子の温度変化に対して、良好な特性を
有するセンサを提供する。【解決手段】発光ダイオード２から照射された光は、
センサ部３の偏光子３２により直線偏光に変換される。
さらに、波長選択板３３は、この光のうち、所定の波長
のみを選択的に透過させる。これにより、波長選択板３
３は、発光ダイオード２の温度に関わらず、出射光の波
長を一定に保持する。１／４波長板３４は、当該出射光
の偏光状態を円偏光にしてポッケルス素子３５へ与え
る。さらに、ポッケルス素子３５は、光を出射する際、
印加電圧ｖ_inに応じて、楕円偏光の楕円率を制御する。
偏光子３６は、所定の方向の偏光成分を通過させて、上
記楕円率に応じた光量を持つ光信号Ｏを出力する。一
方、光／電気変換回路４は、光信号Ｏの交流成分を直流
成分で除算して印加電圧ｖ_inを検出し、出力信号ｖ_out
として出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電圧や電流などの
入力信号を光信号に変換する光変調器、および、それを
用いて上記入力信号を測定するセンサに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば、電気設備などを扱う施設では、
各部に設けられた光電圧センサによって電圧を測定し、
測定値に基づいて、種々の制御を行っている。

【０００３】図５に示すように、従来より用いられてい
る光電圧センサ５１では、発光ダイオード（ＬＥＤ）５
２が照射した光は、光ファイバ５５を介して、センサ部
５３に入射される。センサ部５３において、入射光は、
偏光子６２および１／４波長板６４を通過して、その偏
光状態が円偏光に変換される。この円偏光状態の光は、
ポッケルス素子６５に入射され、ポッケルス素子６５
は、印加された電圧ｖ_inの大きさに応じて、入射光を位
相変調する。これにより、ポッケルス素子６５が出力す
る光は、印加電圧ｖ_inに応じた楕円率の楕円偏光とな
る。さらに、偏光子６６は、楕円偏光から所定の方向の
偏光成分を取り出す。これにより、センサ部５３は、光
信号Ｏの光量を、印加電圧ｖ_inに応じて制御できる。

【０００４】当該光信号Ｏは、光ファイバ５５を介し
て、光／電気変換回路（Ｏ／Ｅ変換回路）５４に入力さ
れる。Ｏ／Ｅ変換回路５４では、上記光信号Ｏは、フォ
トダイオード（ＰＤ）７１および増幅器７２によって、
その光量に応じた電気信号に変換される。さらに、ＡＣ
フィルタ７４およびＤＣフィルタ７５は、電気信号の交
流成分および直流成分を抽出し、除算器７６は、ＤＣ成
分に対するＡＣ成分の比率を算出する。このＡＣ／ＤＣ
の演算によって、Ｏ／Ｅ変換回路５４は、印加電圧ｖ_in
の交流成分を復調できる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記構
成の光電圧センサ５１は、以下に示すように、ＬＥＤ５
２の温度変化によって誤差を生じるという問題点を有し
ている。

【０００６】具体的には、ＬＥＤ５２の温度が変化する
と、当該ＬＥＤ５２が照射する光は、ピーク波長やスペ
クトル形状が変化する。一方、センサ部５３において、
ポッケルス素子６５の感度は、入射光の波長によって変
化する。また、１／４波長板６４は、入射光の波長に合
わせて、厚みｂなどが設定されている。したがって、入
射光の波長が想定していた波長からズレると、常光線と
異常光線との間の位相差Γが変化して、直線偏光を円偏
光へ正しく変換できなくなる。また、偏光子６２も波長
によって僅かに異なった特性を示す。これらの結果、セ
ンサ部５３に入射される光の波長が変化すると、センサ
部５３の感度が変化して、光信号Ｏに波形歪みを生ず
る。

【０００７】温度変化は、印加電圧ｖ_inの変化に比べて
極めて遅いので、上記歪みは、光信号Ｏの光量におい
て、主として、直流バイアス成分の変化となって現れ
る。この結果、Ｏ／Ｅ変換回路５４がＡＣ成分／ＤＣ成
分の除算によって印加電圧ｖ_inを検出すると、光電圧セ
ンサ５１の検出値に誤差が発生する。

【０００８】ＬＥＤ５２の温度は、周囲温度の変化や自
らの動作電流による発熱などによって容易に変化する。
したがって、従来の光電圧センサ５１の構成では、例え
ば、誤差が１％以下と、高精度の光電圧センサ５１を製
造することが困難である。

【０００９】一方、特に、測定する電圧が高い場合、例
えば、送電設備などでは、僅かな誤差であっても、それ
によって発生する無駄な電力は極めて大きく、光電圧セ
ンサ５１の誤差低減が切望されている。

【００１０】本発明は、上記の問題点を鑑みてなされた
ものであり、その目的は、温度特性の良好なセンサ、お
よび、当該センサに好適に使用できる光変調器を実現す
ることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る光
変調器は、上記課題を解決するために、入射側に配さ
れ、所定の方向に偏光した光を通過させる偏光子と、出
射側に配され、所定の方向に偏光した光を通過させる検
光子と、上記偏光子および検光子の間の光路上に配さ
れ、通過あるいは反射する光の偏光状態を入力信号に基
づいて変化させる変調手段とを有し、上記入力信号を光
信号に変換する光変調器において、上記変調手段よりも
入射側の光路上に、通過する光の波長を制限する波長選
択手段を備えていることを特徴としている。

【００１２】上記構成では、発光ダイオードなどの光源
から光が照射されると、偏光子は、この光の偏光状態を
所定の方向の直線偏光に変換する。これにより、変調手
段へ与えられる光の偏光状態が決定される。一方、変調
手段の入射側には、波長選択手段が配されており、通過
する光の波長を制限する。これにより、変調手段へ与え
られる光の波長が制限される。

【００１３】変調手段は、ポッケルス効果やファラデー
効果など、光の偏光状態を制御可能な光学効果を用い、
入力信号に基づいて、通過あるいは反射する光の偏光状
態を変化させる。例えば、ポッケルス素子の場合、変調
手段は、印加電圧に応じて、出射光の楕円偏光の楕円率
を変化させる。また、ファラデー素子の場合、変調手段
は、印加磁界に応じて、出射光の偏光面を回転させる。
変調手段が出射光の偏光状態を入力信号に応じて変調し
た後、検光子は、所定の方向の偏光成分を抽出する。こ
れにより、光変調器は、入力信号に応じた光量の光信号
を出力できる。

【００１４】ところで、温度変化などによって、光源が
照射する光は、スペクトル分布が変化し、ピーク波長や
スペクトルの形状などが変化する。したがって、従来の
光変調器では、変調手段へ入射される光の波長が変化
し、変調手段の感度が不所望に変化する。この感度の変
化は、光信号の交流成分／直流成分の除算などによっ
て、光信号を検出する際に、誤差の要因となる。

【００１５】ところが、上記構成では、波長選択手段が
変調手段へ与える光の波長を制限しているので、変調手
段の感度を一定に保つことができる。したがって、光源
の温度変化に起因する光信号の感度変化および波形歪み
を削減することができる。この結果、良好な特性を持つ
光変調器を実現できる。

【００１６】なお、高精度に入力信号を変調するため、
光変調器は、偏光子と検光子との間に、例えば、１／４
波長板など、常光線と異常光線との間の位相差を調整す
る移相器を備えていることが多い。この場合には、上記
波長選択手段は、当該移相器よりも入射側に配されてい
る方がよい。これにより、移相器へ入射される光の波長
を制限できるので、移相器は、位相差を調整する際、常
に一定の位相差に保つことができる。この結果、移相器
を備えた光変調器において、温度特性をさらに向上でき
る。

【００１７】一方、請求項２の発明に係るセンサは、上
記請求項１記載の光変調器と、該光変調器から光信号を
受け取って、上記入力信号を検出する検出器とを備えた
センサであって、上記検出器は、上記光信号のレベルの
変化を補償するレベル補償手段を備えていることを特徴
としている。

【００１８】請求項１記載の光変調器は、温度が変化し
ても、感度変化のない光信号を出力できる。ところが、
波長選択手段が波長を制限しているので、温度が変化し
た場合、光信号のレベルが変化する。

【００１９】一方、光信号を受け取った検出器におい
て、上記レベル補償手段は、光信号の光量変化のうち、
入力信号に起因する光量変化と、入力信号以外に起因す
る光量変化とを分離して、光信号のレベルを補償する。
レベルの補償は、スペクトル分布の変化も考慮する必要
のある補償に比べて容易であり、レベル補償手段は、例
えば、入力信号の周波数成分を抽出する交流フィルタ
と、入力信号以外の周波数成分を抽出する直流フィルタ
と、交流成分／直流成分の除算を行う除算器となど、比
較的簡単な回路によって実現できる。

【００２０】これにより、検出器は、光源の温度が変化
しても、正確に入力信号を検出できる。この結果、温度
特性が良好で、信頼性の高いセンサを実現できる。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態について図１
ないし図４に基づいて説明すると以下の通りである。す
なわち、本実施形態に係るセンサは、光電圧センサであ
り、例えば、送電設備などにおいて、電圧を測定するた
めに用いられている。

【００２２】図１に示すように、上記光電圧センサ１
は、光源となる発光ダイオード（以下では、ＬＥＤと略
称する）２と、ＬＥＤ２が照射した光を変調して、印加
電圧ｖ_inに応じた光量の光信号Ｏを出力するセンサ部３
と、当該光信号Ｏを電気信号に変換し、これに基づい
て、上記印加電圧ｖ_inを検出する光／電気変換回路（以
下では、Ｏ／Ｅ変換回路と略称する）４とを備えてい
る。なお、センサ部３およびＯ／Ｅ変換回路４が、特許
請求の範囲に記載の光変調器および検出器にそれぞれ対
応している。これにより、光電圧センサ１は、センサ部
３に印加される印加電圧ｖ_inを測定できる。また、ＬＥ
Ｄ２とセンサ部３と、あるいは、センサ部３とＯ／Ｅ変
換回路４とは、それぞれ、光ファイバ５によって互いに
接続されている。

【００２３】上記ＬＥＤ２は、例えば、ＡｌＧａＡｓや
ＩｎＧａＡｓＰ系の材料を用いた光通信用赤外ＬＥＤな
どであり、本実施形態に係るＬＥＤ２は、図２に示すよ
うに、通常使用時において、例えば、８５０ｎｍの波長
をピークとした形状のスペクトルを持つ光を照射でき
る。なお、本実施形態では、ＬＥＤ２は、Ｏ／Ｅ変換回
路４と一体に形成されている。

【００２４】また、センサ部３は、図１に示すように、
ＬＥＤ２からＯ／Ｅ変換回路４へ光を透過させており、
入射側から順番に、コリメータ３１、偏光子（ＰＢＳ）
３２、波長選択板（波長選択手段）３３、１／４波長板
（移相器）３４、ポッケルス素子（変調手段）３５、偏
光子（検光子）３６、およびコリメータ３７を備えてい
る。

【００２５】上記各コリメータ３１は、例えば、コリメ
ータレンズなどによって実現されており、光ファイバ５
からの入射光の光軸を、次段以降の光軸に合わせること
ができる。

【００２６】また、上記偏光子３２は、所定の方位角の
偏光成分を選択的に透過させるものであって、例えば、
偏光膜あるいはグラントムソンプリズムなどによって実
現できる。これにより、偏光子３２は、コリメータ３１
を介してＬＥＤ２より受け取った光の偏光状態を、所定
の偏光方向の直線偏光にすることができる。

【００２７】さらに、本実施形態に係るセンサ部３に
て、新たに設けられた波長選択板３３は、予め設定され
た波長域の光のみを透過させるバンドパスフィルタであ
って、例えば、グレーティングを利用した干渉フィルタ
などにより実現されている。本実施形態では、波長選択
板３３の中心波長は、ＬＥＤ２のピーク波長と同じく、
８５０ｎｍに設定されている。また、波長選択性の半値
幅は、例えば、１ｎｍ程度に設定されている。なお、上
記波長選択板３３の特性は、上記各数値に限定されるも
のではなく、後述するように、ＬＥＤ２の波長や光量
と、Ｏ／Ｅ変換回路４の感度となどに基づき、光電圧セ
ンサ１の許容誤差を考慮して設定される。

【００２８】また、上記１／４波長板３４は、例えば、
複屈折性を有する結晶からなり、１／４波長板３４を通
過した異常光線の位相が、常光線の位相に対して、１／
４波長だけズレるように形成されている。

【００２９】具体的には、１／４波長板３４では、常光
線の屈折率ｎ₀と、異常光線の屈折率ｎ_eとが異なって
いる。したがって、同位相の常光線と異常光線とが入射
した場合、１／４波長板３４中を両光線が進行するに伴
って、両光線の位相は、互いにズレていく。この結果、
１／４波長板３４の出射側では、入射面から出射面まで
の距離、すなわち、１／４波長板３４の光線の進行方向
に沿った厚みをｂとすると、両光線の位相差Γは、以下
の式（１）に示すように、 Γ＝（２π／λ₀）・（ｎ_e−ｎ₀）・ｂ …（１）となる。なお、上記式（１）において、λ₀は、入射光
の真空中での波長を示している。したがって、１／４波
長板３４の厚みｂは、位相差Γ＝１／４波長となるよう
に設定される。

【００３０】当該１／４波長板３４は、その光学軸が光
の進行方向に直交し、かつ、上記偏光子３２の偏光方向
に対して４５度傾くように配されている。これにより、
１／４波長板３４は、光の偏光状態を直線偏光から円偏
光へと変換できる。当該１／４波長板３４を通過した光
は、後段のポッケルス素子３５へ入射される。

【００３１】一方、ポッケルス素子３５は、ポッケルス
効果を利用した素子であって、印加電圧ｖ_inに応じて複
屈折が変化する。これにより、出射面における常光線と
異常光線との位相差を制御できる。また、ポッケルス素
子３５は、その光学軸が上記１／４波長板３４の光学軸
と同一方向になるように配されている。これにより、出
射光において、楕円偏光の楕円率は、印加電圧ｖ_inに応
じて変調される。

【００３２】上記ポッケルス素子３５は、電圧の印加方
向により２種類に大別できる。例えば、光の進行方向に
沿って印加電圧ｖ_inを印加する場合、ポッケルス素子３
５として、例えば、Ｂ₁₂ＧｅＯ₂₀（ＢＧＯ）などが使用
される。このようなポッケルス素子３５を縦型のポッケ
ルス素子３５と称する。一方、光の進行方向に垂直に電
圧ｖ_inが印加される場合は、横型のポッケルス素子３５
を使用する。当該ポッケルス素子３５は、例えば、Ｌｉ
ＮｂＯ₃などによって形成される。

【００３３】ここで、ポッケルス素子３５の感度につい
て説明する。ポッケルス素子３５は、印加電圧ｖ_inによ
って、常光線と異常光線との位相差を制御する。したが
って、その感度は、上記位相差が半波長となるときの印
加電圧、あるいは電界強度で示される。

【００３４】具体的には、ポッケルス素子３５が縦型の
素子の場合、感度を示す半波長電圧Ｖπは、下式（２）
に示すように、Ｖπ＝λ₀／（２・ｎ₀ ³・γ₄₁） …（２）となる。なお、上式（２）は、例えば、ＢＧＯなど、立
方晶系の酸化物単結晶によりポッケルス素子３５を形成
した場合を示しており、γ₄₁は、その電気光学定数であ
る。また、ｎ₀は、ポッケルス素子３５の常光線に対す
る屈折率であり、λ₀は、入射光の真空中における波長
である。

【００３５】一方、横型の場合、感度は、光の進行方向
に沿った方向の電界強度によって表現される。この半波
長電界強度〔Ｅｌ〕λ／２は、下式（３）に示すよう
に、〔Ｅｌ〕λ／２＝λ₀／（２・ｎ₀ ³・γ₂₂） …（３）となる。なお、上式（３）は、例えば、ＬｉＮｂＯ₃な
ど、三方晶系の負の一軸性結晶によりポッケルス素子３
５を形成した場合を示しており、γ₂₂は、その電気光学
定数である。また、ｎ₀およびλ₀は、上式（２）と同
様に、常光線に対する屈折率および入射光の波長であ
る。

【００３６】いずれの場合であっても、ポッケルス素子
３５の出射光は、常光線と異常光線との位相差、すなわ
ち、楕円偏光の楕円率は、印加電圧ｖ_inに応じ、上記の
各感度にて変調されており、上記偏光子３２と同様の構
成の偏光子３６へ伝えられる。

【００３７】偏光子３６は、入射光から、自らの偏光方
向に沿った偏光成分を取り出す。両偏光子３２・３６の
偏光軸は、互いに直交するように配されている。これに
より、偏光子３６は、楕円偏光の楕円率に応じた光量
で、直線偏光の光を出力できる。

【００３８】当該偏光子３６の出射光の光軸は、コリメ
ータ３７によって、光ファイバ５の光軸に合わせて調整
される。その後、この光信号Ｏは、光ファイバ５を介し
て、Ｏ／Ｅ変換回路４へ伝送される。

【００３９】一方、Ｏ／Ｅ変換回路４は、光信号Ｏを、
その光量に応じた電気信号に変換するフォトダイオード
（以下では、ＰＤと略称する）４１および増幅器４２
と、当該電気信号のレベルを補正しながら印加電圧ｖ_in
を検出する検出部（レベル補償手段）４３とを備えてい
る。当該検出部４３には、電気信号の交流成分を抽出す
るＡＣフィルタ４４と、直流成分を抽出するＤＣフィル
タ４５と、ＡＣフィルタ４４の出力値をＤＣフィルタ４
５の出力値で除算する除算器４６とが設けられている。

【００４０】ところで、光信号Ｏのレベルは、ＬＥＤ２
の光量が同じであっても、各光ファイバ５・５の長さや
透過率などによって変化する。また、光電圧センサ１を
構成する各部材の経年劣化によっても、光信号Ｏのレベ
ルは変化する。これらのレベルの変化は、印加電圧ｖ_in
に起因する光量変化に比較すると、周期的ではないが極
めて緩やかな変化であり、略直流とみなすことができ
る。

【００４１】本実施形態に係る検出部４３のＤＣフィル
タ４５では、電気信号の周波数成分のうち、印加電圧ｖ
_inに起因する成分を遮断するように、遮断周波数が設定
されている。また、ＡＣフィルタ４４の遮断周波数は、
上記経年劣化などや後述するＬＥＤ２の温度変化の影響
を遮断できるように設定される。さらに、除算器４６
は、交流成分／直流成分を演算する。これにより、検出
部４３は、上述の種々の要因によるレベル変化を補償で
きる。この結果、光信号Ｏのレベルに関わらず、検出部
４３は、印加電圧ｖ_inを正確に検出し、出力信号ｖ_out
として出力できる。

【００４２】ここで、上記構成の光電圧センサ１におい
て、例えば、温度変化などによって、ＬＥＤ２が出射す
る光のスペクトル分布が変化した場合について説明す
る。

【００４３】例えば、周囲温度の変化や、駆動電流によ
るＬＥＤ２自体の発熱などによって、ＬＥＤ２の温度が
上昇すると、ＬＥＤ２が照射する光のスペクトル分布
は、例えば、図２の破線に示すように変化する。これに
より、照射光のスペクトルは、ピーク波長や形状が変化
する。

【００４４】具体的には、図３に示すように、ピーク波
長は、例えば、０．２５ｎｍ／℃の傾きで、温度の上昇
に伴い上昇する。なお、この温度特性は、ＬＥＤ２の順
方向電流を１００ｍＡに設定して測定した。一方、スペ
クトルの形状を示す値として、例えば、スペクトル半値
幅の中心波長とピーク波長との差などが挙げられるが、
この値も温度の上昇に伴って増加する。

【００４５】一方、センサ部３において、１／４波長板
３４の位相差Γは、上述の式（１）に示すように、波長
によって変化する。また、ポッケルス素子３５の感度
は、上述の式（２）あるいは（３）に示すように、波長
の関数である。したがって、従来のように、波長選択板
３３を持たないセンサ部３の場合、ＬＥＤ２のスペクト
ル分布の変化によって、センサ部３の感度が不所望に変
化し、印加電圧ｖ_inを測定する際に歪みを生ずる。

【００４６】さらに、Ｏ／Ｅ変換回路４において、ＰＤ
４１など、光ＣＴの感度は、単一波長における感度ｍ
（λ）を、照射された光のスペクトルの形状関数ｇ
（λ）に沿って積分したもので与えられる。したがっ
て、その感度は、スペクトルの形状関数ｇ（λ）の違い
によって変化する。これにより、従来の光電圧センサ１
では、温度変化が２０℃の場合、理論値で−２．５％、
実測値で−４．８％の誤差が発生する。

【００４７】ＬＥＤ２の温度変化に起因する誤差を低減
するために、本実施形態と異なる方法として、例えば、
Ｏ／Ｅ変換回路４に歪み補償回路などを設け、ＬＥＤ２
の温度に応じて、光信号Ｏの歪みを補償する方法が挙げ
られる。ところが、上式（１）ないし（３）、並びに図
２および図３に示すように、ＬＥＤ２の温度とセンサ部
３の感度との関係は、線型ではない。さらに、補償の際
には、ＬＥＤ２のスペクトル分布の変化も考慮する必要
がある。したがって、この場合、上記歪み補償回路は、
構成が複雑になりがちである。また、別の方法として、
冷却装置などを用いて、ＬＥＤ２の温度を一定に保つ方
法も考えられる。しかし、ＬＥＤ２自体の発熱や周囲の
温度変化によってＬＥＤ２の温度が変化するので、ＬＥ
Ｄ２の温度制御は困難である。したがって、この方法
で、温度特性を向上させようとすると、大がかりな制御
装置や高精度な温度センサなどが必要となる。この結
果、いずれの方法を選択して誤差の低減を試みても、構
成が複雑になり、信頼性に欠けるという問題が新たに生
ずる。

【００４８】これに対して、本実施形態に係るセンサ部
３は、１／４波長板３４の入射側に波長選択板３３を備
えており、１／４波長板３４およびポッケルス素子３５
へ入射する光の波長を制限する。これにより、周囲温度
の変化や、自らの動作電流によって、ＬＥＤ２の温度が
変化して、出射光の波長がシフトした場合であっても、
上記両部材３４・３５への入射光の波長を常に一定に保
つことができる。この結果、従来のセンサ部３とは異な
り、両部材３４・３５の感度、すなわち、センサ部３の
感度は変化しない。したがって、センサ部３は、印加電
圧ｖ_inを正確に変調でき、波形歪みのない光信号Ｏを出
力できる。

【００４９】ところで、波長選択板３３によって、通過
する光の波長を制限しているので、ＬＥＤ２のピーク波
長が変化すると、光信号Ｏのレベルは低下する。ところ
が、光信号Ｏのレベル変化は、歪みとは異なり、補正が
容易である。具体的には、ＬＥＤ２の温度変動に起因す
る光信号Ｏのレベル変化は、印加電圧ｖ_inの変化に比べ
て極めて緩やかなので、例えば、光ファイバ５の経年劣
化など、上述した種々の要因によるレベル変化と同様
に、略直流と見なすことができる。したがって、例え
ば、交流成分／直流成分の除算によって、光信号Ｏのレ
ベル変化を容易に補償できる。この結果、本実施形態に
係る光電圧センサ１は、従来に比べて、良好な温度特性
で印加電圧ｖ_inを測定でき、ＬＥＤ２の温度変化に起因
する誤差を低減できる。

【００５０】また、従来と同様の補償方法によって光信
号Ｏのレベルを補償できるので、Ｏ／Ｅ変換回路４は、
従来の構成と比較して、温度変化に起因するレベル変化
を補償するために、新たな部材を付加する必要がない。
この結果、Ｏ／Ｅ変換回路４を従来と共用できる。

【００５１】さらに、上述の他の誤差低減方法と異な
り、波長選択板３３を配するだけで、温度特性を向上し
ている。この結果、光電圧センサ１の構成が簡単にな
り、上記他の誤差低減方法に比べて信頼性を向上でき
る。したがって、従来に比べて冗長な機器の数が少なく
ても、十分な信頼性を確保できる。

【００５２】次に、波長選択板３３が通過させる波長域
の設定方法について説明する。上述したように、波長域
を狭くすればする程、１／４波長板３４の位相差Γやポ
ッケルス素子３５の感度が変動しなくなり、光信号Ｏの
歪みは小さくなる。一方で、上記波長域が狭くなると、
ＬＥＤ２のピーク波長が変化したとき、光信号Ｏのレベ
ルは、低下しやすくなる。光信号Ｏのレベルは、Ｏ／Ｅ
変換回路４で補償できるが、レベルが余り低下すると、
Ｏ／Ｅ変換回路４で光信号Ｏを検出する際、ＰＤ４１が
検出する電気信号のレベルが小さくなり、増幅器４２の
増幅率を大きく設定する必要がある。この結果、雑音な
どの影響を受けやすくなり、誤差が逆に増加してしま
う。

【００５３】したがって、波長選択板３３の波長域は、
ＬＥＤ２の光量やＯ／Ｅ変換回路４のＰＤ４１の感度な
どに基づいて、光電圧センサ１の許容誤差の範囲内で設
定する。また、波長選択板３３の中心波長は、１／４波
長板３４の位相差Γやポッケルス素子３５の感度を設定
する際に使用した波長に併せて設定される。ＬＥＤ２の
光量を有効に使用するために、この波長は、ＬＥＤ２の
ピーク波長と一致している方がよい。

【００５４】ところで、スペクトル分布を変化させる他
の要因として、例えば、ＬＥＤ２の順方向電流の変化が
挙げられる。例えば、図４に示すように、ＬＥＤ２のピ
ーク波長は、順方向電圧を５０ｍＡから１００ｍＡまで
変化させた場合、約１ｎｍ増加する。この結果、従来の
光電圧センサ１の場合、約０．５％程度の誤差が生じ
る。これに対して、本実施形態に係る光電圧センサ１で
は、ＬＥＤ２を駆動する際、図示しない定電流回路によ
って、例えば、１００ｍＡ±１０ｍＡ程度に制御してい
るので、ＬＥＤ２の波長は、殆ど変動しない。また、僅
かに波長が変動しても、波長選択板３３によって、１／
４波長板３４およびポッケルス素子３５へ入射する光の
波長は、一定に保たれている。これにより、光電圧セン
サ１では、ＬＥＤ２の順方向電流に起因する誤差を無視
できる程度まで削減されている。この場合は、上記定電
流回路によって、ＬＥＤ２の波長変動そのものが抑えら
れているので、光信号Ｏのレベルは殆ど変化せず、Ｏ／
Ｅ変換回路４は、良好なＳ／Ｎ比で印加電圧ｖ_inを検出
できる。

【００５５】なお、本実施形態では、波長選択板３３
は、偏光子３２と１／４波長板３４との間に配されてい
るが、これに限るものではない。例えば、ポッケルス素
子３５の直前など、ＬＥＤ２より後で、かつ、光変調素
子よりも入射側の光路上であればよい。これにより、光
変調素子の感度を保つことができるので、センサ部３
は、ＬＥＤ２の温度が変化しても、歪みのない光信号Ｏ
を出力できる。

【００５６】ただし、偏光子３２・３６の間には、光変
調素子の感度を向上させるために、例えば、１／４波長
板３４のように、常光線と異常光線との位相差を調整す
る移相器が設けられていることが多い。この場合には、
波長選択板３３は、当該移相器よりも、入射側の光路上
に配することが特に望まれる。上述の式（１）に示すよ
うに、移相器では、常光線と異常光線との間の位相差Γ
が波長の影響を受ける。したがって、入射光の波長を限
定することによって、移相器に起因する誤差を低減でき
る。この結果、移相器を備えたセンサ部３において、誤
差を削減し、温度特性をさらに向上できる。

【００５７】また、上記波長選択板３３は、偏光子３２
よりも入射側に配されている方が良い。一般に、偏光子
３２の消光比も波長によって変化するが、この構成によ
って、波長選択板３３は、偏光子３２の入射光の波長を
限定できる。これにより、さらに温度特性の良好なセン
サを実現できる。

【００５８】なお、波長選択板３３は、ＬＥＤ２の直後
に配することもできる。ただし、センサ部３に波長選択
板３３を設けた場合は、従来のＬＥＤ２をそのまま使用
できる。また、本実施形態では、センサ部３に入射した
光は、各部材を透過しているが、当然ながらある部材で
反射してもよい。

【００５９】ところで、本実施形態に係るセンサ部３で
は、ポッケルス素子３５がＢＧＯやＬｉＮｂＯ₃により
形成されている場合を例にして説明したが、これに限る
ものではない。ＢＳＯやＫＤＰなど、他のポッケルス素
子を用いても、本実施形態と同様の効果を有する光電圧
センサを構成できる。

【００６０】また、本実施形態に係る光電圧センサ１
は、電気設備などで電圧を測定するために使用されてい
るが、当然ながら、これに限らず他の用途に用いること
もできる。ただし、電気設備などで高い電圧を測定する
場合には、相対誤差が僅かであっても絶対誤差は大きい
ので、測定に高い精度が要求される。また、この場合に
は、火災などの危険を防止するため、光電圧センサ１に
高い信頼性が要求される。本実施形態に係る光電圧セン
サ１は、上述したように、良好な温度特性により高い測
定精度を有していると共に、信頼性にも優れている。し
たがって、高い電圧を測定する場合に当該光電圧センサ
１を使用すると極めて効果が大きい。

【００６１】なお、本実施形態では、ポッケルス効果を
用いて光を変調しているが、これに限らず、他の効果を
用いて光を変調してもよい。例えば、ポッケルス素子３
５に代えて、ファラデー素子を用いてもよい。ファラデ
ー素子を通過する光は、印加された磁界の強さに応じて
偏光面が回転する。したがって、センサ部３は、入力電
流に応じた光量の光信号Ｏを出力できる。なお、この場
合は、両偏光子３２・３６間の位相差を調整するため
に、１／４波長板３４に代えて、１／２波長板が用いら
れる。この場合も、波長選択板３３によって、ファラデ
ー素子へ入射される光の波長が限定されているので、本
実施形態と同様に、温度特性が良好な光電流センサを実
現できる。

【００６２】さらに、上述した電気光学効果や磁気光学
効果に限らず、光変調素子は、熱光学効果や音響光学効
果など、他の効果を用いて光を変調してもよい。いずれ
の効果を用いた場合であっても、光変調素子が入力信号
に応じて出射光の偏光状態を制御する場合には、素子の
感度が入射光の波長によって変化するので、本実施形態
と同様の効果が得られる。

【００６３】

【発明の効果】請求項１の発明に係る光変調器は、以上
のように、入力信号に基づいて、光の偏光状態を変化さ
せる変調手段よりも入射側の光路上に、通過する光の波
長を制限する波長選択手段を備えている構成である。

【００６４】上記構成では、波長選択手段が変調手段へ
与える光の波長を制限しているので、変調手段の感度を
一定に保つことができる。したがって、光源の温度変化
に起因する光信号の感度変化および波形歪みを削減する
ことができる。この結果、良好な特性を持つ光変調器を
実現できるという効果を奏する。

【００６５】請求項２の発明に係るセンサは、以上のよ
うに、上記請求項１記載の光変調器と、該光変調器から
光信号を受け取って、上記入力信号を検出する検出器と
を備えたセンサであって、上記検出器は、上記光信号の
レベルの変化を補償するレベル補償手段を備えている構
成である。

【００６６】上記構成では、光変調器は、光源の温度が
変化しても歪みのない光信号を出力し、検出器におい
て、レベル補償手段が温度変化に起因する光信号のレベ
ルを補償する。この結果、温度特性が良好で、信頼性の
高いセンサを実現できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示すものであり、光電圧
センサの要部を示すブロック図である。

【図２】上記光電圧センサにおいて、発光ダイオードが
照射する光のスペクトル分布の一例を示すグラフであ
る。

【図３】上記発光ダイオードにおいて、ピーク波長の温
度特性を示すグラフである。

【図４】上記発光ダイオードにおいて、ピーク波長の順
方向電流特性を示すグラフである。

【図５】従来例を示すものであり、光電圧センサの要部
を示すブロック図である。

【符号の説明】

１光電圧センサ（センサ）２発光ダイオード（光源）３センサ部（光変調器）４光／電気変換回路（検出器）３２偏光子３３波長選択板（波長選択手段）３４１／４波長板（移相器）３５ポッケルス素子（変調手段）３６偏光子（検光子）４３検出部（レベル補償手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射側に配され、所定の方向に偏光した光
を通過させる偏光子と、出射側に配され、所定の方向に偏光した光を通過させる
検光子と、上記偏光子および検光子の間の光路上に配され、通過あ
るいは反射する光の偏光状態を入力信号に基づいて変化
させる変調手段とを有し、上記入力信号を光信号に変換
する光変調器において、上記変調手段よりも入射側の光路上に、通過する光の波
長を制限する波長選択手段を備えていることを特徴とす
る光変調器。
【請求項２】上記請求項１記載の光変調器と、該光変調
器から光信号を受け取って、上記入力信号を検出する検
出器とを備えたセンサであって、上記検出器は、上記光信号のレベルの変化を補償するレ
ベル補償手段を備えていることを特徴とするセンサ。