JPH11304859A

JPH11304859A - 位相整合型光電界センサ

Info

Publication number: JPH11304859A
Application number: JP13121698A
Authority: JP
Inventors: Mitsukazu Kondo; 充和近藤
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1998-04-24
Filing date: 1998-04-24
Publication date: 1999-11-05

Abstract

(57)【要約】【課題】低い周波数はもとより、高周波までの空間電
界を、高感度で測定するのみならず、高い指向性と電波
が伝搬する向きを特定して検出する機能をも具備した位
相整合型光電界センサを提供すること。【解決手段】半波長ダイポールアンテナ１２，２２
と、光ファイバ１５によって直列に接続されたセンサヘ
ッド１１，２１と、光源１と、光検出器２からなり、半
波長ダイポールアンテナ１２，２２の間隔と、センサヘ
ッド１１，２１およびセンサヘッド１１，２１を接続す
る光ファイバ１５によって形成される光路の長さが、半
波長ダイポールアンテナ１２，２２の間隔の空間を伝搬
する電波の位相と、センサヘッド１１，２１の間を伝送
される光変調波の位相が、同期するように設定されてい
る位相整合型光電界センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＥＭＣ分野におけ
るノイズの測定、電磁波による空間電界の強度測定、通
信、放送波等の受信等に用いられる位相整合型光電界セ
ンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】ＥＭＣ分野においては、コンピュータ等
の情報機器や通信機器、ロボット等のＦＡ機器、自動
車、鉄道等の制御器など多くの電気機器が、外部からの
電磁ノイズによって誤動作などの影響を受ける危険を常
にもっている。外部の電磁環境に影響を及ぼすようなノ
イズ、また自らが発生するノイズ等を正確に測定するこ
とが重要である。

【０００３】電磁ノイズの測定、空間電界の測定、ある
いは放送波等のＲＦ信号受信のためのセンサヘッドとし
て、光導波路素子が利用されている。受信アンテナが接
続された光導波路素子のセンサヘッドと、光源および光
検出器が光ファイバで接続され、印加される電界強度に
依存した透過光強度の変化として電界強度が測定され
る。

【０００４】広帯域の電波の利用が促進され、高周波機
器の増大とともに高周波電界の測定に対するニーズ、重
要性が増えつつある。

【０００５】電界の測定は、かつては、通常の受信アン
テナを用いて受信し同軸ケーブルで測定器まで導く方法
が多く使われた。この方式は、同軸ケーブルの存在自体
により、あるいは同軸ケーブルの引き回しによって、測
定値が変動するなどの問題もあった。

【０００６】最近の電界強度の測定に多く用いられてき
たセンサヘッドとしての光導波路素子は、印加される電
界強度に応じて透過光の強度が変化するように構成され
ている。

【０００７】図４は、光導波路素子によるセンサヘッド
を用いた従来の光電界センサの構成を示す図である。図
４（ａ）は、光電界センサの構成を示す図、図４（ｂ）
は、センサヘッドの構成と半波長ダイポールアンテナを
示す図である。

【０００８】センサヘッド１１は、ｃ軸に垂直に切り出
したニオブ酸リチウム結晶の基板４１上にチタンを拡散
して形成された分岐干渉型光導波路と、その分岐干渉型
光導波路の位相シフト光導波路４２上に形成された１対
の変調電極４５から構成されている。変調電極４５は、
半波長ダイポールアンテナ１２などの受信アンテナに接
続されている。入射光導波路４３には、光ファイバ５を
通して光源１の出力光が入射され、センサヘッド１１の
位相シフト光導波路４２に印加された電圧に依存して、
出射光強度が変化する構成となっている。センサヘッド
１１の出射光は、光ファイバ６を通じて光検出器２に入
射されて検出される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の技術を
もっては、指向性の強い光電界センサを得ることは困難
であった。特に、高い周波数の電波を測定対象とする要
求に、高い指向性と、高い感度で、従来の技術で十分に
対応することは困難である。

【００１０】本発明の目的は、低い周波数はもとより、
高周波までの空間電界を、高感度で測定するのみなら
ず、電波が伝搬する向きをも特定する高い指向性をもっ
て検出する機能を具備した位相整合型光電界センサを提
供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明による位相整合型
光電界センサは、複数の受信アンテナと、電界によって
受信アンテナに誘起された電圧に依存して、透過される
光の強度が変化するように、構成され、光学的に直列に
接続された複数の光導波路型センサヘッドと、光ファイ
バを通じてセンサヘッドに光を入射する光源と、光ファ
イバを通じてセンサヘッドの出射光を検出する光検出器
から構成されている。

【００１２】センサヘッドは、電気光学効果を示す材料
を基板とし、基板上に干渉型光導波路および変調電極が
形成された光導波路素子からなる。本発明には、受信ア
ンテナとして、半波長ダイポールアンテナを用いること
ができる。

【００１３】本発明による位相整合型光電界センサは、
複数の受信アンテナの間隔と、複数のセンサヘッドの変
調電極間の光路の長さが、受信アンテナに誘起された電
圧の位相と、誘起された電圧によって変調され、変調電
極間の光路を伝送される光変調波の位相が、同期するよ
うに、設定されていることを特徴とする。

【００１４】また、本発明による位相整合型光電界セン
サは、それぞれ３個以上の受信アンテナおよびセンサヘ
ッドからなり、互いに隣接する二つの受信アンテナの間
隔と、二つの受信アンテナに誘起された電圧が印加され
るそれぞれの変調電極間の光路の長さは、互いに隣接す
る二つのセンサヘッドの変調電極に印加される電圧の位
相と、対応して隣接する二つのセンサヘッドの変調電極
間を伝送される光変調波の位相が、同期するように、設
定されていれば、他の受信アンテナの間隔、および他の
センサヘッドの間隔と、互いに相違しても、相等しくて
もよい。

【００１５】なお、受信アンテナの相互の間隔が、受信
される電波の１／４波長に等しく設定されている場合に
は、一層高い感度が得られる。さらに、本発明による位
相整合型光電界センサは、受信アンテナとセンサヘッド
の間に、受信アンテナに誘起された電圧が遅延されてセ
ンサヘッドに印加されるように構成した遅延要素を含む
ことを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】受信アンテナに誘起される電圧の
位相と、センサヘッドの間を伝送される光変調波の位相
が、各センサヘッドで同期する条件は、つぎの式で表さ
れる。

【００１７】ｄ＝（Ｌ／ｎ）＋ｍ・（λ／ｎ）・・・・・（１）ここで、ｄはセンサヘッド間の光路の長さ、Ｌは受信ア
ンテナの間の距離、ｎはセンサヘッド間の光路の平均の
屈折率、ｍは０を含む正の整数、λは測定対象とする電
波の波長である。

【００１８】

【実施例】以下に各実施例をもって本発明について説明
する。

【００１９】（実施例１）図１は、本発明による位相整
合型光電界センサの構成を示す図である。図１におい
て、位相整合型光電界センサは、半波長ダイポールアン
テナ１２，２２が取り付けられた２対のセンサヘッド１
１，２１が光ファイバ１５を通して直列に接続されてい
る。さらに、センサヘッド１１，２１の両端に、光ファ
イバ５、光ファイバ６を通して、半導体レーザからなる
光源１、および光検出器２が、それぞれ直列に接続して
構成されている。

【００２０】本発明の光電界センサには、図４（ｂ）に
示した、従来のセンサヘッド１１と同じ構成の２対のセ
ンサヘッド１１，２１を、光ファイバ１５によって直列
に接続して用いた。

【００２１】本実施例では、測定対象の電波の周波数を
５００ＭＨｚとし、図１に示す二つの半波長ダイポール
アンテナ１２，２２の間隔（Ｌ）を１／４波長（１５ｃ
ｍ）に一致させた。本発明の光電界センサに用いたセン
サヘッド１１，２１の光伝搬方向の長さ４ｃｍの中点に
変調電極があることを加味し、前記の式（１）において
ｍ＝１とし、二つのセンサヘッド１１，２１を接続する
光ファイバ１５の長さは４４.４ｃｍとなる。なお、ニ
オブ酸リチウム結晶の基板４１に形成された光導波路、
および光ファイバの屈折率を、それぞれ、２.１，１.５
として計算した。

【００２２】本実施例による位相整合型光電界センサ
は、２個のセンサヘッド１１，２１を用い、印加される
電圧と光変調波の各位相の同期をとって２回の変調を行
うことにより、６ｄＢ以上の高感度化と高い指向性が得
られた。

【００２３】なお、二つの半波長ダイポールアンテナ１
２，２２の間隔が１／４波長のとき、もっとも高い感度
が得られるが、本発明のように、印加電圧と光変調波の
位相が同期する条件の下では、半波長ダイポールアンテ
ナ１２，２２の間隔が１／４波長に設定されていなくて
も、これに準じた感度が得られる。

【００２４】（実施例２）図２は、本発明による他の位
相整合型光電界センサの構成を示す図である。図２にお
いて、位相整合型光電界センサは、半波長ダイポールア
ンテナ１２，２２，３２がそれぞれ取り付けられた３対
のセンサヘッド１１，２１，３１が光ファイバ１５，２
５を通して直列に接続され、さらにその両端に、光ファ
イバ５、光ファイバ６を通して、半導体レーザからなる
光源１、および光検出器２が、それぞれ直列に接続され
て構成されている。本実施例では、センサヘッド１１，
２１，３１には、実施例１と同じ構成のセンサヘッドを
用いた。

【００２５】本実施例では、測定対象の電波の周波数を
１ＧＨｚとした。図２に示す３個の半波長ダイポールア
ンテナ１２，２２，３２の間隔Ｌ₁，Ｌ₂は互いに相違す
るように設定されている。具体的には、Ｌ₁は７.５ｃｍ
（１／４波長），Ｌ₂は１５ｃｍである。光伝搬方向の
中心に変調電極が位置するセンサヘッドの長さ４ｃｍを
加味し、前記の式（１）にもとづき、三つのセンサヘッ
ド１１，２１，３１を接続する光ファイバ５，６の長さ
を、それぞれ、ｄ₁＝１９.４ｃｍ（式１においてｍ＝
１），ｄ₂＝２４.４ｃｍ（式１においてｍ＝０）とし
た。なお、実施例１の場合と同様に、光導波路、および
光ファイバの屈折率を、それぞれ、２.１，１.５として
計算した。

【００２６】本発明の位相整合型光電界センサは、３個
のセンサヘッドを用い、印加される電圧と光変調波の各
位相の同期をとって２回の変調を行うことにより、１０
ｄＢ以上の感度改善が図られ、鋭い指向性が達成され
た。

【００２７】なお、半波長ダイポールアンテナの各間隔
がそれぞれ等しく構成されてもよい。また、既述したよ
うに、その間隔を１／４波長に一致するように設定すれ
ば、さらに高い感度が得られる。本発明のように、印加
電圧と光変調波の位相が同期する条件の下では、各間隔
が相等しくなくても、これに準じた感度が得られる。

【００２８】（実施例３）受信アンテナとセンサヘッド
の間に遅延要素を含む場合、受信アンテナに誘起される
電圧の位相と、センサヘッドの間を伝送される光変調波
の位相が同期する条件は、つぎの式で表される。

【００２９】ｄ＝（Ｌ／ｎ）＋（λ／ｎ）・［（δφ₂−δφ₁）＋ｍ］・・・・・（２）

【００３０】ここで、ｄはセンサヘッド間の光路の長
さ、Ｌは受信アンテナの間の距離、ｎはセンサヘッド間
の光路の平均の屈折率、λは測定対象とする電波の波
長、δφ₁およびδφ₂は、電波が進行する順番の遅延要
素によるそれぞれの遅延量、そして、ｍは０を含む正の
整数である。

【００３１】図３は、本発明によるさらに他の位相整合
型光電界センサの構成の一部を示す図である。

【００３２】図３において、２個のセンサヘッド１１，
２１が、互いに直接、光導波路を通じて接続されてい
る。センサヘッド１１，２１を収納するパッケージ５１
には、半波長ダイポールアンテナ１２，２２が取り付け
られ、半波長ダイポールアンテナ１２，２２とそれぞれ
の変調電極４５の間は、遅延線５３，５４で接続されて
いる。センサヘッド１１，２１と半波長ダイポールアン
テナ１２，２２からなるセンサヘッド部以外は、前記各
実施例の構成と同様であるため、図示および説明を省
く。なお、変調電極間の光路の長さとは、変調電極の長
さを含む。

【００３３】本実施例では、測定対象の電波の周波数を
３ＧＨｚとし、２個の半波長ダイポールアンテナ１２，
２２の間隔Ｌは、１／４波長に一致するように２.５ｃ
ｍに設定した。他方、センサヘッド１１，２１の長さは
それぞれ２.５ｃｍである。光導波路の屈折率を２.１と
し、上記式２においてｍ＝０とすれば、電波の波長の
０.２７５倍の遅延量（δφ₂−δφ₁）があるときに、
変調電極に印加される電圧の位相と光変調波の位相が同
期する。光変調波が進行する後段のセンサヘッド２１の
変調電極４５と半波長ダイポールアンテナ２２の間に
は、前段のセンサヘッド１１と半波長ダイポールアンテ
ナ１２の間よりも、２.７５ｃｍだけ長い遅延線５４を
入れて、位相の整合を図った。

【００３４】本実施例により、実施例１と同じく、高い
指向性と６ｄＢ以上の高感度化が達成された。本実施例
による位相整合型光電界センサは、２個のセンサヘッド
１１，２１を直接接続しているため、センサヘッド部を
実質的に一つとして取り扱うことが可能である。このた
め、センサヘッド部の小型化、取り扱いの容易さ等の点
でも特徴がある。

【００３５】なお、遅延要素は、ストリップライン、容
量素子、インダクタンス、あるいはこれらの結合で構成
してもよい。

【００３６】本発明を、おもに高周波帯域の電界測定を
例にとって説明したが、本発明による位相整合型光電界
センサは、低い周波数帯域に対しても同様に適用するこ
とができる。

【００３７】

【発明の効果】以上、説明したように、本発明によれ
ば、低い周波数はもとより、高周波までの空間電界を、
高感度で測定するのみならず、高い指向性と電波が伝搬
する向きを特定して検出する機能を具備した位相整合型
光電界センサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１による位相整合型光電界センサの構成
を示す図。

【図２】実施例２による位相整合型光電界センサの構成
を示す図。

【図３】実施例３による位相整合型光電界センサの構成
の一部を示す図。

【図４】導波路型素子によるセンサヘッドを用いた従来
の光電界センサの構成を示す図。図４（ａ）は、光電界
センサの全体の構成を示す図。図４（ｂ）は、センサヘ
ッドの構成と半波長ダイポールアンテナを示す図。

【符号の説明】

１光源２光検出器５，６，１５，２５光ファイバ９光の進行方向１１，２１，３１センサヘッド１２，２２，３２半波長ダイポールアンテナ４１基板４２位相シフト光導波路４３入射光導波路４４出射光導波路４５変調電極５１パッケージ５３，５４遅延線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の受信アンテナと、該複数の受信ア
ンテナが接続され、電界によって該複数の受信アンテナ
に誘起された電圧が該受信アンテナのそれぞれに対応し
た変調電極に印加され、該電圧に依存して、透過される
光の強度または位相が変化するように構成され、光学的
に直列に接続された複数のセンサヘッドと、光ファイバ
を通じて前記センサヘッドに光を入射する光源と、光フ
ァイバを通じて前記センサヘッドの出射光を検出する光
検出器からなり、前記複数の受信アンテナの相互の間隔
と、前記複数のセンサヘッドの変調電極間の光路の長さ
が、前記電圧の位相と、前記電圧によって変調され、前
記変調電極間の光路を伝送される光変調波の位相が、同
期するように、設定されていることを特徴とする位相整
合型光電界センサ。
【請求項２】前記複数の受信アンテナ、および前記複
数のセンサヘッドは、それぞれ３個以上からなり、互い
に隣接する二つの受信アンテナの間隔と、該二つの受信
アンテナに誘起された電圧が印加されるそれぞれの変調
電極間の光路の長さは、互いに隣接する二つのセンサヘ
ッドの変調電極に印加される電圧の位相と、前記隣接す
る二つのセンサヘッドの変調電極間を伝送される光変調
波の位相が、同期するように、設定されていることを特
徴とする請求項１記載の位相整合型光電界センサ。
【請求項３】前記３個以上からなる受信アンテナの相
互の間隔が等しく、かつ前記３個以上からなるセンサヘ
ッドの変調電極間の、光ファイバを含む光路の長さが等
しく設定されていることを特徴とする請求項２記載の位
相整合型光電界センサ。
【請求項４】前記複数の受信アンテナの相互の間隔
が、該受信アンテナによって受信される電波の１／４波
長に等しく設定されていることを特徴とする請求項１な
いし請求項３のいずれかに記載の位相整合型光電界セン
サ。
【請求項５】前記受信アンテナと前記センサヘッドの
間に、該受信アンテナに誘起された電圧が遅延して該セ
ンサヘッドに印加されるように構成した遅延要素を含む
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに
記載の位相整合型光電界センサ。
【請求項６】前記受信アンテナは半波長ダイポールア
ンテナであることを特徴とする請求項１ないし請求項５
のいずれかに記載の位相整合型光電界センサ。
【請求項７】前記センサヘッドは、電気光学効果を示
す材料を基板とし、該基板上に干渉型光導波路および変
調電極がそれぞれ形成された光導波路素子から構成され
たことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか
に記載の位相整合型光電界センサ。