JPH11352164A

JPH11352164A - 位相整合型光電界センサ

Info

Publication number: JPH11352164A
Application number: JP17230298A
Authority: JP
Inventors: Mitsukazu Kondo; 充和近藤
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1998-06-03
Filing date: 1998-06-03
Publication date: 1999-12-24

Abstract

(57)【要約】【課題】高周波の空間電界を、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。【解決手段】複数の受信アンテナ２８ａ，２８ｂと、
受信アンテナ２８ａ，２８ｂに誘起され、変調電極２６
ａ，２６ｂに印加される電圧に依存して、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たセンサヘ
ッドと、光ファイバ５，６を通じてセンサヘッドに接続
された光源および光検出器からなり、変調電極２６ａ，
２６ｂに印加される電圧の位相と、光変調波の位相が同
期するように、受信アンテナ２８ａ，２８ｂの間隔と、
変調電極２６ａ，２６ｂの間隔が設定された位相整合型
光電界センサである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＥＭＣ分野におけ
るノイズの測定、空間を伝搬する電磁波による電界強度
の測定、通信、放送波等の受信等に用いられる位相整合
型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は、外部からの
電磁ノイズの影響を受けて誤動作をする危険を常にもっ
ている。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。それゆえ、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
体によって、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。

【０００４】最近、電磁ノイズの測定、電界測定、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るようになった。光導波路
素子を用いたセンサヘッドは、入射された光が、印加さ
れる電界強度に応じて、強度を変化して出射するように
構成されている。受信アンテナが接続された光導波路素
子のセンサヘッドには、光源および光検出器が光ファイ
バで接続され、受信アンテナに印加される電界の強度に
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。

【０００５】図５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
５（ａ）は、光電界センサの構成を示す図、図５（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。

【０００６】図５において、センサヘッド１１は、ニオ
ブ酸リチウム結晶をｃ軸に垂直に切り出した基板１２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１５上に
形成された１組の変調電極１６から構成される。変調電
極１６は、半波長ダイポールアンテナ１８などの受信ア
ンテナに接続されている。入射光導波路１３には、入力
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１５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、出力光ファイバ６を
通じて光検出器２に入射されて検出される。

【０００７】

【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。とくに、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、十分に対応するこ
とは困難である。

【０００８】本発明は、とくに高周波の空間電界を、高
感度で測定するのみならず、電波が伝搬する向きの特定
を含む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。

【０００９】

【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が、それぞれの受信アン
テナに対応した変調電極に印加され、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
れた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。位相整合型光電界センサは、複数の受信アンテ
ナの各間隔の空間を伝搬する電波によって各アンテナに
誘起され、対応する各変調電極に印加される電圧の位相
と、変調電極の間の光路を伝送された光変調波の位相が
同期するように、複数の受信アンテナの間隔と、変調電
極の間の光路の長さが、設定されていることを特徴とす
る。

【００１０】また、本発明において、受信アンテナ、お
よび変調電極は、それぞれ３組以上にすることができ
る。

【００１１】本発明によれば、互いに隣接する受信アン
テナの間隔が、互いに相違しても、相等しくても、ある
いは、互いに隣接する変調電極の間隔が、互いに相違し
ても、相等しくても、各変調電極に印加される電圧の位
相と、光変調波の位相が、同期するように設定した位相
整合型光電界センサを構成することができる。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
長に等しく設定すると位相整合型光電界センサでは、高
い感度が得られる。

【００１２】受信アンテナの間または近傍に、導波器ま
たは反射器を設置すると、一層高い感度が得られる。

【００１３】さらに、本発明による位相整合型光電界セ
ンサは、受信アンテナと変調電極の間に、遅延線、容量
素子、またはインダクタンス素子もしくはこれらの組み
合わせからなる遅延要素を配置することによって、受信
アンテナに誘起された電圧が遅延してセンサヘッドに印
加されるように構成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
サにおいて、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。

【００１５】本発明の位相整合型光電界センサには、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。

【００１６】同一の基板上にセンサヘッドとともに、受
信アンテナを、または、受信アンテナ、導波器および反
射器を形成して構成された進行波型光電界センサとして
もよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて説明する。

【００１８】電界によって、受信アンテナに誘起され、
変調電極に印加した電圧は、光導波路を伝送される導波
光を位相変調あるいは強度変調する。それぞれ複数の受
信アンテナと変調電極を適切に配置することによって、
すなわち、各変調電極に印加される電圧の位相と、各変
調電極のもとでの導波光の位相を同期させることによっ
て、変調度が高まり、高感度で受信が可能となる。

【００１９】電波によって受信アンテナに誘起され、位
相電極に印加される電圧の位相と、変調電極の間の光導
波路を伝送される光変調波の位相が同期する条件は、つ
ぎに示す式１で表される。ｄ＝（Ｌ／ｎ）＋（λ／ｎ）・〔（δφ₂−δφ₁）＋ｍ〕（式１）ここで、Ｌは隣接する受信アンテナの間の距離、ｄは隣
接する変調電極の中心間の光路の長さ、ｎは光路の屈折
率、λは測定対象とする電波の波長、δφ₁およびδφ₂
は、受信アンテナと変調電極の間に接続され、光変調波
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。

【００２０】

【実施例】以下、実施例をもとに説明する。

【００２１】（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うち、センサヘッドの構成を示す図
である。本発明による位相整合型光電界センサは、図５
（ａ）の中のセンサヘッド１１および半波長ダイポール
アンテナ１８に替えて図１に示すセンサヘッドおよび半
波長ダイポールアンテナを備えた構成をなす。

【００２２】図１において、センサヘッドは、パッケー
ジ２９に収納され、さらにパッケージ２９には、２組の
半波長ダイポールアンテナ２８ａ，２８ｂが取り付けら
れている。各半波長ダイポールアンテナ２８ａ，２８ｂ
は、誘起された交流電圧が、それぞれ遅延線２７ａ，２
７ｂを経由してセンサヘッドのそれぞれの変調電極２６
ａ，２６ｂに印加されるように接続されている。

【００２３】センサヘッドは、電気光学効果を示し、ｃ
軸に垂直に切り出したニオブ酸リチウム結晶を基板２２
とし、その基板２２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２５上に形成された２組の変調電極２６
ａ，２６ｂから構成されている。

【００２４】図５（ａ）に示すように、センサヘッドの
両端に接続された入力光ファイバ５、および出力光ファ
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、直列に接続して構成されている。

【００２５】本実施例では、測定対象の電波の周波数を
３ＧＨｚとし、図１に示す２組の半波長ダイポールアン
テナ２８ａ，２８ｂの間隔（Ｌ）を１／４波長（２.５
ｃｍ）にするとともに、半波長ダイポールアンテナ２８
ａ，２８ｂの間隔（Ｌ）と変調電極２６ａ，２６ｂの中
心間の光導波路の長さ（ｄ）を等しく設定した。前記の
式１にもとづき、ｍ＝０のとき、遅延線２７ａと２７ｂ
の間に、遅延量（δφ₂−δφ₁）＝０.２７５があると
きに、電界によって変調電極に誘起される電圧の位相と
光変調波の位相が同期する。光変調波の進行方向の、後
段の変調電極２６ｂとこれに対応する半波長ダイポール
アンテナ２８ｂの間には、前段の変調電極２６ａと半波
長ダイポールアンテナ２８ａの間の遅延線２７ａより
も、２.７５ｃｍだけ長い遅延線２７ｂを入れて、位相
の整合を図った。遅延線２７ａ，２７ｂの長さは、変調
電極２６ａ，２６ｂも含めて考慮する必要がある。本発
明においては、ニオブ酸リチウム結晶の基板２２に形成
された光導波路の屈折率を２.１として計算した。

【００２６】本実施例による位相整合型光電界センサで
は、２組の変調電極２６ａ，２６ｂをもつセンサヘッド
と、これらの変調電極２６ａ，２６ｂにそれぞれ遅延素
子２７ａ，２７ｂを経て２組の半波長ダイポールアンテ
ナ２８ａ，２８ｂを接続し、電界によって変調電極に誘
起される電圧の位相と光変調波の位相の同期をとって変
調することにより、６ｄＢ以上の高感度化と高い指向性
が得られた。

【００２７】なお、二つの半波長ダイポールアンテナの
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、誘起される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。

【００２８】（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センサヘッドの構成を示す図で
ある。

【００２９】図２において、位相整合型光電界センサ
は、センサヘッドの両端に接続された入力光ファイバ
５、および出力光ファイバ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、直列に接続されて
構成されている。これらの配列は、実施例１と同様であ
るため、図５（ａ）を参照することとし、具体的な説明
を省略する。

【００３０】図２において、３組の半波長ダイポールア
ンテナ３８ａ，３８ｂ，３８ｃが、互いに異なる間隔Ｌ
₁，Ｌ₂をなして、順にパッケージ３９に取り付けられて
いる。センサヘッドは、前記実施例１と同様に、ニオブ
酸リチウム結晶の基板３２上に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３５上に形成された３組の変調電極３６ａ，３６ｂ，
３６ｃから構成されている。

【００３１】各半波長ダイポールアンテナ３８ａ，３８
ｂ，３８ｃは、誘起された交流電圧が、各遅延線３７
ａ，３７ｂ，３７ｃを経由して、パッケージ３９に収納
されたセンサヘッドのそれぞれの変調電極３６ａ，３６
ｂ，３６ｃに印加されるように接続されている。これら
３組の変調電極３６ａ，３６ｂ，３６ｃは、半波長ダイ
ポールアンテナ３８ａ，３８ｂ，３８ｃとは異なる間隔
で配置されている。

【００３２】本実施例では、測定対象の電波の周波数を
５ＧＨｚとした。図２に示す３組の半波長ダイポールア
ンテナ３８ａ，３８ｂ，３８ｃの間隔Ｌ₁，Ｌ₂は、それ
ぞれ、１.５ｃｍ（１／４波長），３.０ｃｍ（１／２波
長）とした。また、三つの変調電極３６ａ，３６ｂ，３
６ｃの中心間の距離、すなわち光導波路の長さを、それ
ぞれ、ｄ₁＝１.５ｃｍ，ｄ₂＝４.５ｃｍとした。なお、
実施例１の場合と同様に、光導波路の屈折率を２.１と
して計算した。

【００３３】図２に示す構成において、前段、すなわ
ち、半波長ダイポールアンテナ３８ａ，３８ｂの間隔
（Ｌ₁）と、変調電極３６ａ，３６ｂの中心間の光導波
路の長さ（ｄ₁）は、実質的に等しい（１.５ｃｍ）。前
記の式１にもとづき、ｍ＝０として、変調電極３６ｂと
半波長ダイポールアンテナ３８ｂの間には、変調電極３
７ａと半波長ダイポールアンテナ３８ａの間よりも、遅
延量０.２７５があるときに、電波の位相と光変調波の
位相が同期する。そのために、遅延線３７ａよりも、
１.６５ｃｍだけ長い遅延線３７ｂを入れて、位相の整
合を図った。

【００３４】つぎに、後段、すなわち、半波長ダイポー
ルアンテナ３８ｂ、３８ｃの間隔（Ｌ₂）と、変調電極
３６ｂ，３６ｃの中心間の光導波路の長さ（ｄ₂）は、
さきに述べたように等しくない（Ｌ₂＝３.０ｃｍ，ｄ₂
＝４.５ｃｍ）。同様に、前記の式１にもとづき、変調
電極３６ｃと半波長ダイポールアンテナ３８ｃの間に
は、変調電極３６ｂと半波長ダイポールアンテナ３８ｂ
の間よりも、０.０７５の遅延量があるときに、電波の
位相と光変調波の位相が同期する。そのために、半波
長.ダイポールアンテナ３８ｃと変調電極３６ｃの間に
は、遅延線３７ｂよりも、０.４５ｃｍだけ長い遅延線
３７ｃを入れて、位相の整合を図った。

【００３５】本実施例の位相整合型光電界センサは、３
組の変調電極３６ａ，３６ｂ，３６ｃをもつセンサヘッ
ドと、これらにそれぞれ遅延素子３７ａ，３７ｂ，３７
ｃを経て、３組の半波長ダイポールアンテナ３８ａ，３
８ｂ，３８ｃをそれぞれ接続し、変調電極に印加する電
圧の位相と光変調波の位相の同期をとって変調すること
により、１０ｄＢ以上の感度改善が図られ、鋭い指向性
が達成された。

【００３６】なお、半波長ダイポールアンテナの間隔
（Ｌ）と変調電極の中心間の光導波路の長さ（ｄ）が等
しい場合にも、前記の式１を適用することができる。半
波長ダイポールアンテナのみが、それぞれ等間隔に構成
されてもよい。また既に述べたように、半波長ダイポー
ルアンテナの間隔を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、電
波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。

【００３７】（実施例３）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センサヘッドの構成を示
す図である。

【００３８】本実施例は、受信アンテナと変調電極の間
に遅延素子を含まない構成のセンサヘッドとする位相整
合型光電界センサである。これは、前記の式１において
（δφ₂−δφ₁）＝０の場合であり、ｍの値を適切に設
定すればよい。

【００３９】本実施例では、測定対象の電波の周波数を
１０ＧＨｚとし、図３に示す２組の半波長ダイポールア
ンテナ２８ａ，２８ｂの間隔（Ｌ）を変調電極２６ａ，
２６ｂの中心間の光導波路の長さ（ｄ）に等しく設定し
た。これらの条件のもとで、ｍ＝１としたとき、前記の
式１から、Ｌおよびｄは、２.７ｃｍとなる。なお、光
導波路の屈折率を２.１として計算した。この結果、変
調電極に印加される電圧の位相と光導波路を伝送される
光変調波の位相が同期し、前２実施例と同様に高い感度
と指向性が得られた。

【００４０】センサヘッドをさらに長くし、変調電極お
よび受信アンテナの数を増すことにより、さらに感度を
向上させることができる。また、変調電極に接続されな
い導波器を１／４波長の間隔で、受信アンテナの間に設
置することにより、さらに高い感度と指向性が得られ
る。

【００４１】（実施例４）図４は、本発明によるさらに
他の位相整合型光電界センサのセンサヘッドの構成を示
す図である。

【００４２】図４において、ニオブ酸リチウム結晶を基
板３２とし、その上に、前記各実施例と同様に、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３５上に４組の変調電極３６ａ，３６ｂ，３６
ｃ，３６ｄが形成されている。そして、受信アンテナ、
導波器、および反射器も、基板３２の表面上に集積して
形成されている。すなわち、半波長ダイポールアンテナ
４８ａ，４８ｂ，４８ｃ，４８ｄが測定対象とする電波
の波長と等しい間隔で、導波器４１が１／４波長ごと
に、反射器４２も受信アンテナ４８ｄの後方の１／４波
長の位置にそれぞれ配置されている。

【００４３】高い周波数の電波を対象とする場合には、
限られた大きさの基板を有効に利用してこのような集積
型のセンサヘッドを構成することができる。各半波長ア
ンテナと変調電極の間に、必要に応じて遅延素子を設け
ることも容易で、全体として小型のセンサヘッドが実現
される。

【００４４】図４で、導波器４１および反射器４２は、
いずれも長さ方向に分割して基板上に形成されている。
導波器４１および反射器４２を、基板３２の裏面に形成
すれば、分割されていない状態とすることができ、一層
これらの本来の機能を引き出すことができる。

【００４５】なお、遅延素子は、遅延線のほかのストリ
ップライン、容量素子やインダクタンス素子、あるいは
これらを組み合わせて構成してもよい。

【００４６】本発明による位相整合型光電界センサは、
センサヘッドの小型化、取り扱いの容易さ等の点でも特
徴がある。

【００４７】本発明による位相整合型光電界センサによ
って、とくに高周波帯域の電界測定が可能となった。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
とくに高周波での空間電界を、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】本発明による位相整合型光電界センサのうち、
センサヘッドの構成を示す図。

【図２】本発明による他の位相整合型光電界センサのセ
ンサヘッドの構成を示す図。

【図３】本発明による位相整合型光電界センサのセンサ
ヘッドの構成を示す図。

【図４】本発明による位相整合型光電界センサのセンサ
ヘッドの構成を示す図。

【図５】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。図５（ａ）は、光電界
センサの全体の構成を示す図。図５（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入力光ファイバ６出力光ファイバ９光の進行方向１１センサヘッド１２，２２，３２基板１３，２３，３３入射光導波路１４，２４．３４出射光導波路１５，２５，３５位相シフト光導波路１６，２６ａ，２６ｂ，３６ａ，３６ｂ，３６ｃ，３６
d 変調電極１８，２８ａ，２８ｂ，３８ａ，３８ｂ半波長ダイ
ポールアンテナ３８ｃ，４８ａ，４８ｂ，４８ｃ，４８ｄ半波長ダ
イポールアンテナ２１ａ，２１ｂ接続端子２７ａ，２７ｂ遅延線２９，３９パッケージ３７ａ，３７ｂ，３７ｃ遅延線４１導波器４２反射器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の受信アンテナと、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
に構成されたセンサヘッドと、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、前記各受信アンテナに誘起され、対応する前記各変
調電極に印加される電圧の位相と、前記各変調電極の間
の光路を伝送され、前記電圧によって変調された光変調
波の位相が、同期するように、互いに隣接する前記各受
信アンテナの間隔と、対応する前記各変調電極の間の光
路の長さが、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】前記受信アンテナ、および前記変調電極
は、それぞれ３組以上からな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組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組以上の変調電極間の光
導波路の長さが互いに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】前記受信アンテナの間または近傍に、少
なくとも一つの導波器または反射器が設置されているこ
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】前記受信アンテナに誘起された電圧が、
対応する前記変調電極に遅延して印加されるように、該
受信アンテナと該変調電極の間に、遅延要素が含まれて
い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】前記遅延要素は、遅延線、容量素子、ま
たはインダクタンス素子、もしくはこれらの組み合わせ
から構成されることを特徴とする請求項６記載の位相整
合型光電界センサ。
【請求項８】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７
のいずれかに記載の位相整合型光電界センサ。
【請求項９】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
調電極が形成し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３のいずれか記載の位相
整合型光電界センサ。
【請求項１０】前記センサヘッドは、前記受信アンテ
ナ、または、前記受信アンテナ、導波器および反射器と
同一の基板上に形成されていることを特徴とする請求項
１ないし請求項７、および請求項９のいずれかに記載の
進行波型光電界センサ。