JPS5832171A - 光応用電圧電界センサ - Google Patents

光応用電圧電界センサ

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JPS5832171A
JPS5832171A JP56118257A JP11825781A JPS5832171A JP S5832171 A JPS5832171 A JP S5832171A JP 56118257 A JP56118257 A JP 56118257A JP 11825781 A JP11825781 A JP 11825781A JP S5832171 A JPS5832171 A JP S5832171A
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    • G02F1/00Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
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    • G01R15/00Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はビスマスシリコンオキサイドBi12SiO2
゜(以下BSoという)あるいはビスマスゲルマニウム
オキサイドB112Ge02o(以下BGOという)素
子を用いた、広帯域化した光応用電圧電界センサに関す
る。
第1図は光の進行方向と電圧もしくは電界の印加方向が
共に<100〉方向である縦型光応用電圧電界センサ9
基本的な構成を示す図である。1は光ファイバ、2はロ
ッドレンズ、3は偏光子、4はz波長板、5はBSO素
子あるy)はBGO素子、6は検光子、7は入力型、圧
源である。BSO素子及びBGO素子共に同じ説明が適
用できるので、以下にはBSO素子を用いて説明する。
光ファイバlに入射されロッドレンズ2、偏光子3及び
2波長板4を通って透明電極を表裏面に形成したBSO
素子5に入射した光は、入力電圧源7から電極を介して
BSO素子5に印加される電圧の大きさに応じて偏光の
状態が変わる。光応用電圧センサはこの偏光の状態を知
ることにより被検出入力電圧もしくは電界の大きさを検
出するものである。。
第2図は光の進行方向が<110>方向であり電圧もし
くは電界の印加方向が(110)方向で互に直交する横
型光応用電圧電界センサのBSO素子8と入力電圧源7
とを示すものである。他の構成部分は第1図と同様であ
る。
第3図は第1図の光応用電圧センサの変調感度の従来の
周波数特性を示す図である。従来のBSO素子を用いた
光応用電圧電界センサにおいては、入力電圧もしくは電
界の周波数を変えてゆくとある特定周波数で圧電現象に
よりBSO素子に機械的共振現象が発生する。この共振
による機械的な応力が更にBSO素子の屈折率に影響を
及ぼす。
このため、従来のBSO素子を用いた光応用電圧電界セ
ンサの変調感度の周波数特性は第8図に示す様に特定周
波数で非常に大きなピークa1b1C等を発生する欠点
がある。従って、高電圧のサージ現象等の高い周波数成
分まで一定の変調感度を必要とする解析には、従来の光
応用電圧センサは使用できない欠点があった。
本発明の目的は、共振現象の影響をなくし広帯域化でき
るBSO素子もしくはBGO素子を用いた光応用電圧セ
ンサを提供することである。
以下に図面を参照して本発明について詳細に説明する。
[A)第4図(イ)は縦型光応用電圧電界センサのBS
O素子の形状(長さlx幅w×厚さb)と方位との関係
を示す図である。lxw面内(100)面にX軸、y軸
を図のようにとり、lxw面と垂直につまり厚さbと平
行に2軸をとるものとする。
圧電現象によりBSO素子に前記共振現象が生・する理
由について発明者が行なった解析によると、振動モード
は第4図(ロ)に実線及び点線で示すいわゆる面すべり
振動(face 5hear mode)である。すな
わち第8図(イ)の座標系でBSOを使用した場合、結
晶に発生する圧電現象はX軸−y軸平面において生ずる
面すべり振動であり、z軸方向の厚、Qbにはほとんど
依存しないことがわかった。
面すべり振動における共振周波数fRは近似的に次式で
与えられることが知られている。
m、n=1m2.3.・・・・・・・・・この共振周波
数は基本モード(m−n = 1 )におで示される。
ここで、ρ:比重、C44=圧電ステイツフネス、l及
びw:Bso素子の長さ及び幅。
BSOの場合、圧電スティッフネスC4+= 0.25
 X 10”(N7mす、比重p = 9.2 X 1
03(Ky 7m8)程度である。
BSO素子の大きさに対する共振周波数についての発明
者の行なった実験結果と計算結果とを表1に示す。
表1.  共振周波数 この表1から分かる様に、実験値は計算値の0.85倍
程度になっており比較的良く一致している。また、BS
O素子のlとWとが同じでbのみが異なる(1)の7X
5X2のBSO素子と(4)の7X5X15− のBSO素子では共振周波数が殆んど変化しないことが
わかる。
従って共振周波数を高くするためには1及びWを極力小
さくすることが望ましい。
一方、高電圧応用分野では立ち上がり時間1μSec立
ち下がり時間40μsecのいわゆる標準インパルス波
形が多用されるが、本センサで標準インパルス波形を測
定するためには共振周波数が少なくとも500KHz以
上望ましくはI MHz以上である必要がある。
表1より共振周波数をI MHz以上にすることは1=
1iLm%w= 1m以下にすることにより達成される
が、このような小さいBSO素子を用いることは他の光
学部品との組み合せ、及び調整が困難となるとともに、
光束の直径が1.5〜2.0InX程度であることより
透過光量が減少してい比を低下させることとなる。
本発明はこのような欠点の無いBSO素子もしくはBG
O素子を提供するものである。
従来は(2)式において1とWの両方を小さくする6一 方式が行われてきたが、発明者はlとWのいずれか一辺
のみを極端に小さくすることによ怜、他の一辺を組立て
調整等の取扱いに支障の無い長さにとどめたままで共振
周波数を高めることができることに着目した。ところが
このように極端に一辺を小さくすることは光の透過面積
を非常に狭くするため光束の極く一部しか利用できずい
が低下し測定感度が低下することになる。そこで発明者
はさらに種々の方式を検討した結果、上記の極端に一辺
を小さくしたBSOを光の進行方向と直角な方向に積層
する方法を発明した。
第5図は本発明によるBSO素子9の基本的な構成を示
すものであり、幅w×長さl×奥行きbのBSO板をn
枚積層した構成を示す。このような構成により各々の8
80片はほぼWで決まる高い共振周波数を示し高周波化
できるとともに、光の入射面積を従来と全く同程度に広
くとることができるためS/Nの劣化による感度1の低
下は生じない。また全体としての寸法はI X (wX
n) X bであり、組立て調整も従来と同様に容易に
できる。
実施例として表裏面に透明電極を形成したW=0.6#
Ix%1 = 7ai、 b = 2鵡のBSO板を8
枚積層したところ、光の入射面の面積は(o、axsa
m) x7M−48厄×7題 となり従来の5×7題の
素子と全く同様の組立て調整が可能であった。8枚を積
層するためには酢酸ビニール系の接着材を用いたがこれ
による各BSO板間の振動の干渉はほとんど発生せず、
共振周波数foはW= Q、(lawll =7 Mの
時の計算値fo −1,2MHzに対して測定値fo=
 1.3MHzとなりf o = I MHz以上の縦
型光応用電圧電界センサが容易に構成できた。また接着
層の厚みは数10μm以下であり光束の透過損失はほと
んどみとめられなかった。
また接着層を透過してくる光は電圧による変調をうけな
いのでノイズとなるが、このような透過光によるS/N
の低下はほとんどみい出されなかった。より完全には、
光吸収性の(不透明性の)接着材を用いると良いす。
ここで、さらに各BSO板間の振動の干渉を極力少なく
するためには接着層は緩やかな接着状態であることが好
ましく、上記の酢酸ビニル系の接着材に何ら限定される
ものではない。
またこの結果よりfoΣIMHzとなるためにはW≦0
、8 JLILであればよいことが判る。
〔81次に横型光応用電圧電界センサの場合について縦
型の場合と同じ解析と実験を行ったところ横型では第6
図の実線と破線ヤ示すように振動モ゛−ドは厚みすべり
振動であり、この時の基本モードでの共振周波数fOは で表わされ、そしてここでqはこの方位に特有の圧電ス
テイクネスであるが、測定結果よりBSOの場合C44
とほとんど一致することが判った。
すなわち直径1.5〜2In11Lの光束を損失無く透
過させるために1=21111!Lとしたときfo=4
00団2であった。この場合もfo t IMHz以上
にするためにはlをさらに小さくする必要があり、望ま
しくは0.8B以下にする必要がある。すると縦型の場
合と同じ問題が生じることとなる。
一〇− かかる欠陥を改善するべ〈発明者は第7図に示すように
1を極端に小さくして積層するBSO素子lOを発明し
た。この場合相隣接したBSO板の電極が麹触するため
電圧の極性は(+−) (−+)(十−)・・・・・・
・・(+−) (−+)というように接触した電極を同
じ極性にする必要がある。
実施例として、1 = 0.6M、W=7M、b = 
10amのBSO板の(110)面にAu電極を形成し
たものを9枚積層して foを測定したところf o 
= L、S MHzで縦型と同様の良好な結果を得るこ
とができた。
以上の結果は電圧、電界いずれの場合にも確認された。
またBGOを用いた場合にも全(同様の結果を得た。
以上のように本発明によれば、特定の辺の長さのみを短
かくした結晶板を光の進行方向と直角の方向に積層する
ことにより共振周波数を高めて光応用電圧電界センサの
測定周波数範囲を広げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図は縦型光応用電圧電界センサの基本的な10− 構成を示す図、 第2図は横型光応用電圧電界センサのBSO素子部分を
示す図、 第3図は第1図のセンサの変調感度の従来の周波数特性
を示す図、 第4図(イ)は縦型BSO素子の形状と方位との関係を
示す図、(ロ)は面すべり振動を示す図、゛第5図は本
発明による縦型光応用電圧電界センサのBSO素子もし
くはBGO素子基本的な構成を示す図、 第6図は横型BSO素子もしくはBGO素子の形状と方
位とその厚みすべり振動を示す図、第7図は本発明によ
る横型光応用電圧電界センサのBSO素子もしくはBG
O素子の基本的な構成を示す図である。 1 :光7アイバ   2:ロツドレンズ8:偏光子 
    4:V4波長板 5:BSO素子あるいはBGO素子 6:検光子     7:入力電圧源 8:横型BSO素子もし5くけBGO素子9:積層され
た縦型BSO素子もしくはBGO素子 lO:積層された横型BSO素子もしくはBGO素子 alblc :ビーク値 IXWXb :素子の長さX幅X厚さ )1図     カ20 卑3図 卑5図        卑6図 卑7図 0 (

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)ビスマスシリコンオキサイド(BilsSiOi
    lo)あるいはビスマスゲルマニウムオキサイド(Bi
    12Ge(転)単結晶に印加される電圧もしくは電界を
    検出する光応用電圧電界センサにおいて、光の進行方向
    に直交する方向に結晶板を積層して成ることを特徴とす
    ′る光応用電圧電界センサ
  2. (2)積層方向の結晶板の厚みが0.8駄以下であるこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の光応用電圧
    電界センサ
JP56118257A 1981-07-27 1981-07-27 光応用電圧電界センサ Granted JPS5832171A (ja)

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US06/397,009 US4595876A (en) 1981-07-27 1982-07-12 Optical voltage and electric field sensor
EP82106372A EP0071106B1 (en) 1981-07-27 1982-07-15 Optical voltage and electric field sensor
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CA000407984A CA1212148A (en) 1981-07-27 1982-07-23 Optical voltage and electric field sensor
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