JPWO2011001872A1 - 電界／磁界プローブ - Google Patents

Abstract

光ファイバを用いる電界／磁界プローブにおいて、ファイバに応力が加わると、ファイバ中を伝搬する光の偏波状態が変化し、電界検出あるいは磁界検出による信号のレベルが不安定となる。この問題の対策として、光ファイバに加わる応力によるファイバの曲がりや揺れを抑えるため、ファイバとＥＯ／ＭＯ材料から成る電界／磁界センサ部を例えば石英基板上に固定し、センサ部以外のファイバを例えばアクリル管の中に納めて固定する。また、偏波コントローラや検光子などの偏波調整部品を筐体内に組み込み、当該部品に接続されるファイバが風圧や接触などによる応力を受けないようにする。

Description

本発明は、レーザ光と電気光学（ＥＯ）材料あるいは磁気光学（ＭＯ）材料を用いて電界あるいは磁界を測定するプローブに関する。

電子機器の雑音特性評価やイミュニティ評価のためのツールとして、電界あるいは磁界を高精度に、かつｘｙｚ３成分検出できるプローブが望まれており、そのためにレーザ光と光学材料を用いたプローブが開発されている。当該プローブはレーザ光源をはじめとする光計測機器とＥＯ／ＭＯ材料から成り、電界／磁界はレーザ光をこれらの材料に入射し、電界／磁界強度に応じて材料の屈折率が変化することを基本原理に測定される。この種の装置は、レーザ光源から出射された光が空間中を伝搬してＥＯ／ＭＯ材料に入射するタイプと光計測機器およびＥＯ／ＭＯ材料が全て光ファイバで接続され、レーザ光がファイバ中を伝搬して当該材料に入射するタイプに大別される。ＥＯ／ＭＯ材料を微小加工することにより微細な領域で高空間分解計測が可能になるため、このようなプローブは高密度実装された電子回路や部品の性能評価や、故障診断、あるいは電気設計に威力を発揮すると期待されている。

電界強度、磁界強度などを光学的に検出する光ファイバ型計測システムの一例として、特開２００７−５７３２４号公報を挙げる。この技術は、偏波保持ファイバにおいて、周囲温度や応力の大きさの変化前後で検出感度が変化しないようにすることを目的としている。

特開２００７−５７３２４号公報

レーザ光を使用する電磁界プローブは、広帯域、低侵襲、高空間分解能などの利点を持つ一方で、その感度が偏光状態の変化に大きく影響を受けるという課題がある。特に光ファイバを用いるＥＯ／ＭＯプローブにおいては、ファイバに応力が加わり曲がりや揺れが発生すると、ファイバ中を伝搬する光の偏波状態が変化し、電界検出あるいは磁界検出による信号のレベルが大きく変動するという課題がある。

上記課題を解決するため、本発明によるプローブは、入射したレーザ光の偏光状態に影響を与える偏光制御部と、偏光制御部から出力されたレーザ光が光ファイバを介して入射する電気光学材料又は磁気光学材料を備えた電界／磁界センサ部と、電気光学材料又は磁気光学材料から出力されたレーザ光に基づいて、電界／磁界センサ部の電界又は磁界の検出値を生成する分析部とを備える。電気光学材料又は磁気光学材料は基板に固定される。光ファイバはチューブ内に固定される。偏光制御部品は筐体内に固定される。

より具体的には、例えば、光ファイバに加わる応力によるファイバの曲がりや揺れを抑えるため、ファイバとＥＯ／ＭＯ材料から成る電界／磁界センサ部を例えば石英基板上に固定し、センサ部以外のファイバを例えばアクリル管の中に納めて固定する。また、偏波コントローラや検光子などの偏波調整部品を筐体内に組み込み、当該部品に接続されるファイバが風圧や接触などによる応力を受けないようにする。

光ファイバ中を伝わるレーザ光の偏光変化が抑えられる結果、安定した信号検出が実現し、正確な電界／磁界の計測が可能となる。

本発明に関する上述の及びその他の目的、利点、特徴は、いくつかの実施形態に関して、添付図面と併せて以下の記載から更に明らかとなるであろう。その添付図面には下記のものが含まれる。
図１は、従来のレーザ光と光学材料を用いた電界／磁界プローブ装置の概念図である。 図２は、本発明の第一実施形態のプローブの概念図である。 図３は、本発明の第一実施形態のプローブにおける電界／磁界センサ部の概念図である。 図４は、本発明の第二実施形態のプローブの概念図である。 図５は、本発明の第二実施形態のプローブにおける電界／磁界センサ部の概念図である。 図６は、本発明の第三実施形態のプローブの概念図である。

本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。図１は、従来のレーザ光と光学材料を用いた電界／磁界プローブ装置の概念図である。レーザ光源１から出射した光は、シングルモードファイバ２のコアを通り偏波コントローラ３で偏波を整えられ、光サーキュレータ４を経た後、ＥＯ／ＭＯ材料８に向かう。ＥＯ／ＭＯ材料は外部電界／磁界に比例して屈折率が変わるため、当該材料中を伝搬する光は外部電界／磁界に応じて屈折率変化を感じ、偏光変調を受ける。その後、再びサーキュレータを経て検光子５を通ることにより強度変調光となり、受光器６により光電変換された後、電気信号がＲＦスペクトラムアナライザ７により検出される。図１のような装置を用いると、外部電界／磁界の強度に比例した電気信号が得られる。しかしながら図１に示した装置の場合、光が検光子５を通過する前に外乱を受けると偏光状態が変化し、ＲＦスペクトラムアナライザ７により検出される信号が外乱の程度に依存して変動するという課題があった。

図２は、本発明の第一実施形態を示しており、前記課題を解決するための一形態である。図３は、図２における電界／磁界センサ部１２の拡大図である。基板１４上に、電界／磁界センサ１２を構成するＥＯ／ＭＯ材料８と、それに導入される光を導くシングルモードファイバ２とが貼り付けられ固定される。シングルモードファイバ２の電界／磁界センサ部１２が配置された端部以外の部分は、チューブ１１の内部に配置されチューブ１１に固定される。

基板１４は、以下のようにしてチューブ１１に固定される。まずチューブ１１の素材として、長手方向に垂直な断面が円筒形の素材が用意される。この素材は、シングルモードファイバ２が配置される中空の内部に面した内側の円筒面と、外側の円筒面との間に所定の肉厚を有する。内側の円筒面の直径は、基板の幅方向よりも小さい。このような素材の一端を、半円筒形となるように切り取る。切り取ることによって、内側の円筒面と外側の円筒面との間の肉厚の部分が露出する。この肉厚の部分に接着剤を塗布し、その塗布面に基板１４の表面を密着させることにより、基板１４がチューブ１１に対して固定される。基板１４の一部はチューブ１１の内側の円筒面に挿入される形状となっていると、基板１４とチューブ１１の相対位置の安定性が向上し好ましい。

また、偏波コントローラ３や検光子５などの偏波調整部品が筐体１０の内部に組み込まれる。具体的には、偏波コントローラ３、光サーキュレータ４、及び検光子５が筐体に固定される。筐体１０とチューブ１１は互いに位置が動かないように固定される。チューブ１１と基板１４も互いに位置が動かないように固定される。

一方の端子１３から光ファイバを経由してレーザ光が偏波コントローラ３に導入される。偏波コントローラ３の出力光は、偏波保持ファイバ９を経由して光サーキュレータ４を介して電界／磁界センサ部１２側のシングルモードファイバ２に導入される。シングルモードファイバ２に導入された光は、電界／磁界センサ部１２においてＥＯ／ＭＯ材料８を通過して反射する。その反射光はシングルモードファイバ２に導入される。シングルモードファイバ２の反射光は光サーキュレータ４によって検光子５の方向に導入される。検光子５を通過した光は、他方の端子１３からＲＦスペクトラムアナライザに向って出力される。端子１３に接続されたＲＦスペクトラムアナライザは、電界／磁界センサ部１２の電界又は磁界の検出値を示す信号を生成する分析部として機能する。

このような構成により、筐体１０、チューブ１１及び基板１４によって、各部品に接続されるファイバが風圧や接触などによって受ける応力を抑制することができる。また本実施形態においては、光サーキュレータ４によって出射側の光路が入射側の光路に対して１８０度折り返されている。そのため入射側の光部品である偏波コントローラ３と、電界／磁界センサ部１２を挟んで出射側の光部品である検光子５とが同一の筐体に収納され、装置の小型化と、耐応力性の向上を図ることができる。

図４は、本発明の第二実施形態を示している。電界あるいは磁界の互いに直交する３成分を計測可能なプローブであって、３本のシングルモードファイバ２とそれらの各々の先端に形成されたＥＯ／ＭＯ材料から成る電界／磁界センサ１２を単一の基板上に固定する。電界／磁界センサ部１２以外のそれらの複数のシングルモードファイバ２は、同一のチューブ１１の中に納めて固定している。また、３式の偏波コントローラや検光子などの偏波調整部品を同一の筐体１０内に組み込み、当該部品に接続されるファイバが風圧や接触などによる応力を受けないようにしている。

図５は、本発明の第二実施形態のプローブにおける電界／磁界センサ部の概念図である。３本のシングルモードファイバ２とその先端に形成されたＥＯ／ＭＯ材料８が共に基板１４上に貼り付け固定されている。先端にＥＯ／ＭＯ材料が形成された３本のファイバで、それぞれ独立に電界／磁界の３成分のうちの１成分を検出する構造となっている。このように各成分を分解して検出するために、３つのＥＯ／ＭＯ材料中での光路が互いに直角となるための光学部品が基板１４に固定される。例えば第１のファイバには入射光路に垂直な方向にＥＯ／ＭＯ材料８に光が入射するように第１の三角プリズム１５が配置される。第２のファイバには入射光路に垂直で且つ第１の三角プリズムの出射光とも垂直となる方向にＥＯ／ＭＯ材料８に光が入射するように第２の三角プリズム１５が配置される。第３のファイバには、第１・第２のファイバのプリズムの光路と光路長が等しくなるように、ガラススペーサー１６が設けられる。

複数の入力端子１３から、３組の偏波コントローラ３にレーザ光が導入される。このレーザ光は、複数の入力端子１３の各々に対応して設けられた複数のレーザ光源から導入してもよいし、複数の入力端子１３のいずれかに対して選択的にレーザ光を供給するための切替スイッチを介して取り付けられた単一のレーザ光源から導入してもよい。それらの光が、第一の三角プラズム１５、第２の三角プリズム１５、ガラススペーサー１６を介して複数の入力端子１３から出力されてＲＦスペクトラムアナライザに導入され解析されることにより、電界又は磁界を３成分に分解して検出することができる。３成分を計測するための３組の光学部品が同一の筐体１０・チューブ１１及び基板１４によって支持されていることにより、少ない追加部品によって、風圧や接触などによる応力を抑制することが可能である。

図６は、本発明の第三実施形態を示している。電界あるいは磁界の互いに直交する３成分を計測可能なプローブであって、３本のシングルモードファイバ２とそれらの先端に形成されたＥＯ／ＭＯ材料から成る電界／磁界センサを基板上に固定し、電界／磁界センサ部１２以外のファイバをチューブ１１の中に納めて固定している。また、３式の偏光子、偏波コントローラ、検光子などの偏波調整部品を筐体１０内に組み込み、当該部品に接続されるファイバが風圧や接触などによる応力を受けないようにしている。偏波コントローラの前段に偏光子を設けることで、偏光子に入射する光の偏光状態がどのような状態であっても偏光子通過後には常に直線偏光となるため、ファイバに加わる外乱による信号変動を更に抑制することが出来る。

次に、本発明の実施例を図４と図５を参照して説明する。本発明の一実施例は、例えば図４において入力側光ファイバを偏波保持ファイバ９とし、筐体１０及びチューブ１１をアクリルなどの樹脂製とし、図５における基板１４の材質を石英とするようなプローブである。筐体、チューブ、基板に金属を使用しないことにより、プローブによる測定電磁界の乱れを極力抑えることが出来、正確な計測が実現できる。筐体１０とチューブ１１、またチューブ１１と基板１４は、例えばエポキシ樹脂系の接着材を用いて接続する。ＥＯ材料としては例えばビスマス、シリコン、酸素からなる化合物（ＢＳＯ）の単結晶を、ＭＯ材料としては例えばビスマス置換イットリウム鉄ガーネット（Ｂｉ−ＹＩＧ）の単結晶を使用する。

以上に説明した諸実施形態及び実施例は、互いに矛盾の無い範囲で組み合わせて実施することが可能である。

本発明の活用例として、電子回路のイミュニティ評価用プローブが挙げられる。電子機器の誤動作メカニズムを知るためには、機器内部の電子回路近傍の電界／磁界分布を正確に検出する必要がある。本発明のプローブを用いることで、電子回路近傍の電界あるいは磁界の正確な３成分計測が可能となるため、機器の誤動作メカニズムを知るための知見が得られる。

この出願は、２００９年６月２９日に出願された日本出願特願２００９−１５３７８７号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (3)

1. 入射したレーザ光の偏光状態に影響を与える偏光制御部と、
   前記偏光制御部から出力されたレーザ光が光ファイバを介して入射する電気光学材料又は磁気光学材料を備えた電界／磁界センサ部と、
   前記電気光学材料又は磁気光学材料から出力されたレーザ光に基づいて、前記電界／磁界センサ部の電界又は磁界の検出値を生成する分析部とを具備し、
   前記電気光学材料又は前記磁気光学材料は基板に固定され、
   前記光ファイバはチューブ内に固定され、
   前記偏光制御部品は筐体内に固定された
   プローブ。
2. 請求項１に記載のプローブであって、
   前記基板は石英であり、
   前記チューブ及び前記筐体は樹脂製である
   プローブ。
3. 請求項１又は２に記載のプローブであって、
   前記偏光制御部は、同一の前記筐体に固定され、それぞれにレーザ光が入力する複数の偏光制御部品を備え、
   前記電界／磁界センサ部は、前記複数の偏光制御部品にそれぞれ対応し、同一の前記チューブ内に固定された複数の光ファイバを介してレーザ光が入射する複数の電気光学材料又は磁気光学材料を備え、
   前記複数の電気光学材料又は磁気光学材料には、電界又は磁界の互いに異なる成分を検出するために互いに異なる光学部品が単一の前記基板に取り付けられた
   プローブ。

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