KR100232419B1 - 전계센서 - Google Patents

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KR100232419B1
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optical waveguide
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미찌카즈 곤도
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마쯔무라 토미히로
도낀 가부시키가이샤
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Abstract

광처리장치는 광원으로부터의 광을 가지고 움직임을 모사하는 많은 시각적 효과를 낳는다. 광학적으로 마감된 입력 및 출력단을 가지는 복수의 가요성 광섬유 광가이드는 그룹들로 나누어지며, 각 그룹들은 특별한 효과를 낳도록 할당된다. 광가이드의 각 그룹들의 입력단은 사전에 선택된 기하의 인접한 리셉터 구역에 위치하며 광가이드의 각 그룹의 출력단은 사전에 선택된 패턴에서의 효과 표면 상에 위치한다. 광원으로부터의 광은 리셉터 구역과 상호 연관하기 위하여 형성되는 복수의 독립 이동 가능한 채색된 필터 구역을 가지는 색변환기에 의하여 필터링되며, 광가이드의 입력단에 의하여 수신되어 광가이드의 출력단에 분배된다. 색변화기는 회전 가능한 칼라휠필터, 밴드필터, 또는 실린더필터가 될 수 있다.

Description

전계센서
제1도는 종래의 도파로형 소자에 의한 전계센서 헤드(101)의 구성예를 나타낸다. 이 전계센서 헤드(101)는 C축에 수직으로 잘라낸 니오브산리튬 결정의 기판(102)과, 이 기판(102)상에 티탄을 확산시켜 입사광도파로(103)및 이 입사광도파로(103)로부터 분기된 위상 시프트 광도파로(104,105)와, 이들 위상 시프트 광도파로(104,105)가 합류하여 결합된 출사광도파로(106)을 가지고 있다. 입사광도파로(103)의 입사단에는 입사광섬유(107)가 결합되며, 출사광도파로(106)의 출사단에는 출사광섬유(108)가 접속되어 있다.
또, 위상 시프트 광도파로(104,105)상에는 한 쌍의 전극(109)이 설치되며, 이들 전극(109)은 로드 안테나(110)에 접속되어 있다. 제1도에 있어서, 입사광섬유(107)로부터의 입사광(111)은 입사광도파로(103)에 입사된 후, 위상 시프트 광도파로(104,105)에 에너지가 분할된다. 전계가 인가된 경우, 로드 안테나(110)에 의해 전극(109)에 전압이 유기되어 위상 시프트 광도파로(104,105) 중에는 깊이방향으로 서로 반대방향의 전계 성분이 발생한다. 그 결과, 전기 광학 효과에 의해 굴절률 변화가 생겨 위상 시프트 광도파로(104,105)로 전파되는 광파 간에는 인가 전계의 크기에 따른 위상차가 생기고, 이들이 합류하여 출사광도파로(106)에 결합되는 경우에 간섭에 의해 광강도가 변화한다. 즉, 인가 전계강도에 따라 출사광섬유(108)로 출사되는 출사광(112)의 강도가 변화하게 되고, 이러한 광 강도의 변화를 광 검출기에서 측정함으로써 인가전계의 강도를 측정할 수 있다.
제2도는, 제1도에 도시한 종래의 상기 전계센서 헤드(101)를 이용한 전계센서를 나타낸다. 제1도의 전계센서 헤드(101)의 입사광섬유(107)가 송신용 광섬유(113)를 통해서 광원(114)에 접속되고, 출사광섬유(108)가 수신용광섬유(115)를 통해서 광검출기(116)에 접속되어 있다. 제2도에서는 생략되어 있지만, 광검출기(116)로부터의 검출된 전기신호는 통상의 전압계, 전류계 또는 분광 분석기(Spectrum analyzer) 등의 측정기에 접속된다.
그러나, 종래의 이러한 종류의 전계 센서에 있어서는, 고전계를 검출하는 경우에는, 겨우 수 미크론∼수십 미크론 간격의 2개의 전극에 전압인가에 의해서 유기된 전하의 방전으로 인해 전극이 파손되기 쉽기 때문에, 고전계의 검출에 적용하는 것은 곤란하다는 문제가 있다.
또한, 종래의 이러한 종류의 전계 센서에 있어서는, 통상 전극의 길이에 의존하여 전극 커패시턴스가 커지기 때문에, 검출 감도가 그다지 좋지 않은 문제도 있다.
본 발명의 목적은, 고전계를 검출하기에 적합한 전계 센서를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 검출 감도가 양호한 전계 센서를 제공하는데 있다.
본 발명은, 전파나 전극 노이즈를 측정하는 전계센서, 특히 공간에 전파되는 전자파의 전계강도를 측정하기 위한 전계센서에 관한 것이다.
제1도는 종래의 전계 센서의 전계 센서 헤드를 도시하는 사시도이다.
제2도는 종래의 전계 센서를 도시하는 개략적인 정면도이다.
제3도는 본 발명의 실시예를 도시하는 사시도이다.
제4도는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 사시도이다.
제5도는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 개략적인 정면도이다.
제6도는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 사시도이다.
제7도는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 사시도이다.
제8도는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 사시도이다.
제9도는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 사시도이다.
제10도는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 개략적인 정면도이다.
제11도는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는 개략적인 정면도이다.
본 발명은, 기판과, 이 기판상에 형성되어 상기 입사광섬유에 접속한 입사광도파로와, 상기 입사광도파로로부터 분기하도록 상기 기판에 형성되어 인가되는 전계의 세기에 따라 굴절률이 변화하는 2개의 분기 광도파로와, 상기 기판에 상기 분기광도파로와 합류하도록 형성됨과 동시에 출사광섬유에 결합되어 있는 출사광도파로와, 상기 분기광도파로의 적어도 일부의 근방에 형성되어 전계를 차폐하는 전계차폐부재를 가지고 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 상기 기판상에 형성되어 상기 입사 및 출사광도파로로부터 분기된 2개의 분기광도파로와, 상기 기판에 형성되어 상기 분기광도파로로부터의 광을 반사하는 반사 거울과, 상기 분기광도파로의 적어도 일부의 근방에 형성되어 전계를 차폐하는 전계차폐부재를 가지고 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 기판과; 이 기판에 형성되어 입사광을 받는 입사광도파로와, 이 입사광도파로에 상기 입사광을 공급하는 입사광섬유와, 상기 기판에 상기 입사광도파로의 근방에 형성되어 인가되는 전계의 세기에 따라 굴절률이 변화하는 제1 및 제2분기광도파로와, 상기 기판에 상기 입사광도파로와 상기 제1 및 제2분기광도파로의 근방에 형성되어 상기 입사광도파로로부터의 상기 입사광을 2분할하여 상기 제1 및 제2분기광도파로에 공급하는 방향성 결합기와, 상기 제1 및 제2분기광도파로의 타단에 설치되며 상기 제1 및 제2분기광도파로로부터의 광을 상기 제1 및 제2위상 시프트 광도파로에 반사광으로서 반사하여, 이 반사광을 상기 입사광도파로를 통해서 상기 방향성 결합기에 공급하는 광반사 거울과, 상기 기판에 상기 방향성 결합기의 근방에 형성되어 상기 방향성 결합기로부터 상기 반사광을 받는 출사광도파로와, 이 출사광도파로로부터 상기 반사광을 받는 출사광섬유를 갖는 것을 특징으로 한다.
다음에, 본 발명의 실시예 1을 도면에 근거하여 설명한다.
제3도에 도시하는 바와 같이, 본 발명의 전계 센서는, 센서 헤드(1)와, 입사광섬유(2) 및 출사광섬유(3)와, 광원(L)과, 광검출기(D)를 구비하고 있다.
상기 센서 헤드(1)는, 인가되는 전계 강도에 따라서 투과하는 광의 강도가 변화하도록 구성되어 있다. 상기 입사광섬유(2) 및 출사광섬유(3)는, 상기 센서 헤드(1)에 접속되어 있다. 상기 광원(L)은, 반도체 레이저 등으로 이루어진다. 상기 광원(L)은, 상기 입사광섬유(2)의 일단에 결합되며 이 입사광섬유(2)에 광을 조사한다. 상기 광검출기는, 상기 센서 헤드(1)를 투과하여 상기 출사광섬유(3)로부터 출사하는 투과광을 검출한다.
상기 센서 헤드(1)는, 기판(4)과, 입사광도파로(5)와, 2개의 분기광도파로(6)와, 출사광도파로(7)와, 전계차폐부재(8)를 가지고 있다. 상기 출사광도파로(5)는 기판(4)상에 형성되며 상기 입사광섬유(2)에 접속되어 있다. 상기 분기광도파로(6)는, 기판(4)에 상기 입사광도파로(5)로부터 분기하도록 형성되어 인가되는 전계의 세기에 따라 굴절률이 변화한다. 상기 출사광도파로(7)는, 상기 기판(4)에 상기 분기광도파로(6)와 합류하도록 형성됨과 동시에 상기 출사광섬유(3)에 접속되어 있다. 상기 전계차폐부재(8)는, 상기 분기광도파로(6) 일부의 근방에 형성되어 전계를 차폐한다. 상기 전계차폐부재(8)는, 도전물질 또는 전파흡수물질 등으로 구성된다.
상기 분기광도파로(6)상에 배치한 전계차폐부재(8)에 의해 전계가 차폐되고, 다른 한 쪽의 광도파로(6)에 있어서는 인가 전계에 의존하여 굴절률이 변화하며, 그 결과 이들이 합류하는 출사광도파로(7)에서는 광파의 위상차가 발생해, 인가하는 전계의 강도 변화에 대응한 출사광의 강도가 검출된다.
보다 구체적으로 설명하면, 상기 분기광도파로(6)는, 니오븀산 리튬(LiMbO3)의 결정으로 이루어진 기판(Z판)(4)상에 대칭으로 분기되어 형성되어있다. 광의 흡수를 막기 위한 버퍼층으로서 이산화규소(SiO2)막으로 분기광도파로(6)의 전체 표면을 코팅한 차음, 분기광도파로(6)의 일부에 금속으로 된 전계차폐부재(8)가 형성되어 있다.
제4도는, 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 이러한 제4도의 실시예에 있어서, 제3도의 실시예와 같은 구성요소에 동일한 부호를 붙인다. 제4도에 도시하는 바와 같이, 상기 센서 헤드(1)는, 상기 전계차폐부재(8)가 양방의 분기광도파로(6)상에 형성되어 있음과 동시에 분기광도파로(6)상에서의 전계차폐부재(8)의 길이가 다른 것이다. 제4도의 센서 헤드(1)는, 제3도의 실시예와 거의 같은 특성을 지닌다.
제5도는, 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 제5도의 실시예에 있어서, 제3도의 실시예와 같은 구성요소에 동일한 부호를 붙인다. 제5도의 전계센서는, 인가되는 전계 강도에 따라서 투과하는 광의 강도가 변화하도록 구성된 센서 헤드(1)와, 이 센서 헤드(1)에 접속된 입사 및 출사광섬유(9)와, 이 입사 및 출사광섬유(9)의 입사 및 출사단에 결합되어 있는 서큘레이터(circulator)(10)와, 이 서큘레이터(10) 및 렌즈(12)를 통해서 상기 입사 및 출사광섬유(9)에 광을 조사하는 광원(11)과, 상기 서큘레이터(10)로부터 출사된 투과광을 검출하기 위한 광검출기(13)와, 상기 광검출기(13)로부터 검지된 신호를 계측하는 계측기(14)를 구비한다.
제6도에 도시된 바와 같이, 상기 센서헤드(1)에는, 전기광학효과가 있는 기판(4)과, 상기 기판(4)위에 형성되어 있으며 상기 입사 및 출사광섬유(9)에 접속된 입사 및 출사광도파로(15)로부터 2분할된 광도파로(6)와, 상기 기판(4)에 설치되어 있고 상기 분기된 광도파로(6)로부터 입사된 빛을 반사하는 반사거울(16)과, 상기 이 분할된 광도파로(6)중 하나의 부근에 설치되어 전계를 차폐하는 전계차폐부재(8)가 구비되어 있다. 상기 입사 및 출사광섬유(9)는, 편광유지섬유이다. 상기 반사거울(16)은, 유전체거울이나 통상적인 거울 또는 반사코팅된 것으로 구성된다.
상기 제5도 및 제6도의 실시예에 있어서, 상기 전계차폐부재(8)가 존재하는 범위에서는 전계가 차폐되고, 다른 하나의 분기된 광도파로(6)에 있어서는 인가전계에 의존하여 굴절률이 변화한다. 그 결과, 이들이 합류하게되는 입사 및 출사광도파로(15)에 있어서는, 광파의 위상차가 발생하여 인가되는 전계강도의 변화에 대응된 출사광의 강도가 계측된다.
제3도 내지 제6도의 전계센서는, 광도파로에 형성되는 전계차폐부재가 단체이기 때문에, 방전 및 이에 따른 파괴가 발생하지 않게 되어 고전계의 검출에 적합하다.
제7도에 도시된 바와 같이, 상기 전계센서헤드(1)에는, 제6도에 도시된 실시예에 있어서 상기 전계차폐부재(8)가 구비되어 있지 않으며, 또한 상기 분기된 광도파로(6)위에 형성되어 있는 한 쌍의 전극(17)과, 이들 전극(17)에 접속되어 있는 안테나(18)가 구비되어 있다.
제7도에 도시된 실시예를 보다 구체적으로 설명한다. 상기 기판(4)은, 니오브산 리튬(LiMbO3)의 결정판으로 이루어진다. 상기 입사 및 출사광도파로(15)는, 두께가 40 내지 100nm인 티탄막 패턴을 온도 1000 내지 1100℃의 환경에서 4 내지 8시간동안 확산하여 형성된 폭 5 내지 10㎛의 광도파로이다.
또한 분기된 광도파로(6)는, 5 내지 20㎛의 길이로 형성되어 설치되어 있다. 상기 광반사기(16)는, 분기된 광도파로(6)에 대해 수직인 기판단면에 금 등의 금속막을 코팅하여 형성된다. 또한, 입사 및 출사광도파로(15)에는, 편광유지형 입사 및 출사광섬유(9)가 결합된다. 분기된 광도파로(6)위에는 전극(17)이 광흡수를 방지하기 위해 버퍼층으로 형성된 이산화규소막을 통해 형성되어 있다. 이들 전극(17)에는 안테나(18)가 접속되어 있다.
제7도의 실시예에 있어서, LiNbO3결정판으로 이루어진 기판(4)에 대하여 수직인 편광성분의 광파가 입사 및 출사광섬유(9)로부터 입사 및 출사광도파로(15)로 입사되고 에너지가 2분할되어 분기된 광도파로(6)에 유입된다. 이들 분기된 광도파로(6)에서 외부로부터 인가된 전계강도에 의한 위상시프트를 입수하여, 다시 입사 및 출사광도파로(15)로 출사한다. 이 때 2분할된 분기된 광도파로(15)에 있어서 전달 중에 발생한 위상차에 따른 광강도 즉, 인가 전계의 크기에 따른 광강도로 인해 광파가 입사 및 출사광도파로(15)에서 결합되어, 입사 및 출사광섬유(8)로 출사된다.
제8도에 도시된 실시예에는, 제7도의 실시예에서, 분기된 입사광도파로(5)와 출사광도파로(6), 기판(4)위에 전극(17)과 일체로 형성된 안테나(19)가 구비된다. 상기 분기된 광도파로(6)가 광방향성 결합기(20)에 의해 입사광도파로(5)에 결합되어 있고, 광방향성 결합기(20)의 일단부는 출사광도파로(7)에 결합되어 있다.
상기 입사광도파로(5)로부터 입사된 광은 광방향성 결합기(20)에서 2분할되어 분기된 광도파로(6)에 입사되고, 전계강도에 따른 위상 시프트가 발생하여 광방향성 결합기(20)로 회수된다. 상기 광방향성 결합기(20)에 있어서, 상기 위상 시프트가 제로일 때 회수된 빛은 모두 입사광도파로(5)에 결합되지만 위상 시프트가 제로가 아닌 경우에는 그 위상 시프트의 크기에 따라 광감도가 감소하여 출사광도파로(7)에 결합됨으로써 출사광섬유(3)로 인도된다.
제9도에 도시된 실시예는, 제6도의 실시예에 있어서, 전계차폐부재(8)는 구비되어 있지 않으며, 상기 분기된 광도파로(6)중 하나가 형성되어 있는 기판의 부분에 결정의 분극방향이 다른 부분과는 180도 반전되어 있는 분극반전부분(21)을 가진다. 상기 분극반전부분(21)은 반전시켜야 할 부분에 티탄막을 설치하여 급격한 온도변화를 부가하거나 또는 전자빔을 투사하는 등의 방법을 통해 형성하고, 분극반전부분(21)에 대한 광도파로의 형성은 어닐링처리를 동반한 프로튼교환법 등을 실시한다.
본 실시예에서는 동일한 방향의 전계가 두 개의 분기된 광도파로(6)에 부가되는 경우에 있어서도 분극방향이 서로 반대이기 때문에 서로 역방향의 굴절률 변화가 발생하여 2개의 분기된 광도파로(6)간에 위상차가 발생한다. 따라서, 본 실시예에서는 전극을 설치할 필요는 없게 된다. 본 실시예의 광전계센서헤드(1)는, 극도의 소형화가 가능하기 때문에 협소한 공간에 대한 전계검출 또는 금속전극을 포함하지 않으므로 고내압을 필요로 하는 고전계의 검출에 적합하다.
제10도에 도시된 전계센서에 있어서, 제6도 내지 제9도 중 하나에 도시된 전계센서헤드(1)의 입사 및 출사광섬유(9)가 송수신용 편광유지형 광섬유(22)에 접속되어 있다. 본 실시예에서는 광분리기로서 하프미러(23)를 사용한다. 반도체 레이저(24)로부터 출사된 빛은 렌즈(25)에서 시준되어 그 에너지의 반정도의 분량이 하프미러(23)를 통과하여 렌즈(26)에 의해 광섬유(22)에 결합되어 전계센서헤드(1)로 보내어진다, 한편, 광섬유(22)로부터 회수된 빛은 렌즈(26)에 의해 시준되고 그 에너지의 반정도의 분량이 하프미러(23)에 의해 반사되어 광검출기(27)에 결합되고, 검출전계신호는 측정기(28)로 보내어진다.
제11도에 도시된 전계센서는, 제6도 내지 제9도에 도시된 전계센서헤드(1)의 광섬유가 송수신용 광섬유(22)에 접속되어 있다. 본 실시예에서는 광분리기로서 가닛막(29)과 편광 프리즘(30)으로 구성된 서큘레이터를 이용한다. 반도체 레이저(24)로부터 출사된 x방향으로 편광된 입사광은 렌즈(25)에서 시준되고, 그 에너지를 거의 유지한 상태에서 편광 프리즘(30)을 통과하여 패러데이(유도)효과를 가지는 가닛막(29)에 입사된다. 가닛막(29)에는 자석(31)에 의해 자계가 인가되고 상기 입사광의 편광방향이 45도 회전하도록 설정되어 있다.
상기 광섬유(22) 및 전계센서헤드(1)에서는 편광방향이 유지되기 때문에 광섬유(22)로부터 회수된 빛의 편광방향은 광섬유(22)에 대한 입사광과 동일하다. 상기 회수된 빛이 가닛막(30)을 통과할 때 다시 45도 편광방향이 회전하기 때문에 회수되는 빛은 상기 입사광과 직교하는 편광파가 되고, 편광 프리즘(30)에 의해 그 에너지를 거의 유지한 상태에서 반사되어 광검출기(27)에 결합된다. 본 실시예에서는 광에너지의 손실이 대폭 절감된다는 장점이 있으며, 보다 고감도의 센서를 얻을 수 있다.
본 발명은, 고전계를 검출하기 위한 장치 또는 고감도가 요구되는 장치에 이용하는데 적합하다.

Claims (8)

  1. 공간에서 전파되는 전계의 세기를 측정하는 전계센서에 있어서, 기판 및 상기 기판상에 형성된 2개의 분기광도파로를 구비하는 센서헤드를 포함하는데, 상기 센서헤드는 상기 공간 내에 위치하고 상기 분기광도파로를 통해 전달된 광빔의 세기가 인가된 전계에 의해 응답하여 변화된 광빔을 출사하는 구조를 가지며; 상기 센서헤드에 결합되며 상기 분기광도파로에 입사되는 광을 방출하는 광원; 상기 센서헤드로부터 출사된 상기 변화된 광빔을 검출하기 위해 상기 센서헤드로부터의 출사광을 수신하는 광검출기; 및 상기 전계로부터 상기 2개의 분기광도파로 중 적어도 하나를 차폐하기 위해 상기 2개의 분기광도파로의 적어도 일부에 인접하여 위치하여, 상기 2개의 분기광도파로가 비대칭적으로 차폐되고 상기 전계에 불균형하게 노출되어 상기 센서헤드로부터 방출된 상기 변화된 광빔을 형성하도록 하는 전계차폐부재들 포함하는 것을 특징으로 하는 전계센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전계센서는 상기 기판상에 형성되는 입사 및 출사광도파로를 더 포함하는데, 상기 입사광도파로는 자신의 단부에 입사부를 구비하며 다른 단부에서 상기 2개의 분기광도파로의 제1단부에 결합되며, 상기 출사광도파로는 자신의 단부에서 출사부를 구비하며 다른 단부에서 상기 2개의 분기광도파로의 상기 제1단부의 반대쪽 단부에 결합되며, 상기 입사광도파로의 상기 입력부는 입사광섬유를 통해 상기 광원에 결합되고, 상기 출사광도파로의 상기 출력부는 출력광섬유를 통해 상기 광검출기에 결합되는 것을 특징으로 하는 전계센서.
  3. 제2항에 있어서, 상기 2개의 분기광도파로는 인가된 전계의 크기에 응답하여 변화하는 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 전계센서.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전계차폐부재는 상기 2개의 분기광도파로를 따라서만 위치하는 것을 특징으로 하는 전계센서.
  5. 제4항에 있어서, 상기 2개의 분기광도파로는 인가된 전계의 크기에 응답하여 변화하는 굴절률을 가지는 것을 특징으로 하는 전계센서.
  6. 제1항에 있어서, 상기 전계차폐부재는 각각이 상기 2개의 분기광도파로 중 하나를 따라 연장하는 2개의 부분을 구비하고, 상기 전계차폐부재의 상기 2개의 부분은 각각 상기 전계차폐부재의 상기 부분을 따라 연장하는 방향에서 상호 길이가 따른 것을 특징으로 하는 전계센서.
  7. 제6항에 있어서, 상기 2개의 분기광도파로는 인가된 전계의 세기에 응답하여 굴절률이 변화하는 것을 특징으로 하는 전계센서.
  8. 제1항에 있어서, 상기 2개의 분기광도파로는 인가된 전계의 세기에 응답하여 의해 굴절률이 변화하는 것을 특징으로 하는 전계센서.
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