WO1995002192A1 - Capteur de champs electriques - Google Patents

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WO1995002192A1
WO1995002192A1 PCT/JP1994/001104 JP9401104W WO9502192A1 WO 1995002192 A1 WO1995002192 A1 WO 1995002192A1 JP 9401104 W JP9401104 W JP 9401104W WO 9502192 A1 WO9502192 A1 WO 9502192A1
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light
substrate
incident
optical waveguide
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PCT/JP1994/001104
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Yuichi Tokano
Michikazu Kondo
Original Assignee
Tokin Corporation
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    • G01R15/24—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices
    • G01R15/241—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using light-modulating devices using electro-optical modulators, e.g. electro-absorption
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    • G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
    • G01R29/0864—Measuring electromagnetic field characteristics characterised by constructional or functional features
    • G01R29/0878—Sensors; antennas; probes; detectors
    • G01R29/0885—Sensors; antennas; probes; detectors using optical probes, e.g. electro-optical, luminescent, glow discharge, or optical interferometers

Definitions

  • the present invention relates to an electric field sensor for measuring radio waves and electrode noise, and more particularly to an electric field sensor for measuring the electric field strength of an electromagnetic wave propagating in space.
  • FIG. 1 shows a configuration example of a conventional waveguide-type electric field sensor head 1: 1.
  • the electric field sensor head 101 is composed of a substrate 102 of lithium niobate crystal cut out perpendicular to the c-axis, and titanium diffused onto the substrate 102 to form an incident optical waveguide 1 ⁇ 3 and The phase shift optical waveguides 104 and 105 branched from the incident optical waveguide 1 ⁇ 3 and the output optical waveguides 106 where these phase shift optical waveguides 104 and 105 are combined and coupled.
  • An incident optical fiber 107 is coupled to an incident end of the incident optical waveguide 103, and an output optical fiber 108 is connected to an output end of the output optical waveguide 106.
  • a pair of electrodes 109 is provided on the phase shift optical waveguides 104 and 105, and these electrodes 109 are connected to the rod antenna 110.
  • the incident light 111 from the incident optical fiber 57 enters the incident optical waveguide 103, and then the energy is split into the phase shift optical waveguides 104 and 105.
  • an electric field is applied, a voltage is induced in the electrode 109 by the rod antenna 110, and electric field components in the phase shift optical waveguides 104, 105 that are opposite to each other in the depth direction are generated. Occurs.
  • the refractive index occurs due to the electro-optic effect, and a phase difference corresponding to the magnitude of the applied electric field is generated between the light waves propagating through the phase-shifted optical waveguides 104 and 105.
  • the light intensity changes due to interference.
  • the intensity of the outgoing light 112 coming out of the outgoing optical fiber 108 changes in accordance with the intensity of the applied electric field, and the change in the light intensity is measured by a photodetector to reduce the applied electric field. Strength can be measured.
  • FIG. 2 shows an electric field sensor using the conventional electric field sensor head 101 shown in FIG.
  • the incident light fiber 107 of the electric field sensor head 1 1 in Fig. 1 is the transmission light.
  • the output optical fiber 108 is connected to the light source 114 via the fiber 113, and is connected to the photodetector 116 via the receiving optical fiber 115.
  • the detected electric signal from the photodetector 116 is connected to a measuring instrument such as an ordinary voltmeter, ammeter, or spectrum analyzer.
  • Another object of the present invention is to provide an electric field sensor having good detection sensitivity.
  • the present invention provides a substrate, an incident optical waveguide formed on the substrate and connected to the incident optical fiber, and a refractive index that varies depending on the intensity of an electric field formed and applied to the substrate so as to be branched from the incident optical waveguide.
  • an electric field shielding member for shielding an electric field.
  • the present invention provides two branch optical waveguides formed on the substrate and branched from the input / output optical waveguide, a reflection mirror provided on the substrate and reflecting light from the branch optical waveguide, and the branch light guide.
  • An electric field shielding member provided near at least a part of the wave path to shield an electric field.
  • the present invention provides: a substrate; an incident optical waveguide formed on the substrate and receiving incident light; an incident optical fiber for supplying the incident light to the incident optical waveguide; and a substrate in the vicinity of the incident optical waveguide.
  • First and second branch optical waveguides whose refractive indexes change according to the intensity of the formed and applied electric field; and the substrate is formed near the incident optical waveguide and the first and second branch optical waveguides.
  • the incident light from the incident optical waveguide And a directional coupler that divides the two into two and supplies them to the first and second branch optical waveguides.
  • the first and second branches are installed at the other ends of the first and second branch optical waveguides.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an electric field sensor head of a conventional electric field sensor.
  • FIG. 2 is a schematic front view showing a conventional electric field sensor.
  • FIG. 3 is a perspective view showing an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a perspective view showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic front view showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a schematic front view showing another embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic front view showing another embodiment of the present invention.
  • the electric field sensor of the present invention includes a sensor head 1, an input optical fiber 2, an output optical fiber 3, a light source L, and a photodetector D.
  • the sensor head 1 is configured so that the intensity of transmitted light changes according to the applied electric field intensity.
  • the incident light fiber 2 and the outgoing light fiber 3 are connected to the sensor head 1.
  • the light source L is composed of a semiconductor laser or the like.
  • the light source L is coupled to one end of the incident optical fiber 2 and irradiates the incident optical fiber 2 with light.
  • the light detector detects transmitted light that passes through the sensor head 1 and exits from the output light fiber 3.
  • the sensor head 1 has a substrate 4, an input optical waveguide 5, two branch optical waveguides 6, an output optical waveguide 7, and an electric field shielding member 8.
  • the light emitting waveguide 5 is formed on the substrate 4 and connected to the incident light fiber 2.
  • the refractive index of the branch optical waveguide 6 changes depending on the intensity of an electric field applied to the substrate 4 so as to branch from the incident optical waveguide 5.
  • the outgoing light waveguide 7 is formed on the substrate 4 so as to flow with the branching optical waveguide 6 and is connected to the outgoing light fiber 3.
  • the electric field shielding member 8 is provided near a part of the branch optical waveguide 6, and shields an electric field.
  • the electric field shielding member 8 is made of a conductive material or a radio wave collecting material.
  • the electric field is shielded by the electric field shielding member 8 arranged on the branch waveguide 6, and the refractive index of the other optical waveguide 6 changes depending on the applied electric field.
  • a phase difference of the light waves is generated in the merging outgoing optical waveguide 7, and the intensity of the outgoing light corresponding to the change in the intensity of the applied electric field is detected.
  • the said branched optical waveguides 6 are formed by branching symmetrically on the substrate (Z plate) 4 made of crystals of lithium niobate (L i ⁇ b 0 3) .
  • the entire surface of the branched optical waveguides 6 as a buffer layer of silicon dioxide (S i 0 9) in film for preventing absorption of light in terms of the co Bok, made of metal in a part of the branched optical waveguides 6 electric field shielding member 8 Are formed.
  • FIG. 4 shows another embodiment of the present invention.
  • the same components as those in the embodiment shown in FIG. 3 are denoted by the same reference numerals.
  • the sensor head 1 has the electric field shielding member 8 formed on both of the branch optical waveguides 6 and the length of the electric field shielding member 8 on the branch optical waveguide 6. Are different.
  • the sensor head 1 of FIG. 4 has substantially the same characteristics as the embodiment of FIG.
  • FIG. 5 shows another embodiment of the present invention.
  • the same components as those in the embodiment of FIG. 3 are denoted by the same reference numerals.
  • the 5 has a sensor head 1 configured so that the intensity of transmitted light changes according to the intensity of an applied electric field, and a human-emitted optical fiber 9 connected to the sensor head 1.
  • a circulator 10 coupled to the input / output end of the input / output optical fiber 9, and a light for irradiating the input / output optical fiber 9 via the circulator 10 and the lens 12.
  • the sensor head 1 includes a substrate 4 having an electro-optical effect and an input / output optical waveguide 15 formed on the substrate 4 and connected to the input / output optical fiber 9.
  • An electric field shielding member 8 provided near a part of the branch optical waveguide 6 for shielding an electric field, and the human-emitted optical fiber 9 is made of a polarization-maintaining fiber. Consists of a dielectric mirror, a normal mirror or a reflective coat.
  • the electric field is shielded in the range where the electric field shielding member 8 exists, and the refractive index of the other branch optical waveguide 6 changes depending on the applied electric field.
  • the refractive index of the other branch optical waveguide 6 changes depending on the applied electric field.
  • the electric field sensor shown in FIGS. 3 to 6 is suitable for detecting a high electric field because the electric field shielding member formed in the optical waveguide is a single element, so that discharge and destruction due to the electric discharge do not occur.
  • the electric field sensor head 1 does not have the electric field shielding member 8 in the embodiment shown in FIG. 6, and further has a pair formed on the branch optical waveguide 6. With electrodes 17 and antennas 18 connected to these electrodes 17
  • the substrate 4 is made of a crystal plate of niobate lithium (L i N b 0 3) .
  • the human-emitted optical waveguide 15 is formed by forming a titanium film pattern having a thickness of 40 to 100 nm with a temperature of 100 to: L 100. It has a width of 5 to 10 m formed by diffusion with C for 4 to 8 hours.
  • the branch optical waveguide 6 is formed to have a length of 5 to 20 mm. is set up.
  • the light reflector 16 is formed by coating a metal film such as gold on an end face of a substrate perpendicular to the branching optical waveguide 6.
  • the input / output optical waveguide A polarization maintaining type input / output optical fiber 9 is connected to 15.
  • an electrode 17 is formed via a silicon dioxide film serving as a buffer layer for preventing light absorption.
  • An antenna 18 is connected to these electrodes 17.
  • L i N b 0 3 lightwave having vertical polarization component with respect to the substrate 4 made of crystal plate is incident from the incident and exit light fiber 9 to input and output optical waveguide 1 5, the energy bisected Then, the light enters the branch optical waveguide 6.
  • These branch optical waveguides 6 undergo a phase shift in accordance with the electric field intensity applied from the outside, and are emitted again to the input / output optical waveguide 15.
  • the light waves are coupled at the input and output optical waveguides 15 with the light intensity according to the phase difference generated during propagation in the two branch optical waveguides 15, that is, the light intensity according to the magnitude of the applied electric field, and The light is emitted to the emission fiber 8.
  • the embodiment shown in FIG. 8 is different from the embodiment shown in FIG. 7 in that the incident optical waveguide 5, the output optical waveguide 6, and the antenna 17 formed integrally with the electrode 17 on the substrate 4. Pattern 19.
  • the branch optical waveguide 6 is coupled to the incident optical waveguide 5 by the optical directional coupler 20, and the other end of the optical directional coupler 20 is connected to the output optical waveguide 7.
  • the incident light from the incident optical waveguide 5 is split into two by the optical directional coupler 20 and is incident on the branch optical waveguide 6, where a phase shift is generated in accordance with the electric field strength and the light returns to the optical directional coupler 20.
  • the optical directional coupler 20 when the phase shift is 0, all return light is coupled to the incident optical waveguide 5, but when the phase shift is not 0, the magnitude of the phase shift is reduced. Accordingly, the light intensity is reduced, the light intensity is reduced to the outgoing optical waveguide 7, and guided to the outgoing optical fiber 3.
  • the embodiment shown in FIG. 9 is different from the embodiment shown in FIG. 6 in that the electric field shielding member 8 is not provided, and the polarization direction of the crystal is different from that of the substrate on which one of the branch optical waveguides 6 is formed.
  • the domain-inverted portion 21 is formed by placing a titanium film on the portion to be inverted and giving a sudden temperature change, or by irradiating an electron beam. Wave formation is performed by a proton exchange method involving an annealing treatment.
  • Head 1 to the optical electric field sensor of this embodiment is highly suitable for the detection of a high electric field requiring a high breakdown voltage does not include a field discovery or metal electrodes of the narrow area because it is possible to downsize £
  • the input / output optical fiber 9 of the head 1 shown in FIG. 6 to FIG. 9 is connected to the polarization maintaining optical fiber 22 for transmission and reception. Have been.
  • a half mirror 23 is used as a light separator.
  • the light emitted from the semiconductor laser 24 is collimated by the lens 25, and one half of the energy passes through the half mirror 23, is coupled to the optical fiber 22 by the lens 26, and becomes the electric field sensor head 1. Sent.
  • the return light from the optical fiber 22 is collimated by the lens 26, half of its energy is reflected by the half mirror 23 and coupled to the photodetector 27, and the detected electric signal is Sent to 8.
  • the optical fiber of the electric field sensor 1 shown in FIG. 6 to FIG. 9 is connected to the optical fiber 22 for transmission and reception.
  • a circulator constituted by a garnet film 29 and a polarizing prism 30 is used as a light separator.
  • the incident light polarized in the X direction emitted from the semiconductor laser 24 is collimated by the lens 25 and passes through the polarizing prism 30 while keeping its energy substantially, and has a Faraday effect garnet film 2. It is incident on 9.
  • a magnetic field is applied to the garnet film 29 by the magnet 31 so that the polarization direction of the incident light is set to rotate 45 degrees.
  • the polarization direction of the return light from the optical fiber 22 is the same as that of the light incident on the optical fiber 22.
  • the polarization direction is further rotated by 45 degrees, so that the return light becomes a polarization orthogonal to the incident light, and its energy is almost kept by the polarizing prism 30.
  • the reflected light is coupled to the photodetector 27.
  • This embodiment is characterized in that the loss of light energy is greatly reduced, and a sensor with higher sensitivity can be obtained.
  • the present invention is suitable for use in a device that detects a high electric field or a device that requires high sensitivity.

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Description

明細書 電界センサ
技術分野
この発明は、 電波や電極ノイズを測定する電界センサに関し、 特に空間を伝搬 する電磁波の電界強度を測定するための電界センサに関する。
背景技術 ―
第 1図は従来の導波路型素子による電界センサへッ ド 1◦ 1の構成例を示す。 この電界センサへッ ド 1 0 1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 1 0 2と、 この基板 1 0 2上にチタンを拡散して入射光導波路 1◦ 3およ びこの入射光導波路 1◦ 3から分岐された位相シフ ト光導波路 1 0 4 , 1 0 5と、 これらの位相シフト光導波路 1 0 4 , 1 0 5が合流して結合した出射光導波路 1 0 6とを有している。 入射光導波路 1 0 3の入射端には入射光フアイバ 1 0 7が 結合され、 出射光導波路 1 0 6の出射端には出射光ファイバ 1 0 8が接統されて いる。
また、 位相シフト光導波路 1 0 4 , 1 0 5上には 1対の電極 1 0 9が設けられ、 これらの電極 1 0 9はロッ ドアンテナ 1 1 0に接続されている。 第 9図において、 入射光ファイバ 5 7からの入射光 1 1 1は入射光導波路 1 0 3に入射した後、 位 相シフ ト光射導波路 1 0 4 , 1 0 5にエネルギーが分割される。 電界が印加され た場合、 ロッ ドアンテナ 1 1 0により電極 1 0 9に電圧が誘起されて位相シフ ト 光導波路 1 0 4， 1 0 5中には深さ方向に互いに反対向きの電界成分が生ずる。 この結果、 電気光学効果により屈折率変化が生じて位相シフト光導波路 1 0 4 , 1 0 5を伝搬する光波間には印加電界の大きさに応じた位相差が生じ、 それらが 合流して出射光導波路 1 0 6に結合する場合に干渉により光強度が変化する。 す なわち、 印加電界強度に応じて出射光ファイバ 1 0 8に出射する出射光 1 1 2の 強度は変化することになり、 その光強度変化を光検出器で測定することにより印 加電界の強度を測定できる。
第 2図は、 第 1図に示す従来の前記電界センサへッ ド 1 0 1を用いた電界セン サを示す。 第 1図の電界センサへッ ド 1◦ 1の入射光フアイバ 1 0 7が送信用光 ファイバ 1 1 3を介して光源 1 1 4に接続され、 出射光フアイバ 1 0 8が受信用 光ファイバ 1 1 5を介して光検出器 1 1 6に接銃されている。 第 6図では省略し てあるが、 光検出-器 1 1 6からの検出された電気信号は、 通常の電圧計、 電流計 またはスぺク 卜ラムアナライザ等の測定器に接続される。
しかし、 従来のこの種の電界センサにおいては、 高電界を検出する場合には、 わずかに数ミク口ン〜数十ミク口ンの間隔の 2つの電極に電圧印加によつて誘起 された電荷の放電のために電極が破損しやすいから、 高電界の検出に適用するこ とは困難であるという問題がある。
また、 従来のこの種の電界センサにおいては、 通常電極の長さに依存して電極 容量が大きくなるから、 検出感度があまり良くないという問題もある。
本発明の目的は、 高電界を検出するのに適している電界センサを提供すること にある。
本発明の他の目的は、 検出感度が良い電界センサを提供することにある。
発明の開示
本発明は、 基板と、 この基板上に形成され前記入射光ファイバに接続した入射 光導波路と、 前記基板に前記入射光導波路から分岐するように形成され印加され る電界の強度によって屈折率が変化する 2つの分岐光導波路と、 前記基板に前記 分岐光導波路と合流するように形成されると共に前記出射光フアイバに接続され ている出射光導波路と、 前記分岐光導波路の少なく とも一部の近傍に設けられ電 界を遮蔽する電界遮蔽部材とを有していることを特徴とする。
また、 本発明は、 前記基板上に形成され前記入出射光導波路から分岐された 2 つの分岐光導波路と、 前記基板に設けられ前記分岐光導波路からの光を反射する 反射ミラーと、 前記分岐光導波路の少なくとも一部の近傍に設けられ電界を遮蔽 する電界遮蔽部材とを有していることを特徴とする。
また、 本発明は、 基板と ； この基板に形成され入射光を受ける入射光導波路と、 この入射光導波路に前記入射光を供給する入射光フアイバと、 前記基板に前記入 射光導波路の近傍に形成され印加される電界の強度によって屈折率が変化する第 1および第 2の分岐光導波路と、 前記基板に前記入射光導波路と前記第 1および 前記第 2の分岐光導波路との近傍に形成され前記入射光導波路からの前記入射光 を 2分割して前記第 1および前記第 2の分岐光導波路に供給する方向性結合器と . 前記第 1および前記第 2の分岐光導波路の他端に設置され前記第 1および前記第 2の分岐光導波路からの光を前記第 1および前記第 2の位相シフ ト光導波路へ反 射光として反射し、 この反射光を前記入射光導波路を介して前記方向性結合器に 供給する^；反射ミラーと、 前記基板に前記方向性結合器の近傍に形成され前記方 向性結合器から前記反射光を受ける出射光導波路と、 この出射光導波路から前記 反射光を受ける出射光フアイバとを有することを特徴とする。 ―
図面の簡単な説明
第 1図は従来の電界センサの電界センサへッ ドを示す斜視図である。
第 2図は従来の電界センサを示す概略の正面図である。
第 3図は本発明の実施例を示す斜視図である。
第 4図は本発明の他の実施例を示す斜視図である。
第 5図は本発明の他の実施例を示す概略の正面図である。
第 6図は本発明の他の実施例を示す斜視図である。
第 7図は本発明の他の実施例を示す斜視図である。
第 8図は本発明の他の実施例を示す斜視図である。
第 9図は本発明の他の実施例を示す斜視図である。
第 1 0図は本発明の他の実施例を示す概略の正面図である。
第 1 1図は本発明の他の実施例を示す概略の正面図である。
実施例
次に、 この発明の実施例 1を図面に基いて説明する。
第 3図に示すように、 本発明の電界センサは、 センサへッ ド 1と、 入射光ファ ィバ 2および出射光ファイバ 3と、 光源 Lと、 光検出器 Dとを具備している。 前記センサへッ ド 1は、 印加される電界強度に応じて透過する光の強度が変化 するように構成されている。 前記入射光フアイバ 2および出射光フアイバ 3は、 前記センサへッ ド 1に接続されている。 前記光源 Lは、 半導体レーザなどからな る。 前記光源 Lは、 前記入射光ファイバ 2の一端に結合されこの入射光ファイバ 2に光を照射する。 前記光検出器は、 前記センサへッ ド 1を透過して前記出射光 フアイバ 3から出射する透過光を検出する。 前記センサへッ ド 1は、 基板 4と、 入射光導波路 5と、 2つの分岐光導波路 6 と、 出射光導波路 7と、 電界遮蔽部材 8とを有している。 前記射光導波路 5は、 基板 4の上に形成され前記入射光フアイバ 2に接続されている。 前記分岐光導波 路 6は、 前記基板 4に前記入射光導波路 5から分岐するように形成され印加され る電界の強度によって屈折率が変化する。 前記出射光導波路 7は、 前記基板 4に 前記分岐光導波路 6と台流するように形成されると共に前記出射光フアイバ 3に 接続されている。 前記電界遮蔽部材 8は、 前記分岐光導波路 6の一部の近傍に設 けられ電界を遮蔽する。 前記電界遮蔽部材 8は、 導電物質または電波 収物質な どで構成される。
前記分岐導波路 6上に配置した電界遮蔽部材 8によつて電界が遮蔽され、 他の —方の光導波路 6においては印加電界に依存して屈折率が変化し、 その結果、 こ れらが合流する出射光導波路 7においては光波の位相差が生じ、 印加する電界の 強度の変化に対応した出射光の強度が検出される。
より具体的に説明すると、 前記分岐光導波路 6は、 ニオブ酸リチウム （L i Ν b 0 3 ) の結晶からなる基板 （Z板） 4上に対称に分岐して形成されている。 光 の吸収を防ぐためのバッファ層として二酸化珪素 （S i 0 9 ) 膜で分岐光導波路 6の全表面をコー卜した上で、 分岐光導波路 6の一部に金属からなる電界遮蔽部 材 8が形成されている。
第 4図は、 本発明の他の実施例を示す。 この第 4図の実施例において、 第 3図 の実施例と同じ構成要素に同じ符号が付されている。 第 4図に示すように、 前記 センサへッ ド 1は、 前記電界遮蔽部材 8が両方の分岐光導波路 6の上に形成され ていると共に分岐光導波路 6の上における電界遮蔽部材 8の長さが異なるもので ある。 第 4図のセンサへッ ド 1は、 第 3図の実施例とほぼ同様の特性を有する。 第 5図は、 本発明の他の実施例を示す。 この第 5の実施例において、 第 3図の 実施例と同じ構成要素に同じ符号が付されている。 第 5図の電界センサは、 印加 される電界強度に応じて透過する光の強度が変化するように構成されたセンサへ ッ ド 1と、 このセンサヘッ ド 1に接続された人出射光ファイバ 9と、 この入出射 光フアイバ 9の入出射端に結合されているサーキュレータ 1 0と、 このサーキュ レー夕 1 0およびレンズ 1 2を介して前記入出射光フアイバ 9に光を照射する光 源 1 1と、 前記サーキュレー夕 1 0から出射する透過光を検出するための光検出 器 1 3と、 この光検出器 1 3からの検出 ί言号を計測する計測器 1 4とを具備する ( 第 6図に示すように、 前記センサへッ ド 1は、 電気光学効果を有する基板 4と. この基板 4上に形成され前記入出射光フアイバ 9に接続した入出射光導波路 1 5 と、 前記基板 4上に形成され前記入出射光導波路 1 5から分岐された 2つの分岐 光導波路 6と、 前記基板 4に設けられ前記分岐光導波路 6からの光を反射する反 射ミラー 1 6と、 前記分岐光導波路 6の一部の近傍に設けられ電界を遮蔽する電 界遮蔽部材 8とを有している。 前記人出射光フアイバ 9は、 偏波保持フマィバか らなる。 前記反射ミラー 1 6は、 誘電体ミラー、 通常のミラーまたは反射コー卜 で構成される。
この第 5図および第 6図の実施例においては、 前記電界遮蔽部材 8が存在する 範囲では電界が遮蔽され、 他方の分岐光導波路 6においては印加電界に依存して 屈折率が変化する。 その結果、 これらが合流する入出射光導波路 1 5においては、 光波の位相差が生じ、 印加する電界強度の変化の対応した出射光の強度が計測さ れる。
第 3図乃至第 6図の電界センサは、 光導波路に形成される電界遮蔽部材が単一 であるから、 放電およびこれによる破壊が生じないので、 高電界の検出に適して いる。
第 7図に示すように、 前記電界センサへッ ド 1は、 第 6図に示す実施例におい て前記電界遮蔽部材 8を有せず、 さらに前記分岐光導波路 6の上に形成されてい る一対の電極 1 7と、 これらの電極 1 7に接続されているアンテナ 1 8とを有す 0
第 7図に示す実施例をより具体的に説明する。 前記基板 4は、 ニオブ酸リチウ ム （L i N b 0 3 ) の結晶板からなる。 前記人出射光導波路 1 5は、 厚さ 4 0〜 l O O n mのチタン膜パターンを温度 1 0 0 0〜： L 1 0 0。Cで 4〜 8時間拡散し て形成した幅 5〜 1 0 mのものである。
前記分岐光導波路 6は、 長さが 5〜 2 O m mであるように形成されている。 設 置されている。 前記光反射器 1 6は、 分岐光導波路 6に対して垂直である基板の 端面に金等の金属膜をコ一ティ ングして形成されている。 また、 入出射光導波路 1 5には偏波保持型の入出射光ファイバ 9が結合している。 分岐光導波路 6の上 には電極 1 7が光吸収を防ぐためのバッファ層となる二酸化珪素膜を介して形成 されている。 これらの電極 1 7には、 アンテナ 1 8が接続されている。
第 7図の実施例において、 L i N b 0 3 結晶板からなる基板 4に対して垂直な 偏光成分をもつ光波が入出射光フアイバ 9から入出射光導波路 1 5に入射され、 エネルギーを 2分割されて分岐光導波路 6に入る。 これらの分岐光導波路 6で外 部から印加された電界強度に応じた位相シフトを受け、 再び入出射光導波路 1 5 に出射する。 このとき 2つの分岐光導波路 1 5での伝搬中に生じた位相差に応じ た光強度即ち印加電界の大きさに応じた光強度で光波が入出射光導波路 1 5で結 合して、 入出射光ファイバ 8に出射される。
第 8図に示す実施例は、 第 7図の実施例において、 分離されている入射光導波 路 5と出射光導波路 6と、 基板 4の上に電極 1 7と一体に形成されているアンテ ナパターン 1 9とを有している。 前記分岐光導波路 6が光方向性結合器 2 0によ り入射光導波路 5に結合しており、 光方向性結合器 2 0のもう一端は出射光導波 路 7に結台している。
前記入射光導波路 5からの入射光は光方向性結合器 2 0で 2分割されて分岐光 導波路 6に入射し、 電界強度に応じた位相シフトを生じて光方向性結合器 2 0に 戻る。 この光方向性結合器 2 0においては、 前記位相シフトが 0である場合には 戻り光はすべて入射光導波路 5に結合するが位相シフトが 0でない場台にはその 位相シフ トの大きさに応じて光強度が減少し出射光導波路 7に結台し出射光ファ ィバ 3に導かれる。
第 9図に示す実施例は、 第 6図の実施例において、 電界遮蔽部材 8を有せず、 前記分岐光導波路 6の一つが形成されている基板の部分に結晶の分極方向が他の 部分とは 1 8 0度反転している分極反転部分 2 1を有する。 この分極反転部分 2 1は反転させるべき部分にチタン膜を設置して急激な温度変化を与えるか、 また は電子ビームを照射する等の方法で形成し、 かつ、 分極反転部分 2 1への光導波 路の形成はァニール処理を伴うプロトン交換法等で行う。
本実施例では同一の向きの電界が 2つの分岐光導波路 6に加えられた場合でも 分極方向が逆であるため互いに逆向きの屈折率変化が生じ 2つの分岐光導波路 6 の間に位相差が生ずる。 そこで、 本実施例では電極の設置は不要となる。 本実施 例の光電界センサへッ ド 1は、 非常に小型化が可能であるので狭い領域の電界検 出または金属電極を含まないので高耐圧を必要とする高電界の検出に適している £ 第 1 0図に示す電界センサにおいては、 第 6図乃至第 9図のいずれかに示す電 界センサへッ ド 1の入出射光フアイバ 9が送受信用の偏波保持型の光フアイバ 2 2に接続されている。 本実施例では光分離器としてハーフミラー 2 3を用いる。 半導体レーザ 2 4から出射した光はレンズ 2 5でコリメ一卜されてそのエネルギ 一の半分がハーフミラー 2 3を通過してレンズ 2 6により光ファイバ 2 2に結合 され電界センサへッ ド 1に送られる。 一方、 光フアイバ 2 2からの戻り光はレン ズ 2 6によりコリメ一卜されてそのエネルギーの半分がハーフミラ一 2 3により 反射されて光検出器 2 7に結合され、 検出電気信号は測定器 2 8に送られる。 第 1 1図に示す電界センサは、 第 6図乃至第 9図のいずれかに示す電界センサ へッ ド 1の光ファイバが送受信用の光ファイバ 2 2に接続されている。 本実施例 では光分離器としてガーネッ ト膜 2 9と偏光プリズム 3 0により構成したサーキ ユレータを用いる。 半導体レーザ 2 4から出射した X方向に偏光した入射光はレ ンズ 2 5でコリメ一卜され、 そのエネルギーをほぼ保ったまま偏光プリズム 3 0 を通過してファラデー効果を有するガ一ネッ ト膜 2 9に入射する。 ガーネッ ト膜 2 9には磁石 3 1によって磁界が印加され前記入射光の偏光方向が 4 5度回転す るように設定されている。
前記光フアイバ 2 2及び電界センサへッ ド 1では偏光方向は保持されるので、 光ファイバ 2 2からの戻り光の偏光方向は光フアイバ 2 2への入射光と同じであ る。 前記戻り光がガーネッ ト膜 3 0を通過する際にさらに 4 5度偏光方向が回転 するので戻り光は前記入射光と直交する偏波となり、 偏光プリズム 3 0によりそ のエネルギーをほぼ保ったまま反射されて光検出器 2 7に結合される。 本実施例 では光エネルギーの損失が大幅に低減されるという特長があり、 より高感度のセ ンサが得られる。
産業上の利用可能性
本発明は、 高電界を検出するデバイスまたは高感度が要求されるデバイスに用 いるのに適している。

Claims

請求の範囲
1 . 印加される電界強度に応じて透過する光の強度が変化するように構成され たセンサへッ ドと、 このセンサへッ ドに接続された入射光ファイバおよび出射光 ファイバと、 前記入射光フアイバの一端に結合されこの入射光ファイバに光を照 射する光源と、 前記センサへッ ドを透過して前記出射光ファイバから出射する透 過光を検出するための光検出器とを具備する電界センサにおいて、 前記センサへ ッ ドは、 基板と、 この基板に形成され前記入射光ファイバに接続されている入射 光導波路と、 前記基板に前記入射光導波路から分岐するように形成され印加され る電界強度に応じて屈折率が変化する 2つの分岐光導波路と、 前記基板に前記分 岐光導波路と合流するように形成され前記出射光フアイバに接続されている出射 光導波路と、 前記分岐光導波路の少なく とも一部の近傍に設けられ電界を遮蔽す る電界遮蔽部材とを有していることを特徴とする電界センサ。
2. 印加される電界強度に応じて透過する光の強度が変化するように構成され たセンサヘッ ドと、 このセンサヘッ ドに接铳された入出射光ファイバと、 この入 出射光フアイバの入出射端に結合されているサーキュレー夕と、 このサーキユレ 一夕を介して前記入出射光ファィバに光を照射する光源と、 前記サ—キユレ一夕 から出射する透過光を検出するための光検出器とを具備する電界センサにおいて、 前記センサへッ ドは、 基板と、 この基板に形成され前記入出射光ファイバに接続 ている入出射光導波路と、 前記基板に前記入出射光導波路から分岐するように形 成され印加される電界強度に応じて屈折率が変化する 2つの分岐光導波路と、 前 記基板に設けられ前記分岐光導波路からの光を反射する反射ミラーと、 前記分岐 光導波路の少なくとも一部の近傍に設けられ電界を遮蔽する電界遮蔽部材とを有 していることを特徴とする電界センサ。
3 . 基板と、 この基板に形成され入射光を受ける入出射光導波路と、 この入出 射光導波路に前記入射光を供給する入出射光フアイバと、 前記基板に前記入出射 光導波路から分岐するように形成され印加される電界強度に応じて屈折率が変化 する第 1および第 2の分岐光導波路と、 前記第 1および前記第 2の分岐光導波路 の他端に設置され前記第 1および前記第 2の分岐光導波路からの光を前記第 1お よび前記第 2の分岐光導波路へ反射光として反射し、 この反射光を前記入出射光 WO 95/02192 g __ PCT/JP94/01104
導波路を介して前記入出射光フアイバに供給する光反射ミラ一とを有することを 特徴とする電界センサへッ ド。
4 . 前記第 1および前記第 2の分岐光導波路またはこれらの第 1および第 2の 分岐光導波路の近傍にそれぞれ形成されている第 1および第 2の電極を有するこ とを特徴とする請求項 3に記載の電界センサへッ ド。
5 . 前記基板は強誘電体結晶からなり、 前記第 1および前記第 2の分岐光導波 路が形成されている前記基板の部分の分極方向が互いに反転していることを特徴 とする請求項 3に記載の電界センサへッ ド。
6. 基板と ； この基板に形成され入射光を受ける入射光導波路と、 この入射光 導波路に前記入射光を供給する入射光ファイバと、 前記基板に前記入射光導波路 の近傍に形成され印加される電界強度に応じて屈折率が変化する第 1および第 2 の位相シフ ト光導波路と、 前記基板に前記入射光導波路と前記第 1および前記第 2の分岐光導波路との近傍に形成され前記入射光導波路からの前記入射光を 2分 割して前記第 1および前記第 2の分岐光導波路に供給する方向性結合器と、 前記 第 1および前記第 2の分岐光導波路の他端に設置され前記第 1および前記第 2の 分岐光導波路からの光を前記第 1および前記第 2の分岐光導波路へ反射光として 反射し、 この反射光を前記入射光導波路を介して前記方向性結合器に供給する光 反射ミラーと、 前記基板に前記方向性結合器の近傍に形成され前記方向性結合器 から前記反射光を受ける出射光導波路と、 この出射光導波路から前記反射光を受 ける出射光フアイバとを有することを特徴とする電界センサへッ ド。
7 . 前記第 1および前記第 2の分岐光導波路およびこれらの第 1および第 2の 分岐光導波路に近傍にそれぞれ形成されている第 1および第 2の電極を有するこ とを特徴とする請求項 6に記載の電界センサへッ ド。
8. 前記基板は強誘電体結晶からなり、 前記第 1および前記第 2の分岐光導波 路が形成されている基板の部分の分極方向が互いに反転していることを特徴とす る請求項 6に記載の反射型電界センサへッ ド。
9 . 印加される電界強度に応じて透過する光の強度が変化するように構成され、 かつ、 入射光が内部で反射されて入射端にもどるように構成された光学デバィス と、 上記入射端に接続された 1本の光ファイバと、 上記光ファイバの一端に設置 WO 95/02192 _ 1 Q _ PCT/JP94/01104
された入射光と反射光を分離するための光分離器と、 上記入射光を発生するため の光源と、 前記反射光を検出するための光検出器より構成されることを特徴とす る電界センサ。
1 0. 前記光分離器がファラデー効果を有する媒体と偏光を分離するための手 段とを含んでいることを特徴とする請求項 9に記載の反射型電界センサ。
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