WO2011001872A1 - 電界/磁界プローブ - Google Patents

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瑞樹 岩波
常雄 塚越
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日本電気株式会社
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    • G02B6/241Light guide terminations

Definitions

  • the present invention relates to a probe for measuring an electric field or a magnetic field using a laser beam and an electro-optic (EO) material or a magneto-optic (MO) material.
  • EO electro-optic
  • MO magneto-optic
  • a probe capable of detecting an xyz three-component with high accuracy in an electric field or a magnetic field is desired.
  • a probe using a laser beam and an optical material has been developed. Yes.
  • the probe consists of an optical measuring instrument such as a laser light source and an EO / MO material.
  • the electric field / magnetic field is incident on these materials, and the refractive index of the material changes according to the electric field / magnetic field strength. Measured to the basic principle.
  • the light emitted from the laser light source propagates through the space and enters the EO / MO material, and the optical measuring device and the EO / MO material are all connected by an optical fiber, and the laser light is transmitted through the fiber.
  • the optical measuring device and the EO / MO material are all connected by an optical fiber, and the laser light is transmitted through the fiber.
  • Microfabrication of EO / MO material enables high spatial resolution measurement in a minute area, so such a probe can be used for performance evaluation, fault diagnosis, or electrical design of high-density electronic circuits and components. It is expected to show power.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-57324 is an example of an optical fiber type measurement system that optically detects electric field strength, magnetic field strength, and the like. This technique is intended to prevent the detection sensitivity from changing before and after the change in the ambient temperature and the magnitude of the stress in the polarization maintaining fiber.
  • Electromagnetic field probes that use laser light have advantages such as broadband, minimally invasiveness, and high spatial resolution, but have the problem that their sensitivity is greatly affected by changes in the polarization state.
  • a stress is applied to the fiber and bending or shaking occurs, the polarization state of light propagating in the fiber changes, and the signal level due to electric field detection or magnetic field detection varies greatly. There is a problem of doing.
  • a probe according to the present invention includes a polarization control unit that affects a polarization state of incident laser light, and an electro-optic material on which laser light output from the polarization control unit is incident via an optical fiber, or An electric field / magnetic field sensor unit including the magneto-optical material, and an analysis unit that generates a detection value of the electric field or magnetic field of the electric field / magnetic field sensor unit based on the laser light output from the electro-optical material or the magneto-optical material.
  • the electro-optic material or the magneto-optic material is fixed to the substrate.
  • the optical fiber is fixed in the tube.
  • the polarization control component is fixed in the housing.
  • the electric field / magnetic field sensor unit made of the fiber and the EO / MO material is fixed on, for example, a quartz substrate, and a fiber other than the sensor unit is used. Is fixed in an acrylic tube, for example.
  • a polarization adjustment component such as a polarization controller or an analyzer is incorporated in the housing so that the fiber connected to the component is not subjected to stress due to wind pressure or contact.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of an electric field / magnetic field probe device using a conventional laser beam and an optical material.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of the probe according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of the electric field / magnetic field sensor section in the probe of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of a probe according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of an electric field / magnetic field sensor section in the probe of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram of a probe according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of an electric field / magnetic field probe device using a conventional laser beam and an optical material.
  • the light emitted from the laser light source 1 passes through the core of the single mode fiber 2, is polarized by the polarization controller 3, passes through the optical circulator 4, and then travels to the EO / MO material 8. Since the refractive index of the EO / MO material changes in proportion to the external electric field / magnetic field, the light propagating in the material feels a change in the refractive index according to the external electric field / magnetic field and is subjected to polarization modulation. Thereafter, the light passes through the circulator and passes through the analyzer 5 to become intensity-modulated light.
  • an electrical signal is detected by the RF spectrum analyzer 7.
  • an electric signal proportional to the strength of the external electric field / magnetic field can be obtained.
  • the polarization state changes, and the signal detected by the RF spectrum analyzer 7 varies depending on the degree of disturbance. There was a problem.
  • FIG. 2 shows a first embodiment of the present invention, which is an embodiment for solving the above-mentioned problem.
  • FIG. 3 is an enlarged view of the electric field / magnetic field sensor unit 12 in FIG.
  • the EO / MO material 8 constituting the electric field / magnetic field sensor 12 and the single mode fiber 2 for guiding the light introduced thereto are attached and fixed.
  • a portion of the single mode fiber 2 other than the end where the electric field / magnetic field sensor 12 is disposed is disposed inside the tube 11 and fixed to the tube 11.
  • the substrate 14 is fixed to the tube 11 as follows. First, as a material of the tube 11, a material having a cylindrical cross section perpendicular to the longitudinal direction is prepared. This material has a predetermined thickness between the inner cylindrical surface facing the hollow interior where the single mode fiber 2 is disposed and the outer cylindrical surface. The diameter of the inner cylindrical surface is smaller than the width direction of the substrate. One end of such a material is cut out to form a semi-cylindrical shape. By cutting, a thick portion between the inner cylindrical surface and the outer cylindrical surface is exposed. The substrate 14 is fixed to the tube 11 by applying an adhesive to the thick portion and bringing the surface of the substrate 14 into close contact with the application surface. It is preferable that a part of the substrate 14 is inserted into the cylindrical surface inside the tube 11 because stability of the relative position between the substrate 14 and the tube 11 is improved.
  • polarization adjustment components such as the polarization controller 3 and the analyzer 5 are incorporated in the housing 10.
  • the polarization controller 3, the optical circulator 4, and the analyzer 5 are fixed to the casing.
  • the housing 10 and the tube 11 are fixed so as not to move relative to each other.
  • the tube 11 and the substrate 14 are also fixed so as not to move relative to each other.
  • Laser light is introduced into the polarization controller 3 from one terminal 13 via an optical fiber.
  • the output light of the polarization controller 3 is introduced into the single mode fiber 2 on the electric field / magnetic field sensor unit 12 side through the polarization maintaining fiber 9 and the optical circulator 4.
  • the light introduced into the single mode fiber 2 passes through the EO / MO material 8 and is reflected by the electric field / magnetic field sensor unit 12.
  • the reflected light is introduced into the single mode fiber 2.
  • the reflected light of the single mode fiber 2 is introduced in the direction of the analyzer 5 by the optical circulator 4.
  • the light that has passed through the analyzer 5 is output from the other terminal 13 toward the RF spectrum analyzer.
  • the RF spectrum analyzer connected to the terminal 13 functions as an analysis unit that generates a signal indicating the detected value of the electric field or magnetic field of the electric field / magnetic field sensor unit 12.
  • the housing 10, the tube 11, and the substrate 14 can suppress the stress that the fiber connected to each component receives due to wind pressure or contact.
  • the optical path on the emission side is folded back 180 degrees with respect to the optical path on the incident side by the optical circulator 4.
  • the polarization controller 3 that is the optical component on the incident side and the analyzer 5 that is the optical component on the output side with the electric field / magnetic field sensor 12 interposed therebetween are housed in the same casing. The stress property can be improved.
  • FIG. 4 shows a second embodiment of the present invention.
  • a probe capable of measuring three components of an electric field or a magnetic field that are orthogonal to each other. Fix on the substrate.
  • the plurality of single mode fibers 2 other than the electric field / magnetic field sensor unit 12 are housed and fixed in the same tube 11. Further, polarization adjusting parts such as three types of polarization controllers and analyzers are incorporated in the same housing 10 so that the fiber connected to the parts is not subjected to stress due to wind pressure or contact.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of the electric field / magnetic field sensor part in the probe of the second embodiment of the present invention.
  • the three single mode fibers 2 and the EO / MO material 8 formed at the tip thereof are both bonded and fixed on the substrate 14.
  • Three fibers with EO / MO materials formed at the tips are used to independently detect one of the three components of the electric field / magnetic field.
  • optical components for making optical paths in the three EO / MO materials perpendicular to each other are fixed to the substrate 14.
  • the first triangular prism 15 is disposed in the first fiber so that light enters the EO / MO material 8 in a direction perpendicular to the incident optical path.
  • a second triangular prism 15 is arranged in the second fiber so that light is incident on the EO / MO material 8 in a direction perpendicular to the incident optical path and also perpendicular to the outgoing light of the first triangular prism.
  • the third fiber is provided with a glass spacer 16 so that the optical path lengths of the prisms of the first and second fibers are equal.
  • Laser light is introduced into the three sets of polarization controllers 3 from the plurality of input terminals 13.
  • This laser light may be introduced from a plurality of laser light sources provided corresponding to each of the plurality of input terminals 13, or the laser light is selectively supplied to any of the plurality of input terminals 13. It may be introduced from a single laser light source attached via a changeover switch.
  • the light is output from the plurality of input terminals 13 via the first triangular prism 15, the second triangular prism 15, and the glass spacer 16, introduced into an RF spectrum analyzer, and analyzed, thereby generating an electric field or magnetic field. It can be detected by being decomposed into three components. Since three sets of optical components for measuring three components are supported by the same housing 10, tube 11 and substrate 14, it is possible to suppress stress due to wind pressure, contact, etc. with a small number of additional components. is there.
  • FIG. 6 shows a third embodiment of the present invention.
  • a probe capable of measuring three components orthogonal to each other of an electric field or a magnetic field, and fixing an electric field / magnetic field sensor composed of three single mode fibers 2 and an EO / MO material formed on the tip thereof on a substrate, Fibers other than the electric field / magnetic field sensor unit 12 are housed in the tube 11 and fixed.
  • polarization adjusting components such as three types of polarizers, polarization controllers, and analyzers are incorporated in the housing 10 so that fibers connected to the components are not subjected to stress due to wind pressure or contact.
  • signal polarization due to disturbance applied to the fiber is always linearly polarized after passing through the polarizer regardless of the polarization state of the light incident on the polarizer. Can be further suppressed.
  • the input side optical fiber in FIG. 4 is a polarization maintaining fiber 9
  • the casing 10 and the tube 11 are made of resin such as acrylic
  • the substrate 14 in FIG. 5 is made of quartz. Probe.
  • the casing 10 and the tube 11 and the tube 11 and the substrate 14 are connected using, for example, an epoxy resin adhesive.
  • a single crystal of a compound (BSO) made of bismuth, silicon, and oxygen is used as the EO material
  • a single crystal of bismuth-substituted yttrium iron garnet (Bi-YIG) is used as the MO material.
  • an immunity evaluation probe for an electronic circuit In order to know the malfunction mechanism of an electronic device, it is necessary to accurately detect the electric field / magnetic field distribution in the vicinity of the electronic circuit inside the device. By using the probe of the present invention, accurate three-component measurement of an electric field or magnetic field in the vicinity of an electronic circuit becomes possible, and knowledge for knowing the malfunctioning mechanism of the device can be obtained.

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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

電界/磁界プローブ
 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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