WO2013125502A1 - 微小径３軸電界センサ及びその製造方法 - Google Patents

微小径３軸電界センサ及びその製造方法 Download PDF

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field sensor
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義弘 今荘
博志 野口
直樹 三須
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スタック電子株式会社
東洋製罐グループホールディングス株式会社
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    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a micro-diameter three-axis electric field sensor, which has good reproducibility and enables stable production.
  • the direction of the electric field at which the electro-optic effect electric field sensor has the maximum sensitivity is determined by the crystal plane orientation of the electro-optic effect crystal, the crystal optical axis of the quartz plate used as the wavelength plate, and the direction of linearly polarized light incident from the optical fiber. It is possible to design whether to have maximum sensitivity in the traveling direction (z direction) of light incident on the electro-optic effect crystal or maximum sensitivity in two orthogonal directions (x direction, y direction) (see FIG. 11). .
  • the electric field is a vector quantity, if the components in the three axial directions of x, y, and z orthogonal to each other can be measured, the electric field strength at that point can be accurately known by vector synthesis. Moreover, the spatial resolution to measure is never small.
  • the electro-optic effect crystal used for detection belongs to a group III-V compound semiconductor such as GaAs, for example, has a crystal structure called a zinc blende structure, and has a cleavage property on six surfaces orthogonal to each other. Therefore, it is considered that a relatively beautiful surface can be provided to form a cube or a rectangular parallelepiped.
  • ZnTe zinc telluride
  • CdTe cadmium telluride
  • the electric field sensor chip can be assembled in the form shown in FIGS. 9 and 10, a triaxial electric field sensor in which bundled fibers are combined in one direction can be realized.
  • wave plates 3d, 3e, and 3f are optically bonded to three surfaces that are different in direction of the detection element 1 and are orthogonal to each other.
  • the prisms 2e and 2f are optically bonded to the two wave plates 3e and 3f so that the orthogonal surfaces are in the same direction.
  • the optical fiber collimators 4e, 4d, 4f are optically bonded to the orthogonal surfaces of the wave plate 3d and the prisms 2e, 2f.
  • Patent Document 1 discloses the structure of a small-diameter electric field sensor that detects an electric field in a unidirectional direction. Even if this description and FIG. 2 are referred to, the configuration of the optical sensor 5 is detected by the prism proposed in the present invention. The light incident structure from the side surface of the element is not seen, and it is unclear how much improvement has been made for miniaturization.
  • Patent Document 2 was previously published by the applicant of the present patent application and relates to a light modulation degree control circuit for detecting an electro-optic effect electromagnetic field by an optical heterodyne method. A small diameter triaxial electric field sensor is desired.
  • the micro-diameter three-axis electric field sensor includes a detection element, two prisms, a wave plate, three optical fiber collimators, and a holding jig.
  • the detection element is a hexahedron of an optical crystal having an electro-optic effect.
  • one of the orthogonal surfaces is optically bonded to an adjacent surface of the detection element.
  • One surface of the wave plate is optically bonded to an adjacent surface to which the prism of the detection element is bonded, and another orthogonal surface of the prism is optically bonded to the other surface of the wave plate.
  • the holding jig holding the fiber collimator is optically bonded to the surface.
  • an optical crystal having an electro-optic effect for example, a compound semiconductor crystal such as ZnTe crystal, CdTe, and GaAs, LiNiO 3 (lithium niobate), and an organic compound optical crystal called DAST can be employed.
  • a compound semiconductor crystal such as ZnTe crystal, CdTe, and GaAs, LiNiO 3 (lithium niobate), and an organic compound optical crystal called DAST can be employed.
  • the two prisms can be made of, for example, quartz glass, and are optically bonded to the detection element with an adhesive such as an ultraviolet curable resin.
  • the wave plate uses a birefringent crystal such as quartz to generate a phase difference.
  • the shape is, for example, a rectangular plate, and the detection element and the two prisms are optically bonded to one surface with an adhesive such as an ultraviolet curable resin.
  • the holding jig is made of, for example, glass, and is optically bonded to the surface of the wave plate opposite to the surface to which the detection element or the like is bonded while holding the three optical fiber collimators.
  • the detection element may be one obtained by cutting out a specified plane orientation with respect to a specific orientation of a ZnTe crystal called a crystal face and mirror-polishing six faces. In this way, the detection element can be easily manufactured, and a high quality element can be provided.
  • the optical fiber collimator preferably has a GRIN lens fused to the tip of the polarization maintaining fiber.
  • the polarization maintaining fiber is also called a birefringent fiber, and is designed to intentionally have a large birefringence so that random fluctuations of the birefringence do not significantly change the polarization of light.
  • Bowtie fibers, elliptical jacket fibers, and the like can be used.
  • a GRIN lens Gramded Index lens
  • the holding jig is made of glass and has insertion holes for inserting the three optical fiber collimators in parallel and separately, and the polarization maintaining fiber is aligned with the polarization direction with an optical adhesive. It may be fitted via. If it carries out like this, relative positioning of each polarization-maintaining fiber is easy, and the attachment with respect to a wavelength plate can also be performed easily.
  • the length of each side of the detection element may be 0.5 to 1.5 mm. In this way, the detection element is sufficiently small and the electric field can be easily measured.
  • the area and shape of one surface of the wave plate may be equal to the sum and shape of the bonding areas of the detection element and the two prisms bonded to the one surface. In this way, the sensor can be made sufficiently small and the optical action is good.
  • One prism of the two prisms is a small prism whose orthogonal side length is equal to the length of one side of the detection element, and the other prism has a length of the orthogonal side of the one prism. It may be a large prism that is twice the length of the orthogonal side.
  • the detection element and one prism can be aligned and bonded to the orthogonal plane of the other prism, and light emitted from one of the three optical fiber collimators can pass through the prism without passing through the prism.
  • the light emitted from the other one from the adjacent surface is reflected by the other prism, and the light emitted from the remaining one from the surface adjacent to the adjacent surface of the detection element is reflected by one prism and detected.
  • the light can enter the adjacent surface of the element from the adjacent surface, and accurate measurement can be performed by maintaining the detection element, the wave plate, the two prisms, and the polarization maintaining fiber in a predetermined positional relationship.
  • the portion other than the surface to which the holding jig of the wave plate is bonded Apply a reflective coating to Masking must be performed on the surface not provided with the reflective coating.
  • the detection element and the two prisms are optically bonded to the one surface of the wave plate, masking may be performed only on the opposite surface of the wave plate to which the detection element or the like is bonded. Will be very easy.
  • the reflective coating may be performed after bonding the detection element, the two prisms, and the holding jig to the wave plate.
  • the predetermined positional relationship can be easily formed an electric field sensor maintaining enough can cope with a fine measurement.
  • the detection element can be easily manufactured, and a high quality element can be provided.
  • each polarization maintaining fiber is easy, and attachment to the wave plate is also easy.
  • the detection element is sufficiently small, and the measurement of the electric field is facilitated.
  • the senor can be made sufficiently small and the optical action is also good.
  • the detection element and the one prism can be aligned and bonded to the orthogonal plane of the other prism, and the detection element, the wave plate, the two prisms, and the polarization maintaining fiber are kept in a predetermined positional relationship. This enables accurate measurement.
  • the masking operation of the portion where no coating is applied becomes very simple.
  • FIG. 10 is a perspective view of the sensor in FIG. 9 during assembly. It is explanatory drawing of the detection axis (direction) of the electric field with respect to a detection element.
  • 1 is a detection element
  • 2a is one prism
  • 2b is the other prism
  • 3 is a wave plate
  • 4a, 4b, 4c are optical fiber collimators
  • 5 is a holding jig.
  • the detection element 1 is a hexahedron of zinc telluride (ZnTe) crystal.
  • Detection element 1 is a cube, cutting out the specified plane orientation for a specific orientation of the ZnTe crystal, called crystal plane, creating the six surfaces is mirror polished.
  • the other prism 2b is composed of two orthogonal surfaces 2b1 and 2b2 that are orthogonal to each other, a reflecting surface 21b that is an inclined surface, and two side surfaces that form a triangle, and the orthogonal surfaces 2b1 and 2b2 and the reflecting surface 21b each have an angle of 45 °. It has become.
  • One prism 2a has a shape obtained by dividing the other prism 2b into two in the longitudinal direction.
  • the orthogonal surfaces 2b1 and 2b2 are each 2 mm ⁇ 1 mm
  • the reflecting surface 21b is 2 mm ⁇ about 1.4 mm.
  • the length of the orthogonal side L2 formed by intersecting the orthogonal surfaces 2b1 and 2b2 is 2 mm.
  • one surface 3a of the wave plate 3 is a square with one side of 2 mm, and the detection element 1 and the two prisms 2a and 2b are optically bonded. Therefore, the area and shape of one surface 3a of the wave plate 3 are equal to the sum and shape of the bonding areas of the detection element 1 and the two prisms 2a and 2b bonded to the one surface.
  • the light propagating in the different optical fiber collimators 4a, 4b, 4c is appropriately polarized by the wave plate 3, and one of the lights 4c is incident on the adjacent surface 1c of the detection element 1 as it is, One piece 4b enters the adjacent surface 1b of the detection element 1 through the other prism 2b, and the remaining one piece 4a enters the adjacent surface 1a of the detection element 1 through one prism 2a. That is, since the light propagating through the different optical fiber collimators 4a, 4b, and 4c has different directions and is incident on three orthogonal surfaces, it is possible to simultaneously measure three-axis electric fields.
  • the detection element 1 is cut out in a specified plane orientation with respect to a specific orientation of a ZnTe crystal called a crystal plane, and six surfaces are mirror-polished. In this case, the detection element 1 can be easily manufactured and a high-quality one can be provided.
  • the optical fiber collimator is obtained by peeling off the outer coating 44 and the inner coating 43 at the tip of the polarization maintaining fiber 41 and fusing the GRIN lens 42 to the fiber end surface.
  • the outer diameter of the fiber and GRIN lens is 125 ⁇ m.
  • a cylindrical glass capillary 52 is attached and fixed to the portion where the coating of the polarization maintaining fiber 41 is removed for reinforcement.
  • a square glass capillary 51 is mounted thereon and fixed with an adhesive 6.
  • the glass capillary 51 is a component of the holder 5, has a square cross section with one side of 0.5 to 1.5 mm, and has an insertion hole with a diameter of 360 ⁇ m in the longitudinal direction.
  • the holding jig 5 has four holes. Of these, only three optical fiber collimators 4a, 4b, and 4c are inserted, so three insertion holes for the holding jig are formed. It only has to be. Three optical fiber collimators 4a, 4b, and 4c are respectively fixed to the three insertion holes 5a, 5b, and 5c of the holding jig 5 by optical bonding with their polarization directions aligned in advance. As shown in FIGS. 5 and 6, the holding jig 5 is optically bonded to the other surface 3 b of the wave plate 3.
  • the relative positioning of the optical fiber collimators 4a, 4b, and 4c is easy, and the optical fiber collimators 4a, 4b, and 4c can be easily attached to the wave plate 3, and the detection element 1, the two prisms 2a and 2b, the wave plate 3, and the optical fiber collimator.
  • 4a, 4b, 4c can be configured in a predetermined positional relationship, and accurate measurement is possible.
  • the length of each side of the detection element 1 is 0.5 to 1.5 mm. In this case, the detection element 1 can be made small, and the electric field can be easily measured.
  • the area and shape of one surface 3a of the wave plate 3 are equal to the sum and shape of the bonding area of the detection element 1 bonded to the one surface 3a and the two prisms 2a and 2b. In this case, the sensor can be made small and the optical action is also good.
  • one prism 2a is a small prism whose orthogonal side length L1 is equal to the length L1 of one side of the detection element 1, and the other prism 2b is the length L2 of the orthogonal side.
  • the detection element 1 and the small prism 2b can be aligned and bonded to the orthogonal surface 2b1 of the other prism 2b. In this way, the light guided to the optical fiber collimator 4c is reflected as it is from the adjacent surface 1c of the detection element 1 and the light guided to the optical fiber collimator 4b is reflected by the other prism 2b.
  • the optical fiber collimator 4a is reflected from one of the prisms 2a from the adjacent surface 1b and enters the detecting device 1 from the adjacent surface 1a of the detecting device 1, so that the detecting device, the wave plate, the two prisms, the light
  • the fiber collimator can be configured in a predetermined positional relationship, and accurate measurement is possible.
  • a reflective coating C is applied to the surface in contact with the space of the detection element 1 and the reflective surfaces 21a and 21b of the two prisms 2a and 2b. As shown in FIG. 3, after the detection element 1 and the two prisms 2a and 2b are bonded to one surface 3a of the wave plate 3, a reflective coating C can be applied. In this case, by applying the reflective coating C, a large amount of light returns from the detection element 1 to the optical fiber collimator, and measurement can be performed accurately and stably.
  • a reflective coating C is applied to a portion other than the other surface 3b to which the holding jig 5 of the wave plate 3 is bonded.
  • the reflection coating C may be applied to the surface in contact with the space of the detection element 1 and the reflection surfaces 21a and 21b of the two prisms, but all the portions other than the portion to which the holding jig 5 of the wave plate 3 is bonded. It may be coated on the part. Therefore, it is sufficient to perform masking only on the other surface 3b to which the holding jig 5 of the wave plate 3 is bonded, and the masking operation becomes extremely easy.
  • the reflective coating can be applied after the assembly of the tip of the sensor is completed. In this case, coating can be performed with little masking.

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Abstract

本発明は微小径３軸電界センサに関し、再現性がよく、安定して生産を行えるようにしたものである。検出素子（１）、２個のプリズム（２ａ）（２ｂ）、波長板（３）、３本の光ファイバコリメータ（４ａ）（４ｂ）（４ｃ）及び保持治具（５）を包含し、該検出素子（１）は電気光学効果結晶の６面体で、該２個のプリズム（２ａ）（２ｂ）の各々は、それぞれの直交面のうちの１面が該検出素子（１）の隣り合う面に光学接着され、該波長板（３）の一面には、該検出素子（１）の該プリズム（２ａ）（２ｂ）が接着された隣り合う面と隣り合う面が光学接着されていると共に、該プリズム（２ａ）（２ｂ）の他の直交面が光学接着され、該波長板（３）の他面には、該光ファイバコリメータ（４ａ）（４ｂ）（４ｃ）を保持した該保持治具（５）が光学接着されていることを特徴とする微小径３軸電界センサ。

Description

微小径３軸電界センサ及びその製造方法
　本発明は微小径３軸電界センサに関し、再現性がよく、安定して生産を行えるようにしたものである。
　電気光学効果電界センサーが最大感度を持つ電界の方向は、電気光学効果結晶の結晶面方位と、波長板として用いる水晶板の結晶光学軸、さらに光ファイバから入射する直線偏光の方向によって決まるので、電気光学効果結晶に入射する光の進行方向（z方向）に最大感度を有するか、直交する２方向（ｘ方向、y方向）に最大感度を有するかを設計することができる（図１１参照）。
　これを用いると、１つの結晶チップでｘ、ｙ、ｚの３方向の電界強度を計測することができる。電界は、ベクトル量であるので互いに直交するｘ、ｙ、ｚの３つの軸方向の成分を計測することが出来れば、ベクトル合成によってその点の電界強度を正確に知ることができる。また、計測する空間分解能は小さいことに越したことはない。
　検出に用いる電気光学効果結晶は、例えばGaAsなどIII-V族化合物半導体に属するものは、閃亜鉛鉱構造と呼ばれる結晶構造を有しているものであり、互いに直交する６面にへき開性を有しており、比較的綺麗な面を出して立方体、若しくは直方体の形状にすることができると考えられる。ZnTe(テルル化亜鉛),CdTe（テルル化カドミウム）などII-VI族化合物半導体でも同様である。
　図９，１０に示すような形態で電界センサチップを組み立てることができれば、束ねたファイバが１方向にまとめられた３軸電界センサが実現できる。この微小径３軸電界センサは、検出素子１の方向が異なり直交する３つの面に波長板３ｄ，３ｅ，３ｆを光学接着している。このうちの２つの波長板３ｅ，３ｆにプリズム２ｅ，２ｆを直交面が同じ向きになるように光学接着する。そして、波長板３ｄ及びプリズム２ｅ，２ｆの直交面に光ファイバコリメータ４ｅ，４ｄ，４ｆが光学接着される。光ファイバコリメータ４ｄ内を伝播してきた光は、波長板３ｄを経て検出素子１の上面に入射する。光ファイバコリメータ４ｅ内を伝播してきた光は、プリズム２ｅ及び波長板３ｅを経て検出素子１の側面に入射する。光ファイバコリメータ４ｆ内を伝播してきた光は、プリズム２ｆ及び波長板３ｆを経て検出素子１の側面に入射する。すなわち、各別の光ファイバコリメータ４ｄ，４ｅ，４ｆ内を伝播してきた光はそれぞれ方向が異なり、直交する３つの面に入射するので、３軸の電界を同時に計測することが可能となる。
ただし、この場合の微小径３軸電界センサは部品点数が多く接着個所も多いので、製作が非常に困難である。
特開２００７－５７３２４号公報 特開２０１１－２３８８６３号公報
　この特許文献１に記載された発明には、段落００２２に次の記載がみられる。
　光学センサー５は、偏波保持ファイバー４を所定位置に案内するフェルール５１と、フェルール５１に案内された偏波保持ファイバー４から出射する光を平行光に整形するコリメータレンズ５２と、コリメータレンズ５２を通過した光を旋光させるファラデー回転子５３と、被測定電界により光の偏光状態を変化させる電気光学結晶であって、ファラデー回転子５３を出射した光を入射させ、反対側の誘電体反射膜５４１で反射させ、ファラデー回転子５３へ出射させる電気光学結晶５４を備える。電気光学結晶５４は、旋光性を有しないものであり、そのファラデー回転子５３側には誘電体反射膜５４２が形成されている。
　特許文献１は、単方向の電界を検出する微小径電界センサーの構造を開示したものであり、この記載や、図２を参照しても、光学センサー５の構成に本件発明提案のプリズムによる検出素子側面からの光入射構造は見られず、小型化にどの程度の工夫がなされているのか詳細は不明である。
　特許文献２は本件出願人が先に特許出願をして公開されたもので、光ヘテロダイン法による電気光学効果電磁界検出用の光変調度制御回路に関するものであるが、この回路に適用できる微小径３軸電界センサが望まれている。
　本発明に係る微小径３軸電界センサは、検出素子、２個のプリズム、波長板、３本の光ファイバコリメータ及び保持治具を包含している。該検出素子は電気光学効果を有する光学結晶の６面体である。該２個のプリズムの各々は、それぞれの直交面のうちの１面が該検出素子の隣り合う面に光学接着されている。該波長板の一面には、該検出素子の該プリズムが接着された隣り合う面と隣り合う面が光学接着されていると共に、該プリズムの他の直交面が光学接着され、該波長板の他面には、該ファイバコリメータを保持した該保持治具が光学接着されている。
　電気光学効果を有する光学結晶としては、例えばZnTe結晶、CdTe,GaAsなどの化合物半導体結晶、LiNi03(ニオブ酸リチウム)、その他、DASTと呼ばれる有機化合物光学結晶などが採用できる。
　該２個のプリズムは、例えば石英ガラス製とすることができ、該検出素子に、例えば紫外線硬化樹脂などの接着剤で光学接着される。該波長板は水晶のような複屈折結晶を利用して位相差を生じさせるものである。形状は例えば方形の板とし、その一面に該検出素子と該２個のプリズムが、例えば紫外線硬化樹脂などの接着剤で光学接着される。
　該保持治具は例えばガラス製とし、３本の該光ファイバコリメータを保持した状態で該波長板の、該検出素子等が接着されている面の反対面に光学接着される。
　３本の該光ファイバコリメータ内を伝播してきた光は、それぞれ該波長板を透過し、該検出素子内に入射するが、各別の光が異なる方向の直交する３つの面から入射し、対向面で反射して光ファイバコリメータに戻るので、直交する３軸における電界強度を計測することができる。すなわち、各別の該光ファイバコリメータを伝播してきた光は該波長板を透過し、そのうちの１本は該検出素子の隣り合う一面（波長板が接着されている面）に直接入射し、残る２本はプリズムで屈折して検出素子の直交するそれぞれの隣り合う面に入射する。
　３本の光ファイバコリメータは並列し、束ねることができるので、センサ自体が大変小型になる。
　該検出素子は結晶面と呼ばれるZnTe結晶の特定の方位に対して指定の面方位で切り出し、６面を鏡面研磨したものであってもよい。
　こうすると、検出素子の製作が容易で、高品質のものを提供できる。
　該光ファイバコリメータは、偏波保持ファイバの先端部にＧＲＩＮレンズを融着したものが好ましい。該偏波保持ファイバは、複屈折ファイバとも呼ばれ、複屈折のランダムな揺らぎが光の偏光を大きく変えないように、意図的に大きな複屈折を持つように設計されたものであり、ＰＡＮＤＡファイバ、ボウタイファイバ、楕円ジャケットファイバなどを用いることができる。
　ＧＲＩＮレンズ（Graded Indexレンズ）は、中心から半径方向にかけて屈折率分布を有することでレンズとして作用する光学素子であり、屈折率分布は二乗分布又は二乗分布に近い分布が望ましい。
該保持治具はガラス製で３本の該光ファイバコリメータを平行にかつ各別に挿入する挿入孔を備えており、該偏波保存ファイバは偏波方向を合わせて該挿入孔に光学的接着材を介して嵌着されていてもよい。
　こうすると、各偏波保持ファイバの相対的な位置決めが容易で、波長板に対する取り付けも容易にできる。
　該検出素子の各辺の長さは０．５～１．５ｍｍであってもよい。
　こうすると、検出素子が十分に小さく、電界の測定が容易となる。
　該波長板の一面の面積と形状は、該一面に接着される該検出素子と該２個のプリズムの接着面積の総和と形状に等しくなっていてもよい。
　こうすると、センサを十分小さくでき、光学的な作用も良好である。
　該２個のプリズムの一方のプリズムは、その直交辺の長さが該検出素子の１辺の長さに等しい小プリズムで、他方のプリズムは、その直交辺の長さが該一方のプリズムの直交辺の長さの２倍の大プリズムであってもよい。
　こうすることで、他方のプリズムの直交面に検出素子と一方のプリズムを並べて接着することができ、３本の光ファイバコリメータのうちの１本から出射した光はプリズムを通ることなく検出素子の隣り合う面から、他の１本から出射した光は他方のプリズムで反射されて検出素子の該隣り合う面に隣り合う面から、残る１本から出射した光は一方のプリズムで反射されて検出素子の該隣り合う面に隣り合う面から入射することができ、検出素子、波長板、２個のプリズム及び偏波保持ファイバを所定の位置関係に保つことで正確な計測が可能となる。
　該検出素子の空間に接する面及び該２個のプリズムの各反射面に反射コーティングが施されていてもよい。
　こうすると、反射コーティングを施すことで、検出素子から多くの光が光ファイバコリメータに戻り、計測を正確に、かつ、安定して行うことができる。
　本発明に係る微小径３軸電界センサの製造方法は、波長板の一面に、検出素子及び２個のプリズムを光学接着した後、該波長板の該保持治具が接着される面以外の部分に反射コーティングを施す。
　反射コーティングを施さない面にはマスキングをしなければならないが、微小な光学部品の場合、マスキング作業が非常に困難でコストアップになってしまう。該波長板の該一面に該検出素子及び該２個のプリズムを光学接着した後であれば、マスキングは該波長板の該検出素子等が接着されている面の反対面のみでよいので、作業が非常に簡単になる。
　また、反射コーティングは、該波長板に該検出素子、該２個のプリズム及び該保持治具の全てを接着した後に行ってもよい。
（請求項１）本発明の微小径３軸電界センサによれば、所定の位置関係を保った電界センサを容易に形成でき、微細な計測にも十分対応できる。
　請求項２によれば、検出素子の製作が容易で、高品質のものを提供できる。
　請求項３によれば、各偏波保持ファイバの相対的な位置決めが容易で、波長板に対する取付も容易にできる。
　請求項４によれば、検出素子が十分に小さく、電界の測定も容易となる。
　請求項５によれば、センサを十分小さくでき、光学的な作用も良好である。
　請求項６によれば、他方のプリズムの直交面に検出素子と一方のプリズムを並べて接着することができ、検出素子、波長板、２個のプリズム及び偏波保持ファイバを所定の位置関係に保つことで正確な測定が可能となる。
　請求項７によれば、反射コーティングを施すことで、検出素子から多くの光が光ファイバコリメータに戻り、計測を正確に、かつ、安定して行うことができる。
　請求項８の本発明の微小径３軸電界センサの製造方法によれば、コーティングを施さない部分のマスキング作業が非常に簡単になる。
本発明にかかる微小径３軸電界センサの具体例を分解した状態で示す斜面図である。 検出素子、２個のプリズムを光学接着した状態の斜面図である。 検出素子、２個のプリズム及び波長板を光学接着した状態の斜視図である。 光ファイバコリメータを保持した保持治具の斜視図である。 微小径３軸電界センサ具体例の一部切欠側面図である。 微小径３軸電界センサ具体例の先端部斜視図である。 光ファイバコリメータの側面図である。 光ファイバコリメータにガラスキャピラリを装着した状態の一部切欠側面図である。 比較例の微小径３軸電界センサの別の具体例を分解した状態で示す斜視図である。 図９のセンサの組み立て途上の斜視図である。 検出素子に対する電界の検出軸（方向）の説明図である。
　図１～６で、１は検出素子、２ａは一方のプリズム、２ｂは他方のプリズム、３は波長板、４a、４b、４cは光ファイバコリメータ、５は保持治具である。検出素子１はテルル化亜鉛(ZnTe)の結晶の６面体である。
　検出素子１は立方体で、結晶面と呼ばれるZnTe結晶の特定の方位に対して指定の面方位で切り出し、６面を鏡面研磨して作成した。
　他方のプリズム２ｂは、互いに直交する２つの直交面２ｂ１，２ｂ２と、斜面である反射面２１ｂ及び三角形をなす２つの側面によって構成され、直交面２ｂ１，２ｂ２と反射面２１ｂはそれぞれ４５°の角度になっている。一方のプリズム２ａは他方のプリズム２ｂを長手方向で２分した形状となっており、検出素子１の一辺が１ｍｍの場合、直交面２ｂ１，２ｂ２は各２ｍｍ×１ｍｍ、反射面２１ｂは２ｍｍ×約１．４ｍｍである。直交面２ｂ１と２ｂ２が交差して形成される直交辺Ｌ２の長さは２ｍｍである。
　前記と同様に検出素子の一辺が１ｍｍの場合、波長板３の一面３ａは１辺が２ｍｍの正方形で、検出素子１と２個のプリズム２ａ，２ｂが光学接着される。したがって、波長板３の一面３ａの面積と形状は、該一面に接着される検出素子１と２個のプリズム２ａ，２ｂの接着面積の総和と形状に等しくなっている。
　各別の光ファイバコリメータ４ａ，４ｂ，４ｃ内を伝播してきた光は、波長板３で適宜偏光され、そのうちの１本４ｃの光はそのまま検出素子１の隣り合う面１ｃに入射し、他の１本４ｂは他方のプリズム２ｂを経て検出素子１の隣り合う面１ｂに入射し、残りの１本４ａは一方のプリズム２ａを経て検出素子１の隣り合う面１ａに入射する。
　すなわち、各別の光ファイバコリメータ４ａ，４ｂ，４ｃ内を伝播してきた光はそれぞれ方向が異なり、直交する３つの面に入射するので、３軸の電界を同時に計測することが可能となる。
　検出素子１は結晶面と呼ばれるZnTe結晶の特定の方位に対して指定の面方位で切り出し、６面を鏡面研磨したものとなっている。
　この場合、検出素子１の製作が容易で、高品質のものを提供できる。
　光ファイバコリメータは、図７に示すように、偏波保持ファイバ４１の先端部の外被覆４４、内被覆４３を剥がし、ファイバ端面にＧＲＩＮレンズ４２を融着したものである。ファイバ及びＧＲＩＮレンズの外径は１２５μｍである。
　図８に示すように、偏波保持ファイバ４１の被覆を剥がした部分には、補強のため円筒状のガラスキャピラリ５２を装着固定している。さらに、その上に角形のガラスキャピラリ５１を装着し、接着剤６で固定する。ガラスキャピラリ５１は、後述するように、保持具５の構成要素であり、１辺が０．５～１．５ｍｍの正方形断面を有し、長手方向に直径３６０μｍの挿入孔が形成されている。
　次に図４に示すように、４本のガラスキャピラリ５１を纏めて接着し、保持治具５を形成している。保持治具５には４つの孔が形成されているが、このうち、光ファイバコリメータ４ａ，４ｂ，４ｃが挿入されるのは３個であるから、保持治具の挿入孔は３個形成されていればよい。保持治具５の３個の挿入孔５ａ，５ｂ，５ｃに３本の光ファイバコリメータ４ａ，４ｂ，４ｃが各別に、あらかじめ偏波方向を合わせて、光学接着により固定される。そして、図５，６に示すように、保持治具５は波長板３の他面３ｂに光学接着される。
　この場合、各光ファイバコリメータ４ａ，４ｂ，４ｃの相対的な位置決めが容易で、波長板３に対する取付けも容易にでき、検出素子１、２個のプリズム２a，２b、波長板３、光ファイバコリメータ４ａ，４ｂ，４ｃを所定の位置関係に保って構成でき、正確な測定が可能となる。
　検出素子１の各辺の長さは０．５～１．５mmとなっている。
　この場合、検出素子１を小さくでき、電界の測定も容易となる。
　波長板３の一面３aの面積と形状は、この一面３aに接着される検出素子１と、２個のプリズム２a，２ｂの接着面積の総和と形状に等しくなっている。
　この場合、センサを小さくでき、光学的な作用も良好である。
　２個のプリズムのうち、一方のプリズム２ａは、その直交辺の長さＬ１が検出素子１の１辺の長さＬ１に等しい小プリズムで、他方のプリズム２ｂは、その直交辺の長さＬ２が一方のプリズム２ａの直交辺の長さＬ１の２倍の大プリズムとなっている。
　この場合、他方のプリズム２ｂの直交面２ｂ１に検出素子１と小プリズム２ｂを並べて接着することができる。このようにすることで、光ファイバコリメータ４ｃに導かれた光はそのまま検出素子１の隣り合う面１ｃから、光ファイバコリメータ４ｂに導かれた光は他方のプリズム２ｂで反射され、検出素子１の隣り合う面１ｂから、また光ファイバコリメータ４ａは一方のプリズム２ａで反射され、検出素子１の隣り合う面１ａから検出素子１に入射することなり、検出素子、波長板、２個のプリズム、光ファイバコリメータを所定の位置関係に保って構成でき、正確な測定が可能となる。
　検出素子１の空間に接する面及び２個のプリズム２ａ、２ｂの各反射面２１ａ、２１ｂに反射コーティングＣが施されている。図３に示すように、波長板３の一面３ａに、検出素子１及び２個のプリズム２ａ，２ｂを接着した後、反射コーティングＣを施すことができる。
　この場合、反射コーティングＣを施すことで、検出素子１から多くの光が光ファイバコリメータに戻り、計測を正確に、かつ、安定して行うことができる。
　波長板３の一面３ａに、検出素子１及び２個のプリズム２ａ，２ｂを光学接着した後、波長板３の保持治具５が接着される他面３ｂ以外の部分に反射コーティングＣが施されている。反射コーティングＣは、検出素子１の空間に接する面、及び２個のプリズムの反射面２１ａ，２１ｂに施せばよいのであるが、波長板３の保持治具５が接着される部分以外の全ての部分にコーティングされても差し支えない。
　したがって、マスキングは波長板３の保持治具５が接着される他面３ｂのみに行えばよく、マスキング作業がきわめて容易になる。
　また、図６に示すように、センサの先端部の組み立てが終了した後に反射コーティングを行うこともできる。この場合、マスキングをほとんど行うことなくコーティングすることも可能となる。
　１　　　検出素子
　２ａ　　一方のプリズム
　２１ａ　反射面
　２ａ１　直交面
　２ａ２　直交面
　２ｂ　　他方のプリズム
　２１ｂ　反射面
　２ｂ１　直交面
　２ｂ２　直交面
　２ｅ　　プリズム
　２ｆ　　プリズム
　３　　　波長板
　３ｄ　　波長板
　３ｅ　　波長板
　３ｆ　　波長板
　４　　　光ファイバコリメータ
　４ａ　　光ファイバコリメータ
　４ｂ　　光ファイバコリメータ
　４ｃ　　光ファイバコリメータ
　４ｄ　　光ファイバコリメータ
　４ｅ　　光ファイバコリメータ
　４ｆ　　光ファイバコリメータ
　４１　　偏波保持ファイバ
　４２　　ＧＲＩＮレンズ
　４３　　内被覆
　４４　　外被覆
　５　　　保持治具
　５１　　ガラスキャピラリ
　５２　　ガラスキャピラリ
　６　　　接着剤
　７　　　直線偏光
　

 

Claims (8)

  1. 　検出素子、２個のプリズム、波長板、３本の光ファイバコリメータ及び保持治具を包含し、
    　該検出素子は電気光学効果結晶の６面体で、
    　該２個のプリズムの各々は、それぞれの直交面のうちの１面が該検出素子の隣り合う面に光学接着され、
    　該波長板の一面には、該検出素子の該プリズムが接着された隣り合う面と隣り合う面が光学接着されていると共に、該プリズムの他の直交面が光学接着され、
    該波長板の他面には、該光ファイバコリメータを保持した該保持治具が光学接着されている
    ことを特徴とする微小径３軸電界センサ。
  2. 　該検出素子は結晶面と呼ばれるZnTe結晶の特定の方位に対して指定の面方位で切り出し、６面を鏡面研磨したものである請求項１に記載の微小径３軸電界センサ。
  3. 　該光ファイバコリメータは偏波保持ファイバの先端部にＧＲＩＮレンズを融着したもので、
    　該保持治具はガラス製で３本の該光ファイバコリメータを平行にかつ各別に挿入する挿入孔を備えており、該偏波保持ファイバは偏波方向を合わせて該挿入孔に光学的接着材を介して嵌着されている請求項１又は２に記載の微小径３軸電界センサ。
  4. 　該検出素子の各辺の長さは約０．５～１．５mmである請求項１～３のいずれか一つの項に記載の微小径３軸電界センサ。
  5. 　該波長板の該一面の面積と形状は、該一面に接着される該検出素子と該２個のプリズムの接着面積の総和と形状に等しくなっている請求項１～４のいずれか一つの項に記載の微小径３軸電界センサ。
  6. 　該２個のプリズムの一方のプリズムは、その直交辺の長さが該検出素子の１辺の長さに等しい小プリズムで、他方のプリズムは、その直交辺の長さが該一方のプリズムの直交辺の長さの２倍の大プリズムである請求項１～５のいずれか一つの項に記載の微小径３軸電界センサ。
  7. 　該検出素子の空間に接する面、及び該２個のプリズムの反射面に反射コーティングが施されている請求項１～６のいずれか一つの項に記載の微小径３軸電界センサ。
  8. 　該波長板の一面に、該検出素子及び該２個のプリズムを光学接着した後、該波長板の該保持治具が接着される面以外の部分に反射コーティングを施すことを特徴とする請求項７に記載の微小径３軸電界センサの製造方法。
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