WO2021019839A1 - 干渉型光磁界センサ装置 - Google Patents

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WO2021019839A1
WO2021019839A1 PCT/JP2020/014925 JP2020014925W WO2021019839A1 WO 2021019839 A1 WO2021019839 A1 WO 2021019839A1 JP 2020014925 W JP2020014925 W JP 2020014925W WO 2021019839 A1 WO2021019839 A1 WO 2021019839A1
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linearly polarized
polarized light
magnetic field
light
field sensor
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PCT/JP2020/014925
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光教 宮本
久保　利哉
敏郎 佐藤
誠 曽根原
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シチズンファインデバイス株式会社
シチズン時計株式会社
国立大学法人信州大学
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    • G01R33/0029—Treating the measured signals, e.g. removing offset or noise

Definitions

  • the present disclosure relates to an interference type magnetic field sensor device.
  • Interference that uses a probe-type sensor with a Faraday rotator at the tip of the optical fiber as a magnetic field sensor element and photoelectrically converts the light transmitted through the magnetic field sensor element to generate a detection signal according to the magnetic field applied to the Faraday rotator.
  • a type magnetic field sensor device is known (for example, "ring interference type magnetic field sensor using garnet single crystal” (Hitoshi Tamura et al., Journal of the Magnetics Society of Japan Vol. 34, No. 4, 2010). reference).
  • TbY rare earth iron garnet crystal
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-266784 describes in-phase noise detection in which a plurality of near magnetic field probe portions including a loop coil and a transmission line are symmetrically arranged with respect to the center line of the cable to be measured so that the influence of external noise can be eliminated. The probe is described.
  • two magnetic sensors are arranged at symmetrical positions across a current path to be detected so that the current can be measured by the other magnetic sensor even if one magnetic sensor fails. A current sensor is described.
  • the amount of detected magnetic field varies depending on the distance between the magnetic field sensor element and the conductor to be measured. Even if the magnetic field sensor element is fixed to the conductor to be measured, such a sensor device can measure only one point on the side of the conductor to be measured, so that the magnetic field generated around the conductor to be measured can be accurately measured. Not necessarily. If the conductor to be measured is surrounded by a magnetic yoke, the magnetic field around the entire circumference can be measured, but if the magnetic yoke is composed of a ferrite-based magnetic material, about 1 MHz is the upper limit of the measurable frequency, and the frequency is higher than that. There is a problem that the current cannot be measured.
  • An object of the present disclosure is to provide an interference type magnetometer device capable of measuring a high frequency current without the measured value depending on the distance from the conductor to be measured.
  • a light emitting unit that emits first linearly polarized light, first linearly polarized light and second linearly polarized light are emitted according to the incident first linearly polarized light, and the incident third linearly polarized light and fourth linearly polarized light are emitted. It can be arranged in a predetermined magnetic field with the first optical element that emits the second linearly polarized light and the conductor to be measured sandwiched between them, has light transmission, and changes the phase of the transmitted light according to the magnetic field. At least one pair of magnetic field sensor elements whose relative positions are fixed, the first optical path that propagates the first linear polarization and the fourth linear polarization, and the second that propagates the second linear polarization and the third linear polarization.
  • It has two optical paths, and outputs a detection signal according to the magnetic field by receiving the two components of the optical path portion connected to the first optical element and the magnetic field sensor element and the second linearly polarized light and converting it into an electric signal. It has a detection signal generation unit and an optical branching unit that transmits the first linearly polarized light to the first optical element and branches the second linearly polarized light to the detection signal generation unit, and one of the magnetic field sensor elements is the first.
  • the first linear polarization is incident and the first return light is emitted
  • the second return light is incident and the fourth linear polarization is emitted
  • the other of the magnetic field sensor elements is incident with the first return light and emits the third linear polarization.
  • an interference type optical magnetic field sensor device characterized in that the second linear polarization is incident and the second return light is emitted.
  • the optical path portion is arranged in the second optical path, and a second optical element that adjusts the phases of the second linear polarization and the third linear polarization so that the phase difference between the third linear polarization and the fourth linear polarization becomes 90 degrees is provided. It is preferable to have more.
  • the first optical element is a 1/2 wave plate arranged so that the polarization plane azimuth angle of the first linearly polarized light is 22.5 degrees, and the detection signal generating portion is a second incident from the optical branching portion. It is preferable that the two linearly polarized light is separated into S-polarized light and P-polarized light and received.
  • the first optical element is a coupler that separates the first linearly polarized light into the first linearly polarized light and the second linearly polarized light and emits the light, and separates the second linearly polarized light into two components and emits the light. It is preferable that one of the two components is incident from the first optical element and the other of the two components is incident from the optical branching portion.
  • the light emitting unit, the optical branching unit, the first optical element, the optical path unit, the magnetic field sensor element, and the detection signal generating unit are connected to each other by a polarization holding fiber.
  • the measured value does not depend on the distance to the conductor to be measured, and a high-frequency current can be measured.
  • FIG. 1 is a block diagram of the sensor device 1.
  • the sensor device 1 is an example of an interference type optical magnetic field sensor device, which includes a light emitting unit 10, a circulator 20, a 1/2 wave plate 30, an optical path unit 40, magnetic field sensor elements 50A and 50B, and a detection signal generating unit. Has 60 and.
  • the optical path between the light emitting unit 10, the circulator 20, the 1/2 wave plate 30, the optical path unit 40, the magnetic path sensor elements 50A and 50B, and the detection signal generating unit 60 is formed by a PANDA (Polarization-maintaining AND Absorption-reducing) fiber.
  • PANDA Polarization-maintaining AND Absorption-reducing
  • the optical path between the 1/2 wave plate 30, the optical path section 40, the magnetic field sensor elements 50A and 50B, and the detection signal generating section 60 is polarized by a bow-tie fiber or an elliptical jacket fiber. It may be formed by a holding fiber.
  • the light emitting unit 10 has a light emitting element 11, an isolator 12, and a polarizer 13.
  • the light emitting element 11 is, for example, a semiconductor laser or a light emitting diode, and specifically, a fabric perow laser, a superluminescence diode, or the like is preferable.
  • the isolator 12 protects the light emitting element 11 by transmitting the light emitted by the light emitting element 11 to the circulator 20 side and not transmitting the light incident on the light emitting unit 10 from the circulator 20 to the light emitting element 11 side.
  • the isolator 12 is, for example, a polarization-dependent optical isolator, and may be a polarization-independent optical isolator.
  • the polarizer 13 is an optical element for converting the light emitted by the light emitting element 11 into linearly polarized light, and the type thereof is not particularly limited.
  • the first linearly polarized light obtained by the polarizer 13 is incident on the circulator 20.
  • the circulator 20 is an example of an optical branching portion, in which the first linearly polarized light emitted from the light emitting portion 10 is transmitted to the 1/2 wavelength plate 30 and the second linear deviation emitted from the 1/2 wavelength plate 30 is transmitted.
  • the wave light is branched into the detection signal generation unit 60.
  • the circulator 20 is formed by, for example, a Faraday rotator, a 1/2 wave plate, a polarization beam splitter or a reflection mirror.
  • the 1/2 wave plate 30 is an example of the first optical element, and is arranged so that the azimuth angle is 22.5 degrees with respect to the polarization plane of the first linearly polarized light incident from the circulator 20.
  • the plane of polarization of the linearly polarized light is rotated by 45 degrees and emitted to the optical path portion 40.
  • the first linearly polarized light emitted from the 1/2 wave plate 30 has a first linearly polarized light CW1 which is P-polarized light and a second linearly polarized light CCW1 which is S-polarized light orthogonal to the first linearly polarized light CW1.
  • the 1/2 wave plate 30 rotates the polarization plane of the second linearly polarized light incident from the optical path portion 40 by 45 degrees and emits it to the circulator 20.
  • the optical path portion 40 includes PBSs (polarizing beam splitters) 41, 42A, 42B, a first optical path 43, a second optical path 44, and a phase adjusting element 45.
  • PBSs polarizing beam splitters
  • the PBS 41 separates the first linearly polarized light incident from the 1/2 wave plate 30 into a P-polarized light component and an S-polarized light component, and sets the first linearly polarized light CW1 in the first optical path 43 and the second linearly polarized light CCW1. It emits light to the second optical path 44, respectively. Further, in the PBS 41, the third linearly polarized light CW2 is incident from the second optical path 44 and the fourth linearly polarized light CCW2 is incident from the first optical path 43, and they are combined and emitted to the 1/2 wavelength plate 30.
  • the third linearly polarized light CW2 and the fourth linearly polarized light CCW2 are polarization components orthogonal to each other of the second linearly polarized light emitted from the 1/2 wavelength plate 30.
  • the PBSs 41, 42A and 42B are, for example, prism-type beam splitters, but may be planar beam splitters or wedge-type beam splitters.
  • the PBS 42A emits the first linearly polarized CW1 incident from the first optical path 43 to the magnetic field sensor element 50A, and emits the return light from the magnetic field sensor element 50A to the PBS 42B. Further, the PBS 42A emits the return light from the magnetic field sensor element 50B incident from the PBS 42B to the magnetic field sensor element 50A, and emits the return light from the magnetic field sensor element 50A to the first optical path 43 as the fourth linearly polarized CCW2. ..
  • the PBS 42B emits the second linearly polarized light CCW1 incident from the second optical path 44 to the magnetic field sensor element 50B, and emits the return light from the magnetic field sensor element 50B to the PBS 42A.
  • the PBS 42B emits the return light from the magnetic field sensor element 50A incident from the PBS 42A to the magnetic field sensor element 50B, and emits the return light from the magnetic field sensor element 50B to the second optical path 44 as the third linearly polarized CW2. ..
  • the first optical path 43 is a PANDA fiber optically connected to PBS41 at one end and to PBS42A at the other end.
  • the first linearly polarized CW1 introduced from PBS41 is led out to PBS42A, and the first optical path 43 is introduced from PBS42A.
  • the 4-linearly polarized CCW2 is led out to PBS41.
  • the second optical path 44 is a PANDA fiber optically connected to PBS41 at one end and to PBS42B at the other end, and leads the second linearly polarized CCW1 introduced from PBS41 to PBS42B and is introduced from PBS42B.
  • the three linearly polarized CW2 is derived to PBS41.
  • the optical path between PBS42A and 42B is also a PANDA fiber.
  • the optical path between the first optical path 43, the second optical path 44, and the PBS 42A, 42B may be a polarization-retaining fiber such as a bowtie fiber or an ellipt
  • the phase adjusting element 45 includes 1/4 wave plates 46 and 47 and a 45 degree Faraday rotator 48.
  • the phase adjusting element 45 is an example of the second optical element, is arranged in the second optical path 44, and the second linearly polarized light CCW1 is arranged so that the phase difference between the third linearly polarized light CW2 and the fourth linearly polarized light CCW2 is 90 degrees. And the phase of the third linearly polarized light CW2 is adjusted.
  • the 1/4 wave plate 46 is arranged so that the optical axis is inclined by 45 degrees with respect to the slow axis and the phase advance axis of the PANDA fiber forming the second optical path 44, and the linearly polarized light is converted into circularly polarized light and is circular.
  • the 1/4 wave plate 47 is arranged so that the optical axis is inclined by ⁇ 45 degrees with respect to the slow axis and the phase advance axis of the PANDA fiber forming the second optical path 44, and the circularly polarized light is converted into linearly polarized light. Converts linearly polarized light to circularly polarized light.
  • the 45-degree Faraday rotator 48 is arranged between the 1/4 wave plates 46 and 47, and changes the phase of the circularly polarized light incident from them.
  • the 45 degree Faraday rotor 48 shifts the phase of the second linearly polarized light CCW1 emitted from the 1/4 wave plate 47 by 45 degrees from the phase of the second linearly polarized light CCW1 incident on the 1/4 wave plate 46. , Change the phase of incident light.
  • the 45-degree Faraday rotor 48 shifts the phase of the third linearly polarized light CW2 emitted from the 1/4 wave plate 46 by ⁇ 45 degrees from the phase of the third linearly polarized light CW2 incident on the 1/4 wave plate 47. The phase of the incident light is changed so as to do so.
  • FIG. 2 is a schematic view of the magnetic field sensor elements 50A and 50B.
  • the magnetic field sensor elements 50A and 50B are a pair of elements having the same configuration, and each has a 1/4 wave plate 51, a Faraday rotator 52, and a mirror element 53.
  • the magnetic field sensor element 50A is connected to the PBS 42A, and the magnetic field sensor element 50B is connected to the PBS 42B via a PANDA fiber.
  • the magnetic field sensor elements 50A and 50B can be arranged in a predetermined magnetic field with a conductor to be measured (current path indicated by reference numeral I in FIGS. 4 and 5) sandwiched between them, and are integrally spaced from each other at a constant distance. It is formed.
  • the relative positions of the magnetic field sensor elements 50A and 50B with respect to one of them are fixed, and the distance between them does not change even if they are moved during measurement.
  • the magnetic field sensor elements 50A and 50B have light transmission properties, and change the phase of the transmitted light according to the magnetic field applied to the Faraday rotator 52.
  • the first linearly polarized light CW1 is incident and the first return light is emitted according to the incident light
  • the second return light from the magnetic field sensor element 50B is incident
  • the second return light is incident according to the incident light.
  • the fourth linearly polarized light CCW2 is emitted.
  • the magnetic field sensor element 50B receives the first return light from the magnetic field sensor element 50A and emits the third linearly polarized light CW2 according to the incident light
  • the second linearly polarized light CCW1 is incident and responds to the incident light.
  • the second return light is emitted.
  • the 1/4 wave plate 51 is arranged so that the optical axis is inclined by 45 degrees with respect to the slow axis and the phase advance axis of the PANDA fiber that optically connects the PBS 42A or the PBS 42B.
  • the 1/4 wave plate 51 converts the linearly polarized light incident from PBS42A or PBS42B into circularly polarized light, and also converts the circularly polarized light, which is the return light incident from the Faraday rotator 52, into linearly polarized light.
  • the Faraday rotator 52 is a granular film having a dielectric 520 and nano-order magnetic particles 521 dispersed in the dielectric 520 in a state of being stably phase-separated from the dielectric 520, and has a quarter wavelength. It is arranged on the end face of the plate 51.
  • the magnetic particles 521 may be an oxide in a small part of the outermost layer, for example, but the entire Faraday rotator 52 does not form a compound with the dielectric material to be a binder, but is alone in the thin film. It is dispersed.
  • the distribution of the magnetic particles 521 in the Faraday rotator 52 may not be completely uniform or may be slightly biased. If a highly transparent dielectric 520 is used, the Faraday rotator 52 has light transmittance because the magnetic particles 521 are present in the dielectric 520 in a size smaller than the wavelength of light.
  • the Faraday rotator 52 is not limited to a single layer, but may be a multilayer film in which a granular film and a dielectric film are alternately laminated. By making the granular film a multilayer film, a larger Faraday rotation angle can be obtained by multiple reflections in the granular film.
  • the dielectric 520 is preferably a fluoride (metal fluoride) such as magnesium fluoride (MgF 2 ), aluminum fluoride (AlF 3 ), or yttrium fluoride (YF 3 ).
  • the dielectric 520 includes tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), silicon dioxide (SiO 2 ), titanium dioxide (TIO 2 ), diniobium pentoxide (Nb 2 O 5 ), zirconium dioxide (ZrO 2 ), and hafnium dioxide. It may be an oxide such as (HfO 2 ) and dialuminum trioxide (Al 2 O 3 ).
  • fluoride is preferable to oxide, and magnesium fluoride having high transmittance is particularly preferable.
  • the material of the magnetic particles 521 may be any material that produces the Faraday effect and is not particularly limited, but the materials include the ferromagnetic metals iron (Fe), cobalt (Co) and nickel (Ni), and alloys thereof. Can be mentioned. Examples of Fe, Co and Ni alloys include FeNi alloys, FeCo alloys, FeNiCo alloys and NiCo alloys.
  • the Faraday rotator per unit length of Fe, Co and Ni is nearly two to three orders of magnitude larger than the magnetic garnet applied to conventional Faraday rotators.
  • the mirror element 53 is formed on the surface of the Faraday rotator 52 opposite to the 1/4 wave plate 51, and reflects the light transmitted through the Faraday rotator 52 toward the Faraday rotator 52.
  • a silver (Ag) film, a gold (Au) film, an aluminum (Al) film, a dielectric multilayer mirror, or the like can be used as the mirror element 53.
  • an Ag film having high reflectance and an Au film having high corrosion resistance are preferable because they are convenient for film formation.
  • the thickness of the mirror element 53 may be as long as it can secure a sufficient reflectance of 98% or more.
  • an Ag film it is preferably 50 nm or more and 200 nm or less.
  • the Faraday rotation angle can be increased by reciprocating light in the Faraday rotator 52 using the mirror element 53.
  • the detection signal generation unit 60 includes a PBS 61, a first light receiving element 62, a second light receiving element 63, and a signal processing circuit 70.
  • the detection signal generation unit 60 separates the second linearly polarized light branched by the circulator 20 into an S polarization component 64 and a P polarization component 65, receives them, converts them into an electric signal, and differentially amplifies them.
  • the detection signal Ed corresponding to the magnetic field applied to the magnetic field sensor elements 50A and 50B is output.
  • the PBS 61 is a polarization beam splitter such as a prism type, a plane type, a wedge substrate type, or an optical waveguide type, and separates the second linearly polarized light branched by the circulator 20 into an S polarization component 64 and a P polarization component 65.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of the first light receiving element 62, the second light receiving element 63, and the signal processing circuit 70.
  • the signal processing circuit 70 includes, for example, an amplification element 71 which is an operational amplifier and a resistance element 72.
  • Each of the first light receiving element 62 and the second light receiving element 63 is, for example, a PIN photodiode, which performs photoelectric conversion and outputs an electric signal according to the amount of received light.
  • the anode of the first light receiving element 62 and the cathode of the second light receiving element 63 are connected to the negative input terminal of the amplification element 71, the cathode of the first light receiving element 62 is connected to the positive power supply + V, and the anode of the second light receiving element 63. Is connected to the negative power supply-V.
  • the first light receiving element 62 receives the S polarization component 64 of the combined wave of the third linearly polarized light CW2 and the fourth linearly polarized light CCW2, and outputs the first electric signal E1 which is a current proportional to the intensity thereof.
  • the second light receiving element 63 receives the P polarization component 65 of the combined wave of the third linearly polarized light CW2 and the fourth linearly polarized light CCW2, and outputs a second electric signal E2 which is a current proportional to the intensity thereof.
  • the S-polarized component and P-polarized component of the third linearly polarized light CW2 incident on the detection signal generator 60 are represented by E CW of the following equation, and the S-polarized component and P-polarized component of the fourth linearly polarized light CCW2 are E CCW of the following equation. It is represented by.
  • ⁇ F is the Faraday rotator angle according to the magnetic field applied to the Faraday rotator 52, and j is an imaginary unit.
  • the S polarization component P 0 and the P polarization component P 90 of the combined wave of the third linearly polarized light CW2 and the fourth linearly polarized light CCW2 are expressed as follows from the above equations of E CW and E CCW .
  • E CW, 0 , E CCW, 0 , E CW, 90 , E CCW, 90 are the S polarization component of the third linearly polarized light CW2, the S polarization component of the fourth linearly polarized light CCW2, and the P of the third linearly polarized light CW2, respectively.
  • the signal processing circuit 70 is an inverting amplifier circuit, and is applied to the magnetic field sensor elements 50A and 50B by inverting and amplifying the differential signals (E1-E2) between the first electric signal E1 and the second electric signal E2.
  • the detection signal Ed corresponding to the magnetic field is output.
  • the positive input terminal of the amplification element 71 is grounded, and the differential signal (E1-E2) is input to the negative input terminal of the amplification element 71.
  • the differential signal (E1-E2) is an electric signal proportional to the difference between the S polarization component P 0 and the P polarization component P 90 and corresponding to the Faraday rotation angle ⁇ F.
  • the detection signal Ed is an electric signal from which the DC component corresponding to the reference light intensity has been removed.
  • FIG. 4 and 5 are diagrams for explaining the operation of the sensor device 1.
  • the thin arrows in the figure indicate the light propagation direction
  • the thick arrows 101 to 121 in FIG. 4 and the thick arrows 201 to 221 in FIG. 5 indicate the polarization state at each location.
  • Reference numeral I indicates a current flowing through the conductor to be measured
  • reference numeral H indicates a magnetic field to be measured.
  • the first linearly polarized light which is P-polarized light
  • the first linearly polarized light is light having a first linearly polarized light CW1 which is P-polarized light and a second linearly polarized light CCW1 which is S-polarized light when the polarization plane is rotated by 45 degrees by passing through the 1/2 wave plate 30. (Arrows 103, 203).
  • the first linearly polarized CW1 is incident on the first optical path 43 via the PBS 41 (arrow 104), and is incident on the magnetic field sensor element 50A via the PBS 42A (arrow 105).
  • the first linearly polarized light CW1 incident on the magnetic field sensor element 50A becomes circularly polarized light that rotates counterclockwise by passing through the 1/4 wavelength plate 51 (arrow 106), and passes through the Faraday rotator 52 to become the measured magnetic field H.
  • the phase is changed by ⁇ F according to the above, and the light is reflected by the mirror element 53 to obtain circularly polarized light that rotates clockwise (arrow 107).
  • the Faraday rotator 52 By passing through the Faraday rotator 52 again, the phase is changed according to the magnetic field H to be measured. Further, it is changed by ⁇ F and transmitted through the 1/4 wavelength plate 51 again to be converted into S-polarized light and emitted to PBS 42A (arrow 108).
  • the return light from the magnetic field sensor element 50A is converted to P-polarized light via PBS42A (arrow 109), converted to S-polarized light again via PBS42B, and incident on the magnetic field sensor element 50B (arrow 110).
  • the S-polarized light incident on the magnetic field sensor element 50B becomes circularly polarized light that rotates clockwise by passing through the 1/4 wavelength plate 51 (arrow 111), and passes through the Faraday rotator 52 according to the measured magnetic field H.
  • the phase By changing the phase by - ⁇ F and reflecting it by the mirror element 53, it becomes circularly polarized light that rotates counterclockwise (arrow 112), and by passing through the Faraday rotator 52 again, the phase is further changed by - ⁇ according to the measured magnetic field H.
  • the third linearly polarized light CW2 is incident on the phase adjusting element 45 of the second optical path 44 via the PBS 42B (arrow 114).
  • the third linearly polarized light CW2 becomes circularly polarized light rotating counterclockwise by passing through the 1/4 wave plate 47, the 45 degree Faraday rotator 48, and the 1/4 wave plate 46 in order (arrow 115). ),
  • the phase is changed by ⁇ 45 degrees to become P-polarized light (arrow 116).
  • the third linearly polarized light CW2 that has passed through the phase adjusting element 45 is converted into S-polarized light via PBS 41 (arrow 117) and emitted to the 1/2 wave plate 30.
  • the second linearly polarized light CCW1 is converted into P-polarized light via PBS 41 and incident on the second optical path 44 (arrow 204), and is incident on the phase adjusting element 45.
  • the phase adjusting element 45 the second linearly polarized light CCW1 becomes circularly polarized light rotating counterclockwise by passing through the 1/4 wave plate 46, the 45 degree Faraday rotator 48, and the 1/4 wave plate 47 in order (arrow 205). ), The phase is changed by 45 degrees to become P-polarized light (arrow 206).
  • the second linearly polarized light CCW1 that has passed through the phase adjusting element 45 is incident on the magnetic field sensor element 50B via the PBS 42B (arrow 207).
  • the second linearly polarized light CCW1 incident on the magnetic field sensor element 50B becomes circularly polarized counterclockwise by passing through the 1/4 wave plate 51 (arrow 208), and passes through the Faraday rotator 52 to become the measured magnetic field.
  • the phase is changed by ⁇ F according to H, and is reflected by the mirror element 53 to become circularly polarized light that rotates clockwise (arrow 209).
  • the Faraday rotator 52 By passing through the Faraday rotator 52 again, the phase is changed according to the magnetic field H to be measured.
  • By further changing the phase F and passing through the 1/4 wave plate 51 again it is converted into S-polarized light and emitted to PBS42B (arrow 210).
  • the total amount of phase change in the magnetic field sensor element 50B is 2 ⁇ F.
  • the return light from the magnetic field sensor element 50B is converted to P-polarized light via PBS42B (arrow 211), converted to S-polarized light again via PBS42A, and incident on the magnetic field sensor element 50A (arrow 212).
  • the S-polarized light incident on the magnetic field sensor element 50A becomes circularly polarized light that rotates clockwise by passing through the 1/4 wavelength plate 51 (arrow 213), and passes through the Faraday rotator 52 according to the measured magnetic field H.
  • ⁇ F By changing the phase by ⁇ F and reflecting it by the mirror element 53, it becomes circularly polarized light that rotates counterclockwise (arrow 214), and by passing through the Faraday rotator 52 again, the phase is further changed by ⁇ F according to the magnetic field H to be measured.
  • the total amount of phase change in the magnetic field sensor elements 50A and 50B is 4 ⁇ F.
  • the fourth linearly polarized light CCW2 is incident on the first optical path 43 via the PBS 42A (arrow 216) and emitted to the 1/2 wave plate 30 via the PBS 41 (arrow 217).
  • the third linearly polarized light CW2 and the fourth linearly polarized light CCW2 are combined by PBS 41, and the polarization plane is rotated by 45 degrees by passing through the 1/2 wave plate 30, and the light has a P polarization component and an S polarization component, respectively.
  • Arrows 118, 218 branching at the circulator 20 and incident on PBS 61 (arrows 119, 219).
  • the S polarization component of the combined wave of the third linearly polarized light CW2 and the fourth linearly polarized light CCW2 is on the first light receiving element 62 (arrows 120 and 220), and the P polarization component is on the second light receiving element 63 (arrows 121 and 22), respectively. It is incident through PBS61.
  • the polarization E ccw polarization E cw and counter clockwise clockwise is separated into two paths in PBS 41, respectively pass through the two magnetic field sensor elements, the end half-wave plate They interfere with each other as they pass thirty.
  • magnetic field sensor elements of the same optical system can be arranged on the front and back of the conductor to be measured, and the magnetic fields on the front and back of the conductor to be measured can be measured at the same time. Since the relative positions of the two magnetic field sensor elements are fixed, if one approaches the conductor to be measured, the other moves away from the conductor to be measured by the same distance, and light passes through the two magnetic field sensor elements. The resulting Faraday rotation angle is the sum of the rotation angles of the individual magnetic field sensor elements. Therefore, in the sensor device 1, it is possible to obtain a measured value that does not depend on the distance between the magnetic field sensor element and the conductor to be measured, and the magnetic sensor element is arranged only at one place on the side of the conductor to be measured.
  • the accuracy of the detected magnetic field amount is improved as compared with the above. Further, in the sensor device 1, measurement is possible even if the frequency of the current flowing through the conductor to be measured is on the order of GHz, which is compared with the sensor device in which the conductor to be measured is surrounded by a magnetic yoke made of a ferrite-based magnetic material. High frequency current can be measured.
  • FIG. 6 (A) and 6 (B) are diagrams for explaining the influence of the external magnetic field on the measured value.
  • the outer conductor 92 is arranged near the measured conductor 91, which is a current path, and the magnetic field due to the measured conductor 91 (measured magnetic field) is provided in an environment where there is an external magnetic field H ex due to the current flowing through the outer conductor 92.
  • the case of measuring H is shown.
  • FIG. 6A shows a case where one magnetic sensor element is indicated by reference numeral 50
  • FIG. 6B shows a case where two magnetic sensor elements are indicated by reference numerals 50A and 50B.
  • the magnetic field sensor element 50 is arranged in parallel with the measured magnetic field H by being in contact with the measured conductor 91, and the magnetic field sensor elements 50A and 50B are also measured by sandwiching the measured conductor 91 from both sides. Arranged parallel to. It is assumed that the external magnetic field H ex is uniform around the conductor 91 to be measured (that is, the external magnetic fields H ex ′ and H ex ′′ applied to the magnetic field sensor elements 50A and 50B are equal).
  • the external magnetic field H ex strengthens with the magnetic field H to be measured or is measured when its direction is parallel to the magnetic field sensor element 50 as shown in FIG. 6 (A). Since it works to cancel the magnetic field H, it particularly affects the measurement.
  • FIG. 6B when there are two magnetic field sensor elements, as shown in FIG. 6B, in one magnetic field sensor element 50A, the external magnetic field H ex'and the measured magnetic field H cancel each other out, but the other magnetic field sensor element. At 50B, the external magnetic field H ex '' and the measured magnetic field H strengthen each other.
  • the effect of averaging can be obtained by summing the outputs from the magnetic field sensor elements 50A and 50B, and the influence of the external magnetic field H ex on the measured value can be canceled out.
  • External magnetic field H ex of the two magnetic field sensor elements', H ex 'influence of the external magnetic field H ex if' are different but not completely canceled, but still 1 magnetic field sensor element is the side of the measured conductor Compared to a sensor device that is placed only in a location, it is more resistant to disturbance.
  • the detection signal Ed corresponds to the reference light intensity.
  • the DC component is removed, and the SN ratio of the detection signal Ed becomes high.
  • FIG. 7 is a block diagram of the sensor device 2.
  • the sensor device 2 is an example of an interference type optical magnetic field sensor device, and is different from the sensor device 1 only in that PBS 42C and 42D and magnetic field sensor elements 50C and 50D are added and the number of magnetic field sensor elements is four. All the components of the sensor device 2 other than the PBS 42C and 42D and the magnetic field sensor elements 50C and 50D are the same as those of the sensor device 1.
  • PBS42C and 42D are polarizing beam splitters having the same functions as PBS42A and 42B, and magnetic field sensor elements 50C and 50D are the same elements as magnetic field sensor elements 50A and 50B.
  • the PBSs 42A to 42D are connected to each other in this order between the first optical path 43 and the second optical path 44 by a polarization-holding fiber such as a PANDA fiber, and are also connected to the corresponding magnetic field sensor elements 50A to 50D by the polarization-holding fiber, respectively. Will be done.
  • the magnetic field sensor elements 50A to 50D have one pair of magnetic field sensor elements 50A and 50B and another pair of magnetic field sensor elements 50C and 50D, and the four sides of the conductor to be measured (current path indicated by reference numeral I in FIGS. 8 and 9). They are arranged in a positional relationship of 90 degrees with each other.
  • the paired magnetic field sensor elements In order to cancel the influence of the external magnetic field, the paired magnetic field sensor elements have the same orientation with respect to the measured magnetic field H with the conductor to be measured sandwiched between them, as in the example shown in FIG. 6 (B). Placed in the opposite direction). At least, the relative positions of the paired magnetic field sensor elements are fixed, and the distance between them is invariant. It is preferable that all four magnetic field sensor elements 50A to 50D are integrally formed at regular intervals from each other and their relative positions are fixed to each other.
  • the first linearly polarized CW1 is incident on the magnetic field sensor element 50A via PBS 42A, its return light is incident on the magnetic field sensor element 50B via PBS 42A, 42B, and the return light is incident on the magnetic field sensor element 50B via PBS 42B, 42C.
  • the light is incident on the magnetic field sensor element 50C, the return light is incident on the magnetic field sensor element 50D via the PBS 42C and 42D, and the return light is emitted via the PBS 42D as the third linearly polarized light CW2.
  • the second linearly polarized CCW1 is incident on the magnetic field sensor element 50D via PBS42D, its return light is incident on the magnetic field sensor element 50C via PBS42D, 42C, and the return light is incident on the magnetic field sensor element 50C via PBS42C, 42B. It is incident on the element 50B, its return light is incident on the magnetic field sensor element 50A via the PBS 42B, 42A, and the return light is emitted via the PBS 42A as the fourth linearly polarized light CCW2.
  • the S-polarized light component and the P-polarized light component of the third linearly polarized light CW2 incident on the detection signal generation unit 60 are represented by the following E CW
  • the S-polarized light component and the P-polarized light component of the fourth linearly polarized light CCW2 are It is expressed by E CCW of the following equation.
  • FIG. 8 and 9 are diagrams for explaining the operation of the sensor device 2.
  • the thin arrows in the figure indicate the light propagation direction
  • the thick arrows 301 to 332 in FIG. 8 and the thick arrows 401 to 432 in FIG. 9 indicate the polarization state at each location. Since the operation of the sensor device 2 is the same as the operation of the sensor device 1 except that the number of passing PBS and magnetic field sensor elements increases, duplicate description will be omitted.
  • the first linearly polarized light which is P-polarized light is emitted from the polarizer 13 of the light emitting unit 10, it becomes light having the first linearly polarized light CW1 which is P-polarized light and the second linearly polarized light CCW1 which is S-polarized light and becomes PBS41.
  • Arrows 301 to 303, 401 to 403 are the same as the parts of arrows 101 to 103, 201 to 203 of FIGS. 4 and 5.
  • FIG. It is the same as the part of arrows 204 to 216.
  • arrow 207 in FIG. It is the same as the part of ⁇ 217.
  • the third linearly polarized light CW2 and the fourth linearly polarized light CCW2 are combined by PBS 41 and transmitted through the 1/2 wave plate 30 until they are incident on the first light receiving element 62 and the second light receiving element 63 (arrows 329 to 332). 429 to 432) are the same as the portions of arrows 118 to 121, 218 to 221 in FIGS. 4 and 5.
  • the sensor device 2 Even in the sensor device 2, it is possible to obtain a measured value that does not depend on the distance between the magnetic field sensor element and the conductor to be measured, and the number of magnetic sensor elements arranged around the conductor to be measured is larger than that of the sensor device 1. The accuracy of the detected magnetic field amount is improved. Further, in the sensor device 2, as in the sensor device 1, measurement can be performed even if the current frequency is on the order of GHz, the resistance to disturbance is strong, and the SN ratio of the detection signal Ed is high.
  • more magnetic field sensor elements such as 6 or 8 may be provided so as to surround the conductor to be measured at an equal angle.
  • the light incident on the magnetic field sensor element each time it passes through the PBS is P-polarized and S-polarized.
  • the number of magnetic field sensor elements is preferably an even number (2n) because they are alternately interchanged between the two.
  • FIG. 10 is a block diagram of the sensor device 3.
  • the sensor device 3 is an example of an interference type optical magnetic field sensor device, in which the 1/2 wave plate 30 is used as the coupler 80, the optical path unit 40 is used as the optical path unit 40', and the detection signal generation unit 60 is used as the detection signal generation unit 60'. It differs from the sensor device 1 only in that each is replaced.
  • the optical path portion 40' is different from the optical path portion 40 of the sensor device 1 only in that there is no PBS 41.
  • the first optical path 43 and the second optical path 44 are directly connected to the coupler 80, and the coupler 80 functions as the PBS 41. Also serves as.
  • the detection signal generation unit 60' is different from the detection signal generation unit 60 of the sensor device 1 in that the detection signal generation unit 60'has no PBS 61, the first light receiving element 62 is directly connected to the coupler 80, and the second light receiving element 63 is directly connected to the circulator 20. ..
  • the coupler 80 is an example of the first optical element.
  • the first linearly polarized light incident from the circulator 20 is separated into the first linearly polarized light CW1 and the second linearly polarized light CCW1, and the first linearly polarized light CW1 is passed through the first optical path.
  • the second linearly polarized light CCW1 is emitted to the second optical path 44, respectively.
  • the third linearly polarized light CW2 and the fourth linearly polarized light CCW2 which are the return lights from the magnetic field sensor elements 50A and 50B, are incident from the optical path portion 40', and the second linearly polarized light composed of these lights is emitted by 2. It is separated into components and emitted to the first light receiving element 62 and the circulator 20.
  • the first linearly polarized light which is P-polarized light
  • the coupler 80 uses the first linearly polarized light CW1 and the second linearly polarized light. It is separated into polarized CCW1. Both of these are P-polarized light, and as in the case of the sensor device 1, they pass through the optical path portion 40'and the magnetic field sensor elements 50A and 50B, and are coupled as the third linearly polarized light CW2 and the fourth linearly polarized light CCW2 which are both P-polarized light. It is incident on 80 again.
  • the polarization state on the way is the same as that of the sensor device 1 shown by arrows 104 to 116 in FIG. 4 and arrows 204 to 216 in FIG.
  • the second linearly polarized light composed of the third linearly polarized light CW2 and the fourth linearly polarized light CCW2 is emitted from the coupler 80 to the first light receiving element 62 and the circulator 20, and is received by the first light receiving element 62 and the second light receiving element 63. ..
  • the coupler 80 is equivalent to a half mirror, and the phase changes by 90 degrees when the half mirror is transmitted and 180 degrees when reflected. Therefore, the light incident on the first light receiving element 62 is the reflected light (180 degrees) of the third linearly polarized light CW2. ) And the transmitted light (90 degrees) of the fourth linearly polarized CCW2.
  • the light incident on the second light receiving element 63 is composed of transmitted light (90 degrees) of the third linearly polarized light CW2 and reflected light (180 degrees) of the fourth linearly polarized light CCW2.
  • the polarization E ccw polarization E cw and counter clockwise clockwise it is separated into two paths by the coupler 80, respectively pass through the two magnetic field sensor elements, and returned to the coupler 80 again Sometimes they interfere with each other.
  • the light intensities PD1 and PD2 of the interference light in the first light receiving element 62 and the second light receiving element 63 are expressed by the following equations.
  • E CW, R , E CCW, T , E CW, T , E CCW, R are the reflected light of the third linearly polarized light CW2 by the coupler 80, the transmitted light of the fourth linearly polarized light CCW2, and the third linearly polarized light CW2, respectively. This is the transmitted light of the above and the reflected light of the fourth linearly polarized CCW2.
  • the operating point of PD1 and PD2 is where the phases are relatively out of phase by 180 degrees. That is, when the Faraday effect occurs in the magnetic field sensor elements 50A and 50B, the changes in the light intensities of PD1 and PD2 are opposite to each other and change symmetrically with respect to the same light intensity. Therefore, after the interference light is converted into an electric signal by the first light receiving element 62 and the second light receiving element 63, the difference between them is input to the signal processing circuit 70 to remove the DC component corresponding to the reference light intensity. Therefore, the SN ratio of the detection signal Ed becomes high. Further, also in the sensor device 3, since there are two magnetic field sensor elements, it is possible to obtain a measured value that does not depend on the distance between the magnetic field sensor element and the conductor to be measured, and the accuracy of the detected magnetic field amount is improved.

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Abstract

この装置は、第１直線偏波光を出射する発光部と、第１直線偏波光に応じて第１、第２直線偏光を、第３、第４直線偏光に応じて第２直線偏波光を出射する第１光学素子と、被測定導体を間に挟んで磁界内に配置でき、第１直線偏光が入射され第３直線偏光を出射し、第２直線偏光が入射され第４直線偏光を出射し、透過光の位相を磁界に応じて変化させ、相対位置が固定された１対の磁界センサ素子と、第１、第４直線偏光を伝搬する第１光路及び第２、第３直線偏光を伝搬する第２光路を有し、第１光学素子及び磁界センサ素子に接続された光路部と、第２直線偏波光の２成分を受光して電気信号に変換することで、磁界に応じた検出信号を出力する検出信号発生部と、第１直線偏波光を第１光学素子へ透過させ、第２直線偏波光を検出信号発生部へ分岐する光分岐部とを有する。

Description

干渉型光磁界センサ装置
　本開示は、干渉型光磁界センサ装置に関する。
　光ファイバ先端にファラデー回転子を設けたプローブ型センサを磁界センサ素子として使用し、磁界センサ素子を透過した光を光電変換してファラデー回転子に印加される磁界に応じた検出信号を生成する干渉型光磁界センサ装置が知られている（例えば、「ガーネット単結晶を用いたリング干渉型光磁界センサ」（田村仁志ら、Journal of the Magnetics Society of Japan Vol. 34, No. 4, 2010）を参照）。この文献に記載されるセンサ装置では、ファラデー回転子として希土類鉄ガーネット結晶(TbY)IGを使用することで、磁界センサ素子に対して平行な磁界に加えて垂直な磁界が測定可能になる。
　特開２０００－２６６７８４号公報には、外来ノイズの影響を消去できるようにループコイルと伝送路よりなる近磁界プローブ部が被測定ケーブルの中心線に対して対称に複数配置された同相ノイズ検出用プローブが記載されている。特開２０１１－１５８３３７号公報には、一方の磁気センサが故障したとしても他方の磁気センサで電流を測定できるように２個の磁気センサが被検出電流路を挟んで対称の位置に配置された電流センサが記載されている。
　磁界センサ素子が測定対象の電流路の側方の１か所のみに配置されるセンサ装置では、磁界センサ素子と被測定導体との距離によって検出磁界量が変動する。被測定導体に対して磁界センサ素子を固定したとしても、こうしたセンサ装置では、被測定導体の側方の１点しか測定できないため、被測定導体の周囲に発生している磁界を正確に測定できるとは限らない。被測定導体を磁気ヨークで取り囲めば全周の磁界を測定することはできるが、フェライト系の磁性体で磁気ヨークを構成すると、１ＭＨｚ程度が測定可能な周波数の上限になり、それ以上の高周波の電流を測定できないという不具合がある。
　本開示は、測定値が被測定導体との距離に依存せずかつ高周波の電流を測定可能な干渉型光磁界センサ装置を提供することを目的とする。
　第１直線偏波光を出射する発光部と、入射された第１直線偏波光に応じて第１直線偏光と第２直線偏光を出射し、入射された第３直線偏光と第４直線偏光に応じて第２直線偏波光を出射する第１光学素子と、被測定導体を間に挟んで所定の磁界内に配置可能であり、光透過性を有し、透過光の位相を磁界に応じて変化させ、且つ、相対位置が固定された少なくとも１対の磁界センサ素子と、第１直線偏光及び第４直線偏光を伝搬する第１光路、並びに、第２直線偏光及び第３直線偏光を伝搬する第２光路を有し、第１光学素子及び磁界センサ素子に接続された光路部と、第２直線偏波光の２成分を受光して電気信号に変換することで、磁界に応じた検出信号を出力する検出信号発生部と、第１直線偏波光を第１光学素子へ透過させ、第２直線偏波光を検出信号発生部へ分岐する光分岐部とを有し、磁界センサ素子の一方は、第１直線偏光が入射され第１戻り光を出射すると共に、第２戻り光が入射され第４直線偏光を出射し、磁界センサ素子の他方は、第１戻り光が入射され第３直線偏光を出射すると共に、第２直線偏光が入射され第２戻り光を出射することを特徴とする干渉型光磁界センサ装置が提供される。
　光路部は、第２光路に配置され、第３直線偏光と第４直線偏光との位相差が９０度になるように第２直線偏光及び第３直線偏光の位相を調整する第２光学素子を更に有することが好ましい。
　第１光学素子は、第１直線偏波光の偏光面方位角が２２．５度になるように配置された１／２波長板であり、検出信号発生部は、光分岐部から入射された第２直線偏波光をＳ偏光成分光及びＰ偏光成分光に分離して受光することが好ましい。
　第１光学素子は、第１直線偏波光を第１直線偏光と第２直線偏光に分離して出射し、第２直線偏波光を２成分に分離して出射するカプラであり、検出信号発生部には、２成分の一方が第１光学素子から、２成分の他方が光分岐部から入射されることが好ましい。
　発光部、光分岐部、第１光学素子、光路部、磁界センサ素子及び検出信号発生部は、偏波保持ファイバによって互いに接続されることが好ましい。
　上記の干渉型光磁界センサ装置では、測定値が被測定導体との距離に依存せずかつ高周波の電流を測定することができる。
センサ装置１のブロック図である。 磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂの模式図である。 第１受光素子６２、第２受光素子６３及び信号処理回路７０の回路図である。 センサ装置１の動作を説明するための図である。 センサ装置１の動作を説明するための図である。 測定値への外部磁界の影響について説明するための図である。 センサ装置２のブロック図である。 センサ装置２の動作を説明するための図である。 センサ装置２の動作を説明するための図である。 センサ装置３のブロック図である。
　以下、図面を参照して、干渉型光磁界センサ装置について説明する。但し、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。
　図１は、センサ装置１のブロック図である。センサ装置１は、干渉型光磁界センサ装置の一例であり、発光部１０と、サーキュレータ２０と、１／２波長板３０と、光路部４０と、磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂと、検出信号発生部６０とを有する。発光部１０、サーキュレータ２０、１／２波長板３０、光路部４０、磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂ及び検出信号発生部６０の間の光路は、ＰＡＮＤＡ（Polarization-maintaining AND Absorption-reducing）ファイバによって形成される。なお、１／２波長板３０、光路部４０、磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂ及び検出信号発生部６０の間の光路は、ボウタイ（Bow-tie）ファイバ又は楕円ジャケット（Elliptical Jacket）ファイバ等の偏波保持ファイバによって形成してもよい。
　発光部１０は、発光素子１１と、アイソレータ１２と、偏光子１３とを有する。発光素子１１は、例えば半導体レーザ又は発光ダイオードであり、具体的には、ファブリペローレーザ、スーパールミネッセンスダイオード等であることが好ましい。アイソレータ１２は、発光素子１１が発した光をサーキュレータ２０側に透過すると共に、サーキュレータ２０から発光部１０に入射した光を発光素子１１側に透過しないことで発光素子１１を保護する。アイソレータ１２は、例えば偏光依存型光アイソレータであり、偏光無依存型光アイソレータであってもよい。偏光子１３は、発光素子１１が発した光を直線偏波光にするための光学素子であり、その種類は特に限定されない。偏光子１３で得られる第１直線偏波光は、サーキュレータ２０に入射される。
　サーキュレータ２０は、光分岐部の一例であり、発光部１０から出射された第１直線偏波光を１／２波長板３０に透過すると共に、１／２波長板３０から出射された第２直線偏波光を検出信号発生部６０に分岐する。サーキュレータ２０は、例えばファラデー回転子、１／２波長板、偏光ビームスプリッタ又は反射ミラーによって形成される。
　１／２波長板３０は、第１光学素子の一例であり、サーキュレータ２０から入射される第１直線偏波光の偏光面に対して方位角が２２．５度になるように配置され、その第１直線偏波光の偏光面を４５度回転して光路部４０に出射する。１／２波長板３０から出射される第１直線偏波光は、Ｐ偏光である第１直線偏光ＣＷ１と、第１直線偏光ＣＷ１に直交するＳ偏光である第２直線偏光ＣＣＷ１とを有する。また、１／２波長板３０は、光路部４０から入射される第２直線偏波光の偏光面を４５度回転してサーキュレータ２０に出射する。
　光路部４０は、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）４１，４２Ａ，４２Ｂと、第１光路４３と、第２光路４４と、位相調整素子４５とを有する。
　ＰＢＳ４１は、１／２波長板３０から入射される第１直線偏波光をＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離して、第１直線偏光ＣＷ１を第１光路４３に、第２直線偏光ＣＣＷ１を第２光路４４にそれぞれ出射する。また、ＰＢＳ４１は、第３直線偏光ＣＷ２が第２光路４４から、第４直線偏光ＣＣＷ２が第１光路４３からそれぞれ入射され、それらを合成して１／２波長板３０に出射する。第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２は、１／２波長板３０に出射される第２直線偏波光の互いに直交する偏光成分である。ＰＢＳ４１，４２Ａ，４２Ｂは、例えばプリズム型ビームスプリッタであるが、平面型ビームスプリッタ又はウェッジ型ビームスプリッタであってもよい。
　ＰＢＳ４２Ａは、第１光路４３から入射される第１直線偏光ＣＷ１を磁界センサ素子５０Ａに出射し、磁界センサ素子５０Ａからのその戻り光をＰＢＳ４２Ｂに出射する。また、ＰＢＳ４２Ａは、ＰＢＳ４２Ｂから入射される磁界センサ素子５０Ｂからの戻り光を磁界センサ素子５０Ａに出射し、磁界センサ素子５０Ａからのその戻り光を第４直線偏光ＣＣＷ２として第１光路４３に出射する。ＰＢＳ４２Ｂは、第２光路４４から入射される第２直線偏光ＣＣＷ１を磁界センサ素子５０Ｂに出射し、磁界センサ素子５０Ｂからのその戻り光をＰＢＳ４２Ａに出射する。また、ＰＢＳ４２Ｂは、ＰＢＳ４２Ａから入射される磁界センサ素子５０Ａからの戻り光を磁界センサ素子５０Ｂに出射し、磁界センサ素子５０Ｂからのその戻り光を第３直線偏光ＣＷ２として第２光路４４に出射する。
　第１光路４３は、一端がＰＢＳ４１に、他端がＰＢＳ４２Ａに光学的に接続されたＰＡＮＤＡファイバであり、ＰＢＳ４１から導入された第１直線偏光ＣＷ１をＰＢＳ４２Ａに導出すると共に、ＰＢＳ４２Ａから導入された第４直線偏光ＣＣＷ２をＰＢＳ４１に導出する。第２光路４４は、一端がＰＢＳ４１に、他端がＰＢＳ４２Ｂに光学的に接続されたＰＡＮＤＡファイバであり、ＰＢＳ４１から導入された第２直線偏光ＣＣＷ１をＰＢＳ４２Ｂに導出すると共に、ＰＢＳ４２Ｂから導入された第３直線偏光ＣＷ２をＰＢＳ４１に導出する。ＰＢＳ４２Ａ，４２Ｂ間の光路もＰＡＮＤＡファイバである。なお、第１光路４３、第２光路４４及びＰＢＳ４２Ａ，４２Ｂ間の光路は、ボウタイファイバ又は楕円ジャケットファイバ等の偏波保持ファイバであってもよい。
　位相調整素子４５は、１／４波長板４６，４７と、４５度ファラデー回転子４８とを有する。位相調整素子４５は、第２光学素子の一例であり、第２光路４４に配置され、第３直線偏光ＣＷ２と第４直線偏光ＣＣＷ２との位相差が９０度になるように第２直線偏光ＣＣＷ１及び第３直線偏光ＣＷ２の位相を調整する。１／４波長板４６は、第２光路４４を形成するＰＡＮＤＡファイバの遅相軸及び進相軸に対して光学軸が４５度傾斜して配置され、直線偏光を円偏光に変換すると共に、円偏光を直線偏光に変換する。１／４波長板４７は、第２光路４４を形成するＰＡＮＤＡファイバの遅相軸及び進相軸に対して光学軸が－４５度傾斜して配置され、円偏光を直線偏光に変換すると共に、直線偏光を円偏光に変換する。
　４５度ファラデー回転子４８は、１／４波長板４６，４７の間に配置され、これらから入射される円偏光の位相を変化させる。４５度ファラデー回転子４８は、１／４波長板４７から出射される第２直線偏光ＣＣＷ１の位相が１／４波長板４６に入射される第２直線偏光ＣＣＷ１の位相から４５度シフトするように、入射光の位相を変化させる。また、４５度ファラデー回転子４８は、１／４波長板４６から出射される第３直線偏光ＣＷ２の位相が１／４波長板４７に入射される第３直線偏光ＣＷ２の位相から－４５度シフトするように、入射光の位相を変化させる。
　図２は、磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂの模式図である。磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂは、同一の構成を有する１対の素子であり、いずれも１／４波長板５１と、ファラデー回転子５２と、ミラー素子５３とを有する。磁界センサ素子５０ＡはＰＢＳ４２Ａに、磁界センサ素子５０ＢはＰＢＳ４２Ｂに、それぞれＰＡＮＤＡファイバを介して接続される。
　磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂは、被測定導体（図４及び図５に符号Ｉで示す電流路）を間に挟んで所定の磁界内に配置可能であり、互いに一定の間隔を空けて一体的に形成されている。磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂの一方に対する他方の相対位置は固定されており、測定時に動かしても両者の間の距離は不変である。磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂは光透過性を有し、ファラデー回転子５２に印加される磁界に応じて透過光の位相を変化させる。磁界センサ素子５０Ａは、第１直線偏光ＣＷ１が入射され、その入射光に応じて第１戻り光を出射すると共に、磁界センサ素子５０Ｂからの第２戻り光が入射され、その入射光に応じて第４直線偏光ＣＣＷ２を出射する。磁界センサ素子５０Ｂは、磁界センサ素子５０Ａからの第１戻り光が入射され、その入射光に応じて第３直線偏光ＣＷ２を出射すると共に、第２直線偏光ＣＣＷ１が入射され、その入射光に応じて第２戻り光を出射する。
　１／４波長板５１は、ＰＢＳ４２Ａ又はＰＢＳ４２Ｂとの間を光学的に接続するＰＡＮＤＡファイバの遅相軸及び進相軸に対して光学軸が４５度傾斜して配置される。１／４波長板５１は、ＰＢＳ４２Ａ又はＰＢＳ４２Ｂから入射される直線偏光を円偏光に変換すると共に、ファラデー回転子５２から入射される戻り光である円偏光を直線偏光に変換する。
　ファラデー回転子５２は、誘電体５２０と、誘電体５２０から安定的に相分離した状態で誘電体５２０中に分散しているナノオーダの磁性体粒子５２１とを有するグラニュラー膜であり、１／４波長板５１の端面に配置される。磁性体粒子５２１は、例えば最表層等のごく一部では酸化物になっていてもよいが、ファラデー回転子５２の全体では、バインダとなる誘電体と化合物を作らずに、単独で薄膜中に分散している。ファラデー回転子５２内における磁性体粒子５２１の分布は、完全に一様でなくてもよく、多少偏っていてもよい。誘電体５２０として透明性が高いものを用いれば、誘電体５２０中に磁性体粒子５２１が光の波長よりも小さいサイズで存在することにより、ファラデー回転子５２は光透過性を有する。
　ファラデー回転子５２は、単層のものに限らず、グラニュラー膜と誘電体膜とが交互に積層した多層膜であってもよい。グラニュラー膜を多層膜にすることで、グラニュラー膜内での多重反射によって、より大きなファラデー回転角が得られる。
　誘電体５２０は、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）、フッ化アルミニウム（ＡｌＦ3）、フッ化イットリウム（ＹＦ3）等のフッ化物（金属フッ化物）が好ましい。また、誘電体５２０は、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）、二酸化チタン（ＴｉＯ2）、五酸化二ニオビウム（Ｎｂ2Ｏ5）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）及び三酸化二アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）等の酸化物であってもよい。誘電体５２０と磁性体粒子５２１との良好な相分離のためには、酸化物よりもフッ化物の方が好ましく、透過率が高いフッ化マグネシウムが特に好ましい。
　磁性体粒子５２１の材質は、ファラデー効果を生じるものであればよく、特に限定されないが、材質としては、強磁性金属である鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）及びニッケル（Ｎｉ）並びにこれらの合金が挙げられる。Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの合金としては、例えば、ＦｅＮｉ合金、ＦｅＣｏ合金、ＦｅＮｉＣｏ合金、ＮｉＣｏ合金が挙げられる。Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの単位長さ当たりのファラデー回転角は、従来のファラデー回転子に適用されている磁性ガーネットに比べて２～３桁近く大きい。
　ミラー素子５３は、ファラデー回転子５２の１／４波長板５１とは反対側の面に形成されており、ファラデー回転子５２を透過した光をファラデー回転子５２に向けて反射する。ミラー素子５３としては、例えば、銀（Ａｇ）膜、金（Ａｕ）膜、アルミニウム（Ａｌ）膜又は誘電体多層膜ミラー等を用いることができる。特に、反射率の高いＡｇ膜及び耐食性が高いＡｕ膜が成膜上簡便で好ましい。ミラー素子５３の厚さは、９８％以上の十分な反射率を確保できる大きさであればよく、例えばＡｇ膜の場合には、５０ｎｍ以上かつ２００ｎｍ以下であることが好ましい。ミラー素子５３を用いてファラデー回転子５２内で光を往復させることにより、ファラデー回転角を大きくすることができる。
　検出信号発生部６０は、ＰＢＳ６１と、第１受光素子６２と、第２受光素子６３と、信号処理回路７０とを有する。検出信号発生部６０は、サーキュレータ２０で分岐された第２直線偏波光をＳ偏光成分６４及びＰ偏光成分６５に分離し、それらを受光して電気信号に変換して差動増幅することで、磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂに印加される磁界に応じた検出信号Ｅｄを出力する。ＰＢＳ６１は、プリズム型、平面型、ウェッジ基板型又は光導波路型等の偏光ビームスプリッタであり、サーキュレータ２０で分岐された第２直線偏波光をＳ偏光成分６４とＰ偏光成分６５とに分離する。
　図３は、第１受光素子６２、第２受光素子６３及び信号処理回路７０の回路図である。信号処理回路７０は、例えばオペアンプである増幅素子７１と、抵抗素子７２とを有する。
　第１受光素子６２及び第２受光素子６３のそれぞれは、例えばＰＩＮフォトダイオードであり、光電変換をして受光量に応じた電気信号を出力する。第１受光素子６２のアノード及び第２受光素子６３のカソードは、増幅素子７１のマイナス入力端子に接続され、第１受光素子６２のカソードは正電源＋Ｖに接続され、第２受光素子６３のアノードは負電源－Ｖに接続される。第１受光素子６２は、第３直線偏光ＣＷ２と第４直線偏光ＣＣＷ２との合波のＳ偏光成分６４を受光し、その強度に比例する電流である第１電気信号Ｅ１を出力する。第２受光素子６３は、第３直線偏光ＣＷ２と第４直線偏光ＣＣＷ２との合波のＰ偏光成分６５を受光し、その強度に比例する電流である第２電気信号Ｅ２を出力する。
　検出信号発生部６０に入射する第３直線偏光ＣＷ２のＳ偏光成分とＰ偏光成分は次式のＥCWで表され、第４直線偏光ＣＣＷ２のＳ偏光成分とＰ偏光成分は次式のＥCCWで表される。θFはファラデー回転子５２に印加される磁界に応じたファラデー回転角であり、ｊは虚数単位である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　第３直線偏光ＣＷ２と第４直線偏光ＣＣＷ２との合波のＳ偏光成分Ｐ0及びＰ偏光成分Ｐ90は、上記のＥCWとＥCCWの式から次式のように表される。ＥCW,0，ＥCCW,0，ＥCW,90，ＥCCW,90は、それぞれ、第３直線偏光ＣＷ２のＳ偏光成分、第４直線偏光ＣＣＷ２のＳ偏光成分、第３直線偏光ＣＷ２のＰ偏光成分、第４直線偏光ＣＣＷ２のＰ偏光成分である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　信号処理回路７０は、反転増幅回路であり、第１電気信号Ｅ１と第２電気信号Ｅ２との差動信号（Ｅ１－Ｅ２）を反転増幅することで、磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂに印加される磁界に応じた検出信号Ｅｄを出力する。増幅素子７１のプラス入力端子は接地され、増幅素子７１のマイナス入力端子には差動信号（Ｅ１－Ｅ２）が入力される。差動信号（Ｅ１－Ｅ２）は、Ｓ偏光成分Ｐ0とＰ偏光成分Ｐ90との差分に比例し、ファラデー回転角θFに応じた電気信号である。検出信号Ｅｄは、基準光強度に相当する直流成分が除去された電気信号である。
　図４及び図５は、センサ装置１の動作を説明するための図である。図中の細い矢印は光の伝搬方向を示し、図４の太い矢印１０１～１２１及び図５の太い矢印２０１～２２１はそれぞれの箇所における偏光状態を示す。符号Ｉは被測定導体を流れる電流を、符号Ｈは被測定磁界を示す。
　まず、Ｐ偏光である第１直線偏波光が発光部１０の偏光子１３から出射され（矢印１０１，２０１）、サーキュレータ２０を透過して１／２波長板３０に入射する（矢印１０２，２０２）。第１直線偏波光は、１／２波長板３０を透過することで偏光面が４５度回転して、Ｐ偏光である第１直線偏光ＣＷ１とＳ偏光である第２直線偏光ＣＣＷ１とを有する光になる（矢印１０３，２０３）。
　第１直線偏光ＣＷ１は、ＰＢＳ４１を介して第１光路４３に入射され（矢印１０４）、ＰＢＳ４２Ａを介して磁界センサ素子５０Ａに入射される（矢印１０５）。磁界センサ素子５０Ａに入射した第１直線偏光ＣＷ１は、１／４波長板５１を透過することで左回転の円偏光になり（矢印１０６）、ファラデー回転子５２を透過することで被測定磁界Ｈに応じて位相を－θF変化させ、ミラー素子５３で反射することで右回転の円偏光になり（矢印１０７）、再びファラデー回転子５２を透過することで被測定磁界Ｈに応じて位相を更に－θF変化させ、再び１／４波長板５１を透過することでＳ偏光に変換されて、ＰＢＳ４２Ａに出射される（矢印１０８）。磁界センサ素子５０Ａでの合計の位相変化量は－２θFになる。
　磁界センサ素子５０Ａからの戻り光は、ＰＢＳ４２Ａを介してＰ偏光に変換され（矢印１０９）、ＰＢＳ４２Ｂを介して再びＳ偏光に変換されて磁界センサ素子５０Ｂに入射される（矢印１１０）。磁界センサ素子５０Ｂに入射したＳ偏光は、１／４波長板５１を透過することで右回転の円偏光になり（矢印１１１）、ファラデー回転子５２を透過することで被測定磁界Ｈに応じて位相を－θF変化させ、ミラー素子５３で反射することで左回転の円偏光になり（矢印１１２）、再びファラデー回転子５２を透過することで被測定磁界Ｈに応じて位相を更に－θF変化させ、再び１／４波長板５１を透過することでＰ偏光である第３直線偏光ＣＷ２に変換されて、ＰＢＳ４２Ｂに出射される（矢印１１３）。磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂでの合計の位相変化量は－４θFになる。
　第３直線偏光ＣＷ２は、ＰＢＳ４２Ｂを介して第２光路４４の位相調整素子４５に入射される（矢印１１４）。位相調整素子４５において、第３直線偏光ＣＷ２は、１／４波長板４７、４５度ファラデー回転子４８及び１／４波長板４６を順に透過することで、左回転の円偏光になり（矢印１１５）、位相を－４５度変化させ、Ｐ偏光になる（矢印１１６）。位相調整素子４５を透過した第３直線偏光ＣＷ２は、ＰＢＳ４１を介してＳ偏光に変換され（矢印１１７）、１／２波長板３０に出射される。
　一方、第２直線偏光ＣＣＷ１は、ＰＢＳ４１を介してＰ偏光に変換されて第２光路４４に入射され（矢印２０４）、位相調整素子４５に入射される。位相調整素子４５において、第２直線偏光ＣＣＷ１は、１／４波長板４６、４５度ファラデー回転子４８及び１／４波長板４７を順に透過することで、左回転の円偏光になり（矢印２０５）、位相を４５度変化させ、Ｐ偏光になる（矢印２０６）。
　位相調整素子４５を透過した第２直線偏光ＣＣＷ１は、ＰＢＳ４２Ｂを介して磁界センサ素子５０Ｂに入射される（矢印２０７）。磁界センサ素子５０Ｂに入射した第２直線偏光ＣＣＷ１は、１／４波長板５１を透過することで左回転の円偏波になり（矢印２０８）、ファラデー回転子５２を透過することで被測定磁界Ｈに応じて位相をθF変化させ、ミラー素子５３で反射することで右回転の円偏光になり（矢印２０９）、再びファラデー回転子５２を透過することで被測定磁界Ｈに応じて位相を更にθF変化させ、再び１／４波長板５１を透過することでＳ偏光に変換されて、ＰＢＳ４２Ｂに出射される（矢印２１０）。磁界センサ素子５０Ｂでの合計の位相変化量は２θFになる。
　磁界センサ素子５０Ｂからの戻り光は、ＰＢＳ４２Ｂを介してＰ偏光に変換され（矢印２１１）、ＰＢＳ４２Ａを介して再びＳ偏光に変換されて磁界センサ素子５０Ａに入射される（矢印２１２）。磁界センサ素子５０Ａに入射したＳ偏光は、１／４波長板５１を透過することで右回転の円偏光になり（矢印２１３）、ファラデー回転子５２を透過することで被測定磁界Ｈに応じて位相をθF変化させ、ミラー素子５３で反射することで左回転の円偏光になり（矢印２１４）、再びファラデー回転子５２を透過することで被測定磁界Ｈに応じて位相を更にθF変化させ、再び１／４波長板５１を透過することでＰ偏光である第４直線偏光ＣＣＷ２に変換されて、ＰＢＳ４２Ａに出射される（矢印２１５）。磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂでの合計の位相変化量は４θFになる。
　第４直線偏光ＣＣＷ２は、ＰＢＳ４２Ａを介して第１光路４３に入射され（矢印２１６）、ＰＢＳ４１を介して１／２波長板３０に出射される（矢印２１７）。第３直線偏光ＣＷ２と第４直線偏光ＣＣＷ２はＰＢＳ４１で合波され、１／２波長板３０を透過することで偏光面が４５度回転して、それぞれＰ偏光成分とＳ偏光成分とを有する光になり（矢印１１８，２１８）、サーキュレータ２０で分岐してＰＢＳ６１に入射する（矢印１１９，２１９）。第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２の合波のＳ偏光成分は第１受光素子６２に（矢印１２０，２２０）、Ｐ偏光成分は第２受光素子６３に（矢印１２１，２２１）、それぞれＰＢＳ６１を介して入射する。このように、センサ装置１では、時計回りの偏光Ｅcwと反時計回りの偏光ＥccwがＰＢＳ４１で２経路に分離され、それぞれ２個の磁界センサ素子を通過し、最後に１／２波長板３０を通過するときに互いに干渉する。
　センサ装置１では、被測定導体の表裏に同一光学系の磁界センサ素子をそれぞれ配置でき、被測定導体の表裏の磁界を同時に計測することができる。２個の磁界センサ素子の相対位置は固定されているので、一方が被測定導体に近付けば他方は被測定導体から同じ距離だけ遠ざかり、また、光が２個の磁界センサ素子を透過することにより生じるファラデー回転角は個々の磁界センサ素子での回転角の和になる。このため、センサ装置１では、磁界センサ素子と被測定導体との距離に依存しない計測値を得ることができ、磁界センサ素子が被測定導体の側方の１か所のみに配置されるセンサ装置と比べて検出磁界量の精度が向上する。また、センサ装置１では、被測定導体を流れる電流の周波数がＧＨｚのオーダであっても測定可能であり、フェライト系の磁性体で構成された磁気ヨークで被測定導体を取り囲むセンサ装置と比べて高周波の電流を測定することができる。
　図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、測定値への外部磁界の影響について説明するための図である。これらの図は、電流路である被測定導体９１の近くに外部導体９２が配置され、外部導体９２を流れる電流による外部磁界Ｈexがある環境下で、被測定導体９１による磁界（被測定磁界）Ｈを測定する場合を示す。図６（Ａ）は磁界センサ素子が符号５０で示す１個の場合を、図６（Ｂ）は磁界センサ素子が符号５０Ａ，５０Ｂで示す２個であるセンサ装置１の場合を示す。図示した例では、磁界センサ素子５０は被測定導体９１に接することで被測定磁界Ｈに平行に配置され、磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂも、被測定導体９１を両側から挟むことで被測定磁界Ｈに平行に配置される。被測定導体９１の周囲では外部磁界Ｈexは一様である（つまり、磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂに印加される外部磁界Ｈex’，Ｈex’’は等しい）とする。
　磁界センサ素子が１個の場合には、外部磁界Ｈexは、図６（Ａ）に示すようにその向きが磁界センサ素子５０に平行であると、被測定磁界Ｈと強め合うか又は被測定磁界Ｈを打ち消す働きをするため、測定に特に影響する。一方、磁界センサ素子が２個の場合には、図６（Ｂ）に示すように、一方の磁界センサ素子５０Ａでは外部磁界Ｈex’と被測定磁界Ｈが打ち消し合うが、他方の磁界センサ素子５０Ｂでは外部磁界Ｈex’’と被測定磁界Ｈが強め合う。このため、センサ装置１では、磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂからの出力の和を取ることで平均化の効果が得られ、測定値への外部磁界Ｈexの影響を打ち消すことできる。２個の磁界センサ素子における外部磁界Ｈex’，Ｈex’’が異なる場合には外部磁界Ｈexの影響は完全には打ち消されないが、それでも磁界センサ素子が被測定導体の側方の１か所のみに配置されるセンサ装置と比べれば、外乱への耐性は強くなる。
　また、センサ装置１では、第１電気信号Ｅ１と第２電気信号Ｅ２との差動信号（Ｅ１－Ｅ２）を反転増幅して検出信号Ｅｄを生成するので、検出信号Ｅｄから基準光強度に相当する直流成分が除去されて、検出信号ＥｄのＳＮ比が高くなる。
　図７は、センサ装置２のブロック図である。センサ装置２は、干渉型光磁界センサ装置の一例であり、ＰＢＳ４２Ｃ，４２Ｄ及び磁界センサ素子５０Ｃ，５０Ｄが追加され、磁界センサ素子が４個になっている点のみがセンサ装置１とは異なる。ＰＢＳ４２Ｃ，４２Ｄ及び磁界センサ素子５０Ｃ，５０Ｄ以外のセンサ装置２の構成要素はすべてセンサ装置１のものと同じである。ＰＢＳ４２Ｃ，４２ＤはＰＢＳ４２Ａ，４２Ｂと同じ機能を有する偏光ビームスプリッタであり、磁界センサ素子５０Ｃ，５０Ｄは磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂと同じ素子である。ＰＢＳ４２Ａ～４２Ｄは、ＰＡＮＤＡファイバ等の偏波保持ファイバで第１光路４３と第２光路４４の間にこの順序で互いに接続され、対応する磁界センサ素子５０Ａ～５０Ｄにも偏波保持ファイバでそれぞれ接続される。
　磁界センサ素子５０Ａ～５０Ｄは、磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂを１対、磁界センサ素子５０Ｃ，５０Ｄを他の１対として、被測定導体（図８及び図９に符号Ｉで示す電流路）の四方に互いに９０度の位置関係で配置される。外部磁界の影響を打ち消すために、対になる磁界センサ素子同士は、図６（Ｂ）に示した例と同様に、被測定導体を間に挟んで同じ向き（被測定磁界Ｈに対して互いに逆向き）に配置される。少なくとも、対になる磁界センサ素子同士の相対位置は固定されており、それらの間の距離は不変である。磁界センサ素子５０Ａ～５０Ｄは、４個とも互いに一定の間隔を空けて一体的に形成され、互いの相対位置が固定されていることが好ましい。
　センサ装置２では、第１直線偏光ＣＷ１がＰＢＳ４２Ａを介して磁界センサ素子５０Ａに入射し、その戻り光がＰＢＳ４２Ａ，４２Ｂを介して磁界センサ素子５０Ｂに入射し、その戻り光がＰＢＳ４２Ｂ，４２Ｃを介して磁界センサ素子５０Ｃに入射し、その戻り光がＰＢＳ４２Ｃ，４２Ｄを介して磁界センサ素子５０Ｄに入射し、その戻り光が第３直線偏光ＣＷ２としてＰＢＳ４２Ｄを介して出射される。また、第２直線偏光ＣＣＷ１がＰＢＳ４２Ｄを介して磁界センサ素子５０Ｄに入射し、その戻り光がＰＢＳ４２Ｄ，４２Ｃを介して磁界センサ素子５０Ｃに入射し、その戻り光がＰＢＳ４２Ｃ，４２Ｂを介して磁界センサ素子５０Ｂに入射し、その戻り光がＰＢＳ４２Ｂ，４２Ａを介して磁界センサ素子５０Ａに入射し、その戻り光が第４直線偏光ＣＣＷ２としてＰＢＳ４２Ａを介して出射される。
　センサ装置２では、検出信号発生部６０に入射する第３直線偏光ＣＷ２のＳ偏光成分とＰ偏光成分は次式のＥCWで表され、第４直線偏光ＣＣＷ２のＳ偏光成分とＰ偏光成分は次式のＥCCWで表される。第３直線偏光ＣＷ２と第４直線偏光ＣＣＷ２との合波のＳ偏光成分及びＰ偏光成分は、４θFが８θFに変わることを除いて、上記の式（１），（２）のＰ0，Ｐ90と同じである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　図８及び図９は、センサ装置２の動作を説明するための図である。図中の細い矢印は光の伝搬方向を示し、図８の太い矢印３０１～３３２及び図９の太い矢印４０１～４３２はそれぞれの箇所における偏光状態を示す。センサ装置２の動作は、通過するＰＢＳ及び磁界センサ素子の個数が増えるだけでセンサ装置１の動作と同様であるため、重複する説明は省略する。
　Ｐ偏光である第１直線偏波光が発光部１０の偏光子１３から出射されてから、Ｐ偏光である第１直線偏光ＣＷ１とＳ偏光である第２直線偏光ＣＣＷ１とを有する光になってＰＢＳ４１に入射するまで（矢印３０１～３０３，４０１～４０３）は、図４及び図５の矢印１０１～１０３，２０１～２０３の部分と同様である。第１直線偏光ＣＷ１がＰＢＳ４１を介して第１光路４３に入射されてから、磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂを経てＰＢＳ４２Ｂから出射されるまで（矢印３０４～３１４）は、図４の矢印１０４～１１４の部分と同様である。磁界センサ素子５０Ｂからの戻り光が更に磁界センサ素子５０Ｃ，５０Ｄ、位相調整素子４５及びＰＢＳ４１を経て第３直線偏光ＣＷ２として１／２波長板３０に出射されるまで（矢印３１５～３２８）は、図４の矢印１０５～１１７の部分と同様である。
　第２直線偏光ＣＣＷ１がＰＢＳ４１を介して第２光路４４に入射されてから、位相調整素子４５、磁界センサ素子５０Ｄ，５０Ｃを経てＰＢＳ４２Ｃから出射されるまで（矢印４０４～４１７）は、図５の矢印２０４～２１６の部分と同様である。磁界センサ素子５０Ｃからの戻り光が更に磁界センサ素子５０Ｂ，５０Ａ及びＰＢＳ４１を経て第４直線偏光ＣＣＷ２として１／２波長板３０に出射されるまで（矢印４１８～４２８）は、図５の矢印２０７～２１７の部分と同様である。第３直線偏光ＣＷ２と第４直線偏光ＣＣＷ２がＰＢＳ４１で合波され、１／２波長板３０を透過してから第１受光素子６２及び第２受光素子６３に入射するまで（矢印３２９～３３２，４２９～４３２）は、図４及び図５の矢印１１８～１２１，２１８～２２１の部分と同様である。
　センサ装置２でも、磁界センサ素子と被測定導体との距離に依存しない計測値を得ることができ、被測定導体の周囲に配置される磁界センサ素子の個数が多い分だけセンサ装置１よりも更に検出磁界量の精度が向上する。また、センサ装置２でも、センサ装置１と同様に、電流の周波数がＧＨｚのオーダであっても測定でき、外乱への耐性が強く、且つ検出信号ＥｄのＳＮ比が高くなる。
　同様に考えると、被測定導体の周囲を等角度で取り囲むように、６個、８個等の更に多くの磁界センサ素子を設けてもよい。図８の矢印３０５，３１０，３１５，３２０及び図９の矢印４０８，４１３、４１８，４２３等を見ると分かるように、ＰＢＳを通過するごとに磁界センサ素子に入射する光がＰ偏光とＳ偏光の間で交互に入れ替わることから、磁界センサ素子の個数は偶数個（２ｎ個）であるとよい。
　図１０は、センサ装置３のブロック図である。センサ装置３は、干渉型光磁界センサ装置の一例であり、１／２波長板３０がカプラ８０に、光路部４０が光路部４０’に、検出信号発生部６０が検出信号発生部６０’にそれぞれ置き換えられている点のみがセンサ装置１とは異なる。光路部４０’はＰＢＳ４１がないのみ点がセンサ装置１の光路部４０とは異なり、センサ装置３では、第１光路４３と第２光路４４がカプラ８０に直接接続され、カプラ８０がＰＢＳ４１の機能を兼ねている。検出信号発生部６０’は、ＰＢＳ６１がなく、第１受光素子６２がカプラ８０に、第２受光素子６３がサーキュレータ２０にそれぞれ直接接続される点がセンサ装置１の検出信号発生部６０とは異なる。
　カプラ８０は、第１光学素子の一例であり、サーキュレータ２０から入射される第１直線偏波光を第１直線偏光ＣＷ１と第２直線偏光ＣＣＷ１に分離して、第１直線偏光ＣＷ１を第１光路４３に、第２直線偏光ＣＣＷ１を第２光路４４にそれぞれ出射する。また、カプラ８０は、磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂからの戻り光である第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２が光路部４０’から入射され、それらの光から成る第２直線偏波光を２成分に分離して、第１受光素子６２及びサーキュレータ２０に出射する。
　センサ装置３では、Ｐ偏光である第１直線偏波光が発光部１０の偏光子１３から出射され、サーキュレータ２０を透過してカプラ８０に入射し、カプラ８０で第１直線偏光ＣＷ１と第２直線偏光ＣＣＷ１に分離される。これらは共にＰ偏光であり、センサ装置１の場合と同様に光路部４０’及び磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂを透過して、共にＰ偏光である第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２としてカプラ８０に再び入射する。途中の偏光状態は、図４の矢印１０４～１１６及び図５の矢印２０４～２１６で示すセンサ装置１の場合と同じである。
　第３直線偏光ＣＷ２及び第４直線偏光ＣＣＷ２から成る第２直線偏波光は、カプラ８０から第１受光素子６２及びサーキュレータ２０に出射され、第１受光素子６２及び第２受光素子６３で受光される。カプラ８０はハーフミラーと等価であり、ハーフミラーの透過時には９０度、反射時には１８０度位相が変化するので、第１受光素子６２に入射する光は、第３直線偏光ＣＷ２の反射光（１８０度）と、第４直線偏光ＣＣＷ２の透過光（９０度）とから成る。また、第２受光素子６３に入射する光は、第３直線偏光ＣＷ２の透過光（９０度）と、第４直線偏光ＣＣＷ２の反射光（１８０度）とから成る。このように、センサ装置３では、時計回りの偏光Ｅcwと反時計回りの偏光Ｅccwがカプラ８０で２経路に分離され、それぞれ２個の磁界センサ素子を通過し、再度カプラ８０に戻ったときに互いに干渉する。
　したがって、センサ装置３では、第１受光素子６２及び第２受光素子６３における干渉光の光強度ＰＤ１，ＰＤ２は、次式のように表される。ＥCW,R，ＥCCW,T，ＥCW,T，ＥCCW,Rは、それぞれ、カプラ８０での第３直線偏光ＣＷ２の反射光、第４直線偏光ＣＣＷ２の透過光、第３直線偏光ＣＷ２の透過光、第４直線偏光ＣＣＷ２の反射光である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　このため、ＰＤ１とＰＤ２は、相対的に位相が１８０度ずれたところが動作点となる。つまり、磁界センサ素子５０Ａ，５０Ｂでファラデー効果が生じたときに、ＰＤ１とＰＤ２の光強度変化は互いに相反し、同じ光強度を基準に対称的に変化する。したがって、第１受光素子６２及び第２受光素子６３でこれらの干渉光を電気信号に変換した後、それらの差を信号処理回路７０に入力することにより、基準光強度に相当する直流成分が除去されて、検出信号ＥｄのＳＮ比が高くなる。また、センサ装置３でも、磁界センサ素子が２個あることで、磁界センサ素子と被測定導体との距離に依存しない計測値を得ることができ、検出磁界量の精度が向上する。

Claims (5)

  1. 　第１直線偏波光を出射する発光部と、
    　入射された前記第１直線偏波光に応じて第１直線偏光と第２直線偏光を出射し、入射された第３直線偏光と第４直線偏光に応じて第２直線偏波光を出射する第１光学素子と、
    　被測定導体を間に挟んで所定の磁界内に配置可能であり、光透過性を有し、透過光の位相を前記磁界に応じて変化させ、且つ、相対位置が固定された少なくとも１対の磁界センサ素子と、
    　前記第１直線偏光及び前記第４直線偏光を伝搬する第１光路、並びに、前記第２直線偏光及び前記第３直線偏光を伝搬する第２光路を有し、前記第１光学素子及び前記磁界センサ素子に接続された光路部と、
    　前記第２直線偏波光の２成分を受光して電気信号に変換することで、前記磁界に応じた検出信号を出力する検出信号発生部と、
    　前記第１直線偏波光を前記第１光学素子へ透過させ、前記第２直線偏波光を前記検出信号発生部へ分岐する光分岐部と、を有し、
    　前記磁界センサ素子の一方は、前記第１直線偏光が入射され第１戻り光を出射すると共に、第２戻り光が入射され前記第４直線偏光を出射し、
    　前記磁界センサ素子の他方は、前記第１戻り光が入射され前記第３直線偏光を出射すると共に、前記第２直線偏光が入射され前記第２戻り光を出射する、
    　ことを特徴とする干渉型光磁界センサ装置。
  2. 　前記光路部は、前記第２光路に配置され、前記第３直線偏光と前記第４直線偏光との位相差が９０度になるように前記第２直線偏光及び前記第３直線偏光の位相を調整する第２光学素子を更に有する、請求項１に記載の干渉型光磁界センサ装置。
  3. 　前記第１光学素子は、前記第１直線偏波光の偏光面方位角が２２．５度になるように配置された１／２波長板であり、
    　前記検出信号発生部は、前記光分岐部から入射された前記第２直線偏波光をＳ偏光成分光及びＰ偏光成分光に分離して受光する、請求項１又は２に記載の干渉型光磁界センサ装置。
  4. 　前記第１光学素子は、前記第１直線偏波光を前記第１直線偏光と前記第２直線偏光に分離して出射し、前記第２直線偏波光を前記２成分に分離して出射するカプラであり、
    　前記検出信号発生部には、前記２成分の一方が前記第１光学素子から、前記２成分の他方が前記光分岐部から入射される、請求項１又は２に記載の干渉型光磁界センサ装置。
  5. 　前記発光部、前記光分岐部、前記第１光学素子、前記光路部、前記磁界センサ素子及び前記検出信号発生部は、偏波保持ファイバによって互いに接続される、請求項１～４の何れか一項に記載の干渉型光磁界センサ装置。
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