光学センサおよびそれを用いた計測システム
【課題】温度変化や偏波保持ファイバの変形があっても最大の感度を得る。
【解決手段】１／４波長板５３の位相軸は、偏波保持ファイバ５０の位相軸に対して角度２２．５度を有するように配置されている。これにより、レンズ３０５を通過した直線偏光が偏波保持ファイバ５０の一方の位相軸にのみ入射すると、偏波保持ファイバ５０を逆方向に通過した光は強度変調光となり、電気信号検出器６で得られる検出値は、温度変化や偏波保持ファイバの変形によっては変化せず、これにより、最大の感度が得られる。
【解決手段】１／４波長板５３の位相軸は、偏波保持ファイバ５０の位相軸に対して角度２２．５度を有するように配置されている。これにより、レンズ３０５を通過した直線偏光が偏波保持ファイバ５０の一方の位相軸にのみ入射すると、偏波保持ファイバ５０を逆方向に通過した光は強度変調光となり、電気信号検出器６で得られる検出値は、温度変化や偏波保持ファイバの変形によっては変化せず、これにより、最大の感度が得られる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電界や交流磁界などの物理量が印加されている電気光学結晶、磁気光学結晶、及び、圧光学（光弾性）結晶などの光学結晶に光を入射させ、該光学結晶から出射された光を検出することのより交流電界、交流磁界、及び、音圧などに相当する信号を得る計測システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超低周波帯からＴ（テラ）Ｈｚ帯の交流電界を検出する計測システムの一例として、電気光学（Electro-opitc；EO）結晶を用いた電界計測システムが注目されている（特許文献１参照）。
【０００３】
この電界計測システムは、検出部と信号処理部から構成されており、それぞれが電気ケーブルにより接続されている。検出部は、ポリカーボネートやセラミックなどの誘電体からなる筐体から構成されており、筐体の先端部にＥＯ結晶が配置されている。筐体内部には１／２波長板（Half-wave plate；HWP）、１／４波長板（Quarter-wave plate；QWP）、ファラデー回転子（Faraday rotator；FR）、偏光ビームスプリッタ（Polarizing-beam splitter；PBS）、レンズ、レーザダイオード（Laser diode；LD）、フォトダイオード（Photodiode；PD）などの光学素子が固定されており、空間光学系が採用されていることから、検出感度は検出部の向きや状態、および、環境温度の変化に対して安定である。しかしながら、検出部の近くに電気ケーブルが存在するため、被測定電界を乱してしまう可能性がある。
【０００４】
これに対して、ＬＤとＰＤを信号処理部へ配置し、検出部と信号処理部を光ファイバで接続した電界計測システムが開発されている。
【０００５】
この電界計測システムは、信号線による擾乱を除去することができたが、検出部に多数の光学素子を固定する筐体が必要なことから、被測定電界に多少の擾乱を与える可能性がある。
【０００６】
この問題を解決するために、検出部にＥＯ結晶とレンズのみを配置した電界計測システムが開発されている（特許文献２参照）。しかしながら、検出部を走査すると、光ファイバが屈曲するため、検出感度が変動してしまう。このため、検出部の稼動範囲は数ｍｍ程度であり、検出部を固定して、被測定対象を走査するなどの操作性の課題が残っていた。
【０００７】
この問題を解決するため、検出感度の変動を監視し、変動量に基づいて信号処理部の偏波コントローラを調整し、感度を一定にする電界計測システムが開発されている（特許文献３参照）。
【０００８】
図８は、この電界計測システムと同様に構成したシステムを示す図である。
電界計測システムは、光源１、偏光処理装置３、光学センサ５Ａ、電気信号検出器（振幅および位相測定器）６から構成される。
【０００９】
光源１で生成された直線偏光は偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）２により偏光処理装置３へ入力される。直線偏光はビームスプリッタ３０４を通過した後、光学センサに接続された偏波保持ファイバ５０へ入力される。偏波保持ファイバ５０の端面から出射した直線偏光はコリメータレンズ５２で平行光に整形され、電気光学結晶５４に入射する。入射した直線偏光は電気光学結晶５４の端面に形成された誘電体反射膜５４１で反射され、電気光学結晶５４内を逆向きに伝搬する。電気光学結晶５４に被測定電界が印加されないときは、直線偏光は偏光変調を受けず、直線偏光として偏波保持ファイバ５０へ入力される。被測定電界が印加されたとき、電気光学結晶５４には複屈折が生じ、電気光学結晶５４に入力された直線偏光は偏光変調を受けて、楕円偏光として偏波保持ファイバ５０へ入力される。偏波保持ファイバ５０に入力された直線偏光もしくは楕円偏光は、偏光処理装置３のビームスプリッタ３０４を介して偏波コントローラ３０６へ伝搬され、偏波コントローラ３０６により適切な偏光へ変換された後、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３０７により２つの強度変調光に変換される。２つの強度変調光はそれぞれ光検出器（ＰＤ）３１１、３１２および差動アンプ３１３から構成される差動増幅回路（バランスレシーバなど）により被測定電界に比例する出力信号に変換される。電気信号検出器６としてのスペアナやロックインアンプにより出力電気信号の振幅や位相を測定することより、被測定電界の振幅や位相を得ることができる。
【００１０】
この電界計測システムにおいては、例えば、測定された振幅から最大の信号強度を得るように、且つ、バランスレシーバの２つのＰＤの光電流差が最小になるように偏波コントローラを調整することにより、最大の感度となるようにフィードバック制御している。これにより、検出部の走査や環境温度の変化によらず一定の感度が得られることを実現している。
【特許文献１】特開２０００−１７１４８７号公報
【特許文献２】特開２００３−０１４８０１号公報
【特許文献３】特開２００５−２９２０６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、図８の電界計測システムには、以下に示すような問題があった。
【００１２】
上述したように、感度を安定化させるために、振幅信号とＰＤの光電流差を監視し、偏波コントローラの１／２波長板（ＨＷＰ）と１／４波長板（ＱＷＰ）を制御する必要がある。ＰＭＦの屈曲や環境温度変化による偏光の変化はランダムであるため、偏波コントローラの制御は非常に複雑となる。また、フィードバック制御を付加するため、システム構成が複雑となり、構成費用が大きくなる。
【００１３】
本発明は、以上のような問題を解決するためになされたものであり、複雑な機構や制御を付加することなく、環境温度の変化、光学センサの走査および高周波な振動に伴いＰＭＦの変形が存在する場合においても常に最大の感度が得られることを可能とする光学センサおよびそれを用いた計測システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明の光学センサは、偏波保持ファイバと、この偏波保持ファイバを通過した光が入射する１／４波長板と、この１／４波長板を通過した光が入射する光学結晶であって、光の偏光状態を電気的、磁気的または力学的に変化させる性質を有し、光を反射する反射手段が設けられた光学結晶とを有し、１／４波長板の位相軸が偏波保持ファイバの位相軸に対して角度２２．５度を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明の光学センサによれば、１／４波長板の位相軸が偏波保持ファイバの位相軸に対して角度２２．５度を有するので、直線偏光が偏波保持ファイバの一方の位相軸にのみ入射すると、偏波保持ファイバを逆方向に通過した光は、計測対象の強度変調光となり、強度変調光により得た強度の検出値は、温度変化や偏波保持ファイバの変形によっては変化せず、これにより、最大の感度を得ることが可能となる。
【００１６】
また、本発明の光学センサにおいて、前記光学結晶が光の偏光状態を電気的に変化させる性質を有することを特徴とする。
【００１７】
この光学センサによれば、特に、電界強度の計測において、最大の感度が得られる。
【００１８】
また、本発明において、前記１／４波長板の位相軸が前記光学結晶の位相軸に対して角度４５度を有することを特徴とする。
【００１９】
この光学センサによれば、偏波保持ファイバを逆方向に通過した光が楕円偏光の場合、楕円長軸方向と偏波保持ファイバの位相軸との間の角度が、被測定電界などの測定対象によって変化するのだが、１／４波長板の位相軸が光学結晶の位相軸に対して角度４５度を有することにより、その電界などにより変化する角度における変化量が４５度以外のどの場合よりも大きくなり、その結果、検出値を最大化つまり最大の感度を得ることができる。
【００２０】
また、本発明の光学センサにおいて、前記偏波保持ファイバを通過した光が入射する同一軸出力型の偏光分離素子を有し、この偏光分離素子を通過した光が前記１／４波長板に入射するようになっていることを特徴とする。
【００２１】
具体的には、本発明の光学センサにおいて、前記偏波保持ファイバを通過した光が入射する第１の偏光分離板と、この第１の偏光分離板を通過した光が入射する１／２波長板と、この１／２波長板を通過した光が入射する第２の偏光分離板とを有し、この第２の偏光分離板を通過した光が前記１／４波長板に入射するようになっていることを特徴とする。
【００２２】
この光学センサによれば、逆方向の光を偏光分離素子により高い偏波消光比で分離してから偏波保持ファイバへ入射させることができ、これにより、検出感度の揺らぎを低減することができる。
【００２３】
また、本発明の光学センサにおいて、前記偏波保持ファイバを出射した光が前記反射手段で反射し、前記第２の偏光分離板で分離され、前記第２の偏光分離板で結合し、前記偏波保持ファイバにおける前記光の出射位置に入射するようになっていることを特徴とする。
【００２４】
この光学センサによれば、その偏波保持ファイバ以外の偏波保持ファイバを含めて２本の偏波保持ファイバを用いる必要がなく、光学センサを簡素化できる。
【００２５】
また、本発明の光学センサを用いた計測システムは、本発明の光学センサと、光を生成する光源と、この光源で生成された光が入射する導光手段と、この導光手段を通過した光を前記偏波保持ファイバに入射させるとともに、当該偏波保持ファイバを逆方向に通過した光の進行方向を変化させるサーキューレータと、このサーキューレータを通過した光を検出する検出手段とを有することを特徴とする。
【００２６】
この計測システムによれば、その光学センサにあっては、１／４波長板の位相軸が偏波保持ファイバの位相軸に対して角度２２．５度を有するので、直線偏光が偏波保持ファイバの一方の位相軸にのみ入射すると、偏波保持ファイバを逆方向に通過した光は、計測対象の強度変調光となり、強度変調光により得た強度の検出値は、温度変化や偏波保持ファイバの変形によっては変化せず、これにより、最大の感度を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、１／４波長板の位相軸が偏波保持ファイバの位相軸に対して角度２２．５度を有するので、直線偏光が偏波保持ファイバの一方の位相軸にのみ入射すると、偏波保持ファイバを逆方向に通過した光は、計測対象の強度変調光となり、強度変調光により得た強度の検出値は、温度変化や偏波保持ファイバの変形によっては変化せず、これにより、最大の感度を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２９】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る計測システムの構成を示す図である。この計測システムは、この計測システムを用いる場所に誘起された電界を被測定電界として、その被測定電界の電界強度を検出するものである。
【００３０】
計測システムは、光源１と、光源１で生成されたレーザ光（以下、レーザ光を単に光という）が入射する導光手段である偏波保持ファイバ（Polarization Maintaining Fiber)２と、偏波保持ファイバ２を出射した光を光学処理し、その光の偏光状態が被測定電界で変化したときに、変化後の光を電気信号に変換する偏光処理装置３と、偏光処理装置３で光学処理された光の偏光状態を被測定電界により変化させ、偏波保持ファイバ５０に逆方向に入射させる光学センサ５と、この光学センサ５を往復して戻ってきた光から偏光処理装置３が変換した電気信号を検出する電気信号検出器６とを備える。
【００３１】
第１の実施の形態では、光源１が直線偏光を生成し、これが偏波保持ファイバ２の進相軸または遅相軸にのみ入射するようになっている。
【００３２】
電気信号検出器６は、具体的には、ロックインアンプやスペクトルアナライザである。
【００３３】
偏光処理装置３は、偏波保持ファイバ２を出射した光が入射するアイソレータ３０１と、アイソレータ３０１を出射した光が入射する偏波保持ファイバ３０２と、偏波保持ファイバ３０２を出射した光が通過するレンズ３０３と、レンズ３０３を通過した光をレンズ３０５を介して光学センサ５の偏波保持ファイバ５０に入射させるさせるとともに、その光の偏光状態が被測定電界により変化し、偏波保持ファイバ５０を逆方向に通過して戻ってきたときには、その光を反射して進行方向を変化させるサーキューレータとして機能するビームスプリッタ３０４と、偏波保持ファイバ５０へ入射する前の光と偏波保持ファイバ５０を逆方向に通過して戻ってきた光とが通過するレンズ３０５と、ビームスプリッタ３０４で反射した光を分割する偏光ビームスプリッタ３０７と、分割後の各光が通過するレンズ３０８およびレンズ３０９と、通過した各光の差分をその大きさに応じた大きさの電気信号に変換する差動増幅回路３１０を備える。
【００３４】
アイソレータ３０１は、図示しない偏光ビームスプリッタ、ファラデー回転子、１／２波長板、１／４波長板などで構成される。
【００３５】
差動増幅回路３１０は、偏光ビームスプリッタ３０７による分割後の一方の光を電気信号に変換する光検出器３１１と、偏光ビームスプリッタ３０７による分割後の他方の光を電気信号に変換する光検出器３１２と、各光検出器３１１、３１２で変換された電気信号を差動増幅する差動アンプ３１３を備える。差動増幅回路３１０は、例えば、バランスレシーバなどである。
【００３６】
なお、偏光ビームスプリッタ３０７、レンズ３０８、３０９、差動増幅回路３１０および電気信号検出器６は、サーキューレータであるビームスプリッタ３０４を通過した光を検出する検出手段として機能するものである。
【００３７】
光学センサ５は、偏波保持ファイバ５０と、偏波保持ファイバ５０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５０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を通過した光が入射する１／４波長板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５４とを備える。電気光学結晶５４の奥側の端面には誘電体反射膜５４１が形成され、電気光学結晶５４の１／４波長板５３側の端面には誘電体反射防止膜５４２が形成されている。
【００３８】
本実施の形態では、例えば、レンズ３０５を通過した直線偏光が偏波保持ファイバ５０の進相軸または遅相軸にのみ入射されるようになっている。かかる進相軸と遅相軸を位相軸と総称する。
【００３９】
また、１／４波長板５３の進相軸と遅相軸（これらについても位相軸と総称する）は、偏波保持ファイバ５０の位相軸に対して角度２２．５度を有するように配置されている。
【００４０】
また、１／４波長板５３の位相軸は、電気光学結晶５４の位相軸に対して角度４５度を有するように配置されている。
【００４１】
（計測システムの動作）
光源１で生成された直線偏光は、偏波保持ファイバ２を通過し、アイソレータ３０１へ入射する。このアイソレータ３０１を通過した直線偏光は、レンズ３０３とビームスプリッタ３０４とレンズ３０５を通過し、偏波保持ファイバ５０の進相軸のみまたは遅相軸のみへ入射する。ここでは、直線偏光が偏波保持ファイバ５０の進相軸のみに入射したこととする。
【００４２】
次に、図２および図３を参照し、偏波保持ファイバ５０と光学センサ５での動作を説明する。
【００４３】
図２は、光学センサ５を構成する各要素の斜視図である。図２では、光の伝搬方向をｚ軸に見立て、同様に偏波保持ファイバ５０の遅相軸および進相軸をｙ軸およびｘ軸に見立てている。図３は、図２に示した各点における光の偏光状態を示す図である。図３では、ｚ軸の正方向を見たときの偏光状態を示している。
【００４４】
図３（ａ）は、図２中のＡ点すなわち偏波保持ファイバ５０に入射する直線偏光の偏光状態を示すものである。前述のように、この直線偏光の方向は、偏波保持ファイバ５０の進相軸に一致している。
【００４５】
偏波保持ファイバ５０に入射した直線偏光は偏波保持ファイバ５０を通過し、コリメータレンズ５２で平行光に整形され、コリメータレンズ５２から出射する。
【００４６】
図３（ｂ）は、図２中のＢ点すなわちコリメータレンズ５２を出射した偏光の偏光状態を示すものである。偏波保持ファイバ５０に入射した直線偏光は、偏波保持ファイバ５０の周囲温度や偏波保持ファイバ５０への応力に影響されず、コリメータレンズ５２からは直線偏光が出射する。
【００４７】
この直線偏光は１／４波長板５３で楕円偏光となる。誘電体反射防止膜５４２は、楕円偏光の反射を防止し、これにより、楕円偏光が電気光学結晶５４に入射する。
【００４８】
図３（ｃ）は、図２中のＣ点すなわち１／４波長板５３を通過した楕円偏光の偏光状態を示すものである。１／４波長板５３は、入射した直線偏光に１／４波長の位相差を与え、直線偏光を楕円偏光に変化させる。また、１／４波長板５３の位相軸が偏波保持ファイバ５０の位相軸に対して角度２２．５度を有するので、入射した直線偏光は、例えば反時計回りで２２．５度旋光（回転）する。よって、図３（ｃ）の楕円長手方向は、偏波保持ファイバ５０の進相軸に対し、反時計回りで角度２２．５度を有する。
【００４９】
電気光学結晶５４に入射した楕円偏光は、内部を通過して誘電体反射膜５４１で反射し、内部を逆方向に通過して電気光学結晶５４から出射する。
【００５０】
図３（ｄ）は、図２中のＤ点すなわち電気光学結晶５４から出射した楕円偏光の偏光状態を示すものである。被測定電界が印加されていないときは、図３（ｄ）に示すように、同図の楕円長手方向は、図３（ｃ）と同様に、偏波保持ファイバ５０の進相軸に対し、反時計回りで角度２２．５度を有している。一方、被測定電界が印加されているときは、この角度が変化する。この被測定電界の電界強度に対する当該角度の変化量は、前述のように、１／４波長板５３の位相軸が電気光学結晶５４の位相軸に対して角度４５度を有することにより、４５度以外のどのような場合の変化量よりも大きくなる。つまり、感度を最大化できる。
【００５１】
さて、この電気光学結晶５４から逆方向に出射した楕円偏光は、１／４波長板５３で直線偏光となる。
【００５２】
図３（ｅ）は、図２中のＥ点すなわち１／４波長板５３を逆方向に通過した直線偏光の偏光状態を示すものである。１／４波長板５３は、楕円偏光に対し回転角を与える（旋光させる）。この回転角の絶対値は、正方向の偏光に対して与えた回転角の絶対値に等しい。つまり、１／４波長板５３は、その内部の逆方向の偏光に対し、前述の例では時計回りに２２．５度の回転角を与える。よって、被測定電界が印加されていないときは、図３（ｅ）の直線偏光は、偏波保持ファイバ５０の進相軸に対し、反時計回りで角度４５度を有している。
【００５３】
図３（ｆ）は、図２中のＦ点すなわち偏波保持ファイバ５０を逆方向に通過した楕円偏光の偏光状態を示すものである。１／４波長板５３を逆方向に通過した直線偏光（図３（ｅ））はコリメータレンズ５２で偏波保持ファイバ５０に焦光され、この直線偏光は、偏波保持ファイバ５０の周囲温度や偏波保持ファイバ５０への応力により楕円偏光となって、偏波保持ファイバ５０から逆向きに出射する。
【００５４】
図３（ｆ）の楕円長手方向は、図３（ｅ）の直線偏光と同様に、被測定電界が印加されていないときは、偏波保持ファイバ５０の進相軸に対し、角度４５度を有している。一方、被測定電界が印加されているときは、この角度が変化することになる。
【００５５】
図１に戻って説明する。
偏波保持ファイバ５０を逆方向に通過した楕円偏光は、レンズ３０５を逆方向に通過する。
【００５６】
この楕円偏光は、ビームスプリッタ３０４で反射し、反射した偏光は、偏光ビームスプリッタ３０７で２分割される。分割後の一方の偏光がレンズ３０８を通過し、その後、光検出器３１１に入射する。分割後の他方の偏光はレンズ３０９を通過し、その後、光検出器３１２に入射する。
【００５７】
光検出器３１１は、自身に入射した偏光をその光強度に応じた大きさの電気信号に変換して、これを差動アンプ３１３の一方の入力端子へ与える。光検出器３１２は、自身に入射した偏光をその光強度に応じた大きさの電気信号に変換して、これを差動アンプ３１３の他方の入力端子へ与える。
【００５８】
差動アンプ３１３は、自身の両入力端子に与えられた電気信号の差分を増幅して電気信号検出器６に与える。
【００５９】
前述のように、被測定電界が印加されていないときは、偏波保持ファイバ５０を逆方向に通過した楕円偏光は偏波保持ファイバ５０の進相軸に対し、角度４５度を有しているので、差動アンプ３１３に入力される差分はゼロであり、電気信号検出器６での被測定電界の検出値もゼロとなる。
【００６０】
一方、被測定電界が印加されているときは、４５度だった角度が変化するので、差分が生じる。つまり、差動アンプ３１３の一方の入力端子に入力される電気信号は減少する一方、他方の入力端子に入力される電気信号は増加し、減少量と増加量は等しくなる。その結果、検出値は、被測定電界の電界強度に比例する。つまり、第１の実施の形態では、偏波保持ファイバ５０を逆方向に進行する光は、被測定電界による強度変調光である。
【００６１】
また、前述のように、１／４波長板５３の位相軸が電気光学結晶５４の位相軸に対して角度４５度を有することで、この検出値については、最大化つまり最大の感度を得ることができる。
【００６２】
こうして、被測定電界の電界強度が電気信号検出器６で検出される。被測定電界が交流電界のときは、その位相と振幅が検出される。
【００６３】
なお、偏波保持ファイバ５０の周囲温度が変化したときや、曲げなどで偏波保持ファイバ５０に働く応力の大きさが変化したときは、偏波保持ファイバ５０を逆方向に通過した楕円偏光の形状（図３（ｆ）参照）が変化し、例えば、円に一層近い形状の楕円偏光になる。しかし、この楕円偏光は、前述のように強度変調光であり、すなわち、その楕円長手方向と偏波保持ファイバ５０の進相軸との間の角度は、かかる温度変化や応力変化によっては変化しないので、被測定電界の電界強度を温度変化や応力変化によらず正確に計測することができる。
【００６４】
（変形例）
なお、第１の実施の形態は、以下のように一部を変更してもよい。
【００６５】
例えば、図４に示すように、ビームスプリッタ３０４で反射した光の偏光状態を１／４波長板や１／２波長板などで構成される偏波コントローラ３０６により変化させ、例えば、１／４波長板５３の位相軸の電気光学結晶５４の位相軸に対する角度を４５度にできない場合などにおいて、こうして偏波コントローラ３０６により大きな検出値が得られるようにしてもよい。
【００６６】
また、図１のビームスプリッタ３０４および偏光ビームスプリッタ３０７を使用せず、図５に示すように、その代わりとして、偏光ビームスプリッタ３０４Ａ、３０４Ｂ、ならびに、回転角が４５度のファラデー回転子ＦＲを使用した計測システムを構成してもよい。
【００６７】
偏光ビームスプリッタ３０４Ａの偏光軸は、偏波保持ファイバ２の位相軸に一致している。偏光ビームスプリッタ３０４Ｂの偏光軸は、偏光ビームスプリッタ３０４Ａの偏光軸に対し、角度４５度を有している。
【００６８】
図５の計測システムにあっては、光源１から出射された直線偏光が２つの偏光ビームスプリッタ３０４Ａ、３０４Ｂを通過するので、直線性の非常に高い直線偏光を光学センサ５へ入射することができる。
【００６９】
また、図１の計測システムにあっては、ビームスプリッタ３０４を往復するため、光量を３／４以上損失するので、例えば、光増幅器が必要な場合があるが、図５の計測システムにあっては、光量を損失しないので、光増幅器を使用せず、計測システムの構成を簡素化し、低価格化することができる。
【００７０】
［第２の実施の形態］
前述のように、偏波保持ファイバ５０から偏光処理装置３に入力される光（光信号）は強度変調光なので、偏波保持ファイバ５０の屈曲や周囲の温度変化に影響されず一定である。これは、理想的つまり偏波保持ファイバ５０の偏波消光比が非常に大きい場合に得られるメリットである。しかし、実際の偏波消光比は、２０ｄＢ程度と考えられる。また、光学センサ５から偏波保持ファイバ５０へ入力される光の偏光分離消光比も２０ｄＢ程度と考えられる。そのため、検出感度にあっては、１％程度の揺らぎが生じると予想される。
【００７１】
そこで、第２の実施の形態では、高い偏波消光比で分離してから偏波保持ファイバ５０へ光を入力することにより、検出感度の揺らぎを低減するようにしている。
【００７２】
以下、第２の実施の形態について、第１の実施の形態との差異を中心に説明する。
【００７３】
図６は、第２の実施の形態に係る計測システムにおける光学センサの構成を示す図である。図７は、図６に示す各素子に光が入射するときの入射面での偏光状態を示す図である。
【００７４】
光学センサにあっては、偏波保持ファイバ５０を通過した光が入射する同一軸出力型の偏光分離素子、すなわち、第１の偏光分離板５５１、１／２波長板５５２および第２の偏光分離板５５３からなる偏光分離素子を有し、この偏光分離素子を通過した光が１／４波長板５３に入射するようになっている。具体的には、偏波保持ファイバ５０を通過した光が偏光分離板５５１に入射し、偏光分離板５５１を通過した光が１／２波長板５５２に入射し、１／２波長板５５２を通過した光が偏光分離板５５３に入射し、偏光分離板５５３を通過した光が１／４波長板５３に入射し、反射光は逆方向に通過するようになっている。各偏光分離板は、ルチルや方解石などからなる、複屈折を利用したものである。
【００７５】
（上り光路）
光学センサにあっては、偏波保持ファイバ５０を通過した直線偏光は、偏光分離板５５１を通過し、１／２波長板５５２で９０度旋光（回転）し、偏光分離板５５３に入射する。偏光分離板５５３を通過した直線偏光は、１／４波長板５３で楕円偏光になり、電気光学結晶５４に入射する。
【００７６】
（下り光路）
楕円偏光は、誘電体反射膜５４１で反射し、１／４波長板５３に入射し、１／４波長板５３で直線偏光になり、偏光分離板５５３に入射する。
【００７７】
偏光分離板５５３で直線偏光は、偏波保持ファイバ５０の各位相軸にそれぞれ一致する２つの直線偏光すなわち垂直な直線偏光と水平な直線偏光に分離され、それぞれ異なる位置から、１／２波長板５５２に入射する。
【００７８】
各直線偏光は、それぞれ異なる位置で、１／２波長板５５２で９０度旋光し、偏光分離板５５１に入射する。
【００７９】
各直線偏光は、偏光分離板５５１により結合され、同じ位置から、偏波保持ファイバ５０に入射する。
【００８０】
各偏光分離板の偏光消光比は、５０ｄＢ以上なので、下り光路で、各偏光分離板を通過した各直線偏光の偏光消光比は、偏波保持ファイバ５０のものに比較して非常に大きくなる。よって、第２の実施の形態では、検出感度の揺らぎを非常に小さくすることができる。
【００８１】
また、第２の実施の形態では、偏光分離板５５１、５５３の光学特性を等しくすることによって、偏光分離板５５３で分離された各直線偏光は、偏光分離板５５１で結合し、偏波保持ファイバ５０の光の出射位置に入射する。これにより、入力と出力に２本の偏波保持ファイバを用いることなく、偏波保持ファイバ５０だけで（１本の偏波保持ファイバだけで）光学センサを構成することができる。
【００８２】
通常、偏光分離板を通過した２つの偏光は、それぞれ異なる位相で出力される。偏光分離板５５１を通過した２つの偏光は１／２波長板５５２によって９０度旋光し、偏光分離板５５３に入射するため、偏光分離板５５１で生じた位相差は偏光分離板５５３でキャンセルされる。これによって、誘電体反射膜５４１によって反射された２つの偏光は、入力位置で偏光分離板５５１、５５３での位相差がなくなり、入力したときの位相差を保ったまま出力される。ただし、電気光学結晶５４で生じた位相差は偏光分離板５５１、５５３で影響を受けないため、電界の検出は可能である。また、偏光分離板を通過した２つの偏光はそれぞれ異なる位置へ出力される。出力位置のずれは偏光分離板の長さに比例するため、偏光分離板の長さを調整することにより、ずれの大きさを任意に選ぶことができる。電気光学結晶５４の大きさが１ｍｍ角であるとき、ビーム径が２００μｍであることを考慮して、ずれの大きさが数百μｍとなるように偏光分離板の長さを調整すればよい。以上のような理由から、第２の実施の形態では、光学センサを超小型に形成することが可能であり、且つ、感度の安定性を向上することが可能であるという優れた効果が得られる。
【００８３】
以上、本発明について２つの実施の形態を説明したが、他の態様で本発明を実施してもよい。
【００８４】
例えば、各実施の形態では、差動増幅を行ったが、一方の電気信号のみの増幅を行ってもよい。また、分割前の光を電気信号に変換増幅してもよい。
【００８５】
また、各施の形態では、誘電体反射膜５４１を設けたが、これに代えて、反射鏡を設けてもよい。
【００８６】
また、各実施の形態では、被測定電界の電界強度を電気光学結晶により検出したが、この電気光学結晶に代えて磁気光学結晶を用いることで、被測定磁界の磁界強度を検出してもよい。また、電気光学結晶に代えて圧光学（光弾性）結晶を用いることで、音圧などの被測定圧力を検出してもよい。同様に温度を検出してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】第１の実施の形態に係る計測システムの構成を示す図である。
【図２】光学センサ５を構成する各要素の斜視図である。
【図３】図２に示した各点における光の偏光状態を示す図である。
【図４】図１に示した計測システムの第１の変形例を示す図である。
【図５】図１に示した計測システムの第２の変形例を示す図である。
【図６】第２の実施の形態に係る計測システムにおける光学センサの構成を示す図である。
【図７】図６に示した各点における光の偏光状態を示す図である。
【図８】従来の電界計測システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８８】
１…光源
２、５０、３０２…偏波保持ファイバ
３…偏光処理装置
５、５Ａ…光学センサ
６…電気信号検出器
５１…フェルール
５２…コリメータレンズ
５３…１／４波長板
５４…電気光学結晶
３０１…アイソレータ
３０３、３０５、３０８、３０９…レンズ
３０４…ビームスプリッタ
３０４Ａ、３０４Ｂ、３０７…偏光ビームスプリッタ
３０６…偏波コントローラ
３１０…差動増幅回路
３１１、３１２…光検出器
３１３…差動アンプ
５４１…誘電体反射膜
５４２…誘電体反射防止膜
５５１…偏光分離板（第１の偏光分離板）
５５２…１／２波長板
５５３…偏光分離板（第２の偏光分離板）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電界や交流磁界などの物理量が印加されている電気光学結晶、磁気光学結晶、及び、圧光学（光弾性）結晶などの光学結晶に光を入射させ、該光学結晶から出射された光を検出することのより交流電界、交流磁界、及び、音圧などに相当する信号を得る計測システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超低周波帯からＴ（テラ）Ｈｚ帯の交流電界を検出する計測システムの一例として、電気光学（Electro-opitc；EO）結晶を用いた電界計測システムが注目されている（特許文献１参照）。
【０００３】
この電界計測システムは、検出部と信号処理部から構成されており、それぞれが電気ケーブルにより接続されている。検出部は、ポリカーボネートやセラミックなどの誘電体からなる筐体から構成されており、筐体の先端部にＥＯ結晶が配置されている。筐体内部には１／２波長板（Half-wave plate；HWP）、１／４波長板（Quarter-wave plate；QWP）、ファラデー回転子（Faraday rotator；FR）、偏光ビームスプリッタ（Polarizing-beam splitter；PBS）、レンズ、レーザダイオード（Laser diode；LD）、フォトダイオード（Photodiode；PD）などの光学素子が固定されており、空間光学系が採用されていることから、検出感度は検出部の向きや状態、および、環境温度の変化に対して安定である。しかしながら、検出部の近くに電気ケーブルが存在するため、被測定電界を乱してしまう可能性がある。
【０００４】
これに対して、ＬＤとＰＤを信号処理部へ配置し、検出部と信号処理部を光ファイバで接続した電界計測システムが開発されている。
【０００５】
この電界計測システムは、信号線による擾乱を除去することができたが、検出部に多数の光学素子を固定する筐体が必要なことから、被測定電界に多少の擾乱を与える可能性がある。
【０００６】
この問題を解決するために、検出部にＥＯ結晶とレンズのみを配置した電界計測システムが開発されている（特許文献２参照）。しかしながら、検出部を走査すると、光ファイバが屈曲するため、検出感度が変動してしまう。このため、検出部の稼動範囲は数ｍｍ程度であり、検出部を固定して、被測定対象を走査するなどの操作性の課題が残っていた。
【０００７】
この問題を解決するため、検出感度の変動を監視し、変動量に基づいて信号処理部の偏波コントローラを調整し、感度を一定にする電界計測システムが開発されている（特許文献３参照）。
【０００８】
図８は、この電界計測システムと同様に構成したシステムを示す図である。
電界計測システムは、光源１、偏光処理装置３、光学センサ５Ａ、電気信号検出器（振幅および位相測定器）６から構成される。
【０００９】
光源１で生成された直線偏光は偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）２により偏光処理装置３へ入力される。直線偏光はビームスプリッタ３０４を通過した後、光学センサに接続された偏波保持ファイバ５０へ入力される。偏波保持ファイバ５０の端面から出射した直線偏光はコリメータレンズ５２で平行光に整形され、電気光学結晶５４に入射する。入射した直線偏光は電気光学結晶５４の端面に形成された誘電体反射膜５４１で反射され、電気光学結晶５４内を逆向きに伝搬する。電気光学結晶５４に被測定電界が印加されないときは、直線偏光は偏光変調を受けず、直線偏光として偏波保持ファイバ５０へ入力される。被測定電界が印加されたとき、電気光学結晶５４には複屈折が生じ、電気光学結晶５４に入力された直線偏光は偏光変調を受けて、楕円偏光として偏波保持ファイバ５０へ入力される。偏波保持ファイバ５０に入力された直線偏光もしくは楕円偏光は、偏光処理装置３のビームスプリッタ３０４を介して偏波コントローラ３０６へ伝搬され、偏波コントローラ３０６により適切な偏光へ変換された後、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３０７により２つの強度変調光に変換される。２つの強度変調光はそれぞれ光検出器（ＰＤ）３１１、３１２および差動アンプ３１３から構成される差動増幅回路（バランスレシーバなど）により被測定電界に比例する出力信号に変換される。電気信号検出器６としてのスペアナやロックインアンプにより出力電気信号の振幅や位相を測定することより、被測定電界の振幅や位相を得ることができる。
【００１０】
この電界計測システムにおいては、例えば、測定された振幅から最大の信号強度を得るように、且つ、バランスレシーバの２つのＰＤの光電流差が最小になるように偏波コントローラを調整することにより、最大の感度となるようにフィードバック制御している。これにより、検出部の走査や環境温度の変化によらず一定の感度が得られることを実現している。
【特許文献１】特開２０００−１７１４８７号公報
【特許文献２】特開２００３−０１４８０１号公報
【特許文献３】特開２００５−２９２０６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、図８の電界計測システムには、以下に示すような問題があった。
【００１２】
上述したように、感度を安定化させるために、振幅信号とＰＤの光電流差を監視し、偏波コントローラの１／２波長板（ＨＷＰ）と１／４波長板（ＱＷＰ）を制御する必要がある。ＰＭＦの屈曲や環境温度変化による偏光の変化はランダムであるため、偏波コントローラの制御は非常に複雑となる。また、フィードバック制御を付加するため、システム構成が複雑となり、構成費用が大きくなる。
【００１３】
本発明は、以上のような問題を解決するためになされたものであり、複雑な機構や制御を付加することなく、環境温度の変化、光学センサの走査および高周波な振動に伴いＰＭＦの変形が存在する場合においても常に最大の感度が得られることを可能とする光学センサおよびそれを用いた計測システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明の光学センサは、偏波保持ファイバと、この偏波保持ファイバを通過した光が入射する１／４波長板と、この１／４波長板を通過した光が入射する光学結晶であって、光の偏光状態を電気的、磁気的または力学的に変化させる性質を有し、光を反射する反射手段が設けられた光学結晶とを有し、１／４波長板の位相軸が偏波保持ファイバの位相軸に対して角度２２．５度を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明の光学センサによれば、１／４波長板の位相軸が偏波保持ファイバの位相軸に対して角度２２．５度を有するので、直線偏光が偏波保持ファイバの一方の位相軸にのみ入射すると、偏波保持ファイバを逆方向に通過した光は、計測対象の強度変調光となり、強度変調光により得た強度の検出値は、温度変化や偏波保持ファイバの変形によっては変化せず、これにより、最大の感度を得ることが可能となる。
【００１６】
また、本発明の光学センサにおいて、前記光学結晶が光の偏光状態を電気的に変化させる性質を有することを特徴とする。
【００１７】
この光学センサによれば、特に、電界強度の計測において、最大の感度が得られる。
【００１８】
また、本発明において、前記１／４波長板の位相軸が前記光学結晶の位相軸に対して角度４５度を有することを特徴とする。
【００１９】
この光学センサによれば、偏波保持ファイバを逆方向に通過した光が楕円偏光の場合、楕円長軸方向と偏波保持ファイバの位相軸との間の角度が、被測定電界などの測定対象によって変化するのだが、１／４波長板の位相軸が光学結晶の位相軸に対して角度４５度を有することにより、その電界などにより変化する角度における変化量が４５度以外のどの場合よりも大きくなり、その結果、検出値を最大化つまり最大の感度を得ることができる。
【００２０】
また、本発明の光学センサにおいて、前記偏波保持ファイバを通過した光が入射する同一軸出力型の偏光分離素子を有し、この偏光分離素子を通過した光が前記１／４波長板に入射するようになっていることを特徴とする。
【００２１】
具体的には、本発明の光学センサにおいて、前記偏波保持ファイバを通過した光が入射する第１の偏光分離板と、この第１の偏光分離板を通過した光が入射する１／２波長板と、この１／２波長板を通過した光が入射する第２の偏光分離板とを有し、この第２の偏光分離板を通過した光が前記１／４波長板に入射するようになっていることを特徴とする。
【００２２】
この光学センサによれば、逆方向の光を偏光分離素子により高い偏波消光比で分離してから偏波保持ファイバへ入射させることができ、これにより、検出感度の揺らぎを低減することができる。
【００２３】
また、本発明の光学センサにおいて、前記偏波保持ファイバを出射した光が前記反射手段で反射し、前記第２の偏光分離板で分離され、前記第２の偏光分離板で結合し、前記偏波保持ファイバにおける前記光の出射位置に入射するようになっていることを特徴とする。
【００２４】
この光学センサによれば、その偏波保持ファイバ以外の偏波保持ファイバを含めて２本の偏波保持ファイバを用いる必要がなく、光学センサを簡素化できる。
【００２５】
また、本発明の光学センサを用いた計測システムは、本発明の光学センサと、光を生成する光源と、この光源で生成された光が入射する導光手段と、この導光手段を通過した光を前記偏波保持ファイバに入射させるとともに、当該偏波保持ファイバを逆方向に通過した光の進行方向を変化させるサーキューレータと、このサーキューレータを通過した光を検出する検出手段とを有することを特徴とする。
【００２６】
この計測システムによれば、その光学センサにあっては、１／４波長板の位相軸が偏波保持ファイバの位相軸に対して角度２２．５度を有するので、直線偏光が偏波保持ファイバの一方の位相軸にのみ入射すると、偏波保持ファイバを逆方向に通過した光は、計測対象の強度変調光となり、強度変調光により得た強度の検出値は、温度変化や偏波保持ファイバの変形によっては変化せず、これにより、最大の感度を得ることが可能となる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、１／４波長板の位相軸が偏波保持ファイバの位相軸に対して角度２２．５度を有するので、直線偏光が偏波保持ファイバの一方の位相軸にのみ入射すると、偏波保持ファイバを逆方向に通過した光は、計測対象の強度変調光となり、強度変調光により得た強度の検出値は、温度変化や偏波保持ファイバの変形によっては変化せず、これにより、最大の感度を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００２９】
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る計測システムの構成を示す図である。この計測システムは、この計測システムを用いる場所に誘起された電界を被測定電界として、その被測定電界の電界強度を検出するものである。
【００３０】
計測システムは、光源１と、光源１で生成されたレーザ光（以下、レーザ光を単に光という）が入射する導光手段である偏波保持ファイバ（Polarization Maintaining Fiber)２と、偏波保持ファイバ２を出射した光を光学処理し、その光の偏光状態が被測定電界で変化したときに、変化後の光を電気信号に変換する偏光処理装置３と、偏光処理装置３で光学処理された光の偏光状態を被測定電界により変化させ、偏波保持ファイバ５０に逆方向に入射させる光学センサ５と、この光学センサ５を往復して戻ってきた光から偏光処理装置３が変換した電気信号を検出する電気信号検出器６とを備える。
【００３１】
第１の実施の形態では、光源１が直線偏光を生成し、これが偏波保持ファイバ２の進相軸または遅相軸にのみ入射するようになっている。
【００３２】
電気信号検出器６は、具体的には、ロックインアンプやスペクトルアナライザである。
【００３３】
偏光処理装置３は、偏波保持ファイバ２を出射した光が入射するアイソレータ３０１と、アイソレータ３０１を出射した光が入射する偏波保持ファイバ３０２と、偏波保持ファイバ３０２を出射した光が通過するレンズ３０３と、レンズ３０３を通過した光をレンズ３０５を介して光学センサ５の偏波保持ファイバ５０に入射させるさせるとともに、その光の偏光状態が被測定電界により変化し、偏波保持ファイバ５０を逆方向に通過して戻ってきたときには、その光を反射して進行方向を変化させるサーキューレータとして機能するビームスプリッタ３０４と、偏波保持ファイバ５０へ入射する前の光と偏波保持ファイバ５０を逆方向に通過して戻ってきた光とが通過するレンズ３０５と、ビームスプリッタ３０４で反射した光を分割する偏光ビームスプリッタ３０７と、分割後の各光が通過するレンズ３０８およびレンズ３０９と、通過した各光の差分をその大きさに応じた大きさの電気信号に変換する差動増幅回路３１０を備える。
【００３４】
アイソレータ３０１は、図示しない偏光ビームスプリッタ、ファラデー回転子、１／２波長板、１／４波長板などで構成される。
【００３５】
差動増幅回路３１０は、偏光ビームスプリッタ３０７による分割後の一方の光を電気信号に変換する光検出器３１１と、偏光ビームスプリッタ３０７による分割後の他方の光を電気信号に変換する光検出器３１２と、各光検出器３１１、３１２で変換された電気信号を差動増幅する差動アンプ３１３を備える。差動増幅回路３１０は、例えば、バランスレシーバなどである。
【００３６】
なお、偏光ビームスプリッタ３０７、レンズ３０８、３０９、差動増幅回路３１０および電気信号検出器６は、サーキューレータであるビームスプリッタ３０４を通過した光を検出する検出手段として機能するものである。
【００３７】
光学センサ５は、偏波保持ファイバ５０と、偏波保持ファイバ５０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５０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を通過した光が入射する１／４波長板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５４とを備える。電気光学結晶５４の奥側の端面には誘電体反射膜５４１が形成され、電気光学結晶５４の１／４波長板５３側の端面には誘電体反射防止膜５４２が形成されている。
【００３８】
本実施の形態では、例えば、レンズ３０５を通過した直線偏光が偏波保持ファイバ５０の進相軸または遅相軸にのみ入射されるようになっている。かかる進相軸と遅相軸を位相軸と総称する。
【００３９】
また、１／４波長板５３の進相軸と遅相軸（これらについても位相軸と総称する）は、偏波保持ファイバ５０の位相軸に対して角度２２．５度を有するように配置されている。
【００４０】
また、１／４波長板５３の位相軸は、電気光学結晶５４の位相軸に対して角度４５度を有するように配置されている。
【００４１】
（計測システムの動作）
光源１で生成された直線偏光は、偏波保持ファイバ２を通過し、アイソレータ３０１へ入射する。このアイソレータ３０１を通過した直線偏光は、レンズ３０３とビームスプリッタ３０４とレンズ３０５を通過し、偏波保持ファイバ５０の進相軸のみまたは遅相軸のみへ入射する。ここでは、直線偏光が偏波保持ファイバ５０の進相軸のみに入射したこととする。
【００４２】
次に、図２および図３を参照し、偏波保持ファイバ５０と光学センサ５での動作を説明する。
【００４３】
図２は、光学センサ５を構成する各要素の斜視図である。図２では、光の伝搬方向をｚ軸に見立て、同様に偏波保持ファイバ５０の遅相軸および進相軸をｙ軸およびｘ軸に見立てている。図３は、図２に示した各点における光の偏光状態を示す図である。図３では、ｚ軸の正方向を見たときの偏光状態を示している。
【００４４】
図３（ａ）は、図２中のＡ点すなわち偏波保持ファイバ５０に入射する直線偏光の偏光状態を示すものである。前述のように、この直線偏光の方向は、偏波保持ファイバ５０の進相軸に一致している。
【００４５】
偏波保持ファイバ５０に入射した直線偏光は偏波保持ファイバ５０を通過し、コリメータレンズ５２で平行光に整形され、コリメータレンズ５２から出射する。
【００４６】
図３（ｂ）は、図２中のＢ点すなわちコリメータレンズ５２を出射した偏光の偏光状態を示すものである。偏波保持ファイバ５０に入射した直線偏光は、偏波保持ファイバ５０の周囲温度や偏波保持ファイバ５０への応力に影響されず、コリメータレンズ５２からは直線偏光が出射する。
【００４７】
この直線偏光は１／４波長板５３で楕円偏光となる。誘電体反射防止膜５４２は、楕円偏光の反射を防止し、これにより、楕円偏光が電気光学結晶５４に入射する。
【００４８】
図３（ｃ）は、図２中のＣ点すなわち１／４波長板５３を通過した楕円偏光の偏光状態を示すものである。１／４波長板５３は、入射した直線偏光に１／４波長の位相差を与え、直線偏光を楕円偏光に変化させる。また、１／４波長板５３の位相軸が偏波保持ファイバ５０の位相軸に対して角度２２．５度を有するので、入射した直線偏光は、例えば反時計回りで２２．５度旋光（回転）する。よって、図３（ｃ）の楕円長手方向は、偏波保持ファイバ５０の進相軸に対し、反時計回りで角度２２．５度を有する。
【００４９】
電気光学結晶５４に入射した楕円偏光は、内部を通過して誘電体反射膜５４１で反射し、内部を逆方向に通過して電気光学結晶５４から出射する。
【００５０】
図３（ｄ）は、図２中のＤ点すなわち電気光学結晶５４から出射した楕円偏光の偏光状態を示すものである。被測定電界が印加されていないときは、図３（ｄ）に示すように、同図の楕円長手方向は、図３（ｃ）と同様に、偏波保持ファイバ５０の進相軸に対し、反時計回りで角度２２．５度を有している。一方、被測定電界が印加されているときは、この角度が変化する。この被測定電界の電界強度に対する当該角度の変化量は、前述のように、１／４波長板５３の位相軸が電気光学結晶５４の位相軸に対して角度４５度を有することにより、４５度以外のどのような場合の変化量よりも大きくなる。つまり、感度を最大化できる。
【００５１】
さて、この電気光学結晶５４から逆方向に出射した楕円偏光は、１／４波長板５３で直線偏光となる。
【００５２】
図３（ｅ）は、図２中のＥ点すなわち１／４波長板５３を逆方向に通過した直線偏光の偏光状態を示すものである。１／４波長板５３は、楕円偏光に対し回転角を与える（旋光させる）。この回転角の絶対値は、正方向の偏光に対して与えた回転角の絶対値に等しい。つまり、１／４波長板５３は、その内部の逆方向の偏光に対し、前述の例では時計回りに２２．５度の回転角を与える。よって、被測定電界が印加されていないときは、図３（ｅ）の直線偏光は、偏波保持ファイバ５０の進相軸に対し、反時計回りで角度４５度を有している。
【００５３】
図３（ｆ）は、図２中のＦ点すなわち偏波保持ファイバ５０を逆方向に通過した楕円偏光の偏光状態を示すものである。１／４波長板５３を逆方向に通過した直線偏光（図３（ｅ））はコリメータレンズ５２で偏波保持ファイバ５０に焦光され、この直線偏光は、偏波保持ファイバ５０の周囲温度や偏波保持ファイバ５０への応力により楕円偏光となって、偏波保持ファイバ５０から逆向きに出射する。
【００５４】
図３（ｆ）の楕円長手方向は、図３（ｅ）の直線偏光と同様に、被測定電界が印加されていないときは、偏波保持ファイバ５０の進相軸に対し、角度４５度を有している。一方、被測定電界が印加されているときは、この角度が変化することになる。
【００５５】
図１に戻って説明する。
偏波保持ファイバ５０を逆方向に通過した楕円偏光は、レンズ３０５を逆方向に通過する。
【００５６】
この楕円偏光は、ビームスプリッタ３０４で反射し、反射した偏光は、偏光ビームスプリッタ３０７で２分割される。分割後の一方の偏光がレンズ３０８を通過し、その後、光検出器３１１に入射する。分割後の他方の偏光はレンズ３０９を通過し、その後、光検出器３１２に入射する。
【００５７】
光検出器３１１は、自身に入射した偏光をその光強度に応じた大きさの電気信号に変換して、これを差動アンプ３１３の一方の入力端子へ与える。光検出器３１２は、自身に入射した偏光をその光強度に応じた大きさの電気信号に変換して、これを差動アンプ３１３の他方の入力端子へ与える。
【００５８】
差動アンプ３１３は、自身の両入力端子に与えられた電気信号の差分を増幅して電気信号検出器６に与える。
【００５９】
前述のように、被測定電界が印加されていないときは、偏波保持ファイバ５０を逆方向に通過した楕円偏光は偏波保持ファイバ５０の進相軸に対し、角度４５度を有しているので、差動アンプ３１３に入力される差分はゼロであり、電気信号検出器６での被測定電界の検出値もゼロとなる。
【００６０】
一方、被測定電界が印加されているときは、４５度だった角度が変化するので、差分が生じる。つまり、差動アンプ３１３の一方の入力端子に入力される電気信号は減少する一方、他方の入力端子に入力される電気信号は増加し、減少量と増加量は等しくなる。その結果、検出値は、被測定電界の電界強度に比例する。つまり、第１の実施の形態では、偏波保持ファイバ５０を逆方向に進行する光は、被測定電界による強度変調光である。
【００６１】
また、前述のように、１／４波長板５３の位相軸が電気光学結晶５４の位相軸に対して角度４５度を有することで、この検出値については、最大化つまり最大の感度を得ることができる。
【００６２】
こうして、被測定電界の電界強度が電気信号検出器６で検出される。被測定電界が交流電界のときは、その位相と振幅が検出される。
【００６３】
なお、偏波保持ファイバ５０の周囲温度が変化したときや、曲げなどで偏波保持ファイバ５０に働く応力の大きさが変化したときは、偏波保持ファイバ５０を逆方向に通過した楕円偏光の形状（図３（ｆ）参照）が変化し、例えば、円に一層近い形状の楕円偏光になる。しかし、この楕円偏光は、前述のように強度変調光であり、すなわち、その楕円長手方向と偏波保持ファイバ５０の進相軸との間の角度は、かかる温度変化や応力変化によっては変化しないので、被測定電界の電界強度を温度変化や応力変化によらず正確に計測することができる。
【００６４】
（変形例）
なお、第１の実施の形態は、以下のように一部を変更してもよい。
【００６５】
例えば、図４に示すように、ビームスプリッタ３０４で反射した光の偏光状態を１／４波長板や１／２波長板などで構成される偏波コントローラ３０６により変化させ、例えば、１／４波長板５３の位相軸の電気光学結晶５４の位相軸に対する角度を４５度にできない場合などにおいて、こうして偏波コントローラ３０６により大きな検出値が得られるようにしてもよい。
【００６６】
また、図１のビームスプリッタ３０４および偏光ビームスプリッタ３０７を使用せず、図５に示すように、その代わりとして、偏光ビームスプリッタ３０４Ａ、３０４Ｂ、ならびに、回転角が４５度のファラデー回転子ＦＲを使用した計測システムを構成してもよい。
【００６７】
偏光ビームスプリッタ３０４Ａの偏光軸は、偏波保持ファイバ２の位相軸に一致している。偏光ビームスプリッタ３０４Ｂの偏光軸は、偏光ビームスプリッタ３０４Ａの偏光軸に対し、角度４５度を有している。
【００６８】
図５の計測システムにあっては、光源１から出射された直線偏光が２つの偏光ビームスプリッタ３０４Ａ、３０４Ｂを通過するので、直線性の非常に高い直線偏光を光学センサ５へ入射することができる。
【００６９】
また、図１の計測システムにあっては、ビームスプリッタ３０４を往復するため、光量を３／４以上損失するので、例えば、光増幅器が必要な場合があるが、図５の計測システムにあっては、光量を損失しないので、光増幅器を使用せず、計測システムの構成を簡素化し、低価格化することができる。
【００７０】
［第２の実施の形態］
前述のように、偏波保持ファイバ５０から偏光処理装置３に入力される光（光信号）は強度変調光なので、偏波保持ファイバ５０の屈曲や周囲の温度変化に影響されず一定である。これは、理想的つまり偏波保持ファイバ５０の偏波消光比が非常に大きい場合に得られるメリットである。しかし、実際の偏波消光比は、２０ｄＢ程度と考えられる。また、光学センサ５から偏波保持ファイバ５０へ入力される光の偏光分離消光比も２０ｄＢ程度と考えられる。そのため、検出感度にあっては、１％程度の揺らぎが生じると予想される。
【００７１】
そこで、第２の実施の形態では、高い偏波消光比で分離してから偏波保持ファイバ５０へ光を入力することにより、検出感度の揺らぎを低減するようにしている。
【００７２】
以下、第２の実施の形態について、第１の実施の形態との差異を中心に説明する。
【００７３】
図６は、第２の実施の形態に係る計測システムにおける光学センサの構成を示す図である。図７は、図６に示す各素子に光が入射するときの入射面での偏光状態を示す図である。
【００７４】
光学センサにあっては、偏波保持ファイバ５０を通過した光が入射する同一軸出力型の偏光分離素子、すなわち、第１の偏光分離板５５１、１／２波長板５５２および第２の偏光分離板５５３からなる偏光分離素子を有し、この偏光分離素子を通過した光が１／４波長板５３に入射するようになっている。具体的には、偏波保持ファイバ５０を通過した光が偏光分離板５５１に入射し、偏光分離板５５１を通過した光が１／２波長板５５２に入射し、１／２波長板５５２を通過した光が偏光分離板５５３に入射し、偏光分離板５５３を通過した光が１／４波長板５３に入射し、反射光は逆方向に通過するようになっている。各偏光分離板は、ルチルや方解石などからなる、複屈折を利用したものである。
【００７５】
（上り光路）
光学センサにあっては、偏波保持ファイバ５０を通過した直線偏光は、偏光分離板５５１を通過し、１／２波長板５５２で９０度旋光（回転）し、偏光分離板５５３に入射する。偏光分離板５５３を通過した直線偏光は、１／４波長板５３で楕円偏光になり、電気光学結晶５４に入射する。
【００７６】
（下り光路）
楕円偏光は、誘電体反射膜５４１で反射し、１／４波長板５３に入射し、１／４波長板５３で直線偏光になり、偏光分離板５５３に入射する。
【００７７】
偏光分離板５５３で直線偏光は、偏波保持ファイバ５０の各位相軸にそれぞれ一致する２つの直線偏光すなわち垂直な直線偏光と水平な直線偏光に分離され、それぞれ異なる位置から、１／２波長板５５２に入射する。
【００７８】
各直線偏光は、それぞれ異なる位置で、１／２波長板５５２で９０度旋光し、偏光分離板５５１に入射する。
【００７９】
各直線偏光は、偏光分離板５５１により結合され、同じ位置から、偏波保持ファイバ５０に入射する。
【００８０】
各偏光分離板の偏光消光比は、５０ｄＢ以上なので、下り光路で、各偏光分離板を通過した各直線偏光の偏光消光比は、偏波保持ファイバ５０のものに比較して非常に大きくなる。よって、第２の実施の形態では、検出感度の揺らぎを非常に小さくすることができる。
【００８１】
また、第２の実施の形態では、偏光分離板５５１、５５３の光学特性を等しくすることによって、偏光分離板５５３で分離された各直線偏光は、偏光分離板５５１で結合し、偏波保持ファイバ５０の光の出射位置に入射する。これにより、入力と出力に２本の偏波保持ファイバを用いることなく、偏波保持ファイバ５０だけで（１本の偏波保持ファイバだけで）光学センサを構成することができる。
【００８２】
通常、偏光分離板を通過した２つの偏光は、それぞれ異なる位相で出力される。偏光分離板５５１を通過した２つの偏光は１／２波長板５５２によって９０度旋光し、偏光分離板５５３に入射するため、偏光分離板５５１で生じた位相差は偏光分離板５５３でキャンセルされる。これによって、誘電体反射膜５４１によって反射された２つの偏光は、入力位置で偏光分離板５５１、５５３での位相差がなくなり、入力したときの位相差を保ったまま出力される。ただし、電気光学結晶５４で生じた位相差は偏光分離板５５１、５５３で影響を受けないため、電界の検出は可能である。また、偏光分離板を通過した２つの偏光はそれぞれ異なる位置へ出力される。出力位置のずれは偏光分離板の長さに比例するため、偏光分離板の長さを調整することにより、ずれの大きさを任意に選ぶことができる。電気光学結晶５４の大きさが１ｍｍ角であるとき、ビーム径が２００μｍであることを考慮して、ずれの大きさが数百μｍとなるように偏光分離板の長さを調整すればよい。以上のような理由から、第２の実施の形態では、光学センサを超小型に形成することが可能であり、且つ、感度の安定性を向上することが可能であるという優れた効果が得られる。
【００８３】
以上、本発明について２つの実施の形態を説明したが、他の態様で本発明を実施してもよい。
【００８４】
例えば、各実施の形態では、差動増幅を行ったが、一方の電気信号のみの増幅を行ってもよい。また、分割前の光を電気信号に変換増幅してもよい。
【００８５】
また、各施の形態では、誘電体反射膜５４１を設けたが、これに代えて、反射鏡を設けてもよい。
【００８６】
また、各実施の形態では、被測定電界の電界強度を電気光学結晶により検出したが、この電気光学結晶に代えて磁気光学結晶を用いることで、被測定磁界の磁界強度を検出してもよい。また、電気光学結晶に代えて圧光学（光弾性）結晶を用いることで、音圧などの被測定圧力を検出してもよい。同様に温度を検出してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】第１の実施の形態に係る計測システムの構成を示す図である。
【図２】光学センサ５を構成する各要素の斜視図である。
【図３】図２に示した各点における光の偏光状態を示す図である。
【図４】図１に示した計測システムの第１の変形例を示す図である。
【図５】図１に示した計測システムの第２の変形例を示す図である。
【図６】第２の実施の形態に係る計測システムにおける光学センサの構成を示す図である。
【図７】図６に示した各点における光の偏光状態を示す図である。
【図８】従来の電界計測システムの構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８８】
１…光源
２、５０、３０２…偏波保持ファイバ
３…偏光処理装置
５、５Ａ…光学センサ
６…電気信号検出器
５１…フェルール
５２…コリメータレンズ
５３…１／４波長板
５４…電気光学結晶
３０１…アイソレータ
３０３、３０５、３０８、３０９…レンズ
３０４…ビームスプリッタ
３０４Ａ、３０４Ｂ、３０７…偏光ビームスプリッタ
３０６…偏波コントローラ
３１０…差動増幅回路
３１１、３１２…光検出器
３１３…差動アンプ
５４１…誘電体反射膜
５４２…誘電体反射防止膜
５５１…偏光分離板（第１の偏光分離板）
５５２…１／２波長板
５５３…偏光分離板（第２の偏光分離板）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏波保持ファイバと、
この偏波保持ファイバを通過した光が入射する１／４波長板と、
この１／４波長板を通過した光が入射する光学結晶であって、光の偏光状態を電気的、磁気的または力学的に変化させる性質を有し、光を反射する反射手段が設けられた光学結晶とを有し、
前記１／４波長板の位相軸が前記偏波保持ファイバの位相軸に対して角度２２．５度を有することを特徴とする光学センサ。
【請求項２】
前記光学結晶が光の偏光状態を電気的に変化させる性質を有することを特徴とする請求項１記載の光学センサ。
【請求項３】
前記１／４波長板の位相軸が前記光学結晶の位相軸に対して角度４５度を有することを特徴とする請求項１または２記載の光学センサ。
【請求項４】
前記偏波保持ファイバを通過した光が入射する同一軸出力型の偏光分離素子を有し、
この偏光分離素子を通過した光が前記１／４波長板に入射するようになっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光学センサ。
【請求項５】
前記偏波保持ファイバを通過した光が入射する第１の偏光分離板と、
この第１の偏光分離板を通過した光が入射する１／２波長板と、
この１／２波長板を通過した光が入射する第２の偏光分離板とを有し、
この第２の偏光分離板を通過した光が前記１／４波長板に入射するようになっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光学センサ。
【請求項６】
前記偏波保持ファイバを出射した光が前記反射手段で反射し、前記第２の偏光分離板で分離され、前記第２の偏光分離板で結合し、前記偏波保持ファイバにおける前記光の出射位置に入射するようになっていることを特徴とする請求項５記載の光学センサ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の光学センサと、
光を生成する光源と、
この光源で生成された光が入射する導光手段と、
この導光手段を通過した光を前記偏波保持ファイバに入射させるとともに、当該偏波保持ファイバを逆方向に通過した光の進行方向を変化させるサーキューレータと、
このサーキューレータを通過した光を検出する検出手段とを有することを特徴とする計測システム。
【請求項１】
偏波保持ファイバと、
この偏波保持ファイバを通過した光が入射する１／４波長板と、
この１／４波長板を通過した光が入射する光学結晶であって、光の偏光状態を電気的、磁気的または力学的に変化させる性質を有し、光を反射する反射手段が設けられた光学結晶とを有し、
前記１／４波長板の位相軸が前記偏波保持ファイバの位相軸に対して角度２２．５度を有することを特徴とする光学センサ。
【請求項２】
前記光学結晶が光の偏光状態を電気的に変化させる性質を有することを特徴とする請求項１記載の光学センサ。
【請求項３】
前記１／４波長板の位相軸が前記光学結晶の位相軸に対して角度４５度を有することを特徴とする請求項１または２記載の光学センサ。
【請求項４】
前記偏波保持ファイバを通過した光が入射する同一軸出力型の偏光分離素子を有し、
この偏光分離素子を通過した光が前記１／４波長板に入射するようになっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光学センサ。
【請求項５】
前記偏波保持ファイバを通過した光が入射する第１の偏光分離板と、
この第１の偏光分離板を通過した光が入射する１／２波長板と、
この１／２波長板を通過した光が入射する第２の偏光分離板とを有し、
この第２の偏光分離板を通過した光が前記１／４波長板に入射するようになっていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の光学センサ。
【請求項６】
前記偏波保持ファイバを出射した光が前記反射手段で反射し、前記第２の偏光分離板で分離され、前記第２の偏光分離板で結合し、前記偏波保持ファイバにおける前記光の出射位置に入射するようになっていることを特徴とする請求項５記載の光学センサ。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の光学センサと、
光を生成する光源と、
この光源で生成された光が入射する導光手段と、
この導光手段を通過した光を前記偏波保持ファイバに入射させるとともに、当該偏波保持ファイバを逆方向に通過した光の進行方向を変化させるサーキューレータと、
このサーキューレータを通過した光を検出する検出手段とを有することを特徴とする計測システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１４５７９（Ｐ２０１０−１４５７９Ａ）
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１７５５３４（Ｐ２００８−１７５５３４）
【出願日】平成２０年７月４日（２００８．７．４）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【出願人】（５０２０６８３９９）株式会社アルネアラボラトリ (12)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１月２１日（２０１０．１．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月４日（２００８．７．４）
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【出願人】（０００００６５０７）横河電機株式会社 (4,443)
【出願人】（５０２０６８３９９）株式会社アルネアラボラトリ (12)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]