JPH0989961A

JPH0989961A - 電界検出装置

Info

Publication number: JPH0989961A
Application number: JP7273448A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Togano; 祐一戸叶
Original assignee: Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1995-09-26
Filing date: 1995-09-26
Publication date: 1997-04-04

Abstract

(57)【要約】【課題】半波長電圧Ｖπを高めることによって、高電
界の検出を可能にすると共に、入射光の偏波に依存する
ことがなく、従って、偏光調整手段を要せず、コスト高
騰のもととなる偏波保持ファイバに代えて、シングルモ
ードファイバを用いることができる電界検出装置を供す
ること。【解決手段】電気光学結晶基板１１の結晶軸のＺ軸方
向に二つの位相シフト光導波路１３を形成し、その近傍
に変調電極１５を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、放射電磁波等の電
界強度、特に、静電界、又は比較的低い周波数帯域の電
界を検出する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】送配電線を含む電力設備の保守・状態監
視のために、電界検出は必須である。近年、この分野に
おいては、電気光学効果を利用した電界検出が実用化さ
れ、効を奏している。

【０００３】図７は、従来技術による電界検出装置の構
成を示す図である。図７において、センサヘッド４に入
射した光は、電界によってアンテナ６０に誘導され、セ
ンサヘッド４に導かれた電圧を印加することによって変
調され、その出射光強度を計測し、電界強度を検出する
ことができる。

【０００４】図８は、図７に示した電界検出装置に用い
たセンサヘッドの概要を示す図である。センサヘッド４
は、ニオブ酸リチウム等、電気光学効果を示す基板４１
上に形成した光導波路素子からなる。広帯域の周波数特
性を確保する必要から、従来、基板の法線を結晶軸のＸ
軸（以下、Ｘ板）とする、又は、法線をＺ軸（以下、Ｚ
板）とする基板が用いられた。かつ、Ｚ軸方向に電圧を
印加すると、電気光学効果が高いため、Ｘ板の基板の場
合は、光導波路をＹ軸方向に、Ｚ板の基板の場合はＸ軸
方向、又はＹ軸方向にとることが望ましく、センサヘッ
ドの多くは、これに沿って製作、使用されてきた。この
場合、焦電効果による温度特性の劣化を防ぐため、基板
表面に導電性の膜を設けていた。

【０００５】この方式による電界検出装置は、信号伝送
路として、光ファイバを用いるため、伝送損失が小さ
く、長距離伝送が可能であるのみならず、光ファイバと
環境との間のノイズの授受がないこと等の特徴を有す
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記電
界検出損失には、以下に述べるいくつかの短所がある。

【０００７】まず、第一に、前記導電性膜が電極間に存
在することにより、特に、電力分野で必要とされる低周
波域での特性劣化を招くことである。第二に、センサヘ
ッド４の特性の一つである半波長電圧（以下、Ｖπ）が
２ボルト（Ｖ）程度で、高電界の検出には制約が生じ
る。第三に、センサヘッド４の入射光が、ＴＥ偏波の場
合とＴＭ偏波の場合で、センサヘッド４の変調特性が相
違し、そのため、入射光の偏光を規定することが余儀な
くされる。そのため、光源６１の出射端付近に波長板等
による偏光調整手段６２を付加し、更に、センサヘッド
４の入力光ファイバには、偏波面保持ファイバ４６の使
用が必要となる。このため、電界検出装置の組立調整に
偏光面調整操作を要し、加えて、偏波面保持ファイバ４
６の使用によるコスト高騰を招く。前述したように、長
距離伝送の実現に伴い、遠隔地における電界検出の実施
の場合には、受ける経済的不利益は大きい。又、センサ
ヘッドの入射光導波路の端面に偏光分離器を配置して、
偏光を分離して入射する方法も可能である。しかし、こ
の場合、光損失が増加し、又、ファイバにかかる応力に
よる出力変動があり、問題の解決にはならない。

【０００８】本発明は、従来技術による前述の電界検出
装置の短所を補い、即ち、半波長電界Ｖπを高めること
によって、高電界の検出を可能にすると共に、入射光の
偏波に依存することなく、従って、偏光調整手段を要せ
ず、コスト高騰のもととなる偏波保持ファイバに代え
て、シングルモードファイバを用いた電界検出装置を提
供する。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、本発明は、電気光学結晶基板上に形成した入射光
導波路、入射光導波路から分岐した二つの位相シフト光
導波路、二つの位相シフト光導波路が再び結合した出射
光導波路、二つの位相シフト光導波路の近傍に対をなし
て形成した変調電極、及び変調電極に接続されたアンテ
ナ部からなり、電界によってアンテナ部に誘導され、変
調電極に印加された電圧に依存して、光導波路を通った
出射光の強度を変化するセンサヘッドと、センサヘッド
に接続した入力光ファイバ及び出力光ファイバと、入力
光ファイバの他の一端に接続した光源と、出力光ファイ
バの他の一端に接続した光検出器、及び該光検出器の出
力を入力とする計測器とから構成した電界検出装置にお
いて、二つの位相シフト光導波路を電気光学結晶基板の
結晶軸のＺ軸方向に形成した電界検出装置を提供する。

【００１０】又、本発明は、入力光ファイバがシングル
モードファイバでも、同様の機能を有する電界検出装置
が得られることを示す。

【００１１】又、本発明は、電気光学結晶基板上に形成
した光導波路、光導波路から分岐した二つの位相シフト
光導波路、二つの位相シフト光導波路の他の端部に配置
した光反射部、二つの位相シフト光導波路の近傍に対を
なして形成した変調電極、及び変調電極に接続されたア
ンテナ部からなり、電界によってアンテナ部に誘導さ
れ、変調電極に印加された電圧に依存して、光導波路を
通った光の強度を変化するセンサヘッドと、センサヘッ
ドに接続した光ファイバと、光ファイバの他の一端に接
続した光サーキュレータつき光源と、光サーキュレータ
の出力端に接続した光ファイバと、光ファイバの他の一
端に接続した光検出器、及び光検出器の出力を入力とす
る計測器から構成した電界検出装置において、二つの位
相シフト光導波路を電気光学結晶基板の結晶軸のＺ軸方
向に形成した電界検出装置を提供する。

【００１２】この場合においても、本発明は、センサヘ
ッドに接続した光ファイバがシングルモードファイバで
も、同様の機能を有する電界検出装置が得られることを
示す。

【００１３】更に、本発明の作用効果について、以下に
説明する。まず、本発明においては、Ｚ軸に平行に電極
が設置されるので、導電性膜を設置しなくても、温度に
対して安定な特性が得られ、低周波特性が劣化しない。

【００１４】次に、センサヘッドの偏波依存性について
述べる。図９は、Ｘ板の基板上でＹ軸方向に形成した光
導波路素子からなる従来技術によるセンサヘッドの場合
の入射波がＴＥ波及びＴＭ波について、出射光強度の印
加電圧に対する依存性を示す図である。図１０は、Ｘ板
の基板上でＺ軸方向に形成した光導波路素子からなる本
発明によるセンサヘッドの場合の入射波がＴＥ波及びＴ
Ｍ波について、出射光強度の印加電圧に対する依存性を
示す図である。

【００１５】従来技術によるセンサヘッド４の場合、入
射光の偏波に依存して変調される。従って、従来技術に
よる電界検出装置においては、図７に示すように、入射
波の偏波を特定する必要から、光源の出射光を偏光調整
手段６２によって規定すると共に、偏光調整手段６２か
らセンサヘッド４までの光伝送路として偏波保持ファイ
バ４６を使うことが余儀なくされる。

【００１６】又、図１０から、Ｘ板の基板上でＺ軸方向
に形成した光導波路素子からなるセンサヘッドの場合、
変調特性は、入射光の偏波に依存しないことを示してい
る。従って、この場合は、光源とセンサヘッドの間の伝
送路には、偏光調整手段は必要なく、又、シングルモー
ドファイバを使うことが可能となる。

【００１７】更に、半波長電圧Ｖπは、Ｘ板の基板上
で、Ｙ軸方向に電界を印加した場合には、Ｚ軸方向の場
合に比べて、約９倍となる。前者は従来技術、後者は本
発明によるセンサヘッドが、それぞれ対応する。このこ
とは、後者は高電界の検出に、前者は微小電界に使うこ
とが、それぞれ好ましいことを示す。

【００１８】更に、本発明におけるセンサヘッドは、低
い周波数帯域で良好な特性を示すこともあり、基板上で
Ｚ軸方向に光導波路を形成したセンサヘッドは、静電界
を含む比較的低い周波数帯域で、かつ、高電界を検出す
る装置に用いることによって、その特徴が生かされるも
のとなる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を実
施例によって詳細に説明する。

【００２０】（実施例１）図１は、本発明の一実施例で
ある電界検出装置の構成図を示す。図２は、図１におけ
るセンサヘッドの構成を示す図である。

【００２１】光源６１からシングルモードファイバ６を
通った光が、センサヘッド１に入射する。図２に示す光
センサヘッド１には、ニオブ酸リチウムのＸ板の基板１
１を用い、Ｚ軸方向に光が伝搬する光導波路と変調電極
１５から構成されている。入射光は、入射光導波路１２
から分岐した二つの位相シフト光導波路１３を通り、出
射光導波路１４で再び結合して、シングルモードファイ
バ７に出射される。ここで、二つの位相シフト光導波路
の近傍に配置した一対の変調電極１５には、電界によっ
てアンテナ６０に誘導された電圧が印加され、この近傍
の位相シフト光導波路１３を通る光の位相が変化する。
その結果、出射光導波路１４で結合した二つの導波光
は、相互に干渉し、シングルモードファイバ７を通っ
て、光検出器６３に入射して、出射光強度は電気信号に
変換され、ついで、測定器６４によって、測定・表示
等、処理される。

【００２２】本実施例においては、センサヘッド１は、
偏波面に依存しない、いわゆる、偏光無依存型で、偏光
調整手段が不要である、偏波保持ファイバ４６に代わっ
て、シングルモードファイバ６を使うことによって、十
分に機能する。

【００２３】なお、従来技術による、例えば、図７に示
す電界検出装置の構成において、センサヘッド４の代わ
りに、本実施例に用いた入射光の偏波に依存しないセン
サヘッド１を使うことも可能であることは当然である。

【００２４】（実施例２）図３は、本発明の他の実施例
である電界検出装置の構成図を示す。図４は、図３にお
けるセンサヘッドの構成を示す図である。

【００２５】図４において、センサヘッド２は、前記実
施例１の場合と同様に、Ｘ板のニオブ酸リチウムの基板
２１を用い、その基板２１上にＺ軸方向に光が伝搬する
二つの位相シフト光導波路２３と、そのうちの一方をは
さむ変調電極２５が形成されている。アンテナエレメン
トは、変調電極２５と一体となっている。従って、本実
施例による電界検出装置は、いわゆる、外づけ方式のア
ンテナはない。前述の実施例１の電界検出装置より検出
感度が低いものの、小型であるため、狭い空間の高電界
を検出するために有利である。

【００２６】（実施例３）図５は、本発明の他の実施例
である電界検出装置の構成図を示す。図６は、図５にお
けるセンサヘッドの構成を示す図である。

【００２７】本実施例の電界検出装置は、いわゆる、反
射型センサヘッド３を使ったことに特徴がある。Ｘ板の
ニオブ酸リチウムの基板３１を用い、その基板３１上に
Ｚ軸方向に光が伝搬する光導波路と、これをはさむ変調
電極３５が形成され、又、位相シフト光導波路３３の一
方の端には、反射部３７を配置してある。光は反射部３
７で反射し、折り返して再び入射してきた経路を戻る。
二つの位相シフト光導波路３３の近傍に配置した変調電
極３５には、電界によってアンテナ６０に誘導された電
圧が印加され、位相シフト光導波路３３を通る光の位相
が変化する。その結果、光導波路３２で結合した二つの
導波光は、相互に干渉し、シングルモードファイバ８を
通り、光サーキュレータ６５を経由して、光検出器６３
に入射し、以降は、前記実施例と同様に、出射光強度は
電気信号に変換され、ついで、測定器６４によって、測
定・表示等、処理される。

【００２８】本実施例の場合、光は、位相シフト光導波
路３３の往路及び復路の両過程で変調を受けるため、前
述の実施例１に示す、いわゆる透過型センサヘッドより
も小型になり、又、半波長電圧Ｖπが、約１／２とな
る。そのため、検出電界に応じてセンサヘッドを透過型
又は反射型に選択することができる。又、センサヘッド
３の光の入射及び出射が、１本の光ファイバで行われる
ため、操作の煩雑さが低減すると共に、安価な電界検出
装置を実現するために、その意義は大きい。

【００２９】なお、反射型のセンサヘッドの場合でも、
前述の実施例２のように、アンテナエレメントを変調電
極と一体にして基板上に形成し、小型にすることができ
ることは、いうまでもない。

【００３０】

【発明の効果】本発明は、従来技術による前記電界検出
装置の短所を補った電界検出装置を実現した。即ち、本
発明には、導電性膜を設置しなくても、温度に対して安
定な特性が得られ、低周波特性が劣化せず、半波長電圧
Ｖπを高めることによって、高電界の検出が可能な、更
に、入射光の偏波に依存することがないセンサヘッドを
採用した。これによって、偏光調整手段を要せず、コス
ト高騰のもととなる偏波保持ファイバに代えて、シング
ルモードファイバを用いた電界検出装置を実現した。

【００３１】以上、説明したように、本発明の電界検出
装置は、信号伝送路として光ファイバを用いるため、伝
送損失が小さく、長距離伝送が可能であるのみならず、
光ファイバと環境との間のノイズの授受がないこと等、
従来の電界検出装置の特徴をそのまま受け継いでいる。
本発明は、高電界検出を可能にすると共に、光源からセ
ンサヘッドまでの光伝送路が、シングルモードファイバ
でも十分であることを示し、コスト低減に寄与した。遠
隔地の電界検出の場合には、ことさら大きな経済効果と
してあらわれる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に説明した電界検出装置の構
成図。

【図２】図１におけるセンサヘッドの構成図。

【図３】本発明の実施例２に説明した電界検出装置の構
成図。

【図４】図３におけるセンサヘッドの構成図。

【図５】本発明の実施例３に説明した電界検出装置の構
成図。

【図６】図５におけるセンサヘッドの構成図。

【図７】従来技術による電界検出装置の構成図。

【図８】従来技術によるセンサヘッドの概要図。

【図９】Ｘ板の基板上でＹ軸方向に形成した光導波路素
子からなるセンサヘッドの場合の入射波がＴＥ波及びＴ
Ｍ波について、出射光強度の印加電圧に対する依存性を
示す図。

【図１０】Ｘ板の基板上でＺ軸方向に形成した光導波路
素子からなるセンサヘッドの場合の入射波がＴＥ波及び
ＴＭ波について、出射光強度の印加電圧に対する依存性
を示す図。

【符号の説明】

１，２，３，４センサヘッド６，７，８，９，１０シングルモードファイバ１１，２１，３１，４１基板１２，２２，４２入射光導波路１３，２３，３３，４３位相シフト光導波路１４，２４，４４出射光導波路１５，２５，３５，４５変調電極３２光導波路３７反射部４６偏波保持ファイバ６０アンテナ６１光源６２偏波調整手段６３光検出器６４測定器６５光サーキュレータ６６，６７導線

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電気光学結晶基板上に形成した入射光導
波路、該入射光導波路から分岐した二つの位相シフト光
導波路、該二つの位相シフト光導波路が再び結合した出
射光導波路、前記二つの位相シフト光導波路の近傍に対
をなして形成した変調電極、及び該変調電極に接続され
たアンテナ部からなり、電界によって前記アンテナ部に
誘導され、前記変調電極に印加された電圧に依存して、
前記光導波路を通った出射光の強度を変調するセンサヘ
ッドと、該センサヘッドに接続した入力光ファイバ及び
出力光ファイバと、前記入力光ファイバの他の一端に接
続した光源と、前記出力光ファイバの他の一端に接続し
た光検出器と、該光検出器の出力を入力とする計測器と
から構成した電界検出装置において、前記二つの位相シ
フト光導波路を前記電気光学結晶基板のＺ軸方向に形成
したことを特徴とする電界検出装置。
【請求項２】請求項１記載の入力光ファイバが、シン
グルモードファイバであることを特徴とする電界検出装
置。
【請求項３】電気光学結晶基板上に形成した光導波
路、光導波路から分岐した二つの位相シフト光導波路、
該二つの位相シフト光導波路の他の端部に配置した光反
射部、前記二つの位相シフト光導波路の近傍に対をなし
て形成した変調電極、及び該変調電極に接続されたアン
テナ部からなり、電界によって前記アンテナ部に誘導さ
れ、前記変調電極に印加された電圧に依存して、前記光
導波路を通った光の強度を変調するセンサヘッドと、該
センサヘッドに接続した光ファイバと、該光ファイバの
他の一端に接続した光サーキュレータつき光源と、該光
サーキュレータの出力端に光ファイバにより接続した光
検出器と、該光検出器の出力を入力とする計測器とから
構成した電界検出装置において、前記二つの位相シフト
光導波路を前記電気光学結晶基板のＺ軸方向に形成した
ことを特徴とする電界検出装置。
【請求項４】請求項２記載のセンサヘッドに接続した
光ファイバが、シングルモードファイバであることを特
徴とする電界検出装置。