JP2004325295A

JP2004325295A - 電界センシング装置

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Publication number: JP2004325295A
Application number: JP2003121389A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Kato; 康男加藤
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】光学部品数を少なくして、部品コストや、製造コストを低く抑えるとともに、電界を精度よく検出できる電界センシング装置を提供することである。
【解決手段】発光素子２１と、この発光素子に対向するとともに、電気光学結晶からなる基板上に熱拡散で形成した導波路を備えた導波路型光強度変調器２２と、上記導波路の出射端面と対向する受光素子２３とからなり、上記発光素子の発光部と上記導波路の入射端面とを対向させ、発光素子は、その偏光面を導波路の光学軸に合わせた光を出力する構成にし、受光素子は、上記導波路型光強度変調器から出力された変調光を受光して、それを電気信号に変換する機能を備え、これら発光素子、導波路型光強度変調器および受光素子とを同一のボディＢ内に組み込んだ。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、媒体を伝達する信号電界を検出する電界センシング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電界が伝播する性質を持つ媒体上に、伝送する情報に応じた誘導電界を発生させて情報を伝送する方法がある。この方法は、信号電界を伝達する媒体があれば足り、大電力による電磁波の混信等も起こらない。
【０００３】
このような通信方式において、信号電界を検出するセンサとして、図１１に示す電界センシング装置Ｓがある。この電界センシング装置Ｓは、バルクの電気光学結晶の電気光学効果を利用したものである（特許文献１参照）。
具体的には、レーザ光源１、コリメートレンズ２、第１の波長板３、バルクの電気光学結晶４、第２の波長板５、偏光ビームスプリッタ６、第１の集光レンズ７、第２の集光レンズ８、第１のフォトダイオード９、第２のフォトダイオード１０から構成されている。また、上記電気光学結晶には、第１の電極１１と第２の電極１２が電気光学結晶を挟んで対向するように設けられており、さらに、第１の電極１１には導線を介して受信電極１３が、第２の電極１２には導線を介してグランド電極１４が接続されている。
【０００４】
この電界センシング装置Ｓは、受信電極１３を介して、伝送路上を伝播する信号電界を検出するものであるが、その原理を簡単に説明する。なお、図１１では、レーザ光の光路を点線で示している。
レーザ光源１から照射されたレーザ光が、コリメートレンズ２で平行光となり、第１の波長板３で偏光状態が調整された後、電気光学結晶４に入射、受信電極１３により電気光学結晶に導かれた電界に応じて偏光変化を受けて結晶内を通過し、第２の波長板５で再度偏光状態が調整され、偏光ビームスプリッタ６により互いに逆相のＳ波成分とＰ波成分に分離され、第１の集光レンズ７及び第２の集光レンズ８で集光された後に、第１のフォトダイオード９及び第２のフォトダイオード１０で受光され、電気信号に変換される。
【０００５】
これら、第１、第２のフォトダイオード９，１０の出力信号を図示しない演算回路で演算処理して電界信号を算出している。つまり、電界強度を光の強度に変換した後、再度電気信号に変換して電界信号を算出している。
なお、上記第１、第２のフォトダイオード９，１０が検出する光は、それぞれ、例えばＰ波とＳ波のような直交する偏光面を持った互いに逆相の成分である。そして、上記演算回路は、上記第１、第２のフォトダイオード９、１０が受光した互いに逆相の光に対応する電気信号の出力の差分を増幅している。このように、２つのフォトダイオード９、１０を用いるのは、上記電気光学結晶４内における電気光学効果による偏光状態の変化量が小さい場合でも、電界の変化を精度よく検出できるようにするためである。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−０９８２０５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の電界センシング装置Ｓでは、数ミリの厚みを持つバルクの電気光学結晶４を用いていて、その内部にレーザ光を入射させているので、受信電極１３を介して、電気光学結晶４内に導かれた電界のうち、レーザ光の光路部分に到達するまでに電界強度が減衰し、光路に作用する電界強度が小さくなってしまう。その結果、レーザ光が偏光変化を受ける効率が低くなり、効率よく電界の変化を光の強度として検出できない。
だからといって、レーザ光路を第１の電極１１に近づけるために、電気光学結晶４の表面近傍に、レーザ光を通過させることは、その位置調整が非常に難しく、非現実的である。
【０００８】
そこで、従来の電界センシング装置Ｓでは、検出感度を向上させるために偏光ビームスプリッタ６を用いて、レーザ光を、互いに逆相のＳ波とＰ波の成分に分離し、信号の差分を２倍にして検出しており、そのため２つのフォトダイオードが必要となる。
さらに、上記電界センシング装置Ｓは、上記フォトダイオード９、１０だけでなく、上記したように多数の光学部品によって構成されている。
このように、この電界センシング装置Ｓは、多くの光学部品を必要とするために、部品コストが高くなるだけでなく、これらの部品の光軸を合わせることも大変で、加工コストも高くなるという問題があった。
【０００９】
この発明の目的は、多数の光学部品を必要としないで、部品コストや、製造コストを低く抑えるとともに、電界を精度よく検出できる電界センシング装置を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、発光素子と、この発光素子に対向するとともに、電気光学結晶からなる基板上に熱拡散で形成した導波路を備えた導波路型光強度変調器と、上記導波路の出射端面と対向する受光素子とからなり、上記発光素子の発光部と上記導波路の入射端面とを対向させ、発光素子は、その偏光面を導波路の光学軸に合わせた光を出力する構成にし、受光素子は、上記導波路型光強度変調器から出力された変調光を受光して、それを電気信号に変換する機能を備え、これら発光素子、導波路型光強度変調器および受光素子とを同一のボディ内に組み込んだ点に特徴を有する。
【００１１】
第２の発明は、第１の発明を前提とし、受光素子の受光面を含む平面が、導波路の出射端面を含む平面と交わる構成にした点に特徴を有する。
第３の発明は、上記第１，第２の発明を前提とし、受光素子から出力される電気信号を増幅する増幅回路を備え、この増幅回路は、信号の振幅の中点を、増幅回路のダイナミックレンジの中点あるいは中点近傍に調整して出力する機能を備えた点に特徴を有する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１〜図６に、この発明の第１実施例を示す。
第１実施例の電界センシング装置Ｓ１は、ボディＢ内に発光素子であるレーザ光源２１と、導波路型光強度変調器２２と、受光素子であるフォトダイオード２３とを組み込み、フォトダイオード２３の信号出力側には、演算回路２４を接続している。上記レーザ光源２１は、半導体レーザダイオードと、レーザ光を後で説明する導波路２６に入射させるためのコリメートレンズと、集光レンズとを備えている。また、上記レーザ光は、その偏光面を、後で説明する導波路の光学軸に合わせて、入射させるように調整している。なお、非球面レンズを用いれば、上記コリメートレンズと集光レンズとを別々に設けなくてもよい。
この電界センシング装置Ｓ１は、レーザ光源２１から照射されたレーザ光が、導波路型光強度変調器２２を通過してフォトダイオード２３で受光され、その出力信号を演算回路２４で信号処理するという構成になっている。
【００１３】
この第１実施例の導波路型光強度変調器２２について、図２〜図４を用いて説明する。図２に示すように、導波路型光強度変調器２２は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）などの電気光学結晶の基板２５に、チタン（Ｔｉ）を熱拡散させて、導波路２６，２６ａ，２６ｂを形成したものである。
この導波路２６，２６ａ，２６ｂの形成には、結晶２５の表面をマスキングして、チタンを拡散させる、半導体製造の手法を利用している。このように、熱拡散によって形成しているので、非常に薄い導波路を形成することができる。しかも、これらの導波路は、基板２５の表面に形成される。
【００１４】
また、上記導波路２６は、上記基板２５の一方の端面から、他方の端面に連続し、その中間で、２つの導波路２６ａと２６ｂに分岐している。そのため、一端から入射したレーザ光Ｌ１は、それぞれの導波路２６ａと２６ｂに２分の１ずつに分かれて進み、合成されてから出射する。
また、上記導波路２６ａ上には、信号電極２７を形成し、この信号電極２７の両側にアース電極２８ａ，２８ｂを形成している。なお、一方のアース電極２８ｂは、導波路２６ｂ上に設けられ、上記信号電極２７は、受信電極１１と連結している。ただし、上記受信電極１１は、上記ボディＢに設けてもよいし、ボディＢそのものを受信電極として機能させるようにしてもよい。
そして、上記電極２７，２８ａ，２８ｂも、半導体製造プロセスの薄膜形成手法によって形成することができる。
【００１５】
上記のようにして形成した導波路型光強度変調器２２の断面図を図３に示すが、上記信号電極２７に接続した受信電極１１が受信した電界によって導波路２６ａ，２６ｂに作用する電界の電気力線を細線で示し、電界の方向を矢印Ｅ１とＥ２で示している。図３のように、導波路２６ａ内の電界Ｅ１の方向は、図中下向きであり、導波路２６ｂ中の電界Ｅ２の方向は上向きである。このように上下方向に作用する電界の向きに、光学軸の向きを合わせてカットした基板２５を用いている。いわゆるＺカットのマッハツェンダ型の光強度変調器であり、図４の矢印が導波路の光学軸の方向を示している。そして、上記レーザ光源２１から照射されるレーザ光は、この光学軸に偏光面を合わせたものである。このＺカットタイプの光強度変調器は、縦方向の電界を感度よく検出することができる。
【００１６】
つまり、図３に示す状態の導波路２６ａと２６ｂを通過する光Ｌ２，Ｌ３には、それぞれ反対方向の電界が作用し、それぞれ、偏光面が逆方向に変化する。従って、位相の異なる２つの光が、出射側の導波路２６で合成され、両者の偏光変化の程度に応じた強度の光として出射される。例えば、２つの光の位相が２分の１波長ずれたときには、出射する光の強度はゼロとなり、位相が一致しているときには、出射光の強度は、入射光と同じになる。
このような、導波路型光強度変調器２２からの出射光を、フォトダイオード２３で受光して電気信号に変換した後に、出力信号を演算回路２４に対して出力する。
【００１７】
ただし、図５に示すように、導波路型光強度変調器２２の出射端面２２ａを含む平面と、フォトダイオード２３の受光面２３ａを含む平面とが、角度θで交わるような構成にしている。このようにすれば、受光面２３ａに対する入射光Ｌ４が、受光面２３ａで反射した場合、その反射光Ｌ５が、再度、導波路型光強度変調器２２の導波路２６内に入射してしまうことを防止できる。ただし、交差角度θが大きすぎると、受光面２３ａでの反射光が、上記導波路２６に入射する心配はない。しかし、交差角度θが、大きくなりすぎると、受光面の面積よりも出射光のビーム断面積が大きくなってしまうことがある。そのような場合には、受光エネルギーに損失を生じ、結果として受光効率が劣化してしまう心配がある。そこで、上記交差角度θは、ビーム径や、受光面の面積に応じて、適切な値に設定する必要がある。
【００１８】
図６にフォトダイオード２３が出力した検出信号を、演算する演算回路２４を表している。この演算回路２４には、増幅回路部２９を備えていて、受信した信号を増幅して出力するようにしている。そして、この増幅回路部２９には、バイアス電圧源２９ａと、帰還増幅抵抗２９ｂと、演算増幅器２９ｃとを備えていて、受信信号にバイアスをかけて増幅している。
【００１９】
このようにバイアスをかけて増幅しているのは、次のような理由による。
すなわち、この電界センシング装置Ｓ１を実際に使用する場合には、そのスイッチを入れると、レーザ光源２１からは、連続的にレーザ光が照射される。その状態で、外部電界による信号が入力されたときにのみ、光強度の変調が発生し、それを検出することになる。そのため、電界信号が入力されていない状態でも、連続的に照射されるレーザ光によって、フォトダイオード２３は、常時、入射光強度に対応する一定値の信号を出力している。そして、この信号値に、外部の電界信号の入力に基づいて変化する信号分が重畳されて出力される。
【００２０】
電界信号を検出していないときにも、上記連続光による信号が出力されるため、全てをそのまま一定の倍率で増幅したのでは、上記連続光分の信号も増幅してしまうことになる。
このようにすると、増幅回路部２９のダイナミックレンジを、電界検出信号の増幅のために十分に利用できなくなるので、増幅倍率が制限されることがある。
しかし、バイアスをかけることによって、検出した電界に対応した信号の振幅の中点を、増幅回路部２９のダイナミックレンジの中点あるいは中点近傍に調整することができる。そして、上記振幅の中点をダイナミックレンジの中点に調整すれば、ダイナミックレンジを最も有効に利用できる。従って、増幅倍率を大きくできる。
【００２１】
上記のような、電界センシング装置Ｓ１では、先に説明したように、導波路２６，２６ａ，２６ｂが、基板２５の表面に形成されているので、基板２５上に設ける電極２７、２８ａ、２８ｂと近接させることができる。導波路と電極とを近接させることによって、信号電極２７によって導かれた信号電界が、効率よく導波路に作用する。導波路が、電界の作用を十分に受けることができるため、導波路内部で、電気光学効果を効率よく発揮させることができる。つまり、小さな電界変化でも、検出可能な強度の光の変化として検出できる。
【００２２】
そのため、従来のように、フォトダイオードを２個設ける必要がない。そのうえ、２個のフォトダイオードに、光信号を導くための、多数の光学部品も不要になる。第１実施例の電界センシング装置Ｓ１では、ボディＢ内に、必要な部品は、レーザ光源２１を構成する半導体レーザダイオードと、コリメートレンズと、集光レンズと、導波路型光強度変調器２２と、フォトダイオード２３だけである。このように、部品点数が少ないので、これらの光軸合わせも簡単である。従って、生産コストを低く抑えることができる。なお、上記ボディＢ内に、演算回路２４を、組み込んでもかまわない。ただし、演算回路を外付けにすれば、必要に応じた任意の演算回路を取り付けることができる。
【００２３】
図７〜図９に示す第２実施例は、導波路型光強度変調器として、Ｘカットタイプの導波路型光強度変調器３１を用いた例である。つまり、図１に示す導波路型光強度変調器２２の代わりに図７の導波路型光強度変調器３１を設けている。その他の構成は、上記第１実施例と同様なので、同様の構成要素には、第１実施例と同じ符号を付けるとともに、詳細な説明は省略する。
この導波路型光強度変調器３１は、電気光学結晶からなる基板２５に、チタンの熱拡散によって形成した導波路２６，２６ａ，２６ｂを設けているが、この点は、第１実施例と同じである。ただし、上記基板２５の光学軸の方向が、図９の矢印で示すように、左右方向であり、第１実施例とは異なる。そして、入射させるレーザ光の偏光面は、横方向に合わせている。このＸカットタイプの光強度変調器３１では、横方向の電界を感度よく検出することができる。
【００２４】
また、上記基板２５上には、信号電極３２と、アース電極３３ａ，３３ｂを形成している。これらの電極３２，３３ａ，３３ｂは、上記導波路２６ａ，２６ｂと重ならない位置であって、信号電極３２は、両導波路２６ａと２６ｂとの間に設けられ、アース電極３３ａと３３ｂは、両導波路２６ａと２６ｂの外側に設けられている。
このような電極の構成により発生する電界Ｅ３，Ｅ４は、図８に示すようになり、導波路２６ａと２６ｂ内で、横方向であって、互いに逆方向に向かう電界となる。従って、これらの導波路２６ａと２６ｂ内を通過する光は、電界によって、その偏光面が互いに逆方向に変化し、合成されてフォトダイオード２３に入射する。
【００２５】
フォトダイオード２３が、入射光に応じた電気信号を出力し、それを演算回路２４が処理する構成は、上記第１実施例と同じなので、ここではその説明を省略する。
以上のように、第２実施例の電界センシング装置も、第１実施例と同様に、少ない部品点数でコストを低く抑えることができるとともに、従来のバルクの結晶を用いたセンサと比較して、大幅に感度を上げることができる。
【００２６】
次に説明する第３実施例は、図１に示す導波路型光強度変調器２２の代わりに、図１０の導波路型光強度変調器３４を用いた例である。その他の構成は、上記第１実施例と同様なので、同様の構成要素には、第１実施例と同じ符号を付けるとともに、詳細な説明は省略する。
上記導波路型光強度変調器３４は、電気光学結晶からなるＺカットタイプの基板２５上にチタンを熱拡散させた１本の導波路３５を形成し、光の出射端面には、検光子３６を設けている。この検光子３６は、入射光の中で、特定の偏光面を持つ光だけを通過させる機能を有する光学部品である。
【００２７】
また、上記基板２５上であって、導波路３５上には、信号電極３７を設け、その両側には、アース電極３８ａ，３８ｂを設けている。そして、このような電極の構成によって発生する電界は、導波路３５の位置で、図１０の紙面に直交する方向になる。その電界によって、偏光面が変化した光は、上記検光子３６を通過して、フォトダイオード２３（図１参照）に入射する。
フォトダイオード２３に入射する入射光は、検光子３６を通過する偏光面を持つものに限られる。従って、上記フォトダイオード２３および演算回路２４は、特定の偏光面を持つ光の強度を検出し、結果的に、偏光面を変化させる電界を検出したことになる。
【００２８】
この第３実施例の電界センシング装置も、他の実施例と同様に、導波路を薄くできるので、電界を効率よく作用させることができる。そのため、従来の装置と比べて、電気光学効果を効率よく発生させ、電界信号を精度よく検出することができる。
【００２９】
以上のような、電界センシング装置を用いれば、微小な電界信号も検出することができるので、信号発信器とセンシング装置との間の伝送を、人体を介して行うこともできる。
人体を介して電界信号を伝送する技術は様々な用途に利用できる。
例えば、この発明の電界センシング装置の出力側を自動車のキー装置に接続して、人が、開錠するための電界信号を発信する発信器を身につけているとする。人が、自動車に近づいて、ドアの取っ手に触れた瞬間、発信器からの開錠データが人体を介して電界センシング装置に伝わる。そして、このセンシング装置からの出力信号によってキー装置が操作され、開錠する。
【００３０】
また、電車の吊革の手に触れる部分などに、音楽やニュースデータの信号電界を発生させておき、センシング装置付のヘッドホンを装着した人が、吊革をつかむと、音楽やニュースを聞くことができる。
あるいは、屋内外の、特定の場所の床に、音楽や画像データの信号電界を発生させる送信アンテナ板を設置しておけば、センシング装置付の情報端末を持った人が、送信アンテナ板上に立つだけで情報端末により様々な情報を得ることができる。
【００３１】
【発明の効果】
第１〜第３の発明によれば、従来の電界センシング装置と比べて、部品点数を少なくできるとともに、加工や、部品の設置位置の調整も簡単になり、製造コストを抑えることができる。
また、導波路の厚みが非常に薄いため、電界の影響を受けやすく、電気光学効果を効率よく発揮させることができる。その結果、従来と比べて、格段に優れた検出精度を得ることができる。
【００３２】
第２の発明によれば、受光素子表面で、入射光が反射した場合に、その反射光が、再度導波路に入射してしまうことを防止できる。反射光の再入射によって、信号が乱れることがないので、信頼性の高い信号検出ができる。
第３の発明によれば、受光素子から出力される電気信号を増幅する際に、増幅回路のダイナミックレンジを有効に使うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例の全体構成図である。
【図２】第１実施例の導波路型光強度変調器の平面図である。
【図３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。
【図４】第１実施例の結晶軸の方向を説明するための図である。
【図５】第１実施例の受光素子付近の拡大図である。
【図６】第１実施例の演算回路である。
【図７】第２実施例の導波路型光強度変調器の平面図である。
【図８】図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線断面図である。
【図９】第２実施例の結晶軸方向を説明するための図である。
【図１０】第３実施例の導波路型光強度変調器の平面図である。
【図１１】従来例の電界センシング装置の構成図である。
【符号の説明】
Ｓ１電界センシング装置
Ｂボディ
２１この発明の発光素子である半導体レーザ光源
２２導波路型光強度変調器
２３この発明の受光素子であるフォトダイオード
２６導波路
２６ａ，２６ｂ導波路
２９ａバイアス電圧源
３１導波路型光強度変調器
３４導波路型光強度変調器
３５導波路

Claims

発光素子と、この発光素子に対向するとともに、電気光学結晶からなる基板上に熱拡散によって形成した導波路を備えた導波路型光強度変調器と、上記導波路の出射端面と対向する受光素子とからなり、上記発光素子の発光部と上記導波路の入射端面とを対向させ、発光素子は、その偏光面を導波路の光学軸に合わせた光を出力する構成にし、受光素子は、上記導波路型光強度変調器から出力された変調光を受光して、それを電気信号に変換する機能を備え、これら発光素子、導波路型光強度変調器および受光素子とを同一のボディ内に組み込んだ電界センシング装置。
受光素子の受光面を含む平面が、導波路の出射端面を含む平面と交わる構成にした請求項１の電界センシング装置。
受光素子から出力される電気信号を増幅する増幅回路を備え、この増幅回路は、信号の振幅の中点を、増幅回路のダイナミックレンジの中点あるいは中点近傍に調整して出力する機能を備えた請求項１または請求項２に記載の電界センシング装置。