JPH01274084A - 光ファイバアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明は光ファイバを使用した、新しい構造のアンテ
ナに関するものであって、％に低周波用（〜１００ｋＨ
ｚ）のアンテナに関するものである。

「従来の技術」 従来の低周波用のアンテナとしては、傘型アンテナ、Ｔ
型アンテナ停の大型アンテナが用いられる０例えば、１
０〜１４ｋＨｚ帯のパルス波を採用する双曲線航法シス
テムであるオメガシステムの傘型アンテナは、鉄塔の頂
部から放射状に頂部負荷を張った形状であう、その特性
としては、／？ンド幅が１０　Ｈｚ以上（中心周波数１
０．２　ｋｌ■ｚにて）、頂部負荷２５０　ｋＶ以下、
放射電力１０　ｋＷ以上である。

「発明が解決しようとする課題」 ところが、これらのアンテナは、使用波長が数１００ｍ
〜数ｋｆｆｉであるため、その実効長は数すと非常に大
きくなる０例えば、対馬オメガ局の傘型アンテナは、高
さが４５５ｍの鉄塔の頂部からアンテナ引き留めアンカ
ー゛までの距離が１　ｋｍ近くあるアンテナを多数張設
した巨大な構成であシ、このような施設を設けることは
簡単には出来ない。

また更に、アンテナ素子は金属性のワイヤであるから、
落雷の危険性が大であるため、この対策が大掛かシとな
る。

「課題を解決するための手段及び作用」上記の課題を解
決するために、本発明の光ファイバアンテナの第１の特
徴は、光源ｌと、この光源からの光を分岐する分波器２
と、該分波器で分波された参照光を導波する参照用光路
３と、分波器で分波された測定光を導波する測定用光路
４と、該測定用光路中に設けられ、かつ磁界の強さを測
定光の位相変化として検出する磁気センサ部５と、参照
用光路からの参照光と磁気センサ部からの測定光とを合
波する合波器８と、該合波器からの光を検出する検出器
９とを有し、前記磁気センサ部を、メタリックガラステ
ープを巻回してなる巻回体と、この上に巻き付けてある
シングルモードファイバとから構成し、前記磁気センサ
部の共振周波数と、アンテナの使用周波数とを、ほぼ合
致させたことである。

第２の特徴は前記磁気センサ部を複数備えたことである
１次に第３の特徴は、磁気センサ部をパラゲラアンテナ
の焦点に位置させたことである。

さらに次に、第４の特徴は、前記光ファイバアンテナに
おける光路を構成するシングルモードファイバとして、
偏波面保持型７アイパを使用したことである。

更に第５の特徴は、磁気センサ部に用いられる磁歪材料
として鉄、ほう素系からなる合金を急冷して得られたア
モルファス金属テープを使用し、これを積層して磁気セ
ンサ部を構成し、このセンサ部の外周の長さを約４．　
Ｉ　Ｘ　１０５／ｆ　（但し、ｆはアンテナの使用周波
数）とし磁歪材料の磁気的共振点をアンテナの使用周波
数に一致させたことである。又、次に、第６の特徴は、
前記磁気センサ部のシングルモードファイバの被覆材と
して、磁性材料を用いたことを特徴とする特許請求の範
囲第１項、第２項、第３項、第４項、第５項記載の光フ
ァイバアンテナである。

そしてこの発明によれば、磁界の強さを磁気センサ部に
用いられた磁歪材料の磁歪によって光フアイバ内を伝搬
する光の位相変化として検出することができ、磁歪率の
大きな磁歪材料を用いることによシ高感度なアンテナと
なる。ｔた、磁歪材料には磁気的共振点があシ、この共
振点は低周波数領域にあシ、また、磁歪材料の大きさに
よって制御できる。

したがつて、アンテナの使用周波数に合わせて自由に共
振点を制御することができるようＫなる。

「実施例」 次に、この発明を図面に基すいて詳細に説明していく。

第１図は、本発明にて用いられる光ファイバアンテナの
構成を示す全体斜視図であって、磁気センサ部５が、メ
タリックガラステープ１１を巻回してなる巻回体と、こ
の上に巻き付けたシングルモード７アイパ７とから構成
されている。そして光の分波、合波には光ファイバカグ
ラ２，８を使用する。

更に、第２図は、この磁気センサ部５を構成するメタリ
ックガラステープ１１の一例を示すものであシ、このメ
タリックガラステープ１工は、幅２５鱈程度、厚さ２５
μｍ程度、磁歪常数が３５×１０−６程度の非常に大き
な価を有する鉄、ほう素系、すなわち鉄、コバルト、ｉ
ｔう素、けい素などのアモルファス金属材料でちる。そ
して、このメタリックガラステープ１１をコイル上に１
０回程適宜の形状に巻き宣ねて、第３図に示すような磁
性巻回体１２が構成される。ここで、この磁性巻回体１
２としては、外径５０１ｍ程度、巻厚５ｎのものが好適
に使用される。そしてこの磁性巻回体１２の外面上に、
シングルモードファイバの光ファイバ７が数回巻き付け
られ、第３図の、磁気センサ部５が構成されている・ この磁気センサ部５としては、第３図に示した形状のほ
か、第４因に示すような近楕円形状として、磁気センサ
部５に指向性を付与しても良い。

この場合には、光ファイバ７が磁界によりて与えられる
磁歪効果に方向性が生ずるものである。

またこの様な磁気センサ部５において、上記巻回体１２
に巻き付けられているシングルモードファイバの光ファ
イバ７としては、通常のＳＩＯ□からなる石英系の光フ
ァイバに、シリコーン樹脂等からなる一次被り、ポリエ
ステル樹脂等よ構成る二次被覆が施されたものでよいが
、よシ高感度を得るためには、このような被覆のなされ
ていないファイバーを使用することが望ましく、また、
温度特性の向上を意図するならば、金属被覆を施したメ
タル７アイパーを使用することも可能である。

以上のように磁気センサ部５の設けられている光７アイ
パ磁気センサにおいては、その光路に使用される光ファ
イバとしては１通常のシングルモードファイバの光ファ
イバでも良いが、上記測定光とか照光との干渉を効率良
く、かつ安定に生じさせるために、偏波面保持型光ファ
イバを使用することが望ましい。これには、例えば、応
力付与型（）々ンダ型）の偏波面保持型光ファイバ１４
が好適である。

第５図は、この応力付与型の偏波面保持型光ファイバー
１４の一例を示す断面図である。

図中、符合１５がＳｌＯ□やＧｅＯ２等より成るコアで
あシ、クラ、ド１６の中心部に設けられている。

そして、この応力付与型偏波面保持型光ファイバ１４に
おいては、上記コア１５を通るＸ軸上のコア１５の両側
に応力付与部１７．１７が設けられていることが特徴的
である。

更に、クラ、ド１６の外面上を、シリコーン樹脂（−次
被覆１８）等やナイロン樹脂（二次被覆１９）等で被覆
されてこの応力付与型偏波面保持型光ファイバ１４が構
成されている。

また、このような偏波面保持型光ファイバとしては、Ｘ
偏波面方向とＹ偏波面方向との等側屈折率が異なるもの
であればよく、先に述べた応力付与型１４の他、例えば
楕円コア匿、矩形コア型、楕円クラ、ド型などの偏波面
保持型光ファイバ等にも好適に使用される。

この際には、光源ｌよシ出射された偏波光の偏波面を正
確に偏波面保持型光ファイバの偏波面に一致させること
が必要であシ、とのためには、第６図に示した様な、光
フアイバ偏光子２０が好適に使用されて、光源１と分波
器２との間に設置される。第６図は、このような光フア
イバ偏光子２０の一例を示す図でアシ、とくに応力付与
型ファイバ１４を使用した際の断面図である。第６図中
符合２１は円筒上の巻き付はリールであシ、その胴部巻
き付は面の周囲には偏波面保持型光ファイバ１４のＸ偏
波面が巻き付は面と極力並行になるように巻回されてい
る。このような偏光子２０によって、最高の消光率でＨ
Ｅ”　モードのシングルモードの偏波光のみとすること
ができる。

また、分波器２および合波器８となる光ファイバカプラ
としては、前記シングルモードファイバ光ファイバ７、
あるいは偏波面保持型光ファイバを２本、その側部で溶
融し、あるいは、研摩しそれぞれのコアを接近させた、
分布結合型のものが好適に使用される。

以上のようにして構成された磁気センサ部５を有する第
１図の光ファイバアンテナにおいては、波長１．３μｍ
程度のレーデダイオード等からなる光源１を用いて、　
５ｄＢｍの光出力にて光が出射される。

この光は、まず上述のような光フアイバ偏光子２０によ
ってシングルモード■♂の偏波光とされ１す る。ここで、光フアイバ偏光子２０は、光フアイバカプ
ラよシなる分波器２によシ、参照光と測定光とＫわけら
れて、それぞれ参照光用光路３および測定用光路４に伝
送される。

ここで、測定用光路４には、途中に第３図に示した磁気
センサ部５が設けられているので、この内部を伝搬する
さいに磁歪効果を受けて位相のずれが生ずる。こうして
位相差の生じた測定光と参照光とは、その後、光ファイ
バカグラよシなる合波器８によって合波される。

この際、上記の位相差によシ２波の干渉が発生する。こ
の干渉光をフォトダイオード等の検出器９によシ受光し
て電気変換が行なわれ、アンプ（ロックインアンｆ）１
０によシ増幅されて出力する。これによって、測定用光
路４に設けられた磁気センサ部５内の磁界を測定するこ
とができる。

以上のように、この発明の光ファイバアンテナでは、前
記磁気センサ部５を、メタリックガラスチーｆ１１を巻
回した巻回体１２と、この上に巻き付けたシングルモー
ドファイバ７とから構成したものであるため、非常に高
感度なセンサを簡便に作成できる利点がある。

また、よシ高感度を得るためには、この磁気センサ部５
の作成の際に、上記巻回体１２に巻き付けるシングルモ
ードファイバとしてよシ長いものを使用して、その巻き
数を増やすだけでよいので、容易にかつ自在にその感度
を向上させることもできる。

そしてさらに高感度化を達成するためには、第７図の様
に磁気センサ部５，５・・・を複数個使用してアレイ化
する。また、特に図示はしないが、磁気センサ部を電磁
波を収束する目的で使用されるパラゲラアンテナ（放物
アンテナ）の焦点に位置させる。

なお、この光フアイバ磁気センサにおける光路として偏
波面保持型光ファイバを使用したシ、偏波面保持量光フ
ァイバからなる偏光子２ｏを使用したシすることによシ
、効率良く安定した干渉が得られ、よシー層の高感度な
センサとすることも可能である。

さらに、分波器２および合波器８として光フアイバカメ
ラを使用することくよル、半透明鏡を使用する場合のよ
うな振動や衝撃に対する弱さを改良することもできる。

また、光源として従来の様なＨｅ−Ｎ・レーザーの代わ
！ｌＫ半導体レーデダイオードを使用すれば、よシ小型
センサとすることができる利点も得られるし、更にまた
磁性材料をシングルモードファイバに直接被覆したもの
を用いても良い。

次に、本発明の具体的な実施例について説明してゆく。

以下の第１の実施例では、光源として、波長１．３μｍ
のＤＦＢレーデダイオードを使用し、光の出力が−４，
５ｄＢｍの偏波光を出射させた。この偏波光は消光比３
８　ｄＢの光フアイバ偏光子によってシングルモード医
８の偏波光とされた。この際、光フアイバ偏光子として
、応力付与型の偏波面保持型光ファイバを直径５０１冨
のコイル上に巻いて製作したものを使用した。

またレーデダイオードの出射光の偏波方向と応力付与型
光７アイパの偏波軸とが一致するようにした。

さらに、偏波面保持型光ファイバカグラによって光を参
照光と測定光に分波した。ここで測定光が伝搬する測定
用光路には、磁気センサ部を設けた。このセンサ部は、
幅２５龍、厚さ２５μｍのメタリックチー７’（２６０
５ｃＯ）を外径３５龍、厚さｓ　ｍで円筒状に巻き取シ
、これに応力付与型光ファイバを１８回巻き付けて構成
した。この際使用した上記のメタリックがラスチーブは
、鉄、コバルト、はう素、けい素を溶融状態から急冷し
て得られたアモルファス状のメタリックガラステープで
ある。

また、応力付与型光ファイバは、クラッド径１２５μｍ
、被覆材料は紫外線硬化樹脂、被覆径４００μｍを利用
した。磁界方向は、円筒状センサ部に対して断面を横切
る方向とした（軸と画直方向である）、このような磁気
上ンサ部内を伝搬した光は、先の参照用光路を伝搬した
光と位相差が生じた。この２波を、光ファイバカグラか
らなる合波器により合波して、これらを干渉させた。

以上のようにして干渉光を検出したところ、第８図のよ
うな周波数特性が得られた。

この図からは、４２ｋＨｚ付近に共振点が認められる。

この共振現象が発生する理由は、磁気センサ部の構造、
大きさおよび磁性体の物理特性によるものであるから、
アンテナの使用周波数にあわせて共振点を制御すること
によシ感度が高く周波数選択性に優れたアンテナとする
ことができる。

第９図に本アンテナの感度特性を示す、最高感度は１０
−４エルステ、ド程度である。ここで、通常のアンテナ
から発生する磁界強度を計算してみ石と、例えば、微小
ダイポールアンテナから発生する電磁界のうちでφ方向
の磁界は、 （ＡＴ／Ｍ） である、更にθ＝９０°、Ｒ＝ψとすると上式はとなシ
、振幅のみを取シ出すと、 ここで、！＝１０ＯＡ、　ｔ＝１ｋｍ、λ＝３Ｘ１０（
１０ｋＨｚ）、Ｒ＝１０ｋｍで ＨΦ＝　１．７　Ｘ　１０−’　（ＡＴ／Ｍ）＝２．　
Ｉ　Ｘ　１０−’　（Ｏｓ）となる。

次に第２の実施例について説明する。

この実施例では、前実施例と同種、同形状のメタリック
ガラスチーブ、および光ファイバを用いている。

磁気センサ部の形状は、外形１１７正、内径１０７１１
１１に、厚さ５詣、高さ２５ｍ１＋である。これに、前
記光ファイバを６回巻き付けて構成した。第１０図中の
曲線Ａは、この場合の、周波数特性図である。磁界強度
は２．　Ｉ　Ｘ　１０−２（０・〕である、この図よシ
磁気センサ部の共振周波数は約１２１ｃＨｚであること
がわかる。

ところで、一般に、磁歪材料の共振点ｆ０は次の式で表
わされる。

ｔ　０＝Ｎ／πＤ（Ｈｚ）　　但し、Ｎは周波数定数、
Ｄは磁気センサ部の平均径（磁歪材料の外径）である。

種々の実験を重ねた結果、Ｎは約４゜Ｉ　Ｘ　１０’で
あることが判明した。

上式よシ求めた、計算された共振周波数は１１．７ｋＨ
ｚであシ本実験結果と良く一致している。従って、磁気
センサ部の平均直径を４．　Ｉ　Ｘ　１０’／πｆとす
れば、要求される使用周波数を持った光ファイバアンテ
ナを実現することができる。

次に、第３の実施例について説明する。

この場合は、外形６２熊、内径５２ｍ１＜、？ｋｉさ２
５ｍの、磁気センサ部（磁歪シリンダ）を用いた。この
周波数特性の測定結果は第９図中の曲線Ｂに示す。

上記の計算式よシ求められる共振周波数は２２．９ｋＨ
ｚであシ、一方、測定結果からは共振点が約２３　ｋＨ
ｚであるので極めて良好に合致している。

因に、第２実施例の磁気センサ部の磁界検出感度を測定
すれば、第１１図の如くなシ、最小検出磁界は１０−５
程度である。

ｒ発明の効果」 この発明の光ファイバアンテナは、光源と、この光源か
らの光を分波する分波器と、分波器で分波された参照光
を導波する参照用の光路と、分波器で分波された測定光
を導波する測定用光路と、測定用光路中に設けられ、か
つ磁界の強さを測定光の位相変化として検出する光フア
イバ磁気センサ部と、参照用行路からの参照光と磁気セ
ンサ部からの測定光とを合波する合波器と、該合波器か
らの光を検出する検出器とを有して成る光ファイバアン
テナであって、前記磁気センサ部を、メタリックガラス
チーブを巻回してなる巻回体と、この上に巻き付けたシ
ングルモードファイバとから構成したものであるため、
非常に高感度なセンサを簡便に作成できる利点がある。

また、よシ高感度を得るためには、この磁気センサ部の
作成の際に、上記巻回体に巻き付けるシングルモードフ
ァイバとしてよシ長いものを使用してその巻き数を増や
すだけで良いので、容易に且つ自在にその感度を向上さ
せることもできる。また、この光フアイバ磁気センサを
構成する光路として偏波面保持型光ファイバを使用した
シ、偏波面保持型光ファイバからなる偏光子を使用する
ことによシ、効率良く安定した干渉かえられ、更に一層
高感度なセンサとすることが可能である。さらに、分波
器および合波器として光ファイバカツラを使用す許ば、
半透明鏡を使用した場合の様な振動や衝撃に対する弱さ
を改良することが可能である。また、光源として従来の
様なＨ・−Ｎ・レーザの代わシに半導体レーデを使用す
れば、よシ小型センサとすることも可能であるという利
点もある。

更Ｋまた、磁気センサ部を複数使用しアレイ化すれば、
よシ高感度となる。

そして更に、本アンテナは、その大きさが数千ｍはどで
あるため、非常に小型であるとともに絶縁性に優れ、落
雷に対する設備も簡便である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の光ファイバアンテナの概略構成図
である。 第２図はこの磁気センサ部を構成するメタリックがラス
テープの一例を示す斜視図である。 第３図、および第４図は共に、この磁気センサ部の異な
る央麹例である。 次ンこ第５図は応力付与型の偏波面保持型光ファイバを
示す断面図でちる。 第６図はこの応力付与型の偏波面保持型光ファイバを用
いた、光フアイバ偏光子の断面図である。 第７図は、複数の磁気センサ部の接続構成図である。 第８図は、本発明の第一の実施例における周波数特性図
である。 第９図は、第一の実施例における感度特性図である。 第１Ｏ図は、第二、第三の実施例における周波数特性図
である。 第１１図は、第二の実施例における感度特性図である。 図中、２，８・・・分合波器、５・・・磁気センサ部、
７・・・光ファイバ、１２・・・巻回体。 出原人　藤倉′：ｊＬ線株式会社

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源１と、この光源からの光を分岐する分波器２
   と、該分波器で分波された参照光を導波する参照用光路
   ３と、分波器で分波された測定光を導波するを測定用光
   路４と、該測定用光路中に設けられ、かつ磁界の強さを
   測定光の位相変化として検出する磁気センサ部５と、参
   照用光路からの参照光と磁気センサ部からの測定光とを
   合波する合波器８と、該合波器からの光を検出する検出
   器９とを有し、前記磁気センサ部を、メタリックガラス
   テープを巻回してなる巻回体と、この上に巻き付けてあ
   るシングルモードファイバとから構成し、前記磁気セン
   サ部の共振周波数と、アンテナの使用周波数とを、ほぼ
   合致させたことを特徴とする光ファイバアンテナ。
2. （２）前記磁気センサ部を複数個備えたことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の光ファイバアンテナ。
3. （３）前記磁気センサ部を電磁波を収束する目的で使用
   されるパラボラアンテナの焦点に位置させる事を特徴と
   する特許請求の範囲第１項、第２項、第３項記載の光フ
   ァイバアンテナ。
4. （４）前記光ファイバアンテナにおける光路を構成する
   シングルモードファイバとして、偏波面保持型ファイバ
   を使用したことを特徴とする特許請求の範囲第１項、第
   ２項及び第３項記載の光ファイバアンテナ。
5. （５）磁気センサ部に用いられる、磁歪材料として、組
   成が鉄、ほう素系の合金を急冷して製作したアモルファ
   ス金属を使用し、その外周の長さを約４．１×１０＾３
   ／ｆ（但し、ｆはアンテナの使用周波数） としたことを特徴とする特許請求の範囲第１項、第２項
   、第３項及び第４項記載の光ファイバアンテナ。
6. （６）前記磁気センサ部のシングルモードファイバの被
   覆材として、磁性材料を用いたことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項、第２項、第３項、第４項及び第５項記
   載の光ファイバアンテナ。