JPH041883B2

JPH041883B2 -

Info

Publication number: JPH041883B2
Application number: JP58033592A
Authority: JP
Inventors: Akihiko Kawakami
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1983-02-28
Filing date: 1983-02-28
Publication date: 1992-01-14
Also published as: JPS59159110A

Description

【発明の詳細な説明】 (ア) 要約電気光学効果を有する光学部品を、基板に接着
する際、光学部品と基板の接着面積を少くする。
基板に溝を堀つて、光軸と離れた小部分で光学部
品と基板とを接着する。

(イ) 技術分野電気光学効果は、印加された直流又は交流の電
界によつて媒質の屈折率が変化する現象をいう。

屈折率変化が電界の１乗に比例するものを一次
電気光学効果又はポツケルス効果という。

屈折率変化が電界の２乗に比例するものを二次
電気光学効果またはカー効果という。

電気光学効果を記述すべき電気光学係数は、３
階又は４階のテンソル量である。これは物質固有
の係数であるが、光周波数、結晶状態にも依存す
る。

ポツケルス効果は、反転対晶性のない圧電性結
晶にのみ現われる。カー効果はすべての物質に存
在する。

電気光学係数は、応力が加わると変化する。ポ
ツケルス効果の場合、印加電界による直接的効果
の他に、逆圧電効果と光弾性効果を介する間接的
効果も加わる。

ポツケルス効果は、LiTaO₃，KDP，GaAs，
LiNbO₃，Bi₁₂SiO₂₀（BSOと略称）などに見られ
る。LiTaO₃，LiNbO₃は自然複屈折を示し、屈
折率が温度によつて変化する。BSOは自然複屈
折がない。屈折率は温度によつて変化しない。

ポツケルス効果を奏する物質は、電界又は電圧
の強さを測定するセンサとして用いる事ができ
る。特に電圧計とセンサとは光フアイバで接続す
ることにすれば、電線と電圧計とは絶縁されてい
るので、高圧であつても安全に電圧測定すること
ができる。

第６図はそのような光フアイバ電圧計の略構成
図である。

センサの部分は、偏光子１、1/4波長板２、
BSO単結晶２、検光子４を同一光軸上に順に並
べたものである。電圧計本（図示せず）とセンサ
とは、入力光フアイバ６と出力光フアイバ７によ
つて接続される。

BSO単結晶３の光軸と直交する面に電極があ
り、被測定電源５の両電極は、BSO単結晶３の
電極に接続される。

入力光フアイバ６の光源は例えば、中心波長が
0.87μｍの発光ダイオードとする。発光ダイオー
ドの光の偏波面はランダムである。偏光子１を通
ると、これが直接偏光になる。

BSO単結晶３の光軸をＺ軸、これに直角な面
の直交する二軸をｘ，ｙ軸とする。ｘ，ｙ，ｚは
屈折率楕円体の主軸に一致するようBSO単結晶
を適当な角度で切り出している。

BSO単結晶に加わる電界が０のとき、Ｘ方向
に偏波している光波と、ｙ方向に偏波している光
波の屈折率は同じである。BSO単結晶のＺ方向
に電界が印加されると、ポツケルス効果があるの
で、ｘ方向に偏光する光波とｙ方向に偏光する光
波の屈折率が異なつてくる。屈折率差は電界の強
さに比例する。

屈折率差があると、光の速度が異なるから、ｘ
方向の光波E_xと、ｙ方向の光波E_yとの間に位相
差が現われる。位相差があるので、直線偏光の光
が楕円偏光になる。

検光子４は、偏光子１と同じもので、一定方向
の偏光成分のみを取出して出力光フアイバ７へ伝
える。

1/4波長板２は、ｘ方向又はｙ方向に偏波して
いる光波成分の間に90°の位相差を与えるもので
ある。これがあると、印加電圧が０の時に、ｘ，
ｙ偏光の位相差が90°として出力されることにな
る。位相差90°の近傍は、直線性が良く、位相変
化の微係数が大きいので、ここを測定の中心（電
圧OV）にしてある。

このような電圧計に於て、入力光フアイバ６に
は一定強度の光を与える。BSO単結晶３に電界
が印加されていない時は、出力光フアイバ７から
一定強度の光が出射される。しかし、BSO単結
晶３に交流電界が加わると、出力フアイバ７の出
力が変動する。

第７図ａは入力光強度、ｂは出力光強度を例示
するグラフである。縦軸は光強度、横軸は時間を
示す。BSO結晶に電界が印加されていない時、
出力光強度が一定値DCである、とする。被測定
電源５から交流電圧がBSO結晶に印加されると、
ｂの実線で示す正弦波形となる。ピークからピー
クの値ACを、直流値DCで除したものを変調度と
いう。

変調度（AC／DC）は被測定電源５の電圧に比
例するから、これによつて電圧を測定できる。

(ウ) 従来技術このような高電圧用のセンサは公知であり、多
くの提案もなされている。例えば、浜崎ほか「光
応用電界センサ」、「電気通信学会技術研究報告」
OQE80−４、1980年４月に説明されている。

センサと計測器本体を光フアイバのみで接続す
るから、絶縁性に優れ安全である。しかし、この
ような電圧電界センサは、未だ実用化されていな
い。提案の段階より踏み出す事ができない。

その理由は、温度特性が悪い、という点にあ
る。本発明者はそう考えている。一般に、BSO
を使う電界センサの温度特性の変動幅は、−15℃
〜75℃で±３％程度だといわれる。同じ温度範囲
で±３％程度という報告もある。

数％の変動幅は小さいと言えるかも知れない。
しかし、温度変化は必ずあるのであるから、測定
値には数％の誤差が含まれる可能性がある。測定
器として±２％もの誤差があるものを使用するわ
けにはゆかない。

第８図は従来のBSO結晶の基板への接着構造
を示す斜視図である。

直方体のBSO単結晶３は、基板８に対し、底
面全域が接着剤９によつて接着されている。

基板８をアルミとして、これに偏光子、検光
子、1/4波長板などを接着したセンサを作り、温
度特性を測定した。

第９図はこの電圧センサの温度特性を示すグラ
フである。

BSO単結晶に印加した交流電圧は350V、光フ
アイバによつて、センサへ入射させた光は、中心
波長が0.87μｍの発光ダイオードの光である。出
力光フアイバからの光強度はpinフオトダイオー
ドで受光して測定した。

横軸は温度である。縦軸は変調度変動である。
ある温度から出発することとし、この時の変調度
（AC／DC）を100％とし、これに対する変調度の
比を縦軸に示す。

15℃から出発し、昇温させると、変調度は減少
してゆく。80℃で約２％減少する。逆に温度を下
げると、変調度は増大してゆく。−10℃で約0.3％
初期の値より高くなる。

これらの値は、既になされた報告の値と、大き
く異なるものではない。このような温度変動は、
測定器を構成する素子として使用する上に於て、
致命的といえる。

しかし、この温度変動は、電気光学結晶
（BSO）に内在的なものなのであろうか？本発明は、この点について深く検討した。電気
光学係数の値は、物質により、温度により、光の
波長にもよる。また、結晶に加わる応力によつて
も異なる。

電気光学効果が顕著に現われる物質は、応力に
対する感受性も大きいはずである。

これまで、BSOの電気光学係数の温度変動と
いわれたものに、応力による変動が間接的に含ま
れているのではないか？本発明者は、このように考えた。

従来の測定は、基板にBSO単結晶を第８図に
示すように全面接着してからなされていた。
BSOとアルミ基板は熱膨張率が異なる。接着し
た時の温度よりも、昇温した場合、あるいは温度
が下降した場合、BSOに大きい応力が加わる。
この応力による効果が、電気光学係数の変動をよ
り顕著なものにしている可能性がある。

本発明者は、応力と温度の効果を分けて考える
べきだ、と気付いた。

もつともよいのは、BSOを固定せず、自由な
熱膨脹、収縮を許すようにすることである。しか
し、固定しないと、実際の測定はできない。

(エ) 本発明の接着構造本発明者は、そこで、熱応力の発生が最も小さ
くなるような接着構造を考えた。

その結果、単結晶として基板とを底面全体で接
着せず、一部分のみで接着すればよい、という事
に想い至つた。

このためには、底面の一部のみに接着剤を塗布
すればよいわけである。しかし、BSO単結晶は
寸法が小さいので、接着剤が全面に拡る可能性が
強い。

これを避けるためには、基板に溝を堀つて、
BSO結晶と基板とを接着するようにすれば良い。

以下、実施例を示す図面によつて説明する。

第１図は本発明の光学部品の接着構造を示す斜
視図である。

基板８に溝１１が切つてある。BSO単結晶３
は、溝１１にまたがるように基板８の上に置かれ
接着剤９により、底面の両端部のみが接着されて
いる。溝１１の直上の部分は接着されていない。

光路１０は、溝１１と平行に、BSO単結晶３
を貫いている。光路１０の部分と接着剤９で接着
されている部分は離隔しており、熱膨脹の相異に
より、BSO単結晶３の下半分には、熱応力が発
生するが、光路１０の通過する部分には熱応力が
殆ど生じない。これが、第８図に示す従来例の接
着構造と異る点である。

このような接着構造の電圧計を製作して特性を
比較した。

第２図は電圧計のセンサ部分の分解斜視図であ
る。光学部品はアルミのケースの中に接着するよ
うにした。

箱型のケース１２は、底板１３、前板１４、背
板１５、側板１６，１７を備える。

底板１３に光学部品を接着するので、溝１１を
堀つてある。光学部品は、第６図と同じく、偏光
子１、1/4波長板２、BSO単結晶３、及び検光子
４である。これらを溝１１の直上に置いて、溝１
１の両側で接着する。

前板には、光フアイバの終端に付設したプラグ
を通すための光フアイバプラグ差込穴１８，１９
が穿孔してある。

背板１５には、被測定電源からの電線端子を通
すための電線通し穴２０，２１が穿たれている。

ケース１２の上部開口は、これら光学部品を装
入し、光フアイバプラグ、電極を取付けた後、蓋
板２２によつて閉じられる。

第３図は光学部品を装入した状態の光フアイバ
プラグを含む横断面で切つた横断平面図である。
第４図は、第３図中の−断面図である。

ケース１２の中で、溝１１の上に、偏光子１、
１／４波長板２、BSO単結晶３、検光子４が固定さ
れている。偏光子１、検光子４に対向するよう、
入力光フアイバ用のプラグ２３、出力光フアイバ
用のプラグ２４が取付けられている。

第４図に明らかなように、BSO単結晶３（偏
光子、1/4波長板、検光子も同じ）は溝１１の上
にまたがり、両側の段部２５，２６に接着されて
いる。

接着剤はエポキシ系接着剤を用いる。例えば、
エコゲル1265（エマーソンアンドカミング社の商
品名）を用いた。

このようにして作製した電界センサの温度特性
を測定し、第５図に示した。測定条件は先に述べ
た第９図の例と殆ど同じで、ケースに溝１１があ
つて、部分接着されている（第５図）のと、全面
接着されている（第９図）のとの違いがあるだけ
である。

測定すべき対象は60KVの電圧であるが、コン
デンサで分圧して350Vにした。BSO単結晶に印
加される電圧は350Vである。光フアイバを通し
て与えられる光は、中心波長が0.87μｍの発光ダ
イオード（又は半導体レーザ）の光である。光強
度はpinフオトダイオードで検出した。

BSO単結晶は５mm×4.7mm×７mmの直方体で、
光軸に沿う厚みは５mmである。偏光子、検光子は
５mm×５mm×５mmの立方体である。1/4波長板の
厚みは３mmであつた。ケースの外形は24mm×15mm
×14mmである。

第５図に於て横軸は温度（℃）、縦軸は変調度
（AC／DC）の変動を百分比（％）で示した。初
期の変調度を100％とし、これに対する比の値を
％表示したものである。

温度が高くなると、変調度は下り、温度が低く
なると、変調度は上る。この傾向は変らないが、
変調度変動は著しく小さくなる。−15℃〜85℃に
於て、変動は−0.61％〜＋0.41％にすぎない。第
９図に示すデータに比し、変動分の少ない事がよ
く分る。

これは、温度変化により、接着部近傍に生じた
応力が、本発明の接着構造により、光路１０の周
辺では緩和されて、０に近くなつているためであ
ると本発明者は考える。

(オ) 効果本発明は、光学部品を基板に接着する際、基板
に溝を掘ることにより全面に接着せず、面積の狭
い部分だけを接着するようにしたので、熱応力の
発生が少い。熱応力は、部分接着領域の近傍だけ
に発生するが、光を通す光路の近傍は応力が殆ど
残らない。

このため、温度特性が大きく改善される。

実施例では、光学部品として、BSO単結晶、
偏光子、1/4波長板、検光子を、溝付き基板に接
着したものを示した。

しかし、光学部品としては、電圧センサの他
に、電流センサの構成部品についても適用でき
る。この場合、電流によつて生ずる磁界をフアラ
デー効果を利用して測定する。これも、磁界によ
り、光の偏波面が回転する事を用いるから、同様
な熱応力の問題が生ずる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係る接着構造を示す
斜視図。第２図は本発明を応用した電圧センサの
ケースと光学部品の分解斜視図。第３図は電圧セ
ンサのプラグを含む平面で切つた横断平面図。第
４図は第３図中の−断面図。第５図は本発明
による接着構造を採用した電圧センサの温度特性
を示すグラフ。横軸は温度（℃）、縦軸は変調度
変動（％）を示す。印加電圧は350V、光の波長
は0.87μｍである。第６図はポツケルス効果を用
いた電圧センサの光学系構成図。第７図は電圧セ
ンサに入力する光の強度と、電圧センサから出る
光の強度を示すグラフ。ａは入力光強度、ｂは出
力光強度を示す。横軸は時間である。電圧が０の
時出力光強度はDCの一定値となる。交流電圧が
センサに印加されると、正弦波形ACとなる。第
８図は従来の光学部品の接着構造を示す斜視図。
第９図は従来の接着構造による電圧センサの温度
特性を測定した結果を示すグラフ。横軸は温度
（℃）、縦軸は変調度変動（％）を示す。測定条件
は、第５図に示す電圧センサと同一で、接着構造
のみが異なる。１……偏光子、２……1/4波長板、３……BSO
単結晶、４……検光子、５……被測定電源、６…
…入力光フアイバ、７……出力光フアイバ、８…
…基板、９……接着剤、１０……光路、１１……
溝、１２……センサケース、１３……底板、１４
……前板、１５……背板、１６，１７……側板、
１８，１９……光フアイバプラグ差込穴、２０，
２１……電線通し穴、２２……蓋板、２３，２４
……光フアイバプラグ、２５，２６……段部。

Claims

【特許請求の範囲】

１熱応力によつて光学係数の変動する光学部品
を基板に固定するための構造であつて、基板に溝
を掘り、溝の両側の段部に光学部品を接着した事
を特徴とする光学部品の接着構造。