JPH0444701B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は電気光学効果を利用した電界測定装置
に係り、特に電気光学効果用媒質としてBi₄Ge₃
O₁₂，Bi₄Si₃O₁₂，Bi₄（Ge，Si）₃O₁₂などのユーリ
タイト（eulytite）構造を有する電気光学結晶を
利用することにより温度特性を良好にし測定感度
を高くしたものである。 〔従来技術〕 電気光学効果（ポツケルス効果、Pockels
effect）を利用した電界測定装置における電気光
学効果用媒質には、従来、主として電圧測定用と
して使用されてきたKDP（KH₂PO₄），ADP
（NH₄H₂PO₄），LiNbO₃，LiTaO₃などの電気光
学結晶が採用されているが、これらを用いたとき
は、測定装置の温度特性が悪かつた。最近、上記
の電気光学結晶のかわりに、Bi₁₂Sio₂₀，Bi₁₂
GeO₂₀，Bi₄Si₃O₁₂またはBi₄Ge₃O₁₂単結晶を使用
すると温度特性が改善されることが指摘されてい
る（特開昭56−100364および特開昭57−20669）。
しかしながら、上記Bi₁₂SiO₂₀またはBi₁₂GeO₂₀単
結晶は、電気光学効果とともに、自然旋光能（直
線偏光が通過するとき偏光面を回転させる性質）
を有しており、素子長さを長くすると電気光学効
果と相殺することになり、素子長さを長くしても
大きな電気光学効果を生じさせることができず、
また、比誘電率も40〜60程度と比較的大きいた
め、電界検出感度が小さく、特に低電界での測定
に支障をきたすという問題があり、さらに、比誘
電率が大きいことは測定すべき電界分布を乱すこ
とになり、正しい電界分布の測定を難しくすると
いう問題があつた。また、特開昭57−20669号公
報には、Bi₄Si₃O₁₂またはBi₄Ge₃O₁₂により形成さ
れた電気光学結晶を用いる電界測定器が開示され
ているが、素子長さと電界検出感度との相関関係
について触れられていなかつた。本発明は特に、
ユーリタイト構造の電気光学結晶を用いた電界測
定装置において、高感度を得られる素子長を規定
するものである。すなわち、後に第３図を用いて
説明するごとく、自然旋光能を持たないユーリタ
イトと、従来の自然旋光能を有する電気光学結晶
とでは感度の特性曲線が異なり、単に素子材料を
置換するのみでは高感度を得ることができない。 〔発明の目的〕 本発明の目的は、電界の測定感度が大きく、温
度特性も良好で、かつ、測定電界を乱さない光方
式電界測定装置を提供することにある。 〔発明の概略〕 本発明の特徴は、光方式の電界測定装置におい
て、電気光学効果用媒質として、Bi₄Ge₃O₁₂，
Bi₄Si₃O₁₂，Bi₄（Ge，Si）₃O₁₂などのユーリタイト
構造を有する電気光学結晶を用いると共に、この
電気光学結晶の光の伝搬方向における長さを、ユ
ーリタイト構造を有する電気光学結晶での素子長
さｌにおける変調率と点群23に属する構造を有す
る電気光学結晶での素子長さｌにおける変調率と
が等しくなる条件から決まる素子長さｌ以上とす
ることにある。 従来用いられてきたBi₁₂SiO₂₀，Bi₁₂GeO₂₀は結
晶構造が32種類の結晶群中の点群23に属し、とも
に、約10deg／mmという大きな旋光能を有してい
る。これに対し、本願発明において採用しようと
するBi₄Si₃O₁₂，Bi₄Ge₃O₁₂などのユーリタイト構
造を有するる電気光学結晶は点群43mに属し、旋
光能を持たない。また、Bi₁₂SiO₂₀，Bi₁₂GeO₂₀の
比誘電率はそれぞれ56，40程度と大きいのに対
し、Bi₄Ge₃O₁₂のそれは、約16でありBi₁₂SiO₂₀，
Bi₁₂GeO₂₀に比べ約1/3.5〜1/2.5と小さい。Bi₄
Si₃O₁₂及び他のユーリタイト構造を有する電気光
学結晶の比誘電率もBi₄Ge₃O₁₂と同程度と推定さ
れる。 第１表に、上記４種の単結晶の屈折率n₀、ポツ
ケルス定数r₄₁、比誘電率ε、旋光能θの値を示
す。第１表は、浜崎他：電子通信学会通信学技
報、OQE80−４；久間他：電気学会「第２回セ
ンサの基礎と応用」シンポジウム（1982，5.27）
講演予稿p15；R.E.Adrich et al：J.Appl.Phys，
42（1971）p493；D.P.Bortfeld et al：J.Appl.
Phys，43（1972）p5110から転記または推定した
ものである。 【表】 〔発明の実施例〕 具体的な実施例の説明に入る前に、まず基本と
なる関係式について述べる。電界センサ素子の電
界検出感度を比較する手段として、センサ素子の
大きさに比べて十分距離が離れた電極板間に電界
センサが挿入された時のセンサの信号出力対無信
号出力の比を変調率と定義する。 まず、光の伝搬方向と電界の印加方向が同一で
ある縦型変調方式の電界センサを取上げる。第１
図に、電界方向をＥで表わし、その基本構成を示
す。１は偏光子、２は1/4波長板、３は電界検出
素子、４は検光子である。光の伝搬方向（即ち電
界の印加方向）での素子の長さをｌ、外部電界の
大きさをE₀、使用する光の自由空間での波長を
λとするとき、素子にかかる電圧Ｖは、近似的に Ｖ＝ｌ／εE₀ ……(1) と表わされ、素子を通過する光の位相がπ変化す
るのに要する電圧（半波長電圧）Vπは Vπ＝
λ／2n₀ ³r₄₁ ……(2) である。ε，n₀，r₄₁はそれぞれ、素子の比誘電
率、屈折率、ポツケルス定数である。第１図にお
いて、偏光子１及び1/4波長板２により円偏光を
作り、これを電界検出素子３に入射する。電界検
出素子３の結晶方位と検光子４の偏光方向を最適
化すると出力I₀は入力光I_iに対し I₀＝I_i／２（１＋πV／Vπ sing／ｇ） ……(3) と表わされる。 ここで、変調率ｍは、前述のように、I₀の無信
号出力（I₀）₀と信号出力（I₀）_sの比で定義されて
いるので ｍ＝πV／Vπ・sing／ｇ ＝2πn₀ ³r₄₁・ｌ／ε・E₀・sing／ｇ ……(5) と表わされる。 次に、光の伝搬方向と電界の印加方向とが垂直
な横型変調方式について述べる。第２図に、第１
図と同様に、電界印加方向をＥで表わし、その基
本構成図を示す。第２図で、素子の電界印加方向
での長さをｄ、外部電界の大きさをE₀とすると、
素子にかかる電圧Ｖは、近似的に Ｖ＝ｄ／εE₀ ……(6) と表わされる。横型変調方式の場合の半波長電圧
Vπは Vπ＝λ／2n₀ ³r₄₁ ｄ／ｌ ……(7) である。 横型変調方式においても、最適条件下では縦型
変調方式におけると同様に、(3)，(4)式が成り立
つ。(6)，(7)，(3)，(4)式を用いて変調率ｍを算出す
ると ｍ＝πV／Vπ・sing／ｇ ＝2πn₀ ³r₄₁／λ・ｌ／ε・E₀・sing／ｇ……(8) となり、(5)式と一致する。これは（Ｖ／Vπ）が
横型、縦型方式とも同一となるためである。 ここで、(4)式における（πV／Vπ）と（2θl）
の具体値の比較を行う。Bi₄Ge₃O₁₂などの非旋光
性の結晶では（2θl）は零であり、(4)式では
（πV／Vπ）の項のみとなる。このときｍは変調
方式によらず ｍ＝sin（2πn₀ ³r₄₁／λ・ｌ／ε・E₀ ……(9) となる。 一方、Bi₁₂SiO₂₀、Bi₁₂GeO₂₀では、旋光能2θl
は約（20×ｌ）deg、即ち（0.35×ｌ）radであ
る。通常の電界測定ではE₀≦10kV／mmである。
E₀＝10kV／mmでの（πV／Vπ）をBi₁₂SiO₂₀で試
算すると約（0.086×ｌ）radとなり、（πV／Vπ）
²と（2θl）²の比は６：100程度となり、最大測定
電界でも（πV／Vπ）²≪（2θl）²と考えられる。
Bi₁₂GeO₂₀の場合、（πV／Vπ）はBi₁₂SiO₂₀に比
べより小さくなるのて近似の程度はさらに良好と
なる。即ち、Bi₁₂SiO₂₀，Bi₁₂GeO₂₀を用いて通常
の10のkV／mm以下の電界側定を行う場合（πV／
Vπ）²≪（2θl）²であり、(4)式のｇは ｇ≒2θl ……(10) と近似して大過ない。このときｍは(10)式と(8)式か
ら変調方式によらず、 ｍ＝2πn₀ ³r₄₁／λ・ｌ／ε ・E₀・sin（2θl）／2θl ……（11） となる。 (9)式と（11）式を用いて、Bi₄Ge₃O₁₂とBi₁₂
SiO₂₀，Bi₁₂GeO₂₀の変調率ｍの比較を行う。ｍ
の具体値を算出するためＥ＝100V／mm，λ＝
0.85μmを仮定し、第１表の各数値を使用して式
算した。第３図に計算結果を示す。第３図で明ら
かなように、Bi₁₂SiO₂₀，Bi₁₂GeO₂₀は旋光性のた
めに素子の長さｌを大きくしてもｍに制限がある
のに対し、Bi₄Ge₃O₁₂は非旋光性であるため、ｌ
を大きくすることにより、ｍをより大きくするこ
とができる。 第３図における、Bi₄Ge₃O₁₂の特性線とBi₁₂
SiO₂₀及びBi₁₂GeO₂₀の特性線の交点の素子の長
さｌ、即ち(9)式＝（11）式とする素子の長さｌ、
を求めるとｌ＝5.34mm及び5.40mmとなる。つま
り、(9)式＝（11）式の条件から決まる素子の長さ
ｌ以上の長さをもつBi₄Ge₃O₁₂素子を用いると、
変調方式によらず、Bi₁₂SiO₂₀、Bi₁₂GeO₂₀より大
きな変調率が得られる。Ｅ＝100V／mm、λ＝
0.85μmの場合は第３図からｌ＝5.40mm以上とすれ
ばよい。 以上では、ユーリタイト構造をもつ電気光学結
晶の代表例としてBi₄Ge₃O₁₂を採り上げて説明し
たが、他のBi₄Si₃O₁₂、Bi₄（Ge，Si）₃O₁₂などの結
晶でも、同様に、非旋光性の有用性を示し得るこ
とは明らかである。 さて、以上では、１個の非旋光性の素子で、そ
の光の伝搬方向の長さを十分大きく設定すること
により電界検出感度を大きくすることを述べた
が、素子として、複数個の素子を用意し、これを
光の伝搬方向に縦に配置することによつても上記
と全く同様の効果を得ることができる。このよう
に複数個の素子を採用すると、素子表面での反射
損が増加する欠点が発生するが、これは無反射防
止処置によつて対策でき、むしろ、小さな素子で
構成されるため、素子サイズで規定される圧電ダ
ンピング周波数が上昇し、検出可能な電界の周波
数が広くなるという利点が生ずる。このように、
複数個の素子を光の伝搬方向の縦続し、その全光
路長を、上記のように(9)式＝（11）式の条件から
決まるｌの値以上となるようにする構成を本発明
の第１の実施態様とする。 次に、素子の静電容量について述べる。素子の
光の伝搬方向に垂直な断面の表面積を仮に、５×
５mm²程度と仮定し、電界方向での素子の長さｌを
換えたときの素子の静電容量Ｃの試算結果を縦型
変調方式、横型変調方式のそれぞれについて、第
４図（縦型）及び第５図（横型）に示す。第４
図、第５図より明らかなように、Bi₄Ge₃O₁₂は比
誘電率が16と小さいため、静電容量ＣがBi₁₂
SiO₂₀，Bi₁₂GeO₂₀に比べて小さく、静電容量1pF
以下の素子の実現も可能である。特に縦型方式で
は、素子の長さを長くとることにより静電容量も
小さくなり有利となる。一方、横型方式では、静
電容量は素子の長さに応じて大きくなるため不利
であるが、次のようにしてこの短所を避けること
ができる。 即ち、素子の長さを小さく抑え、素子内で光を
多重反射させる構成とすることにより、実効的な
光路長を大きくすることである。このようにして
も、(6)式、(7)式、(8)式において、ｌを実効的な光
路長とし、静電容量を大きくせず、有効な電界測
定を実施可能である。また、上記のように(9)式＝
（11）式の条件から決まるｌの値以上の光路長に
なるように上記の、素子内で光を多重反射させる
構成を本発明の第２の実施態様とする。 以上では静電容量でのBi₄Ge₃O₁₂の有用性を、
Bi₁₂SiO₂₀，Bi₁₂GeO₂₀に比較して述べたが、Bi₄
Si₃O₁₂，Bi₄（Ge，Si）₃O₁₂など他のユーリタイト
構造の電気光学結晶についても、それらの特性値
を仮定し、ｌを十分大きくすることにより、同様
にその有用性を示すことができることは自明であ
る。 温度特性に関しては、ここで採り上げている結
晶、Bi₄Ge₃O₁₂，Bi₄Si₃O₁₂，Bi₁₂GeO₂₀，Bi₁₂
SiO₂₀などは点群の違いがあるものの全て等軸晶
系に属し、自然複屈折を有さないことから、同程
度に良好であることが予想され、LiNbO₃，
LiTaO₃，KDP，ADP等の自然複屈折を有する
他の結晶に比べ優れているものと考えられる。 以下、本発明のさらに具体的な実施例を述べ
る。 実施例 １ 第６図は本発明の光方式電界測定装置の構成図
である。光源５としては、出力60mW、波長
0.8μmの発光ダイオードを用い、クラツド外径が
0.6mmの石英光フアイバー６−１に入射し、レン
ズ７−１を介して検出部Ａに導く。電界検出部Ａ
は、偏光子１、1/4波長板２、電界検出素子３及
び検光子（偏光ビームスプリツタ）４０より成り
ガラスセラミツク製容器に収納している。ここ
で、電界検出素子としてはBi₄Ge₃O₁₂単結晶の
（100）を３面とする、３×３×５，３×３×10，
３×３×15（単位は全てmm）の３組の直方状素子
のいずれかを用いた。電界印加方向と光の伝搬方
向を素子の長手方向にとつている。検光子４０か
らは、２つの直線偏光成分を取り出し、それぞ
れ、レンズ７−２，７−３に導き、石英光フアイ
バー６−２、６−３を経て、PINフオトダイオー
ド８−２，８−３で電気信号P₁，P₂ｉ変換する。
その後、電気的な演算回路で Ｓ＝P₁−P₂／P₁＋P₂ なる演算を行う、このＳと前述の変調率ｍは比例
関係にある。この演算処理により、伝送路の損
失、振動に影響をほとんど受けない安定な測定が
可能である。印加電界は、直径50cm、間隔20cmの
平行平板電極を用いて、交流50Hz、最大40kVを
用いた。 第７図に、ｌ＝10mmとしたときの印加電界と出
力Ｓならびに印加電界と出力信号P₁側で測定し
た変調率ｍの測定結果を示す。また、第８図に素
子長さを５，10，15mmの３種類に換えて用いたと
きの出力Ｓの相対変化を示す。 第７図は、予想どおり印加電界に対し大きな信
号が、直線性良く得られていることを示してい
る。また、第８図は、素子の長さに比例して、電
界検出感度を大きくできることを示している。 さらに、ｌ＝10mmとし、一定電界（100V／mm）
を印加しながら、電界センサの温度を20〜70℃の
範囲で変化させたときの出力の安定性を調べた実
験結果を第９図に示す。第９図より温度安定性も
良好なことがわかる。 実施例 ２ 実施例１で用いた３×３×15（単位mm）の素子
を、３×３×５（単位mm）の３つの素子に分割し、
その光の通過面を研摩した後、光路方向に並べ、
分割前とほぼ同一の光路長として、実施例１の同
様、変調率の測定を行つた。その結果、分割前と
分割後でほぼ同一の変調率が得られた。また、分
割前後の、素子の長さに依存する圧電振動の周波
数を変調率の周波数依存性を測定することによ
り、調べたところ、分割前は、約130kHzであつ
たものが、分割後は約400kHzと上昇したことが
確かめられた。 実施例 ３ 電気光学結晶としてBi₄Si₃O₁₂単結晶〔（110）×
（１10）×（001）；４mm×４mm×４mm〕を用いて、
実施例１と同一構成の電界測定装置を作製した。
ただし、電界印加方向を〔110〕とし、光の伝搬
方向を〔１10〕方向よりわずかずつ傾けて、結晶
中を多重反射する回数を１回、２回、３回と変え
て変調率の大きさを調べた。その結果、取り出さ
れる光の絶対強度は小さくなるものの、変調率の
大きさは往復回数に比例して大きくなることがわ
かつた。また、変調率の絶対値は、100V／mmの
電界印加で、光を結晶中で２往復させた後取り出
した際、約0.5％と実施例１と同程度の結果が得
られた。 実施例 ４ 電気光学結晶として、Siを５％置換したBi₄
（Ge，Si）₃O₁₂単結晶を作成し、実施例２と同様
の実験を行つた。その結果、Bi₄Si₃O₁₂と同等以
上の結果が得られた。 〔発明の効果〕 以上のように、本発明によれば、測定感度が大
きく、温度特性も良好で、かつ測定電界を乱さな
い光方式電界測定装置を提供できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はそれぞれ縦型変調方式、横型
変調方式の電界測定装置の基本構成図、第３図は
光方式電界測定装置における素子長さと変調率の
関係を説明する図、第４図、第５図はそれぞれ縦
型変調方式、横型変調方式における素子長さと静
電容量の関係を説明する図、第６図は本発明の一
実施例装置の構成図、第７図、第８図はそれぞれ
第６図実施例の出力特性を示す図、第９図は第６
図実施例装置の温度特性を示す図である。 １……偏光子、２……1/4波長板、３……電界
検出素子、４，４０……検光子、５……光源、６
−１，６−２，６−３……石英光フアイバ、７−
１，７−２，７−３……レンズ、８−２，８−３
……PINフオトダイオード。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光源と、ユーリタイト構造を有する電気光学
   結晶を用いる電界検出部と、上記検出部からの光
   を計測する計測部と、上記光源と検出部及び計測
   部を光学的に結合する光伝送路とからなる電界測
   定装置において、上記電気光学結晶はその光の伝
   搬方向における長さを、ユーリタイト構造を有す
   る電気光学結晶での素子長さｌにおける変調率と
   点群２３に属する構造を有する電気光学結晶での
   素子長さｌにおける変調率とが等しくなる条件か
   ら決まる素子長さｌ以上とすることを特徴とする
   光方式電界測定装置。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   前記電気光学結晶を複数個用い、それらを光の伝
   搬方向に沿つて並べ、その全光路長を、前記条件
   から決まる素子長さｌ以上とすることを特徴とす
   る光方式電界測定装置。 ３ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   光が電気光学結晶中を少なくとも１回以上往復
   し、結晶中の実質光路長が、前記条件から決まる
   素子長さｌ以上であることを特徴とする光方式電
   界測定装置。 ４ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   前記電気光学結晶の光の伝搬方向における長さを
   5.4mm以上とすることを特徴とする光方式電界測
   定装置。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   前記電気光学結晶として、複数個の電気光学結晶
   を用い、それらを光の伝搬方向に沿つて並べ、そ
   の全光路長を5.4mm以上とすることを特徴とする
   光方式電界測定装置。 ６ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、
   光が電気光学結晶中を少なくとも１回以上往復
   し、結晶中の実質光路長が5.4mm以上であること
   を特徴とする光方式電界測定装置。 ７ 特許請求の範囲第１項乃至第６項のいずれか
   の項に記載の装置において、前記ユーリタイト構
   造を有する電気光学結晶が、Bi₄Ge₃O₁₂，Bi₄Si₃
   O₁₂，Bi₄（Ge，Si）₃O₁₂のうちのいずれか一つで
   あることを特徴とする光方式電界測定装置。