DE69431513T2

DE69431513T2 - Fühler für elektrische felder

Info

Publication number: DE69431513T2
Application number: DE69431513T
Authority: DE
Inventors: Michikazu Kondo; Yuichi Tokano
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 1993-07-07
Filing date: 1994-07-07
Publication date: 2003-08-07
Anticipated expiration: 2014-07-08
Also published as: WO1995002192A1; KR100232419B1; EP0668507A4; CN1111918A; CN1052072C; KR950703155A; EP0668507A1; CA2144076A1; CN1217472A; CN1106577C; US5625284A; DE69431513D1; CN1439882A; EP0668507B1; US5850140A; CA2144076C

Description

Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich auf einen elektrischen Feldsensor zum Messen einer Radiowelle oder eines Elektrodenrauschens und insbesondere auf einen elektrischen Feldsensor zum Messen einer elektrischen Feldintensität einer elektromagnetischen Welle, die sich in einem Raum ausbreitet.

Hintergrundstechnik

Fig. 1 zeigt eine Struktur eines herkömmlichen elektrischen Feldsensorkopfes 101, der durch ein Wellenleiterelement realisiert ist. Der elektrische Feldsensorkopf 101 weist ein aus einem Litiumniobatkristall hergestelltes Substrat 102, der senkrecht zu einer c-Achse ausgeschnitten ist, einen einfallenden optischen Wellenleiter 103, optische Phasenverschiebungswellenleiter 104 und 105, die von dem einfallenden optischen Wellenleiter 103 abzweigen, und einen herausgehenden optischen Wellenleiter 106, in dem die optischen Phasenverschiebungswellenleiter 104 und 105 verbunden und gekoppelt sind, auf. Der einfallende und der herausgehende optische Wellenleiter und die Phasenverschiebungswellenleiter sind durch Diffusion von Titan auf das Substrat 102 gebildet. Eine einfallende optische Faser 107 ist mit einem einfallenden Ende des einfallenden optischen Wellenleiters 103 verbunden, während eine herausgehende optische Faser 108 mit einem herausgehenden Ende des herausgehenden optischen Wellenleiters 106 verbunden ist.
Ein Paar von Elektroden 109 ist auf dem optischen Phasenverschiebungswellenleiter 104 und 105 gebildet. Diese Elektroden 109 sind mit Stabantennen 110 verbunden. Es wird Bezug genommen auf Fig. 9, ein einfallender Lichtstrahl 111 fällt durch die einfallende optische Faser 57 auf den einfallenden optischen Wellenleiter 103 auf und wird in der Energie in die optischen Phasenverschiebungswellenleiter 14 und 105 aufgeteilt. Wenn ein elektrisches Feld angelegt ist, werden elektrische Spannungen an die Elektroden 109 durch die Stabantennen 110 angelegt. In den optischen Phasenverschiebungswellenleiter 104 und 105 werden elektrische Feldkomponenten, die Richtungen entgegengesetzt zueinander in Tiefenrichtungen aufweisen, erzeugt. Als Konsequenz wird eine Variation im Brechungsindex durch einen elektrooptischen Effekt so verursacht, daß eine Phasendifferenz entsprechend der Stärke des angelegten elektrischen Feldes zwischen Lichtwellen erzeugt wird, die sich durch die optischen Phasenverschiebungswellenleiter 104 und 105 ausbreiten. Wenn die Lichtwellen an den herausgehenden optischen Wellenleiter 106 kombiniert und gekoppelt werden, variiert eine Lichtintensität aufgrund von Interferenz. Genauer, die Intensität eines herausgehenden Lichtstrahls 112, der durch die herausgehende optische Faser 108 emittiert wird, variiert als Reaktion auf die Intensität des angelegten elektrischen Feldes. Durch Messen der Variation der Lichtintensität ist es möglich, die Intensität des angelegten elektrischen Feldes zu erfassen.
Fig. 2 zeigt einen elektrischen Feldsensor, der den oben beschriebenen herkömmlichen elektrischen Feldsensorkopf 101 benutzt, der in Fig. 1 dargestellt ist. Die einfallende optische Phase 107 des elektrischen Feldsensors 101 in Fig. 1 ist durch eine optische Sendefaser 113 mit einer Lichtquelle 114 verbunden, während die herausgehende optische Faser 108 durch eine optische Empfangsfaser 115 mit einem optischen Detektor 116 verbunden ist. Obwohl es in Fig. 6 nicht gezeigt ist, wird ein erfaßtes elektrisches Signal von dem optischen Detektor 116 mit einer gewöhnlichen Meßeinheit wie ein Voltmeter, ein Amperemeter und einem Spektrumsanalysator verbunden.
Es ist jedoch schwierig, den herkömmlichen elektrischen Feldsensor des beschriebenen Types bei dem Erfassen eines hohen elektrischen Feldes zu benutzen, da nach der Erfassung des hohen elektrischen Feldes die Elektroden leicht aufgrund der Entladung von elektrischer Ladung beschädigt werden, die durch die Spannungen induziert sind, die an die zwei Elektroden angelegt sind, die in einem Abstand so klein wie mehrere Mikrometer bis mehrere 10 Mikrometer überabstandet sind.
Der herkömmliche elektrische Feldsensor des beschriebenen Types weist ein anderes Problem auf, daß die Erfassungsempfindlichkeit nicht so gut ist. Dieses ist so, da die Elektrodenkapazität allgemein als Reaktion auf die Länge der Elektroden vergrößert wird.
Aus dem Journal of Lightwave Technology, Bd. LT-5, Nr. 6, Juni 1987, New York, USA, Seiten 745-750: "Asymmetric Slab and Strip-Loaded Integrated Optic Devices for the Measurement of Large Electric Fields" ist ein elektrischer Feldsensor bekannt mit einem Sensor mit einem Aufbau derart, daß eine Intensität eines übertragenen Lichtstrahls als Reaktion auf eine daran angelegte elektrische Feldintensität variiert wird. Eine einfallende optische Faser und eine herausgehende optische Faser sind beide vorgesehen, die mit dem Sensorkopf verbunden sind. Eine Lichtquelle ist mit einem Ende der einfallenden optischen Faser zum Strahlen eines Lichtstrahles zu der einfallenden optischen Faser gekoppelt. Ein einfallender optischer Wellenleiter ist mit der einfallenden optischen Faser verbunden. Zwei verzweigte optische Wellenleiter zweigen von dem einfallenden optischen Wellenleiter ab. Ein herausgehender optischer Wel lenleiter verbindet die verzweigten optischen Wellenleiter und ist mit einer herausgehenden optischen Faser verbunden.
Aus JP 62-070777 A ist ein Magnetfeldsensor einer optischen Faser bekannt. In dem Sensor wird Licht von einer Lichtquelle in zwei Strahlen durch einen optischen Koppler getrennt, während die Strahlen entsprechend auf die Kerne einer optischen Einmodenfaser mit Doppelkern durch Richtungskoppler auffallen. Sie gehen durch Wellenleiter eines Sensorkopfes und werden von einem reflektierenden Film so reflektiert, daß sie von den Kopplern zum Bilden eines Interferenzrandes ausgegeben werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einen elektrischen Feldsensor vorzusehen, der an die Benutzung bei der Erfassung eines hohen elektrischen Feldes angepaßt ist. Es ist eine andere Aufgabe dieser Erfindung, einen elektrischen Feldsensor vorzusehen, der eine hervorragende Erfassungsempfindlichkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen elektrischen Feldsensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines elektrischen Feldsensorkopfes eines herkömmlichen elektrischen Feldsensors.
Fig. 2 ist eine schematische Vorderansicht des herkömmlichen elektrischen Feldsensors.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform, die nicht diese Erfindung darstellt.
Fig. 4 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform, die nicht diese Erfindung darstellt.
Fig. 5 ist eine schematische Vorderansicht einer Ausführungsform dieser Erfindung.
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung.
Fig. 7 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung.
Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung.
Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung.
Fig. 10 ist eine schematische Vorderansicht einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung.
Fig. 11 ist eine schematische Vorderansicht einer anderen Ausführungsform dieser Erfindung.

Ausführungsformen

Die Beschreibung wird in Hinblick einer ersten Ausführungsform gegeben, die nützlich für das Verständnis dieser Erfindung ist aber nicht sie darstellt, unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 3, ein elektrischer Feldsensor dieser Erfindung weist einen Sensorkopf 1, eine einfallende optische Faser 2, eine herausgehende optische Faser 3, eine Lichtquelle L und einen optischen Detektor D auf.
Der Sensorkopf 1 weist einen Aufbau derart auf, daß eine Intensität eines übertragenen Lichtstrahles als Reaktion auf eine elektrische Feldintensität variiert wird. Die einfallende optische Faser 2 und die herausgehende optische Faser 3 sind mit dem Sensorkopf 1 verbunden. Die Lichtquelle L weist einen Halbleiterlaser oder ähnliches auf. Die Lichtquelle L ist mit einem Ende der einfallenden optischen Faser 2 gekoppelt und strahlt einen Lichtstrahl zu der einfallender optischen Faser 2. Der optische Detektor erfaßt den übertragenen Lichtstrahl, der durch den Sensorkopf 1 übertragen ist und von der herausgehenden optischen Faser 3 emittiert ist.
Der Sensorkopf 1 weist ein Substrat 4, eine einfallende optische Faser 5, zwei verzweigte optische Wellenleiter 6, einen herausgehenden optischen Wellenleiter 7 und ein Abschirmteil eines elektrischen Feldes 8 auf. Der einfallende optische Wellenleiter 5 ist auf dem Substrat 4 gebildet und mit der einfallenden optischen Faser 2 verbunden. Die verzweigten optischen Wellenleiter 6 sind auf dem Substrat 4 gebildet, so daß sie sich von dem einfallenden optischen Wellenleiter 5 verzweigen, und weisen Brechungsindizes auf, die als Reaktion auf die Intensität eines daran angelegten elektrischen Feldes variabel sind. Der herausgehende optische Wellenleiter 7 ist auf dem Substrat 4 so gebildet, daß er die verzweigten optischen Wellenleiter 6 vereinigt, und ist mit der herausgehenden optischen Faser 3 verbunden. Das Abschirmteil des elektrischen Feldes 8 ist in der Nähe eines Teiles der verzweigten optischen Wellenleiter 6 angeordnet und schirmt das elektrische Feld ab. Das Abschirmteil des elektrischen Feldes 8 ist aus einem leitenden Material oder einem Radioabsorptionsmaterial hergestellt.
Das elektrische Feld wird durch das Abschirmteil des elektrischen Feldes 8 abgeschirmt, das auf einem der verzweigten optischen Wellenleiter angeordnet ist. In dem anderen der optischen Wellenleiter 6 wird der Brechungsindex als Reaktion auf das angelegte elektrische Feld variiert. Als Konsequenz wird eine Phasendifferenz in dem herausgehenden optischen Wellenleiter 7 erzeugt, in dem diese Wellenleiter vereinigt werden. Die Intensität des herausgehenden Lichtstrahls, die der Variation in der Intensität des angelegte elektrischen Feldes entspricht, wird erfaßt.
Genauer, die verzweigten optischen Wellenleiter 6 sind auf dem Substrat (Z-Platte) 4 gebildet, die aus einem Litiumniobat- (LiNbO&sub3;)Kristall hergestellt ist, so daß sie symmetrisch verzweigt sind. Nachdem die verzweigten optischen Wellenleiter 6 insgesamt mit einem Siliciumdioxid-(SiO&sub2;) filmbeschichtet sind als Pufferschicht zum Verhindern der Lichtabsorption wird das Abschirmteil des elektrischen Feldes 8, das aus Metall hergestellt ist, auf einen Teil der verzweigten optischen Wellenleiter 6 gebildet.
Fig. 4 zeigt eine andere Ausführungsform, die nicht diese Erfindung darstellt, aber nützlich für ihr Verständnis ist. Bei der Ausführungsform von Fig. 4 sind ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet wie jene in der Ausführungsform von Fig. 3. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, weist der Sensorkopf 1 das Abschirmteil des elektrischen Feldes 8, das auf beiden der verzweigten optischen Wellenleiter 6 gebildet ist. Das Abschirmteil des elektrischen Feldes 8 weist verschiedene Längen auf den verzweigten optischen Wellenleitern 6 auf. Der Sensorkopf 1 in Fig. 4 weist eine Eigenschaft im wesentlichen ähnlich zu der der Ausführungsform in Fig. 3 auf.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform dieser Erfindung. Bei der Ausführungsform von Fig. 5 sind ähnliche Teile mit gleichen Bezugszeichen wie jene in der Ausführungsform von Fig. 3 bezeichnet. Der in Fig. 5 dargestellte elektrische Feldsensor weist den Sensorkopf auf mit solch einem Aufbau, daß eine Intensität eines übertragenen Lichtstromes als Reaktion auf die daran angelegte elektrische Feldintensität variiert wird, eine einfallende/herausgehende optische Faser 9, die mit dem Sensorkopf 1 verbunden ist, einen Zirkulator 10, der mit einem einfallenden/herausgehenden Ende der einfallenden/herausgehenden optischen Faser 9 gekoppelt ist, eine Lichtquelle 11 zum Strahlen eines Lichtstrahles auf die einfallende/herausgehende optische Faser 9 durch den Zirkulator 10 und eine Linse 12, einen optischen Detektor 13 zum Erfassen eines durchgelassenen Lichtstrahles, der von dem Zirkulator 10 emittiert ist, und eine Meßeinheit 14 zum Messen eines Erfassungssignales von dem optischen Detektor 13.
Wie in Fig. 6 dargestellt ist, weist der Sensorkopf 1 auf das Substrat 4 mit einem elektrooptischen Effekt, einen einfallenden/herausgehenden optischen Wellenleiter 15, der auf dem Substrat 4 gebildet ist und mit der einfallende n/herausgehenden optischen Faser 9 verbunden ist, die zwei verzweigten optischen Wellenleiter 6, die auf dem Substrat 4 gebildet sind und von dem einfallenden/herausgehenden optischen Wellenleiter 15 sich verzweigen, einen Reflexionsspiegel 16, der auf dem Substrat 4 gebildet ist zum Reflektieren von Lichtstrahlen von den verzweigten optischen Wellenleitern 6 und das Abschirmteil des elektrischen Feldes 8, das in der Nähe eines Teiles der verzweigten optischen Wellenleiter 6 zum Abschirmen des elektrischen Feldes gebildet ist. Die einfallende/herausgehende optische Faser 9 weist eine polarisationserhaltende Faser auf. Der Reflexionsspiegel 16 weist einen dielektrischen Spiegel, einen gewöhnlichen Spiegel oder eine Reflexionsbeschichtung auf.
Bei der in Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform wird das elektrische Feld in einem Gebiet abgeschirmt, in dem das Abschirmteil des elektrischen Feldes 8 vorhanden ist. In dem anderen verzweigten optischen Wellenleiter 6 wird der Brechungsindex als Reaktion auf das angelegte elektrische Feld variiert. Als Konsequenz wird eine Phasendifferenz zwischen Lichtwellen in dem einfallenden/herausgehenden, optischen Wellenleiter 15 verursacht, in den diese Wellenleiter verbunden werden. Die Intensität des herausgehenden Lichtstrahles, das der Variation in der Intensität des angelegten elektrischen Feldes entspricht, wird erfaßt.
Die in Fig. 3 bis 6 dargestellten elektrischen Feldsensoren sind ausgelegt zur Benutzung bei der Erfassung eines hohen elektrischen Feldes, da das Abschirmteil des elektrischen Feldes, das auf dem optischen Wellenleiter gebildet ist, eine einzelne Einheit ist und daher frei von elektrischer Entladung und resultierender Beschädigung.
Es wird Bezug genommen auf Fig. 7, der elektrische Feldsensorkopf l schließt das Abschirmteil des elektrischen Feldes 8 in der Ausführungsform von Fig. 6 aus und weist weiter ein Paar von Elektroden 17, die auf den verzweigten optischen Wellenleitern 6 gebildet sind, und Antennen 18, die mit den Elektroden 17 verbunden sind, auf.
Die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform wird genauer beschrieben. Das Substrat 4 ist aus einer Kristallplatte aus Litiumniobat (LiNbO&sub3;) hergestellt. Der einfallende/herausgehende optische Wellenleiter 15 wird durch Diffusion eines Titanfilmmusters einer Dicke zwischen 40 und 100 nm bei einer Tempera tur zwischen 1000 und 1100ºC während vier bis acht Stunden gebildet und weist eine Breite zwischen 5 und 10 um auf. Die verzweigten optischen Wellenleiter 6 weisen eine Länge zwischen 6 und 20 mm auf. Der Lichtreflektor 16 wird durch Beschichten einer Endoberfläche des Substrates, die senkrecht zu den verzweigten optischen Wellenleitern 6 steht, mit einem Metallfilm wie Gold gebildet. Der einfallende/herausgehende optische Wellenleiter 15 ist mit der einfallenden/herausgehenden optischen Faser 9 eines polarisationserhaltenden Typs gekoppelt. Die Elektroden 17 sind auf den verzweigten optischen Wellenleitern 6 durch einen Siliciumdioxidfilm gebildet, der als die Pulverschicht zum Verhindern von Lichtabsorption dient. Die Elektroden 17 sind mit den Antennen 18 verbunden.
Bei der in Fig. 7 dargestellten Ausführungsform fällt eine Lichtwelle mit einer Polarisationskomponente senkrecht zu dem Substrat 4, das aus einer LiNbO&sub3;-Kristallplatte hergestellt ist, durch die einfallende/herausgehende optische Faser 9 auf den einfallenden/herausgehenden optischen Wellenleiter 15 und wird dann in der Energie in Hälften geteilt, die auf die verzweigten optischen Wellenleiter 6 auf treffen. In diesen verzweigten optischen Wellenleitern 6 werden die Hälften der Lichtwelle der Phasenverschiebung als Reaktion auf die von außen angelegte elektrische Feldintensität phasenverschoben und dann zu dem einfallenden/herausgehenden optischen Wellenleiter 15 emittiert. Wird der Lichtintensität entsprechend der Phasendifferenz, die während der Ausbreitung in den zwei verzweigten optischen Wellenleitern 15 erzeugt wird, nämlich die Lichtintensität in Abhängigkeit von der Größe des angelegten elektrischen Feldes, sind die Hälften der Lichtwelle in den einfallenden/herausgehenden optischen Wellenleiter 15 gekoppelt, so daß sie zu der einfallenden/herausgehenden optischen Faser 9 emittiert werden.
Eine in Fig. 8 dargestellte. Ans führungsform weist in der Ausführungsform von Fig. 7 den einfallenden optischen Wellenleiter 5 und den herausgehenden optischen Wellenleiter 6 getrennt voneinander und Antennenmuster 19, die auf dem Substrat 4 so gebildet sind, daß sie mit den entsprechenden Elektroden 17 einstückig sind, auf. Die verzweigten optischen Wellenleiter 6 sind mit dem einfallenden optischen Wellenleiber 5 durch einen optischen Richtungskoppler 20 gekoppelt. Das andere Ende des optischen Richtungskopplers 20 ist mit dem herausgehenden optischen Wellenleiter 7 gekoppelt.
Ein einfallender Lichtstrahl von dem einfallenden optischen Wellenleiter 5 wird durch den optischen Richtungskoppler 20 in Hälften geteilt, die auf die verzweigten optischen Wellenleiter 6 auftreffen und dann zu dem optischen Richtungskoppler 20 mit einer Phasenverschiebung entsprechend der elektrischen Feldintensität zurückkehren. In dem optischer Richtungskoppler 20 werden die Rückkehrlichtstrahlen vollständig in den einfallenden optischen Wellenleiter 5 gekoppelt, wenn die Phasenverschiebung gleich Null ist. Wenn die Phasenverschiebung nicht gleich Null ist, werden die Rückkehrlichtstrahlen in den ausgehenden optischen Wellenleiter 7 gekoppelt, so daß sie zu der herausgehenden optischen Faser 3 gerichtet werden, wobei die Lichtintensität in Abhängigkeit von der Größe der Phasenverschiebung verringert ist.
Eine in Fig. 9 dargestellte Ausführungsform enthält nicht das Abschirmteil des elektrischen Feldes 8 in der Ausführungsform von Fig. 6, sondern sie weist in einem Gebiet: des Substrates, in dem einer der verzweigten optischen Wellenleiter 6 gebildet ist, einen umgekehrt polarisierten Abschnitt 21 auf, in dem eine Polarisationsrichtung des Kristalles um 180º in bezug auf den verbleibenden Abschnitt umgekehrt ist. Der umgekehrt polarisierte Abschnitt 21 ist gebildet durch Setzen eines Titanfilmes auf einem umzukehrenden Abschnitt und dann Ausüben ei ner drastischen Temperaturvariation oder Bestrahlen mit einem Elektronenstrahl des Abschnittes, der umzukehren ist. Zum Bilden des optischen Wellenleiters auf dem umgekehrt polarisierten Abschnitt 21 wird eine Protonenaustauschtechnik in Verbindung mit einem Ausglühvorgang benutzt.
Wenn gemäß dieser Ausführungsform die elektrischen Felder einer gleichen Richtung auf die zwei verzweigten optischen Wellenleiter 6 angewendet werden, werden die Brechungsindizes in entgegengesetzte Richtungen variiert, da die Polarisationsrichtungen umgekehrt zueinander sind. Eine Phasendifferenz wird zwischen den zwei verzweigten optischen Wellenleitern 6 erzeugt. Daher ist es gemäß dieser Ausführungsform unnötig, die Elektroden vorzusehen. Der elektrische Feldsensorkopf 1 dieser Ausführungsform ist zur Benutzung bei der Erfassung eines elektrischen Feldes in einem kleinen Raum ausgelegt, da eine extrem kleine Größe erzielt wird, und ebenfalls zur Benutzung bei der Erfassung eines hohen elektrischen Feldes, das eine hohe Spannungssicherheit benötigt, da keine Metallelektroden enthalten ist.
In einem in Fig. 10 dargestellten elektrischen Feldsensor ist die einfallende/herausgehende optische Faser 9 des elektrischen Feldsensorkopfes 1, die in irgendeiner der Fig. 6 bis 9 dargestellt ist, mit einer polarisationserhaltenden optischen Faser 22 zum Senden und Empfangen verbunden. In dieser Ausführungsform wird ein Halbspiegel 23 als ein Strahlenteiler benutzt. Ein von einem Halbleiterlaser 34 emittierter Lichtstrahl wird durch eine Linse 25 gesammelt. Eine Hälfte seiner Energie geht durch den Halbspiegel 23 und wird durch eine Linse 26 in die optische Faser 22 gekoppelt, so daß er zu dem elektrischen Feldsensorkopf 1 gesendet wird. Andererseits wird ein Rückkehrlichtstrahl von der optischen Faser 22 durch die Linse 26 gesammelt, und die Hälfte seiner Energie wird durch den Halbspiegel 23 reflektiert, so daß er an den optischen De tektor 27 gekoppelt wird. Ein, elektrisches Erfassungssignal wird an eine Meßeinheit 28 gesendet.
In einem in Fig. 11 dargestellten elektrischen Feldsensor ist die optische Faser des elektrischen Feldsensorkopfes 1, die in irgendeiner der Fig. 6 bis 9 dargestellt ist, mit der optischen Faser 22 zum Senden und Empfangen verbunden. Bei dieser Ausführungsform werden ein Zirkulator mit einem Granatfilm 29 und einem Polarisationsprisma 30 als der Strahlenteiler benutzt. Ein von dem Halbleiterlaser 24 emittierter einfallender Lichtstrahl, der in einer Richtung x polarisiert ist, wird durch die Linse 25 gesammelt, geht durch das Polarisationsprisma 30, wobei seine Energie im wesentlichen aufrecht erhalten bleibt, und trifft auf den Granatfilm 29 mit dem Faraday- Effekt. Der Granatfilm 29 wird mit einem Magnetfeld durch einen Magneten 31 so beaufschlagt, daß die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtstrahles um 45º gedreht wird.
Die Polarisationsrichtung wird in der optischen Faser 22 und in dem elektrischen Feldsensorkopf 1 aufrecht erhalten. Daher fällt die Polarisationsrichtung des Rückkehrlichtstrahles von der optischen Faser 22 mit dem einfallenden Lichtstrahl, der auf die optische Faser 22 einfällt, zusammen. Während der Rückkehrlichtstrahl durch den Granatfilm 30 geht, wird die Polarisationsrichtung weiter um 45º gedreht. Folglich wird der Rückkehr licht strahl eine Polarisationswelle senkrecht zu dem einfallenden Lichtstrahl und wird von dem Polarisationsprisma 30 reflektiert, wobei seine Energie im wesentlichen aufrecht erhalten bleibt, so daß er in den optischen Detektor 27 gekoppelt wird. Diese Ausführungsform ist vorteilhaft, da der optische Energieverlust deutlich unterdrückt wird. Somit wird ein Sensor höherer Empfindlichkeit erzielt.

Industrielle Anwendbarkeit

Diese Erfindung ist zur Benutzung in einer Vorrichtung zum Erfassen eines hohen elektrischen Feldes und einer Vorrichtung, die eine hohe Empfindlichkeit aufweisen muß, angepaßt.

Claims

1. Elektrischer Feldsensor mit:

einem Sensorkopf (1) mit einem Aufbau derart, daß eine Intensität eines übertragenen Lichtstrahles als Reaktion auf eine daran angelegte elektrische Feldintensität variiert wird;

einer einfallenden/herausgehenden optischen Faser (9), die mit dem optischen Sensorkopf (1) verbunden ist;

einem optischen Zirkulator (10), der mit einem einfallenden/herausgehenden Ende der einfallenden/herausgehenden optischen Faser (9, 22) gekoppelt ist;

einer Lichtquelle (11, 24) zum Strahlen eines Lichtstrahles auf die einfallende/herausgehende optische Faser (9, 22) durch den optischen Zirkulator (10); und

einem optischen Detektor (13, 27) zum Erfassen des übertragenen Lichtstrahles, der von dem optischen Zirkulator (10) emittiert ist;

worin der Sensorkopf (1) aufweist:

ein Substrat (4), einen einfallenden/herausgehenden optischen Wellenleiter (15), der auf dem Substrat (4) gebildet ist und mit der einfallenden/herausgehenden optischen Faser (9, 22) verbunden ist,

einen ersten und einen zweiten verzweigten optischen Wellenleiter (6), die auf dem Substrat (4) so Gebildet sind, daß sie von dem einfallenden/herausgehenden optischen Wellenleiter (15) abzweigen, und Brechungsindizes aufweisen, die als Reaktion auf die daran angelegte Feldintensität variabel sind; und

einen Reflexionsspiegel (16), der auf dem Substrat (4) gebildet ist, zum Reflektieren von Lichtstrahlen von den verzweigten optischen Wellenleitern (6) zurück in den ersten und zweiten verzweigten optischen Wellenleiter (6) als reflektier te Lichtstrahlen, wobei die reflektierten Licht strahlen zu der einfallenden/herausgehenden optischen Faser (9, 22) durch den einfallenden/herausgehenden optischen Wellenleiter (5) zurückkehren (Fig. 5, 10, 11).

2. Elektrischer Feldsensor nach Anspruch 1, bei dem:

die einfallende/herausgehende optische Faser (9) einen einfallenden optischen Faserabschnitt (2) und einen herausgehenden optischen Faserabschnitt (3) auf weist,

der einfallenden/herausgehende optische Wellenleiter (15) einen einfallenden optischen Wellenleiterabschnitt (5) und einen herausgehenden optischen Wellenleiterabschnitt (7) aufweist, die mit dem einfallenden optischen Faserabschnitt (2) bzw. dem herausgehenden optischen Faserabschnitt (3) verbunden sind,

der erste und der zweite verzweigte optische Wellenleiter (6) optische Phasenverschiebungswellenleiter aufweisen,

ein Richtungskoppler (20) auf dem Substrat (4) in der Nähe des einfallenden optischen Wellenleiterabschnittes (5) und des ersten und des zweiten verzweigten optischen Wellenleiters (6) zum Aufspalten des einfallenden Lichtstrahless von dem einfallenden optischen Wellenleiterabschnitt (5) auf entsprechende Abschnitte gebildet ist, so daß er zu den ersten und den zweiten verzweigten optischen Wellenleitern (6) geliefert wird, und

wobei der reflektierte Lichtstrahl von dem Reflexionsspiegel (16) zu dem herausgehenden optischen Faserabschnitt (3) geliefert wird, nachdem er durch den ersten und den zweiten verzweigten optischen Wellenleiter (6), den Richtungskoppler (20) und die ausgehenden optischen Wellenleiterabschnitte (7) zurückgekehrt ist. (Fig. 8)

3. Elektrischer Feldsensor nach Anspruch 1, bei dem der Sensorkopf (1) weiter ein Abschirmteil eines elektrischen Feldes (8) aufweist, das in der Nähe von minde stens einem Teil der verzweigten optischen Wellenleiter (6) gebildet ist, zum Abschirmen eines elektrischen Feldes. (Fig. 6)

4. Elektrischer Feldsensor nach Anspruch 2, bei dem der Richtungskoppler (20) den einfallenden Lichtstrahl von dem einfallenden optischen Wellenleiterabschnitt (5) in entsprechende Hälfte aufspaltet. (Fig. 8)

5. Elektrischer Feldsensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Sensorkopf (1) eine erste und eine zweite Elektrode (17) aufweist, die auf den ersten bzw. zweiten verzweigten optischen Wellenleitern (6) gebildet sind. (Fig. 7)

6. Elektrischer Feldsensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Sensorkopf (1) weiter eine erste und eine zweite Elektrode (17) aufweist, die in der Nähe des ersten bzw. des zweiten verzweigten optischen Wellenleiters (6) gebildet sind.

7. Elektrischer Feldsensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das Substrat (4) aus einem ferroelektrischen Kristall hergestellt ist und Polarisationsrichtungen aufweist, die umgekehrt zueinander an Abschnitten sind an denen der erste und der zweite verzweigte optische Wellenleiter gebildet sind.

8. Elektrischer Feldsensor nach Anspruch 1, bei dem der Zirkulator (10) einen Lichtstrahlteiler (30) aufweist.

9. Elektrischer Feldsensor nach Anspruch 8, bei dem der Lichtstrahlteiler (30) ein Medium (29) mit einem Faraday-Effekt und ein Mittel (30) zum Trennen eines polarisierten Lichtstrahles enthält.