JPH10132866A - Optical voltage-electric field sensor - Google Patents
Optical voltage-electric field sensorInfo
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- JPH10132866A JPH10132866A JP8288694A JP28869496A JPH10132866A JP H10132866 A JPH10132866 A JP H10132866A JP 8288694 A JP8288694 A JP 8288694A JP 28869496 A JP28869496 A JP 28869496A JP H10132866 A JPH10132866 A JP H10132866A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ポッケルス素子な
どの電気光学素子を使用して電圧又は電界の強度を測定
するための光電圧・電界センサに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical voltage / electric field sensor for measuring the strength of a voltage or an electric field using an electro-optical element such as a Pockels element.
【0002】[0002]
【従来の技術】電力系統の電圧測定には、電圧変成器が
広く用いられている。しかしながら、この電圧変成器
は、測定すべき系統電圧が高くなるほど大型化してしま
い、コストおよびスペースが嵩むという問題がある。特
にGISと称される不活性ガスを用いたガス絶縁開閉装
置では、小型化および省スペース化が強く要求され、こ
のような電圧変成器を搭載することが困難になってい
る。2. Description of the Related Art A voltage transformer is widely used for measuring a voltage of a power system. However, there is a problem in that the voltage transformer becomes larger as the system voltage to be measured becomes higher, resulting in an increase in cost and space. In particular, in a gas insulated switchgear using an inert gas called GIS, downsizing and space saving are strongly required, and it is difficult to mount such a voltage transformer.
【0003】このため、従来から、ポッケルス素子など
の電気光学素子を用いた光電圧センサが用いられるよう
になってきている。図20及び図21に、典型的な従来
の光電圧センサの構成を示す。[0003] For this reason, an optical voltage sensor using an electro-optical element such as a Pockels element has been used conventionally. 20 and 21 show a configuration of a typical conventional optical voltage sensor.
【0004】図20に示すように、上記の光電圧センサ
80は、光学部品から成るセンサ部50と、発光回路6
0と、信号処理回路である受光回路70とを備えてい
る。センサ部50は上記開閉装置などに関連して配置さ
れ、残余の発光回路60及び受光回路70は前記センサ
部50とは離間した変電所建屋内などに配置され、これ
らの間は、たとえば100m以上に及ぶこともある図示
しない光ファイバによって接続されている。As shown in FIG. 20, the optical voltage sensor 80 includes a sensor section 50 composed of optical components and a light emitting circuit 6.
0 and a light receiving circuit 70 as a signal processing circuit. The sensor unit 50 is disposed in connection with the switchgear, and the remaining light emitting circuit 60 and the light receiving circuit 70 are disposed in a substation building separated from the sensor unit 50. Are connected by an optical fiber (not shown).
【0005】図21に示すように、上記センサ部50
は、光ファイバを介して導入された発光回路60からの
光を平行光にするコリメータ51と、ランダムな上記平
行光を直線偏光にする偏光子52と、上記直線偏光を円
偏光にするλ/4板53と、印加電圧に応じて位相変調
を行って上記円偏光を楕円偏光にするポッケルス素子5
4と、ポッケルス素子54からの楕円偏光における所定
の偏光方向の成分のみを抽出する検光子55と、コリメ
ータ56とを備えている。[0005] As shown in FIG.
Is a collimator 51 that converts light from the light emitting circuit 60 introduced through an optical fiber into parallel light, a polarizer 52 that converts the random parallel light into linearly polarized light, and λ / Four plates 53 and a Pockels device 5 that performs phase modulation according to an applied voltage to convert the circularly polarized light into elliptically polarized light.
4, an analyzer 55 that extracts only a component of the elliptically polarized light from the Pockels element 54 in a predetermined polarization direction, and a collimator 56.
【0006】上記ポッケルス素子54の表面部には図示
しない透明電極が設けられており、測定対象の電圧が光
の進行方向に印加される。例えば、上記ポッケルス素子
54には、電力系統の充電導体と、当該充電導体と並行
に配設された浮遊導体とによって形成される浮遊容量
と、前記浮遊導体と接地電位との間に設けたコンデンサ
とによって、前記充電導体の電圧が分圧されて印加され
る。尚、上記ポッケルス素子54の表面部に電極を設け
ることなく当該素子を電界中に配置すれば、光の進行方
向の電界の強度を測定することが可能であり、光電界セ
ンサとなる(尚、ここでは光電圧センサとして説明を続
ける)。A transparent electrode (not shown) is provided on the surface of the Pockels element 54, and a voltage to be measured is applied in the light traveling direction. For example, the Pockels element 54 has a stray capacitance formed by a charging conductor of a power system, a floating conductor arranged in parallel with the charging conductor, and a capacitor provided between the floating conductor and a ground potential. Thus, the voltage of the charging conductor is divided and applied. If the Pockels element 54 is arranged in an electric field without providing an electrode on the surface thereof, it is possible to measure the intensity of the electric field in the traveling direction of light, and it becomes an optical electric field sensor. Here, the description will be continued as an optical voltage sensor.)
【0007】上記センサ部50の各光学部品は、通常、
以下のような位置関係になっている。この位置関係を説
明するために、図21に示すように、x軸、y軸、z軸
からなる直交座標系を考え、ポッケルス素子54として
使用される電気光学結晶の各結晶軸を、上記x軸、y
軸、z軸に一致させて(1軸性結晶の場合、その光学軸
をz軸に一致させて)配した場合について説明する。
尚、z軸方向を光の進行方向とする。Each optical component of the sensor unit 50 is usually
It has the following positional relationship. In order to explain this positional relationship, as shown in FIG. 21, a rectangular coordinate system including an x-axis, a y-axis, and a z-axis is considered, and each crystal axis of the electro-optic crystal used as the Pockels element 54 is represented by the above-mentioned x. Axis, y
A description will be given of a case where the crystal is arranged so as to match the axis and the z-axis (in the case of a uniaxial crystal, the optical axis is matched to the z-axis).
Note that the z-axis direction is the traveling direction of light.
【0008】一般的には、同図に示すように、λ/4板
53のc軸(光学軸)がx軸に対して45°だけ傾けら
れると共に、偏光子52の偏光方向は上記c軸に対して
45°傾いたx軸上に配される。そして、検光子55の
偏光方向は、同図のように偏光子52の偏光方向と平行
に配される(いわゆる平行偏光子)か、又は検光子55
の偏光方向が偏光子52の偏光方向と直交するように配
される(いわゆる直交偏光子)。Generally, as shown in FIG. 1, the c-axis (optical axis) of the λ / 4 plate 53 is inclined by 45 ° with respect to the x-axis, and the polarization direction of the polarizer 52 is the c-axis. Are arranged on the x-axis inclined at 45 ° with respect to. Then, the polarization direction of the analyzer 55 is arranged in parallel with the polarization direction of the polarizer 52 (so-called parallel polarizer) as shown in FIG.
Are arranged so that the polarization direction of the polarizer 52 is orthogonal to the polarization direction of the polarizer 52 (so-called orthogonal polarizer).
【0009】上記センサ部50で変調された光は、図2
0に示すように、光ファイバを介して受光回路70へ入
力される。受光回路70では、センサ部50の出力光を
フォトダイオード(略称PD)71にて光/電気変換す
る。フォトダイオード71からの出力は、増幅器72で
増幅された後にハイパスフィルタ(略称HPF)73
と、ローパスフィルタ(略称LPF)74とに共通に入
力されている。ハイパスフィルタ73からの出力は、除
算器75において、ローパスフィルタ74からの出力と
除算されて出力される。The light modulated by the sensor unit 50 is shown in FIG.
As shown at 0, the light is input to the light receiving circuit 70 via an optical fiber. In the light receiving circuit 70, the light output from the sensor unit 50 is subjected to light / electric conversion by a photodiode (abbreviated PD) 71. An output from the photodiode 71 is amplified by an amplifier 72 and then a high-pass filter (HPF) 73.
And a low-pass filter (abbreviated LPF) 74. The output from the high-pass filter 73 is divided by the divider 75 with the output from the low-pass filter 74 and output.
【0010】したがって、除算器75の出力は、ハイパ
スフィルタ73で抽出された交流成分ACを、ローパス
フィルタ74で抽出された直流成分DCによって除算し
た値となり、上記発光回路60の発光光量の変化、フォ
トダイオード71の受光感度変化及び光ファイバ等の伝
送路損失の変化などによる光量損失の影響を除去して、
正確な系統電圧の測定を行うことができる。Therefore, the output of the divider 75 is a value obtained by dividing the AC component AC extracted by the high-pass filter 73 by the DC component DC extracted by the low-pass filter 74. Eliminating the effect of light quantity loss due to changes in the light receiving sensitivity of the photodiode 71 and changes in the transmission path loss of optical fibers and the like,
Accurate measurement of system voltage can be performed.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】上述のように構成され
る光電圧センサ1において、λ/4板53およびポッケ
ルス素子54を合わせての入出力の関係は下式1で表す
ことができる。In the optical voltage sensor 1 configured as described above, the input / output relationship of the λ / 4 plate 53 and the Pockels element 54 can be expressed by the following equation (1).
【0012】 I=(Io/2){1±Sin(Γv+δ)} …(1) 但し、Ioは偏光子52をそれぞれ通過した後の光量で
あり、Γvはポッケルス効果によって生じる位相差であ
り、δはλ/4板4を通過するときに分解された光の位
相差の90°からの偏移量である。また、Iは検光子5
5からの出射光量であり、当該検光子55を透過するP
成分であるときには、sin(Γv+δ)の項は+とな
り、反射光であるS成分であるときには、sin(Γv
+δ)の項は−となる(図21の例では検光子55から
は透過光が出力されている)。ここで、前記sin(Γ
v+δ)が小さい(≪1)場合には、前記式1は式2の
ように近似することができる。I = (Io / 2) {1 ± Sin (Γv + δ)} (1) where Io is the amount of light after passing through the polarizer 52, Γv is a phase difference caused by the Pockels effect, δ is the amount of shift from 90 ° of the phase difference of the light decomposed when passing through the λ / 4 plate 4. I is the analyzer 5
5, which is the amount of light emitted from the
When it is a component, the term of sin (Γv + δ) becomes +, and when it is an S component which is reflected light, sin (Γv
The term + δ) becomes-(in the example of FIG. 21, transmitted light is output from the analyzer 55). Here, the sin (Γ
When (v + δ) is small (≪1), Equation 1 can be approximated as Equation 2.
【0013】 I=(Io/2){1±(Γv+δ)} …(2) ところで、前記λ/4板53は温度係数βaを有してお
り、当該光電圧センサ50の使用温度幅(基準温度から
の差)をTaとし、温度によって偏移した後の位相差を
δaとすると、 δa=δo(1+βa・Ta) …(3) となる。ただし、δoは基準温度での位相差である。I = (Io / 2) {1 ± ({v + δ)} (2) By the way, the λ / 4 plate 53 has a temperature coefficient βa, and a working temperature range (reference) of the optical voltage sensor 50. If the difference from the temperature is Ta, and the phase difference after the shift according to the temperature is δa, δa = δo (1 + βa · Ta) (3) Here, δo is the phase difference at the reference temperature.
【0014】たとえば、前記λ/4板54の温度係数β
aが−1.014×10-4(°/℃)であり、使用温度
幅が−20℃〜80℃の100(℃)であり、δo=π
/2=90(°)として、これらの数値を上式(3)に
代入すると、 δa=90{1+(−1.014×10-4)×100}
=89(°) となって、δ=1(°)のずれが生じていることにな
る。For example, the temperature coefficient β of the λ / 4 plate 54
a is −1.014 × 10 −4 (° / ° C.), the operating temperature width is 100 (° C.) from −20 ° C. to 80 ° C., and δo = π
/ 2 = 90 (°) and substituting these values into the above equation (3), δa = 90 {1 + (− 1.014 × 10 −4 ) × 100}
= 89 (°), which means that a shift of δ = 1 (°) has occurred.
【0015】前記λ/4板53における位相差が90°
から偏移すると、λ/4板53からの出射光は楕円偏光
となる。これによって、検光子55からの出力光の光量
変化が、ポッケルス効果、すなわち上式(1)における
Γvによるものか、またはλ/4板53の位相差偏移量
δによるものかが分からず、ポッケルス素子54への印
加電圧を正確に測定することができない。The phase difference in the λ / 4 plate 53 is 90 °
, The light emitted from the λ / 4 plate 53 becomes elliptically polarized light. As a result, it is not known whether the change in the light amount of the output light from the analyzer 55 is due to the Pockels effect, that is, due to Δv in the above equation (1) or due to the phase difference shift amount δ of the λ / 4 plate 53. The voltage applied to the Pockels element 54 cannot be measured accurately.
【0016】本発明は、上記に鑑みてなされたものであ
り、その目的は、光学部品の位置関係を適正化すること
によってセンサの温度特性を改善し、使用温度範囲に亘
って高精度な測定を行うことができる光電圧・電界セン
サを提供することにある。The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to improve the temperature characteristics of a sensor by optimizing the positional relationship between optical components, and to perform high-precision measurement over the operating temperature range. To provide an optical voltage / electric field sensor capable of performing the following.
【0017】[0017]
【課題を解決するための手段】請求項1の発明に係る光
電圧・電界センサは、光の進行方向に沿って偏光子(例
えば、偏光ビームスプリッタ)、波長板(例えば、最適
な光学バイアスとして機能するλ/4板)、電気光学結
晶、及び検光子(例えば、偏光ビームスプリッタ)が順
次配置されたものであって、上記の課題を解決するため
に、以下の手段が講じられていることを特徴としてい
る。According to a first aspect of the present invention, there is provided an optical voltage / electric field sensor which includes a polarizer (for example, a polarization beam splitter), a wave plate (for example, an optimal optical bias) along a traveling direction of light. A functioning λ / 4 plate), an electro-optic crystal, and an analyzer (for example, a polarizing beam splitter) are sequentially arranged, and the following measures are taken to solve the above-mentioned problem. It is characterized by.
【0018】先ず、上記波長板が、基準温度における基
準位相差からの偏移の方向が、使用温度範囲内で常に一
定になるように設定されている。さらに、上記検光子の
位置が次のように調整されている。上記検光子が、電気
光学結晶との間の位置関係によって定まる変調感度が最
大となる基準位置に配された場合であって、 a)波長板の位相差の上記設定方向への偏移により検光
子出力の直流成分が基準位相差のときに比べて減少する
場合には、当該基準位置より、光の進行方向の上流から
下流に向かって左まわりに約30°以内の角度範囲内に
検光子が配置され、 b)波長板の位相差の上記設定方向への偏移により検光
子出力の直流成分が基準位相差のときに比べて増加する
場合には、当該基準位置より、光の進行方向の上流から
下流に向かって右まわりに約30°以内の角度範囲内に
検光子が配置されている。First, the wave plate is set such that the direction of deviation from the reference phase difference at the reference temperature is always constant within the operating temperature range. Further, the position of the analyzer is adjusted as follows. A case where the analyzer is arranged at a reference position where the modulation sensitivity determined by the positional relationship between the analyzer and the electro-optic crystal is maximized. A) The detection is performed by shifting the phase difference of the wave plate in the setting direction. When the DC component of the photon output is smaller than that at the time of the reference phase difference, the analyzer falls within an angle range of about 30 ° counterclockwise from upstream to downstream in the light traveling direction from the reference position. B) when the DC component of the analyzer output increases as compared with the reference phase difference due to the shift of the phase difference of the wave plate in the above-described setting direction, the light traveling direction from the reference position. The analyzer is arranged in a clockwise direction within an angle range of about 30 ° from upstream to downstream.
【0019】尚、上記電気光学結晶としては、Bi4 G
e3 O12やLiNbO3 等の旋光性のない結晶と、Bi
12GeO20やBi12SiO20等の旋光性を有する結晶が
あるが、旋光性のない結晶は勿論のこと、請求項2に記
載のように旋光性を有する結晶も使用することができ
る。The electro-optical crystal is Bi 4 G
a crystal having no optical rotation such as e 3 O 12 or LiNbO 3 ;
There is a crystal having optical rotation such as 12 GeO 20 or Bi 12 SiO 20, but a crystal having optical rotation can be used as well as a crystal having no optical rotation.
【0020】上記波長板の位相差変化の方向を、上記の
ように使用温度範囲内で常に一定にすることは、使用温
度範囲Tbott〜Ttop の最低温度Tbott以下又は最高温
度以上の温度を基準温度としてその温度条件で波長板が
基準位相差を持つように設定することによって実現可能
である。To keep the direction of the phase difference change of the wave plate constant within the operating temperature range as described above, it is necessary to reduce the temperature below the minimum temperature T bott in the operating temperature range T bott to T top or above the maximum temperature. Can be realized by setting the wavelength plate to have a reference phase difference under the temperature condition using the reference temperature as a reference temperature.
【0021】温度変化によって波長板の位相差が偏移し
た場合は、検光子から出力される光の直流成分(光学バ
イアス量)の変化として現れ、また、光学バイアス量の
変化に伴って、交流成分の変化も生じる。この直流成分
及び交流成分の誤差(基準位相差における各成分に対す
る比誤差)と、検光子を配する位置(変調感度が最大と
なる基準位置からの回転角度)との間には、一定の相関
関係がある。When the phase difference of the wave plate shifts due to the temperature change, it appears as a change in the DC component (optical bias amount) of the light output from the analyzer, and ac changes with the change in the optical bias amount. Changes in components also occur. There is a certain correlation between the error of the DC component and the AC component (the ratio error of each component in the reference phase difference) and the position where the analyzer is arranged (the rotation angle from the reference position where the modulation sensitivity is maximum). Have a relationship.
【0022】そして、本願出願人は、波長板の位相差の
偏移方向を上記のように一定にすれば、その偏移方向に
応じて検光子の位置を調整することによって、交流成分
の誤差と直流成分の誤差との差を小さくすることができ
ることを見い出した。尚、センサ出力の信号処理におい
て、上記交流成分を直流成分で除算した値(AC/D
C)が用いられるが、この値の誤差は、交流成分の誤差
と直流成分の誤差との差として近似されるので、位相差
の偏移方向に応じて検光子の位置を調整することによっ
て、結果的に温度特性を改善することが可能となる。The applicant of the present invention adjusts the position of the analyzer according to the shift direction of the wave plate if the shift direction of the phase difference of the wave plate is fixed as described above, thereby obtaining the error of the AC component. And the difference between the DC component error and the DC component error can be reduced. In the signal processing of the sensor output, the value obtained by dividing the AC component by the DC component (AC / D
C) is used, but the error of this value is approximated as the difference between the error of the AC component and the error of the DC component. Therefore, by adjusting the position of the analyzer according to the shift direction of the phase difference, As a result, the temperature characteristics can be improved.
【0023】変調感度を最大にすることができる検光子
の基準位置は、複数存在する。すなわち、ある位置に検
光子を置いて変調感度が最大となれば、その位置から±
90°×n(nは整数)の角度だけ光の進行方向を中心
として検光子を回転させた位置でも、やはり変調感度は
最大となる。There are a plurality of analyzer reference positions at which the modulation sensitivity can be maximized. That is, if the modulation sensitivity is maximized by placing the analyzer at a certain position, ±
Even at a position where the analyzer is rotated by 90 ° × n (n is an integer) around the light traveling direction, the modulation sensitivity also becomes maximum.
【0024】検光子をある基準位置において波長板の位
相差を一定方向に変化(増加又は減少)させた場合、直
流成分の比誤差には+又は−のオフセットが生じる。上
記のa)のように、波長板の位相差の上記設定方向への
偏移により検光子出力の直流成分が基準位相差のときに
比べて減少する場合(すなわち、直流成分の比誤差が−
の場合)には、基準位置より、光の進行方向の上流から
下流に向かって左まわり方向に検光子を回転させると、
AC/DCの比誤差が小さくなる。一方、上記のb)の
ように、波長板の位相差が上記の設定方向に偏移したと
きの検光子出力の直流成分が基準位相差のときに比べて
増加する場合(すなわち、直流成分の比誤差が+の場
合)には、基準位置より、光の進行方向の上流から下流
に向かって右まわり方向に検光子を回転させると、AC
/DCの比誤差が小さくなる。尚、感度最大の位置から
余り大きくずれてしまうと必要な感度が得られなくなっ
てしまうこと等を考えると、感度最大の位置より約30
°以内の範囲で回転させることが好ましい。When the phase difference of the wave plate is changed (increased or decreased) in a certain direction at a certain reference position of the analyzer, a positive or negative offset occurs in the ratio error of the DC component. As in a) above, when the DC component of the analyzer output is reduced as compared with the reference phase difference due to the shift of the phase difference of the wave plate in the set direction (that is, the ratio error of the DC component is −
), When the analyzer is rotated counterclockwise from the upstream to the downstream in the light traveling direction from the reference position,
The AC / DC ratio error is reduced. On the other hand, as in b) above, when the DC component of the analyzer output when the phase difference of the wave plate is shifted in the above-described setting direction increases as compared with the reference phase difference (that is, the DC component of the When the ratio error is +), when the analyzer is rotated clockwise from the reference position toward the downstream from the upstream in the traveling direction of the light, AC
/ DC ratio error is reduced. Considering that the required sensitivity cannot be obtained if the position deviates too much from the position of the maximum sensitivity, it is necessary to consider that the position is approximately 30
It is preferable that the rotation be made within the range of °.
【0025】上記のように、光学部品の位置関係を適正
化することによってセンサの温度特性を改善することが
できるので、新たな部品を増やすことなく、使用温度範
囲に亘って高精度な測定を行うことができる。As described above, since the temperature characteristics of the sensor can be improved by optimizing the positional relationship between the optical components, highly accurate measurement can be performed over the operating temperature range without increasing new components. It can be carried out.
【0026】請求項2の発明に係る光電圧・電界センサ
は、請求項1の発明の構成において、上記電気光学結晶
が旋光性を有しており、上記検光子の基準位置は、当該
検光子の偏光方向が、上記電気光学結晶における光の進
行方向と直交する結晶軸に対して、当該結晶の旋光性に
よって偏光面が回転する方向と同一方向に旋光角の略半
分の角度だけ傾けられた位置であることを特徴としてい
る。According to a second aspect of the present invention, there is provided an optical voltage / electric field sensor according to the first aspect of the present invention, wherein the electro-optic crystal has an optical rotation, and the reference position of the analyzer is the same as that of the analyzer. The polarization direction of the electro-optic crystal was tilted with respect to a crystal axis orthogonal to the light traveling direction in the same direction as the direction in which the polarization plane rotates due to the optical rotation of the crystal by an angle of approximately half the optical rotation angle. It is characterized by the position.
【0027】旋光性を有する電気光学結晶を使用する場
合、旋光性のない結晶とは上記の基準位置(感度最大の
位置)が異なる。この基準位置を考える場合、電気光学
結晶の光の出射面における偏光の固有軸(すなわち、屈
折率楕円体の主軸)がどの角度に存在するのかを考える
必要がある。When an electro-optic crystal having optical rotation is used, the above-described reference position (the position where sensitivity is maximum) is different from a crystal having no optical rotation. When considering this reference position, it is necessary to consider at what angle the characteristic axis of the polarized light (that is, the main axis of the refractive index ellipsoid) at the light emission surface of the electro-optic crystal exists.
【0028】電気光学結晶中を光が通過する際には直交
する2方向に振動する直線偏光に分解されるが、この光
の分解方向と一致するのが上記の偏光の固有軸であり、
この軸は屈折率楕円体における光の進行方向と直交する
2つの主軸に相当する。旋光性を有する電気光学結晶で
は、旋光性のない電気光学結晶と比較して、旋光性によ
って偏光面が回転する方向と同一方向に旋光角の略半分
の角度だけ、光の出射面における偏光の固有軸が回転し
ていると考えられる(詳細は実施の形態の欄で説明)。When light passes through the electro-optic crystal, the light is decomposed into linearly polarized light that oscillates in two orthogonal directions. The characteristic axis of the above-mentioned polarized light coincides with the decomposition direction of the light.
This axis corresponds to two main axes orthogonal to the traveling direction of light in the index ellipsoid. In an electro-optic crystal having optical rotation, compared to an electro-optic crystal having no optical rotation, the polarization of the polarization at the light exit surface is substantially the same as the direction in which the polarization plane rotates due to the optical rotation, and is approximately half the angle of the optical rotation. It is considered that the unique axis is rotating (details are described in the section of the embodiment).
【0029】ここで、電気光学結晶の光の出射面におけ
る偏光の固有軸と平行になるように検光子(その偏光方
向)を配置すれば、感度は最低(殆ど0)となるが、こ
の偏光の固有軸より45°±90°×n(nは整数)の
角度だけ光の進行方向を中心として回転させた位置に検
光子を配置すれば、変調感度は最大となる。Here, if the analyzer (polarization direction) is arranged so as to be parallel to the intrinsic axis of the polarized light on the light exit surface of the electro-optic crystal, the sensitivity becomes minimum (almost 0). If the analyzer is arranged at a position rotated about the light traveling direction by an angle of 45 ° ± 90 ° × n (n is an integer) from the eigen axis of, the modulation sensitivity becomes maximum.
【0030】したがって、電気光学結晶の各結晶軸をx
軸、y軸、z軸(各軸は互いに直交)とし、z軸方向に
光を入射する場合を考えると、旋光性のない電気光学結
晶を使用した場合、検光子の偏光方向を電気光学結晶の
結晶軸(x軸又はy軸)と一致させたときに変調感度が
最大となることから、旋光性を有する電気光学結晶を使
用した場合、上記のように検光子の偏光方向を、上記電
気光学結晶における光の進行方向と直交する結晶軸(x
軸又はy軸)に対して、当該結晶の旋光性によって偏光
面が回転する方向と同一方向に旋光角の略半分の角度だ
け傾ければ、変調感度は最大となる。Therefore, each crystal axis of the electro-optic crystal is defined as x
Considering the case where light is incident in the z-axis direction when the axis, the y-axis, and the z-axis (each axis is orthogonal to each other), when the electro-optic crystal having no optical rotation is used, the polarization direction of the analyzer is changed to the electro-optic crystal. When the electro-optic crystal having optical rotation is used, the polarization direction of the analyzer is changed as described above because the modulation sensitivity is maximized when the crystal axis (x-axis or y-axis) is matched with the crystal axis of A crystal axis (x) orthogonal to the light traveling direction in the optical crystal
(Or the y-axis), the modulation sensitivity is maximized if the crystal is tilted by the optical rotation of the crystal in the same direction as the direction of rotation of the polarization plane by approximately half the angle of rotation.
【0031】上記のように検光子の基準位置を定め、請
求項1のように位相差の偏移方向に応じて検光子の位置
を調整することによって、旋光性を有する電気光学結晶
を使用する場合にもセンサの温度特性を改善することが
できる。An electro-optic crystal having optical rotation is used by determining the reference position of the analyzer as described above and adjusting the position of the analyzer according to the shift direction of the phase difference. In this case, the temperature characteristics of the sensor can be improved.
【0032】[0032]
〔実施の形態1〕本発明の実施の一形態について図1な
いし図8に基づいて説明すれば、以下の通りである。[Embodiment 1] An embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS.
【0033】本実施の形態では、電気光学効果素子とし
てポッケルス素子を用いた光電圧センサを例に挙げて説
明する。In the present embodiment, an optical voltage sensor using a Pockels element as an electro-optical effect element will be described as an example.
【0034】図2に示すように、光電圧センサ10は、
光学部品から成るセンサ部11と、発光回路12と、信
号処理回路である受光回路13とを備えている。上記セ
ンサ部11は、ケーシング7内に、光の入射側から順に
配されたコリメータ1、偏光子2、λ/4板3(波長
板)、ポッケルス素子4、検光子5、及びコリメータ6
を備えている。尚、偏光子2及び検光子5は偏光ビーム
スプリッタにて構成することができ、その透過光又は反
射光の何れを利用してもよく、反射光を利用する場合、
コリメータ1及びコリメータ6はケーシング7の上部又
は下部に設けられる。As shown in FIG. 2, the optical voltage sensor 10
A sensor unit 11 including optical components, a light emitting circuit 12, and a light receiving circuit 13 as a signal processing circuit are provided. The sensor unit 11 includes a collimator 1, a polarizer 2, a λ / 4 plate 3 (wave plate), a Pockels element 4, an analyzer 5, and a collimator 6, which are arranged in the casing 7 in order from the light incident side.
It has. Incidentally, the polarizer 2 and the analyzer 5 can be constituted by a polarizing beam splitter, and any of the transmitted light or the reflected light may be used. When the reflected light is used,
The collimator 1 and the collimator 6 are provided on the upper or lower part of the casing 7.
【0035】上記コリメータ1には発光回路12からの
光をケーシング7内へ導く光ファイバ8aが接続されて
いる。上記光ファイバ8aに導かれた入射光は、コリメ
ータ1を通過することによって平行光となる。この平行
光の偏光方向はランダムであるが、偏光子2によって直
線偏光となる。この直線偏光がλ/4板3の光学軸(c
軸)に対して45°の角度で入射することによって、λ
/4板3を通過した光は円偏光となる。そして、この円
偏光はポッケルス素子4へ入射する。An optical fiber 8a for guiding light from the light emitting circuit 12 into the casing 7 is connected to the collimator 1. The incident light guided to the optical fiber 8a becomes parallel light by passing through the collimator 1. Although the direction of polarization of the parallel light is random, it becomes linearly polarized light by the polarizer 2. This linearly polarized light is the optical axis of the λ / 4 plate 3 (c
Incident at an angle of 45 ° to the
The light passing through the / 4 plate 3 becomes circularly polarized light. Then, this circularly polarized light enters the Pockels element 4.
【0036】上記ポッケルス素子4は、電気光学結晶の
光の入射面と出射面とに、光の透過を妨げないような一
対の透明電極(図示せず)を付けたものである。このポ
ッケルス素子4の一対の透明電極は、リード線9・9を
介してケーシング7の外壁面に設けられた一対の電極9
a・9aに接続されており、当該電極9a・9aに検出
対象の電圧を印加することによって、ポッケルス素子4
には光の進行方向に電界がかけられる。そして、ポッケ
ルス素子4は、印加された電圧に応じて位相変調を行い
(結晶内を伝搬する振動面が互いに直交する直線偏光に
印加電圧に応じた位相差を生じさせ)、円偏光を楕円偏
光にする。The Pockels element 4 has a pair of transparent electrodes (not shown) that do not hinder the transmission of light on the light incident surface and the light exit surface of the electro-optic crystal. A pair of transparent electrodes of the Pockels element 4 are connected to a pair of electrodes 9 provided on an outer wall surface of the casing 7 through lead wires 9.
a. 9a, and by applying a voltage to be detected to the electrodes 9a.
An electric field is applied in the light traveling direction. Then, the Pockels element 4 performs phase modulation according to the applied voltage (causing a phase difference according to the applied voltage to linearly polarized light whose vibration planes propagating in the crystal are orthogonal to each other), and converts the circularly polarized light to elliptically polarized light. To
【0037】上記ポッケルス素子4で位相変調され、印
加電圧に応じた楕円率(長軸と短軸との比率)の楕円偏
光は、検光子5に入射する。この検光子5は、所定の偏
光方向の成分のみを抽出し、楕円偏光の楕円率に応じた
(すなわちポッケルス素子4への印加電圧に応じた)光
強度の直線偏光を出力する。そして、検光子5の出力光
は、コリメータ6及び光ファイバ8bを介して受光回路
13へ入力される。The elliptically polarized light having an ellipticity (ratio between the major axis and the minor axis) corresponding to the applied voltage and phase-modulated by the Pockels element 4 enters the analyzer 5. The analyzer 5 extracts only a component in a predetermined polarization direction and outputs linearly polarized light having a light intensity according to the ellipticity of the elliptically polarized light (that is, according to the voltage applied to the Pockels element 4). Then, the output light of the analyzer 5 is input to the light receiving circuit 13 via the collimator 6 and the optical fiber 8b.
【0038】上記受光回路13では、センサ部11の出
力光をフォトダイオード14にて光/電気変換する。フ
ォトダイオード14からの出力は、増幅器15で増幅さ
れた後にハイパスフィルタ16と、ローパスフィルタ1
7とに共通に入力されている。ハイパスフィルタ16か
らの出力は、除算器18において、ローパスフィルタ1
7からの出力と除算されて出力される。したがって、除
算器18の出力は、ハイパスフィルタ16で抽出された
交流成分ACを、ローパスフィルタ17で抽出された直
流成分DCによって除算した値(AC/DC)となる。
このAC/DC方式では、発光回路12の発光光量の変
化、フォトダイオード14の受光感度変化及び光ファイ
バ8a・8b等の伝送路損失の変化などによる光量損失
の影響を除去することができる。In the light receiving circuit 13, the output light of the sensor section 11 is subjected to light / electric conversion by the photodiode 14. The output from the photodiode 14 is amplified by an amplifier 15 and then output to a high-pass filter 16 and a low-pass filter 1.
7 are commonly input. The output from the high-pass filter 16 is supplied to a divider 18 by a low-pass filter 1.
7 and output. Therefore, the output of the divider 18 is a value (AC / DC) obtained by dividing the AC component AC extracted by the high-pass filter 16 by the DC component DC extracted by the low-pass filter 17.
In the AC / DC method, it is possible to eliminate the influence of light amount loss due to a change in the amount of light emitted from the light emitting circuit 12, a change in light receiving sensitivity of the photodiode 14, and a change in transmission line loss of the optical fibers 8a and 8b.
【0039】上記の構成のセンサ部11においては、後
述のように、ポッケルス素子4と検光子5との位置関係
によって光電圧センサ10の変調感度が変化し、これら
がある一定の位置関係を持つときに変調感度が最大とな
る。In the sensor section 11 having the above-described configuration, the modulation sensitivity of the optical voltage sensor 10 changes depending on the positional relationship between the Pockels element 4 and the analyzer 5 as described later, and these have a certain fixed positional relationship. Sometimes the modulation sensitivity is at a maximum.
【0040】尚、ポッケルス素子4として用いられる電
気光学結晶には、旋光性を有さない結晶(Bi4 Ge3
O12、LiNbO3 等)と、自然旋光性を有する結晶
(Bi12GeO20やBi12SiO20等)とが有り、変調
感度が最大となるポッケルス素子4と検光子5との位置
関係は、ポッケルス素子4の旋光性の有無によって異な
る。The electro-optic crystal used as the Pockels device 4 includes a crystal having no optical rotation (Bi 4 Ge 3
O 12, and LiNbO 3, etc.), there is a crystal having a spontaneous optical rotation (Bi 12 GeO 20 or Bi 12 SiO 20, etc.), the positional relationship between the Pockels element 4 modulation sensitivity is maximized and the analyzer 5, It depends on the presence or absence of the optical rotation of the Pockels element 4.
【0041】但し、ポッケルス素子4が旋光性を持つ場
合もそうでない場合も、変調感度が最大となる位置か
ら、検光子5を光の進行方向を中心として以下に説明す
る所定方向に所定の角度だけ回転させると、光電圧セン
サ10の温度特性を改善することができる。However, regardless of whether the Pockels element 4 has optical rotation or not, the analyzer 5 is moved from the position where the modulation sensitivity is maximized to a predetermined direction centered on the traveling direction of the light by a predetermined angle. By rotating the optical voltage sensor 10 only by this amount, the temperature characteristics of the optical voltage sensor 10 can be improved.
【0042】ここでは、先ず、旋光性を持たないポッケ
ルス素子4について説明する。Here, the Pockels device 4 having no optical rotation will be described first.
【0043】例えば、Bi4 Ge3 O12結晶は、結晶点
群Td (国際記号バー43m)の結晶であり、光学的に
等方性の等軸晶系に属する。また、LiNbO3 結晶
は、結晶点群C3v(国際記号3m)の三方晶系に属し、
1軸性結晶である。ポッケルス素子4をなすこれらの電
気光学結晶は、結晶表面とその結晶軸とが平行になるよ
うに軸出しされている。For example, a Bi 4 Ge 3 O 12 crystal is a crystal of the crystal point group T d (43 m of international symbol) and belongs to an optically isotropic equiaxed crystal system. The LiNbO 3 crystal belongs to the trigonal system of the crystal point group C 3v (international symbol 3 m),
It is a uniaxial crystal. These electro-optical crystals forming the Pockels element 4 are centered so that the crystal surface and the crystal axis are parallel.
【0044】ここで、x軸、y軸、z軸からなる直交座
標系において、ポッケルス素子4の結晶軸をそれぞれ直
交座標系のx軸、y軸、z軸の方向と一致させて考え
る。例えば、Bi4 Ge3 O12結晶の各結晶軸<100
>、<010>、<001>をそれぞれ直交座標系のx
軸、y軸、z軸と一致させる。Here, in a rectangular coordinate system composed of an x-axis, a y-axis, and a z-axis, it is assumed that the crystal axes of the Pockels element 4 match the directions of the x-axis, the y-axis, and the z-axis of the rectangular coordinate system, respectively. For example, each crystal axis of Bi 4 Ge 3 O 12 crystal <100
>, <010>, and <001> are each represented by x in the rectangular coordinate system.
Align with the axis, y-axis, and z-axis.
【0045】そして、上記電気光学結晶の表面には、z
軸と平行な方向からの光が垂直に入射すると共に、当該
結晶には光の進行方向に測定対象の印加電圧に応じた電
界E(0,0,Ez )がかけられる。The surface of the electro-optic crystal has z
Light from a direction parallel to the axis is perpendicularly incident, and an electric field E (0, 0, E z ) is applied to the crystal in the traveling direction of the light according to the applied voltage of the object to be measured.
【0046】上記λ/4板3は、そのc軸(光学軸)及
びa軸が当該波長板結晶表面に平行であり、c軸が上記
x軸に対して45°傾けられて配されている。また、偏
光子2は、その偏光方向が上記x軸方向と平行になるよ
うに配されており、これによって偏光子2を通過した直
線偏光がλ/4板3の光学軸(c軸)に対して45°の
角度で入射する。The λ / 4 plate 3 is arranged such that its c-axis (optical axis) and a-axis are parallel to the surface of the wave plate crystal, and the c-axis is inclined by 45 ° with respect to the x-axis. . The polarizer 2 is arranged so that its polarization direction is parallel to the x-axis direction, whereby the linearly polarized light that has passed through the polarizer 2 is aligned with the optical axis (c-axis) of the λ / 4 plate 3. Incident at an angle of 45 °.
【0047】また、検光子5の偏光方向は、図3に示す
ように上記x軸と平行(偏光子2の偏光方向もx軸と平
行の場合、いわゆる平行偏光子)か、又は図示しないが
上記y軸と平行(偏光子2の偏光方向がx軸と平行の場
合、いわゆる直交偏光子)にすることによって、変調感
度が最大となる。即ち、旋光性を持たないポッケルス素
子4を使用する場合、ポッケルス素子4の結晶軸と検光
子5の偏光方向を一致させるような位置関係とすること
によって、変調感度が最大となるのである。The polarization direction of the analyzer 5 is parallel to the x-axis as shown in FIG. 3 (when the polarization direction of the polarizer 2 is also parallel to the x-axis, a so-called parallel polarizer) or not shown. By setting the polarization direction parallel to the y-axis (a so-called orthogonal polarizer when the polarization direction of the polarizer 2 is parallel to the x-axis), the modulation sensitivity is maximized. That is, when the Pockels element 4 having no optical rotation is used, the modulation sensitivity is maximized by setting the positional relationship such that the crystal axis of the Pockels element 4 and the polarization direction of the analyzer 5 match.
【0048】そして、図1に示すように、温度変化によ
ってλ/4板3における基準温度での位相差90°が減
少する場合(例えば90°→89°)には、検光子5
を、上記の変調感度が最大となる位置から、後述する所
定方向に角度αだけ回転させることによって、光電圧セ
ンサ10の温度特性を改善することができる。また、温
度変化によってλ/4板3における基準温度での位相差
90°が増加する場合(例えば90°→91°)には、
検光子5を、上記の変調感度が最大となる位置から、上
記とは逆方向に角度αだけ回転させることによって、光
電圧センサ10の温度特性を改善することができる。上
記の角度αとしては、後述のように約30°以内の範囲
が好ましく、より好ましいのは約20°±10°の範囲
であり、最も好ましいのは約10°〜約20°の範囲で
ある。As shown in FIG. 1, when the phase difference 90 ° at the reference temperature in the λ / 4 plate 3 decreases (eg, 90 ° → 89 °) due to a temperature change, the analyzer 5
Is rotated by an angle α in a predetermined direction, which will be described later, from a position where the above-described modulation sensitivity is maximum, whereby the temperature characteristics of the optical voltage sensor 10 can be improved. Further, when the phase difference 90 ° at the reference temperature in the λ / 4 plate 3 increases due to the temperature change (for example, 90 ° → 91 °),
The temperature characteristic of the optical voltage sensor 10 can be improved by rotating the analyzer 5 from the position where the modulation sensitivity becomes the maximum by the angle α in the opposite direction to the above. The angle α is preferably in a range of about 30 ° or less as described later, more preferably in a range of about 20 ° ± 10 °, and most preferably in a range of about 10 ° to about 20 °. .
【0049】尚、ここでは、回転方向を示す場合、光の
進行方向の上流側から下流に向かって見た場合の方向を
示すものとする。また、右方向(時計まわり)の回転を
正(+)、左方向(反時計まわり)の回転を負(−)と
して記載する。Here, when the direction of rotation is indicated, it indicates the direction when viewed from upstream to downstream in the light traveling direction. Further, rightward (clockwise) rotation is described as positive (+), and leftward (counterclockwise) rotation is described as negative (−).
【0050】上記のように検光子5の位置を調整するこ
とによって温度特性が改善される理由を、以下に説明す
る。The reason why the temperature characteristics are improved by adjusting the position of the analyzer 5 as described above will be described below.
【0051】図3に示すような平行偏光子の構成のセン
サ部11において、温度変化によってλ/4板3の基準
温度における位相差90°に±Δの変化が生じた場合を
想定し、センサ部11の出射光のAC成分とDC成分が
どの様になるかを考える。前述のように、偏光子2を通
過した入射光I0 は、λ/4板3を通過する際にc軸方
向に振動するIc 成分とa軸方向に振動するIa 成分と
に分離し、当該λ/4板3を出る時には90°の位相差
が与えられ、その出射光は円偏光となるはずである(図
4のa1参照)。In the sensor section 11 having the configuration of the parallel polarizer as shown in FIG. 3, it is assumed that a change of ± Δ occurs in the phase difference 90 ° at the reference temperature of the λ / 4 plate 3 due to the temperature change. Consider what the AC component and the DC component of the light emitted from the unit 11 will be like. As described above, the incident light I 0 that has passed through the polarizer 2 is separated into an I c component that vibrates in the c- axis direction and an I a component that vibrates in the a-axis direction when passing through the λ / 4 plate 3. When the light exits the λ / 4 plate 3, a phase difference of 90 ° is given, and the emitted light should be circularly polarized light (see a1 in FIG. 4).
【0052】しかし、温度変化によってλ/4板3の基
準温度における位相差が90°から±Δだけ偏移する
と、図4において参照符号a2、a3で示すように、該
λ/4板3からの出射光は、x軸上に長軸又は短軸を有
する楕円偏光となる。この状態でポッケルス素子4に電
圧が印加されると、検光子5をx軸上(又はy軸上)に
置いた位置で検光子5の出射光の振幅が最大となる振幅
変調となる。However, when the phase difference at the reference temperature of the λ / 4 plate 3 shifts from 90 ° by ± Δ due to the temperature change, as shown by reference numerals a2 and a3 in FIG. Is elliptically polarized light having a major axis or a minor axis on the x-axis. When a voltage is applied to the Pockels element 4 in this state, amplitude modulation is performed so that the amplitude of light emitted from the analyzer 5 becomes maximum at a position where the analyzer 5 is placed on the x-axis (or on the y-axis).
【0053】上記において、λ/4板3の基準温度にお
ける位相差90°からの偏移量Δを1°とし、また検光
子5の偏光方向と上記x軸とのなす角度を様々に変化
(+30°、+20°、+15°、0°、−15°、−
20°、−30°)させて、センサ部11の出射光のA
C成分とDC成分がどの様になるかを計算した。尚、感
度最大の位置から検光子5を±45°だけ回転させる
と、後述のように感度が略0となるので、ここでは、検
光子5の回転角度を−45°〜+45°の範囲で考え
る。In the above description, the deviation Δ from the phase difference of 90 ° at the reference temperature of the λ / 4 plate 3 is set to 1 °, and the angle between the polarization direction of the analyzer 5 and the x-axis is variously changed ( + 30 °, + 20 °, + 15 °, 0 °, -15 °,-
20 °, -30 °), and A
We calculated what the C and DC components would look like. When the analyzer 5 is rotated by ± 45 ° from the position where the sensitivity is maximum, the sensitivity becomes substantially 0 as described later. Therefore, here, the rotation angle of the analyzer 5 is set in a range of −45 ° to + 45 °. Think.
【0054】上記の計算結果を表1に示す。尚、同表中
の値は、変調度m=2(%)一定としたときの計算結果
である。また、検光子5の位置が0°であり、且つ、λ
/4板3の位相差とポッケルス素子4のポッケルス効果
による位相差とを合わせて考えた位相差が90°のとき
の検光子5の出射光量を1とした。また、AC成分と
は、出射光量の振幅の最大値と最小値との差であり、D
C成分とは、上記振幅の最大値と最小値とを加算して2
で割った値である。また、比誤差εは、基準温度におけ
る位相差90°のときのAC成分、DC成分、AC/D
Cを基準値aとし、位相差が変化したときのそれらの値
をbとすると、 ε={(a−b)/a}×100 …(4) で与えられる。Table 1 shows the above calculation results. Note that the values in the table are calculation results when the modulation factor m = 2 (%) is fixed. The position of the analyzer 5 is 0 ° and λ
When the phase difference obtained by combining the phase difference of the た plate 3 and the phase difference due to the Pockels effect of the Pockels element 4 is 90 °, the amount of light emitted from the analyzer 5 is set to 1. The AC component is the difference between the maximum value and the minimum value of the amplitude of the emitted light amount,
The C component is obtained by adding the maximum value and the minimum value of the amplitude to 2
Divided by. The ratio error ε is the AC component, the DC component, and the AC / D when the phase difference at the reference temperature is 90 °.
Assuming that C is a reference value a and those values when the phase difference changes are b, ε = {(ab) / a} × 100 (4)
【0055】[0055]
【表1】 [Table 1]
【0056】ところで、温度変化は、ポッケルス素子4
への印加電圧の変化に比べて極めて遅く、λ/4板3の
位相差変化は、基本的にはDC成分の変化として現れ
る。しかし、λ/4板3の位相差(光学バイアス量)の
変化に伴って、上表1に示されるようにAC成分の変化
も生じる。そして、このAC成分の変化量(すなわち比
誤差)は、検光子5の位置(角度)によっても変化す
る。Incidentally, the temperature change is caused by the Pockels element 4
The change in the phase difference of the λ / 4 plate 3 is extremely slow as compared with the change in the voltage applied to the λ / 4 plate, and basically appears as a change in the DC component. However, as the phase difference (optical bias amount) of the λ / 4 plate 3 changes, the AC component also changes as shown in Table 1 above. Then, the amount of change of the AC component (that is, the ratio error) also changes depending on the position (angle) of the analyzer 5.
【0057】一例として、λ/4板3の位相差が90°
から91°に変化した場合を見てみると、上表1に示す
ように、検光子5が0°の位置ではAC成分の比誤差は
約+0.9%であるが、検光子5の位置を−15°にす
ると、同じ1°の位相差変化でもAC成分の比誤差は約
−0.3%と非常に小さくなっている。As an example, the phase difference of the λ / 4 plate 3 is 90 °
Looking at the case where the angle of the analyzer 5 changes from 91 ° to 90 °, as shown in Table 1 above, when the analyzer 5 is at a position of 0 °, the ratio error of the AC component is about + 0.9%. Is set to −15 °, the ratio error of the AC component is very small at about −0.3% even with the same phase difference change of 1 °.
【0058】上表1の結果に基づいて、温度変化によっ
てλ/4板3の基準温度における位相差が90°から8
9°に変化したときの、検光子5の角度と比誤差との関
係をグラフ化したのが図5である。また、上記の位相差
が90°から91°に変化した場合については図6に示
している。Based on the results in Table 1 above, the phase difference at the reference temperature of the λ / 4 plate 3 is changed from 90 ° to 8
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the angle of the analyzer 5 and the ratio error when the angle is changed to 9 °. FIG. 6 shows a case where the phase difference changes from 90 ° to 91 °.
【0059】図5及び図6から明らかなように、AC成
分の比誤差は、λ/4板3の位相差変化の方向に関わら
ず右上がりの傾きを持つ。また、図5に示すように、λ
/4板3の位相差がマイナス方向に変化(90°→89
°)する場合のAC成分の比誤差は、検光子5が0°の
位置(変調感度最大の位置)でマイナスの値を示し、そ
こから検光子5をプラス方向に所定角度(ここでは約+
15°)だけ回転させればAC成分の比誤差を略ゼロに
することができる。As is apparent from FIGS. 5 and 6, the ratio error of the AC component has a slope rising to the right irrespective of the direction in which the phase difference of the λ / 4 plate 3 changes. Further, as shown in FIG.
The phase difference of the / 4 plate 3 changes in the minus direction (90 ° → 89
In the case of (°), the ratio error of the AC component shows a negative value at the position where the analyzer 5 is at 0 ° (the position where the modulation sensitivity is maximum), and then the analyzer 5 is moved at a predetermined angle (here, about +
By rotating by 15 °), the ratio error of the AC component can be made substantially zero.
【0060】一方、図6に示すように、λ/4板3の位
相差がプラス方向に変化(90°→91°)する場合の
AC成分の比誤差は、検光子5が0°の位置(変調感度
最大の位置)でプラスの値を示し、そこから検光子5を
マイナス方向に所定角度(ここでは−10°〜−15
°)だけ回転させればAC成分の比誤差を略ゼロにする
ことができる。On the other hand, as shown in FIG. 6, when the phase difference of the λ / 4 plate 3 changes in the plus direction (90 ° → 91 °), the ratio error of the AC component is the position where the analyzer 5 is at the 0 ° position. (Position of maximum modulation sensitivity) indicates a positive value, from which the analyzer 5 is moved in a negative direction by a predetermined angle (here, -10 ° to -15 °).
(°), the AC component ratio error can be made substantially zero.
【0061】したがって、センサ部11の出射光のAC
成分から印加電圧の測定値を得る方式の場合、上記のよ
うにλ/4板3の特性(位相差がプラス又はマイナスの
何れの方向に変化するのかという特性)に応じて、検光
子5を変調感度最大の位置から所定方向に回転させる
と、λ/4板3の位相差変化の影響を抑制し、センサの
温度特性を改善することができる。Therefore, the AC of the light emitted from the sensor 11
In the case of the method of obtaining the measured value of the applied voltage from the components, the analyzer 5 is set in accordance with the characteristics of the λ / 4 plate 3 (characteristics in which the phase difference changes in the plus or minus direction) as described above. By rotating the λ / 4 plate 3 in a predetermined direction from the position where the modulation sensitivity is maximum, the influence of the change in the phase difference of the λ / 4 plate 3 can be suppressed, and the temperature characteristics of the sensor can be improved.
【0062】また、伝送路上での光量損失の変動を抑制
できるAC/DC方式(図2参照)の場合は、さらに、
DC成分の比誤差を考慮する必要がある。Further, in the case of the AC / DC system (see FIG. 2) which can suppress the fluctuation of the light quantity loss on the transmission path,
It is necessary to consider the ratio error of the DC component.
【0063】先ず、AC/DCの比誤差について考える
と、比誤差εは上式(4)で与えられ、センサ出力がA
C/DCで処理される場合には、AC成分の変動をΔ
a、DC成分の変動をΔdとすると、 ε=[{(AC+Δa)/(DC+Δd)}−(AC/DC)]/(AC/D C) ={(Δa/AC)−(Δd/DC)}/{1+(Δd/DC)} …(5) となる。1+(Δd/DC)≒1とすると、 ε≒(Δa/AC)−(Δd/DC) …(6) となる。すなわち、AC成分の比誤差−DC成分の比誤
差≒AC/DCの比誤差となる。したがって、AC/D
C方式の場合、AC成分の比誤差とDC成分の比誤差と
を略同じにすれば、両方の誤差が相殺されてλ/4板3
の位相差変化の影響を抑制することができる。この観点
から図5及び図6を見てみる。First, considering the AC / DC ratio error, the ratio error ε is given by the above equation (4), and the sensor output is A
When processed by C / DC, the variation of the AC component is Δ
a, if the variation of the DC component is Δd, ε = [{(AC + Δa) / (DC + Δd)} − (AC / DC)] / (AC / DC) = {(Δa / AC) − (Δd / DC) {/ {1+ (Δd / DC)}} (5) If 1+ (Δd / DC) ≒ 1, then ε (Δa / AC) − (Δd / DC) (6) That is, ratio error of AC component−ratio error of DC componentDCratio error of AC / DC. Therefore, AC / D
In the case of the C system, if the ratio error of the AC component and the ratio error of the DC component are made substantially the same, both errors are canceled and the λ / 4 plate 3
Can be suppressed. 5 and 6 from this viewpoint.
【0064】図5及び図6から明らかなように、DC成
分の比誤差に関しては、λ/4板3の位相差がマイナス
方向に変化(90°→89°へ減少)する場合はプラス
のオフセット、その位相差がプラス方向に変化(90°
→91°へ増加)する場合はマイナスのオフセットが発
生する。また、AC成分の比誤差に関しては上述の通り
であり、したがって、図5に示すように、λ/4板3の
位相差がマイナス方向に変化(90°→89°)する場
合、検光子5を0°の位置(変調感度最大の位置)から
プラス方向に回転させれば、AC成分の比誤差とDC成
分の比誤差との差が小さくなり、AC/DCの比誤差を
小さくすることができる。As is clear from FIGS. 5 and 6, with respect to the ratio error of the DC component, when the phase difference of the λ / 4 plate 3 changes in the minus direction (decreases from 90 ° to 89 °), a positive offset occurs. The phase difference changes in the positive direction (90 °
When it increases to → 91 °), a negative offset occurs. The ratio error of the AC component is as described above. Therefore, as shown in FIG. 5, when the phase difference of the λ / 4 plate 3 changes in the negative direction (90 ° → 89 °), the analyzer 5 Is rotated in the plus direction from the position of 0 ° (the position of the maximum modulation sensitivity), the difference between the ratio error of the AC component and the ratio error of the DC component decreases, and the ratio error of AC / DC can be reduced. it can.
【0065】一方、図6に示すように、λ/4板3の位
相差がプラス方向に変化(90°→91°)する場合、
検光子5を0°の位置(変調感度最大の位置)からマイ
ナス方向に回転させれば、AC成分の比誤差とDC成分
の比誤差との差が小さくなり、AC/DCの比誤差を小
さくすることができる。On the other hand, as shown in FIG. 6, when the phase difference of the λ / 4 plate 3 changes in the plus direction (90 ° → 91 °),
If the analyzer 5 is rotated in the minus direction from the position of 0 ° (the position of the maximum modulation sensitivity), the difference between the ratio error of the AC component and the ratio error of the DC component is reduced, and the ratio error of the AC / DC is reduced. can do.
【0066】尚、上記とは逆方向に検光子5を回転させ
ると、AC成分の比誤差とDC成分の比誤差との差が大
きくなり、温度特性が悪くなってしまうので、検光子5
の回転方向の設定は非常に重要である。When the analyzer 5 is rotated in a direction opposite to the above, the difference between the ratio error of the AC component and the ratio error of the DC component increases, and the temperature characteristics deteriorate.
The setting of the direction of rotation is very important.
【0067】検光子5の回転の角度については、温度変
化による誤差を抑えることと、感度最大の位置から余り
大きくずれてしまうと必要な感度が得られなくなってし
まうことを考えると、感度最大の位置より約30°以内
の範囲で回転させることが好ましい。また、感度最大の
位置(0°)と感度最小の位置(+45°又は−45
°)との略中間の位置(約20°)において温度特性の
改善効果が高いので、感度最大の位置より約20°±1
0°の範囲で検光子5を回転させることがより好まし
い。また、約10°〜約20°の範囲で検光子5を回転
させた場合、感度の低下が比較的少なく且つ温度特性の
改善効果も高いので、この角度範囲に設定することが最
も好ましい。Regarding the angle of rotation of the analyzer 5, considering that the error due to the temperature change is suppressed and that the required sensitivity cannot be obtained if the position deviates too much from the position of the maximum sensitivity, the maximum sensitivity is obtained. It is preferable to rotate within a range of about 30 ° from the position. In addition, the position with the maximum sensitivity (0 °) and the position with the minimum sensitivity (+ 45 ° or −45 °).
(°), the effect of improving the temperature characteristics is high at a position (approximately 20 °).
It is more preferable to rotate the analyzer 5 within the range of 0 °. When the analyzer 5 is rotated in the range of about 10 ° to about 20 °, the sensitivity is relatively small and the effect of improving the temperature characteristics is high. Therefore, it is most preferable to set the angle in this range.
【0068】勿論、上記の検光子5の回転方向や回転角
度については、λ/4板3の位相差の偏移量が±1°の
ときだけに適用されるのではなく、λ/4板3の位相差
の変化の方向が上記と同様であれば、同様のことが言え
る。Of course, the rotation direction and the rotation angle of the analyzer 5 are not limited to the case where the deviation of the phase difference of the λ / 4 plate 3 is ± 1 °. The same can be said if the direction of change of the phase difference of No. 3 is the same as above.
【0069】ところで、上記では検光子5をx軸上に置
いた位置(0°)を基準としたが、そこから±90°回
転させたy軸上に検光子5を置いた場合(直交偏光子の
構成)でもやはり変調感度は最大となる。そこで、次
に、直交偏光子の構成のセンサ部11において、温度変
化によってλ/4板3の基準温度における位相差90°
に±Δの変化が生じた場合を想定し、センのサ部11の
出射光のAC成分とDC成分がどの様になるかを考え
る。上記と同様に偏移量Δを1°とし、また検光子5の
偏光方向と上記y軸とのなす角度を様々に変化(+30
°、+20°、+15°、0°、−15°、−20°、
−30°)させて、センサ部11の出射光のAC成分、
DC成分、AC/DCの比誤差を上記と同様にして計算
した。この計算結果を表2に示す。Although the above description is based on the position (0 °) where the analyzer 5 is placed on the x-axis, the case where the analyzer 5 is placed on the y-axis rotated ± 90 ° therefrom (orthogonal polarization) In this case, the modulation sensitivity also becomes maximum. Then, next, in the sensor unit 11 having the configuration of the orthogonal polarizer, the phase difference at the reference temperature of the λ / 4 plate 3 is 90 °
Assuming a case where a change of ± Δ occurs, what is the AC component and DC component of the light emitted from the sensor 11 will be considered. Similarly to the above, the shift amount Δ is set to 1 °, and the angle between the polarization direction of the analyzer 5 and the y-axis is variously changed (+30).
°, + 20 °, + 15 °, 0 °, -15 °, -20 °,
−30 °), and the AC component of the light emitted from the sensor unit 11,
The DC component and the AC / DC ratio error were calculated in the same manner as described above. Table 2 shows the calculation results.
【0070】[0070]
【表2】 [Table 2]
【0071】上表2の結果に基づいて、温度変化によっ
てλ/4板3の基準温度における位相差が90°から8
9°に変化したときの、検光子5の角度と比誤差との関
係をグラフ化したのが図7である。また、上記の位相差
が90°から91°に変化した場合については図8に示
している。Based on the results in Table 2 above, the phase difference at the reference temperature of the λ / 4 plate 3 from 90 ° to 8
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the angle of the analyzer 5 and the ratio error when the angle is changed to 9 °. FIG. 8 shows the case where the phase difference changes from 90 ° to 91 °.
【0072】直交偏光子を基準とした図7と、先の平行
偏光子を基準とした図6とを比べると、位相差の変化の
方向が一方は減少方向で他方は増加方向であるが、略同
様の特性を示していることが分かる。これは、次の説明
により容易に理解できる。When FIG. 7 based on the orthogonal polarizer is compared with FIG. 6 based on the parallel polarizer, one of the directions of change in the phase difference is a decreasing direction and the other is an increasing direction. It can be seen that the characteristics are substantially the same. This can be easily understood from the following description.
【0073】すなわち、λ/4板3の位相差が90°+
Δに増加した場合にλ/4板3から出射する楕円偏光の
長軸と、その位相差が90°−Δに減少した場合にλ/
4板3から出射する楕円偏光の長軸とは、図4に示すよ
うに90°異なる。図6のようにλ/4板3の位相差が
増加する方向で光学バイアス量が変化した場合、図4の
ようにx軸上に長軸を有する楕円偏光がλ/4板3から
出力されるとすると、平行偏光子の場合は当該楕円偏光
(印加電圧0Vのときに検光子5に入射する基準の楕円
偏光)の長軸上に検光子5(その偏光方向)が配置され
ることになる。一方、図7のようにλ/4板3の位相差
が減少する方向で光学バイアス量が変化した場合、x軸
上に短軸、y軸上に長軸を有する楕円偏光がλ/4板3
から出力されることになるが、直交偏光子の場合はy軸
上に検光子5(その偏光方向)があるので、やはり基準
の楕円偏光の長軸上に検光子5が配置されることにな
る。したがって、図6と図7との特性が略同様になるの
である。That is, the phase difference of the λ / 4 plate 3 is 90 ° +
When it increases to Δ, the major axis of the elliptically polarized light emitted from the λ / 4 plate 3 and when the phase difference decreases to 90 ° -Δ, λ /
The major axis of the elliptically polarized light emitted from the four plates 3 differs by 90 ° as shown in FIG. When the optical bias amount changes in the direction in which the phase difference of the λ / 4 plate 3 increases as shown in FIG. 6, elliptically polarized light having a long axis on the x-axis is output from the λ / 4 plate 3 as shown in FIG. Then, in the case of a parallel polarizer, the analyzer 5 (its polarization direction) is arranged on the major axis of the elliptically polarized light (reference elliptically polarized light that enters the analyzer 5 when the applied voltage is 0 V). Become. On the other hand, when the optical bias amount changes in the direction in which the phase difference of the λ / 4 plate 3 decreases as shown in FIG. 7, the elliptically polarized light having a short axis on the x-axis and a long axis on the y-axis becomes 3
However, in the case of the orthogonal polarizer, since the analyzer 5 (its polarization direction) is on the y-axis, the analyzer 5 is also arranged on the long axis of the reference elliptically polarized light. Become. Therefore, the characteristics of FIG. 6 and FIG. 7 are substantially similar.
【0074】また、直交偏光子を基準とした図8と、先
の平行偏光子を基準とした図5とを比べると、位相差の
変化の方向が逆であるが、略同様の特性を示している。
これも、上記と同様の理由により容易に理解できる。When FIG. 8 based on the orthogonal polarizer is compared with FIG. 5 based on the parallel polarizer, the phase difference changes in the opposite directions, but shows substantially the same characteristics. ing.
This can be easily understood for the same reason as described above.
【0075】以上の説明をまとめると、温度特性を良好
とするためには、λ/4板3の位相差の変化の方向に応
じて、変調感度最大の位置からの検光子5の回転方向を
決定する必要があり、そして、変調感度が最大となる検
光子5の位置は複数(x軸に対して0°、90°、18
0°、270°)あり、x軸に対して0°又は180°
の位置を基準とするか、90°又は270°の位置を基
準とするかによって、基準とする変調感度最大の位置か
らの検光子5の回転方向が決まるということである。To summarize the above description, in order to improve the temperature characteristics, the rotation direction of the analyzer 5 from the position where the modulation sensitivity is maximum depends on the direction of the change in the phase difference of the λ / 4 plate 3. It is necessary to determine the position of the analyzer 5 at which the modulation sensitivity is maximized.
0 °, 270 °), 0 ° or 180 ° with respect to the x-axis
Or the position of 90 ° or 270 ° as a reference, the rotation direction of the analyzer 5 from the position of the maximum modulation sensitivity as the reference is determined.
【0076】具体的には、検光子5を変調感度最大の位
置(基準位置)においた場合であって、温度変化による
λ/4板3の位相差の偏移により検光子5の出力のDC
成分の比誤差が−となる場合には、基準位置より、マイ
ナス方向(左まわり方向)に検光子を回転させると、A
C/DCの比誤差が小さくなり、温度特性を改善するこ
とができる。また、温度変化によるλ/4板3の位相差
の偏移により検光子5の出力のDC成分の比誤差が+と
なる場合には、上記基準位置より、プラス方向(右まわ
り方向)に検光子を回転させると、AC/DCの比誤差
が小さくなり、温度特性を改善することができる。More specifically, this is a case where the analyzer 5 is placed at the position (reference position) where the modulation sensitivity is maximum, and the DC of the output of the analyzer 5 is changed due to the shift of the phase difference of the λ / 4 plate 3 due to the temperature change.
When the ratio error of the components is negative, when the analyzer is rotated in the minus direction (counterclockwise) from the reference position, A
The C / DC ratio error is reduced, and the temperature characteristics can be improved. Further, when the ratio error of the DC component of the output of the analyzer 5 becomes + due to the shift of the phase difference of the λ / 4 plate 3 due to the temperature change, the detection is performed in the plus direction (clockwise direction) from the reference position. Rotating the photons reduces the AC / DC ratio error and improves temperature characteristics.
【0077】ところで、λ/4板3の特性として、基準
温度での位相差からずれる方向は、常に一定でなければ
ならないが、以下のようにλ/4板3を設計することに
よってこれが可能となる。By the way, as a characteristic of the λ / 4 plate 3, the direction deviating from the phase difference at the reference temperature must always be constant, but this can be achieved by designing the λ / 4 plate 3 as follows. Become.
【0078】すなわち、λ/4板3の位相差δaは、温
度係数βaを用いて上式(3)に示す通り、δa=δo
(1+βa・Ta)で表される。温度係数βaはλ/4
板3に固有の値であり、λ/4板3として使用する結晶
が正結晶、即ちa軸方向の屈折率na (=常光線屈折率
n0 )とc軸方向の屈折率nc (=異常光線屈折率
ne )の関係がna >nc の結晶の場合には、温度係数
βaが負の値をとる。また、λ/4板3として正結晶
(na <nc )を使用した場合は、温度係数βaが正の
値をとる。That is, the phase difference δa of the λ / 4 plate 3 is calculated by using the temperature coefficient βa as shown in the above equation (3), δa = δo
It is represented by (1 + βa · Ta). The temperature coefficient βa is λ / 4
A value unique to the plate 3, lambda / 4 plate 3 used as a crystal positive crystal, namely a-axis direction of the refractive index n a (= ordinary refractive index n 0) to the c-axis direction of the refractive index n c ( = if the relationship extraordinary refractive index n e) of crystals of n a> n c, the temperature coefficient βa takes a negative value. When a positive crystal (n a <n c ) is used as the λ / 4 plate 3, the temperature coefficient βa takes a positive value.
【0079】λ/4板3の温度係数βaが負の値であれ
ば、温度の上昇と共に位相差δaは減少するので、セン
サ部11の使用温度範囲をTbott〜Ttop とすると、最
低温度Tbott以下の温度を基準温度としてその温度条件
で位相差δoが90°になるように設定すれば、このλ
/4板3は使用温度範囲で常に90°以下の位相差を持
つことになる。また、使用温度範囲の最高温度Ttop 以
上の温度を基準温度としてその温度条件で位相差δoが
90°になるように設定すれば、このλ/4板3は使用
温度範囲で常に90°以上の位相差を持つことになる。If the temperature coefficient βa of the λ / 4 plate 3 is a negative value, the phase difference δa decreases as the temperature rises. Therefore, if the operating temperature range of the sensor unit 11 is T bott to T top , the lowest temperature If the phase difference δo is set to 90 ° under the temperature condition using a temperature equal to or lower than T bott as a reference temperature, this λ
The 板 plate 3 always has a phase difference of 90 ° or less in the operating temperature range. Further, if the phase difference δo is set to 90 ° under the temperature condition with the temperature equal to or higher than the maximum temperature T top in the operating temperature range as the reference temperature, the λ / 4 plate 3 is always 90 ° or higher in the operating temperature range. Has a phase difference of
【0080】また、λ/4板3の温度係数βaが正の値
であれば、温度の上昇と共に位相差δaは増加するの
で、上記とは逆に、最低温度Tbott以下の温度で位相差
δoが90°になるように設定すれば、使用温度範囲で
常に90°以上の位相差を持ち、最高温度Ttop 以上の
温度で位相差δoが90°になるように設定すれば、使
用温度範囲で常に90°以下の位相差を持つλ/4板3
となる。このようにして、基準の位相差90°から変化
する方向が一定となるλ/4板3を作成することができ
る。If the temperature coefficient βa of the λ / 4 plate 3 is a positive value, the phase difference δa increases as the temperature rises. Contrary to the above, the phase difference δa is lower than the minimum temperature T bott. If δo is set to 90 °, a phase difference of 90 ° or more is always maintained in the operating temperature range, and if the phase difference δo is set to 90 ° at a temperature equal to or higher than the maximum temperature T top , the operating temperature becomes Λ / 4 plate 3 always having a phase difference of 90 ° or less in the range
Becomes In this manner, the λ / 4 plate 3 in which the direction changing from the reference phase difference of 90 ° is constant can be created.
【0081】尚、表1及び表2の計算は、変調度mを一
定(m=2%)とし、あくまで温度変化によってλ/4
板3の位相差が変化したときの影響のみを調べたシミュ
レーションである。したがって、実際のセンサ部11の
出力には、温度変化によってポッケルス素子4で生じる
誤差(主に、電気光学効果の変化に伴うAC成分の変
化)も含まれるが、温度変化によってλ/4板3に生じ
る誤差は比較的大きく、検光子5の回転によってこのλ
/4板3の誤差の影響を少なくすることは、温度特性の
改善には非常に有効である。このことを検証するため
に、ポッケルス素子4としてBi4 Ge3 O12結晶を使
用し、使用温度範囲を−20°〜60°として温度特性
試験を行った。検光子5を0°(感度最大の位置)に置
いた場合と、上述の温度特性を改善することができる方
向に10°回転させた場合とで、AC/DCの比誤差を
実測したが、上記0°の位置では最大比誤差の絶対値が
2.58であったのに対し、そこから10°回転させた
位置では最大比誤差の絶対値が0.71と十分に小さく
なった。The calculations in Tables 1 and 2 are based on the assumption that the modulation factor m is constant (m = 2%), and λ / 4
It is a simulation in which only the effect when the phase difference of the plate 3 changes is examined. Therefore, the actual output of the sensor unit 11 includes an error (mainly, a change in an AC component caused by a change in the electro-optic effect) caused by the Pockels element 4 due to a change in temperature. Is relatively large, and the rotation of the analyzer 5 causes this λ
Reducing the influence of the error of the / 4 plate 3 is very effective for improving the temperature characteristics. In order to verify this, a Bi 4 Ge 3 O 12 crystal was used as the Pockels element 4, and a temperature characteristic test was performed with an operating temperature range of −20 ° to 60 °. The AC / DC ratio error was actually measured when the analyzer 5 was placed at 0 ° (the position at the maximum sensitivity) and when the analyzer 5 was rotated 10 ° in a direction in which the above-described temperature characteristics could be improved. At the position of 0 °, the absolute value of the maximum ratio error was 2.58, while at the position rotated 10 ° therefrom, the absolute value of the maximum ratio error was sufficiently small, 0.71.
【0082】〔実施の形態2〕本発明のその他の実施の
一形態について、主に図9ないし図19に基づいて説明
すれば、以下の通りである。尚、説明の便宜上、前記実
施の形態にて示した部材と同一の機能を有する部材に
は、同一の参照符号を付記し、その説明を省略する。[Embodiment 2] Another embodiment of the present invention will be described below mainly with reference to FIGS. 9 to 19. For convenience of explanation, members having the same functions as the members described in the above embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【0083】本実施の形態では、ポッケルス素子4とし
て自然旋光性を有する結晶(Bi12GeO20やBi12S
iO20等)を用いた場合について説明する。In the present embodiment, as the Pockels element 4, a crystal having natural optical activity (Bi 12 GeO 20 or Bi 12 S
The case where iO 20 is used will be described.
【0084】旋光性を有するポッケルス素子4の場合
も、旋光性のない場合と同様に、検光子5を、変調感度
最大の位置からλ/4板3の特性(位相差の変化する方
向)に応じた方向に角度αだけ回転させれば、温度特性
を改善することが出来る。旋光性の有無によって異なる
のは、変調感度が最大となる検光子5の位置だけであ
る。In the case of the Pockels device 4 having optical rotation, similarly to the case without optical rotation, the analyzer 5 is moved from the position of maximum modulation sensitivity to the characteristic of the λ / 4 plate 3 (the direction in which the phase difference changes). If rotated by the angle α in the corresponding direction, the temperature characteristics can be improved. Only the position of the analyzer 5 where the modulation sensitivity is maximized differs depending on the presence or absence of the optical rotation.
【0085】そこで、先ず、変調感度が最大となるポッ
ケルス素子4と検光子5との位置関係について説明す
る。First, the positional relationship between the Pockels element 4 and the analyzer 5 that maximizes the modulation sensitivity will be described.
【0086】ここでは、旋光性を有するポッケルス素子
4の一例として、Bi12GeO20結晶を用いて説明す
る。Bi12GeO20結晶は、結晶点群T(国際記号2
3)の結晶であり、等軸晶系に属する。ポッケルス素子
4をなすBi12GeO20結晶は、結晶表面とBi12Ge
O20の結晶軸とが平行になるように軸出しされている。Here, a Bi 12 GeO 20 crystal will be described as an example of the Pockels device 4 having optical rotatory power. Bi 12 GeO 20 crystal has a crystal point group T (international symbol 2).
3) The crystal belongs to the equiaxed system. The Bi 12 GeO 20 crystal forming the Pockels device 4 has a crystal surface and Bi 12 GeO
The axis is set so that the crystal axis of O 20 is parallel.
【0087】図9に示すように、ポッケルス素子4をな
すBi12GeO20結晶の各結晶軸<100>、<010
>、<001>と平行な軸をそれぞれ直交座標系のx
軸、y軸、z軸とする。尚、等軸晶系に属するBi12G
eO20結晶に電圧が印加されていない状態においては、
Bi12GeO20結晶の屈折率楕円体は球形である。この
Bi12GeO20結晶のz方向の中間点における屈折率楕
円体の主軸(X軸、Y軸、Z軸)は、Bi12GeO20結
晶の各結晶軸と平行な上記x軸、y軸、z軸と一致す
る。As shown in FIG. 9, the crystal axes <100> and <010 of the Bi 12 GeO 20 crystal forming the Pockels element 4
> And <001> are defined as x in a rectangular coordinate system, respectively.
Axis, y axis, and z axis. Bi 12 G belonging to the equiaxed system
When no voltage is applied to the eO 20 crystal,
The refractive index ellipsoid of the Bi 12 GeO 20 crystal is spherical. Principal axes of the index ellipsoid at the midpoint of the z direction of the Bi 12 GeO 20 crystal (X axis, Y axis, Z axis), each crystal axis parallel to the x-axis of Bi 12 GeO 20 crystal, y-axis, coincides with the z axis.
【0088】そして、上記Bi12GeO20結晶の表面に
は、z軸と平行な方向からの光が垂直に入射すると共
に、Bi12GeO20結晶には光の進行方向に測定対象の
印加電圧に応じた電界E(0,0,Ez )がかけられ
る。[0088] On the surface of the Bi 12 GeO 20 crystal, the light from a direction parallel to the z axis is incident perpendicularly, the applied voltage to be measured in the traveling direction of light in Bi 12 GeO 20 crystal A corresponding electric field E (0, 0, E z ) is applied.
【0089】Bi12GeO20結晶の光の進行方向(z軸
方向)の厚さをb(mm)、Bi12GeO20結晶の旋光
能をθ(°/mm)とすると、当該Bi12GeO20結晶
を通過する光の振動面は、θ×bで与えられる角度φ
(°)だけ回転する。以下、上記のφを旋光角と称す
る。旋光能θは、個々の結晶に特有の値であり、Bi12
GeO20結晶の場合、入射光の波長が800nm〜90
0nmのときにはθ≒10.5°/mmである。この場
合、Bi12GeO20結晶のz軸方向の厚さbを例えば約
3mmにすれば、旋光角φ≒30°となり、また、上記
厚さbを約5.7mmにすれば旋光角φ≒60°とな
る。尚、Bi12GeO20結晶の場合は、正方向(光の進
行方向の上流側から下流に向かって見た場合に右方向)
に光の振動面が回転する。[0089] The thickness of the Bi 12 GeO 20 traveling direction of the crystal optical (z axis direction) b (mm), when the rotatory power of Bi 12 GeO 20 crystal and θ (° / mm), the Bi 12 GeO 20 The vibration plane of light passing through the crystal has an angle φ given by θ × b.
Rotate by (°). Hereinafter, the above φ is referred to as an optical rotation angle. The optical rotation power θ is a value specific to each crystal, and Bi 12
In the case of a GeO 20 crystal, the wavelength of the incident light is 800 nm to 90 nm.
At 0 nm, θ / 10.5 ° / mm. In this case, if the thickness b of the Bi 12 GeO 20 crystal in the z-axis direction is, for example, about 3 mm, the optical rotation angle φ 角 30 °, and if the thickness b is about 5.7 mm, the optical rotation angle φ ≒ 60 °. In the case of Bi 12 GeO 20 crystal, the direction is positive (rightward when viewed from upstream to downstream in the light traveling direction).
The light vibrating surface rotates.
【0090】そして、上記x軸方向に対して、結晶の旋
光性によって偏光面が回転する方向と同一方向に旋光角
φの約半分の角度(≒φ/2)だけ傾いた位置に検光子
5(その偏光方向)を配することによって、最大感度が
得られる。一例を示すと、上記のような厚さb≒3mm
のBi12GeO20結晶の場合は、旋光角φ≒+30°な
ので、x軸に対して検光子5(その偏光方向)を右に約
15°傾ければよい。また、厚さb≒5.7mmのBi
12GeO20結晶の場合は、旋光能による回転角度φ≒+
60°なので、x軸に対して検光子5(その偏光方向)
を右に約30°傾ければよい。このように、ポッケルス
素子4の旋光角に応じてポッケルス素子4と検光子5と
の位置関係を定めることにより、変調感度を最大にする
ことができる。The analyzer 5 is located at a position inclined with respect to the x-axis direction by about half the angle of rotation (約 φ / 2) in the same direction as the direction of rotation of the polarization plane due to the optical rotation of the crystal. (Its polarization direction) provides the maximum sensitivity. As an example, the thickness b is about 3 mm as described above.
In the case of the Bi 12 GeO 20 crystal, since the optical rotation angle φ ≒ + 30 °, the analyzer 5 (its polarization direction) may be inclined to the right by about 15 ° with respect to the x-axis. In addition, Bi of thickness b ≒ 5.7 mm
In the case of a 12 GeO 20 crystal, the rotation angle φ ≒ +
Since it is 60 °, the analyzer 5 (its polarization direction) with respect to the x-axis
Tilt about 30 ° to the right. As described above, the modulation sensitivity can be maximized by determining the positional relationship between the Pockels element 4 and the analyzer 5 according to the optical rotation angle of the Pockels element 4.
【0091】また、ポッケルス素子4に対する上記偏光
子2やλ/4板3の位置が変化しても(換言すれば、偏
光子2の偏光方向及びλ/4板3のc軸と上記x軸との
なす角度が変わっても)、上述のように検光子5をx軸
に対して約φ/2だけ傾けた位置で変調感度が最大とな
る。すなわち、変調感度を最大にするためには、ポッケ
ルス素子4と検光子5との位置関係が重要なのである。
このことを確かめるため、以下に示す実験を行った。Further, even if the positions of the polarizer 2 and the λ / 4 plate 3 with respect to the Pockels element 4 change (in other words, the polarization direction of the polarizer 2 and the c-axis of the λ / 4 plate 3 and the x-axis). ), The modulation sensitivity becomes maximum at a position where the analyzer 5 is inclined by about φ / 2 with respect to the x-axis as described above. That is, in order to maximize the modulation sensitivity, the positional relationship between the Pockels element 4 and the analyzer 5 is important.
To confirm this, the following experiment was performed.
【0092】図9に示すようにコリメータ1、偏光子
2、λ/4板3、ポッケルス素子4、検光子5、コリメ
ータ6を順に並べ、安定化光源より約850nmの波長
の光を出力する。ポッケルス素子4としては厚さb≒3
mmのBi12GeO20結晶を使用し、このポッケルス素
子4の光の進行方向に、安定した50Vの交流電圧を印
加する。そして、検光子5及びコリメータ6を通過して
光ファイバ8bに導かれる光に対して、光/電気変換
(O/E変換)を施した後、そのAC成分及びDC成分
を測定する。As shown in FIG. 9, a collimator 1, a polarizer 2, a λ / 4 plate 3, a Pockels element 4, an analyzer 5, and a collimator 6 are arranged in this order, and a light having a wavelength of about 850 nm is output from a stabilized light source. Thickness b ≒ 3 for Pockels element 4
A stable AC voltage of 50 V is applied in the light traveling direction of the Pockels element 4 using a Bi 12 GeO 20 mm crystal. Then, after the light guided to the optical fiber 8b through the analyzer 5 and the collimator 6 is subjected to optical / electrical conversion (O / E conversion), the AC component and the DC component are measured.
【0093】λ/4板3のc軸とポッケルス素子4の結
晶軸(x軸)との関係は図1に示す通りλ/4板3のc
軸をx軸に対して45°に傾けたまま一定とし、偏光子
2の偏光方向とx軸とのなす角度が、−60°、−45
°、−30°、0°、+30°、+45°、+60°と
なるように偏光子2の位置を変化させる(z軸を中心と
して偏光子2を回転させる)。そして、偏光子2を上記
の各位置に配した場合に、z軸を中心として検光子5を
回転させながら、センサ出力のAC値が最大になる検光
子5の位置(検光子5の偏光方向とx軸とのなす角度)
を調べる。この実験結果を下表3に示す。The relationship between the c-axis of the λ / 4 plate 3 and the crystal axis (x-axis) of the Pockels element 4 is, as shown in FIG.
The axis is kept inclined at 45 ° to the x-axis, and the angle between the polarization direction of the polarizer 2 and the x-axis is −60 °, −45 °.
°, −30 °, 0 °, + 30 °, + 45 °, + 60 ° to change the position of the polarizer 2 (rotate the polarizer 2 about the z-axis). When the polarizer 2 is arranged at each of the above positions, the position of the analyzer 5 at which the AC value of the sensor output is maximized (the polarization direction of the analyzer 5) while rotating the analyzer 5 about the z-axis. Angle between the axis and the x-axis)
Find out. The results of this experiment are shown in Table 3 below.
【0094】[0094]
【表3】 [Table 3]
【0095】尚、参考として、偏光子2及び検光子5の
偏光方向を何れもx軸に対して0°として(いわゆる平
行偏光子であり従来の構成)センサ出力のAC値を測定
したが、その値は87mVであった。また、旋光性のポ
ッケルス素子4を使用した場合に最大感度を得るには、
直感的には、従来の構成より検光子5をBi12GeO20
結晶の旋光角φと同じだけ(+30°)傾ければよいよ
うに思われる。しかし、検光子5を+30°傾けた場合
のセンサ出力のAC値は、表3に示すとおり49mVで
あった。上記の平行偏光子の場合及び検光子5を旋光角
φと同じだけ傾けた場合のAC値は、検光子5の偏光方
向をx軸に対して+15°(厚さb≒3mmのBi12G
eO20結晶の旋光角の半分)傾けた場合のAC値(99
mV)よりも小さくなっている。For reference, the AC value of the sensor output was measured by setting the polarization directions of the polarizer 2 and the analyzer 5 to 0 ° with respect to the x-axis (so-called parallel polarizer and conventional configuration). Its value was 87 mV. In order to obtain the maximum sensitivity when the Pockels device 4 having optical rotation is used,
Intuitively, the analyzer 5 is made of Bi 12 GeO 20
It seems that it suffices to incline (+ 30 °) as much as the optical rotation angle φ of the crystal. However, the AC value of the sensor output when the analyzer 5 was tilted by + 30 ° was 49 mV as shown in Table 3. The AC value in the case of the above parallel polarizer and when the analyzer 5 is tilted by the same angle as the optical rotation angle φ is such that the polarization direction of the analyzer 5 is + 15 ° with respect to the x-axis (Bi 12 G having a thickness b ≒ 3 mm).
AC value when tilted (half the optical rotation angle of eO 20 crystal) (99
mV).
【0096】また、表1に示すように、偏光子2の位置
を変化させても、センサ出力のAC値(AC成分の振
幅)が最大(すなわち変調感度が最大)となるのは、検
光子5の偏光方向をx軸に対して+15°(厚さb≒3
mmのBi12GeO20結晶の旋光角の半分)だけ傾けた
場合である。尚、変調感度が最大となる検光子5の位置
から±90°×n回転した位置に検光子5を配した場合
も、同様に変調感度が最大となる。Further, as shown in Table 1, even when the position of the polarizer 2 is changed, the maximum AC value (amplitude of the AC component) of the sensor output (that is, the maximum modulation sensitivity) is determined by the analyzer. + 5 ° with respect to the x-axis (thickness b ≒ 3
mm of Bi 12 GeO 20 crystal (half the optical rotation angle). Note that, also when the analyzer 5 is arranged at a position rotated by ± 90 ° × n from the position of the analyzer 5 where the modulation sensitivity becomes maximum, the modulation sensitivity also becomes maximum similarly.
【0097】これに対して、検光子5をAC値が最大と
なる上記の位置から±45°回転させた位置に配する
と、偏光子2の位置(角度)を変化させても常にAC値
が略0となることも確認した。On the other hand, if the analyzer 5 is arranged at a position rotated by ± 45 ° from the above-mentioned position where the AC value becomes the maximum, the AC value always changes even when the position (angle) of the polarizer 2 is changed. It was also confirmed that it was almost zero.
【0098】すなわち、ポッケルス素子4の旋光角がφ
(°)であれば、検光子5の偏光方向をx軸に対して、 (φ/2)±90°×n (nは整数) だけ傾ければ変調感度が最大となり、一方、検光子5の
偏光方向をx軸に対して、 (φ/2)±45°±90°×n (nは整数) だけ傾ければ変調感度が最小となる。That is, the optical rotation angle of the Pockels element 4 is φ
(°), the modulation sensitivity becomes maximum if the polarization direction of the analyzer 5 is inclined by (φ / 2) ± 90 ° × n (n is an integer) with respect to the x-axis. Is inclined by (φ / 2) ± 45 ° ± 90 ° × n (n is an integer) with respect to the x-axis, the modulation sensitivity becomes minimum.
【0099】ところで、上記の実験において、偏光子2
の偏光方向をx軸に対して0°(尚、0°±90°×n
でも同じ)に配した場合、λ/4板3にはそのc軸に対
して45°の角度で直線偏光が入射されるので、λ/4
板3の出力が円偏光となり、この場合に偏光子2を他の
位置(角度)に配するよりも変調感度が良くなっている
(表1においてAC値(max)は99mV)。In the above experiment, the polarizer 2
0 ° with respect to the x-axis (0 ° ± 90 ° × n
However, the same is applied), linearly polarized light is incident on the λ / 4 plate 3 at an angle of 45 ° with respect to its c-axis.
The output of the plate 3 is circularly polarized light. In this case, the modulation sensitivity is better than that of disposing the polarizer 2 at another position (angle) (AC value (max) in Table 1 is 99 mV).
【0100】また、偏光子2の偏光方向をx軸に対して
±45°(尚、45°±90°×nでも同じ)に配した
場合、λ/4板3にはそのc軸と平行又は垂直に直線偏
光が入射されるので、λ/4板3を通過する光が異常光
線と常光線とに分解されることがなく(すなわち位相差
を生じることがなく)、λ/4板3の出力は直線偏光の
ままであり、この場合にはAC値も殆ど0となる。When the polarization direction of the polarizer 2 is arranged at ± 45 ° with respect to the x-axis (the same applies to 45 ° ± 90 ° × n), the λ / 4 plate 3 is parallel to its c-axis. Alternatively, since the linearly polarized light is vertically incident, the light passing through the λ / 4 plate 3 is not decomposed into an extraordinary ray and an ordinary ray (that is, there is no phase difference), and the λ / 4 plate 3 Is still linearly polarized, and in this case, the AC value is almost zero.
【0101】また、偏光子2の偏光方向を、x軸に対し
て0°及び±45°以外の角度で傾けた場合、λ/4板
3の出力はその角度に応じた楕円率の楕円偏光となる
(その角度が0°に近いほど楕円率は小さくなる)。λ
/4板3が正確に90°の位相差を生じさせるものであ
れば、λ/4板3から出力される楕円偏光の長軸・短軸
はλ/4板3のc軸と平行又は直交し、当該楕円偏光の
楕円率が大きくなると共にAC値が小さくなる。When the polarization direction of the polarizer 2 is inclined at an angle other than 0 ° and ± 45 ° with respect to the x-axis, the output of the λ / 4 plate 3 is an elliptically polarized light having an ellipticity corresponding to the angle. (The ellipticity decreases as the angle approaches 0 °). λ
If the / 4 plate 3 produces a phase difference of exactly 90 °, the major and short axes of the elliptically polarized light output from the λ / 4 plate 3 are parallel or orthogonal to the c-axis of the λ / 4 plate 3. However, the ellipticity of the elliptically polarized light increases and the AC value decreases.
【0102】したがって、偏光子2とλ/4板3との関
係では、偏光子2の偏光方向をλ/4板3のc軸に対し
て45°傾け、λ/4板3の出力が円偏光となるように
することが、変調感度向上のためには望ましいと言え
る。Therefore, in the relationship between the polarizer 2 and the λ / 4 plate 3, the polarization direction of the polarizer 2 is inclined by 45 ° with respect to the c-axis of the λ / 4 plate 3, and the output of the λ / 4 plate 3 is circular. It can be said that it is desirable to use polarized light for improving the modulation sensitivity.
【0103】また、旋光角φが上記とは異なるポッケル
ス素子4(厚さb≒5.7mmのBi12GeO20結晶)
を使用し、上記と同様の実験を行った。この場合も、上
記と同様に、偏光子2の位置を変化させても、センサ出
力のAC値が最大となるのは、検光子5の偏光方向をx
軸に対して旋光角φの半分(この場合+60°/2=+
30°)だけ傾けた場合であった。The Pockels device 4 having an optical rotation angle φ different from that described above (Bi 12 GeO 20 crystal having a thickness b ≒ 5.7 mm)
And the same experiment as above was performed. In this case as well, even when the position of the polarizer 2 is changed, the AC value of the sensor output becomes the maximum when the polarization direction of the analyzer 5 is x.
Half of the optical rotation angle φ with respect to the axis (in this case, + 60 ° / 2 = +
30 °).
【0104】ところで、上記の実験では、λ/4板3の
c軸とポッケルス素子4の結晶軸(x軸)との関係は一
定(45°)であった。そこで、以下の実験では、λ/
4板3のc軸とx軸との角度を変化させ、最大感度が得
られる条件を調べた。In the above experiment, the relationship between the c axis of the λ / 4 plate 3 and the crystal axis (x axis) of the Pockels element 4 was constant (45 °). Therefore, in the following experiment, λ /
The angle between the c-axis and the x-axis of the four plates 3 was changed, and conditions for obtaining the maximum sensitivity were examined.
【0105】(1)まず、図10に示すように、λ/4
板3のc軸をx軸に対して45°傾けると共に、偏光子
2の偏光方向をx軸に対して−10°傾ける。(1) First, as shown in FIG.
The c axis of the plate 3 is inclined by 45 ° with respect to the x axis, and the polarization direction of the polarizer 2 is inclined by −10 ° with respect to the x axis.
【0106】(2)ポッケルス素子4は光路から取り除
いて、偏光子2と検光子5との間にはλ/4板3のみが
存在する状態にする。(2) The Pockels element 4 is removed from the optical path so that only the λ / 4 plate 3 exists between the polarizer 2 and the analyzer 5.
【0107】(3)検光子5の位置を0°〜−170°
まで10°刻みで変化させ、そのときのDC値を読み取
ってλ/4板3から出力される楕円偏光の状態をみる。(3) The position of the analyzer 5 is 0 ° to -170 °
The DC value at that time is read, and the state of elliptically polarized light output from the λ / 4 plate 3 is observed.
【0108】ここまでの操作によって得られた楕円偏光
の状態を図11中に一点鎖線で示している。この場合、
偏光子2がλ/4板3のc軸よりもa軸側に傾いている
ので、a軸上に長軸を持つ楕円偏光となる。The state of the elliptically polarized light obtained by the above operation is shown by a dashed line in FIG. in this case,
Since the polarizer 2 is inclined more toward the a-axis than the c-axis of the λ / 4 plate 3, it becomes elliptically polarized light having a long axis on the a-axis.
【0109】(4)次に、上記(1)の状態において、
ポッケルス素子4(厚さb≒5.7mmのBi12GeO
20結晶を使用)をλ/4板3と検光子5との間に挿入す
る。この場合、図9に示すように、ポッケルス素子4の
各結晶軸をx軸、y軸、z軸に一致させる。そして、こ
の状態で、上記(3)と同様にして検光子5の位置を1
0°刻みで変化させ、そのときのDC値を読み取ってポ
ッケルス素子4から出力される楕円偏光の状態をみる。
尚、ここではポッケルス素子4に電圧は印加しない。(4) Next, in the above state (1),
Pockels element 4 (Bi 12 GeO with thickness b ≒ 5.7 mm)
(Using 20 crystals) between the λ / 4 plate 3 and the analyzer 5. In this case, as shown in FIG. 9, each crystal axis of the Pockels element 4 is made to coincide with the x-axis, the y-axis, and the z-axis. Then, in this state, the position of the analyzer 5 is set to 1 in the same manner as in the above (3).
The value is changed at 0 ° intervals, the DC value at that time is read, and the state of the elliptically polarized light output from the Pockels element 4 is observed.
Here, no voltage is applied to the Pockels element 4.
【0110】上記の操作によって得られた楕円偏光の状
態を図11中に実線で示している。この楕円偏光は、上
記(3)で得られたλ/4板3のみの場合の楕円偏光と
略同じ楕円率であり(楕円偏光の形が保存されてお
り)、その長軸がポッケルス素子4の旋光角φ≒+60
°だけ回転したものとなっている。The state of the elliptically polarized light obtained by the above operation is shown by a solid line in FIG. This elliptically polarized light has substantially the same ellipticity as the elliptically polarized light in the case of only the λ / 4 plate 3 obtained in (3) above (the shape of the elliptically polarized light is preserved), and its major axis is the Pockels element 4. Optical rotation angle φ ≒ + 60
It is rotated by °.
【0111】(5)次に、上記ポッケルス素子4に安定
した50Vの交流電圧を光の進行方向に印加し、z軸を
中心として検光子5を回転させながら、センサ出力のA
C値が最大になる検光子5の位置(検光子5の偏光方向
とx軸とのなす角度)を調べる。(5) Next, a stable AC voltage of 50 V is applied to the Pockels element 4 in the traveling direction of light, and while the analyzer 5 is rotated about the z axis, the A
The position of the analyzer 5 where the C value is maximized (the angle between the polarization direction of the analyzer 5 and the x-axis) is examined.
【0112】上記の操作の結果、図11に示すように、
AC値が最大となる検光子5の位置は、その偏光方向と
x軸とのなす角度が+30°(すなわち、旋光角φの半
分)±90°×nであり、AC値(max)は83mVであ
った。As a result of the above operation, as shown in FIG.
The position of the analyzer 5 where the AC value is maximum is such that the angle between the polarization direction and the x axis is + 30 ° (that is, half of the optical rotation angle φ) ± 90 ° × n, and the AC value (max) is 83 mV. Met.
【0113】(6)次に、図12に示すように、λ/4
板3のc軸をx軸に対して35°傾けると共に、偏光子
2の偏光方向をx軸に対して−20°傾ける(偏光子2
の偏光方向とλ/4板3のc軸とは、上記(1)と同様
に55°の角度を有する)。(6) Next, as shown in FIG.
The c-axis of the plate 3 is inclined by 35 ° with respect to the x-axis, and the polarization direction of the polarizer 2 is inclined by −20 ° with respect to the x-axis (polarizer 2
Has an angle of 55 ° with the c-axis of the λ / 4 plate 3 as in the above (1)).
【0114】(7)上記の状態において、上記(3)〜
(5)と同様の操作を行う。(7) In the above state, the above (3) to (3)
Perform the same operation as (5).
【0115】上記の操作の結果を図13に示している。
上記(1)〜(5)の実験と比べるとλ/4板3を−1
0°回転させたためにポッケルス素子4への入射角(楕
円偏光の長軸とポッケルス素子4のx軸とのなす角度)
が変化しているが、旋光能による回転角度は+60°と
変化はない。また、この場合も、AC値が最大となる検
光子5の位置は、その偏光方向とx軸とのなす角度が+
30°(すなわち、旋光角φの半分)±90°×nであ
り、AC値(max)は82mVであった。この結果から、
λ/4板3のc軸とポッケルス素子4のx軸とのなす角
度が変化しても、検光子5の偏光方向を、Bi12GeO
20結晶のx軸に対して、ポッケルス素子4の旋光角φの
半分だけ傾ければ、常に変調感度が最大となることがわ
かる。FIG. 13 shows the result of the above operation.
Compared with the experiments (1) to (5) above, the λ / 4 plate 3
Angle of incidence on Pockels element 4 due to rotation by 0 ° (angle between the major axis of elliptically polarized light and the x-axis of Pockels element 4)
Is changed, but the rotation angle due to the optical rotation power is + 60 ° and does not change. Also in this case, the position of the analyzer 5 at which the AC value becomes maximum is determined by the angle between the polarization direction and the x-axis being +
30 ° (that is, half of the optical rotation angle φ) ± 90 ° × n, and the AC value (max) was 82 mV. from this result,
Even if the angle between the c-axis of the λ / 4 plate 3 and the x-axis of the Pockels element 4 changes, the polarization direction of the analyzer 5 is changed to Bi 12 GeO.
It can be seen that the modulation sensitivity is always maximized if it is inclined by half the optical rotation angle φ of the Pockels device 4 with respect to the x-axis of the 20 crystals.
【0116】(8)次に、図14に示すように、λ/4
板3のc軸をx軸に対して35°傾けると共に、偏光子
2の偏光方向をx軸に対して−10°傾ける(偏光子2
の偏光方向とλ/4板3のc軸とは45°の角度とな
る)。(8) Next, as shown in FIG.
The c axis of the plate 3 is inclined by 35 ° with respect to the x axis, and the polarization direction of the polarizer 2 is inclined by −10 ° with respect to the x axis (polarizer 2
And the c-axis of the λ / 4 plate 3 has an angle of 45 °).
【0117】(9)上記の状態において、上記(3)〜
(5)と同様の操作を行う。(9) In the above state, the above (3) to (3)
Perform the same operation as (5).
【0118】上記の操作の結果を図15に示している。
尚、λ/4板3の出力は円偏光となるはずであるが、こ
れが僅かに楕円偏光になっているのは、偏光子2やλ/
4板3の僅かな位置ずれ等が原因と思われる。この場合
も、やはり、AC値が最大となる検光子5の位置は、そ
の偏光方向とx軸とのなす角度が+30°(すなわち、
旋光角φの半分)±90°×nであり、AC値(max)は
89mVであった。FIG. 15 shows the result of the above operation.
The output of the λ / 4 plate 3 is supposed to be circularly polarized light, but this is slightly elliptically polarized light because the polarizer 2 or λ /
This is probably due to slight displacement of the four plates 3. Also in this case, the position of the analyzer 5 where the AC value is the maximum is also the angle between the polarization direction and the x-axis being + 30 ° (that is, the angle is + 30 °).
(Half of the optical rotation angle φ) ± 90 ° × n, and the AC value (max) was 89 mV.
【0119】上記の各実験結果から、偏光子2の偏光方
向及びλ/4板3のc軸と、ポッケルス素子4の結晶軸
(上記x軸)とのなす角度が変わっても、常に、検光子
5をx軸に対して旋光角φの約半分だけ傾けた位置で変
調感度が最大となることがわかる。このようなポッケル
ス素子4と検光子5との位置関係によって変調感度が最
大となるのは、以下の理由によるものと考えられる。From the above experimental results, even if the angle formed by the polarization direction of the polarizer 2 and the c-axis of the λ / 4 plate 3 with the crystal axis of the Pockels device 4 (the above-mentioned x-axis) is changed, the detection is always performed. It can be seen that the modulation sensitivity is maximized at a position where the photon 5 is inclined by about half the optical rotation angle φ with respect to the x-axis. It is considered that the modulation sensitivity becomes maximum due to the positional relationship between the Pockels element 4 and the analyzer 5 for the following reason.
【0120】まず、図3に示すように、旋光性を有さな
い電気光学結晶(Bi4 Ge3 O12、LiNbO3 等)
からなるポッケルス素子4を使用した平行偏光子の構成
を考えてみる。尚、ポッケルス素子4として使用される
電気光学結晶の屈折率楕円体(電圧を印加していない場
合の屈折率楕円体)の主軸(X軸、Y軸、Z軸)は、図
9に示した上記の座標軸x、y、zと一致している。First, as shown in FIG. 3, an electro-optical crystal having no optical rotation (such as Bi 4 Ge 3 O 12 or LiNbO 3 )
Let us consider a configuration of a parallel polarizer using a Pockels element 4 composed of The main axes (X-axis, Y-axis, Z-axis) of the refractive index ellipsoid (index ellipsoid when no voltage is applied) of the electro-optic crystal used as the Pockels element 4 are shown in FIG. These are coincident with the coordinate axes x, y, and z.
【0121】上記のポッケルス素子4に、光の進行方向
(z軸方向)に電圧を印加すれば、当該印加電圧に応じ
て電気光学結晶の屈折率楕円体は変形する。具体的に
は、上記電気光学結晶がLiNbO3 のような一軸性結
晶であった場合、電圧印加によって二軸性結晶となる。
そして、図3に示すように、電圧未印加時の屈折率楕円
体の2本の主軸(X軸、Y軸)は、電圧印加によって
x、y軸に対して45°回転し、電圧印加時の屈折率楕
円体の主軸(X’軸、Y’軸)となる。When a voltage is applied to the Pockels element 4 in the light traveling direction (z-axis direction), the refractive index ellipsoid of the electro-optic crystal is deformed according to the applied voltage. Specifically, when the electro-optic crystal is a uniaxial crystal such as LiNbO 3 , the crystal becomes a biaxial crystal by applying a voltage.
Then, as shown in FIG. 3, the two principal axes (X axis and Y axis) of the refractive index ellipsoid when no voltage is applied are rotated by 45 ° with respect to the x and y axes by applying a voltage. Are the main axes (X ′ axis, Y ′ axis) of the refractive index ellipsoid.
【0122】電圧未印加時の屈折率楕円体の切断面(光
の進行方向と垂直に原点を含めて切断した面)を図16
(a)に、電圧印加時の屈折率楕円体の切断面を図16
(b)にそれぞれ示す。図16(a)に示すように、電
圧未印加でz軸方向の電界が0のとき、屈折率楕円体の
主軸(X軸、Y軸)はx軸、y軸と一致し、主屈折率n
X 、nY は等しい。図10(b)に示すように、電圧印
加でz軸方向に電界がかけられると、屈折率楕円体の主
軸(X’軸、Y’軸)はx軸、y軸と45°の角度をな
し、主屈折率nX'、nY'は、nX'≠nY'となる。FIG. 16 shows a cross section of the refractive index ellipsoid when no voltage is applied (the cross section including the origin perpendicular to the light traveling direction).
FIG. 16A shows a cross section of the refractive index ellipsoid when a voltage is applied.
(B) shows each. As shown in FIG. 16A, when no electric field is applied and the electric field in the z-axis direction is 0, the main axes (X-axis and Y-axis) of the refractive index ellipsoid coincide with the x-axis and the y-axis, and the main refractive index n
X and n Y are equal. As shown in FIG. 10B, when an electric field is applied in the z-axis direction by applying a voltage, the main axes (X ′ axis, Y ′ axis) of the refractive index ellipsoid form an angle of 45 ° with the x axis and y axis. None, the main refractive indices n X ′ and n Y ′ are n X ≠ n Y ′ .
【0123】屈折率楕円体の主軸は偏光の固有軸である
ので、電圧が印加されたポッケルス素子4に入射した光
は、互いに直交するX’軸方向及びY’軸方向に振動す
る2つの直線偏光に分解される。X’軸方向の主屈折率
nX'及びY’軸方向の主屈折率nY'は、ポッケルス素子
4への印加電圧に比例して変化し、X’軸方向及びY’
軸方向に振動する2つの直線偏光は、当該印加電圧に応
じた位相差を生じてポッケルス素子4から出力される
(すなわち位相変調が行われる)。Since the main axis of the refractive index ellipsoid is the characteristic axis of the polarized light, the light incident on the Pockels element 4 to which the voltage has been applied is divided into two straight lines vibrating in the X'-axis direction and the Y'-axis direction orthogonal to each other. Decomposed into polarized light. The main refractive index n X ′ in the X′-axis direction and the main refractive index n Y ′ in the Y′-axis direction change in proportion to the voltage applied to the Pockels element 4, and the main refractive index n X ′ in the X′-axis direction and Y ′
The two linearly polarized lights that vibrate in the axial direction generate a phase difference according to the applied voltage and are output from the Pockels element 4 (that is, phase modulation is performed).
【0124】上記ポッケルス素子4の電気光学結晶は、
旋光性を持たないので、当該結晶から出力される2つの
直線偏光は、やはりX’軸方向及びY’軸方向に振動す
る光である。このポッケルス素子4を通過した振動方向
が直交する2つの直線偏光は、合成されて印加電圧に応
じた楕円偏光となる。ここで、例えば検光子5をx軸に
対して±45°傾けて、検光子5の偏光方向をX’軸方
向又はY’軸方向と一致させた場合は、センサの感度は
最小となる。なぜならば、ポッケルス素子4の出力光
は、X’軸方向及びY’軸方向に振動する光のベクトル
和であるから、検光子5をX’軸又はY’軸と平行に配
置した場合には光量変化が生じないためである。一方、
検光子5の偏光方向を、X’軸方向又はY’軸方向に対
して45°だけ傾ける、すなわち図3に示すように検光
子5をx軸又はy軸と一致させた場合に、センサの感度
は最大となる。The electro-optical crystal of the Pockels element 4 is
Since the crystal has no optical rotation, the two linearly polarized lights output from the crystal are also light that vibrate in the X′-axis direction and the Y′-axis direction. The two linearly polarized light beams that have passed through the Pockels element 4 and whose vibration directions are orthogonal to each other are combined into elliptically polarized light according to the applied voltage. Here, for example, when the analyzer 5 is tilted ± 45 ° with respect to the x-axis to make the polarization direction of the analyzer 5 coincide with the X′-axis direction or the Y′-axis direction, the sensitivity of the sensor becomes minimum. This is because the output light of the Pockels element 4 is a vector sum of light oscillating in the X′-axis direction and the Y′-axis direction. Therefore, when the analyzer 5 is arranged in parallel with the X′-axis or the Y′-axis, This is because the light quantity does not change. on the other hand,
When the polarization direction of the analyzer 5 is inclined by 45 ° with respect to the X′-axis direction or the Y′-axis direction, that is, when the analyzer 5 is aligned with the x-axis or the y-axis as shown in FIG. The sensitivity is at its maximum.
【0125】すなわち、旋光性を持たないポッケルス素
子4を用いた場合、電圧印加時の屈折率楕円体における
光の進行方向(z軸方向)と直交する2本の主軸(X’
軸、Y’軸)に対して、検光子5が45°の角度をなす
ように配置すれば、最大感度が得られるのである。That is, when the Pockels element 4 having no optical rotation is used, two principal axes (X ′ ′) orthogonal to the light traveling direction (z-axis direction) in the refractive index ellipsoid when a voltage is applied.
The maximum sensitivity can be obtained by arranging the analyzer 5 at an angle of 45 ° to the axis (Y ′ axis).
【0126】ところで、図3に示すように、λ/4板3
のc軸(光学軸)とポッケルス素子14のX’軸とを平
行にし、λ/4板3のc軸に対して偏光子2を45°傾
けた場合では、旋光性を持たないポッケルス素子4の出
力光は、x軸又はy軸上に長軸・短軸がある楕円偏光と
なる。このことと、検光子5をx軸と平行に配すれば最
大感度が得られることとから考えて、一見、検光子5に
入力される楕円偏光の長軸・短軸と検光子5の偏光方向
とを一致させた場合に、常に最大感度が得られるように
思われるが、そうではない。最大感度は、あくまで、ポ
ッケルス素子4のX’軸、Y’軸に対して45°の角度
をなすように検光子5を配置した場合に得られるのであ
る。As shown in FIG. 3, the λ / 4 plate 3
When the c-axis (optical axis) is parallel to the X′-axis of the Pockels element 14 and the polarizer 2 is inclined by 45 ° with respect to the c-axis of the λ / 4 plate 3, the Pockels element 4 having no optical rotation is provided. Is elliptically polarized light having a major axis and a minor axis on the x-axis or the y-axis. Considering this fact and the fact that the maximum sensitivity can be obtained by disposing the analyzer 5 in parallel with the x-axis, at first glance, the major axis and the minor axis of the elliptically polarized light input to the analyzer 5 and the polarization of the analyzer 5 are considered. It seems that the maximum sensitivity is always obtained when the directions are matched, but it is not. The maximum sensitivity is obtained only when the analyzer 5 is arranged so as to form an angle of 45 ° with respect to the X ′ axis and the Y ′ axis of the Pockels element 4.
【0127】次に、図9に示すように、旋光性を有する
電気光学結晶(Bi12GeO20、Bi12SiO20等)か
らなるポッケルス素子4を使用した構成を考えてみる。Next, as shown in FIG. 9, a configuration using a Pockels element 4 made of an electro-optical crystal having optical rotation (such as Bi 12 GeO 20 or Bi 12 SiO 20 ) will be considered.
【0128】上述のように、Bi12GeO20結晶やBi
12SiO20結晶は等軸晶系に属し、その結晶軸は座標軸
x、y、zと一致している。また、等軸晶系なので、電
圧印加前のBi12GeO20結晶の屈折率楕円体は球形で
ある。そして、このBi12GeO20結晶のz軸方向の中
間点における屈折率楕円体の主軸(X軸、Y軸、Z軸)
は、座標軸x、y、z軸と一致していると考えられる。As described above, Bi 12 GeO 20 crystal or Bi 12 GeO 20
The 12 SiO 20 crystal belongs to the equiaxed system, and its crystal axis coincides with the coordinate axes x, y, and z. In addition, since the crystal is an equiaxed crystal, the refractive index ellipsoid of the Bi 12 GeO 20 crystal before voltage application is spherical. The principal axes (X-axis, Y-axis, and Z-axis) of the refractive index ellipsoid at the midpoint in the z-axis direction of the Bi 12 GeO 20 crystal
Is considered to coincide with the coordinate axes x, y, and z axes.
【0129】上記のポッケルス素子4に、光の進行方向
(z軸方向)に電圧を印加すれば、当該印加電圧に応じ
てBi12GeO20結晶の屈折率楕円体は変形する。図1
7に示すように、旋光性を有するポッケルス素子4の場
合、屈折率楕円体における光の進行方向(z軸方向)と
直交する2本の主軸(X’軸、Y’軸)は、Bi12Ge
O20結晶における光の進行方向の位置によって、z軸に
垂直な面内の角度が変化していると考えられる。When a voltage is applied to the Pockels element 4 in the light traveling direction (z-axis direction), the refractive index ellipsoid of the Bi 12 GeO 20 crystal is deformed according to the applied voltage. FIG.
As shown in FIG. 7, in the case of the Pockels element 4 having optical rotation, two principal axes (X ′ axis and Y ′ axis) orthogonal to the light traveling direction (z axis direction) in the refractive index ellipsoid are Bi 12. Ge
It is considered that the angle in the plane perpendicular to the z-axis changes depending on the position of the O 20 crystal in the light traveling direction.
【0130】詳しくは、Bi12GeO20結晶のz軸方向
の中間点において、電圧未印加時の屈折率楕円体の2本
の主軸(X軸、Y軸)は、電圧印加によってx、y軸に
対して45°回転すると考えられる。この中間点におけ
る屈折率楕円体の切断面(光の進行方向と垂直に原点を
含めて切断した面)は、図18(b)のようになってい
ると思われ、電圧印加時の主軸(X'(mid)軸、Y'(mid)
軸)は、x、y軸に対して45°の角度をなす。More specifically, at the midpoint in the z-axis direction of the Bi 12 GeO 20 crystal, the two main axes (X-axis and Y-axis) of the refractive index ellipsoid when no voltage is applied are changed by the voltage application to the x-axis and the y-axis. Is rotated by 45 ° with respect to. The cut surface of the refractive index ellipsoid at this intermediate point (the cut surface including the origin perpendicular to the light traveling direction) is considered to be as shown in FIG. 18B, and the main axis ( X '(mid) axis, Y' (mid)
Axis) is at a 45 ° angle to the x, y axes.
【0131】また、Bi12GeO20結晶の光の入射面の
位置においては、電圧印加時の屈折率楕円体の主軸
(X'(in) 軸、Y'(in) 軸)は、上記中間点における主
軸(X'(mid)軸、Y'(mid)軸)よりも、旋光方向とは逆
方向に旋光角φの半分(−φ/2)だけz軸回りに回転
した位置にあると考えられる。この入射面の位置におけ
る屈折率楕円体の切断面は、図18(a)のようになっ
ていると思われる。Further, at the position of the light incident surface of the Bi 12 GeO 20 crystal, the principal axes (X ′ (in) axis and Y ′ (in) axis) of the refractive index ellipsoid at the time of applying a voltage are at the above-mentioned intermediate point. Is located at a position rotated about the z-axis by half (−φ / 2) of the optical rotation angle φ in the direction opposite to the optical rotation direction than the main axes (X ′ (mid) axis and Y ′ (mid) axis) in Can be The cut surface of the refractive index ellipsoid at the position of the incident surface is considered to be as shown in FIG.
【0132】また、Bi12GeO20結晶の光の出射面の
位置においては、電圧印加時の屈折率楕円体の主軸
(X'(out)軸、Y'(out)軸)は、上記中間点における主
軸(X'(mid)軸、Y'(mid)軸)よりも、旋光方向と同一
方向に旋光角φの半分(+φ/2)だけz軸回りに回転
した位置にあると考えられる。この出射面の位置におけ
る屈折率楕円体の切断面は、図18(c)のようになっ
ていると思われる。At the position of the light emitting surface of the Bi 12 GeO 20 crystal, the principal axes (X ′ (out) axis and Y ′ (out) axis) of the refractive index ellipsoid at the time of applying a voltage are the above-mentioned intermediate points. It is conceivable that it is located at a position rotated about the z-axis by half (+ φ / 2) of the optical rotation angle φ in the same direction as the optical rotation direction than the main axes (X ′ (mid) axis and Y ′ (mid) axis) in FIG. The cut surface of the refractive index ellipsoid at the position of the exit surface is considered to be as shown in FIG.
【0133】上記のように考えると、Bi12GeO20結
晶の光の入射面から出射面までの間で、電圧印加時の屈
折率楕円体の主軸(X’軸、Y’軸)は、旋光角φだけ
回転することになる。また、Bi12GeO20結晶の光の
出射面の位置における屈折率楕円体の主軸(X'(out)
軸、Y'(out)軸)に注目すると、旋光性を持たない電気
光学結晶に電圧を印加したときの屈折率楕円体の主軸
(X’軸、Y’軸)に対して、旋光角φの半分の角度だ
け回転していることになる(図16(b)及び図18
(c)参照)。Considering the above, the principal axes (X ′ axis, Y ′ axis) of the refractive index ellipsoid when voltage is applied between the light incident surface and the light emitting surface of the Bi 12 GeO 20 crystal are optical rotation. It rotates by the angle φ. Also, the main axis (X ′ (out) of the refractive index ellipsoid at the position of the light emission surface of the Bi 12 GeO 20 crystal
And the Y ′ (out) axis), an optical rotation angle φ with respect to the main axes (X ′ axis, Y ′ axis) of the refractive index ellipsoid when a voltage is applied to the electro-optic crystal having no optical rotation. Are rotated by half the angle of FIG.
(C)).
【0134】上記のポッケルス素子4を通過した2つの
直線偏光は、出射面の位置における屈折率楕円体の主軸
(X'(out)軸、Y'(out)軸)の方向に振動する光であ
る。そして、互いに直交する方向に振動するこれら2つ
の直線偏光は、ポッケルス素子4を出射した後に合成さ
れて印加電圧に応じた楕円率の楕円偏光となる。The two linearly polarized lights that have passed through the Pockels element 4 are lights that vibrate in the directions of the principal axes (X ′ (out) axis and Y ′ (out) axis) of the refractive index ellipsoid at the position of the exit surface. is there. These two linearly polarized lights that oscillate in directions orthogonal to each other are combined after emitting the Pockels element 4 and become elliptically polarized light having an ellipticity according to the applied voltage.
【0135】ここで、例えば検光子5の偏光方向を、上
記のX'(out)軸方向又はY'(out)軸方向と一致させた場
合は、センサの感度は最小となる。なぜならば、ポッケ
ルス素子4の出力光は、X'(out)軸方向及びY'(out)軸
方向に振動する光のベクトル和であるから、検光子5を
X'(out)軸又はY'(out)軸と平行に配置した場合には光
量変化が生じないためである。一方、検光子5の偏光方
向を、X'(out)軸又はY'(out)軸に対して45°だけ傾
けた場合に、センサの感度は最大となる。Here, for example, when the polarization direction of the analyzer 5 is made to coincide with the X ′ (out) axis direction or the Y ′ (out) axis direction, the sensitivity of the sensor becomes minimum. This is because the output light of the Pockels element 4 is the vector sum of the light oscillating in the X ′ (out) axis direction and the Y ′ (out) axis direction. This is because the light amount does not change when they are arranged parallel to the (out) axis. On the other hand, when the polarization direction of the analyzer 5 is inclined by 45 ° with respect to the X ′ (out) axis or the Y ′ (out) axis, the sensitivity of the sensor becomes maximum.
【0136】図19に示すように、X'(out)軸は、x軸
に対して−{45°−(φ/2)}の角度だけ傾いてい
る。最大感度が得られる検光子5の位置は、X'(out)軸
より±45°±90°×nだけずれた位置なので、これ
はx軸に対してφ/2±90°×nだけずれた位置であ
る。As shown in FIG. 19, the X ′ (out) axis is inclined at an angle of − {45 ° − (φ / 2)} with respect to the x axis. Since the position of the analyzer 5 at which the maximum sensitivity is obtained is shifted by ± 45 ° ± 90 ° × n from the X ′ (out) axis, it is shifted by φ / 2 ± 90 ° × n with respect to the x axis. Position.
【0137】尚、旋光性を有するBi12GeO20結晶の
場合、屈折率楕円体の2本の主軸(X’軸、Y’軸)が
光の進行方向の位置によって図17に示すように変化し
ていることを、以下の実験によって確かめた。In the case of Bi 12 GeO 20 crystal having optical rotation, the two main axes (X ′ axis and Y ′ axis) of the refractive index ellipsoid change as shown in FIG. 17 depending on the position in the light traveling direction. This was confirmed by the following experiment.
【0138】(i)λ/4板3を使用せず、偏光子2と検
光子5との間に旋光性を有するポッケルス素子4のみを
配置する。ポッケルス素子4の電気光学結晶としては、
旋光角φ≒+30°のBi12GeO20結晶(厚さb≒3
mm)と、旋光角φ≒+60°のBi12GeO20結晶
(厚さb≒5.7mm)とをそれぞれ使用した。尚、図
9に示すように、ポッケルス素子4の各結晶軸はx軸、
y軸、z軸に一致している。(I) Only the Pockels element 4 having optical rotation is arranged between the polarizer 2 and the analyzer 5 without using the λ / 4 plate 3. As the electro-optic crystal of the Pockels device 4,
Bi 12 GeO 20 crystal with an optical rotation angle φ ≒ + 30 ° (thickness b ≒ 3
mm) and a Bi 12 GeO 20 crystal (thickness b ≒ 5.7 mm) having an optical rotation angle φ ≒ + 60 °. As shown in FIG. 9, each crystal axis of the Pockels device 4 is an x-axis,
It matches the y-axis and the z-axis.
【0139】(ii) 次に、上記ポッケルス素子4に安定
した約240V(出来るだけ高い値)の交流電圧を光の
進行方向に印加する。(Ii) Next, a stable AC voltage of about 240 V (as high as possible) is applied to the Pockels element 4 in the traveling direction of light.
【0140】(iii)偏光子2及び検光子5をz軸を中心
として回転させながら、センサ出力のAC値が最大とな
る位置を捜す(オシロスコープの波形で確認する)。(Iii) While rotating the polarizer 2 and the analyzer 5 around the z-axis, search for a position where the AC value of the sensor output becomes maximum (confirm with an oscilloscope waveform).
【0141】(iv) 検光子5を上記(iii) の操作で捜し
たAC値最大の位置に固定した上で、偏光子2のみをz
軸を中心として回転させながら、センサ出力のAC値が
最小(殆ど0)になる偏光子2の位置(偏光子2の偏光
方向とx軸とのなす角度)を調べる。(Iv) After fixing the analyzer 5 at the position of the maximum AC value found by the above operation (iii), only the polarizer 2 is moved to z.
While rotating about the axis, the position of the polarizer 2 at which the AC value of the sensor output becomes minimum (almost 0) (the angle between the polarization direction of the polarizer 2 and the x-axis) is examined.
【0142】上記の操作の結果、旋光角φが約30°、
約60°の何れの場合でも、偏光子2をx軸に対して約
(−φ/2)±90°×nの角度だけ傾けたときに、セ
ンサ出力のAC値が殆ど0となった。また、偏光子2を
上記の位置に配置した場合は、検光子5がどの位置に来
ようとも、センサ出力のAC値は殆ど0のままであっ
た。As a result of the above operation, the rotation angle φ was about 30 °,
In any case of about 60 °, the AC value of the sensor output became almost 0 when the polarizer 2 was inclined by about (−φ / 2) ± 90 ° × n with respect to the x-axis. In addition, when the polarizer 2 was arranged at the above position, the AC value of the sensor output remained almost 0 regardless of the position of the analyzer 5.
【0143】これは、ポッケルス素子4の光の入射面
に、x軸に対して約(−φ/2)±90°×nの角度だ
け傾いた直線偏光を入射しても、その直線偏光はポッケ
ルス素子4を通過する際に互いに直交する方向に振動す
る2つの光に分解されず(したがって位相差も生じず)
にポッケルス素子4から直線偏光のまま出力されたため
と考えられる。このことから、ポッケルス素子4の入射
面の位置においては、図17に示すように、x軸に対し
て約(−φ/2)±90°×nの角度だけ傾いたところ
に、位相差を生じさせない偏光の固有軸である屈折率楕
円体の主軸(X'(in) 軸、Y'(in) 軸)があることがわ
かる。This is because even if linearly polarized light inclined at an angle of about (−φ / 2) ± 90 ° × n with respect to the x-axis is incident on the light incident surface of the Pockels element 4, the linearly polarized light is When passing through the Pockels element 4, it is not decomposed into two lights that vibrate in directions orthogonal to each other (therefore, there is no phase difference).
It is considered that the linearly polarized light was output from the Pockels element 4 as it was. From this, at the position of the incident surface of the Pockels element 4, as shown in FIG. 17, the phase difference is set at an angle of about (−φ / 2) ± 90 ° × n with respect to the x-axis. It can be seen that there are principal axes (X '(in) axis and Y' (in) axis) of the refractive index ellipsoid, which are the intrinsic axes of the polarized light that is not generated.
【0144】(v) 次に、偏光子2を上記 (iii)の操作
で捜したAC値最大の位置に固定した上で、検光子5の
みをz軸を中心として回転させながら、センサ出力のA
C値が最小(殆ど0)になる検光子5の位置(検光子5
の偏光方向とx軸とのなす角度)を調べる。(V) Next, after fixing the polarizer 2 at the position of the maximum AC value found by the above operation (iii), while rotating only the analyzer 5 around the z-axis, the sensor output A
The position of the analyzer 5 where the C value becomes minimum (almost 0) (analyzer 5
(The angle between the polarization direction and the x-axis) is examined.
【0145】上記の操作の結果、旋光角φが約30°、
約60°の何れの場合でも、検光子5をx軸に対して約
(+φ/2)±90°×nの角度だけ傾けたときに、セ
ンサ出力のAC値が殆ど0となった。また、検光子5を
上記の位置に配置した場合は、偏光子2がどの位置に来
ようとも、センサ出力のAC値は殆ど0のままであっ
た。As a result of the above operation, the angle of rotation φ was about 30 °,
In any case of about 60 °, the AC value of the sensor output became almost 0 when the analyzer 5 was inclined by about (+ φ / 2) ± 90 ° × n with respect to the x-axis. In addition, when the analyzer 5 was arranged at the above position, the AC value of the sensor output remained almost 0 regardless of the position of the polarizer 2.
【0146】これは、ポッケルス素子4内で分解された
互いに直交する方向に振動する2つの直線偏光が、ポッ
ケルス素子4の出射面から出射するときにx軸に対して
約(+φ/2)±90°×nの角度だけ傾いた方向に振
動しているためと考えられる。このことから、ポッケル
ス素子4の出射面の位置においては、図17に示すよう
に、x軸に対して約(+φ/2)±90°×nの角度だ
け傾いたところに、偏光の固有軸である屈折率楕円体の
主軸(X'(out)軸、Y'(out)軸)があることがわかる。This is because the two linearly polarized light beams vibrating in the directions orthogonal to each other decomposed in the Pockels element 4 emit about (+ φ / 2) ± with respect to the x-axis when exiting from the exit surface of the Pockels element 4. This is considered to be due to the vibration in the direction inclined by 90 ° × n. From this, at the position of the emission surface of the Pockels element 4, as shown in FIG. 17, the position of the polarization axis is about (+ φ / 2) ± 90 ° × n with respect to the x-axis. It can be seen that there are principal axes (X ′ (out) axis and Y ′ (out) axis) of the refractive index ellipsoid.
【0147】以上の説明の通り、旋光性を有するポッケ
ルス素子4を使用した場合、旋光性のない場合に比べ
て、結晶の旋光性によって偏光面が回転する方向と同一
方向に旋光角φの約半分の角度(≒φ/2)だけ傾いた
位置を変調感度が最大となる基準位置とし、そこから検
光子5をλ/4板3の特性(位相差の変化する方向)に
応じた方向に角度αだけ回転させれば、温度特性を改善
することが出来るのである。As described above, when the Pockels element 4 having optical rotation is used, the optical rotation angle φ is reduced in the same direction as the direction in which the polarization plane rotates due to the optical rotation of the crystal, as compared with the case without the optical rotation. A position inclined by a half angle (≒ φ / 2) is set as a reference position at which the modulation sensitivity is maximized, and the analyzer 5 is moved from there to a direction corresponding to the characteristics of the λ / 4 plate 3 (the direction in which the phase difference changes). If rotated by the angle α, the temperature characteristics can be improved.
【0148】このことを検証するために、ポッケルス素
子4として厚さb≒3mmのBi12GeO20結晶を使用
し、約50°(基準温度)から約30°へ温度を変化さ
せた場合の温度特性試験を行った。検光子5を感度最大
の位置(x軸に対して+15°)に置いた場合と、上述
の温度特性を改善することができる方向に22、5°回
転させた場合とで、AC/DCの比誤差を実測したが、
上記感度最大の位置では比誤差が+0.17であったの
に対し、そこから22.5°回転させた位置では比誤差
が+0.05と十分に小さくなった。In order to verify this, the temperature when the temperature was changed from about 50 ° (reference temperature) to about 30 ° using a Bi 12 GeO 20 crystal having a thickness of b ≒ 3 mm as the Pockels element 4 was used. A characteristic test was performed. When the analyzer 5 is placed at the position of the maximum sensitivity (+ 15 ° with respect to the x-axis) and when the analyzer 5 is rotated by 22 and 5 ° in a direction in which the above-mentioned temperature characteristics can be improved, the AC / DC I actually measured the ratio error,
The ratio error was +0.17 at the position where the sensitivity was maximum, while the ratio error was sufficiently reduced to +0.05 at a position rotated by 22.5 ° therefrom.
【0149】尚、本実施の形態では、旋光性を有する電
気光学結晶として、等方性の点群T(国際記号23)に
属するBi12GeO20結晶やBi12SiO20結晶を例示
したがこれに限定されるものではない。例えば、1軸性
結晶である点群C3 (国際記号3)や点群D3 (国際記
号32)に属する三方晶系の結晶等、旋光性を有する他
の電気光学結晶を使用することもできる。In the present embodiment, Bi 12 GeO 20 crystal and Bi 12 SiO 20 crystal belonging to the isotropic point group T (international symbol 23) have been exemplified as the electro-optical crystal having optical rotation. However, the present invention is not limited to this. For example, it is possible to use other electro-optical crystals having optical rotation, such as trigonal crystals belonging to the point group C 3 (international symbol 3) or the point group D 3 (international symbol 32) which are uniaxial crystals. it can.
【0150】ポッケルス素子4として1軸性結晶を使用
する場合は、その光学軸を光の進行方向と平行に配置す
ればよい。詳しくは、1軸性の電気光学結晶の光の進行
方向の中間点における電圧未印加時の屈折率楕円体の3
つの主軸、X軸、Y軸、Z軸(Z軸は光学軸)を、図9
の直交座標軸x、y、zと一致させればよい。When a uniaxial crystal is used as the Pockels element 4, its optic axis may be arranged in parallel with the traveling direction of light. More specifically, the refractive index ellipsoid 3 when no voltage is applied at an intermediate point in the light traveling direction of the uniaxial electro-optic crystal.
FIG. 9 shows three main axes, an X axis, a Y axis, and a Z axis (the Z axis is an optical axis).
May be made to coincide with the orthogonal coordinate axes x, y, z.
【0151】また、上記の実施の形態1及び2では、光
電圧センサについて説明したが、ポッケルス素子4の表
面部に電極を設けることなく当該素子を電界中に配置す
れば、光の進行方向の電界を測定することが可能であ
り、上記と同様の構成で高感度の光電界センサを構成す
ることもできる。In the first and second embodiments, the optical voltage sensor has been described. However, if the Pockels element 4 is disposed in an electric field without providing an electrode on the surface of the element, the light traveling direction can be improved. The electric field can be measured, and a high-sensitivity optical electric field sensor can be configured with the same configuration as described above.
【0152】[0152]
【発明の効果】請求項1の発明に係る光電圧・電界セン
サは、以上のように、波長板の基準温度における基準位
相差からの偏移の方向が、使用温度範囲内で常に一定に
なるように設定されており、検光子については、電気光
学結晶との間の位置関係によって定まる変調感度が最大
となる基準位置に配された場合であって、波長板の位相
差の上記設定方向への偏移により検光子出力の直流成分
が基準位相差のときに比べて減少する場合には、当該基
準位置より、光の進行方向の上流から下流に向かって左
まわりに約30°以内の角度範囲内に配置される一方、
波長板の位相差の上記設定方向への偏移により検光子出
力の直流成分が基準位相差のときに比べて増加する場合
には、当該基準位置より、光の進行方向の上流から下流
に向かって右まわりに約30°以内の角度範囲内に配置
されている構成である。As described above, in the optical voltage / electric field sensor according to the first aspect of the present invention, the direction of deviation from the reference phase difference at the reference temperature of the wave plate is always constant within the operating temperature range. It is set in such a manner that the analyzer is arranged at the reference position where the modulation sensitivity determined by the positional relationship between the electro-optic crystal and the electro-optic crystal is maximized, and the phase difference of the wave plate is set in the setting direction. When the DC component of the analyzer output decreases as compared with the reference phase difference due to the shift of the angle, the angle within about 30 ° counterclockwise from the reference position toward the downstream from the upstream in the light traveling direction to the downstream. While placed within the range,
When the DC component of the analyzer output is increased as compared with the reference phase difference due to the shift of the phase difference of the wave plate in the setting direction, from the reference position toward the downstream in the light traveling direction from the reference position. And is arranged clockwise within an angle range of about 30 ° or less.
【0153】それゆえ、光学部品の位置関係を適正化す
ることによって、新たな部品を増やすことなく、センサ
の温度特性を改善することができ、使用温度範囲に亘っ
て高精度な測定を行うことができるという効果を奏す
る。Therefore, by optimizing the positional relationship between the optical components, the temperature characteristics of the sensor can be improved without increasing the number of new components, and highly accurate measurement can be performed over the operating temperature range. This has the effect that it can be performed.
【0154】請求項2の発明に係る光電圧・電界センサ
は、以上のように、請求項1の発明の構成において、上
記電気光学結晶が旋光性を有し、上記検光子の基準位置
は、当該検光子の偏光方向が、上記電気光学結晶におけ
る光の進行方向と直交する結晶軸に対して、当該結晶の
旋光性によって偏光面が回転する方向と同一方向に旋光
角の略半分の角度だけ傾けられた位置となっている構成
である。As described above, in the optical voltage / electric field sensor according to the second aspect of the present invention, in the configuration of the first aspect, the electro-optic crystal has optical rotation, and the reference position of the analyzer is: The direction of polarization of the analyzer is substantially half the angle of rotation in the same direction as the direction in which the polarization plane rotates due to the optical rotation of the crystal with respect to a crystal axis orthogonal to the direction of light propagation in the electro-optic crystal. This is a configuration in which the position is inclined.
【0155】それゆえ、このように検光子の基準位置を
決めて検光子の位置を適正化すれば、電気光学結晶を使
用する場合にもセンサの温度特性を改善することができ
るという効果を奏する。Therefore, by determining the reference position of the analyzer and optimizing the position of the analyzer in this manner, the temperature characteristic of the sensor can be improved even when an electro-optic crystal is used. .
【図1】本発明の実施の一形態を示すものであり、光電
圧センサのセンサ部の要部構成を示す斜視図である。FIG. 1, showing an embodiment of the present invention, is a perspective view illustrating a main configuration of a sensor unit of an optical voltage sensor.
【図2】上記光電圧センサの概略のブロック図である。FIG. 2 is a schematic block diagram of the optical voltage sensor.
【図3】光電圧センサのセンサ部の平行偏光子の構成を
示す斜視図である。FIG. 3 is a perspective view illustrating a configuration of a parallel polarizer of a sensor unit of the optical voltage sensor.
【図4】λ/4板で生じる位相差の偏移による偏光形状
の変化を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining a change in polarization shape due to a shift of a phase difference generated in a λ / 4 plate.
【図5】温度変化によってλ/4板の位相差が90°か
ら89°に変化したときの、検光子の角度(x軸とのな
す角度)と比誤差との関係を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing a relationship between an angle of an analyzer (an angle formed with an x-axis) and a ratio error when a phase difference of a λ / 4 plate changes from 90 ° to 89 ° due to a temperature change.
【図6】温度変化によってλ/4板の位相差が90°か
ら91°に変化したときの、検光子の角度(x軸とのな
す角度)と比誤差との関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing a relationship between an analyzer angle (an angle formed with an x-axis) and a ratio error when a phase difference of a λ / 4 plate changes from 90 ° to 91 ° due to a temperature change.
【図7】温度変化によってλ/4板の位相差が90°か
ら89°に変化したときの、検光子の角度(y軸とのな
す角度)と比誤差との関係を示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing the relationship between the angle of the analyzer (the angle formed with the y axis) and the ratio error when the phase difference of the λ / 4 plate changes from 90 ° to 89 ° due to a temperature change.
【図8】温度変化によってλ/4板の位相差が90°か
ら91°に変化したときの、検光子の角度(y軸とのな
す角度)と比誤差との関係を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the relationship between the angle of the analyzer (the angle formed with the y-axis) and the ratio error when the phase difference of the λ / 4 plate changes from 90 ° to 91 ° due to a temperature change.
【図9】本発明のその他の実施の一形態を示すものであ
り、光電圧センサのセンサ部の要部構成を示す斜視図で
ある。FIG. 9 illustrates another embodiment of the present invention, and is a perspective view illustrating a main configuration of a sensor unit of an optical voltage sensor.
【図10】直交座標系において、偏光子の偏光方向、及
びλ/4板のa、c軸の方向を示す説明図である。FIG. 10 is an explanatory diagram showing a polarization direction of a polarizer and directions of a and c axes of a λ / 4 plate in a rectangular coordinate system.
【図11】図10の光学部材の配置において、λ/4板
の出射光の状態、ポッケルス素子の出射光の状態、及び
変調感度が最大となる検光子の偏光方向をそれぞれ示す
説明図である。11 is an explanatory diagram showing a state of light emitted from a λ / 4 plate, a state of light emitted from a Pockels element, and a polarization direction of an analyzer having a maximum modulation sensitivity in the arrangement of the optical members of FIG. 10; .
【図12】直交座標系において、偏光子の偏光方向、及
びλ/4板のa、c軸の方向を示す説明図である。FIG. 12 is an explanatory diagram showing a polarization direction of a polarizer and directions of a and c axes of a λ / 4 plate in a rectangular coordinate system.
【図13】図12の光学部材の配置において、λ/4板
の出射光の状態、ポッケルス素子の出射光の状態、及び
変調感度が最大となる検光子の偏光方向をそれぞれ示す
説明図である。13 is an explanatory diagram showing a state of light emitted from a λ / 4 plate, a state of light emitted from a Pockels element, and a polarization direction of an analyzer having a maximum modulation sensitivity in the arrangement of the optical members of FIG. 12; .
【図14】直交座標系において、偏光子の偏光方向、及
びλ/4板のa、c軸の方向を示す説明図である。FIG. 14 is an explanatory diagram showing a polarization direction of a polarizer and directions of a and c axes of a λ / 4 plate in a rectangular coordinate system.
【図15】図14の光学部材の配置において、λ/4板
の出射光の状態、ポッケルス素子の出射光の状態、及び
変調感度が最大となる検光子の偏光方向をそれぞれ示す
説明図である。15 is an explanatory diagram showing a state of light emitted from a λ / 4 plate, a state of light emitted from a Pockels element, and a polarization direction of an analyzer having a maximum modulation sensitivity in the arrangement of the optical members of FIG. 14; .
【図16】旋光性を持たないポッケルス素子の屈折率楕
円体の切断面を示す説明図であり、図16中の(a)は
電圧未印加時、同図中の(b)は電圧印加時の屈折率楕
円体の切断面を示す。16 is an explanatory view showing a cut surface of a refractive index ellipsoid of a Pockels element having no optical rotation; FIG. 16 (a) when no voltage is applied, and FIG. 16 (b) when a voltage is applied; 2 shows a cut surface of a refractive index ellipsoid of FIG.
【図17】旋光性を有するポッケルス素子において、光
の進行方向の位置によって屈折率楕円体の主軸が変化す
る状態を示す説明図である。FIG. 17 is an explanatory diagram showing a state in which the principal axis of the refractive index ellipsoid changes depending on the position in the traveling direction of light in the Pockels element having optical rotation.
【図18】図17のポッケルス素子の屈折率楕円体の切
断面を示す説明図であり、図18中の(a)は光の入射
面、同図中の(b)は光の進行方向の中間点、同図中の
(c)は光の出射面における電圧印加時の屈折率楕円体
の切断面を示す。18 is an explanatory view showing a cut surface of a refractive index ellipsoid of the Pockels element of FIG. 17; FIG. 18 (a) is a light incident surface, and FIG. 18 (b) is a light traveling direction; The middle point, (c) in the figure, shows the cut surface of the refractive index ellipsoid at the time of voltage application on the light emission surface.
【図19】図9の光電圧センサのセンサ部において、最
大感度が得られる検光子の偏光方向を示す説明図であ
る。FIG. 19 is an explanatory diagram showing a polarization direction of an analyzer at which a maximum sensitivity is obtained in the sensor section of the optical voltage sensor of FIG. 9;
【図20】従来の光電圧センサの概略のブロック図であ
る。FIG. 20 is a schematic block diagram of a conventional optical voltage sensor.
【図21】従来の光電圧センサのセンサ部の要部構成を
示す斜視図である。FIG. 21 is a perspective view illustrating a main configuration of a sensor unit of a conventional optical voltage sensor.
1 コリメータ 2 偏光子 3 λ/4板(波長板) 4 ポッケルス素子(電気光学結晶) 5 検光子 6 コリメータ 10 光電圧センサ 11 センサ部 12 発光回路 13 受光回路 REFERENCE SIGNS LIST 1 collimator 2 polarizer 3 λ / 4 plate (wave plate) 4 Pockels element (electro-optic crystal) 5 analyzer 6 collimator 10 optical voltage sensor 11 sensor unit 12 light emitting circuit 13 light receiving circuit
Claims (2)
気光学結晶、及び検光子が順次配置された光電圧・電界
センサにおいて、 上記波長板は、基準温度における基準位相差からの偏移
の方向が、使用温度範囲内で常に一定になるように設定
されており、 上記検光子は、電気光学結晶との間の位置関係によって
定まる変調感度が最大となる基準位置に配された場合で
あって、波長板の位相差の上記設定方向への偏移により
検光子出力の直流成分が基準位相差のときに比べて減少
する場合には、当該基準位置より、光の進行方向の上流
から下流に向かって左まわりに約30°以内の角度範囲
内に配置される一方、波長板の位相差の上記設定方向へ
の偏移により検光子出力の直流成分が基準位相差のとき
に比べて増加する場合には、当該基準位置より、光の進
行方向の上流から下流に向かって右まわりに約30°以
内の角度範囲内に配置されていることを特徴とする光電
圧・電界センサ。1. A photovoltaic / electric field sensor in which a polarizer, a wave plate, an electro-optic crystal, and an analyzer are sequentially arranged along a traveling direction of light, wherein the wave plate has a difference from a reference phase difference at a reference temperature. The direction of the shift is set to be always constant within the operating temperature range, and the analyzer is disposed at a reference position where the modulation sensitivity determined by the positional relationship with the electro-optic crystal is maximized. In the case, when the DC component of the analyzer output is reduced as compared with the reference phase difference due to the shift of the phase difference of the wave plate in the setting direction, the reference position is shifted from the reference position in the light traveling direction. When the DC component of the analyzer output is the reference phase difference due to the shift of the phase difference of the wave plate in the above-mentioned setting direction while being arranged in the angle range of about 30 ° counterclockwise from the upstream to the downstream. If it increases, the reference position Further, the optical voltage / electric field sensor is disposed within an angle range of about 30 ° clockwise from upstream to downstream in the light traveling direction.
記電気光学結晶における光の進行方向と直交する結晶軸
に対して、当該結晶の旋光性によって偏光面が回転する
方向と同一方向に旋光角の略半分の角度だけ傾けられた
位置であることを特徴とする請求項1記載の光電圧・電
界センサ。2. The electro-optic crystal according to claim 1, wherein the electro-optic crystal has optical rotation, and the reference position of the analyzer is such that the polarization direction of the analyzer is a crystal axis perpendicular to a light traveling direction in the electro-optic crystal. 2. The optical voltage / electric field sensor according to claim 1, wherein the position is tilted by substantially half the optical rotation angle in the same direction as the direction in which the polarization plane rotates due to the optical rotation of the crystal.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP28869496A JP3301324B2 (en) | 1996-10-30 | 1996-10-30 | Optical voltage / electric field sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP28869496A JP3301324B2 (en) | 1996-10-30 | 1996-10-30 | Optical voltage / electric field sensor |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH10132866A true JPH10132866A (en) | 1998-05-22 |
JP3301324B2 JP3301324B2 (en) | 2002-07-15 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP (1) | JP3301324B2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US7859666B2 (en) | 2003-07-28 | 2010-12-28 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Electric field sensor |
-
1996
- 1996-10-30 JP JP28869496A patent/JP3301324B2/en not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US7859666B2 (en) | 2003-07-28 | 2010-12-28 | Nippon Telegraph And Telephone Corporation | Electric field sensor |
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