電気光学効果を利用した電磁界計測技術の動向

(1)

電気光学効果を利用した電磁界計測技術の動向

永妻忠夫

^†^a)

久武信太郎

^†

Trends in Electromagnetic-Wave Measurement Technologies Using Electro-Optic Eﬀect

Tadao NAGATSUMA

^†a)

and Shintaro HISATAKE

^†

あらまし電気光学効果を利用した電磁界計測技術は，光技術を応用した様々な電磁界計測手法の中で最も歴史が長く，また様々な周波数帯の計測に利用されている．本論文では，まず，基本的な動作原理と典型的な応用に向けたシステム構成例について述べる．つぎに，1980年代から現在までの研究開発の経緯を俯瞰した後，最近の技術の進展や注目すべき研究動向について紹介する．

キーワード電気光学効果，電磁界計測，レーザ，マイクロ波，ミリ波，テラヘルツ波

1.

まえがき

光技術を利用した高速・高周波電気信号の計測技術の研究の最初のブームは，

1980

年代に遡る．フェムト秒パルスレーザ光の出現によって，それを用いたピコ秒〜サブピコ秒の電気信号の発生と検出技術が大きく進展した．

1990

年に発行された単行本「

Measure- ment of High-Speed Signals in Solid State Devices

」

(Marcus

編，

Semiconductors and Semimetals

シリーズ

) [1]

では，

80

年代に確立された数々の電気信号

(

電磁界

)

計測技術がまとめられている．その中で，四半世紀を過ぎた今日にいたるまで応用研究が続けられているものは，電気光学

(Electro-Optic: EO)

効果を有する光学材料

(EO

材料

)

を電界センサとして利用する計測技術である．

EO

効果を利用した電磁界計測技術に関する研究がこのように息が長い最大の理由は，

EO

効果が，直流からマイクロ波，ミリ波

(30 GHz

〜

300 GHz)

，そしてテラヘルツ波

(0.1 THz

〜

10 THz)

領域におよぶ極めて広い周波数応答性を有することから，電磁波開拓や周波数利用技術の進展とともに，常に新たな測定対象やニーズが存在してきたことにある

[2]

〜

[4]

．本論文

†大阪大学大学院基礎工学研究科，豊中市

Graduate School of Engineering Science, Osaka University, 1–3 Machikaneyama, Toyonaka-shi, 560–8531 Japan a) E-mail: [email protected]

では，

EO

効果を利用した計測技術

(

以後，

EO

計測技術と呼ぶ

)

について，これまでの技術動向や最近の新たな展開に関して解説する．

2.

レーザ光を利用した電磁界計測の分類光技術による電磁界計測においては，電磁波

(

電気信号

)

のより光波の変調を引き起こす様々な物理現象

(

図

1)

が基礎となる．同図に実用的な観点から選んだ変調手法とそれを支える物理現象をまとめる．

電界によって複屈折率が変化する現象

(

ポッケルス効果

)

を使った電気光学

(Electro-Optic: EO)

変調

[5]

〜

図1 光技術を用いた電磁界測定技術の原理と分類 Fig. 1 Principles of electro-magnetic ﬁeld measure-

ment using optical techniques.

(2)

図2 EO計測による電気信号計測の原理．図では光パルスを用いたサンプリング計測の例を示している Fig. 2 Principle of electrical signal measurement

based on EO eﬀect.

[10]

，光を照射すると導電率が変わる現象を利用する光伝導

(Photo-Conductive: PC)

変調

[11]

〜

[13]

，電界によって光の吸収係数が変化する現象を利用する電界吸収

(Electro-Absorption: EA)

変調

[14]

〜

[16]

，磁界による光の偏光面の回転などを利用する磁気光学

(Magneto-Optic: MO)

変調

[17]

〜

[19]

が代表的なものである．いずれの場合もこれらの諸現象を引き起こす特殊な材料が重要であり，電界あるいは磁界センサとしての感度や帯域は，材料の種類や形状などに大きく依存する．

これらの計測手法の中で，電磁波計測として最も広く利用され実用化が進んでいる手法は

EO

計測である．

EO

計測は，光信号強度の変化から未知の電気

(

電界

)

信号を測る手法である

(

図

2)

．光信号としてはパルスレーザ光と連続レーザ光を用いる

2

とおりがある．光パルスを用いた

EO

計測は，

EO

サンプリング

(Electro-Optic Sampling: EOS)

と呼ばれる．

EOS

では，上述のように電界が加わるとその強さに応じて複屈折率が瞬時に変化する

EO

材料

(

応答速度は

0.01

〜

0.1 ps

のオーダ

)

が電界センサになる．図

2

に示すように，電界によって屈折率が変化した

EO

材料中に光を通過させると，材料に入る前と出た後で偏光状態が変わる．この偏光状態の変化は，

EO

材料を通過した光を更に偏光板に通すことで，光の強さ

(

光量

)

の変化に変換することができる．パルス光を用いることで，時間的に変化する電気信号波形を，ほぼ光パルスの幅の分解能で測定することが可能となる．光パルスと被測定波形とのタイミングをずらしていくこ

オードで電気信号に変換したのち，電気的なサンプリングオシロスコープやスペクトラムアナライザーでそれぞれ波形や周波数を計測することも可能である

[8]

〜

[10]

．この場合，帯域はフォトダイオード及びそれ以降の電気的な計測機器の性能で決まる．また，測定帯域を広げると光のショット雑音が増えるため感度が劣化する．したがって実用的には数

GHz

程度の測定に適している．

EO

材料に要求される重要な項目は，

1 n

³

r (n:

屈折率，

r:

ポッケルス定数

)

が大きい，

2

抵抗率が高い，

3

誘電率

ε

が低い，

4

特定方向の電界に対してのみ感度を有する，

5

使用するレーザ光の波長で大きな吸収がない，研磨・切削加工やミラー等の膜蒸着が容易である，などが挙げられる．

1

は感度，

2

は低周波数での応答特性，

3

は容量的な負荷あるいは擾乱，

4

は空間分解能あるいはクロストーク特性にそれぞれ関連する．一般に電界に対する

EO

材料の屈折率の変化が

n

³

r

に比例することから，この値が感度の目安として使われる．また，誘電率が高いと，電界の

EO

材料への侵入を妨げるため感度が低下する．そこで材料の感度指数として

n

³

r/ε

を用いることもある．更に，

4

に関連して，レーザ光の伝搬方向と検出される電界の向きが平行となる縦型の材料と，レーザ光と電界の方向が垂直な横型の材料のどちらを選択するかが重要である．自由空間を伝搬する電波の計測においては，横型を用いるのが一般的である．これらを満足する

EO

材料としては，

LiTaO

3

(

横

)

，

LiNbO

3

(

横

)

，

KTP (

横

)

，

CdTe (

横・縦

)

，

ZnTe (

横・縦

)

，

BSO (

横・縦

)

などの酸化物結晶や半導体結晶が代表的である．その他の高感度材料として，高分子ポリマ

[20]

や有機結晶

(

例えば

DAST [21])

への期待度も大きい．

3. EO

^{計測技術の変遷}

EO

計測は，

1980

〜

90

年代に，半導体電子デバイスや半導体集積回路

(IC)

の評価

/

診断のためのテスト技術として発展した

[7]

〜

[9]

．文献

[1]

に見られるように，

1980

年代の同技術の牽引役は米国の研究機関

(Bell

研，

IBM

，ロチェスター大学等

)

であった．我が国や欧州の機関における研究開発が活発になったのは，

(3)

図3 EO材料を用いた電気(電界)信号計測の形態．(a) 配線からのフリンジ電界を非接触で検出．(b)微小金属電極を配線にコンタクトして電界を検出．(c) 電波放射体からの電界を検出

Fig. 3 Configuration of electric-field measurement using EO materials. (a) Noncontact detection of fringing electric filed. (b) Detection of electric field via a metallic needle. (c) Detection of electric field emitted from a radiator.

1980

年代の後半からであったが，

1990

年代以降，

EO

計測技術を実用的な

IC

テストシステムや電界計測システムにまで発展させてきたのは我が国であったと言える．実際に，国内の複数の計測メーカーから

EO

計測を利用した

IC

テスタや高周波プローブが登場した．

図

3

は，

EO

計測の原理を使った，

IC

や回路基板の配線を伝わる電気信号測定や，アンテナなどの放射体からの電界

(

電波

)

計測の例である．図

3 (a)

では，

EO

材料を配線に近づけ，配線からもれた電界

(

フリンジ電界

)

によって材料の屈折率を変化させる．

EO

材料の底面にはレーザ光を反射させるための誘電体ミラーが施されている．同図

(b)

は

EO

材料に小さな金属針を取り付け，この針を配線に接触させて材料の底面を配線と同電位にすることにより感度を増加させるものである．この形態では，配線の電位を正確に知ることができる．被測定対象がアンテナなどの放射体の場合は，図

3 (c)

のように電波が伝搬する経路に

EO

材料を置くことで電波の波形や強度を測ることができる．

本

EO

計測は，従来の電気的手法による計測に比べ，

高時間分解能性

(

広帯域性

)

と低擾乱性において優っているだけでなく，電位の基準となるグランド線に測定端子を接続する必要がないという特徴を有する．

図

3 (a)

及び

(b)

の形態は，

IC

チップや回路基板の内部の電気信号波形を一点一点計測することで故障や動作不良の診断に利用できる．また，

IC

チップ内のダイオードやトランジスタの応答を直近で測定することができ，伝送線路やコネクタによる波形歪や損失の影響を受けない真の波形測定が可能となる．テラヘルツ帯のフォトダイオードやフォトコンダクタの光応答は現在でも

EO

計測が標準である

[2], [3]

．

図4 空間電磁波を測定するためのファイバ型計測システムの構成例．(a) EO材料と偏光検出光学系の分離構造．(b) EO材料と偏光検出光学系の一体構造．

(c)集積化導波路型構造

Fig. 4 Fiber-based measurement system for free- space electromagnetic waves. (a) EO material and polarization detection optics are sep- arated. (b) EO material and polarization detection optics are packaged. (c) Integrated detection system with optical waveguide.

図

3 (c)

の形態は，アンテナ測定はもちろん，

EMC

計測にも有用であり，図

4

に示すように，光ファイバを用いたより実用的なシステム構成が報告されている

[22]

〜

[25]

．図

4 (a)

は，

EO

センサ部と偏光検出部を光ファイバで切り離した構成，同図

(b)

は，偏光検出までの光学部品をモジュールとして集積した構成，

同図

(c)

は，

LiNbO

3基板上に金属アンテナと光導波路による光干渉計を設けた構成である．

(a)

の構成では，

EO

電界センサの位置決めに伴って光ファイバが動き，それによって偏光が変化するため，信号強度が大きく変動するという問題がある．これを解決するために，ファラデー回転子と偏波保持ファイバを用いる手法が提案されている

[24]

．図

5

は，この安定化

EO

センサを用いて，ダイポールアンテナの近傍電界を測定した例である．図

4 (b) (c)

の構成ではこのような問題がない．図

4 (c)

の構成では，アンテナにより電界を捉え，更に基板に形成された光導波路と金属電極

(

微小ダイポールアンテナ

)

によって，電界による光の変調効果を大きくし，測定感度を大幅に向上されることができる．同図では微小ダイポールアンテナを用いているが，外部アンテナと併用する場合もある．また，

ループアンテナを用いることで磁界計測を行うことも

(4)

図5 ファイバ型EO電界センサを用いてダイポールアンテナを測定した例[24]．(a)測定の様子．(b)電界分布の測定例と計算結果

Fig. 5 Example of electric-ﬁeld distribution near a dipole antenna. (a) Experimental setup. (b) Measured and calculated results.

できる

[25]

．

いずれの場合も，電磁界信号検出を行った後は，信号を光ファイバで運ぶ形態となっていることから，同軸ケーブルで信号を運ぶのに比べ，被測定電磁界の伝搬の乱れが圧倒的に抑制される

[26]

．この

EO

電界センサの低擾乱性を生かした応用例として，人体ファントム内の電界強度を計測することで，携帯電話からの電波が頭部で吸収される電力

(Speciﬁc Absorption Rate: SAR)

をより精密に測定する手法が提案されている

[27], [28]

．

一方，マイクロ波集積回路

(MMIC)

や平面アンテナの研究開発においては，単点の信号だけでなく，

2

次元的な電磁界分布を把握することが極めて重要である．そこで，図

4 (a)

に示したような光ファイバ型の

EO

電界センサを電動メカニカルステージに固定し，

測定ポイントごとに移動させて逐次計測する電界マッピング法が提案されている

(

図

6 (a))

．更に測定時間の短縮化を目的として，図

6 (b) (c)

に示すように，プレート状の

EO

材料を被測定対象に対向させてビームをスキャンする方法

(EO

電界スキャナ

) [29]

，レーザ光を面上に拡大し照射し，フォトダイオードアレーを用いて空間分布を一挙に取得する方法

(EO

電界カメラ

) [30]

が開発されている．見えない電磁波像をリアルタイムで観測できる電界カメラは，長年待ち望まれていた技術であり，その意義は大きい．

図6 2次元電界分布計測の形態

Fig. 6 Conﬁguration of two-dimensional electric-ﬁled measurement.

表1 感度向上のためのアプローチ

Table 1 Two approaches toward sensitivity improve- ment.

4.

4. 1

性能向上

EO

計測の性能向上に関する最近の進展について，

高感度化，高ダイナミックレンジ化，高機能化の観点からまとめる．

4. 1. 1

高感度化

光技術に基づく

EO

計測の手法は，従来の微小アンテナを用いた手法に対して，被測定電界に対する擾乱が少なく，また帯域が広いという利点がある．一方，

電気光学結晶のポッケルス効果は小さいため，従来手法に比べて感度が低いという問題がある．そこでこれまでに感度向上のための様々な手法が検討されている．

ここでは，表

1

に示す

(1)

プローブ光と被測定電界との相互作用長拡大と，

(2) EO

結晶内部電界増強の二つのアプローチを紹介する．

プローブ光に対する共振器構造を

EO

結晶に導入することで，等価的に被測定電界とプローブ光との相互作用長を拡大する効果が得られ，検出感度が向上する．

1993

年に

Fabry-Perot

共振器型の

EO

電界センサが提案され

[31]

，最近では

THz

波帯でのサブ波長分解イメージングのためのマイクロ共振器型センサが検討

(5)

図7 ε’の結晶長L依存性(KD₂PO₄) [35]

Fig. 7 Calculatedε’ for KD2PO₄crystal [35].

されるに至っている

[32]

．共振の

Q

値が高いほど電界検出の感度が高くなるが，高い反射率の反射膜を

EO

結晶の両端に施す必要があり，作製コストが高くなる．

高反射率膜を

EO

結晶端面に施さなくても，変換効率を高める手法が最近提案されている

[33]

．本手法では，

EO

結晶と，

EO

結晶とは屈折率が異なる誘電体とを交互に積層するもので，ブラッグ反射の導入に等価である．

3

層構造とするだけで，

6 dB

の感度向上が確認されている．

高い周波数の被測定電界に対して相互作用長を拡大するためには，プローブ光と被測定電界との位相整合をとる必要がある．最近では，広帯域なテラヘルツパルス検出のためのチェレンコフ位相整合型

EO

計測法が提案され

[34]

，

0.5 mm

厚の

LiNbO

3結晶を用いて

4 mm

厚の

ZnTe

結晶と同程度の検出効率が実証されている．

一方，

EO

結晶の内部電界強度が強くなれば，検出の感度が向上する．通常，内部電界強度は外部電界強度の

1 /ε

^{となるとの考えから，}

2.

^{で述べたようにこ} れまでは

EO

結晶の感度指数を

n

³

r/ ε

^{と定義してい} た．ここで，

ε

^は

EO

結晶の被測定電界に対する比誘電率で，

n

³

r

は被測定電界による屈折率変化に直接寄与する量を表している．静電界中に置かれた誘電体内部の電界を考える場合，本来は誘電体形状に依存する脱分極係数を考慮した実効的な比誘電率

ε ’

を分母にとる必要がある．

Garzarella

等は，この効果に基づく検出感度向上の可能性を指摘するとともに，

LiTaO

3

と

KD

2

PO

4 を用いてこれを実証した

[35]

．彼らの計算によれば，図

7

中に示す細長いロッド状の

EO

結晶

(KD

2

PO

4

)

の

ε ’

は，

L=0

におけるバルク値から

L

に反比例して小さくなる．立ち上がり時間

3 ns

程度の電気パルス

(

帯域換算で

100 MHz

程度

)

を対象に実験的

図8 高ダイナミックレンジ化のための三つのアプローチ Fig. 8 Three approaches toward higher dynamic

range.

に求められた検出感度の

L

依存性は，従来の感度指数の定義から予想される「

L

に比例する」ではなく，図

7

に示す

ε’

低下の効果を考慮して説明される「

L

²に比例する」という結果が得られている．

大きなポッケルス定数

r

を有する結晶の誘電率は一般に大きいため

[36]

，

EO

結晶の内部電界強度の減少を補償する本アプローチは，電界検出の感度向上に効果的である．

被測定電界に対する共振構造の導入

[37]

により，

EO

結晶内部の電界強度を増強させ，検出感度を向上させることも可能であるが，この場合はもちろん検出帯域幅が犠牲になる．

4. 1. 2

高ダイナミックレンジ化

EO

センサを高電界強度計測に適用する場合には，

高い線形ダイナミックレンジが要求される．図

4 (c)

に示した

Mach-Zehnder

干渉型の

EO

センサの場合，

プローブ光に誘起される位相変化量を光強度変化量へと変換する関数は正弦関数であるため，ダイナミックレンジは大きくなかった．

図

8

に示すように，高ダイナミックレンジ化のために，より線形性の高い位相変化

–

強度変化変換関数をもつセンサの構成が提案されている．なお，それぞれ

(6)

図っている．アクティブ領域の長さが

10 mm

のセンサにより，

1 GHz

において

60 dB

のダイナミックレンジを実証している．

図

8 (b)

に示す

Y

分岐方向性結合器型変調器を利用した

EO

センサでは，

EO

ポリマを基板とし，

1 GHz

において

70 dB

のダイナミックレンジが達成されてい

る

[39]

．

Lee

等は，比較的厚い

LiTaO

3

(0.5 mm)

結晶を用いた干渉型

EO

センサで，

100 dB

を超える線形ダイナミックレンジを実現し，

1 GHz

において

1 V/m

から

100 kV/m

までの計測を実証している

(

図

8 (c)) [40]

．

4. 1. 3

高機能化

(i)

単一

EO

結晶による直交

2

成分検出

これまでの

EO

計測では，電界の

1

成分を測定することが一般的で，独立な直交成分の測定は，複数の

EO

結晶あるいは複数のプローブ光を用いることで実現されていた．

等方性

EO

結晶を用いれば，直交する電界成分を単一の

EO

結晶，単一のプローブ光により独立に測定可能であることが，

2002

年に理論的に示され

[41]

，最近になって実証された．バルクの

ZnTe

を用いた初の原理実証

[42]

は

2007

年に行われ，

2011

年にはより実用的なファイバマウント型のセンサに対しても実証されている

[43]

．被測定電界の方向推定確度は

2

^◦，交差偏波識別度

(

直交する電界成分間の強度比

)

は

30 dB,

電界振幅の確度は

5%

以内であることが示されている．

(ii)

磁界・電界の同時計測

従来は，電界と磁界をそれぞれ個別に電気光学結晶と磁気光学結晶を用いて測定し，それらからポインティング・ベクトルを計算する手法，あるいは，電界の直交

2

成分から，ファラデーの法則により磁界を求め，

これらからポインティング・ベクトルを計算する手法が一般的だった．前者の手法は，電気光学結晶と磁気光学結晶の被測定電界に対する誘電率が一般には異なることに起因する誤差を含む問題がある．後者の手法は，電界と磁界が直交していない状況では適用できないという問題がある．最近，ポッケルス効果とファラデー効果を示す

110 cadmium-manganese-telluride

(CdMnTe)

結晶を用いることで，磁界と電界を同一結

図9 偏光変調を用いないEO計測の実験系[45]

Fig. 9 Experimental set up for non-polarimetric EO measurement [45].

晶により計測する手法が提案され，ポインティング・

ベクトルの可視化に応用された

[44]

．開放端マイクロストリップ線路と

50 Ω

終端マイクロストリップ線路を対象に，それぞれについてポインティング・ベクトルの振幅と位相を可視化している．

CdMnTe

結晶は少なくとも

2 THz

以下の周波数領域において利用可能であり，今後はメタマテリアルやプラズモニクスの研究が盛んに行われているテラヘルツ波帯でのポインティング・ベクトルの可視化に有用であろう．

(iii)

偏光変調を用いない

EO

計測

被測定電界によりプローブ光に誘起される偏光状態の変化量を検出する従来の手法

(

図

4 (a)

に示す構成等

)

では，検出感度が外乱によるプローブ光の偏光変動により低下する問題があった．最近，光技術により被測定電界を発生・検出するホモダイン型

EO

計測の手法において，図

9

に示す偏光変調を利用しない手法が提案され，マイクロ波帯で実証された

[45]

．

検出の原理は，被測定電界とプローブ光との相互作用により生じた変調サイドバンドの光領域でのホモダイン検出である．図

9

に示すように，二波長光源により生成される光強度ビートが光電変換され，被測定電波として放射される．光ビート信号は，検出のためのプローブ光としても利用される．プローブ光を構成するそれぞれの光周波数成分は，被測定電波により位相変調され変調サイドバンドを生成する．生成されたサイドバンドの周波数は，他方のレーザ周波数とそれぞれ正確に一致するため，片方の周波数成分を波長フィルタにより選択することで，ホモダイン検出が実現される（両方の周波数成分を検出するとキャンセルされてしまう）．本手法は，プローブ光の偏光を

EO

結晶と偏波保持ファイバの固有軸に合わせて利用でき，外乱による偏光変動の影響を受けない特長を有する．

(iv)

周波数領域法における振幅・位相の同時計測パルス電磁波に対するサンプルの応答を計測する時間領域法に対して，単一周波数の電磁波に対する応答

(7)

図 10 ホーンアンテナからの放射パターンの測定例 (125 GHz) [46]．(a)振幅分布，(b)位相分布 Fig. 10 Electric ﬁeld distributions emitted from a

horn antenna (125 GHz) [46]. (a) Normal- ized amplitude and (b) phase.

を計測する手法は周波数領域法と呼ばれ，高周波数分解能計測が可能という特長を有する．図

9

に示した光電変換による単一周波数電磁波の発生の手法では，

広帯域な周波数掃引が容易に実現でき，広帯域性を有する

EO

計測との組み合わせに相性が良い．この組み合わせにおいて，これまでの光技術に基づく手法は全てホモダイン検出に基づいており，被測定電磁波の振幅と位相の同時計測ができなかった．最近光技術に基づく周波数領域法で，振幅と位相を同時計測する技術が提案され，

F

バンド

(125 GHz)

で実証された

(

図

10) [46]

．被測定電磁波の発生・検出に利用される光強度ビートは，図

9

と同様に二波長光源により生成されるが，検出用の光ビートの周波数を光周波数シフタによりコヒーレントにシフトさせることでヘテロダイン計測とする点に特徴がある．ホモダイン計測と同様，

光源の位相雑音はキャンセルされ，高精度な位相計測が可能となる．

4. 2

テラヘルツデバイスへの応用

近年，テラヘルツ波領域において，プラズモニクス

図11 サブ波長空間分解能での近接場計測[47]

Fig. 11 Near-ﬁeld EO measurement with sub-wavelength spatial resolution [47].

やメタマテリアルに関連した研究が急速に進展してきている．

EO

計測の空間分解能は，

EO

結晶中のプローブ光の大きさ程度となる．

10 μ m

程度の空間分解能は容易に得られ，テラヘルツ波領域においてもサブ波長の空間分解能での電磁界の可視化が可能となる．低擾乱で偏光分離・周波数分解・時間分解計測がサブ波長空間分解能で可能となる

EO

計測は，波長オーダでの電磁界の振舞いが本質となる現象に対して重要な知見を与えるものとして期待されている．以下では，この特徴を活かした計測例について紹介する．

Adam

等は，サブ波長程度の大きさの金属開口のテラヘルツ近接場を，サブ波長の空間分解能かつ，サブ周期の時間分解能で初めて観測した

[47]

．図

11

に示す系において，

EO

結晶として用いた

GaP

の軸を適切に選ぶことで，金属開口に垂直な電場成分のみを観測している．直径

150 μ m

の金属開口近傍においける

EO

結晶中のスポット径は

5 μm

である．各点でテラヘルツパルスの時間波形を測ることで，時間・周波数分解の近接場応答をサブ波長空間分解能で明らかにした．

このようなサブ波長の空間分解能での近接場の観察結果は，テラヘルツ波帯フォトニック結晶デバイスの設計と評価にも有益な情報を与えると考えられている．例えば

Nielsen

等は，低損失テラヘルツ波帯フォトニック結晶ファイバを提案しているが，彼らは実際に作製したファイバが広い周波数帯域にわたってシングルモード動作することと，伝送に不都合な高次のモードが高い周波数で発生し始める様をこのファイバ端面における電界分布

(

振幅と位相

)

のサブ波長分解計測により確認している

[48]

．

効率的なメタマテリアルデバイスをデザインするためには，従来のような

LC

共振のアナロジーに基づく

(8)

能で明らかにされている

[49], [50]

．これらは，共鳴現象であるため，より高い周波数分解能での測定が望まれているが，テラヘルツ波パルスを用いる時間領域の手法では，基板での多重反射によるエコーが周波数分解能を制限しており，今後の課題となっている．より高い周波数分解能が実現可能な周波数領域法とサブ波長分解

EO

計測との融合が期待される．

このように，最近進展が目覚ましいテラヘルツ波領域でのプラズモニクスやメタマテリアルの研究分野において，

EO

計測の手法は貴重な手段としての地位を確立している．一方，この領域で利用されている

EO

計測は，いわゆるオーソドックスな偏光変調方式による時間領域法に基づいている．今後は，電界と磁界の同時観測やポインティング・ベクトルの可視化，周波数領域法との融合による高周波数分解計測など，最近の

EO

計測を取り巻く研究成果を応用し，ますます発展していくものと考えられる．

5.

^{むすび}

本論文では，

1980

年代から今日に至るまでの

EO

計測の発展の歴史を俯瞰するとともに，性能向上や新たな応用に向けた最近の研究動向について解説した．

EO

効果を利用した電磁界計測技術は，現状では感度の点で，従来の電気的な手法に基づく計測技術を凌駕できていないが，少なくとも低擾乱性や広帯域性に関しては圧倒的なアドバンテージがある．近年，国内メーカーから

EO

計測を利用した電界プローブも販売されており，実用計測技術に向けた更なる進展が期待される

[51], [52].

本論文で述べた光技術による電磁界計測は，光通信で言えば，変調素子とレーザ光源を分離した間接変調方式である．最近では，レーザ光源そのものを被測定電磁界によって直接変調する方式も実用になりつつあり，そこではレーザ光源のための給電も光により行われている

[53]

．

EO

計測を含め，次世代の光電磁界計測技術は，センサーヘッドに光電気部品の集積化技術を導入していくことが重要になると思われる．

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永妻忠夫（正員：フェロー）

昭56九大・工・電子卒．昭61同大学院博士課程了．同年NTT入社．平19大阪大学大学院基礎工学研究科教授．マイクロ波フォトニクス，テラヘルツ波フォトニクスの研究に従事．工博．

久武信太郎（正員）

平15同志社大学大学院博士課程了．平 15大阪大学大学院基礎工学研究科助手．平 19同助教．THz波フォトニクス，超高速光エレクトロニクスの研究に従事．工博．

電気光学効果を利用した電磁界計測技術の動向