(57)【要約】センサエレメント（１５０）は、光信号（１２８）を変調し、変調信号の関数としてパスの長さを決定することにより環境の影響に露呈される。検出器（１０６、１０８）は、光の強度を検出する。エレクトロニクス・プロセッサ（１２６）は検出器出力を受信し、光に対する変調信号（１２８）を生成する。プロセッサ（１２６）はさらに、環境の影響を示す出力信号を変調信号の関数として生成する。光パスの長さは、比較的一定の出力を検出器（１０８）に生成する、「適切な」変調周波数の関数として容易に決定され得る。ファイバ・オプティクスおよび集積オプティクスが使用される。ＬＩＤＡＲつまり、ひずみ、温度、化学として、またはファイバ破れ検出器として使用される。
2005517948.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサエレメントに対する環境の影響を感知する方法であって、
前記センサエレメントを前記環境の影響に露呈するステップと、
前記センサエレメントにおいて光信号を生成するステップと、
前記光信号を変調駆動信号で変調するステップと、
前記光信号が衝突する光検出器に結果として生じる時間変化する出力波形を観測するステップと、
前記時間変化する出力波形から前記光信号のパスの長さを前記変調信号の関数として決定するステップと、
前記パスの長さに基づいて前記環境の影響を示す出力を提供するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
前記パスの長さを前記環境の影響に相関するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記パスの長さを決定するステップは、前記光信号の適切な周波数を決定するために前記変調駆動信号を調整するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記時間変化する出力波形を前記変調駆動信号と共に、また前記変調駆動信号と同期して、又は前記変調駆動信号に関して同期して復調するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記センサエレメントは光ファイバを含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記光ファイバは、複数の反射型エレメントを含み、複数の環境の影響を感知することを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記複数の反射型エレメントの各々に対するパスの長さを決定するために前記光信号を変調するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
複数の前記光信号の適切な周波数を決定するために、フーリエ、小波、クラスタまたは他のスペクトラル、又は時間領域技術を使用して前記時間変化する出力波形を分析するステップをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記センサエレメントは範囲決定装置を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
環境の影響を決定するためのセンサであって、前記センサは、
光を発生させる光源と、
前記光が前記センサエレメントを伝播するよう、前記光源に随意に結合されるセンサエレメントと、
前記センサエレメントに任意に結合される検出器であって、前記検出器は、前記センサエレメントを伝播する前記光の強度を検出し、前記強度を示す検出器出力を生成するように構成されている、検出器と、
前記検出器の出力を受信する受信機と、前記検出器の出力に基づいて前記光に対する変調駆動信号を生成するロジックを備えたエレクトロニクス・プロセッサであって、前記エレクトロニクス・プロセッサはさらに前記エレクトロニクス・プロセッサが前記環境の影響を示す出力信号を前記変調信号の関数として生成する出力をさらに有する、センサ。
【請求項１１】
前記変調信号は、前記センサエレメントを伝播する前記光の光のパスの長さの関数である適切な周波数で前記光に提供されることを特徴とする、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記出力信号は、前記適切な周波数の関数であることを特徴とする、請求項１１に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記センサエレメントは、前記環境の影響に対し感度のある光ファイバであることを特徴とする、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１４】
前記光ファイバは、前記光ファイバを伝播する前記光を反射するように構成された複数の反射型エレメントを含むことを特徴とする、請求項１３に記載のセンサ。
【請求項１５】
前記エレクトロニクス・プロセッサは、前記光に変調信号を提供する出力をさらに有し、前記光は前記光の部分が前記反射型エレメントの各々により反射されるように前記変調信号により変調されることを特徴とする、請求項１４に記載のセンサ。
【請求項１６】
さらに前記エレクトロニクス・プロセッサは、前記反射型エレメントの各々により反射された前記光の前記部分を感知するよう構成されていることを特徴とする、請求項１５に記載のセンサ。
【請求項１７】
前記環境の影響は、前記センサエレメント上のひずみを含むことを特徴とする、請求項１０に記載のセンサ。
【請求項１８】
前記ひずみは、圧力を原因とするか又は圧力に相関されていることを特徴とする、請求項１７に記載のセンサ。
【請求項１９】
前記ひずみは、温度を原因とするか又は温度に相関されていることを特徴とする、請求項１７に記載のセンサ。
【請求項２０】
前記ひずみは、化学を原因とするか又は化学に相関されていることを特徴とする、請求項１７に記載のセンサ。
【請求項２１】
環境の影響を決定するためのセンサであって、
光を発生させる光源と、
前記光が前記センサエレメントを通過するように前記光源に光学的に結合されたセンサエレメントと、
前記センサエレメントに光学的に結合された検出器であって、前記センサエレメントを伝播する前記光の強度を検出し、前記強度を示す検出器出力を生成するように構成されている検出器と、
前記検出器出力を受信し、前記検出器出力に基づき前記光に対する変調信号を生成するための受信器を有するエレクトロニクス・プロセッサであって、さらに前記エレクトロニクス・プロセッサが、前記環境の影響を示す出力信号を前記変調信号の関数として生成する出力をさらに有する、エレクトロニクス・プロセッサと、
前記エレクトロニクス・プロセッサに結合され、さらには第一の光カプラに結合される集積オプティクスデバイスであって、前記第一の光カプラは前記光源及び前記検出器に結合され、前記集積オプティクスデバイスは第二の光カプラにさらに結合されており、前記第二の光カプラは前記センサエレメントに結合されている、集積オプティクスデバイスと、
を含む、センサ。
【請求項２２】
さらなる光パス長さを付加し、前記集積オプティクスデバイスと前記センサエレメントとの間に配置される遅延ループと、
前記遅延ループと前記センサエレメントとの間に配置されるインターフェースと、
をさらに含む、請求項２１に記載のセンサ。
【請求項２３】
前記集積オプティクスデバイスは、
光を第一のパスと第二のパス上への二つのコンポーネントに分離するＹジャンクションと、
少なくとも一つの光のパス上の光を変調する、前記エレクトロニクス・プロセッサの前記変調信号に結合されている、少なくとも一つの位相変調器と、
を含むことを特徴とする、請求項２１に記載のセンサ。
【請求項２４】
センサエレメント上への環境の影響を感知する方法であって、
前記センサエレメントを前記環境の影響に露呈するステップと、
前記センサエレメントにおいて光信号を生成するステップと、
前記光信号を変調信号で変調するステップと、
前記光信号のパスの長さを前記変調光信号における遅延時間の関数として決定するステップと、
前記パスの長さに基づき、前記環境の影響を示す出力を提供するステップと、
を含む方法。
【請求項２５】
前記パスの長さを決定するステップは、前記光信号の適切な周波数を決定するために前記変調信号を調整するステップをさらに含むことを特徴とする、請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般的に光センサに関し、より詳細には環境の影響を決定するための干渉センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバがより普及されるにつれ、様々なタイプの光センサがますます一般的になってきている。確かに、様々なタイプのセンサが光ファイバのファイバ長、壊れ（ｂｒｅａｋｓ）／裂け目（ｃｒａｃｋｓ）／不整合、温度、ファイバの膨張度、化学種の属性などを検出している。
【０００３】
光ファイバは、摂動の性質及び大きさに依存して幾何学的（例えば大きさや形）及び／又は光学的（例えば、屈折率、モード変換）な変化をファイバに生成する様々な外部の影響にさらされ得る。これらの影響は通信応用においては寄生（すなわちノイズの原因となる）としばしば考えられる一方、外部の影響に対するファイバの応答がセンサー応用において増加され、結果として生じる光特性の変化を外部の影響の測定に使用することが出来る。
【０００４】
従って光ファイバは、温度、圧力、ひずみ、回転又は電気及び磁気の流れなどの影響を光学的な影響における対応する変化に変換する変換機として動作する。振幅（強度）、位相、周波数及び偏向は典型的に光を特徴付けるものであり、これらの任意の一つ又はそれ以上のパラメータは外部の影響による変化を受ける。従って光ファイバセンサの有用性は、この変化の大きさ及び変化を信頼性よく正確に測定および測量する能力に依存している。
【０００５】
光ファイバ技術に基づく様々な多くのタイプのセンサはよく知られている。長い間知られているセンサ技術は干渉計であり、センサを通過する複数の光信号の間の位相変化つまり干渉パターンを検出することによって典型的には様々な現象を検出する。干渉計は、過去において距離、勾配、回転などを決定するために広く利用されている。約１９８０年以来、光ファイバ干渉計ジャイロスコープ（ＩＦＯＧ）は、回転を検出するために広く使用されてきた。そのようなセンサは、航空機、自動車、及び他の乗り物、ダウンホール・ドリル装置、ロボットなどをガイドするために使用され得る慣性ナビゲーション・データを生成するのに特に有用であると証明されてきた。ＩＦＯＧの様々な実施の形態が、ここに参照として組み込まれている、米国特許Ｎｏ．６、２１１、９６３及びＮｏ．６、１７５、４１０を含む、多くの特許に記述されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ファイバ・ブラッグ・グレーティングに基づく光ファイバひずみセンサが数年来、同様に使用されてきている。そのようなセンサは、典型的には感知される環境に光センサに結合されたブラッグ・グレーティングを投入する。環境によりブラッグ・グレーティングの光学特性が変化されるにつれ、グレーティングにより反射される光の波長は変化する。それゆえ、反射される光の波長に基づく出力により、感知されるいくつかの環境の特性が示され得る。しかし、そのようなセンサは多くの顕著な不都合性、つまり典型的には高価で、製造するのが難しく、実際に正確に測定するのが困難である光の波長の測定を必要とする。従って、ブラッググレーティングに基づくセンサは、最も低価格の応用には適していない。正確で高い分解能を有する比較的単純で低価格の干渉計センサが、多くの応用に所望されている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
様々な例示的な実施の形態に従うと、センサエレメントに対する環境の影響を感知するための技術には、センサエレメントを環境の影響に露呈するステップと、センサエレメントに光信号を生成するステップと、光信号を変調「駆動」信号で変調するステップと、センサ光検出器に結果として生じた変調信号から光信号のパスの長さを、変調駆動信号の関数として決定するステップとを含んでいる。さらなる例示的な実施の形態に従うと、光ファイバセンサは、光を発生させる光源と、光がセンサエレメントを伝播するように光源に光学的に結合されたセンサエレメント、センサエレメントに光学的に結合された検出器を適切に含む。検出器は、センサエレメントを伝播する光の強度を検出し、強度を示す検出器出力を生成するように構成されており、エレクトロニクスが検出器の出力を受信し、それに基づき光に対する変調信号を生成し、さらにエレクトロニクスは、環境の影響を示す出力信号を変調信号の関数として生成する。
【０００８】
様々な特徴及び利点は添付された図面と結合して理解されるべき、以下の例示的な詳細な説明に記述されており、同じ参照番号は類似した図面における同じかもしくは類似部分を識別するために使用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明は、機能ブロック・コンポーネント及び様々な処理ステップの観点から記述され得る。そのような機能ブロック・コンポーネントは、特定の機能を実行するために構成された任意の数のハードウエア及び／又はソフトウエア・コンポーネントにより実現され得る。例えば、本発明は、一つ以上のマイクロプロセッサ又は他の制御装置の制御の下で様々な機能を実行し得る、様々な集積回路又は光コンポーネント、例えばメモリ素子、処理素子、論理素子、ルックアップテーブルなどを利用する。同様に、本発明のソフトウエア・エレメントはＣ，Ｃ＋＋、Ｊａｖａ，アセンブラなどの任意のプログラミング又はスクリプト言語で実現でき、様々なアルゴリズムは、データ構造、オブジェクト、プロセス、ルーティン、又は他のプログラムエレメントの任意の結合で実現される。さらに、本発明は、エレクトロニクス構成、光構成、信号処理、データ処理などのための、任意の数の従来技術を利用し得る。
【００１０】
本明細書において示され記述された特定の実施は、本発明の例示であり、本発明の範囲をいかなる方法によっても制限することを意図してない。簡略化のため、従来のエレクトロニクス、オプティクス、ソフトウエアの開発及びシステムの他の側面（システムの個別に動作するコンポーネントのコンポーネント）は詳細に記述されていない。さらに、提供される様々な図面に示される結合線は、様々なエレメントの間の例示的な機能上の関係及び／又は物理的又は論理的な結合を表すことを意図している。多くの代替的な又は付加的な機能的な関係、物理的な結合又は論理的な結合が実際のセンサデバイスにおいて存在し得る。さらに、エレメントが特に「実質的に」または「重要な」と記述されない限り、いかなるアイテム又はコンポーネントも本発明を実行するのに重要ではない。
【００１１】
本発明の様々な例示的な実施の形態に従うと、光ファイバセンサ（及び関連した動作方法）は干渉計において二つ以上の光ビームの高度に相互的な光パスを提供する光ファイバセンサが提供される。センサの光部分を通って伝播する様々なビームにより取られるパスは、ビーム間に変調を誘導する光回路の部分を除いて同じであり得る。様々な実施の形態において、「適切な」周波数に基づく変調技術は、干渉計における光により取られる光パスの長さの微小な変化に対して感度がよい。そのようなセンサは、以下のものに制限するものではないが、ファイバ壊れテスター、ＬＩＤＡＲ（光検出及びレンジング、ソナーが音を使用するのとほぼ同じ方法、又はレーダーがラジオ波を使用するのとほぼ同じ方法でレーザ光を使用するリモート・センサ技術、）、光トランスデューサ回路、又は任意の数の圧力、温度又は化学センシング応用を含む様々な応用において有用であり得る。（ＩＦＯＧなどの）干渉計センサと結合して使用されている様々な任意の従来技術（製造技術、変調技術及び信号処理技術など）は、本発明と結合して使用され得る。さらに、バルク光学コンポーネント（カプラーなど）は、様々な代替的な実施の形態において記述される任意のコンポーネントに代替しうる。
【００１２】
図１は、干渉計センサの第一の例示的な実施の形態の概略である。図１を参照すると、例示的なセンサ１００は、光源１０２、第一の光カプラ１０４、フォトダイオード１０６に結合し得る光検出回路１０８、集積オプティクスチップ／デバイス１０７、第二のカプラ１２０、随意の遅延ループ１２２、インターフェース１２４、センサ出力１３０を提供する適切なエレクトロニクス・プロセッサ１２６を適切に含みうる。光源１０２によって発生される光は、センサ１００を通って、インターフェース１２４に結合され得るデバイス１５０（光ファイバ、レンズ、他のセンサエレメントなど）へ通過する。集積オプティクスチップ１０７は、図１に示されるように、「Ｙ」ジャンクション１１０および一つ以上の位相変調器（例えば、第一の位相変調器１１８及び第二の位相変調器１１６）を含み得る。そのような実施の形態において、Ｙジャンクション１１０は、二つのビーム間に位相差を誘導するように個別に変調され得る二つのコンポーネント（それぞれ、第一の光パス１１２及び第二の光パス１１４上をトラベルする）に光を分離する。分離されたビームは、センサ１００の非相互的な部分のみがＹジャンクション１１０とカプラ１２０との間の部分であるように、第二の光カプラ１２０で再び結合される。
【００１３】
光がインターフェース１２４に結合されたセンスデバイス１５０に提供されると、デバイス１５０からの反射光はセンサ１００の光部分を通過して検出器１０６に戻り、別々のビーム間の位相差を示す信号を適切に生成する。この位相差は、エレクトロニクス・プロセッサ１２６により観察され処理され、デバイス１５０をトラベルする光の全パスの長さを決定する。この位相差は以下でより詳細に記述されるように、変調信号１２８を計算するためにさらに使用される。
【００１４】
光源１０２は、センサ１００において光を発生させることが出来る、レーザダイオード（ＬＤ）、発光ダイオード（ＬＥＤ），スーパールミネセンス・ダイオード（ＳＬＤ）など任意のデバイスであり得る。コヒーレントな光又は任意のコヒーレント長を有する光を使用することができるが、光源１０２の様々な実施の形態は、比較的低いコヒーレント長（典型的には数百ミクロンまたはそれ以下のオーダー）を持つ白色光を発生し、以下で詳しく述べるように、検出器１０６において所望の干渉パターンを作る。光源１０２により生成された光は、センサ１００において少なくとも、（１）第一の光パス１１２における出力、第一の光パス１１２における帰還、（２）第一の光パス１１２における出力、第二の光パス１１４における帰還、（３）第二の光パス１１４における出力、第一の光パス１１２における帰還、（４）第二の光パス１１４における出力、第二の光パス１１４のおける帰還の４つのコンポーネントに分けられる。コヒーレントな光源１０２が、光源１０２のコヒーレント長が光路１１２と１１４との間の差分パス長より非常に短くなるように適切に選択される場合、上述したパス（２）と（３）の干渉のみが光検出器１０８で所望の信号を生成するであろう。光源１０２の特定の帯域幅は特定の応用に関連しているが、多くの例示的な実施の形態では、光源１０２は光ファイバ源、レーザダイオード（ＬＤ）、スーパールミネセンス・ダイオード（ＳＬＤ）である。光源１０２は、任意の従来技術を利用して光ファイバ１３６に結合される。
【００１５】
センサ１００において様々なコンポーネントを相互接続している光ファイバ（１３２、１３４、１３６、１３８など）は、コンポーネント間を光が直進することが出来る任意の種類の光ファイバである。様々な実施の形態において、信号処理のために所望のモードを分離するように様々なフィルタをセンサ１００に必要としないよう、光ファイバは単一の光モードを直進させることができる単一モードのファイバである。光ファイバは、特に（図１に示す実施の形態のように）光回路に偏光子を含まない実施の形態において、偏光維持ファイバ又は偏光ファイバであり得る。偏光維持光ファイバが使用されない場合は、様々な代替的な実施の形態において、集積オプティクスチップ１０７の中、又は第一の光カプラ１０４と光チップ１０８との間などの光回路の任意の場所に光偏光子を含ませ得る。
【００１６】
カプラ１０４及び１２０は、別々のファイバを伝播している光信号を結合することが出来る任意のカップリングデバイスである。例示的なカプラは、ＧｏｕｌｄのＳｉｆａｍ社、ＪＤＳ  Ｕｎｉｐｈａｓｅなどから入手可能な従来の２×２のカプラを含み得る。代替的に、ファイバ１３６／１３８及び１３２／１３４は、カプラに対して関連した位置にある各ファイバのクラッドを除去し、二つのファイバのコアを一緒に配置し、熱及び随意の引っ張り圧力を適用してコアを共に溶解することによりカプラを形成するために結合され得る。第一の方向におけるいずれかのポートからカプラ１０４／１２０に入力する光は、適切に二つの部分に分割され、各部分はカプラの反対側のポート上でカプラを励起する。様々な実施の形態において、光は二つの対向するポート間にほぼ等しく分けられる。他の実施の形態においては、ポートの一つが、カプラを通過するより多くの、又は全ての光を受信する。
【００１７】
集積オプティクスチップ（ＩＯＣ）１０７は、Ｙジャンクションおよび少なくとも一つの変調器１１６／１１８を適切に含んでいる。様々な実施の形態において、ＩＯＣ１０７はニオブ酸リチウム（ＬｉＮＯ３）又は適用される電位に応じて光のスピードに影響を与える別の材料であり得る。代替的に、ＩＯＣは、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ、Ｓａｎ  ＪｏｓｅのＪＤＳ  Ｕｎｉｐｈａｓｅ社から入手可能な、モデル＃ＳＧ−１５０−１−１＝ｋ  ＩＯＣなどの従来の任意の光スプリッタ／変調器の組み合わせであり得る。ＩＯＣ１０７は、ソース１０２からチップを通る光をガイドするための導波路（図１の実線で示される）を適切に含み得る。パスはカプラ１０４からの光を二つのパス１１２及び１１４に分割するＹジャンクション１１０を含み得る。さらに、Ｙジャンクション１１０は、パス１１２及び１１４上で受信した光を適切に再結合し得る。（ＩＯＣ１０７においてパス１１４／１１２の近くで電極として実現しうる）一つ以上の光位相変調器１１６／１１８は、エレクトロニクス・プロセッサ１３０により生成される変調信号に応答して、それぞれパス１１４／１１２を通過する光に位相変化を生じさせるように提供され得る。様々な代替的な実施の形態において、及び以下でさらに詳しく記述されるように、ＩＯＣ１０７は、カプラ、スプリッタ、変調器（圧電変調器など）、偏光子などの、それに相当する異なったコンポーネントにより置き換えられ得る。
【００１８】
様々な実施の形態において、光遅延ループ１２２を含ませることが出来、特に図９と結合して以下により詳細に議論される。遅延ループ１２２は、センサ１００において光によりトラベルされる光パスの長さに加えられる物理的なループ又は光ファイバのコイルであり得る。
【００１９】
インターフェース１２４は、センサー・デバイス１５０に対する任意のインターフェースである。例えばインターフェース１２４は、ライダーを生成するためのレンズ構造とのインターフェース、又は１２４は光ファイバの壊れを検出するために使用され得る外部光ファイバとのインターフェースであり得る。様々な実施の形態において、インターフェース１２４は単なるファイバ・スプライスであり得、又は１２４はセンサ１００が光ファイバなどの集積部分として形成される実施の形態においては除かれ得る。
【００２０】
光検出器１０８は、ファイバ１３８から生じた光の強度（すなわち振幅）を検出することが出来る任意の回路である。様々な実施の形態において、光検出器回路１０８は入射光の強度に反応して電流を伝導するフォトダイオード又はアバランシェ・ダイオードを適切に含み得る。光検出器回路１０８は、エレクトロニクス１３０に提供されるデジタル又はアナログ信号を適切に生成するための回路又は他のコンポーネントをさらに含み得る。多くの従来における光検出器回路１０８が、センサ１００に適用しうる光ファイバ・ジャイロスコープ又は他のセンサと共に使用するために開発されている。様々な実施の形態において、光検出器１０８は、Ｃａｎａｄａ，Ｏｎｔａｒｉｏ，Ｗｅｓｔ  ＮｅｐｉａｎのＥｐｉｔａｘｘ社から入手可能なモデルＰＮ  ０３００００４０−９９９フォトダイオードである。光検出器１０８の応答は、入射光の波長に依存しており、従って光検出器１０８はセンサ１００を通って伝播する光の波長に対応するように選択され得る。
【００２１】
エレクトロニクス・プロセッサ１２６は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、プログラムアレイロジック（ＰＡＬ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラム可能なゲートアレイ（ＰＧＡ）、又は任意の他のデバイスなどの、センサ出力１３０およびフィードバック信号１２８を計算するのに適した任意の処理回路を適切に含み得る。例示的な実施の形態では、エレクトロニクス・プロセッサ１２６は、マイクロプロセッサ又はデジタル信号プロセッサを含み得、それらは典型的には関連したメモリ及びアドレス指定する回路、入力／出力などと結合して提供されるであろう。エレクトロニクス１２６の様々な実施の形態は、様々な光ファイバジャイロスコープと結合して開示されているが、任意の光ファイバ・ジャイロスコープ・エレクトロニクス・スキームがセンサ１００における使用に容易に採用され得るであろう。様々な実施の形態において、エレクトロニクス１２６は、光検出器１０８の出力を適切に集積し、フィルタし、処理し、出力信号１３０を生成する。図１はフィードバック駆動つまり「閉ループ」センサとして動作するセンサ１００を示しているが、代替的な実施の形態は光検出器１０８の出力に関係なく変調（フィードバック）信号を生成する「開ループ」（すなわちフィードバックなし）構成を使用するであろう。閉ループ動作はセンサの安定性および分解能を附加しうるが、多くの実施の形態において、閉ループ動作は開ループ動作よりさらに複雑となり得る。
【００２２】
さらに続けて図１を参照すると、センサ１００は光源１０２から生成された光をカプラ１０４を通りＩＯＣ１０７へ通過させることにより適切に機能する。光は、Ｙジャンクションにより導波路１１２（第一の光パス）を通過するビームおよび導波路１１４（第二の光パス）を通過するビームに適切に分割される。少なくともビームの一つは、以下でさらに詳細に記述されるように、変調信号１２８に応答して位相変調器１１６により変調され、光ビームに位相変化を作り出す。二つのビームはカプラ１２０で再結合され、光は随意の遅延ループ１２２を通ってインターフェース１２４および検出デバイス１５０上へ通過される。感知されたデバイスから反射された光は、インターフェース１２４においてセンサ１００に再入力し、光はカプラ１２０で分割される前に随意の遅延ループ１２２を通過する。反射された光はファイバ１３２及び導波路１１２上を通過するコンポーネント及び、ファイバ１３４及び導波路１１４上を通過するコンポーネントに分割され、変調器１１６により変調が適用される。二つのコンポーネントは、Ｙジャンクション１１０で適切に再結合され、カプラ１０４を通り検出器１０８へ通過される。
【００２３】
上述したように、光源１０２により発生された光は、少なくとも以下の４つのコンポーネント、（１）第一の光パス１１２の出力、第一の光パス１１２の帰還、（２）第一の光パス１１２の出力、第二の光パス１１４の帰還、（３）第二の光パス１１４の出力、第一の光パス１１２の帰還、及び（４）第二の光パス１１４の出力、第二の光パス１１４の帰還に分割される。パス（２）を通過する光のコンポーネント及びパス（３）を通過する光のコンポーネントは同じ距離をトラバースするであろう。さらに、ビームがセンサー・デバイスを通過する遅延時間に関連した量だけ変調が時間シフトを受けること以外は、これらのパスを通過する光は、変調器１１６から同じ駆動変調を受けるであろう。それゆえ、二つのビームに適用される変調の差は、この時間遅延に依存しており、それはセンサー・デバイスの長さに関連している。変調の差は光検出器１０８上には時間変化する波長として現れる。光検出器１０８上で時間変化する波形を適切に処理することには、この遅延を考慮するために適用される駆動変調を調整するためのフィードバック機構を使用することを含んでいる。そのようにして測定されるパスの長さは、光ファイバの長さ、または光ファイバにおける壊れの位置を決定するために使用され得る。代替的に、パスの長さはＬＩＤＡＲ、トランスデューサ・センサなど他の任意のタイプのセンサにおいて使用可能である。
【００２４】
上述され、または以下で記述される基本的な考え方は、二つの光信号の感知された干渉に基づいてセンサの出力１３０を生成する相当する任意の数のデバイスに適用しうる。図２Ａ、２Ｂ及び２Ｃはセンサの例示的な代替的な実施の形態の概略図である。図２Ａを参照すると、センサ１００の様々な実施の形態がカプラ１２０を除去して、図１に示されるＩＯＣ１０７を図２に示される修正されたＩＯＣ１０７で置き換えている。図２Ｂを参照すると、ＩＯＣ１０７が共に除去され、カプラ２０２及び位相変調器２０４で置き換えられている。位相変調器２０４は、圧電変調器または他の任意のタイプの位相変調デバイスであり得る。カプラ２０２は、カプラ１０４および１２０と結合して上述して記述されたように任意のカプラである。さらに適切な出力信号１３０を発生させるためにパス１１２を通過する光の位相を変調させる必要はない。図２Ｃを参照すると、ＩＯＣ１０７は偏光子２３０、複屈折変調器２３２、デポライザ（ｒｅｐｏｌａｒｉｚｅｒ）２３４で置換される。そのような実施の形態においては、変調器２３２を通過する光の偏向は、ここで記述される技術を使用して、信号１２８により変調され、異なる（例えば垂直）偏向を有するＴＭモードおよびＴＥモードを生じる。ＴＭ及びＴＥ信号間の干渉は上述したように、フォトダイオード１０６で検出することができる。偏光子２３０は、図２Ｃに名目上４５度偏光子として記述されているが、０度又は９０度を除く任意の角度の偏光子が使用され得る。センサ１００は、変調器２３２からデポライザ２３４へ二つのモードを送信するために偏向維持ファイバの部分２３６をさらに含んでいる。それゆえ、センサ１００は単一の物理パス１１２／１１４のみを有しているに関わらず検出器１０６で干渉パターンを生成することが出来る。ここで使用される「スプリッタ」又は「スプリッティング手段」という用語は、ファイバスプリッタだけでなく二つ以上の光パスを作る任意の構造についても言及している。センサ１００の他の実施の形態は、センサを通過する光の、信号の振幅、周波数又は他の特性を適切に変調し、区別できるが干渉している光パス又はモードを生成させる。上述したように、センサ１００の部分として記述された任意のコンポーネントは、変調器、カプラなどの相当するバルク光コンポーネントで置換され得る。
【００２５】
図３を参照すると、「適切な」周波数で動作するセンサの例示的な出力特性３００が示されている。ここで図３を参照すると、干渉図形３０２は、検出器に突き当たる光の強度とセンサ１００を伝播する二つの光ビーム間に観測される位相シフトΔφとの関係を適切にプロットしている。理解できるように、光の強度は、光ビームが同相（ゼロ位相シフトまたは＋／−２π位相シフトの任意の整数倍に相当する）の時に適切に最大にされる。同様に、光の強度は光ビームが違相（π位相シフト、又は＋／−πの任意の奇数整数倍）の時に適切に最小化される。
【００２６】
センサが干渉図形３０２における、最大又は最小ポイントの近くで動作する場合、位相の変化（Δφ）は光の強度（Ｉ）にほんの小さな変化を生じさせる。そのような動作ポイントで光の強度から位相の変化の大きさを検出することは難しい。なぜなら曲線は最大ポイントから両方の方向に減少し、最小ポイントから両方の方向に増加するからである。従って、様々な実施の形態は、それぞれ位相シフトπ／２及びπ／２に対応する、干渉図形３０２上のポイント３１０又はポイント３１２などの、より感度の高い動作ポイントへジャイロをバイアスしうる。もちろん＋／−π／２の任意の奇数整数倍も同様の結果を生じさせるであろう。この変調は以下で図４と結合してより詳細に記述されるように、図１及び図２における変調信号１２８に対応した、「駆動」変調３０４で生成され得る。図３に示されるように、バイアス変調３０４はセンサ１００を伝播する二つのビームの間に＋／−π／２ラジアンの位相バイアスを生じさせる交流バイアス信号である。任意の変調３０４が特定の実施の形態の特定の特性および必要に従って提供され得るであろうことが理解されるであろう。
【００２７】
二つのビームが変調器３０４に従ってバイアスされる場合、検出器１０８へ入射される光の出力強度を時間の関数で表したもの（「時間波形」）が図３におけるプロット３０６に示されている。プロット３０６からわかるように、光（Ｉ）の出力強度は干渉図形３０２上のポイント３１０及び３１２に対応するレベル３１６で比較的一定であることが示されており、ここで瞬間的な「スパイク」３１４は、ポイント３１０からポイント３１２への動作ポイントの遷移、又はその逆の動作ポイントの遷移からもたらされる。レベル３１６はさらに、干渉しない二つのパス１１２及び１１４からのコンポーネントを含んでいる。スパイク３１４は、比較的一定の出力レベル３１６が観測されるように、エレクトロニクス（図１）によりフィルタされ、無視され、その他処理される。
【００２８】
図４は、変調３０４を発生させるために使用され得る適切な周波数で適用される例示的な変調技術のプロットである。図１及び図４を参照すると、バイアス変調信号１２８はエレクトロニクス・プロセッサ１２６により生成され、導波路１１４をトラベルする光を変調するために変調器１１６へ提供される。上述したように、干渉図形３０２（図３）を作成するのに必要な各光ビームは、導波路１１４を異なる時間に通過する（例えば、第一のビームはセンサー・デバイスへの途中にある導波路１１４を通過し、第二のビームはセンサー・デバイスにより反射された後に導波路１１４を通過する）。二つのビームへ適用される変調は、光ビームのパスの長さに関連した、センサの遅延定数（Ｔ）に従って時間シフトされる以外は適切に同一である。
【００２９】
ここで図１及び図４を参照すると、例示的な変調駆動信号１２８は適切には、所望の位相シフトが生成されるように変調器１１６に適した振幅を有し、センサ１００の「適切な」周波数へ同調される周波数を有する、鋸歯形である。「適切な」周波数を検出するための多くの技術が、ＦＯＧおよび他のセンサと結合して使用されており（例えば、参照としてここに組み込まれる米国特許５、７３４、４６９および現在共に出願され、参照として組み込まれる、ハネウエルＤｏｃｋｅｔ  Ｎｏ．Ｈ１７−２５１７２により識別される、発明者Ｃｈａｒｌｅｓ  Ｌａｎｇｅによる、「ＩＦＯＧおよびＳａｇｎａｃ干渉計のための鋸歯形バイアス変調および閉ループ」という題の特許出願を参照）、「適切な」周波数を感知するための任意の技術が開示されたセンサと共に使用され得る。同様に、変調信号１２８は適切に、任意のデジタル又はアナログのシロダイン、三角、ランプ、多重ランプ、パルス、ステップ又は他の波形であり得、又複数の波形の特徴を組み込むことが出来る。図４から容易に理解できるように、センサ１００をカウンター伝播（ｃｏｕｎｔｅｒ−ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ）している二つのビームに適用される変調は、遅延定数Ｔだけ時間シフトしている点を除いて同一である。これらの二つの信号間の差は、Δφ３０４として図示されており、図３の信号３０４に対応する。ここで再び、所望の位相変調３０４を生成する任意の駆動変調信号１２８が、センサ１００の様々な実施の形態において使用され得る。
【００３０】
図５は、適切な周波数で適用されていない例示的な変調技術のプロットである。ここで図１及び図５を参照すると、駆動変調信号１２８が上述されたように変調器１１６に適用されるが、信号１２８の周波数は遅延定数Ｔに関連した適切な周波数に同調されていない。それゆえ、ビーム１及びビーム２の間の位相差（Δφ）３０４は上述したような均衡した位相変調信号を生成しない。むしろ、二つのビームの間の差３０４は、レベル５０２での比較的長い時間周期のバイアスにより特徴づけられ、該バイアスには反対方向にレベル５０２より非常に大きな強度の比較的短い周期（時間Ｔに対応する）のバイアス５０４が点在している。
【００３１】
図５に示される変調Δφ３０４に対応した例示的な出力特性６００は図６に示されている。図６を参照すると、干渉図形３０２に適用される駆動変調３０４は、光検出器１０８で適切に出力特性（時間波形）６０６を発生させる。図から理解されるように、変調３０４上のポイント５０４は干渉図形３０２のポイント３０４及び出力プロット６０６に対応する。変調３０４上のポイント５０２は出力プロット６０６での干渉図形３０２のポイント６０２に対応する。それゆえ、光検出器１０８で観測される光強度はレベル６０２と６０４との間を適切に交番する。
【００３２】
プロット６０６を図３における３０６と比較し、照会すると、光検出器１０８へ入射する光強度の時間波形は変調信号の周波数に依存しており、変調信号の「適切な」周波数（すなわち光検出器１０８で比較的一定の出力を生じさせる周波数）は、センサ１００への時間、センサ１００を通る時間、センサ１００からの時間に依存している。従って、適切な変調周波数は光パスの長さに関連する。結果として、出力１３０は検出器１０８で比較的一定の出力を結果として生じさせる変調、または検出器の出力に適切な他の任意の所望効果をもたらす変調から決定されうる。換言すると、光パスの長さは、検出器１０８に比較的一定の出力を生成する、「適切な」変調周波数の関数として容易に決定され得る。
【００３３】
変調信号１２８への調整は、エレクトロニクス１３０に関連したマイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサまたは他のコントローラにより実行され得る。例示的な実施の形態では、検出器の出力は、検出器出力での変化が同一となるように変調信号１２８の周波数とすくなくとも同じ高さの周波数でサンプルされる。変調信号１２８の周波数が、光パスの長さに対する「適切な」周波数に近づくにつれ、検出器出力での変化は適切に減少される。例示的なセンサ１００が「適切な」周波数で変調される場合、出力特性は図３のように現れる。センサが、特定のパス長にとって「適切」でない周波数で変調される場合、検出器１０８で観測される出力特性は、例えば図６に示されるように曲げられる。従って、検出器の出力を所望のレベルに維持することを試みることより、センサ１００において光によりトラベルされる光パスの長さはルックアップテーブル、数学上の公式、又派他の技術を使用して適切な周波数から容易に計算され得る。この概念は、ＬＩＤＡＲ、破壊テスター、ファイバ長テスター、レンジファインダー、ひずみセンサなどの様々なセンサデバイスを作成するために使用され得る。
【００３４】
図７は上述した概念に基づくひずみセンサのブロック図である。図７を参照すると、ひずみセンサ７００は上述したようにセンサ１００に結合されたアクティブセンサ・エレメント７０２を適切に含んでいる。アクティブセンサ・エレメント７０２は、温度、圧力、壊れ、又はひずみや化学種の特性などの環境条件に応答して通過する光の光パスを変化することができる任意の材料から作成され得る。例示的な実施の形態において、アクティブセンサ・エレメント７０２は光信号を反射するのに適した、分けられた磨かれた端７０４を有する単一モードの光ファイバである。ファイバが拡張するにつれて、環境の変化に対する収縮又はその他の環境に対する反応は変化し、ファイバを通過する光の総光パス長は適切に変化する。これらセンサエレメント７０２上のさまざまなひずみは微小であるが、上述した干渉変調技術を使用して感知され得る。選択される特定のタイプのファイバは、特定のタイプのセンサクラッド、コアなどが他のものにくらべ温度、圧力、化学種などの変化に対しより感受的になるにつれ実施形態から実施形態へ変化するであろう。
【００３５】
図７に示す例示的な実施の形態７００は遅延ループ１２２及びインターフェース１２４を含んでいるが、他の実施の形態においてはこれらの要素を除去することができ、センサエレメント７０２は任意の方法でセンサ１００に結合されうる。さらに、センサエレメント７０２の長さは、作成されるセンサ７０２のタイプ及び所望される感度に依存して実施の形態から実施の形態へ広く変化する。さらに、環境にさらされるセンサエレメント７０２の増加された表面領域は、一般的により高い感度を生成するであろう。光ファイバのコイル（比較的低価格の単一のモード光ファイバなど）は、１０００ｍまたはそれ以上のオーダーの長さに容易に生成され得るので、より感度の高いセンサ７００が可能となる。代替的に、センサエレメントはメータ又はそれ以下のオーダーの長さである。
【００３６】
ひずみセンサ７００は、広範囲な環境のもとで使用可能である。さまざまな実施の形態において、温度、圧力、化学的影響などの環境条件が、エレメントを通過する光パスの長さに影響を与えるセンサエレメント７０２に適切にひずみを生成する。例えば、センサエレメント７０２は、橋、ダム、道路などにおける圧力またはひずみを検出するために木材、金属、コンクリート、または他の構造内に配置されうる。同様に、センサエレメント７０２は強度、過負荷などを検出するために航空機のウイングに埋め込み、または固定され得る。
【００３７】
センサ７００は、例えば光ファイバにおけるクラッドを除去し、センサエレメント７０２として光ファイバを化学種にさらすことにより、化学合成測定のためにさらに考案することができる。センサエレメント７０２の光パスの変化は種の屈性率に従って適切に生成される。さらに、流体の温度の変動が感知されるように流体との熱的に接触するセンサエレメント７０２を組み込むことができる。センサエレメント７０２を環境にさらし、センスエレメント７０２を通過する光信号の光パス長への影響を測定することにより、幅広い応用を想像することができるであろうことを理解すべきである。従ってこれらの環境条件の影響は、パスの長の変化と相関しており、任意の技術により計算することができる。パスの長さと環境の影響との間の相関は、任意の技術に従って観察され相関され及び／または計算される。例示的な実施の形態において、環境による変化はエレクトロニクス・プロセッサ１２６、又はエレクトロニクス・プロセッサ１２６と通信する外部デジタルコンピュータに記憶されたルックアップ・テーブル内のパス長の変化に相関される。
【００３８】
図８は、干渉センサ技術に基づく、ＬＩＤＡＲ８００の例示的な実施の形態のブロック図である。図８を参照すると、上述したような光センサ１００はレンズ構成８０２に結合され、対象物８０４から反射されうる光ビーム８０６を生成する。上述した干渉変調技術を使用すると、対象８０４までの距離は容易に決定することができる。センサ１００により検出される光パスの長さは、導波路又は他のパスに制限されない。
【００３９】
図９は、干渉センサ技術に基づく例示的なファイバ破れ検出器のブロック図である。図９を参照すると、ファイバ破れセンサ９００は多くの反射エレメント９０２を含むセンサエレメント７０２を適切に含む。例示的な実施の形態において、センサエレメントは通信または他の応用に使用される光ファイバである。反射型エレメントは、光源１０２により生成された光を反射することができるセンサエレメント７０２に存在する任意のジョイント、グレーティング、障害物、または他のエレメントである。光源制御信号９０４は、複数の光信号が様々な反射型エレメント９０２から反射され得るように、光源１０２から放射された光の周波数、位相、振幅または他の特性を変調し、修正し、またはそれ以外の調整をおこなうようにエレクトロニクス１２６から光源１０２へ提供される。光源１０２と各反射型エレメント９０２との間の連続性を確証することにより、センサエレメント７０２における破れは識別され、局所化される。
【００４０】
例示的な実施の形態では、反射型エレメント９０２はファイバを通過するいくらかの光がスプライスにより反射されるように作成されている単純なファイバ・スプライスである。そのようなスプライスは、例えば、従来のファイバスプライスにおけるほんのわずかな距離により光ファイバを意図的にミスマッチすることによリ、または異なる大きさのファイバを一緒にスプライスすることにより作成され得る。代替的に、反射型エレメント９０２は、以下でより詳細に記述されるように様々な周波数に同調されるファイバ・ブラッグ・グレーティング（ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  ｇｒａｔｉｎｇ）、チャープ・グレーティング（ｃｈａｒｐｅｄ  ｇｒａｔｉｎｇ）などであり得る。
【００４１】
多くの変調技術はセンサエレメント７０２における様々な反射型エレメント９０２から反射された光をモニターするために使用され得る。例えば時分割多重化（ＴＤＭ）は第一の反射型エレメント９０２に対応したパスの長さに対する適切な周波数を単に変調し、検出器１０８で光信号の存在又は不存在を確証し、それから後続する反射型エレメント９０２の適切な周波数を変調するように動作することにより使用され得る。代替的に、波長分割多重（ＷＤＭ）技術を使用して様々な光信号をセンサ・エレメント７０２に適用しうる。
【００４２】
そのような実施の形態の例では、反射型エレメント９０２は、別個の光の波長にそれぞれ同調される、ファイバ・ブラッグ・グレーティングである。様々な波長の光は、センサエレメント７０２に適用され、反射された信号はモニターされ、相関される。各グレーティングは特定の波長の光に対して感度が良く、各グレーティングの連続性が確証され、ファイバにおける任意の破れが局所化される。代替的に、チャープ・グレーティングは、センサ・エレメント７０２内の光パス長の変化を増加させるために波長分割多重技術と結合して使用され得る。さらに別の実施の形態では、周波数分割多重（ＦＤＭ）は、様々な反射型エレメント９０２から帰還する光の適切な周波数を使用して適用される光の周波数を変調することにより使用可能である。これらの多重技術は、複数のセンサエレメントの問い合わせを可能とし、従って時間および空間における多くの位置での環境の影響を検出及び測定することが可能となる。このように、センサは、温度、ひずみ、化学種などの環境影響の、単一ポイントのセンシングではなく分散されたセンシングのために使用し得る。
【００４３】
センサ９００内で光信号に適用される適切な周波数は、光のパスの長さに一般的に反比例する。この関係から、様々な実施の形態において（特にＦＤＭ技術を使用するもの）、ある特定の距離の偶数倍（例えばファイバの端から１０００ｍ、２０００ｍ、３０００ｍ、４０００ｍ）反射型エレメント０２を離すことは一般的に所望されない。なぜならばそのような実施の形態の対応した適切な周波数はお互いと干渉し、つまり検出するのが困難な調波（ｈａｒｍｏｎｉｃｓ）を発生させるからである。しかしこの現象は様々な実施の形態で、遅延ループ１２２を使用することにより減少又は除去され得る。センサ９００において光によりトラベルされる光パスにほんの小さな遅延を含ませることにより、センサ１００により観測される総光パスは、調波が減少され又は除去されるように修正されるであろう。反射型エレメント９０２が例えばセンサエレメント７０２において１０００、２０００、４０００メータに配置される場合、例えば遅延ループ１２２は１メータ長であり、様々な反射型エレメントに対する総光パスは１００１、２００１、４００１メータとなるであろう。従って、調波および任意の関連したソースのエラーは適切に減少される。ここで使用される数字は単なる例示目的のためだけであり、実際の実施の形態では、ファイバ長、遅延ループ長、反射位置などに対して任意の値を使用することができる。
【００４４】
任意の数のセンサは、様々な構造や上述の干渉変調技術に基づき作成され得る。ひずみセンサ、破れテスタ、ＬＩＤＡＲなどがセンサエレメント７０２を通過する光パスの長さを感知することにより構築し得る。光パスの長さは、検出器１０８で観測される摂動の量を減少又は最小にする光に適用される変調の「適切な」周波数を決定することにより非常に正確に決定することが出来る。そのような干渉技術は、制御され観測される要素が適用される変調の周波数であることから、非常に正確である。
【００４５】
クレームにおける全てのエレメントに対応する構造、材料、動作および同等物は、特にクレームされたものと同様にクレームされる他のエレメントと結合して機能を実行するための、任意の構造、材料、又は動作を含むことを意図している。さらに、任意の方法のクレームにおいて引用されるステップは任意の順番で実行され得る。本発明の範囲は、上述した例にではなく、添付された特許請求の範囲及びそれと法的に同等物により決定されるべきである。ここで記述される何らのエレメントも「必ず」または「必要とされる」と特に記述されない限り、本発明の実践に対して実質的ではない。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】例示的なセンサのブロックである。
【図２Ａ】センサの第二の例示的な実施の形態のブロック図である。
【図２Ｂ】センサの第三の例示的な実施の形態のブロック図である。
【図２Ｃ】二つのパス１１２及び１１４はＴＥ及びＴＭ偏光モードである複屈折変調を使用するセンサの第四の例示的な実施の形態のブロック図である。
【図３】例示的なセンサの様々な動作特性のグラフである。
【図４】「適切な」周波数の様々な例示的な変調信号のグラフである。
【図５】「適切な」周波数でない様々な例示的な変調信号のグラフである。
【図６】「適切な」周波数で動作していない例示的なセンサに対する様々な動作特性のグラフである。
【図７】例示的なひずみセンサのブロック図である。
【図８】例示的なＬＩＤＡＲのブロック図である。
【図９】例示的なファイバの壊れ検出器のブロック図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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