(57)【要約】【課題】センシングファイバで検出した信号の復調出力に現れる雑音を低減させ、レベルの低い信号の検出を実現する干渉型光ファイバセンサを提供すること。【解決手段】物理量を検知するセンシングファイバを含み、センシングファイバによってパルス光の伝搬経路に伝搬時間差を生じさせるセンシング干渉計と、パルス光がセンシング干渉計を通過する前とパルス光がセンシング干渉計を通過した後とのそれぞれにおいて、伝搬時間差を補償する遅延補償干渉計と、を有する干渉型光ファイバセンサ。【選択図】図１
2018036107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光を出力するパルス光源と、
物理量を検知するセンシングファイバを含み、前記センシングファイバによってパルス光の伝搬経路に伝搬時間差を生じさせるセンシング干渉計と、
パルス光が前記センシング干渉計を通過する前とパルス光が前記センシング干渉計を通過した後とのそれぞれにおいて、前記伝搬時間差を補償する遅延補償干渉計と、を有する干渉型光ファイバセンサ。
【請求項２】
前記遅延補償干渉計は、
パルス光が前記センシング干渉計を通過する前と、パルス光が前記センシング干渉計を通過した後とで、前記伝搬時間差を均等に補償するものである請求項１に記載の干渉型光ファイバセンサ。
【請求項３】
前記遅延補償干渉計は、
前記センシング干渉計の前段に設けられ、パルス光を遅延させる前段遅延補償ファイバを含む前段遅延補償干渉計と、
前記センシング干渉計の後段に設けられ、パルス光を遅延させる後段遅延補償ファイバを含む後段遅延補償干渉計と、を有する請求項１又は２に記載の干渉型光ファイバセンサ。
【請求項４】
前記前段遅延補償干渉計は、
前記パルス光源から出力されたパルス光を分岐させる前段第１光カプラと、
前記前段第１光カプラから出力された一方のパルス光と前記前段遅延補償ファイバを通過したパルス光とを同一ファイバに結合する前段第２光カプラと、を有し、
前記前段遅延補償ファイバは、
前記前段第１光カプラから出力された他方のパルス光を遅延させるものである請求項３に記載の干渉型光ファイバセンサ。
【請求項５】
前記後段遅延補償干渉計は、
パルス光を分岐させる多ポート光カプラと、
前記多ポート光カプラに接続された第１遅延ミラーと、
前記多ポート光カプラに前記後段遅延補償ファイバを介して接続された第２遅延ミラーと、を有する請求項４に記載の干渉型光ファイバセンサ。
【請求項６】
前記後段遅延補償干渉計は、
前記センシング干渉計経由で入力したパルス光を分岐させる後段第１光カプラと、
前記後段第１光カプラから出力される一方のパルス光と前記後段遅延補償ファイバを通過したパルス光とを同一ファイバに結合する後段第２光カプラと、を有し、
前記後段遅延補償ファイバは、
前記後段第１光カプラから出力された他方のパルス光を遅延させるものである請求項４に記載の干渉型光ファイバセンサ。
【請求項７】
前記前段遅延補償干渉計は、
前記前段第１光カプラから前記前段第２光カプラまでの２つの経路のうちの少なくとも一方に、パルス光の周波数を前段シフト周波数だけシフトさせる前段光周波数シフタを有し、
前記後段遅延補償干渉計は、
前記後段第１光カプラから前記後段第２光カプラまでの２つの経路のうちの少なくとも一方に、前記パルス光の周波数を前記前段シフト周波数とは異なる後段シフト周波数だけシフトさせる後段光周波数シフタを備える請求項６に記載の干渉型光ファイバセンサ。
【請求項８】
前記パルス光源と前記センシング干渉計との間に設けられ、前記パルス光源の伝送方向を調整する伝送方向調整手段を有し、
前記遅延補償干渉計は、
前記伝送方向調整手段と前記センシング干渉計との間に設けられ、往復の伝搬遅延時間が前記センシング干渉計の前記伝搬時間差と等しい往復遅延補償ファイバを含むものである請求項２に記載の干渉型光ファイバセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉型光ファイバセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の干渉型光ファイバセンサの一例として、非特許文献１に示されたものがある。非特許文献１の干渉型光ファイバセンサは、検出する信号をセンシングファイバの歪みに変え、センシングファイバをアームとする光ファイバ干渉計を構成して信号を検出する。
【０００３】
干渉型光ファイバセンサは、様々な物理量を検出することができる。例えば、非特許文献１には、磁気信号を検出する干渉型光ファイバセンサが開示されており、非特許文献２には、音響信号を検出する干渉型光ファイバセンサが開示されている。
【０００４】
また、干渉型光ファイバセンサは、複数のセンサを配列することにより、パルス光を多重化して伝送することができる。パルス光の多重化の方法は、例えば、非特許文献３、特許文献１、又は特許文献２に開示されている。
【０００５】
特許文献１又は特許文献２には、多ポートカプラを用いる方式で復調する干渉型光ファイバセンサが開示されている。こうした従来の干渉型光ファイバセンサは、例えば、パルス光源から出力されるパルスが、光サーキュレータを通過し、センシングファイバを含むセンシング干渉計を経由して光サーキュレータに戻り、多ポートカプラ及び遅延補償ファイバを含む遅延補償干渉計に入力するように構成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第４１４４２５６号公報
【特許文献２】特開２００８−０８２９２１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】JJAP Vol.46,“Design of Fiber-Optic Magnetometer Utilizing Magnetostriction”
【非特許文献２】JJAP Vol.52,“Expansion of Dynamic Range in Interferometric Fiber Optic Hydrophone”
【非特許文献３】JASA Vol.115,No.6“Acoustic Performance of a lage-aperture,seabed,fiber-optic hydrophone array”
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来の干渉型光ファイバセンサは、光ロータリージョイントの振動などによる雑音がセンシングファイバで検出した信号の復調出力に現れるため、レベルの低い信号を検出することができないという課題がある。よって、センシングファイバで検出した信号の復調出力に現れる雑音を低減させ、レベルの低い信号の検出を実現する干渉型光ファイバセンサが望まれている。
【０００９】
ここで、本発明の効果を明確にするため、図５及び図６を参照して上記の課題を更に詳細に説明する。
【００１０】
図５は、従来の干渉型光ファイバセンサの構成及び多重伝送によるパルス波形を示す模式図である。図６は、図５の干渉型光ファイバセンサによる雑音及びクロストークの発生メカニズムの説明図である。図５には、後述する第１実施形態の干渉型光ファイバセンサ１００と同様に、多ポートカプラ２２Ａを有し、２つのセンシングファイバによって信号１及び信号２を検出する干渉型光ファイバセンサ１０００を示している。
【００１１】
干渉型光ファイバセンサ１０００では、パルス光源１０から出力されるパルス光が、光サーキュレータ３０及び光ロータリージョイント４０を通過し、光カプラ５１と光カプラ５２とにおいて分割される。分割された各パルス光は、それぞれ、ミラー５３、ミラー５４、又はミラー５５で反射する。ミラー５３、ミラー５４、又はミラー５５で反射したパルス光は、光カプラ５１で１本の光ファイバに結合され、光サーキュレータ３０に戻り、多ポートカプラ１０２０Ａに送られ、再度分岐する。多ポートカプラ１０２０Ａから出力されたパルス光のうち、一方はすぐに第１遅延ミラー１０２０Ｂで反射し、他方はセンシングファイバ５６又はセンシングファイバ５７での伝搬遅延時間を補償する遅延補償ファイバ１０２０Ｃを介して第２遅延ミラー１０２０Ｄで反射する。第１遅延ミラー１０２０Ｂで反射したパルス光と、第２遅延ミラー１０２０Ｄで反射して遅延補償ファイバ１０２０Ｃを通過したパルス光とは、多ポートカプラ１０２０Ａで再び結合した後、分岐して光電変換器６０で電気信号に変換され、復調器７０で復調される。
【００１２】
上記の通り、干渉型光ファイバセンサ１０００は、遅延補償ファイバ１０２０Ｃと多ポートカプラ１０２０Ａとを含む遅延補償干渉計１０２０が、光サーキュレータ３０と光電変換器６０との間に設けられている。よって、干渉型光ファイバセンサ１０００は、センシング干渉計５０以外の伝送路に形成されるパルス光の伝搬経路が２通りとなっている。また、干渉型光ファイバセンサ１０００は、遅延補償ファイバ１０２０Ｃを通る経路の伝搬遅延時間が、センシングファイバ５６又はセンシングファイバ５７を通る伝搬遅延時間と同等になるように構成されている。
【００１３】
干渉型光ファイバセンサ１０００は、センシングファイバ５６を含み遅延補償ファイバ１０２０Ｃを含まない経路ＡＢ１ＣＤ１Ｅを通過したパルス光と、遅延補償ファイバ１０２０Ｃを含みセンシングファイバ５６を含まない経路ＡＢ０ＣＤ１Ｅを通過したパルス光とが重なって干渉したパルスをサンプリングし、復調することにより、信号１を得ることができる。
【００１４】
また、干渉型光ファイバセンサ１０００は、センシングファイバ５７を含み遅延補償ファイバ１０２０Ｃを含まない経路ＡＢ２ＣＤ０Ｅを通過したパルス光と、遅延補償ファイバ１０２０Ｃを含みセンシングファイバ５７を含まない経路ＡＢ１ＣＤ１Ｅを通過したパルス光とが重なって干渉したパルスをサンプリングし、復調することにより、信号２を得ることができる。つまり、干渉型光ファイバセンサ１０００は、信号２の検出において、経路ＡＢ２ＣＤ０Ｅを通過したパルス光と経路ＡＢ１ＣＤ１Ｅを通過したパルス光とを干渉させるため、信号２を検出することができる。
【００１５】
しかしながら、干渉型光ファイバセンサ１０００は、光カプラ５２から多ポートカプラ１０２０Ａまでの経路では、パルス光が伝搬するタイミングに差があるため、光ロータリージョイント４０の振動などによる雑音、及びセンシングファイバ５６で検出した信号１のクロストークが、センシングファイバ５７で検出した信号２の復調出力に現れる、という課題がある。
【００１６】
ここで、図６を参照して、干渉型光ファイバセンサ１０００で発生する、光ロータリージョイント４０の振動などによる雑音、及びセンシングファイバ５６で検出した信号１のクロストークの発生メカニズムについて説明する。復調対象以外の信号が漏れこむクロストークと信号以外の雑音では発生場所などに違いがあるが、問題となっているクロストークと雑音の発生メカニズムが共通するため、説明は統一する。図６では、光サーキュレータ３０と光カプラ５２との間の各構成部材と、復調器７０とを省略している。ところで、光サーキュレータ３０と光カプラ５２との間では、伝送路の長さが変化するため、その間における任意の点を伝送路の長さが変化する点Ｌｃと定め、以下の説明を行う。光ロータリージョイント４０の振動などによる雑音の場合、光ロータリージョイント４０の位置が点Ｌｃとなり、センシングファイバ５６で検出した信号１のクロストークの場合、センシングファイバ５６の位置が点Ｌｃとなる。
【００１７】
光サーキュレータ３０と光カプラ５２との間の長さ変化による光の位相変化の振幅、角周波数をそれぞれＡ、ωとし、センシングファイバ５７での位相変化をφ２とし、伝送路の長さが変化する点Ｌｃからミラー５４までの間を往復するパルス光の伝搬時間をτとし、ミラー５４で反射したパルス光の光周波数をνとする。この場合、経路ＡＢ１ＣＤ１Ｅを伝搬したパルス光の電界Ｅ０１は、下記式（１）で表され、経路ＡＢ２ＣＤ０Ｅを伝搬したパルス光の電界Ｅ０２は、下記式（２）で表される。
【００１８】
【数１】
2018036107.tif 000003
【００１９】
【数２】
2018036107.tif 000004
【００２０】
電界Ｅ０１と電界Ｅ０２とが干渉して光電変換された出力は、下記式（３）のように表される。
【００２１】
【数３】
2018036107.tif 000005
【００２２】
光サーキュレータ３０と光カプラ５２との間の伝送路の長さ変化の周期は、パルス光の伝搬時間τよりも長くなることから、ωＴ／２≪１とすると、上記式（３）は、下記式（４）のように近似することができる。
【００２３】
【数４】
2018036107.tif 000006
【００２４】
復調器７０は、式（４）の右辺の大括弧（［  ］）内を抽出するものであり、復調器７０による復調処理の出力には、信号φ２と、「ＡωＴ・ｃｏｓω（ｔ＋Ｔ／２）」の雑音及びクロストークとが現れる。この雑音及びクロストークは、振幅にωが掛かっていることから、周波数が高いほどレベルが大きくなることが分かる。つまり、検出対象となる信号の周波数が高い程、信号と同じ周波数帯に現れる雑音及びクロストークのレベルが相対的に大きくなるため、信号検出の妨げとなる。
【００２５】
図５では、２つのセンシングファイバを接続した干渉型光ファイバセンサ１０００の例を示しているが、信号２の復調出力に漏れこむ信号１は、信号１によるセンシングファイバ５６の長さ変化がセンシングファイバ５６の中心で発生するモデルに近似すると、図６に示したメカニズムで式（４）の大括弧（［  ］）内の２項目に相当するクロストークとなる。干渉型光ファイバセンサ１０００が、図５に示すように、２つのセンシングファイバと光ロータリージョイント４０との両方を有する場合は、式（４）の大括弧（［  ］）内の雑音及びクロストークを表す項が２つになる。また、干渉型光ファイバセンサ１０００において、センシングファイバを３つ以上に増やせば、これに伴い、式（４）の大括弧（［  ］）内のクロストークを表す項も増える。このように、接続するセンシングファイバの数を多くすると、クロストークがさらに大きくなるため、多重伝送できる信号の数が制限されるという課題がある。
【００２６】
図５では、光ロータリージョイント４０による雑音を一例として示したが、光カプラ５２から多ポートカプラ１０２０Ａまでの間に長さが変化する部分があれば、その長さの変化に応じた雑音が発生する。すなわち、従来から、干渉型光ファイバセンサにおいて、センシングファイバで検出した信号の復調出力に現れる雑音を低減させることが課題となっている。また、センシングファイバが２つ以上の場合は、さらにクロストークによる影響を抑制することが課題となっている。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
本発明に係る干渉型光ファイバセンサは、パルス光を出力するパルス光源と、物理量を検知するセンシングファイバを含み、センシングファイバによってパルス光の伝搬経路に伝搬時間差を生じさせるセンシング干渉計と、パルス光がセンシング干渉計を通過する前とパルス光がセンシング干渉計を通過した後とのそれぞれにおいて、伝搬時間差を補償する遅延補償干渉計と、を有するものである。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、パルス光がセンシング干渉計を通過する前とパルス光がセンシング干渉計を通過した後とのそれぞれにおいて、センシング干渉計での伝搬時間差を補償することから、センシングファイバで検出した信号の復調出力に現れる雑音を低減させることができるため、レベルの低い信号を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る干渉型光ファイバセンサの構成及び多重伝送によるパルス波形を示す模式図である。
【図２】図１の干渉型光ファイバセンサによる雑音及びクロストークの低減メカニズムの説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係る干渉型光ファイバセンサの構成及び多重伝送によるパルス波形を示す模式図である。
【図４】本発明の第３実施形態に係る干渉型光ファイバセンサの構成及び多重伝送によるパルス波形を示す模式図である。
【図５】従来の干渉型光ファイバセンサの構成及び多重伝送によるパルス波形を示す模式図である。
【図６】図５の干渉型光ファイバセンサによる雑音及びクロストークの発生メカニズムの説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る干渉型光ファイバセンサの構成及び多重伝送によるパルス波形を示す模式図である。図２は、図１の干渉型光ファイバセンサによる雑音及びクロストークの低減メカニズムの説明図である。図１及び図２を参照して、本第１実施形態における干渉型光ファイバセンサの構成及び動作を説明する。
【００３１】
図１に示すように、干渉型光ファイバセンサ１００は、パルス光源１０と、遅延補償干渉計２０と、光サーキュレータ３０と、光ロータリージョイント４０と、センシング干渉計５０と、光電変換器（Ｏ／Ｅ変換器）６０と、復調器７０と、を有している。パルス光源１０は、前段第１光カプラ２１Ａと接続されており、一定の光周波数νのパルス光を所定の周期で前段第１光カプラ２１Ａに出力するものである。
【００３２】
遅延補償干渉計２０は、パルス光がセンシング干渉計５０を通過する前と、パルス光がセンシング干渉計５０を通過した後とのそれぞれにおいて、センシング干渉計５０で生じる伝搬時間差を補償するものである。遅延補償干渉計２０は、センシング干渉計５０の前段に設けられた前段遅延補償干渉計２１と、センシング干渉計５０の後段に設けられた後段遅延補償干渉計２２と、を有している。
【００３３】
前段遅延補償干渉計２１は、前段第１光カプラ２１Ａと、前段第２光カプラ２１Ｂと、前段遅延補償ファイバ２１Ｃと、を有している。前段第１光カプラ２１Ａ及び前段第２光カプラ２１Ｂは、入力されたパルス光を分岐したり、同一ファイバに結合したりするものである。前段第１光カプラ２１Ａは、パルス光源１０に接続された入力ポートと、前段第２光カプラ２１Ｂに接続された出力ポートと、前段遅延補償ファイバ２１Ｃに接続された出力ポートと、を有している。すなわち、前段第１光カプラ２１Ａは、パルス光源１０から出力されたパルス光を分岐させ、一方のパルス光を前段第２光カプラ２１Ｂに出力し、他方のパルス光を前段遅延補償ファイバ２１Ｃに出力するものである。
【００３４】
前段第２光カプラ２１Ｂは、前段第２光カプラ２１Ｂに接続された入力ポートと、前段遅延補償ファイバ２１Ｃに接続された入力ポートと、光サーキュレータ３０に接続された出力ポートと、を有している。すなわち、前段第２光カプラ２１Ｂは、前段第１光カプラ２１Ａから出力されるパルス光と前段遅延補償ファイバ２１Ｃから出力されるパルス光とを同一ファイバに結合し、光サーキュレータ３０に出力するものである。前段遅延補償ファイバ２１Ｃは、前段第１光カプラ２１Ａで分岐して入力するパルス光を遅延させるものである。
【００３５】
後段遅延補償干渉計２２は、多ポートカプラ２２Ａと、第１遅延ミラー２２Ｂと、後段遅延補償ファイバ２２Ｃと、第２遅延ミラー２２Ｄと、を有している。第１遅延ミラー２２Ｂ及び第２遅延ミラー２２Ｄは、パルス光を反射するものである。後段遅延補償ファイバ２２Ｃは、多ポートカプラ２２Ａで分岐して入力するパルス光を遅延させるものである。
【００３６】
多ポートカプラ２２Ａは、入力されたパルス光を分岐したり、同一ファイバに結合したりするものである。多ポートカプラ２２Ａは、光サーキュレータ３０に接続された入力ポートと、第１遅延ミラー２２Ｂに接続された出力ポートと、後段遅延補償ファイバ２２Ｃに接続された出力ポートと、光電変換器６０に接続された２つの出力ポートと、を有している。すなわち、多ポートカプラ２２Ａは、光サーキュレータ３０から出力されたパルス光を分岐させ、一方のパルス光を第１遅延ミラー２２Ｂに出力し、他の一方のパルス光を後段遅延補償ファイバ２２Ｃに出力するものである。また、多ポートカプラ２２Ａは、第１遅延ミラー２２Ｂで反射したパルス光と、後段遅延補償ファイバ２２Ｃを通過して第２遅延ミラー２２Ｄで反射した後、さらに後段遅延補償ファイバ２２Ｃを通過したパルス光とを、対向するポートの光ファイバそれぞれに出力し、光電変換器６０へ出力するものである。
【００３７】
光サーキュレータ３０は、パルス光の伝送方向を調整する伝送方向調整手段である。より具体的に、光サーキュレータ３０は、パルス光の伝送方向を切り替えるものである。本第１実施形態において、光サーキュレータ３０は、前段遅延補償干渉計２１から入力したパルス光を光ロータリージョイント４０に出力するものである。また、光サーキュレータ３０は、センシング干渉計５０を経由して光ロータリージョイント４０から出力されるパルス光を後段遅延補償干渉計２２に出力するものである。ここで、干渉型光ファイバセンサ１００は、光サーキュレータ３０の代わりに、光サーキュレータ３０と同様に機能する光カプラ等の伝送方向調整手段を有していてもよい。
【００３８】
光ロータリージョイント４０は、光サーキュレータ３０と光カプラ５１との間に設けられ、光ファイバを介して光サーキュレータ３０と光カプラ５１とに接続されている。光ロータリージョイント４０は、光ファイバの撚りを戻すものである。
【００３９】
センシング干渉計５０は、物理量を検知する少なくとも１つのセンシングファイバを含み、センシングファイバによってパルス光の伝搬経路に伝搬時間差を生じさせるものである。本第１実施形態において、センシング干渉計５０は、光カプラ５１と、光カプラ５２と、ミラー５３と、ミラー５４と、ミラー５５と、センシングファイバ５６と、センシングファイバ５７と、を有している。ミラー５３、ミラー５４、及びミラー５５は、パルス光を反射するものである。
【００４０】
光カプラ５１は、光ロータリージョイント４０に接続された入力ポートと、ミラー５３に接続された出力ポートと、センシングファイバ５６に接続された出力ポートと、を有している。光カプラ５２は、センシングファイバ５６に接続された入力ポートと、ミラー５４に接続された出力ポートと、センシングファイバ５７に接続された出力ポートと、を有している。
【００４１】
センシングファイバ５６は、光カプラ５１と光カプラ５２との間に設けられ、光ファイバを介して光カプラ５１と光カプラ５２とに接続されている。センシングファイバ５７は、光カプラ５２とミラー５５との間に設けられている。センシングファイバ５６及びセンシングファイバ５７は、物理量を検知するものである。すなわち、センシングファイバ５６及びセンシングファイバ５７は、加わる物理量に応じて生じる歪みにより、通過するパルス光を位相変調するものである。図１には、センシングファイバ５６が信号１を検知し、センシングファイバ５７が信号２を検知する場合を例示している。
【００４２】
上記の通り、干渉型光ファイバセンサ１００は、パルス光源１０と光サーキュレータ３０との間に前段遅延補償干渉計２１を有し、光サーキュレータ３０と光電変換器６０との間に後段遅延補償干渉計２２を有している。これにより、干渉型光ファイバセンサ１００は、センシング干渉計５０以外の伝送路に形成されるパルス光の伝搬経路が４通りとなっている。
【００４３】
また、干渉型光ファイバセンサ１００は、前段遅延補償ファイバ２１Ｃを通る経路の伝搬遅延時間と後段遅延補償ファイバ２２Ｃを通る経路の伝搬遅延時間との和が、センシングファイバ５６を通る経路の伝搬遅延時間と同等になるように構成されている。センシングファイバ５７の伝搬遅延時間も、前段遅延補償ファイバ２１Ｃを通る経路の伝搬遅延時間と後段遅延補償ファイバ２２Ｃを通る経路の伝搬遅延時間との和と同等になるように構成されている。
【００４４】
ところで、パルス光源１０が出力するパルス光のパルス幅（パルス光源１０のパルス幅）は、前段遅延補償ファイバ２１Ｃを通る経路の伝搬遅延時間と、後段遅延補償ファイバ２２Ｃを通る経路の伝搬遅延時間とが異なるように設定されている場合、両者のうちの短い方の伝搬遅延時間と同等に設定し、他方の経路を伝搬したパルス光が干渉しないようにする。
【００４５】
ここで、遅延補償干渉計２０は、パルス光がセンシング干渉計５０を通過する前と、パルス光がセンシング干渉計５０を通過した後とで、センシング干渉計５０での伝搬時間差を均等に補償するように構成するとよい。つまり、干渉型光ファイバセンサ１００は、前段遅延補償ファイバ２１Ｃを通る経路の伝搬遅延時間と、後段遅延補償ファイバ２２Ｃを通る経路の伝搬遅延時間とが等しくなるように構成するとよい。
【００４６】
具体的には、図１に示すように、センシングファイバ５６又はセンシングファイバ５７における伝搬遅延時間をＴとした場合、前段遅延補償ファイバ２１Ｃを通る経路の伝搬遅延時間と、後段遅延補償ファイバ２２Ｃを通る経路の伝搬遅延時間とをＴ／２にすれば理想的な設定となる。このように、前段遅延補償ファイバ２１Ｃを通る経路の伝搬遅延時間と、後段遅延補償ファイバ２２Ｃを通る経路の伝搬遅延時間とをＴ／２にする場合、パルス光源１０のパルス幅はＴ／２以下とする。非特許文献２に示されたサンプリングを多くする設定を採用する場合、パルス光源１０のパルス幅は、サンプルリングの倍数に応じて短く設定する。
【００４７】
センシング干渉計５０において、ミラー５３で反射したパルス光と、ミラー５４で反射したパルス光との間には、伝搬遅延時間Ｔに相当する伝搬時間差が生じる。また、ミラー５３で反射したパルス光と、ミラー５５で反射したパルス光との間には、伝搬遅延時間Ｔの２倍に相当する伝搬時間差が生じる。加えて、ミラー５４で反射したパルス光と、ミラー５５で反射したパルス光との間には、伝搬遅延時間Ｔに相当する伝搬時間差が生じる。
【００４８】
光電変換器６０は、多ポートカプラ２２Ａに接続され、多ポートカプラ２２Ａから出力される干渉光を電気信号に変換するものである。復調器７０は、光電変換器６０から入力した電気信号をもとに、物理量としての信号１及び信号２を復調するものである。より具体的に、復調器７０は、経路ＡＢ０ＣＤ１ＥＦ０Ｇを通過したパルス光と、経路ＡＢ１ＣＤ０ＥＦ１Ｇを通過したパルス光とが入力するタイミングにサンプリングして信号１を復調するものである。また、復調器７０は、経路ＡＢ０ＣＤ２ＥＦ０Ｇを通過したパルス光と、経路ＡＢ１ＣＤ１ＥＦ１Ｇを通過したパルス光とが入力するタイミングにサンプリングして信号２を復調するものである。
【００４９】
（動作の説明）
パルス光源１０から出力されたパルス光は、前段第１光カプラ２１Ａにおいて、前段第２光カプラ２１Ｂ側と、前段遅延補償ファイバ２１Ｃ側とに分岐され、前段第２光カプラ２１Ｂにおいて同一ファイバに結合されて、光サーキュレータ３０に出力される。前段第２光カプラ２１Ｂから出力され、光サーキュレータ３０を通過したパルス光は、光ロータリージョイント４０を通過してセンシング干渉計５０の光カプラ５１に入力する。
【００５０】
光カプラ５１で分岐した一方のパルス光は、ミラー５３で直接反射し、光カプラ５１を介して光ロータリージョイント４０に戻る。光カプラ５１で分岐した他方のパルス光は、センシングファイバ５６を通過して、光カプラ５２に入力する。光カプラ５２で分岐した一方のパルス光は、ミラー５４で反射し、光カプラ５２を介してセンシングファイバ５６に戻る。光カプラ５２で分岐した他方のパルス光は、センシングファイバ５７を通過して、ミラー５５で反射し、センシングファイバ５７に戻る。
【００５１】
すなわち、光ロータリージョイント４０を通過したパルス光は、光カプラ５１と光カプラ５２とにおいて分割される。分割された各パルス光は、それぞれ、ミラー５３、ミラー５４、又はミラー５５で反射する。ミラー５４で反射するパルス光は、センシングファイバ５６を通過するため、Ｔに相当する伝搬遅延時間が生じる。ミラー５５で反射するパルス光は、センシングファイバ５６及びセンシングファイバ５７を通過するため、２Ｔに相当する伝搬遅延時間が生じる。
【００５２】
ミラー５３、ミラー５４、又はミラー５５で反射したパルス光は、光カプラ５１で１本の光ファイバに結合され、光サーキュレータ３０に戻り、多ポートカプラ２２Ａに送られて再度分岐する。多ポートカプラ２２Ａにおいて分岐されて出力されるパルス光のうち、一方のパルス光はすぐに第１遅延ミラー２２Ｂで反射し、他の一方のパルス光は後段遅延補償ファイバ２２Ｃを介して第２遅延ミラー２２Ｄで反射する。第１遅延ミラー２２Ｂで反射したパルス光と、第２遅延ミラー２２Ｄで反射して後段遅延補償ファイバ２２Ｃを通過したパルス光とは、多ポートカプラ２２Ａで再び結合した後、分岐して光電変換器６０で電気信号に変換され、復調器７０で復調される。
【００５３】
ここで、図２を参照して、干渉型光ファイバセンサ１００で発生する、光ロータリージョイント４０の振動などによる雑音、及びセンシングファイバ５６で検出した信号１のクロストークの低減メカニズムについて説明する。復調対象以外の信号が漏れこむクロストークと信号以外の雑音では発生場所などに違いがあるが、クロストークと雑音の低減メカニズムが共通するため、説明は統一する。ここで、クロストークとは、センシングファイバ５６で検出した信号１によるクロストークであり、センシングファイバ５７で検出した信号２の復調出力に現れるものである。図２では、光サーキュレータ３０と光カプラ５２との間の各構成部材と、復調器７０とを省略している。ところで、光サーキュレータ３０と光カプラ５２との間では、伝送路の長さが変化するため、その間における任意の点を伝送路の長さが変化する点Ｌｃと定め、以下の説明を行う。
【００５４】
光サーキュレータ３０と光カプラ５２との間の長さ変化による光の位相変化の振幅、角周波数をそれぞれＡ、ωとし、センシングファイバ５７での位相変化をφ２とする。また、伝送路の長さが変化する点Ｌｃからミラー５４までの間を往復するパルスの伝搬時間をτとし、ミラー５４で反射したパルス光の光周波数をνとする。さらに、センシングファイバ５７での伝搬遅延時間をＴとし、前段遅延補償ファイバ２１Ｃ及び後段遅延補償ファイバ２２Ｃでの伝搬遅延時間をＴ／２とする。
【００５５】
この場合、経路ＡＢ１ＣＤ１ＥＦ１Ｇを伝搬したパルス光の電界Ｅ１１は、下記式（５）で表される。また、経路ＡＢ０ＣＤ２ＥＦ０Ｇを伝搬したパルス光の電界Ｅ１２は、下記式（６）で表される。
【００５６】
【数５】
2018036107.tif 000007
【００５７】
【数６】
2018036107.tif 000008
【００５８】
Ｅ１１とＥ１２とが干渉して、光電変換された出力は、下記式（７）のように表される。
【００５９】
【数７】
2018036107.tif 000009
【００６０】
一般に、光サーキュレータ３０と光カプラ５２との間の伝送路の長さ変化の周期は、パルス光の伝搬時間τ及び伝搬遅延時間Ｔより長くなることから、ωＴ≪１、ωτ≪１とすると、上記式（７）は、下記式（８）のように近似することができる。
【００６１】
【数８】
2018036107.tif 000010
【００６２】
復調器７０は、式（８）右辺の大括弧（[  ]）内の要素を抽出する。つまり、復調器７０による復調処理の出力には、センシングファイバ５７で検出した信号２（φ２）と、雑音及びクロストークである「ＡωＴ（ωτ／２）ｓｉｎω（ｔ＋τ／２＋Ｔ／２）」が現れる。
【００６３】
本第１実施形態に係る式（８）の大括弧（[  ]）内に示した雑音及びクロストークである「ＡωＴ（ωτ／２）ｓｉｎω（ｔ＋τ／２＋Ｔ／２）」は、従来技術に係る式（４）の大括弧内に示した雑音及びクロストークである「ＡωＴｃｏｓω（ｔ＋Ｔ／２）」と比べると、振幅Ａにωτ／２が掛かっている点で異なっている。ここで、ωτについては、ωτ≪１の関係が成り立つため、干渉型光ファイバセンサ１００は、従来の干渉型光ファイバセンサ１０００よりも、信号検出の妨げとなる雑音及びクロストークのレベルを低下させることができる。したがって、干渉型光ファイバセンサ１００によれば、レベルの低い信号を検出することができると共に、多重伝送する信号の数を増やすことができる。
【００６４】
［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態に係る干渉型光ファイバセンサの構成及び多重伝送によるパルス波形を示す模式図である。本第２実施形態では、図３を参照して、ＰＧＣを用いる復調方式を採用した干渉型光ファイバセンサの構成例及び動作について説明する。前述した第１実施形態の干渉型光ファイバセンサ１００と同等の構成部材には同一の符号を用いて説明は省略する。
【００６５】
図３に示すように、干渉型光ファイバセンサ２００は、パルス光源１０と、光サーキュレータ３０と、遅延補償干渉計１２０と、光ロータリージョイント４０と、センシング干渉計５０と、光電変換器１６０と、復調器１７０と、を有している。パルス光源１０は、光サーキュレータ３０を介して往復第１光カプラ１２０Ａと接続されており、パルス光を所定の周期で往復第１光カプラ１２０Ａに出力するものである。
【００６６】
遅延補償干渉計１２０は、光サーキュレータ３０とセンシング干渉計５０との間に設けられている。遅延補償干渉計１２０は、パルス光がセンシング干渉計５０を通過する前と、パルス光がセンシング干渉計５０を通過した後とのそれぞれにおいて、センシング干渉計５０で発生する伝搬時間差を補償するものである。図３の例において、遅延補償干渉計１２０は、光サーキュレータ３０と光ロータリージョイント４０との間に設けられ、光ファイバを介して光サーキュレータ３０と光ロータリージョイント４０とに接続されている。
【００６７】
遅延補償干渉計１２０は、図３に示すように、往復第１光カプラ１２０Ａと、往復第２光カプラ１２０Ｂと、往復遅延補償ファイバ１２０Ｃと、圧電子１２０Ｄと、ＰＧＣ信号発生器１２０Ｅと、を有している。往復第１光カプラ１２０Ａは、光サーキュレータ３０に接続された入出力ポートと、往復第２光カプラ１２０Ｂに接続された入出力ポートと、往復遅延補償ファイバ１２０Ｃに接続された入出力ポートと、を有している。往復第２光カプラ１２０Ｂは、往復第１光カプラ１２０Ａに接続された入出力ポートと、往復遅延補償ファイバ１２０Ｃに接続された入出力ポートと、光ロータリージョイント４０に接続された入出力ポートと、を有している。
【００６８】
往復遅延補償ファイバ１２０Ｃは、往復第１光カプラ１２０Ａで分岐して入力するパルス光を遅延させるものである。ここで、遅延補償干渉計１２０は、パルス光がセンシング干渉計５０を通過する前と、パルス光がセンシング干渉計５０を通過した後とで、センシング干渉計５０での伝搬時間差を均等に補償するように構成されている。
【００６９】
すなわち、干渉型光ファイバセンサ２００は、往復遅延補償ファイバ１２０Ｃを通る経路の片道の伝搬遅延時間が、センシングファイバ５６又はセンシングファイバ５７を通る経路の伝搬遅延時間の１／２となるように設定されている。つまり、往復遅延補償ファイバ１２０Ｃは、往復の伝搬遅延時間が、センシング干渉計５０の伝搬時間差と等しくなっている。また、干渉型光ファイバセンサ２００において、パルス光源１０のパルス幅は、往復遅延補償ファイバ１２０Ｃを通る経路を伝搬したパルス光と、往復遅延補償ファイバ１２０Ｃを通らない経路を伝搬したパルス光とが干渉しないように設定されている。
【００７０】
具体的には、図３に示すように、センシングファイバ５６又はセンシングファイバ５７での伝搬遅延時間をＴとした場合、往復遅延補償ファイバ１２０Ｃによる伝搬遅延時間は、片道でＴ／２となるように設定されており、パルス光源１０のパルス幅は、Ｔ／２以下となるように設定されている。非特許文献２に示されたサンプリングを多くする設定を採用する場合、パルス光源１０のパルス幅は、サンプルリングの倍数に応じて短く設定する。
【００７１】
圧電子１２０Ｄは、往復遅延補償ファイバ１２０Ｃに設定周波数の正弦波状の歪みを加えるものである。ＰＧＣ信号発生器１２０Ｅは、ＰＧＣ信号を発生させると共に、発生させたＰＧＣ信号を、圧電子１２０Ｄを介して往復遅延補償ファイバ１２０Ｃに供給するものである。すなわち、遅延補償干渉計１２０において、往復遅延補償ファイバ１２０Ｃには圧電子１２０Ｄが取り付けられており、圧電子１２０ＤにはＰＧＣ信号発生器１２０Ｅから正弦波電圧が印加される。よって、往復遅延補償ファイバ１２０Ｃには、圧電子１２０Ｄによって正弦波状の歪みが加えられる。
【００７２】
本第２実施形態において、光サーキュレータ３０は、パルス光源１０から入力したパルス光を遅延補償干渉計１２０に出力するものである。また、光サーキュレータ３０は、光ロータリージョイント４０及びセンシング干渉計５０を経由して遅延補償干渉計１２０から出力されるパルス光を光電変換器１６０に出力するものである。ここで、干渉型光ファイバセンサ２００は、光サーキュレータ３０の代わりに、光サーキュレータ３０と同様に機能する光カプラ等の伝送方向調整手段を有していてもよい。本第２実施形態において、光ロータリージョイント４０は、往復第２光カプラ１２０Ｂと光カプラ５１との間に設けられ、光ファイバを介して往復第２光カプラ１２０Ｂと光カプラ５１とに接続されている。
【００７３】
光電変換器１６０は、光サーキュレータ３０に接続され、光サーキュレータ３０から出力される干渉光を電気信号に変換するものである。往復遅延補償ファイバ１２０Ｃには、圧電子１２０Ｄによって正弦波状の歪が加えられているため、干渉光にはＰＧＣが発生する。
【００７４】
復調器１７０は、光電変換器１６０から入力した電気信号をもとに、物理量としての信号１及び信号２を復調するものである。より具体的に、復調器１７０は、経路ＡＢ０ＣＤ１ＣＢ０Ｅを通過したパルス光と、経路ＡＢ１ＣＤ０ＣＢ１Ｅを通過したパルス光とが入力するタイミングにサンプリングして信号１を復調するものである。また、復調器７０は、経路ＡＢ０ＣＤ２ＣＢ０Ｅを通過したパルス光と、経路ＡＢ１ＣＤ１ＣＢ１Ｅを通過したパルス光とが入力するタイミングにサンプリングして信号２を復調するものである。
【００７５】
ところで、前述した第１実施形態の干渉型光ファイバセンサ１００は、パルス光源１０から出力されるパルス光が前段遅延補償干渉計２１を通過した後、センシング干渉計５０を経由して光サーキュレータ３０から出力されるパルス光が、後段遅延補償干渉計２２を通過するように構成されている。したがって、パルス光が遅延補償干渉計２０を通過する経路は４通りとなっている。
【００７６】
この点、干渉型光ファイバセンサ２００は、遅延補償干渉計１２０を１つだけ有しているが、遅延補償干渉計１２０は、光サーキュレータ３０とセンシング干渉計５０との間に設けられている。そのため、光サーキュレータ３０から出力されるパルス光は、センシング干渉計５０への往路と復路において、遅延補償干渉計１２０を１回ずつ通過するようになっている。すなわち、干渉型光ファイバセンサ２００において、パルス光源１０から出力されるパルス光は、遅延補償干渉計１２０を２回通過して光電変換器１６０に入力される。したがって、遅延補償干渉計１２０をパルス光が通過する経路、つまり、センシング干渉計５０以外の伝送路に形成されるパルス光の伝搬経路は、第１実施形態と同じ４通りとなっている。
【００７７】
（動作の説明）
上記の通り、干渉型光ファイバセンサ２００は、第１実施形態の干渉型光ファイバセンサ１００とは一部の構成が異なっているため、パルス光が各構成部材を通過する順序も干渉型光ファイバセンサ１００とは異なっている。また、干渉型光ファイバセンサ２００と、干渉型光ファイバセンサ１００とは、例示した復調方式が異なるため、両者の復調処理も異なっている。しかし、こうした点を除けば、干渉型光ファイバセンサ２００は、干渉型光ファイバセンサ１００と同様に動作する。
【００７８】
すなわち、パルス光源１０から出力されたパルス光は、光サーキュレータ３０を通過した後、往復第１光カプラ１２０Ａにおいて、往復第２光カプラ１２０Ｂ側と、往復遅延補償ファイバ１２０Ｃ側とに分岐され、往復第２光カプラ１２０Ｂにおいて同一ファイバに結合されて、光ロータリージョイント４０に出力される。往復第２光カプラ１２０Ｂから出力され、光ロータリージョイント４０を通過したパルス光は、センシング干渉計５０に入力する。
【００７９】
センシング干渉計５０に入力したパルス光は、光カプラ５１と光カプラ５２とにおいて分割される。分割された各パルス光は、それぞれ、ミラー５３、ミラー５４、又はミラー５５で反射する。ミラー５３、ミラー５４、又はミラー５５で反射したパルス光は、光カプラ５１で同一ファイバに結合され、光ロータリージョイント４０を通過して遅延補償干渉計１２０に戻る。
【００８０】
遅延補償干渉計１２０に入力したパルス光は、往復第２光カプラ１２０Ｂにおいて、往復第１光カプラ１２０Ａ側と、往復遅延補償ファイバ１２０Ｃ側とに分岐され、往復第１光カプラ１２０Ａにおいて同一ファイバに結合されて、光サーキュレータ３０に出力される。光サーキュレータ３０を通過したパルス光は、光電変換器６０において電気信号に変換され、復調器７０で復調される。
【００８１】
以上のように、干渉型光ファイバセンサ２００は、前述した第１実施形態の干渉型光ファイバセンサ１００と同様、パルス光がセンシング干渉計５０を通過する前後のそれぞれにおいて、センシング干渉計５０での伝搬時間差を補償する遅延補償干渉計１２０を有している。そのため、干渉型光ファイバセンサ２００は、信号検出の妨げとなる雑音及びクロストークを低減することができる。よって、干渉型光ファイバセンサ２００によれば、レベルの低い信号を検出すると共に、多重伝送する信号の数を増やすことができる。
【００８２】
［第３実施形態］
図４は、本発明の第３実施形態に係る干渉型光ファイバセンサの構成及び多重伝送によるパルス波形を示す模式図である。図４を参照して、干渉型光ファイバセンサの構成及び動作を説明する。上述した第１及び第２実施形態の干渉型光ファイバセンサ１００及び２００と同等の構成部材には同一の符号を用いて説明は省略する。
【００８３】
図４に示すように、干渉型光ファイバセンサ３００は、パルス光源１０と、遅延補償干渉計２２０と、光サーキュレータ３０と、光ロータリージョイント４０と、センシング干渉計５０と、光電変換器１６０と、復調器２７０と、を有している。
【００８４】
遅延補償干渉計２２０は、パルス光がセンシング干渉計５０を通過する前と、パルス光がセンシング干渉計５０を通過した後とのそれぞれにおいて、センシング干渉計５０で発生する伝搬時間差を補償するものである。遅延補償干渉計２２０は、センシング干渉計５０の前段に設けられた前段遅延補償干渉計２２１と、センシング干渉計５０の後段に設けられた後段遅延補償干渉計２２２と、を有している。
【００８５】
前段遅延補償干渉計２２１は、前段第１光カプラ２１Ａと、前段第２光カプラ２１Ｂと、前段遅延補償ファイバ２１Ｃと、前段オシレータ２２１Ｄと、前段光周波数シフタ２２１Ｅと、を有している。前段第１光カプラ２１Ａは、パルス光源１０に接続された入力ポートと、前段光周波数シフタ２２１Ｅに接続された出力ポートと、前段遅延補償ファイバ２１Ｃに接続された出力ポートと、を有している。前段第２光カプラ２１Ｂは、前段光周波数シフタ２２１Ｅに接続された入力ポートと、前段遅延補償ファイバ２１Ｃに接続された入力ポートと、光サーキュレータ３０に接続された出力ポートと、を有している。
【００８６】
前段オシレータ２２１Ｄは、周波数ｆＦの正弦波信号を前段光周波数シフタ２２１Ｅへ出力し、前段光周波数シフタ２２１Ｅを通過するパルス光の光周波数をｆＦだけシフトさせるものである。前段光周波数シフタ２２１Ｅは、前段オシレータ２２１Ｄから出力される周波数ｆＦの正弦波信号をもとに、前段第１光カプラ２１Ａから出力されるパルス光の光周波数をｆＦだけシフトさせるものである。以降では、前段光周波数シフタ２２１Ｅがシフトさせる周波数ｆＦを前段シフト周波数ｆＦともいう。
【００８７】
後段遅延補償干渉計２２２は、後段第１光カプラ２２２Ａと、後段第２光カプラ２２２Ｂと、後段遅延補償ファイバ２２２Ｃと、後段オシレータ２２２Ｄと、後段光周波数シフタ２２２Ｅと、を有している。後段第１光カプラ２２２Ａは、光サーキュレータ３０に接続された入力ポートと、後段第２光カプラ２２２Ｂに接続された出力ポートと、後段光周波数シフタ２２２Ｅに接続された出力ポートと、を有している。後段第２光カプラ２２２Ｂは、後段第１光カプラ２２２Ａに接続された入力ポートと、後段遅延補償ファイバ２２２Ｃに接続された入力ポートと、光電変換器１６０に接続された出力ポートと、を有している。
【００８８】
後段遅延補償ファイバ２２２Ｃは、後段第１光カプラ２２２Ａで分岐し、後段光周波数シフタ２２２Ｅを通過して入力するパルス光を遅延させるものである。後段オシレータ２２２Ｄは、周波数ｆＢの正弦波信号を後段光周波数シフタ２２２Ｅへ出力し、後段光周波数シフタ２２２Ｅを通過するパルス光の光周波数をｆＢだけシフトさせるものである。後段光周波数シフタ２２２Ｅは、後段オシレータ２２２Ｄから出力される周波数ｆＢの正弦波信号をもとに、後段第１光カプラ２２２Ａから出力されるパルス光の光周波数をｆＢだけシフトさせるものである。以降では、後段光周波数シフタ２２２Ｅがシフトさせる周波数ｆＢを後段シフト周波数ｆＢともいう。
【００８９】
ここで、図４では、前段遅延補償干渉計２２１の前段遅延補償ファイバ２１Ｃがない経路に前段光周波数シフタ２２１Ｅを設け、後段遅延補償干渉計２２２の後段遅延補償ファイバ２２２Ｃがある経路に後段光周波数シフタ２２２Ｅを設けた場合を例示しているが、これに限定されるものではない。例えば、遅延補償干渉計２２０は、前段遅延補償干渉計２２１の前段遅延補償ファイバ２１Ｃがある経路に前段光周波数シフタ２２１Ｅを設け、後段遅延補償干渉計２２２の後段遅延補償ファイバ２２２Ｃがない経路に後段光周波数シフタ２２２Ｅを設けた構成としてもよい。このようにしても、信号１及び信号２を好適に復調するための条件を満たす。すなわち、本第３実施形態における干渉型光ファイバセンサ３００は、前段遅延補償ファイバ２１Ｃを含む前段遅延補償干渉計２２１の少なくとも一方の経路と、後段遅延補償ファイバ２２２Ｃを含む後段遅延補償干渉計２２２の少なくとも一方の経路とに、それぞれ、パルス光の光周波数をシフトする光周波数シフタが設けられていればよい。
【００９０】
また、干渉型光ファイバセンサ３００は、前段遅延補償干渉計２２１に設けられた前段光周波数シフタ２２１Ｅと後段遅延補償ファイバ２２２Ｃとの両方を通る経路を伝搬したパルス光の光周波数と、後段遅延補償干渉計２２２に設けられた前段光周波数シフタ２２１Ｅと後段遅延補償ファイバ２２２Ｃとの何れも通らない経路を伝搬したパルス光の光周波数との間に差を持たせるように構成されている。前段遅延補償ファイバ２１Ｃ及び後段遅延補償ファイバ２２２Ｃにおける伝搬遅延時間は、第１実施形態における前段遅延補償ファイバ２１Ｃ及び後段遅延補償ファイバ２２Ｃにおける伝搬遅延時間と同様に設定する。
【００９１】
そして、パルス光源１０のパルス幅は、センシングファイバ５６又はセンシングファイバ５７における伝搬遅延時間Ｔと同等以下に設定する。すなわち、干渉型光ファイバセンサ３００は、パルス光の光周波数を前段シフト周波数ｆＦだけシフトさせる前段光周波数シフタ２２１Ｅと、パルス光の周波数を前段シフト周波数ｆＦとは異なる後段シフト周波数ｆＢだけシフトさせる後段光周波数シフタ２２２Ｅとを有している。そのため、干渉型光ファイバセンサ３００は、パルス光源１０のパルス幅を、第１実施形態の干渉型光ファイバセンサ１００のように、Ｔ／２以下に設定する必要はない。
【００９２】
本第３実施形態において、光サーキュレータ３０は、前段遅延補償干渉計２２１から入力したパルス光を光ロータリージョイント４０に出力するものである。また、光サーキュレータ３０は、センシング干渉計５０を経由して光ロータリージョイント４０から出力されるパルス光を後段遅延補償干渉計２２２に出力するものである。ここで、干渉型光ファイバセンサ３００は、光サーキュレータ３０の代わりに、光サーキュレータ３０と同様に機能する光カプラ等の伝送方向調整手段を有していてもよい。
【００９３】
干渉型光ファイバセンサ３００は、パルス光源１０と光サーキュレータ３０との間に前段遅延補償干渉計２２１を有し、光サーキュレータ３０と光電変換器６０との間に後段遅延補償干渉計２２２を有している。そのため、干渉型光ファイバセンサ３００は、センシング干渉計５０以外の伝送路に形成されるパルス光の伝搬経路が４通りとなっている。
【００９４】
光電変換器１６０は、後段第２光カプラ２２２Ｂに接続され、後段第２光カプラ２２２Ｂから出力される干渉光を電気信号に変換するものである。復調器２７０は、光電変換器１６０から入力した電気信号をもとに、物理量としての信号１及び信号２を復調するものである。より具体的に、復調器２７０は、経路ＡＢ０ＣＤ１ＥＦ０Ｇを通過したパルス光と、経路ＡＢ１ＣＤ０ＥＦ１Ｇを通過したパルス光とが入力するタイミングにサンプリングし、これらの経路を伝搬したパルス光の周波数差である周波数ｆＦ−ｆＢのビートを抽出して信号１を復調するものである。また、復調器７０は、経路ＡＢ０ＣＤ２ＥＦ０Ｇを通過したパルス光と、経路ＡＢ１ＣＤ１ＥＦ１Ｇを通過したパルス光とが入力するタイミングにサンプリングし、これらの経路を伝搬したパルス光の周波数差である周波数ｆＦ−ｆＢのビートを抽出して信号２を復調するものである。
【００９５】
（動作の説明）
パルス光源１０から出力されたパルス光は、前段第１光カプラ２１Ａにおいて、前段光周波数シフタ２２１Ｅ側と、前段遅延補償ファイバ２１Ｃ側とに分岐され、前段第２光カプラ２１Ｂにおいて同一ファイバに結合されて、光サーキュレータ３０に出力される。光サーキュレータ３０を通過したパルス光は、光ロータリージョイント４０を通過してセンシング干渉計５０に入力する。
【００９６】
センシング干渉計５０に入力したパルス光は、光カプラ５１と光カプラ５２とにおいて分割される。分割された各パルス光は、それぞれ、ミラー５３、ミラー５４、又はミラー５５で反射する。ミラー５３、ミラー５４、又はミラー５５で反射したパルス光は、光カプラ５１で１本の光ファイバに結合され、光サーキュレータ３０に戻り、後段第１光カプラ２２２Ａに送られて、後段第２光カプラ２２２Ｂ側と、後段光周波数シフタ２２２Ｅ側とに分岐され、後段第２光カプラ２２２Ｂにおいて同一ファイバに結合される。後段第２光カプラ２２２Ｂにおいて同一ファイバに結合されたパルス光は、光電変換器１６０で電気信号に変換され、復調器２７０で復調される。
【００９７】
本第３実施形態の干渉型光ファイバセンサ３００では、信号１を復調する経路ＡＢ０ＣＤ１ＥＦ０Ｇを通過したパルス光と、経路ＡＢ１ＣＤ０ＥＦ１Ｇを通過したパルス光とが、復調器２７０に入力するタイミングにおいて、他の経路を伝搬したパルス光が重なるため、不要な干渉が発生する。しかし、他の経路を伝搬したパルス光の干渉で発生するビートの周波数は、周波数ｆＦ−ｆＢとは異なる周波数になるため、復調器２７０は、他の経路を伝搬したパルス光の影響を受けずに信号１を復調することができる。復調器２７０は、信号２についても同様に、経路ＡＢ０ＣＤ２ＥＦ０Ｇを通過したパルス光と、経路ＡＢ１ＣＤ１ＥＦ１Ｇを通過したパルス光とが入力するタイミングにおいて、周波数ｆＦ−ｆＢのビートを抽出することにより、他の経路を伝搬したパルス光の影響を受けることなく復調することができる。
【００９８】
以上のように、干渉型光ファイバセンサ３００は、パルス光がセンシング干渉計５０を通過する前後のそれぞれにおいて、センシング干渉計５０での伝搬時間差を補償する遅延補償干渉計２２０を有している。そのため、干渉型光ファイバセンサ３００は、信号検出の妨げとなる雑音及びクロストークを低減することができる。よって、干渉型光ファイバセンサ３００によれば、レベルの低い信号を検出すると共に、多重伝送する信号の数を増やすことができる。
【００９９】
また、干渉型光ファイバセンサ３００は、パルス光の周波数を前段シフト周波数ｆＦだけシフトさせる前段光周波数シフタ２２１Ｅと、パルス光の周波数を後段シフト周波数ｆＢだけシフトさせる後段光周波数シフタ２２２Ｅとを有している。そのため、干渉型光ファイバセンサ３００は、上述した第１実施形態のようにパルス光源１０のパルス幅を狭くすることなく、センシングファイバ５７で検出した信号２の復調出力に現れる雑音及びクロストークを低減させることができる。
【０１００】
ここで、上述した各実施形態は、干渉型光ファイバセンサにおける好適な具体例であり、本発明の技術的範囲は、これらの態様に限定されるものではない。例えば、第１実施形態では、多ポートカプラを用いる復調方式を例示したが、これに限らず、干渉型光ファイバセンサ１００は、ＰＧＣを用いる復調方式を採用して構成してもよい。また、第２実施形態では、ＰＧＣを用いる復調方式を例示したが、これに限らず、干渉型光ファイバセンサ２００は、多ポートカプラを用いる復調方式を採用して構成してもよい。
【０１０１】
さらに、第１実施形態では、２つの光カプラを含む前段遅延補償干渉計２１と、１つの光カプラ及び２つのミラーを含む後段遅延補償干渉計２２とを有する遅延補償干渉計２０を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、前段遅延補償干渉計２１は、１つの光カプラ及び２つのミラーを含む後段遅延補償干渉計２２と同様の干渉計であってもよい。後段遅延補償干渉計２２は、２つの光カプラを含む前段遅延補償干渉計２１と同様の干渉計であってもよい。
【０１０２】
また、第２実施形態では、２つの光カプラを含んで構成された遅延補償干渉計１２０を例示したが、これに限らず、遅延補償干渉計１２０は、１つの光カプラ及び２つのミラーを含んで構成された干渉計であってもよい。加えて、第３実施形態では、２つの光カプラを含んで構成された前段遅延補償干渉計２２１及び後段遅延補償干渉計２２２を例示したが、これに限定されるものではない。例えば、前段遅延補償干渉計２２１及び後段遅延補償干渉計２２２のうちの少なくとも一方は、１つの光カプラ及び２つのミラーを含んで構成された干渉計であってもよい。
【０１０３】
さらに、センシングファイバを複数接続する方法として、従来技術に示された別の方法を採用し、センシング干渉計５０を構成してもよい。また、図１、図３、及び図４では、干渉型光ファイバセンサ１００、２００、及び３００が、２つのセンシングファイバを有する例を示したが、干渉型光ファイバセンサ１００、２００、及び３００は、３つ以上のセンシングファイバを有するようにしてもよい。
【０１０４】
加えて、上記各実施形態では、センシングファイバを含むセンシング干渉計が、光カプラとミラーとを含んで構成された場合を例示しているが、これに限定されるものではない。センシング干渉計５０は、例えば、ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）などの他の構成部材を用いて、パルス光を分岐させ且つ反射させるようにしてもよい。
【０１０５】
また、上記各実施形態では、センシング干渉計５０が２つのセンシングファイバを有する場合を例示したが、これに限らず、センシング干渉計５０は、１つのセンシングファイバを有するものであってもよく、３つ以上のセンシングファイバを有するものであってもよい。
【符号の説明】
【０１０６】
１０  パルス光源、２０、１２０、２２０、１０２０  遅延補償干渉計、２１、２２１  前段遅延補償干渉計、２１Ａ  前段第１光カプラ、２１Ｂ  前段第２光カプラ、２１Ｃ  前段遅延補償ファイバ、２２、２２２  後段遅延補償干渉計、２２Ａ、１０２０Ａ  多ポートカプラ、２２Ｂ、１０２０Ｂ  第１遅延ミラー、２２Ｃ、２２２Ｃ  後段遅延補償ファイバ、２２Ｄ、１０２０Ｄ  第２遅延ミラー、３０  光サーキュレータ、４０  光ロータリージョイント、５０  センシング干渉計、５１、５２  光カプラ、５３〜５５  ミラー、５６、５７  センシングファイバ、６０、１６０  光電変換器、７０、１７０、２７０  復調器、１００、２００、３００、１０００  干渉型光ファイバセンサ、１２０Ａ  往復第１光カプラ、１２０Ｂ  往復第２光カプラ、１２０Ｃ  往復遅延補償ファイバ、１２０Ｄ  圧電子、１２０Ｅ  ＰＧＣ信号発生器、２２１Ｄ  前段オシレータ、２２１Ｅ  前段光周波数シフタ、２２２Ａ  後段第１光カプラ、２２２Ｂ  後段第２光カプラ、２２２Ｄ  後段オシレータ、２２２Ｅ  後段光周波数シフタ、１０２０Ｃ  遅延補償ファイバ。
【図１】
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【図２】
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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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