(57)【要約】【課題】検出信号の直線性を従来よりも向上させることが可能である。【解決手段】３つの一端側ポートと３つの他端側ポートとを有する３対３光カプラと、他端側ポートのうち、第１の他端側ポートに一端が接続され、第２の他端側ポートに他端が接続される光導波路と、３つの一端側ポートのうち、第１の一端側ポートに光源光を出射する光源と、他端側ポートのうち、第２の一端側ポートに接続され、第１の検出信号を出力する第１の光検出デバイスと、他端側ポートのうち、第３の一端側ポートに接続され、第２の検出信号を出力する第２の光検出デバイスと、第１の検出信号と第２の検出信号とを差動増幅して最終検出信号を出力する差動増幅器とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
３つの一端側ポートと３つの他端側ポートとを有する３対３光カプラと、
前記他端側ポートのうち、第１の他端側ポートに一端が接続され、第２の他端側ポートに他端が接続される光導波路と、
前記３つの一端側ポートのうち、第１の一端側ポートに光源光を出射する光源と、
前記他端側ポートのうち、第２の一端側ポートに接続され、第１の検出信号を出力する第１の光検出デバイスと、
前記他端側ポートのうち、第３の一端側ポートに接続され、第２の検出信号を出力する第２の光検出デバイスと、
前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とを差動増幅して最終検出信号を出力する差動増幅器と
を備えることを特徴とするサニャック型光干渉装置。
【請求項２】
前記光導波路の途中部位に挿入されるデポラライザを１あるいは複数備え、
前記光源は、ＳＬＤ（Superluminescent diode）光源であることを特徴とする請求項１に記載のサニャック型光干渉装置。
【請求項３】
前記光導波路の途中部位に挿入され、前記光導波路を伝搬するＣＷ光及びＣＣＷ光を遅延させる遅延用光導波路をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載のサニャック型光干渉装置。
【請求項４】
前記光源と前記第１の一端側ポートとの間に挿入される光アイソレータをさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のサニャック型光干渉装置。
【請求項５】
前記光導波路の途中部位に挿入され、所定の部材から放出された音波をＡＥ（Acoustic Emission）波として検出するＡＥセンサと、
前記差動増幅器の出力信号の低周波成分を除去して前記ＡＥ波を出力するハイパスフィルタと
をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のサニャック型光干渉装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サニャック型光干渉装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
下記非特許文献１には、論文「光ファイバリング干渉計の基礎技術」が開示されている。この光ファイバリング干渉計は、マッハツェンダ型、マイケルソン型、ファイブリペロー型等の種々の方式の光干渉計とは異なり、外力によってリング状光ファイバの中を時計回りに伝搬するＣＷ光（レーザ光）と反時計回りに伝搬するＣＣＷ光とに作用するサニャック効果を利用するサニャック型光干渉装置である。
【０００３】
すなわち、この光ファイバリング干渉計は、１対１カプラの一方の入力端に光源光（レーザ光）を入射させることにより一対の出力端の一方から光ファイバの一端にＣＷ光を入射させる一方、一対の出力端の他方から光ファイバの他端にＣＣＷ光を入射させ、また他方の入力端に一対の出力端を介して入射したＣＷ光及びＣＣＷ光をフォトダイオード（ＰＤ）で検出することにより、光ファイバの途中部位に挿入されたセンサ用ファイバに作用する外力を検知するものである。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ＵＲＬ：http://www.fujikura.co.jp/rd/gihou/backnumber/pages/__icsFiles/afieldfile/2008/07/14/101_05.pdf
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上記光ファイバリング干渉計は、１対１カプラ（１：１カプラとも表記する。）を用いた構成採用するが、この１対１カプラ（１：１カプラ）は実質的に２対２カプラ（２：２カプラ）として機能している。このような光ファイバリング干渉計では、ＣＷ光とＣＣＷ光との位相差θがπ（１８０°）となる関係でフォトダイオードの検出信号の直線性が良好ではない。したがって、上記光ファイバリング干渉計では、外力を精度良く検知することが困難である。
【０００６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、検出信号の直線性を従来よりも向上させることが可能なサニャック型光干渉装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明では、サニャック型光干渉装置に係る第１の解決手段として、３つの一端側ポートと３つの他端側ポートとを有する３対３光カプラと、前記他端側ポートのうち、第１の他端側ポートに一端が接続され、第２の他端側ポートに他端が接続される光導波路と、前記３つの一端側ポートのうち、第１の一端側ポートに光源光を出射する光源と、前記他端側ポートのうち、第２の一端側ポートに接続され、第１の検出信号を出力する第１の光検出デバイスと、前記他端側ポートのうち、第３の一端側ポートに接続され、第２の検出信号を出力する第２の光検出デバイスと、前記第１の検出信号と前記第２の検出信号とを差動増幅して最終検出信号を出力する差動増幅器とを備える、という手段を採用する。
【０００８】
本発明では、サニャック型光干渉装置に係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記光導波路の途中部位に挿入されるデポラライザを１あるいは複数備え、前記光源は、ＳＬＤ（Superluminescent diode）光源である、という手段を採用する。
【０００９】
本発明では、サニャック型光干渉装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記光導波路の途中部位に挿入され、前記光導波路を伝搬するＣＷ光及びＣＣＷ光を遅延させる遅延用光導波路をさらに備える、という手段を採用する。
【００１０】
本発明では、サニャック型光干渉装置に係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれかの解決手段において、前記光源と前記第１の一端側ポートとの間に挿入される光アイソレータをさらに備える、という手段を採用する。
【００１１】
本発明では、サニャック型光干渉装置に係る第５の解決手段として、上記第１〜第４のいずれかの解決手段において、前記光導波路の途中部位に挿入され、所定の部材から放出された音波をＡＥ（Acoustic Emission）波として検出するＡＥセンサと、前記差動増幅器の出力信号の低周波成分を除去して前記ＡＥ波を出力するハイパスフィルタとをさらに備える、という手段を採用する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、最終検出信号の直線性を従来よりも向上させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るサニャック型光干渉装置の構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係るサニャック型光ファイバＡＥ装置は、図１に示すように、３対３光カプラ１、光ファイバ２（光導波路）、ＳＬＤ光源３、光アイソレータ４、ＡＥセンサ５、遅延用光ファイバ６（遅延用光導波路）、第１デポラライザ７Ａ、第２デポラライザ７Ｂ、第１フォトダイオード８Ａ（光検出デバイス）、第２フォトダイオード８Ｂ（第２の光検出デバイス）、差動増幅器９及びハイパスフィルタ１０を備えている。
【００１５】
このサニャック型光ファイバＡＥ装置は、サニャック型光干渉装置にＡＥ波の検出機能を付加したものであり、例えば各種の金属構造物の応力腐食割れ（ＳＣＣ）の発生予測をするために用いられる。
【００１６】
３対３光カプラ１は、３本の光ファイバの途中部位を融着させた光ファイバ型の光カプラであり、３つの一端側ポートと３つの他端側ポートとを有する。光ファイバ２は、所定長さ（光路長）の湾曲した光導波路であり、一端が３対３光カプラ１の他端側ポートのうち第１の他端側ポートに接続され、他端が第２の他端側ポートに接続される。なお、３対３光カプラ１における第３の他端側ポートは、図示するように解放端である。
【００１７】
ＳＬＤ光源３は、スーパールミネッセント・ダイオード（ＳＬＤ：Superluminescent diode）を発光素子とする半導体光源であり、ＳＬＤ光を光アイソレータ４に出射する。上記ＳＬＤ光は、一般的なレーザ光よりも広帯域のスペクトラムを有する広周波数帯域の光源光である。光アイソレータ４は、このようなＳＬＤ光源３と３対３光カプラ１の第１の一端側ポートとの間に挿入され、ＳＬＤ光が第１の一端側ポートで反射してＳＬＤ光源３に入射することを抑制する光学部品である。
【００１８】
ＡＥセンサ５は、光ファイバ２の途中部位に挿入されており、光ファイバ２の一部が所定径の心材に巻回されたものである。上記心材は、例えばステンレス製の円柱体であり、周面に光ファイバ２の一部が多重巻されている。このＡＥセンサ５は、上記心材を金属構造物等に密着させることにより当該金属構造物等が内部に蓄えている歪エネルギーに応じて放出する弾性波をＡＥ（Acoustic Emission）波として検出する。このようなＡＥセンサ５は、上記ＡＥ波に応じて心材に巻回された光ファイバ２の光路長を可変する。
【００１９】
遅延用光ファイバ６は、光ファイバ２の途中部位に挿入され、光ファイバ２を伝搬するＣＷ光及びＣＣＷ光を遅延させる遅延用光導波路である。上記ＣＷ光は、光ファイバ２内を時計回りの方向に伝搬するＳＬＤ光であり、ＣＣＷ光は、光ファイバ２内を時計回りの方向に伝搬するＳＬＤ光である。すなわち、ＣＷ光及びＣＣＷ光は、光ファイバ２内を互いに逆方向に伝搬するＳＬＤ光である。
【００２０】
第１デポラライザ７Ａは、図示するように光ファイバ２の途中部位に挿入されており、上記ＣＷ光及びＣＣＷ光を無偏光化する光学素子である。第２デポラライザ７Ｂは、第１デポラライザ７Ａと同様に光ファイバ２の途中部位に挿入されており、上記ＣＷ光及びＣＣＷ光を無偏光化する光学素子である。なお、本実施形態に係るサニャック型光干渉装置では、上述した２つのデポラライザつまり第１デポラライザ７Ａ及び第２デポラライザ７Ｂを備えるが、光ファイバ２の途中部位に挿入されるデポラライザの個数は、１あるいは３個以上であってもよい。
【００２１】
第１フォトダイオード８Ａは、３対３光カプラ１の第２の一端側ポートに接続され、ＡＥセンサ５において位相変調されたＣＷ光及びＣＣＷ光に関する第１の検出信号を出力する第１の光検出デバイスである。すなわち、この第１フォトダイオード８Ａは、上記第２の一端側ポートから入射するＣＷ光及びＣＣＷ光の干渉光を光電変換することにより第１の検出信号を生成する。この第１の検出信号は、ＣＷ光及びＣＣＷ光の位相変調波、つまりＡＥ波を信号成分とする音響信号である。
【００２２】
第２フォトダイオード８Ｂは、３対３光カプラ１の第３の一端側ポートに接続され、第２の検出信号を出力する第２の光検出デバイスである。すなわち、この第２フォトダイオード８Ｂは、上記第３の一端側ポートから入射するＣＷ光及びＣＣＷ光の干渉光を光電変換することにより第２の検出信号を生成する。この第２の検出信号は、上述した検出信号と同様に、ＣＷ光及びＣＣＷ光の変調波（ＡＥ波）を成分とする音響信号である。
【００２３】
差動増幅器９は、第１フォトダイオード８Ａから入力された第１の検出信号と第２フォトダイオード８Ｂから入力された第２の検出信号とを差動増幅することにより最終検出信号を出力する集積回路である。この差動増幅器９は、第１の検出信号と第２の検出信号との差分を示す最終検出信号をハイパスフィルタ１０に出力する。この最終検出信号は、第１の検出信号と第２の検出信号とに含まれる同相ノイズ（コモン・モードノイズ）が減衰した電気信号である。
【００２４】
ハイパスフィルタ１０は、所定のカットオフ周波数を有する電子回路であり、カットオフ周波数よりも低い周波数帯域を減衰させることによりカットオフ周波数以上の周波数帯域を通過させる。上記カットオフ周波数は、上記最終検出信号に含まれるＡＥ波の周波数成分に応じて適宜設定される。一般的に、ＡＥ波は１０ｋＨｚ以上の周波数帯域を有するので、ハイパスフィルタ１０のカットオフ周波数は、１０ｋＨｚ程度に設定される。このようなハイパスフィルタ１０は、ＡＥ波を示す電気信号を本実施形態に係るサニャック型光干渉装置の出力信号として外部に出力する。
【００２５】
次に、本実施形態に係るサニャック型光ファイバＡＥ装置の動作について詳しく説明する。
【００２６】
このサニャック型光ファイバＡＥ装置では、ＳＬＤ光源３がＳＬＤ光（光源光）を光アイソレータ４に出射すると、ＳＬＤ光は、光アイソレータ４を介して３対３光カプラ１の第１の一端側ポートに入射する。そして、ＳＬＤ光は、３対３光カプラ１において３分岐され、そのうち１つが３対３光カプラ１の第１の他端側ポートを経由して光ファイバ２の一端に入射し、また他の１つが３対３光カプラ１の第２の他端側ポートを経由して光ファイバ２の他端に入射する。
【００２７】
そして、光ファイバ２の一端に入射したＳＬＤ光は、ＣＷ光として光ファイバ２を伝搬して光ファイバ２の他端を経由して３対３光カプラ１の第２の他端側ポートに入射し、一方、光ファイバ２の他端に入射したＳＬＤ光は、ＣＣＷ光として光ファイバ２を伝搬して光ファイバ２の一端を経由して３対３光カプラ１の第１の他端側ポートに入射する。このようにして３対３光カプラ１に入射したＣＷ光及びＣＣＷ光は、３対３光カプラ１において合波して干渉光となる。
【００２８】
そして、この干渉光は、３対３光カプラ１の第２の一端側ポートを経由して第１フォトダイオード８Ａに入射し、また３対３光カプラ１の第３の一端側ポートを経由して第２フォトダイオード８Ｂに入射する。
【００２９】
ここで、光ファイバ２の途中部位には、第１デポラライザ７Ａ及び第２デポラライザ７Ｂが設けられているので、ＣＷ光及びＣＣＷ光は無偏光化される。また、ＣＷ光及びＣＣＷ光は、ＳＬＤ光を光源とするコヒーレント光であり、一般的なレーザ光よりも広帯域のスペクトラムを有する。すなわち、ＣＷ光及びＣＣＷ光は、第１デポラライザ７Ａ及び第２デポラライザ７Ｂの影響並びにＳＬＤ光を採用することによって、偏光依存性の低い光信号である。
【００３０】
また、このサニャック型光干渉装置は、光ファイバ２において互いに逆方向に伝搬するＣＷ光及びＣＣＷ光のサニャック効果、つまりＡＥセンサ５に起因する伝搬時間の差異をＡＥ波の検出に利用するものである。このようなサニャック型光干渉装置では、光ファイバ２においてＣＷ光及びＣＣＷ光の同一伝搬時間に相当する部位に不感点が発生する。
【００３１】
この不感点は、光ファイバ２においてＡＥ波を検出し得ない点、つまりＡＥセンサ５を設けることができない部位である。このような不感点に対して、このサニャック型光干渉装置では、遅延用光ファイバ６を光ファイバ２に接続することによって、不感点がＡＥセンサ５内に存在しないように工夫している。  
【００３２】
また、このサニャック型光干渉装置では、マッハツェンダ型のように参照光の光伝搬経路長とセンサが設けられる検出光の光伝搬経路長との経路差の調整を行う必要がないので、装置の調整作業が簡便である。
【００３３】
さらに、本実施形態に係るサニャック型光ファイバＡＥ装置の最大の利点は、第１フォトダイオード８Ａから出力される第１の検出信号と第２フォトダイオード８Ｂから出力される第２の検出信号との差分信号である最終検出信号の直線性が良好なことである。
【００３４】
すなわち、ＣＷ光及びＣＣＷ光は、ＡＥセンサ５においてＡＥ波に起因する位相変調を受けるので、下式（１）に比例する位相変化を有する。ここで、θは、ＣＷ光とＣＣＷ光との静的な位相差であり、φはＣＷ光及びＣＣＷ光の伝搬角速度、ΔＴはＣＷ光及びＣＣＷ光の３対３光カプラ１への到達時間差であり、ＡＥ波に依存する。
１＋cos（θ＋φΔＴ）                    （１）
【００３５】
そして、第１フォトダイオード８Ａから出力される第１の検出信号及び第２フォトダイオード８Ｂから出力される第２の検出信号は、上記ＣＷ光及びＣＣＷ光の位相変化に応じた振幅変化を示す電気信号となる。
【００３６】
ここで、本実施形態では３対３光カプラ１を使用している関係で、３対３光カプラ１における３つの他端側ポートにおけるＣＷ光及びＣＣＷ光の位相差は２π／３となる。すなわち、第１の検出信号における上記θは＋２π／３あるいは−２π／３のいずれか一方となり、第２の検出信号における上記θは＋２π／３あるいは−２π／３のいずれか他方となるので、上式（１）は下式（２）、（２’）のように展開される。したがって、第１の検出信号及び第２の検出信号には、sinφΔＴの信号成分が含まれている。
１＋cos（２π／３＋φΔＴ）
＝１＋cos２π／３・cosφΔＴ−sin２π／３・sinφΔＴ     （２）
１＋cos（−２π／３＋φΔＴ）
＝１＋cos２π／３・cosφΔＴ＋sin２π／３・sinφΔＴ     （２’）
【００３７】
これら式（２）、（２’）に示される第１の検出信号と第２の検出信号とを差動増幅器９によって差動増幅して得られる最終検出信号は、下式（２”）に示すようにsinφΔＴの信号成分のみを含むものとなる。
（１＋cos２π／３・cosφΔＴ−sin２π／３・sinφΔＴ）
−（１＋cos２π／３・cosφΔＴ+sin２π／３・sinφΔＴ）
＝２sin２π／３・sinφΔＴ                （２”）
【００３８】
一方、３対３光カプラ１に代えて従来のように２対２光カプラを採用した場合、上記θはπとなるので、ＣＷ光及びＣＣＷ光の位相変化は下記式（３）に比例したものとなる。この式（３）を展開すると式（４）が得られる。すなわち、２対２光カプラを採用した場合には、第１の検出信号及び第２の検出信号の信号成分としてsinφΔＴの信号成分を得ることができない。
１＋cos（π＋φΔＴ）                         （３）
１＋cos（π＋φΔＴ）＝１−cosφΔＴ          （４）
【００３９】
また、上記第１の検出信号及び第２の検出信号におけるsinφΔＴの信号成分は「φΔＴ」が十分に小さい場合に、下式（５）に示すように「φΔＴ」と近似される。すなわち、上記第１の検出信号及び第２の検出信号は、「φΔＴ」が微小な場合に、ΔＴに比例して振幅が変化する電気信号となる。したがって、このような本実施形態によれば、第１の検出信号及び第２の検出信号から得られる最終検出信号の直線性を従来よりも向上させることが可能である。
sinφΔＴ≒φΔＴ                              （５）
【００４０】
なお、非特許文献１では、π／２非相反位相バイアス器を用いることにより直線性の改善を図ることが記載されているが、このπ／２非相反位相バイアス器は、非特許文献１に記載されているように複数の光学部品を組み合わせて構成されるものであり、機器構成が複雑である。本実施形態では、このようなπ／２非相反位相バイアス器を用いることなく、ＣＷ光及びＣＣＷ光を生成すると共に干渉光を取り出す光カプラとして３対３カプラ１を用いるので、簡便な装置構成で良好な直線性の最終検出信号を得ることができる。
【００４１】
このように直線性に優れた最終検出信号は、ハイパスフィルタ１０によって低周波成分、特に直流成分が減衰されることによって、低周波ノイズが減衰あるいは除去される。そして、ハイパスフィルタ１０の出力信号がサニャック型光ファイバＡＥ装置の出力信号として外部に出力される。
【００４２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。
（１）上記実施形態では、サニャック型光干渉装置にＡＥ波の検出機能を付加したが、本発明はこれに限定されない。すなわち、検出対象をＡＥ波以外とすべく、ＡＥセンサ５以外のセンサを光ファイバ２に連結してもよい。
【００４３】
（２）上記実施形態では、光導波路として光ファイバ２を採用し、また当該光ファイバ２に連結する光カプラとしてファイバ型の３対３光カプラ１を採用したが、本発明はこれに限定されない。光ファイバ２以外の光導波路及びファイバ型以外の３対３光カプラを採用してもよい。
【００４４】
（３）上記実施形態では、ＣＷ光とＣＣＷ光との干渉性を低下させるためにＳＬＤ光源３を採用したが、本発明はこれに限定されない。ＳＬＤ光源３は、第１デポラライザ７Ａ及び第２デポラライザ７Ｂと共に干渉光に対するＣＷ光及びＣＣＷ光の偏光依存性を低減させるために採用したが、第１デポラライザ７Ａ及び第２デポラライザ７Ｂのみによって偏光依存性を十分に低減できる場合には、ＳＬＤ光源３以外の光源、例えばＬＤ光源を採用してもよい。
【００４５】
（４）上記実施形態では、第１デポラライザ７Ａ及び第２デポラライザ７Ｂを採用したが、本発明はこれに限定されない。光ファイバ２に連結するデポラライザの個数は、２以外の複数あるいは１つでもよい。
【符号の説明】
【００４６】
１  ３対３光カプラ
２  光ファイバ（光導波路）
３  ＳＬＤ光源（光源）
４  光アイソレータ
５  ＡＥセンサ
６  遅延用光ファイバ（遅延用光導波路）
７Ａ  第１デポラライザ
７Ｂ  第２デポラライザ
８Ａ  第１フォトダイオード（第１の光検出デバイス）
８Ｂ  第２フォトダイオード（第２の光検出デバイス）
９  差動増幅器
１０  ハイパスフィルタ
【図１】
2019086364.tif 000003