(57)【要約】【課題】測定誤差の小さいマッハ・ツェンダ干渉計光センサを提供する。【解決手段】環境条件変化によって引き起こされるマッハ・ツェンダ干渉計の２光経路の光路長差の時間的変動幅が光源１のコヒーレント長に対して大きい場合でも、光経路伸縮器２０により光路長が調節されるので、その影響を受けずに安定した物理量検出信号を得ることができる。【選択図】　　　　図１
2004061407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、該光源からの信号光を２つの光経路に分岐する光分岐器と、該光分岐器で分岐された一方の光経路に設けられ一定周波数で一定振幅の位相掃引を一方の光経路を通過する信号光に与える第１の位相変調器と、他方の光経路に設けられ検出対象の物理量に応じた位相変化を他方の光経路を通過する信号光に与える物理量検出媒質と、他方の光経路に設けられ直流位相変化を他方の光経路を通過する信号光に与える第２の位相変調器と、第２の位相変調器に直流電圧を印加する第１の可変直流電圧源と、２つの光経路を結合する光結合器と、該光結合器からの出力光を電気信号に変換する受光器と、該受光器からの電気信号より上記物理量に依存する振幅を有する交流成分を分離検出し、その振幅に比例した信号を出力する第１の検波器と、上記受光器からの電気信号より第１の位相変調器で与えられる位相変調周波数の信号を分離検出し、その振幅に比例した信号を出力する第２の検波器と、上記受光器からの電気信号より第２の位相変調器で与えられる位相変調周波数の２倍の周波数の信号を分離検出し、その振幅に比例した信号を出力する第３の検波器と、上記物理量検出媒質及び第１の検波器に交流電圧を印加する第１の交流電源と、第１の位相変調器、第２の検波器及び第３の検波器に交流電圧を印加する第２の交流電源と、第１の検波器及び第２の検波器からの出力信号を用いて第１の可変直流電圧源の電圧を決定して指示し、第１の検波器及び第３の検波器からの出力信号を用いて上記検出対象の物理量に依存する最終出力信号を計算し、その計算結果に応じた電圧を出力する演算器とを備えたマッハ・ツェンダ干渉計光センサにおいて、一方の光経路を通過する信号光に直流位相変化を与える光経路伸縮器を一方の光経路に挿入し、上記演算器で演算された直流電圧を上記光経路伸縮器に印加する第２の可変直流電圧源を設けたことを特徴とするマッハ・ツェンダ干渉計光センサ。
【請求項２】
上記光経路が光ファイバである請求項１に記載のマッハ・ツェンダ干渉計光センサ。
【請求項３】
上記光経路がシリコン基板またはガラス基板上に形成された光導波路である請求項１に記載のマッハ・ツェンダ干渉計光センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マッハ・ツェンダ干渉計光センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
まず、本明細書における定義及び仮定について述べる。
【０００３】
マッハ・ツェンダ（Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ）干渉計は、一つの光源からの光を２つの光経路に分岐させ、再び合波させた光学系を指し、２つの光経路間の光路長差に応じた光強度信号を出力するものである。
【０００４】
ここでいう光路長差とは、光経路中を通過する光から見た光経路の長さであり、一般に物理的な光経路の長さＬと光経路の屈折率ｎとの積の経路積分で表される。光経路通過後の光の位相は、光路長に応じた位相遅れを有するため、本明細書では、光路長を（光経路通過後の）光位相と言い換えて使用することもある。例えば「マッハ・ツェンダ干渉計の光経路間の光路長差が１波長」という記述と、「マッハ・ツェンダ干渉計の光経路間の光位相差が２π［ｒａｄ］」という記述とは同義である。
【０００５】
このマッハ・ツェンダ干渉計の光経路中に、検出対象の物理量に応じた光位相変化を通過光に与えることのできる物理量検出媒質を挿入すれば、マッハ・ツェンダ干渉計は物理量検出媒質によって与えられる光位相変化に応じた光強度を出力するため、任意の物理量検出センサとして使用できる。本明細書ではこれをマッハ・ツェンダ干渉計光センサと呼ぶこととする。
【０００６】
また、このマッハ・ツェンダ干渉計光センサに、信号処理回路及び制御回路を付け加えたものも同じくマッハ・ツェンダ干渉計光センサと呼ぶこととする。
【０００７】
図４は従来のマッハ・ツェンダ干渉計光センサのブロック図である。
【０００８】
光源１から出力される光は、ビームスプリッタ２により２つの光経路Ｌａ、Ｌｂに分岐される。ビームスプリッタ２の入力時の光の電場が数１式で与えられるとする。
【０００９】
【数１】
2004061407.tif 000003
【００１０】
ここで、Ｅ０Ａは電場振幅であり、λは光波長である。
【００１１】
光経路Ｌａには、検出対象の物理量に応じた光位相変化を通過光に与える物理量検出媒質（例えば、検出対象の物理量が磁束密度Ｂの場合、物理量検出媒質としては、電流Ｉを通電したメタルコートファイバが挙げられる。メタルコートファイバには、ＩとＢとのベクトル積（外積）で表されるローレンツ力（ベクトルＦ）が働く。このローレンツ力Ｆによってメタルコートファイバは、伸縮され、通過光に磁束密度に応じた位相変化を与える（Ｆｉｂｅｒ　Ｏｐｔｉｃ　Ｓｅｎｎｓｏｒｓ　ｐ４０３〜ｐ４０５　ＩＳＢＮ　０−４７１−８３００７−０）。）４が挿入されている。物理量検出媒質４には交流電源１０から角周波数ωｓの正弦波信号が供給され、この正弦波信号によって物理量検出媒質４を通過する光には検出対象の物理量ｘに比例する振幅φＳＡを有し、角周波数がωｓの交流光位相変化φＳが与えられるものとする。本明細書ではこの交流位相変化が正弦波である場合を例にとって説明する。この場合、φＳは数２式及び数３式で表される。
【００１２】
【数２】
2004061407.tif 000004
【００１３】
【数３】
2004061407.tif 000005
【００１４】
数２式において、θＳはこの交流信号の位相、φＳＡ（ｔ）は物理量検出媒質４で与えられる交流位相変化の振幅を表す。さらにφＳＡ（ｔ）は数３式で定義される。数３式において、ｘ（ｔ）は検出対象の物理量、ＳＳは物理量検出媒質４における検出対象の物理量を光位相変化に変換する際の変換効率である。
【００１５】
光路Ｌｂには、一定振幅の交流光位相変化を通過光に与える第１の位相変調器５が挿入されている。位相変調器５には第２の交流電源１１から角周波数ωｒｅｆの正弦波信号が供給され、この正弦波信号によって位相変調器５を通過する光には一定振幅を有し、角周波数がωｒｅｆの交流光位相変化φｒｅｆが与えられるものとする。本明細書ではこの交流位相変化が正弦波である場合を例にとって説明する。この場合φｒｅｆは数４式で表される。
【００１６】
【数４】
2004061407.tif 000006
【００１７】
数４式において、θｒｅｆはこの交流信号の位相、φｒｅｆＡは位相変調器５で与えられる交流位相変化の振幅を表す。
【００１８】
光経路Ｌａには物理量検出媒質４以外に第２の位相変調器６が挿入されている。位相変調器６には可変直流電源１２から可変直流信号が供給されている。この可変直流信号に応じて、位相変調器６を通過する光には直流の光位相変化が重畳される。この位相変調器６で与えられる直流位相変化を含めてマッハ・ツェンダ干渉計の２本の光経路を通過した光が受光器に到達したときの光位相差を以後Δφ（ｔ）と呼ぶこととする。Δφ（ｔ）の符号は光経路Ｌａ側の光路長差が光経路Ｌｂ側の光路長差よりも長いとき「＋」となるように定義する。
【００１９】
光経路Ｌａ、Ｌｂを通過した光はビームスプリッタ８により合波され、受光器９に入力される。光経路Ｌａを通過し、受光器９に到達した光の電場をＥａとし、光経路Ｌｂを通過し、受光器９に到達した光の電場をＥｂとするとＥａ、Ｅｂは数５式〜数８式で表される。
【００２０】
【数５】
2004061407.tif 000007
【００２１】
【数６】
2004061407.tif 000008
【００２２】
【数７】
2004061407.tif 000009
【００２３】
【数８】
2004061407.tif 000010
【００２４】
ここで、αａ、αｂはマッハ・ツェンダ干渉計の光経路Ｌａ、Ｌｂの光強度損失、ｋ１、ｋ２はビームスプリッタ２、８の光強度分岐比である。
【００２５】
受光器９に入力する光の強度ＩＰは数９式で表される（ＦＩＢＥＲ　ＯＰＴＩＣ　ＳＥＮＳＯＲＳ，ｐ２７１−ｐ２７８，ＩＳＢＮ０−４７１−８３００７−０）。
【００２６】
【数９】
2004061407.tif 000011
【００２７】
数９式中＜・＞は光の周期よりも十分長い時間での時間平均を表す。また、Ｉｉｎｃは数１０式で表され、Ｖｉｓは数１１式で表される。
【００２８】
【数１０】
2004061407.tif 000012
【００２９】
【数１１】
2004061407.tif 000013
【００３０】
但し、数９式〜数１１式の導出においては、
仮定▲１▼　光源のコヒーレント長は２つの光経路間の光路長差Ｌｂ−Ｌａに対して十分長く、可視度Ｖｉｓが光経路間位相差Δφには依存しないこと。
【００３１】
が仮定されている。また、合波される２つの光の偏光方向の関係は時間的に変化しないことも仮定している。
【００３２】
次に数９式をさらに展開し、整理すると、数１２式が得られる。
【００３３】
【数１２】
2004061407.tif 000014
【００３４】
この数１２式に対して数２式及び数４式を代入し、数１３式〜数１６式（公式）を用いる。
【００３５】
【数１３】
2004061407.tif 000015
【００３６】
【数１４】
2004061407.tif 000016
【００３７】
【数１５】
2004061407.tif 000017
【００３８】
【数１６】
2004061407.tif 000018
【００３９】
数１３式〜数１６式においてＪｎ（ｘ）はｎ次のベッセル関数を表す。
【００４０】
これらの数１３式〜数１６式を用いて数１２式を変形する。但し、これ以降の信号処理では角周波数ωｓ、ωｒｅｆ、２ωｒｅｆの信号のみしか使用しないため、直流成分及び他の周波数成分は省略して（ＤＣ）、（ＯＦ）と表すことにする。数１２式は数１７式のように書き直される。
【００４１】
【数１７】
2004061407.tif 000019
【００４２】
この光を変換効率εの受光器９で受光すると、受光器９の出力信号ＶＰＤは数１８式で表される。
【００４３】
【数１８】
2004061407.tif 000020
【００４４】
このＶＰＤは第１の検波器１３、第２の検波器１４及び第３の検波器１５に入力される。
【００４５】
検波器１３は数１８式で表される受光器９の出力信号のうちの角周波数ωｓを分離検出し、その成分の振幅に比例した信号ＶＳを出力する。このような機能を有するものとしては、同期検波器（ロックインアンプ）が挙げられる。一般に同期検波器には検出したい信号周波数の同期信号が必要となるので、交流電源１０から同期信号が供給されるものとする。ＶＳは数１９式で表される。
【００４６】
【数１９】
2004061407.tif 000021
【００４７】
ここで、ＧＳは検波器１３のゲインを表す。
【００４８】
検波器１４は数１８式で表される受光器出力信号に含まれる角周波数ωｒｅｆを分離検出し、その成分の振幅に比例した信号Ｖｒｅｆを出力する。交流電源１１から同期信号が供給されるものとする。Ｖｒｅｆは数２０式で表される。
【００４９】
【数２０】
2004061407.tif 000022
【００５０】
ここで、Ｇｒｅｆは検波器１４のゲインを表す。
【００５１】
検波器１５は数１８式で表される受光器出力信号に含まれる角周波数２ωｒｅｆを分離検出し、その成分の振幅に比例した信号Ｖ２ｒｅｆを出力する。交流電源１１から、倍周波数の同期信号が供給されるものとする。信号Ｖ２ｒｅｆは数２１式で表される。
【００５２】
【数２１】
2004061407.tif 000023
【００５３】
ここでＧ２ｒｅｆは検波器１５のゲインを表す。
【００５４】
数１９式で表されるＶＳには検出対象の物理量ｘに比例するφＳＡが含まれる。数１９式に含まれる他の定数が時間的に変化しなければ、ＶＳは検出対象の物理量ｘに１対１で対応するので、このＶＳをセンサの最終出力として出力すれば十分である。
【００５５】
しかし、実際の環境下では、マッハ・ツェンダ干渉計に加わる温度変動、振動等の原因によって２つの光経路間の位相差Δφ（ｔ）は経時変化を起こす。例えばΔφが２π（光路長差にして光源波長λ）程度変化しても数１９式にはｓｉｎ（Δφ）の項が含まれるため、ＶＳは大きく変動することが分かる。このような現象は一般に「フェージング現象」と呼ばれ、実際の環境下でマッハ・ツェンダ干渉計を使用する際の大きな障害になっていた。
【００５６】
また、光源としてコヒーレント長の短い光源（例えば多モード発振ＬＤ（Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ）やＳＬＤ（Ｓｕｐｅｒ−ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ　Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ）等）を用いたり、センサ使用環境下において、干渉計光経路間の光路長差がコヒーレント長と同等か、それ以上となる場合、Ｖｉｓの光路長差変化量がコヒーレント長と同等かそれ以上となる場合、Ｖｉｓの光路長差依存性（光位相差Δφ（ｔ）と言い換えてもよい。）は無視できない。光源のコヒーレント長Ｌｃｏｈに対して、Δφの変動範囲がＬｃｏｈ／２π程度となると、数９式〜数１１式の導出で用いた仮定▲１▼が成立しなくなる。
【００５７】
この場合、数１１式で定めたＶｉｓを数２２式のように書き直さなければならない。
【００５８】
【数２２】
2004061407.tif 000024
【００５９】
ここで、ξ（Δφ）はマッハ・ツェンダ干渉計の干渉性の光位相差Δφ依存性を表す項であり、Δφ→０の極限で「１」となり、Δφ→∞の極限で「０」となり、光源のコヒーレント長さがＬｃｏｈの場合、数２３式
【００６０】
【数２３】
2004061407.tif 000025
【００６１】
が成立するとき、ξ（Δφｃｏｈ）＝１／２となる関数である。その関数形状は光源の性質によって決定される。
【００６２】
このように、観測に対し無視できないＶｉｓのΔφ依存性が現れることを本明細書では「干渉性変動」と呼ぶことにする。
【００６３】
例としてξ（Δφ）が図５に示すような形状を有する場合を想定して説明する。
【００６４】
図５は図４に示したマッハ・ツェンダ干渉計光センサのξ（Δφ）の光位相差Δφ依存性を示す図であり、横軸がΔφを示し、縦軸がξ（Δφ）を示す。
【００６５】
このとき、数２２式で表されるＶｉｓ（Δφ）のΔφ依存性は図６のように図示される。
【００６６】
図６は図４に示したマッハ・ツェンダ干渉計光センサにおけるＶｉｓ（Δφ）の光位相差Δφ依存性を示す図であり、横軸がΔφを示し、縦軸がＶｉｓ（Δφ）を示す。
【００６７】
但し、図６におけるＶｉｓ　ｍａｘは数２４式で定義される。
【００６８】
【数２４】
2004061407.tif 000026
【００６９】
数２２式、数２４式を数１９式に代入すると、数２５式が得られる。
【００７０】
【数２５】
2004061407.tif 000027
【００７１】
数２５式で表されるＶＳのΔφ依存性は図７中の実線で表される。
【００７２】
図７は図４に示したマッハ・ツェンダ干渉計光センサにおけるＶｓ（Δφ）の光位相差Δφ依存性を示す図であり、横軸がΔφを示し、縦軸がＶｓを示している。
【００７３】
但し、この図７において、Ｖｓ　ｍａｘは数２６式で表される。
【００７４】
【数２６】
2004061407.tif 000028
【００７５】
但し、Ｎは整数である。
【００７６】
図７中に示されるように、ＶＳはξ（Δφ）に比例する形状をエンベロープとして、Δφ＝２π周期で極大、極小を繰り返す形となる。このΔφ＝２π周期で極大、極小を繰り返す形が「フェージング現象」を表しており、ξ（Δφ）に比例する形状のエンベロープに沿って極大値でのＶＳが小さくなることが「干渉性変動」を示している。
【００７７】
従来技術では「フェージング現象」や「干渉性変動」の問題を以下のように解決している。
【００７８】
まず、「フェージング現象」は数２０式、数２１式で表されるＶｒｅｆ、Ｖ２ｒｅｆを用いて現時刻のΔφを演算器１６によって演算し、そのΔφがπ／２になるように可変直流電源１２を介して位相変調器６から光路Ｌａの光に光位相変化を与えるフィードバック処理を行うことで解決できる。以下、本明細書ではこの処理を「位相制御処理」と呼ぶこととする。
【００７９】
図８は図４に示したマッハ・ツェンダ干渉計光センサにおける位相制御処理の流れ図である。
【００８０】
演算器１６では時刻ｔ＝ＮΔｔ（Δｔ：演算器１６のサンプリング間隔）においてＶｒｅｆ、Ｖ２ｒｅｆをＡＤ変換し（ステップＳ１）、デジタルデータとしてＶｒｅｆ、Ｖ２ｒｅｆを取り込む。これらＶｒｅｆ、Ｖ２ｒｅｆを用いて、時刻ｔ＝ＮΔｔでのΔφ（ｔ）の計算（ステップＳ２）は以下のようにして行う。
【００８１】
数２１式／数２０式を実行すると数２７式が得られる。
【００８２】
【数２７】
2004061407.tif 000029
【００８３】
但し、数２７式でＶｒｅｆ及びＶ２ｒｅｆの演算器１６への入力中にＶｉｓは変化しないことを前提とする。
【００８４】
数２７式をΔφについて解くと数２８式が得られる。
【００８５】
【数２８】
2004061407.tif 000030
【００８６】
Ｇｒｅｆ・Ｊ１（φｒｅｆＡ）／（Ｇ２ｒｅｆ・Ｊ２（φｒｅｆＡ））が時間的に変化しないと見なせる場合、予めこれを測定しておき、得られた測定値を演算器１６に記憶させておけば、数２８式を用いてＶｒｅｆ及びＶ２ｒｅｆからΔφ（ｔ）を求めることができる（ステップＳ２）。
【００８７】
ここで、Δφ（（Ｎ＋１）Δｔ）＝π／２となるように制御をかけることを想定して説明を続ける。
【００８８】
時刻ｔ＝ＮΔｔでの位相制御目標値π／２とΔφ（ＮΔｔ）との差をＤｅｆΔφ（ＮΔｔ）とすると、数２９式が得られる。
【００８９】
【数２９】
2004061407.tif 000031
【００９０】
次に演算器１６では数２９式で表されるＤｅｆΔφ（ＮΔｔ）を用いて、位相変調器６への印加電圧Ｖｐｍｄｃを決定する（ステップＳ４）。ここでは例として位相変調器６で透過光に重畳される位相変化量が位相変調器６への印加電圧Ｖｐｍｄｃに比例し、その比例定数がＳｐｍの場合を想定する。時刻ｔ＝ＮΔｔでの可変直流電源１２から位相変調器６への印加電圧をＶｐｍｄｃ（ＮΔｔ）とすると、次のサンプリング時刻ｔ＝（Ｎ＋１）ΔｔでのＶｐｍｄｃ（（Ｎ＋１）Δｔ）が数３０式になれば、Δφ（（Ｎ＋１）Δｔ）はπ／２の点に制御される。
【００９１】
【数３０】
2004061407.tif 000032
【００９２】
位相変調器６において光に与えられる位相変化量に制限がなく、数３０式のＶｐｍｄｃによって所望の位相変化量が与えられる場合、位相制御処理は上記の処理で十分である（ステップＳ５）。
【００９３】
しかし、実際に使用される位相変調器には、その位相可変範囲に制限がある。例えば、ＬｉＮｂＯ３の電気光学効果を利用した位相変調器の場合、印加される電圧Ｖｐｍｄｃには制限があり、±１０Ｖ程度であり、その位相可変範囲は−数π〜＋数π程度のものが一般的である。本明細書では、以下Ｖｐｍｄｃの可変範囲が−Ｖｐｍｄｃ　ｍａｘ〜Ｖｐｍｄｃ　ｍａｘに制限される場合を考える（但し、Ｖｐｍｄｃが−Ｖｐｍｄｃ　ｍａｘ〜Ｖｐｍｄｃ　ｍａｘの範囲で変化したときの位相変調器６によって与えられる位相変化量は少なくとも２π以上であることが必要とされる。）。この場合、数３０式によって得られたＶｐｍｄｃ（（Ｎ＋１）Δｔ）が−Ｖｐｍｄｃ　ｍａｘ〜Ｖｐｍｄｃ　ｍａｘの範囲を超える場合、以下に示すような処理を行い、問題を回避する。
【００９４】
数３０式を用いて計算されたＶｐｍｄｃ（（Ｎ＋１）Δｔ）がＶｐｍｄｃ　ｍａｘより大きい場合、Ｖｐｍｄｃ（（Ｎ＋１）Δｔ）−２π／ＳｐｍをＶｐｍｄｃ（（Ｎ＋１）Δｔ）として採用し、可変直流電源１２に対し、この電圧を位相変調器６に対し出力するよう指示する（ステップＳ６、Ｓ１０、Ｓ８）。
【００９５】
数３０式を用いて計算されたＶｐｍｄｃ（（Ｎ＋１）Δｔ）がＶｐｍｄｃ　ｍｉｎ未満の場合、Ｖｐｍｄｃ（（Ｎ＋１）Δｔ）＋２π／ＳｐｍをＶｐｍｄｃ（（Ｎ＋１）Δｔ）として採用し、可変直流電源１２に対し、この電圧を位相変調器６に対し出力するよう指示する（ステップＳ７、Ｓ１１、Ｓ８）。
【００９６】
この位相制御が制御点Δφ＝π／２で動作している場合、数２５式で表されるＶＳは数３１式で表される。その間、位相変調器６は応答時間待ちを行う（ステップＳ９）。
【００９７】
【数３１】
2004061407.tif 000033
【００９８】
図７はＶＳ（Δφ）の光位相差Δφ依存性を示す図であり、横軸は光位相差Δφを示し、縦軸は信号ＶＳを示す。
【００９９】
図７中の黒丸で示した点は数３１式で表されるＶＳを図示したものである。図７に示されるように、位相制御下ではＶＳは２π間隔の極大点に制御されることになり、フェージング現象は解消される。
【０１００】
一方、「干渉性変動」は以下の方法で解決できる。
【０１０１】
「位相制御」状態でのＶＳ（ｔ）は数３１式で表されるが、「位相制御」状態でのＶｒｅｆ（ｔ）は数２０式にΔφ＝π／２を代入することにより数３２式が得られる。
【０１０２】
【数３２】
2004061407.tif 000034
【０１０３】
数３１式／数３２式を実行し、得られた値をＶｏｕｔ（ｔ）とすると、Ｖｏｕｔ（ｔ）は数３３式で表される。
【０１０４】
【数３３】
2004061407.tif 000035
【０１０５】
但し、数３３式でＶＳ及びＶｒｅｆの演算器１６への入力中にＶｉｓは変化しないことを前提とする。
【０１０６】
数３３式から分かるように、Ｖｏｕｔ（ｔ）はＶｉｓ（Δφ（ｔ））を含まない形となっており、かつ、Ｇｓ、Ｇｒｅｆ、φｒｅｆＡが時間的に変化しないとすれば、φｓＡ（ｔ）にのみ依存する形となっている。
【０１０７】
よって、演算器１６にて数３３式を計算し、計算結果Ｖｏｕｔ（ｔ）をこのセンサの最終出力として出力すれば、Δφに依存しない安定した出力が得られ、「干渉性変動」の問題は解決される。以下、この方法を本明細書では「干渉性変動補正処理」と呼ぶこととする。
【０１０８】
図９は「位相制御処理」と「干渉性変動補正処理」とを同時に行う場合の演算器１６における処理の流れ図である。
【０１０９】
図８に示した流れ図との相違点は、Ｖｓ、Ｖｒｅｆ、Ｖ２ｒｅｆをＡＤ変換する点（ステップＴ１）、Ｖｏｕｔ＝Ｖｓ／Ｖｒｅｆの計算を行う点（ステップＴ２、Ｔ１０）である。
【０１１０】
ステップＴ３〜Ｔ９は図８に示した流れ図のステップＳ２〜Ｓ８に相当し、ステップＴ１２はステップＳ１０、ステップＴ１３はステップＳ１１、ステップＴ１１はステップＳ９にそれぞれ相当する。
【０１１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、「位相制御処理」及び「干渉性変動補正処理」は図７中に示された領域▲１▼及び領域▲２▼において有効な方法である。しかし、Δφの変動範囲が光源のコヒーレント長Ｌｃｏｈを大きく超える領域▲３▼に及ぶ場合、検出対象の物理量を含む信号Ｖｓが「０」に近づき、回路等から発生するノイズに埋もれてしまい、Ｓ／Ｎ劣化のための検出精度低下は避けられない。
【０１１２】
使用環境下におけるΔφの変動範囲が領域▲３▼に及ぶ場合、信号強度Ｖｓが「０」に近づく。このとき、現実の系ではＶｓには回路等から発生する有限なノイズ幅ΔＶｓが含まれることを考慮すると、領域▲３▼ではＳ／Ｎ＝Ｖｓ／ΔＶｓが小さくなり、その結果、「干渉性補正処理」を取って、Δφ変動によるドリフトを除去しても、ＶｏｕｔのＳ／Ｎは悪化し、測定対象の物理量のランダムノイズによる測定誤差が大きくなる。
【０１１３】
以上において、従来の技術ではマッハ・ツェンダ干渉計の２本の光経路間の光路長差の変動範囲が、光源のコヒーレント長よりも大きい範囲に及ぶ場合、測定対象の物理量を表す信号のＳ／Ｎが悪化し、測定対象の物理量の測定誤差が大きくなるという問題があった。
【０１１４】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、測定誤差の小さいマッハ・ツェンダ干渉計光センサを提供することにある。
【０１１５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、光源と、光源からの信号光を２つの光経路に分岐する光分岐器と、光分岐器で分岐された一方の光経路に設けられ一定周波数で一定振幅の位相掃引を一方の光経路を通過する信号光に与える第１の位相変調器と、他方の光経路に設けられ検出対象の物理量に応じた位相変化を他方の光経路を通過する信号光に与える物理量検出媒質と、他方の光経路に設けられ直流位相変化を他方の光経路を通過する信号光に与える第２の位相変調器と、第２の位相変調器に直流電圧を印加する第１の可変直流電圧源と、２つの光経路を結合する光結合器と、光結合器からの出力光を電気信号に変換する受光器と、受光器からの電気信号より物理量に依存する振幅を有する交流成分を分離検出し、その振幅に比例した信号を出力する第１の検波器と、受光器からの電気信号より第１の位相変調器で与えられる位相変調周波数の信号を分離検出し、その振幅に比例した信号を出力する第２の検波器と、受光器からの電気信号より第２の位相変調器で与えられる位相変調周波数の２倍の周波数の信号を分離検出し、その振幅に比例した信号を出力する第３の検波器と、物理量検出媒質及び第１の検波器に交流電圧を印加する第１の交流電源と、第１の位相変調器、第２の検波器及び第３の検波器に交流電圧を印加する第２の交流電源と、第１の検波器及び第２の検波器からの出力信号を用いて第１の可変直流電圧源の電圧を決定して指示し、第１の検波器及び第３の検波器からの出力信号を用いて検出対象の物理量に依存する最終出力信号を計算し、その計算結果に応じた電圧を出力する演算器とを備えたマッハ・ツェンダ干渉計光センサにおいて、一方の光経路を通過する信号光に直流位相変化を与える光経路伸縮器を一方の光経路に挿入し、演算器で演算された直流電圧を光経路伸縮器に印加する第２の可変直流電圧源を設けたものである。
【０１１６】
請求項２の発明は、請求項１に記載の構成に加え、光経路が光ファイバであってもよい。
【０１１７】
請求項３の発明は、請求項１に記載の構成に加え、光経路がシリコン基板またはガラス基板上に形成された光導波路であってもよい。
【０１１８】
本発明によれば、環境条件変化によって引き起こされるマッハ・ツェンダ干渉計の２光経路の光路長差の時間的変動幅が光源のコヒーレント長に対して大きい場合でも、光経路伸縮器により光路長が調節されるので、その影響を受けずに安定した物理量検出信号を得ることができる。
【０１１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【０１２０】
本明細書では、物理量検出媒質で通過光に与えられる光位相変化が交流光位相変化である場合に限り有効である。よって、以下物理量検出媒質で与えられる光位相変化は検出対象の物理量に依存する振幅を有する交流位相変化であると仮定する。なお、図４に示したマッハ・ツェンダ干渉計光センサと同様の部材には共通の符号を用いた。従って、図５〜図８を準用した。
【０１２１】
図１は本発明のマッハ・ツェンダ干渉計光センサの一実施の形態を示すブロック図である。
【０１２２】
１は光源であり、２は光源１から出射された光を２つの光経路Ｌａ、Ｌｂに分岐する光分岐器としてのビームスプリッタである。ビームスプリッタ２の反射光側の光路上にはミラー３が配置され、ミラー３の反射光側の光路上には光経路伸縮器２０及び第１の位相変調器５が配置されている。
【０１２３】
ビームスプリッタ２の透過光側の光路上には物理量検出媒質４、第２の位相変調器６及び光結合器としてのビームスプリッタ８が配置されている。
【０１２４】
位相変調器５の出射側の光路上には、反射光がビームスプリッタ８と光結合するようにミラー７が配置されている。ビームスプリッタ８の出射側には受光器９が配置されている。
【０１２５】
ビームスプリッタ２、ミラー３、位相変調器５、ミラー７、ビームスプリッタ８及び光経路伸縮器２０で一方の光経路Ｌａが構成され、ビームスプリッタ２、物理量検出媒質４、位相変調器６及びビームスプリッタ８で他方の光経路Ｌｂが構成されている。
【０１２６】
受光器９からの出力信号線は第１の検波器１３、第２の検波器１４及び第３の検波器１５に接続されている。検波器１３〜１５の出力信号線は演算器２２に接続されている。演算器２２の制御信号線は第１の可変直流電源１２及び第２の可変直流電源２１に接続されている。第１の可変直流電源１２の制御信号線は位相変調器６に接続され、第２の可変直流電源２１の制御信号線は光経路伸縮器２０に接続されている。１０は第１の交流電源であり、出力信号線は物理量検出媒質４及び第１の検波器１３に接続されている。１１は第２の交流電源であり、位相変調器５、第２の検波器１４及び第３の検波器１５に接続されている。
【０１２７】
次に図１に示したマッハ・ツェンダ干渉計光センサの動作について説明する。
【０１２８】
光源１から出力される光は、ビームスプリッタ２により２つの光経路Ｌａ、Ｌｂに分岐される。ビームスプリッタ２の入力時の光の電場が数３４式で与えられるとする。
【０１２９】
【数３４】
2004061407.tif 000036
【０１３０】
ここで、Ｅ０Ａは電場振幅であり、λは光波長である。
【０１３１】
光経路Ｌａには、検出対象の物理量に応じた光位相変化を通過光に与える物理量検出媒質４が挿入されている。物理量検出媒質４には交流電源１０から角周波数ωｓの正弦波信号が供給され、この正弦波信号によって物理量検出媒質４を通過する光には検出対象の物理量ｘに比例する振幅φＳＡを有し、角周波数がωｓの交流光位相変化φＳが与えられるものとする。本明細書ではこの交流位相変化が正弦波である場合を例にとって説明する。この場合、φＳは数３５式及び数３６式で表される。
【０１３２】
【数３５】
2004061407.tif 000037
【０１３３】
【数３６】
2004061407.tif 000038
【０１３４】
数３５式において、θＳはこの交流信号の位相、φＳＡ（ｔ）は物理量検出媒質４で与えられる交流位相変化の振幅を表す。さらにφＳＡ（ｔ）は数３６式で定義される。数３６式において、ｘ（ｔ）は検出対象の物理量、ＳＳは物理量検出媒質４における検出対象の物理量を光位相変化に変換する際の変換効率である。
【０１３５】
光路Ｌｂには、一定振幅の交流光位相変化を通過光に与える第１の位相変調器５が挿入されている。位相変調器５には第２の交流電源１１から角周波数ωｒｅｆの正弦波信号が供給され、この正弦波信号によって位相変調器５を通過する光には一定振幅を有し、角周波数がωｒｅｆの交流光位相変化φｒｅｆが与えられるものとする。本明細書ではこの交流位相変化が正弦波であるものとする。この場合φｒｅｆは数３７式で表される。
【０１３６】
【数３７】
2004061407.tif 000039
【０１３７】
数３７式において、θｒｅｆはこの交流信号の位相、φｒｅｆＡは位相変調器５で与えられる交流位相変化の振幅を表す。
【０１３８】
光経路Ｌａには物理量検出媒質４以外に第２の位相変調器６が挿入されている。位相変調器６には可変直流電源１２から可変直流信号が供給されている。この可変直流信号に応じて、位相変調器６を通過する光には直流の光位相変化が重畳される。この位相変調器６で与えられる直流位相変化を含めてマッハ・ツェンダ干渉計の２本の光経路を通過した光が受光器に到達したときの光位相差を以後Δφ（ｔ）と呼ぶこととする。Δφ（ｔ）の符号は光経路Ｌａ側の光路長差が光経路Ｌｂ側の光路長差よりも長いとき「＋」となるように定義する。
【０１３９】
光経路Ｌａ、Ｌｂを通過した光はビームスプリッタ８により合波され、受光器９に入力される。光経路Ｌａを通過し、受光器９に到達した光の電場をＥａとし、光経路Ｌｂを通過し、受光器９に到達した光の電場をＥｂとするとＥａ、Ｅｂは数３８式〜数４１式で表される。
【０１４０】
【数３８】
2004061407.tif 000040
【０１４１】
【数３９】
2004061407.tif 000041
【０１４２】
【数４０】
2004061407.tif 000042
【０１４３】
【数４１】
2004061407.tif 000043
【０１４４】
ここで、αａ、αｂはマッハ・ツェンダ干渉計の光経路Ｌａ、Ｌｂの光強度損失、ｋ１、ｋ２はビームスプリッタ２、８の光強度分岐比である。
【０１４５】
受光器９に入力する光の強度ＩＰは数４２式で表される（ＦＩＢＥＲ　ＯＰＴＩＣ　ＳＥＮＳＯＲＳ，ｐ２７１−ｐ２７８，ＩＳＢＮ０−４７１−８３００７−０）。
【０１４６】
【数４２】
2004061407.tif 000044
【０１４７】
数４２式中＜・＞は光の周期よりも十分長い時間での時間平均を表す。また、Ｉｉｎｃは数４３式で表され、Ｖｉｓは数４４式で表される。
【０１４８】
【数４３】
2004061407.tif 000045
【０１４９】
【数４４】
2004061407.tif 000046
【０１５０】
但し、数４２式〜数４４式の導出においては、
仮定▲１▼　光源のコヒーレント長は２つの光経路間の光路長差Ｌｂ−Ｌａに対して十分長く、可視度Ｖｉｓが光経路間位相差Δφには依存しないこと。
【０１５１】
が仮定されている。また、合波される２つの光の偏光方向の関係は時間的に変化しないことも仮定している。
【０１５２】
次に数４２式をさらに展開し、整理すると、数４５式が得られる。
【０１５３】
【数４５】
2004061407.tif 000047
【０１５４】
この数４５式に対して数３５式及び数３７式を代入し、数４６式〜数４９式（公式）を用いる。
【０１５５】
【数４６】
2004061407.tif 000048
【０１５６】
【数４７】
2004061407.tif 000049
【０１５７】
【数４８】
2004061407.tif 000050
【０１５８】
【数４９】
2004061407.tif 000051
【０１５９】
数４６式〜数４９式においてＪｎ（ｘ）はｎ次のベッセル関数を表す。
【０１６０】
これらの数４６式〜数４９式を用いて数４５式を変形する。但し、これ以降の信号処理では角周波数ωｓ、ωｒｅｆ、２ωｒｅｆの信号のみしか使用しないため、直流成分及び他の周波数成分は省略して（ＤＣ）、（ＯＦ）と表している。数４５式は数５０式のように書き直される。
【０１６１】
【数５０】
2004061407.tif 000052
【０１６２】
この光を変換効率εの受光器９で受光すると、受光器９の出力信号ＶＰＤは数５１式で表される。
【０１６３】
【数５１】
2004061407.tif 000053
【０１６４】
このＶＰＤは第１の検波器１３、第２の検波器１４及び第３の検波器１５に入力される。
【０１６５】
検波器１３は数１８式で表される受光器９の出力信号のうちの角周波数ωＳを分離検出し、その成分の振幅に比例した信号ＶＳを出力する。このような機能を有するものとしては、同期検波器が挙げられる。一般に同期検波器には検出したい信号周波数の同期信号が必要となるので、交流電源１０から同期信号が供給されるものとする。ＶＳは数５２式で表される。
【０１６６】
【数５２】
2004061407.tif 000054
【０１６７】
ここで、ＧＳは検波器１３のゲインを表す。
【０１６８】
検波器１４は数５１式で表される受光器出力信号に含まれる角周波数ωｒｅｆを分離検出し、その成分の振幅に比例した信号Ｖｒｅｆを出力する。交流電源１１から同期信号が供給されるものとする。Ｖｒｅｆは数５３式で表される。
【０１６９】
【数５３】
2004061407.tif 000055
【０１７０】
ここで、Ｇｒｅｆは検波器１４のゲインを表す。
【０１７１】
検波器１５は数５１式で表される受光器出力信号に含まれる角周波数２ωｒｅｆを分離検出し、その成分の振幅に比例した信号Ｖ２ｒｅｆを出力する。交流電源１１から、倍周波数の同期信号が供給されるものとする。信号Ｖ２ｒｅｆは数５４式で表される。
【０１７２】
【数５４】
2004061407.tif 000056
【０１７３】
ここでＧ２ｒｅｆは検波器１５のゲインを表す。
【０１７４】
数５２式で表されるＶＳには検出対象の物理量ｘに比例するφＳＡが含まれる。数５２式に含まれる他の定数が時間的に変化しなければ、ＶＳは検出対象の物理量ｘに１対１で対応するので、このＶＳをセンサの最終出力として出力してやれば十分である。
【０１７５】
しかし、実際の環境下では、マッハ・ツェンダ干渉計に加わる温度変動、振動等の原因によって２つの光経路間の位相差Δφ（ｔ）は経時変化を起こす。例えばΔφが２π（光路長差にして光源波長λ）程度変化しても数５２式にはｓｉｎ（Δφ）の項が含まれるため、ＶＳは大きく変動することが分かる。このような現象は一般に「フェージング現象」と呼ばれ、実際の環境下でマッハ・ツェンダ干渉計を使用する際の大きな障害になっていた。
【０１７６】
また、光源としてコヒーレント長の短い光源（例えば多モード発振ＬＤやＳＬＤ等）を用いたり、センサ使用環境下において、干渉計光経路間の光路長差がコヒーレント長と同等か、それ以上となる場合、Ｖｉｓの光路長差変化量がコヒーレント長と同等かそれ以上となる場合、Ｖｉｓの光路長差依存性（光位相差Δφ（ｔ）と言い換えてもよい。）は無視できない。光源のコヒーレント長Ｌｃｏｈに対して、Δφの変動範囲がＬｃｏｈ／２π程度となると、数４２式〜数４４式の導出で用いた仮定▲１▼が成立しなくなる。
【０１７７】
この場合、数４４式で定めたＶｉｓを数５５式のように書き直さなければならない。
【０１７８】
【数５５】
2004061407.tif 000057
【０１７９】
ここで、ξ（Δφ）はマッハ・ツェンダ干渉計の干渉性の光位相差Δφ依存性を表す項であり、Δφ→０の極限で「１」となり、Δφ→∞の極限で「０」となり、光源のコヒーレント長さがＬｃｏｈの場合、数５６式
【０１８０】
【数５６】
2004061407.tif 000058
【０１８１】
が成立するとき、ξ（Δφｃｏｈ）＝１／２となる関数である。その関数形状は光源の性質によって決定される。
【０１８２】
このように、観測に対し無視できないＶｉｓのΔφ依存性が現れることを本明細書では「干渉性変動」と呼ぶことにする。
【０１８３】
例としてξ（Δφ）が図５に示すような形状を有する場合を想定して説明する。
【０１８４】
図５は図４に示したマッハ・ツェンダ干渉計光センサのξ（Δφ）の光位相差Δφ依存性を示す図であり、横軸がΔφを示し、縦軸がξ（Δφ）を示す。
【０１８５】
このとき、数２２式で表されるＶｉｓ（Δφ）のΔφ依存性は図６のように図示される。
【０１８６】
図６は図４に示したマッハ・ツェンダ干渉計光センサにおけるＶｉｓ（Δφ）の光位相差Δφ依存性を示す図であり、横軸がΔφを示し、縦軸がＶｉｓ（Δφ）を示す。
【０１８７】
但し、図６におけるＶｉｓ　ｍａｘは数５７式で定義される。
【０１８８】
【数５７】
2004061407.tif 000059
【０１８９】
数５５式、数５７式を数５２式に代入すると、数５８式が得られる。
【０１９０】
【数５８】
2004061407.tif 000060
【０１９１】
数５８式で表されるＶＳのΔφ依存性は図７中の実線で表される。
【０１９２】
図７は図４に示したマッハ・ツェンダ干渉計光センサにおけるＶｓ（Δφ）の光位相差Δφ依存性を示す図であり、横軸がΔφを示し、縦軸がＶｓを示している。
【０１９３】
但し、この図７において、Ｖｓ　ｍａｘは数５９式で表される。
【０１９４】
【数５９】
2004061407.tif 000061
【０１９５】
但し、Ｎは整数である。
【０１９６】
図７中に示されるように、ＶＳはξ（Δφ）に比例する形状をエンベロープとして、Δφ＝２π周期で極大、極小を繰り返す形となる。このΔφ＝２π周期で極大、極小を繰り返す形が「フェージング現象」を表しており、ξ（Δφ）に比例する形状のエンベロープに沿って極大値でのＶＳが小さくなることが「干渉性変動」を示している。
【０１９７】
図８は図４に示したマッハ・ツェンダ干渉計光センサにおける位相制御処理の流れ図である。
【０１９８】
演算器２２では時刻ｔ＝ＮΔｔ（Δｔ：演算器２２のサンプリング間隔）においてＶｒｅｆ、Ｖ２ｒｅｆをＡＤ変換し（ステップＳ１）、デジタルデータとしてＶｒｅｆ、Ｖ２ｒｅｆを取り込む。これらＶｒｅｆ、Ｖ２ｒｅｆを用いて、時刻ｔ＝ＮΔｔでのΔφ（ｔ）の計算（ステップＳ２）は以下のようにして行う。
【０１９９】
数５４式／数５３式を実行すると数６０式が得られる。
【０２００】
【数６０】
2004061407.tif 000062
【０２０１】
但し、数６０式でＶｒｅｆ及びＶ２ｒｅｆの演算器２２への入力時刻の差の間にＶｉｓは変化しないものと仮定している。
【０２０２】
数６０式をΔφについて解くと数６１式が得られる。
【０２０３】
【数６１】
2004061407.tif 000063
【０２０４】
Ｇｒｅｆ・Ｊ１（φｒｅｆＡ）／（Ｇ２ｒｅｆ・Ｊ２（φｒｅｆＡ））が時間的に変化しないと見なせる場合、予めこれを測定しておき、得られた測定値を演算器２２に記憶させておけば、数６１式を用いてＶｒｅｆ及びＶ２ｒｅｆからΔφ（ｔ）を求めることができる（ステップＳ２）。
【０２０５】
ここで、Δφ（（Ｎ＋１）Δｔ）＝π／２となるように制御をかけることを想定して説明する。
【０２０６】
時刻ｔ＝ＮΔｔでの位相制御目標値π／２とΔφ（ＮΔｔ）との差をＤｅｆΔφ（ＮΔｔ）とすると、数６２式が得られる。
【０２０７】
【数６２】
2004061407.tif 000064
【０２０８】
次に演算器２２では数６２式で表されるＤｅｆΔφ（ＮΔｔ）を用いて、位相変調器６への印加電圧Ｖｐｍｄｃを決定する（ステップＳ４）。ここでは例として位相変調器６で透過光に重畳される位相変化量が位相変調器６への印加電圧Ｖｐｍｄｃに比例し、その比例定数がＳｐｍの場合を想定する。時刻ｔ＝ＮΔｔでの可変直流電源１２から位相変調器６への印加電圧をＶｐｍｄｃ（ＮΔｔ）とすると、次のサンプリング時刻ｔ＝（Ｎ＋１）ΔｔでのＶｐｍｄｃ（（Ｎ＋１）Δｔ）が数６３式になれば、Δφ（（Ｎ＋１）Δｔ）はπ／２の点に制御される。
【０２０９】
【数６３】
2004061407.tif 000065
【０２１０】
位相変調器６において光に与えられる位相変化量に制限がなく、数６３式のＶｐｍｄｃによって所望の位相変化量が与えられる場合、位相制御処理は上記の処理で十分である（ステップＳ５）。
【０２１１】
しかし、実際に使用される位相変調器には、その位相可変範囲に制限がある。例えば、ＬｉＮｂＯ３の電気光学効果を利用した位相変調器の場合、印加される電圧Ｖｐｍｄｃには制限があり、±１０Ｖ程度であり、その位相可変範囲は−数π〜＋数π程度のものが一般的である。本明細書では、以下Ｖｐｍｄｃの可変範囲が−Ｖｐｍｄｃ　ｍａｘ〜Ｖｐｍｄｃ　ｍａｘに制限される場合を考える（但し、Ｖｐｍｄｃが−Ｖｐｍｄｃ　ｍａｘ〜Ｖｐｍｄｃ　ｍａｘの範囲で変化したときの位相変調器６によって与えられる位相変化量は少なくとも２π以上であることが必要とされる。）。この場合、数６３式によって得られたＶｐｍｄｃ（（Ｎ＋１）Δｔ）が−Ｖｐｍｄｃ　ｍａｘ〜Ｖｐｍｄｃ　ｍａｘの範囲を超える場合、以下に示すような処理を行い、問題を回避する。
【０２１２】
数６３式を用いて計算されたＶｐｍｄｃ（（Ｎ＋１）Δｔ）がＶｐｍｄｃ　ｍａｘより大きい場合、Ｖｐｍｄｃ（（Ｎ＋１）Δｔ）−２π／ＳｐｍをＶｐｍｄｃ（（Ｎ＋１）Δｔ）として採用し、可変直流電源１２に対し、この電圧を位相変調器６に対し出力するよう指示する（ステップＳ６、Ｓ１０、Ｓ８）。
【０２１３】
数６３式によって計算されたＶｐｍｄｃ（（Ｎ＋１）Δｔ）がＶｐｍｄｃ　ｍｉｎ未満の場合、Ｖｐｍｄｃ（（Ｎ＋１）Δｔ）＋２π／ＳｐｍをＶｐｍｄｃ（（Ｎ＋１）Δｔ）として採用し、可変直流電源１２に対し、この電圧を位相変調器６に対し出力するよう指示する（ステップＳ７、Ｓ１１、Ｓ８）。
【０２１４】
この位相制御が制御点Δφ＝π／２で動作している場合、数５８式で表されるＶＳは数６４式のように表される。その間、位相変調器６は応答時間待ちを行う（ステップＳ９）。
【０２１５】
【数６４】
2004061407.tif 000066
【０２１６】
図７はＶＳ（Δφ）の光位相差Δφ依存性を示す図であり、横軸は光位相差Δφを示し、縦軸は信号ＶＳを示す。
【０２１７】
図７中の黒丸で示した点は数６４式で表されるＶＳを図示したものである。図７に示されるように、位相制御下ではＶＳは２π間隔の極大点に制御されることになり、フェージング現象は解消される。
【０２１８】
一方、「干渉性変動」は以下の方法で解決できる。
【０２１９】
「位相制御」状態でのＶＳ（ｔ）は数６５式で表されるが、「位相制御」状態でのＶｒｅｆ（ｔ）は数５４式にΔφ＝π／２を代入することにより数６５式が得られる。
【０２２０】
【数６５】
2004061407.tif 000067
【０２２１】
数６４式／数６５式を実行し、得られた値をＶｏｕｔ（ｔ）とすると、Ｖｏｕｔ（ｔ）は数６６式で表される。
【０２２２】
【数６６】
2004061407.tif 000068
【０２２３】
但し、数６６式でＶＳ及びＶｒｅｆの演算器２２への入力時刻の差の間にＶｉｓは変化しないとみなせることを仮定している。
【０２２４】
数６６式から分かるように、Ｖｏｕｔ（ｔ）はＶｉｓ（Δφ（ｔ））を含まない形となっており、かつ、Ｇｓ、Ｇｒｅｆ、φｒｅｆＡが時間的に変化しないとすれば、φｓＡ（ｔ）にのみ依存する形となっている。
【０２２５】
よって、演算器２２にて数６６式を計算し、計算結果Ｖｏｕｔ（ｔ）をこのセンサの最終出力として出力すれば、Δφに依存しない安定した出力が得られ、「干渉性変動」の問題は解決される。
【０２２６】
さらに、測定環境下におけるマッハ・ツェンダ干渉計の２本の光経路Ｌａ、Ｌｂ間の光路長差の変動範囲が、光源１のコヒーレント長よりも大きい範囲に及ぶ場合、測定対象の物理量を表す信号のＳ／Ｎが悪化し、測定対象の物理量の測定誤差が大きくなるという従来技術の問題に関しては以下の方法で解決される。
【０２２７】
まず、マッハ・ツェンダ干渉計の光経路Ｌａに光経路伸縮器２０を挿入する。この光経路伸縮器２０には、光経路伸縮器２０に与えられる位相変化量φｓｔｒの可動範囲が測定環境下におけるΔφの変動範囲より十分大きいこと、位相変化量φｓｔｒの大きさが可変直流電源２１からの印加電圧Ｖｓｔｒによって一意に定められることが必要性能として求められる。光経路として、光ファイバ等を用いる場合の光経路伸縮器２０としては、ピエゾ素子等を用いて機械的に光ファイバを伸縮するように構成してもよく、通電可能な金属コート光ファイバやペルチェ素子に固定された光ファイバを用いて、加えられる熱に応じて光ファイバの機械的伸縮＋光ファイバ屈折率の増減を生じさせるもの等が考えられる。光経路として空間伝搬を用いる場合は、ミラー位置をピエゾ素子等で機械的に移動させるものでもよく、電気光学効果を有する結晶を光経路に挿入したものでもよい。これら以外の構成でも上記の必要性能を満たすものであれば構成は問わない。
【０２２８】
ここで、本実施の形態では、簡単のために可変直流電源２１からの印加電圧Ｖｓｔｒに対し、光経路伸縮器２０で得られる位相変化量φｓｔｒが線形に変化し、その比例定数がＳｓｔｒであるとして図２を参照して説明する。
【０２２９】
図２は図１に示したマッハ・ツェンダ干渉計光センサの演算器における流れ図の一例を示す図である。
【０２３０】
この場合位相変化量φｓｔｒは数６７式で表される。
【０２３１】
【数６７】
2004061407.tif 000069
【０２３２】
ここで、可変直流電源２１から光経路伸縮器２０に印加される電圧Ｖｓｔｒ（ｔ）は演算器２２で計算され、演算器２２から可変直流電源２１に電圧Ｖｓｔｒ（ｔ）を出力する指示が与えられる。電圧Ｖｓｔｒ（ｔ）は演算器２２からの指示が与えられるまでの間、その値を保持する。演算器２２において電圧Ｖｓｔｒ（ｔ）は以下のように与えられる。
【０２３３】
まず、初期値＝０の変数ｃｏｕｎｔを用意する。この変数ｃｏｕｎｔは、ＶｐｍｄｃがＶｐｍｄｃ　ｍａｘ以上になったときにカウントアップされ（ステップＲ７、Ｒ１４）、−Ｖｐｍｄｃ　ｍａｘ以下になったときにカウントダウンされる（ステップＲ８、Ｒ１５）。
【０２３４】
図２に示すようにＶｓ、Ｖｒｅｆ、Ｖ２ｒｅｆをＡＤ変換し（ステップＲ１）、　Ｖｓ／Ｖｒｅｆを計算してＶｏｕｔに代入する（ステップＲ２）。Δφ（ｔ）を計算し（ステップＲ３）、ＤｅｆΔφ（ｔ）を計算する（ステップＲ４）。ΔＶｐｍｄｃを計算し（ステップＲ５）、Ｖｐｍｄｃ（ＮΔｔ）＋ΔＶｐｍｄｃを求めてＶｐｍｄｃ（（Ｎ＋１）Δｔ）とする（ステップＲ６）。
【０２３５】
ここで、この変数ｃｏｕｎｔをサンプリング毎に予め与えられた、閾値ｃｏｕｎｔ　ｍａｘ、ｃｏｕｎｔ　ｍｉｎと比較する（ステップＲ１２、Ｒ１３）。
【０２３６】
変数ｃｏｕｎｔが閾値ｃｏｕｎｔ　ｍａｘ以上になったときはＶｓｔｒを２πｃｏｕｎｔ／Ｓｓｔｒだけ加算して可変直流電源２１に出力する（ステップＲ１２、Ｒ１６）。
【０２３７】
可変直流電源２１にＶｐｍｄｃ（（Ｎ＋１）Δｔ）を出力するように指示した後（ステップＲ９）、位相変調器６の応答時間待つ（ステップＲ１０）。Ｖｓ／Ｖｒｅｆを求めてＶｏｕｔとして出力する（ステップＲ１１）。
【０２３８】
変数ｃｏｕｎｔが閾値ｃｏｕｎｔ　ｍｉｎ以下になったときはＶｓｔｒを２πｃｏｕｎｔ／Ｓｓｔｒだけ減算して可変直流電源２１に出力する（ステップＲ１３、Ｒ１７）。
【０２３９】
変数ｃｏｕｎｔをクリアし（ステップＲ１８）、可変直流電源２１からの電圧を受けて光経路伸縮器２０が応答する時間を待つ（ステップＲ１９）。
【０２４０】
以上のような処理をすることで、信号Ｖｓは図３に示したΔφ＝２πｃｏｕｎｔ　ｍｉｎ〜２πｃｏｕｎｔ　ｍａｘの範囲内の黒丸に固定されるため、このΔφ＝２πｃｏｕｎｔ　ｍｉｎ〜ｃｏｕｎｔ　ｍａｘが±Ｌｃｏｈ／２πと同等かそれ以下の領域になるよう、ｃｏｕｎｔ　ｍｉｎ、ｃｏｕｎｔ　ｍａｘを指定しておけば、測定対象の物理量を表す信号ＶｓのＳ／Ｎが悪化したり、測定対象の物理量の測定誤差が大きくなったりするのを防止することができる。
【０２４１】
尚、図３は図１に示したマッハ・ツェンダ干渉計光センサのＶｓ（Δφ）の光位相差Δφ依存性を示す図であり、横軸はΔφを示し、縦軸はＶｓを示す。
【０２４２】
【発明の効果】
以上要するに本発明によれば、測定誤差の小さいマッハ・ツェンダ干渉計光センサの提供を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマッハ・ツェンダ干渉計光センサの一実施の形態を示すブロック図である。
【図２】図１に示したマッハ・ツェンダ干渉計光センサの演算器における流れ図の一例を示す図である。
【図３】図１に示したマッハ・ツェンダ干渉計光センサのＶｓ（Δφ）の光位相差Δφ依存性を示す図である。
【図４】従来のマッハ・ツェンダ干渉計光センサのブロック図である。
【図５】図４に示したマッハ・ツェンダ干渉計光センサのξ（Δφ）の光位相差Δφ依存性を示す図である。
【図６】図４に示したマッハ・ツェンダ干渉計光センサにおけるＶｉｓ（Δφ）の光位相差Δφ依存性を示す図である。
【図７】図４に示したマッハ・ツェンダ干渉計光センサにおけるＶｓ（Δφ）の光位相差Δφ依存性を示す図である。
【図８】図４に示したマッハ・ツェンダ干渉計光センサにおける位相制御処理の流れ図である。
【図９】「位相制御処理」と「干渉性変動補正処理」とを同時に行う場合の演算器１６における処理の流れ図である。
【符号の説明】
１　光源
２、８　ビームスプリッタ
３、７　ミラー
４　物理量検出媒質
５　第１の位相変調器
６　第２の位相変調器
９　受光器
１０　第１の交流電源
１１　第２の交流電源
１２　第１の可変直流電源
１３　第１の検波器
１４　第２の検波器
１５　第３の検波器
２０　光経路伸縮器
２１　第２の可変直流電源
２２　演算器
【図１】
2004061407.tif 000070
【図２】
2004061407.tif 000071
【図３】
2004061407.tif 000072
【図４】
2004061407.tif 000073
【図５】
2004061407.tif 000074
【図６】
2004061407.tif 000075
【図７】
2004061407.tif 000076
【図８】
2004061407.tif 000077
【図９】
2004061407.tif 000078