(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と受光素子とループ状光ファイバの開放部の両端とが第一の分岐結合素子に接続されて構成され、
前記光源から出射された光を前記第一の分岐結合素子によって分岐して前記ループ状光ファイバに前記開放部の両端それぞれから入射させ、このループ状光ファイバ中を時計回りと反時計回りに伝搬させ、時計回りに伝搬した時計回り伝搬光と反時計回りに伝搬した反時計回り伝搬光とを前記第一の分岐結合素子にて結合し、結合された前記時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光とを前記受光素子に入射させ、この時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光との位相差による干渉光の強度変化を示す信号をこの受光素子から出力することにより前記ループ状光ファイバに加わる物理変化を検出する光ファイバリング干渉計型センサであって、
前記ループ状光ファイバのループ途中に、第二の分岐結合素子を介して接続した副ループとなるループ状光ファイバを有し、
前記第一の分岐結合素子と前記第二の分岐結合素子とは、３ｄＢカプラで構成され、
前記副ループとなるループ状光ファイバは、前記副ループとなるループ状光ファイバの時計回りと反時計回りについて対称に構成され、前記副ループとなるループ状光ファイバの全長が、前記干渉光の干渉長よりも長く、前記時計回り伝搬光と前記反時計回り伝搬光との相互干渉を無視できる長さで構成されることを特徴とする光ファイバリング干渉計型センサ。
【請求項２】
光源から出射された光を第一の分岐結合素子によって分岐して、主ループであるループ状光ファイバの両端それぞれから入射させてこの主ループのループ状光ファイバ中とこの主ループのループ状光ファイバのループ途中に第二の分岐結合素子を介して接続されている副ループであるループ状光ファイバ中を時計回りと反時計回りに伝搬させ、
前記双方のループ状光ファイバ中を伝搬した時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光とを前記第一の分岐結合素子によって結合して受光素子に入射させ、
前記受光素子が出力する前記時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光との位相差による干渉光の強度変化を示す信号に基づいて、前記主ループのループ状光ファイバに加わる物理的変化を検出し、
前記第一の分岐結合素子と前記第二の分岐結合素子とは、３ｄＢカプラで構成され、
前記副ループとなるループ状光ファイバは、前記副ループとなるループ状光ファイバの時計回りと反時計回りについて対称に構成され、前記副ループとなるループ状光ファイバの全長が、前記干渉光の干渉長よりも長く、前記時計回り伝搬光と前記反時計回り伝搬光との相互干渉を無視できる長さで構成されることを特徴とする光ファイバリング干渉計型信号検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを用いた光リング干渉計による信号検出センサ並びに信号検出方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、光ファイバを用いた干渉計のセンサが種々提案されている。例えば、本出願人が出願した光ファイバを用いた光リング干渉計型センサに関する特許出願（特願平１１−７０８０３）がある。この光ファイバを用いた光リング干渉型センサ系の基本原理は、図６に示すように、発光素子１（光源）と受光素子５とループ状の光ファイバ３（又は途中に光遅延素子６を挿入されて）の両端とが光分岐結合素子２に接続されていて、光源から出射された光を光分岐結合素子２によって分岐して前記ループ状光ファイバ両端に入射させ、このループ状光ファイバ中を時計回りＡと反時計回りＢに伝搬させ、時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光とを前記光分岐結合素子２に入射させて結合し、この結合された干渉光を受光素子５に入射させ干渉光の強度変化を示す電気信号をこの受光素子から出力するものである。すなわち、図において、加振等の光ファイバループの一部に外部より加えられた物理的変化４による光路ＡとＢの伝搬光の位相変動を干渉状態の変化として検出するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような光リング干渉計型振動センサにおける感度の周波数依存性について検討した。
【０００４】
図３に示す、ループ長がＬのリング干渉計型センサについて、ループの中点（Ｚ＝０）よりＺ0 だけ離れた点で、外部より加えられた物理的変化により、光路ＡとＢの伝搬光に等しい位相変化θ(t)が生じたとする。
【０００５】
光源（ＬＤ）により入射した光が３dBカプラにより完全に等分されたとすると、ループを一周して再び合波され受光部（ＰＤ）に入射する光の電力Ｐは、高次の項を無視することにより、
Ｐ(t) ∝１＋sin （θ(r＋δ) −θ(r−δ) ）
で与えられる（詳細は後述する）。ただし、ｒ＝ｔ−Ｌ／２ｃ，δ＝Ｚ0 ／ｃである。また、Ｃは光ファイバ内の光速である。
【０００６】
δが十分に小さく、かつ、｜θ｜も十分に小さいとみなせる領域では、
【数１】
0004676623.tif 000002
で近似できる。すなわち、得られる出力は加振信号の微分値に依存する。
【０００７】
上記の式より明らかなように、図３のセンサでは周期が２δとなる周波数成分について振動検知ができない。また、同様にδ＝０となる点、即ちループ中点では感度が零になってしまう。
【０００８】
本発明は、上記の問題点、すなわち、不感周波数の除去つまり不感地点の除去を図ることを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述の問題点を解決するために、本発明の光ファイバリング干渉計型センサは、光源と受光素子とループ状光ファイバの開放部の両端とが第一の分岐結合素子に接続されて構成され、前記光源から出射された光を前記第一の分岐結合素子によって分岐して前記ループ状光ファイバに前記開放部の両端それぞれから入射させ、このループ状光ファイバ中を時計回りと反時計回りに伝搬させ、時計回りに伝搬した時計回り伝搬光と反時計回りに伝搬した反時計回り伝搬光とを前記第一の分岐結合素子にて結合し、結合された前記時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光とを前記受光素子に入射させ、この時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光との位相差による干渉光の強度変化を示す信号をこの受光素子から出力することにより前記ループ状光ファイバに加わる物理変化を検出する光ファイバリング干渉計型センサであって、前記ループ状光ファイバのループ途中に、第二の分岐結合素子を介して接続した副ループとなるループ状光ファイバを有し、前記第一の分岐結合素子と前記第二の分岐結合素子とは、３ｄＢカプラで構成され、前記副ループとなるループ状光ファイバは、前記副ループとなるループ状光ファイバの時計回りと反時計回りについて対称に構成され、前記副ループとなるループ状光ファイバの全長が、前記干渉光の干渉長よりも長く、前記時計回り伝搬光と前記反時計回り伝搬光との相互干渉を無視できる長さで構成されることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の光ファイバリング干渉計型信号検出方法は、光源から出射された光を第一の分岐結合素子によって分岐して、主ループであるループ状光ファイバの両端それぞれから入射させてこの主ループのループ状光ファイバ中とこの主ループのループ状光ファイバのループ途中に第二の分岐結合素子を介して接続されている副ループであるループ状光ファイバ中を時計回りと反時計回りに伝搬させ、前記双方のループ状光ファイバ中を伝搬した時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光とを前記第一の分岐結合素子によって結合して受光素子に入射させ、前記受光素子が出力する前記時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光との位相差による干渉光の強度変化を示す信号に基づいて、前記主ループのループ状光ファイバに加わる物理的変化を検出し、前記第一の分岐結合素子と前記第二の分岐結合素子とは、３ｄＢカプラで構成され、前記副ループとなるループ状光ファイバは、前記副ループとなるループ状光ファイバの時計回りと反時計回りについて対称に構成され、前記副ループとなるループ状光ファイバの全長が、前記干渉光の干渉長よりも長く、前記時計回り伝搬光と前記反時計回り伝搬光との相互干渉を無視できる長さで構成されることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について説明する前に、従前の光リング干渉計型センサの出力特性を理解するために、受光素子（ＰＤ）に誘起される出力について定式化を試みたもので、それについて説明する。
【００１２】
まず、図３のモデルを、そのループの光路ＡとＢとを２光路に分割した図４の思考モデルを考える。図において、光リング干渉計型センサを構成している全長Ｌの光路の中点を原点（Ｚ＝０）とし、原点から加振位置までの距離をＺ0 とする。原理上、この系ではＺについて対称であり、＋Ｚ方向と−Ｚ方向の区別はできない。
【００１３】
加振の結果、Ｚ0 の位置で時間の関数としてθ(t) だけ位相が変化したとする。（例えば、ファイバ伸びによる位相変化を考えると、伸びによる位相の変化が十分に小さいとして、１．５μm 程度の伸びで位相が２π変化する。この伸びが１cmの範囲であったとすれば、歪は０．０２％程度となる。）ただし、この時間的に変化する歪の影響する区間長は、Ｌに対して十分に短く点とみなせるものとする。また、以降の議論ではファイバの損失を無視する。
【００１４】
以上の仮定より、図３は時計回り（ＣＷ側）と、反時計回り（ＣＣＷ側）の伝搬に分解して、図４のように考えることができる。
【００１５】
カプラからＣＷ側，ＣＣＷ側それぞれへの入射光を図のように
ａＥ0 cos （ω0 ｔ＋φａ）……ＣＷ側    …（１）
ｂＥ0 cos （ω0 ｔ＋φb ）……ＣＣＷ側  …（２）
とする。ここで、ａ2 ：ｂ2 はカプラの分岐比を示し、ω0 は入射光の角周波数を意味する。また、φ0 ≡φa −φb は分岐の際の位相差を示し、カプラが完全に１：１の分岐をしている場合、φ0 ＝±π／２となる。
【００１６】
この時、位相変化θ(t)を受けてカプラの受光端まで戻ってきたＣＷ側、ＣＣＷ側それぞれの伝搬光は電界の振幅を時間の関数として見ると、
Ｅ1 (t) ＝ａＥ0 cos θ−(t)         …（３）
Ｅ2 (t) ＝ｂＥ0 cos θ＋(t)         …（４）
ただし、
【数２】
0004676623.tif 000003
となる。ここで、β，Ｃはそれぞれ光ファイバ内の波数、光速であり、Ｃ＝ω0 ／βである。
【００１７】
ＣＷ側，ＣＣＷ側の光路長がＬで完全に一致しているとし、カプラの結合比も１：１とすればカプラで結合して受光素子で受光する光の電力Ｐは、
Ｐ(t) ∝（Ｅ１(t) ＋Ｅ２(t) ）2       …（７）
となる。
【００１８】
ここで、
【数３】
0004676623.tif 000004
を仮定し、更に時間に関してｅj2ω0t  の依存性をする項は、受光素子ＰＤが応答できないとすると、これらを除いた分の受光電力Ｐ^(t)は次式で与えられる。
【００１９】
【数４】
0004676623.tif 000005
これを整理すると、
【数５】
0004676623.tif 000006
である。
【００２０】
これは、
【数６】
0004676623.tif 000007
と書きなおすことができる。
【００２１】
δが小さい場合の受光電力、すなわち受光素子からの出力特性について、
まず
δ≪｜dr｜            …（１３）
の時間領域を考える場合（Ｚ0 ／Ｃに対して、考えている振動の周波数帯域が狭い場合に相当）、
【数７】
0004676623.tif 000008
となるから、
【数８】
0004676623.tif 000009
と近似できる。ここで、３dB カプラが完全で、φ0 ＝π／２，ａ2 ：ｂ2 ＝１：１だったとすれば、
【数９】
0004676623.tif 000010
となる。
【００２２】
小信号領域、すなわち
【数１０】
0004676623.tif 000011
を考えれば、出力は次のように近似できる。
【００２３】
【数１１】
0004676623.tif 000012
これにより、直流分を無視して考えた場合、ＰＤからの出力は与えた位相変化の微分信号に比例することがわかる。
【００２４】
ところで、３dBのカプラの分岐比が１：１とならず、φ0 ≠π／２の場合を考えてみる。
【００２５】
【数１２】
0004676623.tif 000013
δ2 の項まで考慮に入れて、
【数１３】
0004676623.tif 000014
となる。ここで、α2 ＝（２ab）／（ａ2 ＋ｂ2 ）である。
【００２６】
すなわち、カプラ分岐による位相差がφ0 ≠π／２の場合、次の現象が小信号領域であっても、次のような非線形現象の観測が予想される。
【００２７】
(i) 与えた位相変化の微分値の２乗項成分の検出（周波数が２倍で、振幅の２乗に比例する成分）。
【００２８】
(ii)α2 に代表される感度変化。
【００２９】
次に、小信号領域における周波数特性について説明する。
【００３０】
ここでは、｜θ(t) ｜が十分に小さく、０〜ｆH までの帯域を持つθ(t) に対する周波数特性と、δ（加振位置）の関係について検討する。
【００３１】
具体的には、０〜ｆH までの周波数成分を一様に含む信号として、
θ(t) ＝θ0 sin Ｃ（２πｆH ｔ）    …（２１）
を考える。これを式（１０）に代入して、δをパラメータとしてＰＤ出力の周波数特性を求めると、図５のようになる。但し、計算で用いたパラメータは表１の通り。また、ここでは帯域ｆH  を５０kHz とした。
【００３２】
【表１】
0004676623.tif 000015
図５で判るように、出力信号は微分信号となることから、低周波数領域では周波数に比例して出力が大きくなる。一方、Ｚ0 が大きくなると（δが大きくなると）微分からのずれが大きくなる。Ｚ0 ＝５．０km、すなわちδ＝２．５×１０ -5sec とすると、ｆ＝２０kHz ならびにｆ＝４０kHz に不感周波数が存在する。ここでは、式（１０）からも明らかなように、θ（ｒ＋δ）−θ（ｒ−δ）＝０が成立している。すなわち、周期２δに相当する周波数成分は、励振を検知することができない。このことは、見方を変えれば、周波数領域内で不感周波数が存在する場合、その地点よりもＺ0 が大きい場所の何処に、かならず不感場所が存在することを意味している。
【００３３】
次に、本発明の実施の形態を説明する。
【００３４】
不感周波数を除去するため、本発明は、図１のような、主ループ１０と３dBカプラ１３を介して接続された全長Ｌa の副ループ１１により、等価光路長が異なるループとなるような測定系を持つセンサとしたものである。
【００３５】
図１において、Ｌa が干渉長よりも十分に長く、光路差がＬa 程度以上ある場合の相互干渉が無視できるとすれば、副ループ１１をｎ回転して主ループ１０を経由してＰＤに到達する項の強度は
【数１４】
0004676623.tif 000016
但し、この式の導出にあたっては以下の仮定をした。
【００３６】
(i) ２つの３dBカプラが共に完全で、位相差π／２、強度１：１で分岐できている。
【００３７】
(ii)ＣＷ側、ＣＣＷ側において、副ループをどちらから見ても区別がない（対称性）。
【００３８】
干渉長がＬa よりも十分に短いとしているので、互いに干渉することなく受信されるので、結局受光部で受信される光の強度は
【数１５】
0004676623.tif 000017
で与えられる。
【００３９】
ここで判るように、等価的に全長がＬ＋（ｎＬa ）の測定ループが並列しているように見えるので、完全な不感周波数を除去することが可能である。すなわち、完全な不感地点を削除することも可能である。上記式（２２）から明らかなように、主ループ１０中点でも不感とはならない。
【００４０】
先程の例（Ｌ＝１０km，Ｚ0 ＝５km）の場合に、Ｌa ＝２kmの副ループを付加した場合のシミュレーション結果を図２に示す（上：副ループを付加した場合、下：通常の光リング干渉計型センサの場合）。尚、計算にあたっては、総和を２０項までで打ち切っている。
【００４１】
図２により明らかなように、ｆ＝２０，４０kHz において、副ループを設けることにより不感周波数を除去できていることがわかる。
【００４２】
なお、副ループを設ける代りに、ＰＤ出力以降の電気回路にＰＤ出力信号の不感周波数特性が平坦になるような補償回路を接続してもよい。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光リング干渉計型センサの応答特性に不感特性が存在することを明らかにし、センシング位置とセンシング信号に対する応答周波数特性との関係を定量的に解明することにより検出信号の不感特性を改善する方法を解明できた。また、本発明の光ファイバリング干渉計型センサでは、主ループの途中に、分岐結合素子を介して副ループを設けているので、不感周波数、域はループ内の不感場所の除去ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ファイバリング干渉計型センサの一つの実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の光ファイバリング干渉計型センサに係る周波数特性図である。
【図３】従来の光ファイバリング干渉計型センサを説明するためのモデルと座標定義を示す図である。
【図４】図３の光伝搬路に分解したモデルを示す図である。
【図５】従来の光ファイバリング干渉計型センサに係る周波数特性図である。
【図６】光ファイバリング干渉計型センサの基本的原理を説明する説明図である。
【符号の説明】
１  発光素子
２，１３  分岐結合素子
３  ループ状光ファイバ
５  受光素子
１０  主ループ
１１  副ループ
【図１】
0004676623.tif 000018
【図２】
0004676623.tif 000019
【図３】
0004676623.tif 000020
【図４】
0004676623.tif 000021
【図５】
0004676623.tif 000022
【図６】
0004676623.tif 000023