(57)【要約】【課題】  光ファイバループの設置形態がどのようなものであっても、光ファイバループに加えられた外乱を高感度で検知することができるサニャック型干渉計を用いた光ファイバ干渉型センサを提供する。【解決手段】  光源と、光分岐結合素子と、ループ状の光ファイバと、受光素子とを備え、光源から出射される光を前記光分岐結合素子により分岐し、前記ループ状の光ファイバ内を時計回り及び反時計回り方向に伝搬させた後、再び前記光分岐結合素子により結合して、前記受光素子に入射させる光ファイバ干渉型センサであって、前記ループ状の光ファイバの一部を、他の部分と光の伝搬モードが異なる光ファイバにより構成した光ファイバ干渉型センサ。【選択図】  図１
2005241431.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、光分岐結合素子と、ループ状の光ファイバと、受光素子とを備え、
光源から出射される光を前記光分岐結合素子により分岐し、前記ループ状の光ファイバ内を時計回り及び反時計回り方向に伝搬させた後、再び前記光分岐結合素子により結合して、前記受光素子に入射させる光ファイバ干渉型センサであって、
前記ループ状の光ファイバの一部を、他の部分と光の伝搬モードが異なる光ファイバにより構成した光ファイバ干渉型センサ。
【請求項２】
前記ループ状の光ファイバは、その一部をシングルモードファイバにより構成し、他の部分をマルチモードファイバにより構成していることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ干渉型センサ。
【請求項３】
前記ループ状の光ファイバは、ステップインデックスファイバ、グレーデッドインデックスファイバ、汎用シングルモードファイバ、分散シフトモードファイバ及び非零分散シフトモードファイバからなる群から選択される２種類以上の異なる光ファイバを組み合わせて構成されることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ干渉型センサ。
【請求項４】
光源と、光分岐結合素子と、ループ状の光ファイバと、受光素子とを備え、
光源から出射される光を前記光分岐結合素子により分岐し、前記ループ状の光ファイバ内を時計回り及び反時計回り方向に伝搬させた後、再び前記光分岐結合素子により結合して、前記受光素子に入射させる光ファイバ干渉型センサであって、
前記ループ状の光ファイバの一部を、他の部分と物理的性質が異なる光ファイバにより構成した光ファイバ干渉型センサ。
【請求項５】
前記ループ状の光ファイバは、重量、外径又は材質が異なる２種類以上の光ファイバにより構成していることを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ干渉型センサ。
【請求項６】
光源と、光分岐結合素子と、遅延素子を有するループ状の光ファイバと、受光素子とを備え、
光源から出射される光を前記光分岐結合素子により分岐し、前記ループ状の光ファイバ内を時計回り及び反時計回り方向に伝搬させた後、再び前記光分岐結合素子により結合して、前記受光素子に入射させる光ファイバ干渉型センサであって、
前記ループ状の光ファイバの一部を２以上の光ファイバに分岐しており、それぞれに異なる波長の光を伝搬させている光ファイバ干渉型センサ。
【請求項７】
光源と、１対の光分岐結合素子と、反射素子と、受光素子とを備え、
前記１対の光分岐結合素子の間を２本の光ファイバで接続し、一方の光分岐結合素子と前記反射素子との間を１本の光ファイバで接続し、他方の光分岐結合素子に前記光源及び受光素子を接続した光ファイバ干渉型センサであって、
前記１対の光分岐結合素子の間を接続する２本の光ファイバのうち、１本の光ファイバは遅延素子を有している光ファイバ干渉型センサ。
【請求項８】
前記光分岐結合素子と前記反射素子との間を接続する光ファイバ上に、１以上の波長選択鏡を有していることを特徴とする請求項７に記載の光ファイバ干渉型センサ。
【請求項９】
光源と、１対の光分岐結合素子と、波長分割結合素子と、２以上の反射素子と、受光素子とを備え、
前記１対の光分岐結合素子の間を２本の光ファイバで接続し、一方の光分岐結合素子と前記波長分割結合素子との間を１本の光ファイバで接続し、前記波長分割結合素子と前記各反射素子との間を１本の光ファイバで接続し、他方の光分岐結合素子に前記光源及び受光素子を接続した光ファイバ干渉型センサであって、
前記波長分割結合素子と前記各反射素子との間を接続する各光ファイバに、それぞれに異なる波長の光を伝搬させている光ファイバ干渉型センサ。
【請求項１０】
前記光ファイバ上に偏光子を有していることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の光ファイバ干渉型センサ。
【請求項１１】
前記光ファイバ上に位相変調素子を有していることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の光ファイバ干渉型センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバに加えられた外乱（振動、衝撃、音響等）を光ファイバ干渉計により検知することにより、光ファイバに近接する地盤・構造物の異常や光ファイバへの不正アクセスを監視する光ファイバ干渉型センサに関し、特に、ガス管などのパイプラインに代表される非ループ状の監視対象に好適に使用することができる光ファイバ干渉型センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光ファイバ干渉計を用いて、光ファイバに加えられた物理的外乱（振動、衝撃、音響等）を高感度で検知することにより、光ファイバに近接する地盤・構造物の危険や、光ファイバへの不正アクセスを監視する技術が広く知られている。各種の光ファイバ干渉計のなかでも、サニャック型干渉計（リング型干渉計）は、共通光路の干渉計であるので、温度変化等によるドリフトがなく、伝搬光の位相差の変化を常に一定の感度で検知することができるという特長を有している。このサニャック型干渉計を用いて、伝搬光の位相差の変化を監視することにより、光ファイバに加えられた物理的外乱を検知する技術として、例えば、特許第３３５７６２３号に記載の光ファイバ干渉型センサなどがある。
【０００３】
図１２は、従来のサニャック型干渉計を用いた光ファイバ干渉型センサの構成を示す模式図である。図１２において、光ファイバ干渉型センサの発光素子１０から発射された光は、ハーフミラー等で構成する光分岐結合素子２０及び偏光子３０を経て、ハーフミラー等で構成する光分岐結合素子２２に入射される。光分岐結合素子２２によって２分された光は、それぞれ、光ファイバループ４０内を時計回り（矢印Ａ）及び反時計回り（矢印Ｂ）の方向に進行し、再び光分岐結合素子２２に入射される。この光はさらに、光分岐結合素子２２から発射されて、偏光子３０及び光分岐結合素子２０を経て、受光素子５０に入射される。
【０００４】
受光素子５０には、光ファイバループ４０内を時計回り（矢印Ａ）の方向に伝搬した光と反時計回り（矢印Ｂ）の方向に伝搬した光とが入射されるが、これらの光は偏光子３０により互いに干渉し合うよう偏光されているため、受光素子５０では、これら２種類の光の位相差を干渉光強度の変化として観測することとなる。これら２種類の光は、ともに光ファイバループ４０内の共通光路を互いに逆方向に伝搬しているのであるから、通常は位相差が生じないはずである。ところが、光ファイバループ４０に何らかの外乱（例えば振動、衝撃、音響）が加えられた場合には、光ファイバループ４０内の光路が物理的に変化することにより、そこを通過する２種類の光の位相に変化が生じる。外乱が加えられた場所が光ファイバループ４０上の中点４２以外の場所４４である場合には、その結果２種類の光に起こった位相変化が受光素子５０に伝わるまでの時間が異なるため、受光素子５０において２種類の光の位相差が観測されることとなる。したがって、この位相差を観測していれば、光ファイバループ４０に外乱が加えられたことを検知することができる。
【０００５】
同様の仕組みを利用した光ファイバ干渉型センサとしては、サニャック型干渉計を用いたもの以外にも、マイケルソン型干渉計、マッハ・ツェンダー型干渉計、ファブリーペロー型干渉計などを用いたものが知られている。しかしながら、サニャック型干渉計以外の干渉計は、共通光路を用いていないので、温度変化や光ファイバの伸びなどが光路に影響し、定常状態でも干渉光強度の測定値が安定しないという短所がある。
【０００６】
ところで、サニャック型干渉計の応用例として、光ファイバジャイロスコープが開発・研究されている。光ファイバジャイロスコープは、系が慣性空間に対して回転しているときに回転方向と順方向・逆方向に回る光の間に位相差が生じる現象（サニャック効果）に着目し、その位相差をサニャック型干渉計により観測することにより回転を検知することができる角速度センサである。光ファイバジャイロスコープでは、光の位相差を高感度で観測できるように、光ファイバループを伝搬する時計回り及び反時計回りの光に対して位相変調を行うことにより検知感度を高めることが行われている（図１２に示す位相変調器６０）。
【０００７】
非特許文献１及び２には、上記したような光サニャック型干渉計を利用したファイバジャイロスコープの原理が詳細に記載されている。
【特許文献１】特許第３３５７６２３号
【非特許文献１】南茂夫，辻内順平，田幸敏治著「光測定ハンドブック」朝倉書店，３７６−３７７ページ
【非特許文献２】Martin, J. M. and J. T. Winkler: "Fiber-Optic Laser Gyro Signal Detection and Processing Technique", SPIE Proceedings, Vol. 139, pp. 98-102, 1978
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ガス管や通信ケーブルなどに光ファイバケーブル（光ファイバを束ねてケーブル状にしたもの）を併設して光ファイバ干渉型センサを構成することにより、ガス管や通信ケーブルの異常を検知したり、近傍で行われている第三者の工事などの影響を観測したりすることが行われている。ところが、上記のサニャック型干渉計を用いた光ファイバ干渉型センサは、その原理上光ファイバをループ状に配置する必要があるのに対して、ガス管や通信ケーブルの設置形態は通常単線であるので、光ファイバループ４０を図１３に示すような形態にして設置しなければならない。
【０００９】
ところが、光ファイバループ４０をこのような形態で設置すると、観測対象領域のある個所で異常が生じた場合に、光ファイバループ４０の近接する２点４６及び４８に同様な外乱が加わることとなるが、これらの点４６及び４８は、光ファイバループ４０の中点４２からほぼ等距離の点であるため、光ファイバループ４０内を伝搬する２種類の光に対してほぼ等しい位相変化を与えることとなる。その結果、受光素子５０において２種類の光の位相差がほとんど観測されなくなってしまう。
【００１０】
また、異常発生の場所が光ファイバループ４０の中点４２である場合には、理論上、受光素子５０において２種類の光の位相差が全く観測されないのであるが、異常発生の場所が光ファイバループ４０上の中点４２に近ければ近いほど、受光素子５０において観測される２種類の光の位相差が小さいため、中点４２付近で発生する異常に対しては検知精度が低いということも問題である。
【００１１】
さらには、ガス管や通信ケーブルなどは樹状に分岐した形態で設置されることもある。このような場合に、サニャック型干渉計を用いた光ファイバ干渉型センサを適用するには、光ファイバループを観測対象に合わせて非常に複雑な形態で設置しなければならなくなるという問題がある。
【００１２】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、サニャック型干渉計を用いた光ファイバ干渉型センサであって、その光ファイバループの設置形態がどのようなものであっても、光ファイバループに加えられた外乱を高感度で検知することができる光ファイバ干渉型センサを提供しようとするものである。
【００１３】
本発明は、また、樹状に分岐した形態で設置されたガス管や通信ケーブルなどの観測対象に適用されるサニャック型干渉計を用いた光ファイバ干渉型センサであって、その光ファイバループを簡略な形態で設置することができる光ファイバ干渉型センサを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、光源と、光分岐結合素子と、ループ状の光ファイバと、受光素子とを備え、光源から出射される光を前記光分岐結合素子により分岐し、前記ループ状の光ファイバ内を時計回り及び反時計回り方向に伝搬させた後、再び前記光分岐結合素子により結合して、前記受光素子に入射させる光ファイバ干渉型センサであって、前記ループ状の光ファイバの一部を、他の部分と光の伝搬モードが異なる光ファイバにより構成した光ファイバ干渉型センサを提供するものである。
【００１５】
本発明の光ファイバ干渉型センサにおいて、前記ループ状の光ファイバは、その一部をシングルモードファイバにより構成し、他の部分をマルチモードファイバにより構成していることを特徴とする。また、前記ループ状の光ファイバは、ステップインデックスファイバ、グレーデッドインデックスファイバ、汎用シングルモードファイバ、分散シフトモードファイバ及び非零分散シフトモードファイバからなる群から選択される２種類以上の異なる光ファイバを組み合わせて構成されることを特徴とする。
【００１６】
これにより、それぞれ種類の異なる光ファイバ上の２点に加えられた外乱は、伝搬光に異なる位相変化を与えることとなるので、受光素子では、光ファイバを伝搬してきた２種類の光に位相差が観測されることとなる。
【００１７】
本発明は、また、光源と、光分岐結合素子と、ループ状の光ファイバと、受光素子とを備え、光源から出射される光を前記光分岐結合素子により分岐し、前記ループ状の光ファイバ内を時計回り及び反時計回り方向に伝搬させた後、再び前記光分岐結合素子により結合して、前記受光素子に入射させる光ファイバ干渉型センサであって、前記ループ状の光ファイバの一部を、他の部分と物理的性質が異なる光ファイバにより構成した光ファイバ干渉型センサを提供するものである。
【００１８】
本発明の光ファイバ干渉型センサにおいて、前記ループ状の光ファイバは、重量、外径又は材質が異なる２種類以上の光ファイバにより構成していることを特徴とする。
【００１９】
これにより、それぞれ物理的性質の異なる光ファイバ上の２点に加えられた外乱は、伝搬光に異なる位相変化を与えることとなるので、受光素子では、光ファイバを伝搬してきた２種類の光に位相差が観測されることとなる。
【００２０】
本発明は、また、光源と、光分岐結合素子と、遅延素子を有するループ状の光ファイバと、受光素子とを備え、光源から出射される光を前記光分岐結合素子により分岐し、前記ループ状の光ファイバ内を時計回り及び反時計回り方向に伝搬させた後、再び前記光分岐結合素子により結合して、前記受光素子に入射させる光ファイバ干渉型センサであって、前記ループ状の光ファイバの一部を２以上の光ファイバに分岐しており、それぞれに異なる波長の光を伝搬させている光ファイバ干渉型センサを提供するものである。
【００２１】
本発明は、また、光源と、１対の光分岐結合素子と、反射素子と、受光素子とを備え、前記１対の光分岐結合素子の間を２本の光ファイバで接続し、一方の光分岐結合素子と前記反射素子との間を１本の光ファイバで接続し、他方の光分岐結合素子に前記光源及び受光素子を接続した光ファイバ干渉型センサであって、前記１対の光分岐結合素子の間を接続する２本の光ファイバのうち、１本の光ファイバは遅延素子を有している光ファイバ干渉型センサを提供するものである。
【００２２】
本発明の光ファイバ干渉型センサにおいて、前記光分岐結合素子と前記反射素子との間を接続する光ファイバ上に、１以上の波長選択鏡を有していることを特徴とする。
【００２３】
これにより、光ファイバ上の一部と他の部分とに加えられた外乱を別々に観測することが可能となる。
【００２４】
本発明は、また、光源と、１対の光分岐結合素子と、波長分割結合素子と、２以上の反射素子と、受光素子とを備え、前記１対の光分岐結合素子の間を２本の光ファイバで接続し、一方の光分岐結合素子と前記波長分割結合素子との間を１本の光ファイバで接続し、前記波長分割結合素子と前記各反射素子との間を１本の光ファイバで接続し、他方の光分岐結合素子に前記光源及び受光素子を接続した光ファイバ干渉型センサであって、前記波長分割結合素子と前記各反射素子との間を接続する各光ファイバに、それぞれに異なる波長の光を伝搬させている光ファイバ干渉型センサを提供するものである。
【００２５】
本発明の光ファイバ干渉型センサは、さらに、前記光ファイバ上に偏光子を有していることを特徴とする。これにより、２種類の光の偏光面が揃えられるため、干渉作用が増大されて観測が行いやすくなる。
【００２６】
本発明の光ファイバ干渉型センサは、さらに、前記光ファイバ上に位相変調素子を有していることを特徴とする。これにより、２種類の光に生じるわずかな位相差をも精度よく検知することができるようになる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、観測対象の設置形態が非ループ状や分岐状であっても、これに合わせた形態で設置することができ、その観測対象に加えられる外乱（振動、衝撃、音響等）を高感度で検知することができるサニャック型干渉計の原理を用いた光ファイバ干渉型センサが提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の光ファイバ干渉型センサを実施するための最良の形態を詳細に説明する。図１〜図１１は、本発明の実施の形態を例示する図であり、これらの図において、同一の符号を付した部分は同一物を表わし、基本的な構成及び動作は同様であるものとする。
【００２９】
[第１実施形態]
図１は、本発明の光ファイバ干渉型センサの第１実施形態の構成を概略的に示す図である。図１に示す本実施形態の光ファイバ干渉型センサは、発光素子１０と、光分岐結合素子２０及び２２と、偏光子３０と、無反射終端素子３２及び３４と、遅延素子７０を有する光ファイバループ４０と、受光素子５０とから構成されている。
【００３０】
発光素子１０は、所定の波長（１．３〜１．５μｍ程度）の光を発する素子であり、受光素子５０は、発光素子１０から発せられた光を検出する素子である。光分岐結合素子２０及び２２はハーフミラー等から構成されており、それぞれ２方向の光の入力及び出力を有している。偏光子３０は、通過する光波を光の進行方向に平行な１面（偏光面）に揃えるための素子である。無反射終端素子３２及び３４は、それぞれ、光分岐結合素子２０及び２２から出力される一方の光を受光する。尚、これらの構成要素は、図１２及び１３に示した従来の光ファイバ干渉型センサと同様のものである。
【００３１】
光ファイバループ４０は、従来のサニャック型干渉計を用いた光ファイバ干渉型センサと同様に、光ファイバをループ状に形成して作られるものであるが、単線形状の観測対象に合わせて図１に示すような形態で設置されるものとする。本実施形態において、光ファイバループ４０は、その一部において遅延素子７０を含んでいることを特徴としている。遅延素子７０は、光ファイバをコイル状に巻いて束ねたものであり、光ファイバループ４０の他の部分と同様に、光ファイバ干渉型センサにおける光路の一部を構成するものである。
【００３２】
以上のように構成された本実施形態の光ファイバ干渉型センサにおいて、発光素子１０から発射された光は、光分岐結合素子２０において２分され、その一方の光は、偏光子３０において偏光された後、光分岐結合素子２２に入射される。光分岐結合素子２２においてさらに２分された光は、それぞれ、光ファイバループ４０内を時計回り（矢印Ａ）及び反時計回り（矢印Ｂ）の方向に進行し、再び光分岐結合素子２２に入射される。それぞれの光は光分岐結合素子２２においてさらに２分されるが、それぞれの一方の出力光は、偏光子３０を経て光分岐結合素子２０に入射され、さらに２分されたうちの一方の出力光が受光素子５０に入射される。
【００３３】
受光素子５０には、光ファイバループ４０内を時計回り（矢印Ａ）の方向に伝搬した光と反時計回り（矢印Ｂ）の方向に伝搬した光とが入射されるが、これらの光は偏光子３０により互いに干渉し合うよう偏光されているため、受光素子５０では、これら２種類の光の干渉光強度が観測されることとなる。これら２種類の光は、ともに光ファイバループ４０内の共通光路を互いに逆方向に伝搬しているのであるから、定常状態では位相差が生じないはずであり、２種類の光に位相差が観測された場合には、光ファイバループ４０に何らかの外乱（例えば振動、衝撃、音響）が加えられたものとして検知することができる。
【００３４】
ここで、光ファイバループ４０上の近接する２点４６及び４８に同様な外乱が加わった場合を考えると、遅延素子７０の存在により２点４６及び４８は光路上対称的な位置ではなくなっている（つまり光ファイバループ４０の中点から等距離ではない）ため、受光素子５０では、上記２種類の光に位相差が観測されることとなる。また、遅延素子７０の存在により光ファイバループ４０の折り返し地点４２は、光ファイバループ４０の中点ではなくなっているので、折り返し地点４２付近において外乱が加わった場合にも、受光素子５０では、上記２種類の光に位相差が観測されることとなる。
【００３５】
[第２実施形態]
図２は、本発明の光ファイバ干渉型センサの第２実施形態の構成を概略的に示す図である。図２に示す本実施形態の光ファイバ干渉型センサは、発光素子１０と、光分岐結合素子２０及び２２と、偏光子３０と、無反射終端素子３２及び３４と、光ファイバループ４０と、受光素子５０とから構成されている。これらの構成要素のうち、光ファイバループ４０以外は、第１実施形態のものと同様であるので、説明を省略する。
【００３６】
図２に示すように、本実施形態で用いる光ファイバループ４０は、２種類の伝搬モードの異なる光ファイバケーブル４０Ａ及び４０Ｂから構成していることを特徴とする。一般的に、光ファイバは、光の伝搬するモードの数によって「マルチモード」と「シングルモード」の２種類に分類されるので、例えば、光ファイバケーブル４０Ａ及び４０Ｂをそれぞれシングルモードファイバ及びマルチモードファイバとすることができる。また、マルチモード光ファイバはさらに、コアの屈折率分布によって、「ステップインデックス」、「グレーデッドインデックス」などの種類に分類され、シングルモード光ファイバはさらに、零分散波長により、「汎用シングルモード」、「分散シフトモード」、「非零分散シフトモード」などの種類に分類されるので、これらの中から異なる２種類の光ファイバを用いて光ファイバケーブル４０Ａ及び４０Ｂを構成すればよい。
【００３７】
以上のように構成された本実施形態の光ファイバ干渉型センサにおいて、光ファイバループ４０上の近接する２点４６及び４８に同様な外乱が加わった場合を考えると、光ファイバケーブル４０Ａと４０Ｂとでは光の伝搬速度が異なるため、２点４６及び４８では異なる位相変化が与えられることになり、受光素子５０では、上記２種類の光に位相差が観測されることとなる。また、光ファイバループ４０の折り返し地点４２付近において外乱が加わった場合にも、光ファイバケーブル４０Ａと４０Ｂとでは光の伝搬速度が異なっているので、受光素子５０では、上記２種類の光に位相差が観測されることとなる。
【００３８】
[第３実施形態]
図３は、本発明の光ファイバ干渉型センサの第３実施形態の構成を概略的に示す図である。図３に示す本実施形態の光ファイバ干渉型センサは、発光素子１０と、光分岐結合素子２０及び２２と、偏光子３０と、無反射終端素子３２及び３４と、光ファイバループ４０と、受光素子５０とから構成されている。これらの構成要素のうち、光ファイバループ４０以外は、第１実施形態のものと同様であるので、説明を省略する。
【００３９】
図３に示すように、本実施形態で用いる光ファイバループ４０は、２種類の物理的性質が異なる光ファイバケーブル４０Ａ及び４０Ｂから構成していることを特徴とする。光ファイバケーブル４０Ａ及び４０Ｂは、例えば、重量・外径・材質等が異なる光ファイバケーブルとすればよい。
【００４０】
以上のように構成された本実施形態の光ファイバ干渉型センサにおいて、光ファイバループ４０上の近接する２点４６及び４８に同様な外乱が加わった場合を考えると、光ファイバケーブル４０Ａと４０Ｂとでは物理的性質が異なるため、伝搬光に加えられる位相変化は同様とはならず、受光素子５０では、上記２種類の光に位相差が観測されることとなる。
【００４１】
[第４実施形態]
図４は、本発明の光ファイバ干渉型センサの第４実施形態の構成を概略的に示す図である。図４に示す本実施形態の光ファイバ干渉型センサは、発光素子１０と、光分岐結合素子２０及び２２と、偏光子３０と、無反射終端素子３２及び３４と、遅延素子７０を有する光ファイバループ４０と、受光素子５２及び５４と、波長分割結合素子８０、８２及び８４とから構成されている。これらの構成要素のうち、光ファイバループ４０、受光素子５２及び５４、並びに波長分割結合素子８０、８２及び８４以外は、第１実施形態のものと同様であるので、説明を省略する。
【００４２】
光ファイバループ４０は、その一区間において波長分割結合素子８２及び８４により２本の光ファイバケーブル４０Ａ及び４０Ｂに分岐されていることを特徴とする。本実施形態では、発光素子１０から複数の波長を有する光が発射されており、これらの光は波長分割結合素子８２又は８４において波長分割され、光ファイバケーブル４０Ａ及び４０Ｂのいずれかを伝搬した後、再び波長分割結合素子８４又は８２において結合される。この結合された光は、波長分割結合素子８０において再び波長分割され、受光素子５２及び５４のいずれかに入力される。尚、波長分割結合素子８０、８２及び８４は同様の波長選択特性を有するものであり、例えば、受光素子５２には光ファイバケーブル４０Ａを伝搬した光が入力され、受光素子５４には光ファイバケーブル４０Ｂを伝搬した光が入力されるようにすることができる。
【００４３】
以上のように構成された本実施形態の光ファイバ干渉型センサにおいて、第１実施形態と同様の原理により、光ファイバケーブル４０Ａ及び４０Ｂ、あるいは光ファイバループ４０のこれら以外の部分に加えられた外乱を検知することができる。また、遅延素子７０の存在により、光ファイバケーブル４０Ａ及び４０Ｂの中点４２Ａ及び４２Ｂに外乱が加えられた場合、光ファイバループ４０上の近接する２点４６及び４８に同様の外乱が加えられた場合、および、光ファイバループ４０Ｂ上の近接する２点４６Ｂ及び４８Ｂに同様の外乱が加えられた場合に、その外乱を検知することが可能となっている。特に、観測対象のうち光ファイバケーブル４０Ｂが接する区間と、それ以外の区間とを区別して観測することができ、外乱が生じた区間を特定できるという利点がある。
【００４４】
図５は、本実施形態の光ファイバ干渉型センサの他の構成例を概略的に示す図である。このような構成にすると、第１実施形態と同様の原理により、受光素子５２及び５４の観測結果から、光ファイバケーブル４０Ａ及び４０Ｂ、あるいは光ファイバループ４０のこれら以外の部分に加えられた外乱をそれぞれ個別に検知することができる。また、遅延素子７０の存在により、光ファイバケーブル４０Ａ及び４０Ｂの中点４２Ａ及び４２Ｂを含む光ファイバループ４０上のいずれの個所において加えられた外乱も検知することが可能となっている。例えば、観測対象が分岐を有するパイプラインなどである場合に、その形態に合わせて光ファイバループ４０を設置することができる。
【００４５】
なお、図４および図５においては、波長分割結合素子として２波長を分割結合するものをのみを示したが、より多数の波長を分割結合する波長分割結合素子を使用することもできる。
【００４６】
[第５実施形態]
図６は、本発明の光ファイバ干渉型センサの第５実施形態の構成を概略的に示す図である。図６に示す本実施形態の光ファイバ干渉型センサは、発光素子１０と、光分岐結合素子２０及び２２と、偏光子３０と、無反射終端素子３６と、受光素子５０と、遅延素子７０と、非ループ状の光ファイバケーブル９０と、この光ファイバケーブル９０の一端に設置された反射鏡９２とから構成されている。これらの構成要素のうち、非ループ状の光ファイバケーブル９０及び反射鏡９２以外は、第１実施形態のものと同様であるので、説明を省略する。
【００４７】
図６に示すように、本実施形態の光ファイバ干渉型センサでは、光分岐結合素子２０及び２２の間を２本の光ファイバケーブルで接続し、一方の光路上に偏光子３０を、他方の光路上に遅延素子７０を設置していることを特徴とする。また、観測対象に併設される部分は非ループ状の光ファイバケーブル９０であり、光分岐結合素子２２から発射された光は、光ファイバケーブル９０内を直進し、反射鏡９２によって反射され、光ファイバケーブル９０内を逆行して、再び光分岐結合素子２２に入射されるようになっている。
【００４８】
以上のように構成された本実施形態の光ファイバ干渉型センサにおいて、受光素子５０には、（１）発光素子１０から発射されて偏光子３０を通過し、光ファイバケーブル９０内を直進し反射鏡９２によって反射された後、遅延素子７０を通過してきた光と、（２）発光素子１０から発射されて遅延素子７０を通過し、光ファイバケーブル９０内を直進し反射鏡９２によって反射された後、偏光子３０を通過してきた光とが入射されることとなる。これらの光は共通光路を互いに逆行する光であるから、受光素子５０では干渉光が観測されることなる。したがって、上記した各実施形態と同様の原理により、光ファイバケーブル９０に何らかの外乱（例えば振動、衝撃、音響）が加えられたのを、干渉光の位相変化として検知することができる。
【００４９】
尚、受光素子５０には、上記２種類の他にも２種類の光が入射されるが、本実施形態では、発光素子１０から発射される光の可干渉距離（コヒーレンス長）よりも十分長い遅延素子７０を使用しているので、これらの光が上記の２種類の光の干渉に寄与することはない。
【００５０】
[第６実施形態]
図７は、本発明の光ファイバ干渉型センサの第６実施形態の構成を概略的に示す図である。図７に示す本実施形態の光ファイバ干渉型センサは、発光素子１０と、光分岐結合素子２０及び２２と、偏光子３０と、無反射終端素子３６と、受光素子５２及び５４と、遅延素子７０と、波長分割結合素子８０と、非ループ状の光ファイバケーブル９０と、この光ファイバケーブル９０上に設置された反射鏡９２及び波長選択鏡９４とから構成されている。これらの構成要素のうち、波長選択鏡９４、波長分割結合素子８０、並びに受光素子５２及び５４以外は、第５実施形態のものと同様であるので、説明を省略する。
【００５１】
本実施形態の光ファイバ干渉型センサにおいて、波長選択鏡９４は、一定の波長を有する光のみを選択的に反射するファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）等の鏡であり、光ファイバケーブル９０上の任意の個所に設置される。また、波長分割結合素子８０、並びに受光素子５２及び５４は、第４実施形態のものと同様であり、波長選択鏡９４は特定の波長のみ反射する特性を有している。この結果、光ファイバケーブル９０内を進み波長選択鏡９４によって反射された光が一方の受光素子５４に、光ファイバケーブル９０内を進み反射鏡９２によって反射された光が他方の受光素子５２に入射されるようになっている。本実施形態により、光ファイバケーブル９０に接する観測対象のうち、光分岐結合素子２２と波長選択鏡９４の間の区間と、波長選択鏡９４と反射鏡９２の間の区間とを区別して観測することができ、外乱が生じた区間を特定できるという利点がある。
【００５２】
尚、本実施形態では、波長選択鏡を１つのみ使用する場合を示しているが、複数の異なる波長選択鏡を直列的に使用することもできる。
【００５３】
[第７実施形態]
図８は、本発明の光ファイバ干渉型センサの第７実施形態の構成を概略的に示す図である。図８に示す本実施形態の光ファイバ干渉型センサは、発光素子１０と、光分岐結合素子２０及び２２と、偏光子３０と、無反射終端素子３６と、受光素子５２及び５４と、遅延素子７０と、波長分割結合素子８０及び８６と、非ループ状でかつ分岐した光ファイバケーブル９０と、この光ファイバケーブル９０の分岐端にそれぞれ設置された反射鏡９２とから構成されている。これらの構成要素のうち、波長分割結合素子８６以外は、第６実施形態のものと同様であるので、説明を省略する。
【００５４】
図８において、非ループ状の光ファイバケーブル９０は、波長分割結合素子８６により２本の光ファイバケーブル９０Ａ及び９０Ｂに分岐されていることを特徴とする。本実施形態では、発光素子１０から複数の波長を有する光が発射されており、これらの光は波長分割結合素子８６において波長分割され、光ファイバケーブル９０Ａ及び９０Ｂのいずれかに進み、それぞれの反射鏡９２において反射され、再び波長分割結合素子８６に入射されて結合される。この結合された光は、波長分割結合素子８０において再び波長分割され、受光素子５２及び５４のいずれかに入力される。尚、波長分割結合素子８０及び８６は同様の波長選択特性を有するものであり、例えば、受光素子５２には光ファイバケーブル９０Ａを伝搬した光が入力され、受光素子５４には光ファイバケーブル９０Ｂを伝搬した光が入力されるようにすることができる。
【００５５】
以上のように構成された本実施形態の光ファイバ干渉型センサにおいて、第６実施形態と同様の原理により、受光素子５２及び５４の観測結果から、光ファイバケーブル９０Ａ及び９０Ｂ、あるいは光ファイバケーブル９０のこれら以外の部分に加えられた外乱をそれぞれ個別に検知することができる。例えば、観測対象が分岐を有するパイプラインなどである場合に、その形態に合わせて光ファイバケーブル９０を設置することができる。
【００５６】
なお、図８においては、波長分割結合素子として２波長を分割結合するものをのみを示したが、波長分割結合素子としてより多波長を分割結合するものを使用するとともに、受光素子を増設することにより、多数の分岐に対応することができる。
【実施例】
【００５７】
以下において、図６に示す第５実施形態の光ファイバ干渉型センサを用いて振動検知の実験を行った結果を示す。
【００５８】
図９は、本実験において構成した光ファイバ干渉型センサを概略的に示す図である。本実験では、長さ３ｋｍ（往復で６ｋｍ）の光ファイバケーブルに、長さ４ｋｍの遅延素子を付加しているので、全光路長は１０ｋｍとなっている。光源には出力１０ｍＷ強、３ｄＢ帯域幅３４ｎｍの１５５０ｎｍ帯でASE光源を用いた。このとき、コヒーレンス長は７１μｍとなる。位相変調器は光ファイバジャイロにおいて使われているものであり、本実験では、２種類の光の位相差を精度よく検知できるよう１０ｋＨｚで位相変調している。
【００５９】
この光ファイバケーブルの一部分を、高圧ガス管等に併設される長さ２．６ｍ直径５０ｍｍのポリエチレン製ダクトに通した。尚、光ファイバーケーブルはダクトに通しただけであり、特に固定はしていない。この状態で、ダクトに周波数７０Ｈｚ、振幅１ｍ／ｓ２の１方向の振動を与えた。
【００６０】
図１０及び図１１は、それぞれ上記の実験において、振動を加えていない状態及び振動を加えた状態で光検出器において観測される干渉光強度を示すグラフである。両図におけるグラフを比較すると、光ファイバケーブルの一部分に振動が加えられることにより、周波数７０Ｈｚ付近において干渉光強度の変化がはっきりと観測される。これにより、光ファイバケーブルに振動が加えられたことが明らかに検知される。
【００６１】
以上、本発明の光ファイバ干渉型センサについて、具体的な実施の形態を示して説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。当業者であれば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、上記各実施形態又は他の実施形態にかかる発明の構成及び機能に様々な変更・改良を加えることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明の光ファイバ干渉型センサは、光ファイバに加えられた外乱（振動、衝撃、音響等）を光ファイバ干渉計により検知することにより、近接する地盤・構造物の異常や光ファイバへの不正アクセスを監視することができる。特に、ガス管などのパイプラインに光ファイバ干渉型センサを併設することにより、その周辺で生じる異常や外乱を高感度で検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の光ファイバ干渉型センサの第１実施形態の構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の光ファイバ干渉型センサの第２実施形態の構成を概略的に示す図である。
【図３】本発明の光ファイバ干渉型センサの第３実施形態の構成を概略的に示す図である。
【図４】本発明の光ファイバ干渉型センサの第４実施形態の構成を概略的に示す図である。
【図５】本発明の光ファイバ干渉型センサの第５実施形態の構成を概略的に示す図である。
【図６】本発明の光ファイバ干渉型センサの第５実施形態の他の構成を概略的に示す図である。
【図７】本発明の光ファイバ干渉型センサの第６実施形態の構成を概略的に示す図である。
【図８】本発明の光ファイバ干渉型センサの第７実施形態の構成を概略的に示す図である。
【図９】図６に示す第５実施形態に従って実験を行うために構成した光ファイバ干渉型センサを概略的に示す図である。
【図１０】図９に示す実験において、振動を加えていない状態で光検出器において観測される干渉光強度を示すグラフである。
【図１１】図９に示す実験において、振動を加えた状態で光検出器において観測される干渉光強度を示すグラフである。
【図１２】従来のサニャック型干渉計を用いた光ファイバ干渉型センサの構成を示す模式図である。
【図１３】単線として設置されたガス管や通信ケーブルを観測対象とする従来のサニャック型干渉計を用いた光ファイバ干渉型センサの構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６４】
１０  発光素子
２０，２２  光分岐結合素子
３０  偏光子
３２，３４，３６  無反射終端素子
４０，４０Ａ，４０Ｂ  光ファイバループ
４２，４２Ａ，４２Ｂ  光ファイバループの中点
５０，５２，５４  受光素子
６０  位相変調器
７０  遅延素子
８０，８２，８４，８６  波長分割結合素子
９０，９０Ａ，９０Ｂ  光ファイバケーブル
９２  反射鏡
９４  波長選択鏡
【図１】
2005241431.tif 000003
【図２】
2005241431.tif 000004
【図３】
2005241431.tif 000005
【図４】
2005241431.tif 000006
【図５】
2005241431.tif 000007
【図６】
2005241431.tif 000008
【図７】
2005241431.tif 000009
【図８】
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【図９】
2005241431.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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