(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、複数の受光素子と、ループ状光ファイバの開放部の両端とがＮが３以上であるＮ×Ｎ分岐結合素子に接続され、前記光源から出射された光を前記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の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内を時計回りと反時計回りに伝搬させ、時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光とを前記Ｎ×Ｎ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光ファイバリング干渉型センサを用いて、前記ループ状光ファイバに加わる物理変化を検出する位相差算出方法において、
前記複数の受光素子は、異なる非相反位相バイアスを有し、位相バイアスがπ以外となる２つ以上の干渉光強度を測定し、
前記複数の受光素子から順次選択される各受光素子において、
前記位相差の周期関数で変化する前記干渉光強度について前記受光素子ごとに予め定められた複数の前記位相差の区間に対応する範囲内の光強度が得られた場合に、この光強度を用いて前記位相差を算出し、
前記各受光素子に対応する前記区間は、前記測定される干渉光強度が前記位相差に対してリニアに変化するとみなせる位相差区間であって、その区間端において少なくとも他のいずれか１つの受光素子の前記干渉光強度が前記位相差に対してリニアに変化するとみなせる位相差区間と連続する位相差区間であることを特徴とする光ファイバリング干渉型センサの位相差算出方法。
【請求項２】
前記複数の受光素子内の第１の受光素子から得られた第１の光強度が、前記第１の受光素子に対応した前記区間に対応する範囲内の光強度である場合、前記第１の光強度から前記位相差を算出し、
前記第１の光強度が対応する前記区間に対応する範囲外の光強度に変化した場合、隣接する区間を担当する第２の受光素子から得られた第２の光強度が前記第２の受光素子に対応した区間に対応する範囲内の光強度である場合、前記第２の光強度から前記位相差を算出し、
前記第２の光強度が対応する前記区間に対応する範囲外の光強度に変化した場合、順次、隣接する前記受光素子から得られる光強度が、当該受光素子に対応した区間に対応する範囲内にあるかを判定して、前記区間に対応する範囲内に前記光強度がある場合は前記位相差を算出する
ことを特徴とする請求項１記載の位相差算出方法。
【請求項３】
前記Ｎ×Ｎ分岐結合素子として３×３光分岐結合素子を用い、３個の前記受光素子を用い、ｎ番目の受光素子(n=1,2,3)で検出された光の干渉成分（Ｐcn）、非干渉成分（Ｐin）から位相差θを得る位相差算出方法であって、
変数ｍに１を代入する第１のステップと、
次に、変数ｍを３で除算して得られる剰余に＋１を加え、得られた値を変数ｎに代入する第２のステップと、
次に、前記変数ｍの値が奇数か否かを判定し、奇数の場合、φ＝cos-1｛-２（Ppdn - Pin）/Pcn＋１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算し、ｍの値が偶数の場合、φ＝cos-1｛２（Ppdn - Pin）/Pcn -１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算する第３のステップと、
次に、前記第３のステップで得られたφがπ/3以上か否かを判定し、φ≧π/3の場合、φが2π/3未満か否かをさらに判定し、満足する場合、θ＝φ＋(ｍ-2)π/3により位相差θを計算し、φ≧π/3を満足しない場合、ｍ−１を前記変数ｍに代入して、第２のステップへ戻り、φが2π/3未満でない場合、ｍ＋１を前記変数ｍに代入し、第２のステップへ戻る第４のステップと、
を含むことを特徴とする請求項１記載の位相差算出方法。
【請求項４】
前記Ｎ×Ｎ分岐結合素子として３×３光分岐結合素子を用い、２個の前記受光素子を用い、ｎ番目の受光素子(n=1,2)で検出された光の干渉成分（Ｐcn）、非干渉成分（Ｐin）から、位相差θを得る位相差算出方法であって、
変数ｍに０を代入する第１のステップと、
次に、変数ｍが偶数か否かを判定し、変数ｍが偶数の場合、さらに値ｍ／２が偶数か否かを判定し、前記値ｍ／２が偶数の場合、φ＝cos-1｛-２（Ppd2 - Pi2）/Pc2＋１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算し、前記値ｍ／２が偶数でない場合、φ＝cos-1｛２（Ppd2 - Pi2）/Pc2 -１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算し、一方、変数ｍが偶数でない場合、さらに(m+1)/2が偶数か否かを判定し、(m+1)/2が偶数の場合、φ＝cos-1｛-２（Ppd3 - Pi3）/Pc3＋１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算し、(m+1)/2が偶数でない場合、φ＝cos-1｛２（Ppd3 - Pi3）/Pc3 -１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算する第２のステップと、
次に、前記変数ｍが偶数の場合であって、前記φがπ/6以上か否かを判定し、前記φがπ/6以上の場合、さらに前記φが2π/3未満か否かを判定し、前記φが2π/3未満の場合、θ＝φ＋(m/2 - 1/3)πにより位相差θを計算し、前記φが2π/3未満でない場合、ｍ＋１を前記ｍに代入し、前記第２のステップへ戻り、一方、前記φがπ/6以上でない場合、ｍ−１を前記ｍに代入し、前記第２のステップへ戻り、
前記ｍが偶数でない場合であって、前記φがπ/3以上の場合、前記φが5π/6未満か否かを判定し、前記φが5π/6未満の場合、θ＝φ＋(ｍ−１)π/2により位相差θを計算し、φが5π/6未満でない場合、ｍ＋１を前記ｍに代入し、前記第２のステップへ戻り、一方、前記ｍが偶数でない場合であって、前記φがπ/3以上でない場合、ｍ−１を前記ｍに代入し、前記第１のステップへ戻る第３のステップと、
を含むことを特徴とする請求項１記載の位相差算出方法。
【請求項５】
光源と、複数の受光素子と、ループ状光ファイバと、前記光源と前記複数の受光素子と前記ループ状光ファイバの開放部の両端とが接続されたＮが３以上であるＮ×Ｎ分岐結合素子とから成り、前記光源から出射された光を前記分岐結合素子によって分岐し、前記ループ状光ファイバの前記開放部の両端それぞれから入射させ、前記ループ状光ファイバ内を時計回りと反時計回りに伝搬させ、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前記反時計回り伝搬光とを前記複数の受光素子に入射させ、前記時計回り伝搬光と前記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、前記複数の受光素子から出力する光ファイバリング干渉型センサと、
前記ループ状光ファイバに加わる物理変化を検出するため、前記複数の受光素子から得られる光強度を基に、前記伝搬光の位相差を算出する位相差算出装置と、
を備えた位相差算出システムであって、
前記複数の受光素子は、異なる非相反位相バイアスを有し、位相バイアスがπ以外となる２つ以上の干渉光強度を測定し、
前記位相差算出装置は、前記複数の受光素子から順次選択する各受光素子において、前記位相差の周期関数で変化する前記干渉光強度について前記受光素子ごとに予め定められた複数の前記位相差の区間に対応する範囲内の光強度が得られた場合に、この光強度を用いて前記位相差を算出し、
前記各受光素子に対応する前記区間は、前記測定される干渉光強度が前記位相差に対してリニアに変化するとみなせる位相差区間であって、その区間端において少なくとも他のいずれか１つの受光素子の前記干渉光強度が前記位相差に対してリニアに変化するとみなせる位相差区間と連続する位相差区間であることを特徴とする位相差算出システム。
【請求項６】
前記位相差算出装置は、前記複数の受光素子内の第１の受光素子から得られた第１の光強度が、前記第１の受光素子に対応した前記区間に対応する範囲内の光強度である場合、前記第１の光強度から前記位相差を算出し、
前記第１の光強度が対応する前記区間に対応する範囲外の光強度に変化した場合、隣接する区間を担当する第２の受光素子から得られた第２の光強度が前記第２の受光素子に対応した区間に対応する範囲内の光強度である場合、前記第２の光強度から前記位相差を算出し、
前記第２の光強度が対応する前記区間に対応する範囲外の光強度に変化した場合、順次、隣接する前記受光素子から得られる光強度が、当該受光素子に対応した区間に対応する範囲内にあるかを判定して、前記区間に対応する範囲内に前記光強度がある場合は前記位相差を算出する
ことを特徴とする請求項５記載の位相差算出システム。
【請求項７】
前記Ｎ×Ｎ分岐結合素子として３×３光分岐結合素子を用い、３個の前記受光素子を備えた請求項６記載の位相差算出システムであって、
前記位相差算出装置は、
変数ｍに１を代入する第１の計算手段と、
変数ｍを３で除算して得られる剰余に＋１を加え、得られた値を変数ｎに代入する第２の計算手段と、
前記変数ｍの値が奇数か否かを判定し、奇数の場合、ｎ番目の受光素子(n=1,2,3)で検出された光の干渉成分（Ｐcn）、非干渉成分（Ｐin）から、φ＝cos-1｛-２（Ppdn - Pin）/Pcn＋１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算し、ｍの値が偶数の場合、φ＝cos-1｛２（Ppdn - Pin）/Pcn -１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算する第３の計算手段と、
前記第３の計算手段で得られたφがπ/3以上か否かを判定し、φ≧π/3の場合、φが２π/3未満か否かをさらに判定し、満足する場合、θ＝φ＋(m-2)π/3により位相差θを計算し、φ≧π/3を満足しない場合、前記第２の計算手段へｍ−１を前記変数ｍに代入させ、φが2π/3未満でない場合、前記第２の計算手段へｍ−１を前記変数ｍに代入させる第４の計算手段と、
を含むことを特徴とする請求項６記載の位相差算出システム。
【請求項８】
前記Ｎ×Ｎ分岐結合素子として３×３光分岐結合素子を用い、２個の前記受光素子を備えた請求項６記載の位相差算出システムであって、
前記位相差算出装置は、
変数ｍに０を代入する第１の計算手段と、
変数ｍが偶数か否かを判定し、変数ｍが偶数の場合、さらに値ｍ／２が偶数か否かを判定し、前記値ｍ／２が偶数の場合、ｎ番目の受光素子(n=1,2)で検出された光の干渉成分（Ｐcn）、非干渉成分（Ｐin）から、φ＝cos-1｛-２（Ppd2 - Pi2）/Pc2＋１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算し、前記値ｍ／２が偶数でない場合、φ＝cos-1｛２（Ppd2 - Pi2）/Pc2 -１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算し、一方、変数ｍが偶数でない場合、さらに(m+1)/2が偶数か否かを判定し、(m+1)/2が偶数の場合、φ＝cos-1｛-２（Ppd3 - Pi3）/Pc3＋１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算し、(m+1)/2が偶数でない場合、φ＝cos-1｛２（Ppd3 - Pi3）/Pc3 -１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算する第２の計算手段と、
前記変数ｍが偶数の場合であって、前記φがπ/6以上か否かを判定し、前記φがπ/6以上の場合、さらに前記φが2π/3未満か否かを判定し、前記φが2π/3未満の場合、θ＝φ＋(m/2 - 1/3)πにより位相差θを計算し、前記φが2π/3未満でない場合、前記第２の計算手段へｍ−１を前記変数ｍに代入させ、一方、前記φがπ/6以上でない場合、前記第２の計算手段へｍ−１を前記変数ｍに代入させ、
前記ｍが偶数でない場合であって、前記φがπ/3以上の場合、前記φが5π/6未満か否かを判定し、前記φが5π/6未満の場合、θ＝φ＋(ｍ−１)π/2により位相差θを計算し、φが5π/6未満でない場合、前記第２の計算手段へｍ−１を前記変数ｍに代入させ、一方、前記ｍが偶数でない場合であって、前記φがπ/3以上でない場合、前記第２の計算手段へｍ−１を前記変数ｍに代入させる第３の計算手段と、
を含むことを特徴とする請求項６記載の位相差算出システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバリング干渉型センサを用いて、光ファイバ内での時計方向、反時計方向の伝搬光間の位相差検出を行う位相差算出方法及び位相差算出システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを用いた光ファイバリング干渉型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リング干渉型センサに関する特許出願（特願平１１−７０８０３号）がある。
【０００３】
この光ファイバリング干渉型センサの基本原理は以下のとおりである。
【０００４】
先ず、図８に示すように、発光素子１１（光源）と、受光素子１５と、ループ状光ファイバ１３（又は途中に光遅延素子１６を挿入されて）の両端とを、光分岐結合素子１２に接続する。この接続状態下において、光源である発光素子１１から出射された光を光分岐結合素子１２によって分岐し、ループ状光ファイバ１３の両端に入射させる。入射された光は、このループ状光ファイバ１３内を時計回り（ＣＤ）の経路Ｂ方向と反時計回り（ＣＣＤ）経路Ａの方向に伝搬する。
【０００５】
そして、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１２に入射させ結合し、結合された干渉光を受光素子１５に入射させる。これにより、干渉光の強度変化を示す信号を受光素子１５から出力する。
【０００６】
即ち、光ファイバ１３の一部に加振が加えられた場合、受光素子１５は光路ＡとＢの光路長変動を干渉状態の変化として検出する。
【０００７】
図９は、発光素子１１または光入力端子、受光素子１５または光出力端子と、光分岐結合素子１２とを、２本の接続光ファイバ１７で接続した構成により、遠端のループ状光ファイバ１３内に加えられた振動を受光素子１５が検知する光ファイバリング干渉型センサの構成を示す。
【０００８】
また図１０は、接続光ファイバを１本にした場合の光ファイバリング干渉型センサの構成例を示す。
【０００９】
上記した各構成例の光ファイバリング干渉型センサにおいて、光分岐結合素子１２のポートから入射した光は、反対側の２つのポートから透過光と結合光として分岐され出射される。この時、透過光と結合光との間にπ／２の位相差が生じる。
【００１０】
従って、上記した図８，９の構成を持つ光ファイバリング干渉型センサでは、静的な状態における受光素子でのループ状光ファイバ１３内の光路Ａを伝搬した光と光路Ｂを伝搬した光との位相差θがπとなり、図１０の構成を持つ系ではその位相差が０となる。
【００１１】
この状態で、ループ状光ファイバ１３の一部に振動などの外乱が与えられると、伝搬光の位相差が変化する。その結果、受光素子１５によって、変化した伝搬光の位相差に対応した光強度が検出される。
【００１２】
受光素子１５で検出される光の干渉成分をＰc ，非干渉成分をＰi とすると、受光素子１５で検出される光強度Ｐpdは、
Ｐpd＝Ｐi＋（Ｐc（１＋cosθ））／２  …（１）
で表される。
【００１３】
したがって、位相差θが変化した時のＰpdの変化量｜ｄＰpd／ｄθ｜は、θ＝ｎπ（ｎは整数）のとき最小となり、θ＝（ｎ＋１／２）πのとき最大となる。
【００１４】
前述した様に、静的な状態での位相差θは、図８，９で示した構成を持つ系でπとなり、図１０で示した構成を持つ系で０であるため、振動などがループ状光ファイバに加えられた場合でも、受光素子で得られるPpdの変化量が上記した様に小さいので（θ＝０，π，２π，３π，．．．のとき最小（nは整数、例えばｎ=0,1,2,3,…））、センサ感度が非常に低いという問題があった。
【００１５】
また従来では、センサ感度を改善する方法として以下の方法(a)〜(c)が知られている。
【００１６】
(a)位相変調器（図示せず）をループ状光ファイバ内に挿入し、ロックインアンプ（図示せず）を用いて静的な状態での位相差θが（ｎ＋１／２）πになる様に、変調信号に同期したタイミングで干渉光信号を検出する方法。
【００１７】
(b)光路Ａと光路Ｂとの位相差が（ｎ＋１／２）πになる様な空間で実現する方法。
【００１８】
(c)３×３光分岐素子によって（２／３）πの非相反位相バイアスを得る方法。
【００１９】
上記したように、光ファイバリング干渉型センサの様々な系において、受光素子１５で観測される光ファイバループ内の光路Ａを伝搬した光と光路Ｂを伝搬した光との位相差θは、センサの感度に影響を及ぼす。
【００２０】
以下に、位相差θに関して検討する。
【００２１】
受光素子１５で検出される光強度Ｐpdから位相差θを得るには式（１）から
θ＝cos-1｛２（Ｐpd−Ｐi ）／Ｐc −１｝…（２）
を算出すれば良い。
【００２２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のｃｏｓ-1関数（式（２）を参照）は、２πの周期関数のため解が無限に存在する。一方、位相差θは連続的に変化するのでそのｃｏｓ-1関数の波形から推定が可能であるが、位相差θが、静止状態の時のθ＝πから、π＋δだけ変化したものなのか（図７の直線ａを参照）、あるいはπ-δだけ変化したものなのか（図７の直線ｂを参照）を、受光素子から得られる光強度のみで区別することは困難であるという課題があった。
【００２３】
本発明は、上述の如き従来の課題を解決するためになされたもので、その目的は、光ファイバリング干渉型センサから出力される伝搬光の位相差θを算出するための位相差算出方法、位相差算出装置、及び位相差算出システムを提供するものである。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の請求項１記載の光ファイバリング干渉型センサの位相差算出方法は、光源と、複数の受光素子と、ループ状光ファイバの開放部の両端とがＮが３以上であるＮ×Ｎ分岐結合素子に接続され、前記光源から出射された光を前記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の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内を時計回りと反時計回りに伝搬させ、時計回り伝搬光と反時計回り伝搬光とを前記Ｎ×Ｎ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光ファイバリング干渉型センサを用いて、前記ループ状光ファイバに加わる物理変化を検出する位相差算出方法において、前記複数の受光素子は、異なる非相反位相バイアスを有し、位相バイアスがπ以外となる２つ以上の干渉光強度を測定し、前記複数の受光素子から順次選択される各受光素子において、前記位相差の周期関数で変化する前記干渉光強度について前記受光素子ごとに予め定められた複数の前記位相差の区間に対応する範囲内の光強度が得られた場合に、この光強度を用いて前記位相差を算出し、前記各受光素子に対応する前記区間は、前記測定される干渉光強度が前記位相差に対してリニアに変化するとみなせる位相差区間であって、その区間端において少なくとも他のいずれか１つの受光素子の前記干渉光強度が前記位相差に対してリニアに変化するとみなせる位相差区間と連続する位相差区間であることを特徴とする。
【００２５】
本発明の請求項２記載の位相差算出方法は、請求項１記載の位相差算出方法において、前記複数の受光素子内の第１の受光素子から得られた第１の光強度が、前記第１の受光素子に対応した前記区間に対応する範囲内の光強度である場合、前記第１の光強度から前記位相差を算出し、前記第１の光強度が対応する前記区間に対応する範囲外の光強度に変化した場合、隣接する区間を担当する第２の受光素子から得られた第２の光強度が前記第２の受光素子に対応した区間に対応する範囲内の光強度である場合、前記第２の光強度から前記位相差を算出し、前記第２の光強度が対応する前記区間に対応する範囲外の光強度に変化した場合、順次、隣接する前記受光素子から得られる光強度が、当該受光素子に対応した区間に対応する範囲内にあるかを判定して、前記区間に対応する範囲内に前記光強度がある場合は前記位相差を算出することを特徴とする。
【００２６】
本発明の請求項３記載の位相差算出方法は、請求項１記載の位相差算出方法において、前記Ｎ×Ｎ分岐結合素子として３×３光分岐結合素子を用い、３個の前記受光素子を用い、ｎ番目の受光素子(n=1,2,3)で検出された光の干渉成分（Ｐcn）、非干渉成分（Ｐin）から位相差θを得る位相差算出方法であって、変数ｍに１を代入する第１のステップと、次に、変数ｍを３で除算して得られる剰余に＋１を加え、得られた値を変数ｎに代入する第２のステップと、次に、前記変数ｍの値が奇数か否かを判定し、奇数の場合、φ＝cos-1｛-２（Ppdn - Pin）/Pcn＋１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算し、ｍの値が偶数の場合、φ＝cos-1｛２（Ppdn - Pin）/Pcn -１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算する第３のステップと、次に、前記第３のステップで得られたφがπ/3以上か否かを判定し、φ≧π/3の場合、φが2π/3未満か否かをさらに判定し、満足する場合、θ＝φ＋(ｍ-2)π/3により位相差θを計算し、φ≧π/3を満足しない場合、ｍ−１を前記変数ｍに代入して、第２のステップへ戻り、φが2π/3未満でない場合、ｍ＋１を前記変数ｍに代入し、第２のステップへ戻る第４のステップとを含むことを特徴とする。
【００２７】
本発明の請求項４記載の位相差算出方法は、請求項１記載の位相差算出方法において、前記Ｎ×Ｎ分岐結合素子として３×３光分岐結合素子を用い、２個の前記受光素子を用い、ｎ番目の受光素子(n=1,2)で検出された光の干渉成分（Ｐcn）、非干渉成分（Ｐin）から、位相差θを得る位相差算出方法であって、変数ｍに０を代入する第１のステップと、次に、変数ｍが偶数か否かを判定し、変数ｍが偶数の場合、さらに値ｍ／２が偶数か否かを判定し、前記値ｍ／２が偶数の場合、φ＝cos-1｛-２（Ppd2 - Pi2）/Pc2＋１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算し、前記値ｍ／２が偶数でない場合、φ＝cos-1｛２（Ppd2 - Pi2）/Pc2 -１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算し、一方、変数ｍが偶数でない場合、 さらに(m+1)/2が偶数か否かを判定し、(m+1)/2が偶数の場合、φ＝cos-1｛-２（Ppd3 - Pi3）/Pc3＋１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算し、 (m+1)/2が偶数でない場合、φ＝cos-1｛２（Ppd3 - Pi3）/Pc3 -１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算する第２のステップと、次に、前記変数ｍが偶数の場合であって、前記φがπ/6以上か否かを判定し、前記φがπ/6以上の場合、さらに前記φが2π/3未満か否かを判定し、前記φが2π/3未満の場合、θ＝φ＋(m/2 - 1/3)πにより位相差θを計算し、前記φが2π/3未満でない場合、ｍ＋１を前記ｍに代入し、前記第２のステップへ戻り、一方、前記φがπ/6以上でない場合、ｍ−１を前記ｍに代入し、前記第２のステップへ戻り、前記ｍが偶数でない場合であって、前記φがπ/3以上の場合、前記φが5π/6未満か否かを判定し、前記φが5π/6未満の場合、θ＝φ＋(ｍ−１)π/2により位相差θを計算し、φが5π/6未満でない場合、ｍ＋１を前記ｍに代入し、前記第２のステップへ戻り、一方、前記ｍが偶数でない場合であって、前記φがπ/3以上でない場合、ｍ−１を前記ｍに代入し、前記第１のステップへ戻る第３のステップと、を含むことを特徴とする。
【００２８】
本発明の請求項５記載の位相差算出システムは、光源と、複数の受光素子と、ループ状光ファイバと、前記光源と前記複数の受光素子と前記ループ状光ファイバの開放部の両端とが接続されたＮが３以上であるＮ×Ｎ分岐結合素子とから成り、前記光源から出射された光を前記分岐結合素子によって分岐し、前記ループ状光ファイバの前記開放部の両端それぞれから入射させ、前記ループ状光ファイバ内を時計回りと反時計回りに伝搬させ、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前記反時計回り伝搬光とを前記複数の受光素子に入射させ、前記時計回り伝搬光と前記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、前記複数の受光素子から出力する光ファイバリング干渉型センサと、前記ループ状光ファイバに加わる物理変化を検出するため、前記複数の受光素子から得られる光強度を基に、前記伝搬光の位相差を算出する位相差算出装置とを備えた位相差算出システムであって、前記複数の受光素子は、異なる非相反位相バイアスを有し、位相バイアスがπ以外となる２つ以上の干渉光強度を測定し、前記位相差算出装置は、前記複数の受光素子から順次選択する各受光素子において、前記位相差の周期関数で変化する前記干渉光強度について前記受光素子ごとに予め定められた複数の前記位相差の区間に対応する範囲内の光強度が得られた場合に、この光強度を用いて前記位相差を算出し、前記各受光素子に対応する前記区間は、前記測定される干渉光強度が前記位相差に対してリニアに変化するとみなせる位相差区間であって、その区間端において少なくとも他のいずれか１つの受光素子の前記干渉光強度が前記位相差に対してリニアに変化するとみなせる位相差区間と連続する位相差区間であることを特徴とする。
【００２９】
本発明の請求項６記載の位相差算出システムは、請求項５記載の位相差算出システムにおいて、前記位相差算出装置は、前記複数の受光素子内の第１の受光素子から得られた第１の光強度が、前記第１の受光素子に対応した前記区間に対応する範囲内の光強度である場合、前記第１の光強度から前記位相差を算出し、前記第１の光強度が対応する前記区間に対応する範囲外の光強度に変化した場合、隣接する区間を担当する第２の受光素子から得られた第２の光強度が前記第２の受光素子に対応した区間に対応する範囲内の光強度である場合、前記第２の光強度から前記位相差を算出し、前記第２の光強度が対応する前記区間に対応する範囲外の光強度に変化した場合、順次、隣接する前記受光素子から得られる光強度が、当該受光素子に対応した区間に対応する範囲内にあるかを判定して、前記区間に対応する範囲内に前記光強度がある場合は前記位相差を算出することを特徴とする。
【００３０】
本発明の請求項７記載の位相差算出システムは、前記Ｎ×Ｎ分岐結合素子として３×３光分岐結合素子を用い、３個の前記受光素子を備えた請求項６記載の位相差算出システムであって、前記位相差算出装置は、変数ｍに１を代入する第１の計算手段と、変数ｍを３で除算して得られる剰余に＋１を加え、得られた値を変数ｎに代入する第２の計算手段と、前記変数ｍの値が奇数か否かを判定し、奇数の場合、ｎ番目の受光素子(n=1,2,3)で検出された光の干渉成分（Ｐcn）、非干渉成分（Ｐin）から、φ＝cos-1｛-２（Ppdn - Pin）/Pcn＋１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算し、ｍの値が偶数の場合、φ＝cos-1｛２（Ppdn - Pin）/Pcn -１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算する第３の計算手段と、前記第３の計算手段で得られたφがπ/3以上か否かを判定し、φ≧π/3の場合、φが２π/3未満か否かをさらに判定し、満足する場合、θ＝φ＋(m-2)π/3により位相差θを計算し、φ≧π/3を満足しない場合、前記第２の計算手段へｍ−１を前記変数ｍに代入させ、φが2π/3未満でない場合、前記第２の計算手段へｍ−１を前記変数ｍに代入させる第４の計算手段とを含むことを特徴とする。
【００３１】
本発明の請求項８記載の位相差算出システムは、前記Ｎ×Ｎ分岐結合素子として３×３光分岐結合素子を用い、２個の前記受光素子を備えた請求項６記載の位相差算出システムであって、前記位相差算出装置は、変数ｍに０を代入する第１の計算手段と、変数ｍが偶数か否かを判定し、変数ｍが偶数の場合、さらに値ｍ／２が偶数か否かを判定し、前記値ｍ／２が偶数の場合、ｎ番目の受光素子(n=1,2)で検出された光の干渉成分（Ｐcn）、非干渉成分（Ｐin）から、φ＝cos-1｛-２（Ppd2 - Pi2）/Pc2＋１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算し、前記値ｍ／２が偶数でない場合、φ＝cos-1｛２（Ppd2 - Pi2）/Pc2 -１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算し、一方、変数ｍが偶数でない場合、さらに(m+1)/2が偶数か否かを判定し、(m+1)/2が偶数の場合、φ＝cos-1｛-２（Ppd3 - Pi3）/Pc3＋１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算し、 (m+1)/2が偶数でない場合、φ＝cos-1｛２（Ppd3 - Pi3）/Pc3 -１｝により０≦φ＜πの範囲でφを計算する第２の計算手段と、前記変数ｍが偶数の場合であって、前記φがπ/6以上か否かを判定し、前記φがπ/6以上の場合、さらに前記φが2π/3未満か否かを判定し、前記φが2π/3未満の場合、θ＝φ＋(m/2 - 1/3)πにより位相差θを計算し、前記φが2π/3未満でない場合、前記第２の計算手段へｍ−１を前記変数ｍに代入させ、一方、前記φがπ/6以上でない場合、前記第２の計算手段へｍ−１を前記変数ｍに代入させ、前記ｍが偶数でない場合であって、前記φがπ/3以上の場合、前記φが5π/6未満か否かを判定し、前記φが5π/6未満の場合、θ＝φ＋(ｍ−１)π/2により位相差θを計算し、φが5π/6未満でない場合、前記第２の計算手段へｍ−１を前記変数ｍに代入させ、一方、前記ｍが偶数でない場合であって、前記φがπ/3以上でない場合、前記第２の計算手段へｍ−１を前記変数ｍに代入させる第３の計算手段とを含むことを特徴とする。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００３３】
実施の形態．
本発明の光ファイバリング干渉型センサの位相差算出方法及び位相差算出システムに関して図面を参照しながら以下に説明する。
【００３４】
図３は、光ファイバ１３と、３×３光分岐結合素子３０（Ｎ＝３）と、１個の発光素子１１、３個の受光素子等15-1〜15-3から構成された光ファイバリング干渉型センサ３５と、この光ファイバリング干渉型センサ３５から出力された受光素子の光強度Ppdn（nは正の整数）を基にして伝搬光の位相差θを算出するための位相差算出装置３４からなる位相差算出システム３６を示すブロック図である。尚、ＡＤＣ３２はアナログ／デジタルコンバータである。
【００３５】
この構成において、発光素子（光源）１１から発せられた光は、３×３光分岐結合素子光３０を介して、時計回り（ＣＷ）伝搬光と反時計回り（ＣＣＷ）伝搬光とに分岐され、光ファイバ１３を伝搬して３×３光分岐結合素子３０で結合される。そして、３×３光分岐結合素子３０及び光分岐結合素子１２を用いたことで、光ファイバ１３のループを伝搬する伝搬光の干渉波の光強度の周期変動は、受光素子15-1,15-2,15-3の入力ポート側で、互いに２／３πずれることになる。このように、３つの受光素子15-1,15-2,15-3が、互いに干渉するこれらの伝搬光の状態を２／３πずれた光強度としてそれぞれ検出する。
【００３６】
光ファイバ１３のリングが静的状態下にある場合、即ち、何らの加振等の外乱が加えられていない場合、時計回り（ＣＷ）伝搬光と反時計回り（ＣＣＷ）伝搬光との間の位相差θはゼロ（θ=0）となる。
【００３７】
即ち、図３に示した光ファイバ１３のリングに対して何も加振が加えられない状態では、各受光素子15-1〜15-3から出力される光強度は、図１に示す参照番号Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３に示すような一定値となり、それらの光強度は変動しない。
【００３８】
図３に示す３個の受光素子15-1〜15-3において、ｎ番目の受光素子(n=1,2,3)で検出された光の干渉成分をＰcn，非干渉成分をＰinとすると、ｎ番目の受光素子１５で得られる光強度Ｐpdｎは
Ｐpd1 ＝Ｐi1 ＋Ｐc1 ｛１＋cos（θ＋２π／３）｝／２  …（３）
Ｐpd2 ＝Ｐi2 ＋Ｐc2 ｛１＋cos（θ−２π／３）｝／２  …（４）
Ｐpd3 ＝Ｐi3 ＋Ｐc3 （１＋cosθ）／２              …（５）
で表すことができる。
【００３９】
図１は、３つの受光素子15-1〜15-3での光強度Ｐpdｎ(n=1,2,3)と位相差θとの関係を示す説明図である。
【００４０】
図１において、各受光素子15-1,15-2,15-3で得られる光強度はＰpd1 ，Ｐpd2 ，Ｐpd3である。これらの光強度Ppdn(n=1,2,3)は、その最大値がＰpdn ＝Ｐin＋Ｐcn、その最小値がＰpdn ＝Ｐin、その振幅がＰcn／２である周期関数cosθの波形である。
【００４１】
一方、光ファイバリング干渉型センサ３５の光ファイバ１３へ加振が加えられた場合、各受光素子15-1〜15-3から得られる光強度Ｐpdn（n=1,2,3）は、図１に示すように周期的に変動する。この周期的に変動する光強度Ppdnの関数の中で最もスケールファクタの良い部分を太線で表わしている（図１内の太線部分を参照）。
【００４２】
図１で明らかなように、ある受光素子から出力される光強度Ppdnのスケールファクタの悪い部分（太線以外の部分）は、他の受光素子から得られる光強度Ppdnの太線で示した部分で補完できることが判る。
【００４３】
このように、π／３毎の区間において、各受光素子15-1〜15-3から得られる光強度Ppdnのそれぞれの太線の部分（スケールファクタが良い部分）においては、光強度Ｐpdn とθはリニアに近い形で対応するので、現在どの区間であるかが判明すれば、光強度Ｐpdn から自動的に位相差θの値を得ることが出来る。
【００４４】
伝搬光の位相差θは連続的に変化するため、位相差θの変化を順に追っていくことで現在の区間を特定することができる。即ち、各受光素子で検出される伝搬光の光強度Ppdnは、位相差θの周期関数（cos関数）で変化する。そして、伝搬光の位相差θは連続的に変化するので、光強度Ppdnの変化を追って行くことで位相差θの値を知ることができる。
【００４５】
図２は、図３に示した光ファイバリング干渉型センサ３５を用いた位相差算出装置３４において、位相差θを算出する為の動作を示したフローチャートである。
【００４６】
次に、図２のフローチャートを参照しながら、図３の位相差算出装置３４で実行される位相差算出方法を説明する。
【００４７】
図２に示したフローチャートでは、各受光素子15-1〜15-3で得られる光強度Ppdn(n=1,2,3)は周期関数（COS関数）に従って変化する。
【００４８】
この光強度Ppdnの周期関数に基づいた変化において、非干渉成分Ｐin，干渉成分Ｐcnを用いて、０≦φ＜πの範囲でφを算出し、算出して得られたφがπ／3≦φ＜2π/3であれば、それを補正（θ＝φ＋（m-2）π/3）してθを得るものである。
【００４９】
ここで、φ＝π/3と２π/3は、図１での光強度Ppdnの変化におけるPthnHとPthnL(n=1,2,3)に対応する。従って、受光素子15-1〜15-3から得られる光強度Ppdnの値が、PthnHとPthnLとの範囲内にある場合、位相差θに対してリニアに変化すると見なされるので、このリニアな部分を用いて、光強度Ppdnから伝搬光の位相差θを算出する。
【００５０】
尚、Ｐin，Ｐcn(n=1,2,3)は光ファイバリング干渉型センサ３５の測定系（光ファイバ１３と３×３光分岐結合素子３０等からなる）が決まれば決定する値である。また、PthnH、PthnL(n=1,2,3)は、各受光素子15-1〜15-3で得られる光強度の範囲であり、この範囲内の光強度を用いて位相差θを計算する。
【００５１】
先ず、変数ｍに１を代入する（ステップＳ２０）。
【００５２】
次に、変数ｍ（初期値はｍ＝１）を３で除算して得られる剰余に＋１を加え、得られた値を変数ｎに代入する。ここで、ｍを３で除算した剰余とは、ｍ以下でかつ最も大きい３の倍数をｍから減算した値を意味する。例えば、ｍ＝０ならば、ｎ＝１であり、ｍ＝−４ならばｎ＝３となる（ステップＳ２１）。
【００５３】
次に、ｍの値が奇数か否かを判定する。奇数の場合、処理の流れはステップＳ２３に進む。ステップＳ２３では、計算式φ＝cos-1｛-２（Ppdn - Pin）/Pcn＋１｝によりφを計算する。
【００５４】
一方、変数ｍの値が偶数の場合、処理の流れはステップＳ２４に進む。ステップＳ２４では、計算式φ＝cos-1｛２（Ppdn - Pin）/Pcn -１｝によりφを計算する。
【００５５】
尚、ステップＳ２３及びＳ２４のcos-1の式においては、０<=φ<πの範囲でφを算出する。
【００５６】
次に、計算で得られたφがπ/3以上か否かを判定する（ステップＳ２５）。
【００５７】
ステップＳ２５での判定の結果がφ>=π/3の場合、処理の流れはステップＳ２７へ進む。
【００５８】
ステップＳ２５での判定結果が、φ>=π/3を満足しない場合、処理の流れはステップＳ２６へ進む。ステップＳ２６ではｍ - 1を変数ｍに代入する。その後、処理の流れはステップＳ２１へ戻り、上記の処理を繰り返す。
【００５９】
ステップＳ２７において、φが２π/3未満か否かを判定する（ステップＳ２７）。満足する場合、計算式θ＝φ＋(m-2)π/3に従って位相差θを計算する（ステップＳ２８）。位相差算出装置３４は、計算で得られた位相差θを外部へ出力する。
【００６０】
一方、ステップＳ２７においてφが２π/3未満でない場合、処理の流れはステップＳ２９へ進む。ステップＳ２９ではｍ + 1を変数ｍに代入する。その後、処理の流れはステップＳ２１へ戻り上記の処理を繰り返す。
【００６１】
以上のように、本実施の形態の位相差算出装置３４では、ステップＳ２１において、ｍの初期値は１であるので、最初は、２番目の受光素子15-2(n=2)から得られた光強度Ppd2に関してチエックを行い、条件が満足すれば、位相差θを計算する。次に、１番目か３番目の受光素子（n=1またはn=3）から得られた光強度を用いて、θを算出する。
【００６２】
上記の位相差算出装置３４で実行した位相差算出方法では、３×３（N=3）の光分岐結合素子の場合を説明したが、４×４（N=4）や５×５(N=5)等の光分岐結合素子を用いた場合であっても、干渉光どうしの位相バイアスがπ以外となるものが２つ以上測定可能で有れば、同様に位相差θを算出することができる。
【００６３】
また、図３で示した構成における接続光ファイバを削減して簡単な構成とするために、図４に示す位相差算出システム３８の構成の様に、受光素子の１つを削減した構成の光ファイバリング干渉型センサ３７を用いてもよい。
【００６４】
この構成の場合、光強度Ppdnのφの区間の分け方や閾値が煩雑になるが、基本的な位相差θの算出方法は同じである。
【００６５】
図５は、図４で示した構成における光ファイバリング干渉型センサ３７内における２つの受光素子15-2,15-3から出力される光強度Ppd2とPpd3と位相差θとの相関を示す説明図である。
【００６６】
図５において、受光素子15-2から得られる光強度Ppd2の値が、Pth2H1とPth2L1およびPth2H2とPth2L2との範囲内にある場合、位相差θに対してリニアに変化すると見なされるので、このリニアな部分を用いて、光強度Ppd2から伝搬光の位相差θを算出するものである。
【００６７】
同様に、受光素子15-3から得られる光強度Ppd3の値が、Pth3H1とPth3L1およびPth3H2とPth3L2との範囲内にある場合、位相差θに対してリニアに変化すると見なされるので、このリニアな部分を用いて、光強度Ppd3から伝搬光の位相差θを算出するものである。
【００６８】
図６は、図４に示した構成の光ファイバリング干渉型センサ３７を用いて位相差算出装置が位相差θを算出するための処理動作を示すフローチャートである。
【００６９】
先ず、変数ｍに０を代入する（ステップＳ６１）。
【００７０】
次に、ステップＳ６１において変数ｍが偶数か否かを判定する。変数ｍが偶数の場合、ステップＳＳ６２で、値ｍ／２が偶数か否かを判定する。値ｍ／２が偶数の場合、ステップＳ６３で、計算式φ＝cos-1｛-２（Ppd2 - Pi2）/Pc2＋１｝によりφを計算する。
【００７１】
ステップＳ６２でｍ／２が偶数でない場合、ステップＳ６４で、計算式φ＝cos-1｛２（Ppd2 - Pi2）/Pc2 -１｝によりφを計算する。
【００７２】
そして、ステップＳ６３，ステップＳ６４での計算処理が終了したら、ステップＳ６８へ進む。
【００７３】
一方、ステップＳ６１の判定でｍが偶数でない場合、ステップＳ６５で(m+1)/2が偶数か否かを判定する。
【００７４】
ステップＳ６５の判定で、(m+1)/2が偶数の場合、ステップＳ６６で、計算式φ＝cos-1｛-２（Ppd3 - Pi3）/Pc3＋１｝によりφを計算する。
【００７５】
尚、ステップＳ６５の判定で、(m+1)/2が偶数でない場合、ステップＳ６７で、計算式φ＝cos-1｛２（Ppd3 - Pi3）/Pc3 -１｝によりφを計算する。
【００７６】
そして、ステップＳ６６，ステップＳ６７での計算処理が終了したら、ステップＳ７０へ進む。
【００７７】
ステップＳ６８では、φがπ/6以上か否かを判定する。
【００７８】
ステップＳ６８の判定で、φがπ/6以上の場合、さらにステップＳ７１で、φが2π/3未満か否かを判定する。
【００７９】
一方、ステップＳ６８の判定でφがπ/6以上でない場合、ステップＳ６９で、m-1をｍに代入し、処理の流れはステップＳ６１へ戻る。
【００８０】
さらにステップＳ７１の判定で、φが2π/3未満の場合、ステップＳ７４で、θ=φ＋(m/2 - 1/3)πを計算する。そして、計算で得られた位相差θを外部装置（図示せず）へ出力する。その後、処理の流れはステップＳ６１へ戻る。
【００８１】
一方、ステップＳ７１の判定で、φが2π/3未満でない場合、ステップＳ７３で、ｍ＋１をｍに代入し、処理の流れはステップＳ６１へ戻る。
【００８２】
また、ステップＳ７０の判定で、φがπ/3以上の場合、ステップＳ７２で、φが5π/6未満か否かを判定する。
【００８３】
ステップＳ７２の判定で、φが5π/6未満の場合、ステップＳ７５で、θ=φ＋(m - 1)π/2を計算する。そして、計算で得られた位相差θを外部装置（図示せず）に出力する。その後、処理の流れはステップＳ６１へ戻る。
【００８４】
一方、ステップＳ７０の判定でφがπ/3以上でない場合、ステップＳ６９で、m-1をｍに代入し、処理の流れはステップＳ６１へ戻る。
【００８５】
また、ステップＳ７２の判定でφが5π/6未満でない場合、ステップＳ７３で、m＋1をｍに代入し、処理の流れはステップＳ６１へ戻る。
【００８６】
尚、ステップＳ６３，Ｓ６４，Ｓ６６，及びＳ６７のcos-1の式においては、０<=φ<πの範囲でφを算出する。
【００８７】
このように、図３で示した構成から受光素子の１つを削減した構成、即ち図４に示す構成の場合でも位相差θを算出することができる。
【００８８】
以上、詳細に説明したように、本発明の光ファイバリング干渉型センサを用いた位相差算出方法及びシステムによれば検出可能な位相差の範囲が理論上無限大に拡大することができる。一方、従来の方法では位相差の検出範囲が波形の１周期分しか取れず、測定範囲を超えた場合でも超えたことを検知できない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る３×３光分岐結合素子からなる光ファイバリング干渉型センサから得られる伝搬光の位相差θと光強度Ｐpdnとの相関を示す波形図である。
【図２】図３に示す位相差算出装置において、図１に示した波形図を基に伝搬光の位相差θを算出するためのフローチャートである。
【図３】本発明に係る３×３光分岐結合素子から構成された光ファイバリング干渉型センサと位相差算出装置とからなる位相差算出システムを示すブロック図である。
【図４】光ファイバリング干渉型センサと位相差算出装置とからなる位相差算出システムの他の構成例を示すブロック図である。
【図５】図４で示した光ファイバリング干渉型センサから得られる伝搬光の位相差θと光強度Ppdnとの相関を示す波形図である。
【図６】図５の波形図から伝搬光の位相差θを算出するためのフローチャートである。
【図７】位相差θと光強度Ppdnの相関を示す説明図である。
【図８】光ファイバリング干渉型センサの基本的原理を説明するブロック図である。
【図９】光ファイバリング干渉型センサの構成例を示すブロック図である。
【図１０】光ファイバリング干渉型センサの他の構成例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１  発光素子または光入力素子
１２  光分岐結合素子
１３  光ファイバ
１５−１，１５−２，１５−３  受光素子または光出力端子
１６  光遅延素子
３０  3×3 光分岐結合素子
３２  ＡＤコンバータ
３４  位相差算出装置
３５  光ファイバリング干渉型センサ
３６  位相差算出装置
３７  光ファイバリング干渉型センサ
３８  位相差算出システム
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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