(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏波回転器を回転させていって得られる、ほぼ全ての偏光状態におけるパルス状のレーザ光に対し、調整対象の光ファイバにおいて、長さが異なる複数の光路を伝搬させた前記レーザ光を偏波分光器で分離し、その偏光状態の差の最大値を偏光状態演算器が算出する工程と、
複屈折の強さを表す指数である光路のリターデーションの差が２πの整数倍となるようにするため、前記偏光状態の差の最大値が０となるように、前記光路となる前記光ファイバを変化を加えて調節する工程と
を有することを特徴とする干渉型光ファイバセンサの調節方法。
【請求項２】
前記光ファイバの長さを調節して前記光ファイバの調節を行うことを特徴とする請求項１記載の干渉型光ファイバセンサの調節方法。
【請求項３】
前記光ファイバの形を変形して前記光ファイバの調節を行うことを特徴とする請求項１記載の干渉型光ファイバセンサの調節方法。
【請求項４】
前記光ファイバの屈折率を調節して前記光ファイバの調節を行うことを特徴とする請求項１記載の干渉型光ファイバセンサの調節方法。
【請求項５】
前記光ファイバの屈折率を調節するために紫外線を照射することを特徴とする請求項４記載の干渉型光ファイバセンサの調節方法。
【請求項６】
前記光ファイバの屈折率分布を調節して前記光ファイバの調節を行うことを特徴とする請求項１記載の干渉型光ファイバセンサの調節方法。
【請求項７】
前記光ファイバの屈折率分布を調節するために、前記光ファイバに応力を加えて歪ませ、紫外線を照射することを特徴とする請求項６記載の干渉型光ファイバセンサの調節方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は干渉型光ファイバセンサ及びその製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
特開平８−７９２８号公報及び特開平９−１９６７４８号には、測定する物理量に基づいて光ファイバの長さが変化し、位相差も変化するレーザ光同士を干渉させ、その位相差に基づいて物理量を測定する干渉型光ファイバセンサ及びその復調装置に関する一般的なものが記載されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
単一モードファイバを用いて干渉型光ファイバセンサを構成した場合、光ファイバの歪み（機械的な変形）等で複屈折の強さが変化する。そのため、干渉する２つのレーザ光の偏光状態がそれぞれ異なってしまう。これは２つの被干渉光の偏光状態が一致していない状態である。このとき干渉度が低下してセンサの感度及び信号対雑音比（ＳＮＲ）が低下する。また、偏光状態の差に変動がある場合には、その変動に関連したノイズが発生してしまう。
【０００４】
特開平９−１９６７４８号に示す位相復調器では感度の変化を抑えることはできるが、信号対雑音比が低下する問題と偏光状態の差の変動に関連したノイズの発生問題等は残されたままである。ここで、定偏波ファイバを用いれば被干渉光の偏光状態を常に一致させることができるが、そのために高いコストを費やすことになる。
【０００５】
そこで、複数の光路を伝搬するレーザ光同士の偏光状態の差をできるだけ小さくし、偏光状態が安定した光ファイバセンサ等の実現が望まれていた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る干渉型光ファイバセンサの調節方法は、偏波回転器を回転させていって得られる、ほぼ全ての偏光状態におけるパルス状のレーザ光に対し、調整対象の光ファイバにおいて、長さが異なる複数の光路を伝搬させたレーザ光を偏波分光器で分離し、その偏光状態の差の最大値を偏光状態演算器が算出する工程と、複屈折の強さを表す指数である光路のリターデーションの差が２πの整数倍となるようにするため、偏光状態の差の最大値が０となるように、光路となる光ファイバを変化を加えて調節する工程とを有している。
本発明においては、偏波回転器を回転させて得られる全ての偏光状態に対して、偏光状態演算器が、光ファイバの複数の光路を伝搬したパルス状のレーザ光の偏光状態の差の最大値を算出する。そして、その最大値が０となるように、光路となる光ファイバを変化を加えて調節することで、光路のリターデーションの差が２πの整数倍になるようにする。
【０００８】
本発明に係る光ファイバセンサは、上記の光ファイバの調節方法により調整した光ファイバを用いて物理量を測定する。
本発明においては、物理量を測定するための光ファイバセンサにおいて、干渉等により複数の光路を伝搬したレーザ光が合成したときに、光路のリターデーションの差が２πの整数倍になるように調節した光ファイバを用いてＳＮＲを高くし、雑音発生を抑えるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
実施形態１．
図１は本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバセンサの構成図である。図において、１は光源であり、例えばＦＭ変調を施したレーザ光を送出する。２はサーキュレータである。サーキュレータ２にあるそれぞれのポートは、ある特定の方向に光を伝達する。３はセンサヘッド部である。センサヘッド部３は、反射器３１ａ、３１ｂ、センシングファイバ３２、リファレンスファイバ３３、合分波器３４で構成されている。合分波器３４で分岐されたレーザ光が、それぞれセンシングファイバ３２及びリファレンスファイバ３３を伝搬する。ここで、センシングファイバ３２の長さが測定対象の物理量に基づいて変化するため、反射器３１ａにより反射される光もそれにより位相が変化する。そのため、反射器３１ａ、反射器３１ｂにより反射され、センシングファイバ３２及びリファレンスファイバ３３を通過して、合分波器３４により再度合成された干渉光も変化する。
【００１０】
４はＯ／Ｅ変換器である。Ｏ／Ｅ変換器４は、干渉光の強さ（以下、干渉出力という）を電気信号に変換する。５は位相復調器である。位相復調器５は電気信号に基づいて復調を行い、位相差を算出する。
【００１１】
第１の実施の形態においては、偏光状態が安定した光ファイバセンサを得るために、センシングファイバにおける光路のリターデーションとリファレンスファイバ３３における光路のリターデーションとの差を２πの整数倍（又はそれに近い状態）にし、干渉度を大きくした干渉出力が得られるようにする。
【００１２】
次に第１の実施の形態の光ファイバセンサの動作について説明する。光ファイバ等の複屈折性を有する光路を伝搬した光の偏光状態は、ジョーンズベクトルにより次式（１）で表される。ここで、ＥXI及びＥYIは、入力光電界のＸ成分とＹ成分であり、ＥXO及びＥYOは、出力光電界のＸ成分とＹ成分である。また、δはリターデーションである。リターデーションとは複屈折の強さを表す指数のことである。
【００１３】
【数１】
0004329256.tif 000002
【００１４】
本実施の形態では、センシングファイバ３２側の光路のリターデーションδS とリファレンスファイバ３３側の光路のリターデーションδR とが、次式（２）で表される式を満たすように調節する。この調節は第３の実施の形態以降で説明するが、センシングファイバ３２の一部分に対して変化を加えることで調整を行ってもよいし、全体に対して変化を加えて調節を行ってもよい。
δS−δR≒２πＮ    （Ｎは整数）                            …（２）
【００１５】
したがって、干渉する２つのレーザ光の偏光状態がほぼ一致し（Ｎが奇数の場合には位相が反転するものの偏光状態は同一である）、干渉度がほぼ最大で安定した干渉出力が得られる。したがってＳＮＲが大きくなる。この干渉出力がＯ／Ｅ変換部４に入力され電気信号に変換される。そして、その電気信号に基づいて復調部５が、測定対象の物理量を算出する。
【００１６】
以上のように第１の実施の形態によれば、センシングファイバにおける光路のリターデーションとリファレンスファイバ３３における光路のリターデーションとの差を２πの整数倍にできるだけ近い状態にし、干渉度を大きくした干渉出力が得られるようにしたので、ノイズの発生を抑え、ＳＮＲを大きくすることができ、精度の高い物理量の測定を行うことができる。
【００１７】
実施形態２．
図２は本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバセンサの構成図である。図２において、図１と同じ図番を付しているものは、第１の実施の形態で説明したことと同様の動作を行うので説明を省略する。図において、光源１Ａはパルス状のレーザ光を送出する。リファレンスファイバ３３Ａは、リファレンスファイバ３３と同様の光ファイバであるが、センサヘッド部３にはなく、光源１とサーキュレータ２との間に設けられている。そして、分波器６により分波された光源１Ａからのレーザ光を通過させ、遅延させる。そして、合波器７において光源１Ａから送出されたレーザ光とリファレンスファイバ３３Ａを伝搬して遅延したレーザ光とが合成される。ここで、合波器７で合成される２つのレーザ光の偏光状態がほぼ一致するように構成する。
【００１８】
また、３Ａはセンサヘッド部である。図２のように部分反射器３６、センシングファイバ３２、反射器３１ａの順に設けられている。部分反射器３６は、入力されるレーザ光の一部を反射し、残りを透過する素子である。このような部分反射器として、例えばファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）がある。ここでセンシングファイバ３２を往復する光路におけるリターデーションが、２π（ｒａｄ）（１波長分）の整数倍になるように調節する。また、図２に記載している英字は光路を表す。
【００１９】
第２の実施の形態においては、２つの光路を通過するレーザ光を合成する場合に、それぞれのレーザ光の偏光状態を一致させておくようにあらかじめ調節しておくようにしてものである。
【００２０】
次に第２の実施の形態の光ファイバセンサの動作について説明する。光電部１Ａから送出されたパルス状のレーザ光は、分波器６において、２つの光路を伝搬してサーキュレータ２に入力される。１つは、合波器７、サーキュレータ２を伝搬する光路である（光路Ａ−Ｂ−Ｄ）。もう１つは、リファレンスファイバ３３Ａ、合波器７、サーキュレータ２を伝搬する光路である（光路Ａ−Ｃ−Ｄ）。この光路はリファレンスファイバ３３Ａを伝搬する分だけ光路が長くなり、遅延することになる。これらは合波器７で合成され、サーキュレータ２に入力されることになる。
【００２１】
サーキュレータ２はセンサヘッド３にそのレーザ光を透過する。そのレーザ光は、一部（リファレンスファイバ３３Ａを伝搬して遅延したパルス部分）は部分反射器３６で反射され、サーキュレータ２に入力される（光路Ｅ−Ｆ−Ｅ）。残りは、センシングファイバ３２を伝搬し、反射器３１ａで反射され、サーキュレータ２に入力される（光路Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｆ−Ｅ）。センシングファイバ３２を伝搬しても、リターデーションが２π（ｒａｄ）の整数倍であるので、偏光状態を同一にすることができる。
【００２２】
サーキュレータ２は、Ｏ／Ｅ変換器４にそのレーザ光を透過する。Ｏ／Ｅ変換器４には、光路Ａ−Ｂ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｇ−Ｆ−Ｅ−Ｈを伝搬したレーザ光と光路Ａ−Ｃ−Ｄ−Ｅ−Ｆ−Ｅ−Ｈを伝搬したレーザ光とが干渉出力として入力され、電気信号に変換される。そして、その電気信号に基づいて復調部５が、測定対象の物理量を算出する。
【００２３】
以上のように第２の実施の形態によれば、分波器６と合波器７との間及び部分反射器３６及び反射器３１ａとの間のレーザ光の偏光状態を一致させておくようにあらかじめ調節しておくようにしたので、ノイズの発生を抑え、ＳＮＲを大きくすることができ、精度の高い物理量の測定を行うことができる。
【００２４】
実施形態３．
図３は本発明の第３の実施の形態に係る光ファイバ調節装置を表すブロック図である。図３において、図１又は図２と同じ図番を付しているものは、第１の実施の形態又は第２の実施の形態で説明したことと同様の動作を行うので説明を省略する。図において、１０は測定部であり、光ファイバの偏光状態調節するための測定を行う。測定部１０は、光電部１Ａ、サーキュレータ２、偏波回転器１１、偏波分光器１２、Ｏ／Ｅ変換器４及び偏光状態演算器１３で構成される。偏波回転器１１は、光源１Ａから送出されるレーザ光を回転させ、偏光状態を調節するためのものである。偏波分光器１２はサーキュレータ２からの干渉出力に基づいて、偏光状態演算器１３が演算を行うのに必要なパラメータを出力する。偏光状態演算器１３は偏光状態を算出し、２つのパルス状レーザ光の偏光状態の差を算出する。ここで、センシングファイバ３２については、反射器３１ａと部分反射器３６との間の長さを変えられるものとする。
【００２５】
ここで、第２の実施の形態で説明した分波器６と合波器７との間の光ファイバ（光路Ｂ及びＣの光ファイバ）やマッハ・ツェンダ干渉計のようにレーザ光の入出力の位置が異なる場合がある。このような場合、サーキュレータ２、センサヘッド３Ａの代わりに、偏波回転器１１からのレーザ光をリターデーション調節対象の光干渉計に直接入力するようにする。また、リターデーション調節対象の光干渉計を伝搬したレーザ光を直接偏波分光器１２に入力するようにする。そして、少なくとも一方の（両方でもよい）干渉計のアームとなる光ファイバの長さを変えられるようにしておく。
【００２６】
第３の実施の形態は、光路が２つ以上のレーザ光を合成させる場合に、リターデーションが２π（ｒａｄ）の整数倍になるように調節装置により、あらかじめ調節し、上述の実施の形態のような偏光状態が安定した光ファイバセンサを製造しようとするものである。
【００２７】
次に調節動作について説明する。光源１Ａから送出されるパルス状のレーザ光を偏波回転器１１で回転させ、ほぼ全ての偏光状態を表すようにする。部分反射器３６で反射された分のパルス及びセンシングファイバ３２を伝搬して反射器３１ａで反射され、再度センシングファイバ３２を伝搬した分のパルスとの２つのパルス光が偏波分光器１２に入力される。そして、このパルス光に基づいて最終的に偏光状態演算器１３では偏光状態の差を算出し、その最大値を決定する。そして、この最大値が０に近い値となるようにセンシングファイバ３２の長さを調節する。このとき、センシングファイバ３２を往復する光路（部分反射器３６と反射器３１ａとの間）におけるリターデーションが、２π（ｒａｄ）の整数倍になる。
【００２８】
以上のように第３の実施の形態によれば、偏光状態演算器１３が算出した偏光状態の差の最大値を０にするようにセンシングファイバ３２の長さを調節するようにし、部分反射器３６と反射器３１ａとの間におけるリターデーションが２π（ｒａｄ）の整数倍となるように調整するようにしたので、偏光状態が安定した光ファイバセンサを得ることができる。
【００２９】
実施形態４．
図４は本発明の第４の実施の形態に係る光ファイバ調節装置の構成図である。図４において、図３と同じ図番を付しているものは、第３の実施の形態で説明したことと同様の動作を行うので説明を省略する。図４において、センシングファイバ３２Ａは、反射器３１ａと部分反射器３６との間の長さを変えられない代わりに光ファイバの形を変形できるもの（例えば曲げ半径をかえる）とする。
【００３０】
調節動作については、第３の実施の形態とほぼ同じであるので説明を省略する。ただ、第３の実施の形態と異なる点は、センシングファイバ３２Ａの変形によって偏光状態の差の最大値が０に近い値となるように調節する点である。
【００３１】
以上のように第４の実施の形態によれば、偏光状態演算器１３が算出した偏光状態の差の最大値を０にするようにセンシングファイバ３２の形を変形するようにし、部分反射器３６と反射器３１ａとの間におけるリターデーションが２π（ｒａｄ）の整数倍となるように調整するようにしたので、偏光状態が安定した光ファイバセンサを得ることができる。
【００３２】
実施形態５．
図５は本発明の第５の実施の形態に係る光ファイバ調節装置の構成図である。図５において、図３と同じ図番を付しているものは、第３の実施の形態で説明したことと同様の動作を行うので説明を省略する。図５において、２０は紫外線光源部である。紫外線光線部２０は、光ファイバの屈折率を変化させることができる紫外線をセンシングファイバ３２Ｂに照射するためのものである。また、センシングファイバ３２Ｂは、反射器３１ａと部分反射器３６との間で、紫外線を照射されることで屈折率が変化する。
【００３３】
調節動作については、第３の実施の形態とほぼ同じであるので説明を省略する。ただ、第３の実施の形態と異なる点は、センシングファイバ３２Ａに紫外線光源２０からの紫外線を照射して屈折率を変え、偏光状態の差の最大値が０に近い値となるように調節する点である。
【００３４】
以上のように第５の実施の形態においては、偏光状態演算器１３が算出した偏光状態の差の最大値を０にするようにセンシングファイバ３２の屈折率を変化するよう紫外線を照射し、部分反射器３６と反射器３１ａとの間におけるリターデーションが２π（ｒａｄ）の整数倍となるように調整するようにしたので、偏光状態が安定した光ファイバセンサを得ることができる。
【００３５】
実施形態６．
図６は本発明の第６の実施の形態に係る光ファイバ調節装置の構成図である。図６において、図１、図３及び図５と同じ図番を付しているものは、第１、第３及び第５の実施の形態で説明したことと同様の動作を行うので説明を省略する。図６において、測定部１０Ａは、偏波分光器１２及び偏光状態演算器１３の代わりに波形測定器１４を設けた点で測定部１０とは異なる。１４は例えば波形測定器である。Ｏ／Ｅ変換器４が変換した干渉出力の電気信号に基づいて干渉出力の測定を行う。２１は応力発生器である。応力発生器２１は、センシングファイバ３２Ｂに対して径方向に不均一な歪みを加えるものである。その歪みを加えた状態で紫外線を照射すると光ファイバの屈折率分布が変わる。
【００３６】
第６の実施の形態においては、センシングファイバ３２Ｂを伝搬したレーザ光とリファレンスファイバ３３を伝搬したレーザ光とによる干渉出力の変動幅を０にするように、応力発生器２１によりセンシングファイバ３２Ｂに対して径方向に不均一な歪みを加え、紫外線光源２０により紫外線を照射して光ファイバの屈折率分布を変えるようにしたものである。
【００３７】
次に調節動作について説明する。光源１Ａから送出されるレーザ光を偏波回転器１１で回転させ、ほぼ全ての偏光状態を表すようにする。合分波器３４で分岐されたレーザ光が、それぞれセンシングファイバ３２及びリファレンスファイバ３３を伝搬する。波形測定器１４は、反射器３１ａ、反射器３１ｂにより反射され、センシングファイバ３２Ｂ及びリファレンスファイバ３３を通過して、光カプラ３４により再度合成された干渉出力振幅の変動幅を測定する。その測定結果として、応力測定器２１によりセンシングファイバ３２Ｂの径方向に不均一な歪みを加える。そこに紫外線を光源２０により照射して光ファイバの屈折率分布を変え、干渉出力振幅の変動幅をほぼ０にする。このとき、センシングファイバ３２Ｂとリファレンスファイバ３３の光路におけるリターデーションの差が２π（ｒａｄ）の整数倍になる。
【００３８】
以上のように第６の実施の形態においては、センシングファイバ３２Ｂを伝搬したレーザ光とリファレンスファイバ３３を伝搬したレーザ光とによる干渉出力の変動幅を０にするように、応力発生器２１によりセンシングファイバ３２Ｂに対して径方向に不均一な歪みを加え、紫外線光源２０により紫外線を照射して光ファイバの屈折率分布を変えるようにしたので、偏光状態が安定した光ファイバセンサを得ることができる。
【００３９】
実施形態７．
上述の第１の実施の形態では、センサヘッド部３にマイケルソン型光ファイバ干渉計を用いたが、これに限定されるものではなく、例えばマッハ・ツェンダ型干渉計、ファブリ・ペロー型干渉計等を用いてもよい。
【００４０】
実施形態８．
また、上述の第２の実施の形態では、センサヘッド部３Ａとしてファブリ・ペロー型干渉計を用いたが、これに限定されるものではなく、例えばマッハ・ツェンダ型干渉計、マイケルソン型干渉計等を用いてもよい。また、リファレンスファイバ３３Ａの部分については、マッハ・ツェンダ型を用いたが、これに限定されるものではなく、マイケルソン型、ファブリ・ペロー型等を用いてもよい。
【００４１】
実施形態９．
上述の第２の実施の形態では、リファレンスファイバ３３Ａ、分波器６及び合波器７については、光源１Ａとサーキュレータ２との間に設けるようにしたが、これをサーキュレータ２とＯ／Ｅ変換器４との間に設けるようにしてもよい。
【００４２】
実施形態１０．
上述の第３の実施の形態〜第６の実施の形態では、それぞれ長さ、形状、屈折率、屈折率分布の調節による光ファイバ調節について述べたが、これらを組み合わせて調節を行ってもよい。
【００４３】
実施形態１１．
上述の第３の実施の形態〜第５の実施の形態において、測定部１０の代わりに測定部１０Ａを用いてもよい。また、第６の実施の形態において、測定部１０Ａの代わりに測定部１０を用いてもよい。
【００４４】
実施形態１２．
また、上述の実施の形態では、センシング用の光ファイバを調節してリターデーションの調節を行うようにしたが、これをリファレンス用の光ファイバを調節することにより行うようにしてもよい。また、双方の光ファイバを調節してリターデーションの調節を行ってもよい。
【００４５】
実施形態１３．
また、上述の実施の形態ではサーキュレータ２を用いて説明しているが、これを光カプラを代用することも可能である。
【００４６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、干渉等により複数の光路を伝搬したレーザ光が合成したときに、光路のリターデーションの差が２πの整数倍になるように調節した光ファイバを用いてＳＮＲが高く、雑音発生が抑えられた光ファイバセンサにより物理量を測定するようにしたので、精度の高い測定を行うことができる。
【００４７】
本発明においては、ほぼ全ての偏光状態に対して、複数の光路を伝搬したレーザ光の偏光状態の差の最大値を算出し、その最大値が０となるように光路となる光ファイバを調節することで、光路のリターデーションの差が２πの整数倍になるようにしたので、ＳＮＲが高く、雑音発生が抑えられた光ファイバを得ることができ、精度の高い光ファイバセンサを得ることができる。
【００４８】
また、本発明によれば、偏光状態演算部が算出した偏光状態の差の最大値が０となるように光路となる光ファイバを調節し、光路のリターデーションの差が２πの整数倍になるようにしたので、ＳＮＲが高く、雑音発生が抑えられた光ファイバを得ることができ、精度の高い光ファイバセンサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバセンサの構成図である。
【図２】  本発明の第２の実施の形態に係る光ファイバセンサの構成図である。
【図３】  本発明の第３の実施の形態に係る光ファイバ調節装置の構成図である。
【図４】  本発明の第４の実施の形態に係る光ファイバ調節装置の構成図である。
【図５】  本発明の第５の実施の形態に係る光ファイバ調節装置の構成図である。
【図６】  本発明の第６の実施の形態に係る光ファイバ調節装置の構成図である。
【符号の説明】
１、１Ａ  光源
２  サーキュレータ
３、３Ａ  センサヘッド部
３１ａ、３１ｂ  反射器
３２、３２Ａ、３２Ｂ  センシングファイバ
３３、３３Ａ  リファレンスファイバ
３４  合分波器
３６  部分反射器
４  Ｏ／Ｅ変換器
５  位相復調器
１０  測定部
１１  偏波回転器
１２  偏波分光器
１３  偏光状態演算器
１４  波形測定器
２０  紫外線光源
２１  応力発生器
【図１】
0004329256.tif 000003
【図２】
0004329256.tif 000004
【図３】
0004329256.tif 000005
【図４】
0004329256.tif 000006
【図５】
0004329256.tif 000007
【図６】
0004329256.tif 000008