(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
光源から出射される光を２分岐する第１の光分岐器と、
第１の光分岐器から出射される光を偏光させる第１の偏光フィルタと、
第１の偏光フィルタから出射される光を２分岐する第２の光分岐器と、
第２の光分岐器の一方の端部に接続する位相変調器と、
第２の光分岐器および位相変調器を介して左回り光および右回り光を送り込まれる電流検出コイルと、
位相変調器と電流検出コイルの一方の端部の間に接続される第１の１／４波長板と、
第２の光分岐器の他方の端部と電流検出コイルの他方の端部の間に接続される第２の１／４波長板と
を有するサニヤック干渉計型電流センサにおいて、
第１の光分岐器と第１の偏光フィルタとの間に第１のデポラライザを接続し、
位相変調器と第１の１／４波長板との間に第２のデポラライザと第２の偏光フィルタとを第２のデポラライザを位相変調器側にして接続し、
第２の光分岐器と第２の１／４波長板との間に第３のデポラライザと第３の偏光フィルタとを第３のデポラライザを第２の光分岐器側にして接続し、
第１のデポラライザ、第２のデポラライザ、第３のデポラライザを偏波維持光ファイバにより構成し、各デポラライザに生じた直交成分間の群遅延時間差が光のコヒーレント時間より大であると共に、第１のデポラライザと第２のデポラライザと第３のデポラライザに生じた直交成分間の群遅延時間差の比率を１：２：４に設定した
ことを特徴とするサニヤック干渉計型電流センサ。
【請求項２】
光源と、
光源から出射される光を２分岐する第１の光分岐器と、
第１の光分岐器から出射される光を偏光させる第１の偏光フィルタと、
第１の偏光フィルタから出射される光を２分岐する第２の光分岐器と、
第２の光分岐器の一方の端部に接続する位相変調器と、
第２の光分岐器および位相変調器を介して左回り光および右回り光を送り込まれる電流検出コイルと、
位相変調器と電流検出コイルの一方の端部の間に接続される第１の１／４波長板と、
第２の光分岐器の他方の端部と電流検出コイルの他方の端部の間に接続される第２の１／４波長板と
を有するサニヤック干渉計型電流センサにおいて、
位相変調器と第１の１／４波長板との間に第２のデポラライザと第２の偏光フィルタとを第２のデポラライザを位相変調器側にして接続し、
第２の光分岐器と第２の１／４波長板との間に第３のデポラライザと第３の偏光フィルタとを第３のデポラライザを第２の光分岐器側にして接続し、
光源を無偏光特性の光源とし、
第２のデポラライザと第３のデポラライザとを偏波維持光ファイバにより構成し、各デポラライザに生じた直交成分間の群遅延時間差が光のコヒーレント時間より大であると共に、第２のデポラライザおよび第３のデポラライザに生じた直交成分間の群遅延時間差の比率を１：２に設定した
ことを特徴とするサニヤック干渉計型電流センサ。
【請求項３】
請求項１および請求項２の内の何れかに記載されるサニヤック干渉計型電流センサにおいて、
第２の光分岐器の一方の分岐と第１の１／４波長板の間の光ファイバの第１の光路に長さ調整用光ファイバコイルを直列に接続し、
第２の光分岐器の他方の分岐と第２の１／４波長板の間の光ファイバの第２の光路に長さ調整用光ファイバコイルを直列に接続し、
両長さ調整用光ファイバコイルの捲回の向きを互いに逆向きとした
ことを特徴とするサニヤック干渉計型電流センサ。
【請求項４】
光源と、
光源から出射される光を２分岐する第１の光分岐器と、
第１の光分岐器から出射される光を偏光させる第１の偏光フィルタと、
第１の偏光フィルタから出射される光を２分岐する第２の光分岐器と、
第２の光分岐器の一方の端部に接続する位相変調器と、
第２の光分岐器および位相変調器を介して左回り光および右回り光を送り込まれる電流検出コイルと、
位相変調器と電流検出コイルの一方の端部の間に接続される第１の１／４波長板と、
第２の光分岐器の他方の端部と電流検出コイルの他方の端部の間に接続される第２の１／４波長板と
を有するサニヤック干渉計型電流センサにおいて、
第２の光分岐器の一方の分岐と第１の１／４波長板の間の光ファイバの第１の光路に長さ調整用光ファイバコイルを直列に接続し、
第２の光分岐器の他方の分岐と第２の１／４波長板の間の光ファイバの第２の光路に長さ調整用光ファイバコイルを直列に接続し、
両長さ調整用光ファイバコイルの捲回の向きを互いに逆向きとした
ことを特徴とするサニヤック干渉計型電流センサ。
【請求項５】
請求項３および請求項４の内の何れかに記載されるサニヤック干渉計型電流センサにおいて、
電流検出コイル、左回り長さ調整用光ファイバコイル、右回り長さ調整用光ファイバコイルの３者は下記の条件を満足するものであることを特徴とするサニヤック干渉計型電流センサ。
｜Ｒc ×Ｌc ＋Ｒ1 ×Ｌ1 −Ｒ2 ×Ｌ2｜＜５
但し、Ｒc ：電流検出コイルの平均半径  
Ｌc ：電流検出コイルのファイバ長
Ｒ1 ：第１の光路の左回り長さ調整用光ファイバコイルの平均半径
Ｌ1 ：第１の光路の左回り長さ調整用光ファイバコイルの光ファイバ長
Ｒ2 ：第２の光路の右回り長さ調整用光ファイバコイルの平均半径
Ｌ2 ：第２の光路の右回り長さ調整用光ファイバコイルの光ファイバ長
【請求項６】
請求項５に記載されるサニヤック干渉計型電流センサにおいて、
Ｒc を０.５ｍ、Ｌc を１０ｍ、Ｒ1 を３５ｍｍ、Ｌ1 を５７ｍ、Ｒ2 を３５ｍｍ、Ｌ2 を２００ｍとしたことを特徴とするサニヤック干渉計型電流センサ。
【請求項７】
請求項３ないし請求項６の内の何れかに記載されるサニヤック干渉計型電流センサにおいて、
第１の光路および第２の光路の光ファイバをカットオフ波長が使用する光源の波長に対して少なくとも１００ｎｍ以上長波長側にずれたシングルモード光ファイバにより構成したことを特徴とするサニヤック干渉計型電流センサ。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７の内の何れかに記載されるサニヤック干渉計型電流センサにおいて、
第１の光分岐器と第２の光分岐器の間の内の、第１の光分岐器と第１のデポラライザの間を分割し、第１の光コネクタ、第２の光コネクタ、第１の光コネクタと第２の光コネクタ相互間を接続するシングルモードの延長光ファイバにより接続した
ことを特徴とするサニヤック干渉計型電流センサ。
【請求項９】
請求項１ないし請求項７の内の何れかに記載されるサニヤック干渉計型電流センサにおいて、
第２の分岐器と第１の１／４波長板および第２の１／４波長板との間の内の、第２の分岐器と第２のデポラライザおよび第３のデポラライザとの間を分割し、第１の光コネクタ、第２の光コネクタ、第１の光コネクタと第２の光コネクタ相互間を接続するシングルモードの延長光ファイバにより接続した
ことを特徴とするサニヤック干渉計型電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、サニヤック干渉計型電流センサに関し、特に、サニヤック干渉計型電流センサを構成する光学素子の内の一部および光学素子の間を結合する光ファイバを安価なシングルモード光ファイバにより構成するサニヤック干渉計型電流センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
送配電技術分野において送配電線に流通する電流を測定するには、一般に、鉄心と巻線コイルより成る変成器を使用している。この変成器は純粋に電気的な機器であるので、耐電気ノイズ性および耐電気絶縁性を満足する必要があり、変成器を設置するところに依ってはその外形寸法に考慮を払う必要がある。
【０００３】
ところで、電気的ノイズに災いされず、電気絶縁性を確保することを要しない変成器として、光ファイバコイルにより構成されるサニヤック干渉計を使用する電流センサの研究開発がなされている。即ち、光ファイバコイルにより構成されるサニヤック干渉計は、光ファイバジャイロとして運動体の回転検出に使用されてきたが、サニヤック干渉計は回転検出の外に電流により生ずる磁界に反応する特性を示すところから、この特性を利用することにより電流測定を行うことができる。即ち、透明物質である光ファイバコイルはこれに磁界を印加すると、ファラデー効果により偏光面に回転を生ぜしめ、この偏光面の回転角は磁界の強さと光の通過距離に比例する。偏光面の回転に起因して、光ファイバコイルを周回する左回り光と右回り光の間に位相差を生ずる。この位相差を検出することによりこの磁界を生起する元の電流を検出することができる。以下、サニヤック干渉計型電流センサの従来例を図６を参照して説明する。
【０００４】
図６において、光源１から出射された光は、第１の光分岐器２、第１の偏光フィルタ３を介して第２の光分岐器４に到り、第２の光分岐器４を介して電流検出コイル６内に左回り光および右回り光として送り込まれる。この左回り光は、先ず、位相変調器５において位相変調され、位相変調された左回り光は第１の１／４波長板１６を通過して電流検出コイル６に入射、左回りに周回して順次に第２の１／４波長板１７、第２の光分岐器４、第１の偏光フィルタ３、第１の光分岐器２を通過して受光器７に到達受光される。一方、右回り光は、第２の１／４波長板１７を通過して電流検出コイル６に入射し、右回りに周回して第１の１／４波長板１６を通過してから位相変調器５において位相変調され、位相変調された右回り光は第２の光分岐器４、第１の偏光フィルタ３、第１の光分岐器２を通過して受光器７に到達、受光される。なお、以上の第１の１／４波長板１６および第２の１／４波長板１７は、偏光フィルタを介して直線偏光を入力すると円偏光を出力し、円偏光を入力すると直線偏光を出力する。電流検出コイル６を周回した後の左回り光および右回り光の相互間には、電流検出コイル６に磁界が印加されている場合、位相差が生じており、第２の光分岐器４および第１の光分岐器２において干渉させた結果、光強度変化した位相変調光が受光器７に受光されることになる。受光器７に到達した位相変調光はここにおいて電気信号に光電変換される。受光器７において光電変換された電気信号は同期検波器８に入力される。同期検波器８は、発振回路９から供給される信号を参照信号として、電流検出コイル６に印加される磁界に比例する位相差の検波出力を得る（なお、位相変調の詳細は、当該特許出願人の出願に関わる、特願平１０−１６２４１９号明細書、特願平１１−１９７２４４号明細書  参照）。
【０００５】
サニヤック干渉計型電流センサは、上述した通り、円偏光を電流検出コイルに一方の端部および他方の端部の双方から入射、伝播させ、位相差の生じた両光を干渉させてその光強度変化から印加された磁界を発生させた電流を測定する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
サニヤック干渉計を電流センサとして構成動作させる場合、上述した通り、電流検出コイル６に送り込まれる偏光は円偏光である必要がある。この要請を満足するに、図６の従来例においては、太線により図示される光ファイバを偏波維持光ファイバにより構成している。即ち、電流検出コイル６を構成する光ファイバを除いて、光源１から第１の光分岐器２に到る１ｍ程度の長さの光ファイバ、第１の光分岐器２から第１の偏光フィルタ３に到る１ｍ程度の長さの光ファイバ、第１の偏光フィルタ３から第２の光分岐器４に到る１ｍ程度の光ファイバ、第２の光分岐器４から位相変調器５に到る１ｍ程度の長さの光ファイバを偏波維持光ファイバにより構成している。そして、第２の光分岐器４から１／４波長板１６に到る光ファイバおよび第２の光分岐器４から１／４波長板１７に到る光ファイバの長さは、電流検出コイル６を構成する光ファイバの全長を１０ｍとすると、およそ５０ｍ程度に設定され、この５０ｍ程度の光ファイバを偏波維持光ファイバにより構成している。そして、この従来例は、図示される通り、第１の光分岐器２、第１の偏光フィルタ３、第２の光分岐器４をも偏波維持光ファイバにより構成している。偏波維持光ファイバは、偏波面を保存することを保証しないシングルモード光ファイバと比較して比較にならない程高価であるところから、光学素子間を接続する光ファイバの全長を偏波維持光ファイバとすると、サニヤック干渉計型電流センサ全体の価格を高価にする。
【０００７】
図７は、図６の従来例に長さ調整用光ファイバコイルを付加、接続したサニヤック干渉計型電流センサを示す図である。
【０００８】
サニヤック干渉計において、検出コイルはシングルモード光ファイバを捲回して構成されるが、これを電流検出コイル６として使用する場合はその全長を１０ｍ程度の長さに設計捲回すれば、電流を検出するには充分である。ところで、サニヤック干渉計は、受光器７において光電変換された電気信号を良好な感度で検出するに、検出コイルの一方の端部に接続した位相変調器５により交流的に位相変調を印加することが一般に行われている。検出コイルの光ファイバ長が１０ｍ程度であると、左右両回り光の伝播時間差が充分には得られないので、充分な変調振幅を得ることが難しい。この問題を解消するに、検出コイルに長さ調整用光ファイバコイル６０を直列に接続し、第２の光分岐器４の一方の分岐から検出コイルおよび長さ調整用光ファイバコイルを含み第２の光分岐器４の他方の分岐に到る光ファイバ長を１００ｍ程度に設定することが行われる。即ち、検出コイルの光ファイバ長を１０ｍとすると、長さ調整用光ファイバコイルの光ファイバ長は９０ｍ程度に設計する。位相変調器の最適駆動周波数に対する変調周波数の誤差がスパイク信号幅に比例し、これがバイアス変動の要因となるので、長さ調整用光ファイバコイルを含む検出コイル長と変調周波数の乗算値を、一般に、変調周波数ｆと光ファイバコイル長Ｌの乗算値を次式を満足する値に設計する。
【０００９】
ｆ・Ｌ＝ｃ／２ｎ
ここで、ｃ：光速    ｎ：屈折率
ｃ＝３×１０8 ｍ／ｓｅｃ、ｎ＝１. ４５とすれば、
ｆ・Ｌ＝１００ｍ・ＭＨｚ
となる。
【００１０】
図７に示されるサニヤック干渉計型電流センサも、シングルモード光ファイバにより構成されるべき電流検出コイル６を除いて、光学素子および光学素子間を接続する光ファイバを、太線により図示される偏波維持光ファイバにより構成しており、更に、９０ｍにも及ぶ光ファイバの長さ調整用光ファイバコイルも偏波維持光ファイバにより構成されている。これによりサニヤック干渉計型電流センサ全体の価格を高価にしている
この発明は、光学素子および光学素子相互間を接続する光ファイバとしてシングルモード光ファイバを使用して上述の問題を解消したサニヤック干渉計型電流センサを提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１：光源１と、光源１から出射される光を２分岐する第１の光分岐器２と、第１の光分岐器２から出射される光を偏光させる第１の偏光フィルタ３と、第１の偏光フィルタ３から出射される光を２分岐する第２の光分岐器４と、第２の光分岐器４の一方の端部に接続する位相変調器５と、第２の光分岐器４および位相変調器５を介して左回り光および右回り光を送り込まれる電流検出コイル６と、位相変調器５と電流検出コイル６の一方の端部の間に接続される第１の１／４波長板１６と、第２の光分岐器４の他方の端部と電流検出コイル６の他方の端部の間に接続される第２の１／４波長板１７とを有するサニヤック干渉計型電流センサにおいて、第１の光分岐器２と第１の偏光フィルタ３の間に第１のデポラライザ１１を接続し、位相変調器５と第１の１／４波長板１６との間に第２のデポラライザ１２と第２の偏光フィルタ１４とを第２のデポラライザ１２を位相変調器５側にして接続し、第２の光分岐器４と第２の１／４波長板１７との間に第３のデポラライザ１３と第３の偏光フィルタ１５とを第３のデポラライザ１３を第２の光分岐器４側にして接続し、第１のデポラライザ１１、第２のデポラライザ１２、第３のデポラライザ１３を偏波維持光ファイバにより構成し、各デポラライザに生じた直交成分間の群遅延時間差が光のコヒーレント時間より大であると共に、第１のデポラライザ１１と第２のデポラライザ１２と第３のデポラライザ１３に生じた直交成分間の群遅延時間差の比率を１：２：４に設定したサニヤック干渉計型電流センサを構成した。
【００１２】
そして、請求項２：光源１と、光源１から出射される光を２分岐する第１の光分岐器２と、第１の光分岐器２から出射される光を偏光させる第１の偏光フィルタ３と、第１の偏光フィルタ３から出射される光を２分岐する第２の光分岐器４と、第２の光分岐器４の一方の端部に接続する位相変調器５と、第２の光分岐器４および位相変調器５を介して左回り光および右回り光を送り込まれる電流検出コイル６と、位相変調器５と電流検出コイル６の一方の端部の間に接続される第１の１／４波長板１６と、第２の光分岐器４の他方の端部と電流検出コイル６の他方の端部の間に接続される第２の１／４波長板１７とを有するサニヤック干渉計型電流センサにおいて、位相変調器５と第１の１／４波長板１６との間に第２のデポラライザ１２と第２の偏光フィルタ１４とを第２のデポラライザ１２を位相変調器５側にして接続し、第２の光分岐器４と第２の１／４波長板１７との間に第３のデポラライザ１３と第３の偏光フィルタ１５とを第３のデポラライザ１３を第２の光分岐器４側にして接続し、光源１を無偏光特性の光源とし、第２のデポラライザ１２と第３のデポラライザ１３を偏波維持光ファイバにより構成し、各デポラライザに生じた直交成分間の群遅延時間差が光のコヒーレント時間より大であると共に、第２のデポラライザ１２および第３のデポラライザ１３に生じた直交成分間の群遅延時間差の比率を１：２に設定したサニヤック干渉計型電流センサを構成した。
【００１３】
また、請求項３：請求項１および請求項２の内の何れかに記載されるサニヤック干渉計型電流センサにおいて、第２の光分岐器４の一方の分岐と第１の１／４波長板１６の間の光ファイバの第１の光路に長さ調整用光ファイバコイル７１を直列に接続し、第２の光分岐器４の他方の分岐と第２の１／４波長板１７の間の光ファイバの第２の光路に長さ調整用光ファイバコイル７２を直列に接続し、両長さ調整用光ファイバコイルの捲回の向きを互いに逆向きとしたサニヤック干渉計型電流センサを構成した。
【００１４】
ここで、請求項４：光源１と、光源１から出射される光を２分岐する第１の光分岐器２と、第１の光分岐器２から出射される光を偏光させる第１の偏光フィルタ３と、第１の偏光フィルタ３から出射される光を２分岐する第２の光分岐器４と、第２の光分岐器４の一方の端部に接続する位相変調器５と、第２の光分岐器４および位相変調器５を介して左回り光および右回り光を送り込まれる電流検出コイル６と、位相変調器５と電流検出コイル６の一方の端部の間に接続される第１の１／４波長板１６と、第２の光分岐器４の他方の端部と電流検出コイル６の他方の端部の間に接続される第２の１／４波長板１７とを有するサニヤック干渉計型電流センサにおいて、第２の光分岐器４の一方の分岐と第１の１／４波長板１６の間の光ファイバの第１の光路に長さ調整用光ファイバコイル７１を直列に接続し、第２の光分岐器４の他方の分岐と第２の１／４波長板１７の間の光ファイバの第２の光路に長さ調整用光ファイバコイル７２を直列に接続し、両長さ調整用光ファイバコイルの捲回の向きを互いに逆向きとしたサニヤック干渉計型電流センサを構成した。
【００１５】
そして、請求項５：請求項３および請求項４の内の何れかに記載されるサニヤック干渉計型電流センサにおいて、電流検出コイル６、左回り長さ調整用光ファイバコイル７１、右回り長さ調整用光ファイバコイル７２の３者は下記の条件を満足するものであるサニヤック干渉計型電流センサを構成した。
【００１６】
｜Ｒc ×Ｌc ＋Ｒ1 ×Ｌ1 −Ｒ2 ×Ｌ2｜＜５
但し、Ｒc ：電流検出コイルの平均半径  
Ｌc ：電流検出コイルのファイバ長
Ｒ1 ：第１の光路の左回り長さ調整用光ファイバコイル７１の平均半径
Ｌ1 ：第１の光路の左回り長さ調整用光ファイバコイル７１の光ファイ              バ長
Ｒ2 ：第２の光路の右回り長さ調整用光ファイバコイル７２の平均半径
Ｌ2 ：第２の光路の右回り長さ調整用光ファイバコイル７２の光ファイ              バ長
また、請求項６：請求項５に記載されるサニヤック干渉計型電流センサにおいて、Ｒc を０. ５ｍ、Ｌc を１０ｍ、Ｒ1 を３５ｍｍ、Ｌ1 を５７ｍ、Ｒ2 を３５ｍｍ、Ｌ2 を２００ｍとしたサニヤック干渉計型電流センサを構成した。
【００１７】
ここで、請求項７：請求項３ないし請求項６の内の何れかに記載されるサニヤック干渉計型電流センサにおいて、第１の光路および第２の光路の光ファイバをカットオフ波長が使用する光源の波長に対して少なくとも１００ｎｍ以上長波長側にずれたシングルモード光ファイバにより構成したサニヤック干渉計型電流センサを構成した。
【００１８】
更に、請求項８：請求項１ないし請求項７の内の何れかに記載されるサニヤック干渉計型電流センサにおいて、第１の光分岐器２と第２の光分岐器４の間の内の、第１の光分岐器２と第１のデポラライザ１１の間を分割し、第１の光コネクタ２１、第２の光コネクタ２２、第１の光コネクタ２１と第２の光コネクタ２２相互間を接続するシングルモードの延長光ファイバ２０により接続したサニヤック干渉計型電流センサを構成した。
【００１９】
また、請求項９：請求項１ないし請求項７の内の何れかに記載されるサニヤック干渉計型電流センサにおいて、第２の分岐器４と第１の１／４波長板１６および第２の１／４波長板１７との間の内の、第２の分岐器４と第２のデポラライザ１２および第３のデポラライザ１３との間を分割し、第１の光コネクタ２１、第２の光コネクタ２２、第１の光コネクタ２１と第２の光コネクタ２２相互間を接続するシングルモードの延長光ファイバ２０により接続したサニヤック干渉計型電流センサを構成した。
【００２０】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図１の実施例を参照して説明する。
【００２１】
図１において、この発明の実施例は、光学素子相互間を接続する光ファイバはシングルモード光ファイバにより構成する。１は光源、２は入射される光を２分岐する第１の光分岐器、１１は入射される光を無偏光に変換するこの発明により導入された第１のデポラライザ、３は入射される無偏光を直線偏光に変換する第１の偏光フィルタ、４は入射する光を２分岐する第２の光分岐器、５は入射される光を位相変調する位相変調器、１２は入射される光を無偏光に変換する第２のデポラライザ、１４は入射される光を直線偏光に変換する第２の偏光フィルタである。第２のデポラライザ１２と第２の偏光フィルタ１４の組はこの実施例により付加されたデポラライザと偏光フィルタの組である。１６は第１の１／４波長板、６はシングルモード光ファイバを捲回して構成した電流検出コイルである。１３は入射される光を無偏光に変換する第３のデポラライザ、１５は入射される光を直線偏光に変換する第３の偏光フィルタである。第３のデポラライザ１３と第３の偏光フィルタ１５の組はこの実施例により付加されたデポラライザと偏光フィルタの組である。１７は第２の１／４波長板である。
【００２２】
ここで、デポラライザおよび無偏光について説明しておく。
無偏光とは、直交モード間の光量が等しく、直交モード間の光がインコヒーレントであるという条件を満足する光をいう。この条件を満足する光は図２に示されるデポラライザを通過させることにより得られる。図２において、デポラライザを構成するに偏波維持光ファイバを使用する。偏波維持光ファイバι1 の端面と偏波維持光ファイバι2 の端面とを接合することにより構成される。偏波維持光ファイバι1 の長さと偏波維持光ファイバι2 の長さの比を１：２に設定し、両偏波維持光ファイバの固有軸ｘ、ｙを４５゜捻った状態で両偏波維持光ファイバの端面を相互融着する。ここに構成されたデポラライザは、リオ型デポラライザと称され、このリオ型デポラライザの単位長さ１は、通常、偏波維持光ファイバの２本の固有軸ｘ、ｙを光が伝播することにより生ずる直交成分間の群遅延時間差を光のコヒーレント時間以上に設定する長さ、とされる（詳細は、Journal of Lightwave Technology Vol.LT1 No1 Mar 1983 P71-74  参照）。
【００２３】
先のリオ型デポラライザにおいて、直交成分間の群遅延時間差に比率を持たせるには、偏波維持光ファイバの長さに比率を持たせる。これを、第１のデポラライザ１１、第２のデポラライザ１２、第３のデポラライザ１３により生じた直交成分間の群遅延時間差が光のコヒーレント時間より大きく、第１のデポラライザ１１、第２のデポラライザ１２、第３のデポラライザ１３で生じた直交成分間の群遅延時間差の比率が１：２：４となっている場合について考慮してみる。この場合、各偏波維持光ファイバのビート長は等しいものとする。
【００２４】
第１のデポラライザ１１：リオ型デポラライザの単位長さ２０ｃｍ（比率１）
通常の偏波維持光ファイバのビート長は２ｍｍ程度であり、使用する光のコヒーレント時間を１. ６×１０-13 秒程度とすれば、長さ２０ｃｍの偏波維持光ファイバを伝播する間に直交成分間の群遅延時間差は２. ７×１０-13 秒となり、これはコヒーレント時間以上となる。なお、これは、光ファイバジャイロで一般的に使用されるスーパールミネセントダイオードの光源のコヒーレント時間である。
【００２５】
第２のデポラライザ１２：リオ型デポラライザの単位長さ４０ｃｍ（比率２）
第３のデポラライザ１３：リオ型デポラライザの単位長さ８０ｃｍ（比率４）
以上の通り、第１のデポラライザ１１、第２のデポラライザ１２、第３のデポラライザ１３は偏波維持光ファイバにより構成され、偏波維持光ファイバにより生じた直交成分間の群遅延時間差が光のコヒーレント時間より大きく、第１のデポラライザ１１、第２のデポラライザ１２、第３のデポラライザ１３で生じた直交成分間の群遅延時間差の比率が１：２：４とされていることにより、左右両回り光が無偏光のまま光路をそれぞれ伝播し、左右両回り光が合波するので、偏光成分による零点ドリフトの誤差を抑制することができる。
【００２６】
光源１から出射された光は第１の光分岐器２に供給される。第１の光分岐器２において分岐した光は、次いで、第１のデポラライザ１１に入射し、透過して直交モード間の光量が等しい無偏光に変換される。第１のデポラライザ１１から出射される無偏光は第１の偏光フィルタ３に入射して或る所定偏光面内の直線偏光が選択され、この直線偏光は第２の光分岐器４に入射し、左回り光および右回り光に２分岐される。第２の光分岐器４を介して分岐された左回り光は、先ず位相変調器５において位相変調され、位相変調された左回り光は第２のデポラライザ１２に入射して無偏光に変換され、次いで、第２の偏光フィルタ１４に入射して或る所定偏光面内の直線偏光に変換される。第２の偏光フィルタ１４から出射される直線偏光は第１の１／４波長板１６を通過して円偏光に変換される。この円偏光はシングルモード光ファイバより成る電流検出コイル６に入射して左回りに周回してから、第２の１／４波長板１７、第３の偏光フィルタ１５をこの順に通過して或る所定偏光面内の直線偏光に変換される。直線偏光は第３のデポラライザ１３を通過して無偏光に変換され、第２の光分岐器４に入射する。第２の光分岐器４を分岐した光は第１の偏光フィルタ３および第１のデポラライザ１１をこの順に通過して無偏光とされ、第１の光分岐器２において分岐して受光器７に到達受光される。
【００２７】
一方、第２の光分岐器４を介して分岐された右回り光は、第３のデポラライザ１３に入射して無偏光に変換され、次いで、第３の偏光フィルタ１５に入射して或る所定偏光面内の直線偏光に変換される。第３の偏光フィルタ１５から出射される直線偏光は第２の１／４波長板１７を通過して円偏光に変換される。この円偏光は電流検出コイル６に入射して右回りに周回してから、第１の１／４波長板１６、第２の偏光フィルタ１４をこの順に通過して或る所定偏光面内の直線偏光に変換される。この直線偏光は第２のデポラライザ１２を通過して無偏光に変換され、この無偏光は位相変調器５に入射して位相変調される。この位相変調された右回り光は第２の光分岐器４において分岐し、第１の偏光フィルタ３および第１のデポラライザ１１をこの順に通過して無偏光とされ、第１の光分岐器２を通過して受光器７に到達受光される。
【００２８】
図１において、電流により発生せしめられた磁界が電流検出コイル６に印加されると、電流検出コイル６に入射される寸前において第２の偏光フィルタ１４および第１の１／４波長板１６により、そして第３の偏光フィルタ１５および第２の１／４波長板１７により円偏光に変換された右回り光および左回り光の間には磁界によるファラデー効果により位相差が生じる。右回り光に対してファラデー効果が＋に作用した場合、左回り光にはファラデー効果は−に作用する。このファラデー効果の作用により右回り光および左回り光が干渉合成した場合、両光の間に位相差が生じる。これら左回り光および右回り両光を第２の光分岐器４および第１の光分岐器２において干渉させた結果、光強度変化した位相変調光が受光器７に受光されることになる。受光器７に到達した位相変調光はここにおいて電気信号に光電変換される。受光器７において光電変換された電気信号は同期検波器８に入力される。同期検波器８においては、発振回路９から供給される信号を参照信号として、電流検出コイル６に印加される磁界に比例する位相差の検波出力を得る。
【００２９】
図１の実施例においては、上述した通り、光学素子相互間を接続する光ファイバはすべてシングルモード光ファイバにより構成しているので、偏光は偏波面を保存することを保証しないシングルモード光ファイバを伝播するうちに偏光面が多少変化する。
【００３０】
ところが、光源１と第１の光分岐器２を接続する光ファイバを安価なシングルモード光ファイバにより構成し、第１の光分岐器２を安価なシングルモード光ファイバにより構成し、これらを伝播、分岐することにより偏波面を保存することを保証されない光が伝送されても、第１の光分岐器２と第１の偏光フィルタ３の間に第１のデポラライザ１１を接続させることにより無偏光が得られ、この無偏光を第１の偏光フィルタ３に入射して適正な直線偏光を得ることができる。そして、第１の偏光フィルタ３から出射される直線偏光は、次いで、第２の光分岐器４とこれから第２のデポラライザ１２と第３のデポラライザ１３に到る長尺のシングルモード光ファイバを伝播するうちに偏光面が変化するが、この偏光面の変化も、電流検出コイル６の両端部に第２のデポラライザ１２と第２の偏光フィルタ１４の組と第３のデポラライザ１３と第３の偏光フィルタ１５の組を具備して所定偏光面内の直線偏光に戻し、この直線偏光を１／４波長板１６、１７に通すことにより電流検出コイル６には必要な円偏光を送り込むことができる。即ち、光学素子相互間を接続する光路はすべて安価なシングルモード光ファイバにより構成しながら、電流検出コイル６の両端部にデポラライザ、偏光フィルタ、１／４波長板を具備して多少変化した偏光面を所定偏光面に戻すことにより、適正な動作をすると共に全体としては安価なサニヤック干渉計型電流センサを構成することができる。
【００３１】
図１の他の実施例は、光源１と第１の光分岐器２を接続する光ファイバを安価なシングルモード光ファイバにより構成し、第１の光分岐器２を安価なシングルモード光ファイバにより構成し、第１の光分岐器２と第１の偏光フィルタ３の間に第１のデポラライザ１１を接続させる。但し、先の実施例の如く第２のデポラライザ１２と第２の偏光フィルタ１４の組、および第３のデポラライザ１３と第３の偏光フィルタ１５の組は具備しないで、第２の光分岐器４から第１の１／４波長板１６および第２の１／４波長板１７に到る光学素子および光ファイバは従来例と同様に偏波維持光ファイバにより構成する。この実施例において、光源１から第１のデポラライザ１１に到るまで光は偏波面を保存することを保証されないが、第１の光分岐器２と第１の偏光フィルタ３の間に第１のデポラライザ１１を接続させることにより無偏光が得られ、この無偏光を第１の偏光フィルタ３に入射して第１の１／４波長板１６に入射せしめて適正な直線偏光を得ることができる。
【００３２】
図１の更なる他の実施例は、第１のデポラライザ１１を除去して実施する。しかし、使用される光は無偏光であることが必要であるので、この場合の光源１としては、ＬＥＤの如き無偏光特性の光を発生する光源を使用する。
【００３３】
磁界により両光の間に生じた位相差は、光ファイバジャイロの場合と同様の信号処理を施されて感度良く検出することができる。この信号処理の詳細は先の参照明細書に記載される通りである。
【００３４】
図３を参照して長さ調整用光ファイバコイルを接続した実施例を説明する。図３は図１の実施例に長さ調整用光ファイバコイルを付加接続した例を示す図である。
【００３５】
図３において、第２の光分岐器４の一方の分岐と第１の１／４波長板１６の間の光ファイバの経路を第１の光路とし、第２の光分岐器４の他方の分岐と第２の１／４波長板１７の間の光ファイバの経路を第２の光路と称す。
【００３６】
７１は第１の光路に接続された左回り長さ調整用光ファイバコイル、７２は第２の光路に接続された右回り長さ調整用光ファイバコイルを示し、シングルモード光ファイバにより構成されている。ところで、左回り長さ調整用光ファイバコイル７１および右回り長さ調整用光ファイバコイル７２は、シングルモード光ファイバを捲回して構成した光ファイバコイルであるので、電流検出コイル６と同様に回転によるサニヤック効果を生ずる。これら長さ調整用光ファイバコイルによるサニヤック効果が電流検出コイル６の本来の磁界によるファラデー効果により誘起された位相差に影響を及ぼさない構成を採用する必要がある。ここで、左回り長さ調整用光ファイバコイル７１と右回り長さ調整用光ファイバコイル７２の捲回の向きを互いに逆向きとすることにより、左回り長さ調整用光ファイバコイル７１と右回り長さ調整用光ファイバコイル７２によるサニヤック効果は互いに相殺される。
【００３７】
上述した通り、図３の実施例において、電流検出コイル６、左回り長さ調整用光ファイバコイル７１、右回り長さ調整用光ファイバコイル７２の３者は、サニヤック効果による位相差に関して相互関係を有しているが、下記の条件を満足することにより、電流検出コイル、第１の光路のコイル、第２の光路のコイルでそれぞれ回転により生じたサニヤック効果による位相差をより小さくすることができる。
【００３８】
｜Ｒc ×Ｌc ＋Ｒ1 ×Ｌ1 −Ｒ2 ×Ｌ2｜＜５
Ｒc ：電流検出コイルの平均半径（例：０.５ｍ）
Ｌc ：電流検出コイルのファイバ長（例：１０ｍ）
Ｒ1 ：第１の光路の左回り長さ調整用光ファイバコイル７１の平均半径（例：０. ０３５ｍ＝３５ｍｍ）
Ｌ1 ：第１の光路の左回り長さ調整用光ファイバコイル７１の光ファイバ長（例：５７ｍ）
Ｒ2 ：第２の光路の右回り長さ調整用光ファイバコイル７２の平均半径（例：０. ０３５ｍ＝３５ｍｍ）
Ｌ2 ：第２の光路の右回り長さ調整用光ファイバコイル７２の光ファイバ長（例：２００ｍ）
小括弧内に記載される具体例の場合、光ファイバ長の総和は２６７ｍであり、典型的なサニヤック干渉計である光ファイバジャイロとして一般的な光ファイバ長である。先の式の右辺を５と設定することにより、サニヤック効果による位相差を従来技術比較で半分以下にすることができる。
【００３９】
更に、図３の実施例において、第１の光路と第２の光路をシングルモード光ファイバにより構成し、そのカットオフ波長が光源波長と比較して１００ｎｍ以上長波長側にずらす。これは、以下の通りに実施する。
【００４０】
光源：波長０. ８３μｍ帯の半導体光源を採用する。この光源はコンパクトディスクプレイヤの光源として汎用されている。
【００４１】
光ファイバ：波長１. ３μｍ用シングルモード光ファイバを採用する。このシングルモード光ファイバのカットオフ波長は１. ２μｍ程度であり、光通信において汎用されている。
【００４２】
ここで、光ファイバのカットオフ波長が光源波長より１００ｎｍ以上長波長側にずれているので、通常は高次モードが伝播するが、図示される通り、第１の光路には左回り長さ調整用光ファイバコイル７１が接続され、第２の光路には右回り長さ調整用光ファイバコイル７２が接続されているので、これらのコイルの曲げの効果により高次モードは容易に漏洩して伝播することはない。
【００４３】
図３の実施例の場合も、図１の実施例の場合と同様に、電流検出コイル６に適正な円偏光を供給することができる。即ち、第１のデポラライザ１１と第１の偏光フィルタ３の組により得られた直線偏光は、次いで、第２の光分岐器４とこれから第２のデポラライザ１２と第３のデポラライザ１３の組に到る長さ調整用光ファイバコイル７１、７２を含む長尺のシングルモード光ファイバを伝播するうちに偏光面が変化するが、この偏光面の変化も、電流検出コイル６の両端部に第２のデポラライザ１２と第２の偏光フィルタ１４の組と第３のデポラライザ１３と第３の偏光フィルタ１５の組を具備して所定偏光面内の直線偏光に戻し、この直線偏光を１／４波長板１６、１７に通すことにより電流検出コイル６には必要な円偏光を送り込むことができる。
【００４４】
以上のサニヤック干渉計型電流センサは、電線を流れる電流により生じる磁界を検出する場合、電流検出コイル６を含む電流センサ全体を電線に近接して配置する必要があるものとされ、設置上およびその保守上多くの不都合、困難を伴うものであった。ここで、サニヤック干渉計型電流センサを、これを構成する光学素子間において複数ブロックに機械的に分割し、分割されたブロック間を光コネクタおよび光ファイバを介して接続する構成を採用する。
【００４５】
光学素子間において複数ブロックに分割したサニヤック干渉計型電流センサの実施例を図４を参照して説明する。図４の実施例において、図１の実施例と共通する部材には共通する参照符号を付与している。
【００４６】
図４の実施例においては、第１の光分岐器２と第２の光分岐器４の間を分割して、分割された光源側ブロックＢと電流検出コイル側ブロックＣの２ブロックを第１の光コネクタ２１、第２の光コネクタ２２、第１の光コネクタ２１と第２の光コネクタ２２相互間を接続する延長光ファイバ２０により接続する。ここで、延長光ファイバ２０はシングルモード光ファイバより成り、第１の光コネクタ２１および第２の光コネクタ２２はシングルモード光ファイバ接続用光コネクタより成る。ここで、図４においては、第１の光分岐器２と第１のデポラライザ１１との間を分割するところが示されているが、この分割点を第１の偏光フィルタ３と第２の光分岐器４に設定することができる。
【００４７】
第１の光分岐器２と第２の光分岐器４の間を光コネクタおよび光ファイバを介して接続する構成を採用することにより、光源側ブロックＢと電流検出コイル側ブロックＣに分割され、高圧鉄塔の近傍の地上に光源側ブロックＢ設置すると共に、高圧電線部近傍に電流検出コイル側ブロックＣのみを分離設置することができ、電流センサ全体を高圧電線部近傍に設置する場合と比較して、設置保守に関する種々の困難な条件を緩和することができる。以上の通りの分割を実施することができるのも、光学素子間をシングルモード光ファイバにより接続したことによる効果であるとすことができる。即ち、第１の光コネクタ２１と第２の光コネクタ２２相互間を接続する延長光ファイバ２０も、これをシングルモード光ファイバとすることができると共に、第１の光コネクタ２１と第２の光コネクタ２２もシングルモード光ファイバ相互を接続するシングルモード光ファイバ接続用光コネクタとすることができる。光学素子間を接続する光ファイバが偏波維持光ファイバであると、これに対応して光コネクタも当然に偏波維持光ファイバ接続用の光コネクタとすることになるが、偏波維持光ファイバ接続用光コネクタの価格はシングルモード光ファイバ接続用光コネクタと比較して格段に高価となる。この実施例の場合、安価なシングルモード光ファイバ接続用光コネクタによりブロック相互間を接続することができる。
【００４８】
図５の実施例は、第２の光分岐器４と第１の１／４波長板１６および第２の１／４波長板１７の間を分割し、分割された光源側ブロックＢと電流検出コイル側ブロックＣの２ブロックを、第１の光コネクタ２１、第２の光コネクタ２２、第１の光コネクタ２１と第２の光コネクタ２２相互間を接続する延長光ファイバ２０により接続する。この実施例の場合、先の実施例の場合と比較して電流検出コイル側ブロックＣの構成は更に簡略化され、設置保守に関する種々の困難な条件を緩和することができる。
【００４９】
【発明の効果】
以上の通りであって、この発明に依れば、サニヤック型干渉計を使用し、磁界の影響により電流検出コイルに生ずる左右両周り光の間の位相差を検出するものであり、電流検出コイル両端部に偏光フィルタと１／４波長板を配して左右両周り光を円偏光として伝播させることで磁界により生じる非相反な位相差を最大にして磁界、即ち電流に対する感度を最適化している。その計測レンジは光ファイバジャイロにおける実績から４桁以上の計測レンジを容易に実現することができる。そして、各偏光フィルタにデポラライザを直列接続することにより各光学素子の間を安価なシングルモード光ファイバで構成することができ、低コストでサニヤック干渉計型電流センサを構成することができる。特に、サニヤック干渉計型電流センサにおいては、第２の光分岐器の一方の分岐と第１の１／４波長板の間の光ファイバの第１の光路に長さ調整用光ファイバコイルを直列に接続し、第２の光分岐器の他方の分岐と第２の１／４波長板の間の光ファイバの第２の光路に長さ調整用光ファイバコイルを直列に接続しており、この長さ調整用光ファイバコイルの光ファイバ長は９０ｍ程度に設計される極めて長いものであるので、これを安価なシングルモード光ファイバで構成することによるコスト低下の効果は大きい。
【００５０】
具体的には、第１のデポラライザ１１、第２のデポラライザ１２、第３のデポラライザ１３は偏波維持光ファイバにより構成され、偏波維持光ファイバにより生じた直交成分間の群遅延時間差が光のコヒーレント時間より大きく、第１のデポラライザ１１、第２のデポラライザ１２、第３のデポラライザ１３で生じた直交成分間の群遅延時間差の比率が１：２：４とされていることにより、左右両回り光が無偏光のまま光路をそれぞれ伝播し、左右両回り光が合波するので、偏光成分による零点ドリフトの誤差を抑制することができる。
【００５１】
そして、光学素子相互間を接続する光路はすべて安価なシングルモード光ファイバにより構成しながら、電流検出コイル６の両端部にデポラライザ、偏光フィルタ、１／４波長板を具備して多少変化した偏光面を所定偏光面に戻すことにより、適正な動作をすると共に全体としては安価なサニヤック干渉計型電流センサを構成することができる。
【００５２】
また、光源１と第１の光分岐器２を接続する光ファイバを安価なシングルモード光ファイバにより構成し、第１の光分岐器２を安価なシングルモード光ファイバにより構成し、第１の光分岐器２と第１の偏光フィルタ３の間に第１のデポラライザ１１を接続させる実施例の場合、光源１から第１のデポラライザ１１に到るまで光は偏波面を保存することを保証されないが、第１の光分岐器２と第１の偏光フィルタ３の間に第１のデポラライザ１１を接続させることにより無偏光が得られ、この無偏光を第１の偏光フィルタ３に入射して第１の１／４波長板１６に入射せしめて適正な直線偏光を得ることができる。
【００５３】
更に、左回り長さ調整用光ファイバコイル７１と右回り長さ調整用光ファイバコイル７２の捲回の向きを互いに逆向きとすることにより、左回り長さ調整用光ファイバコイル７１と右回り長さ調整用光ファイバコイル７２によるサニヤック効果は互いに相殺することができる。
【００５４】
ここで、電流検出コイル６、左回り長さ調整用光ファイバコイル７１、右回り長さ調整用光ファイバコイル７２の３者は、サニヤック効果による位相差に関して相互関係を有しているが、｜Ｒc ×Ｌc ＋Ｒ1 ×Ｌ1 −Ｒ2 ×Ｌ2｜ ＜５  の条件を満足することにより、電流検出コイル、第１の光路のコイル、第２の光路のコイルでそれぞれ回転により生じたサニヤック効果による位相差をより小さくすることができる。
【００５５】
そして、Ｒcを０.５ｍ、Ｌc を１０ｍ、Ｒ1 を３５ｍｍ、Ｌ1 を５７ｍ、Ｒ2 を３５ｍｍ、Ｌ2 を２００ｍとすると、光ファイバ長の総和は２６７ｍであり、典型的なサニヤック干渉計である光ファイバジャイロとして一般的な光ファイバ長である。先の式の右辺を５と設定することにより、サニヤック効果による位相差を大きく減少することができる。
【００５６】
また、光ファイバのカットオフ波長が光源波長より１００ｎｍ以上長波長側にずらすことにより、通常は高次モードが伝播するところ、第１の光路には左回り長さ調整用光ファイバコイル７１が接続され、第２の光路には右回り長さ調整用光ファイバコイル７２が接続されているので、これらのコイルの曲げの効果により高次モードは容易に漏洩して伝播することはない。
【００５７】
更に、第１の光分岐器２と第２の光分岐器４の間を光コネクタおよび光ファイバを介して接続する構成を採用することにより、光源側ブロックＢと電流検出コイル側ブロックＣに分割され、高圧鉄塔の近傍の地上に光源側ブロックＢ設置すると共に、高圧電線部近傍に電流検出コイル側ブロックＣのみを分離設置することができ、電流センサ全体を高圧電線部近傍に設置する場合と比較して、設置保守に関する種々の困難な条件を緩和することができる。以上の通りの分割を実施することができるのも、光学素子間をシングルモード光ファイバにより接続したことによる効果であるとすことができる。また、第２の光分岐器４と第１の１／４波長板１６および第２の１／４波長板１７の間を分割し、分割された光源側ブロックＢと電流検出コイル側ブロックＣの２ブロックを第１の光コネクタ２１、第２の光コネクタ２２、第１の光コネクタ２１と第２の光コネクタ２２相互間を接続する延長光ファイバ２０により接続する構成を採用することにより、先の実施例の場合と比較して、電流検出コイル側ブロックＣの構成は更に簡略化され、設置保守に関する種々の困難な条件を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施例を説明する図。
【図２】  デポラライザを説明する図。
【図３】  長さ調整用光ファイバコイルを接続した実施例を説明する図。
【図４】  複数ブロックに分割した実施例を説明する図。
【図５】  複数ブロックに分割した他の実施例を説明する図。
【図６】  従来例を説明する図。
【図７】  長さ調整用光ファイバコイルを接続した従来例を説明する図。
【符号の説明】
１  光源
２  第１の光分岐器
３  第１の偏光フィルタ
４  第２の光分岐器
５  位相変調器
６  電流検出コイル
７  受光器
８  同期検波器
９  発振回路
１１  第１のデポラライザ
１２  第２のデポラライザ
１３  第３のデポラライザ
１４  第２の偏光フィルタ
１５  第３の偏光フィツタ
１６  第１の１／４波長板
１７  第２の１／４波長板
２０  延長光ファイバ
２１  第１の光コネクタ
２２  第２の光コネクタ
６０  長さ調整用光ファイバコイル
７１  左回り長さ調整用光ファイバコイル
７２  右回り長さ調整用光ファイバコイル
ι1 偏波維持光ファイバ
ι2 偏波維持光ファイバ
Ｂ  光源側ブロック
Ｃ  電流検出コイル側ブロック
【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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