以下、図面を参照しながら、実施形態に係る温度補償素子、偏波面保持ファイバ、及び光センサシステムについて詳細に説明する。
(第1実施形態)
第1実施形態に係る偏波面保持ファイバについて説明する。図1は、第1実施形態に係る偏波面保持ファイバの光伝播方向に垂直な方向の断面図である。まず、図1(A)に示される偏波面保持ファイバについて説明する。
図1(A)に示される偏波面保持ファイバ2は、ケーブル状に形成される。また、図1(A)に示される偏波面保持ファイバは、パンダ型偏波面保持ファイバと呼ばれる構造である。
偏波面保持ファイバ2は、光センサなどの温度変化に対する光学的位相の変化を打ち消す機能を有する。磁場又は電流などを測定する光センサは、温度特性を有し、温度変化に応じて、光学的な位相変化を生じ、結果として、測定結果に誤差を生じる。たとえば、温度が上昇するほど光センサから生じる光の位相が進む場合、位相が進んだ分測定結果に誤差が生じる。なお、温度変化によって生じる位相の変化は、特定の変化に限定されるものではない。
光センサが温度変化に応じて測定結果に誤差を生じる場合、光センサに光学的に接続されている偏波面保持ファイバ2は、光センサが生じる誤差を相殺するように、コア11の光学的特性を変化させる。たとえば、上記の例では、偏波面保持ファイバ2は、温度が上昇するほどコア11を通過する伝播光の位相が遅れるような光学的特性が生じるように、コア11に応力を印加する。これによって、光センサが温度変化によって生じる位相変化と、偏波面保持ファイバ2が温度変化によって生じる位相変化とが互いに相殺する。その結果、光センサは、周辺温度に影響されることなく、対象物を測定することができる。
図1(A)が示すように、偏波面保持ファイバ2は、中心にコア11、コア11に隣接する応力付与部12a並びにb、及び、コア11及び応力付与部12a並びにbの周囲を覆っているクラッド13、及びクラッド13を被覆している保護層3などを有する。
コア11(光ファイバ)は、センサから発生するレーザなどの光、又は、信号処理器などから発生するレーザなどの光が通過する光通過部である。コア11は、偏波面保持ファイバ2の中心部に位置し、偏波面保持ファイバ2に平行して設置されている。また、コア11は、2つの複屈折軸(図1において、Y軸(Fast Axis)及びX軸(Slow Axis))を有する。コア11が2つの複屈折軸を有することによって、2つの直線偏光がそれぞれの複屈折軸に拘束されてコア11を通過することができる。
応力付与部12aは、コア11と平行して偏波面保持ファイバ2内部に設置されている。応力付与部12aは、コア11と所定の距離を置いて設置される。また、応力付与部12bは、応力付与部12aの反対側にコア11と平行して偏波面保持ファイバ2内部に設置されている。
応力付与部12a及びbは、互いに異なる熱膨張率の素材で形成されている。たとえば、応力付与部12a及びbは、互いに熱膨張率の異なる他の材料で形成されてもよい。たとえば、応力付与部12a及びbがB2O+SiO2で形成されている場合、応力付与部12a及びbは、B(ホウ素)のドープ量を互いに異にすることで、互いに異なる熱膨張率を有するようにしてもよい。
クラッド13は、コア11及び応力付与部12a並びにbを所定の位置に固定するように円柱状に形成される。なお、クラッド13は、応力付与部12a並びに12bと同様に、コア11へ応力を印加してもよい。
保護層3は、クラッド13全体を被覆している。保護層3は、偏波面保持ファイバ2を外部環境から保護する機能を有する。たとえば、保護層3は、外部からの光が偏波面保持ファイバ2の内部に侵入することを防止し、偏波面保持ファイバ2を通過する光にノイズが生じることを防止する。また、保護層3は、水分やごみなどが偏波面保持ファイバ2に付着することを防止し、偏波面保持ファイバ2が腐食することを防止する。保護層3は、UV硬化樹脂又はアクリル樹脂などで構成され、厚さは、30〜40μm程度である。保護層3の物質及び構造などは、特定の構成に限定さえるものではない。
次に、応力付与部12a及びbがコア11に印加する応力について説明する。
前述の通り、応力付与部12a及びbは、互いに異なる熱膨張率の素材で形成されている。温度変化が生じた場合、応力付与部12a及びbは、それぞれ膨張又は収縮するが、両者の膨張幅又は収縮幅は異なる。その結果、偏波面保持ファイバ2内部の構造が歪み、コア11に応力が印加される。これによって、コア11の消光比又はクロストークなどの光学的特性は、温度変化に対して顕著に変化し、コア11の内部に2つの複屈折軸を有した構成となる。
また、コア11は、上記の2つの複屈折軸の光伝播定数の差によって偏波面を保持している。複屈折軸の光伝播定数は、コア11の複屈折軸に沿った方向に応力を印加することによって顕著に変化する。したがって、両複屈折軸の光伝播定数の差は、複屈折軸の一方に沿った方向に応力を印加することにより効果的に変化する。その結果、コア11の消光比又はクロストークなどの光学的特性は、温度変化に対してより顕著に変化し、その結果、コア11の2つの複屈折軸に拘束されて伝播するそれぞれの直線偏光の光の位相差が顕著に変化する。そのため、応力付与部12a及びbをコア11の複屈折軸上に配置することで、偏波面保持ファイバ2は、コア11に顕著な温度特性の変化(光学的な位相の変化)を生じさせることができる。
図1(A)に示されるように、応力付与部12a及びbは、X軸(Slow Axis)上に形成されている。そのため、応力付与部12a及びbは、主にX軸(Slow Axis)方向にコア11に対して応力を印加する。これによって、コア11のX軸(Slow Axis)の複屈折は、温度変化によってより効果的に変化する。その結果、偏波面保持ファイバ2は、コア11の消光比又はクロストークなどの光学的特性を温度変化に対してより顕著に変化させることができ、コア11の2つの複屈折軸に拘束されたそれぞれの軸を伝播するそれぞれの直線偏光の光の位相差を温度変化に対して顕著に変化させることができる。
次に、図1(B)に示される偏波面保持ファイバ2について説明する。図1(B)に示される偏波面保持ファイバ2は、ボウタイ型偏波面保持ファイバと呼ばれる構造である。図1(B)に示される応力付与部12a及びbは、光伝播方向に垂直な面の断面図において台形をしている。応力付与部12a及びbは、台形の短辺がコア11に向くように設置されている。応力付与部12a及びbは、それぞれ異なる熱膨張率の素材で形成されていることは、図1(A)に示される温度補償素子と同様である。
次に、図1(C)に示される偏波面保持ファイバ2について説明する。図1(C)に示される偏波面保持ファイバ2は、応力付与部12をコア11の片側に1つ備える。温度変化が生じた場合、偏波面保持ファイバ2は、応力付与部12、クラッド13及びコア11の熱膨張率の違いによって、コア11に温度変化に伴う応力を印加することができる。また、応力付与部12は、X軸(Slow Axis)軸上にあり、主にX軸(Slow Axis)方向にコア11に対して応力を印加する。その結果、偏波面保持ファイバ2は、コア11の消光比又はクロストークなどの光学的特性を温度変化に対してより顕著に変化させることができコア11の2つの複屈折軸に拘束されたそれぞれの軸を伝播するそれぞれの直線偏光の光の位相差を温度変化に対して顕著に変化させることができる。なお、応力付与部12の光伝播方向に垂直な面の形状は、円形でなくてもよく、矩形その他特定の形状に限定されるものではない。
以上のように構成される温度補償素子は、温度変化に対してより顕著にコア11の消光比又はクロストークなどの光学的特性を変化させることができコア11の2つの複屈折軸に拘束されたそれぞれの軸を伝播するそれぞれの直線偏光の光の位相差を温度変化に対して顕著に変化させることができる。その結果、偏波面保持ファイバは、温度変化に対する光学的特性の変化(光学的位相変化)の大きい光センサなどに対して温度補償をすることができる。
(第2実施形態)
第2実施形態に係る温度補償素子について説明する。図2は、第2実施形態に係る温度補償素子の光伝播方向の断面図である。図2が示すように、温度補償素子1は、偏波面保持ファイバ2、偏波面保持ファイバ2を被覆する保護層3、偏波面保持ファイバ2に応力を印加する応力付与層4、及び、応力を印加されるシングルモード光ファイバ8(コアとクラッドから成る)などを有する。
偏波面保持ファイバ2は、その外周を保護層3で被覆されている。保護層3は、温度補償素子1の周辺のみならず、温度補償素子1の両端から延びる偏波面保持ファイバ2の全体を被覆している。保護層3は、第1実施形態と同様であるので、詳細な説明は省略する。
偏波面保持ファイバ2は、シングルモード光ファイバ8を挟んで2つの区間に分割されている。一方の偏波面保持ファイバ2の先端は、保護層3に被覆されておらず、シングルモード光ファイバ8に光学的に接続されている。たとえば、偏波面保持ファイバ2の先端は、シングルモード光ファイバ8と融着接続などで接続される。他端の偏波面保持ファイバ2の先端も同様にシングルモード光ファイバ8の他端に光学的に接続される。
応力付与層(応力付与部)4は、金属薄膜層5によって構成され、シングルモード光ファイバ8を直接被覆している。図2に示すように、金属薄膜層5は、保護層3によって被覆されていない区間の偏波面保持ファイバ2も被覆している。また、金属薄膜層5は、当該区間を超えて保護層3によって被覆されている部分にも被覆してもよい。即ち、金属薄膜層5は、シングルモード光ファイバ8、保護層3によって被覆されていない偏波面保持ファイバ2、及び、保護層3によって被覆されている偏波面保持ファイバ2の一部を一体的に被覆する。
金属薄膜層5は、シングルモード光ファイバ8に直接接している。これによって、金属薄膜層5は、保護層3などを介在させることなく、光が通過するシングルモード光ファイバ8のコアにクラッドを介して応力を印加することができる。その結果。金属薄膜層5は、シングルモード光ファイバ8のコアにクラッドを介して効果的に応力を印加することができる。また、金属薄膜層5がシングルモード光ファイバ8に直接接していることで、金属薄膜層5は、より微細な応力をシングルモード光ファイバ8のコアに印加することができる。その結果、金属薄膜層5は、より精度よくシングルモード光ファイバ8のコアに応力を印加することができる。シングルモード光ファイバ8のコアに印加される応力については、後に詳述する。
次に、偏波面保持ファイバ2について説明する。
偏波面保持ファイバ2は、応力付与部14a及びbが同一の熱膨張率を持つ素材で形成されている点で第1実施形態の偏波面保持ファイバ2と異なる。したがって、他の部位については同一の符号を付して詳細な説明は省略する。
図3は、図2の線A−Aに沿った偏波面保持ファイバ2の2つの例の断面図を示す。
図3に示すように、偏波面保持ファイバ2は、中心にコア11、コア11に隣接する応力付与部14a並びにb、及び、コア11及び応力付与部14a並びにbの周囲を覆っているクラッド13などを有する。また、前述の通り、偏波面保持ファイバ2は、保護層3に被覆されている。
偏波面保持ファイバ2は、パンダ型偏波面保持ファイバ(図3(A))及びボウタイ型偏波面保持ファイバ(図3(B))などの応力付与型偏波面保持ファイバである。図3(A)に示すように、パンダ型偏波面保持ファイバは、応力付与部12の断面の形状が円形である。また、図3(B)に示すように、ボウタイ型偏波面保持ファイバは、応力付与部14の断面の形状が台形状である。ボウタイ型偏波面保持ファイバの応力付与部14は、台形状の短辺がコア11に向くように設置されている。偏波面保持ファイバ2がどのような形態であるかは、偏波面保持ファイバ2の用途や設置場所などによって決定される。
応力付与部14aは、コア11と平行して偏波面保持ファイバ2内部に設置されている。応力付与部14aは、コア11と所定の距離を置いて設置される。また、応力付与部14bは、応力付与部14aの反対側にコア11と平行して偏波面保持ファイバ2内部に設置されている。応力付与部14a及びbは、コア11に印加する応力を調整する機能を有する。たとえば、応力付与部14a及びbは、コア11に応力を印加し、コア11を2つの複屈折軸に拘束されて通過する直線偏光の偏波面を保持する。
なお、偏波面保持ファイバ2の構成は、特定の構成に限定されるものではない。
シングルモード光ファイバ8のコアは、センサから発生するレーザなどの光、又は、信号処理器などから発生するレーザなどの光が通過する光通過部である。シングルモード光ファイバ8は、図2において左に接続されている偏波面保持ファイバ2から供給される光を、右に接続されている偏波面保持ファイバ2へ供給することができる。また、シングルモード光ファイバ8は、図2において右に接続されている偏波面保持ファイバ2から供給される光を、左に接続されている偏波面保持ファイバ2へ供給することができる。
シングルモード光ファイバ8は、ガラス、アクリル樹脂又はプラスチックなどで構成されるが、特定の物質に限定されるものではない。
次に、応力付与層4について説明する。
応力付与層4は、シングルモード光ファイバ8に応力を印加する機能を有する。応力付与層4は、周囲の温度変化に応じて膨張又は収縮しシングルモード光ファイバ8のコアにクラッドを介して応力を印加する。即ち、応力付与層4は、周囲の温度に応じた応力をシングルモード光ファイバ8のコアに印加する。応力付与層4がシングルモード光ファイバ8のコアにクラッドを介して応力を印加すると、シングルモード光ファイバ8のコアは歪む。その結果、シングルモード光ファイバ8のコアの消光比又はクロストークなどの光学的特性が変化し、結果として、シングルモード光ファイバ8のコア内部に生じた2つの複屈折軸に拘束されて伝播するそれぞれの直線偏光の位相差が変化する。
図4は、図2の線B−Bに沿った温度補償素子の2つの例の断面図を示す。
図4に示すように、応力付与層4を構成する金属薄膜層5は、シングルモード光ファイバ8を被覆している。
応力付与層4は、シングルモード光ファイバ8に印加する応力がそれぞれの外周に均一に生じないように(非等方的に生じるように)構成されている。シングルモード光ファイバ8に印加される応力が外周に非等方的に生じることによって、より効果的にシングルモード光ファイバ8のコアは歪む。その結果、シングルモード光ファイバ8のコアの屈折率及び消光比又はクロストークなどの光学的特性の変化が顕著になり、結果として、シングルモード光ファイバ8のコア内部に生じた2つの複屈折軸に拘束されて伝播するそれぞれの直線偏光の位相差が顕著に変化する。
たとえば、応力付与層4は、金属などで構成される金属薄膜層5から構成される。金属薄膜層5を構成する金属は、ニッケル、金又はアルミニウムなど、熱膨張率などの特徴が既知で安定している金属であるが、特定の種類の金属に限定されるものではない。金属薄膜層5は、光伝播方向に垂直な断面の形状が楕円形や長方形などの非円形になるように形成される。断面の形状が非円形である金属薄膜層5の膨張又は収縮から生じる応力は、シングルモード光ファイバ8及び、そのコアに非等方的に生じる。
図4(A)は、図2の線B−Bに沿った温度補償素子の例の断面図である。図4(A)に示す例において、金属薄膜層5は、y軸方向に延びる楕円形をしている。たとえば、金属薄膜層5が温度上昇によって膨張した場合、膨張によって生じる応力は、シングルモード光ファイバ8を押しつぶす方向に印加される。また、シングルモード光ファイバ8のy軸方向に生じる応力は、x軸方向に生じる応力よりも大きい。したがって、シングルモード光ファイバ8は、y軸方向からより大きな応力で押しつぶされ、y軸方向へより顕著に歪む。以上のように、図4(A)に示す例において、温度変化が生じた場合、金属薄膜層5が生じる応力は、シングルモード光ファイバ8のコアに非等方的に生じ、シングルモード光ファイバ8の温度変化に対する光学的特性の変化が顕著になり、結果として、シングルモード光ファイバ8のコア内部に生じた2つの複屈折軸に拘束されて伝播するそれぞれの直線偏光の位相差が温度変化に対して顕著に変化する。
また、応力付与層4を構成する金属薄膜層5は、金属薄膜層5の中心部とシングルモード光ファイバ8とがずれるように形成されていてもよい。この場合、金属薄膜層5は、円形であってもよい。このような金属薄膜層5の膨張又は収縮から生じる応力は、シングルモード光ファイバ8のコアに非等方的に生じる。
図4(B)は、図1の線B−Bに沿った温度補償素子の他の例の断面図である。図4(B)に示す例において、金属薄膜層5は、光伝播方向に垂直な断面が円形となるように形成されているが、シングルモード光ファイバ8は金属薄膜層5の中心部からずれている。たとえば、金属薄膜層5が温度上昇によって膨張した場合、x軸方向の反対方向(図4(B)の右から左方向)からシングルモード光ファイバ8に印加される応力は、他の方向から印加される応力よりも大きい。したがって、シングルモード光ファイバ8は、x軸方向の反対方向からより大きな応力を印加され、x軸方向へよく顕著に歪む。以上のように、図3(B)に示す例において、温度変化が生じた場合、金属薄膜層5が生じる応力は、偏波面保持ファイバ2に非等方的に生じ、シングルモード光ファイバ8のコアの温度変化に対する光学的特性の変化が顕著になり、結果として、シングルモード光ファイバ8のコア内部に生じた2つの複屈折軸に拘束されて伝播するそれぞれの直線偏光の位相差が温度変化に対して顕著に変化する。
次に、応力を印加する方向について説明する。
シングルモード光ファイバ8のコアは、上記の2つの複屈折軸の光伝播定数の差によって偏波面を保持している。また、複屈折軸の光伝播定数は、シングルモード光ファイバ8のコアの複屈折軸に沿った方向に応力を印加することによって顕著に変化する。したがって、両複屈折軸の光伝播定数の差は、複屈折軸の一方に沿った方向に応力を印加することにより効果的に変化する。その結果、シングルモード光ファイバ8のコアの消光比又はクロストークなどの光学的特性は、温度変化に対してより顕著に変化し、結果として、シングルモード光ファイバ8のコア内部に生じた2つの複屈折軸に拘束されて伝播するそれぞれの直線偏光の位相差が温度変化に対して顕著に変化する。シングルモード光ファイバ8のコアの光学的特性の温度変化をより顕著に変化させる必要がある場合には、応力付与層4は、偏波面保持ファイバ2に印加される応力の方向が1つの複屈折軸と平行となるように形成される。
一方、各複屈折軸に印加される応力の大きさが近似している場合には、複屈折軸の光伝播定数の差があまり変化せず、シングルモード光ファイバ8のコアの消光比又はクロストークなどの光学的特性は、ゆるやかに変化する。たとえば、両複屈折軸の間(即ち、両複屈折軸から45度近辺の角度)に応力が印加される場合、両複屈折軸方向に生じる応力の大きさ近似し、両複屈折軸の光伝播定数の差はゆるやかに変化する。その結果、シングルモード光ファイバ8のコアの消光比又はクロストークなどの光学的特性は、温度変化に対して緩やかに変化する。シングルモード光ファイバ8のコアの光学的特性の温度変化をゆるやかに変化させる必要がある場合には、応力付与層4は、偏波面保持ファイバ2に印加される応力の大きさが近似するように形成される。
なお、金属薄膜層5がシングルモード光ファイバ8に接着されているため、温度変化によって金属薄膜層5が膨張又は収縮すると、シングルモード光ファイバ8に縦荷重応力(光伝播方向に生じる応力)も印加される。縦荷重応力を印加されると、シングルモード光ファイバ8は、光伝播方向へも伸長又は収縮する。これによっても、シングルモード光ファイバ8のコアの消光比又はクロストークなどの光学的特性は変化し、結果として、シングルモード光ファイバ8のコア内部に生じた2つの複屈折軸に拘束されて伝播するそれぞれの直線偏光の位相差が温度変化に対して顕著に変化する。
以上のように、シングルモード光ファイバ8に印加する応力の強度及び方向によって、シングルモード光ファイバ8のコアの消光比又はクロストークなどの光学的特性の変化量は異なる。金属薄膜層5の物資、形状又は方向は、金属薄膜層5が温度補償するセンサなどの温度特性を相殺するような光学的特性の温度変化を持つように決定され、特定の構成に限定されるものではない。
次に、金属薄膜層5の形成方法について説明する。
金属薄膜層5は、電解メッキ又は金属蒸着によって形成される。たとえば、偏波面保持ファイバ2は、マスキングを施される。即ち、シングルモード光ファイバ8以外の区間は、マスキングを施される。なお、シングルモード光ファイバ8周辺の偏波面保持ファイバ2は、マスキングを施されなくともよい。
この状態で、シングルモード光ファイバ8に電解メッキ又は金属蒸着を施こすことによって、金属薄膜層5は、形成される。また、金属薄膜層5の断面を非円形になるように金属薄膜層5を形成するため、又は、シングルモード光ファイバ8が金属薄膜層5の中心部からずれるように金属薄膜層を形成するために、電解メッキ若しくは金属蒸着において電界の方向や強度の調整、メッキ時間又は蒸着時間の調整、又は、シングルモード光ファイバ8の電界方向若しくは金属蒸着が進む方向に対する軸回転などの処理工程が単体又は組み合わせて行われる。さらに以上のような工程によって、金属薄膜層5の厚さも調整される。
また、金属薄膜層5は、シングルモード光ファイバ8の同心円状に形成された後、加工によって金属薄膜層5の断面図の形状が所定の形状になるように形成されてもよい。たとえば、金属薄膜層5は、ヤスリがけ又はエッチング処理などによって金属薄膜層5の断面図の形状が所定の形状になるように形成されてもよい。
なお、金属薄膜層5の形成方法は、金属薄膜層5を所定の形状に加工できる方法であればよく、特定の形成方法に限定されるものではない。
以上のように構成される温度補償素子は、シングルモード光ファイバに対して不均一な応力を印加することができる。そのため、温度補償素子は、温度変化に応じて、より顕著にシングルモード光ファイバ8のコアの光学的特性を変化させることができる。
(第3実施形態)
第3実施形態に係る温度補償素子1について説明する。図5は、第3実施形態に係る温度補償素子の光伝播方向の断面図である。
第3実施形態では、応力付与層4が、金属薄膜層5に加えて、フェルール6及び蝋材7から構成されている点で第2実施形態と異なる。したがって、これ以外の点については、第2実施形態と同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
図6は、図5の線A−Aに沿った温度補償素子の2つの例の断面図を示す。
図5に示すように、応力付与層4は、金属薄膜層5、金属薄膜層5の外周を被覆しているフェルール6、及び金属薄膜層5とフェルール6とを接着している蝋材7などを有する。
金属薄膜層5は、第2実施形態と同様である。図6(A)は、図4(A)に示される金属薄膜層5にフェルール6を被覆した温度補償素子の例の断面図であって、図6(B)は、図4(B)に示される金属薄膜層5にフェルール6を被覆した温度補償素子の例の断面図である。
フェルール6は、偏波面保持ファイバ2をコネクタなどに差し込んだ際に偏波面保持ファイバ2を固定する機能を有する。フェルール6は、円柱形状であって、フェルール6の中心部とシングルモード光ファイバ8の中心部(コア)が一致するように金属薄膜層5を被覆している。即ち、シングルモード光ファイバ8とフェルール6は、同心円状に位置している。シングルモード光ファイバ8とフェルール6が同心円状に位置していることによって、フェルール6がコネクタなどに差し込まれた場合に、シングルモード光ファイバ8を通過する光の伝播軸は、接続先のファイバと一致する。この結果、コネクタ接続における光伝送損失が低減する。
フェルール6は、たとえば、Fe−Niインバー合金又はコバール合金など、熱膨張率などの温度特性が既知で安定している物質であるが、特定の種類の金属に限定されるものではない。なお、フェルール6は、射出形成や機械加工などによって円筒形状に形成されてもよい。フェルール6の製造方法は、特定の方法に限定されるものではない。
金属薄膜層5とフェルール6は、蝋材7によって接着されている。蝋材7は、金属薄膜層5とフェルール6との間を隙間なく充填し、シングルモード光ファイバ8とフェルール6とが同心円状に位置するようにフェルール6を金属薄膜層5に固定している。蝋材7は、Sn−Pb共晶ハンダ、スズ・銀・銅の合金、又はスズ・ビスマスの合金など、熱膨張率などの温度特性が既知で安定している物質であるが、特定の種類の金属に限定されるものではない。
温度補償素子1は、熱膨張率が既知で安定している異種の金属を多重に被覆する構造になっている。これによって、温度補償素子1は、温度に応じて、安定的に応力をシングルモード光ファイバ8に印加することができる。また、温度補償素子1は、金属の組み合わせによっては、より精度よくシングルモード光ファイバ8に応力を印加することができる。さらに、温度補償素子1は、金属の組み合わせによっては、より大きな応力をシングルモード光ファイバ8に印加することができる。その結果、温度補償素子1は、金属の種類、厚み及び形状を調整することによって、シングルモード光ファイバ8のコアの消光比又はクロストークなどの光学的特性をより詳細かつ幅広く制御することができる。
たとえば、フェルール6は、熱膨張率が金属薄膜層5の熱膨張率よりも小さい物質であるものとする。この場合、温度変化が生じてもフェルール6は金属薄膜層5よりも膨張又は収縮しない。金属薄膜層5は、フェルール6に固定されているので、温度変化が生じた場合でも、金属薄膜層5は、縦方向(光伝播方向)への膨張又は収縮を生じにくい。その結果、応力付与層4によって縦荷重応力がシングルモード光ファイバ8に印加されるが抑制される。
また、シングルモード光ファイバ8は、縦荷重応力が生じた場合よりも横荷重応力の方が生じた場合の方が消光比又はクロストークなどの光学的特性の変化が小さい。
したがって、応力付与層4は、光学的特性が大きく変化する縦荷重応力を抑制することができる。その結果、応力付与層4は、より微細に光学的特性の変化を制御することができる。
以上のように構成される温度補償素子は、シングルモード光ファイバ8のコアの光学的特定をより微細に制御することができる。また、温度補償素子は、シングルモード光ファイバ8により強く応力を印加することもでき、シングルモード光ファイバ8のコアの光学的特性の変化をより顕著にすることができる。
(第4実施形態)
第4実施形態について説明する。図7(A)は、第4実施形態に係る温度補償素子の光伝播方向の断面図である。図7(B)は、図7(A)の線A−Aに沿った温度補償素子の断面図である。
第4実施形態では、温度補償素子1が複数の平面プレートなどによって形成されている点で第1実施形態と異なる。したがって、これ以外の点については、第2実施形態と同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
図7(A)及び(B)に示すように、温度補償素子1は、両端に偏波面保持ファイバ2を光学的に接続されているシングルモード光ファイバ8、シングルモード光ファイバ8を上側から抑える平面プレート21、シングルモード光ファイバ8を下側から抑える平面プレート22、平面プレート21並びに22の間に設けられるスペーサ23、平面プレート21並びに22及びスペーサ23を貫通する調整ボルト25、平面プレート22から突出した調整ボルト25の先端に取り付けられたナット26、調整ボルト25と平面プレート21との間に設けられたスプリング24、調整ボルト25とスプリング24との間に設置されるワッシャ27、及びスプリング24と平面プレート21との間に設置されるワッシャ28などを有する。
平面プレート21及び22は、所定の厚み、所定の幅及び所定の長さを持つ矩形状の部材である。また、平面プレート21及び22は、ほぼ同一の大きさ及び形状である。平面プレート21及び22の幅(即ち、図6のx軸方向の大きさ)は、シングルモード光ファイバ8を挟み込むことができる幅であればよく、シングルモード光ファイバ8の直径よりも広ければよい。また、平面プレート21及び22の長さ(即ち、光伝播方向の大きさ)及び厚み(即ち、図6のy軸方向の大きさ)は、温度補償素子1に要求される温度補償の構成によって決定され、特定の構成に限定されるものではない。また、平面プレート21及び22は、熱膨張率などの特性が既知で安定している金属プレートなどであるが、特定の物質に限定されるものではない。
平面プレート21及び22は、平行にシングルモード光ファイバ8を上下から挟み込むように設置されている。なお、平面プレート21及び22は、偏波面保持ファイバ2の領域を一部挟み込んでもよい。
平面プレート21及び22は、スプリング24a乃至d及び調整ボルト25a乃至dなどから平面プレート21及び22が接近する方向にそれぞれ応力を印加される。平面プレート21及び22は、スプリング24a乃至d及び調整ボルト25a乃至dによって印加された応力を、シングルモード光ファイバ8に印加する。これによって、平面プレート21及び22は、シングルモード光ファイバ8のコアにクラッドを介して応力を印加することができる。
スペーサ23a及びbは、シングルモード光ファイバ8の両端に位置している。
スペーサ23aは、平面プレート21及び22の幅方向の右端に沿って挟み込まれている。即ち、スペーサ23aは、平面プレート21及び22の光伝播方向の一端から他端にかけて平面プレート21及び22の右端に直線的に設置されている。スペーサ23aは、金属又は弾性体などであるが、特定の物質又は形状に限定されるものではない。スペーサ23aは、平面プレート21及び22がシングルモード光ファイバ8へ印加する圧力によって偏波面保持ファイバ2が破損することを防止する。
スペーサ23aの厚さ(図6のy軸方向の大きさ)は、シングルモード光ファイバ8の直径(クラッドの直径)よりもわずかに小さい。これによって、平面プレート21及び22は、スペーサ23aに応力を印加しにくくなり、シングルモード光ファイバ8のコアに効果的に応力を印加することができる。また、シングルモード光ファイバ8が所定の幅に押しつぶされると、平面プレート21及び22が印加する応力は、スペーサ23aに印加される。これによって、シングルモード光ファイバ8が所定の幅よりも押しつぶされ破損することが防止される。スペーサ23bも同様の構成となっている。
調整ボルト25a、ナット26a、スプリング24a、及びワッシャ27a並びに28aは、平面プレート21及び22の長さ方向(光伝播方向)の一端(たとえば、図7(A)の左側)、かつ、平面プレート21及び22の幅方向(図7(B)のx軸方向)の一端(たとえば、図7(B)の右側)に設置される。また、調整ボルト25b、ナット26b、スプリング24b、及びワッシャ27b並びに28bは、平面プレート21及び22の長さ方向(光伝播方向)の一端(たとえば、図7(A)の左側)、かつ、平面プレート21及び22の幅方向(図7(B)のx軸方向)の他端(たとえば、図7(B)の左側)に設置される。また、調整ボルト25c、ナット26c、スプリング24c、及びワッシャ27c並びに28cは、平面プレート21及び22の長さ方向(光伝播方向)の他端(たとえば、図7(A)の右側)、かつ、平面プレート21及び22の幅方向(図7(B)のx軸方向)の一端(たとえば、図7(B)の右側)に設置される。さらに、図示しない調整ボルト25d、ナット26d、スプリング24d、及びワッシャ27d並びに28dは、平面プレート21及び22の長さ方向(光伝播方向)の他端(たとえば、図7(A)の右側)、かつ、平面プレート21及び22の幅方向(図7(B)のx軸方向)の他端(たとえば、図7(B)の左側)に設置される。
調整ボルト25aは、平面プレート21、スペーサ23a及び平面プレート22を貫通し、平面プレート22から下方へ突出している。調整ボルト25aは、突出した端部にナット26aを取り付けられている。また、ワッシャ27a及び28aは、調整ボルト25aの頭と平面プレート21との間に設けられる。スプリング24aは、ワッシャ27a及び28aの間に設置される。調整ボルト25a、ワッシャ27a並びに28a及びスプリング24aの中心部を通過し、ワッシャ27a並びに28a及びスプリング24aを固定している。スプリング24は、収縮した状態でワッシャ27a及び28aの間に設置され、スプリング24aの反発力によって平面プレート21に絶えず応力を印加している。
スプリング24aは、温度変化によってばね定数又は弾性係数が変化する温度特性を有する弾性体から構成される。スプリング24aは、たとえば、金属合金スプリングバネ、金属合金の板バネ、又は、セラミックから構成されるスプリングバネなどであるが、特定の種類の弾性体に限定されるものではない。
なお、スプリング24c、調整ボルト25c、ワッシャ27c並びに28c、及びナット26cも同様の構成となっている。
また、調整ボルト25b及びdは、平面プレート21、スペーサ23b及び平面プレート22を貫通し、平面プレート22から下方へ突出している。他の点については、スプリング24b及びd、調整ボルト25b及びd、ワッシャ27b及びd、ワッシャ28b及びd、及びナット26b及びdは、同一の構成である。
次に、シングルモード光ファイバ8のコアに印加される応力について説明する。
スプリング24aは、調整ボルト25aによって収縮されている。したがって、調整ボルト25aを絞める又は緩めることによって、スプリング24aの反発力が調整される。たとえば、調整ボルト25aが締まると、スプリング24aが収縮され、スプリング24aの反発力が強まる。逆に、調整ボルト25aが緩むと、スプリング24aが伸び、スプリング24aの反発力が弱まる。同様に、調整ボルト25b乃至dを絞める又は緩めることによって、スプリング24b乃至dの反発力が調整される。よって、調整ボルト25a乃至dを調節しスプリング24a乃至dの反発力を調整することで、シングルモード光ファイバ8のコアに印加される応力は調整される。
また、前述の通り、スプリング24a及びdは、温度変化によってばね定数又は弾性係数が変化する温度特性を有する弾性体から構成される。したがって、温度変化が生じると、スプリング24a及びdのばね定数又は弾性係数は変化し、スプリング24a及びdの反発力が変化する。そのため、温度変化が生じると、シングルモード光ファイバ8のコアに印加される応力も変化する。したがって、シングルモード光ファイバ8のコアに印加される応力は、温度依存性を有することができる。
なお、前述の通り、平面プレート21及び22によって印加される応力がシングルモード光ファイバ8の2つの複屈折軸に沿って印加されるように、温度補償素子1は、シングルモード光ファイバ8を挟み込んでもよい。この場合、温度補償素子1は、温度変化に対してより顕著にシングルモード光ファイバ8のコアの消光比又はクロストークなどの光学的特性を変化させることができ、結果として、シングルモード光ファイバ8のコア内部に生じた2つの複屈折軸に拘束されて伝播するそれぞれの直線偏光の位相差が温度変化に対して顕著に変化する。
以上のように、スプリング24a乃至dの反発力及びシングルモード光ファイバ8の向きなどを調節することによって、シングルモード光ファイバ8のコアの消光比又はクロストークなどの光学的特性の温度変化に対する変化量を制御することができる。また、第1実施形態乃至第3実施形態と異なり、本実施形態では、温度補償素子1は、シングルモード光ファイバ8の一面のみから応力を印加することができる。これによって、温度補償素子1は、より顕著に特定の向きに応力を印加することができる。
なお、温度補償素子1は、スプリング24を設けなくともよい。即ち、平面プレート21及び22は、スペーサ23を挟んで、調整ボルト25及びナット26で直接固定される。この場合、平面プレート21並びに22、スペーサ23、及び調整ボルト25の熱膨張率の違いによって、温度補償素子1は、温度変化に応じた応力をシングルモード光ファイバ8のコアに印加することができる。
また、温度補償素子1は、調整ボルト25及びナット26を設けなくともよい。即ち、平面プレート21及び22は、スペーサ23を挟んで接着されてもよい。たとえば、平面プレート21並びに22及びスペーサ23の接着方法は、機械的なはめあい接着、接着剤による接着、又は溶着若しくは溶接による接着などであるが、特定の方法に限定されるものではない。この場合、平面プレート21並びに22及びスペーサ23の熱膨張率の違いによって、温度補償素子1は、温度変化に応じた応力をシングルモード光ファイバ8のコアに印加することができる。
また、本実施形態に係る温度補償素子1が備える調整ボルト及びスプリングの数は、特定の個数に限定されるものではない。
また、平面プレート21並びに22、スペーサ23a及びシングルモード光ファイバ8で形成される空間と、平面プレート21並びに22、スペーサ23b及びシングルモード光ファイバ8で形成される空間とは、シリコンゴムなどの充填剤で満たされていてもよい。
以上のように構成される温度補償素子は、一方方向からシングルモード光ファイバ8のコアに応力を印加することができる。その結果、温度補償素子は、特定の方向にシングルモード光ファイバを押しつぶし、より精密にシングルモード光ファイバ8のコアの光学的特性の変化(光の位相変化)を制御することができる。
(第5実施形態)
第5実施形態について説明する。図8(A)は、第5実施形態に係る温度補償素子の光伝播方向の断面図である。図8(B)は、図8(A)の線A−Aに相当する線に沿った温度補償素子の断面図である。
第5実施形態では、第4実施形態に係る平面プレート22が、V字の溝を有するV溝プレート31に置き換わっている点で第4実施形態と異なる。したがって、これ以外の点については、第4実施形態と同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
図8(A)及び(B)に示すように、温度補償素子1は、シングルモード光ファイバ8を上側から抑える平面プレート21、シングルモード光ファイバ8を下側から抑えるV溝プレート31、平面プレート21並びにV溝プレート31の間に設けられるスペーサ23、平面プレート21、V溝プレート31並びにスペーサ23を貫通する調整ボルト25、V溝プレート31から突出した調整ボルト25の先端に取り付けられたナット26、調整ボルト25と平面プレート21との間に設けられたスプリング24、調整ボルト25とスプリング24との間に設置されるワッシャ27、及び調整ボルト25と平面プレート21との間に設置されるワッシャ28などを有する。
V溝プレート31は、平面プレート21とほぼ同一の幅及び長さで形成されている。V溝プレート31は、V字の溝を形成することが可能な厚みに形成される。V溝プレート31は、幅方向(図8(B)のx軸方向)の中心部にV字の溝を有している。V溝プレートに設けられるV字の溝は、V溝プレート31の光伝播方向の一端から他端にかけて直線的に形成されている。V溝プレートに設けられるV字の溝は、シングルモード光ファイバ8を収めるために設置される。V字の溝の角度及び深さは、シングルモード光ファイバ8の直径(クラッドの直径)及び温度補償の内容などによって決定されるが、特定の構成に限定されるのもではない。
また、V溝プレート31は、熱膨張率などの特性が既知で安定している金属プレートなどであるが、特定の物質に限定されるものではない。V字の溝を形成する方法は、一般的な掘削加工又はV溝プレート31事態を形成する鋳造加工などであってもよく、特定の方法に限定されるものではない。
本実施形態では、温度補償素子1は、シングルモード光ファイバ8をV溝プレート31に形成されたV字の溝に収まるように挟み込む。これによって、シングルモード光ファイバ8が平面プレート21とV溝プレート31との間で幅方向にずれることが防止される。また、平面プレート21とV溝プレート31は、シングルモード光ファイバ8に非等方的な応力を安定的に印加することができる。また、V字の溝の形状を調整することによって、シングルモード光ファイバ8のコアにクラッドを介して印加される応力の角度が安定的に制御される。
なお、V字の溝は、完全にV字の形状になっていなくともよい。たとえば、V字の先端が平面となるような構造でもよい。図9は、V字の先端が平面となるような溝をV溝プレートに形成した場合の例を示す。図9は、図8(A)の線A−Aに沿った温度補償素子の断面図である。簡略化のため、図9は、調整ボルト25、スプリング24、ナット26、及びワッシャ27並びに28を省略し、平面プレート21、スペーサ23及びV溝プレート31を示す。
図9に示すように、V溝プレート31に形成されているV字の溝は、先端が平面となっている。平面の部分はシングルモード光ファイバ8に接触していないため、完全なV字の溝にシングルモード光ファイバ8を収めている場合と同様の効果が得られる。V字の溝の先端を平面に形成することによって、V溝プレート31の厚みを薄くすることができる。
また、図9に示すように、V字の溝の角度が60度である場合、シングルモード光ファイバ8は、平面プレート21、V字の溝の一面及びV字の溝の他面からそれぞれ120度の角度で等方的に応力を印加される。したがって、この場合、温度変化によるシングルモード光ファイバ8のコアの消光比又はクロストークなどの光学的特性の変化は、生じにくい。このため、シングルモード光ファイバ8光学的特性の変化が顕著である必要がある場合には、V溝プレート31に形成されるV字の溝は、V字の溝の角度が60度付近の値とならないように形成されることが望ましい。
なお、平面プレート21及びV溝プレート31によって印加される応力がシングルモード光ファイバ8のコアの2つの複屈折軸に沿って印加されるように、温度補償素子1は、偏波面保持ファイバ2を挟み込んでもよい。この場合、温度補償素子1は、温度変化に対してより顕著にシングルモード光ファイバ8の消光比又はクロストークなどの光学的特性を変化させることができる。
また、本実施形態に係る温度補償素子1が備える調整ボルト及びスプリングの数は、特定の個数に限定されるものではない。
また、平面プレート21、V溝プレート31、スペーサ23a及びシングルモード光ファイバ8で形成される空間と、平面プレート21、V溝プレート31、スペーサ23b及びシングルモード光ファイバ8で形成される空間とは、シリコンゴムなどの充填剤で満たされていてもよい。
以上のように構成される温度補償素子は、シングルモード光ファイバが回転又は移動することを防止することができる。その結果、温度補償素子は、安定的にシングルモード光ファイバ8へ応力を印加することができ、安定的に温度補償を行うことができる。
(第6実施形態)
第6実施形態について説明する。第6実施形態では、温度補償素子1は、第1実施形態から第5実施形態に記載の温度補償素子を複数個直列に連結したものである。図10は、本実施形態に係る温度補償素子1の例を概略的に示す図である。図10に示すように、温度補償素子1は、温度補償素子1a、1b及び1cなどを有している。
各温度補償素子1a、1b及び1cは、第1実施形態から第5実施形態に記載されている温度補償素子の1つである。各温度補償素子1a、1b及び1cは、第1実施形態から第5実施形態に記載されている温度補償素子のどれでもよく、同一の構成の温度補償素子でもよいし、異なる構成の温度補償素子でもよい。各温度補償素子1a、1b及び1cは、特定の組み合わせに限定されるものではない。
また、各温度補償素子1a、1b及び1cは、互いに偏波面保持ファイバ2によって光学的に接続されている。各温度補償素子1a、1b及び1cは、それぞれ温度補償素子の偏波面保持ファイバの融着接続、コネクタ接続、又はレンズを介した光学結合などによって互いに接続される。なお。各温度補償素子1a、1b及び1cの接続方法は、特定の方法に限定されるものではない。
なお、図10においては、温度補償素子1は、3つの温度補償素子を有するが、2つ又は4つ以上の温度補償素子を有してもよい。温度補償素子1は、少なくとも2つの温度補償素子を有していればよい。
温度補償素子1は、個々の温度補償素子の温度特性を重ね合わせることで、複雑な温度特性を有する。したがって、温度補償素子1は、1つの温度補償素子では実現不可能な温度特性を有することができる。
以上のように構成される温度補償素子は、温度補償素子は、より複雑な温度補償を実現することができる。その結果、温度補償素子は、1つの温度補償素子では実現が困難又は不可能な温度補償を実現することができる。
(第7実施形態)
第7実施形態について説明する。図11は、第7実施形態に係るサニャック干渉型光センサシステム(光センサシステム)の構成例を概略的に示す図である。第7実施形態に係るサニャック干渉型光センサは、第1実施形態から第6実施形態に係る温度補償素子のいずれかを備える。
図11が示すように、サニャック干渉型光センサシステム10は、信号処理部40、偏波面保持ファイバ部60、及び、センサ部70などを有する。サニャック干渉型光センサシステム10は、センサ部70内にある電線74を通過する電流を測定する。サニャック干渉型光センサシステム10は、たとえば、電線74を通過する数キロアンペアの電流を測定することができる。サニャック干渉型光センサシステム10は、変電所などに設置され、変圧器などを通過する電流を測定してもよい。なお、サニャック干渉型光センサシステム10が設置される場所及び測定の対象は、特定の構成に限定されるものではない。
信号処理部40は、センサ部70へ測定用のレーザなど光(測定光)を供給する機能、及び、センサ部70で反射した測定用の光(反射光)を受信する機能などを有する。また、信号処理部40は、センサ部70から受信した反射光に基づいて電線74を通過する電流を測定する機能を有する。
図11に示すように、信号処理部40は、光源駆動回路41、光源42、ファイバカプラ43、光学フィルタ44、位相変調子駆動回路45、位相変調子46、検出器47、同期検波回路48、演算回路49及び余長コイル50などを有する。
光源駆動回路41は、光源42に安定的に電流を供給する機能を有する。光源駆動回路41は、光源42に電気的に接続されている。また、光源駆動回路41は、光源42が照射する光の強度、周波数及び位相などを制御する機能を有してもよい。
光源42は、光源駆動回路41から供給される電流に応じて測定光を照射する。光源42は、ファイバカプラ43に光ファイバ(たとえば、偏波面保持ファイバ)を通じて光学的に接続されている。光源42は、光ファイバを通じてファイバカプラ43へ測定光を供給する。光源42は、LEDなどであるが特定の構成に限定されるものではない。
ファイバカプラ43は、2つの光を1つの光にまとめ、又は、1つの光を2つの光に分離する機能を有する。ファイバカプラ43は、光源42、光学フィルタ44及び検出器47と光ファイバを通じて光学的に接続されている。ファイバカプラ43は、光源42から照射される測定光を光学フィルタ44へ供給し、光学フィルタ44から供給される反射光を検出器47へ供給する。
光学フィルタ44は、特定の性質を持つ光(たとえば、直線偏光)に変換する機能を有する。光学フィルタ44は、ファイバカプラ43及び位相変調子46に光ファイバを通じて光学的に接続されている。光学フィルタ44は、ファイバカプラ43から位相変調子46へ供給される測定光をフィルタし、位相変調子46からファイバカプラ43へ供給される反射光をフィルタする。光学フィルタ44は、たとえば、測定光及び反射光に生じたノイズなどを除去する役割を果たす。
位相変調子駆動回路45は、制御信号を用いて位相変調子46を制御し、位相変調子46を通過する光の位相を制御する機能を有する。位相変調子駆動回路45は、位相変調子46及び同期検波回路48と電気的に接続されている。また、位相変調子駆動回路45は、外部からの信号に基づいて、位相変調子46を通過する光の位相を制御することができる。本実施形態においては、位相変調子駆動回路45は、同期検波回路48からの信号に基づいて、位相変調子46を通過する光の位相を制御する。
位相変調子46は、位相変調子駆動回路45からの制御信号に基づき、位相変調子46を通過する光の位相又は周波数を変調する。
検出器47は、供給される光を電気的な信号に変換して出力する機能を有する。検出器47は、光ファイバなどでファイバカプラ43と光学的に接続され、同期検波回路48と電気的に接続されている。検出器47は、ファイバカプラ43から反射光を供給され、供給された反射光を電気信号に変換し、同期検波回路48へ供給する。
同期検波回路48は、位相変調子駆動回路45へ位相を制御するための信号を供給する機能を有する。また、同期検波回路48は、検出器47から送信される電気的な信号から特定の位相を持つ信号を抽出する機能を有する。同期検波回路48は、検出器47及び位相変調子駆動回路45と電気的に接続されている。同期検波回路48は、位相変調子駆動回路を介して測定光の位相を特定の位相に制御する。また、同期検波回路48は、測定光の位相と同位相の信号を検出器47から送信される電気信号から抽出する。これによって、同期検波回路48は、測定光と同位相である反射光に対する電気信号を抽出することができる。同期検波回路48は、抽出された電気信号を演算回路49へ供給する。
演算回路49は、同期検波回路48から供給される電気信号に基づいて電線74を通過する電流を計算する。演算回路49は、同期検波回路48と電気的に接続されている。演算回路49は、専用の回路であってもよいし、PCなどであってもよい。演算回路49は、計算した電流を示す情報を外部へ送信する。
余長コイル50は、位相変調子46を通じて供給される測定光を偏波面保持ファイバ部60へ供給し、偏波面保持ファイバ部60を通じて供給される反射光を位相変調子46へ供給する光ファイバである。
偏波面保持ファイバ部60は、センサ部70の温度変化に対する光学的特性の変化を相殺する機能を有する。図11に示すように、偏波面保持ファイバ部60は、温度補償素子1、信号処理部40と温度補償素子1とを光学的に接続する送光ファイバ61、及び温度補償素子1とセンサ部70を光学的に接続する送光ファイバ62などを有する。
送光ファイバ61は、信号処理部40を通じて供給される測定光を温度補償素子1へ供給し、温度補償素子1を通じて供給される反射光を信号処理部40へ供給する。送光ファイバ62は、温度補償素子1を通じて供給される測定光をセンサ部70へ供給し、センサ部70を通じて供給される反射光を温度補償素子1へ供給する。
温度補償素子1は、センサ部70の温度変化に対する光学的特性の変化を相殺するために設置される。温度補償素子1は、温度補償素子1の温度とセンサ部70の温度とが一致するようにセンサ部70の近辺に設置される。センサ部70に温度変化が生じた場合、温度補償素子1は、センサ部70の光学的特性の変化と逆の光学的特性の変化(光の位相変化)を偏波面保持ファイバ部60のコアに生じさせる。
温度補償素子1は、第1実施形態から第6実施の何れかに示されている温度補償素子である。温度補償素子1の構成は、センサ部70の温度変化に対する光学的特性の変化に応じて決定され、特定の構成に限定されるものではない。
センサ部70は、電線74を通過する電流から生じるファラデー位相差を測定光及び反射光に生じさせる機能を有する。図11に示すように、センサ部70は、1/4波長板71、1/4波長板71からに電線74を取り囲むように配置されたセンサファイバ72、センサファイバ72の先端に設けられた鏡73などを有する。
1/4波長板71は、2つの複屈折軸を有し、それぞれの複屈折軸を通過する光の位相をπ/2ずらす機能を有する。1/4波長板71は、センサ部70の導入口に設置されている。1/4波長板71は、直線偏光を円偏光に、円偏光を直線偏光へ変換する機能を有する。
センサファイバ72は、1/4波長板71に接続される光ファイバである。センサファイバ72は、測定対象である電流が流れる電線74を囲むように設置される。センサファイバ72は、電線74に流れる電流の磁界によって生じるファラデー位相差を測定光及び反射光に生じさせる機能を有する。
鏡73は、センサファイバ72の先端に設置されている。鏡73は、センサファイバ72を通じて供給される測定光を反射し反射光をセンサファイバ72へ供給する機能を有する。
電線74は、サニャック干渉型光センサシステム10によって測定される電流が流れる。
次に、サニャック干渉型光センサシステム10の動作例について説明する。
ここでは、サニャック干渉型光センサシステム10が測定する電流は、電線74を流れているものとする。
光源駆動回路41は、光源42へ電力を供給する。光源42は、光源駆動回路41からの電力によってレーザなどの測定光を光ファイバを通じてファイバカプラ43へ供給する。光源42から供給された測定光は、ファイバカプラ43及び光学フィルタ44を通過し、位相変調子46へ供給される。
位相変調子46は、位相変調子駆動回路45によって制御され、通過する測定光の位相を制御する。即ち、同期検波回路48は、測定光を所定の位相又は周波数にするための制御信号を位相変調子駆動回路45へ送る。また、位相変調子駆動回路45は、受信した制御信号に基づいて位相変調子46を制御する。その結果、位相変調子46を通過した測定光は、所定の位相又は周波数となる。
位相変調子46を通過した測定光は、余長コイル50、及び、偏波面保持ファイバ部60の送光ファイバ61を通過し、温度補償素子1に供給される。温度補償素子1に供給されると、測定光の位相などの特性は、温度補償素子1の消光比又はクロストークなどの光学的特性によって変化する。
温度補償素子1を通過した測定光は、送光ファイバ62を通過して、センサ部70の1/4波長板71に供給される。測定光は、1/4波長板71で位相を調整され、センサファイバ72を通過する。センサファイバ72を通過する測定光の位相には、電線74を通過する電流によってファラデー位相差が生じる。
センサファイバ72を通過した測定光は、鏡73で反射し再度センサファイバ72を通過する。鏡73で反射した測定光(反射光)は、センサファイバ72、1/4波長板71、送光ファイバ62、温度補償素子1、送光ファイバ61、余長コイル50、位相変調子46、光学フィルタ44及びファイバカプラ43を通過して検出器47に供給される。
検出器47に反射光が供給されると、検出器47は、反射光を電気信号に変換し、同期検波回路48へ送る。
検出器47から電気信号を受信すると、同期検波回路48は、受信した電気信号の中から反射光から生じた電気信号を抽出する。即ち、同期検波回路48は、測定光の位相又は周波数が同一である信号を受信された電気信号から抽出する。これによって、同期検波回路48は、ノイズに干渉されることなく、反射光から生じた電気信号を抽出することができる。検出器47は、抽出された電気信号を演算回路49へ送る。
演算回路49は、検出器47から電気信号を受信する。検出器47から電気信号を受信すると、演算回路49は、受信された電気信号から電線74を通過する電流によって生じたファラデー位相差を計算する。ファラデー位相差を計算すると、演算回路49は、計算されたファラデー位相差から電線74を流れる電流を計算する。なお、演算回路49が受信された電気信号に基づいて電線74を流れる電流を計算する方法は、特定の方法に限定されるものではない。
図12は、第7実施形態に係るセンサ部70の温度特性及び温度補償素子1の温度特性の例を示す図である。
図12が示す図では、x軸がセンサ温度であって、y軸が比誤差である。図12が示すように、センサ部70の温度が上昇するにつれてセンサ部70の比誤差は、ほぼ直線的に上昇する。たとえば、センサ部70の温度が−30℃である場合には、センサ部70の比誤差は、−0.2%程度である。センサ部70の温度が10℃である場合には、センサ部70の比誤差は、ほぼ0%である。さらに、センサ部70の温度が30℃である場合には、センサ部70の比誤差は、0.18%程度である。
逆に、センサ部70の温度が上昇するにつれて温度補償素子1の比誤差は、ほぼ直線的に低下する。たとえば、センサ部70の温度が−30℃である場合には、温度補償素子1の比誤差は、0.2%程度である。センサ部70の温度が10℃である場合には、温度補償素子1の比誤差は、ほぼ0%である。さらに、センサ部70の温度が30℃である場合には、温度補償素子1の比誤差は、−0.18%程度である。
図12が示すように、温度補償素子1は、センサ部70の温度特性と反対の温度特性を有し、温度補償素子1により、センサ部70の温度特性が相殺されることになる。
図13は、第7実施形態に係るサニャック干渉型光センサシステム10の温度特性の例を示す図である。
サニャック干渉型光センサシステム10の温度特性は、センサ部70の温度特性と温度補償素子1の温度特性との合算で決定される。即ち、サニャック干渉型光センサシステム10は、温度補償素子1の温度特性を用いて、センサ部70の温度特性を打ち消すことができる。
図13が示すように、サニャック干渉型光センサシステム10の比誤差は、センサ部70の温度に関わらず、ほぼ0%程度である。前述の通り、温度補償素子1の温度特性は、センサ部70の温度特性と反対である。したがって、サニャック干渉型光センサシステム10の温度特性は、センサ部70の温度に関わらず、ほぼ0%程度で推移する。
以上のようなサニャック干渉型光センサシステムは、センサ部の温度変化に対する光学的特性の変化を温度補償素子1によって相殺することができる。これによって、サニャック干渉型光センサシステムは、温度変化が生じた場合にも精度よく電流を測定することができる。また、サニャック干渉型光センサシステムは、温度計などを用いて測定したセンサ部の温度に基づいて電流の計測結果を補正するシステムよりも、容易に構成されることができる。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。