JP2629700B2 - 光フアイバセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光ファイバセンサに関し，特に光ファイバに
加わる音響信号の検出の安定化を図った光ファイバセン
サに関する。

〔従来の技術〕

従来より光ファイバを用いた光ファイバセンサは多種
提案されており、特に水中を伝搬する音波を検出するハ
イドロホンに利用する場合に限っても数種類に及ぶ方式
がある。（例えば日本音響学会誌第40巻第２号及び第３
号） これらのうち、偏波面保存型光ファイバ中を独立に伝
搬する２つの固有モードを利用した偏波面方式は，二本
の光ファイバを用いるホモダイン方式やヘテロダイン方
式と比較すると、構成が簡単で温度変化等の影響を受け
難いという特徴を持つ。

第９図は従来の偏波面方式の構成図である。偏波面方
式は，第９図に示すように，光源91から出射された光が
レンズ92により平行光にされ、偏光子93に入射し直線偏
光とされる。ここで偏光子93は光源の出射光が直線偏光
または円偏光である場合には特に設けなくとも良い。偏
光子93からの出射光はレンズ94を介して偏波面保存型光
ファイバ95に入射する。ここで偏波面保存型光ファイバ
95の２つの固有モードが等振幅で励起されるように、偏
光子93から出射される光の偏光軸を偏波面保存型光ファ
イバ95の固有偏光軸に対して45度となる様に偏光子93を
配置するか、偏光子93の後に1/4波長板を挿入して円偏
光に変換した後に偏波面保存型光ファイバ95に入射する
様な配置とする。

偏波面保存型光ファイバ95の一部は音響等検出すべき
到来信号96を受ける位置に配置する。偏波面保存型光フ
ァイバ95の出射光はレンズ97で平行光となり、偏光ビー
ムスプリッタ等から成る検光子98に入射される。検光子
98は偏波面保存型光ファイバ95の固有偏光軸に対して45
度となる様に配置する。

この場合検光子98として偏光ビームスプリッタを用い
れば、常に和が一定となるような２つの光出力が得られ
る。これらの一方の光出力を受光素子で電気信号に変換
すれば検出すべき信号が再生できるが、望ましくは２つ
の光出力をそれぞれ受光素子99（Ａ），（Ｂ）で電気信
号に変換して差動回路100で両者の差出力を求め、また
加算回路101で両者の和を求めたうえ除算回路102で差出
力を和出力で割ることにより光源のレベル変動等を低減
した検出出力を得ることができる。

さて、偏波面保存型光ファイバ95に圧力，温度等の検
出すべき信号が加わると２つの固有モードの伝搬定数が
変化するが、モード間でその変化量が異なるため光ファ
イバの出射端での位相差すなわち偏光状態が変化する。
２つの受光素子の出力電圧は位相差の変化に対して第11
図に示すように変化する。第11図は従来の偏波面方式の
受光素子出力電圧特性図である。音響信号等微小レベル
の変化を検出しようとする場合には、２つの固有モード
間の位相差の変化が小さいため点Ａに位相差を設定して
おかなければならない。この場合温度，圧力等が変化す
ると第11図のδで示す如く位相差が点Ａからはずれ、受
光素子の出力電圧の位相差変化に対する傾きであらわさ
れる音響等微小信号に対する感度が変化するという問題
が生じ、点Ａにおける最適な位相差を保持するためにド
リフト補償が行なわれる。

例えば、第９図に示す如く、偏波面保存型光ファイバ
95の一部を圧電材料でできた圧電円筒103に巻き付け、
最適の位相差からはずれた場合には補償信号を圧電円筒
103に加え、偏波面保存型光ファイバ95の伸びによる位
相差変化を利用して最適な位相差に戻すか、もしくは、
光の波長を変化するように補償信号を光源の駆動電流に
重畳して位相差を変化させ最適な位相差に戻す方法がと
られる。

偏波面保存型光ファイバ95の一部は音響等検出すべき
到来信号を受ける位置に置かれるが、偏波面保存型光フ
ァイバ95のいかなる部分に加わる温度，圧力等の変化で
あっても２つの固有モードの位相差を生ずる原因となる
ため、光源や受光素子を設けた位置と検出すべき信号を
受ける位置が離れている場合には外乱の影響を受け易
く、信号対雑音比が悪化する。第10図は従来の偏波面方
式でリードファイバを用いた場合の構成図である。第10
図に示すように、光源（図示せず）からリードファイバ
111で光を伝搬させ偏光子112を通した後センシングファ
イバとしての偏波面保存型光ファイバ115に入射し、そ
の出射光は検光子113を通した後リードファイバ114を伝
搬させ受光素子（図示せず）で電気信号に変換する構成
とすれば、リードファイバ111,114に加わる外乱の影響
を低減することができる。

また、偏光子や検光子を用いるかわりにリードファイ
バとして偏波面保存型光ファイバを用い、検出すべき信
号を受ける部分だけ偏波面保存型光ファイバの固有偏光
軸を45度回転させて前後のリードファイバに融着あるい
はコネクタ接続することによっても同様の効果が得られ
る。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上述した従来の偏波面保存型光ファイバを用いた偏波
面方式のセンサは、その感度が受光素子に到達する光パ
ワーに比例して変化し、光源の光パワー変動，光ファイ
バの接続損失の変化，光ファイバの伝送損失の影響を受
けてセンサごとの再現性が悪いという欠点がある。

また、これら損失等の影響を低減するため、前述した
如く、受光素子の後に加算回路，減算回路，除算回路等
を設け、減算結果を加算結果で除算する方法も用いられ
るが、音響信号等微小な信号を扱う場合はダイナミック
レンジ演算精度の点から十分な効果が得られないという
欠点がある。

また、光ファイバセンサを多数設けてアレイ化する場
合、偏波面方式のセンサでは個個のセンサを最適な位相
差に保持する必要があり、例えば圧電円筒を用いる場合
には制御信号を各センシングファイバまで伝搬するため
に外径，重量が大きな電気光複合ケーブルを使用するこ
とが必要となる。また、光源の波長を変化させて最適な
位相差を維持する方法をとろうとすると、アレイ化した
時に、センサ数だけ光源，リードファイバ，受光素子等
を設けなければならないため光源や光ファイバの有効利
用がはかれないという欠点がある。

さらに、一本の送光用リードファイバを伝搬する光を
複数のセンサに分岐して分配する場合には、感度が光パ
ワーに比例して変化するので分岐比を正確に制御する必
要があるとともに、センサ数が増すにつれ各センサに分
配できる光パワーが少くなって感度が低下してしまい、
アレイ化できるセンサ数はたかだか数個に制限されてし
まうという欠点がある。

本発明の目的は上述した欠点を除去し、受光素子の出
力が同レベルとなる時刻に到来信号を検出することによ
り、センサ感度の再現性を著しく改善し、大幅な小型軽
量化が図れるとともに、アレイ化できるセンシングファ
イバの数を著しく増大しうる安価な光ファイバセンサを
提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の光ファイバセンサは、制御端子から印加され
る可変電圧により光の波長変化が少なくともπ/2ラジア
ン以上の位相変化を生ずる光源と、前記可変電圧が定め
られた繰返し周期で一方向の増加または下降電圧を含む
繰返し電圧を発生して前記制御端子に出力する光源駆動
回路と、前記光源で発光する少なくとも２個以上の偏光
軸を有する光を伝送する送光用光ファイバと、この送光
用光ファイバから出力される光のうち２つの固有偏光軸
を有する光であり、かつファイバ内での伝播定数が異な
る光を伝送し検出すべき音響等の外部到来信号により前
記２つの伝播定数を変化させて位相偏移を生ずる偏波面
保存型光ファイバであるセンシングファイバと、前記セ
ンシングファイバの光を受けて伝送するリターン用リー
ドファイバと、このリターン用リードファイバの光を受
けて前記２つの固有偏光軸の光をそれぞれの固有偏光軸
の光に分離するビームスプリッタと、このビームスプリ
ッタから出力される前記２つの固有偏光軸の光が時間と
ともに変化する光成分をそれぞれ第１および第２の電気
信号に変換する２つの受光素子と、前記第１および第２
の電気信号の変化電圧がある時刻で同値となる検出電圧
を出力する同値検出回路と、前記光源駆動回路からの繰
返し電圧と前記同値検出回路からの検出電圧とを入力し
て前記繰返し電圧内の複数個の一方向の増加または減少
電圧内に存在する前記同値となる検出電圧を出力するサ
ンプリング回路と、前記サンプリング回路の出力電圧を
複数個入力して前記同値となる検出電圧が前記音響等の
外部到来信号により位相偏移を受けた時刻の電圧を検出
する復調回路とを備て構成される。

〔実施例〕

次に本発明について図面を参照して説明する。

第１図は本発明の第１の実施例を示す構成図である。
光源11は外部から波長を制御できる半導体レーザ等であ
り、送光用リードファイバ12は光源の発する光をセンシ
ングファイバ13まで伝搬する。センシングファイバ13で
は、検出すべき信号により、２つの固有偏光軸を伝搬す
る２つの固有モード間の位相差即ち偏波面が変化する。
センシングファイバ13の出射光はリターン用リードファ
イバ14により伝搬され、偏光ビームスプリッタ20で２つ
の固有モードを分離し受光素子15（Ａ）,15（Ｂ）で電
気信号に変換される。さらに受光素子15（Ａ）,15
（Ｂ）の出力は同値検出回路16によって等しい振幅とな
る時刻を検出されてサンプリング回路17に供給され、サ
ンプリング回路17で光源11を制御する光源駆動回路18の
制御信号のレベルをサンプリングする。

このサンプリングのタイミングは、前述した第11図の
例で言うと点Ａ等で示すクロスポイトとなる。このサン
プリング値は明らかにセンシングファイバ13に印加した
到来信号に対応するレベルを有し、これらサンプリング
値にもとづいてセンシングファイバーに加わった到来信
号を復元するのが復調回路19であり、こうして再生され
た再生外来信号が復調回路19から出力される。なお、上
述した処理内容に関しては後述して詳細に説明する。第
２図は本発明の第２の実施例を示す構成図である。この
第２の実施例は、第１図の第１の実施例のセンシングフ
ァイバ以後の回路を複数系列として構成し、それぞれの
系列に送光用リードファイバから送光を分岐して供給
し、アレイ化した光ファイバセンサを実現したもので、
第２図の場合は２系列の光ファイバセンサによるアレイ
構成を例として説明している。

第２図の実施例では、センシングファイバを２個設け
てアレイ化した光ファイバセンサを構成するために、送
光用リードファイバ22の途中に少なくとも１つ以上の光
分岐素子としてのカプラ31を介在せしめ、伝搬する光の
一部を分岐して各センシングファイバ23（Ａ）,23
（Ｂ）に入射する。カプラ31としては偏波面保存型光フ
ァイバカプラを用いても良いしビームスプリッタ等を用
いても良い。両センシングファイバからの出射光は第１
図の第１の実施例と同様にしてリターン用リードファイ
バ24（Ａ）,24（Ｂ）で偏光ビームスプリッタ30（Ａ）,
30（Ｂ）まで伝搬し、受光素子25（Ａ）,25（Ｂ）およ
び32（Ａ）,32（Ｂ）で電気信号に変換された後、同値
検出回路26（Ａ）,26（Ｂ）で受光素子の出力が等しく
なる時刻を検出し、サンプリング回路27（Ａ）,27
（Ｂ）により光源駆動回路28の制御信号をサンプリング
した後、復調回路29（Ａ）,29（Ｂ）で各センシングフ
ァイバで検出した信号を再生する。ただし、サンプリン
グすべき対象は制御信号と同じ発生タイミングを有する
ものであればレベルの異るものを利用することも一向に
差支えない。

次に上述した動作内容につき、さらに詳細に説明を行
なう。第１図の場合、波長可変が可能な光源11は、波長
制御領域を持つ分布帰還型半導体レーザや波長制御領域
を持つ分布ブラック反射型半導体レーザ等を用い、波長
制御領域に制御電流を流して波長制御を行なうか、もし
くは通常の分布帰還型半導体レーザあるいは分布ブラッ
ク反射型レーザの駆動電流を変化して波長制御を行なう
ことにより、光の波長が外部から加える電気信号に比例
して変化することのできる光源である。光源駆動回路に
より、制御信号として繰返し周波数が検出すべき音響信
号の周波数より少なくとも２倍以上である鋸歯状波を光
源11に加えることにより第３図に示す光源波長のような
波長変化を有する光を出射させることができる。第３図
は光源の波長特性図である。かかる波長特性の光源から
の光は、アイソレータ、偏光子等を通して直線偏光とし
た後、レンズ等を用いて送光用リードファイバに入射さ
れる。送光用リードファイバは偏波面保存型光ファイバ
とし、光はリードファイバの固有偏光軸の１つに一致さ
せて入射する。

送光用リードファイバ12を伝搬する光は、偏波面が固
有偏光軸に保存されたまま出射端に達する。センシング
ファイバ13は偏波面保存型光ファイバとし、送光用リー
ドファイバ12に対して固有偏光軸が45度回転した状態で
融着あるいはコネクタ接続する。場合によっては通常の
シングルモード光ファイバを送光用リードファイバと
し、センシングファイバ13との接合部にセンシングファ
イバ13の固有偏光軸に対して45度傾けた偏光子を挿入し
てもよい。

センシングファイバ13においては、入射端では２つの
固有モードが同位相同振幅で励振されるが、出射端では
伝搬定数の違いから２つの固有モードの間に定常的な位
相差が生じている。

光源11の波長を変化させるとセンシングファイバ13の
出射端での位相差が波長変化に比例して変化するが、こ
れは２つの固有モードの伝搬定数が異なるから同じ波長
変化を加えても各固有モードの位相の変化量が異なるた
めである。

この位相差は、センシングファイバ13の固有偏光軸に
45度で融着あるいはコネクタ接続したりターン用リード
ファイバ14を用いることにより、センシングファイバ13
の２つの固有モードの位相差をリターン用リードファイ
バ24の２つの固有モードの振幅情報に変換して受光素子
まで伝搬することができる。

リターン用リードファイバ24の出射端では、出射光を
レンズ等により平行光にした後リターン用リードファイ
バ14の固有偏光軸に一致させた偏光ビームスプリッタ20
で各固有偏光軸の成分を分離し、それぞれ受光素子15
（Ａ）,15（Ｂ）で電気信号に変換する。第４図はセン
シングファイバの出射端での２つの固有モードの位相差
により変化する受光素子の出力電圧特性図である。受光
素子出力電圧は、位相差に対応して変化し、位相差（ｎ
＋j/2）π（ｎ＝1,2,3…,j＝1,3,5…）のときレベルが
同じとなる。

ここで、光源11の波長を２つの受光素子15（Ａ）,15
（Ｂ）の出力電圧が少くとも１回以上同じ値となる程度
変化させるとともに、検出すべき信号の最高周波数より
少くとも２倍以上の繰返し周波数を持った鋸歯状となる
様に変化させると、センシングファイバ13の２つの固有
モードの位相差は２つの受光素子15（Ａ）,15（Ｂ）の
出力電圧として第５図のように変化する。第５図は光源
の波長を鋸歯状波で制御した場合の受光素子出力電圧特
性図である。２つの受光素子15（Ａ）,15（Ｂ）の出力
電圧が最初に一致する時刻、即ちセンシングファイバ13
の２つの固有モード間の位相差が となる時刻は、センシングファイバ13の２つの固有モー
ドの伝搬定数が変化しなければ常に一定間隔であらわれ
る。ところが、音響信号等センシングファイバ13に加わ
ると出射光の位相差が変化し、受光素子15（Ａ）,15
（Ｂ）の出力が第６図に示すように変化する。第６図は
検出信号が加わった場合の受光素子出力電圧特性図であ
る。この第６図から明らかな如く２つの受光素子の出力
電圧が一致する時刻は音響信号等により変化することに
なる。

この時刻を同値検出回路16により検出し、光源を変化
させている鋸歯状波のレベルを（ｎ＋j/2）πのクロス
ポイントをサンプリングタイミングとしてサンプリング
回路17でサンプリングすると、第７図に示すように音響
信号等の変化量に比例した出力レベルを持ったパルスが
得られる。第７図はサンプリング回路の出力電圧特性図
である。第７図に示すように、このサンプリングは光源
を制御する鋸歯状波のくり返し周期で行なわれるが、こ
のくり換し周波数はナイキストレートを考慮し検出すべ
き音響信号等の周波数の少くとも２倍以上としてあるか
ら、復調回路19で第８図の復調回路出力電圧特性図に示
すように検出すべき音響信号等を再生することができ
る。

ここでリターン用リードファイバ24を伝搬する２つの
モード間の位相差が問題となる場合には、リターン用リ
ードファイバ24の中ほどで固有偏光軸を90度回転させて
融着あるいはコネクタ接続することによりモード間の位
相差を除去することができる。また２つの受光素子の出
力が同値になる時刻が鋸歯状波の立上り部分を挾んで変
化する場合には、光源の波長を全体的にシフトするか一
方の受光素子の出力にバイアス電圧を加えるなどして、
鋸歯状波の立ち上り部分から離れた位置で、２つの受光
素子の出力が同値となるようにする。

第２図は本発明の第２の実施例では送光用リードファ
イバ22中を伝搬する光をカプラ31により分岐し、各セン
シングファイバ23（Ａ）,23（Ｂ）に供給する。各セン
シングファイバでは第１の実施例と同様に音響信号等に
より２つの固有モードの間に位相差の変化が生ずる。

この出力はそれぞれ第１の実施例と同様に固有偏光軸
をセンシングファイバの固有偏光軸に対して45度傾けた
リターン用リードファイバ24（Ａ）,24（Ｂ）により受
光素子まで伝送し、これらリターン用リードファイバの
固有偏光軸に一致させた偏光ビームスプリッタ30
（Ａ）,30（Ｂ）で各固有偏光軸の成分を分離し、それ
ぞれ受光素子で電気信号に変換する。

同値検出回路26（Ａ）,26（Ｂ）により受光素子25
（Ａ）,32（Ａ）ならびに25（Ａ）,32（Ｂ）の出力が等
振幅となる時刻を検出し、光源21を制御する電気信号を
サンプリング回路27（Ａ）,27（Ｂ）でサンプリングし
た後、復調回路29（Ａ）,29（Ｂ）で再生すれば各セン
シングファイバ23（Ａ）,23（Ｂ）に加わった音響信号
等を個々に得ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、センシングファ
イバの２つの固有モード間の位相差に対応して２つの受
光素子の出力が同レベルとなる時刻が検出すべき信号の
情報を持っていることに着目して到来信号を検出するこ
とにより，検出すべき信号がセンシングファイバに加わ
った時に生ずる位相差変化さえ各センシングファイバご
とに等しい限り、光源の光パワー変動，光ファイバの接
続損失、あるいは光ファイバの伝送損失の変化の影響を
受けないため感度の再現性が極めて良いという効果があ
る。

また、センシングファイバを複数設けアレイ化する場
合でも、各センシングファイバを最適な位相差に維持す
るための圧電円筒等を設ける必要がなく、また制御信号
をセンシングファイバまで伝搬する必要がないため、セ
ンシングファイバおよび伝送ケーブルをそれぞれ小型軽
量化することができるという効果がある。また各センサ
の感度は光パワーによらないから送光用リードファイバ
の途中で分岐する光パワーのレベルを正確に制御する必
要は無く、アレイ化できるセンシングファイバの数も従
来と比較して多くすることが可能となるという効果があ
る。

さらに、光源、送光用リードファイバは各１個あれば
良く、受光素子以降の電子回路は集積回路化も可能であ
るからセンシングファイバ１個あたりの費用が従来方式
によるアレイ化と比較して大幅に低減することができる
という効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す構成図、第２図は
本発明の第２の実施例を示す構成図、第３図は光源の波
長特性図、第４図は，第５図は光源の波長を鋸歯状波に
より制御した時の受光素子出力電圧特性図、第６図は検
出信号が加わった場合の受光素子の出力電圧特性図、第
７図はサンプリング回路の出力電圧特性図、第８図は復
調回路出力電圧特性図、第９図は従来の偏波面方式の構
成図、第10図は従来の偏波面方式でリードファイバを用
いた場合の構成図、第11図は従来の偏波面方式の受光素
子出力電圧特性図である。 11……光源、12……送光用リードファイバ、13……セン
シングファイバ、15（Ａ）,15（Ｂ）……受光素子、16
……同値検出回路、17……サンプリング回路、18……光
源駆動回路、19……復調回路、21……光源、22……送光
用リードファイバ、23（Ａ）,23（Ｂ）……センシング
ファイバ、24（Ａ）,24（Ｂ）……リターン用リードフ
ァイバ、25（Ａ）,25（Ｂ）……受光素子、26（Ａ）,26
（Ｂ）……同値検出回路、27（Ａ）,27（Ｂ）……サン
プリング回路、28……光源駆動回路、29（Ａ）,29
（Ｂ）……復調回路、30（Ａ）,30（Ｂ）……偏光ビー
ムスプリッタ、31……カプラ、91……光源、92……レン
ズ、93……偏光子、94……レンズ、95……偏波面保存型
光ファイバ、96……到来信号、97……レンズ、98……検
光子、99（Ａ）,99（Ｂ）……受光素子、100……差動回
路、101……加算回路、102……除算回路、103……圧電
円筒、111……リードファイバ、112……偏光子、113…
…検光子、114……リードファイバ、115……偏波面保存
型光ファイバ。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】制御端子から印加される可変電圧により光
   の波長変化が少なくともπ/2ラジアン以上の位相変化を
   生ずる光源と、前記可変電圧が定められた繰返し周期で
   一方向の増加または下降電圧を含む繰返し電圧を発生し
   て前記制御端子に出力する光源駆動回路と、前記光源で
   発光する少なくとも２個以上の偏光軸を有する光を伝送
   する送光用光ファイバと、この送光用光ファイバから出
   力される光のうち２つの固有偏光軸を有する光であり、
   かつファイバ内での伝播定数が異なる光を伝送し検出す
   べき音響等の外部到来信号により前記２つの伝播定数を
   変化させて位相偏移を生ずる偏波面保存型光ファイバで
   あるセンシングファイバと、前記センシングファイバの
   光を受けて伝送するリターン用リードファイバと、この
   リターン用リードファイバの光を受けて前記２つの固有
   偏光軸の光をそれぞれの固有偏光軸の光に分離するビー
   ムスプリッタと、このビームスプリッタから出力される
   前記２つの固有偏光軸の光が時間とともに変化する光成
   分をそれぞれ第１および第２の電気信号に変換する２つ
   の受光素子と、前記第１および第２の電気信号の変化電
   圧がある時刻で同値となる検出電圧を出力する同値検出
   回路と、前記光源駆動回路からの繰返し電圧と前記同値
   検出回路からの検出電圧とを入力して前記繰返し電圧内
   の複数個の一方向の増加または減少電圧内に存在する前
   記同値となる検出電圧を出力するサンプリング回路と、
   前記サンプリング回路の出力電圧を複数個入力して前記
   同値となる検出電圧が前記音響等の外部到来信号により
   位相偏移を受けた時刻の電圧を検出する復調回路とを備
   えたことを特徴とする光ファイバセンサ。
2. 【請求項２】前記センシングファイバ，リターン用リー
   ドファイバ，偏光ビームスプリッタ,2つの受光素子，同
   値検出回路，サンプリング回路および復調回路を複数系
   列備えたうえ複数個の前記センシングファイバのそれぞ
   れに前記送光用リードファイバの送光を分岐して供給す
   ることを特徴とする特許請求範囲第（１）項記載の光フ
   ァイバセンサ。