JP2000241239A - 多重モードのファイバー・レーザー音響センサーにおける周波数変化の多重高解像度測定システム - Google Patents

多重モードのファイバー・レーザー音響センサーにおける周波数変化の多重高解像度測定システム

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JP2000241239A
JP2000241239A JP10216812A JP21681298A JP2000241239A JP 2000241239 A JP2000241239 A JP 2000241239A JP 10216812 A JP10216812 A JP 10216812A JP 21681298 A JP21681298 A JP 21681298A JP 2000241239 A JP2000241239 A JP 2000241239A
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Donald A Frederick
ドナルド、エー、フレデリック
Steven G Bell
スティーブン、ジー、ベル
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    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 周波数変化の高解像度測定が可能なファイバ
ーセンサーシステムを提供することを目的とする。 【解決手段】 複数のレーザーモードを放出する端注入
ファイバーレーザーを有し、レーザーモードを転送する
光ファイバーが当該能動ファイバーセンサーに接続さ
れ、光ファイバーは多重レーザーモードを光増幅ファイ
バーに転送し、光増幅ファイバーはレーザーモード信号
を増幅し、増幅されたレーザーモード信号は光ファイバ
ーに接続された位相変調器に送られ、位相変調器からの
出力は受信干渉計に送られ、受信干渉計は所定のパスイ
ンバランスを有し当該レーザーモード信号のそれぞれの
周波数変化を分析し、復調部は受信干渉計に接続され当
該受信干渉計からの出力を受け取り復調する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ファイバーレーザ
ー音響センサー全般に関し、特にファイバーレーザー音
響センサーにおける周波数変化の多重高解像度測定シス
テムに関する。
【０００２】
【従来の技術】光信号用の増幅器が開発されて以来、光
増幅ファイバーを改良して光信号を増幅する努力が続け
られてきた。光増幅ファイバーは、増幅の対象となる光
信号と注入光を伝播するものである。そのような光増幅
ファイバーは、一般に「能動」ファイバーとして知られ
ている。能動ファイバーには１つ以上の希土類元素、例
えばエルビウムがドープされる。希土類元素をドープし
た能動ファイバーに励起信号を入力すると、光源が生成
される。それと同時に、当該ファイバーはドーパントの
光特性を放射する。便宜上、ここではエルビウムがドー
プされたファイバーについて説明する。ただし、本発明
は、ここに説明される物質に類似する性質を有する物質
がドープされたファイバーを、全て含むものである。適
切な波長のレーザーによってエルビウムが注入される場
合、波長１５２５〜１５６０ナノメーター（nm）の光を
放出する。エルビウムがドープされたファイバーに、例
えばレーザー・ダイオードにより生成された１４８０
（nm）の波長のレーザー光などの、エネルギー源が注入
される場合、エルビウム中の電子がエネルギーを吸収
し、高エネルギー状態に移行する。蓄えられたエネルギ
ーは後に、被測定信号が符号化されるコヒーレントなレ
ーザー光となって放出される。・能動センサーは、波長
の一致している一組のブラッグの格子の間に、エルビウ
ムがドープされたファイバーを配置することにより形成
される。ここで、ブラッグの格子は所定の波長を反射
し、他の全ての波長を通過させる。従って、ブラッグの
格子間に配置された、エルビウムがドープされたファイ
バーの中に共鳴腔が形成される。蓄えられたエネルギー
は最終的に当該エルビウムがドープされたファイバーか
ら放出され、１５２５〜１５６０nmの波長となって該フ
ァイバー内を伝播する。能動センサーは圧力測定にも温
度測定にも用いることができる。なぜなら、これらの要
素は能動センサーの光特性に影響を与えるからである。
エルビウムがドープされたファイバーの長さは、該ファ
イバーにかかる温度や圧力の変化に伴って変化する。そ
れに伴い、共鳴腔の長さも変化する。共鳴腔の長さを変
化させることにより、能動センサーのレーザー長も同様
に変化する。能動センサーの放出する波長を測定するこ
とにより、共鳴腔の長さを決定することが可能であり、
同時に、該共鳴腔の長さは、音響圧や温度から能動セン
サーにかかる歪みをも表している。
【０００３】能動センサーは、単一の縦モードと多重の
縦モードとのいずれによっても形成可能である。ここ
で、共鳴腔の長さと使用ドーピング材とから、能動セン
サーに結果として用いられるモード数が決定される。多
重モードの能動センサーは、より長い共鳴腔の長さを有
し、そのために構築と動作が容易である。なぜなら、共
鳴腔の長さが長くなればなるほど、得られる利得が大き
くなるからである。さらに、共鳴腔の長さについての要
件は、それほど厳しいものではない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかし、多重能動セン
サーの出力可聴振動数域は、数ギガヘルツに及ぶ。これ
により、能動センサーの周波数変化を分析する読出装置
における信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が低下する。能動セ
ンサーによる周波数変化の高解像度分析を実現するため
には、際だった縦モード以外の縦モードを抑制するのが
一般的には望ましい。従って、単一の周波数が放出され
る単一レーザー・モードでの動作が望ましい。エルビウ
ムは、典型的には、ほとんどの能動センサーに用いられ
る。なぜなら、エルビウムの利得バンド幅は非常に広い
ため、多くの周波数を増幅させるからである。能動ファ
イバー・センサーは、選択可能な波長数ができるだけ少
ない状態で作動するように、できるだけ小さく形成しな
ければならない。単一の共鳴波長を生成するためには、
共鳴腔の長さを非常に短くしなければならない。その結
果、該共鳴腔に存在するエルビウムもしくは他のドーピ
ング材は少量である。それにより、長距離の転送ができ
ない、非常に弱い信号が生成される傾向が生じる。共鳴
腔の長さが非常に短かい場合、１分相当の距離を越える
転送が可能な強い能動センサーとなるように、大量の注
入パワーを供給し、該強化した能動センサーによって信
号を生成しなければならない。
【０００５】能動センサーの大きな出力可聴振動数域に
従ってＳ／Ｎ比が低下することのない、多重モードの能
動センサーが求められている。さらに、単一モード能動
センサーの厳格な動作要件や製造要件に従うことなく、
能動センサーにおいて発生する周波数変化を、単一モー
ド能動センサーにおけるのと同様に高解像度分析するこ
とが可能な、多重モード能動センサーが求められてい
る。
【０００６】本発明の第１の目的は、上記先行技術の欠
点を克服することである。本発明の第２の目的は、多重
モード能動ファイバー・センサーにおける周波数変化の
高解像度測定が可能なファイバー・センサー・システム
を提供することである。本発明の第３の目的は、出力信
号のＳ／Ｎ比が、単一モードの能動センサーのＳ／Ｎ比
に類似している、多重モードの能動ファイバー・センサ
ーにおける周波数変化の高解像度測定を実施するシステ
ムを提供することである。
【０００７】本発明の第４の目的は、多重モードの能動
ファイバー・センサーに供給される注入パワーを大量に
必要としない、当該能動ファイバー・センサーにおける
周波数変化の高解像度測定を実施するシステムを提供す
ることである。本発明の第５の目的は、多重モードの能
動ファイバー・センサーの長さを形成する時に厳格な構
造要件を必要としない、当該能動ファイバー・センサー
における周波数変化の高解像度測定を実施するシステム
を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題は、以下のシス
テムによって解決される。多重モードのファイバー・レ
ーザー音響センサーにおける周波数変化の高解像度測定
を実施するシステムは、複数のレーザー・モードを放出
する端注入ファイバー・レーザーを有する。ここで放出
されるレーザー・モードの正確な周波数は、当該音響セ
ンサーにかかる歪みから求められる。レーザー・モード
を転送する光ファイバーが当該能動ファイバー・センサ
ーに接続されている。当該光ファイバーは、多重レーザ
ー・モードを光増幅ファイバーに転送する。当該光増幅
ファイバーは、レーザー・モード信号を増幅する。増幅
されたレーザー・モード信号は、当該光ファイバーに接
続された位相変調器に送られ、搬送波に位相変調され
る。当該位相変調搬送波は、受信干渉計に送られる。受
信干渉計は、所定のパス・インバランスを有し、当該レ
ーザー・モード信号のそれぞれについて位相変化を生成
する。ここで、当該所定のパス・インバランスは、能動
ファイバー・センサーのレーザー・モード間の縦モード
間隔と等しい。復調部は、受信干渉計に接続され、当該
受信干渉計からの出力を復調する。それにより、復調部
は、干渉計強度パターンにおける位相変化を決定する。
復調された位相変化は、音響センサーにかかる歪みを示
す。
【０００９】別な実施形態においては、複数の能動ファ
イバー・センサーが、単一のレーザー光源によって注入
される。それらのセンサーの出力は、多重化される。多
重能動ファイバー・センサー１６からの出力信号の全て
は、単一の光ファイバーに多重化される。当該全ての出
力信号は、その後で単一のレーザー注入光増幅器によっ
て増幅される。類似した波長分割多重伝送信号の組み合
わせを伝送する、他の類似光ファイバーも提供される。
それぞれの光ファイバーは、位相変調器を経由する。位
相変調器は、それぞれの信号を、異なる位相生成搬送波
周波数によって変調する。全ての光ファイバーは結合さ
れ、受信干渉計に送られる。受信干渉計からの出力は、
全ての能動ファイバー・センサーからの信号を含む。そ
れぞれのセンサーは、波長と位相生成ＲＦサブキャリア
周波数との固有の組み合わせを有する。受信干渉計から
の出力を光アイソレーターに送り、その後で、多重分離
復調部に接続された出力リードを有する光カプラーに送
ってもよい。それぞれの出力リードでは、所定の波長の
全ての信号が選択され、能動ファイバー・センサーのブ
ラッグの格子と一致するブラッグの格子によって、それ
ぞれ対応する多重分離復調部に送出されるようにしても
よい。波長がフィルタリングされた出力は、光検出さ
れ、多重分離復調部によって適当なＲＦサブキャリア周
波数と組み合わせられ、最後に信号の多重分離及び復調
が行われる。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１は、本発明のファイバー・レ
ーザー・センサー・システム１０の好ましい実施例の模
式図である。ファイバー・レーザー・センサー・システ
ム１０は、注入光信号を生成し、当該生成光信号を光フ
ァイバー１４の中に放出するレーザー光源１２を有す
る。レーザー光源１２は、望ましくは、１４８０（nm）
の光波長を生成する注入レーザー・ダイオードである。
他の類似した発光装置を用いてもよい。光信号は、光フ
ァイバー１４中を通って、能動ファイバー・センサー１
６に達する。能動ファイバー・センサー１６は、２つの
ブラッグの格子の間に位置する光ファイバー１４の長さ
を含む。この長さの一部分１８には、エルビウムのよう
な希土類元素がドープされる。能動ファイバー・センサ
ー１６に用いられるドーピング媒体をエルビウムとして
説明するが、エルビウム以外の希土類元素をドーピング
媒体に用いてもよい。能動ファイバー・センサー１６
は、さらに、ファイバーのドープ部分１８の両端に配置
された、一組のブラッグの格子２０a、２０bを有する。
【００１１】レーザー光源１２からファイバーを横断す
る光によって光学的に注入された場合、ファイバーのド
ープ部分１８は、ブラッグの格子２０a、２０bの波長バ
ンドの範囲内の狭いバンド幅において、レーザー光を発
する。ファイバーのドープ部分１８では、レーザー波長
が伝播・干渉し合うように、ブラッグの格子２０a、２
０bの間に共鳴腔を設ける。ファイバーのドープ部分１
８の長さ、即ち共鳴腔の長さは、レーザー波長が強め合
うように干渉し合うように、当該共鳴腔の範囲内のレー
ザー光の波長数の整数倍に設定される。ファイバーのエ
ルビウム・ドープ部分１８は、レーザー光源１２から放
出される特定の波長（本実施例では１４８０nm）を吸収
し、１．５５ミクロンに近い波長で螢光を発する。ブラ
ッグの格子２０a、２０bは、当該レーザー波長に周期的
な外乱を発生させる。これらの外乱のそれぞれは、少量
の光を反射する。これらの外乱からの反射は全て同じ位
相である。その結果、これらのレーザー波長は強め合う
ように干渉し合い、レーザー波長は大規模に反射する。
これにより、ブラッグの格子２０a、２０bは、共鳴腔を
形成する鏡のように機能する。当該共鳴腔において共鳴
する波長は、（共鳴腔を通る往復路が、そのような波長
の整数倍であるおかげで）その後、当該共鳴波長におい
て、当該エルビウムがドープされたファイバーから放出
されるレーザー放射を刺激する。
【００１２】共鳴腔の長さを変化させると、異なる波長
が増幅される。共鳴腔の長さはファイバーのドープ部分
１８の長さと一致するために、ファイバーのドープ部分
１８の長さによって、能動ファイバー・センサー１６か
ら放出される波長が決定される。ファイバーのドープ部
分１８は、歪みの変化に敏感であり、歪みに応じて長さ
も変化する。従って、圧力、音響、温度などの変化によ
る歪みによって、ファイバーのドープ部分１８の長さが
変化し、それにより、ブラッグの格子２０a、２０bによ
って形成される腔での共鳴する波長が変化し、それによ
り、刺激された放出レーザーの波長が変化する。能動フ
ァイバー・センサー１６が出力する波長に音響圧が符号
化される。能動ファイバー・センサー１６が生成する波
長を分析することにより、ファイバーのドープ部分１８
の長さを特定することができる。当該長さは、ファイバ
ーのドープ部分１８にかかっている歪み量を示す。従っ
て、放出波長を分析することにより、能動ファイバー・
センサー１６にかかっている音響圧を特定することがで
きる。ファイバーのドープ部分１８は、円柱のような柔
軟な構造体のまわりに配置することにより、当該部分１
８の歪みに対する感度をさらに高めることができる。能
動ファイバー・センサー１６の範囲内のレーザー波長の
周波数変化は、ファイバーのドープ部分１８にかかる歪
みと比例する。当該歪みは、音響圧と比例する。
【００１３】能動ファイバー・センサー１６によって放
射される光のバンド幅は、使用されるドーピング材及び
ファイバーのドープ部分１８の長さによって変化するも
のであるが、エルビウムは、非常に広い利得バンド幅を
有しており、多くの波長を増幅させる。従って、ファイ
バーのドープ部分１８は、能動ファイバー・センサー１
６から放出される波長の数を最小限にするために、でき
るだけ小さく形成しなければならない。能動ファイバー
・センサー１６を単一のレーザー・モードで動作させる
ことにより、レーザー放射波長に関して最適のＳ／Ｎ比
が得られる。しかし、従来技術の能動センサーに関連し
て説明したように、単一のレーザー・モードで動作させ
るためには、共鳴腔を非常に短くするとともに、注入レ
ーザー・ダイオードからの注入パワーの量を多くする必
要がある。そのような厳格な動作条件の下で動作しなく
てもよいように、本発明は、複数のレーザー・モードを
生成するとともに、大き過ぎる出力可聴振動数域の生成
を防止するために、ファイバーのドープ部分１８の長さ
を活用するものである。以下に詳細するように、本発明
のファイバー・レーザー・センサー・システム１０は、
能動ファイバー・センサー１６によって生成される多重
レーザ・モードを分析するとともに維持する、という新
規の技術を活用するものである。
【００１４】ファイバーのドープ部分１８は、多重縦モ
ードまたは周波数を支持するのに充分な量の、同時にあ
まりに多くの縦モードが生成されるのを防ぐほどに少な
い量のエルビウムを有するように構成される。ファイバ
ーのドープ部分１８に存在するエルビウムの量は、当該
ドープ部分１８の長さによって限定される。本発明の目
的は、ファイバーのドープ部分１８に存在するエルビウ
ムの量を限定した場合でも、当該ドープ部分１８に大量
の注入パワーを供給しなくてもよいようにすることであ
る。
【００１５】能動ファイバー・センサー１６の出力は、
長距離を移動するほど強くはない。従って、能動ファイ
バー・センサー１６の出力は、まず光増幅器２２に送ら
れ、該センサー１６による波長信号出力の強度を増大さ
せた後に転送される。光ファイバー１４を経由する光信
号と共に、注入レーザー・ダイオード２６からの注入光
を伝播するために、波長分割多重伝送方式（ＷＤＭ）カ
プラー２４を光ファイバー１４に配置する。ＷＤＭカプ
ラー２４は、注入レーザー・ダイオード２６からの注入
光を光ファイバー１４に結合させる。そうすることによ
って、光ファイバー１４の光増幅器２２は、能動ファイ
バー・センサー１６から受け取るレーザー光を増幅して
長距離移動できるほどに強くすることができる。背面反
射の増幅を避けるために、光増幅器２２の一端に光アイ
ソレーター２８を配置してもよい。
【００１６】光増幅器２２から出力される光信号は、光
ファイバー１４を通ってカプラー３０に送られる。カプ
ラー３０は、ブラッグの格子３２を有し、例えば１×２
ファイバー・カプラーで実現される。ブラッグの格子３
２は、能動ファイバー・センサー１６のブラッグの格子
２０a、２０bと同じ周波数である。従って、能動ファイ
バー・センサー１６から放出される周波数のみが光カプ
ラー３０を通って反射する。光カプラー３０とブラッグ
の格子３２は、増幅自然放出フィルターとして機能す
る。これにより、ブラッグ波長のみが光カプラー３０を
通って反射する。ブラッグの格子３２で反射する光信号
は、光電子位相モジュレータ３４に送られる。光電子位
相モジュレータ３４は、位相生成された搬送波を該光信
号に適用する。該光信号はその後、受信干渉計３６に送
られる。受信干渉計３６は環境外乱に感応しないように
作られており、脚３８a、３８bの間に所定のパス・イン
バランスを有する。受信干渉計３６は、光分割器４０に
よって光信号を２等分する。光分割器４０は３ｄＢスプ
リッターまたはＹスプリッターで実現される。該光信号
の位相変化は、脚３８a中の光信号に対応して脚３８bに
導入される。脚３８bは脚３８aより長く形成されてお
り、脚３８aより多くの波長が脚３８b中を伝播する。脚
３８a、３８bを通過する２つの光信号は、光カプラー４
２によって結合される。光カプラー４２は光分割器４０
と似ている。脚３８b中を通る光信号中の位相変化によ
って、結合された光信号による干渉は強め合うように又
は弱め合うようにのいずれかになる。干渉計の２つの脚
の長さが異なっているために、結合された光信号による
干渉の度合いは、ファイバー・レーザー・センサー信号
の波長によって左右される。脚３８aと脚３８bの中を通
る信号間の相対的な位相変化が２πにわたって変化する
につれて、受信干渉計を励起するファイバー中の強度は
周期的に変化し、最大強度と最小強度が現れる。脚３８
a、３８bの間のパス・インバランスは、能動ファイバー
・センサー１６がそれにかかる音響圧に従って変化する
時に、受信干渉計３６が能動ファイバー・センサー１６
から出力される波長の小さな変化にも敏感に対応するよ
うに、非常に大きく設定される。受信干渉計３６の出力
は、フォトダイオード４４によって光検出され、光受信
復調部４６に送られる。光受信復調部４６では該光信号
を処理する。
【００１７】受信干渉計３６の脚３８aと脚３８bの間の
パス・インバランスは、受信干渉計３６からの復調干渉
縞位相のノイズが、能動ファイバー・センサー１６から
光増幅器２２によって増幅されて入力される光信号の周
波数ジッターによって支配されるように、充分に大きく
設定される。上記ファイバー・レーザー・センサー・シ
ステム１０は、それ自体にかかる音響圧を測定すること
もできる。能動ファイバー・センサー１６に影響を与え
る音響信号は、音響圧に比例する縦歪みをファイバーの
ドープ部分１８にもたらす。該縦歪みにより、ファイバ
ーのドープ部分１８の長さが変わる。それにより、さら
に能動ファイバー・センサー１６の共鳴腔も変化する。
レーザー周波数は共鳴腔の長さに反比例するので、レー
ザー周波数は、ファイバーのドープ部分１８にかかる縦
歪みによって変化する。該レーザー周波数の変化は、受
信干渉計３６からの復調干渉縞位相によって規定され
る。該復調干渉縞位相は、ファイバーのドープ部分１８
にかかる音響圧に比例する。脚３８a、３８bにおけるパ
ス長の違いが大きいと、干渉縞パターンは該パターン検
知用の波長に敏感に反応する。受信干渉計３６は、測定
される音響振動の周期に匹敵する回数だけ安定が保たれ
る。その一方で、能動ファイバー・センサー１６の出力
する縦モードの波長の変化により、受信干渉計３６を通
過する波長の強度は変化する。
【００１８】能動ファイバー・センサー１６は、単一の
縦モードでも多重の縦モードでも動作するように形成す
ることができるが、多重モードの能動ファイバー・セン
サーを構築し操作する方がはるかに簡単である。なぜな
ら、多重モードの能動ファイバー・センサーでは腔長制
御要件があまり厳格ではなく、腔長を長くすると多くの
利得が得られるからである。しかし、以前の多重モード
の能動ファイバー・センサー装置では、大きな可聴振動
数域を出力することによって、ファイバー・センサーの
周波数の変化を分析する検知装置のＳ／Ｎ比を低下させ
た。本発明の発明者は、能動ファイバー・センサー１６
からの出力であるＳ／Ｎ比を低下させることのない、多
重縦モードでの動作形態を開発した。レーザー・モード
のそれぞれが共鳴腔の波長の整数倍を有さなければなら
ないという要件のために、連続する縦モードの周波数の
それぞれの差は等しくなる。受信干渉計３６の脚３８a
と脚３８bの間のパス・インバランスは、信号のノイズ
を最小限にするために、能動ファイバー・センサー１６
から出力される縦モードの間隔（または周波数の間隔）
と一致させられる。
【００１９】上記の通り、受信干渉計３６のパス・イン
バランスによって、その中を通過する光信号の位相変化
をもたらす。ここで、受信干渉計３６の出力する多重縦
モードは、それぞれ位相変化を被る。位相変化または干
渉縞位相φは、縦モード周波数に応じて、以下に示すよ
うに変化する。 φ＝２πτδ ここで、τは、受信干渉計３６の脚３８aと脚３８bの間
のパス・インバランスを光伝達時間の秒単位で現し、δ
は、縦モード周波数をヘルツで現している。能動ファイ
バー・センサー１６から出力される多重光周波数（即
ち、縦モード）は、それぞれ等間隔で配置される。τ
は、異なる縦モードの干渉縞パターン同士の位相変化φ
が確実に２πの整数倍となるように調整される。その結
果、受信干渉計３６の出力は、単一モードのライン幅に
等しいライン幅を有し、あたかも単一光周波数から生じ
たものであるかのようになる。これは、受信干渉計３６
の脚３８aと脚３８bの間のパス・インバランスを、能動
ファイバー・センサー１６の共鳴腔の往復の長さの整数
倍とすることによって達成される。能動ファイバー・セ
ンサー１６の共鳴腔の往復の長さは、ファイバーのドー
プ部分１８の長さの２倍である。従って、本発明の多重
モードの能動ファイバー・センサー１６は、単一モード
・センサーのＳ／Ｎ比に近いＳ／Ｎ比を出力する。同時
に、周波数の変化に対する反応感度も高い。
【００２０】本発明のファイバー・レーザー・センサー
・システム１０によって得られる結果の一例を以下に詳
述する。本例は、単に説明を目的とするもので、本発明
の動作を可能にする設定の全てを含むものではない。 [例１]リニア・ファイバー・レーザーのモード構造に関
するレポートによれば、一般的に、単一モードのレーザ
ーを得るためには、３〜５ｃｍの腔長で、９８０ｎｍで
８０ｍＷの注入パワーが必要である。これは、Ball et
al.「IEEE PhotonicsTechnology Letters」（１９９３
年２月、第５巻第２号）の論文「Single and Multipoin
t Fiber-Laser Sensors」に教示されている。本発明に
おいては、ファイバーのドープ部分１８の長さを４０ｃ
ｍとした。その結果、縦モード間の間隔は約２５０ＭＨ
ｚとなった。能動ファイバー・センサー１６の出力にお
けるＲＦ可聴振動数域は、１．５ＧＨｚに及ぶインター
モダルうなりを示した。これは、能動ファイバー・セン
サー１６が少なくとも６モード生成したことを示してい
る。異なる縦モードの干渉縞パターン間における位相変
化φが確実に２πの整数倍となるように、パス・インバ
ランスτを調整することにより、位相復調器のノイズは
減少した。本例では、縦モード間の間隔が２５０ＭＨｚ
であるので、該間隔に一致させるためにパス・インバラ
ンスτは８２ｃｍの倍数でなければならない。フロア・
レベルのシステム・ノイズの設定に対応するレーザー周
波数ジッターを引き起こすためには、８２０ｃｍのパス
・インバランスで充分である。つまり、異なる縦モード
による全ての干渉信号間の位相関係を適切に保つために
は、受信干渉計３６のパス・インバランスとファイバー
のドープ部分１８の長さとの許容差は約１ｃｍ毎の値の
列となる。本例においては、パス・インバランスは約８
０ｍに設定された。図３は、８７ｃｍの範囲にわたって
パス不一致を切り取った時の、パス・インバランスの関
数としての復調器からの位相ノイズを示す。ライン３０
０は、パス不一致の関数としての、１ｋＨｚでのＲＭＳ
ラジアンにおける干渉計位相ノイズを示す。ライン３０
２は、パス不一致の関数としての、１０ｋＨｚでのＲＭ
Ｓラジアンにおける位相ノイズを示す。図３に見られる
ように、この範囲のパス・インバランスの端近くに２つ
の位相ノイズ最小値が観察される。復調器の出力は、一
定の信号レベルを維持するＡＧＣ回路によって制御され
た。それに伴い、増加したＡＧＣ利得を用いることによ
り、より高いノイズ・フロアが生じ、より低い信号レベ
ルが補償された。様々な縦モードの干渉縞パターンをお
互いに位相外にすることにより引き起こされるフェージ
ング干渉縞コントラストとともに、信号レベルは減少す
る。従って、増大するノイズ・フロアは、Ｓ／Ｎ比の低
下を示している。
【００２１】さらに、例１のファイバー・レーザー・セ
ンサー・システム１０の性能を、図４、５を参照しつつ
説明する。図４は、センサー・ノイズ・フロアを周波数
の対数関数として示す。１ｋＨｚで８０ｍの不一致を受
信する干渉計３６に対する干渉計位相ノイズは、-78dB
re rad/√Hzであった。この値は、約５０Hz/√Hzのレー
ザー周波数ノイズに等しい。部分的な周波数の変化は、
能動ファイバー・センサー１６における部分的な長さの
変化に等しいため、能動ファイバー・センサー１６の検
知できる最小の歪み信号は、センサー・ノイズ周波数を
光周波数で割ることにより求められる。従って、１ｋＨ
ｚでの検知できる最小の歪み信号は、５０÷１．９５×
１０14≒２．６×１０-13 、即ち０．２６picostrainと
なる。能動ファイバー・センサー１６の感度の度数は、
これまでに報告された感度における最高の度数である。
【００２２】図５は、大気中で測定された、約-20dB re
Rad/Paの能動ファイバー・センサー１６の音響スケー
ル・ファクターを示す。最適化されていない裸のファイ
バーが大気中に垂れ下がっている実装のために、音響ス
ケール・ファクターはいくぶん非線形であった。ノイズ
密度をこのスケール・ファクターを用いて割ると、検知
できる最小の歪み信号は、-58dB re Pa/√Hz、即ち、1k
Hzで一つの1ヘルツバンドにおいて1+1/4ミリパスカルと
なる。この音響感度は、感知ファイバーの包装及びパッ
ケージングを最適化することにより、さらに改良可能で
ある。
【００２３】本発明の別な実施例においては、図２のフ
ァイバー・レーザー・センサー・システム２００に示さ
れるように、複数の能動ファイバー・センサー１６が単
一のレーザー光源によって注入され、多重化される。図
１と同一の参照符号は、同じ構成要素を示す。これらの
構成要素の機能の説明は本実施例では省略する。それぞ
れの能動ファイバー・センサー１６のブラッグの格子２
０a、２０bの反射バンド幅は、約１ナノメーターであ
る。このバンド幅の外側の光は、干渉されることなくブ
ラッグの格子２０a、２０bを通る。能動ファイバー・セ
ンサー１６は、どのような波長数の下でも動作可能であ
る。なぜなら、ファイバーのエルビウム・ドープ部分１
８は、約４０ナノメーターにわたる波長をサポート可能
だからである。従って、それぞれの能動ファイバー・セ
ンサー１６によって生成される縦モードの数によって、
クロストークや相互変調を発生させることなく、数十の
能動ファイバー・センサー１６が同一のファイバーで動
作可能である。レーザー光源１２は、能動ファイバー・
センサー１６aに注入して、波長λ1に集中する光信号を
放出する。能動ファイバー・センサー１６aの出力は、
波長分割多重伝送方式（ＷＤＭ）カプラー２０２aを通
って送られる。ＷＤＭカプラー２０２aは、光ファイバ
ー１４からの光信号λ1を反射遠隔測定光ファイバー２
０４に結合する。ＷＤＭカプラー２０２aは、波長λ1と
異なる波長の注入光を、隣接する能動ファイバー・セン
サー１６bに進ませる。能動ファイバー・センサー１６b
は、波長λ2に集中する光信号を放出する。この光ファ
イバー１４からの光信号λ2は、他のＷＤＭカプラー２
０２bによって反射遠隔測定光ファイバー２０４に結合
される。ＷＤＭカプラー２０２bは、波長λ2と異なる波
長の注入光を、隣接する能動ファイバー・センサー１６
cに進ませる。この処理は、能動ファイバー・センサー
１６の全ての出力が光ファイバー２０４に結合されるま
で、能動ファイバー・センサー１６のそれぞれについて
繰り返される。または、能動ファイバー・センサー１６
の出力を、能動ファイバー・センサー１６から放出され
る異なる波長を独立した光ファイバーに分岐結合するこ
となしに、直接、連続する能動ファイバー・センサー１
６を通って転送するようにしてもよい。独立した反射遠
隔測定光ファイバー２０４を用いるかどうかの判断は、
連続するセンサーによる一つのセンサーの信号の吸収
（利得）効果や光ファイバー２０４への結合時に被るロ
スの受け入れ可能な度合いを観察した結果に基づいて決
定することができる。
【００２４】いずれの波長分割多重伝送方式（ＷＤＭ）
を用いるにしても、多重能動ファイバー・センサー１６
からの出力信号は、全て単一の光ファイバー２０４に結
合される。全ての信号は、単一のレーザー注入光増幅器
２２によって増幅される。ファイバー・レーザー・セン
サー・システム２００は、光ファイバー２０４と類似し
た波長分割多重信号の組み合わせを搬送する光ファイバ
ー２０６を含んでもよい。受信干渉計３６を経由して送
られる前に、光ファイバー２０４及び２０６のそれぞれ
は、それぞれの信号が異なる位相生成搬送波周波数で変
調されるように、位相変調器３４を通るように配置され
る。光ファイバー２０４及び２０６は、１×Ｎ光カプラ
ー２０８によって結合される。ここで、Ｎは光カプラー
２０８に入る光ファイバー２０４及び２０６の数を示
し、それぞれのファイバーの信号の１／Ｎは、出力リー
ドから受信干渉計３６に送られる。受信干渉計３６の出
力は、全ての能動ファイバー・センサー１６からの信号
を含む。センサーは、それぞれ固有の、波長と位相生成
ＲＦサブキャリア周波数の組み合わせを有する。受信干
渉計３６の出力は、光アイソレーター２１０を経由して
送られ、その後で、１×Ｎ光カプラー２０８と類似した
１×Ｎ光カプラー２１２を通ってもよい。１×Ｎ光カプ
ラー２１２は、多重分離復調部２１６に接続されたＮ個
の出力リード２１４を有する。それぞれの出力リード２
１４では、所定の波長の全ての信号が選択され、能動フ
ァイバー・センサー１６のブラッグの格子と一致するブ
ラッグの格子２１８によって、それぞれ対応する多重分
離復調部２１６に送出されることが可能である。次に、
波長がフィルタリングされた出力は、光検出器２２０に
よって光検出され、多重分離復調部２１６によって適当
なＲＦサブキャリア周波数と組み合わせられ、最後に信
号の多重分離及び復調が行われる。
【００２５】ファイバー・レーザー・センサー・システ
ム２００による多重量は、受信干渉計３６による多重に
関連するＮ乗されたロスと、このロスを扱うのに必要な
レベルまで光ファイバー２０４、２０６の信号を増幅す
ることに関連する余分なノイズとによって限定される。
環境ノイズがセンサー信号に付加されるのを防ぐために
環境絶縁が必要なために、できるだけ少ない受信干渉計
を用いるのが望ましい。本発明のファイバー・レーザー
・センサー・システム２００のデザインは、２０〜４０
の異なる波長が単一の光ファイバーに用いられることを
可能にする。また、１０〜２０の異なるサブキャリア周
波数が該センサー・システム２００に用いられることを
可能にする。従って、単一の受信干渉計３６で、数百の
センサー信号が処理可能である。
【００２６】上述した通り、本発明による能動ファイバ
ー・センサーは、多重モードのファイバー・レーザー・
センサーにおける周波数変化の高解像度測定を達成す
る。さらに、本発明による、多重モードのファイバー・
レーザー・センサーにおける周波数変化の多重高解像度
測定用システムを形成することにより、ファイバー・レ
ーザー音響センサーの出力は、有害となる大きな注入パ
ワーと単一モード・センサーが必要とする小さな腔を有
することなく、単一モード・センサーのＳ／Ｎ比特性に
等しい最適なＳ／Ｎ比特性を有する。
【００２７】上記実施例のそれぞれにおいて、本発明の
ファイバー・レーザー・センサー・システムについて異
なる位置及び構造が記載されている。しかし、ここに記
載された個々の実施例の態様は、ここに記載された他の
実施例の態様と組み合わせることが可能であり、それ
が、本発明の発明者の完全なる意図である。当業者は、
上記好ましい実施の形態に対する様々な適応及び修正
が、本発明の範囲及び意図から逸脱することなく想到可
能であることを、認めるものと思われる。従って、本明
細書に添付される本クレームの範囲において、本明細書
に記載された具体的な実施形態以外で本発明が実施可能
であることが理解されるものと思われる。
【００２８】
【発明の効果】本発明は、多重モードのファイバー・レ
ーザー音響センサーにおける周波数変化の高解像度測定
を実施するシステムであって、複数のレーザー・モード
を放出する端注入ファイバー・レーザー、ここで放出さ
れる前記レーザー・モードの周波数は、前記レーザーに
かかる歪みから求められるような端注入ファイバー・レ
ーザーと、前記ファイバー・レーザーに接続され、前記
レーザー・モードを転送する光ファイバーと、前記光フ
ァイバーに接続され、前記レーザー・モードの搬送波を
位相変調する位相変調器と、所定のパス・インバランス
を有し、前記光ファイバーを介して前記位相変調器に接
続され、前記レーザー・モードの部分間の干渉縞を生成
する受信干渉計であって、前記レーザー・モードの部分
間には位相遅延が存在する受信干渉計と、前記光ファイ
バーを介して前記受信干渉計に接続され、前記干渉縞の
干渉縞位相を復調する感知手段であって、前記干渉縞位
相は、前記ファイバー・レーザーにかかる歪みに比例す
る感知手段とを備えることを特徴とする。
【００２９】ここで、前記受信干渉計は、圧力を感知せ
ず、異なるレーザー・モードの干渉縞パターン同士の前
記位相変化のそれぞれが２πの整数倍となり、前記レー
ザー・モードの全ての前記位相変化が同一の位相に存在
するように、前記パス・インバランスは前記レーザー・
ファイバーの共鳴腔の往復の長さの整数倍に等しいよう
に構成してもよい。
【００３０】ここで、前記複数のレーザー・モードの全
てに対応する前記受信干渉計の出力のＳ／Ｎ比は、単一
モードの前記受信干渉計に問い合わせることで実現され
るＳ／Ｎ比に類似しているように構成してもよい。ここ
で、前記端注入ファイバー・レーザーは、一組のブラッ
グの格子の間に配置され、エルビウムがドープされた光
ファイバーを有するように構成してもよい。
【００３１】ここで、複数のレーザー・モードを放出す
る少なくとも一つの追加ファイバー・レーザーと、前記
受信干渉計と前記感知手段の間に接続された、複数のブ
ラッグの格子であって、前記複数のブラッグの格子のそ
れぞれは、対応するファイバー・レーザーに関連する所
定の波長の信号のみを前記感知手段に転送させる複数の
ブラッグの格子とをさらに備えるように構成してもよ
い。
【００３２】ここで、前記ブラッグの格子のそれぞれの
周波数は、対応するファイバー・レーザーの周波数と一
致するように構成してもよい。ここで、それぞれに１本
の光ファイバー接続されており、該光ファイバーを用い
て前記レーザー・モードを放出する少なくとも一つの追
加ファイバー・レーザーと、追加光ファイバーのそれぞ
れに対応して接続され、前記レーザー・モードの搬送波
周波数を位相変調する位相変調器であって、それぞれの
光ファイバーのレーザー・モードで位相変調される前記
搬送波周波数は、他の全ての光ファイバーで位相変調さ
れる搬送波周波数とは異なる位相変調器とをさらに備え
るように構成してもよい。
【００３３】ここで、前記ファイバー・レーザーの全て
から出力される前記位相変調されたレーザー・モードの
全てが、単一の出力リードに沿って転送されるように、
前記光ファイバーのそれぞれを一つに結合する光カプラ
ーであって、前記単一の出力リードは前記受信干渉計に
送られる光カプラーをさらに備えるように構成してもよ
い。
【００３４】ここで、前記感知手段は、異なるファイバ
ー・レーザーを、それぞれの搬送波周波数に基づいて、
電子的に判別することができるように構成してもよい。
ここで、それぞれの光ファイバーが固有の搬送波周波数
で複数の波長を搬送するように、それぞれの光ファイバ
ーは、異なる波長でレーザー光を発する少なくとも一つ
の追加ファイバー・レーザーを有するように構成しても
よい。
【００３５】ここで、前記受信干渉計と前記感知手段と
の間に配置され、前記受信干渉計の出力を複数の出力リ
ードに分岐させる第２の光カプラーと、前記出力リード
と前記感知手段の間に接続された複数のブラッグの格子
であって、それぞれの出力リードにはそれぞれ一つのブ
ラッグの格子が接続され、転送されるレーザー波長のう
ちで際だったレーザー波長を前記感知手段に分岐させる
ブラッグの格子とをさらに備え、前記感知手段は、異な
るファイバー・レーザーを、それぞれの搬送波周波数に
基づいて、電子的に判別することができるように構成し
てもよい。
【００３６】上述した通り、本発明による能動ファイバ
ー・センサーは、多重モードのファイバー・レーザー・
センサーにおける周波数変化の高解像度測定を達成す
る。さらに、本発明による、多重モードのファイバー・
レーザー・センサーにおける周波数変化の多重高解像度
測定用システムを形成することにより、ファイバー・レ
ーザー音響センサーの出力は、有害となる大きな注入パ
ワーと単一モード・センサーが必要とする小さな腔を有
することなく、単一モード・センサーのＳ／Ｎ比特性に
等しい最適なＳ／Ｎ比特性を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施例による、多重モードの
能動ファイバー・センサーにおける周波数変化の高解像
度測定システムを示す模式図である。
【図２】本発明の別な実施例による、多重モードの能動
ファイバー・センサーにおける周波数変化の多重高解像
度測定システムを示す模式図である。
【図３】干渉計のパス・インバランスの関数としての、
復調器において観測される位相ノイズ・パワーを示す図
である。
【図４】本発明の能動ファイバー・センサーについての
ノイズ・フロアを示す図である。
【図５】本発明の能動ファイバー・センサーについての
音響スケール・ファクターを示す図である。
【符号の説明】
１０ ファイバー・レーザー・センサー・システム １２ レーザー光源 １４ 光ファイバー １６ 能動ファイバー・センサー １８ ファイバーのドープ部分 ２０a ブラッグの格子 ２０b ブラッグの格子 ２２ 光増幅器 ２４ 波長分割多重伝送方式（ＷＤＭ）カプラー ２６ 注入レーザー・ダイオード ２８ 光アイソレーター ３０ 光カプラー ３２ ブラッグの格子 ３４ 位相変調器 ３６ 受信干渉計 ３８a 脚 ３８b 脚 ４０ 光分割器 ４２ 光カプラー ４４ フォトダイオード ４６ 光受信復調部
フロントページの続き (72)発明者 スティーブン、ジー、ベル アメリカ合衆国、カリフォルニア州91303、 ウッドランド ヒルズ、ファラローネ ア ベニュー 6604 Ｆターム(参考） 2G064 AB11 AB16 AB23 BA02 BC06 BC13 BC26 BC32 CC13 CC42 5F072 AB09 AK06 JJ20 KK07 KK30 SS02

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 多重モードのファイバー・レーザー音響
    センサーにおける周波数変化の高解像度測定を実施する
    システムであって、 複数のレーザー・モードを放出する端注入ファイバー・
    レーザー、ここで放出される前記レーザー・モードの周
    波数は、前記レーザーにかかる歪みから求められるよう
    な端注入ファイバー・レーザーと、 前記ファイバー・レーザーに接続され、前記レーザー・
    モードを転送する光ファイバーと、 前記光ファイバーに接続され、前記レーザー・モードの
    搬送波を位相変調する位相変調器と、 所定のパス・インバランスを有し、前記光ファイバーを
    介して前記位相変調器に接続され、前記レーザー・モー
    ドの部分間の干渉縞を生成する受信干渉計であって、前
    記レーザー・モードの部分間には位相遅延が存在する受
    信干渉計と、 前記光ファイバーを介して前記受信干渉計に接続され、
    前記干渉縞の干渉縞位相を復調する感知手段であって、
    前記干渉縞位相は、前記ファイバー・レーザーにかかる
    歪みに比例する感知手段と、 を備えることを特徴とするシステム。
  2. 【請求項２】 前記受信干渉計は、圧力を感知せず、異
    なるレーザー・モードの干渉縞パターン同士の前記位相
    変化のそれぞれが２πの整数倍となり、前記レーザー・
    モードの全ての前記位相変化が同一の位相に存在するよ
    うに、前記パス・インバランスは前記レーザー・ファイ
    バーの共鳴腔の往復の長さの整数倍に等しい、 ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
  3. 【請求項３】 前記複数のレーザー・モードの全てに対
    応する前記受信干渉計の出力のＳ／Ｎ比は、単一モード
    の前記受信干渉計に問い合わせることで実現されるＳ／
    Ｎ比に類似している、 ことを特徴とする請求項２記載の制御装置。
  4. 【請求項４】 前記端注入ファイバー・レーザーは、一
    組のブラッグの格子の間に配置され、エルビウムがドー
    プされた光ファイバーを有する、 ことを特徴とする請求項１記載のシステム。
  5. 【請求項５】 複数のレーザー・モードを放出する少な
    くとも一つの追加ファイバー・レーザーと、 前記受信干渉計と前記感知手段の間に接続された、複数
    のブラッグの格子であって、前記複数のブラッグの格子
    のそれぞれは、対応するファイバー・レーザーに関連す
    る所定の波長の信号のみを前記感知手段に転送させる複
    数のブラッグの格子と、 をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のシステ
    ム。
  6. 【請求項６】 前記ブラッグの格子のそれぞれの周波数
    は、対応するファイバー・レーザーの周波数と一致す
    る、 ことを特徴とする請求項５記載のシステム。
  7. 【請求項７】 それぞれに１本の光ファイバー接続され
    ており、該光ファイバーを用いて前記レーザー・モード
    を放出する少なくとも一つの追加ファイバー・レーザー
    と、 追加光ファイバーのそれぞれに対応して接続され、前記
    レーザー・モードの搬送波周波数を位相変調する位相変
    調器であって、それぞれの光ファイバーのレーザー・モ
    ードで位相変調される前記搬送波周波数は、他の全ての
    光ファイバーで位相変調される搬送波周波数とは異なる
    位相変調器と、 をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のシステ
    ム。
  8. 【請求項８】 前記ファイバー・レーザーの全てから出
    力される前記位相変調されたレーザー・モードの全て
    が、単一の出力リードに沿って転送されるように、前記
    光ファイバーのそれぞれを一つに結合する光カプラーで
    あって、前記単一の出力リードは前記受信干渉計に送ら
    れる光カプラー、 をさらに備えることを特徴とする請求項７記載のシステ
    ム。
  9. 【請求項９】 前記感知手段は、異なるファイバー・レ
    ーザーを、それぞれの搬送波周波数に基づいて、電子的
    に判別することができる、 ことを特徴とする請求項８記載のシステム。
  10. 【請求項１０】 それぞれの光ファイバーが固有の搬送
    波周波数で複数の波長を搬送するように、それぞれの光
    ファイバーは、異なる波長でレーザー光を発する少なく
    とも一つの追加ファイバー・レーザーを有する、 ことを特徴とする請求項７記載のシステム。
  11. 【請求項１１】 前記受信干渉計と前記感知手段との間
    に配置され、前記受信干渉計の出力を複数の出力リード
    に分岐させる第２の光カプラーと、 前記出力リードと前記感知手段の間に接続された複数の
    ブラッグの格子であって、それぞれの出力リードにはそ
    れぞれ一つのブラッグの格子が接続され、転送されるレ
    ーザー波長のうちで際だったレーザー波長を前記感知手
    段に分岐させるブラッグの格子と、 をさらに備え、 前記感知手段は、異なるファイバー・レーザーを、それ
    ぞれの搬送波周波数に基づいて、電子的に判別すること
    ができる、 ことを特徴とする請求項１０記載のシステム。
JP10216812A 1997-07-31 1998-07-31 多重モードのファイバー・レーザー音響センサーにおける周波数変化の多重高解像度測定システム Pending JP2000241239A (ja)

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