JP2001522987A - 直列ファイバーブラッグ回折格子干渉計を利用するための改善された配列構成 - Google Patents
直列ファイバーブラッグ回折格子干渉計を利用するための改善された配列構成Info
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Abstract
Description
ッグ回折格子干渉計配列用の改善された配列構成に関する。
、間隔Lで離間させて直列に備えることにより、干渉計の副配列を単一のファイ
バー内に構成することが可能である。回折格子間のファイバー長によって干渉計
が構成され、(回折格子の波長と同波長の)レーザー光がファイバーを通過する
場合、各回折格子で反射されるようになっている。1対の回折格子(すなわち特
定の長さL)のみからの干渉効果を特定するために、ファイバーに接続された光
をパルス変調することが可能である。これによって、図1に示されるように、一
連のパルス化反射信号が配列から発生する。配列からの光が干渉計(例えばマッ
ハツェンダ干渉計)に送られる場合、アーム間の経路差は、配列内で隣接した2
つのファイバーブラッグ回折反射器間の往復距離(2L)と等しくなるため、異
なる干渉計も構成される。このような経路整合(補償)干渉計は、図1に例示さ
れている。
補償干渉計の長い方のアームを通過した光は、第2のファイバーブラッグ回折格
子反射器により反射されて補償干渉計の短い方のアームを通過した光と、同じ光
学的距離を進行する。図2をさらに参照すると、このような光成分は、補償干渉
計の出力で干渉し、干渉信号を発生させるようになっている。この干渉信号の位
相は、2つのファイバーブラッグ回折格子反射器間のファイバー長Lにおける位
相変化に依存する。このような経路整合は、配列に沿った続く何対かのファイバ
ーブラッグ回折格子反射に対して行われ、これによって時間分割された一連の出
力が補償干渉計から発生する。各出力は、ファイバーの連続長さLでの位相を表
している。
のファイバー内に形成することが可能となる。しかし、このようなシステムでは
、クロストークが発生する。これは、配列内のファイバーブラッグ回折格子要素
の1つによって反射した光パルスは、続いて、他のファイバーブラッグ回折格子
によって反射し、正常に発生した反射光信号と干渉することに起因する。このよ
うな問題は、図3に示されている。図3を参照すると、特定の波長を有する8つ
のファイバーブラッグ回折構成要素を有する配列が示されており、各センサ要素
は、次のセンサ要素に隣接している。他の構成を用いることも可能であり、それ
がより望ましいが、基本的なクロストーク源は変わらない。配列からの「1次反
射光信号」は、ファイバーブラッグ回折格子によって一回反射した入力光パルス
から生じた出力光パルスとして定義される。例えば1%といった低反射率のファ
イバーブラッグ回折格子に対して、反射信号は入力信号の出力の約1%となる。
8つのファイバーブラッグ回折格子を備えたシステムでは、図示されている8つ
の一次パルスが(7つのセンサ長に対して)発生する。
バーブラッグ回折格子によって2回または3回反射するため、反射信号は非常に
弱くなる(入力光レベルのR3で減少する)。このような弱い光信号は、1次反
射光信号の時間スロットと関連する時間スロットで、配列から出て行く。これに
よって、クロストークが発生する。弱い信号が強い一次信号と干渉的に混合する
ことは、非常に弱い回折格子反射器を利用しなければ、クロストーク源の影響が
大きくなることを意味する。配列内の2次クロストークパルスの数は、多重化さ
れたセンサの数によって著しく増加し、これは、許容できない大きなクロストー
クとなる可能性がある。
ファイバーブラッグ回折格子干渉計配列のための改善された配列構成が必要とな
る。
あるいは除去するような、直列ファイバーブラッグ回折格子干渉計配列を利用す
るための改善された配列構成を提供することである。
、共通波長のクロストークを最小にするような配列構成を提供することである。
うな配列を提供することである。
複数の干渉計を備えており、各干渉計は、一対のファイバーブラッグ回折格子と
、一対のファイバーブラッグ回折格子間に配置された検知用長さの光ファイバー
と、を備えている。各対のファイバーブラッグ回折格子におけるファイバーブラ
ッグ回折格子は、同じ特性波長を有しており、この特性波長は、副配列内の他の
全ての対のファイバー回折格子の特性波長と異なっている。副配列接続手段が、
副配列を相互に接続して干渉計配列を形成するとともに、干渉計配列内の異なる
干渉計間の共通波長のクロストークを最小とするために利用されている。
に接続されており、これによって、共通波長の最大クロストークが、直列に接続
された副配列の数によって制限されるようになっている。
光ファイバーに接続されており、各分岐は、直列に接続された1つあるいは複数
の副配列を備えている。共通波長のクロストークは、各副配列内の各波長のセン
サの数によって制限される。
の出力が互いに均衡されるように、光信号源からより末端にある分岐内のファイ
バーブラッグ回折格子は、光信号源により近い分岐内のファイバーブラッグ回折
格子よりも反射率が高くなっている。
と出力光ファイバーとの間に接続されているとともに、各分岐が、直列に接続さ
れた1つあるいは複数の副配列を備えている。光信号遅延手段が、入力用光ファ
イバーに配置されており、これによって、入力光信号が入力用光ファイバーに接
続されている連続した各分岐に到達する前に、入力光信号の遅延が増大するよう
になっている。このために、ある分岐内の各副配列からの反射光信号が、他の分
岐内の副配列からの反射光信号と、時間的に分割されるようになっている。
ることによって、配列内で多重化された干渉計間の共通波長のクロストークが著
しく減少する。加えて、この配列は、配列内の異なるセンサからの反射信号が(
出力に関して)ほぼ均衡されるように、構成することが可能である。本発明の1
つの実施例では、配列内の異なるセンサから受信される反射信号が均衡されるよ
うに、配列内の異なるファイバーブラッグ回折格子の反射率は、異なっている。
本発明の他の実施例では、光信号が通過しなければならないカプラの数は最小と
なっており、これによって、カプラによる減衰が最小となるとともに、反射光が
均衡されるようになっている。本発明の利点は、配列内の干渉計センサの数を増
加させることが可能となる一方で、クロストークが減少することである。
の図面に示されている実施例についての以下の詳細な説明によって、より明確と
なるだろう。
配列構成を提供する。この配列構成は、配列内の干渉計の数を従来技術よりも増
加させながら、配列内の個々の干渉計間のクロストークを著しく減少させるもの
である。本発明では、ブラッグ回折格子干渉計の波長分割多重配列に基づく配列
構成を利用する。様々な配列構成に、この基礎的な配列構成を利用することによ
って、配列内の個々の干渉計間のクロストークを許容不可能なレベルにすること
なく、配列内の干渉計の数を大幅に増加させることが可能となる。
クロストークの影響は、異なる波長の回折格子を用いて異なる波長の干渉計の組
を配列に沿って構成することによって、著しく減少させることができる。図4を
参照すると、複数の直列配列12(副配列)が、光ファイバー15の長手方向に
沿って互いに接続されている。各副配列12は、複数の干渉計17を備えている
。各干渉計17は、一対のブラッグ回折格子22と、ブラッグ回折格子22間に
配置された検知用長さの光ファイバー25と、を備えている。図4に示されるよ
うに、検知用長さの光ファイバー25は、ハイドロフォン配列内のマンドレルに
巻き付けられている。代わりの実施例として、検知用長さの光ファイバー25を
歪みに応答することができるような適した形状にすることによって、干渉計の歪
みセンサを構成することも可能である。一対のブラッグ回折格子22は、同じ特
性波長λnを有しており、これによって、干渉計が、この特性波長λnによって
一意に識別されるようになっている。しかし、副配列12内の各干渉計17の特
性波長λnは異なっているため、複数の干渉計17は、それぞれ、特性波長(λ 1 、λ2…λn)によって一意に識別されるようになっている。
れる。各副配列12内の各干渉計17から一次反射信号が発生し、この一次反射
光信号はカプラ35を介して補償干渉計40に送られる。図2について説明する
と、干渉計17を構成する一対のファイバー回折格子22の各ブラッグ回折格子
によって、一次反射光信号が発生する。補償干渉計40は、このような一次反射
光信号に応答して、干渉信号を発生させる。この干渉信号の位相は、検知用長さ
の光ファイバー25における位相変化に依存する。補償干渉計40からの出力は
、波長分割多重(WDM)フィルタ42に送られ、波長分割多重(WDM)フィ
ルタ42から、特性波長(λ1、λ2…λn)に基づく、副配列12内の各干渉計 17に対して一意の出力が発生する。
DM)技術によって、他の信号から一意に識別される。この技術は、干渉計17
が光ファイバー15の長手方向に沿って物理的に離間していることによる、異な
る干渉計17からの反射信号の受信の遅延時間を利用するものである。
しく減少する。例えば、4つの副配列12が利用されており、各副配列12が8
つの干渉計(16個のブラッグ回折格子および8つの検知用長さの光ファイバー
25を有する)を備えている場合、32個の干渉計センサ要素が光ファイバー1
5の長手方向に沿って多重化されている。しかし、どの特性波長λnに対しても
、互いに干渉し得るのは、4つの干渉計のみである。様々な副配列12間の経路
の長さを適切に選択することによって、同じ特性周波数を有する干渉計からの反
射信号にタイミングを与え、これによって共通波長のクロストークが起こる可能
性を低減させることが可能である。
、より大幅に軽減させることができる。図5の配列構成を参照すると、入力用フ
ァイバー55からの光を複数の分岐56,57,58に送るために、分岐カプラ
50を配列に組み込むことによって配列が構成されている。各分岐56,57,
58は、干渉計60の副配列(直列配列)59を備えている。特定の副配列の各
干渉計60の特性波長(λ1、λ2…λn)は、その副配列内の他の全ての干渉計 60と異なっている。各干渉計60からの一次反射光信号は、同じ特性波長λn
を有する他の干渉計60を通過しないため、共通波長のクロストークは図5の構
成によって阻止される。
1,72内で副配列65,66を制限的に直列にできるようになっている。1つ
の副配列65のセンサの特性波長を、他の副配列66において繰り返すようにし
てもよい。このような構成では、共通波長のクロストークは著しく制限される。
例えば、各分岐70,71,72内で2つの副配列65,66が直列に接続され
る場合、各分岐内の他の全てのセンサのうち、1つのセンサのみが同じ特性波長
を有する。このことによって、共通波長のクロストークは大幅に制限される。各
副配列のセンサの数が少ない場合(例えば、8つの異なる特性周波数を有する8
個の干渉計を用いる場合)は、2つの副配列を各分岐に備えることによって、共
通波長のクロストークを、非常に小さく、無視できる程度にすることができる。
8つの波長および8つの分岐カプラを用いる場合、総数128個のセンサをファ
イバーに沿って備えることができる。波長の数つまり配列内の分岐アームの数を
増加させることによって、アドレスできるセンサの総数が増加する。このことは
、直列のファイバーブラッグ回折格子干渉計へのアプローチの実用性を著しく改
善できることを表している。
センサ(すなわち末端の分岐58内のセンサ)からの反射光信号の出力レベルは
、第1の副配列56からのものよりも大幅に弱くなる。これは、光が、カプラお
よびスプライスを通って配列を通過し、補償干渉計および検出システムに戻って
いくにつれて累積する損失に起因する。この影響は、配列内のより末端の位置に
あるファイバー回折格子要素の反射率を増大させることによって、部分的に補償
される。例えば、第1分岐56内のファイバーブラッグ回折格子の反射率を1%
とし、最後の分岐58内のファイバーブラッグ回折格子の反射率を2%とする。
これは、例示された目的のためにのみ適用されるものであり、与えられた配列構
成でのカプラおよびスプライスでの損失を考慮して、各配列をカスタマイズする
ことが可能である。
ハイブリッド特性を有するこの配列は、さらに、入力バスファイバー75および
出力バスファイバー77が配列構成に組み込まれるステップを有する。光は、入
力光源78から配列内の連続的な分岐79,80,81に送られる。各分岐79
,80,81は、1つあるいは複数の副配列83を備えている。配列内の最後の
分岐81以外の各分岐79,80への光は、カプラ85を介して入力バスファイ
バー75から分岐79,80へと分配される。各分岐79,80,81は、指向
性カプラ88を備えており、これによって入力バスファイバー75からの入力光
が分岐内の副配列に送られるようになっている。最後の分岐81内の副配列80
への光は、入力バスファイバー75から指向性カプラ88へと直接に送られる。
各分岐内の副配列からの反射光信号は、カプラ88を経て出力バスファイバー7
7を通過する。第1分岐79内の副配列からの光は、カプラ88を介して出力バ
スファイバー77へと直接に送られる。他の分岐80,81の副配列からの光は
、順に、カプラ92によって出力バスファイバー77に結合される。
経路が、確実に、ほぼ同数のカプラを経由することとなる。このため、必然的に
、損失が均等になる。配列内の第1の分岐および最後の分岐では、カプラの数は
1つ少なくなる。しかし、この差は大きくない。上述した図7の配列構成では、
各入力光信号は、ほぼ同じ長さの光ファイバーを通過するため、異なる配列80
からの反射光信号も、ほぼ同時に補償干渉計95に到達する。時間分割多重化技
術を利用して異なる配列80からの反射光信号を識別するために、光学的遅延要
素97が、各分岐間(各カプラ85の後)で入力用光ファイバーに組み込まれる
。単に長い光ファイバー、例えば40メートルの光ファイバーを各遅延要素97
として利用することによって、異なる副配列80からの反射光信号が異なる時間
に補償干渉計95に到達するような所望の遅延を得ることも可能である。
とともに、利用されるファイバーカプラの数が制限される(例えば1つの副配列
に3つのファイバーカプラが用いられる)。副配列が16個のセンサを有する場
合は、約0.18カプラ/センサとなる。これは、一般的なマッハ−ツェンダレ
ーダ配列構成でのほぼ4カプラ/センサに匹敵する。
計副配列を直列に接続することが可能となる。この配列構成内のセンサ総数は、
副配列への分岐の数、副配列毎のセンサの数および分岐毎の副配列の数に基づい
て決定される。
明された。しかし、本発明の配列構成は、ファイバーブラッグレーザーセンサに
も適用できる。そのような構成では、検知用長さの光ファイバーに、エルビウム
等の希土類材料がドープされることによって、ファイバーブラッグ回折格子レー
ザーセンサが形成される。
範囲から逸脱することなく、上述のものに様々な追加および変更を加えることも
可能である。
テムの概略ブロック図。
。
よびクロストークの反射経路。
重式干渉計システムの概略ブロック図。
重式干渉計システムの概略ブロック図。
重式干渉計システムの概略ブロック図。
重式干渉計システムの概略ブロック図。
Claims (19)
- 【請求項1】干渉計配列であって、 複数の干渉計副配列を備えており、各副配列は複数の干渉計を備えており、各
干渉計は、一対のファイバーブラッグ回折格子と、前記一対のファイバーブラッ
グ回折格子間に配置された検出用長さの光ファイバーと、を備えており、前記一
対のファイバーブラッグ回折格子の前記ファイバーブラッグ回折格子は同じ特性
波長を有しており、該波長は、前記副配列内の他の全ての対のファイバーブラッ
グ回折格子の特性波長と異なっており、さらに、 前記干渉計配列を構成するために前記副配列を互いに接続する副配列接続手段
を備えており、 前記副配列接続手段によって、前記干渉計配列内の干渉計間の共通波長のクロ
ストークが減少するようになっていることを特徴とする干渉計配列。 - 【請求項2】前記副配列接続手段は、共通長さの光ファイバーに沿って直列に
接続された前記副配列を備えていることを特徴とする請求項1記載の干渉計配列
。 - 【請求項3】前記副配列接続手段は、 入力/出力用光ファイバーと それぞれが光結合手段によって前記入力/出力用光ファイバーに接続された複
数の分岐と、を備えており、 前記複数の分岐は、それぞれ、直列に接続された1つあるいは複数の前記副配
列を備えていることを特徴とする請求項1記載の干渉計配列。 - 【請求項4】各ファイバーブラッグ回折格子の反射率は、各ファイバーブラッ
グ回折格子からの一次反射光信号の出力が互いに均衡されるように、選択されて
いることを特徴とする請求項3記載の干渉計配列。 - 【請求項5】前記副配列接続手段は、 入力用光ファイバーと、 出力用光ファイバーと、 光結合手段によって前記入力用光ファイバーと出力用光ファイバーとの間に接
続された複数の分岐と、を備えており、 前記の複数の分岐は、それぞれ、直列に接続された1つあるいは複数の前記副
配列を備えていることを特徴とする請求項1記載の干渉計配列。 - 【請求項6】さらに、光信号遅延手段が、前記入力用光ファイバーと各分岐と
の接続間で、前記入力用光ファイバーに接続されていることを特徴とする請求項
5記載の干渉計配列。 - 【請求項7】前記光信号遅延手段によって、前記入力光信号が前記入力用光フ
ァイバーに接続されている連続した各分岐に到達するまでに、該入力光信号に生
じる遅延が著しく増大することを特徴とする請求項6記載の干渉計配列。 - 【請求項8】光学的システムであって、 入力光信号を発生する光源と、 光ファイバーによって前記光源に接続された干渉計配列と、を備えており、該
干渉計配列は、 (a)複数の干渉計副配列を備えており、各副配列は複数の干渉計を備えてお
り、各干渉計は、一対のファイバーブラッグ回折格子と、前記一対のファイバー
ブラッグ回折格子間に配置された検知用長さの光ファイバーと、を備えており、
前記一対のファイバーブラッグ回折格子の前記ファイバーブラッグ回折格子は、
同じ特性波長を有しており、該特性波長は、前記副配列内の他の全ての対のファ
イバーブラッグ回折格子の特性波長とは異なっており、さらに、 (b)前記干渉計配列を構成するために前記副配列を互いに接続する副配列接
続手段を備えており、 (c)前記副配列接続手段によって、前記干渉計配列内の干渉計間の共通波長
のクロストークが減少するようになっており、 各ファイバーブラッグ回折格子は前記入力光信号に応答して、一次反射光信号
を発生させることを特徴とする光学的システム。 - 【請求項9】さらに、前記一次反射光信号を検出する検出手段を備えており、
前記検出手段により複数の干渉信号が発生し、各干渉信号は、干渉計を構成する
一対のファイバーブラッグ回折格子からの一次反射光信号から発生するものであ
り、前記干渉信号は、各検出用長さの光ファイバーでの位相変化に依存している
ことを特徴とする請求項8記載の光学的システム。 - 【請求項10】前記検出手段は、 前記一次反射光信号を受信して前記干渉信号を発生させるように接続された補
償干渉計と、 各副配列内の異なる干渉計から発生した干渉信号を識別するフィルタ手段と、
を備えていることを特徴とする請求項9記載の光学的システム。 - 【請求項11】前記副配列接続手段は、共通長さの光ファイバーに沿って直列
に接続された前記副配列を備えていることを特徴とする請求項8記載の光学的シ
ステム。 - 【請求項12】前記副配列相互接続手段は、 入力/出力用光ファイバーと、 それぞれが光結合手段によって前記入力/出力用光ファイバーに接続された複
数の分岐と、を備えており、 前記の複数の分岐は、それぞれ、直列に接続された1つあるいは複数の前記副
配列を備えていることを特徴とする請求項8記載の光学的システム。 - 【請求項13】各ファイバーブラッグ回折格子の反射率は、各ファイバーブラ
ッグ回折格子からの一次反射光信号の出力が互いに均衡されるように、選択され
ていることを特徴とする請求項12記載の光学的システム。 - 【請求項14】前記入力光信号は、ある長さの光ファイバーを通過して前記配
列内の各ファイバーブラッグ回折格子に到達するようになっており、前記入力光
信号が短い長さの光ファイバーを通過して各ファイバーブラッグ回折格子に到達
するように前記光源の近くに接続されている各ファイバーブラッグ回折格子の反
射率は、前記光源から遠くに接続されているファイバーブラッグ回折格子の反射
率よりも、小さいことを特徴とすることを特徴とする請求項13記載の光学的シ
ステム。 - 【請求項15】前記副配列接続手段は、 入力用光ファイバーと、 出力用光ファイバーと、 光結合手段によって前記入力用光ファイバーと出力用光ファイバーとの間に接
続された複数の分岐と、を備えており、 前記の複数の分岐は、それぞれ、直列に接続された1つあるいは複数の前記副
配列を備えていることを特徴とする請求項8記載の光学的システム。 - 【請求項16】 さらに、光信号遅延手段が、前記入力用光ファイバーと各分
岐との接続間で、前記入力用光ファイバーに接続されていることを特徴とする請
求項15記載の光学的システム。 - 【請求項17】前記光信号遅延手段によって、前記入力光信号が前記入力用光
ファイバーに接続されている連続した各分岐に到達するまでに、該入力光信号に
生じる遅延が著しく増大することを特徴とする請求項16記載の光学的システム
。 - 【請求項18】前記分岐は、順に、前記光結合手段によって前記出力用光ファ
イバーに接続されていることを特徴とする請求項17記載の光学的システム。 - 【請求項19】前記分岐は、順に、前記光結合手段によって前記出力用光ファ
イバーに接続されていることを特徴とする請求項15記載の光学的システム。
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