JP2003208689A - 遠隔光計測システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高精度、低雑音の光遠隔計測を実現する。 【解決手段】 計測装置１０は、レーザ光を光ファイバ
１２に出力する。そのレーザ光は、光ファイバ１２を伝
搬し、光センサ１４に入射する。光センサ１４は、その
前端面１４ａで光ファイバ１２からのレーザ光の一部を
反射する。端面１４ａを透過して光センサ１４内に入っ
たレーザ光は、後の端面１４ｂで反射され、その反射光
の一部が端面１４ａを透過して光ファイバ１２に入力す
る。光センサ１４内を伝搬するレーザ光の位相が、計測
対象の温度及び音圧等により変調される。光センサ１４
の内部で計測対象により位相変調された光（信号光）
と、光センサ１４の端面１４ａで反射された光（参照
光）は、光サーキュレータ２２を介して受光器２４に入
力する。受光器２４は、信号光をホモダイン検波する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、遠隔光計測システ
ムに関し、より具体的には、センサと計測装置を光ファ
イバで接続し、センサの計測情報を光ファイバで計測装
置に伝送する遠隔光計測システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の遠隔光計測システムとして、従
来、光ファイバ巻き線を光センサとして用い、その光フ
ァイバを伝搬するレーザ光の、温度、圧力、ひずみ、磁
界及び音圧などによる光位相変化を光計測装置で計測す
るシステム構成が知られている。

【０００３】図８は、従来例の概略構成ブロック図を示
す。計測装置１１０から出力される光は、光ファイバ、
光センサ１１４及び光ファイバ１１６を伝搬して、計測
装置１１０に戻るようになっている。光センサ１１４
は、光ファイバ１１２，１１４の一部をセンサとして使
用できるように加工されたものである場合と、単に、光
ファイバ１１２，１１４の延長である場合とがある。

【０００４】計測装置１１０の光源１２０から出力され
るＣＷレーザ光は、光分波器１２２で２つに分割され
る。一方の光は、光ファイバ１１２に入射し、光センサ
１１４で位相変調され、光ファイバ１１６を伝搬して、
計測装置１１０に戻る。光分波器で分割された他方の光
は、ドリフト補償回路１２４を介して光合波器１２６に
入射する。光合波器１２６は、光ファイバ１１６からの
信号光（計測対象の温度等により位相変調された信号
光）にドリフト補償回路１２４からの無変調光（参照
光）を合波して、受光器１２８に印加する。受光器１２
８は、ドリフト補償回路１２６からの無変調光により、
光ファイバ１１６からの変調光をホモダイン検波し、電
気信号に変換する。

【０００５】図９は、受光器１２８におけるホモダイン
（自己干渉）検波の検波特性を示す。横軸は、信号光と
参照光の位相差を示し、縦軸は、受光器１２８の出力を
示す。図９に示すように、検波特性は、位相差に対して
正弦波状に変化する。位相差に対して受光器１２８の出
力が直線に変化する最適動作点は、山と谷の中間点であ
る。温度変動など、観測対象外の変動要因により光セン
サ１１４及び光ファイバ１１２，１１６の光伝送特性が
変動すると、この最適動作点もドリフトする。このドリ
フトを補償するために、ドリフト補償回路１２４及びド
リフト補償制御回路１３０を設けてある。

【０００６】即ち、ドリフト補償制御回路１３０は、受
光器１２８の出力（の平均レベルなど）をモニタし、図
９に示す最適動作点になるように、測定対象の変動帯域
よりも低減の負帰還でドリフト補償回路１２０における
光位相シフト量を制御する。ドリフト補償回路１２０
は、ドリフト補償制御回路１３０からの制御信号に従
い、入力光の位相を調整する。ドリフト補償回路１２０
は、入力光の位相を所定範囲、例えば、−π／２から＋
π／２の間又は０からπの間で調整可能な位相調整素
子、例えば、ピエゾトランスデューサ（ＰＺＴ）からな
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来例では、光センサ
１１４が計測装置１１０から数１０ｍ以上離れた位置に
設置された場合、光センサ１１４の出力光が計測装置１
１０に到着するまでに被る偏波変動及び位相変動の影響
が雑音となる。この雑音がドリフト補償回路１２４の補
償性能を上回るか、又は、ドリフト補償回路１２４が誤
動作した場合、光センサ１１４で検出した光位相変動情
報を安定且つ高精度に計測することが困難となる。

【０００８】また、測定感度は、光センサ１１４での正
弦波的な位相検波特性で制限されるので、高感度な測定
が困難である。

【０００９】本発明は、このような不都合を解消する遠
隔光計測システムを提示することを目的とする。

【００１０】本発明は、センサ及び光伝送路の部分での
偏波変動及び位相変動の影響を受けにくい遠隔光計測シ
ステムを提示することを目的とする。

【００１１】本発明はまた、高感度な計測が可能な遠隔
光計測システムを提示することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明に係る遠隔光計測
システムは、光センサと、コヒーレント光を発生し、当
該光センサによる感知信号を計測する計測装置と、当該
計測装置と当該光センサを接続する光ファイバとからな
る遠隔光計測システムであって、当該光センサは、当該
計測装置から出力され、当該光ファイバを伝搬したコヒ
ーレント光の一部を参照光として反射する第１の反射面
と、当該第１の反射面を透過した光を反射する第２の反
射面と、当該第１及び第２の反射面間を伝搬する光の位
相を計測対象に応じて変調する光学素子とからなること
を特徴とする。

【００１３】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を詳
細に説明する。

【００１４】図１は、本発明の一実施例の概略構成ブロ
ック図を示す。光ファイバ１２の一端に計測装置１０が
接続し、他端に光センサ１４が接続する。計測装置１０
は、レーザ光を光ファイバ１２に出力する。そのレーザ
光は、光ファイバ１２を伝搬し、光センサ１４に入射す
る。詳細は後述するが、光センサ１４は、その前端面１
４ａで光ファイバ１２からのレーザ光の一部を反射す
る。端面１４ａを透過して光センサ１４内に入ったレー
ザ光は、後の端面１４ｂで反射され、その反射光の一部
が端面１４ａを透過して光ファイバ１２に入力する。端
面１４ｂは全反射面である。一部のレーザ光が、光セン
サ１４内を往復する。

【００１５】光センサ１４内を伝搬するレーザ光の位相
が、計測対象の温度及び音圧等により影響される、即
ち、変調される。換言すると、光センサ１４は、内部を
伝搬する光の位相が計測対象（周囲の温度、圧力、歪
み、磁界、音圧及び電界強度等）により変調される光学
素子からなる。

【００１６】図２は、光センサ１４と光ファイバ１２の
接続部分の構成の模式図を示す。光ファイバ１２の端面
と光センサ１４の前端面１４ａを、光ファイバ１２の屈
折率と整合する屈折率の接着剤（又はＵＶ硬化樹脂）１
６で接着する。これにより、光ファイバ１２の端面にお
ける反射を無くすことができる。屈折率が整合する接着
剤を使用する代わりに、光ファイバ１２の端面を斜めに
カットしてもよい。逆に、光センサ１４の前端面１４ａ
を無反射化し、且つ、光ファイバ１２の端面を参照光の
ための反射面としてもよい。但し、一般的にいって、光
センサ１４の端面１４ａ，１４ｂによる共振構造の方
が、光ファイバ１２の端面と光センサ１４の端面１４ｂ
からなる共振構造よりも、高い共振性能を得やすい。

【００１７】光センサ１４の内部で計測対象により位相
変調され、光ファイバ１２に出力される光を、信号光と
呼ぶ。また、光センサ１４内に入らずに端面１４ａで反
射されて光ファイバ１２に再入射する光を、参照光と呼
ぶ。

【００１８】計測装置１０の内部構成と動作を説明す
る。光源２０はレーザ光を出力する。そのレーザ光は３
ポートＡ、Ｂ，Ｃを具備する光サーキュレータ２２のポ
ートＡに入力し、ポートＢから光ファイバ１２に出力さ
れる。光ファイバ１２から計測装置１０に入力する信号
光及び参照光は、光サーキュレータ２２のポートＢに入
力し、ポートＣから受光器２４に入力する。受光器２４
は、入力する信号光を、一緒に入力する参照光の下でホ
モダイン検波する。受光器２４は、計測対象の変動を反
映する電圧値（又は電流値）の電気信号を出力する。

【００１９】図３は、受光器２４でのホモダイン検波特
性を示す。光センサ１４の端面１４ａ，１４ｂはファブ
リペロ共振器を形成している。このファブリペロ共振に
より、図２に示すように急峻な位相検波特性を得ること
ができ、高感度の計測を実現できる。

【００２０】ドリフト補償制御回路２６は、光センサ１
４の温度係数及び光源２０の波長ドリフト等による、光
センサ１４での動作点の変動を補償するために、設けら
れている。即ち、ドリフト補償制御回路２６は、受光器
２４の平均的な出力レベルを監視し、その結果により、
駆動回路２８により光源２０の駆動電流レベルを制御
し、温度制御装置３０により光源２０の温度を制御す
る。駆動電流により光源２０の出力パワーを制御でき、
温度により光源２０の発振波長を制御できる。駆動電流
の変化は光源２０の出力波長を変化させるので、ドリフ
ト補償制御回路２６は、駆動電流の変化による波長変化
を加味して、温度制御装置３０により光源２０の温度を
制御する。

【００２１】光センサ１４の動作点を継続的に制御する
には、光源２０の駆動電流に計測対象の周波数範囲から
外れた周波数ｆｍの正弦波を重畳し、受光器２４の出力
から得られる周波数ｆｍの成分が一定レベルになるよう
に、光源２０の駆動電流及び温度を制御すればよい。図
４は、そのような目的の、ドリフト補償制御回路２６の
回路構成例を示す。

【００２２】４０は、中心周波数ｆｍのバンドパスフィ
ルタであり、中心受光器２４の出力から周波数ｆｍの成
分を抽出する。発振器４２は、周波数ｆｍで発振し、小
振幅の正弦波信号を出力する。比較器４４は、バンドパ
スフィルタ４０の出力と発振器４２の出力の位相を比較
し、位相差信号を制御回路４６に出力する。制御回路４
６は、比較器４４の出力を平均又は積分し、位相差に相
当する電圧信号を加算器４８に印加する。加算器４８
は、基本のバイアス電圧Ｖｂと、制御回路４６からの電
圧信号と、発振器４２の出力とを加算し、駆動回路２８
に印加する。駆動回路２８は、加算器４８の出力電圧を
電流に変換して、光源２８に印加する。制御回路４６
は、比較器４４の出力に従い温度制御回路３０を制御し
て、光源２０の波長が所定値になるように光源２０の温
度を制御させる。

【００２３】図５、図６及び図７は、光センサ１４の構
成例を示す。

【００２４】図５は、光ファイバ巻き線からなる光セン
サ１４の構成例を示す。光ファイバ巻き線５０の終端５
２を全反射面とし、他端を、所定反射率の反射器５４を
挟んで光ファイバ１２と光学的に結合する。

【００２５】図６に示す例では、光センサは、石英基板
６０上に巻き線状の光導波路６２からなる。光導波路６
２の終端６４を全反射面とする。光ファイバ１２と対面
する端面６６を所望の反射率とする。図２に示す例と同
様に、光ファイバ１２の屈折率と整合する接着剤で、光
ファイバ１２を石英基板１４（の光導波路６２）に接着
する。

【００２６】図７は、周囲の電波を検出する光センサ１
４の構成例を示す。光位相変調器７０となりうる光学結
晶の一方の電極７２にアンテナ７４を接続し、他方の電
極７６をアースに接続する。光位相変調器７０の一方の
端面７８に、屈折率整合接着剤８０で光ファイバ１２を
接続し、光位相変調器７０の反対側の端面８２を全反射
面とする。光位相変調器７０内を伝搬する光の位相が、
アンテナ７４の受信した電界強度により変調される。こ
の構成では、無給電の無線基地局を実現できる。

【００２７】図７に示す構成では、アンテナ７４の代わ
りに圧電素子を用いることで、圧力を測定できる。光位
相変調器７０は、ＬｉＮｂ０_３の結晶からなる光位相変
調素子又は半導体光位相変調器からなる。

【００２８】光センサ１４の使用波長における透過率
（損失）によっては、光センサ１４内でのファブリペロ
ー（ＦＰ）共振も起こる。光センサ１４による位相変調
帯域はＦＰ共振の分解能により制限されるが、急峻な位
相検波特性が得られるので、微弱な変調信号でも測定感
度が向上する。ドリフト補償が必要な場合には、光源２
０の温度及び／又は駆動電流を制御すればよく、光セン
サ１４を小型化及び無給電化することができる。光源２
０のスペクトル線幅は狭い方が望ましいが、計測装置１
０と光センサ１４間の距離が光源２０のコヒーレンス長
以下であれば、特に狭線幅である必要はない。ファイバ
グレーティングを使うことで、狭線幅の光源を容易に入
手できる。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明から容易に理解できるよう
に、本発明によれば、非常に簡単な構成で、遠隔地の物
理状態（温度、圧力、歪み、磁界、音圧及び電界強度
等）を計測できる。更には、センサ部分を無給電で動作
させることができるので、安価、且つ簡易に遠隔光計測
を実現できる。参照光と信号光が同じ光伝送路を伝搬す
るホモダイン検波を採用するので、光伝送路の影響を相
殺でき、低雑音で高精度、高い安定性の計測システムを
実現できる。光センサに共振構造を採用することで、高
感度の計測を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施例の概略構成ブロック図であ
る。

【図２】 光ファイバ１２と光センサ１４の接続部分の
模式図である。

【図３】 本実施例のホモダイン検波特性を示す図であ
る。

【図４】 ドリフト補償制御回路２６の概略構成ブロッ
ク図である。

【図５】 光センサ１４の第２例である。

【図６】 光センサ１４の第３例である。

【図７】 光センサ１４の第４例である。

【図８】 従来例の概略構成ブロック図である。

【図９】 従来例のホモダイン検波特性である。

【符号の説明】

１０：計測装置 １２：光ファイバ １４：光センサ １４ａ，１４ｂ：端面 １６：屈折率整合接着剤 ２０：光源 ２２：光サーキュレータ ２４：受光器 ２６：ドリフト補償制御回路 ２８：駆動回路 ３０：温度制御回路 ４０：バンドパスフィルタ ４２：発振器 ４４：比較器 ４６：制御回路 ４８：加算器 ５０：光ファイバ巻き線 ５２：終端（全反射面） ５４：反射器 ６０：石英基板 ６２：光導波路 ６４：端面（全反射面） ６６：端面（反射面） ７０：光位相変調器 ７２：電極 ７４：アンテナ ７６：電極 ７８：端面（反射面） ８０：接着剤 ８２：端面（全反射面） １１０：計測装置 １１２：光ファイバ １１４：光センサ １１６：光ファイバ １２０：光源 １２２：光分波器 １２４：ドリフト補償回路 １２６：光合波器 １２８：受光器 １３０：ドリフト補償制御回路

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堀内 幸夫 埼玉県上福岡市大原二丁目１番15号株式会 社ケイディーディーアイ研究所内 (72)発明者 鈴木 正敏 埼玉県上福岡市大原二丁目１番15号株式会 社ケイディーディーアイ研究所内 Ｆターム(参考） 2F056 VF02 VF07 VF11 VF13 VF16 VF17 2F065 AA65 EE00 FF52 LL02 LL53 UU07 2F073 AA01 AA21 AB04 AB07 AB12 BB06 BC04 CC02 CD05 DD01 FH01 FH11 FH17 GG01 2G086 DD04 DD05

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光センサと、 コヒーレント光を発生し、当該光センサによる感知信号
   を計測する計測装置と、 当該計測装置と当該光センサを接続する光ファイバとか
   らなる遠隔光計測システムであって、 当該光センサは、当該計測装置から出力され、当該光フ
   ァイバを伝搬したコヒーレント光の一部を参照光として
   反射する第１の反射面と、当該第１の反射面を透過した
   光を反射する第２の反射面と、当該第１及び第２の反射
   面間を伝搬する光の位相を計測対象に応じて変調する光
   学素子とからなることを特徴とする遠隔光計測システ
   ム。
2. 【請求項２】 当該計測装置は、コヒーレント光源と、
   受光器と、当該コヒーレント光源の出力光を当該光ファ
   イバに転送し、当該光ファイバから入力する光を当該受
   光器に転送する光サーキュレータとを具備する請求項１
   に記載の遠隔光計測システム。
3. 【請求項３】 当該計測装置が更に、当該受光器の出力
   に応じて、当該コヒーレント光源の出力パワー及び波長
   を制御する制御手段を具備する請求項２に記載の遠隔光
   計測システム。
4. 【請求項４】 当該光センサが、光ファイバ巻き線から
   なる請求項１に記載の遠隔光計測システム。
5. 【請求項５】 当該光センサが、石英基盤上の光導波路
   からなる請求項１に記載の遠隔光計測システム。
6. 【請求項６】 当該光センサが、光位相変調素子からな
   る請求項１に記載の遠隔光計測システム。