JP2005292068A

JP2005292068A - 計測システム

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Publication number: JP2005292068A
Application number: JP2004110753A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Toko; 浩芳都甲; Tadao Nagatsuma; 忠夫永妻; Naofumi Shimizu; 直文清水
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 2004-04-05
Filing date: 2004-04-05
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2024-04-05
Also published as: JP4875835B2

Abstract

【課題】光学結晶の変位による感度の低下を抑制する。
【解決手段】光源２１からの光源出力直線偏光を光学結晶２７に伝送し、光学結晶２７を介して光源出力直線偏光を被測定物理量により偏光変調してサーキュレータ２３により偏光調整器３０に伝送し、偏光調整器３０によって偏光変調光を任意偏光に変換し、任意偏光を偏光ビームスプリッタ３４により直交する分離直線偏光に分離し、分離直線偏光をそれぞれ光検出器３５、３６により電気信号に変換し、電気信号を差動増幅器３７により差動信号として出力し、差動信号をロックインアンプ３８により被測定物理量の振幅信号と位相信号として出力し、光検出器３５、３６の光電流とロックインアンプ３８からの振幅信号を制御信号処理部３９に入力し、制御信号処理部３９により光電流が等しくかつ振幅信号が最大となるように偏光調整器３０を制御して任意偏光を調節する。
【選択図】図２

Description

本発明は交流電界や交流磁界などの物理量が印加されている電気光学結晶、磁気光学結晶、圧光学（光弾性）結晶などの光学結晶に光を入射させ、光学結晶から出射された光を検出することにより交流電界、交流磁界、音圧などに相当する信号を得る計測システムに関するものである。

図４は従来の交流電界を検出する計測システムを示す図である。図に示すように、信号処理部１の光源２を出射した光ビーム３は、偏光ビームスプリッタ（Polarizing-beam splitter；ＰＢＳ）４、ファラデー回転子（Faraday rotator；ＦＲ）５、１／２波長板（Half-wave plate；ＨＷＰ）６、偏光ビームスプリッタ７、１／４波長板（Quarter-wave plate；ＱＷＰ）８、１／２波長板９、レンズ１０を透過した後、光ファイバ１１によってセンサヘッド１２に伝搬される。センサヘッド１２で空間に出射した光ビーム３はレンズ１３でコリメートされ、電気光学（E1ectro-optic；ＥＯ）結晶１４に入射する。電気光学結晶１４に入射した光ビーム３は電気光学結晶１４の端面に形成された誘電体鏡１５で反射され、電気光学結晶１４内を逆行する。

一方で、被測定電界は誘電体鏡１５を通して電気光学結晶１４内に進入することが可能である。電気光学結晶１４に電界が印加されると、電気光学結晶１４の複屈折率が変化するため、電気光学結晶１４内を伝播する光は偏光変調を受ける。偏光変調された光ビーム３は再び光ファイバ１１に入射し、信号処理部１の偏光検出系に伝播され、強度変調光に変換された後に、光検出器（Photodetector；ＰＤ）１６、１７で検出され、光検出器１６、１７の出力電気信号を差動増幅器１８、電気信号測定器１９で処理することにより、被測定電界を検出する。

特開２０００−１７１４８７号公報特開２００１−５０９０８号公報特開２００３−１４８０１号公報

しかし、このような計測システムにおいては、電気光学結晶１４を備えるセンサヘッド１２と信号処理部１とは、光ファイバ１１により接続されており、センサヘッド１２の変位により光ファイバ１１に応力が加わると、光ファイバ１１を伝搬する光ビーム３の偏光状態が変化するから、センサヘッド１２の変位により電気光学結晶１４に入射する光ビーム３の偏光状態と信号処理部１に入射する光ビーム３の偏光状態とが変化するため、センサヘッド１２を動かすと感度が変動するという問題があった。

本発明は上述の課題を解決するためになされたもので、光学結晶の変位による感度の低下を抑制することができる計測システムを提供することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明においては、光源から出射された光源出力直線偏光が偏波保持ファイバによってサーキュレータを経由して光学結晶に伝送され、上記光学結晶を介して上記光源出力直線偏光が被測定物理量により偏光変調された後、偏光変調された偏光変調光が上記偏波保持ファイバに再入射され、上記サーキュレータにより偏光調整器に伝送され、上記偏光調整器によって上記偏光変調光が任意偏光に変換された後、上記任意偏光が偏光ビームスプリッタにより直交する第１、第２の分離直線偏光に分離され、上記第１、第２の分離直線偏光がそれぞれ第１、第２の光検出器により電気信号に変換され、上記電気信号が差動増幅器により差動信号として出力され、上記差動信号が電気信号測定器により上記被測定物理量の振幅信号と位相信号として出力される計測システムにおいて、上記第１、第２の光検出器の第１、第２の光電流と上記電気信号測定器からの上記振幅信号が制御信号処理部に入力され、上記制御信号処理部が上記第１、第２の光電流が等しくかつ上記振幅信号が最大となるように上記偏光調整器により上記任意偏光を調節するようにする。

この場合、上記偏光調整器が上記任意偏光に変換する速度が上記光学結晶を介して上記光源出力直線偏光が被測定物理量によって偏光変調される速度に比べて遅くなるようにしてもよい。

また、上記光源出力直線偏光が上記被測定物理量の振動周波数の正数分の１の周波数で強度変調された後、上記偏波保持ファイバに入射され、上記電気信号測定器が上記差動信号の変調周波数の成分を出力し、上記偏光調整器の応答周波数が上記変調周波数に比べて小さくなるようにしてもよい。

また、上記光源出力直線偏光が上記被測定物理量の振動周波数の正数分の１の周波数と上記周波数に比べて小さいビート周波数とを加えた周波数で強度変調された後、上記偏波保持ファイバに入射され、上記電気信号測定器が上記差動信号の上記ビート周波数の成分を出力し、上記偏光調整器の応答周波数が上記ビート周波数に比べて小さくなるようにしてもよい。

本発明に係る計測システムにおいては、光学結晶を動かすことによって光ファイバにかかる応力が変化し、偏光変調光にランダムな偏光変化が加わったとしても、常に最大の感度で被測定物理量を計測することが可能になる。

また、偏光調整器が任意偏光に変換する速度が光学結晶を介して光源出力直線偏光が被測定物理量によって偏光変調される速度に比べて遅くなるようにしたときには、被測定物理量によって偏光変調された偏光信号が打ち消されてしまうことがなく、被測定物理量を確実に計測することができる。

また、光源出力直線偏光が被測定物理量の振動周波数の正数分の１の周波数で強度変調された後、偏波保持ファイバに入射され、電気信号測定器が差動信号の変調周波数の成分を出力し、偏光調整器の応答周波数が変調周波数に比べて小さくなるようにしたときには、被測定物理量を正確に測定することができる。

また、光源出力直線偏光が被測定物理量の振動周波数の正数分の１の周波数と周波数に比べて小さいビート周波数とを加えた周波数で強度変調された後、偏波保持ファイバに入射され、電気信号測定器が差動信号のビート周波数の成分を出力し、偏光調整器の応答周波数がビート周波数に比べて小さくなるようにしたときには、被測定物理量を正確に測定することができる。

図１は本発明に係る計測システムを示すブロック図、図２は図１に示した計測システムの構成例を示す図である。図に示すように、光源２１、サーキュレータ２３、光学センサ２５、偏光調整器３０、偏光ビームスプリッタ３４、第１、第２の光検出器３５、３６、差動増幅器３７、ロックインアンプ３８、表示部４４および制御信号処理部３９を有している。光源２１からサーキュレータ２３、サーキュレータ２３から光学センサ２５、サーキュレータ２３から偏光調整器３０までの偏光を保持するため、それぞれを接続するファイバとして偏波保持ファイバ（Polarization-maintaining fiber；ＰＭＦ）２２、２４、２９を用いている。また、偏光調整器３０の出力ファイバとしては偏波保持ファイバ３２を用いている。光学センサ２５はレンズ２６、光学結晶２７、ミラー２８、誘電体管４５を有している。なお、被測定物理量により使用する光学結晶２７は異なり、電界を測定するときはＣｄＴｅ、ＺｎＴｅ、ＤＡＳＴなどの電気光学結晶を用い、磁界を測定するときはＹＩＧや希薄磁性半導体（ＤＭＳ）などの磁気光学結晶を用い、音圧を測定するときは水晶やＴｅ０_２結晶などの光弾性結晶を用いる。

光源２１から出射された光源出力直線偏光は、偏波保持ファイバ２２、２４によってサーキュレータ２３を経由して光学結晶２７に伝送され、たとえば光学結晶２７において瞬時印加電界によって偏光変調された偏光変調光は偏波保持ファイバ２４に再入射され、偏波保持ファイバ２４、２９により偏波モード分散を重畳されて、サーキュレータ２３により偏光信号処理ユニット４６の偏光調整器３０に伝送される。偏光調整器３０に伝送された偏光変調光は偏光調整器３０により直線偏光や楕円偏光などの任意偏光に変換される。また、偏光調整器３０の応答速度が被測定電界の変位速度よりも大きいと、被測定電界により偏光変調された偏光信号が打ち消されてしまう。このため、偏光調整器３０により任意偏光に変換する速度を光学結晶２７を介して光源出力直線偏光が被測定物理量によって偏光変調される速度よりも十分遅くする。すなわち、偏光調整器３０の応答周波数を被測定物理量の振動周波数に比べて小さくする。なお、偏光調整器３０の応答速度は被測定物理量によって異なる。マイクロ波以上の電磁界を計測するときの偏光調整器３０の応答周波数は３００ＭＨｚ以下でなければならず、ＶＨＦ以上の電磁界を計測するときには３０ＭＨｚ以下でなければならず、超音波を計測するときは２０ｋＨｚ以下でなければならない。計測システムにおいて偏光調整器３０が対象とする偏光変化は、偏波保持ファイバ２４、２９の長さによって決定される偏波モード分散の重畳、光学結晶２７に入射される光源出力直線偏光の軸ずれによる偏波面の回転、偏波保持ファイバ２４、２９の温度変化や曲げ応力に起因する偏光変化である。

偏光調整器３０は１／２波長板、１／４波長板、波長板を回転するモータ３１を有している。波長板の回転動作によって偏光軸が傾く、移動するなどのことがないように、モータ３１としてはリニア駆動のモータもしくはエアベアリングを使用したモータを用いるのが好ましい。また、波長板の回転角度精度は約１°以下が必要であり、無限回転が可能であることが好ましい。また、簡易的にモータ３１を制御するのにＧＰ−ＩＢが有用であるが、高速制御が要求される場合、直接制御回路が必要である。

偏光調整器３０から出力された任意偏光は偏光ビームスプリッタ３４により直交するｐ偏光（第１の分離直線偏光）とｓ偏光（第２の分離直線偏光）とに分離される。なお、図１、図２に示した計測システムにおいては、偏光調整器３０の出力ファイバ３２からの空間伝搬光をレンズ３３によりコリメートした後、偏光ビームスプリッタ３４に入射しているが、ファイバ型や光導波路型の偏光ビームスプリッタを用いるときには、偏光調整器３０と偏光ビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタと光検出器３５、３６を光ファイバで接続することができる。この場合、光ファイバは偏波保持ファイバ、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）のいずれでもよく、軸合わせの容易なシングルモードファイバとする方が安価となる。

偏光ビームスプリッタ３４により分離されたｐ偏光およびｓ偏光は、被測定電界の振幅に応じて互いに逆相に変動する強度変調光として、それぞれ光検出器３５、３６によって光電変換され、光検出器３５、３６から電気信号が出力される。なお、光検出器３５、３６は被測定物理量の変動周波数よりも高い周波数まで十分な変換効率を有していなければならない。

差動増幅器３７は光検出器３５、３６から電気信号を入力して、光検出器３５、３６から電気信号の差に比例した信号を出力する。この差動増幅器３７の出力信号は被測定電界に比例した信号であり、ロックインアンプ３８によって検出される。すなわち、差動信号はロックインアンプ３８により被測定物理量の振幅信号と位相信号として出力される。

光検出器３５、３６の第１、第２の光電流Ｉ_ｐ１、Ｉ_ｐ２とロンクインアンプ３８からの振幅信号（強度信号）Ｖとが信号線４０〜４２を介して制御信号処理部３９に入力され、制御信号処理部３９は光電流Ｉ_ｐ１、Ｉ_ｐ２が等しくかつ振幅信号Ｖが最大となるように信号線４３を介してモータ３１を制御することにより偏光調整器３０を制御して任意偏光を調節する。

図３は光検出器３５、３６の規格化された出力電気信号Ｖ_１(ｔ)およびＶ_２(ｔ)、差動増幅器３７の規格化された出力電気信号△Ｖ(ｔ)を示している。ここでｔは時間を表す。偏光変調光が偏光調整器３０によって円偏光に保たれている場合には、出力電気信号Ｖ_１(ｔ)、Ｖ_２(ｔ)の波形はそれぞれ図３(ａ)、(ｂ)に示されるようになり、出力電気信号△Ｖ(ｔ)の波形は図３(ｃ)に示されるように振幅が十分大きくＤＣ成分はゼロになる。もし、偏光調整器３０を使わない場合には、偏光変調光はファイバ内でランダムに偏光状態が変化し、一般に出力電気信号Ｖ_１(ｔ)、Ｖ_２(ｔ)の波形はそれぞれ図３(ｄ)、(ｅ)に示すようになり、出力電気信号△Ｖ(ｔ)の波形は図３(ｆ)に示すように振幅が小さくなる。また、出力電気信号△Ｖ(ｔ)の波形にはＤＣ成分が存在するので、差動増幅器３７が飽和し正常に動作しなくなるばかりか、雑音が大きくなるというデメリットが生じる。

すなわち、光検出器３５、３６の光電流Ｉ_ｐ１、Ｉ_ｐ２を一致させたときには、図３(ａ)、(ｂ)に示すように、出力電気信号Ｖ_１(ｔ)、Ｖ_２(ｔ)のＤＣ電圧を一致させることができる。光検出器３５、３６の光電流Ｉ_ｐ１、Ｉ_ｐ２は入力光による励起電流の平均値であるため、ＤＣ電圧として参照することが可能である。ＤＣ電圧が一致することにより、差動増幅器３７の雑音レベルが最小になる。この光電流Ｉ_ｐ１、Ｉ_ｐ２の参照においては、偏光ビームスプリッタ３４において分割される偏光の量が一致しているだけであり、偏光調整器３０により直線偏光や楕円偏光に調整されている可能性がある。このため、ロックインアンプ３８からの振幅信号Ｖを参照して、偏光調整器３０により円偏光を形成するようにすなわち振幅信号が最大なるように偏波を調整すれば、差動増幅器３７から出力される信号が最大になり、ＳＮ比が最大となって、常に最大の感度が得られる。

このように、図１、図２に示した計測システムにおいては、常に最大の感度が得られるから、光学センサ２５を動かすことによって偏波保持ファイバ２４にかかる応力が変化し、偏光変調光にランダムな偏光変化が加わったとしても、最大の感度で被測定物理量を計測することが可能になる。また、偏光調整器３０により任意偏光に変換する速度を光学結晶２７を介して光源出力直線偏光が被測定物理量によって偏光変調される速度よりも十分遅くしているから、被測定電界等の被測定物理量により偏光変調された偏光信号が打ち消されてしまうことがなく、被測定物理量を確実に計測することができる。

なお、ＣＷ光源を用いて正弦振動する被測定物理量を計測する場合、ミリ波帯やＴＨｚ帯などの高い周波数で変化する被測定物理量やパルス状に繰り返される被測定物理量を測定するとき、光検出器３５、３６や差動増幅器３７の帯域が足らないため、被測定物理量を正確に測定することができない。そこで、光源出力直線偏光を被測定物理量の振動周波数の正数分の１の周波数で強度変調した後、偏波保持ファイバ２２に入射し、ロックインアンプ３８が差動信号の変調周波数の成分を出力し、偏光調整器３０の応答周波数を差動信号の変調周波数に比べて小さくすれば、被測定物理量を正確に測定することができる。また、光源出力直線偏光を被測定物理量の振動周波数の正数分の１の周波数と上記周波数に比べて小さいビート周波数とを加えた周波数で強度変調した後、偏波保持ファイバ２２に入射し、ロックインアンプ３８が差動信号のビート周波数の成分を出力し、偏光調整器３０の応答周波数をビート周波数に比べて小さくすれば、被測定物理量を正確に測定することができる。なお、強度変調光は光検出器３５、３６の注入電流を変調する直接変調により容易に得られる。また、強度変調器を用いてＣＷ光を強度変調する外部変調により発生させることもできる。しかし、変調器に入力できる光量が制限されるため、後段に光増幅器が必要になるなど、システムが複雑になる。このような強度変調光を用いて測定する場合、偏光変調器３０の応答周波数を差動信号の変調周波数よりも小さくする。例えば、１０ｋＨｚのビート周波数を用いる場合、偏光変調器３０の応答周波数を１０ｋＨｚよりも小さく設定する。

なお、上述実施の形態においては、偏光調整器として１／２波長板、１／４波長板、波長板を回転するモータ３１を有する偏光調整器３０を用いたが、偏光調整器は光ファイバと光ファイバの外径方向に圧力を加える機構によっても構成することができる。光ファイバの外径方向に圧力を加えると、圧力が加えられた方向とその方向と直交する方向の光弾性定数の差が生じて、複屈折が発生する。お互いに４５°傾いた３方向から圧力を加えることによって、それぞれ直交する偏光に対して３６０°（１波長）以上の偏波モード分散を与えることができ、偏光を無限に回転することができる。複屈折の大きさは加えられた圧力に比例するが、ある圧力を超えると光ファイバが破損するため、さらに４５°ずらした４方向から圧力を加えて偏光を回転させることが実用的である。

また、上述実施の形態においては、偏光調整器３０の出力ファイバとして偏波保持ファイバ３２を用いたが、偏光調整器の出力ファイバとしてシングルモードファイバを用いてもよい。また、上述実施の形態においては、電気信号測定器としてロックインアンプ３８を用いたが、電気信号測定器としてスペクトラムアナライザ、オシロスコープなどを用いてもよい。

本発明に係る計測システムを示すブロック図である。図１に示した計測システムの構成例を示す図である。光検出器、差動増幅器の規格化された出力電気信号を示すグラフである。従来の交流電界を検出する電気光学結晶を用いた電界センサを有する計測システムを示す図である。

符号の説明

２１…光源
２２…偏波保持ファイバ
２３…サーキュレータ
２４…偏波保持ファイバ
２７…光学結晶
２９…偏波保持ファイバ
３０…偏波保持ファイバ
３４…偏光ビームスプリッタ
３５…第１の光検出器
３６…第２の光検出器
３７…差動増幅器
３８…ロックインアンプ
３９…制御信号処理部

Claims

光源から出射された光源出力直線偏光が偏波保持ファイバによってサーキュレータを経由して光学結晶に伝送され、上記光学結晶を介して上記光源出力直線偏光が被測定物理量により偏光変調された後、偏光変調された偏光変調光が上記偏波保持ファイバに再入射され、上記サーキュレータにより偏光調整器に伝送され、上記偏光調整器によって上記偏光変調光が任意偏光に変換された後、上記任意偏光が偏光ビームスプリッタにより直交する第１、第２の分離直線偏光に分離され、上記第１、第２の分離直線偏光がそれぞれ第１、第２の光検出器により電気信号に変換され、上記電気信号が差動増幅器により差動信号として出力され、上記差動信号が電気信号測定器により上記被測定物理量の振幅信号と位相信号として出力される計測システムにおいて、上記第１、第２の光検出器の第１、第２の光電流と上記電気信号測定器からの上記振幅信号が制御信号処理部に入力され、上記制御信号処理部が上記第１、第２の光電流が等しくかつ上記振幅信号が最大となるように上記偏光調整器を制御して上記任意偏光を調節することを特徴とする計測システム。
請求項１記載の計測システムにおいて、上記偏光調整器が上記任意偏光に変換する速度が上記光学結晶を介して上記光源出力直線偏光が被測定物理量によって偏光変調される速度に比べて遅いことを特徴とする計測システム。
請求項１記載の計測システムにおいて、上記光源出力直線偏光が上記被測定物理量の振動周波数の正数分の１の周波数で強度変調された後、上記偏波保持ファイバに入射され、上記電気信号測定器が上記差動信号の変調周波数の成分を出力し、上記偏光調整器の応答周波数が上記変調周波数に比べて小さいことを特徴とする計測システム。
請求項１記載の計測システムにおいて、上記光源出力直線偏光が上記被測定物理量の振動周波数の正数分の１の周波数と上記周波数に比べて小さいビート周波数とを加えた周波数で強度変調された後、上記偏波保持ファイバに入射され、上記電気信号測定器が上記差動信号の上記ビート周波数の成分を出力し、上記偏光調整器の応答周波数が上記ビート周波数に比べて小さいことを特徴とする計測システム。