JP2005512047A - 光ファイバの欠陥を検出するセンサおよび方法 - Google Patents

Abstract

低コヒーレントな干渉計技術を用いて光ファイバの破損を検出する、光ファイバ欠陥検出器および汎用光ファイバセンサのシステム（１００）である。このシステムは、光路に沿って進む光を生成するように構成された光源（１０２）と、光源に光結合されて、光の少なくとも一部分を変調信号（１２８）に応じて変調するように構成された変調器と、変調器に光結合されて、光の感知強度に基づいて検出器出力を生成するように構成された検出器と、検出器出力を受信して光学的欠陥を決定するように構成された電子アレイとを含む。この低コヒーレントな干渉計技術では、最低限の試験機器で、かつより高い測定の感度および分解能で、ファイバの欠陥を検出することができる。あるいは、このシステムは、試験中のファイバ（１５０）の代わりに、光路長に応じて応答が変化するトランスデューサを含むこともできる。このシステムは、試験中のファイバ（１５０）の代わりに望遠光学部品を使用するＬＩＤＡＲシステムで使用して、光を伝達し、対象物または空気中で散乱する光を集光することもできる。

Description

本発明は、一般に、光センサに関する。本発明は、特に、光路長を決定する干渉型センサに関する。

光ファイバの普及に伴い、様々なタイプの光センサもますます一般的になっている。実際に、様々なタイプのセンサを使用して、ファイバ長、破損位置、光ファイバのクラックまたは不整合、温度、圧力、ファイバの膨張、化学種の属性などを検出することができる。

光ファイバは、様々な外的作用を受けることがあり、こうした外的作用は、その性質および大きさに応じて、幾何学的変化（例えば大きさや形状の変化）および／または光学的変化（例えば屈折率の変化やモード変換）をファイバに生じさせる。これらの作用は、通信分野ではしばしば寄生的（すなわち雑音を生じる）であると考えられるが、感知分野では、外的影響に対するファイバの応答を大きくし、その影響により生じる光学的特性の変化を外的作用の尺度として使用することができる。したがって、光ファイバは、温度や応力、ひずみ、回転、電流、磁流などの作用をそれに応じた光学的効果の変化に変換するトランスデューサの働きをすることができる。

光は、通常は振幅または強度、位相、周波数および偏光によって特徴付けられるので、これらのパラメータのうち任意の１つまたは複数は、外部作用によって変化する可能性がある。したがって、光ファイバセンサの有用性は、この変化の大きさと、どの程度の信頼性および確度でこの変化を測定し定量化することができるかによって決まる。

光ファイバ技術基づくセンサとしては、様々なタイプが知られている。こうしたセンサ技術としては、通常はセンサを通過する複数の光信号間の位相変化または干渉縞を感知することによって様々な現象を検出する干渉計がある。実際に、干渉計を使用して、距離、傾き、回転などを測定することができる。具体的には、１９８０年頃から、干渉型光ファイバジャイロ（ＩＦＯＧ）が、航空機、自動車、ダウンホール削岩機およびロボットの誘導に使用できる慣性航法データを生成するのに特に有用であることが分かったために、回転を検出するために広く使用されるようになった。ＩＦＯＧの様々な実施形態は、参照により本明細書に組み込む米国特許第６，２１１，９６３号および第６，１７５，４１０号に概略的に記載されている。また、ＩＦＯＧとともに使用される適切な周波数を感知する技術は、参照により本明細書に組み込む米国特許第５，７３４，４６９号に概略的に記載されている。

しかし、実際には、干渉計は複雑で設計および製造が困難であることが多く、また光ファイバ長センサなどの低コスト分野には適さないことが多い。したがって、本発明は、正確で、分解能が高く、様々な分野に有用な、比較的単純かつ低コストな干渉型センサを提供することによって、この問題を解決するものである。

本発明の一態様によれば、光路の長さを決定するセンサは、光源と、前記光路に沿って光を送るように構成された変調器と、電子システムとを含む。変調器は、光源に光結合され、光の少なくとも一部分を変調信号に応じて変調するように構成される。検出器は、変調器に光結合され、該光路の末端における光の感知強度に基づいて検出器出力を生成するように構成される。電子システムは、検出器出力を受信するように構成され、これにより、検出器出力によって光路長が決定される。

本発明の別の態様によれば、光路の長さを決定する方法は、該光路に沿って光を生成するステップと、この光を第１のビームおよび第２のビームに分割するステップと、第１のビームおよび第２のビームのうち少なくとも一方を変調信号に応じて変調して、第１のビームと第２のビームの間に差を生じさせるステップと、第１のビームおよび第２のビームを再結合して再結合信号を生成するステップと、検出器において再結合信号の出力強度を検出するステップと、出力強度に応じて変調信号を調整するステップと、変調信号の関数として光路の長さを計算するステップとを含む。

本発明のさらに別の態様によれば、試験中の光ファイバの長さを決定するシステムは、光ファイバによって規定される光路に沿って光を送るように構成された低コヒーレンスな白色光源と、光源に光結合された、第１の経路の光の少なくとも一部分を第２の経路に対して相対的に変調させる位相変調器と、光路に光結合された、光路の長さに基づいて検出器出力を生成する検出器と、検出器出力を受信し、光路の長さに基づいて出力を生成するプロセッサとを含み、光源は、第１の経路と第２の経路の間の経路長差より短いコヒーレンス長を有する。

以上その他の特徴および利点は、添付の図面を参照しながら本発明を詳細に考察すればより明らかになるであろう。

本明細書では、機能ブロック構成要素および様々な処理ステップに注目して本発明について説明する。これらの機能ブロックは、それぞれ指定された機能を実行するように構成された任意数のハードウェア構成要素および／またはソフトウェア構成要素で実施することができることを理解されたい。例えば、本発明では、例えばメモリ素子、処理素子、論理素子、参照テーブルなど、１つまたは複数のマイクロプロセッサまたはその他の制御装置の制御下で様々な機能を実行することができる様々な集積回路または光学構成要素を利用することができる。同様に、本発明のソフトウェア要素は、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｊａｖａ、Ａｓｓｅｍｂｌｙなど、データ構造、オブジェクト、プロセス、ルーチンまたはその他のプログラミング要素を任意に組み合わせて様々なアルゴリズムを実施した任意のプログラム言語またはスクリプト言語で実施することができる。

さらに、本発明では、電子工学的構成、光学的構成、信号処理およびデータ処理についても、任意数の従来技術を利用することができることに留意されたい。

本明細書に図示および記載の特定の実施態様は本発明の例であり、特に明記しない限り、いかなる形でも本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。簡潔にするために、従来の電子工学機器、光学部品、ソフトウェア展開、および本発明のその他の機能面、ならびに本発明の個々の動作システムの構成要素については、本明細書では詳細に説明しないこともある。

さらに、本発明の装置クレームおよび方法クレームの要素について、必要または不可欠であると特に本明細書に記載しない限り、いずれの品目または構成要素も本発明の実施に不可欠なものではない。

本発明の様々な例示的な実施形態によれば、干渉計内で２つ以上の光ビームに対して可逆性の高い光路を形成する光ファイバセンサ、およびそれに関連する動作方法が得られる。実際に、センサの光学部分を伝播する様々なビームがたどる経路は、ビーム間で変調を引き起こす光回路の一部を除けば、同一にすることができる。様々な実施形態において、適切な周波数に基づく変調技術は、干渉計内で光がたどる光路の長さのわずかな変化の影響も受けることがある。このようなセンサは、ファイバ破損テスタやＬＩＤＡＲシステム、光トランスデューサ回路などの様々な分野、または任意数の圧力、温度または化学感知分野で有用である。

さらに、製造技術や変調技術、信号処理技術など、干渉型センサ（ＩＦＯＧなど）とともに使用される様々な従来技術を、本発明とともに使用することができる。さらに、本明細書に記載の構成部品のいずれについても、その代わりにカプラなどのバルク光学部品を用いることができる。

図１は、干渉型センサの例示的な第１の実施形態を示す概略図である。

図１を参照すると、例示的なセンサシステム１００は、光源１０２と、光ファイバカプラ１０４と、フォトダイオード１０６に結合することができる光検出器回路１０８と、集積光学チップ（ＩＯＣ）１０７と、第２の光カプラ１２０と、任意選択の遅延ループ１２２と、インタフェース１２４と、センサ出力１３０を提供する適当な電子システム１２６とを含む。光源１０２で発生した光は、適切にセンサ１００を通過して装置１５０に到達する。装置１５０は、試験中の光ファイバや望遠レンズ、またはその他任意のインタフェース１２４に結合された装置などである。

集積光チップ（ＩＯＣ）１０７は、図１に示すように、Ｙ接合部１１０と、１つまたは複数の位相変調器１１６、１１８とを含むことができる。このような実施形態では、Ｙ接合部１１０は、経路１１２および１１４を進行する２つの成分に光を分離し、これら２つの成分を個別に変調して、２つのビームの間に位相差を生じさせることができる。分離されたビームは、カプラ１２０で再度結合することができ、Ｙ接合部１１０とカプラ１２０の間の部分をセンサ１００の唯一の不可逆部分とすることができる。

インタフェース１２４に結合された感知装置に光が供給された後で、この装置からの反射光は、センサ１００の光学部分を通って検出器１０６に戻ることができ、この検出器が、分離したビームの間の位相差を示す信号を適宜生成する。電子システム１３０でこの位相差を観測および処理して、装置内で光が進んだ全経路長を決定することができる。以下でより詳細に述べるように、この位相差を使用して変調信号１２８を計算することもできる。

光源１０２は、レーザダイオード（ＬＤ）や発光ダイオード（ＬＥＤ）、スーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）など、センサ１００内で光を発生させることができる任意の装置である。

コヒーレント光または任意のコヒーレンス長を有する光を使用することもできるが、以下でより詳細に述べるように、様々なタイプの光源１０２は、通常は数百ミクロン以下程度の比較的短いコヒーレンス長を有する白色光を発生させ、所望の干渉縞を検出器１０６で発生させる。光源１０２が発生させた光は、センサ１００内で、（１）経路１１２から出て経路１１２に戻る成分、（２）経路１１２から出て経路１１４に戻る成分、（３）経路１１４から出て経路１１２に戻る成分、および（４）経路１１４から出て経路１１４に戻る成分の少なくとも４つの成分に分割される。

光源１０２のコヒーレンス長が経路１１２と経路１１４の経路長差よりかなり短くなるように光源１０２のコヒーレンスが適切に選択された場合には、光検出器１０８で所望の信号を生じるのは、上記の経路（２）と（３）の干渉のみとなる。光源１０２の具体的な帯域幅は特定の適用分野に応じて決まるが、様々な例示的な実施形態では、光源１０２は、ファイバ光源、レーザダイオード（ＬＤ）、またはスーパールミネセントダイオード（ＳＬＤ）である。光源１０２は、任意の従来技術によって光ファイバ１３６に結合される。

センサ１００内の様々な構成要素を接続する光ファイバ１３２、１３４、１３６および１３８は、構成要素間で光を送ることができるものであれば、どのような種類の光ファイバでもよい。

別の実施形態では、光ファイバを、単一の光モードを送ることができる単一モード光ファイバとし、信号処理のために所望のモードを分離するための様々なフィルタをセンサ１００に備える必要がないようにする。特に図１に示す実施形態のように光回路内に偏光子を含まない実施形態では、光ファイバは、偏光保持ファイバまたは偏光ファイバにすることもできる。偏光保持光ファイバを使用しない場合には、様々な代替実施形態では、ＩＯＣ１０７などの光回路内のどこか、またはカプラ１０４とＩＯＣ１０７の間に偏光子を設けることもある。

カプラ１０４および１２０は、別個のファイバを伝播する光信号を結合することができるものであれば、どのような結合装置でもよい。例としては、イギリスのＤｅｖｏｎにあるＳｉｆａｍ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製のものなど従来の２×２カプラが挙げられる。あるいは、カプラを形成しようとする位置で各ファイバのクラッディングを除去し、２本のファイバコアを並べて配置し、熱および／または引張り圧力を加えてこれらのコアを融合することにより、ファイバ１３６と１３８、また１３２と１３４を接合してカプラを形成することもできる。いずれかのポートから第１の方向にカプラ１０４、１２０に入射した光は２つの部分に分割され、そのそれぞれがカプラの反対側のポートでカプラを励起する。別の実施形態では、光は、２つの対向するポートの間でほぼ等しく分割される。さらに他の実施形態では、これらのポートのうちの１つが、カプラを通過する光の半分以上または全てを受光する。

ＩＯＣ１０７は、Ｙ接合部、および少なくとも１つの変調器１１６、１１８を含む。別の実施形態では、ＩＯＣ１０７は、電位の印加に応答して光の速度に影響を及ぼすニオブ酸リチウム（ＬｉＮＯ_３）または別の材料で構成される。あるいは、ＩＯＣ１０７は、米国カリフォルニア州Ｓａｎ ＪｏｓｅにあるＪＤＳ Ｕｎｉｐｈａｓｅ社製のＩＯＣ（型番＃ＳＧ−１５０−１−１＝ｋ）など、従来の任意の光スプリッタ／変調器の組合せにすることができる。ＩＯＣ１０７は、図１に実線で示すように、チップ内で光源１０２からの光を案内する導波路を含むと好適である。その経路は、カプラ１０４からの光を２つの経路１１２および１１４に分割するＹ接合部１１０を含むことができる。Ｙ接合部１１０は、適当なら、経路１１２および１１４で受光した光を再結合することもできる。

ＩＯＣ１０７内で経路１１４および１１２の付近に電極として実施することができる１つまたは複数の光位相変調器１１６および１１８を設けて、電子システム１３０によって生成された変調信号に応答して経路１１４および１１２を通過する光で移相を引き起こすことができる。様々な代替実施形態では、以下でさらに詳細に述べるように、ＩＯＣ１０７は、カプラやスプリッタ、圧電変調器などの変調器など、別のただし等価な構成要素で置換することができる。

任意選択の遅延ループ１２２は、様々な実施形態に含むことができる。遅延ループ１２２は、センサ１００内の光が通す光路長を延長する光ファイバの物理的なループまたはコイルにすることができる。

インタフェース１２４は、感知対象装置１５０に対する任意のインタフェースである。例えば、装置１５０は、ＬＩＤＡＲシステムとともに使用される望遠レンズなどのレンズ配列である可能性がある。あるいは、インタフェース１２４は、欠陥を検出する試験中の、またはファイバ長測定センサとしての、外部光ファイバに対するインタフェースとなることもある。インタフェース１２４は、単なるファイバの継ぎ目であることも、あるいはセンサ１００が光ファイバの一体部分として構成される実施形態では、省略することもできる。

光検出器１０８は、ファイバ１３８から発出される光の振幅または強度を検出できる任意の回路にすることができる。様々な実施形態で、光検出器回路１０８は、入射光の強度に応じて電流を流すフォトダイオードまたはアバランシェフォトダイオード１０６を含むと好適である。光検出器回路１０８は、適当なら、電子システム１３０に送られるデジタル信号またはアナログ信号を生成する回路またはその他の構成要素を含むこともできる。センサ１００に適用することができる光ファイバジャイロスコープまたはその他のセンサとともに使用される光検出器回路１０８は、従来より多数開発されている。別の実施形態では、光検出器１０８は、カナダのオンタリオ州Ｗｅｓｔ ＮｅｐｉａｎにあるＥｐｉｔａｘｘ社製のフォトダイオード（型番ＰＮ０３００００４０−９９９）である。

光検出器１０８の応答は入射光の波長によって決まることがあるので、光検出器１０８は、センサ１００の中を伝播する光の波長に応じて選択することができる。

電子システム１２６は、センサ出力１３０およびフィードバック信号１２８を計算するのに適した処理回路を含み、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、デジタル信号プロセッサ、プログラムアレイ論理（ＰＡＬ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、またはその他のこのような装置にすることができる。電子システム１２６はデジタル信号プロセッサを含むと好適であり、デジタル信号プロセッサは、通常は、関連するメモリ、アドレッシング用回路、入出力とともに設けられることになる。

電子システム１２６は、光検出器１０８の出力を統合し、フィルタリングし、処理して、出力信号１３０を生成する。図１ではセンサ１００がフィードバック駆動式または「閉ループ」センサとして動作するものとして示しているが、代替の実施形態では、光検出器１０８の出力とは無関係に変調信号１２８を生成する「開ループ」（すなわちフィードバックなし）構成を用いることもできることを理解されたい。ただし、閉ループ動作にするとセンサ１００の安定性および分解能を高めることができるが、多くの実施形態では開ループ動作より複雑になる可能性がある。したがって、電子システム１２６の様々な実施形態は、本発明とともに用いるのに適するように容易に修正することができる。

本発明のセンサシステム１００は、光源１０２で発生した光をカプラ１０４を通してＩＯＣ１０７まで送るというかたちで機能する。この光は、Ｙ接合部１１０で、導波路１１２を通過するビームと導波路１１４を通過するビームとに分割される。以下でより詳細に述べるように、これらのビームのうち少なくとも一方を位相変調器１１６で変調信号１２８に応じて変調し、この光ビームに移相を生じさせる。２つのビームはカプラ１２０で再結合され、光は任意選択の遅延ループ１２２を通過してインタフェース１２４に到達し、感知対象装置１５０に当たる。感知対象装置で反射された光は、インタフェース１２４から再度センサ１００に入射し、この光は任意選択の遅延ループ１２２を通過した後で、カプラ１２０で分割される。反射光は、ファイバ１３２および導波路１１２を通過する成分と、ファイバ１３４および導波路１１４を通過する成分とに分割され、変調器１１６によって変調が施される。これら２つの成分は、好適には、Ｙ接合部１１０で再度結合され、カプラ１０４を通って検出器１０８に到達する。

上述のように、光源１０２で発生した光は、（１）経路１１２から出て経路１１２に戻る成分、（２）経路１１２から出て経路１１４に戻る成分、（３）経路１１４から出て経路１１２に戻る成分、および（４）経路１１４から出て経路１１４に戻る成分の少なくとも４つの成分に分割される。経路（２）を通る光および経路（３）を通る光の２つの成分が同じ距離を進むことに留意されたい。さらに、これらの経路を通る光は、変調器１１６によって同じ変調を受けるが、この変調は、ビームが感知対象装置を通過する時間遅延に応じた分だけ時間的にずれる。したがって、これら２つのビームに施される変調の差はこの時間遅延によるものであり、この時間遅延は装置の長さと関係している。施された変調を調整してこの遅延を明らかにすることにより、両ビームが通る経路の長さを計算することができる。この経路長を使用して、光ファイバの長さ、または光ファイバの破損の位置を決定することができる。あるいは、この経路長は、ＬＩＤＡＲシステムなどのその他任意のタイプのセンサまたはトランスデューサセンサで使用することもできる。

上記および下記の基本概念は、感知した２つの光信号の干渉に基づいてセンサ出力１３０を生成する任意数の等価な装置に適用することができる。

図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃは、センサの例示的な代替実施形態を示す概略図である。

図２Ａを参照すると、センサ１００の様々な実施形態では、カプラ１２０を除去し、図１に示すＩＯＣ１０７を、図２に示すような改変したＩＯＣ１０７で置換することができる。図２Ｂを参照すると、ＩＯＣ１０７を完全に除去し、その代わりにカプラ２０２および位相変調器２０４が配置されている。位相変調器２０４は、圧電変調器、またはその他任意タイプの位相変更装置にすることができる。カプラ２０２は、カプラ１０４および１２０に関連して上述したものなど、従来の任意のカプラである。さらに、適当な出力信号１３０を生成するために、経路１１２を通過する光の位相を変調する必要がない。図２Ｃを参照すると、ＩＯＣ１０７が、偏光子２３０、複屈折変調器２３２、およびデポラライザ２３４で置換されている。このような実施形態では、変調器２３２を通過する光の偏光を、本明細書に記載の技術を用いて信号１２８によって変調し、異なる（例えば直交する）偏光を有する横磁場（ＴＭ）モードおよび横電場（ＴＥ）モードを生じる。この場合、上述のように、フォトダイオード１０６でＴＭ信号とＴＥ信号の干渉を検出することができる。

偏光子２３０は、図２Ｃでは仮に４５度の偏光子として示してあるが、０度および９０度以外であれば任意の偏光角を用いることができる。センサ１００は、この２つのモードを変調器２３２からデポラライザ２３４に伝達するために、偏光保持ファイバの部分２３６を含むこともできる。

したがって、センサ１００が物理的な経路を１つ（１１２または１１４）しか含まなくても、検出器１０６で干渉縞を生じることができる。本明細書で用いる「スプリッタ」または「分割手段」という用語は、ファイバスプリッタだけでなく、２つ以上の光路を生成する任意の構造を指すこともある。センサ１００のその他の実施形態では、該センサを通過する光の信号振幅、周波数、またはその他の特性を変調して、別個の干渉する光路またはモードを生成する。センサ１００の一部として本明細書に記載する任意の構成要素は、変調器やカプラなど、等価なバルク光学部品で置換することができる。

次に図３を参照すると、適切な周波数で動作するセンサの例示的な出力特性３００が示してある。図３を参照すると、インタフェログラム３０２は、センサ１００内を伝播する２つの光ビームの間で観測される移相に対して、光検出器１０８に当たる光の強度を好適にプロットしたものである。好適には、移相がゼロである、または±２πの任意の整数倍であるなど、これらの光ビームが同相であるときに、光の強度は最大となる。同様に、移相がπである、または±πの任意の奇数倍であるなど、これらの光ビームが位相外れであるときに、光の強度は最小となる。しかし、センサがインタフェログラム３０２の最大点または最小点付近で動作するときには、位相変化（Δφ）は、光の強度（Ｉ）にわずかな変化しか生じない。

さらに、この曲線は最大点から離れる際には両方向に低下し、最小点から離れる際には両方向に増加するので、これらの動作点で光の強度から位相変化の大きさを検出することが困難であることもある。したがって、様々な実施形態では、それぞれπ／２および−π／２の移相に対応するインタフェログラム３０２上の点３１０や３１２など、より感度の高い動作点に、ジャイロをバイアスすることもできる。言うまでもなく、±π／２の任意の奇数倍にすれば、同様の結果が得られる。

図４に関連して以下でさらに詳細に述べるように、この変調は、図１および図２の変調信号１２８に対応する変調３０４で生じさせることができる。図３は、バイアス変調３０４が、センサ１００内を伝播する２つのビームの間で±π／２ラジアンの位相バイアスを生じさせる交番バイアス信号であることを示している。個々の実施形態の個々の特徴および必要に応じて、任意の変調３０４を行うことができることを理解されたい。

変調３０４に応じて２つのビームがバイアスされるので、検出器１０８に入射する光の時間に対する出力強度は、図３のプロット３０６に示すようになることがある。プロット３０６は、光の出力強度（Ｉ）がインタフェログラム３０２上の点３１０および３１２に対応するレベル３１６で比較的一定であり、点３１０から点３１２への動作点の移行およびその逆の移行によって瞬間的なスパイク３１４が生じていることを示している。レベル３１６は、干渉しない２つの経路、すなわち経路１１２および１１４からの成分を含むこともある。スパイク３１４は、図１に示す電子システム１２６によってフィルタリングする、無視する、あるいはその他の方法で処理して、比較的一定の出力レベル３１６が得られるようにすることができる。

図４は、変調３０４を生じるために使用することができる適切な周波数で適用される例示的な変調技術を示すプロットである。図１および図４を参照すると、バイアス変調信号１２８は、電子システム１２６によって生成され、変調器１１６に供給されて、導波路１１４を進行する光を変調する。図３に示すインタフェログラム３０２を生じる光ビームは、それぞれ導波路１１４を通過するが、その時間が異なる（例えば、第１のビームは感知対象装置に向かう途中で導波路１１４を通過し、第２のビームは感知対象装置によって反射された後で導波路１１４を通過する）。この場合、２つのビームに施される変調は、同じであるが、光ビームの経路長に関係するセンサの遅延定数（θ）に応じて時間的にずれているものであると好適である。

図４を参照すると、例示的な変調信号１２８は、所望の移相が生じるように変調器１１６に合わせて調整した振幅を有し、かつセンサ１００の適切な周波数に同調させた周波数を有する鋸歯状波形である。適切な周波数を感知する任意の技術を本明細書に開示のセンサとともに使用することができる。同様に、変調信号１２８は、デジタルまたはアナログのどのようなセロダイン波形、三角波形、ランプ波形、デュアルランプ波形、パルス波形、ステップ波形またはその他の波形でもよく、あるいは複数の波形の特徴を含むこともできる。

図４に示すように、センサ１００内を逆方向に伝播する２つのビームに施される変調は、同じであるが遅延定数θだけ時間的にずれている。この２つの信号の差を、信号Δφ３０４で示し、これは図３の信号３０４に対応する。所望の位相変調３０４を生じる任意の変調信号１２８は、センサ１００の様々な実施形態で使用することができる。

図５は、適切な周波数で施されない例示的な変調技術を示すプロットである。変調信号１２８は変調器１１６に印加されるが、信号１２８の周波数は、遅延定数θに関係する適切な周波数に同調されない。したがって、ビーム１とビーム２の間の位相差（Δφ）３０４は、上述のような平衡した位相変調信号を生じない。その代わりに、２つのビームの差３０４は、レベル５０２の比較的長いバイアス期の間に、方向が逆で大きさがレベル５０２よりはるかに大きな、時間θに対応する比較的短いバイアス期５０４が挿入されることを特徴とする。

図５に示す変調Δφ３０４に対応する例示的な出力特性６００を、図６に示す。

図６では、変調３０４をインタフェログラム３０２に適用すると、光検出器１０８で出力特性６０６が生じる。図６に示すように、変調３０４の点５０４は、インタフェログラム３０２および出力プロット６０６上の点６０４に対応する。変調３０４の点５０２は、インタフェログラム３０２および出力プロット６０６上の点６０２に対応する。したがって、光検出器１０８で観測される光強度は、好適にレベル６０２と６０４の間で交番する。

プロット６０６を図３のプロット３０６と比較対照すると、光検出器１０８に入射する光の強度が変調信号の周波数によって決まること、ならびに光検出器１０８で比較的一定の出力を生じる周波数など変調信号の適切な周波数が、光がセンサ１００を通過するのに要する時間によって決まることが分かる。したがって、適切な変調周波数は、光路の長さと関係があるということになる。したがって、出力１３０は、検出器１０８で比較的一定の出力を生じる変調、またはその他任意の適当な所望の影響検出器の出力に対して及ぼす変調から決定することができる。換言すれば、光路長は、検出器１０８で比較的一定の出力を生じる適切な変調周波数の関数として容易に決定することができる。

変調信号１２８の調整は、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ、またはその他の電子システム１２６と関連付けられたコントローラによって行うことができる。

検出器出力の変化を識別することができるように、検出器出力は、最低でも変調信号１２８の周波数と同じ高さの周波数でサンプリングされる。

変調信号１２８の周波数が当該光路長に対する適切な周波数に近づくにつれて、検出器出力の変化は好適に減少する。例示的なセンサ１００を適切な周波数で変調すると、その出力特性は図３に示すようなものになる。このセンサを、当該光路長に対して適切でない周波数で変調すると、検出器１０８で観測される出力特性には、図６に示すようにスキューが生じることがある。検出器出力を所望レベルに維持するようにすることにより、参照テーブル、数式またはその他の技術を用いて、この適切な周波数から、センサ１００内を光が進む光路長を容易に計算することができる。この概念を使用して、ＬＩＤＡＲや破損／欠陥テスタ、ファイバ長テスタ、レンジファインダなど、様々なセンサ装置を作製することができる。

したがって、本発明の説明は、単なる例示として解釈すべきものであり、本発明を実施する最良の形態を当業者に教示することを目的としてなされたものである。本発明の趣旨を逸脱することなく細部を実質的に改変することができ、また、添付の特許請求の範囲に含まれる全ての修正形態の排他的使用は留保される。

図１は、本発明による例示的なセンサを示すブロック図である。 図２Ａは、本発明によるセンサの例示的な第２の実施形態を示すブロック図である。 図２Ｂは、本発明によるセンサの例示的な第３の実施形態を示すブロック図である。 図２Ｃは、本発明による偏光モードの複屈折変調を使用したセンサの例示的な第４の実施形態を示すブロック図である。 図３は、本発明による例示的なセンサの様々な動作特性をプロットした図である。 本発明による適切な周波数における様々な例示的な変調信号をプロットした図である。 適切な周波数でない様々な例示的な変調信号をプロットした図である。 適切な周波数で動作していない例示的なセンサの様々な動作特性をプロットした図である。

Claims (23)

1. 光路に沿って光を送るように構成された光源と、
   前記光源に光結合され、前記光の少なくとも一部分を変調信号に応じて変調するように構成された少なくとも１つの変調器と、
   前記少なくとも１つの変調器に光結合され、前記光路の末端における前記光の感知強度に基づいて検出器出力を生成するように構成された検出器と、
   前記検出器出力を受信し、光路長を示す出力を提供するように構成された電子システムと、
   を含む光路の長さを決定するセンサ。
2. 前記変調信号が前記検出器出力に応じて決まり前記光に対する所望の影響を生じ、それにより、前記光路の前記長さが、前記電子システムによって前記所望の影響を生じる前記変調信号に応じて決定される、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記光源と前記少なくとも１つの変調器の間に光結合された光スプリッタをさらに含み、それにより前記光スプリッタを通過する光が第１の経路と第２の経路とに分割される、請求項１に記載のセンサ。
4. 前記検出器出力は、前記第１の経路および前記第２の経路に沿って進む光の位相差を示す、請求項３に記載のセンサ。
5. 前記変調信号は、前記光路の長さに応じて決まる周波数で生成される、請求項１に記載のセンサ。
6. 前記電子システムは、前記検出器出力の変化に応答して前記変調信号の周波数を調整し、前記変調信号を前記光路に関係する周波数に維持する、請求項５に記載のセンサ。
7. 光路に沿って光を生成するステップと、
   前記光を第１のビームおよび第２のビームに分割するステップと、
   前記第１のビームおよび前記第２のビームのうち少なくとも一方を変調信号に応じて変調して、前記第１のビームと前記第２のビームの間に差を生じさせるステップと、
   前記第１のビームおよび前記第２のビームを再結合して再結合信号を生成するステップと、
   検出器において、前記再結合信号の出力強度を検出するステップと、
   前記出力強度に応じて前記変調信号を調整するステップと、
   前記変調信号の関数として前記光路の前記長さを計算するステップと、
   を含む光路の長さを決定する方法。
8. 前記変調信号を調整する前記ステップは、前記出力強度がほぼ一定に維持されるように前記変調信号をある周波数に維持するステップを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記第１のビームと前記第２のビームの間の前記差は位相差である、請求項７に記載の方法。
10. 前記変調信号は、ある周波数を有するランプ波形である、請求項７に記載の方法。
11. 前記変調信号を前記第１のビームに印加した後、前記光路の前記長さに基づく遅延分だけ経過した後、前記変調信号を前記第２のビームに印加するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
12. 前記変調信号を調整する前記ステップは、前記出力強度をサンプリングして経時的な前記出力強度の差を決定するステップを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記変調信号を調整する前記ステップは、前記変調信号の周波数を変化させて前記出力強度の前記経時的な差を減少させるステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記調整ステップは、前記出力強度の差が経時的に最小となるように前記変調信号の適切な周波数を決定するステップを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 前記長さを計算する前記ステップは、前記適切な周波数から前記光路の前記長さを決定するステップを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 光ファイバによって規定される光路に沿って光を送るように構成された低コヒーレンスな白色光源と、
    該光源に光結合された、第１の経路の光の少なくとも一部分を第２の経路に対して相対的に変調させる位相変調器と、
    該光路に光結合された、該光路の長さに基づいて検出器出力を生成する検出器と、
    検出器出力を受信し、該光路の長さに基づいて出力を生成するプロセッサとを含み、該光源が、該第１の経路と該第２の経路の間の経路長差より短いコヒーレンス長を有する、
    試験中の光ファイバの長さを決定するシステム。
17. 白色光源と変調器の間にカプラをさらに含む、請求項１６に記載のシステム。
18. 前記カプラが２×２カプラである、請求項１７に記載のシステム。
19. 前記ファイバに光結合された遅延ファイバをさらに含む、請求項１６に記載のシステム。
20. 光ファイバ部分の末端において光トランスデューサを検査するコネクタをさらに含む、請求項１６に記載のシステム。
21. 対象物または空気中からの光を伝達および集光する望遠光学部品をさらに含む、請求項１６に記載のシステム。
22. 前記プロセッサは、前記光が進む光路の長さが決定されるように検出器出力を受信する、請求項１６に記載のシステム。
23. 該プロセッサは、試験中のファイバの破損欠陥が決定されるように検出器出力を受信する、請求項１６に記載のシステム。

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