JP2007057324A

JP2007057324A - 光ファイバ型計測システム

Info

Publication number: JP2007057324A
Application number: JP2005241435A
Authority: JP
Inventors: Hiroyoshi Toko; 浩芳都甲; Naofumi Shimizu; 直文清水; Tadao Nagatsuma; 忠夫永妻
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-08-23
Filing date: 2005-08-23
Publication date: 2007-03-08

Abstract

【課題】偏波保持ファイバの周囲温度や応力の大きさの変化前後で検出感度が変化しない光ファイバ型計測システムを提供する。
【解決手段】偏波保持ファイバ４を通過した光が入射するファラデー回転子５３を設け、ファラデー回転子５３の回転角を４５度または略４５度としたことで、偏波保持ファイバ４内を正方向に通過する光に与えられる位相差を、偏波保持ファイバ４内を逆方向に通過する光に与えられる位相差が打ち消すという効果が、周囲温度や応力の大きさの変化前後において得られ、これにより、偏波保持ファイバ４を逆方向に通過した楕円偏光は、変化前後で同じものとなるので、電界強度の検出感度が変化しないようにできる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電界強度、磁界強度、温度あるいは圧力の大きさを光学的に検出する光ファイバ型計測システムに関するものである。

電界強度を光学的に検出する光ファイバ型計測システムとしては、例えば、特許文献１と２に記載のものがある。

図４は、従来の光ファイバ型計測システムの構成を示す図である。

光源１で生成された直線偏光は、偏波保持ファイバ２を通過し、偏光処理装置３のアイソレータ３０１へ入射する。このアイソレータ３０１を通過した直線偏光は、偏光処理装置３のビームスプリッタ３０４で２つの直線偏光に分割され、その一方の直線偏光が、偏波保持ファイバ４へ入射する。

この直線偏光は、偏波保持ファイバ４を通過し、光学センサ５の電気光学結晶５４を伝搬し、誘電体反射膜５４１で反射される。この際、被測定電界の電界強度に応じた楕円形状の楕円偏光に変化され、逆向きに偏波保持ファイバ４へ入射する。この楕円偏光は偏波保持ファイバ４を逆向きに伝搬し、偏光処理装置３へ出射する。

この楕円偏光の一部は、ビームスプリッタ３０４で反射し、偏光処理装置３の偏波コントローラ３０６を通過する。このとき偏波コントローラ３０６が偏光の偏光状態を変化させる。偏光状態が変化した偏光は、偏光処理装置３の偏光ビームスプリッタ３０７で２つの直線偏光に分割される。分割後の一方の直線偏光が、偏光処理装置３の差動増幅回路３１０内の光検出器３１１に入射する。分割後の他方の直線偏光は、差動増幅回路３１０内の光検出器３１２に入射する。

光検出器３１１は、自身に入射した直線偏光をその光強度に応じた大きさの電気信号に変換して、これを差動増幅回路３１０内の差動アンプ３１３の一方の入力端子へ与える。光検出器３１２は、自身に入射した直線偏光をその光強度に応じた大きさの電気信号に変換して、これを差動アンプ３１３の他方の入力端子へ与える。

差動アンプ３１３は、自身の両入力端子に与えられた電気信号の差分を増幅して電気信号検出器６に与える。これにより、被測定電界の電界強度が電気信号検出器６で検出される。
特開２００１−０５０９０８号公報特開２００３−０１４８０１号公報

しかしながら、偏波保持ファイバ４の周囲温度が変化したときや、例えば光学センサ５を３次元的に走査するときの偏波保持ファイバ４の曲がりなどにより偏波保持ファイバ４に働く応力の大きさが変化したときには、偏波保持ファイバ４内で光に与えられる位相差が変化し、これにより偏波保持ファイバ４を逆方向に通過した楕円偏光の偏光状態が変化するので、電気信号検出器６での検出値が変化してしまう。すなわち、周囲温度や応力の大きさの変化前後で、電界強度の検出感度が変化してしまう。例えば光学センサ５を３次元的に走査して電界強度の３次元的な分布を検出するときには、光学センサ５の位置により検出感度が変化してしまうので、正しい電界分布を検出することができない。なお、電気光学結晶５４に代えて磁気光学結晶を用いることで、被測定磁界の磁界強度を検出するときや、電気光学結晶５４に代えて圧光学（光弾性）結晶を用いることで、被測定圧力の大きさを検出するときにおいても、同様の事情がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、偏波保持ファイバの周囲温度や応力の大きさの変化前後で検出感度が変化しない光ファイバ型計測システムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、偏波保持ファイバと、この偏波保持ファイバを通過した光が入射する旋光子と、この旋光子を通過した光が入射する結晶であって、光の偏光状態を電気的、磁気的または力学的に変化させる性質を有し、光を反射する反射手段が設けられた結晶と、この結晶と前記旋光子と前記偏波保持ファイバを逆方向に通過した光を検出する検出手段とを有し、前記旋光子の回転角が４５度または略４５度であることを特徴とする光ファイバ型計測システムをもって解決手段とする。

本発明によれば、偏波保持ファイバ内を正方向に通過する光に与えられる位相差を、偏波保持ファイバ内を逆方向に通過する光に与えられる位相差が打ち消すという効果が、周囲温度や応力の大きさの変化前後において得られ、これにより、偏波保持ファイバを逆方向に通過した楕円偏光は、変化前後で同じものとなるので、検出感度が変化しないようにすることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態に係る光ファイバ型計測システムの構成を示す図である。このシステムは、このシステムを用いる場所に誘起された電界を被測定電界として、その被測定電界の電界強度を検出するものである。

本実施の形態のシステムは、光源１と、光源１の光が入射する偏波保持ファイバ（Polarization Maintaining Fiber)２と、偏波保持ファイバ２を出射した光を光学処理し、その光の偏光状態が被測定電界で変化したときに、変化後の光を電気信号に変換する偏光処理装置３と、偏光処理装置３で光学処理された光が入射する偏波保持ファイバ４と、偏波保持ファイバ４を出射した光の偏光状態を被測定電界により変化させ、偏波保持ファイバ４に逆方向に入射させる光学センサ５と、偏波保持ファイバ４を逆方向に通過して、その光から偏光処理装置３が変換した電気信号を検出する電気信号検出器６とを備える。

本実施の形態では、光源１が直線偏光を生成し、これが偏波保持ファイバ２の進相軸または遅相軸にのみ入射するようになっている。

電気信号検出器６は、具体的には、ロックインアンプやスペクトルアナライザである。

偏光処理装置３は、偏波保持ファイバ２を出射した光が入射するアイソレータ３０１と、アイソレータ３０１を出射した光が入射する偏波保持ファイバ３０２と、偏波保持ファイバ３０２を出射した光が通過するレンズ３０３と、レンズ３０３を通過した光の一部が通過するビームスプリッタであって、通過後の光の偏光状態が被測定電界で変化したときの、変化後の光の一部を反射するビームスプリッタ３０４と、ビームスプリッタ３０４を通過した光が通過するレンズであって、その光の偏光状態が変化したときの変化後の光が逆方向に通過するレンズ３０５と、ビームスプリッタ３０４で反射した光の偏光状態を変化させる偏波コントローラ３０６と、この偏光状態が変化した後の光を分割する偏光ビームスプリッタ３０７と、分割後の各光が通過するレンズ３０８およびレンズ３０９と、通過した各光の差分をその大きさに応じた大きさの電気信号に変換する差動増幅回路３１０を備える。

アイソレータ３０１は、図示しない偏光ビームスプリッタ、ファラデー回転子、１／２波長板、１／４波長板などで構成される。

偏波コントローラ３０６は、１／２波長板、１／４波長板などで構成される。

差動増幅回路３１０は、偏光ビームスプリッタ３０７による分割後の一方の光を電気信号に変換する光検出器３１１と、偏光ビームスプリッタ３０７による分割後の他方の光を電気信号に変換する光検出器３１２と、各光検出器３１１、３１２で変換された電気信号を差動増幅する差動アンプ３１３を備える。差動増幅回路３１０は、例えば、バランスレシーバなどである。

光学センサ５は、偏波保持ファイバ４を所定位置に案内するフェルール５１と、フェルール５１に案内された偏波保持ファイバ４から出射する光を平行光に整形するコリメータレンズ５２と、コリメータレンズ５２を通過した光を旋光させるファラデー回転子５３と、被測定電界により光の偏光状態を変化させる電気光学結晶であって、ファラデー回転子５３を出射した光を入射させ、反対側の誘電体反射膜５４１で反射させ、ファラデー回転子５３へ出射させる電気光学結晶５４を備える。電気光学結晶５４は、旋光性を有しないものであり、そのファラデー回転子５３側には誘電体反射防止膜５４２が形成されている。

本実施の形態では、例えば、レンズ３０５を通過した直線偏光が偏波保持ファイバ４の進相軸と遅相軸へ均等に分割されるようになっている。かかる進相軸と遅相軸を位相軸と総称する。電気光学結晶５４の進相軸と遅相軸（これらについても位相軸と総称する）は、例えば、偏波保持ファイバ４の位相軸に対して角度４５度を有するように配置されている。

次に、本実施の形態のシステムの動作を説明する。

光源１で生成された直線偏光は、偏波保持ファイバ２を通過し、アイソレータ３０１へ入射する。このアイソレータ３０１を通過した直線偏光は、レンズ３０３を通過し、ビームスプリッタ３０４で２つの直線偏光に分割され、その一方の直線偏光がレンズ３０５を通過し、偏波保持ファイバ４の進相軸または遅相軸へ入射する。

この直線偏光は、偏波保持ファイバ４を通過し、これを光学センサ５が、被測定電界の電界強度に応じた楕円形状の楕円偏光に変化させ、この楕円偏光が偏波保持ファイバ４に対し逆方向に入射する。この楕円偏光は偏波保持ファイバ４から逆方向に出射し、レンズ３０５を逆方向に通過する。

この楕円偏光の一部は、ビームスプリッタ３０４で反射し、反射した偏光が偏波コントローラ３０６を通過し、このとき偏波コントローラ３０６が偏光の偏光状態を変化させる。偏光状態が変化した偏光は、偏光ビームスプリッタ３０７で２分割される。分割後の一方の偏光がレンズ３０８を通過し、その後、光検出器３１１に入射する。分割後の他方の偏光はレンズ３０９を通過し、その後、光検出器３１２に入射する。

光検出器３１１は、自身に入射した偏光をその光強度に応じた大きさの電気信号に変換して、これを差動アンプ３１３の一方の入力端子へ与える。光検出器３１２は、自身に入射した偏光をその光強度に応じた大きさの電気信号に変換して、これを差動アンプ３１３の他方の入力端子へ与える。

差動アンプ３１３は、自身の両入力端子に与えられた電気信号の差分を増幅して電気信号検出器６に与える。これにより、被測定電界の電界強度が電気信号検出器６で検出される。被測定電界が交流電界のときは、その位相と振幅が検出される。

次に、偏波保持ファイバ４と光学センサ５での動作を説明する。

図２は、偏波保持ファイバ４、ならびに光学センサ５を構成する各要素の斜視図である。図２では、光の伝搬方向をｚ軸に見立て、同様に偏波保持ファイバ４の遅相軸および進相軸をｙ軸およびｘ軸に見立てている。図３は、図２に示した各点における光の偏光状態を示す図である。図３では、ｚ軸の正方向を見たときの偏光状態を示している。

図３（ａ）は、図２中のＡ点すなわち偏波保持ファイバ４に入射する直線偏光の偏光状態を示すものである。この直線偏光は、偏波保持ファイバ４の遅相軸および進相軸に対して角度４５度を有する。

偏波保持ファイバ４に入射した直線偏光は偏波保持ファイバ４を通過し、コリメータレンズ５２で平行光に整形され、コリメータレンズ５２から出射する。

図３（ｂ）は、図２中のＢ点すなわちコリメータレンズ５２を出射した偏光の偏光状態を示すものである。偏波保持ファイバ４に入射した直線偏光は、その時点で、偏波保持ファイバ４の遅相軸に偏波面を有する直線偏光と、偏波保持ファイバ４の進相軸に偏波面を有する直線偏光とに分割されるが、これら直線偏光に対し、偏波保持ファイバ４の周囲温度や偏波保持ファイバ４に働く応力の大きさに応じた位相差が与えられ、その位相差を維持したままコリメータレンズ５２で平行光に整形されるので、コリメータレンズ５２からは楕円偏光が出射する。また、図２中のＡ点の直線偏光は、偏波保持ファイバ４の遅相軸および進相軸に対して角度４５度を有し、偏波保持ファイバ４とコリメータレンズ５２は旋光性を有しないので、図３（ｂ）の楕円長手方向は、偏波保持ファイバ４の、例えば進相軸から半時計回りで角度４５度を有している。

この楕円偏光はファラデー回転子５３を通過する。電気光学結晶５４は、ファラデー回転子５３を通過した楕円偏光が反射するのを誘電体反射防止膜５４２で防止する。これにより、楕円偏光が電気光学結晶５４に入射する。

図３（ｃ）は、図２中のＣ点すなわちファラデー回転子５３を通過した楕円偏光の偏光状態を示すものである。ファラデー回転子５３は、その内部の楕円偏光に対し、理想的には４５度の回転角を例えば半時計回りで与える（旋光させる）。

電気光学結晶５４の位相軸が偏波保持ファイバ４の位相軸に対して角度４５度を有するようにしたので、図３（ｃ）の楕円長手方向は、電気光学結晶５４の、例えば遅相軸から半時計回りで角度４５度を有している。

電気光学結晶５４に入射した楕円偏光は、内部を通過して誘電体反射膜５４１で反射し、内部を逆方向に通過して誘電体反射防止膜５４２から出射する。

図３（ｄ）は、図２中のＤ点すなわち電気光学結晶５４から出射した楕円偏光の偏光状態を示すものである。電気光学結晶５４は、その内部の楕円偏光に対し、被測定電界の電界強度に応じた量の位相差を与えるので、図３（ｄ）と図３（ｃ）では、楕円形状が異なるが、電気光学結晶５４に楕円偏光が入射する前（出射した後）の位置にファラデー回転子５３を設けたことで、図３（ｃ）と図３（ｄ）の楕円長手方向は、電気光学結晶５４の、例えば遅相軸から半時計回りで角度４５度を有していることで、一致している。

また、電気光学結晶５４では、誘電体反射膜５４１での反射前の位相差が反射後の位相差により減少することがなく、逆に、反射前の位相差の２倍の位相差を与えることができる。つまり被測定電界による光の偏光変調度、ひいては被測定電界の電界強度の検出感度を最大化することができる。

この電気光学結晶５４から逆方向に出射した楕円偏光は、ファラデー回転子５３を通過し逆方向に通過する。

図３（ｅ）は、図２中のＥ点すなわちファラデー回転子５３を逆方向に通過した楕円偏光の偏光状態を示すものである。ファラデー回転子５３は、その内部の楕円偏光に対し回転角を与える（旋光させる）。この回転角の絶対値は、正方向の偏光に対して与えた回転角の絶対値に等しい。つまり、ファラデー回転子５３は、その内部の逆方向の楕円偏光に対し、前述の例では時計回りに４５度の回転角を与える。よって、図３（ｅ）の楕円長手方向は、図３（ｂ）の楕円長手方向に対して角度９０度を有している。

図３（ｆ）は、図２中のＦ点すなわち偏波保持ファイバ４を逆方向に通過した楕円偏光の偏光状態を示すものである。ファラデー回転子５３を逆方向に通過した楕円偏光（図３（ｅ））はコリメータレンズ５２で偏波保持光ファイバ４に焦光され、この楕円偏光に対し、偏波保持ファイバ４の周囲温度や偏波保持ファイバ４に働く応力の大きさに応じた位相差が与えられる。

図３（ｆ）の楕円長手方向は、図３（ｂ）の楕円長手方向に対し、角度９０度を有している。よって、偏波保持ファイバ４内を逆方向に通過する光に与えられる位相差は、偏波保持ファイバ４内を正方向に通過する光に与えられる位相差で打ち消される。

これにより、偏波保持ファイバ４から逆向きに出射された光の偏光状態は、電気光学結晶５４に加えられる被測定電界に比例した形状となる。

次に、偏波保持ファイバ４の周囲温度が変化したときや、曲げなどで偏波保持ファイバ４に働く応力の大きさが変化したときの動作を説明する。

周囲温度や応力の大きさの変化後では、図３（ｂ）の楕円変更が、例えば、円に一層近い形状の楕円偏光になる。

また、図３（ｂ）の楕円長手方向に対し、図３（ｆ）の楕円長手方向は、角度９０度を有している。

これにより、偏波保持ファイバ４内を逆方向に通過する光に与えられる位相差は、偏波保持ファイバ４内を正方向に通過する光に与えられる位相差で打ち消される。

よって、電気信号検出器６での検出値が変化しない。すなわち、周囲温度や応力の大きさの変化前後において、電界強度の検出感度が変化しないようにできる。

以上説明したように、本実施の形態に係る光ファイバ型計測システムによれば、偏波保持ファイバ４と、偏波保持ファイバ４を通過した光が入射するファラデー回転子５３と、ファラデー回転子５３を通過した光が入射する結晶であって、光の偏光状態を電気的に変化させる性質を有し、光を反射する誘電体反射膜５４１が設けられた電気光学結晶５４と、偏波保持ファイバ４を逆方向に通過した光を検出する偏光処理装置３とを有し、ファラデー回転子５３の回転角を４５度または略４５度としたことで、偏波保持ファイバ４内を正方向に通過する光に与えられる位相差を、偏波保持ファイバ４内を逆方向に通過する光に与えられる位相差が打ち消すという効果が、周囲温度や応力の大きさの変化前後において得られ、よって、電界強度の検出感度が変化しないようにできる。

また、ファラデー回転子５３の位相軸が電気光学結晶５４の位相軸に対して角度４５度または略４５度を有することで、電気光学結晶５４では反射前に与えた位相差の２倍の位相差を与えることができる。つまり被測定電界の電界強度の検出感度を最大化することができる。

なお、本実施の形態は、本発明に係る実施の形態の一例であり、他の態様で発明を実施してもよい。

具体的には、まず、本実施の形態では、ファラデー回転子５３が与える回転角を４５度としたが、実際には略４５度としてもよく、これでも十分な効果が得られる。

また、本実施の形態では、ファラデー回転子５３の位相角が電気光学結晶５４の位相角に対して角度４５度を有することとしたが、実際には略４５度で十分な効果が得られる。また、高い感度が必要ないときは、必ずしも４５度または略４５度でなくてもよい。

また、ファラデー回転子に代えて、他の旋光子を用いてもよい。

また、本実施の形態では、差動増幅を行ったが、一方の電気信号のみの増幅を行ってもよい。また、分割前の光を電気信号に変換増幅してもよい。

また、本実施の形態では、誘電体反射膜５４１を設けたが、これに代えて、反射鏡を設けてもよい。

また、本実施の形態では、被測定電界の電界強度を検出したが、電界強度の分布を例えば３次元的に検出してもよい。

また、本実施の形態では、被測定電界の電界強度を電気光学結晶により検出したが、この電気光学結晶に代えて磁気光学結晶を用いることで、被測定磁界の磁界強度を検出してもよい。また、電気光学結晶に代えて圧光学（光弾性）結晶を用いることで、被測定圧力の大きさを検出してもよい。同様に温度を検出してもよい。

本実施の形態に係る光ファイバ型計測システムの構成を示す図である。偏波保持ファイバ４、ならびに光学センサ５を構成する各要素の斜視図である。図２に示した各点における光の偏光状態を示す図である。従来の光ファイバ型計測システムの構成を示す図である。

符号の説明

１…光源
２、４…偏波保持ファイバ
３…偏光処理装置
５…光学センサ
６…電気信号検出器
５３…ファラデー回転子
５４…電気光学結晶
５４１…誘電体反射膜

Claims

偏波保持ファイバと、
この偏波保持ファイバを通過した光が入射する旋光子と、
この旋光子を通過した光が入射する結晶であって、光の偏光状態を電気的、磁気的または力学的に変化させる性質を有し、光を反射する反射手段が設けられた結晶と、
この結晶と前記旋光子と前記偏波保持ファイバを逆方向に通過した光を検出する検出手段と
を有し、
前記旋光子の回転角が４５度または略４５度であることを特徴とする光ファイバ型計測システム。
前記旋光子の位相軸が前記結晶の位相軸に対して角度４５度または略４５度を有することを特徴とする請求項１記載の光ファイバ型計測システム。