JP2010261918A

JP2010261918A - 光ファイバセンサ

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Publication number: JP2010261918A
Application number: JP2009124675A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Tsukada; 和正塚田
Original assignee: Hakusan Corp
Current assignee: Hakusan Corp
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2010-11-18

Abstract

【課題】光干渉信号出力をセンサ信号とするセンサでは、光干渉信号方式として、ホモダイン干渉方式があり、構成は簡単であるが、その干渉信号出力が、直流信号出力となるため、その源信号の干渉させるべき光信号のレベル変動及び、干渉出力信号の伝送経路における損失変動などの変動分が出力誤差として加わり、長期、安定度を要するセンサ方式としては問題があった。
【解決手段】ホモダイン干渉信号方式では、センサ部分における干渉入力となる、参照光と位相変動を受けた被参照光を干渉させて、干渉光出力を得て、従来はセンサ出力としたが、参照光、被参照光及び干渉光の３つのレベルの間には、参照光と被参照光との位相差の関数となる関係があり、本発明では、参照光、被参照光及び干渉光レベルの３つのレベルを検出し、前記関数の演算処理により、センサ出力を得ることで、従来問題となっていた光入出力のレベル変動、損失変動などの変動誤差を排除したホモダイン干渉方式による光ファイバセンサを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバが外圧により、そこを通過する光信号の位相に変化を及ぼす特性を利用した光ファイバセンサに関する。

光ファイバセンサは、電磁的影響を受けないことから、従来の電気信号センサに比べて、センサ信号を安定に長距離伝送することができる。

光センサに利用される光干渉方式としては、同じ周波数の光を干渉させるホモダイン方式と異なる周波数の光を干渉させるヘテロダイン方式がある。

干渉方式の構成では、ヘテロダイン方式に比べて、ホモダイン方式の方が簡単である。

ホモダイン方式は構成が簡単であることを特長とするが、従来のセンサ信号検出方式では、そのセンサ信号が干渉出力以外の光強度変動を受け易い欠点があった。

ホモダイン干渉方式では、１つの光を光分波器により、２つに分波して、その一方にセンサとして、取り込むべき外圧を与えて、光位相を変化させ、２つの分波を光合波器で干渉させ、その出力をセンサ信号とするため、センサ信号は光の強度信号となり、光センサ信号は、光入力強度変動、光分波器、光合波器における損失変動、光干渉信号出力の伝送路損失変動などが加わった光強度信号となるため、これらの変動分がセンサ信号の誤差分として受信したセンサ信号に含まれることにより、センサ精度を劣化させる要因となっていた。

ホモダイン干渉方式は、基準光位相信号を構成する参照光（ｒ）及び、センサ入力となる外圧により、位相変化を受けた被参照光（ｓ）との干渉出力（ｉ）をセンサ信号とするが、干渉を起こす光合波器出力側から、参照光（ｒ）、被参照光（ｓ）、干渉出力（ｉ）の関係を各電気信号レベルｒ，ｓ，ｉとして求めると、ｒ＋ｓｃｏｓθ＝ｉ・・・・（１）となる。
（ここでθは参照光と被参照光との位相差である。）
従来のセンサ信号出力は干渉出力（ｉ）であるが、これに変えて、ｃｏｓθをセンサ信号出力とすると、その関係は
（ｉ−ｒ）／ｓ＝ｃｏｓθ・・・・（２）となる。

本発明では、干渉出力（ｉ）の他に参照光（ｒ）及び被参照光（ｓ）を求めて、これらの値からｃｏｓθを演算して、センサ信号とすることにより、精度劣化の要因となっていた変動誤差分を排除する。

本発明の計測用光信号発生部では、パルス幅ｔの光パルスを、光分波器で２波に分波し、一方を光合波器に入力、他方をｔ時間遅らせて、前記光合波器に入力させることにより、２波を合波、光多重してパルス幅２ｔの計測用光パルスを発生させる。

本発明のセンサ部では、前記計測用光パルスを光分波器で２波に分波し、一方を参照光パルスとして光合波器に入力、他方をセンサ入力となる外圧により、位相変化を受ける被参照光パルスとし、ｔ時間遅らせて、前記光合波器に入力させることにより、前記参照光パルスの後半のｔと前記被参照光パルスの前半ｔとの重なる部分が、ホモダイン干渉する。

前記光合波器の出力は、前記参照光パルスの前半部分ｔと、前記参照光パルスの後半ｔと被参照光パルスの前半ｔの重なった出力、すなわちホモダイン干渉出力部分ｔ及び前記被参照光パルスの後半部分ｔからなり、参照光部分ｔ、干渉出力部分ｔおよび被参照光部分ｔの３ｔ幅の時分割多重パルスとして、同一の光ファイバルートで信号処理部に送られる。

本発明の信号処理部では、前記時分割多重パルスを電気信号パルスに変換し、参照光部分の電気信号レベルｒ、干渉出力部分の電気信号レベルｉ、被参照光部分の電気信号レベルｓを得て、ｒ，ｉ、ｓの演算によりｃｏｓθを求めセンサ出力とする。

本発明では、ｃｏｓθを電気信号ｉ、ｒ、ｓの３値の除算で求める。この３値はセンサ部の光合波器出力が、同一の光ファイバルートを経て、信号処理部で電気信号に変換された値であり、前記時分割多重パルスのパルス幅３ｔが、経路の損失変動の時間に比して十分小さければ経路では、ｉ、ｒ、ｓは同率の損失変動を受けると見なせることにより、（ｉ−ｒ）／ｓの除算をすることによって、経路の損失変動の影響を除外できる。

本発明では、参照光部分の電気信号レベルｒ、被参照光部分の電気信号レベルｓは、前記計測用光パルスの出力変動及び、前記光分波器、光合波器の損失変動、分波、合波の比率変動などを経た後のｒ、ｓのレベルであるため、変動分も演算に含まれ誤差とならない。

本発明により、ｒ，ｉ、ｓからｃｏｓθを求めることで、ホモダイン干渉方式の欠点である計測用光パルスの出力変動、光分、合波器の損失、比率変動及び伝送路の損失変動などの影響にともなう誤差分を改善することができる。

本発明によれば、計測用光パルスは、光パルスｔを光多重して２ｔ幅となり、前半のｔと後半のｔとの干渉出力を得る構成となるため、計測用信号発生部において、前半のパルスｔと後半のパルスｔとの光位相を変化させることにより、センサ部における、参照波と被参照波との相対光位相関係を制御することができる。

は本発明の光ファイバセンサのブロック図Ｎ１は光信号発生部のブロックＮ２はセンサ部のブロックＮ３は信号処理部のブロックは本発明の光ファイバセンサの動作タイムチャート

「図１」に本発明の光ファイバセンサのブロック図を示す。
「図２」に本発明の光ファイバセンサの動作タイムチャートを示す。

Ｎ１は本発明の計測用信号発生部を示す。

Ａパルス信号発生器においてパルス幅ｔの電気信号パルスａを発生、Ｂ電気ー光変換器で光パルス信号ｂに変換され、Ｃ１光分波器でｃ１、ｃ１に分波される。
ｃ１はＦ１光合波器に入力し、ｃ１はＧ位相信号発生器からの位相駆動信号ｇ１によりＥ１移相器で位相変化を受けｅ１として、遅延時間ｔのＤ１遅延ファイバを経て、ｄ１としてＦ１光合波器に入る。Ｆ１光合波器出力ｆ１、ｆ１はｃ１、ｄ１が連なる２ｔの計測用光パルスとして、Ｎ２センサ部及びＮ３信号処理部に送られる。

Ｎ２は本発明のセンサ部を示す。

計測用信号発生部からの計測用光パルスｆ１はＣ３光分波器において、ｃ３、ｃ３に分波され、ｃ３は参照光としてＦ３光合波器に入力する。ｃ３はＥ２移相器において、センサ入力となる外圧ｇ２によって、光位相の変化を受けｅ２として、遅延時間ｔのＤ３遅延ファイバを経て、被参照光ｄ３となってＦ３光合波器に入る。Ｆ３光合波器出力ｆ３は、ｃ３の参照光パルス２ｔの後半ｔとｄ３の被参照光パルス２ｔの前半ｔが重なる部分ｔがホモダイン干渉出力となる。

Ｆ３光合波器出力ｆ３は参照光部分ｔ、干渉出力部分ｔ及び被参照光部分ｔからなる３ｔ幅の光多重パルスとして、同一の光ファイバルートを経てＮ３信号処理部へ送られる。

Ｎ３は本発明の信号処理部を示す。

Ｎ１計測用信号発生部における、Ｅ１移相器において受けた位相変動分を検出するために、
Ｎ１計測用信号発生部からの計測用光パルスｆ１はＣ２光分波器において、ｃ２、ｃ２に分波され、ｃ２は被参照光としてＦ２光合波器に入力する。ｃ２は遅延時間ｔのＤ２遅延ファイバを経て参照光ｄ２としてＦ２光合波器に入る。Ｆ２光合波器出力ｆ２はｃ２被参照光パルス２ｔの後半ｔとｄ２参照光パルス２ｔの前半ｔが重なる部分ｔがホモダイン干渉出力となる。

Ｆ２光合波器出力ｆ２は、被参照光部分ｔ、干渉出力部分ｔ及び参照光部分ｔからなる３ｔ幅の光多重パルスとして、Ｈ１光ー電気変換器入る。

Ｈ１光ー電気変換器では、光多重パルスｆ２が電気信号ｈ１に変換され、Ｊ１、Ｊ２、Ｊ３のサンプル・ホールド回路において、参照光部分、干渉出力部分、被参照光部分の電気信号レベルがサンプル・ホールドされて、参照光の電気レベル、干渉出力の電気レベル、被参照光の電気レベル、ｊ１、ｊ２、ｊ３としてＫ１演算回路に入る。

演算回路Ｋ１では、ｊ１、ｊ２、ｊ３を入力として、演算により干渉出力の位相差ｋ１を求める。
位相差ｋ１の変動分はＮ１計測用信号発生部のＥ１移相器において加えられた位相変動分を示す。

Ｈ２光ー電気変換器では、光多重パルスｆ３が電気信号ｈ２に変換され、Ｊ４、Ｊ５、Ｊ６のサンプル・ホールド回路において、参照光部分、干渉出力部分、被参照光部分の電気信号レベルがサンプル・ホールドされて、参照光の電気レベル、干渉出力の電気レベル、被参照光の電気レベル、ｊ４、ｊ５、ｊ６として演算回路Ｋ２に入る。

演算回路Ｋ２では、ｊ４、ｊ５、ｊ６を入力として、演算により干渉出力の位相差ｋ２を求める。
位相差ｋ２の変動分はＮ１計測用信号発生部のＥ１移相器において加えられた位相変動分及び、Ｎ２センサ部のＥ２移相器で加えられたセンサ入力に基づく位相変動分である。

Ｍ出力演算回路では、位相差データｋ１及びｋ２を入力とする演算により、Ｎ２センサ部のＥ２移相器で加えられたセンサ入力に基づく位相変動分を算出し、センサ出力ｍ１として出力する。

本実施例のセンサ部における干渉計の構成は、マッハ・ツェンダー方式で説明したが、マイケルソン方式の干渉計で構成しても、同様の動作が可能である。

本発明は、海底地震観測など、離れた場所、電源供給ができない場所、電磁雑音の影響を受け易い場所、温度環境が厳しい場所などに設置するセンサシステムに適する。

Ａ：パルス信号発生器
Ｂ：電気ー光変換器
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３：光分波器
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３：遅延ファイバ
Ｅ１，Ｅ２：移相器
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３：光合波器
Ｇ：位相信号発生器
Ｈ１，Ｈ２：光ー電気変換器
Ｊ１，Ｊ２，Ｊ３，Ｊ４，Ｊ５，Ｊ６：サンプル・ホールド回路
Ｋ１，Ｋ２：演算回路
Ｍ：出力演算回路

Claims

光パルス幅ｔの光パルスを光分波器により２波に分波し、一方の分波に、光位相を変化させ、かつその光パルスをｔ時間遅延させる手段を備え、他方の分波との２波を光合波器で合波することにより、前方の光パルスと、後方に光位相を変化させたｔ時間遅れの光パルスとを光多重することにより、光パルス幅２ｔの多重光パルスを計測用光パルスとして、センサ部及び信号処理部に出力する計測用光信号発生部を備えることを特徴とする光ファイバセンサ。
「請求項１」で出力された計測用光パルスを、光分波器により、２波に分波し、一方の分波をｔ時間遅延させ、他方の分波とを光合波器により合波することにより、パルス幅３ｔの光多重信号とし、前方ｔを参照光部分、中間ｔをホモダイン干渉光部分、後方ｔを被参照光部分とする光信号を出力する、信号処理部を備えることを特徴とする光ファイバセンサ。
「請求項２」の光信号を光ー電気変換し、電気信号に変換された参照光部分、ホモダイン干渉光部分、被参照光部分の電気信号レベルをデジタル変換し、演算処理により、「請求項１」で加えられた光位相変動量を、「請求項２」のホモダイン干渉光における位相差の関数として出力する、信号処理部を備えることを特徴とする光ファイバセンサ。
「請求項１」の計測用光パルスを光分波器により、２波に分波し、一方の分波は、外圧により、光位相に変化を与える手段を備え、その出力をｔ時間遅延させて、他方の分波とを光合波器により合波して、パルス幅３ｔの光多重信号とし、前方ｔを参照光部分、中間ｔをホモダイン干渉光部分、後方ｔを被参照光部分とする光信号を出力する、センサ部を備えることを特徴とする光ファイバセンサ。
「請求項４」の光信号を光ー電気変換し、電気信号に変換された参照光部分、ホモダイン干渉光部分、被参照光部分の電気信号レベルをデジタル変換し、演算処理により、「請求項４」で加えられた外圧による光位相変動量と、「請求項１」で加えられた光位相変動量との合算光位相変動量を、「請求項４」のホモダイン干渉光における位相差の関数として出力する、信号処理部を備えることを特徴とする光ファイバセンサ。
「請求項５」で求めた位相差の関数と「請求項３」で求めた位相差の関数の演算処理により、「請求項５」で求めた位相差から「請求項３」で求めた位相差を差し引くことにより、「請求項４」におけるセンサ部の位相変動量を求め、センサ出力とする、信号処理部を備えることを特徴とする光ファイバセンサ。
「請求項１」で加える光位相変動により、「請求項４」における干渉する２波間の相対的位相を変化させ、干渉光の位相動作点を制御することを特徴とする光ファイバセンサ。
「請求項１」で加える位相変動成分を、「請求項６」において検出、監視することにより、「請求項４」のセンサ部の動作監視をすることを特徴とする光ファイバセンサ。