JP2012159391A - 光電圧センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 空間に配置する光学部品の点数を減らし、空間の伝播距離をより短くすることで結合効率の高い光電圧センサを提供することを目的とする。
【解決手段】 送光側シングルモードファイバと、送光コリメータと、偏光子と、λ／４素子と、ポッケルス素子と、検光子と、受光コリメータと、受光側シングルモードファイバとを具備する光電圧センサにおいて、前記受光コリメータに内蔵する光ファイバは偏波面保存ファイバであり、前記検光子はファイバ偏光子であり、このファイバ偏光子の一端の光学軸は、前記偏波面保持ファイバの光学軸と一致させて融着接続され、前記光ファイバ偏光子の他端の光学軸は、前記受光側シングルモードファイバに融着接続されていることを特徴としている。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は光電圧センサに関する。

アナログ信号によるセンシングでは、一般にマルチモードファイバが信号伝送に使用されている。この場合、信号の伝送距離が比較的に短いので、光学損失よりもアライメントの容易さが重視され、シングルモードファイバよりマルチモードファイバが採用されている。

一方、最近では、センサで得られた光信号を長距離伝送させ、センサの近くには電源や信号処理回路を設置しないニーズが高まっている。この場合、伝送距離が長くなると光ファイバを敷設するコストが高くなるので、既に敷設された光ファイバ、特に通信用に敷設されているシングルモードファイバを利用することが要求される。したがって、センサ自体もシングルモードファイバや偏波面保持ファイバを用いて構成する必要がある（例えば、参照文献１参照）。

しかしながら、シングルモードファイバを構成要素とするセンサは、シングルモードファイバから空間に出射した光は、いくつかの光学部品を経由して、測定による情報を重畳させた後、空間から再びシングルモードファイバに入射するが、この際、空間の伝播距離が長くなることによるビーム径の広がりによって、受光時の結合が低下し、十分なＳ／Ｎが得られないという問題があった。

特開平６−８２４８９２号公報

本発明が解決しようとする課題は、空間に配置する光学部品の点数を減らし、空間の伝播距離をより短くすることで結合効率の高い光電圧センサを提供し、既設のシングルモードファイバを有効に活用できる光電圧センサを提供することである。

上記課題を達成するために、実施形態の光電圧センサは、光源より伝搬してきた光をセンサに導く送光側シングルモードファイバと、この送光側シングルモードファイバを伝搬した光を平行な光として空間に出射する送光コリメータと、この送光コリメータから出た光を直線偏光に変換する偏光子と、この偏光子から出射した光を円偏光に変換するλ／４素子と、このλ／４素子から出射した光に印加電圧に応じたポッケルス効果により変調を与えるポッケルス素子と、このポッケルス素子から出射した光を内蔵された光ファイバに結合する受光コリメータと、この受光コリメータから出た光の一成分を取り出す光ファイバ偏光子と、この光ファイバ偏光子で受けた光を光電変換素子を含む受信器に接続された光ファイバに導く受光側シングルモードファイバと、を具備し、前記光ファイバ偏光子の一端の光学軸は、前記受光コリメータに内蔵された光ファイバの光学軸と一致させて融着接続され、前記光ファイバ偏光子の他端の光学軸は、前記受光側シングルモードファイバに融着接続されていることを特徴としている。

第１の実施形態による光電圧センサの構成を示す概略図。 第１の実施形態による光電圧センサ内部の構成を示す概略図。 偏波面保存ファイバの融着の角度を示す概略図。 第２の実施形態による光電圧センサ内部の構成を示す概略図。 第２の実施形態による光電圧センサ内部の構成を示す概略図。 偏波面保存ファイバの融着の角度を示す概略図。 第３の実施形態による光電圧センサ内部の構成を示す概略図。 第４の実施形態による光電圧センサ内部の構成を示す概略図。

以下、発明を実施するための実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
第１の実施形態の光電圧センサを図１、図２および図３を参照して説明する。

図１に示すように、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いた光源１より出射した光は、送光側シングルモードファイバ２ａ、既設の光ファイバケーブル３内の送光側シングルモードファイバ３ａ、送光側シングルモードファイバ４ａを経由して、センサ５に入射する。被測定電圧による変調を受けた光は、受光側シングルモードファイバ４ｂ、既設の光ファイバーケーブル３内の受光側シングルモードファイバ３ｂ、受光側シングルモードファイバ２ｂを介して、光電変換素子６に入射し、所定の信号処理を行い出力を得る。なお、上記ファイバ間（図１の×印部）は、融着により接続される。

図２を用いてセンサ５内部の構造を説明する。なお、図中の矢印は、偏波面の振動方向を示す。センサ５では、送光側シングルモードファイバ４ａは、送光コリメータ７に内蔵された光ファイバ７ａに融着接続される。送光コリメータ７を出射した空間伝播光は偏光子８を通過し直線偏光となり、λ／４素子９を通過し円偏光となり、被測定電圧が印加されたポッケルス素子１０に入射する。ポッケルス素子１０で被測定電圧により変調を受けた光は受光コリメータ１１に入射し、受光コリメータ１１に内蔵された偏波面保持ファイバ１１ａに結合される。さらに、偏波面保存ファイバ１１ａの端部は、偏波面保存ファイバで構成された光ファイバ偏光子１２の一端の偏波面保存ファイバ１２ａに融着接続され、他端の偏波面保存ファイバ１２ｂは、受光側シングルモードファイバ４ｂに融着接続され、信号が重畳した光はセンサ５を出射する。

上記のように構成された光電圧センサは次のように作用する。本実施形態によれば、検光子として光ファイバ偏光子１２を使用するので、検光子を伝播空間に配設する必要がない。したがって、空間伝播距離を減らすことができるので、ビームの広がりを極小とし、受光コリメータのアライメントがより容易になり、光学的結合を改善することができる。

また、受光コリメータ１１に内蔵された光ファイバ１１ａとして偏波面保存ファイバを用いるため、入射した光の伝播が光学軸上に制限されるのでモードのカップリングがなく、精度の高い測定が可能となる。

さらに、光源１にスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を使用するので、可干渉距離が短く、レーザダイオード（ＬＤ）を光源とした場合の干渉が生じないため、より精度の高い測定が可能となる。

さらにまた、受光コリメータ１１に内蔵される偏波面保存ファイバ１１ａと光ファイバ偏光子の一端の偏波面保存ファイバ１２ａを同一種のファイバとすることで、融着点における光学損失を減らすことができる。

ところで、ポッケルス素子１０としてＢＧＯ結晶（Ｂｉ_１２ＧｅＯ_２０）やＢＳＯ結晶（Ｂｉ_１２ＳｉＯ_２０）などを用いることで、旋光性と電気光学効果（ポッケルス効果）のそれぞれが温度特性を有する場合は、ファイバ偏光子１２の光学軸を所定の角度で回転させることで温度特性を平坦にすることが知られている。偏波面保存ファイバ１１ａと１２ａを融着するとき、例えば図３に示すように軸方向の回転により所定の角度まで回転させ融着接続させることで、温度の影響を受けない高精度な光電圧センサを供給することができる。したがって、温度の影響を受けない高精度な光電圧センサを供給することができる。よって、Ｓ／Ｎを確保した高精度でかつ既設のシングルモードファイバの使用が可能な光電圧センサを供給することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態について図４、図５および図６を用いて説明する。第１の実施形態と同一部分には同一符号を付している。

図４に示すように、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いた光源１より出射した光は、送光側シングルモードファイバ２ａ、既設の光ファイバーケーブル３内の送光側シングルモードファイバ３ａ、送光側シングルモードファイバ４ａを経由して、センサ５に入射する。被測定電圧による変調を受けた光は、センサ５の内部で２分割された後、受光側シングルモードファイバ４１ｂ、４２ｂ、既設の光ファイバーケーブル３内の受光側シングルモードファイバ３１ｂ、３２ｂ、受光側シングルモードファイバ２１ｂ、２２ｂを経由して光電変換素子６１、６２に入射し、所定の信号処理を行い出力が得られる。

図５を用いてセンサ５内部の構造を説明する。センサ５では、送光側シングルモードファイバ４ａは、送光コリメータ７に内蔵された光ファイバ７ａに融着接続される。送光コリメータ７を出射した空間伝播光は偏光子８を通過し直線偏光となり、λ／４素子９を通過し円偏光となり、被測定電圧が印加されたポッケルス素子１０に入射する。ポッケルス素子１０で被測定電圧により変調を受けた光は受光コリメータ１１に入射し、受光コリメータ１１に内蔵された偏波面保持ファイバ１１ａに結合される。さらに、偏波面保存ファイバ１１ａの端部は、偏波面保存ファイバで構成された光カプラ２０の一端の偏波面保存ファイバ２０ａの光学軸と一致させ融着接続される。更に光カプラ２０の他端の偏波面保存ファイバ２０１、２０２は、検光子として使用される光ファイバ偏光子１２１、１２２の一端に光学軸をあわせて融着される。この際、光ファイバ偏光子１２１が偏波面保存ファイバ２０１の２本の光学軸のうちの進相軸の光を取り出すときは、光ファイバ偏光子１２２は、偏波面保存ファイバの２０２の２本の光学軸のうちの遅相軸の光を取り出すように融着接続される。

検光子である光ファイバ偏光子１２１、１２２の他端の偏波面保存ファイバ１２１ｂ、１２２ｂは受光側シングルモードファイバ４１ｂ、４２ｂに融着接続され、信号が重畳した光はセンサ５を出射する。

上記のように構成された光電圧センサは次のように作用する。本実施形態によれば、ビームスプリッタとして偏波面保存ファイバを具備する光カプラ２０を使用することで、空間伝播距離を減らすことができるので、ビームの広がりを極小とし、受光コリメータのアライメントがより容易になり、光学的結合を改善することができる。また、空間で光を２分割する場合は、受光コリメータが２つ必要となるが、本実施形態では一つで済み、光学的結合を改善し製造コストも抑えることができる。

なお、光ファイバケーブル３が受ける振動に対して、光電変換器６１、６２で受光した光の出力は、次式（１）、（２）のように表すことができる。

光電変換器６１側 Ａ×（１＋ｍ＋ｖａ） ・・・（１）
光電変換器６１側 Ｂ×（１−ｍ＋ｖｂ） ・・・（２）
Ａ，Ｂは、各々の直流分の強度
ｍは、印加電圧に応じた変調度
ｖａ，ｖｂは、光ファイバケーブル３が受ける振動による光量変動に伴う出力変化
このとき、Ａ＝Ｂとなるように光電変換素子６１、６２以降の電子回路で出力を調整し、（１）と（２）の差分をとると、
（１）−（２）＝Ａ×（１＋ｍ＋ｖａ）−Ａ×（１−ｍ＋ｖｂ）
＝２×Ａ×ｍ＋Ａ×（ｖａ−ｖｂ） ・・・（３）
２本の受光側ファイバが同一ケーブル内にある場合は、同様に振動を受けるのでｖａ−ｖｂとおける。

したがって、式（３）は
（３）＝２×Ａ×ｍ ・・・（４）
となり、振動の影響を相殺することができる。

受光コリメータ１１に内蔵された光ファイバ１１ａとして偏波面保存ファイバを用いるため、入射した光の伝播が光学軸上に制限されるのでモードのカップリングがなく、精度の高い測定が可能となる。

また、光源１にスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を使用するので、可干渉距離が短く、レーザダイオード（ＬＤ）を光源とした場合の干渉が生じないため、より精度の高い測定が可能となる。

さらに、受光コリメータ１１に内蔵される偏波面保存ファイバ１１ａと光カプラ２０に使用する偏波面保存ファイバ２０ａと、光ファイバ偏光子１２１、１２２の偏波面保存ファイバ１１２ａ、１２２ａを同一種のファイバとすることで、融着点における光学損失を減らすことができる。

ところで、ポッケルス素子１０としてＢＧＯ結晶やＢＳＯ結晶など旋光性と電気光学効果（ポッケルス効果）のそれぞれが温度特性を有する場合など、光ファイバ偏光子１２１、１２２の光学軸を所定の角度で回転させることで温度特性を平坦にすることが知られている。偏波面保存ファイバ２０１、２０２を１２１ａと１２２ａと融着するとき、例えば図６に示すように軸方向の回転により所定の角度まで回転させ融着接続させることで、温度の影響を受けない高精度な光電圧センサを供給することができる。したがって、温度の影響を受けない高精度な光電圧センサを供給することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態について図７を用いて説明する。第１、第２の実施形態と同一部分には同一符号を付している。

受光コリメータ１１には、偏波面分離光カプラ２１が融着接続されている。偏波面分離光カプラ２１の偏波面保存ファイバ２１ａに入射した光は、分離された際、偏波面保存ファイバ２１１に進相軸の成分が伝播する場合に、偏波面保存ファイバ２１２に遅相軸の成分が伝播する。

本実施形態の光電圧センサでは、図５における光ファイバ偏光子１２１、１２２の機能も偏波面分離光カプラ２１が有するので、光ファイバ偏光子１２１、１２２を省略することができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態について図８を用いて説明する。第１、第２の実施形態と同一部分には同一符号を付している。

本実施形態の光電圧センサでは、送光コリメータ７よりも光源側に光ファイバ偏光子８１を配置した。光ファイバ偏光子８１の一端の偏波面保存ファイバ８１ａは送光側シングルモードファイバ４ａと融着接続され、他端の偏波面保存ファイバ８１ｂはコリメータ７に内蔵される偏波面保存ファイバ７ａに光学軸を合わせて融着接続される。もしくは、偏波面保存ファイバ８１ｂをコリメータ７に内蔵される偏波面保存ファイバ７ａとして使用してもよい。コリメータ７より直線偏光として出射した空間伝播光は、λ／４板９を経由して円偏光となり、ポッケルス素子１０に入射する。

本実施形態によれば、偏光子として光ファイバ偏光子８１を使用するので、空間に偏光子を配設する必要がない。したがって偏光子によるビームの曲がりがなくなり、かつ、空間伝播距離を減らすことができるので、λ／４素子９、ポッケルス素子１０および受光コリメータ１１のアライメントがより容易になり、光学的結合を改善することができる。

なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の意図を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ 光源
２ａ，３ａ，４ａ 送光側シングルモードファイバ
２ｂ，３ｂ，４ｂ，２１ｂ，２２ｂ，３１ｂ，３２ｂ，４１ｂ，４２ｂ 受光側シングルモードファイバ
３ 既設の光ファイバケーブル
５ センサ
６，６１，６２ 光電変換素子
７ 送光コリメータ
７ａ 送光コリメータに内蔵された光ファイバ
８ 偏光子
９ λ／４素子
１０ ポッケルス素子
１１ 受光コリメータ
１１ａ 受光コリメータに内蔵された光ファイバ
１２，８１，１２１，１２２ 光ファイバ偏光子
１２ａ，８１ａ，１２１ａ，１２２ａ 光ファイバ偏光子の一端の偏波面保持ファイバ
１２ｂ，８１ｂ，１２１ｂ，１２２ｂ 光ファイバ偏光子の他端の偏波面保持ファイバ
２０ 光カプラ
２１ 偏波面分離カプラ
２０ａ 光カプラの一端の偏波面保持ファイバ
２０ｂ 光カプラの他端の偏波面保持ファイバ
２０１，２０２，２１１，２１２ 偏波面保存ファイバ

Claims (5)

1. 光源より伝搬してきた光をセンサに導く送光側シングルモードファイバと、
   この送光側シングルモードファイバを伝搬した光を平行な光として空間に出射する送光コリメータと、
   この送光コリメータから出た光を直線偏光に変換する偏光子と、
   この偏光子から出射した光を円偏光に変換するλ／４素子と、
   このλ／４素子から出射した光に印加電圧に応じたポッケルス効果により変調を与えるポッケルス素子と、
   このポッケルス素子から出射した光を内蔵された光ファイバに結合する受光コリメータと、
   この受光コリメータから出た光の一成分を取り出す光ファイバ偏光子と、
   この光ファイバ偏光子で受けた光を光電変換素子を含む受信器に接続された光ファイバに導く受光側シングルモードファイバと、
   を具備し、
   前記光ファイバ偏光子の一端の光学軸は、前記受光コリメータに内蔵された光ファイバの光学軸と一致させて融着接続され、
   前記光ファイバ偏光子の他端の光学軸は、前記受光側シングルモードファイバに融着接続されていること
   を特徴とする光電圧センサ。
2. 前記受光コリメータに内蔵された光ファイバおよび前記光ファイバ偏光子は、
   偏波面保存ファイバであること
   を特徴とする請求項１に記載の光電圧センサ。
3. 前記光源は、
   スーパールミネッセントダイオードであること
   を特徴とする請求項１または２に記載の光電圧センサ。
4. 前記受光コリメータに内蔵された光ファイバおよび前記光ファイバ偏光子は、
   ポッケルス素子の温度特性を補正する所定の角度で融着接続されたこと
   を特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光電圧センサ。
5. 光源より伝搬してきた光をセンサに導く送光側シングルモードファイバと、
   この送光側シングルモードファイバを伝搬した光を平行な光として空間に出射する送光コリメータと、
   この送光コリメータから出た光を直線偏光に変換する偏光子と、
   この偏光子から出射した光を円偏光に変換するλ／４素子と、
   このλ／４素子から出射した光に印加電圧に応じたポッケルス効果により変調を与えるポッケルス素子と、
   このポッケルス素子から出た光を内蔵する光ファイバに結合する受光コリメータと、
   この受光コリメータで受けた光を２つに分離する光カプラと、
   分離した各々の光の一つを取り出す２組の光ファイバ偏光子と、
   この光ファイバ偏光子を通過した光を光電変換素子を含む受信器に接続された光ファイバに導く２組の受光側シングルモードファイバと、
   を具備し、
   前記受光コリメータに内蔵する光ファイバ、前記光カプラおよび前記光ファイバ偏光子は、いずれも偏波面保存ファイバであり、各々の端部は光学軸を一致させて融着接続されていることを特徴とする光電圧センサ。

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