JP2016142744A - 温度補償素子及び光センサシステム - Google Patents
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Abstract
Description
(第1実施形態)
第1実施形態に係る温度補償素子について説明する。図1は、第1実施形態に係る温度補償素子の光伝播方向の断面図である。図1が示すように、温度補償素子1は、偏波面保持ファイバ2、偏波面保持ファイバ2を被覆する保護層3、及び、偏波面保持ファイバ2に応力を印加する応力付与層4などを有する。
図2は、図1の線A−Aに沿った偏波面保持ファイバ2の2つの例の断面図を示す。
図2に示すように、偏波面保持ファイバ2は、中心にコア11、コア11に隣接する偏波面保持部12a並びにb、及び、コア11及び偏波面保持部12a並びにbの周囲を覆っているクラッド13などを有する。また、前述の通り、偏波面保持ファイバ2は、保護層3に被覆されている。
また、偏波面保持ファイバ2の構造は、偏波面保持ファイバ2の任意の部分において同様の構造である。
なお、偏波面保持ファイバ2の構成は、特定の構成に限定されるものではない。
応力付与層4は、偏波面保持ファイバ2の一部に応力を印加する機能を有する。応力付与層4は、応力付与層4自身の温度変化に応じて膨張又は収縮し偏波面保持ファイバ2に応力を印加する。即ち、応力付与層4は、温度に応じた応力を偏波面保持ファイバ2に印加する。応力付与層4が偏波面保持ファイバ2に応力を印加すると、偏波面保持ファイバ2内に設置されているコア11に応力が印加される。コア11に応力が印加されると、コア11が歪み、コア11の消光比又はクロストークなどの光学的特性が変化する。コア11の光学的特性が変化することによって、コア11を通過する伝播光の位相が変化する。
図3に示すように、応力付与層4を構成する金属薄膜層5は、偏波面保持ファイバ2を被覆している。
応力付与層4は、偏波面保持ファイバ2に印加する応力が偏波面保持ファイバ2の外周に均一に生じないように(非等方的に生じるように)構成されている。偏波面保持ファイバ2に印加する応力が外周に非等方的に生じることによって、より効果的にコア11が不均一に歪み、コア11の屈折率及び消光比又はクロストークなどの光学的特性の変化が顕著になる。
偏波面保持ファイバ2は、上記の2つの複屈折軸の光伝播定数の差によって偏波面を保持している。また、複屈折軸の光伝播定数は、偏波面保持ファイバ2の複屈折軸に沿った方向に応力を印加することによって顕著に変化する。したがって、両複屈折軸の光伝播定数の差は、複屈折軸の一方に沿った方向に応力を印加することにより効果的に変化する。その結果、偏波面保持ファイバ2の消光比又はクロストークなどの光学的特性は、応力に対してより顕著に変化する。偏波面保持ファイバ2の光学的特性の温度変化をより顕著に変化させる必要がある場合には、応力付与層4は、偏波面保持ファイバ2に印加される応力の方向が1つの複屈折軸と平行となるように形成される。
金属薄膜層5は、電解メッキ又は金属蒸着によって形成される。たとえば、偏波面保持ファイバ2の応力付与層4を形成する区間の保護層3が除去される。当該区間以外の部分は、マスキングを施される。この状態で、偏波面保持ファイバ2の応力付与層4を形成する区間に電解メッキ又は金属蒸着を施こすことによって、金属薄膜層5は、形成される。また、金属薄膜層5の断面を非円形になるように金属薄膜層5を形成するため、又は、偏波面保持ファイバ2が金属薄膜層5の中心部からずれるように金属薄膜層を形成するために、電解メッキ若しくは金属蒸着において電界の方向や強度の調整、メッキ時間又は蒸着時間の調整、又は、偏波面保持ファイバ2の電界方向若しくは金属蒸着が進む方向に対する軸回転などの処理工程が単体又は組み合わせて行われる。さらに同様な工程によって、金属薄膜層5の厚さも調整される。
なお、金属薄膜層5の形成方法は、金属薄膜層5を所定の形状に加工できる方法であればよく、特定の形成方法に限定されるものではない。
(第2実施形態)
第2実施形態に係る温度補償素子1について説明する。図4は、第2実施形態に係る温度補償素子の光伝播方向の断面図である。
第2実施形態では、応力付与層4が、金属薄膜層5に加えて、フェルール6及び蝋材7から構成されている点で第1実施形態と異なる。したがって、これ以外の点については、第1実施形態と同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
図5に示すように、応力付与層4は、金属薄膜層5、金属薄膜層5の外周を被覆しているフェルール6、及び金属薄膜層5とフェルール6とを接着している蝋材7などを有する。
したがって、応力付与層4は、光学的特性が大きく変化する縦荷重応力を抑制することができる。その結果、応力付与層4は、より微細に光学的特性の変化を制御することができる。
(第3実施形態)
第3実施形態について説明する。図6は、第3実施形態に係る温度補償素子の光伝播方向に対して垂直方向の断面図である。即ち、図6は、図2の線A−Aに相当する線に沿った温度補償素子の断面図である。
なお、スプリング24b、調整ボルト25b及びワッシャ27b並びに28bも同様の構成となっている。
スプリング24aは、調整ボルト25aによって収縮されている。したがって、調整ボルト25aを絞める又は緩めることによって、スプリング24aの反発力が調整される。たとえば、調整ボルト25aが締まると、スプリング24aが収縮され、スプリング24aの反発力が強まる。逆に、調整ボルト25aが緩むと、スプリング24aが伸び、スプリング24aの反発力が弱まる。同様に、調整ボルト25bを絞める又は緩めることによって、スプリング24bの反発力が調整される。よって、調整ボルト25aを調節しスプリング24aの反発力を調整すること、及び調整ボルト25bを調節しスプリング24bの反発力を調整することで、偏波面保持ファイバ2に印加される応力は調整される。
また、平面プレート21並びに22、スペーサ23a及び偏波面保持ファイバ2で形成される空間と、平面プレート21並びに22、スペーサ23b及び偏波面保持ファイバ2で形成される空間とは、シリコンゴムなどの充填剤で満たされていてもよい。
(第4実施形態)
第4実施形態について説明する。図7(A)は、第4実施形態に係る温度補償素子の光伝播方向に対して垂直方向の断面図である。
第4実施形態では、第3実施形態に係る平面プレート22が、V字の溝を有するV溝プレート31に置き換わっている点で第3実施形態と異なる。したがって、これ以外の点については、第3実施形態と同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。
また、本実施形態に係る温度補償素子1は、保護層3によって被覆された偏波面保持ファイバ2に応力を印加してもよい。この場合、偏波面保持ファイバ2に印加される応力は、保護層3を介在して偏波面保持ファイバ2に印加される。
また、本実施形態に係る温度補償素子1が備える調整ボルト及びスプリングの数は、特定の個数に限定されるものではない。
また、平面プレート21、V溝プレート31、スペーサ23a及び偏波面保持ファイバ2で形成される空間と、平面プレート21、V溝プレート31、スペーサ23b及び偏波面保持ファイバ2で形成される空間とは、シリコンゴムなどの充填剤で満たされていてもよい。
(第5実施形態)
第5実施形態について説明する。第5実施形態では、温度補償素子1は、第1実施形態から第4実施形態に記載の温度補償素子を複数個直列に連結したものである。図8は、本実施形態に係る温度補償素子1の例を概略的に示す図である。図8に示すように、温度補償素子1は、温度補償素子1a、1b及び1cなどを有している。
(第6実施形態)
次に、第6実施形態について説明する。図9は、第6実施形態に係るサニャック干渉型光センサシステム(光センサシステム)の構成例を概略的に示す図である。第6実施形態に係るサニャック干渉型光センサは、第1実施形態から第5実施形態に係る温度補償素子のいずれかを備える。
図9に示すように、信号処理部40は、光源駆動回路41、光源42、ファイバカプラ43、光学フィルタ44、位相変調子駆動回路45、位相変調子46、検出器47、同期検波回路48、演算回路49及び余長コイル50などを有する。
光源42は、光源駆動回路41から供給される電流に応じて測定光を照射する。光源42は、ファイバカプラ43に光ファイバ(たとえば、偏波面保持ファイバ)を通じて光学的に接続されている。光源42は、光ファイバを通じてファイバカプラ43へ測定光を供給する。光源42は、LEDなどであるが特定の構成に限定されるものではない。
位相変調子46は、位相変調子駆動回路45からの制御信号に基づき、位相変調子46を通過する光の位相又は周波数を変調する。
電線74は、サニャック干渉型光センサシステム10によって測定される電流が流れる。
ここでは、サニャック干渉型光センサシステム10が測定する電流は、電線74を流れているものとする。
検出器47から電気信号を受信すると、同期検波回路48は、受信した電気信号の中から反射光から生じた電気信号を抽出する。即ち、同期検波回路48は、測定光の位相又は周波数が同一である信号を受信された電気信号から抽出する。これによって、同期検波回路48は、ノイズに干渉されることなく、反射光から生じた電気信号を抽出することができる。検出器47は、抽出された電気信号を演算回路49へ送る。
図10が示す図では、x軸がセンサ温度であって、y軸が比誤差である。図10が示すように、センサ部70の温度が上昇するにつれてセンサ部70の比誤差は、ほぼ直線的に上昇する。たとえば、センサ部70の温度が−30℃である場合には、センサ部70の比誤差は、−0.15%程度である。センサ部70の温度が5℃である場合には、センサ部70の比誤差は、ほぼ0%である。さらに、センサ部70の温度が30℃である場合には、センサ部70の比誤差は、0.1%程度である。
サニャック干渉型光センサシステム10の温度特性は、センサ部70の温度特性と温度補償素子1の温度特性との合算で決定される。即ち、サニャック干渉型光センサシステム10は、温度補償素子1の温度特性を用いて、センサ部70の温度特性を打ち消すことができる。
Claims (14)
- 光を伝播する光ファイバに対して温度補償を行う温度補償素子であって、
前記光ファイバに光学的に接続されている外部装置の温度変化に応じて、前記光ファイバに非等方的な応力を印加する応力付与部と、
を備える温度補償素子。 - 前記応力付与部は、前記光ファイバを被覆する応力付与層である、
前記請求項1に記載の温度補償素子。 - 前記応力付与部は、前記応力付与部の熱膨張によって生じる応力を非等方的に前記光ファイバに印加する応力付与層である、
前記請求項1又は2に記載の温度補償素子。 - 前記応力付与部は、熱膨張率の異なる複数の物質から構成される、
前記請求項1乃至3の何れか1項に記載の温度補償素子。 - 前記応力付与部は、同心円状の複数の物質を重ねる構造を有する、
前記請求項4に記載の温度補償素子。 - 前記応力付与部は、金属から構成される、
前記請求項1乃至5の何れか1項に記載の温度補償素子。 - 前記応力付与部は、平行に設置される2枚の平面プレートから構成され、2枚の前記平面プレートで前記光ファイバを挟む構造を有する、
前記請求項1に記載の温度補償素子。 - 前記応力付与部は、少なくとも1枚の前記平面プレートに弾性体を設け、前記弾性体の反発力によって前記平面プレートに応力を印加する、
前記請求項7に記載の温度補償素子。 - 前記弾性体は、スプリングである、
前記請求項8に記載の温度補償素子。 - 前記応力付与部は、2枚の前記平面プレートの間に、スペーサを備える、
前記請求項7乃至9の何れか1項に記載の温度補償素子。 - 前記応力付与部は、少なくとも1枚の前記平面プレートの内面に、前記光ファイバを固定する溝を備える、
前記請求項7乃至10の何れか1項に記載の温度補償素子。 - 前記応力付与部は、前記光ファイバの複屈折軸により強い応力を印加する、
前記請求項1乃至11の何れか1項に記載の温度補償素子。 - 請求項1乃至12のいずれか1項に記載の温度補償素子を複数個光学的に接続した温度補償素子。
- センサ部と、信号処理部と、偏波面保持ファイバ部と、を備える光センサシステムであって、
前記偏波面保持ファイバ部は、
前記センサ部と前記信号処理部とを光学的に接続する光ファイバと、
前記光ファイバに光学的に接続されている外部装置の温度変化に応じて、前記光ファイバに非等方的な応力を印加する応力付与部と、
を備える温度補償素子を備える、
光センサシステム。
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