JP5085194B2 - 光センサの感度を調整する方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、一般に光センサに関し、より詳細には、光ファイバセンサの感度を調整する方法およびシステムに関する。

本出願は、２００６年６月５日に出願された米国特許仮出願第６０／８１１，４５５号の恩典を請求する。
近年、光センサは、多くの異なる種類の測定を行うために様々な技術で広く使用されている。歪センサおよび光ファイバジャイロスコープなどの多くの光センサは、「伝播時間の測定」を行うことによって動作する。すなわち、そのような光センサは、光ファイバの長さ方向、または光ファイバのコイルの円周方向などの特定光路長を光が進むのにかかった時間量を測定する。しかし、光センサの特定の型に依存して、行われる測定は、光が所定の経路を進むのにかかった総時間量ではなく、光の異なる部分がその光路を進むのにかかった時間の差であることがある。

例えば、時間領域光反射計（ＯＴＤＲ）は、光学部品および変形（例えば、クラック）などの光ファイバに沿った様々な特徴の存在並びに位置を決定するためにしばしば使用される。光ファイバに沿って光パルスを放射し、光の反射が戻ってくるまでに経過した時間を測定することによって、ＯＴＤＲは、そのような測定を行っている。光が光ファイバに沿って伝播するときに、いくらかの特徴によって、光の一部は反射されるが、光の他の部分は通過することができる。この特徴を通過した光の部分は、最終的には、光ファイバの端などで逆戻りにＯＴＤＲの方に反射される。その結果、光の２つの部分は異なる光路長を進み、したがってＯＴＤＲに戻るのに異なる時間量を必要とすることになる。光の部分ごとに「伝播時間」を測定し比較することによって、ＯＴＤＲを使用して、光ファイバの長さだけでなく光ファイバに沿った光を反射する特徴の位置も決定することができる。

同様にして、光ファイバジャイロスコープ（ＦＯＧ）は、伝播時間測定を使用して、基本的に光の異なる部分が光ファイバのコイルを回って反対方向に進むのにかかった時間を比較することによって、回転を検出する。ＦＯＧでは、伝播時間差は必ずしも時間それ自体で測定されないで、光の２つの部分が光検出器で捕らえられたときにその光の２つの部分によって生じる干渉パターンで測定される。

そのような光センサの分解能、つまり感度は、戻り光を検出し伝播時間差を測定するために使用される特定のデバイスまたはプロセスの感度によって制限される。例えば、ＯＴＤＲを使用する光センサの分解能は、ＯＴＤＲが検出することができる最小時間差（すなわち、最も接近した光の部分）によって制限される。したがって、光ファイバに沿った２つの特徴が非常に小さな距離（例えば、数ミクロン）の中にある場合には、光の２つの部分は、非常に小さな時間窓（例えば、数フェムト秒）の間にＯＴＤＲに戻る。ＯＴＤＲがその両方の部分の光を区別できない場合、光ファイバに沿った１つまたは２つの特徴は検出されない可能性がある。

同様に、ＦＯＧでは、使用される光検出が微細な干渉パターンを検出できない場合には、ＦＯＧは、極めて低い回転速度を検出できる可能性がない。ＦＯＧの感度は、使用される光ファイバを長くすることによって高められることが多い。しかし、そのような解決策には、デバイスの全体的な大きさが大きくなるという不利点がある。

したがって、光センサの感度を調整する方法およびシステムを提供することが望ましい。その上、全体的な大きさを最小限にしながら、光センサの感度を高める方法およびシステムを提供することが望ましい。さらに、本発明の他の望ましい特徴および特性は、添付の図面および前述の技術分野および背景に関連して解釈される次の詳細な説明および添付の特許請求の範囲から明らかになるだろう。

光ファイバセンサの感度を調整する方法が提供される。光ファイバ中の第１の光ビームは、第１の速度で光ファイバを伝播する第１の部分と第２の部分とに分離される。第１の部分および第２の部分が第２の速度で光ファイバを伝播するように第１の光ビームと相互作用する第２の光ビームが、光ファイバに導かれる。

光ファイバセンサが提供される。光ファイバセンサは、ブリュアンシフトを有する選択された材料と光ファイバに結合されたビーム分割特徴とを含む光ファイバを有する光ファイバ組立品を含む。第１の光源が、第１の光学的周波数を有する第１の光ビームを光ファイバに導くように光ファイバに結合されている。第１の光ビームは、ビーム分割特徴の中を伝播するときに、ある時間量だけ分離された第１の部分と第２の部分とに分かれる。第２の光源が、第２の光ビームを光ファイバに導くように光ファイバに結合されている。第２の光ビームは、第２の光学的周波数を有し、第１の光ビームの第１の部分と第２の部分とを分離する時間量を変化させるように第１の光ビームと相互作用する。第２の周波数は、第１の周波数と選択された材料のブリュアンシフトとの和または差にほぼ等しい。検出器が、第１の光ビームの第１の部分および第２の部分を捕らえ、第１の部分と第２の部分を分離する変化した時間量を測定するように光ファイバに結合されている。

本発明は、以下で、添付の図面に関連して説明され、図面では、同一の数字は同様な要素を示す。

以下の詳細な説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明または本発明の応用および用途を限定するものでない。さらに、先の技術分野、背景、簡潔な概要、または以下の詳細な説明に表れるいかなる明示または暗示された理論によっても拘束されない意図である。また、図１〜３は、ただ単に例示的なものであり、原寸に比例して示されていない可能性があることに留意されたい。

図１は、光ファイバセンサ１０を示す。光ファイバセンサ１０は、検出器および光源１２と、検出器および光源１２の出力に結合された光ファイバ１４とを含む。光ファイバ１４は、検出器および光源１２の反対側の端に反射器１６および中央部にビーム分割特徴１８を含む。反射器１６は、ミラー、直角に劈開された端、または光ファイバ１４に接続された単なるエンドキャップのような数多くの型の反射デバイスのどれかであってもよい。ビーム分割特徴１８は、例えば光の１つの部分に対して透過性であるが光の他の部分を反射することによって、光ファイバを伝播するいかなる光でも、設計によりまたは意図的でなく分割する数多くの物体のどれかであってもよい。ビーム分割特徴に例には、ビーム分割ミラー、Ｙスプリッタ、およびクラック、折り目および異物などの光ファイバ１４の中の変形がある。図示のように、光ファイバ１４は、端から端まで測定されたとき全長２０（「Ｌ」）であり、検出器および光源１２に近接した端からビーム分割特徴１８まで測定されたとき部分長２２（「ｌ」）である。また、当業者は理解するように、ビーム分割特徴１８は、温度の変化などの環境変化による光ファイバ１４の全長２０の変化を示すこともできる。

動作時に、検出器および光源１２は、光パルスを光ファイバ１４の中に放射する。光がビーム分割特徴１８に近づくときに、光の第１の部分は、ビーム分割特徴１８によって検出器および光源の方へ向けて逆戻りに反射され、そして、光の第２の部分は、ビーム分割特徴１８のそばを通って、またはビーム分割特徴１８を通過して、反射器１６の方へ伝播し続ける。反射器１６で、光の第２の部分は、逆戻りに検出器および光源１２の方へ向かって反射される。光パルスを放射するほかに、検出器および光源１２は、光の第１の部分および第２の部分を捕らえ検出し、光パルスの放射と光の第１の部分および第２の部分の両方の戻りとの間の時間間隔を測定する。光の第１の部分および第２の部分の時間間隔は、次式のようにそれぞれ表される可能性がある。

ｔ_１＝２ｎｌ／ｃ および ｔ_２＝２ｎＬ／ｃ、
ここで、ｎは光ファイバの材料の屈折率であり、ｃは真空中の光の速度である。
したがって、第１の部分と第２の部分の戻りの時間差は、次式のように表すことができる。

Δｔ＝ｔ_１−ｔ_２＝２ｎＬ／ｃ−２ｎｌ／ｃ
すなわち Δｔ＝２ｎ／ｃ（Ｌ−ｌ）
したがって、反射器とビーム分割特徴との間の任意の距離（Ｌ−ｌ）に対して、光ファイバ１４内の材料の屈折率の変化、したがって材料内の光の速度の変化によって、検出時間差Δｔが変化する。その結果として、光ファイバの屈折率が任意の距離Ｌ−ｌに関して増加するときに、Δｔの増加のために光ファイバセンサ１０の分解能が上がる。すなわち、光ファイバ１４の屈折率の増加によって、光ファイバセンサ１０はより小さな特徴を検出できるようになる。

図２は、本発明の一実施形態に従った光ファイバセンサ２４を示す。光ファイバセンサ２４は、例えば、歪センサ、温度センサ、放射センサ、湿度センサ、または数多くの型の光センサのどれかであってもよく、特定の特性を検出することが求められる適切な材料またはシステムに同様に取り付けられてもよい。光ファイバセンサ２４は、検出器および光源２６、光ファイバ２８、光ファイバカップラ３０、制御光源３２、およびコンピュータ制御モジュール３４を含む。

具体的には示さないが、検出器および光源２６は、光ファイバセンサで一般に使用される任意の光源および光検出器または同様な光検出装置を含む。一実施形態では、検出器および光源２６は、時間領域光反射計（ＯＴＤＲ）である。光ファイバ２８は、検出器および光源２６の出力／入力に接続され、これと反対側の端に反射器３６を含む。一実施形態では、光ファイバ２８は、当技術分野で一般に理解されているようなシリカ光ファイバであり、屈折率が約１．５で、ブリュアンシフト（ν_Ｂ）が例えば約１０から２０ギガヘルツ（Ｇｈｚ）、例えば約１１Ｇｈｚである。光ファイバカップラ３０は、例えば、５０／５０カップラまたはスプリッタであり、これの一方の側が検出器および光源２６に結合され、反対側が反射器３６および制御光源３２に結合されている。制御光源３２は、一般に理解されているように調整可能光源である。

コンピュータ制御コンソール３４は、検出器および光源２６および制御光源３２に動作可能につながっており、さらに、様々な回路および用途特定集積回路（ＡＳＩＣ）などの集積回路を含んだ電子部品および／または計算システムで実行されて以下で述べる方法およびプロセスを実施するコンピュータ読取り可能媒体に格納された命令を、含むことができる。図示しないが、コンピュータ制御コンソール３４は、また、検出器および光源２６および制御光源３２用の電源を含むことができる。

さらに図２を参照すると、使用中に、検出器および光源２６および制御光源３２は作動する。検出器および光源２６は、例えば、周波数（ｆ_signal）が１．９×１０^５から２×１０^５Ｇｈｚで波長が１５００から１５５０ｎｍの光パルス（すなわち、第１の光ビームまたは信号光ビーム）を光ファイバ２８に沿ってカップラ３０の方（すなわち、第１の方向）へ放射する。一実施例では、制御光源３２は、カップラ３０を通して光ファイバ２８の中に検出器および光源２６の方（すなわち、第２の方向）へ向けて光の流れ（第２の光ビームまたは制御光ビーム）を放射する。制御光源３２から放射された光の周波数（ｆ_control）が、検出器および光源２６から放射された光の周波数と使用される特定の光ファイバのブリュアンシフトとの和または差に等しいか、または少なくともほぼ等しいように、制御光源３２は、調整される。特に、好ましくは、制御光源は、ｆ_control＝ｆ_signal＋ν_Ｂであるように調整される。

当業者は理解するように、光の周波数と光ファイバ２８のブリュアンシフトの間の関係のために、検出器および光源２６からの光と制御光源３２からの光との間の非線形相互作用すなわち干渉が光ファイバの中で起こり、これによって、ブリュアン散乱が起こる。ブリュアン散乱は、光ファイバの屈折率の変化（すなわち、増加または減少）を引き起こし、したがって、光ファイバ２８の中の信号光ビームの伝播位相速度および／または群速度を変える（すなわち、増加させるか、減少させる）。屈折率増加の場合には、信号光ビームが分割されたとき、図１に関連して上で説明したように、光ファイバ２８の変形か光ファイバの長さの変化かのどちらかのために、光の第１の部分と第２の部分の分離は、事実上、それらの間の時間遅れが増すように大きくなる。したがって、光の第１の部分および第２の部分が検出器および光源２６で捕らえられるとき、その間の測定された時間量は増加し、それによって、光ファイバセンサ２４の感度が高くなる。

図３は、本発明の他の実施形態に従った光ファイバジャイロスコープ３６を示す。光ファイバジャイロスコープ３６は、信号光源３８、第１および第２の光カップラ４０および４２、光ファイバコイル４４、制御光源４６、光検出器４８、コンピュータ制御モジュール５０、およびジャイロスコープ３６の様々な部品を相互接続する光ファイバ５２を含む。

信号光源３８は、ファイバ光源（ＦＬＳ）組立品などの光ファイバジャイロスコープで一般に使用される任意の光源である。一実施形態では、信号光源３８は、ほぼ１５３０〜１５５０ｎｍの範囲の平均波長および２０ｎｍを超える帯域幅を有する光を発生することができるエルビウム添加ファイバ（ＥＤＦ）を含む９８０ｎｍ半導体励起レーザを含む。

さらに図３を参照すると、第１の光カップラ４０は、光ファイバ５２を介して、それの一方の側が信号光源３８および光検出器４８に結合され、他方の側が第２の光カップラ４２に結合されている。第２の光カップラ４２は、また、それの第１のカップラ４０に近い側が制御光源４６に結合され、反対側が光ファイバコイル４４に結合されている。光ファイバコイル４４、すなわちファイバ感知ループは、軸（すなわち、回転軸）のまわりに位置決めされた光ファイバケーブルの巻き線であり、長さが例えば１ｍから６ｋｍである。一実施形態では、制御光源４６は、図示のように、第２の光カップラ４２の非可逆ポートに結合されているが、調整可能な光源であることを当業者は理解するであろう。図示されていないが、光検出器４８は、フォトダイオードを含み、コイル４４の回転軸のまわりのジャイロスコープ３６の任意の回転によって生じるような２つの光ビームのいかなる相対的な光学的位相シフト、周波数差、または干渉強度も検出することができる。

コンピュータ制御コンソール５０は、信号光源３８、光検出器４８、および制御光源４６に動作可能につながっている。コンピュータ制御コンソール５０は、図２に示されたコンピュータ制御コンソール３４に類似しており、同様に、計算システムによって実行され以下で説明される方法およびプロセスを実施するコンピュータ読取り可能媒体に格納された命令を含む。

使用中に、信号光源３８は、例えば１５００から１５５０ｎｍの波長の光（すなわち、信号光ビーム）を、光ファイバ５２の中に放射し、第１の光カップラ４０を通して、さらに第２の光カップラ４２の中に放射する。第２の光カップラ４２で、光は第１の部分と第２の部分に分割される。信号光の第１の部分は、光ファイバコイル４４を通って時計回り（ＣＷ）方向（すなわち、第１の方向）に伝播すると理解されてもよく、信号光の第２の部分は、光ファイバコイル４４を通って反時計回り（ＣＣＷ）方向（すなわち、第２の方向）に伝播すると理解されてもよい。当技術分野で一般に理解されているように、光ファイバジャイロスコープ３６が、光ファイバコイル４４を通り抜ける軸のまわりを回転すると、コイル４４を通過する信号光の第１の部分および第２の部分が通過する光路長が変化する。すなわち、光ファイバジャイロスコープがＣＷ方向に回転すると、光の第１の部分が進む光路長は増すが、光の第２の部分の光路は短くなり、逆の場合も同様である。

信号光ビームの第１の部分および第２の部分の両方は、光ファイバコイル４４から逆戻りに第２の光カップラ４２を通って第１の光カップラ４０に伝播し、そこでそれらの部分の一部は光検出器に向けられる。光検出器４８は、電気信号をコンピュータ制御コンソール５０に送り、このコンソール５０は、信号を処理し、光ファイバジャイロスコープ３６の回転速度を決定する。

上に説明されたのと同様にして、光ファイバジャイロスコープ３６の感度を制御するために、制御光源４６は、特定の周波数の光（すなわち、制御光ビーム）を第２の光カップラ４２の非可逆ポートに放射するように作動され調整される。図２に示された実施形態のように、図３に示された制御光源４６は、ｆ_control＝ｆ_singnal＋ν_Ｂであるように調整される。

制御光ビームが第２の光カップラ４２を通過するとき、制御光ビームは、ＣＷ部分とＣＷＷ部分の両方に分割され、これらの両方が、コイル４４を通して伝播し、信号光ビームの第１の部分および第２の部分それぞれと非線形に相互作用する。上で説明したように、光ファイバコイル４４のブリュアンシフトだけでなく信号光ビームの周波数と制御光ビームの周波数との間の関係のために、光ファイバ内の信号光ビームと制御光ビームとの間の相互作用によってブリュアン散乱が起こる。ブリュアン散乱によって、光ファイバコイル４４だけでなく光ファイバ５２の屈折率の増加が起こり、したがって、光ファイバ５２の中の信号光ビームの第１の部分と第２の部分の両方の伝播が遅くなる。その結果として、光ファイバジャイロスコープ３６が回転軸のまわりを回転するとき、光の第１の部分と第２の部分の間の時間遅れが事実上増加し、それによって、それらの相対的な位相シフトが増加し、したがって、光ファイバジャイロスコープ３６の感度が高くなる。

上の実施例は、光ファイバ内の材料の屈折率を上げるためにブリュアン散乱を利用するものとして一般に説明されたが、ブリュアン散乱は、また、材料の屈折率を下げ、したがって、特定の光センサの感度を下げるために使用することもできることは、理解されるべきである。

上で説明した方法およびシステムの１つの有利点は、信号光の部分間の伝播時間差が増すために、光センサの感度および分解能が改善されることである。他の有利点は、所定の長さの光ファイバの感度が高くなるために、光センサの全体的な大きさが、性能を犠牲にすることなしに最小限になることである。

前述の詳細な説明において、少なくとも１つの例示の実施形態が示されたが、非常に多くの変形が存在することは理解されるべきである。理解されるべきことであるが、例示の実施形態は、単に実施例に過ぎず、いずれにしても本発明の範囲、適用性、または構成を限定する意図でない。むしろ、前述の詳細な説明は、例示の実施形態を実施するための好都合なロードマップを当業者に提供するであろう。理解すべきことであるが、添付の特許請求項およびその法律上の均等物に記載されるような本発明の範囲から逸脱することなしに、要素の機能および配列に様々な変更が加えられることはあり得る。

光ファイバセンサを示す模式図である。 本発明の一実施形態に従った光ファイバセンサを示す模式図である。 本発明の他の実施形態に従った光ファイバジャイロスコープを示す模式図である。

符号の説明

２４ 光ファイバセンサ
２６ 検出器および光源
２８ 光ファイバ
３０ 光ファイバカップラ
３２ 制御光源
３４ コンピュータ制御モジュール
３６ 反射器

Claims (3)

1. 光ファイバセンサ（２４）の感度を調整する方法であって、
   第１の速度で光ファイバ（２８）を伝播する第１の光ビームを、前記光ファイバ（２８）に導くステップを有し、前記光ファイバ（２８）は、前記光ファイバ（２８）に連結された、前記第１の光ビームを第１および第２の部分に分割する特徴（３０）を備え、
   前記方法はさらに、前記第１の光ビームが第２の速度で前記光ファイバ（２８）を伝播するように前記第１の光ビームと相互作用する第２の光ビームを、前記光ファイバ（２８）に導くステップと、
   前記第１の光ビームの前記第１および第２の部分を捕らえるステップと、
   前記捕らえられた前記第１の光ビームの前記第１および第２の部分の間の時間量、前記第１の光ビームの前記第１および第２の部分の間の光学位相シフト、および前記第１の光ビームの前記第１および第２の部分の間の干渉強度の少なくとも１つを測定するステップと、を含むことを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記第１の光ビームが第１の周波数を有し、前記第２の光ビームが第２の周波数を有し、前記光ファイバ（２８）がブリュアンシフトを備える選択された材料を含み、前記第２の周波数が、前記第１の周波数と前記選択された材料のブリュアンシフトの和、および前記第１の周波数と前記選択された材料のブリュアンシフトの差の少なくとも１つにほぼ等しいことを特徴とする方法。
3. 光ファイバセンサ（２４）であって、前記光ファイバセンサ（２４）は、
   光ファイバ（２８）と、前記光ファイバ（２８）に結合されたビーム分割特徴（３０）とを含んだ光ファイバ組立品を有し、前記光ファイバ（２８）はブリュアンシフトを有する選択された材料を含み、
   前記光ファイバセンサ（２４）は、さらに、第１の周波数の第１の光ビームを前記光ファイバ（２８）に導くように前記光ファイバ（２８）に結合された第１の光源（２６）を有し、前記第１の光ビームが前記ビーム分割特徴（３０）の第１ポート中を伝播するときに、前記第１の光ビームは、ある時間量だけ分離された第１の部分と第２の部分とに分かれ、
   前記光ファイバセンサ（２４）は、さらに、前記第１の光ビームの前記第１の部分と前記第２の部分とを分離する前記時間量を変化させるように前記第１の光ビームと相互作用する第２の周波数の第２の光ビームを、前記光ファイバ（２８）の前記ビーム分割特徴（３０）の第２ポートに導くように前記光ファイバ（２８）に結合された第２の光源（３２）を備え、前記第２の周波数は、前記第１の周波数と前記選択された材料のブリュアンシフトの和、および前記第１の周波数と前記選択された材料のブリュアンシフトの差の少なくとも１つにほぼ等しいものであり、
   前記光ファイバセンサ（２４）は、さらに、前記第１の光ビームの前記第１の部分および前記第２の部分を捕らえ、前記第１の部分と第２の部分とを分離する変化した前記時間量を測定するように前記光ファイバ（２８）に結合された検出器（２６）を備えることを特徴とする光ファイバセンサ（２４）。

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