JP6750338B2

JP6750338B2 - 光ファイバセンサシステム

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Publication number: JP6750338B2
Application number: JP2016122903A
Authority: JP
Inventors: 節文大塚
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2016-06-21
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2020-09-02
Anticipated expiration: 2036-06-21
Also published as: US10429235B2; JP2017227509A; US20170363461A1

Description

本発明は、光ファイバセンサシステムに関するものである。

特許文献１には、光源と、受光器と、偏光子及び２つのカプラを有する光分岐結合部と、ファイバループ部とを備えた光ファイバ振動センサが記載されている。光源と光分岐結合部とは光学的に結合しており、偏光子によって偏光状態が同一になるように制御された光が光分岐結合部を介してファイバループ部に出力される。ファイバループ部には右回り光と左回り光とが伝搬される。右回り光と左回り光は、光分岐結合部において再結合して干渉し、干渉光が得られる。干渉光は、受光器によって受光されて電気信号に変換される。ファイバループに音響信号が加えられると、右回り光及び左回り光に互いに異なる位相差が付与されて干渉光の干渉状態が変化する。干渉状態が変化した干渉光を受光器が受光することによってファイバループに加えられた応力が検知される。

特開２００８−３０９７７６号公報

上述した光ファイバセンサシステムにおいて、受光器によって得られる電気信号の電圧値は、ファイバループに加えられた音響信号の振幅の２乗に比例する（二次の依存性）。従って、音響信号が微弱である場合、受光器によって得られる電気信号は更に微弱となるため、音響信号の検出が困難となる。

本発明は、微弱な音響信号を検知することができる光ファイバセンサシステムを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る光ファイバセンサシステムは、測定光を出力する光源と、ループ状の光経路、及び、光経路が巻かれるコイルを有し、コイルに加えられた応力によって光経路を通る光を変調させる変調部と、光源と光経路の両端とに光学的に結合され、測定光を入力して測定光と偏光状態が異なる第１の光と第２の光に分岐し、第１の光を光経路の一端から他端に向けて出力し、第２の光を光経路の他端から一端に向けて出力し、他端に入力した第１の光と一端に入力した第２の光とを結合して干渉光を出力する光結合器と、干渉光を、偏光状態が互いに直交する第１成分及び第２成分に分離して出力する偏光分離器と、偏光分離器と光学的に結合された第１偏光制御器と、偏光分離器と光学的に結合され、偏光分離器から出力された第１成分が入力する第１光検出器を有し、第１光検出器に入力した第１成分を第１電気信号に変換して応力を検知する第１検出部と、を備え、第１偏光制御器は、第１電気信号が応力に対して一次の応答を示すように、偏光分離器に入力される光の偏光状態を制御する。

本発明によれば、微弱な音響信号を検知することができる。

図１は、実施形態に係る光ファイバセンサシステムを示す図である。図２は、センサヘッドとして機能するコイルを示す図である。図３は、コイルに付与された応力と検出信号の強度との関係を示すグラフである。図４は、各偏光における検出信号の強度を時系列で示すグラフである。

［本発明の実施形態の説明］
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。（１）本発明の一側面に係る光ファイバセンサシステムは、測定光を出力する光源と、ループ状の光経路、及び、光経路が巻かれるコイルを有し、コイルに加えられた応力によって光経路を通る光を変調させる変調部と、光源と光経路の両端とに光学的に結合され、測定光を入力して測定光と偏光状態が異なる第１の光と第２の光に分岐し、第１の光を光経路の一端から他端に向けて出力し、第２の光を光経路の他端から一端に向けて出力し、他端に入力した第１の光と一端に入力した第２の光とを結合して干渉光を出力する光結合器と、干渉光を、偏光状態が互いに直交する第１成分及び第２成分に分離して出力する偏光分離器と、偏光分離器と光学的に結合された第１偏光制御器と、偏光分離器と光学的に結合され、偏光分離器から出力された第１成分が入力する第１光検出器を有し、第１光検出器に入力した第１成分を第１電気信号に変換して応力を検知する第１検出部と、を備え、第１偏光制御器は、第１電気信号が応力に対して一次の応答を示すように、偏光分離器に入力される光の偏光状態を制御する。

この光ファイバセンサシステムでは、第１電気信号が応力に対して一次の依存性を示すように、第１偏光制御器が偏光分離器に入力する光の偏光状態を制御する。従って、応力による音響信号の振幅に比例する第１電気信号を得ることができるので、微弱な音響信号を高感度に検出することができる。

（２）前述の光ファイバセンサシステムは、偏光分離器と光学的に結合され、偏光分離器から出力された第２成分が入力する第２光検出器を有し、第２光検出器に入力した第２成分を第２電気信号に変換する第２検出部と、第２検出部から出力された第２電気信号に基づいて第１偏光制御器を制御する制御部と、を更に備えてもよい。これにより、第２成分に基づいて、偏光分離器に入力する光の偏光状態を制御することができる。

（３）前述の光ファイバセンサシステムでは、制御部は、第２光検出器に入力する第２成分の光強度が最小となるように第１偏光制御器を制御してもよい。これにより、第１成分の光強度が最大となるように第１偏光制御器による偏光制御を行うことができる。従って、音響信号をより高感度に検出することができる。

（４）前述の光ファイバセンサシステムは、光経路の途中に設けられた第２偏光制御器を更に備えてもよい。この場合、第２偏光制御器によって、光経路を通る光の偏光状態を制御することができる。

（５）前述の光ファイバセンサシステムでは、制御部は、第１電気信号に基づいて第２偏光制御器を制御してもよい。この場合、制御部が第２偏光制御器を制御することによって、光経路を通る光の偏光状態を制御することができる。

（６）前述の光ファイバセンサシステムでは、制御部は、第１電気信号の直流成分が最大値と最小値の平均値となるように、第２偏光制御器を制御してもよい。この場合、応力に対して一次の依存性を示す成分を大きくすることができる。

（７）前述の光ファイバセンサシステムでは、光結合器は、２入力２出力の光結合器であってもよい。この場合、光結合器のポートを、測定光の入力用、干渉光の出力用、並びに光経路の一端及び他端に割り当てることができるので、光損失の発生を抑制できる。

（８）前述の光ファイバセンサシステムでは、測定光は、直線偏光であり、光結合器は、測定光を円偏光である第１の光と第２の光とに分岐し、変調部は、旋光性を有すると共に、第１の光と第２の光とを楕円偏光に変換し、光結合器は、楕円偏光である第１の光と第２の光とを結合して、第１の光と第２の光とは異なる楕円偏光である干渉光を出力してもよい。このように偏光状態を制御することにより、応力に対して一次の依存性を示す成分を効率よく生成することができる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る光ファイバセンサシステムの具体例を図面を参照しつつ説明する。なお、本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。以下の説明では、図面の説明において、同一又は相当する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、実施形態に係る光ファイバセンサシステム１の構成を示す。光ファイバセンサシステム１は、例えば、構造物の健全性診断に用いられる光ファイバ音響センサであり、構造物でひび割れが生じたときに発生する音響放出（AE:Acoustic Emission）を検出する。光ファイバセンサシステム１は、光源１１と、光結合器１２と、変調部１３と、第１偏光制御器１４と、偏光分離器１５と、第１検出部１６と、第２検出部１７と、制御部１８とを備えている。

光源１１は、光結合器１２と光学的に結合されている。光源１１は、光結合器１２に測定光Ｌ１を出力する。光源１１としては、例えば、コヒーレント長が短い広帯域光源を用いることができ、この場合、反射光雑音等に対する耐性を高めることができる。

光結合器１２は、光源１１が出力した測定光Ｌ１を入力する。光結合器１２は、４つのポート１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄを備えた２入力２出力の光結合器である。ポート１２ａと光源１１とは光学的に結合され、光源１１から出力された測定光Ｌ１はポート１２ａに入力される。光結合器１２は、測定光Ｌ１を右回り光（第１の光）Ｌ２と左回り光（第２の光）Ｌ３とに分岐する。測定光Ｌ１と、右回り光Ｌ２及び左回り光Ｌ３とは、互いに異なる偏光状態を有する。

変調部１３は、ポート１２ｃとポート１２ｄを結合するループ状の光経路２１と、光経路２１が巻かれるコイル２２と、光経路２１の途中に設けられる遅延経路２３と、光経路２１を通る光の偏光状態を制御する第２偏光制御器２４とを備える。光経路２１の一端はポート１２ｃに接続され、光経路２１の他端はポート１２ｄに接続されている。また、遅延経路２３はポート１２ｃとコイル２２の間に設けられ、第２偏光制御器２４はコイル２２とポート１２ｄの間に設けられる。

右回り光Ｌ２は、ポート１２ｃから出力され、遅延経路２３、コイル２２及び第２偏光制御器２４を通って、ポート１２ｄに入力される。左回り光Ｌ３は、ポート１２ｄから出力され、第２偏光制御器２４、コイル２２及び遅延経路２３を通って、ポート１２ｃに入力される。

光結合器１２は、ポート１２ｄに入力された右回り光Ｌ２と、ポート１２ｃに入力された左回り光Ｌ３とを合波して、干渉光Ｌ４をポート１２ｂから出力する。また、光経路２１は、光ファイバを含むと共に、旋光性を有するように構成されている。この旋光性は、例えば、光経路２１の光ファイバのねじれによって実現される。

従って、ポート１２ｃ及びポート１２ｄのそれぞれから出力される右回り光Ｌ２及び左回り光Ｌ３と、ポート１２ｂから出力される干渉光Ｌ４と、は偏光状態が互いに異なる。また、右回り光Ｌ２及び左回り光Ｌ３は、同一の光経路２１を伝搬するため、右回り光Ｌ２と左回り光Ｌ３の光路長は互いに同一である。このように、本実施形態の光結合器１２及び変調部１３はサニャック干渉計を構成している。

具体的には、光源１１は直線偏光である測定光Ｌ１を出力する。光結合器１２は、測定光Ｌ１を円偏光である右回り光Ｌ２と左回り光Ｌ３とに分岐し、それぞれをコイル２２に出力する。更に、変調部１３は旋光性（例えば４５°又はその奇数倍の旋光性）を有し、右回り光Ｌ２及び左回り光Ｌ３を楕円偏光に変換して光結合器１２に出力する。光結合器１２は、楕円偏光である右回り光Ｌ２と左回り光Ｌ３とを結合し、右回り光Ｌ２及び左回り光Ｌ３とは異なる（例えば偏光状態が９０°回転された）楕円偏光である干渉光Ｌ４を出力する。

図２に示されるように、コイル２２は、光経路２１が螺旋状に巻き付けられる芯２２ａを有する。コイル２２は、測定対象となる構造物Ｓに取り付けられると共に、光ファイバセンサシステム１のセンサヘッドとして機能する。構造物Ｓは、機械的破壊等によって音響信号Ａを放出し、コイル２２を介して光経路２１を伸縮させる。このとき、コイル２２に付与される応力によって光経路２１を構成する光ファイバの屈折率が変化し、右回り光Ｌ２及び左回り光Ｌ３の光路長が変化する。その結果、右回り光Ｌ２及び左回り光Ｌ３に位相変調が生じる。

再び図１を参照する。遅延経路２３は、右回り光Ｌ２及び左回り光Ｌ３に遅延を付与する。遅延が付与された左回り光Ｌ３は光結合器１２のポート１２ｃに直接出力される。一方、遅延が付与された右回り光Ｌ２はコイル２２及び第２偏光制御器２４を通って光結合器１２のポート１２ｄに出力される。従って、応力によって右回り光Ｌ２に与えられる変調のタイミングと、応力によって左回り光Ｌ３に与えられる変調のタイミングとは、互いに異なっている。

本実施形態では、右回り光Ｌ２の往路に遅延経路２３が配置されている。よって、右回り光Ｌ２には、左回り光Ｌ３よりも所定時間だけ遅れて音響信号Ａが伝搬される。また、第２偏光制御器２４は、光経路２１の途中に設けられており、光経路２１を通る光の偏光状態を制御する。

第１偏光制御器１４は、光結合器１２のポート１２ｂと光学的に結合されている。ポート１２ｂから出力された干渉光Ｌ４は第１偏光制御器１４に入力される。第１偏光制御器１４は、ポート１２ｂから入力した干渉光Ｌ４の偏光状態を制御する。第１偏光制御器１４及び第２偏光制御器２４による偏光状態の制御については、後に詳述する。

偏光分離器１５は、第１偏光制御器１４と光学的に結合されている。第１偏光制御器１４から出力された光Ｌ５は偏光分離器１５に入力される。偏光分離器１５は、入力した光Ｌ５を、偏光状態が互いに異なる第１成分Ｌ６と第２成分Ｌ７とに分離して出力する。例えば、第１成分Ｌ６と第２成分Ｌ７とは互いに直交している。

第１検出部１６は、偏光分離器１５と光学的に結合されている。第１検出部１６には、偏光分離器１５から出力された第１成分Ｌ６が入力され、音響信号を検出するための検出信号である第１電気信号Ｅ１を生成する。第１検出部１６は、例えば、第１光検出器１６ａと第１増幅器１６ｂとを備えている。第１光検出器１６ａは、入力された第１成分Ｌ６の光強度を電圧値に変換する。第１増幅器１６ｂは、第１光検出器１６ａによって得られた電圧値から第１電気信号Ｅ１を生成して第１電気信号Ｅ１を出力する。

第２検出部１７は、偏光分離器１５と光学的に結合されている。第２検出部１７には、偏光分離器１５から出力された第２成分Ｌ７が入力され、音響信号を検出するための検出信号である第２電気信号Ｅ２を生成する。第２検出部１７は、第２光検出器１７ａと第２増幅器１７ｂとを備えている。第２光検出器１７ａは、入力された第２成分Ｌ７の光強度を電圧値に変換する。第２増幅器１７ｂは、第２光検出器１７ａによって得られた電圧値から第２電気信号Ｅ２を生成して出力する。

制御部１８は、第２検出部１７から出力された第２電気信号Ｅ２に基づいて第１偏光制御器１４を制御する。制御部１８は、第２検出部１７に入力する第２成分Ｌ７の光強度が最小となるように、第１偏光制御器１４を制御する。制御部１８は、第１偏光制御器１４を用いて光Ｌ５の偏光状態を制御することにより、干渉光Ｌ４に音響信号Ａの振幅に比例する成分を付加している。

また、制御部１８は、第１検出部１６から出力された第１電気信号Ｅ１に基づいて第２偏光制御器２４を制御する。制御部１８は、第１電気信号Ｅ１の直流成分が最大値と最小値の平均値となるように第２偏光制御器２４を制御する。このように、制御部１８は第２偏光制御器２４を用いて光経路２１を通る光の偏光制御を行う。よって、音響信号Ａの振幅に比例する成分を大きくすることができる。

図３は、コイル２２に付与された応力と電気信号Ｅ１，Ｅ２の強度との関係を示すグラフである。図３に示されるように、出力が最小とされた側の第２成分Ｌ７を暗偏光、暗偏光に直交する第１成分Ｌ６を明偏光とすると、応力によって微弱な信号が入力された場合、暗偏光の信号強度は応力の２乗に比例し、明偏光の信号強度は応力の１乗に比例する。

図４は、明偏光及び暗偏光のそれぞれにおける電気信号Ｅ１の強度の時系列データを示すグラフである。明偏光の直流成分が最大側又は最小側に調整された場合には、電気信号Ｅ１は、応力の２乗に比例する成分が大きくなる。これに対し、第２偏光制御器２４が光経路２１を通る光の偏光状態を制御して、明偏光が最大値と最小値との平均値に調整された場合には、応力に比例する成分を最大にすることができる。なお、前述の最小値及び最大値は、共に、第２偏光制御器２４の分解能によって変動する値であり、測定可能な最小値及び最大値を示している。

次に、光ファイバセンサシステム１から得られる効果についてより詳細に説明する。

光ファイバセンサシステム１では、音響信号Ａに対して一次の依存性を示す成分を含む干渉光が出力されるように、第１偏光制御器１４から偏光状態が制御された光Ｌ５が出力される。そして、偏光分離器１５において、音響信号Ａに対して一次の依存性を示す第１成分Ｌ６を分岐し、第１成分Ｌ６は第１光検出器１６ａに入力する。第１偏光制御器１４は、第１電気信号Ｅ１が応力に対して一次の依存性を示すように、干渉光Ｌ４の偏光状態を制御する。従って、微弱な音響信号Ａを高感度に検出することができる。

また、光ファイバセンサシステム１は、偏光分離器１５と光学的に結合され、偏光分離器１５から出力された第２成分Ｌ７が入力する第２光検出器１７ａを有し、第２光検出器１７ａに入力した第２成分Ｌ７を第２電気信号Ｅ２に変換する第２検出部１７と、第２検出部１７から出力された第２電気信号Ｅ２に基づいて第１偏光制御器１４を制御する制御部１８とを備える。これにより、第２電気信号Ｅ２に基づいて、偏光分離器１５に入力する光Ｌ５の偏光状態を制御できる。

また、光ファイバセンサシステム１では、制御部１８は、第２検出部１７に入力する第２成分Ｌ７の光強度が最小となるように第１偏光制御器１４を制御する。これにより、第１成分Ｌ６の光強度が最大となるように第１偏光制御器１４を制御することができるので、音響信号Ａを高感度に検出できる。

また、光ファイバセンサシステム１は、光経路２１の途中に設けられた第２偏光制御器２４を備える。従って、第２偏光制御器２４によって光経路２１を通る光の偏光状態を制御することができる。

また、光ファイバセンサシステム１では、制御部１８は、第１電気信号Ｅ１に基づいて第２偏光制御器２４を制御する。このように、制御部１８が第２偏光制御器２４を制御することによって、光経路２１を通る光の偏光状態を制御することができる。

また、光ファイバセンサシステム１では、制御部１８は、第１電気信号Ｅ１の直流成分が最大値と最小値の平均値となるように、第２偏光制御器２４を制御している。これにより、応力に対して一次の依存性を示す第１電気信号Ｅ１を出力できるので、微弱な音響信号Ａを高感度に検出することができる。

また、光ファイバセンサシステム１では、光結合器１２は、２入力２出力の光結合器である。よって、光結合器１２のポート１２ａ〜１２ｄを、測定光Ｌ１の入力用、干渉光Ｌ４の出力用、並びに光経路２１の一端及び他端に割り当てることができ、光損失の発生を抑制できる。

また、光ファイバセンサシステム１では、測定光Ｌ１は、直線偏光であり、光結合器１２は、測定光Ｌ１を円偏光である右回り光Ｌ２と左回り光Ｌ３とに分岐する。変調部１３は、旋光性を有し、右回り光Ｌ２と左回り光Ｌ３とを楕円偏光に変換する。光結合器１２は、楕円偏光である右回り光Ｌ２と左回り光Ｌ３とを結合して、右回り光Ｌ２と左回り光Ｌ３とは異なる楕円偏光である干渉光Ｌ４を出力する。このように光結合器１２及び変調部１３を構成することにより、干渉光Ｌ４に、応力に対して一次の応答を示す偏光状態を有する成分を効率よく付加することができる。従って、応力に対して一次の応答を示す成分を効率よく生成することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、前述の実施形態において、遅延経路２３は右回り光Ｌ２の往路に配置されていた。しかし、遅延経路２３の配置態様は上記実施形態に限定されず、例えば、左回り光Ｌ３の往路に遅延経路２３が配置されていてもよい。

１…光ファイバセンサシステム、１１…光源、１２…光結合器、１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ…ポート、１３…変調部、１４…第１偏光制御器、１５…偏光分離器、１６…第１検出部、１６ａ…第１光検出器、１６ｂ…第１増幅器、１７…第２検出部、１７ａ…第２光検出器、１７ｂ…第２増幅器、１８…制御部、２１…光経路、２２…コイル、２２ａ…芯、２３…遅延経路、２４…第２偏光制御器、Ａ…音響信号、Ｅ１…第１電気信号、Ｅ２…第２電気信号、Ｌ１…測定光、Ｌ２…右回り光（第１の光）、Ｌ３…左回り光（第２の光）、Ｌ４…干渉光、Ｌ５…光、Ｌ６…第１成分、Ｌ７…第２成分、Ｓ…構造物。

Claims

測定光を出力する光源と、
ループ状の光経路、及び、前記光経路が巻かれるコイルを有し、前記コイルに加えられた応力によって前記光経路を通る光を変調させる変調部と、
前記光源と前記光経路の両端とに光学的に結合され、前記測定光を入力して前記測定光と偏光状態が異なる第１の光と第２の光に分岐し、前記第１の光を前記光経路の一端から他端に向けて出力し、前記第２の光を前記光経路の前記他端から前記一端に向けて出力し、前記他端に入力した前記第１の光と前記一端に入力した前記第２の光とを結合して干渉光を出力する光結合器と、
前記干渉光を、偏光状態が互いに直交する第１成分及び第２成分に分離して出力する偏光分離器と、
前記偏光分離器と光学的に結合された第１偏光制御器と、
前記偏光分離器と光学的に結合され、前記偏光分離器から出力された前記第１成分が入力する第１光検出器を有し、前記第１光検出器に入力した前記第１成分を第１電気信号に変換する第１検出部と、を備え、
前記第１偏光制御器は、前記第１電気信号が前記応力に対して一次の応答を示すように、前記偏光分離器に入力される光の偏光状態を制御し、
前記偏光分離器と光学的に結合され、前記偏光分離器から出力された前記第２成分が入力する第２光検出器を有し、前記第２光検出器に入力した前記第２成分を第２電気信号に変換する第２検出部と、
前記第２検出部から出力された前記第２電気信号に基づいて前記第１偏光制御器を制御する制御部と、を更に備え、
前記光経路の途中に設けられた第２偏光制御器を更に備える、
光ファイバセンサシステム。
前記制御部は、前記第２光検出器に入力する前記第２成分の光強度が最小となるように前記第１偏光制御器を制御する、
請求項１に記載の光ファイバセンサシステム。
前記制御部は、前記第１電気信号に基づいて前記第２偏光制御器を制御する、
請求項１に記載の光ファイバセンサシステム。
前記制御部は、前記第１電気信号の直流成分が最大値と最小値の平均値となるように、前記第２偏光制御器を制御する、
請求項１又は３に記載の光ファイバセンサシステム。
前記光結合器は、２入力２出力の光結合器である、
請求項１〜４のいずれか一項に記載の光ファイバセンサシステム。
前記測定光は、直線偏光であり、
前記光結合器は、前記測定光を円偏光である前記第１の光と前記第２の光とに分岐し、
前記変調部は、旋光性を有すると共に、前記第１の光と前記第２の光とを楕円偏光に変換し、
前記光結合器は、楕円偏光である前記第１の光と前記第２の光とを結合して、前記第１の光と前記第２の光とは異なる楕円偏光である前記干渉光を出力する、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の光ファイバセンサシステム。