JP7371830B1 - 光ファイバセンサ及びそれを用いた計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】３×３光カプラを用いた安価な構成で、外的影響を受けることなく精度の高い変位計測が可能な光ファイバセンサ及びそれを用いた計測システムを提供する。【解決手段】レーザパルスを第１光カプラを経て第２光カプラで、干渉計を形成する参照経路及び計測対象を含む計測経路に２相分離し、参照経路の端部に第１ＦＲＭを備えると共に、計測経路の端部に第２ＦＲＭを備え、第１ＦＲＭの参照反射光及び第２ＦＲＭの計測反射光が第２光カプラで干渉し３相に変換され、１相目パルスは、第１光カプラを経て光合成部に伝送され、２相目パルスは、第１遅延部を経て光合成部に伝送され、３相目パルスは、第２遅延部を経て光合成部に伝送され、光合成部から時分割パルス列が出力される光ファイバセンサである。【選択図】図１

Description

本発明は、遅延回路を用いた位相シフト光パルス方式の代わりに、干渉計を有するセンサ部に３×３光カプラを用いて位相情報を抽出し、３出力を時分割多重化(TDM: Time Division Multiplexing)により１出力のパルス列にして、伝送経路の影響を低減するようにした光ファイバセンサ及びそれを用いた計測システムに関する。

光ファイバセンサは、光センサ部分を無電源化できるなどの理由で、従来の電気センサに比べ、電磁環境の悪い場所、温度環境の悪い場所への適用に優れ、かつ光ファイバの低損失特性により、遠距離のセンシングにも優れた特性を発揮できる。このため、光ファイバを用いた各種センサが提案されている。

特許第５１１８００４号公報 特許第５７０２６２３号公報 特許第６００２３２９号公報 特開２０１８－９８９６号公報

Real-time displacement measurement system using phase-shifted optical pulse interferometry: Application to a seismic observation system, Minoru Yoshida et al 2016 Jpn. J. Appl. Phys. 55 022701 A symmetric 3x3 coupler based demodulator for fiber optic interferometric sensors David A. Brown, Charles B. Cameron, Robert M. Keolian, David L. Gardner, and Steven L. Garrett.

従来のホモダイン方式では、干渉入力となる参照光及び計測光の強度変動と、干渉出力の光の強度変動とが、干渉出力信号の誤差となる欠点があった。また、従来のホモダイン方式では、参照光と計測光の位相関係が、位相差９０度に動作点を置くことが、最も直線性の良い設定となる。しかしながら、参照光と計測光の光路長を一定に保つには、高い工作精度を要すると共に、熱膨張に対しても一定の関係を保つ必要があるなど、製造上の難しさがあった。さらに、従来のホモダイン方式では、参照光と計測光の位相差を９０度に置き、位相変動の最大は±９０度であり、これを超えることは原理上不可能であった。

このような従来のホモダイン方式の問題点を解決する手法として、特許文献１～４に示されるような位相シフト光パルスを用いたリアルタイム変位計測手法が提案されているが、干渉計の一方に遅延線が必要なため、環境変動による遅延線の特性変化で、性能が劣化してしまう問題がある。

本発明は上述のような事情よりなされたものであり、本発明の目的は、位相シフト光パルスを用いたリアルタイム変位計測性能の外的影響を低減させるため、３×３光カプラを用いた安価な構成で、外的影響を受けることなく精度の高い変位計測が可能な光ファイバセンサ及びそれを用いた計測システムを提供することにある。

本発明は光ファイバセンサに関し、本発明の上記目的は、レーザ光源からのレーザパルスを第１の光カプラを経て第２の光カプラで、干渉計を形成する参照経路及び計測対象を含む計測経路に２相分離し、前記参照経路の端部に第１のＦＲＭを備えると共に、前記計測経路の端部に第２のＦＲＭを備え、前記第１のＦＲＭの参照反射光及び前記第２のＦＲＭの計測反射光が前記第２の光カプラで干渉し３相に変換され、前記変換された１相目パルスは、前記第１の光カプラを経て光合成部に伝送され、前記変換された２相目パルスは、第１の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記変換された３相目パルスは、第２の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記光合成部から時分割パルス列が出力される構成であることにより、
或いは、
レーザ光源からのレーザパルスを第１のＰＭファイバにより、偏光子及び第１のＰＭ光カプラを経て第２のＰＭ光カプラに伝送し、前記第２のＰＭ光カプラにおいて、干渉計を形成する参照経路及び計測対象を含む計測経路に２相分離して第２のＰＭファイバにより伝送し、前記参照経路の端部に第１のミラーを備えると共に、前記計測経路の端部に第２のミラーを備え、前記第１のミラーの参照反射光及び前記第２のミラーの計測反射光が前記第２のＰＭ光カプラで干渉し３相に変換され、前記変換された１相目パルスは、前記第１のＰＭ光カプラを経て第３のＰＭファイバで出力され、前記第３のＰＭファイバに接続された第１のＳＭファイバで光合成部に伝送され、前記変換された２相目パルスは、前記第２のＰＭ光カプラから第４のＰＭファイバで出力され、前記第４のＰＭファイバに接続された第２のＳＭファイバで第１の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記変換された３相目パルスは、前記第２の光カプラから第５のＰＭファイバで出力され、前記第５のＰＭファイバに接続された第３のＳＭファイバで第２の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記光合成部から時分割パルス列が出力される構成であることにより達成される。

また、本発明は、それぞれが計測対象を含むｎ（≧２）個の干渉計に計測用パルスを伝送し、前記ｎ個の干渉計からの前記計測対象の各変位に応じたＴＤＭパルス列を光合成して出力する光ファイバセンサに関し、本発明の上記目的は、レーザパルスを前記計測用パルス及び遅延用パルスの２相に変換する（ｎ－１）個の光カプラが設けられ、初段の光カプラはレーザ光源からのレーザパルスを入力し、２段目から（ｎ－１）番目の光カプラは、前段からの前記遅延用パルスを遅延部を経て入力し、ｎ番目の光カプラは、（ｎ－１）番目の光カプラからの前記遅延用パルスをｎ番目の前記干渉計に伝送して入力し、前記ｎ個の干渉計から出力される各ＴＤＭパルス列を順次追加的に光合成して多重ＴＤＭパルス列を出力する構成であることにより達成される。

本発明の光ファイバセンサ及びそれを用いた計測システムによれば、遅延回路を用いた位相シフト光パルス方式に代え、計測対象（例えば加速度センサ）を含む干渉計を有するセンサ部に、３×３光カプラを用いて位相情報を抽出し、反射された３出力をＴＤＭにより１出力のパルス列にして計測している。このため、光伝送経路の影響を確実に、かつ効率的に除去することができる。計測出力をＴＤＭにより１出力のパルス列としているので、反射光の３本の干渉計出力を１本の光ファイバに収容することができ、複数の光ファイバの特性差による信号強度の変動を、構成面から低減できる利点がある。また、ＴＤＭにより１出力としているので、光／電気（ＯＥ）変換素子を１個で構成することができ、光／電気変換素子の特性差による信号強度、周波数特性の影響を大きく低減できる利点がある。更に、複数の干渉計出力をそれぞれＴＤＭ化して１本化することにより、長距離伝送、多チャンネル化に有利となる。

干渉計の２つの干渉経路（参照経路及び計測経路）の距離を等しくすることで、光源の波長変動や干渉計の環境要因による影響(温度変化、屈折率変化による光路長の変動等)を小さくできる利点がある。また、２つの干渉経路を短くすることができると共に、パルス幅は任意に設定でき、高速高精度のＡＤ変換器が不要となり、比較的安価な構成となる。

更に３×３カプラを用いる方法の応用として、ＳＭ(Single Mode)ファイバを用いた干渉計の代わりに、ＰＭ（Polarization Maintaining）ファイバを用いてＦＲＭ(Faraday Rotator Mirror)を用いない干渉計を構築することができ、この場合には高温動作や広範囲な温度領域で動作可能であり、小型のセンサを実現できる。更に、光源送信側伝送ファイバのみに高価なＰＭファイバを用いて偏波状態を一定にし、干渉波形受信側伝送ファイバには安価なＳＭファイバを用いて、光伝送経路のコスト削減を図ることができる。

本発明の第１実施形態を示すブロック構成図である。 本発明の第１実施形態の動作例を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態を示すブロック構成図である。 本発明の第３実施形態を示すブロック構成図である。 本発明の第３実施形態の動作例を示すフローチャートである。 本発明の第１変形例を示す一部構成図である。 本発明の第２変形例を示す一部構成図である。 図７の構成を示す模式図である。 光ファイバブロックを説明するための略式図である。 本発明の効果を示す特性図である。 本発明の効果を示す特性図である。

本発明は、位相シフト光パルスを用いたリアルタイム変位計測における外的影響の低減を図るため、特に偏波特性、温度変動、光源波長変動及び伝送路の影響を考慮した構成としている。そこで、光ファイバセンサにおける偏波特性、温度変動、光源波長変動及び伝送路の影響について検討する。

先ず偏波特性の影響について検討する。光（レーザ光）がＳＭ(Single Mode)ファイバを伝搬すると、偏波状態がランダムに変動するが、光の分岐から干渉までの偏波状態の変動は位相変化と同じであり、性能低下の原因となる。この偏波状態の変動を除去するため、ＦＲＭ（Faraday Rotator Mirror）を使用することが考えられるが完全ではなく、干渉計の２つの干渉経路（参照経路及び計測経路）のファイバの長さが長いほどこの影響は大きく、また、ＦＲＭはセンサの小型化を制限することになる。一方、位相シフト光パルス方式では位相差を作り出すため、干渉計の２つの干渉経路をある程度の長さとする必要があり、余り短くすることができない。ＳＭファイバに代えてＰＭ(Polarization Maintaining)ファイバで構成することで偏波状態は安定し、しかもＦＲＭが不要となって安価なミラーで代用できるが、ＰＭファイバを使用するためにシステム構成全体のコストが高くなる問題がある。

次に、温度変動の影響について検討する。温度によりＳＭファイバの長さと屈折率が変化し、レーザ光の位相が変化する。干渉計の２つの干渉経路（参照経路及び計測経路）の温度差は位相変動の要因となり、性能低下の大きな原因となっている。そのため、できるだけ２つの干渉経路の温度差を小さくすることが重要であるが、２つの干渉経路の長さが異なる場合は、配線場所が相違することから温度差の影響は無視できない。

光源波長の変動の影響について検討すると、干渉計の２つの干渉経路の長さが等しい場合は、干渉は波長変動の影響を受けない。しかし、２つの干渉経路の長さに差がある場合は、波長変動は位相変動となり、性能低下の要因となる。

最後に、伝送経路の影響について検討する。干渉計の２つの干渉経路の光ファイバのいずれかに振動や圧力、温度が加えられると、屈折率の変化等により位相差が生じる。そのため、２つの干渉経路は、できる限り振動や圧力、温度の変化を受けない構造である必要がある。そして、振動や圧力、温度の変化を受けた場合でも、２つの干渉経路の同一の場所が、同様の影響を受けるような構造であれば、相互にキャンセルされて温度等の影響を軽減することができる。

以上のことから、位相シフト光パルス方式の光ファイバセンサの性能向上のためには、２つの干渉経路（参照経路及び計測経路）の長さの差を小さくすることが有利である。しかし、これは光パルスの幅と間隔を狭くすることになり、干渉信号を取得して変位を計測するために、より高速高精度のＡＤ（Analog to Digital）変換器や、高い周波数まで動作する電気回路が必要となり、性能向上が限界となる。加えて構成が高価になるという問題を生じる。ここにおいて、３×３光カプラを用いた干渉計は、上記性能向上の限界や価格の問題を解決することができる。

更にレーザ光をパルス化し、ＴＤＭ技術を組み合わせた方式とすれば、出力を１本とすることができるので、性能向上と低コスト化を図ることができる。更にまた、３×３光カプラ方式の利点を維持して、干渉計をＰＭファイバで構成することで、干渉計にＦＲＭが不要となり、安価なミラーで代用することができ、高温動作仕様、センサの小型化が可能になる。また、光源レーザ伝送ケーブルのみにＰＭファイバを用い、干渉計の光伝送ケーブルにＳＭファイバを用いることで、システムの価格を下げることができる。

以下に、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１実施形態を示しており、レーザ光源１０と２×２光カプラ１１とはＳＭファイバＦ１で接続され、２×２光カプラ１１と３×３光カプラ１２とはＳＭファイバＦ２で接続されている。３×３光カプラ１２には干渉計を構成する２系列のＳＭファイバＦ３及びＦ４、Ｆ４’が接続され、ＳＭファイバＦ３は参照経路を構成し、ＳＭファイバＦ４及びＦ４’は計測経路を構成している。ＳＭファイバＦ３及びＦ４’の先端部にはそれぞれ、空間結合のプリズムを介してＦＲＭ１３及び１４が接続され、計測経路のＳＭファイバＦ４及びＦ４’の中途部に計測対象としての加速度センサ２０が配置され、加速度センサ２０の相対変位ｄを光学的に計測するようになっている。加速度センサ２０は、プリズムミラー２１を備えている。また、３×３光カプラ１２と光合成部１５との間には、遅延部ＤＬ１（例えば遅延時間τ）を有するＳＭファイバＦ５と、遅延部ＤＬ２（例えば遅延時間２τ）を有するＳＭファイバＦ６とが並列に接続され、光合成部１５と２×２光カプラ１１との間にはＳＭファイバＦ７が接続されている。そして、光合成部１５には、出力線となる１本のＳＭファイバＦ８が接続され、その先端部にパルス列の光信号を電気信号に変換する光／電気（ＯＥ）変換器１６が接続されている。

なお、光合成部１５は３×３光カプラで構成することができる。また、遅延部ＤＬ１の遅延時間τ、遅延部ＤＬ２の遅延時間２τは例示であり、適宜変更可能である。

このような構成において、その動作例を図２のフローチャートを参照して説明する。

先ず、レーザ光源１０からレーザパルスＬ１が発信され（ステップＳ１）、レーザパルスＬ１はＳＭファイバＦ１で伝送され、２×２光カプラ１１を経てレーザパルスＬ２として、ＳＭファイバＦ２で３×３光カプラ１２に伝送される（ステップＳ２）。レーザパルスＬ２は３×３光カプラ１２で干渉用の２相のレーザパルスＬ３及びＬ４に分岐され（ステップＳ３）、それぞれ参照経路のＳＭファイバＦ３及び計測経路のＳＭファイバＦ４及びＦ４’で伝送される。参照用のレーザパルスＬ３は端部のＦＲＭ１３で反射され、参照反射レーザパルスＬ５として同じＳＭファイバＦ３を逆方向に伝送される（ステップＳ４）。また、分岐された計測用のレーザパルスＬ４は、加速度センサ２０の計測部を経て伝送され（ステップＳ５）、その後、ＳＭファイバＦ４’の端部のＦＲＭ１４で反射され（ステップＳ６）、計測反射レーザパルスＬ６としてＳＭファイバＦ４’及びＦ４を逆方向に伝送され、加速度センサ２０の計測部を経て３×３光カプラ１２に伝送される（ステップＳ７）。

ＳＭファイバＦ３及びＦ４でそれぞれ返送された参照反射レーザパルスＬ５及び計測反射レーザパルスＬ６は３×３光カプラ１２に伝送され、３×３光カプラ１２で干渉を生じ、３×３光カプラ１２は３相のレーザパルスＬ７、Ｌ８、Ｌ９に変換する（ステップＳ１０）。ここにおいて、参照反射レーザパルＬ５と計測反射レーザパルスＬ６の位相差をφとし、直流オフセットを表わす定数をＣ、交流振幅を表わす定数をＢとした場合、３×３光カプラ１２での２相から３相への変換は、下記数１に従って行われる。
（数１）
Ｌ７＝Ｃ＋Ｂ・cos(φ)
Ｌ８＝Ｃ＋Ｂ・cos(φ＋２π/３)
Ｌ９＝Ｃ＋Ｂ・cos(φ－２π/３)

変換された１相目のレーザパルスＬ７は、ＳＭファイバＦ２で２×２光カプラ１１に伝送され（ステップＳ１１）、更に２×２光カプラ１１からのＳＭファイバＦ７でレーザパルスＬ７Ａ（波高値Ｘ１）として光合成部１５に伝送される（ステップＳ１２）。また、変換された２相目のレーザパルスＬ８（波高値Ｘ２）はＳＭファイバＦ５により伝送され（ステップＳ１３）、遅延部（遅延時間τ）ＤＬ１を経て光合成部１５に伝送され（ステップＳ１４）、変換された３相目のレーザパルスＬ９（波高値Ｘ３）はＳＭファイバＦ６により伝送され（ステップＳ１５）、遅延部（遅延時間２τ）ＤＬ２を経て光合成部１５に伝送される（ステップＳ１６）。

光合成部１５は、伝送されて来たレーザパルスＬ７Ａ、Ｌ８及びＬ９を合成（論理ＯＲ）するが（ステップＳ２０）、レーザパルスＬ８及びＬ９は、レーザパルスＬ７Ａに比べてそれぞれ遅れ時間τ及び２τだけずれているので、光合成部１５の出力パルス列ＰＴ１は時分割された形態となっている。出力パルス列ＰＴ１は光／電気変換器１６に入力されて電気信号に変換され（ステップＳ２１）、演算部等で各パルスの波高値Ｘ１、Ｘ２，Ｘ３を計測することによって、加速度センサ２０の相対変位ｄが演算される（ステップＳ２２）。

上述の第１実施形態では光ファイバを全てＳＭファイバとし、光反射部材としてＦＲＭを用いる構成としているが、一部にＰＭファイバを用いた混合構成例（第２実施形態）を、図１に対応させた図３に示して説明する。

第２実施形態では図３に示すように、干渉計内の破線で囲んだＳＭファイバ系のみにＳＭファイバを使用し、他は全てＰＭファイバとしており、ＳＭファイバ系の境界部をＳＭ－ＰＭ接合４０～４２で接続している。ＳＭ－ＰＭ接合４０～４２には、コネクタなどの公知技術を適用できる。また、レーザ光源１０から発信されたレーザパルスＬ１の入力経路には偏光子３０が挿入されており、ＰＭファイバによる長距離伝送で生じる微小な偏波揺らぎを除去するようになっている。ＳＭファイバ系以外の領域では全てＰＭファイバを使用しているため、第１実施形態の２×２光カプラ１１に代えて偏波面保存光カプラ３１を使用し、３×３光カプラ１２に代えて偏波面保存光カプラ３２を使用している。更に、ＰＭファイバを使用しているためＦＲＭは不要であり、干渉計の参照経路及び計測経路の端部にそれぞれ一般的なミラー３３及び３４を配置している。

第２実施形態はこのような構成であり、その動作は第１実施形態における図２と同様である。即ち、ＳＭファイバで成る第１実施形態における伝送路の一部が、ＰＭファイバに置き換わっただけであり、レーザパルスの流れと動作は第１実施形態と同様である。

次に、複数の計測対象を時分割多重化で同時に計測する第３実施形態を、図４に示して説明する。図４では計測対象として３個の干渉計１００，１１０及び１２０を示しているが、これに限定されるものではない。干渉計１００，１１０及び１２０は同じ構成であり、図１におけるセンサ側（干渉計）の構成と同様である。

レーザパルスＬ１０を発信するレーザ光源１０１は、ＳＭファイバＦ１０で光カプラ１０２に接続され、光カプラ１０２と干渉計１００とはＳＭファイバＦ１１で接続されると共に、光カプラ１０３とは遅延部ＤＬ１０を経てＳＭファイバＦ１２で接続されている。また、干渉計１００のＴＤＭ出力はＳＭファイバＦ１４で光合成部１０４と接続され、光カプラ１０３と干渉計１１０とはＳＭファイバＦ１５で接続されると共に、干渉計１２０とは遅延部ＤＬ１１を経てＳＭファイバＦ１８で接続されている。干渉計１１０のＴＤＭ出力はＳＭファイバＦ１６で光合成部１０４と接続され、光合成部１０４の合成出力はＳＭファイバＦ１７で光合成部１０６と接続されている。干渉計１２０のＴＤＭ出力はＳＭファイバＦ２０で光合成部１０６に接続され、光合成部１０６の合成出力はＳＭファイバＦ２１で光／電気変換器１０７に接続されている。

このような構成において、その動作例を図５のフローチャートを参照して説明する。

先ず、レーザ光源１０１から発信されたレーザパルスＬ１０は、ＳＭファイバＦ１０で光カプラ１０２に伝送され（ステップＳ１００）、光カプラ１０２において計測用パルスＬ１１及び遅延用パルスＬ１２の２相のパルスに変換される（ステップＳ１０１）。光カプラ１０２からの計測用パルスＬ１１は、ＳＭファイバＦ１１で干渉部１００に伝送され、干渉部１００において第１実施形態で説明したと同様な動作が実行され（ステップＳ１１０）、干渉部１００から時分割のパルス列ＰＴ１０が出力され、ＳＭファイバＦ１４で光合成部１０４に伝送される（ステップＳ１１１）。また、光カプラ１０２からの遅延用パルスＬ１２は遅延部ＤＬ１０を経て（ステップＳ１０２）、ＳＭファイバＦ１２で光カプラ１０３に伝送され（ステップＳ１０３）、光カプラ１０３において計測用パルスＬ１３及び遅延用パルスＬ１４の２相のパルスに変換される（ステップＳ１０４）。計測用パルスＬ１３はＳＭファイバＦ１５で干渉部１１０に伝送され、ここで第１実施形態で説明したと同様な動作が実行され（ステップＳ１２０）、干渉部１１０から時分割のパルス列ＰＴ１１が出力され、ＳＭファイバＦ１６で合成部１０４に伝送される（ステップＳ１２１）。

また、光カプラ１０３からの遅延用パルスＬ１４は遅延部ＤＬ１１を経て（ステップＳ１０５）、ＳＭファイバＦ１８で干渉部１２０に伝送され、干渉部１２０は前述と同様な動作を実行し（ステップＳ１３０）、干渉部１２０から時分割のパルス列ＰＴ１２が出力される（ステップＳ１３１）。

光合成部１０４においては、パルス列ＰＴ１０及びＰＴ１１が時間軸で合成され（ステップＳ１４０）、合成されたパルス列ＰＴ２０が形成され（ステップＳ１４１）、パルス列ＰＴ２０はＳＭファイバＦ１７で光合成部１０６に伝送される。

干渉部１２０からの時分割のパルス列ＰＴ１２は、ＳＭファイバＦ２０で光合成部１０６に伝送され、光合成部１０６でパルス列ＰＴ１２とパルス列ＰＴ２０とが時間軸で合成され（ステップＳ１４２）、合成されたパルス列ＰＴ２１が出力される（ステップＳ１４３）。パルス列ＰＴ２１はＳＭファイバＦ２１で光／電気変換器１０７に伝送されて光／電気変換され（ステップＳ１４４）、各パルス列のパルスの波高値を計測することにより、干渉部１００、１１０及び１２０のそれぞれの加速度センサの相対変位が計測される（ステップＳ１４５）。

図４の第３実施形態では計測対象を３個（干渉計１００，１１０，１２０）としているが、ｎ（≧２）個の干渉計を対象とすることができる。即ち、それぞれが計測対象を含むｎ（≧２）個の干渉計に計測用パルスを伝送し、ｎ個の干渉計からの計測対象の各変位に応じたＴＤＭパルス列を光合成して出力する光ファイバセンサであり、レーザパルスを計測用パルス及び遅延用パルスの２相に変換する（ｎ－１）個の光カプラが設けられ、初段の光カプラはレーザ光源からのレーザパルスを入力し、２段目から（ｎ－１）番目の光カプラは、前段からの遅延用パルスを遅延部を経て入力し、ｎ番目の光カプラは、（ｎ－１）番目の光カプラからの遅延用パルスをｎ番目の干渉計に伝送して入力し、ｎ個の干渉計から出力される各ＴＤＭパルス列を、順次追加的に光合成して多重ＴＤＭパルス列を出力する構成である。

図６は本発明の第１変形例（カスタマイズ化された光カプラ）を示しており、３×３光カプラ１２の分岐の先端にコリメータレンズ５１及びミラー５２が接続され、コリメータレンズ５１でコリメートされたレーザパルスが空間結合５０に入力され、更に加速度センサ２０に入力し、空間結合５０内のミラー５３で戻される。ミラー５３で戻されたレーザパルス（信号光）は、ミラー５２の反射光（参照光）と干渉するようになっている。

このような空間結合５０で構成された干渉計には光ファイバが全くないので、ファイバの配線（引き回し）が不要であり、また、偏波の影響を受けないため。ＦＲＭが不要となり、小型化が可能である。更に、光導波路技術やＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を応用することで、コリメータレンズやミラーを集積した３×３光カプラや加速度センサの一層の小型化が可能である。

図７及び図８は本発明の第２変形例を示しており、３×３光カプラ１２の分岐の先端にコリメータ領域５４及び端面ミラー（両面ミラー）５５が接続され、プリズムミラー２１を備えた加速度センサ２０に空間結合５０Ａが形成されている。ポート４の端面部に端面ミラー５５が設置され、この端面ミラー５５により、ＣＰＬ１２の内部では、ポート４のレーザパルスＬ３が反射（Ｌ５）して光結合部へ戻るようになっている。また、端面ミラー５５により、ＣＰＬ１２の外では、ポート６のレーザパルスＬ４が反射（Ｌ６）して光結合部へ戻るようになっている。端面ミラー５５はポート４の端面の両面に、例えばTi-Auの蒸着、Al蒸着などの1550nm帯の光を反射する金属を蒸着して形成される。

ポート６のＣＰＬ１２内の出口に、導波路のモードフィールド径と開口数を調整されたコリメータ領域５４が設置され、このコリメータ領域５４を通過したレーザパルスＬ４は、平行光線として加速度センサ２０内のプリズムミラー２１を通過して、端面ミラー５５で反射されたレーザパルスＬ６が再度プリズムミラー２１を通過し、ポート６のコリメータ領域５４に入射されて光結合部へ戻る。

ポート１～３をそれぞれポート４～６の９０度の面に図９（Ｂ）に示すように設置し、このポート１～３に光の入出力を行う外部接続の光ファイバブロック１２Ａを設置することができ、この光ファイバブロック１２Ａの横方向での設置により、図９（Ａ）に示す縦方向の設置に比べ、モジュール全長を短くすることができる。なお、光ファイバブロック１２Ａは、ＣＰＬ１２から信号線を引き出す接続部品である。

図１０及び図１１は本発明の効果例を示す実験データの特性図であり、図１０（Ａ）は、加速度センサを省略した３×３光カプラによる干渉計において、復調処理、即ち３つのパルスの波高値Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３から加速度センサの相対変位ｄを求めることにより、図１０（Ｂ）に示す位相変化（約７π）が測定されており、レーザ波長を超えて位相検出できていることを示している。この場合は、温度によるレーザ波長の変化を用いて、干渉計に位相変化を発生させている。この位相変化は、図１０（Ｃ）に示す温度と連動している。

図１１は本発明と従来の位相シフト光パルス式の位相変動量の比較例であり、図１１（Ａ）は本発明の位相変動であり、図１１（Ｂ）が光シフトパルス式の位相変動であり、本発明により約１／１０改善されている。

１０ レーザ光源
１１ ２×２光カプラ
１２ ３×３光カプラ
１３，１４ ＦＲＭ
１５ 光合成部
１６ 光／電気変換器
２０ 加速度センサ
２１ プリズムミラー
３０ 偏光子
３１，３２ 偏波面保存光カプラ
３３，３４ ミラー
４０，４１，４２ ＳＭ－ＰＭ接合
５０、５０Ａ 空間結合
５１ コリメータ
５２，５３ ミラー
５３ コリメータ領域
５４ 端面ミラー（両面ミラー）
１００，１１０，１２０ 干渉計
１０１ レーザ光源
１０２，１０３ 光カプラ
１０４、１０６ 光合成部
１０７ 光／電気変換器

Claims (15)

1. レーザ光源からのレーザパルスを第１の光カプラを経て第２の光カプラで、干渉計を形成する参照経路及び計測対象を含む計測経路に２相分離し、前記参照経路の端部に第１のＦＲＭを備えると共に、前記計測経路の端部に第２のＦＲＭを備え、前記第１のＦＲＭの参照反射光及び前記第２のＦＲＭの計測反射光が前記第２の光カプラで干渉し３相に変換され、前記変換された１相目パルスは、前記第１の光カプラを経て光合成部に伝送され、前記変換された２相目パルスは、第１の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記変換された３相目パルスは、第２の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記光合成部から時分割パルス列が出力される構成であることを特徴とする光ファイバセンサ。
2. 前記レーザパルスの伝送を全てＳＭファイバで行うようになっている請求項１に記載の光ファイバセンサ。
3. 前記第２の遅延部の遅延時間が、第１の遅延部の遅延時間より長くなっている請求項１又は２に記載の光ファイバセンサ。
4. レーザ光源からのレーザパルスを第１の光カプラを経て第２の光カプラで、干渉計を形成する参照経路及び計測対象を含む計測経路に２相分離し、前記参照経路の端部に第１のＦＲＭを備えると共に、前記計測経路の端部に第２のＦＲＭを備え、前記第１のＦＲＭの参照反射光及び前記第２のＦＲＭの計測反射光が前記第２の光カプラで干渉し３相に変換され、前記変換された１相目パルスは、前記第１の光カプラを経て光合成部に伝送され、前記変換された２相目パルスは、第１の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記変換された３相目パルスは、第２の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記光合成部から時分割パルス列が出力される構成の光ファイバセンサを用い、
   前記時分割パルス列の波高値を計測することにより、前記計測対象の変位を計測することを特徴とする計測システム。
5. レーザ光源からのレーザパルスを第１のＰＭファイバにより、偏光子及び第１のＰＭ光カプラを経て第２のＰＭ光カプラに伝送し、前記第２のＰＭ光カプラにおいて、干渉計を形成する参照経路及び計測対象を含む計測経路に２相分離して第２のＰＭファイバにより伝送し、前記参照経路の端部に第１のミラーを備えると共に、前記計測経路の端部に第２のミラーを備え、前記第１のミラーの参照反射光及び前記第２のミラーの計測反射光が前記第２のＰＭ光カプラで干渉し３相に変換され、
   前記変換された１相目パルスは、前記第１のＰＭ光カプラを経て第３のＰＭファイバで出力され、前記第３のＰＭファイバに接続された第１のＳＭファイバで光合成部に伝送され、
   前記変換された２相目パルスは、前記第２のＰＭ光カプラから第４のＰＭファイバで出力され、前記第４のＰＭファイバに接続された第２のＳＭファイバで第１の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、
   前記変換された３相目パルスは、前記第２のＰＭ光カプラから第５のＰＭファイバで出力され、前記第５のＰＭファイバに接続された第３のＳＭファイバで第２の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、
   前記光合成部から時分割パルス列が出力される構成であることを特徴とする光ファイバセンサ。
6. 前記第２の遅延部の遅延時間が、第１の遅延部の遅延時間より長くなっている請求項５に記載の光ファイバセンサ。
7. レーザ光源からのレーザパルスを第１のＰＭファイバにより、偏光子及び第１のＰＭ光カプラを経て第２のＰＭ光カプラに伝送し、前記第２のＰＭ光カプラにおいて、干渉計を形成する参照経路及び計測対象を含む計測経路に２相分離して第２のＰＭファイバにより伝送し、前記参照経路の端部に第１のミラーを備えると共に、前記計測経路の端部に第２のミラーを備え、前記第１のミラーの参照反射光及び前記第２のミラーの計測反射光が前記第２のＰＭ光カプラで干渉し３相に変換され、前記変換された１相目パルスは、前記第１のＰＭ光カプラを経て第３のＰＭファイバで出力され、前記第３のＰＭファイバに接続された第１のＳＭファイバで光合成部に伝送され、前記変換された２相目パルスは、前記第２のＰＭ光カプラから第４のＰＭファイバで出力され、前記第４のＰＭファイバに接続された第２のＳＭファイバで第１の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記変換された３相目パルスは、前記第２のＰＭ光カプラから第５のＰＭファイバで出力され、前記第５のＰＭファイバに接続された第３のＳＭファイバで第２の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記光合成部から時分割パルス列が出力される構成の光ファイバセンサを用い、
   前記時分割パルス列の波高値を計測することにより、前記計測対象の変位を計測することを特徴とする計測システム。
8. それぞれが計測対象を含むｎ（≧２）個の干渉計に計測用パルスを伝送し、前記ｎ個の干渉計からの前記計測対象の各変位に応じたＴＤＭパルス列を光合成して出力する光ファイバセンサであり、
   レーザパルスを前記計測用パルス及び遅延用パルスの２相に変換する（ｎ－１）個の光カプラが設けられ、初段の光カプラはレーザ光源からのレーザパルスを入力し、２段目から（ｎ－１）番目の光カプラは、前段からの前記遅延用パルスを遅延部を経て入力し、
   ｎ番目の光カプラは、（ｎ－１）番目の光カプラからの前記遅延用パルスをｎ番目の前記干渉計に伝送して入力し、
   前記ｎ個の干渉計から出力される各ＴＤＭパルス列を順次追加的に光合成して多重ＴＤＭパルス列を出力する構成であることを特徴とする光ファイバセンサ。
9. 前記ｎ個の干渉計のそれぞれが、
   前記レーザパルスを第１の光カプラを経て第２の光カプラで、干渉計を形成する参照経路及び計測対象を含む計測経路に２相分離し、前記参照経路の端部に第１のＦＲＭを備えると共に、前記計測経路の端部に第２のＦＲＭを備え、前記第１のＦＲＭの参照反射光及び前記第２のＦＲＭの計測反射光が前記第２の光カプラで３相に変換され、前記変換された１相目パルスは、前記第１の光カプラを経て光合成部に伝送され、前記変換された２相目パルスは、第１の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記変換された３相目パルスは、第２の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記光合成部から時分割パルス列が出力される構成である、
   請求項８に記載の光ファイバセンサ。
10. 前記ｎ個の干渉計のそれぞれが、
    前記レーザパルスを第１のＰＭファイバにより、偏光子及び第１のＰＭ光カプラを経て第２のＰＭ光カプラに伝送し、前記第２のＰＭ光カプラにおいて、干渉計を形成する参照経路及び計測対象を含む計測経路に２相分離して第２のＰＭファイバにより伝送し、前記参照経路の端部に第１のミラーを備えると共に、前記計測経路の端部に第２のミラーを備え、前記第１のミラーの参照反射光及び前記第２のミラーの計測反射光が前記第２のＰＭ光カプラで３相に変換され、前記変換された１相目パルスは、前記第１のＰＭ光カプラを経て第３のＰＭファイバで出力され、前記第３のＰＭファイバに接続された第１のＳＭファイバで光合成部に伝送され、前記変換された２相目パルスは、前記第２のＰＭ光カプラから第４のＰＭファイバで出力され、前記第４のＰＭファイバに接続された第２のＳＭファイバで第１の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記変換された３相目パルスは、前記第２のＰＭ光カプラから第５のＰＭファイバで出力され、前記第５のＰＭファイバに接続された第３のＳＭファイバで第２の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記光合成部から時分割パルス列が出力される構成である、請求項８に記載の光ファイバセンサ。
11. それぞれが計測対象を含むｎ（≧２）個の干渉計に計測用パルスを伝送し、前記ｎ個の干渉計からの前記計測対象の各変位に応じたＴＤＭパルス列を光合成して出力する光ファイバセンサであり、レーザパルスを前記計測用パルス及び遅延用パルスの２相に変換する（ｎ－１）個の光カプラが設けられ、初段の光カプラはレーザ光源からのレーザパルスを入力し、２段目から（ｎ－１）番目の光カプラは、前段からの前記遅延用パルスを遅延部を経て入力し、ｎ番目の光カプラは、（ｎ－１）番目の光カプラからの前記遅延用パルスをｎ番目の前記干渉計に伝送して入力し、前記ｎ個の干渉計から出力される各ＴＤＭパルス列を順次追加的に光合成して多重ＴＤＭパルス列を出力する構成の光ファイバセンサを用い、
    前記多重ＴＤＭパルス列の波高値を計測することにより、前記ｎ個の計測対象の各変位を計測することを特徴とする計測システム。
12. レーザ光源からのレーザパルスを第１の光カプラを経て第２の光カプラで、干渉計を形成する参照経路及び計測対象を含む計測経路に２相分岐し、前記参照経路の前記第２の光カプラの分岐先端に第１のミラーを備えると共に、前記計測経路の前記第２の光カプラの分岐先端にコリメータレンズを備え、
    前記第２の光カプラと前記計測対象とで空間結合を形成すると共に、計測光を反射する第２のミラーを備え、
    前記コリメータレンズからのレーザパルスは前記空間結合を経て前記計測対象に入射し、第２のミラーで反射された信号光が前記第２の反射光と干渉し、第２の光カプラで３相に変換され、前記変換された１相目パルスは、前記第１の光カプラを経て光合成部に伝送され、前記変換された２相目パルスは、第１の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記変換された３相目パルスは、第２の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記光合成部から時分割パルス列が出力される構成であることを特徴とする光ファイバセンサ。
13. レーザ光源からのレーザパルスを第１の光カプラを経て第２の光カプラで、干渉計を形成する参照経路及び計測対象を含む計測経路に２相分岐し、前記参照経路の前記第２の光カプラの分岐先端に端面ミラーを備えると共に、前記計測経路の前記第２の光カプラの分岐先端にコリメータ領域を備え、
    前記第２の光カプラの入出力部と前記計測対象のプリズムミラーとで空間結合を形成し、
    前記参照経路のレーザパルスは、前記端面ミラーで反射されて前記第２の光カプラに戻され、前記コリメータ領域からの出力レーザパルスは前記空間結合のプリズムミラーを経て前記端面ミラーに入射し、前記端面ミラーで反射された信号光が前記プリズムミラーを経て前記コリメータ領域に入力されて前記第２の光カプラに戻され、前記第２の光カプラで３相に変換され、前記変換された１相目パルスは、前記第１の光カプラを経て光合成部に伝送され、前記変換された２相目パルスは、第１の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記変換された３相目パルスは、第２の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記光合成部から時分割パルス列が出力される構成であることを特徴とする光ファイバセンサ。
14. レーザ光源からのレーザパルスを第１の光カプラを経て第２の光カプラで、干渉計を形成する参照経路及び計測対象を含む計測経路に２相分岐し、前記参照経路の前記第２の光カプラの分岐先端に第１のミラーを備えると共に、前記計測経路の前記第２の光カプラの分岐先端にコリメータレンズを備え、前記第２の光カプラと前記計測対象とで空間結合を形成すると共に、計測光を反射する第２のミラーを備え、前記コリメータレンズからのレーザパルスは前記空間結合を経て前記計測対象に入射し、第２のミラーで反射された信号光が前記第２の反射光と干渉し、第２の光カプラで３相に変換され、前記変換された１相目パルスは、前記第１の光カプラを経て光合成部に伝送され、前記変換された２相目パルスは、第１の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記変換された３相目パルスは、第２の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記光合成部から時分割パルス列が出力される構成の光ファイバセンサを用い、
    前記時分割パルス列の波高値を計測することにより、前記計測対象の変位を計測することを特徴とする計測システム。
15. レーザ光源からのレーザパルスを第１の光カプラを経て第２の光カプラで、干渉計を形成する参照経路及び計測対象を含む計測経路に２相分岐し、前記参照経路の前記第２の光カプラの分岐先端に端面ミラーを備えると共に、前記計測経路の前記第２の光カプラの分岐先端にコリメータ領域を備え、
    前記第２の光カプラの入出力部と前記計測対象のプリズムミラーとで空間結合を形成し、前記参照経路のレーザパルスは、前記端面ミラーで反射されて前記第２の光カプラに戻され、前記コリメータ領域からの出力レーザパルスは前記空間結合のプリズムミラーを経て前記端面ミラーに入射し、前記端面ミラーで反射された信号光が前記プリズムミラーを経て前記コリメータ領域に入力されて前記第２の光カプラに戻され、前記第２の光カプラで３相に変換され、前記変換された１相目パルスは、前記第１の光カプラを経て光合成部に伝送され、前記変換された２相目パルスは、第１の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記変換された３相目パルスは、第２の遅延部を経て前記光合成部に伝送され、前記光合成部から時分割パルス列が出力される構成の光ファイバセンサを用い、
    前記時分割パルス列の波高値を計測することにより、前記計測対象の変位を計測することを特徴とする計測システム。

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