JPH01202629A - アツハツエンダ型干渉計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （７）技術分野 この発明は、シングルモードファイバによってマツハツ
エンダ型干渉計を構成して、音波や圧力などを検出する
光フアイバセンサに関する。

光ファイバによってマツハツエンダ干渉計を構成すると
いうのは、センサコイルを含む信号用光ファイバと、セ
ンサコイルのない参照用光ファイバとを設け、同一光源
の光を分けて両ファイバに通し、ファイバを透過した光
を合体させて干渉させることである。

信号用光ファイバと参照用光ファイバの長さはほぼ等し
くしておく。

音波や圧力を測定するために、信号用光ファイバのセン
サコイルを音波や圧力の存在する場に置く。すると、セ
ンサコイルは音波や圧力をうけて実効的な光路長が変化
する。

すると、信号用光ファイバを伝搬した光の位相が変化す
る。

信号光と参照光の位相の差をΦとすると、干渉光の強度
は（１＋ｃｏｓΦ）で変化する。それで、干渉光の強度
を受光素子で測定する事によって、音波や圧力の強さを
知ることができる。

（イ）従来技術 光フアイバハイドロ７オンを例にして、シングルモード
光ファイバを用いたマツハツエンダ干渉計型の計測原理
をまず説明する。

第２図は原理図である。

信号用光ファイバ２には、センサコイル４がある。音圧
が加わったとき、センサコイル４の実効的な光路長ｎＬ
が変化する。このためセンサコイルを光が通り抜けると
きの位相増加分を φｓｉｎΩｔ（１） とする。φは音圧の大きさに比例する。これを求めるの
が目的である。Ωは音波の角振動数である。

参照用光ファイバ３を通過して受光素子５に入射した時
の参照光の電界強度Ｅ（ｔ）は、Ｇを振幅、ωを光の角
振動数として Ｅ（ｔ）　＝　Ｇ５１ｎ（ｃｙｔ＋Φ）（２）と書くこ
とができる。φは信号光と参照光の位相のズレを示して
いる。

信号光はセンサコイルを通る。信号光の電界強度Ｆ　（
ｔ）は Ｆ（ｔ）　＝　Ｈｓｉｎ　（砒＋φｓｉｎΩｔ）　　　
　（３）である。

受光素子５はこれらの和の２乗にあたる出力Ｉ　（ｔ）
を与える。

Ｉ（ｔ）　＝　ｔ　Ｅ（ｔ）＋　Ｆ（ｔ）　Ｉ”　　　
　　　（４）であるが、受光素子は光の角振動数ωの速
さには追随しないので、 ■（ｔ）　＝−！（Ｇ”　＋　Ｈ”）　＋　ＨＧｃｏｓ
　（Φ−φｓｉｎΩｔ）　　（５）となる。この内、直
流分を除いたものをγ（１）と書く。これについて考え
る。

１’（ｔ）＝　Ｇ　Ｈ（ｃｏｓφｃｏｓ　（φ５ｉｎＱ
ｔ）　＋ｓｉｎΦ５ｉｎ（φｓｉｎΩｔ））　　（６）
ｃｏｓ（φｓｉｎ信）とＳ□ｎ（φｓｉｎΩｔ）はベッ
セル函数Ｊｎ（φ）によって展開する事ができる。

ｃｏｓ　（φｓｉｎΩｔ）　＝　Ｊｏ（φ）＋２！’Ｊ
（φ）ｃｏｓ　（２ｍΩｔ）　　（７）ｍ−１２ｍ ５ｉｎ　（φｓｉｎΩｔ）＝２ｍ：ＩＪ２ｍＪφ）ｓｉ
ｎ　（’（２ｍ　−ｔ）Ωｔ’）　　　（８）である。

これを（６）に代入すると、Ｉ（ｔ）をΩの基本波と高
調波成分の和として表現する事ができる。

フィルタ回路を通す事によって任意の次数の周波数成分
をとりだすことができる。

基本波成分をＩＩ（ｔ）と書くと、 ”　ｒ（ｔ）　＝　２　Ｇ　Ｈｓｉｎ　ＬｐＪｌ（φ）
Ｓｌｎ（Ωｔ　）　　　　　　　　（９１となる。水圧
、圧力による変調位相の振幅は十分に小さいので、φ〈
１という近似をすることができ、この範囲でＪｌ（φ）
＝φ／２であるから、基本波成分は １１；ＧＨφｓｉｎ　ＬＩ’　ｓｉｎ　（Ωｔ＞　　　
　　　　　　　　　（１０）となる。

ここから、φが分る。これが光フアイバハイドロ７オン
の原理である。

ところが、実際には、これほど単純ではない。

両光ファイバの位相差φが温度によって著しく変動する
からである。

Ｑ（６式から分るのは、φｓｉｎΦの大きさである。φ
が一定でなければ、φの値が正確に分らない。

信号用光ファイバ、参照用光ファイバともに同じ長さで
あっても、温度が異なると、Φが温度ともに変動する。

本出願人は、そこで、温度による位相差を検出して、こ
れをキャンセルするように位相補償するようにした光フ
ァイバハイドロフオンを発明した。

特願昭６１−２３７４０５号（Ｓ　６１．１０．６出願
）である。

第３図に構成図を示す。

位相変調器７と位相補償器６とを参照用光ファイパ３の
中に加える。

位相変調器７で、参照信号に ｅｓｉｎ（Ωｍｔ　）　　　　　　　　　　Ｑｌ）の位
相変調を加える。位相補償器６は直流分の位相補償Φを
与える。

これを同期検波器８で検波すると、 ｒＩ　＝　２ＧＨＪ１＠ｓｉｎ　（φｓｉｎΩを一Φ＋
Φ）　　　　Ｑｌを得る。この直流分■０は ｎｏ　＝　２ＧＨＪｔ＠ｓｉｎ　（Φ−φ）　　　　　
　　（１３）となる。Ｇ、　Ｈ，ｅは定数である。直流
分子Ｔｏからｓｉｎ　（←φ）を求める事ができる。そ
こでこれを一定にするためのΦが分る。それをフィード
バックして、Φを更新するようにしている。

つまり、温度変動によってΦが増加すると、位相補償Φ
も同じ速さで増加させる事になる。

このようにすると、実効的な位相差ΦかΦ′＝Φ−Φ＝
σｍｌ　　　　　αａ という事になり、αω式から、音波の強さφを求める事
ができる。

（ロ）　発明が解決しようとする問題点第３図に示すも
のは、誤差信号を検出するために、極めて複雑な構成と
なっている。

位相変調を行い、受光素子の出力を変調させている。こ
れを同期検波している。

位相変調器、変調信号発生器、同期検波器などが必要で
ある。

このため、装置が大型で、し−かも高価となる。

に）構　成 マツハツエンダ型の干渉計を光ファイバによって構成し
た場合、第２図、第３図のいずれの例に於ても、入射側
、出射側のハーフミラ−の一方の側にのみ発光素子、受
光素子が置かれている。他方の側は利用されていなかっ
た。

従来法のように、ひとつの光源（発光素子）、ひとつの
受光素子ではなく、２つの波長の異なる光源と、ふたつ
の受光素子を用いて、２組の干渉系を構成したのが本発
明のマツハツエンダ型干渉計の原理である。

波長の異なる光を、反対方向に、参照用光ファイバ、信
号用光ファイバに通す。参照用、信号用光ファイバの温
度による実効的な光路長の差Δ（＝δ（ｎＬ））は、２
つの光に対して同一である。

行路が同一だからである。

ところが、位相は異なる。位相は、光路長の差を波長で
割って、２πを乗じたものだからである。

マツハツエンダ型干渉計では、受光素子によって位相差
の余弦を知る事ができる。

そこで、２つの波長の光に対して、位相差の余弦が常に
等しくなるように制御する。そうすると、温度による位
相差のゆらぎを補償する事ができるのである。

第１図によって本発明のマツハツエンダ型干渉計の構成
を説明する。

シングルモード光ファイバである信号用光ファイバ２と
、参照用光ファイバ３とを両端に於て結合する。第１カ
ップリングにと、第２カップリングＭという。

従来は、カップリングの先は一方しか用いられなかった
が、本発明では、両方を用いる。

第１カップリングにの先端をに１％に２とする。

第２カップリングＭの先端をＭｌ、Ｍ２とする。

ここでカップリングに、Ｍは、２本のファイバを、たと
えば、ねじり合わせて融着し、エバネツセント結合する
事によって形成することができる。

また、従来例として示したように、ハーフミラ−と、レ
ンズ系によって構成することもできる。

つまり、カップリングに、Ｍはハーフミラ−と、これに
関して面対称な位置にレンズを置き、レンズによって光
を集光してファイバ端に入射するようにしてもよいので
ある。

第１カップリングにの先端に１には第１の光源Ａを置く
。この光の波長をＡ１とする。

第２カップリングＭの一方の先端Ｍ１には、第１の受光
素子Ｃを置（。これは波長Ａ１の光源Ａからの光を受け
る。

第１カップリングに１第２カップリングＭの先端に、対
になった光源Ａ１受光素子Ｃを置くのは通常のマツハツ
エンダ型干渉計と同じである。

本発明に於ては、これまで利用されなかった他の端に２
、Ｍ２に他の光源と受光素子を置く。

第２カップリングＭの他端Ｍ２には、第２の光源Ｂを置
く。この波長をＡ２とする。

第１カップリングにの他端に２には、第２の受光素子り
を置く。

こうして、２組のマツハツエンダ型干渉計ができる。

信号用光ファイバ２は、途中にセンサコイル４を持つ。

これは音波や圧力を感じるためのコイルである。音波の
強さをφとし、角周波数をΩとして、（１）と同じよう
に、φｓｉｎΩｔの位相変化を受ける。

参照用光ファイバ３は、参照用コイル９を持つ。

これは、ファイバ長をほぼ等しくして、温度変化をバラ
ンスさせるためである。このコイルは圧力、音波などを
感じないようにする。

参照用光ファイバ３の途中には、位相補償器６が設けら
れている。これは、たとえば圧電素子に光ファイバを巻
きつけコイル状にしたものによって構成できる。加えた
電圧によって、圧電素子が膨縮する。これによりファイ
バが伸縮するので光路長がわかる。このため位相補償器
６を通り抜ける時の位相が変わる。位相補償できるわけ
である。

位相補償器をΦで表わす。制御回路１７が、位相補償器
Φを指定する。

第１受光素子Ｃの出力は、増幅回路１０で増幅され、検
波回路１１で検波される。

第２受光素子りの出力は、増幅回路１２で増幅され、検
波回路１３で検波される。

ふたつの信号系の検波出力の差をとって誤差信号を与え
るのが、誤差信号抽出回路１４である。

この回路１４が制御回路１７に制御信号を与え、適切な
位相補償Φを与える。

本発明に於ては、同じ信号用光ファイバ２、参照用光フ
ァイバ３に対し、波長の異なる２つのマツハツエンダ干
渉計が構成されている。

温度によって、２つのファイバの実効的な光路長が変化
する。光路長変化により、受光素子の振幅が変化する。

しかし、波長が異なるから、受光素子信号の振幅の変化
は同一ではない。位相変化は、波長によって光路長変化
を割ったものだからである。

そこで、２つの干渉計の受光素子信号の振幅が常に同一
であるように位相補償をすれば、これは正しく位相補償
をしたという事になるのである。

（２）作　用 第１光源Ａから出た単色光は、端点に１から第１カップ
リングＫに入る。ここで信号光と参照光に分かれる。

信号用光ファイバ２を伝搬する光は、センサコイル４を
通るので、音波又は圧力による位相変化φｓｉｎ　（Ω
ｔ）を受ける。参照用光ファイバ３を伝搬する光は位相
補償器６を通るので、位相補償Φを受ける。

ふたつの光ファイバの温度変化による位相変化をφ１と
する。

すると、両光ファイバを通った光の位相差はφ１　ｓｉ
ｎΩｔ−Φ１＋Φ１（１９ という事になる。

信号光と参照光とは第２カップリングＭで合体し、干渉
する。干渉光の強度は、Ｍｌに設けた第１受光素子Ｃに
よって検出される。

この出力は、（６）式に示したような交流成分を持つ０ 検波回路１０で、音波又は圧力信号の基本波成分のみを
とり出す。すると（９）或はａｏに対応するような出力
を得る。

これをＣと書くと、 Ｃ−；　ＧＩＨ１φ１　ｓｉｎ　（φ１−Φ１　）　ｓ
ｉｎ　（Ωｔ＞　　　（１６）となる。Ｈｌは信号光の
振幅、Ｇ１は参照光の振幅である。φ１は圧力、音波の
強さに比例する変数である。

同じように、光源Ｂから出た光は％Ｍ２から第２カップ
リングＭに入る。ここで信号光と参照光に分かれる。２
つの光は第１カップリングにで合一し干渉する。

干渉光の強度は第２受光素子りで検出される。

これを増幅して検波し、基本波のみをとり出す。

この信号をＤと書くと、 ＤンＧ２Ｈ２φ２ｓｉｎ（φ２−Φ２）ｓｉｎ（Ωｔ）
　　（１７）となる。Ｇ２は参照光の振幅、Ｈ２は信号
光の振幅である。φ２は圧力、音波の強さに比例する変
数である。

Ｇ１、Ｇ２、Ｈｌ、Ｈ２は、光源Ａ、Ｂの発光強度やカ
ップリングに、Ｍの結合度による。波長ＡＩ、Ａ２によ
って直ちに決まるというものではない。

ところがφ１、φ２、Φ１、Φ２、Φ１、Φ２は波長Ａ
１％Ａ２と相関がある。φ１、φ２は、センサコイル４
の光路長が変化する事によって生じた位相変化分である
。センサコイル４の光路長の変化を８とすると、 と書くことができる。

同様に、位相補償器６による、実効的ファイバ長さの変
化分をｑとすると、 と書くことができる。さらに、温度変化による両ファイ
バの長さの相違をｐとすると となる。

いずれも、分子は共通であって、分母がＡ１、Ａ２とい
うように異なっている。

検波回路１１．１３で（１ｆＥ１％（１７）のような基
本波成分の強さを求めるが、誤差信号抽出回路１４は、
αｅ１αηに一定数をそれぞれ乗じ、その値を等しくす
るように位相補償するのである。

一定数をＣ１、Ｃ２とする。また振動項を除いて、で、
でと書くと Ｃ−Ｄ　　　　　　　　　　　　（ハ）となるように制
御するのである。Ｃ４、（ハ）でｓｉｎに絶対値符号が
つくのは、振動部分を除いた時に現われる振幅について
は、正負が分らないからである。

（イ）のようにするということは ｌ５ｉｎ（２ｙｒｎ（Ｐ　Ｑ）／ＡＩ）Ｉ＝　ＩＩ”’
ｓｉｎ　（２πｎ（Ｐ−ｑ）／Ａ２）＋とすることであ
る。ただし、 この場合、温度変動と、位相補償による光路長の変化を
Δとすると Δ＝　ｎ（ｐ−ｑ）　　　　　　　　　　　四である。

Δを変数として、グラフＩ：５ｉｎ（２πΔ／Ａｌ）と
グラフＩＩ　：　ｒ’　ｓｉｎ　（２πΔ／Ａ２）を描
いてみると、第４図〜第６図のようになる。

いずれも０点で（５）の等式が成立する。０点よりΔが
増えた点をＰ１Δが減った点をＱとする。

誤差信号抽出回路１４は、Δを調整して０点にグラフ１
１■の値を保とうとするものである。

第４図の例では、Δが０より増えた時に１１■の値Ｐ１
、Ｐ２がＰｉ　＞　Ｐ２となる。ΔがＯより減った時に
、Ｉ、ｎの値Ｑ１、Ｃ２がＱｌ＜Ｃ２となる。

この場合、検波回路１１の出力■、１３の出力■を比較
して、Ｉ＞ＩＩであればΔを減するように、つまり、位
相補償ｑを増す。

Ｉ＜ｎであれば、Δを増すように、つまり、位相補償ｑ
を減する。

第４図の例では、グラフ■については位相が０〜π／２
の間で、グラフ■については位相がπ／２〜πの間で交
叉している。このため、Δの変動に対して■とＨの差が
顕著に現われる。この場合、ネガティブフィードバック
制御は簡単である。

第５図の例では、平衡点０よりΔが増えるとＩＩ＞Ｉ　
（Ｐ２＞ＰＩ）　　となる。さきほどの例とは、フィー
ドバックの係数が反対になる。

Ｉ＞ｎであればΔを増し、Ｉ〈■であればΔを減するよ
うに制御するのである。同じようにネガティブフィード
バックである。しかし、Δの差異に対して、■と■の差
異が小さい。このためフィードバック系が有効に働きに
くい。

さて、（５）のように絶対値をとったものを等置するの
であるから、第４図のようになる場合もあるし、第５図
のようになる場合もある。予めこれを指定する事はでき
ない。

しかし、Δの値を０点に固定するようなネガティブフィ
ードバック制御は常に可能である。検波回路からの出力
を等置したものに安定させるのであるから、Ｉ、ｎの差
を求めて、差に比例するように位相補償ｑを増減する。

そして、出力としては、■と■の平均値をとる。

すなわち、 出力０＝−Ｌ（Ｉ＋ＩＩ）　　　　　　（７）とするの
である。第４図、第５図いずれであっても、平衡点０か
ら、■、■がずれていても、平均値は殆んど０からずれ
ない。

である。フィードバックが多少遅くれても、測定値自体
の誤差が小さい。

これが、本発明の測定系の利点のひとつである。

さて、第４図のようになるか、第５図のようになるかは
最初の温度による。確率は５０％、５０％である。とこ
ろが、Δの増減の方向と、■、■の大小関係とを、２つ
の場合に於て、切換える事ができない事もある。

しかし、それは差支えのない事である。

第４図のようにＩ＞ｎならΔを減じ、ＩＩ＞ＩならΔを
増加するという制御を行う系では、第５図のような状態
ではポジティブフィードバックがかかつてしまう。する
と、平衡点０からよけいずれる。

ところが、ｓｉｎ函数の絶対値が等しいことを要求する
のであるから、半波長、又は１波長内には隣接の交点が
必ず存在する。この交点は第４図のような交点である。

すると、平衡点のまわりでネガティブフィードバックを
かける事になり、ここで０点のまわりに微少変位すると
いう事になる。

つまり、ｓｉｎ函数の絶対値が等しくなるような交点は
長い方の波長の函数についてみれば１周期の中に４回あ
られれるはずである。このうち、２つは第４図のような
交点で、のこりの２つは第５図のような交点である。

いずれの状態を保つようなフィードバックをかけてもよ
い。フィードバック運動自身によって、安定な平衡点を
捜し出す事ができるわけである。

（至）で定義されるＦが未知数である事が多い。未知数
であっても、そのようなネガティブフィードバック制御
により、第４図、第５図のように等式罰を保つようにす
る事ができる。

これは−膜性に富んだ制御である。しかし、ｓｉｎ函数
のピークで交点が存在するのではない。感度が幾分悪い
という欠点がある。

「＝１である事が分っている場合は、特殊であるが、第
６図のような制御をする事ができる。曲線１１■の振幅
が同一で最大振幅の０点でＩ＝Ｉ［となるようにする。

すると、これは微分も等しいから、■と■の違いがΔの
２乗で表われる。つまりｓ　ＰｌとＰ２、ＱｌとＱ２の
差が極めて小さく検出しにくい。

しかし、いずれにしてもｎ＜Ｉとなるのであるから、第
６図のようにピーク点で平衡しているという事は分る。

この場合、■＝Ｉとなる０点を中心とし、ｎ＜Ｉとなる
と、その差分だけを補償するという単純な話ではすまな
い。Δを増せばよいのか、減らせばよいのか分らないか
らである。

この場合は、試みに位相補償ｑをたとえば増やし、■と
Ｉの差が増えるか減るかを見る。そして、差が減る方向
に位相補償を与える事にする。

第６図の制御は感度がよいが、制御方法は複雑である。

またｒ＝１とならなければならず、カップリングに、Ｍ
などをよほど巧みに作らなければならない。

光源として半導体レーザ、スーパールミネッセントダイ
オードなどを用いる事ができる。たとえば、Ａ１、Ａ２
として７８０　ｎｍ　、　８３０　ｎｍの光を用いる事
ができる。波長の違いがかなり大きいので、ネガティブ
フィードバック制御は容易である。

（２）効　果 音波、圧力などを測定する光ファイバを用いた高精度の
マツハツエンダ型測定器を提供することができる。

第３図に示すもののように、位相変調器や同期検波器が
不要である。

第１図で検波回路１１．１３としであるのは同期検波で
はなく、音波φｓｉｎΩｔの基本波ｓｉｎΩｔをとりだ
すという意味である。フィルタのようなものである。

このため、装置が小型になり安価になるという長所があ
る。

さらに、第３図に示すものは、より根本的な問題がある
。音波の信号がｓｉｎΩｔであり、変調信号がｓｉｎΩ
ｍｔである。ΩとΩｍが全くオーダの違う値であればよ
いが、両者が近接してくると、同期検波や基本波を通す
バンドパスフィルタの動作が誤動作をひきおこしやすく
なる。

実際ベッセル函数で展開したものをさらにベッセル函数
で展開する形になる。基本波といっても、その意味が不
明瞭になる。

本発明では２つの角周波数が混在しないので、そのよう
な数学的な困難から免れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のマツハツエンダ型干渉計の基本構成図
。 第２図は光ファイバを用いたマツハツエンダ型干渉計の
原理図。 第３図は本出願人による特願昭６１−２３７４０５の構
成図。 第４図は波長の異なる２つの干渉計の受光素子出力が同
一になる点を示すグラフ。 第５図は波長の異なる２つの干渉計の受光素子出力が同
一になる他の点を示すグラフ。 第６図は波長の異なる２つの干渉計の受光素子出力の振
幅が同一であってピークに於て出力が一致するような制
御法を説明するグラフ。 Ａ・・・・・・第１光源 Ｂ・・・・・・第２光源 Ｃ・・・・・・第１受光素子 Ｄ・・・・・・第２受光素子 Ｋ・・・・・・第１カップリング Ｍ・・・・・・第２カップリング ２・・・・・・信号用光ファイバ ３・・・・・・参照用光ファイバ ４・・・・・・センサコイル ６・・・・・・位相補償器 ９・・・・・・参照用コイル １４・・・・・・誤差信号抽出回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　音波や圧力を感受して実効的な光路長を変化させるセ
   ンサコイル４を持つたシングルモード光ファイバである
   信号用光ファイバ２と、参照用コイル９を持つたシング
   ルモード光ファイバである参照用光ファイバ３との両端
   を結合して第１カップリングＫ、第２カップリングＭを
   形成し、信号用光ファイバ２又は参照用光ファイバ３の
   途中には位相補償器６を設け、第１カップリングの端点
   Ｋ＿１には波長Λ＿１の第１光源Ａ、端点Ｋ＿２には第
   ２受光素子Ｄを設け、第２カップリングＭの端点Ｍ＿２
   には波長Λ＿２の第２光源Ｂ、端点Ｍ＿１には第１受光
   素子Ｃを設け、信号用光ファイバ２、参照用光ファイバ
   ３を共通にする２組のマツハツエンダ型の干渉計を構成
   し、第１受光素子の出力の基本波成分の強さＣと第２受
   光素子の出力の基本波成分の強さＤとを測定し、両者の
   誤差に比例して位相補償器６による光路長変化ｑを増減
   してＣとＤが等しくなるように制御し、出力信号として
   両者の平均値（Ｃ＋Ｄ）／２を採用する事を特徴とする
   マツハツエンダ型干渉計。