JPH04178531A - 光ファイバセンサ - 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】 【産業上の利用分野】

本発明は、センサに光を供給するレーザとは別に信号を
復調するレーザを有する光ファイバセンサに係り、特に
２つのレーザの位相を注入同期によって一致させる場合
に好適な光ファイバセンサに関する。

【従来の技術及び課題】

従来の光ファイバセンサにおいては、光の位相変化を読
み出すために一般に、三光束光干渉計を用いていた。こ
れは光源としてセンサに光を供給するレーザのみを有し
、センサ部分に入る前に予め分離された二本の光ファイ
バの片方を伝搬する光の位相が外部の物理現象を反映し
て変化する一方、光源の光は他の一方の光ファイバでは
外部の物理現象に影響されずにそのまま伝搬して再度合
波され、干渉によって位相変調された信号が強度変調に
変換されてセンサ出力として検出される。 従って、干渉する二つの光は外部の物理現象を反映した
位相変化以外は基本的に同一であって、信号の復調は高
いｓ　／　ｎ比で達成される。しかしながら、センサの
基本構成要素として２本の光ファイバが必要で、ここか
ら測定対象以外の温度、音響、機械振動の影響が混入し
やすく、センサの長灰化にも制限かあった。 即ち、従来の光ファイバセンサにおいては、光源として
センサに光を供給するレーザにみを有し、その一部をセ
ンサ部分をバイパスさせて信号の復調に用いるため、特
に位相同期は必要でないが、その代わりにセンサの基本
構成要素として２本の必要ファイバか必要であり、それ
に伴う構成、価格、ｓ　／　ｎ比等の難点かあった。 本発明は前記課題を解決するもので、基本構成要素とし
て１本の光ファイバしか必要としない干渉型光ファイバ
センサであって、単純、安価な構成で長尺化にも適する
と共に、測定対象以外の温度、音響、機械振動の影響を
受けにくい光ファイバセンサの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

上記目的を達成するため、本発明は、光ファイバ内伝播
光の位相か外部の物理現象を反映して変化することを利
用する光ファイバセンサにおいて、センサファイバの一
端に該センサファイバに光を供給するマスタレーザと、
該センサファイバの他端にスレーブレーザを有する注入
同期系を有し、前記センサファイバ及びスレーブレーザ
は光ファイバカップラによって接続され、該光ファイバ
カップラの各出力ポートには光強度検出器とこれに続く
信号処理装置を有し、物理現象を反映した光位相変化に
比例した電気信号を得ることを特徴とする。

【作用】

本発明によれば、光源とセンサファイバ１本と、ファイ
バ端部にスレープレーサを設けるたけてセンサを構成で
きるため構成を簡略化でき、また、同期レーザの強い光
強度の利用により、長距離の伝搬により減衰した信号の
復調を雑音少なく行うことかでき、また、測定対象以外
の温度、音響、振動の影響が混入しにくくセンサの長尺
化も簡単に行うことができ、従って、長い距離に渡って
各種物理現象のファイバに及ぼす影響を光の波長レベル
の高精度で検出することかできる。 この場合、本発明においては、信号光キャリアは同期レ
ーザ（スレーブレーザ）を注入同期する結果、同期レー
ザ（スレーブレーザ）の周波数は信号光キャリアの周波
数に一致し、同期レーザ（スレーブレーザ）の位相も信
号光キャリアの位相に同期する。例えば、リングレーザ
の発振波長ラムダで発振しているファイバレーザに対し
光源の波長ラムタの光が注入されると、ファイバレーザ
の発振波長は、リングレーザの発振波長ラムタから光源
の波長ラムタに変化し、注入同期が成立する。 仮に、光源からの光が被測定物理現象により周波数ωの
正弦波位相変調を受けると、光角周波数は基本波２πｆ
の他に２πｆ±ω×整数、の成分を持つことになる。こ
こで、全てのωＸ整数、が注入同期系のロックレンジか
ら外れるようにωを選択すれば、注入同期は基本波に対
して起こり、位相変調成分は注入同期には影響しない。

【実施例】

以下、本発明の各実施例を図面に基づいて説明する。 本発明の最大の特徴としては、センサに光を供給するレ
ーザとは別に信号を復調するレーザを用いることにより
、干渉型センサを基本的には１本の光ファイバのみて構
成する点にある。ここで新規に必要となるのは、センサ
に光を供給するレーザと、信号を復調するレーザとの相
互の位相によって一致させることであり、このために注
入同期を利用する点が第２の大きな特徴である。 ■第１実施例 第１図は第１実施例の基本構成図であり、図において符
号１は光源、２はファイバ、３はセンサ部、４は被測定
信号（被物理現象）、５はカップラ、６は同期レーザ、
７はバイパスファイバ、８は検出器である。前記光源１
　（マスタレーザ）からの光は、ファイバ２の一部に形
成されたセンサ部３で被測定信号４によって位相変化を
受けるようになっている。一方、信号光はファイバ２に
配設されたカップラ５てバイパスファイバ７と同期レー
ザ（スレーブレーザ）とに分岐し、再度カップラ５′で
合波されるようになっている。従って、信号光キャリア
は同期レーザ（スレーブレーザ）を注入同期するように
なっている。その結果、同期レーザ（スレーブレーザ）
の周波数は信号光キャリアの周波数に一致し、同期レー
ザ（スレーブレーザ）の位相も信号光キャリアの位相に
同期するようになっている。 ところで、注入同期現象はマイクロ波領域で多くの研究
か成されており、光領域でも同一の現象か報告されてい
る（参考文献：　Ｃ、Ｌ　、　Ｒｕｔｈｒｏｆｆ。 “Ｉ　ｎｊｅｃｔｉｏｎ−Ｌ　ｏｃｋｅｄ　Ｏ５ｃｉｌ
ｌａｔｏｒ　Ｆ　Ｍ　　Ｒｅｃｅｉｖｅｒ　Ａ　ｎａｌ
ｙｓｉｓ”、　　Ｂ　ｅｌｌ　Ｓ　ｙｓｔｅｍ　Ｔ　ｅ
ｃｈｎｉｃａｌ　Ｊ　ｏｕｒｎａＬ　ｐｐ１６５３−１
６６１．　Ｏｃｔ、　、　１９６８）。 ここで、重要なことは、注入同期が信号光に対して起き
るのではなく、信号光キャリアに対して起きる点である
。その結果、同期レーザは、前記光源ｌ　（マスタレー
ザ）からの光を、被測定現象によって位相変調を受ける
前の状態で再生することができる。一方、被測定現象に
よって位相変調を受けた後の光（信号光）はファイバ２
に配設されたカップラ５てバイパスファイバ７を経てカ
ップラ５°へ至る。従って、位相変調を受ける前の光（
祭照光）と位相変調を受けた後の光（信号光）とかカッ
プラ５°で合波され、干渉と同じ原理で位相変調か強度
変調に変換される。ここで、力。 ブラ５′で合波される２つの光の位相関係はバイパスフ
ァイバ７の長さに依存するため、バイパスファイバ７の
長さの安定化か必要である。この場合、前記同期レーザ
６としては、進行波型半導体レーザ増幅器または各種フ
ァイバレーザ（リング型またはファプリーペロ型）等を
用いることか可能である。 ■第２実施例 第２図は第２実施例の基本構成図であり、第２図に示す
各部が上記第１図に示す各部と共通構成には同一符号を
付し説明を簡略化する。第２実施例においては、同期レ
ーザ（スレーブレーザ）として、ファイバリングとされ
たファイバ９の一部に光増幅器１０を配設することによ
り、全体としてリングレーザを構成している。この場合
、光増幅器１０としてはエルビウムトープファイバ光増
幅器または進行波型半導体光増幅器を用いることが可能
である。 第２実施例と第１実施例との相違としては、第２実施例
ではリングレーザを構成するファイバカップラを直接通
過する光路に、上記第１図のバイパスファイバ７と同等
の役割を付与することにより、構成を簡易化することが
できる点である。第２実施例では位相変調を受ける前の
光（香煎光）と位相変調を受けた後の光（信号光）の位
相関係において、上記第１図におけるバイパスファイバ
７の長さへの依存性に相当する不安定要因か無い利点が
ある。 ■第３実施例 第３図は第３実施例の基本構成図であり、第３図に示す
各部か上記第２図に示す各部と共通構成には同一符号を
付し説明を簡略化する。図において符号１１は励起光源
、１２は波長選択ミラ、１３はエルビウムドープファイ
バ、１４は光波長フィルタ、１５はアイソレータである
。第３実施例では、第２実施例のリングレーザ部分にエ
ルビウムトープファイバ光増幅器を用いている。　光フ
ァイバ２に配設されたカップラ５には、前記エルビウム
ドープファイバ１３かリング状に接続され、これにアイ
ソレータ１５か挿入される。更に、前記エルビウムドー
プファイバ１３には、波長選択ミラ１２を介して励起光
源１１か接続される。前記エルビウムドープファイバ１
３に一定以上の励起光を入力するとファイバリングはレ
ーザ発振する。この状態でのリングレーザか同期レーザ
（スレーブレーザ）となるものである。 以上、上述した第１図の第１実施例、第２図の第２実施
例、第３図の第３実施例の何れの構成においても、位相
変調された信号光かファイバ２から同期レーザに注入さ
れた時の信号復調の原理は基本的には同一である。以下
に、第３図の構成を例に更に詳しく説明する。 まず、該リングレーザの発振波長ラムダ（２）（図示路
）は光源１の波長ラムダ（１）（図示路）に出来るだけ
近い値に設定する。そのためには、エルビウムドープフ
ァイバリングの中に配設した光波長フィルタ１４の設定
を調節すると共に、ファイバリングを外部からの温度、
振動の影響を受けないように安定化する必要かある。こ
れによって、ファイバリング先路長とエルビウムドーブ
ファイハの光増幅利得分布で決まるレーザ発振モートの
うちで、波長ラムダ（１）に最も近いモード（波長ラム
ダ（２））だけを選択的に発振させることかできる。 このような構成で、波長ラムダ（２）で発振しているフ
ァイバレーザに対しラムノ（１）の光か注入されると、
前記ファイバレーザの発振波長はラムダ（２）からラム
ノ（１）へ変化し注入同期が成立する。 もし、光源ｌからの光かセンサ部３で被測定信号４によ
って周波数ωの正弦波位相変調を受けると、光角周波数
は基本波２πｆ　（波長ラムダ（１））の他に２πｆ＋
：Ｎω（但しＮは整数）の成分を持つことになる。ここ
で、全てのＮωがここで用いた注入同期系のロックレン
ジから外れるようにωを選択できれば、注入同期は基本
波に対して起こり、位相変調成分は注入同期には影響し
ない。この結果、カップラ５では被測定信号によって位
相変調された基本周波数ωの信号光と、位相変調成分を
含まない周波数ωの同期光との掛は算が実行される。こ
こで重要なことは、掛は算される光波の互いの位相関係
か注入同期によって理想的には固定されることである。 ここで、カップラとしては２Ｘ２カツプラの他に、３Ｘ
３カツプラまたは４×４カツプラの何れでも掛は算（−
干渉）を行うことができる。但し、掛は算される２つの
光波の位相差が９０度に維持される時に、復調が最も感
度高くしかも線形性よく安定に行うことができる。この
、最も効率のよい復調には３Ｘ’３カツプラまたは４×
４カツプラが有利である。その理由を以下に述べる。 第４図はこの関係を説明するものであり、上記第１図〜
第３図の各部と共通構成には同一符号を付し説明を簡略
化する。図において３×３カツプラ５°　に対し信号光
とリングレーザ光が入射する。 両者の周波数を１１位相差をθとすると、Ｂ１−Ｂ２＝
Ｂ３では出力の変動成分は各々、１１：Ｃ０５（２πｆ
＋θ） Ｉ２：Ｃ０５（２πｆ十〇＋１２０度）１３：Ｃ０５（
２πｆ十θ−１２０度）である。従って、リングレーザ
への出力ポートを除く２つの出力ポートからの光強度が
同時に消失することがない。注入同期が成立している間
は、両者の位相差θはリングレーザの自然発振周波数と
光源１の周波数との差に比例して一９０度〜＋９０度の
範囲で変化する。それ以上では同期か外れることか知ら
れている。今、位相変調された注入光の位相を、カップ
ラで合波されるリングレーザ光（同期光）の位相を基準
にして改めてθとすれば、Δθ：注入光と同期光間の位
相差、φｃｏｓｐｔ：注入光に乗っている被測定信号に
よる位相変調を用いて、 θ＝Δθ十φｃｏｓｐｔ と表すことができる。従って、Ｉ２と１３を２つの受光
器によって独立に取り出して信号処理部で電気的に１２
＋１３及び１２−Ｉ３を作れば、最終的にφに比例した
出力を得ることができる。△θ＝−３０度であれば、 Ｉ　１　：　ｃｏ　ｓ（２πｆ　−３０度）１２　：　
ｃｏ　ｓ（２πｆ＋９０度十ψｃｏｓｐｔθ）＋３：Ｃ
０５（２πｆ−１５０度十φｃｏｓｐｔθ）となり、出
力Ｉ２を検出すればφを最も感度高くしかも線形性よく
安定に復調することかできる。 △θ＝−３０度なので注入同期の帯域の限界（同期外れ
点）までには尚、６０度の余裕かある。４×４カツプラ
の場合には、 １１：Ｃ０５（２πｆ十〇） １２：ｃｏｓ（２πｆ十〇＋９０度） ＋３：ｃｏｓ（２πｆ＋θ＋１８０度）■４°ｃ　ｏ　
ｓ　（２πｆ十〇＋２７０度）となるので、△θ−０度
で、 １２：ｃｏｓ（２πｆ＋９０度＋ψｃｏｓｐｔθ）また
は １４：Ｃ０５（２πｆ　＋２７０度十φｃｏｓｐｔθ）
が得られ、やはり理想的な条件下での復調か可能となる
。この時、△θ−〇度であるから、復調の動作点は同期
幅の中央であって３Ｘ３カツプラの場合よりも安定な動
作が可能となる。

【発明の効果】

以上説明したように本発明によれば、以下の効果を奏す
ることができる。 ■一般の三光束光干渉計と異なって、光源とセンサファ
イバ１本と、ファイバ端部にスレープレーサを設けるだ
けでセンサを構成できるため、構成を簡略化することが
できる。 ■また、同期レーザの強い光強度を利用することにより
、長い距離を伝搬するうちに減衰した信号の復調も雑音
少なく行うことができる。 ■また、センサファイバが１本だけであるため、測定対
象以外の温度、音響、機械振動の影響が混入しに＜＜、
センサの長尺化も簡単に行うことができる。 ■従って、例えば１０Ｋｍ以上にも及ぶ長い距離に渡っ
て、各種物理現象のファイバに及ぼす影響を光の波長レ
ベルの高精度で検出できるセンサを構築することができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１実施例の基本構成を示す図、第２
図は第２実施例の基本構成を示す図、第３図は第３実施
例の基本構成を示す図、第４図は３×３カツプラ又は４
Ｘ４カンプラが効率よい復調に有利であることを説明す
るための図である。 １・・・・・・光１．２・・・ファイバ、３・・・・・
センサ部、４・・・・・・被測定信号、５・・・・・カ
ップラ、６・・・・・・同期レーザ、７・・・・・・バ
イパスファイバ、８・・・・検圧器、９・・・・・ファ
イバ、１０・・・・・・光増幅器、１１・・・・・励起
光源、１２・・・・・・波長選択ミラ、１３　・エルヒ
ウムドープファイバ、１４・・・・・・光波長フィルタ
、１５・・・・・・アイソレータ。 出願人　　日本電信電話株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光ファイバ内伝播光の位相が外部の物理現象を反映して
   変化することを利用する光ファイバセンサにおいて、セ
   ンサファイバの一端に該センサファイバに光を供給する
   マスタレーザと、該センサファイバの他端にスレーブレ
   ーザを有する注入同期系を有し、前記センサファイバ及
   びスレーブレーザは光ファイバカップラによって接続さ
   れ、該光ファイバカップラの各出力ポートには光強度検
   出器とこれに続く信号処理装置を有し、物理現象を反映
   した光位相変化に比例した電気信号を得ることを特徴と
   する光ファイバセンサ。