JPH05209899A - 交番電界及び交流電圧のための光ファイバーセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 センサヘッドと評価電子装置を、障害を受け
ないように分離するとともに、簡単な構成と高い測定精
度の光ファイバーセンサを提供すること。 【構成】 センサヘッド１４と評価ユニット１３との間
を２つの別個の同種の２モードファイバー４ａ，４ｂを
タンデム干渉計の形式で直列に接続する。第１の２モー
ドファイバー４ａはセンサエレメント６と共にセンサヘ
ッド１４の中に設けられる。第２の２モードファイバー
４ｂは個別の評価ユニット１３の中に設けられる。セン
サヘッド１４と評価ユニット１３は、このようにして、
非感応性の単一モードファイバー２ａ，２ｂだけにより
接続される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、交番電界及び交流電圧
のための光ファイバーセンサであって、該センサは、 （ａ）光源を備えており； （ｂ）圧電センサエレメントを備え、； （ｃ）入力端と出力端を有する第１の２モードファイバ
ーを備え、該ファイバー中をＬＰ₀₁基本モードと偶数Ｌ
Ｐ₁₁モードが伝播されるようにし、さらに該ファイバー
は少なくとも部分的にセンサエレメントに次のように固
定されており、即ち電界におけるセンサエレメントの寸
法変化がファイバーにおける長さ変化を生じさせるよう
に固定されており； （ｄ）電界により定められるファイバーの長さ変化を測
定する手段を備えている形式の光ファイバーセンサに関
する。

【０００２】

【従来技術】この種の光ファイバーセンサは、例えばヨ
ーロッパ特許Ａ１−０４３３８２４号公報に示されてい
る。

【０００３】種々の刊行物に例えばヨーロッパ特許出願
公報第Ａ１−０３１６６１９号及びＡ１−０３１６６３
５号に、または論文Ｋ．Ｂｏｈｎｅｒｔ及びＮｅｈｒｉ
ｎｇ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．２７，第４８１４〜第４８１
８頁（１９８８）に、またはＯｐｔ．Ｌｅｔｔ．１４，
第２９０〜第２９２頁（１９８９）に、電界をまたは電
圧を測定するための光ファイバーセンサが示されてい
る。

【０００４】この場合に採用された測定形式は、選出さ
れた結晶対称性を有する材料における逆ピエゾ効果に基
づく。相応の圧電体が交番電界中で受ける時間的に周期
的な寸法変化が、この圧電体に固定されているガラスフ
ァイバーへ伝送される。この場合、ファイバーの長さ変
化は電界━ないし電圧振幅に比例し、これが干渉計技術
により測定されて評価される。

【０００５】干渉計技術による測定のために、種々の形
式のガラスファイバー干渉形を使用できる。これらの中
から、簡単にするために、論文Ｂ．Ｙ．Ｋｉｍ他，Ｏｐ
ｔ．Ｌｅｔｔ，１２，第７２９頁〜第７３１頁（１９８
７）からだけ、公知の２モードファイバー干渉計を取り
上げる。この干渉計の場合、センサファイバーのパラメ
ータは、ファイバーにおいて正確に２つのモード（ＬＰ
₀₁基本モード及び偶数ＬＰ₁₁モード）が伝播できるよう
に、選定される。

【０００６】２モードファイバー干渉計の場合、コヒー
レントな光源からの例えばレーザダイオードからの光
は、電界Ｅに対して圧電センサ素子に固定されている２
モードファイバーにより送られる。この光により両方の
モードが励起されて、ファイバーの中を異なるように伝
播する。この場合、ファイバー端部において、これらの
両方のモードの重畳から得られる干渉パターンが観察で
きる。この場合、ファイバーの長さ変化が、干渉パター
ンの相応の変化として現れる両方のモードの間の差の形
式の位相偏移を生じさせる。

【０００７】干渉パターンの両方の相並ぶサブ構造は、
２つの検出器（例えばフォトダイオードの形式の）によ
り検出される。これらの検出器の出力側に、１８０°の
位相差を有する２つの信号Ｖ₁₁とＶ₁₂が現れる。Ｖ₁₁は
式（１）により、Ｖ₁₂は式（２）により表される。

【０００８】 （１） Ｖ₁₁＝（１／２）Ｖ₀（１＋ａｃｏｓΦ（ｔ）） （２） Ｖ₁₂＝（１／２）Ｖ₀（１−ａｃｏｓΦ（ｔ）） ただし、Φ（ｔ）＝Ａｓｉｎωｔ＋θ（ｔ）である。両
方のモードの間の位相差Φ（ｔ）は、測定されるべき交
番電界により形成される時間的に周期的な成分Ａｓｉｎ
ωｔ（この場合、Ａはこの電界の振幅に比例する）か
ら、及び例えば温度により定められる、ファイバーの長
さ変動のため同じく時間的に変化し得る任意の位相項θ
（ｔ）から、形成される。Ｖ₀は最終的に光出力に比例
し、さらにＡは干渉コントラストに対する尺度である。

【０００９】求められた項Ａｓｉｎωｔは検出器の出力
信号からホモダイン検出法により得られることが多い
（単一モードファイバーを有する光ファイバーセンサに
対しては、Ｄ．Ａ．Ｊａｃｋｓｏｎ他、Ａｐｐｌ．Ｏｐ
ｔ．１９，第２９２６頁〜第２９２９頁（１９８０）に
示されている。２モードファイバーを有する相応の光フ
ァイバーセンサは冒頭に引用したヨーロッパ特許出願第
ＥＰ−Ａ１−０４３３８２４号公報に示されている）。
この方法の場合、センサファイバーは付加的に圧電変調
器を介して導かれる。この変調器４を用いて位相差Φ
（ｔ）が＋（π／２）または−（π／２）（モジュロ２
π）へ調整される。変調器は、検出器，減算器及び直角
変調器から構成される調整回路の構成部品である。この
調整回路は式（３）に示されている差電圧を相応にゼロ
へ調整する。

【００１０】 （３） Ｖ＝Ｖ₁₁−Ｖ₁₂＝Ｖ₀ａｃｏｓΦ（ｔ） 位相偏差の両方の成分Ａｓｉｎωｔ及びθ（ｔ）は変調
器により相応の逆の、ファイバーの長さ変化を介してち
ょうど打ち消される。そのため変調器に加わる電圧は、
θ（ｔ）に比例する緩慢に変化する成分と、Ａｓｉｎω
ｔに比例する周期的な成分である。所期の成分Ａｓｉｎ
ωｔは高域通過フィルタで瀘波されて信号出力側から取
り出される。これにより出力信号はレーザの強さ（即ち
Ｖ₀）の及び干渉コントラストａの多少の変動には依存
しなくなる。

【００１１】センサの一連の実際の適用（例えば屋外施
設における電圧測定の場合）において、本来のセンサヘ
ッドとセンサ用電子装置との間の著しく長い距離が生じ
る（１０ｍ〜数１００ｍ）。この距離を２モードファイ
バーそのもので橋絡することは好適ではない。何故なら
ば外部の障害（温度変動，機械の振動他）の影響が、フ
ァイバー長さの増加につれて、大きくなりさらにＳＩＮ
比が低下されるからである。レーザダイオードから干渉
計への光案内及び干渉計の出力信号の帰還案内は、干渉
計の構成部材ではない別個のガラスファイバーを介して
行うべきである。

【００１２】しかし能動形位相変調器を有する上述のホ
モダイン法の場合、接続用ガラスファイバーのほかにさ
らに、センサ用電子装置とセンサヘッドとの間の電気接
続が変調器の制御のために必要とされる。そのため、こ
の種の干渉計により動作するセンサの魅力は著しく制限
される。

【００１３】この理由により２つの先願のドイツ連邦共
和国特許出願公報（ファイル番号第Ｐ４１１４２５３．
５号及び第Ｐ４１１５３７０．７号）において提案され
ていることは、公知の能動形信号検出━これは相応の電
気線路を有する測定ファイバーを必要とする━ではな
く、受動形の信号検出が設けられる。この受動形の信号
検出はＧｕｏｙ━効果（これについては、Ｓ．Ｙ．Ｈｕ
ａｎｇ他，Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｐｒｏｃ．ｉｎ Ｐｈｙ
ｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．４４“Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ
Ｓｅｎｓｏｒｓ”，ページ３８〜４３，Ｓｐｒｉｎｇ
ｅｒ 出願 Ｂｅｒｌｉｎ，Ｈｅｉｄｅｌｂｅｒｇ（１
９８９）参照）に、即ち近接電界と遠方電界の干渉パタ
ーンの間の位相差に基づく：この場合、近接電界と遠方
電圧の構成（合計で４つ）はセンサヘッドにおいて光学
的手段により分離されており、さらに別個のガラスファ
イバーを介して、離れた評価電子装置へ伝送できる。こ
こで、これらの４つの基本構造のうちの少なくとも３つ
を用いて、測定ファイバーの長さ変化に関する所望の情
報が得られる。

【００１４】この提案された解決手段により、センサヘ
ッドと評価電子ユニットとの間の完全な電気的分離が達
せられる。しかしこの利点には、付加的な光学的コンポ
ーネント（ビームスプリッタ）及び著しく高価な電子回
路を使用しなければならない欠点を伴う。さらに、セン
サからダイオードへの光逆漂遊を抑圧するための特別な
構成が必要とされる。

【００１５】

【発明の解決すべき課題】本発明の課題は、一方ではセ
ンサヘッドと評価電子装置を、障害を受けないように分
離できるようにし、他方では簡単な構成と高い測定精度
の点で優れている、光ファイバーセンサを提供すること
である。

【００１６】

【課題を解決するための手段】この課題は冒頭に述べた
形式のセンサにおいて、次の構成により達成される。即
ち （ｅ）光源が多モードレーザダイオードであり； （ｆ）前記測定手段が前記の第１の２モードファイバー
と同種の第２の２モードファイバーを含んでおり； （ｇ）両方の２モードファイバーのパラメータが次のよ
うに選定されており、即ち干渉コントラストが、個々の
２モードファイバーにおける両方のモードの走行路差に
対して、及び走行路差の和に対して、それぞれ実質的に
ゼロとなるように選定されており、さらに （ｈ）光源と第１の２モードファイバーの入力端との間
に、及び第１の２モードファイバーの出力端と、及び第
２の２モードファイバーの入力端との間に、それぞれ１
つの単一モードファイバーが光を伝送するために設けら
れている。

【００１７】本発明の要旨は、測定のために、ヴァイス
リヒト（Ｗｅｉｓｓｌｉｃｈｔ）干渉計の形式を用いる
ことに基づいている：多モードレーザダイオードの光は
第１の２モードファイバーへ、非感応形の第１のモノモ
ードファイバーへ案内される。結合は次のように行われ
る、即ち両方の伝播可能なモード（ＬＰ₀₁基本モードと
偶数ＬＰ₁₁モード）が例えば同じ強さで励起される。第
１の２モードファイバーにおいて両方のモードに光学的
な光路差ΔＬ₁が生じる。この光路差の場合、干渉コン
トラストは無視できるくらい小さい。そのためセンサフ
ァイバーの端部に干渉効果が現れない。両方のモードは
実質的に同じ部分で第２の非感応形の単一モードファイ
バーの中へ入力結合されてさらに検出ユニットへ伝送さ
れる。ここで光は新たに第２の２モードファイバーの中
へ入力結合される。この２モードファイバーは、そのフ
ァイバーパラメータ及び長さに関して、第１の２モード
ファイバーと同様であり、例えば同一である。

【００１８】入力結合は同様に、両方のモードが実質的
に等しい強さで励振されるように行われる。第１の２モ
ードファイバーの中を基本モードＬＰ₀₁で伝播した光は
実質的に等しい部分で、第２の２モードファイバーのＬ
Ｐ₀₁モードで及びＬＰ₁₁モードで伝播する。同じこと
が、第１の２モードファイバーにおいてＬＰ₁₁モードで
伝播した光に対しても当てはまる。

【００１９】第２の２モードファイバーの出力端におい
て、ＬＰ₀₁モードの光波とＬＰ₁₁モードの波との間に、
ゼロ，ΔＬ₁，２ΔＬ₁の走行路差が形成される。走行路
差ゼロを有するモード成分は次に互いに干渉し合う。他
方、他の成分は一定の強度差を供給する。

【００２０】ここで付言すると、タンデム干渉計と称さ
れるこの種の方式は、基本的には従来の干渉計（マイケ
ルソン）に対して既に公知技術に示されている（例えば
Ａ．Ｓ．Ｇｅｒｇｅｓ他，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔｉｃｓ．２
９巻，Ｎｏ．３０，第４４７３頁〜４４８０頁、参
照）。

【００２１】本発明の有利な実施例は次の特徴を有す
る、即ち （ａ）第２の２モードファイバーが少なくとも部分的に
圧電変調器に固定されており； （ｂ）第２の２モードファイバーの出力端に２つの検出
器が両方のモードの強さを測定するために設けられてお
り； （ｃ）両方の検出器の出力信号が減算器を介して直角調
整器の入力側へ達するようにし； （ｄ）直角変調器の出力側が変調器を制御するように
し；さらに （ｅ）直角調整器の出力信号が高域通過フィルタを介し
て信号出力側へ与えられる。

【００２２】この種の、能動形の動作点監視及びＡＣ測
定信号の補償を有する公知のホモダイン検波は、高い測
定感度を、同時に大きい安定性の下で得られる利点を有
する。

【００２３】

【実施例】本発明によるセンサの基本構成（図）及び任
意に取り出された個々の波列の波面が、図１に示されて
いる。光源１である多モードレーザダイオードからの光
は、第１の（偏光維持用の）単一モードファイバー２ａ
の基本モードＬＰ₀₁として伝播する。当該の波面は、第
１のスプライス３ａにより第１の単一モードファイバー
２ａへ結合された第１の２モードファイバー４ａにおい
て、２つの新たな波面を励起する。この波面はＬＰ₀₁モ
ード及びＬＰ₁₁モードとして伝播する。両方の波面はフ
ァイバーの始端においてはなお同相である。何故ならば
これらは１つの共通の出発波面から形成されたからであ
る。この場合、第１のスプライス３ａにおける第１の２
モードファイバーへの結合は、例えば、ＬＰ₀₁モードと
ＬＰ₁₁モードの強さが近似的に等しくなるように行われ
る。

【００２４】両方のモードに対する実効的な屈折率ｎ
（ＬＰ₀₁）とｎ（ＬＰ₁₁）は異なるため、第１の２モー
ドファイバー４ａの終端では両方の波面の間に光学的な
走行路差（４）が累積される（この場合、ｌは第１の２
モードファイバー４ａの長さを示す）。

【００２５】 （４） ΔＬ＝ΔＬ₁＝ｌ（ｎ（ＬＰ₀₁）−ｎ（ＬＰ₁₁）） ΔＬは、第１の２モードファイバー４ａの終端で干渉効
果が現れないことを表す。両方の波面は（同じく偏光維
持用の）第２のスプライス３ｂを介して結合された第２
の単一モードファイバー２ｂにおいて、両方ともＬＰ₀₁
モードで伝播する２つの新たな波面を励起する。そのた
めこのファイバーにおいて走行路差ΔＬは維持されたま
まになる。結合は、ＬＰ₀₁モードとＬＰ₁₁モードが実質
的に同じ成分で第２の単一モードファイバー２ｂへ入力
結合されるように、行われる。

【００２６】第２の、第３のスプライスを介して結合さ
れた２モードファイバー４ｂにおいて、第２の単一モー
ドファイバー２ｂから到来する両方の波面が、それぞれ
２つの新たな波面を励起する。これらの波面の中からそ
の都度に１つの波面がＬＰ₀₁モードとして及びＬＰ₁₁モ
ードとして伝播する。ＬＰ₀₁モード及びＬＰ₁₁モードは
近似的に同じ強さを有する。波面を一層わかりやすくた
どってゆけるように、図１において、第１の２モードフ
ァイバー４ａのＬＰ₀₁モードから得られる波面は１本の
線で、ＬＰ₁₁モードから得られる波面は２本の線で示
す。

【００２７】ＬＰ₀₁波面とＬＰ₁₁波面との対の間の走行
路差ΔＬは、第２の２モードファイバー４ｂにわたって
は一定に維持される。しかし他方、ＬＰ₀₁━波面対とＬ
Ｐ₁₁━波面対との間には、位相差ΔＬ₂が累積される。
両方の２モードファイバー４ａと４ｂは、それらのファ
イバーパラメータ及び長さに関して等しく、｜ΔＬ₂｜
＝｜ΔＬ₁｜＝｜ΔＬ｜が適用される。第２の２モード
ファイバーの出力端において、ＬＰ₀₁モードの光波とＬ
Ｐ₁₁モードの光波との間に、走行路差ゼロ，ΔＬ₁及び
２ΔＬ₁が存在する。走行路差ゼロを有するモード成分
が次に互いに干渉し合い、他方、残りの成分は一定の強
度差を供給する。この干渉は最後に後続の検出ユニット
５において評価される。

【００２８】本発明によるタンデム２モードファイバー
干渉計を一層よく理解するために、まず最初に、前述の
引用論文Ａ．Ｓ．Ｇｅｒｇｅｓ他に示されている、多モ
ードレーザダイオードを有する唯１つのマイケルソン干
渉メータを考察する。

【００２９】干渉コントラストＶを、両方の干渉計分岐
の間の光学的走行路差の関数として記入すると、交番す
る次数±１，±２，±３，等の等間隔のピークの列が得
られる。これらのピークは、ΔＬ＝０の場合のピークに
関して対称的である。この場合、干渉コントラストＶは
（５）により定義される。

【００３０】 （５） Ｖ＝（Ｉｍａｘ−Ｉｍｉｎ）／（Ｉｍａｘ＋Ｉｍｉｎ） この場合、Ｉｍａｘ及びＩｍｉｎは、干渉縞パターンの
最大値及び最小値である。ピークの位置は（６）により
与えられる。

【００３１】 （６） ΔＬ＝２ｐｌ（ｃａｖ） ｐ＝０，±１，±２，… ｐは次数であり、ｌ（ｃａｖ）はレーザ共振器の光学的
長さである。

【００３２】ピーク値の間では、Ｖは著しく小さい。そ
の結果ここでは近似的に干渉が全く現れない。干渉波の
振幅が同じ場合はＶ（ΔＬ＝０）＝１である。次数｜ｐ
｜の増加と共に、ピークの高さＫは、式Ｋ（ΔＬ）＝ｅ
ｘｐ（−ΔＬ／Ｌcm）にしたがって、単調に減少する。
この場合、Ｌcmは、スペクトルのレーザモード幅に相応
するコヒーレント長さである。Ｋは｜ΔＬ｜≫Ｌcmの場
合はゼロへ向かう。

【００３３】マイケルソン干渉計の分岐ではなく、２モ
ードファイバー干渉計の場合、ＬＰ₀₁━及びＬＰ₁₁モー
ドが現れる。ファイバー長さｌの増加と共にこれらのモ
ードの間の走行路差ΔＬ＝１（ｎ（ＬＰ₀₁）−ｎ（ＬＰ
₁₁））がｌと共にリニヤに増加する。そのため干渉コン
トラストＶ（ｌ）はファイバー長さの関数として、マイ
ケルソン干渉計の場合の様に、ピークの同じ列を経過す
る。最大値はファイバー長さ（７）の場合に存在する。

【００３４】 （７） ｌｐ＝２ｐｌ（ｃａｖ）／（ｎ（ＬＰ₀₁）−ｎ（ＬＰ₁₁）） 隣り合うピークの間のファイバー長さの差は（８）で与
えられる。

【００３５】 （８） Δｌ＝２ｌ（ｃａｖ）／Δｎ（ｅｆｆ） ただしΔｎ（ｅｆｆ）＝ｎ（ＬＰ₀₁）−ｎ（ＬＰ₁₁）で
ある。

【００３６】第１の２モードファイバー４ａの終端で干
渉効果が現れないようにするためには、ファイバー長さ
に依存する走行路差ΔＬが、Ｌcmよりもまたはｌよりも
著しく大きくなければならないか、またはｌが関数Ｖ
（ｌ）の２つのピークの間で最小値の中に存在しなけれ
ばならない（第１の２モードファイバー４ａの終端で干
渉効果が不所望の強度変動を生じさせるであろう）。

【００３７】タンデム２モードファイバー干渉計の出力
側における光の強さは（Ａ．Ｓ．Ｇｅｒｇｅｓ他の論文
における式（７）と同様に）（９）により与えられる。

【００３８】 （９） Ｉ＝Ｉ₀｛１＋Ｖ（ΔＬ₁）ｃｏｓ（Φ₁）＋Ｖ（ΔＬ₂）ｃｏｓ（Φ ₂ ）＋（１／２）Ｖ（ΔＬ₁＋ΔＬ₂）ｃｏｓ（Φ₁＋Φ₂）＋（１／２）Ｖ（ΔＬ₁ −ΔＬ₂）ｃｏｓ（Φ₁−Φ₂）｝ Φ₁とΦ₂は走行路差ΔＬ₁及びΔＬ₂に相応する位相差で
ある。

【００３９】 （１０） Φ₁＝ΔＬ₁（２πｆ₀／ｃ） （１１） Φ₂＝ΔＬ₂（２πｆ₀／ｃ） ｆ₀はレーザダイオードの平均周波数であり、ｃは光速
である。Ｉ₀はレーザダイオードの光出力に比例する。
ΔＬ₁とΔＬ₂は式（１２）と（１３）により与えられ
る。

【００４０】 （１２） ΔＬ₁＝ｌ₁Δｎ（１）ｅｆｆ （１３） ΔＬ₂＝ｌ₂Δｎ（２）ｅｆｆ ｌ₁とｌ₂は両方の２モードファイバー４ａと４ｂの長さ
である；Δｎ（１）ｅｆｆとΔｎ（２）ｅｆｆはモード
の屈折率の実効差である。

【００４１】既に述べたように、Δｎ（１）ｅｆｆ＝Δ
ｎ（２）ｅｆｆ＝Δｎ（ｅｆｆ），ｌ₁＝ｌ₂＝ｌ，した
がって、ΔＬ₁＝ΔＬ₂＝ΔＬである。そのため所定のフ
ァイバー形式の場合は（１４），（１５）に示されてい
るように選定される。

【００４２】 （１４） Ｖ（ΔＬ₁）＝Ｖ（ΔＬ₂）＝Ｖ（ΔＬ）≒０ （１５） Ｖ（ΔＬ₁＋ΔＬ₂）＝Ｖ（２ΔＬ）≒０ この場合、式（９）は（１６）で与えられる。

【００４３】 （１６） Ｉ＝Ｉ₀｛１＋（１／２）Ｖ（ΔＬ₁−ΔＬ₂）ｃｏｓｚ｝ ただし、ｚ＝２πｆ₀（１／ｃ）（ΔＬ₁−ΔＬ₂） そのためタンデム２モードファイバー干渉計は、走行路
差ΔＬ＝ΔＬ₁−ΔＬ₂を有する唯１つの干渉計のよう
に、干渉コントラストが係数２だけ低減されている差を
もって、動作する。式（１６）による強度工が図３Ａと
図３Ｂに示されている。図３ＡはΔＬ₁−ΔＬ₂＝０を中
心とする直接的な範囲を示す（次数Ｐ＝０；｜ΔＬ₁−
ΔＬ₂｜≦数１００μｍ）。図３Ｂは、より高い次数
（｜Ｐ｜≧０）を有するΔＬ₁−ΔＬ₂の値範囲の一層広
い部分図を示す。

【００４４】比較のために次にタンデム２モードファイ
バー干渉計に対するいくつかの計数値を、マイケルソン
干渉計と対比する。

【００４５】マイケルソン干渉計（空気中）：関数Ｖに
おけるピークの半値幅Ｖ（ΔＬ）は、空気中では、多く
の市販の多モードレーザダイオードの場合は２００μｍ
のオーダに存在する。レーザ共振器の光学的長さｌ（ｃ
ａｖ）は約１mmの値を有する。そのため２つの最大値の
間隔は約２mmである。最大値の高さＫは通常は最初の１
０位（｜Ｐ｜≦１０）内では数％の値へ低下する。

【００４６】タンデム２モードファイバー干渉計：実効
屈折率の差Δｎ（ｅｆｆ）＝ｎ（ＬＰ₀₁）−ｎ（Ｌ
Ｐ₁₁）は実質的にファイバーの種類に依存する。波長ラ
ムダが７８０ｎｍ用の２モードファイバーの場合、この
差は約０．００１から０．０１５の間の範囲に存在す
る。

【００４７】例えばΔｎ（ｅｆｆ）＝０．０１を有する
ファイバーの場合は、次のパラメータが得られる：関数
Ｖ（ｌ）のピーク値の半値幅は、（２００μｍ）／Δｎ
（ｅｆｆ）＝２cmのオーダーにある。タンデム干渉計の
全部の走行路差ΔＬ₁−ΔＬ₂を一層確実に０次（Ｐ＝
０）の“干渉パケット”内に存在させるためには、両方
の２モードファイバー４ａと４ｂの長さが、数ミリメー
タまで正確に互いに一致させるべきである。実際はこの
種の許容誤差は問題なく維持できる。

【００４８】Ｖ（ｌ）の２つの最大値の間のファイバー
長さの差は（２mm）／Δｎ（ｅｆｆ）＝２０cmである。
そのため１０次の最大値がファイバー長さ２ｍの場合に
得られる。Ｖ（ｌ）の２つの最大値の著しく大きい間隔
の結果、ファイバー長さは、式（１４）と（１５）によ
る条件を充足するように設定調整される。

【００４９】本発明による電界━及び電圧測定用のセン
サの構成の有利な実施例が、図５に示されている。交番
電界Ｅの中で圧電センサエレメント６（例えば水晶）が
第１の２モードファイバー４ａの長さを変調する、その
ため励起される両方のモードの間の位相差も変調する。
他方、第２の２モードファイバー４ｂの出力端における
干渉波の間の位相差は、式（１７）で与えられる。

【００５０】 （１７） Φ（ｔ）＝Ａｓｉｎωｔ＋Φ⁰ ₁（ｔ）−Φ⁰ ₂（ｔ） Φ⁰ ₁（ｔ）とΦ⁰ ₂（ｔ）は、変調が行われない時の、両
方の２モードファイバー４ａと４ｂのモードの間の位相
差である。Φ⁰ ₁（ｔ）とΦ⁰ ₂（ｔ）は例えば温度変動
（温度に依存するファイバー長さ）のために時間的に変
化する。しかし走行路差の温度変動は関数Ｖのピークの
幅（ΔＬ）よりも著しく小さいため、これにより干渉コ
ントラストは変化されない。そのため式（１６）は式
（１８）のように表される。

【００５１】 （１８） Ｉ＝Ｉ₀｛１＋（１／２）Ｖｃｏｓ（Ａｓｉｎωｔ＋Φ⁰ ₁（ｔ） −Φ⁰ ₂（ｔ））｝ 強さＩが図４において、Ｖ＝ｌの場合に位相Φの関数と
して示されている。信号検出の目的で前述の、アクティ
ブ位相補償作用を有するホモダイン検出法を用いること
ができる（冒頭に引用したヨーロッパ特許第Ａ１−０４
３３８２４号公報を参照のこと）。差Φ⁰ ₁（ｔ）−Φ⁰ ₂
（ｔ）はπ／２モジュロ２πに基づいて調整される。項
Ａｓｉｎωｔは付加的な、逆位相の変調により補償され
る。この目的で、直角変調器１０により制御される圧電
変調器７が設けられている。直角変調器１０は、その入
力信号を、第２の２モードファイバー４ｂの出力端に設
けられている検出器８ａと８ｂから供給される。これら
の検出器は光干渉信号を電気信号へ変換する。これらの
電気信号から、後置接続された減算器９を用いて差が形
成される。直角変調器１０の制御信号から、高域通過フ
ィルタ１１を用いて測定信号が取り出されて信号出力側
１２に送出される。

【００５２】公知の方法とは異なり、この変調器はセン
サファイバーそのものを変調するのではなく、第２の２
モードファイバー４ｂを変調する。そのため第１の２モ
ードファイバー４ａ（本来のセンサファイバー）は、セ
ンサ素子６の直接作用される範囲へ制限可能となり、セ
ンサ素子と評価ユニット１３との間の間隔を橋絡する必
要がない。第１の２モードファイバーはセンサエレメン
ト６と共にコンパクトなかつ簡単に構成されるセンサヘ
ッド１４を形成する。センサヘッドは、非感応性の単一
モードファイバー２ａ，２ｂによってだけ、評価ユニッ
ト１３と接続されている。この評価ユニツトの中に第２
の２モードファイバー４ｂと変調器７が制御装置と共に
設けられている。項ＡｓｉｎωｔとΦ⁰ ₁（ｔ）−Φ
⁰ ₂（ｔ）はさらに━前述の様に━図５の変調器７ではな
く２つの別個の変調器により補償できる。

【００５３】両方の（偏光維持用の）２モードファイバ
ーは例えば楕円形横断面の心を有する。ファイバーパラ
メータは、レーザダイオードの波長に対してＬＰ₀₁━モ
ードと偶数モードだけが伝播できるように、選定されて
いる（冒頭に引用した論文Ｂ．Ｙ．Ｋｉｍ他を参照のこ
と）。円形の心を有するファイバーの中を、偶数のＬＰ
₁₁モードと同時に、奇数のＬＰ₁₁モードも伝播可能であ
る。両方の単一モードファイバー２ａと２ｂは例えば偏
光を維持するように構成されている。しかし従来の単一
モードファイバーを用いることもできる。この場合は偏
光は、Ｔ．Ｐｉｋａａｒ他、Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗ．Ｔｅｃ
ｈ．７、１９８２−１８８７（１９８９）に示されてい
る様に、積極的に監視する必要があろう。

【００５４】要約すると、本発明により、堅ろうで正確
なかつ簡単に構成されるセンサが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による２モードファイバーを有するタン
デム干渉計の基本構成図である。

【図２】走行路差ΔＬに依存する、多モードレーザダイ
オードにより照射されるマイケルソン干渉計に対する干
渉コントラスト図である。

【図３Ａ】走行路差（ΔＬ₁−ΔＬ₂）における差に依存
する、０次の干渉パケットに対するタンデム干渉計の出
力側における強さＩの図である。

【図３Ｂ】±２次までの次数を有する“干渉パケット”
に対する図３Ａに相応する図である。

【図４】位相Φに依存する、Ｖ＝ｌの場合の強さＩの図
である。

【図５】ホモダイン検出による本発明の実施例の図であ
る。

【符号の説明】

１ 光源 ２ａ，ｂ 単一モードファイバー ３ａ，ｂ，ｃ スプライス ４ａ，ｂ ２モードファイバー ５ 検出ユニット ６ センサ素子 ７ 変調器 ８ａ，ｂ 検出器 ９ 減算器 １０ 直角調整器 １１ 高域通過フィルタ １２ 信号出力側 １３ 評価ユニット １４ センサーヘッド Ｅ 電界 Ｖ 干渉コントラスト Ｉ，Ｉ₀ 強さ ΔＬ，ΔＬ₁，ΔＬ₂ 走行路差 ＬＰ₀₁，ＬＰ₁₁ ファイバーモード ｌ（ｃａｖ） 共振器の長さ Φ 位相

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交番電界及び交流電圧のための光ファイ
   バーセンサであって、該センサは （ａ）光源（１）を備えており； （ｂ）圧電センサエレメント（６）； （ｃ）入力端と出力端を有する第１の２モ−ドファイバ
   −（４ａ）を備えており、該ファイバーの中でＬＰ₀₁基
   本モードと偶数ＬＰ₁₁モードが伝播されるようにし、さ
   らに該ファイバーは少なくとも部分的にセンサエレメン
   ト（６）に次のように固定されており、即ち電界中でセ
   ンサエレメント（６）の寸法変化がファイバーにおける
   長さ変化を生じさせるように固定されており； （ｄ）電界に起因するファイバーの長さ変化を測定する
   手段；を備えている形式の光ファイバーセンサにおい
   て、 （ｅ）光源（１）が多モードレーザダイオードであり； （ｆ）前記測定手段が前記の第１の２モードファイバー
   と同種の第２の２モードファイバー（４ｂ）を含んでお
   り； （ｇ）両方の２モードファイバー（４ａ，４ｂ）のパラ
   メータが次のように選定されており、即ち干渉コントラ
   スト（Ｖ）が、個々の２モードファイバー（４ａ，４
   ｂ）における両方のモードの走行路差（ΔＬ₁，ΔＬ₂）
   に対して、及び該走行路差の和（ΔＬ₁）＋（ΔＬ₂）に
   対して、それぞれ実質的にゼロとなるように選定されて
   おり、さらに （ｈ）光源（１）と第１の２モードファイバー（４ａ）
   の入力端との間に、及び第１の２モードファイバー（４
   ａ）の出力端と第２の２モードファイバー（４ｂ）の入
   力端との間に、それぞれ１つの単モードファイバー（２
   ａないし２ｂ）が光を伝送するために設けられているこ
   とを特徴とする交番電界及び交流電圧のための光ファイ
   バーセンサ。
2. 【請求項２】 （ａ）２モードファイバー（４ａ，４
   ｂ）が、楕円状横断面の心を有しており；さらに（ｂ）
   単モードファイバー（２ａ，２ｂ）が偏光を維持するよ
   うにした請求項１記載の光ファイバーセンサ。
3. 【請求項３】 両方の単モードファイバー（２ａ，２
   ｂ）が両方の２モードファイバー（４ａ，４ｂ）と次の
   ように結合されており、即ち両方の２モードファイバー
   （４ａ，４ｂ）において、両方の伝播可能なモードが光
   源（１）からの光によりそれぞれ実質的に等しい強さで
   励起されるように結合されている請求項２記載の光ファ
   イバーセンサ。
4. 【請求項４】 実効的な屈折率差ｎ（ＬＰ₀₁）−ｎ（Ｌ
   Ｐ₁₁）が、両方の２モードファイバー（４ａ，４ｂ）に
   おける両方のモードに対して、また両方の２モードファ
   イバー（４ａ，４ｂ）の長さが、それぞれ等しいように
   した請求項３記載の光ファイバーセンサ。
5. 【請求項５】 （ａ）第２の２モードファイバー（４
   ｂ）が少なくとも部分的に圧電変調器（７）に固定され
   ており； （ｂ）第２の２モードファイバー（４ｂ）の出力端に２
   つの検出器（８ａ，８ｂ）が両方のモードの強度を測定
   するために設けられており； （ｃ）両方の検出器（８ａ，８ｂ）の出力信号が減算器
   （９）を介して直角調整器（１０）の入力側へ達するよ
   うにし； （ｄ）直角調整器（１０）の出力側が変調器（７）を制
   御するようにし；さらに （ｅ）直角調整器（１０）の出力信号が高域通過フィル
   タ（１１）を介して信号出力側（１２）へ与えられるよ
   うにした請求項４記載の光ファイバーセンサ。
6. 【請求項６】 （ａ）光源（１），変調器（７）と検出
   器（８ａ，８ｂ）を有する第２の２モードファイバー
   （４ｂ）が、１つの評価ユニット（１３）へまとめられ
   ており； （ｂ）センサエレメント（６）を有する第１の２モード
   ファイバー（４ａ）が別個のセンサーヘッド（１４）の
   中に設けられており；さらに （ｃ）センサヘッド（１４）と評価ユニット（１３）が
   ２つの単一モードファイバー（２ａ，２ｂ）だけにより
   互いに結合されている請求項６記載の光ファイバーセン
   サ。