JPH0658712A - 光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 参照用とセンサ用に偏波保持光ファイバ12,1
3を用い、２つの伝搬路を偏波保持光ファイバ中の両偏
波モード軸とし、入射から出射までの間に両モード間の
群遅延時間をほぼ相殺するように、偏波軸を入れ替えて
接続した接続点16を有していることを特徴とする光ファ
イバセンサである。 【効果】 ２本の偏波保持光ファイバを接続した１本の
ファイバ伝送路でマッハツェンダ型光ファイバセンサを
構成することが可能なので、従来のループ状ファイバ伝
送路を有するセンサに比べ、センサの配置方法などの自
由度を大きくすることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ハイドロフォン、磁界
センサ等に利用されているマッハツェンダ型光ファイバ
センサに関し、その構成の自由度を向上し、実装性、汎
用性を向上せしめたものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来のマッハツェンダ型光ファイ
バセンサの一例を示すものであって、図中符号１は第１
のビームスプリッタ、２はセンサ用光ファイバ、３は参
照用光ファイバ、４は第２のビームスプリッタである。
なお、ビームスプリッタに替えて光ファイバカプラを用
い、全光ファイバセンサを構成することも可能である。
このセンサに光を入射すると、入射光は第１のビームス
プリッタ１により約１／２毎に分波されセンサ用光ファ
イバ２と参照用光ファイバ３に入射する。双方の光ファ
イバはほぼ同じ長さになっており、第２のビームスプリ
ッタにより合波される。この合波により、両方の光ファ
イバを通過した際に生じた僅かな光路差による位相差に
応じて干渉し、出射強度が大きく変化する。

【０００３】つまり参照用光ファイバ３の光路長を基準
として、センサ用光ファイバの光路長の変化を光強度
（出射光量）の変化として検出でき、そのとき光路長の
変化が光の波長の１／２の場合、出射光量の変化は理論
的な最大変化として、０〜入射光量まで変化するため、
非常に好感度の測定を行なうことができる。

【０００４】この従来のマッハツェンダ型光ファイバセ
ンサでは、参照用光ファイバは基準となるために外乱の
影響を受けないようにセンサ用光ファイバから遠ざけて
おく必要がある。また干渉の状態は第２のビームスプリ
ッタに入射する光の偏光状態にもよるため、双方の光フ
ァイバ中で偏光が回転すると出射光量は変動しノイズと
なり誤差を生じる。これを防ぐための手法として、入射
光を円偏光又は無偏光とする方法があるが、このような
偏光状態を作るための装置が必要となる。特に無偏光の
場合、干渉性が良い光を無偏光化することは難しく、干
渉性が悪いと両光ファイバの光路差が大きくなった場
合、干渉しにくくなり感度が低下する。また、別の手法
として、光ファイバを全て偏波保持光ファイバとするこ
とにより偏波の回転を防止する方法もあり有効である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このような従来のセン
サでは、参照用光ファイバとセンサ用光ファイバとがビ
ームスプリッタ（又はカプラ）を通してループ状に接続
された構造になっている。その上、前述したように双方
の光ファイバを物理的に遠ざけておく必要がある。この
ため、例えば参照用光ファイバ又はセンサ用光ファイバ
の一方のみを何かに巻き付ける等した場合、光ファイバ
にねじれが生じてしまう。このようなねじれは光ファイ
バ内に応力による複屈折を生じ、偏波特性などに悪影響
を与える場合もあり好ましくない。またこのようなねじ
れは、機械的強度の低下を招くことにもなる。

【０００６】このような不具合を避けるためには、構造
を厳密に決定し光ファイバの接続等の作業時に予めねじ
れを生じないようにしておくか、後工程で生じるねじれ
を相殺するねじれを入れておく必要がある等、センサ設
計の自由度が少ないという欠点があった。

【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、センサの構成の自由度を向上し、実装性、汎用性を
向上せしめたマッハツェンダ型光ファイバセンサの提供
を目的としている。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の光ファイバセン
サは、センサ用光ファイバと参照用光ファイバとを有す
るマッハツェンダ型干渉センサにおいて、参照用光ファ
イバとセンサ用光ファイバに偏波保持光ファイバを用
い、２つの伝搬路を該偏波保持光ファイバ中の両偏波モ
ード軸とし、入射から出射までの間に両モード間の群遅
延時間をほぼ相殺するように、偏波軸を入れ替えて接続
した接続点を有しているものである。

【０００９】

【作用】本発明の光ファイバセンサは、２本の偏波保持
光ファイバを、モード間の群遅延時間をほぼ相殺するよ
うに偏波軸を入れ替えて接続し、偏波保持光ファイバの
２つの偏波モード軸を伝搬路とし、２本の偏波保持光フ
ァイバの一方をセンサ用光ファイバ、他方を参照用光フ
ァイバとして従来のマッハツェンダ型光ファイバセンサ
と同様に種々の測定用センサとするものであり、センサ
用光ファイバと参照用光ファイバとを１本のファイバ状
に接続した構成としたことにより、センサ配置などの設
計の自由度が大きくなる。

【００１０】

【実施例】図１は本発明による光ファイバセンサの基本
的な構成例を示すものである。この光ファイバセンサ１
０は、第１の偏光子１１と、この第１の偏光子１１に接
続された第１の偏波保持光ファイバ１２（以下、第１の
光ファイバという）と、その一端に接続された第２の偏
波保持光ファイバ１３と、この第２の偏波保持光ファイ
バ１３（以下、第２の光ファイバという）の他端側に接
続された第２の偏光子１４とを備えて構成されている。
第１の偏光子１１と第１の光ファイバ１２との接続点１
５では偏光軸の傾きが４５度になっている。また第１の
光ファイバ１２と第２の光ファイバ１３との接続点１６
では偏光軸の傾きが９０度になっている。さらに第２の
光ファイバ１３と第２の偏光子１４との接続点１７では
偏光軸の傾きが４５度になっている。

【００１１】上記偏波保持光ファイバは、例えば、コア
とその両側に配置された応力付与部とそれらを囲むクラ
ッドとを備えた応力付与型偏波保持光ファイバが好適に
用いられる。この応力付与型偏波保持光ファイバは、コ
アを中心として２つの応力付与部を結ぶ方向と、それと
直交する方向との２つの偏波軸（ｘ偏波軸とｙ偏波軸）
を有している。上記偏光子としては、研摩型ファイバ偏
光子やコイル型ファイバ偏光子が用いられ、特に偏波保
持光ファイバを用いたコイル型ファイバ偏光子が好適で
ある。

【００１２】入射光が十分な円偏光である場合は入射側
の第１の偏光子１１は不要である。また、無偏光成分が
十分に少なければ入射光の光軸と接続点１５の第１の光
ファイバ１２の入射端における光軸を調整し、各偏波成
分をほぼ等しく入射させるようにしても良い。第１の光
ファイバ１２に、直線偏光を４５度で入射すると、この
光ファイバ１２中の２つの直交する主軸にほぼ１／２づ
つ光が入射される。

【００１３】入射光は光ファイバ中の複屈折により、異
なる群速度で伝搬し、複屈折率をＢ、ファイバ長をＬと
すると、Ｂ・Ｌに相当する光路差を生じる。第１の光フ
ァイバ１２と第２の光ファイバ１３との接続点１６にお
いて主軸を９０度回転して接続すると、第２の光ファイ
バ１３には、第１の光ファイバ１２において群速度が遅
い軸からは第２の光ファイバ１３の速い軸に、第１の光
ファイバ１２において群速度が速い軸からは第２の光フ
ァイバ１３の遅い軸に、それぞれ入射される。

【００１４】第２の光ファイバ１３においては、第１の
光ファイバ１２とほぼ等しい光路差を生じさせるようフ
ァイバ長を決定しておく。例えば同一の特性を持つ光フ
ァイバを用いる場合は、ほぼ等しい光ファイバ長とすれ
ば良い。

【００１５】第２の光ファイバ１３から出射された光
は、偏波保持光ファイバ中の両偏波軸からの出射光と
も、ほぼ等しい光路長を通過しているため、干渉性も良
く、僅かな光路長の差による位相差で干渉が合成され
る。すなわち第２の光ファイバ１３からの出射光は偏光
軸を４５度傾けた状態で第２の偏光子１４に接続され、
ここで両偏波軸を伝搬した光が合波され、僅かな光路長
の差による位相差に応じて干渉し、第２の偏光子１４か
らの出射光強度が大きく変化する。

【００１６】この光ファイバセンサ１０は、２本の偏波
保持光ファイバ１２，１３の一方をセンサ用光ファイバ
とし、他方を参照用光ファイバとして従来のマッハツェ
ンダ型光ファイバセンサと同様に種々の測定用センサと
することができる。この光ファイバセンサ１０では、２
本の偏波保持光ファイバを接続した１本のファイバ伝送
路でマッハツェンダ型光ファイバセンサを構成すること
が可能なので、従来のループ状ファイバ伝送路を有する
センサに比べ、センサの配置方法などの設計の自由度を
大きくすることが可能となる。また光ファイバを巻き付
ける場合などで、ファイバのねじれを取り除くことが可
能であり、センサ部の変更時にも対応が容易となる。さ
らに、偏光子として光ファイバ偏光子を用いれば全ファ
イバ型センサとすることができ、機械的強度が弱い部分
を持つ光ファイバカプラを不要とすることができるの
で、センサの信頼性を向上させることができる。

【００１７】以下、本発明に係る光ファイバセンサの実
施例を説明する。 （実施例１）偏光子として応力付与型偏波保持光ファイ
バを用いたコイル型光ファイバ偏光子１８，１９を用
い、かつ第１、第２の光ファイバ１２，１３を応力付与
型偏波保持光ファイバとし、図２に示すように第１の偏
光子１８、第１の光ファイバ１２、第２の光ファイバ１
３及び第２の偏光子１９を順に接続し、第１の偏光子１
８の先端に光源２０を接続し、第２の偏光子１９の後端
に光パワーメータ２１を接続して光ファイバセンサ２２
を構成した、それぞれの接続点１５，１６，１７におけ
る偏光軸は、それぞれ４５度、９０度、４５度の傾きを
持たせてある。この光ファイバセンサ２２における第１
の光ファイバ１２を参照用光ファイバとして、これを硬
質板に固定した。また第２の光ファイバ１３をセンサ用
光ファイバとし、これを直径６０ｍｍの磁歪素子に３ｍ
分を巻き付けた。光源２０からＤＦＢレーザ光（出力約
１ｄＢｍ）を入射してその出力を光パワーメータ２１で
モニタしながら、磁歪素子に磁界を加えたところ、磁歪
素子の共振周波数（約４３ｋＨｚ）付近の磁界に対して
出射光パワーが大きく変動し、変動の周波数は磁界の周
波数に一致していた。このときのＯ／Ｅ出力は約０Ｖ〜
５Ｖに変化していた。

【００１８】（実施例２）図２と同様に構成された光フ
ァイバセンサ２２を用い、このセンサ２２の第２の光フ
ァイバ１３を参照用光ファイバとして硬質板に固定する
とともに、第１の光ファイバ１２をセンサ用光ファイバ
として、実施例１と同様に磁歪素子に巻き付けて出射光
パワーの変化を測定したところ実施例１と同等の結果が
得られた。

【００１９】（実施例３）実施例１と同様に構成された
光ファイバセンサ２２を用い、第２の光ファイバ１３を
直径６０ｍｍの空心コイル状に３ｍ分巻いておき、その
近くで手を叩いて出力変化を測定した。その結果、手を
叩くことにより出力が大きく変化した。

【００２０】（実施例４）図３に示すように、第１の偏
光子１８と第１の光ファイバ１２と第２の光ファイバ１
３とを実施例１でのセンサ２２と同様に接続し、この第
２の光ファイバ１３をリング状のＰＺＴ２３に巻き付け
るとともに、第２の光ファイバ１３の後端にファイバ型
偏波ビームスプリッタ２４を接続し、その２つの出力端
にそれぞれ光パワーメータ２５，２６を接続し、それぞ
れ出力Ａ、出力Ｂを測定可能なようにして光ファイバセ
ンサ２７を構成した。第１の光ファイバ１２と第２の光
ファイバ１３との接続点１６の偏光軸を９０度傾けて接
続し、かつ第２の光ファイバ１３とファイバ型偏波ビー
ムスプリッタ２４の接続点２８の偏光軸を４５度傾けて
接続した。このように構成した光ファイバセンサ２７を
用い、そのＰＺＴ２３に加える直流電流を変化させたと
ころ、出力Ａ、Ｂには、Ａ＋Ｂ＝一定の出力が得られ、
加える電圧に対し、出力Ａが正弦的な変化を示した。

【００２１】（実施例５）図４に示すように、第１の偏
光子１８と、第１の光ファイバ１２と、第２の光ファイ
バ１３と、同じ応力付与型偏波保持光ファイバからなる
第３の光ファイバ２９を接続し、この第３の光ファイバ
２９の後端に第２の偏光子１９を接続し、かつ第１の偏
光子１８の先端側に光源２０を、第２の偏光子１９の後
端側に光パワーメータ２１をそれぞれ接続して光ファイ
バセンサ３０を構成した。第１、第３の光ファイバ１
２，２９はそれぞれ２.５ｍ長、第２の光ファイバは５
ｍ長とし、それぞれの接続点１５，１６，３１，３２に
おける偏光軸の傾きは、それぞれ４５度、９０度、９０
度、４５度とした。この光ファイバセンサ３０の第２の
光ファイバ１３をセンサ用光ファイバとして実施例１と
同様に磁歪素子に巻き付け、第１、第３の光ファイバ１
２，２９は参照用光ファイバとして実施例１と同様に硬
化板に固定し、実施例１と同様磁歪素子に磁界を加えて
出力の変動を測定した。その結果、実施例１とほぼ同様
のセンサ出力特性が得られた。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明による光フ
ァイバセンサは、２本の偏波保持光ファイバを接続した
１本のファイバ伝送路でマッハツェンダ型光ファイバセ
ンサを構成することが可能なので、従来のループ状ファ
イバ伝送路を有するセンサに比べ、センサの配置方法な
どの設計の自由度を大きくすることが可能となる。また
光ファイバを巻き付ける場合などで、ファイバのねじれ
を取り除くことが可能であり、センサ部の変更時にも対
応が容易となる。さらに、偏光子として光ファイバ偏光
子を用いれば全ファイバ型センサとすることができ、機
械的強度が弱い部分を持つ光ファイバカプラを不要とす
ることができるので、センサの信頼性を向上させること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の光ファイバセンサの基本構成を例示
する概略構成図である。

【図２】 本発明の光ファイバセンサの実施例１，２及
び３を示す構成図である。

【図３】 本発明の光ファイバセンサの実施例４を示す
構成図である。

【図４】 本発明の光ファイバセンサの実施例５を示す
構成図である。

【図５】 従来のマッハツェンダ型光ファイバカプラの
基本構成を例示する構成図である。

【符号の説明】

１０，２２，２７，３０……光ファイバセンサ、１１，
１４……偏光子、１２，１３，２９……偏波保持光ファ
イバ、１５，１６，１７，２８，３１，３２……接続
点、１８，１９……光ファイバ偏光子、２０……光源、
２１，２５，２６……光パワーメータ、２３……ＰＺ
Ｔ、２４……ファイバ型偏波ビームスプリッタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 センサ用光ファイバと参照用光ファイバ
   とを有するマッハツェンダ型干渉センサにおいて、参照
   用光ファイバとセンサ用光ファイバに偏波保持光ファイ
   バを用い、２つの伝搬路を該偏波保持光ファイバ中の両
   偏波モード軸とし、入射から出射までの間に、両モード
   間の群遅延時間をほぼ相殺するように偏波軸を入れ替え
   て接続した接続点を有していることを特徴とする光ファ
   イバセンサ。