JPH0676915B2 - 光フアイバハイドロフオン - Google Patents
光フアイバハイドロフオンInfo
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- JPH0676915B2 JPH0676915B2 JP3876687A JP3876687A JPH0676915B2 JP H0676915 B2 JPH0676915 B2 JP H0676915B2 JP 3876687 A JP3876687 A JP 3876687A JP 3876687 A JP3876687 A JP 3876687A JP H0676915 B2 JPH0676915 B2 JP H0676915B2
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- fiber
- light
- signal
- optical fiber
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- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （ア）技術分野 本発明はヘテロダイン方式の光フアイバハイドロフオン
の周波数変換部の改良に関する。
の周波数変換部の改良に関する。
光フアイバハイドロフオンは、水中音波の強度を、光フ
アイバをセンサとして検出するものである。
アイバをセンサとして検出するものである。
光フアイバは水中の音波の圧力によつて、屈折率、長さ
が変化するので、これをセンサ要素とする事ができる。
しかし、屈折率、長さの変化を直接に検出する事ができ
ないので、信号用フアイバと参照用フアイバによつてマ
ツハエンダ干渉計を構成し、干渉光の強度変化により、
水中音波を検出するようになつている。
が変化するので、これをセンサ要素とする事ができる。
しかし、屈折率、長さの変化を直接に検出する事ができ
ないので、信号用フアイバと参照用フアイバによつてマ
ツハエンダ干渉計を構成し、干渉光の強度変化により、
水中音波を検出するようになつている。
信号用フアイバの途中には、フアイバを多数回捲き回し
たセンシングコイルがある。これを水中に漬ける。水中
音波を受けて、このコイルを通過する光の位相が、φsi
n（Ωｔ）の形で変化する。Ωは水中音波の角振動数、
φは音波に比例する物理量である。φを求める事が目的
となる。
たセンシングコイルがある。これを水中に漬ける。水中
音波を受けて、このコイルを通過する光の位相が、φsi
n（Ωｔ）の形で変化する。Ωは水中音波の角振動数、
φは音波に比例する物理量である。φを求める事が目的
となる。
光フアイバハイドロフオンを最初に提案したのは、Buca
ro等である。
ro等である。
J.A.Bucaro,H.D.Dardy and E.F.Carome,“Optical fibe
r acoustic sensor,"Appl.Opt.16,1761−1762（1977） ここで提案されているのはホモダイン方式のものであ
る。ホモダイン方式というのは、信号用フアイバを伝搬
する信号光と、参照用フアイバを伝搬する参照光との周
波数が同一であるものをいう。
r acoustic sensor,"Appl.Opt.16,1761−1762（1977） ここで提案されているのはホモダイン方式のものであ
る。ホモダイン方式というのは、信号用フアイバを伝搬
する信号光と、参照用フアイバを伝搬する参照光との周
波数が同一であるものをいう。
ホモダイン方式は感度が高いのであるが、温度変化に対
して、極めて弱いという難点がある。
して、極めて弱いという難点がある。
これを簡単に説明する。
コヒーレントな単色光を生ずる光源を用いる。光の角周
波数をωとする。この光は２つのビームに分けられる。
信号光は信号用フアイバを通る。センシングコイルを通
過する時に、位相変化φsin（Ωｔ）を受ける。信号光
の強度は、光検出器に入射した時に Ｓ＝Gsin｛ωｔ＋φsin（Ωｔ）｝ （１） となる。参照光の方は水中音波の影響を受けない。しか
し、信号用フアイバと長さが違うので、位相差Ψがあ
り、参照光の光検出器に入射した時の強度Ｒは、 Ｒ＝Hsin（ωｔ＋Ψ） （２） となる。干渉光は、（Ｓ＋Ｒ）２によつて与えられる。
これは、直流分を除いて Ｉ＝GHcos｛Ψ−φsin（Ωｔ）｝ （３） となる。
波数をωとする。この光は２つのビームに分けられる。
信号光は信号用フアイバを通る。センシングコイルを通
過する時に、位相変化φsin（Ωｔ）を受ける。信号光
の強度は、光検出器に入射した時に Ｓ＝Gsin｛ωｔ＋φsin（Ωｔ）｝ （１） となる。参照光の方は水中音波の影響を受けない。しか
し、信号用フアイバと長さが違うので、位相差Ψがあ
り、参照光の光検出器に入射した時の強度Ｒは、 Ｒ＝Hsin（ωｔ＋Ψ） （２） となる。干渉光は、（Ｓ＋Ｒ）２によつて与えられる。
これは、直流分を除いて Ｉ＝GHcos｛Ψ−φsin（Ωｔ）｝ （３） となる。
Ψは２本のフアイバを通る光の位相差であるが、温度変
動によつて、Ψが著しく変動する。（３）から分るよう
に、Ψ＝±π/2である時に、最も感度が高い。Ψ＝０、
２π、πの時に、感度が低くなる。
動によつて、Ψが著しく変動する。（３）から分るよう
に、Ψ＝±π/2である時に、最も感度が高い。Ψ＝０、
２π、πの時に、感度が低くなる。
たとえ、最初Ψ＝±π/2になるように調整しても、温度
変動によつて、Ψ＝０、π、２π、…というようにな
る。すると温度が０になる。これを、fadingと呼んでい
る。
変動によつて、Ψ＝０、π、２π、…というようにな
る。すると温度が０になる。これを、fadingと呼んでい
る。
ホモダイン方式の光フアイバハイドロフオンにfadingの
問題がある。温度変化に対して極めて弱い。
問題がある。温度変化に対して極めて弱い。
これを解決するために、参照用フアイバ、信号用フアイ
バのいずれかに圧電素子にフアイバを巻きつけた位相調
整装置を設けた光フアイバハイドロフオンも現われた。
これはΨの規定値π/2からD.A.Jackson,R.Priest,A.Dan
dridge and A.B.Treven,“Elimination of drift in a
single−mode optical interferometer using a piezoe
lectrically stretched coil fiber,"Appl.Opt.19,2926
−2929（1980） このような装置に於ては、Ψの値を求める事が難しい。
ジヤクソンらは、ボルトカツプラを用いて、信号光と参
照光とをエバネツセント結合し、cosΨを求めるように
している。しかし、ボトルカツプラ法は、フアイバの間
隔を光の波長の1/4のオーダーで精密に規定しなければ
ならず、困難の多い方法である。
バのいずれかに圧電素子にフアイバを巻きつけた位相調
整装置を設けた光フアイバハイドロフオンも現われた。
これはΨの規定値π/2からD.A.Jackson,R.Priest,A.Dan
dridge and A.B.Treven,“Elimination of drift in a
single−mode optical interferometer using a piezoe
lectrically stretched coil fiber,"Appl.Opt.19,2926
−2929（1980） このような装置に於ては、Ψの値を求める事が難しい。
ジヤクソンらは、ボルトカツプラを用いて、信号光と参
照光とをエバネツセント結合し、cosΨを求めるように
している。しかし、ボトルカツプラ法は、フアイバの間
隔を光の波長の1/4のオーダーで精密に規定しなければ
ならず、困難の多い方法である。
ホモダイン方式の難点を避けるため、ヘテロダイン方式
の光フアイバハイドロフオンも提案されている。
の光フアイバハイドロフオンも提案されている。
（イ）ヘテロダイン方式の光フアイバハイドロフオン ヘテロダイン方式は、最初、 J.A.Bucoro and T.R.Hickman,“Measurement of sensit
ivity of optical fiber for acoustic detection,"App
l.Opt.18 938−940（1979） によつて提案された。
ivity of optical fiber for acoustic detection,"App
l.Opt.18 938−940（1979） によつて提案された。
これは、信号光と参照光の光の角周波数が異なるもので
ある。角周波数が異なるため、温度変化によるfadingの
問題が生じない。
ある。角周波数が異なるため、温度変化によるfadingの
問題が生じない。
たとえば、参照光の角周波数が（ω＋ν）、信号光の角
周波数がωとする。
周波数がωとする。
ところが信号光は、その位相がφsinΩｔの形で変化す
るので、実効的な角周波数はωではなく ｛ω＋φΩcosΩｔ｝ （４） となる。これは（１）式のsin｛…｝の内部を時間ｔで
微分したものである。
るので、実効的な角周波数はωではなく ｛ω＋φΩcosΩｔ｝ （４） となる。これは（１）式のsin｛…｝の内部を時間ｔで
微分したものである。
そして、信号光と参照光とを干渉させると、（ω＋ν）
と（４）式の差の部分が光検出器の電流として得られ
る。これは ν−φΩcosΩｔ （５） である。
と（４）式の差の部分が光検出器の電流として得られ
る。これは ν−φΩcosΩｔ （５） である。
これをνを中心角周波数として、FM復調すると、音波の
角周波数ごとの強度φΩが得られる。これをΩで割れ
ば、音波強度φが求められる事になる。
角周波数ごとの強度φΩが得られる。これをΩで割れ
ば、音波強度φが求められる事になる。
このようにヘテロダイン検波を用いると、参照用フアイ
バと、信号用フアイバの位相差Ψが、FM復調をする時に
落ちてしまう。
バと、信号用フアイバの位相差Ψが、FM復調をする時に
落ちてしまう。
このため温度変動により、Ψが変化しても、この影響が
結果に顕われないという事になる。
結果に顕われないという事になる。
位相検波を行なうのでなく、FM検波を行なうので、この
ようになるのである。
ようになるのである。
Ψが変動することによる感度の変化、つまり、fadingの
問題が解決される。
問題が解決される。
（ウ）発明が解決しようとする問題点 光の周波数をωから、（ω＋ν）に周波数変換するので
ヘテロダインというのである。νがあるから、これを中
心周波数としてFM検波ができるようになる。
ヘテロダインというのである。νがあるから、これを中
心周波数としてFM検波ができるようになる。
周波数変換のために、光と超音波とを音響光学素子を用
いて相互作用させる。光の角周波数をω、超音波の角周
波数をνとした場合、音響光学素子を通すことにより、
（ω＋Ｎν）の角周波数の光が得られる。Ｎは整数であ
る。Ｎが大きいものは多フオノン相互作用であり、強度
が小さい。Ｎ＝１のものが最も強い。＋１次回折光でも
−１次回折光でもよい。簡単のため（ω＋ν）について
説明する。
いて相互作用させる。光の角周波数をω、超音波の角周
波数をνとした場合、音響光学素子を通すことにより、
（ω＋Ｎν）の角周波数の光が得られる。Ｎは整数であ
る。Ｎが大きいものは多フオノン相互作用であり、強度
が小さい。Ｎ＝１のものが最も強い。＋１次回折光でも
−１次回折光でもよい。簡単のため（ω＋ν）について
説明する。
このように、光の角周波数を変換する素子は、ブラツグ
セルという（Bragg Diffraction Cell）。音と光の相互
作用をする領域を広くしなければならない。このため、
ブラツグセルは数cm角の大きさになる。ブラツグセルが
大きいために周波数変換装置が大型になる。こういう寸
法上の欠点がひとつある。これはバルク型ブラツグセル
である。
セルという（Bragg Diffraction Cell）。音と光の相互
作用をする領域を広くしなければならない。このため、
ブラツグセルは数cm角の大きさになる。ブラツグセルが
大きいために周波数変換装置が大型になる。こういう寸
法上の欠点がひとつある。これはバルク型ブラツグセル
である。
ブラツグセルは空間を伝搬する光の変調器である。フア
イバ中を伝搬する光の変調器ではない。このためブラツ
グセルとフアイバの間に結合光学系を必要とする。
イバ中を伝搬する光の変調器ではない。このためブラツ
グセルとフアイバの間に結合光学系を必要とする。
このようなブラツグセルの欠点を解決するため、表面弾
性波を利用した導波路型変調器も開発されつつある。こ
うすると、サイズの点では有利であるが、スラブ導波路
中を伝搬する平行光を作る必要がある。このため、導波
路レンズなど特別な集光光学系が要る。さらに導波路型
の変調器は現在のところ、十分な周波数変換能力を持つ
ていない。
性波を利用した導波路型変調器も開発されつつある。こ
うすると、サイズの点では有利であるが、スラブ導波路
中を伝搬する平行光を作る必要がある。このため、導波
路レンズなど特別な集光光学系が要る。さらに導波路型
の変調器は現在のところ、十分な周波数変換能力を持つ
ていない。
バルク型にしろ、導波路型にしろ、既存のブラツグセル
の使用上の最大の問題点は、ブラツグ角の調整である。
の使用上の最大の問題点は、ブラツグ角の調整である。
光のエネルギーはｈω（ｈはh/2π）で表わされる。音
波のエネルギーは、同様な式で表現される。これは光量
子と音量子とが一対一で散乱される場合になりたつ。す
ると、エネルギー保存則から、 ω＝−ν＋ω′ （６） となる。ここで、ωは入射ホトンの角振動数ν、ω′は
散乱後のホトンの角振動数である。νはホノンの角振動
数である（振動数ではない）。
波のエネルギーは、同様な式で表現される。これは光量
子と音量子とが一対一で散乱される場合になりたつ。す
ると、エネルギー保存則から、 ω＝−ν＋ω′ （６） となる。ここで、ωは入射ホトンの角振動数ν、ω′は
散乱後のホトンの角振動数である。νはホノンの角振動
数である（振動数ではない）。
さらに、運動量の保存則も成立しなければならない。
ホトンの入射運動量を、散乱後の運動量を′、ホト
ンの運動量をとする。
ンの運動量をとする。
＝−＋′ （７） である。ホトンも、ホノンも分散関係は一次式で表現で
きる。
きる。
ω＝kc （８） ν＝qc′ （９） である。ここでｃは媒質中での光速、ｃ′は媒質中での
音速である。
音速である。
光速は音速に比べて極めて大きい。このため、（９）、
（６）式に於て、νが極めて小さいという事が分る。す
ると、ω＝ω′という事になる。つまり、ホノンは、ホ
トンに対し運動量を与える事ができるけれども、エネル
ギーを殆ど与える事ができないという事を意味する。そ
うすると、（６）のかわりに ω＝ω′ （10） という式を立てる。（７）と（10）から、ｋとｋ′の絶
対値が等しいという事がわかる。|k|＝|k′｜である
が、方向が異なるのである。散乱角をΘとすると、
（７）の作る二等辺三角形から、 という事が分る。
（６）式に於て、νが極めて小さいという事が分る。す
ると、ω＝ω′という事になる。つまり、ホノンは、ホ
トンに対し運動量を与える事ができるけれども、エネル
ギーを殆ど与える事ができないという事を意味する。そ
うすると、（６）のかわりに ω＝ω′ （10） という式を立てる。（７）と（10）から、ｋとｋ′の絶
対値が等しいという事がわかる。|k|＝|k′｜である
が、方向が異なるのである。散乱角をΘとすると、
（７）の作る二等辺三角形から、 という事が分る。
波数、ｚは運動量で書けば（11）式のようになる。これ
を媒質中での超音波の波長Λと、真空中の光の波長λ、
媒質の実効屈折率Neによつて表現すると、 である。これらを（11）に代入すると となる。以上は、ホノンによるホトンの散乱について一
般的に与えた式である。しかし、実際には、ホノンは端
数ｑが一定の進行波を与える（又は定在波を与える）事
になるので、進行方向に直角に、面間隔がΛの格子面を
形成すると考える事もできる。
を媒質中での超音波の波長Λと、真空中の光の波長λ、
媒質の実効屈折率Neによつて表現すると、 である。これらを（11）に代入すると となる。以上は、ホノンによるホトンの散乱について一
般的に与えた式である。しかし、実際には、ホノンは端
数ｑが一定の進行波を与える（又は定在波を与える）事
になるので、進行方向に直角に、面間隔がΛの格子面を
形成すると考える事もできる。
こう考えると、（14）式は、Bragg回折条件と同一であ
る事が分る。超音波によつて作つた格子面により光を回
折させると考える事ができる。それゆえ、この素子をブ
ラツグセルというのである。
る事が分る。超音波によつて作つた格子面により光を回
折させると考える事ができる。それゆえ、この素子をブ
ラツグセルというのである。
Θは回折角であるが、λ／Λが極めて小さい値である
事、かつ、Θは小さい角度であるという事がわかる。Θ
/2は、超音波の波面と、光線のなす角である。これは極
めて小さい角度である。波面と光線のなす角θがθ＝Θ
/2でないと、ブラツグ回折条件（14）が満足されない。
事、かつ、Θは小さい角度であるという事がわかる。Θ
/2は、超音波の波面と、光線のなす角である。これは極
めて小さい角度である。波面と光線のなす角θがθ＝Θ
/2でないと、ブラツグ回折条件（14）が満足されない。
ところがθ≠Θ/2である可能性がある。Θ/2は数mradの
程度であつて微小角である。このため、θ＝Θ/2とする
角度調整が困難である。
程度であつて微小角である。このため、θ＝Θ/2とする
角度調整が困難である。
θ＝Θ/2にならなければ、光の周波数変換がなされず、
（ω＋ν）の角周波数にはならない。
（ω＋ν）の角周波数にはならない。
このように、光の周波数変換のためのブラツグセルには
いろいろな欠点があつた。
いろいろな欠点があつた。
（エ）目的 ヘテロダイン検波方式の光フアイバハイドロフオンに於
て、光の周波数変換のためにブラツグセルを使わず、よ
り簡単で、使いやすい周波数変換器を備えたものを提供
する事が本発明の目的である。
て、光の周波数変換のためにブラツグセルを使わず、よ
り簡単で、使いやすい周波数変換器を備えたものを提供
する事が本発明の目的である。
（オ）構成 周波数変換するのであるから、一定周波数νの超音波を
発生させ、周波数ωの光に混合（mixing）する、という
思想は誰にでも考えつくようなものである。
発生させ、周波数ωの光に混合（mixing）する、という
思想は誰にでも考えつくようなものである。
しかし、ブラツグセルは寸法が大きいし、本質的に無駄
が多く、方向角Θの設定もきわめて難しいという欠点が
ある。まず、回折光であるが、ω±Ｎνというように、
多くの回折光が生じる。必要なのはひとつだけである。
他の回折光は無駄であるだけでなく、ノイズの原因にも
なる。
が多く、方向角Θの設定もきわめて難しいという欠点が
ある。まず、回折光であるが、ω±Ｎνというように、
多くの回折光が生じる。必要なのはひとつだけである。
他の回折光は無駄であるだけでなく、ノイズの原因にも
なる。
周波数νというのは、位相Φの時間微分なのである。す
なわち、参照光、又は信号光の位相が、なんらかの機構
によつて変動分Φ（ｔ）を持つものとし、 であれば、光の周波数変換がなされたという事になる。
（15）を積分して Φ＝νｔ＋（const） （16） となるように、位相変調Φを与える事ができるとすれ
ば、これにより光の角周波数は（ω＋ν）に変換された
という事になる。
なわち、参照光、又は信号光の位相が、なんらかの機構
によつて変動分Φ（ｔ）を持つものとし、 であれば、光の周波数変換がなされたという事になる。
（15）を積分して Φ＝νｔ＋（const） （16） となるように、位相変調Φを与える事ができるとすれ
ば、これにより光の角周波数は（ω＋ν）に変換された
という事になる。
すなわち、参照波を例にとると、（２）のかわりに、位
相変調Φ（ｔ）が追加されるので、 Ｒ＝Hsin（ωｔ＋Φ（ｔ）＋Ψ） （17） となる。すると、（16）を代入して Ｒ＝Hsin（ωｔ＋νｔ＋（const）＋Ψ） （18） となり、光の角周波数が（ω＋ν）に実効的に変化して
いる、という事が分る。
相変調Φ（ｔ）が追加されるので、 Ｒ＝Hsin（ωｔ＋Φ（ｔ）＋Ψ） （17） となる。すると、（16）を代入して Ｒ＝Hsin（ωｔ＋νｔ＋（const）＋Ψ） （18） となり、光の角周波数が（ω＋ν）に実効的に変化して
いる、という事が分る。
位相変調Φ（ｔ）は、信号用フアイバに入れてもよい
し、参照用フアイバに入れてもよい。
し、参照用フアイバに入れてもよい。
位相を変えるのであるから、（16）式のようになるが、
位相変調器の変調能力には上限があり、長い時間にわた
つて（16）式の変調をかけ続けるという事ができない。
位相変調器の変調能力には上限があり、長い時間にわた
つて（16）式の変調をかけ続けるという事ができない。
そこで鋸歯状波とする。
周期をＴとして、この周期内で、時刻ｔの増加に対し、
位相の増加をνＴで表現できるものとする。位相変化の
最大値をΦ０とする。これは２πの整数倍である。
位相の増加をνＴで表現できるものとする。位相変化の
最大値をΦ０とする。これは２πの整数倍である。
第４図は本発明に於て利用する位相変調Φ（ｔ）の波形
図である。
図である。
ｔ＝０〜Ｔの間について説明する。位相は単位時間あた
りνの割合で増加する。グラフの直線OAがこれに当た
る。勾配がνである。Ａ点で、位相増加は最大値Φ０に
なつている。ｔ＝Ｔで位相増加をリセツトし、０に戻
す。これがABの降下である。
りνの割合で増加する。グラフの直線OAがこれに当た
る。勾配がνである。Ａ点で、位相増加は最大値Φ０に
なつている。ｔ＝Ｔで位相増加をリセツトし、０に戻
す。これがABの降下である。
Ｂ点から再び、ｔ＝Ｔ〜2Tの間に於て、単位時間あたり
νの割合で位相を増加させる。Ｃ点で、Φ０に達する
が、再び０に戻す。Ｄ点から三たび位相を増加させる。
νの割合で位相を増加させる。Ｃ点で、Φ０に達する
が、再び０に戻す。Ｄ点から三たび位相を増加させる。
このような鋸歯状の位相変調Φ（ｔ）を加える。頂点
Ａ、Ｃ、Ｅに於て νＴ＝Φ０＝2nπ （19） でなければならない。Φ０を２πの整数倍とするのは、
リセツトした時（０、Ｂ、Ｄ）に、光の位相変化が強度
変化に表われる事がないようにするためである。
Ａ、Ｃ、Ｅに於て νＴ＝Φ０＝2nπ （19） でなければならない。Φ０を２πの整数倍とするのは、
リセツトした時（０、Ｂ、Ｄ）に、光の位相変化が強度
変化に表われる事がないようにするためである。
第４図の波形は、 mT≦ｔ＜（ｍ＋１）Ｔである時、 Φ（ｔ）＝ν（ｔ−mT） （20） によつて表現する事ができる。
こうしてωを（ω＋ν）に周波数変換する事ができる。
鋸歯の向きを逆にすれば、（ω−ν）に周波数変換する
事ができる。
鋸歯の向きを逆にすれば、（ω−ν）に周波数変換する
事ができる。
第１図によつて本発明の光フアイバハイドロフオンの構
成を説明する。
成を説明する。
光源１はコヒーレントな単色光を生ずる光源である。た
とえばHe−Neレーザ、半導体レーザなどである。この単
色光の角周波数をωとする。
とえばHe−Neレーザ、半導体レーザなどである。この単
色光の角周波数をωとする。
信号用フアイバ２はシングルモード光フアイバであつ
て、途中に水中音波を感受するセンシングコイル４が設
けられている。水中音波の圧力のために、センシングコ
イルの屈折率と実効的な長さが変動する、このため、φ
sin（Ωｔ）の形の位相変化が生ずる。φが、音波の強
さで決まる因子である。
て、途中に水中音波を感受するセンシングコイル４が設
けられている。水中音波の圧力のために、センシングコ
イルの屈折率と実効的な長さが変動する、このため、φ
sin（Ωｔ）の形の位相変化が生ずる。φが、音波の強
さで決まる因子である。
参照用フアイバ３も、長さをあわせるために、コイルを
持つている。参照用フアイバ３はシングルモードフアイ
バであり、途中に位相変調器５が設けてある。
持つている。参照用フアイバ３はシングルモードフアイ
バであり、途中に位相変調器５が設けてある。
位相変調器駆動回路10が、第４図に示すような鋸歯状の
電圧を発生し、位相変調器５の位相変調Φ（ｔ）を与え
る。
電圧を発生し、位相変調器５の位相変調Φ（ｔ）を与え
る。
位相変調器５は公知のものを用いる事ができる。
第２図は圧電素子を用いた位相変調器の例である。円筒
形状の圧電振動子11の内壁と外壁に電極が設けてある。
また圧電振動子11の外周に光フアイバ２又は３が巻き回
してある。これは信号用フアイバ２の一部であつてもよ
いし、第１図に示す例のように参照用フアイバ３の一部
であつてもよい。
形状の圧電振動子11の内壁と外壁に電極が設けてある。
また圧電振動子11の外周に光フアイバ２又は３が巻き回
してある。これは信号用フアイバ２の一部であつてもよ
いし、第１図に示す例のように参照用フアイバ３の一部
であつてもよい。
圧電振動子11は内外に直流電圧を印加すると、これに比
例して直径が変化する。このためこれに巻き回した光フ
アイバの直効的な光路長が変化し、位相変動Φ（ｔ）が
生ずる。直流電圧のかわりに、周期Ｔの第４図に示すよ
うな鋸歯状電圧をかけると、所望の位相変動Φ（ｔ）が
得られる。
例して直径が変化する。このためこれに巻き回した光フ
アイバの直効的な光路長が変化し、位相変動Φ（ｔ）が
生ずる。直流電圧のかわりに、周期Ｔの第４図に示すよ
うな鋸歯状電圧をかけると、所望の位相変動Φ（ｔ）が
得られる。
第３図に示すものは電気光学効果を用いた位相変調器の
例である。
例である。
電気光学効果を有する材料12の上に、電極13、14を蒸
着、印刷などによつて設ける。電極13、14の中心を光軸
が通過するように、光フアイバ２、３の切断面を、材料
12の端面15、16に貼りつける。光フアイバ２、３の断面
を結ぶ線がチヤンネル導波路17となる。電極13、14の間
に電圧を加えると、チヤンネル導波路17の屈折率が変わ
る。このため、チヤンネル導波路の実効的な光路長が変
わり、位相変動Φ（ｔ）が生ずる。鋸歯状電圧を加える
と、第４図に示すような位相変動Φ（ｔ）とする事がで
きる。
着、印刷などによつて設ける。電極13、14の中心を光軸
が通過するように、光フアイバ２、３の切断面を、材料
12の端面15、16に貼りつける。光フアイバ２、３の断面
を結ぶ線がチヤンネル導波路17となる。電極13、14の間
に電圧を加えると、チヤンネル導波路17の屈折率が変わ
る。このため、チヤンネル導波路の実効的な光路長が変
わり、位相変動Φ（ｔ）が生ずる。鋸歯状電圧を加える
と、第４図に示すような位相変動Φ（ｔ）とする事がで
きる。
電気光学効果を有する材料12としては、例えば、LiNbO3
結晶などがある。導波路タイプのものは、圧電素子を用
いるものに比べて広帯域である、という長所がある。
結晶などがある。導波路タイプのものは、圧電素子を用
いるものに比べて広帯域である、という長所がある。
光源１から出射された単色光は、ビームスプリツタ８で
２本のビームに分けられ、信号用フアイバ２と参照用フ
アイバ３に入射する。それぞれのフアイバ２、３を透過
した信号光Ｓ、参照光Ｒはビームスプリツタ９で合体
し、受光素子６へ入射する。受光素子６の受光面で干渉
し、干渉光の強度が検出される。
２本のビームに分けられ、信号用フアイバ２と参照用フ
アイバ３に入射する。それぞれのフアイバ２、３を透過
した信号光Ｓ、参照光Ｒはビームスプリツタ９で合体
し、受光素子６へ入射する。受光素子６の受光面で干渉
し、干渉光の強度が検出される。
干渉光強度をＩとすると、これは、νを中心周波数と
し、このまわりに±Ωの周波数変調がなされたFM信号で
ある。これをFM復調回路７でFM検波する。
し、このまわりに±Ωの周波数変調がなされたFM信号で
ある。これをFM復調回路７でFM検波する。
（カ）作用 センシングコイル４の中を伝搬する事により、信号光
は、音波による位相振動φsin（Ωｔ）を受ける。受光
素子６に入射した時の信号光をＳ（ｔ）とすると、
（１）と同じで Ｓ（ｔ）＝Gsin｛ωｔ＋φsin（Ωｔ）｝ （21） となる。
は、音波による位相振動φsin（Ωｔ）を受ける。受光
素子６に入射した時の信号光をＳ（ｔ）とすると、
（１）と同じで Ｓ（ｔ）＝Gsin｛ωｔ＋φsin（Ωｔ）｝ （21） となる。
参照光は位相変調器５による位相変動を受けるので、受
光素子６に入射したときの振動Ｒ（ｔ）は Ｒ（ｔ）＝Hsin｛ωｔ＋νｔ＋Ψ｝ （22） となる。このΨは、フアイバの長さの差であるが、mT≦
ｔ＜（ｍ＋１）Ｔのときは、フアイバの長さの差からν
mTを引いたものになる。つまり、フアイバの長さの差を
Ψ０として、 Ψ＝Ψ０−νmT （23） となる。Ψ０は温度変動があり、ホモダイン方式では深
刻な問題を引き起こすものとなつていた。
光素子６に入射したときの振動Ｒ（ｔ）は Ｒ（ｔ）＝Hsin｛ωｔ＋νｔ＋Ψ｝ （22） となる。このΨは、フアイバの長さの差であるが、mT≦
ｔ＜（ｍ＋１）Ｔのときは、フアイバの長さの差からν
mTを引いたものになる。つまり、フアイバの長さの差を
Ψ０として、 Ψ＝Ψ０−νmT （23） となる。Ψ０は温度変動があり、ホモダイン方式では深
刻な問題を引き起こすものとなつていた。
受光素子の出力Ｉは、直流分を除いて、 Ｉ（ｔ）＝GHcos｛νｔ＋Ψ−φsin（Ωｔ）｝（23）′ となる。これはνは中心角周波数として、Ωで周波数変
調したものである。
調したものである。
これをνを中心角周波数としてFM復調する。振動数は ν−φΩcos（Ωｔ） （24） という事になる。FM復調回路はφの大きさを求める事が
できる。FM復調であるので、（23）式のΨは問題になら
ない。
できる。FM復調であるので、（23）式のΨは問題になら
ない。
（キ）効果 ヘテロダイン方式の光フアイバハイドロフオンであるか
ら、温度変化に対して強い。フアイバ長の差による位相
差Ψが、FM復調によつて消えてしまう。これはヘテロダ
イン方式には共通の利点である。
ら、温度変化に対して強い。フアイバ長の差による位相
差Ψが、FM復調によつて消えてしまう。これはヘテロダ
イン方式には共通の利点である。
従来のヘテロダイン方式に於て、ブラツグセルによつて
光の周波数変換を行なつていた。ブラツグセルはバルク
型のものは寸法が大きく、前後に光フアイバと結合する
ための集光光学系を必要とする。
光の周波数変換を行なつていた。ブラツグセルはバルク
型のものは寸法が大きく、前後に光フアイバと結合する
ための集光光学系を必要とする。
本発明に於ては、ホトン、ホノンの相互作用を用いな
い。傾きがνであるような鋸歯状の位相変調を行なう。
ブラツグセルを使わなくてよい。寸法は小さくできる。
光フアイバと結合するための集光光学系が不要である。
い。傾きがνであるような鋸歯状の位相変調を行なう。
ブラツグセルを使わなくてよい。寸法は小さくできる。
光フアイバと結合するための集光光学系が不要である。
また、光軸の角度設定が困難なブラツグセルと異なり、
軸合わせは極めて容易である。位相変調器の光軸とフア
イバの光軸が異なるという事はない。
軸合わせは極めて容易である。位相変調器の光軸とフア
イバの光軸が異なるという事はない。
ブラツグ回折の場合、結合領域を広くとらなければ、一
次回折光も弱くて使いものにならない（０次光が大きい
から）。このためブラツグセルを大きくする必要があつ
た。位相変調器の場合は、伝搬光の全てが位相変調され
るから無駄がない。
次回折光も弱くて使いものにならない（０次光が大きい
から）。このためブラツグセルを大きくする必要があつ
た。位相変調器の場合は、伝搬光の全てが位相変調され
るから無駄がない。
第１図は本発明のヘテロダイン方式の光フアイバハイド
ロフオンの構成図。 第２図は圧電素子を用いた位相変調器の一例を示す斜視
図。 第３図は電気光学素子を用いた導波路型位相変調器の一
例を示す斜視図。 第４図は本発明に於て用いる位相変調器に於ける位相変
調波形を示す波形図。
ロフオンの構成図。 第２図は圧電素子を用いた位相変調器の一例を示す斜視
図。 第３図は電気光学素子を用いた導波路型位相変調器の一
例を示す斜視図。 第４図は本発明に於て用いる位相変調器に於ける位相変
調波形を示す波形図。
Claims (3)
- 【請求項１】コヒーレントな単色光を生ずる光源１と、
水中音波による圧力を感受するセンシングコイル４を途
中に設けたシングルモードフアイバである信号用フアイ
バ２と、シングルモードフアイバである参照用フアイバ
３と、信号用フアイバ２又は参照用フアイバ３の途中に
設けられた位相変調器５と、位相変調器５に対して、周
期がＴで位相変化の最大値Φ０が２πの整数倍であつて
ν＝Φ0/Tとなるように鋸歯状に変化する駆動電圧を印
加する位相変調器駆動回路10と、光源１から出た光を分
割し信号用フアイバ２と参照用フアイバ３に入射させる
ビームスプリツタ８と、信号用フアイバ２から出射した
信号光と参照用フアイバ３から出射した参照光とを合一
させるビームスプリツタ９と、信号光と参照光の干渉光
の強度を検出する受光素子６と、受光素子６の出力を角
周波数νを中心としてFM検波するFM復調回路とより構成
される事を特徴とする光フアイバハイドロフオン。 - 【請求項２】位相変調器５が、圧電振動子11の内外周に
電極を設けてあり、圧電振動子11の外周に光フアイバ２
又は３を巻きつけたものである事を特徴とする特許請求
の範囲第（１）項記載の光フアイバハイドロフオン。 - 【請求項３】位相変調器５が、電気光学効果を有する材
料にチヤンネル導波路17を設け、その両側に電極13、14
を設け、さらにチヤンネル導波路17の端点にフアイバの
端面を接着したものである事を特徴とする特許請求の範
囲第（１）項記載の光フアイバハイドロフオン。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3876687A JPH0676915B2 (ja) | 1987-02-20 | 1987-02-20 | 光フアイバハイドロフオン |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3876687A JPH0676915B2 (ja) | 1987-02-20 | 1987-02-20 | 光フアイバハイドロフオン |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63205526A JPS63205526A (ja) | 1988-08-25 |
| JPH0676915B2 true JPH0676915B2 (ja) | 1994-09-28 |
Family
ID=12534410
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3876687A Expired - Lifetime JPH0676915B2 (ja) | 1987-02-20 | 1987-02-20 | 光フアイバハイドロフオン |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0676915B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102353393A (zh) * | 2011-07-01 | 2012-02-15 | 浙江大学 | 基于π/2相位调制的干涉型光传感器的正交解调装置 |
| CN102680072A (zh) * | 2012-05-09 | 2012-09-19 | 清华大学 | 用于光纤水听器pgc时分复用系统降噪的系统及方法 |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105092014B (zh) * | 2015-05-12 | 2018-05-25 | 天津大学 | 基于波束形成的分布式光纤声波探测装置及探测方法 |
| CN108225540B (zh) * | 2017-12-29 | 2020-05-12 | 北京航天控制仪器研究所 | 一种大动态范围的外差干涉式光纤水听器系统 |
| CN109596205B (zh) * | 2018-12-21 | 2021-05-28 | 电子科技大学 | 一种基于延时光纤的双脉冲光纤振动传感方法 |
-
1987
- 1987-02-20 JP JP3876687A patent/JPH0676915B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102353393A (zh) * | 2011-07-01 | 2012-02-15 | 浙江大学 | 基于π/2相位调制的干涉型光传感器的正交解调装置 |
| CN102680072A (zh) * | 2012-05-09 | 2012-09-19 | 清华大学 | 用于光纤水听器pgc时分复用系统降噪的系统及方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63205526A (ja) | 1988-08-25 |
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