JPS62198712A - ２光源光フアイバセンサ - 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、光ファイバセンサに関するものであり、更に
詳述するならば、故障などに対する補償機能を有する光
ファイバセンサに関するものである。

且迷至韮貨 現在、光ファイバを利用したセンサが様々な分野で利用
されている。例えば、光ファイバジャイロは、航空機、
飛翔体、自動車などの移動体のナビゲーションや姿勢制
御のための角速度センサとして活用されている。更に、
光ファイバハイドロホンが地震検出やソナーなどに利用
されている。

そのほかに、光フアイバドプラ流速計など様々な光ファ
イバセンサがあり、現在活用されている。

そのようなジャイロの中で、光ファイバジャイロは、光
及びその光が伝搬する光ファイバが磁界や電界の影警を
受は難いため、シールドの問題なくどのような環境でも
使用でき、また、可動部が全くなく且つ小型化が可能で
あり、更に、最小検出可能角速度（感度）、ドリフト、
可測範囲（ダイナミックレンジ）、スケールファクタの
安定性の点において、従来のジャイロに比較して優れて
いるために、近年注目され開発されている。

そこで、光ファイバセンサの１例として光ファイバジャ
イロを例に挙げると、光ファイバジャイロは、第２図に
示すように基本的に構成されている。

発光素子１０からの光をビームスプリッタ１２により分
割して、コイル状に多数回シングルモード光ファイバ１
４を巻回した光フアイバループすなわちセンサコイル１
６の両端に人力して、センサコイル１６に右回り（ＣＷ
）と左回り（ＣＣＷ）に光を伝搬させる。そのとき、セ
ンサコイル１６が角速度Ωで回転していると、右回り光
、左回り光に位相差Δθが生じ、Δθを測定することに
よって角速度Ωを検出するものである。

センサコイル１６の中を右回りに伝搬した光及び左回り
に伝搬した光の電界の強さＥｃｗＳＥｃｃｗは、次のよ
うに表される。

但し、Ｅｒ、Ｅｌ：左回り光及び右回り光の振幅ω：光
の角周波数 ｔ：時間 ΔＯ：すニヤツク効果による位相差 そのように位相差Δθが生じた左回り光と右回り光とを
ビームスプリッタ１２で合成して、受光素子１８に入射
させる。その受光素子１８の検出強度から、位相差△θ
を知ることができる。その位相差へ〇は、次のように表
すことができる。

但し、Ｌ：センサコイルのファイバ長 ａ：センサコイルの半径 Ｃ：真空中の光速度 λ：光の波長 Ω：回転角速度 これをサニヤック効果という。

発明が解決しようとする問題点 以上のように光ファイバジャイロは、発光素子から光フ
ァイバを介して受光素子までの光系統を有しており、こ
のような系統があるのでほとんどの光ファイバセンサに
共通している。しかし、上述の光ファイバジャイロだけ
でなく他の光ファイバセンサも、発光素子から受光素子
及びその付属信号処理装置まで１系統しか一般にない。

そのため、その系統の一部が故障すると、光ファイバセ
ンサは機能しなくなる。特に、発光素子は、過電流が流
れると故障しやすく、受光素子の故障を完全に回避する
ことは不可能である。

例えば、使用中に光ファイバジャイロが故障すると、そ
のジャイロが担っている測定が不能となり、航空機やロ
ケットなどにとっては飛行不能となり重大な問題となる
。また、光ファイバハイドロホンが地震検出に使用され
ている場合には、地震検出ができなくなり、甚大な災害
をともなう恐れがある地震予知などに支障が生じる。

そのため、光ファイバセンサが故障したとき瞬時に測定
可能となるような対策が切望されている。

しかしながら、測定用に長大な光ファイバを使用する光
ファイバセンサを２組装備することは、装置自体が大型
化するだけでなく、装置の費用も設置の費用も倍増する
。

そこで、本発明は、上記した問題を解決する光ファイバ
センサを提供せんとするものである。

問題点を解決するための毛則 本発明の発明者は、上記目的の下に種々研究して、光フ
ァイバセンサにとって光ファイバがその大きさの相当な
部分を占めており、また、光ファイバはたとえ長大であ
っても断線などの故障の可能性は少ないことに注目して
、本発明を完成した。

すなわち、本発明によるならば、第１及び第２の発光素
子と、前記第１の発光素子の出力光から第１の方向の直
線偏光を抽出する第１の手段と、前記第２の発光素子の
出力光から前記第１の方向に直交する第２の方向の直線
偏光を抽出する第２の手段と、両直線偏光を合成する第
１のビームスプリッタと、該第１のビームスプリブタで
合成された光を受ける測定用の偏波面保存ファイバと、
該ファイバから出射した光を受けて分離する第２のビー
ムスプリッタと、該第２のビームスプリッタからの一方
の出射光から前記第１の方向の直線偏光成分を抽出する
第３の手段と、該第３の手段の出力光を受ける第１の受
光素子と、前記第２のビームスプリッタからの他方の出
射光から前記第２の方向の直線偏光成分を抽出する第４
の手段と、該第４の手段の出力光を受ける第２の受光素
子とを具備することを特徴とする光ファイバセンサが提
供される。

上記した本発明による光ファイバセンサが光ファイバジ
ャイロとして実現される場合には、前記偏波面保存ファ
イバは、センサコイルを形成するようにコイル状に巻回
された部分を含んでおり、光ファイバセンサは、更に、
前記第１のビームスプリッタで合成された光を分岐して
前記偏波面保存ファイバの両端に結合すると共に、前記
センサコイル部分を両方向に伝搬して前記偏波面保存フ
ァイバの両端から出射した光を合成して前記第２のビー
ムスプリブタに結合する第３のビームスプリブタを具備
する。そして、前記第１及び第３の手段は同一の手段で
あり、且つ、第２及び第４の手段も同一手段であり、前
記第１及び第２のビームスプリッタは、それら手段と前
記第３のビームスプリッタとの間に設けられた同一のビ
ームスプリッタである。

また、本発明の光ファイバセンサが光ファイバハイドロ
ホンとして実現される場合には、前記偏波面保存ファイ
バは、測定光用光ファイバと参照光用光ファイバとを含
んでおり、光ファイバセンサは、更に、前記第１のビー
ムスプリッタで合成された光を分岐して前記測定光用光
ファイバと前記参照光用光ファイバの各々の一方の端に
結合する第３のビームスプリッタと、前記測定光用光フ
ァイバと前記参照光用光ファイバの各々の他方の端から
の出射光を合成して前記第２のビームスプリッタに結合
する第４のビームスプリッタとを具備する。

一作Ｊ 以上のような光ファイバセンサにおいては、同一の偏波
面保存ファイバを利用した、偏波方向が直交する直線偏
光による２つの測定系がある。それら直線偏光は、直交
しているので、光フアイバ内を伝播する際に互いにノイ
ズとして影響しあうことがない。それ故、それぞれ独立
した測定が可詣である。従って、その一方の測定系に故
障が発生しても、故障していない測定系を使用すること
により測定休止期間なく測定を維持することができる。

実施例 以下添付図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は、本発明を実施した光ファイバ口の１実施例の
構成を示した図である。なお、光ファイバジャイロの最
小構成については、イゼキールエス、及びアーディティ
　エイチ、ジェー、「光フアイバ回転センサ」スプリン
ガーーフェアラーク　ベルリン（ｎｚｅｋｉｌ　Ｓ、　
ａｎｄ　Ａｒｄｉｔｔｙ　ｔｌ、　Ｊ。

“Ｆｉｂｅｒ　０ｐｔｉｃ　Ｒｏｔａｔｉｏｎ　５ｅｎ
ｓｏｒｓ、　Ｓｐｒｉｎｇｅｒ−Ｖｅｒｌａｇ”　Ｂｅ
ｒｌｉｎ　）１９８２に詳しい説明がある。

図示の光ファイバジャイロにおいては、発光素子２０Δ
及び２０Ｂのように一対の光源が設けられ、それぞれ駆
動及び信号処理回路２２Ａ及び２２Ｂにより駆動されて
、光ビームを発生する。なお、発光素子としては、Ｈｅ
−Ｎｅレーザ、半導体レーザ、スーパールミネッセント
ダイオードなどが使用できる。

それら発光素子２ＯＡ及び２０Ｂがそれぞれ発生するビ
ームは、ハーフミラ−のようなビームスプリッタ２４Ａ
及び２４Ｂを透過してそれぞれモードフィルタファイバ
２６Ａ及び２６Ｂに入射する。モードフィルタファイバ
２６Ａ及び２６Ｂを伝搬した光は、それぞれ偏光子２８
Ａ及び２８Ｂを介してハーフミラ−のようなビームスブ
リック３０で合成され更にハーフミラ−のようなビーム
スプリッタ３２で２つに分岐して、偏波面保存偏波面保
存光ファイバ３４の両端に結合する。偏光子２８Ａ及び
２８Ｂは、互いに直交する直線偏光を透過するように配
置されている。

従って、偏波面保存偏波面保存光ファイバ３４の両端に
は、その直交する２つの直線偏光がそれぞれ入射される
。

偏波面保存光ファイバ３４は、光ファイバセンサを構成
するように、多数回コイル状に巻かれたセンサコイル３
６を有している。

偏波面保存光ファイバ３４を右回りと左回りとに伝搬し
た光ビームは、光ファイバ２４の両端から出射されてビ
ームスプリッタ３２で合成されて更にビームスブリック
３０で分岐される。ビームスプリッタ３０を透過した光
は、偏光子２８Ａ及びモードフィルタファイバ２６Ａを
透過してビームスプリッタ２４で反射されて受光゛素子
３８Ａに入射する。一方、ビームスプリッタ３０で反射
した光は、偏光子２８Ｂ及びモードフィルタファイバ２
６Ｂを透過してビームスプリッタ２４で反射されて受光
素子３８Ｂに入射する。

それぞれの受光素子３８Ａ及び３８Ｂからの信号は、駆
動及び信号処理回路２２Ａ及び２２Ｂに入力される。

受光素子の電気出力から、センサコイル３６において発
生した位相差Δθと示す角速度信号が得られる。

以上のように構成される光ファイバジャイロは、次のよ
うに動作する。

発光素子２ＯＡからの光ビームは、ビームスプリッタ２
４Ａ及びモードフィルタファイバ２６Ａを介して偏光子
２８Ａに入射されて第１の方向の直線偏光が抽出される
。その第１の方向の直線偏光は、ビームスプリッタ３０
を透過してビームスプリッタ３２で分岐され偏波面保存
光ファイバ３４の両端に結合する。

偏波面保存光ファイバ３４に人力された第１の方向の直
線偏光ビームは、回転を受けているセンサコイル３６の
部分において、右回り光と左回り光の間で位相差を生ず
る。

このように、センサコイル３６において位相差が生じた
右回りと左回りの第１の方向の直線偏光ビームは、偏波
面保存光ファイバ３４の両端から出力されて、ビームス
プリッタ３２により合成されてかつビームスプリッタ３
０を介して偏光子２８Ａに入射される。この偏光子２８
Ａは、第１の方向の直線偏光ビームのみを抽出してモー
ドフィルタファイバ２６Ａに入射する。

モードフィルタファイバ２６Ａを伝搬した光ビームは、
ビームスプリッタ２４Ａで反射されて受光素子３８Ａに
入射する。

受光素子の電気出力は、駆動及び信号処理回路２２Ａに
入力され、センサコイル３６において発生した位相差Δ
θを示す電圧信号が出力される。

他方、発光素子２０Ｂからの光ビームは、ビームスプリ
ッタ２４Ｂ及びモードフィルタファイバ２６Ｂを介して
偏光子２８Ｂに入射されて、上記した第１の方向と直交
する第２の方向の直線偏光が抽出される。その第２の方
向の直線偏光は、ビームスプリッタ３０で反射してビー
ムスプリッタ３２で分岐され偏波面保存光ファイバ３４
０両端に結合する。

偏波面保存光ファイバ３４に人力された第２の方向の直
線偏光ビームは、偏波面保存光ファイバ３４が偏波面保
存ファイバであるので、上記した第１の方向の直線偏光
ビームと互いに影響しあうたとなく偏波面保存光ファイ
バ３４を伝播して、回転を受けているセンサコイル３Ｇ
の部分において、右回り光と左回り光の間で位相差を生
ずる。

このように、センサコイル３６において位相差が生じた
右回りと左回りの第２の方向の直線偏光ビームは、偏波
面保存光ファイバ３４の両端から出力されて、ビームス
プリッタ３２により合成されてかつビームスプリッタ３
０で反射されて偏光子２８Ｂに入射される。この偏光子
２８Ｂは、第２の方向の直線偏光ビームのみを抽出して
モードフィルタファイバ２６Ｂに入射する。

モードフィルタファイバ２６Ｂを伝搬した光ビームは、
ビームスプリッタ２４Ｂで反射されて受光素子３８Ｂに
入射する。

受光素子の電気出力は、駆動及び信号処理回路２２Ｂに
入力され、センサコイル３６において発生した位相差△
θを示す電圧信号が出力される。

かくして、駆動及び信号処理回路２２Ａ及び２２Ｂは、
それぞれ位相差Δθを示す電圧信号を出力する。従って
、いずれか一方を測定データとして使用して、その一方
の測定系の発光素子や受光素子更には信号処理回路に故
障が発生したとき、他方の測定系を使用することにより
、測定に途切れが生じることなく測定を続けることがで
きる。

また、長大な光ファイバが２つの測定系に共用される一
方、発光素子、受光素子に半導体素子を使用し、信号処
理回路を、現在の半導体集積回路技術を利用して構成す
、ることにより非常に小型化できる。従って、２つの測
定系を有していても従来の１つの測定系とさほど大きさ
のかわらない。

なお、上記実施例におけるモードフィルタファイバと偏
光子との代わり、その両方の機能を実現できる絶対単一
直線偏波ファイバを使用するこもできる。

第３図は、本発明を実施した光ファイバハイドロホンの
構成を示す図である。

図示の光ファイバハイドロホンは、レーザ６０Ａ及び６
０Ｂ２とを有し、それらレーザからのレーザビームは、
光ファイバ６２Ａ及び６２Ｂと偏光子６４Ａ及び６４Ｂ
を介してビームスプリッタ６６で合成される。

その偏光子６４Ａ及び６４Ｂは、互いに直交する直線偏
光をビームスプリッタ６６に出力する。そのビームスプ
リッタ６６で合成された光は、光ファイバ６８を介して
もう１つのビームスプリッタ７０で分割され、その一方
は、測定光用光ファイバを構成する偏波面保存ファイバ
７２に結合され、他方は、参照光用光ファイバを構成す
るもう１つの偏波面保存ファイバ７４に結合される。光
ファイバ７２は、例えば水中音場７Ｇの中に置かれ、他
方の光ファイバ７４は、外力を一切受けない履境に置か
れる。

そして、光ファイバ７２を通った測定光ビームと光ファ
イバ７４を通った参照光ビームは、ビームスプリッタ７
８で合成され、更にビームスプリッタ８０で分岐される
。その分岐された光の一方は、偏光子８２Ａを介して受
光素子８４Ａに人力され、他方の分岐光は、偏光子８２
Ｂを介して受光素子８４Ｂに入力される。そして、偏光
子８２Δ及び８２Ｂは、互いに直交する直線偏光を抽出
するように配置されている。

かくして、測定光ビームと参照光ビームとの第１の直線
偏光成分の合成光が、受光素子８４Ａで検出されて、そ
の電気信号が、例えば音波波形表示機能又は音波スペク
トル表示機能を持つ信号処理装置８６Ａに送られる。更
に、上記第１の直線偏光成分と直交する、測定光ビーム
と参照光ビームとの第２の直線偏光成分の合成光が、受
光素子８４Ｂで検出されて、その電気信号が、同様な信
号処理装置８６Ｂに送られる。

以上の如き光ファイバハイドロホンにおいて、水中音場
７６の中の光ファイバ７２は、水中音場を伝搬する音波
即ち圧力波を受ける。光ファイバの屈折率は、圧力に依
存するので、音波によって光ファイバが受ける圧力変化
は、光路長く位相）変化として出現する。従って、水中
音場に置かれた光ファイバ７２を通ってきた測定光ビー
ムと、参照光用光ファイバ７４を通ってきた参照光ビー
ムとを合成してホモダイン検波することにより、光ファ
イバ７２に作用した音波を検出することができる。

以上のような光ファイバハイドロホンにおいては、直交
する２つの直線偏光により測定を実施しているので、そ
の一方の発光素子や受光素子が動作不良になったとして
も、他方の測定系を使用して測定が可能である。

以上、本発明の実施例を光ファイバジャイロ及び光ファ
イバハイドロホンを例にとって説明したが、本発明は、
それらに限らず、レーザドツプラ速度計等、光ファイバ
を使って構成される各種センサに適用するものでもある
。

発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明による光ファイ
バセンサは、２組の測定系を有しているので、一方が故
障しても他方が使用できるので、バックアップとしても
う１台光ファイバセンサを用意する必要がなく、安価な
バックアップ付き測定装置を実現できる。また、センサ
ファイバ２台設備する必要がないので、測定装置の設置
空間乃至場所が小さくてすむ。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を実施した光ファイバジャイロの原理
を図解する光学系統図であり、第２図は、光ファイバジ
ャイロの原理を説明する基本構成図であり、 第３図は、本発明を実施した光ファイバハイドロホンの
構成を示す図である。 〔主な参照番号〕 １０・・発光素子　　１２・・ビームスプリッタ１４・
・光ファイバ　１６・・センサコイル１８・・受光素子
　　２ＯＡ、２０Ｂ・・発光素子２２Ａ、２２Ｂ・・駆
動及び信号処理回路２４Ａ、　２４Ｂ、　３０．３２・
・ビームスプリッタ２６Ａ、２６Ｂ・・モードフィルタ
ファイバ２８Ａ、２８Ｂ・・偏光子　　３４・・光ファ
イバ３６・・センサコイル ３８Ａ、３８Ｂ・・受光素子 ６０　Ａ　、、１０　Ｂ・・レーザ ６４Ａ、６４Ｂ・・偏光子 ６６．７０．７８．８０・・ビームスプリッタ７２・・
測定光用偏波面保存ファイバ ７４・・参照光用偏波面保存ファイバ ７６・・水中音場 ８４Ａ、８４Ｂ・・受光素子

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１及び第２の発光素子と、前記第１の発光素子
   の出力光から第１の方向の直線偏光を抽出する第１の手
   段と、前記第２の発光素子の出力光から前記第１の方向
   と直交する第２の方向の直線偏光を抽出する第２の手段
   と、両直線偏光を合成する第１のビームスプリッタと、
   該第１のビームスプリッタで合成された光を受ける測定
   用の偏波面保存ファイバと、該ファイバから出射した光
   を受けて分離する第２のビームスプリッタと、該第２の
   ビームスプリッタからの一方の出射光から前記第１の方
   向の直線偏光成分を抽出する第３の手段と、該第３の手
   段の出力光を受ける第１の受光素子と、前記第２のビー
   ムスプリッタからの他方の出射光から前記第２の方向の
   直線偏光成分を抽出する第４の手段と、該第４の手段の
   出力光を受ける第２の受光素子とを具備することを特徴
   とする光ファイバセンサ。
2. （２）前記第１、第２、第３、第４の手段は偏光子であ
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載の光
   ファイバセンサ。
3. （３）前記第１、第２、第３、第４の手段は絶対単一直
   線偏波ファイバであることを特徴とする特許請求の範囲
   第（１）項記載の光ファイバセンサ。
4. （４）前記光ファイバセンサは、光ファイバジャイロで
   あり、前記偏波面保存ファイバは、センサコイルを形成
   するようにコイル状に巻回された部分を含んでおり、更
   に、前記第１のビームスプリッタで合成された光を分岐
   して前記偏波面保存ファイバの両端に結合すると共に、
   前記センサコイル部分を両方向に伝搬して前記偏波面保
   存ファイバの両端から出射した光を合成して前記第２の
   ビームスプリッタに結合する第３のビームスプリッタを
   具備しており、前記第１及び第３の手段は同一の手段で
   あり、且つ、第２及び第４の手段も同一手段であり、前
   記第１及び第２のビームスプリッタは、それら手段と前
   記第３のビームスプリッタとの間に設けられた同一のビ
   ームスプリッタであることを特徴とする特許請求の範囲
   第（１）項から第（３）項までのいずれか１項に記載の
   光ファイバセンサ。
5. （５）前記光ファイバセンサは、光ファイバハイドロホ
   ンであり、前記偏波面保存ファイバは、測定光用光ファ
   イバと参照光用光ファイバとを含んでおり、更に、前記
   第１のビームスプリッタで合成された光を分岐して前記
   測定光用光ファイバと前記参照光用光ファイバの各々の
   一方の端に結合する第３のビームスプリッタと、前記測
   定光用光ファイバと前記参照光用光ファイバの各々の他
   方の端からの出射光を合成して前記第２のビームスプリ
   ッタに結合する第４のビームスプリッタとを具備してい
   ることを特徴とする特許請求の範囲第（１）項から第（
   ３）項までのいずれか１項に記載の光ファイバセンサ。