JPS63113323A - 光学的検知方法およびその装置 - 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、光強度変調ファイバー光学センサーが自己基
準化（ｓｅｌｆ−ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）可能であるため
光学的導線、コネクタ、およびその他の光学的要素によ
る様々な損失を減少せしめることが可能な装置と方法に
関する。つまり、このような装置からの出力信号は検出
した現象のみに依存し輸送損失の影曾を受けないという
ことである。本発明はまた、一つのシステム内で結合さ
れた多数のファイバー光学センサーから明瞭な出力信号
を得るために多重化技術が用いられた自己基準化システ
ムに関する。

ファイバー光学技術の急激な進歩は多くの分野における
技術的な労力の形を変えつつある。例えば、電気通信産
業においてファイバー光学デバイスとその技術の導入が
進められている。ファイバー光学技術に関する強い探究
および進歩への努力によってファイバー光学デバイスの
充分な可能性を秘めた応用が広くなされている。これら
の充分な可能性を秘めた応用の中でも重要なのはファイ
バー光学センサーである。

〔従来の技術〕

過去数年間にわたって、ファイバー光学センサーを用い
たシステムが温度検知、圧力検知、加速度測定、液体お
よび気体の流量測定、歪み検知、容器内の液面の検知等
々・・・のような広く様々な用途に対して提案されてき
た。光学ファイバーセンサーが急速に伸びた理由は既知
の検知システムと比べて著しい利点があるためである。

例えば、光学ファイバーセンサーは他のセンサーと比べ
て腐喰に対して強固であり耐性がある。また、ファイバ
ー光学センサーは電磁場の干渉に対して比較的強い。加
えて、ファイバー光学検知システムは既知の検知デバイ
スと比べてより感度が高く、安価であり、信顛性が高い
。光学ファイバーセンサーの現状はＧｉａｌｌｏｒｅｎ
ｚｉ等著［光学ファイバーセンサー、競争への挑戦Ｊ　
ＩＥＥＥ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ、１９８６年９月号（０ｐ
ｔｉｃａｌ−Ｆｉｂｅｒ　５ｅｎｓｏｒｓ　Ｃｈａｌｌ
ｅｎｇｅ　ＴｈｅＣｏｍｐｅｔｉｔｉｏｎ”、ｂｙ　Ｇ
ｉａｌｌｏｒｅｎｚｉ　ｅｔ　ａｌ、ａｐｐｅａｒｉｎ
ｇｉｎ　ＩＥＥＥ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ、Ｓｅｐｔｅｍｂ
ｅｒ　１９８６．）に記述されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このようなシステムに固有の信導線にお
ける損失、コネクター損失、及び他の光学的要素におけ
る損失の１箸な伝送損失はシステムの出力において供給
される利用可能な信号の大きさを超えてしまうこともあ
る。例えば、成る種の光学的圧力変換器は光学的システ
ムの雑音レベル以内の出力信号しか供給しないこともあ
る。従−て、このような伝送損失を克服する適切な解答
が見い出されるまではファイバー光学センサーシステム
の使用は一部遅れることであろう。

公知のファイバー光学センサーにおけるもう一つの問題
は光源のドリフトもまた光学的変換器の出力を覆いかく
してしまうということである。この問題は前記の文献に
簡単に述べられている。ファイバー光学センサー技術を
完成するためには伝送損失と光源ドリフトの問題を解決
しなければならない。

本発明の目的はファイバー光学センサーを用いたシステ
ムにおいて伝送損失と光源ドリフトの影響を著しく減少
せしめる装置と方法を提供することであり、多数の変換
器を有するシステムにおいてこのような利点が得られる
ようにすることである。

〔問題点を解決するための手段および作用〕本発明によ
れば、強度変調ファイバー光学センサーを自己基準化す
る装置と方法は、光源と、平行な光学的伝送ファイバー
の間に光学的結合器によって接続された少な（とも１つ
の再ｗｉ環光学ファイバーループであって光源ビームの
一部が伝送ファイバーの１つよりループ内に入りその一
部は第１の出力信号としてもう一方の伝送ファイバーに
入り残りの部分はループ内に配置された光学的変換器に
よって検出された信号に応じて変調されその酸第２の出
力信号としてもう一方の伝送ファイバーに入る再循環フ
ァイバーループと、出力信号を受け取る光検知器と、光
検知器の出力を処理し光変換器で検出された信号に相当
する出力信号を供給するプロセッサーとからなる。

〔実施例〕

第１の実施例において、光源はパルス状の光源ビームを
供給する。光のビームは第一の光学的伝送ファイバーケ
ーブルに沿って導かれる。結合器によって光源ビームの
一部が分けられ光学的ファイバーループへ導かれる。光
学的ファイバーループの半分を通過したのち、第２の結
合器によって第２の部分が分けられる。この第２の部分
は第２の伝送ケーブルに沿って光検知器へと導かれる。

この第２の部分が基準（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ）となる。

光学的ファイバーループに残った光源ビームの一部は光
学的変換器へ導かれる。光学的変換器は外部的に与えら
れる条件に従がって光源ビームのこの部分を変調する。

そこで光源の変調された部分は第１の結合器に戻されそ
の結合器は戻された部分を再度光学ファイバーループ内
へと循環させる。次に、光源ビームの変調された部分は
第２の結合器と遭遇し、その結合器は変調された部分の
一部を分けて第２の伝送ケーブルへ導く。この第２の（
変調された）部分は光検知器へ導かれその強度が検知さ
れる。

光源ビームの基準部分はすべての伝送損失と光源ドリフ
トの影響を受けるから、その光強度はその様な伝送損失
と光源ドリフトの関数となる。光源ビームの変調部分も
またこのような伝送損失と光源ドリフトの影響を受ける
。しかしながら、変調パルスは光学的変換器内で強度の
変調も受ける。

それ故に、基準パルスと変調パルスの比をとることによ
り、伝送損失と光源ドリフトの影響は相殺されて光学的
変換器の強度変調のみの関数として出力信号が残るであ
ろう。そのような出力信号は伝送による減衰と光源ドリ
フトに起因する損失がなく検出された現象に厳密に依存
して変化するであろう。基準パルスと変調パルスは同一
のパルス源から誘導されたものであるから、出力信号は
自己基準化されたものである。

本発明の方法と構成は多数の再循環光学ループ内に結合
された多数の光学的変換器を有する光学センサーシステ
ムに適用された時にさらに独特の利点を提供する。各々
の再循環光学ループは前述したような挙動を呈する。つ
まり、光検知器は基準および変調パルスからなるパルス
列を受けとる。

このパルス列を時間的に分離すると、３つの光学的変換
器の各々に対して出力信号が得られる。前述のように、
各出力信号は伝送損失および光源ドリフトによる不利益
を被ることなく検出された現象にのみ依存して変化する
。

本発明の第２の実施例によれば、周波数的な多重化技術
が実現される。この実施例において、光源は周波数変調
した（小鳥のさえずりの様なチャープ様の（、ｃｈｉｒ
ｐｅｄ））信号を供給する。各パルス（チャープ）は変
調されて変化する周波数を持つ。

チャープ様の局部発振器は光源と結合してチャープ様の
光ビームを供給する。チャープ様の光ビームは前述のよ
うに多数の変換器を有するシステム内に導入される。基
準および変調パルスを同様に光検知器が受け取る。しか
しながら、光検知器の出力は混合器に結合されておりこ
の混合器はチャープ様の局部発振器の出力も受け取る。

局部発振器の信号と受け取った光検知器の信号とで互い
にビートをとる（ヘテロゲインする）と周波数的に多重
化された出力信号が得られる。この信号は成る数の区別
できる周波数ビート信号を含んでいる。

周波数ビート信号は第１の実施例における時間的に分か
れた信号と類似しているが、周波数分域（ｄｏｍａｉｎ
）にある。したがって、周波数で多重化された出力信号
は基準ビート信号と変調ビート信号とを含んでいる。前
と同様に、これらの信号はプロセッサーに供給され分離
されて基準および変調信号の比に相当する出力信号を供
給する。したがって、出力信号は伝送損失および光源ド
リフトに無関係に多数の光学的変換器で検知された現象
に応じて変化する。

本発明の構成、機能、および利点は添付の図面により現
時点で最も好ましい実施例を詳細に説明することから充
分に理解されるであろう。

本発明による自己基準化多重化技術は反復的に循環する
光学ループ内に組み入れられた光強度変調を行なう光学
的ファイバーの変換器を有するセンサーユニットの使用
を基礎としている。そのセンサーユニットは一対の送受
信光学ファイバーを横切り並列に接続される。センサー
には高速の光学的パルスまたは周波数が小鳥のさえずり
のように変化する波（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｃｈｉｒｐ
ｓ）が加えられる。

第１図に、単一の光学ループの変換装置の図が示されて
いる。この場合、パルスピーク強度Ｉ。

を持つ光学パワーのパルス列がパルス状レーザー２から
供給される。このパルス状光源ビームは対物レンズ４を
経由して光学的ファイバー伝送ケーブル６に導かれる。

光学的ファイバー伝送ケーブル６は継ぎ目８のような多
数の損失発生要素を含んでいる。

光学的ファイバー伝送ケーブル６内を通る各パルスが光
学的結合器１０に達するとその一部は分離され光学的ル
ープ１２内に導かれる。光学的ループ１２は往路１４と
復路１６を含んでいる。光学的ループ１２は継ぎ目１８
のような多数の光学的要素を含んでいる。各パルスが往
路１４を通って伝わると第２の光学的結合器２０に達し
そこでそれのさらに他の部分が分けられ伝送経路２２へ
導かれる。パルスのこの部分は光検知器２４へと導かれ
る。伝送経路２２もまた継ぎ目２６のよう゛な損失発生
要素を含んでいる。

基準パルスは光学的ファイバー伝送ケーブル６、第１の
光学的結合器ＩＯ１往路１４、第２の光学的結合器２０
、および伝送経路２２を通ったパルスから誘導される。

第２の光学的結合器２０で分けられなかった光学パルス
の部分は光学的ループ１２内の循環を続ける。したがっ
て、光学的パルスのこの部分は復路１６に導かれそこで
光学的変換器２８によって変調される。光学的変換器２
８は検出された現象によって光学的パルスの強度を変調
する任意の公知もしくは自明の光学的変換器で良い。し
たがって、温度、圧力、回転速度、液流量、加速度等々
のような外部的に加えられた条件に応答する任意の光学
的変換器が用いられる。さらに、その他の信号減衰要素
が復路１６内に含まれている。例えば、多くの光学的変
換器はそれらを復路１６内に組み入れるために継ぎ目３
０および３２を使用する必要がある。この時点では、光
学的変換器２８を光学的ループ１２の往路１４内に組み
入れることもできるということを注意すべきである。し
かしながら、そのような構成は光学的ループ１２の復路
１６内に光学的変換器２８を組み入れた場合と比べて幾
らか信号／雑音比が低くなる。

光学的変換器２８によって強度が変調された光学的パル
スは復路１６を通って伝送を続け、第１の光学的結合器
１０を通過し、再度往路１４に導入される。この変調さ
れたパルスが第２の光学的結合器２０に到達すると、そ
の一部は再び分離されて伝送経路２２を通って光検知器
２４へ導かれる。そこで、光検知器２４は基準パルスと
短かい時間間隔で分けられた変調パルスを受信する。次
に、光検知器２４はパルス列から成る出力信号をプロセ
ッサー３４へ供給する。プロセッサー３４は基準パルス
と変調パルスの光強度の比を求める。

そしてこの比に対応した出力信号が出力される。

この出力信号はシステムの伝送損失と光源２のドリフト
に相対的に無関係である。表示器３８は出力信号を表示
するのに使われる。

要約すると、ピーク強度■。を有する光学的エネルギー
のパルスがパルス状レーザー２から供給される。光学的
結合器１０において入力した光学的パワーの一部は再循
環する光学的ループ１２内に導入される。入力したパワ
ーの残りは光学的結合器１０を出て他のユニットへ伝送
されるかまたはシステムから消失する。光学的ループ１
２に導入された光は第２の結合器２０へ達しそこで光学
的パワーの一部がループを出て光検知器２４へと伝送さ
れる。ループ内の光学的パワーの残りは光学的変換器２
８によって変調され、その一部が第１の光学的結合器１
０によってループ外に出され、光学的結合器２０によっ
てさらにその一部がループ外に出される。ループの再循
環動作の正味の結果は、光検知器２４ヘパルス列を送信
するということである。第１のパルスはループ内に導入
された光学的パワーに比例し、第２のパルスは強度の変
調に比例し、第３のパルスは強度の変調の２乗に比例し
、等々・・・。パルス列内のパルスの相対強度は光学的
変換器２８のパラメータへの１次依存性を持ち伝送損失
と光源ドリフトに相対的に無関係である。

本発明の原理をより完全に理解するために、光検知器２
４へ供給されるパルス列を数学的に表わす。第１に、結
合器１０と２０の各々が、９：１の分離比を持つと仮定
し、このことは結合器の一方の側にある光がその側に９
０％の光学的パワーが残り１０％の光学的パワーが他の
側へと注入されるということを意味している。したがっ
て各光学的結合器において光学的パワーの１０％が分離
される。

数学的には、光検知器２４へ達する最初のパルスの強度
は初期強度■。と検知器までの途中で遭遇する伝送損失
の関数として表わされる。例えば、次のような損失が第
１図の次の要素によって発生する： 継ぎ目８−　Ｌ　ｓ 光学的結合器１Ｏ−Ｌｃ 継ぎ目１Ｂ−Ｌｓ 光学的結合器２Ｏ−Ｌｃ 継ぎ目３Ｏ−Ｌｓ 光学的変換器２８−Ｌｔ 継ぎ目３２−Ｌｓ 継ぎ目２６−Ｌｓ これらの各要素を通って実際に伝送される光の強度は１
　（１００％伝送）からその要素で生じる損失を引いた
ものである。例えば、結合器Ｔｃを通って伝送される光
の強度は１−Ｌｃに等しい。同様に、与えられた継ぎ目
Ｔｓを通って伝送される光の強度は１−Ｌｓに等しい。

最後に、光学的変換器Ｔｔを通って伝送される光の強度
は１−Ｌｔである。

伝送ケーブル６、継ぎ目８、光学的結合器１０、往路１
４、継ぎ目１８、光学的結合器２０、伝送ケーブル２２
、継ぎ百２６を通って光検知器２４へ達する最初の光パ
ルスは数学的に次のように表わされる。

（１）　Ｉ＋−１ｏ（ＴｓＴｃ（０，１）ＴｓＴｃ（０
，１）Ｔｓ）＝　Ｉｏ（０，０１）Ｔｓ３Ｔｃ” 同様にして、光学的ループ１２内に残って復路１６、継
ぎ目３０、光学的変換器２８、継ぎ目３２、第１の光学
的結合器１０、往路１４、継ぎ　′目１８、第２の光学
的結合器２０、伝送経路２２、継ぎ目２６を通って光検
知器２４に達する第１のパルスの他の部分は数学的に次
の様に表わされる。

ただし検出された現象による強度変調はＭに等しいと仮
定されている。

（２）　Ｉｚ＝［ｏ（ＴｓＴｃ（０，１）ＴｓＴｃ（０
，９）ＴｓＭＴｔＴｓＴｃ（０，９）ＴｓＴｃ（０，１
）Ｔｓ）−ＩＯ，Ｔ！’ＴＣ’（０，００８１）ＴｔＭ
。

光検知器２４が受け入れた第１および第２のパルスの光
強度の比を計算すると、その比は次の様になる。

（３）　Ｉｚ／Ｌ＝　（ＩＯＴ、＆Ｔｃ’（０，００８
））ＴｔＭ）　／　（ＩＯＴｓ”ＴＣ”（０，０１））
。

＝　（０，８１）Ｔｓ３ＴＣ”ＴｔＭ。

式（３）に見られるように、この比はセンサーユニット
内に導入された光のピーク強度Ｉ０に無関係である。し
たがって、出力信号は光源ドリフトに相対的に無関係と
なり、その中に基準とデータ信号の両者を含むセンサー
出力を供給する。

第２図は第１図と同じ機能を持つ３つのセンサーシステ
ムを表わしている。つまり、パルス状レーザー２から供
給される光学的パルスは伝送ケーブル６を通って光学的
結合器１０　、４０および６０へ伝ねる。光学的結合器
１０を通って伝送される光学的パルスの一部は継ぎ目４
２を通って光学的結合器４０へ入る。光学的結合器４０
において、残ったパルス強度の１０％が光学的ループ４
４へ導入される。パルスのこの部分は往路４６を通り、
維ぎ目４８を通過して光学的結合器５０に入る。このパ
ルスの１０％が分離されて伝送ケーブル２２、継ぎ目５
２、結合器２０、継ぎ目２６を通って光検知器２４へ達
する。このパルスは第２の光学センサーに対する基準と
なる。

光学的結合器５０を通って伝送されるパルスの一部分は
復路５４を通って光学的ループ４４を再循環する。継ぎ
目５６を通って伝わるパルスのこの部分は光学的変換器
５８内で変調され、継ぎ目５９を通り、光学的結合器４
０へ再び導入される。

光学的結合器４０は変調されたパルスを往路４６を通っ
て光学的結合器５０へ戻す。変調されたパルスの一部は
光学的結合器５０で分離されて継ぎ目５２、光学的結合
器２０、および継ぎ目２６を通って光検知器２４へ導か
れる。このパルスが光検知器２４へ達した時、その強度
は伝送損失ならびに光学的変換器５８で検知された現象
の関数である。したがって、光検知器２４は第１の光学
的ループ１２で発生した第１のパルス列と第２の光学的
ループ４４で発生した第２のパルス列とを受け取る。

同様にして、光検知器２４は光学的ループ６４から第３
のパルス列を受け取る。この第３のパルス列は伝送ケー
ブル６、継ぎ目６２、光学的結合器６０、ループ６４の
往路６６、継ぎ目６８、光学的結合器７０、継ぎ目７２
を通って光検知器２４へ達するパルスを含んでいる。第
３のパルス列における第２のパルスは結合器７０から光
学的ループ６４へ再循環したパルスの部分に対応する。

パルスのこの部分は復路７４、継ぎ目７６を通り、光学
的変換器７８内で変調され、継ぎ目７９、光学的結合器
６０、継ぎ目６８、光学的結合器７０、継ぎ目７２、伝
送経路２２を通り、光検知器２４へ達する。

お判りのように、光検知器２４は３つのパルス列を受け
とりそれらの各々のパルス列は基準信号と変調信号とを
含んでいる。プロセッサー３４はそのパルス列を分解し
各光学的変換器２８　、５８および７８に対する適切な
出力信号を供給する。表示器３８は出力信号を表示する
のに用いられる。

当業者であれば任意の数の光学的変換器が２本、の伝送
経路の間に並列に結合し得るということば理解できる。

このようなシステム内に結合し得る光学的変換器の数に
対する唯一の制限はｎ番目のセンサーへ供給される信号
の強度の減衰の問題である。しかしながら、このような
システムにおける要素損失に対して平均値が仮定されれ
ば、ｎ番目のセンサーに対するパルス列は次の様な第１
と第２のピーク強度を持つ。

（４Ｎ＋　（ｎ）　＝　（０，９Ｔｃ　Ｔｓ）”−”（
０，０１１ｏＴｓ’Ｔｃ”）（５）Ｉｔ（ｎ）’（０，
９Ｔｃ、Ｔｓ）”−”（０，００８１１ｏＴｓ”Ｔｃ’
　ＴｔＭ、）。

したがって、ｎ番目のパルス列における第１のパルスに
対する第２のパルスの比は次のように与えられる。

（６）　Ｒ（ｎ）−（０，８１Ｔｓ’　Ｔｃ”　Ｔｔ）
　Ｍｎ。

明らかに、この比はｎ番目のセンサー以外の損失に無関
係である。個々のパルス列は時間的なずれがあるので個
々のセンサーに対するパルス列を区別することは可能で
あり、各パルス列の中でのパルスの比は各センサーに対
する光学的変調の測定値を与える。

このシステムの理論的パラメータの値を確認するために
、第１図の構成の単一センサーユニットの機能試験品（
ｂｒｅａｄｂｏａｒｄ）上で最初の実験を行なった。１
３５ピコ秒のパルス幅の浜松レーザーパルサー（波長＝
８２０ナノメータ）からの光を０．６ｄＢの余剰損失（
ｅｘｃｅｓｓ　１ｏｓｓ）を有する４：１のマルチモー
ド結合器の入力レッグに導入した。ループ内の第２の結
合器は２．４ｄＢの余剰損失と７１：２９の結合比を有
する。結合器はサイモンズブリシジャンプロダクツ社（
Ｓｉｍｍｏｎｄｓ　Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　Ｐｒｏｄｕ−
ｃｔｓンにおいて１００／１４０　ミクロンのステップ
インデックスのファイバーから製造された。センサー内
のすべての光学的コネクタはＴＲＷ　０ｐｔａ−ｓｐｌ
ｉｃｅｓ（商品名）を用いて製造された。センサー内に
用いられる強度変調変換器は非常に近接して配置した２
つの引き裂いたファイバーの端部から成る簡単な変位セ
ンサーである。ファイバーの１つの端部は固定され他の
端部は差動マイクロメータのステージに接触しファイバ
一端部間の横方向に変位することが可能になっている。

横方向の変位は０．１ミクロンの分解能で０．５ミクロ
ンまで調節できる。パルス列はアントロニクス高速Ｐｒ
Ｎホトダイオードで検出しその出力をテクトロニクス高
速デジタルストレージオシロスコープで分析した。

出力パルス列の中の相対ピークパルス強度を２つのファ
イバ一端部の横方向の変位の関数として測定した。セン
サーへの光学的入力（強度、モード体積（ｎｏｄｅ　ｖ
ｏｌｕｍｅ）等々・・・）の変化の影響もまた調べた。

機能試験品のセンサーループモジュールからのオシロス
コープの軌跡は第１のピークに対する第２のピークの強
度比が約０．２７であることを示した。

何らの変調と余剰損失のない時、そして継ぎ目が完全で
あることを仮定すると、ピークの比は０．６３であるは
ずである。平均の継ぎ目損失が約０．２５ｄＢであると
仮定すると、計算された比の値は測定値０．２７に正確
に一致している。したがって機能試験品による実験によ
り前述の理論は支持された。

光源ドリフトを模擬的に実現するために機能試験品のセ
ンサーループモジュールを光源のパワーの変動にさらし
た。第４図はそのようなパワーの変動の実験の結果を表
わしている。第４図において、Ｙ軸は理論的出力パワー
１．０１ｏからの光源の変動を表わしている。Ｙ軸は第
１のピーク強度に対する第２のピーク強度の比に相当す
る出力信号を表わしている。第４図に見られるように、
光源のパワーが変動しても、出力信号は非常に安定して
いる。各場合において、測定されたピークの比は高い側
のパワーのレベルにおける変動に対して本質的に不変で
低い側のパワーレベルにおいてわずかに低下している。

低い側のパワーレベルにおけるわずかな低下はストレー
ジオシロスコープにおける信号のデジタル化の影響のよ
うな人工的なものによるものであろう。

２つの区別できる入力パワーレベルにおいて光学的変換
器が光学信号を変調するテストが機能試験品のセンサー
モジュールにおいてさらに行なわれた。この実験のデー
タは第５図に表わされている。第５図において、Ｙ軸は
ファイバーの２つに割った端部の間の変位を表わしてお
り、Ｙ軸はピーク１の光強度に対するピーク２の比を表
わしている０図に見られるように、入力ピークパワーレ
ベルが２倍も異なっているにもかかわらず、これらのレ
ベルのどちらにおけるピーク比も同一の曲線で低下して
いる。このことは変換器によってコード化された変調の
大きさは自己基準化多重化技術において著しく変化しな
いということを示している。したがって、検出された現
象によって変化する出力信号は光源の変動に相対的に無
関係になる。

機能試験品のセンサーによる実験の後、ＡＤＣファイバ
ーオプティックス（ＡＤＣＦｉｂｅｒ　０ｐｔｉｃｓ）
の９：１マルチモ一ド結合器を使って３つのセンサーモ
ジュールを製造した。これらのセンサーモジュールの１
つの設計図を第３図に表わす。第３図にはファイバー光
学的結合器１０、光学的ループ１２、光学的変換器２８
、変換器の筐体２９、光学的結合器２０、光学的継ぎ目
３０および３２、およびユニットの筐体８０が示されて
いる。第３図で容易に認められるように本発明の光学的
変換器は非常に簡潔で軽量な構造をしている。第３図の
モジュールの３つを第２図に示されるように組み合わせ
た。全体のシステムについて各センサーの機能の確認と
可能性のあるクロストークの分析のためのテストを行な
った。最後に、システム内の第３のセンサーモジュール
の測定された性能を変換器の校正値と比較した。この校
正は最初にシステムの外でなされたものである。これら
のテストにより第３図によるモジュールが光学的変換器
によって検出された現象に対応する比の値を持つ第１お
よび第２のピークパワー強度のパルス列を供給すること
が示された。

第６ａ図および第６ｂ図は３センサーの試作品（ｐｒｏ
ｔｏｔｙｐｅ）のシステムからの光学的パルス列の戻り
を表わしている。第６ａ図は変調されていない状態にお
けるパルス列を表わしている。逆に第６ｂ図は第１と第
３のセンサーが変調されず第２のセンサーが変調された
パルス列を表わしている。

第６ａ図および第６ｂ図において第２のセンサーのパル
ス列を詳細に検討すると、どちらの場合にも第１のピー
クは不変であり、その後のピークは変調された場合に対
して明確に減少している。

このことは第３図の光学的センサーが理論が予言した通
りに動作することを明確に示している。

第７図は第２図に示された第３のセンサーモジュールか
らのデータを示している。Ｙ軸は光変換器に加えられる
圧力を表わし、Ｙ軸は相対的光学パワーあるいは測定さ
れたピーク比を表わしている。余剰の光学的損失と使用
されたカプラーの分離比を考慮に入れて出力信号を測定
し、変換器がループセンサーに組み入れられる前に求め
られた校正値と比較した。第７図に見られるように、出
力信号は光学的変換器に加えられた圧力により明確に変
化しており、伝送損失および光源ドリフトに相対的に無
関係である。

お判りのように、第６図のパルス列はプロセッサー３４
に供給され信号が時間によって分離され各パルス列にお
ける第１と第２のピークパワーの強度の比に対応する出
力信号が供給される。このような出力信号は各センサー
で検出された現象を正確に反映している。

時間的に分離する具体例のかわりとして、周波数的に分
離する具体例もまた考えられる。第８図はそのような装
置を表わしている。第８図において、光源１００は局部
発振器１０２によって周波数変調される。好ましい構成
において、周波数変調はチャープ様（ｃｈｉｒｐｅｄ）
変調である。このチャープ様周波数変調は第９図に表わ
されている。第９図にみられるように、周波数変調は直
線的な傾斜路のような形をとり、のこぎり波の形をして
いる。

入力における信号はｆ＝ｆｏ＋ＬＬでありここでｆｏと
ｆｌは定数でｔは時間である。

チャープ様（ｃｈｉｒｐｅｄ）信号は光源１００から伝
送経路１０４へ供給される。チャープ様信号はセンサー
１０６，１０８および１１０を通過する。３つのセンサ
ーの各々は一般に第１図および第２図で表わされる組み
合わせによって構成される。各センサーにおけるチャー
プ様信号は基準信号と変調された信号とに分かれる。基
準および変調信号は伝送経路１１２を通って光検知器１
１４へ導入される。お判りのように、光検知器１１４が
受け取る信号はもとの信号に関して遅相している。

光検知器１１４の出力は混合器１１６へ導入されそこで
発振器１０２から供給されるもとの信号と混合される。

これらの信号が混合されると成る数の区別可能な周波数
ビート信号が得られる。これらの周波数ビート信号は第
１図の実施例による時間モードの信号と類似している。

しかしながらビート信号は周波数分域（ｄｏｍａｉｎ）
にあり時間分域にはない。したがって第８図の３センサ
ーシステムにおいて、３つのパルス列は周波数分域内に
得られる。

各パルス列内のパルスの相対強度は各々の再循環光学ル
ープ内の変換器による信号の振幅変調の測定値を与える
。この相対強度もまた再循環ループ内の光学的損失と光
源ドリフトによる品位低下に影響されない。

第１０図はミキサー１１６で得られる３つのパルス列を
表わす。各パルス列は基準パルスに相当する第１のスパ
イクを含んでいる。各パルス列における第２のスパイク
は変調パルスに相当する。基準パルスと変調パルスの間
の比をとることにより、検出された現象にしたがって変
化し伝送損失と光源ドリフトに相対的に無関係な出力信
号が得られる。

第１図および第２図の実施例におけると同様に、第８図
の周波数で多重化された実施例は第１０図のパルス列を
受け取ってセンサー１０６，１０８　、および１１０で
検出された現象に対応する出力信号を供給するプロセッ
サー１２０を含んでいる。

本発明は時間的な多重化と周波数的な多重化を行なう実
施例に関して記述されたが、当業者であれば本発明の技
術あるいは特許請求の範囲内から逸脱することなく様々
なその他の変形物を考案することは可能である。

〔発明の効果〕

このように、記載されているものは強度変調ファイバー
光学変調器を自己基準化し多重化する新規の装置と方法
である。本発明は、成る数の位置における光学的変調の
測定を、その数と介在する光学的結合体の性質に無関係
に、システムに対する精度／損失の闇値を幾らか超える
ところまで可能にするものである。現在市販の要素に関
して、一つのシステム内に組み入れることのできる変換
器の数は５〜１０の範囲である。しかしながら、使用す
る要素と含まれる作用によっては任意の数の変換器が使
用可能であることは理解できる。加えて、本発明の技術
は強度変調を行なう任意のファイバー光学センサーに使
用できる。したがって、本発明はマルチモードファイバ
ーまたはセンサーに限定されるべきものでなく、同一の
設計思想を多数の興味深い単一モードへ応用することは
当業者に想起される。例えば、共鳴ボンピング（ｒｅｓ
ｏ−ｎａｎｃｅ　ｐｕｍｐｉｎｇ）はシステムの往復時
間を決定するために使用可能でありそうすることで再循
環ループ内で変化する歪みを生じたファイバーの長さが
決定される。当業者であれば広い範囲の応用が本発明の
構成と方法により満足されることが理解できる。

本発明は最も実際的で好ましい具体例であると考えられ
たものに関して記載されているが、本発明はこの具体例
に限定されず、特許請求の範囲内に含まれる種々の変形
物および同等物を含むものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の時間的に多重化した実施例による単一
光学ループ変換装置の図、 第２図は本発明の時間的に多重化した実施例による３光
学ループ変換装置の図、 第３図は第１図の実施例による現実の装置の設計図、 第４図は第１図の実施例において光学パワーの変動の関
数として出力信号を表わしたグラフ、第５図は第１図の
実施例において検出された現象による出力信号の変化を
表わすグラフ、第６ａ図および６ｂ図は第１図の実施例
における非変調の戻り信号と変調された戻り信号を表わ
すグラフ、 第７図は第１図の実施例において光学的変換器に印加さ
れた圧力の変化と共に変化する出力（３号を表わすグラ
フ、 第８図は本発明の周波数的に多重化した実施例による３
つの光学的ループ変換器の図、第９図は第８図の実施例
において周波数的にチャープ様の光源ビームの形を表わ
す図、第１０図は第８図の実施例による光検知器のパル
ス列を表わすグラフである。 図において、 ２・・・パルス状レーザー、 １０・・・第１の光学的結合器、 １２・・・光学的ループ、 ２０・・・第２の光学的結合器、 ２４．１１４・・・光検知器、　　　　２８・・・変換
器、３４．１２０・・・プロセッサー　　　１００・・
・光源、１０２・・・局部発振器、　　　　１１６・・
・混合器。 以下余白 Ｆｔａ、６４゜ Ｆ／６．６Ｂ。 圧力 ＦｔＧ、７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、光学的検知装置であって、 光源ビームを供給する手段と、 第１のループ経路において該光源ビームを伝送する手段
   と、 該第１のループ経路において該光源ビームの第１の部分
   を強度変調して第１の変調光ビームを供給する手段と、 該第１のループ経路から（ａ）該変調光ビームの部分と
   （ｂ）変調されない該光源ビームの第２の部分とき分割
   する手段と、 該変調光ビームの該部分と該光源ビームの該第２の部分
   とを検出し、それらがそれぞれ対応する第１および第２
   の信号を供給する手段と、 該第１および第２の信号を処理して、該第１および第２
   の信号の比に相当する出力信号を供給する手段とを具備
   することを特徴とする光学的検知装置。 ２、伝送のための前記手段が、 前記光源ビームを受けとりそれを導く第１の光路と、 該第１の光路に光学的に結合し光を前記第１のループ経
   路に導入するループ光路と、 該ループ光路と該第１の光路とに光学的に結合し、該光
   源ビームの少なくとも一部を該ループ光路に導く第１の
   光学的結合器とを含む特許請求の範囲第１項記載の装置
   。 ３、分離のための前記手段が第２の光学的結合器を含む
   特許請求の範囲第２項記載の装置。 ４、前記第２の光学的結合器と検出のための前記手段と
   の間に光学的に結合した第２の光路をさらに含む特許請
   求の範囲第３項記載の装置。 ５、前記ループ光路と、前記第１の光路と、前記第２の
   光路の各々がファイバー光学ケーブルを含む特許請求の
   範囲第４項記載の装置。 ６、第２のループ経路内に前記光源ビームを伝送する手
   段と、 該第２のループ経路において外部的に加えられた現象に
   より該光源ビームの第３の部分を変調して第２の変調光
   ビームを供給する手段と、 該第２のループ経路から（ａ）該第２の変調光ビームの
   部分と（ｂ）変調されない該光源ビームの第４の部分と
   き分離する手段とを含み、 該第２の変調光ビームの該部分と該光源ビームの該第４
   の部分とを検出するための前記手段がそれぞれに対応す
   る第３および第４の信号を供給し、 処理のための前記手段が該第３および第４の信号を受け
   取り該第３および第４の信号の比に相当する第２の出力
   信号を供給する特許請求の範囲第１項記載の装置。 ７、光源ビームを供給する前記手段がパルス状光源を含
   み、処理のための前記手段が前記第１、第２、第３およ
   び第４の信号を時間的に分離して前記第１および第２の
   出力信号を供給する手段を含む特許請求の範囲第１項も
   しくは第６項記載の装置。 ８、光源ビームを供給するための前記手段に結合し、該
   光源ビームを周波数変調するための周波数変調手段と、 該周波数変調手段と検出のための該手段とに結合し、該
   周波数変調手段の出力と前記第１、第２、第３および第
   ４の信号を混合して第１、第２、第３および第４のビー
   ト信号を供給する混合手段とをさらに含み、 処理のための前記手段が該第１、第２、第３および第４
   のビート信号を分離して前記第１および第２の出力信号
   を供給するための手段を含む特許請求の範囲第１項もし
   くは第６項記載の装置。 ９、前記周波数変調手段がチャープ様局部発振器を含む
   特許請求の範囲第８項記載の装置。 １０、光学的検知装置であって、 光源パルスを供給する手段と、 ループ経路において該光源パルスを導くループ手段と、 該ループ手段と光学的に結合し、外部的に加えられた条
   件により該光源パルスを変調して変調光学パルスを供給
   する変調手段と、 該ループ手段と光学的に結合し、該ループ手段から該光
   源パルスの部分と該変調光学パルスの部分とき分離する
   第１の結合手段と、 該部分を連続的に検出し、該光源パルスの該部分と該変
   調光学パルスの該部分とにそれぞれ相当する第１および
   第２の連続する電気信号を供給する検出手段と、 該第１および第２の電気信号を受けとり、該第１および
   第２の電気信号の比に相当する出力信号を供給する処理
   手段とを具備することを特徴とする光学的検知装置。 １１、前記光源パルスを供給のための前記手段から前記
   ループ手段へと導く第１のファイバー光学手段をさらに
   含む特許請求の範囲第１０項記載の装置。 １２、前記ループ手段が、 前記光源パルスの少なくとも一部を前記第１のファイバ
   ー光学手段から該ループ手段へと光学的に結合させる第
   ２の結合手段と、 ループ内に配置され前記第１および第２の結合手段と結
   合し、該光源パルスを前記ループ経路に導くための第２
   のファイバー光学手段とを含む特許請求の範囲第１１項
   記載の装置。 １３、光学的検知装置であって、 光源パルスを有する光学的信号を供給する手段と、 該光源パルスを案内する第１の光案内手段と、 該第１の光案内手段に光学的に結合し、該光源パルスの
   少なくとも部分を分離する第１の光学的結合手段と、 第１および第２端部を有し、該第１端部は該第１の光学
   的結合手段と光学的に結合する、該部分を案内するため
   の第２の光案内手段と、 該第２の光案内手段の第２端部と光学的に結合する第１
   端部を有し、第２端部は該第１の光学的結合手段を介し
   て該第２の光案内手段の第１端部と光学的に結合する、
   該光源パルスの少なくとも該部分を案内するための第３
   の光案内手段と、 該第３の光案内手段の第１および第２端部の間で該第３
   の光案内手段と光学的に結合し、外部的に印加された条
   件を検出することと、該外部的に印加された条件に応じ
   て該光源パルスの該部分を変調して該第２の光案内手段
   へ変調パルスを供給することとに適した変調手段と、 該第２の光案内手段の第２端部と該第３の光案内手段の
   第１端部とに光学的に結合し、（ａ）該光源パルスの該
   部分の一部と、（ｂ）該変調パルスの部分とを連続的に
   分割する第２の光学的結合手段と、 該第２の光学的結合手段に光学的に結合し、該分割部分
   を案内する第４の光案内手段と、 （ａ）該第４の光案内手段からの該分割部分を受け取り
   、（ｂ）該部分の光強度を連続的に検出し、（ｃ）検出
   された該部分のそれぞれの光強度に相当する第１および
   第２の電気信号を供給するための光検知手段と、 該第１および第２の電気信号を受け取り該第１および第
   ２の電気信号の比に相当する出力信号を供給する処理手
   段とを具備することを特徴とする光学的検知装置。 １４、前記第１、第２、第３および第４の光案内手段の
   各々がファイバー光学ケーブルからなる特許請求の範囲
   第１３項記載の装置。 １５、前記変調手段が前記光源パルスの前記部分の光強
   度を変調する光学的変換器から成る特許請求の範囲第１
   ３項記載の装置。 １６、光学的検知装置であって、 パルス状光源ビームを供給する光源手段と、 該光源ビームを導く第１の光路手段と、 ループ経路内で光を運ぶ光路ループ手段であって、該ル
   ープ手段が往伝送経路と復伝送経路とを有する光路ルー
   プ手段と、 該パルス状光源ビームを受けとりその或る部分を該ルー
   プ手段の該往路へ導く第１の光学的結合手段と、 該ループ手段の該復路に結合され、外部的に印加された
   条件に従って該部分を変調する光学的変換手段であって
   、該変換手段は該第１の結合手段へ変調光ビームを供給
   し該第１の結合手段はそれを該ループ手段の往路へと導
   く光学的変換手段と、 光を運ぶ第２の光路手段と、 該ループ手段の往路と復路の間に結合され、（ａ）該往
   路より該パルス状光源ビームの該部分を受け取りその或
   る部を該第２の光路手段へ導き、（ｂ）該パルス状光源
   ビームの該部分の残りの部を該復路へ導き、（ｃ）該往
   路より該変調光ビームを受け取りその或る部を該第２の
   光路手段へ導く第２の光学的結合手段と、 該パルス状光源ビームの該部分の該部と該変調光ビーム
   の該部とを受け取りそれらのそれぞれに対応する第１お
   よび第２の電気的信号を供給する光検知手段と、 該光検知手段より該第１および第２の電気的信号を受け
   取り、該第１および第２の電気的信号の比に相当する出
   力信号を供給する処理手段とを具備することを特徴とす
   る光学的検知装置。 １７、光学的検知方法であって、 光源ビームを供給し、 第１のループ経路内において該光源ビームを伝送し、 該第１のループ経路より該光源ビームの第１部分を分離
   し、 該第１のループ経路内において外部的に印加された条件
   によって該光源ビームの第２部分を変調して該第１のル
   ープ経路内で伝送する変調光ビームを供給し、 該第１のループ経路より該変調光ビームの或る部分を分
   離し、 該光源ビームの該分離した第１部分と該変調光ビームの
   該分離した部分とを検出し、それらのそれぞれに相当す
   る第１および第２の信号を供給し、 該第１および第２の信号を処理して該第１および第２の
   信号の比に相当する第１の出力信号を供給する段階より
   なることを特徴とする光学的検知方法。 １８、前記伝送する段階が往路と復路を有するループ経
   路内で前記光源ビームを伝送する段階を含み、第１部分
   を分離する前記段階が該光源ビームが該往路を通過した
   後で該光源ビームが該復路に入る前に該光源ビームの該
   第１部分の分離を行なう段階を含み、 前記変調する段階が前記復路内で該光源ビームの前記第
   ２部分を変調する段階を含み、該変調光ビームの或る部
   分を分離する前記段階は該変調光ビームが該復路より該
   往路へ伝送された後該部分を分離する段階を含む特許請
   求の範囲第１７項記載の方法。 １９、伝送する前記段階がファイバー光学ループ経路内
   で前記光源ビームを伝送する段階を含む特許請求の範囲
   第１７項記載の方法。 ２０、第２のループ経路内で前記光源ビームを伝送し、 該第２のループ経路より該光源ビームの第３部分を分離
   し、 該第２のループ経路内において、外部的に印加された現
   象によって該光源ビームの第４部分を変調して該第２の
   ループ経路内を伝送する第２の変調光ビームを供給し、 該第２のループ経路より該第２の変調光ビームの或る部
   分を分離する段階をさらに含み、 前記検出段階が該光源ビームの該分離した第３部分と該
   第２の変調光ビームの該分離した部分とを検出する段階
   と、それらのそれぞれに相当する第３および第４の信号
   を供給する段階を含み、 前記処理段階が該第３および第４の信号を処理して該第
   ３および第４の信号の比に相当する第２の出力信号を供
   給する段階を含む特許請求の範囲第１７項記載の方法。 ２１、光源ビームを供給する前記段階がパルス状光源ビ
   ームを供給する段階を含み、前記処理段階が前記第１、
   第２、第３および第４の信号を時間的に分離し前記第１
   出力信号と前記第２出力信号を供給する段階を含む特許
   請求の範囲第２０項記載の方法。 ２２、光源ビームを供給する前記段階が、 周波数変調した信号を供給し、 該周波数変調信号によって前記光源ビームを周波数変調
   する段階を含む特許請求の範囲第２０項記載の方法。 ２３、前記処理段階が、 前記第１、第２、第３および第４の信号を前記周波数変
   調信号と混合して第１、第２、第３および第４のビート
   信号を供給し、 該第１、第２、第３および第４のビート信号を分離して
   前記第１および第２の出力信号を供給する段階を含む特
   許請求の範囲第２２項記載の方法。 ２４、光学的検知方法であって、 光源より光源パルスを供給し、 該光源パルスをループ経路内へ案内し、 該ループ経路より該光源パルスの或る部分を分離し、 該ループ経路内において、外部的に印加された条件に応
   じて該光源パルスの分離されなかった部分を変調して該
   ループ経路へ変調パルスを供給し、 該ループ経路より該変調パルスの或る部分を分離し、 該光源パルスと該変調パルスの分離された部分を検出し
   て、検出部分の光強度に対応する第１および第２の信号
   を供給し、 該第１および第２の信号を処理して該第１および第２の
   信号の比に相当する出力信号を供給する段階よりなるこ
   とを特徴とする光学的検知方法。