JPS61117411A

JPS61117411A - 光フアイバセンサ

Info

Publication number: JPS61117411A
Application number: JP59238613A
Authority: JP
Inventors: Kozo Ono; 公三小野; Yozo Nishiura; 洋三西浦
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1984-11-14
Filing date: 1984-11-14
Publication date: 1986-06-04

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、回転角速度センサである光ファイバジャイロ
や、水中音響などを測定する光ファイバ゛　　ハイドロ
ホン等のように、光ファイバを使用して物理量を計測す
る光ファイバセンサに関するものである。

従来の技術上記した光ファイバジャイロや、光フアイバハイドロホ
ンなどの光ファイバを使用して物理量を計測する光ファ
イバセンサにおいては、１つの光源からの光を分岐して
２以上の光ファイバに結合したり、また、２以上の光フ
ァイバの光を１つの光ファイバに結合して合成するとい
う機能を持つ分岐・合成素子を少なからず必要である。

そして、そのような光合成部および光分岐部にふいて、
光の損失なく光を合成したりまたは光を分岐することが
、測定感度及び測定精度の上で重要である。

このような光合成・分岐素子には、従来、誘電体または
金属薄膜を使った半透過膜が多く使われているが、この
ような光素子は、光ファイバに比較して大きく、そのた
めに装置全体が大きくなる問題がある。

更に、以上のような光ファイバセンサにおいては、光フ
ァイバを通る光の偏波面が回転せず、また、偏波面を知
ることができることが必要である。

しかし、従来の光合成・分岐素子は、そのような偏波面
を確保するためには、別の光素子が必要であった。

一方、近年、光ファイバを加工し、２本のファイバ間で
光の結合または分岐を行う、光ファイバカップラが試作
されている。（なお、本明細書において、用語“光ファ
イバカップラ”は、光を結合または合成することも光を
分岐することもできる、光ファイバで構成される素子を
意味するものとして使用する。）このような光ファイバ
カップラ、特に、シングルモードファイバによる光ファ
イバカップラを製作する技術は、既にいくつかの報告が
あるが、その結合条件に要求される精度が厳しく、いづ
れも再現性に問題がある。また、定偏波ファイバを使っ
て構成することはさらに困難である。

第５図から第７図は、そのような従来の光ファイバカッ
プラの例を示す図である。

第５図は、５ｔａｎｆｏｒｄ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙの
Ｓｈａｗらによって、“Ｂｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅ
ｔｔｅｒｓ　”　Ｖｏｌ、　１６　（１９８０）Ｎｏ、
７　ｐｐ２６０−２６１において発表された光ファイバ
カツブシを示す図である。この第１の従来の光フアイバ
カップリング方法においては、２本の光ファイバ１０及
び１２を、その被覆を剥ぎ、２つのブロック１４及び１
６の■溝１８及び２０に接着剤で固定する。

■溝１８及び２０に固定されたファイバ１０及び１２を
ブロック１４及び１６と共に研磨し、ファイバ１０及び
１２のクラッドの一部を除去し、コアの近傍まで研磨を
進める。このようにして作られたファイバを２本向かい
合わせて、近接させると、両光ファイバのコアが接近し
て位置するので、一方のファイバを伝搬する光はエバネ
ッセント結合により他方のファイバに結合する。

５ｔａｎｆｏｒｄ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙでは、この方
法によるカップラを使って、光ファイバジャイロの試作
も行っている（０ｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ″Ｖｏ１
．６　（１９８１）　Ｎｏ、４、ｐｐ１９８）。しかし
、この光ファイバカップラの製作方法には次のような問
題点がある。

■　ファイバの被覆を剥ぎ取った状態で、接着、研磨等
の加工を行なうため、もろいファイバが傷つき、折れや
すい。

■　ファイバのクラッド研磨の終了点、（コアからどれ
だけの距離で研磨を止めるか）の判定が困難である。

■　ファイバが真円ファイバであるため、カップラ以外
の場所では、伝搬光の偏波が変動し、光ファイバジャイ
ロ等のセンサに応用する場合では問題となる。

第２の従来例を第６図に示す。これは、ＮａｖａｌＲｅ
ｓｅａｒｃｈのＳｈｅｅｍらが、”Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐ
ｈｙｓｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　”Ｖｏｌ、３５　（１
９７９）　Ｎｏ、２　ｐ１３１に発表したものである。

これは、光ファイバ２２．２４などを撚り合わせておい
て、それら光ファイバのクラッドをフッ酸系の溶液２６
でエツチングして、ファイバ全体を細くする。この結果
、コア間距離が近接する。

エツチング終了の判定は、一本の光ファイバ２２をその
一端からレーザ２Ｂで励振しておいて、その光ファイバ
２２と他の光ファイバ２４からの出射光を光検出器３０
Ａ及び３０Ｂでモニタして、希望の分岐比が得られた時
点でエツチングを終了する。この方法による問題点は、 ■　ファイバが細＜（１０〜２０μｍ程度）なるため、
非常にもろい。

■　フッ酸系溶液がファイバ間に入っている状態と、入
っていない状態では、その空間の屈折率の差により、フ
ァイバ間の光の結合状態が異なり、実際に必要な結合度
が得られない。

■　この場合も、ファイバが真円ファイバであるため、
カップラ以外の場所では、伝搬光の偏波が変動し、光フ
ァイバジャイロ等のセンサに応用する場合では問題とな
る。

第７図は、第３の従来方法を示す図である。これは、Ｎ
ａｖａｌ　Ｒｅ５ｅａｒｃｈのＭｏｅｌｌｅｒ　らによ
って、“Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　”
　Ｖｏｌ、　１？　（１９８１）　Ｎｏ、　１７ｐｐ２
４３−２４４において発表されているものであり、２本
の光ファイバ２２及び２４を撚り合せて、その撚り合わ
せ部を加熱器３２で加熱して融着する。

この第３の方法は、第２の従来方法の問題点■及び■を
解決しているが、２本の光ファイバ２６及び２８が単純
に撚り合されているだけであるので、光ファイバを通る
光の偏波面が回転し、また、光フアイバ自体の偏波面を
知ることができず、問題点■は依然として解決されてい
ない。

また、光ファイバジャイロ等のセンサ用ファイバには定
偏波ファイバが使用されるが、これらの光ファイバカッ
プラはその製造上の問題に加えて、定偏波ファイバには
適さないという問題がある。

すなわち、側面研磨による第１の従来方法では、２本の
定偏波ファイバの主軸方向を高精度に一致させる必要が
あり、また、第２及び第３の従来方法では、主軸方向を
ファイバの長手方向で一致したまま、撚り合わせること
が必要であり、非常に困難である。

一般に、真円ファイバで構成されたカップラでも偏光特
性を持つが、この先に定偏波ファイバを接続するときは
、偏光方向と、ファイバの主軸との角度調整に高い精度
が要求される。従って、例えば、光ファイバジャイロの
センサコイル用のファイバに定偏波ファイバを使用した
場合、光ファイバカップラの光ファイバとの接続が極め
て面倒になる。

、発明が解決しようとする問題点以上述べたように、従来の光ファイバセンサにおいて使
用されている光ファイバカップラは、製造が面倒であり
、また、偏光方向の調整が極めて困難である。更に、光
ファイバセンサに使用されている定偏波光ファイバを光
ファイバカップラに使用することが面倒であり、また、
光ファイバカップラに使用されている光ファイバと光フ
ァイバセンサに使用されている光ファイバとを、偏光方
向を維持しつつ結合することも極めて面倒であった。

そこで、本発明は、上述した従来の光ファイバカップラ
及び光ファイバの問題点を解決した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手段半円形断面のクラッドと、該クラッドの半円形断面の直
線部の近傍に位置するコアとを有するＤ形ファイバが知
られており、また、そのＤ形ファイバを使用したファイ
バカップラも“Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓしｅｔｔｅｒｓ
　”　Ｖｏｌ、　１９　（１９８３）　Ｎｏ、　１６、
ｐｐ６０１などにより公知である。本発明の発明者は、
そのようなり形ファイバ及びＤ形ファイバを使用したフ
ァイバカップラに着目して研究した結果、本発明に到っ
たものである。

すなわち、本発明によるならば、断面ほぼ半円形のクラ
ッドと、該クラッドの半円形断面の直線部の近傍に位置
するコアとを有するＤ形ファイバをセンサ用ファイバと
して使用し、且つ、該センサ用ファイバの光ファイバカ
ップラは、２本のＤ形ファイバの断面直線部を互いに近
接させて構成されていることを特徴とする光ファイバセ
ンサが提供される。

作用以上のような光ファイバセンサにおいて、Ｄ形ファイバ
は、断面半円形の直線部に対する方向により偏光方向の
割出しが正確且つ容易にできるので、偏光方向の保持特
性に優れている。また、２本のＤ形ファイバの断面直線
部を互いに近接させることにより２本のＤ形ファイバの
コア部を互いに近すけて、一方のＤ形ファイバを伝搬す
る光を他方のＤ形ファイバにエバネッセント結合できる
ので、光ファイバカップラを極めて簡単につくることが
できると共に、その光ファイバカップラを偏光特性を持
った光ファイバカップラとすることができる。

実施例以下添付図面を参照して本発明による光ファイバセンサ
の実施例を説明する。

第１図は、Ｄ形ファイバを使用した、本発明による光フ
ァイバジャイロの構成を示した図であり、第２図は、そ
の光ファイバジャイロに使用されているＤ形ファイバの
断面形状を示し、第３図は、Ｄ形ファイバによる光ファ
イバカップラの構成を示す図である。

図示の光ファイバジャイロにおいては、発光素子３４が
発生する光ビームは、光ファイバ３６の入射端に結合さ
れる。一方、光検出器３８に一端が結合された光ファイ
バ４０が設けられている。これら光ファイバ３６及び４
０は、第２図に示すように、断面がほぼ半円形のクラッ
ド４２を有し、そのクラッド４２の半円形断面の直線部
４４に近接してコア・４６が位置するＤ形ファイバであ
る。

光ファイバ３６と４０は、第３図に示すように、Ｄ形フ
ァイバの断面半円形の直線部４４を互いに近接させられ
ることにより、一方のＤ形ファイバを伝搬する光が他方
のＤ形ファイバにエバネッセント結合される光ファイバ
カップラ４８を構成している。

なお、光ファイバ４０の他端は、何にも結合されずに終
端している。

以上の光ファイバ３６と４０との結合は、その断面半円
形の直線部を互いに接触させて、両者を機械的に固定し
たり、または、周囲を接着剤で固めて固定することによ
り、実現できる。更には、光ファイバ３６と４０の断面
半円形の直線部を互いに接触させて、その部分を加熱器
で加熱して融着してもよい。

かくして、発光素子３４からの光ビームは、光フ［ □アイ式３６を通って第１図において光ファイバカップ
ラ４８より右の方向へ進み、一方、光ファイバ３６の光
ファイバカップラ４８より右の方からの光ビームは、光
ファイバカップラ４８において光ファイバ４０に分岐さ
れて光検出器３８に入力される。

更に、光ファイバ３６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てセンサコイル５０を
構成し、更に、角周波数ω、で駆動されるピエゾ位相変
調器５２の周囲を巻回する。そして、センサコイル５０
とピエゾ位相変調器５２とを間に置く光ファイバ３６の
部分の両端において、Ｄ形ファイバの断面半円形の直線
部が、第３図の光ファイバカップラと同様にして近接さ
せられて、もう１つの光ファイバカ１ブラ５４を構成す
る。その光ファイバ３６の終端は、何にも結合されずに
終っている。

かくして、レーザ３４からの光ビームは、光ファイバカ
ップラ５４により、センサコイル５０の両端に人力され
て、右回り光と左回り光がつくられる。

また、センサコイル５０の両端から出力される右回り光
と左回り光は、光ファイバカップラ５４により合成され
、更に、光ファイバカップラ４８を介して光検出器３８
に人力される。

以上のような光ファイバジャイロにおいて、センサコイ
ル５０が受ける回転により、右回り光と左回り光とに伝
搬時間に差が生じる。その位相差Δθは、Ａ但し、Ｌ：ファイバ長さａ：センサコイルの半径Ｃ：真空中の光速度 λ：先の波長 Ω：回転角速度で表される。

そして、ピエゾ位相変調器５２を周波数ω６で駆動する
と、右回り光と左回り光は、次のように表される。

右回り光：左回り光：但し、Ｅｒ、　Ｅｌ　：右回り光と左回り光の振幅ω：
光の角周波数ｂ：変調度 φ：ω、τ τ：ｎＬ／ｃｎ：光ファイバの屈折率かくして、以上のような右回り光と左回り光との干渉光
を受ける光検出器３８からは、次の式で表すされる出力
が得られる。

■（八〇）＝ＤＣ成分 φ ＋　　Ｃ２ＥｒＥＩ　Ｊ　＋（２ｂｓｉｎ−）ｃｏｓａ
＋、ｔ　）　　ｓｉｎΔθ但し、Ｊ、は１次第１種ベッ
セル関数従って、ω、酸成分振幅から回転角速度に比例′する量
Δθを求めることができる。

以上のような光ファイバジャイロにあっては、使用され
ている光ファイバがＤ形ファイバであるので、偏光方向
は容易に特定することができ、また、光ファイバカップ
ラは、そのＤ形ファイバの断面半円形の直線部を互いに
近接させて構成されているので、極めて簡単に且つ極め
て小さく構成することができ、その光ファイバカップラ
における偏光方向の割出しも極めて簡単である。

なお、上記した光ファイバジャイロは、いわゆる位相変
調方式のものであるが、位相バイアス方式の光ファイバ
ジャイロや、周波数変調方式の光ファイバジャイロなど
にも同様に本発明を適用できる。

第４図は、Ｄ形ファイバを使用した、本発明による光フ
アイバハイドロホンの構成を示す図である。

すなわち、レーザ６０からのレーザビームは、測定光用
光ファイバを構成するシングルモードのＤ形ファイバ６
２に結合され、そのＤ形ファイバ６２ののＤ形ファイバ
６４が設けられ、光ファイバカップラ６６が形成され、
レーザ４０からのレーザ光は、Ｄ形ファイバ６２と６４
とに分岐される。一方のＤ形ファイバ６２は、例えば水
中音場６８の中に置かれ、他方のＤ形ファイバ６４は、
外力を一切受けない環境に置かれる。

そして、Ｄ形ファイバ６２の出射端は、再び、Ｄ形ファ
イバ６４の断面直線部にその断面直線部が接して、光フ
ァイバカップラ７０が形成され、Ｄ形ファイバ６２を通
った測定光ビームとＤ形ファイバ６４を通った参照光ビ
ームとが結合すなわち合成される。かくして、測定光ビ
ームと参照光ビームとの合成光が、ホトダイオードの如
き光検出器７２の受光面に入射する。その光検出器７２
の出力は、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７４に送られる。

以上の如き光フアイバハイドロホンにおいて、水中音場
６８の中の光ファイバ６２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（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６２を通ってきた測定光ビー
ムと、参照光用光ファイバ６４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６２に作用した音波を検出することができる。

以上のような光フアイバハイドロホンにおいて、測定光
用及び参照光用の光ファイバにＤ形ファイバを使用して
いるので、偏波方向を保持することができ、また、その
２本のＤ形ファイバの半円形断面の直線部を接しさせて
光ファイバカップラを構成させているので、同じ偏波方
向をもって分岐しまた合成することができる。従って、
合成される光ビームの偏波方向を同一に維持することが
できる。

以上の実施例の説明から明らかなように、本発明による
光ファイバセンサにおいては、光ファイバにＤ形ファイ
バを使用しているので、光ファイバカップラが、２本の
Ｄ形ファイバの断面半円形の直線部を近接対向するだけ
で構成できる。従って、ファイバ化された後で、エツチ
ング研磨等の加工の必要はない。

また、カップラ以外の部分でも、Ｄ形ファイバは、第２
図に示すような断面構造を持っており、非軸対称な構造
であることから、偏波保持特性を持っている。従って、
ファイバ伝搬中に偏波面の回転が起こらず、光ファイバ
ジャイロなどのように、２つの光を干渉させたときの強
度を出力として得るセンサにおいては非常に効果がある
。

以上、本発明の実施例を光ファイバジャイロ及び光フア
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共通するものでもある
。

発明の効果以上の説明から明らかなように、本発明により、従来技
術に比べて、光ファイバカップラの構成が非常に簡単で
しかも量産可能であり且つ偏波方向を認識しつつ光を分
岐また合成することができ、更に、光フアイバ自体の偏
波保持特性の優れた光ファイバセンサが実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、Ｄ形ファイバを使用した、本発明による光フ
ァイバジャイロの構成を示した図であり、第２図は、第
り図の光ファイバジャイロに使用されているＤ形ファイ
バの断面形状を示す図であり、第３図は、Ｄ形ファイバによる光ファイバカップラの構
成を示す図であり、第４図は、Ｄ形ファイバを使用した、本発明による洸フ
ァイバハイドロホンの構成を示す図であり、第５図、第６図及び第７図は、従来の光フアイバカップ
リングの構成を示す概略図である。〔主な参照番号〕１０．１２・・光ファイバ、１４．１６・・ブロック、
１８．２０・・■溝、　　　２２．２４・・光ファイバ
、２６・・フッ酸系溶液　　２８・・レーザ、３０Ａ、
３０Ｂ・・光検出器、３２・加熱器、３４・・発光素子
、　　　３６．４０・・光ファイバ、３８・・光検出器
、　　　４２・・クラッド、４６・・コア、　４８．５
４・・光ファイバカップラ、５０・・センサコイル、　
５２・・位相変調器、６０・・レーザ、　　６２・・測
定光用光ファイバ、６４・・参照光用光ファイバ、６６．７０・・光ファイバカップラ、６８・・水中音場、　　　７２・・光検出器、７４・・
信号処理装置特許出願人　工業技術院長　等々力　達第１図第２１！１７４　　　　　　’　　　イ’ｉ；”５ｆ’Ｊ：Ｐｉ７
ＬＰｆ：ｂｊＬ第５図２８：　　レープ゛３２：加＃を凰

Claims

【特許請求の範囲】

（１）断面ほぼ半円形のクラッドと、該クラッドの半円
形断面の直線部の近傍に位置するコアとを有するＤ形フ
ァイバをセンサ用ファイバとして使用し、且つ、該セン
サ用ファイバの光ファイバカップラは、２本のＤ形ファ
イバの断面直線部を互いに近接させて構成されているこ
とを特徴とする光ファイバセンサ。
（２）Ｄ形ファイバで構成される前記センサ用ファイバ
は、光ファイバを多数回コイル状に巻きその光ファイバ
コイル中を右回りと左回りに光を伝搬させ、両光の伝搬
速度の差から角速度を検出する光ファイバジャイロのセ
ンサ用ファイバであり、前記光ファイバカップラは、該
光ファイバコイルの各端において光を結合しかつ光を２
方向に分岐するために、前記光ファイバコイルの両端に
おいてＤ形ファイバ部分の断面直線部を互いに近接させ
て構成されてい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）Ｄ形ファイバで構成される前記センサ用ファイバ
は、音場中に置かれる光ファイバハイドロホンの測定用
光ファイバであり、参照光用光ファイバもＤ形ファイバ
で構成され、前記光ファイバカップラは、前記測定用光
ファイバと前記参照光用光ファイバとに光を分岐する光
ファイバカップラと、測定用光ファイバと参照光用光フ
ァイバとからの結合する光ファイバカップラとであり、
参照光用光ファイバの入射端と出射端においてそのＤ形
ファイバの断面半円形の直線部を測定用Ｄ形ファイバの
断面半円形の直線部に近接させて構成されていることを
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。