JPS63195529A - optical fiber hydrophon - Google Patents
optical fiber hydrophonInfo
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Landscapes
- Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
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。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
【発明の詳細な説明】
(7)技術分野
、)の尋叩L+ ★山の在郷の輸青を締出ナスための光
フアイバハイドロ7オンに関する。特に、偏波面保存シ
ングルモード光ファイバを1本だけ用いたタイプの光フ
ァイバハイドロフオンの光学系の簡略化に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (7) Technical field, )'s Hibaku L+ ★Relates to optical fiber hydro 7-on for keeping out eggplants in mountainous areas. In particular, the present invention relates to the simplification of the optical system of an optical fiber hydrophon using only one polarization-maintaining single-mode optical fiber.
水中音響を検出するものをハイドロフオンhydro−
phoneという。圧電素子などを用いたものなどが既
に使用されている。Hydro-on is a device that detects underwater acoustics.
It's called a phone. Devices using piezoelectric elements and the like are already in use.
光ファイバを検出素子として用いるものを光フアイバハ
イドロ7オンという。光ファイバの中へ光を通し、干渉
光の変化により、水中音圧の変化を検出する。ホモダイ
ン方式とへテロダイン方式とが提案されている。A device that uses an optical fiber as a detection element is called an optical fiber hydro 7-on. Light is passed through an optical fiber, and changes in underwater sound pressure are detected by changes in interference light. A homodyne method and a heterodyne method have been proposed.
本発明はホモダイン方式のカテゴリーに属する。The present invention belongs to the category of homodyne systems.
ホモダイン方式のものは、2本のシングルモード光ファ
イバを用いるマツハツエンダMachZehnder型
のものと、1本の偏波面保存シングルモード光ファイバ
を用いるものがある。本発明は後者の光学系の改良に関
する。The homodyne system includes a MachZehnder type that uses two single-mode optical fibers, and one that uses one polarization-maintaining single-mode optical fiber. The present invention relates to improvements in the latter optical system.
ホモダイン方式の光ファイバハイドロフオンには、温度
変動によって干渉光の強度が変動するf’ading
という現象がある。これがあると、音波の圧力全正確
に検出できない。温度変動を除(事が、ホモダイン方式
に於ては、最も重大な問題であった。Homodyne type optical fiber hydrophon has f'ading, which causes the intensity of interference light to fluctuate depending on temperature fluctuations.
There is a phenomenon called. If this happens, the pressure of the sound waves cannot be detected accurately. Eliminating temperature fluctuations was the most important problem in the homodyne system.
光フアイバハイドロ7オンを最初に提案したのはBuc
aro等である。Buc was the first to propose the fiber optic hydro 7-on.
aro et al.
J、A、 Bucaro、 H−D、Dardy an
d E、F−、Carome、 s 0pticalf
’1ber acoustic 5ensor、” A
ppl、Opt、16.1761−1762イ1マツハ
ツエンダ型光ファイバハイドロフォンマツハツエンダ型
の公知の光ファイバハイドロフオンの原理を第2図によ
って説明する。J., A., Bucaro, H-D., Dardy an.
d E, F-, Carome, s 0pticalf
'1ber acoustic 5ensor,'A
ppl, Opt, 16.1761-1762 I1 Matsuhatsu Enda Type Optical Fiber Hydrophone The principle of a known Matsuhatsu Enda type optical fiber hydrophone will be explained with reference to FIG.
光源1から出たコヒーレントな単色光を、分岐10によ
って分け、2本のシングルモード光ファイバ2.3に入
射させる。Coherent monochromatic light emitted from a light source 1 is split by a branch 10 and input into two single mode optical fibers 2.3.
信号用ファイバ2の途中には、センシングコイル4が設
けられる。これは水中に漬けられ、水中音波に捕えるた
めのコイルである。A sensing coil 4 is provided in the middle of the signal fiber 2. This is a coil that is immersed in water to capture underwater sound waves.
信号用ファイバ2と参照用ファイバ3の出射光は合成器
13によって合一される。光検出器5に入ってここで干
渉する。干渉光の強度が光検出器5の出力となる。The output lights of the signal fiber 2 and the reference fiber 3 are combined by a combiner 13. The light enters the photodetector 5 and interferes there. The intensity of the interference light becomes the output of the photodetector 5.
干渉光の強度により水中音波の強さを知る事ができる。The strength of the underwater sound waves can be determined by the strength of the interference light.
しかし、このような単純な光フアイバハイドロ7オンは
温度特性が悪い。実用的にはあまり有効でない。温度変
化により、光ファイバの屈折率と長さが変化する。この
ため実効的な光路長が変化する。この変化は、水中音響
による光路長の増減よりもずっと大きい。However, such a simple optical fiber Hydro7on has poor temperature characteristics. It's not very effective in practice. Changes in temperature change the refractive index and length of the optical fiber. Therefore, the effective optical path length changes. This change is much larger than the increase or decrease in optical path length due to underwater acoustics.
温度補償を的確に行なわない限り、このような検出系は
全く役に立たない。Unless temperature compensation is properly performed, such a detection system is completely useless.
音波の角振動数をΩとする。センシングコイル4に音波
が当たることにより、このコイルを通過した時の光の位
相が変動する。これ全
φsinΩt(1)
によって表現する。音波の強さがφに比例する。Let the angular frequency of the sound wave be Ω. When a sound wave hits the sensing coil 4, the phase of the light when it passes through this coil changes. This is expressed by the total φsinΩt(1). The strength of the sound wave is proportional to φ.
φに求める事が目的になる。The purpose is to seek φ.
光検出器5に至った時の参照光の電界強度E (t)は
、増幅をG、光の角振動数をωとして、E(t) =
G 5in(cc+t+φ)(2)と書くことができる
。φは信号光と参照光の光路長の差による位相の差であ
る。The electric field strength E(t) of the reference light when it reaches the photodetector 5 is E(t) = where G is the amplification and ω is the angular frequency of the light.
It can be written as G 5in (cc+t+φ) (2). φ is a phase difference due to a difference in optical path length between the signal light and the reference light.
信号光の方はセンシングコイルを通過することにより、
(1)式の位相変調を受けることになる。この電界強度
F (t)は
F(t) = H5in(ωt+φsinΩt)
(3)と書くことができる。Hは振幅である。The signal light passes through the sensing coil,
It will undergo phase modulation of equation (1). This electric field strength F(t) is F(t) = H5in(ωt+φsinΩt)
It can be written as (3). H is the amplitude.
光電変換を行なう光検出器の出力!は、(2)、(8)
の和の2乗検波に行なうものであるから、I =
l E(t) + F(t) l2(4)ωt、 2
ωtの項が落ちるので、
となる。定数部分を除いたものI (t)はI (t)
= GH(m1lJcos(φ51rLit ) +
sinφsin (φ5inQt)シ (6)となる
。COS (φ癲Ωt)と5in(φsinΩt)はベ
ッセル函数で展開できる。Output of a photodetector that performs photoelectric conversion! are (2), (8)
This is done for square-law detection of the sum of I =
l E(t) + F(t) l2(4)ωt, 2
Since the term ωt falls, it becomes. I (t) excluding the constant part is I (t)
= GH(m1lJcos(φ51rLit) +
sinφsin (φ5inQt) (6). COS (φ癲Ωt) and 5in (φsinΩt) can be expanded using Bessel functions.
である。これらを(6)に代入すると、I(t) iΩ
の基本波と高調波成分の和として表現する事ができる。It is. Substituting these into (6), I(t) iΩ
It can be expressed as the sum of the fundamental wave and harmonic components.
フィルター回路を通して、適当な成分全敗り出す。All appropriate components are extracted through a filter circuit.
従来から提案されている光ファイバハイドロフオンに於
ては、この内、基本波の成分を取り出すようにしていた
。In conventionally proposed optical fiber hydrophons, the fundamental wave component is extracted.
11(t)= 2GHsinilJ1(φ)sin (
Ωt )(9)である。水中音波による位相変化φはあ
まり大きくないから、Jl(φ)=φ/2という近似を
すると、■、(t)”; GHφsin中sin (
Ωt) (1のとなり、5In(Ωt
)の振幅の大きさから、音波の強さφが分る。11(t)=2GHsinilJ1(φ)sin (
Ωt ) (9). Since the phase change φ due to underwater sound waves is not very large, if we approximate Jl(φ) = φ/2, we get ■, (t)''; GHφsin sin (
Ωt) (1, 5In(Ωt
) can be used to determine the strength of the sound wave φ.
り)マツハツエンダ型の難点
しかし、sinφの項があるので、そのように簡単では
ない。Φ=π/2に設定するが、温度変動によって、こ
れがずれてくる。ri) Difficulties with the Matsuhatsu Enda type However, since there is a term of sinφ, it is not as simple as that. Although it is set to Φ=π/2, this value may deviate due to temperature fluctuations.
2つの光ファイバの温度は同一でない。温度変動によっ
てΦが著しく変動する。たとえば1♂rad〜10ra
d程度変動することもある。癲Φ=Oとなれば、信号が
消えてしまうので、これをf’adingという。The temperatures of the two optical fibers are not the same. Φ changes significantly due to temperature fluctuations. For example, 1♂rad~10ra
It may vary by about d. If Φ=O, the signal disappears, and this is called f'ading.
たとえば、位相変化がπ/2以下である温度変化の範囲
を6丁とする。この大きさを、石英ガラスファイバにつ
いて評価してみる。For example, the temperature change range in which the phase change is π/2 or less is six. This size will be evaluated for a silica glass fiber.
石英ガラス1mに、He−NeL/−ザの光λ= 68
28人を通したとする。n=1.4、α= O−4X
10 /l、L=1m1である。するとΔT=Q、$℃
である。1 m of quartz glass, He-NeL/-the light λ = 68
Let's say 28 people passed through. n=1.4, α=O-4X
10/l, L=1m1. Then ΔT=Q, $℃
It is.
センシングコイルも含めて、ファイバの長さは短くても
数mはある。温度変化は数十度〜百度程度ある。とても
(L、3℃の範囲に制御できるものではない。The length of the fiber, including the sensing coil, is several meters at the shortest. Temperature changes range from several tens of degrees to one hundred degrees. It is not possible to control the temperature within the range of 3°C.
センシングコイルは、対象となる水の中に漬かっている
。水の温度を制御するというのは現実的でない。反対に
、どのような温度の水の中でも音波全測定できるのでな
ければならない。The sensing coil is immersed in the target water. It is not practical to control the temperature of water. On the other hand, it must be possible to measure all sound waves in water at any temperature.
このようなわけで、第2図の光フアイバハイドロ7オン
は未だ実用化されていない。For this reason, the optical fiber Hydro 7-on shown in FIG. 2 has not yet been put into practical use.
に)偏波面保存ファイバ型光ファイバハイドロフオン2
本のシングルモードファイバを用いるから、マツハツエ
ンダ型の光ファイバハイドロフオンは、位相差φの温度
による変動が極めて著しい。10”wIQradにもな
る。2) Polarization maintaining fiber type optical fiber HydroFon 2
Since a single-mode fiber is used, the Matsuhatsu Enda type optical fiber hydrophon has extremely significant fluctuations in the phase difference φ due to temperature. It also becomes 10”wIQrad.
この問題を解決するため、偏波面を保存する1本のシン
グルモード光ファイバを用いた光フアイバハイドロ7オ
ンが、高橋らによって提案された。To solve this problem, Takahashi et al. proposed the optical fiber Hydro 7-on, which uses one single-mode optical fiber that preserves the plane of polarization.
S、Takahashi、 T、Kikuchi、 J
、Matsushita &Y、Murakami 、
’ A Single Fiber Interfe
rometricHydrophone Using
Polarization−Maintaining
Fiber、”4th International
Conf’erence On 0ptical Fi
berSensors (OFS 86 ) p、39
−p、42(1986)第3図にこのタイプの光ファイ
バハイドロフオンの構成全示す。S, Takahashi, T, Kikuchi, J
, Matsushita & Y., Murakami;
' A Single Fiber Interfe
rometric Hydrophone Using
Polarization-Maintaining
Fiber, “4th International
Conference On Optical Fi
berSensors (OFS 86) p, 39
-p, 42 (1986) Figure 3 shows the entire configuration of this type of optical fiber hydrophon.
光源1から出射されたコヒーレントな単色光を、偏光子
6によって直線偏光とする。これを直交する偏波面の主
軸x1yl持つ定偏光光ファイバ8に入射させる。ただ
し、直線偏光の偏波面が、ファイバの定偏波主軸X1Y
と45°klすようにして入射させる。Coherent monochromatic light emitted from a light source 1 is converted into linearly polarized light by a polarizer 6. This is made incident on a constant polarization optical fiber 8 having a principal axis x1yl of a plane of polarization that is orthogonal to each other. However, the plane of polarization of linearly polarized light is
The beam is made incident at an angle of 45°kl.
こうすると、X方向成分とY方向成分に分けられるが、
振幅が同一になる。In this way, it can be divided into an X-direction component and a Y-direction component, but
The amplitude becomes the same.
第4図に定偏波光ファイバの断面図を示す。FIG. 4 shows a cross-sectional view of a constant polarization optical fiber.
中心にコア12、周辺にクラッド15がある。There is a core 12 at the center and a cladding 15 around the periphery.
クラッドの屈折率よりコアの屈折率が少し大きい。The refractive index of the core is slightly larger than the refractive index of the cladding.
シングルモードファイバの一種であるのでコアの直径は
小さい。光の波長により、シングルモードファイバのコ
アの直径の上限が決まる。Since it is a type of single mode fiber, the core diameter is small. The wavelength of the light sets an upper limit on the core diameter of a single-mode fiber.
回転対称性kl<すために、応力付与部11.11礒2
処1.)ブー17柄礒で17?、デせト甘をの炊上ルU
lずす。従って、応力付与部11.11を結ぶX軸方向
と、これに直角’Zy軸方向とが等価な方向にならない
。In order to achieve rotational symmetry kl<, stress applying part 11.11 2
Place 1. ) 17 with Boo 17 pattern? , Cooking sweet and sour sauce U
lzusu. Therefore, the X-axis direction connecting the stress applying portions 11.11 and the Zy-axis direction perpendicular thereto are not equivalent directions.
X方向に偏波面を持つ光と、X方向に偏波面全持つ光が
、相互にエネルギー変換しあうことなく独立に伝搬する
ことになる。これらの光に対する屈折率テンソルの実効
部が異なるから伝搬定数が異なる。Light having a plane of polarization in the X direction and light having a plane of polarization entirely in the X direction propagate independently without mutual energy conversion. Since the effective parts of the refractive index tensors for these lights are different, the propagation constants are different.
X軸、y軸全このファイバの主軸という。伝搬方向が2
軸になる。The X and Y axes are called the main axes of the fiber. The propagation direction is 2
Become the axis.
入射光の偏波面14はX1y軸に対して45°をなすよ
うにしている。The polarization plane 14 of the incident light is made to form an angle of 45° with respect to the X1y axis.
定偏波面シングルモード光ファイバは、X方向に偏波面
をもつ光と、Y方向に偏波面全もっ光とが、エネルギー
的に分離しており、これらが結合しないようになってい
る。伝搬定数も異なる。In a constant polarization plane single mode optical fiber, light having a polarization plane in the X direction and light having a polarization plane in the Y direction are separated in terms of energy, so that they are not coupled together. The propagation constants are also different.
定偏波光ファイバ8の途中には、水中音波による水圧変
化によって、実効的に光路長の変化するセンシングコイ
ル4が設けである。In the middle of the constant polarization optical fiber 8, there is provided a sensing coil 4 whose optical path length is effectively changed by changes in water pressure caused by underwater sound waves.
X方向に偏波面を持つ光iTと呼ぶ。This light is called iT having a plane of polarization in the X direction.
Y方向に偏波面に持つ光をミと呼ぶ。Light having a plane of polarization in the Y direction is called Mi.
これらはファイバの異方性によって、独立のモードとな
っている。伝搬定数も異なり、エネルギーのやりとりを
しないから、保存モードとなる。These are independent modes due to the anisotropy of the fiber. Since the propagation constants are different and there is no exchange of energy, it is a conservation mode.
センシングコイル4は水圧の変化を受けて、屈折率と長
さが変化する。このため伝搬定数が変動する。これはコ
イルを通り抜ける光の位相の変化という事もできる。The refractive index and length of the sensing coil 4 change in response to changes in water pressure. Therefore, the propagation constant varies. This can also be said to be a change in the phase of the light passing through the coil.
T光と三元とは伝搬定数が異なるが、水圧によりそれら
の伝搬定数が変化する。この変化分がT光と三元につい
て相異する。このため、位相差が水圧変化によって生ず
ることになる。T-light and ternary light have different propagation constants, and these propagation constants change depending on water pressure. This amount of change is different for T light and ternary light. Therefore, a phase difference is caused by a change in water pressure.
マツハツエンダ型の場合は、センサ光と参照光の裕相差
をとるのであるが、第3図の場合は、T光と三元の位相
差をとるのである。いずれも水圧に比例した変化をする
。比例定数が同一でないから差が生じる。この差は僅か
なものである、しかし、この差によって水圧変動が分る
のである。当然、検出感度はマツハツエンダ型に比べて
低い。In the case of the Matsuhatsu Enda type, the phase difference between the sensor light and the reference light is taken, but in the case of FIG. 3, the phase difference between the T light and the ternary light is taken. Both change in proportion to water pressure. The difference arises because the constants of proportionality are not the same. This difference is small, but it allows us to understand water pressure fluctuations. Naturally, the detection sensitivity is lower than that of the Matsuhatsu Enda type.
しかし、温度変化による位相オフセットが極めて小さい
という利点がある。However, it has the advantage that phase offset due to temperature changes is extremely small.
定偏波光ファイバ8の出射端には、偏光ビームスプリッ
タ7がある。A polarization beam splitter 7 is provided at the output end of the constant polarization optical fiber 8 .
これはある偏波面全もつ光のみを透過し、これに直交す
る偏波面の光を反射するものである。つまりT光と三元
とが偏光ビームスプリッタ7によって分離される。This transmits only light with a certain plane of polarization, and reflects light with a plane of polarization perpendicular to this plane. That is, the T light and the ternary light are separated by the polarization beam splitter 7.
例えば、透過光f:T、反射光を三であるとする。For example, assume that the transmitted light is f:T and the reflected light is 3.
ミ、T光は全反射ミラー18.18で反射し、合成器1
3で合一する。Mi, T light is reflected by total reflection mirror 18.18, and synthesizer 1
Unite at 3.
ただし、一方の光に対しては172波長板16を入れて
、偏波面を90°回転する。However, for one light, a 172 wavelength plate 16 is inserted to rotate the plane of polarization by 90 degrees.
干渉させるためには偏波面が一致していなければならな
い。そこで、T%三のいずれかの偏波面ヲ90°回転さ
せ、偏波面を一致させるのである。In order to cause interference, the planes of polarization must match. Therefore, the plane of polarization of any one of T%3 is rotated by 90° to make the planes of polarization coincide.
合成器13で合一した光は光検出器5に入射する。ここ
で干渉し、干渉光の強度が光検出器により電気信号とし
て取り出される。これを増幅器によって増幅し、出力と
する。The light combined by the combiner 13 enters the photodetector 5. The light interferes here, and the intensity of the interference light is extracted as an electrical signal by a photodetector. This is amplified by an amplifier and used as an output.
このような光ファイバハイドロフオンの原理は、マツハ
ツエンダ型のものとあまり変わらないが、以下に説明す
る。The principle of such an optical fiber hydrophon is not much different from that of the Matsuhatsu Enda type, and will be explained below.
偏光子6により直線偏光となった光の偏光成分の電界強
度t−E(t)とすると、
E(t) = Asi口(ωt)
(11)である。Aは振幅である。これはxy
軸の2等分線の方向に偏波面をもつので、定偏波光ファ
イバの入射端に於ける各主軸x1y方向の電界強度成分
Fx1Fyは
となる。Fx、Fyの光がファイバの中を伝搬する。Assuming the electric field strength t-E(t) of the polarization component of the light that has become linearly polarized by the polarizer 6, E(t) = Asi (ωt)
(11). A is the amplitude. This is xy
Since the plane of polarization is in the direction of the bisector of the axis, the electric field intensity component Fx1Fy in the direction of each principal axis x1y at the input end of the constant polarization optical fiber is as follows. Light Fx and Fy propagate through the fiber.
出射端に於ける2つの成分の電界強度f: Gx(t)
、Gy(t)とする。これらには、δの位相差が生じて
いる。Electric field strength f of two components at the output end: Gx(t)
, Gy(t). A phase difference of δ occurs between these.
とlる。ただしΦはファイバ長によってきまる一定の位
相項である。これは両者に共通に生ずる部分である。(
12)、(1B)に対して、存在する位相の遅れである
。That's it. However, Φ is a constant phase term determined by the fiber length. This is a common part of both. (
12), which is the existing phase delay with respect to (1B).
(1)はファイバ長に比例して変わるが、T光と三元に
よって伝搬定数が異なるので、ファイバ長に比例する部
分が、T光と三元に於て等しいわけではない。等しい部
分だけを(I)としたのである。ファイバ長に依存し、
伝搬定数の相異によって現われる位相差はδに含まれる
。(1) changes in proportion to the fiber length, but since the propagation constant differs between the T light and the ternary, the portion proportional to the fiber length is not equal for the T light and the ternary. Only the equal parts were designated as (I). Depends on fiber length,
The phase difference that appears due to the difference in propagation constants is included in δ.
さて、センシングコイルに、音波Po5in(Ωt)が
加わったとする。T1三光ともにsin (Ωt)に同
期した位相変化が生ずる。定数が異なるので、これは位
相差δの一部となる。Now, assume that a sound wave Po5in (Ωt) is applied to the sensing coil. A phase change synchronized with sin (Ωt) occurs in all three T1 lights. Since the constants are different, this becomes part of the phase difference δ.
δ = δ(1+usjllΩt (16
)である。u sinΩtが音波による位相差の変化で
ある。δ = δ(1+usjllΩt (16
). u sin Ωt is the change in phase difference due to the sound wave.
Uは、X方向に偏波面を持つT光と、X方向に偏波面を
もつ三元の音波による位相変動の定数の差である。U is the difference in the constant of phase fluctuation between the T light having a polarization plane in the X direction and the ternary sound wave having a polarization plane in the X direction.
δ0 はファイバ長による位相差であって、伝搬定数の
差からくるものである。δ0 is a phase difference due to fiber length, and is caused by a difference in propagation constant.
(14)、(15)のGx、Gyの光は偏光ビームスフ
リツ■
り7で分離される。いずれかの光が、百波長板16で偏
波面を90°回転する。The Gx and Gy lights (14) and (15) are separated by a polarization beam splitter 7. The plane of polarization of any of the lights is rotated by 90° by the 100-wavelength plate 16.
こうすると偏波面が一致するので、干渉する事ができる
。光検出器5は干渉光を2乗検波する。In this way, the planes of polarization match, so interference can occur. The photodetector 5 performs square-law detection of the interference light.
定数を除いて、光検出器5の出力は、
I(t) = l GX(t) + Gy(t)
l (17)である。光の振動数ωや、この2
倍の2ωの振動数の部分は、2乗検波によって落ちる。Except for constants, the output of the photodetector 5 is: I(t) = l GX(t) + Gy(t)
l (17). The frequency of light ω and these two
The frequency part of twice 2ω is dropped by square law detection.
I(t) = −A cosδ + (DC針)
(18)となる。δは(16)によって与えら
れるから、I (t) = −A 2cos (δo+
usin(Ωt) ) + (DOJ#) (1
9)となる。I (t)の内、時間tによって変動する
部分’(I−IAC(t)とすると、ベッセル函数によ
って展開し、IAqt)= −A C(Jo(u)+
2 Σ J 2 n(u)cos 2nΩt)co
sδ02 日
となる。この内、基本波成分だけをノ)ンド/ζスフィ
ルタを用いてとり出す事にすると、
11(t) = A J、(u) 5in(Ωt) s
mδO(21)となる。Jt(u)に音波の強さUが含
まれているから、音響の強さがこれから分る事になる。I(t) = −A cosδ + (DC needle)
(18). Since δ is given by (16), I (t) = −A 2cos (δo+
usin(Ωt) ) + (DOJ#) (1
9). If the part of I (t) that varies with time t is '(I-IAC(t)), it is expanded by the Bessel function, and IAqt) = -AC(Jo(u)+
2 Σ J 2 n(u)cos 2nΩt)co
It will be sδ02 days. If only the fundamental wave component is extracted using a noise filter, 11(t) = A J, (u) 5in(Ωt) s
mδO(21). Since Jt(u) includes the strength U of the sound wave, the strength of the sound can be determined from this.
この場合、マツハツエンダ型と異なり、同一のファイバ
全光が伝搬し、δ0はその光の位相差であるから、温度
変化があってもδ。の変動は極めて僅かである。In this case, unlike the Matsuhatsu Enda type, all light propagates through the same fiber, and δ0 is the phase difference of the light, so even if there is a temperature change, δ. The variation in is extremely small.
(イ)発明が解決しようとする問題点
第2図に示すマツハツエンダ型の光ファイバフ1イドロ
フオンは温度変化に対する出力の安定性が悪い。これは
2本の光ファイバを使うからである。(a) Problems to be Solved by the Invention The Matsuhatsu Enda type optical fiber buffer 1 shown in FIG. 2 has poor output stability with respect to temperature changes. This is because two optical fibers are used.
第3図に示す定偏波光ファイバに用いるものは、一方の
光の偏波面を回転するために、172波長板16を必要
とする。また全反射ミラーを2つ必要とするなど光学系
が複雑である。また2つのビームを合成するために軸合
わせが必要である。The polarization constant optical fiber shown in FIG. 3 requires a 172-wavelength plate 16 in order to rotate the plane of polarization of one light. Furthermore, the optical system is complicated, as it requires two total reflection mirrors. Also, axis alignment is required to combine the two beams.
このように、光学系に関して難しい点があった。As described above, there were some difficult points regarding the optical system.
力構 成
本発明は定偏波光ファイバを用いる光ファイバハイドロ
フオンの出射端の光学系を著しく簡略化している。Force Configuration The present invention significantly simplifies the optical system at the output end of an optical fiber hydrophon using a constant polarization optical fiber.
出射光を2本のビームに分けない。分けないから、後に
合成する必要がない。このためミラーの数が少なくなり
、合成のための軸合せが不要になる。Do not split the emitted light into two beams. Since they are not separated, there is no need to combine them later. This reduces the number of mirrors and eliminates the need for alignment for synthesis.
第1図は本発明の光ファイバの構成図である。FIG. 1 is a block diagram of the optical fiber of the present invention.
光源1から定偏波光ファイバ8の出射端に至るまでの構
成は第8図に示すものと同じである。The configuration from the light source 1 to the output end of the constant polarization optical fiber 8 is the same as that shown in FIG.
光源1は、半導体レーザ、He−Neレーザ、アルゴン
レーザなとコヒーレントな単色光を発生する。The light source 1 generates coherent monochromatic light such as a semiconductor laser, a He-Ne laser, or an argon laser.
この光は、偏光子6によって直線偏光に変えられる。′
定偏波光ファイバ8は、直交する2つの主軸X1Y方向
の偏波面が保存されるような光ファイノくである。This light is converted into linearly polarized light by a polarizer 6. ' The polarization constant optical fiber 8 is an optical fiber whose plane of polarization in two orthogonal main axes X1 and Y directions is maintained.
x1Y方向に寸法、屈折率、形状などの異方性があって
、偏波面が保存される。There is anisotropy in dimensions, refractive index, shape, etc. in the x1Y directions, and the plane of polarization is preserved.
偏光子6で直線偏光になった光は、xY主軸と45°を
なす偏波面全持つようにする。The light that has become linearly polarized by the polarizer 6 is made to have a full polarization plane that makes an angle of 45° with the xY principal axis.
光ファイバ8に入射すると、x1Y方向にそれぞれ偏波
面をもつ光T1三に分かれるが、45°で入射させてい
るので、これらの振幅が等しい。When the light enters the optical fiber 8, it is divided into three light beams T1 each having a plane of polarization in the x1 and Y directions, but since the light is made incident at 45°, the amplitudes of these lights are equal.
厳密に45°でなくてもよい。偏波面の方向がX方向又
はY方向に一致しなければよい。It does not have to be exactly 45°. It is sufficient that the direction of the polarization plane does not coincide with the X direction or the Y direction.
この光はセンシングコイル4を通過して、水中音響によ
る位相変化を受けて、ファイバの他端から出射する。This light passes through the sensing coil 4, undergoes a phase change due to underwater acoustics, and is emitted from the other end of the fiber.
第3図の構成では、出射光をT光と三元とに分けたが、
本発明ではそのような事はしない。In the configuration shown in Figure 3, the emitted light is divided into T light and ternary light, but
The present invention does not do such a thing.
出射端には、偏光子17を設置する。この偏光子は2つ
の主軸x1yと45度の角度全なす偏光成分のみを取り
出す偏光子である。偏光ビームスプリッタではなく単な
る偏光子である。A polarizer 17 is installed at the output end. This polarizer extracts only the polarized light components that form an angle of 45 degrees with the two principal axes x1y. It's not a polarizing beam splitter, it's just a polarizer.
偏光子を透過した光の強度を光検出器5によって検出す
る。これを増幅器全通して増幅し、出力とする。A photodetector 5 detects the intensity of the light transmitted through the polarizer. This is amplified through all amplifiers and used as an output.
極めて簡単な出射端の光学系である。しかし、これによ
って、2つの光の干渉光の強度が検出されているのであ
る。This is an extremely simple optical system at the output end. However, in this way, the intensity of the interference light of the two lights is detected.
このように2つの光に分離せず、単に偏光子を通した光
の強度を検出する事により、干渉光全検出している。In this way, all of the interference light is detected by simply detecting the intensity of the light that has passed through the polarizer without separating it into two lights.
この点が本発明の新規な点である。This point is a novel point of the present invention.
第3図の例に比べて理解し難いところもあるので、次に
作用を説明する。Since some parts are more difficult to understand than the example shown in FIG. 3, the operation will be explained next.
(1)作 用
2つの光の干渉は、それらの光の偏波面が同一でないと
起こらない。(1) Effect Interference between two lights does not occur unless the planes of polarization of the lights are the same.
第3図に於ける従来例では、90°偏波面の異なるT光
、三元を別々にとり出し、一方の光を172波長板に通
し、偏波面f:90°回転させ、他の光の偏波面に合致
するようにしている。In the conventional example shown in Fig. 3, the T light beams with different polarization planes of 90°, three components, are taken out separately, one of the lights is passed through a 172-wave plate, the plane of polarization f is rotated by 90°, and the other light is polarized. It is made to match the wave surface.
このようなものと異なり、本発明では、ファイバの偏波
面のふたつの主軸を伝搬する光から、それらと45°の
角度全すす成分のみを取り出して干渉させている。Unlike this, in the present invention, only the total soot component at an angle of 45° with the two main axes of the polarization plane of the fiber is extracted from the light propagating along the two main axes of the polarization plane of the fiber and interfered with them.
ここで重要なことは、一本の定偏波光ファイバを伝搬し
た光を、2本の光に分けず、偏光子17を挿入するのみ
で干渉を起こしている、という点である。What is important here is that the light propagated through one constant polarization optical fiber is not divided into two beams, but interference is caused only by inserting the polarizer 17.
その原理を以下に示す。The principle is shown below.
定偏波光ファイバの偏波面に関する2つの主軸X、7に
偏波面を持つ光T、ミの電界fl:Gx(t) 、G
y(t)とすると、これは(14)、(15)によって
与えられる。偏光子17を通し、x1y軸と45°をな
す成分のみをとり出す。この電界成分全Hz(t)、H
y(t)とすると、
A(23)
==−S11 (ωt+Φ)
である。これらは同一の偏波面を持つ光である。Two main axes regarding the polarization plane of a constant polarization optical fiber
y(t), this is given by (14) and (15). It passes through a polarizer 17 and extracts only the components forming an angle of 45° with the x1y axis. This electric field component total Hz (t), H
When y(t), A(23) ==-S11 (ωt+Φ). These are lights with the same plane of polarization.
従ってこれらの光は干渉する事ができる。光検出器の出
力1 (t)は(4)と同様に
I (t) = l Hx(t) + Hy(t) l
2(24)となる。これから干渉項の成分(cosδ
)が得られる。Therefore, these lights can interfere. Similarly to (4), the output of the photodetector 1 (t) is I (t) = l Hx(t) + Hy(t) l
2 (24). From this, the component of the interference term (cos δ
) is obtained.
この項が出たので、これからUの大きさを求める事がで
きる。これは(19)〜(21)に示したものと同じで
ある。Now that we have this term, we can find the size of U from it. This is the same as shown in (19) to (21).
但し、数係数が(18)、(25) 全比較して、本発
明の場合は1/2になる。従って、(20)、(21)
の表式については1/2がつくことになる。However, when the numerical coefficients are (18) and (25), in the case of the present invention, it is 1/2 when compared. Therefore, (20), (21)
For the expression, 1/2 will be added.
すなわち基本波成分I 1(t)は、
I 1(t)= −!−A2J 、(u) :n (Ω
t)sinδo(26)となるのである。これは45°
傾いた偏波面の光を、偏光子によって取り出す事からき
ている。sin (Ωt)を通t−バンドパスフィルタ
を通すと、11(t)カ得うれるので、Jl(u)が分
ることになる。u<<1 では’ 1(”) ’;;:
u/2であるから、11(t)は音波の強さuにほぼ
リニヤである。That is, the fundamental wave component I1(t) is I1(t)=-! -A2J, (u) :n (Ω
t) sin δo(26). This is 45°
It comes from the fact that light with a tilted plane of polarization is extracted using a polarizer. When sin (Ωt) is passed through a t-band pass filter, 11(t) is obtained, so Jl(u) can be found. For u<<1, '1('')';;:
Since u/2, 11(t) is approximately linear with the sound wave intensity u.
こうして、第3図のように偏光ビームスプリッタ7、全
反射ミラー18.18.1/2波長板16、合成器13
などを必要とすることなく、T光、三元を干渉させる事
ができる。In this way, as shown in FIG.
T-light and ternary light can be interfered without the need for other components.
偏光子17は、2つの直交する偏波面を持つ直線偏光を
、45°だけ偏波面を回転するものとして機能している
のである。The polarizer 17 functions to rotate linearly polarized light having two orthogonal polarization planes by 45°.
次に偏光子17f:挿入しないとすると、干渉しないと
いう事を説明する。X方向に電界全もつものと、X方向
に電界をもつものをベクトル的に合成しても、xlyが
90°をなしているから、交差項がOになるのは明らか
である。Next, it will be explained that if the polarizer 17f is not inserted, there will be no interference. It is clear that even if one with a full electric field in the X direction and one with an electric field in the X direction are vectorially combined, the cross term will be O since xly forms an angle of 90°.
念のため式で説明する。Just to be sure, I will explain it with a formula.
(22)、(23)はx1y軸と45°をなす方向ノT
1ミ光による電界成分である。この軸と90°ヲナす方
向への電界成分が、偏光子のない場合には残ってくる。(22) and (23) are the direction T that makes 45° with the x1y axis
This is the electric field component due to 1-mi light. If there is no polarizer, an electric field component in a direction 90° to this axis remains.
これをKx(t)、Ky(t)とすると・Kx(t)
= 、 Acos (−45°) sin (ωt+Φ
十δ)K)’(t) = 、−As1n (−45°)
sin (ωt+Φ)となる。光検出器の出力I (
t)は、これらを別々に2乗検波することになるので
I(t)= l Hz(t)+Hy(t) I + l
Kx(t)+Ky(t) l (29)A2(30
)
となる。干渉項が消えてしまっている。直流成分のみに
なる。これは当然のことで、T光のX方向の電界成分が
Gx(t)、三元のX方向の電界成分がG3(t)であ
るから、I (t)は
I(t)= l Gx(t) l” + l Gy(
t) l2(81)” (8
2)となって一致する。If this is Kx(t) and Ky(t), then Kx(t)
= , Acos (-45°) sin (ωt+Φ
10δ)K)'(t) = , -As1n (-45°)
sin (ωt+Φ). The output of the photodetector I (
t), these will be square-law detected separately, so I(t) = l Hz(t) + Hy(t) I + l
Kx(t)+Ky(t) l (29)A2(30
) becomes. The interference term has disappeared. There will be only a DC component. This is natural; the electric field component of the T light in the X direction is Gx(t), and the electric field component of the ternary X direction is G3(t), so I(t) is I(t) = l Gx (t) l” + l Gy(
t) l2(81)” (8
2) and they match.
このような事から、偏光子17の働きが重要である、と
いう事が分る。From these facts, it can be seen that the function of the polarizer 17 is important.
(2)効 果
偏波面保存ファイバ型光ファイノ)ノ)イドロフオンに
於て、従来のものは出射端に偏光ビームスプリッタ、全
反射ミラー、172波長板、合成器を要した。本発明は
偏光子を必要とするだけである。(2) Effects In the polarization-maintaining fiber type optical fin, the conventional one required a polarizing beam splitter, a total reflection mirror, a 172-wavelength plate, and a combiner at the output end. The invention only requires a polarizer.
光学系全署しく簡略化する事ができる。The entire optical system can be significantly simplified.
また、シングルモード光ファイノ(の出射光を2本の光
に分けないから、軸合わせの必要がない。Also, since the output light from the single mode optical fin is not divided into two beams, there is no need for axis alignment.
軸合わせは困難な作業であるので、これがす0とすれば
、極めて便利になる。Since axis alignment is a difficult task, it is extremely convenient to set this to zero.
コスト全低減する事ができ、操作の容易な光ファイバハ
イドロフオンを提供する事ができる。It is possible to provide an optical fiber hydrophone that can reduce the total cost and is easy to operate.
第1図は定偏波光ファイバを用いた本発明の光ファイバ
ハイドロフオンの構成図。
第2図は公知のマツハツエンダ型光ファイバハイドロフ
オンの略構成図。
第3図は公知の偏波面保存ファイバ型光ファイバハイド
ロフオンの略構成図。
第4図は偏波面保存光ファイバの断面図。
1・・・・・・光 源
2 ・・・・・・ 信号用光ファイバ
3 ・・・・・・ 参照用光ファイバ
4 ・・・・・・ センシングコイル
5・・・・・・光検出器
7 ・・・・・・ 偏光ビームスプリッタ8 ・・・・
・・ 定偏波光ファイバ
10・・・分 岐 器
11 ・・・応力付与部
12 ・・・ コ ア13・・・
合成器
14 ・・・ 入射波の偏波面
15 ・・・ り ラ ツ ド16・・・1
72波長板
17・・・偏 光 子
18・・・全反射ミラー
発 明 者 西 川
満西 浦 洋 三FIG. 1 is a configuration diagram of an optical fiber hydrophon of the present invention using a constant polarization optical fiber. FIG. 2 is a schematic diagram of a known Matsuhatsu Enda type optical fiber hydrophon. FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a known polarization-maintaining fiber type optical fiber hydrophon. FIG. 4 is a cross-sectional view of a polarization-maintaining optical fiber. 1...Light source 2...Signal optical fiber 3...Reference optical fiber 4...Sensing coil 5...Photodetector 7... Polarizing beam splitter 8...
... Polarization constant optical fiber 10 ... Brancher 11 ... Stress applying section 12 ... Core 13 ...
Combiner 14 ... Polarization plane of incident wave 15 ... Rirad 16...1
72 wavelength plate 17...Polarizer 18...Total reflection mirror Inventor: Nishikawa
Yozo Mannishiura
Claims (1)
化するセンシングコイル4を途中に設けた定偏波光ファ
イバ8と、コヒーレントな単色光を生ずる光源1と、該
光源1の光を直線偏波とするための偏光子6と、定偏波
光ファイバ8からの出射光の強度を検出する光検出器5
とによつて構成される光学系であつて、光源1からの光
の偏波面が定偏波光ファイバ8の2つの主軸と45°の
角をなすように入射させ、核定偏波光ファイバ8と光検
出器5の間に、該定偏波光ファイバ8の2つの主軸と4
5°の角度をなす偏波成分のみを取り出す偏光子17を
設置した事を特徴とする光ファイバハイドロフオン。A polarization-constant optical fiber 8 is provided with a sensing coil 4 whose optical path length is effectively changed by changes in water pressure caused by underwater sound waves, a light source 1 that generates coherent monochromatic light, and a linearly polarized light source 1 that generates coherent monochromatic light. a polarizer 6 for controlling the polarization, and a photodetector 5 for detecting the intensity of the light emitted from the constant polarization optical fiber 8.
It is an optical system composed of a polarization constant optical fiber 8 and an optical system in which the polarization plane of light from a light source 1 is made to enter the polarization constant optical fiber 8 and the two main axes of the constant polarization optical fiber 8 at an angle of 45°. Between the detector 5, the two principal axes of the polarization-constant optical fiber 8 and 4
An optical fiber hydrophon is equipped with a polarizer 17 that extracts only polarized components forming an angle of 5 degrees.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62026880A JPS63195529A (en) | 1987-02-07 | 1987-02-07 | optical fiber hydrophon |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP62026880A JPS63195529A (en) | 1987-02-07 | 1987-02-07 | optical fiber hydrophon |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS63195529A true JPS63195529A (en) | 1988-08-12 |
Family
ID=12205596
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP62026880A Pending JPS63195529A (en) | 1987-02-07 | 1987-02-07 | optical fiber hydrophon |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS63195529A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5297436A (en) * | 1988-07-20 | 1994-03-29 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organization | Optical fibre ultrasonic sensor |
US5460048A (en) * | 1990-01-19 | 1995-10-24 | Chiang; Kin S. | Ultrasonic sensor using a polarization maintaining fibre |
JP2013185922A (en) * | 2012-03-07 | 2013-09-19 | Hitachi Cable Ltd | Optical fiber vibration sensor |
-
1987
- 1987-02-07 JP JP62026880A patent/JPS63195529A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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US5297436A (en) * | 1988-07-20 | 1994-03-29 | Commonwealth Scientific And Industrial Research Organization | Optical fibre ultrasonic sensor |
US5460048A (en) * | 1990-01-19 | 1995-10-24 | Chiang; Kin S. | Ultrasonic sensor using a polarization maintaining fibre |
JP2013185922A (en) * | 2012-03-07 | 2013-09-19 | Hitachi Cable Ltd | Optical fiber vibration sensor |
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