JPH02222847A

JPH02222847A - 磁界センサ

Info

Publication number: JPH02222847A
Application number: JP261790A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Kobayashi; 哲郎小林
Original assignee: Osaka University NUC
Current assignee: University of Osaka NUC
Priority date: 1990-01-11
Filing date: 1990-01-11
Publication date: 1990-09-05
Anticipated expiration: 2009-05-25
Also published as: JPH0640123B2

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、光導波ループを用いて充分に温度補償を施し
たループ型の磁界センサに関するものである。

（従来の技術と発明が解決しようとするその問題点）従来の代表的な光学的磁界センサは、第２図に示すよう
に、前後に偏光子３３および検光子３５を配置したファ
ラデイ回転子１８を通過させた直線偏光光ビームを光検
出器２２に導いて、ファラデイ回転子１８に印加された
磁界に応じた直線偏光面の回転角に対応した通過光量の
変化に基づいて印加磁界の大きさを知るものである。実
際の装置においては、例えば、図示のように、偏光子３
３を通過した入射光の偏波面に対して４５°すなわちπ
／４ラジアンだけ偏波面を回転させた検光子３５にフェ
ラデイ回転子１８を通過した入射光を導き、その出力光
量の変化からファラディ回転子１８による偏波面の回転
角、したがって、ファラディ回転子１８の印加磁界の強
さを求める。いま、入射光強度をＤ２とし、ファラデイ
回転子１８による偏波面の回転角をθ。とすれば、検光
子出力はつぎの（１）式に比例する。

Ｄ”ｃｏｓ”（π／４−θ。）＝　（Ｄ”／２）１十ｃｏｓ　（２（ｇ／４−θ。））
〕＝（Ｄ”／２）　（１＋５ｉｎ２θ、　）　　　　　
　　（１）したがって、上式（１）から回転角θ。が求
まり、さらに、印加磁界が計測される。しかしながら、
かかる磁界計測においては、入射光強度や各部の損失量
が変動すれば、その変動量がそのまま計測誤差になり、
特に、人出射光路に光ファイバを用いた場合には、その
伝送損失の変化も出力に現われて、被測定磁界の強さの
変化と混同されるおそれがあり、しかも、かかる光フア
イバ伝送損失の変動の効果を計測結果から除去すること
が困難という問題点がある。

本発明の目的は、非相反トランスジューサと組合わせて
温度補償を施された高周波バイアスを備えて高精度化し
た磁界測定やジャイロとして用い得る磁界センサを提供
することにある。

本発明のさらに他の目的は、偏波保存光ファイバの伝送
損失や伝送定数等のふらつきによる測定誤差が取除かれ
た光磁界センサを提供することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明による磁界センサは、互いに直交した直線偏光の
２光波を分離するとともに合成する偏波分離合成手段と
、当該偏波分離合成手段により分離した直線偏光の２光
波を両端にそれぞれ入射させるとともにそれぞれ他端か
ら当該偏波分離合成手段に入射させる光導波ループと、
当該光導波ループの両端からそれぞれ入射した互いに直
交する直線偏光の２光波の偏光面をそれぞれ異なる角度
で回転させるファラデイ回転子および相反回転子とを備
え、前記先導波ループの両端からそれぞれ前記偏波分離
合成手段に入射して合成した偏光波に含まれる２直線偏
光成分の光強度を互いに比較して算出した前記ファラデ
ィ回転子による偏光面回転角に基づいて前記ファラディ
回転子に印加した磁界の強さを測定し得るようにしたこ
とを特徴とするものである。

（作　用）本発明によれば、伝送路の伝送損失の変動が補償されて
高精度の性能を備えた磁界センサを実現することができ
る。

（実施例）以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。

本発明による２偏波型安定化磁界センサの構成例を第１
図に示す。図示の構成においては、光導波ループを用い
た磁界センサの・出力偏光光波を偏波面により分離して
安定確実に検出し、被測定磁界の強さを正確に解析し得
るようにしである。すなわち、光導波ループ中に位置す
る構成要素のうち、２４は例えば偏波分離プリズムなど
の偏波分離素子であって、入射光波をその偏波面の相違
によって分離する。また、２，３は反射鏡であり、１８
ｔは被測定磁界中に配置したファラディ回転子などの非
相反偏波面回転子であって、磁界検出部をなしている。

さらに、２５は相反型偏波面回転素子であって、偏波面
を４５°回転させるのが最適である。

一方、偏波分離素子２４に対する入出力光波を導入・導
出する偏波保存光ファイバ２６は、磁界センサとして不
可欠の構成要素ではないが、上述したように被測定磁界
に怒応して偏波面を回転させる入出力偏光光波の偏波面
を保持して伝送し、回転角測定を高精度化、安定化する
に有用であり、特に、遠隔計測の場合に極めて有用であ
る。なお、偏波保存光ファイバは、光ファイバを非軸対
称に構成して単一偏波のみを伝搬させ、しかも、その偏
波をそのまま保持した状態で伝搬させ得るものである。

また、２７は入出力光波分離用のビームスプリッタであ
り、２８はビームスプリッタ２７により分離した光導波
ループからの光波を偏波面に応じて互いに分離する偏波
分離光素子である。さらに、２２゜２３は光検出器であ
って、それぞれ偏波面の異なる光波の振幅を検出し、そ
れらの検出出力信号を信号解析器２９に導いて解析を行
ない、ファラディ回転子１８により検知した被測定磁界
の強さを算出する。

上述した第１０図示の構成による磁界センサにおいて、
いま、偏波保存光ファイバ２６を介して互いに直交する
直線偏光の２光波Ａ、Ｂが偏波分離素子２４に入射する
と、それらの２光波Ａ、Ｂは互いに分離されて先導波ル
ープを互いに逆回りに進行する。かかる２光波の進行中
に、光波Ａが、その進行方向に向って時計回りの向きに
、相反偏波面回転素子２５によりθ。ラジアンだけ偏波
面の回転を受けるとともに非相反のファラディ回転子１
８によりθ。ラジアンだけ偏波面の回転を受け、合計（
θ。→−θ。）ラジアンの偏波面回転を生じたとすると
、光波Ｂは、その進行方向に向って同じく時計回りの向
きに、相反偏波面回転素子２５によりθ０ラジアンだけ
偏波面の回転を受けるとともに非相反のファラデイ回転
子１８により一θ。ラジアンだけ偏波面の回転を受け、
合計（θ。−θ。）ラジアンの偏波面回転をすすること
になる。しかも、光波Ｂは、光波Ａとは逆向きに進行し
ているのであるから、光波Ａの進行方向に向っては時計
回りの向きに（θ。−θｌ、）ラジアンだけの偏波面回
転を生じていることになる。

上述のような偏波面回転を生じた光波Ａが再度偏波分離
素子２４に入射した際に、その偏波分離素子２４を通過
し得るのは光波Ａの偏波面と直交する偏波成分であり、
その振幅は入射光波Ａのｓｉｎ　　（θ。＋θ。）であ
り、同様にして、光波Ｂが再度偏波分離素子２４に入射
した際に、その偏波分離素子２４を通過し得るのは入射
光波Ｂの振幅のｓｉｎ　　（θ。−〇、）倍である。偏
波分離素子２４を通過したこれらの光波は偏波保存光フ
ァイバ２６を介して送出源側に戻るのであるが、入射時
とは異なる偏波面をもって戻るので、光波Ａ、Ｂともに
往路と復路とで全く同一の光路を経由することになり、
光ファイバの異なる２偏波に対する伝送損失、位相定数
等の伝送特性の差異は往路と復路とでそれぞれ相殺され
ることになる。

しかして、偏波保存光ファイバ２６を経由して戻って来
た２光波Ａ、Ｂをビームスプリッタ２７により分岐して
偏波分離素子２８に導き、互いに異なる偏波面を有する
２光波Ａ、Ｂを互いに分離して光検出器２２．２３にそ
れぞれ導き、それぞれの光強度を検出すると、それらの
光検出強度はそれぞれつぎの（２）式および（３）式に
よって表わされる。

Ａ”ｓｔｎ”　（θ。＋θ、　）　　　　　　（２）Ｂ
”ｓｉｎ”　　（θ。　−θ、　　）　　　　　　　　
　　　（３）しかして、入射時における光波Ａと光波Ｂ
との強度を互いに等しくしておくか、あるいは、光検出
器２２と２３との感度調整により、ファラデイ回転子１
８に対する磁界無印加時における双方の検出出力信号レ
ベルを互いに等しくしておけば、Ａ２−Ｂ２となし得る
ので、雨検出出力の差Δはつぎの（４）式のように表わ
される。

Δ■＾”ｒｔｎ”　（θ、＋θｍ　）　　Ｂ”ｓｔｎ”
　（θ。−〇、）−八”　（−ｃｏｓ　（２（θ、十θ
。）　）　＋ｃｏｓ　（２（θ、−〇。））千＾−Ｌｎ
２θ＊ｗ　・５ｉｎ２θ、、　　　　　　　、、　（４
）この（４）式から非相反のファラデイ回転子１８によ
る偏波面回転角θ。かつぎの（５）式のように求められ
る。

θ、　＝Ｈ／２）ｓｌｎ−’　（Δ／（Ａ”５ｉｎ２θ
ａ））　　（５）この（５）式によれば、ファラデイ回
転子１８に印加される被測定磁界が弱くて偏波面回転角
θ。が小さい場合にも容易確実に検出し得るようにする
ためには、（５）式の右辺におけるＡ”５ｉｎ２θ。が
大きいことが望ましく、したがって、相反位相回転素子
２５による偏波面回転角θ。を４５°すなわち（π／４
）ラジアンとするのが最適である。なお、光検出器２２
と２３との雨検出出力の和ＳＵｈはつぎの（６）式とな
る。

ＳｔｌＭ−＾”（１−ｃｏｓ２θ。４・Ｃｏ１１θ、ｖ
）　　　　（６）この（６）式による雨検出出力の和Ｓ
ＩＩＭと（４）弐による差Δとの比ｒはつぎの（７）式
のように表わされる。

〕／２乍５ｉｎ２θ。（θ、ｖ−４５°のとき）（７）この（
７）式からもファラデイ回転角θ。を算出することがで
きる。また、この場合には、人力光波の強度や光ファイ
バあるいは光導波ループ部における伝送損失などの変動
により上述の和ＳＫＩＭおよび差Δがそれぞれ変動して
も、雨検出出力の和ＳＩＩＭと差Δとの比「は一定であ
り、極めて安定にファラデイ回転角θ。を測定すること
ができる。

一方、ファラデイ回転角θ。はファラデイ回転子１８に
印加される軸方向磁界の強さに比例するのであるから、
上述のようにしてファラデイ回転角θ。を求めることに
よって印加磁界の強さを算出することができる。なお、
相反型偏波面回転素子２５には、ガラス等の旋光性媒質
を用いる他、従来周知の半波長板を適切な角度に回転さ
せ、相反位相回転素子２５として用いることもできる。

（発明の効果）以上の説明から明らかなように、本発明によれば、非相
反偏波面回転素子を組合わせて温度補償が施された高精
度の磁界センサを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によりループ型光変調器を適用した磁界
センサの構成例を示す構成配置図、第２図は従来の磁界
センサの基本的構成を示す構成配置図である。２・・・反射鏡１８・・・ファラデイ回転子２２、２３
・・・光検出器　　　２４．２８・・・偏波分離素子２
５・・・相反型偏波面回転素子２６・・・偏波保存光ファイバ

Claims

【特許請求の範囲】１、互いに直交した直線偏光の２光波を分離するととも
に合成する偏波分離合成手段と、当該偏波分離合成手段
により分離した直線偏光の２光波を両端にそれぞれ入射
させるとともにそれぞれ他端から当該偏波分離合成手段
に入射させる光導波ループと、当該光導波ループの両端
からそれぞれ入射した互いに直交する直線偏光の２光波
の偏光面をそれぞれ異なる角度で回転させるフアライデ
回転子および相反回転子とを備え、前記光導波ループの
両端からそれぞれ前記偏波分離合成手段に入射して合成
した偏光波に含まれる２直線偏光成分の光強度を互いに
比較して算出した前記ファラデイ回転子による偏光面回
転角に基づいて前記ファラデイ回転子に印加した磁界の
強さを測定し得るようにしたことを特徴とする磁界セン
サ。２、特許請求の範囲第１項記載の磁界センサにおいて、
前記互いに直交した直線偏光の２光波を偏波保存ファイ
バを介して前記偏波分離合成手段に導入するとともに、
前記合成した偏光波に含まれる２直線偏光成分を当該偏
波保存光ファイバを介して導出することを特徴とする磁
界センサ。