JPH0579921B2 - - Google Patents

Description

請求の範囲 １ 所定周波数の偏光信号を発生し、干渉計の作
動時に光送信手段に沿つて伝播して変調され干渉
光信号を発生する光源手段を具備する光干渉計に
おいて、光源手段と光送信手段との間に偏光変調
手段を導入して偏光信号の偏光状態のポアンカレ
球表現を該球面上に比較的小さな円として描か
せ、光信号の偏光変調の少くとも部分サイクル中
に干渉計から有意出力信号が発生される光干渉
計。

２ 請求項１記載の光干渉計において、偏光変調
手段は可変線型複屈折を有する装置を具備する光
干渉計。

３ 請求項２記載の光干渉計において、偏光変調
手段は印加される変調電圧に依存する大きさの複
屈折を有する光電変調器を具備する光干渉計。

４ 請求項３記載の光干渉計において、光電装置
はその複屈折軸が光源手段からの光の偏光面に対
して（0°，45°もしくは90°以外の）ある角度の方
位とされており、時間と共に変動する変調電気信
号が可変複屈折装置へ加えられ、前記変調信号は
複屈折の大きさが2πラジアンよりも大きく変調
して変調器からの出力光の偏光状態が前記ポアン
カレ球上に前記比較的小さな円を描くようにする
のを保証するのに充分な大きさである光干渉計。

５ 請求項１記載の光干渉計において、光源手段
は面偏光を発生しそれは円形偏光を生じるような
方位とされた1/4波板を通過し、それは次に電気
的に制御され且つその複屈折軸が適切に角分離さ
れている２個の可変複屈折エレメントからなる偏
光変調手段中を通過する光干渉計。

６ 請求項５記載の光干渉計において、可変複屈
折エレメントは光電変調器を具備する光干渉計。

７ 請求項５記載の光干渉計において、可変複屈
折エレメントは光フアイバを絞つて圧電装置に加
わる電圧に比例する線型複屈折を生じるように配
置された圧電装置を具備する光干渉計。

８ 請求項５，６もしくは７記載の光干渉計にお
いて、２個の可変複屈折エレメントは正弦波駆動
装置により直角に駆動され、偏光状態がポアンカ
レ球上に小さな円を描くような変調偏光出力を発
生するためにその複屈折の大きさが変動する光干
渉計。

明細書 本発明は光干渉計に関し、より詳細には光フア
イバ手段に沿つて伝播する光信号が互いに干渉
し、その干渉が光検出器手段によつて検出される
ようにした光フアイバ干渉計に関する。

このような光フアイバ干渉計は、しばしば、２
つの干渉するフイールドの偏光状態が直角となつ
て光検出器手段上での信号の混合を妨げ、ひいて
は信号損失を生じて、いわゆる偏光フエージング
の影響をこうむる。光フアイバ内の複屈折はフア
イバの温度及び（例えばフアイバを曲げることに
より生じる）歪に従つて変動するため、光フアイ
バ干渉計は特にこの現象を生じやすい。従つて、
２つの干渉する光信号が変動する異なる複屈折の
影響を受け、偏光状態が周囲状況と共に変動する
ようになる。

光フアイバの出力端における偏光状態をアクテ
イブな制御システムにより安定化させるために、
さまざまな方法が提案されている。しかしなが
ら、このようなアクテイブ制御システムを有効と
するには、それを通常のビーム結合器の前方で２
アーム干渉計の一方もしくは両方のアーム内へ挿
入しなければならず、それによつて干渉計の複雑
さが著しく増大する。さらに、多くの光フアイバ
干渉計、特に感知応用において使用されるのは、
パツシブデバイスであり、それにアクテイブエレ
メントを含めることは適切ではなく、干渉計の遠
隔配置が実行不能となる。

偏光フエージング問題のもう一つの解決方法
は、２アーム干渉計からの結合された出力光を
各々が偏光プリズムによりマスクされ且つ３つの
偏光マスクが異なる方位を有する３個の独立した
光検出器間で分割することを含んでいる。この構
成によれば、干渉信号が３個全ての検出器で同時
にフエージングすることは不可能ではない。従つ
て、適切な処理を使用すれば、有用な出力を得る
ことができるが、それでも３個の光検出器を設け
る必要がある。

本発明は１個の光検出器しか必要としないとい
う利点を有する、光フアイバ干渉計内の偏光フエ
ージングを解消する別の方法を指示するものであ
る。

しかしながら、本発明を完全に理解するために
は、まず偏光フエージング理論について考慮する
必要があり、そのため添付第１図及び第２図を参
照する。

第１図を参照として、レーザ源LSからの偏光
は２アーム干渉計の入力フアイバ１へ発進され、
フアイバ１に沿つてビームスプリツト手段２へ伝
播する。この点Ｐにおいて、光の偏光状態はＳ
（Ｏ）であり、それは入力フアイバ１内の複屈折
のため、レーザ源LSから発する光の偏光状態Ｓ
（Ｎ）とは必ずしも同じではない。光はビームス
プリツト手段２により分割され、一部は２つの光
フアイバアーム３及び４の各々を通つた後ビーム
結合手段６により出力フアイバ５内へ再結合され
る。

一般的に、２つの光フアイバアーム３，４は異
なる複屈折Ｂ(1)，Ｂ(2)を有し、従つてビーム結合
手段６に到達する光ビームは異なる偏光状態、す
なわちＳ(1)，Ｓ(2)を有する。Ｐ点におけるある偏
光状態Ｓ（Ｏ）及び複屈折Ｂ(1)，Ｂ(2)に対して、
偏光状態Ｓ(1)，Ｓ(2)は直角であり、従つて干渉し
ない。第２図に示すポアンカレ球を使用して、偏
光状態は球Ｘの表面上の点で表わされ、光フアイ
バ３，４等の複屈折素子中の伝播は球Ｘのリジツ
ド回転により表わされる。直交偏光状態は球上の
直径方向に対向する点により表わされる。従つ
て、第１図の干渉計のフエージング状態は偏光状
態Ｓ(1)，Ｓ(2)間の関係により決定される。第２図
の直径方向に対向する点により表わされるよう
に、偏光状態Ｓ(1)，Ｓ(2)が直交しておれば、出力
光フアイバ５の終端における偏光状態Ｓ(3)，Ｓ(4)
も直交し、それは出力フアイバ５の複屈折がポア
ンカレ球のリジツド回転で表わされ、２つの直径
方向に対向する点はリジツド回転後も直径方向に
対向したままであるためである。従つて、偏光状
態Ｓ(1)，Ｓ(2)が直交しないように保証することに
より、偏光フエージングを防止することができ
る。

偏光状態Ｓ(1)，Ｓ(2)の相対方向における光フア
イバ３、４の複屈折Ｂ(1)，Ｂ(2)の効果は、偏光状
態Ｓ(2)が複屈折Ｂ(1)の逆の作用により生じそれに
続いて複屈折Ｂ(2)が偏光状態Ｓ(1)に作用すること
を前提として評価することができる。ポアンカレ
球の観点から、複屈折Ｂ(1)の逆は反対の感覚にお
いて複屈折Ｂ(1)に対応するものと同じ単なる回転
にすぎない。複屈折Ｂ(1)の逆とそれに続くＢ(2)に
対応する２つの回転を結合することにより等価な
一回転、例えば回転Ｂ(3)が生じ、それは偏光状態
をＳ(1)からＳ(2)へ変換する。偏光状態Ｓ(1)，Ｓ(2)
が直交（すなわち、球上で直径方向に対向）して
おれば、複屈折Ｂ(3)はπの大きさでなければな
ず、偏光状態Ｓ(1)，Ｓ(2)は複屈折Ｂ(3)に直角な直
径上にある。従つて、所与のアーム複屈折Ｂ(1)，
Ｂ(2)に対して、前記した一つの複屈折Ｂ(3)が存在
しそれは偏光状態Ｓ(1)をＳ(2)上へマツプし、複屈
折Ｂ(3)の大きさがπであればポアンカレ球上に、
GC等の、大きな円で表わされるある範囲の偏光
状態Ｓ(1)があり、それは干渉計出力が完全にフエ
ージングされる複屈折Ｂ(3)に直角である。偏光状
態Ｓ(1)は干渉計入力偏光Ｓ（IN），入力フアイバ
１の複屈折及び干渉計アーム３の複屈折Ｂ(1)に依
存し、小さな環境温度変化によりフアイバ３、４
の複屈折が変動する時に通常ゆつくり変動する。
従つて、ある複屈折の組合せに対する入力偏光が
どうであつても、干渉計出力はフエージングする
ことができる。

本発明に従つて、所定周波数の偏光信号を発生
する光源手段を具備し、前記偏光信号は干渉計の
動作時に、光フアイバや他の光送信手段に沿つて
伝播し（例えば、音波や温度等の）可変パラメー
タの感知により、変調されて干渉光信号を生成す
る光干渉計が提供され、偏光変調手段が光源手段
と光送信手段との間に設けられて偏光信号の偏光
状態を表わすポアンカレ球が球面上に比較的小さ
な円を描くようにし、光信号の偏光変調の少くと
も部分サイクル中に干渉計から有意出力信号が生
成されることを特徴としている。

本発明は第１図に示す特定の２アーム干渉計の
例と共に、さらに第３図を参照すれば良く理解す
ることができる。

ポアンカレ球上に小さな円SCを描くように変
調される入力信号の偏光状態Ｓ（IN）は入力光フ
アイバ１及び光フアイバアーム３の複屈折に対応
するリジツド球回転により偏光状態Ｓ(1)へ変換さ
れるため、偏光状態Ｓ(1)は一般的に球面上の異な
る位置にではあるが、類似した小さな円を描かな
ければならない。こうして、干渉計は偏光変調サ
イクルの一部分よりも長い間フエージングするこ
とはできない。これは、複屈折Ｂ(3)が大きさπを
有し且つ偏光状態Ｓ(1)が複屈折Ｂ(3)に直角な大き
な円上にあるような偏光フエージング状態である
ためである。従つて、偏光状態Ｓ(1)がポアンカレ
球上の比較的小さな円PC（第２図）内を移動する
場合には、この比較的小さな円ば複屈折Ｂ(3)に直
角な大きな円GCと交差する場合のみ完全な偏光
フエージングが生じる。偏光変調サイクルの残り
に対しては、偏光状態Ｓ(1)，Ｓ(2)は直交しない。
本発明により提供される偏光変調の周波数は、一
般的に干渉計信号周波数帯の外側に選定されて濾
波により加えられる変調から所要信号を分離でき
るようにする。

例として、本発明の２つの実施例を添付第４図
〜第７図を参照として説明し、ここに、 第４図は注意を向ける我々の特許出願第
8220793号の主題を形成する反射測定差動遅延ヘ
テロダイン干渉計センサアレイを示し、 第５図は第４図のセンサアレイへ送信される信
号間の干渉方法を示すパルス図を示し、 第６図は第４図のセンサアレイへの入力信号の
偏光状態を変調する一つの構成を示し、 第７図は第４図のセンサアレイへの入力信号の
偏光状態を変調するもう一つの偏光変調構成を示
す。

第４図に示すヘテロダイン干渉計において、パ
ルスレーザ１１は周波数のコヒーレント光の出
力パルスを発生し、それは光スイツチ手段１２へ
送られて周波数＋△の変調パルスを生じ、そ
れは光スイツチ手段内に遅延手段を含むことによ
り所定の時間間隔Ｔだけ周波数のパルスから遅
延される。２パルス光信号はビームスプリツタ１
３を通過して光フアイバ１４内にフオーカスされ
る。等間隔不連続部１５〜２１が光フアイバに沿
つて設けられ、これらの不連続部は幾分反射性と
なるように設計されたスプライスにより互いにス
プライスされた等長Ｌの光フアイバ部間に設ける
ことができる。従つて、光フアイバは不連続部に
より長さＬの６つの感知素子へ有効に分割され、
音波等の衝突による、これらの光フアイバエレメ
ントの長さの変動は後記する方法で感知及び測定
することができる。

各２パルス光信号が最初の光フアイバ不連続部
１５に達すると、信号の小部分がフアイバ１４に
沿つてビームスプリツタ１３へ反射し戻され光検
出器２２へ向けられる。２パルス信号の残部は不
連続部１６へ進み、そこでさらにその小部分が光
フアイバ４に沿つて検出器２２へ反射し戻され
る。この手順は２パルス信号の残部が最後の光フ
アイバ不連続部２１に達するまで続けられ、この
信号の小部分が再び光フアイバに沿つて検出器２
２へ反射し続される。次に、２パルス光送信がさ
らに行われ、サイクルが繰り返される。

次に、第５図を参照して、不連続部１５，１
６，１７からの２パルス信号の反射を示す。図か
ら判るように、本例における第２の不連続部１６
からの反射は第１の不連続部１５からの反射に対
して時間Ｔだけ遅延している。

Ｔ＝2L／CG ここで、Ｌ＝各光フアイバエレメントの長さ、
CG＝光フアイバ内の光の速度。

長さＬを適切に選定することにより、反射間の
遅延は前行する反射信号の周波数＋△のパル
スと後に反射される信号の周波数の反射パルス
とが完全に一致するか、もしくは少くとも幾分重
畳するようになる。反射パルスは平方則検出器２
２において、ヘテロダイン化されて、図示するよ
うに、ビートすなわち変調信号を発生し、これら
の信号の位相変調は光フアイバエレメントの長さ
Ｌの変動に依存する。従つて、位相検出器２３に
よりビート信号の変調を検出して測定することに
より、光フアイバエレメントの長さが変化してこ
れらのエレメントに作用する変形力を測定するこ
とができる。前記感知機構は英国特許第
2126820B号に詳記されている。

直交する干渉信号の偏光状態による信号の全体
フエージングを防止するために、本発明を前記感
知構成に適用することができる。これを達成する
ために、第６図にMODで示す偏光変調器を第４
図の光源１１と光スイツチ手段１２との間に挿入
することができる。光スイツチ手段１２の精密な
構成に応じて、変調器MODはあるシステムの符
号１２，１３間に挿入することができる。変調器
MODはさまざまな形式とすることができる。第
６図に示す一つの形式において、変調器は印加さ
れる変調電圧Ｖに依存する大きさの複屈折を有す
る、光電変調器等の、可変線型複屈折を有する装
置を具備している。光源１１からの面偏光に必要
な変調を加えるために、光電装置の複屈折軸は光
源１１からの偏光面に対して角度θ（0°，45°もし
くは90°ではない）の方位でなければならない。
（例えば、正弦波、三角波もしくは鋸歯状波等の）
時間的に変動する電気信号が変調の目的で可変複
屈折装置へ加えられる。これらの変調信号は複屈
折の大きさが2πラジアンよりも大きく変動して
変調器からの出力光の偏光状態が第３図のSCに
示すものと類似の前記ポアンカレ球上に小さな円
を描くのを保証するのに充分な大きさでなければ
ならない。このようにして、干渉計出力の全体フ
エージングは偏光変調サイクル周期の一部に対し
てしか生じることができない。

偏光変調を行う別の構成を第７図に示す。本例
において、光源１１からの面偏光は最初に入力偏
光に対して45°の方位の1/4波プレートQPを通過
して円形偏光を生じる。次に、光は電気的に制御
され且つその複屈折軸が45°角分離されている２
つの可変複屈折エレメントVB1，VB2を通過す
る。これらのエレメントVB1，VB2は、例えば、
光電変調器とするか、あるいは光フアイバーを絞
つて圧電装置に加えられる電圧に比例する線型複
屈折を生じるようにすることができる。２つのエ
レメントVB1，VB2は正状波駆動信号Vo sin
wt及びVo cos wtにより直角駆動されて、その
複屈折の大きさがそれぞれsin wt及びcos wtと
して変動する。複屈折の尖頭値はπ／２よりも小
さい。この構成により、干渉計出力の全体フエー
ジングを排除するために前記小さな円をポアンカ
レ球上に描くような偏光状態の変調された偏光出
力が発生され、それは干渉信号の偏光状態を表わ
す点が直径方向に対向している大きな円とポアン
カレ球上に描かれる小さな円が交差する偏光変調
期間中の非常に短い期間中にのみフエージングが
生じるためである。