レーザー研究第22巻第4号（245）レーザー解説光ファイバーセンサーの環境擾乱対策哲＊田中（1994年2月3日受理） Fiber−OpticSensors Freefrom EnvironmentalDisturbances ＊ Sa亀oshiTANAKA （Received February3，1994） The art of the optical fiber sensors is outlined briefly．The characte嶽stics of the po夏arization maintaining single−r殴ode fibers（PMSF）are described from theview point ofthe lnte㎡eromet− ric fiber−optic sensors．The PMSF is useful for devising the optical heterodyne polarimetric fiber−coil deformation sensor immune from temperature perturbations．The performance of the sensor is presented． KeyWords：Opticalfiber，Fiber−optic sensor，Interferometer．体としても用いられる。そして，物理，化学， 1．はじめにおよび生体に関する多くのパラメーターが光光ファイバーは光通信用として研究開発が進められてきたが，センサーとして利用する際にファイバーセンシングの対象となっている1∼4）。も以下に挙げるような利点を有している。とりわけ，光の波動としての性質を利用する（1）低損失性（最低0．154dB／km）干渉型光ファイバーセンサーは，被測定量に（2）細径（∼125μm）・軽量（∼30mg／m）よって変調されたファイバー伝搬光波の位相を（3）可とう性（自由に曲げられる）検出することにより高感度測定を実現し，高感（4）無誘導性（電磁誘導の影響を受けない）度・高精度計測への有力な手段として大きな期（5）防爆性（火花を出さない）待が寄せられている。しかしながら，これらの（6）高い耐腐食性センサーにおいては温度変化等の環境擾乱の影（7）高い耐絶縁性響を受け易いという欠点のために，擾乱の除去近年，これらの性質を積極的に利用した光ないし補償の研究が干渉型光ファイバーセンファイバーセンサーの開発が盛んに進められるサーを実用化する上で重要課題となっている。とともに，遠隔計測や特殊環境下での計測が実本稿では，干渉型光ファイバーセンサーにお用化しつつある。また，光ファイバーは伝送路ける環境擾乱対策について焦点を絞り，干渉型としてだけでなく，光ファイバーをセンサー自光ファイバーセンサーに必要な偏波保持単一＊北海道大学工学部数物系共通講座（〒060札幌市北区北13条西8丁目）＊Department ofEng血er加g Science，Faculty ofEngineer㎞g，Hokaido University（Sapporo O60）一21一平成6年4月光ファイバーセンサーの環境擾乱対策（246） clad y モード光ファイバーについて概説するとともに，最近の研究成果から温度擾乱に無感な干渉 Udqレ y 型光ファイバーセンサーについて紹介する。 X 2、偏波保持単一モード光ファイバー単一モード光ファイバーでは，Fig．1の模式（a）図に示すように，ファイバー断面内で直交する core 方向に電界成分を持つ2つのモード1｛E｛1および HE㌔が縮退して伝搬光波を構成し，その偏光状態はこれらの直交固有モードの合成によって表わされる。完全に軸対称なファイバーでは， X（b） stress−producing sectlon Fig．2Polarization maintaining slngle−mode fibersラ elliptical−jacket fiber（a）and PANDA fiber （b）．これら2つのモード問に位相差は生ぜずファイバー伝搬光波の偏光状態は変化しない。しかしながら，実際の単一モード光ファイバーは製造過程で，構造に若干の非軸対称性が残存し，温度変化等の環境擾乱が加わると上記直交固有モード問に位相差が生じて伝搬光波の偏光状態が変動する5）。この偏光状態の変化はコヒーレ一致した直線偏光状態を保持することができる。代表的な偏波保持単一モード光ファイバーではファイバーのコアに非軸対称の残留応力分布を与え，これにより光弾性効果による複屈折を誘起するとともに伝搬定数差を与えている。こント光通信においては信号レベルの低下を招の伝搬定数差を大きくすれば偏波保持能力を向き6’7），干渉型光ファイバーセンサーにおいて上させることができる11・12）。Fig．2に楕円ジャは測定精度の劣化をもたらす8）。このような問ケット型とパンダ型偏波保持単一モード光ファ題に対する一つの解決策として，HE㌔モードイバーの断面構造を示す。図において，ファイとHE㌔モードの縮退を解くために各モードのバーの複屈折軸はxッ軸に一致している。これ伝搬定数盈および含の差を意図的に大きくし，らのファイバーでは，熱膨張係数が他の部分と偏波保持能力を持たせた偏波保持単一モード光異なる応力付与部を設けることによって，ファファイバーが開発された9’10）。このファイバーイバーの線引き段階で非軸対称な残留熱応力をでは，相当程度の環境擾乱に対しても電場の方向がファイバー断面に対しxあるいはy方向に発生させている。偏波保持単一モード光ファイバーの開発により，直線偏光の状態を保持する問題は解決され，このファイバーを用いた様々な干渉型光ファイバーセンサーが開発されてきた。しかしながら， ← ← ← HEl1 外的要因によって伝搬モードの位相は変化する ↑↑↑ ことに注意を要する。干渉型センサー構成の立場からみると，被測定量と被測定量以外による位相変化を分離することが困難で，被測定量以外の影響は位相検出の際に大きな誤差要因 HEイ1 F三g．1HE㌔and HE｛1modes．となる。一例として，Fig．3に偏波保持単一モード光ファイバーに擾乱としてランダムな機械的振動を与えて，ファイバー伝搬光波の位相揺らぎを一22一第22巻第4号（247）レーザー研究 θ＝0。 σ 翻器① Z Ω （a）を良 β 壬氏び誉l 捧axisl y−axis 崔・ o fiber （b） 4ms TIME→ ハ θ＝90？ Fig．3Phase fluctuations of eigen modes induced by Fig。4R．etardation depending on bent direct重on of a mechanical vibrations． length of fiber．測定した結果を示す13）。（a）と（b）はそれぞれ，バーでセンサーが構成できるという利点は失わ HE｛1モードとHE｛1モードの位相揺らぎを同時れるが，参照用のファイバーを用いて2本のファ測定した結果であり，各モードの位相は擾乱の偏波保持単一モード光ファイバーを用いて干渉イバーに共通な擾乱が与えられるようにセンサーを構成し，差動検出により擾乱の影響を相殺する手法も有効であり，これまで様々なセン型光ファイバーセンサーを実用化するためにはサーの提案がなされた26飼31）。影響により大きく変動している。したがって，擾乱による位相変動の影響を除去ないし補償す 4．温度擾乱除去効果を有する光ファイバーる方法の研究が重要となる。コイルセンサー 3．干渉型光ファイバーセンサー従来の基本的な光学干渉計の構成を単一モード光ファイバーおよび偏波保持単一モード光ファイバーにそのまま応用して，干渉型光ファ 4．1光ファイバーコイルセンサー偏波保持単一モード光ファイバーを曲げると，曲げによりファイバー断面内に複屈折が誘起され32），ファイバーを伝搬する直交固有モーイバーセンサーが実現できる3’4）。位相の高感ド間の位相差（リタデーション）は変化する。度・高精度検出には光ホモダインおよび光ヘテ Fig．4に一定の長さの偏波保持単一モード光ファイバーを曲げた場合の曲率の2乗とリタロダイン検出14’15）が利用される。光ファイバー独自の干渉計としても，2モード光ファイバーのモード問干渉16d8）や偏波保持単一モード光デーション変化の関係を示す33）。ここで，θ ファイバーの直交固有モード問の干渉19∼21）等変化は曲率の2乗に比例している。また，感度を利用した方式がある。これらの方式では干渉はファイバーの複屈折軸に対する曲げの方向θ 計に参照アームを必要とせず，一本のファイに依存しており，θ＝450で0となり，θ＝gooとバーで干渉計を構成することが可能である。 θ＝ooで感度は最大で互いに逆の符号を持つ。干渉型光ファイバーセンサーでは，擾乱によはκ軸に対する曲げの方向で，リタデーションファイバーコイルの断面図をFig．5に示す。る影響の解決策として，高い周波数成分の検出コイルは径方向にフレキシブルに変位できるも信号のみを測定対象として温度擾乱等の低周波成分の位相ドリフトを能動的22・23）あるいは受のとし，変位を4とする。リタデーション変化は曲率の2乗および曲げの加えられる部位の長動的2425）に補償する方法が提案されている。さに比例するため，次式で与えられる27’29）。また，直交固有モード間の干渉を利用した光ファイバーセンサーにおいて，一本のファイ一23一 α 2πα1〉 φ＝（R−4／2）22π（R｝4／2）N冨R−4／2（1）光ファイバーセンサーの環境擾乱対策（248）蚕丁 2R 」＿ ±d 蔓平成6年4月径方向可変のファイバーコイルを作製する。コ ””一一一榊一下τ イルの変形により融着部の前後では，2本のファ 2R−d イバーは互いに異なる複屈折軸の方向に曲げら 1 ＿＿＿＿＿工＿＿．れる。その結果，融着部の前後で共通に加わる擾乱の影響は相殺されるが，コイルの変位に F圭g。5Deformation of the fiber−coiL よって生じるリタデーション変化は融着部の前後で加算されることとなる。 splice dispiacement（d）奪聾1亙ここで，ファイバーコイルに変位4が加えられたときの2つの直交固有モード間のリタデーション変化について考える。ファイバーコイルの入射端から融着部までのリタデーション変化頼4）は 2πα1〉 φ綱＝全4／2＋蝉丁） 8 （2）で表わすことができる。ここで，脅は温度等の擾乱によって誘起される位相変動項である。融着部からファイバーコイルの出射端までは Fl9。6Fiber−coil a皿angement。曲げの方向が90。異なることを考慮して，リタここで，ノVはファイバーの巻数，Rはコイルのデーション変化ψ，（4）は半径，αはファイバー断面の形状や光弾性定数 2πθ1〉 φ・（4）＝一R−4／2鵬（△乃に依存するファイバー固有の定数を示す。式（1）の導出において，Fig5に示したように，2 （3）枚の板で挟まれたファイバーコイルは板とファで表わすことができる。イバーが接している部分では曲率ρ＝0，ファイバーが曲げられている部分ではρ＝R−4〆2 とした。式（1）より，ファイバーの巻数Nを増 2つの直交固有モードはFig．7で示したように，融着部の前後で互いに異なる複屈折軸に沿って伝搬する。ファイバーで生ずる全リタ加することおよびコイルの半径Rを小さくするデーション変化Φ（4）は式（2）と式（3）の差で表わことで感度を高められることがわかる。され， 4παノ〉 4．2 センサーの構成 Φ（4）＝R＿4／2 （4） Fig．4を参照して，偏波保持単一モード光ファイバーのx軸およびy軸方向に曲げた場合にリタとなる。ここで，融着部の前後で擾乱による影デーション変化の符号が逆になることを利用響はほぼ等しくし，擾乱除去効果を有する光ファイバーコイル変位センサーを構成することができる27・29）。脅（△T）∼ψ，（△T）（5） Fig，6にセンサーの構成図を示す。このセンサーとした。では，2本の長さの等しい偏波保持単一モードこのセンサーではファイバーコイル前後の光ファイバーを複屈折軸を90。回転して融着しリード部を，Fig．6に示したように複屈折軸をた一本のファイバーを用いる34）。融着部でファ揃えて密着させ，この部分ではファイバーの曲イバーを折り返し，2本を密着させ一体としてげによる影響も相殺されるようにして，コイル一24一第22巻第4号（249）レーザー研究 1 し L y （fastaxis）＼ X X y （sbw axis）1 FRONT FIBER （sl・w axis）、（fastaxis）■ REAR FIBER SPLICE Fig。7Schematic representation of orthogonal linearly polarized two modes gu童ded along a Iength of spliced fiber． PBS M LD AOM AOM PBS m M PFS λ／2 L DISPLACEMENT BS ⇔ PULSE A D2 STAGE 1 A DI i i l I L ゆ争 1i 虚 Fig．8Experimental set−up。部分のみに感度を局在化した。 4．3実験系注意すべきこととして，光学系に用いられる Fig．8に実験系を示す。半導体レーザーLDを光学素子やファイバー中では，直交固有モード出射した光波は，2組の偏光ビームスプリッター間で生ずるクロストークが原因となって，偏波 PBSおよび超音波変調器AOMで構成された直干渉光ファイバーセンサーの感度が劣化するこ交偏波周波数シフター13’26）PFSにより，異なるとである35・36）。しかしながら，このセンサー周波数を持った直交する直線偏光に変換されで用いた融着部を持つ1本のファイバーでは，る。これらの直交2周波を成分に持つ光波はビー Fig．7に示したように2つの直交固有モードの光ムスプリッターBSで2分割される。BSで反射路長が互いに等しくなるため，原理的にはインされた光波を半波長板λ／2の調整により，2成コヒーレント光源を用いることが可能で，不要分の偏波面をファイバーの複屈折軸xおよびy軸な干渉成分によって生ずるクロストークを低減に一致させて，ファイバーに入射させる。ファし，かつ感度の劣化を防ぐことができる。イバーを出射した2成分は検光子Aで合波され，一25一（250）光ファイバーセンサーの環境擾乱対策では，ほぼ理論式にしたがってリタデーション 3．0 ！ ∪ 田が変化している。9mm以上では測定値は理論ノ！ノ O 曲線と一致しなくなる。これは，変位が大きく o ’ O なるとコイルは楕円状に変形し，式（1）を得る／ O o cっ 2．O ’ o o 二平成6年4月過程でFig．5を参照して設けた条件が成立しな／o．ノo がくなるためである。 oノ 2： 9 〆ダをまた，4《Rの条件の下で式（6）は， ρ ．9 皇1・・ 9 2π召！〉ダ9ノρノ拝崔 Φ（4）一Φ（o）＝R24 σ （7）がノげ ρ’ α 刀となり，リタデーション変化は変位に比例する。 ’Dρ 0 5．0 10．O Fig．9において式（7）が成り立つと見なせる部分 DISPLACEMENT lmml での変位に対するリタデーション変化の感度は 1．6×102［deg／mmlである。また，コイル1巻当 Fig。9Retardation as a function of displacement．りで換算した感度は，3．2［deg／mm・tumlとなF 光ヘテロダイン検出により光検出器D2から2成分の差周波数を搬送周波数とするビート光電流を得る。また，BSを透過した光波はD1で参照る。低コヒーレンス光源を用いることによるクロストーク低減の効果を確認するために，コヒーレンス長の長いHe−Neレーザーを光源に用いて用ビ・一ト光電流を生ずる。得られた2つのビート光電流は位相計に入力される。ここで，D2 同一の実験を行い，可視半導体レーザーによるで得られたビート光電流の位相はファイバーをものと比較した。2つの場合について￠（4）一伝搬した直交2成分問の位相差を示し，位相計を用いてこれを検出することによりリタデー Φ（0）を直接ペンレコーダに出力した結果を ψ 山光源には低コヒーレンス光源として可視半導体レーザー（中心波長670nm，コヒーレンス長＜1mm）を用いた。作製した光ファイバーコイルの半径は2cm，コイルの全巻数は2ノ〉＝50である。ファイバーにはビート長0．8mmのパンダ型偏波保持単一モード光ファイバー用い，そ o 皇年崔一『口 1 1 5 8 5 監 1 1 1 1 1 8 一犀 8 1 一階 1 1 聖 1 1 8 o 1 1 1 1 雛塗電 1 8 1 匹葬 1 1 置 l I 1 匹 8 8 9 9 ロユヨドロイド 9注侵 ≦ 崔 1 I I 100 l I 1 8 1 酢8 1 1 酢 1 陰「 5 1 ［ 8 置， 1 1 置 1 1 』 1 ， 1 覧 1 6 璽 ‘− 1 1 8 匹 1 1 匹 1 口口置 9 倉 ‘ 8 0 肛 8 邑 5 1 8 8 1 8 1 9 ，躍口酢塵 8 1 1 1 1 1 1 o 口 1 5 8 1 監 1 I l 1 一 11．0 ￠（4）一Φ（0）罷 4 1 1 1 DISPLACEMENT lmml ら求めた理論式 4πα1〉， 1 1 『 1 1 と（4）の測定結果をFig．9に示す。破線は式（4）か 1 軍 1 監 11．0 o コイルの変位に対するリタデーション変化￠ 1 1 ψ 田 4．4 実験結果 1 1 100 11 口『ど 9旨の長さは融着部の前後で各5m，全長10mである。 1 1 1 1 8 ションが測定される。エロエゆロユレ DISPLACEMENT［mm】（6） R（2R−4）より得られた理論曲線を示す。変位9mm以下 Fig．10 Retardation output depend重ng on laser sources，Iaser diode （a） and He−Ne laser （b）．一26一第22巻第4号（251）レーザー研究 lDEq 1◎q 100 200 卜 100 z 髪 80 → ＼、1 9 m ζ で m 60 刀＞ → 建畠 o 痒 ⊂F 刀嵜 40 m 一100 噛一200 一『剛（a）噂一一一｝一一一一一一一一鞠一一一一一＿＿＿＿幽騨一 20 5min TIME一 Fig。111mmunity from temperature disturbances． Fig．10（a），（b）にそれぞれ示す。この結果から，有することが確認された。低コヒーレンス光源を用いることにより，クロストークによる非線形誤差35・36）が除去される 5．おわりにことが確認された。干渉型光ファイバーセンサーの実用的な開発センサーの温度擾乱除去効果を確認するための見地から，偏波保持単一モード光ファイバーに，1本の偏波保持単一モード光ファイバーを用いて同一形状の擾乱除去効果を持たない参照用光ファイバーコイル変位センサーを作製し，について概説するとともに，偏波保持単一モー渉型光ファイバーコイルセンサーについて詳し 2つのコイルセンサーを水に浸し，水温の変化い説明を行った。ド光ファイバーを利用した温度擾乱に無感な干に対するセンサーの出力を同時測定した。参照高感度かつ高精度センシングが可能な干渉型用センサーではx軸とy軸間の光路長差が可視半光ファイバーセンサーを実用化するためには，導体レーザーのコヒーレンス長を越えるため，温度変化等の環境擾乱の除去あるいは補償する光源にHe−Neレーザーを用いた。測定結果を方法・手段の開発が重要であり，ここで紹介し F三g．11に示す。破線は熱電対によって測定したた干渉型光ファイバーセンサーは環境擾乱に対水温の変化である。また，実線（a），（b）はそれする有効な解決策のひとつである。ぞれ，擾乱除去効果を有するセンサーおよび擾参考文献乱除去効果を持たないセンサーで測定した水温に対するリタデーション変化を示す。実線（b） 1）T．G．Giallorenzi et，aL：IEEE J．Quantum はわずかな温度変化に対してもリタデーション Electron、QE−18（1982）626。が大きく変化し，位相計の特性のため位相出力は360［deglの整数倍で折り返されている。温度変化に対する2つのセンサー出力の感度はそれぞれ，（a）：1．0［deg／℃】および（b）：L1×102［deg／ Oqであり，（a）は（b）に対し1／100以下である。この結果から，ここで試作した光ファイバーコイル変位センサーは良好な温度擾乱除去効果を 2）B。E．Jones：」。Phys．E：Sci．Instrum．18（1985） 770． 3）D．A．Jackson and J．D。C。Jo血es：Opt。Acta 33（1986）1469。 4）大塚喜弘：応用物理56（1987）702． 5）G．Garlichs：Electron．Lett。17（1981）894。 6）波平宣敬，工藤正昭，虫明康人：信学論（C） 63−C（1977）391。 7）R．Ulrich：AppL Phys，Lett．35（1979）840。一27一（252）光ファイバーセンサーの環境擾乱対策平成6年4月 8）D。W．Stowe，D．R。Moore，and R G。Priest： 23）保立和夫，佐下橋市太郎，丹羽登：信学技法 IEEE J。Quantum Electron．QE−18（1982）王644． OQE82−57（1982）1。 24）K．P。Koo，A．B．Teveten and A。Dandridge： 9）T．Okoshi：IEEE J．Quantum Electron．QE−17 （1981）879。 10）J。Noda，K Okamoto，and Y，Sakai：J．Light− wave TechnoL LT−4（1986）1071． 11）P，H．Krawarik and L 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