JP2020148606A - Multiple core optical fiber sensing system - Google Patents

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Abstract

To easily measure a curvature direction and curvature amount without using devices such as switch.SOLUTION: A multiple core optical fiber sensing system 10 comprises: a multiple core optical fiber 12; a diffraction grating 14 produced on each core 36 and having the same reflection wavelength with each other when the optical fiber is not bent; a laser source 16 (light source) generating intensity-modulated light; a splitting/combining element 18 splitting light to each core 36 and combining return light from the diffraction grating 14; a circulator 22 where light from the light source transmits through the splitting/combining element 18 and the return light transmits through another port; an intensity modulator 24 modulating the return light transmitting through the circulator 22; a signal generator 26 controlling the light source and modulation frequency of the intensity modulator 24; a photodetector 28 receiving the return light transmitting through the intensity modulator 24; and a control part 32 controlling the signal generator 26 and processing a signal from the photodetector 28. Optical paths from the light source to each core 36 are different.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、マルチコア光ファイバセンシングシステムに関する。 The present invention relates to a multi-core optical fiber sensing system.

光ファイバの曲げの量と方向を同時に測定する手法として、マルチコア光ファイバを利用した手法が提案されている。その一例として、例えば、マルチコア光ファイバに分布型ブリルアン計測を適用した手法が開示されている(特許文献1参照)。光ファイバに曲げが加わると各コアで異なる歪みが加わることから、ブリルアン散乱光の周波数の変化に違いが生じる。この周波数の違いから、曲げの方向と量を算出している。 As a method for simultaneously measuring the amount and direction of bending of an optical fiber, a method using a multi-core optical fiber has been proposed. As an example thereof, for example, a method in which distributed Brillouin measurement is applied to a multi-core optical fiber is disclosed (see Patent Document 1). When the optical fiber is bent, different distortions are applied to each core, which causes a difference in the frequency change of the Brillouin scattered light. The bending direction and amount are calculated from this difference in frequency.

特開2016−102691号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-102691

しかしながら、上記した従来例のように、マルチコア光ファイバとブリルアン散乱を利用する手法では、一般にブリルアン散乱を利用した計測の空間分解能が数m程度であることから、測定分解能が制限される。更に、高空間分解能を得るためには、極めて複雑な制御機構が必要となる。 However, in the method using the multi-core optical fiber and Brillouin scattering as in the above-mentioned conventional example, the measurement resolution is limited because the spatial resolution of the measurement using Brillouin scattering is generally about several meters. Further, in order to obtain high spatial resolution, an extremely complicated control mechanism is required.

また、曲げが加わっていないときの反射波長が同じ回折格子を使う場合、従来手法では、光源とマルチコア光ファイバの各コアとを結ぶ光路を光スイッチ等の使用で切替えることにより、各回折格子を識別していたが、スイッチの利用はシステム構成を複雑にする。 When using diffraction gratings with the same reflection wavelength when no bending is applied, in the conventional method, each diffraction grating is switched by using an optical switch or the like to switch the optical path connecting the light source and each core of the multi-core optical fiber. As identified, the use of switches complicates the system configuration.

曲げが加わっていないときの反射波長が異なる回折格子を使う場合は、広帯域な光源を利用すると共に、マルチコア光ファイバにかきこまれた全ての回折格子からの反射光スペクトルを一括測定することが可能であり、切替のスイッチは不要になるが、マルチコア光ファイバの各コアに異なる回折格子を作製するのは、各コアで同じ回折格子を作製するのに比べて難しい。 When using diffraction gratings with different reflection wavelengths when no bending is applied, it is possible to use a wide band light source and collectively measure the reflected light spectra from all the diffraction gratings drawn into the multi-core optical fiber. Therefore, a changeover switch is not required, but it is more difficult to make a different diffraction grating for each core of the multi-core optical fiber than to make the same diffraction grating for each core.

本発明は、曲げが加わっていないときに同じ反射波長をもつ回折格子が作製されたマルチコア光ファイバを用いた構成において、スイッチ等のデバイスを用いることなく、簡単に曲げの方向と曲げの量を測定できるようにすることを目的とする。 According to the present invention, in a configuration using a multi-core optical fiber in which a diffraction grating having the same reflection wavelength is produced when bending is not applied, the bending direction and the amount of bending can be easily determined without using a device such as a switch. The purpose is to be able to measure.

第1の態様に係るマルチコア光ファイバセンシングシステムは、複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、各々の前記コアに作製され、前記マルチコア光ファイバに曲げが加わっていないときに互いに同じ反射波長を持つ回折格子と、変調信号により強度変調された光を発生する光源と、前記光源からの光を各々の前記コアに分岐させると共に、前記回折格子で反射されて戻ってきた光を合波する分岐・合波素子と、前記光源からの光を前記分岐・合波素子に通すと共に、前記回折格子で反射された前記分岐・合波素子からの戻り光を別のポートに通すサーキュレータと、前記サーキュレータから出てきた戻り光を変調する強度変調器と、前記光源の変調周波数を制御すると共に前記強度変調器の変調周波数を制御する信号発生器と、前記強度変調器通過後の戻り光を受光し、強度相関信号を出力する光検出器と、前記信号発生器の制御、及び前記光検出器からの信号処理を行う制御部と、を有し、前記光源から各々の前記コアまでの光路長が互いに異なる。 The multi-core optical fiber sensing system according to the first aspect is a multi-core optical fiber having a plurality of cores and diffraction having the same reflection wavelength as each other when the multi-core optical fiber is manufactured in each of the cores and the multi-core optical fiber is not bent. A lattice, a light source that generates light intensity-modulated by a modulation signal, and branching / combining the light from the light source are branched into the respective cores, and the light reflected by the diffraction lattice and returned is combined. A circulator that passes the light from the wave element and the light source through the branch / combine element, and passes the return light from the branch / combine element reflected by the diffraction lattice to another port, and outputs from the circulator. An intensity modulator that modulates the incoming return light, a signal generator that controls the modulation frequency of the light source and also controls the modulation frequency of the intensity modulator, and a signal generator that receives the return light after passing through the intensity modulator and intensifies it. It has an optical detector that outputs a correlation signal, a control unit that controls the signal generator, and a control unit that performs signal processing from the optical detector, and the optical path lengths from the light source to each core are different from each other. ..

第2の態様に係るマルチコア光ファイバセンシングシステムは、複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、各々の前記コアに作製され、前記マルチコア光ファイバに曲げが加わっていないときに互いに同じ反射波長を持つ回折格子と、互いに異なる波長の光であって変調信号により互いに同一の周波数で強度変調された光を発生する第1光源及び第2光源と、前記第1光源及び前記第2光源の変調周波数を制御する信号発生器と、前記第1光源からの光を各々の前記コアに分岐させると共に、前記回折格子で反射されて戻ってきた光を合波する分岐・合波素子と、前記第1光源からの光を前記分岐・合波素子に通すと共に、前記分岐・合波素子からの戻り光を別のポートに通すサーキュレータと、前記回折格子で反射され前記サーキュレータから出てきた戻り光と、前記第2光源からの光を合波する合波器と、前記合波器からの光を受光し、二光子吸収応答により強度相関信号を出力する光検出器と、前記信号発生器の制御及び前記光検出器からの信号処理を行う制御部と、を有し、前記第1光源から各々の前記コアまでの光路長が互いに異なる。 The multi-core optical fiber sensing system according to the second aspect is a multi-core optical fiber having a plurality of cores and diffraction having the same reflection wavelength as each other when the multi-core optical fiber is manufactured in each of the cores and the multi-core optical fiber is not bent. Controls the lattice, the first light source and the second light source that generate light having different wavelengths and intensity-modulated at the same frequency by the modulation signal, and the modulation frequencies of the first light source and the second light source. From the signal generator, the branching / combining element that branches the light from the first light source to each of the cores, and combines the light reflected and returned by the diffraction grid, and the first light source. A circulator that passes the light from the branch / combine element through the branch / combine element and a return light from the branch / combine element through another port, a return light that is reflected by the diffraction grid and comes out of the circulator, and the first A combiner that combines light from two light sources, an optical detector that receives light from the combiner and outputs an intensity correlation signal by a two-photon absorption response, control of the signal generator, and the light. It has a control unit that processes signals from a detector, and the optical path lengths from the first light source to each core are different from each other.

第1の態様及び第2の態様に係るマルチコア光ファイバセンシングシステムでは、変調周波数を一定の周波数間隔で離散的に掃引する。一連の変調周波数と検出信号のデータペア一式に対し、フーリエ変換を用いた信号処理を行うと、各コアにかかれた回折格子に対応したフーリエスペクトルのピークが得られる。このピークの位置の違いは、分岐・合波素子での伝搬光路長の違いによるものであり、これによって異なる回折格子からの反射光を識別できる。この操作をファイバ回折格子に入射する光の波長を変えて繰返し行うことにより、各回折格子からの反射スペクトルを計測できる。 In the multi-core optical fiber sensing system according to the first aspect and the second aspect, the modulation frequencies are discretely swept at regular frequency intervals. When signal processing using a Fourier transform is performed on a set of data pairs of a series of modulation frequencies and detection signals, a peak of the Fourier spectrum corresponding to the diffraction grating drawn on each core can be obtained. This difference in the position of the peak is due to the difference in the propagating optical path length in the branching / combining element, which makes it possible to identify the reflected light from different diffraction gratings. By repeating this operation while changing the wavelength of the light incident on the fiber diffraction grating, the reflection spectrum from each diffraction grating can be measured.

また、内視鏡等の比較的小さなものでも、また橋梁等の大型構造物でも、マルチコア光ファイバを貼り付けたり、埋め込んだりすることで、曲げの量と方向を観測可能にする。 In addition, the amount and direction of bending can be observed by attaching or embedding a multi-core optical fiber even in a relatively small object such as an endoscope or a large structure such as a bridge.

第3の態様は、第1の態様又は第2の態様において、光速をcとし、屈折率をnとし、光源から前記回折格子までの往復距離をLとし、前記変調周波数を掃引したときに周期的に変化する強度相関信号の周期をFとしたとき、次式 In the third aspect, in the first aspect or the second aspect, the speed of light is c, the refractive index is n, the reciprocating distance from the light source to the diffraction grating is L, and the period when the modulation frequency is swept. When the period of the intensity correlation signal that changes in a positive manner is Fr ,


を満たす周期Fの1/2よりも広い周波数間隔Fで前記変調信号の前記変調周波数を掃引したときに周期的に変化する強度相関信号の周期Fに基づいて、次式

Based on the period F g of the intensity correlation signal that changes periodically when the modulation frequency of the modulated signal is swept at a frequency interval F s wider than 1/2 of the period F r that satisfies the following equation:


により、測定対象までの往復距離Lを算出する。

The round-trip distance L to the measurement target is calculated accordingly.

但し、mは、F/2<F<mF又はmF<Fを満たし、且つ、|1/F−m/F|を最小値とする自然数である。 However, m is a natural number that satisfies F r / 2 <F s <mF r or mF r <F s and has | 1 / F r −m / F s | as the minimum value.

このマルチコア光ファイバセンシングシステムでは、変調周波数を掃引する際に、周波数間隔を細かくすることなく、広い周波数間隔Fで変調周波数を掃引したときの強度相関信号の周期Fから測定対象までの距離を測定することができるため、測定時間を短縮することができる。 In this multi-core optical fiber sensing system, when sweeping the modulation frequency, the distance from the period F g of the intensity correlation signal when the modulation frequency is swept over a wide frequency interval F s to the measurement target without making the frequency interval fine. Since it is possible to measure the frequency, the measurement time can be shortened.

第4の態様は、第1〜第3の態様の何れか1態様に係るマルチコア光ファイバセンシングシステムにおいて、前記光検出器の高域カットオフ周波数が、前記変調信号の前記変調周波数よりも低い。 In the fourth aspect, in the multi-core optical fiber sensing system according to any one of the first to third aspects, the high cutoff frequency of the photodetector is lower than the modulation frequency of the modulation signal.

このマルチコア光ファイバセンシングシステムでは、光検出器の出力信号に別途信号処理を施すことを要せず、簡素な構成で強度相関信号を検出することができる。 In this multi-core optical fiber sensing system, it is not necessary to separately process the output signal of the photodetector, and the intensity correlation signal can be detected with a simple configuration.

本発明に係るマルチコア光ファイバセンシングシステムによれば、曲げが加わっていないときに同じ反射波長をもつ回折格子が作製されたマルチコア光ファイバを用いた構成において、スイッチ等のデバイスを用いることなく、簡単に曲げの方向と曲げの量を測定できる。 According to the multi-core optical fiber sensing system according to the present invention, in a configuration using a multi-core optical fiber in which a diffraction grating having the same reflection wavelength is produced when no bending is applied, it is easy without using a device such as a switch. The direction of bending and the amount of bending can be measured.

(A)は、第1実施形態に係るマルチコア光ファイバセンシングシステムの構成を模式的に示す図である。(B)は、マルチコア光ファイバに作製された回折格子を模式的に示す図である。(A) is a figure which shows typically the structure of the multi-core optical fiber sensing system which concerns on 1st Embodiment. (B) is a diagram schematically showing a diffraction grating made on a multi-core optical fiber. 第2実施形態に係るマルチコア光ファイバセンシングシステムの構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the multi-core optical fiber sensing system which concerns on 2nd Embodiment. (A)は、マルチコア光ファイバにおける回折格子の部分に曲げが加わっていないときの状態を模式的に示す図である。(B)は、回折格子で反射された戻り光のスペクトルを示す線図である。FIG. (A) is a diagram schematically showing a state when a portion of a diffraction grating in a multi-core optical fiber is not bent. (B) is a diagram showing the spectrum of the return light reflected by the diffraction grating. (A)は、マルチコア光ファイバにおける回折格子の部分に曲げが加わっているときの状態を模式的に示す図である。(B)は、回折格子で反射された戻り光のスペクトルを示す線図である。(A) is a diagram schematically showing a state when a bending is applied to a portion of a diffraction grating in a multi-core optical fiber. (B) is a diagram showing the spectrum of the return light reflected by the diffraction grating. 第3実施形態に係るマルチコア光ファイバセンシングシステムの構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the multi-core optical fiber sensing system which concerns on 3rd Embodiment. 十分に小さな周波数間隔で変調周波数を掃引したときに周期的に変化する強度相関信号を示す図である。It is a figure which shows the intensity correlation signal which changes periodically when the modulation frequency is swept at a sufficiently small frequency interval. マルチコア光ファイバの内部構造の一例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows an example of the internal structure of a multi-core optical fiber. マルチコア光ファイバに曲げが加わっていないときの反射スペクトルの計測結果を示す線図である。It is a diagram which shows the measurement result of the reflection spectrum when the multi-core optical fiber is not bent. マルチコア光ファイバに左方向(反時計回り)に曲げ半径3cmの曲げが加わっているときの反射スペクトルを示す線図である。It is a diagram which shows the reflection spectrum when bending with a bending radius of 3cm is applied to the multi-core optical fiber in the left direction (counterclockwise). マルチコア光ファイバに右方向(時計回り)に曲げ半径3cmの曲げが加わっているときの反射スペクトルを示す線図である。It is a diagram which shows the reflection spectrum when bending with a bending radius of 3cm is applied to the multi-core optical fiber in the right direction (clockwise). マルチコア光ファイバにおける回折格子の反射スペクトルと曲げ半径の逆数との関係を示す線図である。It is a diagram which shows the relationship between the reflection spectrum of a diffraction grating and the reciprocal of a bending radius in a multi-core optical fiber.

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1実施形態]
図1において、本実施形態に係るマルチコア光ファイバセンシングシステム10は、マルチコア光ファイバ12と、回折格子14と、光源の一例としてのレーザ光源16と、分岐・合波素子18と、サーキュレータ22と、強度変調器24と、信号発生器26と、光検出器28と、制御部32と、を有する。
[First Embodiment]
In FIG. 1, the multi-core optical fiber sensing system 10 according to the present embodiment includes a multi-core optical fiber 12, a diffraction grating 14, a laser light source 16 as an example of a light source, a branch / combiner element 18, a circulator 22, and a circulator 22. It has an intensity modulator 24, a signal generator 26, a photodetector 28, and a control unit 32.

マルチコア光ファイバ12は、1つのクラッド34の中に複数のコア36を有する光ファイバであり(図1(B))、分岐・合波素子18のレーザ光源16より遠い側に接続されている。1つのクラッド34におけるコア36の数は、例えば2〜7本である。 The multi-core optical fiber 12 is an optical fiber having a plurality of cores 36 in one clad 34 (FIG. 1 (B)), and is connected to a side of the branching / merging element 18 farther from the laser light source 16. The number of cores 36 in one clad 34 is, for example, 2 to 7.

図1(B)において、回折格子14は、各々のコア36に作製され、マルチコア光ファイバ12に曲げが加わっていないときに互いに同じ反射波長を持つ光ファイバ回折格子(FBG:Fiber Bragg Grating)である。この回折格子14は、1つのコア36に複数作製されており、分岐・合波素子18側から順に反射点R,R,・・・,Rを構成する。 In FIG. 1B, the diffraction grating 14 is an optical fiber diffraction grating (FBG: Fiber Bragg Grating) formed in each core 36 and having the same reflection wavelength as each other when the multi-core optical fiber 12 is not bent. is there. The diffraction grating 14 has a plurality of fabricated in a single core 36, the reflection point R 1 from the branch-multiplexing element 18 side in this order, R 2, · · ·, constituting R N.

レーザ光源16は、変調信号により強度変調された光、例えばレーザ光を発生する装置である。レーザ光源16には、例えばレーザダイオードが用いられている。 The laser light source 16 is a device that generates light whose intensity is modulated by a modulation signal, for example, laser light. For example, a laser diode is used as the laser light source 16.

分岐・合波素子18は、レーザ光源16からの光を各々のコア36に分岐させると共に、回折格子14で反射されて戻ってきた光を合波する光デバイスである。分岐・合波素子18は、各々のコア36に接続される複数の光路46を有している。 The branching / combining element 18 is an optical device that branches the light from the laser light source 16 into each core 36 and combines the light reflected by the diffraction grating 14 and returned. The branching / combining element 18 has a plurality of optical paths 46 connected to each core 36.

サーキュレータ22は、レーザ光源16からの光を分岐・合波素子18に通すと共に、回折格子14で反射された分岐・合波素子18からの戻り光を別のポートに通す光デバイスである。サーキュレータ22の第1ポートとレーザ光源16とは、光ファイバ41により接続されている。サーキュレータ22の第2ポートと分岐・合波素子18とは、光ファイバ42により接続されている。サーキュレータ22の第3ポートと強度変調器24とは、光ファイバ43により接続されている。 The circulator 22 is an optical device that passes the light from the laser light source 16 through the branching / combining element 18 and the return light from the branching / combining element 18 reflected by the diffraction grating 14 through another port. The first port of the circulator 22 and the laser light source 16 are connected by an optical fiber 41. The second port of the circulator 22 and the branching / combining element 18 are connected by an optical fiber 42. The third port of the circulator 22 and the intensity modulator 24 are connected by an optical fiber 43.

これにより、レーザ光源16からの光は、光ファイバ41を通じて第1ポートからサーキュレータ22に入り、第2ポートから光ファイバ42を通じて分岐・合波素子18へ進む。また、分岐・合波素子18からの戻り光は、第2ポートからサーキュレータ22に入り、第3ポートから光ファイバ43を通じて強度変調器24へ進む。 As a result, the light from the laser light source 16 enters the circulator 22 from the first port through the optical fiber 41, and travels from the second port to the branching / combining element 18 through the optical fiber 42. Further, the return light from the branching / combining element 18 enters the circulator 22 from the second port and travels from the third port to the intensity modulator 24 through the optical fiber 43.

強度変調器24は、サーキュレータ22から出てきた戻り光を変調する光デバイスである。信号発生器26は、レーザ光源16の変調周波数を制御すると共に、強度変調器24の変調周波数を制御するデバイスである。 The intensity modulator 24 is an optical device that modulates the return light emitted from the circulator 22. The signal generator 26 is a device that controls the modulation frequency of the laser light source 16 and also controls the modulation frequency of the intensity modulator 24.

光検出器28は、強度変調器24通過後の戻り光を受光し、強度相関信号を出力するデバイスである。光検出器28の高域カットオフ周波数は、変調信号の変調周波数よりも低く設定されている。光検出器28の具体例については、後述する第3実施形態で説明する。強度変調されたレーザ光は、マルチコア光ファイバ12の回折格子14で反射して戻ってきた後、強度変調器24により最初の強度変調と同じ周波数で再度強度変調され、それが、高域カットオフ周波数が変調周波数よりも低く設定された光検出器28で受光される。このため、光検出器28が強度相関信号を出力することができる。ここで、「強度相関信号」は、強度変調器24での強度変調信号と、戻ってきた光信号との間の強度相関に比例した信号をいう。 The photodetector 28 is a device that receives the return light after passing through the intensity modulator 24 and outputs an intensity correlation signal. The high cutoff frequency of the photodetector 28 is set lower than the modulation frequency of the modulated signal. A specific example of the photodetector 28 will be described in the third embodiment described later. The intensity-modulated laser light is reflected by the diffraction grid 14 of the multi-core optical fiber 12 and returned, and then intensity-modulated again by the intensity modulator 24 at the same frequency as the first intensity modulation, which is a high-frequency cutoff. The light is received by the optical detector 28 whose frequency is set lower than the modulation frequency. Therefore, the photodetector 28 can output the intensity correlation signal. Here, the "intensity correlation signal" refers to a signal proportional to the intensity correlation between the intensity modulation signal in the intensity modulator 24 and the returned optical signal.

制御部32は、信号発生器26の制御、及び光検出器28からの信号処理を行う、例えばパソコンである。 The control unit 32 is, for example, a personal computer that controls the signal generator 26 and processes the signal from the photodetector 28.

レーザ光源16から各々のコア36までの光路長は、互いに異なっている。光路長とは、レーザ光源16から、分岐・合波素子18における光路46と各コア36との接続点までの長さであり、光が伝搬する媒質の長さと媒質の屈折率との積である。光路長を変化させる構成の具体例については、後述する第3実施形態で説明する。 The optical path lengths from the laser light source 16 to each core 36 are different from each other. The optical path length is the length from the laser light source 16 to the connection point between the optical path 46 and each core 36 in the branching / combining element 18, and is the product of the length of the medium through which light propagates and the refractive index of the medium. is there. A specific example of the configuration for changing the optical path length will be described in the third embodiment described later.

ここで、本実施形態では、同じ反射波長の回折格子14が作製されたマルチコア光ファイバ12からの反射光(戻り光)に対して、参照光との強度相関測定を利用することにより、反射スペクトルを測定し、曲げの量と方向を算出する。 Here, in the present embodiment, the reflected light (return light) from the multi-core optical fiber 12 in which the diffraction grating 14 having the same reflected wavelength is produced is subjected to the reflection spectrum by using the intensity correlation measurement with the reference light. To calculate the amount and direction of bending.

同じ反射波長の回折格子14が作製されたマルチコア光ファイバ12からの各コア361,362,363の反射スペクトルは、図3(A),(B)に示されるように、光ファイバに曲げがない場合は重なっている。図4(A),(B)に示されるように、光ファイバに曲げが加わると、曲げの内側のコア361の回折格子14からの反射波長は短波長側に、曲げの外側のコア363の回折格子14からの反射波長は長波長側にシフトする。波長シフトはいずれの場合も、曲げ半径の逆数に比例し、その比例係数は、曲げ半径の中心からコア36までの距離によって決まる。 The reflection spectra of each core 361, 362, 363 from the multi-core optical fiber 12 in which the diffraction grating 14 having the same reflection wavelength is produced are not bent in the optical fiber as shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B). The cases overlap. As shown in FIGS. 4A and 4B, when bending is applied to the optical fiber, the wavelength reflected from the diffraction grating 14 of the core 361 inside the bending is on the short wavelength side, and the core 363 on the outside of the bending. The wavelength reflected from the diffraction grating 14 shifts to the longer wavelength side. In each case, the wavelength shift is proportional to the reciprocal of the bending radius, and its proportionality coefficient is determined by the distance from the center of the bending radius to the core 36.

重なった反射スペクトルを分離するために、本実施形態は、レーザ光源16から各コア36までの光路長が異なるような構成としている。これにより、強度相関測定において、異なる位置からの反射光によるフーリエスペクトルが異なる位置に現れるようにする。光ファイバに曲げが加わっているときだけでなく、曲げが加わっていないときでも、フーリエスペクトルが異なる位置に現れるようにする。これにより、各スペクトルを分離して測定可能となっている。 In order to separate the overlapping reflection spectra, the present embodiment is configured such that the optical path lengths from the laser light source 16 to each core 36 are different. As a result, in the intensity correlation measurement, the Fourier spectra of the reflected light from different positions appear at different positions. Make the Fourier spectrum appear at different positions not only when the optical fiber is bent but also when it is not bent. This makes it possible to measure each spectrum separately.

[第2実施形態]
図2において、本実施形態に係るマルチコア光ファイバセンシングシステム20は、マルチコア光ファイバ12と、回折格子14と、第1光源の一例としての第1レーザ光源51及び第2光源の一例としての第2レーザ光源52と、信号発生器26と、分岐・合波素子18と、サーキュレータ22と、合波器54と、信号発生器26と、光検出器28と、制御部32と、を有する。
[Second Embodiment]
In FIG. 2, the multi-core optical fiber sensing system 20 according to the present embodiment includes a multi-core optical fiber 12, a diffraction grating 14, a first laser light source 51 as an example of a first light source, and a second light source as an example of a second light source. It has a laser light source 52, a signal generator 26, a branch / combine element 18, a circulator 22, a combiner 54, a signal generator 26, an optical detector 28, and a control unit 32.

第1レーザ光源51及び第2レーザ光源52は、互いに異なる波長の光であって互いに同一の周波数で強度変調された光を発生する。第1レーザ光源51から発生するレーザ光はプローブ光であり、第2レーザ光源52から発生するレーザ光は参照光である。第1レーザ光源51及び第2レーザ光源52には、それぞれ例えばレーザダイオードが用いられている。信号発生器26は、第1レーザ光源51及び第2レーザ光源52の変調周波数を制御するデバイスである。 The first laser light source 51 and the second laser light source 52 generate light having different wavelengths and intensity-modulated at the same frequency. The laser light generated from the first laser light source 51 is a probe light, and the laser light generated from the second laser light source 52 is a reference light. For example, a laser diode is used for the first laser light source 51 and the second laser light source 52, respectively. The signal generator 26 is a device that controls the modulation frequencies of the first laser light source 51 and the second laser light source 52.

合波器54は、回折格子14で反射されサーキュレータ22から出てきた戻り光と、第2レーザ光源52からの光を合波する光デバイスである。サーキュレータ22の第3ポートと合波器54とは、光ファイバ43により接続されている。第2レーザ光源52と合波器54とは、光ファイバ53により接続されている。 The combiner 54 is an optical device that combines the return light reflected by the diffraction grating 14 and emitted from the circulator 22 with the light from the second laser light source 52. The third port of the circulator 22 and the combiner 54 are connected by an optical fiber 43. The second laser light source 52 and the combiner 54 are connected by an optical fiber 53.

光検出器58は、合波器54からの光を受光し、二光子吸収応答により強度相関信号を出力する光デバイスである。合波器54と光検出器58とは、光ファイバ44により接続されている。光検出器58の具体例については、後述する第3実施形態で説明する。 The photodetector 58 is an optical device that receives light from the combiner 54 and outputs an intensity correlation signal by a two-photon absorption response. The combiner 54 and the photodetector 58 are connected by an optical fiber 44. A specific example of the photodetector 58 will be described in the third embodiment described later.

制御部32は、信号発生器26の制御及び光検出器58からの信号処理を行う、例えばパソコンである。 The control unit 32 is, for example, a personal computer that controls the signal generator 26 and processes the signal from the photodetector 58.

他の部分については、第1実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。 Since the other parts are the same as those in the first embodiment, the same parts are designated by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.

[第3実施形態]
図4において、本実施形態に係るマルチコア光ファイバセンシングシステム30は、第2実施形態の具体例であり、第1レーザ光源51及び第2レーザ光源52を変調するための強度変調器61,62を有している。強度変調器61,62には、信号発生器26から変調周波数fが入力される。
[Third Embodiment]
In FIG. 4, the multi-core optical fiber sensing system 30 according to the present embodiment is a specific example of the second embodiment, and the intensity modulators 61 and 62 for modulating the first laser light source 51 and the second laser light source 52 are provided. Have. The intensity modulator 61, the modulation frequency f m is inputted from the signal generator 26.

第1レーザ光源51及び第2レーザ光源52は、互いに異なる波長の光であって互いに同一の周波数(例えば1.5μm帯)で強度変調された光を発生する。 The first laser light source 51 and the second laser light source 52 generate light having different wavelengths and intensity-modulated at the same frequency (for example, 1.5 μm band).

強度変調器61とサーキュレータ22との間には、光ファイバ増幅器71(IM:Intensity Moduration)が設けられている。また、合波器54と光検出器58の間には、光ファイバ増幅器72が設けられている。光ファイバ増幅器71,72は、EDFA(エルビウムドープ光ファイバ増幅器)である。 An optical fiber amplifier 71 (IM: Intensity Moduration) is provided between the intensity modulator 61 and the circulator 22. An optical fiber amplifier 72 is provided between the combiner 54 and the photodetector 58. The optical fiber amplifiers 71 and 72 are EDFAs (erbium-doped optical fiber amplifiers).

光ファイバ増幅器72と光検出器58の間には、レンズ56が設けられている。光検出器58と制御部32の間には、ロックインアンプ60が設けられている。ロックインアンプ60には、信号発生器64によりロックイン周波数fが入力されるようになっている。第1レーザ光源51にも信号発生器64からの信号が入力され、第1レーザ光源51から発生するレーザ光(プローブ光)が同期検波用に変調信号のロックイン周波数fで強度変調されるようになっている。 A lens 56 is provided between the optical fiber amplifier 72 and the photodetector 58. A lock-in amplifier 60 is provided between the photodetector 58 and the control unit 32. The lock-in amplifier 60, so that the lock-in frequency f l is inputted by the signal generator 64. Signal from the signal generator 64 to the first laser light source 51 is input, is intensity modulated by the lock-in frequency f l of the laser light generated from the first laser light source 51 (probe light) modulated signal for synchronous detection It has become like.

光検出器58は、例えばSi−APD(Siアバランシェフォトディテクタ)であり、第1実施形態及び第2実施形態における光検出器28に相当する。光検出器58の高域カットオフ周波数は、信号発生器26から強度変調器61,62に入力される変調信号の変調周波数fよりも低く設定されている。本実施形態では、光検出器58のカットオフ周波数に比べ、変調周波数fを十分高くする一方、ロックイン周波数fを十分低くする。 The photodetector 58 is, for example, a Si-APD (Si avalanche photodetector) and corresponds to the photodetector 28 in the first and second embodiments. High frequency cut-off frequency of the photodetector 58 is set to be lower than the modulation frequency f m of the modulation signal input from the signal generator 26 to the intensity modulator 61. In the present embodiment, compared to the cut-off frequency of the photodetector 58, while sufficiently high modulation frequency f m, is sufficiently low lock-in frequency f l.

本実施形態では、マルチコア光ファイバ12が7本のコア36を有している。これに対応して、分岐・合波素子18における光路46も、7本の光路46A〜48Gを有している。光路46A〜48Gの長さ(伝搬長)は、例えば順に1mずつ長く設定されており、光路48Gは光路46Aより6m長い。 In this embodiment, the multi-core optical fiber 12 has seven cores 36. Correspondingly, the optical path 46 in the branching / combining element 18 also has seven optical paths 46A to 48G. The lengths (propagation lengths) of the optical paths 46A to 48G are set to be longer by, for example, 1 m in order, and the optical paths 48G are 6 m longer than the optical paths 46A.

第1レーザ光源51から出力され、回折格子14で反射されたプローブ光は、合波器54で第2レーザ光源52からの参照光と合波され、光ファイバ増幅器72で増幅された後、レンズ56により光検出器58に集光される。 The probe light output from the first laser light source 51 and reflected by the diffraction grating 14 is combined with the reference light from the second laser light source 52 by the combiner 54, amplified by the optical fiber amplifier 72, and then the lens. The light is focused on the light detector 58 by 56.

ここで、j(j=1〜N)番目の反射点Rで反射するプローブ光の伝搬距離をLp,j、当該プローブ光の光検出器58の受光面における実電界振幅をEp,j、参照光の伝搬距離をL、参照光の光検出器58の受光面における実電界振幅をEとすると、光検出器58の受光面におけるプローブ光の電界eは、以下の式(1)で表され、光検出器58の受光面における参照光の電界eは、式(2)で表される。 Here, j (j = 1~N) th propagation distance of the probe light reflected at the reflection point R j L p, j, E p the actual electric field amplitude at the light receiving surface of the photodetector 58 of the probe light, j, the propagation distance L r of the reference beam, the actual electric field amplitude at the light receiving surface of the photodetector 58 of the reference light when an E r, the electric field e p of the probe light on the light-receiving surface of the photodetector 58 has the following formula represented by (1), the electric field e r of the reference light on the light-receiving surface of the photodetector 58 is represented by the formula (2).


ここで、νは光周波数であり、fは変調周波数であり、φは変調度であり、tは時間であり、nは光が伝搬する媒質の屈折率であり、cは光速であり、θは位相であり、Nは反射点Rの個数である。また、添え字付き記号の添え字のpはプローブ光を示し、rは参照光を示し、lはロックインアンプ60に入力される変調信号(参照信号)を示し、mは強度変調器61,62に入力される変調信号を示す。
光検出器58から出力される二光子吸収電流iは、入射光強度の2乗平均に比例し、以下の式(3)で表される。

Here, ν is the optical frequency, f is the modulation frequency, φ is the degree of modulation, t is the time, n is the refractive index of the medium through which light propagates, c is the speed of light, and θ. Is the phase and N is the number of reflection points R. Further, the subscript p of the subscript indicates the probe light, r indicates the reference light, l indicates the modulation signal (reference signal) input to the lock-in amplifier 60, and m indicates the intensity modulator 61, The modulation signal input to 62 is shown.
The two-photon absorption current i output from the photodetector 58 is proportional to the squared average of the incident light intensity and is represented by the following equation (3).


ここで、Aは比例定数である。Iは、I=Eで与えられ、光強度に比例する。idは暗電流である。また、ΔLはj番目の反射点Rで反射するプローブ光の伝搬距離Lp,jと参照光の伝搬距離Lの差(Lp,j−L)、すなわち、反射点Rまでの往復距離である。 Here, A is a constant of proportionality. I is given by I = E 2 and is proportional to the light intensity. id is a dark current. Further, ΔL j is the difference (L p, j −L r ) between the propagation distance L p, j of the probe light reflected at the j-th reflection point R j and the propagation distance L r of the reference light, that is, the reflection point R j. Round trip distance to.

光検出器58の高域カットオフ周波数は変調周波数fよりも低いため、式(3)において、光検出器58の高域カットオフ周波数よりも高い変調周波数fで振動する項は時間平均が0となる。また、n(Lp,N−Lp,1)/cが十分に小さければ、異なる反射点Rで反射したプローブ光に対する同期検波用の変調信号の位相2πfnLp,j/cの違いの影響は無視できる。このとき、二光子吸収電流信号をロックイン周波数fでロックイン検出すると、出力信号の電流i(f,λ)は、以下の式(4)で表される。 Since the high frequency cut-off frequency of the optical detector 58 is lower than the modulation frequency f m, the average in Equation (3), terms which vibrates at a high frequency cut-off higher modulation frequencies than the frequency f m of the photodetector 58 times Becomes 0. Further, if n (L p, N − L p, 1 ) / c is sufficiently small, the difference in the phase 2πf l nL p, j / c of the modulation signal for synchronous detection for the probe light reflected at different reflection points R. The effect of is negligible. At this time, when lock-in detection of the two-photon absorption current signal by the lock-in frequency f l, the current i (f m, lambda) of the output signal is expressed by the following equation (4).

式(4)から、変調周波数fを掃引すると、各反射点Rからの反射光による信号(強度相関信号)がそれぞれ正弦波(余弦波)状に(周期的に)変化することが分かる。 From equation (4), modulating the swept frequency f m, (periodically) signal by the reflected light (intensity correlation signal) are each a sine wave (cosine wave) shape from the reflection point R can be seen to vary.

ここで、j番目の反射点Rで反射したプローブ光による強度相関信号の周期fperiod,jは、離散的に掃引する変調周波数fの周波数掃引ステップ(周波数間隔)が十分に小さければ、以下の式(5)で表され、距離差ΔLに反比例する。 Here, the period f period of the intensity correlation signal by j th probe light reflected by the reflection point R, j is the frequency sweep step (frequency interval) of the modulation frequency f m which discretely swept is sufficiently small, the following It is expressed by the equation (5) of the above, and is inversely proportional to the distance difference ΔL j .


このとき、出力信号をフーリエ変換して、出力信号に含まれる各強度相関信号(各周波成分)の周期fperiod,jを算出することで、各反射点Rの距離差ΔLを同時に求めることができる。すなわち、出力信号をフーリエ変換して得られるスペクトルにおける各ピーク位置が各反射点Rの距離差ΔLに対応する。

At this time, the distance difference ΔL j of each reflection point R is obtained at the same time by Fourier transforming the output signal and calculating the periods fperiod and j of each intensity correlation signal (each frequency component) included in the output signal. Can be done. That is, each peak position in the spectrum obtained by Fourier transforming the output signal corresponds to the distance difference ΔL j of each reflection point R.

本実施形態では、各コア36における回折格子14までの光路長が異なるため、出力信号のフーリエ変換により各回折格子14での反射によるフーリエスペクトルのピークは、異なる位置に現れる。ここまでの操作を、マルチコア光ファイバ12の回折格子14に入射するレーザ光の波長を変えて繰り返し行うことにより、各回折格子14からの反射スペクトルを計測できる。 In the present embodiment, since the optical path lengths up to the diffraction grating 14 in each core 36 are different, the peaks of the Fourier spectrum due to the reflection in each diffraction grating 14 appear at different positions due to the Fourier transform of the output signal. By repeating the operations up to this point by changing the wavelength of the laser light incident on the diffraction grating 14 of the multi-core optical fiber 12, the reflection spectrum from each diffraction grating 14 can be measured.

ここで、距離差ΔL自体を正確に求めようとすると、式(5)から、長距離の反射点の距離差を求めるには、非常に小さな周波数間隔で周波数掃引を行わなければならないことが分かる。一方で、短距離の反射点の距離差を同時に求める場合には、周波数の掃引範囲を広くとらなければならない。従って、短距離の反射点と長距離の反射点が混在する場合には、非常に小さな周波数間隔で広範囲の周波数掃引を行う必要があり、測定時間が長くなる。 Here, in order to accurately obtain the distance difference ΔL j itself, it is necessary to perform frequency sweeping at very small frequency intervals in order to obtain the distance difference of the long-distance reflection points from the equation (5). I understand. On the other hand, when the distance difference between short-distance reflection points is to be obtained at the same time, the frequency sweep range must be widened. Therefore, when a short-distance reflection point and a long-distance reflection point coexist, it is necessary to perform a wide-range frequency sweep at a very small frequency interval, and the measurement time becomes long.

図6は、十分に小さな周波数間隔で変調周波数fを掃引したときに周期的に変化する強度相関信号を示す図である。図2に示すグラフの横軸は変調周波数fを示し、縦軸は強度相関信号の強度を示す。また、図2に示すグラフにおいて黒丸点間の間隔は、周波数掃引ステップを示す。図6に示す強度相関信号は、強度相関信号の周期fperiod,jの1/2以下(強度相関信号のナイキスト間隔以下)の周波数間隔で変調周波数fを掃引した場合に得られる。 Figure 6 is a diagram showing a periodically varying intensity correlation signal when sweeping the modulation frequency f m at sufficiently small frequency interval. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 2 shows the modulation frequency f m, the vertical axis represents the intensity of the intensity correlation signal. Further, in the graph shown in FIG. 2, the interval between the black circle points indicates the frequency sweep step. Intensity correlation signal shown in FIG. 6, period f period of the intensity correlation signal, obtained when sweeping the modulation frequency f m at a frequency spacing of less than 1/2 of the j (hereinafter Nyquist interval of the intensity correlation signal).

周波数掃引ステップが十分に小さいとき、j番目の反射点Rからの反射光によって生じる強度相関信号が周期Fで周期的に変化するとすると、反射点Rで反射するプローブ光の伝搬距離と参照光の伝搬距離との距離差ΔLは、以下の式(6)で表される。また、周期Fの1/2よりも広い周波数間隔F(F>F/2)で変調周波数fを掃引したときに得られる強度相関信号の周期をFとすると、当該強度相関信号から算出される見掛けの距離差ΔLは、以下の式(7)で表される。 When the frequency sweep step is sufficiently small, if the intensity correlation signal produced by the reflected light from the j-th reflection point R j are periodically changes at a period F r, a propagation distance of the probe light reflected at the reflection point R j The distance difference ΔL from the propagation distance of the reference light is expressed by the following equation (6). Also, the period of the intensity correlation signal obtained when sweeping the modulation frequency f m in the cycle F wider frequency interval than half of r F s (F s> F r / 2) When F g, the strength The apparent distance difference ΔL g calculated from the correlation signal is expressed by the following equation (7).


ここで、周期Fは、以下の式(8)で表される。

Here, the period F g is expressed by the following equation (8).


ここで、mは、F/2<F<mF又はmF<Fを満たし、且つ、|1/F−m/F|を最小値とする自然数である。周波数間隔Fが周期Fよりも小さいか大きいかによって周期Fの値は異なるが、いずれの場合もΔL>ΔLとなる。式(6)、式(8)より、距離差ΔLは、周波数間隔Fと周期Fを用いて以下の式(9)で表される。

Here, m is a natural number that satisfies F r / 2 <F s <mF r or mF r <F s and has | 1 / F r −m / F s | as the minimum value. The value of the period F g differs depending on whether the frequency interval F s is smaller or larger than the period F r, but in each case, ΔL> ΔL g . From the equations (6) and (8), the distance difference ΔL is expressed by the following equation (9) using the frequency interval F s and the period F g .


本実施形態では、制御部32は、式(6)を満たす周期Fの1/2よりも広い周波数間隔Fで変調周波数fを掃引しながら取得した変調周波数f毎の出力信号をフーリエ変換して、出力信号に含まれる各強度相関信号(各反射点Rからの反射光によって生じる各強度相関信号)の周期Fを算出し、算出した周期Fと周波数間隔Fとを式(9)に代入して距離差ΔL(反射点Rまでの往復距離L)を算出する。これにより、測定対象に長距離の反射点が含まれる場合であっても、周波数掃引ステップを細かくすることなく、広い周波数間隔Fで変調周波数fを掃引して各反射点までの距離(変位)を測定することができるため、測定で取得するデータ数が少なくなり、測定時間を短縮することができる。

In the present embodiment, the control unit 32, an output signal of each modulation frequency f m obtained while sweeping the modulation frequency f m in a wide frequency interval F s than 1/2 of the period F r that satisfies Equation (6) By Fourier conversion, the period F g of each intensity correlation signal included in the output signal (each intensity correlation signal generated by the reflected light from each reflection point R) is calculated, and the calculated period F g and the frequency interval F s are calculated. calculating the (round trip distance L j to the reflection point R j) distance difference ΔL into equation (9). Thus, even if it contains a long distance of the reflection point on the measurement object, without fine frequency sweep step, the distance to the reflection point by sweeping the modulation frequency f m in a wide frequency interval F s ( Since the displacement) can be measured, the number of data acquired in the measurement is reduced, and the measurement time can be shortened.

反射点までの凡その往復距離(周波数掃引ステップが、式(6)を満たす周期Fの1/2以下であるか、周期Fの1/2よりも大きいか、周期mFよりも大きいか)が分かっている場合、周波数掃引ステップが周期Fの1/2以下となる反射点については算出した周期を式(6)に代入して距離差ΔLを算出し、周波数掃引ステップが周期Fの1/2よりも大きく周期mFよりも小さくなる(F/2<F<mF)反射点については算出した周期と周波数掃引ステップ(周波数間隔)とを式(9)の上段に代入して距離差ΔLを算出し、周波数掃引ステップが周期mFよりも大きくなる(mF<F)反射点については算出した周期と周波数掃引ステップとを式(9)の下段に代入して距離差ΔLを算出する。 Reciprocating distance (frequency sweep steps approximate to the reflection point is either less than half of the period F r that satisfies Equation (6), or greater than 1/2 of the period F r, greater than the period mF r If either) is known, the calculated period into equation (6) calculates the distance difference ΔL for reflection points frequency sweep step is 1/2 or less of the period F r, the frequency sweep step cycle F r 1/2 smaller than larger period mF r than in (F r / 2 <F s <mF r) the period and the frequency sweep step calculated for the reflection point (frequency interval) and the formula (9) The distance difference ΔL is calculated by substituting it in the upper row, and for the reflection point where the frequency sweep step becomes larger than the period mF r (mF r <F s ), the calculated cycle and the frequency sweep step are shown in the lower row of equation (9). Substitute to calculate the distance difference ΔL.

一方、反射点までの凡その往復距離が分かっていない場合には、周波数掃引ステップを変えて測定を複数回行う。例えば、2回目の測定では周波数掃引ステップを1回目の測定での周波数掃引ステップの2倍の値とする。そして、1回目の測定で得られた強度相関信号の周期と、2回目の測定で得られた強度相関信号の周期が同一である場合(1回目の測定でも2回目の測定でも周波数掃引ステップが周期Fの1/2以下となる場合)には、当該得られた周期を式(6)に代入して算出される距離差ΔLを測定結果とする。 On the other hand, when the approximate reciprocating distance to the reflection point is not known, the measurement is performed a plurality of times by changing the frequency sweep step. For example, in the second measurement, the frequency sweep step is set to twice the value of the frequency sweep step in the first measurement. Then, when the period of the intensity correlation signal obtained in the first measurement and the period of the intensity correlation signal obtained in the second measurement are the same (the frequency sweep step is performed in both the first measurement and the second measurement). in the case where a half or less) of the period F r, the distance difference ΔL calculated the resulting cycle is substituted into equation (6) with the measurement result.

また、1回目の測定で得られた強度相関信号の周期を式(6)に代入して算出される距離差ΔLと、2回目の測定で得られた強度相関信号の周期及び2回目の測定での周波数掃引ステップを式(9)の上段でm=1とした式に代入して算出される距離差ΔLとが同一となる場合(1回目の測定では周波数掃引ステップが周期Fの1/2以下となり、2回目の測定では周波数掃引ステップが周期Fの1/2よりも大きく周期Fよりも小さくなる場合)には、当該距離差ΔLを測定結果とする。 Further, the distance difference ΔL calculated by substituting the period of the intensity correlation signal obtained in the first measurement into the equation (6), the period of the intensity correlation signal obtained in the second measurement, and the second measurement. When the distance difference ΔL calculated by substituting the frequency sweep step in (9) into the equation with m = 1 in the upper part of equation (9) is the same (in the first measurement, the frequency sweep step is 1 of the period Fr ). / 2 or less and becomes, in a case where the frequency sweep step is smaller than the larger cycle F r than 1/2 of the period F r) in the second measurement, the measurement result of the distance difference [Delta] L.

また、Fを2倍にすると、|1/F−m/F|を最小値とする自然数mも2倍の値になる。このことに注目して、1回目の測定で得られた強度相関信号の周期及び1回目の測定での周波数掃引ステップを式(9)の上段と下段のそれぞれに代入して得られる式と、2回目の測定で得られた強度相関信号の周期及び2回目の測定での周波数掃引ステップを式(9)の上段と下段のそれぞれに代入して得られる式とを比較する。後者の2式では、mを2mに置き換える。前者の2式のうちいずれか1つと後者の2式のうちいずれか1つとが同じ値になるような自然数mがあるときは、そのmを用いて得られた距離差ΔLを測定結果とする。 Further, when F s is doubled, the natural number m having | 1 / F rm / F s | as the minimum value is also doubled. Paying attention to this, the equation obtained by substituting the period of the intensity correlation signal obtained in the first measurement and the frequency sweep step in the first measurement into the upper and lower stages of the equation (9), respectively, The period of the intensity correlation signal obtained in the second measurement and the frequency sweep step in the second measurement are compared with the equations obtained by substituting each of the upper and lower stages of the equation (9). In the latter two equations, m is replaced with 2m. When there is a natural number m such that any one of the former two equations and any one of the latter two equations have the same value, the distance difference ΔL obtained by using that m is used as the measurement result. ..

本実施形態の手法では、余弦波信号(異なる周期の余弦波信号の重ね合わせ)を一定間隔でサンプリングする。簡単のため、単一の余弦波信号で考える。余弦波信号f(t)は、以下の式(10)で表される。なお、tは、時間に限られず、本実施形態では変調周波数である。 In the method of the present embodiment, the cosine wave signal (superposition of cosine wave signals of different periods) is sampled at regular intervals. For simplicity, consider a single cosine wave signal. The cosine wave signal f (t) is represented by the following equation (10). Note that t is not limited to time, but is a modulation frequency in this embodiment.


余弦波信号のフーリエ変換F(ω)は、デルタ関数を用いて、

The Fourier transform F (ω) of the cosine wave signal uses the delta function.


となり、ω軸上で±ωに線スペクトルをもつことが分かる。サンプリング間隔Tが1/2fo(ナイキスト間隔)以下であれば、信号スペクトルのうち最小の|ω|をもつ成分は±ωであり、これをとりだすことで元の波形を再現できる。一方、サンプリング間隔Tが、

It can be seen that it has a line spectrum at ± ω 0 on the ω axis. When the sampling interval T s is 1 / 2fo (Nyquist interval) or less, the component having the minimum | ω | in the signal spectrum is ± ω 0 , and the original waveform can be reproduced by extracting this. On the other hand, the sampling interval T s is


であると、信号スペクトルのうち最小の|ω|をもつ成分は、|ω−mω|の最小値で与えられる|ω|をもつ線スペクトルの成分である。但し、mは、|ω−mω|を最小値とする自然数である。また、ω=2π/Tである。
ここで、特に、サンプリング間隔Tが、

Then, the component having the smallest | ω | in the signal spectrum is the component of the line spectrum having | ω | given by the minimum value of | ω 0 −mω s |. However, m is a natural number having | ω 0 −mω s | as the minimum value. Further, ω s = 2π / T s .
Here, in particular, the sampling interval T s is


であれば、信号スペクトルのうち最小の|ω|をもつ成分は、ω−ω及び−ω+ωの線スペクトルとなる。反射点Rの凡その位置が予め分かっていれば、サンプリング間隔Tを式(13)の条件が満たされるように適切に選ぶことができる。また、より一般的に式(12)の場合であっても、反射点Rの凡その位置が予め分かっていれば、|ω−mω|を最小値とする自然数mは分かるため、ωを求めることは可能である。

If so, the component having the smallest | ω | in the signal spectrum becomes a line spectrum of ω 0 −ω s and −ω 0 + ω s . If the approximate position of the reflection point R is known in advance, the sampling interval T s can be appropriately selected so that the condition of the equation (13) is satisfied. Further, even in the case of the equation (12) more generally, if the approximate position of the reflection point R is known in advance, the natural number m having | ω 0 −mω s | as the minimum value can be known, so that ω It is possible to find 0 .

(作用)
マルチコア光ファイバセンシングシステム10,20,30では、変調周波数を一定の周波数間隔で離散的に掃引する。一連の変調周波数と検出信号のデータペア一式に対し、フーリエ変換を用いた信号処理を行うと、各コア36にかかれた回折格子14に対応したフーリエスペクトルのピークが得られる。このピークの位置の違いは、分岐・合波素子18での伝搬光路長の違いによるものであり、これによって異なる回折格子14からの反射光を識別できる。この操作を回折格子14に入射する光の波長を変えて繰返し行うことにより、各回折格子14からの反射スペクトルを計測できる。
(Action)
In the multi-core optical fiber sensing systems 10, 20, and 30, the modulation frequencies are discretely swept at regular frequency intervals. When signal processing using a Fourier transform is performed on a set of data pairs of a series of modulation frequencies and detection signals, peaks of the Fourier spectrum corresponding to the diffraction grating 14 drawn on each core 36 can be obtained. The difference in the position of the peak is due to the difference in the propagating optical path length in the branching / combining element 18, which makes it possible to identify the reflected light from the different diffraction grating 14. By repeating this operation while changing the wavelength of the light incident on the diffraction grating 14, the reflection spectrum from each diffraction grating 14 can be measured.

また、内視鏡等の比較的小さなものでも、また橋梁等の大型構造物でも、マルチコア光ファイバ12を貼り付けたり、埋め込んだりすることで、曲げの量と方向を観測可能にする。更に、すべてのコア36に同じ回折格子14を作製するため、該回折格子14を有するマルチコア光ファイバ12の製造が容易である。 Further, even in a relatively small object such as an endoscope or a large structure such as a bridge, the amount and direction of bending can be observed by attaching or embedding the multi-core optical fiber 12. Further, since the same diffraction grating 14 is produced for all the cores 36, it is easy to manufacture the multi-core optical fiber 12 having the diffraction grating 14.

また、マルチコア光ファイバセンシングシステム10,20,30では、変調周波数を掃引する際に、周波数間隔を細かくすることなく、広い周波数間隔Fで変調周波数を掃引したときの強度相関信号の周期Fから測定対象までの距離を測定することができるため、測定時間を短縮することができる。 Further, in the multi-core optical fiber sensing systems 10, 20 and 30, when the modulation frequency is swept, the period F g of the intensity correlation signal when the modulation frequency is swept with a wide frequency interval F s without making the frequency interval fine. Since the distance from the frequency to the measurement target can be measured, the measurement time can be shortened.

更に、光検出器28,58の高域カットオフ周波数は、変調信号の変調周波数fよりも低いので、光検出器28,58の出力信号に別途信号処理を施すことを要せず、簡素な構成で強度相関信号を検出することができる。 Furthermore, the high frequency cut-off frequency of the optical detector 28, 58 is lower than the modulation frequency f m of the modulation signal, without requiring applying additional signal processing to the output signal of the photodetector 28, 58, simple The intensity correlation signal can be detected with various configurations.

このように、マルチコア光ファイバセンシングシステム10,20,30によれば、曲げが加わっていないときに同じ反射波長をもつ回折格子14が作製されたマルチコア光ファイバ12を用いた構成において、スイッチ等のデバイスを用いることなく、簡単に曲げの方向と曲げの量を測定できる。 As described above, according to the multi-core optical fiber sensing systems 10, 20, and 30, in the configuration using the multi-core optical fiber 12 in which the diffraction grating 14 having the same reflection wavelength is produced when no bending is applied, the switch or the like is used. The bending direction and the amount of bending can be easily measured without using a device.

(試験例)
図7には、マルチコア光ファイバ12の内部構造の一例が示されている。このマルチコア光ファイバ12は、クラッド34内に7本のコア36を有している。コア36に付された数字は、図8から図10における線の符号に対応している。コア36の直径は5.3μm、クラッド34の直径は125.9μmである。また、互いに隣接するコア36のピッチは、35.4μmである。マルチコア光ファイバ12における回折格子14の範囲は、約3cmである。
(Test example)
FIG. 7 shows an example of the internal structure of the multi-core optical fiber 12. The multi-core optical fiber 12 has seven cores 36 in the clad 34. The numbers attached to the core 36 correspond to the symbols of the lines in FIGS. 8 to 10. The diameter of the core 36 is 5.3 μm, and the diameter of the clad 34 is 125.9 μm. The pitch of the cores 36 adjacent to each other is 35.4 μm. The range of the diffraction grating 14 in the multi-core optical fiber 12 is about 3 cm.

図8には、マルチコア光ファイバに曲げが加わっていないときの反射スペクトルの計測結果を示す線図が示されている。この図からわかるように、マルチコア光ファイバ12に曲げが加わっていないときでも、各々コア36に対応する反射スペクトルは、互いに異なる位置に現れている。 FIG. 8 shows a diagram showing the measurement results of the reflection spectrum when the multi-core optical fiber is not bent. As can be seen from this figure, the reflection spectra corresponding to the cores 36 appear at different positions even when the multi-core optical fiber 12 is not bent.

図9には、マルチコア光ファイバ12に曲げ半径3cmで左方向(反時計回り)の曲げが加わっているときの反射スペクトルの計測結果を示す線図が示されている。また、図10には、マルチコア光ファイバ12に曲げ半径3cmで右方向(時計回り)の曲げが加わっているときの反射スペクトルの計測結果を示す線図が示されている。図9、図10を比較すると、反射スペクトルの変化の方向が、両者で反対方向になっていると同時に、変化量の絶対値は等しい。このことから、マルチコア光ファイバ12の曲げの大きさが同じで、向きが反対になっていることがわかる。 FIG. 9 shows a diagram showing the measurement result of the reflection spectrum when the multi-core optical fiber 12 is bent in the left direction (counterclockwise) with a bending radius of 3 cm. Further, FIG. 10 shows a diagram showing the measurement result of the reflection spectrum when the multi-core optical fiber 12 is bent in the right direction (clockwise) with a bending radius of 3 cm. Comparing FIGS. 9 and 10, the directions of change in the reflection spectra are opposite to each other, and at the same time, the absolute values of the amounts of change are the same. From this, it can be seen that the bending magnitudes of the multi-core optical fibers 12 are the same and the directions are opposite.

図11には、マルチコア光ファイバ12の回折格子14の反射スペクトルと、曲げ半径の逆数との関係が示されている。この関係を用いることにより、マルチコア光ファイバ12の曲げ半径の大きさを知ることができる。 FIG. 11 shows the relationship between the reflection spectrum of the diffraction grating 14 of the multi-core optical fiber 12 and the reciprocal of the bending radius. By using this relationship, the magnitude of the bending radius of the multi-core optical fiber 12 can be known.

産業上の利用可能性の1つとして、マルチコア光ファイバをチューブタイプの内視鏡に設置して、チューブの曲がり具合を観測することへの応用が考えられる。現在、このタイプの内視鏡を人体に挿入する場合、人体に無理がかかることが一般的である。内視鏡の曲がり具合を観測できるようになれば、曲げを能動的に制御する機構を用いつつ、効率的に内視鏡を体内に挿入できるようになる。 One of the industrial applicability is to install a multi-core optical fiber in a tube-type endoscope and apply it to observe the bending condition of the tube. Currently, when inserting this type of endoscope into the human body, it is common for the human body to be overwhelmed. If it becomes possible to observe the bending condition of the endoscope, it will be possible to efficiently insert the endoscope into the body while using a mechanism that actively controls bending.

利用可能性のもう1つとしては、マルチコア光ファイバを橋梁やガスパイプ等に設置して、形状の歪み観測への使用が考えられる。従来の光ファイバ回折格子によるセンシングでは、歪みの大きさのみが観測されてきたが、歪みの向きも含めて観測が可能になれば、事故につながる異常をより詳細に早い段階で察知することができる。 Another possibility is to install a multi-core optical fiber on a bridge, gas pipe, etc. and use it for shape distortion observation. With conventional sensing using an optical fiber diffraction grating, only the magnitude of strain has been observed, but if it becomes possible to observe the direction of strain as well, it will be possible to detect abnormalities leading to accidents in more detail at an early stage. it can.

[他の実施形態]
以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明の実施形態は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。
[Other Embodiments]
Although an example of the embodiment of the present invention has been described above, the embodiment of the present invention is not limited to the above, and other than the above, various modifications can be made within a range not deviating from the gist thereof. Of course there is.

光源が発生する光をレーザ光として説明したが、これ以外に近赤外線等も使用可能である。近赤外線を使用する場合、光源も近赤外線を発生できるものが用いられる。 Although the light generated by the light source has been described as laser light, near infrared rays and the like can also be used. When near infrared rays are used, a light source capable of generating near infrared rays is also used.

10 マルチコア光ファイバセンシングシステム
12 マルチコア光ファイバ
14 回折格子
16 レーザ光源(光源)
18 分岐・合波素子
20 マルチコア光ファイバセンシングシステム
22 サーキュレータ
24 強度変調器
26 信号発生器
28 光検出器
30 マルチコア光ファイバセンシングシステム
32 制御部
36 コア
46 光路
46A〜46G 光路
51 第1レーザ光源(光源)
52 第2レーザ光源(光源)
54 合波器
58 光検出器
61 強度変調器
62 強度変調器
64 信号発生器
10 Multi-core optical fiber sensing system 12 Multi-core optical fiber 14 Diffraction grating 16 Laser light source (light source)
18 Branch / combine element 20 Multi-core optical fiber sensing system 22 Circulator 24 Intensity modulator 26 Signal generator 28 Photodetector 30 Multi-core optical fiber sensing system 32 Control unit 36 Core 46 Optical path 46A to 46G Optical path 51 First laser light source (light source) )
52 Second laser light source (light source)
54 Combiner 58 Photodetector 61 Intensity Modulator 62 Intensity Modulator 64 Signal Generator

Claims (4)

複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、
各々の前記コアに作製され、前記マルチコア光ファイバに曲げが加わっていないときに互いに同じ反射波長を持つ回折格子と、
変調信号により強度変調された光を発生する光源と、
前記光源からの光を各々の前記コアに分岐させると共に、前記回折格子で反射されて戻ってきた光を合波する分岐・合波素子と、
前記光源からの光を前記分岐・合波素子に通すと共に、前記回折格子で反射された前記分岐・合波素子からの戻り光を別のポートに通すサーキュレータと、
前記サーキュレータから出てきた戻り光を変調する強度変調器と、
前記光源の変調周波数を制御すると共に前記強度変調器の変調周波数を制御する信号発生器と、
前記強度変調器通過後の戻り光を受光し、強度相関信号を出力する光検出器と、
前記信号発生器の制御、及び前記光検出器からの信号処理を行う制御部と、を有し、
前記光源から各々の前記コアまでの光路長が互いに異なるマルチコア光ファイバセンシングシステム。
Multi-core optical fiber with multiple cores and
A diffraction grating made on each of the cores and having the same reflection wavelength as each other when the multi-core optical fiber is not bent.
A light source that generates light that is intensity-modulated by a modulated signal,
A branching / combining element that branches the light from the light source into the respective cores and combines the light reflected by the diffraction grating and returned.
A circulator that allows light from the light source to pass through the branching / combining element and also passes return light from the branching / combining element reflected by the diffraction grating to another port.
An intensity modulator that modulates the return light emitted from the circulator,
A signal generator that controls the modulation frequency of the light source and the modulation frequency of the intensity modulator,
A photodetector that receives the return light after passing through the intensity modulator and outputs an intensity correlation signal.
It has a control unit for controlling the signal generator and processing a signal from the photodetector.
A multi-core optical fiber sensing system in which the optical path lengths from the light source to each core are different from each other.
複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、
各々の前記コアに作製され、前記マルチコア光ファイバに曲げが加わっていないときに互いに同じ反射波長を持つ回折格子と、
互いに異なる波長の光であって変調信号により互いに同一の周波数で強度変調された光を発生する第1光源及び第2光源と、
前記第1光源及び前記第2光源の変調周波数を制御する信号発生器と、
前記第1光源からの光を各々の前記コアに分岐させると共に、前記回折格子で反射されて戻ってきた光を合波する分岐・合波素子と、
前記第1光源からの光を前記分岐・合波素子に通すと共に、前記分岐・合波素子からの戻り光を別のポートに通すサーキュレータと、
前記回折格子で反射され前記サーキュレータから出てきた戻り光と、前記第2光源からの光を合波する合波器と、
前記合波器からの光を受光し、二光子吸収応答により強度相関信号を出力する光検出器と、
前記信号発生器の制御及び前記光検出器からの信号処理を行う制御部と、を有し、
前記第1光源から各々の前記コアまでの光路長が互いに異なるマルチコア光ファイバセンシングシステム。
Multi-core optical fiber with multiple cores and
A diffraction grating made on each of the cores and having the same reflection wavelength as each other when the multi-core optical fiber is not bent.
A first light source and a second light source that generate light having different wavelengths and whose intensity is modulated by a modulation signal at the same frequency.
A signal generator that controls the modulation frequencies of the first light source and the second light source,
A branching / combining element that branches the light from the first light source into the respective cores and combines the light reflected by the diffraction grating and returned.
A circulator that allows light from the first light source to pass through the branch / combine element and returns light from the branch / combine element to another port.
A combiner that combines the return light reflected by the diffraction grating and emitted from the circulator with the light from the second light source.
A photodetector that receives light from the combiner and outputs an intensity correlation signal by a two-photon absorption response.
It has a control unit that controls the signal generator and processes signals from the photodetector.
A multi-core optical fiber sensing system in which the optical path lengths from the first light source to each core are different from each other.
光速をcとし、屈折率をnとし、光源から前記回折格子までの往復距離をLとし、前記変調周波数を掃引したときに周期的に変化する強度相関信号の周期をFとしたとき、
次式

を満たす周期Fの1/2よりも広い周波数間隔Fで前記変調信号の前記変調周波数を掃引したときに周期的に変化する強度相関信号の周期Fに基づいて、次式

により、測定対象までの往復距離Lを算出する、請求項1又は請求項2に記載のマルチコア光ファイバセンシングシステム。
但し、mは、F/2<F<mF又はmF<Fを満たし、且つ、|1/F−m/F|を最小値とする自然数である。
When the speed of light and c, and the refractive index is n, the round trip distance from the light source to the diffraction grating is L, the period of periodically varying intensity correlation signal is a F r when sweeping the modulation frequency,
The following formula

Based on the period F g of the intensity correlation signal that changes periodically when the modulation frequency of the modulated signal is swept at a frequency interval F s wider than 1/2 of the period F r that satisfies the following equation:

The multi-core optical fiber sensing system according to claim 1 or 2, wherein the round-trip distance L to the measurement target is calculated accordingly.
However, m is a natural number that satisfies F r / 2 <F s <mF r or mF r <F s and has | 1 / F r −m / F s | as the minimum value.
前記光検出器の高域カットオフ周波数は、前記変調信号の前記変調周波数よりも低い請求項1〜請求項3の何れか1項に記載のマルチコア光ファイバセンシングシステム。 The multi-core optical fiber sensing system according to any one of claims 1 to 3, wherein the high cutoff frequency of the photodetector is lower than the modulation frequency of the modulated signal.
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