JP2005142747A - 光ファイバ情報収集装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡易な構成でシステム変更が容易な光ファイバ情報収集装置を提供する。
【解決手段】 広帯域光を親局１０２から子局６．１〜６．ｎに向けて送出する。子局６．１〜６．ｎは互いに異なる波長λ１〜λｎをそれぞれ選択的に反射し、これにセンサからの情報に応じた変調を加える。子局に光源や光源を駆動する電源が不要となる。反射光は、親局に戻り半導体光増幅器１０４によって増幅され、波長選択手段１０８で波長選択される。これにより所望の子局の情報を光検出手段１１０で得ることができる。さらに、親局１０２の広帯域光源として半導体光増幅器１０４の自然放出光を利用するので、親局１０２の構成を簡単にできる。
【選択図】 図７

Description

この発明は、子局から親局に向け光ファイバにより信号を伝送する光ファイバ情報収集装置に関する。

複数の遠隔地において測定された電流、電圧等を１ヶ所で集中的に観測をしたいというニーズがある。遠隔地に配置されたセンサにおける測定信号を光ファイバを用いて伝送し、情報収集する技術は、古くから検討が行なわれていた。従来、光ファイバは高速信号を通信する通信用に用いられるのが主流であった。しかし近年は、通信用に光ファイバが普及するにつれて、光ファイバが巷によく見られるようになってきており、また、コストも低減され、センシング用にも光ファイバを用いやすい環境となってきている。

子局から親局へ光ファイバを用いて情報伝送を行なう場合、子局もしくは親局に何らかの光源が不可欠である。

図１１は、従来の光ファイバ情報収集装置の構成例を示した図である。

図１１を参照して、光ファイバ情報収集装置５００は、親局５０２と、光結合器５０４と、子局５０６．１〜５０６．ｎと、光ファイバ５０８および５１０．１〜５１０．Ｎとを含む。

互いに異なる波長λ１〜λｎを出力する複数の光源が、子局５０６．１〜５０６．ｎの各々の内部に１つずつ配置される。この光源は、たとえば半導体レーザが用いられる。この光源から出力される光に変調などにより信号が重畳され、光ファイバ５１０．１〜５１０．ｎに出力され、光結合器５０４によって信号が結合されて光ファイバ５０８によって親局５０２に向けて伝送される。

このように、多数の子局を展開し、光信号を１本の光ファイバに結合する場合には、各子局に光源を備えるとともに、互いの信号が干渉しないように波長もしくは信号の変調周波数等を管理する必要がある。しかし、波長の割り当ての変更等のシステム変更の必要が生じた場合に、遠方に配置された子局の各々に行かなければならないという不便がある。また、各子局に光源を備えるためには、各子局に電源が必要となるが各子局で電源が確保できるとは限らない。

これに対して、特開平８−１８５０６号公報（特許文献１）には、親局に光源を備え、子局で親局からの光を反射して親局に戻すことで情報収集を行なう方法が開示されている。このような構成とすれば、子局をパッシブに構成でき、親局で集中的に波長管理や伝送制御ができるというメリットがある。

また、特表２００２−５４１５７５号公報（特許文献２）には、互いに異なる周波数の単色光を出力する複数の光源から、パルス列を出力させ、伝送経路上に配置された検知器群で変調し、光増幅器を経由して測定システムに入力し、複数地点での計測を行なう技術が開示されている。
特開平８−１８５０６号公報 特表２００２−５４１５７５号公報

しかしながら、特開平８−１８５０６号公報（特許文献１）に開示される技術は、遠隔地に配置される光ファイバの光終端期の終端状態を、落雷などにより破壊されることにより生ずる異常として検知するものであり、遠隔地での電流や電界などの計測結果を伝送するものとしては用いることができない。

また、特表２００２−５４１５７５号公報（特許文献２）に開示される技術においては、複数の光源が親局に必要であり、親局の構成が複雑になってしまうという問題点や、光ファイバの往路と復路とを別々に設けなければならないという問題点がある。

この発明の目的は、部品点数が低減され低コストで実現可能であり、かつ、メンテナンスが容易な、光ファイバ情報収集装置を提供することである。

この発明は要約すると、光ファイバ情報収集装置であって、複数の子局と光ファイバ幹線と、複数の光ファイバ支線と、光結合手段と親局とを備える。

複数の子局は、入力光のうちから特定の波長の光を選択し、選択した光に対して収集した情報に基づいて変調を加えて変調光を発生する。光ファイバ幹線は、入力光を複数の子局に与えるとともに子局からの変調光を伝達する。複数の光ファイバ支線は、複数の子局にそれぞれ接続される。光結合手段は、光ファイバ幹線と複数の光ファイバ支線とを結合する。親局は、光ファイバ幹線に入力光を与えるとともに、光ファイバ幹線から変調光を受け取る。親局は、入力光として、広帯域光を出力する光源と、変調光のうちから特定の波長の光を選択する選択手段と、選択手段によって選択された光を検出する光検出手段とを含む。

好ましくは、親局は、光源から出力される光を光ファイバ幹線に入力光として与え、光ファイバ幹線から与えられる変調光を選択手段に向けて出力するサーキュレータと、サーキュレータから出力された変調光を増幅して選択手段に与える光増幅手段とをさらに含む。

好ましくは、光源は、広帯域光を放出するとともに、変調光を増幅する光増幅器を含み、親局は、光増幅器と選択手段との間に設けられ選択手段による反射光が光増幅器に入射するのを阻止するアイソレータをさらに含む。

好ましくは、子局は、入力光のうちから特定の波長の光を選択的に反射する反射手段と、反射手段によって反射された光に対して情報に応じた変調を加えて変調光を出力する変調手段とを含む。

好ましくは、子局は、入力光のうちから特定の波長の光を選択的に反射する反射手段と、反射手段によって反射された光に対して情報に応じた変調を加える変調手段とを含み、変調手段は、入力光をうけて偏光を反射手段に与える偏光子と、反射手段によって反射された偏光の偏光面を情報に応じて回転させ、偏光子を再び経由して対応する支線ファイバに出力するファラデー回転子とを有する。

本発明によれば、光ファイバを用いて多地点の情報を収集する光センシングシステムにおいて、親局および子局の構成を簡単にでき、低コストでシステムの実現が可能となる。また、比較的低速な信号や情報の伝送にも有効であるとともに、簡易な構成の子局を、柔軟に追加や削減できシステム変更が容易である。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は、同一または相当部分を示す。

［実施の形態１］
図１は、本発明の実施の形態１の光ファイバ情報収集装置の構成を示した図である。

図１を参照して、光ファイバ情報収集装置１は、親局２と、光結合器（光カプラー）４と、子局６．１〜６．ｎと、光ファイバ８および１０．１〜１０．ｎとを含む。光ファイバ８は、親局と遠隔地に配置される光結合器とを結ぶ光ファイバ幹線であり、光ファイバ１０．１〜１０．ｎは、光結合器と複数の子局とを結ぶ光ファイバ支線である。

子局６．１〜６．ｎは、情報収集を行なう地点に配置される。子局６．１〜６．ｎの内部において、各種センサなどによって測定したい電圧、電流、音、電界、温度等のパラメータの観測が行なわれる。子局６．１〜６．ｎはそれぞれ光ファイバ１０．１〜１０．ｎを用いて光結合器４に接続される。一方、親局２は、光ファイバ８によって光結合器４と接続される。

親局２は、広帯域の光を出力する広帯域光源９と、サーキュレータ１１と、光増幅器１２と、分波器１４と、受信装置１６．１〜１６．ｎとを含む。受信装置は、受光器と呼ばれる場合もある。広帯域光は、広帯域光源９からサーキュレータ１１を介して光ファイバ８に出力される。サーキュレータは、反射による戻り光を入力ポートとは別の出力ポートに出すようにしたデバイスである。この広帯域光は光結合器４を経由して光ファイバ１０．１を通過し子局６．１に到達する。

子局６．１では波長λ１の光が選択的に反射され、この反射光に対して計測結果に応じた変調が加えられ、変調が加えられた波長λ１の光が再び光結合器４および光ファイバ８を経由して親局２に入力される。同様に、子局６．２〜６．ｎでは、それぞれ波長λ２〜波長λｎの光が選択的に反射され、これらに測定結果に応じた変調が加えられ親局に向かって出力される。

子局６．１〜６．ｎから出力された反射光は、光結合器４によって波長多重光とされ、光ファイバ８に入力され親局２に伝送される。高速信号を伝送する通信用途と異なり、センシング用途のように比較的低速な信号を伝送する場合は、光の往路と復路とを一本の光ファイバで兼用することが可能である。

親局２において、子局側からの反射光がサーキュレータ１１に入力されると、サーキュレータ１１は、広帯域光源９が接続されるポートとは異なるポートに反射光を出力する。このポートには光増幅器１２が接続されている。光増幅器１２では、計測結果を情報として含む波長λ１〜λｎの光が増幅され、分波器１４に与えられる。分波器１４では、波長λ１〜λｎの光が分波され、それぞれ受信装置１６．１〜１６．１ｎにおいて各子局の測定結果が受信される。

図２は、子局の第１の構成例を示した図である。

図２を参照して、子局６．１は、可変光減衰器（ＶＯＡ：Variable Optical Attenuator）と、波長λ１の光を選択的に反射するファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ:Fiber Bragg Grating）２４と、測定器２６とを含む。

なお、ファイバブラッググレーティングは、光ファイバのコア中に回折格子を形成し、光フィルタとしての機能を持たせたものである。この回折格子は、たとえば紫外光の干渉縞により光ファイバのコアに周期的な屈折率変化を書込むことにより形成される。回折格子により、特定の波長の光のみ反射され、他の光はファイバブラッググレーティングを透過する。

子局６．１には、広帯域光源からの光が入射され、ファイバブラッググレーティング２４において入射光のうち波長λ１の光が選択的に反射される。測定器２６によって測定された電流値や電圧値に応じて、可変光減衰器は波長λ１の反射光に変調を施し、親局に向かってこの変調後の光を出力する。

図１の子局６．２〜６．ｎの構成については、反射する波長が異なるファイバブラッググレーティング２４を用いる点が異なるが、他の部分の構成は子局６．１と同様であるので説明は繰り返さない。

図３は、子局の第２の構成例を示した図である。

図３を参照して、子局６．１Ａは図１の子局６．１の変形例であり、偏光子３２と、ファラデー回転子３４と、ファイバブラッググレーティング３６とを含む。

広帯域光源からの光は、偏光子３２によって偏光されてファラデー回転子３４に到達し、該ファラデー回転子により偏光が回転され、ファイバブラッググレーティング３６に到達する。そして、ファイバブラッググレーティング３６において入射された光のうち、波長λ１の光が選択的に反射される。

ファイバブラッググレーティング３６により反射された光は、ファラデー回転子により偏光が回転される。測定対象が電流や電圧の場合には、その変化を電界に変換してファラデー回転子に与える。その場合は、ファラデー回転子と偏光子とが変調手段に相当する。また、その計測地点の電界を測定したい場合には、ファラデー回転子３４そのものが測定器の役割も果たす。

広帯域光源からの光が光増幅器からの放出光のように無偏光であれば、偏光子３２通過後の光の量は安定である。このとき反射された波長λ１の光について、偏光子３２を通過した後の光の量に関しては、ファラデー回転子３４による偏光の回転量が多いと偏光子３２を通過する光の量は少なくなり、また偏光の回転量が少なければ偏光子３２を通過する光の量は多くなる。ファラデー回転子３４および偏光子３２によって反射光に変調が施される。変調後の反射光は、親局に向かって送出される。

図１の子局６．２〜６．ｎの構成については、反射する波長が異なるファイバブラッググレーティング３６を用いる点が異なるが、他の部分は同様であるので説明は繰り返さない。

図１の親局における光増幅器としては、たとえば、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ:Erbium-Doped Fiber Amplifier）と半導体光増幅器（ＳＯＡ：Semiconductor Optical Amplifier）とを用いることができる。

図４は、光正弦波信号をＥＤＦＡを用いて増幅した後の波形を示す。

図５は、光正弦波信号をＳＯＡを用いて増幅した信号を示す波形図である。

図４、図５を参照して、ＥＤＦＡとＳＯＡとの低周波信号の増幅特性の比較結果について説明する。各増幅器について−１５ｄＢｍ入力時の出力波形を示す。各々のグラフは、縦軸が任意単位（a.u.: arbitrary unit）の振幅であり、横軸が時間（ミリ秒）である。

波長１５４８ｎｍのＤＦＢ−ＬＤ（Distributed Feed-Back−Laser Diode：分布帰還型レーザ）の出力を直接変調し、６０Ｈｚ（変調度１００％）の光正弦波信号とする。これをＥＤＦＡまたはＳＯＡで増幅し、電気変換後の６０Ｈｚ信号を観測したものが図４、図５に示されている。図５のＳＯＡの波形に比べて図４のＥＤＦＡの場合には、正弦波信号がより大きく歪んでいる。

図６は、６０Ｈｚ正弦波信号入力強度と、増幅器出力波形における６０Ｈｚ成分に対する１２０Ｈｚ成分の比の関係を示した図である。

図６を参照して、６０Ｈｚと１２０Ｈｚ成分の観測においても、ＥＤＦＡの場合には、増幅器入力が大きくなると波形歪みに従って１２０Ｈｚ成分も大きくなっている。これに対して、ＳＯＡでは、１２０Ｈｚ成分の発生が抑制されており、波形歪みが少ないことが示されている。

以上示したように、ＥＤＦＡなどのファイバ型の光増幅器では、低周波信号を増幅する場合には波形歪みが大きくなるという問題が考慮される。これに対してＳＯＡでは、緩和時間が短いため波形歪みが抑制される。したがって、センシング用途においては光増幅器としてＳＯＡを用いるのがより好ましい。

実施の形態１に示した発明によれば、光ファイバを用いて多地点の情報を収集する光センシングシステムにおいて、子局の構成を簡単にでき、低コストでシステムの実現が可能となる。また、比較的低速な信号や情報の伝送にも有効であるとともに、簡易な構成の子局を、柔軟に追加や削減できシステム変更が容易である。

［実施の形態２］
光増幅器を用いる場合には、光増幅器からの自然放出光（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）を光源としても用いることにより、さらに親局の構成を簡単にすることができる。光増幅器として光ファイバ増幅器を用いてもよいが、以下は半導体光増幅器を用いる例を説明する。

図７は、実施の形態２の光ファイバ情報収集装置の構成を示した図である。

図７を参照して、光ファイバ情報収集装置１００は、図１に示した光ファイバ情報収集装置１の構成において、親局２に代えて親局１０２を含む。親局１０２は、光源として子局に向けて自然放出光を放射し、子局からの反射光を増幅する半導体光増幅器（ＳＯＡ）１０４と、ＳＯＡ１０４に接続されるアイソレータ１０６と、アイソレータ１０６からの出力を受ける波長選択手段１０８と、波長選択手段の出力する光を検出する光検出手段１１０とを含む。アイソレータ１０６を挿入しておくことにより、一旦増幅された光が波長選択手段１０８や光検出手段１１０で反射し、再度増幅され子局に向けて送出されるのを防止することができる。

光ファイバ情報収集装置１００の他の構成については、図１に示した光情報収集装置と同様であるので説明は繰返さない。

なお、親局１０２の構成において波長選択手段１０８および光検出手段１１０に代えて、図１で示したように分波器１４と複数の受信装置１６．１〜１６．ｎを含むようにしてもよい。

図８は、図７における半導体光増幅器１０４の説明をするための図である。

図８を参照して、半導体光増幅器１０４は、ｐ型の半導体結晶１１２と、ｎ型の半導体結晶１１４と、半導体結晶１１２と半導体結晶１１４との間にサンドイッチされた活性層１１６と、活性層１１６の両端に設けられる反射防止膜１１８および１２０とを含む。

ｐ型半導体結晶１１２からｎ型半導体結晶１１４へ順方向電流Ｉを流した状態で、入力光ＣＩが反射防止膜１１８側に入射されると、これが反射防止膜１２０から増幅された出力光ＣＯとして出力される。

図９は、半導体光増幅器の出力光を説明するための図である。

図９を参照して、入力光がない状態でｐｎ接合に順方向電圧を加えると、電子または正孔が活性層に注入され、注入キャリアの再結合による発光が生ずる。この発光により自然放出光ＡＳＥが出力光として出力される。この自然放出光は広帯域光源として用いることができる。

一方、入力光ＣＩとして波長λ１の光が入射されると、出力光としてはＡＳＥのレベルはある程度まで下がり、波長λ１に光の強度のピークが現われる。

このように、半導体光増幅器を双方向型で用いて、半導体光増幅器からの自然放出光を子局の側で波長を選択して反射する。反射された光を子局においてセンサからの出力に応じて変調を施し、その信号を半導体光増幅器で増幅して受信する。

図７に示した構成において基本動作の確認を行なった。半導体光増幅器の自然放出光を波長１５６ｎｍ（半値幅０．１ｎｍ）のファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）で反射させ、これを１ｋＨｚまで変調可能な可変光減衰器（ＶＯＡ）で変調し、これを親局の半導体光増幅器１０４で増幅した。増幅後の光信号を波長選択手段１０８である光フィルタを介して受信し、波形確認を行なった。すると図５で示した波形に対して若干の雑音の増加は見られたものの、波形について本質的な差異は見られなかった。

このように、半導体光増幅器を双方向型で用いて増幅器の自然放出光を広帯域光源として用いれば、親局の構成が簡単になり、光ファイバ情報収集装置の構成を一層簡略化することができる。

図１０は、半導体光増幅器を用いた光ファイバ情報収集装置の変形例を示した図である。

図１０を参照して、光ファイバ情報収集装置２００は、親局２０２と、光結合器２０４．１〜２０４．ｎ−１と、子局６．１〜６．ｎとを含む。親局２０２は、図７に示した親局２０２の構成において、波長選択手段１０８および光検出手段１１０に代えて分波器２０８および受信装置２１０．１〜２１０．ｎとを含む。

光増幅器１０４から出力された自然放出光は、光結合器２０４．１で子局６．１に分岐され、そこで波長λ１の光が反射され変調が施され、再び光結合器２０４．１を経由して半導体光増幅器１０４に戻り反射光が増幅される。これがアイソレータ１０６を通過し、分波器２０８によって波長λ１の光が分波されて受信装置２１０．１で受信される。

光増幅器１０４から出力された自然放出光は、その一部が光結合器２０４．１から光結合器２０４．２に伝達される。伝達された自然放出光は光結合器２０４．２で子局６．２に分岐され、そこで波長λ２の光が反射され変調が施され、再び光結合器２０４．２を経由して半導体光増幅器１０４に戻り反射光が増幅される。これがアイソレータ１０６を通過し、分波器２０８によって波長λ２の光が分波されて受信装置２１０．１で受信される。

光増幅器１０４から出力された自然放出光は、その一部が光結合器２０４．２から光結合器２０４．ｎ−１に伝達される。伝達された自然放出光は光結合器２０４．ｎ−１で子局６．ｎ−１および６．ｎに分岐される。子局６．ｎ−１および６．ｎでは、それぞれ波長λｎ−１およびλｎの光が反射され反射光には変調が施され、再び光結合器２０４．ｎ−１を経由して半導体光増幅器１０４に戻り反射光が増幅される。これがアイソレータ１０６を通過し、分波器２０８によって波長λｎ−１およびλｎの光が分波されてそれぞれ受信装置２１０．ｎ−１および２１０．ｎで受信される。

図１０に示したような構成とすれば、１本の幹線光ファイバからそれに沿って配置された複数の子局に順次、光を供給し、かつ測定結果が反映された反射光を得ることができる。

以上説明したように、実施の形態２においても、広帯域光を親局から子局に向けて送出する。複数の子局は互いに異なる波長λ１〜λｎをそれぞれ選択的に反射し、これにセンサからの情報に応じた変調を加える。したがって、子局に光源や光源を駆動する電源が不要となる。反射光は、親局に戻り半導体光増幅器によって増幅され、波長選択手段で波長選択される。これにより所望の子局の情報を光検出手段で得ることができる。さらに、実施の形態２では、親局の広帯域光源として半導体光増幅器の自然放出光を利用するので、親局の構成を簡単にできる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の実施の形態１の光ファイバ情報収集装置の構成を示した図である。 子局の第１の構成例を示した図である。 子局の第２の構成例を示した図である。 光正弦波信号をＥＤＦＡを用いて増幅した後の波形を示す。 光正弦波信号をＳＯＡを用いて増幅した信号を示す波形図である。 ６０Ｈｚ正弦波信号入力強度と、増幅器出力波形における６０Ｈｚ成分に対する１２０Ｈｚ成分の比の関係を示した図である。 実施の形態２の光ファイバ情報収集装置の構成を示した図である。 図７における半導体光増幅器１０４の説明をするための図である。 半導体光増幅器の出力光を説明するための図である。 半導体光増幅器を用いた光ファイバ情報収集装置の変形例を示した図である。 従来の光ファイバ情報収集装置の構成例を示した図である。

符号の説明

１，１００，２００ 光ファイバ情報収集装置、２，１０２，２０２ 親局、４，２０４ 光結合器、６．１〜６．ｎ 子局、８，１０．１〜１０．ｎ 光ファイバ、９ 広帯域光源、１１ サーキュレータ、１２ 光増幅器、１４，２０８ 分波器、１６．１〜１６．ｎ，２１０．１〜２１０．ｎ 受信装置、２４，３６ ファイバブラッググレーティング、２６ 測定器、３２ 偏光子、３４ ファラデー回転子、１０４ 半導体光増幅器、１０６ アイソレータ、１０８ 波長選択手段、１１０ 光検出手段、１１２，１１４ 半導体結晶、１１６ 活性層、１１８，１２０ 反射防止膜。

Claims (5)

1. 入力光のうちから特定の波長の光を選択し、選択した光に対して収集した情報に基づいて変調を加えて変調光を発生する複数の子局と、
   前記入力光を前記複数の子局に与えるとともに前記子局からの変調光を伝達する光ファイバ幹線と、
   前記複数の子局にそれぞれ接続される複数の光ファイバ支線と、
   前記光ファイバ幹線と前記複数の光ファイバ支線とを結合する光結合手段と、
   前記光ファイバ幹線に前記入力光を与えるとともに、前記光ファイバ幹線から前記変調光を受け取る親局とを備え、
   前記親局は、
   前記入力光として、広帯域光を出力する光源と、
   前記変調光のうちから特定の波長の光を選択する選択手段と、
   前記選択手段によって選択された光を検出する光検出手段とを含む、光ファイバ情報収集装置。
2. 前記親局は、
   前記光源から出力される光を前記光ファイバ幹線に前記入力光として与え、前記光ファイバ幹線から与えられる前記変調光を前記選択手段に向けて出力するサーキュレータと、
   前記サーキュレータから出力された前記変調光を増幅して前記選択手段に与える光増幅手段とをさらに含む、請求項１に記載の光ファイバ情報収集装置。
3. 前記光源は、前記広帯域光を放出するとともに、前記変調光を増幅する光増幅器を含み、
   前記親局は、
   前記光増幅器と前記選択手段との間に設けられ前記選択手段による反射光が前記光増幅器に入射するのを阻止するアイソレータをさらに含む、請求項１に記載の光ファイバ情報収集装置。
4. 前記子局は、
   前記入力光のうちから特定の波長の光を選択的に反射する反射手段と、
   前記反射手段によって反射された光に対して前記情報に応じた変調を加えて前記変調光を出力する変調手段とを含む、請求項１に記載の光ファイバ情報収集装置。
5. 前記子局は、
   前記入力光のうちから特定の波長の光を選択的に反射する反射手段と、
   前記反射手段によって反射された光に対して前記情報に応じた変調を加える変調手段とを含み、
   前記変調手段は、
   前記入力光をうけて偏光を前記反射手段に与える偏光子と、
   前記反射手段によって反射された前記偏光の偏光面を前記情報に応じて回転させ、前記偏光子を再び経由して対応する前記支線ファイバに出力するファラデー回転子とを有する、請求項１に記載の光ファイバ情報収集装置。

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