JP2006145465A

JP2006145465A - マルチ情報計測用光ファイバ

Info

Publication number: JP2006145465A
Application number: JP2004338889A
Authority: JP
Inventors: Kazuyuki Takase; 和之高瀬; Hirofumi Watanabe; 博典渡辺
Original assignee: Japan Atomic Energy Agency
Current assignee: Japan Atomic Energy Agency
Priority date: 2004-11-24
Filing date: 2004-11-24
Publication date: 2006-06-08

Abstract

【課題】
従来の光ファイバを利用した計測では光ファイバ１本に対して計測項目は１つだけであり、1本の光ファイバでは温度、圧力、流量などの複数の物理量を同時に計測できない問題があった。
【解決手段】
長さ方向に屈折率が異なる回折格子組を連続的又は非連続的に形成した光ファイバを使用し、これに任意の波長域を有する光を入射し、各回折格子組で特定波長の光のみを散乱させ、入射端に反射してくる散乱光（レイリー散乱、ブリルアン散乱、ラマン散乱）を利用して、各回析格子組ごとに温度、圧力、流量などの複数の物理量を同時に定量評価する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ内に光を入射した際に入射端に反射される散乱光を利用して、放射線、温度、圧力、速度、変位、ひずみ、濃度などの表1に示す異なる物理量の情報（以下、マルチ情報と称する）を計測する光ファイバに関する。

従来の計測は、光ファイバ端部から光ファイバのコア内部にパルス幅数ns〜数百ns、ピークパワー数Ｗ〜数十Ｗの単パルスレーザを入力し、光ファイバからの反射散乱光を検出して行われる。この際、図２に示すように光ファイバ内に生じるレイリー、ブリルアン、ラマン等の各散乱光が放射線、ひずみ（または変位）、温度に対して強い相関関係を持つことは一般的に良く知られた光ファイバの特徴である。この関係を利用してひずみ（または変位）、温度等を計測する光ファイバ計測器が市販されている。

（１）従来の光ファイバを利用した計測では光ファイバ１本に対して計測できる物理量は１つだけであり、1本の光ファイバでは複数の物理量を同時に計測できない問題があった。

（２）1mmよりも小さい領域や狭隘な流路内で温度や圧力などの物理量を測定する場合、従来の計測法では計測対象とする物理量が複数の場合、それぞれの物理量に対して各1本の光ファイバが必要になるため、計測する領域や流路を光ファイバで塞いでしまう問題があった。

（３）マルチ情報の計測を従来の光ファイバで行う場合、マルチ情報の１つ１つの情報の計測に対して光ファイバ計測システムが必要になるため、計測する情報の数に伴って計測システムが拡大して大型化し、その結果、高額になってしまい合理化できない問題があった。

（４）従来の光ファイバは、光ファイバに入射したパルス光が光ファイバの長さ方向の全領域で散乱し、その散乱光が入射端まで戻ってくる時間と光の速度から長さ方向の位置を特定している。そのため、使用する光ファイバの長さは数キロメータのオーダーが通常である。これは、光ファイバの長さが長い方が反射光の戻る時間が長くなり、その結果反射光の検出精度を向上できるからである。したがって、光ファイバの長さが短い場合、例えば数メータのオーダー時には反射光の検出が困難になり、光ファイバの長さ方向に分布する情報と位置との関係を十分に特定できない問題があった。

（５）光ファイバの長さ方向の距離分解能を向上させるためには入射光のパルス幅を狭くする必要があるが、パルス幅を狭くすると光ファイバから反射する散乱光の強さが低下する問題があった。

（６）光ファイバで長距離を計測する場合には光の伝播によって生じる損失により散乱光の強さが低下する問題があった。
（７）従来の光ファイバ計測機器では、距離分解能向上のために、光ファイバに光を繰り返し入射して、数多くの反射散乱光の検出信号を平均処理する操作が必要である。このため、反射散乱光の検出信号の平均処理に時間を要し、計測応答性やリアルタイム表示性が低下する問題があった。

（８）多量の検出信号を高速で平均処理するため、信号処理部が複雑になる問題があった。

本発明においては、図１に示すように、長さ方向に屈折率が異なる回折格子組を連続的に形成した光ファイバ１を使用する。任意の波長域を有する入射光（図１の２）に対して各回折格子組で特定波長の光のみを散乱させ、入射端に反射してくる散乱光（レイリー散乱、ブリルアン散乱、ラマン散乱）から各回析格子組ごとに表１に示すマルチ情報の定量評価を行って長さ方向の分布計測を行う。

１つの回折格子組（図１の３）は、人工的に導入した欠陥又は屈折率を有する回折格子が１つ又は複数集まって構成される。
回折格子を形成することにより入射光として連続光を使用できるので、繰り返して光を入射（パルス光）しなくても長さ方向の同一位置近傍における複数の反射光を得ることができる。これにより距離分解能を向上でき、さらに反射散乱光の検出信号の平均処理に要する時間を短縮でき、計測応答性やリアルタイム表示性を向上させる。

図１の５に示すように、複数の回折格子を周期的に設置する場合、回折格子のピッチＰは回折格子幅ａと回折格子間距離ｂから決まる。また、図１の５に示すように、1つの回折格子組の長さＬは回折格子数ｃと回折格子のピッチＰの積Ｌ=ｃ×Ｐで表される。特に回折格子組内の回折格子数が１つの場合はｃ=1になり、Ｌ=Ｐになる。ここで、（１）ｃを増やす、（２）Ｌを狭くする、（３）aを短くする、（４）ｂを短くする、ことによって長さ方向の距離分解能を高めることができる。

任意の屈折率を有する回折格子を用いることによって、任意の波長を持つ散乱を反射光として得ることができるため、反射光の波長を高精度で検出することによって光ファイバの距離分解能を向上できる。したがって、従来のように、光ファイバから反射する散乱光の強さが低下しても、長距離計測時に見られる光の伝播損失によって散乱光強さが低下しても、高い距離分解能を保つことができる。

即ち、本発明は、光ファイバの長さ方向に屈折率が異なる回折格子組を連続的に形成した回折格子を有するマルチ情報計測用光ファイバの発明である。そして、本発明においては、かかる光ファイバを使用して、それに任意の波長域を有する連続光を入射し、各回折格子組で特定波長の光のみを散乱させ、入射端に反射してくる散乱光から各回析格子組ごとにマルチ情報の分布定量評価を行うことにより、光ファイバの長さ方向における情報計測を行うことができる。

又、本発明においては、１つの回折格子組は、同じ屈折率及び異なる屈折率を有する回折格子が１つまたは複数集まって構成されており、この様に同じ屈折率及び異なる屈折率を有する回折格子組を複数設置することによって、従来のように繰り返して光を入射（パルス光を使用）しなくても長さ方向の同一位置近傍における複数の反射光を得ることができるので、光ファイバの距離分解能を向上でき、また、反射散乱光の検出信号の平均処理に要する時間を短縮でき、その結果、光ファイバを使用する場合における計測応答性やリアルタイム表示性を向上できる。

図１は本発明のマルチ情報計測用光ファイバの一例を示す図である。ここで、１はマルチ情報計測用光ファイバ、２は任意の波長域を有する入射光の強さと波長の関係、３は回折格子の組数、４は１の一部を拡大したものでｎ組まわりの回折格子の各組、５は回折格子周辺の代表サイズ、６は回折格子各組の屈折率が異なる場合に散乱する光の強さと波長の関係のイメージ、をそれぞれ示す。

図１の２では、入射光はl₁〜l_n+zの範囲の波長を持つ。
図１の４では、ｎ-２組、n-1組、n組、n+1組、n+2組は回折格子の各組を表す。
図１の６は、レイリー散乱における回折格子各組（ｎ-２組、n-1組、n組、n+1組、n+2組）の波長はそれぞれl_n-2、l_n-1、l_n、l_n+1、l_n+2になることを示す。また、回折格子各組とも、レイリー散乱の他にブリルアン散乱、ラマン散乱を生じ、この結果を基に異なる物理量の値が同時に求められる。

図２は光ファイバに波長lの光を入射した場合に観測される散乱光を示した図である。レイリー散乱は入射光と同じ波長のところに現れる。これは放射線の定量評価に利用できる。ブリルアン散乱は入射光の波長より正方向にストークス光、負方向にアンチストークス光が現れ、これはレイリー散乱よりも正負方向に10数GHz離れた位置である。これはひずみや変位に対して相関関係を持つ。ラマン散乱は入射光の波長よりも10数THz低いアンチストークス光と10数THz高いストークス光の２つの成分があり、温度依存性を持つ。

（実施例１）
図３は、試作した１つだけの回折格子の組を有するマルチ計測用光ファイバを使って、大気圧中の水が沸騰するまでの水の温度を測定した結果である。波長と温度の関係には高い直線性が得られている。本実験で求めた温度Ｔはラマン散乱の結果から次式を基に算出した。

（実施例２）
図４は、試作した１つだけの回折格子の組を有するマルチ計測用光ファイバを使って、大気圧中で光ファイバの変位量を求めた結果である。約1メータの間隔で光ファイバの長さ方向の２点を支持し、その中央部分にストレスを与えて光ファイバをたわませ、その際に計測されるブリルアン散乱の結果を基に光ファイバの鉛直方向の変位量を求めた。ブリルアン散乱時の光ファイバのひずみ量は次式で求められる。

[発明の効果]

以上詳しく説明したように、本発明の請求項１に係るマルチ情報計測用光ファイバは、１本の光ファイバ全域にわたって連続的又は非連続的に回折格子を有する光ファイバを使って、回折格子の各組で特定波長の光のみを反射させ、この際に生じるレイリー、ブリルアン、ラマンの3種類の散乱光を基に温度、圧力、速度等に代表される異なる物理量（表１参照）を同時に定量評価して長さ方向の分布計測を行うものである。本発明では、回折格子の屈折率を調節することによって反射する光の波長を変えられるため、長さ方向の計測情報と計測位置の関係を明確に特定することができる。また、回折格子間距離を密にすることによって単位長さあたりの計測数が増えるため、長さ方向に急激に変化するような分布を計測する場合に高い距離分解能が得られる。このように本発明では、距離分解能の向上効果を十分発揮できる効果がある。

マルチ情報計測用光ファイバの一例を説明する図である。（本発明で提案するマルチ情報計測用光ファイバは[請求項１]から[請求項１６]に示すように多種類に渡っている。図１の形状仕様は本発明のマルチ情報計測用光ファイバのほんの一例である。）光ファイバの入射光と散乱光の関係を示す図である。原理実験で求めた温度と波長の関係である。原理実験で求めた変位と波長の関係である。

Claims

光ファイバのコア部に任意の波長または任意の範囲の波長の光を入射した際に入射端方向へ反射される散乱光を利用して、表１に示す放射線、温度、圧力、速度、変位、ひずみ、濃度など異なった物理量を一度に計測できる機能を有する光ファイバ。
１本の光ファイバで表1に示す異なる物理量を、光ファイバ線上の任意の１カ所、又は任意の複数カ所、又は全ての線上で計測できる請求項１の光ファイバ。
1本の光ファイバに沿った分布情報として表1に示す異なる物理量の内の任意の１つ、又は任意の複数、又は全ての情報を計測できる請求項１の光ファイバ。
1本の光ファイバの長さ方向の任意の１カ所で、又は任意の複数カ所で、又は全域に渡って入射光を散乱させる請求項１の光ファイバ。
1本の光ファイバの円周方向の任意の１カ所で、又は任意の複数カ所で、又は全域に渡って入射光を散乱させる請求項１の光ファイバ。
1本の光ファイバ内に人工的に設けた欠陥、傷等により、光ファイバの長さ方向の任意の１カ所で、又は任意の複数カ所で、又は全域に渡って入射光を散乱させる請求項１の光ファイバ。
1本の光ファイバ内に人工的に設けた欠陥、傷等により、光ファイバの円周方向の任意の１カ所で、又は任意の複数カ所で、又は全域に渡って入射光を散乱させる請求項１の光ファイバ。
1本の光ファイバの長さ方向の任意の１カ所、又は任意の複数カ所、又は全域に渡って一定間隔または不規則間隔に回折格子を有する請求項１の光ファイバ。
1本の光ファイバで、長さ方向の任意の複数カ所、又は全域に渡って屈折率が同じものと異なるものが混在する回折格子を有する請求項１の光ファイバ。
1本の光ファイバで、長さ方向の任意の１カ所、又は任意の複数カ所、又は全域に渡って規則的に回折格子の屈折率を変えた請求項１の光ファイバ。
1本の光ファイバで、長さ方向に形成した回折格子の各組において、回折格子の幅a（図１の５参照）が光ファイバの長さ方向に一定、又は規則的、又は不規則的に変化する請求項１の光ファイバ。
1本の光ファイバで、長さ方向に形成した回折格子の各組おいて、回折格子のピッチb（図１の５参照）が光ファイバの長さ方向に一定、又は規則的、又は不規則的に変化する請求項１の光ファイバ。
1本の光ファイバで、長さ方向に形成した回折格子の各組が一定の屈折率を有する複数又は１つの回折格子から構成される請求項１の光ファイバ。
1本の光ファイバで、長さ方向に形成した回折格子の各組内に存在する各回折格子の屈折率が同じ、又は異なる請求項１の光ファイバ。
化学プラントなどの腐食性雰囲気中、又は原子炉内などの照射環境下、又は高温高圧条件下、又は大気圧中で使用できる請求項１の光ファイバ。
電話回線、インターネット、高速データ通信網等の大容量光通信技術や家庭用電力供給配線及び企業・工場用電力供給網と融合させた請求項１の光ファイバ。