JP2006343231A

JP2006343231A - 光ファイバセンサシステム

Info

Publication number: JP2006343231A
Application number: JP2005169723A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Nakajima; 康行中島
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2005-06-09
Filing date: 2005-06-09
Publication date: 2006-12-21

Abstract

【課題】長距離かつ大規模な多点計測とし、小型化された光ファイバセンサを用いた光ファイバセンサシステムにおいて、伝送路における非線形光学効果およびセンサにおける損失の発生を抑え、光ファイバセンサにより検知した信号を正確に検出出来るようにする。
【解決手段】光ファイバセンサにはシングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が小さい光ファイバを使用し、光源から光ファイバセンサまでの伝送路と、光ファイバセンサから検出部までの伝送路には、シングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が大きい光ファイバを使用する。これにより、長距離かつ大規模な多点計測用に光源から出力される送出光のパワーを大きくしても、伝送路における非線形光学効果の発生を抑えることが可能となる。また光ファイバセンサにおいては曲げによる損失が発生する曲げ半径が小さくなるため、センサの小型化が可能となり、光ファイバセンサにより検知した信号を正確に検出することが出来る。
【選択図】図１

Description

本発明は歪み、温度、変位、圧力などの物理量の検出に利用できる光ファイバセンサシステムに関するものである。

光ファイバセンサは、電磁誘導に対する信頼性が高く、低損失な光伝送であるため長距離かつ大規模な多点計測が可能であり、地震観測には光ファイバによる加速度センサが、構造物の監視には光ファイバによる歪みセンサが、また水中音響の観測には光ファイバによるハイドロホンが利用されている。

現在、実用化されている光ファイバセンサとしては、図１１に示すような光ファイバの微小な曲げ損失であるマイクロベンド・ロスを利用する強度検出型センサや、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）のブラッグ反射波長シフトを利用する波長検出型センサ（例えば特許文献１参照）がある。さらには、図１２に示すようなマイケルソン干渉（例えば特許文献２参照）やサニャック干渉などを利用する位相検出型センサなどがある。

特開２０００−１８０２７０号公報特開平０８−２８５５２１号公報

光ファイバセンサにおいて長距離かつ大規模な多点計測を行おうとした場合、長距離伝送では伝送距離に応じて光の伝送損失が発生するため、光源から出力される光のパワーは出来る限り大きい方が好ましい。また、光ファイバセンサについては取り扱いや制作費用の面から小型化されている方が好ましく、特に多点計測を行う場合には多数の光ファイバセンサが必要となるため、小型化の要求は高くなっている。しかしながら、光源から出力される光のパワーを大きくした場合、光がパルス光の場合には光がある時と無い時との差が大きくなり、光源から出力される光が連続光であっても相対強度雑音によるパワー変動が発生し、光ファイバを伝送する光の屈折率が変動する。光の屈折率が変動すると、自己位相変調、交差位相変調、四波混合、誘導ブリルアン散乱といった様々な現象（以下、非線形光学効果と示す）が発生して、伝送光のスペクトル歪が大きくなったり、伝送光の波形がパルス状であった場合にはパルス波形歪が大きくなったりする。これらの伝送光への影響は、光の伝送距離が短い場合には無視できる程度のものであるが、長距離の伝送を行う場合には無視できないほどに増幅され、最終的には光ファイバセンサで検知した情報が正確に伝送されなくなるといった課題がある。この課題は光源から出力される光を多波長とし、波長毎のパワーを単波長の場合に比べて小さくした場合でも、光の屈折率は各波長の光の総パワーに影響されるため、同じように発生することとなる。

また、光ファイバセンサを小型化しようとすると、センサ内において光ファイバを配置するためのスペースが限られ、光ファイバを小さい径で曲げる必要が生じる。しかし、曲げによって発生する損失は伝送損失よりも極めて大きく、１箇所でも光ファイバの曲げ半径が所定値以下になると光のパワーが途端に半分以下になってしまう。そのため、光ファイバセンサの小型化は、光ファイバの許容曲げ半径によって大きく制限されてしまうという問題があった。

本発明は上記の課題を解決するため、送出光を伝送する送出光伝送路と、送出光が入力されると検知外力に応じた信号光を出力する光ファイバセンサと、信号光を伝送する信号光伝送路とを備えた光ファイバセンサシステムであって、送出光伝送路および信号光伝送路はシングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が大きい光ファイバから構成され、光ファイバセンサはシングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が小さい光ファイバから構成されることを特徴とする光ファイバセンサシステムを提供するものである。

また本発明は上記解決手段において、入力された送出光を分波し２方向へ出力する第１の光合分波器と、分波された一方の送出光が入力されると検知外力に応じた信号光を出力する光ファイバセンサと、入力された信号光および他の信号光を合波し合波信号光を出力する第２の光合分波器とを備えた光ファイバセンサノードを複数有し、分波された他方の送出光は光ファイバセンサノードの次の光ファイバセンサノードへの送出光であり、他の信号光は隣に位置する光ファイバセンサノードからの合波信号光である光ファイバセンサシステムであって、さらにそれぞれの送出光を伝送するそれぞれの送出光伝送路と、信号光及び合波信号光を伝送するそれぞれの信号光伝送路とを備え、送出光伝送路および信号光伝送路はシングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が大きい光ファイバから構成され、光ファイバセンサはシングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が小さい光ファイバから構成されることを特徴とする光ファイバセンサシステムを提供するものである。

また本発明は上記解決手段において、第１の光合分波器は、シングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が大きい第１の光ファイバとモードフィールド径が小さい第２の光ファイバとを延伸融着結合させたものであって、第１の光ファイバを送出光および分波された一方の送出光が伝送し、第２の光ファイバを分波された他方の送出光が伝送し、第２の光合分波器は、シングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が大きい第３の光ファイバとモードフィールド径が小さい第４の光ファイバとを延伸融着接続させたものであって、第３の光ファイバを他の信号光および合波信号光が伝送し、第４の光ファイバを信号光が伝送することを特徴とする光ファイバセンサシステムを提供するものである。

また本発明は上記解決手段において、送出光が伝送する経路上に、送出光と同一方向に伝送する励起光により送出光を増幅する第１の増幅用光ファイバを備え、さらに、信号光が伝送する経路上に、信号光とは反対方向に伝送する励起光により信号光を増幅する第２の増幅用光ファイバを備えることを特徴とする光ファイバセンサシステムを提供するものである。

また本発明は上記解決手段において、第１の増幅用光ファイバは光ファイバセンサの近傍であって、光ファイバセンサへのみの分波後の送出光のみが伝送する位置に配置され、第２の増幅用光ファイバセンサは光ファイバセンサの近傍であって、光ファイバセンサからの信号光のみが伝送する位置に配置されることを特徴とする光ファイバセンサシステムを提供するものである。

また本発明は上記解決手段において、第２の光ファイバと、光ファイバセンサの近傍であって光ファイバセンサへのみの分波後の送出光のみが伝送する光ファイバとが、送出光と同一方向に伝送する励起光により送出光を増幅する増幅用光ファイバであり、第３の光ファイバと、光ファイバセンサの近傍であって、光ファイバセンサからの信号光のみが伝送する光ファイバとが、信号光とは反対方向に伝送する励起光により信号光を増幅する増幅用光ファイバであることを特徴とする光ファイバセンサシステムを提供するものである。

また本発明は上記解決手段において、増幅用光ファイバはエルビウムドープファイバであることを特徴とする光ファイバセンサシステムを提供するものである。

また本発明は、送出光を伝送する第１乃至第７の送出光伝送路と、送出光に対し検知外力に応じた信号光を出力する光ファイバセンサを備えた第１乃至第４のセンサノードと、信号光を伝送する第１乃至第７の信号光伝送路と、第１乃至第１０の光合分波器とを備えた光ファイバセンサシステムであって、第１の光合分波器は第１の送出光伝送路の一端と、第２の送出光伝送路の一端と、第５の送出光伝送路の一端と接続され、第１の送出光伝送路から入力された送出光を分波し、一方は第２の送出光伝送路に、他方は第５の送出光伝送路に送出し、第２の光合分波器は第２の送出光伝送路の他端と、第３の送出光伝送路の一端と、第４の送出光伝送路の一端と接続され、第２の送出光伝送路から入力された送出光を分波し、一方は第３の送出光伝送路に、他方は第４の送出光伝送路に送出し、第３の光合分波器は第５の送出光伝送路の他端と、第６の送出光伝送路の一端と、第７の送出光伝送路の一端と接続され、第５の送出光伝送路から入力された送出光を分波し、一方は第６の送出光伝送路に、他方は第７の送出光伝送路に送出し、第４の光合分波器は第４の送出光伝送路の他端と、第１の信号光伝送路の一端と、第１のセンサノードと接続された第１の光ファイバの一端と接続され、第４の送出光伝送路から入力された送出光を第１の光ファイバへ送出し、第１の光ファイバから入力された信号光を第１の信号光伝送路に送出し、第５の光合分波器は第６の送出光伝送路の他端と、第２の信号光伝送路の一端と、第２のセンサノードと接続された第２の光ファイバの一端と接続され、第６の送出光伝送路から入力された送出光を第２の光ファイバへ送出し、第２の光ファイバから入力された信号光を第２の信号光伝送路に送出し、第６の光合分波器は第７の送出光伝送路の他端と、第６の信号光伝送路の一端と、第３のセンサノードと接続された第３の光ファイバの一端と接続され、第７の送出光伝送路から入力された送出光を第３の光ファイバへ送出し、第３の光ファイバから入力された信号光を第６の信号光伝送路に送出し、第７の光合分波器は第３の送出光伝送路の他端と、第３の信号光伝送路の一端と、第４のセンサノードと接続された第４の光ファイバの一端と接続され、第３の送出光伝送路から入力された送出光を第４の光ファイバへ送出し、第４の光ファイバから入力された信号光を第３の信号光伝送路に送出し、第８の光合分波器は第１の信号光伝送路の他端と、第６の信号光伝送路の他端と、第７の信号光伝送路の一端と接続され、第１の信号光伝送路および第６の信号光伝送路から入力された信号光を合波して第７の信号光伝送路に送出し、第９の光合分波器は第２の信号光伝送路の他端と、第３の信号光伝送路の他端と、第４の信号光伝送路の一端と接続され、第２の信号光伝送路および第３の信号光伝送路から入力された信号光を合波して第４の信号光伝送路に送出し、第１０の光合分波器は第４の信号光伝送路の他端と、第７の信号光伝送路の他端と、第５の信号光伝送路の一端と接続され、第４の信号光伝送路および第７の信号光伝送路から入力された信号光を合波して第５の信号光伝送路に送出し、第１乃至第４の送出光伝送路および第１乃至第５の信号光伝送路はシングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が大きい光ファイバから構成され、第５乃至第７の送出光伝送路は送出光と同方向に伝送する励起光によって送出光を増幅する増幅用光ファイバから構成され、第６乃至第７の信号光伝送路は信号光と反対方向に伝送する励起光により信号光を増幅する増幅用光ファイバから構成され、光ファイバセンサはシングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が小さい光ファイバから構成されることを特徴とする光ファイバセンサシステムを提供するものである。

また本発明は上記解決手段において、増幅用光ファイバはラマン増幅用であることを特徴とする光ファイバセンサシステムを提供するものである。

実施例１によれば、光伝送路についてはモードフィールド径の大きい光ファイバを使用し、光ファイバセンサについてはモードフィールド径の小さい光ファイバを使用することにより、光伝送路においては伝送される光を大パワー、もしくは高密度の波長多重とした場合の非線形光学効果の影響を小さくし、さらに光ファイバセンサにおいて曲げによる損失が発生する際の許容曲げ半径を従来の光ファイバセンサに比べて小さく出来る。そのため、大パワーの光を伝送させる長距離伝送および高多重の光ファイバセンサシステムを構築することが可能となり、さらに光ファイバセンサの小型化が可能となる。

実施例２によれば、光ファイバ内部において異種光ファイバの融着延伸による接続が行われるため、従来の接続部において発生していた損失（純接続損失、リターンロス）を減らすことが可能となる。

実施例３によれば、光ファイバセンサの前後にリモート光増幅機能を持たせ、送出光および信号光を増幅しているため、さらに長距離および高多重の光ファイバセンサシステムを構築することが出来る。

実施例４によれば、光ファイバセンサの配置状況や多重化数に応じて、任意のセンサノードについて増幅を行うことが出来る。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施例について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において実質的に同一の構成および機能を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

本発明における光ファイバセンサシステムの構成を図１により説明する。１ａはパルス光もしくは連続光からなる送出光を出力する光源部、２ａおよび２ｂは一端から入力された光を適切の分岐比で分波して残りの二端に出力し、二端から入力されたそれぞれの光を合波し一端から出力する光カプラ（光分岐結合器）である。なお、光カプラは伝送される光が連続光の場合や、パルス光を用いた時分割多重（ＴＤＭ：Time Domain Multiplexing）の場合に使用されるが、この際に光カプラの替わりに適切な分岐比に設定された光スイッチを使用してもよい。また、伝送される光が複数の波長からなる波長分割多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）の場合には、光カプラに替わって適切な波長だけを合分波する光合分波器（ＯＡＤＭ：Optical Add/Drop Multiplexer）や、可変波長フィルタなどの光パッシブデバイスが使用される。さらに、光カプラと光合分波器を用いてＴＤＭとＷＤＭを併用したハイブリット多重構成の光ファイバセンサシステムとすることも可能である。

３ａは一般的な透過型の光ファイバセンサ、４ａは光ファイバセンサにおいてセンサとして機能する光ファイバであり入力された送出光に対し、検知情報を反映させた信号光が出力される。５ａは送出光を光カプラ２ａに伝送させる伝送路、５ｂは光カプラ２ａで分波された送出光の一方を図示していない次の光カプラに向けて伝送する伝送路、５ｃは光カプラ２ａで分波された送出光の他方を伝送する伝送路で、光ファイバ４ａと接続されている。５ｄは図示していない光カプラからの信号光を伝送する伝送路で光カプラ２ｂに接続されている。５ｅは光ファイバセンサ３ａからの信号光を伝送する伝送路で一端が光ファイバ４ａに、他端が光カプラ２ｂに接続されている。６ａは光ファイバ５ａと光伝送路３ｃとの接続部であり、融着、メカニカルスプライス、コネクタ接続などによって接続されている。７ａは光ファイバセンサ３ａからの信号光を受光してセンサ信号を出力する検出部、５ｆは光カプラ２ｂから出力される信号光を検出部７ａに伝送させる光伝送路であり、一端が光カプラ２ｂに、他端が検出部７ａに接続されている。６ｂは光ファイバ５ａと光伝送路３ｂとの接続部であり、接続部６ａと同様の手段で接続されている。

一般的に長距離伝送の光ファイバセンサシステムにおいて使用される光ファイバは、シングルモード光ファイバ（ITU-T G.652準拠、ITU-T：国際電気通信連合電気通信標準化部門）であるが、ここでは、各伝送路にはシングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が大きい光ファイバ、光ファイバ４ａにはシングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が小さい光ファイバが使用されている。モードフィールド径（Mode Field Diameter：以下ＭＦＤと記す）とは、光ファイバ中に光を伝送させたときに、光のエネルギーがどの程度拡がっているかを示すものである。外見上からは判定出来ない値であるが、一般に光ファイバのコアの径が大きい方がＭＦＤも大きく、光ファイバのコア径よりも少し大きい値でほぼ比例している。図２は、ＭＦＤが光ファイバのコア径に比例しているものとして説明したものであり、４ｂはＭＦＤが大きい光ファイバ、４ｃはＭＦＤが小さい光ファイバ、そして８ａがＭＦＤの大きさを示している。なお、ＭＦＤが大きい光ファイバには、例えばコア拡大ノンゼロ分散シフトファイバ、純石英コアファイバ、大モードフィールド径ハイパワー伝送用ホーリーファイバ等が用いられる。また、ＭＦＤの小さい光ファイバには、例えばクラッド径８０ミクロンの細径ファイバや、宅内配線で用いられる低曲げ損失ファイバ、低曲げ損失ホーリーファイバ等が用いられる。

次に動作について説明する。光源部１ａから出力された送出光は伝送路５ａを伝送して光カプラ２ａに入力する。そして所定の分岐比によって分波され、一方は伝送路５ｂに、他方は伝送路５ｃに出力される。伝送路５ｃに出力された送出光は光ファイバセンサ３ａの光ファイバ４ａに入力し、ここで光ファイバセンサ３ａが検知した温度、圧力、歪、変位などに応じた信号光となり、伝送路５ｅへ出力される。そして光カプラ２ｂおいて、他の光ファイバセンサから出力され伝送路５ｄを伝送してきた信号光と合波され、伝送路５ｆを経由して検出部７ａに入力される。検出部７ａでは入力された信号光に基づいて各光ファイバセンサにおいて検知された情報が検出される。

ここで送出光および信号光が光ファイバからなる伝送路を伝送する際の屈折率は次式で表すことが出来る。

ここでｎ：屈折率、ω：波長、Ｅ：光の電界密度、ｎ₀：線形屈折率（波長によって変化する）、ｎ₂：非線形屈折率（パワーによって変化する）、Ｐ：光のパワー、Ａ_eff：コア実効断面積、ｎ₂/Ａ_eff：非線形定数、である。

数１の通り、屈折率ｎは光ファイバを伝送する光のパワーＰ（光の電界密度Ｅ）の変動にあわせて変動する。したがって光源部１ａから出力される送出光のパワーを大きくした場合や、送出光を波長多重とし波長密度を高くした場合には、相対強度雑音によって光のパワーＰの変動が大きくなるため屈折率ｎの変動も大きくなり、非線形光学効果の影響が大きくなる。送出光がパルス光であった場合には、元々生じていた屈折率の変動量がさらに増大することとなる。しかしながら、本実施例では各伝送路にはＭＦＤが大きい（＝Ａ_effが大きい）光ファイバが用いられている。そのため、数１における第２項は小さくなり、光のパワーＰを大きくしたことによる屈折率ｎへの影響は小さいものとなるため、非線形光学効果の発生を防ぐことが出来る。なお、光ファイバはＭＦＤが大きくなるほど損失が発生し始める際の曲げ半径が大きくなるという特徴を持っているが、伝送路においては曲げ損失が発生しないように光ファイバの曲げ半径を決めることは容易なので、この点について問題はない。

一方、光ファイバセンサ４ａにはＭＦＤが小さい光ファイバが用いられているが、この光ファイバはコア実効断面積が小さく、光は強力にコア中に閉じ込められるという特徴を持っている。そのため、損失が発生し始める際の曲げ半径は小さく、光ファイバの収納スペースを小さくすることが可能となり、光ファイバセンサを小型化することが出来る。ところで、ＭＦＤが小さい光ファイバはコア中に光が強力に閉じ込められるため伝送損失が大きく、また非線形定数が大きいため光のパワーＰが変動すると非線形光学効果が発生するといった特徴を持っているが、光ファイバセンサにおいて使用される光ファイバの長さは伝送路と比較すると極めて短いため、システム全体からみると光ファイバセンサで発生する損失は無視することが出来る。さらに、個々の光ファイバセンサに光が入力する際には、既に分波された後であるため光のパワーＰも小さく、非線形光学効果について全く問題視しなくてよい。

なお、光ファイバセンサにコアとクラッド間の屈折率の差が大きい光ファイバを使用した場合でも、光はコア中に強力に閉じ込められるため、ＭＦＤが小さい光ファイバを使用した場合と同様の効果を得ることが出来る。

以上のように、光伝送路にはＭＦＤの大きい光ファイバ、光ファイバセンサにはＭＦＤの小さい光ファイバもしくはコアとクラッド間の屈折率の差が大きい光ファイバを使用することにより、高出力および高密度に波長多重された光を伝送させることができ、さらに光ファイバセンサを小型化することが可能となる。

ここで、図３に図１における光ファイバセンサのみを透過型から反射型のマイケルソン干渉センサ２ｃに変更したものを示す。２ｃは光カプラ、４ｄはセンシングファイバ、４ｅはセンシングファイバもしくはリファレンスファイバ、９ａは反射器である。そして干渉センサ３ｂの内部に設けられた接続部６ｃおよび６ｄにおいてＭＦＤの大きい光ファイバ（伝送路側）とＭＦＤの小さい光ファイバ（干渉センサ側）とが接続されている。このような構成であっても、図１の構成と同様の効果を得ることが出来る。

また、図４は図３に示した光ファイバセンサシステムにおいて、光カプラ２ａおよび２ｂと光カプラ２ｃとの間にＭＦＤの大きい光ファイバと小さい光ファイバとの接続部６ｅおよび６ｆを設けている。そして光カプラ２ｃを含めた干渉センサ側の光ファイバをＭＦＤの小さいものとしている。このような構成においても図１の構成と同様の効果を得ることが出来る。

また、図５では図３に示した光ファイバセンサについて、光カプラ２ａと２ｃおよび２ｂと２ｃを接続する伝送路上に接続部６ｇおよび６ｈを設けている。そして光源部１ａおよび検出部７ａと接続部６ｇおよび６ｈとの間はＭＦＤの大きい光ファイバ、接続部６ｇおよび６ｈと接続部６ｃおよび６ｄとの間は一般的なシングルモード光ファイバ、接続部６ｃおよび６ｄから光ファイバセンサ３ｄ側はＭＦＤの小さい光ファイバとしている。このような構成においても図１の構成と同様の効果を得ることが出来る。

次に実施例２のシステム構成について図６より説明する。光源部１ａ、光ファイバセンサ３ａ、光ファイバ４ａ、伝送路５ａ、５ｂ、５ｄ、５ｆ、検出部７ａは図１と同様の構成なので説明は省略する。２ｄおよび２ｅは実施例１において使用されている光カプラとは異なった構造の光カプラであり、図７に示すような構造となっている。ここで２ｆは光カプラを示しており、図６の光カプラ２ｄおよび２ｅに該当する。そして通常の光カプラではＭＦＤが同一の光ファイバを用いて融着延伸されているが、ここでは図示するようにＭＦＤの異なる２本の光ファイバが融着延伸されており、４ｆはＭＦＤの大きい光ファイバ、４ｇはＭＦＤの小さい光ファイバとなっている。そして光カプラ２ｄにおいては、光ファイバ４ｆは一端が伝送路５ａに、他端は伝送路５ｂと接続され、光ファイバ５ｇは一端が自由端に、他端は光ファイバ５ｃと接続されている。また光カプラ２ｅにおいては、光ファイバ５ｆは一端が伝送路７ａに、他端は伝送路１１３と接続され、光ファイバ５ｇは一端が自由端に、他端は光ファイバ４ａと接続されている。

次に、動作について説明するが、本実施例では実施例１と全く同様の動作となっている。光源部１ａから送出光が出力され、伝送路５ａ、光カプラ２ｄを経由して光ファイバセンサ４ａに送出光が入力する。そして検知した外力に基づいた信号光が光ファイバセンサ４ａから出力され、光カプラ２ｅ、伝送路５ｆを経由して検出部７ａに入力する。

ここで実施例１においてＭＦＤが大きい光ファイバとＭＦＤが小さい光ファイバとが接続される接続部について注目してみる。光ファイバ同士を接続させる複数の方法の中で最も損失の発生を抑えられるのは、融着による接続である。しかし、ＭＦＤが異なる光ファイバを融着接続した場合、特に図８に示すようにＭＦＤが大きい光ファイバ４ｈからＭＦＤが小さい光ファイバ４ｉに光が伝送する場合には、コア４ｊとのコア４ｋの径が異なるため、コア４ｋに入れない光が発生し、同じＭＦＤの光ファイバを融着接続した場合に比べ大きい損失となる。長距離かつ大規模な多点計測を行う光ファイバセンサシステムの場合には、接続部も多数設けることとなるため、システム全体での損失は大きいものになる。

これに対し本実施例においては、カプラ内部においてＭＦＤの異なる光ファイバの融着延伸による接続がなされており、図８のような融着接続は行われないため、接続部において発生する損失を無くすことが可能となる。

次に実施例３のシステム構成について図９より説明する。光カプラ２ａおよび２ｂ、伝送路５ａ、５ｂ、５ｄ、５ｆ、光ファイバセンサ３ａ、光ファイバ４ａは実施例１と同様の構成なので説明は省略する。１ｂは光源部であり、送出光を出力すると共に伝送路５ａに対して所定波長の励起光を出力する。７ｂは光ファイバセンサ３ａからの信号光を受光してセンサ信号を出力するとともに、伝送路５ｆに対して信号光伝送方向とは逆向きの励起光を出力する検出部である。９ａおよび９ｂは増幅用光ファイバであり、増幅用光ファイバ９ａの一端は光カプラ２ａに、他端は光ファイバ４ａに接続されている。また、増幅用光ファイバ９ｂの一端は光カプラ２ｂに、他端は光ファイバ４ａに接続されている。

光源部１ｂおよび検出部７ｂから出力される励起光の波長は使用される増幅用光ファイバの種類によって定められる。例えば増幅用光ファイバにエルビウムドープファイバを選択してリモートＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）として動作させる場合には、励起光には９８０ｎｍあるいは１４８０ｎｍの波長が使用される。また、増幅用ファイバに分散シフトファイバ（ＤＳＦ：Dispersion Shifted Fiber）などの非線形定数の大きいファイバを選択してリモートラマンアンプとして動作させる場合には、励起光には信号光よりも約１００ｎｍ短い波長が使用される（信号光が１５５０ｎｍの場合には、励起光は１４５０ｎｍ）。さらに増幅用ファイバをＥＤＦＡ用ファイバとラマンアンプ用ファイバとの組み合わせにすることにより、ＥＤＦＡおよびラマンアンプの両方を動作させることも可能である。この場合、信号光１５５０ｎｍに対し、１４５０ｎｍ前後の一つの励起光源で両方の動作が可能となる。なお、図示はしていないが増幅用ファイバの中には、散乱光や多重反射光を遮断するために、適切な光アイソレータや光波長フィルタなどを挿入することが好ましい。

次に動作について説明する。光源部１ｂから出力された送出光は伝送路５ａを伝送して光カプラ２ａに入力する。そして所定の分岐比によって分波され、一方は光ファイバ９ａに、他方は伝送路５ｂに出力される。また、光源部１ｂからは送出光だけでなく励起光も出力されており、励起光も送出光と同様の経路を伝送して光ファイバ９ａに出力される。ここで光ファイバ９ａは増幅用ファイバが用いられているため、光ファイバ９ａを伝送する送出光は励起光によって増幅される。そして増幅後は実施例１と同様に光ファイバ４ａに入力し、ここで光ファイバセンサ３ａが検知した温度、圧力、歪、変位などに応じた信号光となり、光ファイバ９ｂへ出力される。

一方、検出部７ｂでは信号光を受光するとともに励起光が出力される。検出部７ｂから出力された励起光は伝送路３ｅを伝送して光カプラ２ｂに入力し、所定の分岐比によって分波され、一方は光ファイバ９ｂに、他方は伝送路５ｄに出力される。光ファイバ９ｂは増幅用ファイバが用いられているため、光ファイバ４ａから出力され光ファイバ９ｂを伝送する信号光は励起光によって増幅される。そして増幅後は光カプラ２ｂに入力し、他の光ファイバセンサから出力され伝送路５ｄを伝送してきた信号光と合波され、伝送路５ｆを伝送して検出部７ｂに出力される。検出部７ｂでは信号光から各光ファイバセンサにおいて検知された情報が検出される。

以上のように本実施例では実施例１の効果に加え、光ファイバセンサの前後にリモート光増幅機能を持たせ、送出光および信号光を増幅しているため、さらに長距離および高多重化の光ファイバセンサシステムを構築することが出来る。

次に実施例４のシステム構成について図１０より説明する。光ファイバセンサ３ｂは実施例１と、光源部１ｂ、検出部７ｂは実施例３と同様の構成である。２ｆ、２ｇ、２ｈ、２ｉ、２ｊ、２ｋ、２ｌは３方向に端部を持つ光カプラ、２ｍ、２ｎは4方向に端部を持つ光カプラ、２ｏは6方向に端部を持つ光カプラである。５ｇ、５ｈ、５ｉ、５ｊ、５ｋ、５ｌ、５ｍ、５ｎ、５ｏはＭＦＤが大きい光ファイバからなる伝送路であり、伝送路５ｇは光源部１ｂと光カプラ２ｆとを、伝送路５ｈは光カプラ３ｆと光カプラ２ｇとを、伝送路５ｉは光カプラ２ｇと光カプラ２ｉとを、伝送路５ｊは光カプラ２ｇと光カプラ２ｍとを、伝送路５ｋは光カプラ２ｍと光カプラ２ｌとを、伝送路５ｌは光カプラ２ｎと光カプラ２ｋとを、伝送路５ｍは光カプラ２ｉと光カプラ２ｋとを、伝送路５ｎは光カプラ２ｋと光カプラ２ｊとを、伝送路５ｏは光カプラ２ｊと検出部７ｂとを接続している。

９ｃ、９ｅ、９ｆ、９ｇは実施例３で説明した増幅用ファイバからなる伝送路であり、伝送路９ｃは光カプラ２ｆと光カプラ２ｈとを、伝送路９ｅは光カプラ２ｈと光カプラ２ｏとを、伝送路９ｆは光カプラ２ｏと光カプラ２ｌとを、伝送路９ｇは光カプラ２ｌと光カプラ２ｊとを接続している。４ｌはＭＦＤが大きい光ファイバからなる伝送路であり光カプラと光ファイバ３ｂとを接続している。１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは検知対象に応じて単数もしくは複数の光ファイバセンサ３ｂから構成されるセンサノードである。なお、図１０においてはセンサノード内において複数の光ファイバセンサ３ｂを並列で接続しているが、直列あるいは並列と直列の併用としても構わない。

次に動作について説明する。光源部１ｂから出力された送出光は各伝送路を伝送し、また伝送路と接続している各光カプラにおいて所定の分岐比で分波され、光ファイバセンサ３ｂに入力する。ここで光源部１ｂからは励起光も出力されており、励起光は送出光と同じ経路を伝送する。そのため増幅用ファイバからなる伝送路９ｃ、９ｅ、を伝送した送出光は励起光によって増幅された後に光ファイバセンサ３ｂに入力する。次いで、送出光が入力された光ファイバセンサ３ｂからは検知した外力に応じた信号光が出力され、各伝送路を伝送し、また伝送路と接続している各光カプラにおいて他の信号光と合波され、検出部７ｂに入力する。ここで検出部７ｂからは励起光が出力されており、信号光とは逆の経路で伝送する。そのため増幅用ファイバからなる伝送路９ｆ、９ｇを伝送した信号光は励起光によって増幅された後に検出部７ｂに入力されることとなる。なお、ラマンアンプのような長い増幅媒体を必要とする分布型光増幅においては、増幅用ファイバを伝送路に設けることが出来るので、本構成は特に有効である。

以上のように本実施例では送出光及び信号光についてセンサノード１０ａは復路のみ、センサノード１０ｂは往路のみでかつセンサノード１０ａよりも大きく、センサノード１０ｃは往復路のいずれを伝送する光についても増幅され、センサノード１０ｄについては送出光及び信号光共に増幅されないといった、各センサノードの増幅の有無を個別に設定することが出来る。さらに、伝送路に使用する光ファイバをＭＦＤの大きい光ファイバや、増幅用ファイバから任意に選択することで、各センサノードにおける増幅の割合を任意で変化させることが出来る。例えばある特定のノードのみを他のノードに対し極端に多重化数を増やしたいとき、あるいは他のノードとは離れた位置に設置したい時、さらには特定のノードのみを高精度（低雑音）で検出したい際には、そのノードへの送出光あるいはノードからの信号光が伝送する伝送路を増幅用ファイバとすればよい。

なお、本発明では実施例１を除き、全て透過型の光ファイバセンサを用いて説明しているが、反射型の光ファイバセンサを用いても同様の効果を得ることが出来る。

また、各実施例において、ＴＤＭであって光カプラを用いて分波および合波される構成について説明しているが、光スイッチを用いたＴＤＭや、光合分波器及びＯＡＤＭを用いたＷＤＭ多重方式とする構成であっても同様の効果を得ることが出来る。

また、各実施例において異種光ファイバの接続に融着を用いているが、メカニカルスプライスによる異種接続や、光コネクタによる異種接続をした場合であっても同様の効果を得ることが出来る。

また、各実施例において送出光と信号光とが異なる伝送路を伝送する構成で説明をしているが、同一の伝送路を伝送させる構成としても同様の効果を得ることが出来る。

また、各実施例において光ファイバセンサの光ファイバには曲げ損失の小さい光ファイバを用いている構成を説明しているが、光導波路やＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical System）を用いて外力を検知する光ファイバセンサを用いても同様の効果を得ることができる。

実施例１のシステム構成図光ファイバのＭＦＤの説明図実施例１における異なる形態のシステム構成図実施例１における異なる形態のシステム構成図実施例１における異なる形態のシステム構成図実施例２のシステム構成図実施例２の光カプラ説明図従来の光ファイバ融着接続部説明図実施例３のシステム構成図実施例４のシステム構成図従来技術の光ファイバセンサ従来技術の光ファイバセンサ

符号の説明

１：光源部
２：光カプラ
３：光ファイバセンサ
４：光ファイバ
５：伝送路
７：検出部
９：増幅用光ファイバ

Claims

送出光を伝送する送出光伝送路と、該送出光が入力されると検知外力に応じた信号光を出力する光ファイバセンサと、該信号光を伝送する信号光伝送路とを備えた光ファイバセンサシステムであって、
前記送出光伝送路および前記信号光伝送路はシングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が大きい光ファイバから構成され、
前記光ファイバセンサはシングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が小さい光ファイバから構成されることを特徴とする光ファイバセンサシステム。
入力された送出光を分波し２方向へ出力する第１の光合分波器と、分波された一方の送出光が入力されると検知外力に応じた信号光を出力する光ファイバセンサと、入力された該信号光および他の信号光を合波し合波信号光を出力する第２の光合分波器とを備えた光ファイバセンサノードを複数有し、分波された他方の送出光は該光ファイバセンサノードの次の光ファイバセンサノードへの送出光であり、該他の信号光は該隣に位置する光ファイバセンサノードからの合波信号光である光ファイバセンサシステムであって、
さらにそれぞれの前記送出光を伝送するそれぞれの送出光伝送路と、前記信号光及び前記合波信号光を伝送するそれぞれの信号光伝送路とを備え、
前記送出光伝送路および前記信号光伝送路はシングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が大きい光ファイバから構成され、
前記光ファイバセンサはシングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が小さい光ファイバから構成されることを特徴とする光ファイバセンサシステム。
請求項２記載の光ファイバセンサシステムであって、
前記第１の光合分波器は、シングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が大きい第１の光ファイバとモードフィールド径が小さい第２の光ファイバとを融着延伸結合させたものであって、該第１の光ファイバを前記送出光および前記分波された一方の送出光が伝送し、該第２の光ファイバを前記分波された他方の送出光が伝送し、
前記第２の光合分波器は、シングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が大きい第３の光ファイバとモードフィールド径が小さい第４の光ファイバとを融着延伸接続させたものであって、該第３の光ファイバを前記他の信号光および前記合波信号光が伝送し、該第４の光ファイバを前記信号光が伝送することを特徴とする光ファイバセンサシステム。
請求項１乃至２記載の光ファイバセンサシステムであって、
前記送出光が伝送する経路上に、該送出光と同一方向に伝送する励起光により該送出光を増幅する第１の増幅用光ファイバを備え、
さらに／又は、前記信号光が伝送する経路上に、該信号光とは反対方向に伝送する励起光により該信号光を増幅する第２の増幅用光ファイバを備えることを特徴とする光ファイバセンサシステム。
請求項４記載の光ファイバセンサシステムであって、
前記第１の増幅用光ファイバは前記光ファイバセンサの近傍であって、該光ファイバセンサへのみの分波後の送出光のみが伝送する位置に配置され、
前記第２の増幅用光ファイバセンサは該光ファイバセンサの近傍であって、該光ファイバセンサからの信号光のみが伝送する位置に配置されることを特徴とする光ファイバセンサシステム。
請求項３記載の光ファイバセンサシステムであって、
前記第２の光ファイバと、前記光ファイバセンサの近傍であって該光ファイバセンサへのみの分波後の送出光のみが伝送する光ファイバとが、該送出光と同一方向に伝送する励起光により該送出光を増幅する増幅用光ファイバであり、
前記第３の光ファイバと、前記光ファイバセンサの近傍であって、該光ファイバセンサからの信号光のみが伝送する光ファイバとが、該信号光とは反対方向に伝送する励起光により該信号光を増幅する増幅用光ファイバであることを特徴とする光ファイバセンサシステム。
請求項４乃至６記載の光ファイバセンサシステムであって、前記増幅用光ファイバはエルビウムドープファイバであることを特徴とする光ファイバセンサシステム。
送出光を伝送する第１乃至第７の送出光伝送路と、該送出光に対し検知外力に応じた信号光を出力する光ファイバセンサを備えた第１乃至第４のセンサノードと、該信号光を伝送する第１乃至第７の信号光伝送路と、第１乃至第１０の光合分波器とを備えた光ファイバセンサシステムであって、
前記第１の光合分波器は前記第１の送出光伝送路の一端と、前記第２の送出光伝送路の一端と、前記第５の送出光伝送路の一端と接続され、該第１の送出光伝送路から入力された送出光を分波し、一方は該第２の送出光伝送路に、他方は該第５の送出光伝送路に送出し、
前記第２の光合分波器は前記第２の送出光伝送路の他端と、前記第３の送出光伝送路の一端と、前記第４の送出光伝送路の一端と接続され、該第２の送出光伝送路から入力された送出光を分波し、一方は該第３の送出光伝送路に、他方は該第４の送出光伝送路に送出し、
前記第３の光合分波器は前記第５の送出光伝送路の他端と、前記第６の送出光伝送路の一端と、前記第７の送出光伝送路の一端と接続され、該第５の送出光伝送路から入力された送出光を分波し、一方は該第６の送出光伝送路に、他方は該第７の送出光伝送路に送出し、
前記第４の光合分波器は前記第４の送出光伝送路の他端と、前記第１の信号光伝送路の一端と、前記第１のセンサノードと接続された第１の光ファイバの一端と接続され、該第４の送出光伝送路から入力された送出光を該第１の光ファイバへ送出し、該第１の光ファイバから入力された信号光を該第１の信号光伝送路に送出し、
前記第５の光合分波器は前記第６の送出光伝送路の他端と、前記第２の信号光伝送路の一端と、前記第２のセンサノードと接続された第２の光ファイバの一端と接続され、該第６の送出光伝送路から入力された送出光を該第２の光ファイバへ送出し、該第２の光ファイバから入力された信号光を該第２の信号光伝送路に送出し、
前記第６の光合分波器は前記第７の送出光伝送路の他端と、前記第６の信号光伝送路の一端と、前記第３のセンサノードと接続された第３の光ファイバの一端と接続され、該第７の送出光伝送路から入力された送出光を該第３の光ファイバへ送出し、該第３の光ファイバから入力された信号光を該第６の信号光伝送路に送出し、
前記第７の光合分波器は前記第３の送出光伝送路の他端と、前記第３の信号光伝送路の一端と、前記第４のセンサノードと接続された第４の光ファイバの一端と接続され、該第３の送出光伝送路から入力された送出光を該第４の光ファイバへ送出し、該第４の光ファイバから入力された信号光を該第３の信号光伝送路に送出し、
前記第８の光合分波器は前記第１の信号光伝送路の他端と、前記第６の信号光伝送路の他端と、前記第７の信号光伝送路の一端と接続され、該第１の信号光伝送路および該第６の信号光伝送路から入力された信号光を合波して該第７の信号光伝送路に送出し、
前記第９の光合分波器は前記第２の信号光伝送路の他端と、前記第３の信号光伝送路の他端と、前記第４の信号光伝送路の一端と接続され、該第２の信号光伝送路および該第３の信号光伝送路から入力された信号光を合波して該第４の信号光伝送路に送出し、
前記第１０の光合分波器は前記第４の信号光伝送路の他端と、前記第７の信号光伝送路の他端と、前記第５の信号光伝送路の一端と接続され、該第４の信号光伝送路および該第７の信号光伝送路から入力された信号光を合波して該第５の信号光伝送路に送出し、
前記第１乃至第４の送出光伝送路および前記第１乃至第５の信号光伝送路はシングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が大きい光ファイバから構成され、
前記第５乃至第７の送出光伝送路は該送出光と同方向に伝送する励起光によって該送出光を増幅する増幅用光ファイバから構成され、
前記第６乃至第７の信号光伝送路は該信号光と反対方向に伝送する励起光により該信号光を増幅する増幅用光ファイバから構成され、
前記光ファイバセンサはシングルモード光ファイバよりもモードフィールド径が小さい光ファイバから構成されることを特徴とする光ファイバセンサシステム。
請求項８記載の光ファイバセンサシステムであって、前記増幅用光ファイバはラマン増幅用であることを特徴とする光ファイバセンサシステム。