JP2008145315A

JP2008145315A - 光ファイバ温度・歪測定方法および装置

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Publication number: JP2008145315A
Application number: JP2006334058A
Authority: JP
Inventors: Takashi Matsui; 隆松井; Kazuhide Nakajima; 和秀中島; Kazuyuki Shiraki; 和之白木; Izumi Mikawa; 泉三川
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2006-12-12
Filing date: 2006-12-12
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2026-12-12
Also published as: JP4938431B2

Abstract

【課題】簡単な構成で高効率に光ファイバの温度・歪を測定可能な光ファイバ温度・歪測定方法および装置を提供する。
【解決手段】光ファイバ温度・歪測定装置を、測定光を出射する光源部２と、コア領域１１の周囲に光軸方向に沿って形成された３つ以上の空孔１３を有し、一端に測定光が入射される空孔付光ファイバ１と、空孔付光ファイバ１の他端側に設けられ、空孔付光ファイバ１内で発生して測定光と同方向に進行する前方ブリルアン散乱光を検出し、電気信号に変換する光／電気変換器４と、光／電気変換器４から出力される出力信号の周波数スペクトルを表示するスペクトラムアナライザ５とを備え、得られた出力信号を解析して媒質もしくは空間等の温度または歪を算出する構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ温度・歪測定方法および装置に関する。

従来、媒質または空間等における温度もしくは歪を光ファイバを用いて測定する光ファイバ温度・歪センサが広く用いられている。このような光ファイバ温度・歪センサとしては、例えば特許文献１，２に示されるような光ファイバ中の後方ブリルアン散乱光を利用したものが多く提案されている。ブリルアン散乱光は光ファイバに光パルス等の測定光を入射したときに発生する散乱光であり、伝搬光の周波数に対して約１０ＧＨｚ異なる周波数成分を有し、周波数シフト及び散乱光強度が温度・歪に比例して変化する性質を持っている。従って、測定対象に光ファイバを敷設して、光ファイバ中に発生する後方ブリルアン散乱光の周波数シフトまたは散乱光強度の変化を計測し、計測結果を解析することによって媒質または空間等の温度・歪を測定することができる。

特開平３−１２０４３７号公報特許第３０９４９１７号公報 K.Nakajima et. al., "Hol1-assisted fiber design for small bending and splice losses", IEEE. Photonics Technology Letters, vol.15, no.12, 2003年12月, p.1737-1739.

しかしながら、上述した特許文献１，２に記載されるような後方ブリルアン散乱を用いた温度・歪測定装置においては、後方ブリルアン散乱光の周波数シフト量が約１０ＧＨｚであることから、１０ＧＨｚ以上の光信号を検出可能な受光系が必要となるため、装置に掛かるコストが大きく、更に、測定装置が複雑化するという問題があった。

このようなことから本発明は、簡単な構成で高効率に光ファイバの温度・歪を測定可能な光ファイバ温度・歪測定方法および装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための第１の発明に係る光ファイバ温度・歪測定方法は、被測定光ファイバの一端から測定光を入射し、前記被測定光ファイバ中に発生するブリルアン散乱光の周波数シフトまたは散乱光強度の変化を測定して前記被測定光ファイバの温度または歪の変化を検出する光ファイバ温度・歪測定方法において、前記被測定光ファイバはコア領域の周囲に光軸方向に沿って形成された３つ以上の空孔を有する空孔付光ファイバであり、前記空孔付光ファイバの一端に測定光を入射し、前記空孔付光ファイバ中に発生し、前記空孔付光ファイバ中を伝搬する前記測定光の進行方向と同方向に進行する前方ブリルアン散乱光の周波数シフトまたは散乱光強度を測定し、測定した前記周波数シフトまたは前記散乱光強度の変化を解析して前記被測定光ファイバの温度または歪を算出することを特徴とする。

上記の課題を解決するための第２の発明に係る光ファイバ温度・歪測定装置は、第１の発明を実現する光ファイバ温度・歪測定装置であって、測定光を出射する光源部と、コア領域の周囲に光軸方向に沿って形成された３つ以上の空孔を有し、一端に前記測定光が入射される空孔付光ファイバと、前記空孔付光ファイバの他端側に設けられ、前記空孔付光ファイバ内で発生して前記測定光と同方向に進行する前方ブリルアン散乱光を検出する受光部と、前記受光部に接続され、前記受光部において検出された前記前方ブリルアン散乱光の受光信号を測定し、前記受光信号の周波数スペクトルを解析して前記空孔付光ファイバの温度または歪を算出する解析部とを備えることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第３の発明に係る光ファイバ温度・歪測定装置は、第１の発明を実現する光ファイバ温度・歪測定装置であって、測定光を出射する光源部と、コア領域の周囲に光軸方向に沿って形成された３つ以上の空孔を有し、一端に前記測定光が入射される空孔付光ファイバと、前記空孔付光ファイバの他端側に設けられ、前記空孔付光ファイバ内で発生して前記測定光と同方向に進行する前方ブリルアン散乱光を検出する受光部と、前記受光部に接続され、前記受光部において検出された前記前方ブリルアン散乱光の散乱光強度を測定し、前記散乱光強度の変動を解析して前記空孔付光ファイバの温度または歪を算出する解析部とを備えることを特徴とする。

上記の課題を解決するための第４の発明に係る光ファイバ温度・歪測定装置は、第２または第３の発明において、前記受光部と前記解析部との間に、ハイパスフィルターもしくはローパスフィルターもしくは帯域通過フィルターを配置することを特徴とする。

本発明に係る光ファイバ温度・歪測定方法および装置によれば、被測定光ファイバ中に発生するブリルアン散乱光が分布する周波数帯を特定の周波数帯域に集中させることができるため、簡素な構成で高効率に媒質または空間等における温度または歪を測定することができる。

本発明の実施形態に係る光ファイバ温度・歪測定装置は、媒質または空間の温度変化または歪に対応して温度変化または歪を生じる被測定光ファイバとして、コア領域の周囲に光軸方向に沿って形成された３つ以上の空孔を有する光ファイバ（以下、空孔付光ファイバという）を用い、該空孔付光ファイバ中に発生し、空孔付光ファイバ中を伝搬する測定光と同方向に進行するブリルアン散乱光（以下、前方ブリルアン散乱光という）を測定することで、媒質または空間等における温度もしくは歪を測定するものである。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る光ファイバ温度・歪測定方法を説明する概念図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す光ファイバの概略断面図、図２は本実施形態に用いる光ファイバの半径方向における屈折率の一例を示す説明図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態において、光ファイバ温度・歪測定装置は、媒質または空間の温度変化・歪に対応して温度変化・歪を受ける被測定光ファイバとしての空孔付光ファイバ１と、空孔付光ファイバ１に測定光としての光波を入射する光源部２と、空孔付光ファイバ１が出射した光波の偏光面を制御する偏光子３と、偏光子３によって偏光面を制御された光波を電気信号に変換する受光部としての光／電気変換器４と、光／電気変換器４から出力される出力信号の周波数スペクトルを表示するスペクトラムアナライザ５とを備えている。

空孔付光ファイバ１の一端から光波を入射すると、空孔付光ファイバ１中においてブリルアン散乱光が発生する。本実施形態においては、前方ブリルアン散乱光及び伝搬光が偏光子３を通ることで、スペクトラムアナライザ５において伝搬光と前方ブリルアン散乱光のビート信号が得られる。このビート信号から周波数シフトまたは散乱光強度の変化を解析することにより、媒質あるいは空間等の温度や歪を測定することができる。

空孔付光ファイバ１には、図１（ｂ）に示すように３つ以上（図１（ｂ）では６つ）の空孔１３が設けられている。これらの空孔１３は、クラッド領域１２内であってコア領域１１の周囲、具体的にはコア領域１１を軸とする同軸円上にコア領域１１に並行して形成されている。以下、コア領域１１の直径を２ａ、空孔１３の直径をｄ、軸心から空孔１３までの距離（以下、空孔位置という）をｃ／２とする。

空孔付光ファイバ１においては、図２に示すように、コア領域１１の屈折率をｎ₁、クラッド領域１２の屈折率をｎ₂、空孔１３の屈折率をｎ₃とすると、これらは、ｎ₁＞ｎ₂＞ｎ₃の関係を満たしている。そして、空孔付光ファイバ１にあっては、空孔１３が間欠的に存在する、二次元的には環状の領域の屈折率を等価的にｎ₃とみなす、即ち、上記断面視環状の領域を半径方向において屈折率が一様に下がっている層とみなすことができる（例えば、非特許文献１参照）。

このように、等価的な屈折率が同じであれば空孔１３の数に関わらず同等の特性が得られるため、空孔１３の数は６つ以外であってもよく、空孔１３の数を変更した場合であっても、空孔１３を６つ設けた場合と同等の取り扱いが可能である。但し、空孔１３の数が２以下の場合には、構造が非対称となり複屈折等の問題が生じるため、空孔１３の数は３以上とする。

以下、本実施形態の作用効果を説明する。図３（ａ）は被測定光ファイバとして図１及び図２に示した空孔付光ファイバ（Hole−assisted Fiber：ＨＡＦ）１を用いた場合の前方ブリルアン散乱光の周波数シフトの温度依存性（図中、黒点および実線で示す）及び被測定光ファイバとして１．３μｍ帯零分散単一モードファイバ（Single-Mode Fiber：ＳＭＦ）を用いた場合の前方ブリルアン散乱光の周波数シフトの温度依存性（図中、白点及び破線で示す）を示すグラフ、図３（ｂ）は被測定光ファイバとして空孔付光ファイバ１を用いた場合の前方ブリルアン散乱光の散乱光強度の温度依存性（図中、黒点および実線で示す）及び被測定光ファイバとして１．３μｍ帯零分散単一モードファイバを用いた場合の前方ブリルアン散乱光の散乱光強度の温度依存性（図中、白点及び破線で示す）を示すグラフである。

なお、図３（ａ），（ｂ）は空孔付光ファイバ１及び１．３μｍ帯零分散単一モードファイバのクラッド径を１２５μｍ、また、空孔付光ファイバ１の空孔間の距離ｃ＝１８μｍ、空孔の直径ｄ＝１３．５μｍとして測定した例である。

空孔付光ファイバ１中に発生する前方ブリルアン散乱光の周波数シフトおよび強度は、それぞれ図３（ａ）、図３（ｂ）に示す実線の傾きから得られる、温度に対する構造固有の比例係数ｋ_fおよび比例係数ｋ_Iで変化する。したがって温度変化前の空孔付光ファイバ１の温度、前方ブリルアン散乱光の周波数シフト、散乱光強度をそれぞれＴ₀，ｆ₀，Ｉ₀とすると、温度変化後の温度Ｔは次の（１）式、または（２）式のいずれかで求められる。

Ｔ＝ｋ_f（ｆ−ｆ₀）＋Ｔ₀ ・・・（１）
Ｔ＝ｋ_I（Ｉ−Ｉ₀）＋Ｔ₀ ・・・（２）

ここで、（１）式におけるｆ、（２）式におけるＩはそれぞれ温度変化後に測定した前方ブリルアン散乱光の周波数シフト、散乱光強度を表す。

また前述したように、一般的にブリルアン散乱による周波数シフトおよび散乱光強度は、光ファイバの歪量に対しても線形に変化する。したがって、空孔付光ファイバ１の歪量変化に対する前方ブリルアン散乱光の周波数シフトの比例係数、または散乱光強度の比例係数を予め求めておくことにより、検出した前方ブリルアン散乱光の周波数シフトまたは散乱光強度から、上記（１）式または（２）式と同様の関係式を用いて歪量を算出することができる。

図４にスペクトルアナライザ５において得られた前方ブリルアン散乱光のビート信号の一例を示す。図４（ａ）及び図４（ｂ）は本実施形態に係る光ファイバ温度・歪測定装置を用いた場合に得られるビート信号であって、図４（ａ）は空孔位置ｃ／２を９．０μｍ、空孔１３の直径ｄを１３．５μｍとした場合、図４（ｂ）は空孔位置ｃ／２を５．４μｍ、空孔１３の直径ｄを４．５μｍとした場合のビート信号である。また、図４（ｃ）は従来の光ファイバを用いて得られたビート信号を示している。

図４（ａ）に示すように、本実施形態において空孔位置ｃ／２を９．０μｍ、空孔１３の直径ｄを１３．５μｍとして得られたビート信号は、周波数スペクトルが１００〜２００ＭＨｚに集中している。また、図４（ｂ）に示すように、空孔位置ｃ／２を５．４μｍ、空孔１３の直径ｄを４．５μｍとして得られたビート信号は、周波数スペクトルが２５０〜３５０ＭＨｚに集中している。一方、従来の光ファイバを用いた場合には図４（ｃ）に示すように散乱光が広帯域にわたって発生している。

図４から、空孔付光ファイバ１を用いて前方ブリルアン散乱を発生させる本実施形態にあっては、限られた周波数帯に散乱光を集中させることができ、更に、空孔位置ｃ／２によって強い散乱光が得られる周波数帯が異なることがわかる。

図５に散乱効率の空孔直径に対する依存性を示す。横軸はコア直径で規格化した空孔直径（以下、規格化空孔直径という）ｄ／２ａ、縦軸は空孔を有さない光ファイバを用いた場合の散乱効率を１とした場合の相対的な散乱効率を表す。図５中、実線で示す値は空孔位置ｃ／２をコア直径ａの２．０倍（ｃ／２ａ＝２．０）とした場合の周波数シフト約１４０ＭＨｚにおける散乱効率を表し、破線で示す値は空孔位置ｃ／２をコア直径ａの１．２倍（ｃ／２ａ＝１．２）とした場合の周波数シフト約２９０ＭＨｚにおける散乱効率を表す。なお、規格化空孔直径ｄ／２ａ＝０、即ち空孔直径ｄ＝０とした場合が従来の、即ち、空孔を有しない光ファイバに対応する。

図５から、空孔位置とコア直径との関係をｃ／２ａ＝２．０とした場合の周波数シフト約１４０ＭＨｚにおける散乱効率にあっては、規格化空孔直径ｄ／２ａが０．８以上のときに従来の空孔を有しない光ファイバを用いた場合に比較して散乱効率が高く、また、空孔位置とコア直径との関係をｃ／２ａ＝１．２とした場合の周波数シフト約２９０ＭＨｚにおける散乱効率にあっては、規格化空孔直径ｄ／２ａが０．６以下のときに、従来の空孔を有しない光ファイバに比べて大きな散乱光率が得られることがわかる。このように、使用する周波数帯によって規格化空孔直径に対する散乱効率が異なっている。

以上に示したように、被測定光ファイバとして空孔付光ファイバ１を用い、空孔付光ファイバ１内に発生する前方ブリルアン散乱光を測定する本実施形態に係る光ファイバ温度・歪測定方法及び測定装置によれば、散乱光の周波数帯を特定の範囲に集中させることができるとともに、前方ブリルアン散乱光の周波数シフト量は数百ＭＨｚ以下であることから、後方ブリルアン散乱光を検出する従来の測定方法に比較して、光／電気変換器等の受光装置として一般的に用いられている安価なものを用いることができるため、簡単な構成で効率よく媒質や空間等の温度または歪を測定することができる。

更に、空孔位置ｃ／２を調整することによって強い散乱光が得られる周波数帯が所望の周波数帯となるように制御するようにすれば、利便性が向上し好適である。更に加えて、使用する周波数帯に応じて最適な空孔直径を選択するようにすれば、散乱効率の高い前方ブリルアン散乱光を得ることができるために媒質や空間等の温度または歪の測定をより高効率化することが可能となる。

［第２の実施形態］
図６に本発明の第２の実施形態における光ファイバ温度・歪測定装置の構成例を示す。本実施形態に係る光ファイバ温度・歪測定装置は、上述した第１の実施形態に係る光ファイバ温度・歪測定装置に、解析部６及び測定結果表示部７を追加して設けたものである。その他の構成は図１に示し上述した第１の実施形態の構成と概ね同様であり、同一部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

図６に示すように、本実施形態においてはスペクトラムアナライザ５に解析部６が接続され、更に解析部６には測定結果表示部７が接続されている。解析部６は、スペクトラムアナライザ５によって観測された前方ブリルアン散乱光の周波数シフトまたは散乱光強度の変化を解析して空孔付光ファイバ１の温度・歪を算出する手段である。また、測定結果表示部７は、解析部６によって算出された空孔付光ファイバ１の温度または歪、あるいは双方を表示する手段である。

本実施形態によれば、スペクトラムアナライザ５で観測される前方ブリルアン散乱光の周波数シフトまたは散乱光強度の変化を解析部６で解析することで、所望の媒質または空間の温度または歪量が得られる。なお、図６に示す光ファイバ温度・歪測定装置においては、受光効率を上げるために、光ファイバ１と光源部２の間に偏光子または偏波コントローラがあることが好ましい。

［第３の実施形態］
図７に本発明の第３の実施形態における光ファイバ温度・歪測定装置の構成例を示す。図７に示すように、本実施形態に係る光ファイバ温度・歪測定装置は、光／電気変換器４の後段に、図６に示した第２の実施形態に示したスペクトラムアナライザ５に代えて、ハイパスフィルターもしくはローパスフィルターもしくは帯域通過フィルター等の周波数フィルター８、及び電力測定部９を配置するものである。その他の構成は図６に示すものと概ね同様であって、同一の部材には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

周波数フィルター８は、入力される電気信号から、前方ブリルアン散乱光が集中する周波数帯以外の周波数成分を除去するものである。また、電力測定部９は周波数フィルター８を通過した電気信号を散乱光強度として検出するものである。

本実施形態によれば、周波数フィルター８によって前方ブリルアン散乱光のみを抽出し、電力測定部９で検出される散乱光強度の変化を解析部６において解析することにより、空孔付光ファイバ１の温度または歪を測定できる。さらに、電力測定部９において散乱光強度を測定できるため、高価なスペクトラムアナライザが不要となり好ましい。

なお、上述した第１乃至第３の実施形態においては、空孔付光ファイバ１内で発生する前方ブリルアン散乱光の受光強度が周波数帯域１００〜２００ＭＨｚまたは２５０〜３５０ＭＨｚにおいて大きくなる測定例を示したが、実際には、散乱光が集中する周波数帯域はこの周波数帯に限らない。強い散乱光が得られる周波数帯は空孔１３の配置、即ち空孔位置ｃ／２によって変化するため、空孔位置ｃ／２を適切に制御することで、任意の周波数帯での測定が可能となる。更に、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

本発明は、媒質表面もしくは空間中の温度または歪量の測定に利用される光ファイバ温度・歪測定方法および装置に適用可能である。

図１（ａ）は本発明の一実施形態に関わる前方ブリルアン散乱を用いた温度・歪測定方法を説明する概念図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示す空孔付光ファイバの概略断面図である。空孔付光ファイバの径方向の屈折率変化を示す説明図である。本発明の一実施形態に関わる前方ブリルアン散乱を用いた温度・歪測定法および測定装置において、光ファイバが従来の光ファイバおよび空孔付光ファイバのときの、ブリルアン散乱光の周波数シフトおよび散乱光強度の温度依存性を表す特性図である。本発明の一実施形態に関わる前方ブリルアン散乱を用いた温度・歪測定法および測定装置において、光ファイバが従来の光ファイバおよび空孔付光ファイバのときの前方ブリルアン散乱の周波数スペクトルを表す特性図である。本発明の一実施形態に関わる前方ブリルアン散乱を用いた温度・歪測定法および測定装置における、前方ブリルアン散乱の散乱光強度の空孔直径に対する依存性を表す特性図である。本発明の一実施形態に関わる前方ブリルアン散乱を用いた温度・歪測定法および測定装置の構成例を表すブロック図である。本発明の一実施形態に関わる前方ブリルアン散乱を用いた温度・歪測定法および測定装置の構成例を表すブロック図である。

符号の説明

１空孔付光ファイバ
２光源部
３偏光子
４光／電気変換器
５スペクトラムアナライザ
６解析部
７表示部
８周波数フィルター
９電力測定部
１１コア領域
１２クラッド領域
１３空孔

Claims

被測定光ファイバの一端から測定光を入射し、前記被測定光ファイバ中に発生するブリルアン散乱光の周波数シフトまたは散乱光強度の変化を測定して前記被測定光ファイバの温度または歪の変化を検出する光ファイバ温度・歪測定方法において、
前記被測定光ファイバはコア領域の周囲に光軸方向に沿って形成された３つ以上の空孔を有する空孔付光ファイバであり、
前記空孔付光ファイバの一端に測定光を入射し、
前記空孔付光ファイバ中に発生し、前記空孔付光ファイバ中を伝搬する前記測定光の進行方向と同方向に進行する前方ブリルアン散乱光の周波数シフトまたは散乱光強度を測定し、
測定した前記周波数シフトまたは前記散乱光強度の変化を解析して前記被測定光ファイバの温度または歪を算出する
ことを特徴とする光ファイバ温度・歪測定方法。
請求項１記載の光ファイバ温度・歪測定方法を実現する光ファイバ温度・歪測定装置であって、
測定光を出射する光源部と、
コア領域の周囲に光軸方向に沿って形成された３つ以上の空孔を有し、一端に前記測定光が入射される空孔付光ファイバと、
前記空孔付光ファイバの他端側に設けられ、前記光ファイバ内で発生して前記測定光と同方向に進行する前方ブリルアン散乱光を検出する受光部と、
前記受光部に接続され、前記受光部において検出された前記前方ブリルアン散乱光の受光信号を測定し、前記受光信号の周波数シフトの変化を解析して前記空孔付光ファイバの温度または歪を算出する解析部と
を備えることを特徴とする光ファイバ温度・歪測定装置。
請求項１記載の光ファイバ温度・歪測定方法を実現する光ファイバ温度・歪測定装置であって、
測定光を出射する光源部と、
コア領域の周囲に光軸方向に沿って形成された３つ以上の空孔を有し、一端に前記測定光が入射される空孔付光ファイバと、
前記空孔付光ファイバの他端側に設けられ、前記光ファイバ内で発生して前記測定光と同方向に進行する前方ブリルアン散乱光を検出する受光部と、
前記受光部に接続され、前記受光部において検出された前記前方ブリルアン散乱光の散乱光強度を測定し、前記散乱光強度の変動を解析して前記空孔付光ファイバの温度または歪を算出する解析部と
を備えることを特徴とする光ファイバ温度・歪測定装置。
請求項２又は請求項３記載の光ファイバ温度・歪測定装置において、前記受光部と前記解析部との間に、ハイパスフィルターもしくはローパスフィルターもしくは帯域通過フィルターを配置する
ことを特徴とする光ファイバ温度・歪測定装置。