JP2010014446A - 光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】導波音響波型ブリユアン散乱光の変化をより容易に検出することができる光ファイバセンサを提供すること。
【解決手段】所定の変調周波数で変調された試験光を出力する光源と、少なくとも一方の端部において前記試験光を受け付け、前記試験光によって発生する導波音響波型ブリユアン散乱光を他方の端部から出力する光ファイバと、前記光ファイバから出力する前記導波音響波型ブリユアン散乱光を受け付けて電子信号に変換する受光手段と、前記変調周波数のピーク電力強度を測定する電力測定手段を有する検出手段と、を備え、前記変調周波数は、前記導波音響波型ブリユアン散乱光の有する音響波による周波数成分と重畳する周波数に設定され、前記検出手段は、前記電力測定手段が測定した電力に基づいて前記光ファイバの周囲温度または該光ファイバにかかる応力を検出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光ファイバを用いて温度や被測定物の歪みを測定する光ファイバセンサに関するものである。

従来より、光ファイバを用いて電気的な接触なく温度や被測定物の歪みを測定する光ファイバセンサが開示されている。光ファイバセンサの方式には様々なものがあるが、たとえば、光ファイバに試験光を入力し、光ファイバ中の熱エネルギーにより発生している縦波音響波と試験光の光波との相互作用によってブリユアン散乱光を発生させ、このブリユアン散乱光の周波数シフト量を測定する方式がある。なお、このようなブリユアン散乱光は、光の伝播方向に対して後方に散乱されるので、以下では後方ブリユアン散乱光と称する。後方ブリユアン散乱光の周波数シフト量は、光ファイバの温度や印加される応力に応じて変化する。したがって、周波数シフト量の測定によって、光ファイバの周囲温度や光ファイバが取り付けられた被測定物の歪みが測定できるのである。この後方ブリユアン散乱光の周波数シフト量を測定する方式は、通常伝送線路に用いられている光ファイバを用いて、長距離に渡って温度や歪の分布状態を測定できる利点がある（たとえば、特許文献１参照）。

しかしながら、後方ブリユアン散乱光の周波数シフト量を測定する方式は、上記利点を有する反面、以下のような問題点がある。すなわち、
・後方散乱光を検出するため、ＯＴＤＲ装置（Optical Time Domain Reflectometer）を用いる構成が必要となる。その結果、装置構成が複雑である。
・通常の石英系ガラスからなる光ファイバの場合、後方ブリユアン散乱光の周波数シフト量は、１０ＧＨｚ前後である。したがって、この周波数シフト量を測定するためには、測定可能周波数帯域が１０ＧＨｚ以上の受光素子を必要とし、さらに対応する電気回路も同様の高周波回路が求められるため、測定装置が高価になってしまう。

一方、光ファイバ中の熱エネルギーにより発生している横波音響波と光波との相互作用によって、散乱効率が１０^−１０ｍ^−１と非常に小さいブリユアン散乱光が発生する導波音響波型ブリユアン散乱（Guided Acoustic Wave Brillouin Scattering、GAWBS）という散乱現象が知られている（たとえば、非特許文献１〜３参照）。この導波音響波型ブリユアン散乱による散乱光（導波音響波型ブリユアン散乱光）は、試験光の伝播方向と同じ方向に進行するため、前方ブリユアン散乱光とも呼ばれている。

この導波音響波型ブリユアン散乱光は、横波音響波の周波数において変調を受けたものであるが、この周波数は、光ファイバの温度や印加される応力に応じて変化するので、温度や歪みを測定する光ファイバセンサに応用できる（たとえは、非特許文献４、５参照）。また、導波音響波型ブリユアン散乱光を用いる方式は、後方ブリユアン散乱光を用いる方式と比較して、以下のような特徴を有する。すなわち、
・前方散乱光を検出するため、ＯＴＤＲ装置が不要である。その結果、装置構成が簡易になる。
・散乱光は横波音響波の周波数に応じた複数の周波数成分を含む。各周波数成分のピーク周波数は２０〜８００ＭＨｚ付近に発生するため、受光素子の周波数帯域特性としては１ＧＨｚ程度で十分である。したがって、測定装置がより安価になる。

特開２００７−１７８３４６号公報 西澤、森、後藤、宮内 "定偏波ファイバにおけるＧＡＷＢＳの特性" 信学技報ＬＱＥ９５−１０３（１９９５−１１） K.Shiraki and M.Ohashi "Sound velocity measurement based on guided acoustic-wave brillouin scattering" IEEE Photn.Technol.Lett.Vol.4,pp.1177-1180,1992 A.Melloni, M.Martinelli and A.Fellegara "Frequency characterization of the nonlinear refractive index in optical Fiber" Fiber and Integrated Optics,18,pp1-13,1999 田中、小楠 "ＧＡＷＢＳを利用した光ファイバ温度センサ" 電子情報通信学会総合大会 １９９７、Ｃ−３−１４２ 田中、布川、小楠 "ＧＡＷＢＳを利用した光ファイバ引っ張り歪センサ" 電子情報通信学会エレクトロニクスソサエティ大会 １９９７、Ｃ−３−４

しかしながら、従来の導波音響波型ブリユアン散乱光を用いた光ファイバセンサは、発生する導波音響波型ブリユアン散乱光が微弱であるため、その変化の検出が困難であるという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、導波音響波型ブリユアン散乱光の変化をより容易に検出することができる光ファイバセンサを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光ファイバセンサは、所定の変調周波数で変調された試験光を出力する光源と、少なくとも一方の端部において前記試験光を受け付け、前記試験光によって発生する導波音響波型ブリユアン散乱光を他方の端部から出力する光ファイバと、前記光ファイバから出力する前記導波音響波型ブリユアン散乱光を受け付けて電子信号に変換する受光手段と、前記変調周波数のピーク電力強度を測定する電力測定手段を有する検出手段と、を備え、前記変調周波数は、前記導波音響波型ブリユアン散乱光の有する音響波による周波数成分と重畳する周波数に設定され、前記検出手段は、前記電力測定手段が測定した電力に基づいて前記光ファイバの周囲温度または該光ファイバにかかる応力を検出することを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、前記検出手段は、前記受光手段が変換した電気信号を受け付けて前記変調周波数を含む所定帯域の周波数成分を有する電気信号を透過する帯域透過フィルタを備え、前記電力測定手段は、前記帯域透過フィルタを透過した電気信号の電力を測定することを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、前記変調周波数は、温度または応力の所望検出範囲の下限における前記音響波による周波数成分のピーク周波数以下の周波数に設定されることを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、前記変調周波数は、温度または応力の所望検出範囲の上限における前記音響波による周波数成分のピーク周波数以上に設定されることを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、前記光ファイバを巻回した状態で表面に保持する板状部材をさらに備えたことを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、前記板状部材は、可撓性を有することを特徴とする。

また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、前記光ファイバは、偏波保持型光ファイバであることを特徴とする。

本発明によれば、試験光の変調周波数のピーク電力強度に基づいて測定用光ファイバの周囲温度または該測定用光ファイバにかかる応力を検出するので、導波音響波型ブリユアン散乱光の変化をより容易に検出できる光ファイバセンサを実現できるという効果を奏する。

以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバセンサの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の図面において、同一または対応する要素には適宜同一符号を付している。また、適宜に導波音響波型ブリユアン散乱をＧＡＷＢＳと略記する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。図１に示すように、この光ファイバセンサ１００は、光源装置１と、光源装置１に接続した測定用光ファイバ２と、測定用光ファイバ２に接続した検出装置３とを備える。なお、測定用光ファイバ２は、温度を測定したい場所に置かれたり、温度または歪みを測定したい被測定物に取り付けられたりする。

図２は、図１に示す光源装置１の構成を示したブロック図である。図２に示すように、この光源装置１は、たとえば分布帰還型の半導体レーザダイオードからなり連続光としてのレーザ光を出力する連続光源１１と、連続光源１１から出力する連続光を受け付け、これを変調して出力する変調器１２と、変調器１２に変調のための電気信号を提供する電気信号発生器１３とを備える。なお、図２において、各構成要素を接続する線については、実線のものはレンズや光ファイバ等を適宜用いた光学的接続を意味し、破線のものは電気的接続を意味している。この光源装置１は、このような構成によって、所定の変調周波数で変調された変調光である試験光を出力する。なお、所定の変調周波数は、２０〜８００ＭＨｚ程度であるが、その設定については後述する。また、連続光源１１が出力するレーザ光の波長はたとえば光ファイバ通信用に使用される１５００〜１６００ｎｍであるが、測定用光ファイバ２を過度の損失なく伝播する波長であれば特に限定されない。また、変調器１２としては、強度変調、位相変調、偏波変調等の各種変調方法を採用したものを使用することができる。

図３は、図１に示す測定用光ファイバ２の模式的な断面および対応する屈折率プロファイルを示した図である。図３に示すように、この測定用光ファイバ２は、中心コア部２１１と、中心コア部２１１の外周に形成された外側コア部２１２と、外側コア部２１２の外周に形成されたクラッド部２１３とからなるガラス部２１と、クラッド部２１３の外周に形成された樹脂被覆部２２とを有する。

ガラス部２１は石英系ガラスからなり、中心コア部２１１にはゲルマニウム（Ｇｅ）が添加されており、外側コア部２１２にはフッ素（Ｆ）が添加されている。また、クラッド部２１３は屈折率調整用のドーパントを含まない純石英ガラスからなる。その結果、この測定用光ファイバ２は、ガラス部２１において、プロファイルＰのような形状の屈折率プロファイルを有している。また、中心コア部２１１のクラッド部２１３に対する比屈折率差の最大値はΔ１であり、外側コア部２１２のクラッド部２１３に対する比屈折率差はΔ２である。また、クラッド部２１３の外径すなわちクラッド径はたとえば９０μｍ以下である。

図４は、図３に示す測定用光ファイバ２の特性の一例を示した図である。なお、図４において、「外径」とは樹脂被覆部２２の外径を意味し、「ＭＦＤ」はモードフィールド径を意味する。図４に示すように、この測定用光ファイバ２は、たとえばクラッド径８８μｍであり、外径が１４５μｍである。また、Δ１、Δ２は、それぞれ２．８％、−０．６％である。

図５は、図１に示す検出装置３の構成を示したブロック図である。図５に示すように、この検出装置３は、偏光子３１と、受光手段としてのフォトダイオード（ＰＤ）３２と、帯域透過フィルタ３３と、電力測定手段としての高周波（ＲＦ）パワーメータ３４と、制御表示器３５とが順次接続した構成を有する。なお、図４においても、各構成要素を接続する線については、実線のものは光学的接続を意味し、破線のものは電気的接続を意味している。

つぎに、この光ファイバセンサ１００の動作について説明する。光源装置１から試験光が出力されると、測定用光ファイバ２はこの試験光を一方の端部において受け付け、試験光は測定用光ファイバ２中を伝播する。

ここで、測定用光ファイバ２のガラス部２１には、その熱エネルギーによって横波音響波が発生している。図６は、図２に示す測定用光ファイバ２のガラス部２１に発生している横波音響波の振動方向を矢印で示した図である。図６に示すように、横波音響波には、ｍを次数を表す整数として、所定の共振周波数で中心対称的に振動するＲ_０ｍモード(radial mode)と、或る直交するｘ−ｙ軸の方向において一方は膨張、他方は圧縮するように所定の共振周波数で振動するＴＲ_２ｍモード(torsional/radial mode)と呼ばれる２つのモードが存在する。Ｒ_０ｍモードはガラス部２１の屈折率を変調するので位相変調を誘起する。このためＲ_０ｍモードに起因するＧＡＷＢＳはポラライズドＧＡＷＢＳと呼ばれる。したがって、ポラライズドＧＡＷＢＳによって発生したポラライズドＧＡＷＢＳ光は、所定の共振周波数で位相変調されたものとなる。一方、ＴＲ_２ｍモードはガラス部２１内に複屈折を誘起するため、主に偏波変調を誘起する。このためＴＲ_２ｍモードに起因するＧＡＷＢＳはデポラライズドＧＡＷＢＳと呼ばれる。したがって、デポラライズドＧＡＷＢＳによって発生したデポラライズドＧＡＷＢＳ光は、所定の共振周波数で偏波変調されたものとなる。

ここで、各ＧＡＷＢＳの共振周波数について精査する。

（デポラライズドＧＡＷＢＳの共振周波数の関係式）
はじめに、光波ＨＥ_１１モードとＴＲ_２ｍモードとから発生するデポラライズドＧＡＷＢＳの共振周波数を考える。ＴＲ_２ｍモードによる共振周波数ｆ_Ｔｍは、非特許文献２によれば、音響波の横波速度をＶ_Ｓ、固有値をｙ_ｍ、光ファイバのクラッド径をｄとして、以下の式（１）で表される。

なお、固有値ｙ_ｍは、ＴＲ_２ｍモードにおける光ファイバのクラッド部表面での境界条件から、音響波の横波速度Ｖ_Ｓと縦波速度Ｖ_Ｌとの比、すなわちＶ_Ｓ／Ｖ_Ｌをαとし、２次、３次のベッセル関数をＪ_２、Ｊ_３として、以下の式（２）を用いて求められる。

（ポラライズドＧＡＷＢＳの共振周波数の関係式）
つぎに、光波ＨＥ_１１モードとＲ_０ｍモードとから発生するポラライズドＧＡＷＢＳの共振周波数を考える。Ｒ_０ｍモードによる共振周波数ｆ_Ｒｍは、非特許文献３によれば、固有値をμ_ｍとして、以下の式（３）で表される。

なお、固有値μ_ｍは、光ファイバのクラッド部と樹脂被覆部との境界条件を無視すると、０次のベッセル関数をＪ_０として、以下の式（４）を用いて求められる。

通常の石英ガラス系光ファイバの場合、温度２０℃においてＶ_Ｓ＝３７４０ｍ／ｓ、Ｖ_Ｌ＝５９１０ｍ／ｓである。すると、たとえばポラライズドＧＡＷＢＳの１次の共振周波数は２９．８５ＭＨｚとなり、他の高次の共振周波数は、Ｖ_Ｌ／（πｄ）≒４８ＭＨｚ間隔で発生する。また、音響波の速度は光ファイバの温度または印加される応力に応じて変化する。

このようにデポラライズドＧＡＷＢＳ、ポラライズドＧＡＷＢＳのいずれにおいても共振周波数のピークは周期的な周波数間隔で発生する。また、発生する周波数帯域の上限は上述したように８００ＭＨｚ程度であり、更なる高周波帯域ではピーク強度が減衰することが知られている。さらにピーク周波数間隔は（１）式および（３）式から明らかなように、クラッドの直径に反比例するため、測定用光ファイバ２のクラッド径を小さくすることで、デポラライズドＧＡＷＢＳ光の変調周波数のピーク強度を従来のクラッド径がたとえば１２５μｍのものよりも強くすることができる。その結果、この光ファイバセンサ１００は、測定感度が従来よりも高いものとなる。

このように、測定用光ファイバ２中では、各モードの横波音響波と試験光の光波との相互作用によって所定の共振周波数と同じ変調周波数を有するポラライズドＧＡＷＢＳ光とデポラライズドＧＡＷＢＳ光が発生する。発生した各ＧＡＷＢＳ光は、試験光と同一の方向に伝播し、測定用光ファイバ２の他方の端部から出力する。

図７は、測定用光ファイバ２として図４に示す特性を有するものを用い、変調周波数を２８２．５ＭＨｚとした場合の周囲温度が２０℃の測定用光ファイバ２から出力したデポラライズドＧＡＷＢＳ光の周波数スペクトルを一部周波数領域について示した図である。図７に示すように、測定用光ファイバ２から出力したデポラライズドＧＡＷＢＳ光は、その周波数スペクトルに、或るＴＲ_２ｍモードの音響波による周波数成分Ｓ１と、試験光の変調周波数に対応するピーク周波数成分Ｐ１を含んでいる。図７に示すように、本実施の形態１においては、変調周波数は、或るＴＲ_２ｍモードの音響波による周波数成分Ｓ１と重畳する周波数に設定されている。

つぎに、検出装置３は、測定用光ファイバ２から出力した各ＧＡＷＢＳ光を受け付ける。検出装置３において、各ＧＡＷＢＳ光は偏光子３１に入力する。このとき、ＧＡＷＢＳ光のうち、デポラライズドＧＡＷＢＳ光については、偏光子３１を透過することによって、その偏波変調が強度変調に変換される。なお、偏光子３１の透過偏光方向については、偏光子３１を透過し、強度変調に変換されたデポラライズドＧＡＷＢＳ光の強度変調振幅が最大になるように適宜調整する。つぎに、ＰＤ３２は、偏光子３１を透過した各ＧＡＷＢＳ光を受け付け、これを電気信号に変換して出力する。この電気信号は、図７に示すような或るＴＲ_２ｍモードの音響波による周波数成分Ｓ１と、変調周波数のピーク周波数成分Ｐ１とを含んでいる。つぎに、帯域透過フィルタ３３は、変調周波数を含む所定の透過帯域を有しており、ＰＤ３２が出力する電気信号のうち、変調周波数を含む所定帯域の周波数成分を有する電気信号を透過する。つぎに、ＲＦパワーメータ３４は、帯域透過フィルタ３３を透過した電気信号の電力を測定する。

つぎに、制御表示器３５は、ＲＦパワーメータ３４が測定した電気信号の電力に基づいて、測定用光ファイバ２の周囲温度、あるいは被測定物の歪み等を検出する。これについて具体的に説明する。

図８は、制御表示器３５が、ＲＦパワーメータ３４が測定した電気信号の電力に基づいて測定用光ファイバ２の周囲温度を検出する原理について説明する説明図である。図８において、上段は、測定用光ファイバ２の周囲温度が或る温度の場合において、ＰＤ３２が出力する電気信号の周波数スペクトルの一部領域を示している。なお、周波数成分Ｓ２は、或るＴＲ_２ｍモードの音響波による周波数成分を示し、ピーク周波数成分Ｐ２は、変調周波数の周波数成分を示している。ピーク周波数成分Ｐ２の周波数は周波数成分Ｓ２のピーク周波数とほぼ一致している。また、帯域Δνは、帯域透過フィルタ３３の透過帯域を示している。この状態において、ＲＦパワーメータ３４が測定する電気信号の電力は、帯域Δνに含まれる電力であり、その最大強度Ｉ１に比例する電力値である。

つぎに、図８の下段に示すように、測定用光ファイバ２の周囲温度が低下し、或るＴＲ_２ｍモードの音響波による周波数成分が周波数成分Ｓ３のように低周波数側に移動した場合は、周波数成分Ｓ３のうち帯域Δνに含まれる部分の強度が減少するため、帯域Δνに含まれる電力の最大強度も最大強度Ｉ１から最大強度Ｉ２へと減少し、ＲＦパワーメータ３４が測定する電気信号の電力も減少する。

このように、ＲＦパワーメータ３４が測定する電気信号の電力は測定用光ファイバ２の周囲温度に応じて変化するので、ＲＦパワーメータ３４が測定した電気信号の電力に基づいて測定用光ファイバ２の周囲温度等を検出することができる。なお、測定用光ファイバ２に応力がかかった場合は、その応力の変化に応じて或るＴＲ_２ｍモードの音響波による周波数成分が移動し、具体的には応力の増大に応じて高周波側に移動する。したがって、上記と同様の原理によって、ＲＦパワーメータ３４が測定した電気信号の電力に基づいて測定用光ファイバ２にかかる応力を検出することができ、したがって被測定物の歪みを検出することができる。ゆえに、この光ファイバセンサ１００は、検出の困難な微弱な導波音響波型ブリユアン散乱光周波数の変化を検出する必要がなく、外部から入力された導波音響波型ブリユアン散乱光の変調信号強度の変化のみを測定すればいいので、より容易に周囲温度等を検出することができるものとなる。

なお、帯域Δνの値はたとえば１ｋＨｚ〜１ＭＨｚであり、帯域が狭いほど温度等の検出精度が高くなる。また、制御表示器３５の検出は、たとえば予め測定されたＲＦパワーメータ３４の測定電力値と温度または応力との関係式に基づいた演算処理によって行なわれる。また、制御表示器３５内部のメモリに記憶された測定電力値と温度または応力との対応テーブルに基づいて行なってもよい。制御表示器３５はたとえばパーソナルコンピュータによって実現される。

また、設定すべき変調周波数と音響波による周波数成分のピーク周波数との関係については、変調周波数を、温度または応力の所望検出範囲の下限における音響波による周波数成分のピーク周波数以下に設定することが好ましい。このようにすれば、温度または応力の所望検出範囲において、ＲＦパワーメータ３４の測定電力は温度または応力の増加に応じて単調に減少するため、測定電力と温度または応力との関係が確実に一意に定まるので、より確実な温度または応力の検出が可能となる。あるいは、変調周波数を、温度または応力の所望検出範囲の上限における横波音響波による周波数成分のピーク周波数以上に設定すれば、温度または応力の所望検出範囲において、ＲＦパワーメータ３４の測定電力は温度または応力の増加に応じて単調に増加するので好ましい。

たとえば、本発明者らの実験によれば、図４に示す特性を有する光ファイバを測定用光ファイバ２として用いた場合には、図７に示す周波数成分Ｓ１のピーク周波数ｆ（ＭＨｚ）は、温度Ｔ（℃）に対して、ｆ＝２８２．０７６＋０．０２１２Ｔなる関係式にほぼ従って変化することが確認された。したがって、所望の検出温度範囲の上限または下限に従って、上記関係式を用いて変調周波数を設定すればよい。

図９は、図１に示す光ファイバセンサ１００の構成において、測定用光ファイバ２として図４に示す特性を有するものを用い、変調周波数を２８２．５ＭＨｚとした場合の、測定用光ファイバ２の周囲温度の変化に対するＲＦパワーメータ３４の測定電力の変化を示した図である。なお、図９においては、横軸は周囲温度を示し、縦軸はその周囲温度での測定電力と、周囲温度が２０℃の場合の測定電力との差ΔＰを示している。また、帯域透過フィルタの透過中心周波数は２８２．５Ｈｚとした。図９に示すように、測定電力は周囲温度に従って変化する。したがって、制御表示器３５において、この図９に示すような温度と測定電力値との関係を、関係式または対応テーブル等として記憶しておくことによって、所望の温度検出が実現される。

（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２について説明する。本実施の形態２に係る光ファイバセンサは、実施の形態１に係る光ファイバセンサ１００と略同様の構成を備えるが、測定用光ファイバを巻回した状態で表面に保持する板状部材をさらに備えている。

図１０は、本実施の形態２に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。図１０に示すように、この光ファイバセンサ２００は、図１に示すものと同様の光源装置１と、測定用光ファイバ２と、検出装置３とを備えている。また、光源装置１と測定用光ファイバ２とは、接続用光ファイバ４ａを介して接続部５ａにおいて接続している。また、検出装置３と測定用光ファイバ２とは、接続用光ファイバ４ｂを介して接続部５ｂにおいて接続している。なお、接続部５ａ、５ｂは、たとえば光コネクタ接続部や融着接続部などである。また、接続用光ファイバ４ａ、４ｂは、たとえば光ファイバ通信において用いられる標準のシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）である。

さらに、この光ファイバセンサ２００は、板状部材６を備えており、測定用光ファイバ２は、最大巻き付け径Ｄ１、最小巻き付け径Ｄ２で巻回した状態で板状部材６の表面に接合材等で固着している。このように、板状部材６が測定用光ファイバ２を巻回した状態で表面に保持しているので、測定用光ファイバ２はその条長に比してより少ない平面積でコンパクトに収容されるため、光ファイバセンサ２００全体が小型になるとともに、狭い場所や小さい被測定物の測定にも適するものとなる。なお、この測定用光ファイバ２が、図４に示す特性を有するものであれば、従来のクラッド径が１２５μｍのＳＭＦよりもクラッド径が小さく、樹脂被覆部２２を含めた外径も、従来のＳＭＦの２５０μｍよりも小さいため、より収容性が高いものとなる。さらに、同じ平面積であっても、より条長の長い測定用光ファイバ２を収容できるため、試験光と横波音響波との相互作用長を長くできるので、測定感度を高くできる。

なお、板状部材６の材質については特に限定されないが、たとえばポリエチレンテレフタレートなどの可撓性を有する材質を用い、薄いシート状に形成したものとすれば、たとえば曲面形状の外形を有する被測定物にも容易に密着して取り付けることができるので、その温度や歪みをより正確に測定することができる。

なお、測定用光ファイバ２の最大巻き付け径Ｄ１および最小巻き付け径Ｄ２は、測定用光ファイバ２の曲げ損失や破断率を考慮して適宜設定できる。なお、図４に示す特性を有する光ファイバを用いる場合は、たとえば最大巻き付け径Ｄ１の値を９．５ｃｍ、最小巻き付け径Ｄ２の値を３ｃｍとできる。

（実施の形態３）
つぎに、本発明の実施の形態３について説明する。上記実施の形態１、２に係る光ファイバセンサ１００、２００は、デポラライズドＧＡＷＢＳ光を用いたものであったが、本実施の形態３に係る光ファイバセンサは、ポラライズドＧＡＷＢＳ光を用いたものである。

図１１は、本実施の形態３に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。図１１に示すように、この光ファイバセンサ３００は、図１に示すものと同様の光源装置１および測定用光ファイバ２と、光カプラ７と、検出装置３ａとを備える。

光カプラ７は、方向性結合器型であり、４つの入出力ポート７１〜７４を備えている。この光カプラ７の分岐比は１：１である。すなわち、この光カプラ７は、たとえば入出力ポート７１において受け付けた光を、１：１の強度比で分岐して入出力ポート７３、７４にそれぞれ出力する。そして、入出力ポート７１は光源装置１と接続し、入出力ポート７２は検出装置３ａと接続している。また、入出力ポート７３、７４は測定用光ファイバ２の両端と接続している。したがって、光カプラ７と測定用光ファイバ２とは光ファイバループ干渉計を構成している。

一方、検出装置３ａは、ＰＤ３２と、帯域透過フィルタ３３と、ＲＦパワーメータ３４と、制御表示器３５とが順次接続した構成を有する。すなわち、この検出装置３ａは、図５に示す検出装置３から偏光子３１を除いた構成を有する。

つぎに、この光ファイバセンサ３００の動作について説明する。光源装置１から試験光が出力されると、光カプラ７は入出力ポート７１において試験光を受け付け、１：１の強度比で分岐して入出力ポート７３、７４にそれぞれ出力する。つぎに、測定用光ファイバ２は入出力ポート７３、７４から出力した試験光を各端部において受け付け、各試験光は測定用光ファイバ２中を反対方向に伝播する。

つぎに、測定用光ファイバ２中では、各モードの横波音響波と各試験光の光波との相互作用によって所定の変調周波数を有するポラライズドＧＡＷＢＳ光とデポラライズドＧＡＷＢＳ光が発生し、各試験光と同一方向に伝播する。入出力ポート７３、７４にそれぞれ到達した各ポラライズドＧＡＷＢＳ光と各デポラライズドＧＡＷＢＳ光とは、光カプラ７において結合する。このとき、ポラライズドＧＡＷＢＳ光については、位相変調されているために、光カプラ７の干渉効果によって強度変調に変換され、一部が入出力ポート７２から出力される。

つぎに、検出装置３ａは、光カプラ７の入出力ポート７２から出力したポラライズドＧＡＷＢＳ光を受け付ける。そして、ポラライズドＧＡＷＢＳ光はＰＤ３２に入力し、ＰＤ３２によって電気信号に変換される。その後は、帯域透過フィルタ３３、ＲＦパワーメータ３４、制御表示器３５によって、実施の形態１で説明したものと同様にして、測定用光ファイバ２の周囲温度、あるいは被測定物の歪みを検出する。この光ファイバセンサ２００も、より容易に周囲温度等を検出することができるものとなる。

なお、このポラライズドＧＡＷＢＳ光を用いた光ファイバセンサ３００についても、その変形例として、実施の形態２に光ファイバセンサ２００のように、測定用光ファイバを巻回した状態で保持する板状部材をさらに備える構成としてもよい。

なお、上記実施の形態１、２に係るデポラライズドＧＡＷＢＳ光を用いた光ファイバセンサにおいて、測定用光ファイバ２は通常構造の光ファイバであったが、偏波保持型光ファイバを用いてもよい。

図１２は、偏波保持型の測定用光ファイバの一例の模式的な断面図である。図１２に示すように、この測定用光ファイバ２ａは、応力付与型の偏波保持光ファイバであり、図３に示すものと同様の中心コア部２１１および外側コア部２１２と、外側コア部２１２の外周に形成されたクラッド部２１４と、クラッド部２１４の内部に位置する応力付与部材２１５、２１５とからなるガラス部２１ａと、図３に示すものと同様の樹脂被覆部２２とを有する。なお、クラッド部２１４は、内部に応力付与部材２１５、２１５を含む点以外は図３に示すクラッド部２１３と同様である。応力付与部材２１５、２１５はたとえばボロン（Ｂ）が添加された石英系ガラスからなり、それらの中心軸を結ぶ直線上に、ほぼ中心コア部２１１および外側コア部２１２の中心軸が位置するように配置されている。その結果、測定用光ファイバ２ａには上記中心軸を結ぶ方向とこれと直交する方向とを偏波軸とする複屈折が生じる。

測定用光ファイバ２に換えてこの測定用光ファイバ２ａを用いる際には、光源装置１の試験光の直線偏光の偏波方向と、測定用光ファイバ２ａのいずれかの偏波軸と、検出装置３の偏光子３１の透過偏光方向とを一致させるようにする。すると、試験光はその偏波方向が維持されたまま測定用光ファイバ２ａを伝播するため、ＴＲ_２ｍモードの横波音響波との相互作用が測定用光ファイバ２ａの長手方向にわたって強く安定した状態に維持される。その結果、発生するデポラライズドＧＡＷＢＳ光の光強度が強くなるため、周波数スペクトル上の強度も強くなるので、測定感度が高く安定したものとなる。

また、上記実施の形態１、２に係るデポラライズドＧＡＷＢＳ光を用いた光ファイバセンサにおいて、検出装置３に換えて以下の構成の検出装置を用いてもよい。

図１３は、実施の形態１、２に係る光ファイバセンサにおいて用いることができる検出装置の別の一例の構成を示したブロック図である。図１３に示すように、この検出装置３ｂは、偏光子３１ａ、３１ｂと、ＰＤ３２ａ、３２ｂと、帯域透過フィルタ３３と、ＲＦパワーメータ３４と、制御表示器３５と、半波長板３６ａ、３６ｂと、偏波ビームスプリッタ３７と、合波器３８とを備えている。

つぎに、この検出装置３ｂの動作について説明する。はじめに、この検出装置３ｂは、たとえば測定用光ファイバ２から出力したデポラライズドＧＡＷＢＳ光を受け付ける。検出装置３ｂにおいて、デポラライズドＧＡＷＢＳ光は半波長板３６ａによってその偏波状態が調整され、偏波ビームスプリッタ３７によって偏波方向が互いに直交する２つの直線偏波の光に分離される。分離された直線偏波光は、その一方はさらに半波長板３６ｂによってその偏波状態が調整され、偏光子３１ａ、ＰＤ３２ａ、または偏光子３１ｂ、ＰＤ３２ｂに順次入力し、ＰＤ３２ａまたはＰＤ３２ｂによって電気信号に変換される。つぎに、変換された各電気信号は合波器３８によって合波され、帯域透過フィルタ３３に入力し、所定の帯域の周波数成分を有する電気信号が透過して、ＲＦパワーメータ３４に入力する。

ここで、測定用光ファイバ２は通常構造の光ファイバなので、測定用光ファイバ２を伝播中の試験光の偏波状態は経時的に変動するおそれがある。したがって、発生するデポラライズドＧＡＷＢＳ光の偏波状態も変動するおそれがある。

これに対して、この検出装置３ｂにおいては、デポラライズドＧＡＷＢＳ光を偏波ビームスプリッタ３７によって２つの直線偏波の光に分離している。そして、ＲＦパワーメータ３４は、分離した光を電気信号に変換した後、信号を足し合わせて強度を測定している。したがって、この検出装置３ｂを用いることによって、測定用光ファイバ２を伝播中の試験光の偏波状態の変動にかかわらず、より確実で安定した測定が実現される。

なお、上記の各実施形態では、電気信号の変調周波数のピーク電力強度測定に、図５、１１、１３で示したように、各検出装置３、３ａ、３ｂにおいて帯域透過フィルタ３３とＲＦパワーメータ３４とを使用しているが、これらに換えてＲＦスペクトラムアナライザを使用してもよい。図１４は、例として図５に示した検出装置３に換えて用いることができる検出装置３ｃの構成を示したブロック図である。この検出装置３ｃは、検出装置３において帯域透過フィルタ３３とＲＦパワーメータ３４とをＲＦスペクトラムアナライザ３９に置き換えた構成を有する。この検出装置３ｃを用いた場合は、ＲＦスペクトラムアナライザ３９が変調周波数のピーク電力強度を検出するので、制御表示器３５は、このピーク電力強度に基づいて、測定用光ファイバ２の周囲温度、あるいは被測定物の歪み等を検出する。

また、本発明の光ファイバセンサの測定用光ファイバの構造としては、上記実施の形態のようにコア部が２層構造であるものに限らず、コア部が中心コア部のみ、またはさらなる多層構造を有するものでもよい。また、クラッド部に空孔が形成されたものでもよい。また、偏波保持型の測定用光ファイバとしては、応力付与型のものに限られず、他の偏波保持型の光ファイバ、たとえばコア部の断面が楕円形状である楕円コア型のものを用いてもよい。また、測定用光ファイバの材料についても、石英系ガラスに限らず、フッ化物系、テルライト系、プラスチック系等の光ファイバに使用される各種材料が利用できる。また、光源装置としては、上記実施の形態のように連続光源と変調器とを用いたものに限らず、たとえば半導体レーザ素子の駆動電力を直接変調する方式のものを用いてもよい。

本発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。 図１に示す光源装置の構成を示したブロック図である。 図１に示す測定用光ファイバの模式的な断面および対応する屈折率プロファイルを示した図である。 図３に示す測定用光ファイバの特性の一例を示した図である。 図１に示す検出装置の構成を示したブロック図である。 図２に示す測定用光ファイバのガラス部に発生している横波音響波の振動方向を矢印で示した図である。 測定用光ファイバとして図４に示す特性を有するものを用い、変調周波数を２８２．５ＭＨｚとした場合の測定用光ファイバから出力したデポラライズドＧＡＷＢＳ光の周波数スペクトルを示した図である。 図５に示す制御表示器が測定用光ファイバの周囲温度を検出する原理について説明する説明図である。 図１に示す光ファイバセンサの構成において、測定用光ファイバの周囲温度の変化に対するＲＦパワーメータの測定電力の変化を示した図である。 本発明の実施の形態２に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。 本発明の実施の形態３に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。 偏波保持型の測定用光ファイバの一例の模式的な断面図である。 実施の形態１、２に係る光ファイバセンサにおいて用いることができる検出装置の別の一例の構成を示したブロック図である。 例として図５に示した検出装置に換えて用いることができる検出装置の構成を示したブロック図である。

符号の説明

１ 光源装置
２、２ａ 測定用光ファイバ
３、３ａ〜３ｃ 検出装置
４ａ、４ｂ 接続用光ファイバ
５ａ、５ｂ 接続部
６ 板状部材
７ 光カプラ
１１ 連続光源
１２ 変調器
１３ 電気信号発生器
２１、２１ａ ガラス部
２２ 樹脂被覆部
３１、３１ａ、３１ｂ 偏光子
３２、３２ａ、３２ｂ ＰＤ
３３ 帯域透過フィルタ
３４ ＲＦパワーメータ
３５ 制御表示器
３６ａ、３６ｂ 半波長板
３７ 偏波ビームスプリッタ
３８ 合波器
３９ ＲＦスペクトラムアナライザ
７１〜７４ 入出力ポート
１００〜３００ 光ファイバセンサ
２１１ 中心コア部
２１２ 外側コア部
２１３、２１４ クラッド部
２１５ 応力付与部材
Ｄ１ 最大巻き付け径
Ｄ２ 最小巻き付け径
Ｉ１、Ｉ２ 最大強度
Ｐ プロファイル
Ｐ１、Ｐ２ ピーク周波数成分
Ｓ１〜Ｓ３ 周波数成分
Δν 帯域

Claims (7)

1. 所定の変調周波数で変調された試験光を出力する光源と、
   少なくとも一方の端部において前記試験光を受け付け、前記試験光によって発生する導波音響波型ブリユアン散乱光を他方の端部から出力する光ファイバと、
   前記光ファイバから出力する前記導波音響波型ブリユアン散乱光を受け付けて電子信号に変換する受光手段と、
   前記変調周波数のピーク電力強度を測定する電力測定手段を有する検出手段と、
   を備え、前記変調周波数は、前記導波音響波型ブリユアン散乱光の有する音響波による周波数成分と重畳する周波数に設定され、前記検出手段は、前記電力測定手段が測定した電力に基づいて前記光ファイバの周囲温度または該光ファイバにかかる応力を検出することを特徴とする光ファイバセンサ。
2. 前記検出手段は、前記受光手段が変換した電気信号を受け付けて前記変調周波数を含む所定帯域の周波数成分を有する電気信号を透過する帯域透過フィルタを備え、前記電力測定手段は、前記帯域透過フィルタを透過した電気信号の電力を測定することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
3. 前記変調周波数は、温度または応力の所望検出範囲の下限における前記音響波による周波数成分のピーク周波数以下の周波数に設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバセンサ。
4. 前記変調周波数は、温度または応力の所望検出範囲の上限における前記音響波による周波数成分のピーク周波数以上に設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバセンサ。
5. 前記光ファイバを巻回した状態で表面に保持する板状部材をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光ファイバセンサ。
6. 前記板状部材は、可撓性を有することを特徴とする請求項５に記載の光ファイバセンサ。
7. 前記光ファイバは、偏波保持型光ファイバであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の光ファイバセンサ。

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