JP2011090050A

JP2011090050A - 光エネルギー伝送装置

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Publication number: JP2011090050A
Application number: JP2009241650A
Authority: JP
Inventors: Abedin Kazi Sarwar; カジサルワルアベディン
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2009-10-20
Filing date: 2009-10-20
Publication date: 2011-05-06
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: JP5273616B2

Abstract

【課題】高密度光エネルギーを光ファイバを用いて伝送する際に起こるファイバフューズの発生を即座に検知して、即座に光エネルギーの伝送を停止することで、ファイバフューズの進行を抑制し同時に高密度光エネルギーの光ファイバ外への漏れを瞬時に停止する機能を備えた光エネルギー伝送装置を実現する。
【解決手段】２層以上のクラッドを備えるマルチクラッド構造を持ち、コアと、該コアを囲むクラッドがそれぞれ光路となるマルチクラッド光ファイバと、該光ファイバに伝送光を入射する入射光路と、該クラッドのいずれかを伝播する戻り光を分岐する光分岐手段と、分岐された戻り光からファイバフューズ信号を検知するファイバフューズ信号検知器と、その検知出力を受けて、上記光ファイバへの伝送光の入射が停止または抑制する制御手段と、を、備える。
【選択図】図２

Description

この発明は、高密度光エネルギーを光ファイバを用いて安全に伝送する光エネルギー伝送装置で、特に、高密度光エネルギーを光ファイバを用いて伝送する際に起こるファイバフューズの発生を即座に検知して、即座に光エネルギーの伝送を停止することで、ファイバフューズの進行を抑制し同時に高密度光エネルギーの光ファイバ外への漏れを瞬時に停止する機能を備えた光エネルギー伝送装置に関している。

無中継距離の延伸や、波長分割多重（ＷＤＭ）技術による多重数の増加により、通信用途でも光ファイバを伝搬する光パワーが増加する傾向にあり、何れは、平均パワーが数Ｗに達するのではないかと考えられる。また、光ファイバでパワーを伝送しようとする試みもある。

光ファイバ中を高強度光が伝搬する際、光伝送路中または光コネクタ部の微細なゴミなどによって、「ファイバフューズ」と言われる光ファイバの破壊現象が起こることが知られている。具体的には、例えばゴミ部分で発火して光ファイバのコアが溶融し、その溶融現象が光源に向かって進行する現象であり、図１２に示すように、時間の経過とともに突然、反射光の平均強度が増大する。このファイバフューズ現象の伝搬速度は、光ファイバの種類および光強度に依存するが、毎秒数１００ｃｍから数メートル程である。

図１２に示すように突然ファイバフューズが発生すると、光ファイバ内では、周期的に空洞が形成され、これらの空洞が、戻り光に強度変調をもたらす。例えば、ファイバフューズの進む速度をｖ（ｍ／ｓ）、フューズ後にファイバ中に生じる周期構造の空洞のピッチをｐ（ｍ）とすると、１ピッチ分、進むために必要な時間はｐ／ｖとなる。ファイバフューズの光源方向への進行により、ファイバフューズの起きている場所で反射して逆方向に伝搬する戻り光は、強度変調を受けることになり、その強度変調の基本繰り返し周波数ｆ₀は、ｆ₀＝ｖ／ｐ、となる。

例えば、米国コーニング社の単一モード光ファイバＳＭＦ−２８を使ったファイバフューズの実験では、２．７５Ｗのレーザ光を入射したときに、フューズ進行速度ｖが０．４６ｍ／ｓ、周期構造のピッチ１５μｍであり、上記式から得られる基本変調周波数ｆ₀は、３１ｋＨｚである。このような強度変調が、ノイズレベルの増大をもたらすと考えられる。

ファイバフューズによる破壊は、コアにおける光パワー密度が一定値以下にならない限り進行する。光源に近いほど、光パワーは大きいので、ファイバフューズ現象を放置すれば、最終的に光源にまで到達することになり、光源をも損傷する。

ファイバフューズ現象の進行を防止する手段として、コア径を大きくした光ファイバを中間に挿入することが提案されている（特許文献１(米国特許第６６４００４３号明細書)参照）。コア径を大きくした部分の両側にはコア径の変化を緩和するテーパ部を設けて、急激なモードフィールド径の変化を抑制する。

米国特許第６６４００４３号明細書

"Observation of catastrophic self-propelled self-focusing in optical fibers," R. Kashyap and K. J. Blow, Electron. Lett., vol. 24, no. 1, pp. 47-49, 1988. "Fiber Fuse Generation in Single-Mode Fiber-Optic Connectors", Yoshito Shuto, Shuichi Yanagi, Shuichiro Asakawa, Masaru Kobayashi, Member, and Ryo Nagase, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, VOL. 16, NO. 1, Page 174-177, 2004. "Catastropic damag and accelerated ageing in bent fibres caused by high optical power," R.M. Percival, E.S.R. Sikora, and R. Wyatt, Electron. Lett., vol 36, no. 5, 414-416 (2000). "Single mode tapers as fiber fuse damage circuit breakers," D.P. Hand and T.A. Birks, Electron. Lett. vol. 25, No. 1, 33-34 (1989).

特許文献１に記載の方法を用いた光エネルギー伝送装置では、ファイバフューズ遮断用の光ファイバより先の部分の光ファイバでのファイバフューズの進行を停止できない。また、ファイバフューズ遮断用の光ファイバでのコア径の差が大きいと、モードコンバージョンが発生し、通信用途では、信号伝送特性に悪影響を与える。

本発明は、ファイバフューズを迅速に検知し、必要によりファイバフューズの進行を抑制できる光エネルギー伝送装置を提示することを目的とする。

そこで本発明の光エネルギー伝送装置では、２層以上のマルチクラッド構造を持ち、コアと、該コアを囲むクラッドの少なくとも１層が光路となるマルチクラッド光ファイバと、該マルチクラッド光ファイバに伝送光を入射する入射光路と、該マルチクラッド光ファイバを伝播する戻り光を分岐する光分岐手段と、該光分岐手段で分岐された戻り光からファイバフューズ信号を検知するファイバフューズ信号検知器と、該ファイバフューズ信号検知器の検知出力を受けて、上記マルチクラッド光ファイバへの上記伝送光の入射が停止または抑制するように制御する制御手段と、を、備える。これによって、高密度光エネルギーを光ファイバを用いて伝送する際に起こるファイバフューズの発生を即座に検知し、即座に光エネルギーの伝送を停止することで、ファイバフューズの進行を抑制し同時に高密度光エネルギーの光ファイバ外への漏れを瞬時に停止する機能を備えた光エネルギー伝送装置を実現する。

また、上記伝送光は、上記マルチクラッド光ファイバのコア部を伝播するように入射し、上記光分岐手段は、上記マルチクラッド光ファイバの該コアを囲むクラッド層を伝播する光を上記ファイバフューズ信号検知器の方に分岐する。

上記戻り光は、上記マルチクラッド光ファイバに導入され、上記マルチクラッド光ファイバ内で発生したファイバフューズにより反射された反射光である。

また、上記光分岐手段は、例えば、マルチモード結合/分岐器である。

また、上記光分岐手段は、例えば、上記中心クラッドを囲むクラッド部に設けたＶ溝部分で代用することもできる。

ファイバフューズ部分を照射しその反射光としてファイバフューズ検知のための信号を生成するためのモニタ光を、上記光分岐手段を通じて、上記マルチクラッド光ファイバに入射する。これによって、上記光分岐手段をモニタ光の入射と、戻り光の出射とに兼用できる。

高密度光エネルギーを光ファイバを用いて伝送する際に起こるファイバフューズの発生を即座に検知して、即座に光エネルギーの伝送を停止することで、ファイバフューズの進行を抑制し同時に高密度光エネルギーの光ファイバ外への漏れを瞬時に停止することができ、光ファイバを用いて高密度光エネルギーを安全に伝送する光エネルギー伝送装置が実現できる。

２層のクラッドをもった光ファイバの場合に、進行するファイバフューズの先端で反射または散乱される光成分を示す図である。マルチクラッド光ファイバに光を入射し、ファイバフューズによる戻り光を抽出するための光分岐手段の周辺構成例を示す図である。マルチクラッド光ファイバに光を入射し、ファイバフューズによる戻り光を抽出するための光分岐手段の周辺構成例を示す図である。マルチクラッド光ファイバに光を入射し、ファイバフューズによる戻り光を抽出するための光分岐手段の周辺構成例を示す図である。マルチクラッド光ファイバに光を入射し、ファイバフューズによる戻り光を抽出するための光分岐手段の周辺構成例を示す図である。マルチクラッド光ファイバに光を入射し、ファイバフューズによる戻り光を抽出するための光分岐手段の周辺構成例を示す図である。本発明の第１実施例の概略構成ブロック図である。ファイバフューズによる戻り光のＲＦスペクトル変化を示す模式図である。用いた光ファイバはＳＭＦ−２８で、光のパワーは約２．８Ｗである。本発明の第２実施例の概略構成ブロック図である。本発明の第３実施例の概略構成ブロック図である。本発明の第４実施例の概略構成ブロック図である。ファイバフューズの発生によって、突然、反射光の平均強度が増大することを示す模式図である。本発明の第５実施例の概略構成ブロック図である。本発明の第６実施例の概略構成ブロック図であり、モニタ光源を直接変調する例である。本発明の第７実施例の概略構成ブロック図であり、モニタ光源からの単色光を変調器で変調する例である。本発明の第８実施例の概略構成ブロック図である。光検出器の出力を２分岐して異なる周波数帯で比較する検知回路の例を示すブロック図である。ファイバフューズに起因する櫛形の周波数分布を持ったピーク群は、等間隔に並んだ複数のピークで構成されることを示す図である。ファイバフューズの進行速度と入射光パワーとの実測値を示す図である。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

本発明の特徴の一つは、２層以上のクラッドを備えたマルチクラッド構造を持ちコア部と該コアを囲むクラッドがそれぞれ光路となるマルチクラッド光ファイバを用いる点である。

例えば、２層のクラッドをもった光ファイバの場合、それらの屈折率は、コア＞第１クラッド＞第２クラッドである。この場合、図１に示すように、進行するファイバフューズの先端で反射または散乱される光成分ａ、ｂ、ｃ、ｄのうち、ａのみはコアにガイドされる。また、ｂ、ｃのようなＮＡ（開口数）の大きい反射成分が、大きなＮＡを持つ内部クラッド層１によって集められ、入射光の反対方向へ向かう戻り光になる。

従って、クラッドを伝播する戻り光強度（平均強度）は、フューズ発生前に比べて、ファイバフューズ発生後は強くなる。そのため、第１クラッドを伝播する戻り光の変化からファイバフューズの発生を検知できる。

図２から図６は、上記のマルチクラッド光ファイバのコアに光を入射し、ファイバフューズによる戻り光を抽出するための光分岐手段の周辺構成を示す。

図２では、光分岐手段にはマルチモード結合／分岐器を用い、入射レーザ光として高出力レーザ信号光を入射する入射光路が接続され、入射光を伝送光として、マルチクラッド光ファイバのコアを通じて伝送する。また、光分岐手段は、マルチクラッド光ファイバの戻り光を分岐してファイバフューズ信号検知器に出力する。このファイバフューズ信号検知器では、取り出した光から、光フィルタでファイバフューズの信号光を含む波長帯の光を抽出し、光検出器で電気信号に変換する。

図３では、イットリビウムやエルビウム／イットリビウムなどをドープして光増幅ができるようにしたダブルクラッド光ファイバを用いている。この場合は、光増幅のための励起光を光分岐手段を介して上記ダブルクラッド光ファイバのクラッドに入射する。

また、上記光分岐手段には高出力レーザ信号光を入射する入射光路が接続され、入射光を伝送光として、マルチクラッド光ファイバに伝送する。さらに、上記光分岐手段は、マルチクラッド光ファイバの戻り光を分岐して取り出す。取り出した光から、光フィルタでファイバフューズの信号光を含む波長帯の光を抽出し、光検出器で電気信号に変換する。

図４（ａ）は、特にマルチモード結合／分岐器を用いた光分岐手段の部分を示した図であって、マルチクラッド光ファイバとしてダブルクラッド光ファイバを用いる場合の例を示す。この例では、コアに近いクラッドにマルチモード光ファイバのコアが接触するように配置している。この際、１本のダブルクラッド光ファイバに対して、１本から６本までのマルチモード光ファイバを接続することができる。図４（ｂ）、（ｃ）においては、それぞれ２本と、６本の場合を示す。

図４に示すこのような光分岐手段は、ファイバアンプにおいて、マルチモードポンピング（multimode pumping）をするためによく用いられる。また、図３の例に適用する場合、励起光を入力するためではなく、クラッドを伝播するマルチモード（multimode）の成分を取り出す働きをすることもできる。図３ではマルチモードポートは２本であるが、２本から６本のいずれでも用いることができる。６本の場合は、図４（ｃ）の様に、その断面は６角形状になる。また、複数のポートを配置する場合は、戻り光取り出し用ポートと励起光入力用ポートを用意することができる。

図５は、ダブルクラッド光ファイバで、戻り光の伝播する最内層のクラッドの一部に、上記ダブルクラッド光ファイバの光路の方向に交わるＶ溝を光分岐手段として設けたものを示す。そのＶ溝の側面において反射あるいは散乱させることにより、クラッドを伝播する戻り光を上記ダブルクラッド光ファイバの外部に取り出すことができる。この様に取り出された光は、集光レンズで光検出器に入力される。

図６の構成では、図４におけるＶ溝を利用して、ファイバフューズを検出するためのモニタ光を入力する。モニタ光は、マルチモードレーザダイオードからの光を偏光ビームスプリッタ、集光レンズ及びＶ溝を介してダブルクラッド光ファイバに入射する。ファイバフューズからの戻り光を、上記Ｖ溝で反射あるいは散乱させ、上記集光レンズ、フィルタを介して光検出器に入射することで入射光の強度を電気信号に変換するものである。

上記の光分岐手段を用いた光エネルギー伝送装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

図７は、本発明の第１実施例の概略構成ブロック図を示す。レーザ光源１０は、パルス又はＣＷ（Continuous Wave；連続発振）のレーザ光を出力する。通常、レーザ光源１０から出力されるレーザ光は、信号伝送の場合、パルス光又はＣＷ光であり、電力伝送の場合にはＣＷ光となる。エルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦＡ）からなる光アンプ１２は、レーザ光源１０の出力光をパワー増幅する。光アンプ１２の出力レーザ光のパワーは、数Ｗオーダーになる。

光アンプ１２の出力レーザ光は、光サーキュレータ１４を介して伝送用光ファイバ１６に入射する。伝送用光ファイバ１６としては、ダブルクラッド光ファイバまたは、マルチクラッド光ファイバである。伝送用光ファイバ１６へ光入力または反射光を取り出す光サーキュレータ１４には、図２、図４、あるいは図５に記載の光分岐手段を用いることができる。この場合、光サーキュレータ１４の３つポートＡ、Ｂ、Ｃはそれぞれ、図２、図４、あるいは図５に記載の光分岐手段のシングルモード光入力ポート，出力用ダブルクラッド光ファイバ、戻り光用マルチモード光ファイバに相当することになる。光サーキュレータ１４は、ポートＡに入射した光をポートＢから出力し、ポートＢに入射した光をポートＣから出力する公知の光素子である。光サーキュレータ１４のポートＡに光アンプ１２の出力が接続し、ポートＢに光ファイバ１６の一端が接続する。

ファイバフューズ信号検知器１００では、まず、光サーキュレータ１４のポートＣには受光素子１８が接続する。即ち、光ファイバ１６から光サーキュレータ１４のポートＢに入射する逆方向伝搬光(つまり戻り光)が、光サーキュレータ１４により受光素子１８に転送される。光ファイバ１６から光サーキュレータ１４のポートＢに入射する逆方向伝搬光は、光アンプ１２の出力レーザ光が光ファイバ１６に入射することで生成される各種の戻り光であり、例えば、光ファイバ１６内での散乱光、ファイバフューズで生成されるファイバフューズ光、及び各部の端面で生成される反射光からなる。

受光素子１８は光ファイバ１６からの逆方向伝搬光を電気信号に変換し、アンプ２０は受光素子１８の出力電気信号を増幅する。電気フィルタ２２は、アンプ２０の出力電気信号から、ノイズ成分、例えば、１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚを抽出する。これは、ファイバフューズが発生すると、ＣＷ伝送の場合、１０ｋＨｚ〜５００ｋＨｚ帯域で２０ｄＢ以上の強度増加が検出されたことによる。上記のように、フューズ発生時の反射光の周期的な強度変調からフューズを検知したい場合、電気（ＲＦ）パワー計２４は欠かせないものであるが、反射光の平均強度の変化からフューズを検出する場合は、パワー計２４は除いても良い。

図８は、受光素子１８の出力をスペクトラムアナライザに入力した場合の表示例を示す。ファイバフューズがある場合の信号強度は、それが無い場合の信号強度に比べて４０から５０デシベル程度大きいことが分かる。図８では、ＲＦスペクトルの細かい変動が見られるが、これは、図８に示すｆｃの整数倍の周波数を持った信号である。また、以下で説明するが、ｆ_Doppler（＝２ｎＶ／λ、ここでは、ｎは光ファイバの屈折率、ｖはフューズの速度、λは光の波長）で示す信号ピークが発生する。この抽出帯域は一例であり、通信用途の場合には、伝送信号に起因する帯域を除外したノイズ帯域のレベルを抽出すればよく、電力伝送の場合には、１０ｋＨｚ以上の周波数から所望の帯域を抽出すればよい。言うまでもないが、電気フィルタ２２とアンプ２０の配置を逆にしてもよい。

パワー計２４が電気フィルタ２２の出力レベルとしてその平均電力を計測し、計測されたノイズ電力を代表する電圧値を出力する。パワー計２４として、例えば、米国アジレント（ａｇｉｌｅｎｔ）社のパワーセンサＥ９３０４Ａが使用可能である。比較回路２６が、パワー計２４の出力電圧を閾値Ｖｔｈと比較する。ファイバフューズ現象が光ファイバ１６で発生すると、電気フィルタ２２から出力されるノイズ電力が増大する。実験例では、図８に示したように、５０ｄＢ程度の増大を検出した。閾値Ｖｔｈを、ファイバフューズの発生後の、電気フィルタ２２の出力ノイズ電力より、若干低い値に設定しておけば良い。比較回路２６は、ファイバフューズが起きていない状態は、低（Ｌ）出力であり、ファイバフューズが起きると、高（Ｈ）出力に遷移する。

制御手段２００を構成する警告回路２８は、比較回路２６の出力がＬからＨに遷移すると、レーザ光源１０に停止信号を送って、レーザ出力を停止させる。これにより、光ファイバ１６でのファイバフューズの進行を即座に停止させることができ、長尺の光ファイバ１６の焼損による交換という事態を未然に防止できる。警告回路２８はまた、スピーカから警告音声を出力し、又は、モニタ画面上に警告を表示する警告信号を出力する。

本実施例では、警告回路２８は、レーザ光源１０に対する停止信号と、管理者への警告信号の両方を出力したが、警告のみでも良い。

ファイバフューズの発生からレーザ入射の遮断までの時間的余裕をＴとすると、電気フィルタ２２の高域遮断周波数は、せいぜい１／Ｔ相当であればよい。電気フィルタ２２の高域遮断周波数が１／Ｔより小さい場合、レーザ入射を遮断する速さは、受光素子１８から警告回路２６までの部分の応答速度により決定される。

本実施例では、ファイバフューズを検知すると、レーザ光源１０を停止したが、レーザ光源１０の出力パワーを、ファイバフューズが起こらない程度に低減してもよい。

図９は、本発明の第２実施例の概略構成ブロック図を示す。図７に示す実施例では、ファイバフューズの発生を検知したとき、警告回路２８が、レーザ光源１０の出力を停止したが、図９に示すように、制御手段２００の警告回路２８が光アンプ１２を停止するようにしてもよい。例えば、光アンプ１２のポンプ光入力を停止する。この場合、光アンプ１２は減衰器として機能する。ダブルクラッド光ファイバまたはマルチクラッド光ファイバである光ファイバ１６には、ファイバフューズを発生させない程度のパワーのレーザ光が入射することになり、実施例１と同様に、光ファイバ１６でのファイバフューズの進行を即座に停止させることができる。伝送用光ファイバ１６へ光入力または反射光を取り出す光サーキュレータ１４には、図２、図４、あるいは図５に記載の光分岐手段を用いることができる。上記のように、フューズ発生時の反射光の周期的な強度変調からフューズを検知したい場合、電気（ＲＦ）パワー計２４は欠かせないものであるが、反射光の平均強度の変化からフューズを検出する場合は、パワー計２４は除いても良い。

また、制御手段２００の警告回路２８は、光アンプ１２の増幅動作を完全停止させずに、ファイバフューズが起こらない程度に、光アンプ１２の増幅率を低減させてもよい。

図１０は、本発明の実施例３の概略構成ブロック図を示す。図１０に示すように、レーザ光源１０と光アンプ１２の間、又は、光アンプ１２と光サーキュレータ１４の間に、光遮断器３０を設け、警告回路２８の出力により、ファイバフューズの発生時に光遮断器３０に光を遮断させてもよい。光遮断器３０は、図１０に模式的に示すように、常閉式の光スイッチからなり、警告回路２８からの遮断制御信号により開放され、光信号の光ファイバ１６への入射を遮断する。光サーキュレータ１４には、図２、図４、あるいは図５に記載の光分岐手段を用いることになり、光サーキュレータ１４の３つポートＡ，Ｂ，Ｃはそれぞれ、図２、図４、あるいは図５に記載の光分岐手段のシングルモード光入力ポート，出力用ダブルクラッド光ファイバ、戻り光用マルチモード光ファイバに相当することになる。

光遮断器３０の代わりに、可変光減衰器を配置し、ファイバフューズの検知に応じて、当該可変減衰器の減衰率を上げて、光ファイバ１６に入力するレーザパワーを低減するようにしてもよい。常時は、光減衰器を光路から外しておき、ファイバフューズの検知に応じて光減衰器を光路に挿入する構成は、レスポンスの遅さはあるものの、可変光減衰器と同様の作用を果たす。

上記各実施例では、光ファイバ１６が折れる等して反射率の高い端面が生成された場合に、高強度の戻り光が受光素子１８に入射して、受光素子１８を破壊する可能性がある。そこで、次に、このような受光素子１８の破壊の可能性を低減した実施例を説明する。図１１は、その実施例の概略構成ブロック図を示す。

レーザ１１０は、数Ｗオーダーのパルス又はＣＷのレーザ光を出力する。このレーザ光の波長を信号波長λｐとする。通常、レーザ１１０から出力されるレーザ光は、レーザ光源１０の場合と同様に、パルス変調の場合、パルス光であり、位相変調又は電力伝送の場合にはＣＷ光となる。エルビウム添加光ファイバからなる光アンプ１１２は、レーザ１１０の出力光をパワー増幅する。

他方、モニタレーザ光発生装置１３０が、波長λｐとは異なる波長λｍ（モニタ波長）のモニタ光又はモニタレーザ光を発生する。光合波器１３２は、光アンプ１１２の出力光に、モニタレーザ光発生装置１３０からのモニタレーザ光を合波し、合波光を光サーキュレータ１１４のポートＡに入射する。光サーキュレータ１４には、図２、図４、あるいは図５に記載の光分岐手段を用いることになり、光サーキュレータ１４の３つポートＡ、Ｂ、Ｃはそれぞれ、図２、図４、あるいは図５に記載の光分岐手段のシングルモード光入力ポート、出力用ダブルクラッド光ファイバ、戻り光用マルチモード光ファイバに相当することになる。

光サーキュレータ１１４のポートＢには伝送用光ファイバ１１６が接続し、ポートＣには、モニタ波長λｍの光を透過し、信号波長λｐの光を遮断する光フィルタ１３４が接続する。

光サーキュレータ１１４は、光合波器１３２からポートＡに入射する合波光を、ポートＢから伝送用光ファイバ１１６に供給し、伝送用光ファイバ１１６からポートＢに入射する逆方向伝搬光をポートＣから光フィルタ１３４に供給する。

先に説明したように、ファイバフューズの発生により、波長λｐの戻り光が強度変調されたものとなり、その結果として、周波数ドメインで見たノイズレベルが増大する。モニタ波長λｍのモニタ光の戻り光も同様に強度変調されたものとなり、周波数ドメインで見たノイズレベルが増大する。従って、波長λｐの戻り光ではなく、モニタ光の戻り光を監視することでも、実施例１〜３と同様に、ファイバフューズの発生を検知できることになる。

光フィルタ１３４は、光サーキュレータ１１４のポートＣの出力光から、モニタ波長λｍの成分のみを抽出して、受光素子１１８に供給する。モニタ光はハイパワーではないので、仮に光ファイバ１１６の切断等で高反射率の端面が出現しても、受光素子１１８に高強度の信号波長λｐの戻り光が入射することがなく、受光素子１１８を保護できる。

受光素子１１８は光フィルタ１３４からのモニタ波長λｍの逆方向伝搬光を電気信号に変換し、アンプ１２０は受光素子１１８の出力電気信号を増幅する。電気フィルタ１２２は電気フィルタ２２と同様のフィルタ特性を具備し、アンプ１２０の出力電気信号から、ノイズ成分を抽出する。この実施例でも、電気フィルタ１２２とアンプ１２０の配置を逆にしてもよい。パワー計１２４が、パワー計２４と同様に、電気フィルタ１２２の出力の平均電力を計測し、その計測値を代表する電圧値を出力する。

比較回路１２６は、パワー計１２４の出力電圧値（ノイズ電力）を閾値Ｖｔｈと比較する。ファイバフューズ現象が伝送用光ファイバ１１６で発生すると、電気フィルタ１２２の出力電力が増大する。比較回路１２６は、ファイバフューズが起きていない状態は、低（Ｌ）出力であり、ファイバフューズが起きると、高（Ｈ）出力に遷移する。

制御手段２００の警告回路１２８は、比較回路１２６の出力がＬからＨに遷移すると、レーザ１１０に停止信号を送って、レーザ出力を停止させる。これにより、光ファイバ１１６でのファイバフューズの進行を即座に停止させることができ、長尺の光ファイバ１１６の交換という事態を未然に防止できる。警告回路１２８はまた、スピーカから警告音声を出力し、又は、モニタ画面上に警告を表示する警告信号を出力する。警告回路１２８は、レーザ１１０に対する停止信号と、管理者への警告信号の両方を出力したが、警告のみでも良い。

警告回路１２８はまた、実施例２のように、光アンプ１１２の増幅動作を停止させても、光アンプ１１２と光サーキュレータ１１４の間に設置した光遮断器を制御して光ファイバ１１６への信号波長λｐのレーザ光の入射を遮断してもよい。

レーザ光源１０、または１１０と伝送用光ファイバ１６、または１１６との間の種々の段階で高パワーのレーザ光を停止又は遮断、若しくはその入射パワーを低減する実施例を説明したが、レーザ光源１０、または１１０自体を停止させるのが最も確実である。レーザ光源１０、または１１０と伝送用光ファイバ１６、または１１６との間に位置する光伝送路でファイバフューズが起こる可能性を排除できないからである。レーザ光源１０、または１１０を止められない場合には、レーザ光源１０、または１１０に近い場所でレーザ光を遮断又はパワーを低減するのが好ましい。

光ファイバ１６、または１１６又はその一部をラマン増幅媒体とし、レーザ光源１０、または１１０の出力レーザ光のそのラマン増幅の励起光とする場合にも、本発明は有効である。すなわち、本発明は、高パワーのラマン励起光によりラマン増幅媒体である光ファイバ又はその先の伝送用光ファイバでファイバフューズが起こり得るような光システムにも適用可能である。

上記の発明が、特定のレーザ波長に限定されないことは明らかである。すなわち、レーザ光源波長として１．５５μｍを例示したが、異なる波長の他種のレーザ光、例えば、波長１．０５μｍのＹｂ系レーザ光でも良い。

図１３に示す光エネルギー伝送装置１は、レーザ光源１０からのレーザ光を光ファイバ１６に入射する。この入射の際に、モニタ光光源８からのモニタ光を光路９を通じて上記のレーザ光と、光分岐手段として例えば波長分割多重方式（ＷＤＭ）カプラ６を用いて、合流させるものである。光ファイバ１６からの戻り光が、波長分割多重方式カプラ６を通過する際に、上記モニタ光が波長分割多重方式カプラ６で光路９に分岐される。

この分岐を、上記レーザ光とモニタ光の波長を異なるものとし、ＷＤＭカプラ６の特性に合わせた光路の結合とすることによって、上記の戻り光に含まれるモニタ光の分離をほぼ完全に行うことができる。

光路９上の戻り光は、ファイバフューズ信号検知器１００において光カプラやサーキュレータなどの分岐器７で光検出器２に分岐される。

光検出器２の出力は、必要に応じて増幅し、光ファイバフューズ特有の信号を抽出するために、電気フィルタ３で濾波する。上記実施例１で説明したように、この信号は、特徴的な周波数帯にあるので、周波数フィルタで選択することができる。この電気フィルタ３の出力は、電気パワー測定器４で、測定されさらにその測定結果が判定される。この判定に用いる比較手段は、電気パワー測定器４の内部回路に依るが、アナログ信号用のコンパレータであってもよく、また、デジタル信号化して数値判定を行う論理回路であってもよい。電気パワー測定器４での判定結果でレーザ光源１０の出力を制御手段２００を通じて制御する。この制御は、光ファイバフューズが発生した場合に、レーザ光源１０の出力を停止または抑制するものである。

図１４に示す光エネルギー伝送装置１では、実施例５の場合と異なり、モニタ光として単色光自体でなくそのスペクトルを分散した光を用いる。このようなモニタ光は、単色光を変調信号発生器３１からの信号で変調することで容易に得ることができる。図１４では、モニタ光の光源として、例えば半導体レーザを用いる。一般に、半導体レーザでは、供給する電流で変調することができることが知られている。この変調周はブリルアン散乱を抑制するため、例えば、数十ＭＨｚから数百ＭＨｚの間の周波数で行えば良い。この変調によってブリルアンア散乱を抑制できる。一方、その変調帯域はファイバフューズ特有の変調帯域と重ならないので、ファイバフューズの検知には悪い影響を及ぼさない。

また、図１５に示す光エネルギー伝送装置１では、上記の場合と同様に、変調したモニタ光を使用するが、実施例６の場合と異なり、モニタ光の光源を直接変調するのではなく、低雑音のモニタ光光源からの単色光を変調信号発生器３２からの信号で変調器３４を用いて変調するものである。

図１６に示す光エネルギー伝送装置１は、図１５におけるレーザ光源１０からのレーザ光の代わりに、光アンプ１２からのレーザ光を用いる例である。ファイバフューズ検知器１００がファイバフューズの発現を検知すると、信号を発して、光アンプ１２の増幅を停止するか増幅率を低下させる。また、増幅率を制御する代わりに、光スイッチなどを用いて光アンプ１２への入力光を遮断するようにしてもよい。

図８のファイバフューズがある場合のグラフを見ると、０．６ＭＨｚ弱まで、ファイバフューズに起因する櫛形の周波数分布を持ったピーク群があり、また、０．８７ＭＨｚ程度に、ファイバフューズの進行速度に伴うドプラー（Doppler）効果によるピークがあることが分かる。このドプラー周波数は進行型のフューズからの反射光とスプリアス反射光（spurious、光ファイバのコネクタ等からの反射光）のビートから生じる。０．８７ＭＨｚのこの実験値は、屈折率ｎ＝１．５、波長λ＝１．５５μｍ、ｖ＝０．４５ｍ／ｓの場合のドプラー周波数の理論数値（２ｎｖ／λ）と同様な値である。そこで、図１７に示す様に、光検出器２の出力を２分岐して、一方を、ファイバフューズに起因する櫛形の周波数分布を持ったピーク群が顕著な周波数帯域Ａまたはその一部を抽出する電気フィルタ３−１と、前記周波数帯域Ａと上記ドプラー効果によるピークとの間の周波数帯域Ｂまたはその一部を抽出する電気フィルタ３−２とを用いて、それぞれ抽出する。周波数帯域Ｂとしては、例えば０．６から０．８５ＭＨｚである。また、電気フィルタ３−１はドプラー周波数中心でのバンドパスフィルタ、電気フィルタ３−２は、ドプラー周波数成分を含まないように少し中心をずらした同様な帯域幅のものを利用してもよい。また、それぞれの強度をそれぞれのパワー測定器４−１、４−２で測定する。これは、前記周波数帯域Ａ、Ｂの帯域幅が異なるときには、それぞれの周波数パワー密度に相当する値に変換することをも行うものである。パワー測定器４−１、４−２の出力を、例えば差動増幅器５を用いた判定器で判定する。当然のことながら、デジタル信号化して数値判定を論理回路で行うこともできる。

上記ピーク群の各要素ピークは、図１８に示すように、３１ｋＨｚ信号の高調波となっている。このため、上記電気フィルタ３−１には、各ピークを選択的に抽出する櫛形フィルタを摘要することで、検出感度を改善できることがわかる。また、櫛形フィルタは、容易に周波数可変にできるので、上記電気フィルタ３−１においても周波数可変の櫛形フィルタを摘要することは容易である。

図１９にファイバフューズの進行速度と入射光パワーとの実測値を示す。これは、ＤＣＦ（分散補償光ファイバ）、ＤＳＦ（分散シフトシングルモード光ファイバ）、ＳＭＦ（汎用シングルモード光ファイバ）についてのもので、矢印は、それぞれの光ファイバフューズの起こるパワー閾値である。光の強度はこの閾値以下まで下げるとフューズ発生を中断させることになる。入射するレーザ光の強度の増大とともに、その進行速度が大きくなる。これから、上記のドプラー効果によるピークの周波数位置を容易に推定することができるので、前記周波数帯域Ｂを決定することができる。

ダブルクラッド光ファイバの場合、レーザ光の強度はコア部が最も高いので、ファイバフューズはコア部に発生すると考えられる。従って、ファイバフューズの進行速度と入力パワーの関係は、図１９に示したものと同様であり、ダブルクラッドファイバーのコアの径に依存する。したがって、SMF、DCFまたはDSFファイバ-のいずれのコアと同じようなコア径ものであれば、図１９から導くことができる。また、コア径が異なる場合でも、図１９から容易に想定できる。

本発明の光エネルギー伝送装置を実際に運用する場合は、取り付け後に、動作試験をすることが望ましい。ファイバフューズを意図的に発生させるためには、数ワットの光が端面から出ている状態で、その光ファイバ端面に例えば修正液（文房具）の用な微粒子を含めた液を着けることによって、容易に発生できる。この試験には、数メートル長の光ファイバで充分であるので、試験後、破壊した部分を切り取って、再び元の状態に戻すことができる。

しかしファイバフューズは破壊的な現象であり、例えば光通信用の伝送路では通信路を破壊することになるので、実際にファイバフューズを起こして動作試験を行うことは実用上難しい。このため、上記光ファイバ１６のレーザ光入射側の反対側から、擬似ファイバフューズ信号を伝送して、光エネルギー伝送装置が実際にこれを検知することで、光ファイバを損傷することなく動作試験とすることができる。このような擬似ファイバフューズ信号は、図８のファイバフューズがある場合の信号と類似のものであればよいので、その生成は容易である。

１光エネルギー伝送装置
２光検出器
３、３−１、３−２電気フィルタ
４、４−１、４−２パワー測定器
５差動増幅器
６波長分割多重方式カプラ
７分岐器
８モニタ光光源
９光路
１０レーザ光源
１１入射光路
１２光アンプ
１４光サーキュレータ
１６マルチクラッド光ファイバ
１８受光素子
２０アンプ
２２電気フィルタ
２４パワー計
２６比較回路
２８警告回路
３０光遮断器
３１、３２変調信号発生器
３４変調器
１００ファイバフューズ信号検知器
１１０レーザ
１１２光アンプ
１１４光サーキュレータ
１１６伝送用光ファイバ
１１８受光素子
１２０アンプ
１２２電気フィルタ
１２４パワー計
１２６比較回路
１２８警告回路
１３０モニタレーザ光発生装置
１３２光合波器
１３４光フィルタ
２００制御手段

Claims

２層以上のマルチクラッド構造を持ち、コアと、該コアを囲むクラッドの少なくとも１層が光路となるマルチクラッド光ファイバと、
該マルチクラッド光ファイバに伝送光を入射する入射光路と、
該マルチクラッド光ファイバを伝播する戻り光を分岐する光分岐手段と、
該光分岐手段で分岐された戻り光からファイバフューズ信号を検知するファイバフューズ信号検知器と、
該ファイバフューズ信号検知器の検知出力を受けて、上記マルチクラッド光ファイバへの上記伝送光の入射が停止または抑制するように制御する制御手段と、
を、備えることを特徴とする光エネルギー伝送装置。
上記伝送光は、上記マルチクラッド光ファイバのコアを伝播するように入射し、
上記光分岐手段は、上記マルチクラッド光ファイバの該コアを囲むクラッドを伝播する光を上記ファイバフューズ信号検知器の方に分岐することを特徴とする請求項１に記載の光エネルギー伝送装置。
上記戻り光は、上記マルチクラッド光ファイバに導入され、上記マルチクラッド光ファイバ内で発生したファイバフューズにより反射された反射光であることを特徴とする請求項１あるいは請求項２のいずれか１つに記載の光エネルギー伝送装置。
上記光分岐手段は、マルチモード結合/分岐器であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１つに記載の光エネルギー伝送装置。
上記光分岐手段は、上記コアを囲むクラッドに設けたＶ溝であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の光エネルギー伝送装置。
上記光分岐手段を通じて、ファイバフューズ信号を生成するためのモニタ光を、上記マルチクラッド光ファイバに入射することを特徴とする請求項４または５のいずれか１つに記載の光エネルギー伝送装置。