JP2011145680A - Optical mode noise averaging device - Google Patents

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Bernard Patrick Masterson
パトリック マスターソン,バーナード
Eric C Huelson
シー. ヒュールソン,エリック
Ian S Smith
エス. スミス,イアン
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<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical mode noise averaging device (300) that includes a multi-mode optical fiber (302), and a means (308) for averaging variations of signal level in an optical level of an optical signal. <P>SOLUTION: The device averages the variations of the signal level induced by mode noise by periodically changing a refractive index of the multi-mode optical fiber (302) for a selected period or scrambling optical distribution in the multi-mode optical fiber (302), or by both of them. The refractive index of the multi mode optical fiber is periodically changed by periodically changing temperature of the multi-mode optical fiber (302). Alternatively, cyclically manipulation of the multi-mode optical fiber (302) enables the refractive index to be changed, or enables the optical distribution in the multi-mode optical fiber to be scrambled. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は燃焼監視方法に関し、より詳細には、マルチモード光ファイバに伴うモードノイズを平均化する装置および方法に関する。   The present invention relates to a combustion monitoring method, and more particularly to an apparatus and method for averaging mode noise associated with a multimode optical fiber.

アメリカ合衆国内で生産される電力の大部分は石炭燃焼発電所で発電されている。同様に、世界中の発電の大部分が一次エネルギ源としての石炭に依存している。核エネルギ生産運転からの廃棄物の貯蔵に関する長期的な環境問題と、太陽光発電に関連した非効率性とを考慮に入れると、当分の間は石炭が一次エネルギ源のまま残る可能性が高い。これに加え、現在の割合で200年以上にわたるエネルギ生産に十分なだけの莫大な埋蔵量の石炭が世界中に存在する。   Most of the electricity produced in the United States is generated at coal-fired power plants. Similarly, the majority of power generation around the world relies on coal as a primary energy source. Taking into account long-term environmental issues related to the storage of waste from nuclear energy production operations and inefficiencies associated with solar power generation, coal is likely to remain a primary energy source for the time being . In addition to this, there are huge reserves of coal all over the world that are sufficient for energy production over the past 200 years.

しかし、石炭燃焼発電に関連する汚染物質の放出を削減すること、および、石炭燃焼発電プロセスの全体的な効率を向上させることへの高い要求が存続しており且つ存続してゆくであろう。従来、発電所と他の工業的な燃焼環境において、燃焼プロセスの効率と汚染物質放出のレベルとが、非分散型赤外(NDIR)光度測定の如き技術を用いて抽出ガス標本から得られた測定値により間接的に決定されてきた。抽出サンプリングシステムは、ガス抽出時点と最終的な分析時点との間に大きな遅延が生じ得るので、燃焼プロセスの閉ループ制御に対して特に良く適してはいない。更に抽出プロセスは概略的に、高度に可変的で動的とされ得る燃焼プロセスチャンバ内において測定された種(species)の実際濃度を表し得るまたは表し得ない一点測定値に帰着する。   However, there is a continuing and continuing need to reduce pollutant emissions associated with coal-fired power generation and to improve the overall efficiency of the coal-fired power generation process. Traditionally, in power plants and other industrial combustion environments, the efficiency of the combustion process and the level of pollutant emissions have been obtained from extracted gas samples using techniques such as non-dispersive infrared (NDIR) photometry. It has been indirectly determined by measurements. Extraction sampling systems are not particularly well suited for closed-loop control of combustion processes because large delays can occur between gas extraction time points and final analysis time points. Furthermore, the extraction process generally results in a single point measurement that may or may not represent the actual concentration of species measured in the combustion process chamber, which can be made highly variable and dynamic.

最近では、レーザ式の光学的分子種センサ(optical molecular species sensor)が、抽出測定技術に関連した問題に対処すべく実現されている。レーザ式測定技術は“その場で”実現され得ると共に、動的なプロセス制御に適した高速フィードバックという更なる利点を提供し得る。燃焼ガスの組成、温度および他の燃焼パラメータを測定する特に有望な技術は、波長可変ダイオード・レーザ吸収分光法(tunable diode laser absorption spectroscopy)(TDLAS)である。TDLASは、石炭燃焼による燃焼プロセスの制御および監視に適している。TDLASはまた、他の燃焼プロセスの監視にも等しく適している。特に、本明細書に記述される分光技術は、ジェット機のエンジン燃焼パラメータの監視および制御に適している。TDLASは、典型的には、近赤外スペクトル領域と中赤外スペクトル領域とにおいて動作するダイオード・レーザにより実現される。適切なレーザは、遠距離通信業界における使用のために広範囲に開発されていることから、TDLAS用途のために容易に入手可能である。燃焼プロセスの検出および制御に対して幾分か適した種々のTDLAS技術が開発されてきた。一般的な公知技術は、波長変調分光法、周波数変調分光法、および、直接吸収分光法である。これらの技術の各々は、光が燃焼プロセスチャンバの中を通して伝達されると共に、プロセスチャンバすなわち燃焼室内に存在するガスに固有の特定のスペクトル帯において吸収された後に検出器により受信されるというレーザ光の量と性質との間の所定関係に基づいている。検出器により受信された吸収スペクトルは、分析対象であるガス種の量と、関連する温度などの燃焼パラメータとを決定すべく使用される。   Recently, laser-based optical molecular species sensors have been implemented to address the problems associated with extraction measurement techniques. Laser-based measurement techniques can be implemented “in situ” and can provide the additional advantage of fast feedback suitable for dynamic process control. A particularly promising technique for measuring combustion gas composition, temperature and other combustion parameters is tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS). TDLAS is suitable for controlling and monitoring the combustion process by coal combustion. TDLAS is also equally suitable for monitoring other combustion processes. In particular, the spectroscopic techniques described herein are suitable for monitoring and controlling jet engine combustion parameters. TDLAS is typically realized by a diode laser operating in the near-infrared and mid-infrared spectral regions. Suitable lasers are readily available for TDLAS applications since they have been extensively developed for use in the telecommunications industry. Various TDLAS technologies have been developed that are somewhat suitable for detection and control of combustion processes. Common known techniques are wavelength modulation spectroscopy, frequency modulation spectroscopy, and direct absorption spectroscopy. Each of these techniques is a laser beam where light is transmitted through a combustion process chamber and received by a detector after being absorbed in a specific spectral band specific to the gas present in the process chamber or chamber. Is based on a predetermined relationship between the quantity and nature of The absorption spectrum received by the detector is used to determine the amount of gas species to be analyzed and combustion parameters such as the associated temperature.

典型的な石炭燃焼発電所は、一辺が10〜20メートルの燃焼室寸法を有する。該発電所は微粉炭により燃料補給され、高い粉塵負荷の故にレーザ光の透過を遮りかつ極度に明るい燃焼プロセスに帰着する。また、その環境が高度に乱流的でもある。プロセスチャンバの中を通過する光の総合的な透過率は、広帯域の吸収、微粒子による散乱、または、屈折率の変動に起因するビームの方向変化の結果として、時間の経過に応じて劇的に変動する。更に、検出器信号に干渉し得る燃焼石炭微粒子からの激しい熱背景放射もある。発電所ボイラの外側の環境も、TDLAS検出または制御システムの実現を困難なものにする。たとえば、一切の電子機器、光学部品、または、他の高感度の分光構成要素は、強烈な熱から離間配置され、または、適切に遮蔽して冷却されねばならない。これらの条件下でTDLASシステムの実現は極めて困難であるが、TDLASは石炭燃焼プロセスを監視して制御するのに特に適している。   A typical coal fired power plant has a combustion chamber size of 10-20 meters on a side. The power plant is refueled with pulverized coal, resulting in an extremely bright combustion process that blocks the transmission of laser light due to the high dust load. The environment is also highly turbulent. The overall transmission of light passing through the process chamber will dramatically increase over time as a result of broadband absorption, scattering by particulates, or beam direction changes due to refractive index variations. fluctuate. In addition, there is intense thermal background radiation from the burning coal particulates that can interfere with the detector signal. The environment outside the power plant boiler also makes it difficult to implement a TDLAS detection or control system. For example, any electronics, optical components, or other sensitive spectral components must be spaced from intense heat or properly shielded and cooled. Although it is extremely difficult to implement a TDLAS system under these conditions, TDLAS is particularly suitable for monitoring and controlling a coal combustion process.

2004年3月31日に出願されると共に、その全ての開示内容は言及したことにより本明細書中に援用される“燃焼の監視および制御のための方法と装置”と称された国際特許出願第PCT/US04/10048号(公開番号WO2004/090496)において詳細に論じられた如く、TDLASシステムの実現に対しては光ファイバ結合が特に好適である。ファイバ結合システムにおいては、適切な種々の波長の多重光から成り得る一本以上のプローブ・ビームがピッチ側(送信)光学装置に対して送給され、燃焼室内へと放射される。上記プローブ・ビームは、燃焼室を縦断した後でキャッチ側(受信)光学装置において受信される。上記国際特許出願第PCT/US04/10048号において詳述された如く、キャッチ側の光学列(optical train)においてはマルチモード光ファイバを使用することが好適である。しかしマルチモード・ファイバを使用すると必然的に、光の収集および伝送のために使用されるマルチモード・ファイバのコアにおいて時間的および波長的に変動する不均一な光分布から帰着する検出光の信号レベルの変化であるというモードノイズに帰着する。“キャッチ”側のモードノイズは、効果的なTDLASに対して観測されるべき吸収特性を不明瞭とし得る。   International patent application filed on March 31, 2004, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference and referred to as "Method and Apparatus for Combustion Monitoring and Control" As discussed in detail in PCT / US04 / 10048 (publication number WO2004 / 090496), fiber optic coupling is particularly suitable for the implementation of TDLAS systems. In a fiber coupling system, one or more probe beams, which may consist of multiple light beams of various suitable wavelengths, are delivered to the pitch side (transmit) optics and emitted into the combustion chamber. The probe beam is received by the catch side (receiving) optical device after traversing the combustion chamber. As described in detail in the above-mentioned International Patent Application No. PCT / US04 / 10048, it is preferable to use a multimode optical fiber in the catch-side optical train. However, the use of multimode fiber inevitably results in a detected light signal resulting from a non-uniform light distribution that varies in time and wavelength in the core of the multimode fiber used for light collection and transmission. This results in mode noise that is a level change. Mode noise on the “catch” side can obscure the absorption characteristics to be observed for effective TDLAS.

モードノイズの現象は、キャッチ側マルチモード光ファイバを特徴付けるTDLAS実施方式に対して限定されたり該実施方式により引き起こされるものではない。逆にモードノイズは、光を伝送する相当な長さの一切のマルチモード光ファイバにおいて必然的に生ずる。モードノイズはマルチモード・ファイバにおいて必然的である、と言うのも、単一モード・ファイバと比較してマルチモード・ファイバの断面直径は大きいので、伝送される光は多くの光路もしくはモードを伝搬し得るからである。幾つかの経路もしくはモードは、他の経路またはモードより長寸もしくは短寸である。故に必然的に強め合うまたは弱め合う干渉が生じ、マルチモード・ファイバのコアにおいて時間的および波長的に変動する不均一な光分布に帰着し、典型的なモードノイズのスペックル・パターンを引き起こす。故にモードノイズは、相当な長さのマルチモード・ファイバを利用するコンピュータ処理、遠距離通信、または他の科学用途において生ずる。モードノイズが所定の光学システムの効率を阻害するか否かは、特定のシステムの要件に依存する。   The phenomenon of mode noise is not limited to or caused by the TDLAS implementation scheme that characterizes the catch-side multimode optical fiber. Conversely, mode noise inevitably occurs in any multimode optical fiber of considerable length that transmits light. Mode noise is inevitable in multimode fibers because the cross-sectional diameter of multimode fibers is large compared to single mode fibers, so that the transmitted light propagates in many optical paths or modes. Because it can. Some paths or modes are longer or shorter than other paths or modes. Therefore, inevitable constructive or destructive interference results, resulting in a non-uniform light distribution that varies in time and wavelength in the core of the multimode fiber, causing a typical mode noise speckle pattern. Therefore, mode noise occurs in computer processing, telecommunications, or other scientific applications that utilize significant lengths of multimode fiber. Whether mode noise hinders the efficiency of a given optical system depends on the requirements of the particular system.

本発明は、上記で論じられた問題のひとつ以上を克服する方法に関する。   The present invention is directed to a method for overcoming one or more of the problems discussed above.

本発明は、マルチモード光ファイバと、該マルチモード光ファイバ内を伝搬する光の信号レベル変動であってモードノイズにより誘起された信号レベル変動を平均化する手段とを含む、光学的モードノイズ平均化デバイスである。上記デバイスは、選択された期間に亙り上記マルチモード光ファイバの屈折率を循環的に変化させること、上記マルチモード光ファイバ内の光分布をスクランブリングすること、または、その両方により、モードノイズにより誘起された信号レベル変動を平均化し得る。上記マルチモード光ファイバの屈折率は、該マルチモード光ファイバの温度を循環的に変化させることで循環的に変化され得る。上記マルチモード光ファイバを循環的かつ物理的に操作することにより、屈折率が変更され得るか、または、該マルチモード光ファイバ内の光分布がスクランブリングされ得る。   The present invention relates to an optical mode noise average comprising a multimode optical fiber and means for averaging signal level variations of light propagating in the multimode optical fiber and induced by mode noise. Device. The device may cause modal noise by cyclically changing the refractive index of the multimode optical fiber over a selected period, scrambling the light distribution in the multimode optical fiber, or both. Induced signal level variations can be averaged. The refractive index of the multimode optical fiber can be cyclically changed by cyclically changing the temperature of the multimode optical fiber. By manipulating the multimode optical fiber cyclically and physically, the refractive index can be changed, or the light distribution within the multimode optical fiber can be scrambled.

上記マルチモード光ファイバの温度は、該マルチモード光ファイバと熱連通して載置された熱的要素の作用により変更され得る。熱的要素として使用されるに適したデバイスとしては、限定的なものとしてで無く、熱電式モジュール、抵抗ヒータ、赤外ヒータ、化学的ヒータ、習用の冷却デバイス、化学的冷却器、周囲温度より低く冷却された流体の供給源、または、周囲温度より高く加熱された流体の供給源が挙げられる。   The temperature of the multimode optical fiber can be changed by the action of a thermal element mounted in thermal communication with the multimode optical fiber. Suitable devices for use as thermal elements include, but are not limited to, thermoelectric modules, resistance heaters, infrared heaters, chemical heaters, customary cooling devices, chemical coolers, ambient temperature A source of fluid that has been cooled low, or a source of fluid that has been heated above ambient temperature.

上記光学デバイスは、上記マルチモード光ファイバに熱接触された熱電対などの温度センサと、上記温度センサから入力を受信して上記熱的要素を制御するコントローラとを含み得る。   The optical device may include a temperature sensor, such as a thermocouple, in thermal contact with the multimode optical fiber, and a controller that receives input from the temperature sensor and controls the thermal element.

上記マルチモード光ファイバを循環的に操作する装置を特徴とする代替実施例において、上記操作としては上記マルチモード光ファイバの捻り、伸張または震動が挙げられる。上記マルチモード光ファイバの循環的な伸張を達成すべくピエゾ伸張器が使用され得る。代替的に、上記マルチモード光ファイバの長手軸心に関し且つ該マルチモード光ファイバの固定部分に対して交互的に時計方向および反時計方向に上記マルチモード光ファイバの一部を循環的に捻るべくモータが使用され得る。   In an alternative embodiment featuring an apparatus for cyclically manipulating the multimode optical fiber, the manipulation includes twisting, stretching or shaking of the multimode optical fiber. Piezo stretchers can be used to achieve the cyclic stretching of the multimode optical fiber. Alternatively, to cyclically twist a portion of the multimode optical fiber with respect to the longitudinal axis of the multimode optical fiber and alternately clockwise and counterclockwise with respect to a fixed portion of the multimode optical fiber. A motor can be used.

本発明は更に、マルチモード光ファイバにおいて光学的モードノイズを平均化する方法であって、上記マルチモード光ファイバの入力部に対して光を結合する段階と、上記マルチモード光ファイバの屈折率を循環的に変化させる段階と、平均化された光を上記マルチモード光ファイバの出力部にて受信する段階とを含む方法に関する。上記モードノイズ平均化方法は、上記マルチモード光ファイバの温度を循環的に変化させる段階、および、上記マルチモード光ファイバを循環的に操作する段階、の一方により屈折率を変化させる段階を含み得る。上記マルチモード光ファイバの温度は、該マルチモード光ファイバと熱連通する熱的構成要素を配備することにより循環的に変化され得る。代替的に上記マルチモード光ファイバは、該マルチモード光ファイバを捻り、伸張させ、または、震動させることにより循環的に操作され得る。   The present invention further provides a method of averaging optical mode noise in a multimode optical fiber, the step of coupling light to the input of the multimode optical fiber, and the refractive index of the multimode optical fiber. The method includes the steps of cyclically changing and receiving the averaged light at the output of the multimode optical fiber. The mode noise averaging method may include changing the refractive index by one of cyclically changing the temperature of the multimode optical fiber and cyclically operating the multimode optical fiber. . The temperature of the multimode optical fiber can be cyclically varied by providing a thermal component in thermal communication with the multimode optical fiber. Alternatively, the multimode optical fiber can be operated cyclically by twisting, stretching, or shaking the multimode optical fiber.

図1は、本発明のTDLAS検出装置の概略図である。FIG. 1 is a schematic diagram of a TDLAS detection apparatus of the present invention. 図2は、燃焼室の近傍の構成要素に光学的に結合されて遠隔配置された構成要素を特徴とするTDLAS検出装置の概略図である。FIG. 2 is a schematic diagram of a TDLAS detection device featuring remotely located components that are optically coupled to components near the combustion chamber. 図3は、本発明に係る光学的モードノイズ平均化デバイスの概略図である。FIG. 3 is a schematic diagram of an optical mode noise averaging device according to the present invention. 図4は、熱的要素として周囲温度より高く加熱されまたは周囲温度より低く冷却された流体供給源を備えた温度式位相シフト装置の分解図である。FIG. 4 is an exploded view of a thermal phase shift apparatus with a fluid source that is heated above ambient temperature or cooled below ambient temperature as a thermal element. 図5は、熱的要素として一連の熱電デバイスを利用する温度式位相シフト装置の分解図である。FIG. 5 is an exploded view of a thermal phase shift apparatus that utilizes a series of thermoelectric devices as thermal elements. 図6は、図5の温度式位相シフト装置の代替的な分解図である。FIG. 6 is an alternative exploded view of the thermal phase shifter of FIG. 図7は、マルチモード光ファイバの機械的操作のためにモータを用いる光学的モードノイズ平均化デバイスの概略図である。FIG. 7 is a schematic diagram of an optical mode noise averaging device that uses a motor for mechanical manipulation of multimode optical fibers. 図8は、マルチモード光ファイバの機械的操作のためにピエゾ伸張器を用いる光学的モードノイズ平均化デバイスの概略図である。FIG. 8 is a schematic diagram of an optical mode noise averaging device that uses a piezo stretcher for mechanical manipulation of multimode optical fibers. 図9は、ピッチ側モードノイズ低減デバイスの概略図である。FIG. 9 is a schematic diagram of a pitch-side mode noise reduction device.

A.概要
本発明の好適実施例は、光学的モードノイズ平均化デバイスである。該光学的モードノイズ平均化デバイスは、以下の段落Eにおいて詳細に記述される。該光学的モードノイズ平均化デバイスは、限定的なものとしてで無く、ファイバ結合された波長可変ダイオード・レーザ吸収分光(TDLAS)検出装置に伴うキャッチ側(すなわち受信側)のマルチモード光ファイバに特有のモードノイズの平均化方法に対して特に適している。斯かる検出装置の複数の実施例が、2004年3月31日に出願されると共に、その全ての開示内容は言及したことにより本明細書中に援用される“燃焼の監視および制御のための方法と装置”と称された国際特許出願第PCT/US04/10048号(公開番号WO2004/090496)において詳細に論じられている。これに加え、ファイバ結合TDLAS検出装置は以下に記述される。本発明の好適実施例は、モードノイズが存在する一切の光学システムにおいて光学的モードノイズを平均化するに適している。特に上記光学的モードノイズ平均化デバイスは、光を伝送する相当な長さのマルチモード光ファイバを特徴とする一切のコンピュータ処理、遠距離通信、科学研究または他のシステムにおいて実現され得る。該平均化装置は、マルチモード光ファイバ内を伝搬する光に特有の光学的モードノイズを平均化することで当該光学システムの効率が増進され得るという一切の光学システムにおいて有用である。
A. Overview A preferred embodiment of the present invention is an optical mode noise averaging device. The optical mode noise averaging device is described in detail in paragraph E below. The optical mode noise averaging device is not limited and is specific to a catch-side (ie, receive-side) multimode optical fiber associated with a fiber coupled tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) detector This is particularly suitable for the mode noise averaging method. Several embodiments of such a detection device are filed on March 31, 2004, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference for “for combustion monitoring and control. It is discussed in detail in International Patent Application No. PCT / US04 / 10048 (Publication No. WO2004 / 090496) entitled “Methods and Apparatus”. In addition, a fiber coupled TDLAS detector is described below. The preferred embodiment of the present invention is suitable for averaging optical mode noise in any optical system where mode noise is present. In particular, the optical mode noise averaging device can be implemented in any computer processing, telecommunications, scientific research or other system featuring a length of multimode optical fiber that transmits light. The averaging device is useful in any optical system where the efficiency of the optical system can be enhanced by averaging the optical mode noise specific to light propagating in a multimode optical fiber.

B.検出装置
図1には、燃焼プロセスの検出、監視および検出に適した検出装置10の実施例が示される。検出装置10は、近赤外または中赤外スペクトルの選択された周波数でレーザ発振する一連の波長可変ダイオード・レーザ12からのレーザ光を使用することにより波長可変ダイオード・レーザ吸収分光(TDLAS)を行う。波長可変ダイオード・レーザ12の各々の出力は、単一モード光ファイバ14とされ得る個別の光ファイバに結合され、マルチプレクサ16へと経路設定される。本明細書で使用される如く、“結合された(coupled)”、“光学結合された(optically coupled)”、または“光学的に通信している(in optical communication with)”という表現は、光が中間の構成要素または自由空間を通過してまたは通過せずに第1の構成要素から第2の構成要素に進行し得る場合の相対物の相互間の機能的関係と定義される。マルチプレクサ16内では、生成された周波数の一部または全部のレーザ光が多重化されることで、複数の選択周波数を有する多重化プローブ・ビーム(multiplexed probe beam)が形成される。この多重化プローブ・ビームはピッチ側(すなわち送信側)の光ファイバ18に結合され、且つ、図1に燃焼室22として示されているプロセスチヤンバに作動的に関係付けられたピッチ光学部品20すなわちコリメータに伝送される。
B. The detection device FIG. 1, the detection of the combustion process, embodiments of the detection device 10 suitable for the monitoring and detection is shown. The detection apparatus 10 performs tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) by using laser light from a series of tunable diode lasers 12 that oscillate at a selected frequency in the near-infrared or mid-infrared spectrum. Do. Each output of the tunable diode laser 12 is coupled to a separate optical fiber, which can be a single mode optical fiber 14 and routed to a multiplexer 16. As used herein, the expression “coupled”, “optically coupled”, or “in optical communication with” refers to optical Is defined as the functional relationship between the counterparts in which can proceed from a first component to a second component with or without passing through an intermediate component or free space. In the multiplexer 16, a part or all of the generated laser light is multiplexed to form a multiplexed probe beam having a plurality of selected frequencies. This multiplexed probe beam is coupled to a pitch-side (ie, transmitting) optical fiber 18 and is operatively associated with a process chamber, shown as a combustion chamber 22 in FIG. That is, it is transmitted to the collimator.

ピッチ光学部品20は、燃焼室22の中を通して多重化プローブ・ビームを放射するように配向される。ピッチ光学部品20に対しては、燃焼室22を経由してキャッチ光学部品24が光学的に通信している。キャッチ光学部品24は好適には、ピッチ光学部品20の実質的に反対側に位置し、かつ、燃焼室22に対して作用的に関係付けられる。キャッチ光学部品24は、燃焼室22の中を通して放射される多重化プローブ・ビームを受信すべく位置決め且つ配向される。キャッチ光学部品24は、該キャッチ光学部品24により受信される多重化プローブ・ビームの一部をデマルチプレクサ28に伝送するキャッチ側の光ファイバ26に光学的に結合されている。デマルチプレクサ28内では、キャッチ光学部品24により受信された多重化プローブ・ビームの一部分が逆多重化され、この逆多重化されたレーザ光の各波長が出力光ファイバ30に結合される。一方、各出力光ファイバ30は検出器32に光学的に結合されており、該検出器は典型的には、そのプローブ・ビームを形成するように生成されて多重化されたレーザ光の選択周波数の内の1つの周波数に対して感度を有する光検出器である。検出器32は、検出器周波数にて該検出器32に伝送される光の性質と量とに基づいて電気信号を生成する。各検出器32からの電気信号は典型的には、データ処理システム34内でデジタル化されて分析される。より詳細に後述するように、このデジタル化されて分析されたデータは、限定的なものとしてで無く、燃焼室22内の様々なガス種の濃度と燃焼温度とを含むプロセスチャンバ内の物理パラメータを検出するために使用され得る。データ処理システム34は更に、フイードバックループ36を通して燃焼制御装置38に信号を送ることにより、選択プロセスパラメータを能動的に制御するために使用され得る。燃焼プロセスの場合、制御されるプロセスパラメータは、燃料(例えば、微粉炭)供給量と、酸素供給量と、触媒または化学物質の添加速度とを含み得る。検出装置10のピッチ側とキャッチ側の両方に電子構成要素と光学構成要素との光ファイバ結合を使用すると、波長可変ダイオード・レーザ12、検出器32およびデータ処理システム34などの精巧で温度に影響される装置が、安定した動作環境を有する制御室の中に配置され得る。故に、比較的に堅牢なピッチ光学部品20およびキャッチ光学部品24のみが、燃焼室22の過酷な環境の付近に配置される必要がある。   The pitch optic 20 is oriented to emit a multiplexed probe beam through the combustion chamber 22. The catch optical component 24 is in optical communication with the pitch optical component 20 via the combustion chamber 22. The catch optic 24 is preferably located substantially opposite the pitch optic 20 and is operatively associated with the combustion chamber 22. The catch optic 24 is positioned and oriented to receive the multiplexed probe beam emitted through the combustion chamber 22. The catch optic 24 is optically coupled to a catch-side optical fiber 26 that transmits a portion of the multiplexed probe beam received by the catch optic 24 to the demultiplexer 28. Within the demultiplexer 28, a portion of the multiplexed probe beam received by the catch optic 24 is demultiplexed and each wavelength of the demultiplexed laser light is coupled to the output optical fiber 30. On the other hand, each output optical fiber 30 is optically coupled to a detector 32, which typically has a selected frequency of the laser light generated and multiplexed to form its probe beam. This is a photodetector having sensitivity to one of the frequencies. The detector 32 generates an electrical signal based on the nature and amount of light transmitted to the detector 32 at the detector frequency. The electrical signal from each detector 32 is typically digitized and analyzed within the data processing system 34. As will be described in more detail below, this digitized and analyzed data is not limiting and includes physical parameters within the process chamber, including the concentration and combustion temperature of various gas species within the combustion chamber 22. Can be used to detect. Data processing system 34 may further be used to actively control selected process parameters by sending signals to combustion controller 38 through feedback loop 36. For a combustion process, the controlled process parameters may include fuel (eg, pulverized coal) feed rate, oxygen feed rate, and catalyst or chemical addition rate. The use of optical fiber coupling of electronic and optical components on both the pitch and catch sides of the detection device 10 will affect the elaborate and temperature effects such as the tunable diode laser 12, the detector 32 and the data processing system 34. Can be placed in a control room with a stable operating environment. Therefore, only the relatively robust pitch optic 20 and catch optic 24 need be placed near the harsh environment of the combustion chamber 22.

図2は、ファイバ結合多重化検出システム40の全体的な構成要素配置を概略的にしている。検出システム40は概略的に、システムラック42と、ブレイクアウトボックス44と、ピッチ光学部品48を有するトランスミッタヘッド46と、キャッチ光学部品52を有するレシーバヘッドと、接続光ファイバとから成る。システムラック42は好適には、燃焼室54から例えば1キロメートルなどの距離に位置された遠隔制御室内に配置される。上記制御室は典型的には、適度に制御された環境を有する。システムラック42は、レーザ56と、検出器58と、波長マルチプレクサ60と、波長デマルチプレクサ62とを含む。システムラック42は、システム電子機器と制御ソフトウェア(図2において不図示)も収容する。システムラック42は選択的に、アラインメント用光源64を収容し得る。   FIG. 2 schematically illustrates the overall component arrangement of the fiber coupled multiplexed detection system 40. The detection system 40 generally consists of a system rack 42, a breakout box 44, a transmitter head 46 having a pitch optic 48, a receiver head having a catch optic 52, and a connecting optical fiber. The system rack 42 is preferably located in a remote control room located at a distance such as 1 kilometer from the combustion chamber 54. The control room typically has a moderately controlled environment. The system rack 42 includes a laser 56, a detector 58, a wavelength multiplexer 60, and a wavelength demultiplexer 62. The system rack 42 also contains system electronics and control software (not shown in FIG. 2). The system rack 42 may optionally contain an alignment light source 64.

システムラック42をブレイクアウトボックス44に接続する光ファイバは典型的には、標準的な単一モードの遠距離通信用光ファイバである。このタイプのファイバは安価であり、容易に入手可能であり、低損失であり、且つ、光スイッチ、光スプリッタ、波長分割マルチプレクサなどの、光を操作する遠距離通信用の種々の規格品に対してレーザ光を導向し得る。光ファイバ結合がなければ、レーザ光は常に自由空間を通して燃焼室54に導向されねばならず、これは実現が非常に困難であるか、または代替的に、高感度の電子機器と光学部品とが燃焼室54の直近に配置されねばならない。   The optical fiber connecting the system rack 42 to the breakout box 44 is typically a standard single mode telecommunications fiber. This type of fiber is inexpensive, readily available, has low loss, and is compatible with various standards for telecommunications that operate light, such as optical switches, optical splitters, and wavelength division multiplexers. Can direct the laser beam. Without fiber optic coupling, the laser light must always be directed through free space to the combustion chamber 54, which is very difficult to achieve or, alternatively, sensitive electronics and optical components It must be placed in the immediate vicinity of the combustion chamber 54.

図2にはブレイクアウトボックス44も示されている。ブレイクアウトボックス44は、ボイラの近くに配置された堅牢な密閉容器である。ブレイクアウトボックス44は、複数のトランスミッタヘッド/レシーバヘッド対に光信号を送るために後述の如く使用され得る光スイッチと光スプリッタと光カプラ(集合的に66)とを収容する。   A breakout box 44 is also shown in FIG. The breakout box 44 is a robust hermetic container located near the boiler. Breakout box 44 houses optical switches, optical splitters and optical couplers (collectively 66) that can be used as described below to send optical signals to a plurality of transmitter / receiver head pairs.

図2に示された第3のグループのシステム構成要素がトランスミッタヘッド46とレシーバヘッド50である。トランスミッタヘッド46とレシーバヘッド50とにおける光学部品と電子機器は、ファイバ68内の光を平行ビームに変換し、このビームを正確に燃焼室54の中を通して導向し、燃焼室54の遠位側でビームを捕捉し、且つ、このビームをファイバ70の中に結合しなければならない。これを実現するための光学部品の選択が、伝送距離と、燃焼区域の乱流と、伝送されるビームの品質に対するこの乱流の影響と、ファイバ70のコアサイズとにより決定される。コアサイズの選択は、用途により左右される設計上の選択事項である。コアが更に大寸であると、更に多くのレーザ光だけでなく、更に多くの背景光も捕捉する。石炭燃焼ボイラと共に使用されたとき、50ミクロンのファイバ・コア直径は容認可能な結果を提供した。キャッチ(レシーバ)側でのファイバ結合は幾つかの利点を有する。特に、レーザ光と同一の場所にあり且つ同一の方向に進む光だけがファイバ70の中に集束される。これにより、検出される背景光の量が劇的に減少される。光は幾つかのレシーバファイバの内の1つのレシーバファイバ中へと捕捉され得ると共に、光スイッチまたは他の光学経路設定デバイスが、検出器58への経路設定のために1つのファイバからの光を選択し得る。図2には、1個のみのキャッチ光学部品が示される。   A third group of system components shown in FIG. 2 is a transmitter head 46 and a receiver head 50. The optics and electronics in the transmitter head 46 and receiver head 50 convert the light in the fiber 68 into a collimated beam that is directed accurately through the combustion chamber 54 and on the distal side of the combustion chamber 54. The beam must be captured and coupled into the fiber 70. The choice of optical components to achieve this is determined by the transmission distance, the turbulence in the combustion zone, the effect of this turbulence on the quality of the transmitted beam, and the core size of the fiber 70. The choice of core size is a design choice that depends on the application. Larger cores capture more background light as well as more laser light. When used with a coal fired boiler, a 50 micron fiber core diameter provided acceptable results. Fiber coupling on the catch (receiver) side has several advantages. In particular, only light that is in the same location as the laser light and travels in the same direction is focused into the fiber 70. This dramatically reduces the amount of background light detected. Light can be captured into one of several receiver fibers and an optical switch or other optical routing device redirects light from one fiber for routing to detector 58. You can choose. In FIG. 2, only one catch optic is shown.

キャッチ側でのファイバ結合の使用は、トランスミッタの光学部品とレシーバの光学部品との両方のアラインメント公差が正確に維持されることを必要とする(トランスミッタの照準とレシーバの照準との両方に関して0.5ミリラジアン未満)。好適には、ピッチ光学部品48とキャッチ光学部品52との両方が、複数のレーザ信号が同時に効率的に送信および受信され得る様に、660nmから1650nmまでの波長に関して適合設計かつ収差補正される。   The use of fiber coupling on the catch side requires that the alignment tolerances of both the transmitter and receiver optics be accurately maintained (0. 0 for both transmitter aiming and receiver aiming). Less than 5 milliradians). Preferably, both pitch optic 48 and catch optic 52 are adaptively designed and aberration corrected for wavelengths from 660 nm to 1650 nm so that multiple laser signals can be efficiently transmitted and received simultaneously.

C.波長可変ダイオード・レーザ吸収分光法
波長可変ダイオード・レーザ吸収分光法(TDLAS)は、レーザ分光法の分野における当業者に公知の技術を用いて実施される。概略的にTDLASはターゲット環境の中を通したレーザ光の伝送により実施され、一酸化炭素または酸素の如き目標ガスに依る特定波長におけるレーザ光の吸収の検出が追随する。検出された光をスペクトル分析すると、レーザ経路に沿うガスのタイプと量が特定され得る。直接吸収分光法の詳細は、その全ての開示内容は言及したことにより本明細書中に援用されるTeichert,FernholzおよびEbertの“Simultaneous in situ Measurement of CO, H2O, and Gas Temperature in a Full-Sized, Coal-Fired Power Plant by Near-Infrared Diode Lasers,”(Applied Optics, 42(12):2043, 20 April 2003)において論じられている。レーザ吸収分光法の非接触という性質によれば上記レーザ吸収分光法は、石炭燃焼発電所の燃焼区域、または、他のプローブが使用不可能な易燃性もしくは有毒性の環境の如き過酷な環境に適合される。レーザ光を使用すると、これらの環境の幾つかにおいて遭遇し得る極度の減衰(典型的には、99.9%を超える光損失)の存在下において検出可能な伝送を受信するために必要な高い輝度が提供される。目標用途の過酷な条件に対して更に良好に耐えるためにレーザ光は、防護された光ファイバを通して目標環境にもたらされ得る。
C. Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy (TDLAS) is performed using techniques known to those skilled in the art of laser spectroscopy. In general, TDLAS is performed by transmission of laser light through a target environment, followed by detection of absorption of laser light at a specific wavelength by a target gas such as carbon monoxide or oxygen. Spectral analysis of the detected light can identify the type and amount of gas along the laser path. Details of direct absorption spectroscopy can be found in the “Simultaneous in situ Measurement of CO, H 2 O, and Gas Temperature in a Full of Teichert, Fernholz and Ebert, incorporated herein by reference in their entirety. -Sized, Coal-Fired Power Plant by Near-Infrared Diode Lasers, "(Applied Optics, 42 (12): 2043, 20 April 2003). Due to the non-contact nature of laser absorption spectroscopy, the laser absorption spectroscopy described above can be used in harsh environments such as combustion areas of coal-fired power plants or flammable or toxic environments where other probes cannot be used. Is adapted to. Using laser light, the high required to receive a detectable transmission in the presence of extreme attenuation (typically greater than 99.9% light loss) that can be encountered in some of these environments. Brightness is provided. In order to better withstand the harsh conditions of the target application, the laser light can be brought into the target environment through a protected optical fiber.

温度または複数の燃焼プロセス成分ガスの効果的な検出は、広く離間された複数の周波数のレーザ光を使用するTDLASの実行を必要とする。選択された周波数は、監視される遷移の吸収線に適合しなければならない。たとえば、放出NO濃度を概算するためには670nmの波長でNO2を監視することが有用である。更に石炭燃焼実用ボイラにおいては、酸素、水(温度)および一酸化炭素を監視することも極めて有用である。適切な吸収線と、故に適切なレーザ発振周波数とが、燃焼室の中を通過するレーザプローブ経路長が10メートルに等しく、かつ、各々の種のモル画分がCO(1%)、O2(4%)、CO2(10%)、および、H2O(10%)であるという前提に基づき選択され得る。周波数の選択のためにプロセス温度は、石炭燃焼発電所で典型的に見られる温度よりも僅かに高い1800Kであると仮定され得るが、この余裕幅は計算における安全係数の役割を果たす。 Effective detection of temperature or multiple combustion process component gases requires the implementation of TDLAS using widely spaced laser beams of multiple frequencies. The selected frequency must match the absorption line of the transition being monitored. For example, it is useful to monitor NO 2 at a wavelength of 670 nm to approximate the emitted NO concentration. Furthermore, it is extremely useful to monitor oxygen, water (temperature) and carbon monoxide in a coal-fired utility boiler. Appropriate absorption lines, and hence the appropriate lasing frequency, have a laser probe path length through the combustion chamber equal to 10 meters, and the molar fraction of each species is CO (1%), O 2 (4%), CO 2 (10%), and H 2 O (10%). For frequency selection, the process temperature can be assumed to be 1800K, which is slightly higher than the temperature typically found in coal-fired power plants, but this margin serves as a safety factor in the calculation.

たとえば次の基準に合致する3つの吸水線がTDLASのために選択され得る。
1.夫々、〜1000,2000、および、3000cm-1という更に低い状態エネルギ。
2.共振時における約20%のビーム吸収に帰着する約0.1−0.4の好適な吸光度を提供すること。
3.最適な状況は、安価で高出力のDFBダイオード遠距離通信用レーザが使用可能な1250nm〜1650nmの範囲内の遷移を使用すること。
4.容易な多重化を許容すべく、遷移は適切に分離されるべきこと。
5.選択された波長は、既存の(デ)マルチプレクサ格子により効率的に回折されるべきこと。
For example, three water absorption lines that meet the following criteria may be selected for TDLAS.
1. Lower state energies of ˜1000, 2000, and 3000 cm −1 , respectively.
2. Providing a suitable absorbance of about 0.1-0.4 resulting in about 20% beam absorption at resonance.
3. The optimal situation is to use transitions in the 1250 nm to 1650 nm range where cheap, high power DFB diode telecommunications lasers can be used.
4). Transitions should be properly separated to allow easy multiplexing.
5. The selected wavelength should be efficiently diffracted by the existing (de) multiplexer grating.

適切な吸水線は次の波長で生じる。

Figure 2011145680
Appropriate water absorption occurs at the following wavelengths:
Figure 2011145680

他の一切の燃焼ガスからの干渉は想定されていない。干渉の可能性が最も高い種であるCO2がモデル化されると共に、1.3〜1.4ミクロンの範囲内では強い干渉線が存在しない。 Interference from any other combustion gases is not assumed. CO 2 , which is the most likely species of interference, is modeled, and there are no strong interference lines in the 1.3-1.4 micron range.

同様に、適切な一酸化炭素線が、言及され且つ援用された上記のEbertの研究に基づいて選択され得る。適切な一酸化炭素線は、石炭燃焼実用ボイラ内でR(24)線を使用して1559.562nmにて見出される。この線を選択すると、水と二酸化炭素とからの干渉が回避される。この波長範囲は光通信C帯にあるので、該波長範囲内では既知の格子が極めて効率的である。この波長におけるCOの吸光度は0.7%であると予測される。   Similarly, a suitable carbon monoxide line may be selected based on the above-mentioned Ebert study mentioned and incorporated. A suitable carbon monoxide line is found at 1559.562 nm using the R (24) line in a coal fired utility boiler. Selecting this line avoids interference from water and carbon dioxide. Since this wavelength range is in the optical communication C band, the known grating is very efficient within this wavelength range. The absorbance of CO at this wavelength is expected to be 0.7%.

更に、酸素は760.0932nmで測定され得る。好ましい(逆)多重化格子効率はこの範囲内では40%にすぎないと算出されるが、合理的な測定効率に対しては適切なレーザ出力が利用可能とされるべきである。   Furthermore, oxygen can be measured at 760.0932 nm. The preferred (inverse) multiplexing grating efficiency is calculated to be only 40% within this range, but appropriate laser power should be available for reasonable measurement efficiency.

本明細書にて論じられる如く、TDLAS検出装置のピッチ側とキャッチ側の両方にてファイバ結合を使用すると、ピッチ光学部品とキャッチ光学部品の厳密なアラインメントが必要とされる。能動アラインメントは、選択されたアラインメント波長を用いて行われることが好ましい。可能的な1つのアラインメント波長は660nmである、と言うのも、この周波数にては高出力(45mW)ダイオードが入手可能であり、かつ、660nmは14次格子動作のピークの近傍だからである。等しく適切な又は更に適切な他のアラインメント波長が決定され得る。   As discussed herein, the use of fiber coupling on both the pitch side and the catch side of the TDLAS detector requires a tight alignment of the pitch and catch optics. Active alignment is preferably performed using a selected alignment wavelength. One possible alignment wavelength is 660 nm because high power (45 mW) diodes are available at this frequency and 660 nm is near the peak of 14th order grating operation. Other alignment wavelengths that are equally suitable or even more suitable may be determined.

要約すると、本発明において具体化されるTDLASのためのプローブ・ビームへと多重化すべく選択される適切な波長群が表2に示される。この波長群は、石炭燃焼発電所における検出および制御に適したTDLAS検出装置の一実施形態に対することを銘記されたい。他の波長群が等しく適切であり得る。

Figure 2011145680
In summary, the appropriate wavelength groups selected to multiplex into the probe beam for the TDLAS embodied in the present invention are shown in Table 2. It should be noted that this wavelength group is for one embodiment of a TDLAS detector suitable for detection and control in a coal-fired power plant. Other wavelength groups may be equally suitable.
Figure 2011145680

D.多重化ビームを使用するTDLASの独特の利点
波長多重化プローブ・ビームを使用するTDLASの具体的な利点は、温度測定値の精度の向上である。TDLASを使用して正確な濃度測定を行うためには、監視対象のガスの温度を知らなければならない。分子吸光の強度は温度の関数である。従って、吸収特徴の振幅を濃度に変換するためには、温度を知らなければならない。COの如き燃焼種の濃度を測定しようとする以前の幾つかの試みは、定量化における誤りの原因となる不十分な精度の温度測定値という欠点を有する。これは、習用的に温度測定を全く含まないというダイオード・レーザに基づくアンモニアスリップ監視の場合に特に当てはまる。本発明の検出システムにおいて温度は、2つ以上の分子水線の強度の比率を測定することにより求められ得る。この2つの線の積分強度の比率は(システム全体の圧力が一定であると仮定すると)温度のみの関数である。故に原理的には、2つの線が正確な温度を与える。しかし、(工業燃焼プロセスにおいて典型的に見られる如き)不均一な温度分布の場合には、2つの線は温度分布を求めるには不十分である。斯かる不均一な温度分布の場合には、2つの線は“経路平均(path-averaged)”温度のみを決定し得る。対照的に、(同一の種の)3つ以上の線の積分振幅を測定すると、温度の不均一性が調査され得る。この技術の例は、その全ての開示内容は言及したことにより本明細書中に援用されるSanders、Wang、JeffriesおよびHansonにより、プローブ分子として酸素を使用することで例証されている(Applied Optics、40(24):4404, 20 August 2001)。この好ましい技術は、500Kの平均温度における経路に対して照準線に沿い測定されたピーク強度の分布が、たとえば経路の一方の半分は300Kであり且つ他方の半分は700Kである場合の分布と同一でないという事実に立脚する。
D. Unique Advantage of TDLAS Using Multiplexed Beam A specific advantage of TDLAS using a wavelength multiplexed probe beam is improved accuracy of temperature measurements. In order to perform accurate concentration measurements using TDLAS, the temperature of the monitored gas must be known. The intensity of molecular absorption is a function of temperature. Thus, in order to convert the absorption feature amplitude into concentration, the temperature must be known. Several previous attempts to measure the concentration of combustion species such as CO have the disadvantage of insufficiently accurate temperature measurements that cause errors in quantification. This is especially true in the case of ammonia slip monitoring based on diode lasers, which do not include any temperature measurements by convention. In the detection system of the present invention, the temperature can be determined by measuring the ratio of the intensity of two or more molecular water lines. The ratio of the integrated intensities of these two lines is a function of temperature only (assuming that the overall system pressure is constant). Thus, in principle, the two lines give the correct temperature. However, in the case of a non-uniform temperature distribution (as typically seen in industrial combustion processes), the two lines are insufficient to determine the temperature distribution. In the case of such a non-uniform temperature distribution, the two lines can only determine the “path-averaged” temperature. In contrast, measuring the integrated amplitude of more than two lines (of the same species) can investigate temperature non-uniformities. An example of this technique is illustrated by the use of oxygen as a probe molecule by Sanders, Wang, Jeffries and Hanson, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference (Applied Optics, 40 (24): 4404, 20 August 2001). This preferred technique is identical to the distribution of peak intensities measured along the line of sight for a path at an average temperature of 500K, for example when one half of the path is 300K and the other half is 700K. Based on the fact that it is not.

より正確な温度測定という利点に加え、多重化プローブ・ビームを使用すると2種類以上の燃焼ガス種の同時監視が許容されることで、燃焼プロセス全体にわたり更に厳密な制御が許容される。   In addition to the benefits of more accurate temperature measurement, the use of multiplexed probe beams allows for more precise control throughout the combustion process by allowing simultaneous monitoring of two or more combustion gas species.

E.モードノイズ
TDLASシステムの光学列(optical train)と、互いに広く離間された波長から多重化された信号を必要とする同様の実施方式とは、モードノイズの低減と高効率の光収集という相反する設計要件に依る多くの設計上の難題をもたらす。本明細書においてモードノイズは、測定対象のプロセスチャンバから光を収集し、且つ、該プロセスチャンバに対して光を伝送するために使用されるファイバのコアの中における時間的および波長的に変動する不均一な光分布から帰着する検出光の信号レベルの変化として定義される。
E. The optical train of a mode noise TDLAS system and similar implementations that require signals multiplexed from wavelengths that are widely separated from each other are conflicting designs of mode noise reduction and high efficiency light collection. There are many design challenges depending on the requirements. Mode noise herein varies with time and wavelength in the core of the fiber used to collect light from the process chamber being measured and to transmit light to the process chamber. Defined as a change in the signal level of the detected light resulting from a non-uniform light distribution.

マルチモード・ファイバでは、異なるモードが屈折率の変動を原因として異なる速度で伝搬する。その場合にファイバ内の強度の分布は、互いに異なる有効経路長を経た伝搬モードすべての干渉の結果として生じるスペックル・パターンである。このスペックル・パターンのすべての光が収集されて検出されるなら強め合う干渉と弱め合う干渉とが互いに正確に打ち消し合い、且つ、伝送される出力の合計は波長またはファイバ長には依存しない。しかしクリッピング、周辺減光または他の損失が導入されるなら、正確な打ち消し合いは行われず、かつ、検出された出力は波長および/または時間に応じて変化する。上述された如きTDLAS検出システムにおいて、モードノイズから帰着する出力変化は非常に問題である。幾つかの分光技術は、考察されるガス種による特定波長の光の吸収に立脚する。該吸収は重要な波長における出力の減少により検出される。故にモードノイズは、吸収に伴う出力低下を呈し得ると共に、TDLASを介して収集されたデータを不明瞭とし得る。ファイバの長さzの後で検出された出力に関する一般式は、
P=P0+Σijijijcos[(2πν0△nijz/c+△φij(T,σ))]
(1)
であり、式中、
0=波長非依存の平均出力、
i=i次の横モードにおける光の振幅、
ij=i次の横モードとj次の横モードとの間の重なり積分、
△nij=i次モードとj次モードの間の屈折率の差、
△φij=温度および応力を原因とするi次モードとj次モードの間の位相ずれである。
In multimode fiber, different modes propagate at different speeds due to refractive index variations. In that case, the intensity distribution in the fiber is a speckle pattern resulting from the interference of all propagation modes through different effective path lengths. If all the light of this speckle pattern is collected and detected, constructive and destructive interference cancel each other out exactly, and the total transmitted power is independent of wavelength or fiber length. However, if clipping, ambient dimming or other losses are introduced, accurate cancellation is not performed and the detected output varies with wavelength and / or time. In the TDLAS detection system as described above, the output change resulting from mode noise is very problematic. Some spectroscopic techniques are based on the absorption of specific wavelengths of light by the gas species considered. The absorption is detected by a decrease in power at a critical wavelength. Thus, mode noise can exhibit power loss due to absorption and can obscure data collected via TDLAS. The general formula for the output detected after the fiber length z is
P = P 0 + Σ ij c ij E i E j cos [(2πν 0 Δn ij z / c + Δφ ij (T, σ))]
(1)
Where
P 0 = wavelength independent average output,
E i = amplitude of light in the i -th transverse mode,
c ij = overlap integral between i-th and j-th transverse modes,
Δn ij = difference of refractive index between i-th and j-th modes,
Δφ ij = phase shift between the i-th mode and the j-th mode due to temperature and stress.

正規直交群のモードと無損失とに対しては、cij=0である。しかし、一切のビームクリッピングまたは周辺減光または他の一切のモード依存損失は、何らかのcij≠0の原因となる。これは、平均伝送出力におけるリップルに帰着する。 For the orthonormal group mode and lossless, c ij = 0. However, any beam clipping or marginal dimming or any other mode dependent loss will cause some c ij ≠ 0. This results in a ripple in the average transmission output.

50ミクロンのコアを有する典型的な屈折率分布ファイバの場合には、屈折率の変化の合計△nが〜1%であるが、大半のモードはファイバ・コアの中心付近で大量の伝送時間を費やし、故に概略的に△nij≦0.0005である。一般的に入手可能な光ファイバGIF50は約135個のモードをサポートし、これは、合理的に達成可能なビームクリッピングレベルを仮定すれば、波長走査中に顕著なモードノイズを生じさせるのに十分なだけ粗い。 For a typical graded-index fiber with a 50 micron core, the total index change Δn is ˜1%, but most modes have large transmission times near the center of the fiber core. Expendily, and therefore roughly Δn ij ≦ 0.0005. The commonly available fiber GIF 50 supports about 135 modes, which is sufficient to produce significant mode noise during wavelength scanning, assuming a reasonably achievable beam clipping level. As rough as possible.

モードノイズの具体例として、モードノイズを示す実現可能で最も単純なシステム、すなわち、1次元において最低のモードだけをサポートし、且つ、直交次元において2つの最低モードのみをサポートする方形導波路が考察され得る:
最低モード:E1=E1 0[expi(kz−ωt)]cos πx/2a
次のモード:E2=E2 0[expi(kz−ωt)]sin πx/a
である。
ファイバに沿ったポイントzにおける強度は、
I(x)=|El+E22であり、且つ、合計出力はP=∫|E1+E22dx (2)
であり、式中、積分はクリッピングと周辺減光との影響を含まねばならない。
As an example of mode noise, consider the simplest feasible system that exhibits mode noise, ie, a rectangular waveguide that supports only the lowest mode in one dimension and only the two lowest modes in the orthogonal dimension. Can be:
Lowest mode: E 1 = E 1 0 [expi (kz−ωt)] cos πx / 2a
Next mode: E 2 = E 2 0 [expi (kz−ωt)] sin πx / a
It is.
The intensity at point z along the fiber is
I (x) = | E 1 + E 2 | 2 and the total output is P = ∫ | E 1 + E 2 | 2 dx (2)
Where the integral must include the effects of clipping and ambient dimming.

クリッピングがなければ、P〜E1 2+E2 2であり且つ波長依存性はない。クリッピングの付加は、その積分の限界を変化させることになる。クリッピングが追加の項〜E12cos△Φに帰着することが示され得るものであり、式中、△Φ=△kL=2π△nL/λである。 Without clipping, P to E 1 2 + E 2 2 and there is no wavelength dependence. Adding clipping will change the limits of that integration. It can be shown that clipping results in an additional term ~ E 1 E 2 cos ΔΦ, where ΔΦ = ΔkL = 2πΔnL / λ.

単一モードのファイバが上述のシステムの光学列で使用され得るなら、モードノイズは問題ではない。しかしマルチモード・ファイバは典型的には、2つの理由から、ファイバ結合されたTDLASシステムのキャッチ側の光学列で使用されねばならない。第1に、測定体積(10メートルを超える測定経路を有する燃焼室)を横断した後に、最初は単一モード(ガウス空間分布)であるビームが著しく品質低下させられる。故にこの大きく歪んだビームを単一モードのファイバの中に結合する効率は非常に低い。これは受け入れ難い状況である、と言うのもそのビームは、煤と飛散灰とによる散乱と掩蔽とを主な原因として、測定体積を通過するときに3−4桁は減衰されるからである。単一モードのファイバの使用から帰着する減衰の増加は、測定を妨げるであろう。第2に、火球中の屈折ビーム方向付け効果(refractive beam steering effect)は、ビームの位置および照準を不安定とする。この効果がある場合には、単一モードのファイバのコアに何らかの規則性を以て“命中”することは困難であろう。   If single mode fiber can be used in the optical train of the system described above, mode noise is not an issue. However, multimode fiber typically must be used in the catch-side optical train of a fiber coupled TDLAS system for two reasons. First, after traversing the measurement volume (combustion chamber with a measurement path exceeding 10 meters), the beam that is initially single mode (Gaussian spatial distribution) is significantly degraded. Therefore, the efficiency of coupling this highly distorted beam into a single mode fiber is very low. This is an unacceptable situation because the beam is attenuated 3-4 orders of magnitude when passing through the measurement volume, mainly due to scattering and occultation by hail and fly ash. . Increased attenuation resulting from the use of a single mode fiber will hinder measurement. Second, the refractive beam steering effect in the fireball makes the beam position and aim unstable. Given this effect, it would be difficult to “hit” the single-mode fiber core with some regularity.

一方、マルチモード・ファイバのコアは、単一モードのファイバの目標断面積の25倍以上の目標断面積を有する。故に、ビーム方向付け効果は著しく低減され得る。更に、マルチモード・ファイバ中への結合効率は光の空間モードとは無関係なので、火球の中を通過した後に得られる低いビーム品質は問題ではない。   On the other hand, the core of a multimode fiber has a target cross-sectional area that is more than 25 times the target cross-sectional area of a single mode fiber. Hence, the beam directing effect can be significantly reduced. Furthermore, since the coupling efficiency into a multimode fiber is independent of the spatial mode of light, the low beam quality obtained after passing through a fireball is not a problem.

コンピュータ処理、遠距離通信または一般的な科学分野における他の種類の実施方式は、相当な長さのマルチモード光ファイバの使用を必要としもしくは好適とする他の同様のまたは完全に無関係な制限を有し得る。他の実施方式においてもモードノイズは問題であり、データ収集またはデータ伝送に関する相当の難題を呈し得る。   Computer processing, telecommunications or other types of implementation in the general scientific field have other similar or completely unrelated limitations that require or favor the use of significant lengths of multimode optical fiber. Can have. In other implementations, mode noise is a problem and can present considerable challenges for data collection or data transmission.

故に、マルチモード・ファイバ列の中で生じるモード依存損失が設計上の大きな難題である。マルチモード・ファイバのコアから発散する光分布は、ランダムなスペックル・パターンを示し、すなわち、そのファイバの互いに異なるモードの間の強め合う干渉と弱め合う干渉とにより明るい区域と暗い区域のランダムなパターンを示す。このスペックル・パターンが時間および波長の関数として全体的に一定不変なら、このスペックル・パターンは問題を呈しないであろう。しかし上述の如く、ビームがマルチモードのキャッチ側光学列内のどこかでクリッピングされるなら、特に波長の関数としてのスペックル・パターンの緩慢な変化はモードノイズを引き起こし得る。このクリッピングを回避することは不可能であり、クリッピングは低減され得るだけである。故にシステムの検出感度を改善するためには、モードノイズを低減させる付加的対策が実施されねばならない。   Therefore, the mode dependent loss that occurs in a multimode fiber train is a major design challenge. The light distribution emanating from the core of a multimode fiber exhibits a random speckle pattern, i.e., random in bright and dark areas due to constructive and destructive interference between different modes of the fiber. Indicates a pattern. If this speckle pattern is generally constant as a function of time and wavelength, this speckle pattern will not present a problem. However, as mentioned above, if the beam is clipped somewhere in the multimode catch-side optical train, a slow change in speckle pattern, especially as a function of wavelength, can cause mode noise. It is impossible to avoid this clipping and it can only be reduced. Therefore, in order to improve the detection sensitivity of the system, additional measures must be taken to reduce mode noise.

モードノイズを緩和する幾つかの方法が在る。上記の式(1)から、モードノイズは、
1.モード依存の損失を減少させ、すなわち、クリッピングを減少させることでcijを小さく保ち、
2.zを減少させることで検査対象の吸収線よりも著しく大きいようにモードノイズの期間を増大させ、
3.低分散ファイバを用いることで△nijを減少させ、
4.モードをスクランブリングもしくは位相シフトする(但し後述する如く全てのモードスクランブリングもしくは位相シフト技術が等しく効果的ではない)、
ことにより減少され得る。
There are several ways to mitigate mode noise. From the above equation (1), the mode noise is
1. Reduce mode dependent loss, ie keep c ij small by reducing clipping,
2. By reducing z, the period of mode noise is increased so that it is significantly larger than the absorption line to be examined,
3. △ n ij is reduced by using low dispersion fiber,
4). Scrambling or phase shifting modes (but not all mode scrambling or phase shifting techniques are equally effective as described below)
Can be reduced.

好適にはファイバ結合TDLAS検出システムのキャッチ光学部品は、モードノイズを低減するために上記の全てを含むべく設計かつ実施される。これらの光学部品は、そのシステムの略々完璧なアラインメントを仮定して、あらゆるビームクリッピングが低レベルで生じるように設計される。マルチモード・ファイバの長さを最小限に保つべく努力が払われるべきだが、用途により、環境調整された区域内に制御電気機器を有するために、zが長くなければならない。△nijの値は、極めて高品質の低分散マルチモード・ファイバを使用することにより低減され得る。これに加え、キャッチ側マルチモード・ファイバの屈折率を循環的に変化させ又は該ファイバを機械的に操作することにより各モードを平均化し、且つ、収集されて平均化された光信号からデータを抽出することにより、優れた結果が実現され得る。 Preferably, the catch optics of the fiber coupled TDLAS detection system is designed and implemented to include all of the above to reduce mode noise. These optical components are designed so that any beam clipping occurs at a low level, assuming a nearly perfect alignment of the system. Efforts should be made to keep the length of the multimode fiber to a minimum, but depending on the application, z must be long in order to have the control electronics in a conditioned area. The value of Δn ij can be reduced by using very high quality, low dispersion multimode fiber. In addition, each mode is averaged by cyclically changing the refractive index of the catch-side multimode fiber or mechanically manipulating the fiber, and data is collected from the averaged optical signal collected. By extracting, excellent results can be achieved.

マルチモード・ファイバで示されるスペックル・パターンは時間および波長の関数として、且つ、ファイバの物理的位置の関数としても変化する。伝送の時間および波長の両方が、ファイバの屈折率により影響される。ファイバを屈曲させて該ファイバを特定様式で操作すると、スペックル・パターンは変化され得る。この機械的操作または屈折率の循環的変化が一定の期間に亙り連続的に行われるなら、ファイバから発せられる光の空間分布は比較的均一なパターンへと平均化される。   The speckle pattern exhibited by a multimode fiber varies as a function of time and wavelength and also as a function of the physical position of the fiber. Both transmission time and wavelength are affected by the refractive index of the fiber. As the fiber is bent and the fiber is manipulated in a particular fashion, the speckle pattern can be changed. If this mechanical manipulation or cyclical change in refractive index occurs continuously over a period of time, the spatial distribution of light emitted from the fiber is averaged into a relatively uniform pattern.

モードノイズを有効に循環的に位相シフトし又はスクランブリングすることにより時間平均された測定値によれば、均一な信号レベルが生成される。ファイバの屈折率は、該ファイバを伸張させもしくは捻(ねじ)ることにより、または、ファイバの温度を変化させることにより変化され得る。ファイバの温度を変化させると、i次およびj次の横モード間の屈折率差△nijの変化が引き起こされる。該ファイバの屈折率のこの変化によれば、式2において与えられた関数cos(2πν0△nijz)/cによるモードノイズがシフトされる。 A time averaged measurement by effectively cyclically phase shifting or scrambling the mode noise produces a uniform signal level. The refractive index of a fiber can be changed by stretching or twisting the fiber, or by changing the temperature of the fiber. Changing the temperature of the fiber causes a change in the refractive index difference Δn ij between the i-th and j-th transverse modes. This change in the refractive index of the fiber shifts the mode noise due to the function cos (2πν 0 Δn ij z) / c given in Equation 2.

F.光学的モードノイズの平均化
図3に概略的に示された如く、時間平均された測定値を生成するためのモードノイズの循環的な位相シフトまたはスクランブリングは、光学デバイス300により達成され得る。光学デバイス300は、入力部304および出力部306を有するマルチモード光ファイバ302を含む。光はマルチモード光ファイバ302の入力部304に対して結合され得ると共に、概略的に入力部304および出力部306に関係付けられて図3に示された矢印の方向においてシステムを伝搬し得る。
F. Optical Mode Noise Averaging As shown schematically in FIG. 3, cyclic phase shifting or scrambling of mode noise to produce a time averaged measurement can be achieved by the optical device 300. The optical device 300 includes a multimode optical fiber 302 having an input unit 304 and an output unit 306. Light may be coupled to the input 304 of the multimode optical fiber 302 and may propagate through the system in the direction of the arrows shown in FIG. 3 in general relation to the input 304 and output 306.

光学デバイス300はまた、マルチモード・ファイバ302に対して作用的に関係付けられた平均化構成要素308も含む。平均化構成要素308は、選択された期間に亙りマルチモード光ファイバ302の屈折率を循環的に変化させる装置を含み得る。代替的に平均化構成要素308は、マルチモード光ファイバ302内の光分布をスクランブリングする装置を含み得る。屈折率の変化または光分布のスクランブリングは平均化構成要素308により、マルチモード光ファイバ302の温度の循環的変化、マルチモード光ファイバ302の循環的な操作、または、それらの両方により達成され得る。   The optical device 300 also includes an averaging component 308 operatively associated with the multimode fiber 302. The averaging component 308 may include a device that cyclically changes the refractive index of the multimode optical fiber 302 over a selected period of time. Alternatively, the averaging component 308 can include an apparatus for scrambling the light distribution within the multimode optical fiber 302. Refractive index change or light distribution scrambling may be achieved by averaging component 308 by cyclical changes in temperature of multimode optical fiber 302, cyclic manipulation of multimode optical fiber 302, or both. .

平均化構成要素308がマルチモード光ファイバ302の循環的操作を実施するという実施例において、該平均化構成要素308はマルチモード光ファイバ302を捻り、伸張し又は震動させ得る。平均化構成要素308がマルチモード光ファイバ302の温度を循環的に変化させるという実施例においては、該マルチモード光ファイバと熱連通する種々の熱的要素または熱的構成要素が配備され得る。マルチモード光ファイバ302の温度に影響する一切の装置は、平均化構成要素308に含まれ得る。マルチモード光ファイバ302の温度に影響を与えるべく使用され得る代表的なデバイスとしては、熱電式モジュール、抵抗ヒータ、赤外ヒータ、化学的ヒータ、圧縮流体および熱交換器を利用する習用の冷却デバイス、化学的冷却器、周囲温度より低く冷却された流体の供給源、および、周囲温度より高く加熱された流体の供給源が挙げられる。これらのデバイスの幾つかは、以下において詳細に論じられる。   In embodiments where the averaging component 308 performs a cyclic operation of the multimode optical fiber 302, the averaging component 308 can twist, stretch or vibrate the multimode optical fiber 302. In embodiments where the averaging component 308 cyclically changes the temperature of the multimode optical fiber 302, various thermal or thermal components in thermal communication with the multimode optical fiber can be deployed. Any device that affects the temperature of the multimode optical fiber 302 may be included in the averaging component 308. Typical devices that can be used to affect the temperature of the multimode optical fiber 302 include conventional cooling devices that utilize thermoelectric modules, resistance heaters, infrared heaters, chemical heaters, compressed fluids and heat exchangers. Chemical coolers, sources of fluid cooled below ambient temperature, and sources of fluid heated above ambient temperature. Some of these devices are discussed in detail below.

平均化構成要素308がマルチモード・ファイバ302の循環的な加熱もしくは冷却を引き起こすという実施例においては、マルチモード光ファイバ302に対して熱連通するセンサ310も載置され得る。センサ310は、制御ライン314を介して平均化構成要素308を制御し得るコントローラ312に対して情報を提供し得る。   In embodiments where the averaging component 308 causes cyclic heating or cooling of the multimode fiber 302, a sensor 310 that is in thermal communication with the multimode optical fiber 302 may also be mounted. Sensor 310 may provide information to controller 312 that may control averaging component 308 via control line 314.

G.温度式位相シフト装置
温度式モード位相シフトの有効性は、単位時間当たりの温度の変化と、温度変化に晒されるファイバの長さzとに直接的に関連する。温度式モード・シフトはモードノイズを処理する特に有効な方法である、と言うのも、ファイバの温度を変化させると全ての横モードの屈折率が変化され且つ温度変化はファイバの相当な長さに亙り生じ得るからである。故に、ファイバの屈折率を変化させることにより、全ての横モードが確実にシフトされ、且つ、信号と共に“固定”されたままとなるモードは無くなり得る。
G. Thermal Phase Shifter The effectiveness of the thermal mode phase shift is directly related to the change in temperature per unit time and the length z of the fiber exposed to the temperature change. Thermal mode shifting is a particularly effective method of dealing with mode noise, because changing the fiber temperature changes the refractive index of all transverse modes and the temperature change is a significant length of the fiber. This is because it can occur in Thus, by changing the refractive index of the fiber, all transverse modes can be reliably shifted and no mode can remain “fixed” with the signal.

ファイバの温度を循環させるために、実質的に任意の形式の加熱/冷却システムがマルチモード・ファイバに対して熱連通して載置され得る。ファイバの温度に影響すべく、電気抵抗ヒータ、習用の冷却デバイス、加熱もしくは冷却された流体、ペルチェもしくは他の熱電式デバイス、赤外デバイスまたは化学的デバイスの全てが使用され得る。   Virtually any type of heating / cooling system can be placed in thermal communication with the multimode fiber to circulate the temperature of the fiber. Electrical resistance heaters, custom cooling devices, heated or cooled fluids, Peltier or other thermoelectric devices, infrared devices or chemical devices can all be used to affect the temperature of the fiber.

循環的な温度変化を利用するモード位相シフト・デバイスの一実施例は、流体式モード位相シフト・デバイス(流体デバイス)400である。図4には、分解図が示される。図4には、ファイバの一端から他端に亙り且つファイバの回りに対して高温および低温の空気を交互的に送出する渦流空気管402A、402Bを用いる流体デバイス400の実施例が示される。(図4において不図示の)圧縮空気源から送給された空気は、2本の渦流管402A、402Bの一方に対して交互的に送給される。渦流管402A、402Bは、チャンバ404に対して流体連通して結合される。図4に示された如くチャンバ404は、側部408A、408B、頂部プレート410、前部412および後部アクセス・ポート414を有する密閉容器406により形成され得る。密閉容器406全体は、典型的なデータ処理機器用ラックに対して取付けられるに適している。ラック取付け可能な密閉容器406が特に好適ではあるが、流体デバイス400を実現すべく、所定長さのマルチモード光ファイバ418を保持するスプール416を受容し得る任意の密閉容器形状、種類もしくは型式が使用され得る。代替的に、密閉容器406を備えないデバイスが使用され得る。   One example of a mode phase shift device that utilizes a cyclic temperature change is a fluid mode phase shift device (fluid device) 400. FIG. 4 shows an exploded view. FIG. 4 shows an embodiment of a fluidic device 400 that uses vortex air tubes 402A, 402B that alternately deliver hot and cold air from one end of the fiber to the other and around the fiber. Air supplied from a compressed air source (not shown in FIG. 4) is alternately supplied to one of the two vortex tubes 402A and 402B. The vortex tubes 402A, 402B are coupled in fluid communication with the chamber 404. As shown in FIG. 4, the chamber 404 may be formed by a sealed container 406 having sides 408A, 408B, a top plate 410, a front 412 and a rear access port 414. The entire sealed container 406 is suitable for mounting to a typical data processing equipment rack. Although a rack mountable enclosure 406 is particularly suitable, any enclosure shape, type, or model that can receive a spool 416 that holds a length of multimode optical fiber 418 to implement the fluidic device 400 is acceptable. Can be used. Alternatively, devices that do not include a sealed container 406 can be used.

渦流管402A、402Bは、アクセス・ポート414を介して上記密閉容器の内部と流体連通することから、スプール416上に巻回されたマルチモード光ファイバ418と流体連通かつ熱連通する。故にマルチモード光ファイバ418は、周囲温度より高く加熱され又は低く冷却された空気を渦流管402A、402Bにより付与することで、循環的に加熱および/または冷却され得る。   Since the vortex tubes 402A and 402B are in fluid communication with the interior of the sealed container via the access port 414, the vortex tubes 402A and 402B are in fluid communication and thermal communication with the multimode optical fiber 418 wound on the spool 416. Thus, the multimode optical fiber 418 can be heated and / or cooled cyclically by applying air heated above or below ambient temperature and cooled by vortex tubes 402A, 402B.

適切な渦流管402A、402Bは容易に入手可能である。たとえば、EXAIR(登録商標)社からEXAIR(登録商標)3230渦流管が入手可能である。30ft3/分のスループットで動作するこれらのもしくは同様の渦流管は、管の配向に依存して+60℃に加熱されまたは−20℃に冷却された空気を提供し得る。これに加え、渦流管を用いる場合には加熱空気および冷却空気の間で循環させることが比較的に容易である。但し、流体デバイス400の実施例を実現するためには、加熱もしくは冷却された流体をマルチモード光ファイバ418に熱連通させて循環的に供給する任意の装置または方法が適切であることを銘記することが重要である。加熱および冷却流体は上記で論じられた如く空気とされ得るが、マルチモード・ファイバを加熱もしくは冷却するために水、加熱/冷却用オイル、圧縮ガスまたは他の流体が使用され得る。 Suitable vortex tubes 402A, 402B are readily available. For example, EXAIR® 3230 vortex tube is available from EXAIR®. These or similar vortex tubes operating at a throughput of 30 ft 3 / min can provide air heated to + 60 ° C. or cooled to −20 ° C., depending on the tube orientation. In addition, when using a vortex tube, it is relatively easy to circulate between heated and cooled air. However, it should be noted that any device or method that provides a heated or cooled fluid in thermal communication with the multi-mode optical fiber 418 in a circulating manner to implement an embodiment of the fluidic device 400 is appropriate. This is very important. The heating and cooling fluid may be air as discussed above, but water, heating / cooling oil, compressed gas or other fluids may be used to heat or cool the multimode fiber.

一例として且つ限定的なものとしてで無く、動作の間において渦流管402A、402Bの一方は、ファイバが取入口温度より約10℃だけ高い温度に到達するまで、加熱空気を送給し得る。上記ファイバの温度は、ファイバと接触して組み込まれた熱電対420または他の温度センサにより決定され得る。(図4において不図示の)温度制御ユニットは、熱電対420からの入力を受信すると共に、冷却のために空気が渦流管402A、402Bの他方に対して送られる様にソレノイド・スィッチをトリガし得る。代替的に、渦流管402A、402Bによりマルチモード光ファイバ418に対して提供される加熱空気は限界レベルに決して到達しないことから、温度コントローラの使用が排除されて、加熱および冷却の間で渦流管402A、402Bを循環的に切換える計時リレーにより置き換えられ得る。各温度間の循環は好適には、上記デバイスの動作の間において連続的である。   By way of example and not limitation, during operation, one of the vortex tubes 402A, 402B may deliver heated air until the fiber reaches a temperature that is about 10 ° C. above the inlet temperature. The temperature of the fiber may be determined by a thermocouple 420 or other temperature sensor incorporated in contact with the fiber. The temperature control unit (not shown in FIG. 4) receives input from the thermocouple 420 and triggers the solenoid switch so that air is sent to the other of the vortex tubes 402A, 402B for cooling. obtain. Alternatively, since the heated air provided to the multimode optical fiber 418 by the vortex tubes 402A, 402B never reaches a critical level, the use of a temperature controller is eliminated and the vortex tube between heating and cooling is eliminated. It can be replaced by a timing relay that cycles between 402A and 402B. The circulation between each temperature is preferably continuous during operation of the device.

図5および図6には、マルチモード・ファイバの温度の循環的変化に基づくモード位相シフト・デバイスの高度に好適な実施例が示される。熱電式モード位相シフト・デバイス(熱電デバイス)500は、選択長さのマルチモード光ファイバ504を保持するスプール502を含む。マルチモード光ファイバ504に対しては、一個以上の熱電式加熱/冷却モジュール506が熱連通して載置される。図5に示された実施例においては、スプール502の内側部の回りにおいて径方向に複数の熱電式加熱/冷却モジュール506が配設される。熱電モジュール506の外側面とマルチモード光ファイバ504のコイルとの間においては熱電式グリースを用いることで、熱連通が促進される。図5に示された実施例においてスプール502は開放縁部を以て構成されることで、熱電モジュール506とマルチモード光ファイバ504との間の接触を促進し、且つ、マルチモード光ファイバ504の巻回を促進する。   5 and 6 show a highly preferred embodiment of a mode phase shift device based on a cyclic change in the temperature of a multimode fiber. A thermoelectric mode phase shift device (thermoelectric device) 500 includes a spool 502 that holds a multimode optical fiber 504 of a selected length. One or more thermoelectric heating / cooling modules 506 are placed in thermal communication with the multimode optical fiber 504. In the embodiment shown in FIG. 5, a plurality of thermoelectric heating / cooling modules 506 are arranged radially around the inner portion of the spool 502. Thermal communication is promoted between the outer surface of the thermoelectric module 506 and the coil of the multimode optical fiber 504 by using thermoelectric grease. In the embodiment shown in FIG. 5, the spool 502 is configured with an open edge to facilitate contact between the thermoelectric module 506 and the multimode optical fiber 504 and to wrap the multimode optical fiber 504. Promote.

図6の分解図には、マルチモード・ファイバ504と接触させてスプール502に対し熱電モジュール506を位置決めするひとつの配置構成が示される。   The exploded view of FIG. 6 shows one arrangement for positioning the thermoelectric module 506 relative to the spool 502 in contact with the multimode fiber 504.

熱電モジュール506に対しては、ひとつ以上の熱シンク508も作用的に配設され得る。好適には熱シンク508は、アルミニウムもしくは銅などの高度に熱伝導的な材料から作製されると共に、各熱シンク508の表面積を増大すべく設計されたフィンもしくは他の機構を有する。熱シンク508を横断して空気を付勢もしくは吸引すべくファン510が作用的に位置決めされることで、熱電モジュール506から熱の迅速な抽出が、故に、マルチモード・ファイバ504の迅速な加熱もしくは冷却が促進される。図5および図6に示される如く、熱シンク508の全体に亙り且つそれらの回りにおける空気の流れを阻害せずに熱電デバイス500の各構成要素を相互に関して適切な配向で保持すべく、頂部リング514および底部リング516を有するフレーム構造512が採用され得る。好適には、自由な空気流を確実にすべくフレーム構造512には開口518が形成される。   One or more heat sinks 508 may also be operatively disposed for the thermoelectric module 506. Preferably, the heat sinks 508 are made from a highly thermally conductive material, such as aluminum or copper, and have fins or other features designed to increase the surface area of each heat sink 508. The fan 510 is operatively positioned to energize or draw air across the heat sink 508 so that heat can be quickly extracted from the thermoelectric module 506 and hence the multimode fiber 504 can be heated quickly or Cooling is promoted. As shown in FIGS. 5 and 6, the top ring is used to hold the components of the thermoelectric device 500 in proper orientation with respect to each other without disturbing the air flow around and around the heat sink 508. A frame structure 512 having 514 and a bottom ring 516 may be employed. Preferably, an opening 518 is formed in the frame structure 512 to ensure a free air flow.

図5および図6に示された実施例は、ペルチェ原理に基づく熱電モジュール506を使用する。熱電モジュール506に対しては、リード線520を介して直流が提供される。ペルチェ原理に基づいて動作する熱電モジュール506によれば、熱電モジュール506の両面は、提供されるDC電流の方向に依存して加熱または冷却を行う。故にこれらのモジュールは一定の利点を提供する、と言うのも、リード線520に対して提供される直流の極性を選択的に切換えることでマルチモード光ファイバ504を選択的に加熱もしくは冷却することは比較的に容易だからである。但し、マルチモード光ファイバ504を加熱および/または冷却すべく他の形式のデバイスが実現され得ることを銘記することが重要である。たとえば、マルチモード・ファイバ504の温度を変化させるために、直接的な抵抗ヒータ、習用の冷却装置、赤外加熱デバイス、および/または、化学反応に基づくヒータおよび/または冷却器が使用され得る。   The embodiment shown in FIGS. 5 and 6 uses a thermoelectric module 506 based on the Peltier principle. Direct current is provided to the thermoelectric module 506 via the lead wire 520. According to the thermoelectric module 506 operating on the Peltier principle, both sides of the thermoelectric module 506 are heated or cooled depending on the direction of the DC current provided. Thus, these modules provide certain advantages, because the multimode optical fiber 504 is selectively heated or cooled by selectively switching the polarity of the direct current provided to the lead 520. Because it is relatively easy. However, it is important to note that other types of devices can be implemented to heat and / or cool the multimode optical fiber 504. For example, direct resistance heaters, conventional cooling devices, infrared heating devices, and / or chemical reaction based heaters and / or coolers may be used to change the temperature of the multimode fiber 504.

図5および図6に示された如く上記好適実施例において、円筒状構成で取付けられた熱電モジュール506に対しては、適切な電源から電力が送給され得る。各熱電モジュール506に対して送給されるDC電力の極性を循環的に反転させるべく、電流切換え用の電子機器が使用され得る。熱電モジュール506と熱連通する好適にはPremium GIF50マルチモード・ファイバである所定長さのマルチモード・ファイバ504においては、モード位相シフトが生ずる。モード位相シフトおよび平均化を達成するためには、55m〜100mがマルチモード・ファイバに対する適切な長さであることが見出された。他の長さも適切であり得る。巻回された100mのファイバが使用されるなら、ファイバの約50%が熱電式冷却器と直接接触する。直接接触によれば、熱電式グリース以外には熱電モジュール506とファイバ504との間に伝導材料は無いことを銘記されたい。この構成によれば、システムの熱質量は最小限とされる。熱質量を最小限とすることにより、システムの温度応答は迅速とされ且つ更に効率的なモード位相シフトが行われる。   In the preferred embodiment as shown in FIGS. 5 and 6, power can be delivered from a suitable power source to the thermoelectric module 506 mounted in a cylindrical configuration. Current switching electronics can be used to cyclically reverse the polarity of the DC power delivered to each thermoelectric module 506. A mode phase shift occurs in a length of multimode fiber 504, preferably a Premium GIF 50 multimode fiber, which is in thermal communication with thermoelectric module 506. In order to achieve mode phase shift and averaging, it has been found that 55-100 m is a suitable length for multimode fiber. Other lengths may be appropriate. If a wound 100 m fiber is used, about 50% of the fiber is in direct contact with the thermoelectric cooler. Note that with direct contact, there is no conductive material between the thermoelectric module 506 and the fiber 504 other than the thermoelectric grease. With this configuration, the thermal mass of the system is minimized. By minimizing the thermal mass, the temperature response of the system is quick and a more efficient mode phase shift is performed.

熱電モジュール506とマルチモード光ファイバ504との間にはひとつ以上の熱電対522または他の温度測定デバイスが取付けられ、マルチモード光ファイバ504の温度を常に監視すべく使用され得る。(図5および図6では不図示の)温度制御ユニットは、上記熱電対により決定された温度を受信すると共に温度読取値に基づいて電流方向を循環させ得る。容易に入手可能な熱電モジュールにより、35℃〜50℃の温度範囲が達成可能である。ファイバは85℃の最高温度を超えず又はファイバに対する損傷が生じないことが重要である。片面式の冷却器による65℃から10℃までの且つ両面式の冷却器による65℃から30℃までの温度変化による試験が完了された。完全サイクルは任意の選択存続時間とされ得るが、約25秒のサイクルが有効であることが見出された。   One or more thermocouples 522 or other temperature measurement devices are mounted between the thermoelectric module 506 and the multimode optical fiber 504 and can be used to constantly monitor the temperature of the multimode optical fiber 504. A temperature control unit (not shown in FIGS. 5 and 6) may receive the temperature determined by the thermocouple and cycle the current direction based on the temperature reading. With a readily available thermoelectric module, a temperature range of 35 ° C. to 50 ° C. can be achieved. It is important that the fiber does not exceed a maximum temperature of 85 ° C or damage to the fiber does not occur. Tests were completed with temperature changes from 65 ° C. to 10 ° C. with a single-sided cooler and 65 ° C. to 30 ° C. with a double-sided cooler. Although a full cycle can be any selected lifetime, a cycle of about 25 seconds has been found to be effective.

上述された如く、熱電モジュール506と熱連通して取付けられた熱シンク508により、該熱電モジュール506の対向面に対して熱が放散され得る。入力電力に等しい熱の放散を助力すべく、上記熱シンクのフィンを通して付勢空気が送給もしくは吸引され得る。空気が上記システムを通り且つ上記ユニットの頂部から流出する様に上記フィンの底部における開口518を通して空気を付勢することにより、効率的な熱放散が達成され得る。十分な空気流を許容する他の構成も適切である。代替的に熱電デバイス500は、冷却流体に浸漬されるか別様に冷却され得る。好適には上記ファンは、上記デバイスが動作している間は定常運転される。熱を放散すべく任意の適切なファンまたは流体供給源が利用され得るが、図5および図6に示されたシステムからの熱を除去するためには300CFMのファンが有効であることが見出された。   As described above, heat may be dissipated to the opposing surface of the thermoelectric module 506 by a heat sink 508 mounted in thermal communication with the thermoelectric module 506. To help dissipate heat equal to the input power, energized air can be delivered or aspirated through the fins of the heat sink. Efficient heat dissipation can be achieved by energizing air through openings 518 in the bottom of the fins so that air flows through the system and out of the top of the unit. Other configurations that allow sufficient airflow are also suitable. Alternatively, the thermoelectric device 500 can be immersed in the cooling fluid or otherwise cooled. Preferably, the fan is in steady operation while the device is operating. Although any suitable fan or fluid source may be utilized to dissipate heat, a 300 CFM fan has been found effective to remove heat from the systems shown in FIGS. It was done.

熱電モジュール506の加熱および冷却に対しては、制御用電子機器が組み合わされ得る。フィードバック制御用電子機器は、熱電対518、温度計または他の温度センサからの入力に基づいてファイバの温度を検出し得る。これに加え、温度入力に基づいて上記コントローラは、熱電モジュール506に対して送給される電力の電流方向を切換えると共に加熱および冷却サイクルに対する電力レベルを調節し得る(典型的に加熱は更に効率的なので、必要な電力は更に少なくされ得る)。同様に上記コントローラは、ファイバ光学部品に対して与えられる最高温度および最低温度を制御すると共に過熱の場合には駆動回路機構を遮断し得る。   Control electronics can be combined for heating and cooling of the thermoelectric module 506. The feedback control electronics may detect the temperature of the fiber based on input from a thermocouple 518, thermometer or other temperature sensor. In addition, based on the temperature input, the controller can switch the current direction of power delivered to the thermoelectric module 506 and adjust the power level for heating and cooling cycles (typically heating is more efficient). So the required power can be further reduced). Similarly, the controller can control the maximum and minimum temperatures applied to the fiber optic and can shut off the drive circuitry in the event of overheating.

H.熱電式モジュールによる位相シフト・システムの試験
上述の熱電デバイス500により試験が実施された。吸収が無く、窒素パージされたチャンバを通して4つの波長帯域を投じることで試験が実施された。路程における吸収種がなければ、基準信号により分割された後でレーザは線形の波長応答を呈さねばならない。勾配の線形性の偏差は、主としてモードノイズにより引き起こされる。測定値における不確定性を決定すべく使用される式の概略的表現は次式により与えられる:
σx=[1/N Σ(xi−fi(ax+b))21/2 (3)
式中、
i=信号i/タップi
i(ax+b)=“x1-nの線形フィット”である。
H. Test of Phase Shift System with Thermoelectric Module A test was performed with the thermoelectric device 500 described above. Tests were performed by throwing four wavelength bands through a chamber that had no absorption and was purged with nitrogen. Without absorbing species in the path, the laser must exhibit a linear wavelength response after being divided by the reference signal. The gradient linearity deviation is mainly caused by mode noise. A schematic representation of the equation used to determine the uncertainty in the measurement is given by:
σ x = [1 / N Σ (x i −f i (ax + b)) 2 ] 1/2 (3)
Where
x i = signal i / tap i
f i (ax + b) = “linear fit of x 1−n ”.

各波長サイクルの開始時および終了時は、ピッチ・ヘッドおよび受信ヘッドの踏破時間により引き起こされる時間遅延の故に無視され得る。これらの時間遅延によれば、各サイクルの開始時および終了時においてタップと観測信号との間に相当の変動が引き起こされる。   The start and end of each wavelength cycle can be ignored due to the time delay caused by the pitch head and receive head traversal times. These time delays cause considerable variation between the tap and the observed signal at the beginning and end of each cycle.

片面式および両面式の熱電モジュール506、複数回の平均化時間および異なるファイバ長を用いた熱電デバイス500の実施例により、システム性能試験が行われた。全ての結果に対し、モード位相シフトおよび平均化によれば、低減されたモードノイズ信号偏差が生成された。ノイズの低減は、式(3)において与えられた如く実験で使用されるファイバの長さに依存し、長寸ファイバは短寸ファイバよりも更に高頻度のモードノイズ偏差を有する。この故に、モード位相シフトによる相対分解能増大は、長寸ファイバにおいて更に明確とされる。結果は、種々の構成に対して以下に示される。

Figure 2011145680
System performance tests were performed with examples of thermoelectric devices 500 using single-sided and double-sided thermoelectric modules 506, multiple averaging times and different fiber lengths. For all results, reduced mode noise signal deviation was generated by mode phase shifting and averaging. The noise reduction depends on the length of the fiber used in the experiment as given in equation (3), where the long fiber has a more frequent mode noise deviation than the short fiber. Therefore, the relative resolution increase due to mode phase shift is further clarified in long fibers. The results are shown below for various configurations.
Figure 2011145680

機械的操作に基づく装置
上記で論じられた如くモードノイズは、マルチモード・ファイバの屈折率を循環的に変化させ又はマルチモード・ファイバを機械的に操作すると共に、収集された平均光信号からデータを抽出することで平均化および円滑化され得る。上記で論じられた温度式位相シフト装置は、循環的な温度変化を介してマルチモード・ファイバの屈折率を変化させることでモード位相シフトを達成する。以下で論じられる如く、屈折率を変化させるためにはマルチモード・ファイバの機械的操作も採用され得る。これに加えて機械的操作によれば、ファイバが操作されるときに光は導波路内の特定のモードに完全には追随し得ないので、モードノイズにより影響された信号が平均化されて円滑化される結果となり得る。故に、所定長さのマルチモード・ファイバ内でモードノイズにより引起こされたスペックル・パターンの平均化および円滑化は、位相シフトおよび機械的スクランブリングの組み合わせにより達成され得る。
A device based on mechanical manipulation As discussed above, mode noise can be obtained by cyclically changing the refractive index of a multimode fiber or by mechanically manipulating the multimode fiber and collecting data from the average optical signal collected. Can be averaged and smoothed. The thermal phase shift apparatus discussed above achieves a mode phase shift by changing the refractive index of the multimode fiber via a cyclic temperature change. As discussed below, mechanical manipulation of multimode fibers can also be employed to change the refractive index. In addition, mechanical manipulation allows the light affected by the mode noise to be averaged and smoothed because the light cannot completely follow a particular mode in the waveguide when the fiber is manipulated. Result. Thus, averaging and smoothing of speckle patterns caused by mode noise in a given length of multimode fiber can be achieved by a combination of phase shifting and mechanical scrambling.

機械的ファイバ操作の幾つかの特定様式は、モードノイズを平均化する上で他の様式よりも更に効果的である。特に、ファイバ上の何らかの他のポイントを基準としてそのファイバの縦(z)軸を中心として該ファイバを捻ると、スペックル・パターンの変化が引き起こされる。得られる支配的な変化は、z軸を中心としたスペックル・パターンの回転である。ファイバが機械的に回転させられるのと同じだけ上記パターンが上記軸を中心として回転はしないという事実が重要である。二次的な効果は、実際の光分散が上記回転により幾分か変化させられることである。スペックル・パターンの回転は、応力により引き起こされるファイバ内の屈折率の変化を主な原因とはしないが、この屈折率変化は、スペックル強度パターンにおけるわずかな変化を説明し得る。寧ろ上記回転は、導波路が捻り運動の形で操作されるときに光が該導波路に完全には追従し得ないことに起因する。   Some specific modes of mechanical fiber operation are more effective than others in averaging mode noise. In particular, twisting the fiber about the longitudinal (z) axis of the fiber relative to some other point on the fiber causes a change in the speckle pattern. The dominant change obtained is the rotation of the speckle pattern around the z-axis. The fact that the pattern does not rotate about the axis is as important as the fiber is mechanically rotated. A secondary effect is that the actual light dispersion is somewhat altered by the rotation. Although the rotation of the speckle pattern is not primarily due to stress-induced changes in the refractive index in the fiber, this refractive index change can account for slight changes in the speckle intensity pattern. Rather, the rotation is due to the fact that light cannot follow the waveguide completely when the waveguide is manipulated in the form of a twisting motion.

図7には、本発明の一実施例すなわち機械的モードノイズ平均化装置(機械的デバイス)700が概略的に示される。機械的デバイス700は中空シャフト・モータ702を使用し、該モータを通してマルチモード・ファイバ704が載置かつ締着される。ファイバの遠隔区画706はモータ702のシャフト位置に対して堅固に保持されると共に、上記モータは、好適には+360°とされてから−360度とされる動作である捻り動作により反復的に掃引される。この動作の周波数は好適には10Hz以上とされることで、伝送された信号の効率的な平均化を可能とすると共に、キャッチ側のモードノイズが相当に低減され得る。マルチモード・ファイバの長手軸心に沿い該ファイバを捻ることがモードノイズのスクランブリングに対して有効であると決定されたが、震動、伸張または屈曲などの他の機械的操作も採用され得る。   FIG. 7 schematically illustrates one embodiment of the present invention, a mechanical mode noise averaging device (mechanical device) 700. The mechanical device 700 uses a hollow shaft motor 702 through which a multimode fiber 704 is mounted and clamped. The remote section of fiber 706 is held firmly with respect to the shaft position of the motor 702, and the motor is repeatedly swept by a twisting action, preferably an action of + 360 ° and then -360 °. Is done. The frequency of this operation is preferably 10 Hz or more, so that the transmitted signal can be efficiently averaged and the mode noise on the catch side can be considerably reduced. Although it has been determined that twisting the fiber along the longitudinal axis of the multimode fiber is effective for modal noise scrambling, other mechanical manipulations such as shaking, stretching or bending may also be employed.

ピエゾ伸張器
光ファイバを伸張させると、該ファイバの屈折率および長さの両方の変化がもたらされる。マルチモード・ファイバは、ピエゾ伸張器により伸張され得る。ピエゾ・デバイスは概略的に、変調された時間遅延を単一モード・ファイバに導入すべく用いられる。マルチモード・ファイバはピエゾ伸張デバイスにおいては用いられない、と言うのも、光が踏破し得る複数の経路すなわちモードの故にマルチモード・ファイバにおける時間遅延は制御し得ないからである。但し、ピエゾ伸張デバイスは時間遅延を生成するには実用的でないとしても、モード位相シフトを導入するためには使用され得る。
Stretching a piezo stretcher optical fiber results in changes in both the refractive index and the length of the fiber. Multimode fiber can be stretched by a piezo stretcher. Piezo devices are generally used to introduce a modulated time delay into a single mode fiber. Multimode fiber is not used in piezo stretching devices because the time delay in multimode fiber cannot be controlled because of the multiple paths or modes that light can traverse. However, a piezo stretching device can be used to introduce a mode phase shift, even if it is impractical to generate a time delay.

マルチモード・ファイバが伸張されたとき、該ファイバに対して導入された応力は、該ファイバの屈折率および長さの両方の変化を引き起こす。図8に概略的に示された如くピエゾ・デバイス800は、各半円筒体804の回りに数メートルのマルチモード光ファイバ802を巻回してから、所定の振動周波数および距離にて各半円筒体804を振動させることで作用する。各半円筒体804間の距離が拡開および収縮するにつれ、ファイバ802における応力は調和振動する。この振動により、ファイバ802の屈折率は変動される。モード・シフトの有効性は、ファイバの長さ(z)の変化と、ファイバの屈折率(△nij)(式(1))の変化との両方の関数である。 When a multimode fiber is stretched, the stress introduced to the fiber causes changes in both the refractive index and the length of the fiber. As schematically shown in FIG. 8, the piezo device 800 has several meters of multimode optical fiber 802 wound around each half cylinder 804 and then each half cylinder at a predetermined vibration frequency and distance. It works by vibrating 804. As the distance between each semi-cylindrical body 804 expands and contracts, the stress in the fiber 802 harmonizes. Due to this vibration, the refractive index of the fiber 802 is changed. The effectiveness of the mode shift is a function of both the change in the fiber length (z) and the change in the fiber refractive index (Δn ij ) (Equation (1)).

モード位相シフトは、ピエゾ・デバイス800を用いた2つの技術の一方により達成され得る。第1の技術に対しては、多くのモードを平均化することにより均一な信号レベルが達成される様に、ピエゾ・デバイス800は十分なファイバ802を以て実現されると共に十分な応力を導入すべく構成されることで大きな度合いのモード変化を生成する。代替的に、ピエゾ・デバイス800は定常的な屈折率変化を繰り返すことから、該ピエゾ・デバイス800は可能的には、最小および最大の伸張距離において180°の調波のモード・シフトを生成する様式で振動すべく操作され得る。この方法によるとモードノイズは、多数のモード・シフトを時間平均することによってではなく、180°の位相シフトが達成される様に伸張特性を最適化することにより低減され得る。故にその場合にモードノイズは僅かに1回のサイクルで平均化されることから、モードノイズを排除した迅速なデータ獲得が許容され得る。   The mode phase shift can be achieved by one of two techniques using the piezo device 800. For the first technique, the piezo device 800 should be implemented with sufficient fiber 802 and introduce sufficient stress so that a uniform signal level is achieved by averaging many modes. By constructing, a large degree of mode change is generated. Alternatively, since the piezo device 800 repeats a constant refractive index change, the piezo device 800 potentially produces a 180 ° harmonic mode shift at the minimum and maximum extension distances. Can be manipulated to vibrate in a manner. With this method, mode noise can be reduced by optimizing the stretch characteristics so that a 180 ° phase shift is achieved, rather than by time averaging multiple mode shifts. Therefore, in that case, the mode noise is averaged in only one cycle, so that quick data acquisition without the mode noise can be allowed.

ピッチ側の光学列
測定領域を通して伝送されるべき全ての波長に対して単一モードのビーム生成が必要なので、ファイバ結合TDLAS検出装置のピッチ側の光学列は、設計上の大きな難問も呈する。単一モードのファイバがピッチ側光学列の全体において使用可能なら、モードノイズは問題ではない。しかしファイバは、制限された波長窓に対してのみ単一モードの導波路として動作する。特定のファイバに関する短波長カットオフを超えると、光は幾つかの高次空間モードにおいてファイバを通して伝送され得る。光がそのファイバから出射するとき、これらの高次モードは干渉し合うことでスペックル・パターンを生じさせる。このスペックル・パターンは時間的および波長的に変動する。その場合、僅かな量のビームクリッピングでさえも測定におけるノイズを引き起こす。
Since single mode beam generation is required for all wavelengths to be transmitted through the pitch side optical train measurement region, the pitch side optical train of fiber coupled TDLAS detectors also presents significant design challenges. If single mode fiber is available in the entire pitch side optical train, mode noise is not a problem. However, the fiber operates as a single mode waveguide only for a limited wavelength window. Beyond the short wavelength cutoff for a particular fiber, light can be transmitted through the fiber in several higher order spatial modes. When light exits the fiber, these higher order modes interfere to produce a speckle pattern. This speckle pattern varies with time and wavelength. In that case, even a small amount of beam clipping causes noise in the measurement.

逆に、伝送されることが必要な最短の波長に一致する単一モードのカットオフを有するファイバが選択されるなら、更なる長波長はファイバ中に結合されるときに相当の損失を受けると共に、該ファイバは、更なる長波長に対して大きな曲げ損失を呈する。   Conversely, if a fiber with a single mode cut-off that matches the shortest wavelength that needs to be transmitted is selected, the additional longer wavelengths will suffer considerable loss when coupled into the fiber. The fiber exhibits a large bending loss for further longer wavelengths.

この問題は、上述のファイバ結合型波長多重化TDLAS検出/制御装置においては、1.67ミクロンもの長さの波長を760nmまたは670nmもの短さの波長と多重化することが必要なので、深刻な問題である。斯かる広範囲な波長に関して単一モード動作と高い結合効率と低い曲げ損失とを実現する既知の単一の市販のファイバは存在していない。将来的にはフォトニック結晶ファイバがこの難問に対する解決策を提供するかも知れないが、フォトニック結晶ファイバ技術は現時点では初期段階の状態である。   This problem is a serious problem in the above-described fiber-coupled wavelength multiplexing TDLAS detection / control apparatus because it is necessary to multiplex a wavelength as long as 1.67 microns with a wavelength as short as 760 nm or 670 nm. It is. There is no known single commercial fiber that achieves single mode operation, high coupling efficiency, and low bending loss over such a wide range of wavelengths. In the future, photonic crystal fibers may provide a solution to this challenge, but photonic crystal fiber technology is currently in an early stage.

図9に示された如く、670nmまたは760nmから1670nmまでの単一モード・ビームにおける光の多重化およびピッチングの問題は、単一モード・カットオフよりも短い波長に対して高次の空間モードが進展することを許容しないマルチモード・ファイバ120の非常に短寸の伝送区画を利用することで最小限とされ得る。式(1)を参照すると、マルチモード・ファイバの長さLが短いなら、モードノイズは最小化されるであろう。この場合、1280nmのカットオフ波長を有する単一モード・ファイバ(例えば、Corning SMF28)の短い区間に対してたとえば760nmの光が結合されたとしても、その760nmの光は少なくとも数メートルに亙り単一モードのままである。故にピッチ側のモードノイズに対する解決策は、1280nmよりも長い波長に関しては単一モードであるが760nmに関してはマルチモードであり得るファイバの中に、760nmの光が測定区域を通過して伝送されるべく平行化される前に踏破すべき短い距離のみに対して該760nmの光を結合することである。   As shown in FIG. 9, the problem of light multiplexing and pitching in single mode beams from 670 nm or 760 nm to 1670 nm is due to higher order spatial modes for wavelengths shorter than single mode cutoff. It can be minimized by utilizing a very short transmission section of multimode fiber 120 that does not allow progress. Referring to equation (1), mode noise will be minimized if the length L of the multimode fiber is short. In this case, even if 760 nm light is coupled to a short section of a single mode fiber (eg Corning SMF28) having a cutoff wavelength of 1280 nm, the 760 nm light is single over at least a few meters. Remain in mode. Therefore, the solution to pitch-side mode noise is that 760 nm light is transmitted through the measurement area in a fiber that can be single mode for wavelengths longer than 1280 nm but multimode for 760 nm. The 760 nm light is coupled only to a short distance to be traversed before being collimated as much as possible.

斯かるシステムの概略図は図9および図2に示される。図9を参照すると、広範に離間されたレーザ発振周波数でレーザ発振する複数のダイオード・レーザ源902が、個別の単一モード光ファイバ904A〜904nに結合されている。1349nm乃至1670nmの波長でレーザ発振するダイオード・レーザは、マルチプレクサ906により多重化される。マルチプレクサ906の出力は、大きな伝送損失なしに且つモードノイズの発生なしに1349nm乃至1670nmの範囲内の波長を有する光を伝送するのに適した寸法を有するピッチ側の光ファイバ908に結合される。これらの波長に適している光ファイバはCorningSMF28である。しかし760nmの入力は、多重化されてSMF28光ファイバに結合されたなら、比較的短い距離にわたる伝送の後にマルチモード的となる。故に760nmレーザの出力は、1280nm未満の波長に対して単一モードであるSMF750の如きファイバに結合される。入力ファイバ904n中を伝送されるレーザ光と、ピッチ側の光ファイバ908の中を伝送される多重化レーザ光とは、ピッチ光学部品910の付近で結合され得る。カプラ912およびピッチ光学部品910は好適には、結合および多重化された波長の全てを大きな損失なしで伝送すべく選択された短寸の伝送光ファイバ914により光学的に接続される。図9に示されたシステムに適した伝送光ファイバはCorningSMF28である。伝送光ファイバが比較的に短ければ、該伝送光ファイバ914に結合される760nmレーザ光はそれほどのマルチモード的な挙動を示さない。図9に示されたシステムおよびファイバに対し、相当のマルチモード的ノイズの発生を回避するために伝送光ファイバは3メートル以下の長さに維持されるべきことが確認されている。   A schematic diagram of such a system is shown in FIGS. Referring to FIG. 9, a plurality of diode laser sources 902 that oscillate at widely spaced lasing frequencies are coupled to individual single mode optical fibers 904A-904n. Diode lasers that oscillate at wavelengths between 1349 nm and 1670 nm are multiplexed by multiplexer 906. The output of the multiplexer 906 is coupled to a pitch-side optical fiber 908 having dimensions suitable for transmitting light having a wavelength in the range of 1349 nm to 1670 nm without significant transmission loss and without mode noise. A suitable optical fiber for these wavelengths is Corning SMF28. However, if the 760 nm input is multiplexed and coupled into an SMF28 optical fiber, it becomes multimodal after transmission over a relatively short distance. Thus, the output of the 760 nm laser is coupled to a fiber such as SMF750 that is single mode for wavelengths below 1280 nm. Laser light transmitted through the input fiber 904n and multiplexed laser light transmitted through the optical fiber 908 on the pitch side can be combined in the vicinity of the pitch optical component 910. Coupler 912 and pitch optics 910 are preferably optically connected by a short transmission optical fiber 914 that is selected to transmit all of the combined and multiplexed wavelengths without significant loss. A suitable transmission optical fiber for the system shown in FIG. If the transmission optical fiber is relatively short, the 760 nm laser light coupled to the transmission optical fiber 914 does not show that much multimode behavior. For the system and fiber shown in FIG. 9, it has been determined that the transmission optical fiber should be maintained at a length of 3 meters or less to avoid significant multimode noise.

類似のシステムが図2に示されており、その場合にカプラ134は、760mmダイオード・レーザと、相当に長い波長を有するダイオード・レーザからの多重化ビームとの両方からの入力を受信する。   A similar system is shown in FIG. 2, where the coupler 134 receives input from both a 760 mm diode laser and a multiplexed beam from a diode laser having a fairly long wavelength.

本発明の目的は、本明細書に開示された実施例により完全に実現された。当業者であれば、本発明の種々の見地は発明の本質的作用から逸脱せずに異なる実施例を通して達成され得ることは理解される。特定の実施例は例示的であり、添付の各請求項に示された発明の有効範囲の制限を意図してはいない。   The objectives of the present invention have been fully realized by the embodiments disclosed herein. Those skilled in the art will appreciate that various aspects of the present invention can be achieved through different embodiments without departing from the essential function of the invention. The specific embodiments are illustrative and are not intended to limit the scope of the invention as set forth in the appended claims.

Claims (10)

マルチモード光ファイバと、
該マルチモード光ファイバ内を伝搬する光の信号レベル変動であってモードノイズにより誘起された信号レベル変動を平均化する手段であって、該平均化手段は該マルチモード光ファイバと熱連通された熱的要素を具備し、該熱的要素はヒータ、冷却器、周囲温度より高く加熱された流体の供給源、及び周囲温度より低く冷却された流体の供給源の内の少なくとも一つを備える、平均化手段と、
前記マルチモード光ファイバに熱接触された温度センサと、
該温度センサからの入力を受信し、該熱的要素を制御して該マルチモード光ファイバの温度を周期的に変化させるコントローラと、
を備えて成る光学デバイス。
A multimode optical fiber;
Means for averaging signal level fluctuations of light propagating in the multimode optical fiber and induced by mode noise, the averaging means being in thermal communication with the multimode optical fiber Comprising a thermal element, the thermal element comprising at least one of a heater, a cooler, a source of fluid heated above ambient temperature, and a source of fluid cooled below ambient temperature, Averaging means;
A temperature sensor in thermal contact with the multimode optical fiber;
A controller that receives input from the temperature sensor and controls the thermal element to periodically change the temperature of the multimode optical fiber;
An optical device comprising:
入力部および出力部を有するマルチモード光ファイバにおいてモードノイズにより誘起された信号強度変動を時間平均化する方法であって、
該マルチモード光ファイバの該入力部に対して光を結合する段階と、
該マルチモード光ファイバと熱連通する熱的構成要素を用いて該マルチモード光ファイバの温度を周期的に変化させる段階と、
を備えて成る、方法。
A method of time averaging signal intensity fluctuations induced by mode noise in a multimode optical fiber having an input part and an output part,
Coupling light to the input of the multimode optical fiber;
Periodically changing the temperature of the multimode optical fiber using a thermal component in thermal communication with the multimode optical fiber;
Comprising a method.
該マルチモード光ファイバと熱連通する温度センサを配備する段階と、
該温度センサから入力を受信するコントローラを用いて該熱的構成要素を制御する段階と、
を更に備えて成る、請求項2に記載の方法。
Providing a temperature sensor in thermal communication with the multimode optical fiber;
Controlling the thermal component with a controller that receives input from the temperature sensor;
The method of claim 2, further comprising:
モードノイズにより誘起された光の信号レベル変動を平均化する光学デバイスであって、
マルチモード光ファイバと、
該マルチモード光ファイバと熱接触する熱的要素と、
該熱的要素の温度を周期的に変化させるように構成されたコントローラと、
を備えて成る光学デバイス。
An optical device for averaging signal level fluctuations of light induced by mode noise,
A multimode optical fiber;
A thermal element in thermal contact with the multimode optical fiber;
A controller configured to periodically change the temperature of the thermal element;
An optical device comprising:
該マルチモード光ファイバと熱接触する温度センサ、
を更に備え、
該コントローラは該温度センサからの入力を受信して該熱的要素を制御する、
請求項4に記載の光学デバイス。
A temperature sensor in thermal contact with the multimode optical fiber;
Further comprising
The controller receives input from the temperature sensor to control the thermal element;
The optical device according to claim 4.
該熱的要素と熱接触する熱シンクと、
該熱シンクと流体連通するファンと、
を更に備えて成る、請求項4に記載の光学デバイス。
A heat sink in thermal contact with the thermal element;
A fan in fluid communication with the heat sink;
The optical device according to claim 4, further comprising:
選択長さの該マルチモード光ファイバを該熱的要素に対して実質的に熱接触させて支持するスプールを更に備えて成る、請求項4に記載の光学デバイス。   The optical device of claim 4, further comprising a spool that supports the multimode optical fiber of a selected length in substantial thermal contact with the thermal element. 該マルチモード光ファイバの該選択長さは55m乃至100mである、請求項4に記載の光学デバイス。   The optical device according to claim 4, wherein the selected length of the multimode optical fiber is 55m to 100m. 該熱的要素は、熱電式モジュール、抵抗ヒータ、赤外ヒータ、化学的ヒータ、冷却デバイス、化学的冷却器、周囲温度より低く冷却された流体の供給源、および、周囲温度より高く加熱された流体の供給源の内の少なくとも一つを備えて成る、請求項4に記載の光学デバイス。   The thermal element is a thermoelectric module, resistance heater, infrared heater, chemical heater, cooling device, chemical cooler, source of fluid cooled below ambient temperature, and heated above ambient temperature The optical device according to claim 4, comprising at least one of a source of fluid. キャッチ側光学システムを備えて成る燃焼検出装置であって、
マルチモード光ファイバと、
該マルチモード光ファイバ内を伝搬する光の信号レベル変動であってモードノイズにより誘起された信号レベル変動を平均化する手段であって、該平均化手段は該マルチモード光ファイバと熱連通された熱的要素を具備し、該熱的要素はヒータ、冷却器、周囲温度より高く加熱された流体の供給源、及び周囲温度より低く冷却された流体の供給源の内の少なくとも一つを備える、平均化手段と、
を備え、該平均化手段は、該熱的要素を制御して該マルチモード光ファイバの温度を周期的に変化させる、
燃焼検出装置。
A combustion detection device comprising a catch side optical system,
A multimode optical fiber;
Means for averaging signal level fluctuations of light propagating in the multimode optical fiber and induced by mode noise, the averaging means being in thermal communication with the multimode optical fiber Comprising a thermal element, the thermal element comprising at least one of a heater, a cooler, a source of fluid heated above ambient temperature, and a source of fluid cooled below ambient temperature; Averaging means;
The averaging means controls the thermal element to periodically change the temperature of the multimode optical fiber;
Combustion detection device.
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