JP3217841B2 - 光ファイバセンサ - Google Patents

光ファイバセンサ

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JP3217841B2 JP03633992A JP3633992A JP3217841B2 JP 3217841 B2 JP3217841 B2 JP 3217841B2 JP 03633992 A JP03633992 A JP 03633992A JP 3633992 A JP3633992 A JP 3633992A JP 3217841 B2 JP3217841 B2 JP 3217841B2
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正隆 中沢
康郎 木村
紘幸 田中
俊和 御前
実 吉田
秀明 伊藤
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、温度変化や放射線の有
無などを広い領域にわたって調べることができる光ファ
イバセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、温度変化を調べるためのセンサと
しては、熱電対やサーミスタなどを用いた温度センサが
あり、また、放射線の有無を調べるためのセンサとして
は、GeやSiを使用した半導体検出器やシンチレーショ
ンカウンタなどの放射線センサが広く知られている。
【0003】また、光ファイバ中のラマン散乱を利用
し、光パルス試験器(OTDR)によって、ラマン散乱に
よって生ずるストークス・反ストークス光の強度の温度
変化を検出し、温度の一次元分布測定ができることが知
られている(たとえば、和田史生,“ラマン散乱を用い
た光ファイバーの温度測定”,応用物理vd.60,No.1,P68
(1991)参照)。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
の各種のセンサを用いて、たとえばビルや原子炉発電所
のように広い床面積や空間範囲をもつ建物の各箇所にお
いて温度異常や放射線の有無を調べるには、多数のセン
サをそれぞれ所定の箇所に配置せねばならず、しかも、
各センサからの検出信号を取り出すためには、各センサ
ごとにケーブルを接続する必要があり、そのため、セン
サの取り付けやケーブルの敷設工事に手間どるばかりで
なく、コストがかかるという問題がある。
【0005】一方、ラマン散乱を利用した光ファイバ温
度センサでは、ストークス光を検出するために高出力レ
ーザ光源が必要であり、10Kmの光ファイバ長におい
て、励起波長1.047μm,ピークパルス光強度約10
Wで最大測定可能距離は3Km、励起波長1.321μ
m,ピークパルス光強度約20Wで最大10Kmまでしか
測定できない。また、測定距離の拡大をはかるために入
力パルス光強度を上げると、誘導ラマン散乱が発生し、
原理的に長距離の測定には限界があった。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明は、上述の課題を
解決するためになされたものであって、広い空間範囲や
床面積にわたって温度変化や放射線の有無などを確実に
検出することができるようにするものである。
【0007】そのため、本発明の光ファイバセンサは、
コア部にEr(エルビウム)が0.01〜2.8ppmの低濃度
の状態でドープされてなる分布定数型Erファイバと、
この分布定数型Erファイバの励起光源と、前記分布定
数型Erファイバに光パルスを入射するとともにこの分
布定数型Erファイバから戻ってくる散乱光を検出する
光パルス試験器とを有し、かつ、前記分布定数型Erフ
ァイバの入射端側と出射端側の内の少なくとも入射端側
には、前記励起光源からの励起光と光パルス試験器から
の光パルスとを混合する合波器を設けて構成されてい
る。
【0008】
【作用】上記構成において、分布定数型Erファイバに
対してその周囲温度が変化すると、励起される原子数が
図6に示すように変化するため、誘導放出される光の量
も変わり、結果として光増幅率や光吸収係数が変化す
る。同様に、分布定数型Erファイバに対して放射線が
照射されると、いわゆる放射線劣化により光増幅率が低
下する。分布定数型Erファイバは、励起によってファ
イバ損失を補償するため100Kmを越える長距離にわ
たって光ファイバセンサを構成することができる。
【0009】光パルス試験器では、分布定数型Erファ
イバの長手方向に沿う各箇所での光の減衰の長手方向の
一次元的な分布を調べることができるので、上記のよう
に温度変化や放射線の存在によって分布定数型Erファ
イバの増幅率が変われば、光減衰率も変わるので、これ
によって、温度変化や放射線の有無を検出することがで
きる。
【0010】本方法では、光励起による反転分布の増減
を利用しているため、4K温度でも動作が可能であり、
−270℃から600℃近くまでの温度検出が原理的に
可能である。
【0011】
【実施例】実施例1 図1は本発明の実施例1に係る光ファイバセンサの構成
図である。
【0012】同図において、符号1は光ファイバセンサ
の全体を示し、2は誘導放出によって入力される光パル
スを直接に増幅する分布定数型Erファイバである。
【0013】この分布定数型Erファイバ2は、コア部
にEr(エルビウム)が0.01〜2.8ppmの低濃度の状態
でドープされており、また、クラッド部の上には検出対
象に応じたコーティングが施される。たとえば、温度変
化の検出用として使用する場合には、耐熱性の高いたと
えばポリイミド樹脂がコーティングされる。
【0014】なお、本例の分布定数型Erファイバ2
は、Erのみ単独にドープしたものを用いているが、コ
ア部に対してさらにAlを最大50ppmの低濃度に共ドー
プしたものを使用すれば、Er単独にドープした場合よ
りも利得を改善できるとともに、飽和の傾向も少ないの
で条長を長くでき、一層好ましい。
【0015】4は分布定数型Erファイバ2に対する励
起光源で、本例では、1.48μm波長帯の光を発生する
半導体レーザ(LD)で構成される。
【0016】また、6は分布定数型Erファイバ2に光
パルスを入射するとともに、この分布定数型Erファイ
バ2から戻ってくる散乱光(レイリー後方散乱光やフレ
ネル反射光など)を検出する光パルス試験器(OTDR)
である。
【0017】この光パルス試験器6は、それ自体は周知
のものであって、たとえば1.55μm波長帯のレーザ光
を発生する半導体レーザ(LD)などのレーザ光源8、こ
のレーザ光をPCMなどの光パルスに変調するための駆
動回路10、光パルスを通過するとともに、散乱光を取
り込むための光方向性結合器12、取り込んだ散乱光を
電気信号に変換する受光器14、および、この受光器1
4の検出信号に基づいて分布定数型Erファイバ2の長
さに対する光パワーの関係を求めるデータ処理部16を
備える。
【0018】そして、分布定数型Erファイバ2の出射
端側には、コネクタ18aを介して分布定数型Erファ
イバ2に導入された光パルスの反射によるレーザ発振を
防止するためのアイソレータ20が設けられる一方、分
布定数型Erファイバ2の入射端側には、コネクタ18
bを介して励起光源4からの励起光と光パルス試験器6
からの光パルスとを混合する合波器22が設けられ、さ
らに、この合波器22と光パルス試験器6との間には励
起光の戻りを防止するためのフィルタ24が配置されて
いる。
【0019】なお、26は各部の結合用の通常の光ファ
イバである。
【0020】上記構成において、光パルス試験器6のレ
ーザ光源8からの1.55μmの光は、駆動回路10によ
り変調されて光パルスとなって光方向性結合器12から
フィルタ24を通過して合波器22に導かれる。その
際、励起光源4からは1.48μmの励起光が出力さ
れ、この励起光と光パルスとが合波器22で混合された
後、コネクタ18bを介して分布定数型Erファイバ2
に導入される。
【0021】分布定数型Erファイバ2では、励起光に
よってポンピングされ、この励起状態で光パルスが分布
定数型Erファイバ2を進行する過程で誘導放出効果に
よって増幅される。そして、増幅された光パルスは、コ
ネクタ18aおよびアイソレータ20を通過して出射さ
れる。
【0022】また、分布定数型Erファイバ2中を光パ
ルスが伝播する際にその長手方向の各位置で発生したレ
イリー後方散乱光やフレネル反射光は、分布定数型Er
ファイバ2の入射側にも伝播し、合波器22、フィルタ
24、光パルス試験器6の光方向性結合器12を経て受
光器14で検出される。その際、分布定数型Erファイ
バ2の遠方の出射端側で発生した散乱光ほど遅れて受光
器14に到達するので、データ処理部16では、散乱光
のパワーとその遅れ時間とから、図2に示すような分布
定数型Erファイバ2の長さに対する光パワーの関係を
求める。
【0023】ここで、分布定数型Erファイバ2のたと
えば符号Bで示す箇所で、その周囲温度がT1からT2
変化したとすると、励起される原子数も変化するため、
誘導放出される光量も変化し、結果として光増幅率が変
化する。これによって、温度変化の程度を検出すること
ができる。
【0024】図3は、図1に示すOTDR6による温度
変化を測定した結果を示している。同図(a),(b)は、十
分な励起を行い信号光の変化を測定した結果であり、
(a)は距離L1とL2の間で温度低下が、(b)では逆に温度
上昇が発生し、それぞれに対応して信号光の増加(増幅
率の増加)と減少(増幅率の減少)を示している。一方、
同図(c)は励起光が十分でない場合であり、距離L1
2の間で温度変化が生じて吸収係数が変化しているこ
とを示している。
【0025】実施例2 図4は、この実施例2に係る光ファイバセンサの構成図
で、図1と対応する部分には同一の符号を付す。
【0026】この実施例2では、分布定数型Erファイ
バ2の一部分にEr濃度の高いファイバ30を接続し、
センサ部分の感度向上を図ったものである。
【0027】実施例3 図5は、この実施例3に係る光ファイバセンサの構成図
で、図1と対応する部分には同一の符号を付す。
【0028】この実施例3では、励起光源4を数個用い
てErファイバ2の効率的な励起を行うとともにセンサ
ー領域の拡張を図ったものである。
【0029】上記の実施例2,3のいずれの場合も、実
施例1と同様に温度変化が検出できる。また、分布定数
型Erファイバ2に対して放射線が照射されると、いわ
ゆる放射線劣化により励起光が吸収されてしまい、ポン
ピング作用が不十分となる。また、信号波長域でも放射
線劣化により吸収が増加する結果、光増幅率が放射線照
射量に応じて劣化するので、この場合にも、放射線を検
出することができる。
【0030】なお、上記の各実施例1〜3では、Erフ
ァイバ2を用いて説明を行ったが、Nd,Pr,Tm等
の希土類元素ドープファイバとそれぞれに対応した励起
光源4とOTDR6とを用いれば、同様の作用効果が実
現できる。
【0031】
【発明の効果】本発明によれば、ビルや原子炉発電所の
ように広い床面積や空間範囲をもつ建物の各箇所におい
て温度異常や放射線の有無を確実に調べることができ
る。しかも、従来のように建物内に多数のセンサを配置
する必要はなく、分布定数型Erファイバを連続的に敷
設するだけでよいから、工事の手間も省け、しかも、低
コストで実施することができる。特に数十Kmにおよぶ
温度分布を検出できるため、トンネル工事等の土木工事
にも利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1に係る光ファイバセンサの構
成図である。
【図2】図1の構成の光ファイバセンサを用いて温度変
化を検出する場合の説明図である。
【図3】OTDRの信号光による温度変化を示した図で
ある。
【図4】本発明の実施例2に係る光ファイバセンサの構
成図である。
【図5】本発明の実施例3に係る光ファイバセンサの構
成図である。
【図6】蛍光強度の温度変化を示した図である。
【符号の説明】 1…光ファイバセンサ、2…分布定数型Erファイバ、
4…励起光源、6…光パルス試験器(OTDR)、22…
合波器。
フロントページの続き (72)発明者 田中 紘幸 兵庫県伊丹市池尻4丁目3番地 三菱電 線工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 御前 俊和 兵庫県伊丹市池尻4丁目3番地 三菱電 線工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 吉田 実 兵庫県伊丹市池尻4丁目3番地 三菱電 線工業株式会社伊丹製作所内 (72)発明者 伊藤 秀明 兵庫県伊丹市池尻4丁目3番地 三菱電 線工業株式会社伊丹製作所内 (56)参考文献 特開 平3−287236(JP,A) 特開 平3−83838(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01T 1/00 G01J 5/08 G01K 11/12 G02B 6/00

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 コア部にEr(エルビウム)が0.01〜
    2.8ppmの低濃度の状態でドープされてなる分布定数型
    Erファイバ(2)と、この分布定数型Erファイバ(2)の
    励起光源(4)と、前記分布定数型Erファイバ(2)に光
    パルスを入射するとともにこの分布定数型Erファイバ
    (2)から戻ってくる散乱光を検出する光パルス試験器
    (6)とを有し、かつ、前記分布定数型Erファイバ(2)
    の入射端側と出射端側の内の少なくとも入射端側には、
    前記励起光源(4)からの励起光と光パルス試験器(6)か
    らの光パルスとを混合する合波器(22)を設けて構成さ
    れていることを特徴とする光ファイバセンサ。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の光ファイバセンサにおい
    て、分布定数型Erファイバは、Er濃度が部分的に高
    く設定されていることを特徴とする光ファイバセンサ。
  3. 【請求項3】 請求項1または請求項2記載の光ファイ
    バセンサにおいて、励起光源は、少なくとも1個以上設
    けられていることを特徴とする光ファイバセンサ。
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