JP5008011B2 - 光ファイバセンサアレイ及び光ファイバセンサアレイシステム - Google Patents

Description

この発明は物理量を検出するための光ファイバを複数有する光ファイバセンサアレイ及び光ファイバセンサアレイの検出に基づいて演算等を行うシステムに関するものである。

例えば音圧（音波）等の物理量（以下、信号という）を検出するために、光ファイバを利用した光ファイバセンサがある。光ファイバセンサにおいては、信号で伸び縮みするセンシングファイバの両端に、光の一部を反射するＦＢＧ（Fiber Bragg Grating ）を設けてパルス光源からのパルス光を通過させる。センシングファイバが信号を受けて伸び縮みすると、光の伝搬距離が変わるため、光の位相が変化する。例えば、位相変調器等により位相変調を行うことで、基準となる位相と信号による位相との位相差に基づいて信号の大きさ等を検出することができる。光ファイバセンサアレイは、複数のセンシングファイバを有し、それぞれのセンシングファイバにおいて信号の受信等を行わせるようにしている（例えば非特許文献１参照）。このような光ファイバセンサアレイは、複数のセンシングファイバを接続し、ＦＢＧにおいて反射する光の波長による波長多重伝送、パルス光の送出タイミングによる時分割多重伝送を可能としている。

多重化数が多くなると、雑音となるレイリー散乱光（レイリー後方散乱光）のレベルが高くなり、受信した信号に係る光に干渉することで、信号の検出が困難になる問題がある。このような問題に対しては、伝送路に送出するパルス光を１つにするという対策がある（例えば特許文献１参照）。

特開２００７−１３９４８２号公報

"Fiber Grating Sensors",JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.15,NO.8,AUGUST 1997

ここで、非特許文献１のような光ファイバセンサアレイでは、あるセンシングファイバに係るＦＢＧの反射光は、その前段にあるすべてのセンシングファイバを通過して位相変調器に入力する。このため、直列に繋ぐセンシングファイバの数が多くなると、例えばあるセンシングファイバにおける検出に係る出力に、前段側のセンシングファイバが受信した信号に係る光の成分が雑音として漏れ込む、クロストークが発生する可能性がある。

また、特許文献１のような装置では、例えばセンシングファイバの数が多くなり、光の伝搬距離（伝搬時間）が長くなると、伝送路において送出するパルス光を１つにするために、パルス光を送出する繰り返し周期を長くしなければならなくなる。このため、例えばサンプリング定理により、高周波の信号を制限しなければならなくなる（検出に利用できる波長が減る）等の問題があった。

そこで、センシングファイバの数が多くなっても検出精度を維持することができ、繰り返し周期、高周波等の自由度が高い構成を有する光ファイバセンサアレイ等の実現が望まれていた。

本発明に係る光ファイバセンサアレイは、往路伝送ファイバを介して伝送したパルス光源の光を通過させ、また、検出対象となる物理量に基づいて伸縮する複数のセンシングファイバと、各センシングファイバの通過前後の光から任意の波長の光を反射する複数のＦＢＧと、センシングファイバ及びＦＢＧをグループ分けして構成した複数のセンサグループ毎に設けられ、パルス光源側からの光を対応するセンサグループのセンシングファイバに通過させ、対応するセンサグループ側からのＦＢＧによる反射光を復路伝送ファイバ側に通過させる複数の経路変更手段と、各経路変更手段からの反射光を合波して復路伝送ファイバに通過させる複数の合波手段とを備えるものである。

本発明によれば、例えば直列に接続された複数のセンシングファイバについて、複数のセンサグループに分け、センサグループ毎に設けた経路変更手段により、各センサグループのＦＢＧによる反射光がそれぞれの伝送経路で復路伝送ファイバに送られるようにしたので、例えばあるセンサグループのＦＢＧによる反射光を他のセンサグループのセンシングファイバを通過させることなく復路伝送ファイバに送ることができ、このため反射光が通過するセンシングファイバの数を減らし、クロストーク等による信号の雑音を抑え、検出の精度を高めることができる。

実施の形態１に係る光ファイバセンサアレイシステムの構成を表す図である。 各センサグループ１１０の動作について説明するための図である。 実施の形態２に係る光ファイバセンサアレイシステムの構成を表す図である。 実施の形態３に係る光ファイバセンサアレイシステムの構成を表す図である。 実施の形態４に係る光ファイバセンサアレイシステムの構成を表す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る光ファイバセンサアレイの構成を表す図である。図１において、パルス光源１は、例えばＦＭ変調を施したレーザ光（パルス光）を往路伝送ファイバ２に送出する。往路伝送ファイバ２は、パルス光源１から光ファイバセンサアレイ１００にパルス光（以下、特に必要がなければ光というものとする）を伝送する。

光ファイバセンサアレイ１００は、複数のセンサグループ１１０、経路変更手段となる光サーキュレータ１２０及び合波手段となる光カプラ１３０で構成する。本実施の形態の光ファイバセンサアレイ１００は、ｎ個のセンサグループ１１０−１〜１１０−ｎ及び光サーキュレータ１２０−１〜１２０−ｎ並びにｎ−１個の光カプラ１３０−１〜１３０−（ｎ−１）で構成する。

光サーキュレータ１２０は、例えば３以上のポートを有しており、各ポートにおいては、入力した光を特定のポートから出力する（特定の方向に光を伝達する）。本実施の形態では、往路伝送ファイバ２側からの光をセンサグループ１１０側に出力し、センサグループ１１０側からの光を光カプラ１３０（復路伝送ファイバ３）に出力する。光カプラ１３０は、光サーキュレータ１２０からの光を復路伝送ファイバ３に結合（合波、合流）させる。

センサグループ１１０−１〜１１０−ｎは、１又は複数のセンシングファイバ１１１及びＦＢＧ１１２で構成する。本実施の形態における光ファイバセンサアレイにおいては、直列に繋いだ複数のセンシングファイバ１１１を複数のグループに分ける。そして、パルス光源１から送出した光については、すべてのセンシングファイバ１１１を通過させるようにし、ＦＢＧ１１２が反射した光（反射光）については、グループ毎に、光カプラ１３０を介して復路伝送ファイバ３に合流させるようにしている。このため、例えば、センサグループ１１０−１では、ｍ個のセンシングファイバ１１１−１１〜１１１−１ｍ、２ｍ個のＦＢＧ１１２−１ｍ１〜１１２−１ｍ２を有しているものとする（ただし、センサグループ１１０−ｎの最後のＦＢＧ１１２−ｍ２についてはミラー（反射器）としてもよい）。ｍの値は各センサグループ１１０で異なってもよい。

センシングファイバ１１１は、例えば弾性円筒（図示せず）に巻かれている。そして、音圧などの物理量（以下、信号という）により弾性円筒に歪みが生じると、センシングファイバ１１１も信号の大きさに応じて伸縮する。このとき、センシングファイバ１１１内を通過する光の経路長（伝搬距離）が変化する。これにより光の位相が変化することから、変化した位相分に対応する信号を検出することができる。ＦＢＧ１１２は、入力光に対して各々任意に特定した波長（波長帯、周波数帯である場合も含む）の光を反射する。本実施の形態では、ＦＢＧ１１２を各センシングファイバ１１１−ｎｍの光の入力側及び出力側にそれぞれ１１２−ｎｍ１、１１２−ｎｍ２を設け、これらを組とする。そして、各組のＦＢＧ１１２は、異なる波長の光を反射するものとする。

復路伝送ファイバ３は、光ファイバセンサアレイ１００から遅延補償器４に光を伝送する。遅延補償器４は、ＦＢＧ１１２−ｎｍ１、１１２−ｎｍ２がそれぞれ反射した光のタイミングを合わせて干渉させる。遅延補償器４はリファレンスファイバ４１、合分波器４２及びミラー（反射器）４３で構成する。リファレンスファイバ４１は参照用の光ファイバである。合分波器４２は復路伝送ファイバ３からの光をリファレンスファイバ４１側とミラー４３側の経路に分ける。また、リファレンスファイバ４１側とミラー４３側からの光を合波する。ミラー４３は光を反射する。

Ｏ／Ｅ（Optical／Electrical ）変換器５は、遅延補償器４を通過した干渉光を光の強さに基づく電気信号に変換する。位相復調器６は電気信号に基づいて復調を行い、位相差を算出する。算出した位相差に基づいて信号検出等を行うことができる。

図２は各センサグループ１１０の動作について説明するための図である。光ファイバセンサアレイの動作について、まず、各センサグループ１１０における動作について説明する。ここではセンサグループ１１０−１について説明するものとし、センサグループ１１０−１は、センシングファイバ１１１−１１〜１１１−１３、ＦＢＧ１１２−１１１〜１１２−１３２を有しているものとする（ｍ＝３とする）。

パルス光源１からの光は光サーキュレータ１２０−１を介してセンサグループ１１０−１を通過する。光の一部（任意に特定した波長の光）はＦＢＧ１１２−１１１が反射する。そして、光はセンシングファイバ１１１−１１内を通過するが、このとき、センシングファイバ１１１−１１が信号Ｐ₁ を受けて伸び縮みすると、センシングファイバ１１１−１１を通過した光の位相が変化する。ここで、ＦＢＧ１１２−１１１の反射により遅延補償器４に入力する光の位相をφ₁₁（ｔ）とすると、センシングファイバ１１１−１１を通過してＦＢＧ１１２−１１２において反射し、遅延補償器４に入力する光の位相φ₁₂は、次式（１）で表される。ここで、Ｍはセンシングファイバの感度、τはＦＢＧ１１２−１１１からＦＢＧ１１２−１１２までの光の伝搬時間である。特別に説明する場合を除き、各組間における距離は光の伝搬時間を無視するものとする。
φ₁₂（ｔ＋２τ）＝ＭＰ₁（ｔ＋τ）＋ＭＰ₁（ｔ＋２τ）＋φ₁₁（ｔ＋２τ）…（１）

そして、ＦＢＧ１１２−１１１とＦＢＧ１１２−１１２とがそれぞれ反射した光は、光サーキュレータ１２０−１を介して遅延補償器４に入力する。そして、遅延補償器４は、入力した光をタイミングを合わせて干渉させる。干渉した光をＯ／Ｅ変換器５が電気信号に変換し、位相復調器６において復調した結果となる出力Ｏ₁ は次式（２）で表される。
Ｏ₁ （ｔ＋２τ）＝φ₁₂（ｔ＋２τ）−φ₁₁（ｔ） …（２）

光の伝搬時間である２τが経過する間のφ１１の変化は小さいことから（２）式をテイラー展開により近似すると、次式（３）で表される。

同様に、τが経過する間のＰ₁（ｔ）の変化も小さいことから、テイラー展開により近似すると、次式（４）で表される。

そして、（１）、（２）、（３）及び（４）式から、出力Ｏ₁ は次式（５）で表わされる。出力Ｏ₁ は、信号Ｐ₁ が感度Ｍで検出されたものとなる。

また、ＦＢＧ１１２−１１２を通過した光は、センシングファイバ１１１−１２内を通過する。このとき、光の一部はＦＢＧ１１２−１２１により反射する。ＦＢＧ１１２−１２１の反射により遅延補償器４に入力する光の位相φ₂₁（ｔ）は、次式（６）で表される。ＦＢＧ１１２−１１２とＦＢＧ１１２−１２１とは位相が変わらないものとする。
φ₂₁（ｔ＋２τ）＝ＭＰ₁（ｔ＋τ）＋ＭＰ₁（ｔ＋２τ）＋φ₁₁（ｔ＋２τ）…（６）

また、センシングファイバ１１１−１２が信号Ｐ₂ を受けて伸び縮みすると、センシングファイバ１１１−１２を通過した光の位相が変化する。センシングファイバ１１１−１２を通過してＦＢＧ１１２−１２２において反射し、遅延補償器４に入力する光の位相φ₂₂は、次式（７）で表される。
φ₂₂（ｔ＋４τ）＝ＭＰ₁（ｔ＋τ）＋ＭＰ₂（ｔ＋２τ）＋ＭＰ₂（ｔ＋３τ）
＋ＭＰ₁（ｔ＋４τ）＋φ₁₁（ｔ＋４τ） …（７）

そして、ＦＢＧ１１２−１２１とＦＢＧ１１２−１２２とにおいてそれぞれ反射された光が、光サーキュレータ１２０−２を介して遅延補償器４に入力する。そして、遅延補償器４は、入力した光をタイミングを合わせて干渉させる。干渉した光をＯ／Ｅ変換器５が電気信号に変換し、位相復調器６において復調した結果となる出力Ｏ₂ は次式（８）で表される。
Ｏ₂ （ｔ＋４τ）＝φ₂₂（ｔ＋４τ）−φ₂₁（ｔ＋２τ） …（８）

そして、出力Ｏ₁ と同様に、光の伝搬時間である２τが経過する間のφ₁₁の変化は小さいことからテイラー展開による近似等すると、出力Ｏ₂ は次式（９）で表わされる。

この（９）式において、１項目はセンシングファイバ１１１−１２の検出に係る信号Ｐ₂ に基づいて得られる成分である。２項目はクロストークとして出力Ｏ₂ に漏れ込むセンシングファイバ１１１−１１の受信に係る信号Ｐ₁ の成分である。このように、センシングファイバ１１１−１１の受信に係る信号Ｐ₁ が、他のセンシングファイバ１１１の検出に係る出力に漏れ込むクロストークの成分Ｃ₁ は次式（１０）で表される。

また、ＦＢＧ１１２−１２２を通過した光は、センシングファイバ１１１−１３内を通過する。このとき、光の一部はＦＢＧ１１２−１３１により反射する。ＦＢＧ１１２−１３１の反射により遅延補償器４に入力する光の位相φ₃₁（ｔ）は、次式（１１）で表される。
φ₃₁（ｔ＋４τ）＝ＭＰ₁（ｔ＋τ）＋ＭＰ₂（ｔ＋２τ）＋ＭＰ₂（ｔ＋３τ）
＋ＭＰ₁（ｔ＋４τ）＋φ₁₁（ｔ＋４τ） …（１１）

また、センシングファイバ１１１−１３が信号Ｐ₃ を受けて伸び縮みすると、センシングファイバ１１１−１３を通過した光の位相が変化する。センシングファイバ１１１−１３を通過してＦＢＧ１１２−１３２において反射し、遅延補償器４に入力する光の位相φ₃₂は、次式（１２）で表される。
φ₃₂（ｔ＋６τ）＝ＭＰ₁（ｔ＋τ）＋ＭＰ₂（ｔ＋２τ）＋ＭＰ₃（ｔ＋３τ）
＋ＭＰ₃（ｔ＋４τ）＋ＭＰ₂（ｔ＋５τ）＋ＭＰ₁（ｔ＋６τ）
＋φ₁₁（ｔ＋６τ） …（１２）

そして、ＦＢＧ１１２−１３１とＦＢＧ１１２−１３２とがそれぞれ反射した光を遅延補償器４においてタイミングを合わせて干渉させる。干渉した光をＯ／Ｅ変換器５が電気信号に変換し、位相復調器６において復調した結果となる出力Ｏ₃ は次式（１３）で表される。
Ｏ₃ （ｔ＋６τ）＝φ₃₂（ｔ＋４τ）−φ₃₁（ｔ＋２τ） …（１３）

そして、テイラー展開による近似等すると、出力Ｏ₃ は次式（１４）で表わされる。

この（１４）式において、１項目はセンシングファイバ１１１−１３の検出に係る信号Ｐ₃ に基づいて得られる成分である。２項目はクロストークとして出力Ｏ₃ に漏れ込むセンシングファイバ１１１−１２の受信に係る信号Ｐ₂ の成分である。また、３項目はクロストークとして出力Ｏ₃ に漏れ込むセンシングファイバ１１１−１１の受信に係る信号Ｐ₁ の成分である。センシングファイバ１１１−１２の受信に係る信号Ｐ₂ が、他のセンシングファイバ１１１の検出に係る出力に漏れ込むクロストークの成分Ｃ₂ は次式（１５）で表される。

以上のようにして、出力Ｏ₁ 〜Ｏ₃ に基づいて得られる位相差により、センサグループ１１０−１の各センシングファイバ１１１−１１〜１１１−１３による信号検出等を行うことができる。また、他のセンサグループ１１０−２〜１１０−ｎによる出力についても同様の処理により信号検出等を行うことができる。

ここで、パルス光源１からの光については、パルス光源１から送出した光が光サーキュレータ１２０−１を通過後、各センシングファイバ１１１を通過する経路往路の経路（ＦＢＧ１１２による反射光が光サーキュレータ１２０に送られる経路ともなる）におけるパルス光が１つになるような繰り返し周期で送出するようにする。これにより、レイリー散乱光による雑音を抑え、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。

クロストークの成分は検出しようとする信号にとっては雑音となる。このため、各出力から精度よく信号を検出できるようにするため、クロストークの成分を抑える必要がある。例えば上述の式等から、センサグループ１１０におけるセンシングファイバ１１１の数が多くなるほど、各出力におけるクロストークの成分が増えることになる。

そこで、光ファイバセンサアレイ１００内のすべての組の出力において、クロストークの成分を抑えるために、本実施の形態では、グループにすることができるセンシングファイバ１１１の最大数を規定する。例えば、センシングファイバ１１１の数Ｎ_G が次式（１６）の条件を満たすように、光ファイバセンサアレイにおけるセンシングファイバ１１１を分割し、各センサグループ１１０とする。ここで、Ｃ_Lim はクロストーク許容限界、ｆ_h は信号の受信周波数帯の上限、Ｔはパルス光源１が送出する光の繰り返し周期となる。

このため、すべてのＦＢＧ１１２における反射光は、クロストーク許容限界を超える影響を受ける前に復路伝送ファイバ３側に送られる。また、光が１つになる範囲が光サーキュレータ１２０からセンサグループ１１０までに絞られる。

以上のように、実施の形態１の光ファイバセンサアレイによれば、光ファイバセンサアレイ１００が有するセンシングファイバ１１１を複数のセンサグループ１１０に分け、センサグループ１１０毎に設けた光サーキュレータ１２０により、ＦＢＧ１１２による反射光が復路伝送ファイバ４に送られるようにしたので、例えばあるセンサグループ１１０のＦＢＧ１１２による反射光が他のセンサグループ１１０のセンシングファイバ１１１を通過することなく送ることができ、反射光が通過するセンシングファイバ１１１の数を減らすことができる。このとき、クロストーク許容限界に基づいて、センサグループ１１０におけるセンシングファイバ１１１の数を設定し、すべてのＦＢＧ１１２における反射光がセンシングファイバ１１１を通過する回数を所定回数以下に制限するようにしたので、すべての反射光において、クロストークの影響を抑えることができ、精度の高い信号検出を行うことができる。

そして、往路伝送ファイバ２と復路伝送ファイバ３とに分け、また、パルス光源１から送出した光が光サーキュレータ１２０−１を通過後、各センシングファイバ１１１を通過する経路におけるパルス光が１つになるようにすることで、伝送ファイバでレイリー散乱光が発生してもＯ／Ｅ変換器５に入力することがない。このため、光ファイバの距離を長くすることができる。このとき、パルス光源１から発するパルス光の繰り返し周期を長くする必要がなく、このため、復調可能な光の周波数（周波数帯）の制限を緩和することができる。また、パルス光源１から光サーキュレータ１２０−１までの間、各光サーキュレータ１２０からＯ／Ｅ変換器５においてはパルス光に関する制限がなくなるため、伝送ファイバの距離等に関する制限等を緩和することができる。さらに、経路変更手段を光サーキュレータ１２０で構成することにより、経路変更に係る損失を抑えることができる。

実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２に係る光ファイバセンサアレイシステムの構成を表す図である。図３において、図１と同じ符号を付している手段等については、実施の形態１と同様の動作を行う。図２において、光カプラ１３０−１１は、光サーキュレータ１２０−１及び１２０−２からの光を結合させる。また、光カプラ１３０−１２は、光サーキュレータ１２０−３及び１２０−４からの光を結合させる。そして、光カプラ１３０−２１は、光カプラ１３０−１１、光カプラ１３０−１２がそれぞれ結合させた光を復路伝送ファイバ３に合流させる。

例えば、上述の実施の形態１では、例えば伝搬距離が最も遠くなるセンサグループ１１０−ｎの反射光に対し、各光カプラ１３０により光サーキュレータ１２０からの光を結合させながら、最終的にすべての反射光を復路伝送ファイバ３に伝送するようにした。一般に、光カプラ１３０は、例えば製造時における結合度の製作誤差を有していることが多い。このため、センサグループ１１０−ｎの反射光が、光カプラ１３０を通過する回数が最も多くなる。その分、光カプラ１３０の製作誤差が蓄積することで、信号に対して雑音（ノイズ）の影響も大きくなる。一方、センサグループ１１０−１の反射光については、光カプラ１３０における製作誤差の蓄積が少ない。以上のことから、光カプラ１３０の通過回数に差が生じることで、信号検出に係る出力におけるノイズレベルのバラツキが大きくなる。

そこで、各センサグループ１１０における光カプラ１３０の通過回数をできるだけ均一にするため、本実施の形態では光カプラ１３０を多段構成にする。図３においては、各センサグループ１１０の反射光は、光カプラ１３０を２回通過した上で、復路伝送ファイバ３を通過することになる。各センサグループ１１０における物理量の検出に係る動作については、実施の形態１で説明したことと同様である。

以上のように、実施の形態２の光ファイバセンサアレイによれば、各センサグループ１１０からの反射光を結合させて復路伝送ファイバ３を通過させる光カプラ１３０を多段構成にするようにしたので、各センサグループ１１０の反射光が復路伝送ファイバ３にいたるまでの光カプラ１３０を通過する回数をできるだけ同じにすることができる。このため、光カプラ１３０における製作誤差の蓄積の程度が同じになるため、各出力におけるノイズレベルのバラツキを低減することができ、光ファイバセンサアレイ全体として精度の高い検出を行うことができる。

実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３に係る光ファイバセンサアレイシステムの構成を表す図である。図４において、図１等と同じ符号を付している手段等については、前述の実施の形態と同様の動作を行う。このため、本実施の形態において、各センサグループ１１０における物理量の検出に係る動作については、実施の形態１で説明したことと同様である。

ＯＡＤＭ（Optical add-drop multiplexer：光分岐挿入装置）１４０は、例えば光サーキュレータとＦＢＧとの組み合わせを有する装置であり、特定波長の光の分岐（分波）又は混合（合波）を行う。本実施の形態では、ＯＡＤＭ１４０−１〜１４０−（ｎ−１）は、対応するセンサグループ１１０からの光を復路伝送ファイバ３を通過する光に混合させるようにする。本実施の形態では、各センサグループ１１０のＦＢＧ１１２が反射する反射光の波長帯が、対応するＯＡＤＭ１４０が有するＦＢＧにおいて反射し、混合可能な波長帯に含まれるようにしておく。

前述した実施の形態１の光ファイバセンサアレイ１００においては、合波手段を光カプラ１３０としたが、本実施の形態ではＯＡＤＭ１４０とするものである。

ＯＡＤＭ１４０−１〜１４０−（ｎ−１）の光サーキュレータは、復路伝送ファイバ３をＯ／Ｅ変換器５（遅延補償器４）側に進行する光については、方向を変えずにそのまま通過させる。また、光サーキュレータ１２０側からの光（反射光）については、Ｏ／Ｅ変換器５と反対側に向けて伝送しようとする。光サーキュレータを通過した反射光に対して、ＯＡＤＭ１４０−１〜１４０−（ｎ−１）のＦＢＧが特定波長の光を反射する。この反射により、センサグループ１１０側からの光は、Ｏ／Ｅ変換器５側に進行する光と混合し、復路伝送ファイバ３を通過する。遅延補償器４、Ｏ／Ｅ変換器５及び位相復調器６における動作等については、実施の形態１で説明したことと同様の動作等を行う。

以上のように、実施の形態３の光ファイバセンサアレイによれば、また、各センサグループ１１０からの反射光を、ＯＡＤＭ１４０により混合させて復路伝送ファイバ３側に伝送するようにしたので、光カプラ１３０と比して結合損失を抑えることができる。

実施の形態４．
図５は本発明の実施の形態４に係る光ファイバセンサアレイシステムの構成を表す図である。図５において、図１、図４等と同じ符号を付している手段等については、前述の実施の形態と同様の動作を行う。本実施の形態において、各センサグループ１１０における物理量の検出に係る動作については、実施の形態１で説明したことと同様である。

本実施の形態では、往路伝送ファイバ２と復路伝送ファイバ３にそれぞれ各センサグループ１１０に対応して前述したＯＡＤＭ１４０を設けるようにしたものである。ＯＡＤＭ１４０−１１〜１４０−（ｎ−１）１は、往路伝送ファイバ２を通過する光から、それぞれ特定波長の光を分岐（分波）して対応するセンサグループ１１０を通過させるようにする。また、ＯＡＤＭ１４０−１２〜１４０−（ｎ−１）２は、対応するセンサグループ１１０からの光を復路伝送ファイバ３を通過する光に混合させるようにする。図５では、センサグループ１１０−１及び１１０−２、光サーキュレータ１２０−１及び１２０−２並びにＯＡＤＭ１４０−１１、１４０−１２、１４０−２１及び１４０−２２について示している。このため、本実施の形態では、各センサグループ１１０のＦＢＧ１１２が反射する反射光の波長帯が、対応するＯＡＤＭ１４０が有するＦＢＧにおいて反射し、分岐、混合可能な波長帯に含まれるようにしておく。

ここで、本実施の形態では、センシングファイバ１１１の数Ｎ_G が次式（１７）の条件を満たすように、光ファイバセンサアレイにおけるセンシングファイバ１１１を分割し、各センサグループ１１０とする。（１７）式におけるαは例えばセンサグループ１１０−１の場合は光サーキュレータ１２０−１とＦＢＧ１１２−１１１との間、ＦＢＧ１１２−１１２とＦＢＧ１１２−１２１との間等、各組間における光の伝搬時間である。

次に動作について説明する。センサグループ１１０における物理量検出に係る動作については、実施の形態１で説明したことと同様の動作を行うため、ＯＡＤＭ１４０等による異なる動作について説明する。

往路伝送ファイバ２側に設けたＯＡＤＭ１４０−１１〜１４０−（ｎ−１）１の光サーキュレータは、パルス光源１からの光については、往路伝送ファイバ２を通過させようとする。そして、光サーキュレータを通過した光に対して、ＯＡＤＭ１４０−１１〜１４０−（ｎ−１）１のＦＢＧが特定波長の光を反射する。この反射光を、ＯＡＤＭ１４０−１１〜１４０−（ｎ−１）１の光サーキュレータは、光サーキュレータ１２０を設けた伝送路を通過させる。

往路伝送ファイバ２側に設けたＯＡＤＭ１４０側からの光に対し、各光サーキュレータ１２０は、センサグループ１１０を通過させる。また、センサグループ１１０側からの光を復路伝送ファイバ３側に設けたＯＡＤＭ１４０−１２〜１４０−（ｎ−１）２に出力する。

ＯＡＤＭ１４０−１２〜１４０−（ｎ−１）２の光サーキュレータは、復路伝送ファイバ３をＯ／Ｅ変換器５（遅延補償器４）側に進行する光については、そのまま復路伝送ファイバ３を通過させる。また、センサグループ１１０側からの光については、Ｏ／Ｅ変換器５と反対側に向けて伝送しようとする。光サーキュレーを通過したセンサグループ１１０側からの光に対して、ＯＡＤＭ１４０−１２〜１４０−（ｎ−１）２のＦＢＧが特定波長の光を反射する。この反射により、センサグループ１１０側からの光は、復路伝送ファイバ３をＯ／Ｅ変換器５側に進行する光と混合し、遅延補償器４に入力される。遅延補償器４、Ｏ／Ｅ変換器５及び位相復調器６における動作等については、実施の形態１で説明したことと同様の動作等を行う。

以上のように実施の形態４の光ファイバセンサアレイでは、往路伝送ファイバ２を通過する光をＯＡＤＭ１４０が分岐（分波）させながら各センサグループ１１０に入力させるようにしたので、パルス光源１からの光がセンシングファイバ１１１を通過することによる透過損失を軽減することができる。このため、例えば、パルス光源１から遠いセンサグループ１１０でも、他のセンサグループ１１０のセンシングファイバ１１１を通過していない光が入力されるので、透過損失によって光が弱くならず、このため、出力における雑音レベルの増加を軽減することができる。

また、各センサグループ１１０からの反射光を、復路伝送ファイバ３側に設けたＯＡＤＭ１４０により混合させてＯ／Ｅ変換器５（遅延補償器４）側に伝送するようにしたので、結合損失を抑えることができる。このため、例えば、パルス光源１から遠いセンサグループ１１０に係る反射光が他のセンサグループ１１０に係る反射光との結合により弱くなることなく、Ｏ／Ｅ変換器５において変換することができ、出力における雑音レベルの増加を軽減することができる。

そして、（１７）式の条件に基づいて、センシングファイバ１１１の数Ｎ_G（グループ内の最大数）を決めることができるので、従来の装置等に比べて制限を緩和することができる。

実施の形態５．
前述の各実施の形態においては、１本の往路伝送ファイバ２によりパルス光源１からの光を通過させ、各反射光を１本の復路伝送ファイバ３に合波するようにした構成例を示したが、このような構成に限定するものではない。例えば、複数の往路伝送ファイバ２を用いて光を伝送するようにしてもよく、また、複数の復路伝送ファイバ３で反射光を伝送するようにしてもよい。

また、前述の実施の形態では、光の経路を変更するために光サーキュレータ１２０を用いる例で示したが、例えば光サーキュレータ１２０の代わりに光カプラを用いるようにしてもよい。

さらに、前述の実施の形態１、２等においては、１つのセンサグループ１１０に複数のセンシングファイバ１１１を有する例について示したが、例えば１つのセンシングファイバ１１１だけでセンサグループ１１０を構成するようにしても本発明に係る効果を奏することができる。

前述の各実施の形態では、遅延補償器４を復路伝送ファイバ３の後段側に設ける構成例について示したが、このような構成に限定するものではない。例えば、パルス光源１と往路伝送ファイバ２との間、往路伝送ファイバ２と１つめの光サーキュレータ１２０−１との間等、他の位置に設けるようにしてもよい。

また、前述の実施の形態において、センシングファイバ１１１の伝搬時間τとセンシングファイバ１１１の感度Ｍがすべて同じであるものとして説明したが、これに限るものではない。センシングファイバ１１１の伝搬時間τ、センシングファイバ１１１の感度Ｍが異なることで、例えば、出力に漏れ込むクロストーク（成分）も異なることになるため、異なるクロストークレベルに合わせた設計にすることで、各実施の形態と同様の効果が得られる。

さらに、前述の実施の形態において、復路においてクロストークが発生する例を示した。例えば、パルス光源１とＯ／Ｅ変換器５との位置を入れ換え、光サーキュレータ１２０経路変更方向を反転させることにより、往路側でクロストークが発生するような構成であって、往路伝送ファイバ２から複数のセンサグループ１００に光を分岐する構成にしても同様の効果が得られる。

また、例えば前述した実施の形態４では、往路と復路の両方にＯＡＤＭ１４０を用いる例について示したが、これに限定するものではない。例えば、反射光を合波する復路側のＯＡＤＭ１４０−１２〜１４０−ｎ２の代わりに光カプラなど別の部品を用いて、光を合波し、復路伝送ファイバ３を通過させるようにすることもできる。

そして、前述した実施の形態３、４では、光の分岐（分波）手段、合波手段としてＯＡＤＭ１４０を用いる例を示したが、これに限定するものではない。例えばＡＷＧ（Array Waveguide Gratings：アレイ導波路グレーティング）等の手段を用いて光の波長成分を分割（分波）又は合波（結合）しても同様の効果が得られる。

１ パルス光源
２ 往路伝送ファイバ
３ 復路伝送ファイバ
４ 遅延補償器
４１ リファレンスファイバ
４２ 合分波器
４３ ミラー
５ Ｏ／Ｅ変換器
６ 位相復調器
１００ 光ファイバセンサアレイ
１１０、１１０−１〜１１０−ｎ センサグループ
１１１、１１１−１〜１１１−ｍ センシングファイバ
１１２、１１２−１１１〜１１２−ｎｍ２ ＦＢＧ
１２０、１２０−１〜１２０−ｎ 光サーキュレータ
１３０、１３０−１〜１３０−（ｎ−１）、１３０−１１、１３０−１２、１３０−２１ 光カプラ
１４０、１４０−１１〜１１２−ｎ２ ＯＡＤＭ

Claims (11)

1. 往路伝送ファイバを介して伝送したパルス光源の光を通過させ、また、検出対象となる物理量に基づいて伸縮する複数のセンシングファイバと、
   各センシングファイバの通過前後の光から任意の波長の光を反射する複数のＦＢＧと、
   前記センシングファイバ及び前記ＦＢＧをグループ分けして構成した複数のセンサグループ毎に設けられ、前記パルス光源側からの光を対応する前記センサグループの前記センシングファイバに通過させ、前記対応する前記センサグループ側からの前記ＦＢＧによる反射光を復路伝送ファイバ側に通過させる複数の経路変更手段と、
   各経路変更手段からの反射光を合波して前記復路伝送ファイバに通過させる複数の合波手段と
   を備えることを特徴とする光ファイバセンサアレイ。
2. すべての前記ＦＢＧにおける反射光が、前記復路伝送ファイバにいたるまでに通過するセンシングファイバの数が所定数以下となるように、各センサグループにおける前記センシングファイバの数を設定することを特徴とする請求項１記載の光ファイバセンサアレイ。
3. 前記クロストークの許容限界に基づいて、前記各センサグループにおける前記センシングファイバの前記所定数を決定することを特徴とする請求項２記載の光ファイバセンサアレイ。
4. 各経路変更手段からの反射光の合波回数が均等になるように、前記複数の合波手段を多段構成にすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光ファイバセンサアレイ。
5. 前記合波手段は、光カプラであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光ファイバセンサアレイ。
6. 前記合波手段は、ＯＡＤＭであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光ファイバセンサアレイ。
7. 前記経路変更手段は、光サーキュレータであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光ファイバセンサアレイ。
8. 前記往路光伝送ファイバを通過する光から一部の光を分岐させて各センサグループに通過させるための光分岐手段をさらに備えることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光ファイバセンサアレイ。
9. 前記光分岐手段は、ＯＡＤＭであることを特徴とする請求項８に記載の光ファイバセンサアレイ。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の光ファイバセンサアレイと、
    パルス光を発する光源と、
    前記光ファイバセンサアレイに前記光源からの光を伝送する伝送路となる１又は複数の往路伝送ファイバと、
    前記光ファイバセンサアレイからの反射光を伝送する伝送路となる１又は複数の復路伝送ファイバと、
    該復路伝送ファイバを通過した前記反射光に基づいて、各センシングファイバの伸縮に基づく位相を復調する位相復調器と
    を備えることを特徴とする光ファイバセンサアレイシステム。
11. 前記光源の前記パルス光の繰り返し周期を、各センサグループにおける光の往復時間よりも大きくすることを特徴とする請求項１０記載の光ファイバセンサアレイシステム。

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