JP5065187B2 - Optical fiber sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fiber optic sensor having measuring sensitivity higher than before and using guided acoustic-wave Brillouin scattering light. <P>SOLUTION: The fiber optic sensor includes: a light source for outputting testing light; at least one optical fiber for measurement; and a detection means. The at least one optical fiber is made of quartz glass, includes a core part and a cladding part having an outer diameter of 90 &mu;m or less formed in the outer circumference of the core part, receives the testing light at least at one end part, and outputs guided acoustic-wave Brillouin scattering light generated by the testing light from the other end part. The detection means receives the guided acoustic-wave Brillouin scattering light outputted from the optical fiber for measurement, measures the peak frequency of the guided acoustic-wave Brillouin scattering light on its frequency spectrum, and detects the ambient temperature of the optical fiber for measurement or stress on the optical fiber for measurement on the basis of a measured peak frequency. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、光ファイバを用いて温度や被測定物の歪みを測定する光ファイバセンサに関するものである。   The present invention relates to an optical fiber sensor that measures temperature and distortion of an object to be measured using an optical fiber.

従来より、光ファイバを用いて電気的な接触なく温度や被測定物の歪みを測定する光ファイバセンサが開示されている。光ファイバセンサの方式には様々なものがあるが、たとえば、光ファイバに試験光を入力し、光ファイバ中の熱エネルギーにより発生している縦波音響波と試験光の光波との相互作用によってブリユアン散乱光を発生させ、このブリユアン散乱光の周波数シフト量を測定する方式がある。なお、このようなブリユアン散乱光は、光の伝播方向に対して後方に散乱されるので、以下では後方ブリユアン散乱光と称する。後方ブリユアン散乱光の周波数シフト量は、光ファイバの温度や印加される応力に応じて変化する。したがって、周波数シフト量の測定によって、光ファイバの周囲温度や光ファイバが取り付けられた被測定物の歪みが測定できるのである。この後方ブリユアン散乱光の周波数シフト量を測定する方式は、通常伝送線路に用いられている光ファイバを用いて、長距離に渡って温度や歪の分布状態を測定できる利点がある(たとえば、特許文献1参照)。   Conventionally, there has been disclosed an optical fiber sensor that uses an optical fiber to measure temperature and distortion of an object to be measured without electrical contact. There are various types of optical fiber sensors. For example, when test light is input to the optical fiber, the interaction between the longitudinal acoustic wave generated by the thermal energy in the optical fiber and the light wave of the test light occurs. There is a method of generating Brillouin scattered light and measuring the frequency shift amount of the Brillouin scattered light. Note that such Brillouin scattered light is scattered backward with respect to the light propagation direction, and is hereinafter referred to as back Brillouin scattered light. The frequency shift amount of the backward Brillouin scattered light varies depending on the temperature of the optical fiber and the applied stress. Therefore, by measuring the frequency shift amount, it is possible to measure the ambient temperature of the optical fiber and the distortion of the measurement object to which the optical fiber is attached. This method of measuring the frequency shift amount of backward Brillouin scattered light has the advantage that the distribution state of temperature and strain can be measured over a long distance using an optical fiber normally used in transmission lines (for example, patents) Reference 1).

しかしながら、後方ブリユアン散乱光の周波数シフト量を測定する方式は、上記利点を有する反面、以下のような問題点がある。すなわち、
・後方散乱光を検出するため、OTDR装置(Optical Time Domain Reflectometer)を用いる構成が必要となる。その結果、装置構成が複雑である。
・通常の石英系ガラスからなる光ファイバの場合、後方ブリユアン散乱光の周波数シフト量は、10GHz前後である。したがって、この周波数シフト量を測定するためには、測定可能周波数帯域が10GHz以上の受光素子を必要とし、さらに対応する電気回路も同様の高周波回路が求められるため、測定装置が高価になってしまう。
However, the method of measuring the frequency shift amount of the back Brillouin scattered light has the following advantages, but has the following problems. That is,
In order to detect backscattered light, a configuration using an OTDR device (Optical Time Domain Reflectometer) is required. As a result, the apparatus configuration is complicated.
In the case of an optical fiber made of ordinary silica glass, the frequency shift amount of backward Brillouin scattered light is around 10 GHz. Therefore, in order to measure the frequency shift amount, a light receiving element having a measurable frequency band of 10 GHz or more is required, and a corresponding high frequency circuit is also required for the corresponding electric circuit. Therefore, the measuring apparatus becomes expensive. .

一方、光ファイバ中の熱エネルギーにより発生している横波音響波と光波との相互作用によって、散乱効率が10−10−1と非常に小さいブリユアン散乱光が発生する導波音響波型ブリユアン散乱(Guided Acoustic Wave Brillouin Scattering、GAWBS)という散乱現象が知られている(たとえば、非特許文献1〜3参照)。この導波音響波型ブリユアン散乱による散乱光(導波音響波型ブリユアン散乱光)は、試験光の伝播方向と同じ方向に進行するため、前方ブリユアン散乱光とも呼ばれている。 On the other hand, guided acoustic wave Brillouin scattering in which Brillouin scattered light having a very low scattering efficiency of 10 −10 m −1 is generated by the interaction between the transverse acoustic wave generated by the thermal energy in the optical fiber and the light wave. A scattering phenomenon called (Guided Acoustic Wave Brillouin Scattering, GAWBS) is known (for example, see Non-Patent Documents 1 to 3). The scattered light by the guided acoustic wave type Brillouin scattering (guided acoustic wave type Brillouin scattered light) travels in the same direction as the propagation direction of the test light, and is also referred to as forward Brillouin scattered light.

この導波音響波型ブリユアン散乱光は、横波音響波によって変調を受けたものであるが、この変調周波数は、光ファイバの温度や印加される応力に応じて変化するので、温度や歪みを測定する光ファイバセンサに応用できる(たとえは、非特許文献4、5参照)。また、導波音響波型ブリユアン散乱光を用いる方式は、後方ブリユアン散乱光を用いる方式と比較して、以下のような特徴を有する。すなわち、
・前方散乱光を検出するため、OTDR装置が不要である。その結果、装置構成が簡易になる。
・散乱光の変調周波数には、複数のピークが存在する。ピーク周波数は20〜800MHz付近に発生するため、受光素子の周波数帯域特性としては1GHz程度で十分である。したがって、測定装置がより安価になる。
This guided acoustic wave type Brillouin scattered light is modulated by a transverse acoustic wave, but the modulation frequency changes according to the temperature of the optical fiber and the applied stress, so the temperature and strain are measured. (See, for example, Non-Patent Documents 4 and 5). In addition, the method using guided acoustic wave type Brillouin scattered light has the following characteristics as compared with the method using backward Brillouin scattered light. That is,
-An OTDR device is not required to detect forward scattered light. As a result, the apparatus configuration is simplified.
A plurality of peaks exist in the modulation frequency of scattered light. Since the peak frequency occurs in the vicinity of 20 to 800 MHz, about 1 GHz is sufficient as the frequency band characteristics of the light receiving element. Therefore, the measuring device becomes cheaper.

特開2007−178346号公報JP 2007-178346 A 西澤、森、後藤、宮内 “定偏波ファイバにおけるGAWBSの特性” 信学技報LQE95−103(1995−11)Nishizawa, Mori, Goto, Miyauchi “Characteristics of GAWBS in Constant Polarization Fiber” IEICE Technical Report LQE95-103 (1995-11) K.Shiraki and M.Ohashi “Sound velocity measurement based on guided acoustic-wave brillouin scattering” IEEE Photn.Technol.Lett.Vol.4,pp.1177-1180,1992K. Shiraki and M. Ohashi “Sound velocity measurement based on guided acoustic-wave brillouin scattering” IEEE Photn. Technol. Lett. Vol. 4, pp. 1177-1180, 1992 A.Melloni, M.Martinelli and A.Fellegara “Frequency characterization of the nonlinear refractive index in optical Fiber” Fiber and Integrated Optics,18,pp1-13,1999A.Melloni, M.Martinelli and A.Fellegara “Frequency characterization of the nonlinear refractive index in optical fiber” Fiber and Integrated Optics, 18, pp1-13, 1999 田中、小楠 “GAWBSを利用した光ファイバ温度センサ” 電子情報通信学会総合大会 1997、C−3−142Tanaka, Komine “Optical fiber temperature sensor using GAWBS” IEICE General Conference 1997, C-3-142 田中、布川、小楠 “GAWBSを利用した光ファイバ引っ張り歪センサ” 電子情報通信学会エレクトロニクスソサエティ大会 1997、C−3−4Tanaka, Nunokawa, Kominato “Optical Fiber Tensile Strain Sensor Using GAWBS” The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers Electronics Society 1997, C-3-4

しかしながら、従来の導波音響波型ブリユアン散乱光を用いた光ファイバセンサは、導波音響波型ブリユアン散乱光の散乱効率が小さいために、測定感度が低いという問題があった。   However, the conventional optical fiber sensor using guided acoustic wave type Brillouin scattered light has a problem that measurement sensitivity is low because the scattering efficiency of guided acoustic wave type Brillouin scattered light is small.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、従来よりも測定感度が高い、導波音響波型ブリユアン散乱光を用いた光ファイバセンサを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide an optical fiber sensor using guided acoustic wave Brillouin scattered light having higher measurement sensitivity than conventional ones.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光ファイバセンサは、試験光を出力する光源と、石英系ガラスからなり、コア部と該コア部の外周に形成された外径が90μm以下のクラッド部とを有し、前記試験光を少なくとも一方の端部において受け付け、前記試験光によって発生する導波音響波型ブリユアン散乱光を他方の端部から出力する少なくとも1つの測定用光ファイバと、前記測定用光ファイバから出力する前記導波音響波型ブリユアン散乱光を受け付け、該導波音響波型ブリユアン散乱光の周波数スペクトル上のピーク周波数を測定し、該測定したピーク周波数に基づいて前記測定用光ファイバの周囲温度または該測定用光ファイバにかかる応力を検出する検出手段と、を備えたことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, an optical fiber sensor according to the present invention includes a light source that outputs test light and quartz glass, and an outer portion formed on a core portion and an outer periphery of the core portion. At least one measurement having a clad portion having a diameter of 90 μm or less, receiving the test light at at least one end, and outputting guided acoustic wave Brillouin scattered light generated by the test light from the other end Receiving the guided acoustic wave type Brillouin scattered light output from the optical fiber for measurement, and measuring the peak frequency on the frequency spectrum of the guided acoustic wave type Brillouin scattered light, and measuring the measured peak frequency And detecting means for detecting the ambient temperature of the measuring optical fiber or the stress applied to the measuring optical fiber based on the above.

また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、前記測定用光ファイバは、前記コア部の前記クラッド部に対する比屈折率差の最大値が1.0%以上であることを特徴とする。   The optical fiber sensor according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the measurement optical fiber has a maximum value of a relative refractive index difference of the core portion relative to the cladding portion of 1.0% or more. .

また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、複数の測定用光ファイバを備え、該複数の測定用光ファイバは、互いに異なるピーク周波数を有する導波音響波型ブリユアン散乱光を発生するとともに、該複数の測定用光ファイバよりもクラッド径の大きい接続用光ファイバを介して接続していることを特徴とする。   The optical fiber sensor according to the present invention includes a plurality of measurement optical fibers in the above invention, and the plurality of measurement optical fibers generate guided acoustic wave Brillouin scattered light having different peak frequencies. At the same time, the connection is made via a connection optical fiber having a clad diameter larger than that of the plurality of measurement optical fibers.

また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、前記複数の測定用光ファイバは、前記クラッド部の外径が互いに異なることを特徴とする。   The optical fiber sensor according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the plurality of measurement optical fibers have different outer diameters of the clad portion.

また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、前記複数の測定用光ファイバは、前記コア部の前記クラッド部に対する比屈折率差の最大値が互いに異なることを特徴とする。   In the optical fiber sensor according to the present invention as set forth in the invention described above, the plurality of measurement optical fibers have different maximum relative refractive index differences between the core portion and the clad portion.

また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、前記測定用光ファイバを巻回した状態で表面に保持する板状部材をさらに備えたことを特徴とする。   The optical fiber sensor according to the present invention is characterized in that, in the above-mentioned invention, the optical fiber sensor further comprises a plate-like member held on the surface in a state in which the measurement optical fiber is wound.

また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、前記板状部材は可撓性を有することを特徴とする。   The optical fiber sensor according to the present invention is characterized in that, in the above invention, the plate member has flexibility.

また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記発明において、前記測定用光ファイバは、偏波保持型光ファイバであることを特徴とする。   In the optical fiber sensor according to the present invention as set forth in the invention described above, the measurement optical fiber is a polarization maintaining optical fiber.

本発明によれば、従来よりも測定感度が高い、導波音響波型ブリユアン散乱光を用いた光ファイバセンサを実現できるという効果を奏する。   According to the present invention, there is an effect that it is possible to realize an optical fiber sensor using guided acoustic wave Brillouin scattered light having higher measurement sensitivity than conventional ones.

以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバセンサの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の図面において、同一または対応する要素には適宜同一符号を付している。また、適宜に導波音響波型ブリユアン散乱をGAWBSと略記する。   Hereinafter, embodiments of an optical fiber sensor according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. Moreover, in the following drawings, the same code | symbol is attached | subjected suitably to the same or corresponding element. Further, guided acoustic wave type Brillouin scattering is abbreviated as GAWBS as appropriate.

(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。図1に示すように、この光ファイバセンサ100は、光源装置1と、光源装置1に接続した測定用光ファイバ2と、測定用光ファイバ2に接続した検出装置3とを備える。なお、測定用光ファイバ2は、温度を測定したい場所に置かれたり、温度または歪みを測定したい被測定物に取り付けられたりする。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an optical fiber sensor according to Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the optical fiber sensor 100 includes a light source device 1, a measurement optical fiber 2 connected to the light source device 1, and a detection device 3 connected to the measurement optical fiber 2. Note that the measurement optical fiber 2 is placed at a place where the temperature is to be measured, or attached to an object to be measured whose temperature or strain is to be measured.

光源装置1は、たとえば分布帰還型の半導体レーザダイオードを備えており、試験光として連続光であるレーザ光を出力する。このレーザ光の波長はたとえば光ファイバ通信用に使用される1500〜1600nmであるが、石英ガラス系光ファイバを過度の損失なく伝播する波長であれば特に限定されない。   The light source device 1 includes, for example, a distributed feedback type semiconductor laser diode, and outputs laser light that is continuous light as test light. The wavelength of the laser light is, for example, 1500 to 1600 nm used for optical fiber communication, but is not particularly limited as long as the wavelength propagates through the silica glass optical fiber without excessive loss.

図2は、図1に示す測定用光ファイバ2の模式的な断面および対応する屈折率プロファイルを示した図である。図2に示すように、この測定用光ファイバ2は、中心コア部211と、中心コア部211の外周に形成された外側コア部212と、外側コア部212の外周に形成されたクラッド部213とからなるガラス部21と、クラッド部213の外周に形成された樹脂被覆部22とを有する。   FIG. 2 is a diagram showing a schematic cross section of the measurement optical fiber 2 shown in FIG. 1 and a corresponding refractive index profile. As shown in FIG. 2, the measurement optical fiber 2 includes a central core portion 211, an outer core portion 212 formed on the outer periphery of the central core portion 211, and a cladding portion 213 formed on the outer periphery of the outer core portion 212. And a resin coating portion 22 formed on the outer periphery of the clad portion 213.

ガラス部21は石英系ガラスからなり、中心コア部211にはゲルマニウム(Ge)が添加されており、外側コア部212にはフッ素(F)が添加されている。また、クラッド部213は屈折率調整用のドーパントを含まない純石英ガラスからなる。その結果、この測定用光ファイバ2は、ガラス部21において、プロファイルPのような形状の屈折率プロファイルを有している。また、中心コア部211のクラッド部213に対する比屈折率差の最大値はΔ1であり、外側コア部212のクラッド部213に対する比屈折率差はΔ2である。また、クラッド部213の外径すなわちクラッド径は90μm以下である。   The glass portion 21 is made of quartz glass, germanium (Ge) is added to the central core portion 211, and fluorine (F) is added to the outer core portion 212. The clad 213 is made of pure quartz glass that does not contain a refractive index adjusting dopant. As a result, the optical fiber for measurement 2 has a refractive index profile shaped like the profile P in the glass portion 21. Further, the maximum value of the relative refractive index difference with respect to the clad portion 213 of the central core portion 211 is Δ1, and the relative refractive index difference with respect to the clad portion 213 of the outer core portion 212 is Δ2. The outer diameter of the cladding part 213, that is, the cladding diameter is 90 μm or less.

図3は、図2に示す測定用光ファイバ2の特性の一例を示した図である。なお、図3において、「外径」とは樹脂被覆部22の外径を意味し、「MFD」はモードフィールド径を意味する。図3に示すように、この測定用光ファイバ2は、たとえばクラッド径60μmであり、外径が125μmである。また、Δ1、Δ2は、それぞれ2.0%、−0.6%である。   FIG. 3 is a diagram showing an example of characteristics of the measurement optical fiber 2 shown in FIG. In FIG. 3, “outer diameter” means the outer diameter of the resin coating portion 22, and “MFD” means the mode field diameter. As shown in FIG. 3, the measurement optical fiber 2 has, for example, a cladding diameter of 60 μm and an outer diameter of 125 μm. Δ1 and Δ2 are 2.0% and −0.6%, respectively.

図4は、図1に示す検出装置3の構成を示したブロック図である。図4に示すように、この検出装置3は、偏光子31と、受光素子としてのフォトダイオード(PD)32と、電気信号増幅器33と、スペクトラムアナライザ34と、制御表示器35とが順次接続した構成を有する。なお、図4において、各構成要素を接続する線については、実線のものはレンズや光ファイバ等を適宜用いた光学的接続を意味し、破線のものは電気的接続を意味している。   FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the detection device 3 shown in FIG. As shown in FIG. 4, in this detection device 3, a polarizer 31, a photodiode (PD) 32 as a light receiving element, an electric signal amplifier 33, a spectrum analyzer 34, and a control display 35 are sequentially connected. It has a configuration. In FIG. 4, as for the lines connecting the components, the solid line means optical connection using a lens, an optical fiber or the like as appropriate, and the broken line means electrical connection.

つぎに、この光ファイバセンサ100の動作について説明する。光源装置1から試験光が出力されると、測定用光ファイバ2はこの試験光を一方の端部において受け付け、試験光は測定用光ファイバ2中を伝播する。   Next, the operation of the optical fiber sensor 100 will be described. When test light is output from the light source device 1, the measurement optical fiber 2 receives the test light at one end, and the test light propagates through the measurement optical fiber 2.

ここで、測定用光ファイバ2のガラス部21には、その熱エネルギーによって横波音響波が発生している。図5は、図2に示す測定用光ファイバ2のガラス部21に発生している横波音響波の振動方向を矢印で示した図である。図5に示すように、横波音響波には、mを次数を表す整数として、所定の共振周波数で中心対称的に振動するR0mモード(radial mode)と、或る直交するx−y軸の方向において一方は膨張、他方は圧縮するように所定の共振周波数で振動するTR2mモード(torsional/radial mode)と呼ばれる2つのモードが存在する。R0mモードはガラス部21の屈折率を変調するので位相変調を誘起する。このためR0mモードに起因するGAWBSはポラライズドGAWBSと呼ばれる。したがって、ポラライズドGAWBSによって発生したポラライズドGAWBS光は、所定の共振周波数で位相変調されたものとなる。一方、TR2mモードはガラス部21内に複屈折を誘起するため、主に偏波変調を誘起する。このためTR2mモードに起因するGAWBSはデポラライズドGAWBSと呼ばれる。したがって、デポラライズドGAWBSによって発生したデポラライズドGAWBS光は、所定の共振周波数で偏波変調されたものとなる。 Here, a transverse acoustic wave is generated in the glass portion 21 of the measurement optical fiber 2 by the thermal energy. FIG. 5 is a diagram showing the vibration direction of the transverse acoustic wave generated in the glass portion 21 of the measurement optical fiber 2 shown in FIG. 2 by arrows. As shown in FIG. 5, the transverse acoustic wave includes an R 0m mode (radial mode) that vibrates centrally at a predetermined resonance frequency and m of an orthogonal xy axis, where m is an integer representing an order. There are two modes called TR 2m mode (torsional / radial mode) that vibrate at a predetermined resonance frequency so that one expands and the other compresses in the direction. Since the R 0m mode modulates the refractive index of the glass portion 21, phase modulation is induced. For this reason, the GAWBS resulting from the R 0m mode is called a polarized GAWBS. Therefore, the polarized GAWBS light generated by the polarized GAWBS is phase-modulated at a predetermined resonance frequency. On the other hand, since the TR 2m mode induces birefringence in the glass portion 21, it mainly induces polarization modulation. For this reason, GAWBS resulting from the TR 2m mode is called depolarized GAWBS. Therefore, the depolarized GAWBS light generated by the depolarized GAWBS is polarization-modulated at a predetermined resonance frequency.

このように、測定用光ファイバ2中では、各モードの横波音響波と試験光の光波との相互作用によって所定の共振周波数と同じ変調周波数を有するポラライズドGAWBS光とデポラライズドGAWBS光が発生する。発生した各GAWBS光は、試験光と同一の方向に伝播し、測定用光ファイバ2の他方の端部から出力する。   In this manner, in the measurement optical fiber 2, polarized GAWBS light and depolarized GAWBS light having the same modulation frequency as a predetermined resonance frequency are generated by the interaction between the transverse acoustic wave of each mode and the light wave of the test light. Each generated GAWBS light propagates in the same direction as the test light and is output from the other end of the measurement optical fiber 2.

つぎに、検出装置3は、測定用光ファイバ2から出力した各GAWBS光を受け付ける。検出装置3において、各GAWBS光は偏光子31、PD32に順次入力し、PD32によって電気信号に変換される。変換された電気信号は、電気信号増幅器33によって増幅され、スペクトラムアナライザ34に入力する。ここで、GAWBS光のうち、デポラライズドGAWBS光については、偏光子31を透過することによって、その偏波変調が強度変調に変換される。その結果、スペクトラムアナライザ34においては、強度変調されたデポラライズドGAWBS光の変調周波数が、モードの次数に応じた複数のピークとして検出される。なお、偏光子31の透過偏光方向については、偏光子31を透過するデポラライズドGAWBS光の強度が最大になるように適宜調整する。つぎに、制御表示器35は、スペクトラムアナライザ34が検出したピーク周波数のうち所定の1つのピーク周波数に基づいて、測定用光ファイバ2の周囲温度、あるいは被測定物の歪み等を検出する。なお、この制御表示器35の検出は、予め測定されたピーク周波数と温度または応力との関係式に基づいた演算処理によって行なわれる。また、制御表示器35内部のメモリに記憶されたピーク周波数と温度または応力との対応テーブルに基づいて行なってもよい。制御表示器35はたとえばパーソナルコンピュータによって実現される。   Next, the detection device 3 receives each GAWBS light output from the measurement optical fiber 2. In the detection device 3, each GAWBS light is sequentially input to the polarizer 31 and the PD 32, and is converted into an electric signal by the PD 32. The converted electrical signal is amplified by the electrical signal amplifier 33 and input to the spectrum analyzer 34. Here, of the GAWBS light, the depolarized GAWBS light is transmitted through the polarizer 31, and the polarization modulation is converted into intensity modulation. As a result, in the spectrum analyzer 34, the modulation frequency of the intensity-modulated depolarized GAWBS light is detected as a plurality of peaks according to the order of the mode. The transmission polarization direction of the polarizer 31 is appropriately adjusted so that the intensity of the depolarized GAWBS light transmitted through the polarizer 31 is maximized. Next, the control indicator 35 detects the ambient temperature of the measurement optical fiber 2 or the distortion of the object under measurement based on a predetermined one of the peak frequencies detected by the spectrum analyzer 34. The detection of the control indicator 35 is performed by calculation processing based on a relational expression between a peak frequency measured in advance and temperature or stress. Further, it may be performed based on a correspondence table of peak frequency and temperature or stress stored in the memory inside the control display 35. The control indicator 35 is realized by a personal computer, for example.

ここで、本実施の形態1においては、測定用光ファイバ2のクラッド径が90μm以下なので、デポラライズドGAWBS光の変調周波数のピーク強度が従来のものよりも強くなる。その結果、この光ファイバセンサ100は、測定感度が従来よりも高いものとなる。以下、具体的に説明する。   Here, in the first embodiment, since the cladding diameter of the measurement optical fiber 2 is 90 μm or less, the peak intensity of the modulation frequency of the depolarized GAWBS light is stronger than that of the conventional one. As a result, this optical fiber sensor 100 has higher measurement sensitivity than before. This will be specifically described below.

上述したように、従来のGAWBS光を用いた光ファイバセンサは、GAWBS光の散乱効率が小さいために、測定感度が低いという問題があった。そこで、本発明者らは、測定感度を向上させるべく、各GAWBSの共振周波数と光ファイバの特性との関係について精査した。   As described above, the conventional optical fiber sensor using the GAWBS light has a problem that the measurement sensitivity is low because the scattering efficiency of the GAWBS light is small. Therefore, the present inventors have examined the relationship between the resonance frequency of each GAWBS and the characteristics of the optical fiber in order to improve the measurement sensitivity.

(デポラライズドGAWBSの共振周波数の関係式)
はじめに、光波HE11モードとTR2mモードとから発生するデポラライズドGAWBSの共振周波数を考える。TR2mモードによる共振周波数fTmは、非特許文献2によれば、音響波の横波速度をV、固有値をy、光ファイバのクラッド径をdとして、以下の式(1)で表される。
(Relational expression of resonance frequency of depolarized GAWBS)
First, consider the resonant frequency of the depolarized GAWBS generated from the light wave HE 11 mode and the TR 2m mode. According to Non-Patent Document 2, the resonance frequency f Tm in the TR 2m mode is expressed by the following formula (1), where V S is the acoustic wave velocity, y m is the eigenvalue, and d is the cladding diameter of the optical fiber. The

Figure 0005065187
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なお、固有値yは、TR2mモードにおける光ファイバのクラッド部表面での境界条件から、音響波の横波速度Vと縦波速度Vとの比、すなわちV/Vをαとし、2次、3次のベッセル関数をJ、Jとして、以下の式(2)を用いて求められる。 Note that the eigenvalues y m is from the boundary conditions at the cladding portion surface of the optical fiber in the TR 2m mode, the ratio between the shear wave velocity V S and the longitudinal wave velocity V L of the acoustic wave, i.e., the V S / V L alpha, The second-order and third-order Bessel functions are determined as J 2 and J 3 using the following equation (2).

Figure 0005065187
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(ポラライズドGAWBSの共振周波数の関係式)
つぎに、光波HE11モードとR0mモードとから発生するポラライズドGAWBSの共振周波数を考える。R0mモードによる共振周波数fRmは、非特許文献3によれば、固有値をμとして、以下の式(3)で表される。
(Relational expression of the resonance frequency of Polarized GAWBS)
Next, the resonance frequency of the polarized GAWBS generated from the light wave HE 11 mode and the R 0m mode will be considered. According to Non Patent Literature 3, the resonance frequency f Rm in the R 0m mode is expressed by the following equation (3), where the eigenvalue is μ m .

Figure 0005065187
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なお、固有値μは、光ファイバのクラッド部と樹脂被覆部との境界条件を無視すると、0次のベッセル関数をJとして、以下の式(4)を用いて求められる。 Note that the eigenvalues mu m, when ignoring the boundary conditions of the cladding portion of the optical fiber and the resin-coated portion, the 0-order Bessel function as J 0, determined using the following equation (4).

Figure 0005065187
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式(1)及び式(3)から、二種類の光ファイバにおいて、同じモード次数に対して異なる周波数fが発生するには、a)クラッド直径dが異なる、b)VまたはVが異なる、の二つの条件が考えられる。 From Equations (1) and (3), in two types of optical fibers, in order to generate different frequencies f for the same mode order, a) different cladding diameters d, b) different V S or V L The following two conditions can be considered.

また、音響波速度V及びVと添加されるGeの濃度との関係について、Geの濃度をw(質量%)とすると、次の式(5)、(6)が成立する。 Further, regarding the relationship between the acoustic wave velocities V S and V L and the concentration of Ge to be added, when the Ge concentration is w g (mass%), the following equations (5) and (6) are established.

=5944(1−7.2×10−3) ・・・ (5)
=3749(1−6.4×10−3) ・・・ (6)
V L = 5944 (1-7.2 × 10 −3 w g ) (5)
V S = 3749 (1-6.4 × 10 −3 w g ) (6)

(なお、上記式(5)、(6)は、”Simulating and Designing Brillouin Gain Spectrum In Single-Mode Fibers” Y.Koyamada, S.Sato, S.Nakamura, H.Sotobayashi and W.Chujo, Journal of Lightwave Technology Vol.22 No.2 2004を参照)。式(1)及び式(3)で表されるGAWBSは光ファイバの径方向での進行波であるので、音響波は光ファイバのコア部及びクラッド部の両者を伝搬する。そのためここで考える音響波速度V及びVは、光ファイバのコア部及びクラッド部の両方における音響波速度である。クラッド部には基本的にはGeは添加しないが、コアのGe濃度が変化すればV及びVが変化するため、結果的にGAWBSピーク周波数が変化することになる。すなわち、式(1)、(3)、(5)、および(6)から明らかなように、ピーク周波数は、はクラッド径および光ファイバの組成に応じて変化する。 (Note that the above equations (5) and (6) are "Simulating and Designing Brillouin Gain Spectrum In Single-Mode Fibers" Y. Koyamada, S. Sato, S. Nakamura, H. Sotobayashi and W. Chujo, Journal of Lightwave. Technology Vol.22 No.2 2004). Since GAWBS represented by the equations (1) and (3) is a traveling wave in the radial direction of the optical fiber, the acoustic wave propagates through both the core portion and the cladding portion of the optical fiber. Therefore, the acoustic wave velocities V S and V L considered here are the acoustic wave velocities in both the core part and the clad part of the optical fiber. Is basically the cladding portion Ge is not added, because the V S and V L change would Ge concentration of the core is changed, it will change the results in GAWBS peak frequency. That is, as is clear from the equations (1), (3), (5), and (6), the peak frequency varies depending on the cladding diameter and the composition of the optical fiber.

通常の石英ガラス系光ファイバの場合、温度20℃においてV=3740m/s、V=5910m/sである。すると、たとえばポラライズドGAWBSの1次の共振周波数は29.85MHzとなり、他の高次の共振周波数は、V/(πd)≒48MHz間隔で発生する。また、音響波の速度は光ファイバの温度または印加される応力に応じて変化する。 In the case of a normal quartz glass-based optical fiber, V S = 3740 m / s and V L = 5910 m / s at a temperature of 20 ° C. Then, for example, the primary resonance frequency of the polarized GAWBS is 29.85 MHz, and other high-order resonance frequencies are generated at intervals of V L / (πd) ≈48 MHz. Further, the velocity of the acoustic wave varies depending on the temperature of the optical fiber or the applied stress.

このようにデポラライズドGAWBS、ポラライズドGAWBSのいずれにおいても共振周波数のピークは周期的な周波数間隔で発生する。また、発生する周波数帯域の上限は上述したように800MHz程度であり、更なる高周波帯域ではピーク強度が減衰することが知られている。   As described above, in both the depolarized GAWBS and the polarized GAWBS, the resonance frequency peaks occur at periodic frequency intervals. The upper limit of the generated frequency band is about 800 MHz as described above, and it is known that the peak intensity is attenuated in a further high frequency band.

ここで、光ファイバセンサ100においては、測定用光ファイバ2のクラッド径を、従来の測定用光ファイバのクラッド径である125μmよりも小さい90μm以下としている。その結果、測定用光ファイバ2については、式(1)及び(3)からも明らかなように、従来よりも共振周波数の間隔が広がる。その結果、上限である800MHzまでに含まれる共振周波数の数が減少するため、1つのモードあたりの振幅強度は強くなり、300MHz程度までの周波数領域に存在するモードについては特に強くなる。その結果、スペクトルアナライザ34が検出する周波数ピークの1本あたりの強度も強くなるため、ピークの検出精度が向上するため、この光ファイバセンサ100は、測定感度が従来よりも高いものとなる。   Here, in the optical fiber sensor 100, the cladding diameter of the measurement optical fiber 2 is 90 μm or less, which is smaller than 125 μm, which is the cladding diameter of the conventional measurement optical fiber. As a result, as is clear from the equations (1) and (3), the resonance frequency interval of the measurement optical fiber 2 is wider than in the conventional case. As a result, the number of resonance frequencies included up to the upper limit of 800 MHz decreases, so that the amplitude intensity per mode becomes strong, and the mode existing in the frequency region up to about 300 MHz becomes particularly strong. As a result, since the intensity per frequency peak detected by the spectrum analyzer 34 is also increased, the peak detection accuracy is improved, so that the optical fiber sensor 100 has higher measurement sensitivity than before.

なお、図6は、測定用光ファイバ2として図3に示す特性を有するものを用いた場合の、スペクトラムアナライザ34において測定される周波数スペクトルを示した図である。図6において、横軸は周波数を示し、縦軸はベース雑音のレベルを0dBとした相対強度を示している。図6に示すように、スペクトラムアナライザ34においては、TR2mモードによる共振周波数fTmに対応する複数の変調周波数のピークが観測されるが、その上限は800MHz程度となっている。 FIG. 6 is a diagram showing a frequency spectrum measured by the spectrum analyzer 34 when the measurement optical fiber 2 having the characteristics shown in FIG. 3 is used. In FIG. 6, the horizontal axis indicates the frequency, and the vertical axis indicates the relative intensity when the base noise level is 0 dB. As shown in FIG. 6, in the spectrum analyzer 34, peaks of a plurality of modulation frequencies corresponding to the resonance frequency fTm in the TR 2m mode are observed, and the upper limit is about 800 MHz.

つぎに、図7は、図6において周波数が223MHzであるピークP1と周波数が660MHzであるピークP2とについて、測定用光ファイバ2の周囲の温度と各ピークの周波数との関係について示した図である。なお、図7において、「○」、「●」はそれぞれピークP1、P2についての実測値を示しており、線L1、L2はそれぞれピークP1、P2についての実測値の近似直線を示している。温度をT(℃)、ピークの周波数をf(MHz)とすると、線L1はf=222.83+0.01048Tで表され、線L2はf=658.01+0.05462Tで表される。したがって、制御表示器35は、たとえばスペクトラムアナライザ34が検出したピーク周波数のうちピークP1の周波数から、線L1を表す上記関係式を用いて温度を算出できる。   Next, FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the temperature around the measurement optical fiber 2 and the frequency of each peak for the peak P1 having a frequency of 223 MHz and the peak P2 having a frequency of 660 MHz in FIG. is there. In FIG. 7, “◯” and “●” indicate measured values for the peaks P1 and P2, respectively, and lines L1 and L2 indicate approximate straight lines of the measured values for the peaks P1 and P2, respectively. When the temperature is T (° C.) and the peak frequency is f (MHz), the line L1 is represented by f = 222.83 + 0.01048T, and the line L2 is represented by f = 658.01 + 0.05462T. Therefore, the control indicator 35 can calculate the temperature using the above relational expression representing the line L1 from the frequency of the peak P1 among the peak frequencies detected by the spectrum analyzer 34, for example.

以上説明したように、本実施の形態1に係る光ファイバセンサ100は、検出されるデポラライズドGAWBS光の変調周波数のピーク強度が強くなるため、測定感度が従来よりも高いものとなる。   As described above, the optical fiber sensor 100 according to the first embodiment has a higher measurement sensitivity than the prior art because the peak intensity of the modulation frequency of the detected depolarized GAWBS light is increased.

(実施の形態2)
つぎに、本発明の実施の形態2について説明する。本実施の形態2に係る光ファイバセンサは、複数の測定用光ファイバを備えるものである。
(Embodiment 2)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The optical fiber sensor according to the second embodiment includes a plurality of measurement optical fibers.

図8は、本実施の形態2に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。図8に示すように、この光ファイバセンサ200は、図1に示すものと同様の光源装置1及び検出装置3と、2つの測定用光ファイバ2a、2bとを備えている。また、光源装置1と測定用光ファイバ2aとは、接続用光ファイバ4aを介して接続部5aにおいて接続している。同様に、測定用光ファイバ2a、2bと接続用光ファイバ4bとは、それぞれ接続部5b、接続部5cにおいて接続している。すなわち、測定用光ファイバ2aと測定用光ファイバ2bとは、接続用光ファイバ4bを介して接続している。また、検出装置3と測定用光ファイバ2bとは、接続用光ファイバ4cを介して接続部5dにおいて接続している。なお、接続部5a〜5dは、たとえば光コネクタ接続部や融着接続部などである。   FIG. 8 is a block diagram showing the configuration of the optical fiber sensor according to the second embodiment. As shown in FIG. 8, the optical fiber sensor 200 includes a light source device 1 and a detection device 3 similar to those shown in FIG. 1, and two measurement optical fibers 2a and 2b. The light source device 1 and the measurement optical fiber 2a are connected to each other at the connection portion 5a via the connection optical fiber 4a. Similarly, the measurement optical fibers 2a and 2b and the connection optical fiber 4b are connected at a connection portion 5b and a connection portion 5c, respectively. That is, the measurement optical fiber 2a and the measurement optical fiber 2b are connected via the connection optical fiber 4b. The detection device 3 and the measurement optical fiber 2b are connected to each other at the connection portion 5d via the connection optical fiber 4c. The connection parts 5a to 5d are, for example, an optical connector connection part, a fusion connection part, or the like.

この光ファイバセンサ200においては、光源装置1から出力した試験光は、接続用光ファイバ4a、測定用光ファイバ2a、接続用光ファイバ4b、測定用光ファイバ2b、接続用光ファイバ4cを順次伝播する。そして、各光ファイバにおいて、デポラライズドGAWBS光が発生し、検出装置3に入力する。   In this optical fiber sensor 200, the test light output from the light source device 1 propagates sequentially through the connection optical fiber 4a, the measurement optical fiber 2a, the connection optical fiber 4b, the measurement optical fiber 2b, and the connection optical fiber 4c. To do. In each optical fiber, depolarized GAWBS light is generated and input to the detection device 3.

ここで、測定用光ファイバ2aと測定用光ファイバ2bとは、図2に示す測定用光ファイバ2と同様の構造および屈折率プロファイルを有し、いずれもクラッド径が90μm以下である。したがって、デポラライズドGAWBS光の変調周波数のピーク強度が強くなるため、測定感度が従来よりも高いものとなる。さらに、測定用光ファイバ2aと測定用光ファイバ2bとは、クラッド径が互いに異なっている。したがって、式(1)に示すように、測定用光ファイバ2aと測定用光ファイバ2bとでは、TR2mモードによる共振周波数fTmは、同一の次数、すなわちmが同じであっても互いに異なる。その結果、光源装置1が出力する試験光によって、各測定用光ファイバ2a、2bにおいて発生するデポラライズドGAWBS光のピーク周波数は、同一の次数のものであっても重ならない。したがって、たとえば各測定用光ファイバ2a、2bを異なる被測定物に取り付け、各測定用光ファイバ2a、2bにおいて発生するデポラライズドGAWBS光のピーク周波数のそれぞれを測定することによって、簡易な構成でありながら、2つの被測定物の温度や歪みを同時に高感度で測定することができる。 Here, the measurement optical fiber 2a and the measurement optical fiber 2b have the same structure and refractive index profile as the measurement optical fiber 2 shown in FIG. 2, and both have a cladding diameter of 90 μm or less. Therefore, since the peak intensity of the modulation frequency of the depolarized GAWBS light is increased, the measurement sensitivity is higher than the conventional one. Further, the measurement optical fiber 2a and the measurement optical fiber 2b have different clad diameters. Therefore, as shown in the equation (1), in the measurement optical fiber 2a and the measurement optical fiber 2b, the resonance frequencies f Tm in the TR 2m mode are different from each other even if they have the same order, that is, m. As a result, the peak frequencies of the depolarized GAWBS light generated in the measurement optical fibers 2a and 2b by the test light output from the light source device 1 do not overlap even if they have the same order. Therefore, for example, each measurement optical fiber 2a, 2b is attached to a different object to be measured, and each of the peak frequencies of the depolarized GAWBS light generated in each measurement optical fiber 2a, 2b is measured. The temperature and strain of two objects to be measured can be simultaneously measured with high sensitivity.

なお、接続用光ファイバ4a〜4cについては、測定用光ファイバ2a、2bよりもクラッド径の大きい光ファイバを用いている。その結果、接続用光ファイバ4a〜4cにおいて発生するデポラライズドGAWBS光は、そのピーク周波数が測定用光ファイバ2a、2bのものと重ならないとともに、ピーク強度が測定用光ファイバ2a、2bのものよりも小さくなるので、温度測定に悪影響を及ぼさない。なお、接続用光ファイバ4a〜4cとしては、たとえばITU−T(国際電気通信連合)G.652で定義するクラッド径が125μmでありコア部のクラッド部に対する比屈折率差が約0.3%である標準のシングルモード光ファイバ(SMF)を用いることができる。   As the connection optical fibers 4a to 4c, optical fibers having a cladding diameter larger than that of the measurement optical fibers 2a and 2b are used. As a result, the depolarized GAWBS light generated in the connection optical fibers 4a to 4c has a peak frequency that does not overlap with that of the measurement optical fibers 2a and 2b, and has a peak intensity higher than that of the measurement optical fibers 2a and 2b. Since it becomes smaller, it does not adversely affect the temperature measurement. As the connection optical fibers 4a to 4c, for example, ITU-T (International Telecommunication Union) G.I. A standard single mode optical fiber (SMF) having a clad diameter defined by 652 of 125 μm and a relative refractive index difference of about 0.3% with respect to the clad portion of the core portion can be used.

図9は、図8に示す測定用光ファイバ2a、2bの特性の一例を示した図である。また、図10は、図9に示す特性を有する測定用光ファイバ2a、2bを用いた場合の、スペクトラムアナライザ34において測定される周波数スペクトルを示した図である。図10において、横軸は周波数を示し、縦軸はベース雑音のレベルを0dBとした相対強度を示している。また、ピークP3は測定用光ファイバ2aによる1次の変調周波数のピークであり、ピークP4は測定用光ファイバ2bによる1次の変調周波数のピークである。図9、10に示すように、測定用光ファイバ2a、2bでは、クラッド径が互いに異なるので、ピークP3、P4は互いに異なっている。また、クラッド径がより小さい測定用光ファイバ2aのピークP3の方が、ピークP4よりも周波数が高くなっている。   FIG. 9 is a diagram showing an example of characteristics of the measurement optical fibers 2a and 2b shown in FIG. FIG. 10 is a diagram showing a frequency spectrum measured by the spectrum analyzer 34 when the measurement optical fibers 2a and 2b having the characteristics shown in FIG. 9 are used. In FIG. 10, the horizontal axis indicates the frequency, and the vertical axis indicates the relative intensity when the base noise level is 0 dB. The peak P3 is the peak of the primary modulation frequency due to the measurement optical fiber 2a, and the peak P4 is the peak of the primary modulation frequency due to the measurement optical fiber 2b. As shown in FIGS. 9 and 10, in the measurement optical fibers 2a and 2b, since the clad diameters are different from each other, the peaks P3 and P4 are different from each other. Moreover, the peak P3 of the measurement optical fiber 2a having a smaller cladding diameter has a higher frequency than the peak P4.

また、上記最大屈折率差が、従来用いられていた標準のSMFの0.3%よりも十分に大きい1%以上となるようにGeを添加すれば、光ファイバの曲げ径を小さくしてコンパクトに収容した場合でもコア部への光の閉じ込めを高くすることができ、効果的である。たとえばΔ1が1%以上であれば、現行で定められている曲げに対する損失増加の小さな光ファイバの規格(ITU−T G.657.B 半径R=15mmにおいて、波長1550nmで0.03dB/10ターン以下)を十分満たすことができる。
また、全長50mのΔ1が2.8%、カットオフ波長が1400nmの光ファイバを半径R=15mmのファイバシートに布線した場合(約500ターン)の波長1550nmにおける伝送損失の増加は0.08dBであった。これは前述した規格ITU−T G.657.Bと比較しても更に曲げ損失が小さく、コンパクトな収納が可能であることを示している。なお、上記では、光ファイバを所定の半径で1周巻回した状態を1ターンとしている。また、ファイバシートとは、光ファイバを所定のターンだけ巻回して厚さの薄いシート状にしたものである。
In addition, if Ge is added so that the maximum refractive index difference is 1% or more, which is sufficiently larger than 0.3% of the standard SMF conventionally used, the bending diameter of the optical fiber can be reduced and compact. Even when housed in the housing, light confinement in the core can be increased, which is effective. For example, if Δ1 is 1% or more, an optical fiber standard (ITU-T G.657.B, radius R = 15 mm, 0.03 dB / 10 turns at a wavelength of 1550 nm, which has a small increase in loss with respect to bending as currently defined. The following can be fully satisfied.
In addition, when an optical fiber having a total length of 50 m of 2.8% and a cutoff wavelength of 1400 nm is wired on a fiber sheet having a radius R = 15 mm (about 500 turns), the increase in transmission loss at a wavelength of 1550 nm is 0.08 dB. Met. This is the standard ITU-T G. 657. Even when compared with B, the bending loss is smaller, indicating that compact storage is possible. In the above, one turn is a state where the optical fiber is wound once with a predetermined radius. The fiber sheet is a thin sheet formed by winding an optical fiber for a predetermined turn.

(実施の形態3)
つぎに、本発明の実施の形態3について説明する。本実施の形態3に係る光ファイバセンサは、実施の形態1に係る光ファイバセンサ100と略同様の構成を備えるが、測定用光ファイバを巻回した状態で表面に保持する板状部材をさらに備えている。
(Embodiment 3)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. The optical fiber sensor according to the third embodiment has substantially the same configuration as the optical fiber sensor 100 according to the first embodiment, but further includes a plate-like member that is held on the surface in a state where the measurement optical fiber is wound. I have.

図11は、本実施の形態3に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。図11に示すように、この光ファイバセンサ300は、図1に示すものと同様の光源装置1と、測定用光ファイバ2と、検出装置3とを備えている。また、光源装置1と測定用光ファイバ2とは、接続用光ファイバ4dを介して接続部5eにおいて接続している。同様に、検出装置3と測定用光ファイバ2とは、接続用光ファイバ4eを介して接続部5fにおいて接続している。なお、接続用光ファイバ4d、4eは、測定用光ファイバ2よりもクラッド径の大きい光ファイバであり、たとえば標準のSMFである。   FIG. 11 is a block diagram showing the configuration of the optical fiber sensor according to the third embodiment. As shown in FIG. 11, the optical fiber sensor 300 includes a light source device 1, a measurement optical fiber 2, and a detection device 3 similar to those shown in FIG. 1. The light source device 1 and the measurement optical fiber 2 are connected to each other at the connection portion 5e through the connection optical fiber 4d. Similarly, the detection device 3 and the measurement optical fiber 2 are connected to each other at the connection portion 5f via the connection optical fiber 4e. The connection optical fibers 4d and 4e are optical fibers having a cladding diameter larger than that of the measurement optical fiber 2, for example, standard SMF.

さらに、この光ファイバセンサ300は、板状部材6を備えており、測定用光ファイバ2は、最大巻き付け径D1、最小巻き付け径D2で巻回した状態で板状部材6の表面に接合材等で固着している。このように、板状部材6が測定用光ファイバ2を巻回した状態で表面に保持しているので、光ファイバの収納に通常使用される巻き付け径が一定のボビンに比べ、より小さな巻き付け径で巻かれるため、光ファイバセンサ300全体が小型、薄型になり、狭い場所や小さい被測定物の測定にも適するものとなる。なお、この測定用光ファイバ2は、従来のSMFよりもクラッド径が小さく、樹脂被覆部22を含めた外径も小さいため、測定感度を高くできるだけでなく、より収容性が高いものとなっている。そのため、同じ平面積であっても、より条長の長い測定用光ファイバ2を収容でき、試験光と横波音響波との相互作用長を長くできるので、さらにピーク周波数強度を高めて測定感度を高くできる。   Further, the optical fiber sensor 300 includes a plate-like member 6, and the measurement optical fiber 2 is bonded to the surface of the plate-like member 6 in a state of being wound with the maximum winding diameter D1 and the minimum winding diameter D2. It is stuck with. Thus, since the plate-like member 6 is held on the surface in a state where the measurement optical fiber 2 is wound, the winding diameter is smaller than that of a bobbin having a constant winding diameter normally used for storing the optical fiber. Therefore, the entire optical fiber sensor 300 becomes small and thin, and is suitable for measuring a narrow place or a small object to be measured. The measurement optical fiber 2 has a smaller cladding diameter than the conventional SMF and a smaller outer diameter including the resin coating portion 22, so that not only the measurement sensitivity can be increased, but also the accommodation property is higher. Yes. Therefore, even if the plane area is the same, the measurement optical fiber 2 with a longer length can be accommodated, and the interaction length between the test light and the transverse acoustic wave can be increased. Can be high.

なお、板状部材6の材質については特に限定されないが、たとえばポリエチレンテレフタレートなどの可撓性を有する材質を用い、薄いシート状に形成したものとすれば、たとえば曲面形状の外形を有する被測定物にも容易に密着して取り付けることができるので、その温度や歪みをより正確に測定することができる。   The material of the plate-like member 6 is not particularly limited. For example, if a flexible material such as polyethylene terephthalate is used and formed into a thin sheet shape, the object to be measured has a curved outer shape, for example. In addition, the temperature and strain can be measured more accurately.

また、この光ファイバセンサ300の変形例として、測定用光ファイバ2の保護等のために、図11に示す構成において、巻回した測定用光ファイバ2を覆うようにもう一枚の保護用板状部材を用いてもよい。   Further, as a modification of the optical fiber sensor 300, another protection plate is provided so as to cover the measurement optical fiber 2 wound in the configuration shown in FIG. A shaped member may be used.

図12は、実施の形態3に係る光ファイバセンサ300の変形例の構成において、保護用板状部材の上から荷重を加えた場合の、荷重とデポラライズドGAWBS光の一次のピーク周波数との関係を示した図である。なお、測定用光ファイバ2の最大巻き付け径D1の値を9.5cm、最小巻き付け径D2の値を3cmとした。また、図12において、「○」は測定データを示し、実線は近似直線を示している。図12に示すように、荷重とピーク周波数とは比例関係を有するので、ピーク周波数から測定用光ファイバ2にかかる応力を算出できる。したがって、この光ファイバセンサ300を用いて、その被測定物の歪みを測定することができる。   FIG. 12 shows the relationship between the load and the primary peak frequency of the depolarized GAWBS light when a load is applied from above the protective plate member in the configuration of the modification of the optical fiber sensor 300 according to the third embodiment. FIG. The value of the maximum winding diameter D1 of the measurement optical fiber 2 was 9.5 cm, and the value of the minimum winding diameter D2 was 3 cm. In FIG. 12, “◯” indicates measurement data, and the solid line indicates an approximate straight line. As shown in FIG. 12, since the load and the peak frequency have a proportional relationship, the stress applied to the measurement optical fiber 2 can be calculated from the peak frequency. Therefore, the strain of the object to be measured can be measured using the optical fiber sensor 300.

ところで、光ファイバにおいてクラッド径を小さくすると、コア部から光が漏洩する漏洩損失が発生するおそれがある。この漏洩損失は、特に光ファイバを曲げた場合に問題となる。図13は、光ファイバのクラッド径と漏洩損失との関係を示した図である。なお、図13は、有限要素法(FEM)によるシミュレーション計算の結果に基づくものである(たとえば、K. Saitoh and M. Koshiba, “Full-Vectorial Imaginary-Distance Beam Propagation Method Based on Finite Element Scheme: Application to Photonic Crystal Fibers”, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol.38, No.7, July, 2002.参照)。また、図13では、標準のSMFにおいてクラッド径を小さくしていった場合と、図2に示す特性を有する測定用光ファイバ2においてクラッド径を小さくしていった場合とを示している。図13に示すように、いずれの光ファイバについても、クラッド径を小さくするほど漏洩損失が大きくなる。しかしながら、コア部の最大比屈折率差がより大きい測定用光ファイバ2は、コア部への光の閉じ込めが強いため、クラッド径を40μmとしてもクラッド径が125μmのSMFよりも漏洩損失が小さく、実用上問題とならない。   By the way, when the cladding diameter is reduced in the optical fiber, there is a risk that leakage loss in which light leaks from the core portion occurs. This leakage loss becomes a problem particularly when the optical fiber is bent. FIG. 13 is a diagram showing the relationship between the cladding diameter of the optical fiber and the leakage loss. Note that FIG. 13 is based on the result of simulation calculation by the finite element method (FEM) (for example, K. Saitoh and M. Koshiba, “Full-Vectorial Imaginary-Distance Beam Propagation Method Based on Finite Element Scheme: Application to Photonic Crystal Fibers ”, IEEE Journal of Quantum Electronics, vol. 38, No. 7, July, 2002.). FIG. 13 shows a case where the cladding diameter is reduced in the standard SMF and a case where the cladding diameter is reduced in the measurement optical fiber 2 having the characteristics shown in FIG. As shown in FIG. 13, for any optical fiber, the leakage loss increases as the cladding diameter decreases. However, since the optical fiber for measurement 2 having a larger maximum relative refractive index difference in the core part has a strong light confinement in the core part, even if the clad diameter is 40 μm, the leakage loss is smaller than the SMF with the clad diameter of 125 μm. There is no practical problem.

また、測定用光ファイバ2の収容部である板状部材6をコンパクトな形状に保つには、測定用光ファイバ2の巻き付け径を小さくすることが有効であるが、巻き付け径を小さくするほど測定用光ファイバ2にかかる曲げ歪みは大きくなってしまう。ここで、光ファイバにかかる曲げ歪みはクラッド径に比例する。したがって、クラッド径を小さくした測定用光ファイバ2は、光ファイバにかかる曲げ歪みを抑制しつつ、小さな巻き付け径で巻くことが可能になるので好ましい。   In order to keep the plate-like member 6 serving as the housing portion of the measurement optical fiber 2 in a compact shape, it is effective to reduce the winding diameter of the measurement optical fiber 2, but the measurement is performed as the winding diameter is reduced. The bending strain applied to the optical fiber 2 will be increased. Here, the bending strain applied to the optical fiber is proportional to the cladding diameter. Therefore, the measurement optical fiber 2 having a small cladding diameter is preferable because it can be wound with a small winding diameter while suppressing bending distortion applied to the optical fiber.

なお、具体的には、クラッド径dと光ファイバにかかる曲げ歪みεとの関係は、Rを光ファイバの曲げ半径、Dを光ファイバの被覆部の外半径として、以下の式(7)で表される。
ε=d/(R+D) ・・・ (7)
Specifically, the relationship between the cladding diameter d and the bending strain ε applied to the optical fiber is expressed by the following equation (7), where R is the bending radius of the optical fiber and D is the outer radius of the coated portion of the optical fiber. expressed.
ε = d / (R + D) (7)

また、光ファイバにかかる曲げ歪みが小さくなることによって、光ファイバの破断率を低減することができる。図14は、クラッド径が60、90、125μmの光ファイバについて、光ファイバの巻き付け半径すなわち曲げ半径と20年での破断率との関係を示した図である。図14に示すように、巻き付け半径が小さくなるにつれて破断率は大きくなるが、同じ巻き付け半径であればクラッド径が小さいほど破断率は小さい。また、クラッド径が小さいほど、より小さい巻き付け半径で同じ破断率を実現できる。すなわち、この光ファイバセンサ300は、測定用光ファイバ2を用いることによって、従来と同一またはそれ以下の破断率を実現しながら、より収容性が高く小型であり、狭い場所等の測定にも適し、かつ測定感度が高い光ファイバセンサとなる。   Further, since the bending strain applied to the optical fiber is reduced, the breaking rate of the optical fiber can be reduced. FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the wrapping radius of the optical fiber, that is, the bending radius, and the breaking rate in 20 years for optical fibers having cladding diameters of 60, 90, and 125 μm. As shown in FIG. 14, the rupture rate increases as the wrapping radius decreases. However, if the wrapping radius is the same, the rupture rate decreases as the cladding diameter decreases. Further, the smaller the cladding diameter, the same breaking rate can be realized with a smaller winding radius. In other words, the optical fiber sensor 300 uses the measurement optical fiber 2 to achieve the same or lower breakage as the conventional one, and is more compact and more suitable for measurement in a narrow place. And an optical fiber sensor with high measurement sensitivity.

(実施の形態4)
つぎに、本発明の実施の形態4について説明する。本実施の形態4に係る光ファイバセンサは、実施の形態2に係る光ファイバセンサ200と略同様の構成を備えるが、各測定用光ファイバを巻回した状態で表面に保持する板状部材をさらに備えている。
(Embodiment 4)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. The optical fiber sensor according to the fourth embodiment has substantially the same configuration as that of the optical fiber sensor 200 according to the second embodiment, but includes a plate-like member that is held on the surface in a state where each measurement optical fiber is wound. It has more.

図15は、本実施の形態4に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。図15に示すように、この光ファイバセンサ400は、図8に示す光ファイバセンサ200と同様に、光源装置1と、測定用光ファイバ2a、2bと、検出装置3と、接続用光ファイバ4a〜4cと、接続部5a〜5dとを備えており、さらに図11に示す板状部材6と同様の板状部材6a、6bを備えている。そして、測定用光ファイバ2aと測定用光ファイバ2bとは、それぞれ接続用光ファイバ4bを介して接続している。また、板状部材6a、6bは、それぞれ測定用光ファイバ2a、2bを巻回した状態で、接合剤により表面に保持している。その結果、この光ファイバセンサ400は、簡易な構成でありながら、たとえば2つの場所の温度を同時に測定できるとともに、従来と同一またはそれ以下の破断率を実現しながら、より収容性が高く小型であり、狭い場所等の測定にも適し、かつ測定感度が高い光ファイバセンサとなる。   FIG. 15 is a block diagram showing the configuration of the optical fiber sensor according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 15, this optical fiber sensor 400 is similar to the optical fiber sensor 200 shown in FIG. 8 in that the light source device 1, the measurement optical fibers 2a and 2b, the detection device 3, and the connection optical fiber 4a. To 4c and connecting portions 5a to 5d, and plate-like members 6a and 6b similar to the plate-like member 6 shown in FIG. The measurement optical fiber 2a and the measurement optical fiber 2b are connected to each other via a connection optical fiber 4b. Further, the plate-like members 6a and 6b are held on the surface by a bonding agent in a state where the measurement optical fibers 2a and 2b are wound, respectively. As a result, this optical fiber sensor 400 can measure the temperature of two places at the same time, while having a simple configuration, and has a higher capacity and a smaller size while realizing the same or lower breaking rate as the conventional one. There is an optical fiber sensor suitable for measurement in a narrow place and having high measurement sensitivity.

(実施の形態5)
つぎに、本発明の実施の形態5について説明する。上記実施の形態1〜4に係る光ファイバセンサ100〜400は、デポラライズドGAWBS光を用いたものであったが、本実施の形態5に係る光ファイバセンサは、ポラライズドGAWBS光を用いたものである。
(Embodiment 5)
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. The optical fiber sensors 100 to 400 according to the first to fourth embodiments described above use depolarized GAWBS light, but the optical fiber sensor according to the fifth embodiment uses polarized GAWBS light. .

図16は、本実施の形態5に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。図16に示すように、この光ファイバセンサ500は、図1に示すものと同様の光源装置1および測定用光ファイバ2と、光カプラ7と、検出装置3aとを備える。   FIG. 16 is a block diagram showing the configuration of the optical fiber sensor according to the fifth embodiment. As shown in FIG. 16, the optical fiber sensor 500 includes the light source device 1 and the measurement optical fiber 2, the optical coupler 7, and the detection device 3a similar to those shown in FIG.

光カプラ7は、方向性結合器型であり、4つの入出力ポート71〜74を備えている。この光カプラ7の分岐比は1:1である。すなわち、この光カプラ7は、たとえば入出力ポート71において受け付けた光を、1:1の強度比で分岐して入出力ポート73、74にそれぞれ出力する。そして、入出力ポート71は光源装置1と接続し、入出力ポート72は検出装置3と接続している。また、入出力ポート73、74は測定用光ファイバ2の両端と接続している。したがって、光カプラ7と測定用光ファイバ2とは光ファイバループ干渉計を構成している。   The optical coupler 7 is a directional coupler type and includes four input / output ports 71 to 74. The branching ratio of the optical coupler 7 is 1: 1. That is, for example, the optical coupler 7 branches light received at the input / output port 71 at an intensity ratio of 1: 1 and outputs the branched light to the input / output ports 73 and 74, respectively. The input / output port 71 is connected to the light source device 1, and the input / output port 72 is connected to the detection device 3. The input / output ports 73 and 74 are connected to both ends of the measurement optical fiber 2. Therefore, the optical coupler 7 and the measurement optical fiber 2 constitute an optical fiber loop interferometer.

一方、検出装置3aは、PD32と、電気信号増幅器33と、スペクトラムアナライザ34と、制御表示器35とが順次接続した構成を有する。すなわち、この検出装置3aは、図4に示す検出装置3から偏光子31を除いた構成を有する。   On the other hand, the detection device 3a has a configuration in which a PD 32, an electric signal amplifier 33, a spectrum analyzer 34, and a control display 35 are sequentially connected. That is, the detection device 3a has a configuration in which the polarizer 31 is removed from the detection device 3 shown in FIG.

つぎに、この光ファイバセンサ500の動作について説明する。光源装置1から試験光が出力されると、光カプラ7は入出力ポート71において試験光を受け付け、1:1の強度比で分岐して入出力ポート73、74にそれぞれ出力する。つぎに、測定用光ファイバ2は入出力ポート73、74から出力した試験光を各端部において受け付け、各試験光は測定用光ファイバ2中を反対方向に伝播する。   Next, the operation of the optical fiber sensor 500 will be described. When test light is output from the light source device 1, the optical coupler 7 receives the test light at the input / output port 71, branches at a 1: 1 intensity ratio, and outputs it to the input / output ports 73 and 74, respectively. Next, the measurement optical fiber 2 receives the test light output from the input / output ports 73 and 74 at each end, and each test light propagates through the measurement optical fiber 2 in the opposite direction.

つぎに、測定用光ファイバ2中では、各モードの横波音響波と各試験光の光波との相互作用によって所定の変調周波数を有するポラライズドGAWBS光が発生し、各試験光と同一方向に伝播する。入出力ポート73、74にそれぞれ到達した各ポラライズドGAWBS光は、光カプラ7において結合する。このとき、ポラライズドGAWBS光は、位相変調されているために、光カプラ7の干渉効果によって強度変調に変換され、一部が入出力ポート72から出力される。   Next, in the measurement optical fiber 2, polarized GAWBS light having a predetermined modulation frequency is generated by the interaction between the transverse acoustic wave of each mode and the light wave of each test light, and propagates in the same direction as each test light. . Each polarized GAWBS light reaching the input / output ports 73 and 74 is coupled by the optical coupler 7. At this time, since the polarized GAWBS light is phase-modulated, it is converted into intensity modulation by the interference effect of the optical coupler 7, and a part thereof is output from the input / output port 72.

つぎに、検出装置3aは、光カプラ7の入出力ポート72から出力したポラライズドGAWBS光を受け付ける。そして、ポラライズドGAWBS光はPD32に入力し、PD32によって電気信号に変換される。その後は、スペクトラムアナライザ34と制御表示器35によって、実施の形態1で説明したものと同様にして、測定用光ファイバ2の周囲温度、あるいは被測定物の歪みを検出する。この光ファイバセンサ500においても、測定用光ファイバ2は、そのクラッド径が90μm以下なので、上記各実施の形態に係る光ファイバセンサと同様に、測定感度が従来よりも高いものとなる。   Next, the detection device 3 a accepts the polarized GAWBS light output from the input / output port 72 of the optical coupler 7. The polarized GAWBS light is input to the PD 32 and converted into an electric signal by the PD 32. After that, the ambient temperature of the measurement optical fiber 2 or the distortion of the object to be measured is detected by the spectrum analyzer 34 and the control display 35 in the same manner as described in the first embodiment. Also in this optical fiber sensor 500, since the measurement optical fiber 2 has a clad diameter of 90 μm or less, the measurement sensitivity is higher than that of the conventional optical fiber sensor according to each of the above embodiments.

なお、このポラライズドGAWBS光を用いた光ファイバセンサ500についても、その変形例として、実施の形態2に係る光ファイバセンサ200のように複数の測定用光ファイバを備える構成としてもよいし、実施の形態3、4に係る光ファイバセンサ300、400のように、測定用光ファイバを巻回した状態で保持する板状部材をさらに備える構成としてもよい。   As a modification of the optical fiber sensor 500 using the polarized GAWBS light, a configuration including a plurality of measurement optical fibers as in the optical fiber sensor 200 according to the second embodiment may be used. It is good also as a structure further equipped with the plate-shaped member hold | maintained in the state which wound the optical fiber for a measurement like the optical fiber sensors 300 and 400 which concern on form 3 and 4. FIG.

なお、上記実施の形態1〜4に係るデポラライズドGAWBS光を用いた光ファイバセンサにおいて、測定用光ファイバ2、2a、2bは通常構造の光ファイバであったが、偏波保持型光ファイバを用いてもよい。   In the optical fiber sensor using the depolarized GAWBS light according to the first to fourth embodiments, the measurement optical fibers 2, 2a and 2b are optical fibers having a normal structure, but polarization maintaining optical fibers are used. May be.

図17は、偏波保持型の測定用光ファイバの一例の模式的な断面図である。図17に示すように、この測定用光ファイバ2cは、応力付与型の偏波保持光ファイバであり、図2に示すものと同様の中心コア部211および外側コア部212と、外側コア部212の外周に形成されたクラッド部214と、クラッド部214の内部に位置する応力付与部材215、215とからなるガラス部21cと、図2に示すものと同様の樹脂被覆部22とを有する。なお、クラッド部214は、内部に応力付与部材215、215を含む点以外は図2に示すクラッド部213と同様である。応力付与部材215、215はたとえばボロン(B)が添加された石英系ガラスからなり、それらの中心軸を結ぶ直線上に、ほぼ中心コア部211および外側コア部212の中心軸が位置するように配置されている。その結果、測定用光ファイバ2cには上記中心軸を結ぶ方向とこれと直交する方向とを偏波軸とする複屈折が生じる。   FIG. 17 is a schematic cross-sectional view of an example of a polarization maintaining type measurement optical fiber. As shown in FIG. 17, the measurement optical fiber 2c is a stress-applying polarization maintaining optical fiber, and has the same core core portion 211 and outer core portion 212 as those shown in FIG. 2 has a glass part 21c made up of a clad part 214 formed on the outer periphery of the steel sheet, stress applying members 215 and 215 located inside the clad part 214, and a resin coating part 22 similar to that shown in FIG. The clad portion 214 is the same as the clad portion 213 shown in FIG. 2 except that the clad portion 214 includes stress applying members 215 and 215 therein. The stress applying members 215 and 215 are made of, for example, quartz glass to which boron (B) is added, and the central axes of the central core portion 211 and the outer core portion 212 are positioned substantially on a straight line connecting the central axes thereof. Has been placed. As a result, birefringence occurs in the measurement optical fiber 2c with the polarization axis in the direction connecting the central axes and the direction orthogonal thereto.

測定用光ファイバ2、2a、2bに換えてこの測定用光ファイバ2cを用いる際には、光源装置1の試験光の直線偏光の偏波方向と、測定用光ファイバ2cのいずれかの偏波軸と、検出装置3の偏光子31の透過偏光方向とを一致させるようにする。すると、試験光はその偏波方向が維持されたまま測定用光ファイバ2cを伝播するため、TR2mモードの横波音響波との相互作用が測定用光ファイバ2cの長手方向にわたって強く安定した状態に維持される。その結果、発生するデポラライズドGAWBS光の光強度が強くなるため、周波数スペクトル上のピーク強度も強くなるので、さらに測定感度が高く安定したものとなる。 When this measurement optical fiber 2c is used instead of the measurement optical fibers 2, 2a, 2b, the polarization direction of the linearly polarized light of the test light of the light source device 1 and any polarization of the measurement optical fiber 2c The axis and the transmission polarization direction of the polarizer 31 of the detection device 3 are made to coincide with each other. Then, since the test light propagates through the measurement optical fiber 2c while maintaining the polarization direction, the interaction with the transverse acoustic wave of the TR 2m mode is strong and stable over the longitudinal direction of the measurement optical fiber 2c. Maintained. As a result, since the intensity of the generated depolarized GAWBS light is increased, the peak intensity on the frequency spectrum is also increased, so that the measurement sensitivity is further increased and stabilized.

また、上記実施の形態1〜4に係るデポラライズドGAWBS光を用いた光ファイバセンサにおいて、検出装置3に換えて以下の構成の検出装置を用いてもよい。   Moreover, in the optical fiber sensor using the depolarized GAWBS light according to the first to fourth embodiments, a detection device having the following configuration may be used instead of the detection device 3.

図18は、実施の形態1〜4に係る光ファイバセンサにおいて用いることができる検出装置の別の一例の構成を示したブロック図である。図18に示すように、この検出装置3bは、偏光子31a、31bと、PD32a、32bと、電気信号増幅器33と、スペクトラムアナライザ34と、制御表示器35と、半波長板36a、36bと、偏波ビームスプリッタ37と、合波器38とを備えている。   FIG. 18 is a block diagram showing a configuration of another example of a detection apparatus that can be used in the optical fiber sensors according to Embodiments 1 to 4. As shown in FIG. 18, this detection device 3b includes polarizers 31a and 31b, PDs 32a and 32b, an electric signal amplifier 33, a spectrum analyzer 34, a control display 35, half-wave plates 36a and 36b, A polarization beam splitter 37 and a multiplexer 38 are provided.

つぎに、この検出装置3bの動作について説明する。はじめに、この検出装置3bは、たとえば測定用光ファイバ2から出力したデポラライズドGAWBS光を受け付ける。検出装置3bにおいて、デポラライズドGAWBS光は半波長板36aによってその偏波状態が調整され、偏波ビームスプリッタ37によって偏波方向が互いに直交する2つの直線偏波の光に分離される。分離された直線偏波光は、その一方はさらに半波長板36bによってその偏波状態が調整され、偏光子31a、PD32a、または偏光子31b、PD32bに順次入力し、PD32aまたはPD32bによって電気信号に変換される。PD32aまたはPD32bによって変換された各電気信号は合波器38で合波され、電気信号増幅器33に入力して増幅され、スペクトラムアナライザ34に入力する。このようにすることで、測定用光ファイバ2から出力される光の偏波状態が変動してもスペクトラムアナライザ34に入力される電気信号のパワーを一定にできる。スペクトラムアナライザ34においては、偏波方向によって分離されたうち一方のデポラライズドGAWBS光の変調周波数が複数のピークとして検出される。つぎに、制御表示器35は、スペクトラムアナライザ34が検出したピーク周波数のうち所定の1つのピーク周波数に基づいて、測定用光ファイバ2の周囲温度、あるいは被測定物の歪み等を検出する。   Next, the operation of the detection device 3b will be described. First, the detection device 3b accepts depolarized GAWBS light output from the measurement optical fiber 2, for example. In the detection device 3b, the polarization state of the depolarized GAWBS light is adjusted by the half-wave plate 36a, and is separated into two linearly polarized light beams whose polarization directions are orthogonal to each other by the polarization beam splitter 37. One of the separated linearly polarized light is further adjusted in its polarization state by the half-wave plate 36b, sequentially input to the polarizer 31a, PD32a, or the polarizer 31b, PD32b, and converted into an electric signal by the PD32a or PD32b. Is done. Each electrical signal converted by the PD 32 a or PD 32 b is multiplexed by the multiplexer 38, input to the electrical signal amplifier 33, amplified, and input to the spectrum analyzer 34. By doing so, even if the polarization state of the light output from the measurement optical fiber 2 fluctuates, the power of the electrical signal input to the spectrum analyzer 34 can be made constant. In the spectrum analyzer 34, the modulation frequency of one of the depolarized GAWBS lights separated by the polarization direction is detected as a plurality of peaks. Next, the control indicator 35 detects the ambient temperature of the measurement optical fiber 2 or the distortion of the object under measurement based on a predetermined one of the peak frequencies detected by the spectrum analyzer 34.

すなわち、測定用光ファイバ2は通常構造の光ファイバなので、測定用光ファイバ2を伝播中の試験光の偏波状態は経時的に変動するおそれがある。したがって、発生するデポラライズドGAWBS光の偏波状態も変動するおそれがある。   That is, since the measurement optical fiber 2 is an optical fiber having a normal structure, the polarization state of the test light propagating through the measurement optical fiber 2 may vary with time. Therefore, the polarization state of the generated depolarized GAWBS light may also vary.

これに対して、この検出装置3bにおいては、デポラライズドGAWBS光を偏波ビームスプリッタ37によって2つの直線偏波の光に分離している。そして、スペクトラムアナライザ34は、分離した光を電気信号に変換したものを足し合わせてピークを検出するようにしている。したがって、この検出装置3bを用いることによって、測定用光ファイバ2を伝播中の試験光の偏波状態の変動にかかわらず、より確実で安定した測定が実現される。   On the other hand, in the detection device 3b, the depolarized GAWBS light is separated into two linearly polarized light by the polarization beam splitter 37. The spectrum analyzer 34 detects the peak by adding the separated lights converted into electric signals. Therefore, by using the detection device 3b, more reliable and stable measurement can be realized regardless of fluctuations in the polarization state of the test light propagating through the measurement optical fiber 2.

なお、上記各実施の形態では、光源装置1は試験光として連続光を出力するものであるが、試験光としてパルス光を出力するものでもよい。また、実施の形態2、4では、測定用光ファイバは2本であったが、3本以上の測定用光ファイバを備えていてもよい。   In each of the above embodiments, the light source device 1 outputs continuous light as test light, but may output pulsed light as test light. In Embodiments 2 and 4, the number of optical fibers for measurement is two, but three or more optical fibers for measurement may be provided.

また、測定用光ファイバの構造としては、コア部が2層構造であるものに限らず、中心コア部のみ、またはさらなる多層構造を有するものでもよい。また、クラッド部に空孔が形成されたものでもよい。また、偏波保持型の測定用光ファイバとしては、応力付与型のものに限られず、他の偏波保持型の光ファイバ、たとえばコア部の断面が楕円形状である楕円コア型のものを用いてもよい。   Further, the structure of the measurement optical fiber is not limited to the one having a two-layer core portion, and may have only a central core portion or a further multilayer structure. Further, the clad portion may be formed with holes. In addition, the polarization maintaining optical fiber is not limited to the stress-applying optical fiber, but other polarization maintaining optical fiber, for example, an elliptical core type whose core section has an elliptical cross section is used. May be.

本発明の実施の形態1に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of the optical fiber sensor which concerns on Embodiment 1 of this invention. 図1に示す測定用光ファイバの模式的な断面および対応する屈折率プロファイルを示した図である。It is the figure which showed the typical cross section of the optical fiber for a measurement shown in FIG. 1, and a corresponding refractive index profile. 図2に示す測定用光ファイバの特性の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the characteristic of the optical fiber for measurement shown in FIG. 図1に示す検出装置の構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of the detection apparatus shown in FIG. 図2に示す測定用光ファイバのガラス部に発生している横波音響波の振動方向を矢印で示した図である。It is the figure which showed the vibration direction of the transverse acoustic wave which has generate | occur | produced in the glass part of the optical fiber for a measurement shown in FIG. 2 with the arrow. 測定用光ファイバとして図3に示す特性を有するものを用いた場合の、スペクトラムアナライザにおいて測定される周波数スペクトルを示した図である。It is the figure which showed the frequency spectrum measured in a spectrum analyzer at the time of using what has the characteristic shown in FIG. 3 as a measurement optical fiber. 図6において周波数が223MHzであるピークと周波数が660MHzであるピークとについて、測定用光ファイバの周囲の温度と各ピークの周波数との関係について示した図である。FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the ambient temperature of the measurement optical fiber and the frequency of each peak for a peak with a frequency of 223 MHz and a peak with a frequency of 660 MHz in FIG. 6. 本発明の実施の形態2に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of the optical fiber sensor which concerns on Embodiment 2 of this invention. 図8に示す測定用光ファイバの特性の一例を示した図である。It is the figure which showed an example of the characteristic of the optical fiber for a measurement shown in FIG. 図9に示す特性を有する測定用光ファイバを用いた場合の、スペクトラムアナライザにおいて測定される周波数スペクトルを示した図である。It is the figure which showed the frequency spectrum measured in a spectrum analyzer at the time of using the measurement optical fiber which has the characteristic shown in FIG. 本発明の実施の形態3に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of the optical fiber sensor which concerns on Embodiment 3 of this invention. 実施の形態3に係る光ファイバセンサの変形例の構成において、保護用板状部材の上から荷重を加えた場合の、荷重とデポラライズドGAWBS光の一次のピーク周波数との関係を示した図である。In the structure of the modification of the optical fiber sensor which concerns on Embodiment 3, it is the figure which showed the relationship between the load and the primary peak frequency of depolarized GAWBS light at the time of applying a load from on the plate member for protection. . 光ファイバのクラッド径と漏洩損失との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the clad diameter of an optical fiber, and leakage loss. クラッド径が60、90、125μmの光ファイバについて、光ファイバの巻き付け半径と20年での破断率との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the winding radius of an optical fiber, and the fracture rate in 20 years about the optical fiber whose clad diameter is 60, 90, and 125 micrometers. 本発明の実施の形態4に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of the optical fiber sensor which concerns on Embodiment 4 of this invention. 本発明の実施の形態5に係る光ファイバセンサの構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of the optical fiber sensor which concerns on Embodiment 5 of this invention. 偏波保持型の測定用光ファイバの一例の模式的な断面図である。It is a typical sectional view of an example of a polarization maintaining type measurement optical fiber. 実施の形態1〜4に係る光ファイバセンサにおいて用いることができる検出装置の別の一例の構成を示したブロック図である。It is the block diagram which showed the structure of another example of the detection apparatus which can be used in the optical fiber sensor which concerns on Embodiment 1-4.

符号の説明Explanation of symbols

1 光源装置
2、2a〜2c 測定用光ファイバ
3、3a、3b 検出装置
4a〜4e 接続用光ファイバ
5a〜5f 接続部
6、6a、6b 板状部材
7 光カプラ
21、21c ガラス部
22 樹脂被覆部
31、31a、31b 偏光子
32、32a、32b PD
33 電気信号増幅器
34 スペクトラムアナライザ
35 制御表示器
36a、36b 半波長板
37 偏波ビームスプリッタ
38 合波器
71〜74 入出力ポート
100〜500 光ファイバセンサ
211 中心コア部
212 外側コア部
213、214 クラッド部
215 応力付与部材
D1 最大巻き付け径
D2 最小巻き付け径
L1、L2 線
P プロファイル
P1〜P4 ピーク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source device 2, 2a-2c Optical fiber for measurement 3, 3a, 3b Detector 4a-4e Optical fiber for connection 5a-5f Connection part 6, 6a, 6b Plate member 7 Optical coupler 21, 21c Glass part 22 Resin coating Part 31, 31a, 31b Polarizer 32, 32a, 32b PD
33 Electric Signal Amplifier 34 Spectrum Analyzer 35 Control Display 36a, 36b Half Wave Plate 37 Polarization Beam Splitter 38 Multiplexer 71-74 Input / Output Ports 100-500 Optical Fiber Sensor 211 Central Core Portion 212 Outer Core Portion 213, 214 Cladding Part 215 Stress applying member D1 Maximum winding diameter D2 Minimum winding diameter L1, L2 Line P Profile P1-P4 Peak

Claims (8)

試験光を出力する光源と、
石英系ガラスからなり、コア部と該コア部の外周に形成された外径が90μm以下のクラッド部とを有し、前記試験光を少なくとも一方の端部において受け付け、前記試験光によって発生する導波音響波型ブリユアン散乱光を他方の端部から出力する少なくとも1つの測定用光ファイバと、
前記測定用光ファイバから出力する前記導波音響波型ブリユアン散乱光を受け付け、該導波音響波型ブリユアン散乱光の周波数スペクトル上のピーク周波数を測定し、該測定したピーク周波数に基づいて前記測定用光ファイバの周囲温度または該測定用光ファイバにかかる応力を検出する検出手段と、
を備えたことを特徴とする光ファイバセンサ。
A light source that outputs test light;
It is made of quartz glass and has a core part and a clad part having an outer diameter of 90 μm or less formed on the outer periphery of the core part. The test light is received at at least one end part, and is guided by the test light. At least one measurement optical fiber that outputs the wave acoustic wave Brillouin scattered light from the other end;
The guided acoustic wave type Brillouin scattered light output from the measurement optical fiber is received, the peak frequency on the frequency spectrum of the guided acoustic wave type Brillouin scattered light is measured, and the measurement is performed based on the measured peak frequency. Detecting means for detecting ambient temperature of the optical fiber for measurement or stress applied to the optical fiber for measurement;
An optical fiber sensor comprising:
前記測定用光ファイバは、前記コア部の前記クラッド部に対する比屈折率差の最大値が1.0%以上であることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバセンサ。   2. The optical fiber sensor according to claim 1, wherein the measurement optical fiber has a maximum value of a relative refractive index difference of the core portion relative to the cladding portion of 1.0% or more. 複数の測定用光ファイバを備え、該複数の測定用光ファイバは、互いに異なるピーク周波数を有する導波音響波型ブリユアン散乱光を発生するとともに、該複数の測定用光ファイバよりもクラッド径の大きい接続用光ファイバを介して接続していることを特徴とする請求項1または2記載の光ファイバセンサ。   A plurality of measurement optical fibers, the plurality of measurement optical fibers generate guided acoustic wave type Brillouin scattered light having different peak frequencies, and have a larger cladding diameter than the plurality of measurement optical fibers; 3. The optical fiber sensor according to claim 1, wherein the optical fiber sensor is connected via a connecting optical fiber. 前記複数の測定用光ファイバは、前記クラッド部の外径が互いに異なることを特徴とする請求項3に記載の光ファイバセンサ。   The optical fiber sensor according to claim 3, wherein the plurality of measurement optical fibers have different outer diameters of the cladding portion. 前記複数の測定用光ファイバは、前記コア部の前記クラッド部に対する比屈折率差の最大値が互いに異なることを特徴とする請求項3または4に記載の光ファイバセンサ。   5. The optical fiber sensor according to claim 3, wherein the plurality of measurement optical fibers have different maximum relative refractive index differences between the core portion and the clad portion. 前記測定用光ファイバを巻回した状態で表面に保持する板状部材をさらに備えたことを特徴とする請求項1〜5のいずれか一つに記載の光ファイバセンサ。   The optical fiber sensor according to any one of claims 1 to 5, further comprising a plate-like member that is held on the surface in a state in which the measurement optical fiber is wound. 前記板状部材は可撓性を有することを特徴とする請求項6に記載の光ファイバセンサ。   The optical fiber sensor according to claim 6, wherein the plate-like member has flexibility. 前記測定用光ファイバは、偏波保持型光ファイバであることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一つに記載の光ファイバセンサ。   The optical fiber sensor according to claim 1, wherein the measurement optical fiber is a polarization maintaining optical fiber.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210106238A (en) * 2020-02-20 2021-08-30 한국광기술원 optical fiber sensor sheet for measuring temperature and strain of battery and temperature and strain measuring apparatus using the same

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9574911B2 (en) * 2012-08-09 2017-02-21 Corning Incorporated Two-core optical fibers for distributed fiber sensors and systems
JP2016020865A (en) * 2014-07-15 2016-02-04 古河電気工業株式会社 Stress distribution measuring method using optical fiber, and stress distribution measuring device
WO2021161459A1 (en) * 2020-02-13 2021-08-19 日本電信電話株式会社 Device and method for detection of inundation of optical fiber
US20230088679A1 (en) * 2020-02-13 2023-03-23 Nippon Telegraph And Telephone Corporation Device and method for detecting microbend in optical fiber
JP7504233B2 (en) 2020-06-03 2024-06-21 エヌイーシー ラボラトリーズ アメリカ インク Accurate measurement of guided acoustic wave Brillouin scattering
JPWO2022064597A1 (en) * 2020-09-24 2022-03-31

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4938431B2 (en) * 2006-12-12 2012-05-23 日本電信電話株式会社 Optical fiber temperature / strain measurement method

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20210106238A (en) * 2020-02-20 2021-08-30 한국광기술원 optical fiber sensor sheet for measuring temperature and strain of battery and temperature and strain measuring apparatus using the same
KR102345554B1 (en) * 2020-02-20 2021-12-30 한국광기술원 optical fiber sensor sheet for measuring temperature and strain of battery and temperature and strain measuring apparatus using the same

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