JPH01320404A - 前進光受信分布型光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、光ファイバセンサに関し、特に、測定値と
ともに測定点の位置情報を前進する光波に帯有させる前
進光受信分布型の光ファイバセンサにおいて、その測定
点位置の分解能を改良したものに関する （従来の技術） 光ファイバを利用したセンサは各種のものが提供されて
おり、その中の一種として、多数の測定点ないしは連続
したΔ−１定点が同時に測定できる分布型（多点型）と
呼ばれている光ファイバセンサが知られている。

この種の分布型光ファイバセンサとしては、光ファイバ
を敷設したときの断線などの異常個所を検出する手段と
゛して実用化されている光パルス反射試験器を応用する
方法が提案されている。

その測定原理は、光ファイバの一端からパルス状の光波
を入射し、？＃１定点からのレイリー反射の変化をｎ１
定することで行われているが、反射の大きさが小さいの
で、パルスを多数回入射させ、その平均値を求めなけれ
ば異常個所が特定されず、ｉｌｌ定に時間がかかり過ぎ
るという問題があった。

また、光ファイバは、もともと前方に送る光波の伝送損
失が少ないことがその最大の特徴であり、光ファイバの
法送特性を向上させればさせるだけ測定が困難になると
いう問題もあった。

このような問題を解決する手段として、光ファイバ中を
前進する光波にｎ１定値とともに測定点の位置情報を帯
有させる前進光受信分布型の光ファイバセンサが提案さ
れている。

第３図は、この種の前進光受信分布型光ファイバセンサ
の一例を示している。

同図に示すセンサは、偏波面保持ファイバ１と、このフ
ァイバ１の入力側に設けられた半導体レーザ２．偏向子
３．マイクロレンズ４と、ファイバ１の出力側に設けら
れた検光子５、受光素子６とから構成されており、半導
体レーザ２の注入電流ｌを変化させて、その発振周波数
を直線的に掃引し、直線偏向である出力光を、偏向子３
を介して偏波面保持ファイバーの一方の固有偏光軸にあ
わせて入射させる。

一方、ファイバーからの出射光は、ファイバーの前記固
有偏光軸に対して方位を傾けた検光子５を介して受光素
子６に入射され、受光素子６で電気信号に変換される。

いま、ファイバーの出射端からＸの距離の点において、
測定対象である何等かの外乱が作用したとすれば、この
点でファイバー中を伝搬する光の偏光モードが一方の固
有偏光軸（周波数ｆｐ）から他方の固有偏光軸（周波数
ｆｓ）に変換され、ファイバー中の２つの固有偏光軸に
おけるそれぞれのモードでの伝搬速度に差があることか
ら、検光子５の出射光は式（１）示すように、距離Ｘに
比例した周波数Δｆ（ｆｐ−ｆｓ）のビート信号が発生
する。

Δｆ−γλ　ｘ　（Ｌ　ｂ　Ｃ）　　　・・・・・・・
・・（Ｉ）ここで、γ；光源の周波数変化率、λ　；光
源の真空中の波長、Ｌ　；ビート長、Ｃ：真空中の光す 速である。

従って、第３図に示したセンサでは、ビート信号の周波
数Δｆを計測すれば、外乱が作用した距離Ｘが求められ
、距離Ｘの分解１ｈは以下に示す式（ｎ）で示される。

ぶＲ−Ｌ、Ｃ／λ。γＴ・・・・・・・・・（ＩＩ）こ
こで、Ｔは周波数変調限界時間である。

しかしながら、このような構成の光ファイバセンサには
、以下に説明する技術的課題があった。

（発明が解決しようとする問題点） すなわち、上記構成の分布型光アイバセンサでは、距離
分解能ぶＲが（ＩＩ）式に示されているように、ビート
長Ｌｂに比例することになり、ビート長し、は２π／Δ
βとなり、Δβが偏波面保持ファイバ１の固有偏光軸間
での偏光モードに対する速度差に反比例するので、結局
、距離分解能ぶ２は伝搬する光波の偏光軸間の速度差に
比例することになり、このような偏光軸間の伝搬速度の
差を利用して距離Ｘを求める場合には、この偏光軸間の
速度差が小さいので、例えば、光源に通常の半導体レー
ザを用いたとすれば距離分解能Ｊ２Ｒが数十メートル程
度となり、距離分解能が低いという問題があった。

この発明は、このような従来の問題点に鑑みてなされた
ものであって、その目的とするところは、高い距離分解
能が得られる前進光受信分布型光ファイバセンサを提供
することにある。

（問題点を解決するための手段） 上記目的を達成するために、この発明は、単一モード光
ファイバの一端側から少なくとも２つのモードで伝搬可
能な状態で光波を入射し、前記光ファイバ中を他端側に
向かって前進する光波に測定値とともに測定点の位置情
報を帯有させる前進光受信型の光ファイバセンサであっ
て、前記入射光波の周波数を直線的に変化させる周波数
変換手段と、前記光ファイバ中を伝搬する前記光波の伝
搬モードを特定モードのみに規制するモード規制手段と
、このモード規制手段の後方で惹起された前記光波の前
記特定モードから他のモードへの変換を前記光ファイバ
の他端で受信して、これらのモード間の周波数の差に対
応したビート信号を発信させる発振手段と、前記ビート
信号を受けて前記伝搬モードの変換個所を演算し、これ
を前記測定点位置として検出することを特徴とする。

（作用） 上記構成の前進光受信型光ファイバセンサによれば、測
定点の位置情報が検出されるビート信号は、単一モード
光ファイバの伝搬モード間の速度差に対応することにな
り、これらの差が大きいので、測定点の位置を高精度に
検出できる。

（実施例） 以下、この発明の好適な実施例について添付図面を参照
にして詳細に説明する。

第１図はこの発明にかかる前進光受信分布型光ファイバ
センサの一実施例を示している。

同図に示す光ファイバセンサは、２つの固有偏光軸を持
つ偏波面保持ファイバ１０と、この偏波面保持ファイバ
１の入力側に設けられた１／２波長板１２と、半導体レ
ーザ１４およびこの半導体レーザ１４の電源１６と、偏
波面保持ファイバ１０の出力側に設けられたスリット１
８、検光子２０、および受光素子２２とを有している。

また、上記偏波面保持ファイバ１０の入力端には、ファ
イバ１０中を伝搬する光波の伝搬モードを特定のモード
、例えば、基本モードのみに規制するモード規制手段と
してのモードフィルタ２４が設けられている。

上記半導体レーザ１４は、電源１６からの注入電流Ｉを
代えることでその発振周波数が変化し、発振周波数は直
線状に変化させられ、この半導体レーザ１４と電源１６
とで周波数変換手段を構成している。

上記偏波面保持ファイバ１０には、１７２波長板１２で
半導体レーザ１４からの光波が一方の固有偏光軸に一致
する直線偏向で入射されるとともに、フィバ１０の出力
側に設けられた検光子２０の光軸もこの固有偏光軸に合
わせられている。

そして、偏波面保持ファイバ１０に入射される光波は、
ファイバ１０に対して少なくとも２つのモードで伝搬可
能な状態でその一端側から入射される。

このように光波を少なくとも２つのモードで伝搬可能に
入射させるには、偏波面保持ファイバ１０のカットオフ
波長よりも極僅に小さい波長で入射させれば、光波はフ
ァイバ１０中を基本モードと１次モードの２つのモード
で伝搬し、また、カットオフ波長よりも僅に小さい波長
で入射させれば、基本および１次、２次モードの３つの
モードで伝搬することになる。

以上のごとく構成された光ファイバセンサに、いま、偏
波面保持ファイバ１０の出力端Ａから距離Ｘの点に何等
かの外乱が発生したとすれば、この点でファイバ１０中
を伝搬している光波の伝搬モードに変換が生じる。

つまり、偏波面保持ファイバ１０中を例えば、基本モー
ドで伝搬していた光波は、距離Ｘの地点においてモード
変換され、この点の以後においては基本モードと１次モ
ードの２つのモードで伝搬することになり、これらのモ
ード間での変換エネルギーの大きさは上記外乱の大きさ
に対応し、出力端Ａに向かう光波に測定値とともに測定
点の位置情報が帯有させられることになる。

この様なモード変換が惹起させられると、光波の周波数
が注入電流Ｉを変化させて直線状に変調させられている
ことから、スリット１８を介して検光子２０を通過した
光波は、前述した従来の前進光受信型光ファイバと同様
にビート信号Δｆを発振し、この信号Δｆが受光素子２
２で電気信号に変換される。

ここで計測されるビート信号Δｆは、前述した式（１）
で示され、これを測定することにより式（Ｉ）から距離
Ｘが演算される。

この場合、特に、注目すべきことは、距離Ｘの分解能が
高精度になることである。

すなわち、この種の前進光受信型光ファイバセンサの距
離分解能Ｊ２Ｉ？は従来の前進光ファイバセンサと同じ
ように前述した式（ｎ）で表され、ビート長Ｌｂは２π
／Δβであって、Δβが変換されるモード間の伝搬定数
（伝搬速度）の差となる。

本発明では、この伝搬定数の差であるΔβは、偏波面保
持光ファイバ１０の固有偏光軸間の速度差ではなく、フ
ァイバ１０中を伝搬する光波のモード間の伝搬速度差が
利用されており、この値が偏光軸間のものよりもかなり
大きいので、ビート長Ｌｂの大きさが小さくなり、その
結果距離分解能Ｊ２Ｒも小さくなる。

本発明者らの実験によると、例えば、半導体レーザ１４
に通常のものを用いた場合でも、数ｍ程度の距離分解能
が得られ、第３図に示した従来のこの種の光ファイバセ
ンサに対して約十倍以上向上する。

第２図は、上記構成の前進光受信分布型光ファイバセン
サでビート信号Δｆが得られるか否かを確認した実験で
受光素子２２で測定された電気、信号のグラフを示して
いる。

この実験では、偏波面保持ファイバ１０として、０．８
５μｍ（カットオフ波長０．８２μｍ）のものを使用し
、このファイバ１０に上記モードフィルタ２４を取付け
ないで、入力端Ｂから波長０゜７８μｍの光波を入射さ
せた。

このような波長の光波を１／２波長板１２を介して偏波
面保持ファイバ１０の一方の固有偏光軸に一致させるよ
うにして入力させると、光波は偏波面保持ファイバ１０
中で基本モードと１次モードの２つのモードで伝搬し、
入力端Ｂで外乱が加えられたのと実質的に同じ状態にな
る。

注入電流Ｉは、第２図中の下段に示すように、三角波状
に変化させた。

上記条件で得られた受光素子２２の出力が第２図中の上
段に示した波形であり、この図からも明らかなように、
基本モードと１次モードとのビート信号が発生しており
、高い距離分解能を有する前進光受信型光ファイバとし
て利用できることが確認された。

なお、上記実施例では、偏波の安定性を得るために偏波
面保持ファイバ１０を使用したものを例示したが、この
発明の実施はこれに限定されることはなく、通常の単一
モードの光ファイバを用いても同じ作用効果が得られる
。

（発明の効果） 以上実施例で説明したように、この発明にかかる前進光
受信分布型光ファイバセンサによれば、従来のこの種の
センサよりも大幅に距離分解能を向上させることが可能
になる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる前進光受信分布型光ファイバセ
ンサの一実施例を示す全体配置図、第２図は同センサで
得られるビート信号の一例を示すグラフ、第３図は従来
の前進光受信型光ファイバセンサの全体配置図と、ビー
ト信号の説明図である。 ｌＯ・・・・・・・・・・・・偏波面保持ファイバ１２
・・・・・・・・・・・・１／２波長板１４・・・・・
・・・・・・・半導体レーザ１６・・・・・・・・・・
・・電源 ２０・・・・・・・・・・・・検光子 ２２・・・・・・・・・・・・受光素子２４・・・・・
・・・・・・・モードフィルタ第３図 （Ａ） （Ｂ）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 単一モード光ファイバの一端側から少なくとも２つのモ
   ードで伝搬可能な状態で光波を入射し、前記光ファイバ
   中を他端側に向かって前進する光波に測定値とともに測
   定点の位置情報を帯有させる前進光受信型の光ファイバ
   センサであって、前記入射光波の周波数を直線的に変化
   させる周波数変換手段と、前記光ファイバ中を伝搬する
   前記光波の伝搬モードを特定モードのみに規制するモー
   ド規制手段と、このモード規制手段の後方で惹起された
   前記光波の前記特定モードから他のモードへの変換を前
   記光ファイバの他端で受信して、これらのモード間の周
   波数の差に対応したビート信号を発信させる発振手段と
   、前記ビート信号を受けて前記伝搬モードの変換個所を
   演算し、これを前記測定点位置として検出することを特
   徴とする前進光受信分布型光ファイバセンサ。