JPH03107702A - 多モード干渉を有する光センサ - 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 本発明は一般に、妨害によって発生されたモード結合を
有する分布配置されたセンサに関し、その際光ガイドに
沿って妨害の位置を求めることが望まれ、詳細には例え
ば多モード干渉を有する光センサに関する。

従来の技術 文献“Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ　５Ｌｒｅｓｓ　Ｌｏ
ｃａｔｉｏｎＳｅｎｓｏｒ　　（Ｒ，Ｂ、Ｆｒａｎｋｓ
他著、５ＰＩＥ、　Ｖｏｌ、５８６゜Ｆｉｂｅｒ　０ｐ
ｔｉｃ　５ｅｎｓｏｒｓ　１９８５年）には、単一モー
ドを２モードファイバとして使用される複屈折または単
一モード光ファイバに注入する周波数変調されｌ；レー
ザ源を使用している分布配置されたセンサが示されてい
る。外部パラメータの影響に基づいて、マイクロペンデ
ィングの発生において、妨害は、２次モードの、ファイ
バでの伝搬を惹き起こすモード結合を発生する。検出は
多モード干渉によって行われる。障害の位置は、検出信
号のビート周波数の測定から推定される。

発明を解決しようとする問題点 上述のセンサに関連して若干の問題点がある。特に、結
合効率の測定およびファイバに沿った結合の位置の決定
は次の問題によって困難なものになっている。

一変調信号の周波数勾配の直線性； −光源の安定性； 一後方散乱； 一偏波およびモードミキシングによる検出精度の低下 従って本発明の課題は、上述の欠点が生じることのない
、光ファイバに沿った妨害の位置の決定を可能にする光
センサを提供することである。

本発明の別の課題は、妨害の位置の決定が多モード干渉
によって行われる、光センサを提供することである。

問題点を解決するための手段 本発明の多モード干渉を有する光センサは次のような特
徴を有している： （ａ）それぞれ、 一光波の放射； 一上記光波の２モード光ファイバへの注入；および 一上記２モード光ファイバを用いた上記光波のガイド を行う光学手段。

（ｂ）それぞれ、基本モードＬＰＱＩ、または注入され
た光波の偏波モードを、１次モードＬＰ１１または直交
偏波モードに対して結合する、２モード光ファイバに沿
って分布配置された手段、 （ｃ）干渉計の干渉の状態の変更によって、干渉計の入
力側における結合モード間の遅延時間の差の補償を行う
干渉計、 （ｄ）−干渉計に対して行われた前記変更の測定； 一干渉生成波の強度検出；および 一多モード結合を発生した妨害の、２モード光ファイバ
に沿った、位置の決定 を行う電気的手段 を備えている。

本発明の主な利点は、系のダイナミックレンジおよび空
間分解能が公知の解決法の分解能に比べて高いというこ
とである。センサは伝送中に動作するので、注入された
殆どすべてのエネルギーが検出される。エレクトロニク
ス装置は、系が唯一のトランスデユーサまたは複数のト
ランスデユーサを有するかにかかわりなく、同じでよい
。光源は、特にその偏光および安定性に関して、余り厳
しい特性を要求しない。時間的領域（ｔｅｍｐｏｒａｌ
　ｄｏｍａｉｎ）における光反射（ＯＴＤＲ）または周
波数的領（ｆｒｅｑｕｅｎｔｉａｌｄｏｍａ　ｉｎ）域
における光反射（ＯＦ　Ｄ　Ｒ）によって動作する光学
系とは異なって、本発明のセンサは多数の測定に関する
平均化を要求せず、この理由から系の応答時間は比較的
短い。

実施例 次に本発明を図示の実施例につき図面を用いて詳細に説
明する。

第１図には、本発明による光ファイバセンサが明示され
ている。

多モード干渉を有する光センサｌは主とじて、次の光路
、すなわち光源２と、２モードの光ファイバ４と、干渉
計６と、測定ユニットｌＯに接続されている第１の検出
装置８および第２の検出装置９とから成り、その際２モ
ードの光ファイバに沿ってトランスデユーサ５が分布配
置されている。

モードフィルタ３は光ファイバの入力側において使用す
ることもでき、その場合には光ファイバの第１端部はモ
ードフィルタ３に接続されている。光ファイバの入力側
にモードフィルタが存在しない場合、光源と光ファイバ
との接続はトランスデユーサとの接続と等価である。い
ずれの場合にも光ファイバの第２の端部は干渉計の側に
ある。

多モード干渉を有する光センサは、非単色光波を放射す
る光源２を使用している。

基本モードＬＰＱ１まｔ；は偏光モードとは別のモード
のフィルタリングは、光ファイバ４の入力側においてモ
ードフィルタ３によって行われる。

所定の範囲の波長において、例えば１．３μｍ周辺の波
長において単一モードの光ファイバ４は実際には、低い
波長の波、例えば０．８μｍの波を伝搬する。

光ルファイバ４は、トランスデユーサ５の介在により、
検出されるべき物理的または化学的量によって発生され
る１つまたは複数の局所的な妨害または分布した妨害を
受ける可能性がある。この種の妨害の影響により、光フ
ァイバ４によって伝搬される注入モードは高次のモード
に結合される可能性がある。その場合２つのモードは、
妨害の大きさおよび種々の伝搬速度に依存した結合レー
トでガイド中を伝播する。

干渉計の入力側において、注入モードと結合モードとの
間で到来時間の差が観測される。これらモード間の遅延
時間は、それぞれのモードによって、２モードの光ファ
イバにおいて進行した光路間の差に比例している。それ
は、光路パス間に差を惹き起こす２つのモードの伝搬速
度間の差である。オプチカルバス間のこの差の検出によ
り、結合モードを惹き起こした妨害の位置を推定するこ
とができる。

この検出は、光ファイバを出る光波を干渉計に注入する
ことによって行われる。この測定は第１に、干渉計から
出口において出力される干渉生成波に関連する。

干渉計の２つの分路のそれぞれにおいて伝搬する光波間
の干渉は次の２つの場合において生じるニ ー光ファイバに沿った妨害に無関係に、干渉計の２つの
光路が等しいとき、 一干渉計の２つの分路間の光路における差が各モードの
ファイバにおいて進行する光路間の差を補償するとき。

第１の場合それぞれのモードが相互干渉する干渉計の２
つの分岐間の光路における差の発生は、干渉計の分岐の
少なくとも１つの長さおよび／または屈折率の変更によ
って生じる。生じたバリエーションのそれぞれにより、
干渉計の入力側におけるモード間の遅延時間の補償が実
現され、その際遅延時間はファイバに沿って分布配置さ
れたそれぞれのトランスデユーサによって決められる。

言い換えると、光ファイバに沿って分布配置されｌ；そ
れぞれのトランスデユーサは、極めて一義的な方法にお
いて、所定のバリエーションに関連している。上述のこ
とから測定も所定のバリエーションに関連しているとい
うことになる。

第１および第２の検出装置はそれぞれ、干渉生成波の最
大値および相応のバリエーションを検出する。測定ユ三
ットはこれら測定値から光ファイバに沿った妨害の位置
を突き止める。

例えば、１ｍの長さに対して、８８０ｒ＋＋＋＋の波長
の発光ダイオードから成る光源に対して、モード伝搬間
の差は２ｐｓのオーダにある。

妨害位置の決定において得られる精度は、第１の検出装
置が干渉縞の振幅の最大値を位置決めできる精度に依存
している。５０μｍより低い分解能、すなわち０．２ｐ
ｓのより低い時間分解能を得ることができた。この時間
間隔は、５ｍｍの２モードファイバにおける伝搬に相応
する。

換言すれば、多モード干渉を有する光センサの空間分解
能は、５ｍｍより良好である。

可動ミラーの変位範囲において多重化することができる
トランスデユーサの総数は、光源のコヒーレンス長に等
しい多モード干渉現象の幅に依存している。言い換える
と、多重化することができるトランスデユーサの数は、
可動ミラーの変位範囲と光源のコヒーレンス長との間の
関係によって決められる。

例えば、７０ｒｒｎ＋のｌ／２の高さのスペクトル幅お
よび７００μｍのコヒーレンス長を有する光源に対して
および４０ｍｍの可動ミラーのへ変位範囲を許容する干
渉計に対して、トランスデユーサの数は約５５である。

第２図には、光源２がマルチモードレーザダイオードで
ある第１の実施例が示されている。

基本ガイドモードＬＰＱＩとは別のモードは、光ファイ
バ４の入力側においてモードフィルタ３によってフィル
タリングされる。モードフィルタは、依然としてガイド
される唯一の成分が基本モードであり、高次モードは外
方向に放射する、横方向に研磨されたファイバから成っ
ている。この場合、研磨されたファイバを取り囲む外界
の屈折率ｎ１は次の関係を満たさなければならない： ｎ　１１＜　ｎ　１＜　ｎ　０１、その際ｎ０１および
ｎｉｌはそれぞれ、基本モードＬＰｏ１および１次モー
ドＬｐＨの有効屈折率である。典型的には０．８μｍで
ある最低波長の基本モードを伝搬する、典を的には約１
．３μｍである所定の波長範囲における光ファイバ４の
単一モードは、ファイバに沿って分布配置されたトラン
スデユーサ５によって伝送される妨害を受ける。複数の
トランスデユーサは同時に作動状態におくことができる
。

トランスデユーサ５は、式 ％式％） が保証されるように決定された、空間周期Δのファイバ
のマイクロペンディングを発生し、その際λ０は光源の
中心波長であり％ｎＯ１は基本モードＬＰｏｌの存効指
数、およびｎｌｌは１次モードＬＰ１１の有効屈折率で
ある。

多モード干渉を有する光センサは一般に、次のようなも
のとすることができるモードフィルタ３に接続されてい
る光Ｒ２を含んでいる：Ｒ１Ａ、ＢＥＲＧＨ他著、　”
Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ　Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃ　Ｐ
ｏ１ａｒｉｚｅｒ’、０ｐｔｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ／
Ｖｏ１．５　＋　Ｎｏ、　１１　／　１９８０年Ｉｔ月
、第４７９ないし４８１頁に記載されているような研磨
されたファイバ、端部と端部が結合されている、一方が
２モードで、他方が単一モードである２つのファイバ、
または高温で引っ張ることによってベベリングされたフ
ァイバ（ＳＨＡＨ等著／″Ｂｉｏｃｏｎｉｃａｌ　Ｔａ
ｐｅｒｅｄＦｉｂｅｒ−ＭｏｄｅＦｉｌｔｅｒＦｏｒＢ
ｉｍｏｄａｌＳｙｓｔｅｍｓ”、）ＯＦＣ８８／ＷＱ１
３参照）。

光ファイバ４は、所定の波長を有しかつ低波長において
動作する単一モードファイバであり自己伝搬することが
できるモードは次のガイドされるモード、すなわち基本
モードＬＰＱｌ；１次モードＬ　Ｐ　１１　、およびと
きには高次のモードである。

光ファイバ４は、偏波モードを伝搬する複屈折ファイバ
とすることができる。

光ファイバに沿って配置されたトランスデユーサはすべ
て、検出されるべきパラメータの効果に基づいたモード
間の結合の発生を許容するマイクロベンドトランスデユ
ーサのようなデバイスである。２モード光ファイバに向
き合った２モードまたは単一モード光ファイバは、モー
ド結合トランスデユーサとして使用することができる。

干渉計は、マイケルソン型、マツハーツエンダー型また
は７アブリーベローをのものである光源は典型的なりＣ
電流源から成る。光センサの検出部分に、集積された光
検出器増幅器が使用される。上述の特別な実験において
、ＥＧ＆Ｇ　　Ｐｈｏｔｏｎ　　Ｄｅｖｉｃｅｓ社のＨ
ＦＤ−１０６０光検出器が使用された。光検出器は、干
渉パターンを観測するＩ；めに必要である８０ｋＨｚの
帯域幅を発生することができるような、外部素子の配列
を有している。干渉計分岐は一定の速度で走査するので
、干渉縞は一定の時間間隔において現れる。

しかしながら、干渉縞の出現は、ファイバ端部から出る
光をすべて光検出器の感応領域によって遮断すると、マ
スクされる可能性がある。

このことは、ＬＰモード直交性に基づいている。検出さ
れる縞は、ファイバ直径に沿って２つの等しい部分を有
しており、光検出器において加算されるとき、相互に補
償される１つが正および１つが負の部分である（ＬＰ１
１モード対称性の結果として）、この理由のため、これ
ら２つの部分の一方は、ファイバ端部の後において、適
当なストッパを使用してマスクされなければならない。

本発明の光センサは、例えば侵入、力、圧力および温度
検出器、並びに水素センサおよび類似のもののような環
境パラメータの変化の位置の検出および決定のために使
用可能である。

本発明のこれまでの詳細な説明は、請求項に記載された
ように、本発明の範囲を制限するものではない。

発明の効果 本発明の光センサは系のダイナミックレンジおよび空間
分解能が高まるという特長を有している。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の光センサの概略を示すブロック線図
であり、第２図は、本発明の光センサの実施例の概略図
である。 ｌ・・・光センサ、２・・・光源、３・・・モードフィ
ルタ、４・・・２モード光ファイバ、５・・・トランス
デユーサ、６・・・干渉計、８．９・・・検出装置、ｌ
Ｏ・・・測定ユニツ ト

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、それぞれ、光波の放射、前記光波の２モード光ファ
   イバへの注入、および前記２モード光ファイバを用いた
   前記光波のガイドを行う光学手段と、 それぞれ、基本モードＬＰ＿０＿１または前記注入され
   た光波の偏波モードを、１次モードＬＰ＿１＿１または
   直交偏光モードに対して結合を行う前記２モード光ファ
   イバに沿って分布配置された手段と、 干渉計の干渉の状態の変更によって、干渉計の入力側に
   おいて結合されたモード間の遅延時間の差の補償を行う
   干渉計と、 前記干渉計に対して行われた前記変更の測定、前記干渉
   生成波の強度検出、および多モード結合を発生した妨害
   の、前記２モード光ファイバに沿った位置の決定を行う
   電気手段とを備えていることを特徴とする多モード干渉
   を有する光センサ。 ２、前記光学手段は、前記注入された光波のモードとは
   別の前記光波のモードのフィルタリングを行う手段を有
   している請求項１記載の多モード干渉を有する光センサ
   。 ３、前記光学手段は、非単色光源から成る請求項１記載
   の多モード干渉を有する光センサ。 ４、前記フィルタリング手段は、単一モードファイバに
   接続された２モードファイバ、研磨された２モードファ
   イバ、または高温での引っ張りによってベベリングされ
   たファイバから成るモードフィルタから成り、前記ファ
   イバは、基本ガイドされるモードＬＰ＿０＿１または偏
   波モードのみが残り、光波のすべてその他のモードは排
   除されるウェーブガイドである請求項２記載の多モード
   干渉を有する光センサ。 ５、ウェーブガイド手段は、所定の範囲の波長に対しか
   つ非結合ガイドモードの伝搬を行う低い波長の範囲にお
   いて動作する単一モード光ファイバ、または偏波モード
   の伝搬を行う複屈折光ファイバから成る請求項１記載の
   多モード干渉を有する光センサ。 ６、干渉計は、マイケルソン型干渉計、マッハーツェン
   ダー型干渉計、またはファブリ−ペロー型干渉計から成
   る請求項１記載の多モード干渉を有する光センサ。 ７、光ファイバに沿って分布配置された手段は、所定の
   空間周期のマイクロペンディングを発生するトランスデ
   ューサであり、単一モード光ファイバが２モード光ファ
   イバに面しているか、または２モード光ファイバが２モ
   ード光ファイバに面している請求項１記載の多モード干
   渉を有する光センサ。