JPH03243839A

JPH03243839A - 光ファイバセンサ

Info

Publication number: JPH03243839A
Application number: JP2039582A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Nakao; 雅俊中尾; Takeshi Koseki; 健小関; Hiroyuki Ibe; 博之井辺
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-02-22
Filing date: 1990-02-22
Publication date: 1991-10-30

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は被計測情報を光学的手段のみによって検知し、
この情報を伝送する光フアイバセンサに関する。

（従来の技術）周知のように、工業用・医療用等に用いられる計測器に
は安全性や防爆性、無誘導性などの特性が求められてい
るが、これらの特性を有する計測装置として、光学的手
段のみからなるセンサユニットを用いたものか注目され
ている。特に光ファイバを用いたセンサは、光ファイバ
をトランスデユーサとして用いると同時に信号の伝送路
としても使用できるため有効であり、すでにいくつかの
実用化された例がある。

その一つとしてラマン散乱を用いた光フアイバセンサが
ある。ラマン散乱は、ファイバに角周波数Ｗｏの光を入
射すると、ファイバ材料に固有のフォノン振動周波数（
角周波数：Ｗａｂ）だけ周波数のシフトした光波（角周
波数二Ｗｏ±Ｗａｂ）を生じる現像である。

このラマン散乱光の強度はファイバに加わる物理量（例
えば温度や圧力など）の変化に応して変わるため、この
ラマン散乱光の測定によりファイバを用いたセンシング
が可能となる。

第５図に上記したラマン散乱を用いた測定装置の構成を
示す。第５図で２１はレーザ光のパルスを送出するレー
ザ送信機であり、ここから出射したレーザ光のパルスは
光サーキュレータ２２を経て光ファイバ２３に入射する
。このパルスが光フアイバ２３内を伝搬すると、光フア
イバ２３内でパルスの伝搬方向と逆向きにラマン散乱光
が生じる。

このラマン散乱光をレーザ光のパルスの伝搬方向と逆向
きという意味てラマン後方散乱光と呼ぶ。

このラマン後方散乱光はファイバ内を伝搬して光サーキ
ュレータ２２を経て検出部２４て検出される。検出部２
４はフィルタ２５．検波器２６で構成され、ラマン後方
散乱光が到達するまでに要した時間と強度を求め、これ
らの値から測定部位とその部位での温度や圧力などの物
理量を検、出する。

このラマン散乱光を用いた光フアイバセンサは前述した
長所を持つことにより、実際に大電力送電線の温度分布
の測定に用いられている。しかしながら上述した装置に
あっては、レーザ光のパルスが光ファイバを伝搬する間
、パルスのパワーが発生したラマン後方散乱光にうばわ
れてしまうたメ、パルスの伝搬距離が長いほどパルスの
パワーが小さくなってしまう。一般にラマン散乱光の強
度はパルス光の強度に比例している。そのため、長距離
のファイバを用いてセンシングを行う場合、ファイバの
末端付近のパルス光の強度は、入射端付近の強度と比較
して小さくなっているので、ファイバの末端付近で発生
するラマン散乱光も微弱になってしまうという欠点があ
った。

（発明か解決しようとする課題）以上述べたような従来の例えばラマン散乱を用いた光フ
アイバセンサではファイバ長が長い場合、ファイバより
出射するラマン後方散乱光は微弱な光となってしまい、
この光を用いてファイバセンシングを行った場合、測定
精度に劣化が生じるという欠点があった。本発明は上記
事情に鑑みてなされたもので、長距離測定の場合でも測
定用の光強度が小さくならない光フアイバセンサを提供
することを目的とする。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）上記課題を解決するために本発明は、第１の励起光を出
射する第１の光源と、前記第１の励起光の周波数と略等
しい周波数の第２の励起光を出射する第２の光源と、前
記第１の励起光と略等しい周波数の第３の光を出射する
第３の光源と、前記第１の励起光が一端から入射され、
他端から前記第２の励起光と第３の光との混合光が入射
され、この混合光と第１の励起光との混合によって生ず
る第４の光が伝搬する光ファイバと、前記第４の光を検
波してこの光の強度変化を測定し、得られた測定値より
前記光ファイバに加わる物理量を計測する計測手段とに
より構成されている。

（作用）光ファイバに第１の励起光及び第２の励起光と第３の光
との混合光が入射されると、光ファイバの三次の非線形
光学効果により第４の光が生じる。この第４の光の光強
度は伝搬距離が長くなるにしたがい大きくなる。従って
第４の光は減衰することなく計測手段に入射されるので
、長距離のファイバセンシングに適用することができる
。

（実施例）以下図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示す図である。

第１図において、１は周波数ｆｉの第１の励起光を出射
する第１の光源、２は周波数ｆｉと略等しい周波数ｆｊ
の第２の励起光を出射する第２の光源、３はｆｉ、ｆｊ
と略等しい周波数ｆｋの第３の光を出射する第３の光源
である。これらの光源には例えば半導体レーザが用いら
れる。

４はこれらの光波が入射する光ファイバであり、被測定
物の一部あるいは全部と接触している。

第１の光源１からは第１の励起光が連続して出射され、
この光は光サーキュレータ５を経て光ファイバ４の端部
Ａに入射する。同時に第２の光源２からは第２の励起光
のパルスが出射される。第３の光源３からも同様に第３
の光のパルスが出射され、この光と第２の励起光が合波
器６で混合される。第３の光（以下これをプローブ光と
呼ぶ）と第２の励起光の混合光のパルスは光サーキュレ
ータ７を経て光ファイバ４の端部Ｂに入射する。

第１の励起光は光ファイバ４の端部ＡからＢの方向へ伝
搬し、第２の励起光とプローブ光との混合光のパルスは
ＢからＡの方向へ伝搬する。この混合光と第１の励起光
は光フアイバ４内で混合され、混合している領域内で、
光ファイバの非線形光学効果により、新たに端部Ａから
Ｂの方向へ進行する周波数ｆｊｊｋ（＝ｆｊ　＋ｆｊ十
ｆｋ）の第４の光が生じる。この第４の光を以下アイド
ラ波と呼ぶ。

このアイドラ波は後述するように光ファイバに加わる温
度や圧力などの物理量の変化を計測するために用いられ
る。

第２の励起光とプローブ光の混合光は端部Ａより出射し
、光サーキュレータ５で方向を変える。

一方光ファイバ４の端部Ｂより出射するアイドラ波と第
１の励起光は光アッタネータ８に入射し、ここで両光波
の強度は減衰する。減衰した２つの光波は周波数変換器
９に入射する。ＩＯは局部発振レーザであり、第１の励
起光の周波数ｆｉと略等しい周波数ｆｌで発振する周波
数安定化されたレーザである。この局部発振レーザ１０
から出射した周波数ｆ１のレーザ光（ｆｌ　’；ｆｉ）
が局部発振光として周波数変換器９に入射することによ
り、周波数変換器９からは周波数ｆｉｊｋのアイドラ波
が出射し、このアイドラ波は検波器１１で検波される。

検波器１１では検波したアイドラ波の強度か測定され、
ここで各時刻におけるアイドラ波の強度を表す波形（Ｏ
Ｔ　Ｄ　Ｒ：　０ｐＮｃａｌ　Ｔｊｎ＋ｅＤｏｍａｉｎ
　Ｒｅｆｌｅｃｔｍｅｔｒｙ波形）を得ることができる
。この波形より光ファイバに加わる物理量（温度、圧力
など）の変化を計測することができる。

以下、０ＴＤＲ波形より光ファイバに加わる物理量を計
測する原理を説明する。

第２図（ｂ）に光ファイバの温度が部位によらず一定の
ときに計測される０ＴＤＲ波形の一例を示す。第２図に
おいて横軸ｔは時間を表わし、最初のアイドラ波が検波
器に到達した時点をＯとする。縦軸Ｐはアイドラ波の強
度である。図示するように、アイドラ波の強度は時間の
経過ともに上昇している。これは次の様な理由による。

アイドラ波の強度Ｐ　１ｊｋ（Ｚ　）は周知のように伝
搬距離Ｚに応じて変化する。アイドラ波強度Ｐ　１ｊｋ
（Ｚ）は■、■式のように表わせる。

Ｐ　１ｊｋ（Ｚ）−Ｐｋ（Ｚ）　　ｔａｎ２　（ｌ　　
Ｋ　Ｉ　　Ｚ）−・・・・・■（３〉Ｋ本　−（ω／２）Ｊ買コ１「Ｔ汀Ｘ　　　　ＡｉＡｊ
　　・・・■■式、■式で、Ｐ　ｋ（Ｚ　）は伝搬距離
Ｚにおけるプ＊（３）ローブ光強度、　　Ｋ　はＫの複素共役、Ｘ　　は３次
の電気感受率、ωは光の周波数、μ０は真空の透磁率、
εはファイバコアの比誘電率、Ａ１及びＡｊはそれぞれ
第１．第２の励起光の複素振幅を表す。■式を見てわか
るように、アイドラ波強度Ｐｉｊｋ　　（Ｚ）はプロー
ブ光強度Ｐ　ｋ（Ｚ　）に依存することがわかる。プロ
ーブ光強度は、次の■式％式％） ■式を見てわかるようにプローブ光強度はＫＩＺ＜π／
２を満たす領域では、プローブ光が光ファイバ４（第１
図参照）の端部Ｂ側から端部Ａに向かって伝搬する間（
Ｚ　−０−Ｚ　−Ｌ　、　ｔ：　タしＬは光ファイバ長
）に大きくなる。

従って■式、■式より光ファイバの損失が小さければ、
アイドラ波の強度はプローブ光強度の増加に比例して増
加することがわかる。（参考のためプローブ光強度の時
間変化波形も示す。）この様にアイドラ波は光ファイバ
が長距離にわたった場合でも微弱になることはない。

このアイドラ波の強度は前述したように屈折率。

損失、三次の電気感受率などで決まる。光ファイバに加
わる温度や圧力などの物理量が変化するときこれらの値
も変化する。よってアイドラ波の強度の変化を測定すれ
ば光ファイバに加わる物理量の変化を計測することがで
きる。

第３図に光ファイバの一部を恒温槽で覆い残りの部分は
恒温槽内とは異なる温度で一定の場合のアイドラ波強度
の変化を示す。図示するように光ファイバの中央部を恒
温槽て覆うと、恒温槽の部分で生したアイドラ波の強度
は他の部分で生じたアイドラ波の強度とは異っている。

これはアイドラ波の強度はプローブ光の強度に比例して
大きくなるが、プローブ光の増幅度が恒温槽の部分で変
化し、さらに比例係数も変化してしまうためである。光
ファイバに加えられた温度の変化すなわち恒温槽内の温
度を計測するためには、恒温槽を通過することによって
変化したアイドラ波強度ＰＬと変化前のアイドラ波強度
ＰＯとの比をとり、強度がＰＯの時の光ファイバの温度
を基準として算出すればよい。また強度が変化した時点
（ｔｌ）から光フアイバ上の恒温槽の位置を知ることが
できる。

上記したことから光ファイバのある部位の温度が上昇（
あるいは下降）するとその部位で発生したアイドラ波の
強度は他の部分で発生するアイドラ波の強度とは異なり
２つのアイドラ波強度を比較することにより、温度の上
昇（あるいは下降）がどれ位であったかを計測できる。

また、アイドラ波の速度はわかっているので、強度の変
化したアイドラ波を検波器で検出した時間から温度が変
化した光ファイバの部位を特定することができる。

光ファイバに加わる圧力が変動した場合も同様である。

本実施例では光源として半導体レーザを用いたが、他の
レーザ例えばガスレーザでも大箱可能である。また、本
実施例は光ファイバに周波数のほぼ等しい第１の励起光
、第２の励起光さらに第３の光（プローブ光）が入射さ
れ、相互作用によって生じたアイドラ波を局部発振光を
用いたヘテロダイン方式により検波したものであるが、
ヘテロダイン方式によらない検波方法も可能である。

第４図は本発明の第２の実施例を示す図で、同一部分に
は同一符号を付し詳しい説明は省略する。

本実施例ではフィルタ２０を用いてアイドラ波を分離し
検波器１１で検波する。フィルタとしては例えばエタロ
ンを用いる。この場合は光アッタネータ及び局部発振レ
ーザを設ける必要はない。

［発明の効果］以上詳述したように、本発明はプローブ光強度増加にと
もないアイドラ波の強度が増加するため、長距離のファ
イバセンシングに効果的である。

また従来の光フアイバセンサの長所である防爆性・無誘
導性などの長所もそのまま維持されるので、幅広い分野
のセンシングへの適用が可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の構成を示す図、第２図
は光ファイバの温度が一定の場合プローブ光強度の時間
変化およびアイドラ波の０ＴＤＲ波形を示す図、第３図
は中央が恒温槽に覆われた光ファイバにおけるプローブ
光強度の時間変化及びアイドラ波の０ＴＤＲ波形を示す
図、第４図は本発明の第２の実施例の構成を示す図、第
５図は従来のラマン散乱を用いた光フアイバセンサの構
成を示す図である。１・・・第１の光源、　　２・・・第２の光源。３・・・第３の光源、　４・・・光ファイバ。５．７・・・光アイソレータ、　　６・・・合波器。８・・・光アッテネータ、　　９・・・周波数変換器。１０・・・局部発振レーザ、　　１１・・・検波器。２０・・・フィルタ、　　２１・・・レーザ。２２・・・光アイソレータ、　　２３・・・光ファイバ
２４・・・検出部、　　２５・・・フィルタ。２６・・・検波器

Claims

【特許請求の範囲】

　第１の励起光を出射する第１の光源と、前記第１の励
起光の周波数と略等しい周波数の第２の励起光を出射す
る第２の光源と、前記第１の励起光と略等しい周波数の
第３の光を出射する第３の光源と、前記第１の励起光が
一端から入射され、他端から前記第２の励起光と第３の
光との混合光が入射され、この混合光と第１の励起光と
の混合によって生ずる第４の光が伝搬する光ファイバと
、前記第４の光を検波してこの光の強度変化を測定し、
得られた測定値より前記光ファイバに加わる物理量を計
測する計測手段とを具備することを特徴とする光ファイ
バセンサ。