JPS61239129A - 光フアイバセンサ - 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） 本発明は音圧、水圧、機械的圧力などの圧力を検知する
センナに関し、特に光ファイバの微小曲り（マイクロベ
ンド）により光の損失が増加することを利用して圧力変
化を検知する光ファイバセンナに関する。

（従来の技術） 従来、この種の光ファイバの微小曲り（マイクロベンド
）による光の損失から圧力等を検出するセンナは第８図
に示すように光ファイバに入射する発光ダイオード等の
光源１と、光が伝搬する光ファイバ２と、ホトダイオー
ド等による受光器３を有し、光ファイバの途中に検出す
べき水圧、音圧等の検出すべき圧力４が加わったときに
光７アイバに微小面シを発生させるための加圧板５が設
けられている。

次にその動作原理を説明するため、まず光ファイバ中を
光が伝搬するときのモードについて述べる０ 第４図は光ファイバの中を光が伝搬するときの三つのモ
ードをモデル的に示した説明図である。

各モードの伝搬経路は図中では二点鎖線で示している。

モードにはコア層８とクラッド層１０の境界面で反射し
、コア層８の中のみを伝搬するコアモード９と、クラッ
ド層１０とジャケット層１２の境界面で反射し、コア層
８とクラッド層１０の間の境界面で屈折しながら進むク
ラッドモード１１と、クラッド層１０からさらに外側の
ジャケット層１２に漏れ出る放射モード１３がある。通
常の光ファイバで異常な曲り部分がない場合は、光パワ
ーの大部分はコアモード９により伝搬される。

検出されるべき圧力によって光ファイバにマイクロベン
ドが生じると、コアモード９の一部がクラッドモード１
１や放射モード１３に変換される。

この変換率はマイクロベンドの程度によって決定される
から、例えばコアモード９だけを受光器で検出すれば水
圧あるいは音圧等の信号出力が得られる。

このことは、例えばアブライドオプテイクス１９８０年
１０月１日、１９巻１９号Ｐ、　Ｐ８２６５〜８２６７
％７アイパマイクロペンド音響センサｌ（％Ｆｉｂｅｒ
　ｍ１ｃｒｏｂｅｎｄ　　ａｃｏｕ−ｓｔｉｃ　　５ｅ
ｎｓｅｒ　　’　）によって公知されている。

しかしながら、第３図に示すような方法では、光源１の
出力が変動すると、受光器３でその変動が雑音として検
出されてしまうため、信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が低下す
る。このＳ／Ｎ低下を防ぐためには何らかの補償が必要
であることから、従来の技術ではこのＳ／Ｎ低下を補償
する方法として第５図に示すように、光源１で発せられ
た光の一部ｔビームスプリッタ１４か、または図示しな
いカッグラ、ハーフミラ等で分離して、別のマイクロベ
ンドのない光ファイバに結合し、受光器３゜で光信号を
電気信号に変換し参照光出力１５を得る。

検出されるべき力４を受けて加圧板６が押されることに
よシマイクロベンドを生じた部分を通過した光信号は、
受光器３Ｍで電気信号に変換され信号光出力１６となる
。

光源１の変動の影響は、信号光出力１６と、参照光出力
１６のいずれにも含まれているので両者の比を割算器１
７で求めると、光源１の出力変動が補償された出力信号
を得ることができる。

いま基準となる光源の光パワーをＷｏとし、ビームスプ
リッタ１４によりｂ　（０（ｂ（１）倍が参照光として
分割され、さらにマイクロベンドによりコアモードの光
パワーがｃ（ｏ＜Ｃく１）倍になるとし、光源の光パワ
ーがａ倍に変動した場合を考えると、コアモードより得
られる信号光出力Ｗｓは次式で表わされる。

Ｗ　ａ　＝ａ　（１ｂ　）　ＣＷ。

また、参照光出力ＷＲは次式で表わされる。

Ｗ　Ｂ　＝　ａ　ｂ　Ｗ（１ したがって、信号光出力と参照光出力との比は次式で表
わされる。

ここで、（１−ｂ）／ｂはビームスグリツタにより決ま
る定数であるから、信号光出力と参照光出力の比はマイ
クロベンドによる光パワーの変化を表わしておシ、光源
１の光パワーの変動ａの影響を受けないことがわかる。

（発明が解決しようとする問題点） 前記のように従来の光ファイバセンサによる光源の光パ
ワー変動の補償方法は、参照光を得るためにビームスプ
リッタ等の光を分割する装置を必要とした。

まだ、マイクロベンドを利用しだセンサにおいては、受
光器に入射する光パワーが大きいほど信号対雑音比（Ｓ
／Ｎ）が改善されるが、従来の方法では光源で発光され
た光パワーの一部が参照光として使われるため、マイク
ロベンドを生じる部分を通過する光量が少なくなり、光
が有効に利用されない。Ｓ／Ｎ改善にそれだけ不利とな
るという欠点があった。

本発明はこのような欠点を解消するため、マイクロベン
ドを生じる部分よシ以前の光源寄りで光を分割すること
なく、マイクロベンドを生じる部分を含む、それ以後の
信号光受光器寄υのいづれかの部分でモード分離、コア
モード以外のモードの信号光を検出し、これとコアモー
ドを受光する信号光受光器出力を加算して参照光出力と
することによって従来の装置に比ベビームスプリツタを
必要とせず、光の有効利用によるＳ／Ｎ改善ができる光
ファイバセンサを提供することを目的とする。

（問題点を解決するための手段） 前記目的を達成するために、本発明による光ファイバセ
ンサは、光ファイバに微小面シを生じたときの光の損失
の変化によって、前記微小臼υの部分に加えられている
力を検出するセンナにおいて、光ファイバが光を伝搬す
る１、コアモード、クラッドモード、放射モードのうち
、少くともコアモードを用いて信号光出力を得、前記微
小曲りのある部分を含み、微小曲りのある部分から前記
信号光を電気信号に変換するために受光する部分までの
間において、光ファイバ内を伝搬するモードによって光
を分離する手段を設け、前記光を分離する手段によって
分離した光信号を電気信号に変換した出力と前記信号光
出力とから参照光出力を得、前記信号光出力と前記参照
光出力によって、前記微小曲りの部分に加えられている
力を検出するよう構成する。

（実施例） 次に本発明の実施例について図面を参照して説明する。

第１図は、本発明による第１の実施例の構成図である。

光源１から送出された光は、光ファイバ２を伝搬し、受
光器１５Ｍ１に到り検出される。光ファイバ２の途中に
は検出圧力４によって微小臼＃）（マイクロベンド）を
発生させる加圧板６が設けられている。この加圧板５と
受光器３の間にモードによって光を分離する手段を有す
る分離受光部６が設けられている。分離受光部６は受光
器５８！を含み、例えば、光ファイバのジャケットを取
り除き、周囲を屈折率整合オイルを満し、その外周を受
光器３１３１　で覆う構成上する。受光器３１で検出さ
れる信号はコアモードの出力であシ、受光器３８１で検
出される信号はこの部分におけるジャケットを取除かな
かった場合のクラッドモードと放射モードである光成分
の出力である。

コアモードの出力と、クラッドモードおよび放射モート
°の出力の和はマイクロベンド量の大小に関係なくほぼ
一定である。

よ　　　　　　　したがって、受光器３１１の出力と受
光器ａＳｔの出力を対等な比率で加算器１８により加算
することによシ、全くマイクロベンドの影響を受けず、
しかも光源１の変動要素を含む参照光信号が得られる。

受光器３１１　の出力である信号光出力１６は、光源１
の変動とマイクロベンドの影響を受けているので、割算
器で信号光出力１６と参照光出力１５の比をとることに
よって光源１の出力変動を補償することができる。

いま、基準となる光源の光パワーをＷｏ　とし、マイク
ロベンドによってコアモードの光パワーがＣ（０＜Ｃ＜
１　）倍になったとする。また、光源の光パワーが変動
してａ＊になったとすると、受光器ＳＫＩ　から得られ
るコアモードの出力Ｗｏ。

は次式で表される。

Ｗｃｏ＝ａｅＷ＠ この出力を信号光出力Ｗ８として使う。

一方、受光器５Ｂ、から得られるクラッドモードおよび
放射モードの出力をＷ（３１として分離受光部６までに
光が伝搬する間に放射モードがジャケットに吸収される
ことなどにより生じる損失割合をｄとすれば、Ｗｏｌは
次式によって表わされる。

ｗ、、　１＝ａ（１−Ｃ−ｄ　）Ｗ。

Ｗｏｏ　とｗ。１の和は次式のように表わされる。

Ｗｏｏ　＋’Ｗｏｌ＝＝ａ　（１ｄ　）Ｗｅこれはマイ
クロベンドの影響を受けないので参照光出力ＷＲとして
使用する。

信号光出力と参照光出力の比は次式で表わされる。

上式中、ｄは光ファイバの構造により決まる定数である
からＷ、／Ｗ、はマイクロベンドによるコアモードの変
動のみを表わし、光源１の光パワーの変動ａの影響を受
けないことを上式が示している。

第２図は、本発明による第２の実施例の構成図であり、
図中、第１図と同一符号を付した部分は同一か、あるい
は同一機能を有することを示す。

第２の実施例は、加圧・分離受光部７に加圧板５と受光
器ｓａ！を含み、マイクロベンドを発生させる加圧板と
、分離受光部を一体として小形化したものである。

加圧、分離受光部７は、例えば、加圧板５によυマイク
ロペンドを発生させる部分の光ファイバのジャケットを
除去し、周囲を屈折率整合オイルで満し、その外側を受
光素子５Ｂ！で覆う構成とする。

このようにすればマイクロベンドにより生じたクラッド
モードや、放射モードは直ちにファイバの外に漏れ、受
光器３８茸によシ検出されるため、第１の実施例のよう
に光が分離受光部まで伝搬する途中での損失を考える必
要がない。また、コアモードと、クラッドモード、およ
び放射モードが再結合することはないので、マイクロベ
ンドにより生じるコアモードの光パワーの変化で表わさ
れるこのセンナの感度は、光ファイバのマイクロベンド
が発生する部分の長さに比例する。

なお、以上の第１および第２の実施例の説明ではコアモ
ード、クラッドモード、および放射モードから参照光出
力を得たとしているが、コアモードとクラッドモードの
二つのモードから近似的な参照光を得ることも可能であ
る。

（発明の効果） 以上説明したように本発明は、光ファイバのマイクロベ
ンドによる損失を利用して圧力等を検出するセンサにお
いて、マイクロベンドを発生させる場所を含みコアモー
ドから信号光出力を得る受光器までの間にモードによる
分離手段を設けることによってビームスグリツタ等を用
いることなく、クラッドモード、あるいはクラッドと放
射モードの和の出力を得、これと信号光出力とから参照
光出力を得ることができる。

このような構成であるので、光源から送出された光パワ
ーがすべてマイクロベンド受け、光の有効利用により信
号光出力のＳ／Ｎを向上させるという大きな効果がある
。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による第１の実施例の構成図である。 第２図は、本発明による第２の実施例の構成図である。 第３図は、光ファイバセンナの原理を示す基本構成図で
ある。 第４図は、光ファイバの中を伝搬する光のモードを示す
説明図である。 第５図は、従来の光ファイバセンサの例の構成図である
。 １・・・光　源 ２・・・光ファイバ ５Ｍ−５Ｂ、３Ｍ１　＋ＳＢ１１３Ｍ！　ｌ’８！　　
’　”　”。 受光器 ４・・・検出すべき圧力 ５・・ｅ加圧板 ６・・・分離受光部 ７・・・加圧・分離受光部 ８ｅ・・コア層 ９−・・コアモード １０・Φ番りラッド層 １１・ｅ・クラッドモード １２・番ｅジャケット層 １３・・・放射モード １４・・・ビームスプリッタ １５・・・参照光出力 １６・・・信号光出力 １７・・・割算器 １８・・・加算器 第１図 １δ オ　　２　　図 ？３　　図 、！′１７５　図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光ファイバに微小曲りを生じたときの光の損失の
   変化によって、前記微小曲りの部分に加えられている力
   を検出するセンサにおいて、光ファイバが光を伝搬する
   コアモード、クラッドモード、放射モードとのうち、少
   くともコアモードを用いて信号光出力を得、前記微小曲
   りのある部分を含み、微小曲りのある部分から前記信号
   光を電気信号に変換するために受光する部分までの間に
   おいて、光ファイバ内を伝搬するモードによって光を分
   離する手段を設け、前記光を分離する手段によって分離
   した光信号を電気信号に変換した出力と前記信号光出力
   とから参照光出力を得、前記信号光出力と前記参照光出
   力によって、前記微小曲りの部分に加えられている力を
   検出することを特徴とする光ファイバセンサ。
2. （２）前記モードによって光を分離する手段によって分
   離されるモードは、クラッドモードか、クラッドモード
   と放射モードの和のいづれかである特許請求範囲第１項
   記載の光ファイバセンサ。