JP2635732B2 - 光ファイバセンシング方式 - Google Patents
光ファイバセンシング方式Info
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
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- G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は光ファイバを用いて該光ファイバの長手方向
に加わる周囲の温度や圧力等の物理量の分布を測定する
光ファイバセンシング方式に関する。
に加わる周囲の温度や圧力等の物理量の分布を測定する
光ファイバセンシング方式に関する。
従来、光ファイバを用いて該光ファイバの長手方向に
加わる周囲の温度や圧力等の物理量の分布を測定する方
法としてOTDR（Optical Time Domain Reflectometry）
と呼ばれる方法が用いられている。この方法は、光ファ
イバの片端からある波長をもつパルス光を入射させると
該パルス光の一部が光ファイバの長手方向に沿う任意の
地点で後方散乱を受けて前記片端側に戻ってくることを
利用し、前記パルス光が戻ってくる時間から前記任意の
地点を特定し、戻ってくる光強度の変化から前記任意の
地点における光ファイバの損失値を測定する方法であ
る。この時、前記任意の地点の損失値が周囲の温度や圧
力等の物理量の変化に応じて変化するならば逆に上記方
法を用いて前記損失値の変化から前記任意の地点におけ
る温度や圧力等の物理量を測定することができる。
加わる周囲の温度や圧力等の物理量の分布を測定する方
法としてOTDR（Optical Time Domain Reflectometry）
と呼ばれる方法が用いられている。この方法は、光ファ
イバの片端からある波長をもつパルス光を入射させると
該パルス光の一部が光ファイバの長手方向に沿う任意の
地点で後方散乱を受けて前記片端側に戻ってくることを
利用し、前記パルス光が戻ってくる時間から前記任意の
地点を特定し、戻ってくる光強度の変化から前記任意の
地点における光ファイバの損失値を測定する方法であ
る。この時、前記任意の地点の損失値が周囲の温度や圧
力等の物理量の変化に応じて変化するならば逆に上記方
法を用いて前記損失値の変化から前記任意の地点におけ
る温度や圧力等の物理量を測定することができる。
しかしながら、上記の方法においては、入射光に対し
て後方散乱する光の割合が小さく、また入射光はパルス
光であるので単位時間当りに検知される光量が少なくな
るためS/N比が低く、測定のダイナミックレンジが小さ
いといった問題点があった。従って、測定精度をあげる
ために通常は数千回から数万回の平均化処理を行なって
いるので１回の測定に数秒から数分を要する場合も少な
くなかった。ちなみに市販されているOTDR装置のダイナ
ミックレンジは17dBから20数dBと小さいため、ダイナミ
ックレンジをあげるために1Wの出力をもつ高出力半導体
レーザや数Ｗから十数Ｗの出力をもつNd・YAGレーザ等
の光源が使われる例もあるがこの場合は光源の価格が大
きな負担になるとともに光ファイバ中での非線形光学効
果を生ずる可能性があり、この非線形光学効果がノイズ
源となることもある。
て後方散乱する光の割合が小さく、また入射光はパルス
光であるので単位時間当りに検知される光量が少なくな
るためS/N比が低く、測定のダイナミックレンジが小さ
いといった問題点があった。従って、測定精度をあげる
ために通常は数千回から数万回の平均化処理を行なって
いるので１回の測定に数秒から数分を要する場合も少な
くなかった。ちなみに市販されているOTDR装置のダイナ
ミックレンジは17dBから20数dBと小さいため、ダイナミ
ックレンジをあげるために1Wの出力をもつ高出力半導体
レーザや数Ｗから十数Ｗの出力をもつNd・YAGレーザ等
の光源が使われる例もあるがこの場合は光源の価格が大
きな負担になるとともに光ファイバ中での非線形光学効
果を生ずる可能性があり、この非線形光学効果がノイズ
源となることもある。
本発明の目的は単位時間当りに検知される光量を多く
してS/N比を向上し、測定のダイナミックレンジを広く
することのできる光ファイバセンシング方式を提供する
ことにある。
してS/N比を向上し、測定のダイナミックレンジを広く
することのできる光ファイバセンシング方式を提供する
ことにある。
本発明は上記の問題点を解決するためになされたもの
で、特定光波の入射によって該特定光波と波長の異なる
他の光波での損失特性が変化し、しかもその変化量が他
から加わる物理的作用によって変る特性を有する光ファ
イバの一端から他端に向けて前記他の光波を入射し、他
端からは前記特定光波のパルス光を前記一端に向けて入
射し、前記他端における前記他の光波の出力強度の変化
を検出することにより前記光ファイバの長手方向に加わ
る物理量の分布を測定することを特徴とするものであ
る。
で、特定光波の入射によって該特定光波と波長の異なる
他の光波での損失特性が変化し、しかもその変化量が他
から加わる物理的作用によって変る特性を有する光ファ
イバの一端から他端に向けて前記他の光波を入射し、他
端からは前記特定光波のパルス光を前記一端に向けて入
射し、前記他端における前記他の光波の出力強度の変化
を検出することにより前記光ファイバの長手方向に加わ
る物理量の分布を測定することを特徴とするものであ
る。
以下本発明を第１図ないし第５図に基づいて詳細に説
明する。
明する。
第１図に本発明の光ファイバセンシング方式の構成図
を示す。図中４は特定光波の入射によって該特定光波と
波長の異なる他の光波での損失特性が変化し、しかもそ
の変化量が他から加わる物理的作用によって変る特性を
有する光ファイバで、ここでは複数のエネルギー準位を
有する物質がドーピングされた光ファイバを用いてい
る。９は前記物質の基底準位Ω０と最も高い励起準位を
除いた任意の一つの励起準位Ωａとの間の遷移エネルギ
ーに相当する周波数ωａをもつ特定光波のパルス光の光
源で、パルス発生器11、及び駆動回路10により発生さ
れ、レンズ６、ビームスプリッタ８、レンズ５を経て前
記光ファイバ４の他端から入射される。なお13は光源９
からの特定光波のパルス光の出力強度の安定状態をモニ
ターしたり出力レベルの設定をしたりするための光検出
器であるが本発明に必須な構成要素ではない。１は前記
任意の一つの励起準位Ωａと該励起準位Ωａより高い励
起準位Ωｂとの間の遷移エネルギーに相当する周波数ω
a-bをもつ他の光波をフィルタ２、レンズ３を介して前
記光ファイバ４の一端から入射させるための光源であ
る。この場合の他の光波は連続光でもパルス光でもどち
らでもかまわない。12は前記光ファイバ４の他端から出
射された他の光波の出力強度をレンズ５、ビームスプリ
ッタ８、レンズ７を介して測定するための光検出器であ
る。ここでフィルタ２は光源１からの他の光波は通過さ
せ、光源９からの特定光波は通過させないかもしくは大
きく減衰させるフィルタであり、ビームスプリッタ８は
光源１からの他の光波は反射させ、光源９からの特定光
波はほとんど通過させるような波長選択性をもつもので
ある。
を示す。図中４は特定光波の入射によって該特定光波と
波長の異なる他の光波での損失特性が変化し、しかもそ
の変化量が他から加わる物理的作用によって変る特性を
有する光ファイバで、ここでは複数のエネルギー準位を
有する物質がドーピングされた光ファイバを用いてい
る。９は前記物質の基底準位Ω０と最も高い励起準位を
除いた任意の一つの励起準位Ωａとの間の遷移エネルギ
ーに相当する周波数ωａをもつ特定光波のパルス光の光
源で、パルス発生器11、及び駆動回路10により発生さ
れ、レンズ６、ビームスプリッタ８、レンズ５を経て前
記光ファイバ４の他端から入射される。なお13は光源９
からの特定光波のパルス光の出力強度の安定状態をモニ
ターしたり出力レベルの設定をしたりするための光検出
器であるが本発明に必須な構成要素ではない。１は前記
任意の一つの励起準位Ωａと該励起準位Ωａより高い励
起準位Ωｂとの間の遷移エネルギーに相当する周波数ω
a-bをもつ他の光波をフィルタ２、レンズ３を介して前
記光ファイバ４の一端から入射させるための光源であ
る。この場合の他の光波は連続光でもパルス光でもどち
らでもかまわない。12は前記光ファイバ４の他端から出
射された他の光波の出力強度をレンズ５、ビームスプリ
ッタ８、レンズ７を介して測定するための光検出器であ
る。ここでフィルタ２は光源１からの他の光波は通過さ
せ、光源９からの特定光波は通過させないかもしくは大
きく減衰させるフィルタであり、ビームスプリッタ８は
光源１からの他の光波は反射させ、光源９からの特定光
波はほとんど通過させるような波長選択性をもつもので
ある。
光ファイバにドーピングされた物質のエネルギー準位
が第２図に示すように基底準位Ω０、励起準位Ωａ、Ω
ｂからなっているとするとこの物質の損失特性は一般的
に第３図（ａ）に示すように基底準位Ω０と励起準位Ω
ａとの間の遷移エネルギーに相当する周波数ωａと基底
準位Ω０と励起準位Ωｂとの間の遷移エネルギーに相当
する周波数ωｂとにおいてそれぞれ大きな損失係数をも
つものとなる。前記物質は通常は基底準位Ω０にあるが
該物質はωａの周波数をもつ強力な光が照射されると該
物質はある割合で基底準位Ω０から励起準位Ωａに遷移
し、前記光の照射が止んで時間がたてばまた励起準位Ω
ａから基底準位Ω０へと遷移してしまう。この励起準位
Ωａから基底準位Ω０へ遷移する時間を励起準位Ωａの
寿命といい、この寿命内に前記物質に入射してくる光に
対しては第３図（ｂ）に示すように損失特性が得られ
る。即ち新たに励起準位ΩａとΩｂとの間の遷移エネル
ギーに相当する周波数ωa-bにおいて大きな損失係数を
もつものとなる。今、周波数ωa-b、光強度I10の他の光
波を長さＬ、損失係数α１の光ファイバの一端から入射
させると他端における出力強度I1はI1＝I10exp（−α
1L）と表される。しかし前記光ファイバの他端から周波
数ωａの特定光波のパルス光を入射させると前記他の光
波は該特定光波により一層強い吸収を受けるため光ファ
イバの他端における他の光波の出力強度は第４図に示す
ように特定光波の一つのパルスが入射された時点から該
一つのパルスが光ファイバ中を進むに従い刻々て変化し
てゆく。この場合特定光波のパルスの周期は一つのパル
スが前記光ファイバ中を往復する時間より十分大きく設
定される必要がある。即ち光ファイバ中には常に一つの
パルスしか存在しないように設定される必要があり、か
つ励起準位Ωａの寿命を考慮した周期を設定する必要が
あるということである。そして特定光波の一つのパルス
が入射された時点からの時刻Ｔにおける光ファイバの他
端における他の光波の出力強度I1（Ｔ）は、時刻Ｔで光
ファイバの他端で検出される他の光波が特定光波によっ
て吸収増加を被った光ファイバの他端からの長さをｌ、
特定光波のパルス光が入射されて光ファイバが励起状態
にある時の他の光波の損失係数をα０（ｌ）・I2（但し
I2は光ファイバ中の特定光波の強度）、他の光波の光フ
ァイバ中の伝搬速度をVa-b、特定光波の損失係数を
α２、特定光波の光ファイバ中の伝搬速度をVa、励起準
位Ωａの寿命をτとし、 と定義するとＴ＝lVとなり、α０（ｌ）がファイバ中の
どの部分でも一定であるとすると、 と表わすことができる。ここでI10、α１、Ｌは前記と
同じである。又、I20は光ファイバの他端における特定
光波の強度である。さらにτ≫Ｔ＝lVと見なせる場合に
は（１）式は と表わされる。（２）式をグラフにしたものが第４図で
ある。このグラフはα０（ｌ）が光ファイバの他端から
の長さｌに対し一定ならば常に一定の曲線を描くはずで
あるが、通常、光ファイバのある部分の周囲の温度や圧
力等の物理量が変化するとα０（ｌ）は変化するので、
例えば時刻Ｔに相当する光ファイバの他端からの長さｌ
の地点での光ファイバの周囲の温度や圧力等の物理量が
変化するとα０（ｌ）が変化し、従って第５図に示すよ
うに光ファイバの他端からの長さｌの地点での曲線が第
４図に示す曲線にくらべて変化するのでその変化量から
光ファイバの他端からの長さｌの地点における周囲の温
度や圧力等の物理量を検出することができる。α
０（ｌ）がこのように光ファイバ内で一定でなく周囲の
物理量により変化している場合は前述の（１）式もしく
は（２）式のように解析的な式を導くことはできない
が、被測定物理量をあらかじめ意図的に変化させたとき
のα０（ｌ）の変化を調べるか、α０（ｌ）を多項式近
似して解析解を求めるなどの方法により計測を行なうこ
とができる。
が第２図に示すように基底準位Ω０、励起準位Ωａ、Ω
ｂからなっているとするとこの物質の損失特性は一般的
に第３図（ａ）に示すように基底準位Ω０と励起準位Ω
ａとの間の遷移エネルギーに相当する周波数ωａと基底
準位Ω０と励起準位Ωｂとの間の遷移エネルギーに相当
する周波数ωｂとにおいてそれぞれ大きな損失係数をも
つものとなる。前記物質は通常は基底準位Ω０にあるが
該物質はωａの周波数をもつ強力な光が照射されると該
物質はある割合で基底準位Ω０から励起準位Ωａに遷移
し、前記光の照射が止んで時間がたてばまた励起準位Ω
ａから基底準位Ω０へと遷移してしまう。この励起準位
Ωａから基底準位Ω０へ遷移する時間を励起準位Ωａの
寿命といい、この寿命内に前記物質に入射してくる光に
対しては第３図（ｂ）に示すように損失特性が得られ
る。即ち新たに励起準位ΩａとΩｂとの間の遷移エネル
ギーに相当する周波数ωa-bにおいて大きな損失係数を
もつものとなる。今、周波数ωa-b、光強度I10の他の光
波を長さＬ、損失係数α１の光ファイバの一端から入射
させると他端における出力強度I1はI1＝I10exp（−α
1L）と表される。しかし前記光ファイバの他端から周波
数ωａの特定光波のパルス光を入射させると前記他の光
波は該特定光波により一層強い吸収を受けるため光ファ
イバの他端における他の光波の出力強度は第４図に示す
ように特定光波の一つのパルスが入射された時点から該
一つのパルスが光ファイバ中を進むに従い刻々て変化し
てゆく。この場合特定光波のパルスの周期は一つのパル
スが前記光ファイバ中を往復する時間より十分大きく設
定される必要がある。即ち光ファイバ中には常に一つの
パルスしか存在しないように設定される必要があり、か
つ励起準位Ωａの寿命を考慮した周期を設定する必要が
あるということである。そして特定光波の一つのパルス
が入射された時点からの時刻Ｔにおける光ファイバの他
端における他の光波の出力強度I1（Ｔ）は、時刻Ｔで光
ファイバの他端で検出される他の光波が特定光波によっ
て吸収増加を被った光ファイバの他端からの長さをｌ、
特定光波のパルス光が入射されて光ファイバが励起状態
にある時の他の光波の損失係数をα０（ｌ）・I2（但し
I2は光ファイバ中の特定光波の強度）、他の光波の光フ
ァイバ中の伝搬速度をVa-b、特定光波の損失係数を
α２、特定光波の光ファイバ中の伝搬速度をVa、励起準
位Ωａの寿命をτとし、 と定義するとＴ＝lVとなり、α０（ｌ）がファイバ中の
どの部分でも一定であるとすると、 と表わすことができる。ここでI10、α１、Ｌは前記と
同じである。又、I20は光ファイバの他端における特定
光波の強度である。さらにτ≫Ｔ＝lVと見なせる場合に
は（１）式は と表わされる。（２）式をグラフにしたものが第４図で
ある。このグラフはα０（ｌ）が光ファイバの他端から
の長さｌに対し一定ならば常に一定の曲線を描くはずで
あるが、通常、光ファイバのある部分の周囲の温度や圧
力等の物理量が変化するとα０（ｌ）は変化するので、
例えば時刻Ｔに相当する光ファイバの他端からの長さｌ
の地点での光ファイバの周囲の温度や圧力等の物理量が
変化するとα０（ｌ）が変化し、従って第５図に示すよ
うに光ファイバの他端からの長さｌの地点での曲線が第
４図に示す曲線にくらべて変化するのでその変化量から
光ファイバの他端からの長さｌの地点における周囲の温
度や圧力等の物理量を検出することができる。α
０（ｌ）がこのように光ファイバ内で一定でなく周囲の
物理量により変化している場合は前述の（１）式もしく
は（２）式のように解析的な式を導くことはできない
が、被測定物理量をあらかじめ意図的に変化させたとき
のα０（ｌ）の変化を調べるか、α０（ｌ）を多項式近
似して解析解を求めるなどの方法により計測を行なうこ
とができる。
次に本発明の実施例を第１図ないし第８図に基づいて
説明する。上記の手段を具体的に実現する方法としては
希土類元素をコア部にドーピングした石英系光ファイバ
を用いることができる。第６図は高純度ガラス中にEr3+
を790wtppm光ファイバのコア部にドーピングした光ファ
イバの損失特性図である。このEr3+は第７図に示すよう
なエネルギー構造をもち、基底準位4I15/2から励起準位
4I13/2への遷移に基づく吸収が第６図中の1.5μｍ帯に
現れている。また同じく基底準位4I15/2から励起準位4I
9/2あるいは4F9/2への遷移に基づく吸収が第６図の0.8
μｍ近傍と0.65μｍ近傍に各々観察されている。この光
ファイバに1.5μｍ帯の強い光（半導体レーザ）を入力
しながら0.6μｍから0.85μｍにわたって損失スペクト
ルを測定すると第８図（ｂ）に示したように1.5μｍ帯
の半導体レーザを入力しない時の第８図（ａ）に示す損
失スペクトル（非励起状態）には見られなかった0.7μ
ｍ付近の吸収および0.8μｍ付近の吸収増加が励起状態
では現れてくる。これは励起準位4I13/2から励起準位4F
7/2及び励起準位4I13/2から励起準位4H11/2への遷移に
基づく吸収で第２図及び第３図のωa-bに相当するもの
である。そこで第１図に示す構成で光ファイバ４の他端
から1.5μｍ帯の半導体レーザによる励起用のパルス光
を入射させ続けた状態で、前記光ファイバ４の一端から
白色光源をモノクロメータで分光した波長0.72μｍの信
号光（他の光波）を入射し、前記光ファイバ４の他端に
設けられた光検出器12で、該信号光の出力強度の変化を
測定したところ第４図に示すようなグラフが得られた。
信号光としては他に同じ波長のLEDや半導体レーザを用
いることもできる。励起準位4I13/2の寿命を測定したと
ころ14msという長い時間であり、光ファイバ長が数百km
以下ならば（２）式が適用できる訳である。この実施例
の場合Er3+の濃度が高いため、1.5μｍ帯の半導体レー
ザによるパルス光（特性光波）の損失係数（（２）式中
のα２に相当）が大きくなり、従って光ファイバ長があ
まり長くなると前記1.5μｍ帯の半導体レーザによる励
起用のパルス光の強度が弱まってしまって効果が出な
い。そのためここでは光ファイバ長を30mに設定した。
しかしEr3+の濃度を小さくすれば、光ファイバ長をもっ
と長く設定することは可能である。例えば実用の範囲で
はEr3+の濃度を1ppmにすれば光ファイバ長を5kmにまで
長くすることが可能である。一方希土類元素イオンの第
７図に示すように励起準位間遷移に基づく吸収が温度に
よって変化することは既に知られている（参考文献：希
土類元素イオン内電子遷移の温度異存性、M.C.Farries
他、Eletron Lett.Vol.22、No.8、P.418、1986）。次
に光ファイバ４の他端から長さｌの地点における前記光
ファイバ４の周囲の温度を変化させたところ、第５図に
示すような損失特性図と同様の結果が得られた。そして
この地点ｌにおける損失特性曲線の変化から温度を測定
することができる。なお光検出器12にはSiの高速検出器
を用いた。また光源１として白色光源の場合より光強度
の大きい波長0.73μｍの色素レザーを用いたところダイ
ナミックレンジを50dB程にとることが出来た。特定光波
の入射に基づくこの0.7μｍ帯の信号光の損失係数α０
（ｌ）・I2は1.5μｍ帯の特定光波のパルス光の出力強
度を強くすることにより増し、感度を上げることが出来
るが同時に測定可能な光ファイバ長を短くする傾向を示
す。また光ファイバにドーピング（クラッド部のみのド
ーピングでも可）する物質としてはEr以外の希土類元素
や同様の効果をもつアルカリ金属イオン、アルカリ土金
属イオン、遷移金属イオン等を用いることができる。さ
らに光ファイバ４としてコア部が液体である液体コア光
ファイバを用いれば色素などの有機材料も可能である。
またフォトトロミックガラス等のフォトトロピー作用を
もつ材料を用いることもできる。
説明する。上記の手段を具体的に実現する方法としては
希土類元素をコア部にドーピングした石英系光ファイバ
を用いることができる。第６図は高純度ガラス中にEr3+
を790wtppm光ファイバのコア部にドーピングした光ファ
イバの損失特性図である。このEr3+は第７図に示すよう
なエネルギー構造をもち、基底準位4I15/2から励起準位
4I13/2への遷移に基づく吸収が第６図中の1.5μｍ帯に
現れている。また同じく基底準位4I15/2から励起準位4I
9/2あるいは4F9/2への遷移に基づく吸収が第６図の0.8
μｍ近傍と0.65μｍ近傍に各々観察されている。この光
ファイバに1.5μｍ帯の強い光（半導体レーザ）を入力
しながら0.6μｍから0.85μｍにわたって損失スペクト
ルを測定すると第８図（ｂ）に示したように1.5μｍ帯
の半導体レーザを入力しない時の第８図（ａ）に示す損
失スペクトル（非励起状態）には見られなかった0.7μ
ｍ付近の吸収および0.8μｍ付近の吸収増加が励起状態
では現れてくる。これは励起準位4I13/2から励起準位4F
7/2及び励起準位4I13/2から励起準位4H11/2への遷移に
基づく吸収で第２図及び第３図のωa-bに相当するもの
である。そこで第１図に示す構成で光ファイバ４の他端
から1.5μｍ帯の半導体レーザによる励起用のパルス光
を入射させ続けた状態で、前記光ファイバ４の一端から
白色光源をモノクロメータで分光した波長0.72μｍの信
号光（他の光波）を入射し、前記光ファイバ４の他端に
設けられた光検出器12で、該信号光の出力強度の変化を
測定したところ第４図に示すようなグラフが得られた。
信号光としては他に同じ波長のLEDや半導体レーザを用
いることもできる。励起準位4I13/2の寿命を測定したと
ころ14msという長い時間であり、光ファイバ長が数百km
以下ならば（２）式が適用できる訳である。この実施例
の場合Er3+の濃度が高いため、1.5μｍ帯の半導体レー
ザによるパルス光（特性光波）の損失係数（（２）式中
のα２に相当）が大きくなり、従って光ファイバ長があ
まり長くなると前記1.5μｍ帯の半導体レーザによる励
起用のパルス光の強度が弱まってしまって効果が出な
い。そのためここでは光ファイバ長を30mに設定した。
しかしEr3+の濃度を小さくすれば、光ファイバ長をもっ
と長く設定することは可能である。例えば実用の範囲で
はEr3+の濃度を1ppmにすれば光ファイバ長を5kmにまで
長くすることが可能である。一方希土類元素イオンの第
７図に示すように励起準位間遷移に基づく吸収が温度に
よって変化することは既に知られている（参考文献：希
土類元素イオン内電子遷移の温度異存性、M.C.Farries
他、Eletron Lett.Vol.22、No.8、P.418、1986）。次
に光ファイバ４の他端から長さｌの地点における前記光
ファイバ４の周囲の温度を変化させたところ、第５図に
示すような損失特性図と同様の結果が得られた。そして
この地点ｌにおける損失特性曲線の変化から温度を測定
することができる。なお光検出器12にはSiの高速検出器
を用いた。また光源１として白色光源の場合より光強度
の大きい波長0.73μｍの色素レザーを用いたところダイ
ナミックレンジを50dB程にとることが出来た。特定光波
の入射に基づくこの0.7μｍ帯の信号光の損失係数α０
（ｌ）・I2は1.5μｍ帯の特定光波のパルス光の出力強
度を強くすることにより増し、感度を上げることが出来
るが同時に測定可能な光ファイバ長を短くする傾向を示
す。また光ファイバにドーピング（クラッド部のみのド
ーピングでも可）する物質としてはEr以外の希土類元素
や同様の効果をもつアルカリ金属イオン、アルカリ土金
属イオン、遷移金属イオン等を用いることができる。さ
らに光ファイバ４としてコア部が液体である液体コア光
ファイバを用いれば色素などの有機材料も可能である。
またフォトトロミックガラス等のフォトトロピー作用を
もつ材料を用いることもできる。
また光ファイバ中のガラス構造欠陥に基づく吸収帯も
利用することができる。前述の解析中においてτ≫Ｔの
近似は不可欠な要素ではなく、（１）式を用いてもセン
シングは可能である。またこの解析では特定光波の入射
に基づく損失係数は、特定光波の強度に比例するものと
した（α０（ｌ）・I2）がこれも特に比例関係は必要で
なく、この時は、第４図および第５図のような関係は得
られないが、周囲の被測定物理量が均一のときとある部
分だけ変化している時のセンシング特性の比較からセン
シングが可能である。
利用することができる。前述の解析中においてτ≫Ｔの
近似は不可欠な要素ではなく、（１）式を用いてもセン
シングは可能である。またこの解析では特定光波の入射
に基づく損失係数は、特定光波の強度に比例するものと
した（α０（ｌ）・I2）がこれも特に比例関係は必要で
なく、この時は、第４図および第５図のような関係は得
られないが、周囲の被測定物理量が均一のときとある部
分だけ変化している時のセンシング特性の比較からセン
シングが可能である。
以上説明したように、本発明の光ファイバセンシング
方式は、従来のOTDRの場合が光ファイバ中の後方散乱光
を利用していたのに対して、本発明方法では光ファイバ
中の透過光を検知光として利用しているため、光の利用
効率が高いため従来よりもS/Nが向上するとともに測定
のダイナミックレンジが向上する。また他の光波として
連続光を使用することが可能で、その場合は、単位時間
当りの検知光量が多くなるため測定時間が短縮される等
工業上顕著な効果を奏するものである。
方式は、従来のOTDRの場合が光ファイバ中の後方散乱光
を利用していたのに対して、本発明方法では光ファイバ
中の透過光を検知光として利用しているため、光の利用
効率が高いため従来よりもS/Nが向上するとともに測定
のダイナミックレンジが向上する。また他の光波として
連続光を使用することが可能で、その場合は、単位時間
当りの検知光量が多くなるため測定時間が短縮される等
工業上顕著な効果を奏するものである。
第１図は本発明に係る光ファイバセンシング方式の構成
図、第２図はドーピング物質のエネルギー準位を示す模
式図、第３図（ａ）はドーピング物質の基底状態におけ
る損失特性図、第３図（ｂ）はドーピング物質の励起状
態における損失特性図、第４図は励起状態の光ファイバ
の他端における他の光波の出力強度のグラフ、第５図は
光ファイバの他端からの距離ｌの地点の周囲の温度が変
化した時の励起状態の光ファイバの他端における他の光
波の出力強度のグラフ、第６図はErがドーピングされた
光ファイバの損失スペクトルのグラフ、第７図はErのエ
ネルギー準位を示す模式図、第８図（ａ）はErの非励起
状態における損失スペクトルを示すグラフ、第８図
（ｂ）はErの励起状態における損失スペクトルを示すグ
ラフである。 １〜光波、２〜フィルタ、３〜レンズ、４〜光ファイ
バ、5,6,7〜レンズ、８〜ビームスプリッタ、９〜光
源、10〜駆動回路、11〜パルス発生器、12,13〜光検出
器。
図、第２図はドーピング物質のエネルギー準位を示す模
式図、第３図（ａ）はドーピング物質の基底状態におけ
る損失特性図、第３図（ｂ）はドーピング物質の励起状
態における損失特性図、第４図は励起状態の光ファイバ
の他端における他の光波の出力強度のグラフ、第５図は
光ファイバの他端からの距離ｌの地点の周囲の温度が変
化した時の励起状態の光ファイバの他端における他の光
波の出力強度のグラフ、第６図はErがドーピングされた
光ファイバの損失スペクトルのグラフ、第７図はErのエ
ネルギー準位を示す模式図、第８図（ａ）はErの非励起
状態における損失スペクトルを示すグラフ、第８図
（ｂ）はErの励起状態における損失スペクトルを示すグ
ラフである。 １〜光波、２〜フィルタ、３〜レンズ、４〜光ファイ
バ、5,6,7〜レンズ、８〜ビームスプリッタ、９〜光
源、10〜駆動回路、11〜パルス発生器、12,13〜光検出
器。
Claims (1)
- 【請求項１】特定光波の入射によって該特定光波と波長
の異なる他の光波での損失特性が変化し、しかもその変
化量が他から加わる物理的作用によって変る特性を有す
る光ファイバの一端から他端に向けて前記他の光波を入
射し、他端からは前記特定光波のパルス光を前記一端に
向けて入射し、前記他端における前記他の光波の出力強
度の変化を検出することにより前記光ファイバの長手方
向に加わる物理量の分布を測定することを特徴とする光
ファイバセンシング方式。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63305037A JP2635732B2 (ja) | 1988-12-01 | 1988-12-01 | 光ファイバセンシング方式 |
| EP89312512A EP0371816B1 (en) | 1988-12-01 | 1989-11-30 | Sensor using optical fibres |
| DE89312512T DE68907570T2 (de) | 1988-12-01 | 1989-11-30 | Fühlereinrichtung mit optischen Fasern. |
| US07/443,943 US5000540A (en) | 1988-12-01 | 1989-12-01 | Sensing system using optical fibers |
| CA002004414A CA2004414C (en) | 1988-12-01 | 1989-12-01 | Sensing system using optical fibers |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63305037A JP2635732B2 (ja) | 1988-12-01 | 1988-12-01 | 光ファイバセンシング方式 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH02150722A JPH02150722A (ja) | 1990-06-11 |
| JP2635732B2 true JP2635732B2 (ja) | 1997-07-30 |
Family
ID=17940342
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63305037A Expired - Fee Related JP2635732B2 (ja) | 1988-12-01 | 1988-12-01 | 光ファイバセンシング方式 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
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| EP (1) | EP0371816B1 (ja) |
| JP (1) | JP2635732B2 (ja) |
| CA (1) | CA2004414C (ja) |
| DE (1) | DE68907570T2 (ja) |
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| EP0553675A1 (de) * | 1992-01-29 | 1993-08-04 | Siemens Aktiengesellschaft | Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Temperatur in einem Turbinenbauteil |
| USH1426H (en) * | 1992-10-28 | 1995-04-04 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Apparatus and method for determining the optical power passing through an optical fiber |
| US5446280A (en) * | 1993-08-31 | 1995-08-29 | Center For Innovative Technology | Split-spectrum self-referenced fiber optic sensor |
| US5589933A (en) * | 1994-10-24 | 1996-12-31 | Photon Kinetics, Inc. | Optical fiber test instrument with mechanically positioned attenuator |
| US5543913A (en) * | 1994-11-21 | 1996-08-06 | Eastman Kodak Company | Device for measuring the spatial characteristics of a light source |
| US5567933A (en) * | 1995-02-14 | 1996-10-22 | Mason & Hanger National, Inc. | Optical fiber detection system with disturbance and positive cut-loop detection capabilities |
| US5814565A (en) * | 1995-02-23 | 1998-09-29 | University Of Utah Research Foundation | Integrated optic waveguide immunosensor |
| US6222619B1 (en) | 1997-09-18 | 2001-04-24 | University Of Utah Research Foundation | Diagnostic device and method |
| JP2010048952A (ja) * | 2008-08-20 | 2010-03-04 | Toshiba Corp | 量子計算機および量子計算方法 |
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|---|---|---|---|---|
| DE2816682A1 (de) * | 1978-04-18 | 1979-12-20 | Max Planck Gesellschaft | Anordnung zur erfassung des einflusses physikalischer groessen auf die laenge eines weges |
| JPS5872027A (ja) * | 1981-10-26 | 1983-04-28 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 光フアイバ損失波長特性測定装置 |
| US4778238A (en) * | 1985-08-01 | 1988-10-18 | Hicks John W | Optical communications systems and process for signal amplification using stimulated brillouin scattering (SBS) and laser utilized in the system |
| US4790619A (en) * | 1986-04-25 | 1988-12-13 | American Telephone And Telegraph Company, At&T Bell Laboratories | Apparatus comprising Raman-active optical fiber |
| GB8622745D0 (en) * | 1986-09-22 | 1986-10-29 | Plessey Co Plc | Bistable optical device |
| JPS63204117A (ja) * | 1987-02-20 | 1988-08-23 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 分布型光フアイバセンサ |
| US4834497A (en) * | 1987-02-27 | 1989-05-30 | The United States Of American As Represented By The United States Department Of Energy | Fiber optic fluid detector |
| US4893894A (en) * | 1988-04-29 | 1990-01-16 | Mine Safety Appliances Company | Evanescent sensor |
-
1988
- 1988-12-01 JP JP63305037A patent/JP2635732B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
1989
- 1989-11-30 EP EP89312512A patent/EP0371816B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1989-11-30 DE DE89312512T patent/DE68907570T2/de not_active Expired - Fee Related
- 1989-12-01 CA CA002004414A patent/CA2004414C/en not_active Expired - Fee Related
- 1989-12-01 US US07/443,943 patent/US5000540A/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP0371816A3 (en) | 1990-11-28 |
| EP0371816A2 (en) | 1990-06-06 |
| JPH02150722A (ja) | 1990-06-11 |
| DE68907570T2 (de) | 1994-02-03 |
| CA2004414C (en) | 1999-05-18 |
| US5000540A (en) | 1991-03-19 |
| CA2004414A1 (en) | 1990-06-01 |
| DE68907570D1 (de) | 1993-08-19 |
| EP0371816B1 (en) | 1993-07-14 |
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