(57)【要約】【課題】簡単な構成で安価に発光素子をモニタリングできるモニタリング用ファイバカプラを提供する。【解決手段】シングルモード光ファイバ３３ｓと一方のマルチモード光ファイバ３３ｍとの端面同士を接続し、更にシングルモード光ファイバ３３ｓの長手方向のクラッドの一部と他方のマルチモード光ファイバ４とを接続したものである。【選択図】図１
2008216577.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シングルモード光ファイバと一方のマルチモード光ファイバとの端面同士を接続し、更に上記シングルモード光ファイバの長手方向のクラッドの一部と他方のマルチモード光ファイバとを接続したことを特徴とするモニタリング用ファイバカプラ。
【請求項２】
シングルモード光ファイバのクラッドの一部に傾斜面が形成され、上記シングルモード光ファイバの上記傾斜面が形成された接続側端部と、マルチモード光ファイバの端面とが接続されたことを特徴とするモニタリング用ファイバカプラ。
【請求項３】
温度や歪みなどの物理量を光学的に測定するためのパルス信号を生成する光源と、上記パルス光信号が伝搬する測定用光ファイバと、上記測定用光ファイバからの後方散乱光を受光する受光器とを備えた光ファイバ式物理量測定装置において、上記後方散乱光の一部をモニタリングするモニタリング部として、請求項１または２記載のモニタリング用ファイバカプラを用いたことを特徴とする光ファイバ式物理量測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マルチモード光ファイバからの光の一部をモニタリングするためのモニタリング用ファイバカプラ及びそれを用いた光ファイバ式物理量測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを利用した物理量測定センサとして、光ファイバ温度センサがある。この光ファイバ温度センサでは、ＬＤ（半導体レーザ）などの発光素子で生成される光を測定用光ファイバに入射し、測定用光ファイバからの後方散乱光からＳｔ（ストークス）光とＡｓ（アンチストークス）光を波長分離し、これらの強度比から測定用光ファイバに沿った温度を測定している。
【０００３】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、次のものがある。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−８４３４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発光素子は周囲温度によって出射する光の波長が変わったり、出力が変動したりするため、周囲温度に応じて発光素子の駆動電流を制御する必要がある。
【０００６】
さらに、発光素子の異常判定を行うために、発光素子のモニタリングを行いたいという要求もある。
【０００７】
しかし、モニタ用のフォトダイオード（ＰＤ）を搭載した発光素子は価格が高く、センサ装置のコスト増の要因となる。
【０００８】
また、光ファイバ温度センサでは、励振されるＳｔ光とＡｓ光が微弱なため、発光素子からの光パワーを少しも無駄にしたくないという要求があり、発光素子からの出射光の一部を利用することなく、発光素子のモニタリングを行う構成が必要であった。
【０００９】
そこで、本発明の目的は、簡単な構成で安価に発光素子をモニタリングできるモニタリング用ファイバカプラ及びこれを用いた物理量測定センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、請求項１の発明は、シングルモード光ファイバと一方のマルチモード光ファイバとの端面同士を接続し、更に上記シングルモード光ファイバの長手方向のクラッドの一部と他方のマルチモード光ファイバとを接続したモニタリング用ファイバカプラである。
【００１１】
請求項２の発明は、シングルモード光ファイバのクラッドの一部に傾斜面が形成され、上記シングルモード光ファイバの上記傾斜面が形成された接続側端部と、マルチモード光ファイバの端面とが接続されたモニタリング用ファイバカプラである。
【００１２】
請求項３の発明は、温度や歪みなどの物理量を光学的に測定するためのパルス信号を生成する光源と、上記パルス光信号が伝搬する測定用光ファイバと、上記測定用光ファイバからの後方散乱光を受光する受光器とを備えた光ファイバ式物理量測定装置において、上記後方散乱光の一部をモニタリングするモニタリング部として、請求項１または２記載のモニタリング用ファイバカプラを用いた光ファイバ式物理量測定装置である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡単な構成でマルチモード光ファイバからの光の一部をモニタリングできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好適な実施形態を添付図面にしたがって説明する。まず、本実施形態に係るモニタリング用ファイバカプラを用いた光ファイバ式物理量測定装置（光ファイバ式物理量測定センサ）の一例として、光ファイバ温度センサを図３で説明する。
【００１５】
図３に示すように、光ファイバ温度センサ３１は、センサ本体３２と、ＬＤモジュール３６から波長分離機能を有する光フィルタモジュール３７まで設けられる装置内光ファイバ３３および温度測定用の測定用光ファイバ（センサファイバ）３４と、後述するセンサ本体３２内の制御手段を制御し、測定箇所の温度を表示する外部演算処理手段としての表示・制御用パソコン３５とで構成される。
【００１６】
センサ本体３２は、波長λ０のパルス光信号（以下、単に光ともいう）Ｌ０を出射する光源としてのＬＤモジュール３６と、パルス光信号を透過し、他方、後方散乱光を波長分離する光フィルタモジュール３７と、後方散乱光からレイリー散乱光、Ｓｔ光、Ａｓ光をそれぞれ受光して電気信号に変換する３個の受光器３８と、制御手段としての信号処理回路３９および制御回路４０とで主に構成される。
【００１７】
装置内光ファイバ３３は、シングルモード光ファイバ３３ｓとマルチモード光ファイバ３３ｍとを接続して構成される。
【００１８】
詳細な説明は後述するが、本発明の第１の実施形態であるモニタリング用ファイバカプラ１（図１参照）は、装置内光ファイバ３３のシングルモード光ファイバ３３ｓにマルチモード光ファイバ４を接続して主に構成される。また、本発明の第２の実施形態であるモニタリング用ファイバカプラ２１（図２参照）は、装置内光ファイバ３３のシングルモード光ファイバ３３ｓに傾斜面を形成して主に構成される。
【００１９】
測定用光ファイバ３４としては、数ｋｍの短距離で温度測定を行う場合、接続が簡単なマルチモード光ファイバ（ＭＭＦ）を用いる。光フィルタモジュール３７とＳｔ光、Ａｓ光を受光する受光器３８間も、それぞれＭＭＦで接続される。
【００２０】
ＬＤモジュール３６は、発光素子としてのＬＤ４１と、そのＬＤ４１を駆動するドライバ４２とからなる。各受光器３８は、ＡＰＤ（アバランシェフォトダイオード）４３と、ＡＰＤ４３の出力を増幅するプリアンプ４４とからなる。また、各受光器３８と信号処理回路３９との間にはＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器４５がそれぞれ接続される。
【００２１】
制御回路４０は、測定用光ファイバ３４から散乱するＳｔ光強度とＡｓ光強度を測定し、これらＳｔ光強度とＡｓ光強度比を基に、測定用光ファイバ３４に沿った温度を演算する。また、制御回路４０は、ＬＤモジュール３６の異常判定を行う機能や、ＬＤ４１の出力を制御する機能、測定用光ファイバ３４の故障点、障害点、異常点を検出するＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ：光パルス試験器）の機能（例えば、測定用光ファイバ３４の損失、接続損失、側圧状態、曲げ状態、断線などの検出機能）も有する。
【００２２】
信号処理回路３９は、主に制御回路４０に入力される前の信号を高速に演算処理するためのものである。制御回路４０にはメモリなどの記憶手段を備えたＣＰＵを用い、信号処理回路３９にはＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）を用いる。
【００２３】
さて、図１は、本発明の好適な第１の実施形態を示すモニタリング用ファイバカプラの概略図である。
【００２４】
図１に示すように、第１の実施形態に係るモニタリング用ファイバカプラ１は、ＬＤ４１から光フィルタモジュール３７（図３参照）に至る光ファイバとしての装置内光ファイバ３３を、ＬＤ４１側がシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）３３ｓとなるように、同一外径のＳＭＦ３３ｓと、一方のマルチモード光ファイバとしてのＭＭＦ３３ｍとを接続して構成している。
【００２５】
第１の実施形態では、ＳＭＦ３３ｓとＭＭＦ３３ｍの端面同士を突き合わせて融着接続することで、接続部２を形成し、ＭＭＦ３３ｍからの後方散乱光の一部がＳＭＦ３３ｓのクラッドに光結合するようにしている。ここでいう後方散乱光は、モニタリング用ファイバカプラ１を図３の光ファイバ温度センサ３１に使用する場合、光フィルタモジュール３７でＳｔ光とＡｓ光が波長分離されるので、レイリー散乱光である。
【００２６】
さらに、モニタリング用ファイバカプラ１は、ＳＭＦ３３ｓのクラッドと、他方のマルチモード光ファイバとしてのモニタリング用のＭＭＦ４とを接続させ、光結合部（ＭＭＦカプラ）３を構成している。
【００２７】
ここで、ＳＭＦ３３ｓのクラッドとモニタリング用のＭＭＦ４とは、ＳＭＦ３３ｓとモニタリング用のＭＭＦ４のコア同士の光結合を無視できる程度（本実施の形態では、光結合効率を０．１ｄＢ未満とした）に、ＳＭＦ３３ｓのコアとＭＭＦ４のコアとの間にギャップを設けつつ、クラッド同士が光結合するように、ＳＭＦ３３ｓのクラッド側面にモニタリング用のＭＭＦ４を接続したものである。
【００２８】
ＳＭＦ３３ｓのクラッドとモニタリング用のＭＭＦ４との接続は、例えば、ＳＭＦ３３ｓとモニタリング用のＭＭＦ４を隣接させ、接続する部分をアーク放電で融着して行う。モニタリング用のＭＭＦ４は、一端が１個目の受光器３８（図３参照）に光結合され、他端が反射防止などのために終端処理される。
【００２９】
本実施形態では、ＳＭＦ３３ｓとしてコア径１０μｍ／クラッド径１２５μｍのシングルモード光ファイバ、ＭＭＦ３３ｍやＭＭＦ４としてコア径６２．５μｍ／クラッド径１２５μｍのマルチモード光ファイバを用いた。
【００３０】
モニタリング用ファイバカプラ１とＬＤ４１の光接続は、接続部２と光結合部３を形成してモニタリング用ファイバカプラ１を作製した後、そのＳＭＦ３３ｓとＬＤ４１を調心して光結合するとよい。
【００３１】
モニタリング用ファイバカプラ１は、図３の光ファイバ温度センサ３１において、後方散乱光の一部をモニタリングするモニタリング部（図３中の点線で囲んだ部分）として使用される。
【００３２】
図１及び図３を用いて、第１の実施形態の作用を光ファイバ温度センサ３１の動作と共に説明する。
【００３３】
ＬＤモジュール３６から出射された波長λ０の光Ｌ０は、ＳＭＦ３３ｓからＭＭＦ３３ｍを介して光フィルタモジュール３７に入射される。更に光Ｌ０は光フィルタモジュール３７を透過し、測定用光ファイバ３４に入射される。このとき、図１に示すように接続部２において、コア径が小さいＳＭＦ３３ｓからコア径が大きいＭＭＦ３３ｍに光Ｌ０が入射されるため、損失はほぼ０である。
【００３４】
その後、測定用光ファイバ３４の各点から戻ってきた後方散乱光は、光フィルタモジュール３７でレイリー散乱光（厳密にはブリルアン散乱光を含む）、Ｓｔ光、Ａｓ光に波長分離される。
【００３５】
そして、レイリー散乱光は、ＭＭＦ３３ｍに再入射され、接続部２において、コア径が大きいＭＭＦ３３ｍからコア径が小さいＳＭＦ３３ｓに入射される。このとき、レイリー散乱光の一部がＳＭＦ３３ｓのクラッドに光結合されてクラッディングモード光ＬＭとなり、ＳＭＦ３３ｓのクラッド内を伝搬する。
【００３６】
クラッディングモード光ＬＭは、光結合部３に達すると、その一部がモニタリング用のＭＭＦ４のコアに光結合され、ＭＭＦ４のコアを伝搬し、モニタ光ｍとして図３の１個目の受光器３８で受光される。他方、Ａｓ光とＳｔ光は、光フィルタモジュール３７において分波され、それぞれ２個目、３個目の受光器３８で受光される。
【００３７】
モニタ光ｍ、Ａｓ光、Ｓｔ光は、各Ａ／Ｄ変換器４５、信号処理回路３９を介して制御回路４０に入力される。制御回路４０は、サンプリング時間間隔ごとに、測定用光ファイバ３４各点からのＳｔ光とＡｓ光の強度比を求め、この強度比から測定箇所の温度を求める。サンプリング時間間隔は距離分解能によって変わる。求めた温度はパソコン３５に表示される。
【００３８】
ただし、Ｓｔ光とＡｓ光は非常に微弱なので、温度測定は繰り返し行い、得られたデータを前回のデータに加算し、加算結果を利用して温度計算し、各点の温度結果を得る。位置情報は、光が測定用光ファイバ３４に入射してから後方散乱光を受信するまでの時間差から求める。
【００３９】
さらに、制御回路４０は、１個目の受光器３８で検出したモニタ光ｍに基づき、ＬＤ４１のモニタリングを行い、ドライバ４２をフィードバック制御してＬＤ４１の駆動電流を制御する。
【００４０】
制御回路４０は、ＬＤ４１がフィードバック制御の命令にしたがって作動しなかったり、出力が低下したりするなどの異常時には、ＬＤ４１が異常であると判定し、警告信号をパソコン３５に送信し、その旨をパソコン３５に表示させたり、ＬＤ４１の作動を停止したりする。
【００４１】
また、制御回路４０は、モニタ光ｍから測定用光ファイバ３４に沿った伝送損失を測定することで、測定用光ファイバ３４の損失、接続損失、側圧状態、曲げ状態、断線、これらの場所（箇所）などを検出する。制御回路４０は、これらの検出に基づき、信号測定用光ファイバ３４の故障点、障害点、異常点がある場合には、警告信号をパソコン３５に送信し、その旨をパソコン３５に表示させる。
【００４２】
このように、モニタリング用ファイバカプラ１は、主としてＭＭＦで構成される装置内光ファイバ３３の一部をＳＭＦ３３ｓとし、そのＳＭＦ３３ｓのクラッドとモニタリング用のＭＭＦ４を接続して形成される。
【００４３】
従来の光ファイバ温度センサは、光源にレイリー散乱光が戻ってくる構成が一般的であり、レイリー散乱光を利用していなかった。しかし、モニタリング用ファイバカプラ１では、ＳＭＦ３３ｓとＭＭＦ３３ｍの接続部２でレイリー散乱光の一部を取り出し、これをＳＭＦ３３ｓのクラッドに接続したモニタリング用のＭＭＦ４で受光器３８に向けて出力する。
【００４４】
本実施形態に係るモニタリング用ファイバカプラ１によれば、モニタ用ＰＤを備えた高価なＬＤを用いる必要がない。また、レイリー散乱光を利用するため、ＬＤ４１からの出射光をモニタリングする必要がない。これにより、ＬＤ４１からの光パワーをロスすることなく、ＬＤ４１をモニタリングできる。
【００４５】
すなわち、モニタリング用ファイバカプラ１によれば、簡単な構成でマルチモード光ファイバからの光の一部をモニタリングできる。
【００４６】
特に、このモニタリング用ファイバカプラ１を用いて光ファイバ温度センサ３１を構成すれば、ＬＤ４１のモニタリングを行いつつ、測定用光ファイバ３４に沿った温度も測定できる。
【００４７】
モニタリング用ファイバカプラ１を用いれば、測定用光ファイバ３４の故障点、障害点、異常点を検出するＯＴＤＲの機能を簡単に追加した光ファイバ温度センサ３１も得られる。
【００４８】
次に、第２の実施形態を説明する。
【００４９】
図２に示すように、モニタリング用ファイバカプラ２１は、装置内光ファイバ３３をＳＭＦ３３ｓとＭＭＦ３３ｍで構成する点は、図１のモニタリング用ファイバカプラ１と同じである。
【００５０】
このモニタリング用ファイバカプラ２１は、ＭＭＦ３３ｍと接続される、ＳＭＦ３３ｓの接続端部のクラッドに、光結合部としての反射面となる傾斜面２３を形成し、その傾斜面２３を形成したＳＭＦ３３ｓの端面とＭＭＦ３３ｍの端面同士を、ＬＤ４１の出射光に対して透明な接着剤（例えば、ＵＶ（紫外線）硬化型樹脂）で接続して接続部２２を形成したものである。
【００５１】
図２では、ＳＭＦ３３ｓのクラッドの下部に傾斜面２３を形成した例を示した。傾斜面２３は、ＳＭＦ３３ｓの接続部２２のクラッドの一部を、ＳＭＦ３３ｓの光軸と直交する方向に対し、接続部２２側からＳＭＦ３３ｓ側へ向かって略４５°傾斜するように形成されている。
【００５２】
傾斜面２３は、ＳＭＦ３３ｓのコアに近接する側の傾斜面の一端から、傾斜面２３側のＳＭＦ３３ｓのコアとクラッドの境界までの距離を１０μｍ以上設けて形成される。
【００５３】
モニタリング用ファイバカプラ２１では、接続部２２において、レイリー散乱光の一部がＭＭＦ３３ｍから空間部に出射され、さらに傾斜面２３で（図２では下方向に）反射されてモニタ光ｍとして受光器３８へ向けて出力される。
【００５４】
傾斜面２３で反射されたモニタ光ｍは、受光器３８で直接受光すればよい。また、センサ本体３２内の構造によっては、モニタ光ｍを集光レンズなどによりマルチモード光ファイバに光結合し、センサ本体３２内の所望の場所に設けられた受光器３８に受光させてもよい。
【００５５】
これにより、モニタリング用ファイバカプラ２１によっても、モニタリング用ファイバカプラ１と同じ作用効果が得られる。
【００５６】
上記実施形態では、発光素子としてＬＤを用いた例で説明したが、数ｋｍ程度の短距離であれば、ＬＥＤを用いてもよい。
【００５７】
また、上記実施形態では、物理量測定センサとして光ファイバ温度センサ３１を例に挙げて説明したが、ひずみセンサなどに各実施形態のモニタリング用ファイバカプラを使用してもよい。
【００５８】
例えば、上記実施形態で後方散乱光から波長分離したレイリー散乱光は、厳密には、波長λ０から約１０ＧＨｚ周波数シフトしたブリルアン散乱光を含む。そこで、図１や図２の各光結合部の後段（下流側）に、ブリルアン散乱光を波長分離する光フィルタを設け、図３のセンサ本体３２内に４個目の受光器３８、Ａ／Ｄ変換器４５を設ければ、測定用光ファイバ３４に発生したひずみも測定できる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の好適な第１の実施形態を示すモニタリング用ファイバカプラの概略図である。
【図２】本発明の第２の実施形態を示すモニタリング用ファイバカプラの概略図である。
【図３】図１に示したモニタリング用ファイバカプラを用いた光ファイバ温度センサの一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  モニタリング用ファイバカプラ
２  接続部
３  光結合部
４  モニタリング用マルチモード光ファイバ（他方のマルチモード光ファイバ）
３３  装置内光ファイバ
３３ｓ  シングルモード光ファイバ
３３ｍ  マルチモード光ファイバ（一方のマルチモード光ファイバ）
４１  ＬＤ（発光素子）
ＬＭ  クラッディングモード光
ｍ  モニタ光
【図１】
2008216577.tif 000003
【図２】
2008216577.tif 000004
【図３】
2008216577.tif 000005