(57)【要約】    シングルモードレーザ光（１２）を伝えるためのマルチモードファイバ（１６）と、ファイバでサポートされる空間モードをランダム化するための乱数発生器（１８）と、シングル空間モードを回復させるためにランダム化した空間モードを平均化する手段とを含む光学装置。
2010511167.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シングルモードレーザ光を伝えるマルチモードファイバと、ファイバでサポートされる空間モードをランダム化する乱数発生器と、ランダム化した空間モードを平均化してシングル空間モードを再生する平均化手段とを備えた光学装置。
【請求項２】
乱数発生器がファイバの空間振動を引き起こす請求項１に記載の装置。
【請求項３】
乱数発生器がファイバに沿って物理的摂動を引き起こす請求項２に記載の装置。
【請求項４】
乱数発生器が、偏心重量付きＤＣモータと、平面パネル励振器と、圧電モータの何れか１つ又は複数を備える請求項３に記載の装置。
【請求項５】
空間振動周波数が、１Ｈｚから１０ｋＨｚの範囲にある請求項２〜４の何れかに記載の装置。
【請求項６】
平均化手段が、１００から１０００個のサンプルサイズを平均化する前記請求項の何れかに記載の装置。
【請求項７】
レーザが波長チャープを出力するチャープレーザである前記請求項の何れかに記載の装置。
【請求項８】
波長チャープが波長走査に使用される請求項７に記載の装置。
【請求項９】
チャープレーザが半導体レーザである請求項７または８に記載の装置。
【請求項１０】
レーザが半導体ダイオードレーザである請求項９に記載の装置。  
【請求項１１】
レーザが量子カスケードレーザである請求項７〜１０の何れかに記載の装置。  
【請求項１２】
１個又は一連の実質的に段階関数の電気パルスを半導体ダイオードレーザに当てて、それぞれが連続波長チャープを保持して光学セルに注入される１個または複数のパルスを出力させる手段を備える請求項７〜１１の何れかに記載の装置。  
【請求項１３】
半導体ダイオードレーザに当てられる各パルスの持続時間が１５０ｎｓより長い、特に２００ｎｓより長い請求項１２に記載の装置。  
【請求項１４】
各パルスの持続時間が１５０から３００ｎｓの、好ましくは２００から３００ｎｓの範囲内である請求項１３に記載の装置。  
【請求項１５】
検出パルスの持続時間が、１５０ｎｓより長い、特に２００ｎｓより長い請求項７〜１４の何れかに記載の装置。  
【請求項１６】
検出パルスの持続時間は、１５０から３００ｎｓの範囲内であり、好ましくは２００から３００ｎｓである請求項７〜１５の何れかに記載の装置。  
【請求項１７】
好ましくはシングルモードであるレーザと、レーザ及び／又は標的領域から光を伝送するマルチモードファイバと、ファイバでサポートされた空間モードをランダム化する乱数発生器と、標的領域を通過した光を検知する検出器と、ランダム化した空間モードを平均してシングル空間モードを再生する平均化手段とを備えたガス検知器。  
【請求項１８】
乱数発生器がファイバの空間振動を引き起こす請求項１７に記載のガス検知器。  
【請求項１９】
乱数発生器がファイバに沿って物理的摂動を引き起こす請求項１８に記載のガス検知器。
【請求項２０】
乱数発生器が、偏心重量付きＤＣモータと、平面パネル励振器と、圧電モータの何れか１つ又はそれ以上を備える請求項１９に記載のガス検知器。  
【請求項２１】
空間振動周波数は、１Ｈｚから１０ｋＨｚの範囲である請求項１８〜２０の何れかに記載のガス検知器。
【請求項２２】
平均化手段が、１００から１０００個のサンプルサイズを平均化する請求項１７〜２１の何れかに記載のガス検知器。
【請求項２３】
レーザが波長チャープを出力するチャープレーザである請求項１７〜２１の何れかに記載のガス検知器。
【請求項２４】
波長チャープが波長走査に使用される請求項２３に記載のガス検知器。
【請求項２５】
チャープレーザが半導体レーザである請求項２３または２４に記載のガス検知器。
【請求項２６】
レーザが半導体ダイオードレーザである請求項２５に記載のガス検知器。
【請求項２７】
レーザが量子カスケードレーザである請求項２３〜２６の何れかに記載のガス検知器。
【請求項２８】
１個又は一連の実質的に段階関数の電気パルスを半導体ダイオードレーザに当てて、それぞれが連続波長チャープを保持して光学セルに注入される１個または複数のパルスを出力させる手段を備える請求項２３〜２７の何れかに記載のガス検知器。
【請求項２９】
前記のレーザに当てる各パルスの持続時間が、１５０ｎｓより長い、特に２００ｎｓより長い請求項２８に記載のガス検知器。
【請求項３０】
各パルスの持続時間が、１５０から３００ｎｓの、好ましくは２００から３００ｎｓの範囲内にある請求項２８に記載のガス検知器。
【請求項３１】
検出パルスの持続時間が、１５０ｎｓより長い、特に２００ｎｓより長い請求項２３〜３０の何れかに記載のガス検知器。
【請求項３２】
検出パルスの持続時間が、１５０から３００ｎｓの、好ましくは２００から３００ｎｓの範囲内にある請求項２３〜３１の何れかに記載のガス検知器。
【請求項３３】
乱数発生器が標的領域のアップストリームをもたらす請求項１７〜３２の何れかに記載のガス検知器。
【請求項３４】
乱数発生器が標的領域のダウンストリームをもたらす請求項１７〜３３の何れかに記載のガス検知器。
【請求項３５】
シングルモードレーザ光を伝送するマルチモードファイバと、ファイバでサポートされる空間モードをランダム化するための乱数発生器とを備える光学装置。  
【請求項３６】
シングルモードレーザからの放射線を伝送し、伝送中に放射線をランダム化し、ランダム化した放射線を受け取り、これを使ってシングルモード放射線を再生することを包含する方法。
【請求項３７】
受け取った放射線の平均化を含むシングルモード放射線の再生に、ランダム化した放射線を使用することを包含する請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
少なくとも部分的に自由空間を介して放射線を伝送する請求項３６または３７に記載の方法。
【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を介してシングルモード光を伝送するシステム及び方法に関し、好ましくは長距離伝送であり、具体的には、遠隔及び／又は保安に問題のある条件で使用するためのファイバ結合型ガス検知システム（fibre coupled gas sensor system）に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバは、例えば、通信分野で光の長距離伝送手段として使用されている。近年は、アクセス不能または保安に問題がある場所（hostile location）に光を輸送するガス検知分野で近赤外線（ＩＲ）光ファイバが使用されている。これにより、多点遠隔ガス検知技術を採用できる。こうしたレーザを使ったガス検知技術は、典型的にシングルモードレーザ光源を使って高感度と高分解能測定をもたらす。レーザ光源のスペクトル特性を保持するために、レーザ出力をシングルモードファイバで伝送する必要がある。
【０００３】
近年、ＷＯ０３０８７７８７号が開示するように、ガス検知分野において量子カスケードレーザが使用され、その内容を参照用に本書に組み込む。ミドルＩＲの分光遷移に伴う横断面の増加により、検出感度を有意に高めることができる。ファイバを使ったミドルＩＲセンサは、シングルモードミドルＩＲファイバに伴う過剰な損失のせいで、典型的に、ガス検知分野では使用されない。これらの損失の多くは、例えば、シングルモードファイバのコア径が約５−１０μｍと極めて狭いことに起因し、光をファイバに効率的に結合させるのが難しい。一方、マルチモードファイバは、典型的に、４００―５００μｍのコア径を有する。しかし、シングルモードレーザ光をマルチモードファイバを介して伝送すると、マルチ空間モードをサポートすることになる。こうした空間モードは典型的に検出器に干渉し、光学干渉ノイズを発生させる。
【０００４】
本発明の一実施例によれば、シングルモードレーザ光を伝えるためのマルチモードファイバと；ファイバでサポートされる空間モードをランダム化するための乱数発生器と；シングル空間モードを再生するためにランダム化した空間モードを平均する平均化手段と、を備える光学装置を提供する。
【０００５】
好ましくは、乱数発生器はファイバの空間振動を引き起こす。マルチモードファイバの高速空間振動は、ファイバがサポートする空間モードをランダム化する。信号加算平均により、ランダム化した空間モードを検出器で再結合し、レーザのシングル空間モード特性を再生できる。
【０００６】
本発明は、多数の実用的応用に利用できるが、好ましい実施例では、好ましくはシングルモードであるレーザと、レーザ及び／又は標的領域から光を送るためのマルチモードファイバと、ファイバでサポートされる空間モードをランダム化する乱数発生器と、標的領域を通過した光を検知する検出器と、シングル空間モードを再生するためにランダム化した空間モードを平均する平均化手段と、を備えるをガス検知器で使用する。
【０００７】
信号加算平均により、ランダム化した空間モードを検出器で再結合し、レーザのシングル空間モード特性を再生できる。従って、光学干渉ノイズの導入を防ぎ、センサの高感度を維持する。これにより、マルチモードファイバを高感度ガス検知器で使用できるため、シングルモードファイバの使用に伴う典型的な高損失を回避し、近づきにくい、あるいは保安に不安がある場所でマルチポイント遠隔検知を実現できる。
【０００８】
乱数発生器は、ファイバ空間振動を発生させる任意の構成として構わない。例えば、乱数発生器はファイバに沿って物理的摂動を引き起こす摂動体であっても構わない。摂動体は、例えば、偏心重量付きＤＣモータと、平面パネル励振器と、圧電モータの何れか１つ又は複数を備えることができる。摂動体が引き起こす空間振動周波数は、１Ｈｚから１０ｋＨｚの範囲であって構わない。
【０００９】
レーザ光源は、好ましくは、チャープレーザである。この場合、波長チャープ自身がもたらす波長変動を使って、波長走査を行う。従って、例えば、パルス列に重ねた緩いＤＣ電流ランプなどによって、空間領域全域における有効発光線幅の調整を行う必要がない。これは、サンプリングレートが高速で、完全スペクトル解析を極めて迅速に実行できるを意味する。
【００１０】
チャープレーザは、例えば、半導体ダイオードレーザなどの半導体レーザであっても構わない。１個又は一連の実質的段階関数電気パルスを半導体ダイオードレーザに適用することでチャープ光を生成し、レーザに１個または複数のパルスを出力させ、光学セルに注入する。このとき、各パルスは連続波長チャープを備える。レーザは量子カスケードレーザであっても構わない。
【００１１】
各適用パルスの持続時間は、１５０ｎｓより長く、具体的には、２００ｎｓより長い。各適用パルスの持続時間は、１５０から３００ｎｓの範囲内であっても構わず、好ましくは２００から３００ｎｓである。これにより、約６０ＧＨｚの同調レンジを提供できる。
【００１２】
各検出パルスの持続時間は、１５０ｎｓより長く、具体的には、２００ｎｓより長い。各検出パルスの持続時間は、１５０から３００ｎｓの範囲内であっても構わず、好ましくは２００から３００ｎｓである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１ガス検知器の略図である。
【図２】第２ガス検知器の略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面を参照しながら、本発明を実施例の形で説明する。図１は、マルチファイバ量子カスケードガス検知器または粒子検知器１０を示す。これは、光をマルチ光ファイバ１６に集中させるために、凸レンズ１４を出力に設けたシングルモード量子カスケードレーザ１２を備える。ファイバ１６を空間的に摂動するためのメカニズム１８を長さ方向に備える。この実施例では、メカニズム１８は偏心重量付きＤＣモータであるが、平面パネル励振器や圧電モータなど、ファイバを高速で動かすその他のメカニズムを使用しても構わない。マルチファイバ１６の出力に凸レンズ２０を備え、試料領域２４を介して検出器２２に向けて光を集中させる。試料領域２４をオープンセル構造とし、これにより光が単一通路を通過するか、あるいは、抜け出す前に光が複数回通過するようにしたセルを介しても構わない。ＷＯ０３０８７７８７号に様々な量子カスケードガス検知器とセル構造の実施例が記載されている。その内容を参照用に本明細書に援用する。
【００１５】
使用時には、段階関数電気パルスを量子カスケードレーザ１２に適用することで連続波長チャープを発生させる。各適用パルスの持続時間は、１５０ｎｓより長く、具体的には、２００ｎｓより長く、１５０から３００ｎｓの範囲内であり、理想的には２００から３００ｎｓである。連続波長チャープを光ファイバに注入し、これが試料領域を通過し、検出器に導入される。各チャープがもたらす波長変動を内部パルス走査として利用し、試料領域内の気体の特定に使用できる。
【００１６】
波長チャープがファイバ１６を通過すると同時に、摂動メカニズム１８を使ってファイバ１６に高速空間振動を引き起こす。振動周波数は、典型的に、１または２Ｈｚから１０ｋＨｚの範囲内である。これには、ファイバ１６がサポートする空間モードのランダム化効果がある。適当な時間間隔とサンプル数の信号加算平均により、ランダム化した空間モードを検出器２２で再結合できる。有意なランダム化を確実に実現するために、時間間隔を選択する必要があり、一般的には、数Ｍｍｓから数秒である。ランダム化した空間モード効果を平均化するには、典型的に、１００から１０００個のサンプルが必要で、これにより、シングル空間モード特性を再生できる。ＷＯ０３０８７７８７が開示するように、試料領域２４内の気体の検出または特定に再生した信号を使用できる。これは、典型的に、検出信号と１個又は複数の既知材料のフィンガープリントとの比較を伴う。    
【００１７】
空間モードをランダム化することにより、マルチモードファイバ１６による光学干渉ノイズの導入を防ぎ、シングルモードファイバを使わなくても、センサの高感度を維持できる。さらに、マルチモードファイバの摂動により、自由空間を介して伝わる伝搬ビームの干渉パターンを高速で変更できるため、窓やシンチレーション／乱流などの外因から生じる光学干渉ノイズを除去できる。これは、干渉ノイズがシステムの性能に深刻な影響を及ぼすオープン経路ガス検知と自由空間電気通信の両方に重要な効果をもたらす。
【００１８】
本発明は多数の実用上の利点をもたらす。特に、シングルモードパフォーマンスが必要な状況（applications）でマルチモード光ファイバの使用が可能になる。マルチモードファイバは、１つの搬送波によるマルチレーザ波長の伝送を可能とする広帯域通信範囲をもたらす。これは、レーザを基にした検知応用におけるファイバと設置コストを大幅に削減する。マルチモードファイバは結合損失と伝送損失が少なく、相対的に長距離のファイバ伝送を可能とし、従って、マルチポイント遠隔検出を実現できる。さらに、マルチモードファイバの大きなコア径は、レーザとファイバ自身の光学・機械的調整許容範囲（opt-mechanical alignment tolerances）を有意に減少させるのに役立つ。これは、レーザとファイバの包装に掛かる費用を削減し、機器のロバスト性を有意に高める。ガス検知器は、保安上問題があるほか、困難な環境に設置することが多いため、これは重要な利点である。
【００１９】
発明の範囲から逸脱することなく、開示した構成に多様な変更が可能なことは当業者であれば理解されよう。例えば、図１の摂動体は、ファイバの長さ方向に沿ってレーザ出力に設けてあるが。図２に示すように試料領域と検出器の間に、ファイバの長さ方向に設けることもできる。これは、アップストリームの摂動である。あるいは、図１と図２の構成を組み合わせて、ファイバが試料領域をダウンストリームとアップストリームの両方向に摂動するようにもできる。従って、本書に記載する特定の実施例は、あくまで参考例であって、本発明を限定するものではない。開示内容に有意な変更を加えることなく、若干の応用が可能なことは当業者であれば理解されよう。
【図１】
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【図２】
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【国際調査報告】
2010511167.tif 000005
2010511167.tif 000006
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