JPS6287813A - ２波長方式の光フアイバ利用の光センサ - 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、光ファイバを利用した温度センサ。

圧力センサ。電界センサなどの２波長方弐の光ファイバ
利用の光センサに関する。

〈従来の技術〉 単−波長の光ファイバ利用の光センサとして、第２図、
第３図に示すようなものがある。

第２図は、透過型の光ファイバ利用の光センサを示す。

第２図において、１は電気−光変換素子（Ｅｌｏ）　、
２は透過型の光センサ素子、３は光−電気変換素子（０
／Ｅ）　、４は電気−光変１ａ素子ｌと光センサ素子２
とを接続する光ファイバ、５は光センサ素子２と光−電
気変換素子３とを接続する光ファイバである。光−電気
変換素子３は、計測器に接続されている。光センサ素子
２は、温度や圧力や電磁界などの物理現象の変化によっ
て、透光率が変化するものである。

第３図は、反射型の光ファイバ利用の光センサを示す。

第３図において、６は電気−光変換素子（Ｅ／○）、７
は反射型の光センサ素子、８は光−電気変換素子（０／
Ｅ）　、９は方向性結合器、１０は電気−光変換素子６
と方向性結合器９とを接続する光ファイバ、１１は方向
性結合器９と光センサ素子７とを接続する光ファイバ、
１２は方向性結合器９と光−電気変換素子８とを接続す
る光ファイバである。光−電気変換素子８は、計測器に
接続されている。光センサ素子７は、裏面に反射鏡を貼
着している。この光センサ素子７は、温度や圧力や電磁
界などの物理現象の変化によって、透光率が変化するも
のである。

この光ファイバ利用の光センサの場合、光センサ素子２
．７の温度、圧力、電磁界などの物理量に対応して変化
する光量を測定することによって、その物理量を計測す
る。

このような光ファイバ利用の光センサの場合、光センサ
素子２．７以外で生しる損失は、すべ宅誤差の原因とな
る。そのような誤差として、光ファイバの屈曲やコネク
タ接続に起因した誤差があげられる。

そこで、そのような誤差を除去するために、通常、次に
述べる２波長方式が採用されている。

第４図は従来の２波長方式の光ファイバ利用の光センサ
の概略構成図である。

第４図において、１３．１４はＬＥＤ　（発光ダイオー
ド）などの電気−光変換素子、１５は光合波器、１６は
光センサ素子、１７はフォト・ダイオードやアバランシ
ェ・フォト・ダイオードなどの光−電気変換素子、１８
〜２１は光ファイバ、２２〜２７は屈折率分布レンズ（
セルフォックレンズ）である。光−電気変換素子１７は
、計測器に接続されている。

ある物理現象（温度、圧力、電磁界）を与えると、特定
の波長λ１の透過光量が変化するような光センサ素子１
６を用いるとき、光センサ素子１６による損失以外の損
失、例えば、光ファイバ２０．２１の曲がり、コネクタ
接続などに起因した損失を除去するために、別の波長λ
２の光を参照光として利用している。

光センサ素子１６では、物理現象の変化に応じて波長λ
１の光量が変化し、波長λ２の光量は変化しない。

しかし、光ファイバの屈曲やコネクタ接続による損失は
、同波長λ１．λ２の光量とも変化する。

これによって、光センサ素子１６以外の損失は除去され
る。

このことを式で表すと、次のようになる。波長λ、の信
号光Ｌｓの検出電圧を■ｓ、波長λ２の参照光Ｌｒの検
出電圧をＶｒとすると、Ｖｓ＝Ａ、　　・αＣ１・αＳ
　　　　　・・・・・・・・・＋１１Ｖｒ＝Ａ２　・α
Ｃ２・・・・・・・・・（２）となる。ただし、ここで
、Ａ、、Ａ２は電気−光変換素子１３．１４の出力や光
−電気変換素子１７の感度によって決まる定数、αｃｌ
＋　　αＣ，は伝送中に生しる光センサ素子１６以外で
の透光率、αＳは光センサ素子１６における透光率であ
る。

検出電圧Ｖｓと検出電圧Ｖｒの比を■。とすると、 Ｖ、＝Ｖｓ／Ｖｒ Ａ、　　・αＣ２ となる。

もし、αＣ１−αＣ２とすることができるのであれば、
電圧比ｖ０は、 Ｖａ　＝（Ａｔ　／　Ａｚ　＞　　・Ｃｔ　３　　　　
−−−（４１となる。即ち、伝送中に生じる光センサ素
子１６以外での透光率αｃＩ＋　αＣ２が相殺され、Ａ
ｔ／Ａ２は一定であるから、電圧比■。は、光センサ素
子１６において生じる透光率αＳのみの関数となり、電
圧比■。を検出することにより、物理現象の変化を検出
することができる。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、このような構成ををする従来例の場合に
は、次のような問題点がある。

この２波長方弐の光ファイバ利用の光センサでは、電気
−光変換素子１３と光センサ素子１６とを接続する光フ
ァイバ２０や、光センサ素子１６と光１−電気変換素子
１７とを接続する光ファイバ２１が屈曲すると、波長λ
１の信号光Ｌｓの光量も、波長λ２の参照光Ｌ「の光量
も変化するが、その変化率即ち透光率は信号光Ｌｓと参
照光Ｌｒとで相違する。

即ち、αＣ１≠αＣｚ　となってしまう。

その原因は、光ファイバ２０．２１内でのモード分布が
波長λ１と波長λ２とで異なるからである。

例えば、高次モードが多いモード分布のときと、低次モ
ードしかないモード分布のときとでは、光ファイバ２０
．２１の同じ屈曲に対して、前者のモード分布のときの
方が光ファイバ２０．２１における損失が大きい。

αＣ７≠αＣｌとなってしまうと、式（３）において、
αＣ１＋　　αＣ２を相殺することができず、検出した
電圧比■。に誤差が発生し、物理現象の変化を高精度に
検出することができなくなってしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであっ
て、高次モード成分を除去し、低次モード成分のみにす
ることにより、光ファイバの接続部あるいは屈曲部にお
いて生じがちな波長による透光率の差をなくし、物理現
象の変化を高精度に検出できるようにすることを目的と
する。

く問題点を解決するための手段〉 本発明は、このような目的を達成するために、次のよう
な構成をとる。

即ち、本発明の２波長方式の光ファイバ利用の光センサ
は、互いに波長を異にする信号光と参照光とを合波する
光合波器と、合波された信号光および参照光を伝送する
光ファイバと、この光ファイバにおいて少なくともその
一部を巻回することによってＯ８３〜５，０％程度の歪
みを与えた状態に形成されたループとを備えたものであ
る。

く作用〉 本発明の構成による作用は、次の通りである。

（ｉ）光ファイバは、屈曲することにより、歪みを生じ
、この歪みによって光伝送に損失が生しる。

そして、この歪みに起因する透光率は、短波長側の波長
λ、の場合の透光率αＣ８と長波長側の波長λ２の場合
の透光率αＣ２とで異なるのが一般的である。

しかし、後で説明する実験例で得られた結果のように、
光ファイバにおいて少なくともその一部を巻回し、ルー
プを形成して歪み率を適当に選択することにより、波長
λ１の場合の透光率αＣ１と、波長λ２の場合の透光率
αＣｔとを同一ないし実質的に同一とすることができる
。

実験の結果、そのような歪み率が、０．３〜５．０％程
度であることが判明した。また歪み率が０．８〜２．０
程度の場合には、両透光率αＣ１＋　　αＣ２を同一な
乙）シ実質的に同一とする上でより好ましいことも判明
した。

歪み率が５．０％を超える場合も透光率αｃ、と透光率
αＣ２との差が十分に小さいが、こうするには、ループ
の径が小さくなり過ぎ、光ファイバが曲がり過ぎて折損
するおそれがあるので、採用できない。

また、歪み率が０．３％よりも小さい場合は、透光率α
Ｃ１と透光率αＣ！との差が大き過ぎるため、採用でき
ない。

（ｉｉ）本発明は、以上の事実に基づいて、光ファイバ
に与える歪み率を０．３〜５．０％程度に特定している
のである。

このような本発明の構成によれば、短波長例の波長λ１
の場合の透光率αＣ４と長波長側の波長λ２の場合の透
光率αＣ２とが、同一ないし実質的に同一となる。従っ
て、光ファイバの屈曲に起因した高次成分による悪影響
が除去される。

なお、ループを形成する分だけ光ファイバが長くなるが
、ループであるため、占有面積は比較的少なくてすむ。

〈実施例〉 以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて詳細に説明
する。

第１図は本発明の一実施例に係る２波長方式の光ファイ
バ利用の光センサの概略構成図である。

第１図において、従来例に係る第４図に示した符号と同
一の符号は、本実施例においても、その符号が示す部品
５部分等と同様のものを指す。

また、特記しない限り、接続関係についても本実施例と
第４図の従来例とは同様の構成を有している。

本実施例において、第４図の従来例と異なっている構成
は、次の通りである。

光合波器１５から光−電気変換素子１７側に導出された
接続用光ファイバ２８の端部にコネクタ２９が接続され
、光−電気変換素子１７から光合波器１５側に導出され
た接続用光ファイバ３０の端部にコネクタ３１が接続さ
れている。中間に光センサ素子１６を介在した伝送用光
ファイバ３２の両端にコネクタ３３゜３４が接続され、
一方のコネクタ３３が接続用光ファイバ２８のコネクタ
２９に結合され、他方のコネクタ３４が接続用光ファイ
バ３０のコネクタ３１に結合されている。

光合波器１５から導出された接続用光ファイバ２８には
、そのクラッドに被覆されたコアに歪みを与えて高次成
分を除去するために、ループＬが形成されている。

このループＬと光合波器１５と電気−光変換素子１３、
１４とがケーシング３５に内装されている。

〈実験例〉 短波長側の波長λ、の信号光Ｌｓを発光するための電気
−光変換素子１３として、波長λ、＝０．８８μｍのＡ
ｆＧａＡｓ系のＬＥＤを使用している。

一方、長波長側の波長λ２の参照光Ｌｒを発光するため
の電気−光変換素子１４として、波長λ２−１．３０μ
ｍのＩｎＣ＋ａＡｓ系のＬＥＤを使用している。

光−電気変換素子１７側の接続用光ファイバ３０のの屈
曲径Ｒと、ループＬの径ｒと、歪み率εとの関係におい
て、高次成分に対する波長λ、についての損失βｃ＋（
ｄＢ）と、波長λ２についての…失βＣ２（ｄＢ）が、
波長λ、　＝０．８８μｍと、波長λｚ＝＋、３０μｍ
とで、どのように変化するのかを実験した。この実験は
、ループＬの巻回回数が２回の状態で行った。得られた
結果を第１表に示す。

（以下余白） 第１表 ｔ−一−−−−−−−−適　正−・−・−−−−−−一
−−−−−−−゛第１表において、例えば歪み率ε＝０
．３％（ループ１．の径ｒ＝５０ｍｍ）の場合であって
、屈曲径Ｒ＝１００關の場合は、波長λ１についての損
失βＣ３＝０．０１ｄＢ、波長λ２についての損失βｃ
２＝０．０１ｄＢであり、その差はＯｄＢである。即ち
、高次成分の影響を完全に除去できる。

また、歪み率ε−０，３％（ループＬの径ｒ＝５０璽■
）の場合であって、屈曲径Ｒ＝２５ｍ＋ａの場合は、波
長島についての損失βＣ＋　”　０．３５ｄ　Ｂ、波長
λ２についての…失β（−ｚ　＝　０．４０ｄ　Ｂで、
その差はわずかに０．０５ｄＢである。この場合も、高
次成分の影響を実質的に除去できる。

光ファイバ３０の歪み率εが０．３〜５．０％（ループ
Ｌの径「が３〜５０龍）の範囲では、損失βＣ８と損失
βＣ２との差が０．０５ｄＢよりも小さい。

歪み率ε−６，０％（ループＬの径ｒ−２５冒膳）の場
合も…失βＣ７と損失βＣ２との差が０．０５ｄＢより
も小さいが、ループＬの径「が２５冒諷と小さく、光フ
ァイバ３０が曲がり過ぎて折…するおそれがあるので、
採用できない。

また、歪み率ｔ　＝　０．２％（ループＬの径ｒ−７５
龍）の場合は、屈曲径Ｒ＝３５ｍｍのときにβＣ，−β
Ｃｚ＝Ｏ，１１ｄＢ、屈曲径Ｒ＝２５＋ｎのときにβＣ
＋−βＣｚ＝０．２１ｄＢとかなり大きくなるため、採
用できない。

以上のことは、ループＬの巻回回数が３〜５回の場合に
も当てはまる。

以上の理由によって、本発明は、光ファイバに与える歪
み率εを０．３〜５．０％程度に特定しているのである
。

なお、接続用光ファイバ３０の歪み率εが０．８〜２．
０％（ループＬの径が７．５〜１９ｕ）の範囲では、損
失βＣ８と損失βＣ２との差が０．０３ｄＢ以下と非常
に小さいので、この範囲を採用するのがより好ましい。

〈実施例の効果〉 光ファイバに与える歪み率εを０．３〜５．０％程度に
する状態にループＬを形成すると、βＣ，−βＣ２≦０
．０５となり、この場合は、実質的にβ０１−βＣ２と
みなすことができるから、式（３）を式（４）のように
置き換えることができる。

従って、光ファイバ３０の屈曲に起因した高次成分によ
る悪影響を除去することができ、これによって、高精度
な検出が可能となる。

さらに、端部にコネクタ２９を有する光ファイバ２８を
光−電気変換素子】７に接続することは、光−電気変換
素子１７に接続用光ファイバ３０を介して接続されてい
る光ファイバ３２の端部のコネクタ３３をコネクタ２９
に対して結合することによって行われる。

即ち、接続用光ファイバ２８は、光合波器１５に常時的
に結合されており、接続用光ファイバ２８を光合波器１
５から離脱するようなことは、通常はしない。従って、
接続用光ファイバ２８を光合波器１５に対して着脱する
ことに起因して光量のコネクタ損失が変化することも防
止される。

また、中央の光ファイバ３２の接続自体も容易化される
。

さらに、ケーシング３５に接続用光ファイバ２８をルー
プＬにして内装しているため、ケーシング３５をコンパ
クト化する上でも有利である。

〈発明の効果〉 本発明によれば、次の効果が発揮される。

光ファイバに与える歪み率を０．３〜５．０％程度にす
る状態で、光ファイバの少なくとも一部分をループに形
成しであるので、短波長側の波長λ１の場合の透光率α
Ｃ１と長波長側の波長λ２の場合の透光率αＣ２とを、
同一ないし実質的に同一とすることができる。

従って、光ファイバの屈曲に起因した高次成分による悪
影響を除去することができ、これによって、検出を高精
度に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係る２波長方式の光ファイ
バ利用の光センサの概略構成図、第２図は従来の透過型
の光ファイバ利用の光センサ、第３図は従来の反射型の
光ファイバ利用の光センサ、第４図は従来の２波長方式
の光ファイバ利用の光センサの概略構成図である。 １３・・・電気−光変換素子 １４・・・電気−光変換素子 １５・・・光合波器 １６・・・光センサ素子 ２８・・・光ファイバ し・・・ループ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）互いに波長を異にする信号光と参照光とを合波す
   る光合波器と、 合波された信号光および参照光を伝送する光ファイバと
   、 この光ファイバにおいて少なくともその一部を巻回する
   ことによって０．３〜５．０％程度の歪みを与えた状態
   に形成されたループ とを備えた２波長方式の光ファイバ利用の光センサ。
2. （２）前記ループが、直径３〜５０ｍｍのものに形成さ
   れ、かつ２〜５回巻回されている特許請求の範囲第（１
   ）項記載の２波長方式の光ファイバ利用の光センサ。
3. （３）前記ループの歪みが０．８〜２．０％程度である
   特許請求の範囲第（１）項記載の２波長方式の光ファイ
   バ利用の光センサ。