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JP2008298581A - Optical fiber sensor - Google Patents

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JP2008298581A
JP2008298581A JP2007145012A JP2007145012A JP2008298581A JP 2008298581 A JP2008298581 A JP 2008298581A JP 2007145012 A JP2007145012 A JP 2007145012A JP 2007145012 A JP2007145012 A JP 2007145012A JP 2008298581 A JP2008298581 A JP 2008298581A
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JP
Japan
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optical fiber
light
fiber
light source
polarization
Prior art date
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Pending
Application number
JP2007145012A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Keiichi Horimoto
啓一 堀本
Akira Sakamoto
明 坂元
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujikura Ltd
Original Assignee
Fujikura Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fujikura Ltd filed Critical Fujikura Ltd
Priority to JP2007145012A priority Critical patent/JP2008298581A/en
Priority to US12/129,018 priority patent/US7615736B2/en
Priority to CNA2008100983892A priority patent/CN101319917A/en
Publication of JP2008298581A publication Critical patent/JP2008298581A/en
Priority to US12/484,613 priority patent/US20090257705A1/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

【課題】偏光依存を抑制し、シンプルで安価な高精度光ファイバセンサの提供。
【解決手段】光源と、反射面を有し光ファイバ端面との相対距離が圧力や温度などの物理量に応じて変化するセンシング部と、光源からの光をセンシング部に伝送する第1光ファイバと、反射面で反射した光を複数の受光部にそれぞれ伝送する第2光ファイバ及び第3光ファイバと、受光部からの電気信号の比から前記物理量を算出する演算処理部とを有し、光ファイバの各端面は、光ファイバ長手方向と反射面に対する法線とのなす角度θとなるように固定され、第2光ファイバと第3光ファイバとは平行であり、かつ第1光ファイバと第2及び第3光ファイバとの固定角度は反射面に対する法線を基準に対称に配置され、第1〜第3光ファイバは使用する波長においてシングルモードであり、且つ光源と第1光ファイバ端面との間にデポラライザが挿入されたことを特徴とする光ファイバセンサ。
【選択図】図3
Provided is a simple and inexpensive high-precision optical fiber sensor that suppresses polarization dependence.
A sensing unit in which a relative distance between a light source and a reflection surface having an optical fiber end surface changes according to a physical quantity such as pressure and temperature, and a first optical fiber that transmits light from the light source to the sensing unit A second optical fiber and a third optical fiber that respectively transmit light reflected by the reflecting surface to a plurality of light receiving units, and an arithmetic processing unit that calculates the physical quantity from a ratio of electrical signals from the light receiving units, Each end face of the fiber is fixed at an angle θ between the longitudinal direction of the optical fiber and the normal to the reflecting surface, the second optical fiber and the third optical fiber are parallel, and the first optical fiber and the first optical fiber The fixed angles of the second and third optical fibers are symmetrically arranged with respect to the normal to the reflecting surface, the first to third optical fibers are single mode at the wavelength used, and the light source, the first optical fiber end surface, During the depot Optical fiber sensor, characterized in that the riser has been inserted.
[Selection] Figure 3

Description

この発明は、光強度変化を検出することを利用した光ファイバセンサに関し、特に、安価でシンプルな装置構成で偏光依存を抑制し、高い測定精度を実現したものである。   The present invention relates to an optical fiber sensor using detection of a change in light intensity, and in particular, achieves high measurement accuracy by suppressing polarization dependence with an inexpensive and simple device configuration.

従来、変位や温度、圧力等の物理量を測定するセンサとして、電気式が一般に広く利用されていた。しかし、電気式センサは、電源の供給が必要で、電磁雑音の影響を受け易く測定精度が悪化するという問題があった。これに対して光ファイバを用いる光学式センサでは、測定信号を光信号に変換し、光ファイバで遠隔地に伝送するため、電磁雑音の影響を受けることなく信号伝送することが可能であり、測定誤差も小さく、非常に高精度な測定が可能である(例えば、特許文献1〜9参照)。   Conventionally, electrical sensors have been widely used as sensors for measuring physical quantities such as displacement, temperature, and pressure. However, the electric sensor needs to be supplied with power, and is easily affected by electromagnetic noise. In contrast, optical sensors that use optical fibers convert measurement signals to optical signals and transmit them to remote locations via optical fibers, enabling signal transmission without being affected by electromagnetic noise. An error is also small and very high-precision measurement is possible (for example, refer to patent documents 1 to 9).

図1は、従来の光学式圧力センサの一例を示す図である。この光学式圧力センサは、光源1と、反射板4の反射面4aと光ファイバ端面との相対距離が圧力や温度などの物理量に応じて変化するセンシング部3と、光源1からの光をセンシング部3に伝送する出射用の第1光ファイバ2と、センシング部3の反射面4aで反射した光を2つの受光部(第1,第2受光部7,9)にそれぞれ伝送する受光用の第2光ファイバ5及び第3光ファイバ6と、第1,第2受光部7,9からの信号を増幅する増幅器8,10と、増幅された第1,第2受光部7,9からの電気信号の比から、物理量を算出する演算処理部11とから構成されている。反射面4aに対向させた第1〜第3光ファイバ2,5,6の端面は、光ファイバ長手方向と反射面4aに対する法線とのなす角度θとなるように固定され、第2光ファイバ5と第3光ファイバ6は平行であり、かつ第1光ファイバ2と第2及び第3光ファイバ5,6の固定角度は、反射面4aに対する法線を基準に対称となっている。   FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a conventional optical pressure sensor. This optical pressure sensor senses light from the light source 1, the sensing unit 3 in which the relative distance between the reflection surface 4 a of the reflector 4 and the end face of the optical fiber changes according to physical quantities such as pressure and temperature, and the light from the light source 1. The first optical fiber 2 for transmission transmitted to the unit 3 and the light reflected by the reflecting surface 4a of the sensing unit 3 are transmitted to the two light receiving units (first and second light receiving units 7, 9), respectively. From the second optical fiber 5 and the third optical fiber 6, the amplifiers 8 and 10 for amplifying the signals from the first and second light receiving units 7 and 9, and the amplified first and second light receiving units 7 and 9 It is comprised from the arithmetic processing part 11 which calculates a physical quantity from the ratio of an electric signal. The end surfaces of the first to third optical fibers 2, 5, 6 facing the reflecting surface 4 a are fixed so as to have an angle θ between the longitudinal direction of the optical fiber and the normal to the reflecting surface 4 a, and the second optical fiber 5 and the third optical fiber 6 are parallel to each other, and the fixed angles of the first optical fiber 2 and the second and third optical fibers 5 and 6 are symmetric with respect to the normal to the reflecting surface 4a.

図2にセンシング部3の拡大図を示す。受光用の第2光ファイバ5と第3光ファイバ6とは平行であり、第1光ファイバ2と第2及び第3光ファイバ5,6とは反射面4aに対する法線を基準として固定角度θで対称に固定されている。第1光ファイバ2からの出射光は、反射面4aで反射され、第2光ファイバ5と第3光ファイバ6に結合した反射光が第1及び第2受光部7,9にそれぞれ伝送されることで、それぞれの光強度P1,P2を測定し、演算処理部11で光強度比F(P1,P2)=(P1−P2)/(P1+P2)を算出する。ここで、光強度は、反射面4aと光ファイバ端面との相対距離によって変化するため、光強度比F(P1,P2)が変化し、センシング部3を圧力や温度などの物理量に応じて変化する構造にすることで、それらの物理量を検出することが可能となる。
この光学式圧力センサであれば、測定装置を安価なもので構成することが可能であり、測定した信号処理も容易に行うことができる。光強度を測定するため、反射板の位置変動以外の要因、例えば光源の光強度変動や伝送損失などによる光強度変化は、測定誤差になってしまうという問題があるが、伝送損失変化を非常に小さくするのに加え、複数の光ファイバで受光した光強度の比をとり補償することで測定精度を高めることが可能となる。
特公平6−8724号公報 特開昭57−108605号公報 特開平2−57909号公報 特開平3−243822号公報 特開平2−49115号公報 特開昭63−169521号公報 米国特許第5068527号明細書 米国特許第4996418号明細書 米国特許第4249076号明細書 特開平11−352158号公報 特開2004−301769号公報
FIG. 2 shows an enlarged view of the sensing unit 3. The light receiving second optical fiber 5 and the third optical fiber 6 are parallel, and the first optical fiber 2 and the second and third optical fibers 5 and 6 are fixed at an angle θ with respect to the normal to the reflecting surface 4a. It is fixed symmetrically. The outgoing light from the first optical fiber 2 is reflected by the reflecting surface 4a, and the reflected light coupled to the second optical fiber 5 and the third optical fiber 6 is transmitted to the first and second light receiving parts 7 and 9, respectively. Thus, the respective light intensities P1 and P2 are measured, and the arithmetic processing unit 11 calculates the light intensity ratio F (P1, P2) = (P1−P2) / (P1 + P2). Here, since the light intensity changes depending on the relative distance between the reflecting surface 4a and the end face of the optical fiber, the light intensity ratio F (P1, P2) changes, and the sensing unit 3 changes according to physical quantities such as pressure and temperature. By adopting a structure that performs this, it is possible to detect these physical quantities.
With this optical pressure sensor, it is possible to configure the measurement device with an inexpensive one, and the measured signal processing can be easily performed. When measuring the light intensity, there is a problem that the light intensity change due to factors other than the position fluctuation of the reflector, such as the light intensity fluctuation of the light source and the transmission loss, will result in a measurement error. In addition to making it smaller, it is possible to improve the measurement accuracy by compensating for the ratio of the light intensity received by a plurality of optical fibers.
Japanese Patent Publication No. 6-8724 JP-A-57-108605 JP-A-2-57909 JP-A-3-243822 JP-A-2-49115 JP-A 63-169521 US Pat. No. 5,068,527 US Pat. No. 4,996,418 US Pat. No. 4,249,076 Japanese Patent Laid-Open No. 11-352158 JP 2004-301769 A

従来の構成では、平行に配置した2本のファイバで反射光を受光し、その光強度の比をとるため、偏光状態の変動による影響を考慮する必要はないと考えられていた。例えば、特許文献1〜9では、発光ダイオード(以下、LEDと記す)光源を使用しているが、光源の偏光度に関する記載はなく、測定精度にほとんど影響ないと考えられており、またその影響自体を認識していなかった。   In the conventional configuration, the reflected light is received by two fibers arranged in parallel and the ratio of the light intensities is taken. Therefore, it has been considered that there is no need to consider the influence of the change in the polarization state. For example, in Patent Documents 1 to 9, a light-emitting diode (hereinafter referred to as LED) light source is used, but there is no description regarding the degree of polarization of the light source, and it is considered that the measurement accuracy is hardly affected, and the influence thereof. Did not recognize itself.

しかしながら、本発明者らが光源の偏光度と測定精度について詳細に検証したところ、一般的に考えられているLED光源の偏光度でも、測定精度が悪化してしまうことが初めて確認され、さらに光ファイバ固定角度が大きいほど、その影響が大きくなることがわかった。   However, the present inventors have examined the degree of polarization and measurement accuracy of the light source in detail, and it has been confirmed for the first time that the measurement accuracy is deteriorated even with the generally considered degree of polarization of the LED light source. It was found that the greater the fiber fixing angle, the greater the effect.

特許文献1〜9に開示されたセンサでは、出射用光ファイバと受光用光ファイバが別々の構造になっており、出射光の偏光状態が変化した場合、受光する光強度が変化するため、測定精度が悪化してしまうという問題がある。また、出射用光ファイバと受光用光ファイバに、ある特定の角度がつけられた構造も提案されているが、角度をつけて反射させた場合、偏光状態の変化による影響をより受けやすくなり、測定精度の悪化が大きくなってしまう。   In the sensors disclosed in Patent Documents 1 to 9, the output optical fiber and the light receiving optical fiber have separate structures, and when the polarization state of the output light changes, the intensity of the received light changes. There is a problem that accuracy deteriorates. In addition, a structure in which a specific angle is given to the outgoing optical fiber and the receiving optical fiber has been proposed, but when reflected at an angle, it becomes more susceptible to changes in the polarization state, Deterioration of measurement accuracy will increase.

さらに、特許文献3,4,5,7,8,9においては、複数LEDを使用し波長の違いを利用する装置構成となっているが、部品点数が増えるため、装置構成が複雑で高価となる問題がある。   Further, in Patent Documents 3, 4, 5, 7, 8, and 9, the device configuration uses a plurality of LEDs and utilizes the difference in wavelength. However, since the number of parts increases, the device configuration is complicated and expensive. There is a problem.

以上より、光源、特にLEDのように、本来それほど大きくない偏光度を持つ光源においても、その偏光依存を抑制し、シンプルで安価な高精度光ファイバセンサは実現されていなかった。
本発明は、前記事情に鑑みてなされ、偏光依存を抑制し、シンプルで安価な高精度光ファイバセンサの提供を目的とする。
As described above, a simple and inexpensive high-precision optical fiber sensor that suppresses the polarization dependence of a light source, particularly a light source having an inherently low degree of polarization, such as an LED, has not been realized.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a simple and inexpensive high-precision optical fiber sensor that suppresses polarization dependence.

前記目的を達成するため、本発明は、光源と、反射面を有し光ファイバ端面との相対距離が圧力や温度などの物理量に応じて変化するセンシング部と、光源からの光をセンシング部に伝送する第1光ファイバと、センシング部反射面で反射した光を複数の受光部にそれぞれ伝送する第2光ファイバ及び第3光ファイバと、受光部からの電気信号の比から前記物理量を算出する演算処理部とを有し、
反射面に対向させた第1〜第3光ファイバの各端面は、光ファイバ長手方向と反射面に対する法線とのなす角度θとなるように固定され、第2光ファイバと第3光ファイバとは平行であり、かつ第1光ファイバと第2及び第3光ファイバとの固定角度は反射面に対する法線を基準に対称に配置され、
第1〜第3光ファイバは使用する波長においてシングルモードであり、
且つ光源と第1光ファイバ端面との間にデポラライザが挿入されたことを特徴とする光ファイバセンサを提供する。
In order to achieve the above object, the present invention provides a sensing unit in which a relative distance between a light source and a reflection surface and an optical fiber end surface changes according to a physical quantity such as pressure and temperature, and light from the light source is input to the sensing unit. The physical quantity is calculated from the ratio of the first optical fiber to be transmitted, the second optical fiber and the third optical fiber that respectively transmit the light reflected by the reflecting surface of the sensing unit to the plurality of light receiving units, and the electrical signal from the light receiving unit. An arithmetic processing unit,
Each end surface of the first to third optical fibers opposed to the reflecting surface is fixed so as to have an angle θ between the longitudinal direction of the optical fiber and the normal to the reflecting surface, and the second optical fiber and the third optical fiber Are parallel and the fixed angles of the first optical fiber and the second and third optical fibers are symmetrically arranged with respect to the normal to the reflecting surface,
The first to third optical fibers are single mode at the wavelength used,
An optical fiber sensor is provided in which a depolarizer is inserted between a light source and a first optical fiber end face.

本発明の光ファイバセンサにおいて、光源にLEDを用いることが好ましい。   In the optical fiber sensor of the present invention, it is preferable to use an LED as a light source.

本発明の光ファイバセンサにおいて、デポラライザが偏波保持ファイバを用いたファイバ型デポラライザであることが好ましい。   In the optical fiber sensor of the present invention, the depolarizer is preferably a fiber depolarizer using a polarization maintaining fiber.

本発明の光ファイバセンサにおいて、ファイバ型デポラライザは、2本の偏波保持ファイバL1及びL2を、応力付与部による複屈折主軸が45°ずれた状態で融着接続してなり、これら2本の偏波保持ファイバのファイバ長L1:L2が1:2である場合、0.1m≦L1≦10mであることが好ましい。   In the optical fiber sensor of the present invention, the fiber type depolarizer is formed by fusion-bonding two polarization maintaining fibers L1 and L2 in a state where the birefringence main axis by the stress applying portion is shifted by 45 °. When the fiber length L1: L2 of the polarization maintaining fiber is 1: 2, it is preferable that 0.1 m ≦ L1 ≦ 10 m.

本発明の光ファイバセンサにおいて、出射光の偏光度が20%以下であることが好ましい。   In the optical fiber sensor of the present invention, the degree of polarization of the emitted light is preferably 20% or less.

本発明によれば、測定の容易な3心アレイを用いた光強度測定方式で、シンプルかつ安価で高精度な光ファイバセンサを実現することが可能となる。
また、LED光源とデポラライザとを組み合わせた構成としたので、ファイバ固定角度を付けた場合においても、偏光状態の変動による影響を受けず、高精度での測定が可能である。
また、デポラライザとしてファイバ型デポラライザを用いたことによって、伝送経路用ファイバとの結合が容易となる。
また、ファイバ型デポラライザに用いる偏波保持ファイバのファイバ長L1:L2が1:2である場合、0.1m≦L1≦10mとしたことで、偏波対策が安価に可能となる。
According to the present invention, a simple, inexpensive, and highly accurate optical fiber sensor can be realized by a light intensity measurement method using a three-core array that is easy to measure.
In addition, since the LED light source and the depolarizer are combined, even when a fiber fixing angle is applied, measurement with high accuracy is possible without being affected by fluctuations in the polarization state.
Further, by using a fiber type depolarizer as the depolarizer, the coupling with the transmission path fiber becomes easy.
In addition, when the fiber length L1: L2 of the polarization maintaining fiber used for the fiber depolarizer is 1: 2, it is possible to reduce the polarization by setting 0.1 m ≦ L1 ≦ 10 m.

以下、図面を参照して本発明の光ファイバセンサの実施形態を説明する。
図3は、本発明の光ファイバセンサの第1実施形態を示す構成図である。本実施形態の光ファイバセンサは、光源1と、反射板4の反射面4aを有し光ファイバ端面との相対距離が圧力や温度などの物理量に応じて変化するセンシング部3と、光源1からの光をセンシング部3に伝送する第1光ファイバ2(出射ポート)と、センシング部3の反射面4aで反射した光を第1,第2の受光部7,9にそれぞれ伝送する第2光ファイバ5及び第3光ファイバ6と、増幅器8,10により増幅された第1,第2受光部7,9からの電気信号の比から前記物理量を算出する演算処理部11と、光源1と第1光ファイバ2端面との間に挿入されたデポラライザ12とから構成されている。
Embodiments of an optical fiber sensor of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 3 is a block diagram showing a first embodiment of the optical fiber sensor of the present invention. The optical fiber sensor according to the present embodiment includes a light source 1, a sensing unit 3 having a reflection surface 4 a of a reflection plate 4, and a relative distance between the light fiber 1 and the end surface of the optical fiber changing according to physical quantities such as pressure and temperature. First light fiber 2 (outgoing port) that transmits the light of the first to the sensing unit 3, and second light that transmits the light reflected by the reflecting surface 4a of the sensing unit 3 to the first and second light receiving units 7 and 9, respectively. An arithmetic processing unit 11 that calculates the physical quantity from the ratio of the electrical signals from the first and second light receiving units 7 and 9 amplified by the amplifiers 8 and 10, the light source 1, It is comprised from the depolarizer 12 inserted between 1 optical fiber 2 end surfaces.

センシング部3において、反射面4aに対向させた第1〜第3光ファイバ2,5,6の各端面は、図2に示すように、光ファイバ長手方向と反射面に対する法線とのなす角度θとなるように固定され、第2光ファイバ5と第3光ファイバ6とは平行であり、かつ第1光ファイバ2と、第2及び第3光ファイバ5,6との固定角度は、反射面4aに対する法線を基準に対称に配置されている。また、第1〜第3光ファイバ2,5,6は、使用する波長においてシングルモードである。   In the sensing unit 3, each end face of the first to third optical fibers 2, 5, 6 opposed to the reflecting surface 4a is an angle formed between the longitudinal direction of the optical fiber and the normal to the reflecting surface, as shown in FIG. The second optical fiber 5 and the third optical fiber 6 are parallel to each other, and the fixed angle between the first optical fiber 2 and the second and third optical fibers 5 and 6 is reflected. They are arranged symmetrically with respect to the normal to the surface 4a. The first to third optical fibers 2, 5, and 6 are single mode at the wavelength to be used.

本実施形態の前記のような構成としたことにより、測定の容易な3心アレイを用いた光強度測定方式で、シンプルかつ安価で高精度な光ファイバセンサを実現することが可能となる。光強度測定方式を用いたセンサにおいて、反射面4aに対してファイバの角度がついていないものは、偏光状態の変化による影響は小さく、光源1として一般的に偏光度の小さいLEDを使用することで、目標精度を達成することができた。しかし、本発明者らは、ファイバ固定角度をつけた場合、一般的に偏光度の小さいLEDの偏光状態が変化しただけでも、測定精度が悪化してしまい、その影響は固定角度の大きさに比例することを確認した。   With the above-described configuration of the present embodiment, a simple, inexpensive, and highly accurate optical fiber sensor can be realized with a light intensity measurement method using a three-core array that is easy to measure. In the sensor using the light intensity measurement method, if the angle of the fiber is not attached to the reflecting surface 4a, the influence of the change in the polarization state is small, and an LED having a small degree of polarization is generally used as the light source 1. Was able to achieve the target accuracy. However, when the fiber fixing angle is set, the present inventors generally deteriorate the measurement accuracy even if the polarization state of the LED having a small degree of polarization is changed, and the influence is caused by the size of the fixing angle. It was confirmed to be proportional.

また、光強度測定方式以外のセンサでは、特許文献10及び特許文献11に開示されているように、デポラライザを挿入し、その影響を抑制しているものがある。ただし、光源としてレーザダイオード(以下、LDと記す)を用いた場合は、スペクトル線幅も1nm程度と細く、効果的にデポラライズするのが困難であり、実用上は難しい。スーパールミネッセントダイオード(以下、SLDと記す。)の場合は、LDに比べ、スペクトル線幅も広く、通常半値幅で10nm以上あるので、デポラライズも比較的安易であり、偏光度を適正値以下に管理することで使用できる。このように、光源スペクトルの半値幅が広いほど、デポラライズ効果は大きく、1nm以上程度であることが望ましい。ただし、これらの光源は、LEDに比べ高価であるため、安価なセンサ装置を提供するためにはLED光源を用いるのが望ましい。   Moreover, in sensors other than the light intensity measurement method, as disclosed in Patent Document 10 and Patent Document 11, a depolarizer is inserted to suppress the influence thereof. However, when a laser diode (hereinafter referred to as LD) is used as the light source, the spectral line width is also as thin as about 1 nm, and it is difficult to effectively depolarize it, which is difficult in practical use. In the case of a super luminescent diode (hereinafter referred to as SLD), the spectral line width is wider than that of LD, and the half-width is usually 10 nm or more. It can be used by managing it. Thus, the wider the full width at half maximum of the light source spectrum, the greater the depolarization effect, and it is desirable that it be about 1 nm or more. However, since these light sources are more expensive than LEDs, it is desirable to use LED light sources in order to provide an inexpensive sensor device.

そこで本発明者らは、安価で偏光度の小さなLEDとデポラライザを組み合わせた3心アレイ構成の光ファイバセンサを発明した。これにより、ファイバ固定角度をつけた構成においても、偏光状態の変化による測定精度の悪化を抑制し、ファイバ固定角度の大きさに依存しない高精度な光ファイバセンサを実現した。   Accordingly, the present inventors have invented an optical fiber sensor having a three-core array configuration in which an inexpensive LED having a small degree of polarization and a depolarizer are combined. As a result, even in a configuration with a fixed fiber angle, deterioration in measurement accuracy due to a change in polarization state is suppressed, and a highly accurate optical fiber sensor independent of the size of the fixed fiber angle is realized.

デポラライザ12は、光源1の出射光の偏波を無数のランダム偏波にすることで無偏光化が可能な素子であり、本実施形態では偏波保持ファイバを利用した偏波保持ファイバ型デポラライザを用いた。この偏波保持ファイバ型デボラライザは、ファイバ長L1とL2の比を1:2にしたものを、応力付与部による複屈折主軸が約45°ずれた状態で融着接続したものであり、これを挿入することで光源の偏光状態を強制的に無偏光化し、偏光状態の変化による影響を抑制することが可能である。この偏波保持ファイバ型デポラライザは、通常光源側にL1を接続し使用される。またデポラライザ12は、偏波保持ファイバを使用したものに限定されず、光学的異方性をもつ結晶板などを使用したものでもよい。   The depolarizer 12 is an element that can be depolarized by changing the polarization of the light emitted from the light source 1 to an infinite number of random polarizations. In this embodiment, the depolarizer 12 is a polarization maintaining fiber depolarizer that uses a polarization maintaining fiber. Using. This polarization maintaining fiber type depolarizer is obtained by fusion splicing a fiber length L1 to L2 ratio of 1: 2 with the birefringent main axis shifted by about 45 ° by the stress applying portion. By inserting, it is possible to forcibly depolarize the polarization state of the light source and suppress the influence of the change in the polarization state. This polarization maintaining fiber type depolarizer is usually used with L1 connected to the light source side. The depolarizer 12 is not limited to the one using the polarization maintaining fiber, and may be one using a crystal plate having optical anisotropy.

一般にLED光源の出射光の偏光度は、LDやSLDに比べ小さいと考えられているが、実際には製造ばらつきなどにより5〜50%程度の範囲でばらついている。よって、光ファイバセンサにLED光源を使用する場合は、最大で偏光度50%程度の偏光状態が変化する可能性があり、これにより測定精度が悪化することになる。ここで、光源の偏光度を小さくするのではなく、偏光状態の変化を抑制するという方法も考えられるが、全伝送経路の偏光状態を保持するには、偏波保持ファイバという高価な特殊ファイバが必要になってしまうため、望ましくない。また、デポラライザ12を作製するときのファイバ長L1とL2の最適長は、使用する光源によって異なるが、1300nm帯LEDを使用し、ファイバ長L1とL2の比を1:2とした場合、L1が0.1m以上であることが望ましい。また偏波保持ファイバは非常に高価であるため、L1が10m以下であることが望ましい。   In general, the degree of polarization of light emitted from an LED light source is considered to be smaller than that of an LD or SLD, but actually varies in a range of about 5 to 50% due to manufacturing variations. Therefore, when an LED light source is used for the optical fiber sensor, the polarization state with a degree of polarization of about 50% may change at the maximum, thereby degrading the measurement accuracy. Here, instead of reducing the polarization degree of the light source, a method of suppressing the change in the polarization state is also conceivable. However, in order to maintain the polarization state of the entire transmission path, an expensive special fiber called a polarization maintaining fiber is used. This is not desirable because it would be necessary. Further, the optimum lengths of the fiber lengths L1 and L2 when the depolarizer 12 is manufactured vary depending on the light source to be used, but when a 1300 nm band LED is used and the ratio of the fiber lengths L1 and L2 is 1: 2, L1 is It is desirable that it is 0.1 m or more. Further, since the polarization maintaining fiber is very expensive, it is desirable that L1 is 10 m or less.

偏光状態の変化による測定精度への影響として、例えば、偏光度40%程度のLED光源を使用し、ファイバ固定角度θ=6°で、偏光状態が変化したりすると、達成可能な測定精度は、±0.4%F.S.程度であるが、デポラライザ12を挿入すると、出射光の偏光度は5%以下となり、測定精度は±0.05%F.S.程度にまで改善される。また、光源からの出射光の偏光度が約0〜50%で変化した場合の測定精度への影響は、比例関係となり、ファイバ固定角度がついていないθ=0°のとき、測定精度は、偏光度50%のとき最大約±0.2%F.S.となる。しかし、ファイバ固定角度をつけた場合、θ=6°のとき測定精度は最大約±0.6%F.S.になり、θ=10°のときは最大±1%F.S.にまで悪化する。このように、出射用ファイバと受光ファイバのファイバ固定角度θが大きいほど、偏光状態の変化が測定精度に与える影響は大きい。よって、LED光源を使用し、ファイバ固定角度をつけた場合、測定精度±0.2%F.S.以下を達成することは困難であり、デポラライザ12の使用が必要となる。測定精度±0.25%F.S.を達成するために必要な出射光の偏光度は、固定角度θ=6°の場合は偏光度18%以下、固定角度θ=10°の場合は偏光度12%以下となる。   As an influence on the measurement accuracy due to the change in the polarization state, for example, when an LED light source having a polarization degree of about 40% is used and the polarization state changes at a fiber fixed angle θ = 6 °, the achievable measurement accuracy is ± 0.4% F. S. However, when the depolarizer 12 is inserted, the degree of polarization of the emitted light becomes 5% or less, and the measurement accuracy is ± 0.05% F.S. S. To an extent. In addition, the influence on the measurement accuracy when the degree of polarization of the light emitted from the light source changes by about 0 to 50% has a proportional relationship, and when θ = 0 ° with no fiber fixing angle, the measurement accuracy is polarized. When the degree is 50%, a maximum of about ± 0.2% F.F. S. It becomes. However, when the fiber fixing angle is set, when θ = 6 °, the measurement accuracy is about ± 0.6% F. max. S. When θ = 10 °, the maximum ± 1% F.S. S. It gets worse. Thus, as the fiber fixing angle θ between the outgoing fiber and the light receiving fiber is larger, the influence of the change in the polarization state on the measurement accuracy is larger. Therefore, when an LED light source is used and a fiber fixing angle is applied, the measurement accuracy is ± 0.2% F.S. S. The following is difficult to achieve and requires the use of a depolarizer 12. Measurement accuracy ± 0.25% F.V. S. The degree of polarization of the emitted light necessary to achieve the above is 18% or less when the fixed angle θ = 6 °, and 12% or less when the fixed angle θ = 10 °.

一般に市販されているLED光源の偏光度ばらつきを確認した。測定方法としては、10個の1310nm帯LED光源を用い、定格電圧・電流を印加した状態で光偏波アナライザ(Agilent社製、HP8509)を用いて測定した。表1に測定結果を示す。   A variation in the degree of polarization of commercially available LED light sources was confirmed. As a measurement method, ten 1310 nm band LED light sources were used, and measurement was performed using an optical polarization analyzer (manufactured by Agilent, HP8509) in a state where a rated voltage and current were applied. Table 1 shows the measurement results.

Figure 2008298581
Figure 2008298581

表1の結果より、LED光源の偏光度は、5〜50%でばらつくことが確認できた。   From the results in Table 1, it was confirmed that the degree of polarization of the LED light source varies from 5 to 50%.

デポラライザ12のファイバ長に対する偏光度の抑制効果の確認を行った。偏波保持ファイバを用い、ファイバ長L1とL2の比が1:2のものを複数組用意し、それぞれ応力付与部が約45°の角度を持つように融着接続してデポラライザ12を作製した。図4に測定系を示す。LED13は、偏光度50%程度のものを用い、LED13出射側にデポラライザ12のファイバ長L1側を接続し、ファイバ長L2側からの出射光の偏光度を光偏波アナライザ14により測定した。   The suppression effect of the polarization degree on the fiber length of the depolarizer 12 was confirmed. A depolarizer 12 was produced by using a polarization maintaining fiber and preparing a plurality of sets having a ratio of fiber lengths L1 and L2 of 1: 2 and fusion-bonding each so that the stress applying portion has an angle of about 45 °. . FIG. 4 shows the measurement system. The LED 13 having a degree of polarization of about 50% was used, the fiber length L1 side of the depolarizer 12 was connected to the LED 13 emission side, and the degree of polarization of the emitted light from the fiber length L2 side was measured by the optical polarization analyzer 14.

図5に測定結果を示す。図5は横軸がファイバ長L1で、縦軸が光偏波アナライザにより測定した偏光度となっている。ファイバ長をL1=0.1m、L2=0.2mからL1=10m、L2=20mに調整した場合、出射光の偏光度は3%以下に抑えられており、ファイバ長L1が0.1m以上あれば、デポラライザ12の効果が充分に得られることを確認した。   FIG. 5 shows the measurement results. In FIG. 5, the horizontal axis represents the fiber length L1, and the vertical axis represents the degree of polarization measured by an optical polarization analyzer. When the fiber length is adjusted from L1 = 0.1 m, L2 = 0.2 m to L1 = 10 m, L2 = 20 m, the degree of polarization of the outgoing light is suppressed to 3% or less, and the fiber length L1 is 0.1 m or more. If it exists, it confirmed that the effect of the depolarizer 12 was fully acquired.

本発明の光ファイバセンサにおける3心アレイ構造において、偏光度40%程度の光源を使用し、デポラライザを挿入しない場合の測定精度の比較を行った。図6に測定構成を示す。LED光源1の出射側に偏光コントローラ15を挿入し、第1光ファイバ2中の偏光状態を変化させた。また反射面4aと光ファイバ端面との相対距離は一定で、デポラライザ12のファイバ長はL1=0.7m、L2=1.4mとした。第1光ファイバ2からの出射光を、第2光ファイバ5と第3光ファイバ6で受光し、それぞれの光強度P1、P2を測定し、光強度比F(P1,P2)=(P1−P2)/(P1+P2)を計算し、測定精度を算出した。ここで測定精度とは、全測定時間の光強度比F(P1,P2)の平均値からの差を、測定可能範囲で光強度比F(P1,P2)が変化する最大値(フルスパン:F.S.)で割ったものである。   In the three-core array structure of the optical fiber sensor of the present invention, the measurement accuracy was compared when a light source having a polarization degree of about 40% was used and no depolarizer was inserted. FIG. 6 shows the measurement configuration. A polarization controller 15 was inserted on the emission side of the LED light source 1 to change the polarization state in the first optical fiber 2. The relative distance between the reflecting surface 4a and the end face of the optical fiber is constant, and the fiber length of the depolarizer 12 is L1 = 0.7 m and L2 = 1.4 m. The light emitted from the first optical fiber 2 is received by the second optical fiber 5 and the third optical fiber 6, the respective light intensities P1 and P2 are measured, and the light intensity ratio F (P1, P2) = (P1- P2) / (P1 + P2) was calculated, and the measurement accuracy was calculated. Here, the measurement accuracy refers to the difference from the average value of the light intensity ratio F (P1, P2) over the entire measurement time, and the maximum value (full span: F) at which the light intensity ratio F (P1, P2) changes within the measurable range. .. S.).

図7に測定結果を示す。図7は横軸が測定時間で、縦軸が測定精度である。図7(a)に示すように、デポラライザ12を挿入しない場合、測定精度は±0.4%F.S.程度となった。また図7(b)に示すように、デポラライザ12を挿入した場合、測定精度は±0.05%F.S.以下に改善されることを確認した。   FIG. 7 shows the measurement results. In FIG. 7, the horizontal axis represents measurement time, and the vertical axis represents measurement accuracy. As shown in FIG. 7A, when the depolarizer 12 is not inserted, the measurement accuracy is ± 0.4% F.S. S. It became about. As shown in FIG. 7B, when the depolarizer 12 is inserted, the measurement accuracy is ± 0.05% F.S. S. The following improvements were confirmed.

様々な偏光度をもつLED光源を使用し、測定精度を算出することで、偏光度と測定精度の関係を確認した。測定系は図6と同様であり、LED光源からの偏光度を1〜50%で変化させ、各条件での測定精度を測定した。   The relationship between the degree of polarization and the measurement accuracy was confirmed by calculating the measurement accuracy using LED light sources having various degrees of polarization. The measurement system was the same as in FIG. 6, and the degree of polarization from the LED light source was varied from 1 to 50%, and the measurement accuracy under each condition was measured.

図8に測定結果を示す。図8は横軸が出射光の偏光度、縦軸が測定精度となっており、3心アレイの固定角度θ=6°の場合は実線であり、固定角度θ=10°の場合が破線である。このように偏光度と測定精度には比例関係があり、光ファイバの固定角度が大きいほど、偏光度が測定精度に与える影響は大きい。目標測定精度は±0.25%F.S.を実現するためには、固定角度θ=6°の場合は偏光度18%以下、固定角度θ=10°の場合は偏光度12%以下であることが必要なことを確認した。   FIG. 8 shows the measurement results. In FIG. 8, the horizontal axis represents the degree of polarization of the emitted light, and the vertical axis represents the measurement accuracy. When the fixed angle θ = 6 ° of the three-core array is solid, the solid line is shown, and when the fixed angle θ = 10 ° is shown is there. Thus, there is a proportional relationship between the degree of polarization and the measurement accuracy, and the greater the fixed angle of the optical fiber, the greater the influence of the degree of polarization on the measurement accuracy. The target measurement accuracy is ± 0.25% F. S. In order to realize the above, it was confirmed that when the fixed angle θ = 6 °, the degree of polarization is 18% or less, and when the fixed angle θ = 10 °, the degree of polarization is 12% or less.

従来の光ファイバセンサの一例を示す構成図である。It is a block diagram which shows an example of the conventional optical fiber sensor. 図1に示す光ファイバセンサのセンシング部の拡大図である。It is an enlarged view of the sensing part of the optical fiber sensor shown in FIG. 本発明の光ファイバセンサの一実施形態を示す構成図である。It is a block diagram which shows one Embodiment of the optical fiber sensor of this invention. 実施例2で行ったデポラライザの試験装置の構成図である。6 is a configuration diagram of a depolarizer testing apparatus performed in Example 2. FIG. 実施例2の試験結果を示し、デポラライザのファイバ長L1と偏光度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the test result of Example 2, and shows the relationship between the fiber length L1 of a depolarizer, and a polarization degree. 実施例3で行った比較試験で用いた試験装置の構成図である。6 is a configuration diagram of a test apparatus used in a comparative test performed in Example 3. FIG. 実施例3の結果を示し、(a)はデポラライザを用いない場合の測定精度と測定時間との関係を示すグラフ、(b)はデポラライザを用いた場合の測定精度と測定時間との関係を示すグラフである。The result of Example 3 is shown, (a) is a graph showing the relationship between measurement accuracy and measurement time when no depolarizer is used, and (b) shows the relationship between measurement accuracy and measurement time when using a depolarizer. It is a graph. 実施例4の結果を示し、偏光度と測定精度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the result of Example 4 and shows the relationship between polarization degree and measurement accuracy.

符号の説明Explanation of symbols

1…光源、2…第1光ファイバ、3センシング部、4…反射板、4a…反射面、5…第2光ファイバ、6…第3光ファイバ、7…第1受光部、8,10…増幅器、9…第2受光部、11…演算処理回路、12…デポラライザ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light source, 2 ... 1st optical fiber, 3 sensing part, 4 ... Reflecting plate, 4a ... Reflecting surface, 5 ... 2nd optical fiber, 6 ... 3rd optical fiber, 7 ... 1st light-receiving part, 8, 10 ... Amplifier, 9 ... second light receiving unit, 11 ... arithmetic processing circuit, 12 ... depolarizer.

Claims (5)

光源と、反射面を有し光ファイバ端面との相対距離が圧力や温度などの物理量に応じて変化するセンシング部と、光源からの光をセンシング部に伝送する第1光ファイバと、センシング部反射面で反射した光を複数の受光部にそれぞれ伝送する第2光ファイバ及び第3光ファイバと、受光部からの電気信号の比から前記物理量を算出する演算処理部とを有し、
反射面に対向させた第1〜第3光ファイバの各端面は、光ファイバ長手方向と反射面に対する法線とのなす角度θとなるように固定され、第2光ファイバと第3光ファイバとは平行であり、かつ第1光ファイバと第2及び第3光ファイバとの固定角度は反射面に対する法線を基準に対称に配置され、
第1〜第3光ファイバは使用する波長においてシングルモードであり、
且つ光源と第1光ファイバ端面との間にデポラライザが挿入されたことを特徴とする光ファイバセンサ。
A sensing unit in which a relative distance between a light source and a reflection surface and a fiber end surface changes according to a physical quantity such as pressure and temperature, a first optical fiber that transmits light from the light source to the sensing unit, and sensing unit reflection A second optical fiber and a third optical fiber that respectively transmit the light reflected by the surface to the plurality of light receiving units, and an arithmetic processing unit that calculates the physical quantity from a ratio of electric signals from the light receiving unit,
Each end surface of the first to third optical fibers opposed to the reflecting surface is fixed so as to have an angle θ between the longitudinal direction of the optical fiber and the normal to the reflecting surface, and the second optical fiber and the third optical fiber Are parallel and the fixed angles of the first optical fiber and the second and third optical fibers are symmetrically arranged with respect to the normal to the reflecting surface,
The first to third optical fibers are single mode at the wavelength used,
An optical fiber sensor, wherein a depolarizer is inserted between the light source and the end face of the first optical fiber.
光源に発光ダイオードを用いたことを特徴とする請求項1に記載の光ファイバセンサ。   2. The optical fiber sensor according to claim 1, wherein a light emitting diode is used as a light source. デポラライザが偏波保持ファイバを用いたファイバ型デポラライザであることを特徴とする請求項1又は2に記載の光ファイバセンサ。   3. The optical fiber sensor according to claim 1, wherein the depolarizer is a fiber type depolarizer using a polarization maintaining fiber. ファイバ型デポラライザは、2本の偏波保持ファイバL1及びL2を、応力付与部による複屈折主軸が45°ずれた状態で融着接続してなり、これら2本の偏波保持ファイバのファイバ長L1:L2が1:2である場合、0.1m≦L1≦10mであることを特徴とする請求項3に記載の光ファイバセンサ。   The fiber depolarizer is formed by fusion splicing two polarization maintaining fibers L1 and L2 with the birefringence main axis of the stress applying portion shifted by 45 °, and the fiber length L1 of these two polarization maintaining fibers. The optical fiber sensor according to claim 3, wherein when L2 is 1: 2, 0.1 m ≦ L1 ≦ 10 m. 出射光の偏光度が20%以下であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の光ファイバセンサ。   5. The optical fiber sensor according to claim 1, wherein the degree of polarization of the emitted light is 20% or less.
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