JP5273616B2 - Optical energy transmission device - Google Patents
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Description
この発明は、高密度光エネルギーを光ファイバを用いて安全に伝送する光エネルギー伝送装置で、特に、高密度光エネルギーを光ファイバを用いて伝送する際に起こるファイバフューズの発生を即座に検知して、即座に光エネルギーの伝送を停止することで、ファイバフューズの進行を抑制し同時に高密度光エネルギーの光ファイバ外への漏れを瞬時に停止する機能を備えた光エネルギー伝送装置に関している。 The present invention is an optical energy transmission device that safely transmits high-density optical energy using an optical fiber, and in particular, immediately detects the occurrence of a fiber fuse that occurs when high-density optical energy is transmitted using an optical fiber. In addition, the present invention relates to an optical energy transmission device having a function of suppressing the progress of the fiber fuse and simultaneously stopping the leakage of the high-density optical energy to the outside of the optical fiber by immediately stopping the transmission of the optical energy.
無中継距離の延伸や、波長分割多重(WDM)技術による多重数の増加により、通信用途でも光ファイバを伝搬する光パワーが増加する傾向にあり、何れは、平均パワーが数Wに達するのではないかと考えられる。また、光ファイバでパワーを伝送しようとする試みもある。 Due to the extension of repeatless distance and the increase in the number of multiplexing by wavelength division multiplexing (WDM) technology, the optical power propagating through the optical fiber tends to increase even in communication applications, and eventually the average power does not reach several W It is thought that there is not. There are also attempts to transmit power over optical fibers.
光ファイバ中を高強度光が伝搬する際、光伝送路中または光コネクタ部の微細なゴミなどによって、「ファイバフューズ」と言われる光ファイバの破壊現象が起こることが知られている。具体的には、例えばゴミ部分で発火して光ファイバのコアが溶融し、その溶融現象が光源に向かって進行する現象であり、図12に示すように、時間の経過とともに突然、反射光の平均強度が増大する。このファイバフューズ現象の伝搬速度は、光ファイバの種類および光強度に依存するが、毎秒数100cmから数メートル程である。 When high-intensity light propagates through an optical fiber, it is known that an optical fiber destruction phenomenon called “fiber fuse” occurs due to fine dust or the like in the optical transmission path or the optical connector portion. Specifically, for example, the core of the optical fiber is ignited at a dust portion and the melting phenomenon proceeds toward the light source, and as shown in FIG. Average strength increases. The propagation speed of the fiber fuse phenomenon depends on the type of optical fiber and the light intensity, but is about several hundreds cm to several meters per second.
図12に示すように突然ファイバフューズが発生すると、光ファイバ内では、周期的に空洞が形成され、これらの空洞が、戻り光に強度変調をもたらす。例えば、ファイバフューズの進む速度をv(m/s)、フューズ後にファイバ中に生じる周期構造の空洞のピッチをp(m)とすると、1ピッチ分、進むために必要な時間はp/vとなる。ファイバフューズの光源方向への進行により、ファイバフューズの起きている場所で反射して逆方向に伝搬する戻り光は、強度変調を受けることになり、その強度変調の基本繰り返し周波数f0は、f0=v/p、となる。 When fiber fuses suddenly occur as shown in FIG. 12, cavities are periodically formed in the optical fiber, and these cavities provide intensity modulation to the return light. For example, if the velocity of the fiber fuse is v (m / s) and the pitch of the cavity of the periodic structure generated in the fiber after the fuse is p (m), the time required to advance by one pitch is p / v. Become. Due to the progress of the fiber fuse in the light source direction, the return light reflected at the location where the fiber fuse occurs and propagates in the opposite direction is subjected to intensity modulation, and the basic repetition frequency f 0 of the intensity modulation is f 0 = v / p.
例えば、米国コーニング社の単一モード光ファイバSMF−28を使ったファイバフューズの実験では、2.75Wのレーザ光を入射したときに、フューズ進行速度vが0.46m/s、周期構造のピッチ15μmであり、上記式から得られる基本変調周波数f0は、31kHzである。このような強度変調が、ノイズレベルの増大をもたらすと考えられる。 For example, in a fiber fuse experiment using a single mode optical fiber SMF-28 manufactured by Corning, Inc., when a 2.75 W laser beam is incident, the fuse traveling speed v is 0.46 m / s, and the pitch of the periodic structure The basic modulation frequency f 0 obtained from the above equation is 31 μm and is 31 kHz. Such intensity modulation is thought to result in an increase in noise level.
ファイバフューズによる破壊は、コアにおける光パワー密度が一定値以下にならない限り進行する。光源に近いほど、光パワーは大きいので、ファイバフューズ現象を放置すれば、最終的に光源にまで到達することになり、光源をも損傷する。 The destruction due to the fiber fuse proceeds unless the optical power density in the core falls below a certain value. The closer to the light source, the greater the optical power. Therefore, if the fiber fuse phenomenon is left unattended, the light source will eventually reach the light source, causing damage to the light source.
ファイバフューズ現象の進行を防止する手段として、コア径を大きくした光ファイバを中間に挿入することが提案されている(特許文献1(米国特許第6640043号明細書)参照)。コア径を大きくした部分の両側にはコア径の変化を緩和するテーパ部を設けて、急激なモードフィールド径の変化を抑制する。 As a means for preventing the progress of the fiber fuse phenomenon, it has been proposed to insert an optical fiber having a large core diameter in the middle (see Patent Document 1 (US Pat. No. 6640043)). Tapered portions for reducing the change in the core diameter are provided on both sides of the portion where the core diameter is increased to suppress a sudden change in the mode field diameter.
特許文献1に記載の方法を用いた光エネルギー伝送装置では、ファイバフューズ遮断用の光ファイバより先の部分の光ファイバでのファイバフューズの進行を停止できない。また、ファイバフューズ遮断用の光ファイバでのコア径の差が大きいと、モードコンバージョンが発生し、通信用途では、信号伝送特性に悪影響を与える。
In the optical energy transmission device using the method described in
本発明は、ファイバフューズを迅速に検知し、必要によりファイバフューズの進行を抑制できる光エネルギー伝送装置を提示することを目的とする。 An object of this invention is to show the optical energy transmission apparatus which detects a fiber fuse rapidly and can suppress progress of a fiber fuse if needed.
そこで本発明の光エネルギー伝送装置では、2層以上のマルチクラッド構造を持ち、コアと、該コアを囲むクラッドの少なくとも1層が光路となるマルチクラッド光ファイバと、該マルチクラッド光ファイバのコアを伝播するように伝送光を入射する入射光路と、該マルチクラッド光ファイバを伝播する戻り光を分岐する光分岐手段と、該光分岐手段で分岐された戻り光から上記ファイバフューズを示す信号を検知するファイバフューズ信号検知器と、該ファイバフューズ信号検知器の検知出力を受けて、上記マルチクラッド光ファイバへの上記伝送光の入射が停止または抑制するように上記伝送光の送出手段を制御する制御手段と、を、備え、上記戻り光は、上記マルチクラッド光ファイバに導入された上記伝送光の、上記マルチクラッド光ファイバ内で発生したファイバフューズによって反射された反射光であり、上記マルチクラッド光ファイバは、上記コアを囲む第1クラッドと該第1クラッドを囲む第2クラッドとを有し、上記第1クラッドが上記第2クラッドよりも大きくかつ上記コアよりも小さな屈折率を有することによって上記戻り光を上記第1クラッドに集めて伝播し、上記光分岐手段は、上記第1クラッドを伝播する戻り光を上記ファイバフューズ信号検知器の方に分岐する。これによって、高密度光エネルギーを光ファイバを用いて伝送する際に起こるファイバフューズの発生を即座に検知し、即座に光エネルギーの伝送を停止することで、ファイバフューズの進行を抑制し同時に高密度光エネルギーの光ファイバ外への漏れを瞬時に停止する機能を備えた光エネルギー伝送装置を実現する。 Therefore, in the optical energy transmission device of the present invention, a multi-cladding structure having two or more layers, a core, a multi-cladding optical fiber in which at least one clad surrounding the core serves as an optical path, and a core of the multi-cladding optical fiber are provided. detecting an incident light path which enters the transmission light to propagate, the light branching means for branching the return light propagating the multi-clad optical fiber, a signal indicating the fiber fuse from branched return light by the optical branching means A fiber fuse signal detector, and a control for receiving the detection output of the fiber fuse signal detector and controlling the transmission means of the transmission light so as to stop or suppress the incidence of the transmission light to the multi-clad optical fiber and means, comprising said return light of the transmission light introduced into said multi-clad optical fiber, the multi-clad The multi-clad optical fiber includes a first clad surrounding the core and a second clad surrounding the first clad, wherein the first clad is reflected light reflected by a fiber fuse generated in the fiber. The return light is collected and propagated in the first cladding by having a refractive index larger than that of the second cladding and smaller than that of the core, and the optical branching means transmits the return light propagating through the first cladding to the first cladding. Branch to the fiber fuse signal detector . This immediately detects the occurrence of a fiber fuse that occurs when high-density optical energy is transmitted using an optical fiber, and immediately stops the transmission of optical energy, thereby suppressing the progress of the fiber fuse and simultaneously increasing the density. An optical energy transmission device having a function of instantaneously stopping leakage of optical energy outside an optical fiber is realized.
また、上記光分岐手段は、例えば、マルチモード結合/分岐器である。 The optical branching means is, for example, a multimode coupler / brancher.
また、上記光分岐手段は、例えば、上記第1クラッドに設けたV溝部分で代用することもできる。 Further, the light branching means, for example, can be replaced by V grooves portion provided on said first cladding.
ファイバフューズ部分を照射してその反射光としてファイバフューズを示す信号を生成するためのモニタ光を、上記光分岐手段を通じて、上記マルチクラッド光ファイバに入射する。これによって、上記光分岐手段をモニタ光の入射と、戻り光の出射とに兼用できる。 Monitor light for irradiating the fiber fuse portion and generating a signal indicating the fiber fuse as reflected light is incident on the multi-clad optical fiber through the optical branching means. As a result, the light branching means can be used for both the incidence of monitor light and the emission of return light.
高密度光エネルギーを光ファイバを用いて伝送する際に起こるファイバフューズの発生を即座に検知して、即座に光エネルギーの伝送を停止することで、ファイバフューズの進行を抑制し同時に高密度光エネルギーの光ファイバ外への漏れを瞬時に停止することができ、光ファイバを用いて高密度光エネルギーを安全に伝送する光エネルギー伝送装置が実現できる。 By immediately detecting the occurrence of a fiber fuse that occurs when high-density optical energy is transmitted using an optical fiber, and immediately stopping the transmission of optical energy, the progress of the fiber fuse is suppressed and simultaneously high-density optical energy is transmitted. Can be instantaneously stopped, and an optical energy transmission device for safely transmitting high-density optical energy using an optical fiber can be realized.
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。 Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In the following description, devices having the same function or similar functions are denoted by the same reference numerals unless there is a special reason.
本発明の特徴の一つは、2層以上のクラッドを備えたマルチクラッド構造を持ちコア部と該コアを囲むクラッドがそれぞれ光路となるマルチクラッド光ファイバを用いる点である。 One of the features of the present invention is that a multi-clad optical fiber having a multi-clad structure having two or more layers of clads and having a core portion and a clad surrounding the core as optical paths is used.
例えば、2層のクラッドをもった光ファイバの場合、それらの屈折率は、コア>第1クラッド>第2クラッドである。この場合、図1に示すように、進行するファイバフューズの先端で反射または散乱される光成分a、b、c、dのうち、aのみはコアにガイドされる。また、b、cのようなNA(開口数)の大きい反射成分が、大きなNAを持つ内部クラッド層1によって集められ、入射光の反対方向へ向かう戻り光になる。
For example, in the case of an optical fiber having a two-layer clad, the refractive index thereof is core> first clad> second clad. In this case, as shown in FIG. 1, only a of the light components a, b, c, and d reflected or scattered at the tip of the traveling fiber fuse is guided by the core. Reflective components having a large NA (numerical aperture) such as b and c are collected by the
従って、クラッドを伝播する戻り光強度(平均強度)は、フューズ発生前に比べて、ファイバフューズ発生後は強くなる。そのため、第1クラッドを伝播する戻り光の変化からファイバフューズの発生を検知できる。 Therefore, the intensity of the return light (average intensity) propagating through the cladding becomes stronger after the fiber fuse is generated than before the fuse is generated. Therefore, the occurrence of fiber fuse can be detected from the change in the return light propagating through the first cladding.
図2から図6は、上記のマルチクラッド光ファイバのコアに光を入射し、ファイバフューズによる戻り光を抽出するための光分岐手段の周辺構成を示す。 2 to 6 show the peripheral configuration of the light branching means for making light incident on the core of the multi-clad optical fiber and extracting the return light from the fiber fuse.
図2では、光分岐手段にはマルチモード結合/分岐器を用い、入射レーザ光として高出力レーザ信号光を入射する入射光路が接続され、入射光を伝送光として、マルチクラッド光ファイバのコアを通じて伝送する。また、光分岐手段は、マルチクラッド光ファイバの戻り光を分岐してファイバフューズ信号検知器に出力する。このファイバフューズ信号検知器では、取り出した光から、光フィルタでファイバフューズの信号光を含む波長帯の光を抽出し、光検出器で電気信号に変換する。 In FIG. 2, a multimode coupler / branch is used as an optical branching unit, and an incident optical path through which a high-power laser signal light is incident as an incident laser beam is connected. To transmit. The light branching means branches the return light of the multi-clad optical fiber and outputs it to the fiber fuse signal detector. In this fiber fuse signal detector, light in a wavelength band including the signal light of the fiber fuse is extracted from the extracted light by an optical filter, and is converted into an electric signal by the photodetector.
図3では、イットリビウムやエルビウム/イットリビウムなどをドープして光増幅ができるようにしたダブルクラッド光ファイバを用いている。この場合は、光増幅のための励起光を光分岐手段を介して上記ダブルクラッド光ファイバのクラッドに入射する。 In FIG. 3, a double clad optical fiber doped with yttrium, erbium / yttrium, or the like so as to be capable of optical amplification is used. In this case, the excitation light for optical amplification is incident on the clad of the double clad optical fiber through the optical branching means.
また、上記光分岐手段には高出力レーザ信号光を入射する入射光路が接続され、入射光を伝送光として、マルチクラッド光ファイバに伝送する。さらに、上記光分岐手段は、マルチクラッド光ファイバの戻り光を分岐して取り出す。取り出した光から、光フィルタでファイバフューズの信号光を含む波長帯の光を抽出し、光検出器で電気信号に変換する。 The optical branching unit is connected to an incident optical path for receiving high-power laser signal light, and transmits the incident light as transmission light to the multi-clad optical fiber. Further, the light branching means branches and takes out the return light of the multi-clad optical fiber. From the extracted light, light in a wavelength band including the signal light of the fiber fuse is extracted by an optical filter, and is converted into an electric signal by a photodetector.
図4(a)は、特にマルチモード結合/分岐器を用いた光分岐手段の部分を示した図であって、マルチクラッド光ファイバとしてダブルクラッド光ファイバを用いる場合の例を示す。この例では、コアに近いクラッドにマルチモード光ファイバのコアが接触するように配置している。この際、1本のダブルクラッド光ファイバに対して、1本から6本までのマルチモード光ファイバを接続することができる。図4(b)、(c)においては、それぞれ2本と、6本の場合を示す。 FIG. 4A is a diagram showing a part of an optical branching unit using a multimode coupler / branch, and shows an example in which a double clad optical fiber is used as a multiclad optical fiber. In this example, it arrange | positions so that the core of a multimode optical fiber may contact the clad near a core. At this time, one to six multimode optical fibers can be connected to one double clad optical fiber. 4 (b) and 4 (c) show two and six cases, respectively.
図4に示すこのような光分岐手段は、ファイバアンプにおいて、マルチモードポンピング(multimode pumping)をするためによく用いられる。また、図3の例に適用する場合、励起光を入力するためではなく、クラッドを伝播するマルチモード(multimode)の成分を取り出す働きをすることもできる。図3ではマルチモードポートは2本であるが、2本から6本のいずれでも用いることができる。6本の場合は、図4(c)の様に、その断面は6角形状になる。また、複数のポートを配置する場合は、戻り光取り出し用ポートと励起光入力用ポートを用意することができる。 Such an optical branching unit shown in FIG. 4 is often used in a fiber amplifier to perform multimode pumping. In addition, when applied to the example of FIG. 3, it is possible not only to input excitation light but also to extract a multimode component propagating through the cladding. In FIG. 3, there are two multimode ports, but any of two to six can be used. In the case of six, the cross section has a hexagonal shape as shown in FIG. When a plurality of ports are arranged, a return light extraction port and an excitation light input port can be prepared.
図5は、ダブルクラッド光ファイバで、戻り光の伝播する最内層のクラッドの一部に、上記ダブルクラッド光ファイバの光路の方向に交わるV溝を光分岐手段として設けたものを示す。そのV溝の側面において反射あるいは散乱させることにより、クラッドを伝播する戻り光を上記ダブルクラッド光ファイバの外部に取り出すことができる。この様に取り出された光は、集光レンズで光検出器に入力される。 FIG. 5 shows a double-clad optical fiber in which a V-groove intersecting the direction of the optical path of the double-clad optical fiber is provided as a light branching means in a part of the innermost clad in which return light propagates. By reflecting or scattering on the side surface of the V-groove, return light propagating through the cladding can be taken out of the double-clad optical fiber. The light extracted in this way is input to the photodetector through the condenser lens.
図6の構成では、図4におけるV溝を利用して、ファイバフューズを検出するためのモニタ光を入力する。モニタ光は、マルチモードレーザダイオードからの光を偏光ビームスプリッタ、集光レンズ及びV溝を介してダブルクラッド光ファイバに入射する。ファイバフューズからの戻り光を、上記V溝で反射あるいは散乱させ、上記集光レンズ、フィルタを介して光検出器に入射することで入射光の強度を電気信号に変換するものである。 In the configuration of FIG. 6, monitor light for detecting a fiber fuse is input using the V groove in FIG. 4. The monitor light enters the light from the multimode laser diode into the double clad optical fiber via the polarization beam splitter, the condenser lens, and the V groove. The return light from the fiber fuse is reflected or scattered by the V-groove, and enters the photodetector through the condenser lens and filter, thereby converting the intensity of the incident light into an electrical signal.
上記の光分岐手段を用いた光エネルギー伝送装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。 An embodiment of an optical energy transmission device using the above optical branching means will be described in detail with reference to the drawings.
図7は、本発明の第1実施例の概略構成ブロック図を示す。レーザ光源10は、パルス又はCW(Continuous Wave;連続発振)のレーザ光を出力する。通常、レーザ光源10から出力されるレーザ光は、信号伝送の場合、パルス光又はCW光であり、電力伝送の場合にはCW光となる。エルビウム添加光ファイバ(EDFA)からなる光アンプ12は、レーザ光源10の出力光をパワー増幅する。光アンプ12の出力レーザ光のパワーは、数Wオーダーになる。
FIG. 7 shows a schematic block diagram of the first embodiment of the present invention. The
光アンプ12の出力レーザ光は、光サーキュレータ14を介して伝送用光ファイバ16に入射する。伝送用光ファイバ16としては、ダブルクラッド光ファイバまたは、マルチクラッド光ファイバである。伝送用光ファイバ16へ光入力または反射光を取り出す光サーキュレータ14には、図2、図4、あるいは図5に記載の光分岐手段を用いることができる。この場合、光サーキュレータ14の3つポートA、B、Cはそれぞれ、図2、図4、あるいは図5に記載の光分岐手段のシングルモード光入力ポート,出力用ダブルクラッド光ファイバ、戻り光用マルチモード光ファイバに相当することになる。光サーキュレータ14は、ポートAに入射した光をポートBから出力し、ポートBに入射した光をポートCから出力する公知の光素子である。光サーキュレータ14のポートAに光アンプ12の出力が接続し、ポートBに光ファイバ16の一端が接続する。
The output laser light from the
ファイバフューズ信号検知器100では、まず、光サーキュレータ14のポートCには受光素子18が接続する。即ち、光ファイバ16から光サーキュレータ14のポートBに入射する逆方向伝搬光(つまり戻り光)が、光サーキュレータ14により受光素子18に転送される。光ファイバ16から光サーキュレータ14のポートBに入射する逆方向伝搬光は、光アンプ12の出力レーザ光が光ファイバ16に入射することで生成される各種の戻り光であり、例えば、光ファイバ16内での散乱光、ファイバフューズで生成されるファイバフューズ光、及び各部の端面で生成される反射光からなる。
In the fiber
受光素子18は光ファイバ16からの逆方向伝搬光を電気信号に変換し、アンプ20は受光素子18の出力電気信号を増幅する。電気フィルタ22は、アンプ20の出力電気信号から、ノイズ成分、例えば、10kHz〜500kHzを抽出する。これは、ファイバフューズが発生すると、CW伝送の場合、10kHz〜500kHz帯域で20dB以上の強度増加が検出されたことによる。上記のように、フューズ発生時の反射光の周期的な強度変調からフューズを検知したい場合、電気(RF)パワー計24は欠かせないものであるが、反射光の平均強度の変化からフューズを検出する場合は、パワー計24は除いても良い。
The
図8は、受光素子18の出力をスペクトラムアナライザに入力した場合の表示例を示す。ファイバフューズがある場合の信号強度は、それが無い場合の信号強度に比べて40から50デシベル程度大きいことが分かる。図8では、RFスペクトルの細かい変動が見られるが、これは、図8に示すfcの整数倍の周波数を持った信号である。また、以下で説明するが、fDoppler(=2nV/λ、ここでは、nは光ファイバの屈折率、vはフューズの速度、λは光の波長)で示す信号ピークが発生する。この抽出帯域は一例であり、通信用途の場合には、伝送信号に起因する帯域を除外したノイズ帯域のレベルを抽出すればよく、電力伝送の場合には、10kHz以上の周波数から所望の帯域を抽出すればよい。言うまでもないが、電気フィルタ22とアンプ20の配置を逆にしてもよい。
FIG. 8 shows a display example when the output of the
パワー計24が電気フィルタ22の出力レベルとしてその平均電力を計測し、計測されたノイズ電力を代表する電圧値を出力する。パワー計24として、例えば、米国アジレント(agilent)社のパワーセンサE9304Aが使用可能である。比較回路26が、パワー計24の出力電圧を閾値Vthと比較する。ファイバフューズ現象が光ファイバ16で発生すると、電気フィルタ22から出力されるノイズ電力が増大する。実験例では、図8に示したように、50dB程度の増大を検出した。閾値Vthを、ファイバフューズの発生後の、電気フィルタ22の出力ノイズ電力より、若干低い値に設定しておけば良い。比較回路26は、ファイバフューズが起きていない状態は、低(L)出力であり、ファイバフューズが起きると、高(H)出力に遷移する。
The
制御手段200を構成する警告回路28は、比較回路26の出力がLからHに遷移すると、レーザ光源10に停止信号を送って、レーザ出力を停止させる。これにより、光ファイバ16でのファイバフューズの進行を即座に停止させることができ、長尺の光ファイバ16の焼損による交換という事態を未然に防止できる。警告回路28はまた、スピーカから警告音声を出力し、又は、モニタ画面上に警告を表示する警告信号を出力する。
When the output of the
本実施例では、警告回路28は、レーザ光源10に対する停止信号と、管理者への警告信号の両方を出力したが、警告のみでも良い。
In the present embodiment, the
ファイバフューズの発生からレーザ入射の遮断までの時間的余裕をTとすると、電気フィルタ22の高域遮断周波数は、せいぜい1/T相当であればよい。電気フィルタ22の高域遮断周波数が1/Tより小さい場合、レーザ入射を遮断する速さは、受光素子18から警告回路26までの部分の応答速度により決定される。
If the time margin from the occurrence of the fiber fuse to the cutoff of the laser incidence is T, the high frequency cutoff frequency of the
本実施例では、ファイバフューズを検知すると、レーザ光源10を停止したが、レーザ光源10の出力パワーを、ファイバフューズが起こらない程度に低減してもよい。
In this embodiment, when the fiber fuse is detected, the
図9は、本発明の第2実施例の概略構成ブロック図を示す。図7に示す実施例では、ファイバフューズの発生を検知したとき、警告回路28が、レーザ光源10の出力を停止したが、図9に示すように、制御手段200の警告回路28が光アンプ12を停止するようにしてもよい。例えば、光アンプ12のポンプ光入力を停止する。この場合、光アンプ12は減衰器として機能する。ダブルクラッド光ファイバまたはマルチクラッド光ファイバである光ファイバ16には、ファイバフューズを発生させない程度のパワーのレーザ光が入射することになり、実施例1と同様に、光ファイバ16でのファイバフューズの進行を即座に停止させることができる。伝送用光ファイバ16へ光入力または反射光を取り出す光サーキュレータ14には、図2、図4、あるいは図5に記載の光分岐手段を用いることができる。上記のように、フューズ発生時の反射光の周期的な強度変調からフューズを検知したい場合、電気(RF)パワー計24は欠かせないものであるが、反射光の平均強度の変化からフューズを検出する場合は、パワー計24は除いても良い。
FIG. 9 shows a schematic block diagram of the second embodiment of the present invention. In the embodiment shown in FIG. 7, when the occurrence of the fiber fuse is detected, the
また、制御手段200の警告回路28は、光アンプ12の増幅動作を完全停止させずに、ファイバフューズが起こらない程度に、光アンプ12の増幅率を低減させてもよい。
Further, the
図10は、本発明の実施例3の概略構成ブロック図を示す。図10に示すように、レーザ光源10と光アンプ12の間、又は、光アンプ12と光サーキュレータ14の間に、光遮断器30を設け、警告回路28の出力により、ファイバフューズの発生時に光遮断器30に光を遮断させてもよい。光遮断器30は、図10に模式的に示すように、常閉式の光スイッチからなり、警告回路28からの遮断制御信号により開放され、光信号の光ファイバ16への入射を遮断する。光サーキュレータ14には、図2、図4、あるいは図5に記載の光分岐手段を用いることになり、光サーキュレータ14の3つポートA,B,Cはそれぞれ、図2、図4、あるいは図5に記載の光分岐手段のシングルモード光入力ポート,出力用ダブルクラッド光ファイバ、戻り光用マルチモード光ファイバに相当することになる。
FIG. 10 shows a schematic block diagram of the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 10, an
光遮断器30の代わりに、可変光減衰器を配置し、ファイバフューズの検知に応じて、当該可変減衰器の減衰率を上げて、光ファイバ16に入力するレーザパワーを低減するようにしてもよい。常時は、光減衰器を光路から外しておき、ファイバフューズの検知に応じて光減衰器を光路に挿入する構成は、レスポンスの遅さはあるものの、可変光減衰器と同様の作用を果たす。
Instead of the
上記各実施例では、光ファイバ16が折れる等して反射率の高い端面が生成された場合に、高強度の戻り光が受光素子18に入射して、受光素子18を破壊する可能性がある。そこで、次に、このような受光素子18の破壊の可能性を低減した実施例を説明する。図11は、その実施例の概略構成ブロック図を示す。
In each of the above-described embodiments, when an end face with high reflectivity is generated due to the
レーザ110は、数Wオーダーのパルス又はCWのレーザ光を出力する。このレーザ光の波長を信号波長λpとする。通常、レーザ110から出力されるレーザ光は、レーザ光源10の場合と同様に、パルス変調の場合、パルス光であり、位相変調又は電力伝送の場合にはCW光となる。エルビウム添加光ファイバからなる光アンプ112は、レーザ110の出力光をパワー増幅する。
The
他方、モニタレーザ光発生装置130が、波長λpとは異なる波長λm(モニタ波長)のモニタ光又はモニタレーザ光を発生する。光合波器132は、光アンプ112の出力光に、モニタレーザ光発生装置130からのモニタレーザ光を合波し、合波光を光サーキュレータ114のポートAに入射する。光サーキュレータ14には、図2、図4、あるいは図5に記載の光分岐手段を用いることになり、光サーキュレータ14の3つポートA、B、Cはそれぞれ、図2、図4、あるいは図5に記載の光分岐手段のシングルモード光入力ポート、出力用ダブルクラッド光ファイバ、戻り光用マルチモード光ファイバに相当することになる。
On the other hand, the monitor
光サーキュレータ114のポートBには伝送用光ファイバ116が接続し、ポートCには、モニタ波長λmの光を透過し、信号波長λpの光を遮断する光フィルタ134が接続する。
A transmission
光サーキュレータ114は、光合波器132からポートAに入射する合波光を、ポートBから伝送用光ファイバ116に供給し、伝送用光ファイバ116からポートBに入射する逆方向伝搬光をポートCから光フィルタ134に供給する。
The
先に説明したように、ファイバフューズの発生により、波長λpの戻り光が強度変調されたものとなり、その結果として、周波数ドメインで見たノイズレベルが増大する。モニタ波長λmのモニタ光の戻り光も同様に強度変調されたものとなり、周波数ドメインで見たノイズレベルが増大する。従って、波長λpの戻り光ではなく、モニタ光の戻り光を監視することでも、実施例1〜3と同様に、ファイバフューズの発生を検知できることになる。 As described above, due to the occurrence of the fiber fuse, the return light of the wavelength λp is intensity-modulated, and as a result, the noise level seen in the frequency domain increases. The return light of the monitor light having the monitor wavelength λm is similarly intensity-modulated, and the noise level seen in the frequency domain increases. Therefore, the occurrence of the fiber fuse can be detected by monitoring the return light of the monitor light instead of the return light of the wavelength λp as in the first to third embodiments.
光フィルタ134は、光サーキュレータ114のポートCの出力光から、モニタ波長λmの成分のみを抽出して、受光素子118に供給する。モニタ光はハイパワーではないので、仮に光ファイバ116の切断等で高反射率の端面が出現しても、受光素子118に高強度の信号波長λpの戻り光が入射することがなく、受光素子118を保護できる。
The
受光素子118は光フィルタ134からのモニタ波長λmの逆方向伝搬光を電気信号に変換し、アンプ120は受光素子118の出力電気信号を増幅する。電気フィルタ122は電気フィルタ22と同様のフィルタ特性を具備し、アンプ120の出力電気信号から、ノイズ成分を抽出する。この実施例でも、電気フィルタ122とアンプ120の配置を逆にしてもよい。パワー計124が、パワー計24と同様に、電気フィルタ122の出力の平均電力を計測し、その計測値を代表する電圧値を出力する。
The
比較回路126は、パワー計124の出力電圧値(ノイズ電力)を閾値Vthと比較する。ファイバフューズ現象が伝送用光ファイバ116で発生すると、電気フィルタ122の出力電力が増大する。比較回路126は、ファイバフューズが起きていない状態は、低(L)出力であり、ファイバフューズが起きると、高(H)出力に遷移する。
The
制御手段200の警告回路128は、比較回路126の出力がLからHに遷移すると、レーザ110に停止信号を送って、レーザ出力を停止させる。これにより、光ファイバ116でのファイバフューズの進行を即座に停止させることができ、長尺の光ファイバ116の交換という事態を未然に防止できる。警告回路128はまた、スピーカから警告音声を出力し、又は、モニタ画面上に警告を表示する警告信号を出力する。警告回路128は、レーザ110に対する停止信号と、管理者への警告信号の両方を出力したが、警告のみでも良い。
When the output of the
警告回路128はまた、実施例2のように、光アンプ112の増幅動作を停止させても、光アンプ112と光サーキュレータ114の間に設置した光遮断器を制御して光ファイバ116への信号波長λpのレーザ光の入射を遮断してもよい。
The
レーザ光源10、または110と伝送用光ファイバ16、または116との間の種々の段階で高パワーのレーザ光を停止又は遮断、若しくはその入射パワーを低減する実施例を説明したが、レーザ光源10、または110自体を停止させるのが最も確実である。レーザ光源10、または110と伝送用光ファイバ16、または116との間に位置する光伝送路でファイバフューズが起こる可能性を排除できないからである。レーザ光源10、または110を止められない場合には、レーザ光源10、または110に近い場所でレーザ光を遮断又はパワーを低減するのが好ましい。
Although an embodiment has been described in which high-power laser light is stopped or blocked at various stages between the
光ファイバ16、または116又はその一部をラマン増幅媒体とし、レーザ光源10、または110の出力レーザ光のそのラマン増幅の励起光とする場合にも、本発明は有効である。すなわち、本発明は、高パワーのラマン励起光によりラマン増幅媒体である光ファイバ又はその先の伝送用光ファイバでファイバフューズが起こり得るような光システムにも適用可能である。
The present invention is also effective in the case where the
上記の発明が、特定のレーザ波長に限定されないことは明らかである。すなわち、レーザ光源波長として1.55μmを例示したが、異なる波長の他種のレーザ光、例えば、波長1.05μmのYb系レーザ光でも良い。 Obviously, the above invention is not limited to a particular laser wavelength. That is, although 1.55 μm is exemplified as the laser light source wavelength, other types of laser light having different wavelengths, for example, Yb laser light having a wavelength of 1.05 μm may be used.
図13に示す光エネルギー伝送装置1は、レーザ光源10からのレーザ光を光ファイバ16に入射する。この入射の際に、モニタ光光源8からのモニタ光を光路9を通じて上記のレーザ光と、光分岐手段として例えば波長分割多重方式(WDM)カプラ6を用いて、合流させるものである。光ファイバ16からの戻り光が、波長分割多重方式カプラ6を通過する際に、上記モニタ光が波長分割多重方式カプラ6で光路9に分岐される。
In the optical
この分岐を、上記レーザ光とモニタ光の波長を異なるものとし、WDMカプラ6の特性に合わせた光路の結合とすることによって、上記の戻り光に含まれるモニタ光の分離をほぼ完全に行うことができる。
By making this branching different in the wavelengths of the laser light and the monitor light and combining the optical paths in accordance with the characteristics of the
光路9上の戻り光は、ファイバフューズ信号検知器100において光カプラやサーキュレータなどの分岐器7で光検出器2に分岐される。
The return light on the
光検出器2の出力は、必要に応じて増幅し、光ファイバフューズ特有の信号を抽出するために、電気フィルタ3で濾波する。上記実施例1で説明したように、この信号は、特徴的な周波数帯にあるので、周波数フィルタで選択することができる。この電気フィルタ3の出力は、電気パワー測定器4で、測定されさらにその測定結果が判定される。この判定に用いる比較手段は、電気パワー測定器4の内部回路に依るが、アナログ信号用のコンパレータであってもよく、また、デジタル信号化して数値判定を行う論理回路であってもよい。電気パワー測定器4での判定結果でレーザ光源10の出力を制御手段200を通じて制御する。この制御は、光ファイバフューズが発生した場合に、レーザ光源10の出力を停止または抑制するものである。
The output of the
図14に示す光エネルギー伝送装置1では、実施例5の場合と異なり、モニタ光として単色光自体でなくそのスペクトルを分散した光を用いる。このようなモニタ光は、単色光を変調信号発生器31からの信号で変調することで容易に得ることができる。図14では、モニタ光の光源として、例えば半導体レーザを用いる。一般に、半導体レーザでは、供給する電流で変調することができることが知られている。この変調周はブリルアン散乱を抑制するため、例えば、数十MHzから数百MHzの間の周波数で行えば良い。この変調によってブリルアンア散乱を抑制できる。一方、その変調帯域はファイバフューズ特有の変調帯域と重ならないので、ファイバフューズの検知には悪い影響を及ぼさない。
In the optical
また、図15に示す光エネルギー伝送装置1では、上記の場合と同様に、変調したモニタ光を使用するが、実施例6の場合と異なり、モニタ光の光源を直接変調するのではなく、低雑音のモニタ光光源からの単色光を変調信号発生器32からの信号で変調器34を用いて変調するものである。
Further, in the optical
図16に示す光エネルギー伝送装置1は、図15におけるレーザ光源10からのレーザ光の代わりに、光アンプ12からのレーザ光を用いる例である。ファイバフューズ検知器100がファイバフューズの発現を検知すると、信号を発して、光アンプ12の増幅を停止するか増幅率を低下させる。また、増幅率を制御する代わりに、光スイッチなどを用いて光アンプ12への入力光を遮断するようにしてもよい。
The optical
図8のファイバフューズがある場合のグラフを見ると、0.6MHz弱まで、ファイバフューズに起因する櫛形の周波数分布を持ったピーク群があり、また、0.87MHz程度に、ファイバフューズの進行速度に伴うドプラー(Doppler)効果によるピークがあることが分かる。このドプラー周波数は進行型のフューズからの反射光とスプリアス反射光(spurious、光ファイバのコネクタ等からの反射光)のビートから生じる。0.87MHzのこの実験値は、屈折率n=1.5、波長λ=1.55μm、v=0.45m/sの場合のドプラー周波数の理論数値(2nv/λ)と同様な値である。そこで、図17に示す様に、光検出器2の出力を2分岐して、一方を、ファイバフューズに起因する櫛形の周波数分布を持ったピーク群が顕著な周波数帯域Aまたはその一部を抽出する電気フィルタ3−1と、前記周波数帯域Aと上記ドプラー効果によるピークとの間の周波数帯域Bまたはその一部を抽出する電気フィルタ3−2とを用いて、それぞれ抽出する。周波数帯域Bとしては、例えば0.6から0.85MHzである。また、電気フィルタ3−1はドプラー周波数中心でのバンドパスフィルタ、電気フィルタ3−2は、ドプラー周波数成分を含まないように少し中心をずらした同様な帯域幅のものを利用してもよい。また、それぞれの強度をそれぞれのパワー測定器4−1、4−2で測定する。これは、前記周波数帯域A、Bの帯域幅が異なるときには、それぞれの周波数パワー密度に相当する値に変換することをも行うものである。パワー測定器4−1、4−2の出力を、例えば差動増幅器5を用いた判定器で判定する。当然のことながら、デジタル信号化して数値判定を論理回路で行うこともできる。
Looking at the graph when there is a fiber fuse in FIG. 8, there is a peak group having a comb-shaped frequency distribution due to the fiber fuse up to a little less than 0.6 MHz, and the traveling speed of the fiber fuse is about 0.87 MHz. It can be seen that there is a peak due to the Doppler effect. This Doppler frequency is generated from the beats of reflected light from a progressive fuse and spurious reflected light (spurious, reflected light from an optical fiber connector or the like). This experimental value of 0.87 MHz is the same value as the theoretical value (2 nv / λ) of the Doppler frequency when the refractive index n = 1.5, the wavelength λ = 1.55 μm, and v = 0.45 m / s. . Therefore, as shown in FIG. 17, the output of the
上記ピーク群の各要素ピークは、図18に示すように、31kHz信号の高調波となっている。このため、上記電気フィルタ3−1には、各ピークを選択的に抽出する櫛形フィルタを摘要することで、検出感度を改善できることがわかる。また、櫛形フィルタは、容易に周波数可変にできるので、上記電気フィルタ3−1においても周波数可変の櫛形フィルタを摘要することは容易である。 Each element peak of the peak group is a harmonic of a 31 kHz signal, as shown in FIG. For this reason, it turns out that the detection sensitivity can be improved by requiring a comb filter for selectively extracting each peak in the electric filter 3-1. Further, since the frequency of the comb filter can be easily made variable, it is easy to use a frequency variable comb filter in the electric filter 3-1.
図19にファイバフューズの進行速度と入射光パワーとの実測値を示す。これは、DCF(分散補償光ファイバ)、DSF(分散シフトシングルモード光ファイバ)、SMF(汎用シングルモード光ファイバ)についてのもので、矢印は、それぞれの光ファイバフューズの起こるパワー閾値である。光の強度はこの閾値以下まで下げるとフューズ発生を中断させることになる。入射するレーザ光の強度の増大とともに、その進行速度が大きくなる。これから、上記のドプラー効果によるピークの周波数位置を容易に推定することができるので、前記周波数帯域Bを決定することができる。 FIG. 19 shows measured values of the fiber fuse traveling speed and the incident light power. This is for DCF (dispersion compensating optical fiber), DSF (dispersion shifted single mode optical fiber), and SMF (general purpose single mode optical fiber), and the arrow indicates the power threshold value at which each optical fiber fuse occurs. When the light intensity is lowered below this threshold, the generation of fuses is interrupted. As the intensity of the incident laser light increases, the traveling speed increases. From this, the frequency position of the peak due to the Doppler effect can be easily estimated, so that the frequency band B can be determined.
ダブルクラッド光ファイバの場合、レーザ光の強度はコア部が最も高いので、ファイバフューズはコア部に発生すると考えられる。従って、ファイバフューズの進行速度と入力パワーの関係は、図19に示したものと同様であり、ダブルクラッドファイバーのコアの径に依存する。したがって、SMF、DCFまたはDSFファイバ-のいずれのコアと同じようなコア径ものであれば、図19から導くことができる。また、コア径が異なる場合でも、図19から容易に想定できる。 In the case of a double-clad optical fiber, the intensity of laser light is highest in the core portion, so it is considered that a fiber fuse is generated in the core portion. Therefore, the relationship between the traveling speed of the fiber fuse and the input power is the same as that shown in FIG. 19 and depends on the diameter of the core of the double clad fiber. Accordingly, any core having the same core diameter as any core of SMF, DCF or DSF fiber can be derived from FIG. Further, even when the core diameter is different, it can be easily assumed from FIG.
本発明の光エネルギー伝送装置を実際に運用する場合は、取り付け後に、動作試験をすることが望ましい。ファイバフューズを意図的に発生させるためには、数ワットの光が端面から出ている状態で、その光ファイバ端面に例えば修正液(文房具)の用な微粒子を含めた液を着けることによって、容易に発生できる。この試験には、数メートル長の光ファイバで充分であるので、試験後、破壊した部分を切り取って、再び元の状態に戻すことができる。 When the optical energy transmission device of the present invention is actually used, it is desirable to perform an operation test after installation. In order to intentionally generate a fiber fuse, it is easy to put a liquid containing fine particles, such as correction fluid (stationery), on the end face of the optical fiber with several watts of light coming out of the end face. Can occur. An optical fiber having a length of several meters is sufficient for this test, so that after the test, the broken portion can be cut out and returned to the original state again.
しかしファイバフューズは破壊的な現象であり、例えば光通信用の伝送路では通信路を破壊することになるので、実際にファイバフューズを起こして動作試験を行うことは実用上難しい。このため、上記光ファイバ16のレーザ光入射側の反対側から、擬似ファイバフューズ信号を伝送して、光エネルギー伝送装置が実際にこれを検知することで、光ファイバを損傷することなく動作試験とすることができる。このような擬似ファイバフューズ信号は、図8のファイバフューズがある場合の信号と類似のものであればよいので、その生成は容易である。
However, the fiber fuse is a destructive phenomenon. For example, in a transmission line for optical communication, the communication path is destroyed, so it is practically difficult to actually perform an operation test by raising the fiber fuse. For this reason, a pseudo fiber fuse signal is transmitted from the side opposite to the laser beam incident side of the
1 光エネルギー伝送装置
2 光検出器
3、3−1、3−2 電気フィルタ
4、4−1、4−2 パワー測定器
5 差動増幅器
6 波長分割多重方式カプラ
7 分岐器
8 モニタ光光源
9 光路
10 レーザ光源
11 入射光路
12 光アンプ
14 光サーキュレータ
16 マルチクラッド光ファイバ
18 受光素子
20 アンプ
22 電気フィルタ
24 パワー計
26 比較回路
28 警告回路
30 光遮断器
31、32 変調信号発生器
34 変調器
100 ファイバフューズ信号検知器
110 レーザ
112 光アンプ
114 光サーキュレータ
116 伝送用光ファイバ
118 受光素子
120 アンプ
122 電気フィルタ
124 パワー計
126 比較回路
128 警告回路
130 モニタレーザ光発生装置
132 光合波器
134 光フィルタ
200 制御手段
DESCRIPTION OF
Claims (4)
該マルチクラッド光ファイバのコアを伝播するように伝送光を入射する入射光路と、
該マルチクラッド光ファイバを伝播する戻り光を分岐する光分岐手段と、
該光分岐手段で分岐された戻り光から上記ファイバフューズを示す信号を検知するファイバフューズ信号検知器と、
該ファイバフューズ信号検知器の検知出力を受けて、上記マルチクラッド光ファイバへの上記伝送光の入射が停止または抑制するように上記伝送光の送出手段を制御する制御手段と、
を、備え、
上記戻り光は、上記マルチクラッド光ファイバに導入された上記伝送光の、上記マルチクラッド光ファイバ内で発生したファイバフューズによって反射された反射光であり、
上記マルチクラッド光ファイバは、
上記コアを囲む第1クラッドと該第1クラッドを囲む第2クラッドとを有し、
上記第1クラッドが上記第2クラッドよりも大きくかつ上記コアよりも小さな屈折率を有することによって上記戻り光を上記第1クラッドに集めて伝播し、
上記光分岐手段は、
上記第1クラッドを伝播する戻り光を上記ファイバフューズ信号検知器の方に分岐することを特徴とする光エネルギー伝送装置。 A multi-clad optical fiber having a multi-clad structure of two or more layers, a core, and at least one of the clads surrounding the core serving as an optical path;
An incident optical path for transmitting the transmission light so as to propagate through the core of the multi-clad optical fiber;
Optical branching means for branching the return light propagating through the multi-clad optical fiber;
A fiber fuse signal detector for detecting a signal indicative of the fiber fuse from branched return light by the optical splitting means,
Control means for receiving the detection output of the fiber fuse signal detector and controlling the transmission means of the transmission light so as to stop or suppress the incidence of the transmission light to the multi-clad optical fiber;
A, a,
The return light is the reflected light reflected by the fiber fuse generated in the multi-clad optical fiber of the transmission light introduced into the multi-clad optical fiber,
The multi-clad optical fiber is
A first cladding surrounding the core and a second cladding surrounding the first cladding;
The first clad is larger than the second clad and has a refractive index smaller than that of the core so that the return light is collected and propagated to the first clad;
The light branching means is
An optical energy transmission device, wherein return light propagating through the first cladding is branched toward the fiber fuse signal detector .
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