波長検波型光ファイバセンサシステム
【課題】高い測定分解能をもつ波長検波型光ファイバセンサシステムの提供。
【解決手段】互いに近接配置されたからファブリペローエタロンを構成するＦＢＧ対から成るセンサ素子２１〜２ｎを備えて波長検波型光センサ２を構成する。この波長検波型光センサ２と、この波長検波型光センサ２に入射された光の透過光を入射するとともに透過光を検出する光波長検波手段３とを備えて光ファイバセンサシステムを構成する。光波長検波手段３は、センサ素子２１〜２ｎからの透過光を波長毎に分波するアレイ導波路格子３１と、このアレイ導波路格子３１で分波された信号に基づいて各センサ素子２１〜２ｎで検出される波長を演算する演算回路３２とを備えており高分解能な測定を可能とする。
【解決手段】互いに近接配置されたからファブリペローエタロンを構成するＦＢＧ対から成るセンサ素子２１〜２ｎを備えて波長検波型光センサ２を構成する。この波長検波型光センサ２と、この波長検波型光センサ２に入射された光の透過光を入射するとともに透過光を検出する光波長検波手段３とを備えて光ファイバセンサシステムを構成する。光波長検波手段３は、センサ素子２１〜２ｎからの透過光を波長毎に分波するアレイ導波路格子３１と、このアレイ導波路格子３１で分波された信号に基づいて各センサ素子２１〜２ｎで検出される波長を演算する演算回路３２とを備えており高分解能な測定を可能とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度、歪み、振動、加速度などの物理量の測定を行うための波長検波型光ファイバセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバは主に通信用として広く利用されているが、計測分野においても広範囲にわたり研究が行われており、様々な光ファイバセンサが実用化されている。
その中でもファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）を利用した波長検波型光ファイバセンサ（ＦＢＧセンサ）は、耐電磁ノイズ性に優れ、電気システムのように火花を発生することがないので引火、爆発の危険性が少なく化学プラント、石油プラントなどの計装に適しているといった光ファイバセンサに共通する特徴を有し、その上、波長多重伝送（ＷＤＭ)技術により1本の光ファイバ内に複数の光ファイバセンサを配置することにより空間的な分布計測システムを実現できるという優れた特徴を有する。
【０００３】
波長検波型センサの従来例として、ＦＢＧセンサの反射中心波長がＦＢＧセンサに印加された歪にリンクして変化することをとらえて歪を検出するものが知られている（非特許文献１）。この従来例では、光ファイバにＦＢＧを描画しセンサが構成されており、このＦＢＧに光源から光を入射させ、所定の波長で反射した反射光が検波手段で検出される。検波手段では、ＦＢＧの反射スペクトルを検出し、この検出波長に基づいて測定値が求められる。
非特許文献２には、ＦＢＧファブリペロー干渉計を用いた透過型センサが示唆されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Alan D.kersy, Mihael A. Davis, Heather j. Patric, Michel LeBlanc, K. P. Koo, C. G．Askins, M. A. Putnam, and E. Joseph Friebele, “Fiber Bragg Sensors,”Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No.8 1997
【非特許文献２】W.W. Morey, G.Meltz, and W.H.Glenn,”Fiber optic Bragg grating sensors,” SPIE Vol.1169, pp.98-106,1989
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に示す従来例では、ＦＢＧセンサの反射スペクトルの半値全幅は狭いものでも１００ｐｍ程度である。そのため、その中心波長の計測再現性に課題がある。例えば、ＦＢＧセンサの反射スペクトルを掃引型ファブリペロー干渉計で求める方式は市場で実用化されているが、Micron Optics 社製Optical Sensing Interrogator “sm230”の場合では、波長計測再現性が５ｐｍ程度出てしまう。ＦＢＧセンサの波長可変変化幅は４ｎｍ程度であるため、ダイナミックレンジは８００（４nm／５pm）であり、電気式センサのダイナミックレンジより狭く、測定精度の向上に限界がある。そして、ＦＢＧセンサの反射スペクトルの半値全幅が狭くても１００ｐｍ程度であるため、歪みの測定分解能は１３０ｎ strain/Hz程度である。つまり、測定分解能は１回のサンプリングあたり、５ｐｍであり、1秒間には約１０００回サンプリングを行うことができるので、1秒間の測定分解能としては、５ｐｍ／１０００1/2＝０．１６ｐｍとなる。一方、ひずみと波長との関係は約１．２ｐｍ／μstrainなので、１秒間のひずみ測定分解能は、（０．１６ｐｍ／１．２ｐｍ）＝０．１３３μstrain／Hz＝１３０ｎstrain／Hzとなる。
【０００６】
そのため、非特許文献１に示す従来例では、反射スペクトルの半値全幅をより狭くできないので、測定分解能をこれ以上高めることに限界がある。
非特許文献２に示す従来例では、ＦＢＧファブリペロー干渉計を用いた透過型センサが示唆されるのみであって、具体的な構成が示されていない。そのため、非特許文献１に示す従来例の課題である測定分解能を向上させることができるか否かは不明である。
【０００７】
本発明の目的は、測定分解能を向上させることができる波長検波型光ファイバセンサシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の波長検波型光ファイバセンサシステムは、光源から出射される光が入射するとともに透過光が光検出手段で検出されかつ被測定物に設置される波長検波型光センサシステムであって、互いに近接配置されたファブリペローエタロンを構成するファイバ・ブラッグ・グレーティング対からなるセンサ素子を備えたことを特徴とする。
【０００９】
この構成の本発明では、センサ素子が高反射率のファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）をベースとしてファブリペローエタロンを構成するので、センサ素子から透過される光の透過スペクトルの半値全幅を従来の反射スペクトルの半値全幅より小さくできる。半値全幅を従来のＦＢＧよりも狭くすることによって、測定分解能を向上させることができる。
【００１０】
ここで、本発明では、前記ファブリペローエタロンは、反射波長帯域中に１本の透過線スペクトルのみが生じるようにするために、反射波長帯域ＢＷはフリースペクトルレンジＦＳＲの倍より狭くなるようにすることが好ましい。
この構成の本発明では、１本の透過線スペクトルのみが生じるので、波長演算時の測定エラーを回避することができる。
【００１１】
前記ファイバ・ブラッグ・グレーティング対は、同一波長スペクトル特性であり、物理的長さが同一であり、かつ、実効長Ｌｅとファイバ・ブラッグ・グレーティングの格子ピッチΛ及びファイバブラッググレーティング対間のグレーティングの書かれていない光ファイバの長さＬｇとの関係がＬｇ＝ｍΛ−２Ｌｅ（ｍは自然数）を満たすようにファイバ・ブラッグ・グレーティングの反射中心波長に透過線スペクトルの波長を一致させる構成が好ましい。
この構成の本発明では、ＦＢＧ対からなるセンサ素子の物理量測定レンジを広くすることができる。
【００１２】
本発明は、前記センサ素子に光を入射させる光源と、前記センサ素子に入射された光の透過光を入射するとともに前記透過光を検出する光波長検波手段とを備えた構成が好ましい。
この構成の本発明では、前述のセンサ素子に加えて光源と光波長検波手段とを備えた構成としたので、前述の効果を奏することができる装置を提供することができる。
【００１３】
前記センサ素子は、それぞれ中心波長の変化波長領域が異なり複数の対が直列に接続されている構成が好ましい。
この構成の本発明では、被測定物の異なる位置での物理量変化を正確に測定することができる。
【００１４】
前記光波長検波手段は前記センサ素子からの透過光を入力するとともに波長領域毎に分波するアレイ導波路格子と、このアレイ導波路格子で分波された前記センサ素子からの信号に基づいて各センサ素子で検出される波長を演算する演算回路とを備えた構成が好ましい。
この構成の本発明では、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）で波長毎に分波された複数の透過光に基づいて波長が演算回路で演算される。アレイ導波路格子は分波波長範囲を狭く設定でき、非常に多くのチャンネル数のものが報告されている。従って、センサ素子の数が多くても、正確な測定を実施することができる。
【００１５】
前記光波長検波手段は、前記センサ素子から透過された光に基づく信号を受信するとともに、予め記憶された信号パターンから前記センサ素子からの検波信号を認識する光スペクトルパターン認識回路を備えた構成が好ましい。
この構成の本発明では、前記センサ素子の透過スペクトルの中心波長を信号のデータ処理により抽出することで、測定範囲は格段に広くなるという効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる波長検波型光ファイバセンサシステムの概略構成図。
【図２】第１実施形態における広帯域光源の出射スペクトル、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）の入射スペクトル及びアレイ導波路格子（ＡＷＧ）の透過率スペクトルの関係を示す図。
【図３】本発明の第２実施形態にかかる波長検波型光ファイバセンサシステムの概略構成図。
【図４】第２実施形態における広帯域光源の出射スペクトルと掃引型ファブリペロー干渉フィルタへの入射スペクトルの関係を示す図。
【図５】発信器の出力パルス信号と、デジタルアナログ変換器の出力電圧及び２値信号波形と、ファブリペロー干渉フィルタの透過スペクトルとの関係を示す図。
【図６】本発明の第３実施形態にかかる波長検波型光ファイバセンサシステムの概略構成図。
【図７】第３実施形態における可変波長レーザの出射スペクトルとセンサ素子からの出射スペクトルとの関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１から図２には本発明の第１実施形態が示されている。
図１は第１実施形態にかかる波長検波型光ファイバセンサシステムの概略構成図である。
図１において、波長検波型光ファイバセンサシステムは、温度、歪み、振動、加速度などの物理量の測定を行うものであり、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から照射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた波長検波型光センサ２と、この波長検波型光センサ２から透過した透過光を検出する光検波手段３とを備えた構成である。
広帯域光源１０は従来例と同様の構造であり、所定の波長領域に渡って光ファイバＦに光を入射させる。
【００１８】
波長検波型光センサ２は、それぞれ一対のファイバ・ブラッグ・グレーティング（以下、ＦＢＧと称する）が互いに近接配置された複数のセンサ素子２１〜２ｎを有するものであり、これらのセンサ素子２１〜２ｎは図示しない被測定物に設置される。
ここで、複数のセンサ素子２１〜２ｎのうち、センサ素子２１が広帯域光源１０側に配置され、このセンサ素子２１から光検出手段３側に向けてセンサ素子２２、センサ素子２３、センサ素子２４……センサ素子２n-1、センサ素子２ｎが配置されている。隣り合うセンサ素子２１〜２ｎは、適宜な間隔をおいて配置される。
【００１９】
ファブリペローエタロンを構成する一対のＦＢＧは、例えば、距離ｄ＝１００μｍを隔てて配置され、これらのＦＢＧ対が１本の光ファイバ内に複数形成されている。もちろん、内部に少なくも1個のＦＢＧ対を含み両端が光ファイバコネクタ構成となった光ファイバをそれぞれコネクタ接続した構成であってもよい。
ＦＢＧは、その反射波長領域内においてミラーの役割を有する。なお、ＦＢＧは、例えば、全長２ｍｍ程度で構成することができ、これを構成する回折格子の間隔は光ファイバのコアの屈折率を１．４５、ＦＢＧの反射中心波長を１５５０ｎｍとすると、５３４ｎｍとなる。ＦＢＧの描画方法は従来と同じである。
これらのセンサ素子２１〜２ｎは、検出する中心波長λ１〜λｎの変化波長領域がそれぞれ異なるものであり、隣り合うセンサ素子２１〜２ｎの間隔は任意である。
【００２０】
光波長検波手段３は、センサ素子２１〜２ｎからの透過光を入力するとともに波長毎に分波するアレイ導波路格子ＡＷＧ３１と、このＡＷＧ３１で分波された信号に基づいて各センサ素子２１〜２ｎで検波される光の波長を演算する演算回路３２とを備えている。
ＡＷＧ３１は、分波される透過光の波長に対応して複数のチャンネルＣＨ１〜ＣＨｎを備えている。
【００２１】
図２は、広帯域光源１０の出射光、ＡＷＧ３１の入射光及びＡＷＧ３１の透過スペクトルの関係を示す図である。
図２（Ａ）において、広帯域光源１０から光が照射されると、この光がセンサ素子２１、センサ素子２２、センサ素子２３、……、センサ素子２n-1、センサ素子２ｎを透過し、その後、ＡＷＧ３１に入射される。ＡＷＧ３１に入射される光が図２（Ｂ）に示される。
ＡＷＧ３１では、チャンネルＣＨ１とチャンネルＣＨ２とはセンサ素子２１からの光スペクトルが出射し、チャンネルＣＨ３とチャンネルＣＨ４とはセンサ素子２２からの光スペクトルが出射し、チャンネルＣＨn-1、チャンネルＣＨｎとはセンサ素子２ｎ（但し、ｎは偶数）からの光スペクトルが出射する。
なお、同図（Ｃ）、（Ｄ）、（E）、（Ｆ）、（Ｇ）、（Ｈ）はそれぞれAWG３１のＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４、ＣＨ５、ＣＨ６の透過率のスペクトルの例である。
【００２２】
各チャンネルの波長に対する透過率（以下透過率スペクトル）はチャンネルＣＨ１の透過率スペクトルが図２（Ｃ）に示され、チャンネルＣＨ２の透過率スペクトルが図２（Ｄ）に示され、チャンネルＣＨ３の透過率スペクトルが図２（Ｅ）に示され、チャンネルＣＨ４の透過率スペクトルが図２（Ｆ）に示され、チャンネルＣＨn-1の透過率スペクトルが図２（Ｇ）に示され、チャンネルＣＨｎの透過率スペクトルが図２（Ｈ）に示される。本実施形態では、後述するように、隣り合うチャンネルＣＨ１，ＣＨ２（ＣＨ２，ＣＨ３，…ＣＨn-1，ＣＨｎ）の出射光量の比演算で波長検波、つまり波長計測が実施される。
【００２３】
演算回路３２は、各チャンネルＣＨ１〜ＣＨｎに対向して配置されたフォトダイオード３Ｆ１〜３Ｆｎと、これらのフォトダイオード３Ｆ１〜３Ｆｎにそれぞれ接続されたプリアンプ３Ａ１〜３Ａｎと、プリアンプ３Ａ１〜３Ａｎから出力された信号に基づいて演算する演算処理部３２Ｃとを備えている。
演算処理部３２Ｃは、プリアンプ３Ａ１〜３Ａｎから出力されたアナログ信号を入力するアナログデジタル変換回路３Ｂ１〜３Ｂｎと、これらのアナログデジタル変換回路３Ｂ１〜３Ｂｎから出力されるデジタル信号を入力する比演算部３Ｃ１〜３Ｃｍと、これらの比演算部３Ｃ１〜３Ｃｍからの信号に基づいて演算するＣＰＵ３０とを備えて構成され、このうち、比演算部３Ｃ１はアナログデジタル変換回路３Ｂ１とアナログデジタル変換回路３Ｂ２との信号が入力されるものであり、比演算部３Ｃ２はアナログデジタル変換回路３Ｂ３とアナログデジタル変換回路３Ｂ４との信号が入力されるものであり、比演算部３Ｃｍはアナログデジタル変換回路３Ｂn-1とアナログデジタル変換回路３Ｂｎとの信号が入力されるものである。
【００２４】
ここで、センサ素子２１〜２ｎの出力Ｗは数式（１）によって表される。なお、センサ素子の出力Ｗの算出方法については、特許第3760649号公報、「プラント制御のためのFBG多重センサの小型・高速波長検波法（第32回光波センシング技術研究会講演論文集, pp161-168,2003年12月）」、論文「Y.Sano and T.Yoshino, ”Fast Optical Wavelength Interrogator Employing Arrayed Waveguide Grating for Distributed Fiber Bragg Grating Sensors,” . Journal of Lightwave Technology Vol.21, pp.132-139, January 2003.」、論文「Y.Sano and T.Yoshino, ”Effect of Light Source Spectral Modulation on Wavelength Interrogation in Fiber Bragg Grating Sensors and Its Reduction,” IEEE Sensors Journal, Vol.3, pp.44-49, February 2003.」に開示されている。
【００２５】
【数１】
【００２６】
上記の数式（１）において、Ｉ1，Ｉ2は、フォトダイオード３Ｆ１〜３Ｆｎのうち隣り合うもの、例えば、フォトダイオード３Ｆ１，３Ｆ２による光電流であり、Ｓ1（λ），Ｓ2（λ）は、これら各々のフォトダイオードに光を供給するアレイ導波路格子３１のチャンネルＣＨ１、ＣＨ２の各波長における透過率と当該波長におけるセンサの反射率を掛け合わせたものであり、光強度、φ（λ）は光源１０の波長依存強度分布であり、Δλはフォトダイオードへの入射光波長のバンド幅である。
そして、センサからの光の波長が所定の範囲内であれば、照射光の波長ごとに、log（Ｉ1／Ｉ2）がほぼ一定になり、そのときの光波長は数式（２）で示される。
【００２７】
【数２】
【００２８】
本実施形態では、前述した数式（１）、数式（２）で示される式による波長測定原理を基本としたうえ、この測定原理を微小な波長範囲（例えば３ｎｍ以下の範囲）について、ＡＷＧ３１を使用する。このＡＷＧ３１は、論文「Takahashi, et.al, ”Wavelength Multiplexer Based on SiO2-Ta2O5Arrayed-Waveguide Grating,” Journal of Lightwave Technology Vol.12, No.6, 1994」等に詳細が記載されている。
センサ素子２１〜２ｎに対し、それぞれ重複しないように微小な透過光波長範囲を割り当てておき（一例として、センサ素子２１には１５００〜１５０３ｎｍ、センサ素子２２には１５０１２〜１５０１５ｎｍ、センサ素子２３には１５２４〜１５２７ｎｍ、……等）、これらのセンサ素子２１〜２ｎからの透過光をＡＷＧ３１に入力することにより、これら複数のセンサ素子２１〜２ｎの中心波長はセンサごとにＡＷＧ３１の複数のチャンネルに分離・出力される。
【００２９】
図２において（Ｂ）のスペクトル中の線スペクトルの両側に生じている低光パワー密度の波長領域をＡＷＧの各チャンネルの透過波長領域に割り当てることにより、（Ｂ）のスペクトルにおいてもっとも左に位置するセンサからの線スペクトルはＡＷＧ３１の（Ｃ），(Ｄ)の透過スペクトルを持つチャンネルにより波長が検波され、左から第２番目のセンサからの線スペクトルは（Ｅ），（Ｆ）の透過スペクトルを持つチャンネルにより波長が検波される。
センサ素子２１〜２ｎからの線スペクトルを挟むＡＷＧの互いに隣接する２つのチャンネルから出射される光をフォトダイオード３Ｆ１〜３Ｆｎに入射させることにより、微小な波長範囲について前述した数式（１）及び数式（２）を適用し、高分解能で波長を検出する。
【００３０】
なお、本実施形態における光検波手段３の動作は特許第3760649号公報、「プラント制御のためのFBG多重センサの小型・高速波長検波法（第32回光波センシング技術研究会講演論文集, pp161-168,2003年12月）」、論文「Y.Sano and T.Yoshino, ”Fast Optical Wavelength Interrogator Employing Arrayed Waveguide Grating for Distributed Fiber Bragg Grating Sensors,” . Journal of Lightwave Technology Vol.21, pp.132-139, January 2003.」、論文「Y.Sano and T.Yoshino, ”Effect of Light Source Spectral Modulation on Wavelength Interrogation in Fiber Bragg Grating Sensors and Its Reduction,” IEEE Sensors Journal, Vol.3, pp.44-49, February 2003.」に記載の技術による。
【００３１】
ここで、本実施形態において、センサ素子２１〜２ｎから透過される光の透過スペクトルの半値全幅を従来の反射スペクトルの半値全幅より小さくできることを、数式を用いて説明する。ＦＢＧの反射率Ｒは、モード結合方程式を解くことにより求められ、次の数式（３）で表すことができる。
【００３２】
【数３】
【００３３】
ただし、ＦＢＧのグレーティング描画により発生する屈折率変調された実効屈折率の平均値はＦＢＧが描画されていない個所のコアの実効屈折率に等しいとすれば、次の数式（４−１）から数式（４−３）がなりたつ。ＦＢＧのピークを与える波長からみて初めて反射率がゼロになる長波長側の波長と短波長側の波長との差で示される帯域幅ＢＷを数式（４−４）から求めることができる。なお、数式（４−１）から数式（４−４）において、ｎeはＦＢＧの実効屈率、ΔｎeはＦＢＧの屈折率変調の振幅、Λは格子のピッチ、λは波長、λＢはＦＢＧの反射中心波長、ＬｂはＦＢＧの物理的な長さである。
【００３４】
【数４】
【００３５】
一方、センサ素子２１〜２ｎの透過率Ｔは、このセンサ素子がファブリペロー干渉計を構成するものであることから、両ＦＢＧは同一特性、寸法であるとして、数式（３）を使って数式（５）で示される。センサ素子の透過率Ｔは論文「Yuri O. Barmenkov, et.al, ”Effective length of short Fabry-Perot cavity formed by uniform fiber Bragg gratings,” Optics Express, Vol. 14, No.14, pp.6394-6399」にも開示されている。
【００３６】
【数５】
【００３７】
ただし、Ｌｇは、隣り合うＦＢＧの格子の描画されていない部分の実際の長さであり、Ｌｅは、ＦＢＧの反射光の入射光に対する位相遅れにより生ずる実効長さであって、数式（６−１）から求められる。さらに、ＦＢＧの反射率Ｒの最大値Ｒmaxは数式（６−２）から求められる。そのため、実効長Ｌｅは数式（６−３）から求められる。さらに、透過率Ｔの最大値を与える波長λはｍを自然数として数式（６−４）から求められる。この数式（６−４）を使ってフリースペクトルレンジＦＳＲは数式（６−５）から求めることができる。
【００３８】
【数６】
【００３９】
数式(５)を用いてパラメータを適当に設定し計算をすることで、ファブリペロー構成されたセンサ素子２１〜２ｎの透過スペクトルＴを求めることができる。
例えば、ＦＢＧの長さＬｂを2.08000ｍｍ、ＦＢＧの屈折率変化量Δｎを0.0006、格子ピッチΛを537nm、ＦＢＧ間の格子の描画されていない部分の実際の長さＬｇを90.000μm、FBGの実効屈折率ｎｅを1.4493とすると、ファブリペロー構成されたセンサ素子の反射波長帯域は850ｐｍであり、その帯域内の透過スペクトルの半値全幅は10ｐｍ、その中心波長は1556.476nmである。
数式（４−４）で示されるファブリペローエタロンを構成するＦＢＧの帯域幅ＢＷと数式（６−５）で示されるファブリペローエタロンのフリースペクトルレンジＦＳＲとの関係を数式（７）で示す。数式（４−３）で示されるＦＢＧの反射中心波長λＢと、数式（６−４）で示されるファブリペローエタロンのピーク波長Ｌｇとの関係は数式（８−１）、すなわち、数式（８−２）から求めることができる。
【００４０】
【数７】
【００４１】
【数８】
【００４２】
数式（７）及び数式（８−２）が同時に成り立つように設計諸元を設定すればファブリペローエタロンの透過帯域の中央に１本の線スペクトルだけが現れることになる。さらに、センサ素子の透過スペクトルがシフトしても、その線スペクトルの中心波長を検出することができる。
この理由を数式を使って次に説明する。数式（６−４）で示されるファブリペローエタロンの中心波長の温度Ｔあるいは歪εが変化した場合、それにより生ずる中心波長の変化Δλｅは数式（９）で求められる。
【００４３】
【数９】
【００４４】
同様に、ファブリペローエタロンを構成するＦＢＧの中心波長の変化Δλｂｅは数式（１０−１）で求められる。
ここで、数式（８−１）を考慮すれば、数式（１０−２）を得ることができる。
【００４５】
【数１０】
【００４６】
以上のことから、センサ素子２１〜２ｎから透過される光の透過スペクトルの半値全幅を従来の反射スペクトルの半値全幅より小さくでき、しかも、さらに温度あるいは歪が変化しても、理論的に常にエタロンの透過帯域の中心波長に線スペクトルの中心波長が位置することを理論的に示すことができた。
【００４７】
従って、第１実施形態では次の作用効果を奏することができる。
（１）互いにファブリペローエタロンを構成する近接配置されたＦＢＧ対のセンサ素子２１〜２ｎを備えて波長検波型光ファイバセンサ２を構成した。一般に、ファブリペローエタロンを構成するミラーの反射率を高めればその透過スペクトルの半値全幅を狭くできることはよく知られている。従って、ＦＢＧに高い反射率のものを用いることにより、センサ素子２１〜２ｎの半値全幅を狭くでき、測定分解能を向上させることができる。例えば、一定の歪みの下で、１０秒ごとに２０回中心波長を測定し、その中心波長のデータを記録したところ、本実施形態では、最も長い波長のデータと最も短い波長のデータとの差は１ｐｍであり、波長再現性が１ｐｍであったが、従来例１では、最も長い波長のデータと最も短い波長のデータとの差は５ｐｍであり、波長再現性が５ｐｍであった。
【００４８】
（２）広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から出射される光が入射するセンサ素子２１〜２ｎを有する波長検波型光センサ２と、この波長検波型光センサ２に入射された光の透過光を入射するとともに透過光の波長を検波する波長検波手段３とを備えて光ファイバセンサシステムを構成したから、測定精度の高い光ファイバ計測装置を提供することができる。
【００４９】
（３）センサ素子２１〜２ｎは、それぞれ中心波長λ１〜λｎの変化波長領域が異なるため互いに干渉することはなく、被測定物の異なる位置での物理量変化を正確に測定することができる。
【００５０】
（４）波長検波手段３は、センサ素子２１〜２ｎからの透過光を波長毎に分波するＡＷＧ３１と、このＡＷＧ３１で分波された信号に基づいて各センサ素子２１〜２ｎで検出される波長を演算する演算回路３２とを備えているから、ＡＷＧ３１のチャンネル数が１０００を超えるものも知られていることを考慮すれば多数のセンサ素子にも対応したセンサシステムを提供できる。
【００５１】
次に、本発明の第２実施形態を図３から図５に基づいて説明する。第２実施形態では掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１が用いられている。この掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１を用いてＦＢＧセンサ２１〜２ｎからの波長検波を行う方法は非特許文献１の論文「Alan D.kersy, Mihael A. Davis, Heather j. Patric, Michel LeBlanc, K. P. Koo, C. G．Askins, M. A. Putnam, and E. Joseph Friebele, “Fiber Bragg Sensors,”Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No.8 1997」により知られている。しかし、非特許文献１には、本実施形態のファブリペローエタロンを構成するＦＢＧ対からなるセンサに対して掃引型ファブリペロー干渉フィルタを用いて当該センサの中心波長を求める方法については何ら開示されていない。
【００５２】
第２実施形態は第１実施形態とは波長検波手段の構成が異なるもので、他の構成は第１実施形態と同じである。
図３は第２実施形態にかかる光ファイバセンサシステムの概略構成図である。
図３において、光ファイバセンサシステムは、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から出射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた波長検波型光センサ２と、この波長検波型光センサ２から透過した透過光を検波する光波長検波手段４とを備えた構成である。
【００５３】
光波長検波手段４は、センサ素子２１〜２ｎから透過された光を入力する掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１と、この掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の出力ＣＨに対向して配置されたフォトダイオード４Ｆと、このフォトダイオード４Ｆに接続されたプリアンプ４Ａと、このプリアンプ４Ａから出力されたアナログ信号を２値信号に変換する２値化回路４Ｂと、この時系列の２値信号を受信する光スペクトルパターン認識回路４２と、掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１を駆動するピエゾ素子ＰＺＴと、ピエゾ素子ＰＺＴを駆動するために発信器４４からのパルス信号を受けてパルス数を計数する計数カウンタ４３と、この計数カウンタ４３の出力を受け該計数値に対応したアナログ電圧を出力するデジタルアナログ変換器４５とを備えて構成される。
光スペクトルパターン認識回路４２は発信器４４からのパルス信号と、２値化回路４Ｂからの２値信号とを受信する。２値信号は時系列信号であってそのタイミングは発信器４４からのパルス信号で規定される。
【００５４】
図４は第２実施形態における広帯域光源の出射スペクトルと掃引型ファブリペロー干渉フィルタへの入射スペクトルの関係を示す図である。図４（Ａ）に示されるスペクトルの光が広帯域光源１０から入射されると、この光がセンサ素子２１、センサ素子２２、センサ素子２３、……、センサ素子２n-1、センサ素子２ｎを透過した後、掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１に入射される。掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１に入射される光はセンサ素子２１〜２ｎから出射される光であり、図４（Ｂ）に示される通り、図２（Ｂ）と同様なスペクトルとなる。
図５は（Ａ）に発信器４４の出力パルス信号が示され、（Ｂ）に同パルス信号を計数する計数カウンタ４３により駆動されるデジタルアナログ変換器４５の鋸波状出力電圧が示され、（Ｄ）に２値信号波形が示され、（Ｃ）に、該鋸波状電圧により駆動される掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の透過スペクトルが模式的に時系列に示されている。
【００５５】
つまり、光スペクトルパターン認識回路４２では、センサ素子２１〜２ｎから透過された光が掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１に入力されると、ピエゾ素子ＰＺＴに入力されるデジタルアナログ変換器４５の鋸波状出力電圧と掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の通過中心波長が発信器４４によってリンクしているので、センサ素子２１〜２ｎの中心波長は鋸波電圧を観測することで分かる。
例えば、掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の中心波長が短波長から長波長に変化した際、前記２値信号波形が「0,0,0・・・・0,1,0,0,0,0」となる信号波形パターンにより「１」となった波長を図４（Ｂ）で示される鋸波電圧から判定する。この判定された波長がセンサ素子２１〜２ｎの中心波長である。
これに対して例えば「0,・・・・0,0,0,1,1,1,1,0,0,0」となるような信号波形パターンは、センサ素子２１〜２ｎの中心波長ではないと判定する。即ち、「1」が所定の回数以下の場合がセンサ素子２１〜２ｎからの信号スペクトルと判定し、「１」を与える波長をセンサ素子２１〜２ｎの中心波長と判定する。この所定の回数が１回の場合には、波長は具体的に決定されるが、この所定の回数Nが２以上、例えば５であって計測した実際の「１」の数が３の場合は、これら３個の波長の平均値を測定波長とする。
なお、光スペクトルパターン認識回路４２は、１の両脇に0がいくつか存在するパターンを抽出し、その１に相当する波長を、前記鋸波電圧をベースに決定するものであるが、一般に使用されているマイクロコンピュータを用いればこれを実現できる。さらに、計数カウンタ４３の計数値がそのカウンタの最高計数値の場合には、ピエゾ素子ＰＺＴにより掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の透過帯域は最も長波長側（短波長側）に設定され、次のカウンタ４３への入力パルス信号で計数カウンタはイニシャル状態になりピエゾ素子ＰＺＴにより掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の透過帯域は最も短波長側（長波長側）に設定されるようになっている。
【００５６】
第２実施形態では、第１実施形態の（１）〜（３）と同様の効果を奏することができる他、次の作用効果を奏することができる。
（５）光波長検波手段４は、センサ素子２１〜２ｎから透過された光を入力する掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１と、この掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の出力チャンネルＣＨに対向して配置されたフォトダイオード４Ｆと、このフォトダイオード４Ｆに接続されたプリアンプ４Ａと、プリアンプ４Ａの出力を２値化する２値化回路４Ｂと、この２値化回路４Ｂから出力される２値信号を受信する光スペクトルパターン認識回路４２と、掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１駆動のためのピエゾ素子ＰＺＴと、発信器４４からのパルス数を計数する計数カウンタ４３と同カウンタの出力を受けてピエゾ素子ＰＺＴを駆動するための鋸波電圧発生用デジタルアナログ変換器４５とを備えて構成されている。そして光スペクトルパターン認識回路４２は発信器４４の出力パルス信号と前記２値信号を受信し、予め記憶された信号パターンから各センサ素子２１〜２ｎからの中心波長を認識する構成である。各センサ素子２１〜２ｎのスペクトルの中心波長は「0,0,0,・・・0,0,1,0,0,0,・・・」というような信号のデータ処理により抽出されるので、ＡＷＧ３１により測定範囲が決まる第１実施形態に比べ、測定範囲は格段に広くなるという効果を奏することができる。
【００５７】
次に、本発明の第３実施形態を図６及び図７に基づいて説明する。
第３実施形態は第１実施形態とは光源及び光波長検波手段の構成が異なるもので、他の構成は第１実施形態と同じである。
図６は、第３実施形態にかかる波長検波型光ファイバセンサシステムの概略構成図である。
図６において、波長検波型光ファイバセンサシステムは、光源としての可変波長レーザ１１と、この可変波長レーザ１１から入射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた波長検波型光センサ２と、この波長検波型光センサ２から透過した透過光を検出する光波長検波手段５とを備えた構成である。可変波長レーザを用いたセンサ素子からの波長検波方法はＦＢＧセンサに対しては非特許文献１の論文「Alan D.kersy, Mihael A. Davis, Heather j. Patric, Michel LeBlanc, K. P. Koo, C. G．Askins, M. A. Putnam, and E. Joseph Friebele, “Fiber Bragg Sensors,”Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No.8 1997」により知られている。しかし、非特許文献１には、本実施形態のファブリペローエタロンを構成するＦＢＧ対からなるセンサに対して可変波長レーザを用いて該センサの中心波長を求める方法は知られていない。
【００５８】
光波長検波手段５は、センサ素子２１〜２ｎから透過された光を入力するフォトダイオード５Ｆと、このフォトダイオード５Ｆに接続されたプリアンプ５Ａと、プリアンプ５Ａから出力されたアナログ信号をデジタルの２値信号に変換する２値化回路５Ｂと、この２値化回路５Ｂから出力されるデジタル信号を受信する光スペクトルパターン認識回路５２と、この光スペクトルパターン認識回路５２と可変波長レーザ１１とにパルス信号を送る発信器５４とを備えている。可変波長レーザ１１は内部に計数カウンタを持ち入力されたパルス数に対応したレーザ光を出射するようになっており計数カウンタがそのカウンタの最高計数値のときに該レーザの発振波長が可変範囲で最も長波長になるように設定されており次のパルスが入力されるとカウンタ計数値はゼロに戻り出射される波長はその可変範囲で最も短波長になる。そして、さらに、パルスが入力されると１パルスずつ長波長側に発振波長が移っていく。認識回路５２の内部にも可変波長レーザの場合と同様に計数カウンタが内蔵されており、その計数値はレーザ発振波長に対応している。これによりレーザ発振波長に対応した２値信号が光スペクトルパターン認識回路５２で処理され各センサ素子の波長が確定される。
すなわち、光スペクトルパターン認識回路５２は発信器５４からのパルス信号と、２値化回路５Ｂからの信号を受信することにより、予め記録された信号パターンから各センサ素子２１〜２ｎからの検波波長を確定する。
【００５９】
図７は第３実施形態における可変波長レーザの出射スペクトルとセンサ素子からの出射スペクトルとの関係を示す図である。図７（Ａ）に示される通り、可変波長レーザ１１から光が光ファイバＦに入射されると、この光がセンサ素子２１、センサ素子２２、センサ素子２３、……、センサ素子２n-1、センサ素子２ｎを透過する。この時センサ素子２１〜２ｎから透過されるスペクトルは図７（Ｂ）に示される通りである。
【００６０】
光スペクトルパターン認識回路５２は、例えば以下のように動作する。センサ素子２１〜２ｎからの出射光はフォトダイオード５Ｆ及びプリアンプ５Ａを経由して２値化回路５Ｂに送られ、この２値化回路５Ｂにより、レーザ中心波長が短波長から長波長に変化した際、「0,・・・・0,0,0,1,0,0,0,0, ・・・・」となるデータパターンにおいて「１」に対応する波長をセンサ素子からの中心波長と判定する。
これに対して、例えば「0,・・・・0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0, ・・・・」となるようなデータパターンは、センサ素子２１〜２ｎの中心波長ではないと判定する。即ち、「1」が一定回数以下の場合がセンサ素子２１〜２ｎからの信号スペクトルと判定する。この所定の回数が１回の場合には、波長は具体的に決定されるが、この所定の回数Nが２以上、例えば５であって、計測した実際の「１」の数が３の場合は、これら３個の波長の平均値を測定波長とする。この光スペクトルパターン認識回路５２は、一般に使用されているマイクロコンピュータを用いればこれを実現できる。なお、アナログ信号をデジタル信号に変化するために第２実施形態、第３実施形態では２値化回路を用いているが、この２値化回路の代わりに、多ビットのアナログデジタル変換器を用いればさらに高精度なスペクトルパターンの認識ができる。
【００６１】
従って、第３実施形態では、前記実施形態の（１）〜（３）と同様の効果を奏することができる他、次の作用効果を奏することができる。
（６）光検波手段５は、センサ素子２１〜２ｎから透過された光を入力するフォトダイオード５Ｆと、このフォトダイオード５Ｆに接続されたプリアンプ５Ａと、プリアンプ５Ａから出力されたアナログ信号を２値化する２値化回路５Ｂと、この２値化回路５Ｂから出力されるデジタル信号を受信する光スペクトルパターン認識回路５２と、この内部に直列パルス入力/並列出力の計数カウンタを内蔵しこの計数値に対応したレーザ発振波長算出部を備えた光スペクトルパターン認識回路５２と内部に直列パルス入力/並列出力の計数カウンタを内蔵しこの計数値に対応した波長の光を出力する可変波長レーザ１１とにパルス信号を送る発信器５４とを備え、光スペクトルパターン認識回路５２は発信器５４からのパルス信号と２値化回路５Ｂからの信号とを受信し、予め記録された信号パターンから各センサ素子２１〜２ｎからの検波信号を認識する構成としたから、第２実施形態と同様に、各センサ素子２１〜２ｎのスペクトルの中心波長は「0,・・・・0,0,0,1,0,0,0,0, ・・・・」のデータ系列を信号処理することにより抽出されるので、測定範囲が広くなるという効果を奏することができる。
【００６２】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、光源は常時点灯している前提であるが、光源の実質的な寿命を延ばすために測定したい場合だけ光源を点灯する構成であってもよいことは自明である。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、ビル、鉄橋、トンネル、原子力発電所を含む発電所等の建築構造物において、例えば耐震性能の劣化を地震発生前に検出し修理するためのヘルスモニタリング分野や、あるいは、船舶、航空機、ロケットなどの大型構造物の各所の歪を常時計測し歪が一定以上の値になり構造物が突然破壊することを事前に予測する予防保全分野や、さらには、化学プラント、石油精製プラント等の爆破の可能性のあるプラントの各所の温度を測定するプラント計装分野等に利用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１０…広帯域光源、１１…可変波長レーザ（光源）、２…波長変化型光センサ、３，４，５…光波長検波手段、２１〜２ｎ…センサ素子、３１…アレイ導波路格子（ＡＷＧ）、３２…演算回路、４２，５２…光スペクトルパターン認識回路、ＦＢＧ…ファイバ・ブラッグ・グレーティング
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度、歪み、振動、加速度などの物理量の測定を行うための波長検波型光ファイバセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバは主に通信用として広く利用されているが、計測分野においても広範囲にわたり研究が行われており、様々な光ファイバセンサが実用化されている。
その中でもファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）を利用した波長検波型光ファイバセンサ（ＦＢＧセンサ）は、耐電磁ノイズ性に優れ、電気システムのように火花を発生することがないので引火、爆発の危険性が少なく化学プラント、石油プラントなどの計装に適しているといった光ファイバセンサに共通する特徴を有し、その上、波長多重伝送（ＷＤＭ)技術により1本の光ファイバ内に複数の光ファイバセンサを配置することにより空間的な分布計測システムを実現できるという優れた特徴を有する。
【０００３】
波長検波型センサの従来例として、ＦＢＧセンサの反射中心波長がＦＢＧセンサに印加された歪にリンクして変化することをとらえて歪を検出するものが知られている（非特許文献１）。この従来例では、光ファイバにＦＢＧを描画しセンサが構成されており、このＦＢＧに光源から光を入射させ、所定の波長で反射した反射光が検波手段で検出される。検波手段では、ＦＢＧの反射スペクトルを検出し、この検出波長に基づいて測定値が求められる。
非特許文献２には、ＦＢＧファブリペロー干渉計を用いた透過型センサが示唆されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Alan D.kersy, Mihael A. Davis, Heather j. Patric, Michel LeBlanc, K. P. Koo, C. G．Askins, M. A. Putnam, and E. Joseph Friebele, “Fiber Bragg Sensors,”Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No.8 1997
【非特許文献２】W.W. Morey, G.Meltz, and W.H.Glenn,”Fiber optic Bragg grating sensors,” SPIE Vol.1169, pp.98-106,1989
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１に示す従来例では、ＦＢＧセンサの反射スペクトルの半値全幅は狭いものでも１００ｐｍ程度である。そのため、その中心波長の計測再現性に課題がある。例えば、ＦＢＧセンサの反射スペクトルを掃引型ファブリペロー干渉計で求める方式は市場で実用化されているが、Micron Optics 社製Optical Sensing Interrogator “sm230”の場合では、波長計測再現性が５ｐｍ程度出てしまう。ＦＢＧセンサの波長可変変化幅は４ｎｍ程度であるため、ダイナミックレンジは８００（４nm／５pm）であり、電気式センサのダイナミックレンジより狭く、測定精度の向上に限界がある。そして、ＦＢＧセンサの反射スペクトルの半値全幅が狭くても１００ｐｍ程度であるため、歪みの測定分解能は１３０ｎ strain/Hz程度である。つまり、測定分解能は１回のサンプリングあたり、５ｐｍであり、1秒間には約１０００回サンプリングを行うことができるので、1秒間の測定分解能としては、５ｐｍ／１０００1/2＝０．１６ｐｍとなる。一方、ひずみと波長との関係は約１．２ｐｍ／μstrainなので、１秒間のひずみ測定分解能は、（０．１６ｐｍ／１．２ｐｍ）＝０．１３３μstrain／Hz＝１３０ｎstrain／Hzとなる。
【０００６】
そのため、非特許文献１に示す従来例では、反射スペクトルの半値全幅をより狭くできないので、測定分解能をこれ以上高めることに限界がある。
非特許文献２に示す従来例では、ＦＢＧファブリペロー干渉計を用いた透過型センサが示唆されるのみであって、具体的な構成が示されていない。そのため、非特許文献１に示す従来例の課題である測定分解能を向上させることができるか否かは不明である。
【０００７】
本発明の目的は、測定分解能を向上させることができる波長検波型光ファイバセンサシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の波長検波型光ファイバセンサシステムは、光源から出射される光が入射するとともに透過光が光検出手段で検出されかつ被測定物に設置される波長検波型光センサシステムであって、互いに近接配置されたファブリペローエタロンを構成するファイバ・ブラッグ・グレーティング対からなるセンサ素子を備えたことを特徴とする。
【０００９】
この構成の本発明では、センサ素子が高反射率のファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）をベースとしてファブリペローエタロンを構成するので、センサ素子から透過される光の透過スペクトルの半値全幅を従来の反射スペクトルの半値全幅より小さくできる。半値全幅を従来のＦＢＧよりも狭くすることによって、測定分解能を向上させることができる。
【００１０】
ここで、本発明では、前記ファブリペローエタロンは、反射波長帯域中に１本の透過線スペクトルのみが生じるようにするために、反射波長帯域ＢＷはフリースペクトルレンジＦＳＲの倍より狭くなるようにすることが好ましい。
この構成の本発明では、１本の透過線スペクトルのみが生じるので、波長演算時の測定エラーを回避することができる。
【００１１】
前記ファイバ・ブラッグ・グレーティング対は、同一波長スペクトル特性であり、物理的長さが同一であり、かつ、実効長Ｌｅとファイバ・ブラッグ・グレーティングの格子ピッチΛ及びファイバブラッググレーティング対間のグレーティングの書かれていない光ファイバの長さＬｇとの関係がＬｇ＝ｍΛ−２Ｌｅ（ｍは自然数）を満たすようにファイバ・ブラッグ・グレーティングの反射中心波長に透過線スペクトルの波長を一致させる構成が好ましい。
この構成の本発明では、ＦＢＧ対からなるセンサ素子の物理量測定レンジを広くすることができる。
【００１２】
本発明は、前記センサ素子に光を入射させる光源と、前記センサ素子に入射された光の透過光を入射するとともに前記透過光を検出する光波長検波手段とを備えた構成が好ましい。
この構成の本発明では、前述のセンサ素子に加えて光源と光波長検波手段とを備えた構成としたので、前述の効果を奏することができる装置を提供することができる。
【００１３】
前記センサ素子は、それぞれ中心波長の変化波長領域が異なり複数の対が直列に接続されている構成が好ましい。
この構成の本発明では、被測定物の異なる位置での物理量変化を正確に測定することができる。
【００１４】
前記光波長検波手段は前記センサ素子からの透過光を入力するとともに波長領域毎に分波するアレイ導波路格子と、このアレイ導波路格子で分波された前記センサ素子からの信号に基づいて各センサ素子で検出される波長を演算する演算回路とを備えた構成が好ましい。
この構成の本発明では、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）で波長毎に分波された複数の透過光に基づいて波長が演算回路で演算される。アレイ導波路格子は分波波長範囲を狭く設定でき、非常に多くのチャンネル数のものが報告されている。従って、センサ素子の数が多くても、正確な測定を実施することができる。
【００１５】
前記光波長検波手段は、前記センサ素子から透過された光に基づく信号を受信するとともに、予め記憶された信号パターンから前記センサ素子からの検波信号を認識する光スペクトルパターン認識回路を備えた構成が好ましい。
この構成の本発明では、前記センサ素子の透過スペクトルの中心波長を信号のデータ処理により抽出することで、測定範囲は格段に広くなるという効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる波長検波型光ファイバセンサシステムの概略構成図。
【図２】第１実施形態における広帯域光源の出射スペクトル、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）の入射スペクトル及びアレイ導波路格子（ＡＷＧ）の透過率スペクトルの関係を示す図。
【図３】本発明の第２実施形態にかかる波長検波型光ファイバセンサシステムの概略構成図。
【図４】第２実施形態における広帯域光源の出射スペクトルと掃引型ファブリペロー干渉フィルタへの入射スペクトルの関係を示す図。
【図５】発信器の出力パルス信号と、デジタルアナログ変換器の出力電圧及び２値信号波形と、ファブリペロー干渉フィルタの透過スペクトルとの関係を示す図。
【図６】本発明の第３実施形態にかかる波長検波型光ファイバセンサシステムの概略構成図。
【図７】第３実施形態における可変波長レーザの出射スペクトルとセンサ素子からの出射スペクトルとの関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１から図２には本発明の第１実施形態が示されている。
図１は第１実施形態にかかる波長検波型光ファイバセンサシステムの概略構成図である。
図１において、波長検波型光ファイバセンサシステムは、温度、歪み、振動、加速度などの物理量の測定を行うものであり、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から照射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた波長検波型光センサ２と、この波長検波型光センサ２から透過した透過光を検出する光検波手段３とを備えた構成である。
広帯域光源１０は従来例と同様の構造であり、所定の波長領域に渡って光ファイバＦに光を入射させる。
【００１８】
波長検波型光センサ２は、それぞれ一対のファイバ・ブラッグ・グレーティング（以下、ＦＢＧと称する）が互いに近接配置された複数のセンサ素子２１〜２ｎを有するものであり、これらのセンサ素子２１〜２ｎは図示しない被測定物に設置される。
ここで、複数のセンサ素子２１〜２ｎのうち、センサ素子２１が広帯域光源１０側に配置され、このセンサ素子２１から光検出手段３側に向けてセンサ素子２２、センサ素子２３、センサ素子２４……センサ素子２n-1、センサ素子２ｎが配置されている。隣り合うセンサ素子２１〜２ｎは、適宜な間隔をおいて配置される。
【００１９】
ファブリペローエタロンを構成する一対のＦＢＧは、例えば、距離ｄ＝１００μｍを隔てて配置され、これらのＦＢＧ対が１本の光ファイバ内に複数形成されている。もちろん、内部に少なくも1個のＦＢＧ対を含み両端が光ファイバコネクタ構成となった光ファイバをそれぞれコネクタ接続した構成であってもよい。
ＦＢＧは、その反射波長領域内においてミラーの役割を有する。なお、ＦＢＧは、例えば、全長２ｍｍ程度で構成することができ、これを構成する回折格子の間隔は光ファイバのコアの屈折率を１．４５、ＦＢＧの反射中心波長を１５５０ｎｍとすると、５３４ｎｍとなる。ＦＢＧの描画方法は従来と同じである。
これらのセンサ素子２１〜２ｎは、検出する中心波長λ１〜λｎの変化波長領域がそれぞれ異なるものであり、隣り合うセンサ素子２１〜２ｎの間隔は任意である。
【００２０】
光波長検波手段３は、センサ素子２１〜２ｎからの透過光を入力するとともに波長毎に分波するアレイ導波路格子ＡＷＧ３１と、このＡＷＧ３１で分波された信号に基づいて各センサ素子２１〜２ｎで検波される光の波長を演算する演算回路３２とを備えている。
ＡＷＧ３１は、分波される透過光の波長に対応して複数のチャンネルＣＨ１〜ＣＨｎを備えている。
【００２１】
図２は、広帯域光源１０の出射光、ＡＷＧ３１の入射光及びＡＷＧ３１の透過スペクトルの関係を示す図である。
図２（Ａ）において、広帯域光源１０から光が照射されると、この光がセンサ素子２１、センサ素子２２、センサ素子２３、……、センサ素子２n-1、センサ素子２ｎを透過し、その後、ＡＷＧ３１に入射される。ＡＷＧ３１に入射される光が図２（Ｂ）に示される。
ＡＷＧ３１では、チャンネルＣＨ１とチャンネルＣＨ２とはセンサ素子２１からの光スペクトルが出射し、チャンネルＣＨ３とチャンネルＣＨ４とはセンサ素子２２からの光スペクトルが出射し、チャンネルＣＨn-1、チャンネルＣＨｎとはセンサ素子２ｎ（但し、ｎは偶数）からの光スペクトルが出射する。
なお、同図（Ｃ）、（Ｄ）、（E）、（Ｆ）、（Ｇ）、（Ｈ）はそれぞれAWG３１のＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４、ＣＨ５、ＣＨ６の透過率のスペクトルの例である。
【００２２】
各チャンネルの波長に対する透過率（以下透過率スペクトル）はチャンネルＣＨ１の透過率スペクトルが図２（Ｃ）に示され、チャンネルＣＨ２の透過率スペクトルが図２（Ｄ）に示され、チャンネルＣＨ３の透過率スペクトルが図２（Ｅ）に示され、チャンネルＣＨ４の透過率スペクトルが図２（Ｆ）に示され、チャンネルＣＨn-1の透過率スペクトルが図２（Ｇ）に示され、チャンネルＣＨｎの透過率スペクトルが図２（Ｈ）に示される。本実施形態では、後述するように、隣り合うチャンネルＣＨ１，ＣＨ２（ＣＨ２，ＣＨ３，…ＣＨn-1，ＣＨｎ）の出射光量の比演算で波長検波、つまり波長計測が実施される。
【００２３】
演算回路３２は、各チャンネルＣＨ１〜ＣＨｎに対向して配置されたフォトダイオード３Ｆ１〜３Ｆｎと、これらのフォトダイオード３Ｆ１〜３Ｆｎにそれぞれ接続されたプリアンプ３Ａ１〜３Ａｎと、プリアンプ３Ａ１〜３Ａｎから出力された信号に基づいて演算する演算処理部３２Ｃとを備えている。
演算処理部３２Ｃは、プリアンプ３Ａ１〜３Ａｎから出力されたアナログ信号を入力するアナログデジタル変換回路３Ｂ１〜３Ｂｎと、これらのアナログデジタル変換回路３Ｂ１〜３Ｂｎから出力されるデジタル信号を入力する比演算部３Ｃ１〜３Ｃｍと、これらの比演算部３Ｃ１〜３Ｃｍからの信号に基づいて演算するＣＰＵ３０とを備えて構成され、このうち、比演算部３Ｃ１はアナログデジタル変換回路３Ｂ１とアナログデジタル変換回路３Ｂ２との信号が入力されるものであり、比演算部３Ｃ２はアナログデジタル変換回路３Ｂ３とアナログデジタル変換回路３Ｂ４との信号が入力されるものであり、比演算部３Ｃｍはアナログデジタル変換回路３Ｂn-1とアナログデジタル変換回路３Ｂｎとの信号が入力されるものである。
【００２４】
ここで、センサ素子２１〜２ｎの出力Ｗは数式（１）によって表される。なお、センサ素子の出力Ｗの算出方法については、特許第3760649号公報、「プラント制御のためのFBG多重センサの小型・高速波長検波法（第32回光波センシング技術研究会講演論文集, pp161-168,2003年12月）」、論文「Y.Sano and T.Yoshino, ”Fast Optical Wavelength Interrogator Employing Arrayed Waveguide Grating for Distributed Fiber Bragg Grating Sensors,” . Journal of Lightwave Technology Vol.21, pp.132-139, January 2003.」、論文「Y.Sano and T.Yoshino, ”Effect of Light Source Spectral Modulation on Wavelength Interrogation in Fiber Bragg Grating Sensors and Its Reduction,” IEEE Sensors Journal, Vol.3, pp.44-49, February 2003.」に開示されている。
【００２５】
【数１】
【００２６】
上記の数式（１）において、Ｉ1，Ｉ2は、フォトダイオード３Ｆ１〜３Ｆｎのうち隣り合うもの、例えば、フォトダイオード３Ｆ１，３Ｆ２による光電流であり、Ｓ1（λ），Ｓ2（λ）は、これら各々のフォトダイオードに光を供給するアレイ導波路格子３１のチャンネルＣＨ１、ＣＨ２の各波長における透過率と当該波長におけるセンサの反射率を掛け合わせたものであり、光強度、φ（λ）は光源１０の波長依存強度分布であり、Δλはフォトダイオードへの入射光波長のバンド幅である。
そして、センサからの光の波長が所定の範囲内であれば、照射光の波長ごとに、log（Ｉ1／Ｉ2）がほぼ一定になり、そのときの光波長は数式（２）で示される。
【００２７】
【数２】
【００２８】
本実施形態では、前述した数式（１）、数式（２）で示される式による波長測定原理を基本としたうえ、この測定原理を微小な波長範囲（例えば３ｎｍ以下の範囲）について、ＡＷＧ３１を使用する。このＡＷＧ３１は、論文「Takahashi, et.al, ”Wavelength Multiplexer Based on SiO2-Ta2O5Arrayed-Waveguide Grating,” Journal of Lightwave Technology Vol.12, No.6, 1994」等に詳細が記載されている。
センサ素子２１〜２ｎに対し、それぞれ重複しないように微小な透過光波長範囲を割り当てておき（一例として、センサ素子２１には１５００〜１５０３ｎｍ、センサ素子２２には１５０１２〜１５０１５ｎｍ、センサ素子２３には１５２４〜１５２７ｎｍ、……等）、これらのセンサ素子２１〜２ｎからの透過光をＡＷＧ３１に入力することにより、これら複数のセンサ素子２１〜２ｎの中心波長はセンサごとにＡＷＧ３１の複数のチャンネルに分離・出力される。
【００２９】
図２において（Ｂ）のスペクトル中の線スペクトルの両側に生じている低光パワー密度の波長領域をＡＷＧの各チャンネルの透過波長領域に割り当てることにより、（Ｂ）のスペクトルにおいてもっとも左に位置するセンサからの線スペクトルはＡＷＧ３１の（Ｃ），(Ｄ)の透過スペクトルを持つチャンネルにより波長が検波され、左から第２番目のセンサからの線スペクトルは（Ｅ），（Ｆ）の透過スペクトルを持つチャンネルにより波長が検波される。
センサ素子２１〜２ｎからの線スペクトルを挟むＡＷＧの互いに隣接する２つのチャンネルから出射される光をフォトダイオード３Ｆ１〜３Ｆｎに入射させることにより、微小な波長範囲について前述した数式（１）及び数式（２）を適用し、高分解能で波長を検出する。
【００３０】
なお、本実施形態における光検波手段３の動作は特許第3760649号公報、「プラント制御のためのFBG多重センサの小型・高速波長検波法（第32回光波センシング技術研究会講演論文集, pp161-168,2003年12月）」、論文「Y.Sano and T.Yoshino, ”Fast Optical Wavelength Interrogator Employing Arrayed Waveguide Grating for Distributed Fiber Bragg Grating Sensors,” . Journal of Lightwave Technology Vol.21, pp.132-139, January 2003.」、論文「Y.Sano and T.Yoshino, ”Effect of Light Source Spectral Modulation on Wavelength Interrogation in Fiber Bragg Grating Sensors and Its Reduction,” IEEE Sensors Journal, Vol.3, pp.44-49, February 2003.」に記載の技術による。
【００３１】
ここで、本実施形態において、センサ素子２１〜２ｎから透過される光の透過スペクトルの半値全幅を従来の反射スペクトルの半値全幅より小さくできることを、数式を用いて説明する。ＦＢＧの反射率Ｒは、モード結合方程式を解くことにより求められ、次の数式（３）で表すことができる。
【００３２】
【数３】
【００３３】
ただし、ＦＢＧのグレーティング描画により発生する屈折率変調された実効屈折率の平均値はＦＢＧが描画されていない個所のコアの実効屈折率に等しいとすれば、次の数式（４−１）から数式（４−３）がなりたつ。ＦＢＧのピークを与える波長からみて初めて反射率がゼロになる長波長側の波長と短波長側の波長との差で示される帯域幅ＢＷを数式（４−４）から求めることができる。なお、数式（４−１）から数式（４−４）において、ｎeはＦＢＧの実効屈率、ΔｎeはＦＢＧの屈折率変調の振幅、Λは格子のピッチ、λは波長、λＢはＦＢＧの反射中心波長、ＬｂはＦＢＧの物理的な長さである。
【００３４】
【数４】
【００３５】
一方、センサ素子２１〜２ｎの透過率Ｔは、このセンサ素子がファブリペロー干渉計を構成するものであることから、両ＦＢＧは同一特性、寸法であるとして、数式（３）を使って数式（５）で示される。センサ素子の透過率Ｔは論文「Yuri O. Barmenkov, et.al, ”Effective length of short Fabry-Perot cavity formed by uniform fiber Bragg gratings,” Optics Express, Vol. 14, No.14, pp.6394-6399」にも開示されている。
【００３６】
【数５】
【００３７】
ただし、Ｌｇは、隣り合うＦＢＧの格子の描画されていない部分の実際の長さであり、Ｌｅは、ＦＢＧの反射光の入射光に対する位相遅れにより生ずる実効長さであって、数式（６−１）から求められる。さらに、ＦＢＧの反射率Ｒの最大値Ｒmaxは数式（６−２）から求められる。そのため、実効長Ｌｅは数式（６−３）から求められる。さらに、透過率Ｔの最大値を与える波長λはｍを自然数として数式（６−４）から求められる。この数式（６−４）を使ってフリースペクトルレンジＦＳＲは数式（６−５）から求めることができる。
【００３８】
【数６】
【００３９】
数式(５)を用いてパラメータを適当に設定し計算をすることで、ファブリペロー構成されたセンサ素子２１〜２ｎの透過スペクトルＴを求めることができる。
例えば、ＦＢＧの長さＬｂを2.08000ｍｍ、ＦＢＧの屈折率変化量Δｎを0.0006、格子ピッチΛを537nm、ＦＢＧ間の格子の描画されていない部分の実際の長さＬｇを90.000μm、FBGの実効屈折率ｎｅを1.4493とすると、ファブリペロー構成されたセンサ素子の反射波長帯域は850ｐｍであり、その帯域内の透過スペクトルの半値全幅は10ｐｍ、その中心波長は1556.476nmである。
数式（４−４）で示されるファブリペローエタロンを構成するＦＢＧの帯域幅ＢＷと数式（６−５）で示されるファブリペローエタロンのフリースペクトルレンジＦＳＲとの関係を数式（７）で示す。数式（４−３）で示されるＦＢＧの反射中心波長λＢと、数式（６−４）で示されるファブリペローエタロンのピーク波長Ｌｇとの関係は数式（８−１）、すなわち、数式（８−２）から求めることができる。
【００４０】
【数７】
【００４１】
【数８】
【００４２】
数式（７）及び数式（８−２）が同時に成り立つように設計諸元を設定すればファブリペローエタロンの透過帯域の中央に１本の線スペクトルだけが現れることになる。さらに、センサ素子の透過スペクトルがシフトしても、その線スペクトルの中心波長を検出することができる。
この理由を数式を使って次に説明する。数式（６−４）で示されるファブリペローエタロンの中心波長の温度Ｔあるいは歪εが変化した場合、それにより生ずる中心波長の変化Δλｅは数式（９）で求められる。
【００４３】
【数９】
【００４４】
同様に、ファブリペローエタロンを構成するＦＢＧの中心波長の変化Δλｂｅは数式（１０−１）で求められる。
ここで、数式（８−１）を考慮すれば、数式（１０−２）を得ることができる。
【００４５】
【数１０】
【００４６】
以上のことから、センサ素子２１〜２ｎから透過される光の透過スペクトルの半値全幅を従来の反射スペクトルの半値全幅より小さくでき、しかも、さらに温度あるいは歪が変化しても、理論的に常にエタロンの透過帯域の中心波長に線スペクトルの中心波長が位置することを理論的に示すことができた。
【００４７】
従って、第１実施形態では次の作用効果を奏することができる。
（１）互いにファブリペローエタロンを構成する近接配置されたＦＢＧ対のセンサ素子２１〜２ｎを備えて波長検波型光ファイバセンサ２を構成した。一般に、ファブリペローエタロンを構成するミラーの反射率を高めればその透過スペクトルの半値全幅を狭くできることはよく知られている。従って、ＦＢＧに高い反射率のものを用いることにより、センサ素子２１〜２ｎの半値全幅を狭くでき、測定分解能を向上させることができる。例えば、一定の歪みの下で、１０秒ごとに２０回中心波長を測定し、その中心波長のデータを記録したところ、本実施形態では、最も長い波長のデータと最も短い波長のデータとの差は１ｐｍであり、波長再現性が１ｐｍであったが、従来例１では、最も長い波長のデータと最も短い波長のデータとの差は５ｐｍであり、波長再現性が５ｐｍであった。
【００４８】
（２）広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から出射される光が入射するセンサ素子２１〜２ｎを有する波長検波型光センサ２と、この波長検波型光センサ２に入射された光の透過光を入射するとともに透過光の波長を検波する波長検波手段３とを備えて光ファイバセンサシステムを構成したから、測定精度の高い光ファイバ計測装置を提供することができる。
【００４９】
（３）センサ素子２１〜２ｎは、それぞれ中心波長λ１〜λｎの変化波長領域が異なるため互いに干渉することはなく、被測定物の異なる位置での物理量変化を正確に測定することができる。
【００５０】
（４）波長検波手段３は、センサ素子２１〜２ｎからの透過光を波長毎に分波するＡＷＧ３１と、このＡＷＧ３１で分波された信号に基づいて各センサ素子２１〜２ｎで検出される波長を演算する演算回路３２とを備えているから、ＡＷＧ３１のチャンネル数が１０００を超えるものも知られていることを考慮すれば多数のセンサ素子にも対応したセンサシステムを提供できる。
【００５１】
次に、本発明の第２実施形態を図３から図５に基づいて説明する。第２実施形態では掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１が用いられている。この掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１を用いてＦＢＧセンサ２１〜２ｎからの波長検波を行う方法は非特許文献１の論文「Alan D.kersy, Mihael A. Davis, Heather j. Patric, Michel LeBlanc, K. P. Koo, C. G．Askins, M. A. Putnam, and E. Joseph Friebele, “Fiber Bragg Sensors,”Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No.8 1997」により知られている。しかし、非特許文献１には、本実施形態のファブリペローエタロンを構成するＦＢＧ対からなるセンサに対して掃引型ファブリペロー干渉フィルタを用いて当該センサの中心波長を求める方法については何ら開示されていない。
【００５２】
第２実施形態は第１実施形態とは波長検波手段の構成が異なるもので、他の構成は第１実施形態と同じである。
図３は第２実施形態にかかる光ファイバセンサシステムの概略構成図である。
図３において、光ファイバセンサシステムは、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から出射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた波長検波型光センサ２と、この波長検波型光センサ２から透過した透過光を検波する光波長検波手段４とを備えた構成である。
【００５３】
光波長検波手段４は、センサ素子２１〜２ｎから透過された光を入力する掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１と、この掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の出力ＣＨに対向して配置されたフォトダイオード４Ｆと、このフォトダイオード４Ｆに接続されたプリアンプ４Ａと、このプリアンプ４Ａから出力されたアナログ信号を２値信号に変換する２値化回路４Ｂと、この時系列の２値信号を受信する光スペクトルパターン認識回路４２と、掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１を駆動するピエゾ素子ＰＺＴと、ピエゾ素子ＰＺＴを駆動するために発信器４４からのパルス信号を受けてパルス数を計数する計数カウンタ４３と、この計数カウンタ４３の出力を受け該計数値に対応したアナログ電圧を出力するデジタルアナログ変換器４５とを備えて構成される。
光スペクトルパターン認識回路４２は発信器４４からのパルス信号と、２値化回路４Ｂからの２値信号とを受信する。２値信号は時系列信号であってそのタイミングは発信器４４からのパルス信号で規定される。
【００５４】
図４は第２実施形態における広帯域光源の出射スペクトルと掃引型ファブリペロー干渉フィルタへの入射スペクトルの関係を示す図である。図４（Ａ）に示されるスペクトルの光が広帯域光源１０から入射されると、この光がセンサ素子２１、センサ素子２２、センサ素子２３、……、センサ素子２n-1、センサ素子２ｎを透過した後、掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１に入射される。掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１に入射される光はセンサ素子２１〜２ｎから出射される光であり、図４（Ｂ）に示される通り、図２（Ｂ）と同様なスペクトルとなる。
図５は（Ａ）に発信器４４の出力パルス信号が示され、（Ｂ）に同パルス信号を計数する計数カウンタ４３により駆動されるデジタルアナログ変換器４５の鋸波状出力電圧が示され、（Ｄ）に２値信号波形が示され、（Ｃ）に、該鋸波状電圧により駆動される掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の透過スペクトルが模式的に時系列に示されている。
【００５５】
つまり、光スペクトルパターン認識回路４２では、センサ素子２１〜２ｎから透過された光が掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１に入力されると、ピエゾ素子ＰＺＴに入力されるデジタルアナログ変換器４５の鋸波状出力電圧と掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の通過中心波長が発信器４４によってリンクしているので、センサ素子２１〜２ｎの中心波長は鋸波電圧を観測することで分かる。
例えば、掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の中心波長が短波長から長波長に変化した際、前記２値信号波形が「0,0,0・・・・0,1,0,0,0,0」となる信号波形パターンにより「１」となった波長を図４（Ｂ）で示される鋸波電圧から判定する。この判定された波長がセンサ素子２１〜２ｎの中心波長である。
これに対して例えば「0,・・・・0,0,0,1,1,1,1,0,0,0」となるような信号波形パターンは、センサ素子２１〜２ｎの中心波長ではないと判定する。即ち、「1」が所定の回数以下の場合がセンサ素子２１〜２ｎからの信号スペクトルと判定し、「１」を与える波長をセンサ素子２１〜２ｎの中心波長と判定する。この所定の回数が１回の場合には、波長は具体的に決定されるが、この所定の回数Nが２以上、例えば５であって計測した実際の「１」の数が３の場合は、これら３個の波長の平均値を測定波長とする。
なお、光スペクトルパターン認識回路４２は、１の両脇に0がいくつか存在するパターンを抽出し、その１に相当する波長を、前記鋸波電圧をベースに決定するものであるが、一般に使用されているマイクロコンピュータを用いればこれを実現できる。さらに、計数カウンタ４３の計数値がそのカウンタの最高計数値の場合には、ピエゾ素子ＰＺＴにより掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の透過帯域は最も長波長側（短波長側）に設定され、次のカウンタ４３への入力パルス信号で計数カウンタはイニシャル状態になりピエゾ素子ＰＺＴにより掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の透過帯域は最も短波長側（長波長側）に設定されるようになっている。
【００５６】
第２実施形態では、第１実施形態の（１）〜（３）と同様の効果を奏することができる他、次の作用効果を奏することができる。
（５）光波長検波手段４は、センサ素子２１〜２ｎから透過された光を入力する掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１と、この掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の出力チャンネルＣＨに対向して配置されたフォトダイオード４Ｆと、このフォトダイオード４Ｆに接続されたプリアンプ４Ａと、プリアンプ４Ａの出力を２値化する２値化回路４Ｂと、この２値化回路４Ｂから出力される２値信号を受信する光スペクトルパターン認識回路４２と、掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１駆動のためのピエゾ素子ＰＺＴと、発信器４４からのパルス数を計数する計数カウンタ４３と同カウンタの出力を受けてピエゾ素子ＰＺＴを駆動するための鋸波電圧発生用デジタルアナログ変換器４５とを備えて構成されている。そして光スペクトルパターン認識回路４２は発信器４４の出力パルス信号と前記２値信号を受信し、予め記憶された信号パターンから各センサ素子２１〜２ｎからの中心波長を認識する構成である。各センサ素子２１〜２ｎのスペクトルの中心波長は「0,0,0,・・・0,0,1,0,0,0,・・・」というような信号のデータ処理により抽出されるので、ＡＷＧ３１により測定範囲が決まる第１実施形態に比べ、測定範囲は格段に広くなるという効果を奏することができる。
【００５７】
次に、本発明の第３実施形態を図６及び図７に基づいて説明する。
第３実施形態は第１実施形態とは光源及び光波長検波手段の構成が異なるもので、他の構成は第１実施形態と同じである。
図６は、第３実施形態にかかる波長検波型光ファイバセンサシステムの概略構成図である。
図６において、波長検波型光ファイバセンサシステムは、光源としての可変波長レーザ１１と、この可変波長レーザ１１から入射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた波長検波型光センサ２と、この波長検波型光センサ２から透過した透過光を検出する光波長検波手段５とを備えた構成である。可変波長レーザを用いたセンサ素子からの波長検波方法はＦＢＧセンサに対しては非特許文献１の論文「Alan D.kersy, Mihael A. Davis, Heather j. Patric, Michel LeBlanc, K. P. Koo, C. G．Askins, M. A. Putnam, and E. Joseph Friebele, “Fiber Bragg Sensors,”Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No.8 1997」により知られている。しかし、非特許文献１には、本実施形態のファブリペローエタロンを構成するＦＢＧ対からなるセンサに対して可変波長レーザを用いて該センサの中心波長を求める方法は知られていない。
【００５８】
光波長検波手段５は、センサ素子２１〜２ｎから透過された光を入力するフォトダイオード５Ｆと、このフォトダイオード５Ｆに接続されたプリアンプ５Ａと、プリアンプ５Ａから出力されたアナログ信号をデジタルの２値信号に変換する２値化回路５Ｂと、この２値化回路５Ｂから出力されるデジタル信号を受信する光スペクトルパターン認識回路５２と、この光スペクトルパターン認識回路５２と可変波長レーザ１１とにパルス信号を送る発信器５４とを備えている。可変波長レーザ１１は内部に計数カウンタを持ち入力されたパルス数に対応したレーザ光を出射するようになっており計数カウンタがそのカウンタの最高計数値のときに該レーザの発振波長が可変範囲で最も長波長になるように設定されており次のパルスが入力されるとカウンタ計数値はゼロに戻り出射される波長はその可変範囲で最も短波長になる。そして、さらに、パルスが入力されると１パルスずつ長波長側に発振波長が移っていく。認識回路５２の内部にも可変波長レーザの場合と同様に計数カウンタが内蔵されており、その計数値はレーザ発振波長に対応している。これによりレーザ発振波長に対応した２値信号が光スペクトルパターン認識回路５２で処理され各センサ素子の波長が確定される。
すなわち、光スペクトルパターン認識回路５２は発信器５４からのパルス信号と、２値化回路５Ｂからの信号を受信することにより、予め記録された信号パターンから各センサ素子２１〜２ｎからの検波波長を確定する。
【００５９】
図７は第３実施形態における可変波長レーザの出射スペクトルとセンサ素子からの出射スペクトルとの関係を示す図である。図７（Ａ）に示される通り、可変波長レーザ１１から光が光ファイバＦに入射されると、この光がセンサ素子２１、センサ素子２２、センサ素子２３、……、センサ素子２n-1、センサ素子２ｎを透過する。この時センサ素子２１〜２ｎから透過されるスペクトルは図７（Ｂ）に示される通りである。
【００６０】
光スペクトルパターン認識回路５２は、例えば以下のように動作する。センサ素子２１〜２ｎからの出射光はフォトダイオード５Ｆ及びプリアンプ５Ａを経由して２値化回路５Ｂに送られ、この２値化回路５Ｂにより、レーザ中心波長が短波長から長波長に変化した際、「0,・・・・0,0,0,1,0,0,0,0, ・・・・」となるデータパターンにおいて「１」に対応する波長をセンサ素子からの中心波長と判定する。
これに対して、例えば「0,・・・・0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0, ・・・・」となるようなデータパターンは、センサ素子２１〜２ｎの中心波長ではないと判定する。即ち、「1」が一定回数以下の場合がセンサ素子２１〜２ｎからの信号スペクトルと判定する。この所定の回数が１回の場合には、波長は具体的に決定されるが、この所定の回数Nが２以上、例えば５であって、計測した実際の「１」の数が３の場合は、これら３個の波長の平均値を測定波長とする。この光スペクトルパターン認識回路５２は、一般に使用されているマイクロコンピュータを用いればこれを実現できる。なお、アナログ信号をデジタル信号に変化するために第２実施形態、第３実施形態では２値化回路を用いているが、この２値化回路の代わりに、多ビットのアナログデジタル変換器を用いればさらに高精度なスペクトルパターンの認識ができる。
【００６１】
従って、第３実施形態では、前記実施形態の（１）〜（３）と同様の効果を奏することができる他、次の作用効果を奏することができる。
（６）光検波手段５は、センサ素子２１〜２ｎから透過された光を入力するフォトダイオード５Ｆと、このフォトダイオード５Ｆに接続されたプリアンプ５Ａと、プリアンプ５Ａから出力されたアナログ信号を２値化する２値化回路５Ｂと、この２値化回路５Ｂから出力されるデジタル信号を受信する光スペクトルパターン認識回路５２と、この内部に直列パルス入力/並列出力の計数カウンタを内蔵しこの計数値に対応したレーザ発振波長算出部を備えた光スペクトルパターン認識回路５２と内部に直列パルス入力/並列出力の計数カウンタを内蔵しこの計数値に対応した波長の光を出力する可変波長レーザ１１とにパルス信号を送る発信器５４とを備え、光スペクトルパターン認識回路５２は発信器５４からのパルス信号と２値化回路５Ｂからの信号とを受信し、予め記録された信号パターンから各センサ素子２１〜２ｎからの検波信号を認識する構成としたから、第２実施形態と同様に、各センサ素子２１〜２ｎのスペクトルの中心波長は「0,・・・・0,0,0,1,0,0,0,0, ・・・・」のデータ系列を信号処理することにより抽出されるので、測定範囲が広くなるという効果を奏することができる。
【００６２】
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、光源は常時点灯している前提であるが、光源の実質的な寿命を延ばすために測定したい場合だけ光源を点灯する構成であってもよいことは自明である。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明は、ビル、鉄橋、トンネル、原子力発電所を含む発電所等の建築構造物において、例えば耐震性能の劣化を地震発生前に検出し修理するためのヘルスモニタリング分野や、あるいは、船舶、航空機、ロケットなどの大型構造物の各所の歪を常時計測し歪が一定以上の値になり構造物が突然破壊することを事前に予測する予防保全分野や、さらには、化学プラント、石油精製プラント等の爆破の可能性のあるプラントの各所の温度を測定するプラント計装分野等に利用することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１０…広帯域光源、１１…可変波長レーザ（光源）、２…波長変化型光センサ、３，４，５…光波長検波手段、２１〜２ｎ…センサ素子、３１…アレイ導波路格子（ＡＷＧ）、３２…演算回路、４２，５２…光スペクトルパターン認識回路、ＦＢＧ…ファイバ・ブラッグ・グレーティング
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から出射される光が入射するとともに透過光が光検出手段で検出されかつ被測定物に設置される波長検波型光センサシステムであって、
互いに近接配置されたファブリペローエタロンを構成するファイバ・ブラッグ・グレーティング対からなるセンサ素子を備えた
ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。
【請求項２】
請求項１に記載された波長検波型光ファイバセンサシステムにおいて、
前記ファブリペローエタロンは、反射波長帯域中に１本の透過線スペクトルのみが生じるようにするために、反射波長帯域ＢＷはフリースペクトルレンジＦＳＲの倍より狭くなるようにする
ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。
【請求項３】
請求項２に記載された波長検波型光ファイバセンサシステムにおいて、
前記ファイバ・ブラッグ・グレーティング対は、同一波長スペクトル特性であり、物理的長さが同一であり、かつ、実効長Ｌｅとファイバ・ブラッグ・グレーティングの格子ピッチΛ及びファイバ・ブラッグ・グレーティング対間のグレーティングの書かれていない光ファイバの長さＬｇとの関係がＬｇ＝ｍΛ−２Ｌｅ（ｍは自然数）を満たすようにファイバ・ブラッグ・グレーティングの反射中心波長に透過線スペクトルの波長を一致させる
ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載された波長検波型光ファイバセンサシステムにおいて、
前記センサ素子に光を入射させる光源と、前記センサ素子に入射された光の透過光を入射するとともに前記透過光を検出する光波長検波手段とを備えた
ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。
【請求項５】
請求項４に記載された波長検波型光ファイバセンサシステムにおいて、
前記センサ素子は、それぞれ中心波長の変化波長領域が異なり直列に接続されている
ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載された波長検波型光ファイバセンサシステムにおいて、
前記光波長検波手段は前記センサ素子からの透過光を入力するとともに波長領域毎に分波するアレイ導波路格子と、このアレイ導波路格子で分波された前記センサ素子からの信号に基づいて各センサ素子で検出される波長を演算する演算回路とを備えた
ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。
【請求項７】
請求項４又は請求項５に記載された波長検波型光ファイバセンサシステムにおいて、
前記光波長検波手段は、前記センサ素子から透過された光に基づく信号を受信するとともに予め記憶された信号パターンから前記センサ素子からの検波信号を認識する光スペクトルパターン認識回路を備えた
ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。
【請求項１】
光源から出射される光が入射するとともに透過光が光検出手段で検出されかつ被測定物に設置される波長検波型光センサシステムであって、
互いに近接配置されたファブリペローエタロンを構成するファイバ・ブラッグ・グレーティング対からなるセンサ素子を備えた
ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。
【請求項２】
請求項１に記載された波長検波型光ファイバセンサシステムにおいて、
前記ファブリペローエタロンは、反射波長帯域中に１本の透過線スペクトルのみが生じるようにするために、反射波長帯域ＢＷはフリースペクトルレンジＦＳＲの倍より狭くなるようにする
ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。
【請求項３】
請求項２に記載された波長検波型光ファイバセンサシステムにおいて、
前記ファイバ・ブラッグ・グレーティング対は、同一波長スペクトル特性であり、物理的長さが同一であり、かつ、実効長Ｌｅとファイバ・ブラッグ・グレーティングの格子ピッチΛ及びファイバ・ブラッグ・グレーティング対間のグレーティングの書かれていない光ファイバの長さＬｇとの関係がＬｇ＝ｍΛ−２Ｌｅ（ｍは自然数）を満たすようにファイバ・ブラッグ・グレーティングの反射中心波長に透過線スペクトルの波長を一致させる
ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載された波長検波型光ファイバセンサシステムにおいて、
前記センサ素子に光を入射させる光源と、前記センサ素子に入射された光の透過光を入射するとともに前記透過光を検出する光波長検波手段とを備えた
ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。
【請求項５】
請求項４に記載された波長検波型光ファイバセンサシステムにおいて、
前記センサ素子は、それぞれ中心波長の変化波長領域が異なり直列に接続されている
ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載された波長検波型光ファイバセンサシステムにおいて、
前記光波長検波手段は前記センサ素子からの透過光を入力するとともに波長領域毎に分波するアレイ導波路格子と、このアレイ導波路格子で分波された前記センサ素子からの信号に基づいて各センサ素子で検出される波長を演算する演算回路とを備えた
ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。
【請求項７】
請求項４又は請求項５に記載された波長検波型光ファイバセンサシステムにおいて、
前記光波長検波手段は、前記センサ素子から透過された光に基づく信号を受信するとともに予め記憶された信号パターンから前記センサ素子からの検波信号を認識する光スペクトルパターン認識回路を備えた
ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１４９８７５（Ｐ２０１１−１４９８７５Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１２５０６（Ｐ２０１０−１２５０６）
【出願日】平成２２年１月２２日（２０１０．１．２２）
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【出願人】（０００１５０７０７）長野計器株式会社 (62)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２２日（２０１０．１．２２）
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【出願人】（０００１５０７０７）長野計器株式会社 (62)
【Ｆターム（参考）】
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