(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定光が入射される光ファイバに一以上のセンサ用ブラッグ回折格子が形成され、前記センサ用ブラッグ回折格子からの反射光の波長を検出して前記センサ用ブラッグ回折格子の位置における物理量を測定する物理量測定システムにおいて、
前記センサ用ブラッグ回折格子からの反射光を、特定の波長範囲で直線状に反射率が変化するリニア減衰型ブラッグ回折格子に入射させ、このリニア減衰型ブラッグ回折格子による反射光を受光素子に入射させてその光電流の変化に基づいて前記センサ用ブラッグ回折格子による反射光の波長を測定することを特徴とする波長計測装置。
【請求項２】
測定光が入射される光ファイバに一以上のセンサ用ブラッグ回折格子が形成され、前記センサ用ブラッグ回折格子からの反射光の波長を検出して前記センサ用ブラッグ回折格子の位置における物理量を測定する物理量測定システムにおいて、
前記センサ用ブラッグ回折格子からの反射光を、特定の波長範囲で直線状に反射率が変化するリニア減衰型ブラッグ回折格子に入射させ、このリニア減衰型ブラッグ回折格子による反射光を第１の受光素子に入射させ、かつ、前記リニア減衰型ブラッグ回折格子による透過光を第２の受光素子に入射させ、第１、第２の受光素子の光電流の比の対数に基づいて前記センサ用ブラッグ回折格子による反射光の波長を測定することを特徴とする波長計測装置。
【請求項３】
請求項１記載の波長計測装置において、
複数のセンサ用ブラッグ回折格子の波長変化範囲に対応した同数のリニア減衰型ブラッグ回折格子を備え、各リニア減衰型ブラッグ回折格子による複数の反射光をそれぞれ同数の受光素子に入射させ、各受光素子の光電流の変化に基づいて各センサ用ブラッグ回折格子による複数の反射光の波長を同時に測定することを特徴とする波長計測装置。
【請求項４】
請求項１記載の波長計測装置において、
複数のセンサ用ブラッグ回折格子の波長変化範囲に対応した同数のリニア減衰型ブラッグ回折格子を備え、各リニア減衰型ブラッグ回折格子による複数の反射光を光スイッチの切り替えにより単一の受光素子に入射させ、この受光素子の光電流の変化に基づいて各センサ用ブラッグ回折格子による複数の反射光の波長を順次測定することを特徴とする波長計測装置。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか１項に記載した波長計測装置において、
リニア減衰型ブラッグ回折格子の温度検出信号に基づき温度制御素子を動作させてリニア減衰型ブラッグ回折格子の温度を一定に保つことを特徴とする波長計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度や歪み（圧力）等の物理量を、光ファイバのブラッグ回折格子（Fiber Bragg Grating、以下ＦＢＧと略す）からの反射光の波長によって測定する物理量測定システムに適用可能な波長計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、従来技術としての、光ファイバ上の温度分布を測定する温度分布測定システムの全体構成図である。
図９において、１は後述する波長検出部及び演算部を有する温度分布測定部、１１，１２，１３，１４は測定光及び反射光が通過する光ファイバ、１５，１６，１７は測定点に対応する位置に形成されたセンサ用のブラッグ回折格子、２は光分岐器、３は接続用光ファイバ、４は広帯域光源である。
【０００３】
光ファイバのブラッグ回折格子は、周知のようにコアの屈折率が光軸に沿って周期的に変化しており、屈折率に応じて特定波長を中心とした狭帯域の光を反射する。
例えば、測定対象である物理量が温度である場合、図９のあるブラッグ回折格子の位置（測定点）で温度変化が生じると、ブラッグ回折格子のコアの平均屈折率が変化するため反射光の波長も変化する。従って、広帯域光源４から照射された光の各ブラッグ回折格子からの反射波長の変化と温度変化との関係を予め測定しておけば、温度分布測定部１により検出される反射光の波長から各測定点の温度を測定することができ、光ファイバの長手方向の温度分布を得ることができる。
ここで、図９におけるブラッグ回折格子１５，１６，１７には、所定の温度範囲に対応する固有の反射波長範囲が、互いに重複しないように予め割り当てられている。
【０００４】
図１０は、温度分布測定部１に使用される波長検出部の一例を示す図である。図１０において、２１は各ブラッグ回折格子からの反射光が入射する入力光ファイバ、２２は出力光ファイバ、２３，２４はコリメータレンズ、２５，２６はハーフミラー、２７，２８はハーフミラー２５，２６の間に密接して配置された圧電素子、２９は圧電素子駆動回路である。
【０００５】
この波長検出部は、ハーフミラー２５，２６間のギャップ長ｇが入射光の波長に対して一定の関係にある場合に入射光が強められ、または弱められて出射することを利用したもので、圧電素子駆動回路２９から圧電素子２７，２８に電圧を印加してギャップ長ｇを調節しながら出射光強度を観察し、そのときのギャップ長ｇから入射光の波長を検出するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示したような波長検出部はメカニカルな構成であるため、耐振性に課題があった。つまり、外部から振動を受けても高い機械精度を保たなければならないからである。
また、ハーフミラー２５，２６同士の平行性や、ハーフミラー２５，２６に対するコリメータレンズ２３，２４の光軸の直交性を維持することも構造上、難しく、これらが製造コストの上昇や歩留まり低下の原因となっていた。
【０００７】
そこで本発明は、従来のように可動部品を使用せずに反射光の波長を検出する波長計測装置を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、測定光が入射される光ファイバに一以上のセンサ用ブラッグ回折格子が形成され、前記センサ用ブラッグ回折格子からの反射光の波長を検出して前記センサ用ブラッグ回折格子の位置における物理量を測定する物理量測定システムにおいて、前記センサ用ブラッグ回折格子からの反射光を、特定の波長範囲で直線状に反射率が変化するリニア減衰型ブラッグ回折格子に入射させ、このリニア減衰型ブラッグ回折格子による反射光を受光素子に入射させてその光電流の変化に基づいて前記センサ用ブラッグ回折格子による反射光の波長を測定するものである。
【０００９】
請求項２記載の発明は、センサ用ブラッグ回折格子からの反射光を、特定の波長範囲で直線状に反射率が変化するリニア減衰型ブラッグ回折格子に入射させ、このリニア減衰型ブラッグ回折格子による反射光を第１の受光素子に入射させ、かつ、リニア減衰型ブラッグ回折格子による透過光を第２の受光素子に入射させ、第１、第２の受光素子の光電流の比の対数に基づいてセンサ用ブラッグ回折格子による反射光の波長を測定するものである。
ここで、「光電流の比の対数」を実現するに当たっては、二つの受光素子（フォトダイオード）の電流出力（Ｉ1，Ｉ2）から換算された二つの電圧出力（Ｖ1，Ｖ2）を対数増幅器にて対数出力（logＶ1，logＶ2）に換算した後、それらの差分出力（logＶ1−logＶ2）をとることにより、「光電流の比の対数」に相当するlog（Ｖ1／Ｖ2）の出力が得られる。
【００１０】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の波長計測装置において、複数のセンサ用ブラッグ回折格子の波長変化範囲に対応した同数のリニア減衰型ブラッグ回折格子を備え、各リニア減衰型ブラッグ回折格子による複数の反射光をそれぞれ同数の受光素子に入射させ、各受光素子の光電流の変化に基づいて各センサ用ブラッグ回折格子による複数の反射光の波長を同時に測定するものである。
【００１１】
請求項４記載の発明は、請求項１記載の波長計測装置において、複数のセンサ用ブラッグ回折格子の波長変化範囲に対応した同数のリニア減衰型ブラッグ回折格子を備え、各リニア減衰型ブラッグ回折格子による複数の反射光を光スイッチの切り替えにより単一の受光素子に入射させ、この受光素子の光電流の変化に基づいて各センサ用ブラッグ回折格子による複数の反射光の波長を順次測定するものである。
【００１２】
請求項５記載の発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載した波長計測装置において、リニア減衰型ブラッグ回折格子の温度検出信号に基づき温度制御素子を動作させてリニア減衰型ブラッグ回折格子の温度を一定に保つことにより、波長測定精度を向上させるものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。まず、図１は本発明の第１実施形態であり、請求項１に記載した発明の実施形態に相当する。
図１において、３１は中心波長が１．５５〔μｍ〕の光を照射する１．５５μｍ光源であり、光ファイバ３８には光分岐器３２を介してセンサ用ブラッグ回折格子Ｓ−ＦＢＧが形成されている。
ブラッグ回折格子Ｓ−ＦＢＧによって反射された光源３１の光は、光分岐器３２を経て波長計測装置５１に入射する。
【００１４】
波長計測装置５１は、光ファイバ３９により前記光分岐器３２に接続される光分岐器３３と、光ファイバ３９の端部に形成されたリニア減衰型ブラッグ回折格子Ｌ−ＦＢＧと、このブラッグ回折格子Ｌ−ＦＢＧによる反射光が光分岐器３３及び光ファイバ４０を介して入射するフォトダイオード（ＰＤ）３４とを備えている。
【００１５】
ここで、図２に示すように中心波長がほぼ１．５５〔μｍ〕であるセンサ用ブラッグ回折格子Ｓ−ＦＢＧの反射波形がリニア減衰型ブラッグ回折格子Ｌ−ＦＢＧに入射すると、リニア減衰型ブラッグ回折格子Ｌ−ＦＢＧは図３に示すような特性（実際に販売されている加Innovative Fibers社製の「リニア分別器ファイバーブラッググレーティング」の特性を基に中心波長だけ変更したもの）を持っているので、センサ用ブラッグ回折格子Ｓ−ＦＢＧの中心波長の変化と、リニア減衰型ブラッグ回折格子Ｌ−ＦＢＧにより反射してフォトダイオード３４により測定される反射受光光量との関係は、図４のようになる。
この図４の特性は完全な直線ではないが、この特性を利用すれば、センサ用ブラッグ回折格子Ｓ−ＦＢＧによる反射波長をフォトダイオード３４の光電流出力から測定することができる。
【００１６】
なお、上記実施形態において、センサ用ブラッグ回折格子Ｓ−ＦＢＧの特性は、グレーティング長さ１０〔ｍｍ〕、屈折率変調０．００００６、屈折率１．４５８として論文「ファイバーグレーティングとその応用」（応用物理、Ｖｏｌ．６６，Ｎｏ．１）を参考に計算したものである。
【００１７】
本実施形態は基本的に可動部分がなく、光ファイバと光分岐器との接続だけによって構成されているので、耐震性に強く、構成が簡単なため低コストであると共に、高速応答性を有することが明らかである。
また、リニア減衰型ブラッグ回折格子Ｌ−ＦＢＧは、その減衰範囲、中心波長等を通常のブラッグ回折格子と同様な範囲で製作可能である。
【００１８】
上述した第１実施形態においては、光源３１の光量が変動すると、この影響を受けて図４の波長と受光光量との関係が変化してしまう。また、波長と受光光量との関係は厳密には直線関係でないことから、図４の特性をパソコン等に記憶させてその都度、参照しなくてはならない。
【００１９】
図５に示す第２実施形態は上記の点を改良したもので、リニア減衰型ブラッグ回折格子Ｌ−ＦＢＧの透過光と反射光を検出する二つのフォトダイオードの受光出力の比の対数をとるようにした。この実施形態は請求項２の発明の実施形態に相当する。
すなわち、図５の構成が図１と異なるのは、波長計測装置５２において、リニア減衰型ブラッグ回折格子Ｌ−ＦＢＧの透過光を検出するフォトダイオード３５が追加された点である。
【００２０】
この実施形態によれば、図６に示すように、センサ用ブラッグ回折格子Ｓ−ＦＢＧの中心波長とフォトダイオード３４，３５の受光出力の比の対数（図６の縦軸ではLOG(PD2/PD1)として示してある）との関係が直線になる。このように受光出力の比をとっているので、光源３１に光量変動があったとしても両方のフォトダイオード３４，３５の出力が同様に変化することになり、影響を受けにくくなる。
【００２１】
次に、図７は本発明の第３実施形態であり、請求項３に記載した発明の実施形態に相当する。この実施形態は、第１実施形態（図１）に対して、センサ用ブラッグ回折格子を複数備え、更に、リニア減衰型ブラッグ回折格子、光分岐器及びフォトダイオードの組を複数、縦続接続して多点計測システムとしたものである。
図７において、Ｓ−ＦＢＧ１〜Ｓ−ＦＢＧｎは光ファイバ３８上のセンサ用ブラッグ回折格子、波長計測装置５３内のＬ−ＦＢＧ１〜Ｌ−ＦＢＧｎは光ファイバ３９上のリニア減衰型ブラッグ回折格子、３３１，３３２，……，３３ｎは光分岐器、３４１，３４２，……，３４ｎはフォトダイオードである。
【００２２】
この実施形態では、各センサ用ブラッグ回折格子Ｓ−ＦＢＧ１〜Ｓ−ＦＢＧｎの波長変化範囲に対して、それぞれの変化範囲で反射特性が直線状に変化する同数のリニア減衰型ブラッグ回折格子Ｌ−ＦＢＧ１〜Ｌ−ＦＢＧｎを用意しておき、それぞれの検出波長範囲が重ならないようにしておく。これにより、波長多重化による多点計測が可能となり、各センサ用ブラッグ回折格子Ｓ−ＦＢＧ１〜Ｓ−ＦＢＧｎの位置における温度等の物理量の同時測定が可能になる。
【００２３】
図８は本発明の第４実施形態であり、請求項４に記載した発明の実施形態に相当する。この実施形態は、第３実施形態のフォトダイオード３４１，３４２，……，３４ｎの特性上のバラツキによる影響を取り除くために、光スイッチを用いた例である。
図８において、波長計測装置５４内の光分岐器３３１，３３２，……，３３ｎには光スイッチ３７を介して単一のフォトダイオード３４が接続されており、光スイッチ３７を切り替えることで所望のリニア減衰型ブラッグ回折格子からの反射光（すなわち、対応するセンサ用ブラッグ回折格子からの反射光）をフォトダイオード３４が受光する。
このように構成すると、第３実施形態に見られるフォトダイオード間の特性のバラツキがなくなり、波長測定精度を高めることができる。
【００２４】
上記各実施形態において、リニア減衰型ブラッグ回折格子の温度を検出し、その温度検出信号に基づきペルチェ素子等の温度制御素子によりリニア減衰型ブラッグ回折格子の温度を一定に保って光フィルタリング特性の変動を少なくすれば、波長測定精度が一層向上する。これは、請求項５に記載した発明の実施形態に相当する。
【００２５】
なお、本発明に適用される波長検出方法は、光ファイバを用いた波長多重通信にも適用できることは明らかである。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように請求項１記載の発明によれば、従来のようにギャップ長の微小変位を得るために機械的可動部分を有する波長検出部を用いるのではなく、リニア減衰型ブラッグ回折格子の反射光量を受光素子により計測するようにしたので、耐震性に強く、低コストで製品の歩留まりも高いとともに、高速応答性を有する波長計測装置を実現することができる。
請求項２記載の発明によれば、センサ用ブラッグ回折格子の中心波長と二つの受光素子の光電流出力の比の対数値とが直線関係となり、光源の光量変動を受けにくいシステムを構成することができる。
請求項３記載の発明によれば、中心波長とリニア減衰範囲とが異なるリニア減衰型ブラッグ回折格子をセンサ用ブラッグ回折格子と同数用意することで多点計測が可能となり、また、請求項４記載の発明によれば、多点計測時に問題となる受光素子間の特性上のバラツキを低減できるという効果がある。
更に、請求項５に記載したごとく、リニア減衰型ブラッグ回折格子の温度を一定に保つようにすれば、光フィルタリング特性の変動が少なくなって波長測定精度が一層向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】図１のセンサ用ブラッグ回折格子の反射波長と光量との関係を示す図である。
【図３】図１のリニア減衰型ブラッグ回折格子の波長と透過率との関係を示す図である。
【図４】図１のセンサ用ブラッグ回折格子の中心波長とフォトダイオードにより測定される反射受光光量との関係を示す図である。
【図５】本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【図６】図５のセンサ用ブラッグ回折格子の中心波長と二つのフォトダイオードの受光出力の比の対数との関係を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態を示す構成図である。
【図８】本発明の第４実施形態を示す構成図である。
【図９】従来技術としての温度分布測定システムの全体構成図である。
【図１０】従来技術における温度検出部の構成図である。
【符号の説明】
Ｓ−ＦＢＧ，Ｓ−ＦＢＧ１〜Ｓ−ＦＢＧｎ  センサ用ブラッグ回折格子
Ｌ−ＦＢＧ，Ｌ−ＦＢＧ１〜Ｌ−ＦＢＧｎ  リニア減衰型ブラッグ回折格子
３１  １．５５μｍ光源
３２，３３，３３１，３３２，……，３３ｎ  光分岐器
３４，３５，３４１，３４２，……，３４ｎ  フォトダイオード（ＰＤ）
３６  光スイッチ
３８，３９，４０  光ファイバ
５１，５２，５３，５４  波長計測装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003663966.tif 000009
【図９】
0003663966.tif 000010
【図１０】
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