(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの出力光を入力し、光ファイバの歪に応じてブラッグ波長の変化する光を計測光として出力する計測用光ファイバブラッググレーティングセンサと、
前記計測光の周波数とはわずかに異なる安定した周波数の光を参照光として出力する参照光出力手段と、
前記計測光と前記参照光とを干渉させ、それらの周波数差に応じたビート信号を生成させるヘテロダイン干渉手段と、
前記ビート信号に基づいて前記計測光の波長変化を検出する検出手段と、を備えることを特徴とする波長検出装置。
【請求項２】
前記参照光出力手段は、前記光源からの出力光を入力し、光ファイバの歪に対してブラッグ波長の安定した光を前記参照光として出力する参照用光ファイバブラッググレーティングセンサであることを特徴とする請求項１に記載の波長検出装置。
【請求項３】
前記計測用光ファイバブラッググレーティングセンサは複数設けられており、
該複数の計測用光ファイバブラッググレーティングセンサからの計測光を切り換える光スイッチを更に備え、
前記ヘテロダイン干渉手段は、前記光スイッチからの出力光と前記参照用光ファイバブラッググレーティングセンサからの参照光とを合成して出力する光結合器であることを特徴とする請求項２に記載の波長検出装置。
【請求項４】
前記複数の計測用光ファイバブラッググレーティングセンサのうちの幾つかは、互いにブラッグ波長が異なり、かつ、直列に接続されていることを特徴とする請求項３に記載の波長検出装置。
【請求項５】
光源と、
前記光源からの出力光を入力し、光ファイバの歪に応じてブラッグ波長の変化する光を計測光として出力する、互いにブラッグ波長の異なるＮ個（Ｎは２以上の整数）の計測用光ファイバブラッググレーティングセンサと、
前記Ｎ個の計測用光ファイバブラッググレーティングセンサのそれぞれに対応して設けられ、そのそれぞれから出力される計測光の周波数とはわずかに異なる安定した周波数の光を参照光として出力する、Ｎ個の参照用光ファイバブラッググレーティングセンサと、
前記Ｎ個の計測用光ファイバブラッググレーティングセンサからの計測光と前記Ｎ個の参照用光ファイバブラッググレーティングセンサからの参照光とを干渉させ、それらの周波数差に応じたＮ個のビート信号を生成させるヘテロダイン干渉手段と、
前記Ｎ個のビート信号を前記ブラッグ波長ごとに選択するＮ個の波長選択素子と、
前記波長選択素子により選択された各ビート信号に基づいて各計測光の波長変化を検出する検出手段と、を備えることを特徴とする波長検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は波長検出装置に関し、特に、光ヘテロダイン検波による波長検出に適用して好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の波長検出装置として、光ファイバブラッググレーティングセンサシステムがある。この光ファイバブラッググレーティングセンサシステムは、光ファイバブラッググレーティングによる後方散乱光の波長変化特性を利用することにより、温度計測などを行うことができる。ここで、光ファイバブラッググレーティングとは、光ファイバのコア内に生成された周期的屈折率変化のことである。
【０００３】
図６は、従来の光ファイバブラッググレーティングの生成方法を説明する図である。図６において、エキシマレーザなどで発生させた２つの紫外線光をフェーズマスク等で干渉させて干渉縞を作り、その干渉させた紫外線光を感光性ファイバ３１のクラッド３２内のコア３３に照射する。この結果、干渉縞のＵＶ光強度分布に対応した周期的屈折率変化が感光性ファイバ３１のコア３３内に生成される。
【０００４】
図７は、従来の光ファイバーグレーティングセンサの動作を説明する図である。図７において、光ファイバ４１のクラッド内のコア４２に周期的屈折率変化が生成されている状態で、光ファイバ４１のコア４２に入射光が入射されると、この入射光が光ファイバ４１を伝送中にコア４２の周期的屈折率変化の部分で部分反射され、複数の後進波が発生する（ブラッグ回折）。
【０００５】
ここで、後進波の波長λB は、光ファイバ４１のコア４２の屈折率をｎ、コア４２の屈折率変化の周期をΛとすると、以下の式で示される。
λB ＝２ｎΛ                                            ・・・（１）
なお、この後進波の波長λB はブラッグ波長と呼ばれる。また、この反射波長は非常に狭帯域で、その半値全幅は０．２ｎｍ程度まで狭くすることが可能である。
【０００６】
この結果、複数の後進波よりなる波長λB の反射光が光ファイバ４１の入射端から出射される。一方、ファイバ４１の出射端からは、波長λB の部分の強度が減衰した透過光が出射される。
【０００７】
光ファイバブラッググレーティングセンサシステムでは、歪みが光ファイバ４１に加わったり、光ファイバ４１の温度が変化したりして、光ファイバ４１が伸縮したり、曲がったりすることにより、コア４１内の屈折率変化の周期Λが変化する。このため、後進波のブラッグ波長が変化し、光ファイバ４１から出射される後進波の波長λB を計測することにより、光ファイバ４１の歪みや温度などを検出することができる。また、ブラッグ波長の異なっている光ファイバブラッググレーティングセンサを直列に接続することにより、多点計測ができる。
【０００８】
図８は、従来の光ファイバブラッググレーティングセンサシステムの構成を示す図である。図８において、２１はスーパルミネセンスダイオードや発光ダイオードなどの広帯域光源、２２ａ〜２２ｅはシングルモードファイバ、２３は入射光を２つに分岐する２×２カプラ、２４ａ〜２４ｃは光ファイバブラッググレーティングセンサ、２５は２枚のハーフミラーで構成されるファブリペロー干渉計などの光チューナブルフィルタ、２６は光チューナブルフィルタ２５を駆動する光チューナブルフィルタ駆動回路であり、ファブリペロー干渉計の２枚のハーフミラーの間隔を圧電素子等を用いて変化させることにより、ファブリペロー干渉計の透過波長特性を制御するもの、２７はフォトダイオードなどの光検出器、２８は光検出器２７の出力を光チューナブルフィルタ駆動回路２６の動作と同期させて処理する信号処理回路である。
【０００９】
ここで、光ファイバブラッググレーティングセンサ２４ａ〜２４ｃのブラッグ波長は、それぞれλB1、λB2、λB3に設定されている。このブラッグ波長λB1、λB2、λB3は、例えば、光ファイバブラッググレーティングセンサシステムを温度センサとして機能させる場合、温度計測範囲と温度に対する波長変化０．０１ｎｍ／℃を考慮し、それぞれの室温でのブラッグ波長λB1、λB2、λB3が重ならないように設定される。
【００１０】
広帯域光源２１と２×２カプラ２３はシングルモードファイバ２２ａにより接続され、２×２カプラ２３と光ファイバブラッググレーティングセンサ２４ａはシングルモードファイバ２２ｂにより接続され、光ファイバブラッググレーティングセンサ２４ａと光ファイバブラッググレーティングセンサ２４ｂはシングルモードファイバ２２ｃにより接続され、光ファイバブラッググレーティングセンサ２４ｂと光ファイバブラッググレーティングセンサ２４ｃはシングルモードファイバ２２ｄにより接続され、２×２カプラ２３とチューナブルフィルタ２５はシングルモードファイバ２２ｅにより接続され、、チューナブルフィルタ２５とと検出器２７とはシングルモードファイバ２２ｆにより接続されている。
【００１１】
広帯域光源２１から出射された光波Ｖは、シングルモードファイバ２２ａを介して２×２カプラ２３に入射し、２×２カプラ２３で分岐され、一方はシングルモードファイバ２２ｂ〜２２ｄを介して伝送される。広帯域光源２１から出射された光波Ｖがシングルモードファイバ２２ｂ〜２２ｄにより伝送されると、シングルモードファイバ２２ｂ〜２２に設けられている光ファイバブラッググレーティングセンサ２４ａ〜２４ｃにより後方散乱光Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃが生成される。この結果、シングルモードファイバ２２ｂ〜２２ｄを通過した光波は、波長λB1、λB2、λB3の部分が減衰したものとなる。
【００１２】
光ファイバブラッググレーティングセンサ２４ａ〜２４ｃにより生成された後方散乱光Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃは、シングルモードファイバ２２ｂ〜２２ｄを逆行して、２×２カプラに入射し、シングルモードファイバ２２ｅを介してチューナブルフィルタ２５に伝送される。チューナブルフィルタ１０３は、ファブリペロー干渉計などで構成され、２枚のハーフミラーの間隔を光チューナブルフィルタ駆動回路２６で制御することにより、透過波長特性を決定することができる。
【００１３】
すなわち、チューナブルフィルタ２５として用いられるファブリペロー干渉計は、２枚のハーフミラーを圧電素子等で駆動することにより、可変フィルタとしての性能を持つようになる。この結果、ファブリペロー干渉計のハーフミラーの間隔と検出器２７の出力を信号処理回路２８で同期させることにより、光スペクトラムを計測することができる。そして、この光スペクトラムから波長変化を計算することにより、各センサでの温度を計測することができる。
【００１４】
ここで、光ファイバブラッググレーティングセンサ２４ａ〜２４ｃの温度に対する感度は、ファイバの線膨張係数と屈折率変化により決定され、通常は０．０１ｎｍ／℃程度である。
【００１５】
この感度は、ファイバの材料を変えることにより向上させることができるが、光ファイバブラッググレーティングは、感光性ファイバにしか製造できないことから、ファイバの材料を自由に変えることは困難である。
【００１６】
このため、光ファイバブラッググレーティングセンサシステムにおける温度分解能を向上させるには、チューナブルフィルタ２５として用いられるファブリペロー干渉計の波長分解能を向上させることが必要になる。例えば、熱電対などの温度分解能０．１℃と同レベルの性能を光ファイバブラッググレーティングセンサシステムで実現するには、ファブリペロー干渉計の波長分解能は、０．００１ｎｍ＝１ｐｍが必要となる。
【００１７】
ファブリペロー干渉計の波長分解能は、以下の式で与えられる。
ＦＷＨＭ＝ＦＳＲ／Ｆ                                    ・・・（２）
ここで、図９に示すように、ＦＷＨＭは透過する光の半値全幅、ＦＳＲはフリースペクトルレンジで隣接する透過ピークの周波数間隔、Ｆは透過ピークのコントラストを表すパラメータでフィネスである。なお、フィネスＦは、通常、２０程度である。
【００１８】
また、周波数間隔ＦＳＲは、入射波長をλ、ミラー間の屈折率をｎ、ミラー面の間隔をｄとすると、以下の式で与えられる。
ＦＳＲ＝λ2 ／（２ｎｄ）                                ・・・（３）
（２）及び（３）式から明らかなように、例えば、ミラー間に空気が存在し、入射波長λが１５５０ｎｍの条件で、１ｐｍの分解能を得ようとすると、ミラー間隔ｄを７７．５ｎｍの分解能で制御することが必要となる。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光ファイバブラッググレーティングセンサシステムでは、ファブリペロー干渉計の２枚のミラーに対する高精度の平行度が要求されることから、平行度を保ちつつミラーを７７．５ｎｍの分解能で可動させることは非常に困難であるという問題があった。
【００２０】
また、ファブリペロー干渉計のミラーの可動位置は、透過波長の絶対値を示すことから、ファブリペロー干渉計のミラー間隔を高精度に計測しなければならないという問題があった。
【００２１】
さらに、波長分解能を向上させるために信号処理で平均化を行う必要があり、応答速度が下がるという問題があった。
また、機械的な可動部があるので、そのヒステリシス、温度特性及び経時変化等の考慮が必要であるという問題があった。。
【００２２】
そこで、本発明は、機械的な可動部を伴うことなく、波長を精度よく検出することが可能な波長検出装置を提供することである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明によれば、計測用光ファイバブラッググレーティングセンサからの反射光である計測光（光ファイバの歪に応じてブラッグ波長の変化する光）を、参照光出力手段からの参照光（計測光の周波数とはわずかに異なる安定した周波数の光）と干渉させて、それらの周波数差に応じたビート信号を生成させ、このビート信号に基づいて計測光の波長変化を検出するようにしている。
【００２４】
このように、計測用光ファイバブラッググレーティングセンサからの計測光の波長変化を、計測光と参照光との波長差に対応したビート信号として検出するようにすると、このビート信号の周波数は、光の周波数に比べて遙かに小さく、ビート信号の周波数を電気的に直接測定することが可能であることから、このビート信号の周波数を電気的に直接測定することにより、ファブリペロー干渉計などの機械的な精度の要求される光学装置を用いることなく、計測用光ファイバブラッググレーティングセンサからの計測光の波長変化を高精度に測定することが可能となる。
【００２５】
また、本発明の一態様によれば、前記参照光出力手段は、前記光源からの出力光を入力し、光ファイバの歪に対してブラッグ波長の安定した光を前記参照光として出力する参照用光ファイバブラッググレーティングセンサである。
このことにより、上記計測光と上記参照光を単一の光源から生成することが可能となり、単一の光源を用いただけで、計測用光ファイバブラッググレーティングセンサからの計測光を参照光と干渉させることが可能となることから、波長検出装置を簡略化して構成することが可能となる。
【００２６】
また、本発明の一態様によれば、前記計測用光ファイバブラッググレーティングセンサは複数設けられており、これら複数の計測用光ファイバブラッググレーティングセンサからの計測光を切り換える光スイッチを更に備えている。
このことにより、単一の光源及び単一の参照用光ファイバブラッググレーティングセンサを用いただけで、複数の箇所における波長変化を高精度に測定することが可能となる。
【００２７】
また、本発明の一態様によれば、前記複数の計測用光ファイバブラッググレーティングセンサのうちの幾つかは、互いにブラッグ波長が異なり、かつ、直列に接続されている。
このことにより、計測用光ファイバブラッググレーティングセンサの数に対応した光ファイバを敷設することなく、複数の箇所における波長変化を高精度に測定することが可能となる。
【００２８】
また、本発明の一態様によれば、Ｎ個（Ｎは２以上の整数）の計測用光ファイバブラッググレーティングセンサのそれぞれに対応させてＮ個の参照用光ファイバブラッググレーティングセンサを設け、これらのセンサからの計測光と参照光を干渉させてＮ個のビート信号を生成させ、このＮ個のビート信号を波長選択素子を用いてブラッグ波長ごとに選択するようにしている。
【００２９】
このことにより、１本の光ファイバ上における波長変化の測定個所の個数を容易に増加させることが可能となるとともに、複数の点における波長変化を同時に測定することが可能となる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例に係わる波長検出装置について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１実施例に係わる波長検出装置の構成を示す図である。図１において、１はスーパールミネセンスダイオードや発光ダイオードなどの広帯域光源、２ａ〜２ｉはシングルモードファイバ、３は入射光を２つに分岐する２×２カプラ、４ａ〜４ｅは光ファイバブラッググレーティングセンサ、５は１×Ｎ光スイッチ、６は温度に対するブラッグ波長変化を抑えた参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ、７は光ファイバブラッググレーティングセンサ４ａ〜４ｅの反射光の波長を測定可能な波長感度を有するフォトダイオードなどの光検出器、８は１×Ｎ光スイッチを切り換えたり、光検出器７の出力を処理したりする信号処理回路である。
【００３１】
ここで、直列接続されている光ファイバブラッググレーティングセンサ４ａ、４ｃのブラッグ波長は互いに異なるように設定されるとともに、直列接続されている光ファイバブラッググレーティングセンサ４ｄ、４ｄのブラッグ波長は互いに異なるように設定される。なお、異なるシングルモードファイバ２ｅ、２ｆ、２ｈに接続されている光ファイバブラッググレーティングセンサ４ａ、４ｂ、４ｄのブラッグ波長は互いに異なるように設定してもよいが、同一のブラッグ波長に設定するようにしてもよい。
【００３２】
光検出器７は、波長帯域が１０００〜１６００ｎｍ程度で、周波数応答特性が３ＧＨｚ程度以上あるものが望ましく、長距離光ファイバ通信システム用受光素子などを用いることができる。
【００３３】
参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ６は、例えば、ＩＮＤＸ社のＵｌｔｒａ  ｓｔａｂｌｅ  Ｉｎ−Ｆｉｂｒｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｆｉｌｔｅｒなどを用いることができる。
【００３４】
図２は、ＩＮＤＸ社のＵｌｔｒａ  ｓｔａｂｌｅ  Ｉｎ−Ｆｉｂｒｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｆｉｌｔｅｒの温度に対するブラッグ波長変化を示す図である。図２に示すように、温度補償がされていない通常の光ファイバブラッググレーティングセンサ４ａ〜４ｅの温度に対する感度が９．６ｐｍ／℃であるのに対し、Ｕｌｔｒａ  ｓｔａｂｌｅ  Ｉｎ−Ｆｉｂｒｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｆｉｌｔｅｒの温度に対する感度は０．１ｐｍ／℃である。従って、このＵｌｔｒａ  ｓｔａｂｌｅ  Ｉｎ−Ｆｉｂｒｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ  Ｆｉｌｔｅｒは周囲温度に対して非常に安定した波長変化特性を持っており、参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ６として使用することが可能である。
【００３５】
広帯域光源１と２×２カプラ３はシングルモードファイバ２ａにより接続され、２×２カプラ３と１×Ｎ光スイッチ５はシングルモードファイバ２ｂにより接続され、光ファイバブラッググレーティングセンサ４ａと１×Ｎ光スイッチ５はシングルモードファイバ２ｅにより接続され、光ファイバブラッググレーティングセンサ４ｂと１×Ｎ光スイッチ５はシングルモードファイバ２ｆにより接続され、光ファイバブラッググレーティングセンサ４ｂと光ファイバブラッググレーティングセンサ４ｃはシングルモードファイバ２ｇにより接続され、光ファイバブラッググレーティングセンサ４ｄと１×Ｎ光スイッチ５はシングルモードファイバ２ｈにより接続され、光ファイバブラッググレーティングセンサ４ｄと光ファイバブラッググレーティングセンサ４ｅはシングルモードファイバ２ｉにより接続され、参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ６と２×２カプラ３はシングルモードファイバ２ｄにより接続され、２×２カプラ３と光検出器７とはシングルモードファイバ２ｃにより接続され、１×Ｎ光スイッチ５及び光検出器７は信号処理回路８と接続されている。
【００３６】
広帯域光源１から出射された光波Ｖは、シングルモードファイバ２ａを介して２×２カプラ３に入射し、２×２カプラ３で分岐され、一方はシングルモードファイバ２ｂを介して１×Ｎ光スイッチ５に伝送され、他方はシングルモードファイバ２ｄを介して参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ６に伝送される。
【００３７】
２×２カプラ３から出射された光が１×Ｎ光スイッチ５に伝送されると、１×Ｎ光スイッチ５で切り換えられたシングルモードファイバ２ｅ、２ｆ、２ｈに伝送され、シングルモードファイバ２ｅ〜２ｉに設けられている光ファイバブラッググレーティングセンサ４ａ〜４ｅにより後方散乱光が生成される。光ファイバブラッググレーティングセンサ４ａ〜４ｅにより生成された後方散乱光は、シングルモードファイバ２ｅ〜２ｉを逆行して、１×Ｎ光スイッチ５に入射し、シングルモードファイバ２ｂを介して２×２カプラ３に入射する。
【００３８】
例えば、１×Ｎ光スイッチ５がシングルモードファイバ２ｈに切り換えられている場合は、光ファイバブラッググレーティングセンサ４ｄにより後方散乱光Ｖ1 が生成されるとともに、光ファイバブラッググレーティングセンサ４ｅにより後方散乱光Ｖ3 が生成され、これらの後方散乱光Ｖ1 、Ｖ3 が２×２カプラ３に入射する。、
一方、２×２カプラ３から出射された光が参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ６に伝送されると、参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ６により後方散乱光Ｖ2 が生成される。参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ６により生成された後方散乱光Ｖ2 は、シングルモードファイバ２ｄを逆行し、２×２カプラ３に入射する。
【００３９】
光ファイバブラッググレーティングセンサ４ｄ、４ｅにより生成された後方散乱光Ｖ1 、Ｖ3 及び参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ６により生成された後方散乱光Ｖ2 が２×２カプラ３に入射すると、後方散乱光Ｖ1 、Ｖ3 及び後方散乱光Ｖ2 が干渉して、干渉光Ｖ1 ＋Ｖ2 及び干渉光Ｖ1 ＋Ｖ3 が生成される。これらの干渉光Ｖ1 ＋Ｖ2 及び干渉光Ｖ1 ＋Ｖ3 は、シングルモードファイバ２ｃを介して光検出器７に入射する。光検出器７は、干渉光Ｖ1 ＋Ｖ2 のビート信号及び干渉光Ｖ1 ＋Ｖ3 のビート信号をそれぞれ検出し、信号処理回路８がこれらのビート信号をそれぞれ別々に処理することにより、複数箇所の温度計測が行われる。
【００４０】
図３は、本発明の一実施例に係わる波長検出装置のヘテロダイン干渉を説明する図である。
図３において、光ファイバブラッググレーティングセンサ４ｄの後方散乱光Ｖ1 及び参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ６の後方散乱光Ｖ2 は非常に狭帯域であることから、レーザ光線などのように非常に単色性の良い光とみなすことができ、電波と同様に電場の正弦波波動と考えることができる。
【００４１】
そして、伝搬する２つのわずかに周波数の異なる光波を重ね合わせると、２つの周波数差のゆっくりした波動（ビート）が合成波のエネルギー密度に現れる。この現象は、光ヘテロダイン検波で用いられる考え方と同様に扱うことができる。すなわち、わずかの周波数偏移Δωがある２つの光波Ｖ1 （ｘｔ）、Ｖ2 （ｘｔ）は、以下の式で示される。
【００４２】
Ｖ1 （ｘｔ）＝ａ1 （ｘ）・ｅｘｐｉ｛ωｔ＋φ1 （ｘ）｝  ・・・（４）
Ｖ2 （ｘｔ）＝ａ2 （ｘ）・ｅｘｐｉ｛（ωｔ＋Δω）ｔ＋φ2 （ｘ）｝・・・（５）
ここで、ａ1 （ｘ）、ａ2 （ｘ）はそれぞれ光波Ｖ1 （ｘｔ）、Ｖ2 （ｘｔ）の振幅、φ1 （ｘ）、φ2 （ｘ）はそれぞれ光波Ｖ1 （ｘｔ）、Ｖ2 （ｘｔ）の位相、ωは参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ６の後方散乱光Ｖ2 の角周波数である。
【００４３】
これらの２つの光波Ｖ1 （ｘｔ）、Ｖ2 （ｘｔ）の合成波Ｖ1 （ｘｔ）＋Ｖ2 （ｘｔ）は、干渉した結果として光検出器７に入射するが、光の周波数１０14Ｈｚは周波数が高すぎて応答することができない。このため、以下の式で示す強度Ｉのビート信号が光検出器７で検出される。
【００４４】
0003663903.tif 000002
（６）式により、ビート信号の周波数は、Δωの角周波数差のビートにより決定され、図３（ｃ）に示すように、ビート信号の周波数は光の周波数より低くなる。
【００４５】
ここで、このビート信号の周波数は、フォトダイオードなどで直接測定可能な範囲にあり、このビート信号の周波数をフォトダイオードなどで直接測定することにより、光波Ｖ2 （ｘｔ）の波長を基準として光波Ｖ1 （ｘｔ）の波長を計算で求めることが可能となる。この結果、光波Ｖ1 （ｘｔ）の波長を求めるために、ファブリペロー干渉系などの光学機器を用いて光波Ｖ1 （ｘｔ）の波長を直接測定する必要がなくなり、波長測定装置を簡易なものにすることができる。
【００４６】
なお、光速をｃ、波長をλ、周波数をｆとすると、これらの関係は以下の式で示される。
ｃ＝ｆλ                                                ・・・（７）
ω＝２πｆ                                              ・・・（８）
例えば、参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ６のブラッグ波長が１５００ｎｍに設定され、光ファイバブラッググレーティングセンサ４ａのブラッグ波長が２０℃で１５００ｎｍを示すように設定され、光ファイバブラッググレーティングセンサ４ａの温度に対する感度が０．０１ｎｍ／℃であるものとし、参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ６の感度は温度に対して安定化されているものとする。
【００４７】
この場合、光ファイバブラッググレーティングセンサ４ａの温度が２０．１℃になると、光ファイバブラッググレーティングセンサ４ａのブラッグ波長は１５００．００１ｎｍとなる。一方、参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ６は、温度が２０．１℃になっても、ブラッグ波長はほとんど変化しない。
【００４８】
このため、温度が０．１℃だけ上昇すると、これらの反射光について１ｐｍの波長差が発生し、光ファイバブラッググレーティングセンサ４ｄにより生成された１５００．００１ｎｍの波長の反射光と、参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ６により生成された１５００ｎｍの波長の反射光とが、２×２カプラ３を介して光検出器７に入射すると、これらの反射光が干渉した結果、１ｐｍの波長差に対応する１３３ＭＨｚの周波数の電気信号が計測される。
【００４９】
この１３３ＭＨｚの周波数はスペクトラムアナライザで十分に計測できる範囲にあり、スペクトラムアナライザの周波数分解能を上げることにより、温度分解能を向上できる。
【００５０】
このように、参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ６の反射光と光ファイバブラッググレーティングセンサ４ａ〜４ｅの反射光を干渉させて波長変化を検出することにより、機械的な可動部を必要とすることなく、高精度な波長変化の計測することが可能となるとともに、光ファイバ自体が耐環境性に優れていることから、ヒステリシスや温度特性等の補正を行わずに容易に波長検出を行うことが可能となる。
【００５１】
また、１×Ｎ光スイッチ５で２×２カプラ３に入射する反射光を切り換えることにより、光ファイバブラッググレーティングセンサ４ａ、４ｂ、４ｄからの反射光をそれぞれ別々にして、参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ６からの反射光と干渉させることが可能となり、光ファイバブラッググレーティングセンサ４ａ、４ｂ、４ｄのブラッグ波長を同一に設定することが可能となることから、波長計測箇所の個数を容易に増加させることが可能となるとともに、広帯域光源１、２×２カプラ３及び参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ６を共用することが可能となり、装置を簡略化することが可能となる。
【００５２】
また、ブラッグ波長の異なる光ファイバブラッググレーティングセンサ４ｂと光ファイバブラッググレーティングセンサ４ｃとを直列に接続するとともに、ブラッグ波長の異なる光ファイバブラッググレーティングセンサ４ｄと光ファイバブラッググレーティングセンサ４ｅとを直列に接続し、光スイッチ５の各出力に対して複数の光ファイバブラッググレーティングセンサを割り当ることにより、周波数検出回路で計測可能な範囲において、１本の光ファイバを用いただけで複数箇所の測定が可能となる。
【００５３】
なお、図１の実施例では、２×２カプラ３を用いて光を結合するようにしているが、サーキュレータを用いるようにしてもよく、光ファイバから一旦光を出射させ、コリメータレンズを用いて平行光にし、光ファイバブラッググレーティングセンサ４ａ〜４ｅからの光と参照用光ファイバブラッググレーティング６からの光をハーフミラー等で干渉させてから、光検出器７で計測するようにしてもよい。
【００５４】
次に、本発明の第２実施例に係わる波長検出装置について説明する。
図４は、本発明の第２実施例に係わる波長検出装置の構成を示す図である。図４において、１１はスーパールミネセンスダイオードや発光ダイオードなどの広帯域光源、１２ａ〜２ｈはシングルモードファイバ、１３は入射光を２つに分岐する２×２カプラ、１４ａ〜１４ｃは光ファイバブラッググレーティングセンサ、１５ａ〜１５ｃは温度に対するブラッグ波長変化を抑えた参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ、１６は光ファイバから出射した光をコリメートするレンズ、１７ａ〜１７ｃは多層膜フィルタなどの特定波長域の光を取り出す波長選択素子、１８ａ〜１８ｃは光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ａ〜１４ｃからの反射光の波長を測定可能な波長感度を有するフォトダイオードなどの光検出器、１９は光検出器１８ａ〜１８ｃの出力を処理する信号処理回路である。
【００５５】
なお、光検出器１８ａ〜１８ｃは、波長帯域が１０００〜１６００ｎｍ程度で、周波数応答特性が３ＧＨｚ程度以上あるものが望ましく、長距離光ファイバ通信システム用受光素子などを用いることができる。
【００５６】
ここで、直列接続されている光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ａ〜１４ｃのブラッグ波長は互いに異なるように設定されるとともに、参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ａ〜１５ｃのブラッグ波長は、光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ａ〜１４ｃのブラッグ波長の近傍にそれぞれ設定される。
【００５７】
また、波長選択素子１７ａの波長選択範囲は、光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ａからの反射光及び参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ａからの反射光を選択可能な範囲に設定され、波長選択素子１７ｂの波長選択範囲は、光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ｂからの反射光及び参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ｂからの反射光を選択可能な範囲に設定され、波長選択素子１７ｃの波長選択範囲は、光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ｃからの反射光及び参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ｃからの反射光を選択可能な範囲に設定される。
【００５８】
図５は、本発明の第２実施例に係わる光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ａ、１４ｂ及び参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ａ、１５ｂの反射光の波長設定方法を示す図である。
【００５９】
図５において、光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ａのブラッグ波長と光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ｂのブラッグ波長は互いに異なるように設定され、光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ａの温度測定範囲におけるブラッグ波長の変化領域と光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ｂの温度測定範囲におけるブラッグ波長の変化領域とが互いに重ならないようにされる。
【００６０】
また、参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ａのブラッグ波長は、光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ａのブラッグ波長の近傍に設定され、参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ｂのブラッグ波長は、光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ｂのブラッグ波長の近傍に設定される。
【００６１】
さらに、波長選択素子１７ａの反射領域は、光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ａの温度変化によるブラッグ波長の変化領域及び参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ａのブラッグ波長を含む範囲に設定され、波長選択素子１７ｂの反射領域は、光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ｂの温度変化によるブラッグ波長の変化領域及び参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ｂのブラッグ波長を含む範囲に設定される。
【００６２】
図４において、広帯域光源１１と２×２カプラ１３はシングルモードファイバ１２ａにより接続され、２×２カプラ１３と光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ａはシングルモードファイバ１２ｂにより接続され、光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ａと光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ｂはシングルモードファイバ１２ｃにより接続され、光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ｂと光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ｃはシングルモードファイバ１２ｄにより接続され、２×２カプラ１３と参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ａはシングルモードファイバ１２ｆにより接続され、参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ａと参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ｂはシングルモードファイバ１２ｇにより接続され、参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ｂと参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ｃはシングルモードファイバ１２ｈにより接続され、２×２カプラ１３とレンズ１６はシングルモードファイバ１２ｅにより接続されている。
【００６３】
また、レンズ１６から出射する光線の光路には波長選択素子１７ａ〜１７ｃが設置され、波長選択素子１７ａの反射光の光路には光検出器１８ａが設置され、波長選択素子１７ｂの反射光の光路には光検出器１８ｂが設置され、波長選択素子１７ｃの反射光の光路には光検出器１８ｃが設置され、光検出器１８ａ〜１８ｃはそれぞれ信号処理回路１９に接続されている。
【００６４】
広帯域光源１１から出射された光波Ｖは、シングルモードファイバ１２ａを介して２×２カプラ１３に入射し、２×２カプラ１３で分岐され、一方はシングルモードファイバ１２ｂ〜１２ｄを介して光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ａ〜１４ｃに伝送され、他方はシングルモードファイバ１２ｆ〜１２ｈを介して参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ａ〜１５ｃに伝送される。
【００６５】
２×２カプラ１３で分岐された光がシングルモードファイバ１２ｂ〜１２ｄに伝送されると、シングルモードファイバ１２ｂ〜１２ｄに設けられている光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ａ〜１４ｃにより後方散乱光Ｖ1a〜Ｖ1cが生成される。光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ａ〜１４ｃにより生成された後方散乱光Ｖ1a〜Ｖ1cは、シングルモードファイバ１２ｂ〜１２ｄを逆行して、２×２カプラ１３に入射する。
【００６６】
一方、２×２カプラ１３で分岐された光がシングルモードファイバ１２ｆ〜１２ｈに伝送されると、シングルモードファイバ１２ｆ〜１２ｈに設けられている参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ａ〜１５ｃにより後方散乱光Ｖ2a〜Ｖ2bが生成される。参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ａ〜１５ｃにより生成された後方散乱光Ｖ2a〜Ｖ2bは、シングルモードファイバ１２ｆ〜１２ｈを逆行し、２×２カプラ１３に入射する。
【００６７】
光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ａ〜１４ｃにより生成された後方散乱光Ｖ1a〜Ｖ1c及び参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ａ〜１５ｃにより生成された後方散乱光Ｖ2a〜Ｖ2bが２×２カプラ１３に入射すると、後方散乱光Ｖ1a〜Ｖ1c及び後方散乱光Ｖ2a〜Ｖ2bがそれぞれ干渉して、干渉光Ｖ1a＋Ｖ2a、干渉光Ｖ1b＋Ｖ2b及び干渉光Ｖ1c＋Ｖ2cが生成される。これらの干渉光Ｖ1a＋Ｖ2a、干渉光Ｖ1b＋Ｖ2b及び干渉光Ｖ1c＋Ｖ2cは、シングルモードファイバ１２ｅを介してレンズ１６に入射し、このレンズ１６によりコリメートされて出射される。
【００６８】
レンズ１６から出射された干渉光Ｖ1a＋Ｖ2a、干渉光Ｖ1b＋Ｖ2b及び干渉光Ｖ1c＋Ｖ2cのうち、干渉光Ｖ1a＋Ｖ2aは波長選択素子１７ａで反射され、光検出器１８ａに入射する。一方、干渉光Ｖ1b＋Ｖ2b及び干渉光Ｖ1c＋Ｖ2cは波長選択素子１７ａを透過し、波長選択素子１７ｂに入射する。波長選択素子１７ｂに入射した干渉光Ｖ1b＋Ｖ2b及び干渉光Ｖ1c＋Ｖ2cのうち、干渉光Ｖ1b＋Ｖ2bは波長選択素子１７ｂで反射され、光検出器１８ｂに入射する。一方、干渉光Ｖ1c＋Ｖ2cは波長選択素子１７ｂを透過し、波長選択素子１７ｃに入射する。波長選択素子１７ｃに入射した干渉光Ｖ1c＋Ｖ2cは波長選択素子１７ｃで反射され、光検出器１８ｃに入射する。
【００６９】
光検出器１８ａは干渉光Ｖ1a＋Ｖ2aのビート信号を検出し、光検出器１８ｂは干渉光Ｖ1b＋Ｖ2bのビート信号を検出し、光検出器１８ｃは干渉光Ｖ1c＋Ｖ2cのビート信号を検出する。そして、信号処理回路１９がこれらのビート信号を処理することにより、複数箇所の温度計測が同時に実現される。
【００７０】
このように、光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ａ〜１４ｃの各ブラッグ波長に対応した参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ１５ａ〜１５ｃを設けることにより、多数の光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ａ〜１４ｃを直列に接続することが可能となり、光ファイバブラッググレーティングセンサ１４ａ〜１４ｃの数に応じた光ファイバを敷設することなく、１本の光ファイバによる多数箇所の温度計測を高精度かつ同時に行うことが可能となる。
【００７１】
以上、本発明の実施例について説明したが、本発明は上述した実施例に限定されることなく、本発明の技術的思想の範囲内で他の様々の変更が可能である。例えば、上述した実施例では、光ファイバブラッググレーティングセンサの反射光を参照用光ファイバブラッググレーティングセンサの反射光と干渉させる場合について説明したが、光ファイバブラッググレーティングセンサの反射光をレーザー光線などのコヒーレンス性のよい光と干渉させるようにしてもよい。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光ファイバブラッググレーティングセンサからの反射光を参照光と干渉させることにより、光ファイバブラッググレーティングセンサからの反射光の波長変化を、反射光と参照光での波長差に対応したビート信号として検出することが可能となり、ビート信号の周波数を電気的に直接測定することにより、ファブリペロー干渉計などの機械的な精度の要求される光学装置を用いることなく、光ファイバブラッググレーティングセンサからの反射光の波長変化を高精度に測定することが可能となる。
【００７３】
また、本発明の一態様によれば、光ファイバブラッググレーティングセンサからの反射光を参照用光ファイバブラッググレーティングセンサからの反射光と干渉させることにより、単一の光源を用いただけで、光ファイバブラッググレーティングセンサからの反射光を参照光と干渉させることが可能となり、装置を簡略化することが可能となる。
【００７４】
また、本発明の一態様によれば、複数の光ファイバブラッググレーティングセンサからの反射光を切り換えて干渉させることにより、単一の光源及び単一の参照用光ファイバブラッググレーティングセンサを用いただけで、複数の箇所における波長変化を高精度に測定することが可能となる。
【００７５】
また、本発明の一態様によれば、ブラッグ波長の異なる複数の光ファイバブラッググレーティングセンサを直列に接続することにより、１本の光ファイバを敷設するだけで、複数の箇所における波長変化を高精度に測定することが可能となる。
【００７６】
また、本発明の一態様によれば、Ｎ個の光ファイバブラッググレーティングセンサのそれぞれに対応させてＮ個の参照用光ファイバブラッググレーティングセンサを設けることにより、１本の光ファイバ上における波長変化の測定個所を容易に増加させることが可能となるとともに、複数の点における波長変化を同時に測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係わる波長検出装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の一実施例に係わる参照用光ファイバブラッググレーティングセンサについての温度に対するブラッグ波長変化を示す図である。
【図３】本発明の一実施例に係わる波長検出装置のヘテロダイン干渉を説明する図である。
【図４】本発明の第２実施例に係わる波長検出装置の構成を示す図である。
【図５】本発明の第２実施例に係わる光ファイバブラッググレーティングセンサ及び参照用光ファイバブラッググレーティングセンサの反射光の波長設定方法を示す図である。
【図６】従来の光ファイバーグレーティングの生成方法を説明する図である。
【図７】従来の光ファイバーグレーティングセンサの動作を説明する図である。
【図８】従来の光ファイバーグレーティングセンサシステムの構成を示す図である。
【図９】従来のファブリペロー干渉計の最小分解能を説明する図である。
【符号の説明】
１、１１  広帯域光源
２ａ〜２ｉ、１２ａ〜１２ｈ  シングルモードファイバー
３、１３  ２×２カプラ
４ａ〜４ｅ、１４ａ〜１４ｃ  光ファイバブラッググレーティングセンサ
５  １×Ｎ光スイッチ
６、１５ａ〜１５ｃ  参照用光ファイバブラッググレーティングセンサ
７、１８ａ〜１８ｃ  検出器
８、１９  信号処理回路
１６  コリメータレンズ
１７ａ〜１７ｃ  波長選択素子
【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】
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【図９】
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