(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ブラッグ回折格子が形成され、前記ブラッグ回折格子からの反射光の波長を検出して前記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、
前記ブラッグ回折格子からの反射光を、チャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子に入射させ、このチャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子により分光された光を、その焦点位置に配置され、かつ波長に対する感度が異なる第１、第２の検出器アレイによって受光し、これらの第１、第２の検出器アレイのそれぞれの受光素子による光電流の比の対数に基づいて前記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】
請求項１記載の波長計測装置において、
波長に対する感度が同じである検出器アレイの一方に光学フィルタを付加して第１の検出器アレイを形成し、他方の検出器アレイはそのまま第２の検出器アレイとして第１、第２の検出器アレイの波長に対する感度を異ならせることを特徴とする波長計測装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の波長計測装置において、
チャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子により分光された光を、第１、第２の検出器アレイにより時分割的に受光することを特徴とする波長計測装置。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項に記載した波長計測装置において、
チャープドアンドブレーズド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チャープドアンドブレーズド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６は、従来技術としての、光ファイバ上を伝送する光のスペクトラムを測定する波長計測装置である。
図６において、１は後述するチャープ及びブレーズの両方の特性を有するチャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子（以下、Ｃ＆ＢＦＢＧという）、２は光ファイバ４と屈折率が等しいプリズム、３は２５６個の受光素子がアレイ化されている検出器アレイである。
【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。
これにチャープ特性（ファイバの長手方向に沿って徐々に屈折率変化の周期間隔を変えていく特性）と、ブレーズ特性（屈折率変化の周期間隔をファイバの断面方向に対して傾斜角度を持って形成する特性）とを持たせれば、Ｃ＆ＢＦＢＧを形成することができる。
すると、図７（ａ）のように、光ファイバ４の長手方向に沿って徐々に波長が変化しながら光ファイバ４から光が放射していく分光器としての機能を得ることができる。同時に、図７（ｂ）に示すように、同じ周期間隔のブラッグ回折格子の位置によっても、ブラッグ回折角度により反射波長が異なるようになる。
【０００４】
図６に示したように、これらの反射光が焦点を結ぶ位置に検出器アレイ３を設置することで、特定波長のパワーを測定することができる。この検出器アレイ３の各受光素子が特定波長のパワーを示すので、アレイ３に沿って描画すれば光ファイバ４への入射光のスペクトラムが得られる。この技術に関する論文としては、「Ｆｉｂｅｒ  ｇｒａｔｉｎｇ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｐｅｃｔｒｕｍ  ａｎａｌｙｚｅｒ  Ｔａｐ」（Ｊｅｆｆｅｒｓｏｎ  Ｌ．Ｗａｇｅｎｅｒ  ｅｔ．ａｌ，  ＥＣＯＣ’９７，２２−２５  Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  １９９７，Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｎｏ．４４８  ）等が知られている。
この技術では、計測範囲１４〔ｎｍ〕に対して２５６個の受光素子を用いているので、分解能は最大でも０．０５〔ｎｍ〕である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術において、波長の計測分解能を上げるには、検出器アレイ３の受光素子の間隔を小さくするか、Ｃ＆ＢＦＢＧの設計を変えることが考えられる。
しかし、受光素子の間隔を小さくする方法によると、波長の計測範囲が狭くなるため、これを補うには分解能を上げた分だけ受光素子の数を増やす必要がある。つまり、広い波長計測範囲及び高分解能を同時に得ることが困難であった。
また、Ｃ＆ＢＦＢＧの設計を変更することはコスト等の関係から実用的ではない。
【０００６】
そこで本発明は、受光素子の間隔変更や設計変更等の手段によらず、広い波長範囲にわたって高分解能で計測可能とした波長計測装置を提供しようとするものである。
【０００７】
【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ブラッグ回折格子が形成され、前記ブラッグ回折格子からの反射光の波長を検出して前記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、
前記ブラッグ回折格子からの反射光をＣ＆ＢＦＢＧに入射させ、このＣ＆ＢＦＢＧにより分光された光を、その焦点位置に設置され、かつ波長に対する感度が異なる第１、第２の検出器アレイによって受光し、これらの第１、第２の検出器アレイのそれぞれの受光素子（フォトダイオード）による光電流の比の対数に基づいて前記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。
【０００８】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の波長計測装置において、
波長に対する感度が同じである検出器アレイの一方に光学フィルタを付加して第１の検出器アレイを形成し、他方の検出器アレイはそのまま第２の検出器アレイとして第１、第２の検出器アレイの波長に対する感度を異ならせるものである。
【０００９】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の波長計測装置において、
Ｃ＆ＢＦＢＧにより分光された光を、第１、第２の検出器アレイにより時分割的に受光するものである。
【００１０】
請求項４記載の発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した波長計測装置において、
Ｃ＆ＢＦＢＧ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を動作させてＣ＆ＢＦＢＧの温度を一定に保つことにより、波長計測精度を向上させるものである。
【００１１】
【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、本発明においては論文「Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｌａｓｅｒｓ：  ｐｒｅｃｉｓｅ  ｂｕｔ  ｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅ」（Ｊａｎ  Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ  Ｂｒａａｓｃｈ  ｅｔ．ａｌ，  Ｏｐｔｉｃａｌ    Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ  １９９５）に記載された波長の決定原理を利用する。
以下、この原理について説明する。
【００１２】
上述した文献によれば、図４のグラフに示したような波長感度の異なる一対のフォトダイオード（電極Ａ１−Ｃ間に形成されるダイオードをダイオードＡ１Ｃ、電極Ａ２−Ｃ間に形成されるダイオードをダイオードＡ２Ｃとする）と高精度ログアンプからなるセンサに単色光を照射した場合、センサの出力Ｗは数式１によって表される。
【００１３】
【数１】
0003632825.tif 000002
【００１４】
ここで、Ｉ１，Ｉ２は各ダイオードＡ１Ｃ，Ａ２Ｃによる光電流、Ｓ１（λ），Ｓ２（λ）は各ダイオードＡ１Ｃ，Ａ２Ｃの波長依存感度、φ（λ）は照射光の波長依存強度分布、Δλは照射光波長のバンド幅である。
すなわち、φ（λ）の波長依存強度分布を持つ照射光がＳ１（λ），Ｓ２（λ）の波長依存感度を持つフォトダイオードＡ１Ｃ，Ａ２Ｃに入射した場合、光センサの出力Ｗは、各ダイオードＡ１Ｃ，Ａ２Ｃについての積φ（λ）Ｓ１（λ），φ（λ）Ｓ２（λ）をバンド幅Δλにわたって積分した値（つまり光電流Ｉ１，Ｉ２）の比のｌｏｇを取ることで求められる。
そして、照射光の出力が所定の範囲内では、照射光の波長ごとに、ｌｏｇ（Ｉ１／Ｉ２）がほぼ一定になり、そのときの照射光波長は数式２で表されることが記載されている。
【００１５】
【数２】
λ＝ａ０ｌｏｇ（Ｉ１／Ｉ２）＋ａ１        （ａ０，ａ１は定数〔ｎｍ〕）
【００１６】
なお、図５は上記原理に基づく波長測定システムの構成図であり、３１はレーザ光源、３２は回転式偏光プリズム、３３はビームスプリッタ、３４は前述の一対のフォトダイオードＡ１Ｃ，Ａ２Ｃからなるダイオード装置、３５は光出力測定器、３６は上記数式１、数式２を演算する演算器である。
【００１７】
更に、上記文献によれば、各ダイオードの波長感度がほぼ直線的であるような波長範囲（例えば、図４における約６００〜約９００〔ｎｍ〕間の３００〔ｎｍ〕の範囲）では、０．１〔ｎｍ〕以下の間隔で波長測定が可能である。つまり、分解能としては１／３０００となる。
【００１８】
従って、本発明では、前述した数式１、数式２による波長測定原理を基本としたうえ、この測定原理を従来技術に適用して高分解能の波長計測装置を構成することとした。
【００１９】
図１は本発明の実施形態を示す構成図であり、図１（ａ）は主要部の正面図、図１（ｂ）は側面図を示す。
これらの図において、５は上面にＶ溝を有するファイバ固定Ｖブロックであり、上記Ｖ溝にはＣ＆ＢＦＢＧ１を有する光ファイバ４が配置される。光ファイバ４が配置された固定Ｖブロック５の上面には、光ファイバ４と同一の屈折率を有するプリズム２が配置される。
【００２０】
なお、図示されていないが、光ファイバ４の延長上にはセンサ用の複数のブラッグ回折格子が形成されており、本実施形態は、これらの複数のブラッグ回折格子からの反射光の波長を検出して各ブラッグ回折格子の位置における温度等の物理量を測定するシステムに適用可能である。
【００２１】
プリズム２の上面において、Ｃ＆ＢＦＢＧ１により分光され放射された光の焦点位置には、この光を受光できるように第１、第２の検出器アレイ３Ａ，３Ｂが並置されている。また、検出器アレイ３Ａ，３Ｂには演算部ＰＣが接続されており、この演算部ＰＣは光電流出力を用いて数式１、数式２の演算を行う。
ここで、両アレイ３Ａ，３Ｂは、図２に示すように長さ方向に沿って（光ファイバ４に沿って）それぞれ多数の受光素子（フォトダイオード）３１ａ，３１ｂが配置された構造である。各アレイ３Ａ，３Ｂの受光素子３１ａ，３１ｂは波長に対する感度が異なっており、図４に示したフォトダイオードＡ１Ｃ，Ａ２Ｃに相当している。
なお、図２の各アレイ３Ａ，３Ｂの周辺に示した回路記号において、５０ａ，５０ｂは受光素子３１ａ，３１ｂの電流出力を電圧出力に換算するアンプ、５１は受光素子３１ａ，３１ｂの光電流出力に基づき変換された二つの電圧出力の対数換算と差分出力を行う対数アンプであり、この回路図はこの対数比を出力する処理をイメージしたものである。
【００２２】
この実施形態では、波長に対する感度が異なる各アレイ３Ａ，３Ｂの受光素子３１ａ，３１ｂによりＣ＆ＢＦＢＧ１からの光を同時に受光し、それぞれの光電流出力に数式１、数式２を適用して波長を測定する。
ＦＷＨＭ（半値幅）が０．２〔ｎｍ〕のＦＢＧを使用して計測する場合、検出器アレイ３Ａ，３Ｂをそれぞれ１２８個の受光素子により構成して各受光素子が２〔ｎｍ〕の幅の分解能となるように予め設計したとすると、この波長計測装置の測定波長範囲は２〔ｎｍ〕×１２８＝２５６〔ｎｍ〕となり、受光素子３１ａ，３１ｂの組合せにより計測可能なそれぞれの２〔ｎｍ〕の範囲内では前述の数式１、数式２に基づき、高分解能で波長を測定することができる。
従って、本発明の課題である高分解能かつ広範囲の波長測定が可能となる。
【００２３】
なお、請求項２に記載するように、検出器アレイ３Ａ，３Ｂは、波長に対する感度が同じものを並置して一方の検出器アレイに光学フィルタを付加することにより、結果的に一方の検出器アレイと他方の検出器アレイとの波長感度を異ならせても良い。
【００２４】
また、検出器アレイ３Ａ，３Ｂをプリズム２の上面の所定位置に固定的に配置できない場合には、図３に示すごとく、水平に移動可能な駆動部材６に検出器アレイ３Ａ，３Ｂを一体的に固定したうえ、駆動部材６を水平に往復動させ、各検出器アレイ３Ａ，３Ｂの受光素子３１ａ，３１ｂに時分割的に受光させて光電流出力を得ることもできる。
この実施形態は、請求項３に記載した発明の実施形態に相当する。
【００２５】
なお、以上の各実施形態において、請求項４に記載するように、Ｃ＆ＢＦＢＧ１の温度を検出し、その温度検出信号に基づいてペルチェ素子等の温度制御素子を動作させることにより、Ｃ＆ＢＦＢＧの温度を一定に保って波長計測精度を向上させることができるのは言うまでもない。
【００２６】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、従来技術のように受光素子の間隔やＣ＆ＢＦＢＧの設計変更等にとらわれることなく、高分解能かつ測定範囲が広い低コストの波長計測装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示す主要部の構成図である。
【図２】図１における検出器アレイの説明図である。
【図３】本発明の他の実施形態を示す主要部の構成図である。
【図４】本発明における波長測定原理の説明図である。
【図５】公知の波長測定システムの構成図である。
【図６】従来技術の構成図である。
【図７】チャープ特性及びブレーズ特性の説明図である。
【符号の説明】
１  チャープドアンドブレーズドブラッグ回折格子（Ｃ＆ＢＦＢＧ）
２  プリズム
３Ａ，３Ｂ  検出器アレイ
３１ａ，３１ｂ  受光素子
４  光ファイバ
５  ファイバ固定Ｖブロック
６  駆動部材
ＰＣ  演算部
【図１】
0003632825.tif 000003
【図２】
0003632825.tif 000004
【図３】
0003632825.tif 000005
【図４】
0003632825.tif 000006
【図５】
0003632825.tif 000007
【図６】
0003632825.tif 000008
【図７】
0003632825.tif 000009