(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギシステムの監視システムにおいて、
各光学センサが異なる波長範囲内で動作し、入射光に応じて、前記エネルギシステムの検知されたパラメータに応じて変化する重心波長を有する出射光を発するＮ＞１個の光学センサと、
各光検出器が前記光検出器の感光面に入射する光に応じて電気信号を生成するように構成された複数の光検出器と、
前記光学センサから受光するように構成された少なくとも１つの入射導波路及び複数の出射導波路を含み、各光学センサから発せられたセンサ出射光が少なくとも１つの出射導波路を介して少なくとも１つの光検出器に光学的に結合されるように、光の波長に応じて前記入射導波路から前記出射導波路へと光を分散させるように構成された光結合器とを備え、前記センサ出射光に応じて前記光検出器によって生成された前記電気信号が、前記エネルギシステムの前記検知されたパラメータに関する情報を提供し、
前記複数の出射導波路がＮ対の出射導波路を備え、
前記複数の光検出器がＮ対の光検出器を備え、
前記光結合器が、各光学センサから発せられた出射光が１対の隣接する出射導波路を介して１対の光検出器に光学的に結合され、前記１対の出射導波路が前記１対の出射導波路間のクロストークを許容するように配置されて構成されるように、波長に応じて前記入射導波路からの光を空間的に分散させるように構成されている、監視システム。
【請求項２】
前記光結合器がアレイ導波路回折格子を備える、請求項１に記載の監視システム。
【請求項３】
前記光結合器が線形可変フィルタを備える、請求項１に記載の監視システム。
【請求項４】
前記Ｎ対の出射導波路が、前記１対の出射導波路の前記出射導波路間のクロストークが前記対の前記出射導波路の一方と隣接する対の導波路との間のクロストークよりも大きくなるように構成されている、請求項１に記載の監視システム。
【請求項５】
前記光結合器と前記光検出器との間の少なくとも１つの追加の光分散素子をさらに備える、請求項１に記載の監視システム。
【請求項６】
前記光結合器が少なくともＮ個の出射導波路を有するアレイ導波路回折格子を備え、各出射導波路が、関連する光学センサの出射光の予測されるスペクトルシフトの範囲に少なくとも等しい波長通過帯域を有する、請求項１に記載の監視システム。
【請求項７】
前記電気信号を用いた推定ルーチンを実行して、Ｎ個のセンサから発する出射光の重心を特定するように構成されたプロセッサ回路をさらに備える、請求項１に記載の監視システム。
【請求項８】
前記Ｎ個の光学センサが単一のセンサ導波路に沿って配置されている、請求項１に記載の監視システム。
【請求項９】
前記エネルギシステムが電池である、請求項１に記載の監視システム。
【請求項１０】
前記光検出器及び光結合器が、統合された電気光学的サブシステムとしてウェハ上に配置されている、請求項１に記載の監視システム。
【請求項１１】
前記Ｎ個の光学センサが複数のセンサ導波路上に配置されており、前記複数のセンサ導波路と前記入射導波路との間に光学的に結合された光合波器をさらに備える、請求項１に記載の監視システム。
【請求項１２】
前記出射導波路が隣接しており、前記１対の出射導波路における前記隣接する出射導波路の中心間間隔が、前記出射導波路の入射における半値全幅強度（ＦＷＨＭ）光スポットサイズのオーダーである、請求項１に記載の監視システム。
【請求項１３】
前記光合波器が波長分割合波器を含む、請求項１１に記載の監視システム。
【請求項１４】
前記間隔が前記出射導波路の前記入射における前記ＦＷＨＭ光スポットサイズの約１／５倍と約５倍との間である、請求項１２に記載の監視システム。
【請求項１５】
前記間隔が前記出射導波路の前記入射における前記ＦＷＨＭ光スポットサイズの約１／２倍と約２倍との間である、請求項１２に記載の監視システム。
【請求項１６】
エネルギシステムの監視システムにおいて、
各光学センサが異なる波長範囲内で動作し、入射光に応じて、前記エネルギシステムの検知されたパラメータに応じて変化する重心波長を有する出射光を発するＮ＞１個の光学センサと、
各光検出器が前記光検出器の感光面に入射する光に応じて電気信号を生成するように構成された複数の光検出器と、
前記光学センサから受光するように構成された少なくとも１つの入射導波路及び複数の出射導波路を含み、各光学センサから発せられたセンサ出射光が少なくとも１つの出射導波路を介して少なくとも１つの光検出器に光学的に結合されるように、光の波長に応じて前記入射導波路から前記出射導波路へと光を分散させるように構成された光結合器とを備え、前記センサ出射光に応じて前記光検出器によって生成された前記電気信号が、前記エネルギシステムの前記検知されたパラメータに関する情報を提供し、
前記光結合器が、前記入射導波路に光学的に結合されたＫ個のアレイ導波路を含むアレイ導波路回折格子を備え、Ｋは以下の式にしたがって選択され、
0006491970.tif 000006
Δλは中心波長λを有する前記センサの予測される動作範囲であり、ｍは前記ＡＷＧの回折次数である、監視システム。
【請求項１７】
エネルギシステムの監視システムにおいて、
各光学センサが異なる波長範囲内で動作し、入射光に応じて、前記エネルギシステムの検知されたパラメータに応じて変化する重心波長を有する出射光を発するＮ＞１個の光学センサと、
各光検出器が前記光検出器の感光面に入射する光に応じて電気信号を生成するように構成された複数の光検出器と、
前記光学センサから受光するように構成された少なくとも１つの入射導波路及び複数の出射導波路を含み、各光学センサから発せられたセンサ出射光が少なくとも１つの出射導波路を介して少なくとも１つの光検出器に光学的に結合されるように、光の波長に応じて前記入射導波路から前記出射導波路へと光を分散させるように構成された光結合器とを備え、前記センサ出射光に応じて前記光検出器によって生成された前記電気信号が、前記エネルギシステムの前記検知されたパラメータに関する情報を提供し、
前記光結合器が、前記入射導波路に光学的に結合されたＫ個のアレイ導波路を含むアレイ導波路回折格子を備え、前記Ｋ個のアレイ導波路は距離ｄだけ間隔を空け、各アレイ導波路が出射導波路の入射から距離ｆに配置され、隣接する出射導波路対の間隔が２ｆλ／Ｋｄ未満である、監視システム。
【請求項１８】
エネルギシステムの監視システムにおいて、
各光学センサが異なる波長範囲内で動作し、入射光に応じて、前記エネルギシステムの検知されたパラメータに応じて変化する重心波長を有する出射光を発するＮ＞１個の光学センサと、
各光検出器が前記光検出器の感光面に入射する光に応じて電気信号を生成するように構成された複数の光検出器と、
前記光学センサから受光するように構成された少なくとも１つの入射導波路及び複数の出射導波路を含み、各光学センサから発せられたセンサ出射光が少なくとも１つの出射導波路を介して少なくとも１つの光検出器に光学的に結合されるように、光の波長に応じて前記入射導波路から前記出射導波路へと光を分散させるように構成された光結合器とを備え、前記センサ出射光に応じて前記光検出器によって生成された前記電気信号が、前記エネルギシステムの前記検知されたパラメータに関する情報を提供し、
前記光結合器が、前記入射導波路に光学的に結合されたＫ個のアレイ導波路を含むアレイ導波路回折格子を備え、前記出射導波路の入射が前記アレイ導波路の焦点から離れて位置決めされている、監視システム。
【請求項１９】
エネルギシステムの監視システムにおいて、
各光学センサが異なる波長範囲内で動作し、入射光に応じて、前記エネルギシステムの検知されたパラメータに応じて変化する重心波長を有する出射光を発するＮ＞１個の光学センサと、
各光検出器が前記光検出器の感光面に入射する光に応じて電気信号を生成するように構成された複数の光検出器と、
前記光学センサから受光するように構成された少なくとも１つの入射導波路及び複数の出射導波路を含み、各光学センサから発せられたセンサ出射光が少なくとも１つの出射導波路を介して少なくとも１つの光検出器に光学的に結合されるように、光の波長に応じて前記入射導波路から前記出射導波路へと光を分散させるように構成された光結合器とを備え、前記センサ出射光に応じて前記光検出器によって生成された前記電気信号が、前記エネルギシステムの前記検知されたパラメータに関する情報を提供し、
前記光検出器が２Ｎ個の光検出器対を含み、各光検出器が第１及び第２の光検出器を含み、前記第１の光検出器が前記第１の光検出器の前記感光面に入射する光に応じて電流Ｉ１を生成するように構成され、第２の光検出器が前記第２の光検出器の前記感光面に入射する光に応じて電流Ｉ２を生成するように構成され、前記検知されたパラメータの変化がＩ２に対するＩ１の比を変化させる、監視システム。
【請求項２０】
エネルギシステムの監視システムにおいて、
各光学センサが異なる波長範囲内で動作し、入射光に応じて、前記エネルギシステムの検知されたパラメータに応じて変化する重心波長を有する出射光を発するＮ＞１個の光学センサと、
各光検出器が前記光検出器の感光面に入射する光に応じて電気信号を生成するように構成された複数の光検出器と、
前記光学センサから受光するように構成された少なくとも１つの入射導波路及び複数の出射導波路を含み、各光学センサから発せられたセンサ出射光が少なくとも１つの出射導波路を介して少なくとも１つの光検出器に光学的に結合されるように、光の波長に応じて前記入射導波路から前記出射導波路へと光を分散させるように構成された光結合器とを備え、前記センサ出射光に応じて前記光検出器によって生成された前記電気信号が、前記エネルギシステムの前記検知されたパラメータに関する情報を提供し、
前記Ｎ個の光学センサがＮ個のセンサ導波路上に配置されており、Ｎ個の光サーキュレータをさらに備え、Ｎ個のセンサ導波路のそれぞれが前記Ｎ個の光サーキュレータのうちの１つを介して前記入射導波路にそれぞれ光学的に結合されている、監視システム。
【請求項２１】
各光学センサが検知されたパラメータに応じて変化する重心波長を有する出射光を発するＮ＞１個の光学センサを各光学監視モジュールが備えるＭ個の光学監視モジュールと、
各光検出器が前記光検出器の感光面に入射する光に応じて電気信号を生成するように構成された複数の光検出器と、
時間領域光合波器と、
前記時間領域光合波器を介して前記複数の光検出器に光学的に結合された波長領域光分波器とを備え、前記時間領域光合波器が監視モジュールのそれぞれから前記波長領域光分波器へのモジュール出射光を時分割合波するように構成されており、選択された監視モジュールの光学センサそれぞれからのセンサ出射光が少なくとも１つの出射導波路を介して少なくとも１つの光検出器に光学的に結合されるように、前記波長領域光分波器が波長に応じて選択された監視モジュールの前記モジュール出射光を空間的に分散させるように構成されており、前記センサ出射光に応じて前記光検出器によって生成された電気信号が前記検知されたパラメータに関する情報を提供する、監視システムであって、
さらに、
前記光学センサに入射光を提供するように構成された光源と、
各光学サーキュレータが前記監視モジュールのうちの１つに前記光源を光学的に結合するように配置されたＭ個の光学サーキュレータとを備える、監視システム。
【請求項２２】
前記時間領域光合波器がＭ個の光学スイッチのセットを備える、請求項２１に記載の監視システム。
【請求項２３】
前記時間領域光合波器が単一の１×Ｍ光学スイッチを備える、請求項２１に記載の監視システム。
【請求項２４】
前記監視モジュールのうちの少なくとも１つが、単一のセンサ導波路上に配置されたＮ個のセンサを備える、請求項２１に記載の監視システム。
【請求項２５】
前記監視モジュールのうちの少なくとも１つが、複数のセンサ導波路上に配置されたＮ個の光学センサを備え、
前記複数のセンサ導波路と前記時間領域光合波器との間に光学的に結合された光合波器をさらに備える、請求項２１に記載の監視システム。
【請求項２６】
各監視モジュールが、センサ導波路上に配置されたＮ個の光学センサを備え、前記Ｍ個の監視モジュールの前記センサ導波路が、Ｍ個の光サーキュレータによって前記時間領域光合波器に光学的に結合されている、請求項２１に記載の監視システム。
【請求項２７】
前記時間領域光合波器が光学スイッチの階層的ネットワークを備える、請求項２１に記載の監視システム。
【請求項２８】
前記時間領域光合波器が、
各光学スイッチが２つ以上の状態に切り替え可能であり且つ前記状態間の切り替えを制御する制御線を有する複数の光学スイッチと、
各統合されたスイッチ制御要素が前記光学スイッチの全部ではなく一部に結合された複数の統合されたスイッチ制御要素とを備え、前記統合されたスイッチ制御要素が、時間領域合波を実装するように前記複数の光学スイッチを作動させる、請求項２１に記載の監視システム。
【請求項２９】
前記時間領域光合波器が、
光学−電子−光学スイッチと、
微小電気機械システムスイッチと、
液晶スイッチと、
バブルスイッチと、
フェーズドアレイスイッチと、
熱光学スイッチとのうちの１つ以上を備える、請求項２１に記載の監視システム。
【請求項３０】
前記時間領域光合波器が、
各光学スイッチが２つ以上の状態間で切り替え可能であり且つ前記状態間の切り替えを制御する制御線を有する１つ以上の光学スイッチと、
前記監視モジュールのそれぞれからの前記モジュール出射光の時分割合波を実装するように前記光学スイッチを制御するように構成されたスイッチ制御回路とを備える、請求項２１に記載の監視システム。
【請求項３１】
前記スイッチ制御回路が、前記光学スイッチに結合され且つ前記時分割合波を実装するように前記光学スイッチの前記状態を変化させるように構成された中央スイッチ制御回路を備える、請求項３０に記載の監視システム。
【請求項３２】
前記スイッチ制御回路が、各光学スイッチに関連してコマンドを受信し且つ前記コマンドに基づいて前記時分割合波を実装するように前記光学スイッチの前記状態を変化させるように前記光学スイッチを作動させるように構成された統合された局所スイッチ制御回路を備える、請求項３０に記載の監視システム。
【請求項３３】
前記コマンドが、前記光学スイッチに結合された光導波路上で伝搬される光信号として中央スイッチ制御回路から前記統合された局所スイッチ制御回路に伝達される、請求項３２に記載の監視システム。
【請求項３４】
Ｎ＞１個の光学センサを用いてエネルギシステムの複数のパラメータを光学的に検知し、各成分信号が異なる波長範囲に関連しており且つ前記システムの検知されたパラメータに応じて変化する重心波長を有する複数の成分光学信号を生成することと、
前記成分光学信号を合成された光学信号に合成することと、
各光学センサから発せられた出射光が１対の隣接する出射導波路を介して１対の光検出器に結合され、前記１対の出射導波路が前記１対の出射導波路間のクロストークを許容するように配置されて構成されるように、波長に応じて前記合成された光学信号の前記成分光学信号を空間的に分散させることと、
各空間的に分散された成分光学信号に応じて、前記エネルギシステムの前記検知されたパラメータに関する情報を含む電気信号を生成することを備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本特許出願は、一般に、エネルギ貯蔵及び／又は発電システムを含む監視及び／又は管理システムの技術に関する。本特許出願はまた、そのような技術に関する部品、装置、システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
充電状態（ＳＯＣ）及び／又は健全状態（ＳＯＨ）を判定するために外部セル性能パラメータをあてにした電池管理システムは、経年劣化による電池の充電状態及び電池の劣化の不確実性を管理するために保守的で過剰に複雑な設計をもたらす。この電池の保守的で過剰に複雑な設計があてにするものは、電気自動車や電力グリッド貯蔵などのクリーン技術の普及に影響を与えている。電池状態が単独で外部パラメータから完全に理解されることができないため、電池の保守的で過剰に複雑な設計は部分的に生じる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本願明細書に記載される様々な実施形態は、エネルギ貯蔵装置、発電システム並びに他のそのような装置及びシステムなどのシステムを監視及び／又は管理するシステム及び方法を含む。いくつかの実施形態は、エネルギシステムを監視するのに使用することができる光学監視システムを含む。監視システムは、Ｎ＞１個の光学センサを含む。各光学センサは、入射光に応じて出射光を発し、出射光は、検知されたパラメータに応じて変化する重心波長を有する。光学センサの出射光は、入射導波路に光学的に結合され、光結合器は、波長に応じて入射導波路からの光を空間的に分散させる。各光学センサから発する出射光は、少なくとも１つの出射導波路を介して光検出器に光学的に結合される。センサ出射光に応じて光検出器によって生成された電気信号は、検知されたパラメータに関する情報を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】図１は、本願明細書に記載された実施形態にかかる光分波を含む監視及び管理システムの概略ブロック図を示している。
【図２】図２は、検知用途のために設計されたアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を使用した複数のセンサについての波長領域合波を図示している。
【図３】図３は、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサについての反射スペクトルを図示している。
【図４】図４は、シングルモードファイバケーブルに配備されたＦＢＧセンサについての波長スペクトルの理想的なシフトを示している。
【図５】図５は、マルチモード光ファイバケーブルに配備されたＦＢＧセンサについての波長スペクトルのシフトを示している。
【図６Ａ】図６Ａは、いくつかの実施形態にかかる波長領域光分波器及びディジタイザとして使用されるＡＷＧの出射導波路をより詳細に図示している。
【図６Ｂ】図６Ｂは、いくつかの実施形態にかかる波長領域光分波器及びディジタイザとして使用されるＡＷＧの出射導波路をより詳細に図示している。
【図７】図７は、いくつかの実施形態にかかる波長領域光分波器及びディジタイザとして使用されるＡＷＧの出射導波路をより詳細に図示している。
【図８】図８は、いくつかの実施形態にかかる複数のＦＢＧセンサを含む監視システムの一部を示している。
【図９Ａ】図９Ａは、いくつかの実施形態にかかるＡＷＧの部分を示しており、出射導波路信号にクロストークを意図的に導入する技術を図示している。
【図９Ｂ】図９Ｂは、いくつかの実施形態にかかるＡＷＧの部分を示しており、出射導波路信号にクロストークを意図的に導入する技術を図示している。
【図１０】図１０は、光源数を削減することがコヒーレント光源のアレイから放射される光の角度分布を広げることを示すグラフである。
【図１１】図１１は、いくつかの実施形態にかかる時間及び波長分割合波の双方を含む監視システムのブロック図である。
【図１２】図１２は、いくつかの実施形態にかかる時分割合波用のＭ個の光スイッチ及び波長分割合波用のＡＷＧのバンクを実装する監視システムのブロック図を示している。
【図１３】図１３は、モジュールレベルにおけるセンサ出射光の合波のための構成を図示している。
【図１４】図１４は、いくつかの実施形態にかかる時分割合波及び波長分割合波を使用する監視システムを図示している。
【図１５Ａ】図１５Ａは、時分割合波のために使用することができる階層的スイッチ構成を図示するブロック図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、時分割合波のために使用することができる統合されたスイッチ制御を有する階層的スイッチ構成を図示するブロック図である。
【図１６】図１６は、いくつかの実施形態にかかる１×Ｍ個の合波スイッチを図示している。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
図面は、必ずしも縮尺どおりではない。図面に使用される同様の符号は、同様の構成要素を指す。しかしながら、所定の図面における構成要素を指すための符号の使用は、同じ符号によってラベル付けされた他の図面における構成要素を限定することを意図するものではないことが理解されるであろう。
【０００６】
本開示に記載された実施形態は、光学ベースの監視及び管理システムを含む。そのようなシステムは、エネルギ装置及び／又はエネルギ生成、貯蔵及び／又は分配システムを監視及び／又は管理するために特に有用であり得る。本願明細書に開示されたアプローチは、エネルギシステムの過剰に複雑な設計の必要性を低減する、これらのシステムの総合的なリアルタイムの性能監視及び管理を可能とする。本開示の監視システムは、エネルギシステムの内部及び／又は外部パラメータを検知するために光ファイバセンサを組み合わせる。検知された情報は、エネルギシステムの状態を推論及び／又は予測してエネルギシステム管理のためのフィードバックを提供するためのスマートアルゴリズムによって使用されてもよい。本願明細書に開示されたアプローチは、様々なシステムを監視及び／又は管理するのに使用され得るが、電池及び電池パック、燃料電池スタック、タービンベースの発電システム、太陽電池アレイ並びに他の種類のエネルギ貯蔵及び発電装置及びシステムなどのモジュール化システムに特に適用可能である。開示されたアプローチは、いかなる種類のシステムの監視及び／又は管理に適用可能であることが理解されるものの、いくつかの監視及び／又は管理システムは、電池システム監視の文脈において本願明細書に記載されている。
【０００７】
いくつかの実施形態は、波長領域分波をともなう光検知を含む監視システムを対象としている。図１は、監視及び管理システム（ＭＭＳ）１００のブロック図である。複数の内部光学センサＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮは、電池１０１の複数の内部特性を検知するように配置されている。例えば、光学センサＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮのうちの少なくとも一部は、電池１０１内に配置されることができ、ガスの内部温度、応力、歪み、音響放射、イオン濃度、化学的性質、存在及び／又は濃度、及び／又は、電池１０１の他の内部パラメータなどの１つ以上の内部電池パラメータを測定するように構成されることができる。いくつかの実施形態において、センサＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮは、同じパラメータを検知するようにそれぞれ構成されている。他の実施形態において、センサＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮのうちの１つ以上は、他のセンサによって検知されたパラメータとは異なるパラメータを検知するように構成されている。いくつかの実施形態において、同じパラメータを検知する複数のセンサの出力は、検知されたパラメータの平均値又は複合値を生成するために合成することができる。いくつかの実施形態において、同じパラメータを検知する複数のセンサは、電池１０１の内部及び／又は外側におけるパラメータの空間的分布のマップを開発するのに使用することができる。
【０００８】
図１に示されるように、光学センサＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮは、（単一の光ファイバ（ＦＯ）ケーブル１３０として図１に示される）１つ以上のセンサ導波路上に配置され、電池１０１内に埋め込まれている。センサＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮのそれぞれは、ＦＯケーブル１３０上の他のセンサとは異なる波長帯域内で動作することができる。例えば、センサＳ１は、波長λ１を中心とする第１の波長帯域内で動作することができ、センサＳ２は、λ２を中心とする第２の波長帯域内で動作することができ、センサＳＮは、λＮを中心とする第Ｎの波長帯域内で動作することができる。各波長帯域λ１、λ２、・・・λＮは、他のセンサの波長帯域と実質的に重複しないように選択されることができる。光学センサＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮは、光学センサＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮの動作波長帯域に及ぶ広い波長帯域にわたって励起光を供給する広帯域光源とすることができる光源１１０に光学的に結合される。光学センサＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮからの出射光は、光結合器１４０の入射導波路１４１に対してセンサ導波路光ファイバケーブル１３０上で伝搬される。光結合器１４０は、光の波長に応じて入射導波路１４１から複数の出射導波路１４２へと光を空間的に分散させる波長領域光分波器である。様々な実装において、光結合器は、例えば、線形可変伝送構造及び／又はアレイ導波路回折格子を備えていてもよい。
【０００９】
出射導波路１４２は、複数の光検出器を含むことができるディジタイザ１５０に光学的に結合されている。各光検出器は、光検出器の感光面に当たる光に応じて電気信号を生成するように構成されている。ディジタイザ１５０の光検出器によって生成された電気信号は、検知されたパラメータに関するセンサＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮからの情報を含む。情報は、電池１０１の状態を判定するために及び／又は電池の動作を制御するためのフィードバックを提供するために監視／管理プロセッサ１６０によって使用することができる。
【００１０】
いくつかの実装において、システムは、少なくともＮ個の光検出器を含む。いくつかの実施形態において、システムは、少なくともＮ対の光検出器を含む。これらの実装は、以下により詳細に述べられる。追加の光検出器は、例えば、入射導波路１４１を取り出すことによって入射光の強度を監視するのに使用することができる。
【００１１】
管理プロセッサ１６０は、センサによって提供された情報に基づいて電池状態に影響を与える様々なプロセスを実装するように構成されることができる。例えば、様々な実装によれば、電池動作のいくつかの態様、例えば充電速度及び／又は充電サイクルは、管理プロセッサ１６０からのフィードバック出力１６１を介して自動的に制御されることができる。管理プロセッサ１６０は、例えば、健全状態（ＳＯＨ）及び／又は充電状態（ＳＯＣ）などの電池の状態に関する予測及び／又は推定を行うためにセンサ情報を使用することができる。これらの予測及び推定は、理論的及び／又は経験的モデルを使用して開発することができ、電池の動作条件、内部及び／又は外部パラメータの測定及び／又は動作条件と測定パラメータとの間の相関に基づいて適応することができることがある。いくつかの実装は、エネルギシステムの監視のみを提供することができ、それゆえに、管理システムの要素を含まなくてもよく、及び／又は、いくつかの実装において、管理システムは、エネルギシステムにフィードバックを提供しなくてもよい。
【００１２】
いくつかのシナリオにおいて、管理プロセッサ１６０によって取得されるか又は開発された情報は、電子又は印刷レポートを介してオペレータに提供されることができる。例えば、管理プロセッサ１６０は、検知されたパラメータをコンパイルし、分析し、傾向を示し、及び／又は、要約することができ、及び／又は、エネルギシステム１０１の状態を予測及び／又は推定するなど、入力として検知されたパラメータを使用して他のプロセスを実行することができる。これらのプロセスの結果及び／又はエネルギシステム１０１の監視から得られた他の情報は、オペレータにグラフィカルで又はテキストで又は任意の便利な形態で表示することができるレポートで提供されることができ、及び／又は、データベースへの記憶及び／又はさらなる分析のために他のコンピュータシステムに提供されることができる。
【００１３】
ＦＯケーブル１３０に配置されたセンサＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮは、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサ及び／又はエタロン若しくはファブリペロー（ＦＰ）センサを含む光学センサの任意の種類（又は複数の種類）を備えることができる。ＦＢＧ及びエタロン／ＦＰセンサは、双方とも、光学センサと本願明細書において総称することができる。以下に提供されるいくつかの例は、ＦＢＧセンサに基づいているが、他の種類の光学センサは、これらの及び他の実施形態において代替的又は追加的に使用することができることが理解されるであろう。
【００１４】
図１を再度参照すると、光源１１０からの光は、センサＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮに対してＦＯケーブル１３０を介して伝送される。入射光は、ＦＯケーブル１３０に沿って離隔されたＦＢＧセンサＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮと相互作用する。各ＦＢＧセンサは、入射光の一部を反射し、反射光は、光学センサから出る出射光を指す。全てのセンサからの出射光は、光分波器１４０の入射導波路１４１までＦＯ１３０を介して通過する。
【００１５】
ＦＢＧセンサは、ＦＯケーブルのコアの有限長（典型的には数ｍｍ）に沿った屈折率の周期的変調によって形成することができる。このパターンは、ＦＢＧセンサの屈折率プロファイルの周期性によって判定されるブラッグ波長と称される波長を反射する。実際には、センサは、典型的には、ブラッグ波長における中心波長の狭帯域を反射する。外部刺激の特性や基本値におけるブラッグ波長はλと示され、ピーク、中心又は重心波長λ（及びλ付近の波長の狭帯域）を有する光は、所定の基本条件にあるときにセンサから反射される。例えば、基本条件は、２５℃及び／又はゼロ歪みに対応することができる。センサが、温度、歪み又は他のそのような刺激などの外部刺激を受けると、刺激は、格子の周期性及びＦＢＧの屈折率を変化させ、それにより、反射光が基本波長λとは異なるピーク、中心又は重心波長λｓを有するように反射光を変化させる。得られた波長シフトΔλ／λ＝（λ−λｓ）／λは、刺激の代理尺度である。
【００１６】
ＦＢＧセンサは、例えば、屈折率ｎ、歪みε１及び周囲温度変化ΔＴの変化に感度を有し得る。屈折率ｎは、センサ素子領域にわたってＦＯクラッドを除去することにより及び／又はこの検知領域に適切なコーティングを追加することにより、センサの化学的環境に対して感度を有することができる。あるいは、ＦＢＧセンサは、環境の化学的組成を歪み信号に変換する特別なコーティングを適用することによって化学的環境に対して感度を有することができる（例えば、水素センサは、パラジウムコーティングに基づいている）。本願明細書に記載された実施形態によれば、ＦＢＧセンサなどの光学センサは、性能に影響を与える可能性がある電池セルにおける化学的組成の変化を検出するために使用される。この例は、水分の侵入によって引き起こされるリチウムイオン電池における腐食剤、フッ化水素（ＨＦ）の形成である。
【００１７】
温度変化に対するＦＢＧの感度は、電池セル内の局所温度を監視することを可能とする。これは、電池システム管理のために一般に有用であるものの、熱暴走の早期検出のために特に有益である。熱暴走は、多くの電池の化学的性質に影響を与え、それらの高いエネルギ密度に起因してリチウムイオン電池において壊滅的であり得る。熱暴走時には、故障したセルの高熱は、次のセルに伝播することがあり、それが同様に熱的に不安定になることを引き起こす。場合によっては、各セルがそれ自体タイムテーブルにおいて崩壊する連鎖反応が生じる。電池セルパックは、数秒以内に破壊されることがあり、又は、各セルが１対１に消費されるのにともない数時間とどまることがある。
【００１８】
歪みに対するＦＢＧセンサの感度は、（例えば、リチウムイオン電池における充電レベルの推定に有用である）電極の膨張／収縮サイクルを監視するために、電池電極にＦＢＧセンサを埋め込むのを可能とする。さらに、電極の歪み測定値は、電極の劣化、それゆえに電池の全体的な劣化を検査するのを可能とする。歪みに対するＦＢＧの感度はまた、セル壁歪みを捕捉することによって内部セル圧力の測定を可能とする。
【００１９】
ＦＢＧセンサを使用したエネルギシステムのパラメータを測定する際に、関心のある複数のパラメータの個々の寄与間を区別して定量化するのは有益であり得る。いくつかの場合において、複数のセンサの構成は、関心のあるパラメータが他のパラメータの寄与を補償することができるように使用することができる。例えば、２つのセンサのアプローチは、２つのセンサが近接して配置されることができる温度補償化学的センシングに使用することができる。いくつかの実装において、２つのセンサのうちの第１のセンサは、温度に晒され、そのクラッドを除去することによって化学的環境にも露出される。補償のために使用される２つのセンサのうちの第２のセンサは、そのクラッドを保持し、温度のみに感度を有する。同様の構成は、温度補償歪み測定及び歪み補償温度測定に使用することができる。
【００２０】
温度補償歪み測定について、２つのＦＢＧセンサが近接して配置され、第１のセンサは、歪み及び温度に晒され、補償のために使用される第２のセンサは、歪みではなく温度に晒される。第２のセンサの温度測定は、第１のセンサの反射波長の温度による変化を補償するために使用される。例えば、第１のセンサは、電池の電極内又はセル壁内に配置されることができ、第２のセンサは、公知の及び／又は変化しない歪みを受けながら第１のセンサの位置と同等の温度を有する位置の近く及び／又はそこに配置されることができる。例えば、第２のセンサは、電極内又はセル壁内ではなく近くに配置されることができ、又は、薄壁、電気絶縁チューブを介して温度ではなく歪みから絶縁されることができる。
【００２１】
ＦＢＧセンサ及びエタロン（ファブリペロー）センサなどの光ファイバセンサは、監視システムのために使用することができる。光ファイバセンサは、様々な過酷な環境に耐えて動作することが実証されている。使用される最も一般的な材料はシリカであり、耐食性であり、高い引っ張り歪みに耐えることができ、−２００℃から８００℃の間で存続することができる。シリカベースのＦＢＧセンサは、３００℃まで行ったテストにおいて、ヒステリシスのない、それらのピーク波長の再現可能な温度依存性を提供する。ＦＢＧセンサは、鉛酸蓄電池においては長期間（１３−２５年）存続し、ＨＦにおいては少なくとも１年まで存続することが予想される（リチウムイオン電池の副産物；１年は、ＨＦ形成が開始した後、リチウムイオン電池の寿命よりも長いことが予想される）。様々な種類のプラスチックはまた、ＦＯケーブル及び光学センサのために有用である。ＦＢＧセンサなどの光ファイバセンサは、衝撃や振動に対して機械的に堅牢である。それゆえに、電池などのエネルギ貯蔵／電力システムに組み込まれた光ファイバセンサは、様々なアーキテクチャ及び化学的性質にわたって関連するパラメータを確実に測定して監視するための魅力的な解決策を提供する。
【００２２】
図１に示されるＦＢＧベースのセンシングは、単一のＦＯケーブル上に、例えば約６４個のセンサなどの複数の検知素子を組み込むのを可能とする。いくつかのアプローチにおいて、センサＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮのそれぞれは、波長領域合波及び分波によって個別に調べられることができる。いくつかのアプローチにおいて、図１１を参照して以下に示されるように、複数のセンサモジュール内に配置されたセンサは、時間領域合波及び波長領域合波及び分波の組み合わせによって個別に調べられることができる。
【００２３】
いくつかの実装において、電池セル内に配置されたセンサ導波路１３０の両端は、光学スイッチ（図１には図示されない）を介して光源１１０及び光結合器１４０に光学的に結合されてもよい。センサ導波路の両端を結合することは、壊れたセンサ導波路の場合に有用であり得る。例えば、ＦＯケーブル１３０がセンサＳ１及びＳ２の間の２つの部分において壊れているが、ＦＯケーブル１３０の両端は、光学スイッチを介して光源１１０及び光結合器１４０に接続されているシナリオを考える。この例において、単一のＦＯケーブルは、最初に全てのセンサＳ１からＳＮを含めるが、破壊した後、センサＳ１からＳＮは、２つのＦＯケーブル上に配置されると考えることができる。壊れたＦＯケーブルによっても、ＦＯケーブルの両端が光学スイッチを介して光源１１０及び光結合器１４０に選択的に光学的に接続されている場合には、全てのセンサＳ１からＳＮは、ＦＯケーブル１３０の２つの部分を介してアクセス可能なままである。壊れたＦＯケーブルの各部分におけるセンサは、ＦＯケーブル部分からの信号を時分割合波することによってアクセス可能である。上記概説したシナリオにおいて、センサＳ１からの信号は、光学スイッチが第１の状態にある場合には壊れたＦＯケーブル１３０の第１の部分を介してアクセス可能になり、センサＳ２からＳＮからの信号は、光学スイッチが第２の状態にある場合には壊れたＦＯケーブル１３０の第２の部分を介してアクセス可能になる。
【００２４】
いくつかの実施形態において、プロセッサ１６０は、例えば、アクセスできないセンサの波長における信号の欠如に基づいてセンサ導波路が壊れたことを検出することが可能であることがある。プロセッサが壊れたケーブルを検出すると、壊れたＦＯケーブルの両方の部分を介してＦＯケーブルの全てのセンサの監視を開始するように構成されてもよい。ＦＯケーブルの両端を結合することは、１つのセンサのみがＦＯケーブル上に配置された実装において有用であり得る。例えば、ＦＯケーブルがＳ１のみを含むシナリオを考える。ＦＯケーブルが光源と光結合器とＳ１との間で壊れた場合、上述したようにＦＯケーブルの両端が光源及び光結合器に光学的に結合されている場合を除き、Ｓ１はアクセスできない。
【００２５】
本願明細書に開示された実施形態は、図２に示されるように検知用途のために設計されたアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を使用した複数のセンサについての波長領域合波及び分波を含む。図２は、多数の電池セル、電池セル１、電池セル２、・・・電池セルＮを図示しており、各電池セルは、それぞれ、電池セル内に、電池セル上に又は電池セルまわりに配置されたＦＢＧ１、ＦＢＧ２、・・・ＦＢＧＮのＦＢＧセンサを有する。ＦＢＧ１は、ピーク、中心又は重心波長λ１を有する波長帯域で動作し、ＦＢＧ２は、ピーク、中心又は重心波長λ２を有する波長帯域で動作し、ＦＢＧＮは、中心波長λＮを有する波長帯域で動作する。各ＦＢＧは、ＦＢＧ１がパラメータ１に最も感度を有し、ＦＢＧ２がパラメータ２に最も感度を有し、ＦＢＧＮがパラメータＮに最も感度を有するように、異なるパラメータに最も感度を有することができる。パラメータ１の変化は、λ１から（λ１＋／−Δ１）へとＦＢＧ１からの反射光の波長をシフトすることができ、パラメータ２の変化は、λ２から（λ２＋／−Δ２）へとＦＢＧ２からの反射光の波長をシフトすることができるなどである。検知されたパラメータの変化によって生じる波長シフトは、個々のＦＢＧの特性基本波長の間隔に比べて小さい。したがって、アレイ導波路回折格子、線形可変フィルタ及び／又は光波長領域分波方式における他の分散素子などの分散素子を使用して異なるＦＢＧからの情報を分離することが可能である。以下により詳細に記載されるように、光時間領域合波方式は、必要に応じて実装されることができ、波長領域分波と組み合わせて使用することができる。
【００２６】
光源２１０は、サーキュレータ２１５を介してＦＢＧに対して入射光を提供するように構成されている。光源２１０は、ＦＢＧセンサのそれぞれについて予想される反射波長の範囲にわたって入射光を提供するのに十分に広い帯域幅を有する。ＡＷＧは、Ｎ対の出射導波路２４５を含み、各対の出射導波路２４５は、特定のＦＢＧの反射出力まわりの波長に集中される。光源からの光は、サーキュレータを通過し、出射光としてＦＢＧに反射する。ＦＢＧから発せられた出射光は、サーキュレータ２１５を介して、光波長領域分波器として使用されるＡＷＧ２４０までセンサ用光導波路２３０上で伝搬される。光分波器として使用する場合、ＡＷＧ入射導波路２４１からの光は、光の波長に応じて出射導波路２４５に対して回折によって分散される。例えば、ＡＷＧは、１５５０ｎｍの中心波長及び１００ＧＨｚのチャネル間隔（その波長で０．８ｎｍ）を有する１６個の出力チャネルを有することがある。このシナリオにおいて、１５４９．６ｎｍの光入射は、チャネル８に行き、１５５０．４ｎｍの光入射は、チャネル９に行くなどである。
【００２７】
ＡＷＧは、入射導波路２４１と、第１のスラブ導波路２４２と、アレイ導波路２４３と、第２のスラブ導波路２４４と、出射導波路２４５とを含むことができる。アレイ導波路２４３のそれぞれは、次のものよりも徐々に長い。入射光は、アレイ導波路２４３のうち第１のスラブ導波路２４２に分割される。各アレイ導波路２４３の出射において、光は、１つの導波路から次のものへと同様に徐々に大きくなる波長依存位相シフトを生じている。アレイ導波路２４３の出射は、コヒーレント光源のアレイに似ている。したがって、アレイ導波路２４３から第２のスラブ導波路２４４へと放射された光の伝播方向は、回折格子におけるように、光源間、したがって波長間の増分位相シフトに依存する。
【００２８】
いくつかの実施形態において、光結合器、例えば、ＡＷＧ、フォトダイオードアレイ及び／又はディジタイザは、平面光波回路、すなわち集積光素子として配置されることができる。例えば、これらのシステム要素は、光学及び／又は電子ビームリソグラフィ技術を使用してシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハから形成されることができる。平面光波回路は、光ファイバに結合され、シリコンに異方エッチングされたＶ溝を使用して整列させることができる。例えばゲルマニウムなどの他の半導体とのハイブリッド集積は、シリコンのバンドギャップに満たないエネルギで光検出を提供することが可能である。
【００２９】
ＡＷＧ２４０において、アレイ導波路２４３（したがって、スラブ導波路２４４の入射側）の出射は、そこから発せられる光が第２のスラブ導波路２４４に移動して有限距離離れた焦点になるように、所定の曲率半径の円弧に沿って配置されることができる。出射導波路２４５の入射は、それらは後述するように出射導波路の間に「クロストーク」を意図的に導入するために焦点の前後のいずれかに設定されることができるものの、特定波長に対応する焦点に名目上配置されている。したがって、ＡＷＧ２４０の入射２４１における光は、光の波長に応じて出射導波路２４５のうちの所定の１つに受動的に送られる。それゆえに、センサＦＢＧ１、ＦＢＧ２、ＦＢＧＮからの出射光は、出射光の波長に応じて出射導波路２４５に送られる。
【００３０】
出射導波路２４５は、光検出器、例えば２Ｎ個の光検出器を含むディジタイザ２５０に光学的に結合される。ＡＷＧにおける波長ベースの空間的分散に起因して、センサＦＢＧ１、ＦＢＧ２、・・・ＦＢＧＮからの出射光は、ディジタイザの表面にわたって空間的に分散される。光検出器は、出射導波路からの光を検知し、検知されたパラメータに関する情報を含む電気信号を生成する。
【００３１】
図３は、光学的に合波されたセンサ出力によるエネルギ貯蔵／電力システムの動作を図示している。図３に示されるように、広帯域光は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はスーパールミネッセント・レーザダイオード（ＳＬＤ）を含むか又はそれらとすることができる光源３１０によって送出される。広帯域光の分光特性（強度対波長）は、差し込みグラフ３９１によって示される。光は、第１のＦＢＧセンサ３２１に対してＦＯケーブル３１１を介して送出される。第１のＦＢＧセンサ３２１は、ピーク、中心又は重心波長λ１を有する第１の波長帯域における光の一部を反射する。第１の波長帯域内以外の波長を有する光は、第２のＦＢＧセンサ３２２に対して第１のＦＢＧセンサ３２１を介して送出される。第２のＦＢＧセンサ３２２に送出される光の分光特性は、差し込みグラフ３９２において示され、この波長帯域の光が第１のセンサ３２１によって反射されることを示すλ１を中心とする第１の波長帯域においてノッチを呈している。
【００３２】
第２のＦＢＧセンサ３２２は、中心又はピーク波長λ２を有する第２の波長帯域の光の一部を反射する。第２のＦＢＧセンサ３２２によって反射されない光は、第２のＦＢＧセンサ３２２を介して第３のＦＢＧセンサ３２３に対して送出される。第３のＦＢＧセンサ３２３に対して送出された光の分光特性は、差し込みグラフ３９３に示されており、λ１及びλ２を中心とするノッチを含んでいる。
【００３３】
第３のＦＢＧセンサ３２３は、中心又はピーク波長λ３を有する第３の波長帯域の光の一部を反射する。第３のＦＢＧセンサ３２３によって反射されない光は、第３のＦＢＧセンサ３２３を介して送出される。第３のＦＢＧセンサ３２３を介して送出された光の分光特性は、差し込みグラフ３９４に示されており、λ１、λ２及びλ３を中心とするノッチを含んでいる。
【００３４】
（差し込みグラフ３９５に図示される）中心波長λ１、λ２及びλ３を有する波長帯域３８１、３８２、３８３における光は、光波長分波器に対してＦＯケーブル３１１及び３１１’に沿って第１、第２又は第３のＦＢＧセンサ３２１、３２２、３２３のそれぞれによって反射される。波長分波器から、センサ光は、ディジタイザ／分析器に送られることができる。ディジタイザ／分析器は、センサ３２１−３２３によって検知されたパラメータの変化が生じたかどうかを判定するために、中心波長λ１、λ２及びλ３及び／又は特性基本波長（公知の波長）に対してセンサ３２１−３２３によって反射された波長帯域のそれぞれにおけるシフトを比較することができる。ディジタイザ／分析器は、検知されたパラメータのうちの１つ以上が波長分析に基づいて変化した旨を判定することができ、変化の相対的又は絶対的な測定値を算出することができる。
【００３５】
いくつかの場合において、広帯域光を放射する代わりに、光源は、ＦＯケーブル上に配置された様々なセンサが感度を有する狭い波長帯域の光を放射する波長範囲にわたって走査することができる。反射光は、狭帯域光の放射に対して計時された多数の検知期間の間に検知される。例えば、センサ１、２及び３がＦＯケーブル上に配置されているシナリオを考える。センサ１は、波長帯域（ＷＢ１）に感度を有し、センサ２は、波長帯域ＷＢ２に感度を有し、センサ３は、ＷＢ３に感度を有する。光源は、期間１中にＷＢ１を有する光を放射し、期間１と重複する期間１ａ中に反射光を検知するように制御されることができる。期間１ａに続いて、光源は、期間２中にＷＢ２を有する光を放射し、期間２と重複する期間２ａ中に反射光を検知することができる。期間２ａに続いて、光源は、期間３中にＷＢ３を有する光を放射し、期間３と重複する期間３ａ中に反射光を検知することができる。このバージョンの時間領域合波を使用して、センサのそれぞれは、離散的な期間中に調べられることができる。
【００３６】
エネルギ貯蔵／電力システムの監視に使用されるＦＯケーブルは、（図３に示されるように）シングルモード（ＳＭ）ＦＯケーブルを備えることができ、又は、マルチモード（ＭＭ）ＦＯケーブルを備えることができる。シングルモード光ファイバケーブルは、解釈するのが容易である信号を提供する一方で、より広い適用可能性及び製造の低コスト化を達成するためにマルチモードファイバを使用することができる。
【００３７】
ＭＭファイバは、ＳＭファイバのために通常使用されるシリカよりもプラスチックから形成されることができる。プラスチック繊維は、シリカ繊維の回転半径と比較してより小さい回転半径を有することができる。これは、例えば、プラスチック繊維が電池セルに且つ燃料電池スタックの個々のセルに埋め込まれているときに湾曲する又は柔軟な構成の可能性を提供することができる。さらにまた、ＭＭ繊維は、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）とより正確な位置合わせが必要になることがあるＳＭファイバとは対照的により安価な光源（例えば、ＬＥＤ）を用いて作業することができる。したがって、ＭＭファイバにおける光学センサに基づく検知システムは、低コストのシステムをもたらすことができる。
【００３８】
図４は、ＳＭ  ＦＯケーブル上に配備されたＦＢＧセンサから反射した光の理想化された表現である。特徴ベース又は公知の状態において、ＦＢＧセンサは、重心波長λを有する比較的狭い波長帯域４１０の光を反射する。ＦＢＧセンサは、例えば、温度、歪み、化学的環境の変化などの検知された条件の変化を経験した後、センサによって反射された光は、重心波長λｓを有する異なる波長帯域４２０に対してシフトする。波長帯域４２０は、波長帯域４１０と比較した場合、幅、振幅及び他の形態学的特徴が同様であるが、波長帯域４２０の重心波長λｓは、検知された状態の変化に関連する量だけ波長帯域４１０の重心波長λからシフトされる４３０。同様の幅の波長帯域は、例えば、同様の半値全幅（ＦＷＨＭ）値を有する波長帯域として特定することができる。
【００３９】
図５は、ＭＭ  ＦＯケーブル上に配備されたＦＢＧセンサからの実際のデータを示している。ＭＭ  ＦＯケーブル上に配備されたＦＢＧセンサは、ＳＭ  ＦＯケーブル上のＦＢＧセンサとは対照的に複数の波長帯域の光を反射し、１つの波長帯域のみが格子によって反射される。特性ベースの状態において、グラフ５１０に示されるように、センサは、（モードとも称される）複数の狭い波長帯域を含むことができる特徴的なスペクトルを反射する。検知されたパラメータの変化が生じると、反射された波長スペクトル５２０は、その形状を実質的に維持するが、検知された状態に応じて波長にシフトされる。本願明細書に記載されたアプローチは、ＭＭ  ＦＢＧセンサを調べるために拡張可能であり得る。
【００４０】
図６Ａは、いくつかの実施形態にかかる波長領域光分波器（例えば、図１の要素１４０）及びディジタイザ（例えば、図１の要素１５０）として使用されるＡＷＧの出射導波路をより詳細に図示している。この構成において、２Ｎ個の光検出器は、それぞれ、Ｎ個のセンサからの光を受光するように結合されている。ＡＷＧは、出射導波路対６４５ａ、ｂ６４６ａ、ｂ、・・・６４７ａ、ｂに対して重心波長λ１、λ２、・・・λＮを有するセンサ出射光を空間的に分散させる。重心波長λ１を有するセンサ出射光は、導波路対６４５ａ、６４５ｂに分散され、重心波長λ２を有するセンサ出射光は、導波路対６４６ａ、６４６ｂに分散され、重心波長λＮを有するセンサ出射光は、導波路対６４７ａ、６４７ｂに分散されるなどである。出射導波路６４５ａからの光は、検出された光に応じて信号Ｉ１１を生成する光検出器６５５ａに光学的に結合され、出射導波路６４５ｂからの光は、検出された光に応じて信号Ｉ１２を生成する光検出器６５５ｂに光学的に結合され、出射導波路６４６ａからの光は、検出された光に応じて信号Ｉ２１を生成する光検出器６５６ａに光学的に結合され、出射導波路６４６ｂからの光は、検出された光に応じて信号Ｉ２２を生成する光検出器６５６ｂに光学的に結合され、出射導波路６４７ａからの光は、検出された光に応じて信号ＩＮ１を生成する光検出器６５７ａに光学的に結合され、出射導波路６４７ｂからの光は、検出された光に応じて信号ＩＮ２を生成する光検出器６５７ｂに光学的に結合される。
【００４１】
検知されたパラメータに応じてセンサの出射光の重心がシフトするのにともない、ＡＷＧは、センサの出射光の空間的位置を同様にシフトさせる。例えば、図６Ａに示されるように、最初にλ１における重心を有するセンサ出射光がλ１＋Δ１における重心にシフトする場合、出射導波路６４５ａによって運ばれる光量は減少し、出射導波路６４５ｂによって運ばれる光量は増加する。それゆえに、光電流Ｉ１及びＩ２の変化に対応して、光検出器６５５ａによって検出された光量は減少し、光検出器６５５ｂによって検出された光量は増加する。それゆえに、検知されたパラメータのシフトは、Ｉ１２に対するＩ１１の比を順次変化させるλ１からλ１＋Δ１へのセンサ出射光重心のシフトを生じさせる。
【００４２】
各フォトダイオードの光電流は、抵抗又はトランスインピーダンス増幅器によって電圧に変換され、検知されてディジタル化されることができる。波長シフトは、以下の式によってｉ番目のＦＢＧについて算出することができる。
【００４３】
【数１】
0006491970.tif 000002
【００４４】
ここで、λｉは、ｉ番目のＦＢＧの推定波長であり、λｉ０は、出射導波路対の中心波長であり、Δλは、出射導波路対のピーク伝送波長間の波長間隔であり、Ｉ２ｉ及びＩ２ｉ−１は、対の各導波路の出射において光検出器によって記録された光強度である。どのようにそれらの特性が観察された波長シフトを変化させる傾向があるかが知られている場合、所定のＦＢＧの検知された波長シフトから、検知されたパラメータの値を算出し、次に、ＦＢＧによって検知されたパラメータに対応する電池又は他のエネルギシステムの特性を算出することが可能である。いくつかの実施形態において、ＦＢＧは、ＦＢＧからの反射ピークが対の一方の光検出器から他方にシフトするのにともない、対の差動信号における連続的且つ単調な変化があるように、Δλ／２にほぼ等しいＦＷＨＭを有する（上記式の分子）。
【００４５】
図６Ｂは、いくつかの実施形態にかかる波長領域光分波器として使用されるＡＷＧの出射導波路（例えば、図１の要素１４０）及びディジタイザ（例えば、図１の要素１５０）の他の構成をより詳細に図示している。この構成において、Ｎ個の光検出器は、それぞれ、Ｎ個のセンサからの光を受光するように結合されている。ＡＷＧは、重心波長λ１、λ２、・・・λＮを有するセンサ出射光を出射導波路６４５、６４６、・・・６４７に対して空間的に分散させる。重心波長λ１を有するセンサ出射光は、導波路６４５に分散され、重心波長λ２を有するセンサ出射光は、導波路６４６に分散され、重心波長λＮを有するセンサ出射光は、導波路６４７に分散されるなどである。出射導波路６４５からの光は、検出された光に応じて信号Ｉ１を生成する光検出器６５５に光学的に結合され、出射導波路６４６からの光は、検出された光に応じて信号Ｉ２を生成する光検出器６５６に光学的に結合され、出射導波路６４７からの光は、検出された光に応じて信号ＩＮを生成する光検出器６５７に光学的に結合される。
【００４６】
センサの出射光の重心が検知されたパラメータに応じてシフトするのにともない、ＡＷＧは、センサの出射光の空間的位置を同様にシフトさせる。例えば、図６Ｂに示されるように、最初にλ１における重心を有するセンサ出射光がλ１＋Δ１における重心にシフトする場合、出射導波路６４５によって運ばれる光量は増加する。それゆえに、光電流Ｉ１の対応する変化に応じて、光検出器６５５によって検出された光量は増加する。それゆえに、検知されたパラメータのシフトは、電流Ｉ１の変化を順次生じさせるλ１からλ１＋Δ１へのセンサ出射光重心のシフトを生じさせる。
【００４７】
光源強度の変動によって生じる光検出器電流の変化（例えば、図１における１１０）は、電流ＩＮ＋１を生成する追加の光検出器６９９による光源強度を測定することによってセンサ出射光の波長シフトによって生じる光検出器電流の変化から区別することができる。そして、波長シフトは、センサ１についての比Ｉ１／ＩＮ＋１、センサ２についての比Ｉ２／ＩＮ＋１から算出することができるなどである。
【００４８】
どのようにそれらの特性が観察された波長シフトを変化させる傾向があるかが知られている場合、所定のＦＢＧの検知された波長シフトから、検知されたパラメータの値を算出し、次に、ＦＢＧによって検知されたパラメータに対応する電池又は他のエネルギシステムの特性を算出することが可能である。
【００４９】
図７は、一部の実施形態にかかる波長領域光分波器として使用されるＡＷＧの出射導波路、追加の分散素子及びディジタイザをより詳細に図示している。この例において、初期の重心波長λ１、λ２、・・・λＮを有するセンサ１、２、・・・Ｎからの出射光は、それぞれ、ＡＷＧの出射導波路７４５、７４６、・・・７４７に空間的に分散される。出射導波路７４５、７４６、・・・７４７からの光は、線形可変伝送構造（ＬＶＴＳ）７６５、７６６、・・・７６７又は他の空間分散光学素子に入射する。
【００５０】
必要に応じて、ＬＶＴＳは、ＬＶＴＳ７６５、７６６、・・・７６７の入射面にわたって出射導波路７４５、７４６、・・・７４７からの光を平行化する及び／又は拡散するように構成された拡散要素７５５、７５６、・・・７５７を含む。十分な光の広がりが出射導波路７４５、７４６、・・・７４７から生じる構成において、拡散要素は使用することができない。ＬＶＴＳ７６５、７６６、・・・７６７は、プリズム又は線形可変フィルタなどの分散素子を備える。ＬＶＴＳ７６５、７６６、・・・７６７は、導波路７４５、７４６、・・・７４７及び（必要に応じて）拡散要素７５５、７５６、・・・７５７からその入射面７６５ａ、７６６ａ、・・・７６７ａにおいて光を受光し、その出射面７６５ｂ、７６６ｂ、・・・７６７ｂから光検出器の対７７５、７７６、・・・７７７に対して光を送出する。ＬＶＴＳ７６５、７６６、・・・７６７の出射面７６５ｂ、７６６ｂ、・・・７６７ｂにおいて、光の波長は、出射面に沿った距離に応じて変化する。それゆえに、ＬＶＴＳ７６５、７６６、・・・７６７は、光の波長に応じて、ＬＶＴＳ７６５、７６６、・・・７６７の入射面７６５ａ、７６６ａ、・・・７６７ａにおいて入射する光信号をさらに分波するのに役立つことができる。
【００５１】
図７は、ＬＶＴＳ７６５から放射された２つの波長帯域を示しており、初期の放射帯域は、出射面７６５ｂに沿って基準位置（ＲＥＦ）から距離ｄ１において放射されたλ１の重心波長を有する。検知されたパラメータに応じて、初期の波長帯域は、重心波長λ１＋Δ１を有する波長帯域にシフトする。シフトされた波長帯域は、基準位置から距離ｄΔ１において放射される。
【００５２】
光検出器対７７５は、ＬＶＴＳ７６５を介して伝送される光が光検出器対７７５に当たるように、ＬＶＴＳ７６５に対して位置決めされている。例えば、波長λ１を有する光は、主に光検出器７７５ａに当たることができ、波長λ１＋Δ１を有する光は、主に光検出器７７５ｂに当たることができる。光検出器７７５ａは、その感光面に当たる光に応じて信号Ｉ１１を生成し、光検出器７７５ｂは、その感光面に当たる光に応じて信号Ｉ１２を生成する。信号Ｉ１１、Ｉ１２は、Ｉ１１及びＩ１２の比の変化が上述した式を使用して算出することができる検知されたパラメータの変化を示すように、検知されたパラメータに関する情報を含む。
【００５３】
図８は、電池セル、電池セル１、電池セル２、電池セル３、電池セル４、電池セル５に挿入された複数のセンサ導波路８０１、８０２、８０３、８０４、８０５にそれぞれ配置された複数のＦＢＧセンサ、ＦＢＧ１、ＦＢＧ２、ＦＢＧ３、ＦＢＧ４、ＦＢＧ５を含む監視システムの一部を示している。複数のセンサ導波路のそれぞれは、ＡＷＧ８１０の入射導波路にそれぞれ光学的に接続されている。ＦＢＧセンサのそれぞれからの出射光は、図２に示されるＡＷＧ２４０などの波長領域分波器の入射導波路にその後に接続される（図２の２３０におけるように）サーキュレータ及び光源に光学的に結合され得る導波路８１２上にＡＷＧ８１０によって合波される。
【００５４】
伝統的に、ＡＷＧは、高速通信システムにおいて使用されており、隣接するチャネル間のクロストークを最小化するように設計されている。ビット誤り率が非常に低くなければならないことから（１０−１２程度）、これは、ディジタル通信にとって重要であり、したがって、１つのチャネルからの光が次に漏れるのは準最適である。本願明細書に記載された実施形態は、検知用途のために具体的に設計されたＡＷＧを含む。これらのＡＷＧは、隣接するチャネル間のクロストークを意図的に導入する。
【００５５】
いくつかの実施形態において、クロストークを有するＡＷＧは、出射導波路の対における隣接する出射導波路の中心間間隔が出射導波路における光スポットの大きさよりも小さくなるように構成されており、光スポットの大きさは、スポットの強度の半値全幅（ＦＷＨＭ）である。図９Ａにおいて、ＡＷＧの出射結合器は、隣接するチャネル間のクロストークを導入するために「通常の」遠隔操作から減少した出射導波路の間隔で示される。ここで、ΔＬの隣接するアレイ導波路間の増分長がある。この増分は、光がＡＷＧの中心波長において中心出射導波路から出射するように、名目上、ＡＷＧの中心波長の倍数ｍとして選択される（ｍは、ＡＷＧの回折次数を表す）。アレイ導波路の間隔はｄであり、波長Δλの変化のための出射導波路の入射における光スポットの位置の変化は、以下のように与えられる。
【００５６】
【数２】
0006491970.tif 000003
【００５７】
ここで、ｆは、アレイ導波路から出射導波路までの距離である（光スポットが出射導波路において焦点になるように、スラブ導波路の入射及び出射側の双方の曲率半径もまた、ｆであることに留意されたい）。
【００５８】
ＦＢＧの反射波長がその範囲にわたって変換するのにともない、出射導波路対の間隔は、大部分が１つの導波路上から大部分が他の導波路上までスポットの変換を表さなければならない。すなわち、反射中心波長Δλの変化について、１対の間隔は、上記式にしたがって選択されなければならない。しかしながら、出射導波路の異なる対の中心波長は、異なる対間の干渉を引き起こさないように調整されなければならない（例えば、８チャネルがＡＷＧにおいて等しく離隔されている場合、第１のセンサ用のチャネル１及び２、第２のセンサ用の４及び５、第３のセンサ用の７及び８を使用して、いくつかの状況において、センサ読み出し間に十分な絶縁を提供する）。
【００５９】
いくつかの実施形態において、１対の出射導波路における光スポットサイズは、順次対間隔のオーダーでなければならないセンサの動作範囲にわたって予想されるスポットの横方向変換のオーダーである。スポットが間隔に比べて広すぎる場合には、対内の２つの出射導波路間の差動信号は小さくなり、それが狭すぎる場合には、センサのダイナミックレンジが制限される。スポットサイズは、ほぼ２ｆλ／Ｋｄであるように回折の検討から推定することができる。ここで、Ｋはアレイ導波路の数であり、λは動作波長である。
【００６０】
例えば、出射導波路間隔を減少させることにより、出射導波路の入射におけるスポットサイズを増加させることにより、及び／又は、アレイ導波路の焦点から離れるように出射導波路を移動させることにより、チャネル間隔に対するスポットサイズを調整するのに使用することができる多くの方法がある。
【００６１】
図９Ａにおいて、チャネル間隔／スポットサイズ比は、（例えば、最適な動作を提供するために、既に動作のための適切なサイズであると仮定して）スポットサイズを保持することによって調整されるが、出射導波路間隔を減少させる。図９Ｂにおいて、チャネル間隔は、上記検討によれば、例えば最適などの十分であると仮定されるが、スポットサイズは、アレイ導波路の数Ｋを減少させることによってその最適範囲内になるように増加される。我々は、
【００６２】
【数３】
0006491970.tif 000004
【００６３】
したがって
【００６４】
【数４】
0006491970.tif 000005
【００６５】
と設定した場合、上記式を組み合わせることによってＫの良好な値を見出すことができる。さらに、チャネル間隔に対してスポットサイズを調整することは、スポットサイズがほぼＫｄ｜ｆ−ｆ０｜／ｆ０となるように、アレイ導波路の焦点距離ｆ０から離れて新たな距離ｆまで出射導波路を移動させることによって実現することができる。
【００６６】
図１０に示されるように、光源数を減少させることは、コヒーレント光源のアレイから放射される光の角度分布を広げる。この現象は、大きなレンズに比べて劣る回折限界性能を有する小さなレンズと同様に理解することができる。したがって、強度に依存しない波長シフトが検出可能であるように、さらに比較的狭いスペクトルピークが２つのチャネルに分散されることができる。
【００６７】
多くの場合、より多くのＦＢＧは、利用可能なフォトダイオード／ＡＷＧの出力チャネルがあるよりも検知することが必要になる。したがって、いくつかの実施形態において、光時間領域合波が上述した光波長分割合波及び分波とともに使用される。多入力ＡＷＧの各入力について、出射導波路に対する公知の波長依存マッピングがある。したがって、時分割合波及び波長分割分波は、いずれの方法単独で対処することができるよりもはるかに多いセンサ数に対処するために組み合わせることができる。さらに、光スイッチは、同一の構造を有するモジュールの製造を可能とするＡＷＧと同じ基板上に集積することができる。
【００６８】
図１１は、図１の監視システム１００に対していくつかの点で類似している監視システム１１００のブロック図を示しており、同様の参照符号は、同様の要素を示す。システム１１００は、Ｍ個のモジュール１１２１、１１２２、・・・１１２３を監視することが可能であり、各モジュールは、Ｎ個のセンサを有する。各モジュール１１２１、１１２２、・・・１１２３のＮ個のセンサの光出力は、単一の光ファイバ１１３１、１１３２、１１３３において実施可能であり、センサの光出力は、光分波器の出力チャネルに応じて波長に分布している。モジュール及び光ファイバ／センサは、同一に構成されてもよい。
【００６９】
入射光は、光時間領域合波１１７０及び導波路１１３１、１１３２、・・・１１３３を介して光源１１０からモジュール１１２１、１１２２、・・・１１２３まで通過し、センサＳ１１・・・ＳＮＭと相互作用する。モジュール１１２１、１１２２、・・・１１２３からの出射光は、光時間領域合波器１１７０を介して光波長領域分波器１４０まで通過する。モジュール１１２１、１１２２、・・・１１２３は、光時間領域合波器１１７０によって一度に１つ選択される。本願明細書に開示されたセンサ出射光の時間領域合波及び波長領域合波及び分波を組み合わせる実装は、時間領域合波又は波長領域合波／分波の単独でいずれかによって対処することができるよりもはるかに大きな数の電池セル（又は他のエネルギシステム要素）に対処することができる。
【００７０】
図１２は、複数のＦＢＧセンサを有する複数のモジュールに対処するために時間領域合波及び波長領域合波の双方を使用するシステム１２００の構成を示している。この特定の例において、システム１２００は、Ｍ個のセンサモジュールを使用して電池パックを監視し、各モジュールは、単一の光ファイバ上において電池セル内に配置されたＮ個のＦＢＧセンサＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮを有する。Ｎ個のＦＢＧは、光波長領域分波器として使用されるＡＷＧ１２４０の出力チャネルに応じて波長に分布している。モジュール及び光ファイバ／ＦＢＧは、全て同一に構成されてもよい。光は、１×Ｍ個の光パワースプリッタ１２０１及びＭ個のサーキュレータ１２７０によって光源１１０から電池モジュールまで通過する。モジュール１、２、・・・Ｍからのセンサ出射光は、Ｍ入力２Ｎ出力ＡＷＧ１２４０のＭ個の入力まで時間領域光合波器１２５０を介して通過する。時間領域合波器１２５０は、スイッチ制御回路１２８０によって制御されるＭ個の光スイッチのバンクを備える。モジュール１からＭの出射導波路１２３１、１２３２、・・・１２３３は、一度に１つ選択され、ＡＷＧ１２４０の各入射導波路に光学的に結合される。ＡＷＧ１２４０は、センサモジュールからＡＷＧ出射導波路１２４１まで光を空間的に分散させ、その後、出射光は、上述したようにディジタイザ１２６０に送られる。
【００７１】
図１２は、各センサの出射光がモジュールについての単一の出射導波路１２３１、１２３２、・・・１２３３上に合波されるように配置されたセンサＳ１、Ｓ２、・・・ＳＮを示している。図１３は、モジュールレベルにおいて異なる波長帯域を有するセンサ出射光を合波するための代替構成を示している。この構成において、各電池セル１３０１は、センサ光導波路１３０３上に配置された１つ以上のＦＢＧ１３０２によって監視されている。入射光は、サーキュレータ１３７０に対して１×Ｎのパワースプリッタ１３７１を介して光学的に結合される。サーキュレータ１３７０は、モジュール１３０５についての出射導波路１３２０に対してＮ×１のパワースプリッタ１３７２を介して平行にセンサ出射導波路１３０３を接続する。出射導波路は、モジュール１３０５における全てのＦＢＧ１３０２からの合成（波長合波された）出射光を伝搬する。図１３に示されるモジュール構成は、例えば、図８又は図１２に示されたモジュールのそれぞれを置き換えるのに使用することができる。
【００７２】
図１４は、いくつかの実装にかかる時間領域合波及び波長領域合波を使用する他の監視システム１４００を示している。図１４の監視システム１４００は、１２００の監視システムに対していくつかの点で類似しており、同様の参照符号は、同様の要素を指すのに使用されている。システム１４００は、１×Ｍの光スイッチ１４５０及びスイッチ１４５０と光源１１０との間に配置された光サーキュレータ１４７０によってＭ個の光スイッチ１２５０及びＭ個の光サーキュレータ１２７０を置き換える。
【００７３】
図１５Ａは、光時間領域合波を実装するための階層的スイッチング構成を含む監視システム１５００を図示している。図示された監視システム１５００におけるスイッチング構成１５５０は、８個のセンサモジュールに結合された第１のレベルの４つの１×２光スイッチ１５５１（図１５Ａにおける最下レベルのスイッチ）と、第１のレベルのスイッチ１５５１と単一の１×２の第３のレベルの光スイッチ１５５３との間に光学的に結合された第２のレベルの２つの１×２光スイッチ１５５２（図１５Ａにおける最下レベルの次のスイッチ）とを含む。スイッチング構成１５５０は、光サーキュレータ１５７０を介して光源１１０及び波長分割分波器（ＡＷＧ）１５４０に接続されている。スイッチ１５５１、１５５２、１５５３は、各センサモジュールからの出射光がＡＷＧの入射導波路１５４１に時間合波されるように、スイッチ制御回路１５８０によって制御される。ＡＷＧ１５４０は、時間合波されたセンサ出射光を分波し、出射導波路及びディジタイザ１５６０に対して波長に応じて出射光を空間的に分散させる。
【００７４】
図１５Ｂは、光時分割合波を実装するための統合されたスイッチ制御を有する階層的スイッチング構成を含む監視システム１５０１を図示している。図示された監視システム１５０１におけるスイッチング構成１５９０は、８個のセンサモジュールに結合された第１の（最下）レベルの４つの１×２光スイッチ１５９１と、第１のレベルのスイッチ１５９１と単一の１×２の第３のレベルの光スイッチ１５９３との間に光学的に結合された第２（次の高さ）のレベルの２つの１×２光スイッチ１５９２とを含む。スイッチング構成１５９０は、光サーキュレータ１５７０を介して光源１１０及び波長分割分波器（ＡＷＧ）１５４０に接続されている。スイッチ１５９１、１５９２、１５９３は、各センサモジュールからの出射光がＡＷＧの入射導波路１５４１に時間合波されるように、統合されたスイッチ制御回路１５８２によって且つ必要に応じてさらに中央スイッチ制御回路１５８１によって制御される。ＡＷＧ１５４０は、時間合波されたセンサ出射光を分波し、出射導波路及びディジタイザ１５６０に対して波長に応じて出射光を空間的に分散させる。
【００７５】
スイッチ制御回路１５８１、１５８２は、センサモジュールからＡＷＧ１５４０まで出射光を時間合波するように動作する。いくつかの実装において、スイッチ１５９１、１５９２、１５９３又はスイッチの群のうちの少なくとも１つは、統合されたスイッチ制御要素１５８２に関連付けられる。いくつかの実装において、スイッチ状態を変化させるための制御信号は、スイッチ１５９１、１５９２、１５９３を光学的に結合する光導波路１５８３によって他の統合されたスイッチ制御要素から又は中央スイッチ制御１５８１から統合されたスイッチ制御要素１５８２に伝搬される。統合されたスイッチ制御は、導波路を介してスイッチ状態を変更し、コマンドを解釈し、スイッチ状態を変更するためにスイッチを制御するためのコマンドを含む光制御信号、例えばディジタル信号を受信するように構成された電気光学的部品又は回路を含むことができる。
【００７６】
いくつかの実施形態において、時分割合波を実現するためのスイッチ制御は、互いに通信する統合されたスイッチ制御要素によって実行することができる。これらの実施形態において、統合されたスイッチ制御要素は、他の統合されたスイッチ制御要素にコマンドを送信するだけでなく、スイッチ状態を変更するためのコマンドを受信して解釈する能力を有する。いくつかの実施形態において、スイッチ制御は、中央スイッチ制御と連動して動作する統合されたスイッチ制御要素によって実現されてもよい。
【００７７】
様々な種類の光スイッチは、本願明細書に記載された時分割合波のために使用することができる。適した光スイッチ技術は、例えば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）光スイッチ、液晶スイッチ、バブルスイッチ、熱光学スイッチ、フェーズドアレイスイッチ及び電気ホログラフィスイッチを含む。
【００７８】
いくつかの実装において、光時分割合波は、図１６に図示されるように、１×Ｍフェーズドアレイ光スイッチによって実現されることができる。これらの実装において、入射導波路１６０１上で伝搬された入射光信号は、入射導波路１６０１に沿って変化する長さからなるＬｉＮｂＯ３などの位相遅延材料１６０５を有する電圧制御型位相変調器部１６０３によって出射導波路１６０２に対して時間合波される。電圧制御型位相変調器１６０３は、示される鋸歯状波などの時間変化電気信号１６１０に応じて入射導波路１６０１に沿って位相変調を誘起するように構成されることができる。例えば、位相変調器の材料１６０５は、時間合波が線形的に変化する周期的な電気信号１６１０によって実現することができるように、線形的に変化する位相変調を提供するために入射導波路１６０１に沿って線形的に変化する長さを有することができる。位相遅延スイッチについての他の構成は、異なる波形、位相変調部内の各導波路についての個別電極、同一の長さ位相シフト部、他の位相シフト波形、自由キャリア注入に基づくシリコン位相変調器などを含んで可能である。
【００７９】
本願明細書において提案されている監視システムは、同一基板上に集積された１つ以上の要素を含むことができる。例えば、ＡＷＧの出力をファイバ結合し、個々のファイバ結合光検出器に対するＡＷＧ出力を送出するなどによって個別部品を使用した監視システムを実現することができる。
【００８０】
あるいは、光検出器、例えば、フォトダイオードは、ＡＷＧの出射導波路に直接一体化されることができた。同一基板上の監視システム要素のうちの１つ以上の一体化は、大幅なコスト、サイズ及び複雑さの削減をもたらすことができる。電子／光回路ハイブリッド集積方法を使用して、光源、サーキュレータ、光スイッチ、ＡＷＧ、フォトダイオード及びディジタイザを含み、同一基板上に全ての要素を一体化することが可能であり得ることに留意されたい。
【００８１】
本願明細書に記載されたアプローチは、単一の検出部による高レベルのセンサ合波のみならず高レベルの一体化の可能性を提供することができる。監視システムの検出部の一部又は全ての要素−光源、サーキュレータ、時分割合波器、波長分割分波器及びディジタイザ−は、電源に対する電気接続である外部接続、監視及び／又は管理プロセッサとの電気的及び／又は光通信、並びに、センサに対する光ファイバ接続のみによって同一基板上に集積することができた。そのような集積デバイスは、非集積的なアプローチと比較して大量（例えば、自動車）に製造した場合に、潜在的に大幅なコスト／サイズ／性能の向上をもたらす可能性があった。モジュラー電池パックについての時間及び波長領域合波の提案された組み合わせは、コンパクトで、集中化した読み出しを有するパックの監視を有効にすることができる。これは、モジュールの交換や増設を容易とする電池パックのモジュール構造を保持するのに役立つ。それらが同一にすることができるため、それはまた、モジュールの構造を簡便化する。単一の光ファイバケーブルは、各モジュールについて使用することができ、コスト及び配線を削減する。様々な出力チャネルに対する波長結合は、隣接チャネル間のクロストークを意図的に導入／設計することによって検知用途のために選択することができる。自動車／電気自動車の場合、単一の集中化した読み出しはまた、特に時間領域合波器の階層的ネットワークと組み合わせて、車両にわたって分散された他の光ファイバセンサを読み出すために使用することができる。
【００８２】
ＡＷＧのための異なる導波路材料は、光センサの波長に応じて使用されるであろう。例えば、シリコンは、通信波長（約１５５０ｎｍ）で使用することができるが、それは、化学的検知アプローチのためにより関心のあり得る可視波長範囲での使用に適していない。可視波長範囲において、二酸化ケイ素は、導波路材料として好適であり得る。さらに、二酸化ケイ素はまた、通信波長において透明である。
【００８３】
いくつかの実施形態において、重心波長のシフトを判定するために２つの光検出器に基づいて差動読み出しを使用するよりもむしろ、ＡＷＧの全ての２Ｎ個の出力を測定することができる。推定ルーチンは、公知の形状を有する最大でＮ個のスペクトルピークの重心及びピーク強度を同時に判定するために、その情報を使用して使用可能である。例えば、全てのスペクトルのピークは、記録された情報の全てに同時に適合することができる。電池セル（又は他のエネルギシステム要素）あたりの複数のＦＢＧ又は光ファイバセンサ、又は一方のみが存在することがあり、センサは、電池セルの内側及び／又は外側に配置することができる。任意の種類のセンサは、検知対象の情報が波長シフトで符号化される限り使用することができ、好ましくは、センサは、波長分割合波のいくつかの形態に適することができる（例えば、それらは、実質的に重複しないスペクトル帯域で動作する）。
【００８４】
時間領域合波及び波長領域合波／分波の様々な組み合わせは、いくつかの実装における目標であるシステム全体の全体的なコスト及び／又はサイズ及び／又は複雑性の低減に応じて使用することができる。時間的に連続して点灯する複数の光源を使用した時間合波のための他のスキームもまた、潜在的に使用することができる。例えば、スペクトル領域Ａを包含する光源Ａ及び実質的に異なるスペクトル領域Ｂを包含する光源Ｂは、同一の光ファイバ上に結合されることができる。センサは、スペクトル領域Ａにおいて励起されたときにセンサの一部が応答を生成し且つスペクトル領域Ｂにおいて励起されたときにセンサの他の部分が応答を生成するように、ファイバに沿って配置することができる（ＡＷＧが光周波数に対して周期的応答を有するのにともない、ＡＷＧの異なる回折次数に含まれるようにスペクトル領域Ａ及びＢを選択することが有利である）。したがって、連続的に点灯する２つ（又はそれ以上）の光源により、異なるセンサ群からの信号は、同じ光ファイバ及び／又は検出器上で時間合波されることができる。
【００８５】
いくつかの実施形態において、ＡＷＧチャネル波長は、温度コントローラによってその場で調整されることができ、又は、（チャネルの中心波長の温度に対する依存性が低減又は最小化される場合）断熱されたＡＷＧが使用可能である。ＡＷＧの温度を測定するために且つフォトダイオード電流から波長シフトを算出する任意のアルゴリズムにおいてその情報を含むために、いくつかの機能を組み込むことがさらに有用であり得る。１対の隣接するＡＷＧ導波路の出力における光束の差をみてから波長シフトを測定する実装において、単一のスペクトルピークの波長シフトが測定可能なダイナミックレンジと単一のＡＷＧを用いて測定することができるピーク数との間にトレードオフが存在する。例えば、１００チャネルＡＷＧにより、１００で除算したＡＷＧの全帯域幅の最大範囲で（チャネルが対毎に観察されるとき）最大５０個のスペクトルピークの波長シフトを測定することができた。測定されるスペクトルピーク数を５個に制限することにより、各ピークは、前と同じ分解能で測定することができるが、それはまた、１０倍の範囲で測定することができる。
【００８６】
いくつかの実施形態において、ＡＷＧは、異なるスペクトルピークの事前ソートのために使用されてもよく、そして、各スペクトルピークの波長シフトは、上述したように、線形的に変化する伝送構造及び光検出器アレイを使用して判定される。この場合、例えば、ＡＷＧの分散が予測されるスペクトルシフトの完全な範囲を収容するように、センサのスペクトルシフトに対応するために各ＡＷＧチャネルの通過帯域を増加させるのに有用であり得る。
【００８７】
本願明細書に開示されたシステム、装置又は方法は、本願明細書に記載された特徴、構造、方法又はそれらの組み合わせのうちの１つ以上を含むことができる。例えば、装置又は方法は、本願明細書に記載された特徴及び／又はプロセスのうちの１つ以上を含むように実装されることができる。そのような装置又は方法は、本願明細書に記載された特徴及び／又はプロセスの全てを含む必要はないが、有用な構造及び／又は機能を提供する選択された特徴及び／又はプロセスを含むように実装されてもよいことが意図される。
【図１】
0006491970.tif 000007
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６】
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