(57)【要約】【課題】従来の分布型温度センシングシステムの性能をはるかに凌ぐダイナミックレンジ5000以上、センサからの波長が0.1pmの変化で受光素子での光量変化が0.5nW以上、システムに接続可能センサ数がCバンドの帯域幅50nmで100以上の性能を持った分布型温度センシングシステムの実現を課題とする。【解決手段】ダブルリング共振器のドロップポートにブラッググレーティングを接続しセンサを構成する。センサの入出射ポートは該共振器入出射ポートとする。これを複数接続したセンサ群に広帯域光源からの光を入射させ反射光をファブリペロー干渉計のような共振波長が電気信号により可変の干渉計を用いた波長検波器により検波しもってダイナミックレンジ、多重数（システムに接続可能センサ数）の両面から従来の分布型センシングシステムの性能を遥かに凌ぐ。【選択図】  図１
2008232929.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
広帯域光源からの光を光方向性結合器あるいはサーキュレータに入射させ該光方向性結合器あるいはサーキュレータからの出射光を光ファイバあるいは光導波路から成る光信号伝送ライン経由1個のセンサに導き、あるいは複数のセンサを光信号伝送ラインを用いて直列に接続した直列回路に導きこれら1個あるいは複数のセンサからの反射光は逆の経路をたどって光方向性結合器あるいはサーキュレータ経由波長検波器に導かれ該検波器において測定されたこれらセンサからの反射スペクトルを、あらかじめ測定したセンサの反射波長と温度との関係を記憶したメモリとそれを制御するための制御部からなる記憶装置に入力させることによりセンサが検出すべき温度の変化あるいは温度を測定する温度計測システムであって、前記各センサは光導波路にブラッググレーティングを描画した素子（以下WBG：Waveguide Bragg Grating）がダブルリング共振器のドロップポートに接続されており前記光信号伝送ラインとは該ダブルリング共振器の入射ポート及び出射ポートを介して接続されたことを特徴とした点型あるいは分布型温度計測システム
【請求項２】
請求項１においてWBGの半値全幅をダブルリング共振器のフリースペクトルレンジよりも狭くしたことを特徴とする点型あるいは分布型温度計測システム
【請求項３】
前記請求項２の点型温度計測システムであってダブルリング共振器の入射ポートとドロップポート間の櫛型透過スペクトルのうちの特定のスペクトルの変動の範囲はセンシング対象である温度の測定範囲に対応しておりかつそれぞれのセンサのダブルリング共振器に接続される前記WBGの反射波長帯域より狭いことを特徴とする点型温度計測システム
【請求項４】
前記請求項３の分布型温度計測システムであってそれぞれのセンサを構成するダブルリング共振器の入射ポートとドロップポート間の櫛型透過スペクトルのうち特定の一つのスペクトルの変動の範囲はそれぞれのセンサが対象とする温度測定範囲に対応しておりかつそれぞれのセンサのダブルリング共振器に接続されるWBGの反射波長帯域より狭く、同時にこれら複数のWBGの反射波長帯域が互いに重なり合わないように構成されたことを特徴とする分布型温度計測システム
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
光ファイバブラッググレーティング（以下FBG）を用いた分布型光ファイバセンサの技術分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明の背景技術としては第一、第二、第三、及び第四の背景技術がある。まず、第一の背景技術につき説明する。図７を用いて従来技術を用いた分布型温度センサについて説明する。広帯域光源３からの光は光方向性結合器４を経てシングルモードファイバ（以下SMF）に入力され該SMFには１個または複数のFBGが描画されている。検出すべき温度はセンサのFBGの反射中心波長とリンクするため、これらの反射中心波長を測定することにより各センサの温度を測定することができる。各々のFBGの反射中心波長はそれらの帯域幅も含め互いにすべての測定範囲に亘ってオーバラップしないようにシステム設計されている。FBGからの反射光は前記SMFを逆にたどって光源側に戻っていき光源直前に設置されている前記光方向性結合器４によりファブリペロー干渉計型波長検波器などの波長検波器１に入力される。各々のFBGの反射中心波長は該ファブリペロー干渉計により測定される。ファブリペロー干渉計は狭帯域な櫛型帯域通過フィルタである。この通過帯域は例えば圧電素子などを使用し該干渉計の半透鏡の間隔を繰り返し該圧電素子に印加する電圧により変化させることができるため例えば該印加電圧を鋸波状に変化させれば前記ファブリペロー干渉計の狭帯域な櫛型帯域通過フィルタスペクトルも周期的に変化する。使用される複数のFBGの占有する全波長帯域より広いフリースペクトルレンジ（以下FSR）になるようにファブリペロー干渉計を設計しておく。更にファブリペロー干渉計の複数存在する通過中心波長の内の１つ通過中心波長が前記圧電素子に印加する電圧の変化でFSRだけ掃引される。これにより各々のFBGの反射光の反射中心波長は該ファブリペロー干渉計からの出射光量を前記圧電素子への印加電圧とリンクして観測することにより印加電圧がいくらのとき最大になるかを計測することができる。一方あらかじめ該印加電圧と前記複数のFBGの占有する全波長帯域内に存在する単一のファブリペロー干渉計の透過スペクトル中心波長との関係は測定されており、このためファブリペロー干渉計からの出射光量を極大にする前記印加電圧を測定することにより前記複数のFBGの反射中心波長を測定することができる（非特許文献１参照）。これらあらかじめ各センサの反射中心波長と温度との関係を測定しておきデータとして例えば図６のようにProgramable Read Only Memory（以下PROM）に記憶しておけばこれが図７の波長温度変換部２を構成するメモリとなる。波長温度変換部２は波長検波器１に接続され入力されてきた各センサの波長に対応した各センサの温度を出力する。
【０００３】
次に第二の背景技術につき説明する。この技術は光通信の分野で波長多重通信のために研究されているリング共振器に関する技術である。リング共振器は波長多重通信のための狭帯域アド/ドロップ光フィルタであり、2入力２出力の光方向性結合器を２つ用いて光導波路ループができるように該２つの光方向性結合器を接続した構成になっている。接続されず残った光方向性結合器の４つの入出射端子のうち１つは光入射ポート、１つはスルーポート、１つはドロップポート、他の１つはアドポートとして使用される。光入射ポートからスルーポートへの透過率は繰り返しの櫛型バンドリジェクトフィルタ特性を示す。また光入射ポートからドロップポートへの透過率は繰り返しの櫛型バンドパスフィルタ特性を示す。更にアドポートからスルーポートへの透過特性も櫛型バンドパスフィルタ特性を示す（非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５参照）。
【０００４】
次に第三の背景技術につき説明する。第三の背景技術は光導波路にブラッググレーティングを描画する技術である。コアにゲルマニウムをドープしたSiO2を用いた場合が報告されている（非特許文献６参照）。またブラッググレーティングではないがTa2O5-SiO２からなるコアの屈折率を紫外線でトリミングできることが報告されている（非特許文献３参照）。
【０００５】
2008232929.tif 000003
【０００６】
【非特許文献１】P. Eigenraam, B. S. Douma, A. P. Koopman, Applications of Fiber Optic Sensors & Instrumentation in the Oil and Gas Industry, in Proc. of OFS-13,  pp602-607, 1999
【非特許文献２】A. D. Kersey, T. A. Berkoff, and W. W. Morey, Multiplexed fiber Bragg grating strain-sensor system with a fiber Fabry- Perot wavelength filter, Optics Lett. Vol. 18, No.16, pp.1370- 1372, 1993
【非特許文献３】「マイクロリング共振器型光ルーティング素子」国分泰雄、応用物理、第72巻、第11号、pp1364−1373、2003年
【非特許文献４】S. Suzuki, K. Oda, and Y. Hibino, Integrated-Optic Double-Ring Resonators with a Wide Spectral Range of 100GHz, J. Lightwave Technolo., vol.13, no.8, pp.1766-1771, 1995
【非特許文献５】B. E. Little, S. T. Chu, W. Pan, D. Ripin, T. Kaneko, Y. Kokubun and E. Ippen, Vertically Coupled Glass Microring Resonator Channel Dropping Filter, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 11, no.2, pp215-217, 1999
【非特許文献６】Y. Sano, T. Hirayama, J. K. Kurihara, T. Goto, K. Taniguchi,  J. Nishii, K. Kintaka, and T. Yoshino, Planar Waveguide Bragg Grating Pressure Sensor on a Micro-Machined Silicon Diaphragm in Proc. of OFS-16  pp694-697 2003
【特許文献１】特願2006−288631
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
2008232929.tif 000004
【０００８】
2008232929.tif 000005
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に基づく分布型温度センサシステムの動作原理は特許文献１と次の点を除いて同一である。すなわちリング共振器を2つ直列に接続しFSRを拡げるという点である。ダブルリング共振器は非特許文献4に記載されているようにFSRを大きくできることは公知である。一方特許文献1によりリング共振器のドロップポートにWBGを接続し入力は該リング共振器の入射ポート、出力は該リング共振器の出射ポートとするセンサを複数直列に光ファイバで接続し、この直列接続されたセンサ群に広帯域光源から光を入射させ、センサ群からの反射光の波長を例えばファブリペロー干渉計など圧電素子と組み合わせ共振波長が可変の干渉計からなる波長検波器と組み合わせることにより微小な波長変化でも波長を検波できる方法が知られている。本発明はこの２つの技術を組み合わせることにより従来の分布型センシングシステムの性能をダイナミックレンジ、多重数（システムに接続可能センサ数）の両面から遥かに凌ぐことができる。
【発明の効果】
【００１０】
上記手段を用いることにより本発明は段落番号0009で述べた様に従来の光ファイバ式分布型センサシステムの性能をはるかに凌ぐダイナミックレンジ5000以上、センサからの波長が0.1pmの変化で受光素子での光量変化が0.5nW以上、システムに接続可能センサ数がCバンドの帯域幅50nmで100以上の性能のセンサシステムを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
発明の実施形態の分布型温度計測システムの全体構成を図１に示す。図２は図1に示すシステムのキーハードとなるダブルリング共振器を用いたセンサの構成を示す。図１において広帯域光源３から出射した光はSMF、光方向性結合器４を経てSMFに入射する。このSMFにはセンサが1個あるいは複数直列に接続されている。センサに入射した広帯域光は線スペクトルになって反射され光方向性結合器４経由ファブリペロー型干渉計からなる波長検波器１に入射する。入射した光の波長はこの検波器で波長が計測される。それぞれのセンサはそれぞれのセンサの温度変化によって後述の理由から反射波長が変化する。したがってそれぞれのセンサの反射波長を波長検波器１で検波することにより各センサでの温度を測定できる。ダブルリング共振器は図1に示すように２つのリング導波路RW1, RW2, ３つの光方向性結合器DC1,DC2,DC3から構成される。実際のダブルリング共振器の製作方法を図２を用いて次に述べる。
【００１２】
製作方法は非特許文献4により知られているゲルマニウムをドープしたSiO２を導波路のコアとする方法でもよいし、非特許文献5により知られているTa2O5- SiO２によりコアを製作する方法でも良い。ここでは非特許文献5により知られている方法について述べる。シリコンサブストレート６の上にアンダークラッド層としてCVD(Chemical Vapor Deposition)によりSiO２を成膜しその上に直線導波路８のコアに相当する層としてTa2O5- SiO２をＲＦスパッタにより成膜する。そしてＣrマスクとCF4を用いたドライエッチングによりコアを形成する。コア屈折率はTa2O5とSiO２の％モル比で種々の値に制御できる。例えばTa2O5が30％モル比SiO２が70％モル比のときTa2O5- SiO２の屈折率は1.7825と成る。コア形成後SiO２膜を更に成膜し中間クラッド９を構成しこのプロセスで直線導波路８が完成する。更にこの上にリング導波路ＲＷを形成するためにTa2O5- SiO２をＲＦスパッタにより成膜する。そして直線導波路8の場合と同じようにＣrマスクとCF4を用いたドライエッチングによりリング導波路RW１、RW２のコアを形成する。このリング導波路のコアの上に更にSiO２膜をオーバクラッド層1０として成膜してダブルリング共振器が完成する。なお図２には特に記号で表示はしていないが光方向性結合器DC2,DC3は直線導波路8とリング導波路RW１、RW２が空間的に近接している部分がそれに相当する。またDC1は2つのリング導波路RW1、RW２が空間的に近接している部分がそれに相当する。  
【００１３】
次にWBGの製作方法を述べる。この方法はアルゴンレーザの波長244nmの2次高調波をコアに照射すると屈折率が変化する（非特許文献３参照）ことを利用する。この紫外線をフェーズマスクを通してコアに照射すればWBGを構成できる。もちろん直線導波路８のコアがゲルマニウムドープのSiO２で構成されているものであっても同様な方法でWBG14を構成できる（非特許文献６参照）。
【００１４】
2008232929.tif 000006
【００１５】
2008232929.tif 000007
【００１６】
図９は本発明の技術を用いた図１の分布型温度計測システムのスペクトラムの相関を示す図である。各々のセンサからの反射中心波長はセンサを構成するWBGの帯域幅も含め互いにすべての測定範囲に亘ってオーバラップしないようにシステム設計されている。使用される複数のWBGの占有する全波長帯域より広いFSRになるようにファブリペロー干渉計を設計しておく。更にファブリペロー干渉計の複数存在する通過中心波長の内の１つ通過中心波長が圧電素子に印加する電圧の変化でFSRだけ掃引される。このような共振波長可変のファブリペロー干渉計とその制御器はたとえばMicron Optics社のFFP-TF2とFFP-Ｃを用いることができる。これにより各々のセンサの反射光の反射中心波長は該ファブリペロー干渉計からの出射光量を前記圧電素子への印加電圧とリンクして観測することにより印加電圧がいくらのとき最大になるかを計測することができる。一方あらかじめ該印加電圧と前記複数のWBGの占有する全波長帯域内に存在する単一のファブリペロー干渉計の透過スペクトル中心波長との関係は測定されており、このためファブリペロー干渉計からの出射光量を極大にする前記印加電圧を測定することにより前記複数のＷＢＧの反射中心波長を測定することができる。一方これらあらかじめ各センサの反射中心波長と温度との関係を上述の第四の背景技術で述べた方法と同様にして測定しておきデータとして例えばPＲOＭに記憶しておく。波長温度変換部２は図６に示すような該PROMとそれを制御するマイクロコンピュータ（CPU）で構成する。以上の構成により波長温度変換部２は波長検波器１に接続され入力されてきた各センサの波長に対応した各センサの温度を出力する。なおもしファブリペロー干渉計の可変波長範囲が狭くセンサすべての反射波長領域をカバーできない場合はこれを複数用いればよいことは自明である。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
上述の発明は建築構造物が致命的ダメージを負う前に建築構造物をメンテナンスし維持していこうとするいわゆる建築構造物（ビル、橋、鉄橋など）のヘルスモニタリングの分野のほかに、航空宇宙における例えば翼などの筐体の故障予知の分野などへの適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第一の実施形態のシステム全体を示す図である。
【図２】本発明のセンサの構成の第一の例を示す図
【図３】単一のリング共振器とWBG（導波路ブラッググレーティング）のからなる従来のセンサの反射率の波長に対する変化の一例を示す図（a）、及び同拡大図(b)
【図４】単一のリング共振器のドロップポートへの透過スペクトルの一例を示す図(a),同図(b)は別の単一のリング共振器のドロップポートへの透過スペクトルの一例を示す図, 同図(c)はこれら２つのリングを組み合わせダブルリング共振器として使用した場合のダブルリング共振器のドロップポートへの透過スペクトルを示す図
【図５】図４の特性のダブルリング共振器のドロップポートへの透過スペクトル特性（拡大図）
【図６】各センサからの波長データを各センサの温度データにするための波長温度変換部の一例を示す図
【図７】従来のFBGを用いた分布型光ファイバ温度センサシステムの構成を示す図
【図８】従来の単一のリング共振器とWBGを用いた温度センサの構成を示す図
【図９】本発明の分布型光ファイバ温度センサシステムの動作を説明するための各所のスペクトルを示す図
【符号の説明】
【００１９】
１・・・波長検波器
２・・・波長温度変部
３・・・広帯域光源
４・・・光方向性結合器
SMF・・シングルモード光ファイバ
WBG・・光導波路に描画されたブラッググレーティング
5・・・ダブルリング共振器
IP・・・入射ポート
DP・・・ドロップポート
OP・・・出射ポート
DC1, DC2, DC3・・光方向性結合器
RW,RW1,RW2・・・・リング導波路
6・・・シリコンサブストレート
7・・・アンダークラッド層
70・・・クラッド
8、11・・・直線導波路
9・・・中間クラッド層
10・・・オーバークラッド層
【図１】
2008232929.tif 000008
【図２】
2008232929.tif 000009
【図３】
2008232929.tif 000010
【図４】
2008232929.tif 000011
【図５】
2008232929.tif 000012
【図６】
2008232929.tif 000013
【図７】
2008232929.tif 000014
【図８】
2008232929.tif 000015
【図９】
2008232929.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成20年3月31日(2008.3.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
本発明は光ファイバを用いた分布型光ファイバセンサの技術分野に関する。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００２】
本発明の背景技術としては第一、第二、第三、及び第四の背景技術がある。まず、第一の背景技術につき説明する。図7を用いて従来技術を用いた分布型温度センサについて説明する。広帯域光源3からの光は光方向性結合器４を経てシングルモードファイバ（以下SMF）に入力され該SMFには１個または複数のFBGが描画されている。検出すべき温度はセンサのFBGの反射中心波長とリンクするため、これらの反射中心波長を測定することにより各センサの温度を測定することができる。各々のFBGの反射中心波長はそれらの帯域幅も含め互いにすべての測定範囲に亘ってオーバラップしないようにシステム設計されている。FBGからの反射光は前記SMFを逆にたどって光源側に戻っていき光源直前に設置されている前記光方向性結合器４によりファブリペロー干渉計型波長検波器などの波長検波器１に入力される。各々のFBGの反射中心波長は該ファブリペロー干渉計により測定される。ファブリペロー干渉計は狭帯域な櫛型帯域通過フィルタである。この通過帯域は例えば圧電素子などを使用し該干渉計の半透鏡の間隔を繰り返し該圧電素子に印加する電圧により変化させることができるため例えば該印加電圧を鋸波状に変化させれば前記ファブリペロー干渉計の狭帯域な櫛型帯域通過フィルタスペクトルも周期的に変化する。使用される複数のFBGの占有する全波長帯域より広いフリースペクトルレンジ（以下FSR）になるようにファブリペロー干渉計を設計しておく。更にファブリペロー干渉計の複数存在する通過中心波長の内の１つの通過中心波長が前記圧電素子に印加する電圧の変化でFSRだけ掃引される。これにより各々のFBGの反射光の反射中心波長は該ファブリペロー干渉計からの出射光量を前記圧電素子への印加電圧とリンクして観測することにより印加電圧がいくらのとき極大になるかにより計測することができる。一方あらかじめ該印加電圧と前記複数のFBGの占有する全波長帯域内に存在する単一のファブリペロー干渉計の透過スペクトル中心波長との関係は測定されており、このためファブリペロー干渉計からの出射光量を極大にする前記印加電圧を測定することにより前記複数のFBGの反射中心波長を測定することができる（非特許文献１参照）。これらあらかじめ各センサの反射中心波長と温度との関係を測定しておきデータとして例えば図６のようにProgramable Read Only Memory（以下PROM）に記憶しておけばこれが図７の波長温度変換部２を構成するメモリとなる。波長温度変換部２は波長検波器１に接続され入力されてきた各センサの波長に対応した各センサの温度を出力する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
2008232929.tif 000017
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
2008232929.tif 000018
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
2008232929.tif 000019
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
上記手段を用いることにより本発明は段落番号0009で述べた様に従来の光ファイバ式分布型センサシステムの性能をはるかに凌ぐダイナミックレンジ5000以上、センサからの波長が0.1pmの変化で受光素子での光量変化が85.3nW以上、システムに接続可能センサ数がCバンドの帯域幅50nmで100以上の性能のセンサシステムを実現できる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
次にWBGの製作方法を述べる。この方法はアルゴンレーザの波長244nmの2次高調波をコアに照射すると屈折率が変化する（非特許文献３参照）ことを利用する。この紫外線をフェーズマスクを通してコアに照射すればWBGを構成できる。もちろん直線導波路８のコアがゲルマニウムドープのSiO２で構成されているものであっても同様な方法でWBGを構成できる（非特許文献６参照）。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１４】
2008232929.tif 000020
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１５】
2008232929.tif 000021
【手続補正１０】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
図９は本発明の技術を用いた図１の分布型温度計測システムのスペクトラムの相関を示す図である。各々のセンサからの反射中心波長はセンサを構成するWBGの帯域幅も含め互いにすべての測定範囲に亘ってオーバラップしないようにシステム設計されている。使用される複数のWBGの占有する全波長帯域より広いFSRになるようにファブリペロー干渉計を設計しておく。更にファブリペロー干渉計の複数存在する通過中心波長の内の１つの通過中心波長が圧電素子に印加する電圧の変化でFSRだけ掃引される。このような共振波長可変のファブリペロー干渉計とその制御器にはたとえばMicron Optics社のFFP-TF2とFFP-Ｃを用いることができる。これにより各々のセンサの反射光の反射中心波長は該ファブリペロー干渉計からの出射光量を前記圧電素子への印加電圧とリンクして観測することにより印加電圧がいくらのとき極大になるかを計測し、一方あらかじめ該印加電圧と前記複数のWBGの占有する全波長帯域内に存在する単一のファブリペロー干渉計の透過スペクトル中心波長との関係は測定されており、このためファブリペロー干渉計からの出射光量を極大にする前記印加電圧を測定することにより前記複数のセンサの反射中心波長を測定することができる。更にこれらあらかじめ各センサの反射中心波長と温度との関係を上述の第四の背景技術で述べた方法と同様にして測定しておきデータとして例えばPＲOＭに記憶しておく。波長温度変換部２は図６に示すような該PROMとそれを制御するマイクロコンピュータ（CPU）で構成する。以上の構成により波長温度変換部２は波長検波器１に接続され入力されてきた各センサの波長に対応した各センサの温度を出力する。なおもしファブリペロー干渉計の可変波長範囲が狭くセンサすべての反射波長領域をカバーできない場合はこれを複数用いればよいことは自明である。
【手続補正１１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図３】
2008232929.tif 000022
【手続補正１２】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図４】
2008232929.tif 000023
【手続補正１３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５】
2008232929.tif 000024