(57)【要約】【課題】複数の波長に対して計測可能な高分解能でかつ応答速度の速い波長計を提供することを課題とし、複数の波長を計測する場合でも１つの波長検出手段で行えるＦＢＧセンシング装置を提供することを課題とする。【解決手段】複数の信号光の波長からから任意の単一波長を選択する可変バンドパスフィルタと透過損失あるいは反射損失に周期的な波長依存性を持たせたエタロンフィルタを波長検出手段とし、ＦＢＧからの反射光あるいは透過光の信号光の波長数が、前記波長検出手段の１周期内に１波長以下になるように配置する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
広帯域光源と、該広帯域光源からの出力光を導出する光ファイバと、該光ファイバに備えられた上記出力光を反射するＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）と、前記ＦＢＧからの反射光の波長を検出する波長計とから構成されるＦＢＧセンシング装置において、上記波長計は任意の波長を選択可能な波長可変光フィルタと、透過損失あるいは反射損失に波長依存性を持たせた波長検出手段を有することを特徴とするＦＢＧセンシング装置。
【請求項２】
前記波長検出手段の透過損失あるいは反射損失に周期的な波長依存性を持たせたことを特徴とする請求項１記載のＦＢＧセンシング装置。
【請求項３】
前記波長検出手段はエタロンフィルタであることを特徴とする請求項１または２記載のＦＢＧセンシング装置。
【請求項４】
ＦＢＧからの反射光の波長を、上記波長検出手段の周期的透過損失あるいは周期的反射損失の最大値と最小値の中間波長付近に配置したことを特徴とする請求項２記載のＦＢＧセンシング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＦＢＧを用いて歪計測を行うＦＢＧセンシング装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバセンシング分野において、ＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）はＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源と組み合わせて、構造物の歪計測に用いられている。ＦＢＧはグレーティング間隔で決まる特定の光を反射する。ＦＢＧの反射波長幅（−３ｄＢ幅）は約０．１ｎｍで、ＦＢＧに応力が加わり延び縮みする（ＦＢＧが歪む）ことでＦＢＧの反射波長が変化する。このＦＢＧを構造物の測定ヶ所に取り付けＡＳＥ光を入射し、反射波長を波長計等で測定すればＦＢＧの歪み、すなわち構造物の歪みが計測できる。
【０００３】
上記の光ファイバセンシングでは３０Ｋｍ程遠方まで光ファイバを張り巡らせ、その地点の歪み量測定が可能である。光ファイバの伝送損失、ＦＢＧ損失があるので、測定距離を伸ばしさらに測定点数を増やすためには、広帯域光源として高出力で広帯域なＡＳＥ光源を用いられる。また精度良く反射波長を計測することが必要である。
【０００４】
広帯域光源であるＡＳＥ光源としては、特許文献２において波長範囲１００ｎｍ程度で光パワースペクトラム密度−２０ｄＢ／ｎｍ以上の物が示されている。
【０００５】
また波長１５５０ｎｍで用いられるＦＢＧの場合、反射波長の変化は１．２ｐｍ／μストレイン程度である。即ちＦＢＧからの反射波長の変化を１ｐｍの分解能で計測すれば１μストレインの分解能で歪み計測が可能となる。
【０００６】
非特許文献１によれば波長計の応答速度は、地震時の振動計測を想定すると１００〜２００Ｈｚが求められている。
【０００７】
図６（ａ）は特許文献１に示されているＦＢＧセンシング装置の構成図で、特に波長を計測する波長計について詳しく述べたものである。
【０００８】
広帯域光源１０１、光を分岐する２×２カプラ１０２、歪みセンサーであるＦＢＧ１０３、光を分岐する２×２カプラ１０４、波長依存性を持つ狭帯域フィルタ１０５、検出器１０６で構成されている。
【０００９】
広帯域光源１０１から出力された光は２×２カプラ１０２を経由しＦＢＧ１０３に導かれる。ＦＢＧ１０３では特定の波長が反射され２×２カプラ１０２に戻り、分岐され２×２カプラ１０４に導かれてさらにＡとＢの２つに分岐されて狭帯域フィルタ１０５を通過し検出器１０６で電気信号に変換される。
【００１０】
狭帯域フィルタ１０５は図６（ｂ）に示すような波長依存性を持ち、ＦＢＧ１０３の反射波長を検出することが出来る。
【００１１】
図７は図６のＦＢＧセンシング装置を用いて複数の波長計測をする場合を想定した構成図である。５波の波長計測の場合には分波器２０と５つの波長計２１〜２５で構成されている。分波器２０は入力された５つの波長（λ１〜λ５）を波長毎に分岐し、それぞれに波長計用意する。このように従来技術を用いて複数の波長を計測する場合は、複数の波長から１つの波長を切り出すための分波器と波長数に応じた数量の波長計が必要になることが容易に想定できる。
【００１２】
図８は特許文献３において示されている波長モニターの構成図である。入射した光源からの光をビームサンプラ２１１で分岐し、わずかに角度の異なる２つの分岐光を得る。この分岐光をエタロン２１３に入射し、その出力光に基づいて、波長変化分を求める。ビームサンプラ２１１の透過光をビームサンプラ２１２で分岐し、他の分岐光を得る。その分岐光を直接及びスロープフィルタ２１８を介して受光し入射光の基準波長を得る。そして基準波長と波長変化分とを加算して入射光の正確な波長を得ている。
【００１３】
また特許文献３は波長可変光源の出力光の波長を制御することを主目的とした波長計である。波長可変光源における波長制御の実施例で光バンドパスフィルタが使われているが、これは出力光の波形を整形するためのものであって、波長可変光源の出力波長と連動させて使用している。
【００１４】
【特許文献１】米国特許第５，３１９，４３５号
【特許文献２】特開２００１−１３５８８０号
【特許文献３】特開２０００−２２３７６１号
【非特許文献１】三田  彰、第２５回光波センシング技術研究会講演論文集、２０００年６月、ＬＳＴ２５−１６，ＰＰ１１１〜１１６
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら特許文献１及び特許文献２を用いた場合ＦＢＧが１個の場合に有効であるが、複数のＦＢＧに対する波長計測は出来なかった。そのため複数の波長計測を行うＦＢＧセンシング装置の場合には図７のように構成する必要があり、複数の波長計が必要になってしまうという欠点があった。
【００１６】
ここでは複数の波長に対しても計測可能な高分解能でかつ応答速度の速い波長計を提供し、複数の波長を計測する場合でも１つの波長検出手段で行えるＦＢＧセンシング装置を提供することを課題とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明はこれらの課題を解決するためのものであり、広帯域光源と、該広帯域光源からの出力光を導出する光ファイバと、該光ファイバに備えられた上記出力光を反射するＦＢＧと前記ＦＢＧからの反射光の波長を検出する波長計とから構成されるＦＢＧセンシング装置において、上記、波長計は任意の波長を選択可能な波長可変光フィルと、透過損失あるいは反射損失に波長依存性を持たせた波長検出手段を有することを特徴とする。
【００１８】
また本発明は、前記波長検出手段の透過損失あるいは反射損失に周期的な波長依存性を持たせたことを特徴とする。
【００１９】
さらに本発明は、前記光フィルタは選択波長を可変可能な波長可変光フィルタであり、前記波長検出手段はエタロンフィルタであることを特徴とする。
【００２０】
また本発明は、ＦＢＧからの反射光あるいは透過光の波長は、前記波長検出手段の周期的透過損失あるいは周期的反射損失の最大値と最小値の中間波長付近に配置したことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下に実施例として、本発明によるＦＢＧセンシング装置について説明する。
【００２２】
本発明のＦＢＧセンシング装置について図１を用いて説明する。高出力ＡＳＥ光源１０、波長計１１、光サーキュレータ１２、光ファイバ１３、ＦＢＧ１４〜ＦＢＧ１８で構成されている。
【００２３】
高出力ＡＳＥ光源から出力されたＡＳＥ光は光サーキュレータ１２を通過し光ファイバ１３に接続された各ＦＢＧ１４〜１８から特定波長の光が反射される。ここでＦＢＧの反射波長は各々異なるように設計されて、波長計１１の透過特性の１周期には１波以下の反射波長が割り付けられていて、反射波長は周期的な透過損失の最大値と最小値のほぼ中間である１／３〜２／３の範囲に配置にした。
【００２４】
また反射された光は光サーキュレータ１２を介して波長計１１に導かれ波長が計測され、計測用コンピュータ２４でＦＢＧの歪み量に変換される。
【００２５】
図２は本発明の波長計部分の実施形態を示す構成図である。被測定信号光の入力端１、特定の波長を透過させる波長可変光バンドパスフィルタ２、光を２方向に分岐する光分岐器３、周期性を持ち透過損失に波長依存性を持つエタロンフィルタ４、光信号を電気信号に変換する検出器５及び６、電気信号を演算するための演算器７で構成されている。
【００２６】
ある波長を有する複数の信号光を信号光入力端子１から入力させ、計測したい特定波長だけを透過させるように波長可変光バンドパスフィルタ２を調整する。透過した光は光分岐器３で２つに分岐され、その一方はエタロンフィルタ４を透過しピンフォトダイオードで構成される検出器５に導かれ電気信号に変換され、他方はピンフォトダイオードで構成される検出器６に導かれる。
【００２７】
エタロンとはガラス、または水晶の極めて平面度のよい平行平面板の両面に金属膜または誘電体多層膜を付けて反射率を上げた光学素子、または２枚の極めて平面度のよいガラス板の反射率を上げた面を向かい合わせ平行に保持した光学素子である。エタロンに光が入射すると平行な２つの光反射面（一部透過）で光が多重反射するため多重干渉となる。この結果透過ピークが周期的に現れるためフィルタとして使用されることが多く、エタロンフィルタと呼ばれる。
【００２８】
エタロンフィルタ４は先に述べた構成のものであり、エタロンの厚み、屈折率、光の入射角で決まる透過特性を持ち、周期的な波長依存性を持つため検出器５では信号光の波長を電気信号の強度として検出できる。但し検出器５の出力は入力信号光の強度変化があった場合に正しい波長検出が出来なくなってしまう。
【００２９】
エタロンフィルタ４の透過特性の周期は測定波長範囲及び測定分解能と大きき関係している。周期を大きくして測定範囲を広げれば測定分解能が下がり、狭めれば分解能を高めることが出来る。信号光ノイズ、検出器５等の電気ノイズ成分は必ず残っているので、測定範囲を広げていくと分解能が低下してしまうのである。
【００３０】
ここではその問題を避けるために、本実施形態のようにエタロンフィルタ４を用いて周期を適切に選択し分解能を低下させずに、測定範囲を広げている。
【００３１】
また検出器６に導かれた信号光は電気信号に変換され、検出器５の電気信号出力との比を演算器７で演算することによって入力信号光の強度変化の影響を無くして信号光の波長検出が正しく出来る。
【００３２】
波長可変光バンドパスフィルタの透過特性は測定信号光だけを取り出せるようなものとし、他の信号光を遮断し計測の誤差にならないような特性が必要である。
【００３３】
また波長可変光バンドパスフィルタ２の透過波長をスキャンし、スキャンと同期させて演算器７の出力をモニターして複数の信号光の波長計測もできる。この場合は複数の波長計測が出来るが、スキャン時間の分だけ計測時間が必要になる。
【００３４】
【実施例】
図１に示す本発明のＦＢＧセンシング装置を作成した。
【００３５】
高出力ＡＳＥ光源は特許文献２のもので波長範囲１００ｎｍ程度で光パワースペクトラム密度−２０ｄＢ／ｎｍ以上の広帯域光源である。ＦＢＧ１４〜ＦＢＧ１８の中心反射波長はそれぞれ１５３５ｎｍ、１５３９ｎｍ、１５４３ｎｍ、１５４７ｎｍ、１５５１ｎｍに設定している。
【００３６】
波長可変光バンドパスフィルタ２は１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍまで電圧制御により可変可能でその分解能は０．１ｎｍである。図３に波長可変光バンドパスフィルタ２の１５３５ｎｍ付近での透過特性を示す。半値幅（±３ｄＢ）は±０．８ｎｍで、中心波長から５ｎｍ離れたところで１８ｄＢ落ちである。即ち測定信号光と他の信号光を５ｎｍ離せば他の信号光は１／６３に圧縮され、他の信号光の影響は１．６％誤差を伴う。
【００３７】
この誤差を少なくするためには波長可変光バンドパスフィルタ２の遮断特性をさらに急峻なものにする必要がある。
【００３８】
図５はエタロンフィルタ４の透過特性である。４ｎｍ周期で同じ透過特性が繰り返されている。図５では１５３１ｎｍ〜１５４８ｎｍの範囲を示しているが１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍの範囲まで同じ特性が繰り返されている。
【００３９】
図３は図２に示す本実施例における波長検出特性である。１５３５ｎｍを中心に±０．５ｎｍ範囲において検出可能である。図示はしていないが１５３１ｎｍ、１５３９ｎｍ、１５４３ｎｍ、１５４７ｎｍ、１５５１ｎｍ、１５５５ｎｍ、１５５９ｎｍ、１５６３ｎｍ、１５６７ｎｍの波長を中心とした測定も同じ特性となる。
【００４０】
この結果、波長可変光バンドパスフィルタを特定波長に固定すれば、検出器５及び６のピンフォトダイオードと周辺回路の応答速度まで可能な高速応答（ここでは１００ＫＨｚ以上）が可能である。また分解能に関しては、演算回路７の電気出力の１／１０００は装置ノイズを含めても容易に実現できる。従ってエタロンフィルタ４での検出範囲を±０．５ｎｍに取っているので、分解能は±０．５ｐｍ以下の高分解能が可能となる。
【００４１】
また波長可変光バンドパスフィルタ２をスキャンして複数波長を計測する場合は、応答速度はスキャン速度に依存してしまうが、測定分解能は同じく高分解能が可能である。
【００４２】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、波長可変光バンドパスフィルタと周期性のあるエタロンフィルタとしたことによって複数の波長に対しても計測可能な高分解能でかつ応答速度の速い波長計を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるＦＢＧセンシング装置の実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明における波長計の実施形態を示す構成図である。
【図３】本発明における波長計の出力特性を示すグラフである。
【図４】本発明で用いた波長可変光バンドパスフィルタの透過特性を示すグラフである。
【図５】本発明で用いたエタロンフィルタの波長透過特性を示すグラフである。
【図６】（ａ）（ｂ）は従来のＦＢＧセンシング装置を示す図である。
【図７】従来のＦＢＧセンシング装置を用いて多波長計測する場合を示す図である。
【図８】従来の波長計を示す図である
【符号の説明】
１：入力端
２：波長可変光バンドパスフィルタ
３：分岐器
４：エタロンフィルタ
５：  検出器
６：検出器
７：演算器
１０：高出力ＡＳＥ光源
１１：波長計
１２：光サーキュレータ
１３：光ファイバ
１４〜１８：ＦＢＧ
１９：計測用コンピュータ
２０：分波器
２１〜２５：波長計
１０１：広帯域光源
１０２、１０４：２×２カプラ
１０３：ＦＢＧ
１０５：狭帯域フィルタ
１０６：検出器
２１１〜２１２：ビームサンプラ
２１３：エタロン
２１４〜２１７：フォトダイオード
２１８：スロープフィルタ
【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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