(57)【要約】【課題】波長計およびＦＢＧセンシング装置において、コストを抑え測定時間を短縮するために、１つの広帯域光源で波長計の校正（キャリブレーション）と波長測定を行い、かつ校正と測定を同時に行えるような波長計およびＦＢＧセンシング装置を提供する。【解決手段】広帯域光源と該広帯域光源の出力光を導出する光ファイバと、該光ファイバに接続され上記出力光の一部をある波長範囲にわたって反射する第1の反射体と、該第1の反射体を通過した光が出力される出力兼入力ポートと、該出力兼入力ポートから入力される信号光と、該第1の反射体からの反射光及び該信号光とを該広帯域光源の出力光から分岐する分岐手段と、該分岐手段に接続された任意の波長の光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周期的な波長依存性を持たせた波長検出手段で波長計を構成する。【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、該広帯域光源の出力光を導出する光ファイバと、該光ファイバに接続され上記出力光の一部をある波長範囲にわたって反射する第1の反射体と、該第1の反射体を通過した光が出力されると共に信号光が入力される出力兼入力ポートと、該出力兼入力ポートから入力される信号光及び上記第1の反射体からの反射光を分岐する分岐手段と、該分岐手段に接続された波長可変光フィルタと、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波長検出手段とを有することを特徴とする波長計。
【請求項２】
上記広帯域光源からの出力光のうち特定波長を反射する第２の反射体を備え、該第２の反射体の反射光を基準波長とすることを特徴とする請求項１記載の波長計。
【請求項３】
上記第２の反射体はＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）で構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の波長計。
【請求項４】
上記第２の反射体は一つまたは複数の一体化されたＦＢＧで構成されていることを特徴とする請求項２または３記載の波長計。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の波長計の出力兼入力ポートにＦＢＧを接続し、該ＦＢＧからの反射光の波長あるいは波長変化を検出することを特徴とするＦＢＧセンシング装置。
【請求項６】
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、該光ファイバに光学的に接続された出力ポートと、該出力光と信号光とが入力される入力ポートと、該入力ポートに接続された波長可変光フィルタと、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波長検出手段を有することを特徴とする波長計。
【請求項７】
上記広帯域光源からの出力光のうち特定波長の透過を遮断する遮断体を備えたことを特徴とする請求項６記載の波長計。
【請求項８】
上記遮断体はＦＢＧで構成されていることを特徴とする請求項７記載の波長計。
【請求項９】
上記遮断体は一つまたは複数の一体化されたＦＢＧで構成されていることを特徴とする請求項７または８記載の波長計。
【請求項１０】
請求項６〜９のいずれかに記載の波長計の出力ポートと入力ポートの間にＦＢＧを接続し、該ＦＢＧの遮断光の波長あるいは波長変化を検出することを特徴とする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を用いて歪計測や温度計測を行う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）は広帯域光源である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。この使い方は反射型ＦＢＧセンサーと呼ばれている。
【０００３】
またＦＢＧは透過型センサーとしても使用できる。特定波長を反射するＦＢＧは、言いかえれば特定波長の透過光を遮断する遮断体である。この遮断する波長と反射する波長はセンサーとしてみれば等価であるため、遮断光の波長を測定することで透過型センサーとして使用できる。
【０００４】
さらにＦＢＧは温度変化に対してはファイバの屈折率が変化するため、ＦＢＧは温度検出にも使用できる。言い換えればＦＢＧを用いた歪計測は温度の影響を受けやすいので、歪計測には温度の影響を無くすような手段が必要である。
【０００５】
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、広帯域光源としては高出力で広帯域なＡＳＥ光源が用いることが多い。また精度良く反射波長を計測することが必要である。
【０００６】
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以上の物が既に公開されている。
【０００７】
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。
【０００８】
図７は特許文献１に示されているＦＢＧセンシング装置に用いられる波長を計測する計測する波長計について詳しく述べたものである。センサー用のＦＢＧを接続すればＦＢＧセンシング装置になるものである。
【０００９】
光スイッチ６１、ＦＢＧ６２、光分岐器６３、ＦＢＧセンサー用の光源６４、可変フィルタ６６を内蔵するスキャナ６５、バンドパスフィルタ６７、ＦＦＰＩ（固定ファブリ−ペローインターフェローメ−タ）６８、ＦＰＩ用光源６９で構成されている。
【００１０】
ＦＦＰＩ６８とはファイバ内に作成されたエタロンフィルタで、波長に対して櫛型の透過損失特性を持っている。言いかえれば透過損失特性に周期的な波長依存性を持たせた物である。
【００１１】
信号光の波長を計測するためには、入力ポート７０から信号光を入力し、光源６４、６９はオフとし、信号光は光スイッチ６１、ＦＢＧ６２、光分岐器６３を経由して可変フィルタ６６に入力される。スキャナ６５は可変フィルタ６６に制御信号を送り、任意の波長をスキャンし、可変フィルタ６６を透過する信号光の波長と上記制御信号とを関連付ける。
【００１２】
上記制御信号とを関連付けるためには、光スイッチ６１をオフし、光源６４、６９をオンする。光源６４からの光は光分岐器６３を透過しＦＢＧ６２のブラッグ波長の光が反射し、光分岐器６３を介し可変フィルタ６６に戻ってくる。光源６９からの光はＦＦＰＩ６８を透過する事によって、波長に対し櫛型の波形が作られ、バンドパスフィルタ６７と光分岐器６３を経由し可変フィルタ６６に導かれる。
【００１３】
ＦＢＧ６２とＦＦＰＩ６８からの基準波長はスキャンされ、また上記制御信号と関連づけられる。このように信号光波長と基準波長は共に上記制御信号と関連づけられ、信号光波長は基準波長との関係によって測定される。
【００１４】
また上記従来技術をＦＢＧセンシング装置として使用する場合は、入力ポート７０に図示はしていないがセンサー用のＦＢＧを接続して使用する。センサー用ＦＢＧからの反射光を測定するためには光源６４をオンとし、光源６９をオフとして使用すればよい。
【００１５】
〔特許文献１〕米国特許  第６，１１５，１２２号
〔特許文献２〕特開２００１−１１１１４５号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら特許文献１を用いた場合、信号光波長を測定する場合、スキャナ６５の制御信号と基準波長とを関連付けるキャリブレーション工程が必要である。このキャリブレーション工程中は信号光波長の測定とは別工程であり、同時には行えないので測定に時間に時間がかかる欠点があった。また光源６４と光源６９を別々に持たなければならなかったのでコスト的にも問題があった。
【００１７】
ここではコストを抑え測定時間を短縮するために、一つの広帯域光源で波長計の校正（キャリブレーション）と波長測定を行い、かつ校正と測定を同時に行えるような波長計およびＦＢＧセンシング装置を提供することを課題とする。
【００１８】
【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、該広帯域光源の出力光を導出する光ファイバと、該光ファイバに接続され上記出力光の一部をある波長範囲にわたって反射する第1の反射体と、該第1の反射体を通過した光が出力されると共に信号光が入力される出力兼入力ポートと、該出力兼入力ポートから入力される信号光及び上記第1の反射体からの反射光を分岐する分岐手段と、該分岐手段に接続された波長可変光フィルタと、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波長検出手段とを有する波長計としたことを特徴とする。
【００１９】
また本発明は、上記広帯域光源からの出力光のうち特定波長を反射する第２の反射体を備え、該第２の反射体の反射光を基準波長とすることを特徴とする。
【００２０】
さらに本発明は、上記第２の反射体はＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）で構成されていることを特徴とする。
【００２１】
さらに本発明は、上記第２の反射体は一つまたは複数の一体化されたＦＢＧで構成されていることを特徴とする。
【００２２】
また本発明のＦＢＧセンシング装置は、上記の波長計の出力兼入力ポートにＦＢＧを接続し、該ＦＢＧからの反射光の波長あるいは波長変化を検出することを特徴とする。
【００２３】
また本発明の波長計は、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、該光ファイバに光学的に接続された出力ポートと、該出力光と信号光とが入力される入力ポートと、該入力ポートに接続された波長可変光フィルタと、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波長検出手段を有することを特徴とする。
【００２４】
さらに本発明は、上記広帯域光源からの出力光のうち特定波長の透過を遮断する遮断体を備えたことを特徴とする。
【００２５】
さらに本発明は、上記遮断体はＦＢＧで構成されていることを特徴とする。
【００２６】
さらに本発明は、上記遮断体は一つまたは複数の一体化されたＦＢＧで構成されていることを特徴とする。
【００２７】
さらに本発明は、上記遮断体は一つまたは複数の一体化されたＦＢＧで構成されていることを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施形態例である波長計及びＦＢＧセンシング装置について説明する。図１は本発明のFBGセンシング装置を示しており、これからFBG１５〜１８を除いたものが波長計である。波長計の場合は反射体７の先が出力兼入力ポート１９になる。
【００２９】
広帯域光源であるＡＳＥ光源１、光ファイバ２、光分岐手段として光サーキュレータ３、光ファイバ４、第２の反射体である参照用のＦＢＧ５、ＦＢＧ５の温度を一定制御する温度制御パッケージ６、第１の反射体である反射体７、センサー用のＦＢＧ１５，１６、１７、１８、光ファイバ８、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９、光を２方向に分岐する光分岐器１０、波長に対して一定の周期で透過損失が変化するエタロンフィルタ１１、光信号を電気信号に変換する検出器１２及び１３、波長可変光バンドパスフィルタ９を制御し、検出器１２、１３の値から信号光の波長を演算するコンピュータ１４で構成されている。
【００３０】
ＡＳＥ光源１から出力されたＡＳＥ光は光ファイバ２を介して光サーキュレータ３を通過し、光ファイバ４に接続されたＦＢＧ５からは温度変化に対して影響を受けない特定の基準波長が反射され、反射体７からはある波長範囲にわたって一部である５％程度の光が反射され、残りの９０％以上は反射体７を透過する。
【００３１】
またＦＢＧ１４〜１７からも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、反射光は光サーキュレータ３を経由し光ファイバ８を介し波長可変光バンドパスフィルタ８に導かれる。
【００３２】
波長可変光バンドパスフィルタ８はコンピュータ１４により波長に対して一定の速度である波長範囲を繰り返しスキャンしている。波長可変光バンドパスフィルタ９を透過した光は光分岐器１１で２つに分岐され、その一方はエタロンフィルタ１１を透過しピンフォトダイオードで構成される検出器１２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１３に導かれる。
【００３３】
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。
【００３４】
エタロンフィルタ１１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物である。
【００３５】
一方検出器１３では波長可変光バンドパスフィルタ８を透過した光強度を検出するためにコンピュータ１４に取りこまれている。
【００３６】
エタロンフィルタ１１の透過特性の周期は測定精度と大きき関係している。周期を大きくしすぎては測定精度を下げてしまうため、ここでは５０ＧＨｚ〜２５ＧＨｚとしている。
【００３７】
波長可変光バンドパスフィルタ９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。
【００３８】
このような状態でコンピュータ１４に入力される時系列データはエタロンフィルタ１１の周期的な繰り返し波形とそれに重畳されたＦＢＧ５、１４〜１７の信号である。エタロンンフィルタ１１の周期は既知であり、またＦＢＧ５からの反射波長も既知である。またＦＢＧ５及びエタロンフィルタ１１は温度制御パッケージ６により温度制御されているので、環境温度が変化しても反射波長は変化しない。また波長可変光バンドパスフィルタ９を波長に対して一定速度でスキャンしているので、コンピュータ１４に得られる時系列データはほぼ周期一定となる。従ってＦＢＧ５の波長を基準としコンピュータ１４で得られた上記時系列データからＦＢＧ１４〜１７の反射光の波長を算出することが出来る。またＦＢＧ１４〜１７の反射光の波長変化からＦＢＧの歪み量が変換出来る。
【００３９】
上記反射体７は誘電体多層膜フィルタ等でも良いし、チャープトＦＢＧで作成してもよい。そうすればＦＢＧ５と同一ファイバ上に一体化した反射体を作成することが出来る。チャープトＦＢＧは広帯域フィルタを作成するために、ＦＢＧの長手方向にグレーティング間隔を徐々に変えて作成したものである。
【００４０】
また特定の基準波長の反射用としてＦＢＧ５だけを用いているが、基準波長は２つ以上でも良い。２つあれば波長計の精度はさらに高くなる。さらにＦＢＧ１５〜１８を取り除き、出力兼入力ポート１９から信号光を導入すれば波長計として用いることが出来る。
【００４１】
図２は本発明の第２の実施形態を示すFBGセンシング装置の構成図である。図１を反射型ＦＢＧセンシング装置と呼べば、図２は透過型ＦＢＧセンシング装置である。図１との違いは光サーキュレータ３、光ファイバ４、反射体７が用いられていないことと、ＦＢＧ５、ＦＢＧ１５〜１８を通過した光が、可変光バンドパスフィルタ９に入力されていることである。この場合ＦＢＧは遮断体として動作する。
【００４２】
ＡＳＥ光源１から出力されたＡＳＥ光は光ファイバ２を介してＦＢＧ５に接続され、ＦＢＧ５では温度変化に対して影響を受けない特定の基準波長が遮断（反射）され、他の波長成分は通過する。
【００４３】
またＦＢＧ１５〜１８でも特定波長の光が遮断され、他の波長成分は通過する。ここでＦＢＧの遮断波長は各々異なるように設計されて、光ファイバ８を介し波長可変光バンドパスフィルタ８に導かれる。
【００４４】
後は第１の実施形態と同様にコンピュータ１４データを取りこむ。このような状態でコンピュータ１４に入力される時系列データはエタロンフィルタ１１の周期的な繰り返し波形とそれに重畳されたＦＢＧ１４〜１７の遮断信号である。第１の実施形態と同様にＦＢＧ５の遮断波長を基準としコンピュータ１４で得られた上記時系列データからＦＢＧ１４〜１７の遮断光の波長を算出することが出来る。またＦＢＧ１４〜１７の遮断光の波長変化からＦＢＧの歪み量が変換出来る。
【００４５】
またＦＢＧ１５〜１８を除いたものが波長計である。その場合出力ポート１９からの出力光と信号光とを、入力ポート２０から導入すれば波長計として作動する。
【００４６】
【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。
【００４７】
図３にＡＳＥ光源のスペクトラム波形を示す。ＡＳＥ光源１は特許文献２のものであり、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。基準用のＦＢＧ５の波長は１５３３．５ｎｍ、に設定し、センサー用のＦＢＧ１４〜ＦＢＧ１７の中心反射波長はそれぞれ、１５４０ｎｍ、１５４５ｎｍ、１５４８ｎｍ、１５５１ｎｍ、１５５４ｎｍに設定している。
【００４８】
波長可変光バンドパスフィルタ９は１５３０ｎｍ〜１５７０ｎｍまで電圧制御により可変可能でその分解能は１ｐｍである。図４に波長可変光バンドパスフィルタ９の１５３５ｎｍ付近での透過特性を示す。半値幅（−３ｄＢ）は３０ｐｍで、中心波長から６５０ｐｍ離れたところで２５ｄＢ落ちである。即ち測定信号光と他の信号光を６５０ｐｍ離せば他の信号光は１／３１６に圧縮され、他の信号光の影響は０．３％誤差を伴う。
【００４９】
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。
【００５０】
図５はエタロンフィルタ１１の透過特性である。５０ＧＨｚ（４００ｐｍ）周期で同じ透過特性が繰り返えされている。図５では１５３３ｎｍ〜１５３８ｎｍ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。
【００５１】
図６はコンピュータ１４に得られる時系列データをグラフに表した測定スペクトラムである。表示範囲を１５３３〜１５４１ｎｍにすると測定スペクトラムにはＦＢＧ５、ＦＢＧ１４の反射光とエタロンフィルタ１１の特性を表す一定周期の光量変化を表す波が検出されている。ＦＢＧ１５，１６，１７の反射光を表示したい場合は１５５４ｎｍまでスペクトラム表示すればよいが、ここでの説明は省略した。
【００５２】
また図３に示すＡＳＥ光源のスペクトラム波形が、図６の測定スペクトラムに現れていないのは、あらかじめソフトウェアで除去しているからである。図３のＡＳＥ光源のスペクトラムは平坦でないため、ＦＢＧの波長算出時に邪魔になる。従って図３のＡＳＥ光源のスペクトラム波形をフィッティングしてソフトウェア上で除去している。また上記除去する別な方法としては、コンピュータ１４にデータを取り込む前の検出器１２において、エタロンフィルタ１１の周期とＡＳＥ光源１のスペクトラムのうねり周期との差を利用した電気的なフィルタ（例えばＣ・Ｒフィルタ）を用いて除去する方法もある。
【００５３】
図６からＦＢＧ１４の反射光の波長を計測する場合は次のように行う。ＦＢＧ５の波長を基準にし、ＦＢＧ１４の反射光まで上記波の数をカウントする。上記波の周期間にＦＢＧ５あるいはＦＢＧ１４の反射光が存在するので、上記波の周期間における前記反射光の位置を算出する。ここでＦＢＧ５の波長と上記波の周期（エタロンフィルタ１１の周期）は既知であるので、上記カウントした波の数と上記波の周期間における前記反射光の位置からＦＢＧ１４の波長を求めることが出来る。同様にしてＦＢＧ１５〜ＦＢＧ１７からの反射光の波長も算出することが出来る。
【００５４】
また分解能は波長可変光バンドパスフィルタ９の分解能で決まり、精度はエタロンフィルタ１１の精度で決まり、波長精度はほぼ±５ｐｍが可能となる。
【００５５】
この結果、一つの広帯域光源であるＡＳＥ光源１を用いて、エタロンフィルタ１１の周期を用いて測定の校正（キャリブレーション）を行いながら、波長測定が同時に行える。
【００５６】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、１つの広帯域光源で波長計の校正（キャリブレーション）とＦＢＧからの反射波長測定、あるいは遮断波長測定を行い、かつ校正と波長測定を同時に行える為に、波長計あるいはＦＢＧセンシング装置において測定時間の短縮と装置コストを抑える効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明におけるＦＢＧセンシング装置の第１の実施形態を示す構成図である。
【図２】本発明におけるＦＢＧセンシング装置の第２の実施形態を示す構成図である。
【図３】本発明に用いたＡＳＥ光源のスペクトラム波形である。
【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】本発明において測定された測定スペクトラムの一例である。
【図７】従来のＦＢＧセンシング装置を示す図である。
【符号の説明】
１：ＡＳＥ光源
２：光ファイバ
３：光サーキュレータ
４：光ファイバ
５： ＦＢＧ
６：温度制御パッケージ
７：反射体
８：光ファイバ
９：波長可変光バンドパスフィルタ
１０：光分岐器
１１：エタロンフィルタ
１２：検出器
１３：検出器
１４：コンピュータ
１５〜１８：ＦＢＧ
６１：光スイッチ
６２：ＦＢＧ
６３：光分岐器
６４：光源
６５：スキャナ
６６：可変フィルタ
６７：バンドパスフィルタ
６８：ＦＦＰＩ
６９：光源
７０：入力ポート
【図１】
2004205271.tif 000003
【図２】
2004205271.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004205271.tif 000006
【図５】
2004205271.tif 000007
【図６】
2004205271.tif 000008
【図７】
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