(57)【要約】【課題】光源や波長計測部に駆動部がなく信頼性が高く、振動計測のような高速測定に適しており、かつ光源出力が十分に大きく、遠隔計測が十分に出来、かつ製造コストが安価で、かつデータ処理が簡素なシステムの構築が可能なＦＢＧセンシング装置を提供する【解決手段】特定波長帯域を反射し、歪を受けることで反射波長帯域が変移する特徴を有するＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）と、該ＦＢＧ反射波長帯域の光を出力する光源と、該光源から出力され、前記ＦＢＧから反射された光量を検出する受光器を備えたＦＢＧセンシング装置において、前記ＦＢＧの反射波長帯域の変移による反射光量の変位量を計測することで、ＦＢＧの歪量を検出する。【選択図】  図１
2004347575.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定波長帯域の光を反射し、歪を受けることで反射波長帯域が変移する特徴を有するＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）と、該ＦＢＧの反射波長帯域の光を出力する光源と、該光源から出力され、前記ＦＢＧから反射された光量を検出する受光器を備えたＦＢＧセンシング装置において、前記ＦＢＧの反射波長帯域の変移による反射光量の変位量を計測することで、ＦＢＧの歪量を検出するようにしたことを特徴とするＦＢＧセンシング装置。
【請求項２】
前記光源の出力波長帯域が前記ＦＢＧの反射波長帯域より狭い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】
前記光源の出力波長が前記ＦＢＧの反射ピーク波長より短波長側にある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４】
前記ＦＢＧからの反射光量の対数換算値がＦＢＧの歪量と近似的に線形的であるように、前記光源の出力波長を調整し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５】
前記光源の任意の出力波長に対して、前記ＦＢＧからの反射光量の対数換算値がＦＢＧの歪量と近似的に線形的であるように、前記ＦＢＧが設計され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６】
前記光源の任意の出力波長に対して、前記ＦＢＧからの反射光量がＦＢＧの歪量と近似的に線形的であるように、前記ＦＢＧが設計され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７】
前記光源の出力光を複数に分岐する光分岐器を備え、分岐したそれぞれのポートに前記ＦＢＧを備え、該ＦＢＧと対になる受光器を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のＦＢＧセンシング装置。
【請求項８】
反射波長帯域の異なる前記ＦＢＧを複数、直列に配置し、各ＦＢＧの反射波長帯域の光を出力する複数の光源と、これらの光源の出力を合波する合分波器と、上記各光源から出力されて各ＦＢＧで反射された光量を検出する複数の受光器を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のＦＢＧセンシング装置。
【請求項９】
反射波長帯域の異なる前記ＦＢＧを複数、並列に配置し、各ＦＢＧの反射波長帯域の光を出力する複数の光源と、これらの光源の出力を合波する合分波器と、上記各光源から出力されて各ＦＢＧで反射された光量を検出する複数の受光器を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のＦＢＧセンシング装置。
【請求項１０】
反射波長帯域の異なる前記ＦＢＧを複数備え、該ＦＢＧが直列もしくは並列に配置され、該ＦＢＧ反射波長帯域の光を出力する複数の光源と、該光源から出力され、前記ＦＢＧから反射された光量を検出する複数の受光器を備え、前記複数の光源の出力を合波する合分波器と合波された出力光を分波する合分波器を備えたＦＢＧセンシング装置において、前記光源と前記ＦＢＧの間に配置される光ファイバ等に掛かる外的因子により変動する反射光量を補償するため、前記ＦＢＧの少なくとも１つを歪および温度に影響のないように設置して反射光量変動の基準としたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のＦＢＧセンシング装置。
【請求項１１】
反射波長帯域の異なる前記ＦＢＧを複数備え、該ＦＢＧが直列もしくは並列に配置され、該ＦＢＧ反射波長帯域の光を出力する複数の光源と、該光源から出力され、前記ＦＢＧから反射された光量を検出する複数の受光器を備え、前記複数の光源の出力を合波する合分波器と合波された出力光を分波する合分波器を備えたＦＢＧセンシング装置において、前記光源と前記ＦＢＧの間に配置される光ファイバ等に掛かる外的因子により変動する反射光量を補償するため、前記ＦＢＧの少なくとも１つを歪および温度に影響のないように設置し、前記受光器に入射する反射光量の変動がなくなるように前記ＦＢＧの反射波長帯域の光を出力する光源の出力を調整するとともに、他の少なくとも一つの異なる波長帯域の光源の出力を調整する機能を備えたことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のＦＢＧセンシング装置。
【請求項１２】
前記光源がインコヒーレントな光源であることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の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、光ファイバからなるＦＢＧを用いて歪（圧力）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】
近年、高度成長期の急激に建設された構造物の劣化が進み、構造物の健全度を評価する方法について、政府を中心に研究が活発に行われている。従来、構造物の歪を計測する方法として、抵抗線ひずみゲージを用いた電気的な方法が主流であったが、信頼性、落雷、電磁ノイズ等の問題があり、これら問題のない光ファイバによる計測（センシング）が注目されている。また光ファイバは伝送損失が小さいため、遠隔距離での監視が可能であり注目されている。
【０００３】
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）は広帯域光源や波長可変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波長の光を反射する。ＦＢＧに応力が加わり延び縮みする（ＦＢＧが歪む）と、グレーティング間隔が変移しＦＢＧの反射波長が変化する。このＦＢＧを構造物の測定個所に取り付け、広帯域光源や波長可変光源を入射し、反射波長を測定することでＦＢＧの歪み、すなわち構造物の歪みが計測できる。また、高速に測定することで構造物の振動も測定でき、地震計としても応用される。
【０００４】
ＦＢＧの反射波長を測定する方法として、特許文献１では光源に広帯域光源を用い、ファブリペローフィルタ（以下ＦＰフィルタと示す。）を用いた方法が提案されている。
【０００５】
図９は特許文献１に示す構成の概略を示す図である。
【０００６】
広帯域光源１０１から導出された光は光分岐器１０２を透過し、光ファイバ１０８を透過し、ＦＢＧ１０３に達する。ＦＢＧ１０３にて特定波長の光が反射され、光ファイバ１０８を透過し、光分岐器１０２を透過し、ＦＰフィルタ１０９を透過し、受光器１０４に到達する。受光器１０４において光量を電流に変換する。
【０００７】
ＦＰフィルタ１０９はエタロン板を用いた干渉器であり、２枚の平行に向き合うエタロン板の間隔を圧電素子により駆動させ、干渉距離を操作する。ＦＰフィルタを透過する光は干渉距離により特定波長が透過する。干渉距離を任意の長さに変化させることで広帯域光源１０１から出力される全ての波長帯域の反射光を検知できる。圧電素子は電圧により駆動距離が決まるため駆動電圧に対し、波長を設定することができる。駆動電圧に対応した受光器１０４の光量を検出することでＦＢＧ１０３からの反射スペクトラムを検知し、反射ピーク波長を特定することができる。
【０００８】
また、特許文献２においてはＦＰフィルタを光源に用いて、波長可変光源としたＦＢＧセンシング装置について提案されている。特許文献１で説明したことと同様に、ＦＰフィルタの駆動電圧に対応した受光量により、ＦＢＧからの反射スペクトラムを検知し、反射ピーク波長を特定することができる。
【０００９】
こうしたＦＰフィルタを用いた装置は駆動部があり、信頼性に問題が生じる。また、測定領域のスペクトラムに応じた全ての波長の光量を検知する必要があるため、データ数は膨大になり、高精度な演算処理機が必要になる。こうした演算処理機を使用することは信頼性的に劣る。また、ＦＰフィルタは波長挿引周波数が１０Ｈｚから１００Ｈｚ程度である。非特許文献１によれば波長計測の応答速度は、地震時の振動計測を想定すると１００〜２００Ｈｚが求められている。このためＦＰフィルタを用いる場合は振動計測に適さない。
【００１０】
特許文献３においては波長計測部に駆動部を持たない２つ狭帯域フィルタを用いることが提案されている。
【００１１】
図１０（ａ）は特許文献３に示されているＦＢＧセンシング装置の構成図について、特に波長を計測する波長計測部について詳しく述べたものである。
【００１２】
広帯域光源２０１、光を分岐する２×２カプラ２０２、歪みセンサーであるＦＢＧ２０３、光を分岐する２×２カプラ２１０、波長依存性を持つ狭帯域フィルタ２０９、受光器２０４および光ファイバ２０８で構成されている。
【００１３】
広帯域光源２０１から出力された光は２×２カプラ２０２を経由し、光ファイバ２０８を透過し、ＦＢＧ２０３に導かれる。ＦＢＧ２０３では特定の波長が反射され、光ファイバ２０８を透過し、２×２カプラ２０２に戻り、分岐され２×２カプラ２１０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２０９を通過し受光器２０４で電気信号に変換される。
【００１４】
狭帯域フィルタ２０９は図１０（ｂ）に示すような波長依存性を持ち、ＦＢＧ２０３の反射波長を検出することが出来る。
【００１５】
一般に広帯域光源にはＳＬＤ（スーパー・ルミネッセンス・ダイオード）光源やＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｓｐｏｎｔｅｎｅｏｕｓ  Ｅｍｉｓｓｏｎ）光源が用いられる。
【００１６】
ＡＳＥ光源はエルビウムの添加された光ファイバに特定波長の励起光を入射することで、広帯域かつ高出力の自然放出光を発生させる。およそＳＬＤ光源の１００倍（２０ｄＢ向上）の出力を得られるが、より高出力な光源を使用することで、光源に対する測定箇所（ＦＢＧ）をより遠隔地に配置することを可能とする。
【００１７】
光ファイバの伝送損失が小さいことは既に述べたが、その損失量はおよそ０．２５ｄＢ／ｋｍである。光源の出力が１００倍、すなわち２０ｄＢ向上すれば、遠隔距離はおよそ４０ｋｍ（往復で８０ｋｍ：８０ｋｍ×０．２５ｄＢ／ｋｍ＝２０ｄＢ）延ばすことが可能となる。
【００１８】
しかしながら、ＡＳＥ光源の出力は−１０ｄＢｍ／ｎｍ程度と十分に大きい値ではない。図１０に示す構成においては、狭帯域フィルタ２０９が図１０（ｂ）に示すような波長依存性を持つため、受光器２０４には減衰した光が入力される。一般的に狭帯域フィルタ２０９での減衰量は最大（図１０（ｂ）のスペクトラムの裾部）で２０ｄＢ程度である。受光器２０４の最小受光感度は−５０ｄＢｍ程度であるため、光源の出力と狭帯域フィルタ２０９の減衰量を考えると、光ファイバの伝送損失による許容範囲は２０ｄＢ程度しかない。他の部品の損失や、システムのマージンを考えると更に許容範囲は小さくなる。つまり十分に遠隔距離をとる測定が出来ない。
【００１９】
【特許文献１】特開２００３−２１５７６号
【特許文献２】特表２００１−５１１８９５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
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
以上の従来技術では、光源や波長計測部に駆動部があり信頼性が低く、振動計測のような高速測定に適さない問題があり、また駆動部がなく高速測定に適していても光源出力が不十分で遠隔計測が十分に出来ないといった欠点があった。また波長可変光源や広帯域光源といった製造コストの高いものや、波長検出部についても製造コストが高いものを使用しており、構造物歪計測分野の主流である電気式と比較して、製造コストが非常に高くなる欠点があった。
【００２１】
ここでは光源や波長計測部に駆動部がなく信頼性が高く、振動計測のような高速測定に適しており、かつ光源出力が十分に大きく、遠隔計測が十分に出来、かつ製造コストが安価で、かつデータ処理が簡素なシステムの構築が可能なＦＢＧセンシング装置を提供することを課題とする。
【００２２】
【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、特定波長帯域の光を反射し、歪を受けることで反射波長帯域が変移する特徴を有するＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）と、該ＦＢＧ反射波長帯域の光を出力する光源と、該光源から出力され、前記ＦＢＧから反射された光量を検出する受光器を備えたＦＢＧセンシング装置において、前記ＦＢＧの反射波長帯域の変移による反射光量の変位量を計測することで、ＦＢＧの歪量を検出するようにしたことを特徴とする。
【００２３】
さらに本発明は、前記光源の出力波長帯域が前記ＦＢＧの反射波長帯域より狭いことを特徴とする。
【００２４】
また本発明は、前記光源の出力波長がＦＢＧ反射ピーク波長より短波長側にあることを特徴とする。
【００２５】
また本発明は、前記ＦＢＧからの反射光量の対数換算値が、歪量と近似的に線形的であるように、前記光源の出力波長を調整したことを特徴とする。
【００２６】
また本発明は、前記光源の任意の出力波長に対して、前記ＦＢＧからの反射光量の対数換算値が歪量と近似的に線形的であるように、前記ＦＢＧが設計されたことを特徴とする。
【００２７】
また本発明は、前記光源の任意の出力波長に対して、前記ＦＢＧからの反射光量が歪量と近似的に線形的であるように、前記ＦＢＧが設計されたことを特徴とする。
【００２８】
また本発明は、前記光源の出力光を複数に分岐する光分岐器を備え、分岐したそれぞれのポートに前記ＦＢＧを備え、該ＦＢＧに対になる受光器を備えたことを特徴とする。
【００２９】
また本発明は、反射波長帯域の異なる前記ＦＢＧを複数備え、該ＦＢＧが直列に配置され、該ＦＢＧ反射波長帯域の光を出力する複数の光源と、該光源から出力され、前記ＦＢＧから反射された光量を検出する複数の受光器を備え、前記複数の光源の出力を合波する合分波器を備えたことを特徴とする。
【００３０】
また本発明は、反射波長帯域の異なる前記ＦＢＧを複数備え、該ＦＢＧが並列に配置され、該ＦＢＧ反射波長帯域の光を出力する複数の光源と、該光源から出力され、前記ＦＢＧから反射された光量を検出する複数の受光器を備え、前記複数の光源の出力を合波する合分波器と合波された出力光を分波する合分波器を備えたことを特徴とする。
また本発明は、反射波長帯域の異なる前記ＦＢＧを複数備え、該ＦＢＧが直列もしくは並列に配置され、該ＦＢＧ反射波長帯域の光を出力する複数の光源と、該光源から出力され、前記ＦＢＧから反射された光量を検出する複数の受光器を備え、前記複数の光源の出力を合波する合分波器と合波された出力光を分波する合分波器を備えたＦＢＧセンシング装置において、前記光源と前記ＦＢＧの間に配置される光ファイバ等に掛かる外的因子により変動する反射光量を補償するため、前記ＦＢＧの少なくとも１つを歪および温度に影響のないように設置して反射光量変動の基準としたことを特徴とする。
【００３１】
また本発明は、反射波長帯域の異なる前記ＦＢＧを複数備え、該ＦＢＧが直列もしくは並列に配置され、該ＦＢＧ反射波長帯域の光を出力する複数の光源と、該光源から出力され、前記ＦＢＧから反射された光量を検出する複数の受光器を備え、前記複数の光源の出力を合波する合分波器と合波された出力光を分波する合分波器を備えたＦＢＧセンシング装置において、前記光源と前記ＦＢＧの間に配置される光ファイバ等に掛かる外的因子により変動する反射光量を補償するため、前記ＦＢＧの少なくとも１つを歪および温度に影響のないように設置し、前記受光器に入射する反射光量の変動がなくなるように前記ＦＢＧの反射波長帯域の光を出力する光源の出力を調整するとともに、他の少なくとも一つの異なる波長帯域の光源の出力を調整する機能を備えたことを特徴とする。
【００３２】
また本発明は、前記光源がインコヒーレントな光源であることを特徴とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明によるＦＢＧセンシング装置について説明する。
【００３４】
図１は本発明のＦＢＧセンシング装置の構成を示す図である。
【００３５】
光源１、受光器４、光分岐器２、ＦＢＧ３および光ファイバ８で構成されており、各部品は光ファイバで結合されている。光分岐器２は２分岐カプラでも光サーキュレータでも良い。また光源１、受光器４、光分岐器２は光学的に結合されている一体化モジュールでも良い。光ファイバ８は計測距離により設定でき、１ｍ以内でも１０ｋｍ以上であってもよい。
【００３６】
図２は歪量に応じたＦＢＧ３の反射スペクトラムを示す図である。ここでの歪量はＦＢＧ３を伸ばして、発生させている。歪量はＦＢＧ３の反射波長のシフト量に対し、線形的に変化し、一般的に１μεの歪に対し１．２ｐｍの波長変位が生じることが知られており、ここでは波長シフト量から歪量を換算してある。
【００３７】
光源１から出力された光は光分岐器２を透過し、光ファイバ８を透過し、ＦＢＧ３に達する。ＦＢＧ３で特定波長の光が反射される。図２に示すように、例えば光源１の波長が１５５６．７ｎｍ（図２の▲２▼）であり、歪量が０μεの場合、反射損失は０ｄＢであるが、ＦＢＧ３に１００μεの歪が懸かるとＦＢＧ３の反射帯域は変移し、光源１の波長１５５６．７ｎｍの反射損失は−５ｄＢに変化する。このように歪量に応じて反射損失が変位する。反射された光は光ファイバ８を透過し、光分岐器２を透過し、受光器４に達する。受光器４において反射光量の変位を線形的に電気信号に変換し、ＦＢＧ３に懸かる歪量を検出する。
【００３８】
このようにＦＢＧ３に懸かる歪量を反射光量の変位により計測することができ、受光器に複雑な波長検出器を用いず、受光器４で得るデータも簡素であり、高速かつ信頼性の高い計測方法を提案できる。
【００３９】
また、ここで光源１は波長スペクトラムが狭帯域な光源が望ましい。
【００４０】
図２に示すようにＦＢＧ３の半値全幅（−３ｄＢ）は０．２ｎｍ程度である。各歪量に応じて波長は変移するが反射率、スペクトラムの変形は見られない。今仮に光源１のスペクトラムが波長帯域を有しない１５５６．６ｎｍの線スペクトラムであるとすると、各歪量での反射損失は図２における▲３▼の点線と各歪量の反射損失スペクトラムとの交点の位置に示される。一方、光源１のスペクトラムが広くＦＢＧの反射波長帯域より広くなると歪量に応じた反射損失は変位量が小さくなることが図２から容易に予想できる。このように、より精度の高い計測をするために光源１のスペクトラムはＦＢＧ３の反射波長帯域より十分に狭いことが望ましい。
【００４１】
光通信用光源に使用されるＤＦＢレーザーは出力波長の半値全幅は１ｐｍ以下と十分に狭帯域であり本発明に適している。また出力は５ｄＢｍ以上と高く、高出力な広帯域光源（ＡＳＥ光源）より１５ｄＢ以上高い。
【００４２】
このように本発明では、高出力を得やすい狭帯域光源が適しており、光ファイバ８による伝送損失を十分に補償することができ長距離計測にも適している。ＦＢＧ３の反射波長帯域について、より半値全幅の広いものを用いれば反射損失が小さくなり、より長距離な計測に適すことが分かる。
【００４３】
また、光源１は任意に出力波長を選択できることが望ましい。一般的にＦＢＧ３の反射波長の製造バラツキは０．５ｎｍ程度あり、光源１の出力波長が固定されていた場合と、図２からＦＢＧ３の反射波長帯域と一致させることは難しい。
【００４４】
先に述べたＤＦＢレーザーはレーザーの温度を制御することで出力波長を１ｎｍ程度調整することが可能で本発明の光源として望ましい。
【００４５】
また、光源１の出力波長はＦＢＧ３の歪がない時の反射ピーク波長より短波長域にあることが望ましい。
【００４６】
図２に示すように例えば光源１の出力波長がＦＢＧ３の歪がない時の反射ピーク波長より長波長域の１５５６．８ｎｍにある場合、歪がない場合と歪がある場合（図２：１００μεの時）の反射損失が同等で歪量が計測できない問題が生じる。光源１の出力波長がＦＢＧ３の歪がない時の反射ピーク波長より短波長域にあれば、歪量に対し反射損失は一義的に決まり、このような問題は生じない。
【００４７】
図２の歪量は伸び方向のみの歪を示しているが、縮み方向の歪についても、光源１の出力波長がＦＢＧ３における最大に縮んだ時の反射ピーク波長より短波長域にあれば良い。
【００４８】
図３は光源１の出力波長で決まるＦＢＧ３の反射損失を示した図である。▲１▼から▲４▼は図２に示す波長を示している。▲１▼は歪がない時のＦＢＧ３の反射ピーク波長であるが、この波長よりわずかに短い波長の▲２▼において歪量と反射損失の対数換算値は近似的に線形的になる。このとき受光器５の電気出力にログアンプ（対数変換する電気増幅器）を使用すれば、歪量は電気量に対し線形的に示され、極めて簡素な計測方法を提案できる。このようにＦＢＧ３からの反射光量の対数換算値が、歪量と近似的に線形的であるように、光源１の出力波長を調整すれば、より簡素なシステムを提案できる。
【００４９】
また図３の▲２▼のような特定波長だけではなく、任意の波長でＦＢＧ３の反射光量の対数換算値が、歪量と近似的に線形的になるようにＦＢＧ３を設計すれば、よりシステムの構築が簡素にすることができる。すなわち図２においてＦＢＧ３の反射スペクトラムの波長と反射損失（対数換算値）が線形的な関係を示せれば良い。さらに任意の波長でＦＢＧ３の反射光量が、歪量と近似的に線形的になるように、すなわちＦＢＧ３の反射スペクトラムの波長と反射損失の絶対量が線形的な関係を示すように設計すれば、さらにシステムの構築が簡素にできる。
【００５０】
次に本発明の第２の実施形態について説明する。
【００５１】
図５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。光源１１、受光器１４、光分岐器１２、１５、ＦＢＧ１３および光ファイバ１８で構成されており、各部品は光ファイバで結合されている。光分岐器１２は２分岐カプラでも光サーキュレータでも良い。
【００５２】
光源１１から出力された光は光分岐器１６を透過する。このとき光量はおよそ１／２（−３ｄＢ）に低下する。４分岐した場合の光量は１／４（−６ｄＢ）に低下する。先に述べたように一般的な狭帯域光源であるＤＦＢレーザーは出力が十分に大きいため光量が低下しても、広帯域光源より高い出力が得ら、長距離計測に適している。
【００５３】
光分岐器１６を透過した後は第１の実施例と同様に光分岐器１２を透過し、光ファイバ１８を透過し、ＦＢＧ１３に達する。ＦＢＧ１３で特定波長の光が反射される。第１の実施形態と同様に歪量に応じて反射損失が変位する。反射された光は光ファイバ１８を透過し、光分岐器１２を透過し、受光器１４に達する。受光器１４において反射光量の変位を線形的に電気信号に変換し、ＦＢＧ１３に懸かる歪量を検出する。
【００５４】
このように光源１１の出力を分岐することで、一つの光源で複数の箇所の歪量を検出することが可能となる。
【００５５】
次に本発明の第３の実施形態について説明する。
【００５６】
図６は本発明の第３の実施形態を示すＦＢＧセンシング装置の構成図である。光源２１ａ、２１ｂ、受光器２４、光分岐器２２、ＦＢＧ２３ａ、２３ｂ、光波長合分波器２６および光ファイバ２８で構成されており、各部品は光ファイバで結合されている。光分岐器２２は２分岐カプラでも光サーキュレータでも良い。また光源２１、受光器２５、光分岐器２２は光学的に結合されている一体化モジュールでも良い。
【００５７】
光源２１ａ、２１ｂから出力された光は光分岐器２２を透過し、光波長合分波器２６を透過し合波される。各光源２１ａ、２１ｂはそれぞれ異なる波長の光を出力しており、各ＦＢＧ２３ａ、２３ｂの反射波長帯域内にあるように調整されている。合波された光は光ファイバ２８を透過し、各ＦＢＧ２３ａ、２３ｂに達し、反射する。それぞれＦＢＧ２３は反射波長帯域以外の光は透過するため、互いの影響は受けない。第１の実施形態と同様にＦＢＧ２３は歪量に応じて反射損失が変位する。反射された光は光ファイバ２８を透過し、波長合分波器２６で分波され、それぞれの光分岐器２２を透過し、それぞれの受光器２４に達し、電気信号に変換される。第１の実施形態と同様に電気信号に換算された受光量からＦＢＧ２３ａ、２３ｂにおける歪量を検知する。このように光波長合分波器２６を用いれば１本の光ファイバ１８により複数の歪量を検知することが出来る。
【００５８】
次に本発明の第４の実施形態について説明する。
【００５９】
図７は本発明の第４の実施形態を示すＦＢＧセンシング装置の構成図である。光源３１、受光器３４、光分岐器３２、ＦＢＧ３３および光波長合分波器３６、３７で構成されており、各部品は光ファイバで結合されている。光分岐器３２は２分岐カプラでも光サーキュレータでも良い。
【００６０】
光源３１ａ、３１ｂから出力された光は光分岐器３２を透過し、光波長合分波器３６を透過し合波される。各光源３１ａ、３１ｂはそれぞれ異なる波長の光を出力しており、各ＦＢＧ３３ａ、３３ｂの反射波長帯域内にあるように調整されている。合波された光は光ファイバ３８を透過し、光波長合分波器３７で分波され各ＦＢＧ３３ａ、３３ｂに達し、反射する。第１の実施形態と同様にＦＢＧ３３は歪量に応じて反射損失が変位する。反射された光は光波長合分波器３７で合波し、光ファイバ３８を透過し、波長合分波器３６で分波され、それぞれの光分岐器３２を透過し、それぞれの光受光器３４に達し、電気信号に変換される。第１の実施形態と同様に電気信号に換算された光受光量からＦＢＧ３３ａ、３３ｂにおける歪量を検知する。このように光波長合分波器３６，３７を用いれば１本の光ファイバ３８により複数の歪量を検知することが出来る。また、ＦＢＧ３３ａ（あるいはＦＢＧ３３ｂ）と光波長合分波器３７の間で光ファイバの断線等の障害が起きても、ＦＢＧ３３ｂ（あるいはＦＢＧ３３ａ）は障害の影響を受けないため、より信頼性の高いシステムを提案できる。
【００６１】
次に本発明の第５の実施形態について説明する。
【００６２】
本発明の第５の実施形態は図６に示す構成のＦＢＧセンシング装置において、ひとつのＦＢＧ２３ａが歪を受けることのない位置に設置されており、また温度の影響を受けないようにペルチェ素子やヒーターなどで温度制御されている。これらの制御は電気的制御で給電が必要なため、線熱膨張係数が負の特性をもつインバー等に実装され、ＦＢＧに縮みを与えることで温度特性をキャンセルする制御のほうが望ましい。
【００６３】
光源２１ａ、２１ｂから出力された光は光分岐器２２を透過し、光波長合分波器２６を透過し合波される。各光源２１ａ、２１ｂはそれぞれ異なる波長の光を出力しており、各ＦＢＧ２３ａ、２３ｂの反射波長帯域内にあるように調整されている。合波された光は光ファイバ２８を透過し、各ＦＢＧ２３ａ、２３ｂに達し、反射する。それぞれＦＢＧ２３は反射波長帯域以外の光は透過するため、互いの影響は受けない。第１の実施形態と同様にＦＢＧ２３ｂは歪量に応じて反射損失が変位するが、ＦＢＧ２３ａは歪を受けないように設置されているため反射損失は変化しない。反射された光は光ファイバ２８を透過し、波長合分波器２６で分波され、それぞれの光分岐器２２を透過し、それぞれの受光器２４に達し、電気信号に変換される。第１の実施形態と同様に電気信号に換算された受光量からＦＢＧ２３ａ、２３ｂにおける歪量を検知する。
【００６４】
ここで、光ファイバ２８に物理的な負荷が加わり光ファイバ２８の透過損失に変化が生じた場合を考える。
【００６５】
それぞれのＦＢＧ２３ａ、２３ｂから受光器２４に入る反射光量が変化し、ＦＢＧ２３ｂの歪量を正確に検知できない。しかしながらＦＢＧ２３ａとＦＢＧ２３ｂの光ファイバ２８による反射光量変化は同等であるためＦＢＧ２３ａの反射光量変化分をＦＢＧ２３ｂの反射光量に与えることでＦＢＧ２３ｂに掛かる歪量を補償して正確に検知することができる。
【００６６】
このように歪量（および温度）に影響のないＦＢＧ２３ａを設置することで光ファイバ１８に加わる負荷に関係なく歪量を正確に検知することが出来る。
【００６７】
また、本発明の実施形態は図７に示す構成のＦＢＧセンシング装置においても、ＦＢＧ３３ａをひずみと温度の影響のないように設置することで、同様な効果が得られる。
【００６８】
次に本発明の第６の実施形態について説明する。
【００６９】
図８は本発明のＦＢＧセンシング装置の構成を示す図である。
【００７０】
本発明は第５実施例と同様に図８に示す構成のＦＢＧセンシング装置において、ＦＢＧ４３ａが歪を受けることのない位置に設置されており、また温度の影響を受けないように制御されている。
【００７１】
光源４１ａ、４１ｂから出力された光は光分岐器４２を透過し、光波長合分波器４６を透過し合波される。各光源４１ａ、４１ｂはそれぞれ異なる波長の光を出力しており、各ＦＢＧ４３ａ、４３ｂの反射波長帯域内にあるように調整されている。合波された光は光ファイバ４８を透過し、各ＦＢＧ４３ａ、４３ｂに達し、反射する。それぞれＦＢＧ４３は反射波長帯域以外の光は透過するため、互いの影響は受けない。第１の実施形態と同様にＦＢＧ４３ｂは歪量に応じて反射損失が変位するが、ＦＢＧ４３ａは歪を受けないように設置されているため反射損失は変化しない。反射された光は光ファイバ４８を透過し、波長合分波器４６で分波され、それぞれの光分岐器４２を透過し、それぞれの受光器４４に達し、電気信号に変換される。第１の実施形態と同様に電気信号に換算された受光量からＦＢＧ４３ａ、４３ｂにおける歪量を検知する。
【００７２】
ここで、光ファイバ４８に物理的な負荷が加わり光ファイバ４８の透過損失に変化が生じ、それぞれのＦＢＧ４３ａ、４３ｂから受光器４４ａ、４４ｂに入る反射光量が変化した場合、ＦＢＧ４３ｂの歪量を正確に検知できなくなる。
【００７３】
本発明では受光器４４ａで受けるＦＢＧ４３ａからの反射光量を常に一定になるように光源出力制御回路４９で光源４１ａの出力を制御するとともに、光源４１ｂの出力を制御することで、ＦＢＧ４３ａからの反射光量は常に一定となり、また光源４１ｂを同時に制御するため、ＦＢＧ４３ｂの歪量を正確に検知することができる。光源４１ａ、４１ｂがＤＦＢレーザーである場合、光源出力はレーザー電流とほぼ比例関係を示すため、光源４１ａに生じたレーザー電流の変動量（比率）を光源４２ｂに与えればよい。
【００７４】
このように歪量（および温度）に影響のないＦＢＧ４３ａを設置し、さらにＦＢＧ４３ａからの反射光量を一定になるように光源４１ａ、４１ｂを制御することで光ファイバ１８に加わる負荷に関係なく歪量を正確に検知することが出来る。
【００７５】
また、図８は図６に光源の制御機能を付加した図であるが、同様に図７に光源の制御機能を付加した構成でも、光ファイバ１８に加わる負荷に関係なく歪量を正確に検知することが出来る。
【００７６】
以上の実施形態における光源として、ＤＦＢレーザーを例に挙げているがＥＤＦを用いたリングレーザー等のコヒーレンシーが低レーザーを用いると、光ファイバの温度変動などの影響により安定した出力が得られる。
【００７７】
【実施例】
本発明の第１の実施形態に示すＦＢＧセンシング装置を作成した。
【００７８】
光源１は光通信で一般的に使用されるＤＦＢレーザーを用いた。最大出力は約３ｍＷで出力波長は１５５６ｎｍ近傍である。波長スペクトラムの半値全幅は１ｐｍである。また温度制御機能を持っており、制御温度を１５℃〜３５℃に設定することで出力波長のピークはおよそ１ｎｍ操作することができる。本実験では１５５６．７０ｎｍに調整した。
【００７９】
受光器４も光通信で一般的に使用されるピンフォトダイオードを用いた。受光感度は−５０ｄＢｍであり、波長帯域は１０００ｎｍ〜１６００ｎｍで平坦な特性を得ている。また受光量と電流の関係も−５０ｄＢｍ〜０ｄＢｍまで線形的である。
【００８０】
光分岐器２には透過損失が０．５ｄＢ程度であり、透過損失の波長特性も０．１ｄＢ未満であるサーキュレータを用いた。
【００８１】
ＦＢＧ３は反射率９５％以上、反射スペクトラムの半値全幅０．２５ｎｍ以下、反射ピーク波長が１５５６．７２ｎｍのものを使用した。
【００８２】
本実施例の結果を図４に示す。
【００８３】
図２に示す▲２▼とほぼ等しい結果が得られた。近似曲線との誤差は歪量で１０με以下でほぼ一致していることを確認した。
【００８４】
同様に本発明の第３、第４、第５および第６の実施形態についてもＦＢＧセンシング装置を作製し、第１の実施形態に基づく実験と同様な結果が得られた。
【００８５】
ＦＢＧ２３ａまたはＦＢＧ３３ａについてはＦＢＧ３と同じものを用い、ＦＢＧ２３ｂまたはＦＢＧ３３ｂには反射ピーク波長が１５３３．５２ｎｍのものを使用した。光波長合分波２６、３６、３７には１５４５ｎｍ以上と１５４５ｎｍ以下に合分波する合分波器を用いた。それぞれの波長域での透過特性は波長依存性が２０ｎｍで０．１ｄＢ以下である。
【００８６】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、特定波長帯域を反射し、歪を受けることで反射波長帯域が変移する特徴を有するＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）と、該ＦＢＧ反射波長帯域の光を出力する光源と、該光源から出力され、前記ＦＢＧから反射された光量を検出する受光器を備えたＦＢＧセンシング装置において、前記ＦＢＧの反射波長帯域の変移による反射光量の変位量を計測することで、ＦＢＧの歪量を検出するようにしたことで、光源や波長計測部に駆動部がなく信頼性が高く、振動計測のような高速測定に適しており、かつ光源出力が十分に大きく、遠隔計測が十分に出来、かつ製造コストが安価で、かつデータ処理が簡素なシステムの構築が可能なＦＢＧセンシング装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＦＢＧセンシング装置の構成を示す図である。
【図２】歪量に応じたＦＢＧの反射スペクトラムを示す図である。
【図３】光源の出力波長で決まるＦＢＧのひずみと反射損失の関係を示す図である。
【図４】本発明実施例のＦＢＧのひずみと反射損失の関係を示す図である。
【図５】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６】本発明の第３の実施形態を示すＦＢＧセンシング装置の構成図である。
【図７】本発明の第４の実施形態を示すＦＢＧセンシング装置の構成図である。
【図８】本発明のＦＢＧセンシング装置の構成を示す図である。
【図９】従来例の概略構成を示す図である。
【図１０】（ａ）は従来例の概略構成を示す図、（ｂ）はフィルタの透過特性を示す図である。
【符号の説明】
１：光源
２：光分岐器
３：ＦＢＧ
４：受光器
８：光ファイバ
１１：光源
１２、１５：光分岐器
１３：ＦＢＧ
１４：受光器
１８：光ファイバ
２１ａ、２１ｂ：光源
２２：光分岐器
２３ａ、２３ｂ：ＦＢＧ
２４：受光器
２６：光波長合分波器
２８：光ファイバ
３１ａ、３１ｂ：光源
３２：光分岐器
３３ａ、３３ｂ：ＦＢＧ
３４：受光器
３６、３７：光波長合分波器
３８：光ファイバ
４１ａ、４１ｂ：光源
４２：光分岐器
４３ａ、４３ｂ：ＦＢＧ
４４ａ、４４ｂ：受光器
４６、４７：光波長合分波器
４８：光ファイバ
４９：光源出力制御回路
１０１：広帯域光源
１０２：光分岐器
１０３：ＦＢＧ
１０４：受光器
１０８：光ファイバ
１０９：ＦＰフィルタ
２０１：広帯域光源
２０２、２１０：２×２カプラ
２０３：ＦＢＧ
２０４：受光器
２０８：光ファイバ
２０９：狭帯域フィルタ
【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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【図９】
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【図１０】
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