JP4586167B2 - Ultra-narrow band sensor in distributed measurement system using optical wavelength detection method and method for increasing the number of sensors that can be connected to the system - Google Patents
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Description
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。 The present invention relates to a technical field of a distributed optical fiber sensor using an optical fiber Bragg grating (hereinafter referred to as FBG).
本発明の背景技術としては第一の背景技術及び第二の背景技術を説明する。まず、第一の背景技術につき説明する。図4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1からの光は光方向性結合器2を経てシングルモード光ファイバ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の反射中心波長と相関があるため、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を逆にたどって広帯域光源1側に戻っていき該光源直前に設置されている前記光方向性結合器2によりファブリペロー干渉計などの光学干渉計から構成される波長検波器3に入力される(非特許文献1参照)。各々のFBGの反射中心波長は該波長検波器3により検波、すなわち測定される。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。一方、圧電素子を使用し時間に対して鋸波状の電圧を該圧電素子に印加させると圧電素子はその電圧により変位を生ずるため該干渉計の半透鏡を圧電素子に接続しておけば2つの半透鏡の間隔を変化させることができる。従って圧電素子に印加する電圧を周期的に変化させれば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を周期的に変化させることができる。図5はこの従来技術を用いた分布型温度計測システムのスペクトラムの相互の関係を示す図である。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)になるように波長検波器3を構成するファブリペロー干渉計を設計しておく。更に該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だけ掃引されるようにシステム設計を行う。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それぞれ別々に計測することにより測定することが可能となる。これは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からである。図4に示す波長温度変換部4はProgramable Read Only Memory(以下PROM)などのメモリから構成されている。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これをデータとして上記メモリに記憶させておく。これにより波長温度変換部4は波長検波器3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。
As the background art of the present invention, the first background art and the second background art will be described. First, the first background art will be described. A distributed temperature sensor using the prior art will be described with reference to FIG. The light from the
次に第二の背景技術を説明する。これは非特許文献2により公知の技術である。図6はこの第二の背景技術を用いた分布型温度センサのシステム構成図である。第一の背景技術と異なる点は波長検波器3である。他の個所は皆同一である。その特徴は第一の背景技術の波長検波器3はファブリペロー型干渉計の干渉中心波長を圧電素子などを使って機械的に掃引する方式であるが、この第二の背景技術はファブリペロー型干渉計ではなくアレイ導波路格子AWGを用いることにより機械的な可動部をなくし第一の背景技術よりも波長検波器3の信頼性をあげると同時に、並列信号処理により高速に波長検波できる点が大きな特徴である。次に図7を用いてこのAWGから成る波長検波器の動作を説明する。FBGの反射中心波長をλbi、AWGの隣接するチャンネルmとチャンネルm+1の透過中心波長をそれぞれλam、λa,m+1 とする。λbiがλam及びλa,m+1の中心波長と一致している場合、AWGのチャンネルmとチャンネルm+1から出射する光量は同一であるのでそれらを受光素子で光電変換した後の電流値の比は1である。仮にλbiが短波長側にシフトすればその比は1より小さくなり長波長側にシフトすれば比は1より大きくなる。λbiはλam<λbi<λa,m+1の範囲で変動するようシステム設計される。FBGの反射中心波長λbiはFBGの温度と一対一で対応している。従ってFBGの温度と前記の比の関係も一対一の関係となる。この関係をシステム製作段階であらかじめ求めておきPROMなどの記憶装置に記憶させておく。図6の波長温度変換部4はこの記憶装置である。このようにして構成されたシステムを用い同図に示すように受光素子5、プリアンプ6により光電変換された後の電流値を使ってマイクロコンピュータ7により比演算を行い、演算結果を前記の記憶装置に入力させれば記憶装置の出力はそのときのFBGの温度となる。一般にAWGは2つ以上の多数のチャンネルを備えているので複数のFBGの反射中心波長を並列に同時に計測できる。これが第二の背景技術である。
広帯域光源からの光を光方向性結合器あるいは光サーキュレータに入射させ該光方向性結合器あるいは該光サーキュレータからの出射光をSMF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SMF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前記光方向性結合器あるいは前記光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これらセンサからの反射光の波長を計測することによりセンサが検出すべき温度を測定する計測システムであって、前記各センサは第一のリング導波路とブラッググレーティングを内蔵した第二のリング導波路を第一の光方向性結合器で結合すると同時に第一のリング導波路を第二の光方向性結合器を介して前記SMFからなる前記光信号伝送ラインに結合させることにより第一のリング共振器を構成し該リング共振器の入射ポートからドロップポートへの透過帯域フィルタ特性が狭帯域特性を持った櫛型フィルタ特性となるように第一のリング導波路のリング長を決定し、第二のリング導波路内のブラッググレーティングの反射帯域幅を第一のリング共振器のFSRよりも狭くすることにより該導波路内のブラッググレーティングの反射帯域においてはセンサのスペクトル特性を単一の狭帯域反射スペクトル特性とし、同時に該導波路内のブラッググレーティングの透過帯域における第一のリング共振器の入射ポートから出射ポートへの透過スペクトルを両リングのコアの光路長を同一にすることにより平坦なスペクトルとし、換言すれば隣接して接続されるセンサを構成するリング共振器への入射スペクトルを平坦なスペクトルとし、同時に波長検波器もセンサと同等の狭帯域フィルタ特性を備えさせ、前記導波路内のブラッググレーティングの反射帯域をセンサごとに異なるようにし、更に各センサの測定範囲をそれぞれのセンサの該導波路内のブラッググレーティングの帯域幅とすることが本発明の課題に対する解決手段である。 Light from a broadband light source is incident on an optical directional coupler or optical circulator, and light emitted from the optical directional coupler or optical circulator is guided to one sensor via an optical signal transmission line made of SMF, or a plurality of sensors A sensor is led to a series circuit connected in series using SMF, and reflected light from one or a plurality of sensors follows a reverse path and is guided to the wavelength detector via the optical directional coupler or the optical circulator. A measuring system for measuring a temperature to be detected by a sensor by measuring a wavelength of reflected light from these sensors in a detector, wherein each sensor includes a first ring waveguide and a second Bragg grating. The ring waveguide is coupled with the first optical directional coupler, and at the same time, the first ring waveguide is formed from the SMF via the second optical directional coupler. A first ring resonator is formed by coupling to the optical signal transmission line so that a transmission band filter characteristic from an incident port to a drop port of the ring resonator becomes a comb filter characteristic having a narrow band characteristic. By determining the ring length of the first ring waveguide and making the reflection bandwidth of the Bragg grating in the second ring waveguide narrower than the FSR of the first ring resonator, the Bragg grating in the waveguide In the reflection band, the spectral characteristic of the sensor is a single narrow-band reflection spectral characteristic. By making the optical path lengths of the cores the same, a flat spectrum is obtained, in other words, adjacently connected sensors are constructed. The incident spectrum to the ring resonator to be formed is a flat spectrum, and at the same time, the wavelength detector has a narrow band filter characteristic equivalent to that of the sensor, and the reflection band of the Bragg grating in the waveguide is different for each sensor. Furthermore, it is a solution to the problem of the present invention that the measurement range of each sensor is the bandwidth of the Bragg grating in the waveguide of each sensor.
第一の実施形態として分布型温度計測システムの全体構成および動作を図1、図2を用いて説明する。図1において広帯域光源1から出射した光はSMF、光方向性結合器2(光方向性結合器はサーキュレータでもよい)を経てSMFに入射する。このSMFにはN個のセンサ(Nは1以上の整数)がSMFを介して直列に接続される。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2経由波長検波器3に導かれ該検波器においてこれらセンサからの反射スペクトルを計測することによりセンサが検出すべき温度を測定する。前記各センサは第一のリング導波路RW1とブラッググレーティングWBGを内蔵した第二のリング導波路RW2を第一の光方向性結合器DC1で結合しかつ第一のリング導波路RW1を第二の光方向性結合器DC2を介して前記SMFからなる前記光信号伝送ラインに結合させることにより第一のリング共振器を構成し該リング共振器の入射ポートIPからドロップポートDPへの透過帯域フィルタ特性を第一のリング導波路RW1のリング長を例えばミリメータ程度にすることによりピコメータオーダの例えば図2のスペクトラムS2に示すような狭帯域透過櫛型フィルタ特性としこの櫛型透過フィルタ特性と、第二のリング導波路RW2内のブラッググレーティングWBGの帯域幅を図2のスペクトラムS3、S6に示すように第一のリング共振器のFSRよりも狭くすることによりWBGにより反射される反射スペクトル特性をピコメータのオーダの図2のスペクトラムS4、S7に示すようなFWHMの単一の狭帯域反射スペクトル特性とする。この単一の狭帯域反射スペクトルは該リング共振器の入射ポートIPからドロップポートDPへの透過スペクトルのうちの1つであるが同時にこれはドロップポートDPから入射ポートIPに向かって入射した光の透過スペクトルに等しいはずであるのでWBGにより反射された前記単一の狭帯域反射スペクトルはドロップポートDPから入射ポートIPを経て光方向性結合器2に向かって伝播していくことになる。即ちセンサとしての反射スペクトルは図2のスペクトラムS4、S7に示すような狭帯域の単一の反射スペクトルとなる。この反射スペクトルが単一の狭帯域特性を持っているがゆえに本発明のセンサはその反射スペクトルの中心波長近傍での波長に対する反射スペクトルのエネルギー密度の変化は、これよりも遥かに広いFWHMをもったFBGを用いた従来の分布計測システムの場合よりも格段に大きくなる。この反射スペクトルの波長に対するエネルギー密度の変化をより的確に捉えるために波長検波器3も狭帯域フィルタ特性を備えさせる。背景技術に記した非特許文献1で報告されている様に電気信号によりその櫛型透過フィルタ特性を掃引することのできる例えばファブリペロー干渉計などを用いてこの特性を備えさせる。この波長検波の方法は上記の非特許文献1に記載されている方法と同じである。また各センサのWBGの反射帯域は温度変化により変化するがシステムの使用温度範囲のいずれにおいてもこの反射帯域はセンサごとに異なるようにシステム設計を行う。さらに各センサの測定範囲はそれぞれのセンサのWBGの帯域幅とする。以上が実施例の構成である。
The overall configuration and operation of the distributed temperature measurement system will be described as a first embodiment with reference to FIGS. In FIG. 1, light emitted from the
次にSMFから入射してくる光がWBGの透過帯域の場合について述べる。図11はこの場合のセンサの等価回路である。同図において光方向性結合器DC1、光方向性結合器DC2、リング導波路RW1から成り立つリング共振器の光路長と、リング導波路RW2の光路長を等しく設計する。リング共振器のドロップポートDPから出射する光スペクトルは図12のスペクトル(b)に示すような櫛型スペクトルとなる。該共振器のアドポートAPからDC1に入射するスペクトルは上記ドロップポートDPから出射するスペクトルと両リングの光路長が同じであることから同一で図12のスペクトル(d)のようになる。すなわちリング共振器からドロップポートDPを経て抜けた光スペクトルと同一の光スペクトルがアドポートAPから入射する。リング導波路RW2がなければリング共振器の出射ポートOPから出射するスペクトルは図12のスペクトル(c)に示すようにリング共振器のフリースペクトルレンジで決まる波長ごとに帯域阻止特性を示すが、阻止された光スペクトルが同リング共振器のアドポートAPから入射するので結果としてリング共振器の出射ポートOPの出射スペクトルは図12のスペクトル(e)のようにフラットに成る。なお前述したように各センサの測定範囲をオーバラップさせないためにWBGの反射帯域は重なり合わないようにシステム設計される。 Next, the case where the light incident from the SMF is in the WBG transmission band will be described. FIG. 11 is an equivalent circuit of the sensor in this case. In the figure, the optical path length of the ring resonator composed of the optical directional coupler DC1, the optical directional coupler DC2, and the ring waveguide RW1 and the optical path length of the ring waveguide RW2 are designed to be equal. The light spectrum emitted from the drop port DP of the ring resonator is a comb spectrum as shown in the spectrum (b) of FIG. The spectrum incident on DC1 from the add port AP of the resonator is the same as the spectrum emitted from the drop port DP because the optical path lengths of both rings are the same, as shown in FIG. 12 (d). That is, the same optical spectrum as the optical spectrum that has passed through the ring resonator through the drop port DP enters from the add port AP. Without the ring waveguide RW2, the spectrum emitted from the output port OP of the ring resonator shows band rejection characteristics for each wavelength determined by the free spectrum range of the ring resonator, as shown in the spectrum (c) of Fig. 12. Since the emitted optical spectrum enters from the add port AP of the ring resonator, as a result, the output spectrum of the output port OP of the ring resonator becomes flat as shown by the spectrum (e) in FIG. As described above, the system design is made so that the reflection bands of the WBGs do not overlap in order not to overlap the measurement ranges of the sensors.
センサ自身の製作は本願の発明人が出願している特許文献1に記載されているようにいわゆるシリコン、石英などを材料とした平面光導波路製作技術により製作できることは明らかである。またWBGの製作方法もゲルマニウムをドープした石英コアに空間的に周期的な紫外線を照射することにより製作できることも同文献に記載されている。石英コアにゲルマニウムをドープしたコアを用いたリング共振器のスペクトルの温度依存性は12pm/℃であることが非特許文献3により知られている。さらに石英コアにゲルマニウムをドープしたコアを用いたWBGの温度依存性も「非特許文献4」によりその反射中心波長の温度依存性は11.5 pm/℃でありほぼリング共振器のスペクトルの温度依存性に等しい。従って図1に示すシステムの場合、センサの温度が変化するとリング共振器の線スペクトルはWBGの反射中心波長とほぼ同じ量だけ波長シフトする。従ってこの波長のシフト量を考慮して隣接するWBGの中心波長間隔は決定されねばならない。使用温度範囲が100℃とするとこのシフト量は100℃×12pm/℃で1.2nmとなる。50nmの光源帯域幅、WBGの帯域を0.1nmとするとこのシステムで多重測定可能なセンサは50nm/(100 +1200)pm =38個となる。各センサの波長分解能は段落番号0006で記載したように0.1pmが得られるのでダイナミックレンジは1.2nm/0.1pm=12000となる。
It is obvious that the sensor itself can be manufactured by a planar optical waveguide manufacturing technique using so-called silicon or quartz as described in
次に第二の実施形態である分布型温度計測システムについて説明する。システム構成はセンサ部を除いて図1と同じである。この実施例のセンサ部を図3に示す。WBGの代わりに温度特性の少ない低温度特性のFBG(例:ファイバラボ社、FBG1550-ATMPKG型)を用意しこれをSMFでDC1を構成する光導波路WGに例えば光学接着剤などで接続する。センサとしての動作は基本的には第一の実施例と同じである。この場合もリング共振器とリング導波路RW2の光路長はFBGの透過帯域においては同一になるように設計する。図3に示すセンサの入射ポートIPから出射ポートOP間の挿入損失を0.5dBとし、光方向性結合器2から出射した光が戻ってくるまでの許容損失を50dBとすると光損失の観点からは50dB/(0.5dB×2)=50個のセンサ接続が可能と成る。仮にこの損失も非常に小さくでき無視できるとすればFBGの温度特性が無視できるため接続可能なセンサ数は50nm/(0.1 +0)nm =500個となり大幅な接続可能なセンサ数の増加となる。ただしこの場合ダイナミックレンジは0.1nm/0.1pm=1000となる。なお光波長検波器3の直前に増幅度50dBの光増幅器を挿入すれば前記許容損失は100dBとなるので接続可能なセンサ数は100個となる。
Next, a distributed temperature measurement system according to the second embodiment will be described. The system configuration is the same as in FIG. 1 except for the sensor unit. The sensor part of this embodiment is shown in FIG. Instead of WBG, FBG with low temperature characteristics with low temperature characteristics (eg, Fiber Lab, FBG1550-ATMPKG type) is prepared, and this is connected to the optical waveguide WG that constitutes DC1 with SMF, for example, with an optical adhesive. The operation as a sensor is basically the same as in the first embodiment. In this case as well, the optical path lengths of the ring resonator and the ring waveguide RW2 are designed to be the same in the transmission band of the FBG. From the viewpoint of optical loss, assuming that the insertion loss between the incident port IP and the outgoing port OP of the sensor shown in FIG. 3 is 0.5 dB and the allowable loss until the light emitted from the optical
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。 In addition to the field of health monitoring of so-called building structures (buildings, bridges, iron bridges, etc.) that attempt to maintain and maintain the building structures before they are fatally damaged, the invention described above is aerospace. For example, it can be applied to the field of failure prediction of a casing such as a wing.
1・・・広帯域光源
2・・・光方向性結合器
3・・・波長検波器
4・・・波長温度変換部
5・・・受光素子
6・・・プリアンプ
7・・・マイクロコンピュータ
SMF・・シングルモード光ファイバ
IP・・・リング共振器入射ポート
DP・・・リング共振器ドロップポート
AP・・・リング共振器アドポート
OP・・・リング共振器出射ポート
FBG・・光ファイバブラッググレーティング
WBG・・光導波路ブラッググレーティング
RW1・・リング導波路1
RW2・・リング導波路2
DC1・・光方向性結合器
DC2・・光方向性結合器
WG・・光導波路
CN・・光導波路とSMF結合部
AWG・・アレイ導波路格子
1 Broadband light source
2 ... Optical directional coupler
3 Wavelength detector
4 ... Wavelength temperature converter
5. Light receiving element
6 ... Preamplifier
7 ... Microcomputer
SMF ・ ・ Single mode optical fiber
IP: Ring resonator incident port
DP ・ ・ ・ Ring resonator drop port
AP ・ ・ ・ Ring resonator add port
OP: Ring resonator output port
FBG ・ ・ Optical fiber Bragg grating
WBG ・ ・ Optical waveguide Bragg grating
RW2 ・ ・
DC1 ・ ・ Optical directional coupler
DC2 ・ ・ Optical directional coupler
WG ・ ・ Optical waveguide
CN ・ ・ Optical waveguide and SMF coupling part
AWG array waveguide grating
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