JP2000009495A - Physical quantity measuring method and sensor - Google Patents

Physical quantity measuring method and sensor

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JP2000009495A
JP2000009495A JP10177376A JP17737698A JP2000009495A JP 2000009495 A JP2000009495 A JP 2000009495A JP 10177376 A JP10177376 A JP 10177376A JP 17737698 A JP17737698 A JP 17737698A JP 2000009495 A JP2000009495 A JP 2000009495A
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JP
Japan
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wavelength
grating
core
physical quantity
light
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Japanese (ja)
Inventor
Masaichi Mobara
政一 茂原
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make a specific physical quantity measurable stably with high accuracy utilizing the difference of measurements of a plurality of specified wavelengths. SOLUTION: A physical quantity is determined using more than one wavelength having an extremal value of optical intensity in the spectrum of at least one of transmitted light and reflected light of Bragg grating. A spectral analyzer 30 is coupled optically to the end part 23 of an optical fiber 20 for measurement and the light from a light source 10 transmitted through the Bragg grating in the optical fiber 20 for measurement enters the spectral analyzer 30. The spectral analyzer 30 is connected electrically with a computer 40 and the output from the spectral analyzer 30 is delivered to the computer 40. The computer 40 is connected electrically with a computer display 50 and operation results of the computer 40 are presented on the screen of the computer display 50.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光導波路型ブラッ
ググレーティングを備えた光導波路を用いて所定の物理
量を計測する方法及びセンサに関するものである。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a method and a sensor for measuring a predetermined physical quantity using an optical waveguide having an optical waveguide type Bragg grating.

【0002】[0002]

【従来の技術】光導波路型ブラッググレーティングは、
光導波路中において所定方向に沿って所定周期で屈折率
が空間的に変動(摂動)している領域であり、ブラッグ
波長の光を中心とした鋭い波長選択性を持つ反射光を発
生させる。このような光導波路型ブラッググレーティン
グとしては、光ファイバ中に形成されたファイバブラッ
ググレーティングが代表的である。
2. Description of the Related Art An optical waveguide type Bragg grating is:
A region in the optical waveguide where the refractive index is spatially fluctuated (perturbed) at a predetermined period along a predetermined direction, and generates reflected light having sharp wavelength selectivity centered on light having a Bragg wavelength. A typical example of such an optical waveguide Bragg grating is a fiber Bragg grating formed in an optical fiber.

【0003】光ファイバのコア部に大強度の干渉縞光を
照射することによりファイバブラッググレーティングを
形成する技術の開発に伴い、ファイバブラッググレーテ
ィングが形成された光ファイバを用いた応用品が提案さ
れている。こうした、応用品の一つに光ファイバ温度セ
ンサ等の光ファイバセンサがある。光ファイバ温度セン
サの例は、「P.R.Forman et.a1.,Rev.Sci.Instrum.61(1
0)、0ctorber1990,pp.2970-2972」に開示されている。
[0003] With the development of a technique for forming a fiber Bragg grating by irradiating a high intensity interference fringe light to the core portion of an optical fiber, an application using an optical fiber having a fiber Bragg grating has been proposed. I have. One such applied product is an optical fiber sensor such as an optical fiber temperature sensor. An example of an optical fiber temperature sensor is described in "PRForman et.a1., Rev. Sci. Instrum.61 (1
0), 0ctorber1990, pp. 2970-2972 ".

【0004】上記のP.R.Formanらが提案する光ファイバ
温度センサは、ゲルマニウムを添加した石英系ガラス
から成り、ファイバブラッググレーティングが形成され
たコアを有する光ファイバと、所定の波長範囲にわた
る光を発生しての光ファイバに入射させる光源と、
光の波長−強度分布を測定するスペクトラムアナライザ
などの物理量計測器と、を備えている。
The optical fiber temperature sensor proposed by PRForman et al. Is made of silica-based glass doped with germanium and has an optical fiber having a core in which a fiber Bragg grating is formed, and generates light over a predetermined wavelength range. A light source to be incident on the optical fiber of
A physical quantity measuring instrument such as a spectrum analyzer for measuring the wavelength-intensity distribution of light.

【0005】この光ファイバ温度センサで使用する光フ
ァイバでは、グレーティングの光学的な縞間隔L(T)
は温度Tにおいて、 L(T)=n(T)・Λ(T) …(1) ここで、n(T):コア中のグレーティングの平均実効
屈折率 Λ(T):縞間の距離(すなわち、グレーティング周
期) となる。そして、コアを進行する光のうち、波長λが、 λ=2N・L(T) …(2) ここで、N:自然数 の条件を満足する光は、グレーティングによって効率良
く反射される。(2)式を満足する波長を、ブラッグ波
長という。
[0005] In the optical fiber used in this optical fiber temperature sensor, the optical fringe interval L (T) of the grating is used.
Is the temperature T: L (T) = n (T) Λ (T) (1) where n (T): average effective refractive index of the grating in the core Λ (T): distance between stripes ( That is, the grating period). Then, of the light traveling in the core, the wavelength λ is λ = 2N · L (T) (2) Here, the light satisfying the condition of N: natural number is efficiently reflected by the grating. A wavelength satisfying the expression (2) is called a Bragg wavelength.

【0006】ところで、グレーティングの光学的な縞間
隔Lの温度依存性は、 dL(T)/dT=(dn(T)/dT)・Λ(T) +n(T)・(dΛ(T)/dT) =((dn(T)/dT)十n(T)・β)・Λ(T)…(3) ここで、β:光ファイバの線膨脹率 である。ゲルマニウムを添加した石英系ガラスでは、
(dn(T)/dT)は温度依存性が小さく、且つ、
(dn(T)/dT)/n(T)は1よりも十分に小さ
いとともに、線膨脹率βは温度依存性が小さいので、 L(T0+△T)=L(T0)・(1+(dL(T)/dT)T=T0・△T) =L(T0)・(1+CL・△T) …(4) ここで、CL:定数 となり、効率良く反射される光の波長(ブラッグ波長)
λB(T=T0+△T)は、 λB(T0+△T)=λB(T0)(1+Cλ・△T) …(5) ここで、Cλ:定数 となる。
By the way, the temperature dependency of the optical fringe interval L of the grating is as follows: dL (T) / dT = (dn (T) / dT) Λ (T) + n (T) ・ (dΛ (T) / dT) = ((dn (T) / dT) tens n (T) · β) · Λ (T) (3) where β is a linear expansion coefficient of the optical fiber. In the quartz glass to which germanium is added,
(Dn (T) / dT) has small temperature dependency, and
Since (dn (T) / dT) / n (T) is sufficiently smaller than 1, and the linear expansion coefficient β has a small temperature dependency, L (T 0 + ΔT) = L (T 0 ) · ( 1+ (dL (T) / dT ) T = T0 · △ T) = L (T 0) · (1 + C L · △ T) ... (4) where, C L: constant, and the efficiently reflected light Wavelength (Bragg wavelength)
λ B (T = T 0 + ΔT) is: λ B (T 0 + ΔT) = λ B (T 0 ) (1 + Cλ · ΔT) (5) where Cλ: constant.

【0007】したがって、事前に特定の温度T0でのブ
ラッグ波長λB(T0)と定数Cλとを求め、温度測定位
置に配置されたグレーティング形成部に、光源で発生し
た既知の波長−強度分布の光を入射させ、反射光あるい
は透過光の波長−強度分布(光スペクトラム)をスペク
トラムアナライザによって検出する。そして、この光ス
ペクトラムを観測してブラッグ波長を求め、このブラッ
グ波長を(5)式のλB(T0+△T)に代入することに
よりΔTを求め、温度T(=T0+△T)を算出する。
Therefore, a Bragg wavelength λ B (T 0 ) at a specific temperature T 0 and a constant Cλ are determined in advance, and a known wavelength-intensity generated by a light source is applied to a grating forming unit disposed at a temperature measurement position. Light having a distribution is incident, and a wavelength-intensity distribution (light spectrum) of reflected light or transmitted light is detected by a spectrum analyzer. Then, the optical spectrum is observed to determine the Bragg wavelength, and the Bragg wavelength is substituted for λ B (T 0 + ΔT) in equation (5) to determine ΔT, and the temperature T (= T 0 + ΔT) ) Is calculated.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】従来の光ファイバ温度
センサは上記のように構成され、光ファイバのコアに形
成されたファイバブラッググレーティングのブラッグ波
長の値をスペクトラムアナライザなどの計測器を用いて
測定する。しかしながら、計測器には誤差があり、その
誤差は計測のたびに異なるのが普通であるから、一律に
誤差を補正することは困難である。従って、計測器を用
いて求めたブラッグ波長そのものを用いて温度などの物
理量を求める従来のセンサでは、精度の良い計測を安定
して行うことは困難である。
The conventional optical fiber temperature sensor is configured as described above, and measures the value of the Bragg wavelength of the fiber Bragg grating formed on the core of the optical fiber using a measuring instrument such as a spectrum analyzer. I do. However, there is an error in the measuring instrument, and the error usually differs every measurement, so that it is difficult to uniformly correct the error. Therefore, it is difficult for a conventional sensor that obtains a physical quantity such as temperature using the Bragg wavelength itself obtained using a measuring instrument to stably perform highly accurate measurement.

【0009】本発明は、上記に鑑みてなされたものであ
り、所定の物理量を安定して精度良く計測できる方法及
びセンサを提供することを課題としている。
The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a method and a sensor capable of stably and accurately measuring a predetermined physical quantity.

【0010】[0010]

【課題を解決するための手段】本発明に係る物理量計測
方法は、光導波路型ブラッググレーティングを有するコ
アと、コアを覆い、コアよりも低い屈折率を有するクラ
ッドとを備えた光導波路を用いて所定の物理量を求める
方法であって、(a)グレーティングの透過光及び反射
光の少なくとも一方のスペクトラムを測定するステップ
と、(b)この測定されたスペクトラムから、光強度の
極値を有し、物理量の変化に応じて変化する二つ以上の
特定波長の値を求めるステップと、(c)これら二つ以
上の波長値を用いて物理量を求めるステップとを備えて
いる。上記特定波長の各々の測定値に含まれる誤差は、
二つの特定波長の測定値の差をとることで低減又は消去
することができる。従って、二つの特定波長の測定値の
差を利用することで、これらの波長値に影響を及ぼす物
理量を安定して精度良く計測することができる。
A physical quantity measuring method according to the present invention uses an optical waveguide having a core having an optical waveguide type Bragg grating and a cladding covering the core and having a lower refractive index than the core. A method for obtaining a predetermined physical quantity, comprising: (a) measuring at least one spectrum of transmitted light and reflected light of a grating; and (b) having an extreme value of light intensity from the measured spectrum, The method includes a step of obtaining values of two or more specific wavelengths that change in accordance with a change in the physical quantity, and (c) a step of calculating a physical quantity using the two or more wavelength values. The error included in each measurement value of the specific wavelength is
The difference can be reduced or eliminated by taking the difference between the measurements at the two specific wavelengths. Therefore, by using the difference between the measured values of the two specific wavelengths, it is possible to stably and accurately measure the physical quantities that affect these wavelength values.

【0011】上記の特定波長としては、グレーティング
で発生するクラッドへの光放射によりクラッドを伝搬す
る複数のモード及びコアを伝搬する複数のモードのうち
二つ以上のモード間で発生する結合損失が極大となる波
長やグレーティングのブラッグ波長が挙げられる。これ
らの波長は、グレーティングの特徴パラメータ(すなわ
ち、グレーティング周期、グレーティング形成部のコア
やクラッドの屈折率、グレーティング形成部のクラッド
の外径など、上記特定波長を変化させるパラメタ)の変
化に対する感度が異なるため、例えばこれらの波長の測
定値の差とこれらの波長に影響を与える物理量との間に
は一定の対応関係が存在する。従って、この対応関係を
予め求めておき、上記特定波長を二つ以上測定してこれ
らの測定値の差を求めれば、上記物理量の値をこの対応
関係に基づいて求めることができる。
As the specific wavelength, the coupling loss generated between two or more modes among a plurality of modes propagating through the clad and a plurality of modes propagating through the core due to light emission to the clad generated by the grating is maximized. And the Bragg wavelength of the grating. These wavelengths have different sensitivities to changes in the characteristic parameters of the grating (that is, parameters that change the specific wavelength, such as the grating period, the refractive index of the core or cladding of the grating forming portion, and the outer diameter of the cladding of the grating forming portion). Therefore, for example, there is a certain correspondence between the difference between the measured values of these wavelengths and the physical quantity affecting these wavelengths. Therefore, if this correspondence is determined in advance and two or more of the specific wavelengths are measured and the difference between these measured values is determined, the value of the physical quantity can be determined based on the correspondence.

【0012】本発明に係る物理量計測方法では、物理量
を求めるために用いられる二つ以上の波長値に、光スペ
クトラムアナライザの同一の波長走査で測定されたスペ
クトラムから求められた二つ以上の上記特定波長の値が
含まれていてもよい。光スペクトラムアナライザの同一
の波長走査によるスペクトラムにはほぼ一様な大きさの
誤差が含まれるので、このスペクトラムから求められた
二つ以上の上記特定波長の値の差をとることでこれらの
誤差を消去することができる。
[0012] In the physical quantity measuring method according to the present invention, the two or more wavelength values used for obtaining the physical quantity include two or more specified values obtained from the spectrum measured by the same wavelength scanning of the optical spectrum analyzer. A wavelength value may be included. Since the spectrum of the same wavelength scanning of the optical spectrum analyzer includes an error of almost uniform size, by taking the difference between the values of the two or more specific wavelengths obtained from this spectrum, these errors can be reduced. Can be erased.

【0013】次に、本発明に係るセンサは、(a)光導
波路型ブラッググレーティングを有するコアと、コアを
覆い、コアよりも低い屈折率を有するクラッドとを備え
た光導波路と、(b)グレーティングの透過光及び反射
光の少なくとも一方のスペクトラムを測定できるように
光導波路に接続された光スペクトラム測定システムと、
(c)光スペクトラム測定システムによって測定された
スペクトラムから、光強度の極値を有し、所定の物理量
の変化に応じて変化する二つ以上の特定波長の値を求
め、これら二つ以上の波長値を用いて物理量を算出する
演算手段とを備えている。上記特定波長の各々の測定値
に含まれる誤差は、二つの特定波長の測定値の差をとる
ことで低減又は消去することができるので、本発明のセ
ンサによれば、これらの波長値に影響を及ぼす物理量を
安定して精度良く計測することができる。
Next, the sensor according to the present invention comprises: (a) an optical waveguide including a core having an optical waveguide type Bragg grating, a cladding covering the core and having a lower refractive index than the core, and (b) An optical spectrum measurement system connected to the optical waveguide so that at least one spectrum of transmitted light and reflected light of the grating can be measured,
(C) From the spectrum measured by the optical spectrum measurement system, values of two or more specific wavelengths having an extreme value of the light intensity and changing according to a change in a predetermined physical quantity are obtained. Calculating means for calculating a physical quantity using the value. The error included in the measured value of each of the specific wavelengths can be reduced or eliminated by taking the difference between the measured values of the two specific wavelengths. Can be stably and accurately measured.

【0014】本発明のセンサにおける演算手段は、上記
の特定波長として、グレーティングで発生するクラッド
への光放射によりクラッドを伝搬する複数のモード及び
コアを伝搬する複数のモードのうち二つ以上のモード間
で発生する結合損失が極大となる波長やグレーティング
のブラッグ波長の値を求めるようになっていてもよい。
これらの波長は、グレーティングの特徴パラメータ(す
なわち、グレーティング周期、グレーティング形成部の
コアやクラッドの屈折率、グレーティング形成部のクラ
ッドの外径など、上記特定波長を変化させるパラメタ)
の変化に対する感度が異なるため、例えばこれらの波長
の測定値の差とこれらの波長に影響を与える物理量との
間には一定の対応関係が存在する。従って、この対応関
係を予め求めておき、上記特定波長を二つ以上測定して
これらの測定値の差を求めれば、上記物理量の値をこの
対応関係に基づいて求めることができる。
The arithmetic means in the sensor according to the present invention is characterized in that, as the specific wavelength, two or more modes out of a plurality of modes propagating in the clad and a plurality of modes propagating in the core by light radiation to the clad generated by the grating. The wavelength at which the coupling loss occurring between them becomes the maximum or the value of the Bragg wavelength of the grating may be obtained.
These wavelengths are characteristic parameters of the grating (that is, parameters that change the specific wavelength, such as the grating period, the refractive index of the core or cladding of the grating forming portion, and the outer diameter of the cladding of the grating forming portion).
For example, there is a certain correspondence between the difference between the measured values of these wavelengths and the physical quantities affecting these wavelengths because of the different sensitivities to changes in the wavelength. Therefore, if this correspondence is determined in advance and two or more of the specific wavelengths are measured and the difference between these measured values is determined, the value of the physical quantity can be determined based on the correspondence.

【0015】本発明のセンサにおける光スペクトラム測
定システムは、光導波路に光学的に接続され所定の波長
帯にわたって光を発生する光源と、光導波路に光学的に
接続された光スペクトラムアナライザと、を備えるもの
であっても良く、このとき、物理量の算出に用いる上記
二つ以上の波長値には、光スペクトラムアナライザの同
一の波長走査で測定された光スペクトラムから求められ
た二つ以上の上記特定波長の値が含まれていてもよい。
光スペクトラムアナライザの同一の波長走査によるスペ
クトラムにはほぼ一様な大きさの誤差が含まれるので、
このスペクトラムから求められた二つ以上の上記特定波
長の値の差をとることでこれらの誤差を消去することが
できる。
An optical spectrum measuring system in a sensor according to the present invention includes a light source optically connected to an optical waveguide and generating light over a predetermined wavelength band, and an optical spectrum analyzer optically connected to the optical waveguide. At this time, the two or more wavelength values used for calculating the physical quantity include two or more specific wavelengths obtained from the optical spectrum measured by the same wavelength scanning of the optical spectrum analyzer. May be included.
Since the spectrum of the same wavelength scan of the optical spectrum analyzer contains an error of almost uniform size,
These errors can be eliminated by calculating the difference between the values of the two or more specific wavelengths obtained from the spectrum.

【0016】本発明のセンサにおける光導波路型ブラッ
ググレーティングは、コアの軸線に対して傾斜した等屈
折率面を有していると良い。このような構造のブラッグ
グレーティングでは、高次のコアモードや各次のクラッ
ドモードの発生量が大きいので、これに応じてこれらの
モードと各次のコアモードとの結合損失も大きくなる。
これにより、これらの結合損失の検出が容易になるの
で、これらの結合損失が極大となる波長値を用いて物理
量の計測を行うことが容易になる。
The optical waveguide Bragg grating in the sensor of the present invention preferably has an equirefractive index surface inclined with respect to the axis of the core. In the Bragg grating having such a structure, since the generation amount of the higher-order core mode and the respective order cladding modes is large, the coupling loss between these modes and the respective order core modes increases accordingly.
This facilitates detection of these coupling losses, and facilitates measurement of physical quantities using the wavelength value at which these coupling losses are maximized.

【0017】本発明のセンサにおける光導波路型ブラッ
ググレーティングは、横断面が円形のコア中に設けられ
ていても良い。このように光導波路の軸線に対して対称
な形状のコアにブラッググレーティングが設けられてい
ると、上記特定波長間の波長分離性が良くなり、各波長
の検出が容易になるので、これらの波長の値を用いて物
理量の計測を行うことが容易になる。
The optical waveguide Bragg grating in the sensor of the present invention may be provided in a core having a circular cross section. When the Bragg grating is provided on the core having a shape symmetrical with respect to the axis of the optical waveguide, the wavelength separation between the specific wavelengths is improved, and the detection of each wavelength is facilitated. It becomes easy to measure the physical quantity using the value of.

【0018】本発明のセンサにおける光導波路は、クラ
ッドを覆う光反射材を備えていても良い。この場合、光
導波路型ブラッググレーティングで発生したクラッドモ
ードをこの光反射材で反射してクラッドモードの外部へ
の放射を防ぐことが可能になる。これによりクラッドモ
ードと各次のコアモードとの間の結合損失が大きくな
り、その検出が容易になるので、この結合損失が極大と
なる波長値を用いて物理量の計測を行うことが容易にな
る。
The optical waveguide in the sensor of the present invention may include a light reflecting material for covering the clad. In this case, the cladding mode generated by the optical waveguide Bragg grating can be reflected by the light reflecting material to prevent the cladding mode from radiating to the outside. As a result, the coupling loss between the cladding mode and each of the core modes becomes large, and the detection becomes easy. Therefore, it becomes easy to measure the physical quantity using the wavelength value at which the coupling loss becomes maximum. .

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しながら本
発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明に
おいて同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明
を省略する。また、図示の便宜上、図面の寸法比率は説
明のものと必ずしも一致していない。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description. In addition, for convenience of illustration, the dimensional ratios in the drawings do not always match those described.

【0020】図1は、本実施形態のセンサの構成図であ
る。図1に示されるように、このセンサは、光源10、
計測用光ファイバ20、スペクトラムアナライザ30、
及びコンピュータ40を主要な構成要素として備えてい
る。光源10は、所定の波長帯にわたる光を生成し、出
力する。光源10には計測用光ファイバ20の端部21
が光学的に接続されており、光源10の出力光が計測用
光ファイバ20に入射するようになっている。計測用光
ファイバ20は、横断面が円形のコアを有するシングル
モードの光ファイバである。後述するように、計測用光
ファイバ20の一定部分22にはファイバブラッググレ
ーティングが含まれており、計測用光ファイバ20の伝
搬光のうちブラッグ波長を中心とした狭帯域の光がこの
部分で反射されるようになっている。以下では、この部
分22をグレーティング形成部と呼ぶことにする。計測
用光ファイバ20の端部23にはスペクトラムアナライ
ザ30が光学的に接続されており、光源10からの光の
うち計測用光ファイバ20中のブラッググレーティング
を透過した光がスペクトラムアナライザ30に入射する
ようになっている。スペクトラムアナライザ30にはコ
ンピュータ40が電気的に接続されており、スペクトラ
ムアナライザ30の出力がコンピュータ40に送られる
ようになっている。コンピュータ40にはコンピュータ
ディスプレイ50が電気的に接続されており、コンピュ
ータ40の演算結果がディスプレイ50の画面上に表示
されるようになっている。
FIG. 1 is a configuration diagram of the sensor of this embodiment. As shown in FIG. 1, this sensor comprises a light source 10,
Measurement optical fiber 20, spectrum analyzer 30,
And a computer 40 as main components. The light source 10 generates and outputs light over a predetermined wavelength band. The light source 10 includes an end 21 of a measurement optical fiber 20.
Are optically connected, so that the output light of the light source 10 is incident on the measuring optical fiber 20. The measurement optical fiber 20 is a single-mode optical fiber having a core having a circular cross section. As will be described later, the fixed portion 22 of the measurement optical fiber 20 includes a fiber Bragg grating, and narrow band light centered on the Bragg wavelength of the propagation light of the measurement optical fiber 20 is reflected at this portion. It is supposed to be. Hereinafter, this portion 22 will be referred to as a grating forming portion. A spectrum analyzer 30 is optically connected to the end 23 of the measuring optical fiber 20, and light transmitted from the light source 10 and transmitted through the Bragg grating in the measuring optical fiber 20 is incident on the spectrum analyzer 30. It has become. The computer 40 is electrically connected to the spectrum analyzer 30, and the output of the spectrum analyzer 30 is sent to the computer 40. A computer display 50 is electrically connected to the computer 40, and a calculation result of the computer 40 is displayed on a screen of the display 50.

【0021】図2は、計測用光ファイバ20のグレーテ
ィング形成部22を示す模式断面図である。この図にお
いて、符号24、25は計測用光ファイバ20のコア、
クラッドをそれぞれ示している。また、符号70は、計
測用光ファイバ20の軸線である。図2に示されるよう
に、部分22に含まれるコア24にはファイバブラッグ
グレーティング60が形成されている。このブラッググ
レーティング60は、ファイバ軸線70に沿って一定周
期で屈折率が空間的に変動している領域である。このよ
うなグレーティング60の構造は、コア24の断面であ
って一様な屈折率分布を有する面(以下、「等屈折率
面」と呼ぶ)を用いて説明することができる。グレーテ
ィング60の屈折率は軸線70に沿って空間的に変動し
ているから、グレーティング60は種々の屈折率を持っ
た等屈折率面から構成されていることになる。図2に
は、これらの等屈折率面のうち特定の屈折率を有する面
62を代表として示してある。これらの等屈折率面62
は、互いに同一の屈折率を有している。本実施形態で
は、グレーティング60中の等屈折率面は、ファイバ軸
線70と直交している。グレーティング60は、これら
の等屈折率面がファイバ軸線70に沿ってそれぞれ一定
の間隔で周期的に配列された構造であると考えることが
できる。互いに同一の屈折率を有する等屈折率面の間隔
が、グレーティング60の周期である。
FIG. 2 is a schematic sectional view showing the grating forming part 22 of the measuring optical fiber 20. In this figure, reference numerals 24 and 25 denote the core of the measuring optical fiber 20,
Each shows a clad. Reference numeral 70 denotes an axis of the measurement optical fiber 20. As shown in FIG. 2, a fiber Bragg grating 60 is formed on the core 24 included in the portion 22. The Bragg grating 60 is a region where the refractive index spatially fluctuates at a constant period along the fiber axis 70. Such a structure of the grating 60 can be described using a surface having a uniform refractive index distribution which is a cross section of the core 24 (hereinafter, referred to as an “equi-refractive index surface”). Since the refractive index of the grating 60 fluctuates spatially along the axis 70, the grating 60 is composed of equal refractive index surfaces having various refractive indexes. FIG. 2 shows a surface 62 having a specific refractive index among these equal refractive index surfaces as a representative. These equal refractive index surfaces 62
Have the same refractive index. In the present embodiment, the equal refractive index surface in the grating 60 is orthogonal to the fiber axis 70. The grating 60 can be considered to have a structure in which these equal refractive index surfaces are periodically arranged at regular intervals along the fiber axis 70. The interval between the equal refractive index surfaces having the same refractive index is the period of the grating 60.

【0022】以下、本実施形態のセンサによる温度計測
動作を説明する。まず、本センサを用いて温度を計測す
るに先だって、所定の事前計測を行う。具体的には、内
部温度の調節が可能な恒温槽内に計測用光ファイバ20
のグレーティング形成部22を収容し、部分22の周囲
を一定の温度に維持した状態で光源10から光を出射さ
せ、部分22中のブラッググレーティング60を透過し
た光をスペクトラムアナライザ30で検出する。スペク
トラムアナライザ30は、所定の範囲内で波長を走査し
つつ、各波長の光の強度を検出する。このようにして測
定される光の波長−強度分布が光スペクトラムである。
この事前計測では、グレーティング形成部22の周囲を
様々な温度に設定し、各温度についてグレーティング6
0の透過光スペクトラムを測定する。
Hereinafter, the temperature measurement operation by the sensor according to the present embodiment will be described. First, before measuring the temperature using the present sensor, a predetermined preliminary measurement is performed. Specifically, the measuring optical fiber 20 is placed in a thermostatic chamber whose internal temperature can be adjusted.
The light is emitted from the light source 10 while the periphery of the portion 22 is maintained at a constant temperature, and the light transmitted through the Bragg grating 60 in the portion 22 is detected by the spectrum analyzer 30. The spectrum analyzer 30 detects the intensity of light of each wavelength while scanning wavelengths within a predetermined range. The wavelength-intensity distribution of light measured in this manner is an optical spectrum.
In this pre-measurement, the surroundings of the grating forming section 22 are set to various temperatures, and the grating 6 for each temperature is set.
A transmitted light spectrum of 0 is measured.

【0023】図3は、スペクトラムアナライザ30によ
り測定される光スペクトラムの一例を示している。この
図に示されるように、ブラッググレーティング60を透
過した光のスペクトラムには、光損失を表す谷が幾つか
現れる。具体的に説明すると、最も大きな谷101は、
ブラッグの回折条件を満たす波長の光がブラッググレー
ティング60で反射されることによる光損失を表してい
る。次に、谷101の短波長側に位置する谷102は、
コアの基底モードとコアの2次モードとの間で生じる結
合損失を表すものである。計測用光ファイバ20はシン
グルモード光ファイバであるからコア中には本来基底モ
ードしか存在しないが、ブラッググレーティング60の
周辺では高次(2次以上)のコアモードが発生すること
が分かっている。従って、これらの高次モードと基底モ
ードとの間で結合損失が生じることになる。谷102
は、これらの高次モードのうちの2次モードと基底モー
ドとの間の結合損失を表している。次に、谷102の短
波長側に位置する谷103〜105は、コアの基底モー
ドと各次のクラッドモードとの間で生じる結合損失を表
すものである。ブラッググレーティング60ではコアを
伝搬する光の一部がクラッドに放射されてクラッドモー
ドになる。従って、これらのクラッドモードとコアモー
ドとの間で結合損失が生じる。谷103〜105は、ブ
ラッググレーティング60の近傍で生じたクラッドの基
底モード、2次モード、3次モードとコアの基底モード
との間の結合損失をそれぞれ表すものである。通常は、
図3に示されるように、ブラッグ回折による光損失が最
も大きく、次いでコアの基底モード及び2次モード間の
結合損失が大きく、コアの基底モードと各次のクラッド
モードとの間の結合損失は比較的小さい。但し、図3は
測定される光スペクトラムの一例に過ぎず、常にこのよ
うな大小関係が示されるとは限らない。
FIG. 3 shows an example of an optical spectrum measured by the spectrum analyzer 30. As shown in this figure, some valleys representing the optical loss appear in the spectrum of the light transmitted through the Bragg grating 60. Specifically, the largest valley 101 is
The light loss due to the light having a wavelength satisfying the Bragg diffraction condition being reflected by the Bragg grating 60 is shown. Next, the valley 102 located on the short wavelength side of the valley 101 is
It is a representation of the coupling loss that occurs between the fundamental mode of the core and the secondary mode of the core. Since the measurement optical fiber 20 is a single mode optical fiber, only the fundamental mode originally exists in the core, but it is known that a higher-order (second order or higher) core mode occurs around the Bragg grating 60. Therefore, coupling loss occurs between these higher-order modes and the fundamental mode. Valley 102
Represents coupling loss between the second-order mode and the fundamental mode among these higher-order modes. Next, the valleys 103 to 105 located on the short wavelength side of the valley 102 represent the coupling loss generated between the fundamental mode of the core and each of the following cladding modes. In the Bragg grating 60, a part of the light propagating through the core is radiated to the cladding and enters a cladding mode. Therefore, coupling loss occurs between the cladding mode and the core mode. The valleys 103 to 105 represent the coupling loss between the fundamental mode of the cladding, the second mode, the third mode, and the fundamental mode of the core generated near the Bragg grating 60, respectively. Normally,
As shown in FIG. 3, the optical loss due to Bragg diffraction is the largest, then the coupling loss between the fundamental mode and the second-order mode of the core is large, and the coupling loss between the fundamental mode of the core and each of the cladding modes is Relatively small. However, FIG. 3 is only an example of the optical spectrum to be measured, and such a magnitude relationship is not always shown.

【0024】スペクトラムアナライザ30からコンピュ
ータ40には、波長とその波長の光について検出された
強度とが組になったデータが、スペクトラムアナライザ
の波長走査範囲内にわたって逐次送られる。コンピュー
タ40は、これらの波長及び光強度のデータを内蔵ハー
ドディスク装置に保存する。この後、コンピュータ40
は、グレーティング形成部22の周囲が所定の基準温度
(例えば常温の25℃)に設定されたときの光スペクト
ラムについて光強度の微分係数が0になる波長の値を算
出することにより、光スペクトラムの谷の最低点に対応
する波長、すなわち光強度の極小値を有する波長の値を
求める。更にコンピュータ40は、こうして算出した各
波長値に対応する光強度値を互いに比較し、これらの光
強度値の中から小さい順に三つの値を選択する。図3の
スペクトラムの場合、最小の値がブラッグ回折による光
損失に対応し、2番目に小さな値がコアの基底モードと
コアの2次モードとの間の結合損失に対応し、3番目に
小さな値がコアの基底モードとクラッドの基底モードと
の間の結合損失に対応する。コンピュータ40は、最小
の値と2番目に小さな値との加算平均値を算出し、これ
を第1のしきい値とする。また、コンピュータ40は、
2番目に小さな値と3番目に小さな値との加算平均値を
算出し、これを第2のしきい値とする。これらのしきい
値は、内蔵ハードディスク装置に保存される。後述する
ように、これらのしきい値は、ブラッグ回折による光反
射(図3の101)や、コアの基底モード及び2次モー
ド間の結合損失(図3の102)を判別するために用い
られる。
The spectrum analyzer 30 sequentially sends data, which is a set of the wavelength and the intensity detected for the light of the wavelength, to the computer 40 over the wavelength scanning range of the spectrum analyzer. The computer 40 stores the data of the wavelength and the light intensity in a built-in hard disk device. After this, the computer 40
Calculates the value of the wavelength at which the differential coefficient of the light intensity becomes 0 with respect to the optical spectrum when the surroundings of the grating forming section 22 is set to a predetermined reference temperature (for example, 25 ° C. at room temperature). The wavelength corresponding to the lowest point of the valley, that is, the value of the wavelength having the minimum value of the light intensity is obtained. Further, the computer 40 compares the light intensity values corresponding to the respective calculated wavelength values with each other, and selects three values from the light intensity values in ascending order. In the case of the spectrum of FIG. 3, the smallest value corresponds to the optical loss due to Bragg diffraction, the second smallest value corresponds to the coupling loss between the core fundamental mode and the core second-order mode, and the third smallest value. The value corresponds to the coupling loss between the fundamental mode of the core and the fundamental mode of the cladding. The computer 40 calculates an average value of the minimum value and the second smallest value, and sets this as a first threshold value. In addition, the computer 40
An average value of the second smallest value and the third smallest value is calculated, and this is set as a second threshold value. These thresholds are stored in the internal hard disk device. As described later, these thresholds are used to determine light reflection by Bragg diffraction (101 in FIG. 3) and coupling loss between the fundamental mode and the second-order mode of the core (102 in FIG. 3). .

【0025】次に、コンピュータ40は、様々な温度で
測定した光スペクトラムの各々について光強度の極小
値、及びこの極小値を有する波長値を求め、これらの光
強度極小値を上述した第1及び第2のしきい値と比較す
る。この比較の結果、第1しきい値よりも小さな極小値
はブラッグ回折による光反射に対応するものと判定さ
れ、この極小値を有する波長値がブラッグ波長の値とし
て内蔵ハードディスク装置に保存される。また、第1し
きい値と第2しきい値の中間の極小値はコアの基底モー
ド及び2次モード間の結合損失に対応するものと判定さ
れ、この極小値を有する波長値が、この結合損失が極大
となる波長値として保存される。
Next, the computer 40 obtains the minimum value of the light intensity and the wavelength value having this minimum value for each of the light spectrums measured at various temperatures, and determines these minimum values of the light intensity in the first and the above-described first and second values. Compare with a second threshold. As a result of this comparison, the minimum value smaller than the first threshold value is determined to correspond to light reflection by Bragg diffraction, and the wavelength value having this minimum value is stored in the internal hard disk device as a Bragg wavelength value. The minimum value between the first threshold value and the second threshold value is determined to correspond to the coupling loss between the fundamental mode and the second-order mode of the core. It is stored as the wavelength value at which the loss is maximum.

【0026】こうして求められた波長値は、グレーティ
ング形成部22の周囲の温度に応じて変化するパラメ
タ、例えばグレーティング周期、グレーティング形成部
のコアやクラッドの屈折率、グレーティング形成部のク
ラッドの外径などに依存している。従って、上記の波長
値と周囲温度との間には一定の対応関係がある。図4
は、グレーティング形成部22の周囲温度と上述のよう
にして求められた二つの波長との関係を表している。具
体的に述べると、図4の符号110は、グレーティング
形成部22の周囲温度とブラッグ回折による光反射の波
長(すなわちブラッグ波長)との関係、符号111はグ
レーティング形成部22の周囲温度とコアの基底モード
及び2次モード間の結合損失が極大となる波長との関係
をそれぞれ示している。図4に示されるように、ブラッ
グ波長とコアの基底モード及び2次モード間の結合損失
が極大になる波長とでは、同じ温度変化量に対する波長
値の変化量が異なる。すなわち、これら二つの波長は、
温度変化に対する感度が異なっている。このため、これ
ら二つの波長の差を求めると、この波長差と温度との間
には一対一の対応関係が生まれる。
The wavelength values obtained in this way are parameters that change according to the temperature around the grating forming portion 22, such as the grating period, the refractive index of the core and cladding of the grating forming portion, the outer diameter of the cladding of the grating forming portion, and the like. Depends on. Therefore, there is a certain correspondence between the wavelength value and the ambient temperature. FIG.
Represents the relationship between the ambient temperature of the grating forming section 22 and the two wavelengths obtained as described above. Specifically, reference numeral 110 in FIG. 4 indicates a relationship between the ambient temperature of the grating forming unit 22 and the wavelength of light reflection by Bragg diffraction (that is, Bragg wavelength), and reference numeral 111 indicates the ambient temperature of the grating forming unit 22 and the core. The relationship with the wavelength at which the coupling loss between the fundamental mode and the secondary mode is maximized is shown. As shown in FIG. 4, the amount of change in the wavelength value with respect to the same amount of temperature change differs between the Bragg wavelength and the wavelength at which the coupling loss between the fundamental mode and the secondary mode of the core is maximized. That is, these two wavelengths are
Different sensitivity to temperature change. Therefore, when the difference between these two wavelengths is obtained, a one-to-one correspondence is created between the wavelength difference and the temperature.

【0027】本実施形態では、事前計測の結果を用いて
この対応関係を求める。すなわち、コンピュータ40
は、上述のようにして求めたブラッグ波長λ1からコア
の基底モード及び2次モード間の結合損失が極大となる
波長λ2を減算した値Δλ(=λ1−λ2)を種々の温度
について求め、これらの波長の差Δλを変数とする温度
の関数を求める。関数の導出は、例えば最小二乗法など
の回帰分析によって行うことができる。
In this embodiment, this correspondence is obtained by using the result of the preliminary measurement. That is, the computer 40
Is the difference Δλ (= λ 1 −λ 2 ) obtained by subtracting the wavelength λ 2 at which the coupling loss between the fundamental mode and the secondary mode of the core is maximum from the Bragg wavelength λ 1 obtained as described above, at various temperatures. And a function of temperature with the difference Δλ between these wavelengths as a variable is obtained. The derivation of the function can be performed by a regression analysis such as a least square method.

【0028】図5は、こうして求めた波長差Δλと温度
との関係を示している。コンピュータ40は、Δλを変
数とする温度の関数を内蔵ハードディスク装置に保存す
る。
FIG. 5 shows the relationship between the wavelength difference Δλ thus determined and the temperature. The computer 40 saves a temperature function using Δλ as a variable in the internal hard disk device.

【0029】本実施形態では、上記の事前計測の後、所
望の温度計測位置にグレーティング形成部22を配置し
て本計測を行う。具体的には、光源10から計測用光フ
ァイバ20に光を送り込み、スペクトラムアナライザ3
0及びコンピュータ40を用いてブラッグ波長λ1、並
びにコアの基底モード及び2次モード間の結合損失が極
大となる波長λ2をそれぞれ測定し、両者の差Δλの値
を求める。各波長の測定は、事前計測と同様にして行わ
れる。コンピュータ40は、事前計測により求めた波長
差Δλを変数とする温度の関数に、本計測で求めたΔλ
の値を代入し、その値に対応する温度を算出する。この
算出結果が、グレーティング形成部22の周囲の温度で
ある。こうして算出された温度は、コンピュータディス
プレイ50の画面上に表示される。以上により、本実施
形態による温度計測は終了する。
In the present embodiment, after the above-described preliminary measurement, the main measurement is performed by disposing the grating forming section 22 at a desired temperature measurement position. Specifically, light is sent from the light source 10 to the measurement optical fiber 20 and the spectrum analyzer 3
0 and the computer 40 are used to measure the Bragg wavelength λ 1 and the wavelength λ 2 at which the coupling loss between the fundamental mode and the secondary mode of the core is maximized, and the value of the difference Δλ between them is determined. The measurement of each wavelength is performed in the same manner as the pre-measurement. The computer 40 converts the wavelength difference Δλ obtained by the preliminary measurement into a function of the temperature,
And the temperature corresponding to the value is calculated. This calculation result is the temperature around the grating forming section 22. The temperature thus calculated is displayed on the screen of the computer display 50. Thus, the temperature measurement according to the present embodiment ends.

【0030】スペクトラムアナライザ30を用いて測定
される波長の値には誤差が含まれており、この誤差はス
ペクトラムアナライザ30による波長走査のたびに異な
るため、測定した波長値そのものを用いて温度などの物
理量を求める方法では、精度の良い計測を安定して行う
ことはできない。しかしながら、一つの波長走査の間は
波長誤差はほぼ一定であることから、本実施形態では同
一の波長走査によって測定された二つの波長の差を求め
ることで誤差を消去している。具体的に説明するため
に、ブラッグ波長の真の値をλ1tru、コアの基底モード
及び2次モード間の結合損失が極大となる波長の真の値
をλ2tru、それぞれの波長誤差をλ1err、λ2errと表す
と、ブラッグ波長の測定値λ1はλ1tru+λ1err、コア
の基底モード及び2次モード間の結合損失が極大となる
波長の測定値λ2はλ2tru+λ2errと表される。ここ
で、各波長の値が同一の波長走査によって測定されたも
のであれば、λ1err=λ2errが成立する。本実施形態で
は、誤差を含んだ測定値λ1やλ2そのものではなく、同
一の波長走査によって測定したλ1とλ2の差Δλを用い
て温度を求めるので、誤差λerrの影響を打ち消すこと
ができる。つまり、 Δλ=λ1−λ2 =(λ1tru+λ1err)−(λ2tru+λ2err) =λ1tru−λ2tru のようにして誤差λ1err及びλ2errが相殺されるため、
Δλには誤差が含まれない。このように本実施形態によ
れば、誤差を含まない波長差を用いて温度を求めるの
で、温度を安定して精度良く計測することができる。
The value of the wavelength measured using the spectrum analyzer 30 includes an error. Since the error differs every time the wavelength is scanned by the spectrum analyzer 30, the measured value of the wavelength or the like is used using the measured wavelength value itself. In the method of obtaining the physical quantity, accurate measurement cannot be stably performed. However, since the wavelength error is substantially constant during one wavelength scan, in this embodiment, the error is eliminated by obtaining the difference between the two wavelengths measured by the same wavelength scan. For concrete explanation, the true value of the Bragg wavelength is λ 1 tru, the true value of the wavelength at which the coupling loss between the fundamental mode and the second-order mode of the core is maximal is λ 2 tru, and the wavelength error of each is lambda 1 err, expressed as lambda 2 err, is measured lambda 1 of the Bragg wavelength λ 1 tru + λ 1 err, is measured lambda 2 wavelength coupling loss becomes maximum between the core fundamental mode and the second mode of lambda 2 tru + λ 2 err. Here, if the value of each wavelength is measured by the same wavelength scanning, λ 1 err = λ 2 err holds. In the present embodiment, since the temperature is obtained using the difference Δλ between λ 1 and λ 2 measured by the same wavelength scanning, not the measurement values λ 1 and λ 2 itself including the error, the influence of the error λ err is canceled. Can be. That is, the errors λ 1 err and λ 2 err are canceled out as Δλ = λ 1 −λ 2 = (λ 1 tru + λ 1 err) − (λ 2 tru + λ 2 err) = λ 1 tru−λ 2 tru ,
Δλ does not include an error. As described above, according to the present embodiment, the temperature is obtained using the wavelength difference that does not include an error, so that the temperature can be measured stably and accurately.

【0031】また、本実施形態では、ファイバブラッグ
グレーティングは、横断面が円形のコア中に設けられて
いる。このように光導波路の軸線に対して対称な形状の
コアに光導波路型ブラッググレーティングが設けられて
いると、スペクトラムにおいて光強度の極値を有する波
長の分離性が良くなり、各波長を上記の物理量計測に好
適に利用することができる。
In this embodiment, the fiber Bragg grating is provided in a core having a circular cross section. When the optical waveguide type Bragg grating is provided on the core having a shape symmetrical with respect to the axis of the optical waveguide as described above, the separation of the wavelength having the extreme value of the light intensity in the spectrum is improved, and each wavelength is set as described above. It can be suitably used for physical quantity measurement.

【0032】本発明は、上記実施形態に限られるもので
はなく、様々な変形が可能である。例えば、上記実施形
態のセンサは温度の計測を目的としていたが、温度以外
にも光強度の極値を有する特定波長に影響を与える物理
量(圧力など)であれば、事前計測によってその物理量
と特定波長の差との関係を求めることにより計測が可能
である。
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications are possible. For example, the sensor of the above-described embodiment is intended to measure temperature. However, in addition to temperature, if a physical quantity (such as pressure) that affects a specific wavelength having an extreme value of light intensity, the physical quantity is identified by preliminary measurement. Measurement is possible by determining the relationship with the wavelength difference.

【0033】また、上記実施形態では、コアの基底モー
ド及び2次モード間の結合損失が極大となる波長とブラ
ッグ波長とを利用して物理量計測を行ったが、これら以
外の波長であっても被測定物理量に依存して変化するも
のであれば利用することができる。例えば、図3の10
3〜105で示されるようなコアモード及びクラッドモ
ード間の結合損失が極大となる波長も、温度や圧力など
の物理量に依存して変化するのでこれらの計測に利用可
能である。
In the above embodiment, the physical quantity is measured using the wavelength at which the coupling loss between the fundamental mode and the secondary mode of the core is maximized and the Bragg wavelength. Any object that changes depending on the physical quantity to be measured can be used. For example, 10 in FIG.
Wavelengths at which the coupling loss between the core mode and the cladding mode is maximized as indicated by 3 to 105 also vary depending on physical quantities such as temperature and pressure, and can be used for these measurements.

【0034】次に、上記実施形態では、計測用光ファイ
バ中のファイバブラッググレーティングはファイバ軸線
に対して垂直な等屈折率面から構成されていたが、計測
用光ファイバ中のファイバブラッググレーティングは、
コアの軸線に対して傾斜した等屈折率面が相互に平行に
配列された構造を有していても良い。図6は、このよう
なブラッググレーティング60′を含む計測用光ファイ
バ中の部分22′を示す模式断面図である。図6には、
これらの等屈折率面のうち特定の屈折率を有する面6
2′を代表として示してある。また、図6中の符号72
は、等屈折率面62′の法線を示している。このように
ファイバ軸線70に対して傾斜した等屈折率面から構成
されるブラッググレーティングでは、コアの高次モード
や各次のクラッドモードの発生量が大きくなり、これに
応じてこれらのモードと各次のコアモードとの間の結合
損失も大きくなる。これにより、これらの結合損失を容
易に検出できるようになるので、これらの結合損失が極
大となる波長を用いて容易に物理量の計測を行うことが
できる。
Next, in the above embodiment, the fiber Bragg grating in the optical fiber for measurement was constituted by an equal refractive index surface perpendicular to the fiber axis, but the fiber Bragg grating in the optical fiber for measurement was:
It may have a structure in which equi-refractive index surfaces inclined with respect to the axis of the core are arranged parallel to each other. FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a portion 22 'in the measuring optical fiber including such a Bragg grating 60'. In FIG.
Surface 6 having a specific refractive index among these equal refractive index surfaces
2 'is shown as a representative. Also, reference numeral 72 in FIG.
Indicates the normal line of the isorefractive index surface 62 '. In the Bragg grating composed of the equal refractive index surfaces inclined with respect to the fiber axis 70 in this manner, the amount of generation of higher-order modes and each-order cladding mode of the core increases, and accordingly, these modes and Coupling loss with the next core mode also increases. This makes it possible to easily detect these coupling losses, so that the physical quantity can be easily measured using the wavelength at which these coupling losses are maximized.

【0035】次に、本発明で用いる計測用光ファイバは
ブラッググレーティング形成部のクラッドを密着包囲す
る光反射材(例えばアルミニウム)を備えていても良
い。この光反射材はクラッドの外面に到達したクラッド
モードを反射することによりクラッドモードの外部への
放射を防ぐように機能する。これによりクラッドモード
と各次のコアモードとの間の結合損失が効率よく検出さ
れるようになり、この結合損失を用いて本発明の計測を
行うことが容易になる。
Next, the measuring optical fiber used in the present invention may be provided with a light reflecting material (for example, aluminum) that closely surrounds the cladding of the Bragg grating forming portion. The light reflecting material functions to reflect the clad mode reaching the outer surface of the clad, thereby preventing the clad mode from radiating outside. As a result, the coupling loss between the cladding mode and each of the core modes can be efficiently detected, and the measurement of the present invention can be easily performed using the coupling loss.

【0036】次に、上記実施形態ではグレーティングを
透過した光のスペクトラムのみを測定し、このスペクト
ラムから光強度の極小値を有する波長を求めたが、本発
明は必ずしもこのような手法に限定されるわけではな
い。例えばグレーティングによる光反射はグレーティン
グで反射された光のスペクトラムを測定することによっ
ても検出することができる。グレーティングの反射光ス
ペクトラムでは、グレーティングによる光反射は光強度
の山として現れる。従って、反射光スペクトラムから光
強度の極大値を求めることでブラッグ波長を求めること
ができる。
Next, in the above embodiment, only the spectrum of the light transmitted through the grating was measured, and the wavelength having the minimum value of the light intensity was obtained from the spectrum. However, the present invention is not necessarily limited to such a method. Do not mean. For example, light reflection by a grating can also be detected by measuring the spectrum of light reflected by the grating. In the reflected light spectrum of the grating, light reflection by the grating appears as a peak of light intensity. Therefore, the Bragg wavelength can be obtained by obtaining the maximum value of the light intensity from the reflected light spectrum.

【0037】図7は、グレーティングの反射光スペクト
ラムからブラッグ波長を求めるセンサの一例の構成図で
ある。このセンサでは、光路設定手段である光サーキュ
レータ80の第1端子が光ファイバ82を介して光源1
0に接続されており、光サーキュレータ80の第2端子
が計測用光ファイバ20に接続されている。また、光サ
ーキュレータ80の第3端子は、光ファイバ84を介し
て光スペクトラムアナライザ30に接続されている。図
1のセンサと同様に、光スペクトラムアナライザ30に
はコンピュータ40が接続されており、コンピュータ4
0にはコンピュータディスプレイ50が接続されてい
る。光ファイバ20の端面26は、一定の反射率で光を
反射する反射端面となっている。
FIG. 7 is a configuration diagram of an example of a sensor for obtaining the Bragg wavelength from the spectrum of the reflected light from the grating. In this sensor, a first terminal of an optical circulator 80 as an optical path setting means is connected to a light source 1 via an optical fiber 82.
0, and the second terminal of the optical circulator 80 is connected to the measuring optical fiber 20. The third terminal of the optical circulator 80 is connected to the optical spectrum analyzer 30 via the optical fiber 84. A computer 40 is connected to the optical spectrum analyzer 30 as in the sensor of FIG.
0 is connected to a computer display 50. The end face 26 of the optical fiber 20 is a reflection end face that reflects light at a constant reflectance.

【0038】光源10から出射した光のうち光ファイバ
20中のグレーティングで反射された光は、光サーキュ
レータ80を通過して光スペクトラムアナライザ30に
入射する。グレーティングを透過した光は端面26で反
射され、再びグレーティングを透過した後、光サーキュ
レータ80を通過して光スペクトラムアナライザ30に
入射する。従って、光スペクトラムアナライザ30は、
グレーティングの透過光及び反射光のスペクトラムを同
時に測定することができる。このようにして測定される
グレーティングの透過光及び反射光の合成スペクトラム
から上述した各種の結合損失を極大にする波長やブラッ
グ波長を求めることができる。従って、図7のセンサを
用いることによっても、本発明に係る光計測を行うこと
が可能である。なお、光ファイバ20の端面26の反射
率があまりに大きいとグレーティングよる光反射の検出
が困難になり、逆に反射率があまりに小さいと各種の結
合損失の検出が困難になる。端面26の反射率は、これ
らの事項を考慮して適切な値に定めると良い。
Of the light emitted from the light source 10, the light reflected by the grating in the optical fiber 20 passes through the optical circulator 80 and enters the optical spectrum analyzer 30. The light transmitted through the grating is reflected by the end face 26, passes through the grating again, passes through the optical circulator 80, and enters the optical spectrum analyzer 30. Therefore, the optical spectrum analyzer 30
The spectrum of the transmitted light and the reflected light of the grating can be measured simultaneously. From the combined spectrum of the transmitted light and the reflected light of the grating measured in this way, the wavelength or the Bragg wavelength that maximizes the various coupling losses described above can be obtained. Therefore, the optical measurement according to the present invention can be performed by using the sensor shown in FIG. If the reflectivity of the end face 26 of the optical fiber 20 is too large, it is difficult to detect light reflection by the grating, and if the reflectivity is too small, it is difficult to detect various coupling losses. The reflectivity of the end face 26 may be set to an appropriate value in consideration of these matters.

【0039】上述した実施形態では、グレーティングの
透過光又は反射光のスペクトラムにおいて光強度の極値
を有する波長を直接求めたが、スペクトラムの山や谷の
中心波長(半値幅の中心に位置する波長)を求めて、こ
れを光強度の極値を有する波長とみなしてもよい。
In the above-described embodiment, the wavelength having the extreme value of the light intensity is directly obtained in the spectrum of the transmitted light or the reflected light of the grating, but the center wavelength of the peak or the valley of the spectrum (the wavelength located at the center of the half width) is obtained. ) May be determined, and this may be regarded as a wavelength having an extreme value of light intensity.

【0040】[0040]

【実施例】図8は、図1及び図2に示される構成のセン
サを用いて実際に測定した光ファイバブラッググレーテ
ィングの透過光スペクトラムを示す図である。このスペ
クトラムの測定は、グレーティング形成部22の周囲温
度を25℃として行った。このスペクトラムにおける谷
201は、ブラッグの回折による光反射を表している。
次に、谷201の短波長側に位置する谷202〜209
は、コアの基底モードと各次のクラッドモードとの間で
生じる結合損失を表すものである。この測定スペクトラ
ムでは、コアの基底モードとコアの2次モードとの間で
生じる結合損失を表す谷は現れなかった。これは、計測
用光ファイバ20に含まれるブラッググレーティングの
等屈折率面が光ファイバの軸線に対して直交しているこ
とから、コアの2次モードが比較的発生しにくいためと
考えられる。コアの基底モードとコアの2次モードとの
間の結合損失を利用したい場合は、図6に示されるよう
に、光ファイバの軸線に対して傾斜した等屈折率面を有
するグレーティングを含んだ光ファイバを用いると良
い。
FIG. 8 is a diagram showing a transmitted light spectrum of an optical fiber Bragg grating actually measured using the sensor having the structure shown in FIGS. The measurement of the spectrum was performed with the ambient temperature of the grating forming part 22 set to 25 ° C. The valley 201 in this spectrum represents light reflection due to Bragg diffraction.
Next, valleys 202 to 209 located on the short wavelength side of the valley 201
Represents the coupling loss occurring between the fundamental mode of the core and each of the following cladding modes. In this measured spectrum, no valley representing the coupling loss occurring between the fundamental mode of the core and the secondary mode of the core did not appear. This is probably because the second-order mode of the core is relatively unlikely to occur because the equi-refractive index surface of the Bragg grating included in the measuring optical fiber 20 is orthogonal to the axis of the optical fiber. When it is desired to use the coupling loss between the fundamental mode of the core and the second-order mode of the core, as shown in FIG. 6, a light including a grating having an equi-refractive index surface inclined with respect to the axis of the optical fiber is used. Fiber may be used.

【0041】本発明者は、図1〜図5を参照して上述し
た方法を用いて、谷201及び203に含まれる光強度
の極小値を有する特定波長の値を種々の温度に対して求
めた。図9は、これらの特定波長の値を温度に対して示
すグラフである。図9において、左側の縦軸は谷201
の光強度極小値を有する波長値を示しており、右側の縦
軸は谷203の光強度極小値を有する波長値を示してい
る。図中の各点は種々の温度に対する実測値を示してお
り、図中の実線はこれらの実測値を最小二乗法によりフ
ィッティングした直線である。この図に示されるよう
に、二つのフィッティング直線は傾きが異なっている。
これは、二つの波長の温度依存性が異なることを示して
いる。具体的には、温度をx、波長をyで表すと、フィ
ッティング直線210はy=0.007x+1552.
2(相関係数R2=0.9572)のように表され、フ
ィッティング直線211はy=0.0074x+154
3.6(相関係数R2=0.9594)のように表され
る。
Using the method described above with reference to FIGS. 1 to 5, the present inventor has determined the values of specific wavelengths having the minimum values of the light intensity included in the valleys 201 and 203 at various temperatures. Was. FIG. 9 is a graph showing these specific wavelength values with respect to temperature. In FIG. 9, the vertical axis on the left is a valley 201
The vertical axis on the right side indicates the wavelength value having the light intensity minimum value of the valley 203. Each point in the figure shows measured values for various temperatures, and the solid line in the figure is a straight line obtained by fitting these measured values by the least squares method. As shown in this figure, the two fitting straight lines have different slopes.
This indicates that the temperature dependence of the two wavelengths is different. Specifically, when the temperature is represented by x and the wavelength is represented by y, the fitting straight line 210 is y = 0.007x + 1552.
2 (correlation coefficient R 2 = 0.9572), and the fitting straight line 211 is y = 0.0074x + 154.
It is expressed as 3.6 (correlation coefficient R 2 = 0.9594).

【0042】図10は、二つの実測波長値の差と温度と
の関係を示すグラフである。図中の各点は種々の温度に
対する波長差の値を示しており、図中の実線はこれらの
値を最小二乗法によりフィッティングした直線である。
図10の横軸をx、縦軸をyで表すと、このフィッティ
ング直線はy=−0.0005x+8.6012と表さ
れる。この相関係数R2は0.9849であり、図9の
各フィッティング直線よりも相関係数が1に近くなって
いる。このように、波長値の差をとることで実測値とフ
ィッティング直線とのずれが全体的に小さくなる。従っ
て、このフィッティング直線を用いることにより、物理
量の計測を精度良く行うことができる。
FIG. 10 is a graph showing the relationship between the difference between two actually measured wavelength values and the temperature. Each point in the figure shows the value of the wavelength difference for various temperatures, and the solid line in the figure is a straight line obtained by fitting these values by the least square method.
When the horizontal axis in FIG. 10 is represented by x and the vertical axis is represented by y, this fitting straight line is represented by y = −0.0005x + 8.6012. The correlation coefficient R 2 is 0.9849, which is close to 1 the correlation coefficient than the fitting straight line in Figure 9. Thus, by taking the difference between the wavelength values, the deviation between the measured value and the fitting straight line is reduced as a whole. Therefore, by using this fitting straight line, the measurement of the physical quantity can be performed with high accuracy.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上、詳細に説明した通り、本発明で
は、ブラッググレーティングの透過光及び反射光の少な
くとも一方のスペクトラムにおいて光強度の極値を有す
る二つ以上の波長を用いて物理量を求めるので、所定の
物理量を安定して精度良く計測することができる。
As described above in detail, in the present invention, the physical quantity is obtained by using two or more wavelengths having an extreme value of the light intensity in at least one of the transmitted light and the reflected light of the Bragg grating. , A predetermined physical quantity can be stably and accurately measured.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の実施形態に係るセンサの構成図であ
る。
FIG. 1 is a configuration diagram of a sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】計測用光ファイバ20のグレーティング形成部
22を示す模式断面図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing a grating forming part 22 of the measuring optical fiber 20.

【図3】スペクトラムアナライザ30により測定される
光スペクトラムを示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an optical spectrum measured by a spectrum analyzer 30.

【図4】温度と波長との関係を表すグラフである。FIG. 4 is a graph showing a relationship between temperature and wavelength.

【図5】波長の差と温度との関係を表すグラフである。FIG. 5 is a graph showing a relationship between a wavelength difference and a temperature.

【図6】ファイバ軸線に対して傾斜した等屈折率面6
2′を有するブラッググレーティングが形成された計測
用光ファイバ中の部分22′を示す模式断面図である。
FIG. 6 shows an equal refractive index surface 6 inclined with respect to the fiber axis.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a portion 22 ′ in a measurement optical fiber on which a Bragg grating having 2 ′ is formed.

【図7】本発明に係るセンサの他の実施形態の構成図で
ある。
FIG. 7 is a configuration diagram of another embodiment of the sensor according to the present invention.

【図8】図1及び図2に示される構成のセンサを用いて
実際に測定した光ファイバブラッググレーティングの透
過光スペクトラムを示す図である。
8 is a diagram showing a transmitted light spectrum of an optical fiber Bragg grating actually measured using the sensor having the configuration shown in FIGS. 1 and 2. FIG.

【図9】図8のスペクトラムから求められた温度と波長
との関係を表すグラフである。
FIG. 9 is a graph showing the relationship between temperature and wavelength obtained from the spectrum of FIG.

【図10】図8のスペクトラムから求められた温度と波
長の差との関係を表すグラフである。
FIG. 10 is a graph showing a relationship between a temperature and a wavelength difference obtained from the spectrum of FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…光源、20…計測用光ファイバ、21及び23…
計測用光ファイバの端部、22及び22′…グレーティ
ング形成部、24…コア、25…クラッド、30…スペ
クトラムアナライザ、40…コンピュータ、50…コン
ピュータディスプレイ、60及び60′…ファイバブラ
ッググレーティング、62及び62′…等屈折率面、7
0…ファイバ軸線、72…等屈折率面の法線。
10 light source, 20 measurement optical fiber, 21 and 23
Ends of optical fiber for measurement, 22 and 22 ': grating forming part, 24: core, 25: clad, 30: spectrum analyzer, 40: computer, 50: computer display, 60 and 60': fiber Bragg grating, 62 and 62 ': equi-refractive index surface, 7
0: Fiber axis, 72: Normal line of iso-refractive index surface.

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 光導波路型ブラッググレーティングを有
するコアと、前記コアを覆い、前記コアよりも低い屈折
率を有するクラッドとを備えた光導波路を用いて所定の
物理量を求める物理量計測方法であって、 前記グレーティングの透過光及び反射光の少なくとも一
方のスペクトラムを測定するステップと、 この測定されたスペクトラムから、光強度の極値を有
し、前記物理量の変化に応じて変化する二つ以上の特定
波長の値を求めるステップと、 これら二つ以上の波長値を用いて前記物理量を求めるス
テップとを備える物理量計測方法。
1. A physical quantity measuring method for obtaining a predetermined physical quantity using an optical waveguide including a core having an optical waveguide type Bragg grating and a cladding covering the core and having a lower refractive index than the core. Measuring the spectrum of at least one of the transmitted light and the reflected light of the grating; and from the measured spectrum, two or more identifications having an extreme value of light intensity and changing according to the change of the physical quantity A physical quantity measurement method, comprising: a step of obtaining a wavelength value; and a step of obtaining the physical quantity by using two or more wavelength values.
【請求項2】 前記特定波長は、前記グレーティングで
発生するクラッドへの光放射によりクラッドを伝搬する
複数のモード及びコアを伝搬する複数のモードのうち二
つ以上のモード間で発生する結合損失が極大となる波
長、並びに前記グレーティングのブラッグ波長のいずれ
かであることを特徴とする請求項1記載の物理量計測方
法。
2. The coupling device according to claim 1, wherein the specific wavelength has a coupling loss generated between two or more modes among a plurality of modes propagating through the clad and a plurality of modes propagating through the core due to light radiation to the clad generated by the grating. The physical quantity measuring method according to claim 1, wherein the wavelength is one of a maximum wavelength and a Bragg wavelength of the grating.
【請求項3】 前記物理量を求めるために用いられる前
記二つ以上の波長値には、光スペクトラムアナライザの
同一の波長走査で測定されたスペクトラムから求められ
た二つ以上の前記特定波長の値が含まれていることを特
徴とする請求項1記載の物理量計測方法。
3. The two or more wavelength values used for obtaining the physical quantity include values of the two or more specific wavelengths obtained from a spectrum measured by the same wavelength scan of an optical spectrum analyzer. 2. The physical quantity measuring method according to claim 1, wherein the physical quantity is included.
【請求項4】 光導波路型ブラッググレーティングを有
するコアと、前記コアを覆い、前記コアよりも低い屈折
率を有するクラッドとを備えた光導波路と、 前記グレーティングの透過光及び反射光の少なくとも一
方のスペクトラムを測定できるように前記光導波路に接
続された光スペクトラム測定システムと、 前記光スペクトラム測定システムによって測定された前
記スペクトラムから、光強度の極値を有し、所定の物理
量の変化に応じて変化する二つ以上の特定波長の値を求
め、これら二つ以上の波長値を用いて前記物理量を算出
する演算手段とを備えるセンサ。
4. An optical waveguide including a core having an optical waveguide Bragg grating, a cladding covering the core, and having a lower refractive index than the core, and at least one of transmitted light and reflected light of the grating. An optical spectrum measurement system connected to the optical waveguide so that a spectrum can be measured; and the spectrum measured by the optical spectrum measurement system has an extreme value of light intensity, and changes according to a change in a predetermined physical quantity. And calculating means for calculating the physical quantity using the two or more wavelength values.
【請求項5】 前記特定波長は、前記グレーティングで
発生するクラッドへの光放射によりクラッドを伝搬する
複数のモード及びコアを伝搬する複数のモードのうち二
つ以上のモード間で発生する結合損失が極大となる波
長、並びに前記グレーティングのブラッグ波長のいずれ
かであることを特徴とする請求項4記載のセンサ。
5. The specific wavelength has a coupling loss generated between two or more modes among a plurality of modes propagating through the clad and a plurality of modes propagating through the core due to light radiation to the clad generated by the grating. 5. The sensor according to claim 4, wherein the wavelength is one of a maximum wavelength and a Bragg wavelength of the grating.
【請求項6】 前記光スペクトラム測定システムは、前
記光導波路に光学的に接続され所定の波長帯にわたって
光を発生する光源と、前記光導波路に光学的に接続され
た光スペクトラムアナライザとを備えており、 前記物理量の算出に用いられる前記二つ以上の波長値に
は、前記光スペクトラムアナライザの同一の波長走査で
測定されたスペクトラムから求められた二つ以上の前記
特定波長の値が含まれていることを特徴とする請求項4
記載のセンサ。
6. The optical spectrum measurement system includes a light source optically connected to the optical waveguide and generating light over a predetermined wavelength band, and an optical spectrum analyzer optically connected to the optical waveguide. The two or more wavelength values used for calculating the physical quantity include two or more values of the specific wavelength determined from a spectrum measured by the same wavelength scanning of the optical spectrum analyzer. 5. The method according to claim 4, wherein
The sensor as described.
【請求項7】 前記光導波路型ブラッググレーティング
は、前記コアの軸線に対して傾斜した等屈折率面を有し
ていることを特徴とする請求項4記載のセンサ。
7. The sensor according to claim 4, wherein the optical waveguide Bragg grating has an equi-refractive index surface inclined with respect to an axis of the core.
【請求項8】 前記光導波路型ブラッググレーティング
は、横断面が円形のコア中に設けられていることを特徴
とする請求項4記載のセンサ。
8. The sensor according to claim 4, wherein the optical waveguide Bragg grating is provided in a core having a circular cross section.
【請求項9】 前記光導波路は、前記クラッドを覆う光
反射材を備えていることを特徴とする請求項4記載のセ
ンサ。
9. The sensor according to claim 4, wherein the optical waveguide includes a light reflecting material that covers the cladding.
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