JP2000180270A - 物理量測定システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 波長検出部の機械的な可動部分を不要にし、
製造コストの低減、歩留まりの向上を図る。 【解決手段】 測定光が入射される光ファイバに一以上
のブラッグ回折格子が形成され、各ブラッグ回折格子か
らの反射光の波長を検出して各ブラッグ回折格子の位置
における温度や歪み等の物理量を測定する物理量測定シ
ステムに関する。各ブラッグ回折格子からの反射光を、
中心波長が微小な間隔の複数波長に分離可能なアレイ導
波路回折格子に入射させ、その複数の出力チャンネルに
それぞれ設けられた一対の受光素子による光電流の比の
対数に基づいて反射光の波長を測定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、温度や歪み（圧
力）等の物理量を、光ファイバのブラッグ回折格子（Fi
ber Bragg Grating、以下ＦＢＧと略す）からの反射光
の波長によって測定するようにした物理量測定システム
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来技術としての、光ファイバ
上の温度分布を測定する温度分布測定システムの全体構
成図である。図において、１は後述する波長検出部及び
演算部を有する温度分布測定部、１１，１２，１３，１
４は測定光及び反射光が通過する光ファイバ、１５，１
６，１７は測定点に対応する位置に形成されたブラッグ
回折格子、２は光分岐器、３は接続用光ファイバ、４は
広帯域光源である。

【０００３】光ファイバのブラッグ回折格子は、周知の
ようにコアの屈折率が光軸に沿って周期的に変化してお
り、屈折率に応じて特定波長を中心とした狭帯域の光を
反射する。例えば、測定対象である物理量が温度である
場合、図５のあるブラッグ回折格子の位置（測定点）で
温度変化が生じると、ブラッグ回折格子のコアの平均屈
折率が変化するため反射光の波長も変化する。従って、
広帯域光源４から照射された光の各ブラッグ回折格子か
らの反射波長の変化と温度変化との関係を予め測定して
おけば、温度分布測定部１により検出される反射光の波
長から各測定点の温度を測定することができ、光ファイ
バの長手方向の温度分布を得ることができる。ここで、
図５におけるブラッグ回折格子１５，１６，１７には、
所定の温度範囲に対応する固有の反射波長範囲が、互い
に重複しないように予め割り当てられている。

【０００４】図６は、温度分布測定部１に使用される波
長検出部の一例を示す図である。図において、２１は各
ブラッグ回折格子からの反射光が入射する入力光ファイ
バ、２２は出力光ファイバ、２３，２４はコリメータレ
ンズ、２５，２６はハーフミラー、２７，２８はハーフ
ミラー２５，２６の間に密接して配置された圧電素子、
２９は圧電素子駆動回路である。

【０００５】この波長検出部は、ハーフミラー２５，２
６間のギャップ長ｇが入射光の波長に対して一定の関係
にある場合に入射光が強められ、または弱められて出射
することを利用したもので、圧電素子駆動回路２９から
圧電素子２７，２８に電圧を印加してギャップ長ｇを調
節しながら出射光強度を観察し、そのときのギャップ長
ｇから入射光の波長を検出するものである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この種の測定システム
では、温度等の物理量を高精度に測定するために、ブラ
ッグ回折格子からの反射光の波長高分解能測定が要求さ
れる。また、波長多重通信でも同様に波長の高分解能が
要求される。しかしながら、図６に示したような波長検
出部はメカニカルな構成であり、高分解能な波長検出特
性を得るには非常に高精度な機構・組立てが必要となる
ため、必然的に量産には不向きで高価なものとなってい
た。更に、メカニカルな構成であるため、耐振性にも課
題があった。つまり、外部から振動を受けても高い機械
精度を保たなければならないからである。また、ハーフ
ミラー２５，２６同士の平行性や、ハーフミラー２５，
２６に対するコリメータレンズ２３，２４の光軸の直交
性を維持することも構造上、難しく、これらが製造コス
トの上昇や歩留まり低下の原因となっていた。

【０００７】そこで本発明は、従来のように可動部分を
有する波長検出部を使用せずに高分解能で反射光の波長
を検出し、温度や歪み等の物理量を高精度に測定可能と
した物理量測定システムを提供しようとするものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、測定光が入射される光ファイバに一以上
のブラッグ回折格子が形成され、各ブラッグ回折格子か
らの反射光の波長を検出して各ブラッグ回折格子の位置
における物理量を測定する物理量測定システムにおい
て、各ブラッグ回折格子からの反射光を、中心波長が微
小な間隔の複数波長に分離可能なアレイ導波路回折格子
（ＡＷＧ）に入射させ、このアレイ導波路回折格子の隣
接する出力チャンネルにそれぞれ設けられた一対の受光
素子（フォトダイオード）による光電流の比の対数に基
づいて前記反射光の波長を測定するものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図に沿って本発明の実施形
態を説明する。まず、本発明においては、論文「Wavele
ngth detemination of semiconductorlasers: precise
but inexpensive」(Jan Christian Braasch et.al, Opt
icalEngineering 1995)に記載された波長の決定原理を
利用する。以下、この原理について説明する。

【００１０】上述した文献によれば、図１のグラフに示
したような波長感度の異なる一対のフォトダイオード
（電極Ａ₁−Ｃ間に形成されるダイオードをダイオード
Ａ₁Ｃ、電極Ａ₂−Ｃ間に形成されるダイオードをダイオ
ードＡ₂Ｃとする）と高精度ログアンプからなるセンサ
に単色光を照射した場合、センサの出力Ｗは数式１によ
って表される。

【００１１】

【数１】

【００１２】ここで、Ｉ₁，Ｉ₂は各ダイオードＡ₁Ｃ，
Ａ₂Ｃによる光電流、Ｓ₁（λ），Ｓ₂（λ）は各ダイオ
ードＡ₁Ｃ，Ａ₂Ｃの波長依存感度、φ（λ）は照射光の
波長依存強度分布、Δλは照射光波長のバンド幅であ
る。すなわち、φ（λ）の波長依存強度分布を持つ照射
光がＳ₁（λ），Ｓ₂（λ）の波長依存感度を持つフォト
ダイオードＡ₁Ｃ，Ａ₂Ｃに入射した場合、光センサの出
力Ｗは、各ダイオードＡ₁Ｃ，Ａ₂Ｃについての積φ
（λ）Ｓ₁（λ），φ（λ）Ｓ₂（λ）をバンド幅Δλに
わたって積分した値（つまり光電流Ｉ₁，Ｉ₂）の比のlo
gを取ることで求められる。そして、照射光の出力が所
定の範囲内では、照射光の波長ごとに、log（Ｉ₁／
Ｉ₂）がほぼ一定になり、そのときの照射光波長は数式
２で表されることが記載されている。

【００１３】

【数２】λ＝ａ₀ｌｏｇ（Ｉ₁／Ｉ₂）＋ａ₁
（ａ₀，ａ₁は定数〔ｎｍ〕）

【００１４】なお、図２は上記原理に基づく波長測定シ
ステムの構成図であり、３１はレーザ光源、３２は回転
式偏光プリズム、３３はビームスプリッタ、３４は前述
の一対のフォトダイオードＡ₁Ｃ，Ａ₂Ｃからなるダイオ
ード装置、３５は光出力測定器、３６は上記数式１、数
式２を演算する演算器である。

【００１５】更に、上記文献によれば、各ダイオードの
波長感度がほぼ直線的であるような波長範囲（例えば、
図１における約６００〜約９００ｎｍ間の３００ｎｍの
範囲）では、０．１ｎｍ以下の間隔で波長測定が可能で
ある。つまり、分解能としては１／３０００となる。

【００１６】従って、本発明では、前述した数式１、数
式２による波長測定原理を基本としたうえ、この測定原
理を微小な波長範囲（例えば３ｎｍ以下の範囲）につい
て適用するために、以下に述べるアレイ導波路回折格子
（ＡＷＧ）を使用することとした。このＡＷＧは、論文
「Wavelength Multiplexer Based on SiO₂-Ta₂O₅ Array
ed-Waveguide Grating (Takahashi, et.al, Journal of
Lightwave Technology Vol.12, No.6, 1994)等に記載
されているように、所定の曲率半径のアレイ導波路と、
その入力側、出力側にそれぞれ形成されたスラブ導波路
と、これらのスラブ導波路にそれぞれ連続する複数チャ
ンネルの入力導波路及び出力導波路とを有する構造であ
り、入力光を１ｎｍ以下の分解能で弁別可能な素子であ
る。

【００１７】本発明では、以下に述べる図３に示すごと
く、光ファイバの長さ方向に形成された複数のブラッグ
回折格子に対し、それぞれ重複しないように微小な反射
光波長範囲を割り当てておき（一例として、第１のブラ
ッグ回折格子には１５００〜１５０３ｎｍ、第２のブラ
ッグ回折格子には１５０３〜１５０６ｎｍ、第３のブラ
ッグ回折格子には１５０６〜１５０９ｎｍ、……等）、
これらのブラッグ回折格子からの反射光をＡＷＧに入力
することにより、中心波長が例えば１ｎｍ以下の間隔の
複数の波長に分離する。そして、ＡＷＧの隣接する二つ
の出力導波路（出力チャンネル）から一対のフォトダイ
オードに光を入射させることにより、微小な波長範囲に
ついて前述した数式１、数式２を適用し、高分解能で波
長を検出するようにした。

【００１８】図３は、本発明の実施形態を示すシステム
構成図である。この例では、光ファイバ２０の長手方向
に４つのブラッグ回折格子ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４が形成さ
れているものとし、広帯域光源４から照射した光の各ブ
ラッグ回折格子ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４からの反射光（便宜
的に中心波長をλ１〜λ４としてある）を、温度分布測
定部１Ａ内のＡＷＧに入力する。そして、ＡＷＧの隣接
する二つの出力チャンネルのフォトダイオードＰＤの光
電流（前述のＩ₁，Ｉ₂に相当）を各々除算器ＤＩＶ１〜
ＤＩＶ４に入力し、その出力をＣＰＵに入力して数式２
の演算を行うことにより、各ブラッグ回折格子ＦＢＧ１
〜ＦＢＧ４の位置における温度等の物理量に対応する波
長を高分解能で検出可能としている。なお、図３におい
て、２は光分岐器である。

【００１９】一例として、半値幅０．２ｎｍ、反射率６
０％、反射特性はガウス分布（これらの特性は数式１に
おけるφ（λ）に相当する）のブラッグ回折格子による
反射光の中心波長を横軸にとり、出力チャンネルの波長
間隔が０．８ｎｍで最大透過率が−４ｄＢ、中心波長が
１５５５ｎｍ、半値幅が０．４ｎｍ（これらの特性は数
式１におけるＳ₁（λ），Ｓ₂（λ）に相当する）である
ＡＷＧ２の隣接チャンネルＡＷＧ１（中心波長１５５
４．２ｎｍ、半値幅，透過率はＡＷＧ２に同じ），及び
ＡＷＧ３（中心波長１５５５．８ｎｍ、半値幅，透過率
はＡＷＧ２に同じ）の受光パワー比（フォトダイオード
の受光感度に応じて変換された光電流の比に相当すると
考えてよい）を求め、そのlogを縦軸にとると、図４の
ような関係が得られた。なお、光源及びフォトダイオー
ドの波長に対する特性はフラットであるとする。

【００２０】図４から明らかなように、反射光の波長変
化とＬＯＧの値との関係は全体としては直線ではない。
しかし、二つの特性の何れにも、ある波長範囲にわたっ
て直線部分があるので、これを複数のブラッグ回折格子
の波長変化範囲に割り当てれば、各ブラッグ回折格子か
らの反射波長を直線性よく高分解能で測定することが可
能になる。

【００２１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、従来のよ
うにギャップ長の微小変位を得るために機械的可動部分
を有する波長検出部を用いるのではなく、半導体製造ブ
ロセスにより量産可能なＡＷＧ等を用いて反射光波長を
高分解能で測定することができ、機械的可動部分がない
ため耐振性にも優れるとともに製造コストの大幅な低減
や歩留まりの向上が可能である。また、ＦＢＧを用いた
物理量測定システムの他に、本発明に記載の波長検出方
法は光ファイバを用いた波長多重通信へも適用できるこ
とは明らかである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に適用される波長測定原理の説明図であ
る。

【図２】公知の波長測定システムの構成図である。

【図３】本発明の実施形態を示すシステム構成図であ
る。

【図４】本発明の実施形態における反射光波長と隣接チ
ャンネルの受光パワー比のlog値との関係を示すグラフ
である。

【図５】従来技術としての温度分布測定システムの全体
構成図である。

【図６】従来技術における温度検出部の構成図である。

【符号の説明】

ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４ 光ファイバブラッグ回折格子 ＡＷＧ アレイ導波路回折格子 ＰＤ フォトダイオード ＤＩＶ１〜ＤＩＶ４ 除算器 １Ａ 温度分布測定部 ２ 光分岐器 ４ 広帯域光源 ２０ 光ファイバ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 測定光が入射される光ファイバに一以上
   のブラッグ回折格子が形成され、各ブラッグ回折格子か
   らの反射光の波長を検出して各ブラッグ回折格子の位置
   における物理量を測定する物理量測定システムにおい
   て、 各ブラッグ回折格子からの反射光を、中心波長が微小な
   間隔の複数波長に分離可能なアレイ導波路回折格子に入
   射させ、このアレイ導波路回折格子の複数の出力チャン
   ネルにそれぞれ設けられた一対の受光素子による光電流
   の比の対数に基づいて前記反射光の波長を測定すること
   を特徴とする物理量測定システム。