JP2004163155A

JP2004163155A - 波長計測装置

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Publication number: JP2004163155A
Application number: JP2002326860A
Authority: JP
Inventors: Yasukazu Sano; 安一佐野; Noritomo Hirayama; 紀友平山
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】ＡＷＧ（アレイ導波路格子）１５に入射される光の偏波依存性を除くことによりＡＷＧ１５に入射する光のＴＥ波とＴＭ波とのエネルギー比率を一定にし、波長測定誤差を低減させるようにした波長計測装置を提供する。
【解決手段】ＡＷＧ１５の前段にデポラライザ２０を接続し、ＴＥ波とＴＭ波とのエネルギー比率を一定にした非偏光の入射光が常にＡＷＧ１５に入射されるようにした波長計測装置とした。これによりＡＷＧ１５へは常に非偏光の入射光が入射されるため、波長測定誤差を低減させることができる。
【選択図】図１

Description

【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、光ファイバブラッグ回折格子（ＦｉｂｅｒＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ，以下、ＦＢＧと略称する）からの反射波長によって測定するようにした波長測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
この種の発明として、本出願人による特開２０００−１８０２７０号公報に記載された物理量測定システム・特開２００１−２０１４０７号公報に記載された波長測定装置（以下、従来技術という）が知られている。
上記二件の従来技術は、ともに、測定光が入射される光ファイバに一以上のＦＢＧが形成され、各ＦＢＧからの反射光の波長を検出して各ＦＢＧの位置における温度等の物理量を測定するシステムであって、各ＦＢＧからの反射光を、それぞれ中心波長が微小な間隔の複数波長に分離可能とするアレイ導波路回折格子（以下、ＡｒｒｅｙｅｄＷａｖｅＧｕｉｄｅの頭文字をとりＡＷＧと略す）に入射させ、このＡＷＧ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というものである。
【０００３】
この従来技術では、論文「Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｓ：ｐｒｅｃｉｓｅｂｕｔｉｎｅｘｐｅｎｓｉｖｅ」（ＪａｎＣｈｒｉｓｔｉａｎＢｒａａｓｃｈｅｔ．ａｌ，ＯｐｔｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ１９９５）に記載された波長の決定原理を利用している。まず、この測定原理について説明する。
上述した文献によれば、図３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Ａ_１−Ｃ間に形成されるダイオードをダイオードＡ_１Ｃ、電極Ａ_２−Ｃ間に形成されるダイオードをダイオードＡ_２Ｃとする）と高精度ロン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。
【０００４】
【数１】

【０００５】
ここで、Ｉ_１，Ｉ_２は各ダイオードＡ_１Ｃ，Ａ_２Ｃによる光電流、Ｓ_１（λ），Ｓ_２（λ）は各ダイオードＡ_１Ｃ，Ａ_２Ｃの波長依存感度、φ（λ）は照射光の波長依存強度分布、Δλは照射光波長の半値全幅である。
すなわち、φ（λ）の波長依存強度分布を持つ照射光がＳ_１（λ），Ｓ_２（λ）の波長依存感度を持つフォトダイオードＡ_１Ｃ，Ａ_２Ｃに入射した場合、光センサの出力Ｗは、各ダイオードＡ_１Ｃ，Ａ_２Ｃについての積φ（λ）Ｓ_１（λ），φ（λ）Ｓ_２（λ）を半値全幅Δλにわたって積分した値（つまり光電流Ｉ_１，Ｉ_２）の比のｌｏｇ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（Ｉ_１／Ｉ_２）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。
【０００６】
【数２】

【０００７】
なお、図４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Ａ_１Ｃ，Ａ_２Ｃ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。
【０００８】
このような波長測定システムは、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３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り、分解能としては１／３０００となることが記載されている。
【０００９】
従来技術では、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、ＡＷＧ（アレイ導波路格子）を使用している。
このＡＷＧは、論文「ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＭｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒＢａｓｅｄｏｎＳｉＯ２−Ｔａ２０５Ａｒｒａｙｅｄ−ＷａｖｅｇｕｉｄｅＧｒａｔｉｎｇ（Ｔａｋａｈａｓｉ，ｅｔ．ａｌ，ＪｏｕｒｎａｌｏｆＬｉｇｈｔｗａｖｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＶｏｌ．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。
【００１０】
続いて、これら原理に基づく従来技術について説明する。
図５は波長測定装置の全体構成を示すものであり、１１は光源、１２は分岐機能を有する光カプラ、１３は長さ方向にｎ個のＦＢＧｉ（ＦＢＧ１，ＦＢＧ２，……，ＦＢＧｉ，……ＦＢＧｎ）が形成された光ファイバ、１４は各ＦＢＧからの反射光をＡＷＧ１５に導くためのシングルモード光ファイバである。
【００１１】
ＡＷＧ１５のチャンネルＣｈ１−１，Ｃｈ１−２，……，Ｃｈｉ−１，Ｃｈｉ−２，……Ｃｈｎ−１，Ｃｈｎ−２にはそれぞれフォトダイオード１６及びアンプ１７が設けられており、アンプ１７の出力側には波長測定演算を行うマイクロコンピュータ１８が接続されている。
これらＡＷＧ１５、フォトダイオード１６、アンプ１７、マイクロコンピュータ１８により波長検出器１９を構成する。
【００１２】
続いて、このように構成される波長計測装置による波長計測処理について説明する。
複数のＦＢＧｉは反射波長が重複することなくそれぞれ異なるように構成されている。
例えば、一例として、ＦＢＧ１には１５００〜１５０３ｎｍ、ＦＢＧ２には１５０３ｎｍ〜１５０６ｎｍ、ＦＢＧ３には１５０６〜１５０９ｎｍ、・・・等が割り当てられる。このような、光源１１から光カプラ１２を経たＦＢＧｉからの反射光はＡＷＧ１５に入力される。ＡＷＧ１５では、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。
【００１３】
このＡＷＧ１５には隣接する二つの出力導波路（出力チャンネル）Ｃｈ１−１，Ｃｈ１−２，……，Ｃｈｉ−１，Ｃｈｉ−２，……，Ｃｈｎ−１，Ｃｈｎ−２が設けられており、図６（ｂ）に示すように、ＦＢＧｉの反射波長（λ_ｂ）その測定範囲において互いに隣接するチャンネルＣｈｉ−１，Ｃｈｉ−２の中間の帯域になるように設計されている。なお、図６（ｂ）の実線部において、λ_１はチャンネルＣｈｉ−１の透過光（出力光）の中心波長、λ_ｂはＦＢＧｉの反射光の中心波長、λ_２はチャンネルＣｈｉ−２の透過光の中心波長を表してる。なお、点線部はチャンネルｉに隣接するチャンネルｉ＋１に関するものである
【００１４】
上記構成において、図６（ａ）でも示すように、ＦＢＧｉの反射波長が長波長側になればＡＷＧ１５のチャンネルＣｈｉ−２の透過光量が増し、チャンネルＣｈｉ−１の透過光量が減る。逆に、ＦＢＧｉの反射波長が短波長側になればＡＷＧ１５のチャンネルＣｈｉ−１の透過光量が増し、チャンネルＣｈｉ−２の透過光量が減る。このため、両チャンネルＣｈｉ−１，Ｃｈｉ−２の出力の比をとれば、ＦＢＧｉの反射波長を測定することができる。
【００１５】
ＡＷＧ１５は多チャンネルであるから、同様な方法によって各隣接チャンネルの光出力の比から複数のＦＢＧの反射波長を測定することができる。このようにして複数のフォトダイオード１６がＡＷＧ１５の各チャンネルの出力を同時に計測し、プリアンプ１７を介してマイクロコンピュータ１８に入力することにより、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、各ＦＢＧの反射波長を高分解能で検出することが可能である。
【００１６】
すなわち、従来技術によれば、光ファイバ１２のＦＢＧｉの位置における温度や歪み等の物理量に対応する波長を検出することができ、これによって温度分布や圧力分布を計測することが可能になっている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術ではＡＷＧ１５の偏波依存性がないことを前提としていた。逆にいえば、実際は、偏波依存性がＡＷＧ１５に存在するため測定誤差の要因になっていた。
以下、偏波依存性が測定誤差の要因となる点について説明する。
▲１▼光波はＴＥ波とＴＭ波の組み合わせで表現できる。
▲２▼ＡＷＧは一般に分波を行えるような複数のバンドパスフィルタから成り立っている。
▲３▼ＡＷＧのバンドパスフィルタの中心波長はＴＥ波とＴＭ波とで異なっている。この点にについては、論文「Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ，ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＡＷＧ’ｓＯｋａｍｏｔｏ，ＥｕｒｏｐｅａｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＯｐｔｉｃａｌＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ’９８，ＴｕｔｏｒｉａｌａｎｄＳｙｍｐｏｓｉｕｍｐａｐｅｒｓ，Ｖｏｌｕｍｅ２ｐ１９」にて詳細に述べられている。
▲４▼ＦＢＧで反射され光ファイバを伝送してＡＷＧに入射する光波は光ファイバの温度、機械的なストレスなどでＴＥ波とＴＭ波との比率が変化する。この点については、古河電工時報平成１１年７月、ＰＰ１０７〜１０８，「偏波検出型送電線雷撃点位標定装置」に詳細に述べられている。
【００１８】
以上の▲１▼〜▲４▼を考慮すればＡＷＧの各チャンネル（＝各バンドパスフィルタ）の出力パワーはＦＢＧの反射波長が一定でも変化する場合があり得る。この様子を図６（ａ），（ｂ）に示す。図６（ａ）はＴＥ波に対するＡＷＧのバンドパス特性とＦＢＧの反射スペクトルとの関係を、また、図６（ｂ）はＴＭ波に対するＡＷＧのバンドパス特性とＦＢＧの反射スペクトルとの関係を示している。
【００１９】
この図からわかるようにＴＭ波とＴＥ波でＡＷＧの中心波長が異なるため（チャンネルｃｈｉ−１でΔλ_１、チャンネルｃｈｉ−２でΔλ_２異なるため）ＦＢＧｉの反射中心波長が変わっていないにもかかわらず、チャンネルｃｈｉ−１とチャンネルｃｈｉ−２からの光パワーの比で波長を計測する従来技術において、図６（ｂ）ではＦＢＧの反射中心波長が両チャンネルの中心にあるのでその比は１であるが、図６（ａ）ではチャンネルｃｈｉ−２からのパワーの方がチャンネルｃｈｉ−１からのパワーよりも大きく比が１より大きいことがわかる。
即ちＦＢＧの反射中心波長は同一波長であってもＡＷＧに入射してくるＴＥ波とＴＭ波との割合が異なると従来技術では測定波長が異なって測定されるという問題点があった。
【００２０】
上記課題を解決するため、本発明の目的は、ＡＷＧ（アレイ導波路格子）に入射される光の偏波依存性を除くことによりＡＷＧに入射する光のＴＥ波とＴＭ波とのエネルギー比率を一定にし、波長測定誤差を低減させるようにした波長計測装置を提供することにある。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の波長計測装置によれば、
光源からの光が入力される光ファイバに一以上のＦＢＧが形成され、各ＦＢＧの位置における物理量を測定するために波長検出器で各ＦＢＧからの反射光の波長を検出する装置であって、
波長検出器の前段にデポラライザを直列に接続し、波長検出器にほぼ非偏光の反射光を入射させることを特徴とする。
【００２２】
また、請求項２記載の波長計測装置によれば、
光源からの光が入力される光ファイバに一以上のＦＢＧが形成され、各ＦＢＧの位置における物理量を測定するために各ＦＢＧからの反射光の波長を検出する装置であって、ＦＢＧ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格子（以下、ＡＷＧという）に入射させるとともに、このＡＷＧの複数の計測用出力チャンネルにそれぞれ接続された計測用受光素子を一対ごとにＦＢＧに対応させ、一対の計測用受光素子の計測値を用いて反射光の波長を計測するようにした波長計測装置において、
ＡＷＧの前段にデポラライザを直列に接続し、ＡＷＧにほぼ非偏光の反射光を入射させることを特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態の波長測定装置について図を参照しつつ説明する。図１は本実施形態の波長計測装置のシステム構成図である。なお、従来技術と同じ構成は同じ符号を付している。
本実施形態では、従来技術と同様の光源１１、光カプラ１２、ＦＢＧ１〜ＦＢＧｎが設けられた光ファイバ１３、シングルモード光ファイバ１４、ＡＷＧ１５、フォトダイオード１６、アンプ１７、マイクロコンピュータ１８を備えているが、従来技術との相違点は、シングルモード光ファイバ１４と光検出器１９との間にデポラライザ２０を配置する点が相異している。
【００２４】
デポラライザ２０には、例えば、ファイバー形デポラライザを用いる。このファイバー形デポラライザについて説明する。図２は、ファイバー形デポラライザの説明図である。
ファイバー形デポラライザは、偏光から非偏光をつくり出す素子であり、図２で示すように、長さが１：２の２本の複屈折ファイバーの主軸を互いに４５゜傾けて接続したものである。
【００２５】
一番目の複屈折ファイバーの主軸に直線偏光が入射した場合には、光は偏光解消されない。そこで、あらゆる入射偏光角の光を偏光解消するために、図に示すように長さが１：２の複屈折ファイバーを４５゜傾けて接続している。
そして、このようなファイバー形デポラライザに入射してくる偏光の状態に拘わらず、出射光は非偏光な状態にして出力する。即ち、入射光のＴＥ波，ＴＭ波のエネルギーの比に無関係に、ファイバー形デポラライザからの出射光はＴＥ波，ＴＭ波のエネルギーの比が一定な光となって出射される。
【００２６】
従って、図１で示すように、ＡＷＧ１５のバンドパスフィルタとしての各チャンネルの中心波長がたとえＴＥ波、ＴＭ波で異なっていても、前段に設けられたデポラライザ２０により、ＴＥ波、ＴＭ波が常に一定のエネルギー比となるような非偏光の出射光がＡＷＧ１５に入射する。つまり、デポラライザ２０に入射してくる光のＴＥ波、ＴＭ波の割合がどのような値であっても波長の計測誤差に影響を与えないことになる。
【００２７】
本発明は、上記のように光ファイバ１３を経由してＡＷＧ１５に入射してくる光の偏光状態を均一化できるデポラライザ２０をＡＷＧ１５の入射端に配置したため、光ファイバ１３が置かれている環境状態、即ち、温度、機械的なストレスなどによる光のＴＭ波、ＴＥ波の変化に影響されることなく、ＦＢＧの反射中心波長を計測できるという特徴がある。
【００２８】
以上本発明の実施形態について説明した。
なお、本実施形態では波長検出のためのキーハードとしてＡＷＧ１５を波長検出器１９に用いる場合について説明した。しかしながら、波長検出器１９の波長検出用ハードとして一般的なファブリペロ干渉器を用いた場合も同様な効果がある。
【００２９】
ファイバファブリペロによる波長検出器およびＦＢＧを用いた従来の物理量検出システムとしては種々報告がある（例えば、Ａ．Ｄ．Ｋｅｒｓｅｙ，Ｔ．Ａ．Ｂｅｒｋｏｆｆ，ａｎｄＷ．Ｗ．Ｍｏｒｅｙ ”ＭｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄｆｉｂｅｒＢｒａｇｇｇｒａｔｉｎｇｓｔｒａｉｎ−ｓｅｎｓｏｒｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈａｆｉｂｅｒＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｆｉｌｔｅｒ”，ＯｐｔｉｃｓＬｅｔｔｅｒ，Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．１６，１９９３）。
【００３０】
しかしいずれもこれら報告においてファブリペロ干渉器の入射端にはデポラライザを用いたものは開示されていない。ファブリペロ干渉器は、例えば、偏波依存損失０．２ｄＢというように偏光依存性があるため、デポラライザを用いなければＡＷＧの場合と同様に干渉依存性のために波長計測誤差が生じることは明らかである。
このようにファブリペロ干渉器の前段にデポラライザを接続することで、ファブリペロ干渉器には非偏光、つまり、常にＴＥ波、ＴＭ波が一定のエネルギー比である非偏光が入射されるため、高い検出精度を保つことができる。
【００３１】
以上のように本発明はＡＷＧを用いた波長検出器だけでなく、代表的なファブリペロ干渉器を用いる波長検出器のにも効果があるが、他の偏光依存性を持った波長検出器にデポラライザを適用しても有効であることは言うまでもない。
なお、図１の光カプラ２に代えて、光サーキュレータを配置しても、本発明の実施は可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、ＡＷＧ（アレイ導波路格子）に入射される光の偏波依存性を除くことによりＡＷＧに入射する光のＴＥ波とＴＭ波とのエネルギー比率を一定にし、波長測定誤差を低減させるようにした波長計測装置を提供することにあるとができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の波長計測装置のシステム構成図である。
【図２】ファイバー形デポラライザの説明図である。
【図３】従来技術における波長測定原理の説明図である。
【図４】公知の波長測定システムの構成図である。
【図５】従来技術の波長計測装置のシステム構成図である。
【図６】従来技術におけるＦＢＧの反射中心波長に対する波長計測出力特性図である。
【符号の説明】
１１光源
１２光カプラ
１３光ファイバ
ＦＢＧ１〜ＦＢＧｎ光ファイバブラッググレーティング
１４シングルモード光ファイバ
１５ＡＷＧ（アレイ導波路格子）
１６フォトダイオード
１７アンプ
１８マイクロコンピュータ
１９光検出器
２０デポラライザ

Claims

光源からの光が入力される光ファイバに一以上のブラッグ回折格子（以下、ＦＢＧという）が形成され、各ＦＢＧの位置における物理量を測定するために波長検出器で各ＦＢＧからの反射光の波長を検出する装置であって、
波長検出器の前段にデポラライザを直列に接続し、波長検出器にほぼ非偏光の反射光を入射させることを特徴とする波長計測装置。
光源からの光が入力される光ファイバに一以上のＦＢＧが形成され、各ＦＢＧの位置における物理量を測定するために各ＦＢＧからの反射光の波長を検出する装置であって、ＦＢＧ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格子（以下、ＡＷＧという）に入射させるとともに、このＡＷＧの複数の計測用出力チャンネルにそれぞれ接続された計測用受光素子を一対ごとにＦＢＧに対応させ、一対の計測用受光素子の計測値を用いて反射光の波長を計測するようにした波長計測装置において、
ＡＷＧの前段にデポラライザを直列に接続し、ＡＷＧにほぼ非偏光の反射光を入射させることを特徴とする波長計測装置。