JP2005062138A

JP2005062138A - Ｆｂｇセンシングシステム

Info

Publication number: JP2005062138A
Application number: JP2003296505A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Yasujima; 弘美安島; Yusuke Takei; 裕介武井; Michitaka Okuda; 通孝奥田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-08-20
Filing date: 2003-08-20
Publication date: 2005-03-10

Abstract

【課題】ＦＢＧセンシングシステムにおいて、ＦＢＧセンサーの信号強度を大きくしｔｅＳ／Ｎを良くし、断線や接続用光ファイバ等の破損に至っても他のＦＢＧセンサーの信号には影響を与えない信頼性の高い頑強なシステムを構築する。
【解決手段】一端側に第１ポートと第２ポートを有し、他端側に第３ポートと第４ポートを有する光カプラを備え、上記第１ポートに広帯域光源あるいは波長可変光源の出力光を導出する光ファイバを接続し、上記カプラの第３、第４ポートをループ状の光ファイバを介して接続し、該ループ状の光ファイバ内にＦＢＧセンサーを配置するとともに、前記第２ポートを信号検出ポートとしてＦＢＧセンシングシステムを構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＦＢＧを用いて歪計測や温度計測を行うＦＢＧセンシングシステムに関するものである。

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）は広帯域光源であるＡＳＥ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ）光源や波長可変光源などと組み合わせて、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の光を反射する。ＦＢＧの反射波長幅（−３ｄＢ幅）は約０．１ｎｍで、ＦＢＧに応力が加わり延び縮みする（ＦＢＧが歪む）ことでＦＢＧの反射波長が変化する。このＦＢＧを構造物の測定ヶ所に取り付けＡＳＥ光等を入射し、反射波長を波長計等で測定すればＦＢＧの歪み、すなわち構造物の歪みが計測できる。この使い方は反射型ＦＢＧセンサーと呼ばれている。

またＦＢＧは透過型センサーとしても使用できる。特定波長を反射するＦＢＧは、言いかえれば特定波長の透過光を遮断する遮断体である。この遮断する波長と反射する波長はセンサーとしてみれば等価であるため、遮断光の波長を測定することで透過型センサーとして使用できる。

さらにＦＢＧは温度変化に対してはファイバの屈折率が変化するため、ＦＢＧは温度検出にも使用できる。言い換えればＦＢＧを用いた歪計測は温度の影響を受けやすいので、歪計測には温度の影響を無くすような手段が必要である。

上記の光ファイバセンシングでは３０Ｋｍ程遠方まで光ファイバを張り巡らせ、その地点の歪み量測定が可能である。光ファイバの伝送損失、ＦＢＧ損失があるので、測定距離を伸ばしさらに測定点数を増やすために、広帯域光源や波長可変光源としては高出力で広帯域な光源が用いられる。また精度良く反射波長を計測することが必要である。

広帯域光源であるＡＳＥ光源としては、特許文献２において図６に示すように、波長範囲１００ｎｍ程度で光パワースペクトラム密度−２０ｄＢ／ｎｍ以上の物が既に公開されている。

また波長１５５０ｎｍで用いられるＦＢＧの場合、反射波長の変化は１．２ｐｍ／μストレイン程度である。即ちＦＢＧからの反射波長の変化を１ｐｍの分解能で計測すれば１μストレインの分解能で歪み計測が可能となる。

図７は特許文献１に従来技術として示されているＦＢＧセンシングシステムである。センサーとしてＦＢＧが一つのファイバ上を直列に接続されている。

広帯域光源９０からの出力光はカプラ１３０を介して光ファイバ１４０を経由しＦＢＧセンサー１０５に導かれる。ＦＢＧセンサー１０５は複数個あり、各々反射波長の異なるもので直列に接続されている。ＦＢＧセンサー１０５で反射されたそれぞれ異なる反射波長は、カプラ１３０に戻り、波長計１５０に導かれそれぞれの波長が検出される。

また図８は特許文献３に記載されている内容を簡略化して示したものである。広帯域光源２０１、波長計２０２、３ｄＢカプラ２０３（特許文献３では方向性結合器と表現されている）、光ファイバ２０４、ＦＢＧセンサー２０５で構成されている。多くのＦＢＧセンサーの測定が可能なように３ｄＢカプラ２０３で分岐して使用している。

図９は特許文献４に記載されているＦＢＧセンシングシステムである。幹線用ファイバ４００、広帯域光源４０１、スプリッタ４０２、アドドロップフィルタ４１１〜４１Ｎ、光増幅器４０３、波長分離フィルタ４０４で構成される。特許文献１、３との違いはＦＢＧセンサー（ＦＢＧ_１〜ＦＢＧ_Ｎ）と幹線用ファイバ４００の間にアドドロップフィルタが挿入されていることで、一つのＦＢＧセンサーが断線しても他のＦＢＧセンサーからの信号を検出できる。
米国特許第５，３６１，１３０号特開２００１−１１１１４５号特表２００１−５１１８９５号特開２００２−３１０７２９号１９９２年電子情報通信学会秋季大会、Ｃ−２２４

しかしながら特許文献１を用いた場合、ＦＢＧセンサー１０５は直列に接続されているため、例えばカプラ１３０側の一つのＦＢＧセンサー１０５が断線すれば、全部のＦＢＧセンサーが使用できなくという問題があった。すなわちこの直列接続方式は安全性、信頼性に乏しいシステムであった。特にＦＢＧセンサーは歪計測に用いられるもので、センサー部に応力がかかるため断線する可能性もありえるからである。

また特許文献３を用いた場合にもＦＢＧセンサー２０５は直列に接続されているため上記のように信頼性に欠けるものであった。また３ｄＢカプラ２０３では透過光の挿入損失は３ｄＢ以上有るためその損失を補うには広帯域光源２０１の出力を高めなければならないという問題もあった。

上記問題を解決するために特許文献４に記載されているようにアドドロップフィルタを用いる方法があるが幹線用ファイバ４００が断線した場合、断線した個所以降のＦＢＧセンサーからの信号が検出できなくなってしまうという問題点があった。

ここでは一つのＦＢＧセンサーや幹線用ファイバが断線等の破損に至っても他のＦＢＧセンサーの信号には影響を与えない信頼性の高い頑強なシステムを構築することを課題とする。

本発明はこれらの課題を解決するためのものであり、一端側に第１ポートと第２ポートを有し、他端側に第３ポートと第４ポートを有する光カプラを備え、上記第１ポートに広帯域光源あるいは波長可変光源の出力光を導出する光ファイバを接続し、上記カプラの第３、第４ポートをループ状の光ファイバを介して接続し、該ループ状の光ファイバ内にＦＢＧセンサーを配置するとともに、前記第２ポートを信号検出ポートとしてＦＢＧセンシングシステムを構成したものである。

また、上記光カプラは２×２ポートであり、分岐比を５０％としたことを特徴とする。

さらに、上記ループ状の光ファイバ内に偏波コントローラを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、ＦＢＧセンシングシステムにおいてループ状光ファイバにより光ファイバループミラーを構成し、その内部にＦＢＧセンサーを配置することで、ＦＢＧセンサーの信号強度を大きくしＳ／Ｎを良くする効果があり、さらにＦＢＧセンサーやループ状光ファイバにに断線があった場合でもＦＢＧセンサによる計測を可能とし信頼性の高い頑強なシステムを構築することができる。

まず本発明のベース技術である光ファイバーループミラーについて図３を用いて説明する。これは非特許文献１に開示されているもので、一端側に第１ポート３ａと第２ポート３ｂを有し、他端側に第３ポート３ｃと第４ポート３ｄを有する２×２ポートの光カプラ３を用い、第１ポート３ａから入射した光がループ状の光ファイバで全反射して第１ポート３ａに戻ってくるという技術である。全反射するする条件として光カプラ３の分岐比は５０％である。また偏光方向がループミラーの途中で変化しては完全なループミラーにならないので光カプラ３としては偏波保持型光カプラを用いたほうが安定することも知られている。

本発明ではファイバーループミラーを構成するループ状の光ファイバ内にＦＢＧセンサーを配置し、ＦＢＧセンサーからの反射光を第２ポート３ｂから抽出することにより、次の効果を得るようにした。

（１）Ｓ／Ｎ（信号対雑音比）の良いＦＢＧセンサー信号が抽出できる。ＦＢＧセンサー両側から反射信号が得られるため信号強度が大きくなる。

（２）ファイバループミラー３の一部が事故等で断線しても、ＦＢＧセンサー信号を抽出できる。

以下、本発明によるＦＢＧセンシングシステムについて説明する。図１は本発明の第１の実施形態を示す構成図である。

本発明のＦＢＧセンシングシステムは、広帯域ＡＳＥ光の光源１、光ファイバ２、光カプラ３、偏波コントローラ４、反射波長の異なるＦＢＧセンサー５〜１１、ループ状光ファイバ１２、波長計１３で構成されている。光カプラ３の第３ポート３ｃ、第４ポート３ｄにはループ状光ファイバ１２が接続されて上述したファイバーループミラーが構成され、このループ状光ファイバ１２内に偏波コントローラ４、ＦＢＧセンサー５〜１１を配置している。また広帯域ＡＳＥ光源１の出力光は光ファイバ２を経由して第１ポート３ａに接続し、第２ポート３ｂが信号検出ポートとなって波長計１３が接続されている。

なお、ＦＢＧセンサー５〜１２はそれぞれ両側から光を入射することが可能であり、入射方向に特定波長光を反射する。波長計１３は市販されている光スペクトラムアナライザーや光波長計を用いることができる。

広帯域ＡＳＥ光源１からの出力光は光ファイバ２を経由し、光ファイバカプラ３で２つにわかれてループ状光ファイバ１２を介しＦＢＧセンサー５〜１２に導かれる。例えば光カプラ３の第３ポート３ｃからの出力光はＦＢＧセンサー５〜１２で特定波長が反射され、光ファイバカプラ３の第３ポート３ｃに戻って来る。一方ＦＢＧセンサー５〜１２を透過した光は光ファイバカプラの第４ポート３ｄに戻ってくる。同様に光ファイバカプラの第４ポート３ｄからの出力光はＦＢＧセンサー５〜１２で特定波長が反射され、反射光は光ファイバカプラの第４ポート３ｄに戻り、透過光は光ファイバカプラの第３ポート３ｃにに戻って来る。

このときＦＢＧセンサー５〜１２からの反射光を光ファイバカプラの第２ポート３ｂから出力するように偏波コントローラ４を回転させながら調整し、ＦＢＧセンサー５〜１２の反射波長を波長計にて計測する。

偏波コントローラ４は光ファイバカプラ３における偏光状態を調整し、ループミラーを構成するために必要であるが、光ファイバカプラ３やループ状光ファイバ１２として偏波保持ファイバーを用いれば偏波コントローラ４を省略することができる。

また、各ＦＢＧセンサー５〜１１の配置はループ状光ファイバ１２の中間位置を避けて配置する必要がある。ちょうど中間に配置されると、ＦＢＧセンサーからの反射光同士が光ファイバカプラ３で干渉し反射光が不安定になるからである。

このような構成でＦＢＧセンサー５〜１１からの反射波長を測定しその波長変化から各ＦＢＧセンサー５〜１１の歪み量が変換出来る。

また、例えばＦＢＧセンサー５が事故で断線した場合を考える。この場合は光ファイバカプラ３の第３ポート３ｃは使用不可となるが、第４ポート３ｄでの特許文献３と同様な反射型測定とすることができる。このようにＦＢＧセンサーが断線したりループ状光ファイバ１２の一部が断線しても一方からの光信号により計測を続けることが可能となる。

図２は本発明の第２の実施形態を示す構成図である。実施形態１と異なる点は、ＦＢＧセンサー数を増やすために信号光を光カプラ１４で分岐し、それぞれに２つの光カプラ３、１７を介して２系統のループ状ファイバー１２、２６を接続した点である。また、光源として高出力な波長可変光源２７を用い、ＦＢＧセンサー（５〜１１、１９〜２５）の反射光を検出するフォトダイオード１５、１６、信号処理と波長可変光源２７を制御する制御装置２８を有している。なお、ループ状光ファイバ２６側にはＦＢＧセンサー１９〜２５と偏波コントローラ１８を備えている。

ＦＢＧセンサー５〜１１、１９〜２５からの反射光はフォトダイオード１５、１６で受光され、波長可変光源２７の出力波長からＦＢＧセンサー５〜１１、１９〜２５の反射波長を制御装置２８にて計測する。

実施形態１と同様にループ状光ファイバ１２，２６の一部が断線しても一方からの光信号により計測を続けることが可能となる。

図２の実施形態においても、ループ状ファイバ１２、２６、ＦＢＧセンサー５〜１１、１９〜２５または、光カプラ１４、１７を偏波保持型のファイバーで構成すれば偏波コントローラ４、１８を用いなくてもよい。

このように構成することで、一部の光ファイバやＦＢＧセンサーが断線してもＦＢＧセンサーの計測を継続出来る効果がある。また５０％分岐比の光カプラを用いても信号強度を大きくできる、Ｓ／Ｎをあげることが出来、測定装置を作り安くなる効果がある。

図１に示す本発明のＦＢＧセンシングシステムを作成した。

広帯域光源１は特許文献２に示したものを用い、ＦＢＧセンサー５〜１１の中心反射波長はそれぞれ、１５３３．５ｎｍ、１５４０．０ｎｍ、１５４５．０ｎｍ、１５４８．０ｎｍ、１５５１．０ｎｍ、１５５４．０ｎｍ、１５５７．０ｎｍに設定し、光波長計１３としては市販の光スペクトラムアナライザーを用いた。

図４は本システムが正常に動作している場合の光波長計１３の測定波形である。図５は本システムのループ状光ファイバ１２の一端（偏波コントローラー４側）が断線した場合の光波長計１３の測定波形である。但し光スペクトラムアナライザーの波長分解能幅を０．０６ｎｍに設置している。

これらから次の２点を確認した。

（１）ループ状光ファイバ１２の一端が断線しても測定可能である。

（２）本システムが正常動作している場合の測定波形（図４）は断線した場合（図５）の測定波形より大きな信号振幅が得られる。すなわちＳ／Ｎの良いＦＢＧセンサー信号が抽出できる。

例えば波長１５３３．５ｎｍの測定波形に着目してみる。正常動作（図４）におけるピーク値は−２３.９ｄＢｍ、ノイズレベルは−４２.５ｄＢｍで、振幅は１８．６ｄＢｍ（−２３.９−（−４２.５））である。一方断線した場合（図５）におけるにおけるピーク値は−２５．９ｄＢｍ、ノイズレベルは−３７.５ｄＢｍで、振幅は１１.６ｄＢｍ（−２５．９−（−３７.５））である。ファイバループミラー型（図４）は通常の反射型（断線した場合（図５）に相当）に比較してピーク値で２ｄＢ、振幅で７ｄＢ大きな値が得られＳ／Ｎの良いＦＢＧセンサー信号が抽出できることがわかる。

本発明におけるＦＢＧセンシングシステムの第１の実施形態を示す構成図である。本発明におけるＦＢＧセンシングシステムの第２の実施形態を示す構成図である。光ファイバループミラーの構成を示す図である。本発明実施例における正常動作時の測定波形である。本発明実施例におけるファイバの一端が断線した場合の測定波形である。従来のＡＳＥ光源のスペクトラム波形である。従来のＦＢＧセンシング装置を示す図である。従来のＦＢＧセンシング装置を示す図である。従来のＦＢＧセンシング装置を示す図である。

符号の説明

１：広帯域ＡＳＥ光源
２：光ファイバ
３：光カプラ
４：偏波コントローラ
５〜１１：ＦＢＧセンサー
１２：ループ状光ファイバ
１３：光波長計
１４：光カプラ
１５：１６、フォトダイオード
１７：光カプラ
１８：偏波コントローラ
１９〜２５：ＦＢＧセンサー
２６：ループ状光ファイバ
２７：波長可変光源
２８：制御装置

Claims

一端側に第１ポートと第２ポートを有し、他端側に第３ポートと第４ポートを有する光カプラを備え、上記第１ポートに広帯域光源あるいは波長可変光源の出力光を導出する光ファイバを接続し、上記光カプラの第３、第４ポートをループ状の光ファイバを介して接続し、該ループ状の光ファイバ内にＦＢＧセンサーを配置するとともに、前記第２ポートを信号検出ポートとしたことを特徴とするＦＢＧセンシングシステム。
上記光カプラは２×２ポートであり、分岐比を５０％としたことを特徴とする請求項１記載のＦＢＧセンシングシステム。
上記ループ状の光ファイバ内に偏波コントローラを備えたことを特徴とする請求項１または２記載のＦＢＧセンシングシステム。