JP2005114512A

JP2005114512A - 歪計測装置及び波長補正方法

Info

Publication number: JP2005114512A
Application number: JP2003348324A
Authority: JP
Inventors: Tatsuya Kumagai; 達也熊谷
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2003-10-07
Filing date: 2003-10-07
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】波長検出精度が高く、小型化及び低消費電力化を図る歪計測装置とその光波長補正方法を提供する。
【解決手段】光ファイバブラッググレーティングセンサ１１に光を入射させ、ＦＢＧセンサ１１からの反射光を、波長分岐特性を有するマッハツェンダ型光波長フィルタに入射し、光波長フィルタ出射光同士の出力比からＦＢＧセンサ１１に加わる歪を計測する歪計測装置において、光波長フィルタの入力端子のうち、ＦＢＧからの反射光を入力する端子とは異なる端子から基準波長光を入力する光源を設けたものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバブラッググレーティングを備えた歪計測装置及びその波長補正方法に関するものである。

光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：optical Fiber Bragg Grating）は光ファイバのコアに長手方向に周期的な屈折率変化を与えることで形成される回折格子であり、光ファイバを伝搬する特定の波長帯だけを反射し、他の波長帯を透過させるものである。

ＦＢＧを利用した歪計測装置は、ＦＢＧ（ＦＢＧセンサ）に歪みを加えると、回折格子の間隔が変化し、ＦＢＧに入射させた光の反射波長が回折格子間隔に合わせて波長シフトするので、ＦＢＧセンサでの反射波長の変化からＦＢＧセンサに加わった歪みを計測する装置である（例えば、特許文献１参照）。

また、ＦＢＧ反射波長を検出する光波長フィルタにＷＤＭカプラを用いた歪計測装置がある（非特許文献１参照）。

特開２００３−２１５７６号公報小島正嗣，福地圭介，黒沢芳宣，本郷晃史，「細径ＦＢＧセンサの高機能化と波長検出技術の開発」，第３回「知的材料・構造システム」シンポジウム

しかしながら、歪計測装置に用いる光導波路型光波長フィルタは、温度変化により光導波路の屈折率や導波路長の変化で、光波長フィルタを透過する光の波長が変化してしまう。

図２に示す波長光透過特性は、破線が実測値、実線が実際のＦＢＧセンサでの反射波長である。図２に示すように、光波長フィルタから求められるＦＢＧセンサ反射波長が温度変化によって、実線から破線というように長波長側へシフトしてしまい、そのままでは正しい値が得られない。

そこで、従来技術における波長シフトの解決策とその問題点は主に以下の３つである。

（１）光波長フィルタを用いることで波長測定による誤差が大きくなり、歪みの測定誤差を許容してしまっている。

（２）温度を一定値に保つよう光導波路を恒温槽等の温度制御装置で管理して波長フィルタでの波長シフトを防ぐ。しかし、装置が大きくなり、消費電力も大きくなる。

（３）光波長フィルタ近傍の温度を測定し、温度補正演算で計測誤差を補償する方法が考えられる。しかし、これは間接的な補正になるため、十分な精度が得られない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、波長検出精度が高く、さらに小型化、低消費電力化を図る歪計測装置とその光波長補正方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）に光を入射させ、ＦＢＧからの反射光を、波長分岐特性を有するマッハツェンダ型光波長フィルタに入射し、光波長フィルタ出射光同士の出力比からＦＢＧに加わる歪を計測する歪計測装置において、光波長フィルタの入力端子のうち、ＦＢＧからの反射光を入力する端子とは異なる端子から基準波長光を入力する光源を設けた歪計測装置である。

請求項２の発明は、前記基準波長光は、温度補償されたファブリペロー共振器の出射光である請求項１記載の歪計測装置である。

請求項３の発明は、前記基準波長光は、温度補償されたＦＢＧの反射光である請求項１記載の歪計測装置である。

請求項４の発明は、前記基準波長光は、温度補償された単一スペクトル光源の出射光である請求項１記載の歪計測装置である。

請求項５の発明は、ＦＢＧに光を入射させ、ＦＢＧからの反射光を、波長分岐特性を有する光波長フィルタに入射し、光波長フィルタ出射光同士の出力比からＦＢＧに加わる歪を計測する際に、光波長フィルタの入力端のうち、ＦＢＧからの反射光を入力する端子とは異なる端子から基準波長光を入力し、光波長フィルタにおける波長を補正する波長補正方法である。

請求項６の発明は、前記基準波長光は、温度補償されたファブリペロー共振器の出射光である請求項５記載の波長補正方法である。

請求項７の発明は、前記基準波長光は、温度補償されたＦＢＧの反射光である請求項５記載の波長補正方法である。

請求項８の発明は、前記基準波長光は、温度補償された単一スペクトル光源の出射光である請求項５記載の波長補正方法である。

本発明によれば、歪計測の精度が向上するといった優れた効果を発揮する。

以下、本発明の好適な一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に、本実施の形態の歪計測装置の構成図を示す。

図１に示すように、光ファイバブラッググレーティングセンサ（ＦＢＧセンサ）１１が形成された光ファイバ１２には、サーキュレータ１３が接続されている。サーキュレータ１３は３つの端子を有し、第１の端子が光ファイバ１２に接続されている。ＦＢＧセンサ１１は、プリプレグ等の構造体（図示せず）へ埋め込まれている。サーキュレータ１３の第２の端子に接続された光ファイバ１４には、波長多重光が出射可能なセンサ用光源１５が接続される。第３の端子に接続された光ファイバ１６は、ＷＤＭカプラ（Wavelength Division Multiplexing Coupler）１７のＣｈ１入力端子１８に接続されている。

ＷＤＭカプラ１７は、Ｃｈ１入力端子１８の他に、Ｃｈ２入力端子１９、Ｃｈ１出力端子２０及びＣｈ２出力端子２１の計４つの端子が設けられ、Ｃｈ１、Ｃｈ２入力端子１８，１９からＣｈ１、Ｃｈ２出力端子２０，２１に向かってそれぞれ形成された光導波路が、その途中で光導波路同士が光の波長オーダーで近接するマッハツェンダ型光導波路２２を備える。Ｃｈ２入力端子１９に接続される光ファイバ２４には波長補正の際、基準となる波長の光を出射し、温度補償されている基準波長光源２５が接続されている。センサ用光源１５と基準波長光源２５とを光源部３５とする。Ｃｈ１、Ｃｈ２出力端子２０，２１にそれぞれ接続された光ファイバ２６，２７は、光検出器２８に接続されている。光検出器２８は演算装置２９及びモニタ３０に接続されている。

次に、本実施の形態の作用について説明する。

センサ用光源１５より出射される出射光は、光ファイバ１４を通りサーキュレータ１３に導波する。サーキュレータ１３は、一方向のみ光信号を通し、逆方向には遮断するので、光ファイバ１４からの光を光ファイバ１２へ出射し、光ファイバ１２からの光を光ファイバ１６へ出射する。光ファイバ１２へ出射された光は、ＦＢＧセンサ１１において、格子間隔に依存した波長のみ反射され、その他の波長光は透過される。ＦＢＧセンサ１１が埋め込まれた構造体に外部より力が加わると、その力によりＦＢＧセンサ１１が撓む。歪んだＦＢＧセンサ１１の格子間隔が変化するので、所定の一波長のみ光を反射する。

ＦＢＧ反射光は、再びサーキュレータ１３へ戻り、光ファイバ１２から入射したので光ファイバ１６へ出射され、ＷＤＭカプラ１７のＣｈ１入力端子１８へ導波する。

ＷＤＭカプラ１７に形成された光導波路はマッハツェンダ型光導波路２２であるため、Ｃｈ１入力端子から入射した光は、分岐されてＣｈ１及びＣｈ２出力端子２０，２１から出射する。このとき、その分岐比（出力比）は入射波の波長によって異なるため、ＷＤＭカプラ１７は波長フィルタの役割を有する。

出力端子２０，２１から出射された光はそれぞれ光ファイバ２６，２７を通り光検出器２８に伝搬し、ここで光信号が電気信号に変換される。その電気信号はコンピュータ２９で信号処理され、その処理結果がモニタ３０に表示される。

このときの、ＷＤＭカプラ１７のＣｈ１及びＣｈ２出力端子２０，２１における波長特性は、図２に示した破線のようになり、実際のＦＢＧでの反射波長より長くなっている。

また、ＷＤＭカプラ１７の出力比Ｃｈ２／Ｃｈ１と波長の関係を図３に示す。

図２と同様に、破線が測定値であり、実線が実際のＦＢＧセンサの反射波長を表した特性である。図３に示すように、出力比Ｃｈ２／Ｃｈ１の値が小さくなる程、ＦＢＧセンサ反射光波長が大きくなっている。これにより、得られた出力比から反射波長を求められる。

ただし、正確な波長を求めるには、次に説明する波長補正が必要である。

基準波長光による波長補正を行う場合、ＦＢＧセンサ１１へ入射させる光を停止し、基準波長光をＷＤＭカプラ１７のＣｈ２入力端子１９に入射し、Ｃｈ１及びＣｈ２出力端子出射光の出力比を求める。このとき、Ｃｈ２入力端子１９へ入射させる基準波長光は、光検出器２８での検出感度等を考慮した一定の波長の光である。さらに、基準波長光の波長は、基準波長光源において温度補償されているため、外部温度に無依存である。一定温度の基準波長光の波長特性は既知であり、基準波長光の波長と出力比から、図３に示すように、補正すべき光波長フィルタの波長シフト量（波長補正幅）が求まる。ここで、基準波長光を入射させたときの出力比（Ｃｈ２／Ｃｈ１）は、基準波長光をＣｈ２入力端子より入射するのでＦＢＧセンサ反射光の出力比（Ｃｈ２／Ｃｈ１）の逆数になる。

次に、計測されたＦＢＧセンサ反射光波長を、基準波長光入射により求めた波長補正幅だけシフトすれば、正確なＦＢＧセンサ反射光の波長が求められる。

本実施の形態では、センサ歪み計測に用いる波長フィルタに、基準波長となる光を入射して波長を計測し、同じ光波長フィルタを伝搬させることで、光波長フィルタでの波長シフトが同量となるので、温度を測定することなく正確な波長補正ができる。

以上より、光波長フィルタの入力端子の内、ＦＢＧからの反射光を入力する端子とは異なる端子から基準波長光を入力して、その出力から波長補正することで、ＦＢＧセンサにおける反射光、即ちＦＢＧセンサの歪みを高精度に計測することができる。

さらに、センサ用ＦＢＧに振動が加えられると伸縮する構造にパッケージ化すれば、振動計測にも応用でき、ＦＢＧの反射光は温度に対しても波長がシフトするため、温度計測装置としても機能し、温度センサとしても応用できる。このとき、本実施の形態に係る装置は、温度、振動の計測においても、計測精度の向上が図れる。

次に、基準波長光源２５をより詳細に説明する。

図４（ａ）に、基準波長光源部２５ａの詳細な構成図を示す。

光源４１に光ファイバ４２を介してファブリペロー共振器４３を設け、ファブリペロー共振器４３は図１の光ファイバ２４に接続される。ファブリペロー共振器４３の近傍には温度制御手段４４が設けられている。ファブリペロー共振器４３は、周知のように、対向する平行な反射板（エタロン板）の間隔を変化させることにより、一方の反射板に入射した波長多重光のうち、任意の波長範囲の光を他方の反射板から出射させる波長選択性を有する光波長フィルタである。

光源４１より出射された多波長を含む光は、ファブリペロー共振器４３において、反射板間隔で決まる共振波長のみが光ファイバ２４へ伝搬する。

図４（ｂ）に、基準波長光源部２５ｂの詳細な構成図を示す。

基準波長光源部２５ｂは、図４（ａ）に示した基準波長光源部２５ａにおいて、ファブリペロー共振器４３をＦＢＧに置き換えたものである。

光源４１に光ファイバ４２を介してサーキュレータ４５が接続され、サーキュレータ４５に接続する一方の光ファイバ４６にはＦＢＧ４７が接続され、ＦＢＧ４７の周囲には、温度制御手段４４が設けられている。また、サーキュレータ４５に接続する他方の光ファイバは、図１に示す光ファイバ２４である。

光源４１からの光はサーキュレータ４５を通り、ＦＢＧ４７で基準波長となる波長の光のみ反射され、他の波長光は透過する。ＦＢＧ反射光はサーキュレータ４５によって光ファイバ２４を通り、ＷＤＭカプラ１７のＣｈ２入力端子１９へ入射する。

ＦＢＧ４７は温度補償されており、ＦＢＧ４７において反射する波長の光は、温度に依存して波長変化することなくＷＤＭカプラ１７へ入射させることができる。

図４（ｃ）に、基準波長光源部２５ｃの詳細な構成図を示す。

基準波長光源２５ｃは、単一スペクトル光源４８であり、その周囲にマイクロクーラー等の温度制御手段３９が設けられている。単一スペクトル光源４８に接続される光ファイバは図１の光ファイバ２４である。

単一スペクトル光源４８は、スペクトル線幅の狭い所定の波長の光を発振する光源であり、マイクロクーラー等の温度制御手段３９により温度補償されているため、出射される基準波長光は、温度に依存して波長変化することなくＷＤＭカプラ１７へ入射させることができる。

以上より、基準波長光を温度補償する手段として、光源にマイクロクーラー等の微小な温度制御手段を設けることで、歪計測装置の小型化、低消費電力化が図れる。

次に、センサ用光源１５と基準波長光源２５とからなる光源部３５を一つ光源で実施した例を説明する。

図５（ａ）に、光源部３５ａの構成図を示す。

光源４１に光スイッチ４９が接続され、光スイッチ４９で分岐された一方の光ファイバ１４は図１のサーキュレータ１３に接続され、分岐されたもう一方の光ファイバ５０には、温度制御手段４４を配備したファブリペロー共振器５１が接続され、ファブリペロー共振器５１は光ファイバ２４を介して、ＷＤＭカプラ１７のＣｈ２入力端子１９に接続されている。

この実施例では、光スイッチ４９によって光路を切り替えることで、一つの光源の出射光を歪計測用光及び基準波長光のどちらにも適用できる。

光源４１をセンサ用光源として用いる際には、光源４１の出射光を、光スイッチ４９によって光ファイバ１４へ出射するようにし、サーキュレータ１３へ入射させる。

光源４１を基準波長光源として用いる際には、光源４１の出射光を光スイッチ４９によって光ファイバ５０へ出射するようにする。光ファイバ５０への出射光は、ファブリペロー共振器５１によって、基準波長となる光のみ共振し、光ファイバ２４を通ってＷＤＭカプラ１７へ入射する。また、ファブリペロー共振器５１は温度補償されており、基準波長光は外部温度に依存して波長変化することはない。

次に、図５（ｂ）に光源部３５ｂの構成図を示す。

光源部３５ｂは、図５（ａ）に示した光源部３５ａにおいて、ファブリペロー共振器をＦＢＧに置き換えたものである。

光スイッチ４９で分岐された光ファイバ５０にはサーキュレータ５２が接続される。サーキュレータ５２に接続された一方の光ファイバ５３には、温度制御手段４４を設けたＦＢＧ５４が接続され、他方の光ファイバは、図１の光ファイバ２４である。

光源部３５ａと同様に、光スイッチ４９によって光路を切り替えることで、一つの光源の出射光を歪計測用光及び基準波長光のどちらにも適用できる。

光源４１を基準波長光源として用いる際には、光源４１の出射光を光スイッチ４９によって光ファイバ５０へ出射するようにする。光ファイバ５０への出射光は、サーキュレータ５２により、光ファイバ５３へ導波し、ＦＢＧ５４で基準波長となる波長の光のみ反射される。ＦＢＧ反射光は、サーキュレータ５２により光ファイバ２４を通ってＷＤＭカプラ１７へ入射する。また、ＦＢＧ５４は温度制御手段４４によって温度補償されており、基準波長光は外部温度に依存して波長変化することはない。

次に他の実施の形態として、図６にその構成図を示す。

この実施の形態は、光分波器と複数の光波長フィルタを用いて歪計測装置を形成したものである。

光源６１にサーキュレータ６３が光ファイバ５２を介して接続され、サーキュレータ６３の一方の光ファイバ６４には温度補償されたＦＢＧ６５が設けられ、その光ファイバ６４に直列してＦＢＧセンサ６７が設けられている。他方の光ファイバ６８には波長分波器としてＡＷＧ（アレイ導波路回折格子）６９が接続されている。ＡＷＧ６９を介して分岐された光ファイバ７０，７１はそれぞれＷＤＭカプラ７２，７４の入力端子７３，７５に接続されている。また、ＷＤＭカプラ７２，７４の出力端子７６，７７，７８，７９には、光検出器がそれぞれ接続されている（図示せず）。

光源６１より出射し、サーキュレータ６３によってＦＢＧ６５に入射した光は、基準波長光λ₁ のみ反射され、他の波長の光はＦＢＧセンサ６７に入射する。ＦＢＧセンサ６７では歪計測波長λ₂ のみ反射される。λ₁ 及びλ₂ はサーキュレータ６３を介してＡＷＧ６９に入射し、ＡＷＧ６９でλ₁、λ₂が分波されてそれぞれＷＤＭカプラ７２，７４に入射する。ＷＤＭカプラ７４の出射光を検出してＦＢＧセンサ６７の歪みを計測し、ＷＤＭカプラ７２の出射光を検出して波長補正を行う。

この実施の形態では、ＦＢＧセンサ光の検出と、基準波長光の検出をＷＤＭカプラ７２，７４を２つ用いることで、同時にセンサ歪みと波長補正幅とが計測でき精度の高い計測の時間の短縮化が図れる。

また、ＦＢＧセンサ６７を２つ以上直列に接続して用いる場合は、波長分波器６９の分波数を増やし、分岐接続された光ファイバに接続するＷＤＭカプラを増設すればよい。

本実施の形態に係る歪計測装置の構成図である。図１の歪計測装置におけるＣｈ１及びＣｈ２の光強度と波長との関係を示し、破線は測定された波長特性を表し、実線は実際の波長特性を表す。図１の歪計測装置におけるＣｈ１とＣｈ２との出力比と波長との関係を示す図であり、破線は測定された波長特性を表し、実線は実際の波長特性を表す。（ａ）はファブリペロー共振器を備えた基準波長光源の構成図であり、（ｂ）はＦＢＧを備えた基準波長光源の構成図であり、（ｃ）は単一スペクトル光源である基準波長光源の構成図である。（ａ）はファブリペロー共振器を備えた光源部の構成図であり、（ｂ）はＦＢＧを備えた光源部の構成図である。他の実施の形態に係る歪計測装置の構成図である。

符号の説明

１０歪計測装置
１１光ファイバブラッググレーティングセンサ（ＦＢＧセンサ）
１７ＷＤＭカプラ
２５基準波長光源
４３ファブリペロー共振器
４７ファイバブラッググレーティング
４８単一スペクトル光源

Claims

光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）に光を入射させ、ＦＢＧからの反射光を、波長分岐特性を有するマッハツェンダ型光波長フィルタに入射し、光波長フィルタ出射光同士の出力比からＦＢＧに加わる歪を計測する歪計測装置において、光波長フィルタの入力端子のうち、ＦＢＧからの反射光を入力する端子とは異なる端子から基準波長光を入力する光源を設けたことを特徴とする歪計測装置。
前記基準波長光は、温度補償されたファブリペロー共振器の出射光である請求項１記載の歪計測装置。
前記基準波長光は、温度補償されたＦＢＧの反射光である請求項１記載の歪計測装置。
前記基準波長光は、温度補償された単一スペクトル光源の出射光である請求項１記載の歪計測装置。
ＦＢＧに光を入射させ、ＦＢＧからの反射光を、波長分岐特性を有する光波長フィルタに入射し、光波長フィルタ出射光同士の出力比からＦＢＧに加わる歪を計測する際に、光波長フィルタの入力端のうち、ＦＢＧからの反射光を入力する端子とは異なる端子から基準波長光を入力し、光波長フィルタにおける波長を補正することを特徴とする波長補正方法。
前記基準波長光は、温度補償されたファブリペロー共振器の出射光である請求項５記載の波長補正方法。
前記基準波長光は、温度補償されたＦＢＧの反射光である請求項５記載の波長補正方法。
前記基準波長光は、温度補償された単一スペクトル光源の出射光である請求項５記載の波長補正方法。