JP2008096150A - Fbg sensor system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ファイバを介して遠隔地の測定対象に設けられたFBG(ファイバブラッググレーティング)に高速波長掃引の可能な波長可変光源と受光部とを組み合わせて、測定対象の歪測定や温度測定等を行うFBGセンサシステムに関し、特にFBGからの反射光を受光する受光部のゲイン(受光感度)を反射光の受光時間に対し受光時間の早いときより遅いときの方が大きくなるように変化させて、遠距離のFBGの反射光に対しては受光感度を上げ、近距離のFBGの反射光に対してはその受光部での飽和を防止することによって、例え近距離のFBGと遠距離のFBGとの間のファイバ長が60kmを越えるような場合であっても、その2つのFBGの反射光(反射スペクトル)の測定を同時に精度良く行えるFBGセンサシステムに関する。 The present invention combines a tunable light source capable of high-speed wavelength sweep and a light-receiving unit with an FBG (fiber Bragg grating) provided on a remote measurement object via a fiber to measure strain or temperature of the measurement object. In particular, the gain (light receiving sensitivity) of the light receiving unit that receives the reflected light from the FBG is changed so that the gain at the later time of the reflected light is larger than the earlier time of the received light time. By increasing the light receiving sensitivity for reflected light from long-distance FBGs and preventing saturation at the light receiving unit for reflected light from short-distance FBGs, for example, short-range FBGs and long-distance FBGs FBG sensor system that can accurately measure the reflected light (reflection spectrum) of the two FBGs even when the fiber length between the two exceeds 60 km About.
FBGは、ファイバの所定長さ範囲のコア部の屈折率を一定間隔で周期的に変化させたもので、このFBGの一端側に光を入射すると、その入射光のうち特定波長(ブラッグ波長という)の光だけが反射されて、他の波長の光は透過する。このブラッグ波長は、屈折率が一定間隔で周期的に変化している部分が受ける軸方向の歪み(圧縮、伸長)に応じて変化する。したがって、このFBGの一端側に光を入射して反射してくる光の波長(反射波長)あるいは透過してくる光の波長を測定することで、FBGに加わった歪みを測定することができる。 The FBG is obtained by periodically changing the refractive index of the core portion within a predetermined length range of the fiber at regular intervals. When light is incident on one end side of the FBG, a specific wavelength (referred to as a Bragg wavelength) is included in the incident light. ) Is reflected, and light of other wavelengths is transmitted. This Bragg wavelength changes according to axial distortion (compression, expansion) received by a portion whose refractive index periodically changes at regular intervals. Therefore, the strain applied to the FBG can be measured by measuring the wavelength of light that is incident upon and reflected from one end of the FBG (reflection wavelength) or the wavelength of light that is transmitted.
従来、このようなFBGの性質を利用して測定対象の歪測定や温度測定等を行うFBGセンサシステムとして、FBGの反射波長の測定を、モーターでミラーや回折格子を回転させる波長可変光源と受光部を組み合わせて行うものがあった。近年、本出願人は、その波長可変光源に代えて、MEMSスキャナを利用した高速波長掃引の可能な波長可変光源を用いて測定の高速化を図ったFBGセンサシステムを提案した(特許文献1参照)。なお、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)スキャナとは、マイクロ電気機械式構造体(電気信号の制御を受けて機械的に動作する構造体)によって形成されたスキャナである。 Conventionally, as an FBG sensor system for measuring strain and temperature of an object to be measured using such properties of FBG, the reflected wavelength of FBG is measured using a wavelength variable light source that rotates a mirror or a diffraction grating with a motor and light reception. There was something to do by combining parts. In recent years, the present applicant has proposed an FBG sensor system that uses a wavelength tunable light source capable of high-speed wavelength sweep using a MEMS scanner instead of the wavelength tunable light source to speed up the measurement (see Patent Document 1). ). Note that a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) scanner is a scanner formed by a micro electro mechanical structure (a structure that operates mechanically under the control of an electrical signal).
この従来の高速波長掃引の可能な波長可変光源を用いたFBGセンサシステムの概略構成を図13に示す。波長可変光源10において、半導体レーザ(LD)1のARコートされている端面から出射された光をコリメートレンズ2によってコリメート光に変換して回折格子3へ入射し、その入射光に対して回折格子3が出射する回折光をMEMSスキャナ60に入射する。MEMSスキャナ60は、反射体35と反射体駆動手段50で構成され、回折格子3から入射されるコリメート光に対する回折光が、反射体35の反射面で回折格子3へ反射されて、再び回折格子3で回折され、それによって得られた回折光がコリメートレンズ2を介してLD1に入射されるとき、LD1に入射される回折光が所望の波長の光となるようにするとともに、この所望の波長が所定の波長範囲を含んで往復掃引されるように反射体35の反射面の角度を反射体駆動手段50により所定の掃引周期で往復回転させている。
FIG. 13 shows a schematic configuration of the conventional FBG sensor system using a wavelength variable light source capable of high-speed wavelength sweeping. In the wavelength
このような構成によって、波長掃引された光が発振されて、LD1のARコートされていない端面から出射されて出力光(測定光)となる。なお、反射体駆動手段50は、反射体35の反射面の角度を往復回転させるために自身で発生している駆動信号(波長範囲、掃引周期を決めている)を、掃引信号aとして処理手段17へ出力する。
With such a configuration, the wavelength-swept light is oscillated and emitted from the end surface of the
また、回折格子3の0次光は、エタロン等の光共振器4に入射されて所定の波長の光のみが透過される。そして、その透過光は受光器(PD)5で電気信号bに変換されて処理手段17へ出力される。すなわち、出力光(測定光)の波長掃引に対応して所定の波長間隔、例えば周波数で15GHz間隔の透過光を発生し、受光器5で電気信号bに変換される。この透過光の波長(周波数)は既知である。したがって、その透過光を光電変換して得られた電気信号bと上述の掃引信号aとを用いて、波長可変光源10の発振波長(波長掃引された測定光の波長)を求めることができる。
The 0th-order light of the diffraction grating 3 is incident on an
次に、光サーキュレータ13は、波長可変光源10からの測定光を、ファイバ14a、14bを介して直列に接続されたFBG15a、15bに入射するとともに、FBG15a、15bからそれぞれの反射波長で反射されて戻ってきたその測定光の反射光(反射スペクトル)を受けて受光部26へ出射する。
Next, the optical circulator 13 enters the measurement light from the wavelength
受光部26は、図8(a)に示すようにPINフォトダイオード(PIN−PD)26aと増幅器26bの組み合わせ、あるいは図8(b)に示すようにアバランシェフォトダイオード(APD)26cとそのAPD26cに逆バイアス電圧を供給するバイアス回路26dの組み合わせによって構成されており、FBG15a、15bからの反射光を電気信号cに変換して処理手段17へ出力する。
The
処理手段17は、受光部26からの電気信号cと、波長可変光源10からの掃引信号a及び電気信号bとに基づいて、FBG15a、15bのそれぞれの反射波長の測定を行う。
このような従来のFBGセンサシステムにおいては、例えば、反射波長が1550nmのFBG15a及び1555nmのFBG15bに対して1520〜1580nmの波長範囲(測定波長範囲)についてそれぞれの反射波長を測定する場合、図10(a)、(b)に示すように、この測定波長範囲を含んだ1500〜1600nmの波長範囲(掃引波長範囲)の光が、掃引周期1.4ms(714Hz)の駆動信号(掃引信号a)によって正弦波状に波長掃引される。そして、その正弦波状に波長掃引された光が、測定光として連続的にファイバ14a、14bを介してFBG15a、15bへ入射される。
In such a conventional FBG sensor system, for example, when the respective reflection wavelengths are measured for a wavelength range (measurement wavelength range) of 1520 to 1580 nm with respect to the FBG 15a having a reflection wavelength of 1550 nm and the FBG 15b having a reflection wavelength of 1555 nm, FIG. As shown in a) and (b), light in a wavelength range of 1500 to 1600 nm (sweep wavelength range) including this measurement wavelength range is generated by a drive signal (sweep signal a) having a sweep period of 1.4 ms (714 Hz). Wavelength is swept in a sine wave. Then, the sine wave-swept light is continuously incident on the FBGs 15a and 15b via the
そして、ファイバ14a、14bが光通信用ファイバ(ファイバロス0.2dB/km)で、それぞれのファイバ長が20km(ファイバ14a)、5km(ファイバ14b)である場合、受光部26のゲイン(受光感度)は、例えば、FBG15a、15bからの反射光が図12(a)に示すような反射スペクトルとなるように、増幅器26bの増幅率あるいはAPD26cの増倍率(逆バイアス電圧で変化する)を調整することにより設定されている。上記図12(a)において、RS1はFBG15aの反射スペクトルであり、RS2はFBG15bの反射スペクトルで、RS1に対してファイバ14bの往復長(10km)分のロス、遅れ時間を有している。なお、図12(a)〜(e)の縦軸は受光部26又は受光部16(後述の図1参照)の入力換算の受光レベルP(dBm)、横軸はファイバ14a、14bによる往復の遅れ時間τに基づく受光時間t(ms)である。遅れ時間τは、Lをファイバ長、nをファイバの屈折率、Cを光速として、τ=2nL/Cで求められる。
When the
しかしながら、ファイバ14aのファイバ長が上記と同じ20kmで、ファイバ14bのファイバ長が60kmである場合、上記のようなゲインに設定された受光部26を用いてFBG15a、15bの反射光を測定すると、図12(b)に示すように、RS2(FBG15bの反射スペクトル)のレベルがRS1(FBG15aの反射スペクトル)のレベルより約24dB(ファイバ14bの往復長120km分のロス)低い約−19dBmとなり、適正な受光レベル(例えば−5dBm以上)を満足しない。このために、受光部26のゲインを約15dB上げて、図12(c)に示すように、RS2(FBG15bの反射スペクトル)のレベルを約−4dBmにすると、RS1(FBG15aの反射スペクトル)のレベルが飽和受光レベル(例えば+10dBm)を越えて飽和する。したがって、2つのFBG15a、15b間のファイバ長が、上記のように例えば60kmを越えるような場合には、その2つのFBG15a、15bの反射光(反射スペクトル)を同時に測定できないとう問題を生じる。
However, when the fiber length of the
本発明は、FBGからの反射光を受光する受光部のゲイン(受光感度)を反射光の受光時間に対し受光時間の早いときより遅いときの方が大きくなるように変化させて、遠距離のFBGの反射光に対しては受光感度を上げ、近距離のFBGの反射光に対してはその受光部での飽和を防止することによって、この課題を解決し、例え近距離のFBGと遠距離のFBGとの間のファイバ長が60kmを越えるような場合であっても、その2つのFBGの反射光(反射スペクトル)の測定を同時に精度良く行えるFBGセンサシステムを提供することを目的としている。 In the present invention, the gain (light receiving sensitivity) of the light receiving unit that receives the reflected light from the FBG is changed so that the time when the light receiving time is slower than the time when the light receiving time is early is larger than the light receiving time of the reflected light. This problem is solved by increasing the light receiving sensitivity for the reflected light of the FBG and preventing saturation at the light receiving portion for the reflected light of the short distance FBG, for example, the short distance FBG and the long distance. An object of the present invention is to provide an FBG sensor system that can accurately measure the reflected light (reflection spectrum) of two FBGs even when the fiber length between the two FBGs exceeds 60 km.
上記課題を解決するために、本発明の請求項1のFBGセンサシステムでは、ファイバ(14a、14b)を介して測定対象に設けられたFBG(15a、15b)に所定の波長範囲の光を測定光として入射し、該測定光の反射光から当該FBGの反射波長を測定するFBGセンサシステムにおいて、前記所定の波長範囲の光を含んで所定の掃引周期で波長掃引された光を半導体レーザ(1)で発振し、該光を前記測定光として前記FBGに入射させる波長可変光源(10)と、前記FBGに入射された前記測定光の該FBGからの反射光を受光して電気信号に変換する受光部(16)と、前記波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記FBGからの反射光の前記受光部における受光時間に対し該受光時間の早いときより遅いときの方が該受光部のゲインが大きくなるように当該受光部を制御するゲイン制御手段(18)と、前記受光部から出力される前記電気信号に基づいて前記FBGの反射波長を測定する処理手段(17)とを備えた。
In order to solve the above-mentioned problem, in the FBG sensor system according to
また、本発明の請求項2のFBGセンサシステムでは、上述した請求項1のFBGセンサシステムにおいて、前記受光部は、前記FBGからの反射光を受光するPIN−PD(16a)と、前記ゲイン制御手段から出力される制御信号に基づいて増幅率が変化し、該PIN−PDからの出力を増幅して前記電気信号を出力する可変増幅器(16b)とを備えた。
Moreover, in the FBG sensor system according to
また、本発明の請求項3のFBGセンサシステムでは、上述した請求項1のFBGセンサシステムにおいて、前記受光部は、供給される逆バイアス電圧に応じて増倍率が変化し、前記FBGからの反射光を受光して前記電気信号を出力するAPD(16c)と、前記ゲイン制御手段から出力される制御信号に基づいて、前記逆バイアス電圧を変化可能に前記APDに供給する可変バイアス回路(16d)とを備えた。
In the FBG sensor system according to
また、本発明の請求項4のFBGセンサシステムでは、ファイバ(14a、14b)を介して測定対象に設けられたFBG(15a、15b)に所定の波長範囲の光を測定光として入射し、該測定光の反射光から当該FBGの反射波長を測定するFBGセンサシステムにおいて、前記所定の波長範囲の光を含んで所定の掃引周期で波長掃引された光を半導体レーザ(1)で発振させることを可能にさせた波長可変光源(10)と、該波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記波長可変光源で発振される前記所定の波長範囲の光を前記測定光として前記FBGに入射させるための所定の周期のパルスを発生させるパルス発生器(19)と、前記FBGに入射された前記測定光の該FBGからの反射光を受光して電気信号に変換する受光部(16)と、前記波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記FBGからの反射光の前記受光部における受光時間に対し該受光時間の早いときより遅いときの方が該受光部のゲインが大きくなるように当該受光部を制御するゲイン制御手段(18)と、前記受光部から出力される前記電気信号に基づいて前記FBGの反射波長を測定する処理手段(17)とを備え、前記パルスで前記波長可変光源の前記半導体レーザの駆動電流をオン/オフさせることによって、前記所定の波長範囲の光でなる光パルスを発生させ、該光パルスを前記測定光として前記FBGに入射させるようにし、かつ、前記波長可変光源の前記波長掃引を行うための掃引信号の前記所定の掃引周期は、前記測定光としての前記光パルスに対する前記FBGからの反射光の前記受光部での受光時間が該光パルスの該FBGへの入射の終了後となるような掃引周期であり、さらに、前記パルスの前記所定の周期は、前記測定光としての前記光パルスの次の光パルスの前記FBGへの入射時間が前記光パルスに対する前記FBGからの反射光の前記受光部での受光後となるような周期であるようにした。
In the FBG sensor system according to
また、本発明の請求項5のFBGセンサシステムでは、ファイバ(14a、14b)を介して測定対象に設けられたFBG(15a、15b)に所定の波長範囲の光を測定光として入射し、該測定光の反射光から当該FBGの反射波長を測定するFBGセンサシステムにおいて、前記所定の波長範囲の光を含んで所定の掃引周期で波長掃引された光を半導体レーザ(1)で発振させる波長可変光源(10)と、該波長可変光源から出射されて前記FBGに入射される光をオン/オフする光スイッチ(11)と、前記波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記波長可変光源で発振される前記所定の波長範囲の光を前記測定光として前記FBGに入射させるための所定の周期のパルスを発生させるパルス発生器(19)と、前記FBGに入射された前記測定光の該FBGからの反射光を受光して電気信号に変換する受光部(16)と、前記波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記FBGからの反射光の前記受光部における受光時間に対し該受光時間の早いときより遅いときの方が該受光部のゲインが大きくなるように当該受光部を制御するゲイン制御手段(18)と、前記受光部から出力される前記電気信号に基づいて前記FBGの反射波長を測定する処理手段(17)とを備え、前記パルスで前記光スイッチをオン/オフさせることによって、前記所定の波長範囲の光でなる光パルスを発生させ、該光パルスを前記測定光として前記FBGに入射させるようにし、かつ、前記波長可変光源の前記波長掃引を行うための掃引信号の前記所定の掃引周期は、前記測定光としての前記光パルスに対する前記FBGからの反射光の前記受光部での受光時間が該光パルスの該FBGへの入射の終了後となるような掃引周期であり、さらに、前記パルスの前記所定の周期は、前記測定光としての前記光パルスの次の光パルスの前記FBGへの入射時間が前記光パルスに対する前記FBGからの反射光の前記受光部での受光後となるような周期であるようにした。
In the FBG sensor system according to
また、本発明の請求項6のFBGセンサシステムでは、ファイバ(14a、14b)を介して測定対象に設けられたFBG(15a、15b)に所定の波長範囲の光を測定光として入射し、該測定光の反射光から当該FBGの反射波長を測定するFBGセンサシステムにおいて、前記所定の波長範囲の光を含んで所定の掃引周期で波長掃引された光を半導体レーザ(1)で発振させる波長可変光源(10)と、該波長可変光源から出射されて前記FBGに入射される光の増幅をオン/オフする光増幅器(12)と、前記波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記波長可変光源で発振される前記所定の波長範囲の光を前記測定光として前記FBGに入射させるための所定の周期のパルスを発生させるパルス発生器(19)と、前記FBGに入射された前記測定光の該FBGからの反射光を受光して電気信号に変換する受光部(16)と、前記波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記FBGからの反射光の前記受光部における受光時間に対し該受光時間の早いときより遅いときの方が該受光部のゲインが大きくなるように当該受光部を制御するゲイン制御手段(18)と、前記受光部から出力される前記電気信号に基づいて前記FBGの反射波長を測定する処理手段(17)とを備え、前記パルスで前記光増幅器をオン/オフさせることによって、前記所定の波長範囲の光でなる光パルスを発生させ、該光パルスを前記測定光として前記FBGに入射させるようにし、かつ、前記波長可変光源の前記波長掃引を行うための掃引信号の前記所定の掃引周期は、前記測定光としての前記光パルスに対する前記FBGからの反射光の前記受光部での受光時間が該光パルスの該FBGへの入射の終了後となるような掃引周期であり、さらに、前記パルスの前記所定の周期は、前記測定光としての前記光パルスの次の光パルスの前記FBGへの入射時間が前記光パルスに対する前記FBGからの反射光の前記受光部での受光後となるような周期であるようにした。
In the FBG sensor system according to
また、本発明の請求項7のFBGセンサシステムでは、上述した請求項4〜6のいずれかのFBGセンサシステムにおいて、前記受光部は、前記FBGからの反射光を受光するPIN−PD(16a)と、前記ゲイン制御手段から出力される制御信号に基づいて増幅率が変化し、該PIN−PDからの出力を増幅して前記電気信号を出力する可変増幅器(16b)とを備えた。
In the FBG sensor system according to
また、本発明の請求項8のFBGセンサシステムでは、上述した請求項4〜6のいずれかのFBGセンサシステムにおいて、前記受光部は、供給される逆バイアス電圧に応じて増倍率が変化し、前記FBGからの反射光を受光して前記電気信号を出力するAPD(16c)と、前記ゲイン制御手段から出力される制御信号に基づいて、前記逆バイアス電圧を変化可能に前記APDに供給する可変バイアス回路(16d)とを備えた。
Moreover, in the FBG sensor system according to
また、本発明の請求項9のFBGセンサシステムでは、上述した請求項1〜8のいずれかのFBGセンサシステムにおいて、前記波長可変光源は、一方のレーザ光出射端面がARコートされている前記半導体レーザ(1)と、該半導体レーザのARコートされている端面から出射された光をコリメートするコリメートレンズ(2)と、該コリメートレンズから出射されたコリメート光を受けて波長に応じた角度で回折させる回折格子(3)と、反射体(35)と反射体駆動手段(50)とを含んで構成され、前記回折格子から入射される前記コリメート光に対する回折光が、前記反射体の反射面で該回折格子へ反射されて、再び該回折格子で回折され、それによって得られた回折光が前記コリメートレンズを介して前記半導体レーザに入射されるとき、該半導体レーザに入射される回折光が所望の波長の光となるようにするとともに、該所望の波長が前記所定の波長範囲を含んで往復掃引されるように前記反射体の反射面の角度を前記反射体駆動手段により前記所定の掃引周期で繰り返し変化させるMEMSスキャナ(60)とを備えた。
Further, in the FBG sensor system according to claim 9 of the present invention, in the FBG sensor system according to any one of
また、本発明の請求項10のFBGセンサシステムでは、上述した請求項9のFBGセンサシステムにおいて、前記MEMSスキャナの反射体は、固定基板(36、37)と、該固定基板の縁部から所定幅で所定長さ延設され、その長さ方向に沿って捩じれ変形可能な軸部(38、39)と、該軸部の先端に自身の縁部で連結されて形成され、一面側に前記回折格子からの回折光を反射させるための前記反射面が設けられた反射板(40)とを有しており、かつ、前記MEMSスキャナの反射体駆動手段は、前記反射体の軸部と反射板とからなる部分の固有振動数に対応した周波数の駆動信号によって前記反射板に力を与えて、該反射板を前記固有振動数又はそれに近い振動数の前記所定の掃引周期で往復回転させるように構成した。 In the FBG sensor system according to a tenth aspect of the present invention, in the FBG sensor system according to the ninth aspect described above, the reflector of the MEMS scanner includes a fixed substrate (36, 37) and predetermined edges from the fixed substrate. A shaft portion (38, 39) that is extended by a predetermined length in width and can be twisted and deformed along the length direction, and is connected to the tip of the shaft portion by its own edge portion, A reflector (40) provided with the reflecting surface for reflecting the diffracted light from the diffraction grating, and the reflector driving means of the MEMS scanner includes a shaft portion of the reflector and a reflector. A force is applied to the reflecting plate by a drive signal having a frequency corresponding to the natural frequency of the portion composed of the plate, and the reflecting plate is reciprocally rotated at the predetermined sweep cycle at the natural frequency or a frequency close thereto. Configured.
本発明の請求項1〜3のFBGセンサシステムでは、FBGからの反射光を受光する受光部のゲイン(受光感度)を反射光の受光時間に対し受光時間の早いときより遅いときの方が大きくなるように掃引信号に基づいて制御するようにしたので、遠距離のFBGの反射光に対しては受光感度を上げ、近距離のFBGの反射光に対してはその受光部での飽和を防止することができる。その結果、図12(d)に示すように、例え近距離のFBGと遠距離のFBGとの間のファイバ長が60kmを越えるような場合であっても、その2つのFBGの反射光(反射スペクトル)の測定を同時に行うことができる。 In the FBG sensor system according to the first to third aspects of the present invention, the gain (light receiving sensitivity) of the light receiving portion that receives the reflected light from the FBG is larger when the light receiving time is slower than the time when the light receiving time is early. Since the control is based on the sweep signal, the sensitivity of the reflected light from the FBG at a long distance is increased, and the reflected light from the FBG at a short distance is prevented from being saturated at the light receiving unit. can do. As a result, as shown in FIG. 12D, even if the fiber length between the short distance FBG and the long distance FBG exceeds 60 km, the reflected light (reflected light) of the two FBGs is reflected. Spectrum) can be measured simultaneously.
本発明の請求項4〜8のFBGセンサシステムでは、FBGからの反射光を受光する受光部のゲイン(受光感度)を反射光の受光時間に対し受光時間の早いときより遅いときの方が大きくなるように掃引信号に基づいて制御するようにしたので、遠距離のFBGの反射光に対しては受光感度を上げ、近距離のFBGの反射光に対してはその受光部での飽和を防止することができる。また、所定の波長範囲の光でなる光パルスを発生させ、この光パルスを測定光としてFBGに入射させるようにしたので、図11に示す2つの測定値(連続光使用とパルス光使用)の比較から分かるように、ファイバ内で発生するレイリー散乱光の影響を低減してファイバ長に起因するS/Nの低下を抑止することができる。その結果、図12(e)に示すように、例え近距離のFBGと遠距離のFBGとの間のファイバ長が60kmを越えるような場合であっても、その2つのFBGの反射光(反射スペクトル)の測定を同時に精度良く行うことができ、しかも、遠距離のFBGまでのファイバ長が例え80kmを越えるような場合であっても精度良く測定することができる。
In the FBG sensor system according to
本発明の請求項9及び10のFBGセンサシステムでは、波長可変光源の往復掃引をMEMSスキャナで行うようにしたので、高速波長掃引ができ、測定の高速化が可能である。 In the FBG sensor system according to the ninth and tenth aspects of the present invention, the reciprocal sweep of the wavelength variable light source is performed by the MEMS scanner. Therefore, the high-speed wavelength sweep can be performed, and the measurement speed can be increased.
以下に本発明の実施形態を記載する。
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態のFBGセンサシステムの構成を図1に示す。従来のFBGセンサシステムと同一要素には同一符号を付す。波長可変光源10において、半導体レーザ(LD)1のARコートされている端面から出射された光をコリメートレンズ2によってコリメート光に変換して回折格子3へ入射し、その入射光に対して回折格子3が出射する回折光をMEMSスキャナ60に入射する。MEMSスキャナ60は、反射体35と反射体駆動手段50で構成され、回折格子3から入射されるコリメート光に対する回折光が、反射体35の反射面で回折格子3へ反射されて、再び回折格子3で回折され、それによって得られた回折光がコリメートレンズ2を介してLD1に入射されるとき、LD1に入射される回折光が所望の波長の光となるようにするとともに、この所望の波長が所定の波長範囲を含んで往復掃引されるように反射体35の反射面の角度を反射体駆動手段50により所定の掃引周期で往復回転させている。
Embodiments of the present invention will be described below.
[First Embodiment]
The configuration of the FBG sensor system according to the first embodiment of the present invention is shown in FIG. The same elements as those of the conventional FBG sensor system are denoted by the same reference numerals. In the wavelength tunable
なお、反射体駆動手段50は、反射体35の反射面の角度を往復回転させるために自身で発生している駆動信号(波長範囲、掃引周期を決めている)を、掃引信号aとして処理手段17及びゲイン制御手段18へ出力する。また、MEMSスキャナ60を構成する反射体35及び反射体駆動手段50については、後に図5及び図6を用いて詳述する。
The reflector driving means 50 is a processing means that treats the drive signal (wavelength range and sweep cycle are determined) generated by itself to reciprocate the angle of the reflecting surface of the
このような構成によって、波長掃引された光が発振されて、LD1のARコートされていない端面から出射されて出力光(測定光)となる。すなわち、例えば、反射波長が1550nmのFBG15a及び1555nmのFBG15bに対して1520〜1580nmの波長範囲(測定波長範囲)についてそれぞれの反射波長を測定する場合、図10(a)、(b)に示すように、この測定波長範囲を含んだ1500〜1600nmの波長範囲(掃引波長範囲)の光が、掃引周期1.4ms(714Hz)の駆動信号(掃引信号a)によって正弦波状に波長掃引される。そして、その正弦波状に波長掃引された光が測定光として連続的に出射される。
With such a configuration, the wavelength-swept light is oscillated and emitted from the end surface of the
また、回折格子3の0次光は、エタロン等の光共振器4に入射されて所定の波長の光のみが透過される。そして、その透過光は受光器(PD)5で電気信号bに変換されて処理手段17へ出力される。すなわち、出力光(測定光)の波長掃引に対応して所定の波長間隔、例えば周波数で15GHz間隔の透過光を発生し、受光器5で電気信号bに変換される。この透過光の波長(周波数)は既知である。したがって、その透過光を光電変換して得られた電気信号bと上述の掃引信号aとを用いて、波長可変光源10の発振波長(波長掃引された測定光の波長)を求めることができる。
The 0th-order light of the
なお、図1において、波長可変光源10は、LD1のARコートされている端面から出射された光をコリメートレンズ2によってコリメート光に変換して回折格子3へ入射するようにしたが、LD1とコリメートレンズ2との間に集光レンズとファイバを設け、LD1のARコートされている端面から出射された光を集光レンズで集光してファイバに入射し、ファイバを通った光をコリメートレンズ2によってコリメート光に変換して回折格子3へ入射するようにしてもよい。また、図1において、波長可変光源10は、LD1のARコートされていない端面から出射された光を出力としたが、回折格子3の0次光を光カプラで分岐して出力としてもよい。
In FIG. 1, the wavelength tunable
次に、光サーキュレータ13は、波長可変光源10からの測定光を、ファイバ14a、14bを介して直列に接続されたFBG15a、15bに入射するとともに、FBG15a、15bからそれぞれの反射波長で反射されて戻ってきたその測定光の反射光(反射スペクトル)を受けて受光部16へ出射する。
Next, the optical circulator 13 enters the measurement light from the wavelength tunable
受光部16は、図7(a)に示すように、PINフォトダイオード(PIN−PD)16aと可変増幅器16bによって構成され、FBG15a、15bからの反射光を電気信号cに変換して処理手段17へ出力する。可変増幅器16bの増幅率は、ゲイン制御手段18からの制御信号dによって変化される。また、受光部16は、図7(b)に示すように、供給される逆バイアス電圧に応じて増倍率が変化するアバランシェフォトダイオード(APD)16cと、その逆バイアス電圧を変化可能にAPD16cに供給する可変バイアス回路16dによっても構成される。逆バイアス電圧は、ゲイン制御手段18からの制御信号dによって変化される。
As shown in FIG. 7A, the light receiving unit 16 includes a PIN photodiode (PIN-PD) 16a and a variable amplifier 16b. The light receiving unit 16 converts the reflected light from the FBGs 15a and 15b into an electric signal c and processes the processing unit 17. Output to. The amplification factor of the variable amplifier 16b is changed by the control signal d from the gain control means 18. In addition, as shown in FIG. 7B, the light receiving unit 16 includes an avalanche photodiode (APD) 16c whose multiplication factor changes according to the supplied reverse bias voltage, and the
ゲイン制御手段18は、波長可変光源10からの掃引信号aに基づいて、FBG15a、15bからのそれぞれの反射光が受光部16で受光されるときの受光時間に対し、受光時間の早いときより遅いときの方が受光部16のゲインが大きくなるように、換言すれば、近距離のFBGの反射光に対するゲインよりも遠距離のFBGの反射光に対するゲインの方が大きくなるように、上記可変増幅器16b(図7(a))あるいは可変バイアス回路16d(図7(b))を制御する。そして、そのための制御信号dを受光部16へ出力する。すなわち、[発明が解決しようとする課題]の項で述べた図12(b)、(c)に関係づけると、図12(b)に示すRS1(FBG15aの反射スペクトル)のレベル(約+5dBm)は変えずに、RS2(FBG15bの反射スペクトル)のレベル(約−19dBm)が、図12(c)に示すようなレベル(約−4dBm)となるように、受光部16のゲイン(Gain)を図12(d)に示すように制御する。
Based on the sweep signal a from the wavelength tunable
処理手段17は、受光部16からの電気信号cと、波長可変光源10からの掃引信号a及び電気信号bとに基づいて、FBG15a、15bの反射波長の測定を行う。
The processing means 17 measures the reflected wavelengths of the FBGs 15 a and 15 b based on the electrical signal c from the light receiving unit 16 and the sweep signal a and electrical signal b from the wavelength variable
次に、図1に示した波長可変光源10の一部を構成するMEMSスキャナ60の反射体35及び反射体駆動手段50について詳述する。反射体35は、図5に示すように、横長矩形で互いに平行に配置された一対の固定基板36、37と、この一対の固定基板36、37の長辺側縁部の中央からこの固定基板36、37と直交する方向に所定幅、所定長さで延設され、その長さ方向に沿って捩じれ変形可能な一対の軸部38、39と、横長矩形で一方の長辺側縁部の中央部で軸部38の先端に連結され、他方の長辺側縁部の中央部で軸部39の先端に連結された反射板40とを有している。この反射板40は、捩じれ変形可能な軸部38、39に中心部が支持されているので、この軸部38、39を結ぶ線を中心軸として固定基板36、37に対して回転することができる。また、軸部38、39と反射板40とからなる部分の固有振動数f0は、反射板40自体の形状や質量及び軸部38、39のバネ定数によって決まる。
Next, the
また、反射板40の一面側には、光を反射するための反射面41が形成されている。この反射面41は、反射板40自体を鏡面仕上げして形成したり、反射率の高い膜(図示しない)を蒸着あるいは接着して形成したりしたものであってもよい。なお、この反射体35は、薄い半導体基板からエッチング処理等により一体的に切り出されたもので、金属膜の蒸着加工により高導電性を有している。
A reflective surface 41 for reflecting light is formed on one surface side of the
支持基板45は絶縁性を有する材料からなり、その一面側の上部と下部には、前方へ突出する支持台45a、45bが形成されており、反射体35の固定基板36、37は、この上下の支持台45a、45bに接した状態で固定されている。また、支持基板45の一面側中央部の両端には、反射体35の反射板40の両端にそれぞれ対向する電極板46、47がパターン形成されている。この電極板46、47は、後述する駆動信号発生器55とともに反射体駆動手段50(図1参照)を構成するものであり、反射板40の両端部に静電力を交互にかつ周期的に印加して、反射板40を、軸部38、39を結ぶ線を中心に往復回転運動させる。なお、反射板40の回転軸は回折格子3(図1参照)の回折溝と平行となるように設定されている。このように構成された反射体35は、回折格子3からの回折光を反射板40の反射面41で受けて、その反射光を回折格子3へ入射させて、再度回折させる。
The
一方、反射体駆動手段50(図1参照)の一部を構成する駆動信号発生器55は、例えば図6(a)、(b)に示すように、反射体35の電位を基準として電極板46、47に対して、固有振動数f0に対応した周波数(あるいは固有振動数f0の近傍の振動数に対応した周波数)を有し、位相が180°ずれた駆動信号Da、Dbを印加して、電極板46と反射板40の一端側との間及び電極板47と反射板40の他端側との間に、交互にかつ周期的に静電力(引力)を与え、反射板40を固有振動数f0あるいはその近傍の振動数で所定角度範囲を往復回転させる。また、この駆動信号発生器55は、2つの駆動信号Da、Dbのいずれか一方を掃引信号aとして処理手段17、ゲイン制御手段18(図1参照)及びパルス発生器19(後述の図2参照)に出力する。なお、図6では、2つの駆動信号Da、Dbがデューティ比50%の矩形波の場合を示しているが、両信号のデューティ比は50%以下であってもよく、また、波形も矩形波に限らず、正弦波、三角波等であってもよい。
On the other hand, the
このような反射体35及び反射体駆動手段50によって構成されたMEMSスキャナ60(図1参照)では、反射体35を、一対の固定基板36、37と、その縁部から所定幅で所定長さ延設され、その長さ方向に沿って捩じれ変形可能な軸部38、39と、軸部38、39の先端に自身の縁部で連結され、軸部38、39に対して対称な形状に形成され、一面側に反射面41が形成された反射板40とによって構成するとともに、反射体35の軸部38、39と反射板40とからなる部分の固有振動数f0に対応した周波数の駆動信号によって反射板40に力を与えて、反射板40を固有振動数f0又はその近傍の振動数で往復回転させている。
In the MEMS scanner 60 (see FIG. 1) configured by the
このため、僅かな電気エネルギーで反射板40を高速に往復回転させることができ、しかも、その回転中心が反射板40の内部(この場合、中央部)にあるので、反射板40の反射面41への入射光の反射角の変化量を大きくすることができる。なお、軸部38、39のバネ定数は、軸部38、39の長さ、幅、厚み、材質によって決まり、このバネ定数と、反射板40の形状、厚み、材質等で固有振動数f0が決定され、これらのパラメータを選ぶことにより、固有振動数f0を数100Hz〜数10kHzの範囲内で設定することができる。
For this reason, the
したがって、本発明のFBGセンサシステムの波長可変光源10(図1参照)は、上記のような反射体35及び反射体駆動手段50を用いてMEMSスキャナ60を構成するようにしたので、掃引速度の高速化(最大数10kHz)ができる。
Therefore, since the wavelength tunable light source 10 (see FIG. 1) of the FBG sensor system of the present invention is configured with the
なお、上述の図5の説明では、反射体35を導電性の高い材料で構成していたが、反射体35を導電性の低い材料で構成する場合には、反射板40の反射面41と反対面の両側(全面でもよい)に電極板46、47と対向する電極板をそれぞれ設け、更に固定基板36、37の背面側にも電極板を設け、それらの電極板の間をパターン等によって接続する。そして、支持基板45の支持台45a、45bの表面に、固定基板36、37の背面側の電極板と接触する電極板をパターン形成して、その少なくとも一方を基準電位ラインとして上述した駆動信号発生器55に接続すればよい。
In the description of FIG. 5 described above, the
また、固定基板36、37の一端側同士の間あるいは両端の間を連結して、固定基板をコの字枠あるいは矩形枠状に形成してもよい。また、反射板40の形状も任意であり、上述の横長矩形の他に、円形、楕円形、長円形、菱形、正方形、多角形等であってもよい。また、高速往復回転時の空気抵抗を減らすために、反射板40の内側に大きな穴あるいは多数の小さな穴を設けてもよい。
Further, the fixed substrates may be formed in a U-shaped frame or a rectangular frame shape by connecting one end side or both ends of the fixed
また、上述の図5の説明では、反射体35の反射板40の両端にそれぞれ対向する2つの電極板46、47を設けていたが、一方側の電極板(例えば電極板46)だけによって静電力を印加してもよい。また、駆動方式についても、上述の静電力の他に、電磁力によって反射板40を往復回転させてもよい。この場合、例えば、上述の電極板46、47の代わりにコイルを用い、反射板40の両端部に磁性体あるいはコイルを設け、コイル間あるいはコイルと磁性体との間に発生する磁界による吸引力及び反発力によって、反射板40を往復回転させる。
Further, in the description of FIG. 5 described above, the two
また、上述の静電力や電磁力を反射板40に直接与える方法の他に、超音波振動子等によって上述の固有振動数f0又はその近傍の振動を反射体35全体に加えて、その振動を反射板40に伝達させて往復回転させることも可能である。この場合、振動子を支持基板45の背面側や支持台45a、45bの部分に設けることで、その振動を反射板40に効率的に伝達することができる。
In addition to the method for providing an electrostatic force or an electromagnetic force described above directly on the reflecting
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態のFBGセンサシステムの構成を図2に示す。図1に示した第1実施形態では、所定の波長範囲(上述の測定波長範囲)の光を含んで正弦波状に波長掃引された光を測定光として連続的にFBG15a、15bに入射するようにしたが、第2実施形態では、パルス発生器19から出力されるパルスeで波長可変光源10のLD1の駆動電流をオン/オフすることによって所定の波長範囲の光でなる光パルスを発生し、この光パルスを測定光としてFBG15a、15bに入射するようにした。したがって、主に光パルスの発生について説明する。
[Second Embodiment]
The configuration of the FBG sensor system according to the second embodiment of the present invention is shown in FIG. In the first embodiment shown in FIG. 1, light that has been swept in a sine wave shape including light in a predetermined wavelength range (the above-described measurement wavelength range) is continuously incident on the FBGs 15a and 15b as measurement light. However, in the second embodiment, an optical pulse composed of light in a predetermined wavelength range is generated by turning on / off the drive current of the
パルス発生器19は、波長可変光源10から出力される掃引信号aに基づいて、波長可変光源10で発振される所定の波長範囲の光を測定光としてFBG15a、15bに入射させるための所定の周期のパルスeを発生させる。すなわち、第1実施形態で述べた図10に関係づけて、測定波長範囲を1520〜1580nm、掃引波長範囲を1500〜1600nm、掃引周期を1.4ms(714Hz)とすると、図9(b)に示す太線部分を測定光とするための、幅0.3ms、周期2.8ms(357Hz)のパルスe(図9(c))が掃引信号a(図9(a))に同期して発生される。そして、このパルスeで波長可変光源10のLD1の駆動電流がオン/オフされて、図9(d)に示すような、2.8ms周期で0.3ms間だけ1520から1580nmまで波長掃引されてなる光(すなわち光パルス)が測定光として波長可変光源10から出射される。
Based on the sweep signal a output from the wavelength tunable
測定光として、このような光パルスを用いることによって、ファイバ14a、14b内で発生するレイリー散乱光の影響を低減してファイバ長に起因するS/Nの低下を抑止することができる。その結果、遠距離のFBG15bまでのファイバ長(ファイバ14a、14bの長さ)が例え80kmを越えるような場合であっても、FBG15bの反射光(反射スペクトル)の測定を精度良く行うことができる。
By using such an optical pulse as the measurement light, it is possible to reduce the influence of Rayleigh scattered light generated in the
ここで、第1実施形態のように、測定光として正弦波状に波長掃引された光を連続的にファイバ14a、14bに入射する場合、すなわち連続光を用いる場合より、このような光パルスを用いる場合の方がファイバ14a、14b内で発生するレイリー散乱光の影響を低減できる理由を説明する。なお、以下、理解及び説明を容易にするために、図1、図2において、ファイバ14a、14bに代えてファイバ14(長さL)が、またFBG15a、15bに代えてFBG15(反射波長1550nm)が設けられ、そして受光部16のゲインはゲイン制御手段18からの制御信号dによって制御されていないものとする。
Here, as in the first embodiment, such a light pulse is used as compared with a case where light swept in a sine wave as measurement light is continuously incident on the
前提として、FBG15で反射されて戻ってきた測定光の反射光(反射スペクトル)のノイズフロアは、ファイバ14内で発生されるレイリー散乱光に起因する。レイリー散乱光の強度はファイバ14に入射される測定光の強度に比例する。したがって、FBG15の反射スペクトルのS/Nは、ファイバ14に入射される測定光の強度には依存しない。
As a premise, the noise floor of the reflected light (reflected spectrum) of the measurement light reflected and returned by the
まず、連続光を用いる場合について説明する。上記前提に基づいて、図10(b)に示した測定光が連続的にファイバ14へ入射された場合、FBG15の反射スペクトルのS/Nは、(1)式で与えられる反射スペクトルの強度PF及び(2)式で与えられるレイリー散乱光の強度PRによって、(3)式のように表される。なお、FBG15の反射率は100%としている。
First, the case where continuous light is used will be described. Based on the above assumption, when the measurement light shown in FIG. 10B is continuously incident on the
PF=P0e−2αL (1)
PR=RP0(1−e−2αL)/2 (2)
S/N=PF/PR=2e−2αL/{R(1−e−2αL) } (3)
P F = P 0 e −2αL (1)
P R = RP 0 (1-e −2αL ) / 2 (2)
S / N = P F / P R = 2e -2αL / {R (1-e -2αL)} (3)
ここで、P0はファイバ14に入射される測定光の強度、Lはファイバ長、αはファイバの減衰率、Rはレイリー散乱光の発生率である。通常の光通信用ファイバの場合、α=0.046/km(=0.2dB/km)、R=0.0022となる。
Here, P 0 is the intensity of the measurement light incident on the
(3)式から求められるファイバ長(L)に対するS/Nの計算値と、それに係わる測定値を図11に「連続光使用」として示す。図11から分かるように、S/Nはファイバ長が長いほど低下し、60〜70km程度で0dBとなる。 The calculated value of S / N with respect to the fiber length (L) obtained from the equation (3) and the measured value related thereto are shown as “continuous light use” in FIG. As can be seen from FIG. 11, the S / N decreases as the fiber length increases, and becomes 0 dB at about 60 to 70 km.
次に、光パルスを用いる場合について説明する。図9(d)、(e)に示すように測定光の出射開始時間をTS、出射終了時間をTEとすると、このTS−TE間のパルス状の測定光(光パルスという)が長さLのファイバ14へ入射されたときのレイリー散乱光の強度PRは、(4)式で与えられる。この(4)式から、レイリー散乱光は時間とともに減衰することが分かる。
Next, a case where an optical pulse is used will be described. As shown in FIGS. 9D and 9E, when the emission start time of the measurement light is T S and the emission end time is T E , pulsed measurement light between T S and T E (referred to as an optical pulse). strength P R of the Rayleigh scattered light when incident on the
PR=(RP0/2)[exp{−(αc/n)(t−TE)}
−exp{−(αc/n)(t−TS)}] (4)
P R = (RP 0/2 ) [exp {- (αc / n) (t-T E)}
−exp {− (αc / n) (t−T S )}] (4)
ここで、P0はファイバ14に入射される測定光のTS−TE間の強度、Rはレイリー散乱光の発生率、αはファイバの減衰率、nはファイバの屈折率、cは真空中の光速である。
Here, P 0 is the intensity between T S and T E of the measurement light incident on the
FBG15の反射波長1550nmをλFとし、このλFの波長が測定光として出射される時間をTFとすると、波長λFの測定光が長さLのファイバ14を介してFBG15で反射され、その反射スペクトルが受光部16で検出される時間TDは、(5)式で表される。
The reflection wavelength 1550nm of FBG15 as lambda F, when the time wavelength of the lambda F is emitted as measuring light and T F, the measurement light having a wavelength lambda F is reflected by FBG15 via
TD=TF+2nL/c (5) T D = T F +2 nL / c (5)
ここで、nはファイバの屈折率、cは真空中の光速である。 Here, n is the refractive index of the fiber, and c is the speed of light in vacuum.
そして、受光部16で検出される反射スペクトルの強度PFは(6)式で与えられ、レイリー散乱光の強度PRは、上記(5)式をt=TD=TF+2nL/cとして(4)式に代入することによって(7)式のように求められる。 Then, the intensity P F of the reflection spectrum detected by the light receiving unit 16 is given by equation (6), the intensity P R of the Rayleigh scattered light, the equation (5) as t = T D = T F + 2nL / c By substituting into equation (4), it is obtained as in equation (7).
PF=P0e−2αL (6)
PR=(RP0/2) e−2αL[exp{−(αc/n)( TF−TE)}
−exp{−(αc/n)( TF−TS)}] (7)
P F = P 0 e −2αL (6)
P R = (RP 0/2 ) e -2αL [exp {- (αc / n) (T F -T E)}
-Exp {- (αc / n) (T F -T S)}] (7)
なお、以上の(4)〜(7)式に基づいて、受光部16で検出される反射スペクトルとレイリー散乱光の関係を示すと、図9(e)のようになる。 The relationship between the reflection spectrum detected by the light receiving unit 16 and the Rayleigh scattered light based on the above equations (4) to (7) is as shown in FIG.
したがって、S/Nは(8)式のようになる。この(8)式から、S/Nはファイバ長(L)に依存せず、一定になることが分かる。 Therefore, S / N is as shown in equation (8). From this equation (8), it can be seen that S / N does not depend on the fiber length (L) and is constant.
S/N=PF/PR
=2/[R[exp{−(αc/n)( TF−TE)}
−exp{−(αc/n)( TF−TS)}]] (8)
S / N = P F / P R
= 2 / [R [exp { - (αc / n) (T F -T E)}
−exp {− (αc / n) (T F −T S )}]] (8)
(8)式から求められるS/Nの計算値と、それに係わるファイバ長(L)に対する測定値を図11に「光パルス使用」として示す。この図11から、ファイバ内で発生するレイリー散乱光の影響を低減した結果として、ファイバ長に起因するS/Nの低下を抑止し、ファイバ長が80kmの場合でも20dB以上のS/Nが確保できることが分かる。 The calculated value of S / N obtained from the equation (8) and the measured value for the fiber length (L) related thereto are shown as “use of optical pulse” in FIG. From FIG. 11, as a result of reducing the influence of Rayleigh scattered light generated in the fiber, a decrease in S / N due to the fiber length is suppressed, and an S / N of 20 dB or more is secured even when the fiber length is 80 km. I understand that I can do it.
なお、FBG15(FBG15a、15bを上述した理由で表現)の反射スペクトルの検出において、ファイバ内で発生するレイリー散乱光の影響を低減するためには、掃引信号a(図9(a))の掃引周期及びパルスe(図9(c))の周期を次のように決める必要がある。すなわち、掃引信号aの掃引周期は、測定光としての光パルス(図9(d)のS0)に対するFBG15からの反射光の受光部16での受光時間(図9(e)のTD)がこの光パルスのFBG15への入射の終了(図9(e)のTE)後となるような掃引周期にする。また、パルスeの周期は、測定光としての光パルス(図9(d)のS0)の次の光パルス(図9(d)のS1)のFBG15への入射時間(図9(e)のTS1)が光パルス(図9(d)のS0)に対するFBG15からの反射光の受光部16での受光(図9(e)のTD)後となるような周期にする。
In order to reduce the influence of Rayleigh scattered light generated in the fiber in the detection of the reflection spectrum of the FBG 15 (FBG 15a, 15b is expressed for the reason described above), the sweep of the sweep signal a (FIG. 9 (a)) is performed. It is necessary to determine the period and the period of the pulse e (FIG. 9C) as follows. That is, the sweep period of the sweep signal a light pulse (Fig. 9 (d) S 0) of the light receiving time in the light receiving portion 16 of the reflected light from FBG15 for as measurement light (T D in FIG. 9 (e)) Is set to a sweep period that comes after the end of incidence of this light pulse on the FBG 15 (T E in FIG. 9E). Further, the period of the pulse e is the incident time to the
したがって、このように測定光として光パルスを用いることによってファイバ14a、14b内で発生するレイリー散乱光の影響を低減した第2実施形態の場合、第1実施形態で述べた図12(d)に対応するFBG15a、15bの反射スペクトルの特性は、図12(e)に示すように、FBG15bの反射スペクトル(RS2)のノイズフロアが小さくなる。その結果、遠距離のFBG15bに対しての測定精度が第1実施形態の場合より良くなる。
Therefore, in the case of the second embodiment in which the influence of Rayleigh scattered light generated in the
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態のFBGセンサシステムの構成を図3に示す。図2に示した第2実施形態では、パルス発生器19から出力されるパルスeで波長可変光源10のLD1の駆動電流をオン/オフして測定光としての光パルスを発生するようにしたが、第3実施形態では、波長可変光源10と光サーキュレータ13との間に光スイッチ(光SW)11を備え、この光スイッチ11をパルス発生器19から出力されるパルスeでオン/オフすることによって、波長可変光源10の波長掃引された出力光から測定光としての光パルスを発生するようにした。第2実施形態とは、この点のみ異なり他は同一である。したがって詳細説明は省略する。
[Third Embodiment]
FIG. 3 shows the configuration of the FBG sensor system according to the third embodiment of the present invention. In the second embodiment shown in FIG. 2, the pulse e output from the
[第4実施形態]
本発明の第4実施形態のFBGセンサシステムの構成を図4に示す。図2に示した第2実施形態では、パルス発生器19から出力されるパルスeで波長可変光源10のLD1の駆動電流をオン/オフして測定光としての光パルスを発生するようにしたが、第4実施形態では、波長可変光源10と光サーキュレータ13との間に光増幅器12を備え、この光増幅器12を通る光の増幅をパルス発生器19から出力されるパルスeでオン/オフすることによって、波長可変光源10の波長掃引された出力光から測定光としての光パルスを発生するようにした。第2実施形態とは、この点のみ異なり他は同一である。したがって詳細説明は省略する。
[Fourth Embodiment]
The configuration of the FBG sensor system according to the fourth embodiment of the present invention is shown in FIG. In the second embodiment shown in FIG. 2, the pulse e output from the
なお、上述の第1〜4実施形態では、2つのFBG15a、15bを用いる場合について説明したが、3つの以上のFBGを用いてもよいことは言うまでもない。また、上述の第1〜4実施形態では、高速波長掃引の可能な波長可変光源10として、LD1、回折格子3、MEMSスキャナ60を組み合わせた外部共振器型の光源について説明したが、これに限定されるわけではなく、例えば、LD、単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ、反射ミラーを組み合わせた外部共振器型の光源における、その単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの透過波長を可変するための印加電圧を高速掃引することによって波長掃引を行うようにした光源であってもよい(例えば特開2005−37762号公報参照)。
In the first to fourth embodiments described above, the case where two FBGs 15a and 15b are used has been described. Needless to say, three or more FBGs may be used. In the first to fourth embodiments described above, the external resonator type light source in which the
1・・・半導体レーザ(LD)、2・・・コリメートレンズ、3・・・回折格子、4・・・光共振器、5・・・受光器(PD)、10・・・波長可変光源、11・・・光スイッチ(光SW)、12・・・光増幅器、13・・・光サーキュレータ、14a,14b・・・ファイバ、15a,15b・・・FBG、16,26・・・受光部、16a,26a・・・PIN−PD、16b・・・可変増幅器、16c,26c・・・APD、16d・・・可変バイアス回路、17・・・処理手段、18・・・ゲイン制御手段、19・・・パルス発生器、26b・・・増幅器、26d・・・バイアス回路、35・・・反射体、36,37・・・固定基板、38,39・・・軸部、40・・・反射板、41・・・反射面、45・・・支持基板、45a,45b・・・支持台、46,47・・・電極板、50・・・反射体駆動手段、55・・・駆動信号発生器、60・・・MEMSスキャナ。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記所定の波長範囲の光を含んで所定の掃引周期で波長掃引された光を半導体レーザ(1)で発振し、該光を前記測定光として前記FBGに入射させる波長可変光源(10)と、
前記FBGに入射された前記測定光の該FBGからの反射光を受光して電気信号に変換する受光部(16)と、
前記波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記FBGからの反射光の前記受光部における受光時間に対し該受光時間の早いときより遅いときの方が該受光部のゲインが大きくなるように当該受光部を制御するゲイン制御手段(18)と、
前記受光部から出力される前記電気信号に基づいて前記FBGの反射波長を測定する処理手段(17)とを備えたことを特徴とするFBGセンサシステム。 Light in a predetermined wavelength range is incident as measurement light on the FBG (15a, 15b) provided on the measurement object via the fiber (14a, 14b), and the reflection wavelength of the FBG is measured from the reflected light of the measurement light. In the FBG sensor system,
A wavelength tunable light source (10) that oscillates light that has been swept in a predetermined sweep period and includes light in the predetermined wavelength range by a semiconductor laser (1), and that enters the FBG as the measurement light;
A light receiving unit (16) that receives reflected light from the FBG of the measurement light incident on the FBG and converts it into an electrical signal;
A sweep signal for performing the wavelength sweep output from the wavelength tunable light source is received, and based on the sweep signal, the light reception time of the reflected light from the FBG in the light receiving unit is later than when the light reception time is early Gain control means (18) for controlling the light receiving unit so that the gain of the light receiving unit becomes larger when
An FBG sensor system comprising processing means (17) for measuring a reflection wavelength of the FBG based on the electrical signal output from the light receiving unit.
前記FBGからの反射光を受光するPIN−PD(16a)と、
前記ゲイン制御手段から出力される制御信号に基づいて増幅率が変化し、該PIN−PDからの出力を増幅して前記電気信号を出力する可変増幅器(16b)とを備えたことを特徴とする請求項1に記載のFBGセンサシステム。 The light receiving unit is
PIN-PD (16a) for receiving the reflected light from the FBG;
And a variable amplifier (16b) for changing an amplification factor based on a control signal output from the gain control means and amplifying an output from the PIN-PD to output the electric signal. The FBG sensor system according to claim 1.
供給される逆バイアス電圧に応じて増倍率が変化し、前記FBGからの反射光を受光して前記電気信号を出力するAPD(16c)と、
前記ゲイン制御手段から出力される制御信号に基づいて、前記逆バイアス電圧を変化可能に前記APDに供給する可変バイアス回路(16d)とを備えたことを特徴とする請求項1に記載のFBGセンサシステム。 The light receiving unit is
An APD (16c) that changes the multiplication factor according to the supplied reverse bias voltage, receives the reflected light from the FBG, and outputs the electrical signal;
2. The FBG sensor according to claim 1, further comprising: a variable bias circuit (16 d) that supplies the reverse bias voltage to the APD based on a control signal output from the gain control unit. system.
前記所定の波長範囲の光を含んで所定の掃引周期で波長掃引された光を半導体レーザ(1)で発振させることを可能にさせた波長可変光源(10)と、
該波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記波長可変光源で発振される前記所定の波長範囲の光を前記測定光として前記FBGに入射させるための所定の周期のパルスを発生させるパルス発生器(19)と、
前記FBGに入射された前記測定光の該FBGからの反射光を受光して電気信号に変換する受光部(16)と、
前記波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記FBGからの反射光の前記受光部における受光時間に対し該受光時間の早いときより遅いときの方が該受光部のゲインが大きくなるように当該受光部を制御するゲイン制御手段(18)と、
前記受光部から出力される前記電気信号に基づいて前記FBGの反射波長を測定する処理手段(17)とを備え、
前記パルスで前記波長可変光源の前記半導体レーザの駆動電流をオン/オフさせることによって、前記所定の波長範囲の光でなる光パルスを発生させ、該光パルスを前記測定光として前記FBGに入射させるようにし、かつ、
前記波長可変光源の前記波長掃引を行うための掃引信号の前記所定の掃引周期は、前記測定光としての前記光パルスに対する前記FBGからの反射光の前記受光部での受光時間が該光パルスの該FBGへの入射の終了後となるような掃引周期であり、さらに、
前記パルスの前記所定の周期は、前記測定光としての前記光パルスの次の光パルスの前記FBGへの入射時間が前記光パルスに対する前記FBGからの反射光の前記受光部での受光後となるような周期であることを特徴とするFBGセンサシステム。 Light in a predetermined wavelength range is incident as measurement light on the FBG (15a, 15b) provided on the measurement object via the fiber (14a, 14b), and the reflection wavelength of the FBG is measured from the reflected light of the measurement light. In the FBG sensor system,
A wavelength tunable light source (10) that allows the semiconductor laser (1) to oscillate light that has been swept in a predetermined sweep period and includes light in the predetermined wavelength range;
A sweep signal for performing the wavelength sweep output from the wavelength tunable light source is received, and based on the sweep signal, light in the predetermined wavelength range oscillated by the wavelength tunable light source is used as the measurement light to the FBG. A pulse generator (19) for generating a pulse having a predetermined period for incidence;
A light receiving unit (16) that receives reflected light from the FBG of the measurement light incident on the FBG and converts it into an electrical signal;
A sweep signal for performing the wavelength sweep output from the wavelength tunable light source is received, and based on the sweep signal, the light reception time of the reflected light from the FBG in the light receiving unit is later than when the light reception time is early Gain control means (18) for controlling the light receiving unit so that the gain of the light receiving unit becomes larger when
Processing means (17) for measuring the reflected wavelength of the FBG based on the electrical signal output from the light receiving unit;
By turning on / off the drive current of the semiconductor laser of the wavelength tunable light source with the pulse, an optical pulse composed of light in the predetermined wavelength range is generated, and the optical pulse is incident on the FBG as the measurement light And
The predetermined sweep period of the sweep signal for performing the wavelength sweep of the wavelength tunable light source is such that the light reception time of the reflected light from the FBG with respect to the optical pulse as the measurement light at the light receiving unit A sweep period that is after the end of incidence on the FBG;
The predetermined period of the pulse is an incident time of the optical pulse next to the optical pulse as the measurement light on the FBG after receiving light reflected from the FBG with respect to the optical pulse by the light receiving unit. An FBG sensor system characterized by having such a cycle.
前記所定の波長範囲の光を含んで所定の掃引周期で波長掃引された光を半導体レーザ(1)で発振させる波長可変光源(10)と、
該波長可変光源から出射されて前記FBGに入射される光をオン/オフする光スイッチ(11)と、
前記波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記波長可変光源で発振される前記所定の波長範囲の光を前記測定光として前記FBGに入射させるための所定の周期のパルスを発生させるパルス発生器(19)と、
前記FBGに入射された前記測定光の該FBGからの反射光を受光して電気信号に変換する受光部(16)と、
前記波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記FBGからの反射光の前記受光部における受光時間に対し該受光時間の早いときより遅いときの方が該受光部のゲインが大きくなるように当該受光部を制御するゲイン制御手段(18)と、
前記受光部から出力される前記電気信号に基づいて前記FBGの反射波長を測定する処理手段(17)とを備え、
前記パルスで前記光スイッチをオン/オフさせることによって、前記所定の波長範囲の光でなる光パルスを発生させ、該光パルスを前記測定光として前記FBGに入射させるようにし、かつ、
前記波長可変光源の前記波長掃引を行うための掃引信号の前記所定の掃引周期は、前記測定光としての前記光パルスに対する前記FBGからの反射光の前記受光部での受光時間が該光パルスの該FBGへの入射の終了後となるような掃引周期であり、さらに、
前記パルスの前記所定の周期は、前記測定光としての前記光パルスの次の光パルスの前記FBGへの入射時間が前記光パルスに対する前記FBGからの反射光の前記受光部での受光後となるような周期であることを特徴とするFBGセンサシステム。 Light in a predetermined wavelength range is incident as measurement light on the FBG (15a, 15b) provided on the measurement object via the fiber (14a, 14b), and the reflection wavelength of the FBG is measured from the reflected light of the measurement light. In the FBG sensor system,
A wavelength tunable light source (10) that oscillates light that has been swept in a predetermined sweep period and includes light in the predetermined wavelength range by a semiconductor laser (1);
An optical switch (11) for turning on / off the light emitted from the wavelength tunable light source and incident on the FBG;
A sweep signal for performing the wavelength sweep output from the wavelength tunable light source is received, and based on the sweep signal, light in the predetermined wavelength range oscillated by the wavelength tunable light source is used as the measurement light to the FBG. A pulse generator (19) for generating a pulse having a predetermined period for incidence;
A light receiving unit (16) that receives reflected light from the FBG of the measurement light incident on the FBG and converts it into an electrical signal;
A sweep signal for performing the wavelength sweep output from the wavelength tunable light source is received, and based on the sweep signal, the light reception time of the reflected light from the FBG in the light receiving unit is later than when the light reception time is early Gain control means (18) for controlling the light receiving unit so that the gain of the light receiving unit becomes larger when
Processing means (17) for measuring the reflected wavelength of the FBG based on the electrical signal output from the light receiving unit;
By turning on / off the optical switch with the pulse, to generate an optical pulse composed of light in the predetermined wavelength range, and to make the optical pulse enter the FBG as the measurement light; and
The predetermined sweep period of the sweep signal for performing the wavelength sweep of the wavelength tunable light source is such that the light reception time of the reflected light from the FBG with respect to the optical pulse as the measurement light at the light receiving unit A sweep period that is after the end of incidence on the FBG;
The predetermined period of the pulse is an incident time of the optical pulse next to the optical pulse as the measurement light on the FBG after receiving light reflected from the FBG with respect to the optical pulse by the light receiving unit. An FBG sensor system characterized by having such a cycle.
前記所定の波長範囲の光を含んで所定の掃引周期で波長掃引された光を半導体レーザ(1)で発振させる波長可変光源(10)と、
該波長可変光源から出射されて前記FBGに入射される光の増幅をオン/オフする光増幅器(12)と、
前記波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記波長可変光源で発振される前記所定の波長範囲の光を前記測定光として前記FBGに入射させるための所定の周期のパルスを発生させるパルス発生器(19)と、
前記FBGに入射された前記測定光の該FBGからの反射光を受光して電気信号に変換する受光部(16)と、
前記波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記FBGからの反射光の前記受光部における受光時間に対し該受光時間の早いときより遅いときの方が該受光部のゲインが大きくなるように当該受光部を制御するゲイン制御手段(18)と、
前記受光部から出力される前記電気信号に基づいて前記FBGの反射波長を測定する処理手段(17)とを備え、
前記パルスで前記光増幅器をオン/オフさせることによって、前記所定の波長範囲の光でなる光パルスを発生させ、該光パルスを前記測定光として前記FBGに入射させるようにし、かつ、
前記波長可変光源の前記波長掃引を行うための掃引信号の前記所定の掃引周期は、前記測定光としての前記光パルスに対する前記FBGからの反射光の前記受光部での受光時間が該光パルスの該FBGへの入射の終了後となるような掃引周期であり、さらに、
前記パルスの前記所定の周期は、前記測定光としての前記光パルスの次の光パルスの前記FBGへの入射時間が前記光パルスに対する前記FBGからの反射光の前記受光部での受光後となるような周期であることを特徴とするFBGセンサシステム。 Light in a predetermined wavelength range is incident as measurement light on the FBG (15a, 15b) provided on the measurement object via the fiber (14a, 14b), and the reflection wavelength of the FBG is measured from the reflected light of the measurement light. In the FBG sensor system,
A wavelength tunable light source (10) that oscillates light that has been swept in a predetermined sweep period and includes light in the predetermined wavelength range by a semiconductor laser (1);
An optical amplifier (12) for turning on / off amplification of light emitted from the wavelength tunable light source and incident on the FBG;
A sweep signal for performing the wavelength sweep output from the wavelength tunable light source is received, and based on the sweep signal, light in the predetermined wavelength range oscillated by the wavelength tunable light source is used as the measurement light to the FBG. A pulse generator (19) for generating a pulse having a predetermined period for incidence;
A light receiving unit (16) that receives reflected light from the FBG of the measurement light incident on the FBG and converts it into an electrical signal;
A sweep signal for performing the wavelength sweep output from the wavelength tunable light source is received, and based on the sweep signal, the light reception time of the reflected light from the FBG in the light receiving unit is later than when the light reception time is early Gain control means (18) for controlling the light receiving unit so that the gain of the light receiving unit becomes larger when
Processing means (17) for measuring the reflected wavelength of the FBG based on the electrical signal output from the light receiving unit;
By turning on / off the optical amplifier with the pulse, to generate an optical pulse composed of light in the predetermined wavelength range, and to make the optical pulse enter the FBG as the measurement light; and
The predetermined sweep period of the sweep signal for performing the wavelength sweep of the wavelength tunable light source is such that the light reception time of the reflected light from the FBG with respect to the optical pulse as the measurement light at the light receiving unit A sweep period that is after the end of incidence on the FBG;
The predetermined period of the pulse is an incident time of the optical pulse next to the optical pulse as the measurement light on the FBG after receiving light reflected from the FBG with respect to the optical pulse by the light receiving unit. An FBG sensor system characterized by having such a cycle.
前記FBGからの反射光を受光するPIN−PD(16a)と、
前記ゲイン制御手段から出力される制御信号に基づいて増幅率が変化し、該PIN−PDからの出力を増幅して前記電気信号を出力する可変増幅器(16b)とを備えたことを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載のFBGセンサシステム。 The light receiving unit is
PIN-PD (16a) for receiving the reflected light from the FBG;
And a variable amplifier (16b) for changing an amplification factor based on a control signal output from the gain control means and amplifying an output from the PIN-PD to output the electric signal. The FBG sensor system according to any one of claims 4 to 6.
供給される逆バイアス電圧に応じて増倍率が変化し、前記FBGからの反射光を受光して前記電気信号を出力するAPD(16c)と、
前記ゲイン制御手段から出力される制御信号に基づいて、前記逆バイアス電圧を変化可能に前記APDに供給する可変バイアス回路(16d)とを備えたことを特徴とする請求項4〜6のいずれかに記載のFBGセンサシステム。 The light receiving unit is
An APD (16c) that changes the multiplication factor according to the supplied reverse bias voltage, receives the reflected light from the FBG, and outputs the electrical signal;
7. A variable bias circuit (16d) for supplying the reverse bias voltage to the APD in a variable manner based on a control signal output from the gain control means. The FBG sensor system described in 1.
一方のレーザ光出射端面がARコートされている前記半導体レーザ(1)と、
該半導体レーザのARコートされている端面から出射された光をコリメートするコリメートレンズ(2)と、
該コリメートレンズから出射されたコリメート光を受けて波長に応じた角度で回折させる回折格子(3)と、
反射体(35)と反射体駆動手段(50)とを含んで構成され、前記回折格子から入射される前記コリメート光に対する回折光が、前記反射体の反射面で該回折格子へ反射されて、再び該回折格子で回折され、それによって得られた回折光が前記コリメートレンズを介して前記半導体レーザに入射されるとき、該半導体レーザに入射される回折光が所望の波長の光となるようにするとともに、該所望の波長が前記所定の波長範囲を含んで往復掃引されるように前記反射体の反射面の角度を前記反射体駆動手段により前記所定の掃引周期で繰り返し変化させるMEMSスキャナ(60)とを備えたことを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載のFBGセンサシステム。 The wavelength tunable light source is
The semiconductor laser (1) in which one laser light emitting end face is AR-coated;
A collimating lens (2) for collimating light emitted from the AR-coated end face of the semiconductor laser;
A diffraction grating (3) that receives collimated light emitted from the collimating lens and diffracts the collimated light at an angle corresponding to the wavelength;
A diffracted light for the collimated light incident from the diffraction grating is reflected to the diffraction grating by the reflection surface of the reflector, and includes a reflector (35) and a reflector driving means (50). When diffracted light is again diffracted by the diffraction grating and incident on the semiconductor laser through the collimating lens, the diffracted light incident on the semiconductor laser becomes light of a desired wavelength. In addition, the MEMS scanner (60) that repeatedly changes the angle of the reflecting surface of the reflector by the reflector driving means at the predetermined sweep period so that the desired wavelength is reciprocally swept including the predetermined wavelength range. The FBG sensor system according to claim 1, further comprising:
固定基板(36、37)と、
該固定基板の縁部から所定幅で所定長さ延設され、その長さ方向に沿って捩じれ変形可能な軸部(38、39)と、
該軸部の先端に自身の縁部で連結されて形成され、一面側に前記回折格子からの回折光を反射させるための前記反射面が設けられた反射板(40)とを有しており、かつ、
前記MEMSスキャナの反射体駆動手段は、
前記反射体の軸部と反射板とからなる部分の固有振動数に対応した周波数の駆動信号によって前記反射板に力を与えて、該反射板を前記固有振動数又はそれに近い振動数の前記所定の掃引周期で往復回転させるように構成されていることを特徴とする請求項9に記載のFBGセンサシステム。 The reflector of the MEMS scanner is:
A fixed substrate (36, 37);
Shaft portions (38, 39) that extend from the edge of the fixed substrate with a predetermined width and have a predetermined length and can be twisted and deformed along the length direction;
A reflection plate (40) formed by being connected to the tip of the shaft portion at its edge and provided with the reflection surface for reflecting the diffracted light from the diffraction grating on one surface side; ,And,
The reflector driving means of the MEMS scanner includes:
A force is applied to the reflecting plate by a driving signal having a frequency corresponding to the natural frequency of the portion composed of the shaft portion and the reflecting plate of the reflector, and the reflecting plate is given the predetermined frequency at or near the natural frequency. The FBG sensor system according to claim 9, wherein the FBG sensor system is configured to reciprocate at a sweep cycle of 10.
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