JP2008232878A - 光スペクトルパタンマッチング法による分布型センサシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】2つのリング導波路を1つの光方向性結合器で接続し一方のリング導波路中にブラッググレーティングを内蔵させ他方のリング導波路は光方向性結合器で信号伝送用光ファイバに接続してなるセンサを複数直列に接続し該センサからの反射光を波長可変な櫛型チューナブルフィルタを1入力多チャンネル出力のアレイ導波路格子に導き各チャンネルの波長帯域は各センサのブラッググレーティングの波長帯域に等しく各チャンネル出力それぞれを最大にする前記チューナブルフィルタ制御電圧を測定することにより各センサの温度を充分な信号対雑音比で測定する。
【選択図】 図1
Description
A. D. Kersey, T. A. Berkoff, and W. W. Morey, Multipleded fiber Bragg grating strain-sensor system with a fiber Fabry-Perot wavelength filter, Optics Lett., Vol.18, No.16, PP.1370-1372, 1993 Y. Sano and T. Yoshino, Fast Optical Wavelength Interrogator Employing Arrayed Waveguide Grating for Distributed Fiber Bragg Grating Sensors, J. Lightwave Technol., vol.21, pp.132-139, 2003 S. Suzuki, K. Oda, and Y. Hibino, Integrated-optic Double-Ring Resonators with a Wide Spectral Range of 100 GHz, J. Lightwave Tecnolo., vol.13, no.8, pp.1766-1771, 1995 Y. Sano, T. Hirayama, J. K. Kurihara, T. Goto, K. Taniguchi, J. Nishii, K. Kintaka, and T. Yoshino, Planar Waveguide Bragg Grating Pressure Sensor on a Micro-Machined Silicon Diaphragm, in Proc. of OFS-16, pp.694-696, 2003
最初にセンサに対する課題解決手段を述べる。前記各センサは第一のリング導波路とブラッググレーティングを内蔵した第二のリング導波路を第一の光方向性結合器で結合すると同時に第一のリング導波路を第二の光方向性結合器を介して前記SMFからなる前記光信号伝送ラインに結合させることにより第一のリング共振器を構成し該リング共振器の入射ポートからドロップポートへの透過帯域フィルタ特性が狭帯域特性を持った櫛型フィルタ特性となるように第一のリング導波路のリング長を決定し、該櫛型フィルタ透過特性を第二のリング導波路内のブラッググレーティングの反射帯域幅を第一のリング共振器のFSRよりも広くすることにより該導波路内のブラッググレーティングの反射帯域における前記リング共振器の櫛型フィルタ特性がそのまま該ブラッググレーティングによりセンサのスペクトル特性として光方向性結合器2を経由して波長検波器に入力される。なおセンサを構成するリング共振器のリングの光路長はこのセンサのスペクトル特性が複数の狭帯域な反射線スペクトルからなるように決定される。同時に該導波路内のブラッググレーティングの透過帯域における第一のリング共振器の入射ポートから出射ポートへの透過スペクトルを両リングのコアの光路長を同一にすることにより平坦なスペクトルとし、換言すれば隣接して接続されるセンサを構成するリング共振器への入射スペクトルを平坦なスペクトルとし、かつ前記導波路内のブラッググレーティングの反射帯域をセンサごとに異なるようにし、更に各センサの測定範囲はそれぞれのセンサの該導波路内のブラッググレーティングの帯域幅に等しくしなるように決定される。
次に波長検波器は透過型ファブリペロー干渉計出力を1入力多出力のAWGの入力に接続させ該AWGの複数のチャンネル各々の出力端子に受光素子を接続する。チャンネル数はセンサ数と同じ数であって、各々のセンサと各々のチャンネルを対応させ各チャンネルの波長帯域はセンサの使用温度範囲内で各センサの第二のリング導波路内のブラッググレーティングの反射波長帯域が温度変化により変動する範囲以上の帯域幅を持つAWGとする。透過型ファブリペロー干渉計の櫛型透過スペクトル特性はファブリペロー干渉計を構成する半透鏡間の距離を例えば一方の半透鏡と圧電素子を一体に構成しこの圧電素子に印加する電圧を変化させることにより制御される。AWGの全チャンネルをカバーする波長帯域において前記ファブリペロー干渉計の櫛型透過スペクトル特性と前記圧電素子に印加する電圧との関係はシステム構築前にあらかじめ取得しておく。前記ファブリペロー干渉計からAWGのあるチャンネルを経由して光電変換素子にいたるルートは前述の様に1つのセンサに対応している。ファブリペロー干渉計の透過スペクトルはセンサから反射してくる櫛型狭帯域スペクトルのFWHMとFSRが同一のスペクトルになるようし、両者の差はスペクトルの複数のピークを与える波長が異なるのみになるようにする。従ってこの複数のピークを与える波長を該ファブリペロー干渉計のFSRだけ前記圧電素子の駆動電圧を制御することによりAWGの各々のチャンネル出力はいずれかの電圧で最大値を示す。この時ファブリペロー干渉計の櫛型透過スペクトルの透過率のピークを与える複数の波長とセンサから戻ってくる櫛型反射スペクトルの反射率のピークを与える複数の波長は一致していると考えられる。一方センサの温度によりセンサから戻ってくる櫛型反射スペクトルは変化する。センサの測定範囲はシステム設計の段階でこの櫛型反射スペクトルのFSRより狭い波長範囲とすると該センサの温度とセンサからの櫛型反射スペクトルは一対一で対応する。この関係をあらかじめデータとして記憶しておくことによりAWGの任意のチャンネルの出力の最大値を与える電圧からそのチャンネルに対応するセンサの温度を測定することができる。以上が本発明の課題に対する解決手段である。
2・・・光方向性結合器
3・・・波長検波器
4・・・波長温度変換部
5・・・光電変換素子
6・・・プリアンプ
7・・・マイクロコンピュータ
SMF・・シングルモード光ファイバ
IP・・・リング共振器入射ポート
DP・・・リング共振器ドロップポート
AP・・・リング共振器アドポート
OP・・・リング共振器出射ポート
FBG・・光ファイバブラッググレーティング
WBG・・光導波路ブラッググレーティング
RW1・・リング導波路1
RW2・・リング導波路2
DC1・・光方向性結合器
DC2・・光方向性結合器
AWG・・アレイ導波路格子
Claims (2)
- 広帯域光源からの光を光方向性結合器あるいは光サーキュレータに入射させ該光方向性結合器あるいは該光サーキュレータからの出射光をシングルモード光ファイバから成る光信号伝送ライン経由1個のセンサに導き、あるいは複数のセンサをシングルモード光ファイバを用いて直列に接続した直列回路に導きこれら1個あるいは複数のセンサからの反射光は逆の経路をたどって前記光方向性結合器あるいは前記光サーキュレータ経由波長検波器に導かれ該検波器においてこれらセンサからの反射スペクトルを計測することによりセンサが検出すべき温度を測定する計測システムであって、前記各センサは第一のリング導波路とブラッググレーティングを内蔵した第二のリング導波路を第一の光方向性結合器で結合すると同時に第一のリング導波路を第二の光方向性結合器を介して前記シングルモード光ファイバからなる前記光信号伝送ラインに結合させることにより第一のリング共振器を構成し該リング共振器の入射ポートからドロップポートへの透過帯域フィルタ特性が狭帯域特性を持った櫛型フィルタ特性となるように第一のリング導波路のリング長を決定し、該櫛型フィルタ透過特性を第二のリング導波路内のブラッググレーティングの反射帯域幅を第一のリング共振器のフリースペクトルレンジよりも広くすることにより該導波路内のブラッググレーティングの反射帯域においてはセンサのスペクトルパタンを複数の狭帯域反射スペクトルからなるスペクトルパタン特性とし、同時に該導波路内のブラッググレーティングの透過帯域における第一のリング共振器の入射ポートから出射ポートへの透過スペクトルを両リングのコアの光路長を同一にすることにより平坦なスペクトルとし、換言すれば隣接して接続されるセンサを構成するリング共振器への入射スペクトルを平坦なスペクトルとし、前記導波路内のブラッググレーティングの反射帯域をセンサごとに異なるようにし、更に各センサの測定範囲をそれぞれのセンサの該導波路内のブラッググレーティングの帯域幅以下とし、波長検波器はハーフミラー間の距離を例えば該ハーフミラーのうちの一方を圧電素子と一体に構成し該圧電素子に印加する電圧によりその櫛型透過スペクトルが変化するファブリペロー干渉計のように電圧によりその狭帯域な櫛型帯域通過フィルタ特性の変更が可能な干渉計の入力端を入力端とし対象とする複数のセンサの数と同数のチャンネルを備えこれらの各チャンネルを各センサに対応させ1入力多出力のアレイ導波路格子の入力端に前記干渉計の出力端を接続し該アレイ導波路格子の各チャンネルの出力端に光電変換素子を接続し該光電変換素子の各々の出力を最大にするような圧電素子への印加電圧がそれぞれのセンサからの反射スペクトルパタンすなわち各センサの温度に対応することを利用し該光電変換素子の各々の出力を電子回路から成る信号処理回路に導き該処理回路で各センサそれぞれの温度計測をさせしめることを特徴とした光スペクトルパタンマッチング法に基づく分布型温度計測システム。
- 請求項1において第一のリング導波路の長さをミリメータ程度とすることにより第一のリング共振器をピコメータオーダの狭帯域特性としたことを特徴とする分布型温度計測システム。
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