JP2011149874A - 波長検波型ファイバセンサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化や歪変化等の環境の変化があっても、測定精度を向上させることができる波長検波型ファイバセンサシステムの提供。
【解決手段】ファブリペローエタロンを構成する互いに近接配置された一対のファイバブラッググレーティングＦＢＧからなる測定用センサ素子２Ａと、この測定用センサ素子２Ａの反射帯域中にある1本の透過線スペクトルの中心波長を含む波長帯域を反射波長として有する帯域反射フィルタ２Ｂとを備えて構成した。一対の測定用センサ素子２Ａがファブリペローエタロンを構成することになるため測定用センサ素子から透過される光の透過スペクトルの半値全幅を従来の反射スペクトルの半値全幅より狭くできる。半値全幅を従来のＦＢＧよりも狭くすることによって、測定分解能を向上させることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、温度、歪み、振動、加速度などの物理量の測定を行うための波長変化型光センサを備えた波長検波型ファイバセンサシステムに関する。

光ファイバは、主に通信用として広く利用されているが、計測分野においても広範囲にわたり研究が行われており、様々な光ファイバセンサが実用化されている。
その中でも、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を利用した波長検波型光ファイバセンサ（ＦＢＧセンサ）は、耐電磁ノイズ性に優れ、電気システムのように火花を発生することがないので引火、爆発の危険性が少なく化学プラント、石油プラントなどの計装に適しているという光ファイバセンサに共通する特徴を有し、更に、波長多重伝送（ＷＤＭ)技術により1本の光ファイバ内に複数の光ファイバセンサを配置することにより空間的な分布計測システムを実現できるという優れた特徴を有する。

波長検波型ファイバセンサの従来例として、ＦＢＧセンサの反射中心波長がＦＢＧセンサに印加された歪とともに変化することを利用した歪みセンサが知られている（従来例１；非特許文献１、非特許文献２）。
従来例１は、光ファイバにＦＢＧを描画しセンサが構成されている。このＦＢＧに光源から光を入射させ、所定の波長で反射した反射光長が検波手段で測定される。検波手段では、ＦＢＧの反射スペクトルを検出し、この検出波長に基づいて測定値が求められる。

Alan D.kersy, Mihael A. Davis, Heather j. Patric, Michel LeBlanc, K. P. Koo, C. G．Askins, M. A. Putnam, and E. Joseph Friebele, "Fiber Bragg Sensors,"Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No.8 1997 W.W. Morey, G.Meltz, and W.H.Glenn,"Fiber optic Bragg grating sensors," SPIE Vol.1169, pp.98-106,1989

従来例１では、ＦＢＧセンサの反射スペクトルは狭いものでも１００ｐｍ程度の半値全幅であるため、波長計測再現性が５ｐｍ程度出てしまう。ＦＢＧセンサの波長可変変化幅は２ｎｍ程度であるため、ダイナミックレンジは800（４ｎｍ／５ｐｍ）であり、電気式センサのダイナミックレンジより狭く、測定精度の向上に限界がある。
そして、ＦＢＧセンサの反射スペクトルの半値全幅が狭くても１００ｐｍ程度であるため、歪みの測定分解能は１３０ｎstrain／Hz程度である。つまり、測定分解能は１回のサンプリングあたり、５ｐｍであり、1秒間には約１０００回サンプリングを行うことができるので、1秒間の測定分解能としては、５ｐｍ／１０００^1/2＝０．１６ｐｍとなる。一方、ひずみと波長との関係は約１．２ｐｍ／μstrainなので、１秒間のひずみ測定分解能は、（０．１６ｐｍ／１．２ｐｍ）＝０．１３３μstrain／Hz＝１３０ｎstrain／Hzとなる。そこで、高分解能な計測をする場合、半値全幅の小さなスペクトラムを有するセンサ素子を用いることが望ましい。

従来例１のＦＢＧセンサで半値全幅を小さくしようとする場合、グレーティング長を長くすることが考えられる。例えば、通常のグレーティング長の長さは、ほぼ５ｍｍ〜１０ｍｍであるが、グレーティング長を２０ｍｍ、３０ｍｍと延長することが考えられる。このように、グレーティング長を長くすると、センサ素子自体が大きくなるという不都合を生じるだけでなく、長いセンサ素子に完全に均一の歪分布が加わらないため、歪分布等により、かえって、スペクトラムが広がるという問題が発生する。そのため、グレーティング長を長くするという方法は実用性がない。

本発明の目的は、温度変化や歪変化等の環境の変化があっても、測定精度を向上させることができる波長検波型ファイバセンサシステムを提供することにある。

本発明の波長検波型ファイバセンサシステムは、光源と、この光源から出射される光が入射するとともに被測定部に設置される波長検波型光センサと、この波長検波型光センサから出力される出力光を検出する光検波手段とを備えた波長検波型ファイバセンサシステムであって、前記波長変化型光センサは、ファブリペローエタロンを構成するとともに互いに近接配置された帯域反射フィルタ対の測定用センサ素子と、この測定用センサ素子の透過スペクトル帯域中の１本の線スペクトルを含む波長帯域よりも狭い反射波長帯域を有する帯域反射フィルタとを備えることを特徴とする。

この構成の本発明では、ファブリペローエタロンにより測定用センサ素子を構成するので、センサの透過スペクトルの半値全幅が従来の単一のＦＢＧに比べ狭くなり測定分解能の向上が図れる。
しかも、本発明では、帯域反射フィルタの反射波長領域を、ファブリペローエタロンからなる測定用センサ素子の1本の線の透過スペクトルを含むように構成してあるため、前記帯域反射フィルタの反射スペクトルはファブリペローエタロンからなる測定用センサ素子の1本の線透過スペクトルのみとなる。これにより使用する波長領域の利用効率を向上させることができる。

本発明では、前記帯域反射フィルタ対及び帯域反射フィルタは、それぞれファイバブラッググレーティングから構成される構成が好ましい。
この構成の本発明では、フィルタのコストを抑えることができ、かつ、帯域反射フィルタの反射帯域を動的に変動させることができるようになるために、物理量の測定レンジを拡大できる。

前記ファブリペローエタロンは、前記反射波長帯域中に１本の透過線スペクトルのみが生じるようにするために、反射波長帯域ＢＷはフリースペクトルレンジＦＳＲの倍より狭くなるようにする構成が好ましい。

この構成の本発明では、１本の透過線スペクトルのみが生じるので、波長演算時の測定エラーを回避することができる。

前記帯域反射フィルタ対を構成するファイバブラッググレーティング対は、同一波長スペクトル特性であり、物理的長さが同一であり、かつ、実効長Ｌｅとファイバブラッググレーティング対の格子ピッチΛとの関係がＬｇ＝ｍΛ−２Ｌｅ（ｍは自然数、Ｌｇはファイバブラッググレーティング対間のグレーティングが描画されていない部分の長さ）を満たすようにファイバブラッググレーティングの反射中心波長に透過線スペクトルの波長を一致させる構成が好ましい。
この構成の本発明では、ＦＢＧ対からなるセンサ素子の物理量測定レンジを広くすることができる。

前記帯域反射フィルタを構成するファイバブラッググレーティングの反射中心波長と前記ファブリペローエタロンの透過線スペクトルの波長とを一致させ、かつ、前記ファイバブラッググレーティングの反射帯域を前記ファブリペローエタロンの透過線スペクトルを含み、かつ、フリースペクトルレンジよりも狭くした構成が好ましい。
この構成の本発明では、物理量測定レンジを拡大し、温度等の外乱因子によって帯域反射フィルタの中心波長とファブリペローエタロンの透過線スペクトルの値がずれてしまうことによる測定レンジの低下を防ぐことができる。

前記測定用センサ素子と前記帯域反射フィルタとは同一温度の条件下となるように互いに近接配置される構成が好ましい。
この構成の本発明では、温度が変化して一対の測定用センサ素子の透過スペクトルが短波長側あるいは長波長側にシフトしても、このシフトした透過スペクトルに帯域反射フィルタの反射スペクトルが同じ量だけシフトするので、透過スペクトルを完全に分離することができる。そのため、被測定部の温度が変化しても、測定精度を向上させることができる。

前記測定用センサ素子と前記帯域反射フィルタとは同一応力が加わるようにベースに固定される構成が好ましい。
この構成の本発明では、被測定部の歪みが変化して一対の測定用センサ素子の透過スペクトルが短波長側あるいは長波長側にシフトしても、このシフトした透過スペクトルに帯域反射フィルタの反射スペクトルが同じ量だけシフトするので、透過スペクトルを完全に分離することができる。そのため、被測定部の歪みが変化しても、測定精度を向上させることができる。

前記測定用センサ素子及び帯域反射フィルタが前記ベースに接着剤で接着固定される構成が好ましい。
この構成の本発明では、測定用センサ素子と帯域反射フィルタとが近接配置された状態でベースに接着固定されるので、温度変化や歪変化の環境変化があっても、この環境変化を簡易な構造によって対応することができる。

前記測定用センサ素子のファイバブラッググレーティング以外の部分と前記帯域反射フィルタ以外の部分とが前記ベースに接着剤で接着固定された構成が好ましい。
この構成の本発明では、物理量測定レンジの拡大を図ることができる。

前記測定用センサ素子及び前記帯域反射フィルタを挿通する管を備え、この管の両端と前記測定用センサ素子及び前記帯域反射フィルタとを接着剤で接着固定する構成が好ましい。
この構成の本発明では、測定用センサ素子と帯域反射フィルタとの重要な部分を管で覆うことができるから、外部から力が加わっても、これらのフィルタ等の破損を防止することができる。

前記センサ素子は、それぞれ中心波長が異なる複数の対が直列に接続されている構成が好ましい。
この構成の本発明では、被測定部の異なる位置での物理量変化を正確に測定することができる。

前記センサ素子からの出力光を入力するとともに多チャンネル分波デバイスとしてのアレイ導波路格子と、このアレイ導波路格子で分波された信号に基づいて各センサ素子で検出される物理量に対応した波長を演算する演算回路とを有する光検波手段を備えた構成が好ましい。
この構成の本発明では、複数のセンサ素子から出力される信号に基づいて、演算回路で正確に演算することで、正確な測定を実施することができる。

前記光検波手段は、前記センサ素子から透過された光に基づく信号を受信するとともに予め記憶された信号パターンから前記センサ素子からの検波波長を認識する光スペクトルパターン認識回路を備えた構成が好ましい。
この構成の本発明では、予め記憶された信号パターンから検波波長を認識するので、容易に測定を行うことができる。

前記測定用センサ素子からの出射光が入射する第一のポートと、この第一のポートから入射された光を前記帯域反射フィルタに出射するとともに前記帯域反射フィルタで反射された反射光を入射する第三のポートと、この第三のポートに入射された光を前記光検波手段に出射する第二のポートとを有するサーキュレータを備えた構成が好ましい。
この構成の本発明では、サーキュレータにより信号を一方向にのみ送るようにしたので、システムの誤動作防止を図ることができる。

前記サーキュレータは、複数が測定用センサ素子及び帯域反射フィルタを経由して直列に接続されており、上流側のサーキュレータの第三のポートは下流側のサーキュレータの第一のポートに前記帯域反射フィルタ及び前記測定用センサ素子を経由して連結され、最も下流側のサーキュレータの第二のポートは前記光検波手段に連結されている構成が好ましい。
この構成の本発明では、複数のサーキュレータを用いることで、測定レンジの拡大を図ることができる。

前記ファブリペローエタロンは、シリコンサブストレート上にそれぞれ二酸化ケイ素からなるアンダークラッドとオーバクラッドとにそれぞれ囲まれ、これらのアンダークラッドとオーバクラッドより高屈折率にするための不純物がドープされた二酸化ケイ素を材料とした第一のコアから形成される第一の光導波路に、近接して描画された同一の反射波長帯域をもつ第一の光導波路ブラッググレーティングと第二の光導波路ブラッググレーティングとから構成され、前記帯域反射フィルタは前記シリコンサブストレート上にそれぞれ二酸化ケイ素からなるアンダークラッドとオーバクラッドにそれぞれ囲まれ、これらのアンダークラッドとオーバクラッドより高屈折率にするための不純物がドープされた二酸化ケイ素を材料とした第二のコアから形成される第二の光導波路に光導波路ブラッググレーティングから構成されている構成が好ましい。
この構成の本発明では、センサの量産化を図ることができる。

本発明の第１実施形態にかかる波長検波型ファイバセンサシステムの概略構成図。 第１実施形態の要部の概略構成図。 第１実施形態の異なる例の要部を示す概略構成図。 第１実施形態の異なる例の要部を示す概略構成図。 第１実施形態の要部のセンサ素子のスペクトルを示す図。 第１実施形態の要部のセンサ素子のスペクトルを示す図。 第１実施形態における広帯域光源の出射スペクトル、第三のブラッググレーティング（帯域反射フィルタ）への入射スペクトル、アレイ導波路格子の入射スペクトル及びアレイ導波路格子の透過スペクトルの関係を示す図。 センサ素子の透過スペクトルの実測例を示すグラフ。 本発明の第２実施形態にかかる波長検波型ファイバセンサシステムの概略構成図。 第２実施形態における広帯域光源の出射スペクトル、第三のブラッググレーティングへの入射スペクトル、光サーキュレータからの出射スペクトル及び掃引型ファブリペロー干渉フィルタへの入射スペクトルの関係を示す図。 発信器の出力パルス信号と、同パルス信号を計数する計数カウンタにより駆動されるデジタルアナログ変換器の鋸波状出力電圧と、２値信号波形と、鋸波状出力電圧により駆動される掃引型ファブリペロー干渉フィルタの該鋸波状出力電圧に対応した波長毎の透過率スペクトルとを時系列に示す図である。 本発明の第３実施形態にかかる波長検波型ファイバセンサシステムの概略構成図。 第３実施形態における可変波長レーザの出射スペクトル、第三のブラッググレーティングへの入射スペクトルとセンサ素子からの出射スペクトル及びフォトダイオードへの入射スペクトルとの関係を示す図。 本発明の変形例を示すもので図２に対応する図。

本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１から図８には本発明の第１実施形態が示されている。
図１は第１実施形態にかかる波長検波型ファイバセンサシステムの概略構成図である。
図１において、波長検波型ファイバセンサシステムは、温度、歪、加速度、振動等の物理量の測定を行うものであり、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から入射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた波長検波型光センサ２と、この波長検波型光センサ２から出力された出力光を検出する光検波手段３とを備えた構成である。
広帯域光源１０は従来例と同様の構造であり、所定の波長領域に渡って光ファイバＦに光を入射させる。

波長検波型光センサ２は、複数のセンサ素子２１〜２ｎと、これらのセンサ素子２１〜２ｎにそれぞれ設けられたサーキュレータ６と、このサーキュレータ６に接続されるアドフィルタ７とを備えている。このアドフィルタ７は光通信で汎用的に使用されるものでよく、例えば、Optoplex社のアドドロップフィルタ（型式１００ＧＨｚ ＲＯＡＤＭ あるいは２００ＧＨｚ ＲＯＡＤＭ）を適用することができ、サーキュレータ６から送られた信号を光検波手段３に送る構成である。
ここで、複数のセンサ素子２１〜２ｎのうち、センサ素子２１が広帯域光源１０側に配置され、このセンサ素子２１から光検波手段３側に向けてセンサ素子２２、センサ素子２３、センサ素子２４……センサ素子２n-1、センサ素子２ｎが配置されている。これらのセンサ素子２１〜２ｎは、検出する中心波長λ１〜λｎの波長変動領域がそれぞれ異なるものである。

第１実施形態の要部の概略が図２に示されている。図２（Ａ）は平面を示す概略図、図２（Ｂ）はセンサ素子２１〜２ｎの側面を示す概略図である。
図２において、センサ素子２１〜２ｎは、それぞれ、第一、第二のブラッググレーティングからなる測定用センサ素子２Ａと、この測定用センサ素子２Ａの透過線スペクトルを含み第一、第二のブラッググレーティングの反射波長帯域よりも狭い波長帯域を反射波長領域として有する第三の帯域反射フィルタ２Ｂと、これらの測定用センサ素子２Ａ及び帯域反射フィルタ２Ｂを平面上に配置するベース２Ｃと、このベース２Ｃと測定用センサ素子２Ａ及び帯域反射フィルタ２Ｂとを接着して形成される接着層２Ｄとから構成されるセンサヘッドを備える。ベース２Ｃは図示しない被設置物に固定されている。

接着層２Ｄは測定用センサ素子２Ａ及び帯域反射フィルタ２Ｂの厚さ寸法より厚い寸法を有するものであり、その平面上の大きさはベース２Ｃの大きさよりやや小さい。接着層２Dを構成する材料は適宜設定されるものである。なお、第１実施形態では、センサ素子２１〜２ｎの構造は図２に示されるものに限定されるものではなく、例えば、図３（Ａ）（Ｂ）に示される通り、接着剤２Ｄをセンシングの要となるＦＢＧを除いた光ファイバＦだけに設けた例としてもよく、さらには、図４に示される通り、光ファイバＦの外径より若干大きな内径の、例えば金属からなり空気孔をあけたパイプ２Ｐに第一及び第二のＦＢＧを有する光ファイバＦと帯域反射フィルタとしてのＦＢＧを有する光ファイバＦを挿通して両端を接着剤２Ｄで固定した例でもよい。なお、図４中、符号２Ｈは管内外を連通するための孔である。

測定用センサ素子２Ａは、前述の通り、一対のファイバブラッググレーティングＦＢＧを有するものであり、この一対のファイバブラッググレーティングＦＢＧは、その中心部にファブリペローエタロンを構成するために必要な距離ｄ、例えば100μｍを隔てて形成されている。
両側にそれぞれ形成されるファイバブラッググレーティングＦＢＧは、その反射波長帯域においてミラーの役割を有し、該ＦＢＧの格子間隔は例えば反射中心波長が1550nm、ファイバのコアの実効屈折率が1.451の場合は534.1144nmである。
帯域反射フィルタ２Ｂは光ファイバＦに形成されたファイバブラッググレーティングＦＢＧであって、このＦＢＧは測定用センサ素子２Ａの距離ｄが形成された中心部に近接されている。なお、光ファイバＦへの該ＦＢＧの形成方法は従来と同じである。

測定用センサ素子２Ａと帯域反射フィルタ２Ｂとは同一温度かつ同一応力が加わるようにベース２Ｃに固定されている。具体的には、測定用センサ素子２Ａの中心位置（距離ｄの中間位置）と帯域反射フィルタ２Ｂの中心位置との間隔は狭いほどよい。例えば、ファイバブラッググレーティングが描画された石英光ファイバにプラスチックでコーティングされた直径が200μｍの光ファイバをそれぞれセンサ素子２Ａと帯域反射フィルタ２Ｂに用い、これらの光ファイバＦをプラスチックコーティング部で接して構成する方法を採用することができる。そして、被測定部に固定されたベース２Ｃが歪むことで、測定用センサ素子２Ａと帯域反射フィルタ２Ｂとが同じ応力が加わるように、接着層２Ｄを介して測定用センサ素子２Ａと帯域反射フィルタ２Ｂとがベース２Ｃに強固に固定される。

測定用センサ素子２Ａと帯域反射フィルタ２Ｂとはサーキュレータ６に接続されており、このサーキュレータ６は第一ポート６１、第二ポート６２及び第三ポート６３を有する。広帯域光源１０から出射された光は測定用センサ素子２Ａを通過してサーキュレータ６の第一ポート６１に入射し、この第一ポート６１から入射した光は第三ポート６３から帯域反射フィルタ２Ｂに送られ、この帯域反射フィルタ２Ｂで反射された光は第三ポート６３から第二ポート６２を通って光検波手段３に送られる。なお、図２では、アドフィルタ７の図示が省略されている。また、帯域反射フィルタの反射帯域以外の波長領域の光は当該フィルタを通過後に次のセンサ素子に入射する。例えば、センサ素子２１であれば、センサ素子２２に、センサ素子２２であれば、センサ素子２３に光ファイバＦ経由入射する。

図５にはセンサ素子２１〜２ｎから透過されるスペクトルの概略図が示されている。図５（Ａ）には測定用センサ素子２Ａを透過した光のスペクトルと波長との関係が示されている。一対のファイバブラッググレーティングＦＢＧを有する測定用センサ素子２Ａがファブリペローエタロンを構成するため、図５（Ａ）に示される通り、測定用センサ素子２Ａを透過した透過スペクトルは、１本の線スペクトルを含むことになる。
すなわち、後述する数式（４−４）で示されるファブリペローエタロンを構成するＦＢＧの帯域幅ＢＷと、数式（６−５）で示されるファブリペローエタロンのフリースペクトルレンジＦＳＲとの関係が数式（７）となり、かつ、数式（４−３）で示されるＦＢＧの反射中心波長と、数式（６−４）で示されるファブリペローエタロンのピーク波長を等しくするために、数式（８−１）、すなわち（８−２）が成り立つように設計諸元を設定すれば、ファブリペローエタロンの透過帯域の中央に１本の線スペクトルだけが現れることになる。

図５（Ｂ）には帯域反射フィルタ２Ｂの反射率スペクトルが示されている。帯域反射フィルタ２Ｂから反射率スペクトルは所定の波長領域でピークを生じる。本実施形態では、図５（Ａ）（Ｂ）で示される通り、帯域反射フィルタ２Ｂで反射する波長を測定用センサ素子２Ａの１本の線スペクトルを含む透過スペクトルを含む波長帯域に合わせるようにする。そのため、測定用センサ素子２Ａと帯域反射フィルタ２Ｂとを直列に接続した本実施形態では、測定用センサ素子２Ａを通って帯域反射フィルタ２Ｂで反射された光のスペクトルは、図５（Ｃ）に示される通りとなり、１本の透過スペクトルとして検出される。すなわち、帯域反射フィルタ２Ｂがファイバブラッググレーティングとして、これについても後述する数式（７）、数式（８−２）を満たすようにすれば、ブラッググレーティングから反射される光のスペクトルは１本の透過スペクトルとなる。

ここで、測定用センサ素子２Ａに温度変化や応力変化が生じた場合には、測定用センサ素子２Ａ自体が伸縮し、あるいは測定用センサ素子２Ａを構成するファイバブラッググレーティングＦＢＧのコア部の屈折率が変化することになり、測定用センサ素子２Ａで透過される透過スペクトルの波長が変化する。例えば、図６（Ａ）に示される通り、透過スペクトルの波長が、温度変化や応力変化が生じていない場合の図５（Ａ）に比べ長波長側にシフトする。本実施形態では、測定用センサ素子２Ａと帯域反射フィルタ２Ｂとは同一温度かつ同一応力が加わるようにベース２Ｃに固定されおり、それらを構成する光ファイバＦ及びブラッググレーティングＦＢＧは同一材料で構成されているとすれば、測定用センサ素子２Ａに温度変化や応力変化が生じて測定用センサ素子２Ａの透過線スペクトルの波長が変化しても、測定用センサ素子２Ａと帯域反射フィルタ２Ｂとが同じ温度や応力の条件となるので、帯域反射フィルタ２Ｂで反射されるスペクトルが測定用センサ素子２Ａの透過線スペクトルと同様にシフトする。例えば、図６（Ａ）に示される通り、測定用センサ素子２Ａの１本の線スペクトルを含み透過スペクトルが長波長側に変位する場合では、図６（Ｂ）に示される通り、帯域反射フィルタ２Ｂで反射されるスペクトルも透過スペクトルと同様にシフトする。そのため、測定用センサ素子２Ａと帯域反射フィルタ２Ｂとを直列に接続した本実施形態では、測定用センサ素子２Ａを通って帯域反射フィルタ２Ｂで反射された光のスペクトルは図６（Ｃ）に示される通りとなり、測定用センサ素子２Ａの透過スペクトルがシフトしても、その線スペクトルの中心波長を検出することができる。

以上のことは後述する数式を使って説明できる。
数式（６−４）で示されるファブリペローエタロンの中心波長の温度Ｔあるいは歪εが変化した場合、それにより生ずる中心波長の変化Δλ_ｅは数式（９）から求められ、同様に、ファブリペローエタロンを構成するＦＢＧの中心波長の変化Δλ_beは数式（１０−１）から求められ、ここで、数式（８−１）を考慮すれば、数式（１０−２）を得ることができる。これは温度あるいは歪が変化しても常にエタロンの透過帯域の中心に線スペクトルが位置することを意味している。
同様に帯域反射フィルタ２Ｂを光ファイバブラッググレーティングとしてこれについても数式（７）、数式（８−２）を満たすようにすれば、ファイバブラッググレーティングＦＢＧから反射される光のスペクトルは温度変化、歪変化に関係なく常に１本の線スペクトルであって、かつ、その波長はファイバファブリペローエタロンの透過波長に一致する。

図１において、光検波手段３は、センサ素子２１〜２ｎからの出力光を入力するとともに波長帯域毎に分波するアレイ導波路格子としてのＡＷＧ３１と、このＡＷＧ３１で分波された信号に基づいて各センサ素子２１〜２ｎで検出される波長を演算する演算回路３２とを備えている。
アレイ導波路格子３１は、分波される出力光の波長に対応して複数のチャンネルＣＨ１〜ＣＨｎを備えている。

演算回路３２は、各チャンネルＣＨ１〜ＣＨｎに対向して配置されたフォトダイオード３Ｆ１〜３Ｆｎと、これらのフォトダイオード３Ｆ１〜３Ｆｎにそれぞれ接続されたプリアンプ３Ａ１〜３Ａｎと、プリアンプ３Ａ１〜３Ａｎから出力された信号に基づいて演算する演算処理部３２Ｃとを備えている。
演算処理部３２Ｃは、プリアンプ３Ａ１〜３Ａｎから出力されたアナログ信号を受信するアナログデジタル変換回路３Ｂ１〜３Ｂｎと、これらのアナログデジタル変換回路３Ｂ１〜３Ｂｎから出力されるデジタル信号を入力信号とする比演算部３Ｃ１〜３Ｃｍと、これらの比演算部３Ｃ１〜３Ｃｍからの信号に基づいて演算するＣＰＵ３０とを備えて構成されている。
比演算部３Ｃ１はアナログデジタル変換回路３Ｂ１とアナログデジタル変換回路３Ｂ２との信号が入力されるものであり、比演算部３Ｃ２はアナログデジタル変換回路３Ｂ３とアナログデジタル変換回路３Ｂ４との信号が入力されるものであり、比演算部３Ｃｍはアナログデジタル変換回路３Ｂn-1とアナログデジタル変換回路３Ｂｎとの信号が入力されるものである。
ここで、センサ素子２１〜２ｎの各々に対して実施される比演算は実際には比の対数をとった値を数式（１）で示されるＷによって表される。なお、センサ素子の出力Ｗの算出方法については特許第3760649号公報に開示されている。

上記の数式（１）において、Ｉ₁，Ｉ₂は、フォトダイオード３Ｆ１〜３Ｆｎのうち隣り合うもの、例えば、フォトダイオード３Ｆ１，３Ｆ２による光電流であり、Ｓ₁（λ），Ｓ₂（λ）は、これら各々のフォトダイオードに光を供給するＡＷＧ３１のチャンネルＣＨ１、ＣＨ２の各波長における透過率と当該波長におけるセンサの光透過率の積を示し、φ（λ）は光源１０の波長依存強度分布であり、Δλはフォトダイオードへの入射光波長のバンド幅である。ある１つのセンサの中心波長は該センサの波長を検波するために使われるアレイ導波路格子の２つのチャンネルの中心波長間で対象とする測定すべき物理量とともにシフトするようにシステム設計される。
そして、センサからの光の波長が所定の範囲内であれば、照射光の波長ごとに、log（Ｉ₁／Ｉ₂）がほぼ一定になり、そのときの光波長は数式（２）で示される。

本実施形態では、前述した数式（１）、数式（２）で示される式による波長測定原理を所定の波長範囲（ＡＷＧ３１の隣接する２つのチャンネル間隔で例えば３ｎｍ以下の範囲）に適用する。このＡＷＧ３１は、論文「Takahashi, et.al, ”Wavelength Multiplexer Based on SiO₂-Ta₂O₅Arrayed-Waveguide Grating,” Journal of Lightwave Technology Vol.12, No.6, 1994」等に詳細が記載されている。
センサ素子２１〜２ｎに対し、それぞれ重複しないように出力光波長範囲を割り当てておき（一例として、センサ素子２１には１５００〜１５０３ｎｍ、センサ素子２２には１５１２〜１５１５ｎｍ、センサ素子２３には１５２４〜１５２７ｎｍ、……等）、これらのセンサ素子２１〜２ｎからの出力光をＡＷＧ３１に入力することにより、これら複数のセンサ素子の中心波長はセンサごとにＡＷＧの複数のチャンネルに分離・出力される。
ＡＷＧ３１の互いに隣接する２つのチャンネルからの光を、フォトダイオード３Ｆ１〜３Ｆｎを入射させることにより、上述の各センサの波長測定範囲について前述した数式（１）及び数式（２）で示される数式を適用し、各センサの波長が高分解能で測定される。

広帯域光源１０から出射した光の各センサ素子２１〜２ｎからの出力光（透過帯域における線スペクトルの中心波長をλ１〜λｎ）を、ＡＷＧ３１に入力する。そして、ＡＷＧ３１の隣接する２つのチャンネルＣＨ１，ＣＨ２（ＣＨ３，ＣＨ４，…ＣＨn-1，ＣＨｎ）のフォトダイオード３Ｆ１，３Ｆ２（３Ｆ３，３Ｆ４，…３Ｆn-1，３Ｆｎ）の光電流を比演算部３Ｃ１〜３Ｃｍに入力し、その出力をＣＰＵ３０に入力して数式（２）で示される式の演算を行うことにより、各センサ素子２１〜２ｎの位置における温度等の物理量に対応する波長が高分解能で検出可能とされている。

図７は、広帯域光源１０の出射光、ＡＷＧ３１の入射光及びＡＷＧ３１の透過スペクトルの関係を示す図である。
図７（Ａ）において、広帯域光源１０から光が出射されると、この光がセンサ素子２１の測定用センサ素子２Ａを透過する。この透過した光のスペクトルが図７（Ｂ）に示される。測定用センサ素子２Ａを透過した光はサーキュレータ６の第一ポート６１に入射される。その後、サーキュレータ６の第三ポート６３から帯域反射フィルタ２Ｂに送られ、この帯域反射フィルタ２Ｂで反射した光は再度、第三ポート６３に戻り、その後、第二ポート６２から光検波手段３のＡＷＧ３１に送られる。図７（Ｃ）は第二ポート６２から出射された光のスペクトルである。

一方、広帯域光源１０から照射される光のセンサ素子２２内にある帯域反射フィルタ２Ｂへの入射スペクトルを図７（Ｄ）に示す。図７（Ｅ）はセンサ素子２２からサーキュレータ６を介して出射された光のスペクトルである。
以上の工程がセンサ素子２１、センサ素子２２、センサ素子２３、……、センサ素子２n-1、及びセンサ素子２ｎについて行われ、これらのセンサ素子２１〜２ｎのセンサとしての信号の線スペクトルは図１に示されるアドフィルタ７で加算され、ＡＷＧ３１に入射される。ＡＷＧ３１に入射される光が図７（Ｆ）に示される。

ＡＷＧ３１では、センサ素子２１、センサ素子２２、センサ素子２３、……、センサ素子２n-1、センサ素子２ｎからＡＷＧ３１側に向かってそれぞれ透過する光に対応して、チャンネルＣＨ１とチャンネルＣＨ２、チャンネルＣＨ３とチャンネルＣＨ４、……、チャンネルＣＨn-1とチャンネルＣＨｎから透過スペクトルが出力される。本実施形態では、前述の通り、隣り合うチャンネルＣＨ１とＣＨ２（ＣＨ２とＣＨ３，…ＣＨn-1とＣＨｎ）の出射光量の比演算で対応する各センサ素子の波長が計測される。

なお、本実施形態における光検波手段３の動作は特許第3760649号公報、「プラント制御のためのFBG多重センサの小型・高速波長検波法（第32回光波センシング技術研究会講演論文集, pp161-168,2003年12月）」、論文「Y.Sano and T.Yoshino, ”Fast Optical Wavelength Interrogator Employing Arrayed Waveguide Grating for Distributed Fiber Bragg Grating Sensors,” . Journal of Lightwave Technology Vol.21, pp.132-139, January 2003.」、論文「Y.Sano and T.Yoshino, ”Effect of Light Source Spectral Modulation on Wavelength Interrogation in Fiber Bragg Grating Sensors and Its Reduction,” IEEE Sensors Journal, Vol.3, pp.44-49, February 2003.」に記載の技術による。

ここで、本実施形態において、センサ素子２１〜２ｎから出力される光の透過スペクトルの半値全幅を従来の反射スペクトルの半値全幅より小さくできることを、数式を用いて説明する。ＦＢＧの反射率Ｒは、モード結合方程式を解くことにより求められ、次の数式（３）で表すことができる。

ただし、ＦＢＧのグレーティング描画により発生する屈折率変調された実効屈折率の平均値はＦＢＧが描画されていない個所のコアの実効屈折率に等しいとすれば、次の数式（４−１）から数式（４−３）がなりたつ。ＦＢＧのピークを与える波長からみて初めて反射率がゼロになる長波長側の波長と短波長側の波長との差で示される帯域幅ＢＷを数式（４−４）から求めることができる。なお、数式（４−１）から数式（４−４）において、ｎ_eはＦＢＧの実効屈折率、Δｎ_eはＦＢＧの屈折率変調の振幅、Λは格子のピッチ、λは波長、λ_ＢはＦＢＧの反射中心波長、Ｌ_ｂはＦＢＧの物理的な長さである。

一方、センサ素子２１〜２ｎの透過率Ｔは、このセンサ素子がファブリペロー干渉計を構成するものであることから、両ＦＢＧは同一特性、寸法であるとして、数式（３）を使って数式（５）で示される。センサ素子の透過率Ｔは論文「Yuri O. Barmenkov, et.al, ”Effective length of short Fabry-Perot cavity formed by uniform fiber Bragg gratings,” Optics Express, Vol. 14, No.14, pp.6394-6399」にも開示されている。

ただし、Ｌｇは、隣り合うＦＢＧの格子の描画されていない部分の実際の長さであり、Ｌ_ｅは、ＦＢＧの反射光の入射光に対する位相遅れにより生ずる実効長さであって、数式（６−１）から求められる。さらに、ＦＢＧの反射率Ｒの最大値Ｒmaxは数式（６−２）から求められる。そのため、実効長Ｌ_ｅは数式（６−３）から求められる。さらに、透過率Ｔの最大値を与える波長λはｍを自然数として数式（６−４）から求められる。この数式（６−４）を使ってフリースペクトルレンジＦＳＲは数式（６−５）から求めることができる。

数式(５)を用いてパラメータを適当に設定し計算をすることで、ファブリペロー構成されたセンサ素子２１〜２ｎの透過スペクトルＴを求めることができる。
例えば、ＦＢＧの長さＬ_ｂを2.08000ｍｍ、ＦＢＧの屈折率変化量Δｎを0.0006、格子ピッチΛを537nm、ＦＢＧ間の格子の描画されていない部分の実際の長さＬ_ｇを90.000μm、FBGの実効屈折率ｎ_ｅを1.4493とすると、ファブリペロー構成されたセンサ素子の反射波長帯域は850ｐｍであり、その帯域内の透過スペクトルの半値全幅は10ｐｍ、その中心波長は1556.476nmである。
数式（４−４）で示されるファブリペローエタロンを構成するＦＢＧの帯域幅ＢＷと数式（６−５）で示されるファブリペローエタロンのフリースペクトルレンジＦＳＲとの関係を数式（７）で示す。数式（４−３）で示されるＦＢＧの反射中心波長λ_Ｂと、数式（６−４）で示されるファブリペローエタロンのピーク波長Ｌｇのいずれか１つが等しくなるように、すなわち数式（８−２）が成り立つようにする。

数式（７）及び数式（８−２）が同時に成り立つように設計諸元を設定すればファブリペローエタロンの透過帯域の中央に１本の線スペクトルだけが現れることになる。さらに、センサ素子の透過スペクトルがシフトしても、その線スペクトルの中心波長を検出することができる。
この理由を数式を使って次に説明する。数式（６−４）で示されるファブリペローエタロンの中心波長の温度Ｔあるいは歪εが変化した場合、それにより生ずる中心波長の変化Δλ_ｅは数式（９）で求められる。

同様に、ファブリペローエタロンを構成するＦＢＧの中心波長の変化Δλ_ｂｅは数式（１０−１）で求められる。
ここで、数式（８−１）を考慮すれば、数式（１０−２）を得ることができる。

以上のことから、センサ素子２１〜２ｎから透過される光の透過スペクトルの半値全幅を従来の反射スペクトルの半値全幅より小さくできることを理論式により示すことができる。しかも、さらに温度あるいは歪が変化しても、理論的に常にエタロンの透過帯域の中心波長に線スペクトルの中心波長が位置することを意味している。

従って、第１実施形態では次の作用効果を奏することができる。
（１）波長検波型光センサ２は、ファブリペローエタロンを構成する互いに近接配置された一対のファイバブラッググレーティングＦＢＧからなる測定用センサ素子２Ａと、この測定用センサ素子２Ａの反射帯域中にある1本の透過線スペクトルの中心波長を含む波長帯域を反射波長として有する帯域反射フィルタ２Ｂとを備えて構成した。一対の測定用センサ素子２Ａがファブリペローエタロンを構成することになるため測定用センサ素子から透過される光の透過スペクトルの半値全幅を従来の反射スペクトルの半値全幅より狭くできる。半値全幅を従来のＦＢＧよりも狭くすることによって、測定分解能を向上させることができる。実際に製作した本実施形態の測定用センサ素子の半値全幅は数pmであり従来のFBGの１０倍以上狭く、そのため、例えば、一定の歪みの下で、所定時間ごとに複数回中心波長を測定し、その中心波長のデータを記録したところ、従来のセンサ素子と比較して、感度すなわち測定分解能を５倍程度高めることは容易に可能となった。図８はセンサ素子２Ａの透過スペクトルの実測例である。図８に示される通り、１５４６ｎｍあたりの波長がその前後の波長領域に比べて透過率が高く、その結果、センサ素子の感度が高いことがわかる。
しかも、帯域反射フィルタ２Ｂは、測定用センサ素子２Ａの反射帯域中にある透過線スペクトルの中心波長を含む波長帯域を反射波長として有する構成であるため、温度や歪による、一対の測定用センサ素子２Ａの透過スペクトルのシフト量と帯域反射フィルタ２Ｂの反射スペクトルのシフト量が同一になることにより、1本の透過線スペクトルを分離検出することができる。そのため、温度変化や歪変化等にかかわらず波長測定精度を維持できる。

（２）測定用センサ素子２Ａと帯域反射フィルタ２Ｂとを同一温度の条件下となるように互いに近接配置した。被測定部において、温度が変化すると、一対の測定用センサ素子２Ａの透過スペクトルが短波長側あるいは長波長側にシフトすることになるが、本実施形態では、シフトした透過スペクトルに測定用センサ素子２Ａと同じ温度条件下にある帯域反射フィルタ２Ｂの反射スペクトルのシフト量が同一となり、透過スペクトルを確実に検出することができる。そのため被測定部の温度変化により使用する波長領域の利用効率が狭くなることはなく波長領域の利用効率を向上させることができる。

（３）測定用センサ素子２Ａと帯域反射フィルタ２Ｂとを同一応力が加わるようにベース２Ｃに固定した。被測定部の歪みが変化すると、ベース２Ｃを介して測定用センサ素子２Ａと帯域反射フィルタ２Ｂとに応力が伝達され、一対の測定用センサ素子２Ａの透過スペクトルが短波長側あるいは長波長側にシフトすることになる。本実施形態ではシフトした透過スペクトルに、測定用センサ素子２Ａと同じ応力下にある帯域反射フィルタ２Ｂの反射スペクトルの波長シフト量が同一になることにより、透過スペクトルを確実に検出することができる。そのため被測定部の温度変化により使用する波長領域の利用効率が狭くなることはなく波長領域の利用効率を向上させることができる。

（４）測定用センサ素子２Ａと帯域反射フィルタ２Ｂとが近接配置された状態でベース２Ｃに接着固定されるので、被測定部において、温度や歪の変化があっても、透過スペクトルを確実に検出することができる。そのため被測定部の温度や歪みの変化があっても使用する波長領域の利用効率が狭くなることはなく波長領域の利用効率を向上させることができる。

（５）センサ素子２１〜２ｎは、それぞれセンシング波長λ１〜λｎの変化波長領域が異なるから、被測定部の物理量変化を正確に測定することができる。
（６）光検波手段３は、センサ素子２１〜２ｎからの出力光を各チャンネルの波長領域毎に分波するアレイ導波路格子であるＡＷＧ３１と、このＡＷＧ３１で分波された信号に基づいて各センサ素子２１〜２ｎで検出される波長を演算する演算回路３２とを備えており、ＡＷＧ３１のチャンネル毎に分波される波長範囲は狭帯域化が可能であるため、多くのチャンネル数を確保でき、これにより多数のセンサの物理量を計測することができる。

次に、本発明の第２実施形態を図９から図１１に基づいて説明する。
第２実施形態は第１実施形態とは光検波手段の構成が異なるもので、他の構成は第１実施形態と同じである。
第２実施形態の１つの構成要素は掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１である。論文「Alan D.kersy, Mihael A. Davis, Heather j. Patric, Michel LeBlanc, K. P. Koo, C. G．Askins, M. A. Putnam, and E. Joseph Friebele, “Fiber Bragg Sensors,”Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No.8 1997」にはファブリペロー干渉フィルタを用いてＦＢＧセンサからの波長検波を行う方法が示されているが、本実施形態の特徴である「ファブリペローエタロンを構成するＦＢＧ対からなるセンサに対して掃引型ファブリペロー干渉フィルタを用いてセンサ素子の中心波長を求める方法」は前述の論文には何ら記載されていない。
第２実施形態は第１実施形態とは波長検波手段の構成が異なるもので、他の構成は第１実施形態と同じである。
図９は第２実施形態にかかる波長検波型ファイバセンサシステムの概略構成図である。
図９において、波長検波型ファイバセンサシステムは、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から出射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた波長検波型光センサ２と、この波長検波型光センサ２から出力された出力光を検波する光検波手段４とを備えた構成である。

光検波手段４は、センサ素子２１〜２ｎから透過された光を入力する掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１と、この掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の出力ＣＨに対向して配置されたフォトダイオード４Ｆと、このフォトダイオード４Ｆに接続されたプリアンプ４Ａと、プリアンプ４Ａから出力されたアナログ信号を２値信号に変換する２値化回路４Ｂと、この時系列の２値信号を受信する光スペクトルパターン認識回路４２と、掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１を駆動するピエゾ素子ＰＺＴと、ピエゾ素子ＰＺＴを駆動するために発信器４４からのパルス信号を受けてパルス数を計数する計数カウンタ４３と、この計数カウンタ４３の出力を受け当該計数値に対応したアナログ電圧を出力するデジタルアナログ変換器４５とを備えて構成される。
光スペクトルパターン認識回路４２は発信器４４からのパルス信号と、２値化回路４Ｂからの２値信号を受信する。２値信号は時系列信号であってそのタイミングは発信器４４からのパルス信号で規定される。

図１０は第２実施形態における広帯域光源の出射光スペクトルと掃引型ファブリペロー干渉フィルタへの入射光スペクトルの関係を示す図である。
図１０（Ａ）に示される光のスペクトルが広帯域光源１０から入射されると、この光がセンサ素子２１、センサ素子２２、センサ素子２３、……、センサ素子２n-1、センサ素子２ｎを透過した後、掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１に入射される。掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１に入射される光はセンサ素子２１〜２ｎから出射される光であり、図１０（Ｆ）に示される通り、図７（Ｆ）と同様なスペクトルとなる。
なお、同図において（Ｂ）はセンサ素子２１の測定用センサ２Ａを通過した光のスペクトル、（Ｃ）はセンサ素子２１の測定用センサ２Ａを通過した光がサーキュレータ６を経て帯域反射フィルタ２ＢのＦＢＧで反射されサーキュレータ６を経てアドフィルタ７に入射する光のスペクトル、（Ｄ）はセンサ素子２２の測定用センサ２Ａを通過した光がサーキュレータ６を経て帯域反射フィルタ２ＢのＦＢＧで反射されサーキュレータ６を経てアドフィルタ７に入射する光のスペクトル、（Ｅ）はセンサ素子２２の測定用センサ２Ａを通過した光がサーキュレータ６を経て帯域反射フィルタ２ＢのＦＢＧで反射されサーキュレータ６を経てアドフィルタ７に入射する光のスペクトルである。
図１１は発信器４４の出力パルス信号を(Ａ)に示し同パルス信号を計数する計数カウンタ４３により駆動されるデジタルアナログ変換器４５の鋸波状出力電圧（Ｂ）、２値信号波形（Ｄ）、それに該鋸波状出力電圧により駆動される掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の該鋸波状出力電圧に対応した波長ごとの透過率スペクトル（Ｃ1）,(Ｃ２)、・・・・・（ＣＮ）を模式的に時系列に示したものである。例えば、掃引型ファブリペロー干渉フィルタの中心波長を０．１ｐｍずつのステップで短波長から長波長側に掃引した場合、掃引開始波長を１５５０．００００nｍとすると、（Ｃ１）は１５５０．００００nｍ、（Ｃ２）は１５５０．０００１nｍ、（Ｃ３）は１５５０．０００２nｍとなる。

つまり、光スペクトルパターン認識回路４２では、センサ素子２１〜２ｎから透過された光が掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１に入力されると、ピエゾ素子ＰＺＴに入力されるデジタルアナログ変換器４５の鋸波状出力電圧と掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の通過中心波長が発信器４４によってリンクしているので、センサ素子２１〜２ｎの中心波長は鋸波出力電圧を観測することで分かる。
例えば、掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の中心波長が短波長から長波長に変化した際、前記２値信号波形が「0,0,0・・・・0,1,0,0,0,0」となる信号波形パターンにより「１」となった波長を図１１（Ｂ）で示される鋸波出力電圧から判定する。この判定された波長がセンサ素子２１〜２ｎの中心波長である。
これに対して、例えば「0,・・・・0,0,0,1,1,1,1,0,0,0」となるような信号波形パターンは、センサ素子２１〜２ｎの中心波長ではないと判定する。即ち、「１」が所定の回数以下の場合がセンサ素子２１〜２ｎからの信号スペクトルと判定し、「１」を与える波長をセンサ素子２１〜２ｎの中心波長と判定する。この所定の回数が１回の場合は波長が具体的に決定されるが、この所定の回数Nが２以上、例えば３の場合はこれら３個の波長の平均値を測定波長とする。
なお、光スペクトルパターン認識回路４２は１の両脇に0がいくつか存在するパターンを抽出し、その１に相当する波長を、前記鋸波出力電圧をベースに決定するものであるが、一般に使用されているマイクロコンピュータを用いればこれを実現できる。さらに、計数カウンタ４５の計数値がそのカウンタの最高計数値の場合は、ピエゾ素子ＰＺＴにより掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の透過帯域は最も長波長側（短波長側）に設定され、次のカウンタ４５への入力パルス信号で計数カウンタはイニシャル状態になりピエゾ素子ＰＺＴにより掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の透過帯域は最も短波長側（長波長側）に設定されるようになっている。

第２実施形態では、第１実施形態の（１）〜（５）と同様の効果を奏することができる他、次の作用効果を奏することができる。
（７）光波長検波手段４は、センサ素子２１〜２ｎから透過された光を入力する掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１と、この掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１の出力チャンネルＣＨに対向して配置されたフォトダイオード４Ｆと、このフォトダイオード４Ｆに接続されたプリアンプ４Ａと、プリアンプ４Ａから出力された２値化回路４Ｂと、この２値化回路４Ｂから出力される２値信号を受信する光スペクトルパターン認識回路４２と、掃引型ファブリペロー干渉フィルタ４１駆動のためのピエゾ素子ＰＺＴと、発信器４４からのパルス数を計数する計数カウンタ４３と同カウンタの出力を受けてピエゾ素子ＰＺＴを駆動するための鋸波電圧発生用デジタルアナログ変換器４５とを備えて構成されている。そして光スペクトルパターン認識回路４２は発信器４４の出力パルス信号と前記２値信号を受信し、予め記憶された信号パターンから各センサ素子２１〜２ｎからの中心波長を認識する構成である。各センサ素子２１〜２ｎのスペクトルの中心波長は「0,0,0,・・・0,0,1,0,0,0,・・・」というような信号のデータ処理により抽出されるので、ＡＷＧ３１により測定範囲が決まる第１実施形態に比べ、測定範囲は格段に広くなるという効果を奏することができる。ただし第一実施形態は掃引がないから掃引時間が不要なため第2実施形態よりもシステムは高速応答性を有する特徴がある。

次に、本発明の第３実施形態を図１２及び図１３に基づいて説明する。
第３実施形態は第１実施形態とは光源及び光検出手段の構成が異なるもので、他の構成は第１実施形態と同じである。
図１２は、第３実施形態にかかる波長検波型ファイバセンサシステムの概略構成図である。
同図において、波長検波型ファイバセンサシステムは、光源としての可変波長レーザ１１と、この可変波長レーザ１１から入射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた波長検波型光センサ２と、この波長検波型光センサ２から出力された出力光を検出する光検波手段５とを備えた構成である。

光検波手段５は、センサ素子２１〜２ｎから透過された光を入力するフォトダイオード５Ｆと、このフォトダイオード５Ｆに接続されたプリアンプ５Ａと、プリアンプ５Ａから出力されたアナログ信号をデジタルの２値信号に変換する２値化回路５Ｂと、この２値化回路５Ｂから出力されるデジタル信号を受信する光スペクトルパターン認識回路５２と、この光スペクトルパターン認識回路５２と可変波長レーザ１１とにパルス信号を送る発信器５４とを備えている。
可変波長レーザ１１は、内部に図示しない計数カウンタを有し、入力されたパルス数に対応したレーザ光を出射するようになっており、計数カウンタがそのカウンタの最高計数値のときに該レーザの発振波長が可変範囲で最も長波長になるように設定され、次のパルスが入力されるとカウンタ計数値はゼロに戻りは出射される波長はその可変範囲で最も短波長になる。可変波長レーザ１１は、さらにパルスが入力されると１パルスずつ長波長側に発振波長が移っていく。光スペクトルパターン認識回路５２の内部にも可変波長レーザの場合と同様に図示しない計数カウンタが内蔵されており、その計数値はレーザ発振波長に対応している。これによりレーザ発振波長に対応した２値信号が光スペクトルパターン認識回路５２で処理され各センサ素子の波長が確定される。
すなわち、光スペクトルパターン認識回路５２は発信器５４からのパルス信号と、２値化回路５Ｂからの信号を受信することにより、予め記録された信号パターンから各センサ素子２１〜２ｎからの検波波長を確定する。

図１３は第３実施形態における可変波長レーザの出射スペクトルとセンサ素子からの出射スペクトルとの関係を示す図である。図１３（Ａ）に示される通り、可変波長レーザ１１から波長が順次変化する光、すなわち波長掃引光が光ファイバＦに入射されると、この光がセンサ素子２１、センサ素子２２、センサ素子２３、……、センサ素子２n-1、センサ素子２ｎを透過する。この時センサ素子２１〜２ｎから透過されるスペクトルは図１３（Ｆ）に示される通りである。以下、図１３（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）の信号の意味はそれぞれ第２実施形態の図１０（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）の信号の意味と同じである。

光スペクトルパターン認識回路５２は、例えば以下のように動作する。センサ素子２１〜２ｎからの出射光はフォトダイオード５Ｆ、プリアンプ５Ａ経由２値化回路５Ｂにより、レーザ中心波長が短波長から長波長に変化した際、「0,・・・・0,0,0,1,0,0,0,0, ・・・・」となるデータパターンにおいて「１」に対応する波長をセンサ素子からの中心波長と判定する。
これに対して、例えば「0,・・・・0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,0, ・・・・」となるようなデータパターンは、センサ素子２１〜２ｎの中心波長ではないと判定する。即ち、「１」が一定回数以下の場合がセンサ素子２１〜２ｎからの信号スペクトルと判定する。この所定の回数が１回の場合は波長が具体的に決定されるが、この所定の回数Nが２以上、例えば５の場合は、これら５個の波長の平均値を測定波長とする。光スペクトルパターン認識回路５２は一般に使用されているマイクロコンピュータを用いればこれを実現できる。なお、アナログ信号をデジタル信号に変化するために、第２実施形態及び第３実施形態では２値化回路を用いているが、この２値化回路の代わりに多ビットのアナログデジタル変換器を用いればさらに高精度なスペクトルパターンの認識ができる。

従って、第３実施形態では、前記実施形態の（１）〜（５）と同様の効果を奏することができる他、次の作用効果を奏することができる。
（８）光検波手段５は、センサ素子２１〜２ｎから透過された光を入力するフォトダイオード５Ｆと、このフォトダイオード５Ｆに接続されたプリアンプ５Ａと、プリアンプ５Ａから出力されたアナログ信号を２値化する２値化回路５Ｂと、この２値化回路５Ｂから出力されるデジタル信号を受信する光スペクトルパターン認識回路５２と、この内部に直列パルス入力/並列出力の計数カウンタを内蔵しこの計数値に対応したレーザ発振波長算出部を備えた光スペクトルパターン認識回路５２と、内部に直列パルス入力や並列出力の計数カウンタを内蔵しこの計数値に対応した波長の光を出力する可変波長レーザ１１とにパルス信号を送る発信器５４とを備え、光スペクトルパターン認識回路５２は発信器５４からのパルス信号と、２値化回路５Ｂからの信号と受信し、予め記録された信号パターンから各センサ素子２１〜２ｎからの検波信号を認識する構成としたから、第２実施形態と同様に、各センサ素子２１〜２ｎのスペクトルの中心波長は「0,・・・・0,0,0,1,0,0,0,0, ・・・・」のデータ系列を信号処理することにより抽出されるので、測定範囲が広くなるという効果を奏することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、一対の測定用センサ素子２Ａ及び帯域反射フィルタ２ＢをＦＢＧセンサから構成したが、本発明では、図１４に示される通り、測定用センサ素子２Ａと帯域反射フィルタ２Ｂとを、光導波路にファイバブラッググレーティングを描画したＷＢＧセンサから構成するものであってもよい。
図１４は図２に対応する図であり、（Ａ）は平面を示す概略図、（Ｂ）はセンサ素子２１〜２ｎの側面を示す概略図である。

図１４において、センサ素子２１〜２ｎは、それぞれ、サブストレート２０Ｃと、このサブストレート２０Ｃに設けられたクラッド２０Ｅと、クラッド２０Ｅにそれぞれ設けられた測定用センサ素子２０Ａ及び帯域反射フィルタ２０Ｂとを有する。
サブストレート２０Ｃは、シリコン等から板状に形成されるものであり、その裏面は図示しない被測定部に固定される。サブストレート２０Ｃはアンダークラッド２０ＷUCと、オーバクラッド２０ＷＯＣとを備え、これらは二酸化ケイ素（SiO₂）を成膜して形成される。
測定用センサ素子２０Ａは、アンダークラッド２０ＷUCと、オーバクラッド２０ＷＯＣに挟まれて設けられたコア２０ＷＣＯからなる光導波路に一対のウェイブガイドブラッググレーティングＷＢＧを、例えば紫外線で描画されて構成されたＷＢＧセンサである。コア２０ＷＣＯは前述のようにSiO₂から形成されているアンダークラッド２０ＷUCと、オーバクラッド２０ＷＯＣと比較しゲルマニウムをドープしたSiO₂から形成されており屈折率が両クラッドより高めに製作される。そしてこの光導波路は光ファイバＦの端部に接着部２０Ｄを介して接続されている。

一対のウェイブガイド・ブラッグ・グレーティングＷＢＧは、ファブリペローエタロンを構成するものであり、その中心部にファブリペローエタロンを構成するために必要な距離ｄを隔てて両側に回折格子がそれぞれ複数形成されている。両側にそれぞれ形成される回折格子はそれぞれミラーの役割を有する。
帯域反射フィルタ２０Ｂは光導波路２０Ｗにウェイブガイド・ブラッグ・グレーティングＷＢＧが形成されたＷＢＧセンサであり、前記実施形態と同様に、測定用センサ素子２０Ａの透過スペクトルのピークを含む波長帯域を反射波長として有する。この光導波路を使用した実施形態は接着剤を用いずにセンサ素子を構成できることが特徴である。いわゆるスパッタリング、エッチングなどの技術をベースとした光平面回路技術から構成されるものである。接着材を使用した場合、長期信頼性などに課題が残る。しかし、この方式では前述のアレイ導波路格子等、光通信分野のデバイスで安定性など実績のある素子製作技術として知られている。すなわち、歪、あるいは温度変化を感じるウエーブガイドブラッググレーティングは接着剤を用いないでシリコンサブストレート上に光平面回路技術により構成されているため安定性に優れたセンサ素子を実現できる特徴がある。なお、図１４におけるファイバＦとの接続に接着剤を用いるが、この部分は多少不安定さが残っても光導路と光ファイバの接続損失に影響を与える可能性はあるが直接ウェイブガイド・ブラッグ・グレーティングＷＢＧのフィルタリング特性に影響を与えないためセンサ素子２０Ａの安定性にこの接着剤が悪影響をあたえることはない。
この測定用センサ素子は、例えば温度センサに用いる場合はウェイブガイドブラッググレーティングＷＢＧの温度が変われば該ＷＢＧの反射波長が変化するため温度センサとして用いることができることは自明である。もちろんケーシングして感温部としてのケースの温度をＷＢＧに適宜伝える構造を付加してもよいことは明らかである。同様に歪についてもＷＢＧが歪めばＷＢＧの反射波長が変化するため歪センサとして用いることができる。
なお、センサ素子２ｎにおいてアドフィルタ７を省略し、サーキュレータ６からの出力信号を光ファイバＦに直接戻す構成としてもよい。また上述ではセンサ素子の中心波長を求めるための実施形態を述べた。しかし、例えば、掃引型ファブリペロー干渉フィルタの中心波長あるいは可変波長レーザの出射スペクトルの中心波長が時間とともに変化することからフォトダイオード４Ｆあるいは５Ｆの受光量がピークを示す波長を測定すべき波長として検出する方法であってもよい。

さらに、前述の各実施形態では、光源は常時点灯を前提にしていたが光源の実質的な寿命を延ばすために測定したいときだけ点灯する方式であってもよいことは自明である。
また、いずれの実施形態においても、センサ素子２ｎにおいて、アドフィルタ７を省略し、サーキュレータ６からの出力信号を光ファイバＦに直接戻す構成としてもよい。

本発明は、ビル、鉄橋、トンネル、原子力発電所を含む発電所等の建築構造物において、例えば耐震性能の劣化を地震発生前に検出し修理するためのヘルスモニタリング分野や、あるいは、船舶、航空機、ロケットなどの大型構造物の各所の歪を常時計測し歪が一定以上の値になり構造物が突然破壊することを事前に予測する予防保全分野や、さらには、化学プラント、石油精製プラント等の爆破の可能性のあるプラントの各所の温度を測定するプラント計装分野等に利用することができる。

１０…広帯域光源、１１…可変波長レーザ（光源）、２…波長変化型光センサ、２Ａ，２０Ａ…測定用センサ素子、２Ｂ，２０Ｂ…帯域反射フィルタ、２Ｃ…ベース、２Ｄ…接着層、３，４，５…光検波手段、２１〜２ｎ…センサ素子、３１…アレイ導波路格子（ＡＷＧ）、３２…演算回路、４２，５２…中心波長検出回路、ＦＢＧ…ファイバブラッググレーティング、ＷＢＧ…ウェイブガイドブラッググレーティング

Claims (16)

1. 光源と、この光源から出射される光が入射するとともに被測定部に設置される波長検波型光センサと、この波長検波型光センサから出力される出力光を検出する光検波手段とを備えた波長検波型ファイバセンサシステムであって、
   前記波長変化型光センサは、ファブリペローエタロンを構成するとともに互いに近接配置された帯域反射フィルタ対の測定用センサ素子と、この測定用センサ素子の透過スペクトル帯域中の１本の線スペクトルを含む波長帯域よりも狭い反射波長帯域を有する帯域反射フィルタとを備える
   ことを特徴とする波長検波型ファイバセンサシステム。
2. 請求項１に記載された波長検波型ファイバセンサシステムにおいて、
   前記帯域反射フィルタ対及び帯域反射フィルタは、それぞれファイバブラッググレーティングから構成される
   ことを特徴とする波長検波型ファイバセンサシステム。
3. 請求項２に記載された波長検波型ファイバセンサシステムにおいて、
   前記ファブリペローエタロンは、前記反射波長帯域中に１本の透過線スペクトルのみが生じるようにするために、反射波長帯域ＢＷはフリースペクトルレンジＦＳＲの倍より狭くなるようにする
   ことを特徴とする波長検波型ファイバセンサシステム。
4. 請求項３に記載された波長検波型ファイバセンサシステムにおいて、
   前記帯域反射フィルタ対を構成するファイバブラッググレーティング対は、同一波長スペクトル特性であり、物理的長さが同一であり、かつ、実効長Ｌｅとファイバブラッググレーティング対の格子ピッチΛとの関係がＬｇ＝ｍΛ−２Ｌｅ（ｍは自然数、Ｌｇはファイバブラッググレーティング対間のグレーティングが描画されていない部分の長さ）を満たすようにファイバブラッググレーティングの反射中心波長に透過線スペクトルの波長を一致させる
   ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。
5. 請求項４に記載された波長検波型ファイバセンサシステムにおいて、
   前記帯域反射フィルタを構成するファイバブラッググレーティングの反射中心波長と前記ファブリペローエタロンの透過線スペクトルの波長とを一致させ、かつ、前記ファイバブラッググレーティングの反射帯域を前記ファブリペローエタロンの透過線スペクトルを含み、かつ、フリースペクトルレンジよりも狭くした
   ことを特徴とする波長検波型光ファイバセンサシステム。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載された波長検波型ファイバセンサシステムにおいて、
   前記測定用センサ素子と前記帯域反射フィルタとは同一温度の条件下となるように互いに近接配置される
   ことを特徴とする波長検波型ファイバセンサシステム。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載された波長検波型ファイバセンサシステムにおいて、
   前記測定用センサ素子と前記帯域反射フィルタとは同一応力が加わるようにベースに固定される
   ことを特徴とする波長検波型ファイバセンサシステム。
8. 請求項７に記載された波長検波型ファイバセンサシステムにおいて、
   前記測定用センサ素子及び帯域反射フィルタが前記ベースに接着剤で接着固定される
   ことを特徴とする波長検波型ファイバセンサシステム。
9. 請求項８に記載された波長検波型ファイバセンサシステムにおいて、
   前記測定用センサ素子のファイバブラッググレーティング以外の部分と前記帯域反射フィルタ以外の部分とが前記ベースに接着剤で接着固定された
   ことを特徴とする波長検波型ファイバセンサシステム。
10. 請求項６から請求項９いずれかに記載された波長検波型ファイバセンサシステムにおいて、
    前記測定用センサ素子及び前記帯域反射フィルタを挿通する管を備え、この管の両端と前記測定用センサ素子及び前記帯域反射フィルタとを接着剤で接着固定する
    ことを特徴とする波長検波型ファイバセンサシステム。
11. 請求項１から請求項１０のいずれかに記載された波長検波型ファイバセンサシステムにおいて、
    前記センサ素子は、それぞれ中心波長が異なる複数の対が直列に接続されている
    ことを特徴とする波長検波型ファイバセンサシステム。
12. 請求項１１に記載された波長検波型ファイバセンサシステムにおいて、
    前記センサ素子からの出力光を入力するとともに多チャンネル分波デバイスとしてのアレイ導波路格子と、このアレイ導波路格子で分波された信号に基づいて各センサ素子で検出される物理量に対応した波長を演算する演算回路とを有する光検波手段を備えた
    ことを特徴とする波長検波型ファイバセンサシステム。
13. 請求項１２に記載された波長検波型ファイバセンサシステムにおいて、
    前記光検波手段は、前記センサ素子から透過された光に基づく信号を受信するとともに予め記憶された信号パターンから前記センサ素子からの検波波長を認識する光スペクトルパターン認識回路を備えた
    ことを特徴とする波長検波型ファイバセンサシステム。
14. 請求項１２又は請求項１３に記載された波長検波型ファイバセンサシステムにおいて、
    前記測定用センサ素子からの出射光が入射する第一のポートと、この第一のポートから入射された光を前記帯域反射フィルタに出射するとともに前記帯域反射フィルタで反射された反射光を入射する第三のポートと、この第三のポートに入射された光を前記光検波手段に出射する第二のポートとを有するサーキュレータを備えた
    ことを特徴とする波長検波型ファイバセンサシステム。
15. 請求項１４に記載された波長検波型ファイバセンサシステムにおいて、
    前記サーキュレータは、複数が前記測定用センサ素子及び前記帯域反射フィルタを経由して直列に接続されており、上流側のサーキュレータの第三のポートは下流側のサーキュレータの第一のポートに前記帯域反射フィルタ及び前記測定用センサ素子を経由して連結され、最も下流側のサーキュレータの第二のポートは前記光検波手段に連結されている
    ことを特徴とする波長検波型ファイバセンサシステム。
16. 請求項１４又は請求項１５に記載された波長検波型ファイバセンサシステムにおいて、
    前記ファブリペローエタロンは、シリコンサブストレート上にそれぞれ二酸化ケイ素からなるアンダークラッドとオーバクラッドとにそれぞれ囲まれ、これらのアンダークラッドとオーバクラッドより高屈折率にするための不純物がドープされた二酸化ケイ素を材料とした第一のコアから形成される第一の光導波路に、近接して描画された同一の反射波長帯域をもつ第一の光導波路ブラッググレーティングと第二の光導波路ブラッググレーティングとから構成され、
    前記帯域反射フィルタは前記シリコンサブストレート上にそれぞれ二酸化ケイ素からなるアンダークラッドとオーバクラッドにそれぞれ囲まれ、これらのアンダークラッドとオーバクラッドより高屈折率にするための不純物がドープされた二酸化ケイ素を材料とした第二のコアから形成される第二の光導波路に光導波路ブラッググレーティングから構成されている
    ことを特徴とする波長検波型ファイバセンサシステム。

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