JP2018511051A - 周波数掃引源ベースのインタロゲータを用いて複屈折光学センサに照合するための測定システムおよび方法 - Google Patents

周波数掃引源ベースのインタロゲータを用いて複屈折光学センサに照合するための測定システムおよび方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、少なくとも１つの複屈折光学センサに照合するための測定システムと、高速および高分解能で複屈折光学センサに照合するための方法とを提供する。本システムおよび方法は、少なくとも、偏光依存である第１および第２のスペクトル特徴を検出し、検出された第１および第２のスペクトル特徴は、少なくとも１つの複屈折光学センサの異なる応答に対応する。第１および第２のスペクトル特徴は、偏光状態に関して総和または平均され、得られたスペクトル情報は、少なくとも１つの複屈折光学センサの異なる応答に対応する。

Description

（分野）
本発明は、１つ以上の物理的変数を測定および／または監視するために、複屈折光学センサに照合するための測定システムおよび方法に関する。
（背景）
標準的ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）等の光学センサは、先行技術から公知である。概して、そのようなセンサは、偏光周波数掃引源（例えば、偏光波長可変レーザ）を用いて照合され、ＦＢＧを書き込むために使用される技法および変換器内にパッケージ化されるときに誘発される複屈折に応じて、典型的には、ｌ〜４０ｐｍの範囲内において、偏光依存周波数偏移（ＰＤＦＳ）問題に悩まされる。
複屈折ＦＢＧ、（Ｂｉ−ＦＢＧ）と呼ばれるＦＢＧのタイプが、先行技術から公知である。そのようなＢｉ−ＦＢＧは、照合信号に対して偏光依存応答を有することが公知である。例えば、偏光維持ＦＢＧ（ＰＭ−ＦＢＧ）等のＢｉ−ＦＢＧの例については、Ｇ．Ｃｈｅｎ，ｅｔ ａｌ．“Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｆｉｂｒｅ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｗｒｉｔｔｅｎ ｉｎ ｎｏｖｅｌ ｈｉ−ｂｉ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｒｅ”，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２００４，１６（１），ｐ２２１−２２３によって、微細構造ＦＢＧ（ＭＳ−ＦＢＧ）については、Ｓ．Ｓｕｌｅｊｍａｎｉ，ｅｔ ａｌ．“Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｖｅｒ ｔｈｅ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ−ｂａｓｅｄ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ ｈｉｇｈｌｙ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｒｅｓ”，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ２０１２，２４（６），Ｐ５２７−５２９によって、公開された論文に開示されている。
少なくとも２つの異なる物理的変数に対する応答を提供する、Ｂｉ−ＦＢＧは、例えば、ＰＭ−ＦＢＧ（温度および歪み）またはＭＳ−ＦＢＧ（温度および圧力）の先行技術から公知である。
ＰＭ−ＦＢＧセンサは、追加の温度ＦＢＧに関する要件を伴わずに、歪み独立温度測定および／または自己補償歪み測定を提供することができる一方、ＭＳ−ＦＢＧセンサは、追加のＦＢＧに関する要件を伴わずに、温度独立圧力測定を提供することができる。Ｂｉ−ＦＢＧは、本質的に高ＰＤＦＳを有するため、任意の偏光変化は、その位置ではなく、主に、ＦＢＧピークの振幅に影響を及ぼすであろう。
Ｏｐｔｏｐｌａｎに譲渡されたＥＰ特許公開第ＥＰ１１９２５００号は、１つまたはいくつかの複屈折ファイバブラッググレーティングＦＢＧセンサの直交偏光最小および最大ブラッグ波長の測定のための方法を開示している。しかしながら、そのような情報をＢｉ−ＦＢＧから集めることに関する問題は、高取得速度で容認可能な正確度を伴って感知用途を提供するために、その偏光依存波長の高精度監視およびに照合が要求されることである。
欧州特許第１１９２５００号明細書
したがって、本発明の目的は、複屈折光学センサに照合し、それを監視するための測定システムおよび方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、高速および高分解能測定を維持しながら、システムの複雑性を低減させることである。
（要約）
本発明によると、添付の請求項に記載されるように、少なくとも１つの複屈折光学センサに照合するための測定システムが提供され、該システムは、波長可変レーザ源と、偏光制御デバイスとを備え、システムは、
少なくとも１回、所定の周波数範囲において波長可変レーザを掃引し、複屈折光学センサに照合することと、
少なくとも、偏光依存である第１および第２のスペクトル特徴を検出することと
を行うために、１つ以上のモジュールとともに構成される。
一実施形態では、第１および第２のスペクトル特徴は、少なくとも１つの複屈折光学センサの第１および第２の波長応答に対応し、温度、歪み、または圧力のうちの少なくとも１つの測定関数を提供する。
一実施形態では、第１および第２のスペクトル特徴は、第１および第２の波長ピークを備える。
一実施形態では、システムは、第１および第２の検出されたピーク間の波長距離を計算し、計算された波長距離から温度、歪み、または圧力測定のうちの少なくとも１つを判定するように構成される。
一実施形態では、第１のおよび／または第２のスペクトル特徴は、個々のセンサ反射の絶対波長、２つの反射ピーク位置間の相対間隔、および／またはそれらの振幅のうちの少なくとも１つを備える。
一実施形態では、偏光制御デバイスは、波長可変レーザの偏光状態をスクランブリングするように適合される、受動偏光複屈折ファイバを備える。
一実施形態では、偏光制御デバイスの出力は、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）デバイスに接続され、ＭＺＩデバイスからの測定ピークは、２つの直交偏光に対応する２つのＢｉ−ＦＢＧ応答が発生されるように、システム内の偏光変化と同期する。本実施形態は、２つの直交応答が、システム内の遅延を補償し、正しいサンプルまたは複数のサンプルを選択した後、１回の掃引内で検出され得るように、同期周波数および偏光情報を発生させるために使用される、受動ＰＭ−ＭＺＩに基づくことを理解されたい。
一実施形態では、Ｂｉ−ＦＢＧ応答からのスペクトル特徴は、第１および第２の検出されたピークに対応し、ピーク間の差異は、温度、歪み、または圧力のうちの少なくとも１つ等の測定関数を提供するように測定される。
一実施形態では、ＭＺＩおよび偏光制御デバイスは、所望の偏光発射角および長さとともに構成され、かつ該少なくとも１つの複屈折光学センサに照合するために使用される周波数および偏光情報を提供するように適合される、偏光維持ファイバを備える。
一実施形態では、偏光制御デバイスは、能動偏光スイッチを備える。
一実施形態では、能動偏光スイッチは、波長可変レーザの異なる波長掃引のために、偏光状態を変化させるように構成される。
一実施形態では、少なくとも１つの偏光依存波長特徴は、１つ以上の波長掃引において検出される。
一実施形態では、能動偏光制御デバイスは、同期偏光スイッチとして動作するように構成され、同期方式において偏光の状態を制御し、異なる波長掃引間の直交応答を測定することによって少なくとも１つの複屈折センサに照合するように適合される。完全偏光維持ＰＭ経路が、センサとインタロゲータとの間に提供され、あるセンサ応答が偏光スイッチの各直交状態に関して検出され得るように整合されることができる。これは、（偶数）走査毎に直交応答のうちの一方のみ、（奇数）走査毎に他方の検出を保証するであろう。これは、２回の走査にわたって、両直交ピークが検出されることが保証され、デルタ波長が報告または計算されることができることを意味する。
一実施形態では、複数回の掃引にわたって測定された直交スペクトル応答は、最初に平均され、第１および第２のスペクトル特徴を見つけ、該スペクトル特徴から温度、歪み、または圧力のうちの少なくとも１つの測定関数を提供するように処理される。これは、少なくとも２回の掃引を走査し、２回の掃引のスペクトルを平均することによって、２つのピークが存在するであろうことを保証し、次いで、ピーク処理が行われることができるという事実に基づく。
一実施形態では、複数回の掃引にわたって測定された直交スペクトル応答が、最初に処理され、次いで、第１および第２のスペクトル特徴を見つけ、該スペクトル特徴から温度、歪み、または圧力のうちの少なくとも１つ等の測定関数を提供するために平均される。
一実施形態では、偏光制御デバイスは、非同期偏光スクランブラを備える。
一実施形態では、複屈折センサの応答は、単回掃引内でフィルタ処理され、２つの直交応答を検出し、測定は、掃引毎に異なる静的偏光回転に対応する複数回の掃引にわたって平均されることができる。一実施形態では、４５°入力偏光整合角度を伴うＬｉＮｂＯ３位相変調器を使用する、可変線形位相差板が、提供され、偏光維持ファイバを介して、線形偏光波長可変レーザ源に接続され、高速非同期スクランブラを実現させることができる。しかしながら、本技法は、全偏光状態を網羅しない。可変線形位相差板と直列に接続される同期偏光スイッチ＞ｎ状態は、より多くの偏光状態が網羅され得るように提供されることができる。
一実施形態では、単一光学ファイバに沿って直列に配列される複数の複屈折光学センサが、提供される。
一実施形態では、標準的単一モードファイバまたは偏光維持ファイバを使用してインタロゲータに接続される、複数の複屈折光学センサが、提供される。
一実施形態では、応答の振幅は、ファイバ上の偏光状態および変化率を評価するために測定および使用される。
一実施形態では、波長可変レーザは、スペクトル特徴領域の周囲を動的に掃引し、センサ情報が存在しない領域を無視し、より高い掃引レートを達成することができる。
別の実施形態では、インタロゲータと、複屈折ファイバセンサとを備える、システムが、提供され、インタロゲータは、第１の偏光状態において所定の周波数範囲を掃引するために配列され、インタロゲータは、第２の偏光状態において所定の周波数範囲を掃引するために配列される。
一実施形態では、
少なくとも１回、所定の周波数範囲において波長可変レーザを掃引し、複屈折光学センサに照合することと、
少なくとも、偏光依存である第１および第２のスペクトル特徴を検出することであって、検出された第１および第２のスペクトル特徴は、少なくとも１つの複屈折光学センサの異なる応答に対応する、ことと
を行うために、１つ以上のモジュールとともに構成される、測定システムが、提供される。
一実施形態では、少なくとも１つの複屈折光学センサに照合する方法が提供され、方法は、
少なくとも１回、所定の周波数範囲において波長可変レーザを掃引し、複屈折光学センサに照合するステップと、
偏光依存である第１および第２のスペクトル特徴を検出するステップであって、検出された第１および第２のスペクトル特徴は、少なくとも１つの複屈折光学センサの異なる応答に対応する、ステップと
を含む。
別の実施形態では、波長可変レーザ源と、偏光制御デバイスとを備えるインタロゲータシステムを使用して、少なくとも１つの複屈折光学センサに照合するための方法が、提供され、方法は
少なくとも１回、所定の周波数範囲において波長可変レーザを掃引し、複屈折光学センサに照合するステップと、
偏光依存である第１および第２のスペクトル特徴を検出するステップと
を含む。
本発明は、出力偏光を制御し、フィードフォワード構成において、高速で高精度を伴って、センサから両直交応答を検出する手段を使用することによって、偏光周波数掃引光学インタロゲータを用いて、複屈折光学センサに照合するためのシステムおよび方法を提供する。
一実施形態では、ＭＺＩおよび偏光制御デバイスは、該少なくとも１つの複屈折光学センサに照合するために使用される周波数および偏光情報を提供するように適合される、所望の偏光発射角および長さとともに構成される、偏光維持ファイバを備える。
一実施形態では、能動偏光スイッチは、波長可変レーザの異なる波長掃引のために、偏光状態を変化させるように構成される。本実施形態の主要利点の１つは、１つの偏光を用いて、迅速かつ正確に掃引し、次いで、直交偏光を切り替え、掃引を繰り返し、そしてスペクトルを平均する能力である。したがって、これは、偏光維持ファイバまたは高速能動スクランブラを使用する必要性を排除する。
一実施形態では、複屈折センサの応答は、単回掃引内でフィルタ処理され、２つの直交応答を検出し、測定は、掃引毎に異なる静的偏光回転に対応する複数回の掃引にわたって平均されることができる。
別の実施形態では、インタロゲータと、複屈折ファイバセンサとを備えるシステムが、提供され、インタロゲータは、第１の偏光状態において所定の周波数範囲を掃引するために配列され、インタロゲータは、第２の偏光状態において所定の周波数範囲を掃引するために配列される。
別の実施形態では、波長可変レーザ源と、偏光制御デバイスとを備えるインタロゲータシステムを使用して、少なくとも１つの複屈折光学センサに照合する方法が、提供され、方法は、
少なくとも１回、所定の周波数範囲において波長可変レーザを掃引し、複屈折光学センサに照合するステップと、
偏光依存である第１および第２の波長ピークを検出するステップと、
第１および第２の検出されたピーク間の波長距離を計算するステップと
を含む。
一実施形態では、ＭＺＩおよびスクランブラは、所望の偏光発射角および長さとともに構成され、周波数および偏光情報を提供し、照合されたセンサ内の複屈折誘発波長偏移を測定するように適合される、偏光維持ファイバを備える。
一実施形態では、少なくとも１つの複屈折光学センサに照合するためのシステムが、提供され、該システムは、インタロゲータと、複屈折ファイバセンサとを備え、インタロゲータは、第１の偏光状態において所定の周波数範囲を掃引するために配列され、インタロゲータは、第２の偏光状態において所定の周波数範囲を掃引するために配列される。
プログラム命令を備えるコンピュータプログラムがまた提供され、プログラム命令は、記録媒体、搬送波信号、または読取専用メモリ上に具現化され得る、コンピュータプログラムに前述の方法を実施させるためのものである。
本発明は、付随の図面を参照して、単なる一例として与えられる、その実施形態の以下の説明からより明白に理解されるであろう。
図１は、Ｎファイバチャネル波長可変レーザベースの光学インタロゲータのための主要セクションおよびそれらの間の相互接続の一般的ブロック図を示す。 図２は、ＰＭファイバベースのＭＺＩと、受動偏光スクランブラとを伴う、Ｎファイバチャネル波長可変レーザベースの光学インタロゲータの概略図を示す。 図３は、受動偏光スクランブラの例示的実施形態を示す。 図４は、能動偏光スクランブラ（同期／非同期）の実施形態を示す。 図５は、ＰＭ構成要素（カプラ／ファイバ）を使用したＭＺＩの構築の概略図を示す。 図６は、能動デポラライザの構造の概略図を示す。 図７は、センサ上の偏光の異なる入射状態に対応する典型的反射Ｂｉ−ＦＢＧ応答、すなわち、ａ）左直交ピーク、ｂ）右直交ピーク、ｃ）両直交ピークを図示する。 図８は、単回掃引に関する２つの直交ＦＢＧ応答を検出することによって、複屈折を推定するためにＰＭ−ＭＺＩ信号のピークおよびトラフが使用され得る方法を図示する。 図９は、２回の連続掃引にわたって測定された典型的反射Ｂｉ−ＦＢＧ応答（単一センサに関する２つの直交ＦＢＧ応答）を図示し、２つの直交偏光は、状態１に関して偏光スイッチを用いて検出された第１の走査におけるＦＢＧ応答（ピーク１）と、状態２に関して偏光スイッチを用いて第２の掃引において測定された第２のＦＢＧ応答（ピーク２）とを示す。 図１０は、１回の掃引にわたって測定された典型的反射Ｂｉ−ＦＢＧ応答（単一センサに関する２つの直交ＦＢＧ応答（２ピーク））を図示し、偏光スイッチは、静的偏光状態（ｍ）に設定され、偏光スクランブラ（正弦波によって駆動される単一または複数の波長板）は、高速で偏光をスクランブリングするために使用され、これは、受信機アナログ帯域幅（ＢＷ）を使用して、またはＤＳＰ内でフィルタ処理されることができる。
（図面の詳細な説明）
本発明は、波長可変レーザベースの光学インタロゲータ内で使用される偏光照合および監視システムを提供し、測定センサ特性は、１つ以上の光学複屈折ＦＢＧセンサから得られる。
インタロゲータシステム設計は、図１に示される。インタロゲータは、５つの主要セクション、すなわち、波長可変レーザ源および関連付けられた制御ユニット１と、光学アセンブリ２と、受信機セクション３と、偏光／スクランブラセクション４と、光学スプリッタセクション５と、処理ユニット６とを備える。特定の実施形態では、光学アセンブリ２は、いくつかの受動光学構成要素（例えば、スプリッタ、カプラ、および／またはサーキュレータ）と、複数の参照２１を受信機セクション３に提供する、光学参照システムとを備える。一実施形態では、参照２１は、絶対波長参照（ガスセル）と、１つ以上の周期的波長参照（エタロン／マッハツェンダ干渉計ＭＺＩ）と、電力参照とを備えてもよい。受信機セクション３は、光受信機と、アナログ／デジタルコンバータ（ＡＤＣ）と、ＦＰＧＡとを含むことができる。さらに、処理ユニット６は、コンピュータオンボードユニット（ＣＯＢ）または任意の他の処理ユニットデバイスであることができる。
使用時、レーザ源は、周波数掃引を行う、すなわち、ある範囲内の判定された数の周波数において光を放出するために、制御ユニット１を用いて制御される。光の一部は、光学アセンブリ２内で分割され、説明される参照２１をフィードする。他の部分は、再び分割され、単一または複数の光学複屈折センサを含有する異なるファイバに接続される異なる光学チャネルのための照合レーザ掃引信号を提供する前に、偏光スクランブラ／スイッチセクション４にフィードされる。
セクション４に示される偏光スクランブラ／スイッチは、同期または非同期方式においてレーザ出力偏光状態を制御することによって、Ｂｉ−ＦＢＧセンサに照合する手段を提供する。Ｂｉ−ＦＢＧ応答は、判定された周波数における２つの大きさピークとして報告が返されることができ、検出されたピーク周波数とＢｉ−ＦＢＧによって測定されるべき物理的変数との間には、ある関係が存在し、本関係は、図９および１０に関してさらに議論されるであろう。
図２におけるインタロゲータユニットは、図１に示されるシステムの例示的実施形態を示す。波長可変レーザ送信機および制御ユニット１は、レーザ出力のタップを異なる光学構成要素（例えば、ガスセル２３ｂ、エタロン、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）２３ａ、または他の好適な構成要素）から成る参照セクション２３に提供する、スプリッタセクション２２に接続される。アイソレータ２４が、レーザ１に戻る反射を最小限にするために、レーザ出力に接続される。これは、波長可変レーザおよび制御ユニット１の内部または外部のいずれかであり得る。参照セクション２３から退出する光学ファイバは、１つ以上のフォトダイオード２５に誘導され、インタロゲータ動作のために要求される参照信号を検出する。本概略では、図１における偏光スクランブラ／スイッチセクション４と類似機能を遂行する、ＰＭ ＭＺＩおよびＰＭ受動スクランブラ４０は、同一ファイバを共有し、ＰＭカプラを介して、偏光子に接続される１つの出力が、ＭＺＩのために使用され、他の出力は、ＰＭ受動スクランブラとして使用される。
図３は、図２の実施形態において使用され得る、ＰＭ ＭＺＩおよびＰＭ受動スクランブラ４０の配列の一実施形態を図示する。特に、本図は、源によって放出されるレーザの偏光状態をスクランブリングするために持続波長板として使用される受動偏光維持（ＰＭ）複屈折ファイバ４１を示す。受動スクランブラは、一式のＰＭファイバを使用して構築されてもよく、入力４２は、複屈折軸間に４５度の角度を伴う偏光レーザ出力を用いてスプライシングされ、他端は、ＰＭカプラ／スプリッタ４３に接続され、一方の出力４４は、Ｂｉ−ＦＢＧセンサのためのスプリッタセクション５に接続される。レーザ出力は、動作に応じて、４５度に対して他の角度で分割されることもできることを理解されたい。ＰＭカプラ／スプリッタの他方の出力４５の後に、偏光子４６が続き、ＭＺＩを構築する。本実施形態のインタロゲータは、動作のためにＭＺＩを要求するため、本配列４０は、受動スクランブラが使用されるべき場合、単一ＰＭファイバ４１が、図３に示されるように、ＭＺＩとスクランブラとの間で共有されることを前提として、有用であり得る。
再び、図２を参照すると、ＰＭスプリッタタップに示される配列４０の出力は、１×Ｎ光学スプリッタ５ａと、Ｎ数の３ｄＢカプラ／サーキュレータ５ｂとを含み、次いで、光学複屈折センサを含む、Ｎ光学ファイバチャネルに接続される、光学スプリッタセクション５に誘導される。センサから戻るように反射された信号は、次いで、受信機セクション３に渡される。受信機セクション３は、フォトダイオード３１の集合と、例えば、処理ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）３２等の高速データ処理ユニットに接続される、受信機回路とを含む。高速データは、データセットを減少させ、複屈折センサの未加工／フィルタ処理されたピーク波長および他のスペクトル情報を抽出するように処理される。本処理されたデータは、メモリからプロセッサ、例えば、コンピューティングデバイス６に渡され、要求される用途または測定に応じて、事後処理されることができる。ファイバおよびセンサにおける急速な環境変化が観察される用途に関して、高速偏光スイッチング／スクランブリングおよび高速レーザ掃引のための要件が、センサ上で誘発される外部影響の全てを捕捉するために要求される。
図４は、能動偏光スイッチ／スクランブラ４００が、図２と比較して、受動のものの代わりに使用される、インタロゲータの代替構成の概略図を示す。本概略では、ＭＺＩは、任意の技術（例えば、ＰＭファイバを使用するファイバベース、光学カプラ、光子集積回路、自由空間光学）を使用して実装され、および／または集積リング共振器ベースのＭＺＩによって置換されることもできる。
２つの異なるＭＺＩ実装が、図５に示されており、（ａ）ある経路長差とともにスプライシングされるＰＭカプラ４０１を使用して、干渉計を形成するものと、図５（ｂ）ある長さ（異なる群遅延）を伴う一式のＰＭファイバ４０２を使用して、入力４０３が４５度の角度を用いてスプライシングされ、出力が偏光子４０４に接続されるとき、干渉計を構築するものである。レーザ出力は、動作に応じて、４５度に対して他の角度で分割されることもできることを理解されたい。
再び、図４を参照すると、スプリッタセクション２２から退出するレーザ出力のタップは、能動偏光スクランブラ／スイッチセクション４００にフィードされ、これは、図６により詳細に示される。一実施形態では、能動偏光スクランブラ／スイッチセクション４００は、レーザ掃引トリガと同期動作で動作する、高速偏光スイッチ４１０（Ｎ状態を伴い、Ｎ＞＝２である）である、または／および受信機フォトダイオードＢＷより高いレートで動作し、異なる技術（例えば、高速正弦波信号によって駆動されるＬｉＮｂＯ３ベースのデバイス）を使用した単一または複数の波長板を使用して構築されることができる、高速偏光スクランブラ４２０（非同期）である。偏光スクランブラ４００の出力は、次いで、１×Ｎ光学スプリッタと、次いで、光学複屈折センサを含むＮ光学ファイバチャネルに接続される、Ｎ数の３ｄＢカプラ／サーキュレータとを含む、光学スプリッタセクション５に誘導される。センサから戻るように反射された信号は、次いで、受信機セクション３に渡される。受信機セクション３は、フォトダイオード３１の集合と、例えば、処理ＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）３２等の高速データ処理ユニットに接続される、受信機回路とを含む。高速データは、前述の図２と同様に、データセットを縮小し、複屈折センサの未加工／フィルタ処理されたピーク波長および他のスペクトル情報を抽出するように処理される。
波長可変レーザおよび制御ユニット１は、約１５２８〜１５６８ｎｍを網羅するＣ−バンドレーザと、潜在的に、約１５６８〜１６０８ｎｍを網羅するＬ−バンドレーザを使用して等、異なるバンドを網羅するより多くのレーザとから成り、８０ｎｍ総網羅範囲を与えてもよい。また、複数のバンドを網羅する、単一波長可変レーザ／掃引源を使用することも可能性として考えられる。付加的レーザの使用は、信頼性を増加させ、照合されるセンサの数を増加させることができる。Ｌ−バンドレーザを使用して、センサの数を２倍にする代わりに、付加的Ｃ−バンドレーザが、組み合わせられる代わりに使用され、光学ファイバの数を２倍にし、両レーザデバイスの並列動作を確実にすることができる。各レーザ出力は、Ｎファイバに分割され、各ファイバは、複数の光学複屈折光学センサを含有する。単一ファイバ上の複屈折光学センサの数は、任意の波長重複を回避するために、異なるセンサ間の波長間隔およびそれぞれのダイナミックレンジに依存するであろう。波長可変／掃引レーザ信号のタップはまた、測定のベースライン高正確度および高分解能を提供する、参照サブシステムにフィードするためにも使用される。
大まかな測定を提供するために、安定した固有の波長応答（例えば、ピーク、トラフ、または傾き）が、検出され、少なくとも１つの安定波長マーカを提供することができることを理解されたい。複数の波長マーカを提供する、細かい周期的波長参照（例えば、ＭＺＩ）と組み合わせられると、掃引の開始および停止が、定義されることができ、掃引は、線形化されることができる。
制御ブロックはまた、能動偏光制御デバイス（スイッチ／スクランブラ）のためのトリガ信号を発生させる。
図１〜６に示されるシステムに関して、本発明は、少なくとも１回、所定の周波数範囲において波長可変レーザを掃引し、複屈折光学センサに照合するステップと、偏光依存である第１および第２の波長ピークを検出するステップとによって、波長可変レーザ源と、偏光制御デバイスとを備える、インタロゲータシステムを使用して、少なくとも１つの複屈折光学センサに照合するシステムおよび方法を提供する。ピークからのスペクトル情報は、種々の特性または物理的変数を測定するために分析されることができる。
得られるＢｉ−ＦＢＧセンサまたは複数のセンサの偏光依存特性は、種々のデータ分析スキーム（例えば、異なる方程式を用いた曲線適合）を介して分析され、少なくとも２つのパラメータ（圧力、温度、歪み等）に応答する、少なくとも２つのスペクトル特性または特徴（例えば、個々のピーク反射の絶対波長、２つの反射ピーク位置間の相対間隔、および／またはそれらの振幅）を識別することができる。本発明に従って処理され得る、Ｂｉ−ＦＢＧの偏光依存特性は、図７〜１０に関して以下により詳細に説明される。なお、特定の実施形態では、いくつかのスペクトル特徴は、偏光状態毎に分析されることができる。
偏光掃引源インタロゲータを用いて、少なくとも２つの偏光依存スペクトル特徴（例えば、直交ピーク／トラフ）を測定するために、図２の４０または図４の４００等の追加の偏光コントローラ／スクランブラが、偏光をスクランブリングするか、または高速で偏光を追跡するかのいずれかのために要求される。偏光コントローラの速度は、レーザ波長調整レート、掃引レート、およびインタロゲータ受信機帯域幅に依存するであろう。波長調整レート＞０．１ｐｍ／ｎｓおよび受信機ＢＷ＞２０ＭＨｚに関して、偏光スクランブラ速度は、約数百ＭＨｚである必要があり、これは、高速、高コスト、多重波長板偏光コントローラが要求されるであろうことを意味する。
それに加え、２つの偏光依存スペクトル特徴間の波長間隔を分解するために、高正確度および高分解能測定が要求される。複屈折センサからの２つのピーク／応答は、直交であり得る（例えば、Ｂｉ−ＦＢＧに関する直交ピーク）ことが当業者に理解されるであろう。
１つ以上のＢｉ−ＦＢＧから抽出される複数のスペクトル特性は、次いで、同時に分析され、高精度を伴って、複数の物理的影響を迅速に識別および定量化することができる。ある用途では、Ｂｉ−ＦＢＧからの相対波長は、正確度１〜１００ｆｍを伴って分解され、歪み独立温度が摂氏０．００１〜０．１度の分解能内で監視され、温度独立圧力が、０．００１〜０．１バール分解能内で監視されることを可能にすることができる。
両絶対および相対スペクトル位置におけるＢｉ−ＦＢＧの反射波長は、製造の間に調節されることができるため、一好ましい構成では、複数のＢｉ−ＦＢＧが、個々のファイバ上に位置付けられ、複数のファイバが監視され、多くの感知場所が同時に記録されることを可能にする。
（例示的動作）
動作時、レーザは、固定走査レート（例えば、完全波長バンドのため数ｋＨｚに）および固定波長調整レート（例えば、０．１ｐｍ／ｎｓ）において波長掃引を行う。レーザ出力は、偏光され、偏光維持（ＰＭ）ファイバを使用して維持されることができる。
複屈折ＦＢＧ（例えば、ＰＭ−ＦＢＧおよび／またはＭＳ−ＦＢＧ）に関して、ＦＢＧセンサは、複屈折および２つの異なるＦＢＧ応答、例えば、２つの直交ＦＢＧピークを呈し、ある波長間隔（例えば、０．５〜２ｎｍ）によって発生および分離される。反射された応答は、偏光の入射状態に依存するであろう。ファイバ内の偏光状態は、定まらない可能性があるため、センサ上の偏光の入射状態は、温度および／または任意の物理的変化（例えば、ファイバ上の屈曲）に起因して、時間に伴って変化し得る。図７は、センサの反射された応答を図示し、それぞれ、図７（ａ）、（ｂ）、および（ｃ）に示されるように、類似または異なる振幅を伴う、いくつかのより小さい応答を伴う第１のＦＢＧ応答７００、いくつかのより小さい応答を伴う第２のＦＢＧ応答７０１、または応答７００および７０１の両方のいずれかを示す。
図７（ａ）は、第１の偏光状態に対するＢｉ−ＦＢＧの応答を示し、本応答では、第１のピーク（７００）は、第２のピーク（７０１）より小さい振幅を有することに留意されたい。図７（ｂ）に関して、第２のピーク（７０１）の振幅は、第１のピーク（７０１）の振幅より小さい。したがって、図７（ｃ）に示されるように、図７（ａ）および７（ｂ）の信号の和は、第１のピーク（７００）および第２のピーク（７０１）に関する応答における可能性として考えられる変化を判定するために確立されることができ、第１のピーク（７００）は、Ｂｉ−ＦＢＧが曝される、第１の物理的パラメータに関連し、第２のピーク（７０１）は、Ｂｉ−ＦＢＧが曝される、第２の物理的パラメータに関連する。殆どの場合、第１のピーク（７００）および第２のピーク（７０１）は両方とも、第１および第２の物理的パラメータに応答するが、異なる感度を伴い、したがって、その測定を可能にする。異なるピークは、類似振幅または異なる振幅を伴って終了し得、ある場合には、一方のピークは、ゼロ振幅を有し、他方のピークは、最大振幅を有することを理解されたい。
標準的波長可変レーザインタロゲータを用いてＢｉ−ＦＢＧの異なる応答を照合するために、本発明は、偏光を制御し、応答を処理する効率的手段を提供する。少なくとも１つ以上の受動もしくは能動偏光制御デバイスを使用することによって、これを達成することが可能となる。
再び、図２および３を参照すると、受動偏光維持複屈折ファイバは、持続波長板として使用され、源によって放出されるレーザの偏光状態をスクランブリングする。
一実施形態では、同一ＰＭファイバが、ＭＺＩおよび受動偏光スクランブラ４０の両方のために使用されるため、ＭＺＩから測定されたサンプルは、偏光変化と同期する。図８に示されるように、レーザの１つの波長掃引８００に関して、ＭＺＩ信号上のピーク８０１は、ある偏光状態に対応するであろう一方、トラフ８０２は、直交偏光状態に対応する。本情報は、２つの直交偏光に対応する第１のＦＢＧ応答８０３および第２のＦＢＧ応答８０４を構築するために使用されることができる。第１および第２のＦＢＧ応答８０３、８０４から測定されたピークは、平均およびフィルタ処理され、図８に示されるように、２つの一意の直交ＦＢＧ応答を発生させることができる。
前述のアプローチは、偏光および波長が、同時にサンプリングされることを可能にし、両影響を相互に足並みを揃えて適宜サンプリングさせる。波長が掃引されると、偏光の回転は、波長依存となり、受動スクランブラの出力における偏光状態は、ＰＭファイバの波長および長さに比例して回転する。レーザ出力の偏光状態は、検出されたＭＺＩ交差、ピーク、およびトラフと同期して変化し、これは、複屈折光学センサ応答に相関し、２つの直交偏光状態８０３および８０４の検出を可能にするであろう。
波長軸が較正され、Ｂｉ−ＦＢＧの往復距離が補償されると、Ｂｉ−ＦＢＧ波長ピークからのスペクトル情報が、検出および追跡される。Ｂｉ−ＦＢＧセンサ較正データに基づいて、ピーク間の波長偏移および差異が、実際の測定（例えば、温度／歪み／圧力）に変換されることができる。処理は、受信機セクション３において行われ、例えば、ＦＰＧＡ３２および／またはコンピュータオンボード（ＣＯＢ）６内で実装されることができる。いくつかのピーク検出アルゴリズム（例えば、ガウス、多項式、正弦、二等分スカート）が、用途に基づいて、展開および最適化されることができる。
再び、図４を参照すると、能動偏光スイッチ／コントローラ４００が、本実施形態では使用される。本能動偏光スイッチ／コントローラ４００は、図６に示されるように、Ｎ−状態偏光スイッチ（レーザ掃引と同期）、高速偏光スクランブラ（レーザ掃引と非同期）、または両方の組み合わせのいずれかを使用することによって構築されることができる。そのような実施形態を参照すると、得られるべき予期される結果の分析は、ここで、図９の図において分析される。偏光スイッチの実施例は、ｎ数の掃引毎に２つの直交偏光状態９００および９０１間で反転する、２状態直交スイッチであり、２回の掃引９０２および９０３は、図９に示される。センサに適用される偏光状態が、２つの直交状態間で変化すると、直交照合信号に対するＢｉ−ＦＢＧの異なる応答が、Ｂｉ−ＦＢＧセンサ上の偏光の入射状態に応じて、９０４および９０５として観察されるであろう。本変化率は、着目信号帯域幅より高いレートで生じるため、応答は、総和および／または平均され、したがって、図９における９０６および９０７として示される、Ｂｉ−ＦＢＧの２つの直交応答に対応する２つのＢｉ−ＦＢＧ応答の検出を可能にすることができる。２つの直交応答に対応する得られたスペクトル情報は、図２および８に関して前述のように処理されることができる。ＰＭファイバが存在する場合、スペクトル特徴の総和または平均は要求されないことを理解されたい。
また、ピーク検出スキームを掃引毎に反射された応答に適用し、次いで、ピーク結果を平均することも可能である。図７に示されるように、入射偏光状態に依存する、反射されたピークの振幅に基づいて、２の最小走査数によってピークを平均する前に、走査毎に１つのピークの選択（図７（ａ）および（ｂ））または走査毎に２つのピークの選択（図７（ｃ））のいずれかを行う。これは、２回以上の走査毎に２つのピーク場所の報告を保証するであろう。
また、２つを上回る偏光状態（Ｎ−状態偏光スイッチ）を使用して、平均される走査（スペクトルまたはピーク）の数を増加させることも可能である。走査において使用される偏光状態の数の増加は、接続される複屈折ファイバセンサの偏光依存応答を捕捉する際により高い正確度をもたらすことができる。一実施形態では、６状態掃引が、０、＋４５、９０、−４５、左円、および右円偏光からの応答を収集し、広範囲の応答を得るために行われることができる。
ファイバ上に高周波数振動／偏光変化を伴う環境のための本発明の別の実施形態では、非同期高速偏光スクランブラが、偏光スイッチを伴って、または伴わずに使用されることができる。高速偏光スクランブラは、４５度入力偏光角度整合を伴う高速ＬｉＮｂＯ３偏光スクランブラまたはＬｉＮｂＯ３位相変調器に基づくことができる。デバイスは、受信機ＢＷより高い周波数を伴う電気信号を用いて枢動されることができる。図１０は、偏光ＳＷが参照番号１００によって示される所与の掃引（ｍ）における静的偏光状態（ｎ）にあるときのＢｉ−ＦＢＧの応答を示す。スクランブラは、より高いレート（例えば、＞２００ＭＨｚ）で稼働するであろうため、リップルが、単回掃引内の両ＦＢＧ応答１０１および１０２上で観察されるであろう。例えば、カットオフ周波数＜２０Ｍｚを伴う低域通過フィルタを使用することによって、応答をフィルタ処理／平均すると（アナログまたはデジタルドメインにおいて）、リップルは、除去され、２つの直交ＦＢＧ応答１０３および１０４は、図１０に示されるように、観察されるであろう。２つの直交応答に対応する得られたスペクトル情報は、図２および８に関して前述のように処理されることができる。
図面を参照して説明される本発明における実施形態は、波長可変レーザ源および偏光制御デバイスと組み合わせて、コンピュータ装置および／またはコンピュータ装置内で行われるプロセスを備える。しかしながら、本発明はまた、コンピュータプログラム、特に、本発明を実践するために適合される搬送波上または内に記憶されたコンピュータプログラムにも拡張される。プログラムは、ソースコード、オブジェクトコード、もしくは部分的にコンパイルされた形態または本発明による方法の実装において使用するために好適な任意の他の形態等における、コード中間ソースおよびオブジェクトコードの形態であってもよい。搬送波は、ＲＯＭ、例えば、ＣＤ ＲＯＭ、または磁気記録媒体、例えば、フロッピー（登録商標）ディスクまたはハードディスク等の記憶媒体を備えてもよい。搬送波は、電気または光学ケーブルを介して、もしくは無線または他の手段によって、伝送され得る、電気または光学信号であってもよい。
明細書では、用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ、ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ、ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ、およびｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、またはその任意の変形例および用語「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ、ｉｎｃｌｕｄｅｄ、およびｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」またはその任意の変形例は、完全に交換可能であると見なされ、それらは全て、最も広い可能性として考えられる解釈が与えられる。
本発明は、前述の実施形態に限定されず、構造および詳細の両方において変動され得る。

Claims (26)

  1. 少なくとも１つの複屈折光学センサの異なる応答を照合するための測定システムであって、前記システムは、波長可変レーザ源と、偏光制御デバイスとを備え、
    前記システムは、
    少なくとも１回、所定の周波数範囲において前記波長可変レーザを掃引し、前記複屈折光学センサに照合することと、
    少なくとも、偏光依存である第１および第２のスペクトル特徴を検出することであって、前記検出された第１および第２のスペクトル特徴は、前記少なくとも１つの複屈折光学センサの異なる応答に対応する、ことと
    を行うために、１つ以上のモジュールとともに構成されている、システム。
  2. 前記第１および第２のスペクトル特徴は、偏光状態に関して総和または平均され、前記得られたスペクトル情報は、前記少なくとも１つの複屈折光学センサの異なる応答に対応する、請求項１に記載のシステム。
  3. 第１の偏光状態における前記第１のスペクトル特徴は、前記波長可変レーザの第１の掃引の間に検出され、第２の偏光状態における前記第２のスペクトル特徴は、前記波長可変レーザの第２の掃引の間に検出される、請求項１または２に記載のシステム。
  4. 前記第１および第２のスペクトル特徴は、前記少なくとも１つの複屈折光学センサの第１および第２の波長応答に対応し、温度、歪み、または圧力のうちの少なくとも１つの測定関数を提供する、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
  5. 前記第１および第２のスペクトル特徴は、第１および第２の波長ピークを備える、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
  6. 前記システムは、前記第１および第２の検出されたピーク間の波長距離を計算し、前記計算された波長距離から温度、歪み、または圧力測定のうちの少なくとも１つを判定するように構成されている、請求項５に記載のシステム。
  7. 前記第１のおよび／または第２のスペクトル特徴は、個々のセンサ反射の絶対波長、２つの反射ピーク位置間の相対間隔、および／またはそれらの振幅のうちの少なくとも１つを備える、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
  8. 前記偏光制御デバイスは、掃引の間、前記波長可変レーザの偏光状態を変化させるように適合された受動偏光複屈折ファイバを備える、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
  9. 前記偏光制御デバイスの出力は、マッハツェンダ干渉計（ＭＺＩ）デバイスに接続され、前記ＭＺＩデバイスからの測定ピークは、２つの直交偏光に対応する２つのＢｉ−ＦＢＧ応答が発生されるように、前記システム内の偏光変化と同期する、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
  10. 前記Ｂｉ−ＦＢＧ応答からのスペクトル特徴は、第１および第２の検出されたピークに対応し、前記ピーク間の差異は、温度、歪み、または圧力のうちの少なくとも１つ等の測定関数を提供するように測定される、請求項９に記載のシステム。
  11. 前記ＭＺＩおよび偏光制御デバイスは、所望の偏光発射角および長さとともに構成され、かつ前記少なくとも１つの複屈折光学センサに照合するために使用される周波数および偏光情報を提供するように適合されている、偏光維持ファイバを備える、請求項１０または１１に記載のシステム。
  12. 前記偏光制御デバイスは、能動偏光スイッチを備える、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
  13. 前記能動偏光スイッチは、前記波長可変レーザの異なる波長掃引のために、前記偏光状態を変化させるように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
  14. 少なくとも１つの偏光依存波長特徴は、１つ以上の波長掃引において検出される、請求項１２または１３に記載のシステム。
  15. 前記能動偏光制御デバイスは、同期偏光スイッチとして動作するように構成され、同期方式において前記偏光の状態を制御し、異なる波長掃引間の直交応答を測定することによって前記少なくとも１つの複屈折センサに照合するように適合されている、請求項１２〜１４のいずれかに記載のシステム。
  16. 複数回の掃引にわたって測定された直交スペクトル応答は、最初に平均され、前記第１および第２のスペクトル特徴を検出し、前記スペクトル特徴から温度、歪み、または圧力のうちの少なくとも１つの測定関数を提供するように処理される、請求項１５に記載のシステム。
  17. 複数回の掃引にわたって測定された直交スペクトル応答は、最初に検出され、次いで、前記第１および第２のスペクトル特徴を見つけ、前記スペクトル特徴から温度、歪み、または圧力のうちの少なくとも１つ等の測定関数を提供するように平均される、請求項１５に記載のシステム。
  18. 前記偏光制御デバイスは、単一波長板を使用して構築された非同期偏光スクランブラを備える、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
  19. 前記複屈折センサの応答は、単回掃引内でフィルタ処理され、２つの直交応答を検出し、前記測定は、掃引毎に異なる静的偏光回転に対応する複数回の掃引にわたって平均されることができる、請求項１８に記載のシステム。
  20. 単一光学ファイバに沿って直列に配列された複数の複屈折光学センサを備える、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
  21. 標準的単一モードファイバまたは偏光維持ファイバを使用してインタロゲータに接続された複数の複屈折光学センサを備える、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
  22. 前記応答の振幅は、前記ファイバ上の偏光状態および変化率を評価するために測定および使用される、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
  23. 前記波長可変レーザは、前記スペクトル特徴領域の周囲を動的に掃引し、センサ情報が存在しない領域を無視し、より高い掃引レートを達成することができる、前記請求項のいずれかに記載のシステム。
  24. インタロゲータと、複屈折ファイバセンサとを備えるシステムであって、前記インタロゲータは、第１の偏光状態において所定の波長範囲を掃引するために配列され、前記インタロゲータは、第２の偏光状態において前記所定の波長範囲を掃引するために配列されている、システム。
  25. 波長可変レーザ源と、偏光制御デバイスとを備えるインタロゲータシステムを使用して、少なくとも１つの複屈折光学センサに照合する方法であって、前記方法は、
    少なくとも１回、所定の周波数範囲において前記波長可変レーザを掃引し、前記複屈折光学センサに照合するステップと、
    偏光依存である第１および第２のスペクトル特徴を検出するステップであって、前記検出された第１および第２のスペクトル特徴は、前記少なくとも１つの複屈折光学センサの異なる応答に対応する、ステップと
    を含む、方法。
  26. プログラム命令を備えるコンピュータプログラムであって、前記プログラム命令は、コンピュータプロセッサによって実行されると、コンピュータに請求項２５に記載の前記ステップを行わせる、コンピュータプログラム。
JP2017549391A 2015-03-20 2016-03-21 周波数掃引源ベースのインタロゲータを用いて複屈折光学センサに照合するための測定システムおよび方法 Pending JP2018511051A (ja)

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