JP2022104561A - 光センシングシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】光ファイバを含むセンサシステムを提供する。【解決手段】１組の波長シフトセンサは、光ファイバに刻まれている。１組の波長シフトセンサは、入力光の第１の波長帯域を第１の光出力信号として反射するように構成された少なくとも１つの第１の波長シフトセンサを含む。第１の波長シフトセンサは、第１の光出力信号の強度を変更する光学特性の第１の値を有する。少なくとも１つの第２の波長シフトセンサは、入力光の第２の波長帯域を第２の光出力信号として反射するように構成される。第２の波長シフトセンサは、第２の光出力信号の強度を変更する光学特性の第２の値を有し、第２の値は第１の値とは異なる。【選択図】図２Ａ
Description
広帯域光は、多くの光センシング応用において入力光として使用される。波長多重化センシングシステムにおいて、広帯域光は、単一の光ファイバに沿って配置された多くの光ファイバセンサへの入力光として使用することができる。例えば、多数のファイバブラッググレーティング（fiber Bragg grating、ＦＢＧ）センサを光ファイバの異なる位置に配置することができ、各ＦＢＧセンサは異なる波長帯域を反射する。各ＦＢＧセンサは、広帯域入力光の異なるスペクトル部分をセンサからの出力光として反射する。複数のＦＢＧセンサのそれぞれの出力光は、スペクトル的に分解することができ、各センサからのセンシング情報の取得を可能にする。この技術は、多くの場合、波長多重化光センシングと呼ばれる。
本明細書に記載の実施形態は、光ファイバを備えるセンサシステムを含む。１組の波長シフトセンサは、光ファイバに刻まれている。１組の波長シフトセンサは、入力光の第１の波長帯域を第１の光出力信号として反射するように構成された少なくとも１つの第１の波長シフトセンサを含む。第１の波長シフトセンサは、第１の光出力信号の強度を変更する光学特性の第１の値を有する。少なくとも１つの第２の波長シフトセンサは、入力光の第２の波長帯域を第２の光出力信号として反射するように構成される。第２の波長シフトセンサは、第２の光出力信号の強度を変更する光学特性の第２の値を有し、第２の値は第１の値とは異なる。
実施形態は、光ファイバ上に１組の波長シフトセンサを刻むことを含むセンサシステムを製造する方法を含む。１組の波長シフトセンサは、入力光の第１の波長帯域を第１の光出力信号として反射するように構成された少なくとも１つの第１の波長シフトセンサを含む。第１の波長シフトセンサは、第１の光出力信号の強度に影響を与える光学特性の第１の値を有する。少なくとも１つの第２の波長シフトセンサは、入力光の第２の波長帯域を第２の光出力信号として反射するように構成される。第２の波長シフトセンサは、第２の光出力信号の強度に影響を与える光学特性の第２の値を有し、第１の値は第２の値とは異なる。
方法は、センサシステム用の入力光を生成することを含む。センサシステムは、光ファイバを含む。１組の波長シフトセンサは、光ファイバに刻まれている。１組の波長シフトセンサは、光学特性の第１の値を有する少なくとも１つの第１の波長シフトセンサを含む。少なくとも１つの第２の波長シフトセンサは、第１の値とは異なる光学特性の第２の値を有する。入力光の第１の波長帯域は、第１の光出力信号として反射される。光学特性の第１の値は、第１の光出力信号の強度に影響を与える。入力光の第２の波長帯域は、第２の光出力信号として反射される。光学特性の第２の値は、第２の光出力信号の強度に影響を与える。
本明細書全体を通して、添付の図面を参照する。
スーパールミネッセント発光ダイオード（superluminescent light emitting diode、ＳＬＥＤ）を含む広帯域光源のパワー出力を示す。
一部の実施形態による、光ファイバと、光ファイバに沿って刻まれた複数のＦＢＧセンサの補償されたアレイとを含むセンシングシステムを示す。
一部の実施形態による、光ファイバと、１つ以上の屈曲部を有する光ファイバに沿って刻まれたＦＢＧセンサの補償されたアレイとを含むセンシングシステムを示す。
一部の実施形態による、上部に刻まれた、屈折率変調により異なる反射率を有する第１及び第２のＦＢＧセンサを含む補償されたセンサアレイを有する光ファイバを含むシステムを示す。
図３の第１及び第２のＦＢＧセンサの屈折率変調を示すグラフである。
一部の実施形態による、上部に刻まれた第１のＦＢＧセンサ及び第２のＦＢＧセンサを含む補償されたセンサアレイを有する光ファイバを含むセンサシステムを示し、第１のセンサ及び第２のセンサは、異なるセンサ長により異なる反射率を有する。
一部の実施形態による、上部に刻まれた第１及び第２のＦＢＧセンサの補償されたアレイを有する光ファイバを含むシステムを示す図であり、各センサは、センサの中心波長又は波長帯域での減衰量が異なる。
一部の実施形態による、補償されていないセンサアレイ（図７Ａ）を含むシステム内の複数のセンサからの反射光と、補償されたセンサアレイシステム（図７Ｂ）を含むシステム内の複数のセンサからの反射光とを示す比較グラフを提供し、センサは、光源のスペクトル不均一性を補償する異なる反射率を有する。
一部の実施形態による、補償されていないセンサアレイ（図７Ａ）を含むシステム内の複数のセンサからの反射光と、補償されたセンサアレイシステム（図７Ｂ）を含むシステム内の複数のセンサからの反射光とを示す比較グラフを提供し、センサは、光源のスペクトル不均一性を補償する異なる反射率を有する。
一部の実施形態による、単一の光ファイバ上に配置された複数のＦＢＧセンサを含む補償されたアレイを含む波長多重化センサシステムを示す。
シングルモード光ファイバケーブル上に配備されたＦＢＧセンサから反射された光の理想的な表現である。
一部の実施形態による、デマルチプレクサ出力、波長シフト検出器、及び分析器の一部を示すブロック図である。
一部の実施形態による波長シフト検出器をより詳細に示す。
図面は、必ずしも縮尺どおりではない。図面に使用される同様の番号は、同様の構成要素を指す。しかしながら、所与の図面における構成要素を指す番号の使用は、同じ番号でラベル付けされた別の図面における構成要素を限定することを意図していないことが理解されるであろう。
広帯域光源のパワー出力は、通常、波長に関して不均一である。図１は、スーパールミネッセント発光ダイオード（ＳＬＥＤ）を含む広帯域光源の出力強度を示す。図１に示されるように、広帯域光源の強度は、光源のスペクトル全体にわたって波長と共に変化する。
広帯域光源は、単一の光ファイバ上に配置され、かつ多くの異なる波長帯域の光を反射する多くのＦＢＧセンサの入力光として使用できるため、波長多重化光センシングに有用である。入力光の強度（又は光パワー）が波長に関して不均一であり、センサがそれらの波長帯域で実質的に同じ応答を有する場合、光ファイバに沿って配置されたＦＢＧセンサによって反射される光の強度（又は光パワー）も不均一になる。再び図１を参照すると、補償されていないセンサアレイにおいて、入力光の強度対波長曲線のピークに近い波長に対応する波長帯域を有するＦＢＧセンサは、より高い強度の光を反射する。入力光の強度対波長曲線のエッジの近くにある波長に対応する波長帯域を有するこれらのＦＢＧセンサは、より低い強度の光を反射する。ＦＢＧセンサから情報を取得するシステムは、多くの場合、最小強度閾値を使用して、受信信号をノイズから分離する。すべてのＦＢＧセンサからの測定信号が最小強度閾値よりも大幅に大きい場合、システムのノイズ特性が向上する。したがって、本明細書に記載の補償されたＦＢＧセンサアレイを使用することが有用である可能性があり、センサからの反射光の強度がより均一である。本明細書に記載の実施形態は、波長シフトセンサの一例としてＦＢＧセンサを使用するが、センサは、任意の他のタイプの波長シフトセンサ（例えば、ファブリペローセンサ）を含むことができることを理解されたい。
本明細書に記載の一部の実施形態は、光ファイバに沿って刻まれた複数のＦＢＧセンサへの入力光のスペクトル不均一性を補償するシステム及び方法を対象とする。図２Ａは、一部の実施形態による、光ファイバ２７５と、光ファイバ２７５に沿った様々な位置に刻まれた複数のＦＢＧセンサ２１０～２６０を含む補償されたアレイとを含むセンシングシステム２０１を示す。各ＦＢＧセンサ２１０～２６０は、光源２９０からの入力光を受光し、入力光の一部分をＦＢＧセンサ２１０～２６０の波長帯域で反射するように構成される。
システム２０１の補償されたセンサアレイは、光学特性の第１の値を有する少なくとも第１のＦＢＧセンサ２１０を含む。第１のＦＢＧセンサ２１０は、第１の波長帯域を第１のＦＢＧセンサ２１０からの第１の光出力信号として反射するように構成される。システム２０１の補償されたセンサアレイは、光学特性の第２の値を有する少なくとも第２のＦＢＧセンサ２２０を含む。第２のＦＢＧセンサ２２０は、入力光の第２の波長帯域を第２のＦＢＧセンサ２２０からの第２の光出力信号として反射するように構成される。光学特性は、センサ２１０、２２０によって反射される光の強度に影響を与える。光学特性の第１の値と第２の値との差は、第１のＦＢＧセンサ２１０の第１の光出力信号の強度と第２のＦＢＧセンサ２２０の第２の光出力信号の強度との差を減少させるように構成される。
複数のＦＢＧセンサ２１０～２６０への入力光におけるスペクトル不均一性の１つの潜在的な原因は、図１に関連して前述したように、入力光源２９０のスペクトル不均一強度出力から生じる。複数のＦＢＧセンサ２１０～２６０への入力光における不均一性の別の潜在的な原因は、光ファイバ２７５における散乱損失から生じる。例えば、光源２９０のより近くに位置する第１のＦＢＧセンサ２１０は、より高い強度の入力光を受光することができ、光源２９０からより遠くに位置する第２のＦＢＧセンサ２２０は、入力光が光ファイバ２７５に沿って移動するときに発生する散乱損失のために、比較的低い強度の入力光を受光することができる。これらの状況では、光学特性の第１の値と第２の値との差は、センサ間の距離に基づく可能性がある。
図２Ｂに示されるように、センシングシステム２０２の一部の構成では、光ファイバ２７５は、光ファイバ２７５に１つ以上の屈曲部２８５を含むように構成されてもよい。屈曲部２８５は、散乱損失を増大させ、光源２９０と屈曲部２８５との間に位置付けられたＦＢＧセンサ２１０～２３０に、屈曲部２８５の後に位置するＦＢＧセンサ２４０～２６０によって受光されたより低い強度の入力光に対してより高い強度の入力光を受光させることができる。
例えば、センサ間の距離、散乱損失、光ファイバの屈曲部、入力光源のスペクトル不均一性、及び／又は他の変動源による入力光の変動を補償するために、光ファイバ２７５に沿って配置されたＦＢＧセンサ２１０の少なくとも１つは、少なくとも１つの他のＦＢＧセンサ２２０の１つ以上の光学特性の値とは異なる１つ以上の光学特性の値を有し得る。第１及び第２のＦＢＧセンサ２１０、２２０の１つ以上の光学特性の値の差は、第１のＦＢＧセンサ２１０の第１の光出力信号と第２のＦＢＧセンサ２２０の第２の光出力信号との差を減少させるように構成される。例えば、一部の実施形態では、補償されたＦＢＧセンサアレイは、第１及び第２の光出力信号の強度を実質的に等しくする、又は互いに１０％以内にする、又は互いに２０％以内にすることができる。例えば、第１の光信号と第２の光信号との強度の差は、第１の波長帯域における第１のセンサの１つ以上の光学特性の値が、第２の波長帯域における第２のセンサの光学特性の値と実質的に等しいシステムと比較した場合に、５％、２５％、又は更には５０％だけ減少する可能性がある。
一部の実施形態では、第１及び第２のＦＢＧセンサに対して異なる値を有する補償光学特性は反射率である。図３は、一部の実施形態による、上部に刻まれた、異なる反射率を有する第１及び第２のＦＢＧセンサ３１０、３２０を含む補償されたセンサアレイを有する光ファイバ３７５を含むシステム３００を示す。図３のセンシングシステム３００は２つのＦＢＧセンサ３１０、３２０を示しているが、より多くのＦＢＧセンサが光ファイバ３７５上に配置され得ることが理解されることに留意されたい。第１のＦＢＧセンサ３１０は第１の波長帯域を反射し、第２のＦＢＧセンサ３２０は第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域を反射する。第１のセンサ３１０は、第１の波長帯域で比較的低い強度の入力光を受光することができ、第１の波長帯域で比較的高い反射率を有する。第２のセンサ３２０は、第２の波長帯域で比較的高い強度の入力光を受光することができ、第２の波長帯域で比較的低い反射率を有する。この構成では、それぞれの波長帯域における第１のＦＢＧセンサ３１０及び第２のＦＢＧセンサ３２０の反射率の差は、第１のＦＢＧセンサ３１０の第１の光出力信号の強度と第２のＦＢＧセンサ３２０の第２の光出力信号の強度との差を減少させる。
ＦＢＧセンサは、ＦＢＧセンサに関連するブラッグ波長付近の波長帯域を出力光として反射し、他の波長を透過する光ファイバの一部分として構成されてもよい。ＦＢＧセンサは、光ファイバコアの長さに沿って屈折率を周期的に変化させることによって形成することができる。ブラッグ波長と呼ばれる反射波長λＢ、は、
λＢ＝２ηｅｆｆΛに等しく、
式中、ηｅｆｆはセンサの実効屈折率であり、Λはセンサの周期である。
λＢ＝２ηｅｆｆΛに等しく、
式中、ηｅｆｆはセンサの実効屈折率であり、Λはセンサの周期である。
ＦＢＧセンサの反射率は、センサの長さ（周期数）とＦＢＧセンサの屈折率変調の強度の一方又は両方に依存する。図４は、第１及び第２のＦＢＧセンサ３１０、３２０の屈折率変調を示すグラフである。屈折率変調は、変調の２つの屈折率値の差である。第１のセンサ３１０の屈折率変調４１１、ｎ２－ｎ１は、第１のＦＢＧセンサ３１０の第１の波長帯域で第１の反射率値を生成する。第２のセンサ３２０の屈折率変調４２１、ｎ３－ｎ１は、第２のＦＢＧセンサ３２０の第２の波長帯域で第２の反射率値を生成する。例えば、第１のセンサ３１０の反射率と第２のセンサ３２０の反射率との差は、例えば５％～９５％であってもよい。
一部の実施態様では、ＦＢＧセンサの反射率は、ＦＢＧセンサの屈折率変調の周期数の関数であるＦＢＧセンサの長さに依存することができる。図５は、上部に刻まれた第１のＦＢＧセンサ５１０及び第２のＦＢＧセンサ５２０を含む補償されたセンサアレイを有する光ファイバ５７５を含むセンサシステムを示し、第１のセンサ５１０及び第２ ５２０は、センサ長により異なる反射率を有する。センサ５１０、５２０のそれぞれの長さは、例えば、約０．５μｍ～約１０ｍｍの範囲であり得る。第１のＦＢＧセンサ５１０は、屈折率変調の周期数Ｎ１が比較的小さく、それに対応して第１のセンサ５１０の波長帯域における反射率がより低い。第１のＦＢＧセンサ５１０と比較して、第２のＦＢＧセンサ５２０は、屈折率変調の周期数Ｎ２が比較的大きく、それに対応して第２のセンサ５２０の波長帯域における反射率がより高い。例えば、第１のＦＢＧセンサ５１０は、全長Ｎ１Λ１に対して周期Λ１及び多数の周期Ｎ１を有し得る。第２のＦＢＧセンサ５２０は、全長Ｎ２Λ２に対して周期Λ２及び多数の周期Ｎ２を有してもよく、ここでＮ１＜Ｎ２及び／又はＮ１Λ１＜Ｎ２Λ２である。
一部の実施形態では、第１及び第２のＦＢＧセンサに対して異なる値を有する補償光学特性は光減衰である。図６は、上部に刻まれた第１及び第２のＦＢＧセンサ６１０、６２０を含む補償されたセンサアレイを有する光ファイバ６７５を含むシステム６００を示す。図６のセンシングシステム６００は２つのＦＢＧセンサ６１０、６２０を示しているが、より多くのＦＢＧセンサが光ファイバ６７５上に配置され得ることが理解されることに留意されたい。第１のＦＢＧセンサ６１０は第１の波長帯域で動作し、第２のＦＢＧセンサ６２０は第１の波長帯域とは異なる第２の波長帯域で動作する。第１のセンサ６１０は、第１の波長帯域で比較的低い強度の入力光を受光することができ、また、第１の波長帯域でより低い光減衰を有する。第２のセンサ６２０は、第２の波長帯域で比較的高い強度の入力光を受光することができ、また、第１のＦＢＧセンサ６１０と比較して第２の波長帯域で比較的高い減衰を有し得る。この構成では、それぞれの波長帯域における第１及び第２のＦＢＧセンサ６１０、６２０の減衰値の差は、第１のＦＢＧセンサ６１０の第１の光出力信号の強度と第２のＦＢＧセンサ６２０の第２の光出力信号の強度との差を減少させる。
光の減衰は、例えば、散乱、反射、偏向、吸収、及び／又は回折などの多くのプロセスの結果であり得る。材料は、低減衰を考慮して、長距離にわたって使用されるような材料を選択することができ、及び／又は高減衰を考慮して、光ファイバ減衰器内の材料のような材料を選択することができ、これは光を吸収する。光路における不連続性もまた、散乱を導入し、光を減衰させることができる。不連続性は、例えば、材料のドーピング、導波路構造の欠陥、及び／又は材料の遷移（光ファイバコネクタ）によって導入することができる。
本明細書に記載の様々な実施形態によれば、入力光の減衰には複数の例がある。減衰損失は、ファイバケーブル材料に固有のものである可能性がある。より短い距離では、この損失は無視することができるが、数百又は数千キロメートルを横断する場合、これは、例えば、散乱及び／又は吸収のために顕著になる。減衰損失は、ファイバケーブルの最大曲げ半径に固有のものである可能性がある。例えば、ファイバケーブルの鋭い屈曲部は、光が導波路から散乱することを可能にする。場合によっては、減衰損失は光路の不連続性に起因する可能性がある。例えば、光ファイバコネクタ（即ち、ＬＣ／ＡＰＣ、ＦＣ／ＡＰＣなど）は、２つの接続導波路間の光の不完全な結合のためにシステムに損失を導入する。様々な実施形態によれば、損失は、光スプリッタに起因する可能性がある。光ファイバスプリッタは、入力光を複数の出力導波路に分割するために使用され、これにより、出力光は入力光よりも低い信号を有するようになり得る。一部の実施形態では、損失は、光減衰器に起因する可能性がある。光ファイバ減衰器を使用して、導波路内の光の強度を意図的に減衰させることができる。この構成要素は光を吸収するために使用されることが多く、それによって透過する光のパワーを減少させる。これは、例えば読み出しセンサが飽和状態にある場合に特に有用である。
上述のアプローチは、センサ出力信号が入力光強度の差に対して補償される、補償されたセンサアレイを有するシステムを提供する。これらのシステムは、ＦＢＧセンサからの反射光の強度の差を減少させる。図７Ａ及び図７Ｂは、補償されていないシステム内の複数のセンサからの反射出力信号と補償されたアレイ内の複数のセンサからの反射出力信号を比較するグラフである。図７Ａでは、補償されていないアレイ内のセンサは、入力光の強度の差に対して補償されない。図７Ｂでは、補償されたアレイ内の各センサは、光源のスペクトル不均一性による入力光の強度の差を補償する反射率を有する。図７Ａ及び図７Ｂから、補償されていないアレイ（図７Ａ）内のセンサから反射された光の強度の差と比較した場合、補償されたアレイ（図７Ｂ）内のセンサから反射された光の強度の差が減少することが理解されよう。
先に議論され、ここで図８に示されるように、波長多重化システム８００は、単一の光ファイバ８１１上に配置された複数のＦＢＧセンサ８２１、８２２、８２３を含む補償されたセンサアレイを使用することができる。センサ８２１～８２３は、例えば、温度、歪み、及び／又は振動のうちの１つ以上を含むパラメータを感知するように構成することができる。図8に示されるように、入力光は、例えば、発光ダイオード（light emitting diode、ＬＥＤ）又はスーパールミネッセントレーザダイオード（superluminescent laser diode、ＳＬＤ）を含むか、又はそれらであり得る光源８１０によって提供される。広帯域光のスペクトル特性（強度対波長）は、挿入グラフ８９１によって示されている。強度はスペクトルの中央付近で最も高く、スペクトルのエッジで低下する。センサ８２１、８２２、８２３は、センサによって反射された出力信号光の強度の差を減少させて、例えば光源のスペクトル不均一性及び／又は光ファイバにおける散乱損失に起因して強度が不均一である入力光を補償する補償、例えば、異なる反射率及び異なる減衰のうちの１つ以上を含む。入力光は光ファイバ（ＦＯ）ケーブル８１１を介して第１のＦＢＧセンサ８２１に伝達される。第１のＦＢＧセンサ８２１は、中心波長λ１を有する第１の波長帯域の光の一部分を反射する。第１の波長帯域内以外の波長を有する光は、第１のＦＢＧセンサ８２１を透過して第２のＦＢＧセンサ８２２に伝達される。第２のＦＢＧセンサ８２２に伝達された光のスペクトル特性は、挿入グラフ８９２に示されており、λ１を中心とする第１の波長帯域でノッチ８８１を示し、この波長帯域の光が第１のセンサ８２１によって反射されることを示す。
第２のＦＢＧセンサ８２２は、中心波長λ２を有する第２の波長帯域の光の一部分を反射する。第２のＦＢＧセンサ８２２によって反射されない光は、第２のＦＢＧセンサ８２２を透過して第３のＦＢＧセンサ８２３に伝達される。第３のＦＢＧセンサ８２３に伝達された光のスペクトル特性は、挿入グラフ８９３に示されており、λ１及びλ２を中心とするノッチ８８１、８８２を含む。
第３のＦＢＧセンサ８２３は、中心波長又はピーク波長λ３を有する第３の波長帯域の光の一部分を反射する。第３のＦＢＧセンサ８２３によって反射されない光は、第３のＦＢＧセンサ８２３を透過する。第３のＦＢＧセンサ８２３を透過した光のスペクトル特性は、挿入グラフ８９４に示されており、λ１、λ２及びλ３を中心とするノッチ８８１、８８２、８８３を含む。
中心波長λ１、λ２及びλ３（挿入グラフ８９５に示されている）を有する波長帯域８６１、８６２、８６３の光は、ＦＯケーブル８１１及び８１１’に沿って、それぞれ第１、第２又は第３のＦＢＧセンサ８２１、８２２、８２３によって光波長デマルチプレクサ８５０に反射される。センサ８２１、８２２、８２３の補償入力特性は、補償されていないセンサアレイからの強度ピークと比較した場合、光８６１、８６２、８６３の強度ピークの差を減少させる。
波長デマルチプレクサ８５０から、センサ光８６１、８６２、８６３は、波長シフト検出器８５５に送られてもよく、それは、センサ光の中心波長λ１、λ２、λ３及び／又は波長帯域のシフトに応答する電気信号を生成する。波長シフト検出器８５５は、センサのそれぞれからの反射光を受光し、センサ８２１～８２３によって反射された光の中心波長λ１、λ２及びλ３又は波長帯域のシフトに応答して対応する電気信号を生成する。分析器８５６は、シフトと特徴的な基本波長（既知の波長）を比較して、センサ８２１～８２３によって感知されたパラメータの値に変化が発生したか否かを判定することができる。分析器８５６は、感知されたパラメータの１つ以上の値が波長シフト分析に基づいて変化したことを判定し、変化の相対的又は絶対的測定値を計算することができる。
場合によっては、広帯域光を放射する代わりに、光源は波長範囲を走査して、ＦＯケーブル上に配置された様々なセンサが敏感な狭い波長帯域の光を放射することができる。反射光は、狭帯域光の放射に対して計時されるいくつかの感知期間中に感知される。例えば、センサ１、２、及び３がＦＯケーブル上に配置されているシナリオを考える。センサ１は波長帯域（ＷＢ１）に敏感であり、センサ２は波長帯域ＷＢ２に敏感であり、センサ３はＷＢ３に敏感である。光源は、期間１の間にＷＢ１を有する光を放射し、期間１と重なる期間１ａの間に反射光を感知するように制御されてもよい。期間１ａに続いて、光源は、期間２の間にＷＢ２を有する光を放射し、期間２と重なる期間２ａの間に反射光を感知することができる。期間２ａに続いて、光源は、期間３の間にＷＢ３を有する光を放射し、期間３と重なる期間３ａの間に反射光を感知することができる。このバージョンの時間領域多重化を使用すると、センサのそれぞれを個別の期間中に問い合わせることができる。狭帯域光源の強度が変化する場合、本明細書に記載されるような補償されたセンサアレイは、光源の強度変動を補償するのに有用であり得る。
ＦＯケーブルは、シングルモード（single mode、ＳＭ）ＦＯケーブル（図８に示されるように）を含んでもよく、又はマルチモード（multi-mode、ＭＭ）ＦＯケーブルを含んでもよい。シングルモード光ファイバケーブルは、より解釈しやすい信号を提供するが、より広い適用性及びより低い製造コストを達成するために、マルチモードファイバを使用してもよい。ＭＭファイバは、通常ＳＭファイバに使用されるシリカではなく、プラスチックで作られてもよい。プラスチックファイバは、シリカファイバの回転半径と比較した場合、より小さい回転半径を有し得る。これは、例えば、湾曲した構成又は柔軟な構成の可能性を提供することができる。更に、ＭＭファイバは、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）とのより正確な位置合わせを必要とし得るＳＭファイバとは対照的に、より安価な光源（例えば、ＬＥＤ）で動作することができる。したがって、ＭＭファイバ内の光学センサに基づくセンシングシステムは、より低コストのシステムを生み出すことができる。
図９は、ＳＭ ＦＯケーブル上に配備されたＦＢＧセンサから反射された光の理想的な表現である。特徴的な基本状態又は既知の状態では、ＦＢＧセンサは、中心（又は重心）波長λを有する比較的狭い波長帯域９１０の光を反射する。ＦＢＧセンサが感知条件の変化、例えば、温度、歪み、化学的環境の変化を経験した後、センサによって反射された光は、中心（又は重心）波長λｓを有する異なる波長帯域９２０にシフトする。波長帯域９２０は、波長帯域９１０と比較した場合、幅、振幅及び他の形態学的特徴が類似しているが、波長帯域９２０の波長λｓは、感知条件の変化に関連する量だけ、波長帯域９１０の波長λからシフトする９３０。
図１０Ａは、図８のシステム８００で使用できるデマルチプレクサ出力、波長シフト検出器、及び分析器の一部を示すブロック図である。デマルチプレクサ出力は、センサ８２１、８２２、８２３それぞれから逆多重化された反射光を運ぶ３つの光ファイバ１０４５、１０４６、１０４７を含む。補償されたシステムでは、入力光に対する補償を含まない実質的に同様のシステムと比較した場合、センサのそれぞれによって運ばれる光の強度はより均一である。感知されたパラメータの値が変化するにつれて、第１のセンサ８２１によって反射された光の中心波長又は重心波長は、λ１からλ１＋Δ１にシフトする可能性があり、第２のセンサ８２２によって反射された光の中心波長又は重心波長は、λ２からλ２＋Δ２にシフトする可能性があり、そして、第３のセンサ８２３によって反射された光の中心波長又は重心波長は、λ３からλ３＋Δ３にシフトする可能性がある。素子１０００－１、１０００－２、１０００－３を含む波長シフト検出器は、それぞれ、その対応する導波路１０４５、１０４６、１０４７から逆多重化された反射光を受光し、反射光の中心波長又は波長帯域のシフトに応答する電気信号を生成する。分析器は、既知のベースライン又は以前の値へのシフトを示す、波長シフト検出器素子１０００－１、１０００－２、１０００－３からの各電気信号を比較して、センサによって感知されたパラメータの値に変化が発生したか否かを判定することができる。
図１０Ｂは、一部の実施形態による波長シフト検出器１０００をより詳細に示す。任意選択で、波長シフト検出器１０００は、デマルチプレクサの出力導波路１０４０からの光を、線形可変透過構造（linearly variable transmission structure、ＬＶＴＳ）１０１０又は他の空間分散光学素子の入力面にわたってコリメート及び／又は拡散するように構成された拡散構成要素１００５を含む。出力導波路１０４０から十分な光の拡散が生じる配置では、拡散構成要素１００５を使用しなくてもよい。ＬＶＴＳ１０１０は、プリズム又は線形可変フィルタなどの分散素子を含む。ＬＶＴＳ１０１０は、その入力面１０１０ａにおいて導波路１０４０及び（任意選択的に）拡散構成要素１００５から光１０９１を受光し、その出力面１０１０ｂからの光を光検出器対１０２０に伝達する。ＬＶＴＳ１０１０の出力面１０１０ｂにおいて、光の波長は、出力面１０１０ｂに沿った距離と共に変化する。
光検出器対１０２０は、ＬＶＴＳ１０１０を透過した光１０９２が光検出器対１０２０に入射するように、ＬＶＴＳ１０１０に対して位置付けられる。例えば、波長λ１を有する光１０９２は主に光検出器１０２１に入射する可能性があり、波長λ１＋Δ１を有する光１０９２は主に光検出器１０２２に入射する可能性がある。光検出器１０２１は、その感光面に入射する光に応答して信号Ｉ１を生成し、光検出器１０２２は、その感光面に入射する光に応答して信号Ｉ２を生成する。信号Ｉ１、Ｉ２は、感知されたパラメータに関する情報を含み、それにより、Ｉ１とＩ２の比の変化が感知されたパラメータの変化を示す。式
一部の実施形態では、システムは、第１及び第２のセンサに対応する第１及び第２の電気信号を含む。第１の電気信号は、第１のセンサによって感知されたパラメータのシフトに応答し、第２の電気信号は、第２のセンサによって感知されたパラメータのシフトに応答する。入力光に対する第１及び第２のセンサの補償は、第１のセンサの第１の光出力信号の強度と第２のセンサの第２の光出力信号の強度との差を減少させる。第１の出力信号の強度と第２の出力信号の強度との差を減少させることは、それに応じて、第１の電気信号の振幅と第２の電気信号の振幅との差を減少させる。
主題は、構造的特徴及び／又は方法論的行為に固有の言語で記載されているが、添付の特許請求の範囲で定義される主題は、必ずしも上記の特定の特徴又は行為に限定されないことを理解されたい。むしろ、上記の特定の特徴及び行為は、特許請求の範囲を実施する代表的な形態として開示されている。
Claims (20)
- センサシステムであって、
光ファイバと、
前記光ファイバに刻まれた１組の波長シフトセンサと、を備え、前記１組の波長シフトセンサは、
入力光の第１の波長帯域を第１の光出力信号として反射するように構成された少なくとも１つの第１の波長シフトセンサであって、前記第１の光出力信号の強度を変更する光学特性の第１の値を有する、少なくとも１つの第１の波長シフトセンサと、
入力光の第２の波長帯域を第２の光出力信号として反射するように構成された少なくとも１つの第２の波長シフトセンサであって、前記第２の光出力信号の強度を変更する前記光学特性の第２の値を有し、前記第２の値は、前記第１の値とは異なる、少なくとも１つの第２の波長シフトセンサと、を含む、センサシステム。 - 前記第１の値と前記第２の値との差は、前記第１の光出力信号の強度と前記第２の光出力信号の強度との差を減少させるように構成されている、請求項１に記載のセンサシステム。
- 前記第１の値と前記第２の値との差は、前記第１の光出力信号の第１の信号対雑音比（ＳＮＲ）及び前記第２の光出力信号の第２のＳＮＲのうちの少なくとも１つの差を減少させるように構成されている、請求項１に記載のセンサシステム。
- 前記第１の値と前記第２の値との差は、前記第１の光出力信号の強度及び前記第２の光出力信号の強度が実質的に等しくなるように構成されている、請求項１に記載のセンサシステム。
- 前記光学特性は、反射率を含み、反射率の前記第１の値と前記第２の値との差は、前記第１の波長シフトセンサの屈折率変調の第１の振幅と前記第２の波長シフトセンサの屈折率変調の第２の振幅との差の関数である、請求項１に記載のセンサシステム。
- 前記光学特性は、反射率を含み、反射率の前記第１の値と前記第２の値との差は、前記光ファイバに刻まれた前記第１の波長シフトセンサのブラッグ波長の第１の周期数と、前記光ファイバに刻まれた前記第２の波長シフトセンサのブラッグ波長の第２の周期数との差の関数である、請求項１に記載のセンサシステム。
- 前記光学特性は、入力光の減衰を含む、請求項１に記載のセンサシステム。
- 前記第１の波長シフトセンサは、前記光ファイバ上の第１の位置に配置されており、
前記第２の波長シフトセンサは、前記光ファイバ上の第２の位置に配置されており、
前記第１の値と前記第２の値との前記差は、前記第１の位置と前記第２の位置との間の距離に基づいている、請求項１に記載のセンサシステム。 - 前記光ファイバは、光散乱損失が前記光ファイバに沿って発生するように構成されており、
前記第１の値と前記第２の値との差は、前記散乱損失に基づいている、請求項１に記載のセンサシステム。 - 前記散乱損失の少なくとも一部は、前記光ファイバの屈曲部によるものである、請求項９に記載のセンサシステム。
- 前記光ファイバに光学的に結合され、また、
前記第１の波長シフトセンサ及び前記第２の波長シフトセンサから前記第１の光出力信号及び前記第２の光出力信号を受信し、
前記第１の波長帯域における波長シフト及び前記第２の波長帯域における波長シフトを検出し、かつ
前記第１の波長帯域における前記波長シフトに応答する第１の電気信号、及び前記第２の波長帯域における前記波長シフトに応答する第２の電気信号を生成するように構成された波長シフト検出器を更に備え、前記第１の電気信号の振幅と前記第２の電気信号の振幅との差は、前記第１の光出力信号の強度と前記第２の光出力信号の強度との差に応答する、請求項１に記載のセンサシステム。 - 前記波長シフトセンサは、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサ及びファブリペローセンサのうちの１つ以上を含む、請求項１に記載のセンサシステム。
- 光ファイバに１組の波長シフトセンサを刻むことを含むセンサシステムを製造する方法であって、前記１組の波長シフトセンサは、
入力光の第１の波長帯域を第１の光出力信号として反射するように構成された少なくとも１つの第１の波長シフトセンであって、前記第１の光出力信号の強度に影響を与える光学特性の第１の値を有する、少なくとも１つの第１の波長シフトセンサと、
入力光の第２の波長帯域を第２の光出力信号として反射するように構成された少なくとも１つの第２の波長シフトセンサであって、前記第２の光出力信号の強度に影響を与える光学特性の第２の値を有し、前記第１の値は、前記第２の値とは異なる、少なくとも１つの第２の波長シフトセンサと、を含む、方法。 - 前記光学特性の前記第１の値と前記第２の値との差は、前記第１の光出力信号の強度と前記第２の光出力信号の強度との差を減少させるように構成されている、請求項１３に記載の方法。
- 前記光ファイバに前記１組の波長シフトセンサを刻むことは、
屈折率変調の第１の振幅を有する前記第１の波長シフトセンサを刻むことと、
屈折率変調の第２の振幅を有する前記第２の波長シフトセンサを刻むことと、を含み、前記第１の値と前記第２の値との差は、前記第１の振幅と前第２の振幅との差の関数である、請求項１３に記載の方法。 - 前記光ファイバに前記１組の波長シフトセンサを刻むことは、
前記第１の波長シフトセンサのブラッグ波長の第１の周期数を刻むことと、
前記第２の波長シフトセンサのブラッグ波長の第２の周期数を刻むことと、を含み、前記第１の値と前記第２の値との差は、前記第１の数と前記第２の数との差の関数である、請求項１５に記載の方法。 - 前記光学特性は、入力光の減衰を含む、請求項１３に記載の方法。
- 方法であって、
センサシステム用の入力光を生成することであって、前記センサシステムは、
光ファイバと、
前記光ファイバに刻まれた１組の波長シフトセンサと、を備え、前記１組の波長シフトセンサは、
光学特性の第１の値を有する少なくとも１つの第１の波長シフトセンサと、
前記第１の値とは異なる前記光学特性の第２の値を有する少なくとも１つの第２の波長シフトセンサと、を含む、ことと、
前記入力光の第１の波長帯域を第１の光出力信号として反射することであって、前記光学特性の前記第１の値は、前記第１の光出力信号の強度に影響を与える、ことと、
前記入力光の第２の波長帯域を第２の光出力信号として反射することであって、前記光学特性の前記第２の値は、前記第２の光出力信号の強度に影響を与える、ことと、を含む、方法。 - 前記第１の値と前記第２の値との差は、前記第１の光出力信号及び前記第２の光出力信号のうちの少なくとも１つの信号対雑音比（ＳＮＲ）の差を減少させるように構成されている、請求項１８に記載の方法。
- 前記第１の波長帯域のシフトを検出し、前記シフトに応答して第１の電気信号を生成することと、
前記第２の波長帯域のシフトを検出し、前記シフトに応答して第２の電気信号を生成することと、を更に含み、前記第１の電気信号の振幅と前記第２の電気信号の振幅との差は、前記第１の光出力信号の強度と前記第２の光出力信号の強度との前記差に応答する、請求項１８に記載の方法。
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