JP3669473B2 - 波長計測装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度や歪み（圧力）等の物理量を測定するために、光ファイバのブラッグ回折格子（Fiber Bragg Grating、以下ＦＢＧと略す）からの反射光の波長をアレイ導波路回折格子または回折格子型分波器により測定するようにした波長計測装置において、波長の測定点数を増加させるようにした波長計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を用いた波長計測装置について説明する。
この波長決定原理は、論文「Wavelength determination of semiconductor lasers:precise but inexpensive」(Jan Christian Braasch et.al, Optical Engineering 1995)に記載されている。
上述した文献によれば、図９のグラフに示したような波長感度の異なる一対のフォトダイオード（電極Ａ1−Ｃ間に形成されるダイオードをダイオードＡ1Ｃ、電極Ａ2−Ｃ間に形成されるダイオードをダイオードＡ2Ｃとする）と高精度ログアンプとからなるセンサに単色光を照射した場合、センサの出力Ｗは数式１によって表される。
【０００３】
【数１】
【０００４】
ここで、Ｉ1，Ｉ2は各ダイオードＡ1Ｃ，Ａ2Ｃによる光電流、Ｓ1（λ），Ｓ2（λ）は各ダイオードＡ1Ｃ，Ａ2Ｃの波長依存感度、φ（λ）は照射光の波長依存強度分布、Δλは照射光波長のバンド幅である。
すなわち、φ（λ）の波長依存強度分布を持つ照射光がＳ1（λ），Ｓ2（λ）の波長依存感度を持つフォトダイオードＡ1Ｃ，Ａ2Ｃに入射した場合、光センサの出力Ｗは、各ダイオードＡ1Ｃ，Ａ2Ｃについての積φ（λ）Ｓ1（λ），φ（λ）Ｓ2（λ）をバンド幅Δλにわたって積分した値（つまり光電流Ｉ1，Ｉ2）の比のlogをとることで求められる。
そして、照射光の出力が所定の範囲内では、照射光の波長ごとに、log（Ｉ1／Ｉ2）がほぼ一定になり、そのときの照射光波長は数式２で表されることが記載されている。
【０００５】
【数２】
λ＝ａ0ｌｏｇ（Ｉ1／Ｉ2）＋ａ1 （ａ0，ａ1は定数〔ｎｍ〕）
【０００６】
図１０は上記原理に基づく波長測定システムの構成図であり、３１はレーザ光源、３２は回転式偏光プリズム、３３はビームスプリッタ、３４は前述の一対のフォトダイオードＡ1Ｃ，Ａ2Ｃからなるダイオード装置、３５は光出力測定器、３６は上記数式１、数式２を演算する演算器である。
【０００７】
図１１は、図１０と同一の原理に基づき、波長測定部にアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を用いて構成された温度分布測定システムの従来技術を示している。この構成は、特願平１０−３５２２４９号に開示されている。
上記ＡＷＧは、論文「Wavelength Multiplexer Based on SiO2-Ta2O5 Arrayed -Waveguide Grating (Takahashi, et.al, Journal of Lightwave Technology Vol.12, No.6, 1994)」等に記載されているように、所定の曲率半径のアレイ導波路と、その入力側、出力側にそれぞれ形成されたスラブ導波路と、これらのスラブ導波路にそれぞれ連続する複数チャンネルの入力導波路及び出力導波路とを有する構造であり、入力光を１〔ｎｍ〕以下の分解能で弁別可能な素子である。
【０００８】
図１１の温度分布測定システムでは、光ファイバ２０の長手方向に４つの光ファイバブラッグ回折格子ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４が形成されているものとし、広帯域光源４から照射した光の各回折格子ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４からの反射光（便宜的に中心波長をλ１〜λ４としてある）を、温度分布測定部１Ａ内のＡＷＧに入力する。そして、ＡＷＧの隣接する二つの出力チャンネルのフォトダイオードＰＤの光電流（前述のＩ1，Ｉ2に相当）を各々除算器ＤＩＶ１〜ＤＩＶ４に入力し、その出力をＣＰＵに入力して数式２の演算を行うことにより、各ブラッグ回折格子ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４の位置における温度等の物理量に対応する波長を高分解能で検出可能としている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このＡＷＧを用いた波長計測システムにおいて、課題となるのは、波長の測定点数（センサ数）である。
図１２に、ブラッグ回折格子からの反射光波長とＡＷＧの各出力チャンネルの透過特性との関係を示す。
反射光波長λ１に対しては、ＡＷＧの透過出力であるチャンネルＣＨ１，ＣＨ２の出力のｌｏｇ比から、数式２によって波長を求めることができる。
【００１０】
しかし、反射光波長λ３を求める場合、チャンネルＣＨ４のフォトダイオードＰＤの出力は、図１２の透過特性によればλ３とλ４とを合わせた出力となるので、数式２から波長を決定することができない。
つまり、図１２の波長λ３，λ４のように、ＡＷＧの同一出力チャンネルにおいてその中心波長の短波長側及び長波長側の両方にブラッグ回折格子からの反射波長が存在する場合でも波長測定が可能なようには設計できないことになる。
このため、ＡＷＧを用いた測定部では、図１３の網掛け部分（チャンネルＣＨ１，ＣＨ２に跨る領域、チャンネルＣＨ３，ＣＨ４に跨る領域）しか波長計測ができないため、波長の測定点数は、
｛（ＡＷＧのチャンネル数）／２｝／２
となる。
このように、図１１のシステムでは、ＡＷＧのチャンネル数の１／４の点数しか波長を計測することができないという問題があった。
【００１１】
そこで本発明は、ＡＷＧや後述する回折格子型分波器を使用した波長計測装置において、同一チャンネルの中心波長から長波長側と短波長側の両方に光ファイバブラッグ回折格子からの反射波長が存在する場合にも、これらの波長を計測可能として波長の測定点数を増加させた波長計測装置を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、広帯域光源としてのスーパールミネッセンスダイオードからの光を光ファイバを介して複数のブラッグ回折格子に導き、各ブラッグ回折格子からの反射光をアレイ導波路回折格子に入射させ、このアレイ導波路回折格子の複数の出力チャンネルにそれぞれ設けられた一対の受光素子による光電流の比の対数に基づいて前記反射光の波長を測定する波長計測装置において、
前記ブラッグ回折格子から前記アレイ導波路回折格子に至るまでの間に、フィルタ手段として第１、第２の光フィルタを挿入し、これらの光フィルタを通過する所定の中心波長であって前記アレイ導波路回折格子の透過特性における隣接した出力チャンネルの交差部分に属する波長の測定時には、その波長を透過させる第１または第２の光フィルタに切り換え、第１の光フィルタの透過光と第２の光フィルタの透過光とを交互に前記アレイ導波路回折格子に入射させることにより、前記アレイ導波路回折格子の同一の出力チャンネルにおいてその中心波長の短波長側及び長波長側の反射波長が同時に計測されるのを回避するものである。
【００１３】
請求項２に記載した発明は、広帯域光源としてのスーパールミネッセンスダイオードからの光を光ファイバを介して複数のブラッグ回折格子に導き、各ブラッグ回折格子からの反射光をアレイ導波路回折格子に入射させ、このアレイ導波路回折格子の複数の出力チャンネルにそれぞれ設けられた一対の受光素子による光電流の比の対数に基づいて前記反射光の波長を測定する波長計測装置において、
出射光の中心波長が異なる第１、第２の広帯域光源を備え、これらの第１、第２の広帯域光源を交互に点灯させて各ブラッグ回折格子からの反射光を前記アレイ導波路回折格子に入射させることにより、前記アレイ導波路回折格子の同一の出力チャンネルにおいてその中心波長の短波長側及び長波長側の反射波長が同時に計測されるのを回避するものである。
【００１４】
請求項３に記載した発明は、広帯域光源としてのスーパールミネッセンスダイオードからの光を光ファイバを介して複数のブラッグ回折格子に導き、各ブラッグ回折格子からの反射光をアレイ導波路回折格子に入射させ、このアレイ導波路回折格子の複数の出力チャンネルにそれぞれ設けられた一対の受光素子による光電流の比の対数に基づいて前記反射光の波長を測定する波長計測装置において、
前記光源から前記ブラッグ回折格子に至るまでの間に、フィルタ手段として第１、第２の光フィルタを挿入し、これらの光フィルタを通過する所定の中心波長であって前記アレイ導波路回折格子の透過特性における隣接した出力チャンネルの交差部分に属する波長の測定時には、その波長を透過させる第１または第２の光フィルタに切り換え、第１の光フィルタの透過光と第２の光フィルタの透過光とを交互に前記アレイ導波路回折格子に入射させることにより、前記アレイ導波路回折格子の同一の出力チャンネルにおいてその中心波長の短波長側及び長波長側の反射波長が同時に計測されるのを回避するものである。
【００１５】
請求項４に記載した発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載の波長計測装置において、
前記アレイ導波路回折格子の温度検出信号に基づいて温度制御素子を制御することにより、前記アレイ導波路回折格子の温度を一定に保つものである。
【００１６】
請求項５に記載した発明は、請求項１または３記載の波長計測装置において、
前記フィルタ手段の温度検出信号に基づいて温度制御素子を制御することにより、前記フィルタ手段の温度を一定に保つものである。
【００１７】
請求項６に記載した発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載の波長計測装置において、
前記アレイ導波路回折格子の代わりに回折格子型分波器を用いるものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す構成図である。この実施形態は、請求項１に記載した発明の実施形態に相当する。
図１において、４Ｂは波長が１．５５〔μｍ〕の光を発生するスーパールミネッセンスダイオード等の広帯域の光源であり、光ファイバ２０の長手方向に形成された４つの光ファイバブラッグ回折格子ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４に光を照射する。光源４Ｂから照射した光の各ブラッグ回折格子ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４からの反射光（中心波長（１．５５〔μｍ〕前後）をλ１〜λ４としてある）を、測定部１Ｂ内の光スイッチ２１に入力する。
【００２０】
測定部１Ｂは、光ファイバ２０に接続された光スイッチ２１と、その出力側にそれぞれ接続されたフィルタ手段としての第１、第２の光フィルタ２２，２３と、その出力側に接続された光結合器２４と、その後段のＡＷＧ２５、フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ５、除算器ＤＩＶ１〜ＤＩＶ４、ＣＰＵ２６とを備えている。
ここで、ＡＷＧ２５以後の構成及び動作は図１１と同様である。
なお、図１における（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ図２の（ａ）〜（ｅ）に対応する。
【００２１】
光フィルタ２２，２３は、何れも特定の中心波長を持つ光を通過させるものであり、光ファイバブラッグ回折格子によって構成されている。すなわち、第１のフィルタ２２は図２（ｄ）に示すごとく中心波長λ１，λ３の光を通過させ、第２のフィルタ２３は図２（ｅ）に示すごとく中心波長λ２，λ４の光を通過させるようになっている。このような光フィルタには、例えば加Innovative Fibers社製の「ＤＷＤＭファイバーブラッググレーティング」を使用することができる。
【００２２】
この実施形態では、光スイッチ２１に入力される各ブラッグ回折格子ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４からの反射光の波長分布が図２（ａ）のとおりであるとすると、図２（ｂ）に示すように、ＡＷＧ２５の透過特性におけるチャンネルＣＨ１，ＣＨ２の交差部分、及び、チャンネルＣＨ３，ＣＨ４の交差部分を使用した波長λ１，λ３の測定時には光スイッチ２１を第１の光フィルタ２２側に切り替え、また、図２（ｃ）に示すように、チャンネルＣＨ２，ＣＨ３の交差部分、及び、チャンネルＣＨ４，ＣＨ５の交差部分を使用した波長λ２，λ４の測定時には光スイッチ２１を第２の光フィルタ２３側に切り替える。
すなわち、光スイッチ２１の切替により、波長λ１，λ３及びλ２，λ４をタイミングをずらして測定するものである。
【００２３】
これにより、例えば図１２におけるチャンネルＣＨ４のように、中心波長の短波長側及び長波長側の両方にブラッグ回折格子からの反射波長λ３，λ４が同時に存在する場合には、図２（ｂ）及び（ｃ）の特性に基づいて第１及び第２の光フィルタ２２，２３を切り替えて使用すれば、チャンネルＣＨ４について見ると１種類の波長λ３を測定している場合（図２（ｂ））と同じく１種類の波長λ４を測定している場合（図２（ｃ））とに分離することができる。
従って、図１２のごとく同一出力チャンネルＣＨ４において中心波長の短波長側及び長波長側の両方に反射波長が同時に計測されることはなくなり、波長λ３，λ４の測定を支障なく行うことができる。その結果、波長の測定点数を従来の２倍に増加させることが可能である。
【００２４】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。この実施形態は請求項２に記載した発明の実施形態に相当し、ＡＷＧにおける透過特性の周期性に着目したものである。ここで、透過特性の周期性とは、図４（ａ），（ｂ）に示すように、ある中心波長（例えば図４（ａ）では１．３〔μｍ〕前後、図４（ｂ）では１．５５〔μｍ〕前後）の光がＡＷＧに入力されると、各チャンネルの出力信号が波長に対し一定の周期で繰り返し現れることをいう。
【００２５】
そこで、本実施形態では、図３に示すように、広帯域光源として中心波長及び半値全幅が互いに異なる１．５５μｍ光源４Ｂ及び１．３μｍ光源４Ｃを備え、これらの光源４Ｂ，４Ｃを光結合器２７、光分岐器２を介してブラッグ回折格子側に接続する。
なお、ブラッグ回折格子はＦＢＧ１，……，ＦＢＧｎ，ＦＢＧn+1，……，ＦＢＧ2nとして示してあり、ＦＢＧ１，……，ＦＢＧｎは中心波長が１．３〔μｍ〕前後、ＦＢＧn+1，……，ＦＢＧ2nは中心波長が１．５５〔μｍ〕前後であるとする。
また、測定部１Ｃは図１１の測定部１Ａと実質的に同一の構成であるが、ブラッグ回折格子ＦＢＧ1〜ＦＢＧ2nの数に対応する中心波長λ1〜λ2nが入力されるＡＷＧ２５を備えている。
【００２６】
その動作を説明すると、この実施形態では、１．５５μｍ光源４Ｂ及び１．３μｍ光源４Ｃを交互に点灯し、測定を行う。例えば、１．３μｍ光源４Ｃを点灯すると、ブラッグ回折格子ＦＢＧ１，……，ＦＢＧｎからの反射光が測定部１ＣのＡＷＧ２５に入力され、その出力チャンネルＣＨ１〜ＣＨｎからの出力信号は図４（ａ）のようになる。また、１．５５μｍ光源４Ｂを点灯すると、ブラッグ回折格子ＦＢＧn+1，……，ＦＢＧ2nからの反射光がＡＷＧ２５に入力され、その出力チャンネルＣＨ１〜ＣＨｎからの出力信号は図４（ｂ）のようになる。
【００２７】
ここで、図４（ａ），（ｂ）は、見方を変えると、ある出力チャンネルに着目した場合、その透過特性の中心波長より短波長側（図４（ａ））と長波長側（図４（ｂ））とにブラッグ回折格子からの反射波長が存在すること（図１２におけるチャンネルＣＨ４の特性）に相当する。
従って、波長の異なる二つの光源４Ｂ，４Ｃを切り替えて測定することにより、図２（ｂ），（ｃ）のごとく光フィルタ２２，２３を切り替えて使用した場合と同様に、同一出力チャンネルにおいて中心波長の短波長側及び長波長側の両方の反射波長が同時に計測される状態を回避でき、波長の測定点数を従来の２倍に増加させることができる。
なお、この実施形態を第１実施形態と組み合わせる（図３の測定部１Ｃの代わりに図１の測定部１Ｂを用いる）ことにより、波長の測定点数を４倍にすることも可能である。
【００２８】
上記第２実施形態では二つの光源４Ｂ，４Ｃを用いているが、光源の波長幅が十分に広ければ、図５（ａ）に示す第３実施形態のように、単一の１．５５μｍ光源４Ｂを光分波器２８によりフィルタリングし、光スイッチ２９で切り替えながら使っても良い。ここで、光分波器２８には、米FIBEROPTICS社製のMulti-Channel WDMを使用することができる。上述した光分波器２８及び光スイッチ２９からなるフィルタ手段Ａは、図５（ｂ）に示すように光スイッチ４１、光フィルタ４３，４４，……及び光合波器４５によって構成しても良い。ここで、光フィルタには、米FIBEROPTICS社製のNarrowband Filterを使用することができる。
なお、図６は、光分波器２８の各チャンネルの出力または光フィルタ４３，４４の出力を示す特性図である。
【００２９】
次に、図７は本発明の第４実施形態であり、請求項３に記載した発明の実施形態に相当する。この実施形態は、二つの１．５５μｍ光源４Ｂ，４Ｄを備え、各光源４Ｂ，４Ｄにそれぞれフィルタ手段としての光フィルタ４６，４７を接続すると共に、その出力を光分岐器２を介して複数のブラッグ回折格子ＦＢＧ1〜ＦＢＧnに入射させる。そして、各回折格子ＦＢＧ1〜ＦＢＧnからの反射光を測定部１Ｃ内のＡＷＧ２５に入射し、前記数式２により波長を測定する。
【００３０】
この実施形態は、図１の実施形態における測定部１Ｂ内の光スイッチ２１及び光フィルタ２２，２３を１．５５μｍ光源４Ｂ，４Ｄ側の光フィルタ４６，４７により置き換えたものに相当しており、各光源４Ｂ，４Ｄのオン・オフを切り替えて光フィルタ４６，４７を介しブラッグ回折格子ＦＢＧ１〜ＦＢＧｎに光を入射させる。
図８（ｆ），（ｇ）は、光源４Ｂ，４Ｄのオン・オフによる光フィルタ４６，４７の出力（図７における（ｆ），（ｇ）の出力）を示し、図８（ｈ）は測定部１Ｃに入射する反射光のパワー（図７における（ｈ）の出力）を示す図であって図２の（ｄ），（ｅ）に相当する。
【００３１】
本実施形態によれば、二つの光源４Ｂ，４Ｄのオン・オフを切り替えることで、図８（ｈ）のように反射光の波長帯域を交互に切り替えることができ、実質的に第１実施形態の図２と同一の動作を実現することができる。
これにより、波長の測定点数を従来の２倍に増加させることができる。
【００３２】
以上の各実施形態において、第１の実施形態（図１）ではフィルタ手段としての光フィルタ２２，２３及びＡＷＧ２５、第２の実施形態（図３）ではＡＷＧ２５、第３の実施形態（図５）ではフィルタ手段としての光分波器２８、光フィルタ４３，４４，……及びＡＷＧ２５、第４の実施形態（図７）ではフィルタ手段としての光フィルタ４６，４７及びＡＷＧ２５の、それぞれ波長に対するフィルタリング特性が温度により変動するので、請求項４，５に記載するように、これらの光フィルタ手段の温度を検出し、その温度検出信号に基づいて例えばペルチェ素子等の温度制御素子を制御することにより温度を一定に保つようにすれば、波長測定精度が向上することは明らかである。
【００３３】
なお、上記各実施形態において、請求項６に記載するように、ＡＷＧの代わりに回折格子型分波器（ＨＯＥ）を用いても、ＡＷＧを使用した場合と全く同様の作用効果が得られることは自明である。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、従来技術に対して光スイッチや光フィルタ、光源等を追加するだけで、波長の測定点数を簡単に増加することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す波長計測装置の構成図である。
【図２】第１実施形態の動作説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態を示す波長計測装置の構成図である。
【図４】第２実施形態におけるＡＷＧの周期性の説明図である。
【図５】本発明の第３実施形態を示す波長計測装置の構成図である。
【図６】第３実施形態における主要部の特性図である。
【図７】本発明の第４実施形態を示す波長計測装置の構成図である。
【図８】第４実施形態における主要部の特性図である。
【図９】波長測定原理の説明図である。
【図１０】公知の波長測定システムの構成図である。
【図１１】従来技術としての温度分布測定システムの全体構成図である。
【図１２】図１０におけるブラッグ回折格子からの反射光波長とＡＷＧの透過特性との関係を示す図である。
【図１３】図１０におけるブラッグ回折格子からの反射光波長とＡＷＧの透過特性との関係を示す図である。
【符号の説明】
ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４ 光ファイバブラッグ回折格子
ＰＤ，ＰＤ１〜ＰＤ５ フォトダイオード
ＤＩＶ１〜ＤＩＶ４ 除算器
Ａ フィルタ手段
１Ｂ，１Ｃ 測定部
２ 光分岐器
４Ｂ，４Ｄ １．５５μｍ光源
４Ｃ １．３μｍ光源
２０ 光ファイバ
２１，２９，４１ 光スイッチ
２２，２３，４３，４４，４６，４７ 光フィルタ
２４，２７ 光結合器
２５ アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）
２６ ＣＰＵ
２８ 光分波器
４５ 光合波器
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度や歪み（圧力）等の物理量を測定するために、光ファイバのブラッグ回折格子（Fiber Bragg Grating、以下ＦＢＧと略す）からの反射光の波長をアレイ導波路回折格子または回折格子型分波器により測定するようにした波長計測装置において、波長の測定点数を増加させるようにした波長計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術として、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を用いた波長計測装置について説明する。
この波長決定原理は、論文「Wavelength determination of semiconductor lasers:precise but inexpensive」(Jan Christian Braasch et.al, Optical Engineering 1995)に記載されている。
上述した文献によれば、図９のグラフに示したような波長感度の異なる一対のフォトダイオード（電極Ａ1−Ｃ間に形成されるダイオードをダイオードＡ1Ｃ、電極Ａ2−Ｃ間に形成されるダイオードをダイオードＡ2Ｃとする）と高精度ログアンプとからなるセンサに単色光を照射した場合、センサの出力Ｗは数式１によって表される。
【０００３】
【数１】
ここで、Ｉ1，Ｉ2は各ダイオードＡ1Ｃ，Ａ2Ｃによる光電流、Ｓ1（λ），Ｓ2（λ）は各ダイオードＡ1Ｃ，Ａ2Ｃの波長依存感度、φ（λ）は照射光の波長依存強度分布、Δλは照射光波長のバンド幅である。
すなわち、φ（λ）の波長依存強度分布を持つ照射光がＳ1（λ），Ｓ2（λ）の波長依存感度を持つフォトダイオードＡ1Ｃ，Ａ2Ｃに入射した場合、光センサの出力Ｗは、各ダイオードＡ1Ｃ，Ａ2Ｃについての積φ（λ）Ｓ1（λ），φ（λ）Ｓ2（λ）をバンド幅Δλにわたって積分した値（つまり光電流Ｉ1，Ｉ2）の比のlogをとることで求められる。
そして、照射光の出力が所定の範囲内では、照射光の波長ごとに、log（Ｉ1／Ｉ2）がほぼ一定になり、そのときの照射光波長は数式２で表されることが記載されている。
【０００５】
【数２】
λ＝ａ0ｌｏｇ（Ｉ1／Ｉ2）＋ａ1 （ａ0，ａ1は定数〔ｎｍ〕）
【０００６】
図１０は上記原理に基づく波長測定システムの構成図であり、３１はレーザ光源、３２は回転式偏光プリズム、３３はビームスプリッタ、３４は前述の一対のフォトダイオードＡ1Ｃ，Ａ2Ｃからなるダイオード装置、３５は光出力測定器、３６は上記数式１、数式２を演算する演算器である。
【０００７】
図１１は、図１０と同一の原理に基づき、波長測定部にアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を用いて構成された温度分布測定システムの従来技術を示している。この構成は、特願平１０−３５２２４９号に開示されている。
上記ＡＷＧは、論文「Wavelength Multiplexer Based on SiO2-Ta2O5 Arrayed -Waveguide Grating (Takahashi, et.al, Journal of Lightwave Technology Vol.12, No.6, 1994)」等に記載されているように、所定の曲率半径のアレイ導波路と、その入力側、出力側にそれぞれ形成されたスラブ導波路と、これらのスラブ導波路にそれぞれ連続する複数チャンネルの入力導波路及び出力導波路とを有する構造であり、入力光を１〔ｎｍ〕以下の分解能で弁別可能な素子である。
【０００８】
図１１の温度分布測定システムでは、光ファイバ２０の長手方向に４つの光ファイバブラッグ回折格子ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４が形成されているものとし、広帯域光源４から照射した光の各回折格子ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４からの反射光（便宜的に中心波長をλ１〜λ４としてある）を、温度分布測定部１Ａ内のＡＷＧに入力する。そして、ＡＷＧの隣接する二つの出力チャンネルのフォトダイオードＰＤの光電流（前述のＩ1，Ｉ2に相当）を各々除算器ＤＩＶ１〜ＤＩＶ４に入力し、その出力をＣＰＵに入力して数式２の演算を行うことにより、各ブラッグ回折格子ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４の位置における温度等の物理量に対応する波長を高分解能で検出可能としている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このＡＷＧを用いた波長計測システムにおいて、課題となるのは、波長の測定点数（センサ数）である。
図１２に、ブラッグ回折格子からの反射光波長とＡＷＧの各出力チャンネルの透過特性との関係を示す。
反射光波長λ１に対しては、ＡＷＧの透過出力であるチャンネルＣＨ１，ＣＨ２の出力のｌｏｇ比から、数式２によって波長を求めることができる。
【００１０】
しかし、反射光波長λ３を求める場合、チャンネルＣＨ４のフォトダイオードＰＤの出力は、図１２の透過特性によればλ３とλ４とを合わせた出力となるので、数式２から波長を決定することができない。
つまり、図１２の波長λ３，λ４のように、ＡＷＧの同一出力チャンネルにおいてその中心波長の短波長側及び長波長側の両方にブラッグ回折格子からの反射波長が存在する場合でも波長測定が可能なようには設計できないことになる。
このため、ＡＷＧを用いた測定部では、図１３の網掛け部分（チャンネルＣＨ１，ＣＨ２に跨る領域、チャンネルＣＨ３，ＣＨ４に跨る領域）しか波長計測ができないため、波長の測定点数は、
｛（ＡＷＧのチャンネル数）／２｝／２
となる。
このように、図１１のシステムでは、ＡＷＧのチャンネル数の１／４の点数しか波長を計測することができないという問題があった。
【００１１】
そこで本発明は、ＡＷＧや後述する回折格子型分波器を使用した波長計測装置において、同一チャンネルの中心波長から長波長側と短波長側の両方に光ファイバブラッグ回折格子からの反射波長が存在する場合にも、これらの波長を計測可能として波長の測定点数を増加させた波長計測装置を提供しようとするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、広帯域光源としてのスーパールミネッセンスダイオードからの光を光ファイバを介して複数のブラッグ回折格子に導き、各ブラッグ回折格子からの反射光をアレイ導波路回折格子に入射させ、このアレイ導波路回折格子の複数の出力チャンネルにそれぞれ設けられた一対の受光素子による光電流の比の対数に基づいて前記反射光の波長を測定する波長計測装置において、
前記ブラッグ回折格子から前記アレイ導波路回折格子に至るまでの間に、フィルタ手段として第１、第２の光フィルタを挿入し、これらの光フィルタを通過する所定の中心波長であって前記アレイ導波路回折格子の透過特性における隣接した出力チャンネルの交差部分に属する波長の測定時には、その波長を透過させる第１または第２の光フィルタに切り換え、第１の光フィルタの透過光と第２の光フィルタの透過光とを交互に前記アレイ導波路回折格子に入射させることにより、前記アレイ導波路回折格子の同一の出力チャンネルにおいてその中心波長の短波長側及び長波長側の反射波長が同時に計測されるのを回避するものである。
【００１３】
請求項２に記載した発明は、広帯域光源としてのスーパールミネッセンスダイオードからの光を光ファイバを介して複数のブラッグ回折格子に導き、各ブラッグ回折格子からの反射光をアレイ導波路回折格子に入射させ、このアレイ導波路回折格子の複数の出力チャンネルにそれぞれ設けられた一対の受光素子による光電流の比の対数に基づいて前記反射光の波長を測定する波長計測装置において、
出射光の中心波長が異なる第１、第２の広帯域光源を備え、これらの第１、第２の広帯域光源を交互に点灯させて各ブラッグ回折格子からの反射光を前記アレイ導波路回折格子に入射させることにより、前記アレイ導波路回折格子の同一の出力チャンネルにおいてその中心波長の短波長側及び長波長側の反射波長が同時に計測されるのを回避するものである。
【００１４】
請求項３に記載した発明は、広帯域光源としてのスーパールミネッセンスダイオードからの光を光ファイバを介して複数のブラッグ回折格子に導き、各ブラッグ回折格子からの反射光をアレイ導波路回折格子に入射させ、このアレイ導波路回折格子の複数の出力チャンネルにそれぞれ設けられた一対の受光素子による光電流の比の対数に基づいて前記反射光の波長を測定する波長計測装置において、
前記光源から前記ブラッグ回折格子に至るまでの間に、フィルタ手段として第１、第２の光フィルタを挿入し、これらの光フィルタを通過する所定の中心波長であって前記アレイ導波路回折格子の透過特性における隣接した出力チャンネルの交差部分に属する波長の測定時には、その波長を透過させる第１または第２の光フィルタに切り換え、第１の光フィルタの透過光と第２の光フィルタの透過光とを交互に前記アレイ導波路回折格子に入射させることにより、前記アレイ導波路回折格子の同一の出力チャンネルにおいてその中心波長の短波長側及び長波長側の反射波長が同時に計測されるのを回避するものである。
【００１５】
請求項４に記載した発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載の波長計測装置において、
前記アレイ導波路回折格子の温度検出信号に基づいて温度制御素子を制御することにより、前記アレイ導波路回折格子の温度を一定に保つものである。
【００１６】
請求項５に記載した発明は、請求項１または３記載の波長計測装置において、
前記フィルタ手段の温度検出信号に基づいて温度制御素子を制御することにより、前記フィルタ手段の温度を一定に保つものである。
【００１７】
請求項６に記載した発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載の波長計測装置において、
前記アレイ導波路回折格子の代わりに回折格子型分波器を用いるものである。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態を示す構成図である。この実施形態は、請求項１に記載した発明の実施形態に相当する。
図１において、４Ｂは波長が１．５５〔μｍ〕の光を発生するスーパールミネッセンスダイオード等の広帯域の光源であり、光ファイバ２０の長手方向に形成された４つの光ファイバブラッグ回折格子ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４に光を照射する。光源４Ｂから照射した光の各ブラッグ回折格子ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４からの反射光（中心波長（１．５５〔μｍ〕前後）をλ１〜λ４としてある）を、測定部１Ｂ内の光スイッチ２１に入力する。
【００２０】
測定部１Ｂは、光ファイバ２０に接続された光スイッチ２１と、その出力側にそれぞれ接続されたフィルタ手段としての第１、第２の光フィルタ２２，２３と、その出力側に接続された光結合器２４と、その後段のＡＷＧ２５、フォトダイオードＰＤ１〜ＰＤ５、除算器ＤＩＶ１〜ＤＩＶ４、ＣＰＵ２６とを備えている。
ここで、ＡＷＧ２５以後の構成及び動作は図１１と同様である。
なお、図１における（ａ）〜（ｅ）はそれぞれ図２の（ａ）〜（ｅ）に対応する。
【００２１】
光フィルタ２２，２３は、何れも特定の中心波長を持つ光を通過させるものであり、光ファイバブラッグ回折格子によって構成されている。すなわち、第１のフィルタ２２は図２（ｄ）に示すごとく中心波長λ１，λ３の光を通過させ、第２のフィルタ２３は図２（ｅ）に示すごとく中心波長λ２，λ４の光を通過させるようになっている。このような光フィルタには、例えば加Innovative Fibers社製の「ＤＷＤＭファイバーブラッググレーティング」を使用することができる。
【００２２】
この実施形態では、光スイッチ２１に入力される各ブラッグ回折格子ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４からの反射光の波長分布が図２（ａ）のとおりであるとすると、図２（ｂ）に示すように、ＡＷＧ２５の透過特性におけるチャンネルＣＨ１，ＣＨ２の交差部分、及び、チャンネルＣＨ３，ＣＨ４の交差部分を使用した波長λ１，λ３の測定時には光スイッチ２１を第１の光フィルタ２２側に切り替え、また、図２（ｃ）に示すように、チャンネルＣＨ２，ＣＨ３の交差部分、及び、チャンネルＣＨ４，ＣＨ５の交差部分を使用した波長λ２，λ４の測定時には光スイッチ２１を第２の光フィルタ２３側に切り替える。
すなわち、光スイッチ２１の切替により、波長λ１，λ３及びλ２，λ４をタイミングをずらして測定するものである。
【００２３】
これにより、例えば図１２におけるチャンネルＣＨ４のように、中心波長の短波長側及び長波長側の両方にブラッグ回折格子からの反射波長λ３，λ４が同時に存在する場合には、図２（ｂ）及び（ｃ）の特性に基づいて第１及び第２の光フィルタ２２，２３を切り替えて使用すれば、チャンネルＣＨ４について見ると１種類の波長λ３を測定している場合（図２（ｂ））と同じく１種類の波長λ４を測定している場合（図２（ｃ））とに分離することができる。
従って、図１２のごとく同一出力チャンネルＣＨ４において中心波長の短波長側及び長波長側の両方に反射波長が同時に計測されることはなくなり、波長λ３，λ４の測定を支障なく行うことができる。その結果、波長の測定点数を従来の２倍に増加させることが可能である。
【００２４】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。この実施形態は請求項２に記載した発明の実施形態に相当し、ＡＷＧにおける透過特性の周期性に着目したものである。ここで、透過特性の周期性とは、図４（ａ），（ｂ）に示すように、ある中心波長（例えば図４（ａ）では１．３〔μｍ〕前後、図４（ｂ）では１．５５〔μｍ〕前後）の光がＡＷＧに入力されると、各チャンネルの出力信号が波長に対し一定の周期で繰り返し現れることをいう。
【００２５】
そこで、本実施形態では、図３に示すように、広帯域光源として中心波長及び半値全幅が互いに異なる１．５５μｍ光源４Ｂ及び１．３μｍ光源４Ｃを備え、これらの光源４Ｂ，４Ｃを光結合器２７、光分岐器２を介してブラッグ回折格子側に接続する。
なお、ブラッグ回折格子はＦＢＧ１，……，ＦＢＧｎ，ＦＢＧn+1，……，ＦＢＧ2nとして示してあり、ＦＢＧ１，……，ＦＢＧｎは中心波長が１．３〔μｍ〕前後、ＦＢＧn+1，……，ＦＢＧ2nは中心波長が１．５５〔μｍ〕前後であるとする。
また、測定部１Ｃは図１１の測定部１Ａと実質的に同一の構成であるが、ブラッグ回折格子ＦＢＧ1〜ＦＢＧ2nの数に対応する中心波長λ1〜λ2nが入力されるＡＷＧ２５を備えている。
【００２６】
その動作を説明すると、この実施形態では、１．５５μｍ光源４Ｂ及び１．３μｍ光源４Ｃを交互に点灯し、測定を行う。例えば、１．３μｍ光源４Ｃを点灯すると、ブラッグ回折格子ＦＢＧ１，……，ＦＢＧｎからの反射光が測定部１ＣのＡＷＧ２５に入力され、その出力チャンネルＣＨ１〜ＣＨｎからの出力信号は図４（ａ）のようになる。また、１．５５μｍ光源４Ｂを点灯すると、ブラッグ回折格子ＦＢＧn+1，……，ＦＢＧ2nからの反射光がＡＷＧ２５に入力され、その出力チャンネルＣＨ１〜ＣＨｎからの出力信号は図４（ｂ）のようになる。
【００２７】
ここで、図４（ａ），（ｂ）は、見方を変えると、ある出力チャンネルに着目した場合、その透過特性の中心波長より短波長側（図４（ａ））と長波長側（図４（ｂ））とにブラッグ回折格子からの反射波長が存在すること（図１２におけるチャンネルＣＨ４の特性）に相当する。
従って、波長の異なる二つの光源４Ｂ，４Ｃを切り替えて測定することにより、図２（ｂ），（ｃ）のごとく光フィルタ２２，２３を切り替えて使用した場合と同様に、同一出力チャンネルにおいて中心波長の短波長側及び長波長側の両方の反射波長が同時に計測される状態を回避でき、波長の測定点数を従来の２倍に増加させることができる。
なお、この実施形態を第１実施形態と組み合わせる（図３の測定部１Ｃの代わりに図１の測定部１Ｂを用いる）ことにより、波長の測定点数を４倍にすることも可能である。
【００２８】
上記第２実施形態では二つの光源４Ｂ，４Ｃを用いているが、光源の波長幅が十分に広ければ、図５（ａ）に示す第３実施形態のように、単一の１．５５μｍ光源４Ｂを光分波器２８によりフィルタリングし、光スイッチ２９で切り替えながら使っても良い。ここで、光分波器２８には、米FIBEROPTICS社製のMulti-Channel WDMを使用することができる。上述した光分波器２８及び光スイッチ２９からなるフィルタ手段Ａは、図５（ｂ）に示すように光スイッチ４１、光フィルタ４３，４４，……及び光合波器４５によって構成しても良い。ここで、光フィルタには、米FIBEROPTICS社製のNarrowband Filterを使用することができる。
なお、図６は、光分波器２８の各チャンネルの出力または光フィルタ４３，４４の出力を示す特性図である。
【００２９】
次に、図７は本発明の第４実施形態であり、請求項３に記載した発明の実施形態に相当する。この実施形態は、二つの１．５５μｍ光源４Ｂ，４Ｄを備え、各光源４Ｂ，４Ｄにそれぞれフィルタ手段としての光フィルタ４６，４７を接続すると共に、その出力を光分岐器２を介して複数のブラッグ回折格子ＦＢＧ1〜ＦＢＧnに入射させる。そして、各回折格子ＦＢＧ1〜ＦＢＧnからの反射光を測定部１Ｃ内のＡＷＧ２５に入射し、前記数式２により波長を測定する。
【００３０】
この実施形態は、図１の実施形態における測定部１Ｂ内の光スイッチ２１及び光フィルタ２２，２３を１．５５μｍ光源４Ｂ，４Ｄ側の光フィルタ４６，４７により置き換えたものに相当しており、各光源４Ｂ，４Ｄのオン・オフを切り替えて光フィルタ４６，４７を介しブラッグ回折格子ＦＢＧ１〜ＦＢＧｎに光を入射させる。
図８（ｆ），（ｇ）は、光源４Ｂ，４Ｄのオン・オフによる光フィルタ４６，４７の出力（図７における（ｆ），（ｇ）の出力）を示し、図８（ｈ）は測定部１Ｃに入射する反射光のパワー（図７における（ｈ）の出力）を示す図であって図２の（ｄ），（ｅ）に相当する。
【００３１】
本実施形態によれば、二つの光源４Ｂ，４Ｄのオン・オフを切り替えることで、図８（ｈ）のように反射光の波長帯域を交互に切り替えることができ、実質的に第１実施形態の図２と同一の動作を実現することができる。
これにより、波長の測定点数を従来の２倍に増加させることができる。
【００３２】
以上の各実施形態において、第１の実施形態（図１）ではフィルタ手段としての光フィルタ２２，２３及びＡＷＧ２５、第２の実施形態（図３）ではＡＷＧ２５、第３の実施形態（図５）ではフィルタ手段としての光分波器２８、光フィルタ４３，４４，……及びＡＷＧ２５、第４の実施形態（図７）ではフィルタ手段としての光フィルタ４６，４７及びＡＷＧ２５の、それぞれ波長に対するフィルタリング特性が温度により変動するので、請求項４，５に記載するように、これらの光フィルタ手段の温度を検出し、その温度検出信号に基づいて例えばペルチェ素子等の温度制御素子を制御することにより温度を一定に保つようにすれば、波長測定精度が向上することは明らかである。
【００３３】
なお、上記各実施形態において、請求項６に記載するように、ＡＷＧの代わりに回折格子型分波器（ＨＯＥ）を用いても、ＡＷＧを使用した場合と全く同様の作用効果が得られることは自明である。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、従来技術に対して光スイッチや光フィルタ、光源等を追加するだけで、波長の測定点数を簡単に増加することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す波長計測装置の構成図である。
【図２】第１実施形態の動作説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態を示す波長計測装置の構成図である。
【図４】第２実施形態におけるＡＷＧの周期性の説明図である。
【図５】本発明の第３実施形態を示す波長計測装置の構成図である。
【図６】第３実施形態における主要部の特性図である。
【図７】本発明の第４実施形態を示す波長計測装置の構成図である。
【図８】第４実施形態における主要部の特性図である。
【図９】波長測定原理の説明図である。
【図１０】公知の波長測定システムの構成図である。
【図１１】従来技術としての温度分布測定システムの全体構成図である。
【図１２】図１０におけるブラッグ回折格子からの反射光波長とＡＷＧの透過特性との関係を示す図である。
【図１３】図１０におけるブラッグ回折格子からの反射光波長とＡＷＧの透過特性との関係を示す図である。
【符号の説明】
ＦＢＧ１〜ＦＢＧ４ 光ファイバブラッグ回折格子
ＰＤ，ＰＤ１〜ＰＤ５ フォトダイオード
ＤＩＶ１〜ＤＩＶ４ 除算器
Ａ フィルタ手段
１Ｂ，１Ｃ 測定部
２ 光分岐器
４Ｂ，４Ｄ １．５５μｍ光源
４Ｃ １．３μｍ光源
２０ 光ファイバ
２１，２９，４１ 光スイッチ
２２，２３，４３，４４，４６，４７ 光フィルタ
２４，２７ 光結合器
２５ アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）
２６ ＣＰＵ
２８ 光分波器
４５ 光合波器
Claims (6)
- 広帯域光源としてのスーパールミネッセンスダイオードからの光を光ファイバを介して複数のブラッグ回折格子に導き、各ブラッグ回折格子からの反射光をアレイ導波路回折格子に入射させ、このアレイ導波路回折格子の複数の出力チャンネルにそれぞれ設けられた一対の受光素子による光電流の比の対数に基づいて前記反射光の波長を測定する波長計測装置において、
前記ブラッグ回折格子から前記アレイ導波路回折格子に至るまでの間に、フィルタ手段として第１、第２の光フィルタを挿入し、これらの光フィルタを通過する所定の中心波長であって前記アレイ導波路回折格子の透過特性における隣接した出力チャンネルの交差部分に属する波長の測定時には、その波長を透過させる第１または第２の光フィルタに切り換え、第１の光フィルタの透過光と第２の光フィルタの透過光とを交互に前記アレイ導波路回折格子に入射させることにより、前記アレイ導波路回折格子の同一の出力チャンネルにおいてその中心波長の短波長側及び長波長側の反射波長が同時に計測されるのを回避することを特徴とする波長計測装置。 - 広帯域光源としてのスーパールミネッセンスダイオードからの光を光ファイバを介して複数のブラッグ回折格子に導き、各ブラッグ回折格子からの反射光をアレイ導波路回折格子に入射させ、このアレイ導波路回折格子の複数の出力チャンネルにそれぞれ設けられた一対の受光素子による光電流の比の対数に基づいて前記反射光の波長を測定する波長計測装置において、
出射光の中心波長が異なる第１、第２の広帯域光源を備え、これらの第１、第２の広帯域光源を交互に点灯させて各ブラッグ回折格子からの反射光を前記アレイ導波路回折格子に入射させることにより、前記アレイ導波路回折格子の同一の出力チャンネルにおいてその中心波長の短波長側及び長波長側の反射波長が同時に計測されるのを回避することを特徴とする波長計測装置。 - 広帯域光源としてのスーパールミネッセンスダイオードからの光を光ファイバを介して複数のブラッグ回折格子に導き、各ブラッグ回折格子からの反射光をアレイ導波路回折格子に入射させ、このアレイ導波路回折格子の複数の出力チャンネルにそれぞれ設けられた一対の受光素子による光電流の比の対数に基づいて前記反射光の波長を測定する波長計測装置において、
前記光源から前記ブラッグ回折格子に至るまでの間に、フィルタ手段として第１、第２の光フィルタを挿入し、これらの光フィルタを通過する所定の中心波長であって前記アレイ導波路回折格子の透過特性における隣接した出力チャンネルの交差部分に属する波長の測定時には、その波長を透過させる第１または第２の光フィルタに切り換え、第１の光フィルタの透過光と第２の光フィルタの透過光とを交互に前記アレイ導波路回折格子に入射させることにより、前記アレイ導波路回折格子の同一の出力チャンネルにおいてその中心波長の短波長側及び長波長側の反射波長が同時に計測されるのを回避することを特徴とする波長計測装置。 - 請求項１〜３の何れか１項に記載の波長計測装置において、
前記アレイ導波路回折格子の温度検出信号に基づいて温度制御素子を制御することにより、前記アレイ導波路回折格子の温度を一定に保つことを特徴とする波長計測装置。 - 請求項１または３記載の波長計測装置において、
前記フィルタ手段の温度検出信号に基づいて温度制御素子を制御することにより、前記フィルタ手段の温度を一定に保つことを特徴とする波長計測装置。 - 請求項１〜５の何れか１項に記載の波長計測装置において、
前記アレイ導波路回折格子の代わりに回折格子型分波器を用いることを特徴とする波長計測装置。
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