JP3925202B2 - 高速波長検出装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、所定の媒質を伝搬する伝搬光の波長を検出する高速波長検出装置に係り、特にファイバブラッググレーティング(以下、「FBG」という)等を用いて歪み量、特に振動や衝撃など短時間に急激に変化する歪み量を検出する高速波長検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、災害防止あるいは構造物の劣化診断や保守管理を目的として、地盤の変動や構造物の変位、歪み、あるいは振動などをリアルタイムで監視するいわゆるヘルスモニタリングシステムの研究開発が活発に進められている。 光ファイバを用いたセンサは、電磁誘導の障害を受けることがなく、小型、軽量で柔軟性に優れた設置が可能なことから、これらの監視システムに積極的に適用が検討されている。 特にFBGを用いた光センサは、FBGに加わる歪みを反射戻り光の波長変化に変換して計測するもので、高感度であると共に、システム構成が容易であるため様々な分野で注目されている。
【0003】
FBGとは,光ファイバのコア中に周期的な屈折率の変化を持たせたもので、屈折率変化の周期に対応した波長の光がブラッグ回折により後方へ反射される。FBGの反射波長(ブラッグ波長)λBは、
【0004】
【数1】
【0005】
で表される。ここでnは導波光に対する実効屈折率、Λはグレーティングの周期である。FBGの反射波長は外部より印加される歪みと温度によって、
【0006】
【数2】
【0007】
と変化する。ここで、ΔλBは反射波長変化、Peは実効光弾性係数、εは印加歪み、ξは温度係数、ΔTは温度変化である。波長1.5μm帯におけるブラッグ波長の歪みに対する変化量は約1.2pm/με、温度に対する変化量は約10pm/℃である。
【0008】
このようにFBGは反射戻り光の波長変化から、歪みや温度を高感度で測定することが可能なため光センサとして有用である。
【0009】
歪みや温度に対するFBGの反射波長を測定するには,図2(a)に示すようなバルク型の回折格子61や図2(b)に示すようなファブリペロー型の可変フィルタ71を用い、波長を掃引してFBGからの反射波長を検出する装置が用いられる。しかし、波長を掃引するためには、モータやピエゾ素子により機械的に回折格子あるいはファブリペロー共振器を可動させるので、高速サンプリング測定には限界がある。特に地盤の振動(地震)や建物、橋、パイプラインなどの構造物の振動を検知したり、構造物内に衝撃波を発生させてその振動波形から内部欠陥を検出するようなシステムにおいては、さらに高速な波長検出装置が求められる。
【0010】
このような高速波長検出を実現するために図3に示すような光学系が考案されている。
【0011】
図3において広帯域光源31からの入射光は、波長無依存の3dB分岐カプラ32を介してFBGセンサ33に入射する。FBGセンサ33によってグレーティングのブラッグ波長に一致する波長の光が反射され、再び3dB分岐カプラ32に戻り入射ポートとは別ポートから検出器側の光回路に伝搬する。検出器側の光回路には別の波長無依存3dB分岐カプラ34によって出力光が等分に分岐される。3dB分岐カプラ34の2つの出力ポートのうち、一方には波長によって損失が変化する光学素子35、他方は波長によって損失変動を受けない単なる伝送路36が接続される。このような素子は、グレーティング周期が長手方向に対して変化するチャープグレーティングを用いることによって容易に実現される。一例として波長に対して透過率が直線的に変化するチャープグレーティングの波長−透過率特性を図4に示す。FBGセンサ33のグレーティング波長は、図4に示した波長によって損失が変化する光学素子において、波長に対して透過率が直線的に変化する波長帯域内に設定される。2つに分岐された出力光のうち、一方のみの光出力が波長によって変化し、他方は光出力が変化せず受光素子37と38によってそれぞれ受光される。この各々の受光パワーの強度比を求め、コンピュータ39によってFBGセンサ33による反射光の波長変動に換算することができる。例えば外部より外力が加わらないときのFBGセンサ33のグレーティング波長を1548nmとし、光学素子35の波長に対して透過率が直線的に変化する波長帯域を8nmとしてその中心の波長を1548nmに一致させれば、±4,000μεのダイナミックレンジを持つ歪み計測装置が構成される。
【0012】
また検出器側の光回路の別な構成として、3dB分岐カプラ34と波長によって損失が変化する光学素子35(一例として図4に示した波長によって透過率が直線的に変化するチャープグレーティング)のかわりに図5に示すように分波カプラ51を用いる構成も提案されている。この分波カプラは図6に示すような特性をもち、FBGセンサ33からの反射光の波長変動により一方の光路(Ch1)の光出力が増加するときには、他方の光路(Ch2)の光出力が減少するので、より高感度の波長検出が可能である。このような分波カプラは2本の光ファイバを融着延伸することによって形成される。
【0013】
以上述べたような波長検出のための光学系では、波長変化を光のパワーの比に変換しアナログ出力が可能なので容易に高速サンプリングが可能である。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の波長検出装置においては、周囲温度や伝搬する光の偏光特性によって、2つの受光素子にそれぞれ受光される2本の光路を伝搬する光パワーの変動が無視できない。
【0015】
図3に示した波長検出のための光回路系では、3dB分岐カプラ34の分岐比が温度や波長によってわずかに変動し、出力光が等分に分岐されず、受光素子37と38によって受光される受光パワーに変動が見られる。波長検出は、この2つの受光パワーの強度比を求めることによって得られるので、正確な波長検出、すなわち歪み量を求めることは困難である。さらに図3に示した光回路系では、3dB分岐カプラ34において分岐された光は、一方は波長によって損失が変化する光学素子35を通り、もう一方は単なる伝送路をそのまま伝搬するが、2つの光路は空間的に分離されているため、温度差や、外乱など不均等な損失変動を受けやすい。これは直接波長検出感度に影響を与える。
【0016】
また、上記3dB分岐カプラ34と波長によって損失が変化する光学素子35のかわりに図5に示した分波カプラ51を用いる場合にも、FBGセンサを含む伝送路を伝搬してきた光の偏光特性を無視できない。一般に分波カプラは図7に示すように、その損失−波長特性は入射光の偏光状態に依存する。伝送路及びFBGセンサに加わる外乱のため、一般に伝搬光の偏光状態は時間とともに変化する。さらに分波カプラ51内を伝搬する光も、分波カプラ51自身が振動を受けると偏光状態が変化するので、波長が一定でも分岐比が変動する。図7には偏光状態が互いに直交する場合の損失−波長特性を示したが、両者は大きくずれている。このため伝搬光の偏光状態が時間とともにランダムに変化する場合には、2つのチャネルを伝搬してくる光パワーの出力比は変動し、光学系の偏光状態の揺らぎをFBGの波長変化として検出してしまうという問題点があった。
【0017】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、所定の媒質を伝搬する伝搬光の波長を、高速でしかも高精度で検出する高速波長検出装置を提供することを目的としている。
【0018】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされる本発明は、所定の媒質を伝搬する伝搬光を、波長によって分岐比が異なる分波フィルタを用いて2つの出力光に分岐し、分岐された前記2つの出力光のパワーを測定し、前記2つの出力光の強度比を求めることによって前記伝搬光の波長変動を検出する高速波長検出装置において、前記分波フィルタの前段には偏光子が挿入され、前記偏光子の出力と前記分波フィルタの入力間は伝搬光の偏波面が保持されていることを特徴とするものである。
【0019】
本願発明においては、前記偏光子の出力と前記分波フィルタの入力間は光ファイバで接続されていても良い。
【0020】
また、本願発明においては、前記偏光子の前段に偏光解消素子が挿入されていても良く、また、前記分波フィルタは、マッハツェンダ型またはアレイ導波路格子型の平面光導波路によって形成されていても良い。
【0021】
また、本願発明においては、伝搬光は、光ファイバ中に形成されたFBGによって反射される光であっても良い。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施例を図1を用いて説明する。図1は、本発明の一実施形態を示す高速波長検出装置の概念図である。図1において広帯域光源11からの入射光は、光サーキュレータ12を介してFBGセンサ13方向(方向a)に伝搬する。FBGセンサ13によってグレーティングのブラッグ波長に一致する波長の光が反射(方向b)され、再び光サーキュレータ12に戻り入射ポートP1とは別ポートP2から検出器側の光回路に伝搬する。図1の実施例では、3dBカプラの代わりに光サーキュレータ12を用いたが、図3や図5に示すように、3dBカプラを用いてもよい。但し、この場合は往復6dBの損失を受けることになる。検出器側においてFBGセンサ13からの反射光は偏光解消素子14及び偏光子15を介して分波カプラ(分波フィルタ)16に入射される。偏光子15と分波カプラ16間は偏波保持光ファイバ20によって接続され伝搬光の偏波が保持される。分波カプラ16は、マッハツェンダ型の平面光導波路によって形成されている。平面光導波路は、光ファイバを融着延伸して形成したファイバ型カプラと異なり、外部の振動などに対しても偏波が安定に伝搬し、そのため伝搬波長が一定であれば分岐比は一定となる。図1の実施例では分波カプラ16としてマッハツェンダ型の平面光導波路を用いたが、アレイ導波路格子型の平面光導波路を用いてもよい。分波カプラ16は図6と同様な特性をもち、FBGセンサ13からの反射光の波長が変化し、一方の光路(Ch1)の光出力が増加するときには,他方の光路(Ch2)の光出力が減少する。分波カプラ16も入射光の偏光状態によって図7に示した特性と同様に波長が一定でも分岐比が異なるが、分波カプラ16の前段には、偏光子15によって、偏光面が固定されているのでFBGセンサ13を含む伝送系において伝搬光の偏光状態がランダムに変動したとしても、その影響は抑えられ、波長が一定である限り、分波カプラ16の分岐比は一定となり、より高感度の波長検出が可能となる。
【0023】
また、伝搬光の偏光面が最悪偏光子15の偏光面と直交する成分を多く含む場合には、偏光子15を通過する光パワーは極端に小さくなる。偏光子15を通過し分波カプラ16に入射する光の全パワーが変動しても、検出すべき伝搬光の波長は、分波カプラ16によって分岐された2つの出力光の強度比によって決定されるので、分波カプラ16に入射する全光パワーには依存しない。しかし、受光素子17及び18によって受光される光パワーが極めて微弱であると信号光に対する雑音が無視できず、伝搬光の波長を精度良く測定することができない。これを避けるため、本実施例では、偏光子15の前段に偏光解消素子14を挿入している。これによって、偏光子15を通過する光パワーは3dBの損失を被るが、伝送系を伝搬する伝搬光の偏光がランダムに変動したとしても、受光素子17及び18によって受光される光パワーの和は一定となり、振動、温度などの外乱による変動に対してより安定な測定を行うことができる。受光素子17と18によってそれぞれ受光される各々の光パワーの強度比を求め、コンピュータ19によってFBGセンサ13による反射光の波長変動に換算する。本実施例では外部より外力が加わらないときのFBGセンサ13のグレーティング波長において、分波カプラ16によって分岐されるch1、ch2各々の光パワーが等しくなるように設定する。すなわち例えば図7の波長−損失特性を持つ分波カプラの場合にはCh1とCh2の特性が交差する波長(1528nm、1552nmなど)にFBGセンサ13のグレーティング波長を設定する。一般にCh1とCh2の光出力の差が±10dBの範囲内であれば十分受光素子17,18の受光感度内なので、10nm以上の波長変動を検出できる。すなわち、検出できる歪み量に換算すれば、±5,000με以上のダイナミックレンジを持つ歪み計測装置が構成できる。
【0024】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による高速波長検出装置によれば、測定系が振動や温度変動など不要な外乱によって生じる光の偏波特性の影響を受けにくい。その結果、高精度でしかも高速な波長検出装置を実現することができる。本発明をFBGを用いたセンサに適用すると、振動や衝撃など短時間に急激に変化する歪量を検出することができるので好適である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態を示す高速波長検出装置の概念図である。
【図2】バルク型の回折格子を用いて伝搬光の波長を検出する従来の装置の概念図(a)及びファブリペロー型の可変フィルタを用いて伝搬光の波長を検出する従来の装置の概念図(b)である。
【図3】伝搬光の波長を高速で検出するための従来の装置の概念図である。
【図4】従来のFBG反射波長検出装置に用いられている波長に対して透過率が直線的に変化するチャープグレーティングの波長−透過率特性を示す図である。
【図5】分波カプラを用いた、伝搬光の波長を検出するための従来の装置の概念図である。
【図6】従来のFBG反射波長検出装置に用いられている分波カプラの波長−損失特性を示す図である。
【図7】分波カプラの損失-波長特性における入射光偏光状態依存性を示す図である。
【符号の説明】
11,31 広帯域光源
12 光サーキュレータ
13,33 FBGセンサ
14 偏光解消素子
15 偏光子
16 平面光導波路型分波カプラ
17,18,37,38 受光素子
19,39 コンピュータ
32,34 3dB分岐カプラ
35 波長によって損失が変化する光学素子
36 波長によって損失変動を受けない伝送路
51 分波カプラ
Claims (4)
- 光源からの入射光を光ファイバ中に形成されたファイバブラッググレーティングに伝搬し、前記ファイバブラッググレーティングによって反射された反射光を波長によって分岐比が異なる分波フィルタに入射して2つの出力光に分岐し、分岐された前記2つの出力光のパワーの強度比を求めることによって前記反射光の波長変動を検出する高速波長検出装置において、
前記分波フィルタの前段に偏光子が挿入され、前記偏光子に反射光を入射することで前記偏光子の出力と前記分波フィルタの入力間は反射光の偏波面が保持されていることを特徴とする高速波長検出装置。 - 前記偏光子の出力と前記分波フィルタの入力間は光ファイバで接続されていることを特徴とする請求項1記載の高速波長検出装置。
- 前記偏光子の前段には偏光解消素子が挿入されていることを特徴とする請求項1または2に記載の高速波長検出装置。
- 前記分波フィルタは、マッハツェンダ型またはアレイ導波路格子型の平面光導波路によって形成されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の高速波長検出装置。
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