JP3925202B2

JP3925202B2 - 高速波長検出装置

Info

Publication number: JP3925202B2
Application number: JP2002001184A
Authority: JP
Inventors: 晃史本郷; 耕自佐鳥
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2002-01-08
Filing date: 2002-01-08
Publication date: 2007-06-06
Anticipated expiration: 2022-01-08
Also published as: JP2003202272A

Description

【０００１】
【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)λ_B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、Δλ_Bは反射波長変化、P_e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
１３，３３ＦＢＧ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
３２，３４３dB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

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。