JP4274007B2

JP4274007B2 - 波長分析装置

Info

Publication number: JP4274007B2
Application number: JP2004072789A
Authority: JP
Inventors: 晋路小松崎
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2004-03-15
Filing date: 2004-03-15
Publication date: 2009-06-03
Anticipated expiration: 2024-03-15
Also published as: JP2005257624A

Description

本発明は、光ファイバグレーティング（ＦＢＧ）の反射波長を測定する波長分析装置に関する。

ＦＢＧは光ファイバコア中に屈折率が周囲より高い領域を周期的に分布させた構造をしており、式（１）に示すようにその周期に応じた特定波長の光だけを反射させる性質を持っている。

λ_B ＝２ｎΛ （１）
ここで、λ_B はＦＢＧで反射される波長、ｎは、光ファイバの実効屈折率、ΛはＦＢＧの屈折率分布周期を表している。

ＦＢＧにひずみが加わると、屈折率の分布周期が変化するため反射する波長が変化する。したがって、反射波長を測定することで、ＦＢＧに加わるひずみを測定することができる。これを利用して、ＦＢＧを地盤の変動や構造物の変位、ひずみ、あるいは振動などをリアルタイムに監視するいわゆるヘルスモニタリングシステムへ適用する研究開発が活発に行われている。

実用化されている波長検出装置には、ファブリーペロー型フィルタを利用したもの、回折格子を利用したもの、また、マイケルソン干渉法を利用したものなどがある。いずれの方式も波長を掃引するためには、モータやピエゾ素子などを用いて、機械的に掃引する必要があるため、検出速度には限界があった。

高速な波長検出を実現する方法として、図３（ａ）に示すようなマッハツェンダー型の波長フィルタを利用したものや、図４（ａ）に示すようなＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating ）を利用したものが提案されている。

図３（ａ）において、広帯域光源１５から出た光Ｏｉは、サーキュレータ１６を介してＦＢＧ１７に入力される。ＦＢＧ１７で、反射された光Ｏｒは再びサーキュレータ２を介してマッハツェンダー型波長フィルタ１８に入力される。

マッハツェンダー型波長フィルタ１８は１入力２出力のフィルタで、図３（ｂ）に示すように、入力波長に応じた比率で入力光を、２つの出力に分配する。したがって、２つの出力をモニターし、比率を計算することで入力波長を逆算することができる。

また、同様に図４（ａ）において、広帯域光源２０から出た光Ｏｉは、サーキュレータ２１を介してＦＢＧ２２に入力される。ＦＢＧ２２で反射された光Ｏｒは再びサーキュレータ２１を介してＡＷＧ２３に入力される。

ＡＷＧ２３は１入力多チャンネル出力のフィルタで、入力光は波長に応じた特定チャンネルに出力されるが、隣接する２つの出力チャンネル中心波長間の波長を持つ光が入力されると、マッハツェンダー型フィルタと同様、図４（ｂ）に示すように入力波長に応じた比率で入力光が両チャンネルに分配される。したがって、上記２つの出力チャンネルの出力をモニタすることで、その比率から波長を逆算することができる。この際、測定感度は、隣接する出力チャンネルの中心波長の中心で最も高く、両端では低くなる。また、測定範囲は、隣接する出力チャンネルの中心波長の間の波長となる。

特開２０００−２８３８４４号公報特開２０００−２８３８４６号公報

しかしながら、マッハツェンダー型波長フィルタまたはＡＷＧは温度特性を持っており、温度に依存して各チャンネルの中心波長がシフトしてしまうという問題がある。また、ＦＢＧをセンサとして使用する場合、ＦＢＧセンサ自体の持つ温度特性や、取り付け時の応力による波長シフトが起こり、最適な感度や測定範囲が得られないという問題があった。

本発明の目的は、上記問題を解決し、温度に依存せずに高速高精度かつ高信頼性の波長分析装置を実現することにある。

上記課題を解決するために本発明は、入力光の波長によって出力光強度が変化し、且つその値が温度に依存する光フィルタを用いて波長を測定する装置において、光フィルタ部分に温度制御装置を設け、装置内部の温度変化による測定誤差を抑制したものであり、その構成は、光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）に光を入射させ、そのＦＢＧからの反射光を波長フィルタに入射し、その波長フィルタからの光で前記ＦＢＧにかかる歪みを検出する波長分析装置において、前記ＦＧＢをセンサとして使用する場合に、測定対象の前記ＦＢＧからの任意の反射光の中心波長が、測定範囲の中心にくるように温度制御装置で波長フィルタの温度を制御することで必要な感度、測定範囲を確保したうえで、外部から前記ＦＢＧに加わる応力を検出するものである。

本発明では、波長フィルタに設けた温度制御装置により、ＦＢＧの反射光の中心波長が、光フィルタの２つの出力チャンネル中心波長の中心にくるように制御することで、ＦＢＧセンサ部の温度変化や、取り付け時の残留応力による波長シフトをキャンセルし、外部からＦＢＧセンサ部に加わる応力に対する感度、測定範囲を最適化できる。

波長フィルタとしては、ＡＷＧやマッハツェンダー型波長フィルタを用いるとよい。

また温度制御装置は、ヒータやペルチェ素子を用いて構成されるとよい。

従来の高速波長分析装置は、いずれのものも、波長分析装置内部の温度による不確定要素があったが、本発明を利用することで、温度による不確定要素をなくし、正確な波長測定を実現することができる。

以下本発明の実施形態を添付図面により説明する。

図１に本発明の第一の実施の形態を示す。

広帯域光源１から出た光Ｏｉは、サーキュレータ２を介してＦＢＧ４に入力される。ここでＦＢＧ４は、波長λ₁ 〜λ₄ の光を反射するように構成されている。

ＦＢＧ４で反射された光（波長λ₁ 〜λ₄ の光）は再びサーキュレータ２を介してＡＷＧ５に入力され、各々の波長（λ₁ 〜λ₄ ）に応じたＡＷＧ５の出力チャンネルより出力される。それぞれのＦＢＧからの反射光は、それぞれ独立な２つのチャンネルより各々の波長に応じた比率で分配され、Ｏ／Ｅ変換器及び信号処理回路７に入力され、その処理結果が出力される。

この際、Ｏ／Ｅ変換器及び信号処理回路７は、任意の波長の反射光の波長シフトを検出し、これを温度制御装置６に出力し、温度制御装置６が、ＡＷＧ５の温度を調整して温度による波長シフトを制御して光の中心波長が測定範囲の中心にくるようにする。

図１（ｂ）は、あるＦＢＧ４からの反射光λ₂ が、出力チャンネルＡＷＧ１〜８を持つＡＷＧ５の出力チャンネルＡＷＧ３，４から出力される場合の例である。

ここで、ＦＢＧ取り付け時の応力や温度変化により、λ₂ がＡＷＧ３，４の中心波長の中心からＡＷＧ３側にシフトしたとすると、λ₂ −ＡＷＧ３，λ₂ −ＡＷＧ４の間隔に偏りができてしまい、ＦＢＧ４に加わる応力の測定範囲に偏りができてしまう。また、λ₂ が過剰にシフトすると、ＡＷＧ３，４の波長変化に対する出力変化が緩やかになるため、必要な感度がとれなくなる恐れがある。

そこで、ＡＷＧ５を温度制御装置６により、λ₂ が、図１（ｂ）に示すように、ＡＷＧ３，４の中心波長の中心になるようにＡＷＧ５の温度を制御することで、必要な感度、測定範囲を確保することができる。ここで、波長の変化は、屈折率にもよるが、１℃あたり１０ｐｍ変化させることができ、Ｏ／Ｅ変換器及び信号処理回路７は、シフト量を求め、ＡＷＧ５が波長シフトがなくなる温度になるように温度制御装置６に温度制御量を出力する。

上記第一実施の実施の形態では、ＡＷＧ５について説明したが、ＡＷＧ５の代わりにマッハツェンダー型波長フィルタなど、入力光の波長によって出力強度が変化し、且つその値が温度に依存するものであればよい。

図２は４チャンネル集積化したマッハツェンダー型波長フィルタ１２を用いた第二の実施の形態を示す。

広帯域光源２０から出た光Ｏｉは、サーキュレータ２１を介してＦＢＧ２２に入力される。ここでＦＢＧ２２は、種々の波長λ₁ 〜λ₄ の光を反射するように構成されている。

ＦＢＧ４で反射された光（波長λ₁ 〜λ₄ の光）は再びサーキュレータ２１を介してマッハツェンダー型の波長フィルタ１２側に入力され、Ｏ／Ｅ変換器及び信号処理回路１４に入力されて、信号が処理されると共に、各波長λ₁ 〜λ₄ 毎波長シフト量が検出され、温度制御装置１３で、検出する波長λ₁ 〜λ₄ 毎にマッハツェンダー型の波長フィルタ１２の温度が調整され、これによって、Ｏ／Ｅ変換器及び信号処理回路１４でＦＢＧ１０からの反射光より、各種物理量を検出することができる。

但し、マッハツェンダー型の波長フィルタ１２は、図２（ｂ）に示すように、波長透過特性に周期性があり、これは集積化されたすべての入出力で同一の特性を持つ。また、１つの入力に対して２つの出力しかないため、前段にＣＷＤＭ（Coarse Wavelength Division Multiplex）分波器１１を用いて各測定用ＦＢＧ１０からの反射光を分離してからマッハツェンダー型波長フィルタ１２に入力する必要がある。このときのマッハツェンダー型波長フィルタ１２およびＣＷＤＭ分波器１１の波長透過特性は図２（ｂ）のようになる。

温度制御は、ＡＷＧを用いた場合と同様に、ＦＢＧの中心波長マッハツェンダー型フィルタの２つの出力チャンネルｃｈ１、ｃｈ２の各中心波長間の中心となるように制御すればよい。

例えば、波長λ₁ の光がＰ１、Ｐ２に分岐されるとした場合には、（Ｐ１−Ｐ２）／（Ｐ１＋Ｐ２）を求めることで、シフト量が分かり、これによって動かすべき温度がわかるため、マッハツェンダー型波長フィルタ１２の温度を適正に制御することができる。

また、温度制御装置としてはヒータやペルチェ素子を用いる。これらは、ＡＷＧやマッハツェンダー型波長フィルタ素子に容易に装着され精度よく制御することができる。

本発明の第一の実施の形態を示す図である。本発明の第二の実施の形態を示す図である。従来のマッハツェンダー型波長フィルタを用いた波長分析装置を示す図である。従来のＡＷＧを用いた波長分析装置を示す図である。

符号の説明

１、８広帯域光源
２、９光サーキュレータ
４、１０ＦＢＧ
５ＡＷＧ
５、１３温度制御装置
７、１４Ｏ／Ｅ変換器および信号処理装置
１１ＣＷＤＭ分波器
１２集積化マッハツェンダー型波長フィルタ

Claims

光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）に光を入射させ、そのＦＢＧからの反射光を波長フィルタに入射し、その波長フィルタからの光で前記ＦＢＧにかかる歪みを検出する波長分析装置において、前記ＦＧＢをセンサとして使用する場合に、測定対象の前記ＦＢＧからの任意の反射光の中心波長が、測定範囲の中心にくるように温度制御装置で波長フィルタの温度を制御することで必要な感度、測定範囲を確保したうえで、外部から前記ＦＢＧに加わる応力を検出することを特徴とする波長分析装置。
前記反射光の中心波長が、前記波長フィルタの２つの出力チャンネルの中心波長間の中心にくるように、前記波長フィルタの温度を制御する請求項１記載の波長分析装置。
前記波長フィルタが、ＡＷＧ型波長フィルタである請求項１記載の波長分析装置。
前記波長フィルタが、マッハツェンダー型波長フィルタであり、そのマッハツェンダー型波長フィルタの入力側にＣＷＤＭ分波器が接続される請求項１記載の波長分析装置。
前記温度制御装置は、ヒータ又はペルチェ素子を用いて構成されている請求項１記載の波長分析装置。