JP4373842B2

JP4373842B2 - Ｆｂｇセンシングシステム

Info

Publication number: JP4373842B2
Application number: JP2004130421A
Authority: JP
Inventors: 弘美安島; 裕介武井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2004-04-26
Filing date: 2004-04-26
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2024-04-26
Also published as: JP2005315584A

Description

本発明は、ＦＢＧを用いて歪計測や温度計測を行うＦＢＧセンシングシステムに関するものである。

光ファイバセンシング分野において、ＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）は広帯域光源であるＡＳＥ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ）光源や波長可変光源などと組み合わせて、構造物の歪計測に用いられている。ＦＢＧはグレーティング間隔で決まる特定の光を反射する。ＦＢＧの反射波長幅（−３ｄＢ幅）は約０．１ｎｍで、ＦＢＧに応力が加わり延び縮みする（ＦＢＧが歪む）ことでＦＢＧの反射波長が変化する。このＦＢＧを構造物の測定箇所所に取り付けＡＳＥ光等を入射し、反射波長を波長計等で測定すればＦＢＧの歪み、すなわち構造物の歪みが計測できる。この使い方は反射型ＦＢＧセンサーと呼ばれている。

またＦＢＧは透過型センサーとしても使用できる。特定波長を反射するＦＢＧは、言いかえれば特定波長の透過光を遮断する遮断体である。この遮断する波長と反射する波長はセンサーとしてみれば等価であるため、遮断光の波長を測定することで透過型センサーとして使用できる。

さらにＦＢＧは温度変化に対してはファイバの屈折率が変化するため、ＦＢＧは温度検出にも使用できる。言い換えればＦＢＧを用いた歪計測は温度の影響を受けやすいので、歪計測には温度の影響を無くすような手段が必要である。

上記の光ファイバセンシングでは３０Ｋｍ程遠方まで光ファイバを張り巡らせ、その地点の歪み量測定が可能である。光ファイバの伝送損失、ＦＢＧ損失があるので、測定距離を伸ばしさらに測定点数を増やすために、広帯域光源や波長可変光源としては高出力で広帯域な光源が用いられる。また精度良く反射波長を計測することが必要である。

広帯域光源であるＡＳＥ光源としては、特許文献２において図８に示すような、波長範囲１００ｎｍ程度で光パワースペクトラム密度−２０ｄＢ／ｎｍ以上の物が既に公開されている。

また波長１５５０ｎｍで用いられるＦＢＧの場合、反射波長の変化は１．２ｐｍ／μストレイン程度である。即ちＦＢＧからの反射波長の変化を１ｐｍの分解能で計測すれば１μストレインの分解能で歪み計測が可能となる。

図９は特許文献１に従来技術として示されているＦＢＧセンシングシステムである。センサーとしてＦＢＧが一つのファイバ上を直列に接続されている。

広帯域光源９０からの出力光はカプラ１３０を介して光ファイバ１４０を経由しＦＢＧセンサー１０５に導かれる。ＦＢＧセンサー１０５は複数個あり、各々反射波長の異なるもので直列に接続されている。ＦＢＧセンサー１０５で反射されたそれぞれ異なる反射波長は、カプラ１３０に戻り、波長計１５０に導かれそれぞれの波長が検出される。

また図１０は特許文献３に記載されている内容を簡略化して示したものである。広帯域光源２０１、波長計２０２、３ｄＢカプラ２０３（特許文献３では方向性結合器と表現されている）、光ファイバ２０４、ＦＢＧセンサー２０５で構成されている。多くのＦＢＧセンサーの測定が可能なように３ｄＢカプラ２０３で分岐して使用している。

図１１は特許文献４に記載されているＦＢＧセンシングシステムである。幹線用ファイバ４００、広帯域光源４０１、スプリッタ４０２、アドドロップフィルタ４１１〜４１Ｎ、光増幅器４０３、波長分離フィルタ４０４で構成される。特許文献１、３との違いはＦＢＧセンサー（ＦＢＧ_１〜ＦＢＧ_Ｎ）と幹線用ファイバ４００の間にアドドロップフィルタが挿入されていることで、一つのＦＢＧセンサーが断線しても他のＦＢＧセンサーからの信号を検出できる。

また図１２は特許文献４、非特許文献２に開示されているＦＢＧセンシングシステムである。広帯域光源１の出力は３ｄＢカプラ３の第１ポートに接続され、第３ポート、第４ポートは光ファイバを介してループ状とし、そのループ状ファイバ７内にいくつかのＦＢＧセンサー６が配置されている。前記３ｄＢカプラ３の第２ポートには波長計１１が接続されＦＢＧセンサー６からの反射波長が計測される構成である。
米国特許第５，３６１，１３０号特開２００１−１１１１４５号公報特表２００１−５１１８９５号公報特開２００２−３１０７２９号公報特願２００３−２９６５０５号公報１９９２年電子情報通信学会秋季大会、Ｃ−２２４ Libo Yuan, et al., "Enhancement of Multiplexing Capability of Low-Coherence Interferometric Fiber Sensor Array by Use of a Loop Topology" Journal of Lightwave Technology , Vol.21,No.5, pp1313-1319,May 2003,

しかしながら特許文献１を用いた場合、ＦＢＧセンサー１０５は直列に接続されているため、例えばカプラ１３０側の一つのＦＢＧセンサー１０５が断線すれば、全部のＦＢＧセンサーが使用できなくという問題があった。すなわちこの直列接続方式は安全性、信頼性に乏しいシステムであった。特にＦＢＧセンサーは歪計測に用いられるもので、センサー部に応力がかかるため断線する可能性もありえるからである。

また特許文献３を用いた場合にもＦＢＧセンサー２０５は直列に接続されているため上記のように信頼性に欠けるものであった。また３ｄＢカプラ２０３では透過光の挿入損失は３ｄＢ以上有るためその損失を補うには広帯域光源２０１の出力を高めなければならないという問題もあった。

上記問題を解決するために特許文献４に記載されているようにアドドロップフィルタを用いる方法があるが幹線用ファイバ４００が断線した場合、断線した個所以降のＦＢＧセンサーからの信号が検出できなくなってしまうという問題点があった。

また特許文献４、および非特許文献２においてもループ状ファイバ７の一箇所の断線においては正常に機能するが、２箇所以上の断線に対してはＦＢＧセンサーの信号を正常に検出できなくなる場合がある。

ここでは複数のＦＢＧセンサーや幹線用ファイバが断線等の破損に至っても他のＦＢＧセンサーの信号には影響を与えない信頼性の高い頑強なシステムを構築することを課題とする。

本発明はこれらの課題を解決するためのものであり、広帯域光源または波長可変光源からの出力光を導出する光ファイバに、２×２ポートの光カプラの第１ポートを接続し、該第１ポートと反対側の第３ポートと第４ポートとの間を光ファイバを介してループ状に接続し、該ループ状の光ファイバ内にＦＢＧセンサーを配置し、前記光カプラの第２ポートを信号検出ポートとしたＦＢＧセンシングシステムであって、前記ループ状の光ファイバ内に第２の２×２ポートの光カプラの第２ポートおよび第４ポートを接続し、該第２の光カプラの第１ポートと第３ポートを光ファイバで接続して第２のループを構成し、該第２のループの光ファイバ内に第２のＦＢＧセンサーを配置したことを特徴とする。

さらに、上記光カプラおよび第２の光カプラは、それぞれ分岐比を５０％としたことを特徴とする。

また、上記ループ状の光ファイバ内に偏波コントローラを付加することを特徴とする。

本発明によれば、ＦＢＧセンシングシステムにおいてループ状光ファイバを２重に構成し、その内部にＦＢＧセンサーを配置することで、ＦＢＧセンサーやループ状光ファイバに断線があった場合でもＦＢＧセンサーによる計測を可能とし信頼性の高い頑強なシステムを構築することが出来る。

まず本発明のベース技術である光ファイバループミラーについて図３を用いて説明する。非特許文献１に開示されているもので、光カプラ３の一方側の第３ポート３ｃと第４ポート３ｄとを光ファイバでループ状に接続することで、第１ポート３ａから入射した光がループ状の光ファイバで全反射して第１ポート３ａに戻ってくるという技術である。全反射するする条件として光カプラ３の分岐比は５０％である。また偏光方向がループミラーの途中で変化しては完全なループミラーにならないので光カプラ３としては偏波保持型光カプラを用いたほうが安定することも知られている。

本発明ではファイバループミラー内部にＦＢＧセンサーを配置し、ＦＢＧセンサーからの反射光を第２ポート３ｂから抽出する構成を提案する。本構成により次ぎの効果が期待できる。

（１）Ｓ／Ｎ（信号対雑音比）の良いＦＢＧセンサー信号が抽出できる。ＦＢＧセンサー両側から反射信号が得られるため信号強度が大きくなる。

（２）ファイバループミラー３の一部が事故等で断線しても、ＦＢＧセンサー信号を抽出できる。

上記に基づき、以下、本発明によるＦＢＧセンシングシステムについて説明する。図１は本発明の第１の実施形態を示す構成図である。

本発明のＦＢＧセンシングシステムは、広帯域ＡＳＥ光源１からの出射光を光ファイバ２で光ファイバカプラ３の第１ポート３ａに接続し、第２ポート３ｂに波長計を接続して信号検出ポートとしてある。一方、反対側の第３ポート３ｃと第４ポート３ｄとの間をループ状光ファイバ７で接続するとともに、このループ状光ファイバ７内に第２の光ファイバカプラ４、ＦＢＧセンサー６、偏波コントローラ１２を配置してある。上記第２の光ファイバカプラ４は、第２ポート４ｂ、第４ポート４ｄをループ状光ファイバ７に接続し、第１ポート４ａ、第３ポート４ｃとの間を第２のループ状光ファイバ８で接続し、この中に第２のＦＢＧセンサー５を配置している。

上記ＦＢＧセンサー５、６はそれぞれ両側から光を入射することが可能であり、入射方向に特定波長光を反射する。波長計１３は市販されている光スペクトラムアナライザーや光波長計を用いることができる。

即ち、第２のＦＢＧセンサー５が配置されていない場合、広帯域ＡＳＥ光源１からの出力光は光ファイバ２を経由し、光ファイバカプラ３で２つに分かれてループ状光ファイバ７を介しＦＢＧセンサー６に導かれる。例えば光ファイバカプラ３の第３ポート３ｃからの出力光はＦＢＧセンサー６で特定波長が反射され、光ファイバカプラ３の第３ポート３ｃに戻って来る。一方ＦＢＧセンサー６を透過した光は光ファイバカプラ３の第４ポート３ｄに戻ってくる。同様に光ファイバカプラの第４ポート３ｄからの出力光はＦＢＧセンサー６で特定波長が反射され、反射光は光ファイバカプラ３の第４ポート３ｄに戻り、透過光は光ファイバカプラ３の第３ポート３ｃに戻って来る。

このときＦＢＧセンサー６からの反射光を光ファイバカプラ３の第２ポート３ｂから出力するように偏波コントローラ１２を回転させながら調整し、ＦＢＧセンサー６の反射波長を波長計にて計測する。光ファイバカプラ３やループ状光ファイバ７が偏波保持ファイバで無い場合、完全なループミラーを構成できない状態がある。偏波コントローラ１２は光ファイバカプラ３における偏光状態を調整し、ループミラーを構成するために必要である。

但し、ＦＢＧセンサー６の配置はループ状光ファイバ７の中間位置を避けて配置する必要がある。ちょうど中間に配置されると、ＦＢＧセンサーからの反射光同士が光ファイバカプラ３で干渉し反射光が不安定になるからである。

次に図１のように第２のＦＢＧセンサー５を配置した場合を考える。広帯域ＡＳＥ光源１の出力光は、第２の光ファイバカプラ４を介して第２のＦＢＧセンサー５の両側に導かれるようになる。第２のＦＢＧセンサー５で特定波長が反射され、反射光及び透過光は光ファイバカプラ３の第４ポート３ｄ及び、光ファイバカプラの第３ポート３ｃに戻って来る。

このような構成でＦＢＧからの反射波長を測定しその波長変化からＦＢＧの歪み量が変換出来る。

また、例えばＦＢＧセンサー５が事故で断線した場合を考える。この場合は特許文献４あるいは非特許文献２に記されているものと近い状態になり、ＦＢＧセンサー６の信号は検出可能である。このようにＦＢＧセンサーの断線やループ状光ファイバ７及び８の一部が断線しても一方からの光信号により計測を続けることが可能となる。

図２は本発明の第２の実施形態を示す構成図である。実施形態１と異なる点は、ＦＢＧセンサー数を増やすために２系統の第２のループ状ファイバ８，１１を有し、それぞれに第２のＦＢＧセンサー５，９を配置したことである。実施形態１と同様にループ状光ファイバ８、１１が断線しても計測を続けることが可能となる。

このように構成することで一部の光ファイバやＦＢＧセンサーが断線してもＦＢＧセンサーの計測を継続出来る効果がある。

図１に示す本発明のＦＢＧセンシングシステムを作成した。

広帯域光源１は特許文献２に示したものを用いている。ＦＢＧセンサー５及び６の中心反射波長はそれぞれ、１５５１．０ｎｍ、１５５４．０ｎｍに設定している。光波長計１３としては市販の光スペクトラムアナライザーを用いている。

図４は本システムが正常に動作している場合の光波長計１３の測定波形である。図５〜図７は本システムの各点を断線した場合の光波長計１３の測定波形である。図５はＣ点を切断、図６はＣ点及びＡ点を断線、図７はＣ点及びＢ点を切断した場合のそれである。

これらから以下を確認した。

（１）ループ状光ファイバ７の一端（Ｃ点）が断線しても測定可能である（図５）。

（２）本システムが正常動作している場合の測定波形（図４）は断線した場合（図５）の測定波形より大きな信号振幅が得られる。すなわちＳ／Ｎの良いＦＢＧセンサー信号が抽出できる。

（３）ループ状光ファイバ７の一端（Ｃ点）及び第２のループ状ファイバのＡ点が断線しても測定可能である（図６）。

（４）ループ状光ファイバ７の一端（Ｃ点）及び第２のループ状ファイバのＢ点が断線した場合、ＦＢＧセンサー６は測定可能で、ＦＢＧセンサー５は測定不可能である（図６）。

本発明におけるＦＢＧセンシングシステムの第１の実施形態を示す構成図である。本発明におけるＦＢＧセンシングシステムの第２の実施形態を示す構成図である。光ファイバループミラーの構成を示す図である。本発明実施例における正常動作時の測定波形である。本発明実施例における光ファイバのＣ点が断線した場合の測定波形である。本発明実施例における光ファイバのＣ点、Ａ点が断線した場合の測定波形である。本発明実施例における光ファイバのＣ点、Ｂ点が断線した場合の測定波形である。従来のＡＳＥ光源のスペクトラム波形である。従来のＦＢＧセンシング装置を示す図である。従来のＦＢＧセンシング装置を示す図である。従来のＦＢＧセンシング装置を示す図である。従来のＦＢＧセンシング装置を示す図である。

符号の説明

１：広帯域光源
２：光ファイバ
３：光ファイバカプラ
４、９：光ファイバカプラ
５〜６、１０：ＦＢＧセンサー
７〜８、１１：ループ状光ファイバ
１２：偏波コントローラ
１３：光波長計
９０：広帯域光源
１０５：ＦＢＧセンサー
１３０：カプラ
１４０：光ファイバ
１５０：波長計
２０１：広帯域光源
２０２：波長計
２０３：３ｄＢカプラ
２０４：光ファイバ
２０５：ＦＢＧセンサー
３００：光波長可変フィルタ
３０１：ＴＡＰカプラ
３０２：出力ポート
３０３：光アイソレータ
３０４：ＷＤＭカプラ
３０５：ポンプＬＤ
３０６：ＥＤＦ
３０７：光ファイバ増幅器
４００：幹線用ファイバ
４０１：広帯域光源
４０２：スプリッタ
４０３：光増幅器
４０４：波長分離フィルタ
４１１〜４１Ｎ：アドドロップフィルタ

Claims

広帯域光源または波長可変光源からの出力光を導出する光ファイバに、２×２ポートの光カプラの第１ポートを接続し、反対側の第３ポートと第４ポートとの間を光ファイバを介してループ状に接続し、該ループ状の光ファイバ内にＦＢＧセンサーを配置し、前記光カプラの第２ポートを信号検出ポートとしたＦＢＧセンシングシステムであって、前記ループ状の光ファイバ内に第２の２×２ポートの光カプラの第２ポートおよび第４ポートを接続し、該第２の光カプラの第１ポートと第３ポートを光ファイバで接続して第２のループを構成し、該第２のループの光ファイバ内に第２のＦＢＧセンサーを配置したことを特徴とするＦＢＧセンシングシステム。
上記光カプラおよび第２の光カプラは、それぞれ分岐比を５０％としたことを特徴とする請求項１記載のＦＢＧセンシングシステム。
上記ループ状の光ファイバ内に偏波コントローラを付加することを特徴とする請求項１〜２のいすれかに記載のＦＢＧセンシングシステム。