JP4420982B2 - 光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置、および、これを用いた温度と歪みの同時計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、ファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating、ＦＢＧ）センサを、１本の偏波保持（Polarization Maintaining、ＰＭ）ファイバに１つまたは複数配置し、このＦＢＧセンサの位置と、ＦＢＧセンサの歪みや温度などの物理量を計測する光周波数領域反射測定（Optical Frequency Domain Reflectometry、ＯＦＤＲ）方式の物理量計測装置と、この物理量計測装置を用いた温度と歪みの同時計測方法に関する。
本願は、２００８年２月２９日に日本国に出願された特願２００８−５１３４３号と、２００８年９月１８日に日本国に出願された特願２００８−２３９３６８号とに基づき優先権を主張し、これらの内容をここに援用する。

光ファイバを用いて温度や歪みなどの物理量を計測するセンサは、長寿命、軽量、細径かつ柔軟性があるため、狭い空間で使用可能である。また、このセンサは、光ファイバが絶縁性を有するため、電磁ノイズに強いといった特性を有している。そのため、このセンサを、橋梁やビルなどの巨大建築物や、旅客機や人工衛星などの航空・宇宙機器などの健全性評価に用いることが期待されている。
これら構造物の健全性評価を行うためのセンサに求められる性能としては、空間分解能が高いこと、多点のセンサを有すること（検知範囲が広いこと）、及びリアルタイムで計測できることなどが挙げられる。

これまでにも様々な光ファイバセンサシステムが提案されているが、上記の要求性能を十分に満たす最も有望な光ファイバセンサとしては、ＦＢＧセンサとＯＦＤＲ方式の解析方法とを用いた光ファイバセンサが挙げられる。
ＦＢＧセンサとＯＦＤＲ方式の解析方法とを用いた光ファイバセンサシステムは、ＦＢＧセンサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光との干渉強度の周期的変化を利用して、ＦＢＧセンサの位置を特定する。また、この光ファイバシステムは、ブラッグ反射光の波長の変化量から、検知部の歪みや温度を計測する。

この光ファイバセンサシステムとしては、１ｍｍ以下の高い空間分解能を有すること（例えば、非特許文献１参照）、８ｍの光ファイバに８００個のＦＢＧセンサを配置して、４本の光ファイバで計３，０００点以上もの歪み計測を同時に行えること（例えば、非特許文献２参照）、計測のリアルタイム性に優れていること（例えば、特許文献１参照）などが開示されている。さらに、非特許文献１によれば、ＦＢＧセンサの長手方向の歪み分布（ＦＢＧセンサの長手方向に沿った歪み量が不均一であることを意味する）を計測することも可能である。この歪み分布の計測については、特許文献３にも記載されている。

一方、光ファイバセンサシステムの一般的な問題点としては、温度や歪みなどの物理量が複数項目変化すると、それらの変化量を個別に識別して測定できないことが挙げられる。そのため、例えば、光ファイバセンサシステムを歪みセンサとして使用する場合、検知部の温度変化を歪みの変化として捉えないようにするために、別途、温度補償用のセンサを用いる必要がある。
この問題を解決する手法としては、ＰＭファイバからなるＦＢＧセンサを用いる方法が挙げられる（例えば、特許文献１参照）。この手法は、ＰＭファイバの一種であるＰＡＮＤＡファイバを用い、このＰＡＮＤＡファイバからなるＦＢＧセンサにおける直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長の変化量を測定することにより、温度と歪みを同時に計測できる方法である。
すなわち、この手法は、温度補償用のセンサが不要の歪みセンサを実現し得る方法である。

以上説明した技術を組み合わせて、ＰＭファイバからなるＦＢＧセンサとＯＦＤＲ方式の解析方法とを用いた光ファイバセンサシステムを使用すれば、高分解能、多点計測、リアルタイム計測、温度と歪みの同時計測を同時に達成できると考えられる。
日本国特許第３７４０５００号公報 日本国特許第３８１９１１９号公報 日本国特許第４１０２２９１号公報 H. Murayama, H. Igawa, K. Kageyama, K. Ohta, I. Ohsawa, K. Uzawa, M. Kanai, T. Kasai and I. Yamaguchi, "Distributed Strain Measurement with High Spatial Resolution Using Fiber Bragg Gratings and Optical Frequency Domain Reflectometry" Proceedings OFS-18, ThE40 (2006) B. Childers, M. E. Froggatt, S. G. Allison, T. C. Moore, D. A. Hare, C. F. Batten and D. C. Jegley, "Use of 3000 Bragg grating strain sensors distributed on four eight-meter optical fibers during static load test of a composite structure." Proceedings SPIE’s 8th International Symposium on Smart Structure and Materials, Vol. 4332, pp. 133-142 (2001)

しかしながら、ＰＭファイバからなるＦＢＧセンサとＯＦＤＲ方式の解析方法とを用いた光ファイバセンサシステムは、これまでに提案されていない。なぜならば、ＯＦＤＲ方式の解析方法により、ＰＭファイバからなるＦＢＧセンサにおける直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光を安定して測定するためには、測定光を、直交する２つの偏波軸に制御性良く分波して、ＦＢＧセンサおよび参照用の反射端に伝搬させる必要がある。しかしながら、通常、測定光は単一偏波で出射される。そのため、ＦＢＧセンサと参照用の反射端までの光路をＰＭファイバで構成すると、ＦＢＧセンサにおける直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射のうち一方は測定できるものの、他方は測定できない。この結果、上述したように直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光を測定することができない。

単一偏波の測定光を、直交する２つの偏波軸に分波する方法としては、ＦＢＧセンサと参照用の反射端までの光路の少なくとも一部をシングルモードファイバで構成する方法が挙げられる。しかしながら、この方法では単一偏波で出射された測定光を、直交する２つの偏波軸に制御性よく分波できないという問題がある。
また、ＰＭファイバからなるＦＢＧセンサとＯＦＤＲ方式の解析方法とを用いた光ファイバセンサシステムでは、直交する２つの偏波軸の実効屈折率が異なる。そのため、ＯＦＤＲ方式の解析において２つの偏波軸からのブラッグ反射光の位置が異なるという問題がある。そのため、高分解能でＦＢＧセンサの位置を特定することが難しい。

ＯＦＤＲ方式の解析では、ＦＢＧセンサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光との干渉信号の周期から、ＦＢＧセンサの位置を特定する。すなわち、得られた干渉信号に対して適当な光ファイバの実効屈折率を代入して短時間フーリエ変換（Short-time Fourier transform：以下、ＳＴＦＴ）解析することにより、ＦＢＧセンサの位置（正確には参照用の反射端とＦＢＧセンサのファイバ長差）を求めることができる。ここで、ＰＭファイバからなるＦＢＧセンサでは、直交する２つの偏波軸の実効屈折率が異なるにも関わらず、ある一定の実効屈折率を代入するために、結果として２つの偏波軸からのブラッグ反射光の位置が異なってしまう。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、ＦＢＧセンサを１本のＰＭファイバに１つまたは複数配置し、このＦＢＧセンサの位置と、ＦＢＧセンサの歪みや温度などの物理量をＯＦＤＲ方式の解析方法で計測する光ファイバセンサシステムにおいて、特に温度と歪みの同時計測が可能で、かつ高い空間分解能で計測することが可能なＯＦＤＲ方式の物理量計測装置と、この物理量計測装置を用いた温度と歪みの同時計測方法の提供を目的とする。

本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために以下の手段を採用した。
（１）本発明の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置は、測定光を出射するチューナブルレーザと；このチューナブルレーザに一端が接続された第１の偏波保持ファイバと；この第１の偏波保持ファイバの他端に接続された偏波保持カプラと；この偏波保持カプラに一端が接続され、他端が参照用反射端である第２の偏波保持ファイバと；前記偏波保持カプラに一端が接続された第３の偏波保持ファイバと；この第３の偏波保持ファイバのコアに形成されたファイバブラッググレーティングからなるセンサと；前記偏波保持カプラに一端が接続された第４の偏波保持ファイバと；この第４の偏波保持ファイバを介して前記偏波保持カプラと接続され、前記センサからのブラッグ反射光と前記参照用反射端からの参照光とを検出するフォトダイオードと；このフォトダイオードで検出された前記ブラッグ反射光と前記参照光との合波光強度変化に基づき、これらブラッグ反射光及び参照光間の干渉強度の変調を検知する制御部と；前記第２の偏波保持ファイバの直交する２つの偏波軸及び前記第３の偏波保持ファイバの直交する２つの偏波軸の両方に、前記測定光を入射する入射部と；前記第３の偏波保持ファイバに配され、前記センサにおける直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の光路長を一定にする光路長調整部と；を備え、前記入射部は、前記第１の偏波保持ファイバ、または、前記第２の偏波保持ファイバと前記第３の偏波保持ファイバとの両方に配されている。

（２）前記入射部は、この入射部が前記第１の偏波保持ファイバに配されている場合には、この第１の偏波保持ファイバに４５°の偏波軸オフセット角度を有して形成された融着接続部であり；前記入射部が前記第２の偏波保持ファイバ及び前記第３の偏波保持ファイバの両方に配されている場合には、これら第２の偏波保持ファイバ及び前記第３の偏波保持ファイバのそれぞれに４５°の偏波軸オフセット角度を有して形成された融着接続部である；のが好ましい。
（３）前記光路長調整部は、前記センサが形成された前記第３の偏波保持ファイバに、９０°の偏波軸オフセット角度を有して形成された融着接続部であるのが好ましい。
（４）前記光路長調整部は、前記第２の偏波保持ファイバの長さに相当する位置から前記センサまでのファイバ長の中間に設けられたのが好ましい。
（５）前記第３の偏波保持ファイバに、前記センサが複数配されているのが好ましい。
（６）前記光路長調整部が、隣接する前記センサ間のファイバ長の中間にそれぞれ配されているのが好ましい。
（７）前記第１の偏波保持ファイバから前記第４の偏波保持ファイバのうち、少なくとも前記第３の偏波保持ファイバにおける直交する２つの偏波軸の実効屈折率差が、４．４×１０^-４以上であるのが好ましい。

（８）本発明の温度と歪みの同時計測方法は、上記（１）ないし（７）のいずれかに記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いて、１つまたは複数の前記センサにおける直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長を計測する工程と；計測した前記ブラッグ反射光の波長に基づいて、前記センサにおける前記ブラッグ反射光の波長の温度と歪みによる変化量を計算する工程と；計算した前記変化量に基づいて、前記センサが配された部位の温度および歪みを同時に計測する工程と；を備える。
（９）前記第３の偏波保持ファイバの、前記センサが配された部位長手方向に沿った温度分布および歪み分布を算出するのが好ましい。

上記（１）に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置によれば、偏波保持ファイバのコアに形成したセンサと、このセンサを配置した偏波保持ファイバの直交する２つの偏波軸に測定光を入射するための入射部とを有するので、センサの温度と歪みの同時計測を行える。また、センサの直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の光路長を一定にするための光路長調整部を有するので、センサの位置を正確に特定でき、高い空間分解能で物理量の計測を行える。
上記（１）から（７）の何れか１項に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いた上記（８）に記載の温度と歪みの同時計測方法によれば、１つのＦＢＧセンサから歪みと温度を同時に計測できる。さらに、センサの長手方向に沿った温度分布と歪み分布を同時に計測できる。

図１は、本発明の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置の第一の実施形態を示す概略構成図である。 図２は、同実施形態の変形例を示す概略構成図である。 図３は、ＰＡＮＤＡファイバを用いた場合の偏波軸角度オフセット融着接続を示す概略斜視図である。 図４は、本発明の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置の第二の実施形態を示す概略構成図である。 図５は、本発明の実施例１の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を示す概略構成図である。 図６は、同実施例を用いて、センサの状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。 図７は、比較例１の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いて、センサの状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。 図８は、比較例２の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いて、センサの状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。 図９は、同比較例２において、センサのスロー軸とファスト軸からのブラッグ反射光の位置ずれ量を計算した結果を示すグラフである。 図１０は、本発明の実施例２の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を示す概略構成図である。 図１１は、同実施例２を用いて、センサ（第１のセンサ）の状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。 図１２は、同実施例２を用いて、センサ（第２のセンサ）の状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。 図１３は、本発明の実施例３の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いて、センサの状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。 図１４は、同実施例３において、ＰＡＮＤＡファイバの複屈折とＰＡＮＤＡファイバにより構成されたＦＢＧからなるセンサの温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差の関係を示すグラフである。 図１５は、本発明の実施例４の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いて、センサの状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。 図１６は、同実施例４において、センサに生じる温度分布と歪みを計測するための実験系を模式的に示した図である。 図１７は、同実施例４において、ヒータＡの位置およびヒータＢの位置における温度変化と歪みを計測した結果を示すスペクトログラムである。 図１８は、同実施例４において、ヒータＡの位置およびヒータＢの位置における温度変化と歪みを計測した結果を示すグラフである。

符号の説明

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ（１０） 光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置
１１，３１，３２， 偏波保持カプラ
１２ チューナブルレーザ
１３，３５ フォトダイオード
１４，３７，３８ 参照用反射端
１５，１５ａ，１５ｂ センサ
１６，１７，１８，１９ 偏波保持ファイバ
２０ 入射部
２１，２１ａ，２１ｂ 光路長調整部
２２ 制御部
４１，４２，４３，４４，４７，４８ ＰＡＮＤＡファイバ
５３ システムコントローラ
５４ Ａ／Ｄコンバータ
６０ （６０Ａ，６０Ｂ） ＰＡＮＤＡファイバ
６１ （６１Ａ，６１Ｂ） コア
６２ （６２Ａ，６２a，６２Ｂ，６２b） 応力付与部

以下、図面を参照して本発明の光ファイバセンサシステムの実施形態を説明する。

（第一の実施形態）
図１は、本発明の光周波数領域反射測定（以下、「ＯＦＤＲ」と略す）方式の物理量計測装置の第一の実施形態を示す概略構成図である。
本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａ（１０）は、測定光を出射するチューナブルレーザ１２と；このチューナブルレーザ１２に一端が接続された第１の偏波保持ファイバ１６と；この第１の偏波保持ファイバ１６の他端に接続された偏波保持カプラ１１と；この偏波保持カプラ１１に一端が接続され、他端が参照用反射端１４である第２の偏波保持ファイバ１８と；偏波保持カプラ１１に一端が接続された第３の偏波保持ファイバ１９と；この第３の偏波保持ファイバ１９のコアに形成されたファイバブラッググレーティングからなるセンサ１５と；偏波保持カプラ１１に一端が接続された第４の偏波保持ファイバ１７と；この第４の偏波保持ファイバ１７を介して偏波保持カプラ１１と接続され、センサ１５からのブラッグ反射光と参照用反射端１４からの参照光とを検出するフォトダイオード１３と；このフォトダイオード１３で検出された前記ブラッグ反射光と前記参照光との合波光強度変化に基づき、これらブラッグ反射光及び参照光間の干渉強度の変調を検知する制御部２２と；第２の偏波保持ファイバ１８の直交する２つの偏波軸及び第３の偏波保持ファイバ１９の直交する２つの偏波軸の両方に、前記測定光を入射する入射部２０と；第３の偏波保持ファイバ１９に配され、センサ１５における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の光路長を一定にする光路長調整部２１と；から概略構成されている。本実施形態において、偏波保持カプラ１１は、第１〜第４の偏波保持（以下、「ＰＭ」と略す）ファイバと同種のＰＭファイバで構成されている。

チューナブルレーザ１２としては、チューナブルレーザ１２から出射した測定光がセンサ１５で反射してフォトダイオード１３に入射するまでの光路長よりも長いコヒーレンス長を有するものが好適に用いられる。

フォトダイオード１３としては、チューナブルレーザ１２から出射する測定光の波長を変化させた時、２つの反射点、すなわち、参照用反射端１４とセンサ１５とから得られる光干渉の強度変調を検知できるカットオフ周波数を有するものが好適に用いられる。

制御部２２は、例えばフォトダイオード１３からの信号をサンプリングするＡ／Ｄコンバータ５４と、このサンプリングデータを解析するシステムコントローラ５３とを備える。Ａ／Ｄコンバータ５４としては、フォトダイオード１３で検知した光干渉の強度変調を検知できるサンプリング周波数を有するものが好適に用いられる。Ａ／Ｄコンバータ５４は、フォトダイオード１３で計測したアナログの光干渉信号を、デジタル的にサンプリングする。このデジタル干渉信号は、システムコントローラ５３へと伝送される。システムコントローラ５３では、このデジタル干渉信号を用いて、ＳＴＦＴ（Short Time Fourier Transform;ＳＴＦＴ）解析が行なわれる。解析方法に関しては、後述する。このシステムコントローラ５３としては、Ａ／Ｄコンバータ５４で得られたデジタル干渉信号をＳＴＦＴ解析できるものであれば、特に限定されない。システムコントローラ５３は、汎用インターフェイスバス（ＧＰＩＢ）を介してチューナブルレーザ１２に接続され、チューナブルレーザ１２の制御を行なっている。

入射部２０は、第１のＰＭファイバ１６に設けられ、チューナブルレーザ１２から単一偏波として出射された測定光を、この第１のＰＭファイバ１６の直交する２つの偏波軸に分波する。入射部２０としては、第２のＰＭファイバ１８の直交する２つの偏波軸及び第３のＰＭファイバ１９の直交する２つの偏波軸の両方に、測定光を入射できればよく、図２に示すように、第２のＰＭファイバ１８と第３のＰＭファイバ１９との両方に配されていてもよい。入射部２０を１箇所に設けるだけでよい点で、入射部２０は、センサ１５が形成された第３のＰＭファイバ１９と、参照用反射端１４を有する第２のＰＭファイバ１８との分岐部の前段（すなわち、第１のＰＭファイバ１６）に設けられていることが好ましい。
入射部２０としては、λ／２板を挿入する方法、偏波軸角度オフセット融着接続を設ける方法、あるいは、チューナブルレーザ１２からの単―偏波の測定光に対して、ＰＭファイバの偏波軸が角度オフセットを有するように、ＰＭファイバを配置し、チューナブルレーザ１２からの出射光をＰＭファイバに結合させる方法など、単一偏波の測定光を、ＰＭファイバの直交する２つの偏波軸に分波できる手段であれば、いかなるものでも用いられる。
その中でも、簡便である点、測定光を均等に２偏波に分波できる点から、この入射部２０としては、この第１のＰＭファイバ１６に４５°の偏波軸オフセット角度を有して形成された融着接続（以下、「４５°オフセット融着」と言う）であるのが好ましい。

ここで、偏波軸角度オフセットを有する融着接続とは、ＰＭファイバの一方の偏波軸が、融着点であるオフセット角度を有するように、２つのＰＭファイバを融着接続することである。ＰＭファイバの一方の偏波軸が、融着点であるオフセット角度を有するということは、直交する他方の偏波軸も同様のオフセット角度を有して２つのＰＭファイバが融着接続されることを意味する。

図３は、ＰＭファイバとしてＰＡＮＤＡ（Polarization-maintaining and Absorption reducing）ファイバを用いた場合の、４５°オフセット融着の様子を模式的に示した図である。
ここで、ＰＡＮＤＡファイバ６０とは、ファイバに複屈折を持たせるために、コア６１両端のクラッドに、円形の応力付与部６２を設けたファイバである。この応力付与部６２により、直交する２つの偏波モード間に伝搬定数差（実効屈折率差）が生じる。そのため、それぞれの偏波モードからもう一方への偏波モードへの結合を抑制できる。この直交する２つの偏波モードが伝搬する偏波軸は、スロー軸、ファスト軸と呼ばれ、スロー軸とファスト軸の実効屈折率の差は、複屈折と呼ばれる。
この２つの応力付与部６２とコア６１を結んだ直線（すなわち、ＰＡＮＤＡファイバ６０Ａの、２つの応力付与部６２Ａ，６２ａと、コア６１Ａとを結んだ直線６３Ａと；ＰＡＮＤＡファイバ６０Ｂの、２つの応力付与部６２Ｂ，６２ｂと、コア６１Ｂとを結んだ直線６３Ｂと；）を、２つのＰＡＮＤＡファイバ６０Ａ，６０Ｂの間で所望の偏波軸オフセット角度θとなるように接続することで、所望のオフセット融着接続を実現できる。

光路長調整部２１としては、センサ１５における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の光路長を一定に調整できれば、いかなるものでも用いられる。例えば、ＰＭファイバに複屈折結晶を挿入する方法や、ＰＭファイバに偏波軸角度オフセットを有する融着接続を設ける方法などが挙げられる。

光路長調整部２１としては、簡便である点、光路長を調整しやすい点から、上記の中でも、９０°オフセット融着が好ましい。

また、光路長調整部２１は、センサ１５における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の光路長を一定にするために、参照用反射端１４を有するＰＭファイバ１８の長さに相当する位置からセンサ１５までのファイバ長（図１に示すＬ_１）の中間に設けられる。光路長調製部２１をこの位置に設けることで、センサ１５における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の光路長を一定にでき、直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光を解析した際に、同じ測定位置にできる。

この実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａでは、チューナブルレーザ１２とＰＭカプラ１１との間に、チューナブルレーザ１２から単一偏波として出射された測定光を、第２のＰＭファイバ１８および第３のＰＭファイバ１９の直交する２つの偏波軸に分岐するための入射部２０が設けられている。これにより、センサ１５における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光を得ることができる。この直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長の変化により、センサ１５が配された部位の温度および歪みを同時に計測できる。その結果として、温度補償用を別途必要としない歪みセンサを実現できる。
また、このＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａでは、参照用反射端１４を有する第２のＰＭファイバ１８の長さに相当する位置からセンサ１５までのファイバ長の中間に、光路長調整部２１が設けられている。これにより、センサ１５における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の光路長を一定にできる。すなわち、センサ１５からのブラッグ反射光と参照用反射端１４からの反射光との干渉信号をＳＴＦＴ解析すると、直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光は同じ位置となる。

さらに、このＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａを用いて、センサ１５における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長における温度と歪みによる変化量を計測することにより、検知部の温度および歪みを同時に計測できる。

＜センサの位置特定方法＞
次に、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａを用いたセンサ１５の位置特定方法について説明する。第１〜第４のＰＭファイバとして、ＰＡＮＤＡファイバを用いた場合を例示する。
本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａでは、フォトダイオード１３に、センサ１５からのブラッグ反射光と参照用反射端１４からの反射光との干渉光が入射する。フォトダイオード１３に入射するこの光干渉信号Ｄ_１は、直交する２つの偏波軸の信号の和となり、下記の式（１）で表される。
上記の式（１）において、Ｒ_ｓｌｏｗとＲ_ｆａｓｔはＰＡＮＤＡファイバの直交する２つの偏波軸からの干渉光の強度、すなわち、スロー軸（Ｘ軸）とファスト軸（Ｙ軸）からの干渉光強度を示す。ｋは波数、ｎ_ｓｌｏｗとｎ_ｆａｓｔはスロー軸（Ｘ軸）とファスト軸（Ｙ軸）の実効屈折率を示す。Ｌ_１は第２のＰＡＮＤＡファイバ（ＰＭファイバ）１８におけるＰＭカプラ１１から参照用反射端１４までの長さと、第３のＰＡＮＤＡファイバ（ＰＭファイバ）１９におけるＰＭカプラ１１からセンサ１５までの長さとの差（ファイバ長差）を示す。つまりＬ_１は、図１に示すように、第３のＰＡＮＤＡファイバ１９において、参照用反射端１４を有するＰＡ第２のＰＡＮＤＡファイバ１８の長さに相当する位置からセンサ１５までのファイバ長を示している。

本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａを用いて上記Ｄ_１を求め、得られた光干渉信号Ｄ_１を、システムコントローラ５３にてＳＴＦＴ解析する。ここで、式（１）における右辺第1項および第２項における（ｎ_ｓｌｏｗ＋ｎ_ｆａｓｔ）Ｌ_１は、チューナブルレーザ１２から出射した測定光がファイバ長差Ｌ_１を往復する光路長を示す。つまり、第３のＰＡＮＤＡファイバにおけるＬ_１に相当する光路長は、（ｎ_ｓｌｏｗ＋ｎ_ｆａｓｔ）Ｌ_１の半分に相当する{（ｎ_ｓｌｏｗ＋ｎ_ｆａｓｔ）/２}Ｌ_１となる。
なお、本発明の物理量計測装置では、フォトダイオード１３において計測した上記式（１）に相当するアナログの光干渉信号を、制御部２２に備えたＡ／Ｄコンバータ５４にてデジタル的にサンプリングし、このデジタル干渉信号を、制御部２２に備えたシステムコントローラ５３にてＳＴＦＴ解析するが、本文においては、フォトダイオード１３において計測した光干渉信号を制御部２２に備えたシステムコントローラ５３にてＳＴＦＴ解析すると略記する場合も、同様の処理をおこなっていることを意味する。前記のとおり、Ａ／Ｄコンバータ５４は、フォトダイオード１３で検知した光干渉の強度変調を検知できるサンプリング周波数を有するので、アナログの光干渉信号とサンプリングしたデジタル干渉信号とは、原理的には同じ信号である。また、アナログの光干渉信号を示す数式を用いることで、より効果的に本発明の特徴を説明できる箇所は、光干渉信号を用いて説明する。

次いで、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａでは、得られた光路長{（ｎ_ｓｌｏｗ＋ｎ_ｆａｓｔ）/２}Ｌ_１に対して、既知のｎ_ｓｌｏｗとｎ_ｆａｓｔを代入してＬ_１を求める。
このｎ_ｓｌｏｗとｎ_ｆａｓｔとしては、センサ１５からのブラッグ反射光の波長と、センサ１５の作製に使用したユニフォーム位相マスクの回折格子の間隔から計算されるグレーティング周期とから求めた値や、ニアフィールドパターン測定から求めた値などを用いることができる。ここで、式（１）における右辺第１項と右辺第２項の光路長が一定であるということは、スロー軸とファスト軸におけるブラッグ反射光がファイバ長差Ｌ_１に対して同じ光路長を持つことを意味している。
本実施形態では、このようにしてセンサ１５における直交する２つの偏波軸からブラッグ反射光が得られる。そのため、温度と歪みを同時に計測が可能となる。これにより、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａを用いて歪み計測を行なう場合、温度補償用のセンサが不要となる。また、スロー軸とファスト軸におけるブラッグ反射光が、ファイバ長差Ｌ_１に対して同じ光路長を持つため、センサ１５の位置を正確に特定でき、高い空間分解能で歪み計測が可能となる。

＜温度と歪みの計測方法＞
次に、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａを用いた温度と歪みの計測方法について説明する。この計測方法は、センサ１５の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長のシフト量から、計算により温度と歪みを求める方法である。
まず、予めある基準温度（例えば、２０℃）、基準歪み（例えば、０με）におけるセンサ１５の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長を計測しておく。

次いで、センサ１５を検知したい場所（以下、「検知部」と言う）に配置し、この検知部において、センサ１５の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長を計測する。
次いで、検知部におけるブラッグ反射光の波長と、基準温度、基準歪みでのブラッグ反射光の波長差（変化量）を計算する。
次いで、得られた波長差を、下記の式（２）に代入して、検知部における温度と基準温度の差、検知部における歪みと基準歪みの差を求め、最後に既知の基準温度、基準歪みから検知部における実温度と実歪みを算出する。

上記の式（２）において、ΔＴは検知部における温度と基準温度の差、Δεは検知部における歪みと基準歪みの差を示す。Ｔは検知部における温度、εは検知部における歪みを示す。λ_ｓｌｏｗとλ_ｆａｓｔは検知部におけるセンサ１５の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長を示す。Δλ_ｓｌｏｗとΔλ_ｆａｓｔは検知部におけるセンサ１５の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長と、基準温度、基準歪みにおけるセンサ１５の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長との差を示す。∂λ_ｓｌｏｗ／∂εと∂λ_ｆａｓｔ／∂εは、単位歪み当たりのスロー軸およびファスト軸のブラッグ波長シフト量を示す。∂λ_ｓｌｏｗ／∂Ｔと∂λ_ｆａｓｔ／∂Ｔは、単位温度当たりのスロー軸およびファスト軸のブラッグ波長シフト量を示す。

上記単位歪みあるいは単位温度あたりのブラッグ波長のシフト量は、ＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａを用い、基準温度（２０℃）においてセンサ１５に歪みを与え、センサ１５におけるスロー軸とファスト軸のブラッグ波長変化の歪み依存性を測定し、基準歪み（０με）においてセンサ１５に温度変化を与え、センサ１５におけるスロー軸とファスト軸のブラッグ波長変化の温度依存性を測定することで求められる。

次いで、これら∂λ_ｓｌｏｗ／∂ε、∂λ_ｆａｓｔ／∂ε、∂λ_ｓｌｏｗ／∂Ｔ、∂λ_ｆａｓｔ／∂Ｔの値から、上記式（２）に記載のＤ値を求める。そして、このＤ値と、計測結果から得られたΔλ_ｓｌｏｗ及びΔλ_ｆａｓｔとを、上記の式（２）に代入して演算を行うことにより、ΔＴおよびΔεが求められる。そして、これらの値から基準温度、基準歪みを差し引けば検知部における温度および歪みを求められる。
これらの演算は、ＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａのシステムコントローラ５３を用いて簡単に行える。

（第二の実施形態）
図４は、本発明のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置の第二の実施形態を示す概略構成図である。本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｃ（１０）が、上述の第一の実施形態と異なる点は、第３のＰＭファイバ１９に、センサ１５が複数（図示例では、２つのセンサ１５ａ，１５ｂ）配されている点である。
また、この実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｃでは、隣接するセンサ（第１のセンサ１５ａ，第２のセンサ１５ｂ）間のファイバ長の中間に、第２の光路長調整部２１ｂ（２１）が更に配されている。そのため、第１のセンサ１５ａと第２のセンサ１５ｂにおける、直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の光路長を、それぞれ一定にできる。すなわち、第１のセンサ１５ａと第２のセンサ１５ｂのからのブラッグ反射光と参照用反射端からの反射光との干渉信号をＳＴＦＴ解析すると、これらの直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光は、第１のセンサ１５ａ及び第２のセンサ１５ｂに固有の位置において、それぞれ同じ位置として検出される。その結果、個々のセンサ１５ａ，１５ｂの位置を正確に特定できる。

本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量測定装置１０Ｃを用いた場合も、上述した第一の実施形態の際と同様に、センサ１５の位置の特定や温度と歪みの計測が行なえる。本実施形態では、第３のＰＭファイバ１９に２つのセンサ１５（第１のセンサ１５ａおよび第２のセンサ１５ｂ）が設けられた場合を例示したが、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置はこれに限定されない。本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置にあっては、第３のＰＭファイバ１９に３つ以上のセンサ１５が設けられていてもよい。この場合であっても、２つのセンサ１５が設けられている本実施形態と同様に、センサ１５毎に、その直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光を同じ位置として検出することができる。すなわち、第３のＰＭファイバ１９に３つ以上のセンサ１５が設けられていても、それぞれのセンサ１５の位置を正確に特定でき、高い空間分解能で歪み計測を行える。

（第三の実施形態）
上述した第一の実施形態〜第二の実施形態に関するＯＦＤＲ方式の物理量測定装置１０に関し、センサ１５が配された第３のＰＭファイバ１９が、直交する２つの偏波軸の実効屈折率差（複屈折）が大きいＰＭファイバで構成されているのが好ましい。
これにより、直交する２つの偏波軸における温度と歪みに対する感度差が大きくなり、より高精度の温度と歪みの同時計測を実現できる。より具体的には、直交する２つの偏波軸の実効屈折率差が、４．４×１０^−４以上であるのが好ましい。この値を満たすことで、後述する実施例から得られるように、センサの温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差を−５．０×１０^−４ｎｍ／℃より大きくできる。その結果、温度精度２℃、歪み精度３０μεという、極めて高精度の温度と歪みの計測精度が得られる。

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

「実施例１」
図５は、実施例１のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｄを示す概略構成図である。本実施例は、上述した第一の実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａを基に構成している。図５において、図１に示した第一の実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａの構成要素と同じ構成要素には同一符号を付して、その説明を省略する。
実施例１のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｄは、図１に示すＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａに、更に２つのＰＭカプラ３１，３２と、フォトダイオード３５と、２つの参照用反射端３７，３８と、を備える。これらはＰＭファイバの１種であるＰＡＮＤＡファイバ４１，４２，４３，４４，４７，４８によって連設されている。また、第１〜第４のＰＭファイバ及びＰＭカプラ１１にも、ＰＡＮＤＡファイバを用いた。
チューナブルレーザ１２は、汎用インターフェイスバス（ＧＰＩＢ）を介して、システムコントローラ５３に接続し、これにより制御を行なった。
２つのフォトダイオード１３，３５からの信号は、Ａ／Ｄコンバータ５４によりサンプリングされ、そのサンプリングデータはシステムコントローラ５３にてＳＴＦＴ解析される。この解析方法に関しては、上述した第一の実施形態で記載した通りである。

ＰＭカプラ１１，３１，３２としては、フジクラ社製のＰＴＡＰ−０１５０−２−Ｂ（型式）を用いた。
チューナブルレーザ１２としては、Ａｇｉｌｅｎｔ社製の８１６４Ａ（型式）を用いた。
フォトダイオード１３，３５としては、Ｎｅｗ Ｆｏｃｕｓ社製の２１１７ＦＣ（型式）を用いた。
ＰＡＮＤＡファイバ１７，１８，１９，２０，４１，４２，４３，４４，４７，４８としては、フジクラ社製のＳＭ−１５−ＰＳ−Ｕ２５Ａ（型式）を用いた。

システムコントローラ５３としては、National Instruments社製のＰＸＩ−８１０６（型式）を用いた。
Ａ／Ｄコンバータ５４としては、National Instruments社製のＰＸＩ−６１１５（型式）を用いた。

チューナブルレーザ１２は、ある一定速度、ある一定波長範囲で掃引（単調増加もしくは単調減少）された単一偏波の測定光を出射する。
この実施例１では、速度１０ｎｍ／ｓで、波長範囲１５４５〜１５５５ｎｍを掃引した測定光を出射した。
チューナブルレーザ１２から出射された単―偏波の測定光は、ＰＡＮＤＡファイバ４１のスロー軸を伝搬してＰＭカプラ３１に入射される。そして、このＰＭカプラ３１にて光パワー分岐されて２つの光干渉計に入射する。

上記２つの光干渉計のうちの一方は、ＰＭカプラ３２と、参照用反射端３７，３８と、フォトダイオード３５とから概略構成されている。この一方の光干渉計では、参照用反射端３７を有するＰＡＮＤＡファイバ４７と、参照用反射端３８を有するＰＡＮＤＡファイバ４８とのファイバ長差（光路長差）に応じたトリガを生成している。この実施例１では、ＰＡＮＤＡファイバ４７とＰＡＮＤＡファイバ４８のファイバ長差を５０ｍとした。

このトリガは、以下の方法で生成する。
チューナブルレーザ１２からある一定速度、ある一定波長範囲で掃引された測定光が、この光干渉計に入射すると、測定光は参照用反射端３７，３８によって反射され、その干渉光がフォトダイオード３５で計測される。フォトダイオード３５で取得した信号は、Ａ／Ｄコンバータ５４によりサンプリングされて電圧信号に変換される。この電圧信号は、システムコントローラ５３に取り込まれる。チューナブルレーザ１２から出射された測定光は、―定速度で波長が変化している。そのため、フォトダイオード３５で計測される信号は、一定の光波数間隔で変動する正弦関数となる。したがって、ある一定の電圧値を閾値とし、システムコントローラ５３にて、この閾値を超えるタイミング（閾値以下の値から閾値を上回るタイミング、もしくは、閾値以上の値から閾値を下回るタイミング）でトリガを生成することにより、生成されたトリガはある一定の光波数間隔となる。
このトリガの生成方法は、チューナブルレーザ１２の掃引速度が一定でない場合でも、トリガが発生する光波数間隔は常に一定となる点で非常に効果的である。

上記２つの光干渉計のうちの他方は、図１に示す第一の実施形態から概略構成されている。
センサ１５は、ＫｒＦエキシマレーザとユニフォーム位相マスクを用いた一般的な露光方法により作製した。この実施例１では、グレーティング長（センサ長）を５ｍｍとした。また、参照用反射端１４を有するＰＡＮＤＡファイバ１４に相当する位置からセンサ１５までの距離Ｌ_１は、約２０ｍとした。さらに、Ｌ_１の中間位置、すなわち、参照用反射端１４を有するＰＡＮＤＡファイバ１８の長さに相当する位置から約１０ｍの位置に、光路長調整部２１として、９０°オフセット融着を設けた。入射部２０としては、ＰＡＮＤＡファイバ１６に４５°オフセット融着を設けた。

次いで、得られた光干渉信号Ｄ_１を、システムコントローラ５３にてＳＴＦＴ解析する。このときの光干渉信号Ｄ_１は、第一の実施形態と同じく式（１）で表せる。この実施例１では、得られた光干渉信号Ｄ_１を約４０ｍｓ間隔（チューナブルレーザ１２を１０ｎｍ／ｓの速度で、波長に換算すると約４００ｐｍ間隔）に相当するウィンドウ幅で解析した。チューナブルレーザ１２の掃引速度が一定でない場合、ある一定の時間間隔ではなく、ある一定の光波数間隔（つまり、ある一定の波長間隔）に相当するウィンドウ幅で解析してもよい。

本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｄを用いて、センサ１５の状態を計測した。結果を図６に示す。
ＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｄでは、センサ１５からのブラッグ反射光をスペクトログラムで表示する。このスペクトログラムは、横軸が波長、縦軸がファイバ位置（参照用反射端１４を有するＰＡＮＤＡファイバ１８に相当する位置からのファイバ長）、色調がブラッグ反射強度を示す。
図６に示すスペクトログラムにおいて、１５５０．６ｎｍのブラッグ反射光がセンサ１５のスロー軸からのものであり、１５５０．２ｎｍのブラッグ反射光がセンサ１５のファスト軸からのものであると考えられ、それぞれの位置が約１９．６７２ｍでほぼ一致する結果が得られた。

この実施例１では、センサ１５の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光が得られたので、温度と歪みを同時に計測できることが確認された。これにより、本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｄを用いて歪み計測を行う場合、温度補償用のセンサが不要となることが確認された。また、センサ１５の位置を正確に特定できるので、高い空間分解能で歪み計測を行える。

次に、本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｄを用いて、基準温度（２０℃）においてセンサ１５に歪みを与え、センサ１５におけるスロー軸とファスト軸のブラッグ波長変化の歪み依存性を測定した。また、本実施例を用い、基準歪み（０με）においてセンサ１５に温度変化を与え、センサ１５におけるスロー軸とファスト軸のブラッグ波長変化の温度変化依存性を測定することで、センサ１５における上記の式（２）の各項を求めたところ、下記の式（３）が得られた。この式（３）を用いて計算すると、上記の式（２）におけるＤ値は、Ｄ＝−９．１５１５×１０^−７（ｎｍ^２／με・℃）となった。

計測結果から得られたΔλ_ｓｌｏｗとΔλ_ｆａｓｔ及び上記のＤを上記の式（２）に代入して演算を行うことにより、ΔＴおよびΔεが求められる。そして、これらの値から基準温度、基準歪みを差し引けば検知部における温度および歪みを求められる。

次に、本発明の効果を検証するために行った比較例１、２について説明する。この比較例１、２は従来技術ではなく、本発明の効果を検証するために実施した新たな技術である。

「比較例１」
入射部及び光路長調整部の融着接続部の偏波軸オフセット角度を０°としたこと以外は実施例１と同様としてＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を作製し、これを比較例１とした。この比較例１のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を用いて、センサの状態を計測した。結果を図７に示す。
図７の結果から、この比較例１では、センサ１５のスロー軸からのブラッグ反射光しか得られなかった。一方の偏波軸からのブラッグ反射光だけでは、センサ１５の温度と歪みを同時に計測することは不可能である。したがって、比較例１のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を用いて歪み計測を行う場合、温度補償用のセンサが必要となる。

「比較例２」
光路長調整部の融着接続部の偏波軸オフセット角度を０°としたこと以外は実施例１と同様としてＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を作製し、これを比較例２とした。この比較例２のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を用いて、センサの状態を計測した。結果を図８に示す。
図８の結果から、比較例２では、センサ１５のスロー軸およびファスト軸からのブラッグ反射光が得られた。そのため、比較例２のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を用いて歪み計測を行う場合、実施例１と同じく、温度補償用のセンサが不要となる。しかしながら、それぞれのブラッグ反射光の位置が異なるため、センサ１５の位置を正確に特定できず、結果として高い空間分解能で歪み計測を行うことができなかった。

この比較例２では、フォトダイオード１３で得られる光干渉信号Ｄ_２は、下記の式（４）で表せる。

第一の実施形態および実施例１で得られる光干渉信号Ｄ_１と異なるのは、右辺第１項および第２項における、チューナブルレーザ１２から出射した測定光が、ファイバ長差Ｌ_１を往復する光路長が異なる点である。なぜなら、ｎ_ｓｌｏｗとｎ_ｆａｓｔには、ｎ_ｓｌｏｗ＞ｎ_ｆａｓｔの関係が常に成り立つためである。式（４）における右辺第１項と右辺第２項の光路長が異なるということは、スロー軸とファスト軸におけるブラッグ反射光がファイバ長差Ｌ_１に対して異なる光路長を持つことを意味している。すなわち、図８の結果が示すようにそれぞれのブラッグ反射光の位置が異なる。
これは、ＳＴＦＴ解析の際、直交する２つの偏波軸の信号に対して、それぞれ別々の実効屈折率（ｎ_ｓｌｏｗとｎ_ｆａｓｔ）を用いなければいけないにもかかわらず、これらの信号は合波されてフォトダイオード１３にて光干渉信号Ｄ_２として計測されるので、ある一定の実効屈折率（比較例２ではｎ_ｓｌｏｗを用いた）で計算せざるをえないためである。

図８に示すスペクトログラムにおいて、センサ１５のスロー軸からのブラッグ反射光の位置は約１９．６２９ｍ、センサ１５のファスト軸からのブラッグ反射光の位置は約１９．６２４ｍである。したがって、その差は約５ｍｍである。
この差は、センサとＯＦＤＲ方式の解析方法とを用いた光ファイバセンサシステムが１ｍｍ以下の空間分解能を有するために検出できるものである。言い換えれば、他の方式の光ファイバセンサシステムではこの水準の空間分解能を持たない（あるいは、位置を特定する手段がない）ので、この位置ずれを検出できない。つまり、ＦＢＧセンサとＯＦＤＲ方式の解析方法を用いた光ファイバセンサシステムのみに有効な手段である。

次に、センサ１５のスロー軸とファスト軸からのブラッグ反射光の位置ずれ量Δｌを計算した。結果を図９に示す。この図９は、下記の式（５）より求めた。

但し、このとき、センサ１５の長さはＬ_１に対して十分に短く、無視できるものとする。
上記の式（５）において、ｎ_ｓｌｏｗとｎ_ｆａｓｔは、センサ１５のブラッグ反射光の波長と、センサ１５の作製に使用したユニフォーム位相マスクの回折格子の間隔から計算されるグレーティング周期とから求めた値、ニアフィールドパターン測定から求めた値などを用いる。
この比較例２では、下記の式（６）より、センサ１５のブラッグ反射光の波長と、センサ１５の作製に使用したユニフォーム位相マスクの回折格子の間隔から計算されるグレーティング周期とから求めた値、ｎ_ｓｌｏｗ＝１．４４７５６、ｎ_ｆａｓｔ＝１．４４７２０を用いた。

上記の式（６）において、λ_ｓｌｏｗとλ_ｆａｓｔはセンサ１５における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長を示す。Λはユニフォーム位相マスクの回折格子の間隔から計算されるグレーティング周期を示す。

図９の結果から、ファイバ長差Ｌ_１、すなわち、基準となる位置からセンサ１５までの距離が２０ｍの時、センサ１５のスロー軸とファスト軸からのブラッグ反射光の位置ずれ量は約５ｍｍと計算されている。したがって、比較例２の実験結果と良く一致していることが確認された。
この計算結果によれば、ＦＢＧセンサとＯＦＤＲ方式の解析方法を用いた光ファイバセンサシステムの空間分解能を１ｍｍとした場合、基準となる位置からセンサ１５までの距離が４ｍ以上になると、センサ１５におけるスロー軸とファスト軸からのブラッグ反射光の位置ずれが明瞭に確認されると考えられる。
つまり、基準となる位置からＦＢＧセンサまでの距離が４ｍ以上であるとき、本発明は極めて有効となることが分かった。

「実施例２」
図１０は、実施例２のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｅを示す概略構成図である。本実施例２が実施例１と異なる点は、上述した第二の実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｃを基に作製した点である。すなわち、本実施例が実施例１と異なる点は、第３のＰＭファイバ（ＰＡＮＤＡファイバ）１９に、第１のセンサ１５ａと第２のセンサ１５ｂとが配され、この第１のセンサ１５ａと第２のセンサ１５ｂとの中間には、第２の光路長調整部２１ｂ（９０°オフセット融着）が配されている点である。第２のセンサ１５ｂは、第１のセンサ１５ａから５ｍの位置に設けた。第２の光路長調整部２１ｂは、第１のセンサ１５ａと第２のセンサ１５ｂとから約２．５ｍの位置に設けた。

本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｅを用いて、第１のセンサ１５ａの状態を計測した結果を図１１に、第２のセンサ１５ｂの状態を計測した結果を図１２に示す。
図１１の結果から、第１のセンサ１５ａのスロー軸からのブラッグ反射光の位置と、第１のセンサ１５ａのファスト軸からのブラッグ反射光の位置とは、ともに約１９．６７２ｍでほぼ一致することが確認された。
図１２の結果から、第２のセンサ１５ｂのスロー軸からのブラッグ反射光の位置と、第２のセンサ１５ｂのファスト軸からのブラッグ反射光の位置とは、ともに約２４．７５７ｍでほぼ一致することが確認された。
以上の結果から、複数のセンサが配された場合であっても、隣接するこれらセンサの中間にそれぞれ光路長調製部（９０°オフセット融着）を設けることにより、ＦＢＧセンサ毎に、その直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光を同じ位置にできることが確認された。

「実施例３」
センサ１５が配された第３のＰＭファイバ１９が、スロー軸とファスト軸の実効屈折率差（複屈折）が大きいＰＡＮＤＡファイバで構成されていること以外は、実施例１と同様に作製し、これを実施例３とした。
この複屈折が大きいＰＡＮＤＡファイバは、図３を用いて説明すると、応力付与部６２の配置をコア６１に近づけることで実現できる。すなわち、応力付与部６２の配置により、ＰＡＮＤＡファイバの複屈折を任意に調整できる。

本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量測定装置を用いて、センサ１５の状態を計測した。結果を図１３に示す。
図１３に示すスペクトログラムにおいて、１５５１．１ｎｍのブラッグ反射光がセンサ１５のスロー軸からのものであり、１５５０．４ｎｍのブラッグ反射光がセンサ１５のファスト軸からのものである。

実施例３において得られたセンサ１５のスペクトログラムをより詳細に解析したところ、スロー軸とファスト軸のブラッグ波長差は０．６７０ｎｍであった。また、このブラッグ波長差から計算した複屈折は６．２２×１０^−４であった。実施例１において得られたセンサ１５のスペクトログラムをより詳細に解析して得られたブラッグ波長差は０．３９１ｎｍであり、このブラッグ波長差から計算した複屈折は３．６５×１０^−４であった。すなわち、実施例３のセンサ１５を構成するＰＡＮＤＡファイバは、実施例１のセンサ１５を構成するＰＡＮＤＡファイバよりも２倍近く大きな複屈折を持っていた。

次に、本実施例を用い、基準温度（２０℃）においてセンサ１５に歪みを与え、センサ１５におけるスロー軸とファスト軸のブラッグ波長変化の歪み依存性を測定した。また、本実施例を用い、基準歪み（０με）においてセンサ１５に温度変化を与え、センサ１５におけるスロー軸とファスト軸のブラッグ波長変化の温度変化依存性を測定することで、センサ１５における上記の式（２）の各項を求めたところ、下記の式（７）が得られた。この式を用いて計算すると、上記の式（２）におけるＤ値は、Ｄ＝−１０．９０８×１０^−７（ｎｍ^２／με・℃）となった。

上記の式（２）を用いて温度と歪みを算出する際、∂λ_ｓｌｏｗ／∂εと∂λ_ｆａｓｔ／∂εの差（スロー軸とファスト軸の歪みに対するブラッグ波長のシフト特性差）、および、∂λ_ｓｌｏｗ／∂Ｔと∂λ_ｆａｓｔ／∂Ｔの差（スロー軸とファスト軸の温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差）が大きいほど、温度と歪みの算出精度は向上する。実施例３で得られた上記の式（７）において注目すべき点は、実施例１で得られた上記の式（３）と比較して、スロー軸とファスト軸の温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差が大きい点である。
具体的には、実施例１で得られた上記の式（３）では−３．７×１０^−４ｎｍ／℃であるのに対して、実施例３で得られた上記の式（７）では−７．２×１０^−４ｎｍ／℃である。すなわち、実施例３のセンサ１５は、実施例１のセンサ１５よりも２倍近い温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差を有していた。
これは、それぞれのセンサを構成するＰＡＮＤＡファイバの複屈折の差に起因していると考えられる。ＰＡＮＤＡファイバは、温度の上昇に比例してコアに生じる複屈折が小さくなり、応力付与部の融点である８００〜９００℃程度で複屈折がほぼ０になることが知られている。つまり、基準温度における複屈折が大きいほど、単位温度上昇当たりの複屈折の減少量が大きくなる。したがって、実施例３のセンサ１５は、実施例１のセンサ１５よりも２倍近い温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差を有する。

次に、実施例３のセンサ１５に任意の温度変化と歪みを与え、実施例３のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置により温度変化と歪みを計測した。この結果を、表１に示す。

基準温度（２０℃）からの温度変化を２０℃、４０℃、１００℃（すなわち、設定温度を４０℃、６０℃、１２０℃）、基準歪み（０με）からの歪み変化を２５７με、５３５με、１０５６μεとし、合計９通りの条件で温度と歪みを計測した。その結果、温度精度２℃以下、歪み精度３０με以下という、極めて高精度の温度と歪みの同時計測結果が得られた。

以上説明したように、実施例３によれば、本発明のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置に用いるＦＢＧからなるセンサは、複屈折の大きなＰＡＮＤＡファイバから構成されることが好ましい。ＦＢＧからなるセンサの温度変化と歪みの同時計測精度について詳細な検討を行ったところ、このセンサの温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差が−５．０×１０^−４ｎｍ／℃より大きなシフト特性を有することが好ましいことが分かった。
図１４は、ＰＡＮＤＡファイバの複屈折とこのファイバにより構成されたＦＢＧからなるセンサの温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差を評価した結果を示すグラフである。
図１４の結果から、ＰＡＮＤＡファイバの複屈折が４．４×１０^−４以上のとき、このセンサの温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差が−５．０×１０^−４ｎｍ／℃より大きなシフト特性を有する。すなわち、ＰＡＮＤＡファイバの複屈折が４．４×１０^−４以上であることが好ましい。しかしながら、複屈折を大きくするために応力付与部をコアに近づけ過ぎると、ＰＡＮＤＡファイバの製造歩留まりが悪くなるという問題がある。ゆえに、ＰＡＮＤＡファイバの複屈折は、歩留まりよく製造できる２．０×１０^−３以下であることが好ましい。

なお、本実施例では、ＦＢＧからなるセンサの温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差を−５．０×１０^−４ｎｍ／℃より大きくするために、応力付与部をコアに近付けて複屈折が大きいＰＡＮＤＡファイバを用いた。本発明を実現し得る他のＰＡＮＤＡファイバとして、融点の低い応力付与部を備えたＰＡＮＤＡファイバが挙げられる。より具体的には、応力付与部の融点が６００℃以下である場合、ブラッグ波長のシフト特性差を−５．０×１０^−４ｎｍ／℃より大きくできる。

「実施例４」
センサ長を１００ｍｍとしたこと以外は、実施例３と同様に作製し、これを実施例４とした。本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｆを用いて、センサ１５の状態を計測した。結果を、図１５に示す。

図１５に示すスペクトログラムにおいて、１５４９．４ｎｍのブラッグ反射光がセンサのスロー軸からのものであり、１５４８．７ｎｍのブラッグ反射光がセンサのファスト軸からのものである。
このスペクトログラムをより詳細に解析して得られたブラッグ反射光の波長差は、０．６７０ｎｍであった。この波長差は、センサ長が５ｍｍの実施例３のセンサと同等である。したがって、センサ長を１００ｍｍとした本実施例のセンサ１５に用いたＰＡＮＤＡファイバは、実施例３のセンサ１５に用いたＰＡＮＤＡファイバと同等の複屈折である。

図１６は、本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｆにより、センサに生じる温度分布と歪みを計測するための実験系を模式的に示した図である。
この実験系では、分銅Ｗにより、センサ１５の長手方向に沿って均一な歪みを与えている。また、この実験系では、独立して温度制御可能なヒータＡ及びヒータＢにより、センサ１５の長手方向に沿って不均一な温度変化を与えることができる。

本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｆを用いて、図１６に示す実験系によりセンサ１５の状態を計測した。結果を、図１７に示す。このとき、分銅Ｗによりセンサ１５に与えた歪みは１０００με、ヒータＡによりセンサ１５に与えた温度変化は１００℃、ヒータＢによりセンサ１５に与えた温度変化は６０℃である。

図１７に示すように、ヒータＡにより加熱されたセンサの領域は、１０００μεの歪みと、１００℃の温度変化に相当するブラッグ波長シフトが生じていた。一方、ヒータＢにより加熱されたセンサの領域では、１０００μεの歪みと６０℃の温度変化に相当するブラッグ波長シフトが生じていた。また、ヒータＡとヒータＢとの間にある非加熱領域は、１０００μεの歪みのみに相当するブラッグ波長シフトが生じていた。つまり、この本実施例では、センサ１５のスロー軸とファスト軸のブラッグ波長の変化量を、センサ１５の長手方向に沿って計測することで、このセンサ１５の長手方向に沿った温度分布と歪みを同時に計測できた。

次に、図１６に示す実験系において、分銅Ｗによりセンサ１５に与えた歪みを１０００μεで一定とし、ヒータＡによりセンサ１５に与えた温度変化を１００℃で一定とし、ヒータＢによりセンサ１５に与えた温度変化のみを０〜１００℃に変化させた。そして、ヒータＡの位置およびヒータＢの位置における温度変化と歪みを計測した。この結果を図１８に示す。

図１８に示すように、ヒータＡの位置では、計測した歪みは、１０００μεで一定であった。また、温度変化に関しても１００℃で一定であった。一方、ヒータＢの位置では、計測した歪みは１０００μεで一定であり、計測した温度変化は、ヒータＢの設定温度と相関して変化する結果が得られた。つまり、ヒータＡの位置とヒータＢの位置とに生じている温度分布と歪みを高精度に同時計測できていた。

以上説明したとおり、本実施例によると、本発明は、ＦＢＧからなるセンサの長手方向に沿った温度分布と歪みを同時にかつ高精度に計測できる。また、本発明を用いることで、ＦＢＧからなるセンサの長手方向に沿って、温度分布と歪み分布が生じる場合でも、これらを同時にかつ高精度に計測できる。

本発明のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置によれば、センサの温度と歪みの同時計測を行える。また、センサの位置を正確に特定でき、高い空間分解能で物理量の計測を行える。さらに、センサの長手方向に沿った温度分布と歪み分布を同時に計測できる。

Claims (9)

1. 測定光を出射するチューナブルレーザと；
   このチューナブルレーザに一端が接続された第１の偏波保持ファイバと；
   この第１の偏波保持ファイバの他端に接続された偏波保持カプラと；
   この偏波保持カプラに一端が接続され、他端が参照用反射端である第２の偏波保持ファイバと；
   前記偏波保持カプラに一端が接続された第３の偏波保持ファイバと；
   この第３の偏波保持ファイバのコアに形成されたファイバブラッググレーティングからなるセンサと；
   前記偏波保持カプラに一端が接続された第４の偏波保持ファイバと；
   この第４の偏波保持ファイバを介して前記偏波保持カプラと接続され、前記センサからのブラッグ反射光と前記参照用反射端からの参照光とを検出するフォトダイオードと；
   このフォトダイオードで検出された前記ブラッグ反射光と前記参照光との合波光強度変化に基づき、これらブラッグ反射光及び参照光間の干渉強度の変調を検知する制御部と；
   前記第２の偏波保持ファイバの直交する２つの偏波軸及び前記第３の偏波保持ファイバの直交する２つの偏波軸の両方に、前記測定光を入射する入射部と；
   前記第３の偏波保持ファイバに配され、前記センサにおける直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の光路長を一定にする光路長調整部と；
   を備え、
   前記入射部は、前記第１の偏波保持ファイバ、または、前記第２の偏波保持ファイバと前記第３の偏波保持ファイバとの両方に配されている
   ことを特徴とする光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置。
2. 前記入射部は、
   この入射部が前記第１の偏波保持ファイバに配されている場合には、この第１の偏波保持ファイバに４５°の偏波軸オフセット角度を有して形成された融着接続部であり；
   前記入射部が前記第２の偏波保持ファイバ及び前記第３の偏波保持ファイバの両方に配されている場合には、これら第２の偏波保持ファイバ及び前記第３の偏波保持ファイバのそれぞれに４５°の偏波軸オフセット角度を有して形成された融着接続部である；
   ことを特徴とする請求項１に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置。
3. 前記光路長調整部は、前記センサが形成された前記第３の偏波保持ファイバに、９０°の偏波軸オフセット角度を有して形成された融着接続部であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置。
4. 前記光路長調整部は、前記第２の偏波保持ファイバの長さに相当する位置から前記センサまでのファイバ長の中間に設けられたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置。
5. 前記第３の偏波保持ファイバに、前記センサが複数配されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置。
6. 前記光路長調整部が、隣接する前記センサ間のファイバ長の中間にそれぞれ配されていることを特徴とする請求項５に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置。
7. 前記第１の偏波保持ファイバから前記第４の偏波保持ファイバのうち、少なくとも前記第３の偏波保持ファイバにおける直交する２つの偏波軸の実効屈折率差が、４．４×１０^{- ４}以上であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いて、１つまたは複数の前記センサにおける直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長を計測する工程と；
   計測した前記ブラッグ反射光の波長に基づいて、前記センサにおける前記ブラッグ反射光の波長の温度と歪みによる変化量を計算する工程と；
   計算した前記変化量に基づいて、前記センサが配された部位の温度および歪みを同時に計測する工程と；
   を備えることを特徴とする光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いた温度と歪みの同時計測方法。
9. 前記第３の偏波保持ファイバの、前記センサが配された部位長手方向に沿った温度分布および歪み分布を算出することを特徴とする請求項８に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いた温度と歪みの同時計測方法。