JP4742275B2 - 計測システム - Google Patents

Description

本発明は光ファイバを用いた分布型光ファイバセンサの技術分野に関する。

本発明の背景技術としては第一、第二、第三、及び第四の背景技術がある。まず、第一の背景技術につき説明する。図7を用いて従来技術を用いた分布型温度センサについて説明する。広帯域光源3からの光は光方向性結合器４を経てシングルモードファイバ（以下SMF）に入力され該SMFには１個または複数のFBGが描画されている。検出すべき温度はセンサのFBGの反射中心波長とリンクするため、これらの反射中心波長を測定することにより各センサの温度を測定することができる。各々のFBGの反射中心波長はそれらの帯域幅も含め互いにすべての測定範囲に亘ってオーバラップしないようにシステム設計されている。FBGからの反射光は前記SMFを逆にたどって光源側に戻っていき光源直前に設置されている前記光方向性結合器４によりファブリペロー干渉計型波長検波器などの波長検波器１に入力される。各々のFBGの反射中心波長は該ファブリペロー干渉計により測定される。ファブリペロー干渉計は狭帯域な櫛型帯域通過フィルタである。この通過帯域は例えば圧電素子などを使用し該干渉計の半透鏡の間隔を繰り返し該圧電素子に印加する電圧により変化させることができるため例えば該印加電圧を鋸波状に変化させれば前記ファブリペロー干渉計の狭帯域な櫛型帯域通過フィルタスペクトルも周期的に変化する。使用される複数のFBGの占有する全波長帯域より広いフリースペクトルレンジ（以下FSR）になるようにファブリペロー干渉計を設計しておく。更にファブリペロー干渉計の複数存在する通過中心波長の内の１つの通過中心波長が前記圧電素子に印加する電圧の変化でFSRだけ掃引される。これにより各々のFBGの反射光の反射中心波長は該ファブリペロー干渉計からの出射光量を前記圧電素子への印加電圧とリンクして観測することにより印加電圧がいくらのとき極大になるかにより計測することができる。一方あらかじめ該印加電圧と前記複数のFBGの占有する全波長帯域内に存在する単一のファブリペロー干渉計の透過スペクトル中心波長との関係は測定されており、このためファブリペロー干渉計からの出射光量を極大にする前記印加電圧を測定することにより前記複数のFBGの反射中心波長を測定することができる（非特許文献１参照）。これらあらかじめ各センサの反射中心波長と温度との関係を測定しておきデータとして例えば図６のようにProgramable Read Only Memory（以下PROM）に記憶しておけばこれが図７の波長温度変換部２を構成するメモリとなる。波長温度変換部２は波長検波器１に接続され入力されてきた各センサの波長に対応した各センサの温度を出力する。

次に第二の背景技術につき説明する。この技術は光通信の分野で波長多重通信のために研究されているリング共振器に関する技術である。リング共振器は波長多重通信のための狭帯域アド/ドロップ光フィルタであり、2入力２出力の光方向性結合器を２つ用いて光導波路ループができるように該２つの光方向性結合器を接続した構成になっている。接続されず残った光方向性結合器の４つの入出射端子のうち１つは光入射ポート、１つはスルーポート、１つはドロップポート、他の１つはアドポートとして使用される。光入射ポートからスルーポートへの透過率は繰り返しの櫛型バンドリジェクトフィルタ特性を示す。また光入射ポートからドロップポートへの透過率は繰り返しの櫛型バンドパスフィルタ特性を示す。更にアドポートからスルーポートへの透過特性も櫛型バンドパスフィルタ特性を示す（非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５参照）。

次に第三の背景技術につき説明する。第三の背景技術は光導波路にブラッググレーティングを描画する技術である。コアにゲルマニウムをドープしたSiO₂を用いた場合が報告されている（非特許文献６参照）。またブラッググレーティングではないがTa₂O₅-SiO_２からなるコアの屈折率を紫外線でトリミングできることが報告されている（非特許文献３参照）。

P. Eigenraam, B. S. Douma, A. P. Koopman, Applications of Fiber Optic Sensors & Instrumentation in the Oil and Gas Industry, in Proc. Of OFS-13, pp602-607, 1999 A. D. Kersey, T. A. Berkoff, and W. W. Morey, Multiplexed fiber Bragg grating strain-sensor system with a fiber Fabry- Perot wavelength filter, Optics Lett. Vol. 18, No.16, pp.1370- 1372, 1993 「マイクロリング共振器型光ルーティング素子」国分泰雄、応用物理、第72巻、第11号、pp1364−1373、2003年 S. Suzuki, K. Oda, and Y. Hibino, Integrated-Optic Double-Ring Resonators with a Wide Spectral Range of 100GHz, J. Lightwave Technolo., vol.13, no.8, pp.1766-1771, 1995 B. E. Little, S. T. Chu, W. Pan, D. Ripin, T. Kaneko, Y. Kokubun and E. Ippen, Vertically Coupled Glass Microring Resonator Channel Dropping Filter, IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 11, no.2, pp215-217, 1999 Y. Sano, T. Hirayama, J. K. Kurihara, T. Goto, K. Taniguchi, J. Nishii, K. Kintaka, and T. Yoshino, Planar Waveguide Bragg Grating Pressure Sensor on a Micro-Machined Silicon Diaphragm in Proc. Of OFS-16 pp694-697 2003

本発明に基づく温度センサシステムの動作原理は、本願発明者が先に提出した上記の特願２００６−２８８６３１と次の点を除いて同一である。すなわちリング共振器を2つ直列に接続しFSRを拡げるという点である。ダブルリング共振器は非特許文献4に記載されているようにFSRを大きくできることは公知である。一方、上記特許出願に記載されているように、リング共振器のドロップポートにWBGを接続し入力は該リング共振器の入射ポート、出力は該リング共振器の出射ポートとするセンサを複数直列に光信号伝送ラインで接続し、この直列接続されたセンサ群に広帯域光源から光を入射させ、センサ群からの反射光の波長を例えばファブリペロー干渉計など圧電素子と組み合わせ共振波長が可変の干渉計からなる波長検波器と組み合わせることにより微小な波長変化でも波長を検波できる。本発明はこの２つの技術を組み合わせることにより従来の分布型センシングシステムの性能をダイナミックレンジ、多重数（システムに接続可能センサ数）の両面から遥かに凌ぐことができる。

上記手段を用いることにより本発明は段落番号0009で述べた様に従来の光ファイバ式分布型センサシステムの性能をはるかに凌ぐダイナミックレンジ5000以上、センサからの波長が0.1pmの変化で受光素子での光量変化が85.3nW以上、システムに接続可能センサ数がCバンドの帯域幅50nmで100以上の性能のセンサシステムを実現できる。

発明の実施形態の分布型温度計測システムの全体構成を図１に示す。図２は図1に示すシステムのキーハードとなるダブルリング共振器を用いたセンサの構成を示す。図１において広帯域光源３から出射した光はSMF、光方向性結合器４を経てSMFに入射する。このSMFにはセンサが1個あるいは複数直列に接続されている。センサに入射した広帯域光は線スペクトルになって反射され光方向性結合器４経由ファブリペロー型干渉計からなる波長検波器１に入射する。入射した光の波長はこの検波器で波長が計測される。それぞれのセンサはそれぞれのセンサの温度変化によって後述の理由から反射波長が変化する。したがってそれぞれのセンサの反射波長を波長検波器１で検波することにより各センサでの温度を測定できる。ダブルリング共振器は図1に示すように２つのリング導波路RW1, RW2, ３つの光方向性結合器DC1,DC2,DC3から構成される。実際のダブルリング共振器の製作方法を図２を用いて次に述べる。

製作方法は非特許文献4により知られているゲルマニウムをドープしたSiO_２を導波路のコアとする方法でもよいし、非特許文献5により知られているTa₂O₅- SiO_２によりコアを製作する方法でも良い。ここでは非特許文献5により知られている方法について述べる。シリコンサブストレート６の上にアンダークラッド層としてCVD(Chemical Vapor Deposition)によりSiO_２を成膜しその上に直線導波路８のコアに相当する層としてTa₂O₅- SiO_２をＲＦスパッタにより成膜する。そしてＣrマスクとCF₄を用いたドライエッチングによりコアを形成する。コア屈折率はTa₂O₅とSiO_２の％モル比で種々の値に制御できる。例えばTa₂O₅が30％モル比SiO_２が70％モル比のときTa₂O₅- SiO_２の屈折率は1.7825と成る。コア形成後SiO_２膜を更に成膜し中間クラッド９を構成しこのプロセスで直線導波路８が完成する。更にこの上にリング導波路ＲＷを形成するためにTa₂O₅- SiO_２をＲＦスパッタにより成膜する。そして直線導波路8の場合と同じようにＣrマスクとCF₄を用いたドライエッチングによりリング導波路RW１、RW２のコアを形成する。このリング導波路のコアの上に更にSiO_２膜をオーバクラッド層1０として成膜してダブルリング共振器が完成する。なお図２には特に記号で表示はしていないが光方向性結合器DC2,DC3は直線導波路8とリング導波路RW１、RW２が空間的に近接している部分がそれに相当する。またDC1は2つのリング導波路RW1、RW２が空間的に近接している部分がそれに相当する。

次にWBGの製作方法を述べる。この方法はアルゴンレーザの波長244nmの2次高調波をコアに照射すると屈折率が変化する（非特許文献３参照）ことを利用する。この紫外線をフェーズマスクを通してコアに照射すればWBGを構成できる。もちろん直線導波路８のコアがゲルマニウムドープのSiO_２で構成されているものであっても同様な方法でWBGを構成できる（非特許文献６参照）。

図９は本発明の技術を用いた図１の分布型温度計測システムのスペクトラムの相関を示す図である。各々のセンサからの反射中心波長はセンサを構成するWBGの帯域幅も含め互いにすべての測定範囲に亘ってオーバラップしないようにシステム設計されている。使用される複数のWBGの占有する全波長帯域より広いFSRになるようにファブリペロー干渉計を設計しておく。更にファブリペロー干渉計の複数存在する通過中心波長の内の１つの通過中心波長が圧電素子に印加する電圧の変化でFSRだけ掃引される。このような共振波長可変のファブリペロー干渉計とその制御器にはたとえばMicron Optics社のFFP-TF2とFFP-Ｃを用いることができる。これにより各々のセンサの反射光の反射中心波長は該ファブリペロー干渉計からの出射光量を前記圧電素子への印加電圧とリンクして観測することにより印加電圧がいくらのとき極大になるかを計測し、一方あらかじめ該印加電圧と前記複数のWBGの占有する全波長帯域内に存在する単一のファブリペロー干渉計の透過スペクトル中心波長との関係は測定されており、このためファブリペロー干渉計からの出射光量を極大にする前記印加電圧を測定することにより前記複数のセンサの反射中心波長を測定することができる。更にこれらあらかじめ各センサの反射中心波長と温度との関係を上述の第四の背景技術で述べた方法と同様にして測定しておきデータとして例えばPＲOＭに記憶しておく。波長温度変換部２は図６に示すような該PROMとそれを制御するマイクロコンピュータ（CPU）で構成する。以上の構成により波長温度変換部２は波長検波器１に接続され入力されてきた各センサの波長に対応した各センサの温度を出力する。なおもしファブリペロー干渉計の可変波長範囲が狭くセンサすべての反射波長領域をカバーできない場合はこれを複数用いればよいことは自明である。

上述の発明は建築構造物が致命的ダメージを負う前に建築構造物をメンテナンスし維持していこうとするいわゆる建築構造物（ビル、橋、鉄橋など）のヘルスモニタリングの分野のほかに、航空宇宙における例えば翼などの筐体の故障予知の分野などへの適用が可能である。

本発明の第一の実施形態のシステム全体を示す図である。 本発明のセンサの構成の第一の例を示す図 単一のリング共振器とWBG（導波路ブラッググレーティング）のからなる従来のセンサの反射率の波長に対する変化の一例を示す図（a）、及び同拡大図(b) 単一のリング共振器のドロップポートへの透過スペクトルの一例を示す図(a),同図(b)は別の単一のリング共振器のドロップポートへの透過スペクトルの一例を示す図, 同図(c)はこれら２つのリングを組み合わせダブルリング共振器として使用した場合のダブルリング共振器のドロップポートへの透過スペクトルを示す図 図４の特性のダブルリング共振器のドロップポートへの透過スペクトル特性（拡大図） 各センサからの波長データを各センサの温度データにするための波長温度変換部の一例を示す図 従来のFBGを用いた分布型光ファイバ温度センサシステムの構成を示す図 従来の単一のリング共振器とWBGを用いた温度センサの構成を示す図 本発明の分布型光ファイバ温度センサシステムの動作を説明するための各所のスペクトルを示す図

符号の説明

１・・・波長検波器
２・・・波長温度変部
３・・・広帯域光源
４・・・光方向性結合器
SMF・・シングルモード光ファイバ
WBG・・光導波路に描画されたブラッググレーティング
5・・・ダブルリング共振器
IP・・・入射ポート
DP・・・ドロップポート
OP・・・出射ポート
DC1, DC2, DC3・・光方向性結合器
RW,RW1,RW2・・・・リング導波路
6・・・シリコンサブストレート
7・・・アンダークラッド層
70・・・クラッド
8、11・・・直線導波路
9・・・中間クラッド層
10・・・オーバークラッド層

Claims (2)

1. 広帯域光源からの光を光方向性結合器あるいは光サーキュレータに入射させ、該光方向性結合器あるいは光サーキュレータからの出射光を、複数のセンサを光信号伝送ラインを用いて直列に接続した直列回路に導き、前記センサからの反射光は逆の経路をたどって前記光方向性結合器あるいは光サーキュレータ経由で波長検波器に導かれ、該波長検波器において前記センサからの反射スペクトルを計測することにより温度を測定する計測システムであって、
   前記センサは、光導波路にブラッググレーティングを描画した素子（以下WBG：Waveguide Bragg Grating）がダブルリング共振器のドロップポートに接続され、前記光信号伝送ラインとは該ダブルリング共振器の入射ポート及び出射ポートを介して接続され、
   前記ダブルリング共振器の入射ポートとドロップポート間の櫛型透過スペクトルのうち前記WBGの反射波長帯域にある狭帯域の特定のスペクトルが前記WBGにより選択的に反射されて前記ダブルリング共振器を経て前記入射ポートから前記反射スペクトルとして前記波長検波器に導かれ、
   前記波長検波器は共振波長が可変のファブリペロー干渉計を有し、前記反射スペクトルを入射した前記ファブリペロー干渉計の共振波長を掃引したときの出力の極大値に対応する波長を検出し、
   前記ダブルリング共振器の入射ポートとドロップポート間の櫛型透過スペクトルのうちの前記特定のスペクトルの変動の範囲は、センシング対象である温度の測定範囲に対応しており、かつ、それぞれの前記センサの前記WBGの反射波長帯域より狭く、
   前記複数のセンサ間の前記WBGの反射波長帯域が互いに重なり合わないように構成されたことを特徴とする計測システム。
2. 前記WBGの反射波長帯域の半値全幅が前記ダブルリング共振器のフリースペクトルレンジよりも狭いことを特徴とする請求項１に記載の計測システム。