JP4787789B2

JP4787789B2 - Ｆｂｇセンサシステム

Info

Publication number: JP4787789B2
Application number: JP2007136446A
Authority: JP
Inventors: 崇記斉藤
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2027-05-23
Also published as: JP2008014934A

Description

本発明は、ファイバを介して遠隔地の測定対象に設けられたＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）に高速波長掃引の可能な波長可変光源と受光器とを組み合わせて、測定対象の歪測定や温度測定等を行うＦＢＧセンサシステムに関し、特にＦＢＧに入射する測定光に光パルスを用いて、ファイバ内で発生するレイリー散乱光の影響を低減することによって、例えＦＢＧまでのファイバ長が８０ｋｍを越えるような場合であっても、その測定対象の測定を精度良く行えるＦＢＧセンサシステムに関する。

ＦＢＧは、ファイバの所定長さ範囲のコア部の屈折率を一定間隔で周期的に変化させたもので、このＦＢＧの一端側に光を入射すると、その入射光のうち特定波長（ブラッグ波長という）の光だけが反射されて、他の波長の光は透過する。このブラッグ波長は、屈折率が一定間隔で周期的に変化している部分が受ける軸方向の歪み（圧縮、伸長）に応じて変化する。したがって、このＦＢＧの一端側に光を入射して反射してくる光の波長（反射波長）あるいは透過してくる光の波長を測定することで、ＦＢＧに加わった歪みを測定することができる。

従来、このようなＦＢＧの性質を利用して測定対象の歪測定や温度測定等を行うＦＢＧセンサシステムとして、ＦＢＧの反射波長の測定を、リットマン型の波長可変光源と受光器を組み合わせて行うものがあった。近年、本出願人は、そのリットマン型の波長可変光源に代えて、ＭＥＭＳスキャナを利用した高速波長掃引の可能な波長可変光源を用いて測定の高速化を図ったＦＢＧセンサシステムを提案した（特許文献1参照）。なお、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）スキャナとは、マイクロ電気機械式構造体（電気信号の制御を受けて機械的に動作する構造体）によって形成されたスキャナである。

この従来の高速波長掃引の可能な波長可変光源を用いたＦＢＧセンサシステムの概略構成を図１２に示す。波長可変光源１０において、半導体レーザ（ＬＤ）１のＡＲコートされている端面から出射された光をコリメートレンズ２によってコリメート光に変換して回折格子３へ入射し、その入射光に対して回折格子３が出射する回折光をＭＥＭＳスキャナ６０に入射する。ＭＥＭＳスキャナ６０は、反射体３５と反射体駆動手段５０で構成され、回折格子３から入射されるコリメート光に対する回折光が、反射体３５の反射面で回折格子３へ反射されて、再び回折格子３で回折され、それによって得られた回折光がコリメートレンズ２を介してＬＤ１に入射されるとき、ＬＤ１に入射される回折光が所望の波長の光となるようにするとともに、この所望の波長が所定の波長範囲を含んで往復掃引されるように反射体３５の反射面の角度を反射体駆動手段５０により所定の掃引周期で往復回転させている。

このような構成によって、波長掃引された光が発振されて、ＬＤ１のＡＲコートされていない端面から出射されて出力光（測定光）となる。なお、反射体駆動手段５０は、反射体３５の反射面の角度を往復回転させるために自身で発生している駆動信号（波長範囲、掃引周期を決めている）を、掃引信号ａとして処理手段１７へ出力する。

また、回折格子３の０次光は、エタロン等の光共振器４に入射されて所定の波長の光のみが透過される。そして、その透過光は受光器（ＰＤ）５で電気信号ｂに変換されて処理手段１７へ出力される。すなわち、出力光（測定光）の波長掃引に対応して所定の波長間隔、例えば周波数で１５ＧＨｚ間隔の透過光を発生し、受光器５で電気信号ｂに変換される。この透過光の波長（周波数）は既知である。したがって、その透過光を光電変換して得られた電気信号ｂと上述の掃引信号ａとを用いて、波長可変光源１０の発振波長（波長掃引された測定光の波長）を求めることができる。

次に、光サーキュレータ１３は、波長可変光源１０からの測定光を、ファイバ１４を介してＦＢＧ１５に入射するとともに、ＦＢＧ１５で反射されて戻ってきたその測定光の反射光（反射スペクトル）を受けて受光器（ＰＤ）１６に出射する。受光器１６は、その反射光を電気信号ｃに変換して処理手段１７へ出力する。

処理手段１７は、受光器１６からの電気信号ｃと、波長可変光源１０からの掃引信号ａ及び電気信号ｂとに基づいて、ＦＢＧ１５の反射波長の測定を行う。

特開２００６−４９７８５号公報

このような従来のＦＢＧセンサシステムにおいては、例えば、反射波長が１５５０ｎｍのＦＢＧ１５に対して１５２０〜１５８０ｎｍの波長範囲（測定波長範囲）についてその反射波長を測定する場合、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、この測定波長範囲を含んだ１５００〜１６００ｎｍの波長範囲（掃引波長範囲）の光が、掃引周期１．４ｍｓ（７１４Ｈｚ）の駆動信号（掃引信号ａ）によって正弦波状に波長掃引される。そして、その正弦波状に波長掃引された光が、測定光として連続的にファイバ１４へ入射される。

ところで、ＦＢＧ１５で反射されて戻ってきた測定光の反射光（反射スペクトル）のノイズフロアは、ファイバ１４内で発生されるレイリー散乱光に起因する。レイリー散乱光の強度はファイバ１４に入射される測定光の強度に比例する。したがって、ＦＢＧ１５の反射スペクトルのＳ／Ｎは、ファイバ１４に入射される測定光の強度には依存しない。

その結果、図１０（ｂ）に示した測定光が連続的にファイバ１４へ入射された場合、ＦＢＧ１５の反射スペクトルのＳ／Ｎは、（１）式で与えられる反射スペクトルの強度Ｐ_Ｆ及び（２）式で与えられるレイリー散乱光の強度Ｐ_Ｒによって、（３）式のように表される。なお、ＦＢＧ１５の反射率は１００％としている。

Ｐ_Ｆ＝Ｐ_０ｅ^−２αＬ（１）
Ｐ_Ｒ＝ＲＰ_０(１−ｅ^−２αＬ)／２（２）
Ｓ／Ｎ＝Ｐ_Ｆ／Ｐ_Ｒ＝２ｅ^−２αＬ／｛Ｒ(１−ｅ^−２αＬ) ｝（３）
ここで、Ｐ_０はファイバ１４に入射される測定光の強度、Ｌはファイバ長、αはファイバの減衰率、Ｒはレイリー散乱光の発生率である。通常の光通信用ファイバの場合、α＝０．０４６／ｋｍ（＝０．２ｄＢ／ｋｍ）、Ｒ＝０．００２２となる。

（３）式から求められるファイバ長（Ｌ）に対するＳ／Ｎの計算値と、それに係わる測定値を図１１に従来例として示す。図１１から分かるように、Ｓ／Ｎはファイバ長が長いほど低下し、６０〜７０ｋｍ程度で０ｄＢとなる。実際には、ＦＢＧ１５の反射波長（反射スペクトルの波長）の変化を精度良く測定するためには、１０〜２０ｄＢ程度のＳ／Ｎが必要である。その結果、図１１から分かるように、測定できるファイバ長の限界が３０ｋｍ程度に制限されるという問題を生じる。

本発明は、ＦＢＧに入射する測定光に光パルスを用いて、ファイバ内で発生するレイリー散乱光の影響を低減することによって、この課題を解決し、例えＦＢＧまでのファイバ長が８０ｋｍを越えるような場合であっても、その測定対象の測定を精度良く行えるＦＢＧセンサシステムを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１のＦＢＧセンサシステムでは、ファイバ（１４）を介して測定対象に設けられた各々の反射波長が異なる複数のＦＢＧ（１５）に当該複数のＦＢＧの反射波長を含む所定の波長範囲の光を測定光として前記ファイバの一方端から入射し、前記ファイバの前記一方端から出射される該測定光の反射光から当該ＦＢＧの反射波長を測定するＦＢＧセンサシステムにおいて、前記所定の波長範囲の光を含んで所定の掃引周期で波長掃引された光を半導体レーザ（１）で発振させることを可能にさせた波長可変光源（１０）と、該波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記波長可変光源で発振される前記所定の波長範囲の光を前記測定光として前記ＦＢＧに入射させるための所定の周期のパルスを発生させるパルス発生器（１１）と、前記ＦＢＧに入射された前記測定光の該ＦＢＧからの反射光を受けて電気信号に変換する受光器（１６）と、該受光器から出力される前記電気信号に基づいて前記ＦＢＧの反射波長を測定する処理手段（１７）とを備え、前記パルスで前記波長可変光源の前記半導体レーザの駆動電流をオン／オフさせることによって、前記所定の波長範囲の光でなる１つの光パルスを発生させ、該光パルスを前記測定光として前記ファイバに入射させるようにし、かつ、前記波長可変光源の前記波長掃引を行うための掃引信号の前記所定の掃引周期は、前記測定光としての前記光パルスに対する前記ＦＢＧからの反射光の前記受光器での受光時間が該光パルスの前記ファイバへの入射の終了後となるような掃引周期であり、さらに、前記パルスの前記所定の周期は、前記測定光としての前記光パルスの次の光パルスの前記ファイバへの入射時間が前記光パルスに対する前記ＦＢＧからの反射光の前記受光器での受光後となるような周期であり、前記ファイバ内で発生するレイリー散乱光の影響を低減してファイバ長に起因するＳ／Ｎの低下を抑止するようにした。

また、本発明の請求項２のＦＢＧセンサシステムでは、ファイバ（１４）を介して測定対象に設けられた各々の反射波長が異なる複数のＦＢＧ（１５）に当該複数のＦＢＧの反射波長を含む所定の波長範囲の光を測定光として前記ファイバの一方端から入射し、前記ファイバの前記一方端から出射される該測定光の反射光から当該ＦＢＧの反射波長を測定するＦＢＧセンサシステムにおいて、前記所定の波長範囲の光を含んで所定の掃引周期で波長掃引された光を半導体レーザ（１）で発振させる波長可変光源（１０）と、該波長可変光源から出射されて前記ＦＢＧに入射される光をオン／オフする光スイッチ（１２）と、前記波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記波長可変光源で発振される前記所定の波長範囲の光を前記測定光として前記ＦＢＧに入射させるための所定の周期のパルスを発生させるパルス発生器（１１）と、前記ＦＢＧに入射された前記測定光の該ＦＢＧからの反射光を受けて電気信号に変換する受光器（１６）と、該受光器から出力される前記電気信号に基づいて前記ＦＢＧの反射波長を測定する処理手段（１７）とを備え、前記パルスで前記光スイッチをオン／オフさせることによって、前記所定の波長範囲の光でなる１つの光パルスを発生させ、該光パルスを前記測定光として前記ファイバに入射させるようにし、かつ、前記波長可変光源の前記波長掃引を行うための掃引信号の前記所定の掃引周期は、前記測定光としての前記光パルスに対する前記ＦＢＧからの反射光の前記受光器での受光時間が該光パルスの前記ファイバへの入射の終了後となるような掃引周期であり、さらに、前記パルスの前記所定の周期は、前記測定光としての前記光パルスの次の光パルスの前記ファイバへの入射時間が前記光パルスに対する前記ＦＢＧからの反射光の前記受光器での受光後となるような周期であり、前記ファイバ内で発生するレイリー散乱光の影響を低減してファイバ長に起因するＳ／Ｎの低下を抑止するようにした。

また、本発明の請求項３のＦＢＧセンサシステムでは、ファイバ（１４）を介して測定対象に設けられた各々の反射波長が異なる複数のＦＢＧ（１５）に当該複数のＦＢＧの反射波長を含む所定の波長範囲の光を測定光として前記ファイバの一方端から入射し、前記ファイバの前記一方端から出射される該測定光の反射光から当該ＦＢＧの反射波長を測定するＦＢＧセンサシステムにおいて、前記所定の波長範囲の光を含んで所定の掃引周期で波長掃引された光を半導体レーザ（１）で発振させる波長可変光源（１０）と、該波長可変光源から出射されて前記ＦＢＧに入射される光の増幅をオン／オフする光増幅器（１８）と、前記波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記波長可変光源で発振される前記所定の波長範囲の光を前記測定光として前記ＦＢＧに入射させるための所定の周期のパルスを発生させるパルス発生器（１１）と、前記ＦＢＧに入射された前記測定光の該ＦＢＧからの反射光を受けて電気信号に変換する受光器（１６）と、該受光器から出力される前記電気信号に基づいて前記ＦＢＧの反射波長を測定する処理手段（１７）とを備え、前記パルスで前記光増幅器をオン／オフさせることによって、前記所定の波長範囲の光でなる１つの光パルスを発生させ、該光パルスを前記測定光として前記ファイバに入射させるようにし、かつ、前記波長可変光源の前記波長掃引を行うための掃引信号の前記所定の掃引周期は、前記測定光としての前記光パルスに対する前記ＦＢＧからの反射光の前記受光器での受光時間が該光パルスの前記ファイバへの入射の終了後となるような掃引周期であり、さらに、前記パルスの前記所定の周期は、前記測定光としての前記光パルスの次の光パルスの前記ファイバへの入射時間が前記光パルスに対する前記ＦＢＧからの反射光の前記受光器での受光後となるような周期であり、前記ファイバ内で発生するレイリー散乱光の影響を低減してファイバ長に起因するＳ／Ｎの低下を抑止するようにした。

また、本発明の請求項４のＦＢＧセンサシステムでは、上述した請求項１〜３のいずれかのＦＢＧセンサシステムにおいて、前記波長可変光源は、一方のレーザ光出射端面がＡＲコートされている前記半導体レーザ（１）と、該半導体レーザのＡＲコートされている端面から出射された光をコリメートするコリメートレンズ（２）と、該コリメートレンズから出射されたコリメート光を受けて波長に応じた角度で回折させる回折格子（３）と、反射体（３５）と反射体駆動手段（５０）とを含んで構成され、前記回折格子から入射される前記コリメート光に対する回折光が、前記反射体の反射面で該回折格子へ反射されて、再び該回折格子で回折され、それによって得られた回折光が前記コリメートレンズを介して前記半導体レーザに入射されるとき、該半導体レーザに入射される回折光が所望の波長の光となるようにするとともに、該所望の波長が前記所定の波長範囲を含んで往復掃引されるように前記反射体の反射面の角度を前記反射体駆動手段により前記所定の掃引周期で繰り返し変化させるＭＥＭＳスキャナ（６０）とを備えた。

また、本発明の請求項５のＦＢＧセンサシステムでは、上述した請求項４のＦＢＧセンサシステムにおいて、前記ＭＥＭＳスキャナの反射体は、固定基板（３６、３７）と、該固定基板の縁部から所定幅で所定長さ延設され、その長さ方向に沿って捩じれ変形可能な軸部（３８、３９）と、該軸部の先端に自身の縁部で連結されて形成され、一面側に前記回折格子からの回折光を反射させるための前記反射面が設けられた反射板（４０）とを有しており、かつ、前記ＭＥＭＳスキャナの反射体駆動手段は、前記反射体の軸部と反射板とからなる部分の固有振動数に対応した周波数の駆動信号によって前記反射板に力を与えて、該反射板を前記固有振動数又はそれに近い振動数の前記所定の掃引周期で往復回転させるように構成した。

本発明の請求項1〜３のＦＢＧセンサシステムでは、所定の波長範囲の光でなる光パルスを発生させ、この光パルスを測定光としてＦＢＧに入射させるようにしたので、図１１に示す２つの測定値（従来例と本発明）の比較から分かるように、ファイバ内で発生するレイリー散乱光の影響を低減してファイバ長に起因するＳ／Ｎの低下を抑止することができる。その結果、例えＦＢＧまでのファイバ長が８０ｋｍを越えるような場合であっても精度良く測定することができる。

本発明の請求項４及び５のＦＢＧセンサシステムでは、波長可変光源の往復掃引をＭＥＭＳスキャナで行うようにしたので、高速波長掃引ができ、測定の高速化が可能である。

以下に本発明の実施形態を記載する。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態のＦＢＧセンサシステムの構成を図１に示す。従来のＦＢＧセンサシステムと同一要素には同一符号を付す。波長可変光源１０において、半導体レーザ（ＬＤ）１のＡＲコートされている端面から出射された光をコリメートレンズ２によってコリメート光に変換して回折格子３へ入射し、その入射光に対して回折格子３が出射する回折光をＭＥＭＳスキャナ６０に入射する。ＭＥＭＳスキャナ６０は、反射体３５と反射体駆動手段５０で構成され、回折格子３から入射されるコリメート光に対する回折光が、反射体３５の反射面で回折格子３へ反射されて、再び回折格子３で回折され、それによって得られた回折光がコリメートレンズ２を介してＬＤ１に入射されるとき、ＬＤ１に入射される回折光が所望の波長の光となるようにするとともに、この所望の波長が所定の波長範囲を含んで往復掃引されるように反射体３５の反射面の角度を反射体駆動手段５０により所定の掃引周期で往復回転させている。

なお、上記の波長可変光源１０の動作は、パルス発生器１１からのパルスｄ（詳細は後述する）がＬＤ１の駆動電流をオンにしてＬＤ１が発振状態にされている場合である。また、ＭＥＭＳスキャナ６０を構成する反射体３５及び反射体駆動手段５０については、後に図４及び図５を用いて詳述する。

このような構成によって、パルスｄでＬＤ１の駆動電流をオンにしているときには、波長掃引された光が発振されて、ＬＤ１のＡＲコートされていない端面から出射されて出力光（測定光）となる。なお、反射体駆動手段５０は、反射体３５の反射面の角度を往復回転させるために自身で発生している駆動信号（波長範囲、掃引周期を決めている）を、掃引信号ａとしてパルス発生器１１及び処理手段１７へ出力する。

なお、図１において、波長可変光源１０は、ＬＤ１のＡＲコートされている端面から出射された光をコリメートレンズ２によってコリメート光に変換して回折格子３へ入射するようにしたが、ＬＤ１とコリメートレンズ２との間に集光レンズとファイバを設け、ＬＤ１のＡＲコートされている端面から出射された光を集光レンズで集光してファイバに入射し、ファイバを通った光をコリメートレンズ２によってコリメート光に変換して回折格子３へ入射するようにしてもよい。また、図１において、波長可変光源１０は、ＬＤ１のＡＲコートされていない端面から出射された光を出力としたが、回折格子３の０次光を光カプラで分岐して出力としてもよい。

次に、パルス発生器１１は、波長可変光源１０からの掃引信号ａに基づいて、波長可変光源１０で発振される所定の波長範囲の光を測定光としてＦＢＧ１５に入射させるための所定の周期のパルスｄを発生させる。すなわち、［発明が解決しようとする課題］の項で述べた、反射波長が１５５０ｎｍのＦＢＧ１５の反射波長を測定する場合の図１０に関係づけて、測定波長範囲を１５２０〜１５８０ｎｍ、掃引波長範囲を１５００〜１６００ｎｍ、掃引周期を１．４ｍｓ（７１４Ｈｚ）とすると、図６（ｂ）に示す太線部分を測定光とするための、幅０．３ｍｓ、周期２．８ｍｓ（３５７Ｈｚ）のパルスｄ（図６（ｃ））が掃引信号ａ（図６（ａ））に同期して発生される。そして、このパルスｄでＬＤ１の駆動電流がオン／オフされて、図６（ｄ）に示すような、２．８ｍｓ周期で０．３ｍｓ間だけ１５２０から１５８０ｎｍまで波長掃引されてなる光（すなわち光パルスといえる）が測定光として波長可変光源１０から出射される。

光サーキュレータ１３は、波長可変光源１０から出射される測定光としての光パルスを、ファイバ１４を介してＦＢＧ１５に入射するとともに、ＦＢＧ１５で反射されて戻ってきたその光パルス（測定光）の反射光（反射スペクトル）を受けて受光器（ＰＤ）１６に出射する。受光器１６は、その反射光を電気信号ｃに変換して処理手段１７へ出力する。

次に、ＦＢＧ１５の反射スペクトルのＳ／Ｎについて説明する。図６（ｄ）、（ｅ）に示すように測定光の出射開始時間をＴ_Ｓ、出射終了時間をＴ_Ｅとすると、このＴ_Ｓ−Ｔ_Ｅ間のパルス状の測定光（光パルスという）が長さＬのファイバ１４へ入射されたときのレイリー散乱光の強度Ｐ_Ｒと時刻ｔとの関係は、（４）式で与えられる。この（４）式から、レイリー散乱光は時間とともに減衰することが分かる。

Ｐ_Ｒ＝(ＲＰ_０／２)[ｅｘｐ{−(αｃ／ｎ)(ｔ−Ｔ_Ｅ)}
−ｅｘｐ{−(αｃ／ｎ)(ｔ−Ｔ_Ｓ)}] （４）
ここで、Ｐ_０はファイバ１４に入射される測定光のＴ_Ｓ−Ｔ_Ｅ間の強度、ｎはファイバの屈折率、ｃは真空中の光速である。

ＦＢＧ１５の反射波長（上述した１５５０ｎｍ）をλ_Ｆとし、このλ_Ｆの波長が測定光として出射される時間をＴ_Ｆとすると、波長λ_Ｆの測定光が長さＬのファイバ１４を介してＦＢＧ１５で反射され、その反射スペクトルが受光器１６で検出される時間Ｔ_Ｄは、（５）式で表される。

Ｔ_Ｄ＝Ｔ_Ｆ＋２ｎＬ／ｃ（５）

そして、受光器１６で検出される反射スペクトルの強度Ｐ_Ｆは（６）式で与えられ、レイリー散乱光の強度Ｐ_Ｒは、上記（５）式をｔ＝Ｔ_Ｄ＝Ｔ_Ｆ＋２ｎＬ／ｃとして（４）式に代入することによって（７）式のように求められる。

Ｐ_Ｆ＝Ｐ_０ｅ^−２αＬ（６）
Ｐ_Ｒ＝(ＲＰ_０／２) ｅ^−２αＬ[ｅｘｐ{−(αｃ／ｎ)( Ｔ_Ｆ−Ｔ_Ｅ)}
−ｅｘｐ{−(αｃ／ｎ)( Ｔ_Ｆ−Ｔ_Ｓ)}] （７）
なお、以上の（４）〜（７）式に基づいて、受光器１６で検出される反射スペクトルとレイリー散乱光の関係を示すと、図６（ｅ）のようになる。

したがって、Ｓ／Ｎは（８）式のようになる。この（８）式から、Ｓ／Ｎはファイバ長（Ｌ）に依存せず、一定になることが分かる。

Ｓ／Ｎ＝Ｐ_Ｆ／Ｐ_Ｒ
＝２／［Ｒ［ｅｘｐ{−(αｃ／ｎ)( Ｔ_Ｆ−Ｔ_Ｅ)}
−ｅｘｐ{−(αｃ／ｎ)( Ｔ_Ｆ−Ｔ_Ｓ)}］］（８）
（８）式から求められるＳ／Ｎの計算値と、それに係わるファイバ長（Ｌ）に対する測定値を図１１に本発明として示す。この図１１から、ファイバ内で発生するレイリー散乱光の影響を低減した結果として、ファイバ長に起因するＳ／Ｎの低下を抑止し、ファイバ長が８０ｋｍの場合でも２０ｄＢ以上のＳ／Ｎが確保できることが分かる。

ところで、ＦＢＧ１５の反射スペクトルの検出において、ファイバ内で発生するレイリー散乱光の影響を低減するためには、掃引信号ａ（図６（ａ））の掃引周期及びパルスｄ（図６（ｃ））の周期を次のように決める必要がある。すなわち、掃引信号ａの掃引周期は、測定光としての光パルス（図６（ｄ）のＳ_０）に対するＦＢＧ１５からの反射光の受光器１６での受光時間（図６（ｅ）のＴ_Ｄ）がこの光パルスのファイバ１４への入射の終了（図６（ｅ）のＴ_Ｅ）後となるような掃引周期にする。また、パルスｄの周期は、測定光としての光パルス（図６（ｄ）のＳ_０）の次の光パルス（図６（ｄ）のＳ_１）のファイバ１４への入射時間（図６（ｅ）のＴ_Ｓ１）が光パルス（図６（ｄ）のＳ_０）に対するＦＢＧ１５からの反射光の受光器１６での受光（図６（ｅ）のＴ_Ｄ）後となるような周期にする。

次に、図１に示した波長可変光源１０の一部を構成するＭＥＭＳスキャナ６０の反射体３５及び反射体駆動手段５０について詳述する。反射体３５は、図４に示すように、横長矩形で互いに平行に配置された一対の固定基板３６、３７と、この一対の固定基板３６、３７の長辺側縁部の中央からこの固定基板３６、３７と直交する方向に所定幅、所定長さで延設され、その長さ方向に沿って捩じれ変形可能な一対の軸部３８、３９と、横長矩形で一方の長辺側縁部の中央部で軸部３８の先端に連結され、他方の長辺側縁部の中央部で軸部３９の先端に連結された反射板４０とを有している。この反射板４０は、捩じれ変形可能な軸部３８、３９に中心部が支持されているので、この軸部３８、３９を結ぶ線を中心軸として固定基板３６、３７に対して回転することができる。また、軸部３８、３９と反射板４０とからなる部分の固有振動数ｆ_０は、反射板４０自体の形状や質量及び軸部３８、３９のバネ定数によって決まる。

また、反射板４０の一面側には、光を反射するための反射面４１が形成されている。この反射面４１は、反射板４０自体を鏡面仕上げして形成したり、反射率の高い膜（図示しない）を蒸着あるいは接着して形成したりしたものであってもよい。なお、この反射体３５は、薄い半導体基板からエッチング処理等により一体的に切り出されたもので、金属膜の蒸着加工により高導電性を有している。

支持基板４５は絶縁性を有する材料からなり、その一面側の上部と下部には、前方へ突出する支持台４５ａ、４５ｂが形成されており、反射体３５の固定基板３６、３７は、この上下の支持台４５ａ、４５ｂに接した状態で固定されている。また、支持基板４５の一面側中央部の両端には、反射体３５の反射板４０の両端にそれぞれ対向する電極板４６、４７がパターン形成されている。この電極板４６、４７は、後述する駆動信号発生器５５とともに反射体駆動手段５０（図１参照）を構成するものであり、反射板４０の両端部に静電力を交互にかつ周期的に印加して、反射板４０を、軸部３８、３９を結ぶ線を中心に往復回転運動させる。なお、反射板４０の回転軸は回折格子３（図１参照）の回折溝と平行となるように設定されている。このように構成された反射体３５は、回折格子３からの回折光を反射板４０の反射面４１で受けて、その反射光を回折格子３へ入射させて、再度回折させる。

一方、反射体駆動手段５０（図１参照）の一部を構成する駆動信号発生器５５は、例えば図５（ａ）、（ｂ）に示すように、反射体３５の電位を基準として電極板４６、４７に対して、固有振動数ｆ_０に対応した周波数（あるいは固有振動数ｆ_０の近傍の振動数に対応した周波数）を有し、位相が１８０°ずれた駆動信号Ｄａ、Ｄｂを印加して、電極板４６と反射板４０の一端側との間及び電極板４７と反射板４０の他端側との間に、交互にかつ周期的に静電力(引力）を与え、反射板４０を固有振動数ｆ_０あるいはその近傍の振動数で所定角度範囲を往復回転させる。また、この駆動信号発生器５５は、２つの駆動信号Ｄａ、Ｄｂのいずれか一方を掃引信号ａとしてパルス発生器１１及び処理手段１７（図１参照）に出力する。なお、図５では、２つの駆動信号Ｄａ、Ｄｂがデューティ比５０％の矩形波の場合を示しているが、両信号のデューティ比は５０％以下であってもよく、また、波形も矩形波に限らず、正弦波、三角波等であってもよい。

このような反射体３５及び反射体駆動手段５０によって構成されたＭＥＭＳスキャナ６０（図１参照）では、反射体３５を、一対の固定基板３６、３７と、その縁部から所定幅で所定長さ延設され、その長さ方向に沿って捩じれ変形可能な軸部３８、３９と、軸部３８、３９の先端に自身の縁部で連結され、軸部３８、３９に対して対称な形状に形成され、一面側に反射面４１が形成された反射板４０とによって構成するとともに、反射体３５の軸部３８、３９と反射板４０とからなる部分の固有振動数ｆ_０に対応した周波数の駆動信号によって反射板４０に力を与えて、反射板４０を固有振動数ｆ_０又はその近傍の振動数で往復回転させている。

このため、僅かな電気エネルギーで反射板４０を高速に往復回転させることができ、しかも、その回転中心が反射板４０の内部（この場合、中央部）にあるので、反射板４０の反射面４１への入射光の反射角の変化量を大きくすることができる。なお、軸部３８、３９のバネ定数は、軸部３８、３９の長さ、幅、厚み、材質によって決まり、このバネ定数と、反射板４０の形状、厚み、材質等で固有振動数ｆ_０が決定され、これらのパラメータを選ぶことにより、固有振動数ｆ_０を数１００Ｈｚ〜数１０ｋＨｚの範囲内で設定することができる。

したがって、本発明のＦＢＧセンサシステムの波長可変光源１０（図１参照）は、上記のような反射体３５及び反射体駆動手段５０を用いてＭＥＭＳスキャナ６０を構成するようにしたので、掃引速度の高速化（最大数１０ｋＨｚ）ができる。

なお、上述の図４の説明では、反射体３５を導電性の高い材料で構成していたが、反射体３５を導電性の低い材料で構成する場合には、反射板４０の反射面４１と反対面の両側（全面でもよい）に電極板４６、４７と対向する電極板をそれぞれ設け、更に固定基板３６、３７の背面側にも電極板を設け、それらの電極板の間をパターン等によって接続する。そして、支持基板４５の支持台４５ａ、４５ｂの表面に、固定基板３６、３７の背面側の電極板と接触する電極板をパターン形成して、その少なくとも一方を基準電位ラインとして上述した駆動信号発生器５５に接続すればよい。

また、固定基板３６、３７の一端側同士の間あるいは両端の間を連結して、固定基板をコの字枠あるいは矩形枠状に形成してもよい。また、反射板４０の形状も任意であり、上述の横長矩形の他に、円形、楕円形、長円形、菱形、正方形、多角形等であってもよい。また、高速往復回転時の空気抵抗を減らすために、反射板４０の内側に大きな穴あるいは多数の小さな穴を設けてもよい。

また、上述の図４の説明では、反射体３５の反射板４０の両端にそれぞれ対向する２つの電極板４６、４７を設けていたが、一方側の電極板（例えば電極板４６）だけによって静電力を印加してもよい。また、駆動方式についても、上述の静電力の他に、電磁力によって反射板４０を往復回転させてもよい。この場合、例えば、上述の電極板４６、４７の代わりにコイルを用い、反射板４０の両端部に磁性体あるいはコイルを設け、コイル間あるいはコイルと磁性体との間に発生する磁界による吸引力及び反発力によって、反射板４０を往復回転させる。

また、上述の静電力や電磁力を反射板４０に直接与える方法の他に、超音波振動子等によって上述の固有振動数ｆ_０又はその近傍の振動を反射体３５全体に加えて、その振動を反射板４０に伝達させて往復回転させることも可能である。この場合、振動子を支持基板４５の背面側や支持台４５ａ、４５ｂの部分に設けることで、その振動を反射板４０に効率的に伝達することができる。

［第２実施形態］
本発明の第２実施形態のＦＢＧセンサシステムの構成を図２に示す。図１に示した第１実施形態では、パルス発生器１１から出力されるパルスｄで波長可変光源１０のＬＤ１の駆動電流をオン／オフして測定信号としての光パルスを発生するようにしたが、第２実施形態では、波長可変光源１０と光サーキュレータ１３との間に光スイッチ（光ＳＷ）１２を備え、この光スイッチ１２をパルス発生器１１から出力されるパルスｄでオン／オフすることによって、波長可変光源１０の波長掃引された出力光から測定信号としての光パルスを発生するようにした。第１実施形態とは、この点のみ異なり他は同一である。したがって詳細説明は省略する。

［第３実施形態］
本発明の第３実施形態のＦＢＧセンサシステムの構成を図３に示す。図１に示した第１実施形態では、パルス発生器１１から出力されるパルスｄで波長可変光源１０のＬＤ１の駆動電流をオン／オフして測定信号としての光パルスを発生するようにしたが、第３実施形態では、波長可変光源１０と光サーキュレータ１３との間に光増幅器１８を備え、この光増幅器１８を通る光の増幅をパルス発生器１１から出力されるパルスｄでオン／オフすることによって、波長可変光源１０の波長掃引された出力光から測定信号としての光パルスを発生するようにした。第１実施形態とは、この点のみ異なり他は同一である。したがって詳細説明は省略する。

なお、上述の第１〜３実施形態では、高速波長掃引の可能な波長可変光源１０として、ＬＤ１、回折格子３、ＭＥＭＳスキャナ６０を組み合わせた外部共振器型の光源について説明したが、これに限定されるわけではなく、例えば、ＬＤ、単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタ、反射ミラを組み合わせた外部共振器型の光源における、その単一キャビティ型波長可変バンドパスフィルタの透過波長を可変するための印加電圧を高速掃引することによって波長掃引を行うようにした光源であってもよい（例えば特開２００５−３７７６２号公報参照）。

［第４実施形態］
本発明の第４実施形態のＦＢＧセンサシステムの構成を図７に示す。第１〜３実施形態ではＦＢＧを１個として説明してきたが、第１〜３実施形態において、図７に示すように、複数個のＦＢＧ１５ａ〜１５ｄをファイバ１４ａ〜１４ｄを用いて所定距離間隔で直列につないだ構成としてもよいことは言うまでもない（なお図７は、図１〜３における光サーキュレータ１３、ＰＤ１６、ファイバ１４、ＦＢＧ１５の部分のみを抜き出して図示したものである）。この場合には、各ＦＢＧの反射波長が異なるように構成すれば、どのＦＢＧからの反射波長であるかを特定することができる。

このような複数個のＦＢＧを有する実施形態における、反射スペクトルとレイリー散乱光の関係図の一例を、図８に示す。これは、前述した図６（ｅ）に対応するものであり、４つの反射スペクトル７０ａ〜７０ｄを有している。

反射スペクトル７０ａは、ファイバ１４ａの入射部１４_ｉｎからＦＢＧまでが近距離（例えば、入射部１４_ｉｎからＦＢＧ１５ａまで１ｋｍ）である場合の反射スペクトルである。入射部１４_ｉｎからＦＢＧ１５ａまでが近距離であるため、測定光である光パルスＳ_０の入射中に反射光を受光することとなっている。反射スペクトル７０ｂ、７０ｃ、７０ｄは、それぞれ所定距離間隔（例えば、入射部１４_ｉｎから２０ｋｍ、４０ｋｍ、６０ｋｍ）で直列につないだＦＢＧ１５ｂ、１５ｃ、１５ｄからの反射スペクトルである。

このような構成においては、掃引信号ａの掃引周期は、測定光としての光パルス（図６（ｄ）のＳ_０）に対するＦＢＧ１５ｄからの反射光の受光器１６での受光時間（図８のＴ_Ｄ）がこの光パルスのファイバ１４ａへの入射の終了（図８のＴ_Ｅ）後となるような掃引周期にする。また、パルスｄの周期は、測定光としての光パルス（図６（ｄ）のＳ_０）の次の光パルス（図６（ｄ）のＳ_１）のファイバ１４ａへの入射時間（図８のＴ_Ｓ１）が光パルス（図６（ｄ）のＳ_０）に対するＦＢＧ１５ｄからの反射光の受光器１６での受光（図８のＴ_Ｄ）後となるような周期にする。つまり、ファイバ１４ａの入射部１４_ｉｎから最も遠い場所に位置するＦＢＧ１５ｄからの反射光の受光時間Ｔ_Ｄを基準として、掃引信号ａの掃引周期とパルスｄの周期とを定めればよい。

なお、本発明はこれに限定されるものではない。実質的に最遠のＦＢＧからの反射光の受光時間Ｔ_Ｄを基準とすればよい。例えば、図９に示す例では、実際にはセンサとして使用しないダミーとしてのＦＢＧ１５_{ｄｕｍｍｙ}をＦＢＧ１５ｄ以降にさらに設け、ＦＢＧ１５_{ｄｕｍｍｙ}からの反射スペクトル７０_{ｄｕｍｍｙ}を受光する前に次の光パルスＳ_１をファイバ１４ａに入射している。つまり、最遠のＦＢＧ１５_{ｄｕｍｍｙ}の１つ手前のＦＢＧ１５ｄ（つまり最遠でないＦＢＧ）からの反射光の受光時間Ｔ_Ｄを基準として掃引信号ａの掃引周期とパルスｄの周期とを定めている。このような実施形態であっても、センサとして動作するＦＢＧ１５ｄが実質的に最遠のＦＢＧであり、本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明の第１実施形態の構成を示す図本発明の第２実施形態の構成を示す図本発明の第３実施形態の構成を示す図ＭＥＭＳスキャナを説明するための分解斜視図駆動信号を説明するための図本発明の測定光と反射スペクトルの関係を説明するための図本発明の第４実施形態の構成を示す図本発明の測定光と反射スペクトルの関係を説明するための図本発明の測定光と反射スペクトルの関係を説明するための図従来の測定光を説明するための図ファイバ長とＳ／Ｎの関係を説明するための図従来例の概略構成を示す図

符号の説明

１・・・半導体レーザ（ＬＤ）、２・・・コリメートレンズ、３・・・回折格子、４・・・光共振器、５，１６・・・受光器（ＰＤ）、１０・・・波長可変光源、１１・・・パルス発生器、１２・・・光スイッチ（光ＳＷ）、１３・・・光サーキュレータ、１４・・・ファイバ、１５・・・ＦＢＧ、１７・・・処理手段、１８・・・光増幅器、３５・・・反射体、３６，３７・・・固定基板、３８，３９・・・軸部、４０・・・反射板、４１・・・反射面、４５・・・支持基板、４５ａ，４５ｂ・・・支持台、４６，４７・・・電極板、５０・・・反射体駆動手段、５５・・・駆動信号発生器、６０・・・ＭＥＭＳスキャナ、７０・・・反射スペクトル

Claims

ファイバ（１４）を介して測定対象に設けられた各々の反射波長が異なる複数のＦＢＧ（１５）に当該複数のＦＢＧの反射波長を含む所定の波長範囲の光を測定光として前記ファイバの一方端から入射し、前記ファイバの前記一方端から出射される該測定光の反射光から当該ＦＢＧの反射波長を測定するＦＢＧセンサシステムにおいて、
前記所定の波長範囲の光を含んで所定の掃引周期で波長掃引された光を半導体レーザ（１）で発振させることを可能にさせた波長可変光源（１０）と、
該波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記波長可変光源で発振される前記所定の波長範囲の光を前記測定光として前記ＦＢＧに入射させるための所定の周期のパルスを発生させるパルス発生器（１１）と、
前記ＦＢＧに入射された前記測定光の該ＦＢＧからの反射光を受けて電気信号に変換する受光器（１６）と、
該受光器から出力される前記電気信号に基づいて前記ＦＢＧの反射波長を測定する処理手段（１７）とを備え、
前記パルスで前記波長可変光源の前記半導体レーザの駆動電流をオン／オフさせることによって、前記所定の波長範囲の光でなる１つの光パルスを発生させ、該光パルスを前記測定光として前記ファイバに入射させるようにし、かつ、
前記波長可変光源の前記波長掃引を行うための掃引信号の前記所定の掃引周期は、前記測定光としての前記光パルスに対する前記ＦＢＧからの反射光の前記受光器での受光時間が該光パルスの前記ファイバへの入射の終了後となるような掃引周期であり、さらに、
前記パルスの前記所定の周期は、前記測定光としての前記光パルスの次の光パルスの前記ファイバへの入射時間が前記光パルスに対する前記ＦＢＧからの反射光の前記受光器での受光後となるような周期であり、
前記ファイバ内で発生するレイリー散乱光の影響を低減してファイバ長に起因するＳ／Ｎの低下を抑止することを特徴とするＦＢＧセンサシステム。
ファイバ（１４）を介して測定対象に設けられた各々の反射波長が異なる複数のＦＢＧ（１５）に当該複数のＦＢＧの反射波長を含む所定の波長範囲の光を測定光として前記ファイバの一方端から入射し、前記ファイバの前記一方端から出射される該測定光の反射光から当該ＦＢＧの反射波長を測定するＦＢＧセンサシステムにおいて、
前記所定の波長範囲の光を含んで所定の掃引周期で波長掃引された光を半導体レーザ（１）で発振させる波長可変光源（１０）と、
該波長可変光源から出射されて前記ＦＢＧに入射される光をオン／オフする光スイッチ（１２）と、
前記波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記波長可変光源で発振される前記所定の波長範囲の光を前記測定光として前記ＦＢＧに入射させるための所定の周期のパルスを発生させるパルス発生器（１１）と、
前記ＦＢＧに入射された前記測定光の該ＦＢＧからの反射光を受けて電気信号に変換する受光器（１６）と、
該受光器から出力される前記電気信号に基づいて前記ＦＢＧの反射波長を測定する処理手段（１７）とを備え、
前記パルスで前記光スイッチをオン／オフさせることによって、前記所定の波長範囲の光でなる１つの光パルスを発生させ、該光パルスを前記測定光として前記ファイバに入射させるようにし、かつ、
前記波長可変光源の前記波長掃引を行うための掃引信号の前記所定の掃引周期は、前記測定光としての前記光パルスに対する前記ＦＢＧからの反射光の前記受光器での受光時間が該光パルスの前記ファイバへの入射の終了後となるような掃引周期であり、さらに、
前記パルスの前記所定の周期は、前記測定光としての前記光パルスの次の光パルスの前記ファイバへの入射時間が前記光パルスに対する前記ＦＢＧからの反射光の前記受光器での受光後となるような周期であり、
前記ファイバ内で発生するレイリー散乱光の影響を低減してファイバ長に起因するＳ／Ｎの低下を抑止することを特徴とするＦＢＧセンサシステム。
ファイバ（１４）を介して測定対象に設けられた各々の反射波長が異なる複数のＦＢＧ（１５）に当該複数のＦＢＧの反射波長を含む所定の波長範囲の光を測定光として前記ファイバの一方端から入射し、前記ファイバの前記一方端から出射される該測定光の反射光から当該ＦＢＧの反射波長を測定するＦＢＧセンサシステムにおいて、
前記所定の波長範囲の光を含んで所定の掃引周期で波長掃引された光を半導体レーザ（１）で発振させる波長可変光源（１０）と、
該波長可変光源から出射されて前記ＦＢＧに入射される光の増幅をオン／オフする光増幅器（１８）と、
前記波長可変光源から出力される前記波長掃引を行うための掃引信号を受け、該掃引信号に基づいて、前記波長可変光源で発振される前記所定の波長範囲の光を前記測定光として前記ＦＢＧに入射させるための所定の周期のパルスを発生させるパルス発生器（１１）と、
前記ＦＢＧに入射された前記測定光の該ＦＢＧからの反射光を受けて電気信号に変換する受光器（１６）と、
該受光器から出力される前記電気信号に基づいて前記ＦＢＧの反射波長を測定する処理手段（１７）とを備え、
前記パルスで前記光増幅器をオン／オフさせることによって、前記所定の波長範囲の光でなる１つの光パルスを発生させ、該光パルスを前記測定光として前記ファイバに入射させるようにし、かつ、
前記波長可変光源の前記波長掃引を行うための掃引信号の前記所定の掃引周期は、前記測定光としての前記光パルスに対する前記ＦＢＧからの反射光の前記受光器での受光時間が該光パルスの前記ファイバへの入射の終了後となるような掃引周期であり、さらに、
前記パルスの前記所定の周期は、前記測定光としての前記光パルスの次の光パルスの前記ファイバへの入射時間が前記光パルスに対する前記ＦＢＧからの反射光の前記受光器での受光後となるような周期であり、
前記ファイバ内で発生するレイリー散乱光の影響を低減してファイバ長に起因するＳ／Ｎの低下を抑止することを特徴とするＦＢＧセンサシステム。
前記波長可変光源は、
一方のレーザ光出射端面がＡＲコートされている前記半導体レーザ（１）と、
該半導体レーザのＡＲコートされている端面から出射された光をコリメートするコリメートレンズ（２）と、
該コリメートレンズから出射されたコリメート光を受けて波長に応じた角度で回折させる回折格子（３）と、
反射体（３５）と反射体駆動手段（５０）とを含んで構成され、前記回折格子から入射される前記コリメート光に対する回折光が、前記反射体の反射面で該回折格子へ反射されて、再び該回折格子で回折され、それによって得られた回折光が前記コリメートレンズを介して前記半導体レーザに入射されるとき、該半導体レーザに入射される回折光が所望の波長の光となるようにするとともに、該所望の波長が前記所定の波長範囲を含んで往復掃引されるように前記反射体の反射面の角度を前記反射体駆動手段により前記所定の掃引周期で繰り返し変化させるＭＥＭＳスキャナ（６０）とを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＦＢＧセンサシステム。
前記ＭＥＭＳスキャナの反射体は、
固定基板（３６、３７）と、
該固定基板の縁部から所定幅で所定長さ延設され、その長さ方向に沿って捩じれ変形可能な軸部（３８、３９）と、
該軸部の先端に自身の縁部で連結されて形成され、一面側に前記回折格子からの回折光を反射させるための前記反射面が設けられた反射板（４０）とを有しており、かつ、
前記ＭＥＭＳスキャナの反射体駆動手段は、
前記反射体の軸部と反射板とからなる部分の固有振動数に対応した周波数の駆動信号によって前記反射板に力を与えて、該反射板を前記固有振動数又はそれに近い振動数の前記所定の掃引周期で往復回転させるように構成されていることを特徴とする請求項４に記載のＦＢＧセンサシステム。