JP4930126B2

JP4930126B2 - 物理量測定システム

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Description

本発明は、温度変化の影響がない物理量測定システムに関する。

温度や歪等の物理量を、光ファイバ中のブラッグ回折格子（Fiber Bragg Grating、以下ＦＢＧ）の反射中心波長の変化によって測定する物理量測定システムがある。この物理量測定システムにアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Arrayed Waveguide Grating）が用いられる。

特許文献１に記載された従来の物理量測定システムを図１１に示す。この物理量測定システム２０１は、広帯域光源２０２からの測定光が入射される光ファイバ２０３に複数のＦＢＧ２０４が形成され、各ＦＢＧ２０４からの反射光の波長を検出して各ＦＢＧ２０４の設置位置における物理量を測定するシステムである。

図１１の物理量測定システム２０１では、複数のＦＢＧ２０４に対し、それぞれ重複しないように微小な反射光帯域を割り当てると共に、各ＦＢＧ２０４からの反射光を、中心波長が微小な間隔の複数の出力チャンネルに分離可能なＡＷＧ２０５に入射させ、このＡＷＧ２０５の出力側に各出力チャンネルごとに一対ずつ対応させた受光素子２０６による光電流の比の対数に基づいて反射光の波長を測定する。なお、出力チャンネルは、特定の波長帯域に対して光透過特性を有するものを言い、また、上記の光透過特性における中心波長を以下、出力チャンネルの中心波長と言う。

この物理量測定システム２０１では、複数のＦＢＧ２０４の反射光帯域をＡＷＧ２０５の隣接する２つの出力チャンネルの中心波長の間にそれぞれ割り当てる。除算器２０７（ＤＩＶ１〜ＤＩＶ４）は、隣接するフォトダイオード２０６の光電流の比をＬＯＧ値で出力するものである。

非特許文献３の記載に基づいた従来の物理量測定システムを図１３に示す。

図１３の物理量測定システム２１１は、広帯域光源２１２、光分波器２１３、ＦＢＧ２１４、ＦＢＧ波長測定部２１５を備えた物理量測定システムである。

ＦＢＧ波長測定部２１５は、４０個の出力チャンネルを有するＡＷＧ２１６、ＡＷＧ２１６の出力側に各出力チャンネルごとに設けられたフォトダイオード２１７、各フォトダイオード２１７に接続されたＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）２１８、各Ａ／Ｄ変換器２１８の出力するデータを用いて物理量測定の計算処理を行うＣＰＵ２１９を備える。

この図１３の物理量測定システム２１１において、ＦＢＧ２１４の反射中心波長の変化を測定する場合、図１４に示されるように、ＡＷＧ２１６の隣接する２つの出力チャンネル（出力チャンネルＡと出力チャンネルＢ）の中心波長間の中心付近にＦＢＧ２１４の反射中心波長を設定する。

このとき、ＦＢＧ２１４の反射光が波長に応じてＡＷＧ２１６の出力チャンネルＡと出力チャンネルＢの各々に分岐される。ＦＢＧ２１４の反射中心波長が短波長側に変化した場合、ＡＷＧ２１６の出力チャンネルＡに対応するＰＤ２１７から出力される電流（光量に比例する）は増加し、このＰＤ２１７からの電流を電圧に変換して出力するＡ／Ｄ変換器２１８における電圧値も増加する。逆に、ＡＷＧ２１６の出力チャンネルＢに対応するＰＤ２１７から出力される電流（光量に比例する）は減少し、このＰＤ２１７からの電流を電圧に変換して出力するＡ／Ｄ変換器２１８における電圧値も減少する。なお、ＦＢＧ２１４の反射中心波長が長波長側に変化した場合は、短波長側に変化した場合と逆の動作となる。

このように、ＦＢＧ２１４の反射中心波長が長波長側に変化するときと短波長側に変化するときとで、ＡＷＧ２１６の出力チャンネルごとに透過してくる反射光の光量の増減が異なるので、これらの透過光をそれぞれＰＤ２１７及びＡ／Ｄ変換器２１８で電圧値に変換し、あらかじめ測定しておいたＦＢＧの反射中心波長の変化とＡＷＧの各出力チャンネルからの光量による出力電圧との比と比較して、ＦＢＧの反射中心波長の変化を検出する。

ＡＷＧ２１６は、ＦＢＧ２１４の反射中心波長の変化を等価的に光量の変化に変換する光学フィルタとして働き、この光学フィルタは可動部を有しないため、高周波数で生じるＦＢＧ２１４の反射中心波長変化を高精度に計測するシステムに適する。

図１３の物理量測定システム２１１を用いた計測例を説明する。図１４に、ＦＢＧの反射特性（反射スペクトル）とＡＷＧのチャンネル別透過特性（透過スペクトル）を示す。ＦＢＧの反射特性の半値幅を０．５ｎｍ、ＡＷＧの隣接する２つの出力チャンネル（出力チャンネルＡ，Ｂ）の中心波長間隔を０．８ｎｍとする。

図１５に示した弾性波計測装置２２１は、図１３の物理量測定システム２１１を弾性波計測に応用したものである。この場合、ＣＦＲＰ（炭素繊維プラスチック）２２２上に、振動を印加するＰＺＴアクチュエータ２２３とＦＢＧ２２４を配置する。そして、ＰＺＴアクチュエータ２２３からの弾性波に対するＦＢＧ２２４の反射中心波長の変化から、ＣＦＲＰ２２２に発生した歪みを検出する。

具体的には、ＰＺＴアクチュエータ２２３に図１６に示すような電圧信号（ＰＺＴｉｎｐｕｔ）を印加した場合、ＰＺＴアクチュエータ２２３からの弾性波がＣＦＲＰ２２２に伝達し、ＦＢＧ２２４に伝達する。このとき、ＡＷＧ２１６（図１３）の出力チャンネルＡ，Ｂに対応するＰＤ２１７からＡＤＣ２１８へ出力される各信号（ＡＣ成分＝出力電圧変化で表す）は、図１７に示されるように、同じ周期で交互に正負が反転する信号となる。

図１７に示された出力チャンネルＡの出力（電圧に変換された出力のこと；以下、同）と出力チャンネルＢの出力との差分をとることにより、図１８に示されるように、ＦＢＧ２２４の反射中心波長の変化を電圧で表した差分信号の波形が得られる。なお、この信号にノイズが含まれる場合、複数回の測定、例えば、１０００回の測定を行って、平均することによりノイズを除去することができる。

ここで、図１４のチャンネル別透過特性において、ＡＷＧ２１６の隣接する出力チャンネルの中心波長間に設定されたＦＢＧ２２４の反射中心波長の位置の変化を電圧信号の振幅で表すと、図１９のようになる。横軸は、ＡＷＧ２１６の隣接する２つの出力チャンネルの中心波長の中心（図１４参照）からＦＢＧ２２４の反射中心波長までの相対位置を示す。ＡＷＧ２１６の隣接する２つの出力チャンネルの中心波長の中心になる座標を０％とし、ＡＷＧ２１６の隣接する２つの出力チャンネルの短波長側の出力チャンネルの中心波長とＦＢＧ２２４の反射中心波長が一致する座標を−５０％とし、ＡＷＧ２１６の隣接する２つの出力チャンネルの長波長側の出力チャンネルの中心波長とＦＢＧ２２４の反射中心波長が一致する座標を５０％とした。

ここで、相対位置は、ＦＢＧの反射中心波長に近い側の出力チャンネルの中心波長とＦＢＧの反射中心波長との間隔をＡＷＧの出力チャンネル間隔で割って求められる。

なお、図１９において、相対位置が−５０％以下の場合及び０％以上の場合に関しては、ＡＷＧ２１６の隣接する出力チャンネルにさらに隣接する出力チャンネル（例えば、図１４において出力チャンネルＡの短波長側の出力チャンネルや出力チャンネルＢの長波長側の出力チャンネル）を考慮すると、その波形は、図１９に示した−５０〜０％の波形とほぼ対称な波形になるため、ここでは省略する。

特許第３７６０６４９号公報ＮＴＴエレクトロニクス株式会社ホームページ http://www.nel-world.com/products/photonics/awg_mul_d.html（２００６年１１月３日掲載）ＮＴＴエレクトロニクス株式会社ホームページ http://www.nel-world.com/products/photonics/ather.awg.html（２００７年３月１３日掲載）「S.Kojima,A.Hongo,S.Komatsuzaki,and N.Takeda,"High-speed optical wavelength interrogator using a PLC-type optical filter for fiber Bragg grating sensors."SPIE's International Symposium on Smart Structure and Materials,Proceedings of SPIE,Vol.5384,pp.241-249,2004」

しかしながら、図１１の物理量測定システム２０１は、ＦＢＧ２０４の反射中心波長を、ＡＷＧ２０５の隣接する２つの出力チャンネルの中心波長の間であって、且つ、図１２に示されるようにＦＢＧ２０４の反射中心波長対ＬＯＧ値特性における直線部分に割り当てる必要がある。そのため、以下の問題点が発生する。

まず、ＡＷＧ２０５の隣接する２つの出力チャンネルにおける中心波長間隔（分離波長帯域幅）以上にＦＢＧ２０４の反射中心波長が変化した場合、図１１の物理量測定システム２０１ではその変化を検出することが難しい。なぜなら、ＦＢＧ２０４における反射中心波長の大きな変化を検出するために、出力チャンネルの幅が広いＡＷＧ２０５を用いた場合、ＬＯＧ値の変化が波長に比して緩やかになるためＦＢＧ２０４における反射中心波長の微小な変化を検出することが難しくなるからである。例えば、現在、出力チャンネルの幅が０．２、０．４、０．６、０．８、１．６ｎｍのＡＷＧ２０５が市販されている（非特許文献１参照）。これに対し、ＦＢＧ２０４の歪感度は約１．２ｐｍ／μｓｔｒａｉｎ、温度感度は約１０ｐｍ／℃であるから、１４００μｓｔｒａｉｎ以上の歪を計測する場合、ＦＢＧ２０４の反射中心波長は１．６ｎｍ以上変化する。よって、上記市販のＡＷＧ２０５でＦＢＧ２０４の反射中心波長の変化に表れた歪を計測することは困難になる。

また、ＦＢＧ２０４の反射中心波長対ＬＯＧ値特性における直線部分をＦＢＧ２０４の反射中心波長範囲に割り当てるためには、ＡＷＧ２０５とＦＢＧ２０４の厳密な反射中心波長の設計が必要である。

また、温度や歪によりＦＢＧ２０４の反射中心波長がＡＷＧ２０５の有する波長帯域の幅以上に変化した場合、ＡＷＧ２０５の歪や温度を変化させてＦＢＧ２０４の反射中心波長がＦＢＧ２０４の反射中心波長対ＬＯＧ値特性における直線部分に入るようにする必要があり、製造上、手間がかかる。

さらに、ＡＷＧ２０５は温度により各出力チャンネルの中心波長が約１０ｐｍ／℃で変化するため、ＦＢＧ２０４の反射中心波長の変化量を高精度に検出するためには、ＡＷＧ２０５の温度を一定に保つ必要があり、ヒータやペルチェ素子等を用いてＡＷＧ２０５の温度を一定に保つ温度調節装置を付加する必要がある。なお、温度による中心波長変化が温度範囲０〜６０℃にて数十ｐｍと少ないアサーマルＡＷＧも販売されている（非特許文献２参照）。しかし、アサーマルＡＷＧを用いると物理量測定システムの製造コストが高くなる。

一方、図１３に示す物理量測定システム２１１を図１５のような計測装置等に用いた場合、図１９の通り、ＡＷＧ２１６の隣接する２つの出力チャンネルの中心波長の中心にＦＢＧ２２４の反射中心波長があるとき（相対位置が０％のとき）、電圧信号の振幅が最も大きくなる。また、ＡＷＧ２１６の出力チャンネルの中心波長とＦＢＧ２２４の反射中心波長が重なるとき（相対位置が−５０％のとき）、電圧信号の振幅が最も小さくなり、相対位置が０％のときと比べて１／２０程度の電圧信号の振幅が得られない。

また、ＦＢＧ２２４は、歪測定箇所（ＦＢＧ設置箇所）の温度、歪変化によって反射中心波長が変化する。ＦＢＧの反射中心波長が変化する電圧信号の振幅が小さくなる。そこで、電圧信号の振幅が小さくならないよう、ＡＷＧ２１６の出力チャンネルの中心波長とＦＢＧ２２４の反射中心波長との相対位置を、ＦＢＧ２２４の反射中心波長の変化を測定する感度が良くなる位置に制御する必要がある。このためには、ＡＷＧ２１６の温度を調節しておき、物理量計測時にＡＷＧ２１６の隣接する２つの出力チャンネルの中心波長の中心にＦＢＧ２２４の反射中心波長が配置されるようにする必要がある。

しかしながら、ＡＷＧ２１６の温度を調節することは困難である。したがって、図１３の物理量測定システム２１１において、ＡＷＧの温度調節を行わずに大きい信号振幅を得ることができることが望まれる。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、ＡＷＧに温度調節手段を付加することなく、ＦＢＧの反射中心波長とＡＷＧの出力チャンネルの中心波長との位置関係によらず、一定の信号振幅が得られる物理量測定システムを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、ブラッグ回折格子が形成された光ファイバと、該光ファイバに接続され、上記ブラッグ回折格子の反射中心波長の変化帯域を包含する発光帯域を有する光源と、該光源と上記光ファイバの間に光分波器を介して接続され、上記ブラッグ回折格子の１／１０損失帯域内に３個以上の出力チャンネルの中心波長が含まれるアレイ導波路回折格子と、該アレイ導波路回折格子の各出力チャンネルごとの出力光を受光する受光素子と、出力チャンネルの中心波長が上記ブラッグ回折格子の反射中心波長の短波長側となる出力チャンネルに対応する受光信号から第１の信号を演算し、上記ブラッグ回折格子の反射中心波長の長波長側となる出力チャンネルに対応する受光信号から第２のグループ信号を演算し、これら第１、第２のグループ信号の差分信号から物理量による上記反射中心波長の変化を検出する反射中心波長変化検出部とを備えたものである。

上記反射中心波長変化検出部は、あらかじめ実測して得た上記差分信号と上記反射中心波長の変化の対応関係を記憶しておき、この対応関係に上記演算して得た差分信号を当てはめて上記反射中心波長の変化を検出してもよい。

上記反射中心波長変化検出部は、上記受光素子が出力する受光信号から直流成分を除去し、交流成分を上記第１、第２のグループ信号の演算に用いてもよい。

上記ブラッグ回折格子は、反射光の半値幅が上記出力チャンネルの中心波長間隔の１．６倍以上であってもよい。

上記光ファイバに反射中心波長の変化帯域が異なる複数個のブラッグ回折格子が形成され、上記アレイ導波路回折格子は各々のブラッグ回折格子の１／１０損失帯域内に３個以上ずつ出力チャンネルの中心波長が含まれてもよい。

上記ブラッグ回折格子の１／１０損失帯域内に含まれる出力チャンネルが上記ブラッグ回折格子の反射中心波長よりも短波長側と長波長側にそれぞれ３個以上存在し、上記反射中心波長変化検出部は、出力チャンネルの中心波長が短波長側となる３個以上の出力チャンネルに対応する受光信号を加算して第１のグループ信号とし、長波長側となる３個以上の出力チャンネルに対応する受光信号を加算して第２のグループ信号とし、これら第１、第２のグループ信号の差分信号から上記反射中心波長の変化を検出してもよい。

本発明は、ＡＷＧに温度調節手段を付加することなく、ＦＢＧの反射中心波長とＡＷＧの出力チャンネルの中心波長との位置関係によらず、一定の信号振幅が得られる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明に係る物理量測定システム１は、ブラッグ回折格子（ＦＢＧ）２が形成された光ファイバ３と、該光ファイバ３に接続され、上記ブラッグ回折格子２の反射中心波長の変化帯域を包含する発光帯域を有する光源４と、該光源４と上記光ファイバ３の間に光分波器５を介して接続され、上記ブラッグ回折格子２の１／１０損失帯域内に３個以上の出力チャンネルの中心波長が含まれるアレイ導波路回折格子６と、該アレイ導波路回折格子６の各出力チャンネルごとの出力光を受光する受光素子７と、出力チャンネルの中心波長がブラッグ回折格子２の反射中心波長の短波長側となる出力チャンネルに対応する受光信号から第１のグループの信号（Ａグループ信号）を演算し、ブラッグ回折格子２の反射中心波長の長波長側となる出力チャンネルに対応する受光信号から第２のグループ信号（Ｂグループ信号）を演算し、これらＡ、Ｂグループ信号の差分信号から物理量による上記反射中心波長の変化を検出する反射中心波長変化検出部８とを備えたものである。

ＦＢＧ２の１／１０損失帯域は、当該ＦＢＧ２の最大反射光量に対して１０分の１の反射光量となる波長で定義する。すなわち、反射光量が最大反射光量／１０以上となる波長帯域を１／１０損失帯域とする。

仮に、ＦＢＧ２の１／１０損失帯域を固定して考えると、該１／１０損失帯域に３個以上の出力チャンネルの中心波長が含まれるような中心波長間隔を有するＡＷＧ６を用いることで、本発明の構成とすることができる。

本実施形態では、光ファイバ３に反射中心波長の変化帯域が異なる複数個のブラッグ回折格子２が形成され、上記アレイ導波路回折格子６は各々のブラッグ回折格子２の１／１０損失帯域内に３個以上ずつ出力チャンネルの中心波長が含まれている。

光源４は、全ブラッグ回折格子２の反射中心波長の変化帯域を包含する広い発光帯域を有する広帯域光源である。

反射中心波長変化検出部８はＣＰＵで構成される。このため、受光素子（ＰＤ）７の信号をデジタル変換するＡ／Ｄ変換器（ＡＤＣ）９が設けられている。

反射中心波長変化検出部８は、３個以上の受光素子７の信号（デジタル；以下略）を１つのブラッグ回折格子２における反射中心波長の変化検出に使用する。そのアルゴリズムは、出力チャンネルの中心波長がブラッグ回折格子２の反射中心波長の短波長側となる出力チャンネルに対応する受光信号からＡグループ信号を演算し、ブラッグ回折格子２の反射中心波長の長波長側となる出力チャンネルに対応する受光信号からＢグループ信号を演算し、これらＡ、Ｂグループ信号の差分信号から物理量による上記反射中心波長の変化を検出するものである。

具体例として、１つのブラッグ回折格子２からの反射光が６個の受光素子７に受光される場合に、ブラッグ回折格子２の反射中心波長より短波長側となる３個の受光素子７から得た信号を加算してＡグループ信号とし、ブラッグ回折格子２の反射中心波長より長波長側となる３個の受光素子７から得た信号を加算してＢグループ信号とし、これらＡグループ信号とＢグループ信号との差分をとる。

さらに、反射中心波長変化検出部８は、ブラッグ回折格子２の反射中心波長の変化、つまり、変化が生じる前後の波長の差をあらかじめ実測し、そのときの上記差分信号の大きさを実測することにより、反射中心波長の変化と差分信号の大きさの対応関係を記憶しておく対応関係記憶手段を備える。この記憶を行った後には、この対応関係に演算して得た差分信号を当てはめると、反射中心波長の変化を求めることができる。

また、反射中心波長変化検出部８は、受光素子７が出力する受光信号から直流成分を除去して、交流成分のみを取り出す。この交流成分が出力電圧変化である。反射中心波長変化検出部８は、この交流成分をＡ，Ｂグループ信号の演算に用いるようになっている。

以下、ブラッグ回折格子はＦＢＧ、アレイ導波路回折格子はＡＷＧと記す。

次に、図１の物理量測定システム１の作用効果を説明する。

本発明の物理量測定システム１では、ＦＢＧ２の１／１０損失帯域内にＡＷＧ６の出力チャンネルの中心波長が３個以上含まれる。

上記構成により、ＦＢＧ２の１／１０損失帯域が３個以上の出力チャンネルにまたがるので、ＦＢＧ２の反射光がＡＷＧ６に入射されると、これらの出力チャンネルに対応する３個以上の出力チャンネルに該反射光が現れることになる。ＦＢＧ２の反射中心波長が変化すると、３個以上の出力チャンネルに設置された受光素子７において、信号振幅が変化する。

本発明者は、鋭意研究により、ＦＢＧ２の１／１０損失帯域内にＡＷＧ６の３個以上の出力チャンネルの中心波長が含まれるように構成し、上記アルゴリズムを適用することにより、相対位置に起因する感度低下を解消することができることを見出した。相対位置に起因する感度低下が解消されると、ＡＷＧの温度が変化して出力チャンネルの中心波長が変動しても受光信号には影響が及ばない。その結果、ＡＷＧの温度調整が不要となると共に、ＦＢＧの反射中心波長の微小変化を精度良く検出できるようになる。

ここで、従来のＡＷＧにおいて、隣接する出力チャンネルの中心波長の間隔を１．６ｎｍとし、出力チャンネルの半値幅を０．８ｎｍとし、最大透過率を１００％とし、透過特性の波形形状をガウス形状とする。さらに、このＡＷＧにおいて、１５３９〜１５４３．８ｎｍの波長範囲に４つの出力チャンネルの中心波長が含まれるものとする。一方、ＦＢＧにおいて、反射光の半値幅を０．８ｎｍとし、最大透過率を１００％とし、反射特性の波形形状をガウス形状とする。

図２に示されるように、最大反射光量に対して１０分の１の反射光量となる波長で定義したＦＢＧの１／１０損失帯域は、１．５ｎｍとなる。この１／１０損失帯域はＡＷＧの中心波長の間隔より小さい。よって、ＦＢＧの１／１０損失帯域内にＡＷＧの中心波長は最大でも１個しか入らない。つまり、本発明の構成とはならない。

図１の物理量測定システム１では、例えば、ＡＷＧ６において、隣接する出力チャンネルの中心波長の間隔を０．４ｎｍとし、出力チャンネルの半値幅を０．２ｎｍとし、最大透過率を１００％とし、透過特性の波形形状をガウス形状とする。さらに、このＡＷＧ６において、１５３９〜１５４３．８ｎｍの波長範囲に１３個の出力チャンネルの中心波長が含まれるものとする。一方、ＦＢＧ２において、反射光の半値幅を０．８ｎｍとし、最大透過率を１００％とし、反射特性の波形形状をガウス形状とする。

図３に示されるように、最大反射光量に対して１０分の１の反射光量となる波長で定義したＦＢＧ２の１／１０損失帯域は、図２と同様に、１．５ｎｍとなる。しかし、この１／１０損失帯域はＡＷＧ６の中心波長の間隔より大きい。ＦＢＧ２の１／１０損失帯域内にＡＷＧ６の中心波長は３個入る。つまり、本発明の構成となる。

具体的には、以下の式を満たすことで、本発明の構成を実現できる。

（１／１０損失帯域の幅）
＞（ＡＷＧの出力チャンネルの中心波長の間隔）×３（１）
ところで、ＦＢＧの反射特性を表す値としては、半値幅が一般的である。そこで、上記１／１０損失帯域を半値幅に置き換えることを考える。反射特性の波形形状をガウス形状とした場合、ＦＢＧの半値幅と１／１０損失帯域の幅との関係は、図４に示されるように、ほぼリニアに対応しており、その傾斜は０．５４である。

つまり、半値幅は、１／１０損失帯域の幅の約半分（０．５４）である。よって、
（ＦＢＧの半値幅）＞
｛（ＡＷＧの出力チャンネルの中心波長の間隔）×３×０．５４｝
（２）
となる。すなわち、ＡＷＧの出力チャンネルの中心波長の間隔の１．６倍以上の半値幅を有するＦＢＧを用いることにより、ＡＷＧの出力チャンネルが順次隣接した３個以上の出力チャンネルからＦＢＧの反射光を出力することができる。よって、この場合も、相対位置に起因する感度低下を解消することができる。

次に、図１５の弾性波計測装置２２１に本発明の物理量測定システム１を応用する場合を説明する。

図５に示されるように、ＦＢＧ２の半値幅を０．５ｎｍとし、ＡＷＧ６の出力チャンネルの中心波長の間隔が０．２ｎｍとする。ＦＢＧ２の１／１０損失帯域内には、ＡＷＧ６の出力チャンネル第２ｃｈ〜第７ｃｈの出力チャンネルが含まれる。

この設定において、弾性波を計測する実験を行う。ＰＺＴアクチュエータ２２３に印加する信号は図１６に示した電圧信号（ＰＺＴｉｎｐｕｔ）とする。ＡＷＧ６の出力チャンネル第２ｃｈ〜第４ｃｈに対応するＰＤ７からＡＤＣ９へ出力され、ＡＤＣ９にて出力された各出力（交流成分による電圧信号）の変化は、図６のようになる。すなわち、各出力の変化は同じ周期を持ち、正負も同じである。第３ｃｈからの出力が最も振幅が大きい。これは、第３ｃｈの透過帯域においてＦＢＧ反射特性の曲線が最も急峻で、第４ｃｈの透過帯域では、ＦＢＧ反射特性の曲線がなだらかであるためである。

また、ＡＷＧ６の出力チャンネル第５ｃｈ〜第７ｃｈに対応するＰＤ７からＡＤＣ９へ出力され、ＡＤＣ９にて出力された各出力（交流成分による電圧信号）の変化は、図７のようになる。すなわち、各出力の変化は同じ周期を持ち、正負も同じである。第６ｃｈからの出力が最も振幅が大きい。これは、第６ｃｈの透過帯域においてＦＢＧ反射特性の曲線が最も急峻で、第７ｃｈの透過帯域では、ＦＢＧ反射特性の曲線がなだらかであるためである。

ＡＷＧ６の出力チャンネル第２ｃｈ〜第４ｃｈに対応する各ＡＤＣ９から出力される各出力を加算してＡグループ信号とし、ＡＷＧ６の出力チャンネル第５ｃｈ〜第７ｃｈに対応する各ＡＤＣ９から出力される各出力を加算してＢグループ信号とする。図８に示されるように、Ａグループ信号とＢグループ信号は、同じ周期で交互に正負が反転する信号となる。

Ａグループ信号とＢグループ信号の差分をとることにより、図９に示されるように、ＦＢＧ２の反射中心波長の変化を電圧で表した差分信号の波形が得られる。なお、この信号にノイズが含まれる場合、複数回の測定、例えば、１０００回の測定を行って、平均することによりノイズを除去することができる。

図９には、比較のため図１８に示した従来技術による差分信号を記入してある。図９によると、図１５のＰＺＴアクチュエータ２２２から発生した同じ歪みに対して、ＡＷＧ６の出力チャンネルの中心波長の間隔が０．２ｎｍであって１つのＦＢＧ２からの反射光が６個の出力チャンネルから出力される本発明は、ＡＷＧ２１６の出力チャンネルの中心波長の間隔が０．８ｎｍであって１つのＦＢＧ２１４からの反射光が２個の出力チャンネルからしか出力されない従来技術に比べて大きな電圧変化を得ることができる。

図１０に、本発明における相対位置対振幅特性を示す。本発明は、相対位置が−５０〜０％の間、従来技術よりも振幅が大きいことが分かる。また、本発明波は、相対位置が０％から−５０％に変化しても、従来技術に比して振幅が大きく低下しないことが分かる。相対位置に対する振幅低下がないということは、相対位置に対する感度低下がないということである。

このことから、本発明では、従来のようにＡＷＧ２１６の出力チャンネルの中心波長の中心にＦＢＧ２１４の反射中心波長が存在するようにＡＷＧ２１６の温度調整を行わなくても、ほぼ一定の信号振幅が得られる。

以上の実施形態では、ＦＢＧ２の１／１０損失帯域内にＡＷＧ６の出力チャンネルである第２ｃｈ〜第７ｃｈの６個の出力チャンネルの中心波長が含まれるものとし、第２ｃｈ〜第４ｃｈをＡグループとし、第５ｃｈ〜第７ｃｈをＢグループとしたが、本発明はこれに限定されない。

出力チャンネルのグループ分けは、ＦＢＧの反射中心波長より短波長側のグループと長波長側のグループとを作ればよく、１グループは１出力チャンネル以上で作ることができる。また、両グループ内に出力チャンネルが同数ある必要はない。

本発明の一実施形態を示す物理量測定システムの構成図である。従来の物理量測定システムにおけるＦＢＧ反射特性とＡＷＧ透過特性を示す図である。本発明の物理量測定システムにおけるＦＢＧ反射特性とＡＷＧ透過特性を示す図である。ＦＢＧの半値幅と１／１０損失帯域の幅との関係を示す図である。本発明の物理量測定システムにおけるＦＢＧの反射特性とＡＷＧのチャンネル別透過特性を示す波長対損失特性図である。ＡＷＧの第２ｃｈ〜第４ｃｈの出力の出力電圧変化を示す時間波形図である。ＡＷＧの第５ｃｈ〜第７ｃｈの出力の出力電圧変化を示す時間波形図である。第２ｃｈ〜第４ｃｈの出力電圧変化を加算したＡグループ信号と第５ｃｈ〜第７ｃｈの出力電圧変化を加算したＢグループ信号の出力電圧変化を示す時間波形図である。本発明（図８）の２つのグループ信号を差分した差分信号と従来技術（図１７，１８）による差分信号の時間波形図である。本発明の物理量測定システムにおける相対位置対振幅特性と図１９の従来技術における相対位置対振幅特性である。従来の物理量測定システムの構成図である。ＦＢＧの反射中心波長対ＬＯＧ値特性図である。従来の物理量測定システムの構成図である。従来におけるＦＢＧの反射特性とＡＷＧのチャンネル別透過特性を示す波長対損失特性図である。弾性波計測装置の構成図である。ＰＺＴアクチュエータへの入力電圧信号の時間波形図である。ＡＷＧの２つの出力チャンネルの出力の出力電圧変化を示す時間波形図である。図１７に示した２つの出力チャンネルの出力を差分した差分信号の出力電圧変化を示す時間波形図である。従来の物理量測定システムにおける相対位置対振幅特性図である。

符号の説明

１物理量測定システム
２ブラッグ回折格子（ＦＢＧ）
３光ファイバ
４光源
５光分岐器
６アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）
７受光素子（ＰＤ）
８反射中心波長変化検出部（ＣＰＵ）
９Ａ／Ｄ変換器

Claims

ブラッグ回折格子が形成された光ファイバと、該光ファイバに接続され、上記ブラッグ回折格子の反射中心波長の変化帯域を包含する発光帯域を有する光源と、該光源と上記光ファイバの間に光分波器を介して接続され、上記ブラッグ回折格子の１／１０損失帯域内に３個以上の出力チャンネルの中心波長が含まれるアレイ導波路回折格子と、該アレイ導波路回折格子の各出力チャンネルごとの出力光を受光する受光素子と、出力チャンネルの中心波長が上記ブラッグ回折格子の反射中心波長の短波長側となる出力チャンネルに対応する受光信号から第１のグループ信号を演算し、上記ブラッグ回折格子の反射中心波長の長波長側となる出力チャンネルに対応する受光信号から第２のグループ信号を演算し、これら第１、第２のグループ信号の差分信号から物理量による上記反射中心波長の変化を検出する反射中心波長変化検出部とを備えたことを特徴とする物理量測定システム。
上記反射中心波長変化検出部は、あらかじめ実測して得た上記差分信号と上記反射中心波長の変化の対応関係を記憶しておき、この対応関係に上記演算して得た差分信号を当てはめて上記反射中心波長の変化を検出することを特徴とする請求項１記載の物理量測定システム。
上記反射中心波長変化検出部は、上記受光素子が出力する受光信号から直流成分を除去し、交流成分を上記第１、第２のグループ信号の演算に用いることを特徴とする請求項１又は２記載の物理量測定システム。
上記ブラッグ回折格子は、反射光の半値幅が上記出力チャンネルの中心波長間隔の１．６倍以上であることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の物理量測定システム。
上記光ファイバに反射中心波長の変化帯域が異なる複数個のブラッグ回折格子が形成され、上記アレイ導波路回折格子は各々のブラッグ回折格子の１／１０損失帯域内に３個以上ずつ出力チャンネルの中心波長が含まれることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の物理量測定システム。
上記ブラッグ回折格子の１／１０損失帯域内に含まれる出力チャンネルが上記ブラッグ回折格子の反射中心波長よりも短波長側と長波長側にそれぞれ３個以上存在し、上記反射中心波長変化検出部は、出力チャンネルの中心波長が短波長側となる３個以上の出力チャンネルに対応する受光信号を加算して第１のグループ信号とし、長波長側となる３個以上の出力チャンネルに対応する受光信号を加算して第２のグループ信号とし、これら第１、第２のグループ信号の差分信号から上記反射中心波長の変化を検出することを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の物理量測定システム。