JP6062104B2

JP6062104B2 - 光ファイバセンサ装置

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Inventors: 義謙森本; 黒川　貴弘; 貴弘黒川; 渡辺　康一; 康一渡辺
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Description

本発明は，光ファイバの各測定地点に設けられた光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサ部により測定対象物の歪みや温度などの状態計測装置及び方法に関する。

近年，センサを用いて測定対象物の温度や歪み，圧力などの状態を計測するニーズがある。そのなかでも，光ファイバがもつ無誘導性，防爆性，耐腐食性などの実用上の利点により，光ファイバＦＢＧセンサが注目されている。ここで，図２１に従来のＦＢＧセンサの構造を示す。ＦＢＧは光ファイバのコア部２１０１の長手方向に周期的に屈折率を変化させ回折格子２１０３を形成した光デバイスで，ブラッグ反射により所定波長の光信号のみを反射する特性を有する。反射する光信号の波長（ブラッグ波長）λ_Bは，光ファイバコアの実効屈折ｎ_effと屈折率分布の幅Λを用いた以下の式（１）で示される。

［式１］

従来のＦＢＧセンサでは，測定対象物の複数位置の状態を計測しようとした場合，光源の光量を増加させてもブラッグ反射のＳＮＲを改善することはできず，多点計測に必要十分なＳＮＲを確保できなくなるという問題があった。

特許文献１には，計測用ＦＢＧセンサからの反射光（信号光）と参照用ＦＢＧセンサからの反射光（参照光）を干渉させて両者の波長差に対応したビート信号を検出することにより波長変化の測定精度を高め，測定対象物の状態（温度や歪み）を計測する方法が開示されている。

特開平１１−２９５１５３号公報

特許文献１では信号光と参照光を干渉させているが，ブラッグ反射のＳＮＲを改善することを狙ったものではない。一方，光の干渉を利用して信号光を増幅する方法としてホモダイン検出がある。しかし，実際にホモダイン検出を用いて多点計測する場合，干渉光を得るためには，信号光と参照光は波長が同じでなければならず，かつ両者の位相差は０付近に固定する必要がある。しかし，信号光伝搬用芯線と参照光伝搬用芯線が置かれる環境が異なると，両者のブラッグ波長の変化量が異なるため信号光と参照光の波長が同じにはならない。更に，各芯線の伸縮量が異なるため，信号光と参照光の光路長が変動し，位相差がほぼ０とならず，干渉信号を得ることができなくなるという問題がある。また，もし干渉信号を得ることができたとしても，出力信号が安定しないため，実用的でない。

本発明は，上述のような問題点を解決するためになされたものであり，環境変動により信号光と参照光間に光路長差が生じることを抑制し，信号光と参照光の位相差がセンサ出力に与える影響を除外し，一定の信号光増幅率が可能となる光ファイバセンサを提供するものである。

本発明では，マルチコアファイバ等を用いて信号光伝搬用芯線と参照光伝搬用芯線を一本化することで，あらゆる計測点において信号光伝搬用芯線と参照光伝搬用芯線を同一環境下におき，環境変動により生じるブラッグ波長の変化を信号光と参照光でほぼ同一にし，ブラッグ波長が変化しても信号光と参照光が干渉できるようにする。また，環境変動により生じる信号光伝搬用芯線と参照光伝搬用芯線の伸縮量の違いを無くす。すなわち，環境変動による信号光と参照光間の波長差変動及び光路長差変動を抑制し，信号光と参照光を合波させ干渉信号を生成する。

本発明による光ファイバセンサ装置は，光源と，ほぼ並列に配置された複数の芯線を有し，少なくとも１つの芯線は信号光伝搬用として用いられ，他の少なくとも１つの芯線は参照光伝搬用として用いられ，長手方向の複数の個所にＦＢＧセンサ部が設けられ，各ＦＢＧセンサ部には信号光伝搬用の芯線と参照光伝搬用の芯線に同一のブラッグ波長を有するＦＢＧが対をなして形成されている光ファイバセンサと，各ＦＢＧセンサ部から信号光伝搬用芯線を通って戻ってくる信号光と参照光伝搬用芯線を通って戻ってくる参照光同士を合波させて互いに位相関係が異なる複数の干渉光を生成する干渉光学系と，生成された複数の干渉光を検出する検出部と，検出部の出力を演算して信号光の強度を表す信号を発生する演算部と，を有する。

１つの参照光伝搬用の芯線には１つの信号光伝搬用の芯線に形成されたＦＢＧより少ない数のＦＢＧが形成されており，信号光伝搬用の芯線に形成されたＦＢＧの反射率は参照光伝搬用の芯線に形成されたＦＢＧの反射率より小さい。一例として，参照光伝搬用の芯線の数をＦＢＧセンサ部の数以上とし，１つの参照光伝搬用の芯線には１つのＦＢＧを形成するようにすることができる。

以下具体的な手段について説明する。環境要因以外（ＦＢＧ加工精度や敷設方法等）で信号光と参照光間の光路長差がほぼ０ではない場合には，下記（１）〜（４）のようにして参照光の光路長を信号光と一致させ干渉光を生成する。

（１）一例として，光源として波長可変レーザを用いる場合，レーザ光のコヒーレンス長は実際上，光ファイバの熱膨張や振動により変化する信号光と参照光の光路長差の最大値以上である。また，このコヒーレンス長は，信号光伝搬用と参照光伝搬用に設けられたＦＢＧセンサの作製や光ファイバ敷設時に生ずる信号光と参照光の間の光路長差よりも大きい。

これにより，光源として波長可変レーザを用いる場合，すなわちレーザ光のコヒーレンス長が長い状態においては，信号光と参照光の間の光路長差の調整を容易に行うことができる。また，参照光ミラーを走査する必要がないため，参照光の光軸ずれによるＳＮＲの減少を防ぐことができる。

（２）一例として，光源として高コヒーレンス光源を用いる場合，光路長調整手段としてミラーの位置を変調するＰＺＴ素子などの圧電素子を用い，参照光の光路長を高速変調させ微調整することとした。ここで高コヒーレンスとは，コヒーレンス長が光ファイバの熱膨張や，振動，センサ敷設，およびFBGの加工位置精度が原因で生じる信号光と参照光の光路長変化後の光路長差の最大値以上のことをいう。また，具体的には，高コヒーレンス光源とは１０μｍ以上１ｋｍ以下のコヒーレンス長を有する光源のことを指す。

これにより，ミラーの位置を変調する際にミラーに傾きが生じてもミラーを反射した参照光の角度は変化しないため，信号光と参照光の干渉効率の低下を防ぐことができる。

（３）一例として，光源としてスーパーコンティニューム（ＳＣ）光やスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）などの広帯域光源を用いる場合，レーザ光のコヒーレンス長はＦＢＧセンサの作製や光ファイバ敷設により生じる信号光と参照光の間の光路長差以下である。そのため，参照光の光路長を信号光と精度よく合わせる必要がある。光路長調整手段としては，移動ステージ等でミラーを駆動して参照光の光路長を粗調整し，その後ミラーの位置を圧電素子で微調整して参照光の光路長を信号光に一致させる構成とする。

これにより，信号光と参照光の干渉効率が低下しないため信号光を増幅することができる。

（４）一例として，光源として低コヒーレンス光源を用いる場合，光路長調整手段は，コーナーキューブプリズムの位置を可動ステージ駆動により移動し粗調整を行い，コーナーキューブプリズムの位置を変調する圧電素子で参照光の光路長を微調整することとした。ここで，低コヒーレンスとは，コヒーレンス長が光ファイバの熱膨張や，振動，センサ敷設が原因で生じる信号光と参照光の光路長変化後の光路長差の最大値以下のことをいう。

これにより，駆動によりコーナーキューブプリズムに傾きが生じてもコーナーキューブプリズムで再帰反射した参照光の角度は変化しないため，信号光と参照光の干渉効率の低下を防ぐことができる。

（５）一例として，光ファイバとして並列に配置された複数の芯線を有するマルチコア光ファイバを用いる。

これにより，複数の芯線のうち少なくとも１つを信号光伝搬用，それ以外を参照光伝搬用とし，それぞれの測定地点にＦＧＢセンサを配置できるため，温度変化や振動により光ファイバに歪みが生じた場合でも，信号光と参照光の間の光路長差変化が小さい。そのため，信号光と参照光の干渉効率の低下を防ぐことができる。

（６）一例として，光ファイバとして複数の芯線が並列に配置されたリボン光ファイバを用いる。

これにより，前述（５）と同等の効果に加え，リボン光ファイバは通信用途で量産されていて特殊な光ファイバより低価格なため，安価な光ファイバセンサを提供することができる。

（７）一例として，複数の芯線がほぼ並列に配置された光ファイバにブラッグ波長の異なるＦＢＧを複数配置する。

これにより，広帯域光源又は単一掃引型波長光源の波長帯域を有効に活用できるため，複数箇所において測定対象物の状態を計測することが可能となる。

（８）一例として，複数の芯線がほぼ並列に配置された光ファイバとして偏波保持特性を有する光ファイバ用いる。

これにより，外乱による偏波状態の撹乱を抑制できるため，信号光と参照光の干渉効率の低下を防ぐことができる。

本発明の光ファイバＦＢＧセンサを用いることで，あらゆる計測点において，環境変動による信号光と参照光間の波長差変動及び光路長差変動を抑制できるとともに，信号光と参照光の位相差がセンサ出力に与える影響も除外でき，安定して干渉光を得ることができる。このことにより増幅した信号を得て測定可能距離を伸ばすことができ，複数位置計測に適した光ファイバセンサ装置を提供することができる。

上記した以外の、課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

光ファイバセンサ装置の全体構成例を示す模式図。光ファイバセンサの適用例を示す模式図。光ファイバセンサの光分岐部の構成例を示すブロック図。光ファイバセンサ装置のホモダイン検波部の構成例を示す模式図。光ファイバセンサ装置の信号処理部の構成例を示すブロック図。光源の特性の一例を示す図。並列に配置された複数の芯線を有する光ファイバの例を示す断面図。信号光と参照光の間の光路長差と干渉信号の振幅の一例を示す模式図。従来のＦＢＧセンサと本発明のＦＢＧセンサの測定可能距離の比較図。高コヒーレンス光源を用いた場合の計測の手順を説明するフローチャート。本発明による光ファイバセンサ装置の実施例を示す模式図。光源の特性を示す図。信号光と参照光の間の光路長差と干渉信号の振幅の一例を示す図。低コヒーレンス光源を用いた場合の光路長調整の手順を示すフローチャート。コーナーキューブプリズムへの入射光と反射光の関係を示す図。ブラッグ波長の異なる複数のＦＢＧを連装した光ファイバセンサの例を示す模式図。単一ブラッグ波長のＦＢＧのみ配置したセンサと複数ブラッグ波長のＦＢＧを配置したセンサの測定可能距離を比較した図。複数の信号光伝搬用芯線を有する光ファイバセンサの例を示す模式図。複数の信号光伝搬用芯線を有する光ファイバセンサの測定可能距離の例を示す図。並列に配置された複数の芯線を有する光ファイバを示す一例の図。従来のＦＢＧセンサの構造を示す図。光ファイバセンサ装置の出力画面に表示された橋梁の歪みの分布状況を示す一例の図。

以下，図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

本実施例の光ファイバセンサ装置は，例えば図２に概略を示すように，光ファイバを建造物の状態測定用センサとして用い，建造物の所定位置の長尺方向における歪み，圧力や温度を高精度に測定するものである。

図１は，本実施例の光ファイバセンサ装置の全体構成を示す模式図である。本実施例の装置は，検査光発生部１１０，光分岐部１２０，光ファイバセンサ１３０，ホモダイン検波部１４０，信号処理部１５０と，出力部１６０とを備えている。

検査光パルス発生部１１０は，検査パルス光を発生し，検査パルス光は光分岐部１２０を介し，光ファイバセンサ１３０に入射する。検査光発生部は，光源１１１，光強度変調器１１２，パルス発生器１１３を備える。光強度変調器１１２及び光パルス発生器１１３は，光源１１１から発生された連続光から短パルス光を生成する機能を有する。

光分岐器１２０は，光源１１１からの光を少なくとも１つの信号光と少なくとも１つの参照光とに分岐し，この分岐した光を光ファイバセンサ１３０の複数芯線に供給する。光分岐器１２０では，パルス光源からの光を光カプラで信号光と参照光に２分岐した後，信号光又は／及び参照光を光カプラにより所望の数に分岐する。本実施例では，例えば図３に示すように，パルス光源からの光を光カプラ（１×２）３０１で信号光と参照光に２分岐した後，参照光を光カプラ（１×Ｎ）３０４により所望の数に分岐する。また，光ファイバセンサ１３０内の各計測箇所に配置したＦＢＧから戻ってくる信号光と参照光は別々のサーキュレータ３０２／３０５を介し，それぞれ信号光伝搬用光ファイバ１２１ａと参照光伝搬用ファイバ１２１ｂを伝搬し，ホモダイン検波部１４０に供給される。

光ファイバセンサ１３０は並列に配置された複数の芯線を有する光ファイバセンサであり，少なくとも１つを信号光伝搬用芯線１３３，その他を参照光伝搬用芯線１３４とする。光ファイバセンサ１３０には複数の測定地点が設定されており，各測定地点にはＦＢＧセンサ部１３２が設けられている。ＦＢＧセンサ部１３２には，信号光伝搬用芯線１３３と参照光伝搬用芯線１３４に同じブラッグ波長のＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）１３１が対をなして形成されている。各ＦＢＧセンサ部１３２に対をなして形成されたＦＢＧ１３１は光源１１１から出射された光のコヒーレンス長の範囲内に配置するのが好ましい。

図４は，ホモダイン検波部１４０の基本的な構成例を示す模式図である。信号光及び参照光はそれぞれ信号光伝搬用光ファイバ４０１及び参照光伝搬用光ファイバ４０２から出射される。それぞれの出射レーザ光はコリメートレンズ４０３によって平行光に変換され，信号光はミラー４０４によって反射された後，偏光ビームスプリッタ４０５へ入射する。一方，参照光は平行光に変換された後，偏光ビームスプリッタ４０５を透過し，λ／４板４０６を透過し，偏光状態をｐ偏光から円偏光に変換され，光路長微調整手段である圧電素子（ＰＺＴ素子）４０８に搭載されているミラー４０７で反射された後，λ／４板４０６によって偏光状態を円偏光からｓ偏光に変換されて偏光ビームスプリッタ４０５へ入射する。

信号光と参照光は偏光ビームスプリッタ４０５で合波され，合成光が生成される。合成光はハーフビームスプリッタ４１０，λ／２板４１１，λ／４板４１２，集光レンズ４１３，４１４，ウォラストンプリズム４１５，４１６から成る干渉光学系４１７へ導かれる。干渉光学系４１７へ入射した合成光は，ハーフビームスプリッタ４１０によって透過光と反射光に２分岐される。透過光は光学軸が水平方向に対して約２２．５度に設定されたλ／２板４１１を透過した後，集光レンズ４１３によって集光され，ウォラストンプリズム４１５によって偏光分離されることにより互いに位相関係が１８０度異なる第一の干渉光と第二の干渉光が生成される。第一の干渉光と第二の干渉光は電流差動型の光検出器４１８によって検出され，それらの強度の差に比例した信号４２０が出力される。

一方，ハーフビームスプリッタ４１０で反射された光は光学軸が水平方向に対して約４５度に設定されたλ／４板４１２を透過した後，集光レンズ４１４によって集光され，ウォラストンプリズム４１６によって偏光分離されることにより互いに位相関係が１８０度異なる第三の干渉光と第四の干渉光が生成される。ここで，第三の干渉光は第一の干渉光に対して位相が９０度異なる。第三の干渉光と第四の干渉光は電流差動型の光検出器４１９によって検出され，それらの強度の差に比例した信号４２１が出力される。このようにして生成された信号４２０，４２１は信号処理部１５０に入力され，演算されることにより信号光の振幅に比例した信号が得られる。この信号をもとに演算された人工建造物の歪みや圧力，温度が出力部１６０に表示される。

ここで，干渉光学系４１７の動作原理について数式を用いて詳細に説明する。信号光の振幅をＥ_sig，参照光の振幅をＥ_refとし，干渉光学系４１７へ入射する時点での合成光のジョーンズベクトルを
［式２］

と表すこととすると，ハーフビームスプリッタ４１０を透過し，さらにλ／２板４１１を透過した後の合成光のジョーンズベクトルは次のようになる。

［式３］

式（３）で示される合成光はウォランストンプリズム４１５によってｐ偏光成分とｓ偏光成分に偏光分離された後，電流差動型の光検出器４１８によって差動検出されるので，検出信号４２０は以下の様に表される。

［式４］

ここで，θ_sig，θ_refはそれぞれ複素数Ｅ_sig，Ｅ_refを極座標表示で表した際の位相である。簡単のため検出器の変換効率は１とした。

一方，ハーフビームスプリッタ４１０で反射され，さらにλ／４板４１２を透過した後の合成光のジョーンズベクトルは次のようになる。

［式５］

ウォランストンプリズム４１６によって，式（５）で示される合成光はｐ偏光成分とｓ偏光成分に偏光分離された後，電流差動型の光検出器４１９によって差動検出されるので，検出信号４２１は以下の様に表される。

［式６］

これらの出力に対して，信号処理部１５０にて以下の演算を行うことにより，信号光と参照光の位相差に依存しない，信号光の強度に比例した増幅信号が得られる。

［式７］

上記の様に干渉光学系４１７では位相が互いに９０度ずつ異なる４つの干渉光を生成して検出することにより位相に依存しない信号を得るが，原理的には生成される干渉光が３つ以上であれば干渉光がいくつであっても同様の信号を得ることができる。例えば，位相が互いに６０度ずつ異なる３つの干渉光を生成して検出することにより，式（７）に示されるのと同一の信号を得ることができる。

信号処理部１５０は，具体的にはＣＰＵやメモリ（ＲＯＭ，ＲＡＭ）などから構成され，これらの組合せにより各種機能を実現している。例えば，信号光と参照光の干渉信号から干渉度合いを推定し，推定結果に基づいて信号光と参照光の間の光路長差を算出し，後述の使用する光路長調整手段を決定する機能を有している。

図５は，信号処理部１５０の構成例を示すブロック図である。信号処理部１５０は，信号評価部，光路長調整部，スペクトル検出部，温度・歪み算出部，記憶部を有する。信号評価部は光源の駆動パワー，光路長調整時の条件などの取得，信号光と参照光の合波信号から干渉光振幅を算出する機能を有しており，取得した情報は記憶部へ記憶される。更には，反射光の信号データを時間毎に計測してブラッグ波長のシフト量の時間履歴データを取得し，時間履歴データを記憶部及びスペクトル検出部に送る。すなわち，記憶部ではある時刻ｔに取得したブラック波長変化信号データと，そのブラッグ波長変化信号データの時間的に前後に取得したブラッグ波長信号データとを保持し，それらのデータをスペクトル検出部に送る。

光路長調整部は，信号評価部より取得した信号光と参照光の合波信号の評価結果に基づき，干渉光を生成及び干渉度を最適化するための調整手段を決定する処理部である。すなわち，参照光の光路長を信号光と同等にするため，参照光の光路長を微調整及び／又は粗調整を行うかを決定し，各ＦＢＧに対する参照光の物理的な調整量に関わるデータを記憶部及び制御部４２４に出力する。これにより，所望の計測位置に配置されている各ＦＢＧに対する光路長調整は一度調整を行い，その絶対値を，例えば，テキスト形式で記憶部に記憶しておくことができる。従って，次回の計測を行う際は，記憶部に記憶してある前回の光路長調整量を参照すればよい。もし，調整量が前回と異なる場合は記憶部のテキスト形式ファイルを新たな調整量で上書き保存すれば良い。

スペクトル検出部では記憶部から供給されたデータに基づきブラッグ波長からＦＢＧ反射中心波長を求め，その中心波長データを信号処理部１５０の記憶部並びに温度・歪み算出部に転送する。このとき，スペクトル検出部ではある時刻ｔに取得したブラック波長変化信号データと，そのブラッグ波長変化信号データの前後に取得したブラッグ波長信号データから，十分に長い時間でのブラッグ波長の平均シフト量を求め，平均シフト量データを記憶部ならびに温度・歪み算出部に送る。

温度・歪み算出部は，記憶部から読み出したスペクトル検出部の情報に基づき，ブラッグ波長信号データから温度起因のシフト量を除去し，測定対象物の歪み量を出力部１６０に供給する。また，温度・歪み算出部は高速計算の実行能力に加え，構造変形のグラフィック表示能力を備えており，歪み分布状況などのグラフィックデータをも出力部１６０に同時に供給することも可能である。

次に，上述した光ファイバセンサ装置を用い，信号光と参照光を合波させ，光の干渉を利用して信号光を増幅することで，測定対象物を多点計測する方法を説明する。信号光を増幅させる方法としては，上述した光ファイバセンサ装置の構成で説明したとおり，信号光と参照光とをハーフビームスプリッタ等を用いて干渉させる。そして，２つの干渉光を異なる２つの検出器で検出する。このとき，２つの検出器出力の差動信号を取ると，２η（Ｉ_s・Ｉ_r）^1/2cosΔφとなり，干渉項のみが残る。これがホモダイン検出の出力信号である。ここで，ηは検出器の変換効率，Ｉ_s，Ｉ_rはそれぞれ信号光と参照光の強度，Δφは信号光と参照光の間の位相差である。参照光を用いずに信号光を直接検出した場合の出力は２η・Ｉ_sとなるので，参照光の導入により出力を（Ｉ_r/Ｉ_s）^1/2cosΔφ倍できる。そのため，Ｉ_r≫Ｉ_s，Δφ≒０とすることにより，大幅な信号増幅が可能となる。

図６は，本実施例による人工建造物の状態（歪み）評価方法で用いられる光源の特性の一例を示す図である。評価用の光源は所望の周波数の光（連続光）を射出することができ，温度や駆動電流を調整することにより発振波長（発振周波数）を変えることができる掃引型単一波長光源とした。図６に示すように，本実施例では，例えばスペクトル線幅が＜１０ＭＨｚと狭く，波長を０．１ｎｍ刻みで変更できる光源を用いた。これにより，最大コヒーレンス長が，例えば２．５ｍ程度と長いため，参照光と信号光の間の光路長調整を容易に行うことができ，信号光を増幅できるため長距離測定が可能となる。ここで，コヒーレンス長の最大値は，図６に示す干渉度５０％のときの値を指す。なお，評価用に用いる光源のコヒーレンス長は短くても良いが，ＦＢＧ作製やファイバ敷設により生じる信号光と参照光の光路長差より長い必要がある。

図７（ａ）は，人工建造物の状態（歪み）をセンシングする際に用いる，並列に配置された複数の芯線を有する光ファイバの例を示す断面図である。従来のＦＢＧファイバセンサに用いられる光ファイバは信号光伝搬用の１芯のみを有するが，本実施例では図７（ａ）に示すように，環境変動に影響されず信号光を増幅する方法として，例えば，マルチコア光ファイバの複数芯線のうち１芯を信号光伝搬用，それ以外の芯線を参照光伝搬用として使用した。この場合，各測定地点に配置されるＦＢＧセンサから反射される信号光と参照光の光路長差はコヒーレンス長の最大値よりも小さい。更に，本実施例では，ＦＢＧのブラッグ波長がすべて同一なものを所望の測定地点に配置した。マルチコア光ファイバの複数の芯線を信号光伝搬用と参照光伝搬用として用い，測定地点の信号光伝搬用芯線と参照光伝搬用芯線に各々ＦＢＧを設けることにより，信号光伝搬用芯線のＦＢＧと参照光伝搬用芯線のＦＢＧは同じ環境に置かれることになり人工建造物の状態（歪み）や環境温度から同じ影響を受け，両者のブラッグ波長の波長シフトは同じ値を示す。従って，環境の影響を受けて信号光と参照光のブラッグ波長が変化したとしても，両者は干渉光学系４１７で干渉することができる。

信号増幅にあたり，信号光と参照光を干渉させるため，光路長調整を実施した。光路長調整には粗調整と微調整がある。ここで微調整とは圧電素子で調整可能なナノメートルからマイクロメートルオーダーの長さのことをいう。図８は，高コヒーレンス光源を用いた本実施例における信号光と参照光の光路長差と干渉信号の振幅を示した模式図である。図８の上の図は信号光と参照光の光路長差に対する干渉信号振幅を示す模式図であり，下の３つの図は上の図の（ａ）（ｂ）（ｃ）の３つの点に対応する干渉信号の模式図である。本実施例ではコヒーレンス長が長い光源を用いているため可干渉距離が長く，信号光と参照光の間に数センチメートルオーダーの光路長差が生じた場合においても，信号光と参照光は干渉する（図８（ａ）（ｂ）（ｃ））。但し，光ファイバセンサ装置の長距離化を実現するため，振幅ピーク値（図８（ｂ））の９０％以上になるよう圧電素子４０８を用いて光路長を微調整した。

実際にホモダイン検出により信号増幅を行い，光ファイバセンサ装置の長距離化を検討した。まず，本実施例では，信号光伝搬用芯線内及び参照光伝搬用芯線内のＦＢＧ反射率をそれぞれ１％と１００％と設定し，信号光伝搬用芯線内のＦＢＧを２．５ｋｍ間隔に配置した。微弱な信号光を高強度の参照光により増幅するため，参照光強度を信号光強度の約４倍になるように光源から出射した光を分岐した。ＦＢＧのブラッグ波長は伝送損失を抑制するため１５５０ｎｍとした。また，本実施例における測定可能距離は，ブラッグ反射のピークを高精度に検出できるＳＮＲ＝１５ｄＢを基準とし決定した。

また本実施例においては任意のＦＢＧからの反射スペクトルを観測して所望の箇所の歪み計測を行うため，時間分割方式を用いた。時間分割方式とは，検査光発生部から出射された光が各ＦＢＧで反射され光検出器に入射する時間の違いにより，それぞれのＦＢＧスペクトルを時間軸上で分離して観測する手法である。例えば，時間幅ｗのパルス光が，光ファイバを伝搬しＦＢＧに到達し，ＦＢＧで反射され検出器に入射する。光はレーザ出射からτ_n秒後に検出器で検出される。レーザ出射口及び検出器とＦＢＧ間の光ファイバ長をＬ，その屈折率をｎ，光速をｃとすれば，Ｌ＝τ_nｃ／（２ｎ）となる位置のＦＢＧからの反射スペクトルが計測できる。したがって，τ_ｎを測定することで，任意のＦＢＧからの反射スペクトルのみを観測することが可能である。そのため，図１の信号処理部１５０では最初第１の計測点からの信号だけを選択的に受信し，後述する光路長の微調整（図１０）を行った上で所望の情報を取得し，次に第２，第３，…，第ｎの計測点に対しても時間の違いで分離し，同様の手順で調整を行い，情報を取得する。更には，時間軸で分離して観測できるため，全てのＦＢＧは同じ反射波長でも観察できる。

まず，従来ＦＢＧセンサの信号光ＳＮＲと測定可能距離（Ｌ）の関係は式（８）で表され，ＳＮＲは入射強度に依存しないことがわかる。つまり，光源の光量を増加させてもブラッグ反射のＳＮＲを改善することはできない。ここで，従来ＦＢＧセンサとは，１本の単芯光ファイバに複数のＦＢＧを直列に配置し，それぞれのＦＢＧからの信号反射光を時間分割方式を用いて計測する，干渉現象を用いないセンサのことである。

［式８］

ここで，Ｒ_sig,FBGは信号光伝搬用芯線のＦＢＧ反射率，αは光ファイバの伝送ロス，Ｒはノイズであるレイリー散乱光の発生率で，本実施例では通常の光通信用光ファイバを使用しているため，α＝０．０４６／ｋｍ（０．２ｄＢ／ｋｍ），Ｒ＝０．００２２である。

一方，本実施例の信号光を参照光と干渉させることにより増幅させる現象を利用した場合，センサの測定距離に対するＳＮＲは下式で表され，信号光及び参照光の入射光強度に依存することがわかる。

［式９］

ここで，Ｐ_sigは信号光伝搬用芯線への入射光強度，Ｐ_refは参照光伝搬用芯線への入射光強度，Ｒ_sig,FBGは信号光伝搬用芯線のＦＢＧ反射率，Ｒ_ref,FBGは参照光伝搬用芯線のＦＢＧ反射率である。

図９は，従来のＦＢＧセンサと本実施例のＦＢＧセンサの測定可能距離を比較した結果の一例の模式図である。本実施例のホモダイン検出を用いることで，ＳＮＲの改善が確認され，従来ＦＢＧセンサの測定可能距離２．５ｋｍに対し，本実施例の測定可能距離は３２．５ｋｍと約１３倍程度長距離化でき，また多点計測ができることを確認した。

図１０は，高コヒーレンス光源を用いた場合の光路長調整の動作を含む計測の手順を示すフローチャートである。まず始めに，ステップ１００１において光源に電流を供給しレーザ光を出射させ，光ファイバセンサの信号光伝搬用芯線及び参照光伝搬用芯線にレーザ光を供給する。ここでは，光源として高コヒーレンス光を出射する光源を使用する。ステップ１００２では，光ファイバセンサからの信号光と参照光の干渉信号を計測する。続くステップ１００３では，干渉光の干渉度合いが十分であるか判定し，不十分だと判断した場合はステップ１００７に進み，圧電素子４０８を駆動してミラー４０７を移動し，参照光と信号光の間の光路長の差がほぼ０になるように調整する。ここで，干渉度が十分であるかの判定は，干渉光信号の振幅に基づき行われ，振幅が最大となるように光路長を調整する。ステップ１００７にて光路長が調整された干渉光に対し干渉度合いを再度評価し，ステップ１００３にて光路長の微調整を継続するか判定する。上記光路長調整と干渉度評価を繰り返し，干渉度合いが十分であると判定されるとステップ１００３からステップ１００４に移行する。ステップ１００４では，ディスク等の記憶装置から温度変化によるブラッグ波長のシフト量を生成する。

ＦＢＧに温度変化を与えた場合，実効屈折率が温度に依存するためブラッグ波長も変化する。また，ガラスの膨張によりグレーティング間隔が変化するため，ブラッグ波長のシフト量は式（１）から以下のように導かれる。

［式１０］

ここで，

と置くことにより式（１１）が得られる。

［式１１］

ここに，Δλ_BTは温度変化によるブラッグ波長シフト量，ξは屈折率温度係数，αは光ファイバの線膨張係数である。例えばブラッグ波長が１５５０ｎｍの場合，温度感度は式（１２）で表され，約９．５ｐｍ／℃である。

［式１２］

次に，スペクトル検出部から転送されたＦＢＧセンサ部１３２の反射中心波長計測データから，測定実施温度のブラッグ波長データ及び歪みが全くかかっていない時（歪み量がゼロ）のＦＢＧセンサ部１３２のブラッグ波長データを読み込みこみ減算する。変化量を減算した値を検査対象物の歪みのみのＦＧＢセンサ部１３２のブラッグ波長変化量として求める。そして，ステップ１００５において歪みとブラッグ波長変化量の関係式である式（１３）より，人工建造物の所定箇所の歪みを計測し，人工建造物の状態を把握することで，寿命推定や補修工事実施時期の決定を行う。

［式１３］

ここで，Δλ_Bはファイバ軸方向負荷歪みによるブラッグ波長シフト量，Ｐ_eは歪みによる屈折率変化の寄与を表す光弾性係数，ε_eはファイバ軸方向負荷歪みである。例えばブラッグ波長が１５５０ｎｍの場合，歪み感度は式（１４）で表され，１με（１ｍの光ファイバが１μｍ伸びる歪）あたり波長シフトは１．２ｐｍ程度となる。

［式１４］

以上が，各々の測定箇所に配置したＦＢＧより反射された信号光と参照光を合波させることにより増幅させ，互いに位相関係が異なる複数の干渉光を生成し信号光を増幅する本実施例の方法とその手順，及び並列に配置された複数芯線を有する光ファイバを備えたシステムの主要構成である。

図１０の手順に従い，実際に本発明のセンサを用い，測定値から温度変化量を補償することで歪み量を算出した。具体的には，まず，スペクトル検出部において，１つのＦＢＧセンサ部１３２に対し計測した各時刻のブラッグ波長データから，ブラッグ波長のピーク値を算出した。このとき，ブラッグ波長のピーク値は，ＦＢＧセンサ部１３２の反射光のスペクトルにおいてその強度がピーク波長からそれぞれ３ｄＢ下がった短波側の波長と長波側の波長の中央値とした。スペクトル検出部から転送されたＦＢＧセンサ部１３２の反射光に関する中心波長データは記憶部に記憶される。スペクトル解析方式としては，例えば，スペクトルアナライザで用いられる掃引型スーパーヘテロダイン方式を用いる。また，リアルタイム性の計測が必要な場合は，スペクトル検出方式として高速フーリエ変換を実行してもよい。

次に，温度によるブラッグ波長のシフト量を計測データから取り除き歪み量のみを計測するため，まずは，温度変化起因のブラッグ波長変化を算出する。具体的には，ある時刻ｔに取得したブラック波長変化信号データと，十分に測定時間をずらして計測した前記ブラッグ波長変化信号データの前後に取得したブラッグ波長信号データとから，平均シフト量を求める。このとき，算出されるシフト量が温度変化に相当するブラッグ波長のシフト量である。ここで，例えば，温度変化が３０分以上の場合，計測間隔を３０分以上とし，ブラッグ波長変化信号データを平均化し平均シフト量を算出する。続いて，求めた平均シフト量を，あらかじめ計測済みかつ記憶部に記憶されているＦＢＧセンサ部のブラッグ波長（中心波長基準値）から減算し，歪み量を求める。以上の手法により，計測データから温度起因のシフト量のみを分離することができる。このように分離した各ＦＢＧセンサ部の歪み量に基づき，例えば，図２２に示すような歪みの分布状況を出力部１６０に表示することで，橋梁などの人工建造物に対し，包括的な構造解析を行うことができる。これを利用することで，人工建造物の初期故障を予測し，効率的に補修・補強箇所を絞り込めるため，最小限の工事費用で，橋梁の崩壊等の災害を未然に防ぐことができる。

なお，光ファイバ自身の破断等による断線故障の検出は，時間分割方式を用い，検査光発生部から光ファイバに光を入射した時にフレネル反射光が検出されることで行う。ここで，フレネル反射とは，接続点等での急激な屈折率の変化により生じる反射のことであり，光ファイバが破断した場合，ファイバの屈折率と空気の屈折率が異なることで発生する。この場合，光源の入射からフレネル反射光の受光までの経過時間によって光ファイバ断線位置を概略特定できるので，例えば工事等によって誤って切断された光ファイバの切断箇所を容易に発見でき，補修作業時間等を短縮できる。また，例えば経時劣化により断線した光ファイバの断線箇所をも容易に発見できるため，破断箇所の状態により癒着による修繕か又は新しい光ファイバを敷設するか等の判断を迅速に行うことができる。このように，この光監視システムを用いることで，随時，検査光発生部から出射される光による光ファイバの光試験を行うことで，光伝送系に係る故障の監視を行うことができる。また，フレネル反射光が検出された場合は，本実施例の光ファイバセンサ装置は光ファイバが断線した等の状況を警報でユーザーに知らせる機能を搭載している。

図１１は，本発明による光ファイバセンサ装置の別の実施例を示す模式図である。なお，図４に示した部品と同じものには同一の符号を付し，その詳細な説明を省略する。光ファイバセンサとしては，実施例１と同様の構造のものを用いた。

本実施例は，信号光伝搬用光ファイバから出射した信号光と参照光伝搬用光ファイバから出射した参照光が合波されることにより干渉光が生成されるまでの構成は実施例１とほぼ同様である。ただし，光路長調整手段として微調整用の圧電素子に加え粗調整対応機能を搭載させるため移動ステージ１１０２の上にミラー４０７と圧電素子４０８が配置されている点で実施例１と異なる。本実施例の光路長調整の手順は，実施例１では圧電素子のみでミラー位置を変調させ光路長調整を行ったのに対して，移動ステージ１１０２を併用しているという点でのみ異なる。以下では，信号光と参照光の光路長がコヒーレンス長以上の場合においても，参照光の光路長を信号光とほぼ同等になるように調整し，干渉光を生成することで，遠距離に配置されたＦＢＧセンサ部の信号光を計測する方法について説明する。

本実施例では，図１２に示すように，スーパーコンティニューム（ＳＣ）光やスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）などの低コヒーレント光源である広帯域光源を用いた。広帯域光源のコヒーレンス長は数マイクロメートルから数十マイクロメートルである。信号増幅にあたり，信号光と参照光の合波を干渉させるため，光路長の粗調整後に微調整を実施した。ここで粗調整とは微調整（ナノメートルからマイクロメートルオーダーの移動距離）よりも移動距離が長いことをいう。

図１３は，低コヒーレンス長の光源を用いた本実施例における信号光と参照光の光路長差と干渉信号光の振幅を示した図である。本実施例ではコヒーレンス長が短い光源を用いており，信号光と参照光を干渉させるためには，両光の光路長差を可干渉距離以内に調整する必要がある。図１３の（ａ）（ｂ）（ｃ）は，圧電素子によるミラー位置の高速変調と，ステージ駆動によるミラー位置の移動手段を用いた場合の，信号光と参照光の光路長調整結果を示す。図１３（ａ）に示すように，信号光と参照光の間の光路長差がコヒーレンス長以上だと，オシロスコープなどの計測器には干渉信号は検出されず，単純な信号光と参照光の足し合わせとなっている。ステージ位置を掃引することで図１３（ｃ）のような干渉信号を確認した後，圧電素子を用い光路長の微調整を行い，図１３（ｂ）の信号を確認した。

また，平面ミラーの代わりにコーナーキューブプリズム１５０１を用いてもよい。図１５は、コーナーキューブプリズムに入射する光が同じ方向に反射されることを説明する図である。入射する光線は、基本的に３回反射して隣接する３面すべてを経由して反射される。図中の実線は光線、破線は光線の各面への射影であり、点線は反射位置を示すための補助線である。各面での光線の射影は平行四辺形の一部を形成しており、その対称性から、反射する光が同じ方向に反射されることがわかる。この場合，ステージ駆動によりコーナーキューブプリズム１５０１に傾きが生じてもコーナーキューブプリズム１５０１を反射した参照光の軌跡は変化しないため，信号光と参照光の干渉効率の低下を防ぐことができる。また，参照光の光軸ずれによるＳＮＲの減少を防ぐことができる。

図１４は，低コヒーレンス光源を用いた場合の光路長調整の手順の例を示すフローチャートである。まず始めに，ステップ１４０１において光源に電流を供給してレーザ光を出射させ，光ファイバセンサの信号光伝搬用芯線及び参照光伝搬用芯線にレーザ光を供給する。本実施例では，広帯域光源（低コヒーレンス光）を使用した。ステップ１４０２では，光ファイバセンサからの信号光と参照光の反射光を計測する。続くステップ１４０３では，信号光と参照光から干渉光を生成できているかを確認し，確認出来ない場合はステップ１４０４にて信号光と参照光の光路長が同等になるようにステージ駆動による粗調整を行う。ここで，干渉光が生成されているかの判定は，合波信号における定在波の存在に基づき行う。ステップ１４０２にて粗調整後の干渉光に対し定在波を再度評価し，ステップ１４０３にて光路長の粗調整を継続するか判定する。上記光路長粗調整と定在波確認を繰り返し，定在波が確認された場合ステップ１４０３からステップ１４０５に移行する。

ステップ１４０５では信号光と参照光の干渉信号を検出し，続くステップ１４０６において信号光と参照光の干渉度合いが十分であるか判定し，不十分だと判断した場合はステップ１４０７にて圧電素子を駆動して参照光と信号光の間の光路長の差がほぼ０になるように微調整を行う。ここで，干渉度が十分であるか否かの判定は，干渉光信号の振幅に基づいて行い，振幅値が最大値の９０％以上，望ましくは最大値，となるように光路長を調整する。ステップ１４０６にて光路長が調整された干渉光に対し干渉度合いを再度評価し，光路長の微調整を継続するか否かを判定する。上記光路長調整と干渉光評価を繰り返し，干渉度合いが十分であると判定された場合，光路長調整を終了する。

このように，光路長を調整することで，低コヒーレンス光を用いた場合でも，信号光を増幅することができるため，実施例１同様，ＦＢＧセンサの高ＳＮＲ化を実現できる。

本実施例では，広帯域光源（低コヒーレンス光源）を用いたが高コヒーレンス光源を使用してもよく，その際は，光路長調整の粗調整機能を使用せず，光路長は微調整のみ行えば良い。本実施例の方法は他の実施例に対しても適用可能であり，各実施例で同様な効果が得られる。

本実施例では，並列に配置された複数の芯線を有する光ファイバセンサにおいて，ブラッグ波長の異なるＦＢＧを複数有する場合について述べる。実施例１，２から変更してない部分に関しては実施例１，２と同等であるため，その詳細な説明を省略する。

実施例１，２では，信号光伝搬用芯線及び参照光用伝搬用芯線に全て同一ブラッグ波長のＦＢＧを各計測点に配置し，各ＦＢＧからの反射光（信号光及び参照光）を干渉させることで信号光を増幅し，歪み計測を行った。一方，波長が異なるＦＢＧを信号光伝搬用芯線及び参照光伝搬用芯線に連装し，信号光を増幅することも可能である。図１６は，ブラッグ波長の異なるＦＢＧを内部に複数配置した光ファイバセンサの一例を示す模式図である。

本実施例において，光源には，波長帯域が広いＳＬＤを用いた。光源からの出射光は，光分岐器１２０を介して，少なくとも１つの信号光と残りの参照光に分岐し，この分岐した光を光ファイバセンサ１３０の複数芯線に供給する。信号光伝搬用芯線及び参照光用伝搬用芯線には，異なるブラッグ波長を有するＦＢＧが設けられている。ここで，同一の計測位置から反射された信号光と参照光を干渉させるため，同じ計測位置に属する信号光伝搬用芯線と参照光用伝搬用芯線のＦＢＧセンサ部には同じブラッグ波長を有するＦＢＧが設けられている。例えば，図１６に示すように，信号光伝搬用芯線に異なるブラッグ波長λ₁〜λ_nを有するＦＢＧ₁〜ＦＢＧ_nが連装されている場合，ＦＢＧ₁からＦＢＧ₂に伝搬する光の波長は，λ₁が欠けた光がＦＢＧ₂に入射される。また，ＦＢＧ_n-1からＦＢＧ_nに伝搬する光の波長は，λ₁，λ₂，…，λ_n-1が欠けた光がＦＢＧ_nに入射される。ＦＢＧ_nの波長λ_nはλ₁〜λ_n-1と重複しないため，ＦＢＧ_nはλ_nの反射光を反射し，光分波器を介してホモダイン検波器へ入射される。検波器で受光するＦＢＧ反射光はλ₁，λ₂，…，λ_nにピークを有するスペクトルとなる。例えば，スペクトル幅が４０ｎｍ程度のＳＬＤを使用した場合，歪み発生時に使用範囲内でブラッグ波長が重ならないよう，各ＦＢＧピーク波長を５ｎｍ程度ずらした場合，一本のファイバで８つの異なるブラッグ波長を設けることができる。本実施例においても，実施例１，２と同様，反射された信号光及び参照光を干渉させ，増幅した信号光の波長変化をスペクトラムアナライザ等の検出器で測定することにより歪みを計測した。

実際に異なるブラッグ波長を有するＦＢＧが設けた光ファイバセンサを用い，ホモダイン検出により信号増幅を行い，光ファイバセンサ装置の長距離化を検討した。本実施例では，信号光伝搬用芯線内にＦＢＧのブラッグ波長が１５５０ｎｍ，１５５５ｎｍ，１５６０ｎｍと３つの異なるＦＢＧを用い，図１６のように配置した。このとき，ＦＢＧを２．５ｋｍ間隔で配置した。また，参照光伝搬用芯線内のＦＢＧは信号光と参照光の光路長が同等になるように形成した。ここで，信号光伝搬用芯線及び参照光伝搬用芯線に配置するＦＢＧの反射率はそれぞれ１％と１００％である。測定可能距離は，実施例１，２同様，ブラッグ反射のピークを高精度に検出できるＳＮＲ＝１５ｄＢを基準とし決定した。

図１７は，単一ブラッグ波長のＦＢＧのみ配置したセンサと複数ブラッグ波長のＦＢＧを配置したセンサの測定可能距離を比較して示した図である。ホモダイン検出を光ファイバセンサ装置に適用した場合，単一ブラッグ波長を有する光ファイバセンサにおいては測定可能距離が３２．５ｋｍであった。一方，複数ブラッグ波長を有する光ファイバセンサにおいては，測定可能距離が６２．５ｋｍ程度と約２倍に長距離化でき，多点計測ができることを確認した。これは，広帯域光源が１５５０ｎｍのブラッグ波長を有するＦＢＧを透過する際，光源波長１５５０ｎｍ以外はＦＢＧを透過損失なく伝搬したためである。実際，波長１５５０ｎｍの信号光のＳＮＲが１５ｄＢに低下する距離において，光源波長１５５５ｎｍのＳＮＲは３５ｄＢとブラッグ波長のピーク検出には十分なＳＮＲを有していることを確認した。また，光源波長１５５５ｎｍのＳＮＲが１５ｄＢに到達する距離においては，光源波長１５６０ｎｍのＳＮＲは３０ｄＢであった。このように，広帯域光源の波長帯域を有効的に活用することで，光ファイバセンサ装置の長距離化が可能である。また，長距離化により，１センサあたりの価格が従来の光ファイバセンサ装置より安価な装置を提供することが可能となる。

本実施例では，スペクトル幅が４０ｎｍの広帯域光源（低コヒーレンス光）を用いたがスペクトル幅が更に広い広帯域光源を用いても同様な効果が得られる。また，異なるブラッグ波長を有するＦＢＧの配列順に制限はなく，ファイバセンサの長距離化が実現できるのであれば，ＦＢＧの配置はランダムでも良い。更には，広帯域光源ではなく，波長掃引型の単一波長光源（高コヒーレンス光源）を使用しても良い。本実施例の方法は他の実施例に対しても適用可能であり，各実施例で同様な効果が得られる。

図１８は，本発明による光ファイバセンサの別の実施例を示す模式図である。本実施例では，前述の実施例から変更していない部分に関しては実施例１〜３と同様であるため，その詳細な説明を省略する。本実施例においても，光源から出射された光が分岐され，信号光伝搬用芯線と参照光伝搬用芯線に供給され，それぞれの芯線に設けられているＦＢＧサンサからの反射光を合波させ干渉光を生成することで信号光を増幅する点は実施例１〜３とほぼ同様である。ただし，並列に配置された複数の芯線を有する光ファイバセンサにおいて，信号光伝搬用芯線の数を増やしたという点で実施例１〜３と異なる。以下では，信号光伝搬用に２芯使用し，信号光と参照光を合波させ干渉光を生成することで，ＦＢＧを用いた光ファイバセンサ装置を長距離化する方法を説明し結果を示す。

本実施例では，光源に波長掃引型の単一波長光源（高コヒーレンス光源）を用いた。光源からの出射光は，光分岐器１２０を介して，２つの信号光と残りの参照光とに分岐され，この分岐された光をそれぞれ信号光伝搬用芯線と参照光伝搬用芯線に供給した。例えば，図１８に示すように，信号光伝搬用芯線として第１の信号光伝搬用芯線と第２の信号光伝搬用芯線の２芯が用意されており，信号光伝搬用芯線の各計測箇所には同一ブラッグ波長のＦＢＧが配置されている。しかし，ＦＢＧの配置箇所（光源に近い側の光ファイバ端面からの距離）が第１の信号光伝搬用芯線と第２の信号光伝搬用芯線とで異なる。本実施例では，第１の信号光伝搬用芯線のＦＢＧに比べ，第２の信号光伝搬用芯線のＦＢＧは光源から遠い位置に配置した場合について検討した。この場合，第２の信号光伝搬用芯線を伝搬する信号光には，第１の信号光伝搬用芯線にＦＢＧが設けられている距離内でＦＢＧ透過損失がなく，第２の信号光伝搬用芯線を伝搬する信号光は，第１の信号光伝搬用芯線を伝搬する信号光よりも遠方へ伝搬することができ，センシング距離を長距離化できる。

実際に複数の芯線が並列に配置された光ファイバセンサにおける信号光伝搬用芯線の数を２芯とし，ホモダイン検出により信号増幅を行い，長距離化の検討を行った。まず，第１の信号光伝搬用芯線内に光源に近い側の光ファイバ端面からの距離０〜２７．５ｋｍの範囲において２．５ｋｍ間隔でＦＢＧを配置した。一方，第２の信号光伝搬用芯線内には光源に近い側の光ファイバ端面からの距離２７．５ｋｍ離れた箇所からＦＢＧを２．５ｋｍ間隔で配置し始めた。このとき，参照光伝搬用芯線内のＦＢＧは信号光と参照光の光路長が同等になるように形成した。ここで，信号光伝搬用芯線及び参照光伝搬用芯線に配置するＦＢＧの反射率をそれぞれ１％と１００％とした。信号光増幅のため，参照光強度を信号光強度の約４倍となるように光源から出射した光を分岐した。測定可能距離は，実施例１〜３同様，ブラッグ反射のピークを高精度に検出できるＳＮＲ＝１５ｄＢを基準とし決定した。

図１９は，複数の信号光伝搬用芯線を有する光ファイバセンサ装置の測定可能距離の例を示す図である。ホモダイン検出を光ファイバセンサ装置に適用した場合，信号光伝搬用芯線を１芯のみ有する光ファイバセンサにおいては測定可能距離が３２．５ｋｍであった。一方，信号光伝搬用芯線を２芯有する光ファイバセンサにおいては，測定可能距離が５０ｋｍ程度と長距離化でき，かつ多点計測ができることを確認した。これは，距離０〜２７．５ｋｍの範囲において，第２の信号光伝搬用芯線を伝搬する信号光にはＦＢＧ透過損失なく，第１の信号光伝搬用芯線を伝搬する信号光のＳＮＲが１５ｄＢに低下する距離（２７．５ｋｍ）においても，第２の信号光伝搬用芯線を伝搬する信号光のＳＮＲは３６ｄＢとブラッグ波長のピーク検出には十分なＳＮＲを有しているためである。このように，信号光伝搬用芯線を複数設けることで，測定可能距離が長くなる。

本実施例では，高コヒーレンス光源を用いたが，低コヒーレンス光源を用いてもよく，その際も同様の効果が得られる。また，信号光伝搬用芯線の数を２芯としたが，信号光伝搬用芯線の数は２芯以上でも良く，その場合も本実施例と同様の効果が得られる。本実施例の長距離化手法は他の実施例に対しても適用可能であり，各実施例で同様の効果が得られる。

図７（ｂ）は，本発明の別の実施例を示す図である。本実施例では，変更していない部分に関しては実施例１〜４と同様であるため，その詳細な説明を省略する。光源から出射された光が分岐され，信号光伝搬用芯線と参照光伝搬用芯線に供給され，それぞれの芯線に設けられているＦＢＧサンサからの反射光を合波させ干渉光を生成することで信号光を増幅する点は実施例１〜４とほぼ同様である。ただし，並列に配置された複数の芯線を有する光ファイバにおいて，光ファイバに存在する２つの直交する偏波モード間に伝搬定数差を生じさせ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し偏波保持能力を高めたファイバを用いる点で実施例１〜４とは異なる。

本実施例で用いた偏波保持マルチコア光ファイバとしては，例えば，クラッド７０３の直径が１２５μｍであり，楕円コア７０１，７０２の長軸の長さが１０μｍ，短軸の長さが２μｍ，コアとクラッドとの比屈折率差が１％，最近接コア中心間の距離が３０μｍとした。偏波保持マルチコア光ファイバでは，コアを楕円化することで構造複屈折が生じるため，当該光ファイバに含まれる各コアについて偏波主軸方向と一致した直線偏波を入射することで偏波状態を維持して伝搬させることが可能である。本実施例においても，光源から出射された光を分岐し，少なくとも一つを信号光伝搬用芯線７０２に，それ以外を参照光伝搬用芯線７０１に供給し，それぞれの芯線に設けられているＦＢＧサンサからの反射光を合波させ干渉光を生成することで信号光を増幅した。このとき，例えば，信号光伝搬用芯線７０２内では伝搬光はｓ偏光を維持しながら伝搬され，参照光伝搬用芯線７０１では光はｐ偏光を維持して伝搬される。このように，伝搬した信号光と参照光を合波させ信号光を増幅することで，実施例１〜４と同様，ＦＢＧセンサを長距離化でき，かつ多点計測ができることを確認した。

本実施例では，一例として楕円コア型のマルチコア光ファイバを用いたが，伝搬光の偏波状態を維持して伝搬させることが可能な複数の芯線が並列に配置された光ファイバセンサであるならコア部及びクラッド部の形状や，コア部及びクラッド部の部材はどのようなものでもよく，その場合も本実施例と同様の効果が得られる。本実施例の長距離化手法は他の実施例に対しても適用可能であり，各実施例で同様の効果が得られる。

図２０は，本発明の別の実施例を示す図である。本実施例では，並列に配置された複数の芯線を有する光ファイバセンサにおいて，光ファイバの種類を変えた場合について述べる。変更していない部分に関しては実施例１〜５と同様であるため，その詳細な説明を省略する。

本実施例では，光ファイバセンサ部に，図２０に示すように，複数の芯線を束ねた，例えばリボン光ファイバ２００３を用いた。本実施例においても，光源から出射された光を分岐し，一つを信号光伝搬用芯線２００１に，それ以外を参照光伝搬用芯線２００２に供給し，それぞれの芯線に設けられているＦＢＧサンサからの反射光を合波させ干渉光を生じさせることで信号光を増幅した。その結果，実施例１〜５同様に，社会インフラの状態計測距離が長くなることを確認した。

リボン光ファイバは通信用途で量産されており，特殊なファイバより低価格なため，安価な光ファイバセンサを提供することができる。また，マルチコア光ファイバと比べ，リボン光ファイバはＦＢＧ作製が容易であるという利点を有している。本実施例の光ファイバは他の実施例に対しても適用可能であり，各実施例で同様の効果が得られる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１１０：検査光発生部
１１１：光源
１１２：光強度変調器
１１３：パルス発生器
１２０：光分岐器
１２１ａ：信号光伝搬用光ファイバ
１２１ｂ：参照光伝搬用光ファイバ
１３０：光ファイバセンサ
１３１：ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）
１３２：ＦＢＧセンサ部
１３３：信号光伝搬用芯線
１３４：参照光伝搬用芯線
１４０：ホモダイン検波部
１５０：信号処理部
１６０：出力部

Claims

光源と，
ほぼ並列に配置された複数の芯線を有し，少なくとも１つの芯線は信号光伝搬用として用いられ，他の少なくとも１つの芯線は参照光伝搬用として用いられ，長手方向の複数の個所にＦＢＧセンサ部が設けられ，各ＦＢＧセンサ部には前記信号光伝搬用の芯線と前記参照光伝搬用の芯線に同一のブラッグ波長を有するＦＢＧが対をなして形成されている光ファイバセンサと，
前記各ＦＢＧセンサ部から前記信号光伝搬用芯線を通って戻ってくる信号光と前記参照光伝搬用芯線を通って戻ってくる参照光同士を合波させて互いに位相関係が異なる複数の干渉光を生成する干渉光学系と，
前記生成された複数の干渉光を検出する検出部と，
前記検出部の出力を演算して前記信号光の強度を表す信号を発生する演算部と，
を有することを特徴とする光ファイバセンサ装置。
請求項１記載の光ファイバセンサ装置において，
１つの参照光伝搬用の芯線には１つの信号光伝搬用の芯線に形成されたＦＢＧより少ない数のＦＢＧが形成されており，
前記信号光伝搬用の芯線に形成されたＦＢＧの反射率は前記参照光伝搬用の芯線に形成されたＦＢＧの反射率より小さいことを特徴とする光ファイバセンサ装置。
請求項１記載の光ファイバセンサ装置において，
前記参照光伝搬用の芯線の数は前記ＦＢＧセンサ部の数以上であり，１つの参照光伝搬用の芯線には１つのＦＢＧが形成されていることを特徴とする光ファイバセンサ装置。
請求項１記載の光ファイバセンサ装置において，
前記光源は高コヒーレンス光源であり，
前記参照光の光路中に光路長を調整する光路長調整部を有することを特徴とする光ファイバセンサ装置。
請求項１記載の光ファイバセンサ装置において，
前記光源は低コヒーレンス光源であり，
前記参照光の光路中に光路長を調整する光路長調整部を有し，前記光路長調整部は粗調整部と微調整部とを備えることを特徴とする光ファイバセンサ装置。
請求項５記載の光ファイバセンサ装置において，
前記光路長調整部は，最初に前記信号光と参照光の干渉による干渉信号が出現するように前記粗調整部による光路長調整を行い，次に干渉信号の振幅が増大するように前記微調整部による光路長調整を行うことを特徴とする光ファイバセンサ装置。
請求項１記載の光ファイバセンサ装置において，
各ＦＢＧセンサ部に対をなして形成されたＦＢＧは前記光源から出射された光のコヒーレンス長の範囲内に配置されていることを特徴とする光ファイバセンサ装置。
請求項１記載の光ファイバセンサ装置において，
第１のＦＢＧセンサ部に形成されたＦＢＧのブラッグ波長と前記第１のＦＢＧセンサ部と異なる第２のＦＢＧセンサ部に形成されたＦＢＧのブラッグ波長とが異なることを特徴とする光ファイバセンサ装置。
請求項１記載の光ファイバセンサ装置において，
前記信号光伝搬用の芯線を複数有することを特徴とする光ファイバセンサ。
請求項１記載の光ファイバセンサ装置において，
前記並列に配置された複数の芯線はマルチコアファイバ又はリボンファイバの芯線であることを特徴とする光ファイバセンサ装置。
請求項１記載の光ファイバセンサ装置において，
前記信号光伝搬用の芯線と前記参照光伝搬用の芯線とは互いに直交する偏波を保持して伝搬させることを特徴とする光ファイバセンサ装置。
請求項１記載の光ファイバセンサ装置において，
前記演算部は、前記信号光の強度に基づいて、測定対象物の歪量を算出し、出力することを特徴とする請求項１記載の光ファイバセンサ装置。