JPWO2015008332A1 - 光ファイバセンシング光学系及び光ファイバセンシングシステム - Google Patents
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Abstract
測定対象の物理量以外の外乱、特に偏光の変動の影響を防ぐことによって精度の高い測定が可能な光ファイバセンシングシステムを安価に提供することを課題とする。本発明に係る光ファイバセンシング光学系は、連続波長成分を有する探索光を出力する光源（５）と、前記連続波長成分の一部の波長成分を選択して検出光を生成する反射手段（７１，７２，７３）と前記検出光が入射され、その波長の変化に応じて強度の変化する透過光を生成する波長弁別手段（３）と、前記探索光を前記反射手段へ非可逆的に伝送すると共に前記検出光を前記波長弁別手段を含む光学系に伝送する第１光分配手段（１）と、該第１光分配手段から前記波長弁別手段を含む光学系に伝送された検出光をさらに前記波長弁別手段への光及び補償光に分割する第２光分配手段（２）と、前記補償光及び前記透過光の外部への取り出し時刻の間に時間差を生成する遅延手段（４）と、を備える。
Description
本発明は、光ファイバを用いて測定対象の物理量を測定に用いられる光ファイバセンシング光学系および光ファイバセンシングシステムに関する。
近年、光ファイバを、例えば地盤の変動、構造物のひずみや歪み等を検出するセンサとして利用する方法が提案されており、その代表的なものの一つとして、光ファイバ中に作られる回折格子ＦＢＧ（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）を用いるＦＢＧ法が挙げられる。このＦＢＧは、光ファイバの特定のコア部に紫外レーザー光の干渉パターンを照射して作られる屈折率変調によりファイバの長手方向に所定の周期（格子周期）を持つように形成される。ＦＢＧはその格子周期に合致した特定の波長の光のみを反射し、他の波長の光は通過させる。ＦＢＧ法では外部環境の変化に伴う格子周期の変化による反射される特定波長の変化を検出して、外部環境の変化を検出する。
被測定環境に置かれたＦＢＧは外部から圧力が加わったり周りの温度が変化したりすると、屈折率が変化して反射する光の波長が変化する。この戻り光の波長の変化を測定することによって地盤の変動、液体の温度、構造物の変位やひずみ等を検出することができる。
例えば、特許文献１には、ＦＢＧを用いて複合素材に対しての衝撃の有無や位置や大きさを精度良く特定する技術が開示されている。また、特許文献２には、ＦＢＧを用いて測定対象の歪みを測定する技術が開示されている。
ＦＢＧを用いた測定系では測定対象の変動以外の変動要素からの影響が大きい。変動要素として、光源の射出パワー、ファイバの挿入損、受光器の感度や増幅器等の変動、また光ファイバを曲げることによる光エネルギーの損失（曲げ損失）、光ファイバ同士を繋げるコネクタによる光エネルギーの損出（コネクタ損出）、電気回路系の利得変動等の影響等の測定対象の物理量以外の外乱の影響が、測定対象の物理量の測定に影響を及ぼして精度の高い測定ができないという問題がある。
そこで、環境によるＦＢＧからの反射波長の変動を検出するための波長フィルタの透過光の強度のうち光学的な測定系の変動による強度変動を補償するためにフィルタからの反射光を補償光として反射光の強度で透過光の強度を割り算することが開示されている。ここで反射光を補償光として使うのは、透過光と反射光が相補的な特性なので検出感度を向上させるためである。またフィルタからの反射光が光源へ戻ることを防ぐために光ファイバ中の進行波と反射波を分離するサーキュレータが用いられていた（特許文献３の図１）。
しかし、光センサーとしてＦＢＧを用いたセンシング光学系の中でサーキュレータは高価である。そこで、コストダウンのためにフィルタへ斜め入射させてフィルタからの反射光を空間的に分離して取り出すことが開示されている（特許文献３の図２０）。
しかしながら、サーキュレータ及びフィルタは偏光依存性が強く光ファイバ中の偏光変動により測定値の変動が起こり、補償光として反射光を用いることで逆に測定値のＳ／Ｎが劣化するという問題点があることが分かった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、上記した測定対象の物理量以外の外乱、特に偏光の変動の影響を防ぐことによって精度の高い測定が可能な光ファイバセンシングシステムを安価に提供することを課題とする。
上記課題は、以下の構成を有する光ファイバセンシング光学系によって解決される。本発明に係る光ファイバセンシング光学系は、連続波長成分を有する探索光を出力する光源と、前記連続波長成分の一部の波長成分を選択して検出光を生成する反射手段と、前記検出光が入射され、その波長の変化に応じて強度の変化する透過光を生成する波長弁別手段と、前記探索光を前記反射手段へ非可逆的に伝送すると共に前記検出光を前記波長弁別手段を含む光学系に伝送する第１光分配手段と、該第１光分配手段から前記波長弁別手段を含む光学系に伝送された検出光をさらに前記波長弁別手段への光及び補償光に分割する第２光分配手段と、前記補償光及び前記透過光の外部への取り出し時刻の間に時間差を生成する遅延手段と、を備える。
光源からの探索光は非可逆的に反射手段へ伝送されるので、光源が反射光による影響を受けることを避けることができる。被測定物の状態を反映した反射手段によって連続波長の中の特定波長が選択されて反射されるので、波長弁別手段により反射された波長を特定することで検出光の中の被測定物の状態に関する情報を得ることができる。波長弁別手段は波長の違いを透過率の違いにより透過光強度へ変換する。しかしながら透過光の強度は、光源および光の通過する光ファイバや光デバイスの特性変動の影響も受ける。そこで、光源および光の通過する光ファイバや光デバイスの特性変動の情報を有する補償光として、従来のように、偏光依存性の高い反射光ではなくＦＢＧからの検出光をそのまま取りだすことで原理的に偏光依存性を低減して安定な測定系を供する。
請求項２に記載された光ファイバセンシング光学系は、請求項１に記載された光ファイバセンシング光学系において、前記波長弁別手段へ入射する前記検出光の光軸が前記波長弁別手段の入射側の界面に対して略垂直であることが好ましい。
光の反射率及び透過率は入射面に垂直な偏光成分（Ｓ偏光）と入射面に平行な成分（Ｐ偏光）により異なるが、界面への入射角が０、即ち入射側の界面に対して垂直であればＳ偏光とＰ偏光の反射率及び透過率は等しくなるので偏光依存性が消滅する。
請求項３に記載された係る光ファイバセンシング光学系は、請求項１又は２に記載の灯光ファイバセンシング光学系において、前記光源、前記反射手段、前記第１光分配手段、前記第２光分配手段、及び前記波長弁別手段の間の光パワー伝送がシングルモード光ファイバで行われ、前記遅延手段がシングルモード光ファイバで構成され、前記、第１光分配手段が、前記探索光が入力される第１１ポート、前記第１１ポートへ入力された探索光を出力するとともに前記検出光が入力される第１２ポート、及び前記第１２ポートへ入力された前記検出光を出力する第１３ポートを有し、前記第２光分配手段が、前記第１３ポートから出力された前記検出光が入力される第２１ポート、前記検出光を前記波長弁別手段へ出力する第２２ポート、及び前記検出光を前記補償光として外部へ出力する第２３ポートを有すること、を備えていることが好ましい。
本発明に係る光ファイバセンシング光学系は光デバイスと光デバイスを接続するシングルモードファイバで構成される。シングルモードファイバを使うことで、マルチモードファイバで生じるモード分散や界面での反射処理の問題を避ける事ができる。第１光分配手段は、第１１ポートへ入力される探索光を第１２ポートへ伝送して、その光はＦＢＧへシングルモードファイバで伝送される。ＦＢＧからの検出光は第１２ポートから第１３ポートへ伝送される。また、第１３ポートからの検出光は第２光分配手段の第２１ポートへ入力されて波長弁別手段へ接続される第２２ポートと検出光を外部へ出力する第２３ポートへ伝送される。第２２ポート及び第２３ポートにはシングルモードファイバが接続されて検出光がそれぞれ波長弁別手段と外部へと直接又は間接に導かれる。
請求項４に記載された光ファイバセンシング光学系は、請求項３に記載の灯光ファイバセンシング光学系において、前記第１光分配手段が、前記第１１ポートから前記第１２ポートへ、前記第１２ポートから前記第１３ポートへ、光パワーを伝送するサーキュレータであり、前記第２光分配手段が、前記２１ポートへ入力された光パワーを、前記２２ポート及び前記２３ポートへ分割する結合器であることが好ましい。
本発明に係る光ファイバセンシング光学系は、第１光分配手段にサーキュレータを使うことで、ＦＢＧからの検出光が光源へ戻ってレーザ発振することを防ぐことができる。また、第２光分配手段に結合器を用いることでコスト削減を図ることができる。
請求項５に記載された係る光ファイバセンシング光学系は、請求項３に記載の光ファイバセンシング光学系において、前記第１光分配手段が、前記光源から前記ＦＢＧへ順方向になる光アイソレータ及び前記第１２ポートから前記第１３ポートと前記第１１ポートへ光を分岐する結合器から成り、前記第２光分配手段が、前記２１ポートへ入力された光パワーを、前記２２ポート及び前記２３ポートへ分割する結合器であることが好ましい。
本発明に係る光ファイバセンシング光学系は、分岐手段にサーキュレータでなく光アイソレータと結合器を使うことで、光源のレーザ発振を防止しながら、コスト削減を図ることができる。
請求項６に記載された光ファイバセンシング光学系は、請求項３乃至５の何れかに記載の光ファイバセンシング光学系において、前記反射手段が複数設けられ、所定の長さの光ファイバで相互に接続されることが好ましい。
本発明に係る光ファイバセンシング光学系は、複数の反射手段が接続されることで、複数の物理量を測定することができるようになる。
請求項７に記載された係る光ファイバセンシングシステムは、請求項１乃至６の何れかに記載の光ファイバセンシング光学系からの前記補償光と前記検出光との取り出し時刻に差が有る状態で１つの受光器で受光し、前記受光器からの出力により前記補償光に対する前記透過光の強度の比を算出する算出手段を備えることが好ましい。
本発明に係る光ファイバセンシングシステムは、透過光と検出光との取り出し時刻に差が有る状態で１つの受光器で受光するので受光系のバラつきを受け難くなる。
請求項８に記載された係る光ファイバセンシング光学系は、請求項７に記載の光ファイバセンシング光学系において前記光源が、擬似乱数に基づいて駆動され、前記出力が相関器により信号処理されることが好ましい。
本発明に係る光ファイバセンシングシステムは、光源が疑似乱数で駆動され、受光器からの出力が相関器で処理されるので、相関が取れた時刻に鋭いパルスが発生し、その大きさは受光器への光入力に比例している。透過光と補償光の比を取ることで、偏光の変動を含む光ファイバセンシング光学系の変動を補償した正味の透過光のレベル変動を知り、そこから被測定物の物理状態に対応した波長の変動を知ることができる。
本発明によれば、光ファイバセンシング光学系からの出力が光伝搬中の偏光の変動の影響を受け難くなり、精度の高い測定が可能な光ファイバセンシング光学系のコストダウンを図った光ファイバセンシング光学系及びこれを用いた光ファイバセンシングシステムを提供することができる。
以下、本願請求項に係る発明（以下では、単に「本発明」という）を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。
最初に、本発明に係る第１実施形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る光ファイバセンシングシステムの全体構成を示した図である。図１に示すように、光ファイバセンシングシステムは、電気測定系１０とこれに接続される光ファイバセンシング光学系３０からなる。
光ファイバセンシング光学系は、光源と、被測定環境の変動によって変化する反射波長を有数する反射手段であるＦＢＧと、選択された波長を弁別する波長弁別手段である波長傾斜フィルタと、波長弁別手段からの透過光とこの透過光を補償する補償光の間に時間差を設ける遅延手段と、これらを有機的に結ぶ光学部品と、から構成される。実際の結合はシングルモード光ファイバによる光パワー伝送で実現される。
光ファイバ６２に接続される光カプラを介したＦＢＧ１，光ファイバ６３に接続される光カプラを介したＦＢＧ２、さらに，光ファイバ６４に接続される光カプラを介したＦＢＧ３が反射手段である。ＦＢＧの設置場所の間に適宜な距離を置くことで、それぞれからの反射光を時間的に分離することができる。
電気測定系１０は、ＰＮ符号生成器、光源ドライバー、ＰＤ（フォトダイオード）６、プリアンプ、Ａ／Ｄ変換器、相関回路、信号処理器等を備えている。これに、光ファイバ６１、６５，６６、６７，６８、サーキュレータ１、光カプラ（光結合器、光分岐器）２、波長傾斜フィルタ３、ダミーファイバ４を備える光ファイバセンシング光学系を組み合わせて、光ファイバセンシングシステムが構成される。
ここで、サーキュレータ１は第１光分配手段であり、第１１ポート、第１２ポート及び第１３ポートを有する。光カプラ２は第２光分配手段であり、第２１ポート、第２２ポート及び第２３ポートを有する。また波長傾斜フィルタは、波長の変化が透過率の変化に対応する傾斜特性を有するフィルタで波長弁別手段となる。サーキュレータ１は、光源へ光測定系からの反射光を戻さないために使用され、光源からＦＢＧへ向かう方向が順方向である。そこで、光源へ光を戻さない安価な構成として図２に示すようにアイソレータ１１と光カプラ１２を組み合わせることもできる。アイソレータ１１は光源からＦＢＧへ向かう方向が順方向で、この構成により光源へ戻る光は大幅に減少する。
ＰＮ符号生成器は符号長Ｎを有するＭ系列の擬似ランダム符号（以下では、擬似ランダム符号という）を所定のチップ速度で生成し、光源ドライバー及び相関器の信号処理回路へ擬似ランダム信号を送出する。
擬似ランダム符号の符号長が大きいほど、０と１との生起確率が等しくなり精度の高い符号を生成することができ、また光ファイバに導入される光のピーク値が高くなるので反射レベルが小さい戻り光（例えば、レイリー散乱）を高い精度で測定することが可能となる。例えば、レイリー散乱の反射利得を−６０ｄＢとすると、符号の長さとしては、Ｎ＝２21−１（利得６３ｄＢに相当）以上にすることによって精度の高い測定が可能となる。
本実施形態では、Ｍ系列の擬似ランダム符号を用いるものとしたが、これに限定されず、例えばＧｏｌｄ系列等の他の擬似ランダム符号でも良い。またホワイト雑音をサンプリングして生成した擬似ランダム符号でも良い。
本実施形態では、Ｍ系列の擬似ランダム符号を用いるものとしたが、これに限定されず、例えばＧｏｌｄ系列等の他の擬似ランダム符号でも良い。またホワイト雑音をサンプリングして生成した擬似ランダム符号でも良い。
光源ドライバーは、ＰＮ符号生成器からの擬似ランダム信号によって駆動され、ＰＮ符号生成器からの擬似ランダム信号に基づいて広帯域光源５から発光される光に対してＰＮ変調を行い（以下では、変調後の光を探索光という）、探索光は光ファイバ６１に導入される。
ここで、連続波長成分を有する広帯域光源５としては、ファイバを使ったＡＳＥ光源などに比べ手軽に使える高出力のスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）が好ましい。また測定のダイナミックレンジが狭くてよい場合は、発光ダイオードとコア径の大きな多モードファイバとを組み合わせても良い。今回は広帯域光源５として、図３に示す温度２５℃で図３に示す発光スペクトルを有し、高速変調が可能でかつＦＢＧ１〜ＦＢＧ３の波長のシフトの変化範囲を包含する連続スペクトルを有するＳＬＤを使用した。
サーキュレータ１は、３つの入出力ポートを有し、非可逆的な伝送特性を有する。即ち、第１のポート（Ｐ１１）に入射した光は第２のポート（Ｐ１２）から出力され、第２のポート（Ｐ１２）に入射した光は第３のポート（Ｐ１３）から出力される。しかし、第２のポート（Ｐ１２）から第１のポート（Ｐ１１）、第３のポート（Ｐ１３）から第２のポート（Ｐ１２）及び第１のポート（Ｐ１１）、そして第１のポート（Ｐ１１）から第３のポート（Ｐ１３）の方向への光は遮断され伝達されない。
サーキュレータ１は、光ファイバ６１から入射して来た光をスルー本線６２に出力する一方、スルー本線６２からサーキュレータ１に入射してきた反射光に対しては、光ファイバ６５に出力する。また、光結合器２は、光ファイバ６５から入射してきた光を光ファイバ６６及びダミーファイバ４を介して光ファイバ６８に出力させる。
光ファイバ６１に導入された探索光は、スルー本線６２を通り、光カプラによって分岐され、ＦＢＧ１，２及び３にそれぞれ入射する。ＦＢＧ１、２及び３では、測定対象の物理量に応じた波長をもつ光が反射される。
波長傾斜フィルタ３は、ＦＢＧ１、ＦＢＧ２及びＦＢＧ３からの戻り光の波長に応じ
て、透過光強度が変化する。波長傾斜フィルタ３としては、光ファイバの端面に誘電体多層膜フィルタを蒸着させたバンドパスフィルタや、エッジフィルタ等を使用することが好ましい。
て、透過光強度が変化する。波長傾斜フィルタ３としては、光ファイバの端面に誘電体多層膜フィルタを蒸着させたバンドパスフィルタや、エッジフィルタ等を使用することが好ましい。
第２実施例の図２の構成では、アイソレータ１１の入口であるＰ１１へ入射した探索光は光ファイバ６２へ入射されてＦＢＧへ伝送される。またＦＢＧで反射されてＰ１２へ入射した光は、Ｐ１１方面とＰ１３へ分岐される。Ｐ１１方面へ分岐された光はアイソレータ１１により阻止されて光源５への光は大幅に減衰する。図２の構成は、サーキュレータの代わりにアイソレータと光カプラを使いＦＢＧからの反射光のパワーが分割されるので、検出感度が低下するがコスト的には有利である。
ＦＢＧ１、２及び３は、ファイバ・ブラッグ・グレーティング（Ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ）であり、電気測定系１０の距離分解能よりも十分長い距離を以てそれぞれ設置されている。この実施形態では、ＦＢＧ１、２及び３それぞれに等しいエネルギーの光が配分されるように設定されている。ＦＢＧ１、２及び３は、測定対象の物理量に変化がない場合、検出光として波長λoを有する光を反射させる。測定対象の物理量が変化した場合には測定対象の物理量の変化に応じて検出光の波長をシフトさせる。
ここで、ＦＢＧ１，２及び３の設置間隔は、ＰＮ符号生成器２０のチップ速度によって決まる距離分解能の４倍以上であれば良い。各ＦＢＧ間による反射光の時間差はＦＢＧ間の距離を往復する時間差になる。距離分解能は略以下の式によって算出される。
距離分解△Ｌ＝１００／ｆｃ （ｍ）
（但し、ｆｃはＰＮ符号生成器２０のチップ速度で単位はＭＨｚである）
例えば、チップ速度が１０ＭＨｚである場合、上記の△ＬＦは１０ｍとなるので、ＢＧ１，２及び３の設置間隔は、それぞれ４０ｍ以上であれば、各ＦＢＧからの反射光の間には往復で８０ｍ分以上の時間差が生じる。ＦＢＧ間の距離は検出光と補償光が光検出器で混ざらないように、後述するダミーファイバの長さよりも十分長い距離が好適である。
距離分解△Ｌ＝１００／ｆｃ （ｍ）
（但し、ｆｃはＰＮ符号生成器２０のチップ速度で単位はＭＨｚである）
例えば、チップ速度が１０ＭＨｚである場合、上記の△ＬＦは１０ｍとなるので、ＢＧ１，２及び３の設置間隔は、それぞれ４０ｍ以上であれば、各ＦＢＧからの反射光の間には往復で８０ｍ分以上の時間差が生じる。ＦＢＧ間の距離は検出光と補償光が光検出器で混ざらないように、後述するダミーファイバの長さよりも十分長い距離が好適である。
例えば、被測定環境の温度を測定する場合について説明する。ＦＢＧ１，２及び３として、図４に示す温度特性を有するものを使用する。図４は、温度に対する戻り光の波長の変化を示した図であり、横軸に波長（ｎｍ）を、縦軸に入射光に対する反射利得（ｍＶ）を、それぞれ取ったものである。
ＦＢＧが設置された環境の温度が変わると図４のように反射光の波長が変化する。光源は図３に示すＳＬＤの発光スペクトラムがほぼフラットな部分なので、ＦＢＧの反射波長が変化する領域では反射光のレベルはほぼ一様になる。
この波長の変化したＦＢＧからの反射光を図５のような透過・反射特性を持つ波長傾斜フィルタ（波長弁別手段）へ入射すると、ＦＢＧからの反射光の波長の変化を透過光の強度の変化として検出することができる。
上記の構成で、被測定環境の温度を計測することが出来るが、実際に計測をする際に残留の雑音が取りきれないという問題が残った。特に、高価なサーキュレータを使わずにコスト削減も兼ねて、光カプラ２の部分に斜め入射の波長傾斜フィルタを使って透過光と反射光を空間的に分離した光学系で残留雑音が大きくなることが分った。
図５は、波長傾斜フィルタ３に入射した光の波長に対する点線で示す透過率（Ｔ）及び実線で示す反射率（Ｒ）をそれぞれ示した図である。図に示すように、光の波長がλoである場合反射率と透過率とが等しくなるように設定され、透過率と反射率との和はフィルタの損失を無視すれば常に１になるように相補的に変化する。波長傾斜フィルタ３に入射してきた光の波長がλoである場合、上述したように反射率と透過率とは等しくなるので、図５に示すように透過光レベル（点線）と反射光（実線）のレベルとはそれぞれ同じになる。
一方、測定対象の物理量に変化が生じて戻り光の波長がシフトした場合、例えばλo＋Δλに変化した場合、図５に示すように、透過率はｈだけ増加する一方、相補的に反射率はｈだけ低下する。その結果、図４透過光のレベルは増加する一方、反射光のレベルは低下する。
従って、測定系の変動要素を補償する補償光として波長傾斜フィルタからの反射光を用いると波長弁別の感度を２倍にすることができる。しかし、後述するように波長傾斜フィルタからの反射光を補償光として使うことは測定系の偏光の変動により大きな問題があることが分った。そこで、今回は、補償光として、波長傾斜フィルタからの反射光でなく、ＦＢＧからの反射光（検出光）を用いることにした。
波長傾斜フィルタの透過光と補償光を同一の光検出器で受光して分離するには、両者に時間的な差を設ける必要がある。遅延線としてのダミーファイバ４は、光カプラ２よって分離された検出光と透過光との間に電気測定系１０が有する距離分解能の4倍以上の光路差を与える。
ここでダミーファイバ４の長さはＰＮ符号生成器のチップ速度によって決まる距離分解能の４倍以上であれば良い。距離分解能△Ｌは以下の式によって算出される。
△Ｌ＝１００／ｆｃ （ｍ）
（但し、ｆｃはＰＮ符号生成器２０のチップ速度）
例えば、チップ速度が１０ＭＨｚである場合、△Ｌは１０ｍになるのでダミーファイバ４は４０ｍ以上であれば良い。
△Ｌ＝１００／ｆｃ （ｍ）
（但し、ｆｃはＰＮ符号生成器２０のチップ速度）
例えば、チップ速度が１０ＭＨｚである場合、△Ｌは１０ｍになるのでダミーファイバ４は４０ｍ以上であれば良い。
なお、本実施形態では、ダミーファイバ４を光ファイバ６８に設けているが、ダミーファイバ４を光ファイバ６６や光ファイバ６７に設けても良い。光カプラ２は、光ファイバ６５からの検出光を補償光と波長傾斜フィルタへ向かう光に分割する。ＰＤ６はフォトダイード等からなり、透過光及び補償光を両者の間に与えられた光路差に応じた時間差を以て異なる時刻で受光する。
プリアンプは、ＰＤ６で受光した透過光と補償光とを増幅する。Ａ／Ｄ変換器は、プリアンプによって増幅された透過光と補償光とに掛かるアナログ電圧をデジタル信号にそれぞれ変換する。
相関回路は、Ａ／Ｄ変換器からの電気信号とＰＮ符号生成器からの擬似ランダム符号との間で相関をと取ることによって透過光と補償光の強度に応じて物理計測光に対する利得をそれぞれ算出する。これが両者の比を算出する算出手段となる。
信号処理では、相関回路で算出された透過光のピーク時の利得と補償光のピーク時の利得とから、（透過光／補償光）の強度比を求め、この比から波長シフトを算出し、測定対象の物理量の情報を検出する。
次に、光ファイバセンシングシステムによる測定対象物理量の測定方法を説明する。まず、ＰＮ符号生成器によって、擬似ランダム符号が生成されると、この符号によって光源ドライバーが駆動され、広帯域光源５から出力される光に対してＰＮ変調がなされ探索光が広帯域光源５から光ファイバ６１に導入される。
光ファイバ６１に導入された探索光は、スルー本線６２を通り、光カプラによって分岐され、ＦＢＧ１、２及び３にそれぞれ入射する。ＦＢＧ１、２及び３では、測定対象の物理量に応じた波長の光が反射される。
ＦＢＧ１、２及び３からの光は、設置間隔に応じた時間差を以て電気測定系１０にそれぞれ入射する。最初に、電気測定系１０に最も近い位置に設置されたＦＢＧ１からの戻り光が、サーキュレータ１に入射し、光ファイバ６５に出力される。
光ファイバ６５に出力された検出光は光カプラ２に入射し、光ファイバ６６に出力される。光ファイバ６６に出力された光は波長傾斜フィルタ３に入射し、波長に応じて強度が相補的に変化する透過光と反射光とに分離される。
透過光は、光ファイバ６７を進みＰＤ６で受光される。また、ＦＢＧからの検出光は光ファイバ６５を介してカプラ２に入射して、一部の光が補償光として光ファイバ６８に出力されダミーファイバ４によって電気測定系１０が有する距離分解能以上の光路差が付与された後光検出器ＰＤ６に受光される。
次に、透過光及び補償光はプリアンプで増幅された後、Ａ／Ｄ変換器で電気信号に変換され、相関回路に送られる。
相関回路では、Ａ／Ｄ変換器からの電気信号に対してＰＮ符号生成器から送られてきた擬似ランダム符号との間で相関が取られ、補償光及び透過光のそれぞれの利得が算出され、信号処理がされる。
信号処理では、透過光のピーク時の利得と補償光のピーク時の利得とのレベル差を求める。以下、このレベル差に基づいて波長シフトを算出し、シフト量から測定対象の物理量を算出する。また、ＦＢＧ２及び３からの検出光も上記と同様に処理され、それぞれの測定対象の物理量が検出される。
（波長シフトの算出方法）
次に、上記レベル差から波長のシフト量を算出する方法を、図５を参照しながら説明する。図５は、横軸に波長（ｎｍ）を、縦軸に透過率（ｄＢ）及び反射率（ｄＢ）をそれぞれとったものである。図５では中心波長λoからの波長のずれをδで表わしている。
次に、上記レベル差から波長のシフト量を算出する方法を、図５を参照しながら説明する。図５は、横軸に波長（ｎｍ）を、縦軸に透過率（ｄＢ）及び反射率（ｄＢ）をそれぞれとったものである。図５では中心波長λoからの波長のずれをδで表わしている。
点線は、波長に対する波長傾斜フィルタ３に入射してきた光の透過率を示したものあり、正規化すると略次式のように表される。
実線は、波長に対する波長傾斜フィルタ３に入射してきた光の反射率を示したものであり、正規化すると略次式のように表される。
透過率と反射率とは相補的に変化して、一方が増加すると他方は減少し、その和は次式で表されるように常に１である。
ここで、透過率と反射率との比をとると、
となる。
ここで、測定対象の物理量が変化してＦＢＧが反射させる光の波長が△λだけシフトし、λ＝λ０＋δ＝λ０＋△λに変化した場合、透過率と反射率との比は、上式より
となり、これより波長のシフト量△λは、
となる。
以上のようにして、ＦＢＧからの戻り光を、波長傾斜フィルタ３によって波長に応じた反射率と透過率で反射光と透過光とに分離し、これら２つの光のレベル比から波長のシフトを算出する事ができる。
ここで、測定対象の物理量が変化してＦＢＧが反射させる光の波長が△λだけシフトし、λ＝λ０＋δ＝λ０＋△λに変化した場合、透過率と反射率との比は、上式より
以上のようにして、ＦＢＧからの戻り光を、波長傾斜フィルタ３によって波長に応じた反射率と透過率で反射光と透過光とに分離し、これら２つの光のレベル比から波長のシフトを算出する事ができる。
従来は、上記のように波長傾斜フィルタの反射光と透過光の両方を使い、波長の変化が受光パワーの変化に及ぼす影響を効率的に取り出して来た。しかし、実際の測定系では
波長変化に伴う強度変化だけでない残留の雑音が逆に測定感度の向上を妨げていることが分かった。対策は、上記の波長傾斜フィルタからの反射光の代わりにＦＢＧからの検出光をフィルタを介さずに補償光として使用することである。
波長変化に伴う強度変化だけでない残留の雑音が逆に測定感度の向上を妨げていることが分かった。対策は、上記の波長傾斜フィルタからの反射光の代わりにＦＢＧからの検出光をフィルタを介さずに補償光として使用することである。
偏光の変動による透過率と反射率の変動は、垂直入射時の透過率と反射率の特性からの変動として捉えることができる。等価的に図５の細い実線で示す透過率（Ｔ’）と細い点線で示す反射率（Ｒ’）のようにフィルタ特性が変化すると見ることができる。逆に垂直入射の太い破線及び実線の特性上で考えると、検出光の波長が変動していると見ることができる。ここで、偏光の変動に伴う疑似的な波長変動をΔλpと表わすとδ＝Δλpとして表わすことができるので、波長弁別器からの反射光を補償光に使う場合は、得られる出力δ（λo＋Δλp）は数４に倣って次式、
のようになる。
偏光による雑音成分についても透過光に対して反射光が相補的なので偏光変動に対しても感度が上昇して、偏光変動による雑音成分の影響を受けやすくなる。つまり検出感度を上昇させるために、従来行われていた被波長弁別器からの反射光を補償光として使う方式は雑音に対して感度が高いという弱点を有することになる。そこで、対策として、補償光として反射光でなく、検出光を使うことで数６の分母が一定となり偏光変動に対する感度が低下してＳ／Ｎが向上する。
残留雑音の原因として、疑われるのが、探索光及び検出光が光ファイバを含む光デバイスを通過する際の偏光変動がある。特に波長傾斜フィルタの特性は偏光変動の影響を受け易い。そこで、偏光の変動により雑音を起こしていると思われる波長傾斜フィルタの偏光変動に関する特性を調べた。
図６に測定系を示す。実施例に即した構成になっていて、光源のＳＬＤからの光出力を、偏波を制御する偏波コントローラを通して、サーキュレータ及び１００ｍの光ファイバを通してＦＢＧを接続した。ＦＢＧからの反射光はサーキュレータを経て光フィルタへ入力する。
測定対象は、雑音の原因となる偏光変動を生じていると思われるフィルタである。フィルタの透過光パワーと反射光パワーの和は一定と仮定できるので、透過光の偏光依存性はすなわち反射光の逆方向の偏光依存性になる。
測定対象の３ポートフィルタは、本体部分の中にファイバからの光を並行ビームにするコリメート系の光学系と入射する光の光軸がフィルタの入射側の界面に対して垂直から所定の角度に傾いた干渉フィルタで構成されている。干渉フィルタの入射界面に対して所定の角度で入射した光は反対側の所定の角度で反射するとともに裏面へ透過する。
一方２ポートフィルタは、外部からの光がフィルタの入射側の界面に対して略垂直になっている。２ポートフィルタ及び３ポートフィルタ共に、内部の光学系を外部の光ファイバへ接続するためのピグテールを有している。
シングルモード光ファイバを伝送中の偏波は保存されないので、外乱により偏波面が変動する。測定系の時定数よりも大きい時間単位で変動すると、測定する度に測定値が変わる事になる。
図７は実際の測定系に近い場合の２ポートフィルタと３ポートフィルタの透過光強度の変動を比べたものである。図７（Ａ）の２ポートフィルタでは、パワー変動の振幅が０．０５ｄＢｍであるのに対して、図７（Ｂ）の３ポートフィルタの場合は、透過光強度の変動幅が０．９５ｄＢｍであり、約１ｄＢｍの違いが有る。
即ち、波長傾斜フィルタへ垂直にＦＢＧからの反射光を入射させると共に補償光として波長傾斜フィルタからの反射光でなくＦＢＧからの反射光を使うことで大幅に測定系の感度を向上させることができた。
本発明により、従来の方式に比べ偏光変動に伴う雑音を低減することで、より感度の高い測定を可能にする光ファイバセンシング光学系及び光ファイバセンシングシステムを提供することができる。
１ サーキュレータ
２ 光カプラ（光結合器、光分岐器）
３ 波長傾斜フィルタ：波長弁別手段
４ ダミーファイバ：遅延手段
５ ＳＬＤ：光源
６ ＰＤ：受光器
１０ 電気測定系
３０ 光学測定系（光ファイバセンシング光学系）
６１〜６８ 光ファイバ
７１ ＦＢＧ１
７２ ＦＢＧ２
７３ ＦＢＧ３
２ 光カプラ（光結合器、光分岐器）
３ 波長傾斜フィルタ：波長弁別手段
４ ダミーファイバ：遅延手段
５ ＳＬＤ：光源
６ ＰＤ：受光器
１０ 電気測定系
３０ 光学測定系（光ファイバセンシング光学系）
６１〜６８ 光ファイバ
７１ ＦＢＧ１
７２ ＦＢＧ２
７３ ＦＢＧ３
上記課題は、以下の構成を有する光ファイバセンシング光学系によって解決される。本発明に係る光ファイバセンシング光学系は 連続波長成分を有する探索光を出力する光源と、前記連続波長成分の一部の波長成分を選択して検出光を生成する反射手段と、前記検出光が入射され、その波長の変化に応じて強度の変化する透過光を生成する波長弁別手段と、前記探索光を前記反射手段へ非可逆的に伝送すると共に前記検出光を前記波長弁別手段を含む光学系へ伝送する第１光分配手段であるサーキュレータ若しくはアイソレータとカプラの組み合わせと、該第１光分配手段から前記波長弁別手段を含む光学系に伝送された検出光をさらに前記波長弁別手段への光及び補償光に分割する第２光分配手段であるカプラと、前記補償光及び前記透過光の外部への取り出し時刻の間に時間差を生成する遅延手段と、を備えることを特徴とする。
光源からの探索光が非可逆的に反射手段へ伝送されるので、光源が反射光による影響を受けることを避けることができる。被測定物の状態を反映した反射手段によって連続波長の中の特定波長が選択されて反射されるので、波長弁別手段により反射された波長を特定することで検出光の中の被測定物の状態に関する情報を得ることができる。波長弁別手段は波長の違いを透過率の違いにより透過光強度へ変換する。しかしながら透過光の強度は、光源および光の通過する光ファイバや光デバイスの特性変動の影響も受ける。そこで、光源および光の通過する光ファイバや光デバイスの特性変動の情報を有する補償光として、従来のように、偏光依存性の高い反射光ではなくＦＢＧからの検出光をそのまま取りだすことで原理的に偏光依存性を低減して安定な測定系を供する。また本発明に係る光ファイバセンシング光学系は、第１光分配手段にサーキュレータやアイソレータとカプラを組み合わせた非可逆的な伝送手段を使うことで、ＦＢＧからの検出光が光源へ戻ってレーザ発振することを防ぐことができる。そして、第２光分配手段に結合器（カプラ）を用いることでコスト削減を図ることができる。第1光分配手段にサーキュレータでなく光アイソレータと結合器を使うことで、光源のレーザ発振を防止しながら、コスト削減を図ることができる。
請求項２に記載された光ファイバセンシング光学系は、請求項１に記載された光ファイバセンシング光学系において、前記波長弁別手段が多層膜フィルタであり、ここへ入射する前記検出光の光軸が前記多層膜フィルタの入射側の界面に対して略垂直であることが好ましい。
請求項４に記載された光ファイバセンシング光学系は、請求項1乃至３何れかに記載の光ファイバセンシング光学系において、前記反射手段が複数設けられ、所定の長さの光ファイバで相互に接続されることが好ましい。
請求項５に記載された係る光ファイバセンシングシステムは、請求項１乃至４の何れかに記載の光ファイバセンシング光学系からの前記補償光と前記検出光との取り出し時刻に差が有る状態で１つの受光器で受光し、前記受光器からの出力により前記補償光に対する前記透過光の強度の比を算出する算出手段を備えることが好ましい。
請求項６に記載された係る光ファイバセンシングシステムは、請求項５に記載の光ファイバセンシングシステムにおいて前記光源が、擬似乱数に基づいて駆動され、前記出力が相関器により信号処理されることが好ましい。
Claims (8)
- 連続波長成分を有する探索光を出力する光源と、
前記連続波長成分の一部の波長成分を選択して検出光を生成する反射手段と、
前記検出光が入射され、その波長の変化に応じて強度の変化する透過光を生成する波長弁別手段と、
前記探索光を前記反射手段へ非可逆的に伝送すると共に前記検出光を前記波長弁別手段を含む光学系へ伝送する第１光分配手段と、
該第１光分配手段から前記波長弁別手段を含む光学系に伝送された検出光をさらに前記波長弁別手段への光及び補償光に分割する第２光分配手段と、
前記補償光及び前記透過光の外部への取り出し時刻の間に時間差を生成する遅延手段と、を備えることを特徴とする光ファイバセンシング光学系。 - 前記波長弁別手段へ入射する前記検出光の光軸が前記波長弁別手段の入射側の界面に対して略垂直であることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンシング光学系。
- 前記光源、前記反射手段、前記第１光分配手段、前記第２光分配手段、及び前記波長弁別手段の間の光パワー伝送がシングルモード光ファイバで行われ、前記遅延手段がシングルモード光ファイバで構成され、
前記、第１光分配手段が、前記探索光が入力される第１１ポート、前記第１１ポートへ入力された探索光を出力するとともに前記検出光が入力される第１２ポート、及び前記第１２ポートへ入力された前記検出光を出力する第１３ポートを有し、
前記第２光分配手段が、前記第１３ポートから出力された前記検出光が入力される第２１ポート、前記検出光を前記波長弁別手段へ出力する第２２ポート、及び前記検出光を前記補償光として外部へ出力する第２３ポートを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバセンシング光学系。 - 前記第１光分配手段が、前記第１１ポートから前記第１２ポートへ、前記第１２ポートから前記第１３ポートへ光パワーを伝送するサーキュレータであり、
前記第２光分配手段が、前記２１ポートへ入力された光パワーを、前記２２ポート及び前記２３ポートへ分割する結合器であることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバセンシング光学系。 - 前記第１光分配手段が、前記光源から前記ＦＢＧへ順方向である光アイソレータ及び前記第１２ポートから前記第１３ポートと前記第１１ポートへ光を分岐する結合器から成り、
前記第２光分配手段が、前記２１ポートへ入力された光パワーを、前記２２ポート及び前記２３ポートへ分割する結合器であることを特徴とする請求項３に記載の光ファイバセンシング光学系。 - 前記反射手段が複数設けられ、所定の長さの光ファイバで相互に接続されることを特徴とする請求項３乃至５の何れかに記載の光ファイバセンシング光学系。
- 請求項1乃至６何れかに記載の前記光ファイバセンシング光学系から出力される前記補償光と前記検出光との取り出し時刻に差が有る状態で一つの受光器で受光し、前記受光器からの出力により前記補償光に対する前記透過光の強度の比を算出する算出手段を備えることを特徴とする光ファイバセンシングシステム。
- 前記光源が、擬似乱数に基づいて駆動され、前記出力が相関器により信号処理されることを特徴とする請求項７に記載の光ファイバセンシングシステム。
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