WO2009107838A1

WO2009107838A1 - 光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置及びこれを用いた温度と歪みの計測方法

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Publication number: WO2009107838A1
Application number: PCT/JP2009/053898
Authority: WO
Inventors: 大道　浩児; 坂元　明; 平船　俊一郎
Original assignee: 株式会社フジクラ
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2009-09-03
Also published as: CA2695587C; US20100134783A1; CN101680782A; CA2695587A1; EP2166314A8; US7973914B2; CN101680782B; EP2166314A1; JP4474494B2; JPWO2009107838A1; EP2166314A4

Abstract

　本発明の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置は、一端がチューナブルレーザに接続され、他端が偏波保持カプラに接続された第１の偏波保持ファイバと、一端が前記偏波保持カプラに接続され、他端が参照用反射端である第２の偏波保持ファイバと、コアにファイバブラッググレーティングからなるセンサが形成され、一端が前記偏波保持カプラに接続された第３の偏波保持ファイバと、一端が前記偏波保持カプラに接続された第４の偏波保持ファイバと、前記第２の偏波保持ファイバの直交する２つの偏波軸に及び前記第３の偏波保持ファイバの直交する２つの偏波軸の両方に測定光を入射する入射部を備え、前記入射部が、前記第１の偏波保持ファイバ、または、前記第２の偏波保持ファイバと前記第３の偏波保持ファイバとの両方に配されている。

Description

光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置及びこれを用いた温度と歪みの計測方法

　本発明は、ファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating、ＦＢＧ）センサを、１本の偏波保持（Polarization　Maintaining、ＰＭ）ファイバに１つまたは複数配置し、このＦＢＧセンサの位置と、ＦＢＧセンサの歪みや温度などの物理量とを計測する光周波数領域反射測定（Optical Frequency Domain Reflectometry、ＯＦＤＲ）方式の物理量計測装置と、この物理量計測装置を用いた温度と歪みの計測方法とに関する。
　本願は、２００８年２月２９日に、日本国に出願された特願２００８－５１３４４号と、２００８年２月２９日に、日本国に出願された特願２００８－５１３４５号と、２００８年１２月５日に、日本国に出願された特願２００８－３１１２８６号と、２００８年１２月５日に、日本国に出願された特願２００８－３１１２８７号とに基づき優先権を主張し、これらの内容をここに援用する。

　光ファイバを用いて温度や歪みなどの物理量を計測するセンサは、長寿命、軽量、細径かつ柔軟性があるため、狭い空間で使用可能である。また、このセンサは、光ファイバが絶縁性を有するため、電磁ノイズに強いといった特性を有している。そのため、このセンサを、橋梁やビルなどの巨大建築物や、旅客機や人工衛星などの航空・宇宙機器などの健全性評価に用いることが期待されている。
　これら構造物の健全性評価を行うためのセンサに求められる性能としては、歪み分解能が高いこと、空間分解能が高く、センサ内の歪み分布計測ができること、多点のセンサを有すること（検知範囲が広いこと）、及びリアルタイムで計測できることなどが挙げられる。

　これまでにも様々な光ファイバセンサシステムが提案されているが、上記の要求性能を十分に満たす最も有望な光ファイバセンサとしては、ＦＢＧセンサとＯＦＤＲ方式の解析方法とを用いた光ファイバセンサが挙げられる。
　ＦＢＧセンサとＯＦＤＲ方式の解析方法とを用いた光ファイバセンサシステムは、ＦＢＧセンサからのブラッグ反射光と参照用の反射端からの反射光との干渉強度の周期的変化を利用して、ＦＢＧセンサの位置を特定する。また、この光ファイバセンサシステムは、ブラッグ反射光の波長の変化量から検知部の歪みや温度を計測する。

　この光ファイバセンサシステムとしては、高い歪み分解能でセンサ内の歪み分布計測ができること（例えば、非特許文献１および特許文献３参照）、１ｍｍ以下の高い空間分解能を有すること（例えば、非特許文献２参照）、８ｍの光ファイバに８００個のＦＢＧセンサを配置して、４本の光ファイバで計３，０００点以上もの歪み計測を同時に行えること（例えば、非特許文献３参照）、及び計測のリアルタイム性に優れていること（例えば、特許文献１参照）、などが開示されている。ここで、非特許文献１および特許文献３に記載されているセンサ内の歪み分布計測とは、ＦＢＧセンサの長手方向に沿って生じる不均一な歪みを計測できることを意味している。

　一方、光ファイバセンサシステムの一般的な問題点としては、温度や歪みなどの物理量が複数項目変化すると、それらの変化量を個別に識別して測定できないことが挙げられる。そのため、例えば、光ファイバセンサシステムを歪みセンサとして使用する場合、検知部の温度変化を歪みの変化として捉えないようにするために、別途、温度補償用のセンサを用いる必要がある。
　この問題を解決する手法としては、ＰＭファイバからなるＦＢＧセンサを用いる方法が挙げられる（例えば、特許文献２参照）。この手法は、ＰＭファイバの一種であるＰＡＮＤＡファイバを用い、このＰＡＮＤＡファイバからなるＦＢＧセンサにおける直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長の変化量を測定することにより、温度と歪みを計測できる方法である。
　すなわち、この手法は、温度補償用のセンサが不要の歪みセンサを実現し得る方法である。

　以上説明した技術を組み合わせて、ＰＭファイバからなるＦＢＧセンサとＯＦＤＲ方式の解析方法とを用いた光ファイバセンサシステムを使用すれば、高い歪み分解能、高い空間分解能、多点計測、リアルタイム計測、温度と歪みの計測を同時に達成することができると考えられる。
特許第３７４０５００号公報特許第３８１９１１９号公報特許第４１０２２９１号公報 H. Igawa, H. Murayama, T. Kasai, I. Yamaguchi, K. Kageyama and K. Ohta, "Measurement of strain distributions with long gauge FBG sensor using optical frequency domain reflectometry" Proceedings OFS-17, pp. 547-550 (2005) H. Murayama, H. Igawa, K. Kageyama, K. Ohta, I. Ohsawa, K. Uzawa, M. Kanai, T. Kasai and I. Yamaguchi, "Distributed Strain Measurement with High Spatial Resolution Using Fiber Bragg Gratings and Optical Frequency Domain Reflectometry" Proceedings OFS-18, ThE40 (2006) B. Childers, M. E. Froggatt, S. G. Allison, T. C. Moore, D. A. Hare, C. F. Batten and D. C. Jegley, "Use of 3000 Bragg grating strain sensors distributed on four eight-meter optical fibers during static load test of a composite structure" Proceedings SPIE’s 8th International Symposium on Smart Structure and Materials, Vol. 4332, pp. 133-142 (2001)

　しかしながら、ＰＭファイバからなるＦＢＧセンサとＯＦＤＲ方式の解析方法とを用いた光ファイバセンサシステムは、これまでに提案されていない。なぜならば、ＯＦＤＲ方式の解析方法により、ＰＭファイバからなるＦＢＧセンサにおける直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光を安定して測定するためには、ＦＢＧセンサおよび参照用の反射端に、測定光を、直交する２つの偏波軸に制御性良く分波して伝搬させる必要がある。しかしながら、通常、測定光は単一偏波で出射される。そのため、ＦＢＧセンサと参照用の反射端までの光路をＰＭファイバで構成すると、ＦＢＧセンサにおける直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射のうち、一方は測定できるものの、他方は測定できない。この結果、上述したように直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光を測定することができない。

　単一偏波の測定光を、直交する２つの偏波軸に分波する方法としては、ＦＢＧセンサと参照用の反射端までの光路の少なくとも一部をシングルモードファイバで構成する方法が挙げられる。しかしながら、この方法では、単一偏波で出射された測定光を、直交する２つの偏波軸に制御性よく分波できないという問題がある。

　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、ＦＢＧセンサを１本のＰＭファイバに１つまたは複数配置し、このＦＢＧセンサの位置と、ＦＢＧセンサの歪みや温度などの物理量をＯＦＤＲ方式の解析方法で計測する光ファイバセンサシステムにおいて、特に温度と歪みの計測が可能で、かつ温度と歪みを高い空間分解能で計測することが可能なＯＦＤＲ方式の物理量計測装置と、この物理量計測装置を用いた温度と歪みの計測方法との提供を目的とする。

　本発明は、上記課題を解決して係る目的を達成するために以下の手段を採用した。
（１）本発明の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置は、測定光を出射するチューナブルレーザと；このチューナブルレーザに一端が接続された第１の偏波保持ファイバと；この第１の偏波保持ファイバの他端に接続された偏波保持カプラと；この偏波保持カプラに一端が接続され、他端が参照用反射端である第２の偏波保持ファイバと；前記偏波保持カプラに一端が接続された第３の偏波保持ファイバと；この第３の偏波保持ファイバコアに形成されたファイバブラッググレーティングからなるセンサと；前記偏波保持カプラに一端が接続された第４の偏波保持ファイバと；この第４の偏波保持ファイバを介して前記偏波保持カプラと接続され、前記センサからのブラッグ反射光と前記参照用反射端からの参照光とを検出するフォトダイオードと；このフォトダイオードで検出された前記ブラッグ反射光と前記参照光との合波光強度変化に基づき、これらブラッグ反射光及び参照光間の干渉強度の変調を検知する制御部と；前記第２の偏波保持ファイバの直交する２つの偏波軸及び前記第３の偏波保持ファイバの直交する２つの偏波軸の両方に、前記測定光を入射する入射部αと；を備え、前記入射部αが、前記第１の偏波保持ファイバ、または、前記第２の偏波保持ファイバと前記第３の偏波保持ファイバとの両方に配されている。
（２）前記入射部αが、この入射部αが前記第１の偏波保持ファイバに配されている場合には、この第１の偏波保持ファイバに４５°の偏波軸オフセット角度を有して形成された融着接続部であり；前記入射部αが前記第２の偏波保持ファイバ及び前記第３の偏波保持ファイバの両方に配されている場合には、これら第２の偏波保持ファイバ及び前記第３の偏波保持ファイバのそれぞれに４５°の偏波軸オフセット角度を有して形成された融着接続部である；のが好ましい。
（３）前記第４の偏波保持ファイバに、前記センサからの前記ブラッグ反射光を分波する偏波ビームスプリッタが更に配されているのが好ましい。
（４）前記第３の偏波保持ファイバの、前記センサと前記偏波保持カプラとの間に、前記センサにおける直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の光路長差を、前記センサの長さに相当する光路長よりも長くするための延長ファイバが更に配されているのが好ましい。
（５）前記延長ファイバの長さをＬ、前記第３の偏波保持ファイバにおける直交する２つの偏波軸の実効屈折率の差を（ｎ_ｓｌｏｗ－ｎ_ｆａｓｔ）、前記センサの長さをｌとした場合、前記Ｌが、下式（１）を満たすのが好ましい。

（６）前記入射部αに換えて、前記第３の偏波保持ファイバにおける直交する２つの偏波軸のうちのいずれか一方の偏波軸に測定光を入射する入射部βをさらに備えるのが好ましい。
（７）前記第１の偏波保持ファイバから前記第４の偏波保持ファイバのうち、少なくとも前記第３の偏波保持ファイバにおける直交する２つの偏波軸の実効屈折率差が、４．４×１０^－４以上であるのが好ましい。
（８）本発明の、光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いた温度と歪みの計測方法は、上記（１）～（７）のいずれか１項に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いて、１つまたは複数の前記センサにおける直交する２つの偏波軸からの前記ブラッグ反射光の波長を計測する工程と；計測した前記ブラッグ反射光の波長に基づいて、前記センサにおける前記ブラッグ反射光の波長の温度と歪みによる変化量を計算する工程と；計算した前記変化量に基づいて、前記センサが配された部位の温度及び歪みを計算する工程と；を備える。
（９）本発明の、光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いた温度と歪みの計測方法は、上記（３）または（６）のいずれか１項に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いて前記制御部で検知した前記直交する２つの偏波軸それぞれの干渉信号に対して、前記センサの位置を特定するための短時間フーリエ変換解析を行う工程と；前記センサにおける直交する２つの偏波軸からの前記ブラッグ反射光の各々の光路長に対して、それぞれの偏波軸の実効屈折率を代入し、それぞれの偏波軸における前記センサの位置を求める工程と；を備える。
（１０）本発明の、光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いた温度と歪みの計測方法は、上記（４）または（５）のいずれか１項に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いて前記制御部で検知した前記直交する２つの偏波軸からの干渉信号の和に対して、前記センサの位置を特定するための短時間フーリエ変換解析を行う工程と；前記センサにおける直交する２つの偏波軸からの前記ブラッグ反射光の各々の光路長に対して、１つの任意の実効屈折率を代入し、それぞれの偏波軸における基準となる位置から前記センサまでの距離を求める工程と；を備える。
（１１）前記第３の偏波保持ファイバの、前記センサが配された部位長手方向に沿った温度分布および歪み分布を算出するのが好ましい。

　上記（１）に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置によれば、偏波保持ファイバのコアに形成されたＦＢＧセンサと、このＦＢＧセンサが形成された偏波保持ファイバの直交する２つの偏波軸に測定光を入射する入射部αとを有するので、ＦＢＧセンサにおける直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光を計測でき、ＦＢＧセンサにおける直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長の変化量を計測できる。その結果、温度と歪みの計測が可能で、かつ温度と歪みを高い空間分解能で計測することが可能となる。

　上記（８）に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いた温度と歪みの計測方法によれば、１つのＦＢＧセンサから歪みと温度を計測することができる。
　上記（９）に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いた温度と歪みの計測方法によれば、ＦＢＧセンサの位置を特定するための短時間フーリエ変換解析を行い、ＦＢＧセンサにおける直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の各々の光路長に対して、それぞれの偏波軸の実効屈折率を代入し、それぞれの偏波軸におけるＦＢＧセンサのファイバ位置を求めるので、高い空間分解能でＦＢＧセンサの温度と歪みの計測を行うことができる。

　上記（１０）に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いた温度と歪みの計測方法によれば、短時間フーリエ変換解析で求めたＦＢＧセンサまでの光路長に相当するファイバ長を求める際、ＦＢＧセンサの直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の各々の光路長に対して１つの任意の実効屈折率を代入することにより、ＦＢＧセンサの直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光が波長軸に対して重なることなく、個別に識別して計測できる。その結果、ＦＢＧセンサの温度と歪みの計測精度を向上させることができる。
　さらに、ＦＢＧセンサの長手方向に沿った温度分布と歪み分布を同時に計測することができる。

図１は、本発明の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置の第一の実施形態を示す概略構成図である。図２は、同実施形態の変形例を示す概略構成図である。図３は、ＰＭファイバとしてＰＡＮＤＡファイバを用いた場合の、偏波軸角度オフセット融着接続を示す概略斜視図である。図４は、本発明の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置の第二の実施形態を示す概略構成図である。図５は、本発明の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置の第三の実施形態を示す概略構成図である。図６は、本発明の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置の第四の実施形態を示す概略構成図である。図７は、本発明の実施例１の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を示す概略構成図である。図８は、同実施例１を用いて、センサの状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。図９は、同実施例１において、センサのスロー軸とファスト輔からのブラッグ反射光の位置ずれ量Δｌの、センサまでのファイバ長Ｌ_２に対する依存性を計算した結果を示すグラフである。図１０は、本発明の実施例２の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を示す概略構成図である。図１１は、同実施例２を用いて、センサの状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。図１２は、同実施例２を用いて、センサの状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。図１３は、本発明の実施例３の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いて、センサの状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。図１４は、同実施例３を用いて、センサの状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。図１５は、同実施例３において、測定点数を増やして温度と歪み同時計測した結果をグラフ化したものである。図１６は、ＰＡＮＤＡファイバの複屈折とこのファイバにより構成されたＦＢＧからなるセンサの温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差を示すグラフである。図１７は、本発明の実施例４において、センサに生じる温度分布と歪みを計測するための実験系を模式的に示した図である。図１８は、同実施例４において、ヒータＡの位置およびヒータＢの位置における温度変化と歪みを計測した結果を示すグラフである。図１９は、比較例１の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いて、センサの状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。図２０は、同比較例１を用いて、センサの状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。図２１は、本発明の実施例５の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を示す概略構成図である。図２２は、同実施例５を用いて、センサの状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。図２３は、本発明の実施例６の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いて、センサの状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。図２４は、比較例２の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いて、センサの状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。図２５は、本発明の実施例７の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を示す概略構成図である。図２６は、同実施例７を用いて、センサの状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。図２７は、同実施例７を用いて、センサの状態を計測した結果を示すスペクトログラムである。

符号の説明

１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ，１０Ｇ，１０Ｈ，１０Ｉ，１０Ｊ，１０Ｋ（１０）　光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置
１１　偏波保持カプラ
１２　チューナブルレーザ
１３，１４　フォトダイオード
１５　偏波ビームスプリッタ
１６　参照用反射端
１７　センサ
１８，１９，２０，２１　偏波保持ファイバ
２２　制御部
７４　システムコントローラ
７５　Ａ／Ｄコンバータ
８０（８０Ａ，８０Ｂ）　ＰＡＮＤＡファイバ
８１（８１Ａ，８１Ｂ）　コア
８２（８２Ａ，８２ａ，８２Ｂ，８２ｂ）　応力付与部
α，β　入射部

　以下、図面を参照して本発明の光ファイバセンサシステムの実施形態を説明する。

（第一の実施形態）
　図１は、本発明の光周波数領域反射測定（以下、「ＯＦＤＲ」と略す）方式の物理量計測装置の第一の実施形態を示す概略構成図である。
　本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａ（１０）は、測定光を出射するチューナブルレーザ（ＴＬＳ）１２と；このチューナブルレーザ１２に一端が接続された第１の偏波保持ファイバ１８と；この第１の偏波保持ファイバ１８の他端に接続された偏波保持カプラ１１と；この偏波保持カプラ１１に一端が接続され、他端が参照用反射端１６である第２の偏波保持ファイバ２０と；偏波保持カプラ１１に一端が接続された第３の偏波保持ファイバ２１と；この第３の偏波保持ファイバのコアに形成されたファイバブラッググレーティングからなるセンサ１７と；偏波保持カプラ１１に一端が接続された第４の偏波保持ファイバ１９と；この第４の偏波保持ファイバを介して偏波保持カプラ１１と接続され、センサ１７からのブラッグ反射光と参照用反射端１６からの参照光とを検出するフォトダイオード１３と；このフォトダイオード１３で検出されたブラッグ反射光と参照光との合波光強度変化に基づき、これらブラッグ反射光及び参照光間の干渉強度の変調を検知する制御部２２と；第２の偏波保持ファイバ２０の直交する２つの偏波軸及び第３の偏波保持ファイバ２１の直交する２つの偏波軸の両方に、測定光を入射する入射部αと；から概略構成されている。本実施形態において、偏波保持カプラ１１は、第１～第４の偏波保持（以下、「ＰＭ」と略す）ファイバと同種のＰＭファイバで構成されている。

　チューナブルレーザ１２としては、チューナブルレーザ１２から出射した測定光がセンサ１７で反射してフォトダイオード１３に入射するまでの光路長よりも長いコヒーレンス長を有するものが好適に用いられる。

　フォトダイオード１３としては、チューナブルレーザ１２から出射する測定光の波長を変化させた時、２つの反射点、すなわち、参照用反射端１６とセンサ１７とから得られる光干渉の強度変調を検知できるカットオフ周波数を有するものが好適に用いられる。

　制御部２２は、例えばフォトダイオード１３からの信号をサンプリングするＡ／Ｄコンバータ７５と、このサンプリングデータを解析するシステムコントローラ７４とを備える。Ａ／Ｄコンバータ７５としては、フォトダイオード１３で検知した光干渉の強度変調を検知できるサンプリング周波数を有するものが好適に用いられる。Ａ／Ｄコンバータ７５は、フォトダイオード１３で計測したアナログの光干渉信号を、デジタル的にサンプリングする。このデジタル干渉信号は、システムコントローラ７４へと伝送される。システムコントローラ７４では、このデジタル干渉信号を用いて、ＳＴＦＴ（Short Time Fourier Transform;ＳＴＦＴ）解析が行なわれる。解析方法に関しては、後述する。このシステムコントローラ７４としては、Ａ／Ｄコンバータ７５で得られたデジタル干渉信号をＳＴＦＴ解析できるものであれば、特に限定されない。システムコントローラ７４は、汎用インターフェイスバス（ＧＰＩＢ）を介してチューナブルレーザ１２に接続され、チューナブルレーザ１２の制御を行なっている。

　入射部αは、第１のＰＭファイバ１８に設けられ、チューナブルレーザ１２から単一偏波として出射された測定光を、この第１のＰＭファイバ１８の直交する２つの偏波軸に分波する。入射部αは、第２のＰＭファイバ２０の直交する２つの偏波軸及び第３のＰＭファイバ２１の直交する２つの偏波軸の両方に、測定光を入射できればよく、図２に示すように、第２のＰＭファイバ２０と第３のＰＭファイバ２１との両方に配されていてもよい。入射部αを１箇所に設けるだけでよい点で、入射部αは、センサ１７が形成されたＰＭファイバ２１と、参照用反射端１６を有するＰＭファイバ２０との分岐部の前段（すなわち、第１のＰＭファイバ１８）に設けられていることが好ましい。
　また、入射部αとしては、λ／２板を挿入する方法、偏波軸角度オフセット融着接続を設ける方法、あるいは、チューナブルレーザ１２からの単―偏波の測定光に対して、ＰＭファイバの偏波軸が角度オフセットを有するように、ＰＭファイバを配置し、チューナブルレーザ１２からの出射光をＰＭファイバに結合させる方法など、単一偏波の測定光をＰＭファイバの直交する２つの偏波軸に分波できる手段であれば、いかなるものでも用いられる。
　その中でも、簡便である点、測定光を均等に２偏波に分波できる点から、この入射部αとしては、この第１のＰＭファイバ１８に４５°の偏波軸オフセット角度を有して形成された融着接続部（以下、「４５°オフセット融着」と言う）であるのが好ましい。

　ここで、偏波軸角度オフセットを有する融着接続とは、ＰＭファイバの一方の偏波軸が、融着点であるオフセット角度を有するように、２つのＰＭファイバを融着接続することである。ＰＭファイバの一方の偏波軸が、融着点であるオフセット角度を有するということは、直交する他方の偏波軸も同様のオフセット角度を有して２つのＰＭファイバが融着接続されることを意味する。

　図３は、ＰＭファイバとしてＰＡＮＤＡ（Polarization-maintaining and Absorption reducing）ファイバを用いた場合の４５°オフセット融着の様子を模式的に示した図である。
　ここで、ＰＡＮＤＡファイバ８０とは、ファイバに複屈折を持たせるために、コア８１両端のクラッドに、円形の応力付与部８２を設けたファイバである。この応力付与部８２により、直交する２つの偏波モード間に伝搬定数差（実効屈折率差）が生じる。そのため、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できる。この直交する２つの偏波モードが伝搬する偏波軸は、スロー軸、ファスト軸と呼ばれ、スロー軸とファスト軸の実効屈折率の差は、複屈折と呼ばれる。
　この２つの応力付与部８２とコア８１を結んだ直線（すなわち、ＰＡＮＤＡファイバ８０Ａの、２つの応力付与部８２Ａ，８２ａと、コア８１Ａとを結んだ直線８３Ａと；ＰＡＮＤＡファイバ８０Ｂの、２つの応力付与部８２Ｂ，８２ｂと、コア８１Ｂとを結んだ直線８３Ｂと；）を、２つのＰＡＮＤＡファイバ８０Ａ，８０Ｂの間で所望の偏波軸オフセット角度θとなるように接続することで、所望のオフセット融着接続を実現できる。

　本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａでは、チューナブルレーザ１２とＰＭカプラ１１との間に、チューナブルレーザ１２から単一偏波として出射された測定光を、第１のＰＭファイバ１８の直交する２つの偏波軸に分岐するための入射部αが設けられている。これにより、センサ１７における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光を得ることができる。この直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長の変化を検出すれば、センサ１７が配された部位の温度および歪みを計測でき、結果として、温度補償用のセンサが不要の歪みセンサを実現できる。

＜センサの位置特定方法＞
　次に、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａを用いたセンサ１７の位置特定方法について説明する。第１～第４のＰＭファイバとして、ＰＡＮＤＡファイバを用いた場合を例示する。
　本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａでは、フォトダイオード１３に、センサ１７からのブラッグ反射光と、参照用反射端１６からの反射光との干渉光が入射する。フォトダイオード１３に入射するこの光干渉信号Ｄ_１は、直交する２つの偏波軸の和となり、下記の式（２）で表される。

　上記の式（２）において、Ｒ_ｓｌｏｗとＲ_ｆａｓｔはＰＡＮＤＡファイバの直交する２つの偏波軸からの干渉光の強度、すなわち、スロー軸（Ｘ軸）とファスト軸（Ｙ軸）からの干渉光強度を示す。ｋは波数、ｎ_ｓｌｏｗとｎ_ｆａｓｔはスロー軸（Ｘ軸）とファスト軸（Ｙ軸）の実効屈折率を示す。Ｌ_２は、第２のＰＡＮＤＡファイバ２０におけるＰＭカプラ１１から参照用反射端１６までの長さと、第３のＰＡＮＤＡファイバ２１におけるＰＭカプラ１１からセンサ１７までの長さとの差を示す。つまりＬ_２は、図１に示すように、第３のＰＡＮＤＡファイバ２１において、参照用反射端１６を有する第２のＰＡＮＤＡファイバ２０の長さに相当する位置から、センサ１７までのファイバ長を示している。

　本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａを用いて上記Ｄ_１を求め、得られた光干渉信号Ｄ_１を、制御部２２に備えたシステムコントローラ７４にて短時間フーリエ変換（Short Time Fourier Transform;ＳＴＦＴ）解析する。これにより、第３のＰＡＮＤＡファイバ２１の直交する２つの偏波軸におけるＬ_２に相当する光路長ｎ_ｓｌｏｗＬ_２とｎ_ｆａｓｔＬ_２が求められる。なお、本発明の物理量計測装置では、フォトダイオード１３において計測した上記式（２）に相当するアナログの光干渉信号を、制御部２２に備えたＡ／Ｄコンバータ７５にてデジタル的にサンプリングし、このデジタル干渉信号を、制御部２２に備えたシステムコントローラ７４にてＳＴＦＴ解析するが、本文においては、フォトダイオード１３において計測した光干渉信号を制御部２２に備えたシステムコントローラ７４にてＳＴＦＴ解析すると略記する場合も、同様の処理をおこなっていることを意味する。前記のとおり、Ａ／Ｄコンバータ７５は、フォトダイオード１３で検知した光干渉の強度変調を検知できるサンプリング周波数を有するので、アナログの光干渉信号とサンプリングしたデジタル干渉信号とは、原理的には同じ信号である。また、アナログの光干渉信号を示す数式を用いることで、より効果的に本発明の特徴を説明できる箇所は、光干渉信号を用いて説明する。
　次いで、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａでは、得られた２つの光路長ｎ_ｓｌｏｗＬ_２とｎ_ｆａｓｔＬ_２に対して、１つの任意の実効屈折率を代入し、Ｌ_２を求める。以上で、センサ１７の位置が特定できる。本実施形態では、このようにしてセンサ１７における直交する２つの偏波軸から得られたブラッグ反射光を用いて、センサ１７の位置が求められる。

＜温度と歪みの計測方法＞
　次に、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａを用いた温度と歪みの計測方法について説明する。
　まず、予めある基準温度（例えば、２０℃）、基準歪み（例えば、０με）におけるセンサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長を計測しておく。

　次いで、センサ１７を検知したい場所（以下、「検知部」と言う）に配置し、この検知部において、センサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長を計測する。
　次いで、検知部におけるブラッグ反射光の波長と、基準温度、基準歪みでのブラッグ反射光の波長差（変化量）を計算する。
　次いで、得られた波長差を、下記の式（３）に代入して、検知部における温度と基準温度の差、検知部における歪みと基準歪みの差を求め、最後に既知の基準温度、基準歪みから検知部における実温度と実歪みを算出する。

　上記の式（３）において、ΔＴは検知部における温度と基準温度の差を示す。Δεは検知部における歪みと基準歪みの差を示す。Ｔは検知部における温度、εは検知部における歪みを示す。λ_ｓｌｏｗとλ_ｆａｓｔは検知部におけるセンサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長を示す。Δλ_ｓｌｏｗとΔλ_ｆａｓｔは検知部におけるセンサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長と、基準温度、基準歪みにおけるセンサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長との差を示す。∂λ_ｓｌｏｗ／∂εと∂λ_ｆａｓｔ／∂εは、単位歪みあたりのスロー軸とファスト軸のブラッグ波長シフト量を示す。∂λ_ｓｌｏｗ／∂Ｔと∂λ_ｆａｓｔ／∂Ｔは、単位温度あたりのスロー軸とファスト軸のブラッグ波長シフト量を示す。

　上記単位歪みあるいは単位温度あたりのブラッグ波長のシフト量は、ＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａを用い、基準温度（２０℃）においてセンサ１７に歪みを与え、センサ１７におけるブラッグ波長変化の歪み依存性を測定し、基準歪み（０με）においてセンサ１７に温度変化を与え、センサ１７におけるブラッグ波長変化の温度依存性を測定することで求められる。

　次いで、これら∂λ_ｓｌｏｗ／∂ε、∂λ_ｆａｓｔ／∂ε、∂λ_ｓｌｏｗ／∂Ｔ、∂λ_ｆａｓｔ／∂Ｔの値から、上記式（３）に記載のＤ値を求める。そして、このＤ値と、計測結果から得られたΔλ_ｓｌｏｗ及びΔλ_ｆａｓｔとを、上記の式（３）に代入して演算を行うことにより、ΔＴおよびΔεが求められる。そして、これらの値から基準温度、基準歪みを差し引けば、検知部における温度および歪みを求められる。
　これらの演算は、システムコントローラ７４を用いて簡単に行える。

（第二の実施形態）
　図４は、本発明のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｃの第二の実施形態を示す概略構成図である。本実施形態が第一の実施形態と異なる点は、第４のＰＭファイバ１９には、センサ１７からのブラッグ反射光を分波する偏波ビームスプリッタ１５が更に配され、この偏波ビームスプリッタ１５に、第１のフォトダイオード１３と第２のフォトダイオード１４とが接続されている点である。入射部αは、上述した第一の実施形態の際と同様に、第２のＰＭファイバ２０と第３のＰＭファイバ２１との両方に設けてもよい。

　偏波ビームスプリッタ１５は、上記第１～第４のＰＭファイバと同種のＰＭファイバで構成されている。この偏波ビームスプリッタ１５には、センサ１７からのブラッグ反射光と参照用反射端１６からの反射光との干渉光が入射する。この干渉光は、偏波ビームスプリッタ１５にて、直交する２つの偏波軸に分波され、それぞれ第１のフォトダイオード１３と第２のフォトダイオード１４とに入射される。

　チューナブルレーザ１２、ＰＭカプラ１１、第１のフォトダイオード１３、入射部α、第１～第４のＰＭファイバ、制御部２２に関しては第一の実施形態と同一である。また、第２のフォトダイオード１４は、第１のフォトダイオード１３と同種のものを用いることができる。

　本実施形態ＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｃによれば、センサ１７における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光と参照用反射端１６からの反射光との干渉光を、偏波ビームスプリッタ１５により各偏波軸の干渉光に分波して、第１のフォトダイオード１３及び第２のフォトダイオード１４にてそれぞれ計測できる。これにより、センサ１７における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光が波長軸に対して重なることなく、それぞれの変化量を個別に識別して計測できる。その結果、検知部の温度および歪みの計測精度が向上する。また、第１のフォトダイオード１３と第２のフォトダイオード１４とから得られた光干渉信号を並列処理できるため、センサ１７の温度と歪みの計測を短時間で行える。

＜センサの位置特定方法＞
　次に、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｃを用いたセンサの位置特定方法について説明する。第１～第４のＰＭファイバとして、ＰＡＮＤＡファイバを用いた場合を例示する。
　本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｃでは、センサ１７からのブラッグ反射光と参照用反射端１６からの反射光との干渉光が、偏波ビームスプリッタ１５で直交する２つの偏波軸に分波され、第１のフォトダイオード１３と第２のフォトダイオード１４にそれぞれ入射される。第１のフォトダイオード１３に入射される光干渉信号Ｄ_２は、下記の式（４）で表される。一方、第２のフォトダイオード１４に入射される光干渉信号Ｄ_３は、下記の式（５）で表される。

　上記の式（４）、（５）において、Ｒ_ｓｌｏｗとＲ_ｆａｓｔはＰＡＮＤＡファイバの直交する２つの偏波軸からの干渉光の強度、すなわち、スロー軸（Ｘ軸）とファスト軸（Ｙ軸）からの干渉光強度を示す。ｋは波数、ｎ_ｓｌｏｗとｎ_ｆａｓｔはスロー軸（Ｘ軸）とファスト軸（Ｙ軸）の実効屈折率を示す。Ｌ_２は、上記第一の実施形態と同様に、ＰＡＮＤＡファイバ２１において、参照用反射端１６を有するＰＡＮＤＡファイバ２０の長さに相当する位置からセンサ１７までのファイバ長を示す。

　本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｃを用いて上記Ｄ_２、Ｄ_３を求め、得られた光干渉信号Ｄ_２およびＤ_３を、システムコントローラ７４にてＳＴＦＴ解析することにより、ＰＡＮＤＡファイバの直交する２つの偏波軸におけるＬ_２に相当する光路長ｎ_ｓｌｏｗＬ_２とｎ_ｆａｓｔＬ_２を求める。

　次いで、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｃでは、得られた２つの光路長ｎ_ｓｌｏｗＬ_２とｎ_ｆａｓｔＬ_２に対して、既知のｎ_ｓｌｏｗとｎ_ｆａｓｔを代入してＬ_２を求める。
　このｎ_ｓｌｏｗとｎ_ｆａｓｔとしては、センサ１７からのブラッグ反射光の波長と、センサ１７の作製に使用したユニフォーム位相マスクの回折格子の間隔から計算されるグレーティング周期とから求めた値や、ニアフィールドパターン測定から求めた値などを用いることができる。

　上記の通り、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｃを用いたセンサの位置特定方法では、得られた２つの光路長ｎ_ｓｌｏｗＬ_２とｎ_ｆａｓｔＬ_２に対して、既知のｎ_ｓｌｏｗとｎ_ｆａｓｔを代入してＬ_２を求めるため、センサ１７のファイバ長Ｌ_２を正確に特定できる。そのため、高い空間分解能で計測を行える。

＜温度と歪みの計測方法＞
　次に、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｃを用いた温度と歪みの計測方法について説明する。本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｃを用いた場合も、第一の実施形態と同様に測定できる。
　第一の実施形態の際と同様に、予めある基準温度（例えば、２０℃）、基準歪み（例えば、０με）におけるセンサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長を計測しておく。

　次いで、センサ１７を検知部に配置し、この検知部において、センサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長を計測する。
　次いで、検知部におけるブラッグ反射光の波長と、基準温度、基準歪みでのブラッグ反射光の波長差（変化量）を計算する。
　次いで、得られた波長差を、上記の式（３）に代入して、検知部における温度と基準温度の差、検知部における歪みと基準歪みの差を求め、最後に既知の基準温度、基準歪みから検知部における実温度と実歪みを算出する。
　次いで、これらの値から上記の式（３）に記載のＤ値を求める。そして、このＤ値と、計測結果から得られたΔλ_ｓｌｏｗ及びΔλ_ｆａｓｔとを、上記の式（３）に代入して演算を行うことにより、ΔＴおよびΔεが求められる。そして、これらの値から基準温度、基準歪みを差し引けば、検知部における温度および歪みを求められる。

　本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量の計測装置１０Ｃを用いた温度と歪みの測定方法では、センサ１７における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長における温度と歪みによる変化量を計測できるため、検知部の温度および歪みの計測精度が向上する。

（第三の実施形態）
　図５は、本発明のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｄの第三の実施形態を示す概略構成図である。
　本実施形態が第一の実施形態と異なる点は、第３のＰＭファイバ２１の、センサ１７とＰＭカプラ１１との間には、センサ１７における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の光路長差を、センサ１７の長さに相当する光路長よりも長くするための延長ファイバ３１が配されている点である。入射部αは、上述した第一の実施形態の際と同様に、第２のＰＭファイバ２０と第３のＰＭファイバ２１との両方に設けてもよい。入射部αを第３のＰＭファイバに設けるときは、入射部αは、延長ファイバ３１とＰＭカプラ１１との間に設ける。

　チューナブルレーザ１２、ＰＭカプラ１１、フォトダイオード１３、入射部α、第１～第４のＰＭファイバ及び制御部２２に関しては、第一の実施形態と同一である。

　延長ファイバ３１としては、センサ１７が形成された第３のＰＭファイバ２１と同種のＰＭファイバを用いることが好ましい。
　延長ファイバ３１と、センサ１７が形成された第３のＰＭファイバ２１とが同種のファイバであるとき、延長ファイバ３１の長さをＬ_１、センサ１７が形成された第３のＰＭファイバ２１の直交する２つの偏波軸の実効屈折率の差を（ｎ_ｓｌｏｗ－ｎ_ｆａｓｔ）、センサ１７の長さをｌとすると、延長ファイバ３１の長さＬ_１は下記の式（６）を満たすことが好ましい。

　但し、このとき、センサ１７の長さｌ、および、延長ファイバ３１とセンサ１７との間の余長ファイバ長は、延長ファイバ３１の長さＬ_１に対して十分に短く、無視できるものとする。
　本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｄにおいて、延長ファイバ３１とセンサ１７が形成された第３のＰＭファイバ２１とが異種のファイバであるときは、延長ファイバ３１の長さを、上記の式（６）のＬ_１に相当する光路長より長い光路長を有するような長さとすることが好ましい。

　本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｄでは、チューナブルレーザ１２とＰＭカプラ１１との間に、チューナブルレーザ１２から単一偏波として出射された測定光を、第２のＰＭファイバ２０および第３のＰＭファイバ２１の直交する２つの偏波軸に分岐するための入射部αが設けられている。そのため、センサ１７における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光を得ることができ、この直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長の変化により、センサ１７における温度および歪みを同時に計測でき、結果として、温度補償用のセンサが不要の歪みセンサを実現できる。
　また、延長ファイバ３１を設けることにより、センサ１７における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光が、波長軸に対して重なることがない。その結果、それぞれの変化量を個別に識別して計測でき、検知部の温度および歪みの計測精度を向上できる。

＜センサの位置特定方法＞
　次に、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｄを用いたセンサ１７の位置特定方法について説明する。第１～第４のＰＭファイバとして、ＰＡＮＤＡファイバを用いた場合を例示する。
　本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｄでは、フォトダイオード１３に、センサ１７からのブラッグ反射光と参照用反射端１６からの反射光との干渉光が入射する。フォトダイオード１３に入射するこの光干渉信号Ｄ_４は、直交する２つの偏波軸の和となり、下記の式（７）で表される。

　上記の式（７）において、Ｒ_ｓｌｏｗとＲ_ｆａｓｔはＰＡＮＤＡファイバの直交する２つの偏波軸からの干渉光の強度、すなわち、スロー軸（Ｘ軸）とファスト軸（Ｙ軸）からの干渉光強度を示す。ｋは波数、ｎ_ｓｌｏｗとｎ_ｆａｓｔはスロー軸（Ｘ軸）とファスト軸（Ｙ軸）の実効屈折率を示す。Ｌ_１は、延長ファイバ３１の長さを示す（正確には、第２のＰＡＮＤＡファイバ２０におけるＰＭカプラ１１から参照用反射端１６までの長さと、第３のＰＡＮＤＡファイバ２１におけるＰＭカプラ１１からセンサ１７までの長さとの差であるが、延長ファイバ３１が第２のＰＡＮＤＡファイバ２０に対して十分に長く、かつ、第３のＰＡＮＤＡファイバ２１の長さが第２のＰＡＮＤＡファイバ２０とほぼ同等であるとき、Ｌ_１は延長ファイバ３１の長さとみなせる）。

　本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｄを用いて上記Ｄ_４を求め、得られた光干渉信号Ｄ_４を、制御部２２のシステムコントローラ７４にてＳＴＦＴ解析することにより、ＰＡＮＤＡファイバの直交する２つの偏波軸におけるＬ_１に相当する光路長ｎ_ｓｌｏｗＬ_１とｎ_ｆａｓｔＬ_１が求められる。

　次いで、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｄでは、得られた２つの光路長ｎ_ｓｌｏｗＬ_１とｎ_ｆａｓｔＬ_１に対して、１つの任意の実効屈折率（例えば、ｎ_ｓｌｏｗ）を代入してＬ_１を求める。
　この１つの任意の実効屈折率としては、センサ１７からのブラッグ反射光の波長と、センサ１７の作製に使用したユニフォーム位相マスクの回折格子の間隔から計算されるグレーティング周期とから求めた値や、ニアフィールドパターン測定から求めた値などを用いることができる。

　上記の通り、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｄを用いた温度と歪みの計測方法では、得られた２つの光路長ｎ_ｓｌｏｗＬ_１とｎ_ｆａｓｔＬ_１に対して１つの任意の実効屈折率（例えば、ｎ_ｓｌｏｗ）を代入してＬ_１を求める。そのため、解析上の延長ファイバ長Ｌ_１がスロー軸とファスト軸とで異なるようになっている。その結果、それぞれの偏波軸からのブラッグ反射光の位置がずれて、波長軸に対して重なることなく、個別に識別して計測できる。ゆえに、それぞれのブラッグ反射光の波長を精度よく計測することができる。

＜温度と歪みの計測方法＞
　次に、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｄを用いた温度と歪みの計測方法について説明する。本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｄを用いた場合も、第一および二の実施形態と同様に測定できる。
　第一および二の実施形態の際と同様に、予めある基準温度、基準歪みにおけるセンサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長を計測しておく。

　次いで、センサ１７を検知部に配置し、この検知部において、センサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長を計測する。
　次いで、検知部におけるブラッグ反射光の波長と、基準温度、基準歪みでのブラッグ反射光の波長差（変化量）を、スロー軸とファスト軸のそれぞれについて計算する。
　次いで、得られた波長差を、上記の式（３）に代入して、検知部における温度と基準温度の差、検知部における歪みと基準歪みの差を求め、最後に既知の基準温度、基準歪みから検知部における実温度と実歪みを算出する。
　次いで、これらの値から上記の式（３）に記載のＤ値を求める。そして、このＤ値と、計測結果から得られたΔλ_ｓｌｏｗ及びΔλ_ｆａｓｔとを、上記の式（３）に代入して演算を行うことにより、ΔＴおよびΔεが求められる。そして、これらの値から基準温度、基準歪みを差し引けば、検知部における温度および歪みを求められる。

　本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｄを用いた温度と歪みの測定方法では、センサ１７における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の各々の光路長に対して１つの任意の実効屈折率を代入することにより、センサ１７における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光が波長軸に対して重なることなく、それぞれの変化量を個別に識別して計測できる。その結果、検知部の温度および歪みを同時に計測できる。また、検知部の温度および歪みの計測精度を向上できる。

（第四の実施形態）
　図６は、本発明のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｅの第四の実施形態を示す概略構成図である。
　本実施形態が第一の実施形態と異なる点は、入射部αに換えて、第３のＰＭファイバ２１における直交する２つの偏波軸のうちのいずれか一方の偏波軸に、測定光を入射する入射部βを備える点である。

　入射部βとしては、センサ１７が形成された第３のＰＭファイバ２１の直交する２つの偏波軸のうち、いずれか一方の偏波軸に測定光を入射できれば特に限定されるものではなく、例えばλ／２板等が挙げられる。
　この入射部βは、センサ１７が形成された第３のＰＭファイバ２１と、参照用反射端１６を有する第２のＰＭファイバ２０との分岐部の後段、かつ、センサ１７の前段、すなわち、第３のＰＭファイバ２１において、ＰＭカプラ１１とセンサ１７との間に設けられていることが好ましい。さらに、入射部βは、ＰＭカプラ１１から参照用反射端１６までのファイバ長と、ＰＭカプラ１１から入射部βまでのファイバ長とが等しくなる位置に設けられていることが好ましい。この位置に入射部βを設けることで、後記するセンサの位置特定方法において、センサ１７の位置を正確に求めることができる。

　本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｅでは、外部コントロール、もしくは手動により、入射部β（λ／２板）の角度を変えることにより、測定光が入射部β（λ／２板）に入射する角度を自在に制御できる。

　チューナブルレーザ１２から単一偏波として出射された測定光が、入射部β（λ／２板）に対して角度０°、９０°、１８０°、２７０°で入射された際、測定光は偏波軸を変換することなく、元の偏波軸を伝搬してセンサ１７に到達する。そして、その反射光が入射部β（λ／２板）を通過した際も、偏波軸を変換することなく、元の偏波軸を伝搬する。すなわち、センサ１７のスロー軸を伝搬している測定光は、その偏波軸を保持したままフォトダイオード１３に入射する。本実施形態では、これをスロー軸測定モードと定義する。
　一方、チューナブルレーザ１２から単一偏波として出射された測定光が、入射部β（λ／２板）に対して角度４５°、１３５°、２２５°、３１５°で入射した際、測定光は他方の偏波軸に変換されてセンサ１７に到達する。そして、その反射光が入射部β（λ／２板）を通過した際、元の偏波軸に変換される。すなわち、センサ１７のスロー軸を伝搬している測定光は、ファスト軸に変換されてセンサ１７に到達する。そして、センサ１７からのブラッグ反射光は、入射部β（λ／２板）を通過する際、スロー軸に変換されてフォトダイオード１３に入射する。本実施形態では、これをファスト軸測定モードと定義する。

　したがって、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｅでは、例えば１回目の計測をスロー軸測定モードにより行い、２回目の計測をファスト軸測定モードにより行うことで、２つの信号がそれぞれ得られる。ゆえに、それぞれの信号を個別に解析でき、測定精度の向上が図れる。

＜センサの位置特定方法＞
　次に、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｅを用いたセンサの位置特定方法について説明する。第１～第４のＰＭファイバとして、ＰＡＮＤＡファイバを用いた場合を例示する。
　本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｅでは、フォトダイオード１３に、センサ１７からのブラッグ反射光と、参照用反射端１６からの反射光との干渉光が入射する。このフォトダイオード１３に入射する光干渉信号Ｄ_５は、入射部β（λ／２板）の測定光に対する角度により決まり、それぞれ下記の式（８）および（９）で表される。
　測定光が入射部β（λ／２板）に対して角度０°、９０°、１８０°、２７０°で入射したとき（スロー軸測定モード）、フォトダイオード１３に入射する光干渉信号Ｄ_５は、下記の式（８）で表される。また、測定光が入射部β（λ／２板）に対して角度４５°、１３５°、２２５°、３１５°で入射したとき（ファスト軸測定モード）、フォトダイオード１３に入射する光干渉信号Ｄ_６は、下記の式（９）で表される。

　本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｅを用いて上記Ｄ_５、Ｄ_６をそれぞれ求め、得られた光干渉信号Ｄ_５、Ｄ_６を、制御部２２のシステムコントローラ７４にてＳＴＦＴ解析することにより、ＰＡＮＤＡファイバの直交する２つの偏波軸におけるＬ_２に相当する光路長ｎ_ｓｌｏｗＬ_２とｎ_ｆａｓｔＬ_２を求める。

　次いで、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｅでは、スロー軸測定モードで得た光干渉信号Ｄ_５から得られた光路長ｎ_ｓｌｏｗＬ_２に対して、既知のｎ_ｓｌｏｗを代入してＬ_２を求め、ファスト軸測定モードで得た光干渉信号Ｄ_６から得られた光路長ｎ_ｆａｓｔＬ_２に対して、既知のｎ_ｆａｓｔを代入してＬ_２を求める。

　本実施形態では、例えば１回目の計測をスロー軸測定モードにより行い、２回目の計測をファスト軸測定モードにより行える。すなわち、２回の計測で異なる２つの信号を得て、それぞれの信号を個別に解析している。そのため、それぞれの計測で得られた２つの光路長ｎ_ｓｌｏｗＬ_２とｎ_ｆａｓｔＬ_２に対して、既知のｎ_ｓｌｏｗとｎ_ｆａｓｔを代入してＬ_２を求められる。そのため、センサ１７のファイバ長Ｌ_２を正確に測定できる。

　本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｅでは、センサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光が得られるため、温度と歪みを計測することが可能となる。これにより、ＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｅを用いて歪み計測を行う場合、温度補償用のセンサが不要となる。また、一度の測定で、センサ１７の直交する２つの偏波軸の一方におけるブラッグ反射光からの光干渉信号のみを取得するので、センサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の変化量を、個別に識別して計測できる。これにより、センサ１７における温度および歪みの計測精度の向上が図れる。

＜温度と歪みの計測方法＞
　次に、本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｅを用いた温度と歪みの計測方法について説明する。本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｅを用いた場合も、第一から三の実施形態と同様に測定できる。
　第一から三の実施形態の際と同様に、まず、予めある基準温度、基準歪みにおけるセンサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長を計測しておく。

　次いで、センサ１７を検知部に配置し、この検知部において、センサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長をそれぞれ計測する。
　次いで、検知部におけるブラッグ反射光の波長と、基準温度、基準歪みでのブラッグ反射光の波長差（変化量）を、スロー軸とファスト軸のそれぞれについて計算する。
　次いで、得られた波長差を、上記の式（３）に代入して、検知部における温度と基準温度の差、検知部における歪みと基準歪みの差を求め、最後に既知の基準温度、基準歪みから検知部における実温度と実歪みを算出する。
　次いで、これらの値から上記の式（３）に記載のＤ値を求める。そして、このＤ値と、計測結果から得られたΔλ_ｓｌｏｗ及びΔλ_ｆａｓｔとを、上記の式（３）に代入して演算を行うことにより、ΔＴおよびΔεが求められる。そして、これらの値から基準温度、基準歪みを差し引けば、検知部における温度および歪みを求められる。

　本実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｅを用いた温度と歪みの測定方法では、センサ１７における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長における温度と歪みによる変化量をそれぞれ計測できるため、検知部の温度および歪みの計測精度が向上する。

　上述した第一の実施形態～第四の実施形態に関するＯＦＤＲ方式の物理量測定装置に関し、センサが配された第３のＰＭファイバ２１が、直交する２つの偏波軸の実効屈折率差（複屈折）が大きいＰＭファイバで構成されているのが好ましい。これにより、直交する２つの偏波軸における温度と歪みに対する感度差が大きくなり、より高精度の温度と歪みの計測を実現できる。より具体的には、直交する２つの偏波軸の実効屈折率差が、４．４×１０^－４以上であるのが好ましい。この値を満たすことで、後述する実施例から得られるように、センサの温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差を－５．０×１０^－４ｎｍ／℃より大きくできる。その結果、温度精度２℃、歪み精度２０μεという、極めて高精度の温度と歪みの計測精度が得られる。

　以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

「実施例１」
　図７は、実施例１のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｆを示す概略構成図である。本実施例は、上述した第一の実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａを基に構成している。図７において、図１に示した実施例１のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置の構成要素と同じ構成要素には同一符号を付して、その説明を省略する。
　実施例１のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｆは、図１に示すＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ａに、更に２つのＰＭカプラ５１，５２と、フォトダイオード５５と、２つの参照用反射端５９，６０と、を備える。これらはＰＭファイバの１種であるＰＡＮＤＡファイバ６３，６４，６５，６６，６９，７０によって連設されている。また、第１～第４のＰＭファイバとしても、ＰＡＮＤＡファイバを用いた。
　チューナブルレーザ１２は、汎用インターフェイスバス（ＧＰＩＢ）を介して、システムコントローラ７４に接続され、これによりにより制御されている。
　２つのフォトダイオード（フォトダイオード１３及びフォトダイオード５５）からの信号は、Ａ／Ｄコンバータ７５によりサンプリングされ、そのサンプリングデータはシステムコントローラ７４にてＳＴＦＴ解析される。この解析方法に関しては、上述した第一の実施形態で記載した通りである。

　ＰＭカプラ１１，５１，５２としては、フジクラ社製のＰＴＡＰ－０１５０－２－Ｂ（型式）を用いた。
　チューナブルレーザ１２としては、Ａｇｉｌｅｎｔ社製の８１６４Ａ（型式）を用いた。
　フォトダイオード１３，５５としては、Ｎｅｗ　Ｆｏｃｕｓ社製の２１１７ＦＣ（型式）を用いた。
　ＰＡＮＤＡファイバ１８，１９，２０，２１，６３，６４，６５，６６，６９，７０としては、フジクラ社製のＳＭ－１５－ＰＳ－Ｕ２５Ａ（型式）を用いた。

　システムコントローラ７４としては、Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製のＰＸＩ－８１０６（型式）を用いた。
　Ａ／Ｄコンバータ７５としては、Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製のＰＸＩ－６１１５（型式）を用いた。

　チューナブルレーザ１２は、ある一定速度、ある一定波長範囲で掃引（単調増加もしくは単調減少）された単一偏波の測定光を出射する。
　この実施例１では、速度１０ｎｍ／ｓで、波長範囲１５４５～１５５５ｎｍを掃引した測定光を出射した。チューナブルレーザ１２から出射された単―偏波の測定光は、ＰＡＮＤＡファイバ６３のスロー軸を伝搬してファイバカプラ５１に入射し、このファイバカプラ５１にて光パワー分岐されて２つの光干渉計に入射する。

　上記２つの光干渉計のうちの一方は、ファイバカプラ５２と、参照用反射端５９，６０と、第１のフォトダイオード５５とから概略構成されており、参照用反射端５９を有するＰＡＮＤＡファイバ６９と、参照用反射端６０を有するＰＡＮＤＡファイバ７０とのファイバ長差（光路長差）に応じたトリガを生成している。この実施例１では、ＰＡＮＤＡファイバ６９とＰＡＮＤＡファイバ７０のファイバ長差を５０ｍとした。

　なお、このトリガは以下の方法で生成される。
　チューナブルレーザ１２からある一定速度、ある一定波長範囲で掃引された測定光が、この光干渉計に入射すると、測定光は参照用反射端５９，６０によって反射され、その干渉光がフォトダイオード５５で計測される。フォトダイオード５５で取得した信号は、Ａ／Ｄコンバータ７５によりサンプリングされて電圧信号に変換され、この電圧信号がシステムコントローラ７４に取り込まれる。チューナブルレーザ１２から出射された測定光は、―定速度で波長が変化しているので、フォトダイオード５５で計測される信号は、一定の光波数間隔で変動する正弦関数となる。したがって、ある一定の電圧値を閾値とし、システムコントローラ７４にて、この閾値を超えるタイミング（閾値以下の値から閾値を上回るタイミング、もしくは、閾値以上の値から閾値を下回るタイミング）でトリガを生成することにより、生成されたトリガはある一定の光波数間隔となる。
　このトリガの生成方法は、チューナブルレーザ１２の掃引速度が一定でない場合でも、トリガが発生する光波数間隔は常に一定となる点で非常に効果的である。

　上記２つの光干渉計のうちの他方は、図１に示す第一の実施形態から概略構成されている。
　センサ１７は、ＫｒＦエキシマレーザとユニフォーム位相マスクを用いた一般的な露光方法により作製したものである。実施例１では、グレーティング長（センサ長）を５ｍｍとした。また、参照用反射端１６を有するＰＡＮＤＡファイバ７１に相当する位置からセンサ１７までの距離Ｌ_２は、約６．２ｍとした。

　本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｆを用いて、センサ１７の状態を計測した結果を図８に示す。ＯＦＤＲ方式の物理量計測装置では、センサ１７からのブラッグ反射光をスペクトログラムで表示する。このスペクトログラムは、横軸が波長、縦軸がファイバ位置（参照用反射端１６を有するＰＡＮＤＡファイバ７１に相当する位置からのファイバ長Ｌ_２）、色調がブラッグ反射強度を示す。この実施例１では、得られた光干渉信号Ｄ_１を約８０ｍｓ間隔（チューナブルレーザ１２を１０ｎｍ／ｓの速度で掃引しているので、波長に換算すると約８００ｐｍ間隔）に相当するウィンドウ幅で解析した。
　図８の結果から、実施例１では、センサ１７のスロー軸およびファスト軸からのブラッグ反射光が得られた。この結果より、原理的には、温度と歪みを、別途温度補償用のセンサを用いることなく計測できることが確認された。
　しかしながら、センサ１７のスロー軸からのブラッグ反射光とファスト軸からのブラッグ反射光とが波長軸に対して重なっているため、センサ１７における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光を個別に識別することが困難となり、波長解析精度が低下した。これは、温度と歪みの計測精度が低下することを意味している。

　また、わずかではあるが、センサ１７のスロー軸からのブラッグ反射光と、ファスト軸からのブラッグ反射光のファイバ位置がずれていることが確認できた。具体的には、スロー軸からのブラッグ反射光の位置が約６．２２２ｍ、ファスト軸からのブラッグ反射光の位置が約６．２２１ｍであった。これは、本来であれば異なる直交する２つの偏波軸の実効屈折率を、ｎ_ｓｌｏｗに統一して解析した結果、それぞれの偏波軸からのブラッグ反射光の位置がずれて計測されてしまうためである。

　次に、センサ１７のスロー軸とファスト軸からのブラッグ反射光の位置ずれ量ΔｌのＬ_２に対する依存性を計算した。結果を図９に示す。
　この図９は、下記の式（１０）より求めた。

　但し、このとき、センサ１７の長さは、Ｌ_２に対して十分に短く、無視できるものとする。
　上記の式（１０）において、ｎ_ｓｌｏｗとｎ_ｆａｓｔは、下記の式（１１）より、センサ１７のブラッグ反射光の波長と、センサ１７の作製に使用したユニフォーム位相マスクの回折格子の間隔から計算されるグレーティング周期とから求めた値、ｎ_ｓｌｏｗ＝１．４４７５６、ｎ_ｆａｓｔ＝１．４４７２０を用いた。

　上記の式（１１）において、λ_ｓｌｏｗとλ_ｆａｓｔはセンサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長、Λはユニフォーム位相マスクの回折格子の間隔から計算されるグレーティング周期を示す。

　図９の結果から、Ｌ_２が６．２ｍのとき、Δｌは１．５５ｍｍと計算される。すなわち、本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｆを用いて、センサ１７の状態を計測した結果を示す図８は、スロー軸からのブラッグ反射光と、ファスト軸からのブラッグ反射光の現れる位置が１．５５ｍｍずれていることとなる。
　そこで、センサ１７における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光を個別に識別して計測することが可能な実施例２を作製し、測定を行なった。

「実施例２」
　図１０は、実施例２のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｇを示す概略構成図である。本実施例２が実施例１と異なる点は、上述した第二の実施形態のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を基に作製した点である。すなわち、本実施例が実施例１と異なる点は、第４のＰＭファイバ１９には、センサ１７からのブラッグ反射光を分波する偏波ビームスプリッタ１５が更に配され、この偏波ビームスプリッタ１５に、第１のフォトダイオード１３と第２のフォトダイオード１４とが接続されている点である。本実施例では、３つのフォトダイオード１３，１４，５５からの信号は、Ａ／Ｄコンバータ７５によりサンプリングされ、そのサンプリングデータはシステムコントローラ７４にてＳＴＦＴ解析される。

　本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｇを用いて、センサ１７の状態を計測した結果を図１１、１２に示す。
　図１１は、第１のフォトダイオード１３に入射した光干渉信号Ｄ_２を解析した結果を示すスペクトログラムである。図１２は、第２のフォトダイオード１４に入射した光干渉信号Ｄ_３を解析した結果を示すスペクトログラムである。
　図１１に示すスペクトログラムにおいて、１５５０．６ｎｍのブラッグ反射光が、センサ１７のスロー軸からのものである。図１２に示すスペクトログラムにおいて、１５５０．２ｎｍのブラッグ反射光が、センサ１７のファスト軸からのものである。これら２つのブラッグ反射光の位置は、ともに約６．２１２ｍであった。

　この実施例２では、光干渉信号Ｄ_２と光干渉信号Ｄ_３を個別に解析しているが、これは一度の計測で得た２つの信号をシステムコントローラ７４により並列処理したものである。

　この実施例２では、センサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光が得られたので、原理的に温度と歪みを計測することが可能となる。これにより、本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｇを用いて歪み計測を行う場合、温度補償用のセンサが不要となる。また、センサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光を分波して、フォトダイオード１３，１４のそれぞれにて光干渉信号を取得したので、センサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の変化量を個別に識別して計測することができた。これにより、センサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の波長解析精度を向上することができる。これは、温度および歪みの計測精度が向上することを意味している。さらに、それぞれの計測で得られた２つの光路長ｎ_ｓｌｏｗＬ_２とｎ_ｆａｓｔＬ_２に対して、既知のｎ_ｓｌｏｗとｎ_ｆａｓｔを代入してＬ_２を求めたので、センサ１７の位置を正確に特定でき、高い分解能で計測することができた。

　次に、本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｇを用い、基準温度（２０℃）においてセンサ１７に歪みを与え、センサ１７におけるスロー軸とファスト軸のブラッグ波長変化の歪み依存性を測定した。また、本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｇを用いて、基準歪み（０με）においてセンサ１７に温度変化を与え、センサ１７におけるスロー軸とファスト軸のブラッグ波長変化の温度変化依存性を測定することで、センサ１７における上記の式（３）の各項を求めたところ、下記の式（１２）が得られた。この式（１２）を用いて計算すると、上記の式（３）におけるＤ値は、Ｄ＝－６．３９×１０^－７（ｎｍ^２／με・℃）となった。

　計測結果から得られたΔλ_ｓｌｏｗとΔλ_ｆａｓｔ、および上記のＤを、上記の式（３）に代入して演算を行うことにより、ΔＴおよびΔεが求められ、これらの値から基準温度、基準歪みを差し引けば検知部における温度および歪みを求めることができる。
　これらの演算は、ＯＦＤＲ方式の物理量計測装置のシステムコントローラ７４を用いて簡単に行うことができる。

「実施例３」
　ＦＢＧからなるセンサ１７が、スロー軸とファスト軸の実効屈折率差（複屈折）が大きいＰＡＮＤＡファイバに形成されていること以外は、実施例２と同様にしてＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｈを作製し、これを実施例３とした。

　本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｈを用いて、センサ１７の状態を計測した結果を図１３、図１４に示す。
　図１３は、第１のフォトダイオード１３に入射した光干渉信号Ｄ_２を解析した結果を示すスペクトログラムである。図１４は、第２のフォトダイオード１４に入射した光干渉信号Ｄ_３を解析した結果を示すスペクトログラムである。
　図１３に示すスペクトログラムにおいて、１５５１．１ｎｍのブラッグ反射光が、センサ１７のスロー軸からなるものである。図１４に示すスペクトログラムにおいて、１５５０．４ｎｍのブラッグ反射光が、センサ１７のファスト軸からなるものである。これら２つのブラッグ反射光の位置は、ともに６．２４０８ｍであった。

　実施例３において得られたセンサ１７のスペクトログラムをより詳細に解析したところ、スロー軸とファスト軸のブラッグ波長差は０．６６１ｎｍであり、このブラッグ波長差から計算した複屈折は６．１９×１０^－４であった。一方、実施例２で得られたセンサ１７のスペクトログラムをより詳細に解析して得られたブラッグ波長差は０．３６１ｎｍであり、このブラッグ波長差から計算した複屈折は３．３７×１０^－４であった。つまり、実施例３のセンサ１７を構成するＰＡＮＤＡファイバは、実施例２のセンサ１７を構成するＰＡＮＤＡファイバよりも２倍近く大きな複屈折を持っている。

　次に、本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｈを用い、基準温度（２０℃）においてセンサ１７に歪みを与え、センサ１７におけるスロー軸とファスト軸のブラッグ波長変化の歪み依存性を測定した。また、本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｈを用いて、基準歪み（０με）においてセンサ１７に温度変化を与え、センサ１７におけるスロー軸とファスト軸のブラッグ波長変化の温度変化依存性を測定することで、センサ１７における上記の式（３）の各項を求めたところ、下記の式（１３）が得られた。これらを用いて計算すると、上記の式（３）におけるＤ値は、Ｄ＝－１０．０２×１０^－７（ｎｍ^２／με・℃）となった。

　上記の式（３）を用いて温度と歪みを算出する際、∂λ_ｓｌｏｗ／∂εと∂λ_ｆａｓｔ／∂εの差（スロー軸とファスト軸の歪みに対するブラッグ波長のシフト特性差）、および、∂λ_ｓｌｏｗ／∂Ｔと∂λ_ｆａｓｔ／∂Ｔの差（スロー軸とファスト軸の温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差）が大きいほど、温度と歪みの算出精度は向上する。上記の式（１３）において注目すべき点は、上記の式（１２）に比較してスロー軸とファスト軸の温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差が大きい点である。
　具体的には、実施例２で求めた上記の式（１２）は－３．６３×１０^－４ｎｍ／℃であるのに対し、実施例３で求めた上記の式（１３）が－６．４９×１０^－４ｎｍ／℃である。つまり、実施例３のセンサ１７は、実施例２のセンサ１７よりも２倍近い温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差を有する。これは、それぞれのセンサを構成するＰＡＮＤＡファイバの複屈折の差に起因している。
　ＰＡＮＤＡファイバは、温度の上昇に比例してコアに生じる複屈折は小さくなり、８００～９００℃程度で複屈折がほぼ０になることが知られている。つまり、基準温度における複屈折が大きいほど、単位温度上昇あたりの複屈折の減少量が大きくなる。したがって、実施例３のセンサ１７は、実施例２のセンサ１７よりも２倍近い温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差を有する。

　次に、表１に、実施例３のセンサ１７に任意の温度変化と歪みを与え、実施例３のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｈにより温度変化と歪みを計測した結果を示す。

　表１の結果から、基準温度（２０℃）からの温度変化を２０、４０、１００℃（つまり、設定温度４０、６０、１２０℃）、基準歪み（０με）からの歪みを２５０、５００、１０００μεとし、合計９通りの条件で温度と歪みを計測したところ、温度精度２℃、歪み精度２０μεという、極めて高精度の温度と歪みの同時計測結果を得た。

　図１５は、表１から測定点数を増やして同時計測の結果をグラフ化したものである。グラフ中の直線の交点は計測条件を示し、赤のプロットは計測結果を示す。つまり、プロットと交点のずれが計測誤差を示している。この結果より、いずれの計測条件においても高い精度で温度変化と歪みを同時に計測できていることが確認できた。

　以上説明した実施例３によると、本発明のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置に用いるＦＢＧからなるセンサは、複屈折の大きなＰＡＮＤＡファイバから構成されていることが望ましい。ＦＢＧからなるセンサの温度変化と歪みの同時計測精度の関係について詳細な検討を行ったとろ、このセンサの温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差が－５．０×１０^－４ｎｍ／℃より大きなシフト特性を有することが望ましいことが分かった。

　図１６は、ＰＡＮＤＡファイバの複屈折とこのファイバにより構成されたＦＢＧからなるセンサの温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差を評価した結果を示すグラフである。
　この結果より、ＰＡＮＤＡファイバの複屈折が４．４×１０^－４以上のとき、このセンサの温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差が－５．０×１０^－４ｎｍ／℃より大きなシフト特性を有することになる。つまり、ＰＡＮＤＡファイバの複屈折が４．４×１０^－４以上であることが望ましい。

　本実施例では、ＦＢＧからなるセンサの温度変化に対するブラッグ波長のシフト特性差を－５．０×１０^－４ｎｍ／℃より大きくするために、応力付与部をコアに近付けたＰＡＮＤＡファイバを用いたが、本発明を実現しうる他のＰＡＮＤＡファイバとして、融点の低い応力付与部を備えたＰＡＮＤＡファイバが挙げられる。より具体的には、応力付与部の融点が６００℃以下である場合、ブラッグ波長のシフト特性を－５．０×１０^－４ｎｍ／℃より大きくすることができる。

「実施例４」
　センサ１７のグレーティング長（センサ長）を１００ｍｍとしたこと以外は実施例３と同様にＯＦＤＲ方式の物理量測定装置１０Ｉを作製し、これを実施例４とした。

　本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量測定装置１０Ｉを用いて、センサの状態を測定したところ、センサ１７のスロー軸からのブラッグ反射光は１５４９．４ｎｍ、センサ１７のファスト軸からのブラッグ反射光は１５４８．７ｎｍであった。

　このとき得られたスペクトログラムをより詳細に解析して得られたブラッグ波長差は、０．６７０ｎｍであった。これは、実施例３と同等のブラッグ波長差であることから、本実施例のセンサの複屈折は、実施例３と同等である。

　図１７は、本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｉを用いた、センサに生じる温度分布と歪みを計測するための実験系を模式的に示した図である。この実験系では、分銅Ｗによりセンサの長手方向に沿って均一な歪みを与えるとともに、独立して温度制御可能なヒータＡおよびヒータＢにより、センサの長手方向に沿って不均一な温度変化を与えることができる。

　図１７に示す実験系において、分銅Ｗによりセンサに与えた歪みは１０００μεで一定とした。また、ヒータＡによりセンサに与えた温度変化は１００℃で一定とした。ヒータＢによりセンサに与えた温度変化のみを０～１００℃に変化させ、ヒータＡの位置およびヒータＢの位置における温度変化と歪みを計測した結果を図１８に示す。

　図１８より、ヒータＡの位置では、計測した歪みおよび温度変化は１０００μεおよび１００℃で一定であった。一方、ヒータＢの位置では、計測した歪みは１０００μεで一定あり、かつ計測した温度変化はヒータＢの設定温度と相関して変化する結果が得られた。つまり、ヒータＡの位置とヒータＢの位置とに生じている温度分布と歪みを高精度に計測できている。

　以上説明したとおり、本実施例によると、本発明は、ＦＢＧからなるセンサの長手方向に沿った温度分布と歪みを同時にかつ高精度に計測できる。また、本発明を用いることで、ＦＢＧからなるセンサの長手方向に沿って温度分布と歪み分布が生じる場合でも、これらを同時にかつ高精度に計測できる。

「比較例１」
　入射部αの偏波軸角度オフセット融着接続を０°としたこと以外は、実施例２と同様にしてＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を作製し、これを比較例１とした。この比較例１を用いて、センサ１７の状態を計測した。結果を図１９、２０に示す。
　図１９は、第１のフォトダイオード１３に入射した光干渉信号Ｄ_２を解析した結果を示すスペクトログラムである。図２０は、第２のフォトダイオード１４に入射した光干渉信号Ｄ_３を解析した結果を示すスペクトログラムである。
　図１９及び図２０の結果から、この比較例１では、センサ１７のスロー軸からのブラッグ反射光しか得られなかった。一方の偏波軸からのブラッグ反射光だけでは、センサ１７の温度と歪みを計測することは不可能である。したがって、比較例１のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を用いて歪み計測を行う場合、温度補償用のセンサが必要となる。

「実施例５」
　センサ１７とＰＭカプラ１１との間に、センサにおける直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の光路長差を、前記センサの長さに相当する光路長よりも長くするための延長ファイバ３１を設けたこと以外は実施例１と同様にしてＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を作製し、これを実施例５とした。図２１は、本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｊを示す概略構成図である。延長ファイバ３１の長さＬ_１は、約２０ｍとした。

　本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｊを用いて、センサ１７の状態を計測した結果を図２２に示す。
　図２２に示すスペクトログラムにおいて、１５５０．６ｎｍのブラッグ反射光がセンサ１７のスロー軸からのものであり、１５５０．２ｎｍのブラッグ反射光がセンサ１７のファスト軸からのものである。本来であれば異なる直交する２つの偏波軸の実効屈折率を、ｎ_ｓｌｏｗに統一して解析した結果、それぞれの偏波軸からのブラッグ反射光の位置がずれて、波長軸に対して重なることなく、個別に識別して計測することができた。

　本実施例においても、実施例１と同様にセンサ１７のスロー軸とファスト軸からのブラッグ反射光の位置ずれ量Δｌの、Ｌ_１に対する依存性を計算すると、図９に示す結果が得られる。そこで、図９の横軸を、Ｌ_２の長さからＬ_１の長さに置き換えると、Ｌ_１が２０ｍのとき、Δｌは５．０１ｍｍと計算され、Δｌが本実施例で用いたセンサ４０の長さ（ｌ）５ｍｍよりも長くなる。Δｌがｌより長くなるとき、図２２のスペクトログラムに示す通り、センサ１７における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光が波長軸に対して重なることなく、個別に識別して計測できる。
　ここで、Δｌがｌより長いということは、センサ１７における直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の光路長差が、センサ長に相当する光路長よりも長いということを意味している。この条件を満たす延長ファイバ３１の長さＬ_１は、Δｌをｌとみなして上記の式（１０）を変形した、上記の式（１）となる。

　この実施例５では、センサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光が得られたので、原理的に温度と歪みを同時に計測できることが確認された。これにより、本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｊを用いて歪み計測を行う場合、温度補償用のセンサが不要となる。また、センサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光が波長軸に対して重ならないように延長ファイバ３１を設けたので、センサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の変化量を個別に識別して計測できることが確認された。これにより、センサ１７における温度および歪みの計測精度を向上することができる。

「実施例６」
　ＦＢＧからなるセンサ１７が、スロー軸とファスト軸の実効屈折率差（複屈折）が大きいＰＡＮＤＡファイバに形成されていること以外は、実施例５と同様にしてＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を作製し、これを実施例６とした。本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を用いて、センサ１７の状態を計測した結果を図２３に示す。その結果、実施例３と同等のブラッグ波長差が得られた。つまり本実施例のセンサ１７の複屈折は、実施例３と同等である。この実施例６でも実施例３と同精度の温度と歪みの同時計測結果が得られた。

「比較例２」
　入射部αの偏波軸角度オフセット融着接続を０°としたこと以外は、実施例５と同様にしてＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を作製し、これを比較例２とした。そして、この比較例２を用いて、センサ１７の状態を計測した。結果を、図２４に示す。
　図２４の結果から、この比較例２では、センサ１７のスロー軸からのブラッグ反射光しか得られなかった。一方の偏波軸からのブラッグ反射光だけでは、センサ１７の温度と歪みを計測するのは不可能である。したがって、比較例２のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を用いて歪み計測を行なう場合、温度補償用のセンサが必要となる。

「実施例７」
　入射部αに換えて、第３の偏波保持ファイバにおける直交する２つの偏波軸のうちのいずれか一方の偏波軸に測定光を入射する入射部βを備えたこと以外は実施例１と同様にしてＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を作製し、これを実施例７とした。図２５は、実施例７のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｋを示す概略構成図である。この入射部βとしては、λ／２板を用いた。

　本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｋを用いて、センサ１７の状態を計測した。結果を図２６、２７に示す。
　図２６は、スロー軸測定モードにおいて、フォトダイオード１３に入射した光干渉信号Ｄ_５を解析した結果を示すスペクトログラムである。図２７は、ファスト軸測定モードにおいて、フォトダイオード１３に入射した光干渉信号Ｄ_６を解析した結果を示すスペクトログラムである。
　図２６に示すスペクトログラムにおいて、１５５０．６ｎｍのブラッグ反射光が、センサ１７のスロー軸からのものである。図２７に示すスペクトログラムにおいて、１５５０．２ｎｍのブラッグ反射光が、センサ１７のファスト軸からのものである。これら２つのブラッグ反射光の位置は、ともに約６．２１２ｍであった。

　この実施例７では、１回目の計測をスロー軸測定モードにより行い、２回目の計測をファスト軸測定モードにより行った。すなわち、２回の計測で異なる２つの信号を得て、それぞれの信号を個別に解析している。

　この実施例７では、センサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光が得られたので、原理的に温度と歪みを計測できることが確認された。これにより、本実施例のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置１０Ｋを用いて歪み計測を行う場合、温度補償用のセンサが不要となる。また、一度の測定で、センサ１７の直交する２つの偏波軸の一方におけるブラッグ反射光からの光干渉信号のみを取得したので、センサ１７の直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の変化量を、個別に識別して計測することができた。これにより、センサ１７における温度および歪みの計測精度を向上することができる。さらに、それぞれの計測で得られた２つの光路長ｎ_ｓｌｏｗＬ_２とｎ_ｆａｓｔＬ_２に対して、既知のｎ_ｓｌｏｗとｎ_ｆａｓｔを代入してＬ_２を求めたので、センサ１７のファイバ長Ｌ_２を正確に測定できる。

　以上説明したように、実施例２および７では、同様の作用効果を得ることができる。
　これは、実施例２において、フォトダイオード１３で取得される光干渉信号Ｄ_２を示す上記の式（４）及びフォトダイオード１４で取得される光干渉信号Ｄ_３を示す上記の式（５）が同じ式で表されることと；実施例７において、スロー軸測定モードにおけるフォトダイオード１３で取得される光干渉信号Ｄ_５を示す上記の式（８）及びファスト軸測定モードにおけるフォトダイオード１４で取得される光干渉信号Ｄ_６を示す上記の式（９）が同じ式で表されることと；からも明白である。
　また、実施例２および実施例７において、実施例２では２つのフォトダイオード（フォトダイオード１３，１４）から得られた光干渉信号を並列処理することにより、センサ１７の温度と歪みの計測を短時間で行うことができるＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を提供できる利点がある。
　一方、実施例７では、偏波ビームスプリッタを用いる必要がないので、安価なＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を提供できる利点がある。

　実施例１から７では、１本のＰＭファイバに１つのＦＢＧセンサを配置したＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を例示したが、本発明のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置は、これに限定されない。本発明のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置にあっては、１本のＰＭファイバに複数のＦＢＧセンサを設けてもよい。

　本発明のＯＦＤＲ方式の物理量計測装置によれば、特に温度と歪みの計測が可能で、かつ温度と歪みを高い空間分解能で計測することが可能なＯＦＤＲ方式の物理量計測装置を提供できる。

Claims

　測定光を出射するチューナブルレーザと；
　このチューナブルレーザに一端が接続された第１の偏波保持ファイバと；
　この第１の偏波保持ファイバの他端に接続された偏波保持カプラと；
　この偏波保持カプラに一端が接続され、他端が参照用反射端である第２の偏波保持ファイバと；
　前記偏波保持カプラに一端が接続された第３の偏波保持ファイバと；
　この第３の偏波保持ファイバのコアに形成されたファイバブラッググレーティングからなるセンサと；
　前記偏波保持カプラに一端が接続された第４の偏波保持ファイバと；
　この第４の偏波保持ファイバを介して前記偏波保持カプラと接続され、前記センサからのブラッグ反射光と前記参照用反射端からの参照光とを検出するフォトダイオードと；
　このフォトダイオードで検出された前記ブラッグ反射光と前記参照光との合波光強度変化に基づき、これらブラッグ反射光及び参照光間の干渉強度の変調を検知する制御部と；
　前記第２の偏波保持ファイバの直交する２つの偏波軸及び前記第３の偏波保持ファイバの直交する２つの偏波軸の両方に、前記測定光を入射する入射部αと；
を備え、
　前記入射部αは、前記第１の偏波保持ファイバ、または、前記第２の偏波保持ファイバと前記第３の偏波保持ファイバとの両方に配されている
ことを特徴とする光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置。
　前記入射部αは、
　この入射部αが前記第１の偏波保持ファイバに配されている場合には、この第１の偏波保持ファイバに４５°の偏波軸オフセット角度を有して形成された融着接続部であり；
　前記入射部αが前記第２の偏波保持ファイバ及び前記第３の偏波保持ファイバの両方に配されている場合には、これら第２の偏波保持ファイバ及び前記第３の偏波保持ファイバのそれぞれに４５°の偏波軸オフセット角度を有して形成された融着接続部である；
ことを特徴とする請求項１に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置。
　前記第４の偏波保持ファイバには、前記センサからの前記ブラッグ反射光を分波する偏波ビームスプリッタが更に配されていることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置。
　前記第３の偏波保持ファイバの、前記センサと前記偏波保持カプラとの間には、前記センサにおける直交する２つの偏波軸からのブラッグ反射光の光路長差を、前記センサの長さに相当する光路長よりも長くするための延長ファイバが更に配されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置。
　前記延長ファイバの長さをＬ、前記第３の偏波保持ファイバにおける直交する２つの偏波軸の実効屈折率の差を（ｎ_ｓｌｏｗ－ｎ_ｆａｓｔ）、前記センサの長さをｌとした場合、前記Ｌが、下式（１）を満たすことを特徴とする請求項４に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置。
　前記入射部αに換えて、前記第３の偏波保持ファイバにおける直交する２つの偏波軸のうちのいずれか一方の偏波軸に測定光を入射する入射部βをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置。
　前記第１の偏波保持ファイバから前記第４の偏波保持ファイバのうち、少なくとも前記第３の偏波保持ファイバにおける直交する２つの偏波軸の実効屈折率差が、４．４×１０^－４以上であることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置。
　請求項１～７のいずれか１項に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いて、１つまたは複数の前記センサにおける直交する２つの偏波軸からの前記ブラッグ反射光の波長を計測する工程と；
　計測した前記ブラッグ反射光の波長に基づいて、前記センサにおける前記ブラッグ反射光の波長の温度と歪みによる変化量を計算する工程と；
　計算した前記変化量に基づいて、前記センサが配された部位の温度及び歪みを計算する工程と；
を備えることを特徴とする温度と歪みの計測方法。
　請求項３または６のいずれか１項に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いて前記制御部で検知した前記直交する２つの偏波軸それぞれの干渉信号に対して、前記センサの位置を特定するための短時間フーリエ変換解析を行う工程と；
　前記センサにおける直交する２つの偏波軸からの前記ブラッグ反射光の各々の光路長に対して、それぞれの偏波軸の実効屈折率を代入し、それぞれの偏波軸における前記センサの位置を求める工程と；
を備えることを特徴とする温度と歪みの計測方法。
　請求項４または５のいずれか１項に記載の光周波数領域反射測定方式の物理量計測装置を用いて前記制御部で検知した前記直交する２つの偏波軸からの干渉信号の和に対して、前記センサの位置を特定するための短時間フーリエ変換解析を行う工程と；
　前記センサにおける直交する２つの偏波軸からの前記ブラッグ反射光の各々の光路長に対して、１つの任意の実効屈折率を代入し、それぞれの偏波軸における基準となる位置から前記センサまでの距離を求める工程と；
を備えることを特徴とする温度と歪みの計測方法。
　前記第３の偏波保持ファイバの、前記センサが配された部位長手方向に沿った温度分布および歪み分布を算出することを特徴とする請求項８～１０のいずれか１項に記載の温度と歪みの計測方法。