JP2005114702A

JP2005114702A - Ｆｂｇセンシングシステム

Info

Publication number: JP2005114702A
Application number: JP2003394815A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Takei; 裕介武井; Hiromi Yasujima; 弘美安島
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2003-11-25
Publication date: 2005-04-28

Abstract

【課題】ＦＢＧの反射波長帯域を２つ使用することなく、１つの反射波長帯域で非常に小さい温度特性で歪量を計測することができ、波長利用効率に優れたＦＢＧセンシングシステムを提供する。
【解決手段】特定波長帯域の光を反射し、温度変化や歪を受けることで反射波長帯域が変移するＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）と、該ＦＢＧの反射波長帯域の光を出力する光源と、該光源から出力され、前記ＦＢＧからの反射光の波長帯域の変移を検出する装置を備えたＦＢＧセンシング装置において、同一反射波長帯域に前記ＦＢＧを２つ備え、一方は温度変化と歪を同時に受けるように設置し、他方は温度変化のみを受けるように設置し、温度変化を補償できるようにすることで、前記２つのＦＢＧの波長帯域変移量の差分を歪量として検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバからなるＦＢＧを用いて歪計測を行うＦＢＧセンシングシステムに関するものである。

近年、高度成長期に急激に建設された構造物の劣化が進み、構造物の健全度を評価する方法について、政府を中心に研究が活発に行われている。従来、構造物の歪を計測する方法として、抵抗線ひずみゲージを用いた電気的な方法が主流であったが、信頼性、落雷、電磁ノイズ等の問題があり、これら問題のない光ファイバによる計測（センシング）が注目されている。

光ファイバセンシング分野において、ＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）は広帯域光源や波長可変光源と組み合わせて、構造物の歪計測に用いられている。

図６はＦＢＧの概略を示す図である。

図６に示すようにＦＢＧ１０１は光ファイバ１０２のコア１０３の屈折率を一定の間隔Ｄで変化させたものである。光ファイバ１０２に入射した光は、間隔Ｄとコア１０３の屈折率で決まる波長の光を反射し、それ以外の波長は透過する。このため、反射波長はＦＢＧ１０１に架かる歪による間隔Ｄの変化や、温度による屈折率の変化で変位する特徴を有する。ＦＢＧ１０１の温度特性は約０．０１ｎｍ／℃、歪特性は約０．００１２ｎｍ／μεであり、この特性を利用し温度計測や歪計測に使用される。

ここで歪計測に使用される場合について考える。歪計測を行う場合、歪特性だけでなく、温度特性も考慮する必要があり、歪変化による反射波長の変位分を温度変化の反射波長変位分から差し引く必要がある。このため歪計測を行う場合は２個の異なる反射波長を有するＦＢＧを用いる必要がある。

非特許文献１は広帯域光源を用い、複数の異なる反射波長を有するＦＢＧを一本の光ファイバで行うＦＢＧセンシングシステムについて述べられている。

図１２は非特許文献１に述べるＦＢＧセンシングシステムの構成を示す図である。

広帯域光源２０１から導出され光は光分岐器２０２を透過し、光ファイバ２０５を透過し、ＦＢＧ２０３に達する。ＦＢＧ２０３にて複数の異なる波長の光が反射され、光ファイバ２０５を透過し、光分岐器２０２を透過し、波長検出器２０４に到達し、反射波長を検出する。

このように広帯域光源２０１を用いることで一本の光ファイバに、複数の異なる反射波長をもつＦＢＧを備えられ、複数の歪、温度量を同時に計測することが可能である。

一般に広帯域光源にはＳＬＤ（ＳｕｐｅｒＬｕｍｉｎｅｃｅｎｔＤｉｏｄｅ）光源やＡＳＥ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔｅｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ）光源が用いられるが、それらの波長帯域は３０ｎｍから５０ｎｍ程度である。

ここで広帯域光源２０１の帯域に対するＦＢＧの数量について説明する。

１個のＦＢＧ２０３の使用帯域は、先に述べたように温度特性が約０．０１ｎｍ／℃、歪特性は約０．００１２ｎｍ／μεであるため、例えば０℃から５０℃まで温度領域で±１０００μεの歪量を計測する場合、０．０１ｎｍ×５０℃＋０．００１２ｎｍ×２０００με＝２．９ｎｍ必要となる。更にＦＢＧ２０３の反射波長帯域は半値幅で０．２ｎｍ程度であり、これを考慮すると１個のＦＢＧ２０３の使用帯域は３．１ｎｍ程度必要となる。一般的にはマージンを持ち４ｎｍ以上の帯域が使用される。以上により異なる反射波長帯域のＦＢＧ２０３の数量は１０個程度になる。

歪計測を行う場合、先に述べたとおり歪計測用と温度補償用の２個のＦＢＧ２０３が必要となり、歪計測数は５点となる。歪計測に求められる点数は１０点以下のものもあるが、数十点以上の規模もあり、十分な点数ではない。

計測箇所を増やす手段として広帯域光源の帯域を増やすことが容易に考えられ、既に１００ｎｍ程度の帯域をもつ光源も市販されているが、ＦＢＧ２０３の種類が増えるため積極的には利用されていない。現在は光ファイバの本数を増やすことで対処されているのが一般的である。
山下真司他、オプトロニクス社光通信技術の最新資料集、光測定／センサへの応用、１９９５年１２月発行

以上の従来技術では、歪計測を行う場合、歪計測用ＦＢＧと温度補償用ＦＢＧを一組で使用する必要があり、波長帯域の利用効率が悪いといった欠点があった。

ここでは歪計測用ＦＢＧと温度補償用ＦＢＧを同一波長帯で用いることで波長利用効率の高いＦＢＧセンシングシステムを提供することを課題とする。

本発明はこれらの課題を解決するためのものであり、特定波長帯域の光を反射し、温度変化や歪を受けることで反射波長帯域が変移する特徴を有するＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）を備え、該ＦＢＧの反射波長帯域の光を出力する光源と、該光源から出力され、前記ＦＢＧからの反射光の波長帯域の変移を検出する装置を備えたＦＢＧセンシング装置において、同一反射波長帯域に前記ＦＢＧを２つ備え、一方は温度変化と歪を同時に受けるように設置し、他方は温度変化のみを受けるように設置し、温度変化を補償できるようにすることで、前記２つのＦＢＧの波長帯域変移量の差分を歪量として検出することを特徴とする。

さらに前記２つのＦＢＧの反射波長帯域が共有帯域を有することを特徴とする。

さらに前記２つのＦＢＧの反射波長帯域変移量の差分を、合波光の帯域幅の変移として検出することを特徴とする。

さらに前記２つのＦＢＧがアポダイズされたことを特徴とする。

以上、本発明によれば、特定波長帯域の光を反射し、温度変化や歪を受けることで反射波長帯域が変移する特徴を有するＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）を備え、該ＦＢＧの反射波長帯域の光を出力する光源と、該光源から出力され、前記ＦＢＧからの反射光の波長帯域の変移を検出する装置を備えたＦＢＧセンシング装置において、同一反射波長帯域に前記ＦＢＧを２つ備え、一方は温度変化と歪を同時に受けるように設置し、他方は温度変化のみを受けるように設置し、温度変化を補償できるようにすることで、前記２つのＦＢＧの波長帯域変移量の差分を歪量として検出することを特徴とするＦＢＧセンシングシステムを提供することができる。

以下に実施例として、本発明によるＦＢＧセンシングシステムについて説明する。

図１は本発明のＦＢＧセンシングシステムの構成を示す図である。

広帯域光源１、波長検出器４、光分岐器２、ＦＢＧ３ａ、ＦＢＧ３ｂ、光ファイバ５で構成されており、各部品は光ファイバで結合されている。ＦＢＧ３ａとＦＢＧ３ｂはほぼ等しい波長帯域の反射帯域を有し、反射帯域がより多く共有している方が望ましい。光分岐器２は２分岐カプラでも光サーキュレータでも良い。

ＦＢＧ３ｂは両端を引っ張ることで、歪を生じさせ、ＦＢＧ３ｂと同等の線熱膨張係数を有する固体に固定する。ＦＢＧ３ｂの線熱膨張は１０^−６以下と小さく、固定する固体としては同様に線熱膨張の小さいインバー等が良い。ここで歪量の計測については直接行わず、波長シフト量から歪量を換算している。一般にＦＢＧ３ｂの歪量はＦＢＧ３ｂの反射波長のシフト量に対し、線形的に変化し、１μεの歪に対し０．００１２ｎｍの波長変位が生じることが知られており、この関係を用いた。一方ＦＢＧ３ａは両端ともに固定を行わない。

広帯域光源１から出力された光は光分岐器２を透過し、光ファイバ５を透過し、ＦＢＧ３ａに達する。ＦＢＧ３ａで特定波長の光が反射される。ＦＢＧ３ａの特定波長以外の波長は透過し、ＦＢＧ３ｂに達し、ＦＢＧ３ｂで異なる特定波長の光が反射される。ＦＢＧ３ｂで反射された光はＦＢＧ３ａを透過し、ＦＢＧ３ａで反射された光と合波され光ファイバ５を透過し、光分岐器２を透過し、波長検出器４に達し、ＦＢＧ３ａとＦＢＧ３ｂの合波された光を検出する。

図２はＦＢＧ３ａ、３ｂのそれぞれの２５℃での反射スペクトラムを示す図である。

ＦＢＧ３ａ、３ｂともに１５５３．９ｎｍ近傍に中心波長をもち、半値幅約０．２ｎｍの反射帯域を有し、ほぼ全ての帯域を共有していることが分かる。共有領域が多いほど、波長利用効率は高いことは明らかである。

図３は本発明の構成でのＦＢＧ３ａ、３ｂの合波された反射スペクトラムとＦＢＧ３ｂに架かる歪量の関係を示す図である。図３よりＦＢＧ３ａ、３ｂの合波された反射スペクトラムは互いのピーク波長を検出することが難しいことが分かる。しかしながらＦＢＧ３ａは固定されており、歪の架かるＦＢＧ３ｂの反射光のみ波長シフトしているため、反射波長帯域の広がりと歪量が関係していることが判断される。

図４は歪量と反射波長帯域（半値幅）の関係を示す図である。ほぼ実線で示す実測値と点線で示す近似的直線がほぼ一致していることが分かる。このようにＦＢＧ３ａ、３ｂの合波された反射スペクトラムの半値幅はほぼ歪量と比例関係にあることが分かる。

図５はＦＢＧ３ｂに架かる歪量を一定にした際の温度と、ＦＢＧ３ａ、３ｂの重なり合う反射スペクトラムの半値幅の関係を示す図である。

図５に示すように半値幅は、０℃から５０℃で０．０５ｎｍの変動が確認されるが、これはＦＢＧの単体の温度特性（約０．０１ｎｍ／℃）の５℃程度の変動量であり、約１／１０に相当する。図４から、変動量０．０５ｎｍは歪量に換算して±２０με程度であり、数百μεの歪計測において誤差程度の値となり、本実施形態において温度補償できることが確認される。

次に本発明の第２の実施形態について説明する。

本発明では図１に示すＦＢＧセンシングシステムにおいて、ＦＢＧ３ａの替わりにＦＢＧ３ｃ、ＦＢＧ３ｂの替わりにＦＢＧ３ｄを用いた。図８にＦＢＧ３ｃの反射スペクトラムを示す。ＦＢＧ３ｃの反射スペクトラムは図２に示すＦＢＧ３ａ、３ｂの反射スペクトラムと比較して、リプルが極めて小さいことが分かる。

図７はＦＢＧの屈折率分布をイメージした図である。図７（ａ）はＦＢＧ３ａ、３ｂの屈折率であり、屈折率を一定にしている。この場合、グレーティング間で共振が発生し、ピーク波長の両端にリプルが生じる。一方ＦＢＧ３ｃ、３ｄはアポダイズにより、リプルをなくしている。アポダイズとは、図７（ｂ）のように屈折率の包括曲線がガウス分布を示すように屈折率を変調させることである。

一般的にＦＢＧは紫外線を照射し、屈折率に分布を持たせて作製される。アポダイズのためには紫外線照射量を変化させることで対応可能なため、比較的容易に作製できる。

第１の実施例と同様にＦＢＧ３ｄは両端を引っ張ることで、歪を生じさせ、ＦＢＧ３ｄと同等の線熱膨張係数を有する固体に固定する。ここで歪量の計測については直接行わず、波長シフト量から歪量を換算している。一般にＦＢＧ３ｄの歪量はＦＢＧ３ｄの反射波長のシフト量に対し、線形的に変化し、１μεの歪に対し０．００１２ｎｍの波長変位が生じることが知られており、この関係を用いた。一方ＦＢＧ３ｃは両端ともに固定を行わない。

広帯域光源１から出力された光は光分岐器２を透過し、光ファイバ５を透過し、ＦＢＧ３ａに達する。ＦＢＧ３ｃで特定波長の光が反射される。ＦＢＧ３ｃの特定波長以外の波長は透過し、ＦＢＧ３ｄに達し、ＦＢＧ３ｄで異なる特定波長の光が反射される。ＦＢＧ３ｂで反射された光はＦＢＧ３ｃを透過し、ＦＢＧ３ｃで反射された光と合波され光ファイバ５を透過し、光分岐器２を透過し、波長検出器４に達し、ＦＢＧ３ｃとＦＢＧ３ｄの合波された光を検出する。

図９は本発明の構成でのＦＢＧ３ｃ、３ｄの合波された反射スペクトラムとＦＢＧ３ｄに架かる歪量の関係を示す図である。第１の実施例と同様に反射波長帯域の広がりと歪量が関係していることが判断される。

図１０は歪量と反射波長帯域（半値幅）の関係を示す図である。ほぼ実線で示す実測値と点線で示す近似的直線がほぼ一致していることが分かる。このようにＦＢＧ３ｃ、３ｄの合波された反射スペクトラムの半値幅はほぼ歪量と比例関係にあることが分かる。

図１１はＦＢＧ３ｂに架かる歪量を一定にした際の温度と、ＦＢＧ３ｃ、３ｄの重なり合う反射スペクトラムの半値幅の関係を示す図である。

図１１に示すように半値幅は、０℃から５０℃で０．０１ｎｍ以下の変動である。図８から、変動量０．０１ｎｍは歪量に換算して１０με以下であり、極めて精度よく温度補償できることが確認される。

このように、ほぼ等しい反射波長帯域を有するＦＢＧ３ａとＦＢＧ３ｂの一方を歪計測用に用い、他方を温度補償に用い、それらの合波された反射帯域の帯域幅を計測することで、１つのＦＢＧの反射波長帯域で、温度特性が非常に小さく歪量を計測することが可能になり、従来の２つの反射波長帯域を使用していた計測方法より、波長利用効率を２倍にすることが可能となる。

さらにＦＢＧ３ａ、３ｂのかわりにアポダイズしたＦＢＧ３ｃ、３ｄを用いることで温度特性はさらに小さくなり、１つのＦＢＧの反射波長帯域で、より精度の高い歪量を計測することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に示すＦＢＧセンシングシステムを作成した。

広帯域光源１は１５３０ｎｍから１５６０ｎｍの帯域で−１０ｄＢｍ／ｎｍ以上の光を出力するＡＳＥ光源を用いた。波長検出器４には光通信で一般的に使用される光スペクトラムアナライザを用いた。光分岐器２には透過損失が０．５ｄＢ程度であり、透過損失の波長特性も０．１ｄＢ未満であるサーキュレータを用いた。ＦＢＧ３ａ、３ｂは反射率９５％以上、反射スペクトラムの半値全幅０．２５ｎｍ以下、２５℃における反射ピーク波長が１５５３．９ｎｍのものを使用した。反射波長以外の波長における透過損失は約０．１ｄＢである。

ＦＢＧ３ｂに２００μεの歪を与え、ＦＢＧ３ａ、３ｂともに恒温槽に入れ、０℃から５０℃のＦＢＧ３ａ、３ｂの合波された反射光の半値幅を確認した。図５とほぼ同様な温度特性になることを確認した。歪量の誤差は２５℃を基準として約±１０％程度になる。同様に異なる歪量をＦＢＧ３ｂに与え、同様な結果になることを確認した。

次に本発明の第２の実施形態に示すＦＢＧセンシングシステムを作成した。

ＦＢＧ３ｃ、３ｄはアポダイズされておりリプルが小さい。反射率９５％以上、反射スペクトラムの半値全幅０．２ｎｍ以下、２５℃における反射ピーク波長が１５４８．０ｎｍのものを使用した。反射波長以外の波長における透過損失は約０．１ｄＢである。他の構成部品は第１の実施形態と同じものを使用し、同様な計測をした。

図１１とほぼ同様な温度特性になることを確認した。歪量の温度誤差は１０με以下で極めて精度の高くなる。

本発明のＦＢＧセンシングシステムの構成を示す図である。ＦＢＧの２５℃での反射スペクトラムを示す図である。ＦＢＧの合波された反射スペクトラムとＦＢＧに架かる歪量の関係を示す図である。歪量と反射波長帯域（半値幅）の関係を示す図である。歪量を一定にした際の温度とＦＢＧ重なり合う反射スペクトラムの半値幅の関係を示す図である。ＦＢＧの概略を示す図である。ＦＢＧの屈折率分布をイメージした図である。ＦＢＧ３の反射スペクトラムを示す図である。ＦＢＧ３ｃ、３ｄの合波された反射スペクトラムとＦＢＧに架かる歪量の関係を示す図である。歪量と反射波長帯域（半値幅）の関係を示す図である。歪量を一定にした際の温度とＦＢＧ重なり合う反射スペクトラムの半値幅の関係を示す図である。非特許文献１に述べるＦＢＧセンシングシステムの構成を示す図である。

符号の説明

１：広帯域光源
２：光分岐器
３ａ、３ｂ：ＦＢＧ
３ｃ、３ｄ：アポダイズＦＢＧ
４：波長検出器
５：光ファイバ
１０１：ＦＢＧ
１０２：光ファイバ
１０３：コア
２０１：広帯域光源
２０２：光分岐器
２０３：ＦＢＧ
２０４：波長検出器
２０５：光ファイバ

Claims

特定波長帯域の光を反射し、温度変化や歪を受けることで反射波長帯域が変移する特徴を有するＦＢＧ（ファイバ・ブラッグ・グレーティング）を備え、該ＦＢＧの反射波長帯域の光を出力する光源と、該光源から出力され、前記ＦＢＧからの反射光の波長帯域の変移を検出する装置を備えたＦＢＧセンシング装置において、同一反射波長帯域に前記ＦＢＧを２つ備え、一方は温度変化と歪を同時に受けるように設置し、他方は温度変化のみを受けるように設置し、温度変化を補償できるようにすることで、前記２つのＦＢＧの反射波長帯域変移量の差分を歪量として検出することを特徴とするＦＢＧセンシングシステム。
前記２つのＦＢＧの反射波長帯域が共有帯域を有することを特徴とする請求項１記載のＦＢＧセンシングシステム。
前記２つのＦＢＧの反射波長帯域変移量の差分を、合波光の帯域幅の変移として検出することを特徴とする請求項１記載のＦＢＧセンシングシステム。
前記２つのＦＢＧがアポダイズされたものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のＦＢＧセンシングシステム。