JP4243159B2

JP4243159B2 - Ｆｂｇセンシングシステム

Info

Publication number: JP4243159B2
Application number: JP2003325021A
Authority: JP
Inventors: 弘美安島; 裕介武井
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-09-17
Filing date: 2003-09-17
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2023-09-17
Also published as: JP2005091165A

Description

本発明は、ＦＢＧを用いて歪計測や温度計測を行うＦＢＧセンシングシステムに関するものである。

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）は広帯域光源であるＡＳＥ（ＡｍｐｌｉｆｉｅｄＳｐｏｎｔａｎｅｏｕｓＥｍｉｓｓｉｏｎ）光源や波長可変光源などと組み合わせて、構造物の歪計測に用いられている。ＦＢＧはグレーティング間隔で決まる特定の光を反射する。ＦＢＧの反射波長幅（−３ｄＢ幅）は約０．１ｎｍで、ＦＢＧに応力が加わり延び縮みする（ＦＢＧが歪む）ことでＦＢＧの反射波長が変化する。このＦＢＧを構造物の測定ヶ所に取り付けＡＳＥ光等を入射し、反射波長を波長計等で測定すればＦＢＧの歪み、すなわち構造物の歪みが計測できる。この使い方は反射型ＦＢＧセンサーと呼ばれている。

またＦＢＧは透過型センサーとしても使用できる。特定波長を反射するＦＢＧは、言いかえれば特定波長の透過光を遮断する遮断体である。この遮断する波長と反射する波長はセンサーとしてみれば等価であるため、遮断光の波長を測定することで透過型センサーとして使用できる。

さらにＦＢＧは温度変化に対してはファイバの屈折率が変化するため、ＦＢＧは温度検出にも使用できる。言い換えればＦＢＧを用いた歪計測は温度の影響を受けやすいので、歪計測には温度の影響を無くすような手段が必要である。

上記の光ファイバセンシングでは３０Ｋｍ程遠方まで光ファイバを張り巡らせ、その地点の歪み量測定が可能である。光ファイバの伝送損失、ＦＢＧ損失があるので、測定距離を伸ばしさらに測定点数を増やすために、広帯域光源や波長可変光源としては高出力で広帯域な光源が用いられる。また精度良く反射波長を計測することが必要である。

広帯域光源であるＡＳＥ光源としては、特許文献２において図５に示すように、波長範囲１００ｎｍ程度で光パワースペクトラム密度−２０ｄＢ／ｎｍ以上の物が既に公開されている。

また波長１５５０ｎｍで用いられるＦＢＧの場合、反射波長の変化は１．２ｐｍ／μストレイン程度である。即ちＦＢＧからの反射波長の変化を１ｐｍの分解能で計測すれば１μストレインの分解能で歪み計測が可能となる。

図７は特許文献１に従来技術として示されているＦＢＧセンシングシステムである。センサーとしてＦＢＧが一つのファイバ上を直列に接続されている。

広帯域光源９０からの出力光はカプラ１３０を介して光ファイバ１４０を経由しＦＢＧセンサー１０５に導かれる。ＦＢＧセンサー１０５は複数個あり、各々反射波長の異なるもので直列に接続されている。ＦＢＧセンサー１０５で反射されたそれぞれ異なる反射波長は、カプラ１３０に戻り、波長計１５０に導かれそれぞれの波長が検出される。

また図８は特許文献３に記載されている内容を簡略化して示したものである。広帯域光源２０１、波長計２０２、３ｄＢカプラ２０３（特許文献３では方向性結合器と表現されている）、光ファイバ２０４、ＦＢＧセンサー２０５で構成されている。多くのＦＢＧセンサーの測定が可能なように３ｄＢカプラ２０３で分岐して使用している。

図９は特許文献４に記載されているＦＢＧセンシングシステムである。幹線用ファイバ４００、広帯域光源４０１、スプリッタ４０２、アドドロップフィルタ４１１〜４１Ｎ、光増幅器４０３、波長分離フィルタ４０４で構成される。特許文献１、３との違いはＦＢＧセンサー（ＦＢＧ_１〜ＦＢＧ_Ｎ）と幹線用ファイバ４００の間にアドドロップフィルタが挿入されていることで、一つのＦＢＧセンサーが断線しても他のＦＢＧセンサーからの信号を検出できる。
米国特許第５，３６１，１３０号特開２００１−１１１１４５号特表２００１−５１１８９５号特開２００２−３１０７２９号

しかしながら特許文献１を用いた場合、ＦＢＧセンサー１０５は直列に接続されているため、例えばカプラ１３０側の一つのＦＢＧセンサー１０５が断線すれば、全部のＦＢＧセンサーが使用できなくという問題があった。すなわちこの直列接続方式は安全性、信頼性に乏しいシステムであった。特にＦＢＧセンサーは歪計測に用いられるもので、センサー部に応力がかかるため断線する可能性もありえるからである。

また特許文献３を用いた場合にもＦＢＧセンサー２０５は直列に接続されているため上記のように信頼性に欠けるものであった。また３ｄＢカプラ２０３では透過光の挿入損失は３ｄＢ以上有るためその損失を補うには広帯域光源２０１の出力を高めなければならないという問題もあった。

上記問題を解決するために特許文献４に記載されているようにアドドロップフィルタを用いる方法があるが幹線用ファイバ４００が断線した場合、断線した個所以降のＦＢＧセンサーからの信号が検出できなくなってしまうという問題点があった。

ここでは一つのＦＢＧセンサーや幹線用ファイバが断線等の破損に至っても他のＦＢＧセンサーの信号には影響を与えない信頼性の高い頑強なシステムを構築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、一端側に第１ポートと第２ポートを有し、他端側に第３ポートと第４ポートを有する第１の光カプラを備え、上記第１ポートに広帯域光源あるいは波長可変光源の出力光を導出する光ファイバを接続し、上記光カプラの第３および第４ポートに第２の光カプラの第１および第２ポートをそれぞれ接続し、以降、第ｎの光カプラ（ｎは２以上の整数）を同様に直列に接続し、各光カプラ間のいずれか又は全部にＦＢＧセンサーを配置し、前記第１の光カプラの第１ポート及び／又は第２ポートを信号検出ポートとしたことを特徴とする。

また本発明は上記第１の光カプラの第２ポートを未使用とし、１×２ポート光カプラとしたことを特徴とする。

さらに本発明は上記第１〜第ｎの光カプラは分岐比を５０％としたことを特徴とする。

またさらに本発明は上記第１の光カプラのファイバに偏波コントローラを付加したことを特徴とする。

本発明によれば、ＦＢＧセンシングシステムにおいて２×２光カプラを直列に接続し、該光カプラ間のいずれか又は全部にＦＢＧセンサーを配置することで、ＦＢＧセンサーや直列に接続された光ファイバに断線があった場合でもＦＢＧセンサによる計測を可能とし信頼性の高い頑強なシステムを構築することが出来る。

以下、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は本発明の第１の実施形態を示す構成図である。

本発明のＦＢＧセンシングシステムは、広帯域ＡＳＥ光源１、光ファイバ２、光カプラ３〜４、反射波長の異なるＦＢＧセンサー６〜７、波長計９、偏波コントローラ９で構成されている。またＦＢＧセンサー６〜７はそれぞれ光の入射方向にそれぞれ異なる特定波長光を反射し、反射波長以外は透過する。光カプラ３〜４は光ファイバを融着延伸して作られる光ファイバ型カプラである。波長計９は市販されている光スペクトラムアナライザーや光波長計を用いることが出きる。

広帯域ＡＳＥ光源１からの出力光は光ファイバ２を経由し、第１の光カプラ３で２つにわかれ、第３ポート３ｃと第４ポート３ｄに分岐する。

第３ポート３ｃに分岐した光のうちＦＢＧセンサー６で反射した光の波長は、波長計９で計測される。またＦＢＧセンサー６を透過した光と光カプラ３の第４ポート３ｄ側の光は第２の光カプラ４に導かれ、結合しさらにそれぞれ２つのポートに分岐される。またＦＢＧセンサー７で反射される光は第２の光カプラ４で２つに分岐され、さらにそれぞれ第１の光カプラ３の第３ポート３ｃ、第４ポート３ｄを介し結合され、さらに第２ポート３ｂから抽出され波長計９で計測される。

このような構成でＦＢＧセンサー６〜７からの反射波長を測定しその波長変化からＦＢＧセンサーの歪み量が変換出来る。

ここで、ＦＢＧセンサー６が事故で断線した場合を考える。この場合は光カプラ３の第３ポート３ｃは使用不可となり、第４ポート３ｄを経由してＦＢＧセンサー７の反射波長が計測できる。但しこの場合ＦＢＧセンサー７の反射信号強度は第３ポート３ｃの信号分が無くなるので信号強度は低下する。このようにＦＢＧセンサーの断線あるいは光ファイバの一部が断線しても、光カプラ３〜４の断線していないポートの光信号により計測を続けることが可能となる。

但し第１の光カプラ３、第２の光カプラ４を直列に接続した構成はマッハ・ツェンダ−干渉計の構成となるので、例えばＦＢＧセンサー６の反射光が第１の光カプラ３で干渉し波長計９で観測できない危険性もある。この干渉の危険性を避けるため光源はＡＳＥ光源などの低コヒーレント光が望ましい。

偏波コントローラ１０は前記の干渉を避けるために使用するもので、ＦＢＧセンサー７からの反射スペクトラム強度が小さくならないように調整する。

また各々のアーム長（光カプラ３と光カプラ４間の２つのファイバ長）が等しくならないように注意すれば干渉を避けることが出きる。

また光カプラ４の右端Ａ，Ｂは開放端でもよいが、無反射終端をしたほうがよい。ファイバー端面からの反射光がＦＢＧセンサーの反射信号に対するノイズとなるのを防ぐためである。

図２は本発明の第２の実施形態を示す構成図である。実施形態１と異なる点は、光カプラ３を１×２ポートカプラとしＦＢＧセンサーからの信号光を検出するために光サーキュレータ１１を光カプラ３の第１ポートに接続し、光サーキュレータ１１の出力ポートを波長計９に接続している。またＦＢＧセンサー数を増やすために第３の光カプラ５を有し、ＦＢＧセンサー８を有することである。図１と同様に光カプラを直列に接続するとでＦＢＧセンサーの断線あるいは光ファイバの一部が断線しても、光カプラ３〜５の断線していないポートの光信号により計測を続けることが可能となる。

ここでは光源として広帯域ＡＳＥ光源を用いているが波長可変光源を用いても良い。このとき波長可変光源としては前記のマッハ・ツェンダ−干渉計内部で干渉の起こりづらい、ファイバリングーレーザー型がよい。ファイバーリングレーザー型は半導体レーザーを用いた波長可変光源よりも低コヒーレントであり干渉が起こりづらいからである。

このように光カプラを直列に接続した構成にすることで、一部の光ファイバやＦＢＧセンサーが断線してもＦＢＧセンサーの計測を継続出来る効果がある。また５０％分岐比の光カプラを用いた場合、光カプラによる光量の損失は５０％の損失が累積されるのではなく、合分岐を繰り返すのでそれよりも小さな値（過剰損失（光カプラでは５％以下）の累積）となり、光カプラを多段に接続しても大きな光損失とはならない。

図１に示す本発明のＦＢＧセンシングシステムを作成した。

広帯域光源１は特許文献２に示したものと同じ構成のものを使用した。ＦＢＧセンサー６〜７の中心反射波長はそれぞれ、１５５７ｎｍ、１５５４ｎｍに設定している。光波長計９としては市販の光スペクトラムアナライザーを用いている。光カプラ３、４は光ファイバを融着延伸して作成した２×２ポートの光ファイバカプラである。

図３（ａ）、図３（ｂ）は本システムのＡ端、Ｂ端における透過光スペクトラムである。Ａ端とＢ端には全帯域においてほぼ等しい透過光強度が得られているのが確認できる。またＦＢＧセンサー７（波長１５５４ｎｍ）による透過光損失量は１７ｄＢ以上あるのに対してＦＢＧセンサー６（波長１５５７ｎｍ）による透過光損失量は約３ｄＢである。このようにＦＢＧセンサー６（波長１５５７ｎｍ）による透過光損失量は約３ｄＢと小さいのは光カプラ３の第４ポート３ｄからの光が光カプラ４によって合波されているからである。

図４（ａ）は本システムが正常に動作している場合の反射光スペクトラムである。ＦＢＧセンサー６〜７の反射スペクトラムはほぼ同じ強度で得られている。

図４（ｂ）はＣ部が断線した場合、図５（ａ）はＤ部が断線した場合、図５（ｂ）はＥ部が断線した場合のそれぞれの反射光スペクトラムである。Ｃ部、Ｅ部が断線した場合にもＦＢＧセンサー７（波長１５５４ｎｍ）からの反射光強度は低下するものも波長計９には計測可能である。光強度の低下量としては３ｄＢを予想していたが実際には６ｄＢ程度となり大きな損失であった。このような状態は偏波コントローラ１０の調整により正常状態（図４（ａ））におけるＦＢＧセンサー７の反射スペクトラム強度が最大になるように調整した場合に起こる。

またＤ部が断線（図５（ａ））した場合ＦＢＧセンサー６の信号は得られないがＦＢＧセンサー７の信号は計測できる。

本発明におけるＦＢＧセンシングシステムの第１の実施形態を示す構成図である。本発明におけるＦＢＧセンシングシステムの第２の実施形態を示す構成図である。（ａ）（ｂ）は本発明実施例における透過光スペクトラムを示す図である。本発明実施例における反射スペクトラムを示しており、（ａ）は正常動作時、（ｂ）は断線時である。（ａ）（ｂ）は本発明実施例における断線時の反射スペクトラムを示す図である。ＡＳＥ光源のスペクトラム波形である。従来のＦＢＧセンシング装置を示す図である。従来のＦＢＧセンシング装置を示す図である。従来のＦＢＧセンシング装置を示す図である。

符号の説明

１：広帯域光源
２：光ファイバ
３〜５光ファイバカプラ
６〜８：ＦＢＧセンサー
９：光波長計
１０：偏波コントローラ
１１：光サーキュレータ
９０：広帯域光源
１０５：ＦＢＧセンサー
１３０：カプラ
１４０：光ファイバ
１５０：波長計
２０１：広帯域光源
２０２：波長計
２０３：３ｄＢカプラ
２０４：光ファイバ
２０５：ＦＢＧセンサー
４００：幹線用ファイバ
４０１：広帯域光源
４０２：スプリッタ
４０３：光増幅器
４０４：波長分離フィルタ
４１１〜４１Ｎ：アドドロップフィルタ

Claims

一端側に第１ポートと第２ポートを有し、他端側に第３ポートと第４ポートを有する第１の光カプラを備え、上記第１ポートに広帯域光源あるいは波長可変光源の出力光を導出する光ファイバを接続し、上記光カプラの第３および第４ポートに第２の光カプラの第１および第２ポートをそれぞれ接続し、以降、第ｎの光カプラ（ｎは２以上の整数）を同様に直列に接続し、各光カプラ間のいずれか又は全部にＦＢＧセンサーを配置し、前記第１の光カプラの第１ポート及び／又は第２ポートを信号検出ポートとしたことを特徴とするＦＢＧセンシングシステム。
上記第１の光カプラの第２ポートを未使用とし、１×２ポート光カプラとしたことを特徴とする請求１記載のＦＢＧセンシングシステム。
上記第１〜第ｎの光カプラは分岐比を５０％としたことを特徴とする請求項１または２記載のＦＢＧセンシングシステム。
上記第１の光カプラのファイバに偏波コントローラを付加した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。