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JP4742274B2 - Measuring system - Google Patents
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Description

光ファイバブラッググレーティング(以下FBG)を用いた分布型光ファイバセンサの技術分野に関する。 The present invention relates to a technical field of a distributed optical fiber sensor using an optical fiber Bragg grating (hereinafter referred to as FBG).

本発明の背景技術として第一の背景技術及び第二の背景技術を説明する。まず、第一の背景技術につき説明する。図3を用いて従来技術を用いた分布型温度センサについて説明する。広帯域光源1からの光は光方向性結合器2を経てシングルモード光ファイバSMFに入力され該SMFには1個または複数のFBGが描画されている。検出すべき温度はセンサのFBGの反射中心波長と相関があるため、これらの反射中心波長を測定することにより各センサの温度を測定することができる。各々のFBGの反射中心波長はそれらの帯域幅も含め互いにすべての測定範囲に亘ってオーバラップしないようにシステム設計されている。FBGからの反射光は前記SMFを逆にたどって広帯域光源1側に戻っていき該光源直前に設置されている前記光方向性結合器2によりファブリペロー干渉計などの光学干渉計から構成される波長検波器3に入力される(非特許文献1参照)。各々のFBGの反射中心波長は該波長検波器3により検波、すなわち測定される。ファブリペロー干渉計は狭帯域な櫛型帯域通過フィルタである。一方、圧電素子を使用し時間に対して鋸波状の電圧を該圧電素子に印加させると圧電素子はその電圧により変位を生ずるため該干渉計の半透鏡を圧電素子に接続しておけば2つの半透鏡の間隔を変化させることができる。従って圧電素子に印加する電圧を周期的に変化させればファブリペロー干渉計の狭帯域な櫛型帯域通過フィルタスペクトルを周期的に変化させることができる。図4はこの従来技術を用いた分布型温度計測システムのスペクトラムの相互の関係を示す図である。使用される複数のFBGの占有する全波長帯域より広いフリースペクトルレンジ(以下FSR)になるように波長検波器3を構成するファブリペロー干渉計を設計しておく。更に該ファブリペロー干渉計の複数存在する通過中心波長の内の1つ通過中心波長が前記圧電素子に印加する電圧の変化でFSRだけ掃引されるようにシステム設計を行う。これにより各々のFBGの反射光の反射中心波長は該ファブリペロー干渉計からの出射光量を前記圧電素子への印加電圧とリンクして観測することにより印加電圧がいくらのとき大になるかをそれぞれ別々に計測することにより測定することが可能となる。これはあらかじめ該印加電圧と前記複数のFBGの占有する全波長帯域内に存在する単一のファブリペロー干渉計の透過スペクトル中心波長との関係は測定されており、このためファブリペロー干渉計からの出射光量を極大にする前記印加電圧を測定することにより前記複数のFBGの反射中心波長を測定することができるからである。図3に示す波長温度変換部4はProgramable Read Only Memory(以下PROM)などのメモリから構成されている。あらかじめ各センサの反射中心波長と温度との関係を測定しておきこれをデータとして上記メモリに記憶させておく。これにより波長温度変換部4は波長検波器3に接続され入力されてきた各センサの波長に対応した各センサの温度を出力する。 The first background art and the second background art will be described as background art of the present invention. First, the first background art will be described. A distributed temperature sensor using the prior art will be described with reference to FIG. The light from the broadband light source 1 is input to the single mode optical fiber SMF through the optical directional coupler 2, and one or more FBGs are drawn on the SMF. Since the temperature to be detected has a correlation with the reflection center wavelength of the FBG of the sensor, the temperature of each sensor can be measured by measuring these reflection center wavelengths. The system is designed so that the reflection center wavelengths of each FBG do not overlap each other over the entire measurement range, including their bandwidth. Reflected light from the FBG traces back the SMF and returns to the broadband light source 1 side, and is composed of an optical interferometer such as a Fabry-Perot interferometer by the optical directional coupler 2 installed immediately before the light source. It is input to the wavelength detector 3 (see Non-Patent Document 1). The reflection center wavelength of each FBG is detected, that is, measured by the wavelength detector 3. The Fabry-Perot interferometer is a narrow band comb-type bandpass filter. On the other hand, when a piezoelectric element is used and a sawtooth voltage is applied to the piezoelectric element, the piezoelectric element is displaced by the voltage. Therefore, if the half mirror of the interferometer is connected to the piezoelectric element, two elements can be obtained. The interval of the semi-transparent mirror can be changed. Therefore, if the voltage applied to the piezoelectric element is periodically changed, the narrow band comb-shaped bandpass filter spectrum of the Fabry-Perot interferometer can be periodically changed. FIG. 4 is a diagram showing the mutual relationship of the spectrum of the distributed temperature measurement system using this prior art. A Fabry-Perot interferometer constituting the wavelength detector 3 is designed so that a free spectral range (hereinafter referred to as FSR) wider than the entire wavelength band occupied by a plurality of FBGs used is designed. Further, the system design is performed such that one of the plurality of passing center wavelengths of the Fabry-Perot interferometer is swept by FSR by the change of the voltage applied to the piezoelectric element. This by either reflection center wavelength of the reflected light of each of the FBG becomes very large when the much applied voltage by monitoring with a voltage link application of the amount of light emitted from the Fabry-Perot interferometer to the piezoelectric element It becomes possible to measure by measuring each separately. This is because the relationship between the applied voltage and the center wavelength of the transmission spectrum of a single Fabry-Perot interferometer existing in the entire wavelength band occupied by the plurality of FBGs has been measured. This is because the reflection center wavelengths of the plurality of FBGs can be measured by measuring the applied voltage that maximizes the amount of emitted light. The wavelength temperature conversion unit 4 shown in FIG. 3 includes a memory such as a programmable read only memory (hereinafter referred to as PROM). The relationship between the reflection center wavelength of each sensor and the temperature is measured in advance, and this is stored in the memory as data. Thereby, the wavelength temperature converter 4 is connected to the wavelength detector 3 and outputs the temperature of each sensor corresponding to the wavelength of each sensor input.

次に第二の背景技術を説明する。これは「非特許文献2」により公知の技術である。図5はこの第二の背景技術を用いた分布型温度センサのシステム構成図である。第一の背景技術と異なる点は波長検波器3である。他の個所は皆同一である。その特徴は第一の背景技術の波長検波器3はファブリペロー型干渉計の干渉中心波長を圧電素子などを使って機械的に掃引する方式であるが、この第二の背景技術はファブリペロー型干渉計ではなくアレイ導波路格子AWGを用いることにより機械的な可動部をなくし第一の背景技術よりも波長検波器3の信頼性をあげると同時に、並列信号処理により高速に波長検波できる点が大きな特徴である。次に図6を用いてこのAWGから成る波長検波器の動作を説明する。FBGの反射中心波長をλbi、AWGの隣接するチャンネルmとチャンネルm+1の透過中心波長をそれぞれλam、λa,m+1 とする。λbiがλam及びλa,m+1の中心波長と一致している場合、AWGのチャンネルmとチャンネルm+1から出射する光量は同一であるのでそれらを受光素子で光電変換した後の電流値の比は1である。仮にλbiが短波長側にシフトすればその比は1より小さくなり長波長側にシフトすれば比は1より大きくなる。λbiはλam<λbi<λa,m+1の範囲で変動するようシステム設計される。FBGの反射中心波長λbiはFBGの温度と一対一で対応している。従ってFBGの温度と前記の比の関係も一対一の関係となる。この関係をシステム製作段階であらかじめ求めておきPROMなどの記憶装置に記憶させておく。図5の波長温度変換部4はこの記憶装置である。このようにして構成されたシステムを用い同図に示すように光電変換素子5、プリアンプ6により光電変換された後の電流値を使ってマイクロコンピュータ7により比演算を行い、演算結果を前記の記憶装置に入力させれば記憶装置の出力はそのときのFBGの温度となる。一般にAWGは2つ以上の多数のチャンネルを備えているので複数のFBGの反射中心波長を並列に同時に計測できる。これが第二の背景技術である。
A. D. Kersey, T. A. Berkoff, and W. W. Morey, Multipleded fiber Bragg grating strain-sensor system with a fiber Fabry-Perot wavelength filter, Optics Lett., Vol.18, No.16, PP.1370-1372, 1993 Y. Sano and T. Yoshino, Fast Optical Wavelength Interrogator Employing Arrayed Waveguide Grating for Distributed Fiber Bragg Grating Sensors, J. Lightwave Technol., vol.21, pp.132-139, 2003 S. Suzuki, K. Oda, and Y. Hibino, Integrated-optic Double-Ring Resonators with a Wide Spectral Range of 100 GHz, J. Lightwave Tecnolo.,vol.13, no.8, pp.1766-1771, 1995 Y. Sano, T. Hirayama, J. K. Kurihara, T. Goto, K. Taniguchi, J. Nishii, K. Kintaka, and T. Yoshino, Planar Waveguide Bragg Grating Pressure Sensor on a Micro-Machined Silicon Diaphragm, in Proc. Of OFS-16, pp.694-696, 2003
Next, the second background art will be described. This is a technique known from “Non-Patent Document 2”. FIG. 5 is a system configuration diagram of a distributed temperature sensor using the second background art. The difference from the first background art is the wavelength detector 3. Everything else is the same. The feature is that the wavelength detector 3 of the first background art mechanically sweeps the interference center wavelength of a Fabry-Perot interferometer using a piezoelectric element or the like, but this second background art is a Fabry-Perot type. The use of an arrayed waveguide grating AWG instead of an interferometer eliminates mechanical moving parts, improves the reliability of the wavelength detector 3 over the first background art, and at the same time enables high-speed wavelength detection by parallel signal processing. It is a big feature. Next, the operation of the wavelength detector composed of the AWG will be described with reference to FIG. Assume that the reflection center wavelength of the FBG is λ bi , and the transmission center wavelengths of the adjacent channels m and m + 1 of the AWG are λ am and λ a, m + 1 , respectively. When λ bi is equal to the center wavelength of λ am and λ a, m + 1 , the amount of light emitted from channel m and channel m + 1 of the AWG is the same, so the current value after photoelectrically converting them with the light receiving element The ratio is 1. If λ bi is shifted to the short wavelength side, the ratio is smaller than 1, and if it is shifted to the long wavelength side, the ratio is larger than 1. lambda bi is a system designed to vary in the range λ ambi <for λ a, m + 1. The FBG reflection center wavelength λ bi has a one-to-one correspondence with the FBG temperature. Therefore, the relationship between the temperature of the FBG and the ratio is also a one-to-one relationship. This relationship is obtained in advance at the system production stage and stored in a storage device such as a PROM. The wavelength temperature converter 4 in FIG. 5 is this storage device. Using the system configured as described above, as shown in the figure, the microcomputer 7 performs a ratio calculation using the current value after photoelectric conversion by the photoelectric conversion element 5 and the preamplifier 6, and the calculation result is stored in the memory. If it is input to the device, the output of the storage device becomes the temperature of the FBG at that time. In general, an AWG has two or more channels, so that the reflection center wavelengths of multiple FBGs can be measured simultaneously in parallel. This is the second background art.
AD Kersey, TA Berkoff, and WW Morey, Multipled fiber Bragg grating strain-sensor system with a fiber Fabry-Perot wavelength filter, Optics Lett., Vol.18, No.16, PP.1370-1372, 1993 Y. Sano and T. Yoshino, Fast Optical Wavelength Interrogator Employing Arrayed Waveguide Grating for Distributed Fiber Bragg Grating Sensors, J. Lightwave Technol., Vol.21, pp.132-139, 2003 S. Suzuki, K. Oda, and Y. Hibino, Integrated-optic Double-Ring Resonators with a Wide Spectral Range of 100 GHz, J. Lightwave Tecnolo., Vol.13, no.8, pp.1766-1771, 1995 Y. Sano, T. Hirayama, JK Kurihara, T. Goto, K. Taniguchi, J. Nishii, K. Kintaka, and T. Yoshino, Planar Waveguide Bragg Grating Pressure Sensor on a Micro-Machined Silicon Diaphragm, in Proc. Of OFS-16, pp.694-696, 2003

Figure 0004742274
Figure 0004742274

広帯域光源からの光を光方向性結合器あるいは光サーキュレータに入射させ該光方向性結合器あるいは該光サーキュレータからの出射光を光信号伝送ライン経由1個のセンサに導き、あるいは複数のセンサを光信号伝送ラインを用いて直列に接続した直列回路に導きこれら1個あるいは複数のセンサからの反射光は逆の経路をたどって前記光方向性結合器あるいは前記光サーキュレータ経由波長検波器に導かれ該検波器においてこれらセンサからの反射光の波長を計測することによりセンサが検出すべき温度を測定する計測システムにおける、本発明に係るセンサに対する課題解決手段と波長検波器に対する課題解決手段について記す。なお、これら2つの解決手段を同時に実施することによりシステム全体に対する課題解決手段となる。
最初にセンサに対する課題解決手段を述べる。前記各センサは第一のリング導波路とブラッググレーティングを内蔵した第二のリング導波路を第一の光方向性結合器で結合する。また、第一のリング導波路を第二の光方向性結合器を介して前記光信号伝送ラインに結合させることにより第一のリング共振器を構成し該リング共振器の入射ポートからドロップポートへの透過帯域フィルタ特性が狭帯域特性を持った櫛型フィルタ特性となるように第一のリング導波路のリング長を決定し、該櫛型フィルタ透過特性を第二のリング導波路内のブラッググレーティングの反射帯域幅を第一のリング共振器のFSRよりも広くすることにより該導波路内のブラッググレーティングの反射帯域における前記リング共振器の櫛型フィルタ特性がそのまま該ブラッググレーティングによりセンサのスペクトル特性として光方向性結合器2を経由して波長検波器に入力される。なおセンサを構成するリング共振器のリングの光路長はこのセンサのスペクトル特性が複数の狭帯域な反射線スペクトルからなるように決定されることが好ましいまた、該導波路内のブラッググレーティングの透過帯域における第一のリング共振器の入射ポートから出射ポートへの透過スペクトルを両リングのコアの光路長を同一にすることにより平坦なスペクトルとする。さらに、隣接して接続されるセンサを構成するリング共振器への入射スペクトルを平坦なスペクトルとしたうえで、前記導波路内のブラッググレーティングの反射帯域をセンサごとに異なるようシステム設計を行う。この場合更に各センサの測定範囲はそれぞれのセンサの該導波路内のブラッググレーティングの帯域幅以下になるように決定されることが好ましい
次に波長検波器に対する解決手段を述べる。波長検波器では透過型ファブリペロー干渉計出力を1入力多出力のAWGの入力に接続させ該AWGの複数のチャンネル各々の出力端子に受光素子を接続する。チャンネル数はセンサ数と同じ数であって、各々のセンサと各々のチャンネルを対応させ各チャンネルの波長帯域はセンサの使用温度範囲内で各センサの第二のリング導波路内のブラッググレーティングの反射波長帯域が温度変化により変動する範囲以上の帯域幅を持つAWGとする。前記透過型ファブリペロー干渉計の櫛型透過スペクトル特性はファブリペロー干渉計を構成する半透鏡間の距離を変化させることにより、例えば一方の半透鏡と圧電素子を一体に構成しこの圧電素子に印加する電圧を変化させることにより制御される。AWGの全チャンネルをカバーする波長帯域において前記ファブリペロー干渉計の櫛型透過スペクトル特性と前記圧電素子に印加する電圧との関係はシステム構築前にあらかじめ取得しておく。前記ファブリペロー干渉計からAWGのあるチャンネルを経由して光電変換素子にいたるルートは前述の様に1つのセンサに対応している。各々のセンサの波長帯域におけるファブリペロー干渉計の透過スペクトルはセンサから反射してくる櫛型狭帯域スペクトルに対してFWHMとFSRが略同一のスペクトルになるようし、両者の差はスペクトルの複数のピークを与える波長が異なるのみになるようにする。そして該ファブリペロー干渉計の透過スペクトルをFSRだけ前記圧電素子の駆動電圧の制御により変化させることによりAWGの各々のチャンネル出力はいずれかの電圧で極大値を示す。この時ファブリペロー干渉計の櫛型透過スペクトルの透過率のピークを与える複数の波長とセンサから戻ってくる櫛型反射スペクトルの反射率のピークを与える複数の波長は一致していると考えられる。一方センサの温度によりセンサから戻ってくる櫛型反射スペクトルは変化する。センサの測定範囲はシステム設計の段階でこの櫛型反射スペクトルのFSRより狭い波長範囲とすると該センサの温度とセンサからの櫛型反射スペクトルは一対一で対応する。この関係をあらかじめデータとして記憶しておくことによりAWGの任意のチャンネルの出力の極大値を与える電圧からそのチャンネルに対応するセンサの温度を測定することができる。以上が本発明の課題に対する解決手段である。
Via optical signal transmission line light emitted from the light directional coupler or optical circulator is incident on the optical directional coupler or an optical circulator light from a broadband light source guided to one sensor or a plurality of sensors led to a series circuit connected in series with the optical signal transmission line, these one or reflected light from the plurality of sensors the light directional coupler following the reverse path or wavelength detector via the optical circulator led, problem solving means for the problem solving means and the wavelength detector for the sensor in the measuring system which sensor measures the temperature to be detected, according to the present invention by measuring the wavelength of the reflected light from these sensors in該検duplexer I will write about. Incidentally, the means for solving the problems for the entire system by performing these two solutions simultaneously.
First, problem solving means for the sensor will be described. In each sensor, a first ring waveguide and a second ring waveguide containing a Bragg grating are coupled by a first optical directional coupler . Also, by coupling before Symbol optical signal transmission line of the first ring waveguide through the second optical directional coupler constitutes the first ring resonator, a drop from the incident port of the ring resonator The ring length of the first ring waveguide is determined so that the transmission band filter characteristic to the port becomes a comb filter characteristic having a narrow band characteristic, and the comb filter transmission characteristic is determined in the second ring waveguide. By making the reflection bandwidth of the Bragg grating wider than the FSR of the first ring resonator, the comb filter characteristics of the ring resonator in the reflection band of the Bragg grating in the waveguide can be directly applied to the spectrum of the sensor by the Bragg grating. A characteristic is input to the wavelength detector via the optical directional coupler 2. In addition , it is preferable that the optical path length of the ring of the ring resonator constituting the sensor is determined so that the spectral characteristic of the sensor is composed of a plurality of narrow-band reflected line spectra. Further , the transmission spectrum from the entrance port to the exit port of the first ring resonator in the transmission band of the Bragg grating in the waveguide is made flat by making the optical path lengths of the cores of both rings the same . Further, the system is designed so that the reflection spectrum of the Bragg grating in the waveguide is different for each sensor, after making the incident spectrum to the ring resonator constituting the sensor connected adjacently flat. In this case , it is preferable that the measurement range of each sensor is further determined to be equal to or less than the bandwidth of the Bragg grating in the waveguide of each sensor .
Next, a solution for the wavelength detector will be described. In the wavelength detector, the transmission Fabry-Perot interferometer output is connected to the input of a 1-input multi-output AWG , and a light receiving element is connected to the output terminal of each of the plurality of channels of the AWG. The number of channels is the same number as the number of sensors, made to correspond to each of the sensors and each channel, the wavelength band of each channel of the Bragg grating in the second ring waveguide for each sensor within the operating temperature range of the sensor The AWG has a bandwidth that exceeds the range in which the reflected wavelength band varies with temperature. The comb-type transmission spectral characteristics of the transmission type Fabry-Perot interferometer can be obtained by, for example, integrally forming one half-transmission mirror and a piezoelectric element by changing the distance between the half-transmission mirrors constituting the Fabry-Perot interferometer. by varying the voltage applied, it is controlled. The relationship between the comb transmission spectrum characteristic of the Fabry-Perot interferometer and the voltage applied to the piezoelectric element in the wavelength band covering all the channels of the AWG is acquired in advance before the system is constructed. The route from the Fabry-Perot interferometer to a photoelectric conversion element via a channel having an AWG corresponds to one sensor as described above. The transmission spectrum of the Fabry-Perot interferometer in the wavelength band of each sensor is such that the FWHM and FSR are substantially the same as the comb-shaped narrowband spectrum reflected from the sensor, and the difference between the two is the difference between the spectra. The wavelength that gives the peak is made different only. Then, by changing the transmission spectrum of the Fabry-Perot interferometer by FSR by controlling the drive voltage of the piezoelectric element, each channel output of the AWG exhibits a maximum value at any voltage. At this time, it is considered that the plurality of wavelengths giving the transmittance peak of the comb transmission spectrum of the Fabry-Perot interferometer coincide with the plurality of wavelengths giving the reflectance peak of the comb reflection spectrum returning from the sensor. On the other hand, the comb-shaped reflection spectrum returning from the sensor changes depending on the temperature of the sensor. If the sensor measurement range is a wavelength range narrower than the FSR of the comb reflection spectrum at the system design stage, the temperature of the sensor and the comb reflection spectrum from the sensor have a one-to-one correspondence. By storing this relationship as data in advance, the temperature of the sensor corresponding to that channel can be measured from the voltage that gives the maximum value of the output of any channel of the AWG. The above is the means for solving the problems of the present invention.

Figure 0004742274
Figure 0004742274

本発明に係る実施形態である分布型温度計測システムの全体構成を図1に示す。またその動作を示すため同システムの各個所のスペクトルを図2に示す。以下図1、図2を用いてその構成・動作を示す。図1において広帯域光源1から出射した光はSMF、光方向性結合器2(光方向性結合器はサーキュレータでもよい)を経てSMFに入射する。このSMFにはN個のセンサ(Nは1以上の整数)がSMFを介して直列に接続される。1個あるいは複数のセンサからの反射光は逆の経路をたどって光方向性結合器2経由波長検波器3に導かれ該検波器においてこれらセンサからの反射スペクトルを計測することによりセンサが検出すべき温度を測定する。前記各センサは第一のリング導波路RW1とブラッググレーティングWBGを内蔵した第二のリング導波路RW2を第一の光方向性結合器DC1で結合しかつ第一のリング導波路RW1を第二の光方向性結合器DC2を介して前記SMFからなる前記光信号伝送ラインに結合させることにより第一のリング共振器を構成し該リング共振器の入射ポートIPからドロップポートDPへの透過帯域フィルタ特性を第一のリング導波路RW1のリング長を例えばミリメータ程度にすることにより例えばピコメータオーダの図2のスペクトルS2に示すような狭帯域透過櫛型フィルタ特性としこの櫛型透過フィルタ特性と、第二のリング導波路RW2内のブラッググレーティングWBGの帯域幅を図2のスペクトルS3、S6に示すように第一のリング共振器のFSRよりも広くすることによりWBGにより反射される反射スペクトル特性をピコメータのオーダのFWHMの図2のスペクトルS4、S7に示すような複数の狭帯域反射スペクトル特性とする。この複数の狭帯域反射スペクトルは該リング共振器のドロップポートDPから入射ポートIPへの透過スペクトルのうちの1部分であるが同時にこれはドロップポートDPから入射ポートIPに向かって入射した光の透過スペクトルに等しいはずであるのでWBGにより反射された前記複数の狭帯域反射スペクトルS4、S7はドロップポートDPから入射ポートIPを経て光方向性結合器2に向かって伝播していくことになる。即ちセンサとしての反射スペクトルは各々が狭帯域の複数の反射スペクトルとなる。この反射スペクトル各々が狭帯域特性を持っているがゆえに本発明のセンサはその反射スペクトルのうちエネルギーのピークを与える複数の波長のいずれの波長においてもその波長近傍での波長に対する反射スペクトルのエネルギー密度の変化は、これよりも遥かに広いFWHMをもったFBGを用いた従来の分布計測システムの場合よりも格段に大きくなる。この反射スペクトルの波長に対するエネルギー密度の変化をより的確に捉えるために波長検波器3も狭帯域フィルタ特性を備えさせる。例えばファブリペロー干渉計などを用いてこの特性を備えさせる。また各センサのWBGの反射帯域は温度変化により変化するがシステムの使用温度範囲のいずれにおいてもこの反射帯域はセンサごとに異なるようにシステム設計を行う。さらに各センサの測定範囲はそれぞれのセンサのWBGの反射波長帯域の帯域幅以下とする。波長検波器3について詳しく述べると次のようである。波長検波器3は図1に示すようにファブリペロー干渉計FPI, 鋸波発生回路SG、アレイ導波路格子AWG, 光電変換素子、プリアンプ、自走型アナログデジタル変換器AD 0〜AD N,センサ反射スペクトルパタン検出回路MAX 1〜MAX Nから成り立っている。この図1を用いて波長検波器の動作を以下に説明する。ファブリペロー干渉計FPIは鋸波発生回路SGの出力の鋸波電圧によりその櫛型フィルタ特性が変化する。これには例えばシングルモードファイバに直接接続可能なMICRON OPTICS社(http://www. micronoptics.com)のFFP−SI(ファブリペロー干渉計), FFP−C(鋸波発生回路)を用いることができる。自走型アナログデジタル変換器は自ら繰り返し測定するいわゆるデジタル電圧計である。図2に示す光方向性結合器2経由センサから反射されてきたスペクトル例えばS4、S7の櫛型光スペクトラムは、図2のスペクトルS9、S10、S11に示すよう前記鋸波電圧によりその透過スペクトルの変化するファブリペロー干渉計FPIとAWGの直列光回路の透過スペクトルとのスペクトルパタンマッチング演算が行われそのパタン一致度に比例した光量がAWGの各チャンネルから出力される。これら各チャンネルからの光出力は光電変換素子、プリアンプを介して電圧として出力される。この電圧は前記自走型アナログデジタル変換器AD 1〜AD Nによりそれぞれデジタル値に変換される。センサ反射スペクトルパタン検出回路MAX 1〜MAX Nはそれぞれセンサ1〜センサNの温度を計測するためのものでありそれぞれ鋸波発生回路が鋸波を発生する一周期の間に前記AWG各チャンネルからの出力光量に比例した即ちスペクトルパタン一致度に比例した電圧値の最大値を与える鋸波の電圧を出力し、鋸波電圧をデジタル値にしたアナログデジタル変換回路AD 0の出力と自走型アナログデジタル変換器AD 1〜AD Nの出力を入力として動作するものでありいわゆるメモリとマイクロコンピュータにより構成される。図2の場合スペクトルS4と最もスペクトルパタンが一致するのはスペクトルS9、S10、S11の間ではS11であってこのスペクトルS11を発生するための鋸波電圧V3がこのプリアンプの出力電圧の最大値を与える鋸波電圧となる。このようにして鋸波電圧が特定されるとそれに対応しセンサからの反射スペクトルパタンも特定される。センサからのスペクトルパタンはその変化がそのパタンのFSR以内の変化であればセンサの温度に一対一で対応しているためスペクトルパタンが特定されることによりセンサの温度も特定されることになる。以上が実施例の構成と動作を基にした説明である。 FIG. 1 shows an overall configuration of a distributed temperature measurement system according to an embodiment of the present invention . In order to show the operation, the spectrum of each part of the system is shown in Fig.2. The configuration and operation will be described below with reference to FIGS. In FIG. 1, light emitted from the broadband light source 1 enters the SMF via the SMF and the optical directional coupler 2 (the optical directional coupler may be a circulator). N sensors (N is an integer of 1 or more) are connected to the SMF in series via the SMF. The reflected light from one or a plurality of sensors follows the reverse path and is guided to the wavelength detector 3 via the optical directional coupler 2, and the sensor detects the reflected spectrum from these sensors in the detector. Measure the power temperature. In each sensor, the first ring waveguide RW1 and the second ring waveguide RW2 incorporating the Bragg grating WBG are coupled by the first optical directional coupler DC1, and the first ring waveguide RW1 is coupled to the second ring waveguide RW1. A first ring resonator is formed by coupling to the optical signal transmission line made of the SMF via an optical directional coupler DC2, and a transmission band filter characteristic from the incident port IP to the drop port DP of the ring resonator By setting the ring length of the first ring waveguide RW1 to about millimeters, for example, a narrow band transmission comb filter characteristic as shown in the spectrum S2 of FIG. The bandwidth of the Bragg grating WBG in the second ring waveguide RW2 is reflected by the WBG by making it wider than the FSR of the first ring resonator as shown in the spectra S3 and S6 in FIG. That the multiple narrow band reflection spectrum characteristic as shown in the spectrum S4, S7 of Fig. 2 of FWHM of the order of the reflection spectral characteristics picometers. This plurality of narrowband reflection spectra is part of the transmission spectrum from the drop port DP to the incident port IP of the ring resonator, but at the same time, this is the transmission of light incident from the drop port DP toward the incident port IP. Since it should be equal to the spectrum, the plurality of narrow-band reflection spectra S4 and S7 reflected by the WBG propagate from the drop port DP to the optical directional coupler 2 via the incident port IP . That is, the reflection spectrum as a sensor is a plurality of reflection spectra each having a narrow band. Since each of the reflection spectra has a narrow band characteristic, the sensor of the present invention has an energy density of the reflection spectrum with respect to a wavelength in the vicinity of the wavelength of any of a plurality of wavelengths giving an energy peak in the reflection spectrum. This change is much larger than in the case of a conventional distributed measurement system using an FBG with a much wider FWHM. The wavelength detector 3 also has a narrow-band filter characteristic in order to more accurately grasp the change in energy density with respect to the wavelength of the reflection spectrum. For example, this characteristic is provided using a Fabry-Perot interferometer. The WBG reflection band of each sensor changes with temperature changes, but the system design is performed so that this reflection band differs for each sensor in any operating temperature range of the system. Furthermore, the measurement range of each sensor is set to be equal to or less than the bandwidth of the reflected wavelength band of the WBG of each sensor. The wavelength detector 3 will be described in detail as follows. As shown in FIG. 1, the wavelength detector 3 includes a Fabry-Perot interferometer FPI, a sawtooth wave generation circuit SG, an arrayed waveguide grating AWG, a photoelectric conversion element, a preamplifier, a self-running analog-digital converter AD 0 to AD N, and a sensor reflection. It consists of spectral pattern detection circuits MAX1 to MAXN. The operation of the wavelength detector will be described below with reference to FIG. The Fabry-Perot interferometer FPI changes its comb filter characteristics depending on the sawtooth voltage output from the sawtooth generator SG. For this, for example, FFP-SI (Fabry-Perot interferometer) and FFP-C (saw wave generator circuit) of MICRON OPTICS (http://www.micronoptics.com) that can be directly connected to a single mode fiber are used. it can. A self-running analog-digital converter is a so-called digital voltmeter that repeatedly measures itself. Spectrum has been reflected from the sensor via the optical directional coupler 2 shown in FIG. 2, the comb-type optical spectrum example S4, S7, by the sawtooth wave voltage as shown in spectrum S9, S10, S11 in FIG. 2 a Fabry-Perot interferometer FPI to changes in the transmission spectrum, the spectral pattern matching operation between the transmission spectrum of the series optical circuit of AWG is performed, the amount of light proportional to the pattern matching score is output from each channel of the AWG. The light output from each of these channels is output as a voltage via a photoelectric conversion element and a preamplifier. This voltage is converted into a digital value by the self-running analog-to-digital converters AD1 to ADN. The sensor reflection spectrum pattern detection circuits MAX 1 to MAX N are for measuring the temperatures of the sensors 1 to N , respectively, and the respective sawtooth wave generation circuits generate a sawtooth wave from each channel of the AWG. Outputs the sawtooth voltage that gives the maximum value of the voltage value proportional to the output light quantity of the signal , that is, proportional to the spectral pattern coincidence, and the output of the analog-to-digital conversion circuit AD0 with the sawtooth voltage converted to a digital value. The analog-to-digital converters AD 1 to ADN operate using the outputs as inputs, and are constituted by a so-called memory and microcomputer. In the case of FIG. 2, the spectrum pattern S4, S10, and S11 most closely match the spectrum S4, and the sawtooth voltage V3 for generating this spectrum S11 is the maximum value of the output voltage of this preamplifier. It becomes the sawtooth voltage to give. When the sawtooth voltage is specified in this way, the reflection spectrum pattern from the sensor is also specified correspondingly. If the change in the spectral pattern from the sensor is a change within the FSR of the pattern, it corresponds to the temperature of the sensor on a one-to-one basis. Therefore, the temperature of the sensor is specified by specifying the spectral pattern. The above is the description based on the configuration and operation of the embodiment .


Figure 0004742274

Figure 0004742274

SMFから入射してくる光がWBGの透過帯域の場合についてセンサの動作を図2、図10、図11を用いて述べる。図10はセンサ1のWBGの透過帯域におけるシステムの等価回路である。同図において光方向性結合器DC1、光方向性結合器DC2、リング導波路RW1から成り立つリング共振器の光路長と、リング導波路RW2の光路長を等しく設計する。ドロップポートDPから出射する光スペクトラムは図11のスペクトラム(b)に示すような櫛型スペクトルとなる。該共振器のアドポートAPからDC1に入射するスペクトラムは上記ドロップポートDPから出射するスペクトラムと両リングの光路長が同じであることから同一で図11のスペクトラム(d)のようになる。すなわちリング共振器からドロップポートDPを経て抜けた光スペクトルと同一の光スペクトルがアドポートAPから入射する。リング導波路RW2がなければリング共振器の出射ポートOPから出射するスペクトラムは図11のスペクトラム(c)に示すようにリング共振器のフリースペクトルレンジで決まる波長ごとに帯域阻止特性を示すが、阻止された光スペクトラムが同リング共振器のアドポートAPから入射するので結果としてリング共振器の出射ポートOPの出射スペクトラムは図11のスペクトル(e)あるいは図2のスペクトラムS5に示す様にWBGの透過帯域においてはフラットに成る。なお前述したように各センサの測定範囲をオーバラップさせないためにWBGの反射帯域は重なり合わないようにシステム設計される。 The operation of the sensor when the light incident from the SMF is in the WBG transmission band will be described with reference to FIGS. FIG. 10 is an equivalent circuit of the system in the WBG transmission band of the sensor 1 . In the figure, the optical path length of the ring resonator composed of the optical directional coupler DC1, the optical directional coupler DC2, and the ring waveguide RW1 and the optical path length of the ring waveguide RW2 are designed to be equal. The light spectrum emitted from the drop port DP is a comb spectrum as shown in the spectrum (b) of FIG. Spectrum incident on DC1 from add port AP of the resonator is as spectrin in FIG. 11 the same since Spectrum and optical path lengths of the rings are the same emitted from the drop port DP ram (d). That is, the same optical spectrum as the optical spectrum that has passed through the ring resonator via the drop port DP enters from the add port AP. Spectrum is shown a bandstop characteristic for each wavelength determined by the free spectral range of the ring resonator as shown in Spectrum (c) of FIG. 11 for emitting Without ring waveguide RW2 from the exit port OP of the ring resonator , emission spectrum of blocking light spectrum is the output port OP of the ring resonator as a result is incident from add port AP of the ring resonator as shown in the spectrum S5 in spectrum (e) or FIG. 2 in FIG. 11 It becomes flat in the transmission band of WBG. As described above, the system design is made so that the reflection bands of the WBGs do not overlap in order not to overlap the measurement ranges of the sensors.

センサ自身の製作は本願の発明人が出願している特願2006−288631に記載されているようにいわゆるシリコン、石英などを材料とした平面光導波路製作技術により製作できることは明らかである。またWBGの製作方法もゲルマニウムをドープした石英コアに空間的に周期的な紫外線を照射することにより製作できることも同文献に記載されている。石英コアにゲルマニウムをドープしたコアを用いたリング共振器のスペクトルの温度依存性は12pm/℃であることが「非特許文献3」により知られている。さらに石英コアにゲルマニウムをドープしたコアを用いたWBGの温度依存性も「非特許文献4」によりその反射中心波長の温度依存性は11.5 pm/℃でありほぼリング共振器のスペクトルの温度依存性に等しい。従って図1に示すシステムの場合、センサの温度が変化するとリング共振器の線スペクトルはWBGの反射中心波長とほぼ同じ量だけシフトする。従ってこの波長のシフト量を考慮して隣接するWBGの中心波長間隔は決定されねばならない。使用温度範囲が100℃とするとこのシフト量は100℃×12pm/℃で1.2nmとなる。50nmの光源帯域幅、WBGの帯域を0.1nmとするとこのシステムで多重測定可能なセンサは50nm/(100+1200)pm =38個となる。各センサの波長分解能は段落番号0006で記載したように0.1pmが得られるのでダイナミックレンジは1.2nm/0.1pm=12000となる。



Fabrication of the sensor itself as the invention of the present application are described in JP Application 2006-288631 that application, it is clear that can be manufactured by the so-called silicon, planar optical waveguide fabrication techniques such as the material quartz. Also, it is described in the same document that the WBG can be manufactured by irradiating a germanium-doped quartz core with spatially periodic ultraviolet rays. It is known from “Non-patent Document 3” that the temperature dependence of the spectrum of a ring resonator using a quartz core doped with germanium is 12 pm / ° C. Furthermore, the temperature dependence of the WBG using a germanium-doped quartz core is also 11.5 pm / ° C, and the temperature dependence of the spectrum of the ring resonator is almost 11.5 pm / ° C. be equivalent to. Therefore, in the case of the system shown in FIG. 1, as the sensor temperature changes, the line spectrum of the ring resonator shifts by approximately the same amount as the reflection center wavelength of the WBG. Therefore, the central wavelength interval between adjacent WBGs must be determined in consideration of the shift amount of this wavelength. If the operating temperature range is 100 ° C., this shift amount becomes 1.2 nm at 100 ° C. × 12 pm / ° C. When the light source bandwidth is 50 nm and the WBG bandwidth is 0.1 nm, the number of sensors that can be multiplexed with this system is 50 nm / ( 100 +1200) pm = 38 . Since the wavelength resolution of each sensor is 0.1 pm as described in paragraph 0006, the dynamic range is 1.2 nm / 0.1 pm = 12000.



上述の発明は建築構造物が致命的ダメージを負う前に建築構造物をメンテナンスし維持していこうとするいわゆる建築構造物(ビル、橋、鉄橋など)のヘルスモニタリングの分野のほかに、航空宇宙における例えば翼などの筐体の故障予知の分野などへの適用が可能である。 In addition to the field of health monitoring of so-called building structures (buildings, bridges, iron bridges, etc.) that attempt to maintain and maintain the building structures before they are fatally damaged, the invention described above is aerospace. For example, it can be applied to the field of failure prediction of a casing such as a wing.

本発明の最良実施形態 Best embodiment of the present invention 本発明の最良実施形態におけるシステムの動作原理The principle of operation of the system in the best mode of the present invention 第一の従来技術によるシステムの主要構成Main configuration of the first prior art system 第一の従来技術を用いたシステムの動作を示すための各個所のスペクトルSpectrum of each part to show the operation of the system using the first prior art 第二の従来技術によるシステムの主要構成Main configuration of the second prior art system 第二の従来技術によるシステムの動作を示すための各個所のスペクトルSpectrum of each part to show the operation of the second prior art system WBGの幅広反射スペクトルとリング共振器1の入射ポートドロップポート間透過スペクトル例Example of WBG's wide reflection spectrum and transmission line spectrum between incident port and drop port of ring resonator 1 入射ポートから光方向性結合器2側への反射光スペクトル例Example of reflected light spectrum from incident port to optical directional coupler 2 side 入射ポートから光方向性結合器2側への反射光スペクトル例(拡大図)Example of reflected light spectrum from incident port to optical directional coupler 2 side (enlarged view) SMFから入射してくる光がセンサ1のWBGの透過帯域の場合のシステム等価回路 Equivalent circuit of the system when the light incident from SMF is in the WBG transmission band of sensor 1 SMFから入射してくる光がセンサ1のWBGの透過帯域の場合における各点の光スペクトルOptical spectrum at each point when light incident from SMF is in the WBG transmission band of sensor 1

符号の説明Explanation of symbols

1・・・広帯域光源
2・・・光方向性結合器
3・・・波長検波器
4・・・波長温度変換部
5・・・光電変換素子(受光素子)
6・・・プリアンプ
7・・・マイクロコンピュータ
SMF・・シングルモード光ファイバ
IP・・・リング共振器入射ポート
DP・・・リング共振器ドロップポート
AP・・・リング共振器アドポート
OP・・・リング共振器出射ポート
FBG・・光ファイバブラッググレーティング
WBG・・光導波路ブラッググレーティング
RW1・・リング導波路1
RW2・・リング導波路2
DC1・・光方向性結合器
DC2・・光方向性結合器
AWG・・アレイ導波路格子
1 Broadband light source
2 ... Optical directional coupler
3 Wavelength detector
4 ... Wavelength temperature converter
5 ... Photoelectric conversion element (light receiving element)
6 ... Preamplifier
7 ... Microcomputer
SMF ・ ・ Single mode optical fiber
IP: Ring resonator incident port
DP ・ ・ ・ Ring resonator drop port
AP ・ ・ ・ Ring resonator add port
OP: Ring resonator output port
FBG ・ ・ Optical fiber Bragg grating
WBG ・ ・ Optical waveguide Bragg grating
RW1 Ring ring 1
RW2 ・ ・ Ring waveguide 2
DC1 ・ ・ Optical directional coupler
DC2 ・ ・ Optical directional coupler
AWG array waveguide grating

Claims (2)

広帯域光源からの光を光方向性結合器あるいは光サーキュレータに入射させ、該光方向性結合器あるいは光サーキュレータからの出射光を光信号伝送ライン経由で1個のセンサに導き、あるいは複数のセンサを光信号伝送ラインを用いて直列に接続した直列回路に導き、前記センサからの反射光は逆の経路をたどって前記光方向性結合器あるいは光サーキュレータ経由で波長検波器に導かれ、該波長検波器において前記センサからの反射スペクトルを計測することにより温度を測定する計測システムであって、
前記センサは、第一のリング導波路と、ブラッググレーティングを内蔵した第二のリング導波路とを第一の光方向性結合器で結合すると同時に、前記第一のリング導波路を第二の光方向性結合器を介して前記光信号伝送ラインに結合させることにより第一のリング共振器を構成し、該第一のリング共振器の入射ポートからドロップポートへの通過帯域フィルタ特性が帯域特性を持った櫛型フィルタ特性となるように前記第一のリング導波路のリング長が決定され、前記第二のリング導波路内の前記ブラッググレーティングの反射帯域幅を前記第一のリング共振器のフリースペクトルレンジFSRよりも広くすることにより前記ブラッググレーティングの反射帯域においては前記センサのスペクトルパタンを帯域の前記反射スペクトルからなるスペクトルパタン特性とし、同時に前記ブラッググレーティングの透過帯域における前記第一のリング共振器の前記入射ポートから出射ポートへの透過スペクトルを前記第一のリング導波路と前記第二のリング導波路のコアの光長を同一にすることにより平坦なスペクトルとしたことを特徴とする計測システム。
Light from a broadband light source is incident on an optical directional coupler or optical circulator, and light emitted from the optical directional coupler or optical circulator is guided to one sensor via an optical signal transmission line, or multiple sensors are Guided to a series circuit connected in series using an optical signal transmission line, the reflected light from the sensor follows a reverse path and is guided to the wavelength detector via the optical directional coupler or optical circulator. A measuring system for measuring temperature by measuring a reflection spectrum from the sensor in a container,
The sensor combines the first ring waveguide and the second ring waveguide containing the Bragg grating with a first optical directional coupler, and simultaneously couples the first ring waveguide to the second light. A first ring resonator is configured by coupling to the optical signal transmission line via a directional coupler, and a passband filter characteristic from the incident port to the drop port of the first ring resonator is a narrowband characteristic. The ring length of the first ring waveguide is determined so as to have a comb filter characteristic having the following, and the reflection bandwidth of the Bragg grating in the second ring waveguide is set to be that of the first ring resonator. from the reflection spectrum of the narrowband spectral pattern of the sensor in the reflection band of the Bragg grating by wider than the free spectral range FSR And a transmission spectrum from the entrance port to the exit port of the first ring resonator in the transmission band of the Bragg grating at the same time, the core of the first ring waveguide and the second ring waveguide. A measurement system characterized by having a flat spectrum by making the optical path lengths of the same.
前記光信号伝送ラインには複数の前記センサが直列に接続された直列回路が構成され、
前記複数のセンサ内にそれぞれ設けられた前記ブラッググレーティングの反射帯域を前記センサごとに異なるように設定し、
前記複数のセンサのそれぞれの反射スペクトルに基づく前記波長検波器による測定範囲をそれぞれ前記センサ内に設けられた前記ブラッググレーティングの反射帯域の帯域幅以下とすることを特徴とする請求項1に記載の計測システム。
A series circuit in which a plurality of the sensors are connected in series is configured in the optical signal transmission line,
The reflection band of the Bragg grating provided in each of the plurality of sensors is set to be different for each sensor,
The measurement range by the wavelength detector based on the reflection spectrum of each of the plurality of sensors is set to be equal to or less than the bandwidth of the reflection band of the Bragg grating provided in the sensor. Measuring system.
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