JP5322238B2 - 物理量測定装置 - Google Patents
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Description
本発明は、加速度、変位、傾斜などの物理量の測定を行うための波長検波型光ファイバセンサを備えた物理量測定装置に関する。
光ファイバは、主に通信用として広く利用されているが、計測分野においても広範囲にわたり研究が行われており、様々な光ファイバセンサが実用化されている。
その中でも、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）と称される波長検波型光ファイバセンサは、落雷・電磁ノイズに対して耐性に優れ、さらには、耐候性に優れるといった光ファイバセンサに共通する特長を有し、その上、波長多重伝送（ＷＤＭ)により複数の光センサが遠隔計測可能であり、かつ、歪計測精度が高くなる、という優れた特徴をも有する。これらの特徴を活かして光ファイバセンサのひずみ・変位計測への応用が数多く検討、さらには実用化されている。
その中でも、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）と称される波長検波型光ファイバセンサは、落雷・電磁ノイズに対して耐性に優れ、さらには、耐候性に優れるといった光ファイバセンサに共通する特長を有し、その上、波長多重伝送（ＷＤＭ)により複数の光センサが遠隔計測可能であり、かつ、歪計測精度が高くなる、という優れた特徴をも有する。これらの特徴を活かして光ファイバセンサのひずみ・変位計測への応用が数多く検討、さらには実用化されている。
この光ファイバセンサとしては、非特許文献１で示される従来例がある。この非特許文献１の従来例と同様構成の従来例が図１７に示されている。
図１７において、物理量測定装置は、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から出射された光が通過するサーキュレータ２００と、このサーキュレータ２００で通過した光が入射し被測定物に設置されるＦＢＧ等の光ファイバセンサ３００とを備えている。ここで、光ファイバセンサ３００は回折格子等から構成される特定の波長の光を反射させる構造である。
光ファイバセンサ３００で特定波長のみ反射された光は再びサーキュレータ２００を通過して反射光を分波するビームスプリッタ４０１に送られて２分岐され、マッハツェンダ型の干渉計４に入射する。マッハツェンダ干渉計４は、光路差を設けるための２つの光路４１，４２を有するものであり、異なる光路４１，４２を通過した光は再びビームスプリッタ４０２で合波された後、３分岐される。３分岐された光は、それぞれ位相が（２π／３）異なっており、この光をビームスプリッタ４０２にそれぞれ接続された３つの光電変換器７１，７２，７３で電気信号に変換した後、これらの光電変換器７１，７２，７３にそれぞれ接続された増幅器８１，８２，８３で増幅を行い、ＡＤ変換器９１，９２，９３でデジタル信号に変換してＭＰＵ１００で演算し測定値を求める。
光電変換器７１，７２，７３で検出される光強度は、光ファイバセンサ３００の波長変化に伴い正弦波を描くことになる。この正弦波の位相変化Δφは数式（１）で示すことができる。
図１７において、物理量測定装置は、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から出射された光が通過するサーキュレータ２００と、このサーキュレータ２００で通過した光が入射し被測定物に設置されるＦＢＧ等の光ファイバセンサ３００とを備えている。ここで、光ファイバセンサ３００は回折格子等から構成される特定の波長の光を反射させる構造である。
光ファイバセンサ３００で特定波長のみ反射された光は再びサーキュレータ２００を通過して反射光を分波するビームスプリッタ４０１に送られて２分岐され、マッハツェンダ型の干渉計４に入射する。マッハツェンダ干渉計４は、光路差を設けるための２つの光路４１，４２を有するものであり、異なる光路４１，４２を通過した光は再びビームスプリッタ４０２で合波された後、３分岐される。３分岐された光は、それぞれ位相が（２π／３）異なっており、この光をビームスプリッタ４０２にそれぞれ接続された３つの光電変換器７１，７２，７３で電気信号に変換した後、これらの光電変換器７１，７２，７３にそれぞれ接続された増幅器８１，８２，８３で増幅を行い、ＡＤ変換器９１，９２，９３でデジタル信号に変換してＭＰＵ１００で演算し測定値を求める。
光電変換器７１，７２，７３で検出される光強度は、光ファイバセンサ３００の波長変化に伴い正弦波を描くことになる。この正弦波の位相変化Δφは数式（１）で示すことができる。
数式（１）において、λは光ファイバセンサ３００の波長、ｎｅは光ファイバのコアの実効屈折率、ｄは干渉計４の２本の光路４１，４２の光路長の差、Δλは光ファイバセンサ３００の波長変化量である。
この数式（１）からわかる通り、位相変化がわかれば、逆に波長変化量を計算することができる。位相変化の復調は、増幅器８１，８２，８３の出力電圧を用いて行われる。３つの増幅器８１，８２，８３の出力電圧Ｖｎは数式（２）で表すことができる。
この数式（１）からわかる通り、位相変化がわかれば、逆に波長変化量を計算することができる。位相変化の復調は、増幅器８１，８２，８３の出力電圧を用いて行われる。３つの増幅器８１，８２，８３の出力電圧Ｖｎは数式（２）で表すことができる。
数式（２）では、αｎは光の過渡的な強度変化による外乱成分、Ｃは光電変換器７１，７２，７３の暗電流と増幅器のＤＣ成分とが合算された数値、ｎは３つの増幅器８１，８２，８３の番号を示し、ｎ＝１〜３である。例えば、Ｖ１は増幅器８１の電圧値である。数式（３）を用いてこの３つの増幅器８１，８２，８３の出力から位相変化量を算出できる。ここで、αｎは光の過渡的な強度変化による外乱成分であり、数式（３）において、α２は２番目の増幅器８２から出力された信号に含まれる光の過渡的な強度変化による外乱成分であり、α３は３番目の増幅器８３から出力された信号に含まれる光の過渡的な強度変化による外乱成分である。通常、光の過渡的な強度変化はα２及びα３に共通して発生するために、単に定数１を入れて演算を行う。これは、光源の光強度揺らぎ、経路中の光ファイバに加わる外乱因子（応力変動、温度変動）による光ファイバ損失変動によって変化する。
従って、ＭＰＵ１００で数式（３）の演算を行い、増幅器８１，８２，８３の３つの出力から位相変化量を算出し、続いて数式（１）の演算を行うことで、波長変化量を算出することができる。非測定対象の物理量の変化の影響を受けるように取り付けられた光ファイバセンサは、非測定対象の物理量変化を光ファイバセンサが出力するピーク波長の変化として出力する。この波長変化量を、波長変化と物理量の変化量は通常比例関係にあるため、物理量を求めることができる。この位相角度の復調を行ったときの位相角度分解能は数式（４）で表すことができる。
数式（４）において、ｍｄは検出器数、ＡＤbitはＡＤ変換器９１，９２，９３のビット数、ＶＮRMSはＡＤ変換器９１，９２，９３の入力前の信号成分のノイズの実効値を示し、位相角度換算で通常0.01deg程度である。SN比40dBの増幅回路を用いて、数式（４）より１２bitのＡＤ変換器９１，９２，９３で電圧信号をデジタル信号に変換し、位相角度の復調を行うと、その分解能は約0.04degであり、16bitの場合には約0.01degである。
M.D.Todd,G.A.Johnson and C.C.Chang,"Passive, light intensity-independent interferometric method for fiber Bragg grating interrogation" ,ELECTRONINC LETTERS, 1999, Vol.35, No.22, p.1970-1971」（出版元：「Institution of Engineering and Technology; Stevenage」
前述の従来例では、干渉計４の２つの光路４１，４２の光路差を大きくすれば波長変化量の測定分解能が向上する。しかし、光路差は干渉計４に入力する光のコヒーレンス長の制約を受けることになり、光路差を大きくするだけでは測定分解能の向上を図ることができない。
光ファイバセンサ３００がＦＢＧの場合は、通常、反射スペクトルの半値全幅は通常、100pm〜300pmであり、この通常の光ファイバセンサ３００からの反射光のコヒーレンス長Ｌは、数式（５）より約５mmであるため、干渉計４の光路差は最大で５mmとなる。なお、数式（５）において、λは光ファイバセンサ３００の反射波長、δλは光ファイバセンサ３００の反射光の半値全幅である。
光ファイバセンサ３００がＦＢＧの場合は、通常、反射スペクトルの半値全幅は通常、100pm〜300pmであり、この通常の光ファイバセンサ３００からの反射光のコヒーレンス長Ｌは、数式（５）より約５mmであるため、干渉計４の光路差は最大で５mmとなる。なお、数式（５）において、λは光ファイバセンサ３００の反射波長、δλは光ファイバセンサ３００の反射光の半値全幅である。
前述の通り、位相角度の復調分解能は約0.01degであり、位相角度と波長との関係は数式（５）より求められ、約1[deg/pm]である。このため、光ファイバセンサ３００からの反射光の波長変化量の検出分解能は0.01pm程度となる。
FBGセンサの温度による波長変化量Δｔλは、Δｔλ＝λ（ξ＋α）ΔｔＴの式で求めることができる。この式において、λはFBGセンサの反射波長、ξは光ファイバの屈折率温度係数、αは光ファイバの線膨張係数、ΔｔＴは温度変化量である。この式から波長変化量と温度変化量の関係を求めることができ、その結果、０．１℃／ｐｍである。
FBGセンサのひずみによる波長変化量Δｓλは、Δｓλ＝λ（１−Ｐ）εの式で求めることができる。この式において、Ｐは光弾性係数、εはひずみである。この式から、波長変化量とひずみ変化量の関係が１．２ｐｍ／マイクロストレインである。
従って、光ファイバセンサ３００を用いて物理量を測定した場合、各物理量の測定分解能は、加速度では約0.01cm／sec2、温度では約0.001℃、ひずみでは約0.01マイクロストレインとなる。現実には、これらの物理量の測定分解能では不十分なことが多く、さらに測定分解能を向上させる必要があった。
FBGセンサの温度による波長変化量Δｔλは、Δｔλ＝λ（ξ＋α）ΔｔＴの式で求めることができる。この式において、λはFBGセンサの反射波長、ξは光ファイバの屈折率温度係数、αは光ファイバの線膨張係数、ΔｔＴは温度変化量である。この式から波長変化量と温度変化量の関係を求めることができ、その結果、０．１℃／ｐｍである。
FBGセンサのひずみによる波長変化量Δｓλは、Δｓλ＝λ（１−Ｐ）εの式で求めることができる。この式において、Ｐは光弾性係数、εはひずみである。この式から、波長変化量とひずみ変化量の関係が１．２ｐｍ／マイクロストレインである。
従って、光ファイバセンサ３００を用いて物理量を測定した場合、各物理量の測定分解能は、加速度では約0.01cm／sec2、温度では約0.001℃、ひずみでは約0.01マイクロストレインとなる。現実には、これらの物理量の測定分解能では不十分なことが多く、さらに測定分解能を向上させる必要があった。
本発明の目的は、測定分解能を向上させることができる物理量測定装置を提供することにある。
本発明の物理量測定装置は、光源と、この光源から出射される光が入射するとともに被測定物に設置される波長検波型光ファイバセンサと、この波長検波型光ファイバセンサに入射された光の透過光を入射するとともに前記透過光を２つの光路の光路差により干渉させる干渉計と、この干渉計から出力される出力光を検出する光検波手段と、前記干渉計に入射される前記透過光を前記波長検波型光ファイバセンサからの透過光の波長のピークを中心とするバンドパスフィルタと、を備え、前記波長検波型光ファイバセンサは、互いに近接配置されたファイバブラッググレーティング対からファブリペローエタロンを構成する測定用センサ素子を有し、前記ファブリペローエタロンの反射波長帯域中に１本の透過線スペクトルのみが生じるようにするために、帯域幅ＢＷがフリースペクトラルレンジＦＳＲの２倍より狭くなるようにし、前記ファブリペローエタロンを構成するファイバブラッググレーティング対は、同一波長スペクトル特性であることを特徴とする。
この構成の本発明では、光源から出射される光が波長検波型光ファイバセンサを透過し、この透過した透過光が干渉計に送られる。この干渉計に入射される透過光は２つの光路の光路差により干渉する。干渉計から出力される出力光は光検波手段で検出されるが、干渉計に入射される透過光はバンドパスフィルタにより透過光の波長のピークを中心とするものに制限されるから、検出に不要な波長領域がカットされることになり、光検波手段では、検出結果が誤差の少ないものとなる。
本発明では、ファブリペローエタロンを構成するために、測定用センサ素子は中心部に所定距離、例えば、１００μｍを隔ててその両側に回折格子を形成して構成され、さらに、ファブリペロー干渉計を構成するためのミラーにＦＢＧ（ファイバブラッググテーティング）を用いているため反射率を90％以上にすることができ、測定用センサ素子から透過される光の透過スペクトルの半値全幅を従来の反射スペクトルの半値全幅より小さくできることになり、測定分解能を向上させることができる。
なお、本発明において、干渉計として、マッハツェンダ干渉計やマイケルソン型干渉計（トワイマングリーン干渉計）を例示できる。
本発明では、ファブリペローエタロンを構成するために、測定用センサ素子は中心部に所定距離、例えば、１００μｍを隔ててその両側に回折格子を形成して構成され、さらに、ファブリペロー干渉計を構成するためのミラーにＦＢＧ（ファイバブラッググテーティング）を用いているため反射率を90％以上にすることができ、測定用センサ素子から透過される光の透過スペクトルの半値全幅を従来の反射スペクトルの半値全幅より小さくできることになり、測定分解能を向上させることができる。
なお、本発明において、干渉計として、マッハツェンダ干渉計やマイケルソン型干渉計（トワイマングリーン干渉計）を例示できる。
しかも、１本の透過線スペクトルのみが生じるので、波長演算時の測定エラーを回避することができる。
前記ファブリペローエタロンを構成するファイバブラッググレーティング対は、物理的長さが同一であり、かつ、実効長Ｌｅとファイバブラッググレーティング対の格子ピッチΛとファイバブラッググレーティング対間のグレーティングの書かれていない個所の光ファイバの長さＬｇとの関係がＬｇ＝ｍΛ−２Ｌｅ（ｍは自然数）を満たすようにしファイバブラッググレーティング対の反射中心波長に透過線スペクトルの波長を一致させる構成が好ましい。
この構成の本発明では、ＦＢＧ対からなるセンサ素子の物理量測定レンジを広くすることができる。
この構成の本発明では、ＦＢＧ対からなるセンサ素子の物理量測定レンジを広くすることができる。
前記ファブリペローエタロンを構成するファイバブラッググレーティング対の反射中心波長と前記ファブリペローエタロンの透過線スペクトルの波長とを一致させ、かつ、前記ファイバブラッググレーティング対の反射帯域を前記ファブリペローエタロンの透過線スペクトルを含み、かつ、フリースペクトルレンジよりも狭くした構成が好ましい。
この構成の本発明では、物理量測定レンジを拡大し、温度等の外乱因子によって帯域反射フィルタの中心波長とファブリペローエタロンの透過線スペクトルの値がずれてしまうことによる測定レンジの低下を防ぐことができる。
この構成の本発明では、物理量測定レンジを拡大し、温度等の外乱因子によって帯域反射フィルタの中心波長とファブリペローエタロンの透過線スペクトルの値がずれてしまうことによる測定レンジの低下を防ぐことができる。
本発明では、前記測定用センサ素子は、それぞれ中心波長が異なる複数が直列に接続されている構成が好ましい。
この構成の本発明では、中心波長が異なる測定用センサ素子を被測定部の異なる位置に配置することで、被測定部の異なる位置での物理量変化を正確に測定することができる。しかも、これらの測定用センサ素子が光ファイバに直列に接続されているので、複数本の光ファイバにそれぞれ測定用センサ素子を配置する場合に比べて、被測定部への光ファイバの設置作業が容易となる。
この構成の本発明では、中心波長が異なる測定用センサ素子を被測定部の異なる位置に配置することで、被測定部の異なる位置での物理量変化を正確に測定することができる。しかも、これらの測定用センサ素子が光ファイバに直列に接続されているので、複数本の光ファイバにそれぞれ測定用センサ素子を配置する場合に比べて、被測定部への光ファイバの設置作業が容易となる。
前記干渉計は、前記測定用センサ素子の数と同じ数だけ設けられている構成が好ましい。
この構成の本発明では、複数の測定用センサ素子毎に干渉計を設けることで、干渉計での透過光の干渉精度を向上させることができ、複数の測定部位での測定をより精度よく行うことができる。
この構成の本発明では、複数の測定用センサ素子毎に干渉計を設けることで、干渉計での透過光の干渉精度を向上させることができ、複数の測定部位での測定をより精度よく行うことができる。
前記複数の測定用センサ素子からそれぞれ透過される光を１つにまとめて前記干渉計に送るビームスプリッタと、前記干渉計から出力される出力光を位相の異なった光に分岐するビームスプリッタとを備える構成が好ましい。
この構成の本発明では、複数の測定用センサ素子から出力される透過光がビームスプリッタで１つに纏められて干渉計に送られ、この干渉計から出力される出力光がビームスプリッタで複数の光検波手段に分岐される。そのため、複数の測定部位の物理量をそれぞれ測定用センサ素子で測定する場合にあっても、干渉計を１つにすることができるから、干渉計の部品点数を減少して低コストを実現することができる。
この構成の本発明では、複数の測定用センサ素子から出力される透過光がビームスプリッタで１つに纏められて干渉計に送られ、この干渉計から出力される出力光がビームスプリッタで複数の光検波手段に分岐される。そのため、複数の測定部位の物理量をそれぞれ測定用センサ素子で測定する場合にあっても、干渉計を１つにすることができるから、干渉計の部品点数を減少して低コストを実現することができる。
前記バンドパスフィルタは、前記測定用センサ素子の透過スペクトルのピークを含む波長帯域を反射波長とする帯域反射センサ素子を備え、前記測定用センサ素子と前記帯域反射センサ素子とは同一温度の条件下となるように互いに近接配置される構成が好ましい。
この構成の本発明では、被測定部における温度が変化すると、測定用センサ素子の透過スペクトルが短波長側あるいは長波長側に変位することになるが、変位した透過スペクトルの変位量は、測定用センサ素子と同じ温度条件下にある帯域反射センサ素子の反射スペクトルの変位量とほぼ等しくなるため、透過スペクトルを完全に検出することができる。そのため、被測定部の温度が変化しても、測定精度を向上させることができる。
この構成の本発明では、被測定部における温度が変化すると、測定用センサ素子の透過スペクトルが短波長側あるいは長波長側に変位することになるが、変位した透過スペクトルの変位量は、測定用センサ素子と同じ温度条件下にある帯域反射センサ素子の反射スペクトルの変位量とほぼ等しくなるため、透過スペクトルを完全に検出することができる。そのため、被測定部の温度が変化しても、測定精度を向上させることができる。
前記測定用センサ素子と前記帯域反射センサ素子とは同一応力が加わるようにベースに固定される構成が好ましい。
この構成の本発明では、被測定部の歪みが変化すると、ベースを介して測定用センサ素子と帯域反射センサ素子とに応力として伝達され、測定用センサ素子の透過スペクトルが短波長側あるいは長波長側に変位することになるが、変位した透過スペクトルに、測定用センサ素子と同じ応力下にある帯域反射センサ素子の反射スペクトルが同期することにより、透過スペクトルを確実に検出することができる。そのため、被測定部の歪みが変化しても、測定精度を向上させることができる。
この構成の本発明では、被測定部の歪みが変化すると、ベースを介して測定用センサ素子と帯域反射センサ素子とに応力として伝達され、測定用センサ素子の透過スペクトルが短波長側あるいは長波長側に変位することになるが、変位した透過スペクトルに、測定用センサ素子と同じ応力下にある帯域反射センサ素子の反射スペクトルが同期することにより、透過スペクトルを確実に検出することができる。そのため、被測定部の歪みが変化しても、測定精度を向上させることができる。
前記測定用センサ素子及び前記帯域反射センサ素子が前記ベースに接着剤で接着固定される構成が好ましい。
この構成の本発明では、測定用センサ素子と帯域反射センサ素子とが近接配置された状態でベースに接着固定されるので、温度変化や歪変化の環境変化があっても、この環境変化を簡易な構造によって対応することができる。
この構成の本発明では、測定用センサ素子と帯域反射センサ素子とが近接配置された状態でベースに接着固定されるので、温度変化や歪変化の環境変化があっても、この環境変化を簡易な構造によって対応することができる。
前記測定用センサ素子のファイバブラッググレーティング以外の部分と前記帯域反射センサ素子以外の部分とが前記ベースに接着剤で接着固定された構成が好ましい。
この構成の本発明では、物理量測定レンジの拡大を図ることができる。
この構成の本発明では、物理量測定レンジの拡大を図ることができる。
前記測定用センサ素子及び前記帯域反射センサ素子を挿通する管を備え、この管の両端と前記測定用センサ素子及び前記帯域反射センサ素子とを接着剤で接着固定する構成が好ましい。
この構成の本発明では、測定用センサ素子と帯域反射フィルタとの重要な部分を管で覆うことができるから、外部から力が加わっても、これらのフィルタ等の破損を防止することができる。
この構成の本発明では、測定用センサ素子と帯域反射フィルタとの重要な部分を管で覆うことができるから、外部から力が加わっても、これらのフィルタ等の破損を防止することができる。
前記ファブリペローエタロンは、シリコンサブストレート上にそれぞれ二酸化ケイ素からなるアンダークラッドとオーバクラッドとにそれぞれ囲まれ、これらのアンダークラッドとオーバクラッドより高屈折率にするための不純物がドープされた二酸化ケイ素を材料とした第一のコアから形成される第一の光導波路に、近接して描画された同一の反射波長帯域をもつ第一の光導波路ブラッググレーティングと第二の光導波路ブラッググレーティングとから構成され、前記帯域反射センサ素子は前記シリコンサブストレート上にそれぞれ二酸化ケイ素からなるアンダークラッドとオーバクラッドにそれぞれ囲まれ、これらのアンダークラッドとオーバクラッドより高屈折率にするための不純物がドープされた二酸化ケイ素を材料とした第二のコアから形成される第二の光導波路に光導波路ブラッググレーティングから構成されている構成が好ましい。
この構成の本発明では、センサの量産化を図ることができる。
この構成の本発明では、センサの量産化を図ることができる。
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ここで、各実施形態の説明において、同一構成要素は同一符号を付して説明を省略する。
図１から図５には本発明の第１実施形態が示されている。
図１は第１実施形態にかかる物理量測定装置の概略構成図である。
図１において、物理量測定装置は、加速度、変位、傾斜などの物理量の測定を行うものであり、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から照射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた波長検波型光ファイバセンサ２と、この波長検波型光ファイバセンサ２から透過した透過光のうち所定の波長のみを透過させるバンドパスフィルタ３１と、このバンドパスフィルタ３１で透過された透過光を入射するとともに透過光を干渉させる干渉計４と、この干渉計４から出射される出射光を検波する光検波手段５と、を備えて構成される。この光検波手段５は第１光検波手段５１、第２光検波手段５２及び第３光検波手段５３から構成されている。
広帯域光源１０は従来例と同様の構造であり、所定の波長領域に渡って光ファイバＦの内部に広帯域光を照射する。
図１から図５には本発明の第１実施形態が示されている。
図１は第１実施形態にかかる物理量測定装置の概略構成図である。
図１において、物理量測定装置は、加速度、変位、傾斜などの物理量の測定を行うものであり、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から照射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた波長検波型光ファイバセンサ２と、この波長検波型光ファイバセンサ２から透過した透過光のうち所定の波長のみを透過させるバンドパスフィルタ３１と、このバンドパスフィルタ３１で透過された透過光を入射するとともに透過光を干渉させる干渉計４と、この干渉計４から出射される出射光を検波する光検波手段５と、を備えて構成される。この光検波手段５は第１光検波手段５１、第２光検波手段５２及び第３光検波手段５３から構成されている。
広帯域光源１０は従来例と同様の構造であり、所定の波長領域に渡って光ファイバＦの内部に広帯域光を照射する。
バンドパスフィルタ３１は、測定用センサ素子２１の中心波長λ１を中心として所定の波長帯域の成分だけを通過させ、この波長帯域以外の波長は透過させないものである。
干渉計４は、それぞれ光ファイバからなる２つの光路４１，４２を備え、これらの光路４１，４２の光路差によって透過光を干渉させるマッハツェンダ干渉計である。
バンドパスフィルタ３１と干渉計４との間にはビームスプリッタ６１が設けられ、このビームスプリッタ６１は、バンドパスフィルタ３１から送られる透過光を干渉計４の２つの光路４１，４２に分岐して送るものである。
干渉計４と光検波手段５との間にはビームスプリッタ６２が設けられている。このビームスプリッタ６２は干渉計４から出力される出力光を位相の異なった光に分岐するものであり、光検波手段５を構成する第１光検波手段５１、第２光検波手段５２及び第３光検波手段５３に接続されている。
これらの第１光検波手段５１、第２光検波手段５２及び第３光検波手段５３はビームスプリッタ６２で３つに分岐された位相が（２π／３）ずつ異なる出力光を検出するものであり、その検出信号は演算手段であるＭＰＵ１００に送られる。
干渉計４は、それぞれ光ファイバからなる２つの光路４１，４２を備え、これらの光路４１，４２の光路差によって透過光を干渉させるマッハツェンダ干渉計である。
バンドパスフィルタ３１と干渉計４との間にはビームスプリッタ６１が設けられ、このビームスプリッタ６１は、バンドパスフィルタ３１から送られる透過光を干渉計４の２つの光路４１，４２に分岐して送るものである。
干渉計４と光検波手段５との間にはビームスプリッタ６２が設けられている。このビームスプリッタ６２は干渉計４から出力される出力光を位相の異なった光に分岐するものであり、光検波手段５を構成する第１光検波手段５１、第２光検波手段５２及び第３光検波手段５３に接続されている。
これらの第１光検波手段５１、第２光検波手段５２及び第３光検波手段５３はビームスプリッタ６２で３つに分岐された位相が（２π／３）ずつ異なる出力光を検出するものであり、その検出信号は演算手段であるＭＰＵ１００に送られる。
第１光検波手段５１は、ビームスプリッタ６２から送られた光を電気信号に変換する第１光電変換器７１と、この第１光電変換器７１から出力される信号を増幅する第１増幅器８１と、この第１増幅器８１で出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する第１ＡＤ変換器９１とを備えている。
第２光検波手段５２は、ビームスプリッタ６２から送られた光を電気信号に変換する第２光電変換器７２と、この第２光電変換器７２から出力される信号を増幅する第２増幅器８２と、この第２増幅器８２で出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する第２ＡＤ変換器９２とを備えている。
第３光検波手段５３は、ビームスプリッタ６２から送られた光を電気信号に変換する第３光電変換器７３と、この第３光電変換器７３から出力される信号を増幅する第３増幅器８３と、この第３増幅器８３で出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する第３ＡＤ変換器９３とを備えている。
第２光検波手段５２は、ビームスプリッタ６２から送られた光を電気信号に変換する第２光電変換器７２と、この第２光電変換器７２から出力される信号を増幅する第２増幅器８２と、この第２増幅器８２で出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する第２ＡＤ変換器９２とを備えている。
第３光検波手段５３は、ビームスプリッタ６２から送られた光を電気信号に変換する第３光電変換器７３と、この第３光電変換器７３から出力される信号を増幅する第３増幅器８３と、この第３増幅器８３で出力されたアナログ信号をデジタル信号に変換する第３ＡＤ変換器９３とを備えている。
ＭＰＵ１００は、第１ＡＤ変換器９１、第２ＡＤ変換器９２及び第３ＡＤ変換器９３からそれぞれ出力された信号に基づいて所定の演算を行う。
この際、第１光電変換器７１、第２光電変換器７２及び第３光電変換器７３で検出される光強度は、波長検波型光ファイバセンサ２の波長変化に伴って正弦波を描くことになり、この正弦波の位相変化Δφは、前述の数式（１）で示すことができる。そして、前述の数式（２）から第１増幅器８１、第２増幅器８２及び第３増幅器８３のそれぞれの出力電圧Ｖｎを求めることができる。さらに、前述の数式（３）から、第１増幅器８１、第２増幅器８２及び第３増幅器８３の電圧出力に基づいて位相角度φ（ｔ）の算出を行う。
この際、第１光電変換器７１、第２光電変換器７２及び第３光電変換器７３で検出される光強度は、波長検波型光ファイバセンサ２の波長変化に伴って正弦波を描くことになり、この正弦波の位相変化Δφは、前述の数式（１）で示すことができる。そして、前述の数式（２）から第１増幅器８１、第２増幅器８２及び第３増幅器８３のそれぞれの出力電圧Ｖｎを求めることができる。さらに、前述の数式（３）から、第１増幅器８１、第２増幅器８２及び第３増幅器８３の電圧出力に基づいて位相角度φ（ｔ）の算出を行う。
波長検波型光ファイバセンサ２は、検出する中心波長がλとされた測定用センサ素子２１を備えている。
測定用センサ素子２１の詳細な構成が図２に示されている。
図２において、測定用センサ素子２１は、光ファイバＦのコアＦＣに設けられた一対のファイバブラッググレーティングＦＢＧと、これらのファイバブラッググレーティングＦＢＧの周囲を覆うクラッドＣとを有する。
一対の回折格子からなるファイバブラッググレーティングＦＢＧは、当該ＦＢＧの反射帯域を反射するファブリペローエタロンを構成するものであり、その中心部にファブリペローエタロンを構成するために必要な距離ＬＦを隔てて形成されている。ファイバブラッググレーティングＦＢＧは、それぞれミラーの役割を有するもので、これらのミラーが所定の波長領域の光を反射する。ファイバブラッググレーティングＦＢＧの長さはＦＧであり、例えば100μｍを隔てて形成されている。
なお両側にそれぞれ形成されるファイバブラッググレーティングＦＢＧは、その反射波長帯域において前述のようにミラーの役割を有し、このファイバブラッググレーティングＦＢＧの格子間隔は、例えば反射中心波長が1550nm、光ファイバのコアの実効屈折率が1.451の場合は534.1144nmである。
測定用センサ素子２１の詳細な構成が図２に示されている。
図２において、測定用センサ素子２１は、光ファイバＦのコアＦＣに設けられた一対のファイバブラッググレーティングＦＢＧと、これらのファイバブラッググレーティングＦＢＧの周囲を覆うクラッドＣとを有する。
一対の回折格子からなるファイバブラッググレーティングＦＢＧは、当該ＦＢＧの反射帯域を反射するファブリペローエタロンを構成するものであり、その中心部にファブリペローエタロンを構成するために必要な距離ＬＦを隔てて形成されている。ファイバブラッググレーティングＦＢＧは、それぞれミラーの役割を有するもので、これらのミラーが所定の波長領域の光を反射する。ファイバブラッググレーティングＦＢＧの長さはＦＧであり、例えば100μｍを隔てて形成されている。
なお両側にそれぞれ形成されるファイバブラッググレーティングＦＢＧは、その反射波長帯域において前述のようにミラーの役割を有し、このファイバブラッググレーティングＦＢＧの格子間隔は、例えば反射中心波長が1550nm、光ファイバのコアの実効屈折率が1.451の場合は534.1144nmである。
ここで、ファイバブラッググレーティングＦＢＧのそれぞれの反射率Ｒは、ファイバブラッググレーティングＦＢＧ中の進行波のモード結合方程式を解くことにより求められ、数式（６）で表すことができる。なお、この数式については、論文「Turan Erdogan, “Fiber Grating Spectra,”Journal of Lightwave Technology, Vol. 15, No.8 1997」や論文「Raman Kashayap, “Fiber Bragg Grating,” San Diego: Academic Press, 1999, chapter 4」に記載されている。
そして、ファイバブラッググレーティングＦＢＧのグレーティング描画により発生する屈折率変調された実効屈折率の平均値はFBGが描画されていない個所のコアの実効屈折率に等しいとすれば、次の数式（７−１）（７−２）（７−３）を導くことができる。
ここで、ｎｅはファイバブラッググレーティングＦＢＧの実効屈折率、ΔｎeはファイバブラッググレーティングＦＢＧの屈折率変調の振幅、Λは格子のピッチ、λは波長、λBはファイバブラッググレーティングＦＢＧの反射中心波長、ＬｂはファイバブラッググレーティングＦＢＧの物理的な長さである。ファイバブラッググレーティングＦＢＧのピークを与える波長からみて初めて反射率がゼロになる長波長側の波長と短波長側の波長との差で示される帯域幅ＢＷは数式（７−４）となる。
ここで、ｎｅはファイバブラッググレーティングＦＢＧの実効屈折率、ΔｎeはファイバブラッググレーティングＦＢＧの屈折率変調の振幅、Λは格子のピッチ、λは波長、λBはファイバブラッググレーティングＦＢＧの反射中心波長、ＬｂはファイバブラッググレーティングＦＢＧの物理的な長さである。ファイバブラッググレーティングＦＢＧのピークを与える波長からみて初めて反射率がゼロになる長波長側の波長と短波長側の波長との差で示される帯域幅ＢＷは数式（７−４）となる。
一方、測定用センサ素子２１の透過率Ｔは該素子がファブリペロー干渉計であることからファイバブラッググレーティングＦＢＧは同一特性、寸法であるとして、数式(６)を使うと、数式（８）が導き出される。この数式（８）は、論文「Yuri O. Barmenkov, et.al, ”Effective length of short Fabry-Perot cavity formed by uniform fiber Bragg gratings,” Optics Express, Vol. 14, No.14, pp.6394-6399」に示される。
但し、ＬｇはファイバブラッググレーティングＦＢＧの間の格子の描画されていない部分の実際の長さであり、またＬｅはファイバブラッググレーティングＦＢＧの反射光の入射光に対する位相遅れにより生ずる実効長さであって数式（９−１）で表される。ここで、ファイバブラッググレーティングＦＢＧの反射率Ｒの最大値Ｒmaxは数式（９−２）で表されるので、数式（９−１）で示される実効長Ｌeは数式（９−３）となる。さらに、数式（８）から、透過率Ｔの最大値を与える波長はｍを自然数として、数式（９−４）であり、数式（９−４）を使って、フリースペクトラルレンジＦＳＲは数式（９−５）で表される。
数式（８）を用いてパラメータを適当に設定し計算をすることで、ファブリペロー構成された測定用センサ素子２１の透過スペクトルを求めることができる。
例えば、ファイバブラッググレーティングＦＢＧの長さＬＦを2.08000ｍｍ、ファイバブラッググレーティングＦＢＧの屈折率変化量Δｎを0.0006、格子ピッチΛを537nm、ＦＢＧ間の格子の描画されていない部分の実際の長さＬｇを90.000μm、ファイバブラッググレーティングＦＢＧの実効屈折率ｎｅを1.4493とすると、ファブリペロー構成された測定用センサ素子２１の反射波長帯域が850ｐｍであり、その帯域内の透過スペクトルの半値全幅が10ｐｍ、その中心波長は1556.476nmである。
数式（７−４）で示されるファブリペローエタロンを構成するファイバブラッググレーティングＦＢＧの帯域幅ＢＷと、数式(９−５)で示されるファブリペローエタロンのフリースペクトラルレンジＦＳＲの関係を数式（１０）で示す。
例えば、ファイバブラッググレーティングＦＢＧの長さＬＦを2.08000ｍｍ、ファイバブラッググレーティングＦＢＧの屈折率変化量Δｎを0.0006、格子ピッチΛを537nm、ＦＢＧ間の格子の描画されていない部分の実際の長さＬｇを90.000μm、ファイバブラッググレーティングＦＢＧの実効屈折率ｎｅを1.4493とすると、ファブリペロー構成された測定用センサ素子２１の反射波長帯域が850ｐｍであり、その帯域内の透過スペクトルの半値全幅が10ｐｍ、その中心波長は1556.476nmである。
数式（７−４）で示されるファブリペローエタロンを構成するファイバブラッググレーティングＦＢＧの帯域幅ＢＷと、数式(９−５)で示されるファブリペローエタロンのフリースペクトラルレンジＦＳＲの関係を数式（１０）で示す。
そして、ファイバブラッググレーティングＦＢＧとファブリペローエタロンのピーク波長を一致させる条件は、数式（７−３）で示されるファイバブラッググレーティングＦＢＧの反射中心波長と、数式（９−４）で示されるファブリペローエタロンのピーク波長を数式（１１−１）で求めることができる。さらに、数式（１１−１）、すなわち、数式（１１−２）を求めることができる。
数式（１０）及び数式（１１−２）が同時に成り立つように設計諸元を設定すればファブリペローエタロンの透過帯域の中央に１本の線スペクトルだけが現れることになる。
さらに、測定用センサ素子の透過スペクトルがシフトしても、その線スペクトルの中心波長を検出することができる。
これを、数式を使って次に説明する。数式（９−４）で示されるファブリペローエタロンの中心波長の温度Ｔあるいは歪εが変化した場合それにより生ずる中心波長の変化Δλeは数式（１２）となる。
さらに、測定用センサ素子の透過スペクトルがシフトしても、その線スペクトルの中心波長を検出することができる。
これを、数式を使って次に説明する。数式（９−４）で示されるファブリペローエタロンの中心波長の温度Ｔあるいは歪εが変化した場合それにより生ずる中心波長の変化Δλeは数式（１２）となる。
同様にファブリペローエタロンを構成するＦＢＧの中心波長の変化Δλbeは数式（１３−１）となる。ここで、数式（１１−１）を考慮すれば、数式（１３−２）を導き出すことができる。これは温度あるいは歪が変化しても常にエタロンの透過帯域の中心に線スペクトルが位置することを意味している。
図３は第１実施形態の波長検波型光ファイバセンサ２から透過されるスペクトルと波長との関係を示すグラフであり、図４は第１実施形態のバンドパスフィルタ３１から透過されるスペクトルと波長との関係を示すグラフであり、図５はスペクトルのピーク部を拡大したグラフである。
図３のグラフに示される通り、波長検波型光ファイバセンサ２の測定用センサ素子２１から透過される透過光は、中心波長λ（λ＝１５５１ｎｍ）を透過率のピークとし、そのピーク値の短波長側と長波長側の両側に所定の波長帯域Ｂ（Ｂ＝１５５１ｎｍ±約１ｎｍ）に渡り透過率がほぼ０となり、さらに、その波長帯域Ｂから短波長と長波長の両側にむけて透過率が上昇した後、減衰している。なお、波長帯域Ｂとはバンドパスフィルタのもつ帯域である。第１実施形態では、測定用センサ素子２１から透過される透過光はバンドパスフィルタ３１によって波長帯域Ｂのみを透過させ、波長帯域Ｂから外れる波長はカットするので、バンドパスフィルタ３１で透過されるスペクトルは図４及び図５に示されるようになる。
図４及び図５において、中心波長λが１５５１ｎｍの場合に透過率が１．０となり、中心波長λより大きいあるいは小さい波長になるに従って透過率が急激に減少する。ここで、最大値である透過率１．０に対して半分である０．５の場合の範囲である半値全幅FWHMは１０ｐｍである。
図３のグラフに示される通り、波長検波型光ファイバセンサ２の測定用センサ素子２１から透過される透過光は、中心波長λ（λ＝１５５１ｎｍ）を透過率のピークとし、そのピーク値の短波長側と長波長側の両側に所定の波長帯域Ｂ（Ｂ＝１５５１ｎｍ±約１ｎｍ）に渡り透過率がほぼ０となり、さらに、その波長帯域Ｂから短波長と長波長の両側にむけて透過率が上昇した後、減衰している。なお、波長帯域Ｂとはバンドパスフィルタのもつ帯域である。第１実施形態では、測定用センサ素子２１から透過される透過光はバンドパスフィルタ３１によって波長帯域Ｂのみを透過させ、波長帯域Ｂから外れる波長はカットするので、バンドパスフィルタ３１で透過されるスペクトルは図４及び図５に示されるようになる。
図４及び図５において、中心波長λが１５５１ｎｍの場合に透過率が１．０となり、中心波長λより大きいあるいは小さい波長になるに従って透過率が急激に減少する。ここで、最大値である透過率１．０に対して半分である０．５の場合の範囲である半値全幅FWHMは１０ｐｍである。
測定用センサ素子２１に対し、干渉計４の取りうる最大光路差は数式（５）を用いて計算することができる。その計算結果は約１５０ｍｍである。
波長変化時の位相変化量を表す数式（１）のｎｅｄは光路差を表し、この値が係数として乗算されることから光路差ｎｅｄの延長はそのまま位相角度の変化量に比例する。この際、透過光量が十分であれば、光電変換回路における位相角度の算出分解能は約０．０１degであり、同じ波長変化量であっても位相角度の変化量が大きいほうが感度は高くなる。そのため、本実施形態の構成を用いることにより、従来の方法に対して３０倍の光路差を持った干渉計４で干渉を発生させることで、その位相変化量が６０倍となり、波長変化量の検出分解能も増加する。このため、測定用センサ素子２１からの透過光の波長変化量の検出分解能は約0.5fmとなる。本実施形態の構成を用いて物理量を測定した場合、各物理量の測定分解能は、加速度では約0.0002cm/sec2、温度では約0.00002℃、ひずみでは約0.2 nano strainとなる。
波長変化時の位相変化量を表す数式（１）のｎｅｄは光路差を表し、この値が係数として乗算されることから光路差ｎｅｄの延長はそのまま位相角度の変化量に比例する。この際、透過光量が十分であれば、光電変換回路における位相角度の算出分解能は約０．０１degであり、同じ波長変化量であっても位相角度の変化量が大きいほうが感度は高くなる。そのため、本実施形態の構成を用いることにより、従来の方法に対して３０倍の光路差を持った干渉計４で干渉を発生させることで、その位相変化量が６０倍となり、波長変化量の検出分解能も増加する。このため、測定用センサ素子２１からの透過光の波長変化量の検出分解能は約0.5fmとなる。本実施形態の構成を用いて物理量を測定した場合、各物理量の測定分解能は、加速度では約0.0002cm/sec2、温度では約0.00002℃、ひずみでは約0.2 nano strainとなる。
従って、第１実施形態では、次の作用効果を奏することができる。
（１）波長検波型光ファイバセンサ２を、互いに近接配置されたファイバブラッググレーティングＦＢＧからファブリペローエタロンを構成する測定用センサ素子２１を有する構成としたから、測定用センサ素子２１から透過される光の透過スペクトルの半値全幅を従来の反射スペクトルの半値全幅より小さくできることになり、測定分解能を向上させることができる。
（１）波長検波型光ファイバセンサ２を、互いに近接配置されたファイバブラッググレーティングＦＢＧからファブリペローエタロンを構成する測定用センサ素子２１を有する構成としたから、測定用センサ素子２１から透過される光の透過スペクトルの半値全幅を従来の反射スペクトルの半値全幅より小さくできることになり、測定分解能を向上させることができる。
（２）干渉計４に入射される透過光を、測定用センサ素子２１からの透過光の波長のピーク（中心波長λ）を中心とした波長帯域Ｂのみを透過させ、波長帯域Ｂから外れる波長は透過させないバンドパスフィルタ３１を備えたから、測定に不必要なスペクトルを排除することで、測定上の誤差を少なくすることができる。
次に、本発明の第２実施形態を図６に基づいて説明する。第２実施形態は第１実施形態とは波長検波型光ファイバセンサ、バンドパスフィルタ及び干渉計の構成が相違するものであり、他の構成は第１実施形態と同じである。
図６には第２実施形態の概略構成が示されている。
図６において、物理量測定装置は、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から照射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた波長検波型光ファイバセンサ２Ａと、この波長検波型光ファイバセンサ２Ａから透過した透過光のうち所定の波長のみを透過させるＷＤＭカプラ３２と、このＷＤＭカプラ３２で透過された透過光を入射する干渉計４と、この干渉計４から出力される出力光を検出する光検波手段５と、を備えて構成される。
図６には第２実施形態の概略構成が示されている。
図６において、物理量測定装置は、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から照射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた波長検波型光ファイバセンサ２Ａと、この波長検波型光ファイバセンサ２Ａから透過した透過光のうち所定の波長のみを透過させるＷＤＭカプラ３２と、このＷＤＭカプラ３２で透過された透過光を入射する干渉計４と、この干渉計４から出力される出力光を検出する光検波手段５と、を備えて構成される。
波長検波型光ファイバセンサ２Ａは複数、図６では２つの測定用センサ素子２１，２２を備えており、これらの測定用センサ素子２１，２２は光ファイバＦに対して直列に設けられている。
測定用センサ素子２１は中心波長がλ１であり、測定用センサ素子２２は、中心波長がλ１とは異なるλ２である。これらの測定用センサ素子２１，２２は第１実施形態の測定用センサ素子２１と同様の構成である。
測定用センサ素子２１は中心波長がλ１であり、測定用センサ素子２２は、中心波長がλ１とは異なるλ２である。これらの測定用センサ素子２１，２２は第１実施形態の測定用センサ素子２１と同様の構成である。
干渉計４は測定用センサ素子２１，２２の個数に合わせて設けられており、図６では、２個の干渉計４が並列配置されている。
ＷＤＭカプラ３２は複数の干渉計４に波長検波型光ファイバセンサ２Ａから透過した光を分岐するもので、一方の干渉計４には中心波長λ１を中心とした波長帯域のみを透過させ、他方の干渉計４には中心波長λ２を中心とした波長帯域のみを透過させる。そのため、第２実施形態では、ＷＤＭカプラ３２はバンドパスフィルタとして使用されている。
光検波手段５は測定用センサ素子２１，２２の個数に合わせて設けられており、図６では、２組の光検波手段５が並列配置されている。
２組の光検波手段５から出力された信号はＭＰＵ１００に入力され、このＭＰＵ１００は第１実施形態と同様に、光検波手段５から出力された信号に基づいて測定値を演算する。
ＷＤＭカプラ３２は複数の干渉計４に波長検波型光ファイバセンサ２Ａから透過した光を分岐するもので、一方の干渉計４には中心波長λ１を中心とした波長帯域のみを透過させ、他方の干渉計４には中心波長λ２を中心とした波長帯域のみを透過させる。そのため、第２実施形態では、ＷＤＭカプラ３２はバンドパスフィルタとして使用されている。
光検波手段５は測定用センサ素子２１，２２の個数に合わせて設けられており、図６では、２組の光検波手段５が並列配置されている。
２組の光検波手段５から出力された信号はＭＰＵ１００に入力され、このＭＰＵ１００は第１実施形態と同様に、光検波手段５から出力された信号に基づいて測定値を演算する。
従って、第２実施形態では、第１実施形態の（１）（２）と同様の作用効果を奏することができる他、次の作用効果を奏することができる。
（３）波長検波型光ファイバセンサ２Ａは中心波長λ１，λ２が異なる測定用センサ素子２１，２２を有する構成であり、被測定部の異なる位置での物理量変化を正確に測定することができる。
（４）測定用センサ素子２１，２２が１本の光ファイバＦに直列に接続されているので、光ファイバＦを設置する作業を容易にできる。
（３）波長検波型光ファイバセンサ２Ａは中心波長λ１，λ２が異なる測定用センサ素子２１，２２を有する構成であり、被測定部の異なる位置での物理量変化を正確に測定することができる。
（４）測定用センサ素子２１，２２が１本の光ファイバＦに直列に接続されているので、光ファイバＦを設置する作業を容易にできる。
（５）干渉計４は、測定用センサ素子２１，２２の数と同じ数が設けられているから、測定用センサ素子２１から透過される中心波長λ１を中心とした透過光を一方の干渉計４で干渉させ、測定用センサ素子２２から透過される中心波長λ２を中心とした透過光を他方の干渉計４で干渉させることで、干渉計４自体の干渉精度を向上させて測定精度の向上を図ることができる。
（６）測定用センサ素子２１，２２から透過した光を複数の干渉計４に分岐するためにＷＤＭカプラ３２を用いており、このＷＤＭカプラ３２がバンドパスフィルタとしても機能するから、バンドパスフィルタを別途用いることを要しない。そのため、部品点数の減少が図れて、装置の製造コストが低減する。
次に、本発明の第３実施形態を図７に基づいて説明する。第３実施形態は第１実施形態とは波長検波型光ファイバセンサ、バンドパスフィルタ及び光検波手段の構成が相違するものであり、他の構成は第１実施形態と同じである。
図７には第３実施形態の概略構成が示されている。
図７において、物理量測定装置は、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から照射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた波長検波型光ファイバセンサ２Ｂと、この波長検波型光ファイバセンサ２Ｂに所定の波長のみを透過させるＷＤＭカプラ３２と、波長検波型光ファイバセンサ２Ｂで透過された透過光を入射する干渉計４と、この干渉計４から出力される出力光を検出する光検波手段５Ａと、を備えて構成される。
図７には第３実施形態の概略構成が示されている。
図７において、物理量測定装置は、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から照射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた波長検波型光ファイバセンサ２Ｂと、この波長検波型光ファイバセンサ２Ｂに所定の波長のみを透過させるＷＤＭカプラ３２と、波長検波型光ファイバセンサ２Ｂで透過された透過光を入射する干渉計４と、この干渉計４から出力される出力光を検出する光検波手段５Ａと、を備えて構成される。
光ファイバＦは、ＷＤＭカプラ３２で複数（図７では２本）に分岐され、これらの分岐された光ファイバＦの一方に測定用センサ素子２１が設けられ、分岐された光ファイバＦの他方に測定用センサ素子２２が設けられている。
分岐された光ファイバＦは１本に纏められてビームスプリッタ６１を介して干渉計４に接続される。この干渉計４はビームスプリッタ６２を介して光検波手段５Ａに接続される。
光検波手段５Ａは、それぞれビームスプリッタ６２に接続された第１検出部５Ａ１、第２検出部５Ａ２及び第３検出部５Ａ３と、第１演算器１０１及び第２演算器１０２とを備えて構成されている。ビームスプリッタ６２は第１検出部５Ａ１、第２検出部５Ａ２及び第３検出部５Ａ３に位相を2π/3ずらして出力する。
分岐された光ファイバＦは１本に纏められてビームスプリッタ６１を介して干渉計４に接続される。この干渉計４はビームスプリッタ６２を介して光検波手段５Ａに接続される。
光検波手段５Ａは、それぞれビームスプリッタ６２に接続された第１検出部５Ａ１、第２検出部５Ａ２及び第３検出部５Ａ３と、第１演算器１０１及び第２演算器１０２とを備えて構成されている。ビームスプリッタ６２は第１検出部５Ａ１、第２検出部５Ａ２及び第３検出部５Ａ３に位相を2π/3ずらして出力する。
第１検出部５Ａ１は、ビームスプリッタ６２から送られた光を２つに分岐する第１ＷＤＭカプラ５Ｃ１と、第１ＷＤＭカプラ５Ｃ１で分岐された光を電気信号に変換する２つの第１光電変換器７１と、これらの第１光電変換器７１から出力される信号をそれぞれ増幅する第１増幅器８１と、これらの第１増幅器８１で出力されたアナログ信号をデジタル信号にそれぞれ変換する第１ＡＤ変換器９１とを備えている。
第１ＷＤＭカプラ５Ｃ１は波長λ1を含む所定領域の波長の出力光と波長λ２を含む所定領域の波長の出力光を所定領域の出力光に分離するものであり、それぞれ分離された出力光は第１光電変換器７１、第１増幅器８１及び第１ＡＤ変換器９１を通過して出力信号に変換された後、波長λ１に関する出力信号が第１演算器１０１に送られ、波長λ２に関する出力信号が第２演算器１０２に送られる。
第１ＷＤＭカプラ５Ｃ１は波長λ1を含む所定領域の波長の出力光と波長λ２を含む所定領域の波長の出力光を所定領域の出力光に分離するものであり、それぞれ分離された出力光は第１光電変換器７１、第１増幅器８１及び第１ＡＤ変換器９１を通過して出力信号に変換された後、波長λ１に関する出力信号が第１演算器１０１に送られ、波長λ２に関する出力信号が第２演算器１０２に送られる。
第２検出部５Ａ２は、ビームスプリッタ６２から送られた光を２つに分岐する第２ＷＤＭカプラ５Ｃ２と、第２ＷＤＭカプラ５Ｃ２で分岐された光を電気信号に変換する２つの第２光電変換器７２と、これらの第２光電変換器７２から出力される信号をそれぞれ増幅する第２増幅器８２と、これらの第２増幅器８２で出力されたアナログ信号をデジタル信号にそれぞれ変換する第２ＡＤ変換器９２とを備えている。
第２ＷＤＭカプラ５Ｃ２は波長λ1を含む所定領域の波長の出力光と波長λ2を含む所定領域の波長の出力光を所定領域の出力光に分離するものであり、それぞれ分離された出力光は第２光電変換器７２、第２増幅器８２及び第２ＡＤ変換器９２を通過して出力信号に変換された後、波長λ１に関する出力信号が第１演算器１０１に送られ、波長λ２に関する出力信号が第２演算器１０２に送られる。
第２ＷＤＭカプラ５Ｃ２は波長λ1を含む所定領域の波長の出力光と波長λ2を含む所定領域の波長の出力光を所定領域の出力光に分離するものであり、それぞれ分離された出力光は第２光電変換器７２、第２増幅器８２及び第２ＡＤ変換器９２を通過して出力信号に変換された後、波長λ１に関する出力信号が第１演算器１０１に送られ、波長λ２に関する出力信号が第２演算器１０２に送られる。
第３検出部５Ａ３は、ビームスプリッタ６２から送られた光を２つに分岐する第３ＷＤＭカプラ５Ｃ３と、第３ＷＤＭカプラ５Ｃ３で分岐された光を電気信号に変換する２つの第３光電変換器７３と、これらの第３光電変換器７３から出力される信号をそれぞれ増幅する第３増幅器８３と、これらの第３増幅器８３で出力されたアナログ信号をデジタル信号にそれぞれ変換する第３ＡＤ変換器９３とを備えている。
第３ＷＤＭカプラ５Ｃ３は波長λ1を含む所定領域の波長の出力光と波長λ２を含む所定領域の波長の出力光を含む所定領域の出力光に分離するものであり、それぞれ分離された出力光は第３光電変換器７３、第３増幅器８３及び第３ＡＤ変換器９３を通過して出力信号に変換された後、波長λ１に関する出力信号が第１演算器１０１に送られ、波長λ２に関する出力信号が第２演算器１０２に送られる。
第１演算器１０１及び第２演算器１０２は数式（３）の演算を実施する。
第３ＷＤＭカプラ５Ｃ３は波長λ1を含む所定領域の波長の出力光と波長λ２を含む所定領域の波長の出力光を含む所定領域の出力光に分離するものであり、それぞれ分離された出力光は第３光電変換器７３、第３増幅器８３及び第３ＡＤ変換器９３を通過して出力信号に変換された後、波長λ１に関する出力信号が第１演算器１０１に送られ、波長λ２に関する出力信号が第２演算器１０２に送られる。
第１演算器１０１及び第２演算器１０２は数式（３）の演算を実施する。
従って、第３実施形態では、第１実施形態及び第２実施形態の（１）〜（３）（６）と同様の作用効果を奏することができる他、次の作用効果を奏することができる。
（７）複数の測定用センサ素子２１，２２からそれぞれ透過される光を１つにまとめて干渉計４に送るビームスプリッタ６１と、干渉計４から出力される出力光を光検波手段５Ａの第１検出部５Ａ１、第２検出部５Ａ２及び第３検出部５Ａ３に分岐するビームスプリッタ６２とを備えたから、並列に配置された測定部位の物理量を測定用センサ素子２１，２２で測定する場合、干渉計４を１つにすることができるから、干渉計４の部品点数を減少して低コストを実現することができる。
（７）複数の測定用センサ素子２１，２２からそれぞれ透過される光を１つにまとめて干渉計４に送るビームスプリッタ６１と、干渉計４から出力される出力光を光検波手段５Ａの第１検出部５Ａ１、第２検出部５Ａ２及び第３検出部５Ａ３に分岐するビームスプリッタ６２とを備えたから、並列に配置された測定部位の物理量を測定用センサ素子２１，２２で測定する場合、干渉計４を１つにすることができるから、干渉計４の部品点数を減少して低コストを実現することができる。
次に、本発明の第４実施形態を図８に基づいて説明する。第４実施形態は第１実施形態とは干渉計の構成が相違するものであり、他の構成は第１実施形態と同じである。
図８には第４実施形態の概略構成が示されている。
図８において、物理量測定装置は、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から照射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた波長検波型光ファイバセンサ２と、この波長検波型光ファイバセンサ２から透過した透過光のうち所定の波長のみを透過させるバンドパスフィルタ３１と、このバンドパスフィルタ３１で透過された透過光を入射するとともに透過光を干渉させる干渉計４Ａと、この干渉計４Ａから出力される出力光を検出する光検波手段５と、を備えて構成される。
図８には第４実施形態の概略構成が示されている。
図８において、物理量測定装置は、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から照射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた波長検波型光ファイバセンサ２と、この波長検波型光ファイバセンサ２から透過した透過光のうち所定の波長のみを透過させるバンドパスフィルタ３１と、このバンドパスフィルタ３１で透過された透過光を入射するとともに透過光を干渉させる干渉計４Ａと、この干渉計４Ａから出力される出力光を検出する光検波手段５と、を備えて構成される。
第４実施形態の干渉計４Ａはマイケルソン型の干渉計であり、この干渉計４Ａは２つの光路４３，４４と、これらの光路４３，４４から照射される光をそれぞれ反射させて光路４３，４４に戻すミラー４５とを備えている。なお、本実施形態では、マイケルソン干渉計にはトワイマングリーン干渉計と称される干渉計も含まれる。
光路４３，４４の端部にはビームスプリッタ６３が設けられ、このビームスプリッタ６３はサーキュレータ６を介して第１光検波手段５１に接続され、さらに、第２光検波手段５２及び第３光検波手段５３にそれぞれ接続される。
光路４３，４４の端部にはビームスプリッタ６３が設けられ、このビームスプリッタ６３はサーキュレータ６を介して第１光検波手段５１に接続され、さらに、第２光検波手段５２及び第３光検波手段５３にそれぞれ接続される。
第４実施形態では、広帯域光源１０から出射された光は測定用センサ素子２１を有する波長検波型光ファイバセンサ２に入射する。この波長検波型光ファイバセンサ２で透過した光はサーキュレータ６を通過し、ビームスプリッタ６３で２つに分岐されて、マイケルソン型の干渉計４Ａに入射する。干渉計４Ａに入射した光は光路４３，４４を通りそれぞれミラー４５で反射してビームスプリッタ６３に戻る。このビームスプリッタ６３では光路４３と光路４４とから入射した光を合波した後、３つに分岐する。３分岐された光は位相が（２π／３）ずつ異なり、これらの光の１つはサーキュレータ６を経由して第１光検波手段５１の第１光電変換器７１に送られ、残り２つは直接第２光検波手段５２の第２光電変換器７２及び第３光検波手段５３の第３光電変換器７３に送られる。そして、第１実施形態と同様に、ＭＰＵ１００で演算処理される。
従って、第４実施形態では、第１実施形態の（１）（２）と同様の作用効果を奏することができる他、次の作用効果を奏することができる。
（８）干渉計４Ａとしてマイケルソン干渉計を用いたので、全てを光ファイバ光学系で構築する場合に比べ、歩留まりが向上する。通常、マッハツェンダ干渉計の光路差を規定して作製する場合に光路差の公差は０．５ｍｍ程度である。しかし、融着接続によりビームスプリッタ同士を接続して０．５ｍｍの公差でマッハツェンダ干渉計を作製することは難しい。これに対して、マイケルソン干渉計を用いた場合には、融着接続工程が不要となり、０．５ｍｍの公差に抑えることは容易である。
（８）干渉計４Ａとしてマイケルソン干渉計を用いたので、全てを光ファイバ光学系で構築する場合に比べ、歩留まりが向上する。通常、マッハツェンダ干渉計の光路差を規定して作製する場合に光路差の公差は０．５ｍｍ程度である。しかし、融着接続によりビームスプリッタ同士を接続して０．５ｍｍの公差でマッハツェンダ干渉計を作製することは難しい。これに対して、マイケルソン干渉計を用いた場合には、融着接続工程が不要となり、０．５ｍｍの公差に抑えることは容易である。
次に、本発明の第５実施形態を図９から図１７に基づいて説明する。第５実施形態は第３実施形態とは波長検波型光ファイバセンサの構成が相違するものであり、他の構成は第３実施形態と同じである。
図９には第５実施形態の概略構成が示されている。
図９において、物理量測定装置は、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から照射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた複数のトランスデューサＴ１，Ｔ２と、これらのトランスデューサＴ１，Ｔ２で透過された透過光を入射する干渉計４と、この干渉計４から出力される出力光を検出する光検波手段５Ａと、を備えて構成される。トランスデューサＴ１とトランスデューサＴ２との間にはアイソレータＩＳが設けられている。このアイソレータＩＳは、トランスデューサＴ１からトランスデューサＴ２への光信号の伝送を許容するものの逆方向、トランスデューサＴ２からトランスデューサＴ１への伝送を防止する素子である。
図９には第５実施形態の概略構成が示されている。
図９において、物理量測定装置は、広帯域光源１０と、この広帯域光源１０から照射された光が通過する光ファイバＦと、光ファイバＦに設けられた複数のトランスデューサＴ１，Ｔ２と、これらのトランスデューサＴ１，Ｔ２で透過された透過光を入射する干渉計４と、この干渉計４から出力される出力光を検出する光検波手段５Ａと、を備えて構成される。トランスデューサＴ１とトランスデューサＴ２との間にはアイソレータＩＳが設けられている。このアイソレータＩＳは、トランスデューサＴ１からトランスデューサＴ２への光信号の伝送を許容するものの逆方向、トランスデューサＴ２からトランスデューサＴ１への伝送を防止する素子である。
トランスデューサＴ１は、中心波長がλ１とされた測定用センサ素子２１と、この測定用センサ素子２１の吸収スペクトルのピークを含む波長帯域を反射波長として有する帯域反射センサ素子２０と、この帯域反射センサ素子２０と測定用センサ素子２１との間に設けられたサーキュレータ２３と、このサーキュレータ２３に接続されたアドフィルタ２３Ａと、を備えている。このアドフィルタ２３Ａはサーキュレータ２３と同様の構造であり、サーキュレータ２３から送られた信号を光検波手段５Ａに送る構成である。
帯域反射センサ素子２０はバンドパスフィルタとして機能するものであり、光ファイバＦにファイバブラッググレーティングＦＢＧが形成された構造である。
測定用センサ素子２１と帯域反射センサ素子２０とは同一温度かつ同一応力の条件下となるように互いに近接配置される。
サーキュレータ２３は測定用センサ素子２１を通過した透過光を帯域反射センサ素子２０に送り、この帯域反射センサ素子２０で反射された光を干渉計４に送るものである。
帯域反射センサ素子２０はバンドパスフィルタとして機能するものであり、光ファイバＦにファイバブラッググレーティングＦＢＧが形成された構造である。
測定用センサ素子２１と帯域反射センサ素子２０とは同一温度かつ同一応力の条件下となるように互いに近接配置される。
サーキュレータ２３は測定用センサ素子２１を通過した透過光を帯域反射センサ素子２０に送り、この帯域反射センサ素子２０で反射された光を干渉計４に送るものである。
トランスデューサＴ２は、中心波長がλ２とされた測定用センサ素子２２と、この測定用センサ素子２２の透過スペクトル帯域中の線スペクトルのピークを含む波長帯域を反射波長として有する帯域反射センサ素子２０と、この帯域反射センサ素子２０と測定用センサ素子２２との間に設けられたサーキュレータ２３とを備えている。
測定用センサ素子２２と帯域反射センサ素子２０とは同一温度かつ同一応力の条件下となるように互いに近接配置される。
サーキュレータ２３は測定用センサ素子２２を通過した透過光を帯域反射センサ素子２０に送り、この帯域反射センサ素子２０で反射された光を干渉計４に送るものである。
ファイバブラッググレーティングＦＢＧから形成される帯域反射センサ素子２０は、前述の数式（７−４）、数式（１０）及び数式（１１−１）を満たすようにすれば、ファイバブラッググレーティングＦＢＧから反射される光のスペクトルは温度変化、歪変化に関係なく常に１本の線スペクトルとなり、かつ、その波長がファイバファブリペローエタロンの透過波長に一致する。
測定用センサ素子２２と帯域反射センサ素子２０とは同一温度かつ同一応力の条件下となるように互いに近接配置される。
サーキュレータ２３は測定用センサ素子２２を通過した透過光を帯域反射センサ素子２０に送り、この帯域反射センサ素子２０で反射された光を干渉計４に送るものである。
ファイバブラッググレーティングＦＢＧから形成される帯域反射センサ素子２０は、前述の数式（７−４）、数式（１０）及び数式（１１−１）を満たすようにすれば、ファイバブラッググレーティングＦＢＧから反射される光のスペクトルは温度変化、歪変化に関係なく常に１本の線スペクトルとなり、かつ、その波長がファイバファブリペローエタロンの透過波長に一致する。
トランスデューサＴ１，Ｔ２の具体的な構造の一例が図１０に示されている。
図１０（Ａ）はトランスデューサＴ１，Ｔ２の平面を示す概略図、図１０（Ｂ）はトランスデューサＴ１，Ｔ２の要部側面を示す概略図である。
図１０において、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とはベース２４に接着層２５を介して固定されている。このベース２４は図示しない被設置物に固定されている。
図１０（Ａ）はトランスデューサＴ１，Ｔ２の平面を示す概略図、図１０（Ｂ）はトランスデューサＴ１，Ｔ２の要部側面を示す概略図である。
図１０において、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とはベース２４に接着層２５を介して固定されている。このベース２４は図示しない被設置物に固定されている。
接着層２５は測定用センサ素子２１，２２及び帯域反射センサ素子２０の厚さ寸法より厚い寸法を有するものであり、その平面上の大きさはベース２４の大きさよりやや小さい。接着層２５を構成する材料は適宜設定されるものである。なお、本実施形態では、ベース２４への測定用センサ素子２１，２２及び帯域反射センサ素子２０の固定手段は、接着剤以外にも両面テープ等の適宜な手段を採用することもできる。
測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とは同一温度かつ同一応力が加わるようにベース２４に固定されている。具体的には、測定用センサ素子２１，２２の中心位置（距離ＬＦの中間位置）と帯域反射センサ素子２０の中心位置との間隔は、狭いほどよい。例えば、ファイバブラッググレーティングＦＢＧが描画された石英光ファイバにプラスチックでコーティングされた直径が200μｍの光ファイバＦをそれぞれ測定用センサ素子２２と帯域反射センサ素子２０に用い、これらの光ファイバＦをプラスチックコーティング部で接して構成する方法もある。
なお、本実施形態では、トランスデューサＴ１，Ｔ２の構造は図１０に示されるものに限定されるものではなく、例えば、図１１（Ａ）（Ｂ）に示される通り、接着剤２５をセンシングの要となるＦＢＧを除いた光ファイバＦだけに設けた例としてもよく、さらには、図１２に示される通り、光ファイバＦの外径より若干大きな内径の、例えば金属からなり空気孔をあけたパイプ２Ｐに第一及び第二のＦＢＧを有する光ファイバＦと帯域反射センサ素子としてのＦＢＧを有する光ファイバＦを挿通して両端を接着剤２５で固定した例でもよい。なお、図１２中、符号２Ｈは管内外を連通するための孔である。
測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とは同一温度かつ同一応力が加わるようにベース２４に固定されている。具体的には、測定用センサ素子２１，２２の中心位置（距離ＬＦの中間位置）と帯域反射センサ素子２０の中心位置との間隔は、狭いほどよい。例えば、ファイバブラッググレーティングＦＢＧが描画された石英光ファイバにプラスチックでコーティングされた直径が200μｍの光ファイバＦをそれぞれ測定用センサ素子２２と帯域反射センサ素子２０に用い、これらの光ファイバＦをプラスチックコーティング部で接して構成する方法もある。
なお、本実施形態では、トランスデューサＴ１，Ｔ２の構造は図１０に示されるものに限定されるものではなく、例えば、図１１（Ａ）（Ｂ）に示される通り、接着剤２５をセンシングの要となるＦＢＧを除いた光ファイバＦだけに設けた例としてもよく、さらには、図１２に示される通り、光ファイバＦの外径より若干大きな内径の、例えば金属からなり空気孔をあけたパイプ２Ｐに第一及び第二のＦＢＧを有する光ファイバＦと帯域反射センサ素子としてのＦＢＧを有する光ファイバＦを挿通して両端を接着剤２５で固定した例でもよい。なお、図１２中、符号２Ｈは管内外を連通するための孔である。
サーキュレータ２３は第１ポート２３１、第２ポート２３２及び第３ポート２３３を有する。広帯域光源１０から出射された光は測定用センサ素子２１，２２を通過してサーキュレータ２３の第１ポート２３１に入射し、この第１ポート２３１から入射した光は第３ポート２３３から帯域反射センサ素子２０に送られ、この帯域反射センサ素子２０で反射された光は第３ポート２３３から第２ポート２３２を通り、さらに、アドフィルタ２３Ａを通って干渉計４に送られる。
図１３にはトランスデューサＴ１，Ｔ２の異なる一例の具体的な構造が示されている。
図１３に示される通り、トランスデューサＴ１，Ｔ２は、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とが、光導波路にファイバブラッググレーティングを描画したＷＢＧセンサから構成されている。図１３は図１０に対応する図であり、（Ａ）は平面を示す概略図、（Ｂ）は側面を示す概略図である。
図１３において、トランスデューサＴ１，Ｔ２は、それぞれ、サブストレート２０Ｃと、このサブストレート２０Ｃに設けられたクラッド２０Ｅと、クラッド２０Ｅにそれぞれ設けられた測定用センサ素子２１，２２及び帯域反射センサ素子２０とを有する。
サブストレート２０Ｃは、シリコン等から板状に形成されるものであり、その裏面は図示しない被測定部に固定される。サブストレート２０Ｃはアンダークラッド２０ＷUCと、オーバクラッド２０ＷＯＣとを備え、これらは二酸化ケイ素（SiO2）を成膜して形成される。
測定用センサ素子２１，２２は、アンダークラッド２０ＷUCと、オーバクラッド２０ＷＯＣに挟まれて設けられたコア２０ＷＣＯからなる光導波路に一対のウェイブガイドブラッググレーティングＷＢＧを、例えば紫外線で描画されて構成されたＷＢＧセンサである。コア２０ＷＣＯは前述のようにSiO2から形成されているアンダークラッド２０ＷUCと、オーバクラッド２０ＷＯＣと比較しゲルマニウムをドープしたSiO2から形成されており屈折率が両クラッドより高めに製作される。そしてこの光導波路は光ファイバＦの端部に接着部２５を介して接続されている。
図１３に示される通り、トランスデューサＴ１，Ｔ２は、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とが、光導波路にファイバブラッググレーティングを描画したＷＢＧセンサから構成されている。図１３は図１０に対応する図であり、（Ａ）は平面を示す概略図、（Ｂ）は側面を示す概略図である。
図１３において、トランスデューサＴ１，Ｔ２は、それぞれ、サブストレート２０Ｃと、このサブストレート２０Ｃに設けられたクラッド２０Ｅと、クラッド２０Ｅにそれぞれ設けられた測定用センサ素子２１，２２及び帯域反射センサ素子２０とを有する。
サブストレート２０Ｃは、シリコン等から板状に形成されるものであり、その裏面は図示しない被測定部に固定される。サブストレート２０Ｃはアンダークラッド２０ＷUCと、オーバクラッド２０ＷＯＣとを備え、これらは二酸化ケイ素（SiO2）を成膜して形成される。
測定用センサ素子２１，２２は、アンダークラッド２０ＷUCと、オーバクラッド２０ＷＯＣに挟まれて設けられたコア２０ＷＣＯからなる光導波路に一対のウェイブガイドブラッググレーティングＷＢＧを、例えば紫外線で描画されて構成されたＷＢＧセンサである。コア２０ＷＣＯは前述のようにSiO2から形成されているアンダークラッド２０ＷUCと、オーバクラッド２０ＷＯＣと比較しゲルマニウムをドープしたSiO2から形成されており屈折率が両クラッドより高めに製作される。そしてこの光導波路は光ファイバＦの端部に接着部２５を介して接続されている。
一対のウェイブガイド・ブラッグ・グレーティングＷＢＧは、全波長を反射するファブリペローエタロンを構成するものであり、その中心部にファブリペローエタロンを構成するために必要な距離ＬＦを隔てて両側に回折格子がそれぞれ複数形成されている。両側にそれぞれ形成される回折格子はそれぞれミラーの役割を有する。
帯域反射センサ素子２０は光導波路２０Ｗにウェイブガイド・ブラッグ・グレーティングＷＢＧが形成されたＷＢＧセンサであり、前記実施形態と同様に、測定用センサ素子２１，２２の吸収スペクトルのピークを含む波長帯域を反射波長として有する。この光導波路を使用した実施形態は接着剤を用いずにセンサ素子を構成できることが特徴である。いわゆるスパッタリング、エッチングなどの技術をベースとした光平面回路技術から構成されるもので接着材では長期信頼性などに課題が残る。しかし、この方式では前述のアレイ導波路格子等、光通信分野のデバイスで安定性など実績のある素子製作技術として知られている。すなわち、歪、あるいは温度変化を感じるウエーブガイドブラッググレーティングは接着剤を用いないでシリコンサブストレート上に光平面回路技術により構成されているため安定性に優れたセンサ素子を実現できる特徴がある。なお、図１３におけるファイバＦとの接続に接着剤を用いるが、この部分は多少不安定さが残っても光導路と光ファイバの接続損失に影響を与える可能性はあるが直接ウェイブガイド・ブラッグ・グレーティングＷＢＧのフィルタリング特性に影響を与えないため測定用センサ素子２１，２２の安定性にこの接着剤が悪影響をあたえることはない。
この測定用センサ素子２１，２２は、例えば温度センサに用いる場合はウェイブガイドブラッググレーティングＷＢＧの温度が変われば該ＷＢＧの反射波長が変化するため温度センサとして用いることができることは自明である。もちろんケーシングして感温部としてのケースの温度をＷＢＧに適宜伝える構造を付加してもよいことは明らかである。同様に歪についてもＷＢＧが歪めばＷＢＧの反射波長が変化するため歪センサとして用いることができる。
帯域反射センサ素子２０は光導波路２０Ｗにウェイブガイド・ブラッグ・グレーティングＷＢＧが形成されたＷＢＧセンサであり、前記実施形態と同様に、測定用センサ素子２１，２２の吸収スペクトルのピークを含む波長帯域を反射波長として有する。この光導波路を使用した実施形態は接着剤を用いずにセンサ素子を構成できることが特徴である。いわゆるスパッタリング、エッチングなどの技術をベースとした光平面回路技術から構成されるもので接着材では長期信頼性などに課題が残る。しかし、この方式では前述のアレイ導波路格子等、光通信分野のデバイスで安定性など実績のある素子製作技術として知られている。すなわち、歪、あるいは温度変化を感じるウエーブガイドブラッググレーティングは接着剤を用いないでシリコンサブストレート上に光平面回路技術により構成されているため安定性に優れたセンサ素子を実現できる特徴がある。なお、図１３におけるファイバＦとの接続に接着剤を用いるが、この部分は多少不安定さが残っても光導路と光ファイバの接続損失に影響を与える可能性はあるが直接ウェイブガイド・ブラッグ・グレーティングＷＢＧのフィルタリング特性に影響を与えないため測定用センサ素子２１，２２の安定性にこの接着剤が悪影響をあたえることはない。
この測定用センサ素子２１，２２は、例えば温度センサに用いる場合はウェイブガイドブラッググレーティングＷＢＧの温度が変われば該ＷＢＧの反射波長が変化するため温度センサとして用いることができることは自明である。もちろんケーシングして感温部としてのケースの温度をＷＢＧに適宜伝える構造を付加してもよいことは明らかである。同様に歪についてもＷＢＧが歪めばＷＢＧの反射波長が変化するため歪センサとして用いることができる。
図１４にはトランスデューサＴ１，Ｔ２の異なる一例の具体的な構造が示されている。
図１４において、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とは、ベース２４の上で一直線上となるように配置され、これらの端部同士が接着部２６で接続されている。測定用センサ素子２１，２２の接着部２６で接続された一端部をベース２４に固定した状態で、測定用センサ素子２１，２２の他端部を引っ張って固定部２７によりベース２４に固定する。同様に、帯域反射センサ素子２０の接着部２６で接続された一端部を固定した状態で、帯域反射センサ素子２０の他端部を引っ張って固定部２７によりベース２４に固定する。これにより、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とは同一応力が加わるようにベース２４に固定される。さらに、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とが同一温度となるように、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とはそれぞれの中心位置の間隔が所定間隔となるように配置される。
測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とはそれぞれサーキュレータ２３に接続されており、このサーキュレータ２３には第１ポート２３１、第２ポート２３２及び第３ポート２３３が形成されている。
測定用センサ素子２１，２２から送られる信号はスプリッタＳにより帯域反射センサ素子２０側とサーキュレータ２３側とに分岐され、帯域反射センサ素子２０から送られる信号はスプリッタＳにより測定用センサ素子２１，２２側とサーキュレータ２３側とに分岐される。
図１０から図１４に示される実施形態では、測定用センサ素子２１，２２、帯域反射センサ素子２０及びベース２４を備えて波長検波型光ファイバセンサ２Ｃが構成されている。
図１４において、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とは、ベース２４の上で一直線上となるように配置され、これらの端部同士が接着部２６で接続されている。測定用センサ素子２１，２２の接着部２６で接続された一端部をベース２４に固定した状態で、測定用センサ素子２１，２２の他端部を引っ張って固定部２７によりベース２４に固定する。同様に、帯域反射センサ素子２０の接着部２６で接続された一端部を固定した状態で、帯域反射センサ素子２０の他端部を引っ張って固定部２７によりベース２４に固定する。これにより、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とは同一応力が加わるようにベース２４に固定される。さらに、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とが同一温度となるように、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とはそれぞれの中心位置の間隔が所定間隔となるように配置される。
測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とはそれぞれサーキュレータ２３に接続されており、このサーキュレータ２３には第１ポート２３１、第２ポート２３２及び第３ポート２３３が形成されている。
測定用センサ素子２１，２２から送られる信号はスプリッタＳにより帯域反射センサ素子２０側とサーキュレータ２３側とに分岐され、帯域反射センサ素子２０から送られる信号はスプリッタＳにより測定用センサ素子２１，２２側とサーキュレータ２３側とに分岐される。
図１０から図１４に示される実施形態では、測定用センサ素子２１，２２、帯域反射センサ素子２０及びベース２４を備えて波長検波型光ファイバセンサ２Ｃが構成されている。
図１５には測定用センサ素子２１，２２から透過されるスペクトルの概略図が示されている。図１５（Ａ）には測定用センサ素子２１，２２を透過した光のスペクトルと波長との関係が示されている。一対のファイバブラッググレーティングＦＢＧを有する測定用センサ素子２１，２２がファブリペローエタロンを構成するため、図１５（Ａ）に示される通り、測定用センサ素子２１，２２を透過した透過スペクトルは、１本の線スペクトルを含むことになる。
図１５（Ｂ）には帯域反射センサ素子２０の反射したスペクトルが示されている。帯域反射センサ素子２０から反射するスペクトルは所定の波長領域でピークを生じる。本実施形態では、図１５（Ａ）（Ｂ）で示される通り、帯域反射センサ素子２０で反射する波長を測定用センサ素子２１，２２の１本の線スペクトルを含む透過スペクトルを含む波長帯域に合わせるようにする。そのため、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とを直列に接続した本実施形態では、測定用センサ素子２１，２２を通って帯域反射センサ素子２０で反射された光のスペクトルは、図１５（Ｃ）に示される通りとなり、1本の透過線スペクトルとして検出される。
図１５（Ｂ）には帯域反射センサ素子２０の反射したスペクトルが示されている。帯域反射センサ素子２０から反射するスペクトルは所定の波長領域でピークを生じる。本実施形態では、図１５（Ａ）（Ｂ）で示される通り、帯域反射センサ素子２０で反射する波長を測定用センサ素子２１，２２の１本の線スペクトルを含む透過スペクトルを含む波長帯域に合わせるようにする。そのため、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とを直列に接続した本実施形態では、測定用センサ素子２１，２２を通って帯域反射センサ素子２０で反射された光のスペクトルは、図１５（Ｃ）に示される通りとなり、1本の透過線スペクトルとして検出される。
ここで、測定用センサ素子２１，２２に温度変化や応力変化が生じた場合には、測定用センサ素子２１，２２自体が伸縮し、あるいは測定用センサ素子２１，２２を構成するファイバブラッググレーティングＦＢＧのコア部の屈折率が変化することになり、測定用センサ素子２１，２２で透過される透過スペクトルの波長が変化する。例えば、図１６（Ａ）に示される通り、透過スペクトルの波長が長波長側にシフトする。
本実施形態では、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とは同一温度かつ同一応力が加わるようにベースに固定されおり、それらを構成する光ファイバＦ及びブラッググレーティングＦＢＧは同一材料で構成されているとすれば、測定用センサ素子２１，２２に温度変化や応力変化が生じて測定用センサ素子２１，２２の透過線スペクトルの波長が変化しても、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とが同じ温度や応力の条件となるので、帯域反射センサ素子２０で反射されるスペクトルが測定用センサ素子２１，２２の透過線スペクトルと同様にシフトする。例えば、図１６（Ａ）に示される通り、測定用センサ素子２１，２２の１本の線スペクトルを含み透過スペクトルが長波長側に変位する場合では、図１６（Ｂ）に示される通り、帯域反射センサ素子２０で反射されるスペクトルも透過スペクトルと同様にシフトする。そのため、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とを直列に接続した本実施形態では、測定用センサ素子２１，２２を通って帯域反射センサ素子２０で反射された光のスペクトルは図１６（Ｃ）に示される通りとなり、測定用センサ素子２１，２２の透過スペクトルがシフトしても、その線スペクトルの中心波長を検出することができる。
本実施形態では、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とは同一温度かつ同一応力が加わるようにベースに固定されおり、それらを構成する光ファイバＦ及びブラッググレーティングＦＢＧは同一材料で構成されているとすれば、測定用センサ素子２１，２２に温度変化や応力変化が生じて測定用センサ素子２１，２２の透過線スペクトルの波長が変化しても、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とが同じ温度や応力の条件となるので、帯域反射センサ素子２０で反射されるスペクトルが測定用センサ素子２１，２２の透過線スペクトルと同様にシフトする。例えば、図１６（Ａ）に示される通り、測定用センサ素子２１，２２の１本の線スペクトルを含み透過スペクトルが長波長側に変位する場合では、図１６（Ｂ）に示される通り、帯域反射センサ素子２０で反射されるスペクトルも透過スペクトルと同様にシフトする。そのため、測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とを直列に接続した本実施形態では、測定用センサ素子２１，２２を通って帯域反射センサ素子２０で反射された光のスペクトルは図１６（Ｃ）に示される通りとなり、測定用センサ素子２１，２２の透過スペクトルがシフトしても、その線スペクトルの中心波長を検出することができる。
従って、第５実施形態では、第１実施形態及び第３実施形態の（１）（２）（７）と同様の作用効果を奏することができる他、次の作用効果を奏することができる。
（９）バンドパスフィルタとして帯域反射センサ素子２０を用い、この帯域反射センサ素子２０を、測定用センサ素子２１，２２の吸収スペクトルのピークを含む波長帯域を反射波長とする構成とした。この帯域反射センサ素子２０と測定用センサ素子２１，２２とを同一温度の条件下となるように互いに近接配置した。そのため、温度変化が生じても、一対の測定用センサ素子２１，２２の透過スペクトルのシフト量と帯域反射センサ素子２０の反射スペクトルのシフト量が同じになるため、透過スペクトルを完全に分離することができるので、温度変化があっても、測定精度を向上させることができる。
（９）バンドパスフィルタとして帯域反射センサ素子２０を用い、この帯域反射センサ素子２０を、測定用センサ素子２１，２２の吸収スペクトルのピークを含む波長帯域を反射波長とする構成とした。この帯域反射センサ素子２０と測定用センサ素子２１，２２とを同一温度の条件下となるように互いに近接配置した。そのため、温度変化が生じても、一対の測定用センサ素子２１，２２の透過スペクトルのシフト量と帯域反射センサ素子２０の反射スペクトルのシフト量が同じになるため、透過スペクトルを完全に分離することができるので、温度変化があっても、測定精度を向上させることができる。
（１０）測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とを同一応力が加わるようにベース２４に固定した。被測定部の歪みが変化すると、ベース２４を介して測定用センサ素子２１，２２と帯域反射センサ素子２０とに応力として伝達され、測定用センサ素子２１，２２の透過スペクトルが短波長側あるいは長波長側にシフトすることになるが、シフトした透過スペクトルに、測定用センサ素子２１，２２と同じ応力下にある帯域反射センサ素子２０の反射スペクトルのシフト量が同じになるため、透過スペクトルを確実に検出することができる。そのため、被測定部の歪みが変化しても、測定精度を向上させることができる。
なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態では、光源は点灯し続けていることを前提にしているが、測定に必要な場合のみ光源を点灯し光源の実質的な寿命を長くする方法をとってもよいことは自明である。
例えば、前記実施形態では、光源は点灯し続けていることを前提にしているが、測定に必要な場合のみ光源を点灯し光源の実質的な寿命を長くする方法をとってもよいことは自明である。
本発明は、ビル、鉄橋、トンネル、原子力発電所を含む発電所等の建築構造物において、例えば耐震性能の劣化を地震発生前に検出し修理するためのヘルスモニタリング分野や、あるいは、船舶、航空機、ロケットなどの大型構造物の各所の歪を常時計測し歪が一定以上の値になり構造物が突然破壊することを事前に予測する予防保全分野や、さらには、化学プラント、石油精製プラント等の爆破の可能性のあるプラントの各所の温度を測定するプラント計装分野等に利用することができる。
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…波長検波型光ファイバセンサ、４，４Ａ…干渉計、５，５Ａ…光検波手段、１０…広帯域光源、２０…帯域反射センサ素子（バンドパスフィルタ）、２１，２２…測定用センサ素子、３１…バンドパスフィルタ、４１，４２，４３，４４…光路、Ｆ…光ファイバ、ＦＢＧ…ファイバブラッググレーティング、ＷＢＧ…ウェイブガイドブラッググレーティング
Claims (12)
- 光源と、この光源から出射される光が入射するとともに被測定物に設置される波長検波型光ファイバセンサと、この波長検波型光ファイバセンサに入射された光の透過光を入射するとともに前記透過光を２つの光路の光路差により干渉させる干渉計と、この干渉計から出力される出力光を検出する光検波手段と、前記干渉計に入射される前記透過光を前記波長検波型光ファイバセンサからの透過光の波長のピークを中心とするバンドパスフィルタと、を備え、
前記波長検波型光ファイバセンサは、互いに近接配置されたファイバブラッググレーティング対からファブリペローエタロンを構成する測定用センサ素子を有し、
前記ファブリペローエタロンの反射波長帯域中に１本の透過線スペクトルのみが生じるようにするために、帯域幅ＢＷがフリースペクトラルレンジＦＳＲの２倍より狭くなるようにし、
前記ファブリペローエタロンを構成するファイバブラッググレーティング対は、同一波長スペクトル特性である
ことを特徴とする物理量測定装置。 - 請求項１に記載された物理量測定装置において、
前記ファブリペローエタロンを構成するファイバブラッググレーティング対は、物理的長さが同一であり、かつ、実効長Ｌｅとファイバブラッググレーティング対の格子ピッチΛとファイバブラッググレーティング対間のグレーティングの書かれていない個所の光ファイバの長さＬｇとの関係がＬｇ＝ｍΛ−２Ｌｅ（ｍは自然数）を満たすようにしファイバブラッググレーティング対の反射中心波長に透過線スペクトルの波長を一致させる
ことを特徴とする物理量測定装置。 - 請求項２に記載された物理量測定装置において、
前記ファブリペローエタロンを構成するファイバブラッググレーティング対の反射中心波長と前記ファブリペローエタロンの透過線スペクトルの波長とを一致させ、かつ、前記ファイバブラッググレーティング対の反射帯域を前記ファブリペローエタロンの透過線スペクトルを含み、かつ、フリースペクトルレンジよりも狭くした
ことを特徴とする物理量測定装置。 - 請求項１から請求項３のいずれかに記載された物理量測定装置において、
前記測定用センサ素子は、それぞれ中心波長が異なる複数が直列に接続されている
ことを特徴とする物理量測定装置。 - 請求項４に記載された物理量測定装置において、
前記干渉計は、前記測定用センサ素子の数と同じ数だけ設けられている
ことを特徴とする物理量測定装置。 - 請求項５に記載された物理量測定装置において、
前記複数のセンサ素子からそれぞれ透過される光を１つにまとめて前記干渉計に送るビームスプリッタと、前記干渉計から出力される出力光を位相の異なった光に分岐するビームスプリッタとを備える
ことを特徴とする物理量測定装置。 - 請求項１から請求項６のいずれかに記載された物理量測定装置において、
前記バンドパスフィルタは、前記測定用センサ素子の透過スペクトルのピークを含む波長帯域を反射波長とする帯域反射センサ素子を備え、前記測定用センサ素子と前記帯域反射センサ素子とは同一温度の条件下となるように互いに近接配置される
ことを特徴とする物理量測定装置。 - 請求項７に記載された物理量測定装置において、
前記測定用センサ素子と前記帯域反射センサ素子とは同一応力が加わるようにベースに固定される
ことを特徴とする物理量測定装置。 - 請求項８に記載された物理量測定装置において、
前記測定用センサ素子及び前記帯域反射センサ素子が前記ベースに接着剤で接着固定される
ことを特徴とする物理量測定装置。 - 請求項９に記載された物理量測定装置において、
前記測定用センサ素子のファイバブラッググレーティング以外の部分と前記帯域反射センサ素子以外の部分とが前記ベースに接着剤で接着固定された
ことを特徴とする物理量測定装置。 - 請求項８から請求項１０のいずれかに記載された物理量測定装置において、
前記測定用センサ素子及び前記帯域反射センサ素子を挿通する管を備え、この管の両端と前記測定用センサ素子及び前記帯域反射センサ素子とを接着剤で接着固定する
ことを特徴とする物理量測定装置。 - 請求項７から請求項１１のいずれかに記載された物理量測定装置において、
前記ファブリペローエタロンは、シリコンサブストレート上にそれぞれ二酸化ケイ素からなるアンダークラッドとオーバクラッドとにそれぞれ囲まれ、これらのアンダークラッドとオーバクラッドより高屈折率にするための不純物がドープされた二酸化ケイ素を材料とした第一のコアから形成される第一の光導波路に、近接して描画された同一の反射波長帯域をもつ第一の光導波路ブラッググレーティングと第二の光導波路ブラッググレーティングとから構成され、
前記帯域反射センサ素子は前記シリコンサブストレート上にそれぞれ二酸化ケイ素からなるアンダークラッドとオーバクラッドにそれぞれ囲まれ、これらのアンダークラッドとオーバクラッドより高屈折率にするための不純物がドープされた二酸化ケイ素を材料とした第二のコアから形成される第二の光導波路に光導波路ブラッググレーティングから構成されている
ことを特徴とする物理量測定装置。
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