使用解调光纤的光学特性测量装置、具有其的光纤传感器系统及光学特性的测量方法与流程

本发明涉及使用解调(interrogation)光纤来测量光学特性的技术，更详细地，涉及使用具有基于波长的光吸收斜率的解调光纤的光器件的光学特性测量装置、具有其的光纤传感器系统及测量光学特性的方法。

背景技术：

最近备受关注的光纤传感器或光纤传感器系统的特征在于，系统的所有或部分由光纤构成，并且上述光纤传感器系统可分为测量物理量的感测部本身由光纤构成的本征(intrinsic)形态和光纤单调地作为传输光源及光信号的机构使用的非本征(extrinsic)形态。

通常，光纤传感器或光纤传感器系统利用光来进行测量，因此与基于半导体及导电物质的电子传感器不同地，无须通电，从而不存在因可在周围产生的电磁干扰而导致的杂音、因漏电而产生的破损、触电等的隐患，并且不仅尺寸小且轻，还具有非常优秀的灵敏度，由此可应用于多种种类的物理量测量。例如，光纤传感器可利用经过感测用光器件的光来测量基于外部环境变化的温度、应变(strain)、弯曲(bending)、扭曲(torsion)、压力、折射率、浓度、PH、光输出、电流、电压等的多种物理量。

与电子传感器相比，光纤传感器因优秀的耐环境性而具有非常长的寿命，具有半永久性寿命，并且由于塑性变形少，从而具有优秀的再现性，而且将光作为测量机构使用，从而可开发远距离测量系统。并且，通过利用波分复用化(WDM，wavelength division multiplexing)技术及时分复用化(TDM，time division multiplexing)技术，以单线也可开发高速大容量测量系统。基于这些优点，预期光纤传感器会很快替换现有的电子传感器，但在光学特性分析及测量领域中，由于商业化技术的发展比较缓慢，因此在相关市场的扩大方面存在很多困难。

光纤传感器系统大致包括：光源部，用于构成测量用光源；感测部，根据从外部环境施加的物理量来改变从光源部传输的光(输入光)的特性；以及测量部，用于测量及分析根据感测部变换的光的特性，尤其，在测量部中，用于检测光的检测器和通过从上述检测器接收的信号来导出上述物理量的信号分析装置起到影响整个传感器系统的性能的重要作用。

在多种光纤传感器系统中较多地使用如下的方式，即，将光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating，FBG)适用于感测部，并通过分析充上述感测部产生的光波长的移动来测量物理量。即，在将光纤布拉格光栅使用于感测部的情况下，光纤布拉格光栅通过反射从光源部传输的输入光的一部分来产生具有规定的波长的带形态的光信号，并利用这种光带发热中心波长(或共振波长)的移动特性来构成传感器系统。并且，作为这种范畴，可例举将利用长周期光纤光栅(Long period fiber gating，LPFG)、法布里-珀罗(Fabry-Perot)滤波器、布里渊散射(Brilliouin scattering)、受激布里渊散射(Stimulated Brilliouin scattering，SBS)、喇曼散射(Raman scattering)、米氏散射(Mie scattering)，相干反斯托克斯-拉曼散射(Coherent anti-stokes Raman scattering，CARS)、光参量产生(Optical parametric generation)、和频产生(Sum frequency generation，SHG，THG)、差频产生(Difference frequency generation)，四波混频(Four Wave Mixing，FWM)等的科学现象的光器件使用于感测部而成的传感器系统。

即，使所有上述感测部具有带形态的光信号，并且根据施加在感测部的光纤器件的温度、应变，折射率等的所施加的物理量来使带的中心(共振)波长移动，并通过测量上述移动来分析物理量的变化值。虽然使用于光纤传感器系统的感测用光器件无须非由光纤构成，但考虑到与构成光纤传感器系统的其余部分的光纤器件的光连接性，优选地，感测用光器件的整体由光纤构成或者至少输入部或输出部由光纤构成。在将多种光器件作为感测部使用的上述光纤传感器系统的情况下，在感测部产生带形态的光信号(信号光)，并通过测量基于环境变换的信号光的中心波长的移动来计算出物理量，因此必须需要设有测量(interrogation，解调)装置，上述测量装置用于检测波长变化，并通过上述变化导出物理量。

为此，在现有技术领域中已开发了利用基于块状光学滤波器、光纤耦合器、光纤光栅等的手动型光器件的解调技术的多种光学特性分析装置及利用其的光纤传感器技术。

图1为示出现有技术的基于利用块状光学(bulk optic)滤波器件的光学特性测量装置的光纤传感器系统的图。在如图1所示的现有技术的情况下，将具有规定的斜率的透射特性的边缘滤波器(Edge Filter)及带通滤波器(Band pass filter)等的块状光学滤波器件使用成解调器件。在使用边缘滤波器及带通滤波器等的块状光学滤波器件的光纤传感器系统中，为了再现性地确保所需的光学特性，而需要在块状光学滤波器件与其它光纤器件之间设置光耦合，因此存在需要花费很多时间和费用的精密的光学校直作业及准直器(collimator)等的额外的光学元件的缺点。

而且，在由块状光学构成的这种光学元件中，为了从污染及外部振动中保护上述光学元件且实现稳定的光学特性，而需要外壳等的额外的部件，因此会使结构变得复杂。通常，通过使用高真空的蒸镀工序来在基板材料上蒸镀多层薄膜，由此制备块状光学滤波器件，并且具有如下的缺点，即，为了减少因在暴露于空气的表面产生的反射而导致的光损耗，而需要进行抗反射(Anti Reflection)涂层等多种高费用的工序作业。

并且，一旦制备完成块状光学滤波器，作为为了实现精密的解调性能而调节光吸收强度及斜率等的光吸收特性的机构，无法实现对器件的厚度进行额外的操作的作业，因此存在需要每次制备适合于传感器系统规格的滤波器件的缺点。

图2为示出现有技术的基于利用光纤耦合器(Optical fiber coupler)的光学特性测量装置的光纤传感器系统的图。作为用于测量光学特性的还有一解调方法，如图2所示，可将以使透射光谱具有规定的斜率的方式制备的光纤耦合器作为解调器件使用。在利用光纤耦合器的上述光学特性分析系统的情况下，虽然存在通过使耦合器端的信号和透射端的信号相交来改善灵敏度的效果，但很难确保具有线性的光吸收斜率的光学特性，并且很难制备精密地再现这种光学特性的光耦合器。

并且，通常，光纤耦合器的光学特性存在容易受到光的偏光特性及温度、振动等的外部环境的影响的问题，因此为了解决上述问题，而存在需要复杂的器件结构及额外的工序技术的缺点。

图3为示出现有技术的基于利用长周期光纤光栅(Long period fiber grating)的光学特性测量装置的光纤传感器系统的图。如图3所示，作为用于测量光学特性的再一解调方法，已提出适用了具有斜率的长周期光纤光栅的透射光谱特性的光学特性分析装置。

在这种方法的情况下，由于由光纤构成，而存在解决基于光学校直的问题的效果，但在可再现性地制备具有相同的特性的光纤光栅的方面存在困难，并且，通常，相对于周围环境需要实现稳定性的解调用长周期光纤光栅的光学特性本身具有对振动及温度非常敏感且呈现偏光依赖特性等的多种缺点，从而在实现商业化的方面存在很多困难。

技术实现要素：

本发明是为了解决上述问题而提出的，本发明的目的在于，提供可通过使用光吸收的线性度、具有相同的吸收特性的再现性、稳定性及无偏光依赖性的光纤来改善传感器系统的测量部的性能及效率的光学特性测量装置及利用其的光纤传感器系统。

本发明的目的在于，通过简化光学特性测量装置的结构，最终提供相对于现有的系统可明显降低单价且能够以多种形态变形的光纤传感器系统。

本发明实施例的光学特性测量装置的特征在于，作为构成用于检测及分析在光纤传感器系统的传感器产生的光信号的测量部的光学特性测量装置，包括：第一光耦合器，向两个光路分配从上述传感器传输的信号光；解调光纤(Interrogation fiber)，设置于使上述信号光移动的一侧光路；以及检测部，用于检测经过上述解调光纤的信号光的光强度及由上述第一光耦合器向另一侧光路传输的基准光的光强度，其中，上述解调光纤在规定的波长范围内呈现线性的光吸收特性，通过比较由上述检测部检测出的信号光和基准光的光强度来导出施加在感测部的物理量。

本发明的实施例的光纤传感器系统的特征在于，包括：光源部，用于射出规定波长的输入光；感测部，通过根据所施加的物理量来改变光学特性的传感器接收上述输入光，并产生信号光；测量部，通过从上述感测部传输的信号光来导出施加在感测部的物理量；以及第二光耦合器，用于向感测部传输从上述光源部射出的输入光，向测量部分配在上述感测部产生的信号光，上述测量部包括：第一光耦合器，用于向两个光路分配上述信号光；解调光纤，设置于使上述信号光移动的一侧光路；以及检测部，用于检测经过上述解调光纤的信号光的光强度及由上述第一光耦合器向另一侧光路传输的基准光的光强度，其中，上述解调光纤在规定的波长范围内呈现线性的光吸收特性，通过比较由上述检测部检测出的信号光和基准光的光强度来导出施加在上述感测部的物理量。

而且，本发明的特征在于，上述解调光纤作为在规定的波长范围内具有线性的光吸收率的区间的光纤，在光纤生产工序中，在上述解调光纤中添加具有规定的光吸收特性的物质，上述解调光纤的光吸收特性可通过调节在上述规定的波长范围内具有线性的光吸收特性的物质的量或者调节上述解调光纤的长度来变更光吸收强度及斜率。

本发明的实施例的光学特性的测量方法包括：从光源部向感测部射出具有规定的波长的输入光的步骤；使上述感测部通过接收上述输入光来产生信号光，并根据从外部施加的物理量来改变信号光的中心波长的步骤；使上述信号光经过设置于测量部的解调光纤且根据上述解调光纤的光吸收率来改变光强度的步骤；以及根据上述光强度来导出上述信号光的波长的步骤。

而且，上述解调光纤作为在规定的波长范围内具有线性的光吸收率的局域的光纤，在光纤生产工序中，向上述解调光纤中掺杂具有规定的光吸收特性的物质，本发明的光学特性的测量方法还包括通过导出上述信号光的波长来导出施加在上述感测部的物理量的步骤。

发明的效果

根据本发明的实施例，使用于光纤传感器系统的测量部仅由光纤构成，因此无需光学校直，从而可提升测量数据的可信性。

根据实施例，作为仅需要在用于分析光器件用光学特性的测量部的内部连接解调光纤即可的结构，传感器系统的构建简单且可明显降低单价。并且，可通过调节光纤的长度或添加物质的种类、成分及浓度来控制光吸收斜率，以符合系统的特性，由于利用添加在光纤的物质的光吸收特性，从而可去除偏光依赖性且再现性优秀。

而且，即使在对测量系统施加影响的振动、压力、温度等随时变化的外部环境条件下也使测量值不受大影响，从而具有系统的稳定性优秀的优点。

附图说明

图1为示出现有技术的基于利用块状光学滤波器件的光学特性测量装置的光纤传感器系统的图。

图2为示出现有技术的基于利用光纤耦合器的光学特性测量装置的光纤传感器系统的图。

图3为示出现有技术的基于利用长周期光纤光栅的光学特性测量装置的光纤传感器系统的图。

图4a为示出本发明实施例的光纤传感用光学特性测量装置的图。

图4b为示出本发明实施例的设置有光学特性测量装置的光纤传感器系统的图。

图5为示出本发明实施例的添加有钍(Tm³⁺)的解调光纤的光吸收特性的图。

图6为示出本发明实施例的添加有铒(Er³⁺)的解调光纤的光吸收特性的图。

图7为示出本发明实施例的添加有钒(V)的解调光纤的光吸收特性的图。

图8a为示出本发明实施例的添加有Au纳米粒子的解调光纤的光吸收特性的图

图8b为示出本发明实施例的添加有Au纳米粒子的解调光纤中的570～595nm附近的线性的光吸收特性的图。

图9为示出本发明实施例的添加有PbS纳米粒子的解调光纤的光吸收特性的图。

图10为是示出图2的A区间中的根据经过解调光纤的信号光的波长的光强度变化的图。

图11为简略示出本发明实施例的使用将光纤布拉格光栅使用于感测部且将添加有钍的解调光纤使用于测量部的光纤传感器系统的图。

图12的(a)部分为示出根据施加在图11中的B地点的基准光的光谱及波长的光强度分布的曲线图，图12的(b)部分为示出根据施加在图11中的C地点的因解调光纤而衰减的信号光的光谱及波长的光强度分布的曲线图。

图13为简要示出本发明还有一实施例的光纤传感器系统的图。

图14为简要示出本发明还有一实施例的光纤传感器系统的图。

图15为简要示出本发明还有一实施例的光纤传感器系统的图。

图16为简要示出本发明还有一实施例的光纤传感器系统的图。

图17为示出本发明实施例的通过使用适用解调光纤技术的光纤传感器系统来测量物理量的方法的流程图。

图18a为示出本发明实施例的光纤传感用光学特性测量装置的图。

图18b为示出本发明实施例的设置有光学特性测量装置的光纤传感器系统的图。

图19为示出比较本发明实施例的分别添加有铒(Er³⁺)及铽(Tb³⁺)的解调光纤的光吸收特性的图。

图20为简要示出本发明还有一实施例的光纤传感器系统的图。

图21为简要示出本发明还有一实施例的光纤传感器系统的图。

图22为简要示出本发明再一实施例的光纤传感器系统的图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施例进行详细的说明，但本发明的实施例并不限定于此。在说明本发明的过程中，为了明确说明本发明的主旨，而省略针对公知的功能或结构的具体的说明。

图4a为示出本发明实施例的光纤传感用光学特性测量装置的图。参照图4a，光学特性测量装置30具有表示设置于光纤传感器系统并且用于导出在感测部变化的物理量的测量部的构成。

根据实施例的光学特性测量装置30可包括第一光耦合器31、解调光纤32、检测部33、34及分析部35。第一光耦合器31按预先设定的比率分配所传输的光信号，并通过与上述第一光耦合器31相连接的一对光输出线传输上述光信号。

在上述光输出线中的一个设置有第一检测部33，上述第一检测部33通过解调光纤以无光衰减的方式将从感测部传输的信号光的一部分作为基准光接收，并检测上述信号光的光强度，在另一光输出线的从感测部传输的信号光的移动光路上设置有长度为L的解调光纤32。

由第一光耦合器31分配的光信号通过上述解调光纤32进行工作，在本发明的光纤传感器系统可设置有用于检测根据波长产生其它光衰减的信号光的光强度的第二检测部34。而且，本发明的光纤传感器系统可设置有通过由上述第一检测部及第二检测部检测出的光的光强度分析来计算物理量的分析部35。具体的动作与设置于以下光纤传感器系统的其它结构一同进行说明。

图4b为示出根据实施例的光纤传感器系统的图。

参照图4b，根据实施例的光纤传感器系统100可由光源部10、感测部20、测量部30构成。

光源部10作为在规定的波长中输出的光源，可使用基于激光二极管(LD)、超辐射发光二极管(Super luminescent diode，SLD)、发光二极管(Light emitting diode，LED)、半导体光放大器(Semiconductor optical amplifier，SOA)的光源、可调谐激光源(Tunable laser source)、扫频源(Sweeping source)、宽带光源(Broad band source)、白光源(White light source)、固体激光器(Solid state laser)、气体激光器(Gas laser)、染料激光器(Dye laser)等。并且，根据需要，为了将光源光谱减少到规定带宽的光带来使用，而可在光源部设置通带和滤波器。

感测部20包括将从光源部10输出的输入光转换成光信号(信号光)来进行传输的光器件(传感器)。上述感测部20根据从外部施加的环境变化，即，根据物理量变化来使信号光的波长发生变化。作为一例，感测部20可以为基于光纤布拉格光栅的光纤器件。将上述光纤布拉格光栅利用于感测部的光纤传感器通过在光纤按规定的间距雕刻布拉格光栅而成，并且上述光纤传感器为利用根据温度、拉伸、压力及弯曲等的外部环境(从外部施加的物理量)的变化来改变从光栅反射的光的波长的特性的传感器。若周围温度发生变化或者向光栅施加物理量，例如向光栅施加拉伸等，则使光栅部分的折射率或长度发生变化，因此使反射的光的中心波长(共振波长)移动。因此，可通过测量从光纤布拉格光栅反射的光的波长来检测即分析上述物理量的变化。

作为另一例，上述感测部20可以为利用长周期光纤光栅、法布里-珀罗滤波器、布里渊散射、受激布里渊散射、喇曼散射、米氏散射、相干反斯托克斯-拉曼散射、光参量产生、和频产生(倍频效应(second harmonic generation，SHG)、三倍频效应(third harmonic generation，THG)、差频产生、四波混频过程等的光器件。即，使所有上述感测部20产生带形态的信号光，并且根据施加在这种感测部的温度、应变、折射率等的变化来使带的共振波长移动，并通过测量上述移动来分析上述物理量的变化。使用于感测部20并产生信号光的光器件可由光纤器件构成，并且，上述光器件可具有光纤以外的形态。在具有光纤以外的形态的情况下，为了容易地实现光连接，优选地，使用于感测部20的上述光器件的输入部及输出部由光纤构成。

在上述感测部使用光纤布拉格光栅、长周期光纤光栅、法布里-珀罗滤波器等的光器件的情况下，作为光源，优选地，将具有规定的带的激光二极管、超辐射发光二极管、发光二极管、宽带光源、可调谐激光源、扫频源等使用于上述光源部10，在将喇曼散射、受激布里渊散射、四波混频等非线性光器件使用于感测部的情况下，优选地，将在单一波长进行振荡的固体激光器、气体激光器、染料激光器、可调谐激光源等的激光光源使用于上述光源部10。

在光源部10与感测部20之间可配置有光隔离器12(optical isolator)，上述光隔离器12使光的射出方向仅向一个方向射出，并且阻隔逆向反射的光，从而起到保护光源部10且减少光信号歪曲的作用。而且，本发明的光纤传感器系统设置有用于分配及结合从光源部10射出的光的第二光耦合器13(Optical coupler)。优选地，第二光耦合器为光纤耦合器。并且，作为第二光耦合器可使用循环器(Circulator)、电子束分裂器(Beam splitter)、平面光电路(Planar light circuit，PLC)型光耦合器、平面光电路型分光器(optical splitter)等，并且，为了简单地实现光连接，优选地，第二光耦合器的输入端及输出端由光纤构成。

而且，本发明的特征在于用于测量及分析由上述感测部20产生并传输的光信号的测量部30，以下，对上述测量部30的结构进行说明。上述光纤传感器系统设置有与设置于上述光隔离器12与感测部20之间的第二光耦合器13相连接的第一光耦合器31，在上述第一光耦合器31连接有一对光输出线(光路)。上述第一光耦合器优选为光纤耦合器，并且可使用电子束分裂器、光束组合器(Beam combiner)、平面光电路型光耦合器、平面光电路型分光器等。并且，在第一光耦合器中，为了简单地实现光连接，优选地，第一光耦合器的输入端及输出端由光纤构成。

在上述光输出线中的一个设置有第一检测部33，上述第一检测部33通过解调光纤以无光衰减的方式将从感测部传输的信号光的一部分作为基准光接收，并检测上述信号光的光强度，在另一光输出线的从感测部传输的信号光的移动光路上设置有长度为L的解调光纤32。通过上述解调光纤32进行解调，因此本发明的光纤传感器系统可设置有用于检测根据波长而接受光衰减的信号光的光强度的第二检测部34。而且，本发明的光纤传感器系统可设置有通过分析由上述第一检测部及第二检测部检测出的光的光强度来计算物理量的分析部35。

并且，本发明的特征在于，具体地使用于测量部30的上述解调光纤32，上述解调光纤32作为仅需要以熔接(fusion splicing)、对接耦合(Butt coupling)等的简单的方法使解调光纤与测量部30的另一光纤光路相连接的结构，无须光学校直，从而可以与从外部产生振动无关地，稳定地驱动系统。解调光纤32具有线性的光吸收特性，并且可通过调节所添加的物质的种类及浓度来实现控制，以使系统具有所需的光吸收波长、斜率、强度等特性。并且，本发明的解调光纤32利用所添加的物质的光吸收特性，因此无偏光依赖性，并且与其它解调技术不同地，即使在温度或压力等随时变化的环境条件下也可稳定地确保测量值。并且，在通过调节使用于测量部30的解调光纤32的长度L来简单地变更光吸收强度及斜率的方面具有很大的优点。

具体地，从光源部10射出的输入光经过光隔离器12及第二光耦合器13传输到感测部20，并且通过安装于感测部的光器件产生信号光。而且，感测用光器件受到外部环境变化的影响，由此使上述信号光的波长发生变化，并由第二光耦合器13进行分配。

然后，与第二光耦合器13相连接的第一光耦合器31通过一对光输出线向两侧方向分配从感测部10传输的信号光。即，向第一检测部33分配信号光的一部分，由此使上述信号光的一部分成为用于设定起始光强度的基准点的基准光。而且，剩余部分的信号光通过解调光纤32受到额外的光损耗，最终成为根据共振波长的位置而发生改变的具有被衰减的光强度的信号光，从而由第二检测部34完成检测。其中，基准光使用于测量的理由在于，光源部10的初始光谱可根据波长而具有其它输出，并且根据寿命或外部影响使从光源部输出并传输的输入光的强度发生变化，因此需要去除所产生的光信号的歪曲因素。因此，为了确保光纤传感器系统的准确性及稳定性，而需要利用第一检测部33来测量基准光的光强度，这是非常重要的事项。为了测量成为这种光分析的基准的基准光的光强度，可使用多种结构，以下，参照其它实施例，对详细的结构进行更详细的说明。

在测量基准光及信号光的过程中，根据需要，可在信号光或基准光经过的光路上设置固定型或可变型光衰减器。优选地，可在第二光耦合器13与第一光耦合器31之间、在第一光耦合器31与第一检测部33之间或在第一光耦合器31与第二检测部34之间等位置设置。需要上述光衰减器的情况可例举由于上述基准光及信号光的光强度超过检测部的检测范围而需要降低强度的情况。并且，需要上述光衰减器的情况可例举需要使基准光和信号光的光输出强度匹配在规定的范围内的情况。上述光衰减器可以为由添加有光吸收物质的光纤构成的光衰减器。

然后，通过第一检测部33及第二检测部34测量从上述基准光及信号光检测出的两个光强度，并向与上述检测部相连接的分析部35传输上述光亮度，分析部35通过比较光强度来导出及分析上述信号光的共振波长的位置，由此可最终检测施加在感测部的物理量。根据本发明，参照其它实施例，对从上述分析部35导出共振波长以及由此导出物理量的进一步详细的过程进行更详细的说明，以下，对构成可适用于实施例的光纤的方法进行说明。

上述解调光纤32的基本成分可以为由玻璃形成的物质。上述解调用光纤的玻璃成分可以为通过添加具有上述线性的光吸收的物质来简单地实现制备的氧化物(oxide)、硫族化物(chalcogenide)、氟化物(Fluoride)玻璃。上述解调用氧化物玻璃光纤的成分优选为硅酸盐(silicate)玻璃或二氧化硅(silica)玻璃。为了简单地与较多的使用于光纤传感器系统的普通二氧化硅玻璃光纤实现通过熔接的光连接，上述解调用氧化物玻璃光纤的成分优选为二氧化硅玻璃。

并且，上述解调光纤的基本成分可以为高分子(polymer)物质。上述解调用光纤的高分子物质成分优选为使光纤制备简单的聚甲基丙烯酸甲酯(poly(methylmethacrylate)，PMMA)、聚丙烯(Polypropylene)、聚乙烯(Polyethylene)、聚苯乙烯(Polystyrene)、特氟龙(Teflon)、聚丙烯酸(polyacrylates)树脂。

为了实现系统的小型化，将上述玻璃作为基本成分的解调光纤优选为直径为700μm以下的光纤。为了简单地与广泛使用于光纤传感器系统的玻璃光纤实现光连接，将上述玻璃作为基本成分的解调光纤更优选为直径为125±5μm左右的光纤。并且，为了实现系统的小型化，将上述高分子物质作为基本成分的解调光纤优选为直径未2mm以下的光纤。为了简单地与广泛使用于光纤传感器系统的普通高分子光纤实现光连接,将上述高分子物质作为基本成分的解调光纤更优选为直径未200～1200μm范围的光纤。

诱导上述特征的光吸收特性的物质的特征在于，上述物质在规定波长范围内具有单调变化的光吸收特性。更优选地，诱导上述特定的光吸收特性的物质的特征在于，上述物质在规定波长范围内具有线性变化的光吸收特性。因此，为了具有上述线性的光吸收特性而添加在光纤的物质的特征在于，选自稀土类元素、过渡金属元素及纳米粒子。

优选地，上述稀土类元素选自由Tm、Er、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Yb、Lu组成的组。更优选地，选自作为已开发有多种光器件的波长范围的在200～2000nm区间具有更优秀的线性的光吸收特性的Tm、Er、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Yb组成的组。

优选地，上述金属元素选自Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Cd、In、Sn、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Tl、Pb、Bi组成的组。更优选地，选自作为已开发有多种光器件的在200～2000nm区间具有更优秀的线性的光吸收特性的V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、W、Tl、Pb、Bi组成的组。

优选地，诱导特定的吸收特性的上述稀土类元素及金属元素以+1、+2、+3价等的离子状态添加，但根据情况，能够以中性原子、二原子(diatomic)物质形态添加。

优选地，上述纳米粒子选自Ag、Au、Cu、Si、Ge、Bi、Pb、Ti、Sn、PbS、PbSe、PbTe、CdS、CdSe、CdTe、ZnS、ZnSe、ZnTe、SnS、SnSe、SnTe、CuCl、CuCl2组成的组。

在通过使用于光纤传感器系统用感测部的光纤布拉格光栅的情况下，根据应变、温度、压力等的外部环境的变化移动的通常产生的中心波长的移动大小限于nm程度。在添加上述稀土类元素、过渡金属元素及纳米粒子的解调光纤的情况下，可确保具有线性的光吸收特性的波长范围为数nm至数十nm以上的范围，因此，这种线性的光吸收特性充分使用于光纤传感器系统。

添加在上述解调用光纤的物质根据种类、量、原子价具有分别具有不同的波长范围、斜率及强度的光吸收特性。因此，添加物质的种类、量、原子价的选择基准根据在所使用的光学特性分析过程中所需的波长范围、吸收斜率及强度等各种光学特性的规格而定。

通过调节上述解调光纤的长度或添加的物质的种类、成分、浓度(量)来简单地变更根据光吸收系数的斜率。尤其，使用于光纤传感器系统的光源部10的光输出范围、检测部33、34的检测输出范围以及使用于传感器系统的其它光学元件12、13、20、31也具有多种损耗范围，因此需要相对于上述损耗范围来适当的调节使用于测量部的解调用光器件的光吸收强度，在本发明的解调光纤的情况下，在完成制备后，也可通过调节解调光纤的长度或者串联掺杂有诱导光吸收特性的互不相同的其它物质的解调光纤来简单地变更经过上述解调光纤的信号光的所有光吸收斜率、强度及分布特性。

稀土类元素、过渡金属元素及纳米粒子的颜料物质的价格可以是高价的。在本发明的解调光纤的情况下，以在直径为数百μm程度的超细光纤中添加诱导光吸收的物质的方法来完成制备，因此可降低上述原料物质的消耗，从而大大较少制备成本。

并且，在本发明的解调光纤的情况下，通过光纤制备工序，在一个光纤用玻璃母材中可获得数百m至数十km以上的解调光纤，因此光学特性几乎相同，并且最终利用上述解调光纤可制备再现性非常优秀的解调装置。

表1示出了根据添加在本发明的解调光纤的主要添加物质的种类呈现线性的光吸收特性的波长范围的。在添加有稀土类元素或过渡金属元素的光纤的情况下，根据种类在特定的波长范围存在呈现线性的光吸收特性的吸收带，并选择这些特性来使用，以符合光学特性测量系统所需的规格。

在添加有Tm³⁺或Tm²⁺的光纤的情况下，优选地，将在650～673nm、680～705nm、730～768nm、770～830nm、1098～1147nm、1234～1259nm、1180-1230nm及1490～1565nm区间中呈现线性的光吸收特性的所有或部分波长范围利用于解调。尤其，更优选地，如光纤布拉格光栅，将作为已开发多种感测用光器件的波长范围的1490～1565nm波长范围利用于解调，在添加有Tm²⁺的光纤的情况下，可利用在大于Tm³⁺的波长范围产生的线性的光吸收特性。在添加有Er³⁺的光纤的情况下，优选地，将在785～794nm、955～972nm、972～978nm、981～990nm、990～1008nm、1453～1482nm、1500～1545nm、1550～1567nm区间中呈现线性的光学特性的所有或部分波长范围利用于解调。更优选地，将呈现明显的线性的光吸收特性的955～972mm、990～1008nm、1453～1482nm、1550～1567nm区间利用于解调。尤其，更优选地，将作为呈现明显的线性的光吸收特性且如光纤布拉格光栅已开发有光源用及感测用多种光器件的波长范围的1550～1567nm区间适用于解调。

在添加有Yb³⁺的光纤的情况下，优选地，利用在864～908nm、910～950nm、955～990nm区间中呈现线性的光吸收特性的所有或部分波长范围。在添加有Tb³⁺的光纤的情况下，优选地，利用在非常宽的500～700nm、1500～1800nm区间中呈现线性的光吸收特性的所有或部分波长范围。尤其，更优选地，将非常宽且呈现线性度优秀的光学特性的1600～1800nm的区间利用于解调。

在添加有Ho³⁺的光纤的情况下，优选地，利用在440～450nm、450～460nm区间中呈现线性的光吸收特性的所有或部分波长范围。在添加有Dy³⁺的光纤的情况下，优选地，利用在1120～1200nm、1240～1300nm、1500～1630nm、1680～1740nm区间中呈现线性的光吸收特性的所有或部分波长范围。尤其，更优选地，将非常宽且呈现优秀的光学特性的500～1630nm、1680～1740nm区间利用于解调。

并且，在添加有Pr³⁺的光纤的情况下，优选地，利用在585～650nm、1345～1425nm及1500～1560nm区间中呈现线性的光吸收特性的所有或部分波长范围。更优选地，将非常宽且呈现线性度优秀的光学特性的1345～1425nm以及作为已开发有多种光源用及传感用光器件的波长范围的1500～1560nm区间利用于解调。

在添加有Nd³⁺的光纤的情况下，优选地，利用在800～840nm及900～940nm区间中呈现线性的光吸收特性的所有或部分波长范围。在添加有Sm³⁺的光纤的情况下，优选地，利用在1040～1070nm、1400～1440nm及1470～1520nm区间中呈现优秀的线性的光吸收特性的所有或部分波长范围。

在添加在解调光纤中的上述稀土类元素的情况下，在数nm至数十nm中的波长范围内呈现优秀的线性的光吸收特性，因此存在可利用于要求精密度的解调装置的优点。尤其，在添加有Tm³⁺或Tm²⁺的光纤中呈现出的基于3H₄的770～830nm附近的光吸收带及基于3H₅的1180～1230nm附近的光吸收带、在添加有Er³⁺的光纤中呈现出的基于4I_13/2的1500～1545nm附近的光吸收带以及在添加有Yb³⁺的光纤中呈现出的基于2F_5/2的955～990nm附近的光吸收带与其它光吸收带不同地呈现出非常陡的光吸收斜率，因此可利用于要求非常高的敏感度的解调装置。

在添加有V的光纤的情况下，在特别宽的510～610nm、910～1030nm、1100～1290nm区间中呈现适合利用于解调的线性的光吸收特性，但优选地，利用其中的所有或部分波长范围。尤其，更优选地，利用呈现线性的特性的910～1030nm、1100～1290nm波长范围。

在添加有Cr的光纤的情况下，优选地，利用在600～750nm区间中呈现线性的光吸收特性的所有或部分波长范围。在添加有Cr³⁺的光纤的情况下，与添加有Cr的光纤不同地，在570～630nm及690～800nm区间中呈现线性的光吸收特性，但优选地，利用其中的所有或部分波长范围。

在添加有Mn的光纤的情况下，优选地，利用在330～390nm及500～700nm区间中呈现线性的光吸收特性的所有或部分波长范围。在添加有Fe的光纤的情况下，优选地，利用在500～720nm及1670～2000nm区间中呈现线性的光吸收特性的所有或部分波长范围。在添加有Fe²⁺的光纤的情况下，优选地，与添加有Fe的光纤不同地，利用在650～1000nm及1300～2000nm的非常宽的范围中呈现线性的光吸收特性的所有或部分波长范围。在添加有Co的光纤的情况下，优选地，利用在320～400nm、400～500nm、700～770nm及1000～1200nm区间中呈现线性的光吸收特性的所有或部分波长范围。

在添加有Ni的光纤的情况下，优选地，利用在作为很宽的带宽的1100～1600nm的波长范围内呈现线性的光吸收特性的所有或部分波长范围。在添加有Ni²⁺的光纤的情况下，利用在420～520nm及650～750nm区间中呈现线性的光吸收特性的所有或部分波长范围。

在添加有Cu的光纤的情况下，优选地，利用在250～320nm区间中呈现线性的光吸收特性的所有或部分波长范围。在添加有Cu²⁺的光纤的情况下，优选地，利用在500～720nm区间中呈现线性的光吸收特性的所有或部分波长范围。并且作为过渡金属元素，在添加有Bi、Pb、W或Tl的光纤的情况下，了解到在非常宽的400～1200nm范围中攒在可适用于解调的多种光吸收带，并且可将在这些光吸收带中呈现线性的光吸收特性的波长范围使用于解调。

在添加于解调光纤的上述过渡金属元素的情况下，存在可在数十nm至数百nm的很宽的波长范围呈现线性的光吸收特性的优点，并且可利用于需要宽波长范围地解调装置。

在添加有金属或半导体纳米粒子的解调光纤的情况下，根据表面等离子体效果或量子限制效果产生光吸收带，并且在这种光吸收带及周边存在具有线性的光吸收特性的波长范围，并将上述波长范围使用于光纤传感器测量系统。

在添加有Au或Cu纳米粒子的光纤的情况下，优选地，利用包含在320～650nm波长范围的呈现线性的光吸收特性的所有或部分区间。在添加有Ag纳米粒子的光纤的情况下，优选地，利用包含在300～550nm波长范围的呈现线性的光吸收特性的所有或部分区间。在添加有Si、Ge、Ti或Sn纳米粒子的光纤的情况下，可使用在500～1200nm范围的宽波长范围内呈现明显的线性的光吸收特性，但可通过将线性的光吸收特性利用于所有或部分区间来使用成解调光纤。

在添加有CdS、CdSe或CdTe纳米粒子的光纤的情况下，在作为可见光区间的410～880nm区间中存在光吸收带，但优选地，利用包含在相应波长范围的所有或部分区间。在添加有PbS、PbSe或PbTe纳米粒子的光纤的情况下，优选地，利用包含在440～3100nm的很宽的波长范围的所有或部分区间。并且，在添加有ZnS、ZnSe或ZnTe纳米粒子的光纤的情况下，优选地，利用包含在300～540nm的波长范围的所有或部分区间。

在添加有解调光纤的上述纳米粒子的情况下，存在可通过调节光纤的折射率、添加的纳米粒子的大小及分布来调节具有线性的光吸收特性的波长范围的位置的优点。

表1示出可添加在本发明的解调光纤的主要添加物质的种类、成分以及基于上述种类、成分的主要解调用波长范围。

表1

表1示出可适用于解调的优选区间，但本发明并不限定于此，并且可在紫外线、可视光线及红外线波长范围内使用。而且，根据光纤材料的基本成分可使用于解调的波长范围可变化成规定的范围。

以下，对实施例的解调光纤的制备方法进行说明。通过使用以下的光纤制备方法，可制备光吸收特性恒定且再现性非常高的解调光纤。

将玻璃作为基本成分的解调光纤可通过改进的化学气相沉积法(MCVD，Modified Chemical Vapor Deposition)、气相轴向沉积法(VAD，Vapor Axial Deposition)、外部气相沉积法(OVD，Outside Vapor Deposition)、等离子体化学气相沉积法(PCVD，Plasma Chemical Vapor Deposition)、火焰气相沉积法(FCVD，Furnace Chemical Vapor Deposition)等的气相淀积工序(Chemical Vapor Deposition)来制备。并且，上述解调光纤可通过溶胶凝胶法(Solgel method)、双坩埚法(double crucible method)、玻璃熔化法(Glass melting method)等的制备方法来制备。为了添加诱导上述特定的光吸收特性的物质，在光纤制备工序中可使用溶液添加法(Solution doping method)、气溶胶法(Aerosol method)、热熔法(Heated frit)、热源法(Heated source)、热源注射器(Heated source injector)、螯合交付(Chelate delivery)等的制备方法。

将硫族化物或氟化物玻璃作为基本成分的解调光纤的情况下，可使用双坩埚法、玻璃熔化法或气相淀积工序来制备。

将二氧化硅玻璃作为基本成分的解调光纤的情况下，可通过使用改进的化学气相沉积法、气相轴向沉积法、外部气相沉积法、等离子体化学气相沉积法、火焰气相沉积法等的气相淀积工序或溶胶凝胶法来制备。

尤其，在使用气相淀积工序或溶胶凝胶法来制备二氧化硅光纤的情况下，可精确地调节添加在解调光纤的物质的浓度，从而可更简单地控制在光纤传感器系统用测量部所需的光学特性，因此，可制备具有非常优秀的再现性的解调光纤。

将高分子作为基本成分的解调光纤可通过使用聚合法(polymerization method)、挤压法(Extrusion method)、气相淀积工序等来制备。

图5为示出实施例的添加有钍(Thulium，Tm³⁺)的解调光纤的光吸收特性的图。首先，使用于实施例的解调光纤利用改进的化学气相沉积工序并在光纤生产工序中与原料气体一同添加诱导特定的光吸收特性的物质来制备。

进一步详细地说明通过使用改进的化学气相沉积工序来制备光纤的方法，通过使用SiCl₄、GeCl₄、POCl₃、CF₄等的原料气体来在二氧化硅管内蒸镀烧结的披覆层，然后蒸镀通过部分烧结而具有微细孔隙的烟灰(soot)形态的芯层。而且，通过使用溶液添加法(Solution doping method)来使诱导特定的光吸收特性的物质溶解于乙醇或水，由此制备溶液，并将上述芯层浸渍规定时间左右后，重新去除上述溶液。在去除溶液后，一定量的溶液也残留于芯层的微细孔隙之间，并向纤芯添加残留于这些残留溶液内的物质。

最终，通过干燥(drying)、烧结(sintering)及凝结(collapsing)过程来制备光纤母材，并使上述光纤母材重新经过光纤拉伸工艺制备成光纤。在实施例中，将水合(hydrous)形态的0.05M的TmCl₃及0.3M的AlCl₃溶解于水，并通过溶液添加法制备在纤芯添加有钍的光纤。

添加有钍等的稀土类元素的光纤可准确地调节离子的量，从而可容易地控制在测量部所要测量的光学特性，并且可制备具有相同的特性的解调光纤，因此是工序方面的再现性优秀的方法。

如图5所示，参照示出了根据以添加钍(Tm³⁺)的方式制备的解调光纤的波长的光吸收系数的曲线图可知，在800nm及1200nm附近的波长中存在产生许多光吸收的区间，并且在1500～1563nm范围的波长中存在如A区间具有明显的线性的斜率地光吸收特性的区间。

图6为示出还有一实施例的根据添加有铒(Erbium，Er³⁺)的解调光纤的波长的光吸收特性的图。使用于实施例的上述解调用光纤通过在利用改进的化学气相沉积工序的光纤材料制备工序中添加诱导上述光吸收特性的物质来制备。参照曲线图，可知，在大约955～972nm、990～1008nm范围中存在根据波长的具有线性的光吸收特性的区间，尤其，在1453～1482nm及1550～1567nm范围中存在根据波长的具有明显的线性的光吸收特性的区间，可将这种特性使用于光纤传感器系统用解调光纤的制备。

图7为示出还有一实施例的根据添加有钒(Vanadium，V)的解调光纤材料的波长的光吸收特性。使用于实施例的上述解调用光纤材料通过在利用玻璃熔融法及成型法的光纤材料制备工序中添加诱导上述光吸收特性的物质来制备。作为主要成分使用包含SiO₂、P₂O₅及V₂O₅的氧化物玻璃，并使用玻璃熔融法在1000～1500℃的熔融温度中制备。在完成熔融后，为了制备具有纤芯及包层结构的光纤母材，在为此而被合适的设计的杆及管型模具中投入熔融玻璃，并在完成规定时间左右的热处理后，分离模具，由此制备成杆及管形态的光纤母材，并使上述光纤母材经过光纤拉伸工艺制备成直径为120～130μm的光纤。在光纤拉伸过程中，防止因结晶化而降低光纤强度及增加损耗的现象尤为重要，为此，适当调节玻璃成分及光纤拉伸温度。参照曲线图，可知，在大约535～590nm范围中存在根据波长的具有线性的光吸收特性的区间，尤其，在910～1030及1100～1290nm范围中存在根据波长具有明显的线性的光吸收特性地区间，可将这种特性适用于光纤传感器系统用解调光纤的制备。

图8a为示出还有一实施例的根据添加有Au纳米粒子的解调光纤材料的波长的光吸收特性的图，图8b为放大示出在图8a的添加有Au纳米粒子的解调光纤中呈现明显的线性的特性的570～595nm附近的光吸收光谱的图。使用于实施例的上述解调用光纤材料通过在利用溶胶凝胶法的光纤材料制备工序中添加诱导上述光吸收特性的物质来制备。作为原料物质，与当作作为玻璃的基质成分的二氧化硅的原料使用的Si(OC₂H₅)₄或Si(OCH₃)₄一同使用成为C₂H₅OH及Au纳米粒子的原料的HAuCl₄-4H₂O。与上述原料物质一同使用诱导琉璃化的催化剂，并经过包括水解及聚合过程的琉璃化过程来制备光纤用玻璃母材。并且，为了适合于杆及管形态的光纤用玻璃母材制备，而使上述琉璃化过程发生在由特氟隆等塑料材质形成的模具的内部。为了形成Au纳米粒子，而在光纤拉伸过程中适当地调节拉伸温度及拉伸速度或者在光纤拉伸后进行光纤热处理过程，以形成纳米粒子。

参照图8a的曲线图，可知，在大约325～340nm、510～535nm及570～595nm范围中存在根据波长具有线性的光吸收特性的区间，参照图8b，可知，尤其在570～595nm附近具有明显的线性的光吸收特性。可将这种特性使用于光纤传感器系统用解调光纤的制备。

图9为示出还有一实施例的根据添加有PbS纳米粒子的解调光纤材料的波长的光吸收特性的图。使用于实施例的上述解调用光纤材料通过在利用玻璃熔融法及成型法的光纤材料制备工序中添加诱导上述光吸收特性的物质来制备。并且，添加有PbS纳米粒子的解调光纤可使用气相淀积工序及溶胶凝胶法来制备。参照曲线图，可知，在大约600～900nm及1150～1250nm的非常宽的带宽的波长范围内存在根据波长具有线性的光吸收特性的区间，将将这种特性使用于光纤传感器系统用解调光纤的制备。

以下，对经过实施例的解调光纤的信号光的强度变化进行说明。可通过计算进过解调光纤后的信号光地强度I与经过解调光纤前的信号光的强度I₀的光强度之比，即，通过计算R＝10log(I/I₀)来确认根据波长的信号光的光强度变化。

其中，经过解调光纤前的信号光的强度I₀与基准光的光强度相对应，并且可通过第一检测部33进行检测，经过解调光纤后的信号光的光强度I在第二检测部34检测。

图10为使图2的A区间中的信号光的光强度变化在1500nm以上的波长中相对部分区间示出的图。，上述信号光是经过添加有长度为约10cm的钍(Tm³⁺)的解调光纤的，即，如在图5所确认的，添加有钍的解调光纤针对相应区间的互不相同的波长具有线性依赖的特定的光吸收率，因此通过上述解调光纤的信号光的光强度也变化成线性，这在图10中也可得到确认。通过图5及图10，根据解调光纤的波长的光吸收率为线性的区间可确保25nm至50nm以上，在实施例中可知，可检测出相对这种区间移动的信号光的波长变化。以下，对通过解调光纤进行变化的波长及尤由此而从外部施加的物理量进行检测的方法进行更详细的说明。

在与图10一同说明的利用添加有上述钍的解调光纤的实施例中，表示根据波长λ的上述光强度比率R的分析函数如下(数学式1)。

数学式1：R＝-5.84×10^-2×λ+86.9

因此，若计算出光强度比率R，则可根据数学式1检测出信号光的波长λ。并且，可将光强度比率R与波长λ的关系式广义地表示为如下(数学式2)。

数学式2：R＝a×λ+b

其中，a和b作为系数，可以为由根据解调光纤的波长的光吸收特性决定的系数。

而且，若使在感测部产生的信号光的波长λ针对从外部施加于感测部的物理量M以线性的方式进行变换及移动，则可如下的表示波长λ与物理量M之间的关系式。

数学式3：λ＝c×M+a

其中，c和d作为系数，可以为由根据施加物理量的感测部器件的敏感度特性确定的特性系数。

若相互结合数学式2和数学式3，则最终可整理成如下的数学式。

数学式4：R＝a×(c×M+b)+d＝p×M+q

其中，特性系数由p＝a×c、q＝a×c+d组成。因此，最终可根据数学式4从检测出的光强度比率R中导出物理量M。

并且，在上述关系式(数学式2、数学式3)中，对解调光纤及感测部器件针对信号光的波长及物理量的变化分别具有线性的一次函数特性的情况进行了说明，但在二次函数等具有其它单调变化函数形态的特性的情况下，导出物理量的过程也相同。即，可改变上述数学式2和数学式3的部分形态，但信号光的强度，即，从光强度比率R中检测信号光的波长λ，并由此测量物理量M的基本概念不变。其中，其它单调变化函数是指如指数函数、对数函数、多项式函数的等函数，即，使函数值在部分或所有区间中呈现持续增加或持续减少的单调函数(monotonic function)特性，尤其，在部分区间中具有一次函数形态的特性。

为了提高信号分析的准确度以及增加分析的容易性，优选地，使解调光纤的光吸收特性进行单调变换。更优选地，使解调光纤的光吸收特性根据波长进行线性变换，由此使信号分析准确及容易。其中，优选地，使吸收特性为线性的区间在对数尺度(log scale)或线性尺度(linear scale)单位中使用线性的区间。因此，在图10中，在对数尺度中使用了完成分析的实施例，但在线性尺度中也可通过适用数学式2和数学式3来进行分析。并且，根据情况为了提高信号分析的准确度，可将所分析的波长范围分成多个，并通过使用具有各个单调变化函数形态的分析函数来进行分析。其中，为了进行分析，优选地，通过使用由各个一次函数构成的分析函数来对分成多个波长范围进行分析。

图18a及图18b为分别示出本发明实施例的光纤传感用光学特性测量装置及利用其的光纤传感器系统的图。分别与图4a及图4b的实施例相比，其他部分相同，但本实施例的特征在于，在由第一光耦合器31分配并向第二检测部34传输的信号光的移动光路上设置有长度为L1的第一解调光纤32-1，在由第一光耦合器31分配并向第一检测部33传输的基准光的移动光路上设置有长度为L2的第二解调光纤32-2。上述第一解调光纤32-1及第二解调光纤32-2的特征在于，它们由光吸收斜率相反的光纤构成，可通过以相对的方式相互交叉光吸收斜率来改善物理量的测量敏感度。以下实施例一同对上述实施例的详细工作原理及结构进行详细的说明。

图19为示出对实施例的为了通过反向交叉光吸收斜率来增大测量敏感度而分别添加铒(Er³⁺)及铽(Tb³⁺)的解调光纤的光吸收特性进行比较的图。在1530～1700nm范围的波长范围内，在Er³⁺的情况下，具有负光吸收斜率，相反地，在Tb³⁺的情况下，具有正光吸收斜率。因此，如下的举例说明，与如图4a及图4b的结构中的在向第二检测部34传输的信号光的移动光路上仅使用添加有Er³⁺的解调光纤的结构相比，如图18a及图18b的结构中的向第一检测部33及第二检测部34传输的基准光及信号光的移动光路上连接分别添加有Tb³⁺及Er³⁺的解调光纤来构成光学特性测量装置及光纤传感器系统的结构可根据斜率的相互交叉特性提高测量敏感度。当然，即使以变更所连接的解调光纤的顺序的方式在基准光及信号光的移动光路上连接分别添加有Er³⁺及Tb³⁺的解调光纤也可获得相同的改善效果，这对本发明所属的技术领域的普通技术人员而言，非常容易理解。

表2示出了本发明实施例的为了以相对的方式相互交叉光吸收斜率来改善物理量的测量敏感度而可向解调光纤添加的主要添加物质的种类及成分以及基于上述种类、成分的主要解调用波长范围。

表2

图11为简要示出实施例的将光纤布拉格光栅使用于感测部且将循环器作为第二光耦合器使用的光纤传感器系统的图，图12的(a)部分为示出根据施加在图11中的B地点的基准光的光谱及波长的光强度分布的曲线图，图12的(b)部分为示出根据施加在图11中的C地点的因解调光纤而衰减的信号光的光谱及波长的光强度分布的曲线图。

在图11的实施例中适用了在1530～1560nm波长范围内输出强度为平坦的光源、在上述波长范围内插入损耗为规定的第二光耦合器13以及在上述波长范围内耦合器比率为50：50的规定范围的第一光耦合器31。

参照图11，从光源部10射出的输入光在感测部20的光纤布拉格光栅被反射，并通过光耦合器31向两个光输出线分离，一侧经过第一检测部33以及另一侧经过解调光纤32行进至第二检测部34。

然后参照图12，根据外部环境的变化而在光纤布拉格光栅反射的并产生的光信号会改换共振波长，与在第二检测部34检测出的光强度斜率曲线图一同，在图12的(b)部分示出经过具有如图10所示的光学特性地解调光纤后的被衰减的信号光的光谱。即，解调光纤的光衰减大小根据波长进行线性变化，因此在第二检测部34检测出的光强度也进行线性变化。相反地，在向第一检测部行进的基准光的情况下，由于未经过解调光纤32而不产生光衰减，如图12的(a)部分所述，若去除常规的噪音或误差，则检测出不依赖于波长的规定的光强度。

然后，若对如上所述的在第一检测部检测出的基准光地光强度和在第二检测部检测出的被衰减的信号光的光强度进行比较，则可导出信号光的波长。因此，在第一检测部33及第二检测部34检测并比较所传输的光的强度，从而可检测出由感测部产生的信号光的所变化的波长，由此可最终导出变化后的物理量。

图13至图16为简要示出本发明的还有一实施例的光纤传感器系统的图。与图11相比，在图13中说明的光纤传感器系统具有无第一光耦合器且在第二光耦合器13直接连接第一检测部33及解调光纤32的结构，但其余的光纤传感器系统结构及物理量测量方式与图11的情况相同。即，在图11的情况下，在第一光耦合器31将由感测部20产生的光信号分成两个，并将其中的一部分作为基准光使用，相反地，在图13中，通过第二光耦合器13将从光源部10传输的输入光的一部分作为基准光直接接收，并在第一检测部33检测光强度。为了使基准光的强度衰减，在第一检测部33之前，可配置无波长依赖特性的光衰减器36。在这种情况下，由于不使用第一光耦合器，因此存在使系统结构简单以及减低单价的优点。除此之外地，使用解调光纤32的检测部结构、检测及分析信号的方法与图11一同说明的实施例相同。

图14为简要示出本发明还有一实施例的光纤传感器系统的图。与图11相比，在图14的情况下，在光源部10输出的输入光不经过第二光耦合器13而直接传输至感测部20。然后，在感测部20产生的光信号由第一光耦合器31分成两个，其中的一部分作为基准光使用，并由第一检测部33检测出光强度，另一部分作为信号光使用，并经过解调光纤32由第二检测部34检测出。通过使用解调光纤32来对在感测部20产生的光信号进行测量及分析的测量部30结构及方法与在图11说明的实施例相同。

在与图11一同说明的感测部20的情况下，作为制备与在光源部10输出的输入光的射出方向相反的光信号的情况，作为适合于这种感测部的光器件，可例举基于光纤布拉格光栅、受激布里渊散射的光器件。相反地，在图14说明的感测部20的情况下，作为制备与输入光的射出方向相同的光信号，适合于这种感测用光器件的光器件可以为利用长周期光纤光栅、法布里-珀罗滤波器、喇曼散射、相干反斯托克斯-拉曼散射、光参量产生、和频产生(DFG：SHG，THG)、差频产生、四波混频过程等的光器件。根据需要，如图14所示，在感测部20周围可使用用于保护光源部的光隔离器12及仅使在感测部产生的光信号通过的通带滤波器16。

图15为简要示出本发明的再一实施例的光纤传感器系统的图。上述光纤传感器系统具有在互不相同的波长中运行的多个感测部20-1、20-2、20-3、……，因此可使用于波分复用(WDM)测量及利用其的分散型传感系统领域。在图15中公开的传感器系统由在互不相同的波长11、12、13、……运行的感测部20-1、20-2、20-3、……、第二光耦合器13-1、13-2、13-3、……、测量部30-1、30-2、30-3、……组构成。更详细地，在光源部10产生的输入光经过第二光耦合器13-1、13-2、13-3、……传输至感测部20-1、20-2、20-3、……，并且在上述各感测部产生在互不相同的共振波长11、12、13、……向受到外部环境的影响的光信号。并且，各个第一光耦合器仅将在与其相对应的感测部产生光信号传输至各个测量部30-1、30-2、30-3、……，由此检测及分析光信号。优选地，由于将多个波长使用于测量工序，因此使用于图15的传感器系统的光源部10的特性具有脑阔上述所有波长λ1、λ2、λ3、……的充分宽度的光带。为了实现多重测量而结合多个在图11中说明的个别光纤传感器系统的形态或者通过使用解调光纤来检测及分析在各感测部产生的光信号的基本多重测量部的结构及方法与在图11中说明的实施例相同。

图16为简要示出本发明再一实施例的光纤传感器系统的图。上述光纤传感器系统具有以相隔规定距离L1、L2、L3、……的方式形成的多个感测部20-4、20-5、20-6、……，因此可使用于时分复用(TDM)测量及利用其的分散型传感系统领域。在到达测量部30而被检测之前，在各感测部产生的光信号经过互不相同的长度的光路，因此以互不相同的时间间距被测量，从而可利用上述时间间距来相互区分在各感测部检测出的物理量，由此进行测量。

为此，优选地，图16的光源部10为以脉冲结构驱动的光源，并且检测部33、34能够以测量上述光源的方式构成。为了实现多重测量而结合多个在图11中说明的个别光纤传感器系统的形态或者通过使用解调光纤来对在各感测部产生的光信号进行测量及分析的基本测量部的结构及方法与在图11中说明的实施例相同。

图20为简要示出本发明再一实施例的光纤传感器系统的图。如图15所示的传感器系统，上述光纤传感器系统具有在互不相同的波长中运行的多个感测部20-1、20-2、20-3、……，从而可使用于波分复用测量及利用其的分散型传感系统领域。上述传感器系统由在互不相同的波长11、12、13、……中运行的感测部20-1、20-2、20-3、……及测量部30-1、30-2、30-3、……组构成。

与图15中所示的传感器系统不同的是，为了分配在感测部产生的信号光，将多个第二光耦合器替换成第二光耦合器13及波分器件37来使用的方面。作为上述波分器件37，可使用阵列波导光栅(arrayed waveguide grating，AWG)、平面中阶梯光栅(planar Echelle grating)、空间外差光谱仪(spatial heterodyne spectrometer)等。更详细地，在光源部10产生的输入光经过第二光耦合器13向感测部20-1、20-2、20-3、……传输，并且在上述各感测部产生在互不相同的共振波长11、12、13、……受到外部环境影响的光信号。

然后，在多个感测部产生的光信号根据波长传输至分别对应的测量部30-1、30-2、30-3、……，并由波分器件37检测及分析光信号。在图20所示的传感器系统的情况下，与图15所示的相比，具有可使系统大小小型化的优点。在图20说明的根据波分复用化的光纤传感器系统的情况下，也与图15的情况相同，由此通过使用解调光纤来对在各感测部产生的光信号进行测量及分析的基本测量部的结构及方法与图11一同说明实施例相同。

与图11一同揭示的实施例相比不同的是，在图21中说明的光纤传感器系统代替图11的两个检测部33、34而由一个检测部33及光开关38，除此之外，系统结构及物理量测量方式与图11的情况相同。接收光源部10的输入光并在感测部20产生的信号光经过第二光耦合器13及第一光耦合器31后，分别作为基准光及被衰减的信号光传输至B地点及C地点。

然后，通过光开关38按规定时间周期使基准光及被衰减的信号光的光强度由相同的检测部33检测，并对在分析部35按规定间隔检测出的上述基准光及被衰减的信号光的强度进行比较，由此计算物理量。根据需要，如图4b及图13所示，为了使基准光或信号光的强度衰减，可在第二光耦合器与检测部33之间的光路上配置光衰减器36。若利用在图21说明的方法，则可明显地减少图15及图20中的因波分复用化而需要的多个光耦合器及检测部的数量，从而具有可降低传感器系统结构费用的优点。

图22为简要示出本发明再一实施例的光纤传感器系统的图。与图4b及图11相比，在图22的情况下，用于产生信号光的感测部20-7并未通过光纤与第二光耦合器13相连接，而是以中间隔着由气体或液体形成的规定间距的自由空间40的方式形成。

更详细地，在图22揭示的传感器系统的情况下，在光源部10输出的输入光经过第二光耦合器13后，通过与上述第二光耦合器13相连接的收发用光器件39向感测部20-7侧射出。然后，输入光在经过规定间距的自由空间40后到达至感测部20-7，并在上述感测部20-7产生信号光。所产生的上述信号光重新经过自由空间40后，经过收发用光器件39到达至第二光耦合器，并由与上述第二光耦合器相连接的第一光耦合器31分成两个，其中的一部分作为基准光使用，并由第一检测部33检测光强度，另一部分作为信号光使用，并在经过解调光纤32后，由第二检测部34检测。

通过使用解调光纤32来对在感测部20-7产生的光信号进行测量及分析的测量部30的结构及方法与图4b及图11中说明的实施例相同。并且，作为用于获得基准光的方法，代替图4b及图11中揭示的结构，可利用在图13说明的传感器系统结构。图22中的上述收发用光器件39可通过具有向感测部20-7传输输入光的输出部功能和接收在感测部20-7产生的信号光并向第二光耦合器13侧进行传输的收光部功能，从而可由单个至多个光学镜头构成。并且，上述收发用光器件39可以为渐变折射率(GRIN)镜头或热膨胀芯(Thermally expended core，TEC)光纤器件等构成光纤型准直器(collimator)。并且，上述收发用光器件39为了增大输出及收光效率可具有扩增所输出的输入光的直径的功能。

并且，在上述感测部20-7的体积大的情况下，上述收发用光器件39可具有改变朝向感测部20-7的输入光的方向的扫描功能。并且，可在光路上使用如图11所示地用于保护光源部10的光隔离器12及如图14所述地仅使在感测部产生的光信号通过的通带滤波器16。在上述感测部20-7产生的信号光可以为根据瑞利(Rayleigh)散射、米氏(Mie)散射、拉曼(Raman)散射、布里渊散射及多普勒效应等的光信号。上述感测部20-7可以为大气及海洋等的流体物质。可通过分布在这种流体物质内的黄沙、微尘、气溶胶(aerosol)及浮游生物等的超细物质的特性来使上述信号光的中心波长等的光学特性发生变化，并且利用光纤传感器系统来测量这种信号光的特性变化，因此可分析上述感测部20-7的特性变化，例如，大气及海洋等的流向及存在于流体物质内的上述超细物质的分布特性。

作为再一实施例，可通过复合结合图4a、4b、11、13、14、16、18a、18b、19、21中说明的光纤传感器系统结构、图15及图20中说明的波分复用结构以及图16中说明的时分复用结构来构成光纤传感器系统。

即，实施例的光学特性测量装置及利用其的光纤传感器系统与现有的相比，作为可更简单地连接解调光纤的结构，测量部无须针对内部部件的光学校直，并且具有不受振动、压力、温度等外部环境的影响的特性。并且，在结构方面单纯且系统制备简单，因此可明显地降低单价，并且，若本发明的光纤传感器系统利用上述实施例中说明的基本测量结构及原理，则除了在上述实施例中说明的结构以外，还能够以多种结构制备。

图17为示出利用本发明的多种实施例的光纤传感器系统来测量光学特性的方法的流程图。参照图17，对实施例的光学特性的测量方法进行说明。

首先，从光源部下马关感测部射出具有规定的波长的输入光。上述感测部能够以包括光纤布拉格光栅的方式由多种光器件构成，并且由感测用光器件基于从光源传输的输入光产生信号光(光信号)。然后，根据外部环境的变化，即，根据施加在感测部的物理量变化(S1)使感测部受到影响，由此使在感测部产生的信号光的中心波长进行移动(S2)。

为了测量根据施加在感测部的物理量而移动的信号光的波长，使信号光的一部分向设置于测量部的作为测量部光纤的解调光纤进行传输。在上述解调光纤中光吸收特性根据波长呈现线性，因此若信号光经过上述上述解调光纤，则根据上述信号光的波长改变光强度(S3)。然后，进过解调并根据波长受到其它衰减的信号光的光强度与未经过解调光纤的基准光的光强度一同在检测部检测(S4)。

可通过比较在检测部检测出的基准光和信号光的光强度来在分析部导出信号光的波长，最终可基于所导出的信号光的波长来导出根据温度、应变(变形)、弯曲(bending)、扭曲(torsion)、压力、折射率、浓度等外部环境变化而施加在感测部的物理量(S5)。

以上，以本发明的优选实施例为中心对本发明进行了说明，但上述优选实施例仅用于例示，并不用于限制本发明，只要是本发明所属技术领域的普通技术人员，则可在未脱离本发明的本质上的特性的范围内实现以上未进行例示的多种变形和引用。例如，可通过变更在本发明的实施例具体说明的个结构要素来实施。而且，需要理解的是，与这些变形和引用相关的差异也包含在所附的发明要求保护范围中规定的本发明的范围。

本发明可适用于分析光器件用光学特性的光纤传感器，从而具有产业上的可利用性。