JP2000502438A - センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 物質センサはコア（１）と、低い屈折率を有するクラディング（２）とを有する光ファイバ具備している。クラディングの層（４）はセンサ材料（３）とコア（１）との間に残留している。層（４）の厚さ（ｔ）は十分に小さく、センサ材料（３）は光放射がコア（１）を通って誘導されるときクラディング（２）内で生じるエバネセント波内に位置する。センサ材料（３）の屈折率はクラディング（２）の屈折率の両側に位置する範囲にわたって感知される物質の存在によって変化する。屈折率がクラディングの屈折率よりも低いとき、センサ材料は放射に関する限りクラディング（２）と類似して動作する。反対に、屈折率がクラディング（２）の屈折率よりも高いとき、センサ材料（３）は幾らかの放射を結合して取出し、ファイバの透過度を減少させる。センサ材料はポリエチレン酸化物であってもよく、この場合装置は湿式センサとして動作する。

Description

【発明の詳細な説明】 センサ装置 本発明は、所定の波長を有する光放射に対して透過性の材料のコアと、コアを 取り囲み、所定の波長においてコアの隣接表面の屈折率よりも小さい屈折率を有 する材料からなるクラディングとを具備した光導波体を有するセンサ装置に関し 、この装置はその内部に所定の１つまたは複数の物質を吸収することができるセ ンサ材料を含み、このセンサ材料は吸収した物質の量に依存した屈折率を有し、 センサ材料は少なくともその屈折率が、吸収した物質の第１の量に対応する第１ の値を有するとき、コアから所定の波長を有する放射を結合して取出し、それに よって所定の波長を有する放射に関する導波体の透過度を減少することができる ようにコアに十分に近接して位置されている。 一般的な種類の装置が例えば米国特許第4634856 号明細書から知られている。 この既知の装置は湿気を感知するためのものであり、クラディング材料により包 囲されている光ファイバコアを具備する。クラディング材料はその水蒸気含有量 即ち湿気の関数である屈折率を有し、焼結体または多孔性プラスティックにより 構成されてもよい。それ故、既知の装置ではセンサ材料とクラディング材料は１ つの同一のものである。乾燥しているプラスティックの屈折率は水の屈折率より も小さく実効的な屈折率は、水蒸気含有量の増加と共にコアの屈折率の方向へ増 加することが明らかである。光信号はファイバを通って１端部にある光源から他 方の端部にある検出器装置へ伝送される。水蒸気含有量を増加によって生じるコ アの屈折率に近付くクラディングの屈折率の増加によってコア中におけるモード パワー分布の変化が生じ、したがって検出装置により受信される光信号の減衰を 生じる。これを行うため、ファイバは多モード導波体として動作することが明白 である。上記明細書はファイバの長さを全体の光信号損失の情報が光学的時間ド メイン反射計（ＯＴＤＲ）により得られることが記載されている。したがって、 この水蒸気含有量は監視される実在の領域付近かまたはそれに沿って配置されて いる細長い光ファイバの長さ全体に沿った任意の点で測定できる。湿気測定は所 望位置で監視するため多数の個々の光ファイバを含んでいる１つの光ファイバケ ーブルに沿った多数の点で行なわれる。 通信ネットワークで信号を伝送するために単一モードの光ファイバの使用が増 加している。多ファイバケーブルは便宜的に使用され、便利な“スプリッタ”ノ ードにより個々のファイバとの結合が行われる。 特に個々のファイバはしばしば“分割”され、即ち、２以上の他の光ファイバ に結合され、それによって１つのファイバにより伝送された信号は２以上の他の ファイバへ供給される。分割は多くは“溶融ファイバ”カプラの形態をとる光カ プラとして知られる装置によって行われる。その名の通り、溶融ファイバカプラ は（熱作用および一般に張力作用下で）２以上のファイバを溶融することにより 製造される。このようなカプラは湿気に敏感である。いわゆる受動光ネットワー クＰＯＮはこのようなカプラを数多く使用する。まだ広く展開されていないが、 ＰＯＮは光カプラの使用範囲を広くし、これらのカプラはしばしばネットワーク 全体に分布される必要があり、即ち一般に、単なる路上キャビネットまたはアク セス点である分配点に位置する。このような位置では湿気の侵入を妨げることが 非常に困難である。 これらのノードの動作は湿気により劣化される傾向があるので、例えばノード を密封し、シリカゲルを詰めることによってこの危険性を最小限にする手段が採 られなければならない。そのようにしても、許容できないレベルにノード内の相 対湿度が上昇する危険性がなお存在する。これが生じたならば、許容できない劣 化が生じる前に状況を素早く検出して修理を行うことが強く要望される。 勿論、各ノードに多数の既知の湿度センサの１つを設け、それに照会し、また 必要ならば電気接続によって中央監視点からパワーを供給することができる。し かしながら、これは厄介で高価であり、湿度センサを必要とし、その湿度センサ は内部に含まれ、単一モード光ファイバを介して監視される。周囲の湿度がどう であってもファイバを通る信号の減衰が許容できない程に大きくならないように このようなセンサを構成することが可能であり、幾つかのこのようなセンサが同 一のファイバに沿って順次並んだ位置に含まれ、そのファイバを経て適切に監視 されることができることが好ましい。 本発明の目的は前述の必要性を満足させることである。 本発明によれば、冒頭の段落に記載されているセンサは、センサ材料がクラデ ィング材料内でコアの方向へ延在しているがクラディング材料によりコアから分 離され、クラディング材料はセンサ材料の屈折率の第１の値と、その第１の値よ りも低く、吸収された物質の第２の量に対応するセンサ材料の屈折率の第２の値 との中間値である屈折率を所定の波長において有している。 センサ材料がクラディング材料によりコアから分離されているので、コアを通 って伝送される放射に対する装置の挿入損失はセンサ材料の屈折率が第２の値を 有するときは小さい。さらに、センサ材料の屈折率が第１の値を有するとき、挿 入損失はセンサ材料とコアとの間の分離距離を適切に選択することにより特定の 状況に対して調節できる。 光導波体は所定の波長で単一モードの光導波体であることが好ましい。 装置が湿度センサ装置として動作することを要求されるならば、センサ材料は 親水性ポリマー、例えばポリエチレン酸化物であることが適切である。 装置を製造するため、光導波体は平らな表面を有する材料のブロック中に埋設 された光ファイバであってもよく、平らな表面の一部を形成するクラディングの 薄くされた部分の表面とセンサ材料とはこの平らな表面上に層として存在する。 本発明の実施形態を添付図面を参照して例示により説明する。 図１は第１の実施形態の縦断面図を示している。 図２は第２の実施形態の縦断面図を示している。 図３は図２の実施形態の部分的平面図である。 図４は１つの光伝送路内に連続して含まれている複数のセンサ装置を示してい る。 図１はクラディング２により取り囲まれているコア１を有する光ファイバの形 態の光導波体を縦方向に切断した断面図である。コア１は例えば光学的時間ドメ イン反射計（図示せず）からの光信号を伝送する。通常の方法で、コア１の屈折 率Ｎ₁は光信号の波長においてクラディング２の屈折率Ｎ₂よりも高く、それによ って信号はコア１により導かれる。コア１の断面は円形であり、その直径ｄは導 波体が光信号の波長において単一モードの導波体であるように十分小さいことが 好ましい。 示されている導波体の部分は湿度センサとして作用する。そのために、センサ 材料３は通常のクラディング２内でコア１の方向へ延在する。センサ材料３はそ の中に水蒸気を吸収することができ、少なくともコア１により伝送される信号の 波長においてその屈折率Ｎ₃は吸収された水蒸気量に依存している。特に、材料 ３中の水の濃度が増加するとき、屈折率Ｎ₃は特定の濃度でＮ₃＝Ｎ₂になるよう にクラディング材料の屈折率Ｎ₂を含む値の範囲内で変動する。 材料３は外部からコア１の方向に延在するが、クラディング材料２の薄い層４ によりコアの材料から隔てられている。この層の厚さｔ、即ち材料３とコア１と の間隔はコアに隣接する材料３の一部がコア１により伝送された光信号によりク ラディング２内に生成されたエバネセント波内に位置するように十分に小さくさ れている。屈折率Ｎ₃がクラディング材料２の屈折率Ｎ₂以下である材料３の含水 濃度では、材料３はコア１により伝送される信号に関する限りクラディング材料 ２と類似した作用をする。しかしながら、Ｎ₃がＮ₂よりも大きい含水濃度では、 材料３はコア１からの幾らかの信号エネルギを結合して取出し、それによって導 波体の透過度を減少させる。この透過度の減少は、例えば導波体の１端部に位置 し、他方の端部に位置する光源（図示せず）から導波体により伝送される光放射 を受信する光放射検出器（図示せず）により感知され、或いは導波体の１端部に 位置して光放射パルスを導波体へ送信し、材料３によりエネルギが結合して取出 されることにより生じる背面散乱された放射を検出する光学的時間ドメイン反射 計より感知されることができる。 屈折率がクラディング材料２の屈折率よりも高い相対湿度で材料３により結合 して取出されるエネルギ量は層４の厚さｔに非常に依存している。したがって、 これらの濃度で生じる導波体１，２の透過度の減少は適切に厚さｔを選択するこ とにより特定の状況に適合するように選択できる。例えば、図１で示されている ようにただ１つのセンサが所定の光ファイバに沿って設けられたならば、透過度 の減少が大きくなるように選択するために、即ち最大の感度を実現するように非 常に小さい値のｔを選択することが適切であろう。他方で、幾つかのこのような センサが同一のファイバに沿って連続的な位置に設けられているならば、１個の センサにより生じる透過度の大きな減少が、ファイバを介した他のセンサによる 監視を妨げやすい。このような状況では、透過度の比較的小さい減少、即ち比較 的大きな値のｔを選択することが適切であろう。 図１から、クラディング２はコア１に隣接する領域で、導波体またはファイバ の長さに沿って連続していることが留意されよう。これはセンサ材料３の屈折率 がクラディング材料２の屈折率以下である状況において、センサ材料３の存在に よって生じる損失を非常に低く維持することを可能にする。 図１で示されている構造は製造するのにやや実際的ではないので、好ましい構 造を図２と３を参照して説明する。図２および３では、図１と対応する部分には 同一の参照符号が与えられている。 図１に類似している図２および３のセンサ装置は図２では縦断面図で示されて いる。このセンサ装置もコア１とクラディング２とを有する光ファイバを具備し ている。しかしながら、ファイバ１、２は適切な接着剤５、例えば熱硬化エポキ シ樹脂により、水晶ブロック６の上面に切り込んだ溝中に保持されており、セン サ材料３を除いて示された図３の装置の平面図も参照される。溝はブロック６の 中心から端部方向へ進むにしたがって深くなり、それによってファイバ１、２は この実施形態では直線ではなく湾曲されている（図２では湾曲は非常に誇張され ている）。ブロック６、接着剤５、および埋設されたファイバ１、２のアセンブ リの上面は研磨されて、それによりブロック６の中心部におけるファイバ１、２ のクラディング２の部分７はこの領域のクラディングの層４がより薄くされてい る。層４が必要な厚さになるまで研磨は継続される。結合して取出されるエネル ギが層４の厚さｔに依存していることについて図１を引用した前述の説明が参照 される（この点で、いわゆるＤファイバ、即ち円形対称的ではないＤ字形状の断 面形状で製造され、そのコアが平らな表面に近接して位置されているファイバが このような '研磨された'ファイバの代わりに使用されてもよいことに留意され たい）。所望の厚さの層４が一度得られると、センサ材料３の層はブロック６、 ファイバ１、２、接着剤５のアセンブリの上面全体を覆って設けられる。材料３ はしたがってコア１の方向に '研磨'することなくクラディング材料２が占有す る空間内に延在するクラディング材料２によりコア１から再度分離されている。 図２および３を参照にして説明されたような構造で構成されている１例のセン サ装置では、コア１の材料はゲルマニアでドープされた溶融シリカであり、した がって屈折率は波長４３５ｎｍでクラディング２の屈折率よりも約０．３％大き かった。その直径は８μｍであった。クラディング２の材料は波長４３５ｎｍで 屈折率１．４３３を有する純粋な溶融シリカであった。その半径の厚さは５８. ５μｍであった。センサ材料３の厚さは領域７における本来のクラディングの厚 さを取戻すのに少なくとも十分な厚さであり、１００μｍの厚さが適切であるこ とが発見された。数百ミクロン程度のこのようなフィルムの厚さは、基本的なフ ァイバモードが結合されることができるセンサ材料層にほぼ連続的なモードのセ ットが存在することを意味している。 ファイバ１、２の曲率半径は２５ｃｍであった。水晶ブロック６の寸法は１０ ×１０×３０ｎｍであった。 使用されたセンサ材料３はポリエチレン酸化物（ＰＥＯ）であり、これは高い 親水性で、水蒸気に対する反応が可逆性である。これは溶解した状態でブロック ６／ファイバ１、２／接着剤５のアセンブリの上面にブラシで塗付され、乾燥さ れる。この材料は水蒸気を含んだときに膨張し、水蒸気を発散したときに収縮し 、屈折率をそれぞれ低下或いは上昇させる。相対的湿度が典型的に４０％から９ ０％まで変化するときポリエチレン酸化物材料の典型的な屈折率の範囲はｎ＝１ .５からｎ＝１．４である。それ故、相対的な湿度が増加すると、装置は光がフ ァイバからセンサ材料へ結合して取出されるセンサ材料の屈折率がクラディング 材料の屈折率よりも高い領域から、光がファイバから結合して取出されないセン サ材料の屈折率がクラディング材料の屈折率よりも低い領域へ通過することが当 業者に明白であろう。屈折率がクラディング材料２の屈折率に等しくなる相対的 湿度は室温で約８０％である（この値は所望ならばＰＥＯを適切なドープ剤でド ープすることにより変更されることができる。このような適切なドープ剤は塩化 コバルト等のイオン塩を含んでいるが、これはフィルムの劣化の問題を生じるこ とが発見されている）。 層４の厚さは、センサ材料３の屈折率がクラディング材料２の屈折率よりも大 きい状況（相対的湿度）でファイバ１、２により伝送される所定の波長の単一モ ード光放射の約５０％がセンサ材料３により結合して取出されるように選択され た（この５０％の数字は波長１．３μで生じ、ファイバ中の光のモードフィール ド直径の対応した増加により波長が増加することにより増加する）。層４の厚さ は工程においてブロック６／ファイバ１、２／接着剤５のアセンブリの上面を研 磨し、各工程の後にアセンブリの特性を試験することにより得られた。使用され た試験方法はいわゆる“液体滴下（liquid drop）”方法であり、この詳細はDig onnet氏による文献“Measurement of the Core Proximity in Polished FibreSu bstrates and Couplers”、Optics Letters、10（1985年）、463-5 頁を参照す る。この方法は基本的に、適切な屈折率（クラディングの屈折率よりも高い）の 液体が露出されたファイバに与えられた時のファイバ１、２中の伝送損失の測定 からなる。 それぞれ図２および３を参照して説明されているような幾つかのセンサ装置が 図４に示されているように１つの光ファイバ伝送路中に連続的に含まれてもよい 。図４ではセンサ装置８が単一モードの光ファイバ９により形成されている単一 の伝送路中に直列的に含まれている。ファイバ９はセンサ装置８が必要とされる 各位置で切断され、したがって各位置で生成された２つのファイバ端部はそのセ ンサ装置のファイバ１、２のそれぞれの端部へスプライス接合される。光試験信 号をファイバ９中へ発射しそれに応答してファイバ９から受信された信号を解析 するために装置８はファイバ９の１端部に置かれた光学的時間ドメイン反射計10 により照会される。 この装置および、特にポリエチレン酸化物のようなセンサ材料を使用すること は、全てのセンサが '安全'またはむしろ 'ドライ（乾燥）'状態であるとき、シ ステムがパワーの供給限度について最悪の場合に動作するという利点を有するこ とに気付くと思われる。少なくとも１つのセンサが適切なしきい値相対湿度レベ ルを検出する場合のようなこの状態からの変化は、ファイバからの光損失全体を 低下させる。これは直列アレイの端部方向に向かってセンサを '曖昧にする'危 険性を減少する。特許請求の範囲に記載された本発明の技術的範囲内で前述の実 施例に対して多くの変形が行えることは明らかである。例えば、センサ材料３は ポリエチレン酸化物以外のものでもよく、例えばゼラチンまたはポリビニルアル コールであってもよい。本発明によるセンサ装置はセンサ材料３が適切に選 択されるならば、水蒸気以外の物質を感知するために使用されることができる。 これに関しては、Ronoto氏他の文献“Detection of chemical vapours with as pecifically coated optical-fibre sensor”、Sensors and Actuators B、II、 （1993年）、375〜381 頁を参照することができ、屈折率が所定の化学物質の蒸 気の存在により変化するセンサ材料の説明がされている。 説明した実施形態に対する変形として、さらに別の材料の薄い層がクラディン グ材料の薄い層４とセンサ材料３との間に設けられてもよい。このような場合、 感知される１つまたは複数の物質を吸収するときの材料３の屈折率の変化はこの さらに別の材料と単なる '古い'クラディング材料の屈折率ではなく '古い'クラ ディング材料との組合わせから形成された新しい '実効的な'クラディング材料 の '実効的な'屈折率を含んだ範囲をカバーすることができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ボーナス、デイビッド・カッソン イギリス国、イーエイチ14・４エーエス、 エジンバラ、リッカートン（番地なし）、 ヘリオット−ワット・ユニバーシティー、 デパートメント・オブ・フィジックス内 (72)発明者 バートン、ジェイムズ・スティーブン イギリス国、イーエイチ14・４エーエス、 エジンバラ、リッカートン（番地なし）、 ヘリオット−ワット・ユニバーシティー、 デパートメント・オブ・フィジックス内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）所定の波長を有する光放射に対して透過性の材料のコアと、コアを包囲し 、所定の波長においてコアの屈折率よりも小さい屈折率を有する材料からなるク ラディングとを具備している光導波体を有するセンサ装置であって、所定の１つ または複数の物質を吸収することができ、吸収した物質の量に依存した屈折率を 有するセンサ材料を含み、センサ材料は少なくともその屈折率が、吸収した物質 の第１の量に対応する第１の値を有するとき、光導波体からの所定の波長を有す る光放射を結合しそれによって所定の波長を有する光放射に対する導波体の透過 度を減少させることができるようにコアに十分に近接して位置されているがクラ ディング材料によりコアからは分離されているセンサ装置において、クラディン グ材料はセンサ材料の屈折率の前記第１の値と、その第１の値よりも低く、吸収 された物質の第２の量に対応するセンサ材料の屈折率の第２の値との中間値であ る所定の波長における屈折率を有することを特徴とするセンサ装置。 （２）光導波体は所定の波長において単一モードの光導波体である請求項１記載 の装置。 （３）センサ材料は親水性ポリマーであり、所定の物質は装置が湿気センサ装置 を構成するように水である請求項１または２記載の装置。 （４）親水性ポリマーがポリエチレン酸化物である請求項３記載の装置。 （５）光導波体が平らな表面を有する材料のブロック中に埋設されている光ファ イバであり、クラディングの薄くされた部分の表面は平らな表面の一部を形成し 、センサ材料は平らな表面上の層として設けられている請求項１乃至４のいずれ か１項記載の装置。 （６）センサ材料の層は少なくとも１００ミクロンの厚さを有する請求項５記載 の装置。 （７）所定の波長の光放射を導波体へ発射し、導波体から背面散乱されたこのよ うな放射を受けるために導波体に結合されている光学的時間ドメイン反射計が設 けられている請求項１乃至６のいずれか１項記載の装置。 （８）それぞれ請求項１乃至６のいずれか１項に記載されている複数のセンサ装 置を具備し、それら複数のセンサ装置は、所定の波長の光放射のための単一の伝 送路に連続して含まれている光導波体を有する多重センサ装置。 （９）所定の波長の光放射を伝送路へ発射し、伝送路から背面散乱されたこのよ うな放射を受けるために伝送路に結合された光学的時間ドメイン反射計が設けら れている請求項８記載の多重センサ装置。