JP2001208915A

JP2001208915A - 光ファイバケーブルおよび歪み測定方法

Info

Publication number: JP2001208915A
Application number: JP2000019479A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Genchi; 武士源地; Kazuo Imamura; 一雄今村
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 2000-01-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2001-08-03
Also published as: WO2001055672A1

Abstract

(57)【要約】【課題】高い距離分解能を持つ歪み測定が可能な光フ
ァイバケーブルを提供する。【解決手段】反射特性または透過特性の異なる複数種
類のファイバグレーティング２１を有する計測用心線２
０を少なくとも一つ備えた光ファイバケーブル１００で
ある。計測用心線２０には、第１波長の光を反射または
透過する第１ファイバグレーティングと、第１波長とは
異なる第２波長の光を反射または透過する第２ファイバ
グレーティングとが少なくとも形成されており、第２フ
ァイバグレーティングは、第１ファイバグレーティング
が形成されている位置から軸方向に沿って離れた位置に
形成されている。第１および第２ファイバグレーティン
グのそれぞれからの波長シフトによって、第１および第
２ファイバグレーティングのそれぞれの位置の歪み量が
モニターされる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光ファイバケーブ
ルおよび歪み測定方法に関する。特に、高分解能歪測定
に適した光ファイバケーブル、ならびに、この光ファイ
バケーブルを用いた歪み測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバに張力が印加され伸び歪が生
じていると、光ファイバは劣化してゆくため、光通信線
路の長期信頼性を確保するには、光ケーブルの製造時、
敷設時、および適用環境使用時の各段階において光ファ
イバの歪を正確に測定することが必要になる。従来、こ
のような歪を測定する方法としては、歪の発生に伴う光
信号遅延時間の変化を直接に時間軸上で測定する光パル
ス法や、正弦波変調信号の位相変化から歪を測定する位
相法が用いられていた。

【０００３】上記の歪測定方法によれば、歪を高い精度
で測定できるが、光ファイバの長手方向に沿って歪が不
均一に分布する場合は、長手方向に沿って平均化した歪
の値を検知することしかできなかった。光ファイバの強
度劣化は最大歪によって決定されるため、歪の平均値が
小さい場合であっても、局所的に大きな最大歪が発生し
ていると、その部分で光ファイバの劣化が大きく進行す
ることになる。このため、長手方向に平均した歪値だけ
を測定していたのでは、光ファイバの信頼性を充分に保
証することはできなくなる。

【０００４】そこで、歪分布を光ファイバの長手方向に
沿って測定する方法が提案されている。この方法は、音
波および周波数変換を伴う光波の非線形相互作用を分析
する技術と、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflecto
metry）に類似した時間領域測定技術とを融合させた方
法である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法では光パルス幅によって距離分解能（時間分解能）が
数メートル程度に限定されてしまうため、従来、数１０
ｃｍ程度以下の高分解能を達成することはできかった。
他方、光ファイバケーブル内に収納された光ファイバ心
線は、通常、数１０ｃｍ程度のピッチで螺旋状に撚られ
ている。このため、上記従来の測定方法によっては、光
ファイバに生じている最大歪を高い精度で測定すること
ができなかった。

【０００６】また、上記方法では、歪み計測分解能が低
く（約０．０１５％以上）、測定時間が比較的長い（５
分以上）という問題点もあった。さらに、上記方法に
は、特殊かつ高価な専用計測器が必要であるという問題
点もあった。

【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、その主な目的は、高い距離分解能を持つ歪み測定
が可能な光ファイバケーブルおよび歪み測定方法を提供
できることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による光ファイバ
ケーブルは、複数の光ファイバ心線を備えた光ファイバ
ケーブルであって、前記複数の光ファイバ心線のうちの
少なくとも一つは、反射特性または透過特性の異なる複
数種類のファイバグレーティングを有し、前記複数種類
のファイバグレーティングは、少なくとも、第１波長の
光を反射または透過する第１ファイバグレーティング
と、前記第１波長とは異なる第２波長の光を反射または
透過する第２ファイバグレーティングとを含んでおり、
前記第２ファイバグレーティングは、前記第１ファイバ
グレーティングが形成されている位置から軸方向に沿っ
て離れた位置に形成されており、前記第１ファイバグレ
ーティングおよび前記第２ファイバグレーティングのそ
れぞれからの波長シフトによって、前記第１ファイバグ
レーティングおよび前記第２ファイバグレーティングの
それぞれの位置の歪み量がモニターされる。これによ
り、上記目的を達成する。

【０００９】ある実施形態では、前記複数種類のファイ
バグレーティングを有する光ファイバ心線は、少なくと
も前記第１波長の光と前記第２波長の光とを含む測定光
と、前記測定光によって影響を受けずに通信可能な通信
光とを伝播する。

【００１０】前記複数の光ファイバ心線のうちの少なく
とも２つは、前記複数種類のファイバグレーティングを
有する光ファイバ心線であり、前記複数種類のファイバ
グレーティングを有する光ファイバ心線のそれぞれが含
んでいる前記第１ファイバグレーティングおよび前記第
２ファイバグレーティングは、前記複数の光ファイバ心
線を備えた光ファイバケーブルの中心軸を基準にして対
称に配置されていることが好ましい。

【００１１】本発明による歪み測定方法は、上記光ファ
イバケーブルに対して、前記第１波長の光および第２波
長の光を含む広帯域の光を入射する工程と、前記第１フ
ァイバグレーティングからの第１波長シフトおよび前記
第２ファイバグレーティングからの第２波長シフトをそ
れぞれ検出し、それによって前記第１ファイバグレーテ
ィングの位置における第１歪み量、および前記第２ファ
イバグレーティングの位置における第２歪み量を求める
工程とを包含する。

【００１２】本発明による他の歪み測定方法は、上記光
ファイバケーブルに対して、前記第１波長の光および第
２波長の光を含む広帯域の光を入射する工程と、前記光
ファイバケーブルの前記中心軸を基準にして対称に配置
された一対のファイバグレーティングの波長シフトの差
をとることによって、前記一対のファイバグレーティン
グの位置における歪み量を求める工程とを包含する。

【００１３】本発明の光ファイバケーブルは、複数種類
のファイバグレーティングを有し、これらの複数種類の
ファイバグレーティングのそれぞれは近距離間隔で配置
することができるため、従来技術よりも高い距離分解能
を持つ歪み測定が可能な光ファイバケーブルおよび歪み
測定方法を提供することができる。

【００１４】また、測定光と通信光とを光ファイバ心線
に伝播させる場合には、光ファイバケーブルに搭載する
全ての光ファイバ心線を通信用に使用することができ
る。測定光と通信光とを光ファイバ心線に伝播させる場
合、グレーティングの反射波長を通信波長帯外にするこ
とによって、通信光に影響を与えることなく測定光を通
信光と共に同一の光ファイバ心線に伝播させるようにす
ればよい。このようにすれば、通信光による通信が活線
状態のままで計測を行うことができ、光ファイバケーブ
ルに搭載する全ての光ファイバ心線を通信用に使用する
ことができる。さらに、光ファイバケーブルの中心軸を
基準にして同種類のファイバグレーティングを対称に配
置すると、それぞれのファイバグレーティングが反射ま
たは透過する光を比較することによって、光ファイバケ
ーブルの屈曲によるシフト量を感度良く検知することが
可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら、本発
明の実施形態を説明する。（実施形態１）図１から図１６を参照しながら、本発明
による実施形態１を説明する。まず、図１（ａ）および
（ｂ）を参照する。図１（ａ）は、本実施形態にかかる
光ファイバケーブル１００の断面を模式的に示してお
り、図１（ｂ）は、光ファイバケーブル１００に含まれ
るテープ状の光ファイバ心線（テープ心線）５０の断面
を模式的に示している。

【００１６】光ファイバケーブル１００は、テープスロ
ット型の光ファイバケーブルであり、外周にスロット
（溝）５５を有するスロットロッド６０と、スロット５
５内に重ねて収容されたテープ心線５０と、スロットロ
ッド６０を覆うシース（例えば、ＰＥシース）６４とを
有している。スロットロッド６０の中心には、光ファイ
バケーブルの強度を確保するためのテンションメンバ
（抗張力体）６２が配置されている。なお、本実施形態
では、テープスロット型の光ファイバケーブルを用いて
いるが、ストランド構造またはチューブ構造の光ファイ
バケーブルを用いることもできる。

【００１７】光ファイバケーブル１００に収容されたテ
ープ心線５０は、複数の光ファイバ心線を有している。
本実施形態では、テープ心線５０として、４心テープ心
線を用いている。テープ心線５０は、歪み計測用光ファ
イバ心線（以下、「計測用心線」と称する。）２０と光
ファイバ心線３０とを有しており、これらの光ファイバ
心線は、テープ被覆５２によって覆われている。本実施
形態では、計測用心線２０には、反射特性（または透過
特性）の異なる複数種類のファイバグレーティングが形
成されている。

【００１８】次に、図２を参照しながら、計測用心線２
０の詳細な説明をする。図２は、計測用心線２０の光フ
ァイバ素線部分を模式的に示しており、この光ファイバ
素線部分は、ファイバグレーティング２１が書き込まれ
たコア２２と、コア２２の周りに形成されたクラッド２
３とから構成されている。

【００１９】計測用心線２０のコア２２に書き込まれた
（形成された）グレーティング２１は、軸方向に沿って
コア２の屈折率が周期Λ（例えば０．３〜０．６μｍ）
で変化した短周期の屈折率変調構造を有している。この
周期Λとコア２１の平均屈折率とによって規定されるブ
ラッグ（Bragg）波長を持つ光がグレーティング２１に
よって選択的に反射されることになる。なお、本願明細
書において、ブラッグ波長を「反射ピーク波長」と呼ぶ
ことがある。

【００２０】上述のようにブラッグ波長は周期Λに依存
して変化するため、熱または外力などによって計測用心
線２０に歪みが発生すると、その歪みが発生している部
分における周期Λが無歪状態の値から変化（シフト）す
ることになる。この変化の大きさ（シフト量）は、ブラ
ッグ波長（反射ピーク波長）のシフト量として光学的に
観測できる。計測用心線２０には、反射特性の異なる複
数種類のファイバグレーティング２１のそれぞれが軸方
向に沿って離れた位置に形成されている。従って、各フ
ァイバグレーティング２１におけるシフト量を観測する
ことによって、各ファイバグレーティング２１の位置に
おける歪み量をモニターすることができる。すなわち、
各ファイバグレーティングの物理的状態の変化に起因し
て発生した反射ピーク波長のシフト量を検出することに
よって、長いファイバ上に生じた複数箇所における応力
等をセンシングすることが可能となる。

【００２１】次に、図３を参照しながら、計測用心線２
０の構成とグレーティング２１の作製方法とを説明す
る。図３に示すように、計測用心線２０は、グレーティ
ング２１が書き込まれるコア２２と、コア２２の周りに
形成されたクラッド２３と、クラッド２３の外表面を被
覆する被覆層２４とから構成されている。本実施形態で
用いるコア２２には、通常仕様の光ファイバのコアに含
まれているＧｅと同程度の濃度を有するＧｅがドープさ
れている。ここで、通常仕様の光ファイバとは、計測用
心線２０に接続される光ファイバ心線（例えば、通信用
途で光ファイバケーブル内に収容される一般的な光通信
用光ファイバ心線）のことである。このような光ファイ
バ心線のコアには、通常、比屈折率差が０．９％程度に
なる量のＧｅがドープされている。

【００２２】図示されている計測用心線２０のコア２２
には、光誘起屈折率変化を定常的に高めるためには、Ｇ
ｅに加えて、Ｓｎ、Ｓｎ及びＡl 、または、Ｓｎ，Ａ
ｌ及びＢのドーパントをコア２２にドープしておくこと
が好ましい。例えば、上記の通常仕様の光ファイバのコ
アと同量（比屈折率差が０．９％となる程度の量）のＧ
ｅに加え、濃度１００００ｐｐｍ以上、好ましくは濃度
１００００〜１５０００ｐｐｍのＳｎ、或いは、このよ
うな濃度のＳｎ及び濃度１０００ｐｐｍ以下のＡl等を
共ドープすればよい。このようなドープは、種々の公知
方法によって行えばよく、例えば液浸により行う場合に
は、上記ＧｅやＳｎの化合物（Ｓｎの場合、例えばＳｎ
Ｃｌ₂・２Ｈ₂Ｏ）をメチルアルコールと混合し、その溶
液の中に浸漬すればよい。

【００２３】被覆層２４は、コア２２及びクラッド２３
からなる光ファイバ素線の線引き工程に引き続いてシン
グルコート法によって、例えば、少なくとも３０μｍ程
度の膜厚になるように形成されたものである。なお、被
覆層２４を形成する材料（被覆剤）および被覆層１２の
厚さは、要求される条件に応じて適宜決定すればよい。
例えば、光ファイバ素線の弾性率（ヤング率Ｅ）、熱膨
張係数（線熱膨張係数α）、屈折率の温度係数（熱光学
係数ξ）、および被覆層の材料の弾性率（ヤング率）、
熱膨張係数（線熱膨張係数）などに基づいて決定するこ
とが好ましい。本実施形態で用いた計測用心線２０のパ
ラメータを下記表１に示す。

【００２４】

【表１】本実施形態では、被覆層２４の材料として、ある波長帯
域の紫外線（第１の紫外線）で硬化する特性と、他の波
長帯域の紫外線（第２の紫外線）を透過する特性の両方
を備えた樹脂を用いる。このような樹脂を本願明細書で
は「紫外線透過型紫外線硬化樹脂」と称することがあ
る。

【００２５】この紫外線透過型紫外線硬化樹脂は、グレ
ーティング２１の書き込みのためにコアに照射する特定
波長帯（例えば２４０ｎｍ〜２７０ｎｍの波長帯）の紫
外線を少なくとも透過させる（好ましくは、この紫外線
を殆ど吸収せずに透過させる）一方で、上記特定波長帯
よりも短い波長または長い波長の紫外線を吸収して硬化
反応を生じさせる。つまり、同じ樹脂ではあるが、波長
によって紫外線吸収特性が異なり、特定波長帯では紫外
線透過型である一方、上記特定波長帯よりも短い波長域
または長い波長域では紫外線硬化型であるような樹脂を
用いて被覆層２４を形成することになる。

【００２６】本実施形態では、ウレタン系アクリレート
もしくはエポキシ系アクリレートに対し、例えば２４０
ｎｍよりも短い波長域または２７０ｎｍよりも長い波長
域の紫外線を受けて硬化反応を開始・促進させるような
光開始剤（フォトイニシエータ）を配合した樹脂を「紫
外線透過型紫外線硬化樹脂」として用いる。

【００２７】このような樹脂の層で光ファイバの外周面
を被覆した後、まず、その被覆層に対して第１の紫外線
を照射し、被覆層２４を硬化する。

【００２８】硬化した被覆層２４によって被覆された状
態の光ファイバ心線に対して第２の紫外線を照射する前
に、コア２２に対して水素充填を行うことが光誘起屈折
率変化を高める上で好ましい。従って、本実施形態で
は、この高圧水素充填を行う。具体的には、光ファイバ
心線１を水素が充填された密閉容器内に入れ、室温状態
でほぼ２０ＭＰａの圧力下で約２週間放置すればよい。

【００２９】次に、光ファイバ心線の外側、つまり、被
覆層２４の外側から第２の紫外線を照射することにより
コア２２に対しグレーティング２１の書き込みを行う。
グレーティング２１の書き込みは、周知の種々の方法を
採用して行えばよく、例えば位相マスク法により行う場
合には、計測用心線２０となる光ファイバ心線の側方直
前に格子状の位相マスク２５を配設し、この位相マスク
２５に対しＮｄ−ＹＡＧレーザ源から例えばその４倍波
長（４ω）である２６６ｎｍのコヒーレント紫外レーザ
光をシリンドリカルレンズ系２６により集光した状態で
照射すればよい。これにより、上記紫外レーザ光が位相
マスク２５及び被覆層２４を透過し、コア２２に対し位
相マスク２５の格子ピッチに対応したグレーティングピ
ッチの部分の屈折率が増大されてブラッググレーティン
グ２１が書き込まれることになる。第２の紫外線の波長
は、例えば１５０〜４００ｎｍであり、照射エネルギー
は０．１〜１０ｋＪ／ｃｍ²である。

【００３０】本実施形態では、図２または図３に示す構
造のファイバグレーティング２１をひとつのコア２２内
に、軸方向に沿って間隔を置きながら、複数個形成す
る。例えば、長さ５〜２０ｍｍの短周期ファイバグレー
ティングを５０ｍｍ間隔で２０個以上形成する。このと
き、各ファイバグレーティングの反射率を４〜５％程度
あるいはそれ以上とし、また、反射される光の中心波長
を僅かずつ（例えば０．５ｎｍ間隔で）シフトさせる。
このようなファイバグレーティングを一本のファイバ心
線に書き込むには、例えば、一種類の位相マスク２５お
よび紫外線を用いながら、一本のファイバ心線に印加す
る張力を段階的に変化させながらグレーティングの書き
込みを行えばよい。グレーティング書き込み時の張力が
異なることによって、たとえ書き込み時の格子間隔が一
定でも張力開放時における各グレーティングの格子間隔
が相互に変化することになる。

【００３１】図４に示すように、計測用心線２０となる
光ファイバ心線に張力を印加した状態で、位相マスク２
５を介して掃引照射をすることによってグレーティング
２１の書き込みを行った。掃引照射は反射ミラー２７を
移動させることによって行った。本実施形態では、被覆
層２４を除去することなくグレーティング２１の書き込
みを行っているので、機械的強度が低下していない高強
度の光ファイバ心線（計測用心線２０）を作製すること
ができる。グレーティング２１が書き込まれる光ファイ
バ心線（被照射ファイバ）２０には、カプラ３３を介し
て広帯域光源３１および分光器３２を結合し、反射光波
形を観察するしながら、グレーティング２１の書き込み
を行った。広帯域光源３１として、スーパールミネッセ
ンスダイオード光源（ＳＬＤ光源）を用いた。光源３１
とカプラ３３との間には光アイソレータ３４を配置し
た。分光器３２として、例えば分解能が０．１ｎｍ以下
の赤外波長領域の分光器を用いることができる。

【００３２】被照射ファイバ２０の張力は、図５に示す
ように、固定ドラム３５および回転ドラム（張力付与ド
ラム）３６を用いて印加し、印加する張力量は、回転ド
ラム３６の回転角度を制御することによって設定した。
具体的には、被照射ファイバ２０を固定ドラム３５およ
び回転ドラム３６のそれぞれに巻き付けて固定した後、
回転ドラム３６に接続されたステッピングモータ（不図
示）を駆動することによって回転ドラム３６を回転さ
せ、設定した張力を被照射ファイバ２０に印加した。本
実施形態では、２０段階の張力設定を行い、同一の被照
射ファイバ２０に反射波長の異なるグレーティング２１
を同一マスクで５０ｍｍ間隔にて連続して作製した。

【００３３】図６（ａ）に、作製した計測用心線２０を
模式的に示し、図６（ｂ）に、計測用心線２０の反射特
性を示す。計測用心線２０には、約０．８２ｎｍ間隔で
反射波長の異なるグレーティング２１が２０個形成され
ている。グレーティング２１同士の間隔ｄが５０ｍｍと
いう近接した距離間隔で複数種類のグレーティングが一
本の被照射ファイバ２０に配置されている。図６（ｂ）
からわかるように、各グレーティング２１の反射特性
は、良好に制御されている。

【００３４】図７は、グレーティング２１作製時および
張力解放後における各グレーティング２１の反射ピーク
波長（反射特性）を示している。図７から、回転ドラム
（張力付与ドラム）３６の回転量によって、張力解放後
の反射ピーク波長を線形に制御できることがわかる。す
なわち、被照射ファイバ２０の伸び量によって、グレー
ティング２１の反射波長を線形に制御することができ
る。また、グレーティング２１作製時の反射波長変化か
ら、張力印加に伴う高弾性効果によるコア部の低屈折率
化を確認できる。本実施形態では、最大約１．４％の伸
びを被照射ファイバに与えることによって、約１７ｎｍ
の短波長化を行うことができた。

【００３５】図８に、被照射ファイバ２０に印加された
張力量の指標となる照射時反射波長と張力解放後反射波
長との関係を示す。図８からわかるように、極めて良好
な線形性が確認できる。従って、被照射ファイバ２０に
印可する張力量を制御することによって高精度な波長設
定が可能であることが理解できる。

【００３６】次に、図９を参照しながら、計測用心線２
０を含む光ファイバケーブル１００用いて歪み分布（ま
たは応力分布）が測定できることの基本的原理を説明す
る。

【００３７】光ファイバケーブル１００に含まれる計測
用心線２０は、ｎ個（ｎは２以上の整数）のファイバグ
レーティングＦＢＧ₁〜ＦＢＧ_nを有している。この例で
は、計測用心線２０は、カプラ３３を介して広帯域光源
３１および分光器３２が結合されている。広帯域光源３
１、分光器３２およびカプラ３３は、光学測定系４０を
構成している。本実施形態では、上述したように広帯域
光源３１として、例えばスーパールミネッセンスダイオ
ード光源（ＳＬＤ光源）を用いることができ、また、分
光器３２として、例えば分解能が０．１ｎｍ以下の赤外
波長領域の分光器を用いることができる。

【００３８】まず、広帯域光源３１から出た広帯域光
（測定光）は、カプラ３３を経て計測用心線２０に入射
する。この広帯域光は、まず、ファイバグレーティング
ＦＢＧ１に入射する。入射した広帯域光のうち、ファイ
バグレーティングＦＢＧ１の周期Λ１で決まる反射ピー
ク波長λ１の光が選択的に左方へ反射される。波長λ１
の反射光はカプラ３３を介して分光器３２に入射する。
光ファイバ心線１の上方には透過光スペクトルが模式的
に示され、計測用心線２０の下方には反射光スペクトル
が模式的に示されている。

【００３９】第１ファイバグレーティングＦＢＧ１に入
射した広帯域光のうち、ファイバグレーティングＦＢＧ
１で反射されなかった帯域成分は、次のファイバグレー
ティングＦＢＧ２に入射する。ここで同様に、第２ファ
イバグレーティングＦＢＧ２の周期Λ２で決まる反射ピ
ーク波長λ２の光が選択的に左方へ反射され、波長λ２
の反射光はカプラ３３を介して分光器３２に入射するこ
とになる。

【００４０】なお、図９に示す構成例では、ファイバグ
レーティングＦＢＧ１〜ＦＢＧｎの反射ピーク波長λ１
〜λｎが、計測用心線２０の入射端側から遠ざかるにつ
れて大きくなるようにファイバグレーティングＦＢＧ１
〜ＦＢＧｎが作製されている。すなわち、λ１＜λ２＜
・・・λ_n-1＜λｎの関係が成立している。

【００４１】この例において、例えば、反射ピーク波長
λ３のファイバグレーティングＦＢＧ３に応力が付与さ
れた場合、この応力によってファイバに歪みが生じ、そ
の結果、ＦＢＧ３の反射ピーク波長は、λ３から（λ３
＋Δλ）に変化する。この波長シフト量Δλを計測する
ことによって、ＦＢＧ３の位置での歪み量をモニターす
ることができ、ＦＢＧ３の位置に付与された応力を測定
することが可能となる。ＦＢＧ３について説明したが、
ＦＢＧ１〜ＦＢＧｎについても同様に各位置の歪みや応
力を測定することができる。従って、距離分解能を上げ
るには、ファイバグレーティングの間隔ｄを小さくすれ
ばよく、測定点数を多くするには、計測用心線２０に形
成するファイバグレーティング２１の数（設定波長数）
を多くすればよい。なお、波長シフト量と歪み（または
応力）との関係は、事前に、その対応関係を測定し、記
録しておけばよい。

【００４２】図１０は、図１に示した光ファイバケーブ
ル１００の計測用心線２０を光学測定系４０に接続した
構成を模式的に示しており、光ファイバケーブル１００
は、曲げ半径Ｒで屈曲されている。本実施形態で用いた
光ファイバケーブル１００の外径は１３ｍｍであり、ス
ロット周期は５００ｍｍである。図１に示すように光フ
ァイバケーブル１００のスロット５５内の最外層となる
ように、計測用心線２０を含む４心テープ心線５０をス
ロット５５内に収納している。テープ心線５０内におけ
る計測用心線２０以外の光ファイバ心線３０には、通常
使用される通信用光ファイバ心線３０を用い、テープ心
線５０の下層４枚のテープ心線５１に含まれる光ファイ
バ心線にも同様に通常使用される通信用光ファイバ心線
３０を用いている。なお、光ファイバケーブル１００は
Ｚ型のものを用いた。

【００４３】図１１は、図１０に示した構成における光
ファイバケーブル１００の各位置［ｍｍ］に対する反射
波長シフト量［ｎｍ］および歪み（量）［％］を示して
いる。ケーブル曲げ半径Ｒが３８ｃｍ、２５ｃｍ、およ
び１７ｃｍの場合について計測を行った。別途行った実
験結果から、ファイバグレーティング部に印加された張
力と反射波長変化量との対応係数１．３４［ｎｍ／Ｎ］
（１１．８３［ｎｍ／％］）を求め、この対応係数を用
いて反射波長シフト量から歪み（量）への換算を行っ
た。

【００４４】図１１からわかるように、引張り方向歪み
と圧縮方向歪みとの繰り返しがスロット周期で観測さ
れ、光ファイバの収納形状に応じて発生した歪み偏在を
観察することができた。この計測によって、約０．００
２％の計測精度で両方向の歪み量を多点（距離分解能：
５０ｍｍ）で検出することができた。

【００４５】次に、図１２に示すＳＺ型の光ファイバケ
ーブルに対しても同様の計測を行った。図１２（ａ）
は、ＳＺ型の光ファイバケーブル１１０の断面を模式的
に示しており、図１２（ｂ）は、光ファイバケーブル１
１０に収納されたテープ心線５０の断面を模式的に示し
ている。テープ心線５０は、図１に示した４心テープ心
線と同様であり、計測用心線２０を含んでいる。光ファ
イバケーブル１１０のスロットロッド６１のスロット径
は１０ｍｍであり、ＳＺピッチは３２０ｍｍである。溝
角度振幅θが２７０度の５溝スロット内の１つのスロッ
トにテープ心線５０が最外層に位置するように収納され
ている。なお、スロットロッド６１の中心にはテンショ
ンメンバ６２が配置されている。

【００４６】図１２（ｃ）に示すように、ケーブル曲げ
半径Ｒ１７．５ｃｍで光ファイバケーブル１１０を屈曲
させ、反射波形の計測を行った。屈曲は、線６１ｃを基
準にして、内向き曲げ、外向き曲げ、および中間曲げの
３方向について行った。図１３に、反射光波形の計測結
果を示す。

【００４７】図１３からわかるように、外向き曲げ（線
６１ｃが外弧となる屈曲形態）では計測用心線全体に引
張り歪みが印可され、内向き曲げ（線６１ｃが内弧とな
る屈曲形態）では、外向き曲げと逆に圧縮歪みが印加さ
れることが観察された。中間曲げ（線６１ｃについての
外弧／内弧が均等に光ファイバケーブル軌跡に存在する
屈曲形態）では、引張りと圧縮とがスロットピッチで周
期的に分布することが確認された。

【００４８】なお、上記実施形態では、反射光ピーク波
長のシフト量から軸方向歪を測定しているが、反射光の
半値全幅のシフト量から心線の屈曲量を求めることもで
きる。ただし、その場合は、反射率の高いファイバグレ
ーティングを形成しておく必要がある。また、事前に、
計測用心線２０の反射ピークと温度との関係を測定し、
記録しておけば、温度補正が可能となる。

【００４９】また、本実施形態では、紫外線透過型紫外
線硬化樹脂でクラッド層を被覆した後、この樹脂層を剥
がすことなく、樹脂層を透過するように紫外線をコアに
照射し、それによってグレーティングを書き込んでい
る。このような製造方法によれば、グレーティング書き
込み後も光ファイバ心線は高い機械的強度を発揮するこ
とができる。その結果、大きな歪を測定することが可能
になる。もし、樹脂層を除去した状態でグレーティング
を書き込む方法を採用した場合、光ファイバ心線の機械
的強度が著しく低下するため、１％程度の軸方向歪みで
ファイバ心線が破断するおそれがある。これに対して本
実施形態の方法で製造した光ファイバ心線によれば、そ
の５〜６倍の機械的強度が確保されるため、５％の歪ま
で安定した測定を実施することが可能である。

【００５０】本実施形態にかかる光ファイバケーブル
は、反射特性の異なる複数種類のファイバグレーティン
グ２１を有する計測用心線２０を有している。複数種類
のファイバグレーティング２１のそれぞれは近距離間隔
で配置することができるため、高い距離分解能を持つ歪
み測定が可能な光ファイバケーブルを提供することがで
きる。従って、従来の技術では計測できなかった光ファ
イバ心線の局所的な最大歪を測定することができる。ま
た、従来の技術と比較して、高精度の測定精度（例え
ば、約０．００２％）で歪み量を測定することができる
という利点もある。さらに、各位置での歪み量（または
応力）を波長多重でリアルタイムにて測定することがで
きるため、比較的長い測定時間（５分以上）を要してい
た従来の技術よりも好適である。また、本実施形態の光
ファイバケーブルでは、特殊かつ高価な専用計測器を用
いずに、簡便に歪み測定をすることができるという利点
もある。

【００５１】なお、図１４に示すように、計測用心線２
０に通信光を伝播させて、計測用心線２０を通信用光フ
ァイバ心線として使用することも可能である。この場
合、通信光と、通信光の通信波長帯とは異なる波長帯の
計測光とをカプラ（例えばＷＤＭカプラ）３３にて計測
用心線２０に合波すれば、通信光による通信に影響を与
えることなく活線状態で光ファイバの歪み分布を計測す
ることができる。

【００５２】このように測定光と通信光とを伝播する計
測用心線２０を用いると、歪み測定専用の光ファイバ心
線を搭載することなく、光ファイバケーブル１００に搭
載する全ての光ファイバ心線を通信用に使用することが
できる。計測用心線２０において測定光によって影響を
受けずに通信可能な通信光を伝播させる場合、例えば、
通信波長１．３１μｍ帯に対して計測光波長が１．５５
μｍ帯になるように、または通信波長１．５５μｍ帯に
対して計測光波長が１．６５μｍ帯になるように設計し
たファイバグレーティング２１を形成すればよい。

【００５３】また、図１５（ａ）および（ｂ）に示すよ
うに、同一反射特性を有するファイバグレーティング２
１が点対称（すなわち、光ファイバケーブルの中心軸を
基準にして対称）になるように一対の計測用心線２０ａ
−２０ａ’（または２０ｂ−２０ｂ’）を配置すること
もできる。

【００５４】このようにして一対の計測用心線２０ａ−
２０ａ’を収納した光ファイバケーブル１２０を用いる
と、計測用心線２０ａの反射ピークと、計測用心線２０
ａ’の反射ピークとを比較すること（例えば、両者のピ
ークの差を取ること）によって、ケーブル屈曲（または
ケーブル屈曲による応力）を感度良く検知することがで
きる。すなわち、図１５（ｂ）に示すように、例えば、
計測用心線２０ａのλ２位置に引張り応力が印加される
場合、計測用心線２０ａ’のλ２位置では圧縮応力が印
加されることになるため、ケーブル内で点対称に位置す
る計測用心線２０ａおよび２０ａ’は、ケーブル屈曲に
起因して生じる応力分布が正反対となり、これによって
観察されるピーク波長変化も反対の値になる。その結
果、ケーブル屈曲をさせていない状態で一致する両者の
ピーク波長のずれ間隔を測定することによって、単芯
（１本の計測用心線２０）での測定と比較して２倍のシ
フト量を検出することができるため、測定感度が２倍に
することができる。また、測定により求められた引張り
応力と圧縮応力とを比較することによって、光ファイバ
ケーブルがどの方向に屈曲しているかも検出することが
できる。さらに、計測用心線２０ａ−２０ａ’に加え
て、もう一対の計測用心線２０ｂ−２０ｂ’を搭載させ
て、２対の計測用心線が直交するように４本の計測用心
線を設ければ、螺旋収納構造を取っている箇所以外の光
ファイバケーブル１２０における全ての方向の屈曲を検
知することができ、その方向も検出することが可能とな
る。なお、一対の計測用心線２０ａ−２０ａ’を用いる
ことによって、例えば温度の影響をキャンセルさせて応
力による影響だけを観測することも可能である。

【００５５】また、図１６に示すように、２対の計測用
心線２０ａ−２０ａ’および２０ｂ−２０ｂ’を搭載し
た光ファイバケーブル１３０の構成にすることもでき
る。このような構成にした光ファイバケーブル１３０で
も、光ファイバケーブル１２０と同様に、応力や曲げの
分布を高感度で検知することができる。内部構造を螺旋
化せずに外部シースに面方向を示すマーキングを付した
り、ケーブル形状を非円にするなどして心線配置位置が
同定できる状態で布設すれば、ケーブルの屈曲量とその
方向を反射光測定で観測することができる。（実施形態２）次に、図１７（ａ）および（ｂ）を参照
しながら、本発明による光ファイバケーブルを用いて応
力分布を検知する方法を説明する。

【００５６】この例では、上記実施形態と同様の光ファ
イバケーブル７０が道路７２の中に埋設されている。光
ファイバケーブル７０の一方の端部は監視装置７１に接
続されている。監視装置７１は、内部に図９の光学測定
系４０と同様の構成を含んでいる。光ファイバケーブル
７０は多数のファイバグレーティングを内蔵しており、
各ファイバグレーティングの反射ピーク波長は少しずつ
異なっている。

【００５７】図１７（ａ）に示すように、自動車７３お
よび７４等が道路７２上に存在すると、その影響で光フ
ァイバケーブル７０の対応部分に応力が発生する。前述
した原理に基づいて、監視装置７１は光ファイバケーブ
ル７０上の軸方向応力分布を検知することができる。

【００５８】また、図１７（ｂ）に示すように、光ファ
イバケーブル７０を二次元的な広がりを持つ監視区域内
に蛇行して埋設することもでき、図１７（ｂ）に示す監
視区域のどの部分にどの程度の応力が発生しているかを
検出することが可能になる。

【００５９】なお、道路７２についての説明をしたが、
トンネルや橋における応力についても同様に検出するこ
とができる。また、土砂崩れ等によって光ファイバケー
ブルに応力や曲げが発生した場合でも、土砂崩れが発生
した箇所に行かなくとも遠隔から光ファイバケーブルの
状態を観測することも可能である。

【００６０】この例によれば、ファイバグレーティング
を用いているため高い精度で応力・歪が測定でき、しか
も、一本のファイバを用いて多点計測が実現する。ま
た、ファイバグレーティングは数十ｍｍ間隔で形成する
ことが可能であるため、位置についての高い分解能が得
られる。光ファイバケーブル７０を図１４に示す構成に
すれば、光ファイバケーブル７０に搭載する全ての光フ
ァイバ心線を通信用に使用することができる。さらに、
通信用光ファイバにグレーティングを書き込みことによ
って、通信用光ファイバに自己の張力を監視する機能を
与えることも可能である。実施形態１で説明した被覆剤
は通信用光ファイバに求められる特性を満足し、実施形
態１で説明したグレーティング作製方法は、通信用光フ
ァイバにも適用可能である。

【００６１】また、光ファイバケーブル７０を図１５ま
たは図１６に示す構成にした場合には、光ファイバケー
ブル７０の屈曲によるシフト量を感度良く検知すること
ができ、光ファイバケーブル７０の屈曲量および屈曲の
方向を検出することが可能となる。

【００６２】

【発明の効果】本発明によれば、光ファイバケーブルが
備える複数の光ファイバ心線のうちの少なくとも一つが
複数種類のファイバグレーティングを有しているので、
従来の技術よりも高い距離分解能を持つ歪み測定が可能
である。また、光ファイバケーブルを空間的に配置すれ
ば、二次元的または三次元的な応力分布を精度良く検知
することも可能になる。さらに、光ファイバケーブルの
中心軸を基準にして同種類のファイバグレーティングを
対称に配置すると、光ファイバケーブルの屈曲によるシ
フト量を感度良く検知でき、屈曲量や屈曲の方向を検出
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は、本発明による光ファイバケーブルの
実施形態を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、光フ
ァイバケーブルに収納されたテープ心線を模式的に示す
断面図である。

【図２】ファイバグレーティング２１が形成された計測
用心線２０を模式的に示す図である。

【図３】計測用心線２０の作製方法を説明するための図
である。

【図４】計測用心線２０の作製方法を説明するための図
である。

【図５】計測用心線２０の作製方法を説明するための図
である。

【図６】（ａ）は、複数のファイバグレーティング２１
が形成された計測用心線２０を模式的に示す図であり、
（ｂ）は、計測用心線２０の反射特性を示すグラフであ
る。

【図７】グレーティング２１作製時および張力解放後に
おける各グレーティング２１の反射ピーク波長（反射特
性）を示すグラフである。

【図８】照射時反射波長と張力解放後反射波長との関係
を示すグラフである。

【図９】本発明による歪み量測定方法の実施形態を説明
するための構成図である。

【図１０】光ファイバケーブル１００を光学測定系４０
に接続した構成図である。

【図１１】光ファイバケーブル１００の各位置［ｍｍ］
に対する反射波長シフト量［ｎｍ］および歪み量［％］
の関係を示すグラフである。

【図１２】（ａ）は、ＳＺ型の光ファイバケーブル１１
０を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、光ファイバ
ケーブル１１０に収納されたテープ心線５０を模式的に
示す断面であり、そして（ｃ）は、光ファイバケーブル
１１０の屈曲状態を説明するための図である。

【図１３】光ファイバケーブル１１０の各位置［ｍｍ］
に対する反射波長シフト量［ｎｍ］および歪み量［％］
の関係を示すグラフである。

【図１４】計測用心線２０を通信用光ファイバ心線とし
て使用する構成を説明するための図である。

【図１５】（ａ）は、同一反射特性を有するファイバグ
レーティング２１が点対称に配置された一対の計測用心
線を搭載した光ファイバケーブル１２０を模式的に示す
断面図であり、（ｂ）は、一対の計測用心線２０ａ−２
０ａ’を模式的に示す図である。

【図１６】（ａ）は、２対の計測用心線を搭載した光フ
ァイバケーブル１３０を模式的に示す断面図である。

【図１７】（ａ）は、光ファイバケーブル７０を道路内
に埋設した例を示す模式図であり、（ｂ）は、２次元的
な計測を行う場合の埋設例を示す図である。

【符号の説明】

２０計測用心線２１ファイバグレーティング（グレーティング）２２コア２３クラッド２４被覆層２５位相マスク２６シリンドリカルレンズ系２７反射ミラー３０光ファイバ心線３１光源３２分光器３３カプラ３４光アイソレータ３５固定ドラム３６回転ドラム４０光学測定系５０テープ心線５１テープ心線５２テープ被覆５５スロット６０、６１、６２スロットロッド６２テンションメンバ６４シース７０光ファイバケーブル７１監視装置７２道路７３、７４自動車１００、１１０、１２０、１３０光ファイバケーブ
ル

フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA01 AA65 BB12 CC23 DD03 FF12 FF33 FF41 FF48 GG04 GG12 GG24 JJ01 JJ15 LL02 LL08 LL20 LL42 LL67 QQ25 QQ29 2H038 AA05 BA25 CA62 2H050 AA07 AB03Z AC84 AD06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の光ファイバ心線を備えた光ファイ
バケーブルであって、前記複数の光ファイバ心線のうち
の少なくとも一つは、反射特性または透過特性の異なる
複数種類のファイバグレーティングを有し、前記複数種類のファイバグレーティングは、少なくと
も、第１波長の光を反射または透過する第１ファイバグ
レーティングと、前記第１波長とは異なる第２波長の光
を反射または透過する第２ファイバグレーティングとを
含んでおり、前記第２ファイバグレーティングは、前記第１ファイバ
グレーティングが形成されている位置から軸方向に沿っ
て離れた位置に形成されており、前記第１ファイバグレ
ーティングおよび前記第２ファイバグレーティングのそ
れぞれからの波長シフトによって、前記第１ファイバグ
レーティングおよび前記第２ファイバグレーティングの
それぞれの位置の歪み量がモニターされる、光ファイバ
ケーブル。
【請求項２】前記複数種類のファイバグレーティング
を有する光ファイバ心線は、少なくとも前記第１波長の
光と前記第２波長の光とを含む測定光と、前記測定光に
よって影響を受けずに通信可能な通信光とを伝播する、
請求項１に記載の光ファイバケーブル。
【請求項３】前記複数の光ファイバ心線のうちの少な
くとも２つは、前記複数種類のファイバグレーティング
を有する光ファイバ心線であり、前記複数種類のファイバグレーティングを有する光ファ
イバ心線のそれぞれが含んでいる前記第１ファイバグレ
ーティングおよび前記第２ファイバグレーティングは、
前記複数の光ファイバ心線を備えた光ファイバケーブル
の中心軸を基準にして対称に配置されている、請求項１
または２に記載の光ファイバケーブル。
【請求項４】請求項１から３の何れかひとつに記載の
光ファイバケーブルに対して、前記第１波長の光および
第２波長の光を含む広帯域の光を入射する工程と、前記第１ファイバグレーティングからの第１波長シフト
および前記第２ファイバグレーティングからの第２波長
シフトをそれぞれ検出し、それによって前記第１ファイ
バグレーティングの位置における第１歪み量、および前
記第２ファイバグレーティングの位置における第２歪み
量を求める工程とを包含する、歪み測定方法。
【請求項５】請求項３に記載の光ファイバケーブルに
対して、前記第１波長の光および第２波長の光を含む広
帯域の光を入射する工程と、前記光ファイバケーブルの前記中心軸を基準にして対称
に配置された一対のファイバグレーティングの波長シフ
トの差をとることによって、前記一対のファイバグレー
ティングの位置における歪み量を求める工程とを包含す
る、歪み測定方法。