JP2007309722A

JP2007309722A - 光ファイバセンサ

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Publication number: JP2007309722A
Application number: JP2006137424A
Authority: JP
Inventors: Akira Sakamoto; 明坂元
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2026-05-17
Also published as: JP4808546B2

Abstract

【課題】光強度変化による測定が可能であり、作製が容易で信頼性が高い光ファイバセンサを提供する。
【解決手段】センシング部がグレーテッドインデックス光ファイバ（ＧＩファイバ）１からなり、該センシング部への送信側及び受信側の伝送路がシングルモード光ファイバ（ＳＭファイバ）２からなる光ファイバセンサによる。このような光ファイバセンサは、光ファイバセンサを透過する光強度をモニタしたセンシング光強度を、光源の光強度をモニタした参照光強度と比較演算することにより、センシング部の温度や張力の変化を測定するために用いることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバを使用した光ファイバセンサに関する。

光ファイバを使用したセンサは、遠隔地での測定が容易であり、電磁ノイズにも強いことから様々な分野での応用が進んでいる。中でも光強度の変化を利用するセンサは、構成が簡単であり、価格が安くできる等の利点がある。
例えば特許文献１には、光ファイバの途中に形成した細径部の周囲に、温度により光吸収または散乱特性が変化する感温変色材を塗布して感温層を設けた構成の温度検出装置が記載されている。また、特許文献２には、光ファイバの先端面に対向する位置に光反射体が設けられ、光ファイバの先端面と光反射体との間に、温度により光吸収または散乱特性が変化する感温変色材が充填されて感温部を設けた構成の温度センサが記載されている。
しかし特許文献１の温度検出装置は、特性が細径部の形状に大きく依存するため精度良く作製することが困難であった。また、感温層に特殊な材料を使用する必要があり、繰り返し使用による特性劣化も見られるため、測定の精度を長期に渡り高く維持することが困難であった。また、特許文献２においても、感温部に特殊な材料を使用しているため、長期信頼性の面で問題があった。
また、ヘテロコア型光ファイバ（非特許文献１など）のような構造も提案されているが、温度に対しては感度が小さく、温度計としては使用できなかった。また、歪みを測定する場合も、ファイバを曲げる必要があり、ファイバ軸方向への引っ張り方向の歪み検知と比較して装置構成が複雑になる問題があった。
特許文献３及び４には、シングルモード光ファイバの間にグレーテッドインデックス光ファイバが挿入された構造が記載されている。ただしその目的は、グレーテッドインデックス光ファイバの部分で光エネルギー密度を下げることにより、ファイバヒューズ現象を回避するためとされている。
特許文献５には、発光ダイオードの出力光をカプラで２分岐し、一方を２枚の板部材でクランプされた信号用光ファイバに入射させるとともに、他方を参照用光ファイバに入射させ、両光ファイバの透過光強度を比較することにより、歪量を測定する装置が記載されている。
特開平９−１５９５４８号公報特開平９−４３０６６号公報電子情報通信学会、ソサイエティ大会、２００５年９月、Ｂ−１３−２６特開２００４−８６１２７号公報特開２００５−７７５４９号公報米国特許第５０２０３７９号明細書

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、光強度変化による測定が可能であり、作製が容易で信頼性が高い光ファイバセンサを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、センシング部がグレーテッドインデックス光ファイバからなり、該センシング部への送信側及び受信側の伝送路がシングルモード光ファイバからなることを特徴とする光ファイバセンサを提供する。
また、本発明は、光源の光強度をモニタした参照光強度と、光源より入射されて上記の光ファイバセンサを透過する光強度をモニタしたセンシング光強度とを比較演算して、センシング部の温度変化を測定することを特徴とする温度測定方法を提供する。
また、本発明は、上記の光ファイバセンサと、該光ファイバセンサに光を入射する光源と、光源の光強度を参照光強度としてモニタする第１の光検出器と、光源より入射されて前記光ファイバセンサを透過する光強度をセンシング光強度としてモニタする第２の光検出器と、前記センシング光強度を前記参照光強度と比較演算してセンシング部の温度変化を出力する比較演算回路を備えることを特徴とする温度測定システムを提供する。
また、本発明は、光源の光強度をモニタした参照光強度と、光源より入射されて上記の光ファイバセンサを透過する光強度をモニタしたセンシング光強度とを比較演算して、センシング部に印加された張力を測定することを特徴とする張力測定方法を提供する。
また、本発明は、上記の光ファイバセンサと、該光ファイバセンサに光を入射する光源と、光源の光強度を参照光強度としてモニタする第１の光検出器と、光源より入射されて前記光ファイバセンサを透過する光強度をセンシング光強度としてモニタする第２の光検出器と、前記センシング光強度を前記参照光強度と比較演算してセンシング部に印加された張力を出力する比較演算回路を備えることを特徴とする張力測定システムを提供する。

本発明によれば、非常に簡単な構成でありながら、光ファイバの温度や光ファイバに印加された張力を測定することが可能な高精度センサを実現することができる。

以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の光ファイバセンサは、図１に模式的に示すように、コア１ａの屈折率が光ファイバの半径方向に連続的に変化するように作製されたグレーテッドインデックス光ファイバ１をセンシング部とし、このセンシング部の両端に、使用波長帯においてコア２ａの部分でＬＰ_０１モードのみが伝搬するシングルモード光ファイバ２が接続された構造を有する。なお、以下の説明では、グレーテッドインデックス光ファイバをＧＩファイバ、シングルモード光ファイバをＳＭファイバと略記する場合がある。

図１（ａ）、（ｂ）は、ＧＩファイバ１がＳＭファイバ２と同径の場合を示し、図１（ｃ）は、ＧＩファイバ１がＳＭファイバ２より径が太い場合を示す。ＧＩファイバとＳＭファイバは、融着接続によって接続することにより、接続後の光ファイバ同士の軸ズレを抑えられるため、信頼性の高い光ファイバセンサとすることができる。このとき、ＧＩファイバとＳＭファイバの直径が異なると、融着時の軸ズレの原因となるので、ＧＩファイバとＳＭファイバの直径は同等であることが好ましい。

図１中、ＧＩファイバ１の部分に示す曲線は、ＳＭファイバからＧＩファイバに入射した光の伝搬を模式的に示している。すなわち、送信側（図１では左側）のＳＭファイバ２からＧＩファイバ１に入射した光は、ＧＩファイバ１内で拡散と集光を繰り返しながら伝搬していく。これは、ＧＩファイバの屈折率が半径方向で変化した屈折率分布を有するため、レンズのような効果を有するためである。図１（ａ）は、ＧＩファイバ１から受信側（図１では右側）のＳＭファイバ２に入射する光が集光条件となるようにＧＩファイバ１の長さＬが設定された場合を示し、図１（ｂ）は、集光条件からずれた長さにＧＩファイバ１の長さＬが設定された場合を示す。受信側のＳＭファイバ２に入射する光が集光条件となるようにＧＩファイバ１の長さＬが設定された場合には、ＧＩファイバ１を伝搬した光のほとんどが再びＳＭファイバ２に結合するが、集光条件からずれた場合には、ＧＩファイバ１を伝搬した光の一部はＳＭファイバ２のクラッドモードと結合し、光ファイバの外部に漏洩する。このため、ＧＩファイバの長さが異なると、送信側のＳＭファイバからＧＩファイバを経て受信側の光ファイバに伝搬する光の強度は変化する。

図２及び図３には、ＧＩファイバの部分の長さ（ＧＩ部長さ）を変えた場合の強度変化を見積もった結果を示す。図２はＧＩファイバのコアの直径が５０μｍの場合であり、図３はＧＩファイバのコアの直径が３２０μｍの場合である。光ファイバセンサの透過率（相対比）は、図２及び図３から分かるように、ＧＩファイバの部分の長さに対して周期的に変化する。また、ＧＩファイバのコア直径が大きくなると、ＧＩファイバを伝搬する光の拡散・集光の振幅が大きくなり、周期も長くなる。このため、図２と図３の比較からも分かるように、ＧＩファイバのコア直径が大きくなると、ＧＩファイバ部分の長さ変化による周期的な透過率変化の周期が長くなる。また、透過率の変化も異なってくる。このようにＧＩファイバのコア直径を変えることにより、光ファイバセンサの特性を調整することが可能である。

ＧＩファイバの部分の光路長（光学距離とも言う。）は、ＧＩファイバの屈折率ｎ（近似的にはコア中心における屈折率を代表値として用いることができる。）とＧＩファイバの部分の長さＬとの積で表される。つまりＧＩファイバの温度変化あるいは張力変化によりこれらの物理量が変化すると、ＧＩファイバの部分の光路長が変化するため、光ファイバセンサの透過光強度が変化する。例えばＧＩファイバの温度Ｔが変化した場合、その光路長Ｌｏ＝ｎ×Ｌは、温度Ｔの微分を取ることにより、下記の式（１）で求められる温度依存性を示す。

ｄＬｏ／ｄＴ＝Ｌ×ｄｎ／ｄＴ＋ｎ×ｄＬ／ｄＴ・・・（１）

式（１）の右辺のｄｎ／ｄＴ、ｎ、ｄＬ／ｄＴは使用する光ファイバおよび使用波長が決まれば一意に決まる物理常数であるので、温度変化による特性変動を大きくするためには、ＧＩファイバの部分の長さ（実際の長さ）Ｌを大きくすれば良いことが分かる。
ＧＩファイバの部分の光路長Ｌｏは、ＧＩファイバにかかる張力によっても変化するため、温度変化と同様に、張力変化を光強度変化として測定することも可能である。測定に際しては、光強度が測定対象とするパラメータの変化に基づいて変化するように、外乱となる他の因子による影響がセンシング部になるべく加わらない環境をつくるようにする。すなわち、温度を測定するときはＧＩファイバに張力が印加しないようにし、また、張力を測定するときは、ＧＩファイバの温度が変化しないような環境とするか、環境温度を別のセンサで測定し、温度による影響を補正する。
また、ＧＩファイバの屈折率ｎは波長依存性もあるため、波長によっても光ファイバセンサの透過光強度は変化する。このように、ＧＩファイバのコア直径、長さＬ、測定に使用する光の波長（使用波長）などを最適化することにより、本発明の光ファイバセンサを温度センサあるいは張力センサとして使用することができる。

ＳＭファイバ２のモードフィールド径（ＭＦＤ）は、小さいほど、ＧＩファイバ１から受信側のＳＭファイバ２へ再結合するところでの波長依存性が大きくなるため、透過光強度の変化率が大きくなる傾向がある。このため、温度変化や張力変化による透過光強度の変化率を大きくして光ファイバセンサの感度を高めるには、ＳＭファイバのＭＦＤは小さい方が望ましいが、挿入損失はＭＦＤが小さいほど大きくなる。光ファイバセンサの感度を考えると、ＳＭファイバのＭＦＤは１２μｍ以下が望ましい。また、挿入損失を考えると、ＳＭファイバのＭＦＤは５μｍ以上が望ましい。

ＧＩファイバ１の部分の長さＬは、上述したように、長いほうが温度変化や張力変化による透過光強度の変化率が大きくなり、光ファイバセンサの感度を高めることができるとはいえ、あまり長いとＧＩファイバの内部での拡散・集光の特性の歪みが大きくなり、集光特性がなまってしまう。従って、光ファイバセンサとして用いる場合、ＧＩファイバ１の長さＬは、５ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることが望ましい。ＧＩファイバ１の長さＬの好ましい範囲は、ＧＩファイバ１のコア直径によっても多少変化するが、コア直径が１００μｍ以下の程度ではほぼ同じ値である。

ＧＩファイバ１のコア直径（コア径）は、小さいほど光ファイバセンサの挿入損失が小さくできるが、光ファイバセンサとしての感度も小さくなってしまう。このため、感度を考えると、ＧＩファイバ１のコア直径は、３０μｍ以上が好ましい。また、通常の光ファイバの外径（クラッド径）が１２５μｍであるから、挿入損失の観点からもＧＩファイバ１のコア直径は、１２０μｍ以下であることが望ましい。特に、コア直径が５０μｍ〜７０μｍ程度のＧＩファイバは、光通信用としても広く用いられており、入手性、価格、特性の観点から特に望ましい。

本発明の光ファイバセンサでは、光源からの光を、ＳＭファイバ−ＧＩファイバ−ＳＭファイバからなる構成に入射し、その透過光強度の変化を測定する。このとき、センサ感度を上げるために光源の特性（中心波長・帯域幅）とＧＩファイバの部分の長さを最適化する必要がある。光ファイバセンサとして高感度を得るためには、センシング部となるＧＩファイバの長さＬは、図１（ｂ）に示すように、使用光源の中心波長の光が受信側のＳＭファイバと結合する位置が、ＧＩファイバ中を伝搬する光の腹と節の中間となるように設定することが望ましい。使用光源の中心波長でＧＩファイバ中を伝搬する光のピッチΛを、図１中に示すように節−節間距離の２倍として定義すると、ＧＩファイバ１の長さＬは、下記の式（２）を満たす条件が好ましい。ただし式（２）においてＮは正の整数（Ｎ＝１，２，３，…）である。

（１＋２Ｎ）Λ／８−Λ／１６＜Ｌ＜（１＋２Ｎ）Λ／８＋Λ／１６・・・（２）

また、光源スペクトル帯域幅が広すぎる場合、光ファイバセンサの波長スペクトルのシフトによる光強度変化が小さくなってしまう。例えば、図１４に示す実施例（ＧＩファイバの長さＬ＝２０．０９２ｍｍ）のスペクトルでは、波長１４００ｎｍで透過率が最小となり、波長１６００ｎｍで透過率が最大となっている。この例では、透過率が最大を示す波長（本明細書ではこれを「最大透過率波長」ということがある。）と、透過率が最小を示す波長（本明細書ではこれを「最小透過率波長」ということがある。）との差が約２００ｎｍである。光源のスペクトル帯域幅がこの差である２００ｎｍ以上になると、光ファイバセンサの感度が悪くなる。
すなわち、本発明の光ファイバセンサとともに使用する光源のスペクトル帯域幅は、「最大透過率波長と最小透過率波長との差」以下である必要があり、望ましくは「最大透過率波長と最小透過率波長との差」の半分以下である。よって、光源のスペクトル帯域幅は１００ｎｍ以下であることが望ましい。このようなスペクトル帯域幅を示す光源としては、レーザダイオード（ＬＤ）やライトエミッティングダイオード（ＬＥＤ）、各種ランプ、レーザ媒体の自然放出光などが使用できる。また、スペクトル帯域幅が所望より広い光源を使用する場合には、バンドパスフィルタと組み合わせて、所望のスペクトル帯域幅の光を本構成の光ファイバセンサに入射させることにより、使用が可能となる。

本発明の光ファイバセンサは、ＳＭファイバとＧＩファイバとの融着部およびＧＩファイバの部分をリコートし、曲げた状態でも測定が可能である。確認のため、ＭＦＤが８μｍのＳＭファイバとコア直径が５０μｍのＧＩファイバを用いてＳＭ−ＧＩ−ＳＭの構成である光ファイバセンサを作製し、半径２０ｍｍで曲げた状態で使用したところ、特性の変化は確認されず、光ファイバセンサとして使用することができた。光ファイバセンサを曲げた状態で使用した場合、直線上に収納した場合に比べて小型の温度計を構成することができる。

本発明の光ファイバセンサは、アルミニウムなどの線膨張の大きな基材に固定することにより、感度の改善が得られる。例えば、ＳＭ−ＧＩ−ＳＭの構成において両端のＳＭファイバ部分を接着剤等でアルミニウムに固定し、温度変化によるアルミニウムの膨張・収縮とともにＧＩファイバ部分が伸縮するようにした場合、温度変化による特性変化に加え、張力変化による特性変動も加わるため、温度計としての感度を高くすることができる。この場合、使用温度範囲においてＧＩファイバが緩むことがないように、光ファイバセンサを基材に固定する際には、張力を調整してから固定することが望ましい。また、ＧＩファイバ部分を接着剤で固定すると歪みが発生し、ＧＩファイバ中を伝搬する光の拡散・集光特性に影響を与えるため、光ファイバセンサを基材に固定するときには、ＳＭファイバの部分で固定することが望ましい。

このように、センサ部分を小型にするときには、光ファイバセンサのセンシング部を曲げて設置することも可能であり、一方、センサ感度を上げる場合には、線膨張の大きな基材に直線上に固定した構成にすることも可能であるため、所望の用途によりパッケージング構造を柔軟に選択することが可能である。

上述したとおり、ＧＩファイバ部分の長さが長い方が感度を高めることができるとはいえ、あまり長いとＧＩファイバ内部での拡散・集光の特性の歪みが大きくなり、集光特性がなまってしまい、結果として良いセンサとすることができない。これを解決するため、本発明の光ファイバセンサは、ＳＭ−ＧＩ−ＳＭ−ＧＩ−ＳＭのように、ＧＩファイバからなるセンシング部を複数として、その間にＳＭファイバを挿入した構成とすることもできる。このような構成とすることにより、モードフィールドの歪みが解消されるため、２段目のＧＩファイバで再び綺麗な拡散・集光特性が得られる。しかも、ＧＩファイバ部分の長さを全体的に長くすることができるので、光ファイバセンサとしての感度を向上できる。すなわち、拡散・集光特性の歪みによる影響を抑えながら、感度の高いセンサとすることができる。

本発明の光ファイバセンサを製造する方法の一例について、図４を参照しながら説明する。まず、所望の長さＬよりも長さが長いＧＩファイバ１を用意し、図４（ａ）に示すように、ＧＩファイバ１の片端にＳＭファイバ２を融着接続する。そして、図４（ｂ）に示すように、ＧＩファイバ１の長さを所望の長さに切断したのち、切断面６にもう一方のＳＭファイバ２を融着接続することにより、本発明の光ファイバセンサ３が得られる。ファイバを融着接続する方法としては、例えば、ファイバの端面同士を突き合わせ、電極４，４間のアーク放電５により加熱する方法によることができる。
ＧＩファイバ１の長さを所望の長さに切断するときには、ＧＩファイバ１の片端にＳＭファイバ２を接続したものを精密ステージの上におき、マイクロスコープを使用して、融着接続部７からの長さを確認することによって精度良く切断することができる。

本発明の光ファイバセンサを用いて温度や張力の測定を行う測定システムの構成例を図５に示す。図５に示す測定システム１０において、光源１１からの出力光は、カプラ１２により光強度５０％ずつに２分岐される。カプラ１２で分岐した光のうち一方は、光源１１の光強度をモニタする第１の光検出器１３に入射する。また、カプラ１２で分岐した光のうち他方は、光ファイバセンサ３に入射されたのち、センシング部を透過したセンシング光の光強度をモニタする第２の光検出器１４に入射する。この測定システム１０の場合、第２の光検出器１４は、受信側の伝送路となるＳＭファイバの先端に接続される。

なお、図５において、ＧＩファイバ１とＳＭファイバ２との間に表示した「×」印は、ファイバ１，２同士の融着接続部を表している。ＳＭファイバ２を伝送路として敷設する場合には、光ケーブルＣを用いて、ケーブルＣの一端から引き出したＳＭファイバ２をセンシング部１に接続するとともに、ケーブルＣの他端から引き出したＳＭファイバ２をカプラ１２を接続する。また、送信側および受信側の伝送路は、複数本のＳＭファイバ２を融着接続して構成したものであっても良い。例えば、所定の長さのＧＩファイバ１の両端に適当な長さのＳＭファイバ２、２を融着接続して作製した光ファイバセンサ３を用意しておき、伝送路を構築するときに、光ファイバセンサ３のＳＭファイバ２と光ケーブルＣのＳＭファイバ２とを融着接続する方法によっても良い。
本発明の測定システムにおいて、センシング部のＧＩファイバ１以外の光ファイバ、例えば光源１１とカプラ１２を接続する光ファイバ等には、シングルモード光ファイバを用いることが好ましい。また、カプラ１２として、光ファイバを溶融延伸したカプラを用いる場合には、シングルモード光ファイバから製造したものを用いることが好ましい。

第１の光検出器１３は、該光検出器１３に入射した光の強度を光源１１の光強度としてモニタし、電気信号に変換して比較演算回路１５に出力する。また、第２の光検出器１４は、該光検出器１４に入射した光の強度をセンシング光強度としてモニタし、電気信号に変換して比較演算回路１５に出力する。これらの光検出器１３，１４としては、フォトダイオード（ＰＤ）や光パワーメータなどを用いることができる。また、光検出器１３，１４によりモニタされた光強度を示す電気信号は、それぞれフォトセンサアンプ１６，１７を通すことにより、比較演算回路１５への入力として適当なレベルまで増幅することができる。

比較演算回路１５は、第１の光検出器１３によってモニタされた参照光強度と、第２の光検出器１４によってモニタされたセンシング光強度とを比較演算して、演算結果を測定値として出力装置１８に出力する。例えば、比較演算回路１５は、参照光強度を表す電気信号ｐ１と、センシング光強度を表す電気信号ｐ２との比を取ることで、光源強度の変化を補正したセンサ部分での透過率を計算し、この計算結果を、予め求めておいた「被測定値と透過率との関係」を元に演算処理することで、測定値を出力することができる。測定値がセンシング部の温度である場合には、「被測定値と透過率との関係」として、温度と透過率との関係を示すデータを予め用意する。また、測定値がセンシング部に加えられた張力である場合には、「被測定値と透過率との関係」として、光ファイバの張力と透過率との関係を示すデータを予め用意する。これにより、センシング部１の温度や張力の変化を計測して出力するシステムを構築することができる。

また、ＳＭ−ＧＩ−ＳＭ構成の光ファイバセンサにおいて、ＳＭファイバの先端部を反射端処理しておくことにより、光は反射端で往復して、ＳＭ−ＧＩ−ＳＭ−反射端−ＳＭ−ＧＩ−ＳＭのように、同じＧＩファイバの部分を２回通過することになるので、センサ感度を高くすることができる。図６に、光ファイバセンサ３に反射端Ｒを設けた構成の測定システム２０の一例を示す。なお、図６において、図５に示す構成と同じ要素については、同じ符号を用いて重複する説明を省略することがある。
図６に示す測定システム２０の場合、光源１１からの出力光は、カプラ１２により光強度５０％ずつに２分岐される。カプラ１２で分岐した光のうち一方は、光源１１の光強度をモニタする第１の光検出器１３に入射する。また、カプラ１２で分岐した光のうち他方は、光ファイバセンサ３に入射され、センシング部を透過したのち、反射端Ｒによる反射光として、センシング光の光強度をモニタする第２の光検出器１４に入射する。この測定システム２０の場合、ＳＭファイバ２は送信側と受信側の両方の伝送路を兼ねているので、反射光は、カプラ１２を通して第２の光検出器１４に入射される。

光ファイバの反射端処理の方法としては、光ファイバの先端に金属や誘電体多層膜からなる反射膜を蒸着やスパッタ等により形成する方法がある。また、ＳＭ−ＧＩ−反射端−ＧＩ−ＳＭのように、ＧＩファイバの片端を反射端処理して、送信側及び受信側の伝送路が同じＳＭファイバとなるように構成することも可能であるが、本発明の光ファイバセンサの場合、センシング部となるＧＩファイバは長さ等を正確に調整することが望まれるので、ＧＩファイバに反射端を設ける場合には、その処理を正確に行う必要があるため、精度よく反射端を作製することが難しい。このため、反射端を設ける場合は、ＳＭファイバの先端（詳しくは、ＧＩファイバに接続された側とは反対側の端部）に設けることが好ましい。

以上説明したように、本発明の光ファイバセンサによれば、非常に簡単な構成でありながら、温度や光ファイバ張力を測定可能な高精度センサを実現することができる。作製が容易であり、信頼性が高いセンサを低コストで提供することができる。
本発明の光ファイバセンサは、光源や検出器などの一般的な装置類と組み合わせて光強度変化による測定システムを構成することができ、遠隔地からの測定を容易に実施することができる。

《ＳＭファイバのＭＦＤ》
ＧＩファイバの両端に接続するＳＭファイバのモードフィールド径（ＭＦＤ）の違いによる特性変化を確認するため、コア直径が５０μｍのＧＩファイバの両端に光ファイバ融着機を用いてそれぞれＳＭファイバを融着し、ＳＭ−ＧＩ−ＳＭ構成の光ファイバセンサを作製した。光ファイバセンサのＧＩファイバの部分の長さＬは約２０ｍｍである。図７及び図８に、ＧＩファイバの温度を０℃〜１００℃の範囲で変化させた場合のスペクトル（透過率の波長依存性）を表示している。図７はＭＦＤ＝１０μｍ（Ｌ＝２０．０２ｍｍ）の場合を示し、図８はＭＦＤ＝８μｍ（Ｌ＝２０．０９２ｍｍ）の場合を示す。どちらの場合も温度変化によりスペクトルのシフトが確認できるが、波長変化による透過率の強度差は、ＳＭファイバのＭＦＤが小さいほど大きい。これは、ＭＦＤが小さいほど、ＧＩファイバからＳＭファイバへ再結合するところでの波長依存性が大きくなるためである。

《ＧＩファイバの長さ》
ＧＩファイバの部分の長さＬの違いによる特性変化を確認するため、ＧＩファイバ（コア直径５０μｍ）の両端に光ファイバ融着機を用いてそれぞれＳＭファイバ（ＭＦＤ８μｍ）を融着してＳＭ−ＧＩ−ＳＭ構成の光ファイバセンサを作製し、ＧＩファイバの温度を０℃〜１００℃の範囲で変化させた場合のスペクトル（透過率の波長依存性）を測定した。図９はＬが約５ｍｍの場合を、図１０はＬが約２０ｍｍの場合を、図１１はＬが約３０ｍｍの場合を、図１２はＬが約４０ｍｍの場合を、それぞれ表示している。ＧＩファイバ部分の長さＬが５ｍｍの場合、ＧＩファイバ部分の光路長Ｌｏが短いため、図９に示すように波長依存性や温度変化による特性変動が小さく、光ファイバセンサとしての感度は良くないことが確認できる。長さＬが２０ｍｍあるいは３０ｍｍの場合は、図１０および図１１に示すように、温度変化による透過率の変動が大きく、光ファイバセンサとしての感度を上げることができる。しかし、長さＬを４０ｍｍまで長くすると、図１２に示すように、波長特性のスペクトルが乱れていることが確認できる。このため、ＧＩファイバ部分の長さは５ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることが好ましい。より好ましくは、２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。

《光源特性とＧＩファイバの長さ》
図１３〜図１５には、ＭＦＤが８μｍのＳＭファイバと、コア直径が５０μｍのＧＩファイバを用いて、ＧＩファイバの両端にそれぞれＳＭファイバを融着してＳＭ−ＧＩ−ＳＭ構成の光ファイバセンサを作製し、ＧＩファイバの部分の温度を０℃〜１００℃の範囲で変化させた場合のスペクトルを測定した。このとき光源としては、エルビウム添加光ファイバを波長１．４８μｍのＬＤ光源で励起した場合に得られる自然放出光を用いた。図１３は、ＧＩファイバ部分の長さＬが２０．００２ｍｍの場合を、図１４は、ＧＩファイバ部分の長さＬが２０．０９２ｍｍの場合を、図１５は、ＧＩファイバ部分の長さＬが２０．１８ｍｍの場合を、それぞれ表示している。
図１３〜図１５に示すように、ＧＩファイバ部分の長さＬが、２０．００２ｍｍ、２０．０９２ｍｍ、２０．１８ｍｍと長くなるにつれて、透過率のスペクトルが短波長側にシフトしていく様子が確認できる。このとき光源の中心波長である１５５０μｍにおける光の透過率に注目すると、透過率がＧＩファイバの長さＬを長くすることにより増加していることが分かる。これは、図１で示したようにＧＩファイバ中で拡散・集光を繰り返しながら伝搬していく光が、受信側のＳＭファイバと結合する位置において、Ｌ＝２０．００２ｍｍでは腹の位置、Ｌ＝２０．１８ｍｍでは節の位置になっていることに相当する。
これらＬ＝２０．００２ｍｍ、２０．０９２ｍｍ、２０．１８ｍｍの光ファイバセンサを用いて、透過光強度の温度依存性を測定した結果を図１６に示す。Ｌ＝２０．００２ｍｍの場合とＬ＝２０．１８ｍｍの場合は、温度変化に対する光強度変化も小さく、単調変化でもないため、光ファイバセンサとしては使用しにくい。一方、ＧＩファイバの長さＬ＝２０．０９２ｍｍの場合は、温度の上昇とともに透過光の光強度が単調に増加していており、その強度変化率も±１０％程度であるから光ファイバセンサとして使用できる。よって、光ファイバセンサとして高感度を得るためには、センシング部となるＧＩファイバの長さＬは、使用光源の中心波長の光が受信側のＳＭファイバと結合する位置が、ＧＩファイバ中を伝搬する光の腹と節の中間となるように設定することが望ましい。
また、Ｌ＝２０．０９２ｍｍのサンプルを複数個作製して、それぞれのサンプルにつき透過光強度の温度依存性を測定した結果を図１７に示す。すべてのサンプルでほぼ同様の曲線が得られており、センサ作製の再現性を確認することができる。

《張力センサとしての使用》
図１８には、ＭＦＤが８μｍのＳＭファイバと、コア直径が５０μｍのＧＩファイバを使用し、ＧＩファイバの両端にそれぞれＳＭファイバを融着してＳＭ−ＧＩ−ＳＭ構成の光ファイバセンサを作製し、ＧＩファイバの部分の張力（単位はニュートン（Ｎ））を０Ｎ〜２．２５Ｎの範囲で変化させた場合のスペクトルを測定した。このとき光源としては、エルビウム添加光ファイバを波長１．４８μｍのＬＤ光源で励起した場合に得られる自然放出光を用いた。ＧＩファイバ部分の長さＬは２０．０９２ｍｍとした。ＧＩ部分に張力を加える方法としては、その両端のＳＭファイバを引っ張る方法を用いた。
図１８に示すように、張力の上昇とともに透過光の光強度が単調に増加していており、その強度変化率も±１０％程度であるから、光ファイバセンサの透過光強度を測定することで張力センサとして使用することができる。張力センサとして高感度を得るためには、センシング部となるＧＩファイバの長さＬは、使用光源の中心波長の光が受信側のＳＭファイバと結合する位置が、ＧＩファイバ中を伝搬する光の腹と節の中間となるように設定することが望ましい。
また、Ｌ＝２０．０９ｍｍのサンプルを複数個作製して、それぞれのサンプルにつき透過光強度の張力に対する依存性を測定した結果を図１９に示す。すべてのサンプルでほぼ同様の曲線が得られており、特性変動も小さく、センサ作製の再現性を確認することができる。

本発明は、遠隔地からの温度や張力の測定に利用することができる。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の光ファイバセンサを示す模式図である。ＧＩファイバのコア直径が５０μｍの場合に、ＧＩファイバ部分の長さと透過率（相対比）との関係の一例を示すグラフである。ＧＩファイバのコア直径が３２０μｍの場合に、ＧＩファイバ部分の長さと透過率（相対比）との関係の一例を示すグラフである。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の光ファイバセンサを製造する方法の一例を説明する図面である。本発明の光ファイバセンサを用いた測定システムの一例を示す概略構成図である。本発明の光ファイバセンサを用いた測定システムの第２の例を示す概略構成図である。ＳＭファイバのＭＦＤが１０μｍの場合に、ＧＩファイバ部分の温度を０℃〜１００℃の範囲で変化させた場合のスペクトルの一例を示すグラフである。ＳＭファイバのＭＦＤが８μｍの場合に、ＧＩファイバ部分の温度を０℃〜１００℃の範囲で変化させた場合のスペクトルの一例を示すグラフである。ＧＩファイバ部分の長さが約５ｍｍの場合に、ＧＩファイバ部分の温度を０℃〜１００℃の範囲で変化させた場合のスペクトルの一例を示すグラフである。ＧＩファイバ部分の長さが約２０ｍｍの場合に、ＧＩファイバ部分の温度を０℃〜１００℃の範囲で変化させた場合のスペクトルの一例を示すグラフである。ＧＩファイバ部分の長さが約３０ｍｍの場合に、ＧＩファイバ部分の温度を０℃〜１００℃の範囲で変化させた場合のスペクトルの一例を示すグラフである。ＧＩファイバ部分の長さが約４０ｍｍの場合に、ＧＩファイバ部分の温度を０℃〜１００℃の範囲で変化させた場合のスペクトルの一例を示すグラフである。ＧＩファイバ部分の長さが２０．００２ｍｍの場合に、透過率と光源強度のスペクトルを重ねて示したグラフである。ＧＩファイバ部分の長さが２０．０９２ｍｍの場合に、透過率と光源強度のスペクトルを重ねて示したグラフである。ＧＩファイバ部分の長さが２０．１８ｍｍの場合に、透過率と光源強度のスペクトルを重ねて示したグラフである。光強度変化の温度依存性を測定した結果の一例を示すグラフである。光強度変化の温度依存性の再現性を示すグラフである。ＧＩファイバ部分の張力を変化させた場合の透過率スペクトルの変化と光源強度のスペクトルを重ねて示したグラフである。張力に対する光強度変化の依存性の再現性を示すグラフである。

符号の説明

１…グレーテッドインデックス光ファイバ（ＧＩファイバ）、２…シングルモード光ファイバ（ＳＭファイバ）、３…光ファイバセンサ、１０…測定システム、１１…光源、１３…第１の光検出器、１４…第２の光検出器、１５…比較演算回路、２０…測定システム。

Claims

センシング部がグレーテッドインデックス光ファイバからなり、該センシング部への送信側及び受信側の伝送路がシングルモード光ファイバからなることを特徴とする光ファイバセンサ。
光源の光強度をモニタした参照光強度と、光源より入射されて請求項１に記載の光ファイバセンサを透過する光強度をモニタしたセンシング光強度とを比較演算して、センシング部の温度変化を測定することを特徴とする温度測定方法。
請求項１に記載の光ファイバセンサと、該光ファイバセンサに光を入射する光源と、光源の光強度を参照光強度としてモニタする第１の光検出器と、光源より入射されて前記光ファイバセンサを透過する光強度をセンシング光強度としてモニタする第２の光検出器と、前記センシング光強度を前記参照光強度と比較演算してセンシング部の温度変化を出力する比較演算回路を備えることを特徴とする温度測定システム。
光源の光強度をモニタした参照光強度と、光源より入射されて請求項１に記載の光ファイバセンサを透過する光強度をモニタしたセンシング光強度とを比較演算して、センシング部に印加された張力を測定することを特徴とする張力測定方法。
請求項１に記載の光ファイバセンサと、該光ファイバセンサに光を入射する光源と、光源の光強度を参照光強度としてモニタする第１の光検出器と、光源より入射されて前記光ファイバセンサを透過する光強度をセンシング光強度としてモニタする第２の光検出器と、前記センシング光強度を前記参照光強度と比較演算してセンシング部に印加された張力を出力する比較演算回路を備えることを特徴とする張力測定システム。