JP2011180133A

JP2011180133A - 光ファイバセンサ及びその製造方法

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Publication number: JP2011180133A
Application number: JP2011020794A
Authority: JP
Inventors: Daisaku Tokita; 大作時田; Kazuhiro Watanabe; 一弘渡辺
Original assignee: Soka University
Current assignee: Soka University
Priority date: 2010-02-03
Filing date: 2011-02-02
Publication date: 2011-09-15

Abstract

【課題】製造が容易であり、微小な曲げ変化を検出することが可能な光ファイバセンサを提供する。
【解決手段】光ファイバセンサ１０は、コア１１及びコア１１の外周に設けられたクラッド１２から構成された光ファイバの、少なくともコア１１に光ファイバの光軸に非対称に、伝送する光の漏洩源となる欠陥１３がフェトム秒レーザで形成されている、光の漏洩が光ファイバセンサ１０の曲げ方向に依存する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバセンサ、特に光の漏洩量が曲げに依存する光ファイバセンサ及びその製造方法に関する。

光ファイバからなる各種のセンサ（光ファイバセンサ）が提案されている。光ファイバセンサは、電磁環境の影響を受けない、遠隔検知が可能であるなど、多くの利点を有している。

従来、光ファイバセンサを用いて緩和な曲げ変化を検知することは困難であったが、近年、曲率半径３０ｍｍ程度の緩和な曲げ変化を高精度に検知することが可能なヘテロコア光ファイバセンサが実用化されている（例えば、特許文献１参照）。

ヘテロコア光ファイバセンサは、異なる径のコアからなるヘテロコア部を有する。ヘテロコア部及びその近傍の曲げに応じて伝送される光が界面で漏洩（リーク）して光損失が発生するので、漏洩による光損失及びその曲げ変化による変化は、通常の光ファイバと比べて、非常に大きい。そのため、ヘテロコア部及びその近傍の曲げ変化を精度良く検出することができる。また、ヘテロコア光ファイバセンサは、微小な曲げ変化であっても、漏洩による光損失が大きく変化するので、フォトダイドード（ＰＤ）や電荷結合素子（ＣＣＤ）などの受光素子を有する市販の受光装置を用いることができ、安価に検出システムを構成することが可能である。

なお、近年、フェトム秒レーザを用いて光ファイバに加工を施し、光ファイバに各種の機能を付与することが提案されている。

例えば、非特許文献１には、フェトム秒レーザを用いて長周期ファイバグレーティング（Long-Period Fiber Grating：以下、「ＬＰＦＧ」という）を加工したことが開示されている。ファイバグレーティングは、光ファイバのコアに周期的に屈折率変化を形成することにより、光ファイバ中を伝送する光のうち特定波長近傍の光のみを反射又は減衰させる波長フィルタである。ＬＰＦＧは、グレーティング周期が数十μｍから数百μｍのものをいう。ＬＰＦＧは、光ファイバの光軸に沿って周期的に、フェトム秒レーザ照射領域と非照射領域を設けることにより、形成されている。

特許第３１８０９５９号公報

藤井朋子等、「フェトム秒レーザ加工による長周期ファイバグレーティング」、フジクラ技報、２０００年１０月、第１０５号、ｐ．１−５

しかしながら、上記へテロコア光ファイバセンサは、短いヘテロコア部を融着により設けている。そのため、１本のヘテロコア光ファイバセンサを製作するために、融着と切断とをそれぞれ２回行う必要があり、製造が困難であるという問題がある。また、ヘテロコア部は同軸心にコア径の異なるコアを設けているので、光の漏洩に曲げ方向の依存性がない。を
一方、非特許文献１に開示されたＬＰＦＧは、伸縮により引張は検出可能であるが、微小な曲げ変化は検出することが非常に困難である。

本発明は、以上の点に鑑み、製造が容易であり、微小な曲げ変化を検出することが可能な光ファイバセンサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の光ファイバセンサは、コア及び該コアの外周に設けられたクラッドから構成された光ファイバの、少なくとも前記コアに該光ファイバの光軸に非対称に、伝送する光の漏洩源となる欠陥がフェトム秒レーザで形成され、前記光の漏洩量が当該光ファイバセンサの曲げ方向に依存することを特徴とする。

本発明の光ファイバセンサによれば、少なくともコアに光ファイバの光軸に非対称に、伝送する光の漏洩源となる欠陥がフェトム秒レーザで形成されており、光の漏洩量が光ファイバセンサの曲げ方向に依存する。よって、本光ファイバセンサを伝送する光の漏洩量を求めることにより、当該光ファイバセンサの曲げ方向を検出することができる。従って、本光ファイバセンサは、曲げ方向を検知可能な曲げセンサとして好適なものとなる。

さらに、本光ファイバセンサは、曲率半径３０ｍｍ程度周辺の緩やかな曲げ変化であっても、光の漏洩量が大きく変化することが分かった。よって、上記へテロコア光ファイバセンサと同様に、微小な曲げ変化を精度良く検出することができるとともに、ＰＤやＣＣＤなどの受光素子を有する市販の受光装置を用いた安価に検出システムを構成することが可能となる。

また、フェトム秒レーザで欠陥を形成するので、所望の位置に所望の形状の欠陥を精度良く形成することができ、周辺領域への熱影響も非常に小さい。さらに、フェトム秒レーザを光ファイバに照射するだけで製造でき、上記へテロコア光ファイバセンサと比較して、製造が非常に容易になる。

なお、本発明において欠陥とは、フェトム秒レーザの集光照射によって非線形光学効果が発生して屈折率が上昇した領域を意味する。

ところで、光ファイバの光軸に対する欠陥の非対称性が大きいほど、光の漏洩量の曲げ方向依存性が高まると考えられる。しかし、１箇所に大きな欠陥を形成すると、その部分で折損し易くなる。そこで、本発明の光ファイバセンサにおいて、前記欠陥が、前記光ファイバの光軸に対して平行に延在するように形成されていることが好ましい。これにより、ファイバの光軸に対して欠陥が形成された方向に本光ファイバセンサを曲げたとき、他の方向に曲げたときに比べて、光の漏洩量が明確に大きくなる。

本発明の光ファイバセンサの製造方法は、コア及び該コアの外周に設けられたクラッドから構成された光ファイバに対して、少なくとも前記コアに該光ファイバの光軸に非対称に、伝送する光の漏洩源となる欠陥をフェトム秒レーザで形成することを特徴とする。

本発明の製造方法によれば、本発明の光ファイバセンサを製造することができる。

本発明の実施形態に係る光ファイバセンセを概略的に示し、（ａ）は側面図、（ｂ）及び（ｃ）は、（ａ）のＩ−Ｉ断面図。実施例１での光ファイバセンサの曲げ方向を概略的に説明する図。実施例２で得られた光ファイバセンサの光学顕微鏡写真。実施例２で得られた光ファイバセンサの間隔変位量と透過光強度の変化量との関係を示すグラフ。実施例３で得られた光ファイバセンサの間隔変位量と透過光強度の変化量との関係を示すグラフ。

本発明の実施形態に係る光ファイバセンサ１０について図１を参照して説明する。

光ファイバセンサ１０は、コア１１と、その外周部に設けられたクラッド１２とを有するガラス製のシングルモード光ファイバから構成されている。コア１１の屈折率は、クラッド１２の屈折率よりも、僅か、例えば０．２％程度高い。例えば、コア１１の直径は９μｍであり、クラッド１２の直径は１２５μｍである。

光ファイバセンサ１０には、図示しないフェトム秒レーザ加工装置を用いてフェトム秒レーザを集光照射することにより、点状の欠陥１３が形成されている。ここでは、欠陥１３は、光ファイバの光軸（中心軸）に沿って、複数形成されている。この欠陥１３は、図１（ｂ）に示すように、コア１１とクラッド１２とに亘るように形成されるものであっても、図１（ｃ）に示すように、コア１１の内部にのみ形成されるものであってもよい。

フェトム秒レーザ加工装置は、１０^−１５〜１０^−１３秒程度のパルス幅を有する超短パルスレーザ光を照射する。フェトム秒レーザ光は、パルス幅が非常に短いので非常に高いエネルギ密度を有する。そのため、集光点近傍のみで非線形光学効果が発生し、その結果、周囲への熱影響を極めて抑制されつつ、屈折率上昇領域である欠陥１３が形成される。

光ファイバセンサ１０の一端に、半導体発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの発光素子を有する光源を接続し、他端に、フォトダイオード（ＰＤ）や電荷結合素子（ＣＣＤ）などの受光素子を有する受光部を接続する。さらに、この受光部にＣＰＵやメモリ等を備えた検出部を接続する。そして、光源から一定強度の光を出射し、光ファイバセンサ１０を伝送されて、受光部で計測した受光量を検出部で検出する。

光ファイバセンサ１０を光軸に沿って直線状に延ばした状態で検出される受光量は、欠陥１３を形成する前に比べて、減少していることが分かった。これは、屈折率上昇領域である欠陥１３が光の漏洩源となって、光ファイバセンサ１０外に光が漏洩したことによると考えられる。

さらに、光ファイバセンサ１０を曲げたとき、曲げ方向に応じて、検出される受光量が変化することが分かった。これは、光ファイバの光軸に非対称に且つ該光軸に沿って複数の欠陥１３を形成したので、欠陥１３が形成された側の方向に光ファイバセンサ１０を曲げたとき、欠陥１３から漏洩する光量（以下、漏洩光量という）が増加し、欠陥１３が形成された側と反対方向に光ファイバセンサ１０を曲げたとき、漏洩光量が減少することによると考えられる。よって、受光部で受光される光量を検出部で検出することにより、光ファイバセンサ１０の曲げ方向を検出することができる。

さらに、欠陥１３が形成された側の方向に光ファイバセンサ１０を曲げたとき、曲げが大きくなるほど受光量が減少することが分かった。これは、欠陥１３を介してコア１１内から一旦クラッド１２に漏洩した光がコア１１内に再び戻る量が、曲げが大きくなるほど減少することによると考えられる。よって、受光部で受光される光量を検出部で検出することにより、光ファイバセンサ１０の曲げの程度を検出することができる。

なお、光ファイバセンサ１０を曲率半径３０ｍｍ程度に緩やかに曲げた場合であっても、微小な曲げ変化に応じて、検出される受光量が大きく変化することが分かった。これは、コア５μｍ、長さ２．０ｍｍ程度のコアをコア径９μｍのコアの間に同軸に融着させたヘテロコア光ファイバセンサと同等である。

ヘテロコア光ファイバセンサのように、コア径を大きく変化させて、隣接する領域間で屈折率が変化する部分を大きくさせることなく、局所的な欠陥１３を形成するだけで、緩やかに曲げであっても、漏洩光量が変化することが分かった。これは、例えば、コア６μｍ、長さ２．０ｍｍ程度のコアをコア径９μｍのコアの間に同軸に融着させたヘテロコア光ファイバセンサを用いると、曲率半径３０ｍｍ程度周辺の微小な曲げ変化では、検出される受光量の変化がほとんど変化しないことを考慮すると、驚嘆すべきことである。

なお、本発明は実施形態に限定されるものではない。例えば、実施形態では、光ファイバの光軸に沿って１列に点状の欠陥１３が複数形成される場合について説明したが、欠陥は光ファイバの光軸に非対称に形成されるものであれば、これに限定されない。

例えば、また、光ファイバの光軸に沿って線状の欠陥を、１又は複数形成してもよい。また、光ファイバの光軸に沿って複数列あるいはランダム状に点状や線状等の欠陥を所定の領域内に複数形成してもよい。特に、欠陥の形状は点状に限定されず、線、三角形、矩形、多角形、星型など任意の形状であってもよく、異なる形状の欠陥が混在していてもよい。また、光ファイバの光軸と交差するように延びる欠陥を、該光軸に沿って複数形成してもよい。

欠陥を多数形成するほど、又、欠陥をコア１１の内部に深く形成するほど、漏洩光量が増加し、曲げ感度が向上する。ただし、漏洩光量が過大であると、光ファイバセンサ１０を通信経路として使用することができないという不都合がある。よって、使用用途に応じた曲げ感度が得られるように、適宜欠陥を形成すればよい。

また、光ファイバとしてシングルモード光ファイバを用いたが、これに限定されず、マルチモード光ファイバを用いてもよい。ただし、シングルモード光ファイバであれば、外部からの影響がより受け難いので好ましい。

以下、光ファイバセンサ１０の実施例について説明する。

〔実施例１〕
実施例１では、直径９μｍのコア１１の外周部に直径１２５μｍのクラッド１２を設けた光ファイバに対して、サイバーレーザ株式会社製のフェトム秒レーザ加工装置（製品名「ＩＦＲＩＴ（イフリート）」）を用いて集光照射し、５３箇所の欠陥１３を形成した。

加工パラメータは、照射エネルギ４０μＪ／パルス、繰り返し周波数１００Ｈｚ、パルス数１０、照射位置間隔１０μｍ、波長４００ｎｍである。

光ファイバセンサ１０の一端から、波長４００ｎｍの可視光を入射し、欠陥１３を形成した部分の光ファイバセンサ１０から外部に透過される透過光強度をファイバの一端に接続した受光素子で測定した。

光軸を直線状にした光ファイバセンサ１０の透過光強度を受光素子で測定したところ、−５．７９ｄＢｍであった。欠陥１３を形成する前の透過光強度は−４．７９ｄＢｍであった。これより、欠陥１３の形成によって、透過光強度が１．０ｄＢｍ減少していることが分かった。すなわち、漏洩光量が増加していることが分かった。

次に、図２に示すように、光ファイバセンサ１０をＡ〜Ｄの各方向が内側になるようにそれぞれの曲率半径Ｒで曲げた状態で、欠陥１３を形成した部分の光ファイバセンサ１０から外部に透過される透過光強度を、受光素子を用いて測定した。このときに測定した透過光強度を表１に示す、なお、曲率半径の単位はｍｍであり、透過光強度の単位はｄＢｍである。

表１の測定結果より、Ａ方向とＢ方向が内側になるように曲げたとき、透過光強度が減少し、Ｃ方向とＤ方向が内側になるように曲げたとき、透過光強度が増加することが分かる。このように、欠陥１３を形成したことにより、漏洩光量が曲げ方向に依存することが分かる。欠陥１３は、図２に示すように、Ａ方向とＢ方向との間に形成されていると考えられる。

また、表１の測定結果から、Ａ方向とＢ方向が内側になるように曲げたとき、曲率半径Ｒが減少するほど透過光強度が減少し、Ｃ方向とＤ方向が内側になるように曲げたとき、曲率半径Ｒが減少するほど透過光強度が増加することが分かる。特に、Ｂ方向が内側になるように曲げたとき、曲率半径Ｒが無限大と２５．０ｍｍとの間で−０．０６ｄＢｍ、曲率半径Ｒが２５．０ｍｍと２１．５ｍｍとの間で−０．０６ｄＢｍ、曲率半径Ｒが２１．５ｍｍと１４．５ｍｍとの間で−０．１０ｄＢｍと、各曲率半径Ｒ間において透過光強度に明確な差が生じている。

〔実施例２〕
実施例２では、直径９μｍのコア１１の外周部に直径１２５μｍのクラッド１２を設けた光ファイバに対して、サイバーレーザ株式会社製のフェトム秒レーザ加工装置（製品名「ＩＦＲＩＴ（イフリート）」）を用いて集光照射し、１０１個の欠陥１３を形成した。

加工パラメータは、照射エネルギ４０μＪ／パルス、繰り返し周波数１００Ｈｚ、波長８００ｎｍである。各欠陥１３は、光軸方向の長さＬが１０μｍ、幅が１．１〜１．３５μｍであり、光軸方向に連続するように形成した。図３に示すように、各欠陥１３は、コア１１とクラッド１２との境界に、円弧状に形成されていることが分かった。

光ファイバセンサ１０の一端から、波長８００ｎｍの可視光を入射し、図２に示すように、欠陥１３を形成した部分の光ファイバセンサ１０から外部に透過される透過光強度をファイバの一端に接続した受光素子で測定した。

光軸を直線状にした光ファイバセンサ１０の透過光強度を受光素子で測定したところ、欠陥１３を形成する前と比較して透過光強度が１．０６ｄＢｍ減少しており、漏洩光量が増加していることが分かった。

次に、光ファイバセンサ１０を直線状に５０ｍｍの間隔で保持した状態から、欠陥１３が形成された側がそれぞれ湾曲の内側、外側になるようにした状態で、保持間隔を徐々に最大５ｍｍだけ狭くなるように狭めていき、その後、保持間隔を徐々に広げて元の状態に戻した。この過程で、刻み幅０．０５ｍｍごとに光ファイバセンサ１０から外部に透過される透過光強度を、受光素子を用いて測定した。往復７回測定した。測定結果をプロットしたグラフを図４に示す。

図４中に菱形でプロットした測定結果から分かるように、欠陥１３が形成された側を内側にして曲げたとき、透過光強度が増加した。そして、図４中に三角形でプロットした測定結果から分かるように、欠陥１３が形成された側を外側にして曲げたとき、透過光強度が減少した。このように、光軸方向に連続した欠陥１３を形成したことにより、漏洩光量が曲げ方向に依存することが分かった。

また、図４の測定結果から、欠陥１３が形成された側を内側にして曲げたとき、保持間隔の変位量が大きくなるほど、すなわち曲率半径Ｒが減少するほど透過光強度が増加し、加工損失は平均で最大０．１１ｄＢｍ増加した。一方、欠陥１３が形成された側を外側にして曲げたとき、保持間隔の変位量が大きくなるほど、すなわち曲率半径Ｒが減少するほど透過光強度が減少し、加工損失は平均で最大０．１３ｄＢｍ減少した。

そして、これらの透過光強度の変化は、曲率半径Ｒが減少する過程にあるか減少する過程にあるかに依存せず、曲率半径Ｒの値に依存しており、且つ略線形であることが分かった。

以上より、実施例２の光ファイバセンサ１０は、曲げ方向を検知するセンサとして好適なものであることが理解される。

〔実施例３〕
実施例３では、直径９μｍのコア１１の外周部に直径１２５μｍのクラッド１２を設けた光ファイバに対して、サイバーレーザ株式会社製のフェトム秒レーザ加工装置（製品名「ＩＦＲＩＴ（イフリート）」）を用いて集光照射し、４１個の欠陥１３を形成した。

加工パラメータは、照射エネルギ４０μＪ／パルス、繰り返し周波数１００Ｈｚ、長８００ｎｍである。各欠陥１３は、光軸方向の長さＬが１０μｍ、幅が１．０〜１．６μｍであり、欠陥１３中心の間隔が２５μｍとなるように、光軸方向に沿って点線状に並ぶように形成した。実施例２と同様に、各欠陥１３は、コア１１とクラッド１２との境界に、円弧状に形成されていることが分かった。

光軸を直線状にした光ファイバセンサ１０の透過光強度を受光素子で測定したところ、欠陥１３を形成する前と比較して透過光強度が０．４１ｄＢｍ減少しており、漏洩光量が増加していることが分かった。

次に、実施例２と同様にして、往復７回測定した。測定結果をプロットしたグラフを図５に示す。

図５中に菱形でプロットした測定結果から分かるように、欠陥１３が形成された側を内側にして曲げたとき、透過光強度が少し増加した。そして、図５中に三角形でプロットした測定結果から分かるように、欠陥１３が形成された側を外側にして曲げたとき、透過光強度が減少した。このように、光軸方向に連続した欠陥１３を形成したことにより、漏洩光量が曲げ方向に依存することが分かった。

また、図５の測定結果から、欠陥１３が形成された側を内側にして曲げたとき、保持間隔の変位量が大きくなっても、すなわち曲率半径Ｒが減少しても、透過光強度は然程増加せず、加工損失は平均で最大０．０３ｄＢｍだけ増加した。一方、欠陥１３が形成された側を外側にして曲げたとき、保持間隔の変位量が大きくなるほど、すなわち曲率半径Ｒが減少するほど透過光強度が減少し、加工損失は平均で最大０．１０ｄＢｍ減少した。

そして、欠陥１３が形成された側を外側にして曲げたとき、透過光強度の変化は、曲率半径Ｒが減少する過程にあるか減少する過程にあるかに依存せず、曲率半径Ｒの値に依存しており、且つ略線形であることが分かった。

以上より、実施例３の光ファイバセンサ１０は、曲げ方向を検知するセンサとして適するものの、実施例２の光ファイバセンサ１０と比較して、曲げ感度が劣ることが理解される。これより、欠陥１３が多いほど、曲げ感度が優れたものとなると考えられる。

１０…光ファイバセンサ、１１…コア、１２…クラッド、１３…欠陥。

Claims

コア及び該コアの外周に設けられたクラッドから構成された光ファイバの、少なくとも前記コアに該光ファイバの光軸に非対称に、伝送する光の漏洩源となる欠陥がフェトム秒レーザで形成され、前記光の漏洩量が当該光ファイバセンサの曲げ方向に依存することを特徴とする光ファイバセンサ。
前記欠陥が、前記光ファイバの光軸に対して平行に延在するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ曲げセンサ。
コア及び該コアの外周に設けられたクラッドから構成された光ファイバに対して、少なくとも前記コアに該光ファイバの光軸に非対称に、伝送する光の漏洩源となる欠陥をフェトム秒レーザで形成することを特徴とする光ファイバセンサの製造方法。