JP2015079249A - デュアル・エンド光ファイバ経路 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバ・ターンアラウンドを提供する。【解決手段】光ファイバ・ターンアラウンド１０において、第１及び第２の光ファイバ・コア２１、２２が、それら第１及び第２の光ファイバ・コア２１、２２の近位端２４と遠位端２５との間の透過軸に沿って光を双方向的に透過させるように構成される。リフレクタ３０が、第１及び第２の光ファイバ・コア２１、２２の遠位端２５に位置決めされる。第１のコア２1と、第２のコア２２と、リフレクタ３０とは、双方向ルーティング経路を提供するように構成されており、光エネルギが、第１及び第２のコア２１、２２の一方の近位端２４からリフレクタ３０に向かう方向に移動し、リフレクタ３０から第１及び第２のコア２１、２２の他方に沿って戻る方向に移動する。【選択図】図３

Description

＜関連出願の相互参照＞
本出願は、２０１３年１０月１７日に出願された米国仮特許出願第６１／８９１，９４８号の優先権の利益を主張するものであり、この米国仮特許出願は、本出願の譲受人が有しており、その全体が参照によって本明細書に組み入れられる。

本発明は、一般に、光ファイバの分野に関し、特に、ファイバ・ベースのセンサ及び類似のデバイスで用いられる光ファイバ・ターンアラウンド・リフレクタに関する。

分布型温度センサ（ＤＴＳ）は、長い距離にわたって温度、音響効果もしくは歪みの検出が求められる掘削孔（well bore）の長さに沿った選択された位置における温度、音響効果もしくは歪みを正確に検出及び測定するため、又は他の応用例において、シングル・エンド及びデュアル・エンドの光ファイバをセンサとして用いる、光ファイバ感知デバイスである。デュアル・エンドのインタロゲーション（interrogation）（すなわち、光信号を光ファイバ経路の両端の中に入力し、透過後の結果的な光信号を検出する能力）は、精度改善を含む複数の理由により、そして、露出、時間に依存する水素拡散、及びセンサ・ファイバにおけるスプライシング及びコネクタに関連する誤差の結果として生じる測定誤差の補償に役立てるために、好まれることが多い。

伝統的には、掘削孔の温度感知の応用例では、感知要素は、現在使用中の掘削孔の内部に配置されている直径が小さなステンレス・スチール製の管（典型的には約１／４インチ）の内部に２つの独立な光透過ファイバを設置することによって、実装される。２つの独立なファイバは、２つの透過ファイバの遠位端のそれぞれの間に連続的な光経路を提供する光ファイバを含むターンアラウンド・デバイスによって、センサの遠位端において相互に接続されているそれぞれの光経路を提供する。２つの光ファイバとターンアラウンド・デバイスとは、２つの入力ファイバのいずれかからの光を用いて、刺激されインタロゲーションがなされることが可能な単一の光経路を提供する。

従来技術のターンアラウンド・デバイスは、大型で、扱いにくく、脆弱であるのが典型的である。従来技術のターンアラウンドのために達成可能な最小の直径は、ターンアラウンド・ファイバの光学的及び力学的性質によって制約されている。そのような性質には、例えば、ターンアラウンドの力学的寿命を延長するために制限されている最小の曲げ半径だけでなく、曲げ損失も含まれる。

このように、これらのデバイスを掘削孔の内部に設置することは、問題を含み、致命的であり得る。更に、従来型のターンアラウンド・デバイスの直径は、掘削孔のオペレータに深刻な設置上の制約を課し、掘削孔の感知システムのための技術を進歩させることに対する障害を生じさせる。

米国特許出願第１３／０４５，０６４号

本発明による光ファイバ・ターンアラウンドでは、第１及び第２の光ファイバ・コアが、それらの第１及び第２の光ファイバ・コアの近位端と遠位端との間の透過軸に沿って光を双方向的に透過させるように構成されている。リフレクタ・コンポーネントが、第１及び第２の光ファイバ・コアの遠位端に配置されている。第１のコアと、第２のコアと、リフレクタ・コンポーネントとは、双方向ルーティング経路を提供するように構成されており、光エネルギが、第１及び第２のコアの一方の近位端からリフレクタ・コンポーネントに向かう方向に移動し、リフレクタ・コンポーネントから第１及び第２のコアの他方に沿って戻る方向に移動する。このアプローチの説明では２つのコア（第１のコア、第２のコア）が用いられているが、本発明の更なる実施形態は、光ファイバの内部に空間的に配列されている２の整数倍の個数のコアを用いることもあり得る。そのようなコアは、リフレクタ・コンポーネントと符合し、その結果として、光の透過のための複数の双方向の経路を生じ、光をシステムの中に透過させるための、及びシステムの中から外へ透過させるための複数の双方向経路が可能になる。

本発明の一実施形態では、リフレクタ・コンポーネントは、マルチコア・ファイバ・セグメントのたがね状の端部として実装され、そこに反射コーティングが適用される。あるいは、リフレクタ・コンポーネントは、２又はそれよりも多くの光ファイバを相互に溶融することによって作成されるマルチコア・ボディの端部に形成されることもあり得る。

本発明の更なる実施形態では、リフレクタ・コンポーネントは、２次屈折率プロファイルを有するグレーデッド・インデックス（ＧＲＩＮ）ファイバ・セグメントの遠位端に反射面を提供することによって、実装される。ＧＲＩＮファイバ・セグメントは、ファイバのピッチの４分の１に等しい長さを有するように構成されていることにより、第１及び第２のコアの一方の遠位端から出る光は、ピッチの半分を移動し、第１及び第２のコアの他方の遠位端の中に合焦される。

本発明の第１の実施形態による光ファイバ・ターンアラウンドの透視図である。 本発明の第１の実施形態による光ファイバ・ターンアラウンドの正面図である。 本発明の第１の実施形態による光ファイバ・ターンアラウンドの側面図である。 本発明の第１の実施形態による光ファイバ・ターンアラウンドの分解側面図である。 本発明の更なる態様による光ファイバ・ターンアラウンドの正面図であって、２つの別個な双方向経路を提供するように構成された４つのファイバ・コアを備えている。 コアが対角方向にペアになっている、４コアのターンアラウンドの図である。 第１及び第２の光ファイバ・コアが第１及び第２のシングルコア・ファイバによって提供されている、本発明の更なる実施形態によるターンアラウンド・デバイスの図である。 図７のターンアラウンド・デバイスの構成の図解である。 図７のターンアラウンド・デバイスの構成の図解である。 図７のターンアラウンド・デバイスの構成の図解である。 ＭＣＦセグメントと、２次屈折率プロファイルを有するグレーデッド・インデックス（ＧＲＩＮ）ファイバのセグメントを用いて実装されているリフレクタ要素とを備えている、本発明の更なる態様によるターンアラウンド・デバイスの側面図である。 ＭＣＦセグメントと、２次屈折率プロファイルを有するグレーデッド・インデックス（ＧＲＩＮ）ファイバのセグメントを用いて実装されているリフレクタ要素とを備えている、本発明の更なる態様によるターンアラウンド・デバイスの分解側面図である。

本発明は、光ファイバ・センサ又は他の応用例で用いられる、デュアル・エンド光ファイバ経路に関する。本発明のいくつかの態様は、従来技術の寸法的及び構造的な制約を克服する頑丈で小型化されたターンアラウンドを備えたデュアル・エンド光ファイバ経路の構成を提供する。

本発明の一実施形態では、マルチコア・センサ・ファイバの遠位端に、たがね状のリフレクタが提供される。本発明の更なる実施形態では、マルチコア・ファイバに、溶融されたリフレクタが提供される。リフレクタの役割は、光エネルギのために１つのコアから別のコアに至る効率的で双方向のルーティング経路をセンサ・ファイバの遠位端に提供しながら、センサ全体の断面積を最小化することである。単一のファイバに複数のコアを提供し、ターンアラウンド・リフレクタに小さな断面積（例えば、従来技術によるターンアラウンド・デバイスに対する約２．２ｍｍと比較して、約２５０μｍ）を提供することにより、センサの遠位端においてファイバの曲げ半径を収容する必要性を完全に排除すると共に、センサのパッケージ・サイズが著しく縮小される。

図１〜図４は、本発明の第１の実施形態による光ファイバ・ターンアラウンド１０の
一連の図を示している。図１は透視図を示し、図２〜図４は、正面図、側面図及び分解側面図をそれぞれ示している。

ターンアラウンド１０は、共通のクラディング２３を通過して延びる第１のコア２１と第２のコア２２とを有する２コアのマルチコア・ファイバ（ＭＣＦ）２０のセグメントから形成されている。コア２１及び２２とクラディング２３とのそれぞれの屈折率は、その近位端２４とその遠位端２５との間をＭＣＦセグメント２０の長さに沿って光が透過するための第１及び第２の導波管を提供するように構成されている。

ＭＣＦ２０は、この技術分野で既知の技術を用いて製造される。例えば、７コアのＭＣＦの構成は米国特許出願第１３／０４５，０６４号に記載があるが、この米国特許出願は、本出願の譲受人が有しており、その全体が参照により本明細書に組み入れられる。この米国出願に記載されているＭＣＦは、スタック・アンド・ドロー過程を用いて、１組のコア・ロッドから製造される。完成したＭＣＦは、外側のクラディングの直径が約１２５μｍである。アクリレート（ａｃｒｙｌａｔｅ）・デュアル・コーティング層でコーティングされるときには、ＭＣＦは、約２５０μｍの外径を有する。これらの直径は、シングルコア・ファイバの直径と互換性を有する。

図１〜図４に戻ると、経路１０において、ターンアラウンド機能が、小型のたがね状のリフレクタ３０によって提供されるのであるが、リフレクタ３０は、第１のＭＣＦコア２１の遠位端に配置されている第１の反射面３１と、第２のＭＣＦコア２２の遠位端に配置されている第２の反射面３２とを備えている。反射面３１及び３２は、第１及び第２のＭＣＦコア２１及び２２との関係で、コアの遠位端の間に双方向の反射経路を生じさせるように配置され角度が決められている。

図１〜図４に示されている本発明の実施形態では、反射面３１及び３２は、平面２６１（図４）に対して±４５°の角度を有し、ファイバ軸２６に対して（すなわち、入射光の透過方向に対して）垂直であり、相互に対しては９０°の角度を有する。第１及び第２のコア２１及び２２と、反射面３１及び３２とは、ファイバの直径２７に関して対象な位置を有するように構成されている。他の角度を有する方式及びコア構成も用い得るということに注意すべきである。

リフレクタ３０は、この技術分野で既知である複数の方法で構成され得る。例えば、リフレクタは、選択されたＭＣＦセグメントの遠位端を、適切な角度をなす表面２８及び２９（図４）を提供するように研削及び研磨することによって、形成することが可能である。角度をなす表面２８及び２９がいったん作製されると、次に、それらは既知の技術を用いて適切な反射性材料でコーティングされる。

ターンアラウンド１０において、光は、ＭＣＦセグメント２０の近位端の中に入力される。第１のＭＣＦコア２１に沿って移動する光は、ＭＣＦ２１の遠位端まで透過され、そこで反射面３１及び反射面３２によって、第２のコア２２の遠位端の中へ反射される。反射された光は、次に、検出のために利用可能となる第２のコア２２の近位端まで、誘導されて戻る。ＭＣＦ２０の近位端の中に入力される光は、また、第２のコア２２に沿って移動できるのであるが、同じ経路に沿って逆方向に移動する。反射された光は、次に、第１のＭＣＦコア２１の近位端において、検出のために利用可能である。

リフレクタ３０は、ＭＣＦセグメント２０の端部において、形成されている。従って、その外直径は、ＭＣＦセグメントの外直径であり、すなわち、コーティングされた状態で約２５０μｍである。このようにして、本発明は、典型的な直径が約２．２ｍｍ程度である従来技術のターンアラウンド・デバイスの寸法的な制限を克服する。

説明している構造は、追加的なコア対と追加的なそれぞれの双方向経路とを収容するように拡張可能である。図５は、２つの別個の双方向経路を提供するように構成されている４つのファイバ・コア４１〜４４を備えている、本発明の更なる態様による光ファイバ・ターンアラウンド４０の正面図を示している。

第１の経路は、コア４１及び４３を備えている第１のコア対から形成されている。第２の経路は、コア４２及び４４を備えている第２のコア対から形成されている。リフレクタ・コンポーネントは、コア４１及び４３の遠位端における第１の反射面５１と、コア４２及び４４の遠位端における第２の反射面５２とから形成される。

反射面５１及び５２は、コア４１とコア４３との間の第１の反射経路６１と、コア４２とコア４４との間の第２の反射経路６２とを提供するように、角度が決められている。反射面５１及び５２は、ターンアラウンド軸に対して±４５°の角度をなしている。更に、コア４１及び４３と、コア４２及び４４と、反射面５１及び５２とは、直径４５の周囲に対称的な位置を有するように構成されている。

図６は、４コアのターンアラウンド７０を示しており、コア７１〜７４は、対角方向に対になることにより、コア７１及び７４で構成される第１の経路９１と、コア７２及び７３からの第２の経路９２とを形成している。リフレクタは、第１のコア対７１及び７４のための第１の対の角度付きの反射面８１及び８４と、第２のコア対７２及び７３のための第２の対の角度付きの反射面８２及び８３とを含む。コア７１及び７４と、反射面８１及び８４とは、直径８５に関して対称である。コア７２及び７３と、反射面８２及び８３とは、直径８６に関して対称である。

更に、図６に示されている４コアのターンアラウンド７０は、グレーデッド・インデックス（ＧＲＩＮ）ファイバのセグメントを備えたリフレクタを用いて実装され得る。このようなリフレクタについては、図９及び図１０との関係で、後述される。

図７は、本発明の更なる実施形態によるターンアラウンド・デバイス１００の図面を示しており、第１及び第２の光ファイバ・コアが、第１及び第２のシングルコア・ファイバ１１０及び１２０によって提供されている。図８Ａ〜図８Ｃは、ターンアラウンド・デバイス１００の構成を図解している一連の図面である。

図８Ａは、各ファイバがそれぞれのコア１１１及び１２１を有している、１対のシングルコア・ファイバ１１０及び１２０を示している。図８Ｂでは、ファイバ１１０及び１２０の遠位端が相互に溶融され、溶融されたマルチコア・ボディ１３０を形成している。マルチコア・ボディ１３０が形成された後では、次に、リフレクタ１４０が、溶融されたマルチコア・ボディ１３０を破線１３１及び１３２において研削及び研磨することによって、マルチコア・ボディ１３０の遠位端に形成される。そして、図８Ｃに示されているように、適切な反射コーティング１４１が、次に、溶融されたマルチコア・ボディ１３０の形状が生成された遠位端に適用される。

図８Ａ〜図８Ｃに図解されているマルチファイバ・アプローチは、例えば上述した図５及び図６に示されているように、各ファイバ対が別個のそれぞれの双方向経路を提供する２つ又はそれよりも多くの対のファイバを含むように、拡張することが可能である。

図９及び図１０は、ＭＣＦセグメント１６０と、２次屈折率プロファイルを有するグレーデッド・インデックス（ＧＲＩＮ）ファイバ１７１のセグメントを用いて実装されたリフレクタ要素１７０とを備えている、本発明の更なる態様によるターンアラウンド・デバイス１５０の側面図及び分解側面図をそれぞれ示している。

一般的に言って、図９及び図１０に示されているタイプのＧＲＩＮファイバ・セグメントの長さに沿って移動する光は、既知の周期又は「ピッチ」を有する正弦経路に沿って移動する。光が、ＧＲＩＮファイバを通過してピッチの半分又はその奇数倍に等しい距離を移動すると、光の横断方向の分布（traverse distribution）は１８０°だけ反転される。

よって、光がＧＲＩＮファイバ軸からずれた横断方向の位置で（at a transverse location）ＧＲＩＮファイバ・セグメント１７１に入力される場合であって、かつ、光がＧＲＩＮファイバ・セグメント１７１を通過してファイバのピッチの半分又はその奇数倍に等しい距離を移動する場合には、光の横断方向の位置は、ＧＲＩＮファイバ・セグメント１７１の軸心を通過して反射された元の軸からずれた位置の鏡像である。

ターンアラウンド・デバイス１５０では、ＧＲＩＮファイバ・セグメント１７１は、ＭＣＦファイバ・セグメントの外直径に等しい外直径を有する。ＧＲＩＮファイバ・セグメント１７１は、ＭＣＦファイバ・セグメントの遠位端面に接続された近位端面１７２を有する。ＧＲＩＮファイバ・セグメント１７１は、更に、ＭＣＦファイバ・セグメント１６０とＧＲＩＮファイバ・セグメント１７１との透過軸に垂直である平坦な遠位端面１７３を備えている。ＧＲＩＮファイバの遠位端面１７３は、適切な反射材料１７４を用いてコーティングされている。

ターンアラウンド・デバイス１５０では、ＭＣＦセグメント１６０の第１及び第２のコア１６１及び１６２は、半径方向に対称な軸からずれた横断方向位置においてＧＲＩＮファイバ・セグメント１７１の中に光を入力するように、構成されている。ＧＲＩＮファイバ・セグメント１７１は、ＧＲＩＮファイバ・セグメントのピッチの４分の１又はその奇数倍に等しい長さを有するように構成されている。

よって、入力光は、第１又は第２のＭＣＦコア１６１及び１６２の一方の遠位端からＧＲＩＮファイバ・セグメント１７１に入ると、ＧＲＩＮファイバのピッチの半分又はその奇数倍に等しい距離を反射面１７４まで移動して戻り、光の横断方向位置を反転させる。反射された光は、第１又は第２のＭＣＦコアの他方の遠位端上で元のサイズに戻り合焦される。以上で説明された構成の全体的な結果は、第１のＭＣＦコア１６１と第２のＭＣＦコア１６２との間に双方向経路を生成するということである。

図９及び図１０に図解され、上で論じられた溶融されたリフレクタのアプローチは、上で論じられたマルチ経路及びマルチファイバ・アプローチと共に用いることが可能である。

以上の説明は当業者が本発明を実施することを可能にする詳細を含むが、その説明は本質的に例証のためのものであり、これらの教示の利益を有する当業者にはその多くの修正及び変更が明らかであることを認識すべきである。従って、本出願では、本出願に添付されている特許請求の範囲のみによって本発明が定義されること、そして、特許請求の範囲は従来技術によって許容されるのと同程度に広く解釈されるべきであることが意図されている。

Claims (11)

1. 第１及び第２の光ファイバ・コアであって、前記第１及び第２の光ファイバ・コアの近位端と遠位端との間の透過軸に沿って、光を双方向的に透過させるための第１及び第２の光ファイバ・コアと、
   前記第１及び第２の光ファイバ・コアの前記遠位端に位置決めされたリフレクタ・コンポーネントと、
   を備えており、前記第１のコアと、前記第２のコアと、前記リフレクタ・コンポーネントとは、双方向ルーティング経路を提供するように構成され、光エネルギが、前記第１及び第２のコアの一方の前記近位端から前記リフレクタ・コンポーネントに向かう方向に移動し、前記リフレクタ・コンポーネントから前記第１及び第２のコアの他方に沿って戻る方向に移動する、光ファイバ・ターンアラウンド。
2. 前記第１及び第２の光ファイバ・コアが、マルチコア・ファイバ・セグメントのそれぞれのコアである、請求項１に記載の光ファイバ・ターンアラウンド。
3. 前記第１及び第２の光ファイバ・コアが、第１及び第２の光ファイバ・セグメントのそれぞれのコアである、請求項１に記載の光ファイバ・ターンアラウンド。
4. 前記第１及び第２の光ファイバ・セグメントの前記遠位端が、マルチコア・ボディを形成するように相互に溶融されており、前記リフレクタが、前記マルチコア・ボディの前記遠位端に形成されている、請求項３に記載の光ファイバ・ターンアラウンド。
5. 各一致コア対がそれぞれの第１のコアとそれぞれの第２のコアとを備えている複数の一致コア対を備えており、
   前記複数の一致コア対と前記リフレクタとは、複数の双方向ルーティング経路を提供するように構成され、前記複数の双方向ルーティング経路は、それぞれが、それぞれの一致コア対に対応している、請求項１に記載の光ファイバ・ターンアラウンド。
6. 前記ターンアラウンド・コンポーネントは、前記第１のコアの前記遠位端における第１の反射面と前記第２のコアの前記遠位端における第２の反射面とを備えており、
   前記第１及び第２の反射面は、前記第１のコアと前記第２のコアとの間に双方向経路を形成するように、前記第１及び第２のコアに対して、及び、前記第１及び第２の反射面の相互に対して、角度をなしている、請求項１に記載の光ファイバ・ターンアラウンド。
7. 前記第１及び第２の反射面は、それぞれ、前記光ファイバ・セグメントの透過軸に対してプラスマイナス４５度の角度をなしている、請求項６に記載の光ファイバ・ターンアラウンド。
8. 前記第１及び第２の反射面が、反射性材料を用いてコーティングされているそれぞれの外側面を有するそれぞれの第１及び第２の角度付きファセットを、前記光ファイバ・セグメントの前記遠位端に備えている、請求項６に記載の光ファイバ・ターンアラウンド。
9. 前記第１及び第２の反射性の角度付きファセットが、前記ファイバ・セグメントの前記遠位端のたがね状部分の平坦な部分を備えている、請求項８に記載の光ファイバ・ターンアラウンド。
10. 前記ターンアラウンド・リフレクタが、前記ファイバの・セグメントの前記遠位端に接続されたグレーデッド・インデックス・ファイバ・セグメントを備えており、
    前記グレーデッド・インデックス・ファイバ・セグメントは、反射性端面を有し、
    グレーデッド・インデックス・ファイバの屈折率プロファイルと前記内部的反射性の端面の位置とは、前記第１及び第２の導波管の一方から出る光が前記第１及び第２の導波管の他方の中へ導かれ合焦されるように構成されている、請求項１に記載の光ファイバ・ターンアラウンド。
11. 前記グレーデッド・インデックス・ファイバは、選択されたピッチを有する２次屈折率分布を有し、
    前記グレーデッド・インデックス・ファイバは、その４分の１ピッチの奇数倍に等しい長さを有し、
    前記グレーデッド・インデックス・ファイバ・セグメントの前記端面は、前記透過軸に垂直な平坦で反射性の面を有し、
    前記第１及び第２のコアの前記遠位端は、前記グレーデッド・インデックス・ファイバ・セグメントの直径に沿って位置合わせがなされ、前記第１及び第２のコアのいずれかの前記遠位端から出る光が前記反射性コーティングによって反射されるように位置決めされていることにより、前記光が、前記グレーデッド・インデックス・ファイバ・セグメントのピッチの半分の奇数倍に等しい長さを有する光学経路の全体を移動して、前記第１及び第２のコアの他方の前記遠位端上に合焦される、請求項１０に記載の光ファイバ・ターンアラウンド。

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