JP2019045221A - 光ファイバセンサ測定ユニット - Google Patents

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Abstract

【課題】分布型光ファイバセンサにおいて、面領域を測定する際の空間分解能を向上させる。【解決手段】基部と、隣接する直線部分同士が接触した状態で前記基部に敷設された測定用光ファイバと、を備えた光ファイバセンサ測定ユニット。【選択図】図１

Description

本発明は、測定用光ファイバを敷設した光ファイバセンサ測定ユニットに関する。
光ファイバ中に光を入射すると、ブリルアン散乱という現象により、約１１ＧＨｚ周波数が下がった反射光が生じる。このブリルアンシフトと呼ばれるシフト量が歪や温度に比例することが知られている。この現象を利用した分布型光ファイバセンサとして、光ファイバに沿った任意の位置で歪みや温度変化の大きさを測定できるブリルアン光相関領域リフレクトメトリ（ＢＯＣＤＲ）が提案されている。
図１０は、ＢＯＣＤＲ３００の原理を説明する図である。本図において、ＤＦＢレーザ３１０から出射したレーザ光は、スプリッタ３２０で分岐される。分岐した一方の光は、遅延ファイバ３３０、サーキュレータ３４０を通り、測定用光ファイバ（ＦＵＴ）１１０に入射される。光波コヒーレンス関数の合成（ＳＯＣＦ）という技術により、ＤＦＢレーザ３１０において、適切な周波数で周波数変調をかけることにより、測定用光ファイバ１１０内で測定したい位置から強く光がブリルアン散乱されて戻ってくるようになっている。
スプリッタ３２０で分岐した他方の光は、偏波スイッチ３５０を通り、時分割で偏波方向が切換えられた後、カプラ３６０で戻り光と合成される。合成光は、バランスド・フォト・ダイオード３７０で検波される。検波された信号は、ＲＦアンプ３８０で増幅され、スペクトルアナライザ３９０で信号検出される。測定用光ファイバ１１０内の測定位置と温度、歪みの測定値出力は、ＰＣ４００にて行なわれる。
ＢＯＣＤＲ３００では、ＤＦＢレーザ３１０から測定用光ファイバ１１０に送られた光のうち、周波数変調によって指定した位置から戻ってくる光を選択的に検出する。検出した光の周波数成分のうち非弾性散乱光（ブリルアン散乱光）の周波数を測定する。ブリルアン散乱光の周波数は測定用光ファイバ１１０に作用する温度、歪みに感度を持つため、周波数変動量を測定することで、測定用光ファイバ１１０の測定した位置における温度、歪みを測定することができる。
図１１は、ＢＯＣＤＲ３００を用いた温度、歪み計測の概要図である。図１１（ａ）に示すように、温度、歪みを計測したい領域に測定用光ファイバ１１０を敷設する。面領域における温度、歪み計測を行なう場合には、図１１（ｂ）に示すように、面領域Ａに測定用光ファイバ１１０を敷設する。
特開２００９−１３９２４１号公報
現在、ＢＯＣＤＲ３００の空間分解能は、測定用光ファイバ１１０の延伸方向について数ｃｍオーダである。しかしながら、ＢＯＣＤＲ３００を用いて面領域に対して計測を行なう場合は、面領域内で光ファイバ１１０に伸びる方向に直交する方向（図１１（ｂ）のＸ方向）については、この空間分解能を活かしきることができておらず、例えば、数値的に補間等することにより値を予測している。
そこで本発明は、分布型光ファイバセンサにおいて、面領域を測定する際の空間分解能を向上させることを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の光ファイバセンサ測定ユニットは、基部と、隣接する直線部分同士が接触した状態で前記基部に敷設された測定用光ファイバと、を備えたことを特徴とする。
ここで、前記基部は板状であり、前記測定用光ファイバは、前記直線部分と、折り返し部分とが形成されていてもよい。
また、前記直線部分が、第１の方向と、第１の方向に直交する第２の方向に形成されていてもよい。
また、前記基部は外周面を有する立体形状であり、前記測定用光ファイバは、前記外周面に沿って巻かれていてもよい。
また、前記基部に複数個の管が形成され、前記測定用光ファイバは、前記管に通されていてもよい。
また、前記基部に複数個の溝が形成され、前記測定用光ファイバは、前記溝に嵌められていてもよい。
いずれもの場合も、前記直線部分が同方向で重ねられて配置され、それぞれ隣接する直線部分同士が接触していてもよい。
本発明によれば、分布型光ファイバセンサにおいて、面領域を測定する際の空間分解能を向上させることができる。
本実施形態の第１実施例に係る光ファイバセンサ測定ユニットを模式的に示す図である。 本実施形態の第２実施例に係る光ファイバセンサ測定ユニットを模式的に示す図である。 測定用光ファイバを２段に重ねた場合を説明する図である。 本実施形態の第３実施例に係る光ファイバセンサ測定ユニットを模式的に示す図である。 本実施形態の第４実施例に係る光ファイバセンサ測定ユニットを模式的に示す図である。 本実施形態の第５実施例に係る光ファイバセンサ測定ユニットを模式的に示す図である。 本実施形態の第６実施例に係る光ファイバセンサ測定ユニットを模式的に示す図である。 管を設けた基部を説明する図である。 溝を設けた基部を説明する図である。 ＢＯＣＤＲの原理を説明する図である。 ＢＯＣＤＲを用いた温度、歪み計測の概要図である。
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の第１実施例に係る光ファイバセンサ測定ユニットを模式的に示す図であり、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は斜視図を示している。図１（ａ）は、図１（ｂ）のＡ−Ａ断面図に相当する。
光ファイバセンサ測定ユニット１０は、分布型光ファイバセンサの測定用光ファイバ（ＦＵＴ）として用いられ、特に、温度や歪みを計測するブリルアン光相関領域リフレクトメトリ（ＢＯＣＤＲ）に好適である。
図１（ａ）（ｂ）に示すように、光ファイバセンサ測定ユニット１０は、測定用光ファイバ１１０と板状の基部１２０とを備えており、基部１２０に測定用光ファイバ１１０を敷設した形態となっている。基部１２０は、測定対象物そのものであってもよいし、樹脂、木材、金属、ガラス、紙、繊維等種々の材料で形成して、測定対象物に取り付けてもよい。
測定用光ファイバ１１０の基部１２０への敷設は、表面を覆う態様でもよいし、埋め込む態様でもよい。埋め込む場合は、測定用光ファイバ１１０の一部が外部に露出していてもよいし、完全に埋め込まれた非露出状態としてもよい。
図１（ａ）に示すように、測定用光ファイバ１１０は、隣接する側面同士が接触するように基部１２０に敷設されている。なお、図２（ｂ）では、隣接する側面間に隙間が存在しているように表されているが、これは図示上の便宜的なものであり、実際は側面同士が接触している。ただし、接触していると見なせれば、多少の隙間は許容される。例えば、測定用光ファイバ１１０の径の半分以下の間隔であれば接触していると見なせるものとする。以下に示す例についても同様である。
測定用光ファイバ１１０は、延伸方向に伸びる直線部分と、折り返しのために曲げられた折り返し部分とが交互に連なっている。このとき、延伸方向に伸びる直線部分が実質的な測定部分となる。そして、隣接している直線部分同士が接触している。このため、測定対象の面領域が隙間無く測定用光ファイバ１１０の直線部分で覆われていることになる。
直線部分の長さ、折り返し部分の長さは既知とすることができるため、例えば、ＢＯＣＤＲで得られた温度あるいは歪み分布から、演算により基部１２０における温度あるいは歪みの面分布を得ることができる。
例えば、測定用光ファイバ１１０として直径０．１５ｍｍのポリイミド・ファイバを用いた場合、直線部分に直交する方向（図１（ｂ）中のＸ方向）では、０．１５ｍｍ（１５０μｍ）の空間分解能を得ることができる。
ＢＯＣＤＲの空間分解能を１０ｃｍとすると、延伸方向の空間分解能が１０ｃｍであるのに対し、延伸方向に直交する方向では、ＢＯＣＤＲの空間分解能よりもはるかに高い０．１５ｍｍの空間分解能が得られることになる。
さらに、第２実施例として図２に示すように、Ｘ方向に加え、Ｘ方向に直交するＹ方向においても延伸方向に伸びる直線部分を形成し、同方向で隣接する直線部分同士を接触させた光ファイバセンサ測定ユニット１１を用いることにより、両方向においてＢＯＣＤＲの空間分解能よりもはるかに高い０．１５ｍｍの空間分解能が得られることになる。
いずれの実施例においても、図３に示すように、測定用光ファイバ１１０の直線部分を基部１２０に２段重ねて、隣接する直線部分同士が三次元的に接触するように敷設することにより、直線部分に直交する方向の空間分解能をさらに２倍に向上させることができる。
測定用光ファイバ１１０の許容折り曲げ半径の関係から、折り返し部分の形成が困難であれば、第３実施例として図４に示すように、測定用光ファイバ１１０を基部１２０よりも大きな径で巻回し、束ねられた測定用光ファイバ１１０の一領域を、隣接する直線部分同士が接触する状態で基部１２０に敷設するようにしてもよい。
基部は板状のみならず立体形状であってもよい。例えば、第４実施例として図５に示すように、円柱状の基部１２１に測定用光ファイバ１１０を敷設して、光ファイバセンサ測定ユニット１２を構成してもよい。この場合、直線部分は基部１２１の外周面に沿って巻かれて形成される。立体形状の基部１２１に密着して巻き付ける場合は、折り返し部分は不要となり、すべて直線部分とすることができる。この場合も隣接する直線部分同士が隙間無く接触するように測定用光ファイバ１１０を敷設する。
立体形状の基部は、円柱状に限られない。例えば、楕円柱状、角柱状、球状等とすることができる。図６は、角柱状の基部１２２に巻き付けた第５実施例を示している。本図の例は、基部１２２の外周側面には密着して巻き付けていないため、直線部分と、折り返し部分とが形成されている。
本実施形態の光ファイバセンサ測定ユニットは、例えば、半導体ウエハを加工する装置、例えば、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）装置に好適に適用することができる。これらの装置では、加工するウエハの温度が加工速度（エッチング速度）に大きく影響するため、ウエハの温度分布計測が精密加工に重要である。
例えば、第６実施例として図７に示すように、ウエハの載せるステージを基部１２３とし、測定用光ファイバ１１０を、直線部分同士が接触するように埋め込むことで、温度分布を高空間分解能で測定できるようになる。そして、得られた温度分布を、ステージ冷却、ガス流量、プラズマ状態等のエッチング条件にフィードバックすることができる。
また、ＣＶＤ（Chemical Vaper Deposition）装置の炉温度測定に、第４実施例として図５に示したような立体形状の基部１２１を用いた光ファイバセンサ測定ユニット１２を用いることができる。従来は、数本の熱電対を炉に接触させて測定する、いわゆる点測定であったが、本手法を用いることにより、精密な分布測定が可能となる。
基部に、測定用光ファイバ１１０敷設用のガイドを設けるようにしてもよい。例えば、図８（ａ）の左側に示すように、基部１２４の表面上に複数本の管１２５を備えさせ、図８（ｂ）の左側に示すように、測定用光ファイバ１１０を管１２５に通すことで、容易に光ファイバセンサ測定ユニット１４を形成することができる。
あるいは、図８（ａ）の右側に示すように、基部１２４の内面に複数本の管１２６を備えさせ、図８（ｂ）の右側に示すように、測定用光ファイバ１１０を管１２６に通すことで、容易に光ファイバセンサ測定ユニット１４を形成するようにしてもよい。いずれの場合も管の太さを測定用光ファイバ１１０の太さとほぼ等しくするとともに、管の間隔を測定用光ファイバ１１０の径の半分以下に狭め、測定用光ファイバ１１０の直線部分同士が接触しているとみなせるようにする。
また、図９（ａ）に示すように、基部１２７の表面に複数本の溝１２７ａを形成し、図９（ｂ）に示すように、それぞれの溝１２７ａに測定用光ファイバ１１０の直線部分を嵌め込むことで、光ファイバセンサ測定ユニット１５を形成してもよい。溝１２７ａの間隔は、溝１２７ａに嵌った測定用光ファイバ１１０の直線部分同士が接触するように設定する。
以上説明したように、本実施形態の光ファイバセンサ測定ユニットによれば、隣接している直線部分同士が接触しているため、面領域を測定する際の空間分解能を向上させることができる。
１０、１１、１２、１４、１５…光ファイバセンサ測定ユニット、１１０…測定用光ファイバ、１２０、１２１、１２２、１２３、１２４、１２７…基部、１２５、１２６…管

Claims (7)

  1. 基部と、
    隣接する直線部分同士が接触した状態で前記基部に敷設された測定用光ファイバと、
    を備えたことを特徴とする光ファイバセンサ測定ユニット。
  2. 前記基部は板状であり、
    前記測定用光ファイバは、前記直線部分と、折り返し部分とが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センサ測定ユニット。
  3. 前記直線部分が、第１の方向と、第１の方向に直交する第２の方向に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバセンサ測定ユニット。
  4. 前記基部は外周面を有する立体形状であり、
    前記測定用光ファイバは、前記外周面に沿って巻か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センサ測定ユニット。
  5. 前記基部に複数個の管が形成され、
    前記測定用光ファイバは、前記管に通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センサ測定ユニット。
  6. 前記基部に複数個の溝が形成され、
    前記測定用光ファイバは、前記溝に嵌めら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センサ測定ユニット。
  7. 前記直線部分が同方向で重ねられて配置され、それぞれ隣接する直線部分同士が接触していることを特等とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光ファイバセンサ測定ユニット。
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