JP2021528655A - 強化されたマイクロベンドセンサ - Google Patents

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Abstract

光ファイバセンサは、第１のシングルモードファイバ、第２のシングルモードファイバ、及び上記第１のシングルモードファイバと上記第２のシングルモードファイバとの間に位置決めされてこれらに結合されたマルチモードファイバを含む。上記マルチモードファイバは、約３５μｍ〜約４５μｍの外径を有するグレーデッドインデックスコアを含む。上記コアの開口数は、約０．１５〜約０．２５である。上記マルチモードファイバは、約７０μｍ〜約９０μｍの外径を有するクラッドを含む。上記第１のシングルモードファイバのＬＰ０１モードの、上記マルチモードファイバのＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードそれぞれに対する結合強度は、少なくとも約０．２５である。

Description

優先権
本出願は、２０１８年６月２８日出願の米国仮特許出願第６２／６９１３４０号の優先権の利益を主張するものであり、上記仮特許出願の内容は依拠され、その全体が参照により本出願に援用される。
本開示は光ファイバセンサに関する。より具体的には、本開示は、マイクロベンド感度が強化された光ファイバセンサに関する。
光ファイバセンサは多くの場合、電磁場又は腐食性薬品の存在により、電気センサが実用的でない環境に配備される。光ファイバセンサを利用して、これらが配備される環境における熱的特性又は機械的特性の変化を測定できる。このような光ファイバセンサのうちのいくつかにおいて、光源からの光を受動型ファイバセンサへと伝送する能動的監視ユニットが採用される。光源は多くの場合、可変出力波長を有するレーザ、又は広帯域光源である。続いて、後方散乱光、透過光、又は反射光を、監視ユニット内の検出器によって集光してデータへと処理又は変換し、このデータは、ファイバセンサが配備された環境内で光ファイバセンサが経験するひずみ変化及び／又は温度変化に関連する情報を提供する。
本開示の一態様によると、光ファイバセンサは、第１のシングルモードファイバ、第２のシングルモードファイバ、及び上記第１のシングルモードファイバと上記第２のシングルモードファイバとの間に位置決めされてこれらに結合されたマルチモードファイバを含む。上記マルチモードファイバは、約３５μｍ〜約４５μｍの外径を有するグレーデッドインデックスコアを含む。上記マルチモードファイバの上記コアの開口数は、約０．１５〜約０．２５である。上記マルチモードファイバは、約７０μｍ〜約９０μｍの外径を有するクラッドを含む。上記第１のシングルモードファイバのＬＰ０１モードの、上記マルチモードファイバのＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードそれぞれに対する結合強度は、少なくとも約０．２５である。
本開示の別の態様によると、光ファイバセンサは、第１のシングルモードファイバ、第２のシングルモードファイバ、及び上記第１のシングルモードファイバと上記第２のシングルモードファイバとの間に位置決めされてこれらに結合されたマルチモードファイバを含む。上記マルチモードファイバは、約２０μｍの外半径を有するグレーデッドインデックスコアを含む。上記マルチモードファイバの上記コアの開口数は、波長１５５０ｎｍにおいて、約０．２０である。上記マルチモードファイバのクラッドは、約４０μｍの外半径を有する。上記第１のシングルモードファイバのＬＰ０１モードは、上記マルチモードファイバのＬＰ０２モードの中央の正のローブ（ｃｅｎｔｒａｌ ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｌｏｂｅ）に厳密に一致し、これにより、上記第１のシングルモードファイバの上記ＬＰ０１モードの、上記マルチモードファイバのＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードそれぞれに対する結合強度は、波長１５５０ｎｍにおいて、少なくとも約０．２５である。
以上の態様の様々な例では、上記第１のシングルモードファイバの上記ＬＰ０１モードの、上記マルチモードファイバの上記ＬＰ０２モードに対する結合強度は、少なくとも約０．３５である。上記第１のシングルモードファイバの上記ＬＰ０１モードの、上記マルチモードファイバの上記ＬＰ０３モードに対する結合強度は、少なくとも約０．２８である。上記マルチモードファイバの上記ＬＰ０２モード及び上記ＬＰ０３モードは、光が上記マルチモードファイバを通って伝播する際に、コヒーレントに干渉する。上記第２のシングルモードファイバのＬＰ０１モードの、上記マルチモードファイバの上記ＬＰ０２モードに対する結合強度は、少なくとも約０．４０である。上記第１のシングルモードファイバの上記ＬＰ０１モードの、上記マルチモードファイバの上記ＬＰ０３モードに対する結合強度は、少なくとも約０．３０である。上記第１のシングルモードファイバの上記ＬＰ０１モードの、上記マルチモードファイバのＬＰ０１モードに対する結合強度は、約０．９０未満である。上記第１のシングルモードファイバの上記ＬＰ０１モードの、上記マルチモードファイバのＬＰ０１モードに対する結合強度は、約０．８５未満である。上記第１のシングルモードファイバの上記ＬＰ０１モードの、上記マルチモードファイバの上記ＬＰ０３モードに対する結合強度は、少なくとも約０．３０である。上記第１のシングルモードファイバは、約４μｍ〜約８μｍの外径及び約０．４％〜約１．２％の最大相対屈折率を有するコアと、約７０μｍ〜約９０μｍのクラッド直径とを有する。上記第２のシングルモードファイバは、約４μｍ〜約８μｍの外径及び約０．４％〜約１．２％の最大相対屈折率を有するコアと、約７０μｍ〜約９０μｍのクラッド直径とを有する。
以下は、添付の図面中の図の説明である。これらの図は、必ずしも正確な縮尺ではなく、明瞭性及び簡潔性のために、図の特定の特徴及び特定の視野が規模を強調して示される、又は概略的に示される場合がある。
コア、クラッド、及びコーティングを示す、光ファイバの断面の正面図 一実施形態による光ファイバセンサの概略図 一実施形態によるマルチモードファイバに関する相対屈折率対半径のプロット 一実施形態によるシングルモードファイバに関する相対屈折率対半径のプロット 第１の例示的なシングルモードファイバ及びマルチモードファイバの様々なモードに関する電場を示すプロット 第２の例示的なシングルモードファイバ及びマルチモードファイバの様々なモードに関する電場を示すプロット 第１の例示的なシングルモードファイバの基本モードとマルチモードファイバの様々なモードとの間の結合強度を示すプロット 第２の例示的なシングルモードファイバの基本モードとマルチモードファイバの様々なモードとの間の結合強度を示すプロット
更なる特徴及び利点は、以下の「発明を実施するための形態」に記載され、これらは、当該記載から当業者に明らかとなるか、又は請求項及び添付の図面を伴う以下の記載において説明されるように本実施形態を実践することにより、認識されるだろう。
本明細書中で使用される場合、用語「及び／又は（ａｎｄ／ｏｒ）」は、２つ以上の項目の列挙において使用される場合、列挙された項目のうちのいずれの１つを単独で採用でき、又は列挙された項目のうちの２つ以上のいずれの組み合わせを採用できることを意味する。例えば、ある組成物が成分Ａ、Ｂ、及び／又はＣを含有するものとして説明される場合、当該組成物は：Ａを単独で；Ｂを単独で；Ｃを単独で；Ａ及びＢを組み合わせて；Ａ及びＣを組み合わせて；Ｂ及びＣを組み合わせて；又はＡ、Ｂ、及びＣを組み合わせて含有できる。
この文書では、第１の（ｆｉｒｓｔ）及び第２の（ｓｅｃｏｎｄ）、上部（ｔｏｐ）及び底部（ｂｏｔｔｏｍ）等といった、関係性を表す用語は、ある実在物又は作用を別の実在物又は作用と区別するためだけに使用され、このような実在物又は作用の間の、いずれの実際のこのような関係又は順序を、必ずしも要求又は暗示するものではない。
当業者、及び本開示を作製又は使用する者には、本開示の修正が想起されるだろう。従って、図面に図示され、かつ下記に説明されている実施形態は、単に例示を目的としたものであり、均等物の原則を含む特許法の原理に従って解釈されるように、以下の請求項によって定義される本開示の範囲を限定することは意図されていないことが理解される。
この開示の目的のために、用語「連結される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」（連結する（ｃｏｕｐｌｅ）、連結している（ｃｏｕｐｌｉｎｇ）、連結される（ｃｏｕｐｌｅｄ）等の全ての形態）は概して、２つの構成部品を互いに直接又は間接的に接合することを意味する。このような接合は、固定されたものであっても、可動性を有するものであってもよい。このような接合は、上記２つの構成部品といずれの追加の中間部材とを単一の一体型本体として互いに一体成型することによって、又は上記２つの構成部品によって、達成してよい。このような接合は、特段の記載がない限り、永久的なものであっても、取り外し可能又は剥離可能なものであってもよい。
本明細書中で使用される場合、用語「約（ａｂｏｕｔ）」は、量、サイズ、処方、パラメータ、並びに他の量及び特徴が、正確ではなくかつ正確である必要がないものの、必要に応じて許容誤差、換算係数、丸め、測定誤差等、及び当業者に公知のその他の因子を反映した、おおよそのもの、及び／又は大きい若しくは小さいものであってよいことを意味している。一般に、量、サイズ、処方、パラメータ、又は他の量若しくは特徴は、そのように明記されているかいないかにかかわらず、「約」又は「おおよそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ）」のものである。用語「約」がある値又はある範囲のある端点を記述する際に使用される場合、本開示は、言及された具体的な値又は端点を含むことを理解されたい。本明細書中の数値又は範囲の端点が「約」として記載されているかどうかにかかわらず、上記数値又は範囲の端点は、２つの実施形態、即ち：「約」で修飾された実施形態、及び「約」で修飾されていない実施形態を含むことを目的としている。更に、各範囲の端点は、他の端点との関連においても、他の端点とは独立したものとしても、重要であることが理解されるだろう。
本明細書中で使用される場合、用語「実質的な（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌ）」、「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」、及びその変化形は、記載されている特徴が、ある値又は記述に等しい又はおおよそ等しいことを述べることを意図したものである。例えば、「実質的に平面状の（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ ｐｌａｎａｒ）」表面は、平面状又はおおよそ平面状の表面を示すことを意図したものである。更に、「実質的に（ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ）」は、２つの値が等しい又はおおよそ等しいことを示すことを意図したものである。いくつかの実施形態では、「実質的に」は、互いの約１０％以内、例えば互いの約５％以内、又は互いの約２％以内の値を示してよい。
本明細書で使用される場合、例えば上方（ｕｐ）、下方（ｄｏｗｎ）、右（ｒｉｇｈｔ）、左（ｌｅｆｔ）、前方（ｆｒｏｎｔ）、後方（ｂａｃｋ）、上部（ｔｏｐ）、底部（ｂｏｔｔｏｍ）といった方向に関する用語は、図面が図示されている状態を参照して使用されているだけであり、絶対的な配向を含意したものではない。
本明細書で使用される場合、用語「上記（ｔｈｅ）」、「ある（ａ又はａｎ）」は、「少なくとも１つ（ａｔ ｌｅａｓｔ ｏｎｅ）」を意味しており、文脈によってそうでないことが明示されていない限り、「唯一の（ｏｎｌｙ ｏｎｅ）」に限定されないものとする。よって例えば「ある構成部品（ａ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）」に関する言及は、文脈によってそうでないことが明示されていない限り、２つ以上のこのような構成部品を有する実施形態を含む。
略語「μｍ」は、ミクロン又はマイクロメートルを表す。
本明細書中で使用される場合、「相対屈折率（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）」は：
Figure 2021528655
として定義され、ここでｎ（ｒ）は、別段の定めがない限り、ファイバの中心線から半径方向距離ｒにおけるファイバの屈折率であり、ｎｃｌは外側クラッドの屈折率である。外側クラッドが実質的に純シリカである場合、波長１５５０ｎｍにおいてｎｃｌ＝１．４４４である。本明細書中で使用される場合、相対屈折率パーセント（本明細書中では相対屈折率とも呼ばれる）はΔ（若しくは「デルタ」）、Δ％（若しく「デルタ％」）、又は％で表され、これらは全て本明細書中では互換的に使用され、これらの値は別段の定めがない限り、パーセント又は％を単位として提供される。相対屈折率はΔ（ｒ）又はΔ（ｒ）％で表現される場合もある。
光ファイバのコアに関する屈折率プロファイルは多くの場合、
Figure 2021528655
で表すことができ、ここでΔ０はコアの最大相対屈折率であり、ａはコアの半径であり、α又はアルファは曲率パラメータである。アルファ値が約５未満である屈折率プロファイルを有するコアは、グレーデッドインデックスコアと呼ばれ、アルファ値が約２０超である屈折率プロファイルを有するコアは、ステップインデックスコアと呼ばれ、アルファ値が約５〜約２０である屈折率プロファイルを有するコアは、ラウンデッドステップインデックスコア（ｒｏｕｎｄｅｄ ｓｔｅｐ‐ｉｎｄｅｘ ｃｏｒｅ）と呼ばれる。
光ファイバの開口数（ＮＡ）は：
Figure 2021528655
によって、コアの最大相対屈折率Δ０に関連付けられる。
所与のシングルモード又はマルチモードファイバによってサポートされる各直線偏光（ＬＰｍｎ）モードの実効群屈折率βｍｎ及び電場Ｅｍｎを数値的に見出すことができ（例えばＴ． Ａ． Ｌｅｎａｈａｎ， “Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｄｅｓ ｉｎ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ＥＩＳＰＡＣＫ，” Ｂｅｌｌ Ｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ， ｖ ６２， ｎ ９， ｐｔ．１， Ｎｏｖ． １９８３， ２６６３‐９４）、ここでｍ及びｎはそれぞれ、方位屈折率及び半径方向屈折率を示す。電場Ｅｍｎは：
Figure 2021528655
となるように正規化される。
図１を参照すると、ファイバ１０の全体が示されており、これはシングルモードファイバ（ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ：ＳＭＦ）であってもマルチモードファイバ（ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ：ＭＭＦ）であってもよい。ファイバ１０は、外径及び中心線１４を有する。ファイバ１０は、中心線１４に関して円筒対称である。ファイバ１０は典型的には、コア１８、クラッド２２、及びコーティング２６を備える。本開示のいくつかの例では、ファイバ１０は、コア１８を及びクラッド２２を備えるが、コーティング２６を省略してよい。
次に図１及び２を参照すると、光ファイバセンサ３０が概略的に示されている。図示されている例によると、光ファイバセンサ３０は、第１のシングルモードファイバ３４、第２のシングルモードファイバ３８、及びマルチモードファイバ４２を含む。マルチモードファイバ４２は、第１のシングルモードファイバ３４と第２のシングルモードファイバ３８との間に位置決めされる。マルチモードファイバ４２は、スプライシング又は連結器具の使用といった当業者に公知のいずれの方法で、第１のシングルモードファイバ３４及び第２のシングルモードファイバ３８に連結させてよい。いくつかの例では、マルチモードファイバ４２はグレーデッドインデックスコアを備える。マルチモードファイバ４２のコアは、少なくとも約１０μｍ、少なくとも約１５μｍ、少なくとも約２０μｍ、少なくとも約２５μｍ、少なくとも約３０μｍ、及び／又はこれらの組み合わせ若しくは範囲である外半径４６を有してよい。当業者は、半径を検討する場合、その代わりに、本明細書中で開示される概念から逸脱することなく、半径を２倍することによって直径を検討してよいことを認識するだろう。例えば、マルチモードファイバ４２のコアは、約３５μｍ〜約４５μｍの直径を有することができる。マルチモードファイバ４２のコアは、波長１５５０ｎｍにおいて、約０．１４、約０．１６、約０．１８、約０．２０、約０．２２、約０．２４、約０．２６、約０．２８、約０．３０、約０．３２、及び／又はこれらの組み合わせ若しくは範囲である開口数を有してよい。マルチモードファイバ４２のグレーデッドインデックスコアは、約１．８、約１．９、約２．０、約２．１、約２．２、及び／又はこれらの組み合わせ若しくは範囲である、曲率パラメータ、アルファを有してよい。クラッド２２は、少なくとも約３０μｍ、少なくとも約３５μｍ、少なくとも約４０μｍ、少なくとも約４５μｍ、少なくとも約５０μｍ、及び／又はこれらの組み合わせ若しくは範囲である外半径５０を有してよい。クラッド２２は、約６５μｍ未満、約５５μｍ未満、約４５μｍ未満、約４０μｍ未満、及び／又はこれらの組み合わせ若しくは範囲である外半径５０を有してよい。例えば、クラッド２２の外径は、約７０μｍ〜約９０μｍとすることができる。
本開示では、単一点又は分散型感知に使用できる、光ファイバの連結構成が提示される。上記光ファイバの連結構成は、第１のシングルモードファイバ３４、第２のシングルモードファイバ３８、及びマルチモードファイバ４２を含む。光源５４は、第１のシングルモードファイバ３４の第１の端部５８に連結されて、第１のシングルモードファイバ３４の第１の端部５８の中へと光を配向する。第１のシングルモードファイバ３４は、入力ファイバと呼ばれる場合があり、光源５４からの光をマルチモードファイバ４２に伝播する。マルチモードファイバ４２は、第１のシングルモードファイバ３４の第２の端部６２に連結される。第１のシングルモードファイバ３４を通って伝播する光は、マルチモードファイバ４２に入り、マルチモードファイバ４２の少なくとも２つの別個のモードを励起する。例えば、第１のシングルモードファイバ３４を通って移動する光は、第１のシングルモードファイバ３４の基本モードＬＰ０１を励起でき、マルチモードファイバ４２に入ると、マルチモードファイバ４２の２つ以上のモードを励起できる。一例では、シングルモードファイバ３４の基本モードは、マルチモードファイバ４２のＬＰ０１モードと、マルチモードファイバ４２のＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードといった１つ以上の高次モードとを励起する。マルチモードファイバ４２は、マイクロベンドセンサファイバ（ｍｉｃｒｏｂｅｎｄ ｓｅｎｓｏｒ ｆｉｂｅｒ：ＭＳＦ）として構成される。マルチモードファイバ４２において励起された複数のモード間の干渉の程度の変化は、第２のシングルモードファイバ３８の基本ＬＰ０１モードに結合されるパワーの量の変動をもたらす。第２のシングルモードファイバ３８は、出力ファイバと呼ばれることもある。
一般に、本明細書中で提示されるのは、マイクロベンド感知用ファイバ、例えばマイクロベンド感度が強化されたマルチモードファイバ４２である。更に、マルチモードファイバ４２の、第１のシングルモードファイバ３４及び第２のシングルモードファイバ３８に対する連結は、改善又は最適化されている。結果として得られるマイクロベンド感知用ファイバは、光ファイバセンサ３０が配備される環境によって光ファイバセンサ３０に加えられるひずみ、温度、及び／又は屈折率の変化の、極めて高感度のプローブである。様々な例では、光ファイバセンサ３０を光周波数領域反射測定（ｏｐｔｉｃａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｏｍａｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ：ＯＦＤＲ）技法と併せて利用してよく、これは、光ファイバセンサ３０の空間分解能を１メートル未満まで向上させて、マイクロベンドによって誘発される光ファイバセンサ３０内の摂動の位置を、光時間領域反射測定（ｏｐｔｉｃａｌ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ：ＯＴＤＲ）技法を用いた場合よりも正確に特定できるようにする。一例では、光ファイバセンサ３０は、建造物構造内に配備して、建造物内の割れ、ひび、及び／又は応力の位置をより高い精度で特定するために利用してよい。このような例では、光ファイバセンサ３０は、配備環境における摂動が光ファイバセンサ３０内でのパワー損失の上昇を誘発する場合に、構造モニタとして利用される。その後、パワー損失の上昇の具体的な位置を、ＯＦＤＲ又はＯＴＤＲを用いて正確に示すことができる。
光ファイバセンサ３０は、シングルモード‐マルチモード‐シングルモード（ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ‐ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ‐ｓｉｎｇｌｅ ｍｏｄｅ：ＳＭＳ）ファイバと呼ばれる場合がある。上述したように、一例では、光は入力シングルモードファイバ（例えば第１のシングルモードファイバ３４）へと発射され、その後、光は入力シングルモードファイバを通って伝播してマイクロベンド感知用ファイバ（例えばマルチモードファイバ４２）に結合し、光がマイクロベンド感知用ファイバに沿って伝播した後、光は出力シングルモードファイバ（例えば第２のシングルモードファイバ３８）に結合し、この出力シングルモードファイバ内で、光が検出器６６（例えばＯＦＤＲ又はＯＴＤＲ機器）へと伝播する。本開示の光ファイバセンサ３０は、第１のシングルモードファイバ３４の基本ＬＰ０１モードを励起するレーザ又は広帯域光源等の光源を含む、光学系に組み込まれてよい。様々な例では、第１のシングルモードファイバ３４は、第１のシングルモードファイバ３４の励起された基本ＬＰ０１モードとマルチモードファイバ４２のＬＰ０１モードとの間の結合強度を犠牲にして、第１のシングルモードファイバ３４の励起された基本ＬＰ０１モードとマルチモードファイバ４２の高次モード（例えばＬＰ０２及び／又はＬＰ０３）との間のより高い結合強度を優先するよう構成してよい。第１のシングルモードファイバ３４の励起された基本ＬＰ０１モードは、マルチモードファイバ４２の２つ以上のモード（例えばＬＰ０１モード及び少なくとも１つの高次モード）を励起できる。マルチモードファイバ４２において励起された２つ以上のモード（例えばＬＰ０１モード及びＬＰ０２モード）は、これらの励起されたモードがマルチモードファイバ４２を通って伝播する際に、互いにコヒーレントに干渉し得る。この干渉により、第２のシングルモードファイバ３８のＬＰ０１モードに結合されて最終的には検出器６６によって検出されるパワーのレベルが変化する。第１のシングルモードファイバ３４及び第２のシングルモードファイバ３８を同一の構成とすることができ、これにより、第１のシングルモードファイバ３４に関して本明細書中で検討されるものを、第２のシングルモードファイバ３８に同様に適用できる。様々な例では、検出器６６は、光スペクトルアナライザ（ｏｐｔｉｃａｌ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎａｌｙｚｅｒ：ＯＳＡ）であってよい。従って、光ファイバセンサ３０に存在するパワー損失のベースラインレベルが存在し、これは、光ファイバセンサ３０が配備される環境がマイクロベンディング又はマクロベンディングによる減衰の増加を誘発する場合に増加する。
第１のシングルモードファイバ３４、第２のシングルモードファイバ３８、及びマルチモードファイバ４２は、本明細書中で検討される強化されたマイクロベンドセンサを提供するために、互いに共最適化されている。本開示の利点は、第１のシングルモードファイバ３４からマルチモードファイバ４２の高次モードへの結合強度が改善及び優先されている点である。更に、マルチモードファイバ４２は、マイクロベンディングの摂動に対するマルチモードファイバ４２の感度を強化するよう構成又は製造されている。コア直径ａ及びクラッド直径ｂを有するマルチモードファイバ４２に関するマイクロベンドによって誘発される損失（ｄＢ）は、式１に示すような比例関係を有してよく、ここでＮＡはマルチモードファイバ４２の開口数である。
Figure 2021528655
ＯＭ３ファイバに関して定められた基準を満たす比較用マルチモードファイバは典型的には、約５０μｍのコア直径、約１２５μｍのクラッド直径、及び０．２０の開口数を有し、これらは比較的低いマイクロベンド感度をもたらす。これらのパラメータはこの比較用マルチモードファイバを遠距離通信用途に好適なものとし得るが、このような比較用マルチモードファイバ単独では、マイクロベンド感知用ファイバとしての使用に十分に適さない。別の比較用マルチモードファイバを利用するために、比較的小さいクラッド直径を有するマルチモードファイバを選択してよい。具体例として、式１は、クラッド直径の１２５μｍから８０μｍへの減少が、マイクロベンドによって誘発される損失を約１４．５倍増大させることを予測している。しかしながら、このような別の比較用マルチモードファイバを選択する際には、別の問題が生じる。具体的には、このような別の比較用マルチモードファイバのコアによってサポートされる高次モードは一般に、第１のシングルモードファイバ３４等のほとんどの入力ファイバに、良好に結合しない（例えば弱い結合強度）。従って、本開示におけるマルチモードファイバ４２のコア１８は、第１のシングルモードファイバ３４等の入力ファイバと良好に結合する（例えばより高い結合強度）高次モードをサポートするよう設計されている。
ある具体例では、マルチモードファイバ４２のコア１８は、０．２０の開口数、４０μｍのコア直径、及び８０μｍのクラッド直径を有するグレーデッドインデックスコアを備える。結果として得られるマルチモードファイバ４２は、マイクロベンド感度が強化されるか、又は上昇しており、減衰が十分に低いことにより、最大数キロメートルの長さでの配備が可能となる。
光ファイバセンサ３０のマルチモードファイバ４２における２つの最低次モードのみを考慮する場合（例えばＬＰ０１及びＬＰ０２モード）、検出器６６（例えば光センサアナライザ）によって受信される強度Ｉは、式２によって与えられる。
Figure 2021528655
式２では、Ｉ１及びＩ２は、１次モード及び２次モードそれぞれにおける強度であり、Ｌはマルチモードファイバ４２の長さであり、λは光の波長であり、Δｎｇは２つの最低次モードの実効群屈折率間の差である。これらの伝播モードの間で生成される干渉スペクトルの波長間隔は、式３によって与えられる。
Figure 2021528655
式３では、波長間隔Δλは、マルチモードファイバ４２の長さＬと２つの最低次モードの実効群屈折率間の差Δｎｇとの積に反比例する。Δｎｇの公称値は、利用されるマルチモードファイバ４２のコアパラメータによって決定される。従って、マルチモードファイバ４２の長さＬを調整することで、検出器６６によって測定できる実際の値に対してΔλを微調整できる。
干渉スペクトルのパワー分布は、２つの伝播モードにおける相対強度に依存する。Ｉ１に対するＩ２の比を、１に近づく、又は１に更に近接する（即ちＩ２≒Ｉ１）となるように増大させると、式２における干渉項の振幅
Figure 2021528655
が増大し、光ファイバセンサ３０の応答が強化される。光ファイバセンサ３０が環境変化（例えばひずみ変化又は温度変化）に曝された場合、ΔｎｇとＬとの積が変化する。ΔｎｇとＬとの積の変化は、干渉スペクトルの波長間隔の変化をもたらし、これは式４によって与えられ得る。式４では、印加されたひずみεは、
Figure 2021528655
によって与えられる。
Figure 2021528655
第１のシングルモードファイバ３４は、円筒対称性及びガウシアン又はニアガウシアン強度‐対‐半径プロファイルを有する、基本ＬＰ０１モードのみをガイドするよう構成される。第１のシングルモードファイバ３４のコア１８とマルチモードファイバ４２のコア１８とが良好に整列し（即ち大幅な横方向オフセットを伴わず）、第１のシングルモードファイバ３４及びマルチモードファイバ４２の開口数（ＮＡ）が一致する場合、第１のシングルモードファイバ３４のＬＰ０１モードは、マルチモードファイバ４２の円筒対称のＬＰ０ｍモードのみを励起する。第１のシングルモードファイバ３４のＬＰ０１モードとマルチモードファイバ４２のＬＰ０ｍモードとの間の結合係数は、式５によって与えられる。
Figure 2021528655
式５では、ＥＬＰ０１及びＥ０ｍはそれぞれ、第１のシングルモードファイバ３４のＬＰ０１モード及びマルチモードファイバ４２のＬＰ０ｍモードの半径方向強度である。光ファイバセンサ３０の感度は、第１のシングルモードファイバ３４のＬＰ０１モードのマルチモードファイバ４２の高次ＬＰ０ｍモードへの比較的強い結合が存在するときに高まり、ここでｍは１より大きい。
図３Ａ及び３Ｂを参照すると、いくつかの例によるマルチモードファイバ４２及びシングルモードファイバ（例えば第１のシングルモードファイバ３４及び／又は第２のシングルモードファイバ３８）に関する、相対屈折率Δ％対半径ｒのプロットが示されている。相対屈折率は、純シリカガラスに対して測定される。図３Ａは、外半径ｒ１、最大相対屈折率Δ１、及び曲率パラメータαを有するグレーデッドインデックスコアを含む、ある非限定的な例によるマルチモードファイバ４２の屈折率プロファイルを示す。クラッド２２は、半径方向位置ｒ１から半径方向位置ｒ２まで延在し、相対屈折率Δ２を有する。図３Ａのファイバ１０はコーティング２６を含むが、プロファイルにはファイバ１０のガラスセクションのみが示される。図３Ｂは図３Ａと同様であり、第１のシングルモードファイバ３４及び／又は第２のシングルモードファイバ３８といった、ある非限定的な例によるシングルモードファイバの屈折率プロファイルを示す。屈折率プロファイルは、外半径ｒ３及び最大屈折率Δ３を有するステップインデックスプロファイルである。クラッド２２は、半径方向位置ｒ３から半径方向位置ｒ４まで延在する。図３Ｂのファイバ１０はコーティング２６を含むが、プロファイルにはファイバ１０のガラスセクションのみが示される。
図４Ａ〜４Ｄを具体的に参照すると、マルチモードファイバ４２に関する電場（Ｅ‐Ｆｉｅｌｄ）（図４Ａ及び４Ｂの左の縦軸）と、第１の例示的なシングルモードファイバの電場（図４Ａの右の縦軸）と、第２の例示的なシングルモードファイバの電場（図４Ｂの右の縦軸）とを比較するプロットが、ファイバ１０内の半径方向位置の関数として示されている。マルチモードファイバ４２のＬＰ０１モード、ＬＰ０２モード、及びＬＰ０３モードに関する電場の振幅はそれぞれ、ＭＭＦ‐ＬＰ０１、ＭＭＦ‐ＬＰ０２、及びＭＭＦ‐ＬＰ０３としてプロットされる。第１の例示的なシングルモードファイバのＬＰ０１モードの振幅は、図４ＡでＳＭＦ１‐ＬＰ０１としてプロットされる。第２の例示的なシングルモードファイバのＬＰ０１モードの振幅は、図４ＢでＳＭＦ２‐ＬＰ０１としてプロットされる。全てのファイバに関する電場は、１５５０ｎｍで計算された。第１及び第２の例示的なシングルモードファイバに関するコアの直径は、約３．０μｍ、約３．５μｍ、約４．０μｍ、約４．５μｍ、約５．０μｍ、約５．５μｍ、約６．０μｍ、約６．５μｍ、約７．０μｍ、約８．０μｍ、約８．５μｍ、約９．０μｍ、約９．５μｍ、及び／又はこれらの組み合わせ若しくは範囲であってよい。これらの値は、本質的に例示的なものであり、本開示を限定することは意図しておらず、第１及び第２の例示的なシングルモードファイバのコアの直径が、ここに明記されている値の間の値になり得ることが意図されている。例えば、第１のシングルモードファイバのコアの直径は、約９．２μｍであってよく、第２のシングルモードファイバのコアの直径は、約５．４μｍであってよい。
図４Ａ〜４Ｄを再び参照すると、第１の例示的なシングルモードファイバのＬＰ０１モードは、マルチモードファイバ４２のＬＰ０１モードよりもわずかに小さい直径を有する。図４Ａにおいて確認できるように、第１の例示的なシングルモードファイバのＬＰ０１モードは、マルチモードファイバ４２のＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの正及び負の振幅の領域に部分的に重なる。図４Ｃに示されるように、式５を用いて、第１の例示的なシングルモードファイバのＬＰ０１モードからマルチモードファイバ４２のＬＰ０１モードへの結合強度が約０．９０超である一方で、第１の例示的なシングルモードファイバのＬＰ０１モードからマルチモードファイバ４２のＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードへの結合強度がそれぞれ約０．３０未満及び約０．２０未満であることを示すことができる。対照的に、図４Ｄによって示されているように、第２の例示的なシングルモードファイバのＬＰ０１モードは、マルチモードファイバ４２のＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードの中央の正のローブに厳密に一致し、これにより第２の例示的なシングルモードファイバのＬＰ０１モードからマルチモードファイバ４２のＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードへの結合強度がいずれも約０．３０超となりながら、第２の例示的なシングルモードファイバのＬＰ０１モードからマルチモードファイバ４２のＬＰ０１モードへの結合強度が約０．８５未満に低下する。第２の例示的なシングルモードファイバのＬＰ０１モードからマルチモードファイバ４２のＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードへの結合強度の増大、及び第２の例示的なシングルモードファイバのＬＰ０１モードからマルチモードファイバ４２のＬＰ０１モードへの結合強度の低下はそれぞれ、式２における干渉項の振幅
Figure 2021528655
の増大に関して、光ファイバセンサ３０の効率にプラスの影響をもたらす。
図４Ｃ及び４Ｄを具体的に参照すると、第１の例示的なシングルモードファイバのＬＰ０１モードの、マルチモードファイバ４２のＬＰ０１モード、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードへの結合強度（図４Ｃを参照）と、第２の例示的なシングルモードファイバのＬＰ０１モードの、マルチモードファイバ４２のＬＰ０１モード、ＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードへの結合強度（図４Ｄを参照）とが、比較を目的として示されている。両方の例において、マルチモードファイバ４２は、約０．２０の開口数、及び約３０μｍ〜約５０μｍのコア直径を備える。第１の例示的なシングルモードファイバをマルチモードファイバ４２のための入力ファイバとして使用する場合、マルチモードファイバ４２のコア直径へのより強い依存が存在する。しかしながら、第２の例示的なシングルモードファイバをマルチモードファイバ４２のための入力ファイバとして利用する場合、マルチモードファイバ４２のＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードへの結合に関して、結合強度は、マルチモードファイバ４２のコア直径へのそれほど強い依存を有しない。例えば、第２の例示的なシングルモードファイバを利用する場合、第２の例示的なシングルモードファイバのＬＰ０１モードからマルチモードファイバ４２のＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードへの結合強度は、マルチモードファイバ４２のコア直径が５０μｍから４０μｍまで減少するときに、大幅に低下しない。図４Ｃ及び４Ｄに提示されるデータは、光ファイバセンサ３０において、第２の例示的なシングルモードファイバを、コア直径が低減された（例えば４０μｍ）、マルチモードファイバ４２の両側の入力及び出力ファイバとして使用することにより、入力ファイバのＬＰ０１モードからマルチモードファイバ４２の高次モードへの優れた結合が提供されることを示す。更に、クラッド直径が減少した第２の例示的なシングルモードファイバを利用して、マルチモードファイバ４２へのスプライシングを単純化できることが考えられる。例えば、マイクロベンド感度を強化するために、マルチモードファイバ４２のクラッド直径を約８０μｍまで低減してよく、第２の例示的なシングルモードファイバは同様に、約８０μｍの低減されたクラッド直径を備えてよい。
以上の態様の様々な例では、第１のシングルモードファイバ３４のＬＰ０１モードの、マルチモードファイバ４２のＬＰ０２モードに対する結合強度は、少なくとも約０．２０、少なくとも約０．２５、少なくとも約０．３０、少なくとも約０．３５、少なくとも約０．４０、少なくとも約０．４５、及び／又はこれらの組み合わせ若しくは範囲とすることができる。第１のシングルモードファイバ３４のＬＰ０１モードの、マルチモードファイバ４２のＬＰ０３モードに対する結合強度は、少なくとも約０．２０、少なくとも約０．２４、少なくとも約０．２８、少なくとも約０．３２、及び／又はこれらの組み合わせ若しくは範囲とすることができる。第２のシングルモードファイバ３８のＬＰ０１モードの、マルチモードファイバ４２のＬＰ０２モードに対する結合強度は、少なくとも約０．３０、少なくとも約０．３５、少なくとも約０．４０、少なくとも約０．４５、及び／又はこれらの組み合わせ若しくは範囲とすることができる。第１のシングルモードファイバ３４のＬＰ０１モードの、マルチモードファイバ４２のＬＰ０３モードに対する結合強度は、少なくとも約０．２０、少なくとも約０．２５、少なくとも約０．３０、及び／又はこれらの組み合わせ若しくは範囲とすることができる。第１のシングルモードファイバ３４のＬＰ０１モードの、マルチモードファイバ４２のＬＰ０１モードに対する結合強度は、約１．００未満、約０．９５未満、約０．９０未満、約０．８５未満、約０．８０未満、約０．７５未満、及び／又はこれらの組み合わせ若しくは範囲とすることができる。第１のシングルモードファイバ３４のコアは、約３μｍ、約４μｍ、約６μｍ、約８μｍ、約９μｍ、及び／又はこれらの組み合わせ若しくは範囲の外径を有することができる。第１のシングルモードファイバ３４のコアは、約０．３％、約０．４％、約０．６％、約０．８％、約１．０％、約１．２％、約１．４％、約１．６％、及び／又はこれらの組み合わせ若しくは範囲の最大相対屈折率を有することができる。第１のシングルモードファイバ３４上のクラッド２２の直径は、約５０μｍ、約６０μｍ、約７０μｍ、約８０μｍ、約９０μｍ、約１００μｍ、及び／又はこれらの組み合わせ若しくは範囲とすることができる。第２のシングルモードファイバ３８のコアは、約２μｍ、約４μｍ、約６μｍ、約８μｍ、約１０μｍ、約１２μｍ、及び／又はこれらの組み合わせ若しくは範囲の外径を有することができる。第２のシングルモードファイバ３８のコアは、約０．３％、約０．４％、約０．６％、約０．８％、約１．０％、約１．２％、約１．４％、約１．６％、及び／又はこれらの組み合わせ若しくは範囲の最大相対屈折率を有することができる。第２のシングルモードファイバ３８上のクラッド２２の直径は、約５０μｍ、約６０μｍ、約７０μｍ、約８０μｍ、約９０μｍ、約１００μｍ、及び／又はこれらの組み合わせ若しくは範囲とすることができる。
本明細書において、マイクロベンド感度が強化されたマルチモードファイバ４２を有する光ファイバセンサ３０が提供される。更に、マルチモードファイバ４２の両端部に連結される入力ファイバ及び出力ファイバは、マルチモードファイバ４２の高次モードと入力出力ファイバ及び出力ファイバの基本モードとの間の結合を改善するよう構成される。結果として得られる光ファイバセンサ３０は、より高い空間分解能、及び環境による摂動に対する感度を可能とする。
例示的実施形態及び例は、例示のみを目的として記載されているが、以上の説明は、本開示及び添付の特許請求の範囲を限定することを意図したものでは決してない。従って、本開示の精神及び様々な原理から大幅に逸脱することなく、上述の実施形態及び例に変更及び修正を加えてよい。全てのこのような修正及び変更は、本開示の範囲内に含まれ、また以下の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態１
光ファイバセンサ（３０）であって：
コア及びクラッドを備える、第１のシングルモードファイバ（３４）；
コア及びクラッドを備える、第２のシングルモードファイバ（３８）；並びに
上記第１のシングルモードファイバ（３４）と上記第２のシングルモードファイバ（３８）との間に位置決めされて、上記第１のシングルモードファイバ（３４）及び上記第２のシングルモードファイバ（３８）に結合された、マルチモードファイバ（４２）
を備え、
上記マルチモードファイバ（４２）は：
約３５μｍ〜約４５μｍの外径を有するグレーデッドインデックスコアであって、上記グレーデッドインデックスコアの開口数は、約０．１５〜約０．２５である、グレーデッドインデックスコア；
約７０μｍ〜約９０μｍの外径を有する、マルチモードファイバクラッド
を備え、
上記第１のシングルモードファイバ（３４）のＬＰ０１モードの、上記マルチモードファイバ（４２）のＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードそれぞれに対する結合強度は、少なくとも約０．２５である、光ファイバセンサ（３０）。
実施形態２
上記第１のシングルモードファイバ（３４）の上記ＬＰ０１モードの、上記マルチモードファイバ（４２）の上記ＬＰ０２モードに対する結合強度は、少なくとも約０．３５である、実施形態１に記載の光ファイバセンサ（３０）。
実施形態３
上記第１のシングルモードファイバ（３４）の上記ＬＰ０１モードの、上記マルチモードファイバ（４２）の上記ＬＰ０３モードに対する結合強度は、少なくとも約０．２８である、実施形態１又は２に記載の光ファイバセンサ（３０）。
実施形態４
上記マルチモードファイバ（４２）の上記ＬＰ０２モード及び上記ＬＰ０３モードは、光が上記マルチモードファイバ（４２）を通って伝播する際に、コヒーレントに干渉する、実施形態１〜３のいずれか１つに記載の光ファイバセンサ（３０）。
実施形態５
上記第２のシングルモードファイバ（３８）のＬＰ０１モードの、上記マルチモードファイバ（４２）の上記ＬＰ０２モードに対する結合強度は、少なくとも約０．４０である、実施形態１又は２に記載の光ファイバセンサ（３０）。
実施形態６
上記第１のシングルモードファイバ（３４）の上記ＬＰ０１モードの、上記マルチモードファイバ（４２）の上記ＬＰ０３モードに対する結合強度は、少なくとも約０．３０である、実施形態１〜５のいずれか１つに記載の光ファイバセンサ（３０）。
実施形態７
上記第１のシングルモードファイバ（３４）の上記ＬＰ０１モードの、上記マルチモードファイバ（４２）のＬＰ０１モードに対する結合強度は、約０．９０未満である、実施形態１〜６のいずれか１つに記載の光ファイバセンサ（３０）。
実施形態８
上記第１のシングルモードファイバ（３４）の上記ＬＰ０１モードの、上記マルチモードファイバ（４２）の上記ＬＰ０３モードに対する結合強度は、少なくとも約０．３０である、実施形態１〜７のいずれか１つに記載の光ファイバセンサ（３０）。
実施形態９
上記第１のシングルモードファイバ（３４）の上記コア（１８）は、約４μｍ〜約８μｍの外径及び約０．４％〜約１．２％の最大相対屈折率を有し、
上記第１のシングルモードファイバ（３４）のクラッド直径は、約７０μｍ〜約９０μである、実施形態１〜８のいずれか１つに記載の光ファイバセンサ（３０）。
実施形態１０
上記第２のシングルモードファイバ（３８）の上記コア（１８）は、約４μｍ〜約８μｍの外径及び約０．４％〜約１．２％の最大相対屈折率を有し、
上記第２のシングルモードファイバ（３８）のクラッド直径は、約７０μｍ〜約９０μｍである、実施形態１〜９のいずれか１つに記載の光ファイバセンサ（３０）。
１０ ファイバ
１８ コア
２２ クラッド
２６ コーティング
３０ 光ファイバセンサ
３４ 第１のシングルモードファイバ
３８ 第２のシングルモードファイバ
４２ マルチモードファイバ
４６ 外半径
５４ 光源
５８ 第１のシングルモードファイバ３４の第１の端部
６２ 第１のシングルモードファイバ３４の第２の端部
６６ 検出器

Claims (5)

  1. 光ファイバセンサ（３０）であって：
    コア（１８）及びクラッド（２２）を備える、第１のシングルモードファイバ（３４）；
    コア（１８）及びクラッド（２２）を備える、第２のシングルモードファイバ（３８）；並びに
    前記第１のシングルモードファイバ（３４）と前記第２のシングルモードファイバ（３８）との間に位置決めされて、前記第１のシングルモードファイバ（３４）及び前記第２のシングルモードファイバ（３８）に結合された、マルチモードファイバ（４２）
    を備え、
    前記マルチモードファイバ（４２）は：
    約３５μｍ〜約４５μｍの外径を有するグレーデッドインデックスコア（１８）であって、前記コア（１８）の開口数は、約０．１５〜約０．２５である、グレーデッドインデックスコア（１８）；
    約７０μｍ〜約９０μｍの外径を有する、クラッド（２２）
    を備え、
    前記第１のシングルモードファイバ（３４）のＬＰ０１モードの、前記マルチモードファイバ（４２）のＬＰ０２モード及びＬＰ０３モードそれぞれに対する結合強度は、少なくとも約０．２５である、光ファイバセンサ（３０）。
  2. 前記第１のシングルモードファイバ（３４）の前記ＬＰ０１モードの、前記マルチモードファイバ（４２）の前記ＬＰ０２モードに対する結合強度は、少なくとも約０．３５であり、
    前記第１のシングルモードファイバ（３４）の前記ＬＰ０１モードの、前記マルチモードファイバ（４２）の前記ＬＰ０３モードに対する結合強度は、少なくとも約０．２８であり、
    前記マルチモードファイバ（４２）の前記ＬＰ０２モード及び前記ＬＰ０３モードは、光が前記マルチモードファイバ（４２）を通って伝播する際に、コヒーレントに干渉し、
    前記第２のシングルモードファイバ（３８）のＬＰ０１モードの、前記マルチモードファイバ（４２）の前記ＬＰ０２モードに対する結合強度は、少なくとも約０．４０であり、
    前記第１のシングルモードファイバ（３４）の前記ＬＰ０１モードの、前記マルチモードファイバ（４２）の前記ＬＰ０３モードに対する結合強度は、少なくとも約０．３０である、請求項１に記載の光ファイバセンサ（３０）。
  3. 前記第１のシングルモードファイバ（３４）のＬＰ０１モードの、前記マルチモードファイバ（４２）のＬＰ０１モードに対する結合強度は、約０．９０未満であり、
    前記第１のシングルモードファイバ（３４）の前記ＬＰ０１モードの、前記マルチモードファイバ（４２）の前記ＬＰ０３モードに対する結合強度は、少なくとも約０．３０である、請求項１に記載の光ファイバセンサ（３０）。
  4. 前記第１のシングルモードファイバ（３４）の前記コア（１８）は、約４μｍ〜約８μｍの外径及び約０．４％〜約１．２％の最大相対屈折率を有し、
    前記第１のシングルモードファイバ（３４）のクラッド直径は、約７０μｍ〜約９０μである、請求項１に記載の光ファイバセンサ（３０）。
  5. 前記第２のシングルモードファイバ（３８）の前記コア（１８）は、約４μｍ〜約８μｍの外径及び約０．４％〜約１．２％の最大相対屈折率を有し、
    前記第２のシングルモードファイバ（３８）のクラッド直径は、約７０μｍ〜約９０μｍである、請求項４に記載の光ファイバセンサ（３０）。
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