JP5171692B2

JP5171692B2 - 光反射センサ及び結合型光反射センサ

Info

Publication number: JP5171692B2
Application number: JP2009047600A
Authority: JP
Inventors: 誠一斧田; 正行中野; 康俊小松; 秀樹浅野
Original assignee: WATANABE, CO. LTD.; Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: WATANABE, CO. LTD.; Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2009-03-02
Filing date: 2009-03-02
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2029-03-02
Also published as: JP2010203819A

Description

本発明は、光ファイバセンシングに用いられる光反射センサ及び結合型光反射センサに関する。

近年、光ファイバを地盤の変位や構造物の歪み等のセンシングに用いる方法が提案されてきており、それに伴いセンシングに利用する光反射センサの開発が進んでいる。
本願発明者らは、センシングに用いる光反射センサの一つとして光ファイバを貫通させたフェルールの端面に多層膜BPF（Band-Pass Filter）やエッジフィルタ(Edge Filter)等の光学フィルタを直接形成した光反射センサ（以下、「ＢＯＦ」）を提案している。（特許文献１参照）。

これは、周囲の温度変化に応じて反射光の中心波長がシフトすることを利用してそのシフト量から温度や圧力を算出するものである。

特開2008-039787号公報

しかしながら、ＢＯＦには、数十cmから数m長の光ファイバが繋がった状態であるため、ＢＯＦの取扱い、例えば収納や持ち運び、ならびに在庫管理やセンサとしてのアセンブリ等が不便であるという問題がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、収納や持ち運び、ならびに在庫管理やセンサとしてのアセンブリ等が容易な光反射センサ及び結合型光反射センサを提供することを課題とする。

本願請求項１に係る発明は、円筒型のフェルールの貫通孔に光ファイバが固定された光反射センサであって、前記フェルールと前記光ファイバを含む、当該光反射センサの一方の端面は、軸対称に球面研磨され、前記端面を含む箇所に、外的条件の変化に応じて入射光に対する反射スペクトルがシフトする多層膜フィルタが形成され、かつ前記フェルールの他方の端面が、光ファイバフェルールとの光学的接続が可能となるように研磨され、当該光反射センサは、前記光ファイバフェルールと接続可能および分離可能に構成されていることを特徴とする光反射センサである。
本願請求項２に係る発明は、前記光ファイバの前記フェルールへの固定が熱融着によって行われることを特徴とする、請求項1に記載の光反射センサである。
本願請求項３に係る発明は、前記フェルールは、結晶化ガラスによって形成されていることを特徴とする、請求項1または２の何れか１項に記載の光反射センサである。
本願請求項４に係る発明は、請求項１、２または３の何れか１項に記載の光反射センサと、この光反射センサと略直径の等しい光ファイバフェルールが、前記光反射センサの前記反射手段をもたない他方の端面と光学的に接続された状態で、円筒型のスリーブに収納されたことを特徴とする結合型光反射センサである。

本願請求項１に記載の発明によれば、光反射センサが光ファイバフェルールと接続可能および分離可能に構成されているので収納や持ち運び、ならびに在庫管理やセンサとしてのアセンブリ等が容易となる。

本願請求項２に記載の発明によれば、フェルールと光ファイバの密着度を飛躍的に向上させることができる。

本願請求項３に記載の発明によれば、前記フェルールは結晶化ガラスによって形成されているので、接触型の圧力センサとして用いる場合に測定結果への影響を及ぼす前記凹部がない。
本願請求項４に記載の発明によれば、敷設された光ファイバシステムに取り付けられた光反射センサを取りかえるだけでセンシングの対象の切り替えが可能となる。例えば、温度センシングとして利用されているセンシングシステムを圧力センシングとして利用する場合には、光反射センサのみを取り換えれば良いので便利である。

本発明の実施形態におけるBOFスタブの構成を示す図である。 BOFスタブとフェルールを組み合わせた結合型ＢＯＦスタブの構成を示す図である。結合型BOFの反射スペクトルを測定するための系の構成を示した図である。 ASE光源から、光ファイバに導入される光の波長特性を示した図である。 BOFスタブの周囲温度を-10℃から80℃まで10℃刻みで変化させたときの反射スペクトルの変化を示した図である。 BOFスタブの反射スペクトルの半値中心から中心波長を求めた時の温度と中心波長の変化を示した図である。ジルコニアによって形成されたフェルールに接着剤を用いて光ファイバが固定されたBOFスタブのフィルタの蒸着面の形状を３次元測定器で測定した結果を示した図である。フェルール素材として結晶化ガラスを用い、熱融着によって光ファイバが固定されたBOFスタブのフィルタの蒸着面の形状を３次元測定器で測定した結果を示した図である。結合型BOFスタブの膜厚方向に加わる荷重印加に対するBOFスタブの反射スペクトルを測定するための系の構成の一例を示した図である。結合型BOFスタブの荷重印加に対する反射スペクトル変化を測定するための系の構成を示した図である。荷重に対する半値中心波長のシフト量の変化を示した図である。

本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明を具体化した一形態に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

（光反射センサの構造）
最初に、本発明に係る光反射センサ（以下では、「BOFスタブ」という）の構造を説明する。
図１は、本発明に係るBOFスタブの構成の一例を示した図である。
図に示すように、BOFスタブ１は、中心軸に配置された外径0.125mm、長さ5.4mmの単一モードファイバ（以下では、「光ファイバ」）11が外径1.25ｍｍのジルコニアもしくは結晶化ガラスで形成されたフェルール12で覆われた構造をしている。

この光ファイバ11をフェルール12に固定する際には使用用途に応じて接着剤又は熱融着（例えば、「2003 年電子情報通信学会総合大会 C-3-99」参照）によって行う。なお、光ファイバ11の長さとフェルール12の貫通孔の長さとは同一長になるように設計されている。

BOFスタブ１のＡ側の端面には、利用目的に応じて軸対称な曲率半径20mmの球面研磨又は平直面研磨が施されている。例えば、ＢＯＦスタブを接触型の圧力センサとして用いる場合軸対称な曲率半径20mmの球面研磨が施される。また、温度センサ又は非接触型の圧力センサとして用いる場合は、球面研磨に代えて平直面研磨を施しても良い。この球面研磨又は平直面研磨を施した表面に、反射手段としてT_iO₂とS_iO₂による多層膜BPF13（Band-Pass Filter）やエッジフィルタ(Edge Filters)を蒸着させることによって形成されるが、本実施形態では多層膜BPF13（以下、「フィルタ」という）を蒸着させる。なお、膜材料には低屈折率材料としてSiO₂が、また高屈折率材料としてTiO₂若しくはTa₂O₅等がそれぞれ用いられる。

一方、BOFスタブ１のＢ側の端面は、接続させるフェルールとの接続損を最小化するためにAPC（Angled Physical Contact）研磨、PC研磨又は斜め研磨が施されており、本実施形態では斜め研磨角度８度のAPC研磨（参考文献：JIS C5963：光ファイバ11コード付き光コネクタ通則）が施されているが、研磨方式や研磨角度がこれに限定されることはない。

次に、BOFスタブ１とフェルールとを一体構造とした結合型光反射センサ（以下では、「結合型ＢＯＦスタブ」）を説明する。
図２は、結合型ＢＯＦスタブ2の構造を示した図であり、BOFスタブ１のＢ側の端面と貫通孔に光ファイバが貫通された光ファイバフェルール12aの一の端面とがスリ−ブ21内で突き合わされた構造となっている。

両者の接触面形状は、接続損失もしくは反射減衰量の条件に応じて前述のJIS規格から選べばよいが、本実施形態では上記したようにＢＯＦスタブ１のＢ側の端面は斜め研磨角度8度のAPC研磨が施されている。

また、光ファイバフェルール12aの接触側の端面も同様にして斜め研磨角度8度のAPC研磨が施されている。これは、両者の接触面にＡＰＣ研磨を施し接続することによって60dB以上の反射減衰量を確保できるためである。その結果として、多重反射の影響が無視できる。

（実験例１）
次に、上記説明した結合型BOFスタブ2を用いて温度測定の実験を行う。
本実験例での結合型BOFスタブ2には、フェルール12を形成する素材としてジルコニアが用いられ、光ファイバ11とフェルール12との固定には接着剤が用いられている。

図３は、温度変化に対するBOFスタブ1の反射スペクトルを測定するための系の構成を示した図である。
測定系3は、図４に示すスペクトル特性を持つ光を発光するASE光源31、反射光の反射スペクトルを計測する光スペクトルアナライザ32、サーキュレータ33及び結合型BOFスタブ2を備え、これらは図に示すように光ファイバスルー本線34によって接続されている。

ASE光源31から、光ファイバスルー本線34に導入された図４に示す波長特性を持つ光は結合型BOFスタブ2に入射する。
結合型BOFスタブ2では、入射光に対して周囲の温度変化に応じて特定の波長を持つ光が反射される。反射光は光ファイバスルー本線34を戻り、サーキュレータ33を介して光スペクトルアナライザ32に入射する。そして、光スペクトルアナライザ32によって反射光の反射スペクトルが分析され、これに基づいて温度が算出される。

図５は、結合型BOFスタブ2の周囲温度を-10℃から80℃まで10℃刻みで変化させたときの反射スペクトルの変化を示した図である。
曲線50、51、52、53、54及び55は、それぞれ-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃及び40℃のスペクトル曲線を示している。また、曲線56、57、58及び59は、それぞれ50℃、60℃70℃及び80℃のスペクトル曲線を示している。

図に示すように、温度が上昇するに連れて反射スペクトルが長波長側にシフトしていることがわかる。

図６は、反射スペクトルの半値から求めた中心波長（以下では、「半値中心波長」）を求めた際の温度と半値中心波長との関係を示した図であり、横軸に温度（℃）を、縦軸に半値中心波長（mm）を、それぞれとったものである。

これらの測定点から算出された回帰直線60は、ｙ＝0.01319＋1541.63097となり、相関率0.999となる。これから、温度に対して13pm/℃の傾きで直線性よく変化しており、温度のセンサヘッドとして好適であることがわかる。

（実験例２）
次に、結合型BOFスタブ2を用いて圧力測定の実験を行う。
最初に、結合型BOFスタブ2のフィルタ蒸着面の形状について説明する。
上記温度測定での結合型BOFスタブ2においては、フェルール12の素材としてジルコニアを用い、また光ファイバ11をフェルール12に固定する際には接着剤を用いた。

図７は、ジルコニアによって形成されたフェルール12を用い、接着剤を用いて貫通孔に光ファイバを固定したBOFスタブ１（図１参照）のフィルタ13の蒸着面の形状を３次元測定器で測定した結果を示した図であり、横軸は中心（0の位置）からの距離(mm)を、縦軸は球面13を一部に持つ球の中心からの距離(mm)を、それぞれとったものである。

図に示すように、フィルタ13の球面上には、光ファイバ端面70とフェルール端面71との間に約0.1μmの凹面が形成されている。この凹面は、フェルール12に用いられた素材（ジルコニア）と光ファイバ11に用いられる素材との熱膨張係数の違いによって生ずるものである。

図８は、フェルール12の素材として結晶化ガラスを用い、上記した熱融着によって光ファイバ11を固定させたBOFスタブ１のフィルタの蒸着面の形状を３次元測定器で測定した結果を示した図であり、横軸は中心（0の位置）からの距離(mm)を、縦軸は球面13を一部に持つ球の中心からの距離(mm)を、それぞれとったものである。

図８に示すように、フェルール12の素材として結晶化ガラスを用い、光ファイバ11をフェルール12に熱融着させると、フィルタ13の球面は図７のような凹部の無い円滑な表面状態をしている。

BOFスタブ１を温度センサや非接触の圧力センサとして用いる場合は、フィルタ13の球面上に凹面があっても特に問題はないが、接触型の圧力センサとして用いる場合は上記凹面が測定結果に影響を及ぼす恐れがある。

そこで、BOFスタブ１を接触型圧力センサとして用いる場合には、フェルール12の素材として結晶化ガラスを用い、フェルール12を光ファイバ11に熱融着によって固定することによって凹部の無い円滑な表面状態とすることが望ましい。

図９は、硬質の平面接触子を介してロードセル（図示せず）によって、結合型BOFスタブ2aの膜厚方向に加わる荷重圧力に対するBOFスタブの反射スペクトルを測定するための系3aの構成の一例を示した図である。

図９中で、図３に示した計測系3と同一の機能を有する部材は同一符号を付して説明を省略する。なお、結合型ＢＯＦスタブ2aは、フェルール12が結晶化ガラスから形成され、光ファイバ11をフェルール12に熱融着させることによって固定されている。

図１０は、図９の測定系3aを用いて、結合型BOFスタブ2aに加える圧力を0N(ニュートン)から９Nまで１N刻みで変化させたときの反射スペクトルの変化を示した図であり、横軸に波長λ(mm)を、縦軸に反射率(dB)を、それぞれとったものである。

図１０中の曲線60、61、62、63及び64は、0N、1N、2N、3N及び4Nの荷重を付加した際の反射スペクトルをそれぞれ表している。また、曲線65、66、67、68及び69は、5N、6N、7N、8N及び9Nの荷重を付加した際の反射スペクトルをそれぞれ表している。
図に示すように、印加する荷重が大きくなるにつれて反射スペクトルが短波長側にシフトすることが見て取れる。

図１１は、荷重と半値中心波長のシフト量との関係を対数グラフで示した図であり、横軸に荷重(N)を、縦軸に半値中心波長のシフト量(nm)を、それぞれとったものである。

図に示すように、付加された荷重と半値中心波長のシフト量との間には、ｙ＝の関係があり、これより荷重の1/3乗に比例して波長がシフトすることがわかり、荷重が小さい領域からきれいな特性が得られている。なお、この特性はヘルツの弾性圧縮論でよく説明がつくことが発明者らの研究で分かっている（参考文献：電子情報通信学会技報EMD-2007-32）。

図１１の結果から、熱融着による結合型BOFスタブ2が接触型の圧力センサとして良好な効果をもつことがわかる。

以上により、BOFスタブ１、結合型ＢＯＦスタブ2及び結合型ＢＯＦスタブ2aは従来の光反射センサと同様の効果を有し、また以下に示すさらなる効果を有する。

第一に、BOFスタブ１を光ファイバ11aから分離することができる。これにより、光ファイバ11が固定されたフェルール12に光学フィルタを蒸着する際に、真空蒸着チャンバに光ファイバ11 aが持ち込まれないので、蒸着治具が簡単化される。あわせて蒸着時の光ファイバ11aの被覆材からのアウトガスによってチャンバ環境が損なわれるのを防ぐことができる。

第二に、光反射センサの取扱いが容易になるので、持ち運びや保管が容易となると伴に、光反射センサと光ファイバ部分のどちらかが損傷したとしても仕損が片方で済むため、損失を最小にとどめることができる。

第三に、既に敷設された光ファイバシステムに取り付けられた光反射センサを取りかえるだけでセンシングの対象の切り替えが可能となる。例えば、温度センシングに利用されている光ファイバセンシングシステムを圧力センシングに転用する場合、光反射センサのみ交換をするだけで圧力センシングシステムに転用することができる。

第四に、BOFスタブ１は、長さ5.4mm、外直径1.25ｍｍ程度であるので、ファイバの取り回しや納めが必要なくなるので作業効率を高めることができる。

本発明は、光ファイバセンシングに利用可能であり、特に，温度センシングや圧力のセンシングに利用可能である。

１・・・光反射センサ（BOFスタブ）
１１・・・光ファイバ
１２・・・フェルール
１３・・・多層膜ＢＰＦ

Claims

円筒型のフェルールの貫通孔に光ファイバが固定された光反射センサであって、前記フェルールと前記光ファイバを含む、当該光反射センサの一方の端面は、軸対称に球面研磨され、前記端面を含む箇所に、外的条件の変化に応じて入射光に対する反射スペクトルがシフトする多層膜フィルタが形成され、かつ前記フェルールの他方の端面が、光ファイバフェルールとの光学的接続が可能となるように研磨され、当該光反射センサは、前記光ファイバフェルールと接続可能および分離可能に構成されていることを特徴とする光反射センサ。
前記光ファイバの前記フェルールへの固定が熱融着によって行われることを特徴とする請求項1に記載の光反射センサ。
前記フェルールは、結晶化ガラスによって形成されていることを特徴とする請求項1または２の何れか１項に記載の光反射センサ。
請求項１、２または３の何れか１項に記載の光反射センサと、
この光反射センサと略直径の等しい光ファイバフェルールが、前記光反射センサの前記反射手段をもたない他方の端面と光学的に接続された状態で、円筒型のスリーブに収納されたことを特徴とする結合型光反射センサ。