JP5856307B2 - 広帯域ファイバセンサーアレイ - Google Patents

Description

本発明は、ファイバセンサーアレイおよび、更には、とりわけ光ファイバの一部分に沿って形成された複数の検出素子に基づく広帯域ファイバセンサーアレイに関するものであり、各検出素子は固有の摂動を含み、それ故、異なる伝送スペクトルを示し、ファイバセンサーアレイの出力伝送スペクトルの単独測定によって複数の検出パラメーター値が確定されることを可能にする。

ファイバブラッググレーティングリフレクターといった、弱く反射する部分によって分離される多重の検出部分を有する光ファイバを提供することによって、センサーアレイを技術的に形成することが知られている。検出部分は物理的条件（温度、圧力、屈折率値といった）での変化に応じた屈折率の変化を被り、伝送される光信号における変化をもたらす。出力光信号の伝送スペクトルの分析は、その後、ファイバの長さに沿った物理的条件におけるそれら局所的変化を特定するのに利用される。

とりわけ、ファイバセンサーアレイは、ファイバ自身はもちろん、そのファイバに隣接する媒体（例えば、ガスあるいは液体）の特性を監視するのに使用されるであろう。その特性は、例えば温度や圧力、屈折率、電磁場、機械的特性（応力、歪み）、化学的特性（例えば、周囲環境への有毒ガスの導入）等における変化を含み、そこで、その特性は光ファイバに沿って伝搬する光の特性における一つ、あるいはそれ以上の変動を測定することにより監視される。測定されるのに適切な特性は、スペクトル、偏光、パルス特性および同類のものを含むが、それらに限定されてはいない。

従来型のファイバセンサーアレイの一つは、光ファイバの異なる部分に沿って形成された複数のファイバブラッググレーティング（FBG）を活用している。FBGセンサーアレイは周囲環境における変化に応じた狭ブラッグ共振の偏移を監視し、そこで、アレイを形成する各グレーティングは異なる狭共振波長を有する。結果として、個々の共振偏移の全てが分離され単一の伝送あるいは反射スペクトルの測定から特定できるというように、異なる共振波長を有する複数のFBGは単一の光ファイバに沿って直列に配置されるであろう。

ただ単一の出力信号の分析を必要とする“アレイ”センサーの形成に有益であると同時に、スペクトルに沿っていくつかの異なる狭共振を評価するというニーズは、求められる高度なスペクトル分解性能を有する高価な光学アナライザーを必要とする。加えて、グレーティング自身が比較的高い温度で悪化するため、FBGセンサーは若干限定された適用性を有する。とりわけ、UV書き込みのグレーティングは、高温で不安定となる。それ故、FBGセンサーアレイは、センサーが極端な温度（あるいは周囲環境）状態にさらされるであろう所での活用にはふさわしくない。

それにひきかえ、マッハツェンダーファイバ干渉計センサーといった他のタイプのセンサーは、UV書き込みグレーティングの包含を必要としないので、より強固で高温の周囲環境において使用できる。マッハツェンダー干渉計（MZI）タイプのセンサーは、共振波長分析を使用しておらず、FBGセンサーより広帯域であると考えられている。好都合にも、狭い波長共振では偏移を監視する必要がないので、MZIセンサーは高価な光学スペクトルアナライザーの使用を必要としない。しかしながら、複数の個々のセンサーが共通の入力信号を受け取り、それらの出力信号がその後、混合され単一の光学スペクトルアナライザーあるいは他タイプの検出器配列への入力として適用されるというように、MZIタイプのセンサーをアレイ形状に配列するのは困難である。FBGセンサーアレイのスペクトル共振と違い、MZIの広帯域素子スペクトルは強く重複し、全部のアレイのスペクトルから個々のセンサーの寄与をどのように分離するかは明確でない。

それ故、FBGアレイシステムと関連する個々のセンサーベースの結果を提供することができ、さらに高温状態下で動作することができるが、MZIベースのシステムの強固で広帯域な特性を保持するファイバセンサーアレイ構造に対するニーズは残っている。

先行技術に残るニーズは本発明によって対処され、ファイバセンサーアレイ、とりわけ光ファイバの一部分に沿って形成される複数の検出素子をベースとする広帯域ファイバセンサーアレイに関連し、各検出素子が固有の摂動を包含し、それゆえ異なる伝送スペクトルを示し、複数の検出パラメーター値（例えば、複数の温度）がファイバセンサーアレイの出力伝送スペクトルの単独測定から確定されることを可能にする。

本発明に従い、ファイバセンサーアレイは、光ファイバの長さに沿って複数の局所的摂動を取り入れることによって形成され、各局所的摂動は検出素子を形成する。各検出素子はMZIとして機能し、伝搬信号の少なくともある割合のモードをより高次のモード（HOM）に変換し、その後、元の伝搬モードに再度戻す。光ファイバはシングルモード、あるいはマルチモードであり得り、そして、あるいは、一つ、またはそれ以上のコアから成るかもしれず、そこで、マルチコア構造において、他のコアと比較して、少なくとも一つのコアが摂動あるいは検出パラメーターに別々に対応する。測定される特性の局所的な値（以下、時に“検出パラメーター”と称される）は算出できる（一つの検出パラメーターである局所的温度は、本発明のアレイを形成する検出素子と関連するスペクトルから算出できる）というように、複数の検出素子と関連するセンサーの個々の特性（例えば、温度および加えられた圧力）は、その後、最終の出力伝送スペクトルから抽出される。

各検出素子は、周囲環境の変化がない場合の“制御”伝送スペクトル（時に“校正スペクトル”と称される）を規定するため、最初に校正されるであろう。実施するにあたり、センサーアレイからの出力伝送スペクトルは、選択された検出パラメーターの“局所的な”値を確定するために複数の校正スペクトルと併せて分析される。とりわけ、複数のN個の検出素子については、複数のN個の検出素子それぞれにおいて検出パラメーターの局所的な値を確定するために、N個の別々の波長における出力伝送スペクトルの値を使用できる。N個の別々の波長での測定を利用することが必要である一方、結果の精度を向上するためにN個以上の波長の使用も存在する。

本発明に従い、局所的な摂動は、光ファイバの直径、屈折率プロファイル、あるいは屈折率特性における局所的な変動、コアおよび、あるいはクラッドでのドーピングレベルの局所的な変動、光ファイバの“タイプ”（例えば、標準のシングルモードファイバ、フォトニック結晶ファイバ、ラージモードエリアファイバ、等）での局所的な変動、物理的な長さ、あるいは実行ファイバ長での固有の摂動の局所的な変動、あるいはそれらのあらゆる組み合わせの形をとるであろう。

当然のことながら、さらに、様々なタイプのシングルモードファイバが、ファイバセンサーアレイの検出素子を形成するのに使用されるであろう。高温での測定が要求されるであろう状況において、標準の（ドープされた）光ファイバと同じくらい高温状況下での機能の悪化に敏感でないフォトニック結晶ファイバといった純石英ファイバの使用が望ましい、と考えられている。

本発明の一つの特徴は、検出パラメーターの局所的な値は、N個の検出素子に対して一連のN個の測定から確定できるというように、機能はすべて線形的に独立しているということである。

本発明のもう一つの特徴は、少なくともM×N個の異なる波長での測定を使用することにより、各検出素子におけるM個の異なる検出パラメーター（温度、圧力、屈折率の変化、等）の値を確定するのにファイバセンサーアレイを使用することができるということである。

本発明のその他の、および更なる特徴は、以下の考察の過程において、そして添付する図を参照することにより、明らかになるであろう。

以下、図面を参照して説明する。各図において同一の数字は同一の部分を示す。

図１は、本発明に従って形成された、例となる広帯域ファイバセンサーアレイを説明する。 図２は、各検出素子の校正特性を最初に確定するように構成された、本発明の詳細な２個の素子の広帯域ファイバセンサーアレイを示す。 図３は、図２の配列における第一の検出素子および第二の検出素子両方からの校正出力のグラフを包含し、図３（ａ）は第一の検出素子と関連付けられており、図３（ｂ）は第二の検出素子と関連付けられている。そして、 図４は、周囲温度変化の直接測定の結果を本発明の広帯域ファイバセンサーアレイからの出力を利用したものと比較したグラフである。

以下に詳しく記述されているとおり、本発明は、光ファイバの長さに沿って形成された広帯域ファイバ光センサーアレイを公開している。センサーアレイは、単一の光源と単一の（従来型の）光学スペクトルアナライザー出力のみを必要とし、ファイバに沿って配置された各検出素子に対して個々の測定を提供することができる。アレイを形成する検出素子の個々の伝送スペクトルは、なだらかであり、強く重複していて、（混合された）総伝送スペクトルにおける変動から個々の素子の特性を確定するための方法が開発されている。

図１は、本発明に従って形成された、例となる広帯域ファイバセンサーアレイ１０を説明している。示されたとおり、広帯域ファイバセンサーアレイ１０は、光源１４からの入力光信号に対応するシングルモード光ファイバ１２から成る。光ファイバ１２からの出力は、その後、光ファイバ１２の出力における伝送スペクトルを測定する光学スペクトルアナライザー（ＯＳＡ）１６に入射される。伝送スペクトルは、いくつかの周知の方法のいずれかを使用して確定されるであろう。例えば、光信号は、センサーアレイの応答の十分な量のスペクトルの広がりを取り出すため、十分に広い帯域幅を持たなければならず、それ故、求められる精度を持つ信号を形成する。他の例では、光源は狭帯域を示しているが、求められるスペクトル範囲全域で調整可能である。この場合、測定はパワーメーターで実施されるであろう。

本発明に従い、複数のＮ個の別々の検出素子１８は、光ファイバ１２に沿って配置され、検出素子１８_１、１８_２、…１８_Ｎと図１に示されている。各検出素子１８_ｉは、各素子が異なる固有の伝送スペクトルを示すというように、光ファイバ１２における局所的な摂動を包含することにより形成される。局所的な摂動は、例えば、ファイバの局所的な直径における変化／摂動、屈折率プロファイルあるいは屈折率特性における変化（コアおよび、あるいはクラッドにおいて、あるいはファイバの歪み状態の改良におけるドーパント分布の変化から生じるであろう）や、異なるタイプのファイバを連結させること、あるいは、それら、または他のタイプの、伝搬する信号のモード特性を変えるであろう摂動のいかなる組み合わせ、といった形態をとることができる。

各検出素子１８はＭＺＩとして機能し、光ファイバ１２に沿って伝搬する信号の、基本モードといった、一つのモードの少なくともある割合を、一つあるいはそれ以上の高次モードへと変形し、その後、元のモードに再び戻す。各検出素子１８_ｉの伝送パワースペクトルＰ_ｉ（λ、Ｔ_ｎ）も図１に示されており、各々が、波長の関数として伝送されたパワーに関して固有である、ということが明らかである。伝送パワースペクトルは、波長λと特定の検出パラメーターＴ_ｎ（すなわち、温度、圧力、屈折率、等といった、測定されている／検出されている‘特性’）の両方に左右される。これらのスペクトルは、元の信号モードと、別々な検出素子１８_ｉの各々を伝搬する光信号としてのより高次のモードとの間の干渉によって生じる。

より高次のモードは比較的高い伝搬損失を示すので、それらのモードは、アレイにおいて次の検出素子に達する前に減衰するであろうと仮定される。望ましくは、それらが、下流の検出素子のスペクトル特性に影響を与えないレベルまで、減衰することである。選択肢として、局所的な摂動が比較的小さく、前段の検出素子からより高次のモードに残るいかなるエネルギーも無視できるということを確かにするように、本発明の広帯域ファイバセンサーアレイを構成することができる。より高次のモードは著しく減衰せず、その場合、それらの干渉と反射の効果は、校正および、あるいは数字で表したモデル化によって考慮され、個々の検出素子のパラメーターを確定するのに使用することができる。場合によっては、摂動の大きさが、信号経路に沿って光の反射を取り入れるには十分でないというのが望ましい。

局所的な位置における複数の検出パラメーターを確定するため、検出素子に対して異なる反応を持つ複数のファイバ、あるいは複数のコアを持つ一つのファイバが使用できる。例えば、もしファイバが、各々が異なる導波設計あるいは構成（それはコアが温度や歪みといった検出パラメーターに対して異なる反応する原因となる）を持つ二つのコアを包含するならば、ファイバ直径のテーパーは、コアが異なる伝送スペクトルを示す原因となり、温度や歪みの影響の分離を可能にさせる。

本発明に従って、温度Ｔといったいかなる検出パラメーターについて、全関数Ｐ（λ、Ｔ）は線形的に独立していると推定される。これは、本発明の重要な特徴であり、センサーアレイの各コアからの単一出力伝送スペクトルの分析によって、個々の検出パラメーター値を償うことを可能にする。それ故、個々の検出素子は線形的に独立しているので、Ｐ_ｔｏｔ（λ、Ｔ_１、Ｔ_２、…、Ｔ_Ｎ）で示される広帯域ファイバセンサーアレイ１０を通過する総伝送パワーは、個々の検出素子での局所的な伝送パワーの積として見出され、

である。
この関係を対数目盛りで表し、その後、個々の検出素子からの寄与の総和をもたらす。あるいは、

この関係を利用して、局所的な検出パラメーターＴ_ｎは、その後、各検出素子１８_ｉがひとたびその局所的な伝送スペクトル（時に、その校正スペクトルＣと称される）を明確にするために最初に校正されたならば、総パワーＰ_ｔｏｔより確定することができる。これは、ひとたび全ての“局所的な”パワースペクトルＰ_ｎが最初の校正過程から作られると、少なくとも波長λのＮ個の異なる値からの一連の測定を利用（すなわち、連立Ｎ元Ｎ次方程式を作成）して、個々の局所的なパラメーターＴ_ｎは単一スペクトルｌｏｇ（Ｐ_ｔｏｔ（λ，Ｔ_１，Ｔ２，…，Ｔ_Ｎ））から元の状態に戻すことができる。当然のことながら、例えば 一つのパラメーターにおける相対的な変化のみが確定される時といった、校正が必要ないであろういくつかの場合がある。

今回の場合の一組の検出素子１８_１および１８_２を包含する広帯域ファイバセンサーアレイ１０について、最初の校正を実行するための配置は、図２に示されている。この詳細の配置において、バイコニカルテーパーの形態における摂動は各検出素子を形成するために利用される。テーパーは、異なる長さを持つように形成され、それ故、それらの伝送スペクトルｌｏｇ（Ｐ_１（λ，Ｔ_１））およびｌｏｇ（Ｐ_２（λ，Ｔ_２））は固有であり、線形的に独立している。この配置において分析される局所的な特性（すなわち“検出パラメーター”）は温度であり、校正装置は、バイコニカルテーパーの検出素子１８_１および１８_２をそれぞれに取り囲むように配置された一組の加熱コイル２０_１および２０_２の形態をとる。可変のトランス（すなわちバリオメーター）２２は、各加熱コイル２０の温度を別々に制御する／変化させるのに使用される。校正過程における“局所的な”温度値を記録するため、一対の熱電対２４_１および２４_２は、それぞれ検出素子１８_１および１８_２と関連しており、それら記録された値は、後に、直接的な個々の測定において本発明のセンサーアレイを使用することの理論的な結果を比較するのに使用されるであろう。

校正過程を実行する一つの例において、ひとつの検出素子の局所的温度は一定（室温、２２℃）に保たれ、他の検出素子の局所的な温度は、室温から５０℃ずつ、４００℃の温度まで上昇させられた。図３（ａ）は検出素子１８_１についての校正過程の結果を示し、それは、一連のスペクトルの変化のプロットであり、温度の関数として以下のように定義される。

ここで、Ｔ^（０）＝２２℃およびＴ^（１）＝Ｔ^{（ｋ＋１）}−Ｔ^（ｋ）＝５０℃、ｋ＝１，２，…８である。図３（ｂ）は検出素子１８_２についての校正結果を示し、そこで、二つのパワースペクトルは異なっており、バイコニカルファイバテーパーの物理的な設計における違いに基づいているということは明らかである。

ひとたび校正スペクトルを取得したならば、各検出素子での局所的な温度Ｔは、センサーアレイからの出力伝送スペクトルの単独測定を実行することにより確定でき、それぞれ異なる波長での結果を評価することができる（例えば、二つの検出素子を利用することは二つの値Ｔ_１およびＴ_２を確定するであろう）。図４は、本発明の過程を使用して確定されるＴ_１、Ｔ_２の算出された値を図２に示された一組の熱電対で測定された“実際の”値と比較するプロットを包含する。

第一の実験において（図４においてプロットａとして示されている）、加熱コイル２０_１および２０_２は等しく構成され、検出素子１８_１および１８_２のそれぞれに対して基本的に同じ温度をもたらす。第二の実験は、異なる温度が一組の検出素子にもたらされ、プロットｂに示される結果を生じる。どちらの場合においても、理論的に予測された値（本発明の関係を利用して算出される）は、熱電対によって測定された実際の値と一致させて示される。

上記で定義された方程式（１）に従って、図４に示された理論的なプロットは、連続的な温度の値に対して、個別に校正スペクトルＣ_ｐ（λ，Ｔ^（ｋ））を推定することによって確定される。この関係によると、実験的に測定された伝送スペクトルの変化は以下のように定義できる。

上記において、Ｃ_０１（λ，Ｔ_１，Ｔ_２）の関係は、実験より既知であり、関数Ｃ_１（λ，Ｔ_１）およびＣ_２（λ，Ｔ_２）は校正および推定より既知である。Ｔ_１およびＴ_２の値を確定するために、二つの別々の波長λ_１とλ_２のみが“数学的に”要求されるとしても、測定誤差の範囲内で、方程式（２）は全ての波長λについて有効である。しかしながら、より良い精度のためには、追加の波長が使用され、関連する数値シミュレーションにおいて、その方程式は、以下を最小限にすることにより解かれる。
複数のλの値において、

上記の本発明の原理は各検出素子の局所的な温度を確定することに関連しているが、当然のことならが、これは単に例となるものであり、ひとたび校正関数一式が確定されれば、様々な他の物質的パラメーター（圧力、屈折率、音響特性、等）が同様に確定されるであろう。実際、各パラメーターが他の値から線形的に独立していると仮定し、同じ前提が検出素子のそれぞれに関連する複数の別々の物理的パラメーターを確定するのに使用されるであろうということは、本発明のもう一つの特徴である。大まかに言えば、それ故、複数のＭ個の物理的パラメーターは、伝送スペクトルの単独測定に基づき、Ｎ個の検出素子一式について確定される。この結果を得るために、校正関数のＭアレイは、センサーアレイのために、最初に決定されなければならない。一度、この校正行列が作られたならば、個々のパラメーター値を見つける過程は、上記に概要を述べたとおりに進展する。

加えて、光ファイバの様々なタイプ、シングルモードおよびマルチモードの両方は、本発明の広帯域ファイバセンサーアレイに使用されるのに適切であるが、純石英のシングルモードフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）は高温での利用にとって好ましい選択であり、ＰＣＦを形成する石英材料は、基本的に極端な温度の影響を受けずにいる。

本発明の好ましい実施形態が説明されてきたが、この公開を再考察する当業者は、変更がその発明の範囲内で行えることを理解するであろう。それ故、本発明はこの文書に添付の請求項の範囲によってのみ制限されると解釈される。

１０ 広帯域ファイバセンサーアレイ
１２ シングルモード光ファイバ
１４ 光源
１６ 光学スペクトルアナライザー
１８_１…１８_Ｎ 検出素子
２０_１、２０_２ 加熱コイル
２２ バリオメーター
２４_１、２４_２ 熱電対

Claims (10)

1. 光ファイバの長手に沿って形成された広帯域ファイバセンサーアレイであって、少なくとも一つの物理的特性を検出するためのセンサーアレイであり、
   前記広帯域ファイバセンサーアレイに光入力信号を供給するため、前記光ファイバの第一の終端に連結されている入力光信号源と、
   各検出素子が、それを通って伝搬する前記光入力信号の少なくとも一つの高次モードの伝搬を発生させ、各検出素子中にマッハツェンダー干渉計を作り出すのに十分な局所的な摂動を包含し、各検出素子が、前記少なくとも一つの物理的特性が前記広帯域ファイバセンサーアレイの出力伝送スペクトルの分析から確定できる固有の伝送スペクトルを示す、前記光ファイバの長手に沿って配置された複数のＮ個の検出素子と、および、
   前記出力伝送スペクトルとＮ個の前記固有の伝送スペクトルを測定するため前記光ファイバの出力と連結された光検出器と、を備える広帯域ファイバセンサーアレイ。
2. 前記光検出器が光学スペクトルアナライザーを備える、請求項１に記載の広帯域ファイバセンサーアレイ。
3. 前記光検出器が光パワーメーターを備える、請求項１に記載の広帯域ファイバセンサーアレイ。
4. 前記局所的摂動が、前記光ファイバの直径における摂動を含む、請求項１に記載の広帯域ファイバセンサーアレイ。
5. 前記局所的摂動が 光ファイバ直径、前記光ファイバのコア領域のドーピング屈折率プロファイル、前記光ファイバのクラッド領域のドーピング屈折率プロファイル、光ファイバの種類、およびそれらの任意の組み合わせからなる一群から選択される、請求項１に記載の広帯域ファイバセンサーアレイ。
6. 前記少なくとも一つの物理的特性が、温度、圧力、屈折率、機械的特性および化学的な特性からなる一群から選択される、請求項１に記載の広帯域ファイバセンサーアレイ。
7. 複数のＭ個の物理的特性が前記複数のＮ個の検出素子の各検出素子において感知される、請求項１に記載の広帯域ファイバセンサーアレイ。
8. 前記光ファイバがシングルモード光ファイバを含む、請求項１に記載の広帯域ファイバセンサーアレイ。
9. 前記光ファイバがマルチモード光ファイバを含み、各コアが異なる特性を有し前記局所的な摂動に別々に反応する、請求項１に記載の広帯域ファイバセンサーアレイ。
10. 広帯域ファイバセンサーアレイに沿って検出パラメーターの局所的な値を確定する方法であって、前記方法が
    ａ）光ファイバへ複数のＮ個の局所的な摂動を導入することにより前記光ファイバの一部に沿って複数のＮ個の検出素子を生成するステップと、
    ｂ）前記検出パラメーターについて、波長の関数として各検出素子の校正伝送スペクトルを生成するステップと、
    ｃ）前記広帯域ファイバセンサーアレイからの出力伝送スペクトルを測定するステップと、
    ｄ）少なくともＮ個の異なる波長において前記出力伝送スペクトルの値を確定するステップと、そして、
    ｅ）ステップｂ）で生成されたＮ個の前記校正伝送スペクトルとステップｄ）で確定された前記Ｎ個の値の組み合わせから、前記検出パラメーターの前記局所的な値を確定するステップと、を含む方法。

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