JP5945120B2 - 光ファイバセンサおよびこれを用いたひずみと温度の同時計測方法 - Google Patents

Description

本発明は、ひずみと温度を同時計測可能な光ファイバセンサおよびこれを用いたひずみと温度の同時計測方法に関する。

光ファイバを用いたセンシング技術の課題として、計測対象物にひずみと温度変化が同時に生じると、これらの影響を分離して計測することが困難となることが挙げられる。この課題に対して、特許文献１〜３では、偏波保持（Polarization Maintaining、ＰＭ）ファイバに作製したファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）を用いて、ひずみと温度を同時に計測するセンサおよび計測方法について開示されている。

特許第３８１９１１９号公報 特許第４４２０９８２号公報 特許第４４７４４９４号公報

近年、これらの文献に開示されているセンサおよび計測方法を用いて、微小構造部に生じるひずみや温度変化を計測する試みが行われている。具体的な計測対象物としては、自動車などに用いるエンジンのピストン、発電などに用いるタービンのブレード、電気回路上に実装した半導体部品などが挙げられる。これらの計測対象物は、いずれも微小構造部に負荷されるひずみや温度変化などで信頼性や寿命が決まってくるため、特に研究・開発の段階でひずみと温度変化の負荷状況を計測し、その計測結果をもとに信頼性や寿命を保証する設計を行うことが重要である。

微小構造部に生じるひずみや温度変化を計測する手法としては、以下の２つが考えられる。
第１の手法として、特許文献２，３に開示されている光周波数領域反射測定（ＯＦＤＲ）法によりＦＢＧ長手方向に沿ってひずみと温度の分布を計測し、微小構造部とＦＢＧとの位置関係から微小構造部に生じたひずみと温度変化を計測する手法が考えられる。
第２の手法として、ＦＢＧのファイバ長手方向の長さ（グレーティング長）を極力短くし、該ＦＢＧを微小構造部に配して微小構造部に生じたひずみと温度変化を計測する手法が考えられる。

前記２つの手法のうち、第１の手法では、空間分解能が最高でも０．６ｍｍであることが問題となる。微小構造部が空間分解能以下（０．６ｍｍ以下）の場合、微小構造部に生じるひずみと温度変化を計測することができない。さらに第１の手法では、空間分解能と波長分解能とがトレードオフの関係にあることも問題になる。すなわち、高精度でひずみと温度を同時に計測するには波長分解能を高める必要があるが、同時に空間分解能が悪化し、結果として微小構造部に生じるひずみや温度変化を正確に計測できない。具体的には、第１の手法でひずみと温度変化を計測する場合、空間分解能は０．８ｍｍよりも大きく設定する必要がある。このため、微小構造部の寸法が０．６〜０．８ｍｍの場合も、第１の手法では微小構造部に生じるひずみと温度変化を精度よく計測することができない。

一方、第２の手法では、グレーティング長を、計測したい微小構造部よりも小さくすることで、ひずみと温度変化を計測できる可能性がある。しかしながら、特許文献１に記載されている構成では、直交する２つの偏波モードに対して各反射ピークを分離して検出する必要がある。本発明者らが実験したところ、特許文献１の段落０００８に示されているようにグレーティング長が１０〜２０ｍｍの場合は、各反射ピークが明瞭に分離されるが（グレーティング長が１５ｍｍの場合は図７参照）、グレーティング長を短くすると、反射スペクトルの帯域幅が広がるため（グレーティング長が０．８ｍｍの場合は図８参照）、それぞれの反射ピークを認識することは不可能である。したがって、特許文献１に記載されている構成では、微小構造部に生じるひずみと温度の同時計測が不可能である。これは、グレーティング長と反射スペクトルの帯域幅（反射スペクトルの波長軸方向の広がり）には反比例の関係があり、グレーティング長を短くするほど帯域幅が広がるためである。以上より、従来技術では、第２の手法であっても、微小構造部に生じるひずみと温度変化を計測することができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、計測したい対象が微小であっても、ひずみと温度を同時計測可能な光ファイバセンサおよびこれを用いたひずみと温度の同時計測方法を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、偏波保持ファイバのコアに形成した第１のファイバブラッググレーティングと、前記偏波保持ファイバのコアに形成した第２のファイバブラッググレーティングと、これら２つのファイバブラッググレーティングの間に設けられ、第１のファイバブラッググレーティングのブラッグ反射光と第２のファイバブラッググレーティングのブラッグ反射光の間に位相差を与える位相調整部と、から１つのセンシング部が構成され、前記センシング部の偏波保持ファイバ長手方向における長さが０．８ｍｍ以下であることを特徴とする光ファイバセンサを提供する。
前記位相調整部は、第１のファイバブラッググレーティングのブラッグ反射光と第２のファイバブラッググレーティングのブラッグ反射光の干渉により、ブラッグ波長の近傍にスペクトルディップを生じる位相差を該ファイバブラッググレーティングのブラッグ反射光の間に与えることが好ましい。
前記位相調整部の偏波保持ファイバ長手方向における長さＬは、前記偏波保持ファイバの２つの偏波軸のうち少なくとも１つの偏波軸において、実効屈折率をｎ_effとし、ブラッグ波長をλ_Ｂとするとき、（４ｎ−３）（λ_Ｂ／８ｎ_eff）≦Ｌ≦（４ｎ−１）（λ_Ｂ／８ｎ_eff）を満足する（ただし、ｎを正の整数（ｎ＝１，２，３…）のいずれかとする。）ことが好ましい。
前記２つのファイバブラッググレーティングの偏波保持ファイバ長手方向における長さが互いに等しいことが好ましい。

また、本発明は、前記光ファイバセンサにおける直交する２つの偏波を合波した光の反射スペクトルを計測する工程と、計測した前記反射スペクトルにおける第１のファイバブラッググレーティングのブラッグ反射光と第２のファイバブラッググレーティングのブラッグ反射光との位相差に基づくスペクトルディップの中心波長およびその幅を求める工程と、前記スペクトルディップの中心波長およびその幅を、ひずみと温度が既知の環境におけるスペクトルディップの中心波長およびその幅と比較して、前記センシング部におけるひずみと温度を計算する工程と、を備えることを特徴とするひずみと温度の同時計測方法を提供する。
あらかじめ、ひずみと温度が既知の環境におけるスペクトルディップの中心波長およびその幅を計測した計測値から、ひずみと温度に対するスペクトルディップの中心波長およびその幅の関係式を求める工程を有し、計測した前記反射スペクトルにおけるスペクトルディップの中心波長およびその幅を前記関係式に代入して、前記センシング部におけるひずみと温度を計算することが好ましい。

本発明によれば、計測したい対象が微小であっても、光ファイバセンサを用いてひずみと温度を同時に計測することが可能になる。

本発明の光ファイバセンサの一例を示す模式図である。 図１のＡ部において位相調整部長Ｌがグレーティング周期Λより短い一例を示す部分拡大模式図である。 図１のＡ部において位相調整部長Ｌがグレーティング周期Λより長い一例を示す部分拡大模式図である。 本発明の光ファイバセンサにより得られる反射スペクトル（合波スペクトル）の一例を示すグラフである。 単一偏波の入射光に対し、位相調整部により２つのＦＢＧのブラッグ反射光が干渉した場合の反射スペクトル（ａ）と、位相調整部のない場合の反射スペクトル（ｂ）の一例を示すグラフである。 本発明の光ファイバセンサにより得られる反射スペクトルの一例を示すグラフである。 偏波保持ファイバに作製したグレーティング長が１５ｍｍのＦＢＧの反射スペクトルの一例を示すグラフである。 偏波保持ファイバに作製したグレーティング長が０．８ｍｍのＦＢＧの反射スペクトルの一例を示すグラフである。 実施例１の光ファイバセンサの反射スペクトルを示すグラフである。 実施例１の光ファイバセンサにおけるひずみに対するスペクトルディップの中心波長および帯域幅の変化を示すグラフである。 実施例１の光ファイバセンサにおける温度に対するスペクトルディップの中心波長および帯域幅の変化を示すグラフである。 実施例２における位相調整部が片道λ／１６（往復λ／８）の場合の反射スペクトルを示すグラフである。 実施例２における位相調整部が片道λ／８（往復λ／４）の場合の反射スペクトルを示すグラフである。 実施例２における位相調整部が片道λ／４（往復λ／２）の場合の反射スペクトルを示すグラフである。 実施例２における位相調整部が片道３λ／８（往復３λ／４）の場合の反射スペクトルを示すグラフである。 実施例２における位相調整部が片道７λ／１６（往復７λ／８）の場合の反射スペクトルを示すグラフである。 実施例２における位相調整部が片道λ／２（往復λ）の場合の反射スペクトルを示すグラフである。 実施例３におけるセンシング部長が０．１ｍｍの場合の反射スペクトルを示すグラフである。 実施例３におけるセンシング部長が０．３ｍｍの場合の反射スペクトルを示すグラフである。 実施例３におけるセンシング部長が０．６ｍｍの場合の反射スペクトルを示すグラフである。 実施例３におけるセンシング部長が０．８ｍｍの場合の反射スペクトルを示すグラフである。 実施例３におけるセンシング部長が０．９ｍｍの場合の反射スペクトルを示すグラフである。 実施例４における位相調整部長が０ｍｍ（片道λ／４）の場合の反射スペクトルを示すグラフである。 実施例４における位相調整部長が０．２ｍｍの場合の反射スペクトルを示すグラフである。 実施例４における位相調整部長が０．４ｍｍの場合の反射スペクトルを示すグラフである。 実施例４における位相調整部長が０．５ｍｍの場合の反射スペクトルを示すグラフである。 実施例４における位相調整部長が０．６ｍｍの場合の反射スペクトルを示すグラフである。 実施例５におけるＦＢＧ中心波長が１５５０ｎｍの場合の反射スペクトルを示すグラフである。 実施例５におけるＦＢＧ中心波長が１３１０ｎｍの場合の反射スペクトルを示すグラフである。 実施例５におけるＦＢＧ中心波長が１０６５ｎｍの場合の反射スペクトルを示すグラフである。

以下、好適な実施の形態に基づき、図面を参照して本発明を説明する。
図１に、本形態例の光ファイバセンサ１０の長手方向に沿う断面図を示す。この光ファイバセンサ１０は、偏波保持ファイバ１のコア２に形成した第１のＦＢＧ４と、同じ偏波保持ファイバ１のコア２に形成した第２のＦＢＧ５と、これら２つのＦＢＧ４，５の間に設けられ、第１のＦＢＧ４のブラッグ反射光と第２のＦＢＧ５のブラッグ反射光の間に位相差を与える位相調整部６とから、１つのセンシング部７が構成されている。

偏波保持ファイバ１としては、ＰＡＮＤＡ型、ボウタイ型などの各種の偏波保持ファイバが挙げられる。これらの偏波保持ファイバにおいては、コア２に応力を付与する応力付与部（図示略）が、クラッド３の内部、またはコア２とクラッド３との間に設けられる。応力付与部は、例えばホウ素をドープした石英ガラス等、クラッド３より熱膨張係数の大きい材料を用いて構成され、ファイバ紡糸工程の冷却過程においてクラッド３よりも収縮するため、周囲のクラッド３およびコア２に引っ張りひずみを印加することができる。これにより、直交する２つの偏波モード間に伝搬定数差（実効屈折率差）が生じるため、それぞれの偏波モードからもう一方への偏波モードへの結合を抑制できる。これらの直交する２つの偏波モードが伝搬する偏波軸は、それぞれスロー軸、ファスト軸と呼ばれ、スロー軸とファスト軸の実効屈折率の差は、複屈折と呼ばれる。２つの偏波軸のブラッグ波長に十分な差を確保するため、複屈折は大きいほうが望ましく、例えば複屈折が３×１０^−４以上のものが好ましい。

ＦＢＧ４，５は、図２，３に示すように、コア２の長手方向に沿って所定の間隔で屈折率変化８を有する。ＦＢＧを作製する方法としては、フッ化クリプトン（ＫｒＦ）エキシマレーザや、アルゴン（Ａｒ）のＳＨＧ（第２高調波）レーザを用い、位相マスク露光法や二光束干渉露光法等により、コア２の長手方向に沿って所定の間隔で屈折率変化８を誘起する方法が挙げられる。屈折率変化８は、コア２の長手方向に沿って多数形成される。
ＦＢＧによるブラッグ反射の中心波長（ブラッグ波長）λ_Ｂは、偏波保持ファイバ１の任意の偏波軸における実効屈折率をｎ_effとするとき、ＦＢＧの周期Λに対して、λ_Ｂ＝２ｎ_effΛで表される。上述したように、スロー軸とファスト軸の実効屈折率には複屈折により差があるため、スロー軸とファスト軸のブラッグ波長にも差が生じる。

本形態例の位相調整部６は、２つのＦＢＧ４，５の間に設けられた偏波保持ファイバ１自体から構成される。位相調整部６の偏波保持ファイバ長手方向における長さ（位相調整部長）Ｌを、ＦＢＧの周期Λ（なお、Λ＝λ_Ｂ／２ｎ_effである。）とは異なる長さとすることにより、ＦＢＧ４のブラッグ反射光とＦＢＧ５のブラッグ反射光の間に位相差を与えることができる。これら２つのブラッグ反射光が位相調整部６で与えられた位相差に応じて干渉し、ＦＢＧ４，５のブラッグ波長の近傍にスペクトルディップが生じる。

図５に、単一偏波の入射光に対し、位相調整部６により２つのＦＢＧのブラッグ反射光が干渉した場合の反射スペクトル（ａ）と、位相調整部のない場合の反射スペクトル（ｂ）の一例を示す。位相調整部のない場合は、１つのＦＢＧから得られる反射スペクトルと同様に、図５（ｂ）に示すように、波長軸上で、ブラッグ波長を含むメインピークＲが中心にあり、その両側（短波長側および長波長側）にサイドローブＳが現れる。
位相調整部６がある場合、単一偏波光を入射すると、偏波保持ファイバ１のコア２に設けられている２つのＦＢＧ４，５のそれぞれから、位相差の異なるブラッグ反射光が生じる。位相調整部６に対して、入射光は、ＦＢＧ４の側から入射させることも、ＦＢＧ５の側から入射させることもできるが、例えば入射端に近い側を第１のＦＢＧ４、遠い側を第２のＦＢＧ５とするとき、第１のＦＢＧ４で反射した光のスペクトルは、偏波保持ファイバ１に第２のＦＢＧ５がない場合と同じになる。第２のＦＢＧ５で反射した光のスペクトルは、第１のＦＢＧ４を透過し、第２のＦＢＧ５で反射し、さらに第１のＦＢＧ４を入射時とは反対方向に透過した光のスペクトルに相当する。このため、偏波保持ファイバ１に第１のＦＢＧ４がない場合と必ずしも同じにならないが、ＦＢＧ４の反射率が極端に高くなければ、十分な量の光がＦＢＧ４を透過できるので、第２のＦＢＧ５単独で反射させる場合とほぼ同様の形状を有する反射スペクトルを与える。

第２のＦＢＧ５で反射した光のスペクトルは、位相調整部６を２回通過することにより、第１のＦＢＧ４で反射した光のスペクトルと比較して位相が遅れ、位相調整部長Ｌで与えた片道あたりの位相差の２倍に相当する位相差を持つ。したがって、ブラッグ反射光が偏波保持ファイバ１のコア２中を戻る際、２つのＦＢＧ４，５のブラッグ反射光は位相調整部６で与えられた位相差に応じて干渉する。このとき、位相調整部長Ｌの２倍の長さが半波長（位相差としてπラジアン）またはその奇数倍程度であると、第１のＦＢＧ４で反射した光のスペクトルのメインピークと第２のＦＢＧ５で反射した光のスペクトルのメインピークとが互いに打ち消し合い（または弱め合い）、メインピークＲ内でブラッグ波長の近傍で反射率が低下することにより、スペクトルディップＱが現れる。

図５（ａ）に示すように単一偏波の入射光に対する反射スペクトルにスペクトルディップＱが現れる条件を満足する場合、直交する２つの偏波成分を含む測定光を入射すると、図６に示すように、ファスト軸の反射スペクトルとスロー軸の反射スペクトルとを合波した反射スペクトルが得られる。この合波スペクトルにおいては、ファスト軸におけるスペクトルディップＱとスロー軸におけるスペクトルディップＱとが重なり合うことにより、合波スペクトルにもブラッグ波長の近傍にスペクトルディップＤを生じる。図４に、図６の合波スペクトルのみを取り出して示す。
なお、図６は、２つのＦＢＧ４，５のグレーティング長がそれぞれ０．４ｍｍであり、位相調整部長Ｌがファスト軸における実効屈折率ｎ_effとブラッグ波長λ_Ｂに対し、Ｌ＝λ_Ｂ／４ｎ_effを満たすように設計したものである。この場合、上述したように、グレーティング周期Λが同じであればλ_Ｂとｎ_effはほぼ比例し、すなわち、λ_Ｂ／ｎ_effの比はファスト軸でもスロー軸でもほとんど同じ値となるから、スロー軸においても位相調整部長ＬがＬ＝λ_Ｂ／４ｎ_effを満たす。
ファスト軸のスペクトルディップは１５４９．８ｎｍ、スロー軸のスペクトルディップは１５５０．４ｎｍ、合波スペクトルのスペクトルディップＤの中心波長λ_ｃは１５５０．１ｎｍである。

合波スペクトルのスペクトルディップＤの中心波長λ_ｃは、ファスト軸のスペクトルディップ波長λ_fastとスロー軸のスペクトルディップ波長λ_slowとの中間に現れる。したがって、λ_fastとλ_slowのいずれかが長くなれば中心波長λ_ｃも長くなり、λ_fastとλ_slowのいずれかが短くなれば中心波長λ_ｃも短くなる。
また、合波スペクトルのスペクトルディップＤの帯域幅ｗは、ファスト軸のスペクトルディップ波長λ_fastとスロー軸のスペクトルディップ波長λ_slowとの差Δλ（ただし、Δλ＝λ_slow−λ_fast）と相関関係を持ち、Δλが大きいほど帯域幅ｗも大きく、Δλが小きいほど帯域幅ｗも小さくなる。

上述した従来の第２の手法（特許文献１参照）と同様に、偏波保持ファイバ１に設けられたＦＢＧにおいては、ファスト軸の実効屈折率ｎ_eff-fastとスロー軸の実効屈折率ｎ_eff-slowとが異なる温度依存性を持つことから、各偏波軸のスペクトルディップ波長λ_fastおよびλ_slowが異なる温度依存性を持つ。また、偏波保持ファイバ１の長手方向にひずみが加えられると、ＦＢＧが伸縮してグレーティング周期Λが変化するとともに、光弾性効果により実効屈折率ｎ_eff-fast、ｎ_eff-slowが変化するため、各偏波軸のスペクトルディップ波長λ_fastおよびλ_slowが異なるひずみ依存性を持つ。

したがって、スペクトルディップＤの中心波長λ_ｃと帯域幅ｗは、２つの偏波軸のスペクトルディップ波長λ_fastおよびλ_slowと同様に、異なるひずみ依存性と異なる温度依存性を持つ。しかも、中心波長λ_ｃと帯域幅ｗが２つの独立したパラメータであることから、中心波長λ_ｃと帯域幅ｗの変化を計測することにより、ＦＢＧの持つひずみ依存性と温度依存性を分離して、センシング部７に作用するひずみと温度を同時に計測することが可能になる。
なお、ＦＢＧの持つひずみ依存性と温度依存性を分離可能な２つのパラメータは、中心波長λ_ｃと帯域幅ｗの組み合わせに限定されるものではないが、中心波長λ_ｃと帯域幅ｗであれば、ファスト軸の反射スペクトルとスロー軸の反射スペクトルとを合波したスペクトルの計測から直接求めることが可能であり、ファスト軸の反射スペクトルとスロー軸の反射スペクトルとを分離する必要がないので、ひずみと温度の計算結果をより速く得ることができる。

しかも、従来の第２の手法に比べて、センシング部長を微小構造部に合わせて短くすることができる。従来の第２の手法の場合、ひずみと温度を同時に計測するためには、直交２偏波のブラッグ反射光のピークを区別して認識する必要がある。
上述したように、偏波保持ファイバにグレーティング長が１５ｍｍのＦＢＧを作製した場合（図７参照）、２つのピークを認識できるので、ひずみと温度の同時計測が可能であるが、センシング部長（１５ｍｍ）が微小構造部の寸法よりもはるかに長くなり、微小構造部から離れた部分のひずみと温度変化の影響が大きいため、微小構造部に加わるひずみと温度を精度よく計測することはできない。
また、偏波保持ファイバにグレーティング長が０．８ｍｍのＦＢＧを作製した場合（図８参照）は、直交２偏波のブラッグ反射光のピークが重畳されて、それぞれのピークを認識することが不可能であるから、ひずみと温度の同時計測も不可能である。なお、図８は、図６と同様にシミュレーションで得た結果であり、ファスト軸の反射スペクトルとスロー軸の反射スペクトルをグラフに示しているが、実際の計測では合波スペクトルが計測される。計測した合波スペクトルからファスト軸とスロー軸の反射スペクトルを分離するには、計算時間がかかるうえ、精度が低い。ファスト軸とスロー軸のブラッグ波長の代わりに、図８に示す合波スペクトルのメインピークの中心波長と帯域幅を計測する方法により、ＦＢＧの持つひずみ依存性と温度依存性を分離することも考えられるが、本形態例によるスペクトルディップＤの中心波長λ_ｃと帯域幅ｗを計測する方法に比べるとメインピークが著しくブロード（幅広）であり、メインピークの中心波長や帯域幅の変化が不明瞭のため、高精度な計測はできない。

本形態例の光ファイバセンサ１０において、波長軸上でブラッグ波長を含むメインピークが重なり合いやすいことから、２つのＦＢＧ４，５のブラッグ波長が同じ（等しい）ことが好ましい。２つのＦＢＧ４，５が同一の周期Λを有する場合、２つのＦＢＧ４，５のブラッグ波長が等しくなる。
さらに２つのＦＢＧ４，５のグレーティング長（偏波保持ファイバ長手方向における長さ）が同じであると、それぞれのＦＢＧ４，５で反射される光の反射率が同等になり、同等の強度の光が打ち消し合うことから、スペクトルディップＤが現れやすく、望ましい。
ＦＢＧ４，５のグレーティング長は、長すぎるとセンシング部長も長くなって微小構造部に生じるひずみや温度変化の計測が困難になるとともに、反射スペクトルの帯域幅が狭くなってスペクトルディップＤが現れない場合もあることから、それぞれのＦＢＧのグレーティング長は０．４ｍｍ以下であることが望ましい。グレーティング長が０．１５ｍｍ以上であると、製造が容易であり好ましい。
２つのＦＢＧ４，５は、別々の工程で、一方のＦＢＧを作製した後に、他方のＦＢＧを作製することも可能である。また、２つのＦＢＧ４，５と位相調整部６が同一の偏波保持ファイバ１に設けられるため、同一のマスクに２つのＦＢＧのパターンと位相調整部長Ｌの間隔を設けることで、１つのセンシング部７を一度に作製することも可能である。

第１のＦＢＧ４で反射した光のスペクトルと第２のＦＢＧ５で反射した光のスペクトルとが相当程度打ち消し合うものであればスペクトルディップＤを出現させることが可能であることから、スペクトルディップＤが現れるための位相調整部長Ｌは、その２倍の長さ２Ｌが半波長（位相差としてπラジアン）またはその奇数倍となる場合に限定されるものではない。
本形態例の場合、位相調整部６の実効屈折率は偏波保持ファイバ１の実効屈折率ｎ_effに等しいから、位相調整部長Ｌが、偏波保持ファイバ１の２つの偏波軸のうち少なくとも１つの偏波軸において、実効屈折率をｎ_eff、ブラッグ波長をλ_Ｂとするとき、（４ｎ−３）（λ_Ｂ／８ｎ_eff）≦Ｌ≦（４ｎ−１）（λ_Ｂ／８ｎ_eff）を満足する（ただし、ｎを正の整数（ｎ＝１，２，３…）のいずれかとする。）ことが好ましい。
なお、λ＝λ_Ｂ／ｎ_effとおいて、いくつかのｎについてより具体的に例示すると、ｎ＝１ではλ／８≦Ｌ≦３λ／８であり、ｎ＝２では５λ／８≦Ｌ≦７λ／８であり、ｎ＝３では９λ／８≦Ｌ≦１１λ／８であり、ｎ＝４では１３λ／８≦Ｌ≦１５λ／８である。

ひずみと温度の同時計測においては、あらかじめ、同一の光ファイバセンサ（または同等の特性を有する光ファイバセンサ）を用いてひずみと温度が既知の環境におけるスペクトルディップの中心波長およびその帯域幅を計測しておき、ひずみと温度を同時計測する際に計測したスペクトルディップの中心波長およびその帯域幅と比較することで、中心波長およびその帯域幅の計測値からひずみと温度を計算することができる。

すなわち、本形態例の光ファイバセンサを用いたひずみと温度の同時計測方法は、
（１）光ファイバセンサにおける直交する２つの偏波を合波した光の反射スペクトルを計測する工程と、
（２）計測した反射スペクトルにおける第１のファイバブラッググレーティングのブラッグ反射光と第２のファイバブラッググレーティングのブラッグ反射光との位相差に基づくスペクトルディップの中心波長およびその幅を求める工程と、
（３）前記スペクトルディップの中心波長およびその幅を、ひずみと温度が既知の環境におけるスペクトルディップの中心波長およびその幅と比較して、前記センシング部におけるひずみと温度を計算する工程とを備える。

本形態例のひずみと温度の同時計測方法は、あらかじめ、ひずみと温度が既知の環境におけるスペクトルディップの中心波長およびその幅を計測した計測値から、ひずみと温度に対するスペクトルディップの中心波長およびその幅の関係式を求める工程を有することもできる。この場合（２）の工程で計測した前記反射スペクトルにおけるスペクトルディップの中心波長およびその幅を、（３）の工程で前記関係式に代入することで、センシング部７におけるひずみと温度を計算することができる。該関係式は、直線近似、多項式近似など、公知の近似式によって作成可能である。

（２）の工程において、（１）の工程で計測した、例えば図４に示すスペクトルからスペクトルディップＤの中心波長λ_ｃおよび帯域幅ｗを決定する方法は、ひずみと温度の同時計測を行うたびに同じ方法を用いて再現性のある結果が得られる限り、特に限定されるものではない。
スペクトルディップＤの中心波長λ_ｃを決定する方法としては、スペクトルディップＤにおいて反射率が極小を示す波長を中心波長λ_ｃとする方法や、帯域幅ｗを決定した後でその帯域幅ｗの中心波長を中心波長λ_ｃとする方法などが挙げられる。
スペクトルディップＤの帯域幅ｗを決定する方法としては、スペクトルディップＤにおいて反射率がその極小値から一定の値上昇した波長幅を帯域幅ｗとする方法や、スペクトルディップＤの両側で反射率が極大を示すピーク波長の差を帯域幅ｗとする方法などが挙げられる。

光ファイバセンサ１０を用いてひずみと温度を同時計測する場合の装置は、例えば、光サーキュレータの３つの接続端に、光ファイバセンサ１０の一端と、測定光を出力する光源と、光検出器とを接続し、光源から光ファイバセンサ１０に測定光を入射して、センシング部７からの反射光を光検出器で検出する構成が挙げられる。
光源には、直交する２つの偏波軸に対してほぼ同強度の光を入射できることから、ランダム偏光の光を出力するものが好ましい。望ましくはある程度波長範囲（ひずみまたは温度変化による波長変化をカバーできる波長範囲）の光（以下広帯域の光という）を安定したパワーで出力する光源、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）、ハロゲンランプ、増幅された自然放出（Amplified spontaneous emission、ＡＳＥ）光源などが用いられる。
光検出器には、公知の光スペクトルアナライザなどを用いることができる。
装置各部の光接続には、一般のシングルモードファイバなどを光伝送用に使用することができる。

以上、本発明を好適な実施の形態に基づいて説明してきたが、本発明は上述の形態例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。
本発明の光ファイバセンサは、複数のセンシング部を有することもできる。各センシング部のセンシング部長、グレーティング長、位相調整部長、ブラッグ波長等のパラメータは同じにすることも異ならせることも可能であるが、各センシング部から得られる反射スペクトルが区別できるように構成することが望ましい。各センシング部から得られる反射スペクトルを区別する手法としては、例えば、それぞれのセンシング部を構成する２つのＦＢＧのブラッグ反射光の波長をセンシング部毎に変えて、公知の波長分割多重（ＷＤＭ）方式で計測する手法が挙げられる。

以下、実施例をもって本発明を具体的に説明する。

＜実施例１：光ファイバセンサの作製および計測例＞
ＰＡＮＤＡ型の偏波保持ファイバに対し、下記の手順に沿って図１に示す光ファイバセンサ１０を作製した。
最初に波長２４４ｎｍのアルゴン第２次高調波（ＳＨＧ）レーザとユニフォーム位相マスクを用いてグレーティング長０．１５ｍｍの第１のＦＢＧ４を作製した。次に、位相調整部６を設け、最後に第１のＦＢＧ４と同様の方法で、グレーティング長０．１５ｍｍの第２のＦＢＧ５を作製した。位相調整部６は、２つのＦＢＧ４，５間において位相がπ／２異なる（往復ではπ異なる）長さとした。本実施例では、使用した偏波保持ファイバのスロー軸における実効屈折率ｎ_effとスロー軸におけるブラッグ波長λ_ＢからＬ＝λ_Ｂ／４ｎ_efffとなるように設計した。具体的には、ｎ_eff＝１．４７、λ_Ｂ＝１５５２ｎｍから、Ｌ＝２６４ｎｍとした。Ｌ＝２．６４×１０^−６ｍｍであり、各ＦＢＧ４，５のグレーティング長（０．１５ｍｍ）に比べて十分に短いことから、センシング部７の偏波保持ファイバ長手方向における長さ（センシング部長）は０．３ｍｍということができる。

センシング部７を無ひずみ・室温（２５℃）環境に設置し、公知のスペクトラムアナライザを用いた分光測定法により、本実施例の光ファイバセンサ１０の反射スペクトルを計測した。この結果を図９に示す。測定光にはＡＳＥ光源を用い、スロー軸とファスト軸に対してほぼ同強度の光を入射した。
図９の反射スペクトルは、スロー軸からの反射光とファスト軸からの反射光の合波光を示している。１５５２．６ｎｍ付近に現れるスペクトルディップは、第１のＦＢＧ４と第２のＦＢＧ５の間に設けた位相調整部６による、片道π／２、往復πの位相差に起因するものである。本実施例では、図９のスペクトルディップのボトムピークから３ｄＢ上昇した反射率における波長幅を「スペクトルディップの帯域幅」と定義し、該帯域幅の中心波長を「スペクトルディップの中心波長」と定義した。この定義に基づいて求めたスペクトルディップの中心波長および帯域幅は、それぞれ１５５２．６３１ｎｍおよび０．５４３ｎｍである。

次いで、本実施例の光ファイバセンサ１０における、スペクトルディップの中心波長および帯域幅のそれぞれについて、ひずみ依存性と温度変化依存性を計測した。
ひずみ依存性は、室温（２５℃）で光ファイバセンサに張力を印加することにより、センシング部にひずみを加えた状態で計測した反射スペクトルから、ひずみ変化時のスペクトルディップの中心波長および帯域幅を求め、無ひずみ・室温（２５℃）環境で求めたスペクトルディップの中心波長および帯域幅からの差分をとって、中心波長変化および帯域幅変化とした。その結果を図１０に示す。
温度依存性は、無張力（無ひずみ）の光ファイバセンサを加熱または冷却し、所定の温度を維持した状態で計測した反射スペクトルから、温度変化時のスペクトルディップの中心波長および帯域幅を求め、無ひずみ・室温（２５℃）環境で求めたスペクトルディップの中心波長および帯域幅からの差分をとって、中心波長変化および帯域幅変化とした。その結果を図１１に示す。

図１０に示すスペクトルディップの中心波長と帯域幅のひずみ依存性を直線近似し、その近似式と、該近似式の相関関数（Ｒ^２）を求めた。式（１）に、ひずみとスペクトルディップの中心波長との関係を示し、式（２）に、ひずみとスペクトルディップの帯域幅との関係を示す。なお、式（１）〜式（２）における単位は、式（１）の中心波長（ｙ）がｎｍ、式（２）の帯域幅（ｙ）がｎｍ、式（１）〜式（２）のひずみ（ｘ）がμεであり、１μεは、１×１０^−４％のファイバ伸びを示している。

また、図１１に示すスペクトルディップの中心波長と帯域幅の温度依存性を直線近似し、その近似式と、該近似式の相関関数（Ｒ^２）を求めた。式（３）に、温度とスペクトルディップの中心波長との関係を示し、式（４）に、温度とスペクトルディップの帯域幅との関係を示す。なお、式（３）〜式（４）における単位は、式（３）の中心波長（ｙ）がｎｍ、式（４）の帯域幅（ｙ）がｎｍ、式（３）〜式（４）の温度（ｘ）が℃である。

以上より、ひずみと温度変化に対して、スペクトルディップの中心波長と帯域幅がともに高い相関関数で直線近似できるシフト特性を示すことが分かった。
ひずみΔεと温度変化ΔＴに対するスペクトルディップの中心波長と帯域幅の変化を示す行列式は、式（１）〜式（４）をもとに、式（５）のように表すことができる。なお、式（５）における単位は、スペクトルディップの中心波長変化（Δλ_ｃ）と帯域幅変化（Δｗ）がｐｍ、ひずみ（Δε）がμε、温度変化（ΔＴ）が℃である。

次いで、本実施例の光ファイバセンサにひずみと温度変化を同時に与え、このとき計測された反射スペクトルからスペクトルディップの中心波長および帯域幅を求め、無ひずみ・室温（２５℃）環境で求めたスペクトルディップの中心波長および帯域幅からの差分をとって、中心波長変化Δλ_ｃおよび帯域幅変化Δｗを算出し、式（５）に代入してひずみ（Δε）と温度変化（ΔＴ）を求めた。その結果を表１に示す。表１では、式（５）から求めたひずみ（Δε）と温度変化（ΔＴ）に対して、基準ひずみ（０με）、基準温度（２５℃）を加算した値を示している。例えば、条件１ではΔεが５１０με、ΔＴが２４℃と求められたので、これらに基準ひずみ、基準温度を加算して、ひずみを５１０με、温度を４９℃と表示している。

表１に示すように、合計４通りの条件でひずみと温度を計測したところ、いずれの条件においても、比較的高い精度の計測結果を得ることができた。

＜実施例２：位相差を変えたときの反射スペクトルのシミュレーション例＞
センシング部長を０．３ｍｍ（各グレーティング長を０．１５ｍｍ）の条件を共通にして、位相調整部の位相差を変えたときの光ファイバセンサの反射スペクトルを、シミュレーションで求めた。
図１２では位相調整部が片道λ／１６（往復λ／８、位相差は往復でπ／４）であり、図１３では位相調整部が片道λ／８（往復λ／４、位相差は往復でπ／２）であり、図１４では位相調整部が片道λ／４（往復λ／２、位相差は往復でπ）であり、図１５では位相調整部が片道３λ／８（往復３λ／４、位相差は往復で３π／２）であり、図１６では位相調整部が片道７λ／１６（往復７λ／８、位相差は往復で７π／４）であり、図１７では位相調整部が片道λ／２（往復λ、位相差は往復で２π）である。
以上の結果から、図１３〜１５に示すように、位相調整部が片道でλ／８以上３λ／８以下であるとき、メインピーク中にスペクトルディップ（各グラフ中、下向きの矢印で示す。）が現れることから、実施例１と同様に、ひずみと温度の同時計測が実施可能である。位相には周期性があることから、位相調整部長Ｌが、（４ｎ−３）（λ／８）≦Ｌ≦（４ｎ−１）（λ／８）を満足する（ただし、ｎを正の整数（ｎ＝１，２，３…）のいずれかとする。）ことが好ましい。ただし、λ＝λ_Ｂ／ｎ_effとする。
図１２、図１６、図１７では、メインピーク（各グラフ中、下向きの矢印で示す。）中にスペクトルディップが現れなかった。なお、これらのグラフにおいて、メインピークの左右両側に見えるのは、メインピークとサイドローブとの境界部である。

＜実施例３：センシング部長を変えたときの反射スペクトルのシミュレーション例＞
位相調整部は、実施例１と同じく片道λ／４（往復λ／２）、位相差は往復でπという条件を共通にして、センシング部長を０．１〜０．９ｍｍ（各グレーティング長は０．０５〜０．４５ｍｍ）の範囲で変えたときの光ファイバセンサの反射スペクトルを、シミュレーションで求めた。
図１８ではセンシング部長が０．１ｍｍ（各グレーティング長は０．０５ｍｍ）であり、図１９ではセンシング部長が０．３ｍｍ（各グレーティング長は０．１５ｍｍ）であり、図２０ではセンシング部長が０．６ｍｍ（各グレーティング長は０．３ｍｍ）であり、図２１ではセンシング部長が０．８ｍｍ（各グレーティング長は０．４ｍｍ）であり、図２２ではセンシング部長が０．９ｍｍ（各グレーティング長は０．４５ｍｍ）である。
図１８〜２１に示すように、センシング部長が０．８ｍｍ以下ではスペクトルディップ中に１つの極小点のみ現れるので、実施例１と同様に、ひずみと温度の同時計測が実施可能である。
図２２では、スペクトルディップ中に１つの極大点とその両側に２つの極小点が現れることから、スペクトルディップの中心波長と帯域幅を特定するのが容易ではない。

＜実施例４：位相調整部長を変えたときの反射スペクトルのシミュレーション例＞
各グレーティング長は０．１５ｍｍ、位相調整部による位相差は往復でπの奇数倍という条件を共通にして、位相調整部長を０〜０．６ｍｍの範囲で変えたときの光ファイバセンサの反射スペクトルを、シミュレーションで求めた。なお、位相調整部長が実施例１と同じく片道λ／４（往復λ／２）の場合を便宜上０ｍｍとする。
図２３では位相調整部長が０ｍｍ（片道λ／４）であり、図２４では位相調整部長が０．２ｍｍであり、図２５では位相調整部長が０．４ｍｍであり、図２６では位相調整部長が０．５ｍｍであり、図２７では位相調整部長が０．６ｍｍである。
図２３〜２６に示すように、位相調整部長が０．５ｍｍまで、すなわち、センシング部長が０．８ｍｍ以下ではスペクトルディップ中に１つの極小点のみ現れるので、実施例１と同様に、ひずみと温度の同時計測が実施可能である。
図２７では、スペクトルディップ中に１つの極大点とその両側に２つの極小点が現れることから、スペクトルディップの中心波長と帯域幅を特定するのが容易ではない。
図２３に示すように、位相調整部長が０ｍｍ（片道λ／４）の場合はセンシング部長が最小になり、スペクトルディップが最も明瞭に判別できることから、好ましい。

＜実施例５：ＦＢＧの中心波長を変えたときの反射スペクトルのシミュレーション例＞
位相調整部は、実施例１と同じく片道λ／４（往復λ／２）、位相差は往復でπ、センシング部長は０．３ｍｍ（各グレーティング長は０．１５ｍｍ）の条件を共通にして、ＦＢＧの中心波長を変えたときの光ファイバセンサの反射スペクトルを、シミュレーションで求めた。なお、各グレーティングの周期は、ＦＢＧの中心波長に合わせて調整した。
図２８では中心波長が１５５０ｎｍであり、図２９では中心波長が１３１０ｎｍであり、図３０では中心波長が１０６５ｎｍである。
図２８〜３０に示すように、ＦＢＧの中心波長が１３１０ｎｍや１０６５ｎｍであっても、スペクトルディップ中に１つの極小点のみ現れるので、実施例１と同様に、ひずみと温度の同時計測が実施可能である。

Ｄ…スペクトルディップ、Ｌ…位相調整部長、ｗ…スペクトルディップの幅（帯域幅）、λ_ｃ…スペクトルディップの中心波長、Λ…グレーティング周期、１…偏波保持ファイバ、２…コア、３…クラッド、４…第１のＦＢＧ、５…第２のＦＢＧ、６…位相調整部、７…センシング部、１０…光ファイバセンサ。

Claims (5)

1. 偏波保持ファイバのコアに形成した第１のファイバブラッググレーティングと、
   前記偏波保持ファイバのコアに形成した第２のファイバブラッググレーティングと、
   これら２つのファイバブラッググレーティングの間に設けられ、第１のファイバブラッググレーティングのブラッグ反射光と第２のファイバブラッググレーティングのブラッグ反射光の干渉により、ブラッグ波長の近傍にスペクトルディップを生じる位相差を該ファイバブラッググレーティングのブラッグ反射光の間に与える位相調整部と、
   から１つのセンシング部が構成され、
   前記位相調整部を含まない前記センシング部の偏波保持ファイバ長手方向における長さが、０．１ｍｍ以上０．８ｍｍ以下であることを特徴とする光ファイバセンサ。
2. 前記位相調整部の偏波保持ファイバ長手方向における長さＬは、前記偏波保持ファイバの２つの偏波軸のうち少なくとも１つの偏波軸において、実効屈折率をｎ_ｅｆｆとし、ブラッグ波長をλ_Ｂとするとき、（４ｎ−３）（λ_Ｂ／８ｎ_ｅｆｆ）≦Ｌ≦（４ｎ−１）（λ_Ｂ／８ｎ_ｅｆｆ）を満足する（ただし、ｎを正の整数（ｎ＝１，２，３…）のいずれかとする。）ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
3. 前記２つのファイバブラッググレーティングの偏波保持ファイバ長手方向における長さが互いに等しいことを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバセンサ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光ファイバセンサにおける直交する２つの偏波を合波した光の反射スペクトルを計測する工程と、
   計測した前記反射スペクトルにおける第１のファイバブラッググレーティングのブラッグ反射光と第２のファイバブラッググレーティングのブラッグ反射光との位相差に基づくスペクトルディップの中心波長およびその幅を求める工程と、
   前記スペクトルディップの中心波長およびその幅を、ひずみと温度が既知の環境におけるスペクトルディップの中心波長およびその幅と比較して、前記センシング部におけるひずみと温度を計算する工程と、
   を備えることを特徴とするひずみと温度の同時計測方法。
5. あらかじめ、ひずみと温度が既知の環境におけるスペクトルディップの中心波長およびその幅を計測した計測値から、ひずみと温度に対するスペクトルディップの中心波長およびその幅の関係式を求める工程を有し、
   計測した前記反射スペクトルにおけるスペクトルディップの中心波長およびその幅を前記関係式に代入して、前記センシング部におけるひずみと温度を計算することを特徴とする請求項４に記載のひずみと温度の同時計測方法。

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