JP6146862B2

JP6146862B2 - Optical fiber for sensor

Info

Publication number: JP6146862B2
Application number: JP2013147524A
Authority: JP
Inventors: 久保田　寛和; 寛和久保田; 恭三辻川; 麟馬; 信智半澤; 和夫保立
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2017-06-14
Anticipated expiration: 2033-07-16
Also published as: JP2015021986A

Description

本発明は、センサ用光ファイバに関する。 The present invention relates to a sensor optical fiber.

光ファイバは長手方向にわたって光を長距離間伝搬させることができ、且つ可とう性が高いため、狭い場所や複雑な形状をした場所に敷設可能である。敷設された光ファイバに温度、圧力等の変化が加わると、ひずみや変形が生じ、例えば損失量、反射量、周波数等の光伝搬特性が変化する。この光伝搬特性の変化を検出することによって光ファイバはセンサとして機能する。このような光ファイバセンサのうち、光ファイバの長手方向にそって温度、湿度、歪み等のパラメータを測定するものが分布型ファイバセンサであり、一本の光ファイバで広範囲のパラメータの変化を測定することができる。また、分布型ファイバセンサは、一本の光ファイバで複数のパラメータの変化を同時に測定することもできる（非特許文献１，２参照）。 The optical fiber can propagate light over a long distance in the longitudinal direction and has high flexibility. Therefore, the optical fiber can be laid in a narrow place or a place having a complicated shape. When changes in temperature, pressure, and the like are applied to the laid optical fiber, distortion and deformation occur, and light propagation characteristics such as loss, reflection, and frequency change. The optical fiber functions as a sensor by detecting the change in the light propagation characteristic. Among these optical fiber sensors, one that measures parameters such as temperature, humidity, and strain along the longitudinal direction of the optical fiber is a distributed fiber sensor, which measures a wide range of parameter changes with a single optical fiber. can do. The distributed fiber sensor can also simultaneously measure changes in a plurality of parameters with a single optical fiber (see Non-Patent Documents 1 and 2).

光ファイバセンサ用の光ファイバとして、偏波保持特性をもつ光ファイバが用いられる場合がある。特にＰＡＮＤＡ（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇａｎｄａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−ｒｅｄｕｃｉｎｇ）光ファイバは単一モードファイバとの整合性が良く、偏波保持特性にも優れるため、光ファイバセンサとして広く用いられている(非特許文献３参照)。 An optical fiber having polarization maintaining characteristics may be used as an optical fiber for an optical fiber sensor. In particular, a PANDA (polarization-maintaining and absorption-reducing) optical fiber is widely used as an optical fiber sensor because of its good compatibility with a single mode fiber and excellent polarization maintaining characteristics (see Non-Patent Document 3). .

保立、「光ファイバーセンシング」、光学、社団法人日本光学会、平成２４年７月、第４１巻、第７号、ｐ．３５２−３６３Hotate, “Optical Fiber Sensing”, Optics, Japan Optical Society, July 2012, Vol. 41, No. 7, p. 352-363 熊谷、三田、岡、大野、「コンクリート構造物用光ファイバセンサの開発と実証」、コンクリート工学、公益社団法人日本コンクリート工学会、平成１２年７月、第３８巻、第７号、ｐ．１７−２１Kumagaya, Mita, Oka, Ohno, “Development and Demonstration of Optical Fiber Sensors for Concrete Structures”, Concrete Engineering, Japan Concrete Institute, July 2000, Vol. 38, No. 7, p. 17-21 荒井、齋藤、小山、中村、横溝、相曽、「偏波保持光ファイバ」、古河電工時報、古河電気工業株式会社、平成１４年１月、第１０９号、ｐ．５−１０Arai, Saito, Oyama, Nakamura, Yokomizo, Sogo, "Polarization-maintaining optical fiber", Furukawa Electric Times, Furukawa Electric Co., Ltd., January 2002, No. 109, p. 5-10

しかしながら、光ファイバセンサ用の光ファイバとして従来から用いられているＰＡＮＤＡ光ファイバは異なる熱膨張率を持つ複数のガラス材料を組み合わせて製造されるため、光ファイバセンサの製造工程が複雑になるという問題があった。 However, since the PANDA optical fiber conventionally used as an optical fiber for an optical fiber sensor is manufactured by combining a plurality of glass materials having different thermal expansion coefficients, the manufacturing process of the optical fiber sensor is complicated. was there.

本発明は、前述の従来技術における問題を解決し、簡易な工程で製造可能な光ファイバセンサを実現するセンサ用光ファイバの提供を課題とする。 An object of the present invention is to provide an optical fiber for a sensor that solves the above-described problems in the prior art and realizes an optical fiber sensor that can be manufactured by a simple process.

本発明のセンサ用光ファイバは、断面視において単一モードファイバのクラッド部にコア部を中心とした正多角形の全ての頂点に空孔の中心が配された配置以外の配置、或いは前記コア部を中心とした同じ角数の多角形を重ね合わせた全ての頂点に空孔の中心が配された配置以外の配置で概略円形の空孔が形成され、前記空孔は二つ以上設けられ、二つ以上の前記空孔のうち一の前記空孔は、前記コア部を中心として他の前記空孔と点対称な位置から少しずれた位置に設けられていることを特徴とする。
ここで、コア部を中心とした等方的な配置とは、コア部を中心とした正多角形の全ての頂点に空孔の中心が配された配置、或いは同じ角数の多角形を重ね合わせた全ての頂点に空孔の中心が配された配置を示す。これに対し、コア部を中心とした非等方的な配置とは、コア部を中心とした等方的な配置以外の配置を示し、コア部を中心とした長方形や菱形の四つの頂点全てに空孔の中心が配された配置以外の配置等が該当する。コア部を中心とした非等方的な配置を複数組み合わせた結果、正多角形の組み合わせで表せるようになった配置は等方的である。例えば、二つの長方形を互いにコア部を中心として９０°回転させて重ねた配置は、正方形配置の重ね合わせで表されるため、等方的である。図１（ａ）〜（ｃ）に正方形及びその重ね合わせで構成される等方的な配置例を示す。図１（ａ）は、コア部１２を中心とした正方形Ｓ１の全ての頂点に空孔１４の中心が配された配置を示している。図１（ｂ）は、コア部１２を中心とした正方形Ｓ２の全ての頂点に空孔１５の中心が配され、正方形Ｓ２と面積の等しい正方形Ｓ３が正方形Ｓ２に対してコア部１２を中心として一定の角度だけ回転して重ねられ、全ての頂点に空孔１６の中心が配された配置を示している。図１（ｃ）は、図１（ｂ）に示す配置において正方形Ｓ３が正方形Ｓ２より小さい面積の正方形Ｓ４に変更され、正方形Ｓ４の全ての頂点に空孔１７の中心が配された配置を示している。このようにコア部を中心とした等方的な配置で概略円形の空孔が形成されているセンサ用光ファイバに比べて、本発明のセンサ用光ファイバは、空孔の数が減じられて空孔を形成するためのドリルによる切削工程の数が減ることによって、簡易な工程で製造される。また、空孔の寸法や配置等の幾何学的形状を調整することにより、センサ用光ファイバの偏波保持特性の指標となる偏波モード複屈折の大きさが容易に制御される。 The optical fiber for sensor according to the present invention has an arrangement other than the arrangement in which the center of the hole is arranged at all vertices of the regular polygon centered on the core part in the clad part of the single mode fiber in a cross-sectional view, or the core A substantially circular hole is formed in an arrangement other than the arrangement in which the center of the hole is arranged at all vertices obtained by overlapping polygons having the same number of angles centered on the part, and two or more of the holes are provided. one of the holes of two or more of the pores is characterized by being kicked set slightly away from the other of said holes and point-symmetric positions about said core portion.
Here, the isotropic arrangement centered on the core is an arrangement in which the center of the hole is arranged on all vertices of the regular polygon centered on the core, or a polygon having the same number of corners is overlapped. An arrangement in which the center of the hole is arranged at all the apexes is shown. On the other hand, the anisotropic arrangement centered on the core portion refers to an arrangement other than the isotropic arrangement centered on the core portion, and all four vertices of a rectangle or rhombus centered on the core portion. The arrangement other than the arrangement in which the center of the hole is arranged is applicable. As a result of combining a plurality of anisotropic arrangements centered on the core portion, the arrangement that can be represented by a combination of regular polygons is isotropic. For example, an arrangement in which two rectangles are rotated by 90 ° about the core portion and overlapped with each other is isotropic because it is represented by a superposition of square arrangements. FIG. 1A to FIG. 1C show isotropic arrangement examples including squares and their overlapping. FIG. 1A shows an arrangement in which the centers of the holes 14 are arranged at all vertices of the square S1 with the core portion 12 as the center. In FIG. 1B, the center of the hole 15 is arranged at all the vertices of the square S2 centered on the core portion 12, and the square S3 having the same area as the square S2 is centered on the core portion 12 with respect to the square S2. It shows an arrangement in which the centers of the holes 16 are arranged at all vertices by being rotated and stacked by a certain angle. FIG. 1C shows an arrangement in which the square S3 is changed to a square S4 having an area smaller than the square S2 in the arrangement shown in FIG. 1B, and the centers of the holes 17 are arranged at all vertices of the square S4. ing. As compared with the sensor optical fiber in which the substantially circular holes are formed in an isotropic arrangement with the core portion at the center, the sensor optical fiber of the present invention has a reduced number of holes. By reducing the number of cutting processes using a drill for forming holes, the manufacturing process is simplified. Also, by adjusting the geometric shape such as the dimension and arrangement of the holes, the magnitude of the polarization mode birefringence that is an index of the polarization maintaining characteristic of the sensor optical fiber can be easily controlled.

また、本発明のセンサ用光ファイバにおいて、二つ以上の前記空孔のうち一の前記空孔は、前記コア部を中心として他の前記空孔と点対称な位置から１５度以内でずれた位置に設けられていることが好ましい。
空孔がコア部を中心として点対称な位置から１５度以内でずれた位置に二つ設けられていることによって、モード複屈折率の減少は、完全に点対称な位置に二つの空孔が設けられた場合の５％以下になり、二つの空孔が、完全に点対称な位置に設けられた場合と点対称な位置から少しずれた位置に設けられた場合とで殆ど差がない結果が得られる。
更に、本発明のセンサ用光ファイバにおいては、前記クラッド部と前記コア部との比屈折率差が０.７％以上であることが好ましい。
クラッド部とコア部との比屈折率差が０.７％以上と比較的高いことによってセンサ用光ファイバの許容曲げ半径が縮小される。 Further, in the optical fiber for the sensor of the present invention, one of the holes of two or more of said holes is shifted within 15 degrees from the other of said holes and point-symmetric positions about said core portion it is preferable that kicked set in position.
By providing two holes at a position deviated within 15 degrees from the point-symmetrical position around the core part, the reduction of the mode birefringence is reduced by two holes at a completely point-symmetrical position. The result is less than 5% of the case where it is provided, and there is almost no difference between the case where the two holes are provided at a completely point-symmetrical position and the case where it is provided at a position slightly shifted from the point-symmetrical position. Is obtained.
Furthermore, in the optical fiber for sensor according to the present invention, it is preferable that a relative refractive index difference between the clad part and the core part is 0.7% or more.
When the relative refractive index difference between the clad part and the core part is relatively high, 0.7% or more, the allowable bending radius of the optical fiber for sensor is reduced.

本発明のセンサ用光ファイバのクラッド部には、センサ用光ファイバの偏波保持特性を制御するために断面視において単一モードファイバのコア部を中心とした非等方的な配置で少数の空孔が形成されている。空孔を形成するためのドリルによる切削工程数がより削減されるため、本発明のセンサ用光ファイバは簡易に製造される。その結果、本発明のセンサ用光ファイバによって簡易な工程で製造可能な光ファイバセンサが提供される。 In the clad portion of the sensor optical fiber of the present invention, a small number of anisotropic arrangements centered on the core portion of the single mode fiber in a cross-sectional view are used to control the polarization maintaining characteristics of the sensor optical fiber. Holes are formed. Since the number of cutting steps by the drill for forming the holes is further reduced, the optical fiber for sensors of the present invention is easily manufactured. As a result, an optical fiber sensor that can be manufactured by a simple process using the optical fiber for sensors of the present invention is provided.

空孔の中心がコア部を中心として等方的に配された配置を示す図であって、（ａ）〜（ｃ）は配置例の模式図である。It is a figure which shows the arrangement | positioning by which the center of the void | hole was distribute | arranged isotropic centering on a core part, Comprising: (a)-(c) is a schematic diagram of the example of arrangement | positioning. 本発明を適用したセンサ用光ファイバのクラッド部の一部を示す断面図であって、（ａ）は空孔が一つ設けられた場合を示し、（ｂ）は空孔がコア部を中心として完全に点対称な位置に二つ設けられた場合を示し、（ｃ）は空孔がコア部を中心として点対称な位置から少しずれた位置に二つ設けられた場合を示す。It is sectional drawing which shows a part of clad part of the optical fiber for sensors to which this invention is applied, (a) shows the case where one hole is provided, (b) shows a hole centering on a core part. (C) shows the case where two holes are provided at a position slightly deviated from the point-symmetrical position around the core part. 本発明を適用したセンサ用光ファイバの断面とその寸法を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the cross section of the optical fiber for sensors to which this invention is applied, and its dimension. 図３に示すセンサ用光ファイバの二つの空孔の各半径と、空孔の中心とコア部の中心との間隔とを変化させたときのモード複屈折率の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the mode birefringence when changing each radius of two holes of the optical fiber for sensors shown in Drawing 3, and the interval of the center of a hole, and the center of a core part. 図３に示すセンサ用光ファイバの二つの空孔のうちの一つの空孔の半径と、当該一つの空孔の中心とコア部の中心との間隔とを変化させたときのモード複屈折率の変化を示すグラフである。The mode birefringence when the radius of one of the two holes of the optical fiber for sensor shown in FIG. 3 and the distance between the center of the one hole and the center of the core part are changed. It is a graph which shows the change of. 図３に示すセンサ用光ファイバの断面においてコア部を中心として二つの空孔が設けられた場合に、コア部の直径、空孔の直径、空孔の中心とコア部の中心との間隔とを変化させ、クラッド部とコア部との比屈折率差を変化させたときのモード複屈折率の変化を示すグラフである。In the cross section of the optical fiber for sensor shown in FIG. 3, when two holes are provided around the core part, the diameter of the core part, the diameter of the hole, the distance between the center of the hole and the center of the core part, 5 is a graph showing a change in mode birefringence when the relative refractive index difference between the cladding and the core is changed. 図３に示すセンサ用光ファイバの断面においてコア部を中心として二つの空孔が設けられた場合に、クラッド部とコア部との比屈折率差を変化させたときに実現可能なモード複屈折率の範囲を示す図である。Modal birefringence that can be realized by changing the relative refractive index difference between the cladding and the core when two holes are provided around the core in the cross section of the optical fiber for sensor shown in FIG. It is a figure which shows the range of a rate. 本発明を適用したセンサ用光ファイバのクラッド部の一部とその寸法を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of clad part of the optical fiber for sensors to which this invention is applied, and its dimension. 図８に示すセンサ用光ファイバの片方の空孔の点対称な位置からのずれの量に対するモード複屈折率Ｂの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the mode birefringence B with respect to the amount of deviation | shift from the point-symmetrical position of the one hole of the optical fiber for sensors shown in FIG. 本発明を適用したセンサ用光ファイバの温度を変化させたときのモード複屈折率の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the mode birefringence when changing the temperature of the optical fiber for sensors to which this invention is applied.

以下、本発明を適用したセンサ用光ファイバについて、図２〜図１０を参照し、説明する。また、図２〜図１０においては、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。なお、以下の説明で用いる図面は模式的なものであり、長さ、幅、および厚みの寸法及び比率等は実際のものと同一とは限らない。 Hereinafter, a sensor optical fiber to which the present invention is applied will be described with reference to FIGS. In FIG. 2 to FIG. 10, the same reference numerals are given to the same components, and the description thereof is omitted. Note that the drawings used in the following description are schematic, and the dimensions, ratios, and the like of length, width, and thickness are not necessarily the same as actual ones.

（第一実施形態）
本発明を適用した第一実施形態のセンサ用光ファイバ５について、図２（ａ）を参照しながら説明する。 (First embodiment)
A sensor optical fiber 5 according to a first embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to FIG.

図２（ａ）は、本実施形態のセンサ用光ファイバ５のクラッド部１１の一部を示す断面図である。センサ用光ファイバ５は単一モードファイバであって、コア部１２と、コア部周囲のクラッド部１１と、クラッド部１１に配設された空孔１３とを備え、図２（ａ）に示す断面形状を有して一方向に延在するように形成されている。 FIG. 2A is a cross-sectional view showing a part of the clad portion 11 of the sensor optical fiber 5 of the present embodiment. The sensor optical fiber 5 is a single mode fiber, and includes a core portion 12, a cladding portion 11 around the core portion, and holes 13 disposed in the cladding portion 11, and is shown in FIG. It has a cross-sectional shape and is formed to extend in one direction.

クラッド部１１とコア部１２との比屈折率差は、特に制限されないが、センサ用光ファイバ５の許容曲げ半径がより縮小される点から０．７％以上であることが好ましい。 The relative refractive index difference between the clad part 11 and the core part 12 is not particularly limited, but is preferably 0.7% or more from the viewpoint that the allowable bending radius of the sensor optical fiber 5 is further reduced.

空孔１３は、クラッド部１１にコア部１２を中心とした非等方的な配置で形成されている。前述のように、コア部１２を中心とした非等方的な配置とは、コア部１２を中心とした正多角形の全ての頂点に空孔の中心が配された配置以外の配置を示す。センサ用光ファイバ５の空孔１３は、図２（ａ）に示すようにコア部１２を中心とした非等方的な配置で一つ設けられている。なお、図２（ａ）にはコア部１２を中心として紙面上方に一つの空孔１３Ａが設けられた配置を例示しているが、空孔１３Ａはコア部１２を中心として断面内のどの位置に配されていてもよい。 The holes 13 are formed in the cladding portion 11 in an anisotropic arrangement with the core portion 12 as the center. As described above, the anisotropic arrangement with the core portion 12 as the center indicates an arrangement other than the arrangement in which the center of the hole is arranged at all vertices of the regular polygon with the core portion 12 as the center. . As shown in FIG. 2A, one hole 13 of the sensor optical fiber 5 is provided in an anisotropic arrangement with the core portion 12 as the center. FIG. 2A illustrates an arrangement in which one hole 13A is provided above the paper surface with the core portion 12 as the center. The position of the hole 13A in the cross section with the core portion 12 as the center is illustrated. May be arranged.

空孔１３Ａの形状は、空孔１３Ａを形成するためのドリルによる切削作業がし易い点から、概略円形とされている。空孔１３Ａの寸法は、コア部１２及びクラッド部１１の寸法やクラッド部１１とコア部１２との比屈折率差、センサ用光ファイバ５の偏波モード複屈折の大きさ等を勘案して設定されることが好ましい。本発明を適用したセンサ用光ファイバの偏波モード複屈折の大きさと、空孔１３の寸法、コア部１２及びクラッド部１１の寸法やクラッド部１１とコア部１２との比屈折率差等の関係については後に詳しく説明する。 The shape of the hole 13A is substantially circular in that it can be easily cut by a drill for forming the hole 13A. The dimension of the air hole 13A takes into consideration the dimensions of the core part 12 and the cladding part 11, the relative refractive index difference between the cladding part 11 and the core part 12, the magnitude of the polarization mode birefringence of the sensor optical fiber 5, and the like. It is preferably set. The magnitude of the polarization mode birefringence of the optical fiber for the sensor to which the present invention is applied, the dimension of the hole 13, the dimension of the core part 12 and the clad part 11, the relative refractive index difference between the clad part 11 and the core part 12, etc. The relationship will be described in detail later.

（第二実施形態）
本発明を適用した第二実施形態のセンサ用光ファイバ８について、図２（ｂ）を参照しながら説明する。
図２（ｂ）は、本実施形態のセンサ用光ファイバ８のクラッド部１１の一部を示す断面図である。なお、図２（ｂ）に示すセンサ用光ファイバ８の構成要素のうち、第一実施形態のセンサ用光ファイバ５と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。 (Second embodiment)
A sensor optical fiber 8 according to a second embodiment to which the present invention is applied will be described with reference to FIG.
FIG. 2B is a cross-sectional view showing a part of the clad portion 11 of the sensor optical fiber 8 of the present embodiment. Note that, among the components of the sensor optical fiber 8 shown in FIG. 2B, the same components as those of the sensor optical fiber 5 of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.

センサ用光ファイバ８の空孔１３は、図２（ｂ）に示すようにコア部１２を中心として完全に点対称な位置、若しくは、図２（ｃ）に示すように点対称な位置から少しずれた位置の何れか一方の位置に二つ設けられている。また、図２（ｂ）及び（ｃ）にはコア部１２を中心として紙面の上下方向において完全に点対称な位置、若しくは、点対称な位置から少しずれた位置に二つの空孔１３Ａ，１３Ｂが設けられた配置を例示しているが、これらの空孔１３Ａ，１３Ｂはコア部１２を中心として断面内のどの位置に配されていてもよい。 The hole 13 of the sensor optical fiber 8 is slightly point-symmetrical with respect to the core 12 as shown in FIG. 2 (b) or slightly from the point-symmetrical position as shown in FIG. 2 (c). Two are provided at any one of the shifted positions. 2 (b) and 2 (c), the two holes 13A and 13B are located at a position that is completely point-symmetrical in the vertical direction of the page with respect to the core portion 12, or at a position slightly deviated from the point-symmetrical position. However, these holes 13A and 13B may be arranged at any position in the cross section with the core portion 12 as the center.

次いで、第一及び第二の実施形態のセンサ用光ファイバ５，８に例示される本発明を適用したセンサ用光ファイバ１０の偏波モード複屈折の大きさと、空孔１３の寸法、コア部１２及びクラッド部１１の寸法、クラッド部１１とコア部１２との比屈折率差等の関係について説明する。 Next, the magnitude of the polarization mode birefringence of the sensor optical fiber 10 to which the present invention exemplified in the sensor optical fibers 5 and 8 of the first and second embodiments is applied, the dimension of the hole 13, and the core portion 12 and the dimensions of the clad part 11, the relative refractive index difference between the clad part 11 and the core part 12, and the like will be described.

センサ用光ファイバ１０の中心部にはクラッド部１１との比屈折率差Δが（１）式

で表されるコア部１２がある。（１）式において、ｎ₁、ｎ_２はそれぞれコア部１２とクラッド部１１の屈折率を表す。 The relative refractive index difference Δ between the center portion of the sensor optical fiber 10 and the clad portion 11 is expressed by equation (1).

There is a core portion 12 represented by In the formula (1), n ₁ and n ₂ represent the refractive indexes of the core portion 12 and the cladding portion 11, respectively.

センサ用光ファイバ１０の空孔１３は、コア部１２の中心から一定の間隔をおいた位置に配置されている。このようにクラッド部１１に空孔１３が形成されている構造においては、ｎ_２としてクラッド部１１の等価屈折率を用いることができる。以下では特筆しない限り、コア部１２の直径を５μｍとして説明するが、コア部１２の直径は変更されてもよい。一般に比屈折率差Δとコア部１２の直径は、単一モード条件を満たす範囲で変更される。コア部１２の半径をａ、センサ用光ファイバ１０を伝搬する光の波長をλ_０とした場合、単一モード条件は（２）式で表されるＶ値が２.４以下であれば満たされる。

光ファイバセンサにおいては、単一モード条件を満たす範囲以外の光ファイバが使用されることがある。 The hole 13 of the sensor optical fiber 10 is disposed at a position spaced apart from the center of the core portion 12. In the structure thus holes 13 to the cladding portion 11 is formed, it is possible to use the equivalent refractive index of the cladding portion 11 as n _2. In the following description, the diameter of the core portion 12 is described as being 5 μm unless otherwise specified, but the diameter of the core portion 12 may be changed. In general, the relative refractive index difference Δ and the diameter of the core portion 12 are changed within a range satisfying the single mode condition. When the radius of the core portion 12 is a and the wavelength of light propagating through the sensor optical fiber 10 is λ ₀ , the single mode condition is satisfied if the V value expressed by equation (2) is 2.4 or less. It is.

In the optical fiber sensor, an optical fiber outside the range satisfying the single mode condition may be used.

センサ用光ファイバ１０の偏波保持特性の指標としては、（３）式で定義されるモード複屈折率Ｂがよく用いられる。

（３）式において、ｎ_ｘはセンサ用光ファイバ１０の一つの主軸方向の偏光の屈折率を表し、ｎ_ｙは前記主軸に直交する方向の偏光の屈折率を表す。 As an index of the polarization maintaining characteristic of the sensor optical fiber 10, the mode birefringence B defined by the equation (3) is often used.

(3) In the equation, n _x represents a refractive index of the polarization of one of the main axis of the optical fiber for the sensor 10, n _y represents a refractive index in the direction of polarization perpendicular to the main axis.

図３は、センサ用光ファイバ１０の断面とその寸法を示す模式図である。図４は、図３に示すセンサ用光ファイバ１０の断面において、コア部１２を中心として完全に点対称な位置に寸法の等しい二つの空孔１３Ａ，１３Ｂが設けられた場合に、空孔１３Ａ，１３Ｂの半径ｒと、空孔１３Ａの中心と図示略のコア部１２の中心Ｏとの間隔ｙ１とを変化させたときのモード複屈折率Ｂの変化を示すグラフである。図５は、図３に示すセンサ用光ファイバ１０の断面において一つの空孔１３Ａが設けられた場合に、空孔１３Ａの半径ｒと、空孔１３Ａの中心Ｏと間隔ｙ１とを変化させたときのモード複屈折率Ｂの変化を示すグラフである。なお、図４及び図５に示すモード複屈折率Ｂの算出にあたり、クラッド部１１とコア部１２との比屈折率差Δは０.９％とした。図４及び図５ではモード複屈折率Ｂを対数で目盛っており、その場合には空孔１３の半径ｒとモード複屈折率Ｂとの関係は略直線で表されることがわかる。このようにモード複屈折率Ｂは、空孔１３の寸法、空孔１３の中心とコア部１２の中心Ｏとの間隔ｙ１、クラッド部１１とコア部１２との比屈折率差Δ等のパラメータと相互に関係を有している。即ち、当該関係をふまえて、センサ用光ファイバ１０の設計時には所望のモード複屈折率Ｂを与える構造及び各構成要素の配置が求められる。因みに、ＰＡＮＤＡファイバのモード複屈折率Ｂは５×１０^−４程度である。 FIG. 3 is a schematic view showing a cross section of the sensor optical fiber 10 and its dimensions. FIG. 4 is a cross-sectional view of the sensor optical fiber 10 shown in FIG. 3 in the case where two holes 13A and 13B having the same dimensions are provided at a position that is completely point-symmetric with respect to the core portion 12 as a center. , 13B, and the change in the mode birefringence B when the distance y1 between the center of the hole 13A and the center O of the core portion 12 (not shown) is changed. In FIG. 5, when one hole 13A is provided in the cross section of the sensor optical fiber 10 shown in FIG. 3, the radius r of the hole 13A, the center O of the hole 13A, and the interval y1 are changed. It is a graph which shows the change of the mode birefringence B at the time. In calculating the mode birefringence B shown in FIGS. 4 and 5, the relative refractive index difference Δ between the cladding portion 11 and the core portion 12 was set to 0.9%. 4 and 5, the mode birefringence B is logarithmically scaled. In this case, it can be seen that the relationship between the radius r of the hole 13 and the mode birefringence B is represented by a substantially straight line. Thus, the mode birefringence B is a parameter such as the dimension of the hole 13, the distance y1 between the center of the hole 13 and the center O of the core part 12, and the relative refractive index difference Δ between the clad part 11 and the core part 12. And have a mutual relationship. In other words, based on this relationship, a structure that provides a desired mode birefringence B and an arrangement of each component are required when designing the sensor optical fiber 10. Incidentally, the mode birefringence B of the PANDA fiber is about 5 × 10 ⁻⁴ .

図６は、センサ用光ファイバ１０の断面においてコア部１２を中心として完全に点対称な位置に寸法の等しい二つの空孔１３Ａ，１３Ｂが設けられた場合（図３参照）に、コア部１２の直径と、空孔１３Ａ，１３Ｂの直径２ｒと、空孔１３Ａの中心とコア部１２の中心Ｏとの間隔ｙ１とを変化させ、クラッド部１１とコア部１２との比屈折率差Δを０.３％から１.１％まで変化させたときのモード複屈折率Ｂの変化を示すグラフである。図６に示すように、比屈折率差Δの変動に対して、モード複屈折率Ｂの変化は緩やかである。特に、コア部１２が直径９μｍの場合は単一モードファイバとの整合性がよく、比屈折率差Δを変化させてもモード複屈折率Ｂの変化が少ないことがわかる。 6 shows a cross section of the sensor optical fiber 10 in the case where two holes 13A and 13B having the same dimensions are provided at positions completely symmetrical with respect to the core 12 (see FIG. 3). , The diameter 2r of the holes 13A and 13B, and the distance y1 between the center of the hole 13A and the center O of the core part 12 are changed, and the relative refractive index difference Δ between the clad part 11 and the core part 12 is changed. It is a graph which shows the change of the mode birefringence B when changing from 0.3% to 1.1%. As shown in FIG. 6, the change in the mode birefringence B is moderate with respect to the change in the relative refractive index difference Δ. In particular, when the core portion 12 has a diameter of 9 μm, the matching with the single mode fiber is good, and it can be seen that the change in the mode birefringence B is small even if the relative refractive index difference Δ is changed.

図７は、センサ用光ファイバ１０の断面においてコア部１２を中心として完全に点対称な位置に寸法の等しい二つの空孔１３Ａ，１３Ｂが設けられた場合（図３参照）に、クラッド部１１とコア部１２との比屈折率差Δを０.３％から１.１％まで変化させたときに実現可能なモード複屈折率Ｂの範囲を示す図である。図７には、参考のために典型的なＰＡＮＤＡファイバの比屈折率差Δを０.３％から１.１％まで変化させたときに実現可能なモード複屈折率Ｂの値を太い破線で示している。図７に示すように、比屈折率差Δが０.７％以上とされることによってセンサ用光ファイバ１０は典型的なＰＡＮＤＡファイバと同等のモード複屈折率Ｂを有し、センサ用光ファイバ１０の許容曲げ半径がより縮小される。
図８は、センサ用光ファイバ１０のクラッド部１１においてコア部１２を中心として点対称な位置から少しずれた位置に二つの空孔１３Ａ，１３Ｂが設けられた場合の断面の一部とその寸法を示す断面図である。図９は、図８に示すクラッド部１１において、片方の空孔１３Ａの点対称な位置からのずれの量に対するモード複屈折率Ｂの変化を計算したグラフであり、横軸は図８に示す角度θに対応する。計算では比屈折率差Δを０．９％とし、空孔１３Ａの半径ｒ、コア部１２の中心Ｏとの間隔ｙ１の組を、ｒ＝４μｍ、ｙ１＝６μｍ、ｒ＝５μｍ、ｙ１＝８μｍ、ｒ＝６μｍ、ｙ１＝１０μｍの３通りとした。図９に示すように、片方の空孔１３Ａが点対称な位置からずれる角度θが１５度以内であれば、モード複屈折率Ｂの減少は、完全に点対称な位置に二つの空孔１３Ａ，１３Ｂが設けられた場合の５％以下であり、二つの空孔１３Ａ，１３Ｂが、完全に点対称な位置に設けられた場合と点対称な位置から少しずれた位置に設けられた場合とで殆ど差がない結果が得られる。 7 shows a case where two holes 13A and 13B having the same dimensions are provided at positions completely symmetrical with respect to the core 12 in the cross section of the sensor optical fiber 10 (see FIG. 3). 5 is a diagram showing a range of mode birefringence B that can be realized when the relative refractive index difference Δ between the core portion 12 and the core portion 12 is changed from 0.3% to 1.1%. FIG. In FIG. 7, for reference, the value of the mode birefringence B that can be realized when the relative refractive index difference Δ of a typical PANDA fiber is changed from 0.3% to 1.1% is indicated by a thick broken line. Show. As shown in FIG. 7, when the relative refractive index difference Δ is 0.7% or more, the sensor optical fiber 10 has a mode birefringence B equivalent to that of a typical PANDA fiber. The allowable bending radius of 10 is further reduced.
FIG. 8 shows a part of a cross section and its dimensions when two holes 13A and 13B are provided in a position slightly shifted from a point-symmetrical position around the core 12 in the cladding 11 of the optical fiber 10 for sensor. FIG. FIG. 9 is a graph in which the change in the mode birefringence B with respect to the amount of deviation from the point-symmetrical position of one of the holes 13A in the clad portion 11 shown in FIG. 8 is calculated, and the horizontal axis is shown in FIG. Corresponds to the angle θ. In the calculation, the relative refractive index difference Δ is 0.9%, and the set of the radius r of the hole 13A and the distance y1 from the center O of the core portion 12 is r = 4 μm, y1 = 6 μm, r = 5 μm, y1 = 8 μm. R = 6 μm and y1 = 10 μm. As shown in FIG. 9, if the angle θ at which one of the holes 13A deviates from the point-symmetrical position is within 15 degrees, the reduction of the mode birefringence B is reduced to the two holes 13A at a completely point-symmetrical position. , 13B is less than 5% of the case where the two holes 13A, 13B are provided at a position that is completely point-symmetrical and a position that is slightly shifted from the point-symmetrical position. Gives almost no difference.

一般に、光ファイバに張力が加わると光ファイバは引き延ばされ、群遅延時間に変化が生じる。前記光ファイバが偏波保持ファイバである場合は、速軸と遅軸の群遅延時間差も引き延ばされるため、モード複屈折率Ｂも変化する。このモード複屈折率Ｂの変化を測定することで引き延ばされた量がわかるため、センサ用光ファイバ１０は歪み計測用センサとして使用可能である。 In general, when tension is applied to the optical fiber, the optical fiber is stretched, and the group delay time changes. When the optical fiber is a polarization maintaining fiber, the difference in group delay time between the fast axis and the slow axis is also extended, so that the mode birefringence B also changes. Since the stretched amount can be determined by measuring the change in the mode birefringence B, the sensor optical fiber 10 can be used as a strain measurement sensor.

一般に、光ファイバの材料として広く知られている石英ガラスの線膨張率は常温〜数百Ｋの範囲で略一定である。図１０は、センサ用光ファイバ１０の温度Ｔを変化させたときの熱膨張に起因するモード複屈折率Ｂの変化を示すグラフである。図１０に示すモード複屈折率Ｂは、コア部１２を中心として完全に点対称な位置に半径ｒが６μｍの二つの空孔１３Ａ，１３Ｂの中心を、センサ用光ファイバ１０の中心からそれぞれ１０μｍ離れた位置に配置した場合における計算値である。図１０に示すように、センサ用光ファイバ１０のモード複屈折率Ｂは、温度Ｔに対して負の依存性を有しており、温度Ｔが高まるに従って略直線的に減少する。このため、センサ用光ファイバ１０は温度計測用センサとしても使用可能である。 In general, the linear expansion coefficient of quartz glass, which is widely known as an optical fiber material, is substantially constant in the range of room temperature to several hundred K. FIG. 10 is a graph showing a change in the mode birefringence B caused by thermal expansion when the temperature T of the sensor optical fiber 10 is changed. The mode birefringence B shown in FIG. 10 is such that the center of the two holes 13A and 13B having a radius r of 6 μm is 10 μm from the center of the sensor optical fiber 10 at a completely point-symmetrical position about the core 12. It is a calculated value when arranged at a distant position. As shown in FIG. 10, the mode birefringence B of the sensor optical fiber 10 has a negative dependence on the temperature T, and decreases substantially linearly as the temperature T increases. Therefore, the sensor optical fiber 10 can also be used as a temperature measurement sensor.

また、安価で偏波保持特性をもつセンサ用光ファイバ１０は、光ファイバセンサへの配線用光ファイバとしても好適である。 In addition, the sensor optical fiber 10 that is inexpensive and has polarization maintaining characteristics is also suitable as an optical fiber for wiring to the optical fiber sensor.

以上説明したように、本発明を適用したセンサ用光ファイバ１０では、断面視において単一モードファイバのクラッド部１１にコア部１２を中心とした非等方的な配置で概略円形の空孔１３が形成されているため、空孔１３の数が減じられる。これにより、空孔１３を形成するためのドリルによる切削工程の数が減るため、センサ用光ファイバ１０が簡易な工程で製造される。従って、センサ用光ファイバ１０によれば簡易な工程で製造可能な光ファイバセンサが提供される。また、空孔１３の寸法、配置等の幾何学的形状を調整すれば、センサ用光ファイバの偏波保持特性の指標となる偏波モード複屈折の大きさが容易に制御される。 As described above, the sensor optical fiber 10 to which the present invention is applied has a substantially circular hole 13 in an anisotropic arrangement centering on the core portion 12 in the clad portion 11 of the single mode fiber in a cross-sectional view. Is formed, the number of holes 13 is reduced. As a result, the number of cutting steps by a drill for forming the holes 13 is reduced, and thus the optical fiber for sensor 10 is manufactured by a simple process. Therefore, according to the optical fiber for sensor 10, an optical fiber sensor that can be manufactured by a simple process is provided. Further, by adjusting the geometrical shape such as the dimension and arrangement of the air holes 13, the magnitude of the polarization mode birefringence that is an index of the polarization maintaining characteristic of the sensor optical fiber can be easily controlled.

また、第一実施形態のセンサ用光ファイバ５では、空孔１３の数が一つであるため、コア部１２を中心とした非等方的な空孔１３の配置のうち最も簡単な配置でクラッド部１１に空孔１３Ａが設けられている。これにより、空孔１３Ａを形成するためのドリルによる切削工程の数が一回で済むため、センサ用光ファイバ５がより簡易に製造される。従って、センサ用光ファイバ５によれば、より一層簡易な工程で製造可能な光ファイバセンサが提供される。 Further, in the sensor optical fiber 5 of the first embodiment, since the number of the holes 13 is one, the simplest arrangement among the anisotropic holes 13 around the core portion 12 is used. Holes 13 </ b> A are provided in the cladding portion 11. Thereby, since the number of cutting steps by the drill for forming the hole 13A is only one, the sensor optical fiber 5 is manufactured more easily. Therefore, according to the optical fiber 5 for sensors, an optical fiber sensor that can be manufactured by an even simpler process is provided.

更に、第二実施形態のセンサ用光ファイバ８では、空孔１３の数が二つであるため、コア部１２を中心とした非等方的な空孔１３の配置のうち、空孔１３の数が一つの場合に次いで簡単な配置でクラッド部１１に空孔１３Ａ，１３Ｂが設けられている。コア部１２を中心とした等方的な配置で概略円形の空孔が形成されているセンサ用光ファイバに比べて空孔１３を形成するためのドリルによる切削工程の数が少なくなるため、センサ用光ファイバ８がより簡易に製造される。従って、センサ用光ファイバ８によれば、より一層簡易な工程で製造可能な光ファイバセンサが提供される。また、コア部１２を中心として完全に点対称な位置、若しくは、点対称な位置から少しずれた位置に二つの空孔１３Ａ，１３Ｂが設けられれば、センサ用光ファイバ８の紡糸時の歪みも低減される。 Further, in the sensor optical fiber 8 according to the second embodiment, since the number of the holes 13 is two, out of the arrangement of the anisotropic holes 13 around the core portion 12, When the number is one, the holes 13A and 13B are provided in the cladding portion 11 in a simple arrangement next. Since the number of cutting processes by a drill for forming the hole 13 is smaller than that of the sensor optical fiber in which the substantially circular hole is formed in an isotropic arrangement with the core portion 12 as the center, the sensor The optical fiber 8 is more easily manufactured. Therefore, according to the optical fiber 8 for sensors, an optical fiber sensor that can be manufactured by a simpler process is provided. In addition, if the two holes 13A and 13B are provided at a position that is completely point-symmetric about the core portion 12 or slightly shifted from the point-symmetric position, distortion at the time of spinning of the sensor optical fiber 8 is also possible. Reduced.

以上、本発明の好ましい実施形態等について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiments and the like of the present invention have been described in detail above. However, the present invention is not limited to the specific embodiments, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention described in the claims. Can be modified or changed.

例えば、センサ用光ファイバのクラッド部にトレンチ構造を併用して許容曲げ半径を更に縮小することができる（池田、松尾、姫野、原田、「接続損失を低減した低曲げ損失光ファイバ」、フジクラ技報、株式会社フジクラ、平成１５年１０月、第１０５号、ｐ．６−１０、等を参照）。 For example, the allowable bending radius can be further reduced by using a trench structure in the cladding of the optical fiber for sensors (Ikeda, Matsuo, Himeno, Harada, “Low bending loss optical fiber with reduced connection loss”, Fujikura Technology News, Fujikura, October 2003, No. 105, p. 6-10, etc.).

なお、本発明を適用したセンサ用光ファイバはコア部を中心とした非等方的な配置で空孔が三つ以上配された配置もとり得るが、空孔の数が増えるとドリルによる切削加工の工程数も増加する。そのため、センサ用光ファイバの空孔の数は少なく、具体的には空孔の数が二以下であることが製造コストの低減につながり、好ましい。 The sensor optical fiber to which the present invention is applied may be arranged in an anisotropic arrangement with the core portion at the center and three or more holes are arranged. However, when the number of holes increases, cutting with a drill is performed. The number of processes increases. Therefore, the number of holes in the sensor optical fiber is small. Specifically, it is preferable that the number of holes is 2 or less, which leads to a reduction in manufacturing cost.

本発明を適用したセンサ用光ファイバは、モード複屈折率Ｂの変化を測定することによって温度、歪み等の計測用センサとして使用可能である。
また、本発明を適用したセンサ用光ファイバは構造が簡単であることから、ＰＡＮＤＡファイバに比べて安価な光ファイバセンサを実現することができる。
更に、本発明を適用したセンサ用光ファイバは、比屈折率差Δを高めることで通常の単一モードファイバに比べて許容曲げ半径を小さくできるため、長手方向においてジグザグ等の複雑な形状に配された光ファイバセンサを構成することができる。
そして、本発明を適用したセンサ用光ファイバは、その製造工程が簡易且つ安価であることから、センサ本体のみならず、従来は偏波非保持型ファイバを使用していた光ファイバセンサへの配線用光ファイバとしても経済性を損なわずに使用可能である。 The optical fiber for sensor to which the present invention is applied can be used as a sensor for measuring temperature, strain, etc. by measuring the change of the mode birefringence B.
Moreover, since the optical fiber for sensors to which the present invention is applied has a simple structure, an optical fiber sensor that is less expensive than a PANDA fiber can be realized.
Furthermore, the optical fiber for sensors to which the present invention is applied can reduce the allowable bending radius as compared with a normal single mode fiber by increasing the relative refractive index difference Δ, so that it is arranged in a complicated shape such as zigzag in the longitudinal direction. An optical fiber sensor can be constructed.
The optical fiber for the sensor to which the present invention is applied has a simple and inexpensive manufacturing process. Therefore, wiring to not only the sensor body but also an optical fiber sensor that has conventionally used a polarization non-maintaining fiber is used. It can also be used as an industrial optical fiber without impairing economics.

５，８，１０…センサ用光ファイバ、１１…クラッド部、１２…コア部、１３，１３Ａ，１３Ｂ，１４，１５，１６，１７…空孔 5, 8, 10 ... Optical fiber for sensor, 11 ... Clad part, 12 ... Core part, 13, 13A, 13B, 14, 15, 16, 17 ... Hole

Claims

In a cross-sectional view, other than the arrangement in which the center of the hole is arranged at all vertices of the regular polygon centered on the core part in the clad part of the single mode fiber, or the same number of angles around the core part A substantially circular hole is formed in an arrangement other than the arrangement in which the center of the hole is arranged at all vertices where the polygons are superimposed,
Two or more holes are provided,
One of the holes of two or more of the pores, sensor, characterized by being kicked set slightly away from the other of said holes and point-symmetric positions about said core portion Optical fiber.

One of the holes of two or more of the pores, and characterized by being kicked set at a position shifted within 15 degrees from the other of said holes and point-symmetric positions about said core portion The optical fiber for a sensor according to claim 1.

The optical fiber for a sensor according to claim 1 or 2, wherein a relative refractive index difference between the clad part and the core part is 0.7% or more.