JP6878384B2 - 温度及び歪みの同時測定のための光ファイバ - Google Patents
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Description
本明細書は、２０１７年１２月１４日出願の米国仮特許出願第６２／５９８５１５号の優先権を主張する非仮出願のものであり、その内容がその全体においてここに参照として取り込まれる。
温度及び歪みの測定に用いることができる光ファイバをここに開示する。より具体的には、温度及び歪みの独立的測定に用いることができる光ファイバをここに開示する。
光ファイバにおけるブリルアン散乱は、（ファイバにおける）後方散乱ブリルアンストークの周波数シフトが動作中の光ファイバに付加される温度及び歪みの双方に依存的であるため、歪み及び温度の分散測定に用いられる。温度又は歪みを独立的に測定するためには、ブリルアン散乱ピークの周波数シフト全体が温度誘起シフト及び歪み誘起シフトに分離される必要がある。
温度と歪みの誘起シフトの影響を区別するために、１）歪みから隔離されているファイバのうちの１つが２つのファイバに配備されたセンサシステムを用いること、２）各ファイバ又は各コアに対して異なる温度及び歪みのシフト係数を有する少なくとも２つのファイバ又はデュアルコアファイバを用いるセンサシステム、３）複数モードの光ファイバを用いること、又は４）異なる温度及び歪みのシフト係数を有する複数のブリルアン散乱ピークによる分散シフトファイバ、のいくつかの方法が提示及び適用されてきた。
温度と歪みの誘起シフトを区別するこれらの方法にはいずれも欠点がある。
光ファイバのコアにおいて複数のドーパント濃度プロファイルを備える光ファイバをここに開示し、複数のドーパント濃度プロファイルは第１のドーパント濃度プロファイル及び第２のドーパント濃度プロファイルを含み、第１のドーパント濃度プロファイルはそのベースの屈折率を上回るようにコアの屈折率を増加させる第１のドーパントから取得され、第２のドーパント濃度プロファイルはそのベースの屈折率を下回るようにコアの屈折率を低下させる第２のドーパントから取得され、第１のドーパント濃度及び第２のドーパント濃度は段階的に各々変動し、第２のドーパント濃度に対する第１のドーパント濃度の割合は、所与の波長における基本光学モードと複数の音響モードとの相互作用を結果としてもたらすように操作可能であり、それによって、一次ピークのブリルアン散乱強度に対する二次、三次又は四次ピークのブリルアン散乱強度の割合をブリルアン散乱スペクトルにおいて０．４より大きくなるように増加させる。
第１のドーパント及び第２のドーパントでガラス管の内面をコーティングするステップと、固体プリフォームを形成するようにガラス管を取り壊すステップと、光ファイバを形成するように固体プリフォームを引き込むステップとを備える方法もここに開示し、光ファイバにおいて、第１のドーパント濃度及び第２のドーパント濃度は段階的に各々変動し、第２のドーパント濃度に対する第１のドーパント濃度の割合は、所与の波長における基本光学モードと複数の音響モードとの相互作用を結果としてもたらすように操作可能であり、それによって、一次ピークのブリルアン散乱強度に対する二次、三次又は四次ピークのブリルアン散乱強度の割合をブリルアン散乱スペクトルにおいて０．４より大きくなるように増加させる。
温度及び歪みセンサとして同時に用いられ得る単一（ｓｉｎｇｌｅ）モード又は複数（ｆｅｗ）モードの光ファイバをここに開示する。ファイバは、一次、二次、三次などのブリルアン散乱ピークの間で周波数が実質的に異なることを可能とする段階的屈折率プロファイルを有する。段階的屈折率プロファイルは、ファイバにおける濃度プロファイルが段階的に急激に変化するドーパントを有することによって取得される。さらに、一次、二次及び三次のブリルアン散乱ピークの強度は、正確な測定を可能とするほど十分に高い。ピーク間の周波数における十分大きな差並びに二次及び三次ピークの高い強度によって、単一モード又は複数モードの光ファイバは種々の動作における温度及び歪みセンサとして同時に用いられることが可能となる。
図１は、現在市販されている光ファイバについてのブリルアン利得スペクトル対ブリルアン周波数シフトのグラフである。図１は、ファイバについてのブリルアン散乱スペクトルを示す。ピーク間の周波数の分離は十分に大きいが、正確な測定のためには二次及び三次のブリルアン散乱ピークの強度は弱過ぎる。これでは、温度及び歪み測定の不確実性が大き過ぎるため、温度及び歪みを同時に測定するための温度及び歪みセンサとしては動作できないファイバを与えてしまう。
この欠陥は、複数のドーパントの濃度の段階的な変化に由来する段階的屈折率プロファイル（ここでは段階的インデックスプロファイルという）を有する単一モード又は複数モードの光ファイバを用いることによって対処される。段階的インデックスプロファイルは、異なるガラス組成物を有する部分を備える複合ファイバコアを用いることによって実現される。実施形態において、段階的屈折率は、ドーパントを用いることによるステップ関数の形態でコアの組成を変化させることによって実現される。他の実施形態において、段階的屈折率プロファイルを取得するために、コアにおけるドーパント組成プロファイルは屈折率プロファイルにおける段差を増進させるステップ関数となる。
段階的インデックス濃度プロファイルを有する単一モードのファイバ又は複数モードのファイバでは、ブリルアン散乱ピークが（所与の波長における）基本光学モードといくつかの音響モードとの相互作用によってもたらされる。波長は、４００から２１００ナノメートル、好適には６００から１８００ナノメートル、より好適には１３００から１６００ナノメートルで変動し得る。（基本光学モードといくつかの音響モードとの相互作用によるブリルアン散乱ピークを導出するための）好適な波長は、１５５０ナノメートルである。
複素屈折率プロファイルを有する単一モードのファイバでは、コアの異なるガラス組成物は音響モードの分配を変化させて、異なる周波数における複数のブリルアン散乱ピークの形成を増強し得る。（ブリルアン散乱ピークの）相対的ピーク強度は、基本光学モードと音響モードとのオーバーラップについての関数である。
信頼性のある温度及び歪みの同時測定に用いられるような単一モードのファイバについて、図１に示す主要ピークとその次のピークとの間の周波数における分離のように、２つの選択ピーク（１つは温度に対するものであり１つは歪みに対するものである）の間の分離は十分に大きいことが必要である。さらに、これらのピーク強度は、信頼性のある温度及び歪みの測定を保証するように大きさを比較可能とする必要がある。上記のように、一次散乱ピークと他のピーク（二次、三次、四次ピークなど）のうちの１つの散乱強度との間の比較可能なピーク強度は、基本光学モードとより高い音響モードとのオーバーラップを増加させることによって実現可能である。
適切なドーパントプロファイルを有する単一ファイバの使用は、温度及び歪みセンサとして用いられるように単一モード又は複数モードのファイバを用いるための単純かつ効果的な方法を与えるという点において効果的である。不確実性の低い測定を実現するには、ブリルアン周波数における２つのピークの分離は十分大きくなる必要がある。さらに、ピークに対する周波数シフトの温度又は歪み係数は大きく異なり、任意の２つのピークのピーク強度は比較可能となる必要がある。
実施形態において、任意の２つのブリルアンピーク間の周波数の差は、０．２ギガヘルツ（ＧＨｚ）よりも大きく、好適には０．３〜２ＧＨｚ、また好適には０．３５〜１ＧＨｚである。２ＧＨｚよりも大きい周波数の差もまた、検知に対して許容可能である。
一次散乱ピークの強度と他の散乱ピーク（二次、三次、四次ピークなど）のうちの１つの強度との間のピーク強度の割合は、０．４より大きく、好適には０．５より大きく、好適には０．７５より大きく、好適には０．８より大きく、より好適には０．９より大きくなるべきである。実施形態において、一次散乱ピークの強度と他の散乱ピーク（二次、三次、四次ピークなど）のうちの１つの強度との間のピーク強度の割合は、好適には０．９５〜１．０である。
実施形態において、単一モード又は複数モードのコアは、２以上のドーパントでドーピングされる。各ドーパントは、異なるドーピング要素を備える。実施形態において、コアは複数のドーパントでドーピングされる。ドーパントの１つ（第１のドーパント濃度プロファイルを生成する第１のドーパント）はそのベース屈折率を上回るようにコアの屈折率を増加させ、一方の他方のドーパント（第２のドーパント濃度プロファイルを生成する第２のドーパント）はそのベース屈折率を下回るようにコアの屈折率を低下させる。コアの屈折率に対して屈折率を増加させるド−パントと屈折率を低下させるドーパントとの組み合わせはまた、第１のドーパント濃度プロファイル及び／又は第２のドーパント濃度プロファイルを作成するのに用いられてもよい。
第１のドーパント及び第２のドーパントについての濃度プロファイルは、所与の波長における基本光学モードと複数の音響モードとの相互作用を増加させるように制御され、それによって、所与の波長におけるブリルアン散乱スペクトルの一次ピークのブリルアン散乱強度に対する二次、三次、四次ピークのブリルアン散乱強度の割合を増加させる。
一実施形態において、コアは好適にはシリカを含む。シリカファイバの場合には、典型的なインデックス増加ドーパントは、ゲルマニウム（ＧｅＯ２、ゲルマノシリケートファイバ）、五酸化リン（Ｐ２Ｏ５、ホスホシリケート）、チタニア（ＴｉＯ２）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３、アルミノシリケート）又はそれらの組合せである。代替的に又は追加的に、クラッドのインデックスは、例えば、フッ素、ホウ素酸化物（Ｂ２Ｏ３）ドーパント又はそれらの組合せを用いることによって低下され得る。インデックス低下ドーパントはまた、他の所望のドーパントが屈折率差を高くし過ぎる場合にはコアにも用いられ得る。
図２Ａは、開示される光ファイバの例示的なドーパント濃度プロファイルを反映している。図２Ａでは、ゲルマニウム及びフッ素の双方のドーパント濃度プロファイルが（ゲルマニウム及びフッ素のそれぞれについて）示される。図２Ａでは、図２Ａにおける設計の最終目標は、基本光学モードと高次の音響モードとのより大きなオーバーラップを可能としつつ、１５５０ｎｍにおいて光学的にその単一モード動作を維持することである。図２Ｂは、主要ピークから十分離れて位置し比較可能な強度の（三次ピークとしても知られる）第３のピークの存在を示すシミュレーションされたブリルアン散乱スペクトルを示す。
主要ピークの約９７％の強度を有し１０．８ＧＨｚより高い周波数に位置する強ピークを示す図２Ａに示すように設計されたドーパントプロファイルを有する、実験的な光ファイバの測定されたブリルアンスペクトルを図３に示す。比較のために、図１に示すような市販のＬＥＡＦ（登録商標）ファイバのブリルアンスペクトルは、主要ピークの強度の３分の１未満の強度を有する高次の散乱ピークを示す。
図２Ａの例示的な表示で分かるように、ドーパント濃度はステップ関数を含む。ステップ関数は、コアの半径方向におけるドーパント濃度の急激な増加又は減少である。コアに対して所望の特性を実現するのに用いられるドーパントは、コアの屈折率を上回るように屈折率を増加させる第１のドーパント及びコアの屈折率を下回るように屈折率を低下させる第２のドーパントを含み得る。各々のドーパントのドーパント濃度は、コアの長軸に対して対称的である。
第１のドーパント（例えば、コアの屈折率を上回るように屈折率を増加させる第１のドーパント）について、コアの外半径の濃度は一般的にゼロである。半径の（コアの中央線から測定した）２５％〜７５％では、ドーパント濃度はまず所望の値に急激に増加する（第１の増加）。そして、ドーパント濃度は半径が減少しても一定のままとなり得る。半径方向で一定に維持した後に、ドーパント濃度は一旦、半径の（コアの中央線から測定した）２０％〜６０％において再度急激に増加し（第２の増加）、あるいは、コアの中央線まで急激に減少し得る（第１の減少）。コアの中央線は、長軸ともいう。
第１のドーパント濃度における第１の増加は、コアにおける第１のドーパントの総モル濃度の２０〜７０％、好適には３０〜６０％であってもよい。第１のドーパント濃度における第２の増加は、コアにおける第１のドーパントの総モル濃度の３０〜８０％、好適には４０〜７０％であってもよい。第１のドーパント濃度における第１の減少は、コアにおける第１のドーパントの総モル濃度の２５〜６５％、好適には３５〜５５％であってもよい。
第２のドーパント（例えば、コアの屈折率を下回るように屈折率を低下させる第２のドーパント）について、ドーパント濃度はコアの外周からコア半径の（中央線から測定した）１０〜５０％に位置するポイントではゼロである。ドーパントの濃度は、コアの中央線が到達されるまで一定で維持し得る。第２のドーパント濃度における第１の増加は、コアにおける第２のドーパントの総モル濃度の５〜５０％、好適には１０〜４０％であってもよい。
図２Ａは第１のドーパント濃度における２つの増加及び第２のドーパント濃度における１つの増加のみ示すが、ドーパントに対して濃度の複数の増加及び減少を有することが可能である。図３は、温度及び歪みの双方のセンサとして用いられることが可能な光ファイバを生成するようにコアにおいて用いられ得る、複数のドーパントについての他のドーパントプロファイルを示す。図３で分かるように、第１のドーパント及び第２のドーパントは、２以上の急激な増加及び２以上の急激な減少を含むコアにおける濃度プロファイルを有する。実施形態において、第１のドーパント及び第２のドーパントは、３以上の急激な増加及び３以上の急激な減少、好適には４以上の急激な増加及び４以上の急激な減少を含むコアにおける濃度プロファイルを有する。
図２Ａに関しては、図面に示す実際のドーパントプロファイルで製造された光ファイバは図２（ｂ）のグラフに示すブリルアン散乱ピークを有する。シミュレーションされたスペクトルの図２（ｂ）は、主要ピークから十分に離れて位置し比較可能な強度の第３のピークの存在を示した。主要ピークの約９７％の強度を有し１０．８ＧＨｚより高い周波数に位置する強ピークを示す図２（ａ）に示すように設計されたドーパントプロファイルを有する、実験的な光ファイバの測定されたブリルアンスペクトルを図２（ｂ）に示す。比較のために、図１に示すように、ＬＥＡＦファイバのブリルアンスペクトルは主要ピークの強度の３分の１未満の高次の散乱ピークの強度を示す。
上記の光ファイバは、種々の光ファイバ製造技術、例えば、外部気相蒸着（ＯＶＤ）、化学気相蒸着（ＣＶＤ）、変性化学気相蒸着（ＭＣＶＤ）、気相軸蒸着（ＶＡＤ）、プラズマ支援ＣＶＤ（ＰＣＶＤ）など又はそれらの組合せのいずれかを用いて作製され得る。
一実施形態において、開示される光ファイバを製造する一態様において、内壁及び外壁を有するガラス管が１１００℃〜１３００℃の温度に加熱される。複数の反応性ガス（所望のドーパントモル比でそれぞれのドーパントを含む）が、１〜３０ヘクトパスカルの圧力でガラス管を通される。
反応性ガスは、ガラス管のガス注入口端部で管に導入される。非等温プラズマは、ガス混合物を反応させるように管の内側に形成されて、ガラスに煤煙を形成することなくガラス管の内壁に直接ガラス層を堆積する。管の内側の第１と第２の反転ポイントの間に往復プラズマが形成され、第１の反転ポイントは第２の反転ポイントよりも管のガス注入口端部に近く、所望の量の所望のドーパントでドーピングされた管の内壁に複数のガラスの層を堆積する。そして、内側がコーティングされたガラス管は、熱で取り壊されて固体プリフォームを形成する。そして、所望のドーパント濃度プロファイルを有するファイバを形成するようにプリフォームが引き込まれる。
ここで開示されるファイバは、以下の非限定的な例によって例示され得る。
実施例
この実施例では、（そのシミュレーションされたブリルアン散乱プロファイルは図２Ｂに示される）図２Ａに示すドーパントプロファイルは、実際のブリルアン散乱を測定するように実際に照射を受けた。実際のプロファイルは、図４に示され、主要ピークの約９７％の強度を有し１０．８ＧＨｚより高い周波数に位置する強ピークを示す。
この実施例では、（そのシミュレーションされたブリルアン散乱プロファイルは図２Ｂに示される）図２Ａに示すドーパントプロファイルは、実際のブリルアン散乱を測定するように実際に照射を受けた。実際のプロファイルは、図４に示され、主要ピークの約９７％の強度を有し１０．８ＧＨｚより高い周波数に位置する強ピークを示す。
比較において、図１に示すように、ＬＥＡＦファイバのブリルアンスペクトルは主要ピークの強度の３分の１未満の高次の散乱ピークの強度を示す。
温度の関数として実験的なファイバに対する（図５による）３つのピークの測定された周波数シフトは、図５でプロットされる。図示されるように、３つのピークの周波数シフトの温度係数は、温度及び歪みについての同時測定によって大きく異なる。
開示されるファイバによって単一のファイバは温度及び歪みを同時に測定することが可能であり、温度及び歪みを測定するための個別のファイバの必要がなくなる。これは、ファイバに対してより単純な製造及び組立工程を用いることを促進する。開示されるファイバはまた、市場で現在利用可能な他の市販のファイバよりも安価である。
Claims (12)
- 光ファイバのコアにおいて複数のドーパント濃度プロファイルを備える光ファイバであって、前記複数のドーパント濃度プロファイルが第１のドーパント濃度プロファイル及び第２のドーパント濃度プロファイルを含み、前記第１のドーパント濃度プロファイルがそのベース屈折率を上回るように前記コアの屈折率を増加させる第１のドーパントから取得され、前記第２のドーパント濃度プロファイルがそのベース屈折率を下回るように前記コアの屈折率を低下させる第２のドーパントから取得され、
前記第１のドーパント濃度は半径方向の前記第１のドーパント濃度の急激な増加または減少である第１のステップ関数を含み、前記第２のドーパント濃度は前記半径方向の前記第２のドーパント濃度の急激な増加または減少である第２ステップ関数を含み、前記第２のドーパント濃度に対する前記第１のドーパント濃度の割合が所与の波長における基本光学モードと複数の音響モードとの相互作用をもたらすように操作可能であり、それによって、一次ピークのブリルアン散乱強度に対する三次ピークのブリルアン散乱強度の割合をブリルアン散乱スペクトルにおいて０．４より大きくなるように増加させる、光ファイバ。 - 前記光ファイバが単一モードファイバ又は複数モード光ファイバである、請求項１に記載の光ファイバ。
- 前記所与の波長が４００から２１００ナノメートルで変動する、請求項１に記載の光ファイバ。
- 前記第１のドーパントがゲルマニウム、五酸化リン、チタニア、アルミナ又はそれらの組合せである、請求項１に記載の光ファイバ。
- 前記第２のドーパントがフッ素、ホウ素酸化物又はそれらの組合せである、請求項１に記載の光ファイバ。
- 前記一次ピークのブリルアン散乱強度に対する前記三次ピークのブリルアン散乱強度の前記割合が０．５より大きい、請求項１に記載の光ファイバ。
- 前記一次ピークのブリルアン散乱強度に対する前記三次ピークのブリルアン散乱強度の前記割合が０．７５より大きい、請求項１に記載の光ファイバ。
- 前記第１のドーパント濃度及び前記第２のドーパント濃度が前記コアの中央長軸に対して双方とも対称的である、請求項１に記載の光ファイバ。
- 前記第１のドーパント濃度及び前記第２のドーパント濃度が、３以上の急激な増加及び３以上の急激な減少をそれぞれ含む、請求項１に記載の光ファイバ。
- 前記第１のドーパント濃度及び前記第２のドーパント濃度が、４以上の急激な増加及び４以上の急激な減少をそれぞれ含む、請求項１に記載の光ファイバ。
- 単一の光ファイバが温度及び歪みを同時に測定するセンサとして用いられる、請求項１に記載の光ファイバ。
- 第１のドーパント及び第２のドーパントでガラス管の内面をコーティングするステップと、
固体プリフォームを形成するように前記ガラス管を取り潰すステップと、
光ファイバを形成するように前記固体プリフォームを引き込むステップとを備え、
前記光ファイバにおいて、前記第１のドーパント濃度は半径方向の前記第１のドーパント濃度の急激な増加または減少である第１のステップ関数を含み、前記第２のドーパント濃度は前記半径方向の前記第２のドーパント濃度の急激な増加または減少である第２ステップ関数を含み、前記第２のドーパント濃度に対する前記第１のドーパント濃度の割合が所与の波長における基本光学モードと複数の音響モードとの相互作用をもたらすように操作可能であり、それによって、一次ピークのブリルアン散乱強度に対する三次ピークのブリルアン散乱強度の割合をブリルアン散乱スペクトルにおいて０．４より大きくなるように増加させる、方法。
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