JPH06186443A - Optical fiber for detecting gas or liquid and detection of gas or liquid by using the optical fiber - Google Patents
Optical fiber for detecting gas or liquid and detection of gas or liquid by using the optical fiberInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明はエバネッシェント波を利
用して気体或は液体（被検知物質）を検知できるように
した光ファイバの構造と同光ファイバを用いた気体、液
体検知方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical fiber structure capable of detecting gas or liquid (substance to be detected) by utilizing evanescent waves and a gas and liquid detecting method using the same optical fiber. is there.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、エバネッシェント波を利用して気
体や液体を検知する光ファイバとして図３のような偏心
コアシングルモ−ド光ファイバが知られている。この偏
心コアシングルモ−ド光ファイバは、コア２よりも屈折
率の高い気体や液体がクラッド１に直接接触するか、一
次被覆層３に拡散または膨潤するかすると、その部分で
エバネッシッント波が吸収されて伝送損失が増加し、そ
れに伴う光出力の変化から気体や液体を検知できるよう
にしたものである。2. Description of the Related Art Conventionally, an eccentric core single mode optical fiber as shown in FIG. 3 has been known as an optical fiber for detecting a gas or a liquid by utilizing an evanescent wave. In this eccentric core single-mode optical fiber, when a gas or liquid having a higher refractive index than the core 2 directly contacts the cladding 1 or diffuses or swells in the primary coating layer 3, the evanescent wave is absorbed in that portion. As a result, the transmission loss increases, and the gas or liquid can be detected from the change in the optical output accompanying it.
【０００３】図４に偏心コアシングルモ−ドファイバを
伝搬する光波のフィ−ルド（電界及び磁界）の様子を概
念的に示す。光波のフィ−ルドは同図のように大部分は
コアに閉じ込められて伝播するが、フィ−ルドの一部は
クラッド１及びその周囲媒質の中も伝播する。このよう
な波はエバネッシェント波と呼ばれている。周囲媒質を
伝搬する光パワ−の大きさを表す目安として（１）式を
使用する。FIG. 4 conceptually shows a field (electric field and magnetic field) of a light wave propagating through an eccentric core single mode fiber. Most of the field of the light wave is confined in the core and propagates as shown in the figure, but part of the field also propagates in the clad 1 and its surrounding medium. Such waves are called evanescent waves. Equation (1) is used as a standard for indicating the magnitude of the optical power propagating in the surrounding medium.
【０００４】 η＝Ｐ3 ／Ｐt ・・・・（１） 但し、Ｐ3 ＝エバネッシェント波の周囲媒質を伝搬する
光のパワー Ｐt ＝エバネッシェント波が伝送する全光パワー 前記ηの大きさはコアの屈折率ｎ1 、クラッドの屈折率
ｎ2 、周囲媒質の屈折率ｎ3 、最小クラッド厚さｔ等に
よって決まる。ηの周囲媒質の屈折率ｎ2 に対する依存
性は定性的には次の通りである。Η = P 3 / P t (1) where P 3 = power of light propagating through the surrounding medium of the evanescent wave P t = total optical power transmitted by the evanescent wave The magnitude of η is refractive index n 1 of the core, the refractive index n 2 of the cladding, the refractive index n 3 of the surrounding medium is determined by the minimum clad thickness t, and the like. The dependence of η on the refractive index n 2 of the surrounding medium is qualitatively as follows.
【０００５】ｎ3 ＜ｎ2 の場合はηは非常に小さく、ほ
とんど周囲媒質中を光波は伝搬しない。ｎ3 ≒ｎ2 の場
合はある大きさの値をとり、周囲媒質中を光波の一部が
伝搬する。ｎ3 ＞ｎ2 の場合はη→１となり、光波の大
部分は周囲媒質の中を伝搬する。すなわち、光はファイ
バ中を導波されることができなくなり、ファイバ外部へ
流れ出る。この現象は光波の漏洩あるいは放射と呼ばれ
る。When n 3 <n 2 , η is very small and almost no light wave propagates in the surrounding medium. In the case of n 3 ≈n 2 , it takes a certain value, and a part of the light wave propagates in the surrounding medium. In the case of n 3 > n 2 , η → 1 and most of light waves propagate in the surrounding medium. That is, light cannot be guided in the fiber and flows out of the fiber. This phenomenon is called light wave leakage or radiation.
【０００６】従って、ファイバを伝搬するエバネッシェ
ント波の光パワーをモニタすることによって周囲物質の
物性値、例えば、屈折率の変化を検知する場合は以下の
ような作用により検知できる。Therefore, when the change in the physical property value of the surrounding substance, for example, the refractive index is detected by monitoring the optical power of the evanescent wave propagating through the fiber, it can be detected by the following action.
【０００７】ファイバを、それに被検知物質が付着して
いない場合はｎ3 ＜ｎ2 で、被検知物質が付着するとｎ
3 ＞ｎ2 となるように構成しておき、このｎ3 ＞ｎ2 と
なることにより光波が放射によって著しく減衰して、被
検知物質が付着したことが検知できる。The fiber has n 3 <n 2 when the substance to be detected is not attached to the fiber, and n 3 when the substance to be detected is attached to the fiber.
It is configured such that 3 > n 2, and when this n 3 > n 2 , the light wave is significantly attenuated by radiation, and it can be detected that the substance to be detected is attached.
【０００８】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記のように
光ファイバを伝搬するエバネッシェント波の光パワーを
モニターすることによりファイバに物質が付着したかど
うかを検知する場合は、クラッドの屈折率ｎ2 より高い
屈折率の物質が付着した場合しか検知できない。このた
め、一般に用いられている石英系のファイバでは、クラ
ッドの屈折率は略ｎ2 ＝１．４５８程度であるため、そ
れよりも屈折率が低いガス、水等の被検知物質は検知で
きないという難点がある。However, when it is detected whether or not a substance is attached to the fiber by monitoring the optical power of the evanescent wave propagating through the optical fiber as described above, the refractive index n 2 of the clad is detected. It can be detected only when a substance having a higher refractive index is attached. For this reason, in a commonly used silica-based fiber, the cladding has a refractive index of about n 2 = 1.458, so that it is impossible to detect a substance to be detected such as gas or water having a refractive index lower than that. There are difficulties.
【０００９】本発明の目的は、石英より屈折率の低い物
質でも検知可能な気体、液体検知用光ファイバと、同光
ファイバを用いた気体、液体検知方法を提供することに
ある。An object of the present invention is to provide an optical fiber for detecting gas or liquid, which can detect a substance having a refractive index lower than that of quartz, and a gas or liquid detecting method using the optical fiber.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１の気
体、液体検知用光ファイバは図１のように、クラッド１
の外周寄り偏心位置にクラッド１よりも高い屈折率を有
するコア２が配置されてなる気体、液体検知用光ファイ
バにおいて、クラッド１の外周にクラッド１とほぼ同一
の屈折率を有する一次被覆層３を形成したものである。An optical fiber for detecting gas and liquid according to claim 1 of the present invention has a clad 1 as shown in FIG.
In a gas / liquid detecting optical fiber in which a core 2 having a refractive index higher than that of the clad 1 is arranged at a position eccentric to the outer periphery of the clad 1, a primary coating layer 3 having a refractive index substantially the same as that of the clad 1 is provided on the outer periphery of the clad 1. Is formed.
【００１１】本発明の気体、液体検知用光ファイバは必
要に応じて図２のように一次被覆層３の外周に二次被覆
層５を設けてもよい。In the gas / liquid detecting optical fiber of the present invention, a secondary coating layer 5 may be provided on the outer periphery of the primary coating layer 3 as shown in FIG. 2, if necessary.
【００１２】本発明の請求項２の気体、液体検知方法
は、請求項１の気体、液体検知用光ファイバ４で光波を
伝搬し、同光ファイバ４に気体、液体が付着したときの
光波の光パワーの減衰により気体或は液体が付着したこ
とを検知するようにした気体、液体検知方法において、
前記光波に気体或は液体固有の吸収波長と同一波長の光
波を用いるようにしたものである。The gas and liquid detection method according to claim 2 of the present invention propagates a light wave through the gas and liquid detection optical fiber 4 according to claim 1, and detects the light wave when gas and liquid adhere to the optical fiber 4. In a gas or liquid detection method, which detects that gas or liquid has adhered due to the attenuation of optical power,
As the light wave, a light wave having the same absorption wavelength as that of gas or liquid is used.
【００１３】[0013]
【作用】本発明の気体、液体検知用光ファイバ４は、コ
ア２がクラッド１の外側寄りの偏心位置に配置されてい
る偏心コアシングルモード光ファイバであり、そのクラ
ッド１の外周の一次被覆層３の屈折率がクラッド１の屈
折率とほぼ等しいので、クラッド１の屈折率ｎ2 と周囲
媒質（一次被覆層３）の屈折率ｎ3 との関係が、前記の
ｎ3 ≒ｎ2 の場合となり、光波の一部はコアの周囲物質
中を伝搬する。即ち、エバネッシェント波はクラッド１
を伝搬し、更にクラッド厚が薄い部分でエバネッシェン
ト波の一部が一次被覆層３中を伝搬する。The gas / liquid detecting optical fiber 4 of the present invention is an eccentric core single mode optical fiber in which the core 2 is arranged at an eccentric position on the outer side of the clad 1, and a primary coating layer on the outer periphery of the clad 1 is provided. since 3 of refractive index is substantially equal to the refractive index of the cladding 1, when the relationship between the refractive index n 2 and the refractive index n 3 of the surrounding medium (primary coating layer 3) of the cladding 1, of said n 3 ≒ n 2 And a part of the light wave propagates in the material around the core. That is, the evanescent wave is clad 1
And a part of the evanescent wave propagates in the primary coating layer 3 at the portion where the cladding thickness is thin.
【００１４】このような状態の気体、液体検出用光ファ
イバ４に気体或は液体が付着し、それらが一次被覆層３
中に拡散或は膨潤すると、気体、液体の屈折率ｎ4 がク
ラッド１の屈折率ｎ2 より高い場合は、気体或は液体が
拡散又は膨潤した一次被覆層３の屈折率ｎ3 がクラッド
１の屈折率ｎ2 より高くなって前記のｎ3 ＞ｎ2 の場合
となり、クラッド厚が薄い部分の一次被覆層３に光波が
放射し、光波のパワーが著しく減衰する。このため、光
パワーの変化をモニタすることにより気体、液体の付着
を検知できる。The gas or liquid adheres to the optical fiber 4 for detecting the gas or liquid in such a state, and these adhere to the primary coating layer 3
When the diffusion or swelling in a gas, when the refractive index n 4 of the liquid is higher than the refractive index n 2 of the cladding 1, the refractive index n 3 of the primary coating layer 3 which gas or liquid is diffused or swelling cladding 1 of higher than the refractive index n 2 to become a case of n 3> n 2 of the cladding thickness lightwaves emitted to the primary coating layer 3 of the thin portion, the power of the light wave is remarkably attenuated. Therefore, the adherence of gas or liquid can be detected by monitoring the change in optical power.
【００１５】また、気体、液体の屈折率ｎ4 がクラッド
１の屈折率ｎ2 より低い場合は、気体、液体が一次被覆
層３に拡散或は膨潤しても一次被覆層３の屈折率ｎ3 は
クラッド１の屈折率ｎ2 より高くならず、光波の放射は
発生しないが、気体、液体固有の赤外線領域の吸収波長
と光波の波長が一致している場合は、一次被覆層３に拡
散或は膨潤した気体、液体によりエバネッシェント波が
吸収されて減衰する。即ち、気体、液体の分子の固有振
動数に起因する赤外線領域の吸収波長と同一の波長の光
波を検出光として用いれば（請求項２の発明の様にすれ
ば）、一次被覆層３の屈折率ｎ3 がクラッド１の屈折率
より高くならない場合でも光の吸収が生じて光波のパワ
ーが著しく減衰する。このため、光パワーの変化をモニ
タすることにより気体、液体の付着を検知することがで
きる。When the refractive index n 4 of the gas or liquid is lower than the refractive index n 2 of the clad 1, even if the gas or liquid diffuses or swells in the primary coating layer 3, the refractive index n of the primary coating layer 3 3 does not become higher than the refractive index n 2 of the clad 1 and does not emit light waves, but if the absorption wavelength in the infrared region peculiar to gas or liquid matches the wavelength of the light wave, it diffuses into the primary coating layer 3. Alternatively, the evanescent wave is absorbed and attenuated by the swollen gas or liquid. That is, when a light wave having the same wavelength as the absorption wavelength in the infrared region due to the natural frequency of the molecules of gas or liquid is used as the detection light (as in the invention of claim 2), the refraction of the primary coating layer 3 Even when the index n 3 does not become higher than the refractive index of the cladding 1, light absorption occurs and the power of the light wave is significantly attenuated. Therefore, it is possible to detect the adhesion of gas or liquid by monitoring the change of the optical power.
【００１６】[0016]
【実施例１】本発明の気体、液体検知用光ファイバの実
施例について説明する。その実施例としてコア２の外
径、コア２の屈折率差、クラッド１の外径、最小クラッ
ド厚、クラッド１の屈折率、一次被覆層３の外径、一次
被覆層３の最小厚、一次被覆層３の屈折率、二次被覆層
５の外径、二次被覆層５の屈折率を表１の実施例１の構
造にし且つ図１の断面構造の気体、液体検知用光ファイ
バ４を作成し、その検知用光ファイバ４によりメタンガ
スの検知を行った。この場合、検知用の光波にはメタン
ガス固有の赤外吸収波長である１．３３２μｍの波長を
用い、濃度５０％のメタンガスに対する検知感度を測定
したところ、検知感度はー０．５ｄＢ／１００ｍｍであ
り長尺で充分にメタンガスを検知できた。[Embodiment 1] An embodiment of an optical fiber for detecting gas and liquid of the present invention will be described. Examples include the outer diameter of the core 2, the refractive index difference of the core 2, the outer diameter of the clad 1, the minimum clad thickness, the refractive index of the clad 1, the outer diameter of the primary coating layer 3, the minimum thickness of the primary coating layer 3, and the primary The refractive index of the coating layer 3, the outer diameter of the secondary coating layer 5, and the refractive index of the secondary coating layer 5 are set to the structure of Example 1 of Table 1 and the gas / liquid detection optical fiber 4 having the cross-sectional structure of FIG. The optical fiber 4 for detection was used to detect methane gas. In this case, the detection light wave has a wavelength of 1.332 μm, which is an infrared absorption wavelength peculiar to methane gas, and the detection sensitivity to methane gas having a concentration of 50% is measured. The detection sensitivity is −0.5 dB / 100 mm. Methane gas was able to be detected sufficiently with a long length.
【００１７】[0017]
【実施例２】また、表１の実施例２の構造で、図２の断
面構造の気体、液体検知用光ファイバ４を作成した。図
２の光ファイバは図１の一次被覆層３の外側に二次被覆
層５を設けて被覆層を２層構造としたものである。この
検知用光ファイバ４によりメタンガスの検知を行った。
この場合も検知用の光波にメタンガス固有の赤外吸収波
長である１．３３２μｍの波長を用い、濃度５０％のメ
タンガスに対する検知感度を測定したところ、検知感度
はー０．４ｄＢ／１００ｍｍであり長尺で充分にメタン
ガスを検知できた。[Embodiment 2] An optical fiber 4 for gas and liquid detection having the structure of Embodiment 2 in Table 1 and having a sectional structure of FIG. 2 was prepared. The optical fiber of FIG. 2 has a secondary coating layer 5 on the outside of the primary coating layer 3 of FIG. The detection optical fiber 4 was used to detect methane gas.
In this case as well, the wavelength of 1.332 μm, which is the infrared absorption wavelength peculiar to methane gas, was used for the detection light wave, and the detection sensitivity was measured for methane gas with a concentration of 50%. The detection sensitivity was -0.4 dB / 100 mm, which was long. The scale was sufficient to detect methane gas.
【００１８】[0018]
【比較例】比較例として表１の従来構造例で、図１に示
す断面構造の気体、液体検知用光ファイバ４を作成し、
この検知用光ファイバ４によりメタンガスの検知を行っ
た。このとき検知用の光波にはメタンガス固有の赤外吸
収波長である１．３３２μｍの波長を用い、濃度５０％
のメタンガスに対する検知感度を測定したところ全く検
知できなかった。[Comparative Example] As a comparative example, an optical fiber 4 for detecting gas and liquid having a sectional structure shown in FIG.
The detection optical fiber 4 was used to detect methane gas. At this time, a wavelength of 1.332 μm, which is an infrared absorption wavelength peculiar to methane gas, was used as the detection light wave, and the concentration was 50%.
When the detection sensitivity to methane gas was measured, it could not be detected at all.
【００１９】[0019]
【表１】 [Table 1]
【００２０】[0020]
【発明の効果】本発明の気体、液体検知用光ファイバに
よれば、気体、液体の屈折率ｎ4 がクラッド１の屈折率
ｎ2 よりも高い場合に気体、液体の付着を検知すること
ができる。According to the optical fiber for detecting gas and liquid of the present invention, the adhesion of gas and liquid can be detected when the refractive index n 4 of gas and liquid is higher than the refractive index n 2 of the cladding 1. it can.
【００２１】本発明の気体、液体検知用光ファイバを用
いた気体、液体検知方法によれば、気体、液体の屈折率
ｎ4 が石英系のファイバのクラッド１の屈折率よりも低
いガス、水等の物質をも検知することができる。According to the gas / liquid detecting method using the gas / liquid detecting optical fiber of the present invention, the refractive index n 4 of the gas / liquid is lower than the refractive index of the cladding 1 of the silica fiber, or water. It is also possible to detect substances such as.
【図１】本発明の気体、液体検知用光ファイバの一実施
例を示す断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of an optical fiber for detecting gas or liquid according to the present invention.
【図２】本発明の気体、液体検知用光ファイバの他の実
施例を示す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view showing another embodiment of the gas / liquid detecting optical fiber of the present invention.
【図３】従来の偏心コアシングルモ−ド光ファイバ一例
を示す断面図。FIG. 3 is a sectional view showing an example of a conventional eccentric core single mode optical fiber.
【図４】図３の偏心コアシングルモ−ド光ファイバを伝
搬する光波のフィ−ルドの説明図。FIG. 4 is an explanatory view of a field of a light wave propagating in the eccentric core single mode optical fiber of FIG.
１ クラッド ２ コア ３ 一次被覆層 ４ 気体、液体検知用光ファイバ 1 clad 2 core 3 primary coating layer 4 gas, liquid detection optical fiber
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ０２Ｂ 6/10 Ａ 7036−2Ｋ (72)発明者 池川 幸一 愛知県東海市新宝町507−２ 東邦瓦斯株 式会社総合技術研究所内 (72)発明者 高見 均 愛知県東海市新宝町507−２ 東邦瓦斯株 式会社総合技術研究所内 (72)発明者 横山 昭彦 愛知県東海市新宝町507−２ 東邦瓦斯株 式会社総合技術研究所─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 5 Identification number Reference number within the agency FI Technical indication location G02B 6/10 A 7036-2K (72) Inventor Koichi Ikegawa 507-2 Shintakaracho, Tokai City, Aichi Prefecture Toho (72) Inventor Hitoshi Takami 507-2 Shintakara-cho, Tokai City, Aichi Prefecture Toho Gas Research Institute Co., Ltd. (72) Akihiko Yokoyama 507-2 Shintakara-cho, Tokai City, Aichi Prefecture Gas Technology Co., Ltd.
Claims (2)
ッド１よりも高い屈折率を有するコア２が配置されてな
る気体、液体検知用光ファイバにおいて、クラッド１の
外周にクラッド１とほぼ同一の屈折率を有する一次被覆
層３が形成されていることを特徴とするの気体、液体検
知用光ファイバ。1. An optical fiber for gas and liquid detection in which a core 2 having a refractive index higher than that of the cladding 1 is arranged at an eccentric position near the outer periphery of the cladding 1, and the optical fiber for detecting gas and liquid has substantially the same circumference as the cladding 1. An optical fiber for detecting gas or liquid, wherein a primary coating layer 3 having a refractive index is formed.
４に光波を伝搬させ、同光ファイバ４への気体、液体の
付着により光波の光パワーが減衰することから気体、液
体の付着を検知するようにした気体、液体検知方法にお
いて、前記光波に気体或は液体固有の吸収波長と同一波
長の光波を用いることを特徴とする気体、液体検知方
法。2. The gas / liquid detection optical fiber 4 according to claim 1 is caused to propagate a light wave, and the optical power of the light wave is attenuated by the adhesion of the gas / liquid to the same optical fiber 4. A method for detecting a gas or a liquid, wherein a light wave having the same wavelength as an absorption wavelength specific to the gas or the liquid is used as the light wave.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3355259A JP3042557B2 (en) | 1991-12-20 | 1991-12-20 | Gas and liquid detection method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3355259A JP3042557B2 (en) | 1991-12-20 | 1991-12-20 | Gas and liquid detection method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06186443A true JPH06186443A (en) | 1994-07-08 |
| JP3042557B2 JP3042557B2 (en) | 2000-05-15 |
Family
ID=18442899
Family Applications (1)
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| JP3355259A Expired - Lifetime JP3042557B2 (en) | 1991-12-20 | 1991-12-20 | Gas and liquid detection method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3042557B2 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1997020200A1 (en) * | 1995-11-29 | 1997-06-05 | British Telecommunications Public Limited Company | Sensor arrangement |
| WO2011024808A1 (en) * | 2009-08-28 | 2011-03-03 | 株式会社フジクラ | Multi-core fiber |
-
1991
- 1991-12-20 JP JP3355259A patent/JP3042557B2/en not_active Expired - Lifetime
Cited By (5)
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| US8285094B2 (en) | 2009-08-28 | 2012-10-09 | Fujikura Ltd. | Multicore fiber |
| JPWO2011024808A1 (en) * | 2009-08-28 | 2013-01-31 | 株式会社フジクラ | Multi-core fiber |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3042557B2 (en) | 2000-05-15 |
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