JPH095021A - 光ファイバセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光源光強度の変動を校正することができ、高
精度な測定を可能とする光ファイバセンサを提供するこ
と。またセンシング部、装置全体とも小型化が容易であ
り、また伝送路中の損失も少ない光ファイバセンサを提
供すること。 【構成】 光源光を光伝送路を通してセンシング要素に
送光すると共に、その戻り光を第１の光検出器で検出
し、さらに前記光伝送路の中間に光分岐部を設けて光源
光の一部を取り出し、その光強度を第２の光検出器で検
出するよう構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光ファイバセンサに関
し、特に高精度でかつ小型化が可能な光ファイバセンサ
に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に光ファイバセンサは、主要な構成
部品として光を供給する光源と、光の伝送路となる光フ
ァイバまたは光ファイバとカプラー等の光学素子と、用
途に応じた各種センシング機能を有するセンシング要素
と、光の変調を検出する光検出器とからなっており、こ
の他必要に応じて駆動回路、演算回路、表示回路などで
構成されている。

【０００３】前記光ファイバセンサとしては例えば、
（１）送光用光ファイバと、受光用光ファイバの２本の
光ファイバを用い、両ファイバの一端をセンシング要素
に接続し、前記送光用光ファイバの他端に光源を、さら
に前記受光用光ファイバの他端に光検出器を接続した光
ファイバセンサ、（２）一端がセンシング要素に接続さ
れた送受光共用の光ファイバの他端と、前記光ファイバ
に送光可能となるように配置された光源との間に光源か
ら光ファイバへ送光される光は透過するようなハーフミ
ラーを所定の角度をもって配置し、該ハーフミラーによ
り戻り光が反射する位置に光検出器を配置した光ファイ
バセンサ、（３）Ｙ分岐導波路の伝送路が２本ある側に
光源と、検出器とがそれぞれ光ファイバを介して接続さ
れ、他方に光ファイバを介してセンシング要素が取付け
られた光ファイバセンサ、などがある。

【０００４】これらの光ファイバセンサについてその原
理を説明すると、光源より出力された光源光が光ファイ
バを通ってセンシング要素に送光され、該センシング要
素からの戻り光を光ファイバを通して光検出器で受光
し、検出する。この時センシング要素がその機能により
変化（変位、透過率の変化など）し、センシング要素か
らの戻り光が変調するので、この戻り光の変調を検出し
て各種センシングが行われる。

【０００５】前述の各光ファイバセンサについて詳述す
ると（１）は送光用光ファイバを通して光源よりセンシ
ング要素に送光され、該センシング要素からの戻り光を
受光用光ファイバを通して光検出器により検出する。
（２）は光源から送光された光がそのままハーフミラー
を透過して光ファイバに入光し、センシング要素へ送光
され、該センシング要素からの戻り光を前記ハーフミラ
ーによって反射し、それを光検出器で受光し、検出す
る。（３）は光源より送光された光がＹ分岐導波路を通
ってセンシング要素へ送光され、該センシング要素によ
り反射された光はＹ分岐導波路により光源側と光検出器
側に分岐され、光検出器により検出される。

【０００６】このような光ファイバセンサにおいて測定
信号光は伝送路中の伝送損失や、接続部などでの結合損
失、光ファイバの曲げ損失などの様々な損失や、光源か
ら出力される光源光強度の変動などの影響を受けること
になる。

【０００７】これらのうち伝送損失や結合損失は予め平
常状態で測定を行い、この平常値を基準値とするかまた
はこの時の損失を求めることにより校正が可能であり、
また曲げ損失は測定位置にセンシング要素を配置し、測
定開始前に一度光信号を検出しておくことによって損失
を求めることができ、校正が可能である。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら前述のよ
うな光ファイバセンサではいずれも、光源光強度に変動
が生じている際にも、センシング要素からの戻り光は前
記光源光強度の変動を含んだ状態でセンシング要素から
の光信号として検出されるため、高精度な測定を行うこ
とが困難である。また前記各校正時にも前記光源光強度
の変動という誤差を含んでいるため、前記各校正もあま
り正確には行われていないことになる。

【０００９】またこれに加えて前述のそれぞれの構成で
は、（１）においてはセンシング要素部に光ファイバが
２本取付けられることになり、このためセンシング要素
部の小型化の障害となる。また（２）においては前述の
各種構成要素を光学定盤上に構成しなければならず、測
定場所が限定されるとともに装置が大型化してしまう。
また（３）においてはＹ分岐導波路中での損失や、光フ
ァイバとＹ分岐導波路との結合損失などにより光信号が
弱くなり検出が困難となるなどの問題もそれぞれあっ
た。

【００１０】従って本発明は、光源より出力される光源
光強度の変動を校正することができ、高精度な測定を可
能とする光ファイバセンサを提供することを目的として
いる。

【００１１】また本発明の他の目的はセンシング部、装
置全体とも小型化が容易であり、また伝送路中の損失も
少ない光ファイバセンサを提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の光ファイバセン
サは、光源光を光伝送路を通してセンシング要素に送光
すると共に、その戻り光を第１の光検出器で検出し、さ
らに前記光伝送路の中間に光分岐部を設けて光源光の一
部を取り出し、その光強度を第２の光検出器で検出する
よう構成したことを特徴とするものである。

【００１３】前記光源光は特に制限はないが、光伝送路
中での損失を少なくするためには波長が１．５μｍ、
１．３μｍ、０．８５μｍの波長帯のものが好ましく、
そのための光源としては発光ダイオード、レーザ、半導
体レーザ、赤外線ランプなどが用いることができる。こ
の中で、発光ダイオード、半導体レーザは光伝送路との
接続の容易さの点で好ましく用いられる。前記センシン
グ要素にも特に制限はなく、温度センサ、圧力センサ、
触覚センサなどに用い得る各種センシング要素が使用可
能である。

【００１４】前記光伝送路はシングルモード型光ファイ
バ、マルチモード型光ファイバ、バンドルファイバなど
を用い得るが、ファイバ径の細さ、他の構成部品との接
続や測定の容易さなどの点からマルチモード型光ファイ
バとすることが好ましい。また第１の光検出器及び第２
の光検出器に用いられる光検出器については、光源光の
波長に応じて敏感に反応することが好ましく、例えばフ
ォトダイオード、光導電セルなどが用いられるが、高感
度、高信頼性、低雑音の点からｐｉｎフォトダイオー
ド、アバランシェフォトダイオードが好ましく用いられ
る。

【００１５】前記光分岐部の構成部材には特に制限はな
く、ミラー、１×２型のカプラ、２×２型のカプラ、ま
たはそれらを組合わせたものなどを用いることができる
が、この中で２×２型のカプラを用いて、その入力側に
は光源光と、第１の光検出器とに接続される光伝送路
が、出力側にはセンシング要素と、第２の光検出器とに
接続される光伝送路を設けることは光ファイバセンサの
小型化の点から好ましい。

【００１６】また前記２×２型のカプラとしては特に制
限はなく、Ｘ分岐型の導波路や２本の光ファイバを溶融
接着する融着型ファイバカプラなどを用いることができ
るが、前記融着型ファイバカプラを用いることは光ファ
イバセンサの作製が容易になり、また光伝送路の損失の
低減もできるので好ましい。

【００１７】また光源光強度を第２の光検出器により検
出するが、この検出した光信号に基づき第１の光検出器
により検出した光信号を校正する手段を有することは、
光源のふらつきによる光源光強度の変動を校正した状態
を測定することができるので好ましい。

【００１８】

【作用】本発明の構成を用いることにより、光源光用の
光検出器で光源光を常時検出することができるため、実
際に送光されている光源光の出力が逐次判別できる。し
たがって光源光強度の変動を校正することが可能とな
る。また各種損失の校正もより正確に行うことができ
る。

【００１９】さらに、光分岐部に２×２型のカプラを用
いて、その入力側には光源光と、第１の光検出器とに接
続される光伝送路が、出力側にはセンシング要素と、第
２の光検出器とに接続される光伝送路を設けることによ
り、光ファイバセンサを小型化することができ、さらに
前記２×２型のカプラを融着型ファイバカプラとするこ
とによって、光ファイバセンサの作製が容易となると共
に光伝送路の損失が低減される。

【００２０】

【実施例】以下図面に基づいて本発明の一実施例を詳細
に説明する。図１は本発明の光ファイバセンサの一実施
例を示す模式図である。本実施例は光ファイバ圧力セン
サについて示しており、この光ファイバ圧力センサの測
定原理について説明すると、可撓性反射膜を有するセン
シング要素に圧力が加わると前記可撓性反射膜が撓むた
め光源より出力された光源光の戻り光の強度が変化す
る。この戻り光の強度を検出し、演算によって圧力を求
めるものである。

【００２１】図１に示す実施例の構成について詳述する
と、２本の光ファイバを溶融接着した融着型ファイバカ
プラ５により、一端には光ファイバ６ａ、６ｂの２系
統、他端には光ファイバ６ｃ、６ｄを２系統というよう
に分岐伝送路を形成し、前記光ファイバ６ａは光源１
に、前記光ファイバ６ｂは測定信号用の光検出器である
第１の光検出器３に、前記光ファイバ６ｃはセンシング
要素である圧力センサヘッド２に、前記光ファイバ６ｄ
は光源光用の光検出器である第２の光検出器４にそれぞ
れ接続されている。なお、光源１としては中心波長が
０．８５μｍのＧａＡｓ発光ダイオード、第１の光検出
器３としてはシリコンｐｉｎフォトダイオード、第２の
光検出器４としてはシリコンｐｉｎフォトダイオードを
使用し、圧力センサヘッド２は光ファイバとの接続側か
ら順に透明基板２ｃ、スペーサ２ｂ、可撓性反射膜２ａ
を具備している（図２）。

【００２２】前記光ファイバ圧力センサについて詳述す
ると、光源１より出力された光源光は光ファイバ６ａを
通って融着型ファイバカプラ５内の分岐路で光ファイバ
６ｃ、６ｄに分岐され、それぞれ圧力センサヘッド２、
第２の光検出器４に送光される。圧力センサヘッド２に
送光された光源光は、前記圧力センサヘッド２の可撓性
反射膜２ａによって反射され、戻り光となって光ファイ
バ６ｃを通って融着型ファイバカプラ５内の分岐路で光
ファイバ６ａ、６ｂに分岐され、それぞれ光源１、第１
の光検出器３で受光される。なお、光源１への戻り光は
光源１より出力される光源光に比べて十分に小さいので
特に問題とはならない。

【００２３】そして戻り光は、前記圧力センサヘッド２
に加わる圧力によって可撓性反射膜２ａが撓みを生じる
ため、それに応じて戻り光の強度が変化する。この戻り
光強度の変化を第１の光検出器３で検出し、この検出し
た光強度を第２の光検出器４によって検出された光源光
強度で校正することによって、圧力センサヘッド２に加
わった圧力に対する戻り光強度を測定するものである。
なお、この戻り光強度に予め測定、算出されていた各種
損失等による校正を含んだ計算式を用いて演算し、圧力
値を算出する。

【００２４】次に、光源光による校正を行う場合と校正
を行わない場合とを比較するための実験を行った。実験
は本実施例において校正を行う場合と行わない場合、前
述のＹ分岐導波路を用いた従来例（校正は行われない）
の場合について行った。本実施例に用いた融着型ファイ
バカプラはコア径５０μｍ、クラッド径１２５μｍのＧ
Ｉ型ファイバを用いて、分岐比が１対１、挿入損失２．
４〜４．７ｄＢ、過剰損失１．０ｄＢ、分岐比精度が５
％の特性を有している。またＹ分岐導波路は入力側導波
路幅が６０μｍ、出力側導波路幅が２５μｍ、導波路厚
が５０μｍであり、分岐比が１対１、挿入損失６．０ｄ
Ｂ、過剰損失３．０ｄＢ、分岐比精度が１０％の特性を
有し、各々の導波路端にはコア径５０μｍ、クラッド径
１２５μｍのＧＩ型ファイバが接続されている。また光
源光強度は３４．８μＷ（光源から出力された光源光強
度を光ファイバを通して光検出器により測定した実測
値）、圧力を０．１〜０．２ＭＰａ加えて、１０回の測
定を行った。

【００２５】図３は本実施例で校正を行った場合（図３
（ａ））と、前述のＹ分岐導波路を用いた従来例（図３
（ｂ））において、同一の光源、光検出器、圧力センサ
ヘッドを取付け（本実施例では光源光検出用の光検出器
も具備している）、圧力を加えた時の戻り光強度の測定
結果の一例を示した光強度圧力線図であり、図中の丸印
及び実線は本実施例での実測値及びその近似線をそれぞ
れ示しており、三角印及び点線は従来例での実測値及び
その近似線をそれぞれ示している。

【００２６】測定の結果は図３（ａ）に示すように本実
施例では圧力を加えなかった時（０．１ＭＰａ）の初期
戻り光強度が１．２μＷ、圧力加えた時の近似線の傾き
は−１．０μＷ／ＭＰａであり、光源光強度による校正
を行った場合、圧力測定点での標準偏差は１ｎＷ以下で
あった。なお、光源光強度による校正を行わなかった場
合、圧力測定点での標準偏差は約２０ｎＷであった。次
に図３（ｂ）に示す従来例における測定結果は初期戻り
光強度が１２２ｎＷ、圧力を加えた時の近似線の傾きは
−１００ｎＷ／ＭＰａであり、圧力測定点での標準偏差
は約３ｎＷであった。

【００２７】上述の結果より光源光強度による校正を行
ったことにより圧力測定点での標準偏差は１／２０以下
となった。また従来例と比較した場合においても戻り光
強度に差があることを考慮すれば、前記１／２０以下と
ほぼ同等もしくはこれよりも小さくなるものと考えられ
る。このことから光源光強度による校正を行うことによ
り、誤差の小さい高精度な測定が可能であることが判明
した。また初期戻り光強度は本実施例を用いることによ
り従来例と比較して約１０倍の光強度が得られ、感度ま
たは分解能が向上することを示唆している。

【００２８】

【発明の効果】本発明を用いることにより、光源光強度
の変動を校正することができ、それにより高精度な光フ
ァイバセンサを作製することが可能となった。したがっ
て、光ファイバセンサの信頼性が向上することになる。

【００２９】また、２×２型の融着型ファイバカプラを
用いることにより、前述の効果に加え光強度が強くな
り、高分解能を達成することができる。さらに作製が容
易となり、構成に無駄がなく、センシング要素及び装置
全体ともに小型化ができ、持ち運びや携帯が可能とな
り、また測定場所も限定されない。したがって、各種光
ファイバセンサの使用範囲を広範囲とすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ファイバセンサの一実施例の模式図
である。

【図２】圧力センサヘッドの縦断面図である。

【図３】本発明および従来例の光ファイバセンサの測定
例を示す光強度圧力線図である。

【符号の説明】

１ 光源 ２ センシング要素 ２ａ 可撓性反射膜 ２ｂ スペーサ ２ｃ 透明基板 ３ 光信号測定用光検出器 ４ 光源光測定用光検出器 ５ 融着型ファイバカプラ ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 光ファイバ

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源光を光伝送路を通してセンシング要
   素に送光すると共に、その戻り光を第１の光検出器で検
   出し、さらに前記光伝送路の中間に光分岐部を設けて光
   源光の一部を取り出し、その光強度を第２の光検出器で
   検出するよう構成したことを特徴とする光ファイバセン
   サ。
2. 【請求項２】 光分岐部として２×２型のカプラーを用
   い、その入力側には光源光と、第１の光検出器とに接続
   される光伝送路が、出力側にはセンシング要素と、第２
   の光検出器とに接続される光伝送路が結合されているこ
   とを特徴とする請求項１記載の光ファイバセンサ。
3. 【請求項３】 カプラーが２本の光ファイバを溶融接着
   した融着型ファイバカプラであることを特徴とする請求
   項２記載の光ファイバセンサ。
4. 【請求項４】 光伝送路がマルチモード型光ファイバで
   あることを特徴とする請求項１記載の光ファイバセン
   サ。
5. 【請求項５】 第２の光検出器が検出した光信号に基づ
   き、第１の光検出器が検出する光信号を校正する手段を
   有することを特徴とする請求項１記載の光ファイバセン
   サ。