JPS6221042A - デユアルコアフアイバセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、外的環境変動に対して安定でかつ高感度なフ
ァイバセンサに関するものである。

従来の技術 従来、ファイバ形の干渉計形センサとしては、２本の光
ファイバを用いて、検出光と参照光とを干渉させて位相
変化゛を強度変化に変換するマツハツエンダ−形干渉計
が知られている。

第７図は従来のマツハツエンダ−形干渉計により構成し
た水素センサの構成図である。このセンサは、２本の光
ファイバ４および５を平行に配置し、これらの両端付近
において両光ファイバ４および５を融着延伸することに
より光結合部２および３を形成し、さらに光ファイバ４
にのみセンシングエレメントとしてのパラジウム膜６を
被覆させたものである。パラジウム膜は水素に触れると
膨張することが知られている。従って、レーザ装置１を
用いてレーザ光を光結合部２に入射させた状態で、パラ
ジウム膜６が水素に触れると、パラジウム膜６が膨張し
、これによって光ファイバ４に応力が加えられ、光ファ
イバ４が軸方向に伸びて光の光路長が変化する。その結
果、光ファイバ４および５をそれぞれ伝播する各レーザ
光の位相にずれが生じることとなる。この位相変化を検
出することによって、第７図に示した干渉計が水素セン
サとして適用される。

発明が解決しようとする問題点 ここで、第７図において、光結合部２．３の結合長を調
整して３ｄＢ結合器とした場合の出射側ファイバの出力
Ｐ、およびＰＴＩは次式の様になる。

ただし、ここでΔは入射側ファイバへの人力振幅、φは
測定対象である位相変化であり、αはα−β（Ｌ、−Ｌ
２）　・・（３） で表わされる定数である。式（３）においてβはファイ
バの伝播定数、ＬｌおよびＬ２は各々のファイバ４．５
の光路長である。伝播定数βは光の波数ｋ（＝２π／λ
：λは真空中の光の波長）とコアの屈折率ｎｌ　を用い
て β″−＝ｋｎ、　　・・（４） と表される。石英ガラスの場合、屈折率の温度変化は、
はぼ、 Δｎ／ΔＴ　＝　１．２　ｘ　１０−’℃−’　−−（
５）であるから、ファイバ４および５の光路長が異なる
場合、すなわちり、≠Ｌ２の場合には外界の温度変化に
よって定数αが変化し、これが測定の雑音となる。

一例として、（Ｌｌ−Ｌ２）　＝　１ｃｍ、　ｎ、＝１
．４４９４、λ＝１．３μｍとした時、外界の温度が±
１℃変化した場合の出力Ｐ、、Ｐ、、の変化を計算した
結果を第８図に示す。

図中、横線および縦線で囲まれた領域が変動の範囲であ
る。この第８図かられかるように、位相変化φの値に対
して出力Ｐｒ、Ｐ＋−ともに大きく変動している。特に
、φ＝９０°あるいは一９０°のときには出力Ｐ、、Ｐ
、□の変動は最大となる。このように、第７図のような
従来の構成のファイバ形センサでは、外界の温度変動に
非常に弱く不安定であるという欠点があった。

かくして、本発明の目的は、従来のこの様な欠点を解決
し、外的環境変動に対して非常に安定で且つ高感度のフ
ァイバ形センサを提供することにある。

問題点を解決するための手段 本発明者等は、温度など外的環境の変動に対して安定且
つ高感度のファイバセンサを開発すべく種々検討した結
果、１本のファイバ内に互いに伝撮定数が異なる第１お
よび第２の２つのコアを設け、このファイバの２ケ所を
延伸してここで第１および第２のコア間にモード結合を
生じさせ、さらに、２つの延伸部の間にファイバを取り
巻くようにセンシングエレメントを設けて、ファイバに
応力を加えるように構成することが有効であることを見
出し、本発明を完成した。

即ち、本発明のデュアルコアファイバセンサは、第１の
コアと、該第１のコアを中心とし且つ該第１のコアを包
含するクラッドと、該クラッドの偏心した位置に設けら
れ且つ前記第１のコアとは異なる伝播定数を有する第２
のコアとを備え、その長手方向の２ケ所に延伸部を有し
、該延伸部において前記第１および第２のコア間のモー
ド結合を生じるデュアルコアファイバと、該デュアルコ
アファイバの各延伸部間の外表面上に設置され、外界の
変動を前記デュアルコアファイバへの応力に変換するセ
ンシングエレメントを有し、前記第１のコア内を伝搬し
た光を出力とすることを特徴とする。

作用 第１図に本発明の構成例に係るデュアルコアファイバセ
ンサの構成図を示す。このセンサでは、第１のコア１１
および第２のコア１２をクラッド７が包含し、長手方向
の２ケ所に延伸部８および９を設け、これら延伸部８お
よび９０間にクラッド７を取り巻くようにセンシングエ
レメント１３ヲ設ケている。このセンシングエレメント
１３はパラジウム、ＮｌあるいはＰＶＦ２　　（ポリフ
ッ化ビニリデン）などからなり、それぞれ水素、磁界あ
るいは電界などの影響を受けて収縮あるいは膨張するも
のであり、これらの測定量に応じた応力をクラッド７お
よび第１、第２のコア１１．１２に及ぼす。

ここで、第１図に示す様に第１のコア１１に振幅Ａの光
が入射した時の第１のコア１１と第２のコア１２の間の
モード結合を考える。平行コア間のモード結合に関して
は、ニー、ダブリュー、スニーダ−（Ａ、　Ｗ、　５ｎ
ｙｄｅｒ）による「光ファイバのモード結合理論」アメ
リカ光学学会誌（“Ｃｏｕｐｌｅｄ−ｍｏｄｅｔｈｅｏ
ｒｙ　ｆｏｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒｓ　”　Ｊ
ｏｕｒ、ｏｆ　Ｏｐｔ、Ｓｏｃ。

Ａｍ、　）、　ｖｏｌ、　６２　Ｎｏ、１１．９．１２
６７、１９７２に詳しく述べられている。この論文によ
れば、第１コアと第２コアの中心間距離をｄ、第１コア
の比屈折率差をΔ８、第２コアの比屈折率差をΔ２とし
、また、第１コアの直径を２ａ＋、第２コアの直径を２
ａ２とすると、デュアルコア間のモード結合定数にはと
なる。ただし、ここで ａｚ　　　　　　β２　　　　　　　β２・・（７） であり、ｎＩ　＋　ｎ２＋　ｎ　ｃは第１コア、第２コ
アおよびクラッドの屈折率、Ｉｏ、１１はそれぞれ０次
および１次の第１種変形ベッセル関数、Ｋｏ、に、はそ
れぞれ０次および１次の第２種変形ベッセル関数である
。

延伸部以外ではモード結合は出来るだけ小さくする必要
がある。いま、Ａｍ１であるとするとセンシング部のフ
ァイバ長しのとき第１コアおよび第２コアの光強度は Ｐｌ（Ｌ＞＝１−（＞２ｓｉｎ２（ρＬ）　　　　・・
（１２）ρ β２（Ｌ）＝（）”５ｉｎ２（ρ　Ｌ）　　　　　　　
　　　・　・　（１３）ρ で与えられる。ただし、 ρ＝ｆ］σ「Ｆ　　　　　　　　・・（１４）δ＝−（
β２−β１）　　　　　　　・・（１５）である。−例
として、Δ、＝０．２８％、Δ、＝０．５９％、ａ１／
ａｚ＝１．７５、β２＝２．９μｍの時の規格化モード
結合係数＜　ａ　２　／Ｊ””Ｔ　＞　・Ｋを第２図、
規格化伝播定数β／ｋを第３図、Ｉδｌ／ｋを第４図に
示す。

Ｌ＝１０ｍ程度のとき延伸部以外では実質上光結合が無
視できる程度、すなわち例えば、 Ｐｚ／Ｐ、＜−５０ｄＢであるためには、第１２．１３
式よりに≦３　ｘｌＯ−’　（ｍ−’　）　　　　　　
　　・・（１６）でなければならない。第２図より、Ｖ
、＝２．２の場合には ｄ　／　β２＞１８　　　　　　　　　　６　＋　（１
７）であれば充分であることが分かる。

次に、延伸部ではファイバ外径およびコア径が細くなっ
ているためにＶ値（第９式参照）が小さくなるのでモー
ド結合係数は大きくなる。例えば、デュアルコアファイ
バの外径を０．６倍程度に延伸してｖ　＋　＝　１．３
５程度にした場合、第３図、第４図よりδζ０　　　　
　　　　　　　　　　・・（１８）となることが分かる
。また、Ｖ、　＝１．３５の時、第２図より に’＝２０　（ｍ−’）　　　　　　　　　　　・１１
９）となるのでモード結合は充分に起こり得る。

従って、第１図のデュアルコアファイバの第１コア１１
．及び第２コア１２の出力Ｐ、およびβ２はＡｍ１とし
た時、それぞれ、 Ｐ　、　＝ｓｉｎ２（δＬ）　　　　　　　　　　　・
−（２０）Ｐ２＝ｃｏｓ２（δＬ）　　　　　　　　　
　・　・（２１）で与えられる。そこで、単一モードフ
ァイバ１０をデュアルコアファイバの端部に結合して、
第１コア１１の出力Ｐ、のみを取り出せば、デュアルコ
アファイバセンサの出力は、 Ｐ　＝ｓｉｎ２（’δＬ）　　　　　　　　　・−（２
２）となる。ところで、第４式および第１５式より、係
数δの温度変化Δδ／ΔＴは、 Δδ　　１　　Δ（β２−βＩ） 八Ｔ　　２　　　　ΔＴ ２　　　　　ΔＴ となる。ここで、第１および第２のコアを例えば石英ガ
ラスなど同種の材質で構成すれば、これらコアーの屈折
率ｎ１およびｎ２の温度変化Δｎ＋／ΔＴおよびΔｎ２
　／ΔＴはほぼ等しくなるので、第２３式より、 となる。従って、温度が変化しても係数δはほぼ変化し
ない。すなわち、第２２式で表わされるセンサの出力Ｐ
は温度変化にほとんど影響されないことがわかる。

また、第１式および第２式に示される従来のセンサの出
力Ｐ、およびＰｌ＋に比べて、第２２式に示される出力
Ｐは５ｉｎ２の関数であるので、より高感度となってい
ることがわかる。

実施例 以下、本発明の実施例について添付の図面を参照して説
明する。

第１図に示す構成のデュアルコアファイバセンサを作製
した。その作製方法を第５図に示す。

まず、第１のコアｌｌ用のＧｅＯ□を４〜５モル％含有
する直径２．６ｍｍの５１０２　　ＧｅＯ２ガラス１５
とクラッド７用の直径４０．ＯｍｍのＳｉＯ□ガラス１
４からなる、半径方向に二層構造の第１のガラスロッド
をＶＡＤ法で形成する。次に、この第１のガラスロッド
の断面において偏心した位置に直径１０．１ｍｍの穴を
超音波ドリルによって開ける。

また、第２のコア１２用のＧｅＯ２を１０モル％含有す
る直径１．５ｍｍの５１０２　　Ｇｅ０ｚガラス１６と
、直径１０ｍｍのＳ　ｉｏ　２ガラス１７からなる二層
構造の第２のガラスロッドをＶＡＤ法で形成し、第１の
ガラスロッドに設けられた穴に挿入してプリフォームと
する。

その後、ヒータ１８で２１００℃に加熱しながら、プリ
フォームを外径１５０μｍに線引きする。このようにし
て得られたファイバの断面図を第６図に示す。第１およ
び第２のコア１１．１２の直径２ａ＋および２ａ２はそ
れぞれ１０μｍ、５．８μｍであり、両コアの中心間距
離ｄは５２．５μｍである。

さらに、このファイバを加熱延伸することにより、第１
図のように延伸部８および９を形成した。

延伸部８および９の直径を他の部分の０．６倍とする。

最後に、延伸部８および９の間のファイバ外面上に蒸着
法によりパラジウム膜１３を形成する。

このようにして、水素センサとして構成されたデュアル
コアファイバセンサを作製した。このデュアルコアファ
イバセンサの一端において、第１および第２のコア１１
および１２にレーザ光を入射し、他端に結合された単一
モード光ファイバ１０によ゛って第１のコア１１中を伝
搬したレーザ光を取出し、その強度を調べたところ、高
感度で水素を検出することができた。

なお、上記実施例では、第１および第２のガラスロッド
の形成方法としてＶＡＤ法を用いたが、ＭＣＶＤ法ある
いは０ＶＰＯ法を用いてもよい。

また、上記した材料は例示にすぎず、コア１１および１
２として屈折率増加ドーパントであるＧｅＯ□が添加さ
れたＳｉ　Ｏ，ガラスを使用し、クラッド７として純粋
なＳｉＯ□ガラスを使用したが、純粋ＳｉＯ□と屈折率
減少ドーパント（フッ素、ホウ素など）が添加されたＳ
ｉＯ□ガラスとの組合せによって、所望のコア１１．１
２およびクラッド７の比屈折率差を得るようにしてもよ
い。

また、プリフォーム線引時の加熱源としては、ＣＯ。レ
ーザおよび高純度カーボン類等を使用することもできる
。

さらに、本発明は水素センサに限るものではなく、その
他のセンサに適用することができる。例えば、パラジウ
ム膜１３の代わりにＮ１を被覆すれば、磁界によってＮ
１が収縮するので磁界センサが構成され、また、同様に
してＰ　Ｖ　Ｆ２（ポリフッ化ビニリデン）を被覆すれ
ば、電界センサが構成される。

発明の詳細 な説明した様に本発明によれば外的変動に対して非常に
安定でかつ測定対象の微小な変化を検出することが可能
である。また、ファイバは曲げ直径３ｃｍ程度まで曲げ
てもその特性は変化しないので本発明のファイバセンサ
は可とう性に富むという大きな特徴がある。

従って、本発明は今後ともその開発力よび幅広い応用が
期待されている光フアイバセンサにおいて極めて有用な
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一構成例を示す斜視図、第２図は規格
化モード結合係数を示す図、第３図は規格化伝播定数を
示す図、 第４図は１δｌ／ｋを示す図、 第５図はデュアルコアファイバの作製方法を示す図、 第６図はデュアルコアファイバの断面図、ｌＥ７図は従
来のマツハツエンダ形ファイバセンサの構成図、 第８図は従来のファイバセンサの出力変動を示す図であ
る。 （主な参照番号） １・・レーザ、　　　　　２，３・・融着延伸部、４．
５・・光ファイバ、６・・パラジウム、７・・クラッド
、　　　８．９・・延伸部、１０・・単一モードファイ
バ、 １１・・第１のコア、　　１２・・第２のコア、１３・
・センシングエレメント、 １４、１７・・ＳｉＯ２ガラス、 １５、１６　・−３１０ａ−ＧｅＯ２ガラス１８・・ヒ
ータ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）第１のコアと、該第１のコアを中心とし且つ該第
   １のコアを包含するクラッドと、該クラッドの偏心した
   位置に設けられ且つ前記第１のコアとは異なる伝播定数
   を有する第２のコアとを備え、その長手方向の２ヶ所に
   延伸部を有し、該延伸部において前記第１および第２の
   コア間のモード結合を生じるデュアルコアファイバと、 該デュアルコアファイバの延伸部間の外表面上に設置さ
   れ、外界の変動を前記デュアルコアファイバへの応力に
   変換するセンシングエレメントとを有し、前記第１のコ
   ア内を伝搬した光を出力とすることを特徴とするデュア
   ルコアファイバセンサ。
2. （２）前記第１および第２のコアの各伝播定数の温度変
   化率がほぼ等しいことを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載のデュアルコアファイバセンサ。