WO2019073623A1 - 光ファイバ式計測装置及び光ファイバ式計測方法 - Google Patents

光ファイバ式計測装置及び光ファイバ式計測方法 Download PDF

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light guide
light
incident
core
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Inventor
深野　秀樹
周路 田上
Original Assignee
国立大学法人 岡山大学
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G02B6/02—Optical fibres with cladding with or without a coating

Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber measurement apparatus and an optical fiber measurement method.
  • This optical fiber type measuring apparatus includes an incident optical fiber 100 whose one end is connected to a light source (not shown) and a first light guide connected to the other end of the incident optical fiber 100.
  • Body 200 an intermediate optical fiber 300 having one end connected to the first light guide 200, a second light guide 400 connected to the other end of the intermediate optical fiber 300, and the second light guide 400
  • An output optical fiber 500 having one end connected and the other end connected to a detector (not shown) is provided.
  • the input optical fiber 100, the intermediate optical fiber 300, and the output optical fiber 500 each have a core of a predetermined thickness, and the first light guide 200 and the second light guide 400 are identical to this core. And the diameter of the material is larger than that of the core, so that the light made incident to the first light guide 200 from the incident optical fiber 100 and the light made incident from the intermediate optical fiber 300 to the second light guide 400 The light is diffracted.
  • Diffracted light generated in the first light guide 200 is totally reflected by the peripheral surface of the first light guide 200, and a goose Henschen shift occurs at the time of this total reflection, whereby the periphery of the first light guide 200 is produced.
  • the phase change corresponding to the refractive index of Since this phase change causes a change in the diffracted light detected by the detector, the change in the refractive index can be measured.
  • the diffracted light generated in the second light guide 400 is also totally reflected by the circumferential surface of the second light guide 400, and a goose Henschen shift occurs in the total reflection, thereby the second light guide
  • a silicone resin film 410 whose refractive index changes with temperature is provided on the circumferential surface of the second light guide 400, although a phase change occurs according to the refractive index around 400, the change in temperature can be measured. It has become.
  • the conventional optical fiber type measuring apparatus it is necessary to cause a plurality of total reflections in the first light guide and the second light guide in order to obtain as high an interference intensity as possible in order to easily detect a change. There is a tendency that the lengths of the first light guide and the second light guide become long.
  • the first light guide and the second light guide are often used as 10 mm or more, and can not be used for measurement of an area smaller than 10 mm, for example, a droplet.
  • the present inventors have achieved the present invention while conducting research and development in order to shorten the first light guide and the second light guide so as to be usable for measurement of a smaller area.
  • the optical fiber type measuring apparatus of the present invention a light source, an incident optical fiber whose one end is connected to the light source, a light guide connected to the other end of the incident optical fiber, and one end of the light guide
  • the light guide includes a core of an input optical fiber and an output optical fiber
  • the optical fiber type measuring apparatus is characterized in that light propagated from the incident optical fiber to the light guide is made to propagate through the cladding of the light guide as light guide propagation light.
  • the light guide propagation light is light of a phase state satisfying the standing condition with the outer peripheral edge of the light guide as a boundary, and the waveform whose light intensity becomes maximum (peak) at the center position of the light guide It is also characterized in that there are light of the wavelength of and light of a wavelength of the waveform where the light intensity is minimum (dip) at the center position of the light guide.
  • a reflecting surface is provided on the end face of the light guide connected to the incident optical fiber, and light incident on the light guide from the incident optical fiber is reflected by the reflecting surface.
  • the light reflected by the reflecting surface as a part of the optical fiber for emission is guided to the optical directional coupler provided in the middle of the optical fiber for incidence, and this optical directional coupler and the detector are optical fiber Are connected by
  • the optical fiber type measuring device of the present invention a light source, an incident optical fiber whose one end is connected to the light source, a first light guide connected to the other end of the incident optical fiber, and An intermediate optical fiber having one end connected to the light guide, a second light guide connected to the other end of the intermediate optical fiber, and one end connected to the second light guide and the other end connected to the detector
  • the second light guide comprises a core of an intermediate optical fiber and an output optical fiber.
  • the first light guide is made of the same material as the core of the incident optical fiber.
  • diffracted light of light entering the first light guide from the incident optical fiber is totally reflected only once on the circumferential surface of the first light guide and enters the intermediate optical fiber It is also characterized by having a long length.
  • the light guided from the light source through the incident optical fiber is made to enter the light guide, and the light emitted from the light guide is used to surround the light guide.
  • the light guide is an optical fiber having a core with a diameter smaller than that of the core of the incident optical fiber, and the clad of the light guide makes light incident on the light guide It is spreading inside.
  • an optical fiber type measuring device which can make the light guide shorter and which can be used for measurement of a small area.
  • optical fiber type measuring device of 1st Embodiment It is a graph of the spectrum of the optical fiber type measuring device of a 1st embodiment. It is a graph of the spectrum of the optical fiber type measuring device of a 1st embodiment. It is explanatory drawing of the optical fiber type measuring device of 2nd Embodiment. It is explanatory drawing of the optical fiber type measuring device of 2nd Embodiment. It is a graph of the spectrum of the optical fiber type measuring device of a 2nd embodiment. It is a graph which shows the temperature-wavelength correlation obtained from the wavelength of the spectrum dip of FIG. 6, and the relationship of temperature. It is a graph which shows the temperature-light intensity change correlation obtained from the wavelength of the spectrum dip of FIG. 6, and temperature.
  • the optical fiber type measuring device of this embodiment includes a light source (not shown), an incident optical fiber 10 whose one end is connected to the light source, and the other end of the incident optical fiber 10
  • An optical fiber type measuring apparatus is provided with a light guide 40 connected to the light guide 40 and an outgoing optical fiber 50 whose one end is connected to the light guide 40 and the other end is connected to a detector (not shown).
  • the light guide 40 is a sensor body, and a change in refractive index around the light guide 40 can be detected. When a film whose refractive index changes with temperature is provided on the surface of the light guide, a temperature sensor can be obtained.
  • a humidity sensor can be obtained.
  • a film whose refractive index changes according to the gas concentration is provided on the surface of the light guide, it can be used as a gas sensor.
  • the detector measures the intensity of light incident through the output optical fiber 50.
  • the laser light is irradiated to measure the intensity of the light, and the change of the refractive index and the like can be detected from these data.
  • the input optical fiber 10 and the output optical fiber 50 are single mode fibers.
  • an optical fiber having a core diameter of about 8.2 ⁇ m and a cladding diameter of 125 ⁇ m is used.
  • the light guide 40 is an optical fiber having a core 40 a having a diameter smaller than that of the core 10 a of the input optical fiber 10 and the core 50 a of the output optical fiber 50.
  • an optical fiber having a core diameter of about 2 ⁇ m and a cladding diameter of 125 ⁇ m is used.
  • the core 40 a of the light guide 40 is smaller than the core 10 a of the incident optical fiber 10
  • the light incident on the light guide 40 from the incident side optical fiber 10 has a sufficiently small diameter of the light guide 40
  • the light spreads in the clad 40 b centering on the core 40 a propagates through the light guide 40, and is output from the output side optical fiber 50.
  • the light that has spread to the cladding 40 b by the light guide 40 has a boundary area in the outer peripheral part of the fiber in a plane perpendicular to the optical axis, and in the central part of the light in the phase state that satisfies the standing condition in this plane.
  • light guide propagation light light which has spread to the clad 40 b of the light guide 40 and has a peak / dip is referred to as “light guide propagation light”.
  • the inside of the light guide 40 is affected by the influence of the refractive index outside the light guide 40 because the optical electric field leaks to the outside of the light guide 40.
  • the phase of the propagating light changes.
  • the refractive index outside the light guide 40 can be measured by detecting this phase change from the output light.
  • the change of the phase in the light guide propagation light is determined by the component perpendicular to the optical axis of the light guide 40, and therefore, the light guide 40 has a feature that the length dependence of the light guide 40 hardly appears.
  • the phase change of the propagation light changes with the length of the sensor unit, so the wavelength of the spectral dip whose spectrum decreases becomes the length of the sensor unit It depends on you.
  • the generation mechanism of the light guide propagation light which is light having a peak / dip not due to interference at the end of the output optical fiber, is characterized in that almost no fiber length dependence of the sensor part appears. Will occur.
  • the light guide 40 is desirably as short as 2 mm or less.
  • the measured value of the spectrum at the time of changing the length of the light guide 40 from 0.91 mm to 1.07 mm is shown in FIG.
  • the deepest wavelength position of the spectral dip whose spectrum is reduced changes.
  • the change in position where the spectral dip occurs is small.
  • the reason why the wavelength position where the spectral dip becomes deep changes depending on the length of the light guide 40 is unknown at present.
  • adjusting the length of the light guide 40 shows that wavelength selection is possible.
  • FIG. 3 shows spectral changes when the light guide 40 has a length of 1.07 mm and the air around the light guide 40 is air, pure water, and ethanol. As shown in FIG. 3, as the refractive index increases from air to pure water to ethanol, the spectral dip is shifted to the long wavelength side, and it can be confirmed that it can be used as a refractive index sensor.
  • the film when a film whose refractive index changes due to temperature, humidity, pressure, gas concentration, or the like is formed on the outer peripheral surface of the light guide 40, it is possible to detect the change in the refractive index of the film.
  • the light incident on the light guide 40 from the incident optical fiber 10 is transmitted to the output optical fiber 50, but as shown in FIG.
  • a reflective surface 41 ' may be provided to reflect light incident on the light guide 40' from the incident optical fiber 10 '.
  • an optical directional coupler 63 is provided in the middle of the incident optical fiber 10 ′, one end is connected to the light source 61, and the optical directional coupler 63 is in the middle.
  • a light guide 40 ' is connected to the other end of the interposed incident optical fiber 10', and a part of the incident optical fiber 10 'is used as an outgoing optical fiber at the reflection surface 41' of the light guide 40 '.
  • the reflected light is guided to an optical directional coupler 63 in the middle of the incident optical fiber 10 ′, and the other end of the coupling optical fiber 50 ′ whose one end is connected to the optical directional coupler 63 is a detector 62. It is connected to the optical fiber type measuring device.
  • the incident optical fiber 10 'and the coupling optical fiber 50' are single mode fibers.
  • an optical fiber having a core diameter of about 8.2 ⁇ m and a cladding diameter of 125 ⁇ m is used.
  • the light guide 40 ' forms a reflective surface 41' by depositing a metal film on the end face facing the incident optical fiber 10 '.
  • the reflective surface 41 ' is formed of a gold film.
  • the core 40a 'of the light guide 40' is smaller than the core 10a 'of the incident optical fiber 10'. That is, as in the case of the first embodiment, the light incident on the light guide 40 'from the incident optical fiber 10' is a clad of the light guide 40 'centered on the core 40a' of the light guide 40 '. The light is widely spread in 40b 'and propagates in the light guide 40' and is reflected by the reflection surface 41 '.
  • the core diameter of the light guide 40 ' is about 2 ⁇ m
  • the cladding diameter of the light guide 40' is 125 ⁇ m
  • the length of the light guide 40 ' is 0.96 mm.
  • a coating 42 ′ made of a silicone resin whose refractive index changes with temperature is provided around the light guide 40 ′.
  • the silicone resin film 42 ' may be provided on the reflective surface 41'.
  • the light guide 40 ' is coated with the silicone resin film 42' to enable temperature measurement, and the change in spectral dip when the air temperature is changed from room temperature to around -50.degree. C. is shown in FIG. Shown in.
  • the temperature-wavelength correlation of FIG. 7 can be obtained from the relationship between the wavelength of the spectral dip and the temperature, and the temperature can be estimated from the wavelength of the spectral dip.
  • the temperature-light intensity change correlation in FIG. 8 can be obtained from the change in light intensity at this wavelength, and the temperature can be estimated from the change in spectrum intensity.
  • silicone resin whose refractive index changes with temperature is used as the film 42 ′
  • a sensor capable of measuring a predetermined physical amount by using the film whose refractive index changes with a predetermined physical amount can do.
  • the coating is a silica gel film and the refractive index changes due to humidity
  • a humidity sensor can be used. If the coating changes its refractive index depending on the gas concentration like a so-called sensitive film, it can be used as a gas sensor.
  • the optical fiber type measuring apparatus of the present embodiment includes a light source (not shown), an incident optical fiber 10 ′ ′ having one end connected to the light source, and an incident optical fiber 10 ′ ′.
  • An optical fiber type measuring apparatus is provided with a light body 40 "and an output optical fiber 50" whose one end is connected to the second light guide 40 "and the other end is connected to a detector (not shown).
  • the first light guide 20 "and the second light guide 40" are sensor bodies.
  • the input optical fiber 10 ", the intermediate optical fiber 30" and the output optical fiber 50 " are single mode fibers.
  • an optical fiber having a core diameter of about 8.2 ⁇ m and a cladding diameter of 125 ⁇ m is used. There is.
  • the second light guide 40 is smaller in diameter than the core 30a" of the intermediate optical fiber 30 "on the incident side and the core 50a” of the output optical fiber 50 "as in the light guide 40 of the first embodiment described above
  • the second light guide 40 ′ ′ according to the present embodiment is the same as the light guide 40 according to the first embodiment described above, and thus the description will not be repeated.
  • the first light guide 20 is made of the same material as the core 10a" of the incident optical fiber 10 "and has a diameter larger than that of the core 10a” of the incident optical fiber 10 ". To cause the light incident on the first light guide 20 ′ ′ to be diffracted.
  • the first light guide 20 ′ ′ is a cylindrical shape having the same diameter as the incident optical fiber 10 ′ ′ and the intermediate optical fiber 30 ′ ′, but it does not have to be a cylindrical shape with the same diameter.
  • FIG. 10 (a) the first light guide may be expanded in diameter from the incident optical fiber 10 "to the intermediate optical fiber 30".
  • the diameter of the first light guide may be larger than that of the incident optical fiber 10 "or the intermediate optical fiber 30".
  • the diameter may be smaller than the incident optical fiber 10 ′ ′ and the intermediate optical fiber 30 ′ ′.
  • the first light guide has a circular cross section. The point is not, it may be an elliptical shape or a polygonal shape.
  • the second light guide 40 ′ ′ may not be cylindrical but may have an appropriate diameter so that a spectral dip that is easy to measure can be easily obtained.
  • the length of the second light guide 40 ′ ′ can be shortened, measurement of a small area can be made possible.
  • the diffracted light of the light entering the first light guide 20" from the incident optical fiber 10 " is totally reflected only once on the circumferential surface of the first light guide 20" Then, the length can be made shorter by entering the intermediate optical fiber 30 ′ ′. That is, in the optical fiber type measuring device of the present embodiment, measurement of a small area can be made possible.
  • the first light guide 20 Under the condition that “the length is 2 mm or less, the light is totally reflected only once on the circumferential surface of the first light guide 20 ′ ′ and enters the intermediate optical fiber 30 ′ ′.
  • the wavelength position where the spectral dip becomes deep was measured when the length of the first light guide 20 ′ ′ was around 2 mm. The results are shown in FIG.
  • the light guide 40 ′ ′ can exhibit a spectral dip that can be used for measurement even at 1 mm or less (see FIG. 2).
  • the second light guide 40 is more effective as a sensor than the light guide 20".
  • FIG. 12 shows the spectral changes when the length of the first light guide 20 ′ ′ is 1.83 mm, and the air around the first light guide 20 ′ ′ is air, pure water, and ethanol. .
  • the spectral dip was shifted to the long wavelength side with the increase of the refractive index in the order of air ⁇ pure water ⁇ ethanol, and it could be used as a refractive index sensor.
  • a coating 42 ′ ′ whose refractive index changes with temperature is provided around the second light guide 40 ′ ′.
  • the coating 42 can be prepared using a silicone resin.
  • the coating 42" whose refractive index changes with temperature is not made to be a coating 42 ", for example, a silica gel film or the gas whose refractive index changes with humidity. It is also possible to use a sensitive film whose refractive index changes by adsorption.
  • FIG. 13 shows a change in spectrum when the temperature is changed to 30 to 80 ° C. in the air using an optical fiber type measuring device in which the second light guide 40 ′ ′ is provided with a film 42 ′ ′ made of silicone resin.
  • a single mode fiber having a core diameter of about 8.2 ⁇ m and a cladding diameter of 125 ⁇ m is used as the input optical fiber 10 ′ ′, the intermediate optical fiber 30 ′ ′, and the output optical fiber 50 ′ ′.
  • a cylindrical optical fiber with an outer diameter of 125 ⁇ m and a length of 1.83 mm and using the same material as the core of the incident optical fiber 10 ′ ′ is used.
  • the second light guide 40 ′ has a core diameter Is about 2 .mu.m, the cladding diameter is 125 .mu.m, and an optical fiber with a length of 1,07 mm is used.
  • the spectral dip near the wavelength 1490 nm is a spectral dip obtained from the interference caused by the first light guide 20 ".
  • the spectral dip near the wavelength 1280 nm is due to the second light guide 40" Spectrum dip.
  • FIG. 14 is an enlarged view of the vicinity of the wavelength 1280 nm of FIG. As shown in FIG. 14, the wavelength of the spectral dip is shifted by temperature, and temperature measurement can be performed using this.
  • the temperature is fixed at 30 ° C., and the case of using air around the first light guide 20 ′ ′ and the second light guide 40 ′ ′, the case of using pure water, and the case of using ethanol
  • the spectrum change of the case is shown.
  • the refractive index increases in the order of air ⁇ pure water ⁇ ethanol
  • the light guide 40 'of the second embodiment can be used.

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Abstract

より小さな領域の計測に利用できる光ファイバ式計測装置及び光ファイバ式計測方法を提供する。　光源と、この光源に一方端を接続した入射用光ファイバ10と、この入射用光ファイバ10の他方端に接続した導光体40と、この導光体40に一端を接続して他方端を検出器に接続した出射用光ファイバ50とを備えた光ファイバ式計測装置において、導光体40は、入射用光ファイバ10のコア10a及び出射用光ファイバ50のコア50aよりも細径のコア20aを有する光ファイバとする。

Description

光ファイバ式計測装置及び光ファイバ式計測方法
　本発明は、光ファイバ式計測装置及び光ファイバ式計測方法に関するものである。
　従来、光ファイバを用いて屈折率と温度を計測可能とした光ファイバ式計測装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
　この光ファイバ式計測装置は、図１６に示すように、一方端を光源（図示せず）に接続した入射用光ファイバ100と、この入射用光ファイバ100の他方端に接続した第１導光体200と、この第１導光体200に一方端を接続した中間光ファイバ300と、この中間光ファイバ300の他方端に接続した第２導光体400と、この第２導光体400に一方端を接続し、他方端を検出器（図示せず）に接続した出射用光ファイバ500を備えた構造としている。
　入射用光ファイバ100と、中間光ファイバ300と、出射用光ファイバ500は、それぞれ所定の太さのコアを有し、第１導光体200及び第２導光体400は、このコアと同一の素材であって、コアよりも太径としていることで、入射用光ファイバ100から第１導光体200に入射させた光、及び中間光ファイバ300から第２導光体400に入射させた光に回折を生じさせている。
　第１導光体200で生じた回折光は、第１導光体200の周面で全反射し、この全反射の際にグースヘンシェンシフトが生じることで、第１導光体200の周囲の屈折率に応じた位相変化が生じることとなっている。この位相変化により検出器で検出する回折光に変化が生じるので、屈折率の変化を計測可能となっている。
　同様に、第２導光体400で生じた回折光も、第２導光体400の周面で全反射し、この全反射の際にグースヘンシェンシフトが生じることで、第２導光体400の周囲の屈折率に応じた位相変化が生じるが、第２導光体400の周面に例えば温度によって屈折率が変化するシリコーン樹脂被膜410を設けていると、温度の変化を計測可能となっている。
特開２０１５－２０３６９２号公報
　しかしながら、従来の光ファイバ式計測装置では、変化の検出をしやすいようにできるだけ大きな干渉強度を得ようとすると、第１導光体及び第２導光体において複数回の全反射を生じさせる必要があり、第１導光体及び第２導光体の長さが長くなる傾向があった。
　したがって、通常では、第１導光体及び第２導光体は10mm以上として使用していることが多くなり、10mmより小さい領域、例えば液滴の計測には利用することができなかった。
　本発明者らは、より小さな領域の計測に利用できるように第１導光体及び第２導光体を短くすべく研究開発を行う中で、本発明を成すに至ったものである。
　本発明の光ファイバ式計測装置では、光源と、この光源に一方端を接続した入射用光ファイバと、この入射用光ファイバの他方端に接続した導光体と、この導光体に一端を接続して他方端を検出器に接続した出射用光ファイバとを備え、導光体をセンサ体としている光ファイバ式計測装置において、導光体は、入射用光ファイバのコア及び出射用光ファイバのコアよりも細径のコアを有する光ファイバとしているものである。
　さらに、本発明の光ファイバ式計測装置では、入射用光ファイバから導光体に入射させた光を導光体のクラッド内に広がらせた導光体伝搬光としていることにも特徴を有し、さらには、導光体伝搬光は、導光体の外周縁を境界として定在条件を満たす位相状態の光であって、導光体の中心位置で光強度が最大（ピーク）となる波形の波長の光と、前記導光体の中心位置で光強度が最小（ディップ）となる波形の波長の光が存在していることにも特徴を有するものである。
　また、本発明の光ファイバ式計測装置では、入射用光ファイバに接続した導光体の端面に反射面を設け、入射用光ファイバから導光体に入射した光を反射面で反射させ、入射用光ファイバの一部を出射用光ファイバとして反射面で反射した光を入射用光ファイバの中途部に設けた光方向性結合器に導き、この光方向性結合器と検出器とを光ファイバで接続しているものである。
　また、本発明の光ファイバ式計測装置では、光源と、この光源に一方端を接続した入射用光ファイバと、この入射用光ファイバの他方端に接続した第１導光体と、この第１導光体に一方端を接続した中間光ファイバと、この中間光ファイバの他方端に接続した第２導光体と、この第２導光体に一端を接続して他方端を検出器に接続した出射用光ファイバとを備え、第１導光体と第２導光体をそれぞれセンサ体としている光ファイバ式計測装置において、第２導光体は、中間光ファイバのコア及び出射用光ファイバのコアよりも細径のコアを有する光ファイバであり、第１導光体は、入射用光ファイバのコアと同材質としているものである。
　さらには、第１導光体は、入射用光ファイバから第１導光体に入射した光の回折光が、第１導光体の周面で１回だけ全反射して中間光ファイバに入射する長さとしていることにも特徴を有する。
　また、本発明の光ファイバ式計測方法では、入射用光ファイバを介して光源から導いた光を導光体に入射させ、この導光体から出射された光を用いて導光体の周囲の物理量の変動を計測する光ファイバ式計測方法において、導光体は、入射用光ファイバのコアよりも細径のコアを有する光ファイバとして、導光体に入射させた光を導光体のクラッド内に広がらせているものである。
　本発明によれば、導光体をより短くすることができ、小さな領域の計測に利用することができる光ファイバ式計測装置とすることができる。
第１実施形態の光ファイバ式計測装置の説明図である。 第１実施形態の光ファイバ式計測装置のスペクトルのグラフである。 第１実施形態の光ファイバ式計測装置のスペクトルのグラフである。 第２実施形態の光ファイバ式計測装置の説明図である。 第２実施形態の光ファイバ式計測装置の説明図である。 第２実施形態の光ファイバ式計測装置のスペクトルのグラフである。 図６のスペクトルディップの波長と温度の関係から得られる温度－波長相関を示すグラフである。 図６のスペクトルディップの波長と温度の関係から得られる温度－光強度変化相関を示すグラフである。 第３実施形態の光ファイバ式計測装置の説明図である。 第１導光体の変容例の説明図である。 第３実施形態の光ファイバ式計測装置における第１導光体のスペクトルのグラフである。 第３実施形態の光ファイバ式計測装置における第１導光体のスペクトルのグラフである。 第３実施形態の光ファイバ式計測装置のスペクトルのグラフである。 図１３の要部拡大図である。 第３実施形態の光ファイバ式計測装置のスペクトルのグラフである。 従来の光ファイバ式計測装置の説明図である。
＜第１実施形態＞
　本実施形態の光ファイバ式計測装置は、図１に示すように、光源（図示せず）と、この光源に一方端を接続した入射用光ファイバ10と、この入射用光ファイバ10の他方端に接続した導光体40と、この導光体40に一端を接続して他方端を検出器（図示せず）に接続した出射用光ファイバ50とを備えた光ファイバ式計測装置としている。導光体40がセンサ体となっており、導光体40の周囲の屈折率の変化を検出することができる。また、導光体の表面に温度により屈折率が変化する被膜を設けた場合には温度センサとすることができる。導光体の表面に湿度により屈折率が変化する被膜を設けた場合には湿度センサとすることができる。導光体の表面にガス濃度により屈折率が変化する被膜を設けた場合にはガスセンサとすることができる。
　検出器は、出射用光ファイバ50を介して入射された光の強度を計測している。特に、光源から波長を適宜変化させながらレーザ光を照射して光の強度を計測し、これらのデータから屈折率の変化等を検出可能としている。
　入射用光ファイバ10及び出射用光ファイバ50は、シングルモードファイバである。本実施形態では、コア径が約8.2μｍで、クラッド径が125μｍの光ファイバを用いている。
　導光体40は、入射用光ファイバ10のコア10a及び出射用光ファイバ50のコア50aよりも細径のコア40aを有する光ファイバとしている。本実施形態では、コア径が約2μｍで、クラッド径が125μｍの光ファイバを用いている。
　このように導光体40のコア40aを、入射用光ファイバ10のコア10aよりも小さくすると、入射側光ファイバ10から導光体40に入射させた光は、導光体40の十分小さな径のコア40aを中心としてクラッド40b内に広がって導光体40を伝搬し、出射側光ファイバ50から出力される。
　導光体40でクラッド40bにまで広がった光は、光軸と垂直な面内でファイバ外周部分が境界領域となり、この面内で定在条件を満足する位相状態の光のうち、中心部で光強度が最大（ピーク）となる波形の波長の光と、中心部で光強度が最小（ディップ）となる波形波長の光が存在する。そして、出射側光ファイバ50からは、このピーク/ディップを有する光が出力されることを新たに見出した。このように、導光体40のクラッド40bにまで広がった光であって、ピーク/ディップを有する光を「導光体伝搬光」と呼ぶこととする。
　導光体40の外周部分の境界領域では、光電界が導光体40の外部に浸み出していることから、導光体40の外部の屈折率の影響を受けて導光体40内を伝搬している光の位相が変化する。この位相変化を出力光から検出することで、導光体40の外部の屈折率が計測できる。
　導光体伝搬光における位相の変化は、導光体40の光軸と垂直な成分で決まるため、導光体40の長さ依存性がほとんど出ないという特徴を有している。従来の出射用光ファイバ端での干渉によって光強度の強弱が生じるものでは、伝搬光の位相変化がセンサ部の長さによって変化するため、スペクトルが小さくなるスペクトルディップの波長がセンサ部の長さ依存することになる。しかし、本構造では、出射用光ファイバ端での干渉によらないピーク/ディップを有する光である導光体伝搬光の発生機構により、センサ部のファイバの長さ依存性がほとんど出ないという特徴が生じることになる。ただし、この導光体伝搬光の利用は、導光体40が長くなればなるほど導光体40を構成しているファイバの光軸および径方向の不均一などの影響が生じることを見出しており、導光体40は2mm以下と短くすることが望ましい。図２に、導光体40の長さを0.91mmから1.07mmまで変化させた場合のスペクトルの測定値を示す。
　図２に示すように、導光体40の長さによって、スペクトルが小さくなるスペクトルディップの最も深くなる波長位置は変化する。しかし、スペクトルディップが生じる位置の変化は小さいことがわかる。導光体40の長さによってスペクトルディップの最も深くなる波長位置が変化する理由は、現時点において不明である。しかしながら、導光体40の長さを調整することで波長選択が可能であることを示している。
　導光体40の長さを1.07mmとして、導光体40の周囲を空気とした場合と、純水とした場合と、エタノールとした場合のスペクトル変化を図３に示す。図３に示すように、空気→純水→エタノールと屈折率が増大するのにしたがって長波長側にスペクトルディップがシフトしており、屈折率センサとして利用可能であることが確認できた。
　さらに、導光体40の外周面に、温度、湿度、圧力、あるいはガス濃度等によって屈折率が変化する被膜を形成した場合には、この被膜の屈折率の変化を検出できることから、各種のセンサを構成することができる。すなわち、被膜が温度によって屈折率が変化するのであれば温度センサとすることができる。被膜が湿度によって屈折率が変化するのであれば湿度センサとすることができる。被膜が圧力によって屈折率が変化するのであれば圧力センサとすることができる。被膜がガス濃度によって屈折率が変化するのであればガスセンサとすることができる。
＜第２実施形態＞
　上述した第１実施形態では、入射用光ファイバ10から導光体40に入射した光を出射用光ファイバ50へ透過させていたが、図４に示すように、導光体40'の端面に反射面41'を設けて、入射用光ファイバ10'から導光体40'に入射した光を反射させることもできる。
　すなわち、図５に示すように、入射用光ファイバ10'の中途部には光方向性結合器63を設けておき、光源61に一方端を接続し、中途部に光方向性結合器63が介設されている入射用光ファイバ10'の他方端に導光体40'を接続し、入射用光ファイバ10'の一部を出射用光ファイバとして導光体40'の反射面41'で反射した光を入射用光ファイバ10'の中途部の光方向性結合器63までに導いて、光方向性結合器63に一方端を接続した連結用光ファイバ50'の他方端を検出器62に接続して光ファイバ式計測装置としている。
　ここで、入射用光ファイバ10'及び連結用光ファイバ50'は、シングルモードファイバである。本実施形態では、コア径が約8.2μｍで、クラッド径が125μｍの光ファイバを用いている。
　導光体40'は、入射用光ファイバ10'と対向する端面に金属膜を蒸着することで反射面41'を形成している。本実施形態では反射面41'は金膜で形成している。
　本実施形態においても、導光体40'のコア40a'は、入射用光ファイバ10'のコア10a'よりも小さくしている。すなわち、第１実施形態の場合と同様に、入射用光ファイバ10'から導光体40'に入射された光は、導光体40'のコア40a'を中心として導光体40'のクラッド40b'内に大きく広がって導光体40'内を伝搬し、反射面41'で反射することとしている。本実施形態では、導光体40'のコア径が約2μｍで、導光体40'のクラッド径が125μｍであり、導光体40'の長さを0.96mmとしている。
　さらに、本実施形態では、図４に示すように、導光体40'の周囲に温度によって屈折率が変化するシリコーン樹脂製の被膜42'を設けている。このシリコーン樹脂製の被膜42'は、反射面41'部分にも設けてよい。
　このように、導光体40'をシリコーン樹脂製の被膜42'で被覆して温度計測を可能とし、空気の温度を室温から-50℃付近まで変化させた際のスペクトルディップの変化を図６に示す。
　図６より、スペクトルディップの波長と温度の関係から図７の温度－波長相関が得られ、スペクトルディップの波長から温度を見積もることができる。
　あるいは、図６において波長1588.88nmに着目し、この波長での光強度の変化から図８の温度－光強度変化相関が得られ、スペクトルの強度変化から温度を見積もることができる。
　なお、本実施形態では、被膜42'に温度によって屈折率が変化するシリコーン樹脂製を用いているが、所定の物理量によって屈折率が変化する被膜を用いることで、所定の物理量を計測できるセンサとすることができる。例えば、被膜がシリカゲル膜のように湿度によって屈折率が変化する場合には、湿度センサとすることができる。被膜がいわゆる感応膜のようにガス濃度によって屈折率が変化する場合には、ガスセンサとすることができる。
＜第３実施形態＞
　本実施形態の光ファイバ式計測装置は、図９に示すように、光源（図示せず）と、この光源に一方端を接続した入射用光ファイバ10"と、この入射用光ファイバ10"の他方端に接続した第１導光体20"と、この第１導光体20"に一方端を接続した中間光ファイバ30"と、この中間光ファイバ30"の他方端に接続した第２導光体40"と、この第２導光体40"に一端を接続して他方端を検出器（図示せず）に接続した出射用光ファイバ50"とを備えた光ファイバ式計測装置としている。本実施形態では、第１導光体20"及び第２導光体40"がセンサ体となっている。
　入射用光ファイバ10"、中間光ファイバ30"及び出射用光ファイバ50"は、シングルモードファイバである。本実施形態では、コア径が約8.2μｍで、クラッド径が125μｍの光ファイバを用いている。
　第２導光体40"は、上述した第１実施形態の導光体40と同じく、入射側の中間光ファイバ30"のコア30a"及び出射用光ファイバ50"のコア50a"よりも細径のコア40a"を有する光ファイバである。、本実施形態では、コア径が約2μｍで、クラッド径が125μｍの光ファイバを用いている。
　本実施形態の第２導光体40"は、上述した第１実施形態の導光体40と同じであるため、重複する説明は省略する。
　第１導光体20"は、入射用光ファイバ10"のコア10a"と同材質としており、入射用光ファイバ10"のコア10a"よりも太径とすることで、入射用光ファイバ10"から第１導光体20"に入射させた光に回折を生じさせることとしている。
　ここで、第１導光体20"は、入射用光ファイバ10"や中間光ファイバ30"と同径の円柱状としているが、必ずしも同径の円柱状とする必要はない。例えば図１０（ａ）に示すように、第１導光体は、入射用光ファイバ10"から中間光ファイバ30"に向けて拡径状としてもよい。ここで、中間光ファイバ30"は、入射用光ファイバ10"よりも太径としている。あるいは、図１０（ｂ）に示すように、第１導光体は、入射用光ファイバ10"や中間光ファイバ30"よりも太径としてもよく、逆に図１０（ｃ）に示すように、入射用光ファイバ10"や中間光ファイバ30"よりも細径としてもよい。あるいは、図１０（ｄ）に示すように、第１導光体は、入射用光ファイバ10"から中間光ファイバ30"に向けて縮径状としてもよい。また、第１導光体は、断面が円形となっている必要はなく、楕円形状や多角形状となっていてもよい。
　第２導光体40"も同様に、円柱形状ではなく、計測容易なスペクトルディップが得られやすいように、適宜の径状としてよい。
　本実施形態の光ファイバ式計測装置では、第２導光体40"の長さを短くすることができることから、小さい領域の計測を可能とすることができる。
　さらに、第１導光体20"も、入射用光ファイバ10"から第１導光体20"に入射した光の回折光が、第１導光体20"の周面で１回だけ全反射して中間光ファイバ30"に入射する長さとすることで短くすることができる。すなわち、本実施形態の光ファイバ式計測装置では、小さい領域の計測を可能とすることができる。
　特に、入射用光ファイバ10"と中間光ファイバ30"のコア径を約8.2μｍで、クラッド径と125μｍとし、第１導光体20"の径寸法を125μｍとすると、第１導光体20"の長さが2mm以内で第１導光体20"の周面で１回だけ全反射して中間光ファイバ30"に入射する条件となる。第１導光体20"の長さを2mm付近とした場合の、スペクトルディップの最も深くなる波長位置を計測した。結果を図１１に示す。
　図１１に示すように、第１導光体20"の長さが1.83mmで急峻なスペクトルディップが現れ、その前後では変化の緩やかなスペクトルディップが現れることが確認できた。なお、第１導光体20"の長さを1mm以下とした場合にはスペクトルディップが出現しなかったことから、第１導光体20"としては、長さが1mm以上である必要がある。一方、第２導光体40"は、第１実施形態で述べたように、1mm以下においても計測に利用できるスペクトルディップが出現可能である（図２参照）ことから、より小型化したい場合には、第１導光体20"よりも第２導光体40"の方がセンサ体として効果的である。
　第１導光体20"の長さを1.83mmとして、第１導光体20"の周囲を空気とした場合と、純水とした場合と、エタノールとした場合のスペクトル変化を図１２に示す。図１２に示すように、空気→純水→エタノールの順で屈折率の増大にともなって長波長側にスペクトルディップがシフトしており、屈折率センサとして利用可能であることが確認できた。
　本実施形態のように第１導光体20"と第２導光体40"を備えた光ファイバ式計測装置とする場合には、第１導光体20"に起因したスペクトルディップと、第２導光体40"に起因したスペクトルディップとが十分離れていることが望ましい。これは、第１導光体20"または第２導光体40"の形状を調整することで、容易に調整ができる。
　図９に示すように、本実施形態の光ファイバ式計測装置では、第２導光体40"の周囲に温度によって屈折率が変化する被膜42"を設けている。被膜42"は、具体的には、シリコーン樹脂を用いて作製できる。なお、温度によって屈折率が変化する被膜42"とするのではなく、例えば湿度によって屈折率が変化するシリカゲル膜や、ガスを吸着することで屈折率が変化する感応膜を用いてもよい。
　図１３に、第２導光体40"にシリコーン樹脂製の皮膜42"を設けた光ファイバ式計測装置を用いて、空中で30～80℃まで温度を変化させた際のスペクトルの変化を示す。ここで、入射用光ファイバ10"、中間光ファイバ30"及び出射用光ファイバ50"には、コア径が約8.2μｍで、クラッド径が125μｍのシングルモードファイバを用いている。第１導光体20"には、入射用光ファイバ10"のコアと同材質で、外径125μｍで、長さ1.83mmの円柱状の光ファイバを用いている。第２導光体40"は、コア径が約2μｍで、クラッド径が125μｍで、長さ1,07mmの光ファイバを用いている。
　図１３において、波長1490nm付近のスペクトルディップは、第１導光体20"に起因した干渉から得られるスペクトルディップである。また、波長1280nm付近のスペクトルディップは、第２導光体40"に起因したスペクトルディップである。
　図１４は、図１３の波長1280nm付近の拡大図である。図１４に示すように、温度によってスペクトルディップの波長がシフトしており、これを利用して温度計測が可能となっている。
　また、図１５には、温度を30℃に固定して、第１導光体20"及び第２導光体40"の周囲を空気とした場合と、純水とした場合と、エタノールとした場合のスペクトル変化を示す。図１５に示すように、空気→純水→エタノールの順で屈折率が増大するにつれて、波長1490nm付近の第１導光体20"に起因した干渉から得られるスペクトルディップはシフトする一方で、波長1280nm付近の第２導光体40"に起因したスペクトルディップには変化がない。このことから、屈折率と温度とを完全に独立させて計測できていることがわかる。
　他の実施形態として、第３実施形態の第２導光体40"の代わりに、第２実施形態の導光体40'とすることもできる。
　10,10',10"　　 入射用光ファイバ
　10a,10a',10a"　コア
　20"　　　　　　第１導光体
　30"　　　　　　中間光ファイバ
　30a"　　　　　 コア
　40,40'　　　　 導光体
　40"　　　　　　第２導光体
　40a,40a',40a"　コア
　40b　　　　　　クラッド
　41'　　　　　　反射面
　42',42"　　　　皮膜
　50, 50"　　　　出射用光ファイバ
　50a,50a"　　　 コア
　50'　　　　　　連結用光ファイバ
　61　　　　　　 光源
　62　　　　　　 検出器
　63　　　　　　 光方向性結合器

Claims (7)

  1. 　光源と、
    　この光源に一方端を接続した入射用光ファイバと、
    　この入射用光ファイバの他方端に接続した導光体と、
    　この導光体に一端を接続して他方端を検出器に接続した出射用光ファイバと
    を備え、前記導光体をセンサ体としている光ファイバ式計測装置において、
    　前記導光体は、前記入射用光ファイバのコア及び前記出射用光ファイバのコアよりも細径のコアを有する光ファイバである光ファイバ式計測装置。
  2. 　前記入射用光ファイバから前記導光体に入射させた光を前記導光体のクラッド内に広がらせた導光体伝搬光としている請求項１に記載の光ファイバ式計測装置。
  3. 　前記導光体伝搬光は、前記導光体の外周縁を境界として定在条件を満たす位相状態の光であって、前記導光体の中心位置で光強度が最大となる波形の波長の光と、前記導光体の中心位置で光強度が最小となる波形の波長の光が存在している請求項１または請求項２に記載の光ファイバ式計測装置。
  4. 　前記入射用光ファイバに接続した前記導光体の端面には反射面を設け、前記入射用光ファイバから前記導光体に入射した光を前記反射面で反射させ、
    　前記入射用光ファイバの一部を前記出射用光ファイバとして前記反射面で反射した光を前記入射用光ファイバの中途部に設けた光方向性結合器に導き、
    　この光方向性結合器と前記検出器とを光ファイバで接続した請求項１～３のいずれか１項に記載の光ファイバ式計測装置。
  5. 　光源と、
    　この光源に一方端を接続した入射用光ファイバと、
    　この入射用光ファイバの他方端に接続した第１導光体と、
    　この第１導光体に一方端を接続した中間光ファイバと、
    　この中間光ファイバの他方端に接続した第２導光体と、
    　この第２導光体に一端を接続して他方端を検出器に接続した出射用光ファイバと
    を備え、前記第１導光体と前記第２導光体をそれぞれセンサ体としている光ファイバ式計測装置において、
    　前記第２導光体は、前記中間光ファイバのコア及び前記出射用光ファイバのコアよりも細径のコアを有する光ファイバであり、
    　前記第１導光体は、前記入射用光ファイバのコアと同材質としている光ファイバ式計測装置。
  6. 　前記第１導光体は、前記入射用光ファイバから前記第１導光体に入射した光の回折光が、前記第１導光体の周面で１回だけ全反射して前記中間光ファイバに入射する長さとしている請求項５に記載の光ファイバ式計測装置。
  7. 　入射用光ファイバを介して光源から導いた光を導光体に入射させ、この導光体から出射された光を用いて前記導光体の周囲の物理量の変動を計測する光ファイバ式計測方法において、
    　前記導光体は、前記入射用光ファイバのコアよりも細径のコアを有する光ファイバとして、前記導光体に入射させた光を前記導光体のクラッド内に広がらせている光ファイバ式計測方法。
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