(57)【要約】  本願は、光伝搬方向に配向された軸方向及びそれに対して垂直に配向された半径方向を有する光学導波路を含むファイバー光学センサの光学導波路の屈曲及び／またはひずみを決定するための方法であって、光学導波路が、軸方向に中央に延在し、光学導波路の長さ全体に少なくとも実質的にわたって通る、光を導くためのコアと、コアを半径方向に取り囲むクラッディングと、を有し、軸方向に延在する光学導波路の少なくとも１つの区画であって、区画内に導入され、共通の断面平面を通って延在し、半径方向に光学導波路を通って配置された少なくとも２つのブラッグ格子を有する少なくとも１つの区画が存在し、ブラッグ格子が、コア内に、及び／またはコアとクラッディングとの間の境界上に、及び／または光のエバネセンス領域内のクラッディングの内側の縁の領域内に挿入され、本方法が、（ａ）光学導波路内に結合される光の反射光部分の強度の参照データを提供する段階と、（ｂ）光学導波路内に結合された光の反射光部分の少なくとも１つの光強度を測定する段階であって、光学導波路が、決定されるべき変形を有する、測定する段階と、（ｃ）光強度を参照データと比較することによって、変形を決定する段階と、を含む、方法を提供する。
2019531487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝搬方向に配向された軸方向及びそれに対して垂直に配向された半径方向を有する光学導波路（３）を含むファイバー光学センサ（１）の光学導波路（３）の屈曲及び／またはひずみを決定するための方法であって、
前記光学導波路（３）が、前記軸方向に中央に延在し、前記光学導波路（３）の長さ全体に少なくとも実質的にわたって通る、光を導くためのコア（５）と、前記コア（５）を前記半径方向に取り囲むクラッディング（６）と、を有し、
前記軸方向に延在する前記光学導波路（３９）の少なくとも１つの区画であって、前記区画内に導入され、共通の断面平面（１１）を通って延在し、前記半径方向に前記光学導波路（３）を通って配置された少なくとも２つのブラッグ格子（８、９、２０）を有する少なくとも１つの区画が存在し、
前記ブラッグ格子（８、９、２０）が、前記コア（５）内に、及び／または前記コア（５）と前記クラッディング（６）との間の境界上に、及び／または前記光のエバネセンス領域内の前記クラッディング（６）の内側の縁の領域内に挿入され、
前記方法が、
（ａ）前記光学導波路（３）内に結合される光の反射光部分の強度の参照データを提供する段階と、
（ｂ）前記光学導波路（３）内に結合された光の反射光部分の少なくとも１つの光強度（３５）を測定する段階であって、前記光学導波路（３）が、決定されるべき変形を有する、測定する段階と、
（ｃ）前記光強度（３５）を前記参照データと比較することによって、前記変形を決定する段階と、
を含む、方法。
【請求項２】
前記クラッディング（６）の前記内側の縁の領域が、前記クラッディング（６）の厚さの１０パーセント未満だけ、前記半径方向において前記クラッディング（６）内に延在する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記断面平面（１１）を通って延在する３つのブラッグ格子（８、９、２０）が、前記区画内に配置された、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記ブラッグ格子（８、９、２０）のうちの１つが、前記コア（５）内に中央に配置され、前記ブラッグ格子（８、９、２０）のうちの２つが、前記クラッディング（６）の前記内側の縁の領域内に配置され、または、前記３つのブラッグ格子（８、９、２０）が、前記クラッディング（６）の前記内側の縁の領域内に配置された、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記断面平面（１１）を通って延在する４つのブラッグ格子（８、９、２０）が、前記区画内に配置され、特に、前記４つのブラッグ格子（８、９、２０）が、前記クラッディング（６）の前記内側の縁の領域内に全て配置され、または前記コア（５）の前記縁にすべて配置され、または前記コア（５）の外側の縁の領域にすべて配置された、請求項１または２に記載の方法。
【請求項６】
前記ブラッグ格子（８、９、２０）が、前記コア（５）の中心の周りに対称的に分布されるように配置された、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記ブラッグ格子（８、９、２０）が、前記コア（５）の最大直径の半分未満の最大直径を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記ブラッグ格子（８、９、２０）の少なくともいくつかが、異なる格子定数を有する、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
少なくとも２つの光強度（３５）が測定され、３次元変形が、前記光強度（３５）を前記参照データと比較することによって決定される、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記光強度（３５）が、前記変形を決定する際に、分光計及び／またはＡＷＧフィルター素子及び／またはＦＧＢフィルター素子によって評価される、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記光学導波路に結合された光の波長多重化及び／または時間分解多重化が、変形を決定できるように実行され、及び／または、前記変形を決定する際に、前記光強度（３５）の評価が、波長多重化及び／または時間分解多重化によって実行される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記光学導波路（３）に結合される光の反射光部分の強度についての参照データが、前記光学導波路の既知の参照変形に依存して提供される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ファイバー光学センサの光学導波路の屈曲及び／またはひずみを決定するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マルチモード光学導波路と同様に単一モード光学導波路において、光は、定義され、数学的に記述可能な光モードで案内される。光モードは、光学導波路内の光の電磁場（光の場またはモード場）の分布を記述する。光学導波路は、例えばガラスファイバー内のコア、ガラス内のレーザー加工された構造、またはポリマー内の光伝導構造である。単一モード導波路の光モードは、光強度、すなわち光の場の強度が、光の場の中央、すなわち特にファイバーコアの中央において最大であり、半径方向外側においてガウシアン曲線に類似して全ての側へ向けて減少する。マルチモード導波路内の多くの可能な光モードの重ね合わせも同じように振舞う。
【０００３】
光学導波路が曲げられている場合、光学導波路内の最大光強度の位置は、屈曲とは反対の方向にシフトする。このプロセスも、数学的に記述可能であり、またはシミュレート、すなわち計算可能である。
【０００４】
ブラッグ格子は、光学導波路の材料内の周期的な屈折率変調の領域である。屈折率変調の周期は、格子定数としても知られており、光学導波路内を伝導する光の波長の範囲内の大きさである。この光は、ブラッグ格子によって少なくとも部分的に反射され、反射した光の強度は、特にその波長、ブラッグ格子への入射角及びブラッグ格子の格子定数に依存する。
【０００５】
特許文献１は、一般的な種類のファイバー光学センサを開示しており、ブラッグ格子の１つが中央コアに挿入され、さらに、ブラッグ格子がクラッディング内でファイバーコアに挿入されている。さらなるファイバーコアは、光学導波路の短い部分的な領域のみにわたって軸方向に延在し、中央コア内の光のエバネセンス領域からさらなるブラッグ格子まで光を伝導する。そのような光学導波路は製造が複雑である。光学導波路のひずみは、このセンサによって決定可能であり、ひずみ決定の基礎となる測定原理は、光学導波路内の光の波長の変化に依存し、この変化は、光学導波路の格子構造の回転または温度変化に起因して発生する。したがって、ひずみが決定される際に、光学導波路の温度誘導された伸長の、追加的な同時検出を行うことはできない。
【０００６】
特許文献２は、複数の異なるブラッグ格子とともに、コア及びクラッディングを有する光ファイバーを開示しており、複数の異なるブラッグ格子は、光ファイバーの異なる位置に配置されている。しかし、この先行技術は、ファイバー光学センサの光学導波路の屈曲及び／またはひずみが、これによって決定されることは記載していない。
【０００７】
特許文献３は、複数軸ひずみ測定のための光学ひずみゲージを記載しており、これは少なくとも２つの直線状の光学導波路区画を有し、そのそれぞれは１つのブラッグ格子を有する。この先行技術は、光学導波路が少なくとも２つのブラッグ格子を有することを開示していない。さらに、この文献は、ひずみゲージが、ファイバー光学センサの光学導波路の屈曲及び／またはひずみを決定するために使用されることを記載していない。
【０００８】
個々のブラッグ格子の波長変化を介して、屈曲及び／またはひずみを測定することが知られている。これは、ファイバーが曲げられるとすぐに、ファイバーコアの様々な位置で利用可能な複数のブラッグ格子の波長のシフトを引き起こす。ある屈曲での波長の変化量は、ファイバーの中立軸（すなわち、典型的にはファイバーコアの中央）からの格子構造の距離に線形的に依存する。そのため、ファイバーコア（例えば４μｍの直径を有する）内の複数の構造について予測される波長変化は、マルチコアファイバーまたはクラッド内の導波路（例えば６０μｍを超える直径を有する）内のブラッグ格子のそれよりも１桁以上小さい。小さな信号変化に基づく波長評価は、大きな屈曲の場合であってもほとんど可能ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】独国特許出願公開第１０  ２０１４  ２１１  ９１８号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／０２３０８６１号明細書
【特許文献３】独国特許出願公開第１０  ２００５  ０３０  ７５３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そのため、本発明の１つの目的は、先行技術の欠点を低減し、特に屈曲及び／またはひずみの単純化された、信頼性のある、改善された測定を可能にする、ファイバー光学センサの光学導波路の屈曲及び／またはひずみを決定するための方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、請求項１に記載の方法によって、本発明に従って達成される。本発明の有利な改良は、従属請求項に記載されている。
【００１２】
本発明に従う方法は、従来技術のような絶対波長の代わりに、１つの場所に配置された、特に３つまたは４つの異なるブラッグ格子の光強度を測定するように働く。顕著に高い測定感度に加えて、本発明に従う方法は、この波長測定を介して温度及び／またはファイバーの伸長をさらに決定することができるように、波長をセンサのパラメータとして追加的に測定するために使用可能である。
【００１３】
導波路内の案内された光の強度分布は、全ての単一モード導波路について明確に決定することができる。このモード場は、以下に詳細に説明するように、屈曲でシフトする。互いに異なるブラッグ格子が本発明に従う方法におけるファイバーコア内の固定された位置に配置されるため、モード場とブラッグ格子との間の相互作用が変化する。局所的な屈曲は、波長にかかわらず、１つの位置に配置された、特に３つのブラッグ格子から推測されうる。測定された強度を比較することにより、ファイバーに沿った損失源とは独立して、本発明に従う方法を実行することも可能である。
【００１４】
本発明に従って使用されるファイバー光学センサは、光の伝搬の１つの方向に配向された軸方向及びそれに対して垂直に配向された半径方向を形成する光学導波路を有する。光学導波路は、軸方向に中央を通り、光学導波路の長さ全体に少なくとも実質的にわたって延在する、光を導くためのコアと、コアを半径方向に取り囲むクラッディング（シーシング）と、を有する。「実質的に長さ全体にわたって延在する」とは、例えば、光学導波路の１つの端部が、コアがその中まで延在しない終端領域を有して提供されることができることを意味するものと理解される。少なくとも２つのブラッグ格子が挿入された、軸方向に通る光学導波路の少なくとも１つの区画が存在する。ブラッグ格子は、ここでは、半径方向に離隔され、すなわち断面の対称軸に対して異なる距離に、及び／または異なる方向に配置される。
【００１５】
本発明のいくつかの実施形態において、少なくとも２つのブラッグ格子は、光学導波路を通って半径方向に配置された共通断面平面内に配置可能である。換言すれば、ブラッグ格子は、軸方向に少なくとも部分的に重複する。これは、これらが半径方向に空間的に離隔されているが、その長さは中心軸方向への射影で重なることを意味している。
【００１６】
本発明によれば、ブラッグ格子は、コア内に、及び／またはコアとクラッディングとの間の境界上に、及び／または光のエバネセンス領域（モード場の縁）内のクラッディングの内側の縁領域内に挿入される。エバネセンス領域は、コアを通って案内される光が、その波の特性に起因して入るクラッディング内のコアの外側の領域である。
【００１７】
光学センサは、光学ファイバーの屈曲及び３Ｄ形状検出についての周期的な屈折率変調の振幅評価のための方法が可能になることによって、このように提供される。本発明に従って使用されるファイバー光学センサは、複数の、すなわち少なくとも２つの、特に３つまたは４つの周期的な屈折率変調の領域、すなわちブラッグ格子を、光学導波路の同じ区画内の区別可能な周期（格子定数）を有してプロセス加工する可能性に基づいている。本発明に従って使用されるセンサを製造する場合、光学導波路として、標準的な、例えばクラッディングを有するガラスファイバーが、基部として使用可能である。周期的屈折率変調を有する構造、すなわちブラッグ格子の、導波路のコアの縁の領域への局所的な導入は、光学導波路を通して案内された光のモード場伝搬を局所的に妨げるように実行される。このようにして、非常にコストの優れたセンサの製造が可能になる。ブラッグ格子は、クラッディング内のファイバーコアの近傍、導波路のエバネセント場の領域内と同様に、ファイバーコア内部及びその縁の両方に、例えば集束レーザー光を照射することによって配置可能である。ブラッグ格子を有するいくつかの領域が、光学導波路に沿って設けられる場合、対応する構造、すなわち軸方向に重なる複数のブラッグ格子が、光学導波路、例えば光ファイバーに沿って異なる位置に挿入される。
【００１８】
クラッディングの内側の縁の領域が、有利にはクラッディングの厚さの１０パーセント未満だけ、クラッディング内に半径方向に延在する。光学導波路を離れた後に反射の強度の良好な測定を実施することができるように、そこに位置するブラッグ格子によって、光の十分強い反射を得るために、コアからの光の十分な強度が、依然としてこの領域に入る。
【００１９】
断面平面を通る３つまたは４つのブラッグ格子が区画内に配置される場合、光学導波路、例えばファイバーの屈曲が、光学導波路内で強度損失があったとしても決定可能である。ファイバー屈曲の方向及び強さは、少なくとも３つの分布格子構造、すなわちブラッグ格子のいずれかの幾何学的配置から決定可能である。追加的な合計光強度測定が実行され、または強度損失がファイバー内で全く生じないように提供された２つの格子構造がすでに十分である。
【００２０】
ブラッグ格子のうちの１つが、コア内で中央に配置され、ブラッグ格子のうちの２つがクラッディングの内側の縁の領域に配置された場合、または３つのブラッグ格子がクラッディングの内側の縁の領域内に配置された場合、それらの位置は、光ガイドの屈曲の場合に、それらによって作り出される光の反射の強度を測定することによって、特に良好に決定可能である。
【００２１】
断面平面を通る４つのブラッグ格子が区画内に配置される場合、４つのブラッグ格子は全てクラッディングの内側の縁の領域内に配置され、または全てがコアの縁の上に配置され、または全てがコアの外側の縁の領域内に配置され、位置決定の結果の冗長性となり、測定の不正確さを補償しつつ、より正確に決定可能である。
【００２２】
ブラッグ格子が、コアの中心の周りに対称的に分布され、光学導波路内の位置、その決定される位置が、光学導波路内に均一部に分布されるようにブラッグ格子を配置するのが有利である。
【００２３】
ブラッグ格子が、コアの最大直径の半分よりも小さな最大直径を有する場合、それらの位置は、正確に決定可能である。通常、すなわち特に円形断面を有する光学導波路では、ブラッグ格子は楕円形の基本形状を有する。ここで、基本形状の長半軸は、格子の格子バーに対して垂直な光学導波路の軸方向を通る。
【００２４】
非常に有利なことに、ブラッグ格子の少なくともいくつかは、異なる格子定数を有する。このようにすると、光学導波路内の光、すなわちブラッグ格子による反射の異なる波長は、別個に良好に評価可能である。
【００２５】
本発明に従って使用されるファイバー光学センサは、以下のように製造可能である。
【００２６】
光伝搬方向に配向された軸方向及びそれに垂直に配向された半径方向を有する光学導波路を提供する段階であって、光学導波路が軸方向に中央を通り、光を導くために光学導波路の長さ全体に実質的にわたって延在するコアと、半径方向においてコアを取り囲むクラッディングと、を有する、光学導波路を提供する段階と、
【００２７】
共通の断面平面を通って延在し、半径方向に配置された少なくとも２つのブラッグ格子を、レーザー光、特にフェムト秒レーザーの照射によって、レーザー光の焦点位置を変化させることにより軸方向に延在する光学導波路の区画内に光学導波路を通して導入する段階と、を含み、
【００２８】
ブラッグ格子は、コア内及び／またはコアとクラッディングとの間の境界上及び／または光のエバネセンス領域内のクラッディングの内側の縁の領域内へ導入される。
【００２９】
例えば、ブラッグ格子は、レーザー放射によってコアの材料を改質することによって製造可能である。レーザー放射は、例えば１０ｎｓ未満、１ｎｓ未満、またはフェムト秒レーザーの場合には１００ｆｓ未満のパルス長でパルス化されうる。さらに、ブラッグ格子は、コア内の材料をドーピングすることによって作られうる。いずれの場合においても、ブラッグ格子は、コアを取り囲む材料の屈折率とは異なる屈折率を有する複数の空間的に閉じ込められた領域を含む。そのため、コア内を伝搬する光の一部は各境界で反射され、一部は透過する。あらかじめ決定可能な距離にある複数のそのような改質された領域は、格子定数に応じて、入射光のある波長範囲を反射し、その他の波長範囲の放射を透過するブラッグ格子を形成する。温度が変化し、または機械的応力が印加されると、ブラッグ格子は引伸ばされ、または圧縮され、格子定数が変化し、透過光または反射光の分光分析によって決定可能である。本発明に従って使用されるブラッグ格子は、レーザー材料加工によって、楕円断面を有して製造可能である。ここで、レーザー放射は、少なくとも１つの円筒形レンズによって、コア上に集束可能である。レーザー放射による材料改質は、レーザービームの焦点に限定されるため、楕円上の集束も、回転楕円体の形状を有する改質された空間領域を得る結果となる。フェムト秒書き込み技術は、ブラッグ格子を形成する屈折率構造を正確に配置するのに好ましく適している。屈折率構造は、フェムト秒レーザーパルスを用いて光学導波路内に導入される。
【００３０】
例えば温度変動によって引き起こされる、本発明に従うファイバー光学センサの光学導波路の屈曲及び／またはひずみを決定するための、本発明に従う方法は、以下の方法の段階、すなわち光学導波路の既知の参照変形に依存して、光学導波路に結合された光の反射光部分の強度の参照データを提供する段階を含む。強度データは、例えば測定及び／または計算によって生成されうる。決定される変形を有する光学導波路に結合された光の反射光部分の少なくとも１つの光強度を測定する段階、及び光強度を参照データと比較することによって変形を決定する段階も含む。
【００３１】
そのため、ブラッグ格子を形成する構造から後方反射された光強度の評価が実行される。先行技術の手法とは対照的に、本発明に従う測定原理は、格子構造の伸長または温度変化によって引き起こされる波長の変化とは独立している。したがって、形状検出に加えて、伸長または温度の検出が、ブラッグ格子反射の既知の評価方法を用いて直接実行されうる。例えば特許文献１に従う光学導波路のひずみ検出のための、ブラッグ格子の偏光依存性の評価も、屈曲及び形状検出とは独立して可能である。
【００３２】
少なくとも２つの反射光強度が測定される場合、３次元変形が、光強度を参照データと比較することによって決定可能である。
【００３３】
屈曲及び／またはひずみを決定する場合、分光分析器及び／またはＡＷＧ（アレイ状導波路格子）フィルター素子及び／またはＦＢＧ（ファイバーブラッグ格子）フィルター素子を用いて光強度を評価することが有利である。
【００３４】
屈曲及び／またはひずみを決定することができるように、光学導波路に結合された光の波長多重化及び／または時間分解多重化が実施されてもよく、これは、屈曲及び／またはひずみを決定する際に統計的方法によって誤差を最小化可能な測定信号を得る結果となる。反射光強度も、屈曲及び／またはひずみを決定する際に、波長多重化及び／または時間分解多重化によって評価可能である。
【００３５】
本発明の特別な実施形態が、添付した図面を参照して以下により詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】ファイバー光学センサを通る長手方向断面の概略図を示す。
【図２ａ】ファイバー光学センサの断面における、ブラッグ格子の異なる配置の概略図を示す。
【図２ｂ】ファイバー光学センサの断面における、ブラッグ格子の異なる配置の概略図を示す。
【図２ｃ】ファイバー光学センサの断面における、ブラッグ格子の異なる配置の概略図を示す。
【図２ｄ】ファイバー光学センサの断面における、ブラッグ格子の異なる配置の概略図を示す。
【図２ｅ】ファイバー光学センサの断面における、ブラッグ格子の異なる配置の概略図を示す。
【図２ｆ】ファイバー光学センサの断面における、ブラッグ格子の異なる配置の概略図を示す。
【図３ａ】ファイバー光学センサの光学導波路の屈曲及び／またはひずみを決定するための本発明に従う方法の基礎となる原理の図を示す。
【図３ｂ】ファイバー光学センサの光学導波路の屈曲及び／またはひずみを決定するための本発明に従う方法の基礎となる原理の図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
図１は、ファイバー光学センサ１の実施形態を通る長手方向断面の概略図を示す。長手方向断面は、センサ１の光学導波路３の軸方向ｚを通り、これは光学導波路３のコア５内の光伝搬の方向を表し、このコアは、例えばガラスファイバーからなる。コア５は、軸方向中央を通り、光学導波路３の長さ全体に実質的にわたって延在する。半径方向ｒ、すなわち光学導波路３の軸方向に対して垂直な方向に、例えばプラスチック材料からなるクラッディング６が、コア５をその保護のために取り囲む。軸方向及び半径方向は、ｒ−ｚ座標軸として描かれる。
【００３８】
２つのブラッグ格子（ＢＧ１及びＢＧ２）８、９が、軸方向に通る光学導波路内に挿入される。光学導波路３の軸方向にブラッグ格子とともに、複数のそのように離隔された区画を提供することも可能である。離隔されたブラッグ格子８、９は、光学導波路３を通って、半径方向に置かれた共通の断面平面１１を通過する。断面平面１１は、図面の平面に対して垂直になっているため、垂直な直線として図面に描かれている。ブラッグ格子８、９は同じ直径を有するため、これらは軸方向に完全に重なっている。一方のブラッグ格子８は、コア５の外側の縁の領域においてコア５に挿入される。もう一方のブラッグ格子９は、センサ１が使用されるときにコア５内を案内される光のエバネセンス領域内のクラッディング６の内側の縁の領域に挿入される。ブラッグ格子８、９の格子バーは、軸方向に対して垂直に延在する。格子ロッドは、顕著な長手方向への延在を有する必要はない。これらはまた、実質的に点形状であってもよい。これらは図示されるように、軸方向に対して平行な直線上に、一方が他方の後ろになるように整列される。
【００３９】
多層として呼ばれる、既知の重ねあわされたブラッグ格子とは対照的に、ブラッグ格子８、９として本発明に従うファイバー光学センサ１の光学導波路３に導入される周期的屈折率変調の構造は、ファイバーコア５の中央に対するその相対的な位置に関して異なり、コア５の直径よりも顕著に小さな断面（点状の直径）、すなわち最大直径を有する。構造はどちらも、本明細書ではファイバーコア５内に、特に縁の部分に配置されてもよく、または光学導波路３の光のエバネセント相互作用の領域、すなわちエバネセンス領域内のクラッディング（クラッディング材料）６の隣接する周囲の材料内に配置されてもよい。ファイバーは、ファイバーコア５の縁の領域及びクラッディング材料６内の周期的屈折率変調、すなわちブラッグ格子８、９の位置の例を示している。
【００４０】
図２ａから２ｆは、本発明に従うファイバー光学センサの光学導波路３の断面を通る１つの断面平面において、それぞれの場合におけるブラッグ格子の様々な配置の概略図を示している。断面平面は、図面の面と一致しており、そのため、これらは光学導波路３の円形周辺によってのみ表されている。これらは、特に、光学導波路３の良好な３Ｄ形状決定、すなわちその変形のモード場の縁における周期的屈折率構造、すなわちブラッグ格子２０の可能な幾何学的配置の例を示している。断面平面は、全て光学導波路３の半径方向に位置しており、すなわち、それらの表面の法線は、光学導波路３の軸方向に通っている。点でシンボル的に表されているブラッグ格子２０は、全て関連する光学導波路３の断面平面を通っており、これは、これらが断面平面に位置することを意味している。ブラッグ格子２０は、コア５の最大直径の半分よりも小さな最大直径を有する。
【００４１】
図２ｄから２ｆにおいて、断面平面を通る３つのブラッグ格子２０が、各断面に配置されている。図２ｄ及び２ｅでは、３つのブラッグ格子２０は、クラッディング６の内側の縁の領域内に配置されている。図２ｅでは、これらはコア５の中央の周りに対称的に分布されている。図２ｆでは、ブラッグ格子２０の１つがコア５内に中央に配置され、ブラッグ格子２０の２つがクラッディング６の内側の縁の領域に配置されている。
【００４２】
図２ａから２ｃにおいて、断面平面を通る４つのブラッグ格子２０が各断面に配置される。図２ａでは、４つのブラッグ格子２０が全て、クラッディング６の内側の縁の領域に配置されている。図２ｂでは、全てのブラッグ格子２０が、コア５の縁に配置され、図２ｃでは全てのブラッグ格子２０が、コア５の外側の縁の領域に配置される。４つのブラッグ格子２０は、コア５の中央の周りに対称的に配置される。
【００４３】
図３ａ及び３ｂは、ファイバー光学センサの光学導波路３の変形、すなわち屈曲及び／またはひずみを決定するための、本発明に従う方法の基礎となる原理を示している。図３ａは、変形のない、すなわち直線の、２つのブラッグ格子８、９を有するファイバー光学センサの光学導波路３を示している。図３ｂでは、この導波路は曲げられている。光学導波路３では、変形を決定するために導入された光の強度分布Ｉ（モード場強度分布）は、それぞれの場合でその空間的モード場分布の形態で示されている。強度分布はガウシアン分布３０に対応し、傾けられたｘ−ｙ座標系で描かれている。変形のない光学導波路３では、ガウシアン分布３０はコア５の中央の周りに均等に分布し、曲げられた導波路では、ガウシアン分布３０は半径方向にシフトされ、そのため光学導波路のクラッディング６内にさらに延在する。
【００４４】
図の下側部分は、モード場の縁における周期的屈折率変調として形成されたブラッグ格子と、スペクトル的に広帯域な光の場との相互作用後の光の強度３５（強度信号）、すなわちそれぞれ反射されたスペクトルの強度を示している。光学導波路３が図示されたように曲げられた場合に、強度信号３５がどのように変化するかを見ることができる。光学導波路のコアの中央（ファイバーコアの中央）に対してある位置に周期的屈折率変調、すなわちブラッグ格子を有する構造について、後方反射光の強度（Ｉ）は、モード場がシフトして構造と相互作用したときに変化する。これは、ブラッグ格子によって反射された光強度の変化につながり、これは検出可能であり、または変形測定になる。各ブラッグ格子８、９の反射光３５の強度が屈曲に起因して変化したことが分かる。具体的に、図において上側のブラッグ格子（ＢＧ１）８に関する強度が増大し、図の下側のブラッグ格子（ＢＧ２）９に関する強度が低下した。
【００４５】
モードフィールドの変位及び、それに起因する、ファイバーの局所的な屈曲は、導波路の同じ位置からの複数の強度信号３５から計算可能である。多くのそのような測定点の内挿により、ファイバーの、すなわち空間内の光学導波路の３次元的形状の完全な再構築が可能になる。光学導波路のひずみ及び伸長とともに対応する効果も発生し、その決定について評価される。
【００４６】
ブラッグ格子によって反射された光の示された強度シフトに基づいて、ファイバー光学センサの光学導波路の屈曲及び／またはひずみを決定するための本発明に従う方法は、以下の方法の段階、特に光学導波路の既知の参照変形に依存する、光学導波路内に結合された光の反射された光の部分の強度（強度信号）の参照データ（較正パラメータ）を提供する段階と、決定される変形を有する光学導波路内に結合された光の反射光部分の少なくとも１つの光強度を測定する段階と、変形を決定する段階、すなわち光強度を参照データと比較することによって、反射光部分の光強度を評価する段階と、を含む。参照データは、例えばシミュレーションによって計算可能であり、または測定可能である。反射光部分、すなわちその光強度は、ブラッグ格子が図２に従う幾何学的配置で光学導波路に挿入されている場合に、変形の決定に特に良好に評価可能である。
【００４７】
ファイバー光学センサの強度信号の可能な評価は、曲げられていないセンサの強度比に対応する較正パラメータとともに、測定平面、すなわちブラッグ格子に伴われるすべてのセンサのそれぞれの電流強度比の比較に基づく。
【００４８】
強度信号、すなわちその高さの決定は、ブラッグ格子の全ての既知の評価方法、例えば通常の分光分析器に基づくＦＢＧ評価ユニット、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）システム、チューニング可能レーザーダイオード、周波数もしくは時間領域でランタイム選択可能なインタロゲーターを介して、または更なるブラッグ格子で実現可能である。これは、絶対値を測定することによって、または生データ信号に対する数学的な関数の適合によって実行可能である。
【００４９】
測定平面のブラッグ格子、すなわち光学導波路の断面平面上のブラッグ格子の可能な比は全て、関連するモード場のシフトに正確に割り当てることができる。図２ｄからｆに示されるように、４つの直交する格子を有するファイバー光学センサは、互いに別個に両方の空間的方向において光学導波路の屈曲をこのように直接決定することが可能である。
【００５０】
より一般的に、任意の２次元的配置に置かれた３つの格子について、曲げられていない導波路の数学的なモード場の記述の仮定において、明確なシフトが幾何学的方法及び数値的方法によって決定可能であり、これは３つの格子の実際に測定された相対的強度に対応する。ファイバーコア内の光の強度分布についての静的モデルの代わりに、異なる屈曲についての参照データとしてシミュレートされた、すなわち計算されたモード場を保存することも可能であり、これは屈曲の半径に応じた強度分布の特定のひずみを示す。数値解法と組み合わせて、これは、測定された信号強度の決定されるべきひずみ、例えば屈曲への変換の可能な精度を最大にすることを確実にする。
【００５１】
本発明に従う方法は、屈曲を決定することができるように、本明細書では互いに対して直角に整列された異なるファイバーコアの位置における３または４つの重ねあわされたＦＢＧに基づいて、以下に例として説明される：
（以下の説明では、Ｚ軸は光の伝搬方向であり、したがってＸ及びＹ軸はファイバーの断面の上面図である）。
【００５２】
１．所定のガラスファイバーパラメータ（コアの直径、屈折率、ファイバーの開口数）についてのモード場の強度分布は、正規分布で近似可能である。これは、任意のより正確な数学的モデルによってもなされうる。
【００５３】
２．センサ製造に起因して、採用されるブラッグ格子の互いに対する、またファイバーコアの中央に対する相対的な位置は、既知である（典型的には、ファイバーコアの縁において、例えば中央から２．２μｍ離れている）。単純化のために、以下では、２つのブラッグ格子が、Ｘ軸上でファイバーコアに対して対向する位置にあり、さらなるブラッグ格子はそれに対して垂直に、直接Ｙ軸上にあるものと考えられる。
（座標：ブラッグ格子１：（２．２μｍ、０μｍ）、ブラッグ格子２：（−２．２μｍ、０μｍ）、ブラッグ格子３：（０μｍ、２．２μｍ）、ブラッグ格子４：（０μｍ、−２．２μｍ））
【００５４】
３．全ての格子の測定された（及びプロセスに関連して異なる）強度は、曲げられていないファイバーの強度に規格化され、これはその空間位置において完全に中央にあるモード場を有する。この規格化は、較正定数を表す。
【００５５】
４．第１の２つのブラッグ格子間の強度比は、（Ｘ軸に沿って）曲げられていないファイバーに対応する。ファイバーが曲げられると、２つの対向するブラッグ格子間の強度比は変化する。
【００５６】
５．新しい強度比に到達することができるように、モード場がＸ方向においてどれだけシフトされたかを決定することが可能である。
【００５７】
各測定点における４つのブラッグ格子の評価に関して：
６．Ｙ軸上に対向する２つのブラッグ格子がある場合、この方法は、Ｙ軸についても直接実行可能である。
【００５８】
各測定点における３つのブラッグ格子の評価に関して（必要となる最小数のブラッグ格子という点で有利である）：
７．位置Ｘ＝０（すなわちＹ軸上）において予測される強度は、Ｘ軸に沿った点５において決定されたシフトされたモード場について得られる。この強度は、いわゆる仮想の第４の格子強度として使用される。
【００５９】
８．モード場のシフトはまた、上の点４及び５と類似して、第３のブラッグ格子と新しい仮想ブラッグ格子との間でＹ軸上で決定可能である。
【００６０】
これは、モード場のシフトの方向及び強度の両方を決定するのに使用可能である。
【００６１】
ガラスファイバーの屈曲の方向及び屈曲半径は、適切な変換モデル（もっとも単純な場合では、反比例依存）を介して直接得られる。
【００６２】
ガラスファイバーに沿った複数のそのような屈曲測定平面によって、完全な３Ｄ形状再構築が可能になる。
【００６３】
−単一モード導波路に対して異なる相対位置において少なくとも３つのブラッグ格子の形成、
−異なる波長の少なくとも３つのブラッグ格子の強度を評価し、区別することが可能な評価システム、
−ブラッグ格子の少なくとも３つの相対強度からモード場のシフトを決定するためのアルゴリズム（前述のような）、及び
−可能であれば、曲がっていないファイバーについてブラッグ格子の各空間位置におけるモード場の強度に対する、ブラッグ格子のランダムな、及び製造に関連する強度比を修正する規格化定数の決定、
が、本発明に従う方法で使用されれば有利である。
【００６４】
本発明は、記載された実施形態に限定されないことは言うまでもない。したがって、前述の説明は、限定ではなく例示的なものとして考えられるべきである。以下の特許請求の範囲は、言及された特徴が、本発明の少なくとも１つの実施形態に存在するものとして理解されるべきである。これは、さらなる特徴の存在を排除しない。特許請求の範囲及び前述の説明が「第１」及び「第２」の実施形態を規定している場合、この記載は、序列の順を決定することなく、２つの類似する実施形態を区別する働きをするものである。
【符号の説明】
【００６５】
１  ファイバー光学センサ
３  光学導波路
５  ファイバーコア
６  クラッディング
８、９  ブラッグ格子
１１  断面平面
２０  ブラッグ格子
３０  ガウシアン分布
３５  強度信号
【図１】
2019531487.tif 000003
【図２ａ】
2019531487.tif 000004
【図２ｂ】
2019531487.tif 000005
【図２ｃ】
2019531487.tif 000006
【図２ｄ】
2019531487.tif 000007
【図２ｅ】
2019531487.tif 000008
【図２ｆ】
2019531487.tif 000009
【図３ａ】
2019531487.tif 000010
【図３ｂ】
2019531487.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成31年4月9日(2019.4.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光伝搬方向に配向された軸方向及びそれに対して垂直に配向された半径方向を有する光学導波路（３）を含むファイバー光学センサ（１）の光学導波路（３）の屈曲及び／またはひずみを決定するための方法であって、
前記光学導波路（３）が、前記軸方向に中央に延在し、前記光学導波路（３）の長さ全体に少なくとも実質的にわたって通る、光を導くためのコア（５）と、前記コア（５）を前記半径方向に取り囲むクラッディング（６）と、を有し、
前記軸方向に延在する前記光学導波路（３９）の少なくとも１つの区画であって、前記区画内に導入され、共通の断面平面（１１）を通って延在し、前記半径方向に前記光学導波路（３）を通って配置された少なくとも２つのブラッグ格子（８、９、２０）を有する少なくとも１つの区画が存在し、
前記ブラッグ格子（８、９、２０）が、前記コア（５）内に、及び／または前記コア（５）と前記クラッディング（６）との間の境界上に、及び／または前記光のエバネセンス領域内の前記クラッディング（６）の内側の縁の領域内に挿入され、
前記方法が、
（ａ）前記光学導波路（３）内に結合される光の反射光部分の強度の参照データを提供する段階と、
（ｂ）前記光学導波路（３）内に結合された光の反射光部分の少なくとも１つの光強度（３５）を測定する段階であって、前記光学導波路（３）が、決定されるべき変形を有する、測定する段階と、
（ｃ）前記光強度（３５）を前記参照データと比較することによって、前記変形を決定する段階であって、前記ブラッグ格子（８、９、２０）の少なくともいくつかが、異なる格子定数を有する、前記変形を決定する段階と、
を含む、方法。
【請求項２】
前記クラッディング（６）の前記内側の縁の領域が、前記クラッディング（６）の厚さの１０パーセント未満だけ、前記半径方向において前記クラッディング（６）内に延在する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記断面平面（１１）を通って延在する３つのブラッグ格子（８、９、２０）が、前記区画内に配置された、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記ブラッグ格子（８、９、２０）のうちの１つが、前記コア（５）内に中央に配置され、前記ブラッグ格子（８、９、２０）のうちの２つが、前記クラッディング（６）の前記内側の縁の領域内に配置され、または、前記３つのブラッグ格子（８、９、２０）が、前記クラッディング（６）の前記内側の縁の領域内に配置された、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記断面平面（１１）を通って延在する４つのブラッグ格子（８、９、２０）が、前記区画内に配置され、特に、前記４つのブラッグ格子（８、９、２０）が、前記クラッディング（６）の前記内側の縁の領域内に全て配置され、または前記コア（５）の前記縁にすべて配置され、または前記コア（５）の外側の縁の領域にすべて配置された、請求項１または２に記載の方法。
【請求項６】
前記ブラッグ格子（８、９、２０）が、前記コア（５）の中心の周りに対称的に分布されるように配置された、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記ブラッグ格子（８、９、２０）が、前記コア（５）の最大直径の半分未満の最大直径を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
少なくとも２つの光強度（３５）が測定され、３次元変形が、前記光強度（３５）を前記参照データと比較することによって決定される、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記光強度（３５）が、前記変形を決定する際に、分光計及び／またはＡＷＧフィルター素子及び／またはＦＧＢフィルター素子によって評価される、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記光学導波路に結合された光の波長多重化及び／または時間分解多重化が、変形を決定できるように実行され、及び／または、前記変形を決定する際に、前記光強度（３５）の評価が、波長多重化及び／または時間分解多重化によって実行される、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記光学導波路（３）に結合される光の反射光部分の強度についての参照データが、前記光学導波路の既知の参照変形に依存して提供される、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
【国際調査報告】
2019531487.tif 000012
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