(57)【要約】【課題】簡易な工程で製造可能な光ファイバセンサを実現するセンサ用光ファイバを提供する。【解決手段】断面視において単一モードファイバのクラッド部１１に、コア部１２を中心とした正多角形の全ての頂点にその中心が配された配置以外の非等方的な配置で概略円形の空孔１３が形成されている。空孔１３の数は一つであること、又は、二つであることが好ましい。また、クラッド部１１とコア部１２との比屈折率差は０.７％以上であることが好ましい。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面視において単一モードファイバのクラッド部にコア部を中心とした非等方的な配置で概略円形の空孔が形成されていることを特徴とするセンサ用光ファイバ。
【請求項２】
前記空孔の数が一つであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ用光ファイバ。
【請求項３】
前記空孔の数が二つであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ用光ファイバ。
【請求項４】
前記クラッド部と前記コア部との比屈折率差が０.７％以上であることを特徴とする請求項１〜請求項３のうち何れか一項に記載のセンサ用光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ用光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバは長手方向にわたって光を長距離間伝搬させることができ、且つ可とう性が高いため、狭い場所や複雑な形状をした場所に敷設可能である。敷設された光ファイバに温度、圧力等の変化が加わると、ひずみや変形が生じ、例えば損失量、反射量、周波数等の光伝搬特性が変化する。この光伝搬特性の変化を検出することによって光ファイバはセンサとして機能する。このような光ファイバセンサのうち、光ファイバの長手方向にそって温度、湿度、歪み等のパラメータを測定するものが分布型ファイバセンサであり、一本の光ファイバで広範囲のパラメータの変化を測定することができる。また、分布型ファイバセンサは、一本の光ファイバで複数のパラメータの変化を同時に測定することもできる（非特許文献１，２参照）。
【０００３】
光ファイバセンサ用の光ファイバとして、偏波保持特性をもつ光ファイバが用いられる場合がある。特にＰＡＮＤＡ（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ  ａｎｄ  ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ−ｒｅｄｕｃｉｎｇ）光ファイバは単一モードファイバとの整合性が良く、偏波保持特性にも優れるため、光ファイバセンサとして広く用いられている(非特許文献３参照)。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】保立、「光ファイバーセンシング」、光学、社団法人日本光学会、平成２４年７月、第４１巻、第７号、ｐ．３５２−３６３
【非特許文献２】熊谷、三田、岡、大野、「コンクリート構造物用光ファイバセンサの開発と実証」、コンクリート工学、公益社団法人日本コンクリート工学会、平成１２年７月、第３８巻、第７号、ｐ．１７−２１
【非特許文献３】荒井、齋藤、小山、中村、横溝、相曽、「偏波保持光ファイバ」、古河電工時報、古河電気工業株式会社、平成１４年１月、第１０９号、ｐ．５−１０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、光ファイバセンサ用の光ファイバとして従来から用いられているＰＡＮＤＡ光ファイバは異なる熱膨張率を持つ複数のガラス材料を組み合わせて製造されるため、光ファイバセンサの製造工程が複雑になるという問題があった。
【０００６】
本発明は、前述の従来技術における問題を解決し、簡易な工程で製造可能な光ファイバセンサを実現するセンサ用光ファイバの提供を課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のセンサ用光ファイバは、断面視において単一モードファイバのクラッド部にコア部を中心とした非等方的な配置で概略円形の空孔が形成されていることを特徴とする。
ここで、コア部を中心とした等方的な配置とは、コア部を中心とした正多角形の全ての頂点に空孔の中心が配された配置、或いは同じ角数の多角形を重ね合わせた全ての頂点に空孔の中心が配された配置を示す。これに対し、コア部を中心とした非等方的な配置とは、コア部を中心とした等方的な配置以外の配置を示し、コア部を中心とした長方形や菱形の四つの頂点全てに空孔の中心が配された配置等が該当する。コア部を中心とした非等方的な配置を複数組み合わせた結果、正多角形の組み合わせで表せるようになった配置は等方的である。例えば、二つの長方形を互いにコア部を中心として９０°回転させて重ねた配置は、正方形配置の重ね合わせで表されるため、等方的である。図１（ａ）〜（ｃ）に正方形及びその重ね合わせで構成される等方的な配置例を示す。図１（ａ）は、コア部１２を中心とした正方形Ｓ１の全ての頂点に空孔１４の中心が配された配置を示している。図１（ｂ）は、コア部１２を中心とした正方形Ｓ２の全ての頂点に空孔１５の中心が配され、正方形Ｓ２と面積の等しい正方形Ｓ３が正方形Ｓ２に対してコア部１２を中心として一定の角度だけ回転して重ねられ、全ての頂点に空孔１６の中心が配された配置を示している。図１（ｃ）は、図１（ｂ）に示す配置において正方形Ｓ３が正方形Ｓ２より小さい面積の正方形Ｓ４に変更され、正方形Ｓ４の全ての頂点に空孔１７の中心が配された配置を示している。このようにコア部を中心とした等方的な配置で概略円形の空孔が形成されているセンサ用光ファイバに比べて、本発明のセンサ用光ファイバは、空孔の数が減じられて空孔を形成するためのドリルによる切削工程の数が減ることによって、簡易な工程で製造される。また、空孔の寸法や配置等の幾何学的形状を調整することにより、センサ用光ファイバの偏波保持特性の指標となる偏波モード複屈折の大きさが容易に制御される。
【０００８】
本発明のセンサ用光ファイバにおいて、前記空孔の数は一つであってもよい。
断面視における単一モードファイバのコア部を中心とした非等方的な空孔の配置のうち、最も簡単な配置は空孔が一つである場合である。これにより、空孔の数が最小になり、空孔を形成するためのドリルによる切削工程の数が一回で済むため、センサ用光ファイバがより簡易に製造される。
【０００９】
また、本発明のセンサ用光ファイバにおいて、前記空孔の数は二つであってもよい。
コア部を中心とした非等方的な空孔の配置のうち空孔が一つの場合に次いで簡単な配置は空孔が二つである場合であり、センサ用光ファイバが簡易に製造される。特にコア部を中心として点対称の位置に二つの空孔が設けられることでセンサ用光ファイバの紡糸時の歪みが低減される。
【００１０】
更に、本発明のセンサ用光ファイバにおいては、前記クラッド部と前記コア部との比屈折率差が０.７％以上であることが好ましい。
クラッド部とコア部との比屈折率差が０.７％以上と比較的高いことによってセンサ用光ファイバの許容曲げ半径が縮小される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のセンサ用光ファイバのクラッド部には、センサ用光ファイバの偏波保持特性を制御するために断面視において単一モードファイバのコア部を中心とした非等方的な配置で少数の空孔が形成されている。空孔を形成するためのドリルによる切削工程数がより削減されるため、本発明のセンサ用光ファイバは簡易に製造される。その結果、本発明のセンサ用光ファイバによって簡易な工程で製造可能な光ファイバセンサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】空孔の中心がコア部を中心として等方的に配された配置を示す図であって、（ａ）〜（ｃ）は配置例の模式図である。
【図２】本発明を適用したセンサ用光ファイバのクラッド部の一部を示す断面図であって、（ａ）は空孔が一つ設けられた場合を示し、（ｂ）は空孔がコア部を中心として完全に点対称な位置に二つ設けられた場合を示し、（ｃ）は空孔がコア部を中心として点対称な位置から少しずれた位置に二つ設けられた場合を示す。
【図３】本発明を適用したセンサ用光ファイバの断面とその寸法を示す模式図である。
【図４】図３に示すセンサ用光ファイバの二つの空孔の各半径と、空孔の中心とコア部の中心との間隔とを変化させたときのモード複屈折率の変化を示すグラフである。
【図５】図３に示すセンサ用光ファイバの二つの空孔のうちの一つの空孔の半径と、当該一つの空孔の中心とコア部の中心との間隔とを変化させたときのモード複屈折率の変化を示すグラフである。
【図６】図３に示すセンサ用光ファイバの断面においてコア部を中心として二つの空孔が設けられた場合に、コア部の直径、空孔の直径、空孔の中心とコア部の中心との間隔とを変化させ、クラッド部とコア部との比屈折率差を変化させたときのモード複屈折率の変化を示すグラフである。
【図７】図３に示すセンサ用光ファイバの断面においてコア部を中心として二つの空孔が設けられた場合に、クラッド部とコア部との比屈折率差を変化させたときに実現可能なモード複屈折率の範囲を示す図である。
【図８】本発明を適用したセンサ用光ファイバのクラッド部の一部とその寸法を示す断面図である。
【図９】図８に示すセンサ用光ファイバの片方の空孔の点対称な位置からのずれの量に対するモード複屈折率Ｂの変化を示すグラフである。
【図１０】本発明を適用したセンサ用光ファイバの温度を変化させたときのモード複屈折率の変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明を適用したセンサ用光ファイバについて、図２〜図１０を参照し、説明する。また、図２〜図１０においては、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。なお、以下の説明で用いる図面は模式的なものであり、長さ、幅、および厚みの寸法及び比率等は実際のものと同一とは限らない。
【００１４】
（第一実施形態）
本発明を適用した第一実施形態のセンサ用光ファイバ５について、図２（ａ）を参照しながら説明する。
【００１５】
図２（ａ）は、本実施形態のセンサ用光ファイバ５のクラッド部１１の一部を示す断面図である。センサ用光ファイバ５は単一モードファイバであって、コア部１２と、コア部周囲のクラッド部１１と、クラッド部１１に配設された空孔１３とを備え、図２（ａ）に示す断面形状を有して一方向に延在するように形成されている。
【００１６】
クラッド部１１とコア部１２との比屈折率差は、特に制限されないが、センサ用光ファイバ５の許容曲げ半径がより縮小される点から０．７％以上であることが好ましい。
【００１７】
空孔１３は、クラッド部１１にコア部１２を中心とした非等方的な配置で形成されている。前述のように、コア部１２を中心とした非等方的な配置とは、コア部１２を中心とした正多角形の全ての頂点に空孔の中心が配された配置以外の配置を示す。センサ用光ファイバ５の空孔１３は、図２（ａ）に示すようにコア部１２を中心とした非等方的な配置で一つ設けられている。なお、図２（ａ）にはコア部１２を中心として紙面上方に一つの空孔１３Ａが設けられた配置を例示しているが、空孔１３Ａはコア部１２を中心として断面内のどの位置に配されていてもよい。
【００１８】
空孔１３Ａの形状は、空孔１３Ａを形成するためのドリルによる切削作業がし易い点から、概略円形とされている。空孔１３Ａの寸法は、コア部１２及びクラッド部１１の寸法やクラッド部１１とコア部１２との比屈折率差、センサ用光ファイバ５の偏波モード複屈折の大きさ等を勘案して設定されることが好ましい。本発明を適用したセンサ用光ファイバの偏波モード複屈折の大きさと、空孔１３の寸法、コア部１２及びクラッド部１１の寸法やクラッド部１１とコア部１２との比屈折率差等の関係については後に詳しく説明する。
【００１９】
（第二実施形態）
本発明を適用した第二実施形態のセンサ用光ファイバ８について、図２（ｂ）を参照しながら説明する。
図２（ｂ）は、本実施形態のセンサ用光ファイバ８のクラッド部１１の一部を示す断面図である。なお、図２（ｂ）に示すセンサ用光ファイバ８の構成要素のうち、第一実施形態のセンサ用光ファイバ５と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００２０】
センサ用光ファイバ８の空孔１３は、図２（ｂ）に示すようにコア部１２を中心として完全に点対称な位置、若しくは、図２（ｃ）に示すように点対称な位置から少しずれた位置の何れか一方の位置に二つ設けられている。また、図２（ｂ）及び（ｃ）にはコア部１２を中心として紙面の上下方向において完全に点対称な位置、若しくは、点対称な位置から少しずれた位置に二つの空孔１３Ａ，１３Ｂが設けられた配置を例示しているが、これらの空孔１３Ａ，１３Ｂはコア部１２を中心として断面内のどの位置に配されていてもよい。
【００２１】
次いで、第一及び第二の実施形態のセンサ用光ファイバ５，８に例示される本発明を適用したセンサ用光ファイバ１０の偏波モード複屈折の大きさと、空孔１３の寸法、コア部１２及びクラッド部１１の寸法、クラッド部１１とコア部１２との比屈折率差等の関係について説明する。
【００２２】
センサ用光ファイバ１０の中心部にはクラッド部１１との比屈折率差Δが（１）式
【数１】
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で表されるコア部１２がある。（１）式において、ｎ1、ｎ２はそれぞれコア部１２とクラッド部１１の屈折率を表す。
【００２３】
センサ用光ファイバ１０の空孔１３は、コア部１２の中心から一定の間隔をおいた位置に配置されている。このようにクラッド部１１に空孔１３が形成されている構造においては、ｎ２としてクラッド部１１の等価屈折率を用いることができる。以下では特筆しない限り、コア部１２の直径を５μｍとして説明するが、コア部１２の直径は変更されてもよい。一般に比屈折率差Δとコア部１２の直径は、単一モード条件を満たす範囲で変更される。コア部１２の半径をａ、センサ用光ファイバ１０を伝搬する光の波長をλ０とした場合、単一モード条件は（２）式で表されるＶ値が２.４以下であれば満たされる。
【数２】
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光ファイバセンサにおいては、単一モード条件を満たす範囲以外の光ファイバが使用されることがある。
【００２４】
センサ用光ファイバ１０の偏波保持特性の指標としては、（３）式で定義されるモード複屈折率Ｂがよく用いられる。
【数３】
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（３）式において、ｎｘはセンサ用光ファイバ１０の一つの主軸方向の偏光の屈折率を表し、ｎｙは前記主軸に直交する方向の偏光の屈折率を表す。
【００２５】
図３は、センサ用光ファイバ１０の断面とその寸法を示す模式図である。図４は、図３に示すセンサ用光ファイバ１０の断面において、コア部１２を中心として完全に点対称な位置に寸法の等しい二つの空孔１３Ａ，１３Ｂが設けられた場合に、空孔１３Ａ，１３Ｂの半径ｒと、空孔１３Ａの中心と図示略のコア部１２の中心Ｏとの間隔ｙ１とを変化させたときのモード複屈折率Ｂの変化を示すグラフである。図５は、図３に示すセンサ用光ファイバ１０の断面において一つの空孔１３Ａが設けられた場合に、空孔１３Ａの半径ｒと、空孔１３Ａの中心Ｏと間隔ｙ１とを変化させたときのモード複屈折率Ｂの変化を示すグラフである。なお、図４及び図５に示すモード複屈折率Ｂの算出にあたり、クラッド部１１とコア部１２との比屈折率差Δは０.９％とした。図４及び図５ではモード複屈折率Ｂを対数で目盛っており、その場合には空孔１３の半径ｒとモード複屈折率Ｂとの関係は略直線で表されることがわかる。このようにモード複屈折率Ｂは、空孔１３の寸法、空孔１３の中心とコア部１２の中心Ｏとの間隔ｙ１、クラッド部１１とコア部１２との比屈折率差Δ等のパラメータと相互に関係を有している。即ち、当該関係をふまえて、センサ用光ファイバ１０の設計時には所望のモード複屈折率Ｂを与える構造及び各構成要素の配置が求められる。因みに、ＰＡＮＤＡファイバのモード複屈折率Ｂは５×１０−４程度である。
【００２６】
図６は、センサ用光ファイバ１０の断面においてコア部１２を中心として完全に点対称な位置に寸法の等しい二つの空孔１３Ａ，１３Ｂが設けられた場合（図３参照）に、コア部１２の直径と、空孔１３Ａ，１３Ｂの直径２ｒと、空孔１３Ａの中心とコア部１２の中心Ｏとの間隔ｙ１とを変化させ、クラッド部１１とコア部１２との比屈折率差Δを０.３％から１.１％まで変化させたときのモード複屈折率Ｂの変化を示すグラフである。図６に示すように、比屈折率差Δの変動に対して、モード複屈折率Ｂの変化は緩やかである。特に、コア部１２が直径９μｍの場合は単一モードファイバとの整合性がよく、比屈折率差Δを変化させてもモード複屈折率Ｂの変化が少ないことがわかる。
【００２７】
図７は、センサ用光ファイバ１０の断面においてコア部１２を中心として完全に点対称な位置に寸法の等しい二つの空孔１３Ａ，１３Ｂが設けられた場合（図３参照）に、クラッド部１１とコア部１２との比屈折率差Δを０.３％から１.１％まで変化させたときに実現可能なモード複屈折率Ｂの範囲を示す図である。図７には、参考のために典型的なＰＡＮＤＡファイバの比屈折率差Δを０.３％から１.１％まで変化させたときに実現可能なモード複屈折率Ｂの値を太い破線で示している。図７に示すように、比屈折率差Δが０.７％以上とされることによってセンサ用光ファイバ１０は典型的なＰＡＮＤＡファイバと同等のモード複屈折率Ｂを有し、センサ用光ファイバ１０の許容曲げ半径がより縮小される。
図８は、センサ用光ファイバ１０のクラッド部１１においてコア部１２を中心として点対称な位置から少しずれた位置に二つの空孔１３Ａ，１３Ｂが設けられた場合の断面の一部とその寸法を示す断面図である。図９は、図８に示すクラッド部１１において、片方の空孔１３Ａの点対称な位置からのずれの量に対するモード複屈折率Ｂの変化を計算したグラフであり、横軸は図８に示す角度θに対応する。計算では比屈折率差Δを０．９％とし、空孔１３Ａの半径ｒ、コア部１２の中心Ｏとの間隔ｙ１の組を、ｒ＝４μｍ、ｙ１＝６μｍ、ｒ＝５μｍ、ｙ１＝８μｍ、ｒ＝６μｍ、ｙ１＝１０μｍの３通りとした。図９に示すように、片方の空孔１３Ａが点対称な位置からずれる角度θが１５度以内であれば、モード複屈折率Ｂの減少は、完全に点対称な位置に二つの空孔１３Ａ，１３Ｂが設けられた場合の５％以下であり、二つの空孔１３Ａ，１３Ｂが、完全に点対称な位置に設けられた場合と点対称な位置から少しずれた位置に設けられた場合とで殆ど差がない結果が得られる。
【００２８】
一般に、光ファイバに張力が加わると光ファイバは引き延ばされ、群遅延時間に変化が生じる。前記光ファイバが偏波保持ファイバである場合は、速軸と遅軸の群遅延時間差も引き延ばされるため、モード複屈折率Ｂも変化する。このモード複屈折率Ｂの変化を測定することで引き延ばされた量がわかるため、センサ用光ファイバ１０は歪み計測用センサとして使用可能である。
【００２９】
一般に、光ファイバの材料として広く知られている石英ガラスの線膨張率は常温〜数百Ｋの範囲で略一定である。図１０は、センサ用光ファイバ１０の温度Ｔを変化させたときの熱膨張に起因するモード複屈折率Ｂの変化を示すグラフである。図１０に示すモード複屈折率Ｂは、コア部１２を中心として完全に点対称な位置に半径ｒが６μｍの二つの空孔１３Ａ，１３Ｂの中心を、センサ用光ファイバ１０の中心からそれぞれ１０μｍ離れた位置に配置した場合における計算値である。図１０に示すように、センサ用光ファイバ１０のモード複屈折率Ｂは、温度Ｔに対して負の依存性を有しており、温度Ｔが高まるに従って略直線的に減少する。このため、センサ用光ファイバ１０は温度計測用センサとしても使用可能である。
【００３０】
また、安価で偏波保持特性をもつセンサ用光ファイバ１０は、光ファイバセンサへの配線用光ファイバとしても好適である。
【００３１】
以上説明したように、本発明を適用したセンサ用光ファイバ１０では、断面視において単一モードファイバのクラッド部１１にコア部１２を中心とした非等方的な配置で概略円形の空孔１３が形成されているため、空孔１３の数が減じられる。これにより、空孔１３を形成するためのドリルによる切削工程の数が減るため、センサ用光ファイバ１０が簡易な工程で製造される。従って、センサ用光ファイバ１０によれば簡易な工程で製造可能な光ファイバセンサが提供される。また、空孔１３の寸法、配置等の幾何学的形状を調整すれば、センサ用光ファイバの偏波保持特性の指標となる偏波モード複屈折の大きさが容易に制御される。
【００３２】
また、第一実施形態のセンサ用光ファイバ５では、空孔１３の数が一つであるため、コア部１２を中心とした非等方的な空孔１３の配置のうち最も簡単な配置でクラッド部１１に空孔１３Ａが設けられている。これにより、空孔１３Ａを形成するためのドリルによる切削工程の数が一回で済むため、センサ用光ファイバ５がより簡易に製造される。従って、センサ用光ファイバ５によれば、より一層簡易な工程で製造可能な光ファイバセンサが提供される。
【００３３】
更に、第二実施形態のセンサ用光ファイバ８では、空孔１３の数が二つであるため、コア部１２を中心とした非等方的な空孔１３の配置のうち、空孔１３の数が一つの場合に次いで簡単な配置でクラッド部１１に空孔１３Ａ，１３Ｂが設けられている。コア部１２を中心とした等方的な配置で概略円形の空孔が形成されているセンサ用光ファイバに比べて空孔１３を形成するためのドリルによる切削工程の数が少なくなるため、センサ用光ファイバ８がより簡易に製造される。従って、センサ用光ファイバ８によれば、より一層簡易な工程で製造可能な光ファイバセンサが提供される。また、コア部１２を中心として完全に点対称な位置、若しくは、点対称な位置から少しずれた位置に二つの空孔１３Ａ，１３Ｂが設けられれば、センサ用光ファイバ８の紡糸時の歪みも低減される。
【００３４】
以上、本発明の好ましい実施形態等について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００３５】
例えば、センサ用光ファイバのクラッド部にトレンチ構造を併用して許容曲げ半径を更に縮小することができる（池田、松尾、姫野、原田、「接続損失を低減した低曲げ損失光ファイバ」、フジクラ技報、株式会社フジクラ、平成１５年１０月、第１０５号、ｐ．６−１０、等を参照）。
【００３６】
なお、本発明を適用したセンサ用光ファイバはコア部を中心とした非等方的な配置で空孔が三つ以上配された配置もとり得るが、空孔の数が増えるとドリルによる切削加工の工程数も増加する。そのため、センサ用光ファイバの空孔の数は少なく、具体的には空孔の数が二以下であることが製造コストの低減につながり、好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明を適用したセンサ用光ファイバは、モード複屈折率Ｂの変化を測定することによって温度、歪み等の計測用センサとして使用可能である。
また、本発明を適用したセンサ用光ファイバは構造が簡単であることから、ＰＡＮＤＡファイバに比べて安価な光ファイバセンサを実現することができる。
更に、本発明を適用したセンサ用光ファイバは、比屈折率差Δを高めることで通常の単一モードファイバに比べて許容曲げ半径を小さくできるため、長手方向においてジグザグ等の複雑な形状に配された光ファイバセンサを構成することができる。
そして、本発明を適用したセンサ用光ファイバは、その製造工程が簡易且つ安価であることから、センサ本体のみならず、従来は偏波非保持型ファイバを使用していた光ファイバセンサへの配線用光ファイバとしても経済性を損なわずに使用可能である。
【符号の説明】
【００３８】
５，８，１０…センサ用光ファイバ、１１…クラッド部、１２…コア部、１３，１３Ａ，１３Ｂ，１４，１５，１６，１７…空孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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