(57)【要約】【課題】測定可能な物理量の範囲を低コストで広げることを実現したセンサ用光ファイバを提供することを目的とする。【解決手段】センサ用光ファイバ１０のコア１１には、複数の反射領域２１〜２ｎを有するＦＢＧ２０が形成されており、各反射領域２１〜２ｎは、コア１１に形成された複数の格子部３０をそれぞれ含んでいる。各反射領域２１〜２ｎにおいて、格子部３０同士の間隔であるグレーティング周期は互いに異なる周期Λ１〜Λｎとなっており、各反射領域２１〜２ｎの反射スペクトルが互いに異なる放物線状となる。また、各反射領域２１〜２ｎの反射スペクトルのうち、波長方向において互いに隣り合う反射スペクトルは重なり合っている。それにより、ＦＢＧ２０全体の反射スペクトル２０は、反射強度が短波長側から長波長側に向かって漸次高くなる略三角形状となる。【選択図】図２
2012226016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光が伝播するコアと、
前記入射光が伝播する方向に沿って前記コアの屈折率を周期的に変化させたＦＢＧと
を備えたセンサ用光ファイバにおいて、
前記ＦＢＧは、前記入射光が伝播する方向に沿って隣接する複数の反射領域を有しており、
前記複数の反射領域は、前記コアの屈折率を互いに異なる周期で変化させており、
前記複数の反射領域の反射スペクトルのうち、波長方向において互いに隣り合う反射スペクトル同士は、少なくとも一部で重なり合うことを特徴とするセンサ用光ファイバ。
【請求項２】
前記コアの屈折率は、前記コアの屈折率とは異なる屈折率を有する複数の格子部を前記コアに形成することによって変化する請求項１に記載のセンサ用光ファイバ。
【請求項３】
前記複数の反射領域は、互いに同数となる複数の前記格子部をそれぞれ含む請求項２に記載のセンサ用光ファイバ。
【請求項４】
前記複数の反射領域における屈折率の周期は、前記入射光が伝播する方向における上流側から下流側に向かって順次長くなる請求項１〜３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】
この発明は、物理量を測定するためのセンサに用いられるセンサ用光ファイバに係り、特に、入射光に対して特定の波長の光を反射するＦＢＧを有するセンサ用光ファイバに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば被測定部の温度やひずみ量等の物理量を測定するためのセンサに、ＦＢＧ（ファイバブラッググレーティング）を有する光ファイバが利用される。ＦＢＧとは、光ファイバのコアの屈折率を所定の長さ周期（グレーティング周期）で変化させた回折格子であって、光ファイバへの入射光に対し、グレーティング周期に応じた特定の波長（ブラッグ波長）の光を反射し、残りの光を透過するという特性を有している。被測定部から印加される物理量に応じてＦＢＧが伸縮すると、それに伴ってグレーティング周期も変化する。ブラッグ波長は、グレーティング周期の変化量に対して線形に変化するため、ブラッグ波長の変化量に基づいてＦＢＧに印加された物理量を測定することが可能となる。
【０００３】
ここで、図５を用いて、一般的なＦＢＧを利用した物理量の測定方法について概略的に説明する。図５において符号１００で示される放物線状の領域は、測定対象となる物理量が印加される前におけるＦＢＧの反射スペクトルを示している。また、符号２００で示される領域は、短波長光源から光ファイバに入射される入射光のスペクトルを示しており、ＦＢＧは、この入射光を強度Ｓ１０にて反射する。以上の状態からＦＢＧを伸張させる物理量が印加されると、ＦＢＧの反射スペクトルは一点鎖線の領域１１０で示されるように長波長側にシフトし、反射光の強度がＳ１０からＳ２０へと変化する。したがって、ＦＢＧに印加された物理量が反射強度Ｓ１０、Ｓ２０の差異に基づいて相対的に求められる。
【０００４】
しかしながら、一般的なガラス製のＦＢＧで測定可能な物理量の範囲はそれほど広くなく、例えば物理量を温度とした場合、反射スペクトルのシフト量０．４ｎｍに対して測定可能な温度範囲は５０℃程度となる。つまり、被測定部の温度の変化幅がさらに広い場合、図５の二点鎖線で示される領域１２０のように、ＦＢＧの反射スペクトルが入射光のスペクトル２００から外れた位置までシフトしてしまうことがあり、この場合、ＦＢＧでの反射が起こらなくなって温度測定が不可能になるという問題が生じる。このような問題を回避する手段の１つとして、ＦＢＧの反射スペクトルのシフトに合わせて入射光の波長をシフトすることが挙げられ、例えば特許文献１には、航空機の外板の温度をＦＢＧで測定する温度測定システムの光源として、波長可変レーザを用いることが記載されている。
【０００５】
また、上記問題を回避する別の手段として、ＦＢＧの反射帯域を広くすることが挙げられ、例えば特許文献２には、一般的なＦＢＧより広い反射帯域を有するＣＦＢＧ（チャープドファイバブラッググレーティング）が記載されている。ＣＦＢＧとは、一般的なのＦＢＧが一定のグレーティング周期で形成されるのに対し、グレーティング周期が徐々に長くなるように形成されたものであり、それにより、ブラッグ波長に所定の帯域幅を持たせている。ブラッグ波長が所定の帯域幅を有することにより、ＣＦＢＧの反射スペクトルは波長方向に延びた略台形状となるため、その反射帯域は、反射スペクトルが放物線状である一般的なＦＢＧより広くなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００９−５１６８５５号公報
【特許文献２】特開２００３−３２２７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、特許文献１に記載の温度測定システムのように波長可変レーザを光源とした場合、物理量の変化幅が広くても、一般的なＦＢＧを用いて測定を行うことが可能となる。しかしながら、波長可変レーザは、例えばＬＥＤ等の短波長光源と比較すると高価な機器であるため、測定可能な物理量の範囲を広げるために要するコストが高くなるという問題点を有していた。
【０００８】
また、特許文献２に記載のＣＦＢＧは、一般的なＦＢＧより広い反射帯域を有するものであるが、その反射スペクトルは、反射強度のピーク値が一定である略台形状となっている。すなわち、特許文献２に記載のＣＦＢＧは、反射スペクトルのシフトに伴って反射強度が変化することがないため、物理量の印加前後における反射強度の差異から相対的に物理量を測定するというセンサ用途には利用できないという問題点を有していた。
【０００９】
この発明は、これらの問題点を解決するためになされたもので、測定可能な物理量の範囲を低コストで広げることを実現したセンサ用光ファイバを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明に係るセンサ用光ファイバは、入射光が伝播するコアと、入射光が伝播する方向に沿ってコアの屈折率を周期的に変化させたＦＢＧとを備えたセンサ用光ファイバにおいて、ＦＢＧは、入射光が伝播する方向に沿って隣接する複数の反射領域を有しており、複数の反射領域は、コアの屈折率を互いに異なる周期で変化させており、複数の反射領域の反射スペクトルのうち、波長方向において互いに隣り合う反射スペクトル同士は、少なくとも一部で重なり合うことを特徴とするものである。
【００１１】
ＦＢＧを複数の反射領域に分割し、これらの反射領域が互いに異なる周期でコアの屈折率を変化させるように構成したので、各反射領域の反射スペクトルが互いに異なるものとなり、これらを集合させたものがＦＢＧ全体の反射スペクトルとなる。尚、各反射領域の反射スペクトルは、コアの屈折率変化の周期に対応した波長を中心波長とし、中心波長における反射強度をピーク値とする略放物線状である。ここで、コアの屈折率変化の周期を短くした場合、反射スペクトルの帯域幅が広がるとともに反射強度のピーク値が低くなることが一般的となっている。逆に、屈折率変化の周期を長くした場合、反射スペクトルの帯域幅が狭くなるとともに反射強度のピーク値が高くなる。また、反射スペクトルの中心波長は、屈折率変化の周期が長くなるに従って長くなる。
【００１２】
各反射領域の反射スペクトルのうち、波長方向において互いに隣り合う反射スペクトル同士は少なくとも一部で重なり合うため、ＦＢＧ全体の反射スペクトルは、反射強度が短波長側から長波長側に向かって漸次高くなる略三角形状のものとなる。つまり、入射光に対する反射強度が物理量の印加前後で変化するようになるため、反射強度の差異に基づいて物理量を測定することができる。また、各反射領域の反射スペクトルの中心波長が互いに異なっていることにより、ＦＢＧ全体の反射スペクトルの反射帯域が広がった状態、すなわち測定可能な物理量の変化幅が広がった状態となるため、安価な短波長光源を用いて温度測定を行うことができる。したがって、センサ用光ファイバにおいて、測定可能な物理量の範囲を低コストで広げることが可能となる。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、センサ用光ファイバにおいて、測定可能な物理量の範囲を低コストで広げることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１に係るセンサ用光ファイバの構成を示す概略図である。
【図２】実施の形態１に係るセンサ用光ファイバにおけるＦＢＧの構成を概略的に示す部分拡大図である。
【図３】実施の形態１に係るセンサ用光ファイバにおけるＦＢＧの反射スペクトルを例示するグラフである。
【図４】実施の形態１に係るセンサ用光ファイバを用いた物理量の測定方法を説明するためのグラフである。
【図５】従来のＦＢＧを用いた物理量の測定方法を説明するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に、この発明の実施の形態について添付図に基づいて説明する。
実施の形態１．
まず、この実施の形態１に係るセンサ用光ファイバの構成について、被測定部の温度測定用センサに適用した場合を例として説明する。
図１に概略的に示すように、センサ用光ファイバ１０は、その一端側に接続された図示しない光源が発する入射光Ｌ１が伝播するコア１１と、コア１１の外周部を覆うクラッド１２とを備えている。また、センサ用光ファイバ１０は、入射光Ｌ１が伝播する方向に沿ってコア１１の屈折率を周期的に変化させた回折格子であるＦＢＧ２０を備えている。ＦＢＧ２０は、図示しない被測定部に設けられる部位であって、被測定部から印加される温度に対応した波長の光を入射光Ｌ１に対する反射光Ｌ２として反射し、残りの光を透過光Ｌ３として透過するという特性を有している。また、ＦＢＧ２０は、入射光Ｌ１が伝播する方向に沿って隣接するように形成されたｎ箇所の反射領域２１，２２，２３，・・・，２ｎを有している。
【００１６】
図２に示すように、ＦＢＧ２０は、コア１１の屈折率とは異なる屈折率を有する複数の格子部３０を、コア１１の軸方向に沿った所定の長さ周期で形成した部位である。つまり、ＦＢＧ２０におけるコア１１の屈折率の周期的な変化は、複数の格子部３０を形成することによって生じている。ここで、各反射領域２１〜２ｎに含まれる複数の格子部３０の数は同数となっているが、これらの領域において互いに隣り合う格子部３０同士の間隔、すなわちコア１１における屈折率変化の周期（グレーティング周期）は、反射領域２１〜２ｎごとに互いに異なっている。
【００１７】
より具体的に説明すると、入射光Ｌ１が伝播する方向において最も上流側に位置する反射領域２１では、グレーティング周期が最も短いΛ１となるように格子部３０が形成されている。また、反射領域２１の下流側に隣接する反射領域２２では、反射領域２１のグレーティング周期Λ１より長いグレーティング周期Λ２となるように格子部３０が形成されている。同様に、反射領域２３（図１参照）以降のグレーティング周期も、上流側から下流側に向かって順次長くなっており、最も下流側に位置する反射領域２ｎにおけるグレーティング周期Λｎが最も長くなっている。
【００１８】
ＦＢＧ２０が入射光Ｌ１に対して反射する反射光Ｌ２の波長（ブラッグ波長）は、グレーティング周期に応じて変化するようになっている。ここで、グレーティング周期が一定であるＦＢＧの反射スペクトルは、ブラッグ波長を中心波長とし、ブラッグ波長における反射強度をピーク値とする略放物線状となる。一般的に、ＦＢＧのグレーティング周期を短くすると、反射スペクトルの帯域幅が広がるとともに反射強度のピーク値が低くなる。逆に、グレーティング周期を長くすると、反射スペクトルの帯域幅が狭くなるとともに反射強度のピーク値が高くなる。また、反射スペクトルの中心波長となるブラッグ波長は、グレーティング周期が長くなるに従って長い波長となる。
【００１９】
すなわち、ＦＢＧ２０の各反射領域２１〜２ｎは、それらのグレーティング周期Λ１〜Λｎがそれぞれ一定であることにより、放物線状の反射スペクトルを有するものとなる。また、各反射領域２１〜２ｎの反射スペクトルは、それらのグレーティング周期Λ１〜Λｎが互いに異なっていることにより、中心波長、帯域幅及び反射強度のピーク値が互いに異なるものとなる。図３を用いて説明すると、最も短いグレーティング周期Λ１で形成された反射領域２１の反射スペクトル４１は、その中心波長λ１が最も短波長側にあり、且つ最も広い帯域幅と最も低いピーク値とを有するものとなる。
【００２０】
また、反射領域２１の下流側に隣接する反射領域２２は、反射領域２１のグレーティング周期Λ１より長いグレーティング周期Λ２で形成されているため、その反射スペクトル４２の中心波長λ２は反射スペクトル４１の中心波長λ１より長波長側となる。さらに、反射スペクトル４２は、反射スペクトル４１より狭い帯域幅と高いピーク値とを有するものとなる。以後の反射領域２３〜２ｎについても同様であり、グレーティング周期が長くなるのに従って反射スペクトルの中心波長、帯域幅及び反射強度のピーク値が順次変化する。最も長いグレーティング周期Λｎで形成された反射領域２ｎの反射スペクトル４ｎは、その中心波長λｎが最も長波長側にあり、且つ最も狭い帯域幅と最も高いピーク値とを有する。
【００２１】
ここで、各反射領域２１〜２ｎのグレーティング周期Λ１〜Λｎは、図３に示されるように、波長方向において互いに隣り合う反射スペクトル同士が少なくとも一部で重なり合うように設定されている。したがって、反射スペクトル４１〜４ｎを集合させたものであるＦＢＧ２０全体の反射スペクトル４０は、反射強度が短波長側から長波長側に向かって漸次高くなる略三角形状のものとなる。また、各反射スペクトル４１〜４ｎの中心波長λ１〜λｎが互いに異なっていることにより、ＦＢＧ２０全体の反射スペクトル４０は波長方向に広がった状態、つまり反射帯域が広がった状態となっている。
【００２２】
尚、センサ用光ファイバ１０は、例えば石英ガラス等の材料から形成されており、その熱膨張率は正の値となっている。また、一例として、各格子部３０は、センサ用光ファイバ１０のコア１１に紫外線等を照射することによって形成される。
【００２３】
次に、この発明の実施の形態１に係るセンサ用光ファイバ１０を用いて被測定部の温度を測定する方法について説明する。
まず、図１に示されるＦＢＧ２０が温度測定の対象となる被測定部に設けられる。次いで、センサ用光ファイバ１０の一端側には、センサ用光ファイバ１０に入射光Ｌ１を入射するための図示しない短波長光源と、ＦＢＧ２０からの反射光Ｌ２を監視するための図示しない測定器とが接続される。尚、入射光Ｌ１を発する短波長光源としては、例えばＬＥＤ等が用いられる。
【００２４】
被測定部に温度変化が生じる前である定常時においてセンサ用光ファイバ１０に入射光Ｌ１が入射されると、ＦＢＧ２０は、定常時の温度に対応した反射光Ｌ２を入射光Ｌ１に対して反射し、反射光Ｌ２が図示しない測定器によって監視される。ここで、入射光Ｌ１の光源にはＬＥＤ等の短波長光源が用いられているため、図４に示されるように、入射光Ｌ１のスペクトル５０の帯域幅がＦＢＧ２０全体の反射スペクトル４０の帯域幅より狭くなっている。つまり、定常時におけるＦＢＧ２０は、短波長の入射光Ｌ１を反射強度Ｓ１にて反射している。
【００２５】
定常時の状態から被測定部の温度が上昇すると、熱膨張係数が正の値であるＦＢＧ２０は被測定部の温度上昇量に応じて伸張するため、ＦＢＧ２０の各反射領域２１〜２ｎにおけるグレーティング周期Λ１〜Λｎ（図２参照）もそれぞれ長くなる。また、グレーティング周期Λ１〜Λｎが長くなることに伴って、各反射領域２１〜２ｎのブラッグ波長λ１〜λｎはそれぞれ長波長側にシフトする。すなわち、ＦＢＧ２０全体の反射スペクトル４０は、図４において符号４０’で示されるように長波長側にシフトする。
【００２６】
ここで、ＦＢＧ２０全体の反射スペクトル４０は、各反射領域２１〜２ｎの反射スペクトル４１〜４ｎ（図３参照）を集合させたものであり、反射強度が短波長側から長波長側に向かって漸次高くなる略三角形状となっている。したがって、被測定部の温度上昇に伴って長波長側の反射スペクトル４０’にシフトすると、反射光Ｌ２の強度がＳ１からＳ２へと変化するようになっている。センサ用光ファイバ１０に接続された測定器は、ＦＢＧ２０からの反射光の強度を測定可能となっており、反射強度Ｓ１、Ｓ２の差異に基づいて、被測定部の温度が算出される。
【００２７】
以上に述べたように、ＦＢＧ２０を複数の反射領域２１〜２ｎに分割し、これらの反射領域２１〜２ｎが互いに異なるグレーティング周期Λ１〜Λｎでコア１１の屈折率を変化させるように構成したので、各反射領域２１〜２ｎの反射スペクトル４１〜４ｎが互いに異なるものとなり、これらを集合させたものがＦＢＧ２０全体の反射スペクトル４０となる。各反射領域２１〜２ｎの反射スペクトル４１〜４ｎのうち、波長方向において互いに隣り合う反射スペクトル同士は少なくとも一部で重なり合うため、ＦＢＧ２０全体の反射スペクトル４０は、反射強度が短波長側から長波長側に向かって漸次高くなる略三角形状のものとなる。
【００２８】
つまり、入射光Ｌ１に対する反射強度が温度の印加前後で変化するようになるため、反射強度の差異に基づいて温度を測定することができる。また、各反射領域２１〜２ｎの反射スペクトル４１〜４ｎの中心波長λ１〜λｎが互いに異なっていることにより、ＦＢＧ２０全体の反射スペクトル４０の反射帯域が広がった状態、すなわち測定可能な温度の変化幅が広がった状態となるため、ＬＥＤ等の安価な短波長光源を用いて温度測定を行うことができる。したがって、センサ用光ファイバ１０において、測定可能な物理量の範囲を低コストで広げることが可能となる。
【符号の説明】
【００２９】
１０  センサ用光ファイバ、１１  コア、２０  ＦＢＧ、  ２１〜２ｎ  反射領域、３０  格子部、４１〜４ｎ  反射領域の反射スペクトル、Ｌ１  入射光、Λ１〜Λｎ  グレーティング周期（コアの屈折率変化の周期）。
【図１】
2012226016.tif 000003
【図２】
2012226016.tif 000004
【図３】
2012226016.tif 000005
【図４】
2012226016.tif 000006
【図５】
2012226016.tif 000007