(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラッドと、このクラッド内に近接配置されて光伝搬方向の所定範囲にグレーティングがそれぞれ形成された第１及び第２の導波路とを備えた光導波媒体を用いて構成され、
前記第１及び第２の導波路には、周期的な屈折率変化を付与することにより前記グレーティングを形成するための第１の不純物が添加され、
前記第２の導波路には、前記第１の不純物の添加に起因した温度による屈折率変化とは反対の変化を示す第２の不純物が更に添加され、
前記第１の導波路中の前記グレーティングにおけるモード間結合によって生じる第１の透過損失ピークと前記第２の導波路中の前記グレーティングにおけるモード間結合によって生じる第２の透過損失ピークの各中心波長及び波長差によって張力と温度とを同時に測定することを可能とした光導波路グレーティングセンサ。
【請求項２】
前記第１の導波路は、前記第１の不純物としてゲルマニウムが添加された石英系ガラスであり、
前記第２の導波路は、前記第１及び第２の不純物としてそれぞれゲルマニウム及びボロンが添加された石英系ガラスである
ことを特徴とする請求項１記載の光導波路グレーティングセンサ。
【請求項３】
クラッドと、このクラッド内に近接配置されて光伝搬方向の所定範囲にグレーティングがそれぞれ形成された第１及び第２の導波路とを備えた光導波媒体を用いて構成され、
前記第２の導波路は前記第１の導波路よりも温度による屈折率変化が少なくなるように形成され、
前記第１の導波路中の前記グレーティングにおけるモード間結合によって生じる第１の透過損失ピークと前記第２の導波路中の前記グレーティングにおけるモード間結合によって生じる第２の透過損失ピークの各中心波長及び波長差によって張力と温度とを同時に測定することを可能とした光導波路グレーティングセンサ。
【請求項４】
前記第１の導波路は、前記クラッドの中心に配置された第１のコアであり、
前記第２の導波路は、前記第１のコアを取り囲むようにように形成された第２のコアである
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の光導波路グレーティングセンサ。
【請求項５】
前記第１及び第２の導波路にそれぞれ形成されたグレーティングは、反射モード結合型グレーティングであり、
前記第１の透過損失ピークは、前記第１の導波路中を正方向に伝搬するモードから負方向に伝搬するモードへの結合により生じるものであり、
前記第２の透過損失ピークは、前記第１の導波路中を正方向に伝搬するモードから前記第２の導波路中を負方向に伝搬するモードへの結合により生じるものである
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の光導波路グレーティングセンサ。
【請求項６】
前記第１及び第２の導波路にそれぞれ形成されたグレーティングは、放射モード結合型グレーティングであり、
前記第１の透過損失ピークは、前記第１の導波路中を正方向に伝搬するモードからクラッドモードへの結合により生じるものであり、
前記第２の透過損失ピークは、前記第１の導波路中を正方向に伝搬するモードから前記第２の導波路中を正方向に伝搬するモードへの結合により生じるものである
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の光導波路グレーティングセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、建造物や船、飛行機等の構造物の局所的な温度や応力の測定に利用されるセンサに係り、光透過特性の透過損失ピークの温度依存性及び張力依存性を利用して温度及び張力の同時測定を可能とする光導波路グレーティングセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバの長手方向に、コアの屈折率の周期的変化やコア径の周期的変化によるグレーティングを形成したファイバグレーティングは、透過特性において、導波モード間の結合により非常に狭い阻止帯域（透過損失ピーク）を持つ。この種のファイバグレーティングは、透過損失ピークの中心波長が温度や歪み（張力）に敏感に反応するため、温度センサ或いは張力センサとして用いることができる。各種の建築物や構造物に、このファイバグレーティングを用いたセンサを配置して、光の時分割技術や波長分割技術等を組み合わせることにより、多くの測定点の温度や歪み等を光学的に遠隔測定するシステムを構築することができる。
【０００３】
ファイバグレーティングには、導波モード結合の態様により、反射モード結合型と透過モード結合型とがある。
反射モード結合型では、ファイバのコアに１μｍ程度のグレーティングピッチの反射型グレーティングを形成する。この場合、コアを伝搬する光の特定波長成分がグレーティングにより反射されて、光透過特性に透過損失ピークを得ることができる。透過モード結合型ではファイバコアに数１００μｍ程度のグレーティングピッチの放射型グレーティングを形成する。この場合は、コアを伝搬する光の一部がグレーティングによりクラッドに結合されて導波路外に放射され、やはり光透過特性に透過損失ピークを得ることができる。
【０００４】
またファイバグレーティングとして、光透過特性に二つの透過損失ピークを持たせた２波長阻止型ファイバグレーティングが提案されている。２波長阻止ファイバグレーティングは、ファイバのコアの長手方向に二種のグレーティングを形成することにより作られる。この２波長阻止ファイバグレーティングは、温度変化に応じて実効屈折率が変化することにより二つの透過損失ピークの中心波長が変化することを利用して温度センサとして用いられる。またグレーティング部に応力がかかるとグレーティングピッチが変化することから、やはり透過損失ピークの中心波長が変化し、これをモニターすることにより歪みを検知することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した２波長阻止型ファイバグレーティングは、温度と張力に感応するため、温度変化と同時に張力変化がある場合、両者を分離して検知することができない。そこで、２波長阻止型ファイバグレーティングにより温度と張力を分離して測定可能とするために、温度特性の異なる複数の導波モード間の結合を利用する手法がいくつか提案されている。これは、一方の透過損失ピークを得るある結合モードの温度特性と、他方の透過損失ピークを得る結合モードの温度特性が異なっていれば、これを比較することにより、温度と張力を分離することができるという考えに基づく。しかしながら、これまで提案されている手法では、上述した二つの結合モードの温度特性の差は未だ小さく、温度と張力を確実に分離して検出することができない。
【０００６】
この発明は、上記事情を考慮してなされたもので、温度と張力を確実に分離して同時に測定することを可能とした光導波路グレーティングセンサを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る光導波路グレーティングセンサは、クラッドと、このクラッド内に近接配置されて光伝搬方向の所定範囲にグレーティングがそれぞれ形成された第１及び第２の導波路とを備えた光導波媒体を用いて構成され、前記第１及び第２の導波路には、周期的な屈折率変化を付与することにより前記グレーティングを形成するための第１の不純物が添加され、前記第２の導波路には、前記第１の不純物の添加に起因した温度による屈折率変化とは反対の変化を示す第２の不純物が更に添加され、前記第１の導波路中の前記グレーティングにおけるモード間結合によって生じる第１の透過損失ピークと前記第２の導波路中の前記グレーティングにおけるモード間結合によって生じる第２の透過損失ピークの各中心波長及び波長差によって張力と温度とを同時に測定することを可能としたことを特徴とする。
具体的に例えば、前記光導波媒体が石英系ファイバである場合、前記第１の導波路は、前記第１の不純物としてゲルマニウムが添加された石英系ガラスにより、また前記第２の導波路は、前記第１及び第２の不純物としてそれぞれゲルマニウム及びボロンが添加された石英系ガラスにより構成される。
【０００８】
この発明に係る光導波路グレーティングセンサはまた、クラッドと、このクラッド内に近接配置されて光伝搬方向の所定範囲にグレーティングがそれぞれ形成された第１及び第２の導波路とを備えた光導波媒体を用いて構成され、前記第２の導波路は前記第１の導波路よりも温度による屈折率変化が少なくなるように形成され、前記第１の導波路中の前記グレーティングにおけるモード間結合によって生じる第１の透過損失ピークと前記第２の導波路中の前記グレーティングにおけるモード間結合によって生じる第２の透過損失ピークの各中心波長及び波長差によって張力と温度とを同時に測定することを可能としたことを特徴とする。
この発明において例えば、前記第１の導波路は、前記クラッドの中心に配置された第１のコアであり、前記第２の導波路は、前記第１のコアを取り囲むようにように形成された第２のコアである。
また、前記第１及び第２の導波路にそれぞれ形成されたグレーティングは、反射モード結合型グレーティングであり、前記第１の透過損失ピークは、前記第１の導波路中を正方向に伝搬するモードから負方向に伝搬するモードへの結合により生じるものであり、前記第２の透過損失ピークは、前記第１の導波路中を正方向に伝搬するモードから前記第２の導波路中を負方向に伝搬するモードへの結合により生じるものである。
或いはまた、前記第１及び第２の導波路にそれぞれ形成されたグレーティングは、放射モード結合型グレーティングであり、前記第１の透過損失ピークは、前記第１の導波路中を正方向に伝搬するモードからクラッドモードへの結合により生じるものであり、前記第２の透過損失ピークは、前記第１の導波路中を正方向に伝搬するモードから前記第２の導波路中を正方向に伝搬するモードへの結合により生じるものである。
【０００９】
ファイバグレーティングの温度特性は、石英系ガラス等の光導波路媒体材料の温度による屈折率変化に依存する。一方、ゲルマニウム（Ｇｅ）添加石英ガラスからなるコアに、ボロン（Ｂ）を添加することにより、グレーティングの温度特性をコントロールする手法を、本出願人は先に提案している（特開平９−２７４１１５号公報参照）。
この発明はこの手法を応用したもので、クラッド層内に二つの導波路層が近接して形成された構造の光導波媒体を用い、二つの導波路層の一方に屈折率の温度依存性を低減する不純物を添加することにより、導波モード間の結合に起因して得られる二つの透過損失ピークの一方の中心波長の温度依存性を極小化し、これにより、二つの透過損失ピークの中心波長の位置が張力により変化すること、及び二つの透過損失ピークの中心波長の差が張力により変化せず温度により変化することを利用して、温度と張力を分離して同時に測定することが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施例を説明する。
図１は、光導波路媒体としてファイバを用いたこの発明の一実施例に係るファイバグレーティングセンサ１の光軸と直交する方向の断面を示し、図２は光軸に沿った断面を示している。
【００１１】
センサ１は石英系ガラスファイバであり、図１に示すように、中心に第１のコア１１ａがあり、これを取り囲むように第１のクラッド１２ａが設けられ、その外側に第２のコア１１ｂが設けられ、更にその外側に第２のクラッド１２ｂが設けられた、二重リング状のコア構造を有する。
クラッド１２ａ，１２ｂは純石英ガラス又はフッ素（Ｆ）が添加された石英ガラスである。コア１１ａ，１１ｂは、基本的に第１の不純物としてＧｅが添加石英ガラスであり、このＧｅ添加により屈折率を大きくして、図１に併せて示したような屈折率分布を持たせている。
【００１２】
この実施例では、第１，第２のコア１１ａ，１１ｂの一方に、Ｇｅと同時に屈折率の温度依存性を低減するための第２の不純物としてＢを添加している。具体的にこの実施例では、第２のコア１１ｂをＧｅ，Ｂ添加石英ガラスとしている。このＢ添加により、図１に示すように、第２のコア１１ｂの屈折率は第１のコア１１ａのそれに比べて低くなる。例えば、第２のコア１１ｂのＢ添加濃度を１〜２０ｗｔ％とすることにより、屈折率の温度依存性をＧｅドープ石英ガラス以下の純石英と同程度の小さいものとする。
【００１３】
この様なファイバグレーティングセンサ１は、周知の気相反応法を用いて作ることができる。そして、気相反応の過程で、第１のコア１１ａには、ＧｅＯ2を添加し、第２のコア１１ｂにはＧｅＯ2と同時にＢ2Ｏ3を添加することにより、上述のような二重リング状のコア構造を持つものが得られる。
【００１４】
ファイバグレーティングセンサ１には、図２に示すように、光伝搬方向（長さ方向）の所定範囲の第１及び第２のコア１１ａ及び１１ｂに、グレーティングピッチが２ｎ／λ（ｎ：屈折率、λ：波長）程度の反射型グレーティング１３が形成されている。このグレーティング１３の形成は、例えば紫外線照射によりＧｅ添加石英ガラスの屈折率が上昇するという現象を利用する。その具体的な方法としては、グレーティングピッチのスリットを形成した紫外光マスクを用いてスポット幅の大きい紫外線を照射する方法、スポット幅を小さくした紫外線をスキャンして照射する方法等、公知の方法が用いられる。好ましい紫外光の波長は２４０〜２５０ｎｍである。
【００１５】
この実施例のファイバグレーティングセンサ１には、図３（ａ），（ｂ）に示すように、第１，第２のコア１１ａ，１１ｂをそれぞれ光閉じ込め領域として光波を伝搬する二つの導波モードＬＰ０１，ＬＰ０２があるが、これらの導波モード間の結合により、図４に示すような二つの透過損失ピークＰ１，Ｐ２を持つ透過特性が得られる。一方の透過損失ピークＰ１は、第１のコア１１ａを正方向に伝搬する第１の導波モード（＋ＬＰ０１）から、第２のコア１１ｂを負方向に伝搬する第２の導波モード（−ＬＰ０２）への反射結合により発生するものである。もう一方の透過損失ピークＰ２は、第１の導波モードＬＰ０１についてグレーティング１３での反射により発生するもの、即ち正方向伝搬モード（＋ＬＰ０１）から負方向伝搬モード（−ＬＰ０１）への反射結合の結果によるものである。
【００１６】
この様な透過特性の二つの透過損失ピークＰ１，Ｐ２の中心波長λ１，λ２の温度及び張力依存性は、次のようになる。
＋ＬＰ０１から−ＬＰ０１への反射結合による透過損失ピークＰ２の中心波長λ２は、第１のコア１１ａでの伝搬光が支配的であるため、通常の反射型グレーティングにおける場合と同様の温度依存性を有する。一方、＋ＬＰ０１から−ＬＰ０２への反射結合による透過損失ピークＰ１の中心波長λ１は、Ｂドープにより屈折率の温度依存性が極小化された第２のコア１１ｂでの伝搬光が支配的であるため、殆ど温度により変化しない。
また、グレーティング１３に長手方向に張力がかかった場合、コア１１ａ，１１ｂの屈折率は同じ割合で変化するので、二つの透過損失ピークＰ１，Ｐ２の位置は同じように変化し、二つの中心波長λ１，λ２の変化の差は、０．１％程度と小さい。
【００１７】
従って、例えば二つの中心波長λ１，λ２の波長差をモニターすると、これはほぼ温度のみに依存して変化するから、温度と張力が同時に変化している場合にも、張力の影響を受けることなく、温度変化を検知することができる。また、中心波長λ１の位置またはλ１とλ２の位置をモニターすれば、これは張力に感応して同じように変化するから、張力検知が可能となる。
以上のようにこの実施例によるファイバグレーティングセンサ１では、温度と張力が同時にかかる場合にも、これらを確実に分離して同時に測定することが可能である。
【００１８】
実施例では、二重リング状のコアに反射型グレーティングを形成して、第１のコアでの＋ＬＰ０１から−ＬＰ０１への反射結合と、第２のコアでの＋ＬＰ０１から−ＬＰ０２への反射結合による二つの透過損失ピークを得る場合を説明したが、この発明はこれに限られない。例えば、コアに形成するグレーティングをより長周期の例えば、グレーティングピッチ５０〜５００μｍ、好ましくは１００〜３００μｍの放射型グレーティングとして、正方向のＬＰ０１から正方向のＬＰ０２への放射結合による透過損失ピークと、正方向のＬＰ０１からクラッドへの放射結合による透過損失ピークとを持たせて、第１のコア１１ａを伝搬する光を検出することにより、同様に温度と張力の分離測定を行うことが可能である。また、実施例では光導波媒体としてファイバを用いたが、平面型の光導波路構造を用いてもこの発明は有効である。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたようにこの発明によれば、光導波路層の不純物制御による温度特性制御を利用して、温度及び張力が同時に変化する場合でもこれらを分離して検知することを可能とした光導波路グレーティングセンサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の一実施例によるファイバグレーティングセンサの光軸に直交する方向の断面構造と屈折率分布を示す。
【図２】  同実施例のファイバグレーティングセンサの光軸方向の断面構造を示す。
【図３】  第１の導波モードＬＰ０１と第２の導波モードＬＰ０２を説明するための図である。
【図４】  同実施例のファイバグレーティングセンサの光透過特性を示す。
【符号の説明】
１…ファイバグレーティングセンサ、１１ａ，１１ｂ…コア、１２ａ，１２ｂ…クラッド、１３…グレーティング。
【図１】
0004053645.tif 000002
【図２】
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【図３】
0004053645.tif 000004
【図４】
0004053645.tif 000005