(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つの第１のコア（１１）及び前記第１のコア（１１）を囲むクラッド（１０）を有する光導波路（１２）を含み、前記第１のコア（１１）が前記光導波路（１２）のほぼ全長にわたって延在するファイバセンサ（１）であって、前記センサ（１）は、前記クラッド（１０）によって少なくとも部分的に囲まれる少なくとも１つの第２のコア（２）を有し、前記第２のコア（２）の長手方向の範囲が前記光導波路（１２）の全長より短く、少なくとも１つのブラッグ格子（２３１ａ、２３１ｂ、２３２）が前記第２のコア（２）に導入されている光ファイバセンサ（１）に関する。本発明は更に、該光ファイバセンサ（１）の使用に関する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの第１のコア（１１）及び前記第１のコア（１１）を囲むクラッド（１０）を有する光導波路（１２）を含み、前記第１のコア（１１）が前記光導波路（１２）のほぼ全長にわたって延在するファイバセンサ（１）であって、
前記センサ（１）は、前記クラッド（１０）によって少なくとも部分的に囲まれる少なくとも１つの第２のコア（２）を有し、前記第２のコア（２）の長手方向の範囲が前記光導波路（１２）の全長より短く、少なくとも１つのブラッグ格子（２３１ａ、２３１ｂ、２３２）が前記第２のコア（２）に導入されていることを特徴とする光ファイバセンサ（１）。
【請求項２】
前記第２のコア（２）の前記長手方向の範囲が、
前記第２のコア（２）と前記第１のコア（１１）との間の光結合を可能にするように適合された少なくとも１つの第１の長手方向部分（２１）と、
前記クラッド（１０）において前記第１のコア（１１）から離れて導かれる少なくとも１つの第３の長手方向部分（２３）と、
前記第１の長手方向部分（２１）と前記第３の長手方向部分（２３）とを接続する少なくとも１つの第２の長手方向部分（２２）と、
を含むことを特徴とする、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
複数の第２のコア（２）を含み、それらの全てが、第３の長手方向部分（２３）を有し、且つ前記第１のコア（１１）からの少なくとも２つの異なる距離（ａ、Ａ）に配置されている、請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記第１のコア（１１）は、第１のスペクトルのレーザ放射線で励起されると、第２のスペクトルの光を生成するように適合され、前記第２のスペクトルは前記第１のスペクトルより広いこと、並びに／又は
前記第１のコア（１１）が、ドーパントを含むこと、及び／又は前記第１のコア（１０）が、エルビウム及び／又はイッテルビウムを含むことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項５】
前記第２のコア（１１）の前記第１の長手方向部分（２１）が、前記第１のコア（１１）の部分（１１２）に幾何学的に重なること、及び／又は
前記第２のコア（１１）の前記第１の長手方向部分（２１）が、前記第１のコア（１１）から約３μｍ未満、約２．５μｍ未満、又は約２．０μｍ未満の距離（ｅ）を有することを特徴とする、請求項２〜４のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項６】
少なくとも１つのブラッグ格子（１１１）が、前記第１のコア（１１）に配置されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項７】
少なくとも１つの第２のコア（２）の前記第３の長手方向部分（２３）が、前記光導波路（１２）の前記側面（１３）から約１０μｍ未満、約５μｍ未満、約３μｍ未満、約２μｍ未満、又は約１μｍ未満の距離を有することを特徴とする、請求項２〜６のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項８】
少なくとも２つのブラッグ格子（２３１、２３２）が、前記第３の長手方向部分（２３）に導入されることを特徴とする、請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
前記光導波路（１２）の前記側面（１３）のサブエリア（１３１）が、機能化されていることを特徴とする、請求項７又は８に記載のセンサ。
【請求項１０】
２つの隣接する第２のコア（２）間に囲まれた角度が、約９０°〜約１８０°の間であること、又は
２つの隣接する第２のコア（２）間に半径方向で囲まれた角度が、約９０°〜約１２０°の間であること、及び
２つの隣接する第２のコア（２）間に半径方向で囲まれた角度が、約１１０°〜約１３０°の間であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記クラッド（１０）が、ほぼ矩形の断面を有することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項１２】
前記センサの形状を測定するように適合されている評価回路（３）、及び／又は前記センサ（１）の前記クラッド（１０）の少なくとも１つのサブエリア（１３１）上の予め設定可能な分子の濃度を測定するように適合されている評価回路（３）、及び／又は前記センサの実際の形状を配置された地図データと比較することによって、前記センサ（１）を含むツールを誘導するように適合されている評価回路（３）を更に含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のセンサ。
【請求項１３】
ツールの形状を空間において測定するための、且つ／又は化学的分析のための、且つ／又は前記ツールを誘導するための、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のセンサ（１）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの第１のコア及び第１のコアを囲むクラッドを有する光導波路を有する光ファイバセンサであって、第１のコアが、光導波路のほぼ全長にわたって延びる光ファイバセンサに関する。本発明はまた、このセンサの使用に関する。
【背景技術】
【０００２】
光導波路に３つのコアを装備することが、米国特許第７，８１３，５９９Ｂ２号明細書から周知である。これらのコアのそれぞれは、複数のブラッグ格子を有するものとする。コアに結合された光の一部は、ファイバ格子上で反射され、その一部が透過する。反射される波長及び／又は反射される波長領域は、ブラッグ格子の格子定数に依存する。
【０００３】
格子定数は、ブラッグ格子が作製された時および、その作製後に該定数が機械的張力又は温度の影響下で変化した時に、順次定まる。光導波路が湾曲を有する場合に、３つのコアは、異なる曲率半径を含み、従って、各コアは、異なる機械的張力を有する。例えば、曲率中心により近いコアは圧縮され、曲率中心から一層遠いコアは伸ばされる。その結果、空間における光導波路の形状は、ブラッグ格子によって反射される波長を測定することによって、測定することができる。
【０００４】
しかしながら、この周知のセンサは、それが、３つのコアに光を結合し且つそこからの光を結合する高価な光学系を必要とするという欠点を有する。３つのコアが個々に読み取られなければならないので、それぞれの反射波長の分光装置に対してなされる要求が増加する。光導波路の形状が時間と共に変化する場合に、全てのコアからの反射スペクトルの測定もまた、同時に行われなければならない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，８１３，５９９Ｂ２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この周知のセンサに基づいて、本発明の目的は、製造が簡単で、且つわずかな労力で操作できる光ファイバセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、請求項１に記載の光ファイバセンサ（Fiber-optic sensor）及び請求項１３に記載の使用により、本発明に従って達成される。
【０００８】
光ファイバセンサは、少なくとも１つの光導波路を有する。本発明の幾つかの実施形態において、光ファイバセンサは、まさに１つの光導波路を有することができる。光導波路は、ほぼ円筒状の外側輪郭を有し、且つその長手方向の範囲においてツールに沿って、例えば内視鏡又はカテーテルに沿って延在できる。内視鏡又はカテーテルが、線形形状を有しない場合に、ツールの正確な形状は、光ファイバセンサの曲率を測定することによって、空間において検出することができる。一点の絶対座標又は位置が既知の場合に、ツールの全ての部分及び／又は断面の絶対位置が、同様に測定され得る。更に、ツールを、ツールの実際の形状を配置された地図データと比較することによって、誘導することができる。地図データは、例えば、地質断面図を含むことができ、その結果、ドリル穴の進路及び／又は穿孔工具の位置を測定することができる。地図データは、例えば、身体におけるカテーテルの位置を測定できるようにするために、人間の身体又は動物の体の脈管系（vascular system）のデータとすることができる。
【０００９】
本発明の他の実施形態において、光ファイバセンサは、ガラス又はプラスチック板の一部であってもよい。本発明の更に別の実施形態において、光ファイバセンサは、導管の形状及び／又は光ファイバセンサの近くの予め設定可能な分子（所定の分子）の濃度を測定できるように、容器又は導管（coduit）の一部であってもよい。
【００１０】
光導波路は、光導波路のほぼ全長にわたって延びる少なくとも１つの第１のコアを有する。第１のコアは、該少なくとも１つのコアより低い屈折率を有するクラッドによって囲まれる。その結果、該コアに結合された光は、光導波路の長手方向の範囲に沿って、コアとクラッドとの間の境界における全反射により導波され得る。本発明の幾つかの実施形態において、該コア及び該クラッドは、石英ガラスからなることができ、コアの屈折率は、ゲルマニウム又はリンを用いるドーピングによって、クラッドの屈折率と異なる。
【００１１】
本発明の他の実施形態において、光導波路は、高分子材料からなることができ、コアとクラッドとの間の屈折率の望ましい比率は、異なる組成、異なる架橋（cross-linkage）、又はドーピングによって得られる。
【００１２】
幾何学的に画定された境界が、コアとクラッドとの間で形成されてもよい。本発明の他の実施形態においては、コアは、クラッドへと連続的に変化しもよく、有効なコア直径は、波長及び／又は入射角の関数になる。
【００１３】
本発明の幾つかの実施形態において、任意選択の保護コーティングが、クラッドの外側に付着されてもよく、前記コーティングは、散乱光の侵入を防ぎ、光導波路の機械的な負荷容量を増加させ、且つ／又はツールにおける若しくはそのツール内の装着及び／又は埋め込みを容易にする。
【００１４】
本発明によれば、センサが、クラッドによって少なくとも部分的に囲まれた少なくとも１つの第２のコアを有し、第２のコアの長手方向の範囲は光導波路の長手方向の範囲より短いことが、ここで提案される。
【００１５】
この第２のコアは、少なくとも１つのブラッグ格子を有するものとする。光ファイバセンサが動作さられると、光は、第１のコアに結合され、且つ光導波路の長手方向の範囲を通過する。第１のコアを導波する光学パワーの一部は、第２のコアが導入されている予め設定可能な位置（所定の位置）で、エバネッセント結合によって第２のコアに入ることができる。第２のコアと前記コアを囲むクラッドとの屈折率の相違により、光の一部は、次に、第２のコアを導波する。予め設定可能な波長範囲が、ブラッグ格子において反射される。今度は、反射光は、第１のコアに入り、光導波路の端で検出することができる。
【００１６】
光導波路の幾つかの位置における曲率、温度、及び／又は影響を及ぼす機械的張力を測定するために、割り当てられたブラッグ格子をそれぞれ有する幾つかの第２のコアを光導波路のクラッドに導入することが可能である。しかしながら、光導波路は、分光計と光源に簡単に接触できる。何故なら、光導波路が、その端部で比較的少数の第１のコアしか有しないからである。光導波路が、単一の第１のコアを有するだけである場合に、接触は、光情報伝送で周知の装置及び方法を用いる一般に周知の方法で行うことができる。これは、信号の読み取り及び生成を特に単純で信頼できるものにする。
【００１７】
本発明の幾つかの実施形態において、第１のコアを、光導波路の対称軸上に配置してよい。光導波路が、回転円筒状の断面を有する場合に、第１のコアは、周囲のクラッドに対して同心円状に配置することができる。この実施形態は、第１のコアが、光導波路において中立のファイバを形成し、従って機械的な作用にほとんど影響されないままであるという利点を有する。
【００１８】
本発明の幾つかの実施形態において、第２のコアの長手方向の範囲は、少なくとも１つの第１の長手方向部分、少なくとも１つの第２の長手方向部分、及び少なくとも１つの第３の長手方向部分を有することができる。この場合に、第１の長手方向部分は、第２のコアと第１のコアとの間の光結合を可能にするように適合され、第３の長手方向部分は、第１のコアから離れてクラッドを導かれ(guided)且つ少なくとも１つのブラッグ格子を受け入れるように適合され、第２の長手方向部分は、第１の長手方向部分及び第３の長手方向部分を互いに接続する。この実施形態は、センサの応答特性が、光導波路の対称軸からの第３の長手方向部分の距離によって、調整され得るという利点を有する。即ち、光ファイバセンサは、高精度で小さな変形を検出するか、又はその測定範囲を用いて、大きな範囲の変形をカバーすることができる。第３の長手方向部分がまた、光が第２のコアに入り得ないような程度に第１のコアから離間して、配置され得るので、乱されない測定が行い得る。それと比較して、第２のコアの第１の長手方向部分は、コア間の光の決められた移動を可能にするように意図されている。一方で、これは、第１のコアに結合される放射線（radiation）に関し、他方で、ブラッグ格子によって反射され且つ第１のコアと従って読み取り分光計とに確実に達することができる放射線に関する。
【００１９】
本発明の幾つかの実施形態において、少なくとも１つの第２のコアは、レーザにより光導波路のクラッドの材料を処理することによって作製することができる。本発明の幾つかの実施形態において、短パルスレーザ、即ち、１ピコ秒未満又は１００フェムト秒未満の継続期間を有する個別パルス又はパルス列を放射するレーザが、この目的に使用され得る。クラッドにおける材料改質の深さは、異なる焦点位置を生成できる集光光学系によって調整することができる。連続的な第２のコアは、光導波路とレーザを相対的に移動させるか又は横にずらすことにより、光導波路のクラッドにおいてレーザによって露光された個別のドットから生成することができる。
【００２０】
本発明の幾つかの実施形態において、レーザ照射を用いて材料を処理することによって、少なくとも１つのコアに少なくとも１つのブラッグ格子を生成することがまた可能である。この目的のために、異なる屈折率を有する複数の空間領域が、少なくとも１つのコアに生成される。複数のかかる空間領域の距離は、反射波長及び／又は反射波長範囲を決定するブラッグ格子の格子定数を決める。この格子定数は、温度変化、コアの伸張又は圧縮によって変化し、従って、透過又は反射される波長を変えることによって、変形、機械的張力又は温度変化を検出することが可能である。
【００２１】
本発明の幾つかの実施形態において、センサは、複数の第２のコアを有し、その全てが、第３の長手方向部分を有し、少なくとも２つの異なる距離で且つ／又は光導波路の対称軸に対して配置される。この特徴は、予め設定可能な変形に関し、更に外側にある第２のコアが、更に内側にあるコアよりも広範囲に伸ばされるか又は圧縮されるという効果を有する。従って、大きなダイナミックレンジを有する大きな変形は、光導波路の対称軸により近い第２のコアによって、測定することができる。しかしながら、小さな変形は、更に外側のコアによって、高精度に測定することができる。
【００２２】
本発明の幾つかの実施形態において、ブラッグ格子を、第２のコアと、第１のコアの１つの位置すなわち光導波路の長手方向の範囲の１点に配置してもよい。第１のコアが、光導波路の対称軸上に従って光導波路の中立のファイバに位置する場合に、第１のコアにおけるブラッグ格子は、機械的変形に影響されないままである。しかしながら、全てのブラッグ格子は、温度変化と共に自らの格子定数を変化させので、第１のコアのブラッグ格子の信号は、第２のコアの測定信号の温度を補償するために用いることができる。
【００２３】
幾つかの実施形態において、第１のコアは、それが単色のレーザ放射線で励起された場合に、広帯域光を生成するように適合させることができる。これは、本発明の幾つかの実施形態において、第１のコアがドーパントを含むので、達成することができる。本発明の幾つかの実施形態において、ドーパントは、エルビウム及び／又はイッテルビウム（ytterbium）とすることができる。本発明のこの実施形態は、異なる格子定数の複数のブラッグ格子が、広帯域光又は白色光によって読み取られ得るという利点を有する。この広帯域光は、誘導放出によって第１のコア内に高効率で生成することができる。強力レーザ光源が、第１のコアを光学的に励起するために使用される場合に、光導波路の第１のコアで生成される広帯域放射線は、例えば、光導波路外のスーパールミネッセンスダイオードによって生成できる放射線より高い強度を有することができる。この結果、信号対雑音比は、本発明の幾つかの実施形態において改善することができる。
【００２４】
本発明の幾つかの実施形態において、第２のコアの第１の長手方向部分は、第１のコアの一部すなわち部分と幾何学的に重なることができる。従って、両方のコアが、同じ空間の少なくとも一部を幾何学的に占め、且つ結合された光が、第１のコアを導波するので、これは、第１のコアから第２のコアへの非常に効率的な光の移動につながる。
【００２５】
本発明の幾つかの実施形態において、第２のコアの第１の長手方向部分は、第１のコアから３μｍ未満、２．５μｍ未満、又は約２μｍ未満の距離を有することができる。この場合に、光は、エバネッセント結合によって、第１のコアから第２のコアに、且つ第２のコアから第１のコアに入ることができる。第２のコアの第２の長手方向部分が、第１のコアからますます分岐するので、結合は、急速に一層弱くなり、従って、第３の長手方向部分においてコア間に実質的な結合は、もはや存在しない。
【００２６】
本発明の幾つかの実施形態において、少なくとも１つの第２の導波路の第３の長手方向部分は、光導波路の側面から約１０μｍ未満、約５μｍ未満、約３μｍ、約２μｍ未満、又は約１μｍ未満の距離を有することができる。光導波路の表面に近いかかる第２のコアを導波する光は、吸着結合物の付着によって影響され得る。このように、センサの近くにおいて、予め設定可能な分子の濃度を測定することが可能である。これらの分子の低い濃度は、光導波路の側面への弱い付着に、従って第２のコアを導波する光学信号の小さな影響につながる。反対に、濃度の増加は、側面への付着の増加、従ってセンサの第２のコアにおける光学信号のより大きな影響に帰着する。
【００２７】
本発明の幾つかの実施形態において、光導波路の側面の少なくとも１つのサブエリアが、機能化され得る。この機能化は、予め設定可能な分子、即ちその濃度が測定されることになる予め設定可能な分子が、側面にますます付着するという効果を有する。同時に、他の分子の付着は、かかるセンサの感度を増加させるために抑制されてもよい。
【００２８】
本発明の幾つかの実施形態において、第３の長手方向部分は、少なくとも２つのブラッグ格子を有することができ、これらのブラッグ格子は、異なる格子定数、従って異なる共振周波数を有する。本発明の幾つかの実施形態において、２つのブラッグ格子の距離は、第２のコアにおいて約３ｍｍ〜約１０ｍｍとすることができる。本発明の幾つかの実施形態において、あるブラッグ格子は、それによって反射された波長が、検出される分子の光励起と共鳴（resonate）するような方法で、形成することができる。しかしながら、第２のブラッグ格子によって反射された波長は、共鳴することができない。このように、反射光の強度比の評価を介して、光導波路の側面上の粒子密度を測定することは非常に簡単である。
【００２９】
本発明の幾つかの実施形態において、複数の第２のコアが、光導波路の表面近くを導かれてもよく、その場合、光導波路の側面の異なるサブエリアが、異なる方法で機能化されてもよい。これは、単一のセンサでの異なる分子の検出を可能にする。
【００３０】
複数の第２のコアが、光導波路の表面近くに導かれる場合に、予め設定可能な分子の濃度は、光導波路の長手方向の範囲に沿った異なる位置で、空間分解方式で測定することができる。
【００３１】
本発明の幾つかの実施形態において、それぞれ割り当てられたブラッグ格子を有する幾つかの第２のコアは、長手方向部分に且つ／又は光導波路の位置に配置することができる。本発明の幾つかの実施形態において、２つの隣接する第２のコア間に半径方向で囲まれた角度は、約９０°〜約１８０°の間とすることができる。本発明の他の実施形態において、２つの第２のコア間に半径方向で囲まれた角度は、約９０°〜約１２０°の間とすることができる。本発明の更に別の実施形態において、２つの隣接する第２のコア間に半径方向で囲まれた角度は、約１１０°〜約１３０°の間とすることができる。
【００３２】
変形は、複数の第２のコアによって、全ての空間方向において測定することができ、従って、提案されるセンサを、空間において三次元に局在化してもよい。局在化が一平面においてのみ必要な場合に、より少数の第２のコアがセンサの光導波路において利用可能であってもよく、且つ互いに対して異なる角度を囲んでもよい。
【００３３】
本発明は、一般的な発明概念を制限せずに、図面によって、以下でより詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図１は、提案されるセンサの第１の実施形態からの断面を示す。
【図２】図２は、本発明によるセンサの第２の実施形態からの断面を示す。
【図３】図３は、本発明によるセンサの第３の実施形態からの断面を示す。
【図４】図４は、本発明の第３の実施形態の拡大断面を示す。
【図５】図５は、予め設定可能な分子を検出するための測定原理を説明する。
【図６】図６は、信号生成及び読み取りを示す。
【図７】図７は、回転対称センサの断面の様々な実施形態を示す。
【図８】図８は、矩形断面を有するセンサの断面の実施形態を例として示す。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
図１は、本発明の第１の実施形態を示す。図１は、光ファイバセンサ１の断面を示す。光ファイバセンサ１は、光導波路１２を含む。光導波路１２は、コア１１を有するクラッド１０を含む。図示された例示的な実施形態において、横断面は円形であり、従って、光導波路１２は、ほぼ円柱状の外形を有する。
【００３６】
第１のコア１１は、クラッド１０に対して同心円状に配置される。即ち、第１のコア１１は、光導波路１２の対称軸上に位置する。第１のコア１１は、光導波路１２のほぼ全長にわたって延在する。これは、次のことを除外しない。即ち、光導波路１２の一端のみで、信号読み取り及び信号生成用の、光及び／又は電子回路に接続される光導波路１２の端まで第１のコア１１が導かれていることを除外しない。反対側端部において、光導波路はまた、クラッド１０の材料で終了することが可能であり、従って、第１のコア１１が欠けている光導波路１２の更なる長手方向部分が存在する。
【００３７】
更に、光ファイバセンサ１は、２つの第２のコア２を有する。図示された例示的な実施形態において、１つの第２のコアが、光導波路１２の上半分に配置され、１つの第２のコア２が、光導波路１２の下半分に配置される。光導波路内の実際の状況は、図７によって以下でより詳細に説明される。たとえ２つの第２のコア２が、図１に示されている場合でも、それらは、必ずしも同じ切断面内に位置する必要はない。第２のコアの屈折率は、周囲のクラッドの屈折率と異なり、その結果、光は、境界で反射されることができる。
【００３８】
各第２のコア２は、第１の長手方向部分２１、第２の長手方向部分２２、及び第３の長手方向部分２３を有する。第１の長手方向部分２１は、エバネッセント結合によって、第１のコア１１を導波する光を受光するように適合されている。同時に、第２のコア２を導波する光は、エバネッセント結合によって第１のコア１１に導入されること可能である。
【００３９】
第３の長手方向部分２３は、第１のコア１１から一層大きな距離を有する。その結果、光結合は、第３の長手方向部分２３ではコア間において回避される。１つの割り当てられたブラッグ格子２３１ａ又は２３１ｂ夫々が、第３のコア２３に見られる。
【００４０】
第２の長手方向部分２２は、第１の長手方向部分２１を第３の長手方向部分２３に接続する。その結果、第１のコア１１を導波する光は、第１の長手方向部分２１及び第２の長手方向部分２２、並びに電磁放射線の一部がそれぞれのブラッグ格子２３１において反射される第３の長手方向部分２３を通して導波され、その結果、光のこの部分は、再び、第２の長手方向部分２２を通って第１の長手方向部分２１に導波され、そこで光は、エバネッセント結合によって第１のコア１１に入る。反射光は、導波路１２の端部へ伝搬し続け、そこで反射光は、分光計によって検出されることができる。
【００４１】
ブラッグ格子２３１ａ及び／又は２３１ｂによって反射される波長は、ブラッグ格子の格子定数に依存し、今度は、格子定数は、機械的張力によって影響され得る。図１に示されているように、下部ブラッグ格子２３１ｂは圧縮され、上部ブラッグ格子２３１ａは、光導波路１２の曲率で伸ばされる。従って、光導波路１２の曲率は、反射スペクトルの変化によって測定でき、従って、ファイバ光センサ１は、一次元又は多次元位置センサとして機能する。
【００４２】
第１のコア１１は、光導波路１２の長手方向の範囲のほぼ同じ位置に配置される別の任意選択のブラッグ格子１１１を含む。第１のコア１１が光導波路１２の中心に配置されるので、それは、光導波路１２の曲率において中立のファイバとして、長さの変化を受けない。しかしながら、反射スペクトルにおける変化が検出された場合に、それは、温度における変化、並びに結果としての、光導波路１２の屈折率及び長さにおける変化である。従って、任意選択のブラッグ格子１１１上で得られる測定値は、ブラッグ格子２３１ａ及び２３１ｂの測定値の温度補償をするために用いることができる。
【００４３】
図２は、本発明の第２の実施形態による断面を示す。本発明の同等の構成要素は、同等の参照符号を有し、従って、説明は、本質的な差に制限される。
【００４４】
第２の実施形態によるファイバ光センサ１もまた、光導波路１２を含む。第１のコア１１が、光導波路１２に形成され、且つ光導波路１２の対称軸上又は中心に位置する。第２のコア２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ及び２ｅが、周囲のクラッド１０内に形成される。既に上記で説明したように、これらのコアもまた、必ずしも切断面に位置する必要はない。
【００４５】
第１のコア１１を導波する光を第２のコア２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ及び２ｅに結合するために、第２のコア２の第１の長手方向部分２１は、各場合に、第１のコア１１の一部分１１２と幾何学的な重なりを有する。例えば、第２のコア２ａの第１の長手方向部分２１ａは、第１のコア１１の長手方向部分１１２ａと重なる。更に、第２のコア２ｂの第１の長手方向部分２１ｂは、第１のコア１１の長手方向部分１１２ｂと重なる。従って、第１のコア１１を導波する光は、単純な方法で、且つ高い効率で第２のコア２に結合することができる。
【００４６】
更に、第２のコアのそれぞれは、枝及び／又は分岐２５を有する。従って、複数の第２のコア２は、共通の第１の長手方向部分２１を有することができる。次に、割り当てられた第２の長手方向部分２２及び第３の長手方向部分２３は、分岐２５で開始する。
【００４７】
図２はまた、第２のコア２ａ、２ｃ及び２ｅの第３の長手方向部分２３が、光導波路１２の対称軸からのより小さな距離ａを有することを示す。これと反対に、第２のコア２ｂの第３の長手方向部分２３は、対称軸からのより大きな距離Ａを有する。従って、第２のコア２ａ、２ｃ及び２ｅは、曲率又は変形の広い範囲を検出することができる。第２のコア２ｂは、より大きな分解能従ってより高い精度を有する一層小さな範囲の曲率を検出するのに適している。
【００４８】
最後に、図２は、分子１４を検出するために働く第２のコア２ｄを示す。分子１４は、光導波路を囲む大気の成分であってもよいし、又は光導波路１２が浸漬される水溶液に溶かされていてもよい。
【００４９】
側面１３は、機能化された少なくとも１つのサブエリア１３１を有する。即ち、サブエリア１３１は、好ましくは分子１４がこのサブエリアに付着するような方法で、且つ／又はサブエリア１３１への他の分子の付着が低減又は回避されるような方法で作られる。
【００５０】
第２のコア２ｇの第３の長手方向部分２３は、側面１３の下方１０μｍ未満の距離に位置する。第３の長手方向部分２３を導波する光の少なくとも一部は、光導波路１２のクラッド１０から漏れることが可能であり、且つ共鳴により分子１４によって吸収され得る。第２のコア２ｄの第３の長手方向部分２３における第３の長手方向部分２３１におけるブラッグ格子２３１は、分子１４によって選択的に吸収される、従って、これらの分子の存在の証拠として用いることができる波長をフィルタリングするために働く。
【００５１】
図３は、本発明の第３の実施形態を示す。本発明の同等の部分は、同等の参照符号を提供され、従って、後続の説明は、本質的な差に制限される。
【００５２】
第３の実施形態もまた、第１のコア１１並びに複数の第２のコア２ａ、２ｂ、２ｃ及び２ｅを有する導波路１２を有する。これに関連し、第２のコア２ａ、２ｃ及び２ｅは、小さな分解能で大きな変形を測定するように適合され、第２のコア２ｂは、高分解能で小さな変形を検出するように適合される。最後に、第２のコア２ｄは、クラッド１３のサブエリア１３１上の分子１４を検出するために設けられる。
【００５３】
第２の実施形態に対する本質的な差は、第２のコア２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、及び２ｅの第１の長手方向部分２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ、及び２１ｅを、それらの縁辺と第１のコア１１の縁辺との間の距離ｅに配置することにある。距離ｅは、例えば、３マイクロメートル未満、２．５μｍ未満、又は２μｍ未満とすることができる。本発明の幾つかの実施形態において、距離ｅは、第１のコアを導波する光の約３波長未満、約２波長未満、又は約１波長未満である。その結果、光は、エバネッセント結合によって、第１のコアから第２のコアに、且つ第２のコアから第１のコアに導入されることができる。
【００５４】
図４は、図３の断面を示す。第２のコア２ｄが示されており、その第３の長手方向部分２３は、光導波路１２のクラッド１０の表面１３近くを導波する。例えば、第２のコア２ｄの第３の長手方向部分２３は、光導波路１２の側面１３から約１０μｍ未満、約５μｍ未満、約３μｍ未満、約２μｍ未満、又は約１μｍ未満の距離を有してよい。
【００５５】
側面１３のサブエリア１３１は、気相又は水溶液からの予め設定可能な分子の吸収を促進するように機能化することができる。検出される分子がサブエリア１３１に結合又は吸着される場合に、電磁放射線は、分子の電子遷移を励起することができ、従って、放射線は吸収され、付着している分子は、分光法によって検出することができる。これは、図５においてもう一度明らかにされる。これに関連して、電磁放射線の強度が、縦座標にプロットされ、波長は、横座標にプロットされる。
【００５６】
２つのブラッグ格子２３１及び２３２は、図５においてλＢｒａｇｇ１及びλＢｒａｇｇ２と呼ばれる異なる格子定数を有する。更に、検出される分子の吸収帯１４１は、図５に明確に表れている。従って、２つのブラッグ格子２３１及び２３２は、第１のコア１１及び第１の長手方向部分２３を介して第２のコア２ｄを導波する電磁スペクトルの異なる部分を第３の長手方向部分２３に反射する。強度比は、評価回路３によって測定することができ、従って、分子１４の存在は、強度比から直接推測することができる。ここで、比較的多数の分子は、信号のより大きな減衰をもたらし、従って、センサ１の近くの分子の濃度は、強度比から推測することができる。本発明の他の実施形態において、ブラッグ格子によって反射且つ／又は伝搬される波長の変位（前記変位（displacement）は、吸収された及び／又は吸着された分子によって引き起こされる）は、濃度を測定するために評価回路３によって検出することができる。
【００５７】
図６は、信号の読み取り及び生成をもう一度説明する。この目的のために、光導波路１２は、センサ１を介して評価回路３に接続される。評価回路３は、光源、例えば半導体レーザ又はスーパールミネッセンスダイオードを含む。光源が、例えば約９８０ｎｍの波長を有する半導体レーザを含む場合に、第１のコア１１に、より広いスペクトル及び／又はより大きな波長の光をコア１１に生成できるような方法で、ドープしてもよい。これ故に、幾つかの異なるブラッグ格子２３１及び２３２が読み取られ得る。
【００５８】
反射放射線の強度、波長及び／又は期間を測定するために、評価回路３は、分光計及び／又は信号の期間を測定するための装置を追加的に含んでもよい。最後に、得られた測定値を、デジタル化してもよいし、且つ／又はアナログ的若しくはデジタル的に更に処理してもよいし、そしてデータ記憶及び／又は可視化のための装置（図示せず）に送出してもよい。
【００５９】
図７は、本発明に従うセンサの異なる実施形態による横断面を示す。１つの光導波路１２が、各場合に示され、第１のコア１１及びこのコアを同心円状に囲むクラッド１０を有する。更に、センサは、１、２、３又は４つの第２のコア２、２ａ、２ｂ、２ｃ及び２ｄを含む。それらは、半径方向にほぼ等距離に配置してもよいし、又は非対称に配置してもよい。例えば隣接する第２のコアは、約９０°又は約１２０°の角度を囲んでもよい。少なくとも２つの第２のコアが利用可能な場合に、センサ１０の変形は、２つの空間方向において検出することができる。
【００６０】
次に、既知の長手方向の範囲により、センサの形状は、空間において三次元的に測定できる。
【００６１】
図８は、本発明によるセンサ１の更なる断面を示す。図８によるセンサ１は、クラッド１０のほぼ矩形の断面を有する。３つの第１のコア１１ａ、１１ｂ及び１１ｃが、クラッド１０に配置され、且つ互いにほぼ平行に延在する。少なくとも１つの第２のコア２ａ、２ｂ及び２ｃが、各第１のコアに結合される。この場合に、第２のコア２ａ、２ｂ及び２ｃは、図４によってより詳細に説明されているように、クラッド１０の表面１３の近くに導かれている。このように、コア２ａ、２ｂ及び２ｃは、分子の分光検出用に用いることができる。
【００６２】
例えば、クラッド１０は、反応装置、反応容器、又は導管の境界壁を形成してもよい。このように、統合された光学分光法によって、予め設定可能な分子の濃度、並びに従って反応容器内の反応の過程及び／又は物質の組成を監視することが可能である。更に、ブラッグ格子の長さにおける熱的に誘導される変化は、反応容器内の温度の監視を可能にする。
【００６３】
もちろん、本発明は、図面に示されている実施形態に限定されない。従って、上記の説明は、限定ではなく説明として見なされるべきである。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一実施形態において利用可能であるような方法で理解されるべきである。これは、更なる特徴の存在を排除しない。特許請求の範囲及び上記の説明が、「第１の」及び「第２の」特徴を定義する限りにおいて、この指示は、順序を決定せずに、２つの同様の特徴の間を区別する働きをする。
【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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【国際調査報告】
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