(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰＡＮＤＡ型偏波面保存光ファイバのコアに反射型グレーティングを形成してなるセンシング部を有し、このセンシング部において、直交する２つの偏波モードの各反射光もしくは透過光の中心波長の温度および歪みによる変化量を計測して、センシング部に作用する温度および歪みを同時測定するようにした光ファイバ温度歪みセンサ。
【請求項２】
請求項１記載の光ファイバ温度歪みセンサにおいて、センシング部に形成されている反射型グレーティングが、複数個偏波面保存光ファイバの長手方向に形成されている光ファイバ温度歪みセンサ。
【請求項３】
請求項１または２記載の光ファイバ温度歪みセンサと、この光ファイバ温度歪みセンサに測定光を送る光源と、上記光ファイバ温度歪みセンサからの反射光もしくは透過光を受光し、その反射光もしくは透過光の中心波長の変化量を検出する光検出器を有し、上記センシング部において、直交する２の偏波モードの各反射光もしくは透過光の中心波長の温度および歪みによる変化量を計測して、センシング部に作用する温度および歪みを同時測定するようにした温度歪み測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光ファイバセンサに関し、温度と歪みとを同時に計測することができるようにしたものである。
【０００２】
【従来の技術】
温度と歪みを同時に計測することができる光ファイバセンサとして、シングルモードファイバのコアにグレーティング周期１５０〜４００μｍの長周期グレーティングを形成したものをセンシング部とするセンサがは発表されている（Ｖ．Ｂｈａｔｉａ  ｅｔ  ａｌ．，Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆ  ＯＦＳ−１１，ｐａｐｅｒ  Ｆｒ２−５，ｐ７０２，１９９６）。
【０００３】
このセンサでは、長周期グレーティングの周期とコア伝搬モードおよびクラッド伝搬モードの実効屈折率とで定まるある波長の光が、コア伝搬モードからクラッド伝搬モードに結合、変換され、その波長での損失が生じるとともに、クラッド伝搬モードが多数存在することから、その波長以外の多数の波長でも損失が生じることになる。
そして、これらの損失ピーク波長は、温度依存性、歪み依存性を有しているので、これらの損失ピーク波長の温度、歪による変化量を計測することで、温度および歪を測定することができるものである。
【０００４】
しかしながら、このセンサでは、損失ピーク波長の温度依存性が小さく、温度変化に敏感でなく、感度が低い欠点がある。また、損失ピーク波長の帯域が広いため、その中心波長の測定精度が不十分で、温度歪みの測定精度もよくない欠点もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
よって、本発明における課題は、測定精度、感度が良好であり、温度および歪みを同時に計測できる光ファイバ温度歪みセンサを得ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
かかる課題は、ＰＡＮＤＡ型偏波面保存光ファイバのコアに反射型グレーティングを１以上形成したものをセンシング部とし、このセンシング部において直交する２の偏波モードの各反射光または透過光の中心波長の温度および歪みによる変化量を計測してセンシング部に作用する温度および歪みを測定することで解決される。
上記センシング部となる偏波面保存光ファイバのモード複屈折率を３×１０−４以上とすることが望ましい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
図１は、本発明の光ファイバ温度歪みセンサのセンシング部を模式的に示すもので、図中符号１はＰＡＮＤＡ型偏波面保存光ファイバである。
このＰＡＮＤＡ型偏波面保存光ファイバ１は、中心のコア２と、このコア２からやや離れてコア２を中心に挟んで相対向する位置に対称的に設けられた１対の応力付与部３、３とこれらコア２および応力付与部３、３を包囲するクラッド４とからなるもので、そのモード複屈折率が３×１０-4以上のものが好ましい。モード複屈折率がこの値未満であると、後述する２つの反射光の中心波長の差が０．３ｎｍ以下となり、その差を光検出器において検知することが困難となる。
【０００８】
このＰＡＮＤＡ型偏波面保存光ファイバ１は、コア２のほぼ中央の長さが１０〜２０ｍｍ程度の部分には反射型グレーティング５が形成されている。このグレーティング５は、例えばコア２にエキシマレーザ光などを照射し、ホトリフラクティブ効果によって光ファイバの長手方向に屈折率の一定周期の変動を形成したものであって、屈折率変動の周期、すなわちグレーティング周期Λが０．１〜１．０μｍ程度のものである。このコア２にグレーティング５が形成されたＰＡＮＤＡ型偏波面保存光ファイバ１がセンシング部６となる。
【０００９】
そして、図２に示すように、センシング部６の一端には測定光を導波するための導波ファイバ７の一端が接続され、この導波ファイバ７の他端は光サーキュレータ８に接続されている。光サーキュレータ８は、導波ファイバ７によって、光源９および光検出器１０にそれぞれ接続されて、この例の温度歪み測定装置となっている。
光源９には、無偏光の光を発光するものが使用される。光源には狭い発光波長のＬＤは不適当であって、望ましくはある程度波長範囲（後述する温度又は歪み変化による波長変化をカバーできる波長範囲）の光（以下広帯域の光という）を安定したパワーで発光する光源、例えばＬＥＤ（発光ダイオード）、ハロゲンランプ、ＡＳＥ（Amplified spontaneous emission）光源などが用いられる。
光検出器１０には、波長分解能が０．０１ｎｍ程度の光スペクトルアナライザーなどが用いられる。
導波ファイバ７には、一般のシングルモードファイバーなどが用いられる。
【００１０】
次に、このような構成のセンサの測定原理について説明する。
ＰＡＮＤＡ型偏波面保存光ファイバ１では、コア２に導波される光のモードは、１対の応力付与部３、３の中心点を結ぶ平面に沿って導波される偏波モードＬＰ01X モード（以下、ｓモードとする。）と、上記平面に直交する平面に沿って導波される偏波モードＬＰ01y モード（以下、ｆモードとする。）とがある。これら２つの偏波モード間にはその伝搬定数の差（Δβ＝βｓ−βｆ）が形成され、各偏波モードはこれに対応して、それぞれ別の実効屈折率Ｎｆ、Ｎｓを持つことになる。
【００１１】
一般に、反射型グレーティングに入射された光は、λ＝２ＮΛの条件を満たすときに反射される。ここでλは反射光の中心波長、Ｎは実効屈折率
、Λはグレーティング周期である。
このため、ＰＡＮＤＡ型偏波面保存光ファイバ１に形成された反射型グレーティング５で反射される光（偏光）の中心波長は、２つの実効屈折率ＮｆとＮｓとに対応して２つ存在することになり、これをλｆ、λｓとする。
図３は、センシング部６から反射されたｆモード及びｓモードの反射光のスペクトルの一例を示すもので、２つの尖鋭な反射ピークが明確に分かれて表れており、短波長側のピークがλｆ、長波長側のピークがλｓとなる。
【００１２】
一般に、ガラスの屈折率は温度依存性を持つ。また、伝搬定数はファイバの導波構造とコアおよびクラッドの屈折率によって決まるので、実効屈折率Ｎｆ、Ｎｓはそれぞれ異なる温度依存性を持ち、したがって反射光の中心波長λｆ、λｓもそれぞれ異なる温度依存性を持つ。
また、センシング部６の長手方向に歪みが加えられると、これが伸縮してグレーティング周期Λが変化する。また、光弾性効果により実効屈折率Ｎｆ、Ｎｓも変化する。このため、反射光の中心波長λｆ、λｓは、それぞれ異なる歪み依存性を持つ。
【００１３】
この現象を利用して、センシング部６のグレーティング５から反射されるｆモードおよびｓモードの光の中心波長λｆ、λｓの変化を計測することにより、グレーティング５の持つ温度依存性、歪み依存性を分離して、センシング部６に作用する温度、歪みを同時に測定することが可能になる。
【００１４】
ｓモード及びｆモードの各反射光の中心波長λｓ、λｆの温度に対する変化率、歪みに対する変化率は、それぞれ∂λｓ／∂Ｔ、∂λｓ／∂ε、∂λｆ／∂Ｔ、∂λｆ／∂εで表されるので、温度変化ΔＴ、歪み変化Δεに対するｓモードおよびｆモードの反射波長の変化Δλｓ、Δλｆは、下記（１）式で表わされる。
【００１５】
【数１】
0003819119.tif 000002
【００１６】
そして、温度変化ΔＴ、歪み変化Δεは、式（１）をΔＴ、Δεについて解いて、下記（２）式で与えられる。
【００１７】
【数２】
0003819119.tif 000003
【００１８】
上記（２）式において、∂λｓ／∂Ｔ、∂λｓ／∂ε、∂λｆ／∂Ｔ、∂λｆ／∂εについては、予めセンシング部６に既知の温度変化および歪み変化を別々に与えて、その時に得られるλｓ、λｆを測定し、これから求めておくことができる。
図４は、λｓ、λｆの温度依存性の一例を示すもので、Ａがλｓの、Ｂがλｆの温度依存性を示す。
図５は、λｓ、λｆの歪み依存性の具体例としての張力依存性の一例を示すもので、Ｃがλｓの、Ｂがλｆの張力依存性を示す。ここでの張力Ｆは、ファイバ１の長手方向に作用する引っ張り力である。
【００１９】
図４、図５ではＡ〜Ｄは、ほぼ直線で表されているので、その傾きから、上記の∂λｓ／∂Ｔ、∂λｓ／∂Ｆ、∂λｆ／∂Ｔ、∂λｆ／∂Ｆが求められ張力Ｆからガラスのヤング率を使って歪みεに変換すると、∂λｓ／∂ε、∂λｆ／∂εが具体的な数値として求められる。
よって、（２）式より、ΔλｓとΔλｆが実測で求まれば、ΔＴ、Δεが求められることになる。
したがって、ある基準の温度Ｔｏおよび歪みεｏでの反射中心波長λｓｏ、λｆｏが既知であれば、ΔλｓとΔλｆから上述のようにしてΔＴ、Δεを加えることにより、センシング部６に作用する温度、歪みを同時に求めることができる。
（２）式による演算は、パーソナルコンピュータなどを使用して簡単に実施できる。
図４，図５に示すＡ〜Ｄが直線で表される場合は、∂λｓ／∂Ｔ、∂λｓ／∂Ｆ、∂λｆ／∂Ｔ、∂λｆ／∂Ｆはそれぞれ基準温度Ｔ0または基準歪みｔ0における張力あるいは温度に対する偏微分値を求めればよい。
【００２０】
以下、図４および図５に示した例を利用して、具体的に数値を挙げて説明する。
図４および図５の直線Ａ〜Ｄの傾きから、
∂λｓ／∂Ｔ＝０．００９５ｎｍ／℃
∂λｆ／∂Ｔ＝０．０１０１ｎｍ／℃
∂λｓ／∂Ｆ＝０．０１４７０ｎｍ／ｇ
∂λｆ／∂Ｆ＝０．０１４６１ｎｍ／ｇ
となる。
ファイバガラスのヤング率７２．９ＧＰａを使って張力Ｆを歪みεに変換すると、
∂λｓ／∂ε＝０．００１３４２ｎｍ／με
∂λｆ／∂ε＝０．００１３３４ｎｍ／με
となる。
これらの値を代入して計算すると、Ｄ＝−８．８１２×１０-7（ｎｍ2 ／με・℃）となる。
【００２１】
いま、基準温度２０℃、基準歪み０μεとしたとき、λｆ＝１５３５．０７ｎｍ、λｓ＝１５３５．５５１ｎｍを基準値と設定する。
センシング部６をある温度条件下におき、かつ歪みを与えたときに計測されたλｆが１５３７．５１８ｎｍ、λｓは１５３７．０６１ｎｍとすると、Δλｆ＝１．９６７ｎｍ、Δλｓ＝１．９９０ｎｍとなる。（２）式にこの値と上述の各数値を代入して解くと、
ΔＴ＝５２．８８℃、    Δε＝１０９１με
と言う解が求まり、センシング部６に作用した温度は７２．８８℃、歪みは１０９１μεであることがわかる。
この計測値は、別の歪みセンサと熱電対とにより測定した値とよく一致しており、その差が温度では０．２℃、歪みでは１０μεであった。
このように、この光ファイバ温度歪みセンサは、温度と歪みを同時に精度よく、高感度で測定することができる。
【００２２】
図６は、この発明の光ファイバ温度歪みセンサの他の例を示すもので、この例のセンサは透過光を測定する型のものである。すなわち、光源９からの測定光は導波ファイバ７からセンシング部６の一端に入射され、センシング部６の他端からの透過光は光検出器１０に導波ファイバ７で送られるものである。
図７に反射型光ファイバグレーティングの透過スペクトルの一例を示すが、この例のセンサでは、光検出器１０で計測される透過光のスペクトルのピークの形状が反転して谷状となる点が若干異るものの、各ピークの波長値は同一であり、測定原理も先  例のものと同一である。
【００２３】
また、本発明の光ファイバ温度歪みセンサでは、１本のＰＡＮＤＡ型偏波面保存光ファイバ１にグレーティング５をその長手方向に沿って複数間隔をあけて形成したものをセンシング部６とすることも可能である。ただし、この場合には各グレーティング５のグレーティング周期Λを互いに異らせ、１のグレーティング５によって生じる２つの反射光の中心波長λｆ、λｓが互いに重ならず、かつ１組のλｆとλｓとの差以上の間隔を空けるようにすることが必要となる。
このような複数のグレーティング５．５……をファイバ１の長手方向に沿って設けたものでは、多数の異なる位置での温度および歪を同時に計測できる。
【００２４】
また、上述の例では、偏波面保存光ファイバとしてＰＡＮＤＡ型のものを使用したが、これに限られことはなく、ボウタイ型、楕円クラッド型などの種々のタイプの偏波面保存光ファイバが使用できることは言うまでもない。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光ファイバ温度歪みセンサにあっては、センシング部に作用する温度、歪みを高精度、高感度で同時測定することができる。また、センシング部が１０ｍｍ程度の小型であるので、例えば電気ケーブルなどの狭い空間などに装填しておくことができ、かつ局所的な温度、歪みを測定できる。さらに、必要な機器が少なく、装置を安価とすることもできるなどの効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のセンサのセンシング部の構成の一例を示す模式図である。
【図２】  本発明のセンサの構成の一例を示す構成図である。
【図３】  本発明における反射型グレーティングから反射される反射光のスペクトルの例を示すスペクトラムである。
【図４】  本発明におけるλｆ、λｓの温度依存性の例を示すグラフである。
【図５】  本発明におけるλｆ、λｓの張力依存性の例を示すグラフである。
【図６】  本発明のセンサの構成の他の例を示す構成図である。
【図７】  反射型グレーティングから反射される反射光のスペクトルの例を示すスペクトラムである。
【符号の説明】
１…ＰＡＮＤＡ型偏波面保存光ファイバ、２…コア、５…反射型グレーティング、６…センシング部、９…光源、１０…光検出器
【図１】
0003819119.tif 000004
【図２】
0003819119.tif 000005
【図３】
0003819119.tif 000006
【図４】
0003819119.tif 000007
【図５】
0003819119.tif 000008
【図６】
0003819119.tif 000009
【図７】
0003819119.tif 000010