特許 5990624 光ファイバセンサシステム、光ファイバセンサ及び測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】5990624

(24)【登録日】2016年8月19日

(45)【発行日】2016年9月14日

(54)【発明の名称】光ファイバセンサシステム、光ファイバセンサ及び測定方法

(51)【国際特許分類】

   G01K 11/32 20060101AFI20160901BHJP

   G01L 1/24 20060101ALI20160901BHJP

   G01D 5/353 20060101ALI20160901BHJP

   G01B 11/255 20060101ALI20160901BHJP

   G01M 11/00 20060101ALI20160901BHJP

【ＦＩ】

   G01K11/32 Z

   G01L1/24 A

   G01D5/353 A

   G01B11/255 G

   G01M11/00 S

【請求項の数】12

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2015-103631(P2015-103631)

(22)【出願日】2015年5月21日

【審査請求日】2015年5月21日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２５年度、独立行政法人情報通信研究機構、『革新的光ファイバの実用化に向けた研究開発』委託事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100119677

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100115794

【弁理士】

【氏名又は名称】今下 勝博

(72)【発明者】

【氏名】中島 和秀

(72)【発明者】

【氏名】坂本 泰志

(72)【発明者】

【氏名】五藤 幸弘

【審査官】 深田 高義

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−１４９８８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１２１９６０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１４８５５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｋ １１／３２

Ｇ０１Ｂ １１／２５５

Ｇ０１Ｄ ５／３５３

Ｇ０１Ｌ １／２４

Ｇ０１Ｍ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

所定の測定波長で少なくとも２種類以上の伝搬モードを導波可能な数モード光ファイバの両端に、前記測定波長で１種類の伝搬モードを導波可能な単一モード光ファイバが接続されたセンサ部を備え、
前記測定波長を有する測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性のうち、
前記波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する波長変化量、及び、
前記波長依存性の光強度の最大値と最小値の差分に相当する光強度変化量、を用いて、
前記センサ部における温度又は張力の相対変化量を検出する、
光ファイバセンサ。

【請求項2】

所定の第１の測定波長及び第２の測定波長で少なくとも２種類以上の伝搬モードを導波可能な数モード光ファイバの両端に、前記第１の測定波長及び前記第２の測定波長で１種類の伝搬モードを導波可能な単一モード光ファイバが接続されたセンサ部を備え、
前記第１の測定波長を有する第１の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第１の波長依存性及び前記第２の測定波長を有する第２の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第２の波長依存性のうち、
前記第１の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第１の波長変化量、及び、
前記第２の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第２の波長変化量、を用いて、
前記センサ部における温度又は張力の相対変化量を検出する、
光ファイバセンサ。

【請求項3】

所定の第１の測定波長及び第２の測定波長で少なくとも２種類以上の伝搬モードを導波可能な数モード光ファイバの両端に、前記第１の測定波長及び前記第２の測定波長で１種類の伝搬モードを導波可能な単一モード光ファイバが接続されたセンサ部を備え、
前記第１の測定波長を有する第１の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第１の波長依存性及び前記第２の測定波長を有する第２の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第２の波長依存性のうち、
前記第１の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第１の波長変化量、
前記第２の波長依存性の光強度が最大もしくは最小になる波長の変化量に相当する第２の波長変化量、及び、
前記第１の波長依存性又は前記第２の波長依存性の光強度の最大値と最小値の差分に相当する光強度変化量、を用いて、
前記センサ部における温度、張力、曲率及び側圧のうちの任意の３種類の物理量の相対変化量を検出する、
光ファイバセンサ。

【請求項4】

前記数モード光ファイバは、ステップ型の屈折率分布を有し、ＬＰ１１モードの遮断波長が１６５０ｎｍ以上であり、規格化周波数Ｖ値が２．９以上３．８以下である、
請求項１から３のいずれかに記載の光ファイバセンサ。

【請求項5】

前記数モード光ファイバは、ステップ型の屈折率分布を有し、ＬＰ１１モードの遮断波長が１６５０ｎｍ以上であり、規格化周波数Ｖ値が２．９以上３．８以下であり、
前記第１の測定波長の中心波長と前記第２の測定波長の中心波長の間隔Δλが、規格化周波数Ｖを用い、以下の関係式を満たす、
請求項２又は３に記載の光ファイバセンサ。
（数１）
Δλ≧４６４−３３４Ｖ＋６４Ｖ^２

【請求項6】

前記数モード光ファイバは、クラッド外径が１２５μｍ以下である、
請求項１から５のいずれかに記載の光ファイバセンサ。

【請求項7】

所定の測定波長で少なくとも２種類以上の伝搬モードを導波可能な数モード光ファイバの両端に、前記測定波長で１種類の伝搬モードを導波可能な単一モード光ファイバが接続されたセンサ部と、
前記測定波長を有する測定光を前記センサ部に入射させる測定光源と、
前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を測定し、前記測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性のうち、前記波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する波長変化量、及び、前記波長依存性の光強度の最大値と最小値の差分に相当する光強度変化量、を用いて、前記センサ部における温度又は張力の相対変化量を検出する解析部と、
を備える光ファイバセンサシステム。

【請求項8】

所定の第１の測定波長及び第２の測定波長で少なくとも２種類以上の伝搬モードを導波可能な数モード光ファイバの両端に、前記第１の測定波長及び前記第２の測定波長で１種類の伝搬モードを導波可能な単一モード光ファイバが接続されたセンサ部と、
前記第１の測定波長を有する第１の測定光及び前記第２の測定波長を有する第２の測定光を前記センサ部に入射させる測定光源と、
前記第１の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第１の波長依存性及び前記第２の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第２の波長依存性のうち、前記第１の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第１の波長変化量、及び、前記第２の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第２の波長変化量、を用いて、前記センサ部における温度又は張力の相対変化量を検出する解析部と、
を備える光ファイバセンサシステム。

【請求項9】

所定の第１の測定波長及び第２の測定波長で少なくとも２種類以上の伝搬モードを導波可能な数モード光ファイバの両端に、前記第１の測定波長及び前記第２の測定波長で１種類の伝搬モードを導波可能な単一モード光ファイバが接続されたセンサ部と、
前記第１の測定波長を有する第１の測定光及び前記第２の測定波長を有する第２の測定光を前記センサ部に入射させる測定光源と、
前記第１の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第１の波長依存性及び前記第２の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第２の波長依存性のうち、前記第１の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第１の波長変化量、前記第２の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第２の波長変化量、及び、前記第１の波長依存性又は前記第２の波長依存性の光強度の最大値と最小値の差分に相当する光強度変化量、を用いて、前記センサ部における温度、張力、曲率及び側圧のうちの任意の３種類の物理量の相対変化量を検出する解析部と、
を備える光ファイバセンサシステム。

【請求項10】

所定の測定波長で少なくとも２種類以上の伝搬モードを導波可能な数モード光ファイバの両端に、前記測定波長で１種類の伝搬モードを導波可能な単一モード光ファイバが接続されたセンサ部を用いる測定方法であって、
前記測定波長を有する測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を測定する測定手順と、
前記波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する波長変化量、及び、前記波長依存性の光強度の最大値と最小値の差分に相当する光強度変化量、を用いて、前記センサ部における温度又は張力の相対変化量を検出する解析手順と、
を有する測定方法。

【請求項11】

所定の第１の測定波長及び第２の測定波長で少なくとも２種類以上の伝搬モードを導波可能な数モード光ファイバの両端に、前記第１の測定波長及び前記第２の測定波長で１種類の伝搬モードを導波可能な単一モード光ファイバが接続されたセンサ部を用いる測定方法であって、
前記第１の測定波長を有する第１の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第１の波長依存性及び前記第２の測定波長を有する第２の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第２の波長依存性を測定する測定手順と、
前記第１の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第１の波長変化量、及び、前記第２の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第２の波長変化量、を用いて、前記センサ部における温度又は張力の相対変化量を検出する解析手順と、
を有する測定方法。

【請求項12】

所定の第１の測定波長及び第２の測定波長で少なくとも２種類以上の伝搬モードを導波可能な数モード光ファイバの両端に、前記第１の測定波長及び前記第２の測定波長で１種類の伝搬モードを導波可能な単一モード光ファイバが接続されたセンサ部を用いる測定方法であって、
前記第１の測定波長を有する第１の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第１の波長依存性及び前記第２の測定波長を有する第２の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第２の波長依存性を測定する測定手順と、
前記第１の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第１の波長変化量、前記第２の波長依存性の光強度が最大もしくは最小になる波長の変化量に相当する第２の波長変化量、及び、前記第１の波長依存性又は前記第２の波長依存性の光強度の最大値と最小値の差分に相当する光強度変化量、を用いて、前記センサ部における温度、張力、曲率及び側圧のうちの任意の３種類の物理量の相対変化量を検出する解析手順と、
を有する測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は光センシング技術に関し、特に光ファイバ内のモード間干渉を用いた温度及び張力の光センシングに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、多モード光ファイバ（ＭＭＦ：Ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ）の両端に、単一モード光ファイバ（ＳＭＦ：Ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ）を接続して構成される、光ファイバセンサ（以下、ＳＭＳセンサとする）に関する検討が進められている（例えば、非特許文献１参照）。

【0003】

ＳＭＳセンサは作製が容易で、かつ波長領域の光強度変化を観測することでセンシングが実現できる特徴を有し、例えば、非特許文献２ではＭＭＦを用いたＳＭＳセンサにより、温度と張力の同時検出が可能となることが報告されている。また、非特許文献３には、空孔構造を有する光ファイバをＭＭＦ媒体として用い、その空孔領域に適切な屈折率を有する液体を充填することにより、温度に対する感度を向上したＳＭＳセンサが実現できることが報告されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Ｑ． Ｗａｎｇ， ａｎｄ Ｇ． Ｆａｒｒｅｌｌ， “Ａｌｌ−ｆｉｂｅｒ ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ−ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ−ｂａｓｅｄ ｒｅｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ ｓｅｎｓｏｒ： ｐｒｏｐｏｓａｌ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ．” Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ．， ｖｏｌ． ３１， ｎｏ． ３， ｐｐ． ３１７−３１９， ２００６．

【非特許文献2】Ｊ． Ｚｈｏｕ． Ｃ． Ｌｉａｏ， Ｙ． Ｗａｎｇ， Ｇ． Ｙｉｎ， Ｘ． Ｚｈｏｎｇ， Ｋ． Ｙａｎｇ， Ｂ． Ｓｕｎ， Ｇ． Ｗａｎｇ， ａｎｄ Ｚ． Ｌｉ， “Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｂｙ ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ ｆｉｂｅｒ Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ，” Ｏｐｔ． Ｅｘｐｒｅｓｓ， ｖｏｌ． ２２， ｎｏ． ２， ｐｐ． １６８０−１６８６， ２０１４．

【非特許文献3】Ｗ． Ｌｉｎ， Ｂ． Ｓｏｎｇ， Ｙ． Ｍｉａｏ， Ｈ． Ｚｈａｎｇ， Ｄ． Ｙａｎ， Ｂ． Ｌｉｕ， ａｎｄ Ｙ． Ｌｉｕ， “Ｌｉｑｕｉｄ−ｆｉｌｌｅｄ ｐｈｏｔｏｎｉｃ−ｃｒｙｓｔａｌ−ｆｉｂｅｒ−ｂａｓｅｄ ｍｕｌｔｉｍｏｄａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ ｆｏｒ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｆｏｒｃｅ，” Ａｐｐｌ． Ｏｐｔ．， ｖｏｌ． ５４， ｎｏ． ６， ｐｐ． １３０９−１３１３， ２０１５．

【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、ＭＭＦのコア直径が数１０μｍ以上となる場合、当該ＭＭＦ中を伝搬するモード数が増大し、ＭＭＦ中を伝搬するモードの制御が困難となり、出力端で観測される干渉パターンとＭＭＦ中の伝搬モードの関係を把握することが困難になる。このため、複数の所望の物理量の相対変化量を明確に算出することができなくなる課題があった。また、空孔構造を有する光ファイバは、光ファイバ自身の製造が難しく、一般にセンサの価格が高価になるといった課題があった。

【0006】

そこで、本発明は、光ファイバの製造が容易であり、かつ、複数の所望の物理量の相対変化量を明確に算出することの可能な光ファイバセンサ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】

【0007】

本発明の光ファイバセンサは、伝搬可能なモード数が２〜４つに限定された数モード光ファイバ（ＦＭＦ：Ｆｅｗ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ）を用い、光ファイバセンサの出力端で観測される伝搬モードとモード間干渉の関係を明確化する手段としている。

【0008】

具体的には、本願発明の光ファイバセンサは、
所定の測定波長で少なくとも２種類以上の伝搬モードを導波可能な数モード光ファイバの両端に、前記測定波長で１種類の伝搬モードを導波可能な単一モード光ファイバが接続されたセンサ部を備え、
前記測定波長を有する測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性のうち、
前記波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する波長変化量、及び、
前記波長依存性の光強度の最大値と最小値の差分に相当する光強度変化量、を用いて、
前記センサ部における温度又は張力の相対変化量を検出する。

【0009】

具体的には、本願発明の光ファイバセンサは、
所定の第１の測定波長及び第２の測定波長で少なくとも２種類以上の伝搬モードを導波可能な数モード光ファイバの両端に、前記第１の測定波長及び前記第２の測定波長で１種類の伝搬モードを導波可能な単一モード光ファイバが接続されたセンサ部を備え、
前記第１の測定波長を有する第１の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第１の波長依存性及び前記第２の測定波長を有する第２の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第２の波長依存性のうち、
前記第１の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第１の波長変化量、及び、
前記第２の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第２の波長変化量、を用いて、
前記センサ部における温度又は張力の相対変化量を検出する。

【0010】

具体的には、本願発明の光ファイバセンサは、
所定の第１の測定波長及び第２の測定波長で少なくとも２種類以上の伝搬モードを導波可能な数モード光ファイバの両端に、前記第１の測定波長及び前記第２の測定波長で１種類の伝搬モードを導波可能な単一モード光ファイバが接続されたセンサ部を備え、
前記第１の測定波長を有する第１の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第１の波長依存性及び前記第２の測定波長を有する第２の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第２の波長依存性のうち、
前記第１の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第１の波長変化量、
前記第２の波長依存性の光強度が最大もしくは最小になる波長の変化量に相当する第２の波長変化量、及び、
前記第１の波長依存性又は前記第２の波長依存性の光強度の最大値と最小値の差分に相当する光強度変化量、を用いて、
前記センサ部における温度、張力、曲率及び側圧のうちの任意の３種類の物理量の相対変化量を検出する。

【0011】

本願発明の光ファイバセンサでは、
前記数モード光ファイバは、ステップ型の屈折率分布を有し、ＬＰ１１モードの遮断波長が１６５０ｎｍ以上であり、規格化周波数Ｖ値が２．９以上３．８以下であってもよい。

【0012】

本願発明の光ファイバセンサでは、
前記数モード光ファイバは、ステップ型の屈折率分布を有し、ＬＰ１１モードの遮断波長が１６５０ｎｍ以上であり、規格化周波数Ｖ値が２．９以上３．８以下であり、
前記第１の測定波長の中心波長と前記第２の測定波長の中心波長の間隔Δλが、規格化周波数Ｖを用い、式（５）を満たしてもよい。

【0013】

本願発明の光ファイバセンサでは、
前記数モード光ファイバは、クラッド外径が１２５μｍ以下であってもよい。

【0014】

具体的には、本願発明の光ファイバセンサシステムは、
所定の測定波長で少なくとも２種類以上の伝搬モードを導波可能な数モード光ファイバの両端に、前記測定波長で１種類の伝搬モードを導波可能な単一モード光ファイバが接続されたセンサ部と、
前記測定波長を有する測定光を前記センサ部に入射させる測定光源と、
前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を測定し、前記測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性のうち、前記波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する波長変化量、及び、前記波長依存性の光強度の最大値と最小値の差分に相当する光強度変化量、を用いて、前記センサ部における温度又は張力の相対変化量を検出する解析部と、
を備える。

【0015】

具体的には、本願発明の光ファイバセンサシステムは、
所定の第１の測定波長及び第２の測定波長で少なくとも２種類以上の伝搬モードを導波可能な数モード光ファイバの両端に、前記第１の測定波長及び前記第２の測定波長で１種類の伝搬モードを導波可能な単一モード光ファイバが接続されたセンサ部と、
前記第１の測定波長を有する第１の測定光及び前記第２の測定波長を有する第２の測定光を前記センサ部に入射させる測定光源と、
前記第１の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第１の波長依存性及び前記第２の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第２の波長依存性のうち、前記第１の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第１の波長変化量、及び、前記第２の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第２の波長変化量、を用いて、前記センサ部における温度又は張力の相対変化量を検出する解析部と、
を備える。

【0016】

具体的には、本願発明の光ファイバセンサシステムは、
所定の第１の測定波長及び第２の測定波長で少なくとも２種類以上の伝搬モードを導波可能な数モード光ファイバの両端に、前記第１の測定波長及び前記第２の測定波長で１種類の伝搬モードを導波可能な単一モード光ファイバが接続されたセンサ部と、
前記第１の測定波長を有する第１の測定光及び前記第２の測定波長を有する第２の測定光を前記センサ部に入射させる測定光源と、
前記第１の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第１の波長依存性及び前記第２の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第２の波長依存性のうち、前記第１の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第１の波長変化量、前記第２の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第２の波長変化量、及び、前記第１の波長依存性又は前記第２の波長依存性の光強度の最大値と最小値の差分に相当する光強度変化量、を用いて、前記センサ部における温度、張力、曲率及び側圧のうちの任意の３種類の物理量の相対変化量を検出する解析部と、
を備える。

【0017】

具体的には、本願発明の測定方法は、
所定の測定波長で少なくとも２種類以上の伝搬モードを導波可能な数モード光ファイバの両端に、前記測定波長で１種類の伝搬モードを導波可能な単一モード光ファイバが接続されたセンサ部を用いる測定方法であって、
前記測定波長を有する測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を測定する測定手順と、
前記波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する波長変化量、及び、前記波長依存性の光強度の最大値と最小値の差分に相当する光強度変化量、を用いて、前記センサ部における温度又は張力の相対変化量を検出する解析手順と、
を有する。

【0018】

具体的には、本願発明の測定方法は、
所定の第１の測定波長及び第２の測定波長で少なくとも２種類以上の伝搬モードを導波可能な数モード光ファイバの両端に、前記第１の測定波長及び前記第２の測定波長で１種類の伝搬モードを導波可能な単一モード光ファイバが接続されたセンサ部を用いる測定方法であって、
前記第１の測定波長を有する第１の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第１の波長依存性及び前記第２の測定波長を有する第２の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第２の波長依存性を測定する測定手順と、
前記第１の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第１の波長変化量、及び、前記第２の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第２の波長変化量、を用いて、前記センサ部における温度又は張力の相対変化量を検出する解析手順と、
を有する。

【0019】

具体的には、本願発明の測定方法は、
所定の第１の測定波長及び第２の測定波長で少なくとも２種類以上の伝搬モードを導波可能な数モード光ファイバの両端に、前記第１の測定波長及び前記第２の測定波長で１種類の伝搬モードを導波可能な単一モード光ファイバが接続されたセンサ部を用いる測定方法であって、
前記第１の測定波長を有する第１の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第１の波長依存性及び前記第２の測定波長を有する第２の測定光の前記センサ部の出射端における光強度の波長依存性を示す第２の波長依存性を測定する測定手順と、
前記第１の波長依存性の光強度が最大又は最小になる波長の変化量に相当する第１の波長変化量、前記第２の波長依存性の光強度が最大もしくは最小になる波長の変化量に相当する第２の波長変化量、及び、前記第１の波長依存性又は前記第２の波長依存性の光強度の最大値と最小値の差分に相当する光強度変化量、を用いて、前記センサ部における温度、張力、曲率及び側圧のうちの任意の３種類の物理量の相対変化量を検出する解析手順と、
を有する。

【0020】

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

【発明の効果】

【0021】

本発明によれば、光ファイバの製造が容易であり、かつ、複数の所望の物理量の相対変化量を明確に算出することの可能な光ファイバセンサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】実施形態１における光ファイバセンサシステムの構成の一例を示す模式図である。

【図2】受光部２０で検出される出力波形の一例の概念図である。

【図3】実施形態１における、波長変化量δλ及び光強度変化量δＰの温度依存性の一例を示す図面である。

【図4】実施形態１における、波長変化量δλ及び光強度変化量δＰの歪量依存性の一例を示す図面である。

【図5】実施形態２における、受光部での測定結果の一例を示す図面である。

【図6】実施形態２における、波長変化量δλの温度依存性の一例を示す図面である。

【図7】実施形態２における、波長変化量δλの歪量依存性の一例を示す図面である。

【図8】実施形態３における、ＦＭＦのコア構造のパラメータの一例について示す図面である。

【図9】実施形態３における、実効屈折率差の相対変化量と波長変化量の関係の一例を示す図面である。

【図10】実施形態３における、実効屈折率差の相対変化量の温度依存性と波長の関係の一例を示す図面である。

【図11】実施形態３における、実効屈折率差の相対変化量の温度依存性とＦＭＦのＶ値の関係の一例を示す図面である。

【図12】実施形態３における、２つの測定波長間における実効屈折率差の相対変化量の温度依存性と測定波長間隔の関係の一例を示す図面である。

【図13】実施形態３における、２つの測定波長帯の最小波長間隔とＦＭＦのＶ値の関係の一例を示す図面である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

【0024】

本実施形態に係る光ファイバセンサは、伝搬可能なモード数が２〜４つに限定された数モード光ファイバ（ＦＭＦ：Ｆｅｗ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ）を用い、伝搬モードとモード間干渉の関係を明確化する手段としている。また、本発明の光ファイバセンサに用いるＦＭＦは、ステップ型の屈折率分布を用いることにより、より簡便な構造を実現する手段としている。

【0025】

本実施形態に係る光ファイバセンサシステムは、数モード光ファイバの両端に単一モード光ファイバが接続された光ファイバセンサと、該光ファイバセンサの一端から広帯域光を入射する広帯域光源と、該光ファイバセンサの他端からの出射光の光強度の波長依存性を測定する光スペクトルアナライザと、測定された光強度の波長依存性に基づき該光ファイバセンサの温度および張力の相対変化量を算出する解析装置とを備えた光ファイバセンサシステムにおいて、解析装置が以下のいずれかの処理を実行する。
第１の波長帯における光強度が最大（もしくは最小）となる波長の基準値からの変化量δλ１、第１の波長帯における光強度の最大値と最小値の差δＰ、および第２の測定波長帯における光強度が最大（もしくは最小）となる波長の基準値からの変化量δλ２のうち、いずれか２つの値から式（３）を用いて、該光ファイバセンサの温度および張力の相対変化量を算出する。
第１の波長帯における光強度が最大（もしくは最小）となる波長の基準値からの変化量δλ１、第１の波長帯における光強度の最大値と最小値の差δＰ、および第２の測定波長帯における光強度が最大（もしくは最小）となる波長の基準値からの変化量δλ２の３つの値から式（４）を用いて、該光ファイバセンサの温度、張力、曲率、および側圧のうち、いずれか３つの相対変化量を算出する。

【0026】

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態に係る光ファイバセンサシステムの構成を示す模式図である。本実施形態の光ファイバセンサシステムは、測定光源１０と、センサ部３０と、受光部２０と、解析部４０を備える。

【0027】

本実施形態に係る測定方法は、センサ部３０を用いる測定方法であって、測定手順と、解析手順と、を順に有する。

【0028】

測定手順では、測定光源１０は、所定の測定波長を有する測定光を出射してセンサ部３０に入力する。測定光源１０には、例えば、Ｓｕｐｅｒ ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ ｄｉｏｄｅ（ＳＬＤ）等の広帯域光源が利用できる。受光部２０は、センサ部３０から出力された測定光を受光し、受光した光強度の波長依存性を示す波長スペクトラムを測定する。また、受光部２０には、例えば、光スペクトルアナライザ（ＯＳＡ：Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ａｎａｌｙｚｅｒ）が利用できる。

【0029】

センサ部３０は、通常のＳＭＦ３１ａ及び３１ｂと、２〜４モードを伝搬可能なＦＭＦ３２を備える。ＳＭＦ３１ａ及び３１ｂは、ＦＭＦ３２の両端に接続される。この時、ＦＭＦ３２中の複数の伝搬モードの励振効率を向上するため、ＦＭＦ３２の入力側は、ＦＭＦ３２とＳＭＦ３１ａの一端との間に軸ズレを設定して接続することが好ましい。ここで、複数の伝搬モードの励振比率が同一となるように軸ズレ量を設定すると、各伝搬モード間の干渉が最大化されるためより好ましい。

【0030】

解析手順では、解析部４０は、受光部２０の測定した波長スペクトラムの波形を用いて、センサ部３０における温度変化δＴ及び歪量変化δεの相対変化量を算出する。解析部４０は、歪量変化δεからセンサ部３０に加えられている張力の相対変化量を算出する。温度変化δＴ及び歪量変化δεの算出方法については後述する。

【0031】

解析部４０は、コンピュータを、解析部４０として機能させることで実現してもよい。この場合、解析部４０が備えるＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）（不図示）が記憶部（不図示）に記憶されたコンピュータプログラムを実行することで、各構成を実現する。ここで、解析部４０を実現する際のコンピュータは、コンピュータによって制御される任意の機器をさらに備えてもよい。また、解析部４０を実現する際のプログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。

【0032】

図２に、受光部２０の測定した波長スペクトラムの波形の一例を示す。温度や歪量等の異なる環境下で測定した波長スペクトラムは、Ｌ２Ａ及びＬ２Ｂのように変化する。Ｌ２Ａ及びＬ２Ｂは、波長スペクトラムにおける光強度変化量δＰが変化するとともに、ピーク波長がシフトする。本実施形態では、図２中のＬ２Ａ又はＬ２Ｂの同一波形内の光強度の最大値と最小値の偏差を光強度変化量δＰとして定義する。また、Ｌ２Ａ及びＬ２Ｂの２つの異なる波形間で検出される、光強度の最大値もしくは最小値の変化量を波長変化量δλとして定義する。図２では、波長変化量δλは、Ｌ２Ａ及びＬ２Ｂの最小値の変化量である。

【0033】

以下では、長さＬが０．４８ｍのＦＭＦ３２を用いた光ファイバセンサシステムについて説明する。尚、本実施形態で用いたセンサ部３０に備わるＦＭＦ３２はステップ型の屈折率分布を有し、その比屈折率差は０．５８％、コア半径は６．２μｍである。当該ＦＭＦ３２は、１４５７ｎｍより長波長でＬＰ０１及びＬＰ１１の２つのモードを伝搬できる。また、ＦＭＦ３２は、１４５７ｎｍより短波長では、ＬＰ０１及びＬＰ１１にＬＰ２１及びＬＰ０２を加えた４つのモードを伝搬することができる。尚、本実施形態で用いたＦＭＦ３２のクラッド外径は１００μｍである。

【0034】

ここで、光ファイバに印加される張力が一定の場合、クラッド外径を減少させると、単位断面積当たりの張力を増大することが可能となり、張力に対する感度を向上することができる。従って、本実施形態の光ファイバセンサシステムでは、ＦＭＦ３２のクラッド外径を通常の光ファイバと同等の１２５μｍ、もしくはそれ以下として設定することが好ましい。

【0035】

本実施形態に係る光ファイバセンサシステムでは、第１の測定波長に１５８０ｎｍ帯を用い、当該波長帯において受光部２０の受光光強度が最小となる波長変化量δλと、当該波長帯における最大光強度と最小光強度の差分となる光強度変化量δＰを用いた、センサ部３０の温度及び張力の評価を行うことができる。尚、ＯＳＡの波長掃引範囲及び分解能は、それぞれ２０ｎｍ及び０．０１ｎｍとした。

【0036】

図３に、波長変化量δλ及び光強度変化量δＰの温度依存性について測定した結果を示す。センサ部３０は張力無しの状態で設置し、歪量εは０％となるようにした。図３より、波長変化量δλはＬ３１のように温度Ｔに比例して減少し、その温度係数は−０．０４２ｎｍ／℃であることが分かる。一方、光強度変化量δＰの温度Ｔに対する依存性はＬ３２のように殆ど無視できることが分かる。尚図３では、光強度変化量δＰの縦軸は温度Ｔが２０℃の時の値で規格化して示している。

【0037】

図４に、波長変化量δλ及び光強度変化量δＰの歪量依存性について測定した結果を示す。ここで、センサ部３０の両端は、微動台上にセンサ部３０が直線状になる様に固定し、一方の微動台を光ファイバの伝搬方向に引っ張ることにより、センサ部３０の長手方向に張力を印加した。図４の横軸はこの時のセンサ部３０の伸び歪量εを％単位で表示しており、０．０８３％の歪量εは４００μｍの引張り量に対応する。尚、測定中の外部温度Ｔは２４℃で一定とした。

【0038】

図４より、Ｌ４１で示した波長変化量δλは、センサ部３０の歪量εに比例して減少し、その比例係数は−２７．９ｎｍ／％であった。また、Ｌ４２で示した光強度変化量δＰは、センサ部３０の歪量εの増加に伴い増加し、その比例係数は２７．１ｄＢ／％であった。従って、解析部４０が、波長変化量δλ及び光強度変化量δＰの変化量を測定し、δλ及びδＰを下記の数式（１）及び（２）に代入することにより、温度Ｔと歪量εの相対変化である温度変化δＴと歪量変化δεをそれぞれ検出することが可能となる。また、歪量変化δεから、センサ部３０に加えられた張力の相対変化量を検出することができる。

【0039】

【数1】

【0040】

【数2】

【0041】

例えば、Ｘ（単位ｄＢ）のδＰの変化と、Ｙ（単位ｎｍ）のδλ１を観測したとする。この場合、式（１）において、δＰにＸを、ｄＰ／ｄεに２７．１（単位ｄＢ／％）に代入することにより、歪量変化δε（単位％）を求めることができる。更に、式（２）において、δλにＹを、δεに式（１）で求めた数値を、ｄＰ／ｄεに２７．１（単位ｄＢ／％）を、ｄλ／ｄＴに−０．０４２（単位ｎｍ／℃）を代入することにより、温度変化δＴ（単位℃）を求めることが可能となる。

【0042】

ここで、歪量εが一定の場合、ＦＭＦ３２のクラッド外径の減少に伴いＦＭＦ３２の単位断面積当たりの張力が増加する。このため、センサ部３０に用いるＦＭＦ３２のクラッド外径を細径化することにより、光ファイバセンサシステムの張力に対する感度を制御することができる。

【0043】

以上説明したように、本実施形態に係る光ファイバセンサシステムは、センサ部３０における温度変化δＴ及び歪量変化δεを求めることができるため、温度及び張力の同時検出を行うことができる。このように、本発明の光ファイバセンサによれば、２〜４モードを伝搬可能なＦＭＦをセンサ部に適用したことにより、検出する物理パラメータとモード間干渉の関係が明確化でき、必要な測定条件も明確に導出可能になるといった効果を奏する。

【0044】

また、ＦＭＦ３２に汎用的なステップ型の屈折率分布を用いた事により、通常のＳＭＦと同様に簡便にＦＭＦの製造が行えると言った効果も奏する。また、ステップ型のＦＭＦ３２を用いた事により、汎用的なＳＭＦと接続性の良いコア構造を容易に実現できるといった効果も奏する。

【0045】

（実施形態２）
本発明の第２の実施形態に係る光ファイバセンサシステムは、２つの測定波長の測定光を用いて、温度変化δＴ及び歪量変化δεを測定する。

【0046】

本実施形態に係る測定方法は、センサ部３０を用いる測定方法であって、測定手順と、解析手順と、を順に有する。

【0047】

測定手順では、測定光源１０は、第１の測定波長として１５８０ｎｍ帯を用いる第１の測定光と、第２の測定波長として１４３０ｎｍ帯を用いる第２の測定光と、をセンサ部３０に入力する。受光部２０は、センサ部３０から出力された第１の測定光を受光し、第１の波長スペクトラムを測定する。また、受光部２０は、センサ部３０から出力された第２の測定光を受光し、第２の波長スペクトラムを測定する。

【0048】

解析手順では、解析部４０は、各測定波長帯で受光部２０の受光強度が最小となる波長の変化量として、第１の波長スペクトラム波形での波長変化量δλ１と第２の波長スペクトラム波形での波長変化量δλ２を用い、センサ部３０の温度Ｔ及び歪量εの相対変化量である温度変化δＴ及び歪量変化δεを算出する。尚、受光部２０が有するＯＳＡの波長掃引範囲及び分解能は、それぞれ２０ｎｍ及び０．０１ｎｍとした。

【0049】

図５に、第２の波長スペクトラムの１例を示す。本実施形態で用いたＦＭＦ３２は１４３０ｎｍ帯でＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１及びＬＰ０２の４つのＬＰモードを導波可能である。このため第２の波長スペクトラム波形では複数の干渉パターンが観測され、少なくとも周期が概ね４ｎｍのモード間干渉であるＬ５δλ１と、周期が概ね０．５ｎｍであるＬ５δλ２の干渉パターンの２つが存在することがわかる。

【0050】

本実施形態では、解析部４０が、測定した波長スペクトラム波形から各周期に対応する波形を逆フーリエ変換により抽出することにより、２種類のモード間干渉に伴う波長変化量δλについて評価する。例えば、図５の波長スペクトラムを逆フーリエ変換すると、Ｌ５δλ１およびＬ５δλ２に対応する周期Ｔ１およびＴ２が抽出できる。ここで、図５の波長スペクトラムから周期Ｔ２の光強度変化を減算すると、Ｌ５δλ１に対応する光強度の波長依存性を抽出することができる。同様に、図５の波長スペクトラムから周期Ｔ１の光強度変化を減算すると、Ｌ５δλ２に対応する光強度の波長依存性を抽出することができる。尚、測定波形では複数のモード間干渉が混在しているため、４モードが伝搬する波長帯では、解析部４０による光強度変化量δＰの検出精度は劣化するものと考えられる。

【0051】

図６に、第２の波長スペクトラム波形での波長変化量δλ２の温度依存性を示す。Ｌ６１及びＬ６２は、それぞれ周期が４ｎｍ及び０．５ｎｍの干渉パターンに対する評価結果を示している。周期が４ｎｍの干渉パターンでのＬ６１では、第２の波長スペクトラム波形での波長変化量δλ２は温度に比例して減少し、その比例係数は−０．０２８ｎｍ／℃である。また、Ｌ６１と図３のＬ３１とを比較すると、１５８０ｎｍ帯と１４３０ｎｍ帯では比例係数に十分な有意差が存在することがわかる。一方、周期が０．５ｎｍの干渉パターンでのＬ６２については、第２の波長スペクトラム波形での波長変化量δλ２の明確な温度依存性は観測されなかった。

【0052】

図７に、第２の波長スペクトラム波形での波長変化量δλ２の歪量依存性を示す。Ｌ７１及びＬ７２は、それぞれ周期が４ｎｍ及び０．５ｎｍの干渉パターンに対する評価結果を示している。Ｌ７１は、歪量に比例して減少し、その比例係数は−２１．８ｎｍ／％である。また、Ｌ７１と図４のＬ４１とを比較すると、１５８０ｎｍ帯と１４３０ｎｍ帯では比例係数に十分な有意差が存在することがわかる。一方、Ｌ７２は、歪量に対する依存性は観測されなかった。

【0053】

従って、解析部４０は、第１の測定波長である１５８０ｎｍ帯と第２の測定波長である１４３０ｎｍ帯の２つの波長帯で、それぞれ波長変化量δλ１とδλ２を測定し、以下の式（３）として示した関係式に代入することにより、ＦＭＦ３２の温度Ｔと歪量εの相対変化である温度変化δＴ及び歪量変化δεを算出することが可能となる。また、解析部４０は、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１及びＬＰ０２の４つのＬＰモードが伝搬する４ＬＰモード領域であっても、より低次のモード間の干渉パターンを抽出することにより、複数モード間の干渉の影響を受けることなく温度及び歪量εが抽出できることが分かる。

【0054】

【数3】

【0055】

例えば、波長１５８０ｎｍ帯でＸ（単位ｎｍ）のδλ１と、波長１４３０ｎｍ帯でＹ（単位ｎｍ）のδλ２を観測した場合、解析部４０は、上述のＸ及びＹを、式（３）に代入する。具体的には、解析部４０は、式（３）のｄλ１／ｄＴ、ｄλ１／ｄε、ｄλ２／ｄＴ、ｄλ２／ｄεに、それぞれ−０．０４２（単位ｎｍ／℃）、−２７．９（単位ｎｍ／％）、−０．０２８（単位ｎｍ／℃）、−２１．８（単位ｎｍ／％）を代入し、連立方程式を解くことによりδＴ（単位℃）及びδε（単位％）を求めることが可能となる。

【0056】

ここで、本実施形態に係る受光部２０では、センサ部３０から出力される測定光の、２つの波長帯における波長変化量δλ１とδλ２、並びにＬＰ０１及びＬＰ１１の２つのＬＰモードが伝搬する２ＬＰモード領域における光強度変化量δＰの、最大で３種類の変化を測定することができるため、センサ部３０の温度Ｔ、及び歪量εに加え、側圧Ｆもしくは曲率Ｒに依存した温度係数あるいは歪量係数を知ることにより、最大で３種類の環境パラメータの変化を同時に評価することが可能となる。例えば、センサ部３０に加えられる温度Ｔと張力による歪量εを一定とし、ＦＭＦ３２の側面に印加する押圧力である側圧Ｆを変化させた時の波長シフト量δλ３を、所望の波長帯で測定することにより、解析部４０は、当該センサ部３０の押圧力に対する係数（ｄδλ３／ｄＦ）を算出することができる。

【0057】

例えば、１５８０ｎｍでＸ（単位ｄＢ）のδＰの変化と、Ｙ（単位ｎｍ）のδλ１を、１４３０ｎｍ帯でＺ（単位ｎｍ）のδλ２を解析部４０が観測した場合、解析部４０は、式（１）の光強度変化量δＰにＸを、ｄＰ／ｄεに２７．１（単位ｄＢ／％）に代入することにより、δε（単位％）を求めることができる。更に、解析部４０は、式（４）の第１の測定光での波長変化量δλ１にＹを、第２の測定光での波長変化量δλ２にＺを、δεに式（１）より求めたδε（単位％）を代入し、Ｔ、ε、Ｆに対する各波長帯の係数を用いることにより、δＴ（単位℃）及びδＦ（単位Ｎ）を求めることが可能となる。

【0058】

【数4】

【0059】

また同様に、センサ部３０に加えられる温度と張力を一定とし、センサ部３０の曲率Ｒを変化させた時の波長シフト量δλ３を、所望の波長帯で測定することにより、当該センサ部３０の曲率Ｒに対する係数（ｄδλ３／ｄＲ）を知ることができ、式（４）の温度Ｔ、側圧Ｆの何れかを曲率Ｒに置きかえることで、曲率Ｒの相対変化を検出することが可能となる。

【0060】

（実施形態３）
本実施形態では、ＦＭＦ３２に好適な構造条件、並びにセンシング条件の関係について説明する。

【0061】

図８に、ステップ型ＦＭＦ３２におけるコア半径と比屈折率差の関係を示す。Ｌ８１及びＬ８２は遮断波長条件を表す。Ｌ８２は、ＦＭＦ３２のＬＰ１１モードの遮断波長が１６５０ｎｍとなる構造境界を表し、Ｌ８２より上側の領域でＬＰ０１とＬＰ１１の２モードが伝搬可能となる。一方、Ｌ８１はＦＭＦ３２のＬＰ２１およびＬＰ０２モードの遮断波長が１５００ｎｍとなる構造条件を表し、Ｌ８１より上側の領域でＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１及びＬＰ０２の４モードが伝搬可能となる。

【0062】

本実施形態に係る光ファイバセンサは実施形態２に示した様に、ＬＰ０１、ＬＰ１１、ＬＰ２１及びＬＰ０２の４つのＬＰモードが伝搬する４ＬＰモード領域でも適用する事が出来るが、より高次のモード間の干渉による影響を除去するにはＬＰ０１及びＬＰ１１の２つのＬＰモードが伝搬する２ＬＰモード領域で利用することが望ましい。従って、１５００ｎｍ帯に測定波長を設定する場合、図８中のＬ８１及びＬ８２で囲まれる領域でコア半径と比屈折率差を設定することが望ましい。

【0063】

図８に示すＬ８３及びＬ８４は構造境界を示す。Ｌ８４は、波長１３１０ｎｍにおけるＬＰ０１モードのモードフィールド径（ＭＦＤ：Ｍｏｄｅ ｆｉｅｌｄ ｄｉａｍｅｔｅｒ）が８．６μｍになる構造境界を示す。Ｌ８３は、波長１３１０ｎｍにおけるＬＰ０１モードのモードフィールド径が９．５μｍになる構造境界を示す。

【0064】

ここで、汎用的なＳＭＦの波長１３１０ｎｍにおけるＭＦＤの代表値は８．６μｍから９．５μｍである。従って、ＦＭＦ３２が、図中のＬ８３及びＬ８４で囲まれる領域でコア半径と比屈折率差を設定することにより、ＦＭＦ３２に通常のＳＭＦと同等のＭＦＤを実現することが可能となり、本実施形態のセンサ部３０を構成する際に、ＦＭＦ３２とＳＭＦ３１ａ及び３１ｂとの接続損失を低減することが可能となる。従って、図８に示すＬ８１及びＬ８２と、Ｌ８３及びＬ８４で囲まれる領域でＦＭＦ３２のコア半径と比屈折率差を設定することにより、波長１５００ｎｍ以上１６５０ｎｍ以下の１５００ｎｍ帯に２モード領域を有し、通常のＳＭＦのＭＦＤと整合性の高いセンサ部３０を構成することが可能となる。

【0065】

図８に示すＬ８１及びＬ８２とＬ８３及びＬ８４とが交差する比屈折率差（約０．４２％、０．５２％、０．６２％、及び０．７３％の４点）において、ＭＦＤが８．６μｍもしくは９．５μｍになるコア半径に着目し、各コア構造における実効屈折率と屈折率の温度依存性の関係について検討を行った。ここで、上記の比屈折率差とコア半径の組合せにおける規格化周波数Ｖ値は、約２．９、３．３及び３．８の３水準になる。尚、以下の検討では石英ガラスの屈折率の温度依存性を８．７５×１０^−７／℃とした。

【0066】

図９に、実効屈折率差δｎ_ｅｆｆの相対変化量を示す実効屈折率差変化量Δ（δｎ_ｅｆｆ）と波長変化量δλの関係を示す。図９に示す実効屈折率差変化量Δ（δｎ_ｅｆｆ）は、ＬＰ０１モードとＬＰ１１モード間の実効屈折率差δｎ_ｅｆｆの相対変化量を示す。一般に、ＳＭＳセンサ中の波長変化量δλは対応する２モード間の実効屈折率差に比例して変化することが知られている（例えば、非特許文献３参照。）。仮に、受光部２０の波長掃引分解能の最小値が０．０１ｎｍであるとすると、図９から１．９×１０^−８以上のΔ（δｎ_ｅｆｆ）が発生すれば、本実施形態のセンサ部３０で検出可能となることが分かる。

【0067】

図１０は、実効屈折率差変化量Δ（δｎ_ｅｆｆ）の温度依存性と波長の関係を示す。縦軸は、温度変化に対するΔ（δｎ_ｅｆｆ）の変化量であるｄΔ（δｎ_ｅｆｆ）／ｄＴを示し、単位は（１０^−７／℃）である。前述のとおり、石英ガラスの屈折率の温度依存性は８．７５×１０^−７／℃としている。

【0068】

図１０中のＬ１０１ａ及びＬ１０１ｂは規格化周波数Ｖ値が２．９になるコア構造に対する計算結果を示し、Ｌ１０２ａ及びＬ１０２ｂは規格化周波数Ｖ値が３．３になるコア構造に対する計算結果を示し、Ｌ１０３ａ及びＬ１０３ｂは規格化周波数Ｖ値が３．８になるコア構造に対する計算結果を示す。Ｌ１０１ａ、Ｌ１０２ａ及びＬ１０３ａは、ＭＦＤが８．６μｍとなるコア構造に対する計算結果を示し、Ｌ１０１ｂ、Ｌ１０２ｂ及びＬ１０３ｂは、ＭＦＤが９．５μｍとなるコア構造に対する計算結果を示す。

【0069】

図１０のように、規格化周波数Ｖ値が一定であれば、Ｌ１０１ａとＬ１０１ｂのようにΔ（δｎ_ｅｆｆ）の波長依存性も同等となる。また、Δ（δｎ_ｅｆｆ）の温度係数の絶対値は規格化周波数Ｖ値が小さいほど、また長波長側ほど増加する。

【0070】

図１１に、本実施形態に係る光ファイバセンサでの測定波長１５５０ｎｍにおける実効屈折率差変化量Δ（δｎ_ｅｆｆ）を規格化周波数Ｖ値の関数として示す。縦軸は、温度変化に対するΔ（δｎ_ｅｆｆ）の変化量であるｄΔ（δｎ_ｅｆｆ）／ｄＴを示し、単位は（１０^−７／℃）である。前述のとおり、石英ガラスの屈折率の温度依存性は８．７５×１０^−７／℃としている。

【0071】

Δ（δｎ_ｅｆｆ）の温度係数の絶対値は低Ｖ値側で増加する。また、規格化周波数Ｖ値が３．１２以下の領域では、Δ（δｎ_ｅｆｆ）の絶対値が１．９×１０^−７以上となり、約０．１℃の温度分解能が得られより好ましい。

【0072】

図１２に、２つの測定波長間における、ｄΔ（δｎ_ｅｆｆ）／ｄＴの差と波長間隔の関係を示す。縦軸は、２つの測定波長間におけるｄΔ（δｎ_ｅｆｆ）／ｄＴの差を示し、単位は（１０^−８／℃）である。図中のＬ１２１、Ｌ１２２、Ｌ１２３は、それぞれ規格化周波数Ｖ値が２．９、３．３、３．８となるコア構造に対する計算結果を表す。前述のとおり、石英ガラスの屈折率の温度依存性は８．７５×１０^−７／℃としている。

【0073】

図１２より２波長間のｄΔ（δｎ_ｅｆｆ）／ｄＴの差の絶対値は波長間隔とともに増大する。ここで、図中のＬ１２４はΔ（δｎ_ｅｆｆ）の絶対値が１．９×１０^−８となるレベルを表す。従って、図９に示したように、２測定波長の間隔を、各規格化周波数Ｖ値の実線Ｌ１２１〜Ｌ１２３が破線Ｌ１２４と交わる波長間隔以上に設定することにより、２測定波長における第１の波長変化量δλ１と第２の波長変化量δλ２の間に０．０１ｎｍ以上の偏差を生じさせることが可能となる。このため、受光部２０の波長掃引分解能を０．０１ｎｍにすることで、第１の波長変化量δλ１と第２の波長変化量δλ２の差を用いて、式（３）より温度Ｔの相対変化である温度変化δＴ及び歪量εの相対変化である歪量変化δεを求めることが可能となる。

【0074】

図１３に、本実施形態に係る光ファイバセンサでのΔ（δｎ_ｅｆｆ）の絶対値を１．９×１０^−８以上とする最小波長間隔と規格化周波数Ｖ値の関係を示す。図１３のように、最小波長間隔は規格化周波数Ｖ値とともに増加し、規格化周波数Ｖ値が３．８の場合、約１２０ｎｍの波長間隔が必要となる。従って、図８及び図１３に示した様に、規格化周波数Ｖ値が２．９〜３．８の範囲であるＦＭＦ３２を用いてセンサ部３０を構成し、波長１５００ｎｍ以上１６５０ｎｍ以下の範囲を用いることにより、１℃以下の分解能で温度評価が可能となる。ここで、図１３に示した最小波長間隔ΔλとＶ値の関係は次式（５）で近似できる。

【0075】

【数5】

【0076】

従って、本発明の光ファイバセンサに備わるセンサ部３０において、規格化周波数Ｖ値とΔλを式（５）の関係を満たす様に設定することにより、効率的な温度センサを実現することが可能となる。

【産業上の利用可能性】

【0077】

本発明は、情報通信産業に適用することができる。

【符号の説明】

【0078】

１０：測定光源
２０：受光部
３０：センサ部
３１ａ：ＳＭＦ
３１ｂ：ＳＭＦ
３２：ＦＭＦ
４０：解析部

【要約】

【課題】本発明は、空孔構造を有しないＭＭＦを用い、出力端で観測される干渉パターンとＭＭＦ中の伝搬モードの関係を把握することが容易な光ファイバセンサシステムを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係る光ファイバセンサは、伝搬可能なモード数が２〜４つに限定された数モード光ファイバ（ＦＭＦ：Ｆｅｗ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ）を用い、光ファイバセンサの出力端で観測される伝搬モードとモード間干渉の関係を明確化する。また、本発明の光ファイバセンサシステムでは、ＦＭＦは、空孔を有さないステップ型の屈折率分布を用いる。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】