JP4894928B2 - 光ファイバセンサ - Google Patents

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Description

本発明は、光ファイバセンサに係る発明であって、特に、屈折率を利用して液体の性状を検出する光ファイバセンサに関するものである。
自動車用エンジンの燃料として使用されている純正ガソリンには、ヘプタン、ペンタン等の炭化水素を主成分とする軽質ガソリンと、ベンゼン等の炭化水素を主成分とする重質ガソリンと、それらの中間の中質ガソリン（通常のレギュラーガソリン）とがあり、ガソリンの性状にあわせて点火時期等の制御をしなければ、運転性能の悪化や排気ガス中の有害成分増大などが発生する。
また、米国や欧州等の各国では石油の消費量の低減を図るためにガソリン中にアルコールを混合した燃料が自動車用として普及しつつあるが、燃料中のアルコール含有率に応じて空燃比や点火時期等を制御することにより空燃比がリーン化することを防止できる。
このような燃料の性状を検知する方法として、燃料の屈折率を測定するタイプのセンサが今までに開発されている。
例えば、光源からの光を短周期傾斜グレーティングに入力して、グレーティングを囲む材料の屈折率により変動するクラッド伝搬モードによる透過スペクトルの包絡線の形状変化を信号解析器によって解析する液体性状検出センサがあった（例えば特許文献１）。
また、光源からの光を単一の短周期グレーティングに入力して、グレーティングを囲む材料の屈折率により変動するクラッド伝搬モードによる透過スペクトルの形状変化を透過光の総受光量変化として測定し屈折率を検出する液体性状検出センサがあった。（例えば特許文献２）。
国際公開第０２／４４６９７号（第１２〜２６頁、図３） 国際公開第２００６／１２６４６８号（第６〜９頁、図１）
しかしながら、特許文献１のように短周期傾斜グレーティングを用いた検出法では、クラッド伝搬モード損失ピークのスペクトル形状を高波長分解能で測定することが必要になるため、光スペクトラムアナライザ等の高価な計測機器が必要になり、単純な光量検出のみで屈折率を計測することが困難であった。
また、特許文献２のように単一の短周期グレーティングを用いて検出光強度の変化を検出する方法では、広い屈折率測定範囲を得るために、光ファイバのコア径を小さくすることが必要になり、ＬＥＤなどの光源の発光を必ずしも有効に使用できない場合があった。また、反対に、光ファイバのコア径を大きくすると、被測定対象の屈折率によって透過率が変動する波長範囲が狭くなるため総光検出強度に対する光検出強度変化の比率が小さくなることがあり、必ずしも十分な測定感度が得られないことがあった。
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、簡易な構成で、広い屈折率範囲において被測定対象の屈折率を感度よく計測できる光ファイバセンサを提供することを目的とする。
この発明に係る光ファイバセンサは、光源と、周期の異なる複数の短周期グレーティングを有するコアおよび前記コアを覆うクラッドを具備する光ファイバと、前記光源から前記光ファイバに入射され前記短周期グレーティングを経た光の強度を検出する受光部とを備え、複数の短周期グレーティングの少なくともいずれかは傾斜角度を有しているものである。
また、光源と、周期の異なる複数の短周期グレーティングを有するコアおよび前記コアを覆うクラッドを具備する光ファイバと、前記光源から前記光ファイバに入射され前記短周期グレーティングを経た光の強度を検出する受光部とを備え、複数の短周期グレーティングのうちの第１短周期グレーティングと第２短周期グレーティングとが重畳して設けられるものである。
この発明によれば、被測定対象の屈折率変動に対する受光強度の変化量を大きくでき、センサの感度を向上させることができる。
この発明の実施の形態１における光ファイバセンサを説明するための模式図である。 この発明の実施の形態１における光ファイバセンサセンサの短周期グレーティング形成領域の断面模式図である。 この発明の実施の形態１における光ファイバセンサセンサの短周期グレーティング形成領域を説明するための断面模式図である。 この発明の実施の形態１における光ファイバセンサセンサの光ファイバの透過率の模式図である。 この発明の実施の形態１における光ファイバセンサセンサの光ファイバの透過率模式図である。 この発明の実施の形態１における光ファイバの吸収スペクトルおよび光源の発光スペクトルを示す模式図である。 この発明の実施の形態１における光ファイバの吸収スペクトルおよび光源の発光スペクトルの関係を示す模式図である。 この発明の実施の形態１における光ファイバの吸収スペクトルおよび光源の発光スペクトルを示す模式図である。 この発明の実施の形態１における光ファイバセンサの入出力値を示す図である。 この発明の実施の形態１における光ファイバセンサの入出力値を示す図である。 この発明の実施の形態１における光ファイバセンサの入出力値を示す図である。 この発明の実施の形態１における光ファイバセンサの出力の線形性からのずれを示す図である。 この発明の実施の形態１における光ファイバセンサの出力の線形性からのずれを示す図である。 この発明の実施の形態１における光ファイバセンサの出力の線形性からのずれを示す図である。 この発明の実施の形態７における光ファイバセンサのグレーティング周期多重度に対する透過率変化量を示す関係図である。 この発明の実施の形態１における光ファイバセンサセンサの短周期グレーティング形成領域の断面模式図である。 この発明の実施の形態１における光ファイバセンサセンサの短周期グレーティング形成領域の断面模式図である。 この発明の実施の形態１における光ファイバセンサを説明するための模式図である。 この発明の実施の形態２における短周期グレーティングの傾斜角度に対する屈折率測定範囲を示す模式図である。 この発明の実施の形態２における比較説明用の短周期グレーティング形成領域の模式図である。 この発明の実施の形態２における比較説明用の光ファイバセンサセンサの光ファイバの透過率の模式図である。 この発明の実施の形態２における短周期グレーティング形成領域の断面模式図である。 この発明の実施の形態２における光ファイバセンサセンサの光ファイバの透過率の模式図である。 この発明の実施の形態２における光ファイバセンサセンサの短周期グレーティング形成領域の断面模式図である。 この発明の実施の形態２における光ファイバの透過損失スペクトルおよび光源の発光スペクトルを示す模式図である。 この発明の実施の形態２における光ファイバセンサセンサの短周期グレーティング形成領域の断面模式図である。 この発明の実施の形態２における光ファイバセンサセンサの短周期グレーティング形成領域の断面模式図である。 この発明の実施の形態２における光ファイバセンサセンサの短周期グレーティング形成領域の断面模式図である。 この発明の実施の形態２における光ファイバの透過損失スペクトルおよび光源の発光スペクトルを示す模式図である。 この発明の実施の形態２における光ファイバセンサセンサの屈折率と出力強度の関係を示す模式図である。 この発明の実施の形態２における光ファイバセンサセンサの短周期グレーティング形成領域の断面模式図である。 この発明の実施の形態２における光ファイバセンサセンサの短周期グレーティング形成領域の断面模式図である。 この発明の実施の形態３における光ファイバセンサセンサの形成方法の模式図である。 この発明の実施の形態３における比較説明用の光ファイバセンサセンサの形成方法の模式図である。 この発明の実施の形態３における光ファイバセンサセンサの形成方法の模式図である。 この発明の実施の形態３における比較説明用の光ファイバセンサセンサの短周期グレーティング形成領域の断面模式図である。 この発明の実施の形態３における光ファイバセンサセンサの短周期グレーティング形成領域の断面模式図である。 この発明の実施の形態３における光ファイバセンサセンサの光ファイバの透過率の模式図である。 この発明の実施の形態４における光ファイバセンサセンサの短周期グレーティング形成領域の断面模式図である。 この発明の実施の形態４における光ファイバセンサセンサの形成方法の模式図である。 この発明の実施の形態５における光ファイバセンサセンサを説明するための模式図である。
符号の説明
１ 光ファイバ、２ 光源、３ 受光部、４ コア、５ クラッド、６ ファイバジャケット、８ 被測定対象、９ 容器、１０、１１、１２ 短周期グレーティング、２０ サーキュレータ、２１ 反射グレーティング、３０ ビーム、３１ 媒体、３２ 容器、４０ 温度計、４１ 性状計算ユニット、５０ 性状計算ユニット、９０ 信号線、１００ 光ファイバの中心軸、１０１ 屈折率が周期的に変動する変動軸のうち光ファイバの中心軸と交差する線、２００ 透過損失ピーク、２０１ 包絡線。
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１における光ファイバセンサを説明する模式図である。図１において、光ファイバ１の一方の端部に光源２が配置されており、他方の端部に受光部３が配置されている。光ファイバ１は、光源２から入射される光が主に伝搬するコア４と、光をコア４内に閉じ込めるためにコア４を覆うクラッド５と、コア４およびクラッド５を覆って保護するファイバジャケット６とを備えている。クラッド５が直接液体の被測定対象８と接するようにファイバジャケット６の一部が取り除かれており、このファイバジャケット６が取り除かれている部分に対応するコア４には短周期グレーティング１０が形成されている。光ファイバセンサは、光ファイバ１と光源２と受光部３と受光部３に信号線９０を介して接続されている屈折率計算ユニット５０とで構成されている。光ファイバ１は、被測定対象８を貯蔵する容器９の底面の近くでＵ字型に屈曲させて配置され、光源２と受光部３とは容器９の外部に配置されている。
ここで、例えば、光源２は発光ダイオード（ＬＥＤ）、受光部３はフォトダイオード、光ファイバ１はファイバジャケット６にアクリレート系樹脂を用いたコア４の径が６２．５μｍ、クラッド５の径が１２５μｍのグレーディッドインデクス型、コアＧｅ添加の石英マルチモード光ファイバが用いられる。
図２は、図１の光ファイバセンサの短周期グレーティング１０形成領域を拡大した模式図である。図２において、コア４には、第１の周期ｐ１の第１短周期グレーティング１１および第２の周期ｐ２の第２短周期グレーティング１２が離間して設けられている。第１の周期ｐ１と第２の周期ｐ２とは異なり、また、第１短周期グレーティング１１および第２短周期グレーティング１２は角度θの傾斜角度を有する。
本実施の形態の光ファイバセンサにおいては、光ファイバ１の長さ１０ｍｍの範囲に、図２のように第１の周期ｐ１が０．３μｍである第１短周期グレーティング１１と、第２の周期ｐ２が０．２９４μｍである第２短周期グレーティング１２が、傾斜角度θがともに８．６°であるように形成されている。
ここで、短周期グレーティング１０の周期と傾斜角度とについて、短周期グレーティング１０が斜めに形成された領域の模式図である図３を用いて説明する。図３において、短周期グレーティング１０部分でコア４の屈折率が周期的に変動しているが、光ファイバ１の中心軸１００方向の屈折率の変動周期ｐ１を周期と呼ぶことにする。また、屈折率が周期的に変動する変動軸のうち光ファイバ１の中心軸と交差する線１０１と光ファイバ１の中心軸１００とがなす角度θを傾斜角度と呼ぶことにする。
なお、傾斜角度は−９０°より大きく９０°より小さな値で表すものとする。
次に、本実施の形態における光ファイバセンサの動作について、複数の周期の短周期グレーティング１０を設ける効果と合わせて、図１〜図５を用いて説明する。
光源２であるＬＥＤから出射した近赤外領域の光が光ファイバ１の短周期グレーティング１０に達すると、光ファイバ１の透過スペクトルには一定の波長範囲でクラッド伝搬モードと呼ばれる周期的な鋭い透過損失ピークが発生する。短周期グレーティング１０が設けられた領域のクラッド５の外周に接する被測定対象８の屈折率がクラッド５の屈折率に近づくにつれ、このクラッド伝搬モードによる透過損失ピークが短波長側から消失し、最終的には波長依存性が緩やかで連続的な損失スペクトル形状に変化する。クラッド伝搬モードによる透過損失ピークの発生の程度により、光ファイバ１に接続された受光部３に達する光の強度が変動するため、前もって受光強度と屈折率の対応を調べておくことにより、受光部３に達する光の強度が信号線９０を介して屈折率計算ユニット５０に出力されて、屈折率計算ユニット５０から被測定対象の屈折率が出力できる。
また、被測定対象８の屈折率が測定できると、あらかじめ屈折率と被測定対象８の性状の関係を調べておくことにより、ガソリンのアルコールの混合比などの被測定対象８の性状を測定できる。
光ファイバセンサが図３に示すように単一周期の短周期グレーティング１０を有し、周期０．３μｍ、傾斜角度８.６°である場合、光ファイバ１の透過スペクトルは図４に示すようにクラッド伝搬モードの透過損失ピーク２００の包絡線２０１が波長８８０ｎｍを中心とした分布形状になり、クラッド伝搬モードの発生波長範囲は１０〜１５ｎｍ程度になる。これに対し、図２に示すような２種類の周期を有する本実施の形態の光ファイバセンサの光ファイバ１の透過スペクトルは、図５に示すようにクラッド伝搬モードの透過損失ピークの包絡線２０１が同様の分布を２つ重ねたような形状となり、クラッド伝搬モードの発生波長範囲が拡大する。
このように、クラッド伝搬モードの波長は、短周期グレーティングの周期に比例して変化するため、図２に示した２種類の周期の短周期グレーティングを有する光ファイバセンサを用いることにより、図５に示すように、周期の比例関係によって定まる、中心波長がシフトした２つの波長範囲でクラッド伝搬モードが発生し、クラッド伝搬モードが発生する波長範囲が最大２倍程度に拡大する。
つづいて、本実施の形態における光ファイバセンサの動作温度依存性について、短周期グレーティング１０の周期の数を増加させることが、センサの検出感度を増加させ温度依存性を低減することを、以下のシミュレーションにより説明する。
図６、図７、図８は、それぞれ短周期グレーティング１０の周期が１種類、３種類、５種類の場合の、ＬＥＤの発光スペクトルおよびクラッド伝搬モードの透過損失ピークの包絡線を正規分布で近似して相対強度を示したスペクトルである。図６、図７、図８において、ａ、ｂ、ｃのスペクトルはＬＥＤがそれぞれ２７℃、４８．５℃、７０℃の場合の光源２の発光スペクトルをＬＥＤの温度係数から近似して計算したものであり、ｄのスペクトルは短周期グレーティング１０のクラッド伝搬モードの透過損失ピークの包絡線である。ＬＥＤは、短周期グレーティング１０へ入射する前の光量が同じになるように設定している。ここで、短周期グレーティング１０のクラッド伝搬モードの温度依存性については、ＬＥＤの発光スペクトルの温度依存性より一桁以上小さいため考慮していない。また、短周期グレーティング１０の周期を０．２９２μｍ、傾斜角度を８．６°とし、ｂとｄのピーク波長が一致するように設定している。
なお、各周期に対応するクラッド伝搬モードの透過損失について、計算の簡易化のため以下の近似を行った。クラッド５の外側の被測定対象８の屈折率に相当する波長よりも長波長側では、クラッド伝搬モードの周期的な鋭い透過損失ピークが存在し、前述の透過損失ピークの包絡線で示される大きさに比例した波長平均での透過損失が各周期について同時に生じるとした。一方、クラッド５の外側の被測定対象８の屈折率に相当する波長よりも短波長側では、周期的な鋭い透過損失ピークが消失して波長平均での透過損失が増大するので、長波長側で生じる透過損失の２倍の損失が生じるとした。
図９、図１０、図１１は、それぞれ短周期グレーティング１０の周期が１種類、３種類、５種類の場合の、光ファイバ１の相対的な透過率に対する被測定対象８、すなわち、ファイバジャケット６を剥離した部分のクラッド５の外側に位置する物質の屈折率依存性を先の近似により計算した結果である。図９、図１０、図１１において、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ２７℃、４８．５℃、７０℃の場合の透過率の屈折率依存性である。ここで、短波長側のクラッド伝搬モードが低屈折率側に相当する。
また、図１２、図１３、図１４は、図９のａ（２７℃）における透過率が１．３６から１．４０までの屈折率に対して線形と仮定した場合の図９、図１０、図１１の関係の線形特性からのずれの相対値を示したものである。この場合も、ａ、ｂ、ｃはそれぞれ２７℃、４８．５℃、７０℃のずれの値を示す。
まず、図１２〜図１４を比較すると、図１２の短周期グレーティング１０の周期が１種類の場合には、屈折率が１．３６から１．４０の範囲では線形特性からのずれが温度２７℃と７０℃とでは±０．０５（５％程度に相当）以下であるのに対し、温度が４８．５℃ではそのずれが±０．１５（１５％程度に相当）程度となっている。これは、温度が２７℃、７０℃の場合と比べて透過光量の減少が大きくなっているためである。
これに対し、図１３の短周期グレーティング１０の周期が３種類の場合には、屈折率が１．３６から１．４０の範囲の線形特性からのずれがほぼ半減しており、図１４の短周期グレーティング１０の周期が５種類の場合には、線形特性からのずれがさらに減少している。このような周期の多重化による線形特性からのずれの低減は、周期の多重度が増加するにしたがってクラッド伝搬モードが発生する波長範囲幅が増加するので、光源２の発光波長範囲の温度によるシフトが発生した場合にもクラッド伝搬モード発生範囲以外の光強度の割合を低下させることができるためである。なお、線形特性からのずれについては、実際にはさらに光源スペクトル形状の影響が加わる。
また、図１５は、図９〜図１１に示した１．３４〜１．４４の範囲の屈折率変化に対する透過率の変化量をグレーティング周期の多重度に対してプロットしたものである。図１５に示されるように、短周期グレーティング１０の周期が１種類の場合に対して、３種類の場合および５種類の場合には、ともに透過率の変化量が屈折率変動に対して約２倍に増加する。つまり、センサが２倍に高感度になっていることが示されている。
多重度が３重から５重の透過率の変化量増加はわずかであるが、これは、３重の多重によりクラッド伝搬モード発生範囲が光源２の発光波長範囲にほぼ対応できており、さらに両端に加えた２重分のクラッド伝搬モードの寄与が大きくないことによる。
このように、２種類に限らず３種類以上の周期の短周期グレーティング１０により光源２の発光波長範囲と同等以上の波長範囲に対してクラッド伝搬モードの透過損失を発生させることにより、センサを最も高感度にでき、センサ応答の温度依存性も最小にすることができる。すなわち、光源２の発光波長範囲内に２つ以上の波長範囲でクラッド伝搬モードの透過損失を発生させることにより、光源２から出射される全光量に対してクラッド伝搬モードが発生する波長範囲を増加させることができるため、クラッド伝搬モード発生の増減による光量の変化を増大でき、センサの検出感度を改善できる。
また、環境温度により光源２の発光波長範囲がずれ、クラッド伝搬モードが発生する波長範囲の光強度が減少することがあるが、クラッド伝搬モードの透過損失が発生する波長範囲を増加させることにより、光源の発光波長範囲温度依存性の影響を低減できる。
なお、本実施の形態における光ファイバセンサにおいては、図２に示したように、光ファイバセンサのコア４に設けられる第１短周期グレーティング１１および第２短周期グレーティング１２の傾斜角度が８．６°である例を示したが、第１短周期グレーティング１１および第２短周期グレーティング１２の傾斜角度は何度であってもよく、例えばコア径が小さいファイバグレーティングなどでクラッド伝搬モードが観測可能である場合には、図１６に示すように０°であってもよい。
また、周期の異なる短周期グレーティング１０を設ける領域は、図１６のように離間していてもよいが、図１７に示すように重畳してもよい。図１７のように周期の異なる短周期グレーティング１０を重畳して設けることにより、短周期グレーティング１０領域の全長を短くすることができ、光ファイバセンサを小型化できる。
さらに、光ファイバ１のコア径はより大きい方が大きな光量を使用できるため好ましい。一般的にシングルモード光ファイバのコア径は１０μｍ程度より小さく、一方、マルチモード光ファイバのコア径は１０μｍより大きい。マルチモード光ファイバの中でもコア径が５０μｍあるいは６２．５μｍのものは、発光指向性の小さい発光ダイオードを光源２に用いても、レンズによる結合によらずに容易に光ファイバ１のコア４に結合させることができる。そのため、検出光量や屈折率変化に対する受光強度の変化量を大きくでき、これを使用することにより検出感度の高い光ファイバセンサを得ることができる。
ここまで、本実施の形態においては、光ファイバ１の一方の端部に光源２が配置されており、他方の端部に受光部３が配置され、光源２の光が光ファイバ１全体を透過したものを受光部３で検知する光ファイバセンサの例を示したが、図１８に示すように、光源２からの光をサーキュレータ２０を経由して終端部に反射グレーティング２１が設けられた光ファイバ１に入れ、短周期グレーティング１０領域から反射した光の強度をサーキュレータ２０を経由して光ファイバ１の光源２と同じ側に設けられた受光部３で検出しても、屈折率を検出できる。なお、サーキュレータ２０の代わりに、他の分岐素子、例えば３ｄＢ光ファイバカプラ等を用いることも可能である。また、反射グレーティング２１の代わりに，他の反射素子、例えばファイバ端面に形成した金属ミラー等を用いることもできる。
このような反射型のセンサとすることにより、クラッド伝搬モードによる透過損失を光路の往路と復路の両方で生じさせることができるため計測感度が改善でき、また、被測定対象８に浸漬する光ファイバ１を短くすることができる。さらに、電気回路部を含まないファイバの先端を計測対象に差し込むことにより測定できるようになるため、センサの取り扱いを簡易にできる。
なお、光源２としては、発光ダイオード以外に例えばスーパールミネセントダイオード、希土類添加光ファイバ光源などを用いることができる。また、受光部３はフォトダイオード以外であってもフォトトランジスタなど受光素子であればよい。コア４及びクラッド５の材料には、石英ガラスなどの無機ガラスあるいはポリメチルメタアクリレートなどのプラスチック系の材料を用いることができ、ファイバジャケット６には、フッ素系、ナイロン系、フェノール系、エポキシ系、メラニン系などの樹脂を用いることができる。
実施の形態２．
実施の形態１では、周期の異なる短周期グレーティング１０を設ける効果について説明した。本実施の形態では、周期および傾斜角度がともに異なる複数の短周期グレーティング１０を有する光ファイバセンサについて説明する。
まず、短周期グレーティング１０の傾斜角度に対する被測定対象８の屈折率依存性について説明する。実施の形態１で説明したような短周期グレーティング１０の周期の変更により、クラッド伝搬モードによる透過損失が出現する波長範囲をシフトさせることはできるが、測定できる被測定対象８の屈折率の範囲は変化しない。これに対して、短周期グレーティング１０の傾斜角度を変更することにより、クラッド伝搬モードによる透過損失が出現する波長範囲をシフトさせることに加えて、測定できる被測定対象８の屈折率の範囲をも変更することができる。
図１９は、コア径が６２．５μｍのグレーデッドインデックス型マルチモード光ファイバを波長８８０ｎｍ近傍で使用した場合の、周期が１種類の短周期グレーティング１０を有する光ファイバセンサの、傾斜角度に対する屈折率測定範囲を示したものである。図１９には、屈折率測定範囲の上限と下限が示されている。図１９に示されるように、短周期グレーティング１０の傾斜角度を変えることによって測定屈折率範囲をシフトさせることができる。このとき、短周期グレーティング１０の傾斜角度の絶対値が大きいほど、クラッド伝搬モードの透過損失ピークの発生波長が短波長側に変化し、測定可能な屈折率は小さくなる。また、１種類の傾斜角度に対する計測可能な屈折率範囲は０．０３程度と小さい。
したがって、短周期グレーティング１０に複数の傾斜角度を備えさせることにより、計測可能な屈折率範囲を拡張することができる。図２０に示すような光ファイバセンサのコア４には、等しい周期ｐ１を有する第１短周期グレーティング１１および第２短周期グレーティング１２が離間して設けられている。また、第１短周期グレーティング１１および第２短周期グレーティング１２はそれぞれ第１の傾斜角度θ１、第２の傾斜角度θ２だけ傾斜している。第１の傾斜角度θ１と第２の傾斜角度θ２は異なる値である。
図２１に、図２０の構成の短周期グレーティング１０を有し、コア径が６２．５μｍ、周期ｐ１が０．３μｍ、第１の傾斜角度θ１が８．６°、第２の傾斜角度θ２が１０．０°である光ファイバ１の透過率を模式的に示す。
図２１に示すように、図２０の構成の光ファイバセンサにおいては、クラッド伝搬モードの損失ピークの波長範囲がおよそ８６５〜８９０ｎｍの間と２５ｎｍ程度の広い範囲に連続的に現れる。また、短周期グレーティング１０の傾斜角度が２種類あり、その傾斜角度の大きさを、図１９に示される屈折率計測範囲の傾斜角度依存性に基づき、各計測範囲の和ができるだけ広くなるように、かつ、各計測範囲の一部が重なるように適切に設定したため、屈折率が０．０６程度と大きい範囲で途切れることなく検知できる。以上のように，傾斜角度の異なるグレーティングを複数形成することにより、測定屈折率範囲を拡大できる。
図２２は、本実施の形態における光ファイバセンサの短周期グレーティング１０形成領域を拡大した模式図である。その他の構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。本実施の形態における光ファイバセンサは、第１ブラッググレーティング１１と第２ブラッググレーティング１２の周期と傾斜角度がともに異なるものである。
図２２において、２種類の短周期グレーティング１０を設け、第１短周期グレーティング１１と第２短周期グレーティング１２の周期と傾斜角度をともに異なるようにする。本実施の形態における光ファイバセンサのコア４には、各短周期グレーティングが離間して設けられている。光ファイバ１をコア径が６２．５μｍ、第１の周期ｐ１が０．３μｍ、第２の周期ｐ２が０．２９６μｍ、第１の傾斜角度θ１が８．６°、第２の傾斜角度θ２が１０．０°とした場合の光ファイバ１の透過スペクトルは、図２３に示すようになる。
図２２に示した光ファイバセンサにおいても、図２１で説明したように傾斜角度を適切に設定しているので、測定屈折率範囲が途切れることなく屈折率が測定でき、また、周期が１種類の場合に比べて光ファイバ１のクラッド伝搬モード透過損失ピークが発生する波長範囲が拡大するため、実施の形態１で説明したのと同様のメカニズムにより、センサの感度、屈折率に対する線形性および温度依存性を改善できる。
また、上記のように周期と傾斜角度を調整することにより、各短周期グレーティングの傾斜角度に対応する屈折率の計測感度の比率を調整できる。例えば、各短周期グレーティングの傾斜角度に対応する計測感度を等しくすることにより、屈折率に対する出力の線形性を高めることができる。
さらに、実施の形態１と同様に、環境温度により光源２の発光波長範囲がずれることにより、クラッド伝搬モードの透過損失ピークが発生する波長範囲の光強度が減少することがあるが、クラッド伝搬モードの透過損失ピークが発生する波長範囲を増加させることにより、光源２の発光波長範囲温度依存性の影響を低減できる。
なお、短周期グレーティング１０の種類は、本実施の形態に示した２種類に限る必要はなく、３種類以上であってもよい。短周期グレーティング１０が４種類の場合の例を、光ファイバセンサの短周期グレーティング１０形成領域を拡大した模式図である図２４を用いて説明する。
図２４において、第１の周期ｐ１で第１の傾斜角度θ１、第１の周期ｐ１で第２の傾斜角度θ２、第２の周期ｐ２で第１の傾斜角度θ１、第２の周期ｐ２で第２の傾斜角度θ２の４種類の短周期グレーティングが個別に形成されている。本実施の形態における光ファイバセンサのコア４には、各短周期グレーティングが離間して設けられている。第１の周期ｐ１と第２の周期ｐ２は異なり、第１の傾斜角度θ１と第２の傾斜角度θ２も異なる値である。
いま、クラッド径１２５μｍ、コア径６２．５μｍのマルチモード光ファイバのコア４に第１の周期ｐ１が０．３μｍ、第２の周期ｐ２が０．２９２μｍ、第１の傾斜角度θ１が８．６°、第２の傾斜角度θ２が１０．０°がそれぞれ長さ５ｍｍずつ、全体で２０ｍｍの範囲に形成されているとする。この場合の光ファイバ１の透過率は、図２５に模式的に示すようになり、図２１および図２３で説明したように傾斜角度を適切に設定しているので、センサの感度、屈折率に対する線形性および温度依存性を改善できる。
なお、短周期グレーティング１０はその種類ごとに別個に設ける必要はなく、図２６に示すように周期が同じものを重畳させて設けてもよいし、図２７に示すように傾斜角度が同じものを重畳させて設けてもよい。また、図２８に示すように全ての種類を重畳させて設けてもよい。このように、異なる種類の短周期グレーティングを重畳させて設けることにより全短周期グレーティング長を短くできセンサを小型化できる。
また、光源２であるＬＥＤの発光波長範囲に応じて、短周期グレーティング１０の周期および傾斜角度をそれぞれ調整することにより、必要な屈折率測定範囲の元で感度を最大にすることができる。さらに、４種類の短周期グレーティングのうち、傾斜角度が８．６°、１０．０°のような同じ２組ずつに分かれている必要は無く、測定したい屈折率範囲に応じた中間的な傾斜角度としてもよい。例えば傾斜角度は８．２°、８．８°、９．６°、１０．２°のように異なっていても良い。同様に、周期も０．３μmと０．２９２μmのような同じ２組ずつに分かれている必要は無く、例えば０．３μm、０，２９９μm、０．２９２μm、０，２９１μmのように光源２の発光波長を有効に利用できるようにクラッド伝搬モード透過損失ピークの発生波長範囲が調整されていれば良い。
なお、傾斜角度に対応する屈折率計測範囲の上限と下限においては、計測範囲の中央付近と比べて計測感度が減少するため、複数の傾斜角度にまたがる屈折率測定範囲の接続する領域では計測感度が低下し、センサの線形性が劣化するおそれがある。そのため、２種類以上４種類程度の傾斜角度を有する短周期グレーティングを用いて、屈折率測定範囲の接続する領域での計測感度を重畳させることにより、屈折率測定範囲の接続する領域での計測感度の減少を緩和でき、センサの線形性が改善できる。
このように、短周期グレーティング１０の傾斜角度の種類を２通りからさらに増やした場合、クラッド伝搬モードの透過損失ピークが発生する波長範囲をさらに拡大することができる。
しかしながら、クラッド伝搬モードの透過損失ピークが発生する波長範囲を必要以上に拡大すると検知感度の低下を招く場合がある。例えば、測定したい屈折率範囲が０．０６であり、この範囲に対応する波長範囲以外にも光源２の発光波長範囲内にクラッド伝搬モードの透過損失ピークが発生する波長範囲を拡大するとする。このような波長範囲の拡大は、測定したい範囲で屈折率が変動してもその強度が変化しない光量の割合を増加させる効果しかなく、屈折率に依存した透過光量の全光量に対する変化割合を減少させるので、結果的に検知感度を低下させる。
したがって、短周期グレーティングの傾斜角度として測定したい屈折率範囲に対応した種類を設けた上で、さらに複数の周期の短周期グレーティングを設ける等の方法により，光源２の発光波長範囲に対応してクラッド伝搬モードの透過損失ピークが発生する波長範囲を拡大することが望ましい。
ここまで、本実施の形態では、周期と傾斜角度がともに異なる２種類あるいは４種類の短周期グレーティング１０の例を示したが、周期、傾斜角度を違えた短周期グレーティング１０の種類は、検知感度を増加させる限りにおいて、さらに多くてもよい。
図２９は、クラッド径１２５μｍ、コア径６２．５μｍのマルチモード光ファイバのコア４に周期が０．２８４μｍ、０．２９２μｍ、０．３μｍの３種類、傾斜角度１が８．６°、１０．０°の２種類で計６種類の短周期グレーティングを備えた光ファイバ１の透過スペクトルと光源２であるＬＥＤの発光スペクトルの関係を示したものである。図２９に示すように、複数の周期と傾斜角度に対応したクラッド伝搬モード透過損失ピークの発生波長範囲が光源のスペクトル波長範囲の全域を占めるようにすることで、センサを最も高感度にでき、センサ応答の温度依存性も最小にできる。
図３０は、本実施の形態の図２２に示した構成の光ファイバセンサによって、屈折率の異なる被測定対象８である液体を測定した場合のセンサの相対出力強度を示したものである。屈折率の異なる液体は、メタノール（ｎ＝１．３２９）とトルエン（ｎ＝１．４９７）との混合比を変えることにより調合した。図２８に示されるように、本実施の形態における光ファイバセンサによれば、屈折率範囲が１．３５〜１．４３の液体の屈折率をセンサの出力から検出することができる。
なお、ここまで、短周期グレーティング１０の複数の傾斜角度は、傾斜角度０°に対して同じ方向に傾斜、つまり同じ符号の角度である例を示したが、短周期グレーティング１０の複数の傾斜角度は、図３１に示すように符号の異なる角度であってもよい。図２６〜図２８に示したように異なる種類の短周期グレーティングを設ける領域が重畳している場合には、正負にまたがるように傾斜角度を設けることにより、一方の符号のみで傾斜角度を形成する場合より、短周期グレーティング１０の屈折率変動領域の重なりが少ないため露光の飽和が生じにくく、短周期グレーティング１０の形成がより容易になる。
また、ここまで、短周期グレーティング１０に設ける複数の傾斜は同じ方向から見た傾斜であるとして説明したが、短周期グレーティング１０の複数の傾斜は、同じ方向から見た傾斜で無くとも良い。光ファイバ１をその中心軸を中心に９０°回転した方向に別の傾斜の短周期グレーティングを設けた場合について図３２を用いて説明する。図３２（ａ１）は、図３２（ａ２）の径断面の矢印方向から光ファイバ１の側面を見た断面模式図である。また、図３２（ｂ１）は、図３２（ｂ２）の径断面の矢印方向から光ファイバ１の側面を見た断面模式図である。
この場合も、図３１の場合と同様に、短周期グレーティングを設ける領域が重畳している場合には、短周期グレーティング１０の屈折率変動領域の重なりが少ないため露光の飽和が生じにくく、短周期グレーティング１０の形成がより容易になる。
このような、短周期グレーティング１０を有する光ファイバ１は、例えば露光を複数回行う際に、露光ごとに光ファイバ１をその中心軸を中心として所望の角度だけ回転させる等の方法で，光ファイバに対する照射方向を変えることによって形成できる。
実施の形態３．
本実施の形態における光ファイバセンサの短周期グレーティング１０は、コア４の屈折率に対して屈折率が異なっている領域が平面的に形成されているものではなく曲面的に設けられているものである。このような短周期グレーティング１０を傾斜角度が連続的に変化している短周期グレーティング１０と呼ぶことにする。
まず、実施の形態１および２に示した、短周期グレーティング１０の傾斜角度が一定、すなわち、コア４の屈折率に対して屈折率が異なっている領域が平面的に形成されている光ファイバ１について説明する。
傾斜角度が一定の短周期グレーティング１０は、図３３に示すように、ファイバジャケット６の一部が取り除いてある石英製、マルチモードの光ファイバ１に対して、例えば、出力２００ｍＷ、波長２６６ｎｍのＮｄ−ＹＡＧレーザ４倍高調波を周期的な線状のビーム３０にして、光ファイバ１の中心軸に対して線状のビーム３０を所定の角度だけ傾斜させて照射することによって形成する。光ファイバ１には、あらかじめ２週間程度の高圧水素処理（１００気圧）を行っておく。周期的な線状のビーム３０は、位相マスクを介してビーム３０を照射することによって得られ、位相マスクの傾き角度を調整することで任意の傾斜角度の短周期グレーティング１０を形成することができる。また、複数の傾斜角度の短周期グレーティング１０が一括露光で形成できるように、位相マスクを使用して形成してもよい。
このとき、図３４に示すように、レーザ照射時に光ファイバ１を水等の媒体中に置くことにより光ファイバ１のクラッド５とクラッドの外側の媒体の屈折率を近い値にしておく。このようにすることにより、レーザのビームはクラッド５表面での屈折度合いが小さくなるため、ビーム３０がコア４に対して線状に照射され、短周期グレーティング１０の傾斜角度の分布が小さくなる。
ここで、クラッド５の屈折率が大気の屈折率に近い場合は、図３４のように媒体３１中に置いてビーム３０を照射する必要はない。また、媒体中でビーム３０を照射する場合には、媒体としてビーム３０の吸収がない、あるいは、少ない媒体を選択する。例えば、水は、Ｎｄ−ＹＡＧレーザ４倍高調波の波長２６６ｎｍに対して透明であるので、この波長のビーム３０に適している。
次に、本実施の形態における光ファイバセンサの光ファイバ１の、傾斜角度が連続的な短周期グレーティング１０について説明する。傾斜角度が一定の短周期グレーティング１０は、光ファイバ１のクラッド５とクラッドの外側の媒体の屈折率を近い値にしておくことによって形成するのに対して、光ファイバ１のクラッド５とクラッドの外側の媒体の屈折率を異なる値にしておくことによって形成する。
図３５は、光ファイバ１のクラッド５の屈折率に対してクラッドの外側の媒体３１の屈折率が小さな値である場合のビーム３０の光路を、光ファイバ１の断面方向から示した模式図である。図３５に示すように、クラッド５の外側の媒体３１の屈折率がクラッド５の屈折率より小さいため、ビーム３０はクラッド５と外側の媒体３１との界面で屈折する。そのため、コア４に到達するビーム３０は、クラッド５の外側で線状のビーム３０が形成する平面を透過せず、ビーム３０の透過する面は曲面をなす。コア４の中のビーム３０が透過した領域で屈折率が変動するので、コア４の屈折率に対して屈折率が異なっている領域が曲面的に形成される。
このような、クラッド５とクラッドの外側の媒体の屈折率がほぼ同じ場合と異なる場合に形成される短周期グレーティング１０を、図３６と図３７を用いて詳細に説明する。図３６は、それぞれ、クラッド５とクラッドの外側の媒体の屈折率がほぼ同じ場合の、短周期グレーティング１０を光ファイバ１の側面の１方向（ａ２）から見た断面模式図（ａ１）と、この方向から光ファイバ１をその中心軸を中心に９０°回転させた方向（ｂ２）から見た短周期グレーティング１０の断面模式図（ｂ１）である。また、図３７は、クラッド５とクラッドの外側の媒体の屈折率が異なる場合の同様の図であり、本実施の形態における光ファイバセンサの短周期グレーティング１０形成領域を拡大した模式図である。図３６および図３７中の●および○は、コア−クラッド界面における屈折率が異なっている領域の位置を示すものであり、同じ色の丸記号が同じ位置であることを示し、立体的な配置を説明するための目印である。
図３６および図３７に示されるように、図３６においては傾斜角度がコア４内の位置によらずほぼ同じであるのに対し、図３７においては傾斜角度が光ファイバ１の断面方向に対して連続的に変動する分布を有し、コア４内の位置がビーム３０の照射側から遠ざかるにつれて傾斜角度が大きくなっている。図３７に示したような傾斜角度分布を傾斜角度が連続していると呼び、ここでは、コア４の屈折率に対して屈折率が異なっている領域が曲面的に設けられている。
図３７に示される短周期グレーティング１０は、異なる傾斜角度の短周期グレーティングが重畳されているものと見ることができる。
このような傾斜角度が連続的な短周期グレーティング１０を有する光ファイバ１の透過率を、図３８に模式的に示す。図３８に示すように、クラッド伝搬モードによる透過損失ピークが発生する波長範囲が拡大するため、検出感度が高く温度依存性の小さな光ファイバセンサを得ることができる。
なお、本実施の形態においては、周期が１種類の傾斜角度が連続的な短周期グレーティング１０について説明したが、実施の形態１と同様に周期が複数であってもよい。周期を複数にすることにより、実施の形態１と同様にクラッド伝搬モード透過損失ピークの発生の増減による光量の変化を増大できる。
実施の形態４．
本実施の形態における光ファイバセンサの短周期グレーティング１０は、傾斜角度が光ファイバ１の中心軸１００方向に漸次変動しているものである。このような短周期グレーティング１０を、漸次傾斜角度が変化する短周期グレーティング１０と呼ぶことにする。
図３９は、本実施の形態における光ファイバセンサの短周期グレーティング１０形成領域を拡大した模式図である。その他の構成は実施の形態１と同様であるので説明を省略する。
図３９において、コア４には第１の周期ｐ１の短周期グレーティング１０が設けられ、その傾斜角度は光ファイバ１の中心軸１００方向にθ１からθ２まで漸次変動している。
図３９に示すような光ファイバ１は、図４０に示すように、変動する傾斜角度の差だけ撓ませた光ファイバ１に周期的な線状のビーム３０を照射することによって形成することができる。
このような傾斜角度が漸次変動している短周期グレーティング１０を有する光ファイバ１の透過率は、実施の形態４の図３８と同様に、クラッド伝搬モードによる透過損失ピークが発生する波長範囲が拡大するため、検出感度が高く温度依存性の小さな光ファイバセンサを得ることができる。
実施の形態５．
実施の形態１〜３による光ファイバセンサにおいて、液体の屈折率を測定する例を示したが、本実施の形態１〜３による光ファイバセンサに加えて、被測定対象の温度を測定する機構を設け、測定した屈折率と温度とからより正確に被測定対象の性状を測定できる。本実施の形態においては、実施の形態１の光ファイバセンサに温度測定機構などを加えて液体の性状を測定する光ファイバセンサについて説明する。
図４１は被測定対象８の性状をより正確に測定できる光ファイバセンサを説明する模式図である。図３９において、短周期グレーティング１０近傍に温度計４０が設けられ、温度４０から信号線８０を経由して信号を受ける性状計算ユニット４１が設けられている。また、屈折率計算ユニット５０からも性状計算ユニット４１に信号線９０を経由して出力信号が伝えられる。その他の構成は図１と同様であるので説明を省略する。
被測定対象８である液体の屈折率は、室温付近では通常−４×１０−４／Ｋ程度の温度係数を有するが、被測定対象８の出力である被測定対象８の屈折率と受光部３の出力とから、被測定対象８の屈折率の温度依存性を補償した被測定対象８の性状を検知できる。
例えば、エタノール混合ガソリンを被測定対象８とした場合、混合比により屈折率は連続的に変動するが、本実施の形態の光ファイバセンサによれば、あらかじめ被測定対象８の温度依存性データ、すなわち、温度較正データを取得しておき、その温度較正データを基に測定温度の影響を補償することにより、正確にエタノールとガソリンとの混合比を測定できる。
このように、本実施の形態における光ファイバセンサによれば、センサ特性に温度依存性が残留する場合であっても、被測定対象８の屈折率の温度依存性とセンサ特性の温度依存性を補償することにより、より正確にその性状を検知できる。

Claims (8)

  1. 光源と、
    周期の異なる複数の短周期グレーティングを有するコアおよび前記コアを覆うクラッドを具備する光ファイバと、
    前記光源から前記光ファイバに入射され前記短周期グレーティングを経た光の強度を検出する受光部とを備え、
    複数の短周期グレーティングの少なくともいずれかは傾斜角度を有していることを特徴とする光ファイバセンサ。
  2. 複数の短周期グレーティングのうちの第１短周期グレーティングおよび第２短周期グレー
    ティングは異なる傾斜角度を有することを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
  3. 光源と、
    周期の異なる複数の短周期グレーティングを有するコアおよび前記コアを覆うクラッドを具備する光ファイバと、
    前記光源から前記光ファイバに入射され前記短周期グレーティングを経た光の強度を検出する受光部とを備え、
    複数の短周期グレーティングのうちの第１短周期グレーティングと第２短周期グレーティングとが重畳して設けられることを特徴とする光ファイバセンサ。
  4. 第１短周期グレーティングおよび第２短周期グレーティングの傾斜角度の正負符号が逆で
    あることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバセンサ。
  5. 光ファイバの中心軸と、
    光ファイバの中心軸を通る第１短周期グレーティングの屈折率が変動する軸と、
    前記光ファイバの中心軸を通る第２短周期グレーティングの屈折率が変動する軸とが同一平面上にないことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバセンサ。
  6. 複数の短周期グレーティングのクラッド伝搬モードによる透過損失波長範囲は、連続して
    おり、光源の発光波長範囲全体を含むことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の光ファイバセンサ。
  7. 光源と、
    連続した傾斜角度の短周期グレーティングを有するコアおよび前記コアを覆うクラッドを具備する光ファイバと、
    前記光源から前記光ファイバに入射され前記短周期グレーティングを経た光の強度を検出する受光部とを備えたことを特徴とする光ファイバセンサ。
  8. 光源と、
    その中心軸方向に漸次傾斜角度が変化する短周期グレーティングを有するコアおよび前記コアを覆うクラッドを具備する光ファイバと、
    前記光源から前記光ファイバに入射され前記短周期グレーティングを経た光の強度を検出する受光部とを備えたことを特徴とする光ファイバセンサ。
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