JP6039700B2 - 回折格子に基づくセンサ - Google Patents

Description

＜関連出願への相互参照＞
本出願は、本出願の譲受人に属する、２０１２年３月７日に出願された米国仮出願特許Ｎｏ．６１／６０７，８７４に基づく優先権を主張し、該出願の開示はその全体が参照によりここに組み込まれる。

本発明は、一般にファイバ光学の分野に関わり、より具体的には回折格子に基づく改良されたファイバ光学センサに関わる。

回折格子に基づくファイバ光学センサは、多くの異なる用途において、温度、ひずみ、圧力、振動、流体レベル及び類似のものを測定するために用いられる。ファイバに基づくセンシング技術は、電気センサに対して、例えば小型、高感度、遠隔動作を含めて、多くの利点を有する。さらにファイバ光学センサは、センサ位置に電力を送らず、電気を通さないので、電磁干渉を受けない。回折格子に基づくファイバ光学センサにおいては、センシング機能は、センサに印加される、温度や応力を含む多くのパラメーターに対して敏感な波長応答を有するファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）によってもたらされる。

典型的には、水素や重水素のような特定の気体に富む環境において、ファイバ光学センサへのこれらの気体の拡散は、ファイバ部品に対して、挿入損失だけでなく、有効屈折率などのファイバ特性の変化も引き起こす。これらの好ましくない挿入損失と屈折率変化は、典型的にはそれぞれ強度と波長に基づくファイバ光学センサの測定精度の問題につながる。

この気体拡散の問題に対処するために、特定の気体に対する感受性の低いファイバの設計、その気体がセンサ本体に入るのを阻止するセンサパッケージの設計、気体監視のための追加のセンサの装備など、可能性のある多くの解決策が探究されてきた。しかし、概してこれらの技術は、センサ特性を比較的少しだけ向上させるに過ぎなかったか、従って費用効果があまりにも低かった。

本発明の視点は、選択された気体に富む環境で動作するための、光ファイバに基づくセンサに向けられている。

複数の個別の回折格子を備えるセンサ配列が、ツインコア光ファイバの先端に書き込まれる。センサ配列を含む光ファイバの領域が、封止された筐体の中に置かれる。センサ配列は、光ファイバへ入力された光が、温度、気体の拡散、及びひずみのそれぞれの変化に応答して変化する各センサ回折格子からのそれぞれの個別の出力を、結果として生ずるように構成される。これらの出力は、これらの物理量の変化の正確な値を導き出すために使われる。当業者は、回折格子に印加されたひずみが、周囲の圧力のような、他の測定される物理的パラメーターと関係している可能性もあることを理解するであろう。

本発明の視点に従って、複数のセンサ回折格子が、光ファイバ内の気体拡散への応答として等しい波長シフトを有するように構成され、これにより温度、ひずみ、及び気体の拡散の変化を導き出す際に気体拡散の要素が除外され得るようになる。このように、本発明に従うセンサ配列は、気体拡散のレベルが変化しても正確な測定を提供することができる。

更なる本発明の視点は、新規なセンサ配列と共に用いるためのツインコア光ファイバと、それを製作する技術に向けられていて、ここで、第１と第２のコアは共通のクラッドを貫いて伸び、そして第１と第２のコアは、それらの中に刻まれた回折格子に対して異なる波長を有し、しかし気体拡散での同じ変化に経時的に応答して回折格子での同じ波長シフトを有する、複数の導波路をクラッドと共同して創出するようにドープされる。

図１は、本発明の一側面に従う、気体に富む環境のための例示的なＦＢＧに基づく圧力及び温度センサの、尺度は一定しない断面の図解を示す。 図２は、図１に示すセンサの平面図を示し、図解のためにファイバ回折格子とダイアフラムを除去してある。 図３Ａと図３Ｂは、図１のセンサに用いられるセンサ配列の、尺度は一定しない断面図と側面図をそれぞれ示す。 図４Ａと図４Ｂは、図１のセンサに用いられるセンサ配列の中で、回折格子３と４の歪み耐性を増大するために用いられる多孔性ガラス管の、尺度は一定しない断面図と側面図をそれぞれ示す。 図５は、互いに融着されたツインコアファイバとシングルコアファイバの断面図を示し、偏心融着されたシングルコアファイバがどのように光をツインコアファイバ中の結合領域を経てツインコアファイバの両方のコアに入射するかを、同時にまた、各コアにそれぞれの回折格子が存在することによる２つのコアのそれぞれからの反射光を回収するかを図解する。 図６は、図５に示すシングルモードファイバの側面図を示す。 図７は、ファイバ回折格子を除き、図１に示すセンサの分解側面図を示す。 図８は、ファイバ回折格子を除き、図１に示すセンサの分解断面図を示す。 図９Ａと図９Ｂは、本発明の更なる一側面に従う、気体に富む環境のための圧力及び温度センサの構成の、断面図と分解断面図をそれぞれ示す。 図１０は、本発明の更なる一側面に従う、気体に富む環境で用いるための例示的な温度及び歪みセンサの図解を示す。 図１１は、３つの異なる型の光ファイバに書き込まれた回折格子について、重水素の外部拡散時間の関数として波長シフトがプロットされたグラフを示す。 図１２は、気体拡散での同じ変化に応答してそこに書き込まれた回折格子での同じ波長シフトを有し、しかし他のパラメーターの変化に応答して異なる波長シフトを有する、複数のコアを持つファイバの製作のための、本発明の一側面に従う一般的な技術のフローチャートを示す。

本発明の視点は、気体に富む環境で動作するための、回折格子に基づくセンサに向けられている。本発明の更なる視点は、そのようなセンサで使用するためのツインコアファイバを設計するための技術に向けられている。

ここに記述されるセンサは、それぞれが歪みと温度のような選択された複数の物理量のいずれかに応答してシフトするそれぞれのブラッグ波長を有する、個別の回折格子の配列を使用する。回折格子の波長はまた、回折格子の中の特定の気体の拡散の変化に応答してシフトする。センサのデータは、入力光をセンサ配列に入射して、各センサ回折格子でのそれぞれの波長シフトを求めるために反射光を監視することにより生成される。そして、生成された波長シフトのデータは、各選択された物理量の変化のそれぞれの大きさを導き出すために使用できる。

上に述べたように、気体に富む環境で動作する際には、回折格子に基づく従来のセンサ設計の精度は、概してセンサ回折格子における気体拡散の結果、影響を受けるものであった。本発明は、各センサ回折格子が気体拡散の同じ変化に応答して同じ波長シフトを示すようなセンサ回折格子を構成し、これにより温度と歪み／圧力の測定の計算を大幅に簡単にすることによって、この課題に対処する。

回折格子をこのように構成することにより、各選択された物理量のそれぞれの変化の大きさを計算する際に、気体拡散の要因を除外することができる。従来のファイバに基づくセンサと比べて、本発明に従うセンサは、一般的に、気体に富む環境において、顕著に向上した信頼性と測定精度の堅牢性を示すであろう。

本発明の視点は、ここでは歪み／圧力及び温度の測定という文脈で記述されることが注目される。しかし、本発明の動作原理は、他の物理量をセンサ回折格子に加わる歪みに転換する、別の構成の利用を通して、気体に富む環境での該他の物理量の測定に適用され得ることが認識されるであろう。

本文献おいて使われる「回折格子」及び「センサ回折格子」の用語は、温度、歪み、気体拡散、または類似の物理量の変化に応答してシフトする波長を有し、センサ装置の中での使用に適する、任意の回折格子、例えばファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧ）又は類似のものを包括的に指す。

本文献おいて使われる「選択された気体」の用語は、周囲の大気に十分に高い濃度で存在するとセンサ回折格子に経時的に波長シフトを引き起こす水素または重水素のような、指定された気体または気体の混合物を指す。

「気体拡散」の用語は、センサ回折格子の中での選択された気体の拡散の量を指す。

「気体に富む環境」の用語は、選択された気体が、センサ回折格子内での気体拡散に起因するセンシング精度の損失を経時的に引き起こすのに十分な高い濃度で存在するような、回折格子に基づくセンサに対する動作環境を指す。

二つまたはそれ以上の量または構造が本文献において「一致する（ｍａｔｃｈｉｎｇ）」、「同一（ｉｄｅｎｔｉｃａｌ）」または「同じ（ｔｈｅ ｓａｍｅ）」と表現される場合、それは、与えられた動作範囲に亘って所望の結果を達成するように、選択される許容範囲内で二つまたはそれ以上の量が互いに等しいことを意味する。

本論述は、以下の節で構成されている。
１．理論的基礎
２．例示的なＦＢＧに基づく圧力及び温度センサ１
２．１ 書き込まれた回折格子を持つ光ファイバ区域
２．２ ダイアフラム部品
２．３ 機械的連結
２．４ 線型システム１の例示的なセンサ１への適用
３．例示的なＦＢＧに基づく圧力及び温度センサ２
３．１ 線型システム１の例示的なセンサ２への適用
４．例示的なＦＢＧに基づく歪み及び温度センサ
５．ファイバ設計

１． 理論的基礎
以上に論述されているとおり、本発明に従うセンサは、周囲温度、加えられる歪み（これは、周囲の圧力の転換に相当することがあり得る）、および気体の拡散のような特定の物理量の変化に応答してシフトする、それぞれの波長を有する複数のセンサ回折格子を備える。入力光は、複数のセンサ回折格子に入射され、その結果、出力光すなわち複数の回折格子からの反射光に複数のセンサ回折格子のそれぞれの波長データが含まれる。具体的には、センサ出力はそれぞれのセンサ回折格子の波長シフトのデータを得るのに利用できる。

本論述の目的のために、各センサ回折格子において測定される３つの物理量があると仮定する。
（１） 周囲温度Ｔ、
（２） 回折格子に印加される歪みεに転換される、周囲の圧力、および
（３） 気体の拡散Ｇ

更に、各物理量の変化とそれぞれのセンサ回折格子に示される波長シフトとの間に、線型の関係があると仮定する。

数学的観点から、一つまたはそれ以上の選択された物理量の変化量に対する単一で唯一の解に到達するには、波長シフトのデータは少なくとも３つのセンサ回折格子から得なければならないことが理解されるであろう。更に、唯一で正確な解を提供するには、各回折格子は何らかの点で他の２つの回折格子との間に差異がなければならない。

４つの回折格子（回折格子１、２、３、４）を備える構成において、３つの物理量が存在する場合、４つの等式からなる線型系が、これらの４つの回折格子の波長測定から生成される。
線型系１
Δλ_１＝Ｋ_Ｔ１ΔＴ_１＋Ｋ_ε１Δε_１＋Ｋ_ｇ１Δｇ_１ （式１．１）
Δλ_２＝Ｋ_Ｔ２ΔＴ_２＋Ｋ_ε２Δε_２＋Ｋ_ｇ２Δｇ_２ （式１．２）
Δλ_３＝Ｋ_Ｔ３ΔＴ_３＋Ｋ_ε３Δε_３＋Ｋ_ｇ３Δｇ_３ （式１．３）
Δλ_４＝Ｋ_Ｔ４ΔＴ_４＋Ｋ_ε４Δε_４＋Ｋ_ｇ４Δｇ_４ （式１．４）

線型系１において、
Δλ_１、Δλ_２、Δλ_３、Δλ_４は、生成したデータ、つまり各回折格子１〜４でそれぞれ測定された波長シフトを表し、
ΔＴ_{１，２，３，４}、Δε_{１，２，３，４}、Δｇ_{１，２，３，４}は、解かれるべき未知数、つまり各回折格子１〜４での温度、歪み、および気体拡散のそれぞれの変化量を表し、
Ｋ_{Ｔ１，２，３，４}、Ｋ_{ε１，２，３，４}、Ｋ_{ｇ１，２，３，４}は定数で、各回折格子１〜４での温度、歪み、および気体拡散のそれぞれの係数を表す。これらの係数は、較正プロセスにより得られる。

線型系１は、それが４個の未知数を含み良い条件の係数行列を持つ４本の等式に縮減できる場合にのみ、単一、唯一で正確な解をもたらすであろうことが理解されるであろう。これは、後に見るように、設計の異なるセンサ構成により達成可能である。もしより多くの未知数が存在するならば、おそらくはより多くの回折格子センサからの、より多くの独立した等式が必要である。

続く節では、本発明の一側面に従う例示的なＦＢＧに基づく圧力及び温度センサ、および該例示的なセンサへの線型系１の適用の説明を与える。

２． 例示的なＦＢＧに基づく圧力及び温度センサ１
図１は、温度及び圧力を測定するために使われる、本発明の一側面に従う例示的なＦＢＧに基づくセンサ１０の、尺度は一定しない断面の図解を示す。図２は、センサ１０の平面図を示し、ファイバ区域２０とダイアフラム３０を除去してある。

センサ１０は、（A）複数の回折格子２１〜２４を書き込まれた光ファイバ区域２０、（B）周囲の圧力によって変形するダイアフラム３０、および（C）ダイアフラム３０の変形を回折格子２１〜２４に印加される歪みの変化に転換するベロウズ型の構造４０の３つの主要な構成要素を備える。光ファイバ区域２０および関連する構成要素は、追加的に図３と図４に図解されている。ダイアフラム３０、ベロウズ４０、および関連する構造的な構成要素は、追加的に図７と図８に分解図として図解されている。それぞれの主要な構成要素は、以下に詳しく説明される。

回折格子２１〜２４は、温度、歪み／圧力、および気体拡散の変化に応答して波長シフトを与える。ダイアフラム３０は弾力のある材料で作られ、周囲の圧力の変化に応答して変化する偏位状態を持つように構成される。ファイバと、従って回折格子は、組み立ての間に予備歪みを与えられ、ベロウズ４０は、圧力変化によってダイアフラム３０の偏位状態が変化するときにセンサ回折格子２１〜２４の全体において歪みを変化させるように構成される。全ての部品の材料と大きさは、温度変化がファイバ中の歪みの変化に影響を及ぼさないように選択される。従って、センサが温度と圧力で較正される場合は、回折格子からの波長変化は温度と圧力のデータを与えることができる。

各構成要素が順番に説明され、続いて線型システム１の例示的なセンサ１０への適用に関して論述される。

２．１ 書き込まれた回折格子を持つ光ファイバ区域
図３Ａと図３Ｂは、センサ１０に用いられる、回折格子２１〜２４を含むツインコア光ファイバ区域２０の、尺度は一定しない断面図と側面図をそれぞれ示す。図４Ａと図４Ｂは、ファイバ区域２０の外径より少しだけ大きい内径を持つ多孔性ガラス管２７の、断面図と側面図をそれぞれ示す。多孔性ガラス管の両端部は融着または他の類似の手段により回折格子ペア２３／２４の周りのファイバ区域２０に接合され、その結果この領域のファイバの剛性が回折格子ペア２１／２２を含むファイバ領域におけるファイバの剛性と異なるようになる。この配置は、２つの回折格子領域に異なる歪みを引き起こすであろう。管が多孔性である理由は、２つの回折格子領域における気体拡散効果が同じになり、その結果線型系１の中の未知数の数を減らすためである。

図３Ａと図３Ｂに示されるように、ファイバ区域２０はクラッド２００を備え、それを貫いて、ファイバ区域のテーパーがなく、モード結合（つまり、漏話）をほとんどまたは全く示さないように構成される第１のファイバコア２０１と第２のファイバコア２０２が伸びる。ツインコアファイバの設計の例は、本出願の譲受人が所有する米国特許Ｎｏ．８，１２３，４００に記述されていて、それはその全体が参照によりここに組み込まれる。

米国特許Ｎｏ．８，１２３，４００に記述されている設計は、主に気体に富む環境における温度測定のためのセンサを提供する。一方、本発明は追加の物理パラメーター、特に圧力を測定するための装置を提供する。更に、第１と第２のファイバコア２０１と２０２は気体拡散の変化に応答して厳密に同じ波長シフトを有するように、しかし温度の変化に応答して依然として明瞭に異なる波長シフトを有するように、構成されることができる。コア２０１と２０２をこのように構成するために、本発明の更なる一側面に従う技術が、下記に説明される。

ツインコアファイバの利用は、接近した複数の同一の回折格子のペアを製作することを考慮したものであり、その結果、特定の選択された回折格子のパラメーターの正確な一致を可能とする。図３Ａに示すように、ファイバ区域２０に書き込まれるのは、ここに説明される技術に従って使われるのに適した複数の回折格子２１〜２４である。

回折格子２１〜２４は、変動２５、２６の周期的な組をファイバ区域２０内に書き込むことによって作り出される。変動は両方のファイバコア２０１と２０２に亘るので、変動２５、２６の各組は、同じ回折格子周期を持つ隣接する回折格子２１／２２と２３／２４のそれぞれのペアを作り出す。２つのコアは異なる有効屈折率を持つように作られ、変動２５と２６の回折格子周期は異なるように作られる。これらの配置により、これら４つの回折格子の波長は、初期値が異なり、センサの動作中に決して重なり合わず、これは測定の容易さと測定の精度を確実にする。上に述べたように、２つのコア２０１と２０２は、それぞれの回折格子ペアのうちで、２つの回折格子が気体拡散の変化に応答する同じ波長シフトを持ち、しかし温度の変化に応答して明瞭に異なるシフトを持つことができるように構成される。これらの特性と図１のセンサ配置によって、ツインコア回折格子を第１のグループ（図中でそれぞれ回折格子１および２と示される）に使い、１つの回折格子を第２のグループ（図中で回折格子３と示される）に使うことが、温度と圧力の計算の中で気体拡散を除外することが可能であることを数学的に実証するということが、以下のように明らかにされる。

図５は、ファイバ区域２０の後端部の断面図を示す。ファイバ区域２０の後端部に接続されるのは、入力光をセンサ２０に入射し、またセンサ出力（つまり回折格子２１〜２３による反射光）を中央にある光データ処理システムに伝達するために用いられる、シングルコアファイバ（ＳＣＦ）２８の先端部である。図６は、シングルコア２８１が中を貫くクラッド２８０を備えるＳＣＦの端面図を示す。

ＳＣＦ２８は、２つあるツインコアファイバのコアの内の１つにＳＣＦコア２８１が整列するように、ツインコアファイバ区域２０に接続される。（図５では、ＳＣＦコア２８１は任意にファイバ区域２０のコア２０１に接続されるように描かれている。）ファイバ区域２０の２つのコアのどちらもが中心を外れた位置にあるので、描かれる接続はファイバ区域２０とＳＣＦ２８の接続点における端面の間で中心を少し外れる結果となる。

ツインコアファイバ区域２０は、２つのツインコアファイバコア２０１と２０２の間の結合を提供するために構成されるテーパー部分２９を含む。こうして、ＳＣＦ２８によって入力として提供された光は両方のツインコアファイバコアの全体に分配される。同様に、回折格子２１と２３によってコア２０１に沿って反射された光信号と回折格子２２と２４によってコア２０２に沿って反射された光信号は、ＳＣＦコア２８１に結合される。

２．２ ダイアフラム部品
センサダイアフラム３０と支持構造を、細部に亘って説明する。

図７と図８は、ファイバ区域２０を除き、センサ部品の分解された側面図と断面図をそれぞれ示す。

ダイアフラム３０は、ベース板１２と外壁１３から形成される小室１１を封止するために取り付けられる、プラスティック、金属合金、ステンレス、またはセラミクスなどの適切な材料の板を備える。ベース板と外壁の接続部位も同じく封止される。小室１１とダイアフラム３０は、回折格子とベロウズの組立体に対する周囲の圧力の変化の効果が、主としてダイアフラム３０の変位の変化に由来するように構成される。システム１０が必要とするのは、０．１ｍｍのオーダーまたはそれ以下の、比較的小さい量のダイアフラム３０の変位である。

２．３ 機械的連結
ここでは、ベロウズ４０を細部に亘って説明する。上に説明したように、ベロウズの機能は、ダイアフラム３０の変位の変化を回折格子２１〜２４に亘って印加される歪み量に転換する、機械的連結を提供することである。

ベロウズ４０は小室１１に完全に収容されている。ベロウズ４０は、（図１に見られるように）ベース板１２の上面に据え付けられる後端と、小室１１の縦軸に沿ってダイアフラム３０まで伸びる前端を持つ。ベロウズ４０は、予め圧縮している力が減少すれば弾性的に伸長可能であり、この縦軸に沿って更に圧縮されれば収縮可能である。

図１、図７および図８に示されるように、システム１０はベロウズの先端をダイアフラム３０の内面に連結する機械連結器４１を更に含む。ダイアフラム３０、ベロウズ４０、および連結器４１は、ダイアフラム３０の変位の変化（つまり周囲の圧力の変化への応答）が対応するベロウズの変位に転換され、その結果ファイバに沿って歪みが変化するように構成される。

再び図１を見ると、ファイバ区域２０は、回折格子２１〜２４を含むファイバ区域２０の部分がベロウズの前端と後端の間に広がり、ファイバ区域２０の後端がベース板１２の孔１２０を経てセンサ本体の外側に伸びるように、ベロウズ４０内に据え付けられる。ここに描かれた本発明の実施においては、これはベロウズ４０に、それぞれファイバ区域２０をぎりぎりで収容する形の貫通孔４２０と４３０を持つ前端取り付け具４２と後端取り付け具４３をあてがうことによって達成される。完全に組み立てられたセンサにおいては、孔４２０と４３０はベース板の孔１２０の上に配置される。

実際には、取り付け具４２と４３は初めに溶接または他の接合方法でベロウズ４０に接続される。そして、回折格子を持つファイバ区域２０とそれに接合された多孔性の管２７はベロウズ４０の中に通される。その後、ベロウズ４０は定められた値に圧縮され、続いてファイバ区域２０が図１に示すように点４２１と４３１で接合される。ベロウズ４０を解放するとファイバに張力を生じ、その結果回折格子は予備張力を与えられる。接合は、ガラスソルダ、エポキシと接着剤、それに、ファイバ区域がこれらの２つの領域で金属コートされていれば、ろう付けとはんだ付けのような異なる方法で行うことができる。次に機械連結器４１がベロウズ４０に接続されることができ、こうして組み立て体はベース板１２に接続されることができる。これらが終わった後、小室１１がベース板１２に接続され、ダイアフラム３０が小室１１に接続される。小室１１とベース板１２の間およびダイアフラム３０と小室１１の間の接続は、圧力が小室１１の中へ漏れるのを避けるためにそれらが封止されるように行われる。

こうして、動作中には、周囲の圧力の変化がダイアフラム３０の変位の変化を引き起こす。機械的連結器４１はダイアフラム３０の変位の変化をベロウズ４０の変位の対応する変化に転換し、その結果ファイバの張力を変化させる。ベロウズ、機械的連結器、小室および取り付け具の材料は、温度変化がファイバの張力を変化させないように選ばれることに注目すべきである。従って、ファイバの張力の変化は専ら圧力の変化に由来し、その結果センサの較正と測定が簡単になる。他の製造上の検討に依存して、組み立て工程の順序が変わるであろうことにも注目すべきである。

２．４ 線型システム１の例示的なセンサ１への適用
この節の目的のために、３つのセンサ回折格子２１、２２、２３はそれぞれ回折格子１、回折格子２、回折格子３と呼ばれる。

以上に論述されているとおり、３つの全てのセンサ回折格子は気体拡散の変化に応答する同じ波長変化を有する。更に、回折格子１と回折格子２は温度と歪みの変化に応答する異なる波長シフトを有するように構成される。回折格子１と回折格子３は同一であり、従って歪みの変化と温度の変化に応答する同じ波長シフトを有する。しかし、多孔性ガラス管２７の存在により、回折格子１と回折格子３は異なる歪みを経験する。

従って、
回折格子１、２、３は全て同じ気体拡散定数Ｋ_ｇを持つ。
回折格子１と３は同じ温度定数Ｋ_Ｔ１と同じ歪み定数Ｋ_ε１を持つ。
回折格子２は、回折格子１と３の温度定数または歪み定数のどちらか一方または両方と明瞭に異なる、温度定数Ｋ_Ｔ２と歪み定数Ｋ_ε２を持つ。
回折格子１、２、３は全て同じ温度Ｔの変化と気体拡散ｇの変化を経験する。
回折格子１と２は、並べて配置されているので、印加される歪みε_１の同じ変化を経験する。断面積を増加させる多孔性ガラス管の存在により、回折格子３は減少された印加歪みＣε_１（つまり、係数Ｃにより調整されたε_１）の変化を経験する。Ｃは較正により得られる。

例示的なセンサ１０のこれらの特性は線型系１を簡略化するために利用でき、以下の線型系２となる。
線型系２
Δλ_１＝Ｋ_Ｔ１ΔＴ＋Ｋ_ε１Δε_１＋Ｋ_ｇΔｇ （式２．１）
Δλ_２＝Ｋ_Ｔ２ΔＴ＋Ｋ_ε２Δε_１＋Ｋ_ｇΔｇ （式２．２）
Δλ_３＝Ｋ_Ｔ１ΔＴ＋Ｋ_ε１ＣΔε_１＋Ｋ_ｇΔｇ （式２．３）

（２）の式で、第１の式を第２の式から引き、第１の式を第３の式から引くと、さらに簡略化された線型系３が得られる。
線型系３
Δλ_２−Δλ_１＝（Ｋ_Ｔ２−Ｋ_Ｔ１）ΔＴ＋（Ｋ_ε２−Ｋ_ε１）Δε_１ （式３．１）
Δλ_３−Δλ_１＝Ｋ_ε１（Ｃ−１)Δε_１ （式３．２）

全ての係数ＫｉとＣは、較正プロセスによって実験的に得ることができる。こうして、温度Ｔの変化と歪みεの変化を計測するために方程式（３．１）と（３．２）を解くことができ、温度と圧力の較正がなされているときはさらに圧力を計測できる。計測の計算は簡略化され、気体の拡散を含まないことが分かる。ファイバ中の気体濃度の変化を監視することが望ましく、３つ全てのパラメーターを得るために、方程式（２．１）、（２．２）、(２．３)を解くことが可能である。

３． 例示的なＦＢＧに基づく圧力及び温度センサ２
図９Ａと図９Ｂは、本発明の更なる実施に一致した、気体に富む環境のための例示的な圧力及び温度センサ構成９０の、それぞれ断面図と分解断面図を示す。構成９０の一つの魅力的な特徴は、そのすべての構成要素が、選択された接続領域９８（図９Ｂに示される）において融着またはガラスソルダにより互いに接続することができる、石英または石英ガラスから作られることができることである。一方、システム１０（図１）は種々の金属やガラスのような多様な材料から作られる構成要素を備える。

システム９０は、図１に示すファイバ２０と同様、第１と第２の回折格子ペア９２１／９２２と９２３／９２４を書き込まれたツインコアファイバ９１を備える。図９Ａと図９Ｂに示すように、ファイバ９１は、回折格子ペア９２３／９２４の周りにクラッドの「膨出部」９１１を、ファイバ９１の膨出部９１１と膨出していない領域９１４の間のテーパー付き移行部９１２、９１３と共に含む。膨出部９１１とテーパー付き移行領域９１２、９１３は、端部支持片９３と９４の間に密着し、回折格子ペア９２３／９２４に縦方向の圧縮力を加えるために支持端片が利用できるように構成される。

本発明の実施に一致して、クラッドの膨出部は、図１のファイバ２０のクラッド外径（つまり約１２５μｍ）に比べて大きいクラッド外径D（つまり最小で５００μｍ）を持つようにファイバ９１を製作することにより作り出される。回折格子が書き込まれた後で、ファイバ９１の膨出部９１１と膨出していない領域９１４およびテーパー付き移行部９１２、９１３を作り出すように、ファイバ９１が加工されることができる。

円筒形のガラス管９５が、端部支持片９３と９４を連結するために使用される。テーパー付きファイバ領域９１２と９１３、端部支持片９３と９４、および円筒形ガラス管９５は、これらの部品を互いに接続することが第２の回折格子ペア９２３／９２４の予備圧縮になるように構成される。そして端板９７と底板９６が支持片９４と９３にそれぞれ接続され、両方の回折格子ペアのための気密筐体を形成するために接続領域９８が封止される。ファイバ９１の後端にはテーパー付きの結合領域が用意され、それは上記の説明のシステム１０（図１）においてファイバ２０がシングルコアファイバ２８に結合されるのと同じやりかたで、シングルコアファイバ（図示せず）に結合される。

ファイバ９１の先端のほうに位置する第１のペアの回折格子９２１／９２２（つまり回折格子１と２）は、どんな歪みも経験しない。端板９７と管９５の外面において周囲圧力の増加が起こるときには、第２の回折格子ペア９２３／９２４（つまり回折格子３と４）において対応する圧縮歪みεの増加が起こる。温度と気体拡散の変化は、各回折格子ペアに対して対応するそれぞれ効果をもたらすであろう。

３．１ 線型システム１の例示的なセンサ２への適用
図１の場合と同様に、線型系１の簡略化はこのセンサ構成についての以下の仮定によって行うことができる。
回折格子１、２、３、４は全て同じ気体拡散定数Ｋ_ｇを持つ。
回折格子１と３は同じ温度定数Ｋ_Ｔ１と同じ歪み定数Ｋ_ε１を持つ。
回折格子２と４は、回折格子１と３の温度定数または歪み定数のどちらか一方または両方と明瞭に異なる、温度定数Ｋ_Ｔ２と歪み定数Ｋ_ε２を持つ。
回折格子１と２は無歪みである。
回折格子１、２、３、４は、潜在的にセンサの体積が非常に小さいことにより、全て同じ温度Ｔの変化を経験する。
回折格子１と２は同じ気体拡散ｇ_１の変化を経験し、回折格子３と４は同じ気体拡散ｇ_２の変化を経験する。ここに、回折格子の周囲が異なる期間中は、ｇ_１とｇ_２は異なるであろう。

こうして、線型系１は下記のように書き改めることができる。
Δλ_１＝Ｋ_Ｔ１ΔＴ＋Ｋ_ｇΔｇ_１
Δλ_２＝Ｋ_Ｔ２ΔＴ＋Ｋ_ｇΔｇ_１
Δλ_３＝Ｋ_Ｔ１ΔＴ＋Ｋ_ε１Δε＋Ｋ_ｇΔｇ_２
Δλ_４＝Ｋ_Ｔ２ΔＴ＋Ｋ_ε２Δε＋Ｋ_ｇΔｇ_２

第１の式を第２の式から引き、第３の式を第４の式から引くと、以下が得られる。
Δλ_２−Δλ_１＝（Ｋ_Ｔ２−Ｋ_Ｔ１）ΔＴ
Δλ_４−Δλ_３＝（Ｋ_Ｔ２−Ｋ_Ｔ１）ΔＴ＋（Ｋ_ε２−Ｋ_ε１）Δε

温度と歪み／圧力の計算において、気体拡散は除外されることが分かる。

図１のセンサと同様に、温度変化だけでは回折格子３と４の予備歪みを変化させないように全てのガラス材料が選ばれ、その結果、較正と測定が簡単になる。

仮に、バッチ毎の材料特性の変化により温度が両方のセンサ構成の回折格子の予備歪みに影響するとしても、その効果は較正プロセスと係数Ｋ_Ｔｉに含まれるであろうことに注目すべきである。それ以外の計算は同じとなる。

４． 例示的なＦＢＧに基づく歪み及び温度センサ
図１０は、本発明の更なる一側面に従った、気体に富む環境での使用に適した歪み及び温度センサ１００の、断面の概念的な図解を示す。センサ１００は、回折格子１０２を書き込まれたツインコアファイバ１０１と、枠１０４の内部に据え付けられた歪み抵抗部材１０３を備える。

本発明の一側面に従って、枠１０４は、歪みと周囲温度が測定される構造体に取り付けられる。本発明の実施では、その構造体の歪み状態の変化は枠１０４の歪みの状態の変化に転換される。更に、枠１０４の歪みの状態の変化は、今度は書き込まれた回折格子１０２の歪みの状態の変化に転換される。上記で説明した例示的な圧力及び温度センサにおけるように、枠１０４は、温度変化が回折格子の予備歪みに影響を及ぼさないような、多様な材料または複合材料から作ることができる。回折格子の波長シフトが測定され、構造体における歪みと温度を得るために、較正と共に使われる。

このセンサの数学的な部分は、図１の場合におけるのと同じである。

５． ファイバ設計
以上に述べたように、本発明の一側面に従ったセンサにおいて、センサ回折格子は気体拡散の変化に応答して全て同じ波長シフトを示す。本発明の更なる視点は、気体拡散の変化に応答して一致した波長シフトを示す複数のコアを持つファイバと、そのようなファイバを製作する技術に向けられる。述べられる技術は２つ以上のコアを持つファイバにおいて利用できる、ということが認識されるであろう。

図１１は、本出願の譲受人であるＯＦＳによって製造された３つの異なる型の光ファイバに書き込まれた回折格子について、波長シフトが時間の関数としてプロットされたグラフ１１０を示す。
（１） 図１のＳＭＦ２８と同様のＯＦＳファイバ（上段のプロット１１１）
（２） ＯＦＳファイバ１１１４９５（中段のプロット１１２）
（３） ＯＦＳファイバ０４０２９８（下段のプロット１１３）

回折格子の気体拡散応答が、重水素の負荷を起こさせるためにそれらを高圧力で重水素に富む環境の中に置くことによって測定された。その後、回折格子は重水素負荷の環境から取り出されて、通常の空気中に室温室圧で放置された。そして、波長測定が周期的に実行され、経過時間の関数としてプロットされた。

記述された手順は逆方向手法を採用し、そこでは重水素は侵入するのではなく回折格子から拡散脱離する。このような手法は、試験過程の大部分が通常の室温室圧において実行されることを許す。

図１１のグラフは、上記の手順を用いて測定された気体拡散効果を図解する。同様の結果が、ＳＭＦ−２８類似のファイバ（プロット１１１）のコアと同様の第１のコアと１１１４９５ファイバ（プロット１１２）のコアと同様の第２のコアを備えるツインコアファイバ内の回折格子について得られた。

本発明の一側面に従って、回折格子が書き込まれるファイバのコアとクラッドの領域を作り出すために使われるドーパントの選択および／または特定のドーパントの濃度を操作することにより、異なる波長を持つ回折格子に対する気体拡散の効果が一致させられる。

ファイバ１１１４９５（プロット１１２）と０４０２９８（プロット１１３）は、両方ともゲルマニウムでほぼ同じ濃度に高ドープされている。ファイバ０４０２９８（プロット１１３）は、少量のアルミニウムドープを有し、ファイバ１１１４９５（プロット１１２）は有さない。図１１から、ＳＭＦ−２８類似のファイバ（プロット１１１）に比べて、ファイバ１１１４９５（プロット１１２）とファイバ０４０２９８（プロット１１３）は両方とも気体拡散に応答して比較的小さい波長シフトを示すことが分かる。アルミニウムドープは、更に波長シフトを減ずる。そこで、本発明の一側面に従って、２つのファイバ回折格子に気体拡散の結果として同じ波長シフトを示させるために、ゲルマニウムおよびアルミニウムのドーパントおよびそれらの濃度を操作することができる。２つのファイバ回折格子に気体拡散の結果として明瞭に異なる波長シフトを示させるために、同じ手法を用いることができる。

図１２は、ツインコア光ファイバを製作するための、本発明の一側面に従った一般的な技術１２０のフローチャートを示し、ここで両方のファイバコアは気体拡散の変化に応答して許容誤差内で同じ波長シフトを有する。技術１２０は以下のステップを含む。
１２１： コアに異なるドーパントおよび／またはドーパント濃度を持つシングルコアファイバを作る。
１２２： これらのファイバにＦＢＧを書く。
１２３： 気体拡散特性について、ＦＢＧをテストする。
１２４： 気体拡散特性に最も影響を及ぼすドーパントを操作する。
１２５： ステップ１２３で測定される気体拡散特性が２つのコアで同じになるまで、１２１〜１２４のステップを繰り返す。
１２６： これらの２つのコアを使ってツインコアファイバを作り、熱、歪み、および気体拡散の効果を特徴づける。
１２７： 結果が満足できるものでなければ、シングルコアの繰り返し処理に戻って、同じ気体拡散特性を持つ別のペアのコアをみつける。

＜結論＞
以上の説明は、当業者が本発明を実施することを可能にするための詳細を含むものであり、説明は本来図解的であってこれらの開示に利益を有する当業者にとってその多くの改良と変形は明白であろう。従って、本発明はここに添付される請求項のみによって定義され、そして請求項は先行技術によって許される限り広く解釈されることが意図されている。

Claims (12)

1. 選択された気体に富む環境の中での使用のための光ファイバセンサであって、
   筐体と、
   前記筐体の内部を通って伸びるように、前記筐体の中に据え付けられた先端を持つ光ファイバと、
   ツインコア光ファイバの先端に書き込まれた複数の回折格子を備えるセンサ配列であって、前記回折格子が入力された光を受けて温度、気体拡散、および歪みのそれぞれの変化に応答して変化する波長を持つそれぞれ独立の出力を提供するように構成される、センサ配列
   を備え、
   温度、歪み、および気体拡散の変化はセンサ配列の中の前記回折格子のそれぞれ独立の出力から導き出すことができ、
   前記複数の回折格子のそれぞれは、温度、歪み、および気体拡散の変化を導き出す際に気体拡散のパラメーターを除外できるようにするため、ファイバ区域での気体拡散に応答する等しい波長シフトを有するように構成され、
   それによって、異なる気体拡散のレベルにおいて測定値が得られる、
   光ファイバセンサ。
   
2. 前記選択された気体が水素または重水素を含む、請求項１記載のセンサ。
   
3. 前記ツインコア光ファイバが第１と第２のコアを備え、ここに前記第１と第２のコアはそれぞれ異なる屈折率を持つように構成され、
   前記回折格子は両方のファイバコアに亘って周期的変動の組を書き込むことにより形成され、それによってそれぞれの周期的変動の組は、同じ回折格子周期を持ち、異なる波長を持つ回折格子のペアとなる、
   請求項１記載のセンサ。
   
4. 更に、ツインコアファイバ区域の中に入力される光を供給するために、そしてセンサ配列からの反射光を含む出力をそこから受けるために、接続ファイバを備え、
   前記接続ファイバは前記ツインコアファイバ区域のコアのうちの１つと結合するシングルコアを持つ伝達ファイバを備え、かつ
   前記ツインコアファイバ区域の先端は、ツインコアファイバ区域の第１と第２のコアが互いに光学的に結合するテーパー付きの領域を備え、
   それによって前記伝達ファイバからの入力光がツインコアファイバ区域の第１と第２の両方のコアに供給され、かつ
   それによって前記ツインコアファイバの第１と第２のコアからの出力光が前記伝達ファイバのシングルコアに供給される、
   請求項１記載のセンサ。
   
5. 前記ファイバ区域の先端が、選択された大きさの予備歪みがファイバ区域に縦軸方向に加えられるように、そして前記センサ配列の中の少なくとも１つの回折格子がファイバ区域の歪み耐性領域に位置するように、前記筐体の中に据え付けられ、
   その結果、回折格子全体に加えられる歪みの変化が、少なくとも１つの回折格子において他の回折格子での歪みの変化と比べて比例的に小さい変化を生ずる、
   請求項１記載のセンサ。
   
6. 前記ファイバ区域の先端が、センサ回折格子の周りのファイバクラッドの膨出部と、ファイバの膨出部と膨出していない領域の間のテーパー付き移行部を含み、
   前記膨出部に囲まれた回折格子全体に縦方向の予備圧縮歪みを加えるために、前記ファイバ区域の先端が、膨出部のそれぞれの端をぴったりと収納する形に形成された端部支持片の間で前記筐体内に封止され、
   その結果、膨出部に囲まれた回折格子は、他の回折格子が経験しない歪みの変化を経験する、
   請求項１記載のセンサ。
   
7. 前記ファイバ区域の先端が、センサ回折格子の周りのファイバクラッドの膨出部と、ファイバの膨出部と膨出していない領域の間のテーパー付き移行部を含み、
   前記膨出部に囲まれた回折格子全体に縦方向の予備圧縮歪みを加えるために、前記ファイバ区域の先端が、膨出部のそれぞれの端をぴったりと収納する形に形成された端部支持片の間で一つの筐体内に封止され、
   その結果、膨出部に囲まれた回折格子は、他の回折格子が経験しない歪みの変化を経験する、
   請求項１記載のセンサ。
   
8. 前記ファイバ区域が、１つまたはそれ以上の回折格子の全体に加えられる選択された大きさの予備歪みの状態で、枠の中に据え付けられ、
   前記枠が、歪みと周囲温度が測定される構造物に取り付け可能であるように構成され、
   前記枠が、前記構造物の歪み状態の変化が枠の歪み状態の変化に転換されるように構成され、かつ
   前記枠の歪み状態の変化が、書き込まれた回折格子の歪み状態の変化に転換される、
   請求項１記載のセンサ。
   
9. 周囲の圧力の変化をセンサ回折格子に加えられる歪みの変化に転換する、転換手段を更に含み、
   前記転換手段は、前記筐体の外側に据え付けられて弾性的に変位可能なダイアフラムを備え、前記ダイアフラムは周囲の圧力の変化がダイアフラムの変位を引き起こすように構成され、かつ
   前記ダイアフラムは、ダイアフラムの変位が前記センサ回折格子全体に加えられる歪みの変化に転換されるように、前記ファイバ区域の先端に機械的に結合される、
   請求項１記載のセンサ。
   
10. 選択された気体に富む環境において光ファイバに基づく検知を実施する方法であって、
    Ａ 各センサ回折格子が温度の変化、前記センサ回折格子の全体に加えられる歪みの変化、および前記センサ回折格子の全体での選択された気体の拡散の変化に応答するそれぞれの波長シフトを有し、複数のセンサ回折格子のそれぞれが気体拡散の変化に応答して同じ波長シフトを持つように構成される、光ファイバの１つまたはそれ以上の区域に書き込まれた複数のセンサ回折格子を用意する、
    Ｂ 入力光を前記複数のセンサ回折格子に供給する、そして
    Ｃ 温度、加えられた歪み、および気体拡散を含む物理量の群からの１つまたはそれ以上の物理量のそれぞれの変化の大きさの単一で唯一の値を決定するために、複数のセンサ回折格子から反射される波長シフトのデータを利用する、
    のステップを含み、ここで、ステップCにおいて気体拡散のパラメーターが除外される方法。
    
11. 選択された気体に富む環境において圧力または温度を決定する方法であって、
    Ａ 光信号を受けその光信号に応じて光を反射することができる３つのファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）素子を用意し、それぞれのＦＢＧ素子からの反射光はそれぞれのＦＢＧ素子のパラメーターに依存する波長を持ち、選択された気体に富む環境における圧力または温度の決定は前記光信号に応じてＦＢＧ素子により反射された光の波長と比べて得られて、
    第１と第２のＦＢＧ素子は第１のペアのＦＢＧ素子を形成し、第３のＦＢＧ素子は第１のペアのＦＢＧ素子とは区別され、
    ３つのＦＢＧ素子は、それぞれ異なる温度係数を持ち、それぞれのＦＢＧ素子への選択された気体の拡散の存在における同じ波長シフトを持ち、ここで歪み係数は同じでなくてよく、かつ
    センサの中の前記ＦＢＧ素子は、使用中に、選択された気体に富む環境において加えられる温度と加えられる歪みに曝されること、
    Ｂ それぞれのＦＢＧ素子の中のそれぞれの歪み部品の形態をとり、加えられる圧力を前記ＦＢＧ素子に結合するための機構を用意すること、
    Ｃ 加えられる圧力による歪みが第３のＦＢＧ素子と第１のペアのＦＢＧ素子との間で異なる一方で、第３のＦＢＧ素子と第１のペアのＦＢＧ素子の両方が、選択された気体に富む環境において同じ気体と温度の条件に曝されるように、前記第３のＦＢＧ素子を機械的に補強する機構を用意すること、および
    Ｄ 第１のペアのＦＢＧ素子と第３のＦＢＧ素子からの反射光の、検出された波長に基づいて、加えられた圧力または加えられた温度を決定すること、
    を含む方法。
    
12. ツインコア光ファイバを製作する方法であって、両方のファイバコアは気体拡散の変化に応答して許容誤差内で同じ波長シフトを有し、
    Ａ コアに異なるドーパントおよび／またはドーパント濃度を持つ、シングルコアファイバを作る、
    Ｂ 前記シングルコアファイバに回折格子を書く、
    Ｃ 気体拡散特性について、前記回折格子をテストする、
    Ｄ 気体拡散特性に最も影響を及ぼす１つまたはそれ以上のドーパントに関し、前記シングルコアファイバのそれぞれのドーパントプロファイルを操作する、
    Ｅ ステップＣで測定される気体拡散特性が２つのコアで同じになるまで、Ａ〜Ｄのステップを繰り返す、
    Ｆ 前記２つのコアを使ってツインコアファイバを作り、熱、歪み、および気体拡散の効果を特徴づける、
    のステップを含む方法。

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