JP2000258642A

JP2000258642A - 高分解能歪測定に適した光ファイバおよび物理量測定方法

Info

Publication number: JP2000258642A
Application number: JP11061513A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Imamura; 一雄今村; Takeshi Genchi; 武士源地
Original assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Cable Industries Ltd
Priority date: 1999-03-09
Filing date: 1999-03-09
Publication date: 2000-09-22

Abstract

(57)【要約】【課題】光ファイバ心線を用いて数ｍｍ〜数百ｍｍの
高い分解能を持つ歪測定を可能にする。【解決手段】光ファイバ心線に反射特性または透過特
性の異なる複数種類のファイバグレーティングを書き込
むむ。この複数種類のファイバグレーティングは、少な
くとも、第１の波長を有する光を反射または透過する第
１のファイバグレーティングと、第１の波長とは異なる
第２の波長を有する光を反射または透過する第２のファ
イバグレーティングとを含んでおり、第２のファイバグ
レーティングは、第１のファイバグレーティングが形成
されている位置から軸方向に沿って離れた位置に形成さ
れている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、高分解能歪測定に
適した光ファイバ心線、光ファイバコード、および光フ
ァイバケーブル、ならびにこれらを用いた歪測定方法な
どの物理量測定方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバに張力が印加され伸び歪が生
じていると、光ファイバは劣化してゆくため、光通信線
路の長期信頼性を確保するには、光ケーブルの製造時、
敷設時、および適用環境使用時の各段階において光ファ
イバの歪を正確に測定することが必要になる。従来、こ
のような歪を測定する方法としては、歪の発生に伴う光
信号遅延時間の変化を直接に時間軸上で測定する光パル
ス法や、正弦波変調信号の位相変化から歪を測定する位
相法が用いられていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記の歪測定方法によ
れば、歪を高い精度で測定できるが、光ファイバの長手
方向に沿って歪が不均一に分布する場合は、長手方向に
沿って平均化した歪の値を検知することしかできなかっ
た。

【０００４】光ファイバの強度劣化は最大歪によって決
定されるため、歪の平均値が小さい場合であっても、局
所的に大きな最大歪が発生していると、その部分で光フ
ァイバの劣化が大きく進行することになる。このため、
長手方向に平均した歪値だけを測定していたのでは、光
ファイバの信頼性を充分に保証することはできなくな
る。

【０００５】そこで、歪分布を光ファイバの長手方向に
沿って測定する方法が提案されている。この方法は、音
波および周波数変換を伴う光波の非線形相互作用を分析
する技術と、ＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflecto
metry）に類似した時間領域測定技術とを融合させた方
法である。

【０００６】しかしながら、この方法では光パルス幅に
よって距離分解能（時間分解能）が限定され、従来、数
１０ｃｍ程度以下の高分解能を達成することはできかっ
た。他方、光ファイバケーブル内に収納された光ファイ
バ心線は、通常、数１０ｃｍ程度のピッチで螺旋状に撚
られている。このため、上記従来の測定方法によって
は、光ファイバに生じている最大歪を高い精度で測定す
ることができなかった。

【０００７】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、数ｍｍ〜数百ｍｍとい
う高い分解能を持つ測定が可能な光ファイバおよび物理
量測定方法を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明による光ファイバ
心線は、反射特性または透過特性の異なる複数種類のフ
ァイバグレーティングが書き込まれた光ファイバ心線で
あって、前記複数種類のファイバグレーティングは、少
なくとも、第１の波長を有する光を反射または透過する
第１のファイバグレーティングと、前記第１の波長とは
異なる第２の波長を有する光を反射または透過する第２
のファイバグレーティングとを含んでおり、前記第２の
ファイバグレーティングは、前記第１のファイバグレー
ティングが形成されている位置から軸方向に沿って離れ
た位置に形成されていることを特徴とする。

【０００９】前記ファイバグレーティングは、コアと、
前記コアを囲むクラッドと、前記クラッド層の外周面に
形成された紫外線透過型紫外線硬化樹脂層とを備えてお
り、前記ファイバグレーティングは、前記紫外線透過型
紫外線硬化樹脂層を通して前記コアに照射された紫外線
によって前記コア内に書き込まれたものであることが好
ましい。

【００１０】本発明によるファイバコードは、本発明の
光ファイバ心線を備えていることを特徴とする。

【００１１】本発明によるファイバケーブルは、本発明
の光ファイバ心線を備えていることを特徴とする。

【００１２】本発明による光ファイバ心線の製造方法
は、グレーティングが書き込まれるべきコアと前記コア
を囲むクラッドとを備えたファイバ構造の外周面を紫外
線透過型紫外線硬化樹脂から形成した被覆層で覆う工程
と、第１の紫外線を前記被覆層に照射することによって
前記被覆層を硬化させる工程と、第２の紫外線を前記被
覆層の外側から前記コアに対して照射することによっ
て、反射特性または透過特性の異なる複数種類のファイ
バグレーティングを前記コアの異なる位置に書き込む工
程とを包含することを特徴とする。

【００１３】本発明による物理量測定方法は、前記何れ
かの光ファイバ心線に対して、前記第１および第２の波
長を含む広帯域の光を入射する工程と、前記広帯域光の
うち、前記複数種類のファイバグレーティングの各々に
よって選択的に反射された光を検知して、前記複数種類
のファイバグレーティングの各々に生じている物理的状
態を個別に検出する工程とを包含する。

【００１４】好ましい実施形態では、前記物理的状態
が、軸方向歪、屈曲量、および温度の少なくともひとつ
を含む。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００１６】まず、図１を参照する。図１には、光ファ
イバの素線部分が示されている。この光ファイバ素線
は、ファイバグレーティング２１が書き込まれたコア２
と、コア２の周りに形成されたクラッド３とから構成さ
れている。

【００１７】グレーティング２１は、軸方向に沿ってコ
ア２の屈折率が周期Λ（例えば０．３〜０．６μｍ）で
変化した短周期の屈折率変調構造を有している。この周
期Λとコア２１の平均屈折率とによって規定されるブラ
ッグ（Bragg）波長を持つ光がグレーティング２１によ
って選択的に反射されることになる。なお、本願明細書
において、ブラッグ波長を「反射ピーク波長」と呼ぶこ
とがある。

【００１８】上述のようにブラッグ波長は周期Λに依存
して変化するため、熱または外力などによってファイバ
に歪が発生すると、その歪みが発生している部分におけ
る周期Λが無歪状態の値から変化（シフト）することに
なる。この変化の大きさ（シフト量）は、ブラッグ波長
（反射ピーク波長）のシフト量として光学的に観測でき
る。本発明では、複数のファイバグレーティングを用
い、各ファイバグレーティングの物理的状態の変化に起
因して発生した反射ピーク波長のシフト量を検出する。
その結果、長いファイバ上に生じた複数箇所における応
力等をセンシングすることが可能となる。

【００１９】次に、図２を参照しながら、本発明のセン
サに用いる光ファイバ心線の構成とグレーティング作製
方法の実施形態を説明する。図２には、グレーティング
２１が書き込まれるコア２と、コア２の周りに形成され
たクラッド３と、クラッド３の外表面を被覆する被覆層
４とから構成された光ファイバ心線１が示されている。

【００２０】本実施形態で用いるコア２には、通常仕様
の光ファイバのコアに含まれているＧｅと同程度の濃度
を有するＧｅがドープされている。ここで、通常仕様の
光ファイバとは、前記光ファイバ心線１に接続される光
ファイバ心線のことである。このような光ファイバ心線
のコアには、通常、比屈折率差が０．９％程度になる量
のＧe がドープされている。

【００２１】図示されている光ファイバ心線１のコア２
には、光誘起屈折率変化を定常的に高めるためには、Ｇ
ｅに加えて、Ｓｎ、Ｓｎ及びＡl 、または、Ｓｎ，Ａｌ
及びＢのドーパントをコア２にドープしておくことが好
ましい。例えば、上記の通常仕様の光ファイバのコアと
同量（比屈折率差が０．９％となる程度の量）のＧｅに
加え、濃度１００００ｐｐｍ以上、好ましくは濃度１０
０００〜１５０００ｐｐｍのＳｎ、或いは、このような
濃度のＳｎ及び濃度１０００ｐｐｍ以下のＡl等を共ド
ープすればよい。このようなドープは、種々の公知方法
によって行えばよく、例えば液浸により行う場合には、
上記ＧｅやＳｎの化合物（Ｓｎの場合、例えばＳｎＣｌ
₂・２Ｈ₂Ｏ）をメチルアルコールと混合し、その溶液の
中に浸漬すればよい。

【００２２】被覆層４は、コア２及びクラッド３からな
る光ファイバ素線の線引き工程に引き続いてシングルコ
ート法によって、少なくとも３０μｍ程度の膜厚になる
ように形成されたものである。本実施形態では、被覆層
４の材料として、ある波長帯域の紫外線（第１の紫外
線）で硬化する特性と、他の波長帯域の紫外線（第２の
紫外線）を透過する特性の両方を備えた樹脂を用いる。
このような樹脂を本願明細書では「紫外線透過型紫外線
硬化樹脂」と称することがある。

【００２３】この紫外線透過型紫外線硬化樹脂は、グレ
ーティング２１の書き込みのためにコアに照射する特定
波長帯（例えば２４０ｎｍ〜２７０ｎｍの波長帯）の紫
外線を少なくとも透過させる（好ましくは、この紫外線
を殆ど吸収せずに透過させる）一方で、上記特定波長帯
よりも短い波長または長い波長の紫外線を吸収して硬化
反応を生じさせる。つまり、同じ樹脂ではあるが、波長
によって紫外線吸収特性が異なり、特定波長帯では紫外
線透過型である一方、上記特定波長帯よりも短い波長域
または長い波長域では紫外線硬化型であるような樹脂を
用いて被覆層４を形成することになる。

【００２４】本実施形態では、ウレタン系アクリレート
もしくはエポキシ系アクリレートに対し、例えば２４０
ｎｍよりも短い波長域または２７０ｎｍよりも長い波長
域の紫外線を受けて硬化反応を開始・促進させるような
光開始剤（フォトイニシエータ）を配合した樹脂を「紫
外線透過型紫外線硬化樹脂」として用いる。

【００２５】このような樹脂の層で光ファイバの外周面
を被覆した後、まず、その被覆層に対して第１の紫外線
を照射し、被覆層４を硬化する。

【００２６】硬化した被覆層４によって被覆された状態
の光ファイバ心線１に対して第２の紫外線を照射する前
に、コア２に対して水素充填を行うことが光誘起屈折率
変化を高める上で好ましい。従って、本実施形態では、
この高圧水素充填を行う。具体的には、光ファイバ心線
１を水素が充填された密閉容器内に入れ、室温状態でほ
ぼ２０ＭＰａの圧力下で約２週間放置すればよい。

【００２７】次に、光ファイバ心線１の外側、つまり、
被覆層４の外側から第２の紫外線を照射することにより
コア２に対しグレーティング２１の書き込みを行う。グ
レーティング２１の書き込みは、周知の種々の方法を採
用して行えばよく、例えば位相マスク法により行う場合
には、光ファイバ心線１の側方直前に格子状の位相マス
ク５を配設し、この位相マスク５に対しＮｄ−ＹＡＧレ
ーザ源から例えばその４倍波長（４ω）である２６６ｎ
ｍのコヒーレント紫外レーザ光をシリンドリカルレンズ
系６により集光した状態で照射すればよい。これによ
り、上記紫外レーザ光が位相マスク５及び被覆層４を透
過し、コア２に対し位相マスク５の格子ピッチに対応し
たグレーティングピッチの部分の屈折率が増大されてブ
ラッググレーティング２１が書き込まれることになる。
第２の紫外線の波長は、例えば１５０〜４００ｎｍであ
り、照射エネルギーは０．１〜１０ｋＪ／ｃｍ²であ
る。

【００２８】本実施形態では、図１または図２に示す構
造のファイバグレーティング２１をひとつのコア２内
に、軸方向に沿って間隔を置きながら、複数個形成す
る。例えば、長さ５〜２０ｍｍの短周期ファイバグレー
ティングを１００ｍｍ間隔で１０個以上形成する。この
とき、各ファイバグレーティングの反射率を４〜５％と
し、また、反射される光の中心波長を僅かずつ（例えば
０．５ｎｍ間隔で）シフトさせる。このようなファイバ
グレーティングを一本のファイバ心線に書き込むには、
例えば、一種類の位相マスク５および紫外線を用いなが
ら、一本のファイバ心線に印加する張力を段階的に変化
させながらグレーティングの書き込みを行えばよい。グ
レーティング書き込み時の張力が異なることによって、
たとえ書き込み時の格子間隔が一定でも張力開放時にお
ける各グレーティングの格子間隔が相互に変化すること
になる。

【００２９】図３は、このようにして１本の光ファイバ
心線１にｎ個のファイバグレーティングＦＢＧ₁〜ＦＢ
Ｇ_nを書き込んだセンサの構成を示している（ｎは２以
上の整数）。この例では、広帯域光源３１および分光器
３２がカプラ３３を介して光ファイバ心線１に結合され
ている。広帯域光源３１、分光器３２およびカプラ３３
は、光学測定系３０を構成している。

【００３０】本実施形態では、広帯域光源３１として、
例えばスーパールミネッセンスダイオード光源（ＳＬＤ
光源）を用いることができ、また、分光器３２として、
例えば分解能が０．１ｎｍ以下の赤外波長領域の分光器
を用いることができる。

【００３１】次に、図３を参照しながら、この光ファイ
バ心線１を用いて応力分布が測定できることの基本的原
理を説明する。

【００３２】まず、広帯域光源３１から出た広帯域光
（測定光）は、カプラ３３を経て光ファイバ心線１に入
射する。この広帯域光は、まず、ファイバグレーティン
グＦＢＧ₁に入射する。入射した広帯域光のうち、ファ
イバグレーティングＦＢＧ₁の周期Λ₁で決まる反射ピー
ク波長λ₁の光が選択的に左方へ反射される。波長λ₁の
反射光はカブラ３３を介して分光器３２に入射する。光
ファイバ心線１の上方には透過光スペクトルが模式的に
示され、光ファイバ心線１の下方には反射光スペクトル
が模式的に示されている。

【００３３】第１のファイバグレーティングＦＢＧ₁に
入射した広帯域光のうち、ファイバグレーティングＦＢ
Ｇ₁で反射されなかった帯域成分は、次のファイバグレ
ーティングＦＢＧ₂に入射する。ここで同様に、第２の
ファイバグレーティングＦＢＧ₂の周期Λ₂で決まる反射
ピーク波長λ₂の光が選択的に左方へ反射され、波長λ₂
の反射光はカブラ３３を介して分光器３２に入射するこ
とになる。

【００３４】なお、図３に示す構成例では、ファイバグ
レーティングＦＢＧ₁〜ＦＢＧ_nの反射ピーク波長λ₁〜
λ_nが、光ファイバ心線１の入射端側から遠ざかるにつ
れて大きくなるようにファイバグレーティングＦＢＧ₁
〜ＦＢＧ_nが作製されている。すなわち、λ₁＜λ₂＜・・・
λ_n-1＜λ_nの関係が成立している。

【００３５】図４は、図３の装置を用いて測定した反射
光スペクトルである。図４の上方に記載しているスペク
トルは光ファイバ心線に応力を印加する前の状態に得た
反射光スペクトルである。これに対して、図４の下方に
記載しているスペクトルは、上記光ファイバ心線に対し
て応力を印加した状態の反射光スペクトルである。ここ
では、光ファイバ心線を螺旋状に捻った状態におき、光
ファイバ心線の各部に種々の異なる応力が発生するよう
にした。そのため、光ファイバ心線の部位に応じて発生
する応力や歪みが変化し、それに応じて各ファイバグレ
ーティングの物理的状態が異なっている。その結果、応
力印加前の反射光ピーク値から応力印加後の反射光ピー
ク値へのシフト量がファイバグレーティング毎に異なっ
ている。

【００３６】反射光ピーク値のシフト量から伸び歪と圧
縮歪を同時に検出することができる。波長シフト量と歪
との関係は、事前に、その対応関係を測定し、記録して
おけばよい。

【００３７】なお、上記実施形態では、反射光ピーク波
長のシフト量から軸方向歪を測定しているが、反射光の
半値全幅のシフト量から心線の屈曲量を求めることもで
きる。ただし、その場合は、反射率の高いファイバグレ
ーティングを形成しておく必要がある。

【００３８】また、本実施形態では、紫外線透過型紫外
線硬化樹脂でクラッド層を被覆した後、この樹脂層を剥
がすことなく、樹脂層を透過するように紫外線をコアに
照射し、それによってグレーティングを書き込んでい
る。このような製造方法によれば、グレーティング書き
込み後も光ファイバ心線は高い機械的強度を発揮するこ
とができる。その結果、大きな歪を測定することが可能
になる。もし、樹脂層を除去した状態でグレーティング
を書き込む方法を採用した場合、光ファイバ心線の機械
的強度が著しく低下するため、１％程度の軸方向歪みで
ファイバ心線が破断するおそれがある。これに対して本
実施形態の方法で製造した光ファイバ心線によれば、そ
の５〜６倍の機械的強度が確保されるため、５％の歪ま
で安定した測定を実施することが可能である。

【００３９】図５は、上記の光ファイバを用いて測定し
た反射ピーク波長と温度との関係を示している。この測
定に用いた光ファイバには３個のグレーティングを１９
０ｍｍ間隔で形成した。

【００４０】３個のファイバグレーティングの反射ピー
ク波長は、２５℃雰囲気温度において、それぞれ、１５
３５．３ｎｍ、１５３９．６ｎｍおよび１５４２．４ｎ
ｍであった。このようなファイバを恒温槽に入れ、測定
光を一端から入射させながら恒温槽の温度を−４５℃か
ら７５℃まで変化させた。その時得られた反射ピーク波
長の温度依存性が図５に示されている。図５から、全て
の反射ピーク波長が温度に依存して等しい割合でシフト
している様子がわかる。

【００４１】次に、図６（ａ）および図６（ｂ）を参照
しながら、本発明による物理量センサを用いて二次元的
な応力分布を検知する方法を説明する。

【００４２】この例では、上記実施形態で用いて光ファ
イバ心線と同様の光ファイバ心線を含む光ファイバ７０
が道路７２の中に埋設されている。光ファイバ７０の一
方の端部は監視装置７１に接続されている。監視装置７
１は、内部に図３の光学測定系３０と同様の構成を含ん
でいる。

【００４３】図６（ｂ）に示すように、光ファイバ７０
は二次元的な広がりを持つ監視区域内に蛇行して埋設さ
れている。光ファイバ７０は多数のファイバグレーティ
ングを内蔵しており、各ファイバグレーティングの反射
ピーク波長は少しずつ異なっている。

【００４４】図６（ａ）に示すように、自動車７３およ
び７４等が道路７２上に存在すると、その影響で光ファ
イバ７０の対応部分に応力が発生する。前述した原理に
基づいて、監視装置７１は光ファイバ７０上の軸方向応
力分布を検知することができるので、図６（ｂ）に示す
監視区域のどの部分にどの程度の応力が発生しているか
を検出することが可能になる。

【００４５】この例によれば、ファイバグレーティング
を用いているため高い精度で応力・歪が測定でき、しか
も、一本のファイバを用いて多点計測が実現する。ま
た、ファイバグレーティングは数十ｍｍ間隔で形成する
ことが可能であるため、位置についての高い分解能が得
られる。

【００４６】

【発明の効果】本発明の光ファイバ心線、ファイバコー
ドおよびファイバケーブルによれば、複数種類のファイ
バグレーティングが書き込まれているため、数ｍｍ〜数
百ｍｍという高い分解能を持つ歪測定が可能になる。

【００４７】本発明の物理量測定方法によれば、歪だけ
ではなく、屈曲量や温度についても、光ファイバの多数
の点に値を軸方向に分解してリアルタイムで検知するこ
とが可能になる。また、光ファイバを空間的に配置すれ
ば、二次元的または三次元的な応力分布を精度良く検知
することも可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光ファイバ心線の実施形態を示す
断面図である。

【図２】本発明によるファイバグレーティングの作製方
法を説明するための図である。

【図３】本発明による物理量測定方法の実施形態を説明
するための構成図である。

【図４】本発明による物理量測定方法によって得られた
反射ピーク波長の温度依存性を示すグラフである。

【図５】本発明による物理量測定方法によって得られた
反射光スペクトルを示すグラフである。

【図６】（ａ）は、本発明による物理量センサの光ファ
イバを道路内に埋設した例を示す模式図であり、（ｂ）
は、埋設された光ファイバの平面レイアウトを示す図で
ある。

【符号の説明】

１光ファイバ心線２コア３クラッド４被覆層２１グレーティング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2F065 AA65 CC40 FF48 FF58 LL02 LL42 2H050 AB05X AB07X AB18X AC81 AC82 AC84 BB05Q BB07Q BB14Q BB17Q BB33Q

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】反射特性または透過特性の異なる複数種
類のファイバグレーティングが書き込まれた光ファイバ
心線であって、前記複数種類のファイバグレーティングは、少なくと
も、第１の波長を有する光を反射または透過する第１の
ファイバグレーティングと、前記第１の波長とは異なる
第２の波長を有する光を反射または透過する第２のファ
イバグレーティングとを含んでおり、前記第２のファイバグレーティングは、前記第１のファ
イバグレーティングが形成されている位置から軸方向に
沿って離れた位置に形成されていることを特徴とする光
ファイバ心線。
【請求項２】前記ファイバグレーティングは、コアと、前記コアを囲むクラッドと、前記クラッド層の
外周面に形成された紫外線透過型紫外線硬化樹脂層とを
備えており、前記ファイバグレーティングは、前記紫外線透過型紫外
線硬化樹脂層を通して前記コアに照射された紫外線によ
って前記コア内に書き込まれたものであることを特徴と
する請求項１に記載の光ファイバ心線。
【請求項３】請求項１または２に記載の光ファイバ心
線を備えたファイバコード。
【請求項４】請求項１または２に記載の光ファイバ心
線を備えたファイバケーブル。
【請求項５】グレーティングが書き込まれるべきコア
と前記コアを囲むクラッドとを備えたファイバ構造の外
周面を紫外線透過型紫外線硬化樹脂から形成した被覆層
で覆う工程と、第１の紫外線を前記被覆層に照射することによって前記
被覆層を硬化させる工程と、第２の紫外線を前記被覆層の外側から前記コアに対して
照射することによって、反射特性または透過特性の異な
る複数種類のファイバグレーティングを前記コアの異な
る位置に書き込む工程と、を包含することを特徴とする
光ファイバ心線の製造方法。
【請求項６】請求項１または２に記載の光ファイバ心
線に対して、前記第１および第２の波長を含む広帯域の
光を入射する工程と、前記広帯域光のうち、前記複数種類のファイバグレーテ
ィングの各々によって選択的に反射された光を検知し
て、前記複数種類のファイバグレーティングの各々に生
じている物理的状態を個別に検出する工程とを包含する
物理量測定方法。
【請求項７】前記物理的状態は、軸方向歪、屈曲量、
および温度の少なくともひとつを含むことを特徴とする
請求項６に記載の物理量測定方法。