JPH0756041A - デュアルコア光ファイバ及びこれを用いた温度計測装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は、透明ガラスのみの光ファイバを接
続することが容易で、しかも光学特性の温度依存性を高
くできるデュアルコア光ファイバを提供することを目的
とする。 【構成】 本発明に係るデュアルコア光ファイバ１は、
透明ガラスからなるクラッド１１の中心部に透明ガラス
からなる第１のコア１２を有し、前記クラッド１１中の
前記第１のコア１２近傍に当該第１のコア１２と平行に
形成された貫通孔に液状透明材が封入されて第２のコア
１３が構成されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はクラッド中に２本のコア
を有するデュアルコア光ファイバと、これを応用した温
度計測装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】光ファイバセンサの一種として温度セン
サが知られており、このようなものとしては例えばデュ
アルコア単一モード石英ファイバを使用した温度センサ
がある（昭和５７年度電子通信学会 光・電波部門全国
大会予稿集、１−２２６）。ここでは、１本の石英ガラ
スからなる光ファイバのクラッド中に、２本の高屈折率
ガラスからなるコアが埋め込まれていたデュアルコア光
ファイバが用いられている。そしてこのデュアルコア光
ファイバの一端からＨｅ−Ｎｅレーザ光（連続光）を入
射し、他端からの出射光強度をＴＶカメラで測定し、２
つのコア内を伝播する光波の位相差を利用した温度計測
がなされている。

【０００３】このようなデュアルコア光ファイバ温度計
測装置は、下記のような理論に基づいている。すなわ
ち、２つの導波路の長さが同一の場合には、２つの導波
路を伝播する光波間において、導波路間の等価屈折率の
差により位相差が生じる。ここで、双方の導波路の等価
屈折率の変化の温度依存性が異なると、当然に温度変化
によって上記位相差が変化し、従って温度およびその変
化が検出できることになる。

【０００４】また、ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍ
ｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｒａｃｔ−ｏｍｅｔｒｙ）法
を用いることもできる。すなわち、デュアルコア光ファ
イバにパルス光を入射したときの後方散乱光は、温度に
よってその強度が変化するので、光入射端に戻ってくる
光波（戻り光）の強度を時間分解計測することにより、
検出時間タイミングに応じた所望の地点における温度お
よびその変化を知ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】温度計測の精度を向上
させるためには、上述した温度による位相差の変化や、
温度による後方散乱光レベルの変化（レーリー散乱係数
の変化等）を大きくすることが必要となる。しかし、従
来のデュアルコア光ファイバでは、光ファイバの製造プ
ロセスの設定等の困難性から、このような温度依存性の
高いものが得られなかった。

【０００６】ところで、屈折率や散乱係数の温度依存性
が高い光学材料として、シリコンオイル等の液体透明材
が知られており、これをコアに用いたシングルコア光フ
ァイバも知られている。しかし、デュアルコア光ファイ
バの２本のコアの材料としてシリコンオイル等を用いる
と、通常の光ファイバとの融着接続が難しく、また光コ
ネクタ等に接続するときには液体封止構造を採用するこ
とが必要になる。

【０００７】そこで、本発明は、透明ガラスのみからな
るシングルコア光ファイバと接続することが容易で、し
かも光学特性（屈折率，散乱係数等）の温度依存性を高
くできるデュアルコア光ファイバを提供することを目的
とする。

【０００８】また本発明は、このようなデュアルコア光
ファイバを適用した高感度のデュアルコア光ファイバ温
度計測装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに、本発明に係るデュアルコア光ファイバは、透明ガ
ラスからなるクラッドの中心部に透明ガラスからなる第
１のコアを有し、クラッド中の第１のコア近傍に当該第
１のコアと平行に形成された貫通孔に液状透明材が封入
されて第２のコアが構成されていることを特徴とする。

【００１０】また、上記のデュアルコア光ファイバの両
端面に、透明ガラスからなるクラッドの中心部に透明ガ
ラスからなるコアを有するシングルコア光ファイバがそ
れぞれ融着接続されていることが望ましい。

【００１１】また、上記問題点を解決するために、本発
明に係るデュアルコア光ファイバ温度計測装置は、上記
のデュアルコア光ファイバと、このデュアルコア光ファ
イバの一方の端面にパルス光を入射するパルス光源と、
一方の端面から出射された戻り光を検出する光検出器
と、一方の端面とパルス光源および光検出器との間に介
在されてパルス光源からの光を一方の端面に入射すると
共に一方の端面からの戻り光を光検出器に入射する光分
岐結合手段と、光検出器の出力にもとづきデュアルコア
光ファイバからの後方散乱光強度を測定して当該デュア
ルコア光ファイバの温度を測定する測定手段とを備える
ことを特徴とする。

【００１２】また、上記問題点を解決するためにデュア
ルコア光ファイバ温度計測装置は、上記のデュアルコア
光ファイバと、このデュアルコア光ファイバの一方の端
面に連続光を入射する連続光源と、デュアルコア光ファ
イバの他方の端面からの出力光強度を検出する光検出器
と、この光検出器の出力に基づきデュアルコア光ファイ
バにおける光伝送損失を測定して当該デュアルコア光フ
ァイバの温度を測定する測定手段とを備えることを特徴
とする。

【００１３】

【作用】本発明のデュアルコア光ファイバによれば、ク
ラッドの中心部にある第１のコアは透明ガラスにより形
成されるので、通常のシングルコア光ファイバとの融着
接続を容易に成し得る。また、液体透明材からなる第２
のコア端面は、接続されたシングルコア光ファイバのク
ラッド端面により封止されるので、液体封止構造を特に
設ける必要がない。このようなデュアルコア光ファイバ
は、第２のコアが光学特性（屈折率、散乱係数）の温度
依存性の高い液体透明材で構成されているので、温度変
化に敏感に反応して光波の位相差等を変化させ得る。

【００１４】また、液体透明材の第２のコアを有するデ
ュアルコア光ファイバの両端面に、１本のコアを中心部
に有するシングルコア光ファイバを接続したデュアルコ
ア光ファイバを用いると、測定地点（温度を測定すべき
地点）から測定計器（光源、光検出器）を置く地点まで
が遠く離れていても、高感度の温度センシングができ
る。

【００１５】そして、デュアルコア光ファイバにパルス
光を入射し、戻ってきた光（戻り光）を検出する構成と
すれば、レーリー散乱等の温度による変化を利用した温
度計測ができる。このとき、戻り光の強度を時間分解計
測すれば、ＯＴＤＲの原理によりデュアルコア光ファイ
バの全長における任意の地点での温度計測が可能にな
る。さらに、デュアルコア光ファイバの一方の端部から
連続光を入射し、他方の端部からの出射光を検出すれ
ば、屈折率の温度による変化を利用した温度計測ができ
る。

【００１６】

【実施例】以下、添付図面により、実施例のデュアルコ
ア光ファイバと、これを用いた温度計測装置を説明す
る。なお、図面の説明において同一要素には同一符号を
付し、重複する説明を省略する。

【００１７】図１に示した通り、実施例のデュアルコア
光ファイバ１は石英などの透明ガラスからなるクラッド
１１と、この中心部に設けられたより高屈折率の石英系
透明ガラスからなる石英コア１２とを有し、石英コア１
２近傍のクラッド１１中には、石英コア１２に平行な貫
通孔が形成されてシリコンオイル等の液状透明材が封入
され、液状コア１３が構成されている。ここで液状コア
１３をなすシリコンオイルは、常温においては石英ガラ
スと同等の屈折率を有するが、低温あるいは高温になる
と屈折率が変化し、光ファイバのコアとして機能する。

【００１８】すなわち、液状コア１２に屈折率変動があ
ると、石英コア１２と液状コア１３の間に光結合が生
じ、石英コア１２に入射されて伝播する光の透過率は、
下記の式（１）に従って変化する。

【００１９】

【数１】

【００２０】このような光学特性変化の温度依存性は、
透明ガラスよりも液状のシリコンオイルのほうが大き
く、従って高感度の温度検出が可能となる。

【００２１】このようなデュアルコア光ファイバ１の端
部を液体封止構造を施した光コネクタに接続し、そのま
まセンシング用の光ファイバとして用いることができる
が、一般的には、両端に通常の光ファイバを融着接続し
て用いるのが便利である。図２はこれを示している。

【００２２】図２に示す通り、デュアルコア光ファイバ
１の両端面にはシングルコア光ファイバ２が融着接続さ
れる。ここで、シングルコア光ファイバ２は石英系ガラ
スからなるクラッド２１と、その中心部に設けられた同
じく石英系ガラスからなる石英コア２２を有している。
このためデュアルコア光ファイバ１とシングルコア光フ
ァイバ２の融着接続部３においては、双方の石英コア１
２と石英コア２２同士が突き合わされる一方で、デュア
ルコア光ファイバ１の液状コア１２はシングルコア光フ
ァイバ２のクラッド２１端面と突き合わされ、液体封止
構造が形成される。

【００２３】図１および図２に示すデュアルコア光ファ
イバ１は、下記のようにして作製される。まず、ＶＡＤ
法、ロッドインチューブ法、外付け法等によりプリフォ
ームを作製し、コア材とクラッド材が一体となったガラ
スロッドを作製する。このガラスロッドでは、コア材が
クラッド材の中心部に位置するよう作製する。次に、超
音波ドリル等でクラッド材中にコア材と平行に穴をあ
け、内面を化学研磨等して、液状コア材を封入するため
の貫通穴をあける。あるいは、その他の方法として初め
からプリフォーム内に空隙を持たせることが出来る。

【００２４】次に、この空隙を持ったロッド（プリフォ
ーム）を線引き炉にセットし、下端を加熱して光ファイ
バを線引きする。この光ファイバは、クラッドガラスの
中心部にコアガラスを有すると共に、その近傍のクラッ
ドガラス中に貫通孔を有している。そこで、この光ファ
イバの一端をシリコンオイルに浸漬すると、毛細管現象
により貫通孔中にシリコンオイルが入り込み、石英コア
と液体（シリコンオイル）コアを共に有するデュアルコ
ア光ファイバが得られる。なお、デュアルコア光ファイ
バ１とシングルコア光ファイバ２の融着接続は、両者の
端面を突き合わせてアーク放電等で加熱することで実現
できる。

【００２５】次に、本発明のデュアルコア光ファイバを
適用した温度計測装置の実施例を説明する。図３はＯＴ
ＤＲ方式の実施例に係るデュアルコア光ファイバ温度計
測装置の構成図である。

【００２６】センシング用の光ファイバは液体コアを有
するデュアルコア光ファイバ１と、融着接続部３でデュ
アルコア光ファイバ１の両端面に接続された２本のシン
グルコア光ファイバ２により構成され、一方のシングル
コア光ファイバ２の端部はマッチングオイル４に浸漬さ
れて光の反射が防止されている。他方のシングルコア光
ファイバ２の端部はＯＴＤＲ装置５の光入出力端子に接
続される。ＯＴＤＲ装置５はレーザダイオードなどのパ
ルス光源５１を有し、この出力パルス光はハーフミラー
５２を通過してシングルコア光ファイバ２に入射され
る。シングルコア光ファイバ２からの出射光（戻り光）
はハーフミラー５２で反射され、光検出器５３で光強度
に応じた電気信号に変換され、その出力はトランジェッ
トディジタイザ５４に入力される。トランジェットディ
ジタイザ５４は光検出器５３の出力を時間分解する装置
であり、時間軸における光検出レベルが、デュアルコア
光ファイバ１における所定位置の後方散乱光レベルに対
応する。このトランジェットディジタイザ５４の出力は
演算処理部５５に与えられる。

【００２７】次に、図３の温度計測装置の作用を説明す
る。パルス光源５１からのパルス光はハーフミラー５２
を介してシングルコア光ファイバ２に入射され、融着接
続部３を通過してデュアルコア光ファイバ１を伝播す
る。このとき、デュアルコア光ファイバ１は温度測定エ
リア６の内部にあり、したがってデュアルコア光ファイ
バ１の石英コア１２および液状コア１３におけるレーリ
ー散乱光強度は温度測定エリア６の温度に応じたレベル
となっている。これによる後方散乱光は、戻り光として
シングルコア光ファイバ２を伝播してその端部から出射
され、ハーフミラー５２で反射されて光検出器５３に入
射される。なお、デュアルコア光ファイバ１からそのま
ま他方シングルコア光ファイバ２へ進んだパルス光はマ
ッチングオイルに入射し、戻り光となる成分は少ない。

【００２８】光検出器５３の出力はトランジェットディ
ジタイザ５４に入力され、時間分割計測される。すなわ
ち、戻り光の光検出器５３への入射タイミングごとに戻
り光強度が計測されるが、ある時刻における戻り光のレ
ベルは、デュアルコア光ファイバ１のある位置（計測し
た時間タイミングに対応した位置）の温度に対応してお
り、温度計測エリア６の各位置における温度計測が可能
になる。

【００２９】図４は、温度変化に応じた伝送損失を計測
することにより、温度を高精度に測定する温度計測装置
の実施例を示す構成図である。図示の通り、デュアルコ
ア光ファイバ１と２本のシングルコア光ファイバ２を融
着接続部３で接続したセンシング用の光コア光ファイバ
は、デュアルコア光ファイバ１が温度測定エリア６の内
部に位置するようにセットされる。一方のシングルコア
光ファイバ２の端面はＨｅ−Ｎｅレーザ装置などの連続
光源７に接続され、他方のシングルコア光ファイバ２の
端面は光検出器８に接続されている。そして、光検出器
８の出力は演算処理部９に与えられている。

【００３０】ここで、演算処理部９にはあらかじめ下記
に示すパラメータがセットされている。すなわち、連続
光源７からの光（測定光）の波長λと、測定温度（損度
測定エリア６の温度）Ｔにおけるデュアルコア光ファイ
バ１中の石英コア１２の屈折率ｎ、コア径ｄおよび液状
コア１３の屈折率ｎ´、コア径ｄ´と石英コア１２と液
状コア１３間の距離Ｄである。これらがセットされてい
ると、測定温度Ｔと光の伝送損失（光の透過率に対応し
ている）の関係はあらかじめ判明するので、連続光源７
の発光出力と光検出器８の光検出出力の関係を計測する
ことにより、デュアルコア光ファイバ１が置かれた温度
測定エリア６の温度が求まる。

【００３１】すなわち、連続光源７から出力されたシン
グルコア光ファイバ２への入射光は、シングルコア光フ
ァイバ２中を伝播して融着接続部３からデュアルコア光
ファイバ１に入る。ここで、デュアルコア光ファイバ１
においては温度測定エリア６の温度変化に応じて液状コ
ア１３の屈折率が変化しているため、石英コア１２と液
状コア１３との間での光結合が変化し、これがデュアル
コア光ファイバ１を通過する光の透過率すなわち、伝送
損失の変化を生み出す。この光は他方のシングルコア光
ファイバ２に入射し、透過光として光検出器８に入射さ
れ検出される。したがって、一方のデュアルコア光ファ
イバ１への入射光と他方のデュアルコア光ファイバ１か
らの透過光を対比することにより、デュアルコア光ファ
イバ１における伝送損失の温度による変化を知ることが
できるので、演算処理部９で伝送損失の変化を温度に換
算することで、温度測定エリア６における温度およびそ
の変化が検知できる。なお、デュアルコア光ファイバを
複数本用意すれば、一点計測ではなく多点計測すること
もできる。

【００３２】

【発明の効果】以上の通り、本発明のデュアルコア光フ
ァイバによれば、通常のシングルコア光ファイバとの融
着接続を容易に成し得る。また、液体封止構造をとくに
設ける必要がない。また、液体透明材の第２のコアを有
するデュアルコア光ファイバの両端面に、１本のコアを
中心部に有するシングルコア光ファイバを接続したデュ
アルコア光ファイバを用いると、測定地点から測定計器
を置く地点までが遠く離れていても、高感度の温度セン
シングができる。

【００３３】そして、デュアルコア光ファイバにパルス
光を入射し、戻ってきた光を検出する構成とすれば、レ
ーリー散乱等の温度による変化を利用した温度計測がで
きる。このとき、戻り光の強度を時間分解計測すれば、
ＯＴＤＲの原理によりデュアルコア光ファイバの全長に
おける任意の地点での温度計測が可能になる。さらに、
デュアルコア光ファイバの一方の端部から連続光を入射
し、他方の端部からの出射光を検出すれば、屈折率の温
度による変化を利用した温度計測ができる。

【００３４】従って、本発明によれば、透明ガラスのみ
の光ファイバを接続することが容易で、しかも光学特性
の温度依存性を高くできるデュアルコア光ファイバを提
供することができる。このようなデュアルコア光ファイ
バを適用すれば、高感度のデュアルコア光ファイバ温度
計測装置や光学フィルタ等を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例に係る光ファイバの一部破砕斜視図で
ある。

【図２】本実施例に係る光ファイバの一部破砕斜視図で
ある。

【図３】本実施例に係るＯＴＤＲ方式のデュアルコア光
ファイバ温度計測装置の構成図である。

【図４】本実施例に係る温度を高精度に測定する温度計
測装置を示す構成図である。

【符号の説明】

１…デュアルコア光ファイバ、１１、２１…クラッド、
１２、２２…石英コア、１３…液状コア、２…シングル
コア光ファイバ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 透明ガラスからなるクラッドの中心部に
   透明ガラスからなる第１のコアを有し、前記クラッド中
   の前記第１のコア近傍に当該第１のコアと平行に形成さ
   れた貫通孔に液状透明材が封入されて第２のコアが構成
   されていることを特徴とするデュアルコア光ファイバ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のデュアルコア光ファイバ
   の両端面に、透明ガラスからなるクラッドの中心部に透
   明ガラスからなるコアを有するシングルコア光ファイバ
   がそれぞれ融着接続されていることを特徴とするデュア
   ルコア光ファイバ。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２記載のデュアル
   コア光ファイバと、このデュアルコア光ファイバの一方
   の端面にパルス光を入射するパルス光源と、前記一方の
   端面から出射された戻り光を検出する光検出器と、前記
   一方の端面と前記パルス光源および前記光検出器との間
   に介在されて前記パルス光源からの光を前記一方の端面
   に入射すると共に前記一方の端面から出射された戻り光
   を前記光検出器に入射する光分岐結合手段と、前記光検
   出器の出力にもとづき前記デュアルコア光ファイバから
   の後方散乱光強度を測定して当該デュアルコア光ファイ
   バの温度を測定する測定手段とを備えることを特徴とす
   るデュアルコア光ファイバ温度計測装置。
4. 【請求項４】 請求項１又は請求項２記載のデュアルコ
   ア光ファイバと、このデュアルコア光ファイバの一方の
   端面に連続光を入射する連続光源と、前記デュアルコア
   光ファイバの他方の端面からの出力光の光強度を検出す
   る光検出器と、この光検出器の出力に基づき前記デュア
   ルコア光ファイバにおける光伝送損失を測定して当該デ
   ュアルコア光ファイバの温度を測定する測定手段とを備
   えることを特徴とするデュアルコア光ファイバ温度計測
   装置。