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JP7553085B2 - Physical quantity measuring device and temperature measuring device - Google Patents
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Description

本発明は、光ファイバを用いた物理量の測定装置に関し、特に多点計測を可能とした測定装置に関し、より具体的には温度測定装置に関する。 The present invention relates to a device for measuring physical quantities using optical fibers, in particular a measuring device that enables multi-point measurement, and more specifically a temperature measuring device.

各種部品の切削加工工場や各種飲食物の製造工場等においては、品質安定化のため、あるいは品質保証のために加工温度等を所定の温度域内に制御していることが多い。このような温度制御においては、当然ながら温度計測をしており、温度を計測するための温度センサとしては、状況に応じて適宜の温度センサが用いられている。 In factories that machine various parts and factories that manufacture various foods and beverages, the processing temperature is often controlled within a specified temperature range to stabilize or guarantee quality. Naturally, temperature measurement is required for such temperature control, and an appropriate temperature sensor is used to measure the temperature depending on the situation.

本発明者は、電場や磁場が発生している環境下や、薬品耐性が必要な環境下等のような特殊な環境下でも使用可能な温度センサとして、光ファイバを利用した温度センサを提案している。 The inventors have proposed a temperature sensor that uses optical fiber as a temperature sensor that can be used in special environments such as those where electric or magnetic fields are generated or where chemical resistance is required.

具体的には、投光器と、この投光器から出射された光を導く光ファイバと、この光ファイバの先端に設けるセンサ体と、このセンサ体で生じさせた反射光を受光する受光器と、受光器の出力信号から温度を特定する解析器とから構成している（例えば、特許文献１参照。）。特に、センサ体では第１の反射光と第２の反射光とを生じさせ、この第１の反射光と第２の反射光とから干渉光を生じさせ、この干渉光の強度変化がセンサ体の温度変化に応じて変動することを利用している。なお、センサ体で生じさせた反射光は、投光器から出射された光を導く光ファイバ内を通り、この光ファイバの中途部に設けたサーキュレータを介して受光器へと導いている。 Specifically, it is composed of a light projector, an optical fiber that guides the light emitted from the light projector, a sensor body provided at the tip of the optical fiber, a light receiver that receives the reflected light generated by the sensor body, and an analyzer that identifies the temperature from the output signal of the light receiver (see, for example, Patent Document 1). In particular, the sensor body generates a first reflected light and a second reflected light, and generates interference light from the first reflected light and the second reflected light, and utilizes the fact that the intensity change of this interference light varies according to the temperature change of the sensor body. The reflected light generated by the sensor body passes through the optical fiber that guides the light emitted from the light projector, and is guided to the light receiver via a circulator provided in the middle of the optical fiber.

また、光ファイバを用いた計測装置としては、温度を計測する計測装置だけでなく、屈折率を計測する計測装置として、計測対象物の屈折率の計測や、適宜の感応膜の屈折率変化から濃度等を計測する装置とすることが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。 In addition, measurement devices using optical fibers have been proposed not only for measuring temperature, but also for measuring refractive index, measuring the refractive index of a measurement object, and measuring concentration, etc. from changes in the refractive index of an appropriate sensitive film (see, for example, Patent Document 2).

特開２０２０－０５８４８１号公報JP 2020-058481 A 特開２０１７－１０２１０７号公報JP 2017-102107 A

上記の温度計測手段では、１つの温度センサに対して、投光器と受光器とを１セットとして準備する必要があった。したがって、多点計測をする場合には、投光器、受光器及びセンサ体の設置及びそのメンテナンスが非常に煩雑となるという問題があった。 In the above-mentioned temperature measurement means, it was necessary to prepare a set of a light projector and a light receiver for one temperature sensor. Therefore, when performing multi-point measurements, there was a problem that the installation and maintenance of the light projector, light receiver, and sensor body became very complicated.

なお、光ファイバを用いた計測であって、多点計測を行う方法として、例えば、溶融金属を貯溜した溶湯槽内の溶融金属の温度を計測する特開平０５－２９３６１９号公報の方法が知られている。この多点計測方法では、溶湯槽に石英製の温度検知素子を複数装着し、この温度検知素子にはそれぞれ光ファイバの一方端を接続し、この光ファイバの他方端は熱線温度計の入力チャンネルにそれぞれ接続して、チャンネル切替えを行うことで多点計測を可能としている。 As a method of performing multi-point measurement using optical fiber, for example, the method disclosed in JP 05-293619 A is known, which measures the temperature of molten metal in a molten metal tank that stores molten metal. In this multi-point measurement method, multiple quartz temperature detection elements are attached to the molten metal tank, and one end of an optical fiber is connected to each of the temperature detection elements, and the other end of each optical fiber is connected to an input channel of a hot wire thermometer, and multi-point measurement is possible by switching the channel.

また、特開２００３－２９４６０９号公報には、光磁気ディスク等の光学製品の光透過率や光反射率を多点計測する測定装置が提案されている。この測定装置では、投光器から出力した光を投光ファイバで計測点に導き、計測点での反射光あるいは透過光を受光ファイバでマルチチャネル分光度計に導いて計測可能としている。計測点は複数存在し、計測点ごとに1組の投光ファイバと受光ファイバを設けている。さらに、受光ファイバの中途部にはビームセレクタを設けて、このビームセレクタによって複数の受光ファイバのうちの1つの受光ファイバから出射される光をマルチチャネル分光度計に入射させて、計測可能としている。 JP 2003-294609 A also proposes a measuring device that measures the light transmittance and light reflectance of optical products such as magneto-optical disks at multiple points. In this measuring device, light output from a projector is guided to a measurement point by a projecting optical fiber, and the reflected or transmitted light at the measurement point is guided to a multichannel spectrometer by a receiving optical fiber, making it possible to measure it. There are multiple measurement points, and a pair of projecting and receiving optical fibers is provided for each measurement point. Furthermore, a beam selector is provided midway through the receiving optical fiber, and this beam selector allows the light emitted from one of the multiple receiving optical fibers to be incident on the multichannel spectrometer, making it possible to measure it.

すなわち既存の多点計測装置では、多数の計測点のうちのいずれか１点を選択する選択手段を設けて、計測点を切替えながら順次計測することで、多点計測を行うこととしている。 In other words, existing multi-point measurement devices are provided with a selection means for selecting one of many measurement points, and multi-point measurements are performed by switching between the measurement points and measuring sequentially.

本発明者は、本発明者の発明した計測方法においては第１の反射光と第２の反射光とを生じさせ、この第１の反射光と第２の反射光とから生じさせた干渉光の強度変化を検出していることから、検出に利用している光の波長の違いを利用することで重ね合わせることができ、ハード的な選択手段等を用いずに多点計測が可能となることを見出して、本発明を成すに至ったものである。 The inventor discovered that the measurement method he invented produces a first reflected light and a second reflected light, and detects the change in intensity of the interference light produced by the first reflected light and the second reflected light. This allows the light to be superimposed by taking advantage of the difference in wavelength used for detection, making it possible to perform multi-point measurement without using hardware selection means, etc., and thus led to the invention.

本発明の測定装置では、投光器と、この投光器から照射された光を導く光ファイバと、この光ファイバの先端に設けて前記の光から干渉光を生じさせるセンサ体と、干渉光を受光する受光器と、この受光器の出力信号に基づいて所定の物理量を特定する解析器とを備えた測定装置において、投光器と光ファイバとの間に、それぞれ波長の異なる光を出射する複数のポートを備えた波長合分波器を設けて複数箇所の物理量を測定可能としているものである。 The measuring device of the present invention includes a light projector, an optical fiber that guides the light emitted from the light projector, a sensor body that is provided at the tip of the optical fiber and generates interference light from the light, a light receiver that receives the interference light, and an analyzer that identifies a specific physical quantity based on the output signal of the light receiver. Between the light projector and the optical fiber, a wavelength multiplexer/demultiplexer is provided that has multiple ports that each emit light of a different wavelength, making it possible to measure physical quantities at multiple locations.

特に、本発明の測定装置では、波長合分波器のポートに光ファイバをそれぞれ接続するとともに、その光ファイバの先端に設けたセンサ体の光スペクトル特性を当該ポートから出射される光の波長に適合させていることに特徴を有するものである。 In particular, the measuring device of the present invention is characterized in that optical fibers are connected to the ports of the wavelength multiplexer/demultiplexer, and the optical spectrum characteristics of the sensor body provided at the tip of the optical fiber are adapted to the wavelength of the light emitted from the port.

さらに、本発明の測定装置では、以下の点にも特徴を有するものである。
（１）センサ体はセンサ用光ファイバであって、前記の光ファイバで導かれた光をセンサ用光ファイバのコアに入射させるとともに、センサ体は入射された光を反射させて第１反射光を生じさせる第１反射面と、第２反射光を生じさせる第２反射面とを備え、第１反射光と第２反射光とで干渉光を生じさせていること。
（２）センサ体は、第１反射面と第２反射面との間の距離を調整することで、光スペクトル特性を調整していること。
（３）第１反射面は、光ファイバとセンサ用光ファイバとの間に第１空隙を設けることで形成し、第２反射面は、センサ用光ファイバの先端に第２空隙を設けることで形成していること。
（４）波長合分波器が、光通信用途の光波長多重分離装置であること。
（５）隣り合う複数のポートで１セットとして、１セットのうちの１つのポートに光ファイバを接続すること。
（６）光ファイバは、シングルモードの光を伝搬させる光ファイバとし、センサ用光ファイバは、フォトニック結晶構造ファイバとしていること。
（７）光ファイバは、シングルモードの光を伝搬させる光ファイバとし、センサ用光ファイバは、シングルモードの光を伝搬させる光ファイバとしていること。
（８）光ファイバは、シングルモードの光を伝搬させる光ファイバとし、センサ用光ファイバは、グレーデッドインデックスマルチモード光ファイバとしていること。
（９）光ファイバは、シングルモードの光を伝搬させる光ファイバとし，センサ用光ファイバは、ステップインデックスマルチモード光ファイバとしていること。
（１０）光ファイバとセンサ用光ファイバとは第１円筒管を介して接続し、センサ用光ファイバの先端には第２円筒管を接続していること。
（１１）センサ用光ファイバの先端に、第２円筒管を介して先端部材を接続するとともに、この先端部材の先端面を前記センサ用光ファイバの光軸と90°以外の角度で交差する傾斜面としていること。
（１２）先端部材を、先端部分を閉塞させた前記第２円筒管としていること。 Furthermore, the measuring device of the present invention has the following features.
(1) The sensor body is an optical fiber for a sensor, in which light guided by the optical fiber is incident on a core of the optical fiber for a sensor, and the sensor body is provided with a first reflecting surface that reflects the incident light to generate a first reflected light, and a second reflecting surface that generates a second reflected light, and the first reflected light and the second reflected light generate interference light.
(2) The optical spectrum characteristics of the sensor body are adjusted by adjusting the distance between the first reflecting surface and the second reflecting surface.
(3) The first reflecting surface is formed by providing a first gap between the optical fiber and the optical fiber for the sensor, and the second reflecting surface is formed by providing a second gap at the tip of the optical fiber for the sensor.
(4) The wavelength multiplexer/demultiplexer is an optical wavelength multiplexer/demultiplexer for optical communications applications.
(5) A set of adjacent ports is made up of one port, and an optical fiber is connected to one of the ports in the set.
(6) The optical fiber is an optical fiber that propagates single-mode light, and the optical fiber for the sensor is a photonic crystal structure fiber.
(7) The optical fiber is an optical fiber that propagates single-mode light, and the optical fiber for the sensor is an optical fiber that propagates single-mode light.
(8) The optical fiber shall be an optical fiber that propagates single-mode light, and the optical fiber for the sensor shall be a graded-index multimode optical fiber.
(9) The optical fiber shall be an optical fiber that propagates single-mode light, and the optical fiber for the sensor shall be a step-index multimode optical fiber.
(10) The optical fiber and the optical fiber for the sensor are connected via a first cylindrical tube, and a second cylindrical tube is connected to the tip of the optical fiber for the sensor.
(11) A tip member is connected to the tip of the optical fiber for the sensor via a second cylindrical tube, and the tip surface of this tip member is an inclined surface that intersects with the optical axis of the optical fiber for the sensor at an angle other than 90°.
(12) The tip member is the second cylindrical tube having a closed tip portion.

本発明の温度測定装置では、投光器と、この投光器から照射された光を導く光ファイバと、この光ファイバの先端に設けて前記の光から干渉光を生じさせるセンサ体と、干渉光を受光する受光器と、この受光器の出力信号に基づいて温度を特定する解析器とを備えた温度測定装置において、投光器と光ファイバとの間に、それぞれ波長の異なる光を出射する複数のポートを備えた波長合分波器を設けて複数箇所の温度を測定可能としているものであり、特に、波長合分波器のポートに光ファイバをそれぞれ接続するとともに、その光ファイバの先端に設けたセンサ体の光スペクトル特性を当該ポートから出射される光の波長に適合させていることに特徴を有するものである。 The temperature measuring device of the present invention includes a light projector, an optical fiber that guides the light emitted from the light projector, a sensor body that is attached to the tip of the optical fiber and generates interference light from the light, a light receiver that receives the interference light, and an analyzer that identifies the temperature based on the output signal of the light receiver. Between the light projector and the optical fiber, a wavelength multiplexer/demultiplexer with multiple ports that each emit light of a different wavelength is provided, making it possible to measure temperatures at multiple locations. In particular, the device is characterized in that optical fibers are connected to the ports of the wavelength multiplexer/demultiplexer, and the optical spectrum characteristics of the sensor body attached to the tip of the optical fiber are adapted to the wavelength of the light emitted from the port.

本発明の物理量の測定装置及び温度測定装置では、投光器から入力された光からそれぞれ波長の異なる光を出射する複数のポートを備えた波長合分波器を用い、この波長合分波器の各ポートに光ファイバをそれぞれ接続するとともに、その光ファイバの先端に設けたセンサ体の光スペクトル特性を当該ポートから出射される光の波長に適合させていることで、各センサ体で生じさせた干渉光同士を重畳でき、１つの受光器で複数の干渉光の受光を可能とすることができる。したがって、簡便で保守作業が容易な多点測定装置を提供可能とすることができる。 The physical quantity measuring device and temperature measuring device of the present invention use a wavelength multiplexer/demultiplexer with multiple ports that emit light of different wavelengths from the light input from the light projector, and by connecting optical fibers to each port of this wavelength multiplexer/demultiplexer and adapting the optical spectrum characteristics of the sensor body provided at the tip of the optical fiber to the wavelength of the light emitted from that port, it is possible to superimpose the interference light generated by each sensor body and to receive multiple interference light beams with a single receiver. Therefore, it is possible to provide a multi-point measuring device that is simple and easy to maintain.

本発明に係る温度測定装置の概略説明図である。1 is a schematic diagram illustrating a temperature measuring device according to the present invention. 高密度波長分割多重(ＤＷＤＭ)用の合分波器の１つのポートから出射される光のスペクトルのグラフである。1 is a graph showing the spectrum of light emitted from one port of a multiplexer/demultiplexer for dense wavelength division multiplexing (DWDM). センサ用光ファイバをフォトニック結晶構造ファイバの一種であるホーリーファイバとしたセンサ体の説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a sensor body in which the optical fiber for the sensor is a holey fiber, which is a type of photonic crystal structure fiber. 図３のセンサ体によって生成される干渉光のスペクトルのグラフである。4 is a graph of the spectrum of interference light generated by the sensor body of FIG. 3; 図３のセンサ体による水温変化を検出した結果のグラフである。4 is a graph showing the results of detecting a change in water temperature using the sensor body of FIG. 3. 図５のグラフから得られた水温－ディップ波長の相関を示すグラフである。6 is a graph showing the correlation between water temperature and dip wavelength obtained from the graph of FIG. 5. センサ用光ファイバをグレーデッドインデックスマルチモード光ファイバとしたセンサ体の説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram of a sensor body in which the optical fiber for the sensor is a graded-index multimode optical fiber. 図７のセンサ体による水温変化を検出した結果から得られた水温－ディップ波長の相関を示すグラフである。8 is a graph showing the correlation between water temperature and dip wavelength obtained from the results of detecting water temperature changes using the sensor body of FIG. 7. 図７に示したセンサ体の変容例の説明図である。8 is an explanatory diagram of a modification example of the sensor body shown in FIG. 7. センサ用光ファイバをステップインデックスマルチモード光ファイバとしたセンサ体の説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram of a sensor body in which the optical fiber for the sensor is a step-index multimode optical fiber. 図１０のセンサ体による水温変化を検出した結果から得られた水温－ディップ波長の相関を示すグラフである。11 is a graph showing the correlation between water temperature and dip wavelength obtained from the results of detecting water temperature changes using the sensor body of FIG. 10. 図１０に示したセンサ体の変容例の説明図である。11A to 11C are explanatory diagrams of examples of modifications of the sensor body shown in FIG. 10. 図１０に示したセンサ体の変容例の説明図である。11A to 11C are explanatory diagrams of examples of modifications of the sensor body shown in FIG. 10. 図１３のセンサ体による水温変化を検出した結果から得られた水温－ディップ波長の相関を示すグラフである。14 is a graph showing the correlation between water temperature and dip wavelength obtained from the results of detecting the change in water temperature using the sensor body of FIG. 13. センサ用光ファイバをシングルモードの光を伝搬させる光ファイバとしたセンサ体の説明図である。FIG. 13 is an explanatory diagram of a sensor body in which the optical fiber for the sensor is an optical fiber that propagates single-mode light. 図１５に示したセンサ体の変容例の説明図である。16 is an explanatory diagram of a modification example of the sensor body shown in FIG. 15.

本発明の物理量の測定装置及び温度測定装置は、投光器と、この投光器から照射された光を導く光ファイバと、この光ファイバの先端に設けて前記の光から干渉光を生じさせるセンサ体と、干渉光を受光する受光器と、この受光器の出力信号に基づいて温度を特定する解析器とを備えた測定装置としている。 The physical quantity measuring device and temperature measuring device of the present invention are measuring devices that include a light projector, an optical fiber that guides the light irradiated from the light projector, a sensor body that is provided at the tip of the optical fiber and generates interference light from the light, a light receiver that receives the interference light, and an analyzer that determines the temperature based on the output signal of the light receiver.

特に、本発明の測定装置では、投光器と光ファイバとの間に波長合分波器を設けている。波長合分波器では、投光器から入射された光からそれぞれ波長の異なる光を出射可能としており、それぞれ所定波長とした光を出射する複数のポートを備えている。このような波長合分波器としては、光通信用途に汎用されている光波長多重分離装置が知られている。 In particular, in the measurement device of the present invention, a wavelength multiplexer/demultiplexer is provided between the light projector and the optical fiber. The wavelength multiplexer/demultiplexer is capable of emitting light of different wavelengths from the light incident from the light projector, and is provided with multiple ports that emit light of a predetermined wavelength. An example of such a wavelength multiplexer/demultiplexer is an optical wavelength multiplexer/demultiplexer that is widely used for optical communication applications.

すなわち、本発明の測定装置では、光通信用途に汎用されている光波長多重分離装置を流用することで、多点計測を可能としているものである。 In other words, the measurement device of the present invention makes it possible to perform multi-point measurements by utilizing an optical wavelength multiplexing/demultiplexing device that is widely used for optical communications.

特に、光波長多重分離装置を用いるとともに、この光波長多重分離装置の出力用の各ポートにそれぞれ接続した光ファイバの先端に設けたセンサ体は、そのセンサ体の光スペクトル特性を当該ポートから出射される光の波長に適合させている。 In particular, an optical wavelength multiplexer/demultiplexer is used, and a sensor element is provided at the tip of an optical fiber connected to each output port of the optical wavelength multiplexer/demultiplexer, and the optical spectrum characteristics of the sensor element are adapted to the wavelength of the light emitted from the corresponding port.

センサ体の光スペクトル特性とは、そのセンサ体に入射された光から第１の反射光と第２の反射光を生じさせ、この第１の反射光と第２の反射光とによって生じさせる干渉光の干渉条件に対応するものである。 The optical spectrum characteristics of a sensor body correspond to the interference conditions of the interference light generated by the first reflected light and the second reflected light that are generated from the light incident on the sensor body.

センサ体の光スペクトル特性の調整は、第１の反射光を生じさせている第１反射面と第２の反射光を生じさせている第２反射面との間の距離の調整であって、実質的にはセンサ体を構成しているセンサ用光ファイバの長さを調整することで容易に行うことができる。 The optical spectrum characteristics of the sensor body can be adjusted by adjusting the distance between the first reflecting surface that produces the first reflected light and the second reflecting surface that produces the second reflected light, and can be easily achieved by essentially adjusting the length of the sensor optical fiber that constitutes the sensor body.

このように、本発明の測定装置は、それぞれ波長の異なる干渉光を生じさせるとともに、それらを重畳させることで、ハード的な選択手段を用いることなく計測対象の干渉光の選択をソフト的に行うことができ、１台の受光器と解析器とで温度計測を可能とすることができる。したがって、温度測定装置の設置及びメンテナンスの労力を大きく軽減することができるとともに、コスト低減にも寄与することができる。 In this way, the measurement device of the present invention generates interference light with different wavelengths and superimposes them, making it possible to select the interference light to be measured using software without using hardware selection means, making it possible to measure temperature using a single light receiver and analyzer. This makes it possible to greatly reduce the labor required for installation and maintenance of the temperature measurement device, and also contributes to cost reduction.

以下において、図面に基づいて本発明の実施形態を詳説する。なお、以下においては説明の便宜上、温度測定装置として説明する。 The following describes an embodiment of the present invention in detail with reference to the drawings. For ease of explanation, the following description will be of a temperature measuring device.

本発明の温度測定装置は、図１に示すように、投光器11と、この投光器11から照射された光を導く第１光ファイバ12-1と、この第1光ファイバ12-1に導かれた光が入力される光サーキュレータ13と、この光サーキュレータ13から出力された光を導く第２光ファイバ12-2と、この第２光ファイバ12-2に導かれた光が入射される波長合分波器15と、この波長合分波器15の出力用のポートに一方端を接続して波長合分波器15から出射された光を導く第３光ファイバ12-3と、この第３光ファイバ12-3の他方端に設けて第３光ファイバ12-3を介して導かれた光から干渉光を生じさせるセンサ体Ｓと、このセンサ体Ｓで生じた干渉光を第３光ファイバ12-3→波長合分波器15→第２光ファイバ12-2→光サーキュレータ13の順で光サーキュレータ13に導いて、この光サーキュレータ13から出射された干渉光を導く第４光ファイバ12-4と、この第４光ファイバ12-4を介して導かれた干渉光が入射される受光器16と、この受光器16の出力信号が入力される解析器17とで構成している。 As shown in FIG. 1, the temperature measuring device of the present invention comprises a light projector 11, a first optical fiber 12-1 that guides the light irradiated from the light projector 11, an optical circulator 13 to which the light guided to the first optical fiber 12-1 is input, a second optical fiber 12-2 that guides the light output from the optical circulator 13, a wavelength multiplexer/demultiplexer 15 to which the light guided to the second optical fiber 12-2 is input, a third optical fiber 12-3 that has one end connected to an output port of the wavelength multiplexer/demultiplexer 15 and guides the light emitted from the wavelength multiplexer/demultiplexer 15, and a second optical fiber 12-4 that guides the light output from the wavelength multiplexer/demultiplexer 15. It is composed of a sensor body S that is provided at the other end of the sensor 12-3 and generates interference light from the light guided through the third optical fiber 12-3, a fourth optical fiber 12-4 that guides the interference light generated by the sensor body S to the optical circulator 13 in the order of the third optical fiber 12-3 → wavelength multiplexer/demultiplexer 15 → second optical fiber 12-2 → optical circulator 13 and guides the interference light emitted from the optical circulator 13, a photoreceiver 16 to which the interference light guided through the fourth optical fiber 12-4 is incident, and an analyzer 17 to which the output signal of the photoreceiver 16 is input.

第１光ファイバ12-1と、第２光ファイバ12-2と、第３光ファイバ12-3と、第４光ファイバ12-4は、シングルモードの光を伝搬させる光ファイバとしている。 The first optical fiber 12-1, the second optical fiber 12-2, the third optical fiber 12-3, and the fourth optical fiber 12-4 are optical fibers that propagate single-mode light.

投光器11は、広波長帯域の光を照射可能な照射器としている。本実施形態では、少なくとも1.53～1.57μｍの波長の光を照射可能としたASE (Amplified Spontaneous Emission)照射器を用いている。 The projector 11 is an irradiator capable of irradiating light in a wide wavelength range. In this embodiment, an ASE (Amplified Spontaneous Emission) irradiator capable of irradiating light with a wavelength of at least 1.53 to 1.57 μm is used.

光サーキュレータ13は、投光器11から入射された光を波長合分波器15に向けて出射し、また、波長合分波器15から入射された干渉光を受光器16に向けて出射している。 The optical circulator 13 outputs the light incident from the light projector 11 toward the wavelength multiplexer/demultiplexer 15, and also outputs the interference light incident from the wavelength multiplexer/demultiplexer 15 toward the optical receiver 16.

波長合分波器15は、光サーキュレータ13を介して投光器11から入射された光に対して、一定の波長間隔での切り出しを行い、所定波長とした光を出力用の各ポートから出射することとしている。 The wavelength multiplexer/demultiplexer 15 separates the light input from the projector 11 via the optical circulator 13 at regular wavelength intervals, and outputs the light of a specified wavelength from each output port.

本実施形態では、波長合分波器15としては、光通信に用いられている高密度波長分割多重(ＤＷＤＭ)用の合分波器を使用している。この合分波器では、約0.8nm間隔の波長の光としてそれぞれの出力ポートから出射可能としている。特に、ＤＷＤＭ帯域では100GHz ITUチャンネルとして72チャンネル(1520.25nm～1577.03nm)が国際電気通信連合(ITU)の規格として制定されている。一例としてC-23チャンネルの出力ポートから出射される光のスペクトルを図２に示す。 In this embodiment, a wavelength multiplexer/demultiplexer for dense wavelength division multiplexing (DWDM) used in optical communications is used as the wavelength multiplexer/demultiplexer 15. This multiplexer/demultiplexer is capable of outputting light with wavelengths spaced approximately 0.8 nm apart from each other from each output port. In particular, in the DWDM band, 72 channels (1520.25 nm to 1577.03 nm) have been established as 100 GHz ITU channels as standards by the International Telecommunications Union (ITU). As an example, the spectrum of light output from the output port for channel C-23 is shown in Figure 2.

センサ体Ｓは、図３に示すように、センサ用光ファイバ18で構成しており、センサ用光ファイバ18のコアを第３光ファイバ12-3のコアの延長線上に位置させながら第３光ファイバ12-3の先端に装着することで、第３光ファイバ12-3で導かれた光をセンサ用光ファイバ18のコアに入射させている。センサ用光ファイバ18の第３光ファイバ12-3先端への接続は、放電プラズマを用いた熱融着によって簡単に行うことができる。 As shown in Figure 3, the sensor body S is composed of a sensor optical fiber 18, and the core of the sensor optical fiber 18 is positioned on an extension line of the core of the third optical fiber 12-3 and attached to the tip of the third optical fiber 12-3, so that the light guided by the third optical fiber 12-3 is incident on the core of the sensor optical fiber 18. The connection of the sensor optical fiber 18 to the tip of the third optical fiber 12-3 can be easily performed by heat fusion using discharge plasma.

センサ用光ファイバ18の先端には、後述するように第２空隙を形成するための先端部材19を装着している。すなわち、センサ体Ｓは、センサ用光ファイバ18と先端部材19とで構成している。本実施形態では、先端部材19はシングルモードの光を伝搬させる光ファイバで構成しているが、必ずしも光ファイバである必要はない。なお、光ファイバで先端部材19を構成することで、センサ用光ファイバ18の先端への先端部材19の装着も、放電プラズマを用いた熱融着によって簡単に行うことができる。 A tip member 19 for forming a second gap is attached to the tip of the sensor optical fiber 18 as described below. That is, the sensor body S is composed of the sensor optical fiber 18 and the tip member 19. In this embodiment, the tip member 19 is composed of an optical fiber that propagates single-mode light, but it does not necessarily have to be optical fiber. Note that by configuring the tip member 19 from optical fiber, the attachment of the tip member 19 to the tip of the sensor optical fiber 18 can also be easily performed by heat fusion using discharge plasma.

センサ体Ｓの構成及びセンサ体Ｓによる干渉光の生成方法については後述する。 The configuration of the sensor body S and the method for generating interference light by the sensor body S will be described later.

受光器16は、受光した光の強度に応じた信号を出力可能としている。特に本実施形態では、受光した光のうちの所定波長ごとの強度に応じた信号を出力する光スペクトラムアナライザの機能を有する受光器としている。 The optical receiver 16 is capable of outputting a signal corresponding to the intensity of the received light. In particular, in this embodiment, the optical receiver has the function of an optical spectrum analyzer that outputs a signal corresponding to the intensity of each predetermined wavelength of the received light.

解析器17は、本実施形態ではパーソナルコンピュータで構成している。解析器17では、受光器16から出力された信号を解析しており、この解析に必要なプログラムをあらかじめインストールしている。本実施形態では，解析器17はパーソナルコンピュータで構成しているが、専用の処理を実行する装置としてもよい。受光器16と解析器17とは適宜の信号線を介して接続している。 In this embodiment, the analyzer 17 is configured as a personal computer. The analyzer 17 analyzes the signal output from the photoreceiver 16, and the program required for this analysis is pre-installed. In this embodiment, the analyzer 17 is configured as a personal computer, but it may also be a device that executes dedicated processing. The photoreceiver 16 and the analyzer 17 are connected via an appropriate signal line.

以下において、センサ体Ｓの構成について詳説する。 The structure of the sensor body S is explained in detail below.

センサ体Ｓには、図３に示すように、入射された光を反射させて第１反射光L1を生じさせる第１反射面P1と、入射された光を反射させて第２反射光L2を生じさせる第２反射面P2とを設けている。本実施形態では、センサ用光ファイバ18として、フォトニック結晶構造ファイバの一種であるホーリーファイバを用いている。 As shown in FIG. 3, the sensor body S is provided with a first reflecting surface P1 that reflects incident light to generate a first reflected light L1, and a second reflecting surface P2 that reflects incident light to generate a second reflected light L2. In this embodiment, a holey fiber, which is a type of photonic crystal structure fiber, is used as the sensor optical fiber 18.

図３に示すように、第１反射面P1は、第３光ファイバ12-3の先端にセンサ用光ファイバ18を装着する際に、第３光ファイバ12-3とセンサ用光ファイバ18との間に第１空隙V1を設けることで形成している。また、第２反射面P2は、センサ用光ファイバ18の先端に先端部材19を装着する際に、センサ用光ファイバ18と先端部材19との間に第２空隙V2を設けることで形成している。 As shown in FIG. 3, the first reflecting surface P1 is formed by providing a first gap V1 between the third optical fiber 12-3 and the sensor optical fiber 18 when the sensor optical fiber 18 is attached to the tip of the third optical fiber 12-3. The second reflecting surface P2 is formed by providing a second gap V2 between the sensor optical fiber 18 and the tip member 19 when the tip member 19 is attached to the tip of the sensor optical fiber 18.

センサ体Ｓとなる所定長さのホーリーファイバは、図３に示すように、コアの周囲にコアと平行に複数の空洞が配置されている。そこで、ホーリーファイバでは、端面のコアに向けて短時間の放電プラズマを照射することで、コアを含む中心部分のみに局所的な融解を生じさせることができる。この溶融にともなってホーリーファイバの一方端には凹状の第１窪みC1を形成することができ、同様にホーリーファイバの他方端にも凹状の第２窪みC2を形成することができる。 As shown in Figure 3, the optical fiber of a given length that serves as the sensor body S has multiple cavities arranged around the core in parallel to the core. By irradiating the core at the end face of the optical fiber with discharge plasma for a short period of time, local melting can be caused only in the central part including the core. As a result of this melting, a first concave dent C1 can be formed at one end of the optical fiber, and a second concave dent C2 can be formed at the other end of the optical fiber.

第１窪みC1が形成されたセンサ用光ファイバ18を第３光ファイバ12-3の先端に融着させることで、第３光ファイバ12-3とセンサ用光ファイバとの間に第１空隙V1を形成することができる。また、第２窪みC2が形成されたセンサ用光ファイバ18の先端に先端部材19を融着させることで、センサ用光ファイバ18と先端部材19との間に第２空隙V2を形成することができる。 By fusing the sensor optical fiber 18 in which the first depression C1 is formed to the tip of the third optical fiber 12-3, a first gap V1 can be formed between the third optical fiber 12-3 and the sensor optical fiber. In addition, by fusing the tip member 19 to the tip of the sensor optical fiber 18 in which the second depression C2 is formed, a second gap V2 can be formed between the sensor optical fiber 18 and the tip member 19.

第３光ファイバ12-3によって第１空隙V1に導かれた光の一部は、第３光ファイバ12-3の端面を第１反射面P1として反射することで第１反射光L1となっている。 A portion of the light guided to the first gap V1 by the third optical fiber 12-3 is reflected by the end face of the third optical fiber 12-3 as the first reflecting surface P1, becoming the first reflected light L1.

第１空隙V1に達して第１空隙V1を通過した光は、センサ用光ファイバ18のコアに入射される。このとき、第１空隙V1に接するセンサ用光ファイバ18の端面でも反射光が生じるが、この反射光はセンサ用光ファイバ18の端面自体が平面ではないことから、第３光ファイバ12-3のコアに入射する反射光の量は大きくはなく、特に、第１反射面P1で生じる第１反射光L1と比較して十分に小さくなっているので、後述する干渉光の生成に大きな影響を与えていないと考えている。 The light that reaches the first gap V1 and passes through the first gap V1 is incident on the core of the sensor optical fiber 18. At this time, reflected light is also generated at the end face of the sensor optical fiber 18 that contacts the first gap V1, but because the end face of the sensor optical fiber 18 itself is not flat, the amount of reflected light that is incident on the core of the third optical fiber 12-3 is not large, and is particularly small compared to the first reflected light L1 generated at the first reflecting surface P1, so it is not thought to have a significant effect on the generation of the interference light described below.

センサ用光ファイバ18のコアに入射された光は第２空隙V2に達する。このとき、第２空隙V2に接するセンサ用光ファイバ18の端面でも反射光が生じるが、この反射光もセンサ用光ファイバ18の端面自体が平面ではないことから、第３光ファイバ12-3のコアにまで達する反射光の量は大きくはなく、後述する干渉光の生成に大きな影響を与えていないと考えている。 The light incident on the core of the sensor optical fiber 18 reaches the second gap V2. At this time, reflected light is also generated at the end face of the sensor optical fiber 18 that contacts the second gap V2. However, because the end face of the sensor optical fiber 18 itself is not flat, the amount of reflected light that reaches the core of the third optical fiber 12-3 is not large, and it is believed that it does not have a significant effect on the generation of the interference light described below.

第２空隙V2に達して第２空隙V2を通過した光は、先端部材19に入射される。このとき、先端部材19の基端面を第２反射面P2とする第２反射光L2が生じている。特に、上述したように先端部材19をシングルモードの光を伝搬させる光ファイバで構成した場合には、第２反射面P2となる先端部材19の端面を平坦面としやすく、第２反射面P2を反射率の大きい反射面とすることができるので、第２反射光L2の量を大きくすることができる。 The light that reaches the second gap V2 and passes through the second gap V2 is incident on the tip member 19. At this time, a second reflected light L2 is generated with the base end surface of the tip member 19 serving as the second reflecting surface P2. In particular, when the tip member 19 is constructed of an optical fiber that propagates single-mode light as described above, the end surface of the tip member 19 that serves as the second reflecting surface P2 is easily made flat, and the second reflecting surface P2 can be made a reflecting surface with a high reflectance, so the amount of the second reflected light L2 can be increased.

第２反射光L2は、センサ用光ファイバ18のコアを通り、第１空隙V1を通過して第３光ファイバ12-3のコアに入射され、第１反射光L1と干渉し、干渉光を生じさせることとなっている。 The second reflected light L2 passes through the core of the sensor optical fiber 18, passes through the first gap V1, and is incident on the core of the third optical fiber 12-3, where it interferes with the first reflected light L1, generating interference light.

なお、先端部材19に達した光のうち、第２反射面P2で反射せずに先端部材19を構成している光ファイバのコアに入射された光は、先端部材19の先端から外部へと出射している。 Of the light that reaches the tip member 19, the light that is not reflected by the second reflecting surface P2 and enters the core of the optical fiber that constitutes the tip member 19 is emitted to the outside from the tip of the tip member 19.

ここで、先端部材19の先端面は、先端部材19を構成している光ファイバのコアの延伸方向、すなわち光軸方向と90°以外の角度で交差する傾斜面Ｔとしている。このように、先端部材19の先端面を傾斜面Ｔとしておくことで、この傾斜面Ｔに達した光の反射光が、センサ用光ファイバ18のコアを通って第３光ファイバ12-3のコアに入射されて、上述した干渉光に影響を与えることがないようにしている。 Here, the tip surface of the tip member 19 is an inclined surface T that intersects with the extension direction of the core of the optical fiber constituting the tip member 19, i.e., the optical axis direction, at an angle other than 90°. By making the tip surface of the tip member 19 an inclined surface T in this way, it is possible to prevent the reflected light that reaches this inclined surface T from passing through the core of the sensor optical fiber 18 and entering the core of the third optical fiber 12-3, thereby affecting the interference light described above.

このように構成したセンサ体Ｓで生成した干渉光のスペクトルを図４に示す。ここで、センサ体Ｓには、照射器から出射された広い波長帯域の光をそのまま入射させている。図４に示すように、干渉光は周期的で急峻な凹凸波形のスペクトルとなっている。 The spectrum of interference light generated by the sensor body S configured in this way is shown in Figure 4. Here, light in a wide wavelength band emitted from the illuminator is directly incident on the sensor body S. As shown in Figure 4, the interference light has a spectrum with a periodic and steep concave and convex waveform.

また、干渉次数をｍとし、干渉波長をλmとし、センサ用光ファイバ18のコアの実効屈折率をｎeffとし、第１反射面P1と第２反射面P2との間隔寸法（本実施形態でのセンサ用光ファイバ18の長さ寸法）をＬとすると、下記の関係式となっている。
λm＝２ｎeffＬ／ｍ In addition, if the order of interference is m, the interference wavelength is λm , the effective refractive index of the core of the optical fiber for the sensor 18 is neff , and the distance between the first reflecting surface P1 and the second reflecting surface P2 (the length of the optical fiber for the sensor 18 in this embodiment) is L, then the following relational expression is obtained.
λ m = 2n eff L/m

すなわち、干渉波長は、本実施形態でのセンサ用光ファイバ18の長さ寸法、厳密には第１反射面P1と第２反射面P2との間隔寸法で調整可能であることを示している。 In other words, this shows that the interference wavelength can be adjusted by the length dimension of the sensor optical fiber 18 in this embodiment, or more precisely, the spacing dimension between the first reflecting surface P1 and the second reflecting surface P2.

そこで、波長合分波器15の所定のポートから出射される光の波長が、干渉波長λmと一致するように第１反射面P1と第２反射面P2との間の距離である長さＬを調整したセンサ用光ファイバ18を、当該ポートに接続した第３光ファイバ12-3の先端に装着することで、波長合分波器15は、各第３光ファイバ12-3を介して波長合分波器15に入射された各干渉光を互いに重畳した合波とし、光サーキュレータ13へと出射することができる。 Therefore, by attaching the sensor optical fiber 18, in which the length L , which is the distance between the first reflecting surface P1 and the second reflecting surface P2, is adjusted so that the wavelength of the light emitted from a predetermined port of the wavelength multiplexer/demultiplexer 15 matches the interference wavelength λm, to the tip of the third optical fiber 12-3 connected to that port, the wavelength multiplexer/demultiplexer 15 can superimpose the interference light beams incident on the wavelength multiplexer/demultiplexer 15 via the third optical fibers 12-3, and emit the superimposed multiplexed light to the optical circulator 13.

ここで、第３光ファイバ12-3の長さは問題ではなく、適宜の長さとすることができるので、多数のセンサ体Ｓを適宜配置することができることにもなっている。 Here, the length of the third optical fiber 12-3 is not an issue and can be any length, which means that multiple sensor bodies S can be arranged as needed.

具体的に１つのセンサ体Ｓで水温変化を検出した結果を図５に示す。ここで、第３光ファイバ12-3は、コア径が8.2μｍで、クラッド径が125μｍであるシングルモードの光を伝搬させる光ファイバとし、センサ用光ファイバ18は、ファイバ径が125μｍである石英製のホーリーファイバとしている。センサ用光ファイバ18の長さは約1040μｍとしている。 Figure 5 shows the results of detecting water temperature changes using one sensor body S. Here, the third optical fiber 12-3 is an optical fiber that propagates single-mode light with a core diameter of 8.2 μm and a cladding diameter of 125 μm, and the sensor optical fiber 18 is a quartz holey fiber with a fiber diameter of 125 μm. The length of the sensor optical fiber 18 is approximately 1040 μm.

図５では、スペクトルの特定の凹部の波長（以下において、「ディップ波長」という。）が、水温の上昇に応じて長波長側にシフトしていることが示されている。この水温とディップ波長との関係を示したグラフが図６であり、精度良く水温検出が可能であることが示されている。 Figure 5 shows that the wavelength of a particular depression in the spectrum (hereinafter referred to as the "dip wavelength") shifts to longer wavelengths as the water temperature increases. Figure 6 is a graph showing the relationship between water temperature and the dip wavelength, demonstrating that water temperature can be detected with high accuracy.

なお、図５における干渉光のスペクトルの波長シフトは、センサ体Ｓを構成しているセンサ用光ファイバ18の熱膨張にともなう第１反射面P1と第２反射面P2との間の距離の変化の影響だけでなく、センサ用光ファイバ18自体の屈折率も変化することでセンサ用光ファイバ18を通過する第２反射光L2の位相が大きく変化していることも影響していると考えている。また、センサ用光ファイバ18自体の長さや屈折率は歪や圧力の影響を受けることによっても変化するため、これらの物理量のセンサとして応用することもできると考えている。 The wavelength shift of the spectrum of the interference light in Figure 5 is believed to be due not only to the effect of the change in the distance between the first reflecting surface P1 and the second reflecting surface P2 due to the thermal expansion of the sensor optical fiber 18 that constitutes the sensor body S, but also to the effect of the change in the refractive index of the sensor optical fiber 18 itself, which causes a large change in the phase of the second reflected light L2 passing through the sensor optical fiber 18. In addition, since the length and refractive index of the sensor optical fiber 18 itself change due to the effects of strain and pressure, it is believed that it can also be used as a sensor for these physical quantities.

解析器17では、図６に示される計測対象の温度（ここでは水温）とディップ波長との相関関係の情報をあらかじめ記憶しておくことで、ディップ波長の検出から温度を特定することができる。ディップ波長の検出は、適宜の最低値検出アルゴリズム等を用いて容易に行うことができる。また、図６に示すように、温度分解能が約0.4℃であることから、高精度な温度変化検出装置として使用することもでき、所定の温度管理範囲を超えたことを検出すように構成することもできる。 In the analyzer 17, by storing in advance information on the correlation between the temperature of the object to be measured (here, water temperature) and the dip wavelength as shown in FIG. 6, it is possible to identify the temperature from the detection of the dip wavelength. The detection of the dip wavelength can be easily performed using an appropriate minimum value detection algorithm, etc. Also, as shown in FIG. 6, since the temperature resolution is approximately 0.4°C, it can be used as a high-precision temperature change detection device, and can also be configured to detect when a specified temperature control range has been exceeded.

本実施形態で波長合分波器15として用いた高密度波長分割多重(ＤＷＤＭ)用の合分波器では、隣り合った出力ポートから出力される光の波長差は約0.8nmであり、センサ用光ファイバ18の長さを約1040μｍとすることで、図５に示すように０℃～60℃の計測温度域において1558.6～1559.4nmの範囲でのディップ波長の検出が可能となっている。 In the dense wavelength division multiplexer (DWDM) used as the wavelength multiplexer/demultiplexer 15 in this embodiment, the wavelength difference between the light output from adjacent output ports is approximately 0.8 nm, and by making the length of the sensor optical fiber 18 approximately 1040 μm, it is possible to detect dip wavelengths in the range of 1558.6 to 1559.4 nm in the measurement temperature range of 0°C to 60°C, as shown in Figure 5.

一方、例えば80℃の温度計測を行う場合には、波長合分波器15の隣のポートに60℃以上の温度計測に対応するセンサ用光ファイバを接続し、隣り合う２つのポートを１セットとして、それぞれのセンサ体Ｓを近接させて配置し、０℃～60℃の計測温度を一方のポートで、60℃～120℃の計測温度を他方のポートで計測することで対応できる。 On the other hand, when measuring a temperature of, for example, 80°C, a sensor optical fiber capable of measuring temperatures of 60°C or higher is connected to the port next to the wavelength multiplexer/demultiplexer 15, and two adjacent ports are treated as one set, with the respective sensor bodies S arranged close to each other, and temperatures between 0°C and 60°C are measured at one port, and temperatures between 60°C and 120°C are measured at the other port.

また、図５の60.8℃のスペクトルでは、波長1558.6nmと波長1559.3nmとでの２つのスペクトルディップが存在しており、温度上昇にともなってスペクトルディップが長波長側にシフトすることを考えると、短波長側のスペクトルディップを誤検出するおそれがある。 In addition, in the spectrum at 60.8°C in Figure 5, there are two spectral dips at wavelengths of 1558.6 nm and 1559.3 nm. Considering that the spectral dips shift to longer wavelengths as the temperature rises, there is a risk of erroneously detecting the spectral dip on the shorter wavelength side.

このような場合には、隣り合ったスペクトルディップの波長間隔Δλmが、
Δλm＝λm－λm+1＝λm 2／２ｎeffＬ
であることから、センサ用光ファイバ18の長さ寸法Ｌを半分とすることで、隣り合ったスペクトルディップの波長間隔Δλmを２倍とすることができるので、上記の問題を解消することができる。 In such a case, the wavelength interval Δλ m between adjacent spectral dips is
Δλ m =λ m -λ m+1 =λ m 2 /2n eff L
Therefore, by halving the length dimension L of the optical fiber for the sensor 18, the wavelength interval Δλ m between adjacent spectral dips can be doubled, thereby solving the above problem.

また、センサ用光ファイバ18の長さ寸法Ｌをすべてのセンサ体Ｓで同じ長さで構成した場合には、２つのポートを１セットして、一方のポート（例えば短波長側のポート）のみを使用する、すなわち、１つ飛ばしでポートを使用することで、誤検出を防止可能とすることができる。 In addition, if the length dimension L of the sensor optical fiber 18 is configured to be the same for all sensor bodies S, two ports can be set as one and only one port (for example, the port on the short wavelength side) can be used, that is, ports can be used every other port, thereby preventing erroneous detection.

なお、センサ用光ファイバ18の長さ寸法Ｌを半分とする場合だけでなく、適当に短くすることでΔλmを波長合分波器15のポート間の波長周期より長く設定してもよい。この場合には、ポート毎に適切なスペクトル特性を有する光ファイバセンサを準備する。 In addition to the case where the length dimension L of the sensor optical fiber 18 is halved, Δλm may be set longer than the wavelength period between the ports of the wavelength multiplexer/demultiplexer 15 by shortening it appropriately. In this case, an optical fiber sensor with appropriate spectral characteristics is prepared for each port.

上述した実施形態では、センサ用光ファイバ18としてホーリーファイバを用いた形態について説明したが、その他の形態の光ファイバを用いることもできる。以下において、センサ体の変容例について説明する。なお、センサ体以外は、上述した温度測定装置と同一構成であり、同一構成部分については同一符号を付すこととし、重複する説明は省略する。 In the above embodiment, a holey fiber is used as the sensor optical fiber 18, but other types of optical fiber can also be used. Below, an example of a modified sensor body is described. Note that, apart from the sensor body, the configuration is the same as the temperature measuring device described above, and the same components are given the same reference numerals, and duplicated explanations are omitted.

＜センサ用光ファイバがグレーデッドインデックスマルチモード光ファイバの場合＞
まず、センサ用光ファイバとしてグレーデッドインデックスマルチモード光ファイバを用いた場合について説明する。 <When the optical fiber for the sensor is a graded-index multimode optical fiber>
First, a case where a graded-index multimode optical fiber is used as the optical fiber for the sensor will be described.

図７に示すように、本実施形態のセンサ体S1は、センサ用光ファイバ28をグレーデッドインデックスマルチモード光ファイバで構成し、第３光ファイバ12-3とセンサ用光ファイバ28との間には第１円筒管D1を介設し、センサ用光ファイバ28の先端側には第２円筒管D2を装着し、この第２円筒管D2の先端側に先端部材29を装着している。すなわち、本実施形態のセンサ体S1は、第３光ファイバ12-3側から、第１円筒管D1、センサ用光ファイバ28、第２円筒管D2、先端部材29の順で構成している。本実施形態でも、先端部材29はシングルモードの光を伝搬させる光ファイバとしている。 As shown in FIG. 7, in the sensor body S1 of this embodiment, the sensor optical fiber 28 is configured as a graded-index multimode optical fiber, a first cylindrical tube D1 is interposed between the third optical fiber 12-3 and the sensor optical fiber 28, a second cylindrical tube D2 is attached to the tip side of the sensor optical fiber 28, and a tip member 29 is attached to the tip side of this second cylindrical tube D2. That is, the sensor body S1 of this embodiment is configured in the following order from the third optical fiber 12-3 side: the first cylindrical tube D1, the sensor optical fiber 28, the second cylindrical tube D2, and the tip member 29. In this embodiment as well, the tip member 29 is an optical fiber that propagates single-mode light.

第１円筒管D1は、中空の石英管であって、第３光ファイバ12-3とセンサ用光ファイバ28との間に介設することで第１空隙V1'を形成するために設けている。また、第２円筒管D2も、中空の石英管であって、センサ用光ファイバ28と先端部材19との間に介設することで第２空隙V2'を形成するために設けている。 The first cylindrical tube D1 is a hollow quartz tube, and is provided to form a first gap V1' by being interposed between the third optical fiber 12-3 and the sensor optical fiber 28. The second cylindrical tube D2 is also a hollow quartz tube, and is provided to form a second gap V2' by being interposed between the sensor optical fiber 28 and the tip member 19.

第３光ファイバ12-3とセンサ用光ファイバ28との間に第１空隙V1'を設けることで、第３光ファイバ12-3の先端面を第1反射面P1'としている。また、センサ用光ファイバ28と先端部材19との間に第２空隙V2'を設けることで、センサ用光ファイバ28の先端面を第２反射面P2'としている。 By providing a first gap V1' between the third optical fiber 12-3 and the optical fiber for the sensor 28, the tip surface of the third optical fiber 12-3 becomes the first reflecting surface P1'. Also, by providing a second gap V2' between the optical fiber for the sensor 28 and the tip member 19, the tip surface of the optical fiber for the sensor 28 becomes the second reflecting surface P2'.

第１円筒管D1は、放電プラズマを用いた熱融着によって容易に第３光ファイバ12-3の先端及びセンサ用光ファイバ28の基端に装着できる。また、第２円筒管D2も、放電プラズマを用いた熱融着によって容易にセンサ用光ファイバ28の先端及び先端部材29の基端に装着できる。 The first cylindrical tube D1 can be easily attached to the tip of the third optical fiber 12-3 and the base end of the sensor optical fiber 28 by thermal fusion using discharge plasma. The second cylindrical tube D2 can also be easily attached to the tip of the sensor optical fiber 28 and the base end of the tip member 29 by thermal fusion using discharge plasma.

センサ用光ファイバ28は、第３光ファイバ12-3のコアの延長線上にコアを位置させている。さらに、光ファイバで構成した先端部材29は、センサ用光ファイバ28のコアの延長線上にコアを位置させている。 The core of the optical fiber 28 for the sensor is positioned on an extension of the core of the third optical fiber 12-3. Furthermore, the core of the tip member 29 made of optical fiber is positioned on an extension of the core of the optical fiber 28 for the sensor.

第３光ファイバ12-3によって第１空隙V1'に導かれた光の一部は、第３光ファイバ12-3の端面を第１反射面P1'として反射することで第１反射光L1'を生じさせている。 A portion of the light guided to the first gap V1' by the third optical fiber 12-3 is reflected by the end face of the third optical fiber 12-3 as the first reflecting surface P1', thereby generating the first reflected light L1'.

第３光ファイバ12-3から第１空隙V1'に入射された光は、第１空隙V1'を通ってセンサ用光ファイバ28の基端面に達する。このセンサ用光ファイバ28の基端面でも反射光が生じるが、第３光ファイバ12-3から第１空隙V1'に出射された光は、光の回折によって広がり角をもって第１空隙V1'内を進行するため、センサ用光ファイバ28の基端面に達した際に第３光ファイバ12-3のコアに向けて反射する光の強度が第１反射光L1'と比較して十分に小さく、干渉光の生成に大きな影響を与えていないと考えられる。 The light incident on the first gap V1' from the third optical fiber 12-3 passes through the first gap V1' and reaches the base end face of the sensor optical fiber 28. Reflected light is also generated at the base end face of this sensor optical fiber 28, but since the light emitted from the third optical fiber 12-3 to the first gap V1' travels through the first gap V1' with a divergence angle due to optical diffraction, the intensity of the light reflected toward the core of the third optical fiber 12-3 when it reaches the base end face of the sensor optical fiber 28 is sufficiently small compared to the first reflected light L1', and is thought to have no significant effect on the generation of interference light.

センサ用光ファイバ28に入射した光は、センサ用光ファイバ28がグレーデッドインデックスマルチモード光ファイバであることによって、周期的に拡大と集光を繰り返しながら進行し、第２空隙V2'に導かれる。そこで、センサ用光ファイバ28の長さは、センサ用光ファイバ28の先端において光が丁度集光する状態となる長さとしておくことが望ましい。 Because the sensor optical fiber 28 is a graded-index multimode optical fiber, the light incident on the sensor optical fiber 28 periodically expands and converges as it travels, and is then guided to the second gap V2'. Therefore, it is desirable to set the length of the sensor optical fiber 28 so that the light is just converged at the tip of the sensor optical fiber 28.

第２空隙V2'に接するセンサ用光ファイバ28の先端面に達した光の一部は、この先端面を第２反射面P2'として反射し、第２反射光L2'を生じさせている。 A portion of the light that reaches the tip surface of the sensor optical fiber 28 that contacts the second gap V2' is reflected by this tip surface as a second reflecting surface P2', generating a second reflected light L2'.

また、センサ用光ファイバ28の先端面に達して第２空隙V2'に入射した光の一部は、シングルモードの光を伝搬させる光ファイバで構成した先端部材29の基端面においても反射して反射光を生じさせている。ただし、この反射光は、センサ用光ファイバ28から第２空隙V2'に出射された光が、第２空隙V2'内を進行する際に光の回折によって広がり角をもって進行するため、先端部材29の基端面に達した際にセンサ用光ファイバ28のコアに向けて反射する光の強度が第２反射光L2'と比較して十分に小さくなり、干渉光の生成に大きな影響を与えていないと考えられる。 In addition, a portion of the light that reaches the tip surface of the sensor optical fiber 28 and enters the second gap V2' is also reflected at the base end surface of the tip member 29, which is made of an optical fiber that propagates single-mode light, to generate reflected light. However, this reflected light travels with a divergence angle due to the diffraction of light as the light emitted from the sensor optical fiber 28 to the second gap V2' travels through the second gap V2', so the intensity of the light reflected toward the core of the sensor optical fiber 28 when it reaches the base end surface of the tip member 29 is sufficiently smaller than the second reflected light L2', and it is considered that this does not have a significant impact on the generation of the interference light.

ここで、先端部材29の先端面は、先端部材29を構成している光ファイバのコアの延伸方向、すなわち光軸方向と90°以外の角度で交差する傾斜面としている。このように、先端部材29の先端面を傾斜面としておくことで、この傾斜面に達した光の反射光が、センサ用光ファイバ28のコアを通って第３光ファイバ12-3のコアに入射されて、上述した干渉光に影響を与えることがないようにしている。 Here, the tip surface of the tip member 29 is an inclined surface that intersects with the extension direction of the core of the optical fiber that constitutes the tip member 29, i.e., the optical axis direction, at an angle other than 90°. By making the tip surface of the tip member 29 an inclined surface in this way, it is possible to prevent reflected light that reaches this inclined surface from passing through the core of the sensor optical fiber 28 and entering the core of the third optical fiber 12-3, thereby preventing it from affecting the interference light described above.

グレーデッドインデックスマルチモード光ファイバで構成したセンサ用光ファイバ28の長さを、センサ用光ファイバ28の先端において光が丁度集光する状態となる長さとした場合には、センサ用光ファイバ28の先端面で最大の反射効率で第２反射光L2'を生成することができる。この結果、第１反射光L1'と、第２空隙V2'の存在によって入射光から生じさせた第２反射光L2'とが干渉して、周期的な凹凸波形のスペクトルを示す干渉光を生成することができる。 When the length of the sensor optical fiber 28, which is made of a graded-index multimode optical fiber, is set so that light is just focused at the tip of the sensor optical fiber 28, the second reflected light L2' can be generated with maximum reflection efficiency at the tip surface of the sensor optical fiber 28. As a result, the first reflected light L1' and the second reflected light L2' generated from the incident light due to the presence of the second gap V2' interfere with each other, generating interference light that exhibits a spectrum with a periodic concave-convex waveform.

ここで、図４のように周期的で急峻な凹凸波形としてあらわれる干渉光のスペクトルのｍ次の干渉波長λmは、ｎGIをセンサ用光ファイバ28であるグレーデッドインデックスマルチモード光ファイバの実効屈折率、ＬGIをセンサ用光ファイバ28であるグレーデッドインデックスマルチモード光ファイバの長さ、ＬD1を第１円筒管D1の長さとして
λm＝２（ｎGIＬGI＋ＬD1）／ｍ
となる。なお、第１円筒管D1内は空気で、屈折率は1としている。 Here, the m-th order interference wavelength λm of the spectrum of interference light appearing as a periodic and steep concave-convex waveform as shown in FIG. 4 is expressed as λm=2(nGI LGI+LD1)/m, where nGI is the effective refractive index of the graded-index multimode optical fiber that is the optical fiber for the sensor 28, LGI is the length of the graded-index multimode optical fiber that is the optical fiber for the sensor 28 , and LD1 is the length of the first cylindrical tube D1 .
The first cylindrical tube D1 is filled with air, and its refractive index is set to 1.

すなわち、ＬGI及びＬD1の長さを調整してセンサ体を作製することにより、波長合分波器15の所定のポートから出力される光の波長に対応させたセンサ体を作製することができる。 That is, by adjusting the lengths of L GI and L D1 while fabricating a sensor body, it is possible to fabricate a sensor body that corresponds to the wavelength of light output from a specified port of the wavelength division multiplexer 15 .

ここで、シングルモードの光ファイバである第３光ファイバ12-3のコア径を8.2μｍ、クラッド径を125μｍとし、グレーデッドインデックスマルチモード光ファイバであるセンサ用光ファイバ28のコア径を100μｍ、クラッド径を125μｍとし、石英管である第1円筒管D1及び第２円筒管D2の外径を125μｍとし、さらに、センサ用光ファイバ28の長さを約700μｍ、第1円筒管D1の長さを約170μｍとしてセンサ体を作製し、水温計測を行った場合の結果を図８に示す。 The third optical fiber 12-3, which is a single mode optical fiber, has a core diameter of 8.2 μm and a cladding diameter of 125 μm. The sensor optical fiber 28, which is a graded index multimode optical fiber, has a core diameter of 100 μm and a cladding diameter of 125 μm. The outer diameters of the first cylindrical tube D1 and the second cylindrical tube D2, which are quartz tubes, are 125 μm. Furthermore, the length of the sensor optical fiber 28 is approximately 700 μm, and the length of the first cylindrical tube D1 is approximately 170 μm. The results of measuring water temperature are shown in Figure 8.

図８に示すように、ディップ波長は、水温の上昇とともに線形性良く長波長側にシフトしており、ディップ波長を測定することで温度が精度よく見積もれることがわかる。 As shown in Figure 8, the dip wavelength shifts linearly to the longer wavelength side as the water temperature increases, and it can be seen that the temperature can be accurately estimated by measuring the dip wavelength.

上述したように、センサ用光ファイバ28をグレーデッドインデックスマルチモード光ファイバで構成した場合には、第２反射面P2'をセンサ用光ファイバ28の先端面としているため、先端部材29の基端面では、強い反射光を生じさせない方が望ましい。 As described above, when the sensor optical fiber 28 is constructed of a graded-index multimode optical fiber, the second reflecting surface P2' is the tip surface of the sensor optical fiber 28, so it is desirable not to generate strong reflected light at the base end surface of the tip member 29.

そこで、シングルモードの光を伝搬させる光ファイバで構成する先端部材29の代わりに、図９に示すように、先端部材D29を第２円筒管D2と一体的としたキャップ構造としてもよい。 Therefore, instead of the tip member 29 being made of an optical fiber that propagates single-mode light, a cap structure in which the tip member D29 is integrated with the second cylindrical tube D2 may be used, as shown in FIG. 9.

すなわち、この先端部材D29は、第２円筒管D2をセンサ用光ファイバ28の先端に放電プラズマを用いて熱融着した後に、さらに、第２円筒管D2の先端側に放電プラズマを照射して先端部分を融解させて整形することで先端部分を閉塞させた構造としている。このとき、第２空隙V2'は、円錐台に近い形状となっている。また、先端部材D29の先端面は、センサ用光ファイバ28の光軸と90°以外の角度で交差する傾斜面T'として、この傾斜面T'で生じる反射光がセンサ用光ファイバ28及び第３光ファイバ12-3に導かれることを抑制している。 In other words, this tip member D29 has a structure in which the second cylindrical tube D2 is heat-fused to the tip of the sensor optical fiber 28 using discharge plasma, and then the tip side of the second cylindrical tube D2 is irradiated with discharge plasma to melt and shape the tip, thereby closing the tip. At this time, the second gap V2' has a shape close to a truncated cone. In addition, the tip surface of the tip member D29 is an inclined surface T' that intersects with the optical axis of the sensor optical fiber 28 at an angle other than 90°, and the reflected light generated by this inclined surface T' is prevented from being guided to the sensor optical fiber 28 and the third optical fiber 12-3.

図９に示すように、第２円筒管の先端を閉塞させて形成した先端部材D29を、説明の便宜上、「先端部材代用円筒管」と呼ぶこととする。 As shown in Figure 9, for ease of explanation, the tip member D29 formed by closing the tip of the second cylindrical tube is referred to as the "substitute cylindrical tube for tip member."

＜センサ用光ファイバがステップインデックスマルチモード光ファイバの場合＞
次に、センサ用光ファイバとしてステップインデックスマルチモード光ファイバを用いた場合について説明する。 <When the optical fiber for the sensor is a step-index multimode optical fiber>
Next, a case where a step-index multimode optical fiber is used as the optical fiber for the sensor will be described.

図１０に示すように、本実施形態のセンサ体S2は、センサ用光ファイバ38をステップインデックスマルチモード光ファイバで構成し、第３光ファイバ12-3とセンサ用光ファイバ38との間には第１円筒管D1"を介設し、センサ用光ファイバ38の先端側には先端部材代用円筒管D29"を装着している。すなわち、本実施形態のセンサ体S2は、第３光ファイバ12-3側から、第１円筒管D1"、センサ用光ファイバ38、先端部材代用円筒管D29"の順で構成している。 As shown in FIG. 10, the sensor body S2 of this embodiment is configured with a step-index multimode optical fiber as the sensor optical fiber 38, a first cylindrical tube D1" is interposed between the third optical fiber 12-3 and the sensor optical fiber 38, and a tip member substitute cylindrical tube D29" is attached to the tip side of the sensor optical fiber 38. That is, the sensor body S2 of this embodiment is configured in the following order from the third optical fiber 12-3 side: the first cylindrical tube D1", the sensor optical fiber 38, and the tip member substitute cylindrical tube D29".

第１円筒管D1"は、放電プラズマを用いた熱融着によって容易に第３光ファイバ12-3の先端及びセンサ用光ファイバ38の基端に装着でき、この第１円筒管D1"によって第１空隙V1"を形成している。 The first cylindrical tube D1" can be easily attached to the tip of the third optical fiber 12-3 and the base end of the sensor optical fiber 38 by thermal fusion using discharge plasma, and the first cylindrical tube D1" forms the first gap V1".

先端部材代用円筒管D29"は、第１円筒管D1"と同様の石英管を、放電プラズマを用いた熱融着によってセンサ用光ファイバ38の先端に装着し、この石英管の先端側に放電プラズマを照射して先端部分を融解させて閉塞し、第２空隙V2"を形成している。さらに、先端部材代用円筒管D29"の先端面は、センサ用光ファイバ38の光軸と90°以外の角度で交差する傾斜面T"として、この傾斜面T"で生じる反射光がセンサ用光ファイバ38及び第３光ファイバ12-3に導かれることを抑制している。 The tip member substitute cylindrical tube D29" is a quartz tube similar to the first cylindrical tube D1" that is attached to the tip of the sensor optical fiber 38 by thermal fusion using discharge plasma, and the tip side of this quartz tube is irradiated with discharge plasma to melt and close the tip portion, forming a second gap V2". Furthermore, the tip surface of the tip member substitute cylindrical tube D29" is an inclined surface T" that intersects with the optical axis of the sensor optical fiber 38 at an angle other than 90°, and prevents reflected light generated by this inclined surface T" from being guided to the sensor optical fiber 38 and the third optical fiber 12-3.

センサ用光ファイバ38は、第３光ファイバ12-3のコアの延長線上にコアを位置させている。 The core of the sensor optical fiber 38 is positioned on an extension of the core of the third optical fiber 12-3.

第３光ファイバ12-3によって第１空隙V1"に導かれた光の一部は、第３光ファイバ12-3の端面を第１反射面P1"として反射することで第１反射光L1"を生じさせている。 A portion of the light guided to the first gap V1" by the third optical fiber 12-3 is reflected by the end face of the third optical fiber 12-3 as a first reflecting surface P1", generating a first reflected light L1".

第３光ファイバ12-3から第１空隙V1"に入射された光は、第１空隙V1"を通ってセンサ用光ファイバ38の基端面に達する。このセンサ用光ファイバ38の基端面でも反射光が生じるが、第３光ファイバ12-3から第１空隙V1"に出射された光は、光の回折によって広がり角をもって第１空隙V1"内を進行するため、センサ用光ファイバ38の基端面に達した際に第３光ファイバ12-3のコアに向けて反射する光の強度が第１反射光L1"と比較して十分に小さく、干渉光の生成に大きな影響を与えていないと考えられる。 The light incident on the first gap V1" from the third optical fiber 12-3 passes through the first gap V1" and reaches the base end face of the sensor optical fiber 38. Reflected light is also generated at the base end face of this sensor optical fiber 38, but since the light emitted from the third optical fiber 12-3 to the first gap V1" travels through the first gap V1" with a divergence angle due to optical diffraction, the intensity of the light reflected toward the core of the third optical fiber 12-3 when it reaches the base end face of the sensor optical fiber 38 is sufficiently small compared to the first reflected light L1", and is not thought to have a significant impact on the generation of interference light.

第１空隙V1"を通過してセンサ用光ファイバ38に入射した光は、ステップインデックスマルチモード光ファイバであるセンサ用光ファイバ38によって第２空隙V2"に導かれる。 The light that passes through the first gap V1" and enters the sensor optical fiber 38 is guided to the second gap V2" by the sensor optical fiber 38, which is a step-index multimode optical fiber.

第２空隙V2"に接するセンサ用光ファイバ38の先端面に達した光の一部は、この先端面を第２反射面P2"として反射し、第２反射光L2"を生じさせている。 A portion of the light that reaches the tip surface of the sensor optical fiber 38 that contacts the second gap V2" is reflected by this tip surface as a second reflecting surface P2", generating a second reflected light L2".

また、センサ用光ファイバ38の先端面に達して第２空隙V2"に入射した光は、第２空隙V2"を通過して先端部材代用円筒管D29"に達し、先端部材代用円筒管D29"の先端から外部に向けて出射している。 In addition, the light that reaches the tip surface of the sensor optical fiber 38 and enters the second gap V2" passes through the second gap V2" and reaches the tip member substitute cylindrical tube D29", and is emitted to the outside from the tip of the tip member substitute cylindrical tube D29".

先端部材代用円筒管D29"に達した光からも反射光が生じるが、センサ用光ファイバ38のコアに向けて反射する光の強度が第２反射光L2"と比較して十分に小さくなり、干渉光の生成に大きな影響を与えていないと考えられる。 Although reflected light is also generated from the light that reaches the tip member substitute cylindrical tube D29", the intensity of the light reflected toward the core of the sensor optical fiber 38 is sufficiently small compared to the second reflected light L2", and is therefore not thought to have a significant impact on the generation of interference light.

ここで、図４のように周期的で急峻な凹凸波形としてあらわれる干渉光のスペクトルのｍ次の干渉波長λmは、ｎSIをセンサ用光ファイバ38であるステップインデックスマルチモード光ファイバの実効屈折率、ＬSIをセンサ用光ファイバ38であるステップインデックスマルチモード光ファイバの長さ、ＬD1を第１円筒管D1"の長さとして
λm＝２（ｎSIＬSI＋ＬD1）／ｍ
となる。なお、第１円筒管D1"内は空気で、屈折率は1としている。 Here, the m-th order interference wavelength λ m of the spectrum of interference light appearing as a periodic and steep concave-convex waveform as shown in FIG. 4 is expressed as λ m = 2 (n SI L SI + L D1 ) / m where n SI is the effective refractive index of the step-index multimode optical fiber that is the optical fiber for the sensor 38, L SI is the length of the step-index multimode optical fiber that is the optical fiber for the sensor 38, and L D1 is the length of the first cylindrical tube D1 ".
The first cylindrical tube D1" is filled with air, and its refractive index is set to 1.

ＬSI及びＬD1の長さを調整してセンサ体を作製することにより、波長合分波器15の所定のポートから出力される光の波長に対応させたセンサ体を作製することができる。 By adjusting the lengths of L SI and L D1 while fabricating the sensor body, it is possible to fabricate a sensor body that corresponds to the wavelength of light output from a predetermined port of the wavelength division multiplexer 15 .

ここで、シングルモードの光ファイバである第３光ファイバ12-3のコア径を8.2μｍ、クラッド径を125μｍとし、ステップインデックスマルチモード光ファイバであるセンサ用光ファイバ38のコア径を25μｍ、クラッド径を125μｍとし、石英管である第1円筒管D1"の外径を125μｍとし、さらに、センサ用光ファイバ38の長さを約740μｍ、第1円筒管D1"の長さを約168μｍとしてセンサ体を作製し、水温計測を行った場合の結果を図１１に示す。 The third optical fiber 12-3, which is a single mode optical fiber, has a core diameter of 8.2 μm and a cladding diameter of 125 μm. The sensor optical fiber 38, which is a step-index multimode optical fiber, has a core diameter of 25 μm and a cladding diameter of 125 μm. The outer diameter of the first cylindrical tube D1", which is a quartz tube, is 125 μm. Furthermore, the length of the sensor optical fiber 38 is approximately 740 μm, and the length of the first cylindrical tube D1", which is approximately 168 μm. The results of measuring water temperature are shown in Figure 11.

図１１に示すように、ディップ波長は、温度の上昇とともに線形性良く長波長側にシフトしており、ディップ波長を測定することで温度が精度よく見積もれることがわかる。 As shown in Figure 11, the dip wavelength shifts linearly to the longer wavelength side as the temperature increases, and it can be seen that the temperature can be estimated with high accuracy by measuring the dip wavelength.

センサ用光ファイバ38をステップインデックスマルチモード光ファイバで構成した場合、第２反射光L2"の強度が第１反射光L1"の強度と比較して小さくなることが予想される。 If the sensor optical fiber 38 is constructed of a step-index multimode optical fiber, it is expected that the intensity of the second reflected light L2" will be smaller than the intensity of the first reflected light L1".

このような場合には、図１２に示すように、第１空隙V1"に面するセンサ用光ファイバ38の基端面を、第１空隙V1"側に向けて膨出させた凸状レンズ面Ｒとすることで、センサ用光ファイバ38から第３光ファイバ12-3のコアに入射される第２反射光L2"の光量を増大させることができ、第２反射光L2"の強度を増強することができる。 In such a case, as shown in FIG. 12, by forming the base end surface of the sensor optical fiber 38 facing the first gap V1" into a convex lens surface R that bulges toward the first gap V1", the amount of second reflected light L2" incident from the sensor optical fiber 38 to the core of the third optical fiber 12-3 can be increased, and the intensity of the second reflected light L2" can be enhanced.

本実施形態では、第１空隙V1"を形成するために第１円筒管D1"を設けているが、例えば、第１円筒管D1"の代わりに、図１３に示すように、端部に凹状の窪みC3を設けたホーリーファイバを空隙形成体D3"として用いることもできる。 In this embodiment, a first cylindrical tube D1" is provided to form the first gap V1". However, for example, instead of the first cylindrical tube D1", a holey fiber having a concave depression C3 at its end, as shown in FIG. 13, can be used as the gap forming body D3".

すなわち、空隙形成体D3"は、所定の長さとしたホーリーファイバであって、一方の端部には、短時間の放電プラズマを照射することで凹状の窪みC3を形成しておき、窪みC3のない方の端部を第３光ファイバ12-3の先端に放電プラズマを用いた熱融着によって接続している。 That is, the void-forming body D3" is a holey fiber of a predetermined length, and one end of the fiber is irradiated with discharge plasma for a short period of time to form a concave depression C3, and the end without the depression C3 is connected to the tip of the third optical fiber 12-3 by thermal fusion using discharge plasma.

そして、窪みC3が形成されているホーリーファイバの端部に、ステップインデックスマルチモード光ファイバであるセンサ用光ファイバ38の先端を、放電プラズマを用いた熱融着によって接続し、第１空隙V3"を形成している。 Then, the tip of the sensor optical fiber 38, which is a step-index multimode optical fiber, is connected to the end of the holey fiber where the depression C3 is formed by thermal fusion using discharge plasma, forming a first gap V3".

この場合には、実質的にセンサ用光ファイバ38の基端面が第１反射面P3"として機能し、またセンサ用光ファイバ38の先端面が第２反射面P2"となるので、センサ用光ファイバ38の長さ調整のみで、光スペクトル特性への合わせ込みを行うことができる。 In this case, the base end surface of the sensor optical fiber 38 essentially functions as the first reflecting surface P3", and the tip end surface of the sensor optical fiber 38 becomes the second reflecting surface P2", so the optical spectrum characteristics can be matched simply by adjusting the length of the sensor optical fiber 38.

この形態としたセンサ体で水温計測を行った場合の結果を図１４に示す。ここで、センサ用光ファイバ38の長さは、約777μｍとしている。図１４に示すように、ディップ波長は、温度の上昇とともに線形性良く長波長側にシフトしており、ディップ波長を測定することで温度が精度よく見積もれることがわかる。 Figure 14 shows the results of measuring water temperature using a sensor body in this configuration. Here, the length of the sensor optical fiber 38 is approximately 777 μm. As shown in Figure 14, the dip wavelength shifts linearly to the longer wavelength side as the temperature increases, and it can be seen that the temperature can be estimated with high accuracy by measuring the dip wavelength.

＜センサ用光ファイバがシングルモードの光を伝搬させる光ファイバの場合＞
次に、センサ用光ファイバとしてシングルモードの光を伝搬させる光ファイバを用いた場合について説明する。この場合、基本的には、上述したステップインデックスマルチモード光ファイバの代わりに、シングルモードの光を伝搬させる光ファイバを用いているだけである。 <When the optical fiber for the sensor is an optical fiber that propagates single-mode light>
Next, we will explain the case where an optical fiber that propagates single-mode light is used as the optical fiber for the sensor. In this case, basically, instead of the above-mentioned step-index multimode optical fiber, an optical fiber that propagates single-mode light is used.

図１５に示すように、本実施形態のセンサ体S3は、センサ用光ファイバ48をシングルモードの光を伝搬させる光ファイバで構成し、第３光ファイバ12-3とセンサ用光ファイバ48との間には第１円筒管D1"を介設し、センサ用光ファイバ48の先端側には先端部材代用円筒管D29"を装着している。すなわち、本実施形態のセンサ体S3は、第３光ファイバ12-3側から、第１円筒管D1"、センサ用光ファイバ48、先端部材代用円筒管D29"の順で構成している。 As shown in FIG. 15, the sensor body S3 of this embodiment is configured such that the sensor optical fiber 48 is an optical fiber that propagates single-mode light, a first cylindrical tube D1" is interposed between the third optical fiber 12-3 and the sensor optical fiber 48, and a tip member substitute cylindrical tube D29" is attached to the tip side of the sensor optical fiber 48. That is, the sensor body S3 of this embodiment is configured in the following order from the third optical fiber 12-3 side: the first cylindrical tube D1", the sensor optical fiber 48, and the tip member substitute cylindrical tube D29".

第１円筒管D1"は、放電プラズマを用いた熱融着によって容易に第３光ファイバ12-3の端部及びセンサ用光ファイバ48の端部に装着でき、この第１円筒管D1"によって第１空隙V1"を形成している。 The first cylindrical tube D1" can be easily attached to the end of the third optical fiber 12-3 and the end of the sensor optical fiber 48 by thermal fusion using discharge plasma, and the first cylindrical tube D1" forms the first gap V1".

先端部材代用円筒管D29"は、第１円筒管D1"と同様の石英管を、放電プラズマを用いた熱融着によってセンサ用光ファイバ48の先端に装着し、この石英管の先端側に放電プラズマを照射して先端部分を融解させて閉塞し、第２空隙V2"を形成している。さらに、先端部材代用円筒管D29"の先端面は、センサ用光ファイバ48の光軸と90°以外の角度で交差する傾斜面T"として、この傾斜面T"で生じる反射光がセンサ用光ファイバ48及び第３光ファイバ12-3に導かれることを抑制している。 The tip member substitute cylindrical tube D29" is a quartz tube similar to the first cylindrical tube D1" that is attached to the tip of the sensor optical fiber 48 by thermal fusion using discharge plasma, and the tip side of this quartz tube is irradiated with discharge plasma to melt and close the tip portion, forming a second gap V2". Furthermore, the tip surface of the tip member substitute cylindrical tube D29" is an inclined surface T" that intersects with the optical axis of the sensor optical fiber 48 at an angle other than 90°, and prevents reflected light generated by this inclined surface T" from being guided to the sensor optical fiber 48 and the third optical fiber 12-3.

センサ用光ファイバ48は、第３光ファイバ12-3のコアの延長線上にコアを位置させている。 The core of the sensor optical fiber 48 is positioned on an extension of the core of the third optical fiber 12-3.

第３光ファイバ12-3によって第１空隙V1"に導かれた光の一部は、第３光ファイバ12-3の端面を第１反射面P1"として反射することで第１反射光L1"を生じさせている。 A portion of the light guided to the first gap V1" by the third optical fiber 12-3 is reflected by the end face of the third optical fiber 12-3 as a first reflecting surface P1", generating a first reflected light L1".

第３光ファイバ12-3から第１空隙V1"に入射された光は、第１空隙V1"を通ってセンサ用光ファイバ48の基端面に達する。このセンサ用光ファイバ48の基端面でも反射光が生じるが、第３光ファイバ12-3から第１空隙V1"に出射された光は、光の回折によって広がり角をもって第１空隙V1"内を進行するため、センサ用光ファイバ48の基端面に達した際に第３光ファイバ12-3のコアに向けて反射する光の強度が第１反射光L1"と比較して十分に小さく、干渉光の生成に大きな影響を与えていないと考えられる。 The light incident on the first gap V1" from the third optical fiber 12-3 passes through the first gap V1" and reaches the base end face of the sensor optical fiber 48. Reflected light is also generated at the base end face of this sensor optical fiber 48, but since the light emitted from the third optical fiber 12-3 to the first gap V1" travels through the first gap V1" with a divergence angle due to optical diffraction, the intensity of the light reflected toward the core of the third optical fiber 12-3 when it reaches the base end face of the sensor optical fiber 48 is sufficiently small compared to the first reflected light L1", and is thought to not have a significant impact on the generation of interference light.

第１空隙V1"を通過してセンサ用光ファイバ48に入射した光は、シングルモードの光を伝搬させる光ファイバであるセンサ用光ファイバ48によって第２空隙V2"に導かれる。 The light that passes through the first gap V1" and enters the sensor optical fiber 48 is guided to the second gap V2" by the sensor optical fiber 48, which is an optical fiber that propagates single-mode light.

第２空隙V2"に接するセンサ用光ファイバ48の先端面に達した光の一部は、この先端面を第２反射面P2"として反射し、第２反射光L2"を生じさせている。 A portion of the light that reaches the tip surface of the sensor optical fiber 48 that contacts the second gap V2" is reflected by this tip surface as a second reflecting surface P2", generating a second reflected light L2".

また、センサ用光ファイバ48の先端面に達して第２空隙V2"に入射した光は、第２空隙V2"を通過して先端部材代用円筒管D29"に達し、先端部材代用円筒管D29"の先端から外部に向けて出射している。 In addition, the light that reaches the tip surface of the sensor optical fiber 48 and enters the second gap V2" passes through the second gap V2" and reaches the tip member substitute cylindrical tube D29", and is emitted to the outside from the tip of the tip member substitute cylindrical tube D29".

先端部材代用円筒管D29"に達した光からも反射光が生じるが、センサ用光ファイバ48のコアに向けて反射する光の強度が第２反射光L2"と比較して十分に小さくなり、干渉光の生成に大きな影響を与えていないと考えられる。 Although reflected light is also generated from the light that reaches the tip member substitute cylindrical tube D29", the intensity of the light reflected toward the core of the sensor optical fiber 48 is sufficiently small compared to the second reflected light L2", and is therefore thought to have no significant effect on the generation of interference light.

また、必要に応じて、図１６に示すように、第１空隙V1"に面するセンサ用光ファイバ48の基端面を、第１空隙V1"側に向けて膨出させた凸状レンズ面R"とすることで、センサ用光ファイバ48から第３光ファイバ12-3のコアに入射される第２反射光L2"の光量を増大させる構成としてもよい。 If necessary, as shown in FIG. 16, the base end surface of the sensor optical fiber 48 facing the first gap V1" may be configured as a convex lens surface R" that bulges toward the first gap V1" to increase the amount of second reflected light L2" incident from the sensor optical fiber 48 to the core of the third optical fiber 12-3.

あるいは、図示しないが、上述したように、第１円筒管D1"の代わりに、端部に凹状の窪みを設けたホーリーファイバで構成した空隙形成体を用いてもよい。 Alternatively, although not shown, as described above, a gap forming body made of a holey fiber with a concave depression at the end may be used instead of the first cylindrical tube D1".

上記の各種実施形態では、センサ体を光ファイバ温度センサとしているが、温度センサに限らず、各種の光ファイバセンサに置き換えることで、いろいろな多点測定に応用できる。例えば、周囲に存在している物質の屈折率によって光スペクトルの波長シフトが生じる光ファイバ屈折率センサに置き換えることによって、多点屈折率測定装置とすることができる。さらに、例えば屈折率で区別可能な被測定物の種類あるいは溶液における溶質の濃度を多点にて測定可能な計測装置とすることもできる。 In the various embodiments described above, the sensor body is an optical fiber temperature sensor, but it is not limited to a temperature sensor, and can be replaced with various optical fiber sensors for various multipoint measurements. For example, by replacing it with an optical fiber refractive index sensor in which a wavelength shift in the light spectrum occurs depending on the refractive index of the surrounding substance, a multipoint refractive index measurement device can be created. Furthermore, it can also be a measurement device that can measure, for example, the type of object to be measured that can be distinguished by refractive index or the concentration of a solute in a solution at multiple points.

S,S1,S2,S3 センサ体
11 投光器
12-1 第１光ファイバ
12-2 第２光ファイバ
12-3 第３光ファイバ
12-4 第４光ファイバ
13 光サーキュレータ
15 波長合分波器
16 受光器
17 解析器
18,28,38,48 センサ用光ファイバ
19,29,D29 先端部材
D29" 先端部材代用円筒管
L1,L1',L1" 第１反射光
L2,L2',L2" 第２反射光
P1,P1',P1" 第１反射面
P2,P2',P2" 第２反射面
P3" 第１反射面
V1,V1',V1" 第１空隙
V2,V2',V2" 第２空隙
V3" 第１空隙
C1 第１窪み
C2 第２窪み
C3 窪み
D1,D1" 第１円筒管
D2 第２円筒管
D3" 空隙形成体
T,T',T" 傾斜面
R,R" 凸状レンズ面 S, S1, S2, S3 Sensor body
11 Floodlight
12-1 First optical fiber
12-2 Second optical fiber
12-3 Third optical fiber
12-4 Fourth optical fiber
13 Optical Circulator
15 Wavelength Multiplexer/Demultiplexer
16 Receiver
17 Analyzer
18,28,38,48 Optical fiber for sensors
19, 29, D29 Tip parts
D29" End Part Substitute Cylindrical Tube
L1, L1', L1" First reflected light
L2, L2', L2" Second reflected light
P1, P1', P1" First reflecting surface
P2, P2', P2" Second reflecting surface
P3" First Reflection Surface
V1, V1', V1" First gap
V2, V2', V2" Second gap
V3" First gap
C1 First recess
C2 Second recess
C3 recess
D1, D1" First cylindrical tube
D2 Second cylindrical tube
D3" gap former
T,T',T" inclined surface
R,R" Convex lens surface

Claims (14)

投光器と、
この投光器から照射された光を導く光ファイバと、
この光ファイバの先端に設けて前記光から干渉光を生じさせるセンサ体と、
前記干渉光を受光する受光器と、
この受光器の出力信号に基づいて所定の物理量を特定する解析器と
を備えた測定装置において、
前記投光器と前記光ファイバとの間には、それぞれ波長の異なる光を出射する複数のポートを備えた波長合分波器を設け、
前記の各ポートに前記光ファイバをそれぞれ接続するとともに、前記センサ体の光スペクトル特性を前記ポートから出射される光の波長に適合させて、
複数箇所の物理量を測定可能とする測定装置。 A floodlight;
an optical fiber for guiding light emitted from the floodlight;
a sensor body provided at the tip of the optical fiber for generating interference light from the light;
a light receiver for receiving the interference light;
and an analyzer for identifying a predetermined physical quantity based on an output signal of the light receiver,
a wavelength division multiplexer/demultiplexer having a plurality of ports for emitting light having different wavelengths is provided between the light projector and the optical fiber;
The optical fibers are connected to the ports, respectively, and the optical spectrum characteristics of the sensor body are adapted to the wavelength of the light emitted from the ports;
A measuring device that can measure physical quantities at multiple locations. 前記センサ体は、センサ用光ファイバであって、
前記光ファイバで導かれた光を前記センサ用光ファイバのコアに入射させるとともに、
前記光を反射させて第１反射光を生じさせる第１反射面と、前記光を反射させて第２反射光を生じさせる第２反射面とを備え、前記第１反射光と前記第２反射光とで前記干渉光を生じさせている請求項１に記載の測定装置。 The sensor body is an optical fiber for a sensor,
The light guided by the optical fiber is made incident on the core of the optical fiber for the sensor,
2. The measurement device according to claim 1, further comprising a first reflecting surface that reflects the light to generate a first reflected light, and a second reflecting surface that reflects the light to generate a second reflected light, wherein the first reflected light and the second reflected light generate the interference light. 前記センサ体は、前記第１反射面と前記第２反射面との間の距離を調整することで、前記光スペクトル特性を調整している請求項２に記載の測定装置。 The measuring device according to claim 2 , wherein the optical spectrum characteristic of the sensor body is adjusted by adjusting a distance between the first reflecting surface and the second reflecting surface. 前記第１反射面は、前記光ファイバと前記センサ用光ファイバとの間に第１空隙を設けることで形成し、前記第２反射面は、前記センサ用光ファイバの先端に第２空隙を設ける
ことで形成している請求項２に記載の測定装置。 3. The measuring device according to claim 2, wherein the first reflecting surface is formed by providing a first gap between the optical fiber and the sensor optical fiber, and the second reflecting surface is formed by providing a second gap at the tip of the sensor optical fiber. 前記波長合分波器が、光通信用途の光波長多重分離装置である請求項１～４のいずれか１項に記載の測定装置。 The measurement device according to any one of claims 1 to 4, wherein the wavelength multiplexer/demultiplexer is an optical wavelength multiplexer/demultiplexer for optical communications. 隣り合う複数のポートで１セットとして、１セットのうちの１つのポートに前記光ファイバを接続する請求項１～５のいずれか１項に記載の測定装置。 The measurement device according to any one of claims 1 to 5, in which adjacent ports are grouped into one set, and the optical fiber is connected to one port of the set. 前記光ファイバは、シングルモードの光を伝搬させる光ファイバとし、
前記センサ用光ファイバは、フォトニック結晶構造ファイバとしている請求項２に記載の測定装置。 The optical fiber is an optical fiber that propagates single-mode light,
3. The measuring device according to claim 2, wherein the optical fiber for the sensor is a photonic crystal structure fiber. 前記光ファイバは、シングルモードの光を伝搬させる光ファイバとし、
前記センサ用光ファイバは、シングルモードの光を伝搬させる光ファイバとしている請求項２に記載の測定装置。 The optical fiber is an optical fiber that propagates single-mode light,
3. The measuring device according to claim 2, wherein the optical fiber for the sensor is an optical fiber that propagates single-mode light. 前記光ファイバは、シングルモードの光を伝搬させる光ファイバとし、
前記センサ用光ファイバは、グレーデッドインデックスマルチモード光ファイバとしている請求項２に記載の測定装置。 The optical fiber is an optical fiber that propagates single-mode light,
3. The measuring device according to claim 2, wherein the optical fiber for the sensor is a graded index multimode optical fiber. 前記光ファイバは、シングルモードの光を伝搬させる光ファイバとし，
前記センサ用光ファイバは、ステップインデックスマルチモード光ファイバとしている請求項２に記載の測定装置。 The optical fiber is an optical fiber that propagates single-mode light,
3. The measuring device according to claim 2, wherein the optical fiber for the sensor is a step-index multimode optical fiber. 前記光ファイバと前記センサ用光ファイバとは第１円筒管を介して接続し、
前記センサ用光ファイバの先端には第２円筒管を接続している請求項８～１０のいずれか１項に記載の測定装置。 the optical fiber and the optical fiber for the sensor are connected via a first cylindrical tube;
11. The measuring device according to claim 8, wherein a second cylindrical tube is connected to a tip of the optical fiber for the sensor. 前記センサ用光ファイバの先端に、前記第２円筒管を介して先端部材を接続するとともに、この先端部材の先端面を前記センサ用光ファイバの光軸と90°以外の角度で交差する傾斜面としている請求項１１に記載の測定装置。 The measuring device according to claim 11, in which a tip member is connected to the tip of the sensor optical fiber via the second cylindrical tube, and the tip surface of this tip member is an inclined surface that intersects with the optical axis of the sensor optical fiber at an angle other than 90°. 前記先端部材を、先端部分を閉塞させた前記第２円筒管としている請求項１２に記載の測定装置。 The measuring device according to claim 12, wherein the tip member is the second cylindrical tube whose tip portion is closed. 投光器と、
この投光器から照射された光を導く光ファイバと、
この光ファイバの先端に設けて前記光から干渉光を生じさせるセンサ体と、
前記干渉光を受光する受光器と、
この受光器の出力信号に基づいて温度を特定する解析器と
を備えた温度測定装置において、
前記投光器と前記光ファイバとの間には、それぞれ波長の異なる光を出射する複数のポートを備えた波長合分波器を設け、
前記の各ポートに前記光ファイバをそれぞれ接続するとともに、前記センサ体の光スペクトル特性を前記ポートから出射される光の波長に適合させて、
複数箇所の温度を測定可能とする温度測定装置。 A floodlight;
an optical fiber for guiding light emitted from the floodlight;
a sensor body provided at the tip of the optical fiber for generating interference light from the light;
a light receiver for receiving the interference light;
and an analyzer for identifying a temperature based on an output signal from the light receiver.
a wavelength division multiplexer/demultiplexer having a plurality of ports for emitting light having different wavelengths is provided between the light projector and the optical fiber;
The optical fibers are connected to the ports, respectively, and the optical spectrum characteristics of the sensor body are adapted to the wavelength of the light emitted from the ports;
A temperature measuring device that can measure temperatures at multiple locations.
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