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JP2007298368A - Fiber optic pressure sensor - Google Patents

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JP2007298368A
JP2007298368A JP2006126050A JP2006126050A JP2007298368A JP 2007298368 A JP2007298368 A JP 2007298368A JP 2006126050 A JP2006126050 A JP 2006126050A JP 2006126050 A JP2006126050 A JP 2006126050A JP 2007298368 A JP2007298368 A JP 2007298368A
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JP
Japan
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light guide
optical fiber
light
refractive index
reflecting member
Prior art date
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Pending
Application number
JP2006126050A
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Japanese (ja)
Inventor
Tetsuya Suga
哲也 菅
Yusuke Takei
裕介 武井
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kyocera Corp
Original Assignee
Kyocera Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Kyocera Corp filed Critical Kyocera Corp
Priority to JP2006126050A priority Critical patent/JP2007298368A/en
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Abstract

【課題】温度変化の影響を抑制して圧力を検出することができる光ファイバ圧力センサを提供する。
【解決手段】光ファイバと、その光ファイバの一端面に対向して設けられ、光ファイバから出射された光の一部を反射させ、その反射光を光ファイバに入射する第1反射部材と、第1反射部材を透過した光の一部又は全部を第1反射部材に向けて反射させる第2反射部材と、第1反射部材と第2反射部材との間に介在され、かつ入射された光を多重干渉させるとともに外力によって弾性変形する導光体と、を備え、導光体が、屈折率温度係数が正である第1導光体と屈折率温度係数が負である第2導光体とを含む。
【選択図】図1
An optical fiber pressure sensor capable of detecting pressure while suppressing the influence of temperature change is provided.
An optical fiber, a first reflecting member that is provided opposite to one end surface of the optical fiber, reflects a part of light emitted from the optical fiber, and enters the reflected light into the optical fiber; The second reflecting member that reflects part or all of the light transmitted through the first reflecting member toward the first reflecting member, and the light that is interposed between the first reflecting member and the second reflecting member and is incident And a second light guide that has a refractive index temperature coefficient that is negative and a second light guide that has a refractive index temperature coefficient that is negative. Including.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、光ファイバ圧力センサに関するものである。   The present invention relates to an optical fiber pressure sensor.

光ファイバセンサは、感知部に加わる温度や外力を光学的な特性変化として検知してその検出された信号が光ファイバを介して伝達されるものである。   The optical fiber sensor detects a temperature or an external force applied to the sensing unit as an optical characteristic change and transmits the detected signal through the optical fiber.

このように光ファイバセンサの感知方法は、光学特性の変化を利用するため、感知部に給電を必要とせず、また、経路に用いる光ファイバは伝送損失が小さいため、遠隔での計測に有利であるという特徴を有する。さらに、光ファイバ自体の性質から、細径、軽量、防爆、耐電磁ノイズ性に優れるといった利点も有している。   As described above, since the sensing method of the optical fiber sensor uses a change in optical characteristics, no power supply is required for the sensing unit, and the optical fiber used for the path has a small transmission loss, which is advantageous for remote measurement. It has the characteristic of being. Furthermore, from the properties of the optical fiber itself, it also has the advantage of being excellent in small diameter, light weight, explosion proof, and electromagnetic noise resistance.

特許文献1には、エタロンと呼ばれる狭帯域波長フィルタを用いた光ファイバ温度センサが開示されている。エタロンとは、2つの反射部材の間で光を多重反射させて特定波長の光を取り出す光干渉型波長フィルタであり、特許文献1には、2つの反射部材の間に設けられる部材の厚さの変化をとらえて温度を測定することが開示されている。   Patent Document 1 discloses an optical fiber temperature sensor using a narrow band wavelength filter called an etalon. An etalon is an optical interference type wavelength filter that takes out light of a specific wavelength by multiple reflection of light between two reflecting members. Patent Document 1 discloses the thickness of a member provided between two reflecting members. It is disclosed that the temperature is measured by detecting the change in the temperature.

また、特許文献2には、対向する2つの反射膜を有する光干渉型ファイバセンサを圧力の検出に用いることが開示されている。
特開平05−56813号公報 特開平10−319241号公報
Patent Document 2 discloses that an optical interference fiber sensor having two opposing reflection films is used for pressure detection.
Japanese Patent Laid-Open No. 05-56813 Japanese Patent Laid-Open No. 10-319241

しかしながら、2つの反射部材の間で光を多重反射させて特定波長の光を取り出すことにより圧力を検出しようとした場合、反射部材間の間隔が圧力と温度の両方に依存して変化するために、圧力のみを検出することが困難であった。   However, when the pressure is detected by extracting light of a specific wavelength by multiple reflection of light between the two reflecting members, the interval between the reflecting members changes depending on both pressure and temperature. It was difficult to detect only the pressure.

そこで、本発明は、温度変化の影響を抑制して圧力を検出することができる光ファイバ圧力センサを提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide an optical fiber pressure sensor that can detect the pressure while suppressing the influence of a temperature change.

以上の目的を達成するために、本発明に係る光ファイバ圧力センサは、光ファイバと、該光ファイバの一端面に対向して設けられ、前記光ファイバから出射された光の一部を反射させ、該反射光を前記光ファイバに入射する第1反射部材と、該第1反射部材を透過した光の一部又は全部を前記第1反射部材に向けて反射させる第2反射部材と、前記第1反射部材と前記第2反射部材との間に介在され、かつ入射された光を多重干渉させるとともに外力によって弾性変形する導光体と、を備え、前記導光体は、屈折率温度係数が正である第1導光体と屈折率温度係数が負である第2導光体とを含んでなることを特徴とする。   In order to achieve the above object, an optical fiber pressure sensor according to the present invention is provided to face an optical fiber and one end face of the optical fiber, and reflects a part of the light emitted from the optical fiber. A first reflecting member that makes the reflected light incident on the optical fiber, a second reflecting member that reflects a part or all of the light transmitted through the first reflecting member toward the first reflecting member, and the first reflecting member. A light guide that is interposed between one reflective member and the second reflective member and that causes multiple interference of incident light and is elastically deformed by an external force, and the light guide has a refractive index temperature coefficient. It comprises a first light guide that is positive and a second light guide that has a negative refractive index temperature coefficient.

以上のように構成された本発明に係る光ファイバ圧力センサは、前記導光体が屈折率温度係数が正である第1導光体と屈折率温度係数が負である第2導光体とを含んでいるので、温度変化の影響を抑制して圧力を検出することができる。   The optical fiber pressure sensor according to the present invention configured as described above includes a first light guide having a positive refractive index temperature coefficient and a second light guide having a negative refractive index temperature coefficient. Therefore, the pressure can be detected while suppressing the influence of the temperature change.

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態の光ファイバ圧力センサについて説明する。
実施形態1.
図1は、本発明に係る実施形態1の光ファイバ圧力センサの構成を示す模式図である。この光ファイバ圧力センサは、光ファイバ11と、その光ファイバ11の一端側に、レンズ14を介して光学的に結合された感知部10とを含んでなる。感知部10は、それぞれ入射された光の一部を反射するように構成され、かつ互いに対向する2つの反射ミラー12a、12bと、2つの反射ミラー12a、12bの間に設けられた導光体13とからなる。この感知部10は、例えば、反射ミラー12aを介して入射される光を導光体13中で多重干渉させて、2つの反射ミラー12a、12bの間隔に対応する波長の光を、選択的に、反射ミラー12a又は、反射ミラー12bを介して出射する狭帯域波長フィルタである。
この反射ミラー12a、12b及び導光体13により構成される感知部10は、一般的にエタロンと呼ばれ、このような干渉計は一般的にファブリ・ペロー干渉計と呼ばれる。
Hereinafter, an optical fiber pressure sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
Embodiment 1. FIG.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an optical fiber pressure sensor according to Embodiment 1 of the present invention. The optical fiber pressure sensor includes an optical fiber 11 and a sensing unit 10 optically coupled to one end side of the optical fiber 11 via a lens 14. The sensing unit 10 is configured to reflect a part of incident light, and is provided between the two reflecting mirrors 12a and 12b facing each other and the two reflecting mirrors 12a and 12b. 13 For example, the sensing unit 10 selectively causes light having a wavelength corresponding to the interval between the two reflection mirrors 12a and 12b by causing multiple interference of light incident through the reflection mirror 12a in the light guide 13. The narrow-band wavelength filter that emits light through the reflection mirror 12a or the reflection mirror 12b.
The sensing unit 10 constituted by the reflecting mirrors 12a and 12b and the light guide 13 is generally called an etalon, and such an interferometer is generally called a Fabry-Perot interferometer.

ここで、特に、本実施形態の光ファイバ圧力センサは、導光体13を屈折率温度係数が正である第1導光体13aと屈折率温度係数が負である第2導光体13bを含んでなることを特徴とし、これにより、第1導光体13aと第2導光体13bの厚さLa,Lbを適切な値に設定することにより外力による変化分のみを感知することが可能になる。
以下、本実施形態の光ファイバ圧力センサについて、詳細に説明する。
Here, in particular, the optical fiber pressure sensor of the present embodiment includes the first light guide 13a having a positive refractive index temperature coefficient and the second light guide 13b having a negative refractive index temperature coefficient. This makes it possible to detect only changes due to external force by setting the thicknesses La and Lb of the first light guide 13a and the second light guide 13b to appropriate values. become.
Hereinafter, the optical fiber pressure sensor of the present embodiment will be described in detail.

反射ミラー12a、12bは、誘電体多層膜や金属膜などにより構成することができ、一部の光を反射し、残りの光を透過する部材である。反射ミラー12aは、例えば、光ファイバ11や導光体13に直接成膜されていてもよいし、ガラス板に誘電体多層膜や金属膜を成膜したものを光ファイバ11と導光体13の間に配置するようにしてもよい。反射ミラー12aは、例えば、反射率が0.9、透過率が0.1に設定され、一方で、反射ミラー12bは、例えば、反射率が0.99、透過率が0.01に設定される。このように、反射ミラーの反射率を反射ミラー12aに比し、反射ミラー12bを高く設定すれば、反射ミラー12bの反射光を光ファイバ11に再入射させる調心工程が容易になる。より具体的には、反射ミラー12aおよび反射ミラー12bとして、例えば、Al(アルミニウム)やAu(金)などの金属膜や比較的高屈折率な材料であるZnSなどの膜、該高屈折材料に比し、比較的屈折率が小さい低屈折率なNaA1Fなどを交互に成膜した多層誘電体膜が用いられる。このような多層誘電体膜を用いた場合、その厚みは反射率やその積層構造にも関係するが、例えば、5μm程度に設定される。また、反射ミラー12aおよび反射ミラー12bは、例えば、蒸着やイオンプレーティング、スパッタリングやスピンコートすることによって形成される。
また、反射ミラー12a、12bは、導光体13に直接成膜されて形成されてもよく、また、透明なガラス板に誘電体多層膜や金属膜を成膜したものを導光体13に被着するように形成されてもよい。
尚、反射ミラー12bは、入射される光の全てを反射するようにしてもよい。
レンズ14は、光ファイバ11から出射した光を反射ミラー12bに向かって集光させ、反射ミラー12bで反射した光を効率よく光ファイバ11に再入射させる機能を有する。このようなレンズ14が配置されないと、光ファイバ11を出射した光は、光ファイバ11の開口数に応じた角度で拡がり、反射ミラー12bで反射した光を光ファイバ11に再入射させるときに損失が大きくなる可能性が高くなる。このレンズ14は、例えば、凸レンズ、ボールレンズ、非球面レンズから適宜選択して使用することができ、その材質には、BK7、TaF3、合成石英、シリコン樹脂等が挙げられる。
The reflection mirrors 12a and 12b can be formed of a dielectric multilayer film, a metal film, or the like, and are members that reflect some light and transmit the remaining light. The reflection mirror 12a may be directly formed on the optical fiber 11 or the light guide 13, for example, or the optical fiber 11 and the light guide 13 formed by forming a dielectric multilayer film or a metal film on a glass plate. You may make it arrange | position between. For example, the reflection mirror 12a has a reflectance of 0.9 and a transmittance of 0.1, while the reflection mirror 12b has a reflectance of 0.99 and a transmittance of 0.01, for example. The Thus, if the reflectance of the reflection mirror is set higher than that of the reflection mirror 12a and the reflection mirror 12b is set high, the alignment process for re-entering the reflected light of the reflection mirror 12b into the optical fiber 11 is facilitated. More specifically, as the reflection mirror 12a and the reflection mirror 12b, for example, a metal film such as Al (aluminum) or Au (gold), a film such as ZnS which is a relatively high refractive index material, and the high refractive material are used. In contrast, a multilayer dielectric film in which Na 3 A1F 6 and the like having a relatively low refractive index and a low refractive index are alternately formed is used. When such a multilayer dielectric film is used, the thickness is related to the reflectance and the laminated structure, but is set to about 5 μm, for example. The reflection mirror 12a and the reflection mirror 12b are formed by, for example, vapor deposition, ion plating, sputtering, or spin coating.
The reflecting mirrors 12a and 12b may be formed by directly forming a film on the light guide 13. Alternatively, the light guide 13 may be formed by forming a dielectric multilayer film or a metal film on a transparent glass plate. You may form so that it may adhere.
The reflection mirror 12b may reflect all of the incident light.
The lens 14 has a function of condensing the light emitted from the optical fiber 11 toward the reflection mirror 12b and efficiently re-entering the light reflected by the reflection mirror 12b into the optical fiber 11. Without such a lens 14, the light emitted from the optical fiber 11 spreads at an angle corresponding to the numerical aperture of the optical fiber 11, and is lost when the light reflected by the reflecting mirror 12 b is reincident on the optical fiber 11. Is likely to grow. For example, the lens 14 can be appropriately selected from a convex lens, a ball lens, and an aspheric lens, and examples thereof include BK7, TaF3, synthetic quartz, and silicon resin.

以下、本実施形態の光ファイバ圧力センサの原理及び動作について説明する。
まず、実施形態の光ファイバ圧力センサにおいて、反射ミラー12aから光が入射したとすると、その光は、厚さLの導光体13の内部で多重反射され、感知部10を透過または反射する。このとき、感知部10を透過する光のピーク波長λ(反射における減衰ピーク)は、次の関係式で与えられる。
mλ=2nL・・・(1)
ここで、mは干渉次数(整数)、nはガラス板の屈折率、Lは導光体13の厚みである。また、入射角は、90度としている。
Hereinafter, the principle and operation of the optical fiber pressure sensor of this embodiment will be described.
First, in the optical fiber pressure sensor of the embodiment, if light is incident from the reflection mirror 12a, the light is multiple-reflected inside the light guide 13 having a thickness L and is transmitted or reflected by the sensing unit 10. At this time, the peak wavelength λ of light transmitted through the sensing unit 10 (attenuation peak in reflection) is given by the following relational expression.
mλ = 2nL (1)
Here, m is the interference order (integer), n is the refractive index of the glass plate, and L is the thickness of the light guide 13. The incident angle is 90 degrees.

次に、感知部10から戻って来て、光ファイバ11に再入射される光の強度を考える。
まず、図1の光ファイバ圧力センサにおいて、光ファイバ11から感知部10に入射された光は、一部が、反射ミラー12aで反射して光ファイバ11に再入射される。ここで、反射ミラー12aにおける反射率をR1とする。一方、反射ミラー12aを透過した透過光は、屈折率nの導光体13を透過し、反射ミラー12bで反射し、再び導光体13を透過して、反射ミラー12aに到達する。ここで反射ミラー12bでの反射率をR2とする。反射ミラー12aに達した光はさらに、一部が反射し、残りの一部が透過する。反射光は再び導光体13を透過し、反射ミラー12bで反射し、再び導光体13を透過し、反射ミラー12aに到達する。ここでも反射ミラー12aに到達した光は一部が反射し一部が透過する。このようにして、光の反射と透過が繰り返し無限回行われる。この間、反射ミラー12aを透過して、光ファイバ11に再入射する光も無限に存在する。これら全ての光が干渉し合い、全体としての反射光強度Irと入射光強度Iiの比Ir/Iiは、以下の(2)式で表される。
Next, the intensity of the light that returns from the sensing unit 10 and reenters the optical fiber 11 will be considered.
First, in the optical fiber pressure sensor of FIG. 1, a part of the light incident on the sensing unit 10 from the optical fiber 11 is reflected by the reflection mirror 12a and reenters the optical fiber 11. Here, the reflectance in the reflection mirror 12a is R1. On the other hand, the transmitted light that has passed through the reflection mirror 12a passes through the light guide 13 having a refractive index n, is reflected by the reflection mirror 12b, passes through the light guide 13 again, and reaches the reflection mirror 12a. Here, the reflectance at the reflection mirror 12b is R2. Further, part of the light reaching the reflection mirror 12a is reflected and the remaining part is transmitted. The reflected light passes through the light guide 13 again, is reflected by the reflection mirror 12b, passes through the light guide 13 again, and reaches the reflection mirror 12a. Again, part of the light reaching the reflecting mirror 12a is reflected and partly transmitted. In this way, light is reflected and transmitted repeatedly infinitely. During this time, there is an infinite amount of light that passes through the reflection mirror 12a and reenters the optical fiber 11. All these lights interfere with each other, and the ratio Ir / Ii of the reflected light intensity Ir and the incident light intensity Ii as a whole is expressed by the following equation (2).

Figure 2007298368
Figure 2007298368

ここで、φ=4nLπ/λであり、Lは導光体13の厚みである。
この(2)式のように、Ir/Iiは波長λ、導光体13の屈折率nや厚みLの関数で表される。尚、(2)式は、反射ミラー12aの反射率R1および反射ミラー12bの反射率R2が、1より小さいとして(R1<1、R2<1)導いた式である。
Here, φ = 4 nLπ / λ, and L is the thickness of the light guide 13.
As shown in the equation (2), Ir / Ii is expressed as a function of the wavelength λ, the refractive index n of the light guide 13 and the thickness L. The expression (2) is an expression derived by assuming that the reflectance R1 of the reflecting mirror 12a and the reflectance R2 of the reflecting mirror 12b are smaller than 1 (R1 <1, R2 <1).

例えば、導光体13の厚みLを20μmとし、波長1580nm近傍(1550nm〜1610nm)のIr/Iiを式(2)を用いて計算すると、図2に示すようになる。この図2において、実線は、反射ミラー12a,12bの反射率をそれぞれ0.9としたとき(R1=R2=0.9)、破線は、反射ミラー12a,12bの反射率をそれぞれ0.5としたとき(R1=R2=0.5)、一点鎖線は、反射ミラー12a,12bの反射率をそれぞれ0.2としたとき(R1=R2=0.2)としたときの計算値である。   For example, when the thickness L of the light guide 13 is 20 μm and Ir / Ii in the vicinity of a wavelength of 1580 nm (1550 nm to 1610 nm) is calculated using the formula (2), it is as shown in FIG. In FIG. 2, the solid line represents the reflectance of the reflecting mirrors 12a and 12b as 0.9 (R1 = R2 = 0.9), and the broken line represents the reflectance of the reflecting mirrors 12a and 12b as 0.5. (R1 = R2 = 0.5), the alternate long and short dash lines are calculated values when the reflectance of the reflecting mirrors 12a and 12b is 0.2 (R1 = R2 = 0.2). .

図2に示すように、反射光強度Irと入射光強度Iiの比Ir/Iiは、複数の減衰ピークを有しており、その減衰ピーク波長は、φ=π/2+mλ(mは、1以上の整数)のときの値となる。一方、φ=4nLπ/λであるから、減衰ピークの波長も、導光体13の屈折率nと厚みLの関数で表される。   As shown in FIG. 2, the ratio Ir / Ii of the reflected light intensity Ir and the incident light intensity Ii has a plurality of attenuation peaks, and the attenuation peak wavelength is φ = π / 2 + mλ (m is 1 or more). Value). On the other hand, since φ = 4 nLπ / λ, the wavelength of the attenuation peak is also expressed as a function of the refractive index n and the thickness L of the light guide 13.

従って、感知部10に圧力が印加されたとき、光弾性効果により導光体13の屈折率nと厚みLが変化して、減衰ピーク波長が変化するので、ピーク波長の変化を検出することにより、その変化量に基づいて印加された圧力の大きさが検出することが可能となる。   Therefore, when pressure is applied to the sensing unit 10, the refractive index n and the thickness L of the light guide 13 change due to the photoelastic effect, and the attenuation peak wavelength changes. Therefore, by detecting the change in the peak wavelength, The magnitude of the applied pressure can be detected based on the amount of change.

しかしながら、導光体13の屈折率n及び長さLは、温度によっても変化し、圧力(応力)による変化分のみを感知したい場合、温度による影響を除く必要がある。そこで、本発明では、温度による影響を相殺するために、互いに屈折率温度係数が逆の特性をもつ導光体13を第1導光体13aと第2導光体13bを用いて構成している。   However, the refractive index n and length L of the light guide 13 also change depending on the temperature, and when it is desired to sense only the change due to pressure (stress), it is necessary to exclude the influence of temperature. Therefore, in the present invention, in order to cancel the influence of temperature, the light guide 13 having the characteristics with opposite refractive index temperature coefficients is configured using the first light guide 13a and the second light guide 13b. Yes.

次に、導光体13を第1導光体13aと第2導光体13bを用いて構成した本実施の形態の光ファイバ圧力センサにおける感知部10の動作について説明する。   Next, the operation of the sensing unit 10 in the optical fiber pressure sensor of the present embodiment in which the light guide 13 is configured using the first light guide 13a and the second light guide 13b will be described.

まず、本実施の形態の光ファイバ圧力センサについても、第1導光体13aと第2導光体13bの境界における反射がないとすれば、全体としての反射光強度Irと入射光強度Iiの比Ir/Iiは、上述の式(2)で表される。このとき、導光体13全体の光路長S(=nL)は、第1導光体13aの光路長S(=n)と第2導光体13bの光路長S(=n)の和で表すことができる。すなわち、S=n+nである。
ここで、nは、第1導光体13aの屈折率、nは、第2導光体13bの屈折率、Lは、第1導光体13aの厚み、Lは、第2導光体13bの厚みである。
First, also in the optical fiber pressure sensor of the present embodiment, if there is no reflection at the boundary between the first light guide 13a and the second light guide 13b, the reflected light intensity Ir and the incident light intensity Ii as a whole are reduced. The ratio Ir / Ii is expressed by the above formula (2). At this time, the optical path length S (= nL) of the entire light guide 13 is equal to the optical path length S a (= n a L a ) of the first light guide 13a and the optical path length S b (=) of the second light guide 13b. n b L b ). That is, S = n a L a + n b L b .
Here, n a is the refractive index of the first light guide body 13a, n b is the refractive index of the second light guide body 13b, L a is the thickness of the first light guide body 13a, L b is the second It is the thickness of the light guide 13b.

したがって、上記式(2)中、φは、φ=4π(n+n)/λとなり、感知部10に圧力(外力)が印加されたとき、第1導光体13aの屈折率naと厚みLa及び第2導光体13bの屈折率nbと厚みLbが変化して、減衰ピーク波長が変化するので、ピーク波長の変化を検出することにより、その変化量に基づいて印加された圧力の大きさを検出することが可能となる。 Therefore, in the above formula (2), φ becomes φ = 4π (n a L a + n b L b ) / λ, and when pressure (external force) is applied to the sensing unit 10, the first light guide 13a Since the refractive index na and the thickness La and the refractive index nb and the thickness Lb of the second light guide 13b are changed and the attenuation peak wavelength is changed, by detecting the change of the peak wavelength, the application is performed based on the change amount. The magnitude of the applied pressure can be detected.

次に、温度変化によるピーク波長の変化を考える。
まず、単一の導光体における光路長Sは、上述したように、S=nLで定義される。
従って、温度がΔT℃変化したときの光路長は、
S+(dS/dT)LΔT
=(n+(dn/dT)ΔT)(L+αLΔT)−1・αLΔT
=nL+(dn/dT)ΔTL+nαLΔT+(dn/dT)ΔTαLΔT)−1・αLΔT
となる。
この式中、dn/dTは屈折率温度係数であり、以下の説明では、δnとする。さらに、αは線膨張係数である。また、この式中の第4項「(dn/dT)ΔTαLΔT」は、屈折率温度係数と線膨張係数の積を含んだ式となり、その値は非常に小さいため、無視することができる。また、第5項「1・αLΔT」は媒質が膨張した際に減じた外部空間の光路長を表す補正項である。
Next, change in peak wavelength due to temperature change will be considered.
First, the optical path length S in a single light guide is defined as S = nL as described above.
Therefore, the optical path length when the temperature changes by ΔT ° C is
S + (dS / dT) LΔT
= (N + (dn / dT) ΔT) (L + αLΔT) −1 · αLΔT
= NL + (dn / dT) ΔTL + nαLΔT + (dn / dT) ΔTαLΔT) −1 · αLΔT
It becomes.
In this equation, dn / dT is a refractive index temperature coefficient, and is δn in the following description. Further, α is a linear expansion coefficient. Further, the fourth term “(dn / dT) ΔTαLΔT” in this equation is an equation including the product of the refractive index temperature coefficient and the linear expansion coefficient, and its value is very small and can be ignored. The fifth term “1 · αLΔT” is a correction term representing the optical path length of the external space reduced when the medium expands.

これをdS/dTについて解くと、
(dS/dT)LΔT=(δn)ΔTL+nαLΔT−1・αLΔT
となる。
従って、
dS/dT=(n−1)α+δn
となる。
Solving this for dS / dT,
(DS / dT) LΔT = (δn) ΔTL + nαLΔT−1 · αLΔT
It becomes.
Therefore,
dS / dT = (n−1) α + δn
It becomes.

導光体13を、第1導光体13aと第2導光体13bとを接合して構成したとき、導光体13全体の光路長Sが第1導光体13aの光路長Sと第2導光体13bの光路長Sの和になるので、導光体13の光路長Sの温度による変化は、第1導光体13aの光路長S温度による変化と第2導光体13bの光路長Sの温度による変化の和になる。 The light guide 13, when configured by joining a first light guide body 13a and the second light guide 13b, the light guide 13 the total optical path length S is the optical path length S a of the first light guide body 13a since the sum of the optical path length S b of the second light guide body 13b, the change with temperature of the optical path length S of the light guide 13, the change due to the optical path length S a temperature of the first light guide body 13a and the second light guide the sum of the variation with temperature of the optical path length S b of the body 13b.

従って、導光体13を、第1導光体13aと第2導光体13bとを接合して構成したときの温度変化による光路長Sの変化は、
{(n−1)αa+(δn)}+L{(n−1)α+(δn)}
となる。
ここで、δnは、第1導光体13aの屈折率温度係数、δnは、第2導光体13bの屈折率温度係数、Lは、第1導光体13aの厚み、Lは、第2導光体13bの厚み、αは、第1導光体13aの線膨張係数、αは、第2導光体13bの線膨張係数である。
Therefore, when the light guide 13 is configured by joining the first light guide 13a and the second light guide 13b, the change in the optical path length S due to the temperature change is as follows:
L a {(n a −1) α a + (δn a )} + L b {(n b −1) α b + (δn b )}
It becomes.
Here, .DELTA.n a has a refractive index temperature coefficient of the first light guide body 13a, .DELTA.n b has a refractive index temperature coefficient of the second light guide body 13b, L a is the thickness of the first light guide body 13a, L b Is the thickness of the second light guide 13b, α a is the linear expansion coefficient of the first light guide 13a, and α b is the linear expansion coefficient of the second light guide 13b.

すなわち、本実施の形態では、次の(3)式を満足するように、第1導光体13aと第2導光体13bを構成する材料の選択及び第1導光体13aと第2導光体13bの厚さL,Lを設定することにより外力による変化分のみを感知することが可能である。
{(n−1)αa+(δn)}+L{(n−1)α+(δn)}=0・・(3)
In other words, in the present embodiment, selection of materials constituting the first light guide 13a and the second light guide 13b and the first light guide 13a and the second guide are satisfied so as to satisfy the following expression (3). By setting the thicknesses L a and L b of the light body 13b, it is possible to sense only the change due to the external force.
L a {(n a −1) α a + (δn a )} + L b {(n b −1) α b + (δn b )} = 0 = 0 (3)

(3)式によくあらわれているように、線膨張係数の影響度合いは、屈折率温度係数よりも小さい。
そこで、(3)式を満足させるための具体的なステップとしては、例えば、最初に、第1導光体13a及び第2導光体13bを構成する導光体材料として、屈折率温度係数が正の材料と負の材料を選択し、(3)式を満足するように、第1導光体13aと第2導光体13bの厚さL,Lを設定することが好ましい。
すなわち、選択した導光体材料の屈折率温度係数δn、δnと線膨張係数α、αに基づいて上記式中のLの係数({(n−1)αa+(δn)})とLの係数({(n−1)α+(δn)}を求め、(3)式を満足するように、第1導光体13aと第2導光体13bの厚さL,Lを設定する。
As clearly shown in the equation (3), the degree of influence of the linear expansion coefficient is smaller than the refractive index temperature coefficient.
Therefore, as specific steps for satisfying the expression (3), for example, as a light guide material constituting the first light guide 13a and the second light guide 13b, a refractive index temperature coefficient is first set. select positive material and a negative material, (3) so as to satisfy the equation, the thickness L a of the first light guide body 13a and the second light guide body 13b, it is preferable to set the L b.
That is, the refractive index temperature coefficient .DELTA.n a selected light guide material, the coefficient of L a in the above formula based .DELTA.n b and the linear expansion coefficient alpha a, the α b ({(n a -1 ) α a + ( δn a )}) and the coefficient of L b ({(n b −1) α b + (δn b )}), and the first light guide 13a and the second light guide so as to satisfy the expression (3). The thicknesses L a and L b of the body 13b are set.

負の屈折率温度係数を有する導光体用材料としては、例えば、フッ化クラウン系やリン酸クラウン系のガラス、三酸化ホウ素を添加したガラス、またはベンゾシクロブテン(BCB)等の有機ポリマー高分子材料を用いることができる。なお、第2導光体を構成する負の屈折率温度係数を有する導光体用材料としては、フッ素を含有するガラスを用いることが好ましい。このようなフッ素を含有したガラスは、他の材料に比べて負の屈折率温度係数を大きくすることができるために、第1導光体の材料における負の線膨張係数を小さくすることができる。その結果、このような構成によれば、線膨張係数の不整合による反射膜のクラックや剥がれを防止することができる。 また、これと組み合わせて用いる正の屈折率温度係数を有した導光体材料としては、結晶化ガラス、酸化ニオブを含有する透光性セラミックスなどがある。酸化ニオブ(Nb25)は負の線膨張係数を有しており、本材料を30nm以下の微粒子にして添加すると、添加率により高い透明性を維持したまま母材の線膨張係数や屈折率温度係数も調整することが可能である。セラミックは焼成により結晶粒子の集合体である多結晶体となるが、光学的に不均一なミクロ組織を持つため、一般には異相界面や粒界での光散乱によりその透明性が低下している。これに対し、透光性セラミックスは、粒界の交わる部分の空孔を減らすため、製造工程において緻密・均質に加工されたものであり、例えば、Al、Y−ThO、MgAlなどの酸化物系のほか、窒化物、炭化物及び硫化物系セラミックスを用いることで構成される。 Examples of the light guide material having a negative refractive index temperature coefficient include, for example, a crown fluoride glass or a phosphate phosphate glass, a glass added with boron trioxide, or an organic polymer such as benzocyclobutene (BCB). Molecular materials can be used. In addition, as a light guide material having a negative refractive index temperature coefficient constituting the second light guide, it is preferable to use glass containing fluorine. Since such a glass containing fluorine can increase the negative refractive index temperature coefficient as compared with other materials, the negative linear expansion coefficient in the material of the first light guide can be reduced. . As a result, according to such a configuration, it is possible to prevent the reflective film from being cracked or peeled off due to mismatch of the linear expansion coefficients. Examples of the light guide material having a positive refractive index temperature coefficient used in combination with this include crystallized glass and translucent ceramics containing niobium oxide. Niobium oxide (Nb 2 O 5 ) has a negative linear expansion coefficient. When this material is added as fine particles of 30 nm or less, the linear expansion coefficient and refraction of the base material are maintained while maintaining high transparency depending on the addition rate. The rate temperature coefficient can also be adjusted. Ceramic becomes a polycrystal which is an aggregate of crystal grains by firing, but it has an optically inhomogeneous microstructure, so its transparency is generally lowered by light scattering at heterogeneous interfaces and grain boundaries. . On the other hand, the translucent ceramic is processed densely and homogeneously in the manufacturing process in order to reduce the voids at the intersection of the grain boundaries. For example, Al 2 O 3 , Y 2 O 3 —ThO 2. In addition to oxides such as MgAl 2 O 4 , nitrides, carbides and sulfides are used.

尚、最初に、第1導光体13a及び第2導光体13bを構成する導光体材料として、線膨張係数が負である材料と線膨張係数が正である材料とを選択し、選択した材料の屈折率温度係数δn、δnと線膨張係数α、αに基づいて上記式中のLの係数({(n−1)αa+(δn)})とLの係数({(n−1)α+(δn)}を求め、(3)式を満足するように、第1導光体13aと第2導光体13bの厚さL,Lを設定するようにしてもよい。
尚、線膨張係数が負(屈折率温度係数は正)である材料としては、TiO−SiO(TiOをドープした石英ガラス)や、LiO−Al−SiO、Al−TiO等の、ガラスを熱処理して結晶化させた結晶化ガラス(ガラスセラミックス)など様々なものがあり、それらは一般的に、その材料組成比や生成法を変えることによって、線膨張係数を連続的に変えることが可能である。
例えば、LiO−Al−2SiOの線膨張係数は、−8.6×10−6(1/℃)であり、Al−TiOの線膨張係数は、−1.9×10−6(1/℃)であり、いずれも負の線膨張係数を示す。
First, as a light guide material constituting the first light guide 13a and the second light guide 13b, a material having a negative linear expansion coefficient and a material having a positive linear expansion coefficient are selected and selected. refractive index temperature coefficient .DELTA.n a of material, .DELTA.n b and the linear expansion coefficient alpha a, the coefficient of L a in the above formula on the basis of α b ({(n a -1 ) α a + (δn a)}) The coefficient L of L b ({(n b −1) α b + (δn b )}) is obtained, and the thickness L of the first light guide 13a and the second light guide 13b is satisfied so as to satisfy the expression (3). a and L b may be set.
In addition, as a material whose linear expansion coefficient is negative (refractive index temperature coefficient is positive), TiO 2 —SiO 2 (quartz glass doped with TiO 2 ), Li 2 O—Al 2 O 3 —SiO 2 , Al There are various things such as crystallized glass (glass ceramics), such as 2 O 3 —TiO 2 , which is obtained by crystallizing glass by heat treatment. Generally, by changing the material composition ratio and the production method, It is possible to continuously change the linear expansion coefficient.
For example, the linear expansion coefficient of Li 2 O—Al 2 O 3 -2SiO 2 is −8.6 × 10 −6 (1 / ° C.), and the linear expansion coefficient of Al 2 O 3 —TiO 2 is −1. .9 × 10 −6 (1 / ° C.), both exhibit a negative coefficient of linear expansion.

以上説明したことからわかるように、本実施の形態の光ファイバ圧力センサでは、第1導光体13a及び第2導光体13bを構成するために選択した導光体材料の特性に基づいて、(3)式を満足するように、第1導光体13aと第2導光体13bの厚さL,Lを設定することにより、温度変化の影響を受けることなく圧力を検出することが可能になる。 As can be seen from the above description, in the optical fiber pressure sensor of the present embodiment, based on the characteristics of the light guide material selected to configure the first light guide 13a and the second light guide 13b, By detecting the thicknesses L a and L b of the first light guide 13a and the second light guide 13b so as to satisfy the expression (3), the pressure is detected without being affected by the temperature change. Is possible.

<第1導光体13aと第2導光体13bの接合部における反射軽減>
上述したように、本発明の光ファイバ圧力センサにおいては、第1導光体13aと第2導光体13bの接合部における反射は小さいことが望ましい。
そこで、以下に第1導光体13aと第2導光体13bの接合部における反射を軽減する具体的な手段について説明する。
<Reflection mitigation at the joint between the first light guide 13a and the second light guide 13b>
As described above, in the optical fiber pressure sensor of the present invention, it is desirable that the reflection at the joint between the first light guide 13a and the second light guide 13b is small.
Therefore, specific means for reducing reflection at the joint between the first light guide 13a and the second light guide 13b will be described below.

本発明において、第1導光体13aと第2導光体13bの接合面は、各表面の原子同士が常温下で直接接合され、接着剤等の異種材料が存在しないことが望ましい。このような接合を実現する方法として、例えば、表面を研磨により平滑化した上で、スパッタにより清浄化して、表面を活性化して接合する方法がある。   In the present invention, it is desirable that the bonding surfaces of the first light guide body 13a and the second light guide body 13b are such that atoms on each surface are directly bonded at room temperature and there is no dissimilar material such as an adhesive. As a method for realizing such bonding, for example, there is a method in which the surfaces are smoothed by polishing and then cleaned by sputtering, and the surfaces are activated and bonded.

このときの研磨工程としては、例えば、化学的な腐食作用のある液体に、セラミックスやダイヤモンドの研磨砥粒を混ぜて研磨するCMP(Chemical Mechanical Polishing)と呼ばれる方法等を用い、平坦度10μm以下、面粗さ10nm以下の超平滑面にすることが望ましく、より良好な接合を実現するために、表面の加工変質層を除去するよう研磨加工する。このCMP研磨は、数nm単位で研磨が可能で研磨層の下部にほとんどダメージを与えない。   As a polishing process at this time, for example, a method called CMP (Chemical Mechanical Polishing) in which a polishing abrasive of ceramics or diamond is mixed in a liquid having a chemical corrosive action is used, and the flatness is 10 μm or less. It is desirable to make it an ultra-smooth surface with a surface roughness of 10 nm or less, and in order to realize better bonding, polishing is performed so as to remove the work-affected layer on the surface. This CMP polishing can be performed in units of several nm and hardly damages the lower part of the polishing layer.

なお、CMP研磨は、研磨工程と洗浄工程からなる。研磨工程は、第1及び第2導光体を超純水中でポリッシングパッドを用いて研磨した後、平均粒径30nmのSiO粒子をNaOH溶液に懸濁させたコロイダルシリカ中でさらに研磨する。洗浄工程は、(イ)アルコールによる超音波バス洗浄、(ロ)超純水による超音波バス洗浄、(ハ)スピンドライヤーにて乾燥する工程を含む。なお各工程間は超純水でリンスされる。 The CMP polishing includes a polishing process and a cleaning process. In the polishing step, the first and second light guides are polished in an ultrapure water using a polishing pad, and then further polished in colloidal silica in which SiO 2 particles having an average particle size of 30 nm are suspended in an NaOH solution. . The cleaning step includes (a) ultrasonic bath cleaning with alcohol, (b) ultrasonic bath cleaning with ultrapure water, and (c) drying with a spin dryer. Each process is rinsed with ultrapure water.

研磨工程の後、第1導光体13aと第2導光体13bを真空槽内に対向しておき、イオンビームまたは中性の原子を各接合面に照射することにより清浄化および表面活性化を行う。これは大気中で接合表面に付着した気体分子の層や汚染物や酸化膜を除去して、きれいな面を出すためである。また、表面活性化は通常、アルゴン高速原子ビームなどの不活性ガス(Fast Atom Beam)を照射し、スパッタすることにより、物質表面をエッチングする。これにより、不活性な表面層を除去することができ、この処理により接合面は他の原子と強い結合力をもつ活性な状態になる。   After the polishing process, the first light guide body 13a and the second light guide body 13b are opposed to each other in the vacuum chamber, and the ion beam or neutral atoms are irradiated to the respective joint surfaces for cleaning and surface activation. I do. This is because a layer of gas molecules, contaminants and oxide film adhering to the bonding surface in the atmosphere are removed to provide a clean surface. The surface activation is usually performed by irradiating an inert gas (Fast Atom Beam) such as an argon fast atom beam and performing sputtering to etch the material surface. As a result, the inactive surface layer can be removed, and this treatment brings the bonding surface into an active state having a strong bonding force with other atoms.

この工程において、真空槽内の真空度は、接合面の洗浄度に影響を与えるため、できるだけ高い方が望ましく、例えば、10―2Pa以上、好ましくは、10−4Pa程度までの真空度にする。また、イオンビームまたは中性原子の照射強度、照射時間は表層の約10nm程度が除去されるように適宜設定する。 In this step, the degree of vacuum in the vacuum chamber affects the degree of cleaning of the joint surface, so it is desirable that it be as high as possible. For example, the degree of vacuum is about 10 −2 Pa or higher, preferably about 10 −4 Pa. To do. Further, the irradiation intensity and irradiation time of the ion beam or neutral atom are appropriately set so that about 10 nm of the surface layer is removed.

そして、上記工程を経た後、真空中、室温下において第1導光体13aの活性化された表面と第2導光体13bの活性化された表面とを密着させるとファンデルワールス力により自然に吸着する。すなわち、清浄化された第1導光体13aの表面と第2導光体13bの表面は、非結合状態になっている軌道、つまりダングリングボンドが多く存在するので、密着させることにより自然に吸着する。しかしながら、これらのダングリングボンドは極めて活性であることから、密着前に真空雰囲気中にさらされる時間が長いと、たとえ真空槽を高真空に維持していても、真空槽内に残留している窒素や炭素、炭化水素等の不純物が表面に化学吸着して表面を不活性化してしまう。そこで、光学素子の清浄工程の後、それぞれを密着させるまでは極めて短時間で終了させる必要がある。   After the above steps, when the activated surface of the first light guide 13a and the activated surface of the second light guide 13b are brought into close contact with each other in vacuum at room temperature, the van der Waals force may Adsorb to. That is, since the cleaned surface of the first light guide 13a and the surface of the second light guide 13b have a lot of orbits in a non-bonded state, that is, dangling bonds, they are naturally brought into close contact with each other. Adsorb. However, since these dangling bonds are very active, if they are exposed to a vacuum atmosphere for a long time before adhesion, they remain in the vacuum chamber even if the vacuum chamber is maintained at a high vacuum. Impurities such as nitrogen, carbon and hydrocarbons chemisorb on the surface and inactivate the surface. Therefore, after the optical element cleaning step, it is necessary to complete the process in a very short time until they are brought into close contact with each other.

この接合の際、第1導光体13aと第2導光体13b間の接合を強固にするために、面を密着させる時に加圧することが望ましい。ここで、加圧力は、接合面の面粗さに大きく関係し、例えば接合面の面粗さRaが10nm程度の場合は、1kgf程小さな加圧でも表面間の良好な密着は達成される。   In this joining, it is desirable to apply pressure when the surfaces are brought into close contact with each other in order to strengthen the joining between the first light guide 13a and the second light guide 13b. Here, the pressure is greatly related to the surface roughness of the joint surface. For example, when the surface roughness Ra of the joint surface is about 10 nm, good adhesion between the surfaces can be achieved even with a pressurization as small as 1 kgf.

第1導光体13aと第2導光体13bは、例えば、無機材料の多層膜からなる反射防止膜を介して接合するようにしてもよい。このように境界部分に反射防止膜を施すことにより接合面の反射を効果的に防止することができる。
具体的には、第1導光体13a及び/または第2導光体13bの接合面に、例えばSiOとTiOあるいはSiOとTaからなる膜を交互に例えば3〜5層形成し、接合する多層膜の表面を、上述したような方法で活性化させた後接合させる。
For example, the first light guide 13a and the second light guide 13b may be joined via an antireflection film made of a multilayer film of an inorganic material. Thus, the reflection of the joint surface can be effectively prevented by applying the antireflection film to the boundary portion.
Specifically, for example, 3 to 5 layers of SiO 2 and TiO 2 or SiO 2 and Ta 2 O 5 are alternately formed on the bonding surface of the first light guide 13a and / or the second light guide 13b. The surfaces of the multilayer films to be formed and bonded are activated by the method described above and then bonded.

この場合、第1導光体13a又は第2導光体13bの一方の接合面に反射防止膜を成膜し、その表面にさらに、他方の導光体と同様の屈折率を持つ材料をあらかじめ数百nmから数μm成膜しておいて、清浄化工程で表層の数十nmを除去して接合すると、反射防止膜の膜厚を極力変化させることなく接合できるため、反射防止膜は正常に動作する。   In this case, an antireflection film is formed on one joint surface of the first light guide 13a or the second light guide 13b, and a material having a refractive index similar to that of the other light guide is further formed on the surface. If several hundreds of nanometers to several micrometers of film are formed and then removed by bonding several tens of nanometers of the surface layer in the cleaning process, the antireflection film can be bonded without changing the film thickness as much as possible. To work.

また、表面の原子同士を直接接合させる方法に代えて、接着剤と反射防止膜を利用して第1導光体13a又は第2導光体13bを接合するようにしてもよい。
具体的には、第1導光体13aと第2導光体13bのそれぞれの接合面に、接着剤との界面における反射を抑える反射防止コートを施した上で、接着剤を用いて第1導光体13aと第2導光体13bを接合する。このようにすると、接着剤を用いて接合することが可能になる。
Further, instead of directly bonding the atoms on the surface, the first light guide 13a or the second light guide 13b may be bonded using an adhesive and an antireflection film.
Specifically, an antireflection coating that suppresses reflection at the interface with the adhesive is applied to each joint surface of the first light guide 13a and the second light guide 13b, and then the first using the adhesive. The light guide 13a and the second light guide 13b are joined. If it does in this way, it will become possible to join using an adhesive.

ここで、接着剤としては、エポキシ系もしくはアクリル系の紫外線硬化型透光性接着剤が適している。   Here, as the adhesive, an epoxy-based or acrylic-based ultraviolet curable translucent adhesive is suitable.

実施の形態2.
本発明に係る実施の形態2の光ファイバ圧力センサは、実施の形態1で説明した基本的な形態をより具体化した光ファイバ圧力センサである。
すなわち、実施の形態2の光ファイバ圧力センサ20は、ファイバ保持具(フェルール)17とホルダ16とを備え、フェルール17の先端に感知部10が接合され、フェルール17の貫通孔に光ファイバ11が挿入されることにより構成されている。
Embodiment 2. FIG.
The optical fiber pressure sensor according to the second embodiment of the present invention is an optical fiber pressure sensor that embodies the basic form described in the first embodiment.
That is, the optical fiber pressure sensor 20 of the second embodiment includes a fiber holder (ferrule) 17 and a holder 16, the sensing unit 10 is joined to the tip of the ferrule 17, and the optical fiber 11 is inserted into the through hole of the ferrule 17. It is configured by being inserted.

実施の形態2の光ファイバ圧力センサにおいて、フェルール17の貫通孔には、レンズ機能を有する屈折率分布型ファイバ(以下、グレーデッドインデックスファイバとする)15とコアレスファイバ18が設けられている。これにより、光ファイバ11から出射される光がグレーデッドインデックスファイバ15とコアレスファイバ18を介して感知部10に入射され、感知部10で反射された光がコアレスファイバ18とグレーデッドインデックスファイバ15とを介して光ファイバ11に入射されるようになっている。
グレーデッドインデックスファイバ15は、中心軸から外周に向かって徐々に小さくなるような軸対称の屈折率分布を有する光ファイバであり、一般にはマルチモード伝送用に用いられている。グレーデッドインデックスファイバの屈折率分布は、光ファイバの中心軸から距離のほぼ2乗に比例して屈折率が小さくなるような分布であり、GRINレンズと同様にレンズ機能を持っている。従って、適当な長さのグレーデッドインデックスファイバを用いれば、集光レンズとして機能させることができ、結合効率の良い光学系を構成することができる。
コアレスファイバ18は、略均一な屈折率分布を有するファイバであり、その材質はたとえば石英ガラスからなり、その屈折率は1.45程度、透過損失は0.35×10−6dB/mm以下であり、透過損失が比較的低いものが好ましい。このコアレスファイバ18は、外径が光ファイバ11(たとえば、シングルモードファイバ)およびグレーデッドインデックスファイバ15と等しく約125μmであり、グレーデッドインデックスファイバ15と、たとえば熱による融着によって接合される。
このようにすると、グレーデッドインデックスファイバ15のレンズ機能により、反射ミラー12bの第1反射光を効率よく光ファイバ11に再入射することができる。
In the optical fiber pressure sensor of the second embodiment, a refractive index distribution type fiber (hereinafter referred to as graded index fiber) 15 having a lens function and a coreless fiber 18 are provided in the through hole of the ferrule 17. Thereby, the light emitted from the optical fiber 11 enters the sensing unit 10 via the graded index fiber 15 and the coreless fiber 18, and the light reflected by the sensing unit 10 is reflected between the coreless fiber 18 and the graded index fiber 15. It is made to enter the optical fiber 11 via
The graded index fiber 15 is an optical fiber having an axially symmetric refractive index distribution that gradually decreases from the central axis toward the outer periphery, and is generally used for multimode transmission. The refractive index distribution of the graded index fiber is such that the refractive index decreases in proportion to the square of the distance from the center axis of the optical fiber, and has a lens function like the GRIN lens. Therefore, if a graded index fiber having an appropriate length is used, it can function as a condensing lens, and an optical system with good coupling efficiency can be configured.
The coreless fiber 18 is a fiber having a substantially uniform refractive index distribution, and the material thereof is made of, for example, quartz glass. The refractive index is about 1.45, and the transmission loss is 0.35 × 10 −6 dB / mm or less. It is preferable that the transmission loss is relatively low. The coreless fiber 18 has an outer diameter equal to that of the optical fiber 11 (for example, a single mode fiber) and the graded index fiber 15 and about 125 μm, and is joined to the graded index fiber 15 by, for example, thermal fusion.
If it does in this way, the 1st reflected light of the reflective mirror 12b can re-enter the optical fiber 11 efficiently by the lens function of the graded index fiber 15.

すなわち、光ファイバ11から出射された光は拡がって、反射ミラー12aを透過して導光体13を通過するので、反射ミラー12bで反射した光は光ファイバ11に再結合する時、ロスが発生する。そこで、実施の形態2では、グレーデッドインデックスファイバ15を用いて、光ファイバ11から出射された光の広がりを抑えて集光するように反射ミラー12aを介して、導光体13に入射することで、反射ミラー12bで反射された光を効率よく光ファイバ11に再入射することができるようになっている。これにより、光ファイバ11と感知部10の間の光結合効率を高くできる。   That is, the light emitted from the optical fiber 11 spreads, passes through the reflection mirror 12a, and passes through the light guide 13. Therefore, when the light reflected by the reflection mirror 12b recombines with the optical fiber 11, a loss occurs. To do. Therefore, in the second embodiment, the graded index fiber 15 is used to enter the light guide 13 via the reflection mirror 12a so as to collect light while suppressing the spread of the light emitted from the optical fiber 11. Thus, the light reflected by the reflection mirror 12b can be re-incident on the optical fiber 11. Thereby, the optical coupling efficiency between the optical fiber 11 and the sensing unit 10 can be increased.

このように、グレーデッドインデックスファイバ15を用いて、光ファイバ11に再入射する効率を高くすると、実質的には、実施形態1で図2を参照しながら説明した反射率を高めたことになり、波長選択性の高い測定が可能となる。従って、グレーデッドインデックスファイバ15を用いることにより、より高精度な測定が可能となる。   As described above, when the efficiency of re-incident on the optical fiber 11 is increased by using the graded index fiber 15, the reflectance described with reference to FIG. 2 in the first embodiment is substantially increased. Measurement with high wavelength selectivity is possible. Therefore, using the graded index fiber 15 enables more accurate measurement.

以上の実施の形態1及び2の光ファイバ圧力センサでは、導光体13を第1導光体13aと第2導光体13bとによって構成したが、本発明はこれに限られるものではなく、屈折率温度係数が正である第1導光体と屈折率温度係数が負である第2導光体を交互に繰り返し積層して導光体13を構成するようにしてもよい。このような構成によれば、たとえば蒸着装置やスパッタ装置を用いた薄膜形成工程で薄膜の厚みを精密に制御して積層することが可能となる。その結果、この構成によれば、導光体13の厚みをナノメータのオーダで正確に設定可能となる。さらに、第1導光体と第2導光体を交互に積層されてなることにより、第1導光体13aおよび第2導光体13bに対して外力が均一に作用するため、測定安定性や信頼性が向上する。   In the optical fiber pressure sensors of Embodiments 1 and 2 described above, the light guide 13 is configured by the first light guide 13a and the second light guide 13b, but the present invention is not limited to this, The light guide body 13 may be configured by alternately and repeatedly laminating a first light guide body having a positive refractive index temperature coefficient and a second light guide body having a negative refractive index temperature coefficient. According to such a configuration, it is possible to stack the thin film with a precisely controlled thickness in a thin film forming process using, for example, a vapor deposition apparatus or a sputtering apparatus. As a result, according to this configuration, the thickness of the light guide 13 can be accurately set on the order of nanometers. Furthermore, since the first light guide and the second light guide are alternately laminated, the external force acts uniformly on the first light guide 13a and the second light guide 13b. And reliability is improved.

本発明の実施例として図3に示した圧力センサを試作し、評価する。
光ファイバ11はモードフィールド径10.5μmのシングルモードファイバ、ファイバ保持具17はジルコニアフェルールを用いる。導光体13は、結晶化ガラスからなる第1導光体13aとフッ化クラウン系のガラスからなる第2導光体13bの各接合面に反射防止膜を成膜したのち、常温接合により密着させた。部分反射ミラー12aは反射率90%、透過率10%の誘電体多層膜とし、部分反射ミラー12bは反射率99.9%の誘電体多層膜とする。
第1導光体13aと第2導光体13bの接合界面にはそれぞれ230nmの厚みで反射防止膜を成膜し、約220nmの厚みになるまで表層が除去された後、常温接合で接着する。
As an example of the present invention, the pressure sensor shown in FIG. 3 is manufactured and evaluated.
The optical fiber 11 uses a single mode fiber having a mode field diameter of 10.5 μm, and the fiber holder 17 uses a zirconia ferrule. The light guide 13 is formed by depositing an antireflection film on each bonding surface of the first light guide 13a made of crystallized glass and the second light guide 13b made of crown fluoride glass, and then adhered by room temperature bonding. I let you. The partial reflection mirror 12a is a dielectric multilayer film having a reflectance of 90% and a transmittance of 10%, and the partial reflection mirror 12b is a dielectric multilayer film having a reflectance of 99.9%.
An antireflection film is formed at a thickness of 230 nm on the bonding interface between the first light guide body 13a and the second light guide body 13b, and the surface layer is removed until the thickness reaches about 220 nm, followed by bonding at room temperature bonding. .

尚、第1導光体の材料である結晶化ガラスは、線膨張係数が−1.1×10−6(1/℃)、屈折率温度係数が13×10−6(1/℃)、屈折率1.516である。
従って、第1導光体のdS/dTは12.4×10−6(1/℃)である。
また、第1導光体の材料であるフッ化クラウン系のガラスは、線膨張係数が16.5×10−6(1/℃)、屈折率温度係数が−7.4×10−6(1/℃)、屈折率1.446である。従って、第2導光体のdS/dTは−0.041×10−6(1/℃)である。
The crystallized glass that is the material of the first light guide has a linear expansion coefficient of −1.1 × 10 −6 (1 / ° C.), a refractive index temperature coefficient of 13 × 10 −6 (1 / ° C.), The refractive index is 1.516.
Accordingly, the dS / dT of the first light guide is 12.4 × 10 −6 (1 / ° C.).
In addition, the crown fluoride glass, which is the material of the first light guide, has a linear expansion coefficient of 16.5 × 10 −6 (1 / ° C.) and a refractive index temperature coefficient of −7.4 × 10 −6 ( 1 / ° C.) and a refractive index of 1.446. Therefore, dS / dT of the second light guide is −0.041 × 10 −6 (1 / ° C.).

以上の第1導光体13aと第2導光体13bの光学特性に基づいて、(3)式を満足するように第1導光体13aの厚さLaを9090μm、第2導光体13bの厚さLbを30μmとする。   Based on the optical characteristics of the first light guide 13a and the second light guide 13b, the thickness La of the first light guide 13a is 9090 μm and the second light guide 13b so as to satisfy the expression (3). The thickness Lb is 30 μm.

こうして作製された導光体13のdS/dTは、±0.02×10−6(1/℃)以下とでき、温度の変化の影響を受けることなく、圧力を検出することが可能となる。 DS / dT of the light guide 13 manufactured in this way can be ± 0.02 × 10 −6 (1 / ° C.) or less, and pressure can be detected without being affected by changes in temperature. .

本発明に係る実施の形態1の光ファイバ圧力センサの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the optical fiber pressure sensor of Embodiment 1 which concerns on this invention. 実施の形態1の光ファイバ圧力センサの波長1580nm近傍における、入力光強度に対する反射光強度(Ir/Ii)を示す図である。It is a figure which shows the reflected light intensity (Ir / Ii) with respect to input light intensity in wavelength 1580nm vicinity of the optical fiber pressure sensor of Embodiment 1. FIG. 本発明に係る実施の形態2の光ファイバ圧力センサの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the optical fiber pressure sensor of Embodiment 2 which concerns on this invention.

符号の説明Explanation of symbols

10 感知部、11 光ファイバ、12a、12b 反射ミラー、13 導光体、13a 第1導光体、13b 第2導光体、15 グレーデッドインデックスファイバ(屈折率分布型ファイバ)、16 ホルダ、17 ファイバ保持具、18 コアレスファイバ、20 光ファイバ圧力センサ。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Sensing part, 11 Optical fiber, 12a, 12b Reflection mirror, 13 Light guide, 13a 1st light guide, 13b 2nd light guide, 15 Graded index fiber (index distribution type fiber), 16 Holder, 17 Fiber holder, 18 coreless fiber, 20 optical fiber pressure sensor.

Claims (4)

光ファイバと、
該光ファイバの一端面に対向して設けられ、前記光ファイバから出射された光の一部を反射させ、該反射光を前記光ファイバに入射する第1反射部材と、
該第1反射部材を透過した光の一部又は全部を前記第1反射部材に向けて反射させる第2反射部材と、
前記第1反射部材と前記第2反射部材との間に介在され、かつ入射された光を多重干渉させるとともに外力によって弾性変形する導光体と、を備え、
前記導光体は、屈折率温度係数が正である第1導光体と屈折率温度係数が負である第2導光体とを含んでなることを特徴とする光ファイバ圧力センサ。
Optical fiber,
A first reflecting member that is provided facing one end surface of the optical fiber, reflects a part of the light emitted from the optical fiber, and enters the reflected light into the optical fiber;
A second reflecting member that reflects part or all of the light transmitted through the first reflecting member toward the first reflecting member;
A light guide that is interposed between the first reflecting member and the second reflecting member and that causes multiple interference of incident light and elastically deforms by an external force;
The optical fiber pressure sensor, wherein the light guide includes a first light guide having a positive refractive index temperature coefficient and a second light guide having a negative refractive index temperature coefficient.
前記導光体は、前記第1導光体と前記第2導光体とが交互に配置されていることを特徴とする請求項1に記載の光ファイバ圧力センサ。   The optical fiber pressure sensor according to claim 1, wherein the first light guide and the second light guide are alternately arranged in the light guide. 前記第2導光体は、フッ素を含有するガラスで構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の光ファイバ圧力センサ。   The optical fiber pressure sensor according to claim 1, wherein the second light guide is made of glass containing fluorine. 前記光ファイバの一端面と前記第1反射部材の間に屈折率分布型ファイバを含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の光ファイバ圧力センサ。   The optical fiber pressure sensor according to any one of claims 1 to 3, further comprising a gradient index fiber between one end face of the optical fiber and the first reflecting member.
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