專利名稱：光纖傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種涉及光纖傳感器的發(fā)明，特別是涉及一種利用折射率來檢測液體的 性質(zhì)的光纖傳感器。
背景技術：
在作為汽車用發(fā)動機的燃料而使用的純正汽油中，有以庚烷、戊烷等碳化氫為主 成分的輕質(zhì)汽油、以苯等碳化氫為主成分的重質(zhì)汽油、以及介于它們中間的中質(zhì)汽油(通 常的普通汽油)，如果不結(jié)合汽油的性質(zhì)來進行點火時間等的控制，則會產(chǎn)生駕駛性能的惡 化、尾氣中的有害成分增大等。另外，在美國、歐洲等各國，為了實現(xiàn)石油消耗量的降低，正在普及將在汽油中混 合了乙醇的燃料用于汽車，通過根據(jù)燃料中的乙醇含有率來控制空燃比、點火時期等，能夠 防止空燃比稀化(lean)。到目前為止，作為檢測這種燃料的性質(zhì)的方法，開發(fā)了測定燃料折射率的類型的 傳感器。例如，有如下的液體性質(zhì)檢測傳感器將來自光源的光輸入到短周期傾斜光柵，通 過信號分析器來分析根據(jù)包圍光柵的材料的折射率而發(fā)生變動的包層傳輸模式下的透射 波譜的包絡線的形狀變化(例如專利文獻1)。另外，有如下的液體性質(zhì)檢測傳感器將來自光源的光輸入到單一的短周期光柵， 將根據(jù)包圍光柵的材料的折射率而發(fā)生變動的包層傳輸模式下的透射光譜的形狀變化作 為透射光的總受光量變化進行測定從而檢測折射率(例如專利文獻2)。專利文獻1 國際公開第02/44697號(第12 26頁，圖3)專利文獻2 國際公開第2006/126468號(第6 9頁，圖1)

發(fā)明內(nèi)容
然而，在如專利文獻1那樣使用了短周期傾斜光柵的檢測方法中，需要以高波長 分辨率來測定包層傳輸模式損耗峰的波譜形狀，因此需要光譜分析儀等昂貴的測量設備， 難以僅通過簡單的光量檢測來測量折射率。另外，在如專利文獻2那樣使用單一的短周期光柵來對檢測光強度的變化進行檢 測的方法中，為了得到寬的折射率測定范圍，需要減小光纖的芯徑，有時未必能夠有效使用 LED等光源的發(fā)光。另外，相反地，當使光纖的芯徑變大時，透射率由于被測定對象的折射 率而發(fā)生變動的波長范圍變窄，因此有時光檢測強度變化相對于總光檢測強度的比例會變 小，有時未必能夠得到足夠的測定靈敏度。本發(fā)明是為了解決如上所述的問題而作出的，目的在于提供一種能夠利用簡單的 結(jié)構(gòu)在寬的折射率范圍內(nèi)靈敏度較好地測量被測定對象的折射率的光纖傳感器。與本發(fā)明有關的光纖傳感器具備光源；光纖，具備具有周期不同的多個短周期 光柵的芯以及覆蓋上述芯的包層；以及受光部，檢測從上述光源入射到上述光纖并經(jīng)過上述短周期光柵的光的強度。根據(jù)本發(fā)明，能夠使受光強度相對于被測定對象的折射率變動的變化量變大，能 夠提高傳感器的靈敏度。


圖1是用于說明本發(fā)明的實施方式1中的光纖傳感器的示意圖。圖2是本發(fā)明的實施方式1中的光纖傳感器的短周期光柵形成區(qū)域的截面示意 圖。圖3是用于說明本發(fā)明的實施方式1中的光纖傳感器的短周期光柵形成區(qū)域的截 面示意圖。圖4是本發(fā)明的實施方式1中的光纖傳感器的光纖的透射率的示意圖。圖5是本發(fā)明的實施方式1中的光纖傳感器的光纖的透射率的示意圖。圖6是表示本發(fā)明的實施方式1中的光纖的吸收波譜和光源的發(fā)光波譜的示意 圖。圖7是表示本發(fā)明的實施方式1中的光纖的吸收波譜和光源的發(fā)光波譜的關系的 示意圖。圖8是表示本發(fā)明的實施方式1中的光纖的吸收波譜和光源的發(fā)光波譜的示意 圖。圖9是表示本發(fā)明的實施方式1中的光纖傳感器的輸入輸出值的圖。圖10是表示本發(fā)明的實施方式1中的光纖傳感器的輸入輸出值的圖。圖11是表示本發(fā)明的實施方式1中的光纖傳感器的輸入輸出值的圖。圖12是表示本發(fā)明的實施方式1中的光纖傳感器的輸出從線性特性偏移的圖。圖13是表示本發(fā)明的實施方式1中的光纖傳感器的輸出從線性特性偏移的圖。圖14是表示本發(fā)明的實施方式1中的光纖傳感器的輸出從線性特性偏移的圖。圖15是表示本發(fā)明的實施方式1中的光纖傳感器的相對于光柵周期多重性 (multiplicity)的透射率變化量的關系圖。圖16是本發(fā)明的實施方式1中的光纖傳感器的短周期光柵形成區(qū)域的截面示意 圖。圖17是本發(fā)明的實施方式1中的光纖傳感器的短周期光柵形成區(qū)域的截面示意 圖。圖18是用于說明本發(fā)明的實施方式1中的光纖傳感器的示意圖。圖19是表示相對于本發(fā)明的實施方式2中的短周期光柵的傾斜角度的折射率測 定范圍的示意圖。圖20是本發(fā)明的實施方式2中的比較說明用的短周期光柵形成區(qū)域的示意圖。圖21是本發(fā)明的實施方式2中的比較說明用的光纖傳感器的光纖的透射率的示 意圖。圖22是本發(fā)明的實施方式2中的短周期光柵形成區(qū)域的截面示意圖。圖23是本發(fā)明的實施方式2中的光纖傳感器的光纖的透射率的示意圖。圖24是本發(fā)明的實施方式2中的光纖傳感器的短周期光柵形成區(qū)域的截面示意圖。圖25是表示本發(fā)明的實施方式2中的光纖的透射損耗波譜和光源的發(fā)光波譜的 示意圖。圖26是本發(fā)明的實施方式2中的光纖傳感器的短周期光柵形成區(qū)域的截面示意 圖。圖27是本發(fā)明的實施方式2中的光纖傳感器的短周期光柵形成區(qū)域的截面示意 圖。圖28是本發(fā)明的實施方式2中的光纖傳感器的短周期光柵形成區(qū)域的截面示意 圖。圖29是表示本發(fā)明的實施方式2中的光纖的透射損耗波譜和光源的發(fā)光波譜的 示意圖。圖30是表示本發(fā)明的實施方式2中的光纖傳感器的折射率和輸出強度的關系的 示意圖。圖31是本發(fā)明的實施方式2中的光纖傳感器的短周期光柵形成區(qū)域的截面示意 圖。圖32是本發(fā)明的實施方式2中的光纖傳感器的短周期光柵形成區(qū)域的截面示意 圖。圖33是本發(fā)明的實施方式3中的光纖傳感器的形成方法的示意圖。圖34是本發(fā)明的實施方式3中的比較說明用的光纖傳感器的形成方法的示意圖。圖35是本發(fā)明的實施方式3中的光纖傳感器的形成方法的示意圖。圖36是本發(fā)明的實施方式3中的比較說明用的光纖傳感器的短周期光柵形成區(qū) 域的截面示意圖。圖37是本發(fā)明的實施方式3中的光纖傳感器的短周期光柵形成區(qū)域的截面示意 圖。圖38是本發(fā)明的實施方式3中的光纖傳感器的光纖的透射率的示意圖。圖39是本發(fā)明的實施方式4中的光纖傳感器的短周期光柵形成區(qū)域的截面示意 圖。圖40是本發(fā)明的實施方式4中的光纖傳感器的形成方法的示意圖。圖41是用于說明本發(fā)明的實施方式5中的光纖傳感器的示意圖。附圖標記說明1 光纖；2 光源；3 受光部；4 芯(Core) ；5 包層(Clad) ；6 纖維護套；8 被測 定對象；9 容器；10、11、12 短周期光柵；20 循環(huán)器；21 反射光柵；30 光束；31 媒介； 32 容器；40 溫度計；41 性質(zhì)計算單元；50 性質(zhì)計算單元；90 信號線；100 光纖的中 心軸；101 折射率周期性變動的變動軸之中與光纖的中心軸交叉的線；200 透射損耗峰； 201 包絡線。
具體實施例方式實施方式1.圖1是說明用于實施本發(fā)明的實施方式1中的光纖傳感器的示意圖。在圖1中，在光纖1的一個端部配置有光源2，在另一個端部配置有受光部3。光纖1具備芯4，主要 傳輸從光源2入射的光；包層5，為了將光封閉在芯4內(nèi)而覆蓋芯4 ；以及纖維護套6，覆蓋 芯4和包層5來進行保護。去除纖維護套6的一部分使得包層5與液體的被測定對象8直 接接觸，在與該纖維護套6被去除的部分相對應的芯4中形成有短周期光柵10。光纖傳感 器由光纖1、光源2、受光部3、以及經(jīng)過信號線90連接在受光部3上的折射率計算單元50 構(gòu)成。光纖1在用于儲藏被測定對象8的容器9的底面附近被彎曲配置成U字形，光源2 和受光部3配置在容器9的外部。在此，例如光源2使用發(fā)光二極管(LED)，受光部3使用光電二極管，光纖1使用對 纖維護套6使用了丙烯酸酯類樹脂的芯4的直徑為62. 5 μ m、包層5的直徑為125 μ m的漸 變折射率(graded index)型、添加芯Ge的石英多模光纖。圖2是將圖1的光纖傳感器的短周期光柵10形成區(qū)域進行了放大的示意圖。在 圖2中，在芯4中隔開地設有第一周期P1的第一短周期光柵11和第二周期P2的第二短周 期光柵12。第一周期P1和第二周期P2不同，另外第一短周期光柵11和第二短周期光柵12 具有角度θ的傾斜角度。在本實施方式的光纖傳感器中，在光纖1的長度IOmm的范圍內(nèi)如圖2那樣形成為 第一周期P1為0. 3 μ m的第一短周期光柵11、以及第二周期P2為0. 294 μ m的第二短周期 光柵12的傾斜角度θ都是8. 6°。在此，使用短周期光柵10傾斜地形成的區(qū)域的示意圖即圖3來說明短周期光柵10 的周期和傾斜角度。在圖3中，芯4的折射率在短周期光柵10部分處周期性地發(fā)生變動， 將光纖1的中心軸100方向的折射率的變動周期P1稱作周期。另外，將折射率周期性地變 動的變動軸之中的與光纖1的中心軸交叉的線101與光纖1的中心軸100所形成的角度θ 稱作傾斜角度。此外，傾斜角度以大于-90°且小于90°的值表示。接著，使用圖1 圖5，結(jié)合設置多個周期的短周期光柵10的效果來說明本實施方 式中的光纖傳感器的動作。當從作為光源2的LED射出的近紅外區(qū)域的光到達光纖1的短周期光柵10時，在 光纖1的透射波譜中，在一定的波長范圍內(nèi)產(chǎn)生被稱作包層傳輸模式的周期性的尖的透射 損耗峰。隨著與設有短周期光柵10的區(qū)域的包層5的外周相接的被測定對象8的折射率 接近包層5的折射率，由該包層傳輸模式引起的透射損耗峰從短波長側(cè)消失，最終，波長依 賴性變化為緩慢且連續(xù)的損耗波譜形狀。根據(jù)由包層傳輸模式引起的透射損耗峰產(chǎn)生的程 度，到達與光纖1連接的受光部3的光的強度發(fā)生變動，因此通過事先調(diào)查受光強度與折射 率的對應，使到達受光部3的光的強度經(jīng)過信號線90輸出到折射率計算單元50，能夠從折 射率計算單元50輸出被測定對象的折射率。另外，當能夠測定被測定對象8的折射率時，通過預先調(diào)查折射率與被測定對象8 的性質(zhì)的關系，能夠測定汽油的乙醇的混合比等被測定對象8的性質(zhì)。如圖3所示，光纖傳感器具有單一周期的短周期光柵10，在周期為0. 3 μ m、傾斜角 度為8. 6°的情況下，光纖1的透射波譜如圖4所示成為包層傳輸模式的透射損耗峰200的 包絡線201以波長880nm為中心的分布形狀，包層傳輸模式的產(chǎn)生波長范圍在10 15nm 程度。與此相對，具有如圖2所示的兩種周期的本實施方式的光纖傳感器的光纖1的透射光譜，如圖5所示成為包層傳輸模式的透射損耗峰的包絡線201重復兩個同樣的分布的形 狀，包層傳輸模式的產(chǎn)生波長范圍被擴大。這樣，包層傳輸模式的波長與短周期光柵的周期成比例地發(fā)生變化，因此通過使 用具有如圖2所示的兩種周期的短周期光柵的光纖傳感器，如圖5所示，在由周期的比例關 系確定的、中心波長移位了的兩個波長范圍內(nèi)產(chǎn)生包層傳輸模式，產(chǎn)生包層傳輸模式的波 長范圍最大擴大到2倍左右。接著，關于本實施方式中的光纖傳感器的動作溫度依賴性，通過以下的仿真來說 明增加短周期光柵10的周期的數(shù)量就是增加傳感器的檢測靈敏度而降低溫度依賴性。圖6、圖7、圖8是短周期光柵10的周期分別為一種、三種、五種的情況下以正態(tài) 分布近似LED的發(fā)光波譜以及包層傳輸模式的透射損耗峰的包絡線而示出了相對強度的 波譜。在圖6、圖7、圖8中，a、b、c的波譜是根據(jù)LED的溫度系數(shù)近似地計算LED分別為 27°C、48. 5°C、70°C時的光源2的發(fā)光波譜而得到的波譜，d的波譜是短周期光柵10的包層 傳輸模式的透射損耗峰的包絡線。LED設定成向短周期光柵10入射之前的光量相同。在 此，關于短周期光柵10的包層傳輸模式的溫度依賴性，與LED發(fā)光波譜的溫度依賴性相比 小1位數(shù)以上，因此不用考慮。另外，將短周期光柵10的周期設為0. 292 μ m，將傾斜角度設 為8. 6°，并設定成使b和d的峰波長一致。此外，為了使計算簡單，對與各周期對應的包層傳輸模式的透射損耗進行如下近 似。在比與包層5的外側(cè)的被測定對象8的折射率相當?shù)牟ㄩL更長的波長一側(cè)，存在包層 傳輸模式的周期性的尖的透射損耗峰，關于各周期，同時產(chǎn)生與由上述透射損耗峰的包絡 線所示的大小成比例的波長平均下的透射損耗。另一方面，在比與包層5的外側(cè)的被測定 對象8的折射率相當?shù)牟ㄩL更短的波長一側(cè)，周期性的尖的透射損耗峰消失，波長平均下 的透射損耗增大，因此產(chǎn)生在長波長一側(cè)產(chǎn)生的透射損耗的兩倍損耗。圖9、圖10、圖11是短周期光柵10的周期分別為一種、三種、五種的情況下通過先 前的近似來計算相對于光纖1的相對透射率的被測定對象8、即位于將纖維護套6剝離了的 部分的包層5的外側(cè)的物質(zhì)的折射率依賴性而得到的結(jié)果。在圖9、圖10、圖11中，a、b、c 是分別為27°C、48. 5°C、70°C時的透射率的折射率依賴性。在此，短波長側(cè)的包層傳輸模式 相當于低折射率側(cè)。另外，圖12、圖13、圖14是表示圖9的a(27°C )下的透射率相對于1. 36至1. 40 的折射率假定為線性的情況下的從圖9、圖10、圖11的關系的線性特性偏移的相對值的圖。 在這種情況下，a、b、c也分別表示27°C、48. 5°C、70°C的偏移的值。首先，當比較圖12 圖14時，在圖12的短周期光柵10的周期為一種的情況下， 在折射率為1. 36到1. 40的范圍中，從線性特性的偏移在溫度27°C和70°C下是士0. 05 (相 當于5%左右)以下，與此相對，在溫度48. 5°C下其偏移成為士0. 15 (相當于15%左右)左 右。這是因為，與溫度為27°C、70°C的情況相比，透射光量的減少變大。與此相對，在圖13的短周期光柵10的周期為三種的情況下，折射率為1.36至 1. 40的范圍的從線性特性的偏移幾乎減半，在圖14的短周期光柵10的周期為五種的情況 下，從線性特性的偏移進一步減少。由這種周期的多重化引起的從線性特性的偏移的降低， 是由于隨著周期的多重性的增加，而使產(chǎn)生包層傳輸模式的波長范圍寬度增加，因此即使 在光源2的發(fā)光波長范圍因溫度而發(fā)生了移位的情況下，也能夠降低包層傳輸模式產(chǎn)生范
7圍以外的光強度的比例。此外，關于從線性特性的偏移，實際上進一步增大光源波譜形狀的影響。另外，圖15是對于光柵周期的多重性將透射率相對于圖9 圖11所示的1. 34 1. 44范圍的折射率變化的變化量進行了描繪的圖。如圖15所示，相對于短周期光柵10的 周期為一種的情況，在三種的情況和五種的情況下，透射率的變化量相對于折射率變動都 增加至約2倍。即，表示傳感器的靈敏度變高至2倍。多重性從三重到五重的透射率的變化量增加只有一點，這是因為，根據(jù)三重的多 重，包層傳輸模式產(chǎn)生范圍大致能夠?qū)诠庠?的發(fā)光波長范圍，進而對兩端施加的兩 重的包層傳輸模式的貢獻不會變大。這樣，不限于兩種而是利用三種以上的周期的短周期光柵10，使得相對于與光源 2的發(fā)光波長范圍同等以上的波長范圍產(chǎn)生包層傳輸模式的透射損耗，從而能夠使傳感器 成為最高靈敏度，還能夠使傳感器響應的溫度依賴性成為最小。即，在光源2的發(fā)光波長 范圍內(nèi)，使得在兩個以上的波長范圍中產(chǎn)生包層傳輸模式的透射損耗，從而相對于從光源2 射出的全部光量，能夠增加產(chǎn)生包層傳輸模式的波長范圍，因此能夠增大由包層傳輸模式 產(chǎn)生的增減引起的光量的變化，能夠改善傳感器的檢測靈敏度。另外，光源2的發(fā)光波長范圍因環(huán)境溫度而發(fā)生偏移，有時產(chǎn)生包層傳輸模式的 波長范圍的光強度減少，但是使產(chǎn)生包層傳輸模式的透射損耗的波長范圍增加，能夠降低 光源的發(fā)光波長范圍溫度依賴性的影響。此外，在本實施方式中的光纖傳感器中，如圖2所示，示出了在光纖傳感器的芯4 設置的第一短周期光柵11和第二短周期光柵12的傾斜角度為8. 6°的例子，但是第一短周 期光柵11和第二短周期光柵12的傾斜角度可以是任意角度，例如在利用芯徑小的纖維光 柵等而能夠觀測包層傳輸模式的情況下，也可以如圖16所示為0°。另外，設有周期不同的短周期光柵10的區(qū)域也可以如圖16那樣隔開，但是也可以 如圖17所示那樣重疊。也可以如圖17那樣重疊地設置周期不同的短周期光柵10，由此能 夠縮短短周期光柵10區(qū)域的全長，能夠使光纖傳感器小型化。并且，光纖1的芯徑越大，能夠使用更大的光量，因此是優(yōu)選的。通常單模光纖的 芯徑小于10 μ m程度，另一方面，多模光纖的芯徑大于10 μ m。在多模光纖之中芯徑為50 μ m 或者62. 5 μ m的光纖，即使將發(fā)光指向性小的發(fā)光二極管用于光源2，也能夠不依賴于基于 透鏡的耦合而容易地與光纖1的芯4耦合。因此，能夠使針對檢測光量、折射率變化的受光 強度的變化量變大，通過使用它而能夠得到檢測靈敏度高的光纖傳感器。到目前為止，在本實施方式中示出如下的光纖傳感器的例子，即在光纖1的一個 端部配置光源2，在另一個端部配置受光部3，通過受光部3來檢測光源2的光透過光纖1全 體的光，但是如圖18所示，通過經(jīng)由循環(huán)器20而在光纖1的與光源2相同的一側(cè)設置的受 光部3，檢測出來自光源2的光經(jīng)由循環(huán)器20進入到在終端部設有反射光柵21的光纖1、 并從短周期光柵10區(qū)域反射的光的強度，也能夠檢測出折射率。此外，代替循環(huán)器20，還能 夠使用其它分路元件、例如3dB光纖耦合器等。另外，代替反射光柵21，還能夠使用其它反 射元件、例如在纖維端面形成的金屬鏡等。通過設為這種反射型的傳感器，能夠在光路的去路和返路這雙方產(chǎn)生由包層傳輸 模式引起的透射損耗，因此能夠改善測量靈敏度，另外能夠縮短漫漬在被測定對象8中的光纖1。而且，能夠通過將不包括電氣電路部分的纖維的前端插入到測量對象中來進行測 定，因此能夠簡化傳感器的處理。此外，作為光源2，除了發(fā)光二極管之外例如還能夠使用超輻射發(fā)光二極管(Super luminescent diode)、稀土族添加光纖光源等。另外，關于受光部3，即便是光電二極管之外 的二極管，只要是光電晶體管等受光元件即可。在芯4和包層5的材料中能夠使用石英玻 璃等無機玻璃或者聚甲基丙烯酸甲酯等塑料類的材料，在纖維護套6中能夠使用氟類、尼 龍類、酚類、環(huán)氧類、黑素類等的樹脂。實施方式2.在實施方式1中，說明了設有周期不同的短周期光柵10的效果。在本實施方式中， 說明具有周期以及傾斜角度都不同的多個短周期光柵10的光纖傳感器。首先，說明被測定對象8相對于短周期光柵10的傾斜角度的折射率依賴性。通過 如實施方式1中所說明那樣的短周期光柵10的周期的變更，能夠使出現(xiàn)由包層傳輸模式引 起的透射損耗的波長范圍移位，但是能夠測定的被測定對象8的折射率的范圍不變化。與 此相對，通過變更短周期光柵10的傾斜角度，除了能夠使出現(xiàn)由包層傳輸模式引起的透射 損耗的波長范圍移位之外，還能夠變更可測定的被測定對象8的折射率的范圍。圖19示出了在波長880nm附近使用了芯徑為62. 5 μ m的漸變折射率型多模光纖 的情況下的具有一種周期的短周期光柵10的光纖傳感器的、相對于傾斜角度的折射率測 定范圍。在圖19中示出了折射率測定范圍的上限和下限。如圖19所示，能夠通過改變短 周期光柵10的傾斜角度而使測定折射率范圍移位。此時，短周期光柵10的傾斜角度的絕 對值越大，包層傳輸模式的透射損耗峰的產(chǎn)生波長越變化到短波長側(cè)，能夠測定的折射率 變得越小。另外，針對一種傾斜角度的能夠測量的折射率范圍小到0. 03左右。因而，通過使得在短周期光柵10中具備多個傾斜角度，從而能夠擴展可測量的折 射率范圍。在如圖20所示的光纖傳感器的芯4中，隔開地設置有具有相等周期P1的第一 短周期光柵U和第二短周期光柵12。另外，第一短周期光柵11和第二短周期光柵12分別 傾斜了第一傾斜角度Q1、第二傾斜角度θ2。第一傾斜角度θ工和第二傾斜角度θ2是不同 的值。在圖21中示意性地示出了具有圖20的結(jié)構(gòu)的短周期光柵10、且芯徑為62. 5 μ m、 周期P1SOJynu第一傾斜角度QiSs.e。、第二傾斜角度92為10.0°的光纖1的透射率。如圖21所示，在圖20的結(jié)構(gòu)的光纖傳感器中，包層傳輸模式的損耗峰的波長范圍 大致在865 890nm之間的25nm左右寬的范圍內(nèi)連續(xù)出現(xiàn)。另外，短周期光柵10的傾斜 角度有兩種，根據(jù)圖19所示的折射率測量范圍的傾斜角度依賴性，將其傾斜角度的大小適 當?shù)卦O定成使各測量范圍之和盡量寬、且各測量范圍的一部分重合，因此能夠在0. 06左右 的大的范圍內(nèi)不間斷地檢測折射率。如上所述，通過形成傾斜角度不同的多個光柵，能夠擴 大測定折射率范圍。圖22是將本實施方式中的光纖傳感器的短周期光柵10形成區(qū)域進行了放大的示 意圖。其它結(jié)構(gòu)與實施方式1相同，因此省略說明。在本實施方式中的光纖傳感器中，第一 布拉格(Bragg)光柵11和第二布拉格光柵12的周期和傾斜角度都不同。在圖22中，設有兩種短周期光柵10，并使第一短周期光柵11和第二短周期光柵12的周期和傾斜角度都不同。在本實施方式中的光纖傳感器的芯4中，隔開地設有各短周 期光柵。在將光纖1設為芯徑為62. 5 μ m、第一周期P1為0. 3 μ m、第二周期p2為0. 296 μ m、 第一傾斜角度Q1SS. 6°、第二傾斜角度92為10.0°時的光纖1的透射光譜如圖23所
7J\ ο在圖22所示的光纖傳感器中，也如圖21中所說明那樣適當?shù)卦O定了傾斜角度，因 此測定折射率范圍不會間斷而能夠測定折射率，另外與周期為一種的情況相比，光纖1的 產(chǎn)生包層傳輸模式透射損耗峰的波長范圍擴大，因此通過與實施方式1中所說明的結(jié)構(gòu)相 同的結(jié)構(gòu)，能夠改善傳感器的靈敏度、相對于折射率的線性特性和溫度依賴性。另外，通過如上所述那樣調(diào)整周期和傾斜角度，能夠調(diào)整與各短周期光柵的傾斜 角度相對應的折射率的測量靈敏度的比例。例如，通過使與各短周期光柵的傾斜角度對應 的測量靈敏度相等，能夠提高相對于折射率的輸出的線性特性。并且，與實施方式1同樣地，光源2的發(fā)光波長范圍由于環(huán)境溫度而發(fā)生偏移，由 此有時產(chǎn)生包層傳輸模式的透射損耗峰的波長范圍的光強度減少，但是通過增加產(chǎn)生包層 傳輸模式的透射損耗峰的波長范圍，能夠降低光源2的發(fā)光波長范圍溫度依賴性的影響。此外，短周期光柵10的種類無需受限于本實施方式所示的兩種，也可以是三種以 上。使用圖24來說明短周期光柵10為四種的情況下的例子，其中，圖24是將光纖傳感器 的短周期光柵10的形成區(qū)域進行了放大的示意圖。在圖24中，分別形成了在第一周期P1中為第一傾斜角度θ i、在第一周期P1中為 第二傾斜角度θ 2、在第二周期P2中為第一傾斜角度Q1、在第二周期P2中為第二傾斜角度 Θ 2的四種短周期光柵。在本實施方式中的光纖傳感器的芯4中，隔開地設有各短周期光柵。 第一周期P1與第二周期P2不同，第一傾斜角度θ工和第二傾斜角度θ 2也是不同的值。目前，在包層直徑為125 μ m、芯徑為62. 5 μ m的多模光纖的芯4上分別以長度 5mm、在全體20mm的范圍內(nèi)形成第一周期P1為0. 3 μ m、第二周期p2為0. 292 μ m、第一傾斜 角度Q1SS. 6°、第二傾斜角度92為10.0°。這種情況下的光纖1的透射率成為圖25 中示意性地所示出那樣，如在圖21和圖23中所說明那樣適當?shù)卦O定了傾斜角度，因此能夠 改善傳感器的靈敏度、相對于折射率的線性特性和溫度依賴性。此外，短周期光柵10無需針對其每個種類分別進行設置，而是即可以如圖26所示 重疊設置周期相同的光柵，也可以如圖27所示重疊設置傾斜角度相同的光柵。另外，也可 以如圖28所示重疊設置全部種類。這樣，能夠通過重疊設置不同種類的短周期光柵來縮短 全短周期光柵長度，能夠使傳感器小型化。另外，根據(jù)作為光源2的LED的發(fā)光波長范圍來分別調(diào)整短周期光柵10的周期和 傾斜角度，由此能夠在必要的折射率測定范圍下使靈敏度為最大。并且，在四種短周期光柵 之中無需各分為如傾斜角度為8. 6°、10.0°這樣的相同的兩組，而也可以設為與想測定的 折射率范圍相應的中間的傾斜角度。例如也可以將傾斜角度如8. 2°、8.8°、9.6°、10.2° 那樣設為不同。同樣地，周期也無需各分為如0. 3 μ m和0. 292 μ m這樣的相同的兩組，例如 以如0. 3 μ m、0. 299 μ m、0. 292 μ m、0. 291 μ m那樣能夠有效利用光源2的發(fā)光波長的方式調(diào) 整包層傳輸模式透射損耗峰的產(chǎn)生波長范圍即可。此外，在與傾斜角度相對應的折射率測量范圍的上限和下限中，與測量范圍的中 央附近相比，測量靈敏度下降，因此有如下?lián)鷳n在橫跨多個傾斜角度的折射率測量范圍的
10相接的區(qū)域中，測量靈敏度降低，傳感器的線性特性變差。因此，通過使用具有兩種以上四 種左右的傾斜角度的短周期光柵而使折射率測定范圍的相接的區(qū)域中的測量靈敏度重疊， 從而能夠緩和折射率測定范圍的相接的區(qū)域中的測量靈敏度的減少，能夠改善傳感器的線 性度。這樣，在將短周期光柵10的傾斜角度的種類從兩種進一步增加的情況下，能夠進 一步擴大產(chǎn)生包層傳輸模式的透射損耗峰的波長范圍。然而，有時如果將產(chǎn)生包層傳輸模式的透射損耗峰的波長范圍擴大到所需以上， 則會導致檢測靈敏度降低。例如，想測定的折射率范圍為0. 06，在與該范圍相對應的波長范 圍以外也擴大在光源2的發(fā)光波長范圍內(nèi)產(chǎn)生包層傳輸模式的透射損耗峰的波長范圍。這 種波長范圍的擴大，只具有使即使在想測定的范圍內(nèi)折射率發(fā)生變動其強度也不會變化的 光量的比例增加的效果，使依賴折射率的透射光量相對于全部光量的變化比例減少，因此 結(jié)果使檢測靈敏度降低。因而，優(yōu)選利用如下方法，對應于光源2的發(fā)光波長范圍來擴大產(chǎn)生包層傳輸模 式的透射損耗峰的波長范圍，其中，所述方法是在設置與想作為短周期光柵的傾斜角度進 行測定的折射率范圍相對應的種類之后進一步設置多個周期的短周期光柵等的方法。到目前為止，在本實施方式中示出了周期和傾斜角度都不同的兩種或者四種短周 期光柵10的例子，但是關于周期、傾斜角度不同的短周期光柵10的種類，在增加檢測靈敏 度的限度下，也可以更多。圖29示出了在包層直徑為125 μ m、芯徑為62. 5 μ m的多模光纖的芯4中具備周期 為0. 284μπι、0. 292μπι、0. 3μπι三種、傾斜角度iSSJ。、10.0°兩種共六種短周期光柵的 光纖1的透射波譜與作為光源2的LED的發(fā)光波譜的關系。如圖29所示，通過使與多個周 期及傾斜角度對應的包層傳輸模式透射損耗峰的產(chǎn)生波長范圍占光源的波譜波長范圍的 全部區(qū)域，從而能夠使傳感器成為最高靈敏度，還能夠使傳感器響應的溫度依賴性成為最 小。圖30示出了通過本實施方式的圖22所示結(jié)構(gòu)的光纖傳感器來對作為折射率不同 的被測定對象8的液體進行了測定的情況下的傳感器的相對輸出強度。通過改變甲醇(η =1. 329)和甲苯(η = 1. 497)的混合比，來調(diào)制折射率不同的液體。如圖28所示，根據(jù)本 實施方式中的光纖傳感器，能夠從傳感器的輸出中檢測折射率范圍在1. 35 1. 43的液體 的折射率。此外，到目前為止示出了短周期光柵10的多個傾斜角度為相對于傾斜角度0°在 相同方向上傾斜、即相同符號的角度的例子，但是如圖31所示，短周期光柵10的多個傾斜 角度也可以是符號不同的角度。在如圖26 圖28所示設有不同種類的短周期光柵的區(qū)域 重疊的情況下，以橫跨正負的方式設置傾斜角度，從而與僅以一個符號來形成傾斜角度的 情況相比，短周期光柵10的折射率變動區(qū)域的重疊少，因此難以產(chǎn)生曝光的飽和，短周期 光柵10的形成變得更容易。另外，到目前為止說明了設置于短周期光柵10的多個傾斜是從相同方向觀察到 的傾斜，但是短周期光柵10的多個傾斜也可以不是從相同方向觀察到的傾斜。使用圖32說 明在將光纖1以其中心軸為中心旋轉(zhuǎn)90°的方向上設置了其它傾斜的短周期光柵的情況。 圖32的(al)是從圖32的(a2)的直徑截面的箭頭方向觀察光纖1的側(cè)面的截面示意圖。另外，圖32的(bl)是從圖32的(b2)的直徑截面的箭頭方向觀察光纖1的側(cè)面的截面示意圖。在這種情 況下也與圖31的情況同樣地，在設有短周期光柵的區(qū)域重疊的情況下， 短周期光柵10的折射率變動區(qū)域的重疊少，因此難以產(chǎn)生曝光的飽和，短周期光柵10的形 成變得更容易。這種具有短周期光柵10的光纖1，可利用如下方法來改變針對光纖的照射方向而 形成，其中，所述方法是例如進行多次曝光的時候每次曝光時都將光纖1以其中心軸為中 心旋轉(zhuǎn)所期望的角度等的方法。實施方式3.在本實施方式中的光纖傳感器的短周期光柵10中，折射率不同于芯4的折射率的 區(qū)域不是以平面方式形成而是以曲面方式被設置。將這種短周期光柵10稱作傾斜角度連 續(xù)變化的短周期光柵10。首先，說明實施方式1和2中示出的短周期光柵10的傾斜角度為一定、即折射率 不同于芯4的折射率的區(qū)域以平面方式形成的光纖1。如圖33所示，傾斜角度一定的短周期光柵10是通過如下處理形成的對于除去了 纖維護套6 —部分的石英制、多模的光纖1，例如將輸出為200mW、波長為266nm的Nd-YAG 激光4倍高次諧波設為周期性的線狀的光束30，相對于光纖1的中心軸使線狀的光束30傾 斜規(guī)定角度而進行照射。在光纖1中，預先進行2個星期左右的高壓氫處理(100大氣壓)。 經(jīng)過相位掩模來照射光束30從而得到周期性的線狀的光束30，能夠通過調(diào)整相位掩模的 傾斜角度來形成任意傾斜角度的短周期光柵10。另外，也能夠以可通過一并曝光來形成多 個傾斜角度的短周期光柵10的方式使用相位掩模來形成。此時，如圖34所示，當照射激光時通過將光纖1置于水等的媒介中，從而將光纖1 的包層5和包層外側(cè)的媒介的折射率設為接近的值。由此，激光的光束在包層5表面處的 折射程度變小，因此光束30相對于芯4是線狀照射的，短周期光柵10的傾斜角度的分布變 小。在此，在包層5的折射率接近大氣的折射率的情況下，無需如圖34所示在媒介31 中照射光束30。另外，在媒介中照射光束30的情況下，作為媒介而選擇沒有光束30的吸收 或者光束30的吸收少的媒介。例如，水相對于Nd-YAG激光4倍高次諧波的波長266nm是 透明的，因此適用于該波長的光束30。接著，說明本實施方式中的光纖傳感器的光纖1的、傾斜角度連續(xù)的短周期光柵 10。傾斜角度一定的短周期光柵10是通過將光纖1的包層5和包層外側(cè)的媒介的折射率 設為接近的值而形成的，與此相對，傾斜角度連續(xù)的短周期光柵10是通過將光纖1的包層 5和包層外側(cè)的媒介的折射率設為不同的值而形成的。圖35是從光纖1的截面方向示出了包層外側(cè)的媒介31的折射率相對于光纖1的 包層5的折射率是小的值的情況下的光束30的光路的示意圖。如圖35所示，包層5的外 側(cè)的媒介31的折射率比包層5的折射率小，因此光束30在包層5與外側(cè)的媒介31之間的 界面處折射。因此，到達芯4的光束30不透過在包層5的外側(cè)形成線狀的光束30的平面， 光束30透過的面形成曲面。在芯4中的光束30透過的區(qū)域中，折射率發(fā)生變動，因此折射 率不同于芯4的折射率的區(qū)域形成為曲面。
使用圖36和圖37來詳細說明這種包層5和包層外側(cè)的媒介的折射率幾乎相同的 情況和不同的情況下所形成的短周期光柵10。圖36分別是包層5和包層外側(cè)的媒介的折 射率幾乎相同的情況下的從光纖1的側(cè)面的1方向(a2)觀看短周期光柵10的截面示意圖 (al)、以及從將光纖1從該方向以其中心軸為中心旋轉(zhuǎn)90°的方向(b2)觀看短周期光柵 10的截面示意圖(bl)。另外，圖37是包層5和包層外側(cè)的媒介的折射率不同的情況下的相 同的圖，是將本實施方式中的光纖傳感器的短周期光柵10形成區(qū)域進行了放大的示意圖。 圖36和圖37中的 和〇表示芯-包層界面中的折射率不同的區(qū)域的位置，相同顏色的圓 標記表示相同的位置，是用于說明立體配置的標記。如圖36和圖37所示，在圖36中傾斜角度不依賴于芯4內(nèi)的位置而幾乎相同，與 此相對，在圖37中傾斜角度具有相對于光纖1的截面方向連續(xù)變動的分布，隨著芯4內(nèi)的 位置從光束30的照射側(cè)遠離，傾斜角度變大。將如圖37所示的傾斜角度分布稱作傾斜角 度連續(xù)，在此，折射率不同于芯4的折射率的區(qū)域被設置為曲面。
圖37所示的短周期光柵10可以看作重疊了不同傾斜角度的短周期光柵。在圖38中示意性地示出具有這種傾斜角度連續(xù)的短周期光柵10的光纖1的透射 率。如圖38所示，產(chǎn)生由包層傳輸模式引起的透射損耗峰的波長范圍擴大，因此能夠獲得 檢測靈敏度高且溫度依賴性小的光纖傳感器。此外，在本實施方式中說明了周期為一種的傾斜角度連續(xù)的短周期光柵10，但是 也可以與實施方式1同樣地，周期是多個。通過將周期設為多個，能夠與實施方式1同樣地 增大由包層傳輸模式透射損耗峰的產(chǎn)生增減引起的光量變化。實施方式4.在本實施方式中的光纖傳感器的短周期光柵10中，傾斜角度在光纖1的中心軸 100方向上逐漸變動。將這種短周期光柵10稱作傾斜角度逐漸變化的短周期光柵10。圖39是將本實施方式中的光纖傳感器的短周期光柵10形成區(qū)域進行了放大的示 意圖。其它結(jié)構(gòu)與實施方式1相同，因此省略說明。在圖39中，在芯4中設有第一周期？1的短周期光柵10，其傾斜角度在光纖1的中 心軸100方向上從θ i到θ 2逐漸變動。如圖40所示，如圖39所示的光纖1可通過向彎曲了與發(fā)生變動的傾斜角度的差 相應量的光纖1照射周期性的線狀的光束30而形成。具有這種傾斜角度逐漸變動的短周期光柵10的光纖1的透射率與實施方式4的 圖38同樣地，產(chǎn)生由包層傳輸模式引起的透射損耗峰的波長范圍放大，因此能夠獲得檢測 靈敏度高且溫度依賴性小的光纖傳感器。實施方式5.在實施方式1 3的光纖傳感器中示出了測定液體折射率的例子，但是除了本實 施方式1 3的光纖傳感器之外，還能夠設置對被測定對象的溫度進行測定的機構(gòu)，根據(jù)所 測定的折射率和溫度，更正確地測定被測定對象的性質(zhì)。在本實施方式中，說明在實施方式 1的光纖傳感器中加入溫度測定結(jié)構(gòu)等來測定液體的性質(zhì)的光纖傳感器。圖41是說明能夠更正確地測定被測定對象8的性質(zhì)的光纖傳感器的示意圖。在 圖39中，在短周期光柵10附近設置溫度計40，并設有從溫度計40經(jīng)由信號線80接受信號 的性質(zhì)計算單元41。另外，從折射率計算單元50也經(jīng)由信號線90向性質(zhì)計算單元41傳遞輸出信號。其它結(jié)構(gòu)與圖1相同，因此省略說明。作為被測定對象8的液體的折射率在室溫附近通常具有-4X10_4/K左右的溫度系數(shù)，能夠從作為被測定對象8的輸出的被測定對象8的折射率和受光部3的輸出，檢測對被 測定對象8的折射率的溫度依賴性進行了補償?shù)谋粶y定對象8的性質(zhì)。例如，在將乙醇混合汽油設為被測定對象8的情況下，折射率根據(jù)混合比而連續(xù) 變動，但是根據(jù)本實施方式的光纖傳感器，預先獲得被測定對象8的溫度依賴性數(shù)據(jù)、即溫 度校正數(shù)據(jù)，以該溫度校正數(shù)據(jù)為基礎補償測定溫度的影響，從而能夠正確地測定乙醇和 汽油的混合比。這樣，根據(jù)本實施方式中的光纖傳感器，即使在傳感器特性中殘留溫度依賴性的 情況下，也能夠通過補償被測定對象8的折射率的溫度依賴性和傳感器特性的溫度依賴 性，來更正確地檢測其性質(zhì)。
權(quán)利要求
一種光纖傳感器，其特征在于，具備光源；光纖，具備具有周期不同的多個短周期光柵的芯以及覆蓋上述芯的包層；以及受光部，檢測從上述光源入射到上述光纖并經(jīng)過上述短周期光柵的光的強度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于， 多個短周期光柵中的至少任意一個具有傾斜角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖傳感器，其特征在于，多個短周期光柵中的第一短周期光柵以及第二短周期光柵具有不同的傾斜角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于，多個短周期光柵中的第一短周期光柵和第二短周期光柵被重疊地設置。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖傳感器，其特征在于，多個短周期光柵中的第一短周期光柵和第二短周期光柵被隔開地設置。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖傳感器，其特征在于，第一短周期光柵以及第二短周期光柵的傾斜角度的正負符號相反。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光纖傳感器，其特征在于，光纖的中心軸、通過光纖的中心軸的第一短周期光柵的折射率發(fā)生變動的軸、以及通 過上述光纖的中心軸的第二短周期光柵的折射率發(fā)生變動的軸，不在同一平面上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1 7中任意一項所述的光纖傳感器，其特征在于，多個短周期光柵的包層傳輸模式所致的透射損耗波長范圍是連續(xù)的，包括光源的發(fā)光 波長范圍全體。
9.一種光纖傳感器，其特征在于，具備 光源；光纖，具備具有連續(xù)的傾斜角度的短周期光柵的芯以及覆蓋上述芯的包層；以及 受光部，檢測從上述光源入射到上述光纖并經(jīng)過上述短周期光柵的光的強度。
10.一種光纖傳感器，其特征在于，具備 光源；光纖，具備具有在其中心軸方向上傾斜角度逐漸變化的短周期光柵的芯以及覆蓋上述 芯的包層；以及受光部，檢測從上述光源入射到上述光纖并經(jīng)過上述短周期光柵的光的強度。
11.根據(jù)權(quán)利要求1 10中任意一項所述的光纖傳感器，其特征在于， 根據(jù)由受光部檢測出的光強度，測定與包層接觸的被測定對象的折射率。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光纖傳感器，其特征在于， 根據(jù)被測定對象的折射率，測定上述被測定對象的性質(zhì)。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠以簡單的結(jié)構(gòu)在寬的折射率范圍內(nèi)高靈敏度地測量被測定媒質(zhì)的折射率的光纖傳感器。本發(fā)明的光纖傳感器具備光纖，具備形成短周期光柵的芯和包層，在形成短周期光柵的包層部分產(chǎn)生由包層傳輸模式的泄漏所引起的透射損耗；光源，使包層傳輸模式的波長范圍的光入射到光纖中；以及受光部，接收經(jīng)過形成短周期光柵的位置的包層的光的透射光或者反射光，其中，根據(jù)受光部所接收的總受光強度來檢測與包層接觸的被測定媒質(zhì)的折射率，光纖是多模光纖，短周期光柵具有多個周期。
文檔編號G02B6/02GK101883978SQ20088011906
公開日2010年11月10日 申請日期2008年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月6日
發(fā)明者三谷干城, 吉新喜市, 柳生榮治, 濱谷祐多朗, 西川智志, 高林正和 申請人:三菱電機株式會社