特開 2024-98606 光ファイバ振動センサを用いたデータ伝送システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024098606

(43)【公開日】2024-07-24

(54)【発明の名称】光ファイバ振動センサを用いたデータ伝送システム

(51)【国際特許分類】

   H04B 10/67 20130101AFI20240717BHJP

   H04B 10/25 20130101ALI20240717BHJP

   H04L 27/20 20060101ALI20240717BHJP

   H04L 27/22 20060101ALI20240717BHJP

【ＦＩ】

H04B10/67

H04B10/25

H04L27/20 Z

H04L27/22 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023002196

(22)【出願日】2023-01-11

(71)【出願人】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】304026696

【氏名又は名称】国立大学法人三重大学

(74)【代理人】

【識別番号】100119677

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100160495

【弁理士】

【氏名又は名称】畑 雅明

(74)【代理人】

【識別番号】100115794

【弁理士】

【氏名又は名称】今下 勝博

(72)【発明者】

【氏名】中村 篤志

(72)【発明者】

【氏名】古敷谷 優介

(72)【発明者】

【氏名】真鍋 哲也

【テーマコード（参考）】

5K102

【Ｆターム（参考）】

5K102AA68

5K102AH27

5K102AL16

5K102PH02

5K102PH49

5K102PH50

5K102RD15

5K102RD27

(57)【要約】

【課題】本開示は、光ファイバケーブルの外部環境が変化し、マッハツェンダ型光ファイバ振動センサのセンシング用光ファイバと参照用光ファイバの光伝搬時間に差が生じた場合であっても、受信データを復調可能にすることを目的とする。
【解決手段】本開示は、光ファイバケーブル中の光ファイバへの振動を検知するマッハツェンダ型光ファイバ振動センサと、前記マッハツェンダ型光ファイバ振動センサにより受信した受信信号から受信データを復調する復調装置と、を備え、前記振動は予め定められた周波数を有し、前記復調装置における受信データの復調方法が、前記振動と同じ周波数および２倍の周波数を用いて復調することを特徴とした受信装置である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光ファイバケーブルと、
前記光ファイバケーブル中の光ファイバへの振動を検知するマッハツェンダ型光ファイバ振動センサと、
前記マッハツェンダ型光ファイバ振動センサにより受信した受信信号から受信データを復調する復調装置と、
を備え、
前記振動は予め定められた周波数を有し、
前記復調装置が、前記振動と同じ第１の周波数および前記振動の２倍の第２の周波数を用いて前記受信データを復調することを特徴とした受信装置。

【請求項2】

前記振動が、差動位相偏移変調方式によって変調されており、
前記復調装置における受信データの復調方法が、前記変調により前記光ファイバケーブルに与えた振動と同じ角周波数および前記振動の２倍の第２の角周波数のそれぞれに対する差動位相偏移変調方式による復調である、
ことを特徴とした請求項１に記載の受信装置。

【請求項3】

前記第１の周波数及び前記第２の周波数で復調された第１の復調信号及び第２の復調信号を比較し、
前記第１の復調信号及び前記第２の復調信号に相違がある場合、前記第１の復調信号及び前記第２の復調信号のうちの絶対値が大きい方を受信データに用いる、
請求項１に記載の受信装置。

【請求項4】

送信データを変調する変調装置と、
前記変調装置からの変調信号を増幅する振動発生器駆動アンプと、
前記振動発生器駆動アンプで増幅された変調信号の振動を前記光ファイバケーブルに与える振動発生器と、
を備え、
前記変調装置における送信データの変調方法が、前記振動の位相を０ラジアン又は３分の２πラジアン変化させる２位相変調である、
ことを特徴とした送信装置。

【請求項5】

請求項１から３のいずれかに記載の受信装置と、
前記受信装置に備わる光ファイバケーブルに振動を与える請求項４に記載の送信装置と、
を備えるデータ伝送システム。

【請求項6】

マッハツェンダ型光ファイバ振動センサが、光ファイバケーブル中の光ファイバへの振動を検知する手順と、
復調装置が、前記マッハツェンダ型光ファイバ振動センサにより受信した受信信号から受信データを復調する手順と、
を備え、
前記振動は予め定められた周波数を有し、
前記復調装置が、前記振動と同じ第１の周波数および前記振動の２倍の第２の周波数を用いて前記受信データを復調することを特徴とした方法。

【請求項7】

変調装置が、送信データを変調する手順と、
振動発生器駆動アンプが、前記変調装置からの変調信号を増幅する手順と、
振動発生器が、前記振動発生器駆動アンプで増幅された変調信号の振動を前記光ファイバケーブルに与える手順と、
を備え、
前記変調が、前記振動の位相を０ラジアン又は３分の２πラジアン変化させる２位相変調である、
ことを特徴とした方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、遠隔地に設置したセンサ装置からの情報収集を簡易に実現するためのセンサネットワークに関する技術である。

【背景技術】

【0002】

光ファイバケーブルに振動を与えて遠隔地に情報を伝送する方法は非特許文献１により示されている。従来の技術ではマッハツェンダ型光ファイバ振動センサのセンシング用光ファイバと参照用光ファイバの光伝搬時間に全く違いがないという前提で受信信号の発生過程をモデル化している。このモデルでは光ファイバケーブルに与えられた振動の２倍の周波数の振動が受信信号として計測されることから、この２倍の周波数により受信データを復調する方法を提案している。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】Ｔｅｔｓｕｙａ Ｍａｎａｂｅ， Ｒｙｏｇａ Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ， Ｈｉｒｏｋｉ Ｆｕｊｉｔａ， Ａｔｓｕｓｈｉ Ｎａｋａｍｕｒａ， ａｎｄ Ｙｕｓｕｋｅ Ｋｏｓｈｉｋｉｙａ，“Ｌｏｗ－ｓｐｅｅｄ Ｄａｔａ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ Ｓｉｇｎａｌ ｏｎ ａｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃａｂｌｅ’ｓ Ｏｕｔｅｒ Ｓｈｅａｔｈ”， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ２７ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｓｅｎｓｏｒｓ， Ｗ４．３， （２０２２）．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

従来技術では、マッハツェンダ型光ファイバ振動センサのセンシング用光ファイバと参照用光ファイバの光伝搬時間に全く違いがないという前提で受信信号をモデル化している。

【0005】

しかしながら、マッハツェンダ型光ファイバ振動センサのセンシング用光ファイバと参照用光ファイバの光伝搬時間は、温度、側圧等の影響により屈折率や光ファイバ長が変化することで時間的に変動する。この場合、マッハツェンダ型光ファイバ振動センサにて計測される受信信号には与えた振動の２倍の周波数だけではなく同じ周波数の振動も含まれる。また、同じ周波数のみ発生し、与えた振動の２倍の周波数の振動が受信信号に含まれない場合もある。この場合には与えた振動の２倍の周波数による復調では受信データを復調できないという問題がある。

【0006】

本開示は、光ファイバケーブルの外部環境が変化し、マッハツェンダ型光ファイバ振動センサのセンシング用光ファイバと参照用光ファイバの光伝搬時間に差が生じた場合であっても、受信データを復調可能にすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本開示では、マッハツェンダ型光ファイバ振動センサのセンシング用光ファイバと参照用光ファイバの光伝搬時間に差がある場合を想定し、受信信号の発生過程をモデル化する。このモデルに基づき与えた振動と同じ周波数および２倍の周波数により受信データの復調を２系統で行う。これにより与えた振動と同じ周波数もしくは２倍の周波数の少なくともどちらか一方の周波数の振動から受信データを復調できるので、状態の変化が発生する場合においても常に受信データの復調が可能なデータ伝送装置を実現している。

【0008】

本開示のデータ伝送システムは、本開示の送信装置及び受信装置を備える。本開示のプログラムは、本開示の送信装置又は受信装置に備わる各機能をコンピュータに実現させるためのプログラムであり、本開示に係る送信装置又は受信装置が実行する方法に備わる各手順をコンピュータに実行させるためのプログラムである。

【0009】

本開示の受信装置は、
光ファイバケーブル中の光ファイバへの振動を検知するマッハツェンダ型光ファイバ振動センサと、
前記マッハツェンダ型光ファイバ振動センサにより受信した受信信号から受信データを復調する復調装置と、
を備え、
前記振動は予め定められた周波数を有し、
前記復調装置が、前記振動と同じ第１の周波数および前記振動の２倍の第２の周波数を用いて前記受信データを復調する。

【0010】

本開示の送信装置は、
送信データを変調する変調装置と、
前記変調装置からの変調信号を増幅する振動発生器駆動アンプと、
前記振動発生器駆動アンプで増幅された変調信号の振動を前記光ファイバケーブルに与える振動発生器と、
を備える。

【0011】

本開示の方法は、本開示の送信装置及び受信装置の少なくともいずれかが実行する方法である。
具体的には、本開示の方法は、本開示の受信装置が実行する方法であって、
マッハツェンダ型光ファイバ振動センサが、光ファイバケーブル中の光ファイバへの振動を検知する手順と、
復調装置が、前記マッハツェンダ型光ファイバ振動センサにより受信した受信信号から受信データを復調する手順と、
を備え、
前記振動は予め定められた周波数を有し、
前記復調装置が、前記振動と同じ第１の周波数および前記振動の２倍の第２の周波数を用いて前記受信データを復調する。
具体的には、本開示の方法は、本開示の送信装置が実行する方法であって、
変調装置が、送信データを変調する手順と、
振動発生器駆動アンプが、前記変調装置からの変調信号を増幅する手順と、
振動発生器が、前記振動発生器駆動アンプで増幅された変調信号の振動を前記光ファイバケーブルに与える手順と、
を備える。

【0012】

前記振動が、差動位相偏移変調方式によって変調されており、
前記復調装置における受信データの復調方法が、前記変調により前記光ファイバケーブルに与えた振動と同じ角周波数および前記振動の２倍の第２の角周波数のそれぞれに対する差動位相偏移変調方式による復調であってもよい。

【0013】

受信装置は、前記第１の周波数及び前記第２の周波数で復調された第１の復調信号及び第２の復調信号を比較し、
前記第１の復調信号及び前記第２の復調信号に相違がある場合、前記第１の復調信号及び前記第２の復調信号のうちの絶対値が大きい方を受信データに用いてもよい。

【0014】

前記変調装置における送信データの変調方法が、前記振動の位相を０ラジアン又は３分の２πラジアン変化させる２位相変調であってもよい。

【0015】

なお、上記各開示は、可能な限り組み合わせることができる。

【発明の効果】

【0016】

本開示は、光ファイバケーブルの外部環境が変化し、マッハツェンダ型光ファイバ振動センサのセンシング用光ファイバと参照用光ファイバの光伝搬時間に差が生じた場合であっても、受信データを復調可能にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】光ファイバケーブルに振動を与える送信装置とマッハツェンダ型光ファイバ振動センサによる受信装置から構成されるデータ伝送システムの実施の形態を示す。

【図2】変調装置における送信データの変調方式が位相０および２π/３を用いるＤＰＳＫ変調である場合の変調方法を示す。

【図3】復調装置における受信データの復調方式が、光ファイバケーブルに与えた振動と同じ周波数および２倍の周波数に対するＤＰＳＫ復調である場合の復調方法を示す。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

【0019】

本開示のデータ伝送システムは、送信装置及び受信装置を備える。
送信装置は、
遠隔地にて取得したデータを変調する変調装置と、
変調した変調信号を増幅する振動発生器駆動アンプと、
光ファイバケーブルに振動を与える振動発生器と、
を備える。
受信装置は、
光ファイバケーブルと、
光ファイバケーブル中の光ファイバへの振動を検知するマッハツェンダ型光ファイバ振動センサと、
マッハツェンダ型光ファイバ振動センサにより受信した受信信号から直流成分を除去する直流遮断フィルタと、
直流成分を除去した受信信号から、前記振動発生器の与えた振動と同じ第１の周波数および２倍の第２の周波数を用いて、受信データを２系統で復調する復調装置と、
を備える。

【0020】

図１は本開示のデータ伝送システムの実施の形態を示している。受信装置１は、マッハツェンダ型光ファイバ振動センサ１１０、光ファイバケーブル１２０、直流遮断フィルタ１３０、復調装置１４０を備える。送信装置２は、変調装置２３０、振動発生器駆動アンプ２２０、振動発生器２１０を備える。本開示の受信装置１及び送信装置２はコンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。

【0021】

遠隔において各種センサ等により取得された送信データは送信装置２に送られ、光ファイバケーブル１２０に与える振動を送信装置２で発生させる。変調装置２３０では、送信データに基づいた位相変調信号を作成する。変調信号は、振動発生器駆動アンプ２２０により増幅され、振動発生器２１０を駆動し、振動発生器２１０が光ファイバケーブル１２０の外皮に振動を与える。

【0022】

図１の例におけるマッハツェンダ型光ファイバ振動センサ１１０は光源１１１と２つの光合分岐カプラ１１３、光ファイバケーブル１２０中のセンシング用光ファイバ１１４、参照用光ファイバ１１５、折り返し用光ファイバ１１６および受光器１１２を備える。光源１１１から発せられた光信号は光合分岐カプラ１１３でセンシング用光ファイバ１１４と参照用光ファイバ１１５に分岐され、反対側の光合分岐カプラ１１３で合波され、振動により生じた干渉波形を受光器１１２にて計測する。

【0023】

送信装置２の振動発生器２１０より変調信号に応じた振動が光ファイバケーブル１２０にあたえられると、この振動に応じて干渉波形が変化し、受光器１１２により受信信号を得ることができる。受信信号は直流遮断フィルタ１３０にて直流成分を除去した後、復調装置１４０において受信データが復調される。

【0024】

ここで、マッハツェンダ型光ファイバ干渉計１１０におけるセンシング用光ファイバ１１４および参照用光ファイバ１１５における電界Ｅ_１（ｔ）及びＥ_２（ｔ）を、それぞれ

【数1】

【数2】

とすると、受光器１１２で観測される干渉波Ｅ（ｔ）は

【数3】

となる。ただし、ωはセンシング用光ファイバ１１４および参照用光ファイバ１１５を伝搬する光信号の角周波数、ψ_１およびψ_２は位相である。

【0025】

このとき受光器１１２の受信信号Ｉ（ｔ）は、

【数4】

となる。ただし、Ｋは受光器１１２の光入力と電気出力の間の係数である。

【0026】

光ファイバケーブル１２０に与えた振動により発生する位相差を次式とする。

【数5】

ただし、Ａは与えた振動の大きさと、振動により発生する位相差の間の関係を表す定数である。また、ω_νは与えた振動の角周波数、φ（ｔ）は送信データに応じて変化させる変調位相である。すなわち、ω_νが振動の角周波数を有する第１の角周波数であり、２ω_νが振動の２倍の角周波数を有する第２の角周波数である。

【0027】

ここで、マッハツェンダ型光ファイバ振動センサ１１０のセンシング用光ファイバ１１４と参照用光ファイバ１１５の光伝搬時間差による位相差をθとすると、位相差は次式となる。

【数6】

【0028】

式（４）、式（５）および（６）より、受信器１１２で受信した受信信号Ｉ（ｔ）は、

【数7】

となる。ただし、Ｊ_ｋ（＊）は第一種ベッセル関数である。

【0029】

このときの直流遮断フィルタ１３０通過後の受信信号ｙ（ｔ）は、次式で求められる。

【数8】

ただし、Ｃは定数である。

【0030】

得られた式（８）の第１項および第２項に対して復調を行うことにより、マッハツェンダ型光ファイバ振動センサ１１０のセンシング用光ファイバ１１４と参照用光ファイバ１１５の屈折率や偏波の影響に起因した光伝搬時間差による位相差θの値が変動した場合においても受信データを復調することが可能になる。

【0031】

図２は変調装置２３０における送信データの変調方式が位相０および２π／３を用いる差動位相偏移変調（ＤＰＳＫ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｉａｌ Ｐｈａｓｅ－Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）である場合の変調方法を示している。

【0032】

ここで、ｋ番目に送信する送信データをｄ_ｋとするとき、実際に変調を行うデータｂ_ｋは次式で得られる。

【数9】

【0033】

次に式（９）で得られたデータｂ_ｋに基づき位相変調器２３３では次式により搬送波発生器２３２で発生する搬送波の位相φ_ｋを変調する。

【数10】

【0034】

図３は復調装置１４０における受信データの復調方式が、送信装置２により光ファイバケーブル１２０に与えた振動と同じ周波数および２倍の周波数に対するＤＰＳＫ復調である場合の復調方法を示す。

【0035】

同倍コサイン波発生器１４７及び同倍サイン波発生器１４８が第１の角周波数の信号を発生させ、２倍コサイン波発生器１４９及び２倍サイン波発生器１５０が第２の角周波数の信号を発生させ、乗算器１４１－１Ｉ，１４１－１Ｑ，１４１－２Ｉ，１４１－２Ｑを用いて各信号を受信信号ｙ（ｔ）に乗算する。これにより、振動と同じ第１の周波数の信号と、振動の２倍の第２の周波数の信号と、を復調することができる。

【0036】

式（１０）の位相変調により光ファイバケーブル１２０に振動を与えた時の受信信号は、

【数11】

となる。ただし、αは、同倍コサイン波発生器１４７、同倍サイン波発生器１４８、２倍コサイン波発生器１４９および２倍サイン波発生器１５０により生成する各信号の、受信信号ｙ（ｔ）の搬送波に対する位相差である。

【0037】

この受信信号ｙ（ｔ）に対して角周波数ω_νのコサイン波およびサイン波を乗算器１４１－１Ｉ及び１４１－１Ｑにて乗算し低域通過フィルタ１４２－１Ｉ及び１４２－１Ｑを通過後の信号ｚ_Ｉ１（ｔ）、ｚ_Ｑ１（ｔ）は、

【数12】

【数13】

となる。ただし、Ｄ_１は定数である。

【0038】

ここで遅延器１４３－１Ｉ及び１４３－１Ｑにて１シンボル時間分遅延させた信号と乗算器１４４－１Ｉ及び１４４－１Ｑにて乗算することで次の信号を得る。

【数14】

【数15】

【0039】

式（１４）、式（１５）のＩ_１およびＱ_１を加算器１４５－１にて加算することで、次式を得る。

【数16】

【0040】

同様に受信信号ｙ（ｔ）に対して角周波数２ω_νのコサイン波およびサイン波を乗算器１４１－２Ｉ及び１４１－２Ｑにて乗算し低域通過フィルタ１４２－２Ｉ及び１４２－２Ｑを通過後の信号ｚ_Ｉ２（ｔ）、ｚ_Ｑ２（ｔ）は、

【数17】

【数18】

となる。ただし、Ｄ_２は定数である。

【0041】

ここで遅延器１４３－２Ｉ及び１４３－２Ｑにて１シンボル時間分遅延させた信号と乗算器１４４－２Ｉ及び１４４－２Ｑにて乗算することで次の信号を得る。

【数19】

【数20】

【0042】

式（１９）、式（２０）のＩ_２およびＱ_２を加算器１４５－２にて加算することで、次式を得る。

【数21】

【0043】

式（１０）により与えられた位相変調させた受信信号ｙ（ｔ）より、次の２つの復調信号ｐ_１、ｐ_２を得る。

【数22】

【数23】

【0044】

ここで、マッハツェンダ型光ファイバ振動センサ１１０のセンシング用光ファイバ１１４と参照用光ファイバ１１５の長さや屈折率の差によってこれらに光伝搬時間差が生じる。得られた復調信号ｐ_１、ｐ_２の大きさはこの光伝搬時間差による位相差θの状況により変化するので、受信データの判別が相違する場合がある。よって、識別器１４６では式（２２）および式（２３）で表される２つの復調信号ｐ_１、ｐ_２を用いて、以下の基準により受信データの０、１を判別する。

【0045】

まず、各復調信号ｐ_１、ｐ_２より、受信データの判別結果Ｒ_１、Ｒ_２を求める。

【数24】

【数25】

【0046】

２つの判定結果Ｒ_１、Ｒ_２に相違が無い場合は次式で受信データｄ’_ｋを決定する。

【数26】

【0047】

２つの判定結果Ｒ_１、Ｒ_２に相違がある場合は復調信号ｐ_１、ｐ_２の絶対値が大きい判定結果Ｒ_１もしくはＲ_２を用いて受信データｄ’_ｋを決定する。

【数27】

【0048】

以上の変調・復調方法によりセンシング用光ファイバ１１４と参照用光ファイバ１１５の長さや屈折率の差によって生じる光伝搬時間差による位相差θが変動した場合においても確実に受信データを復調することが可能となる。

【0049】

なお、本実施形態では送信装置２における変調装置２３０が差動位相偏移変調方式を用いて位相変調を行う例を示したが、変調装置２３０の変調方式は周波数変調であってもよい。この場合、本実施形態の角周波数ω_νを、変調装置２３０の変調周波数ω_νと読み替えればよい。

【0050】

（本開示の効果）
以上説明したように、本開示によれば光ファイバケーブルの温度、湿度等の外部環境が変化した場合においても確実に受信データを復調することが可能となる。なお、本開示において与える振動の周波数は任意である。振動周波数を高くするほど送信できる情報を増やすことができ、用途に応じて適切な周波数を選択すればよい。

【符号の説明】

【0051】

１．受信装置
２．送信装置
１１０．マッハツェンダ型光ファイバ振動センサ
１１１．光源
１１２．受光器
１１３．光合分岐カプラ
１１４．センシング用光ファイバ
１１５．参照用光ファイバ
１１６．折り返し用光ファイバ
１２０．光ファイバケーブル
１３０．直流遮断フィルタ
１４０．復調装置
１４１－１Ｉ，１４１－１Ｑ，１４１－２Ｉ，１４１－２Ｑ．乗算器
１４２－１Ｉ，１４２－１Ｑ，１４２－２Ｉ，１４２－２Ｑ．低域通過フィルタ
１４３－１Ｉ，１４３－１Ｑ，１４３－２Ｉ，１４３－２Ｑ．遅延器
１４４－１Ｉ，１４４－１Ｑ，１４４－２Ｉ，１４４－２Ｑ．乗算器
１４５－１，１４５－２．加算器
１４６．識別器
１４７．同倍コサイン波発生器
１４８．同倍サイン波発生器
１４９．２倍コサイン波発生器
１５０．２倍サイン波発生器
２１０．振動発生器
２２０．振動発生器駆動アンプ
２３０．変調装置
２３１．加算器
２３２．搬送波発生器
２３３．位相変調器

【図1】

【図2】

【図3】