特開 2025-58413 光ファイバ特性解析装置

(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】P2025058413

(43)【公開日】2025-04-09

(54)【発明の名称】光ファイバ特性解析装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/353 20060101AFI20250402BHJP

   G01K 11/322 20210101ALN20250402BHJP

   G01L 1/24 20060101ALN20250402BHJP

【ＦＩ】

G01D5/353 B

G01K11/322

G01L1/24 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023168328

(22)【出願日】2023-09-28

(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】504182255

【氏名又は名称】国立大学法人横浜国立大学

(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】高橋 央

(72)【発明者】

【氏名】古敷谷 優介

(72)【発明者】

【氏名】水野 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】戸田 歌音

【テーマコード（参考）】

2F056

2F103

【Ｆターム（参考）】

2F056VF02

2F056VF11

2F103BA33

2F103CA07

2F103EB01

2F103EB11

2F103EB19

2F103EC09

2F103FA02

(57)【要約】

【課題】本開示は、光ファイバそのものをセンサ化する光ファイバセンシング装置において、簡素な構成で、反射点付近での温度や歪みの測定が可能な光ファイバ型センサの提供を目的とする。
【解決手段】本開示は、ブリルアン光相関領域反射計を用いて被測定光ファイバのブリルアン散乱を解析する光ファイバ特性解析装置において、周期的な信号で周波数変調を施した信号光を前記被測定光ファイバに入射し、前記被測定光ファイバの他端からの反射光を参照光に用いる、光ファイバ特性解析装置である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ブリルアン光相関領域反射計を用いて被測定光ファイバのブリルアン散乱を解析する光ファイバ特性解析装置において、
周期的な信号で周波数変調を施した信号光を前記被測定光ファイバの一端に入射し、
前記被測定光ファイバの他端からの反射光を参照光に用いる、
光ファイバ特性解析装置。

【請求項2】

前記信号光によって前記被測定光ファイバで生じたブリルアン散乱光と前記反射光との相関ピークを検出する、
請求項１に記載の光ファイバ特性解析装置。

【請求項3】

前記相関ピークの間隔が前記被測定光ファイバのファイバ長よりも長くなるような変調周波数で、前記周波数変調を施す、
請求項２に記載の光ファイバ特性解析装置。

【請求項4】

前記被測定光ファイバの前記他端付近の相関ピークを検出する、
請求項２に記載の光ファイバ特性解析装置。

【請求項5】

前記周波数変調が正弦波変調である、
請求項１に記載の光ファイバ特性解析装置。

【請求項6】

連続光を生成する光源と、
前記連続光を周期的な信号で周波数変調する光周波数変調手段と、
前記連続光が周波数変調されることで生成された前記信号光を、前記被測定光ファイバの前記一端に入射し、前記被測定光ファイバの前記一端から出射された後方散乱光を光検波手段に出力する光分岐手段と、
前記光分岐手段から出力された後方散乱光を検出する光検波手段と、
前記光検波手段で検出した後方散乱光を解析する信号解析手段と、
を備える請求項１に記載の光ファイバ特性解析装置。

【請求項7】

ブリルアン光相関領域反射計を用いて被測定光ファイバのブリルアン散乱を解析する光ファイバ特性解析装置が実行する光ファイバ特性解析方法であって、
周期的な信号で周波数変調を施した信号光を前記被測定光ファイバの一端に入射し、
前記被測定光ファイバの他端からの反射光を参照光に用いる、
光ファイバ特性解析方法。

【請求項8】

前記被測定光ファイバの前記一端から出射された、前記被測定光ファイバにおけるブリルアン散乱光と前記反射光との相関ピークを検出する、
請求項７に記載の光ファイバ特性解析方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光ファイバをセンサとして用いる光ファイバセンシング技術に関する。

【背景技術】

【0002】

長距離かつ軽量で、電磁ノイズの影響を受けにくく防爆性に優れているなどの利点から、光ファイバを温度センサや歪みセンサとして用いる光ファイバ型センサが研究されている。光ファイバ型温度センサでは、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）型センサや、長周期ファイバグレーティング（ＬＰＧ）型センサが実現されている（例えば、非特許文献１及び２参照。）。

【0003】

しかし、ＦＢＧ型／ＬＰＧ型センサは、被測定光ファイバに波長特性を持つセンサ部を割り入れる必要がある。センサ部を割り入れるためには、ＦＢＧ（周期的な屈折率変化）を描画する必要がある。異なるファイバを融着接続する手法もあるが、ＦＢＧ型／ＬＰＧ型センサともども、光ファイバに何らかの特殊な加工が必要となる。

【0004】

光ファイバにセンサ部を割り入れない温度センサとして、ブリルアン光相関領域反射計（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ－Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）が提案されている（例えば、非特許文献３参照。）。非特許文献３では、信号光と参照光の相関により、参照光路と等光路となる被測定光ファイバ中の任意の位置の温度情報を取得できる。しかし、非特許文献３では、温度を測定する位置は、参照光路に挿入される遅延線の長さで定められる。このため、温度を測定する位置を変更するためには、参照光路に挿入される遅延線の長さを調整する必要がある。

【0005】

ブリルアン光相関領域反射計において、被測定光ファイバの遠端での反射光を参照光に用いることで、参照光路をなくした構成が提案されている（例えば、非特許文献４参照。）。しかし、被測定光ファイバに遠端反射がある場合でも、非特許文献４では、信号対雑音比が低く、空間分解能は２０ｃｍ程度が限界であった。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Ａ． Ｄ． Ｋｅｒｓｅｙ． ｅｔ． ａｌ．，“Ｆｉｂｅｒ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒｓ”， Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． １５， １４４２（１９９７）．

【非特許文献2】Ｎ． Ｚｈａｏ， ｅｔ． ａｌ．，“Ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｏｂｅ ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｍｉｃｈｅｌｓｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ”， Ｏｐｔ． Ｃｏｍｍｕｎ， ３４３， １３１（２０１５）．

【非特許文献3】大坪 他，「低コヒーレンスブリルアン光相関領域反射計の提案」，第６９回応用物理学会 春季学術講演会、２２ｐ－Ｄ２１５－４、２０２２．

【非特許文献4】戸田 他，「低コヒーレンス光源を用いた光ファイバ型温度計測プローブの提案」，第８３回 応用物理学会 秋季学術講演会、２３ｐ－Ｃ３０２－６、２０２２．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

そこで、本開示は、光ファイバそのものをセンサ化する光ファイバセンシング装置において、簡素な構成で、反射点付近での温度や歪みの測定が可能な光ファイバ型センサの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示は、ブリルアン光相関領域反射計を用いて被測定光ファイバのブリルアン散乱を解析する光ファイバ特性解析装置において、周期的な信号で周波数変調を施した信号光を前記被測定光ファイバの一端に入射し、前記被測定光ファイバの他端からの反射光を参照光に用いる。

【0009】

前記光ファイバ特性解析装置は光ファイバ特性解析方法を実行する。具体的には、前記光ファイバ特性解析装置は、前記被測定光ファイバの前記一端から出射された、前記被測定光ファイバにおけるブリルアン散乱光と前記反射光との相関ピークを検出する。

【0010】

本開示は、参照光路を用いず、必ず被測定ファイバの反射点で干渉させられるような周期的な周波数変調を用いることで、反射が強い箇所付近でのブリルアン散乱の測定精度を高めることができる。また、本開示は、周期的な変調によって生じる間隔ｄ_ｍの複数の相関ピークに対して、変調周波数ｆ_ｍを設計することで、反射点付近の一点のみのブリルアン散乱を測定できる。このため、本開示は、簡素な構成で、反射点付近での温度やひずみの測定が可能な光ファイバ型センサを提供することができる。

【0011】

前記光ファイバ特性解析装置は、
連続光を生成する光源と、
前記連続光を周期的な信号で周波数変調する光周波数変調手段と、
前記連続光が周波数変調されることで生成された前記信号光を、前記被測定光ファイバの前記一端に入射し、前記被測定光ファイバの前記一端から出射された後方散乱光を光検波手段に出力する光分岐手段と、
前記光分岐手段から出力された後方散乱光を検出する光検波手段と、
前記光検波手段で検出した後方散乱光を解析する信号解析手段と、
を備える。

【0012】

前記光周波数変調手段は、前記ブリルアン散乱光と前記反射光との相関ピークの間隔が前記被測定光ファイバのファイバ長よりも長くなるような変調周波数で、前記周波数変調を施してもよい。前記周波数変調は、例えば正弦波変調である。

【0013】

前記信号解析手段は、前記被測定光ファイバの前記他端付近の相関ピークを検出してもよい。

【0014】

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】

【0015】

本開示によれば、簡素な構成で、反射点付近での温度やひずみの測定が可能な光ファイバ型センサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本開示のブリルアン光相関領域反射計の構成例を示す。

【図2】ブリルアン散乱の説明図である。

【図3】本開示で生じる相関ピークの一例である。

【図4】信号光に施す周期的な信号の一例である。

【図5】ブリルアン測定結果の一例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0017】

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。

【0018】

図１に、本開示の光ファイバ特性解析装置の構成例を示す。光ファイバ特性解析装置９１は、ブリルアン光相関領域反射計を用いて被測定光ファイバ９２のブリルアン散乱を解析する装置であり、例えば、光源１１、光分岐手段１２、光検出手段１４、信号解析手段１５、光周波数変調手段１６を備える。

【0019】

光源１１が連続光を生成し、光周波数変調手段１６が連続光を周波数変調する。これにより、周波数変調された光が光源１１から出力される。光源１１から出力された光は、信号光として光分岐手段１２から被測定光ファイバ９２に入射される。これによって、信号光が被測定光ファイバ９２において散乱及び反射される。この散乱及び反射された後方散乱光のなかに、ブリルアン散乱光と、被測定光ファイバ９２の遠端での反射光と、が含まれる。

【0020】

被測定光ファイバ９２からの後方散乱光は、光分岐手段１２から光検波手段１４に入射される。光検波手段１４は、被測定光ファイバ９２からの後方散乱光を検出する。信号解析手段１５は、光検波手段１４で検出された後方散乱光を用いて、被測定光ファイバ９２におけるブリルアン散乱を解析する。

【0021】

ブリルアン散乱は音響フォノンによって入射光が周波数シフトを起こして散乱される現象である。周波数ｆ_０の信号光にブリルアン散乱が生じると、ブリルアン散乱光の周波数はｆ_０－ｆ_Ｂにシフトする。ブリルアン周波数シフトｆ_Ｂは、被測定光ファイバ９２の屈折率ｎ、音速ν_Ａ、被測定光ファイバ９２を伝搬する信号光の波長λ_０を用いて、次式で表される。
（数１）
ｆ_Ｂ＝２ｎν_Ａ／λ_０ （１）

【0022】

信号解析手段１５は、ブリルアン散乱光の周波数ｆ_０－ｆ_Ｂと参照光の周波数ｆ_０に基づいて、ブリルアン周波数シフトｆ_Ｂを算出する。例えば、信号解析手段１５は、図２に示すように、ブリルアン散乱光と参照光とが干渉する測定点Ｐ_Ｅ（等光路点）を検出し、測定点Ｐ_Ｅでのブリルアン周波数シフトｆ_Ｂを算出する。このとき、等光路点は常に反射点となるため、被測定光ファイバ９２の反射点での温度変化ΔＴや歪みεの計測を行うことができる。

【0023】

非特許文献３では、可変遅延線を用いて参照光の光路長を変化させることで、被測定光ファイバ９２の中に測定点Ｐ_Ｅを設定していた。本開示では、信号光を被測定光ファイバ９２の一端に入射し、被測定光ファイバ９２の他端からの反射光を参照光に用いる。本開示においては、被測定光ファイバ９２の一端を入射端と称し、被測定光ファイバ９２の他端を遠端と称する場合がある。

【0024】

図３及び図４を参照しながら、本開示の原理を説明する。被測定光ファイバ９２の一端に入射された信号光は、被測定光ファイバ９２の長手方向の遠端において反射する。被測定光ファイバ９２の遠端で反射された信号光（参照光）は、ブリルアン散乱光と干渉する。本開示ではこの干渉光を観測する。

【0025】

測定点Ｐ_Ｅは、光相関領域法を用いて検出することができる。光相関領域法を用いて得られる相関ピークの位置は参照光と散乱光とが最も干渉する位置を、相関ピークの振幅は干渉強度を表している。発明者らは、反射光を参照光として利用する光相関領域法を用いて干渉光を検出しようとしたとき、図４に示すような周期的な信号で周波数変調を施すことで、ランダムな周波数変調の場合より信号対雑音比が高い状態で、反射点付近のブリルアン散乱を測定できることを発見した。また、信号光と参照光の相関ピークが等しい間隔ｄ_mで発生するため、被測定ファイバ９２のファイバ長より間隔ｄ_ｍが長くなるように設定することで、特殊な調整を行うことなく、常に被測定ファイバ９２中の反射点でブリルアン散乱を測定可能である。

【0026】

そこで、光ファイバ特性解析装置９１は、本開示の光ファイバ特性解析方法を実行する。具体的には、光ファイバ特性解析装置９１は、光周波数変調手段１６を用いて、光源１１で発生した連続光に、周期的な信号で周波数変調を施す。本実施形態では、光周波数変調手段１６が、変調周波数ｆ_ｍかつ変調振幅Δｆの正弦波変調を施す例を示す。そして、周波数変調を施した信号光を前記被測定光ファイバ９２の一端に入射し、前記被測定光ファイバ９２の遠端からの反射光を参照光に用いる。

【0027】

光ファイバ特性解析装置９１は、
連続光を生成する光源１１と、
前記連続光を周期的な信号で周波数変調する光周波数変調手段１６と、
前記連続光が周波数変調されることで生成された前記信号光を、前記被測定光ファイバ９２の前記一端に入射し、前記被測定光ファイバ９２の前記一端から出射された後方散乱光を光検波手段に出力する光分岐手段１２と、
前記光分岐手段１２から出力された後方散乱光を検出する光検波手段１４と、
前記光検波手段１４で検出した後方散乱光を解析する信号解析手段１５と、
を備える。

【0028】

ここで、信号解析手段１５は、信号光によって前記被測定光ファイバ９２で生じたブリルアン散乱光と前記反射光との相関ピークを検出する。このとき、変調周波数ｆ_ｍに応じて相関ピークの間隔ｄ_ｍも変化する。相関ピークの間隔は、以下の式で表される。
（数２）
ｄ_ｍ＝ｃ／２ｎｆ_ｍ （２）
但し、ｃは光速、ｎは光ファイバ中の屈折率である。そこで、信号解析手段１５は、前記被測定ファイバ９２内に測定点Ｐ_Ｅが一つになるよう、波数変調手段１６の変調周波数ｆ_ｍを調整する。

【0029】

例えば、信号解析手段１５は、相関ピークの間隔ｄ_ｍが被測定光ファイバ９２のファイバ長よりも長くなるように、光周波数変調手段１６の変調周波数ｆ_ｍを調整する。そして、光周波数変調手段１６は、相関ピークの間隔が被測定光ファイバ９２のファイバ長よりも長くなるような変調周波数で、周波数変調を施す。具体的には、変調周波数ｆ_ｍと被測定光ファイバの長さＬとの関係は以下となる。
（数３）
Ｌ＜ｄ_ｍ＝ｃ／２ｎｆ_ｍ （３）
式（３）より、変調周波数を以下の式（４）を満たすように設計する。
（数４）
ｆ_ｍ＜ｃ／２ｎＬ （４）
このとき、被測定光ファイバ９２の長手方向の反射点付近の一点のみで相関ピークが生じるため、信号解析手段１５は、その位置での温度又は歪みの情報を取得できる。

【0030】

つまり、変調周波数ｆ_ｍを低周波数に設定することで相関ピークの間隔ｄ_ｍを広くし、相関ピークの位置を被測定光ファイバ９２の遠端付近で測定することができる。このため、光ファイバ特性解析装置９１は、被測定光ファイバ９２の遠端付近の温度を高空間分解能で測定可能な光ファイバ温度プローブ装置を実現することができる。

【0031】

図５に、温度測定結果の一例を示す。図５（ａ）は周波数変調が正弦波変調であるときの相関ピークのスペクトルの測定例を示し、図５（ｂ）は相関ピークを正規化及び移動平均後のスペクトルの一例を示し、図５（ｃ）はピーク付近の拡大例を示し、図５（ｄ）はブリルアン周波数シフトの温度依存性の測定例を示す。

【0032】

図５（ａ）－図５（ｃ）において、横軸は周波数を示し、縦軸は振幅を示す。図５（ａ）におけるスペクトルは、ブリルアン散乱光と参照光（遠端反射光）との干渉光のビートスペクトルである。ビートスペクトルで振幅が最大となる周波数がブリルアン周波数シフトｆ_Ｂである。図５（ｄ）では、ブリルアン周波数シフトｆ_Ｂの温度依存性を示す。図５（ｄ）に示すように、温度に応じたブリルアン周波数シフトｆ_Ｂが測定できていることが分かる。このように、本開示によれば、反射点付近の温度を高精度で測定可能になる。

【0033】

以上説明したように、本開示では、ブリルアン光相関領域反射計において、参照光路を用いることなく、被測定光ファイバ９２の反射点付近のブリルアン散乱を測定可能にすることができる。このため、本開示は、ブリルアン光相関領域反射計において、被測定光ファイバ９２に特殊な加工を施すことなく、被測定光ファイバ９２の反射点付近の温度及び歪みを高精度で測定可能にすることができる。さらに、本開示は、特殊な調整なく、常に反射点付近の温度及び歪みを高精度で測定可能である。したがって、本開示は、信号対雑音比が高い光ファイバ型センサを提供することができる。

【0034】

なお、本開示の光ファイバ特性解析装置９１が備える信号解析手段１５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。

【符号の説明】

【0035】

１１：光源
１２：光分岐手段
１４：光検出手段
１５：信号解析手段
１６：光周波数変調手段
９１：光ファイバ特性解析装置
９２：被測定光ファイバ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】