特許 7127886 リニアキャビティ・リングダウン装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-08-22

(45)【発行日】2022-08-30

(54)【発明の名称】リニアキャビティ・リングダウン装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/353 20060101AFI20220823BHJP

【ＦＩ】

G01D5/353 B

G01D5/353 C

【請求項の数】 23

(21)【出願番号】P 2020507035

(86)(22)【出願日】2018-08-10

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-10-22

(86)【国際出願番号】 IB2018056046

(87)【国際公開番号】W WO2019030721

(87)【国際公開日】2019-02-14

【審査請求日】2021-07-05

(31)【優先権主張番号】110249

(32)【優先日】2017-08-10

(33)【優先権主張国・地域又は機関】PT

(31)【優先権主張番号】17188045.3

(32)【優先日】2017-08-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】516286707

【氏名又は名称】イーエニエーエスセー テック － インスティチュート デ エンゲンハリア デ システマス エ コンピュータドレス テクノロジア エ シエンシア

【氏名又は名称原語表記】ＩＮＥＳＣ ＴＥＣ － ＩＮＳＴＩＴＵＴＯ ＤＥ ＥＮＧＥＮＨＡＲＩＡ ＤＥ ＳＩＳＴＥＭＡＳ Ｅ ＣＯＭＰＵＴＡＤＯＲＥＳ， ＴＥＣＮＯＬＯＧＩＡ Ｅ ＣＩＥＮＣＩＡ

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100169823

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 雄郎

(72)【発明者】

【氏名】オーランド ホセ ドス レイス フラザオ

(72)【発明者】

【氏名】スサナ フェレイラ デ オリヴェイラ シルヴァ

【審査官】森 雅之

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－０５５９２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００７／０３４６８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０４８１１２４１（ＣＮ，Ａ）

【文献】Silva et al. ，Fiber Cavity Ring-down for Strain Sensing using an OTDR，2014 Third Mediterranean Photonics Conference ，IEEE，2014年，1-3

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｄ５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

減衰時間ベースの減衰センシング用のファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置であって、
双方向光ファイバカプラ、時間領域光反射率計（ＯＴＤＲ）、及びポートミラーを具え、該双方向光ファイバカプラは第１ポート面及び第２ポート面を有し、該第１ポート面及び第２ポート面はファイバポート結合面であり、
前記第１ポート面は、第１ファイバポート、及び前記ポートミラーに結合された第２ファイバポートを具え、
前記第２ポート面は、センサファイバに結合するための第３ファイバポート、及び第４ファイバポートを具え、該センサファイバは、１つ以上のセンサを具え、当該センサファイバのミラーによって光学的に終端し、
前記第１ファイバポートが、光源兼受光器としての前記時間領域光反射率計（ＯＴＤＲ）に結合され、前記第４ファイバポートは未使用であり、または、
前記第４ファイバポートが、光源兼受光器としての前記時間領域光反射率計（ＯＴＤＲ）に結合され、前記第１ファイバポートは未使用である、
ファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置。

【請求項2】

前記双方向光ファイバカプラが、
前記第１ファイバポートと前記第３ファイバポートとの間の第１光ファイバ、及び
前記第２ファイバポートと前記第４ファイバポートとの間の第２光ファイバ
を具え、
前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとが互いに結合されている、請求項１に記載のファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置。

【請求項3】

前記双方向光ファイバカプラが、前記第２ファイバポートと前記第３ファイバポートとの結合比として、５０％より大きい結合比を有する、請求項１または２に記載のファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置。

【請求項4】

前記結合比が少なくとも９９％である、請求項３に記載のファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置。

【請求項5】

前記双方向光ファイバカプラが、１×２の双方向光ファイバカプラ、または２×２の双方向光ファイバカプラである、請求項１～４のいずれかに記載のファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置。

【請求項6】

前記センサファイバのミラーが前記センサファイバのセンサでもある、請求項１～５のいずれかに記載のファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置。

【請求項7】

前記センサファイバを具えている、請求項１～６のいずれかに記載のファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置。

【請求項8】

前記ポートミラーと前記センサファイバのミラーとの間の光路内に配置された双方向増幅器を具えている、請求項１～７のいずれかに記載のファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置。

【請求項9】

前記双方向増幅器が、エルビウム添加ファイバ増幅器、半導体光増幅器、ラマン増幅器、またはブリルアン増幅器である、請求項８に記載のファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置。

【請求項10】

前記ポートミラー及び前記センサファイバのミラーが、反射薄膜、ファイバループ・ミラー、外部のミラー、ファラデー回転子、またはファイバブラッグ格子構造から別個に選定したミラーである、請求項１～９のいずれかに記載のファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置。

【請求項11】

前記ファイバブラッグ格子構造がチャープ・ファイバブラッグ格子である、請求項１０に記載のファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置。

【請求項12】

ファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置を減衰時間ベースの減衰センシング装置として使用する使用方法であって、該ファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置が双方向光ファイバカプラ及びポートミラーを具え、該双方向光ファイバカプラが第１ポート面及び第２ポート面を有し、該第１ポート面及び第２ポート面はファイバポート結合面である使用方法において、
前記第１ポート面が、第１ファイバポート、及び前記ポートミラーに結合された第２ファイバポートを具え、
前記第２ポート面が、センサファイバに結合するための第３ファイバポート、及び第４ファイバポートを具え、該センサファイバは、１つ以上のセンサを具え、当該センサファイバのミラーによって光学的に終端し、
前記第１ファイバポートを、光源兼受光器として使用される時間領域光反射率計に結合し、前記第４ポートを未使用にし、または、
前記第４ファイバポートを、光源兼受光器として使用される時間領域光反射率計に結合し、前記第１ポートを未使用にする、ファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置の使用方法。

【請求項13】

前記双方向光ファイバカプラが、
前記第１ファイバポートと前記第３ファイバポートとの間の第１光ファイバ、及び
前記第２ファイバポートと前記第４ファイバポートとの間の第２光ファイバ
を具え、
前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとが互いに結合されている、請求項１２に記載の使用方法。

【請求項14】

前記双方向光ファイバカプラが、前記第２ファイバポートと前記第３ファイバポートとの結合比として、５０％より大きい結合比を有する、請求項１２または１３に記載の使用方法。

【請求項15】

前記結合比が少なくとも９９％である、請求項１４に記載の使用方法。

【請求項16】

前記双方向光ファイバカプラが、１×２の双方向光ファイバカプラ、または２×２の双方向光ファイバカプラである、請求項１２～１５のいずれかに記載の使用方法。

【請求項17】

前記センサファイバのミラーが前記センサファイバのセンサでもある、請求項１２～１６のいずれかに記載の使用方法。

【請求項18】

前記ファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置が前記センサファイバを具えている、請求項１２～１７のいずれかに記載の使用方法。

【請求項19】

前記ファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置が、前記ポートミラーと前記センサファイバのミラーとの間の光路内に配置された双方向増幅器を具えている、請求項１２～１８のいずれかに記載の使用方法。

【請求項20】

前記双方向増幅器が、エルビウム添加ファイバ増幅器、半導体光増幅器、ラマン増幅器、またはブリルアン増幅器である、請求項１９に記載の使用方法。

【請求項21】

前記ポートミラー及び前記センサファイバのミラーが、反射薄膜、ファイバループ・ミラー、外部のミラー、ファラデー回転子、またはファイバブラッグ格子構造から別個に選定したミラーである、請求項１２～２０のいずれかに記載の使用方法。

【請求項22】

前記ファイバブラッグ格子構造がチャープ・ファイバブラッグ格子である、請求項２１に記載の使用方法。

【請求項23】

前記ファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置が、前記時間領域光反射率計を具えている、請求項１２～２２のいずれかに記載の使用方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、リモートセンシング向けの特定用途を有するファイバ・リニアキャビティ・リングダウン（ＣＲＤ：cavity ring down）装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

キャビティ・リングダウン（ＣＲＤ）技術は、既知の最先端技術の基礎となる次の２つの主要な構成を含む：第１の構成は、２つの高反射ミラーを用いてリニアキャビティを形成する（非特許文献１）のに対し、第２の構成は、高い分割比を有する２つのファイバカプラを使用してキャビティリングを形成する（非特許文献２）。第１の構成では、光インパルスがキャビティ内へ送られて、複数回の内部反射によってキャビティ内を進行する。折り返し毎に外に出る一部の光が出力端で観測される。その結果は、信号強度が時間と共に指数関数的に減衰する挙動である。第２の構成では、インパルスがキャビティ内へ送られて、特定の時間長で周回する。ループ毎に、インパルスの強度は同様な様式で時間と共に減衰して、指数関数的な挙動がシステムの出力端で観測される。

【0003】

ＣＲＤを用いることの利点は：センサの多回通過（マルチパス）による高感度、速度定数の測定によりレーザー強度の変化の影響を受けにくいこと、ミラーの所定集合向けの広範囲の用途、及び高い処理能力にある。

【0004】

キャビティリングは、ファイバ系のＣＲＤにおいて用いられる最も一般的な構成である。いくつかの方式（スキーム）がセンシング用に既に報告されている。こうした技術の改良は、時間領域光反射率計（ＯＴＤＲ：optical time domain reflectometer：光パルス試験器）を用いて変調光をキャビティリング内へ送ることであった。２０１４年には、こうした構成が変位センシング（検出）についての概念実証として報告されている（非特許文献３）。

【0005】

ＯＴＤＲは市販の装置であり、数キロメートルの光ファイバに沿った損失を測定するために広く用いられている（非特許文献４）。初期には、ＯＴＤＲは、複数の強度センサをファイバに沿って用いることによって測定点毎の損失を測定するに当たり有望な装置として示されていた。この研究領域ではいくつかの業績が報告され、これらの業績では、ＯＴＤＲを用いて、ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ：fiber Bragg grating）、長周期格子（ＬＰＧ：long period grating）、マルチモード干渉（ＭＭ：multimode interference）、ファイバループ・ミラー、その他のようなセンサを監視している。ＯＴＤＲは、ＣＲＤ構成内に統合されると、入力装置及び出力装置の両方として用いられる優れたツールであることが示されている。２０１５年には、ＣＲＤ技術は歪みセンシング向けに示され、ここではチャープＦＢＧをセンシング素子として使用し、信号の出力をＯＴＤＲによって観測している（非特許文献５）。同年のその後に、曲率を測定するための同様な構成が報告されているが、この場合、ＬＰＧを代わりにセンシングデバイスとして用いている（非特許文献６）。

【0006】

２０１６年には、リモートセンシング用の構成が実証されている（非特許文献７）。上記キャビティリングを、光サーキュレータ及びエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：erbium doped fiber amplifier）を含めることにより修正している。この場合、薄膜ミラーを２０kmのファイバの端部に挿入している。こうした構成の主な制約は、光サーキュレータに固有の高損失にあり、高損失を補償するためにＥＤＦＡをキャビティリング内に適用することを余儀なくされる。

【0007】

これらの事実は、本発明が応える技術課題を説明するために開示している。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0008】

【文献】D. Z. Anderson, J. C. Frisch, and C. S. Masser, “Mirror reflectometer based on optical cavity decay time”, Appl. Opt., Vol.23, No.8, pp.1238-1245, 1984.

【文献】R. S. Brown, I. Kozin, Z. Tong, R. D. Oleschuk, and H.-P. Loock, “Fiber-loop ring-down spectroscopy”, J. Chem. Phys., Vol.117, No.23, pp.10444-10447, 2002.

【文献】D. J. Passos, S. O. Silva, J. R. A. Fernandes, M. B. Marques, and O. Frazao, “Fiber Cavity Ring-down Monitoring with an Optical Time-Domain Reflectometer”, Photonic Sensors, Vol.4, No.4, pp.295-299, 2014.

【文献】M. P. Gold, A. H. Hartog, and D. N. Payne, “A new approach to splice-loss monitoring using long-range OTDR”, Electron. Lett., Vol.20, No.8, pp.338-340, 1984.

【文献】S. Silva, D. J. Passos, M. B. Marques, and O. Frazao, “Chirped Fiber Bragg Gating Cavity Ring-down for Strain Sensing Using an OTDR”, Microwave Optical Technol. Lett., Vol.57, No.6, pp.1442-1444, 2015.

【文献】S. Silva, P. Biswas, S. Bandyopadhyay, P. A. Jorge, M. B. Marques, and O. Frazao, “Fiber-Optic Cavity Ring Down using an Added-Signal for Curvature Sensing”, Photon. Technol. Lett., Vol.27, No.19, pp.2079-2082, 2015.

【文献】S. Silva, M. B. Marques, and O. Frazao, “Cavity ring-down technique for remote sensing”, Microwave and Optical Technology letter, Vol.58, No.11, p.p. 2711-2713, 2016.

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、特にリモートセンシングに用途を有するファイバ・リニアキャビティ・リングダウンに関するものである。開示する構成は、単一のファイバカプラ、及びファイバアームの端部に配置された２つの薄膜ミラーを用いて、測定したパラメータの減衰時間ベースの分析を実現する。この新たな方法は、従来技術のファイバキャビティ・リングダウン技術に対する改良であるものと考えることができる。開示する構成はもはやキャビティリングではないが、リニアキャビティである。このリニアキャビティは、例えば９９：１の単一のファイバカプラ、及びファイバアームの端部に配置された２つの薄膜ミラーで構成される。この構成は反射の形で用いられる。しかし、この反射の調査は、調査が透過の形である従来の構成に比べると、減衰時間測定において、信号対ノイズ比に対比してより良好な分解能を示す。これらのミラーはファイバブラッグ格子及びファイバループ・ミラー、あるいは等価なミラーデバイスに置き換えることもできる。この改良の主な利点の１つは、リモートセンシングに用いられることにある。しかし、ファイバ長の損失を解消するためにキャビティ内に増幅を含める必要があり得る。この構成は、感度を２倍に向上させたあらゆる文字通りの強度ベースの光ファイバセンサを用いることを可能にし、市販のシステムに容易に適合させることができる。歪みセンシング用の好適例を例示する。この開示する簡略化は、こうしたファイバ構成を用いて、物理的、化学的、または生物学的パラメータにおける新たな道筋を開く。

【0010】

受動デバイスである上記カプラはＥＭＩ（electromagnetic interference：電磁波妨害）の影響を受けず、電力を消費せず、そしてシステム設計にノイズを加えない。

【0011】

開示する構成はリニアキャビティを含み、このリニアキャビティは、単一のファイバカプラ、及びファイバアームの端部に配置された２つのミラーを用いる。ＯＴＤＲを入力装置及び出力装置の両方として使用し、このことはファイバキャビティリングを用いる従来のＣＲＤで既に示している[11]。この構成におけるミラーの使用は、測定信号の最大分解能を保証するために重要である。これらのミラーは、ファイバブラッグ格子（ＦＢＧ）及びファイバループ・ミラー、または他の等価なミラーデバイスに置き換えることもできる。一例として、リニアキャビティの実証者は、ＦＢＧをミラーとして用いると同時に歪みセンサとして用いることができる。この種のファイバセンサは歪みセンシング用に既に用いられており、このことは出願人がファイバキャビティリングを用いたＣＲＤで示している[12]。

【0012】

上記ファイバカプラは、１×２または２×２の光ファイバ双方向カプラとすることができる。２×２のカプラは、その２つの側面毎に、一方の側面では光どうしを組み合わせて、他方の側面ではこの光を分割する。１×２カプラは同じ様式で動作するが、入力ファイバの一方が切り詰められ、これによりカプラの一方の側面は１本のファイバを有し、他方の側面は２本のファイバを有するが、基本的な機能は同じであり、ポートの一方がアクセス不能であるに過ぎない。

【0013】

ファイバカプラは、Ｍ×Ｎで定義される入力構成及び出力構成を有する。Ｎは出力ポートの数であり、慣例により通常はＭ以上である。複数の入力端が存在する際には、出力信号は常に入力信号の組合せであり－カプラは結合器と考えることもできる。カプラは双方向であるので入力端／出力端は可逆であり、このため１×２または２×１のカプラは同じであり、慣例によりこれらは通常は１×２カプラと称される。

【0014】

上記の分割は５０：５０である必要はなく、実際に、本発明用には５０・５０でない比率が好ましい。本発明用には、例えば９９：１の比率が好ましい。十分な光がミラー間で反射されるように、この比率をできる限り高くする。測定のために十分な光が漏出するように、この比率は高くするべきでない。

【0015】

一般に、カプラ内では、２本の同一の平行なファイバのコアどうしを互いに近づけて、エバネセント波が一方のファイバコアから他方のコアへ「漏洩する」ことができるようにする。エネルギー交換の量は、２つのコアの近さ、及びこうした交換が行われる長さに依存する。結合長が十分に長ければ、一方のコアから他方のコア内へのエネルギーの完全な伝達を行うことができることは容易にわかる。この長さがさらに長ければ、このプロセスが継続して、エネルギーを元のコア内へ移し戻す。適切な長さを選択することによって、あらゆる所定の電力伝達比を実現することができる。このことが５０／５０または１０／９０のカプラを作製する方法である。

【0016】

カプラはタップまたはスプリッタ（分割器）と称することもできる。

【0017】

こうした新たなＣＲＤ技術を最大１０kmのリモートセンシング用に実現することの可能性も実証されている。開示する構成はリモートセンシングにとって非常に魅力的である。ファイバキャビティリングを用いた従来のＣＲＤをリモートセンシング用に実現することの可能性は、既に実証されている[13]。しかし、こうした特徴は光サーキュレータを含めて初めて可能になり、光サーキュレータは高い損失をキャビティリング内に挿入する。

【0018】

さらに、上記のリング構成は２本のファイバを必要とし、一方が信号送信用であり、他方が信号受信用である。

【0019】

開示するＣＲＤ構成は単一のファイバカプラを具え、このファイバカプラは、リニアキャビティを形成するファイバアームの端部に高反射ミラーを有する。それに加えて、ＯＴＤＲの使用は、透過／反射信号の入力端／出力端の両方として機能する。従って、センシングヘッドを調べるために、出力端におけるオシロスコープ（及びフォトディテクタ（光検出器））をもはや必要としない、というのは（既に[11]中に実証されているように）ＯＴＤＲがこうした目的の機能を果たすからである。このことは提案するＣＲＤ構成の主要な利点の１つであり、ＯＴＤＲによって取得した出力信号が測定値をdB単位で提供することを兼ね備え、このことは（オシロスコープによって得られる指数関数的挙動ではなく）線形応答を有する減衰時間を実現することを可能にする。それに加えて、光がセンサを２回通過するので感度の増加が達成される[13]。他の利点は、上記ミラーが、高反射薄膜、ファイバループ・ミラー、ファラデー回転子、さらにはＦＢＧに基づくことができることにある。

【0020】

それに加えて、ＦＢＧはセンシング構造及びミラーの両方として用いることができる。他のＣＲＤ構成と比べれば、この新たなリニアＣＲＤは組み立てが容易でありサイズが小型である。

【0021】

開示する構成はいくつかのセンサと共に用いることができ、このことは、液体媒体中にせよ気体媒体中にせよ、物理的パラメータ及び生物学的パラメータの監視における用途を可能にする。

【0022】

また、開示する構成は、ＯＴＤＲのような市販のシステムに内蔵して信号を読み取り受信することができ、このことは、統合が容易であること、及び小型の構成であることによる。開示する構成は、石油会社、鉱業、電力プラント、原子炉、製油所、その他に用途を有する。

【0023】

リニア構成に基づくファイバキャビティ・リングダウン技術を開示する。開示する方法はリニアキャビティを含み、このリニアキャビティは、ファイバカプラ、及びファイバアームの端部に配置された２つの薄膜ミラーを用いる。これらのミラーは、ファイバブラッグ格子、ファイバループ・ミラー、または他の等価なミラーデバイスに置き換えることができる。上記リニアＣＲＤは、ファイバカプラの一方のアーム内に配置された最大１０kmの３つの異なるファイバ長により、リモートセンシング用にも実証されている。センシングのための概念実証として、リニアキャビティの好適例は、ＦＢＧをミラーとして、同時に歪みセンサとして用いることに依存していた。開示するリニアＣＲＤの構成は、２つの高反射ミラーを有する単一のファイバカプラを使用し；ＯＴＤＲを入力装置及び出力装置の両方として使用し、そして、センサ素子として用いることができる異なる種類のミラーを使用し、これによりリモートセンシングを小型で単純な構成の形で特徴付けることができる。従来のファイバキャビティ・リングダウン装置と比べると、構成の単純さが大きな特徴である、というのは、カプラのうちの１つの除外は、反射出力信号の取得、及びカプラ間の接合の解消を可能にするからである。

【0024】

減衰時間ベースの減衰センシング用のファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置を開示し、この装置は、ポートミラー、及び双方向光ファイバカプラを具え、この双方向光ファイバカプラは、２つのファイバポート結合面、即ち左側（または第１）ポート面及び右側（または第２）ポート面を有し；
左側ポート面は、第１ファイバポート（例えば、ポート１）、及び上記ポートミラー（例えば、ミラー２）に結合された第２ファイバポート（例えば、ポート２）を具え；
右側ポート面は、センサファイバに結合するための第３ファイバポート（例えば、ポート３）及び第４ファイバポート（例えば、ポート４）を具え、センサファイバは、１つ以上のセンサを具え、当該センサファイバのミラーによって光学的に終端し；
第１ファイバポート（例えば、ポート１）は光源に結合するための入力端であり、あるいは、第４ファイバポート（例えば、ポート４）は光源に結合するための入力端である。

【0025】

また、減衰時間ベースの減衰センシング用のファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置を開示し、この装置は、ポートミラー、双方向光ファイバカプラ、及び時間領域光反射率計を具え、双方向光ファイバカプラは、２つのファイバポート結合面、即ち左側（または第１）ポート面及び右側（または第２）ポート面を有し；
左側ポート面は、第１ファイバポート（例えば、ポート１）、及び上記ポートミラー（例えば、ミラー２）に結合された第２ファイバポート（例えば、ポート２）を具え；
右側ポート面は、センサファイバに結合するための第３ファイバポート（例えば、ポート３）、及び第４ファイバポート（例えば、ポート４）を具え、センサファイバは、１つ以上のセンサを具え、当該センサファイバのミラーによって光学的に終端し；
第１ファイバポート（例えば、ポート１）が、光源兼受光器としての時間領域光反射率計に、入力ファイバポート及び出力ファイバポートの両方として結合されるか、あるいは第４ファイバポート（例えば、ポート４）が、光源兼受光器としての時間領域光反射率計に、入力ファイバポート及び出力ファイバポートの両方として結合されるかのいずれかである。

【0026】

双方向光ファイバカプラは２つの面を有し、これにより、これらの面の一方に入力される信号が、これらの面の他方から出力される信号と、他方の面におけるファイバポート間の所定分割比で結合される。

【0027】

上記双方向光ファイバカプラは、次の２つの結合された光ファイバを具えることができる：
第１ファイバポートと第３ファイバポートとの間の第１光ファイバ、及び
第２ファイバポートと第４ファイバポートとの間の第２光ファイバ。

【0028】

減衰時間ベースの減衰センシング装置としてのファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置の使用方法も開示し、このファイバ・リニアキャビティ・リングダウン装置は、双方向光ファイバカプラ及びポートミラーを具え、双方向光ファイバカプラは、２つのファイバポート結合面、即ち第１ポート面及び第２ポート面を有し；
第１ポート面は、第１ファイバポート、及び上記ポートミラーに結合された第２ファイバポートを具え、
第２ポート面は、センサファイバに結合するための第３ファイバポート、及び第４ファイバポートを具え、センサファイバは、１つ以上のセンサを具え、当該センサファイバのミラーによって光学的に終端し；
第１ファイバポートまたは第４ファイバポートのいずれかを、光源兼受光器として使用される時間領域光反射率計に結合する。

【0029】

１つの好適例では、上記光源が受光器でもあり、上記入力ファイバポートが出力ファイバポートでもある。

【0030】

１つの好適例では、上記光源兼受光器が時間領域光反射率計である。

【0031】

１つの好適例では、上記第１ファイバポート（例えば、ポート１）が光源に結合するための入力端であり、上記第４ファイバポート（例えば、ポート４）が受光器に結合するための出力端であり；あるいは、上記第４ファイバポート（例えば、ポート４）が光源に結合するための入力端であり、上記第１ファイバポート（例えば、ポート１）が受光器に結合するための出力端である。

【0032】

１つの好適例では、上記光ファイバカプラが、上記第２ファイバポート（例えば、ポート２）と上記第３ポート（例えば、ポート３）との結合比として、５０％より大きい結合比、特に少なくとも９９％の結合比を有する。

【0033】

１つの好適例では、上記カプラが、１×２の双方向光ファイバカプラ、または第４ファイバポートが未使用である２×２の双方向光ファイバカプラである。

【0034】

１つの好適例では、上記センサファイバのミラーが上記センサファイバのセンサでもある。

【0035】

１つの好適例は上記センサファイバを具えている。

【0036】

１つの好適例では、上記センサファイバが増幅器を具えている。

【0037】

１つの好適例は、双方向ファイバ増幅器を具えているが、キャビティ内部のその位置は問わない。

【0038】

１つの好適例は、上記ポートミラー（例えば、ミラー２）と上記センサファイバ（例えば、ミラー１）との間の光路内に配置された双方向増幅器を具えている。

【0039】

１つの好適例では、上記増幅器を、エルビウム添加ファイバ増幅器、半導体光増幅器、ラマン増幅器、またはブリルアン（Brillouin）増幅器とすることができる。

【0040】

１つの好適例では、上記ミラーを別個に、反射薄膜、ファイバループ・ミラー、外部ミラー、ファラデー回転子、またはチャープ・ファイバブラッグ格子のようなファイバブラッグ格子構造から選定する。

【0041】

以下の図面は、好適な実施形態を提供して説明を図示し、本発明の範囲を限定するものとして見るべきではない。

【図面の簡単な説明】

【0042】

【図1】リニアＣＲＤ構成の実施形態の概略表現であり、具体的には(a)入力端及び出力端が共にポート１内にあり、(b)入力端及び出力端が共にポート４内にあり、(c)入力端はポート１内にあり出力端はポート４内にあり、(d)入力端はポート４内にあり出力端はポート１にある。

【図2】(a)～(c)は薄膜ミラーで得られた、(d)～(f)はファイバループ・ミラーで得られたリニアＣＲＤの出力信号を示す図である。なお、図２(g)は入力端と出力端とが同じポート内にない実施形態に関連する。

【図3】(a)～８００m、(b)～５．５km、及び(c)～１１kmのファイバ長を用いたリモートセンシング用のリニアＣＲＤの出力信号を示す図である。(I)中のトレースは線形応答を示すのに対し、(II)中のトレースは指数関数的挙動に相当する。

【図4】リニアＣＲＤのポート３において用いた減衰時間(ns)対ファイバ長(km)を示す図である。

【図5】歪みを与えないチャープＦＢＧ及び歪み（８００με）を与えたチャープＦＢＧについてのリニアＣＲＤの出力信号を示す図である。(a)はＯＴＤＲによって直接取得したトレースであり、(b)は信号処理後のトレースであり、(c)は対応する指数関数的応答である。

【発明を実施するための形態】

【0043】

詳細な説明
開示するファイバ・リニアＣＲＤ構成の実施形態の概略図を図１に示す。こうした構成は、高い分割比を有する単一のファイバカプラ、及びポート２及び３の端部に配置された２つの薄膜ミラーを含む。ＯＴＤＲがポート１内に配置されて、システムの入力端及び出力端の両方として機能する。

【0044】

こうした構成の基礎は、次の動作原理に依存する：ＯＴＤＲ（１５５０nmを中心とする）がリニアキャビティ内へパルスを送り、このリニアキャビティは、例えば９９：１の分割比を有する光ファイバカプラによって形成される。各パルスは、ファイバカプラの１％側のアーム（ポート３）によってキャビティ内に入り、ミラー１で後方反射されて；ファイバカプラの９９％側のアーム（ポート２）を通過し、ミラー２で再度後方反射される。このファイバアーム内を進行する光量が低いことにより、リモートセンシング用には、双方向増幅器も例えばポート２に必要になる。この場合、増幅器、例えばエルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＤＡ）をリニアキャビティ内に挿入して、観測可能な信号を出力端に供給していた。この方法では、パルスがリニアキャビティの内部を進行するに連れてパルスの振幅が徐々に減衰し、キャビティリングを用いた従来のＣＲＤの挙動と同様である。提案する構成をリモートセンシング用に用いるために、ファイバのロールを、ポート３内の、センサヘッド及びミラーの前方に配置することができる。

【0045】

こうしたＣＲＤ構成の１つの利点は、ファイバアームの端部に高反射ミラーを有する単一のファイバカプラがリニアキャビティを形成することにある。それに加えて、ポート１に配置されたＯＴＤＲの使用は、透過／反射信号の入力端／出力端の両方として機能する。従って、センシングヘッドを調べるために、出力端におけるオシロスコープ（及びフォトディテクタ）をもはや必要としない、というのは（既に[11]中に実証されているように）ＯＴＤＲがこうした目的の機能を果たすからである。このことは提案するＣＲＤ構成の主要な利点の１つであり、ＯＴＤＲによって取得した出力信号が測定値をdB単位で提供することを兼ね備え、このことは（オシロスコープによって得られる指数関数的挙動ではなく）線形応答を有する減衰時間を実現することを可能にする。それに加えて、光がセンサを２回通過するので、感度の増加が達成される[13]。他の利点は、上記ミラーが、高反射薄膜、ファイバループ・ミラー、ファラデー回転子、さらにはＦＢＧのような種々の技術に基づくことができることにある。

【0046】

本発明を実証するために、区別される３種類のミラー、即ち薄膜、ファイバループ・ミラー、及びＦＢＧを、ポート２及び３の端部に配置した。ポート３に配置したＦＢＧはセンシング素子としても使用した。概念実証のために、ＯＴＤＲは１５５０nmの動作波長に設定し、ＯＴＤＲを用いて２００ns幅を有するパルスをリニアキャビティ内へ送った。ポート３には、～８００mを有するファイバリボンも用いた（図１参照）。

【0047】

図２に、異なるミラー、即ち薄膜（図２(a)～(c)）及びファイバループ・ミラー（図２(d)～(f)）を、図１(a)及び(b)に相当する構成用に用いた際にＯＴＤＲにおいて観測されたトレースを示し、ここでは入力端と出力端とが同じポート内にある。図２(a)はＯＴＤＲ上で直接観測したトレースを示すのに対し、図２(b)及び(c)は信号処理後のトレースを示す。提案するリニアＣＲＤの減衰時間は、薄膜ミラー及びファイバループ・ミラーについて、それぞれ２１．４７ns及び３０．８１nsである。なお、図２(g)は、図２(c)及び(d)のように入力端と出力端とが同じポート内にあるものではなく、入力端と出力端とが同じポート内にない実施形態に関連する。図２(g)では、ピーク１とピーク２との関係が９９：１の比である。しかし、この信号は図２(g)に示すように増幅付きのオシロスコープにおいて初めて見ることができ、上記構成の実現可能性（即ち、最初の信号ピークは増幅しないのに対し、他の信号ピークは増幅する）を示している。

【0048】

上記リニアＣＲＤはリモートセンシング用にも実証されている。この場合、薄膜ミラーをポート２及び３の端部に用いている。図３(a)～(c)に、ＯＴＤＲによって取得した信号処理後のトレースを、それぞれ～８００m、～５．５km、及び～１１kmについて、入力端と出力端とが同じポート内にある図１(a)及び(b)に相当する構成について示す。トレースはここでも線形応答(I)及び対応する指数関数的挙動(II)によって表される。図３の差し込み図は、実験において使用したファイバ長毎の元のＯＴＤＲトレースである。連続したピークの間隔はファイバ長の増加と共に増加している。減衰時間は、増加する３つのファイバ長について測定し、それぞれ２１．４７ns、８８．６１ns、及び１６５．２１nsが得られた。図４はファイバ長の増加に伴う減衰時間の線形挙動を示す。フィッティング（曲線当てはめ）を実行して、１４．０９ns/kmの傾きが得られた。

【0049】

開示するＣＲＤのセンシングの特徴を実証する目的で、ＦＢＧをミラーとして、同時にセンサとしてポート３内で用いた。この場合、標準的なＦＢＧの代わりにチャープベースのＦＲＢを、その大きな帯域幅の理由で使用し、反射における帯域阻止フィルタとして機能させた。リニアキャビティの内部に配置されたチャープＦＢＧは、１５５４nmを中心とし～４nmの幅を有する。出力信号をミラー２によって後方反射させてＯＴＤＲによって調べた。

【0050】

歪み測定を実行するために、３００mmの間隔をおいた２点にチャープＦＢＧを固定して、（２０μmの逐次的変位による）平行移動ステージを用いて特定の歪み値を与えた。図５に、ＯＴＤＲにおいて観測したトレースを、センサに歪みを与えない場合、及び８００μεの歪みを与えた場合について、図１(a)及び(b)に相当する構成について示し、ここでは入力端と出力端とが同じポート内にある。図５(a)はＯＴＤＲによって直接取得したトレースを示し、図５(b)は信号処理後のトレースを示し、図５(c)は対応する指数関数的応答を示す。図５(c)中に得られた結果の対する指数関数の当てはめを実行して、ＦＢＧに歪みを与えない場合、及びセンサに８００μεの歪みを与えた場合のそれぞれについて、１６９．１２ns及び１３３．８nsの減衰時間を測定することができた。

【0051】

「具えている」とは、本明細書中に用いる際はいつでも、提示した特徴、数値、ステップ、構成要素の存在を示すことを意図しているが、１つ以上の他の特徴、数値、ステップ、構成要素、またはそのグループの存在または追加を排除することは意図していない。

【0052】

本明細書中に特に断りのない限り、記載したステップの特定順序は実例に過ぎず、本発明から逸脱することなしに変更することができることは、通常の当業者にとって明らかである。従って、特に断りのない限り、記載するステップは順序不定であり、可能であれば、これらのステップは任意の好都合な、あるいは所望の順序で実行することができることを意味する。

【0053】

本発明は、いかなる形でも、説明した実施形態に限定されるものと見るべきでなく、通常の当業者は、これらの実施形態を修正する多数の可能性を予見する。

【0054】

上述した実施形態は組み合わせ可能である。

【0055】

以下の特許請求の範囲は、本発明の特定の好適例をさらに明記する。

【図1-1】

【図1-2】

【図2-1】

【図2-2】

【図2-3】

【図2-4】

【図3-1】

【図3-2】

【図3-3】

【図4】

【図5-1】

【図5-2】