特表 2022-508588 分散型センシング装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-01-19

(54)【発明の名称】分散型センシング装置

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/353 20060101AFI20220112BHJP

【ＦＩ】

G01D5/353 B

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021543566

(86)(22)【出願日】2019-10-02

(85)【翻訳文提出日】2021-04-16

(86)【国際出願番号】 EP2019076777

(87)【国際公開番号】W WO2020070229

(87)【国際公開日】2020-04-09

(31)【優先権主張番号】102018124435.5

(32)【優先日】2018-10-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521140353

【氏名又は名称】エヌカーテー フォトニクス ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】ＮＫＴ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田 博宣

(74)【代理人】

【識別番号】100142907

【弁理士】

【氏名又は名称】本田 淳

(72)【発明者】

【氏名】ヨーストマイアー、トルベン

(72)【発明者】

【氏名】マルクス、ベンヤミン

(72)【発明者】

【氏名】ラート、アレクサンダー

(72)【発明者】

【氏名】ヒル、ヴィーラント

【テーマコード（参考）】

2F103

【Ｆターム（参考）】

2F103BA37

2F103BA43

2F103CA03

2F103CA07

2F103EB02

2F103EC09

2F103EC10

2F103ED27

2F103ED37

2F103FA02

(57)【要約】

ＯＴＤＲ（光学時間領域反射率測定法）に基づく分散型センシング装置は、光源と、光源に光接続されて第１出力および第２出力を有する光スプリッタとを備える。検出ファイバは光スプリッタの第１出力に光接続される。結合ユニットは光スプリッタの第２出力に由来する基準信号と、検出ファイバに由来する後方散乱信号とを結合するように配置される。結合ユニットは１つまたは複数の３×３溶融ファイバカプラを備える。信号処理ユニットは分散型検出データを提供するように結合ユニットに由来する情報を処理する。結合ユニットは、結合ユニットにおいて後方散乱信号に由来する第１信号の偏波を基準信号に由来する第１信号の偏波にアライメントし、後方散乱信号に由来する第２信号の偏波を基準信号に由来する第２信号の偏波にアライメントする１つまたは複数の偏波感度素子を備える偏波ダイバーシティ配置を備える。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光学時間領域反射率測定法を用いた分散型センシング装置であって、前記分散型センシング装置は、
光源と、
前記光源と光通信するとともに第１出力および第２出力を有する光スプリッタと、
前記光スプリッタの前記第１出力に光接続された検出ファイバと、
前記光スプリッタの前記第２出力に由来する基準信号を、前記検出ファイバに由来する後方散乱信号と結合するように構成された結合ユニットであって、前記結合ユニットは１つまたは複数の溶融ファイバカプラを備える、前記結合ユニットと、および
前記結合ユニットに由来する情報を処理して分散型センシングデータを提供するように構成された信号処理ユニットと
を備え、
前記結合ユニットは、前記結合ユニット内で、
前記後方散乱信号に由来する第１信号の偏波を、前記基準信号に由来する第１信号の偏波とアライメントさせるとともに、
前記後方散乱信号に由来する第２信号の偏波を、前記基準信号に由来する第２信号の偏波とアライメントさせるように構成された、１つまたは複数の偏波感度素子を備える偏波ダイバーシティ配置を備えている、
分散型センシング装置。

【請求項2】

前記結合ユニットは、第１溶融ファイバカプラおよび第２溶融ファイバカプラを備え、
前記偏波ダイバーシティ配置は、
前記第１溶融ファイバカプラにおいて、前記後方散乱信号に由来する前記第１信号の偏波を、前記基準信号に由来する前記第１信号の偏波とアライメントするとともに、
前記第２溶融ファイバカプラにおいて、前記後方散乱信号に由来する前記第２信号の偏波を、前記基準信号に由来する前記第２信号の偏波とアライメントするように構成されている、
請求項１に記載の分散型センシング装置。

【請求項3】

前記１つまたは複数の偏波感度素子は第１偏波スプリッタと第２偏波スプリッタとを備えており、
前記第１偏波スプリッタは、
前記後方散乱信号に由来する前記第１信号を出力する第１後方散乱信号出力であって、前記第１後方散乱信号出力は前記第１溶融ファイバカプラの第１入力ファイバに光通信している、前記第１後方散乱信号出力と、
前記後方散乱信号に由来する前記第２信号を出力する第２後方散乱信号出力であって、前記第２後方散乱信号出力は前記第２溶融ファイバカプラの第１入力ファイバに光通信している、前記第２後方散乱信号出力とを備えており、
前記第２偏波スプリッタは、
前記基準信号に由来する前記第１信号を出力する第１基準信号出力であって、前記第１基準信号出力は前記第１溶融ファイバカプラの第２入力ファイバに光通信している、前記第１基準信号出力と、
前記基準信号に由来する前記第２信号を出力する第２基準信号出力であって、前記第２基準信号出力は前記第２溶融ファイバカプラの第２入力ファイバに光通信している、前記第２基準信号出力とを備えている、
請求項２に記載の分散型センシング装置。

【請求項4】

前記第１偏波スプリッタおよび前記第２偏波スプリッタは、光ファイバスプリッタを備える、
請求項３に記載の分散型センシング装置。

【請求項5】

前記第１溶融ファイバカプラの前記第１入力ファイバおよび前記第２入力ファイバと、前記第２溶融ファイバカプラの前記第１入力ファイバおよび前記第２入力ファイバとは、偏波保持ファイバである、
請求項３または４に記載の分散型センシング装置。

【請求項6】

前記１つまたは複数の溶融ファイバカプラは、１つまたは複数の偏波保持溶融ファイバカプラを備える、
請求項１～５のいずれか一項に記載の分散型センシング装置。

【請求項7】

前記１つまたは複数の溶融ファイバカプラは、少なくとも３つの偏波保持出力ファイバを備える、
請求項６に記載の分散型センシング装置。

【請求項8】

前記第１溶融ファイバカプラの前記第１入力ファイバおよび前記第２入力ファイバと、前記第２溶融ファイバカプラの第１入力ファイバおよび第２入力ファイバとは、非偏波保持ファイバであり、
前記第１偏波スプリッタの前記第１後方散乱信号出力は、第１スプライス遷移によって前記第１溶融ファイバカプラの前記第１入力ファイバに接続されており、
前記第１偏波スプリッタの前記第２後方散乱信号出力は、第２スプライス遷移によって前記第２溶融ファイバカプラの前記第１入力ファイバに接続されており、
前記第２偏波スプリッタの前記第１基準信号出力は、第３スプライス遷移によって前記第１溶融ファイバカプラの前記第２入力ファイバに接続されており、
前記第２偏波スプリッタの前記第２基準信号出力は、第４スプライス遷移によって前記第２溶融ファイバカプラの第２入力ファイバに接続されている、
請求項３または４に記載の分散型センシング装置。

【請求項9】

前記第１後方散乱信号出力および前記第２後方散乱信号出力と、前記第１基準信号出力および前記第２基準信号出力とは、偏波保持ファイバを備えている、
請求項８に記載の分散型センシング装置。

【請求項10】

前記第１溶融ファイバカプラおよび前記第２溶融ファイバカプラは、非偏波保持溶融ファイバカプラを備えている、
請求項８または９に記載の分散型センシング装置。

【請求項11】

前記分散型センシング装置はさらに、前記第１溶融ファイバカプラおよび前記第２溶融ファイバカプラのうちの少なくとも一方に入力される偏波の状態を制御する１つまたは複数の偏波コントローラを備える、
請求項８～１０のいずれか一項に記載の分散型センシング装置。

【請求項12】

前記分散型センシング装置はさらに、第１コンバイナ、第２コンバイナ、および第３コンバイナを備え、
前記第１溶融ファイバカプラおよび前記第２溶融ファイバカプラはそれぞれ、前記第１コンバイナと光通信するそれぞれの第１出力を有しており、
前記第１溶融ファイバカプラおよび前記第２溶融ファイバカプラはそれぞれ、前記第２コンバイナと光通信するそれぞれの第２出力を有しており、
前記第１溶融ファイバカプラおよび前記第２溶融ファイバカプラはそれぞれ、前記第２コンバイナと光通信するそれぞれの第３出力を有している、
請求項２～５のいずれか一項に記載の分散型センシング装置。

【請求項13】

前記第１コンバイナ、第２コンバイナ、および第３コンバイナは、それぞれ偏波保持出力を有する、
請求項１２に記載の分散型センシング装置。

【請求項14】

前記結合ユニットは、第１動作軸および第２動作軸を有する溶融ファイバカプラを備えており、
前記偏波ダイバーシティ配置は、
前記基準信号に由来する前記第１信号と重ね合わせるために、前記後方散乱信号に由来する前記第１信号の偏波を前記第１動作軸に沿ってアライメントすることと、
前記基準信号に由来する前記第２信号と重ね合わせるために、前記後方散乱信号に由来する前記第２信号の偏波を前記第２動作軸に沿ってアライメントすることと
を実行するように構成されている、
請求項１に記載の分散型センシング装置。

【請求項15】

前記溶融ファイバカプラは、第１偏波保持入力ファイバと第２偏波保持入力ファイバとを有する偏波保持溶融ファイバカプラを備えている、
請求項１４に記載の分散型センシング装置。

【請求項16】

前記結合ユニットは、前記後方散乱信号を受信するための光ファイバを備えており、
前記偏波感度素子は、前記後方散乱信号を受信するための光ファイバと、前記第１偏波保持入力ファイバおよび第２偏波保持入力ファイバのうちの１つとの間のスプライス接続を備えている、
請求項１５に記載の分散型センシング装置。

【請求項17】

前記分散型センシング装置は、３つの出力偏波ビームスプリッタを備えており、
各出力偏波ビームスプリッタは、同一の溶融ファイバカプラのそれぞれの出力に光通信している、
請求項１４～１６のいずれか一項に記載の分散型センシング装置。

【請求項18】

前記結合ユニットは第１信号トリプルおよび第２信号トリプルを提供するように構成されており、
前記第１信号トリプルは、前記後方散乱信号に由来する前記第１信号と、前記基準信号に由来する前記第１信号との重ね合わせによって形成されており、
前記第２信号トリプルは、前記後方散乱信号に由来する前記第２信号と、前記基準信号に由来する前記第２信号との重ね合わせによって形成されており、
前記信号処理ユニットは、前記第１信号トリプルおよび前記第２信号トリプルに由来する情報を処理して、前記分散型センシングデータを提供するように構成されている、
請求項１～１７のいずれか一項に記載の分散型センシング装置。

【請求項19】

前記１つまたは複数の溶融ファイバカプラは、非偏波保持溶融ファイバカプラを備えている、
請求項１～１８のいずれか一項に記載の分散型センシング装置。

【請求項20】

前記結合ユニットは、ファイバ光構成要素のみで形成されている、
請求項１～１９のいずれか一項に記載の分散型センシング装置。

【請求項21】

前記１つまたは複数の溶融ファイバカプラは、１つまたは複数のＭ×Ｎ溶融ファイバカプラを備えており、Ｍは２以上であり、Ｎは３以上である、
請求項１～２０のいずれか一項に記載の分散型センシング装置。

【請求項22】

前記１つまたは複数の溶融ファイバカプラは、１つまたは複数の３×３溶融ファイバカプラを備えている、
請求項１～２１のいずれか一項に記載の分散型センシング装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、分散型センシング装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ：光学時間領域反射率測定法）は、光ファイバの環境における物理量を測定するために、検出用光ファイバに光を入射し、その後方散乱光を分析する分散型ファイバ検出法である。温度、ひずみ、振動、または音場の測定や、検出用ファイバの特性評価やモニタリング（曲げ損失や破損の局所化など）に使用される。

【0003】

既知の光学時間領域反射率測定法には、コヒーレント光学時間領域反射率測定法（Ｃ－ＯＴＤＲ）と偏波光学時間領域反射率測定法（Ｐ－ＯＴＤＲ）があり、環境変化が後方散乱光の位相（Ｃ－ＯＴＤＲ）と偏波状態（Ｐ－ＯＴＤＲ）に与える影響を利用している。

【0004】

既知の光学時間領域反射率測定法復調アルゴリズムの中には、Ｃ－ＯＴＤＲの場合、位相が１２０°離れた信号同士を備えている信号トリプルを入力とするものがある。このような信号に基づく適切な復調アルゴリズムは、当業者にはそれ自体が既知である。例えば、非特許文献１や、非特許文献２などが参考になる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】米国特許第９５４１４２５号明細書

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Ｍ．Ｄ．Ｔｏｄｄら「Ｐａｓｓｉｖｅ， ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ－ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ ２８ｔｈ Ｏｃｔｏｂｅｒ １９９９年， Ｖｏｌ．３５ Ｎｏ．２２

【非特許文献2】Ｃｈａｒｌｅｓ Ｂ． Ｃａｍｅｒｏｎら「Ａ Ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ａｎａｌｏｇｕｅ Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ Ｓｅｎｓｏｒｓ」、[１９９１年] Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ３４ｔｈ Ｍｉｄｗｅｓｔ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ

【非特許文献3】Ａ．ＧａｌｔａｒｏｓｓａおよびＬ．Ｐａｌｍｉｅｒｉ、ＯＦＳ－２５、ＳＰＩＥ論文１０３２３－５６４、２０１７年

【非特許文献4】Ｘｉａｎｇ Ｚｈｏｎｇら，「Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｓｏｕｒｃｅ ｏｎ Ｐｈａｓｅ－ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ－ｂａｓｅｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｉｎｔｒｕｓｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ」， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｖｏｌ ５３， Ｉｓｓｕｅ ２１， ｐｐ．４６４５－４６５０ （２０１４年）

【非特許文献5】Ｐ．Ｊ． Ｒｅｙｅｓ－Ｉｇｌｅｓｉａｓら，「Ｃｏｌｏｒｌｅｓｓ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃａｌｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ １２０° ｄｏｗｎｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」，Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ， Ｖｏｌ．２１， Ｉｓｓｕｅ ２０， ｐｐ．２３０４８－２３０５７ （２０１３年）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

分散型センシング装置を改善する余地がある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本明細書では、ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ：光学時間領域反射率測定法）またはＯＦＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ：光学周波数領域反射率測定法）に基づく分散型センシング装置を提供する。本装置は、光源と、該光源と光通信する光スプリッタであって、第１出力および第２出力を有する光スプリッタと、該光スプリッタの第１出力と光通信する検出ファイバと、該光スプリッタの第２出力に由来する基準信号と該検出ファイバに由来する後方散乱信号とを結合するように配置された結合ユニットと、を備える。結合ユニットは、１つまたは複数の溶融ファイバカプラ（ｆｕｓｅｄ ｆｉｂｒｅ ｃｏｕｐｌｅｒｓ）を備えている。

【0009】

分散型検出装置は、１つまたは複数の偏波感度素子を備える偏波ダイバーシティ配置を備えている。偏波ダイバーシティ方式は、後方散乱信号に由来する第１信号の偏波を、基準信号に由来する第１信号にアライメントするように構成されている。偏波ダイバーシティ方式はさらに、後方散乱信号に由来する第２信号の偏波を、基準信号に由来する第２信号にアライメントするように構成されている。

【0010】

結合ユニットは、少なくとも３つの出力を備えていてもよい。分散型センシング装置は、分散型センシングデータを提供するように、少なくとも３つの出力に由来する情報を処理するように構成された信号処理ユニットを備えてもよい。いくつかの実施形態では、結合ユニットは、６つの出力を備えていてもよい。

【0011】

いくつかの実装では、１つまたは複数の溶融ファイバカプラは、少なくとも３つの出力を有する溶融ファイバカプラを備えてもよい。溶融ファイバカプラは、カプラの第２出力と第１出力との間に位相シフト（例えば１２０°の位相シフト）を提供し、カプラの第２出力と第３出力との間に位相シフト（例えば１２０°の位相シフト）を提供するように構成されてもよい。いくつかの実装では、１つまたは複数の溶融ファイバカプラは、３つの出力を有する第１溶融ファイバカプラと、３つの出力を有する第２溶融ファイバカプラとを備えていてもよい。第１溶融ファイバカプラは、出力間の位相シフト（例えば１２０°の位相シフト）を提供するように構成されていてもよく、第２溶融ファイバカプラは、出力間の位相シフト（例えば１２０°の位相シフト）を提供するように構成されていてもよい。

【0012】

したがって、結合ユニットは、少なくとも１つの信号トリプルを提供してもよいことが理解されるであろう。いくつかの実施形態では、結合ユニットは、第１信号トリプルおよび第２信号トリプルを提供してもよい。

【0013】

様々な実施形態において、１つまたは複数の溶融ファイバカプラは、１つまたは複数のＭ×Ｎ溶融ファイバカプラを備えている。Ｍ×Ｎ溶融ファイバカプラは、Ｍ個の入力とＮ個の出力を有する溶融ファイバカプラである。Ｍは２以上であってもよく、Ｎは３以上であってもよい。

【0014】

いくつかの例では、１つまたは複数の溶融ファイバカプラは、１つまたは複数の３×３溶融ファイバカプラを備える。３×３溶融ファイバカプラは、３つの入力と３つの出力を持つように形成された溶融ファイバカプラである。いくつかの実装では、３×３溶融ファイバカプラの入力のすべてが使用されるとは限らず、例えば、本明細書で説明するいくつかの実装では、３×３溶融ファイバカプラの入力のうち２つのみが実際に使用される。

【0015】

いくつかの実装では、３つよりも多くの出力、例えば６つの出力（すなわち、Ｎは６に等しい）を有し、出力間で６０°の位相シフトを有するＭ×Ｎ溶融ファイバカプラを採用することができる。

【0016】

様々な実施形態において、結合ユニットは、第１信号トリプルおよび第２信号トリプルを提供するように構成されており、第１信号トリプルは、後方散乱信号に由来する第１信号と、基準信号に由来する第１信号との重畳によって形成され、第２信号トリプルは、後方散乱信号に由来する第２信号と、基準信号に由来する第２信号との重畳によって形成されている。信号処理ユニットは、分散型センシングデータを提供するように、第１信号トリプルおよび第２信号トリプルに由来する情報を処理するように構成されてもよい。Ｃ－ＯＴＤＲの場合、復調アルゴリズムが各偏波トリプルに対して個別に実行され、結果として得られた位相情報が結合（例えば、追加）されることがある。また、各偏波の位相データに対してさらなる処理（例えば、時間的または空間的な平滑化、ノイズ帯域幅のフィルタリング、または時間領域データのスペクトル分析）が行われてもよく、これらの処理ステップの結果が組み合わされて（例えば追加されて）もよい。

【0017】

様々な実施形態では、第１信号トリプルおよび第２信号トリプルは、一緒になって、３つの信号ペアを定義し、各ペア内の信号は、直交する偏波を有する信号に由来するものである。

【0018】

本明細書では、ＰＭ（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ－ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ）という用語は偏波保持を意味し、ＰＭＦという用語は偏波保持光ファイバを意味する。一方、ＳＭＦという用語は、偏波保持型ではないシングルモード光ファイバを意味する。同様に、本明細書において、例えばカプラやスプリッタなどのデバイスを説明するために使用されるＳＭ（シングルモード）という用語は、そのデバイスが偏波保持ではないことを意味している。

【0019】

当業者であれば理解できるように、本明細書で使用される「光」（ｌｉｇｈｔ）という用語は、可視光に限定されるものではなく、代わりに以下のような任意の適切な電磁放射を含んでいる。赤外線（近赤外光、遠赤外光を含む）、可視光、紫外線など、あらゆる適切な電磁放射が含まれる。同様に、本明細書で使用されている用語「光学」（オプティカル）は、電磁スペクトルの可視部分のみに関連すると理解すべきではなく、代わりに、可視か否かにかかわらず、任意の適切な波長の光に関連する。

【0020】

本発明をより容易に理解できるように、以下、その実施形態を添付の図面を参照して説明する。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ：光学時間領域反射率測定法）に基づく分散型センシング装置の一例を示す。

【図2】ヘテロダイン受信機の光学的方式の一例を示す。

【図3】図２の光学的方式の任意の拡張例を示す図である。

【図4】ヘテロダイン受信機の光学系の別の例を示す図である。

【図5】ヘテロダイン受信機の光学的方式のさらに別の例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0022】

同様の参照番号は、図面全体で同様の要素を示すことに注意されたい。
本明細書に記載されている様々な実装は、分散型センシングのためのコヒーレント検出を利用すると同時に、偏波フェージングや、強い局部発振器（ＬＯ）の相対強度ノイズ（ＲＩＮ）の影響などの欠点を回避する。

【0023】

ＯＴＤＲ（光学時間領域反射率測定法）を用いた分散型センシング装置の一例を図１に示す。示すようにこの装置は、レーザなどの狭帯域光源の形をした光源１０１と、光スプリッタ１０２と、検出ファイバ１０７と、受信機１０９と、受信機１０９の出力を電気信号に変換して当該電気信号をデジタル化するための変換およびデジタル化装置１１１と、信号処理ユニット１１３とを備えている。様々な実施形態において、スプリッタ１０２は、光ファイバスプリッタを備えていてもよい。

【0024】

図１の実装では、レーザ光源１０１の連続波（ｃｗ）出力を光スプリッタ１０２で分割するコヒーレント検出方式を採用している。分割比は、レーザ１０１の出力パワー、局部発振信号（ＬＯ）１０３の必要な光パワー、および上部光路１０４の必要な光パワーに応じて選択することができる。この上部光路１０４の光は、光変調器１０５によって光パルスを形成するように整形される。この光変調器１０５は、任意に周波数シフトを導入してもよい。光増幅器（図示せず）は、任意に、パルスパワーを強化してもよい。光サーキュレータ１０６は、パルスを検出ファイバ１０７に発射し、前方に伝搬する光パルスのごく一部が散乱され、再捕捉された後、後方に伝搬する。

【0025】

後方散乱された光信号１０８（Ｂ）は、例えば１０μｓ／ｋｍの遅延でサーキュレータに到着し、受信機１０９に方向転換される。受信機１０９のための異なる例示的な光学方式を、図２～図５を参照して以下に説明するが、これらは、検出における偏波ダイバーシティと、局部発振信号ＬＯおよび後方散乱光信号Ｂの重ね合わせとを達成するために使用することができる。これらおよび他の様々な例示的な実装において、受信機１０９における局部発振信号ＬＯと後方散乱信号Ｂの重ね合わせは、標準的な溶融ファイバ光学系、特に１つまたは複数の溶融ファイバ３×３カプラのみを使用して達成される。このようなカプラは、出力間に１２０°の位相シフトを持つ１：１：１の分割比を有してもよい。

【0026】

受信機１０９は、図１～図５を参照して以下で詳細に説明するように、採用される光学方式に応じて、３つまたは６つの出力を有することができる。出力は、図１のライン１１０で表されている。

【0027】

信号１１０は、変換およびデジタル化装置１１１を用いて、時分割で電気信号１１２に変換される。この変換およびデジタル化装置１１１は、フォトダイオードを備えており、任意に増幅ステージまたは帯域フィルタが続く。変換およびデジタル化装置１１１はさらに、電子信号をデジタル化するためのアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）を備えている。

【0028】

変換およびデジタル化装置１１１によって生成されるデジタル信号１１２の数は、採用される光学方式に応じて、３つまたは６つのいずれかであってよい。これらのデジタル信号は、図１ではライン１１２として描かれている。

【0029】

デジタル信号１１２は、信号処理ユニット１１３（例えば、ＦＰＧＡ、ＣＰＵなどのマイクロプロセッサ）に入力される。ここでは、記録された後方散乱データを慎重に分析することで、検出ファイバ１０７の環境における物理量の分散型センシングが達成される。Ｃ－ＯＴＤＲに基づく例示的な実装に関連して、受信したデジタル信号１１２に基づいて分散型センシングデータを提供するための適切な復調アルゴリズムは、当業者にはそれ自体既知であり、ここでは説明しない。

【0030】

［実施例］
図１に示すように、光学時間領域反射率測定法ＯＴＤＲ方式は、偏波ダイバーシティおよびコヒーレント検出に適合した受信機１０９の形態の結合ユニットを備えていることができる。以下の様々な実施例を説明する際に、受信機１０９は、光「ヘテロダイン」受信機１０９と呼ばれることがある。その際、後方散乱信号Ｂと局部発振信号ＬＯの周波数がシフト／相違していてもよいし、それらが等しくてもよいことが理解されるであろう。後者の場合、検出方式はホモダインと呼ばれることもある。しかし、本明細書では、両方のオプション（すなわち、周波数シフトの有無）は、ヘテロダインという用語に含まれる。このような検出方式は、本明細書では、代替的かつ等価的に「コヒーレント検出」方式と呼ばれることがある。

【0031】

光ヘテロダイン受信機１０９の第１実施形態が図２に描かれている。後方散乱された光信号（Ｂ）１０８を備えているシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）２０１は、後方散乱信号Ｂを、直交する線形偏波状態（ＳＯＰ：Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）Ｂ－１＿２０３とＢ－２＿２０４を持つ２つの偏波成分に分割するファイバ光偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２０２に接続されている。偏波フェージングによって後方散乱信号Ｂの偏波状態ＳＯＰが変化するため、第１偏波成分Ｂ－１と第２偏波成分Ｂ－２の光パワーは一定ではなく相補的であり、偏波ビームスプリッタＰＢＳにおけるそれぞれの偏波方向に平行に偏波している後方散乱信号Ｂの割合を反映している。偏波ビームスプリッタＰＢＳは、第１偏波成分Ｂ－１と第２偏波成分Ｂ－２をそれぞれ備えている２本の出力偏波保持ファイバ（ＰＭＦ）２０３と２０４を備えている。

【0032】

次のステップでは、第１偏波成分Ｂ－１は溶融偏波保持型（ＰＭ）３×３カプラ２０５に導かれ、第２偏波成分Ｂ－２は偏波保持ＰＭ溶融型３×３カプラ２０６に導かれる。各カプラは１つの動作軸（Ｗｏｒｋｉｎｇ ａｘｉｓ）で機能しており、すなわち偏波保持光ファイバＰＭＦの他の軸の光は１：１：１の比率と出力間で１２０°の位相シフトとでは分割されない。２０３と２０４は偏波保持光ファイバＰＭＦなので、第１偏波成分Ｂ－１と第２偏波成分Ｂ－２の偏波状態ＳＯＰは伝搬中には変化せず、偏波保持光ファイバＰＭＦの遅軸（ｓｌｏｗ軸）または速軸（ｆａｓｔ軸）に収められる。融合３×３カプラ２０５、２０６は、入力偏波保持光ファイバＰＭＦ２０３、２０４の対応する動作軸で動作するように設計されている。

【0033】

局部発振信号ＬＯ１０３は、光ファイバ２０７で受信され、ヘテロダイン検出のためにＢ－１、Ｂ－２と重ね合わせされる２つの成分を作成するために、分割構成要素２０８に導かれる。

【0034】

ここで、２つのバージョンを区別する必要がある。第１バージョンでは、局部発振信号ＬＯ１０３を備えている偏波保持光ファイバＰＭＦ２０７が、１：１の分割比を持つ光偏波保持ＰＭスプリッタ２０８に接続されている。カプラは、偏波保持光ファイバＰＭＦ２０７の対応する動作軸上で動作する。好ましい分割比は、２つの溶融３×３カプラに局部発振信号ＬＯパワーを均等に分配するために、１：１である。しかし、他の分割比を選択してもよい。第２バージョンでは、２０８は、入力ファイバの動作軸が偏波ビームスプリッタＰＢＳの直交偏波方向同士に対して４５°にアライメントされた偏波ビームスプリッタＰＢＳである。

【0035】

どちらのバージョンも、局部発振信号ＬＯ１０３の光パワーを、２つの信号である第１局部発振信号ＬＯ－１と第２局部発振信号ＬＯ－２に分割するというタスクを達成し、第１局部発振信号ＬＯ－１と第２局部発振信号ＬＯ－２のそれぞれは偏波保持光ファイバＰＭＦ２０９と偏波保持光ファイバＰＭＦ２１０によって３×３カプラ２０５と２０６に向けられる。ここでも、偏波状態ＳＯＰは保持される。なお、偏波保持ファイバ２０３、２０４、２０９、２１０の動作軸は同一であり、３×３カプラ２１１、２１２の第３入力ポートは使用されていない。

【0036】

偏波ダイバーシティヘテロダイン検出は、３×３カプラにおける信号ペア（第１偏波成分Ｂ－１、第１局部発振信号ＬＯ－１）および（第２偏波成分Ｂ－２、第２局部発振信号ＬＯ－２）の重ね合わせによって達成される。このようにして、任意の偏波状態ＳＯＰの受信された後方散乱光は、信号強度を損なうことなく、局部発振信号ＬＯの対応する部分と重ね合わされる。直交する２つの偏波状態ＳＯＰのそれぞれについて３つの出力信号が生成され、合計６つの出力偏波保持光ファイバＰＭＦ２１３、２１４、２１５、２１６、２１７、２１８は、出力信号を次のセクション１１１に導く。

【0037】

本明細書では、６つの出力信号をＨ－ｐｑとラベル付けし、ｐ＝１，２は２つの直交偏波状態ＳＯＰを区別し、ｑ＝１，２，３の状態は３×３カプラの３つの出力を意味する。信号トリプル（Ｈ－１１，Ｈ－１２，Ｈ－１３）および（Ｈ－２１，Ｈ－２２，Ｈ－２３）は、それぞれＣ－ＯＴＤＲまたはＰ－ＯＴＤＲ（復調、偏波状態ＳＯＰ変化の分析、後述する相対強度ノイズＲＩＮの抑制）を実行するのに適している。

【0038】

図２の実施形態を任意に拡張したものを図３に示す。この拡張機能は、後方散乱信号の全パワーのみが分散型センサの関心事である場合に使用することができる。この場合、図３に示す光学方式を使用して、検出および処理が必要な光信号の数を減らすことができる。また、図３の光学的方式は、相対強度ノイズＲＩＮの抑制にも利用できる。

【0039】

信号ペア（Ｈ－１１，Ｈ－２１）、（Ｈ－１２，Ｈ－２２）、および（Ｈ－１３，Ｈ－２３）はそれぞれ、偏波状態ＳＯＰが直交するが位相シフトが同じ（０°、１２０°、または２４０°）である２つの信号を備える。これらの信号は、それぞれ偏波保持ＰＭの偏波ビームスプリッタＰＢＳ３０１，３０２，または３０３のいずれか一つに入射し、入力偏波保持光ファイバＰＭＦの遅軸で偏波ビームスプリッタＰＢＳに入射した光は出力ファイバ３０４，３０５，３０６で結合される。

【0040】

ここで、２つのバージョンを区別することができる。第１バージョンでは、ファイバ３０４、３０５、３０６は偏波保持光ファイバＰＭＦであり、それぞれが信号ペア（Ｈ－１１，Ｈ－２１）、（Ｈ－１２，Ｈ－２２）、（Ｈ－１３，Ｈ－２３）のうちの１つを含んでおり、各信号は偏波保持光ファイバＰＭＦの主軸の１つに別々に導かれる。第２バージョンでは、ファイバ３０４、３０５、３０６はシングルモード光ファイバＳＭＦであり、それぞれが各ペアの２つの信号のベクトル和を含んでいる。どちらのバージョンでも、２つの信号の和はフォトダイオードによって検出され、分散型センシングに使用される。

【0041】

図４は、光ヘテロダイン受信機１０９の光学方式の別の例を示している。この例では、３×３カプラ４０３を１つだけ使用している。
図４に示すように、後方散乱信号Ｂは、シングルモード光ファイバＳＭＦ２０１からスプライス接続４０２を介して偏波保持光ファイバＰＭＦ４０１に伝送される。このとき、偏波保持光ファイバＰＭＦ４０１の偏波状態ＳＯＰがスプライス接続４０２の主軸の一方に完全に一致していないと、光パワーはスプライス接続４０２の両軸に結合される。その結果、偏波保持光ファイバＰＭＦ４０１内の後方散乱信号Ｂの変化する偏波状態ＳＯＰは、スプライス接続４０２の速軸と遅軸の変化するパワーレベルに変換される。信号Ｂ－１およびＢ－２は、それぞれ一方の軸に導かれる。

【0042】

偏波保持光ファイバＰＭＦ２０７には、両方の軸に、すなわち第１局部発振信号ＬＯ－１と第２局部発振信号ＬＯ－２に、同量の局部発振信号ＬＯ光が含まれていることが望ましい。後方散乱信号Ｂと局部発振信号ＬＯのヘテロダインは、十分に低いクロストークで両軸で機能する溶融偏波保持光ファイバＰＭＦ３×３カプラ４０３で行われる。つまり、入力ファイバの遅軸の光は、他の遅軸からの光とのみ重なり、速軸ではその逆となる。要するに、このカプラ４０３は、２つの溶融３×３カプラを１つのデバイスに統合したものである。なお、カプラ４０３の入力ポート４０４は未使用である。

【0043】

３つの出力偏波保持光ファイバＰＭＦ３０４、３０５、３０６はそれぞれ、信号ペア（Ｈ－１１、Ｈ－２１）、（Ｈ－１２、Ｈ－２２）、（Ｈ－１３、Ｈ－２３）のうち１つを備えており、各信号は偏波保持光ファイバＰＭＦの主軸の１つに導かれる。後方散乱信号Ｂの合計パワーのみが注目される場合には、各ペアの信号の合計を検出することができる。

【0044】

後方散乱信号Ｂの両方の偏波成分が必要な場合には、出力偏波保持光ファイバＰＭＦ３０４、３０５、３０６はそれぞれ偏波ビームスプリッタＰＢＳ４０５、４０６、４０７に接続される。ここで、信号ペアは分割され、各信号は偏波保持光ファイバＰＭＦ２１３～２１８のいずれか一つの主軸に別々に出射される。６つの別々の信号は、１つの溶融ファイバ３×３カプラを用いた偏波多様（ダイバース）ヘテロダイン検出を構成し、上で概説したように分散型センシングに利用することができる。

【0045】

図５は、光ヘテロダイン受信機１０９の別の実施形態を示している。この例では、ヘテロダイン検波のために、低コストで性能の良い溶融シングルモード光ファイバＳＭＦ３×３カプラを採用している（後述）。直交する２つの偏波信号Ｂ－１とＢ－２への後方散乱信号Ｂの分割は、構成要素２０１～２０４を用いて図２と同じように行われる。

【0046】

局部発振信号ＬＯ１０３は、本実施形態の異なるバージョンでは、異なる分割を行ってもよい。第１バージョンでは、シングルモード光ファイバＳＭＦ５０１は、第２光シングルモードＳＭスプリッタ５０２に接続される局部発振信号ＬＯ１０３を備えている。好ましい分割比は、２つの溶融３×３カプラに局部発振信号ＬＯ電力を均等に分配するために、１：１である。しかし、他の分割比を選択してもよい。第２スプリッタ５０２の出力は、シングルモード光ファイバＳＭＦ５０３と５０４で構成されている。第２バージョンおよび第３バージョンは、図２の議論で提示された局部発振信号ＬＯ１０３を分割する２つの互いに異なるバージョンと同一である。特に、第２バージョンおよび第３バージョンでは、ファイバ５０１、５０３、および５０４は、偏波保持光ファイバＰＭＦを備える。第２バージョンでは、第２スプリッタ５０２は、偏波保持ＰＭスプリッタで構成されている。第３バージョンでは、第２スプリッタ５０２は偏波ビームスプリッタＰＢＳで構成されている。

【0047】

３つのバージョンとも、局部発振信号ＬＯ＿１０３の光パワーを２つの信号としての第１局部発振信号ＬＯ－１と第２局部発振信号ＬＯ－２に分割するというタスクを達成し、これらの信号は溶融シングルモード光ファイバＳＭＦの３×３カプラ５０５，５０６に導かれる。したがって、局部発振信号ＬＯと後方散乱信号Ｂは、シングルモード光ファイバＳＭＦ入力５０７、５０８、５０９、５１０、５１１、５１２（５０７と５１２は未使用）を構成する溶融シングルモード光ファイバＳＭＦ３×３カプラ５０５、５０６において重畳される。

【0048】

ここで、図５の上側の枝（第１カプラ５０５）を参照して、溶融シングルモード光ファイバＳＭＦ３×３カプラ５０５と５０６で偏波多様（ダイバース）なヘテロダインを確保するための解決策を説明する。この手順は、第２カプラ５０６に接続された下側の枝にも同様に適用される。偏波保持光ファイバＰＭＦ２０３は、偏波保持光ファイバＰＭＦからシングルモード光ファイバＳＭＦへのスプライス遷移を構成する構成要素５１３を介して、シングルモード光ファイバＳＭＦ５０８に接続されている。シングルモード光ファイバＳＭＦ５０８では、複屈折によって、第１カプラ５０５への伝搬中に第１偏波成分Ｂ－１の偏波状態ＳＯＰが変化し、第１カプラ５０５で第１偏波成分Ｂ－１の偏波状態ＳＯＰが未定義になる可能性がある。しかし、環境的な影響が設定を妨げない限り、偏波状態ＳＯＰは変化しない。第１偏波成分Ｂ－１と重畳されるべき第１局部発振信号ＬＯ－１は、構成要素５１４を介してシングルモード光ファイバＳＭＦ５０９に伝送される。光方式の第２バージョンおよび第３バージョン（上記参照）では、偏波保持光ファイバＰＭＦからシングルモード光ファイバＳＭＦへのスプライス遷移を構成する構成要素５１４も提供されてもよい。この場合も、第１カプラ５０５における第１局部発振信号ＬＯ－１の偏波状態ＳＯＰは未定義であるが、固定されていてもよい。

【0049】

第１偏波成分Ｂ－１および第１局部発振信号ＬＯ－１の平行偏波を保証するために、構成要素５１３および／または５１４は、本明細書では偏波コントローラＰＣと呼ばれる、伝播する光の偏波状態ＳＯＰを制御する装置または配置をさらに備えてもよい。５１３または５１４のいずれかの偏波コントローラＰＣを使用して、第１偏波成分Ｂ－１および第１局部発振信号ＬＯ－１の偏波状態ＳＯＰは、可能な限り最大のヘテロダイン効果を得るために、すなわち、θをゼロに調整することによって以下の式（１）の右項を最大にするために、一致させることができる。ここで強調しておきたいのは、偏波コントローラＰＣを使用せずに、ホモダイン信号トリプル（Ｈ－１１，Ｈ－１２，Ｈ－１３）および（Ｈ－２１，Ｈ－２２，Ｈ－２３）の強度は、それぞれ第１カプラ５０５および第２カプラ５０６における４つの信号の任意の偏波方向によって決定されるということである。それぞれの具体的な構成に応じて、同じ実施形態の個々の互いに異なるユニットは互いに異なる性能を発揮する。ヘテロダイン信号の強さが消えてしまい、分散型のセンシングができなくなる可能性がある。

【0050】

使用され得る偏波コントローラＰＣの例としては、裸のファイバまたはジャケットファイバが圧力および回転にさらされる手動の偏波コントローラなどが挙げられるが、手動の偏波コントローラに限定されない。この種の偏波コントローラＰＣは、構成要素５１３の後ろのシングルモード光ファイバＳＭＦ５０８を回転させたり、構成要素５１３の前の偏波保持光ファイバＰＭＦ２０３を回転させたり、構成要素５１３内のスプライス遷移を回転させたりすることができる自作の装置である可能性が非常に高い。代替的または追加的に、回転可能なインライン偏波子を採用して、偏波コントローラＰＣとスプライス遷移を組み合わせて機能させることもできる。電子的または熱的に制御された偏波コントローラＰＣも可能である。

【0051】

ペア（５１３，５１４）および（５１５，５１６）の各１つを備えている４つの構成要素５１３～５１６のうちの合計２つは、複数の溶融シングルモード光ファイバＳＭＦ３×３カプラを用いた光偏波ダイバーシティおよびホモダイン検出のための偏波コントローラＰＣを備えていてもよい。６つの出力信号Ｈ－ｐｑは、シングルモード光ファイバＳＭＦ５１７～５２２に含まれる。

【0052】

図３に示した実施形態との類似性によって、後方散乱信号Ｂの全パワーのみがデータ処理の対象となる場合には、図５に示した実施形態の拡張が可能であることに気付く。この場合、シングルモード光ファイバＳＭＦ出力５１７～５２２と、その結果としての偏波ビームスプリッタＰＢＳ３０１～３０３の入力ファイバへのシングルモード光ファイバＳＭＦから偏波保持光ファイバＰＭＦへの遷移とのために、図３に示された光学的セットアップを変更することができる。偏波ビームスプリッタＰＢＳ３０１～３０３の各入力脚に別の構成要素５１３～５１６を追加すると、第１カプラ５０５および第２カプラ５０６の６つの出力信号すべてを偏波ビームスプリッタＰＢＳ３０１～３０３の適切な主偏波軸へと打ち出すために、シングルモード光ファイバＳＭＦ出力５１７～５２２の偏波状態ＳＯＰを調整する機会が得られる。これによって、図３の拡張機能は、溶融シングルモード光ファイバＳＭＦ３×３カプラに基づいて図５の実施形態に適用することができる。

【0053】

［実施例のまとめ］
前述から理解されるように、様々な実施形態は、溶融ファイバ光構成要素に基づくパッシブ偏波ダイバーシティ方式を提供し、同時に少なくとも１つの溶融３×３カプラを使用してヘテロダイン検出を行う。これによって、複数の問診パルスを必要とすることなく、偏波フェージングの問題を解決することができる。

【0054】

このように、様々な実施形態では、少なくとも１つのシングルモードＳＭまたは偏波保持ＰＭの溶融３×３カプラ、標準的な低コストのファイバ光構成要素、およびシングルエンドの検出チャネルのみを使用して、ヘテロダイン検出と組み合わせた偏波ダイバーシティ検出を提供している。このため、本実施形態では、後方散乱信号Ｂおよび局部発振信号ＬＯの適切な構成要素を生成し、溶融３×３カプラでの重ね合わせ時に後方散乱信号Ｂおよび局部発振信号ＬＯの偏波状態ＳＯＰ（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を一致させるためのさまざまなソリューションを提供している。

【0055】

様々な実装は、特に分散型音響センシング（ＤＡＳ）に適用することができるが、それだけではない。分散型音響センシング（ＤＡＳ）では、検出ファイバの近傍における音響または振動の摂動を監視し、その大きさと周波数を特徴付けることができる。分散型音響センシングＤＡＳの利点は、３×３カプラのヘテロダイン出力信号が、復調方式や、音響摂動の周波数を明確に決定するのに有益であることである。分散型音響センシングＤＡＳシステムは、パイプライン、ボーリング、電力ケーブル、道路や鉄道の監視、資産や国境の監視などの用途で、音響や振動の摂動を分散してセンシングすることがよく行われる。

【0056】

さらに、様々な実施形態は、後方散乱光の強度のみを、または後方散乱光の偏波状態（ＳＯＰ）を、またはその両方の組み合わせを分析することで、温度、歪み、または光ファイバの状態を監視する目的にも適用可能である。いくつかの実施形態では、ポラリメトリ解析は、磁場、応力、曲げ、または捩りによって誘発される複屈折の測定に使用することができる。非特許文献３を参照されたい。

【0057】

様々な実施形態では、全後方散乱信号パワーに含まれるか、または互いに異なる偏波について別々に検出された複数の後方散乱パワーに含まれる、所望の量を測定するために必要な情報は、古典的ＯＴＤＲまたは偏波－ＯＴＤＲに適用される（位相に関する情報を持つ必要がない場合には、復調の必要がないことに注意）。全後方散乱パワーが十分な場合、提案された方式の修正された実施形態を採用することができ、３つの信号のみを検出し、デジタル化し、処理する必要があるため、パッシブな偏波ダイバーシティ検出を確保しつつ、電子機器およびデータ処理のリソースを節約することができる。

【0058】

さらに、様々な実装では、検出された信号からレーザ相対強度ノイズＲＩＮを効果的に除去するために、３×３カプラに固有の信号を提供している。バランス型受信機とは対照的に、３×３カプラの適切な３つの出力信号を組み合わせることで、デジタルデータ処理において相対強度ノイズＲＩＮを除去することができる。

【0059】

［総論］
上述したように、本明細書に記載されている様々な方法は、光学時間領域反射率測定法ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）に基づく分散型センシングに関するものであり、この方法では、１つまたは複数の問診パルスが検出ファイバに注入され、後方散乱光が、到着時間、強度、偏波および／または位相に関して分析される。ＯＴＤＲの一般的な原理は、当業者にはよく知られているため、ここでは詳細な説明を省略する。

【0060】

様々な実施形態では、ヘテロダイン検出方式が採用されており、後方散乱信号（Ｂ）は、Ｍ×Ｎカプラ内（例えば、光カプラ装置内、またはＭ×Ｎ光ハイブリッドカプラ内）の光局部発振器（ＬＯ）と重畳される。ここで、Ｍはカプラへの入力の数であり、Ｎは出力の数である。後方散乱信号Ｂと局部発振信号ＬＯの重ね合わせには、２以上のＭが使われることがある。

【0061】

ヘテロダイン検出にはいくつかの利点があるが、同時に、センサファイバ全体に分散したセンサを常に良好に動作させることや検出距離を長くすることを妨げる欠点もある。これらのトレードオフについては、以下のセクションで詳しく説明する。様々な実施形態は、利点を保持しつつ、ヘテロダイン検出の複数の問題に対する解決策を提供する。

【0062】

後方散乱信号Ｂと局部発振信号ＬＯの周波数は、シフトしていても、異なっていてもよいし、同じであってもよい。後者の場合、検出方式はホモダインと呼ばれることもある。しかし、本明細書では、両方のオプション（すなわち、周波数シフトが有る場合と無い場合）をヘテロダインという用語に含めている。

【0063】

局部発振信号ＬＯと後方散乱信号Ｂの重畳による光パワーは、次のように表すことができる。
式（１）：Ｐ_Ｈ＝Ｐ_ＬＯ＋Ｐ_Ｂ＋（２√（Ｐ_ＬＯＰ_Ｂ））ｃｏｓ（φ）ｃｏｓ（θ）。

【0064】

ここで、Ｐ_ＬＯとＰ_Ｂはそれぞれ、局部発振信号ＬＯと後方散乱信号Ｂの光パワーである。右辺の項は、２つの入力光電界の重ね合わせによって作られ、通常、分散型センシングの基礎となる。コサイン関数の引数は、局部発振信号ＬＯと後方散乱信号Ｂとの間の位相差φ（光カプラによって導入される位相シフトを含む）、および局部発振信号ＬＯと後方散乱信号Ｂとの間の２つの偏波方向の間の角度θである。

【0065】

ヘテロダイン検出の利点と欠点のいくつかについては、次の段落で詳しく説明する。
［偏波ダイバーシティ検出］
ヘテロダイン信号は、後方散乱信号Ｂと局部発振信号ＬＯの間の偏波の相対的な角度θに本質的に敏感である。重ね合わせ時には、平行偏波の信号成分のみが検出される。この事実によって、偏波ＯＴＤＲでは、検出ファイバの妨害が局所的にファイバの複屈折を変化させ、それによって後方散乱光の偏波状態ＳＯＰを変化させるため、検出ファイバの妨害が検出されやすくなる。しかし、この方式では、従来技術でしばしば発生していた「偏波フェージング」という重大な問題がある。

【0066】

自然に発生するひずみ誘起複屈折によって、問診光パルスと後方散乱光の偏波状態ＳＯＰは、ファイバ内を伝搬する間に変化する。ファイバの一部は、局部発振信号ＬＯの偏波状態ＳＯＰに対してほぼ直交する偏波状態ＳＯＰを持つ後方散乱光を発する。このような場合、後方散乱光に関する情報は失われる。偏波フェージングの結果、信号品質の低い部分が生じ、最終的には環境量の信頼できる測定ができない盲点となる。これは、国境監視や資産保護などのセキュリティアプリケーションにとって、特に有害な問題である。

【0067】

従来、この問題に対処するためには、初期偏波状態ＳＯＰ、周波数、または問診パルスの位相シフトを変えて問診を行い、その結果を平均化したり、組み合わせたりしていた。しかし、この方法では、センサファイバの特性を完全に把握するために必要な測定回数が通常２倍になってしまう。分散型音響センシングＤＡＳアプリケーションで偏波フェージングにこの方法で取り組むと、外部摂動の最大検出可能な音響周波数は、問診レートの４分の１にしかならない。

【0068】

本明細書に記載されている様々な実施形態では、偏波ダイバーシティ配置を実施することができる。ここでは、後方散乱信号が２つ（またはそれ以上）の互いに異なる偏波成分に分割され、それらは適切に偏波した局部発振信号ＬＯで干渉される。結果として生じる複数のヘテロダイン信号は別々に検出され、各偏波に対して１つの別々の後方散乱信号となる。偏波フェージングを除去するために、これらの信号を組み合わせて、検出ファイバのすべてのポイントから後方散乱信号をシームレスに再構成することができる。このようにして、１つの問診パルスだけで完全な信号を捉えることができる。

【0069】

［位相復調と周波数情報］
重畳された信号は、後方散乱光の直接検出の状況とは異なり、後方散乱信号Ｂと局部発振信号ＬＯとの間の位相φに敏感である。この事実を利用したシステムは、コヒーレントＯＴＤＲ（Ｃ－ＯＴＤＲ）と呼ばれている。

【0070】

分散型音響センシングＤＡＳアプリケーションでは、事象のアラームや分類、あるいはその他の詳細な分析を行うために、外部摂動の周波数スペクトルを正しくモニターすることが必要になることがよくある。しかし、ほとんどのダイレクトＯＤＴＲシステムでは、後方散乱光のパワーのみが分析されるため、位相情報が失われてしまう。一方、Ｃ－ＯＴＤＲでは、局部発振信号ＬＯとの重ね合わせによって周波数分析が可能である。これは、音響的な摂動が後方散乱光に位相変化を与え、その変化は摂動の大きさと周波数に線形に依存するためである。しかし、後方散乱信号の強度は、外部からの音響摂動の時間的変化に線形に追従しない。このような場合、課せられた位相変化と計測された信号強度との間には非線形の伝達関数が存在するため、パワーデータの周波数情報が損なわれてしまう。摂動の大きさにかかわらず、正しい周波数情報を得るためには、後方散乱光の元の位相変化を出力する復調方式を実装することができる。この情報は、音響／振動現象の真の周波数スペクトルを得るために使用できる。

【0071】

復調方式を実行するために、本明細書で説明したように、適切な信号を生成してもよい。盲点は、分散型センシングのほとんどのアプリケーションにおいて深刻な問題を構成するため、ここで説明する実施形態では、そのような信号は、偏波ダイバーシティ方式と組み合わせて作成される。

【0072】

様々な実装では、１つまたは複数の３×３光カプラの使用が説明されている。復調は、直交ＩＱ復調（特許文献１を参照）の代わりに、結果として得られる３つの出力信号に基づいて実行されてもよい。この方法では、信号のフェージングが少なく、複雑なフリンジカウントアルゴリズムを必要とせず、光学構成要素の不完全性の影響を受けにくい。

【0073】

上述したように、復調方式では、互いに１２０°位相をずらした３つの信号を必要とする場合がある。これらの信号は、分割比が１：１：１の対称的な３×３カプラによって生成されてもよい。特に、ここで説明する３×３カプラは、第１出力、第２出力、および第３出力を備えてもよく、第２出力と第１出力の間には１２０°の位相シフトがあり、第２出力と第３出力の間には１２０°の位相シフトがある。

【0074】

溶融ファイバカプラを採用した本明細書に記載の実施形態は、ハイブリッド光受信機を使用する先行技術の方式に関して、性能上の利点がある。復調方式は、１２０°の位相シフトからのズレに敏感であるため、非対称な結合比は、復調された位相に誤差をもたらし、その結果、周波数情報が破損する可能性がある。ハイブリッド光受信機では、通常、理想的な位相シフトから±１０°の典型的な偏差しか得られない。また、溶融シングルモードＳＭ３×３ファイバカプラでは、理想的な１２０°の位相シフトからの偏差が１°未満であり、復調において良好な性能を発揮する。

【0075】

［レーザノイズの抑制］
ヘテロダイン検波では、通常は微弱な後方散乱信号を、電気的な増幅を必要とせずに√（Ｐ_ＬＯ）倍に増幅することができ、その結果、ショットノイズの少ない性能で信号の検出が容易になることが多い。しかし、局部発振信号ＬＯの相対強度ノイズ（ＲＩＮ）が、この最適な性能を妨げることがある。局部発振信号ＬＯの光パワーは後方散乱信号の光パワーよりも５～６桁大きいため、局部発振信号ＬＯの相対強度ノイズＲＩＮが圧倒的なノイズ源となり、求める量を正確に測定できなかったり、事象をまったく捉えられなかったりするほど、信号品質を乱すことがある。

【0076】

局部発振信号ＬＯの光パワーＰ_ＬＯと相対強度ノイズＲＩＮが一定であるのに対し、後方散乱信号のパワーＰ_Ｂは指数関数的に減少するため、検出距離が長くなると、このエラー源がますます支配的になる。さらに、数学的な操作によって、不確実性の伝播中に相対強度ノイズＲＩＮによってもたらされる相対的な誤差が増加する可能性があり、例えば、位相復調アルゴリズムが強度ノイズの影響を受けてしまうことがある。

【0077】

Ｃ－ＯＴＤＲ方式では、位相ノイズや周波数ドリフトの少ない高コヒーレンスのレーザ光源が必要になることがあるが、これには高い相対強度ノイズＲＩＮという欠点がある。例えば、非特許文献４を参照されたい。レーザの相対強度ノイズＲＩＮを低減するためのオプションは、コストや消費電力の増加につながり、また位相ノイズの増加の可能性もある。

【0078】

相対強度ノイズＲＩＮの低減は、光信号を光電変換した後に、バランス型フォトダイオードを用いて行うこともできる。慎重に調整されマッチした２つのフォトダイオード信号を各検出チャンネルに使用することができる。シングルエンドのフォト受信機と比較すると、このようなバランス型受信機のコストは非常に高価で、電気光学システムの仕様やアライメントの不備にも敏感に反応する。

【0079】

３×３カプラの出力信号は、より安価で堅牢なシングルエンド検出を可能にし、信号処理のデジタル領域で相対強度ノイズＲＩＮを低減することができる。バランスフォトダイオードと比較して相対強度ノイズＲＩＮを抑制したＩＱ信号を生成するためのこれらの信号の使用については、非特許文献５に記載されている。

【0080】

［溶融カプラ、シングルモード光ファイバＳＭＦと偏波保持光ファイバＰＭＦの比較］
溶融偏波保持ＰＭカプラと比較して、溶融シングルモードＳＭファイバカプラは安価で、損失が少なく、理想値からのズレも少ない（例：１：１：１の分割比でズレ１°未満）。しかし、シングルモードＳＭファイバカプラでは、曲げ、圧力、熱による変形、振動などによって引き起こされる複屈折によって、光の偏波状態ＳＯＰが時間の経過や伝搬中に変化する可能性がある。一方、偏波保持ＰＭファイバや偏波保持ＰＭカプラでは光の偏波状態ＳＯＰが固定されているため、偏波保持ＰＭカプラ内での２つの光場の重なりは平行偏波（θ=０）で起こる。偏波保持ＰＭカプラを使用することで、ヘテロダイン中の局部発振信号ＬＯと後方散乱信号Ｂの偏波状態ＳＯＰを一致させることができる。

【0081】

［結論］
以上のように、様々な実施形態では、３×３溶融カプラとヘテロダイン検出および偏波ダイバーシティ方式を組み合わせて、偏波フェージングや強い局部発振器（ＬＯ）の相対強度ノイズ（ＲＩＮ）の影響などの欠点に取り組みながら、両方式の利点を最大限に活用することを説明した。様々な実装が、特に分散型音響センシングＤＡＳアプリケーションに適している。

【0082】

様々な実装では、システムは標準的な低コストの光ファイバと電気構成要素に基づいており、統合された光学ハイブリッドやさらなるカスタマイズの必要性を回避している。いくつかの実施形態では、シングルモードＳＭ溶融３×３カプラを採用することができる。いくつかの実施形態では、分散型音響センシングＤＡＳセンサや他の分散型ファイバセンサを改善するために、３×３カプラの出力信号を使用してデジタル領域で相対強度ノイズＲＩＮを抑制することを説明する。

【0083】

当業者であれば、以下の特許請求の範囲に含まれる他の多くの修正および変形が明らかになるであろう。
参照を容易にするために、図１～図５で使用される参照符号のリストを、それらが示す要素の簡単な説明とともに以下に提供する。

【符号の説明】

【0084】

１０１：光源（例えば、Ｃ－ＯＴＤＲ用の狭帯域レーザなどのレーザ）。
１０２：ファイバ光スプリッタ。
１０３：局部発振器。
１０４：第２光路。
１０５：パルス整形および増幅用光変調器。
１０６：光サーキュレータ。
１０７：検出ファイバ。
１０８：検出ファイバからの後方散乱光。
１０９：溶融ファイバ３×３カプラに基づく偏波ダイバーシティ機能付き光ヘテロダイン受信機。
１１０：１０９の光出力信号。１本のラインとしてまとめられているが、３つまたは６つの信号である可能性もある。
１１１：電気信号への変換およびデジタル化。
１１２：デジタル信号。１本のラインにまとめられているが、３つまたは６つの信号である可能性がある。
１１３：信号処理ユニット。
２０１：検出ファイバからの後方散乱光（図１の１０８）、シングルモード光ファイバＳＭＦ。
２０２：ファイバ光偏波ビームスプリッタ（ＰＢＳ）。
２０３：第１偏波成分Ｂ－１を含んでいる偏波保持光ファイバＰＭＦ。
２０４：第２偏波成分Ｂ－２を含んでいる偏波保持光ファイバＰＭＦ。
２０５，２０６：ファイバ光溶融偏波保持光ファイバＰＭＦ３×３カプラ。
２０７：局部発振信号ＬＯを含んでいる偏波保持光ファイバＰＭＦ。
２０８：第１バージョン：光学式偏波保持ＰＭスプリッタ。第２バージョン：偏波ビームスプリッタＰＢＳ。
２０９：第１局部発振信号ＬＯ－１を含んでいる偏波保持光ファイバＰＭＦ。
２１０：第２局部発振信号ＬＯ－２を含んでいる偏波保持光ファイバＰＭＦ。
２１１：第１カプラ２０５の未使用の入力ポート。
２１２：第２カプラ２０６の未使用の入力ポート。
２１３：出力信号Ｈ－１１を含んでいる偏波保持光ファイバＰＭＦ。
２１４：出力信号Ｈ－１２を含んでいる偏波保持光ファイバＰＭＦ。
２１５：出力信号Ｈ－１３を含んでいる偏波保持光ファイバＰＭＦ。
２１６：出力信号Ｈ－２１を含んでいる偏波保持光ファイバＰＭＦ。
２１７：出力信号Ｈ－２２を含んでいる偏波保持光ファイバＰＭＦ。
２１８：出力信号Ｈ－２３を含んでいる偏波保持光ファイバＰＭＦ。
３０１：ＰＦＭ２１３とＰＦＭ２１６からの信号を組み合わせた偏波ビームスプリッタＰＢＳ。
３０２：ＰＦＭ２１４とＰＦＭ２１７からの信号を組み合わせた偏波ビームスプリッタＰＢＳ。
３０３：ＰＦＭ２１５とＰＦＭ２１８からの信号を組み合わせた偏波ビームスプリッタＰＢＳ。
３０４～３０６：第１バージョン：偏波保持光ファイバＰＭＦ。第２バージョン：シングルモード光ファイバＳＭＦ。
４０１：スプライス接続４０２とカプラ４０３を接続する偏波保持光ファイバＰＭＦ。
４０２：２０１とＰＦＭ４０１の間のスプライス接続。
４０３：両軸で動作するファイバ光溶融偏波保持光ファイバＰＭＦ３×３カプラ。
４０４：カプラ４０３の未使用の入力ポート。
４０５～４０７：偏波ビームスプリッタＰＢＳ。
５０１：局部発振信号ＬＯを含んでいるファイバ。第１バージョン：シングルモード光ファイバＳＭＦ。第２バージョンおよび第３バージョン：偏波保持光ファイバＰＭＦ。
５０２：局部発振信号ＬＯを分割するための光学構成要素。第１バージョン：光シングルモードＳＭスプリッタ。第２バージョン：光偏波保持ＰＭスプリッタ。第３バージョン：偏波ビームスプリッタＰＢＳ。
５０３：第１局部発振信号ＬＯ－１を含んでいるファイバ。第１バージョン：シングルモード光ファイバＳＭＦ。第２バージョンおよび第３バージョン：偏波保持光ファイバＰＭＦ。
５０４：第２局部発振信号ＬＯ－２を含んでいるファイバ。第１バージョン：シングルモード光ファイバＳＭＦ。第２バージョンおよび第３バージョン：偏波保持光ファイバＰＭＦ。
５０５，５０６：ファイバ光溶融シングルモード光ファイバＳＭＦ３×３カプラ。
５０７～５１２：シングルモード光ファイバＳＭＦ。
５１３～５１６：シングルモード光ファイバＳＭＦから偏波保持光ファイバＰＭＦへのスプライス遷移および／または偏波コントローラＰＣ要素を含んでいる構成要素。
５１７～５２２：信号Ｈ－ｐｑを含んでいるシングルモード光ファイバＳＭＦ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】