特表 2015-531861 分布ファイバセンサ及びシステムのための２コア光ファイバ

(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】特表2015-531861(P2015-531861A)

(43)【公表日】2015年11月5日

(54)【発明の名称】分布ファイバセンサ及びシステムのための２コア光ファイバ

(51)【国際特許分類】

   G01D 5/353 20060101AFI20151009BHJP

   G02B 6/02 20060101ALI20151009BHJP

   G02B 6/036 20060101ALI20151009BHJP

   G01D 21/02 20060101ALI20151009BHJP

【ＦＩ】

   G01D5/353 B

   G02B6/02 A

   G02B6/02 461

   G02B6/036

   G01D21/02

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2015-526585(P2015-526585)

(86)(22)【出願日】2013年8月1日

(85)【翻訳文提出日】2015年4月6日

(86)【国際出願番号】US2013053228

(87)【国際公開番号】WO2014025614

(87)【国際公開日】20140213

(31)【優先権主張番号】61/681,402

(32)【優先日】2012年8月9日

(33)【優先権主張国】US

(31)【優先権主張番号】13/658,991

(32)【優先日】2012年10月24日

(33)【優先権主張国】US

(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,KE,KG,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US,UZ,VC

(71)【出願人】

【識別番号】397068274

【氏名又は名称】コーニング インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100073184

【弁理士】

【氏名又は名称】柳田 征史

(74)【代理人】

【識別番号】100090468

【弁理士】

【氏名又は名称】佐久間 剛

(72)【発明者】

【氏名】フーヴァー，ブレット ジェイソン

(72)【発明者】

【氏名】リー，ミン−ジュン

(72)【発明者】

【氏名】リー，シェンピン

【テーマコード（参考）】

2F076

2F103

2H150

【Ｆターム（参考）】

2F076BA01

2F076BA14

2F076BB07

2F076BD06

2F076BD07

2F076BD17

2F103BA37

2F103CA07

2F103EB02

2F103EB11

2F103EC09

2F103EC12

2F103FA02

2H150AB05

2H150AC57

2H150AD04

2H150AD12

2H150AD16

2H150AD20

2H150AD26

2H150AD36

2H150AE25

2H150AE26

2H150AH38

2H150AH50

(57)【要約】

ブリルアン分布ファイバセンサ用途及びシステムに用いるための２コア光ファイバが提供される。２コアファイバは第１及び第２のコアを有する。それぞれのコアは他方のコアに対して３０ＭＨｚより大きいブリルアン周波数シフトを示すように構成される。さらに、それぞれのコアは他方のコアとは異なる温度係数及び歪係数を有する。コアは相互に少なくとも３０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトレベルを生じるように構成することができる。シフトレベルのこれらの差はコアのそれぞれの、材料組成、ドーピング濃度及び／または屈折率プロファイルの調節によって生じさせることができる。これらの光ファイバは、ＢＯＴＤＲ及びＢＯＴＤＡに基づくセンサシステム及び装置に用いることもできる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ファイバセンサにおいて、
第１のコア、第２のコア及び、前記コアを囲む、クラッド層を有する光ファイバ、
を備え、
前記コアのそれぞれが他方のコアに対して少なくとも３０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトを示すように構成される、
ことを特徴とするファイバセンサ。

【請求項2】

前記コアのそれぞれがさらに、
（ｉ）他方のコアの屈折率プロファイルとは異なる屈折率プロファイル、及び／または
（ii）他方のコアのドーピング濃度とは異なるドーピング濃度、
を有するように構成されることを特徴とする請求項１に記載のファイバセンサ。

【請求項3】

前記コアのそれぞれが他方のコアに対して少なくとも８０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトを示すように構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のファイバセンサ。

【請求項4】

（ｉ）前記光ファイバが、さらに前記コアの少なくとも一方を囲むように構成された屈折率リングを有する、
（ii）前記クラッド層に対する前記コアの相対屈折率が約０.２％から２％の間にあるように、前記コアが構成される、及び／または
（iii）前記コアが、
（１）異なる組成、及び／または
（２）複数の動作波長において異なるモードフィールド径、
を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載のファイバセンサ。

【請求項5】

前記光ファイバが、
（ｉ）５００μｍ以下の半径を有する、及び／または
（ii）前記コア間のクロストークが−２０ｄＢ/ｋｍ以下であるように構成される、
ことを特徴とする請求項１に記載のファイバセンサ。

【請求項6】

前記コアのそれぞれにゲルマニウムがドープされていることを特徴とする請求項２に記載のファイバセンサ。

【請求項7】

前記光ファイバが、さらに前記コアの少なくとも一方を囲むように構成された屈折率リング及び、前記コアの前記少なくとも一方から前記屈折率リングを隔てるトレンチを有することを特徴とする請求項１に記載のファイバセンサ。

【請求項8】

前記クラッド層に対する前記コアの相対屈折率が約０.２％から２％の間にあり、前記コアの中心間の距離が少なくとも２５μｍであるように、前記コアが構成されることを特徴とする請求項１に記載のファイバセンサ。

【請求項9】

ブリルアン分布ファイバセンサシステムにおいて、
第１のコア及び第２のコアであって、それぞれが他方のコアに対して少なくとも３０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトを示すように構成されたコアを有する光ファイバ、
検査光を前記光ファイバに打ち込むように構成された少なくとも１つのポンプレーザ、及び
前記コアのそれぞれから前記検査光のブリルアン散乱成分を受け取り、前記受け取られた検査光に少なくともある程度基づいて前記コアのそれぞれのブリルアン周波数シフトを評価するように構成された受信器要素、
を備えることを特徴とするブリルアン分布ファイバセンサシステム。

【請求項10】

前記ファイバの前記コアのそれぞれ内に前記検査光を導くように構成された少なくとも１つのビームスプリッタ素子をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載のブリルアン分布ファイバセンサシステム。

【発明の詳細な説明】

【関連出願の説明】

【0001】

本出願は、２０１２年８月９日に出願された、名称を「分布ファイバセンサ及びシステムのための２コア光ファイバ(TWO-CORE OPTICAL FIBERS FOR DISTRIBUTED、 FIBER SENSORS AND SYSTEMS)」とする、米国仮特許出願第６１/６８１４０２号及び、２０１２年１０月２４日に出願された、名称を「分布ファイバセンサ及びシステムのための２コア光ファイバ(TWO-CORE OPTICAL FIBERS FOR DISTRIBUTED FIBER SENSORS AND SYSTEMS)」とする、米国特許出願第１３/６５８９９１号への優先権を主張する。これらの特許出願の明細書はそれぞれの全体が本明細書に参照として含められる。

【技術分野】

【0002】

本開示は全般にはセンシングシステム及び方法に関し、特に、２コア光ファイバを用いる分布ブリルアンセンシングシステム及び方法に関する。

【背景技術】

【0003】

分布ブリルアンファイバセンサは、構造物健常性監視（ＳＨＭ）、地盤工学、送配電線、石油及びガスのパイプライン、及び石油掘削を含むがこれらには限定されない、多くの用途に急速に採用されつつある。ブリルアン準拠センサ技術は、
（ａ）誘導ブリルアン散乱（すなわち、ブリルアン光時間ドメイン解析、またはＢＯＴＤＡ）、及び
（ｂ）自発ブリルアン散乱（すなわち、ブリルアン光時間ドメイン反射率測定、またはＢＯＴＤＲ）、
の２つの方式で動作する。ＢＯＴＤＡ方式及びＢＯＴＤＲ方式はいずれもブリルアン周波数シフトの、検査されるコンポーネントの温度及び／または歪への、線形依存性を利用する。

【0004】

分布ブリルアンファイバセンサの実施にともなう一問題は、ブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）が歪及び温度のいずれにも感度を有することである。この効果は測定に不確定性をもたらす。特に、従来の手法は、検査されるコンポーネントの、観測されるＢＦＳにかかわる歪及び／または温度の変化を分離抽出することができない。

【0005】

この問題に対処するために用いられる一手法は、隣り合わせて配置された、一方のファイバがいかなる歪効果からも絶縁されている、２本のファイバの使用である。絶縁されたファイバは温度の監視に用いることができ、他方のファイバは歪と温度のいずれの効果も測定するであろう。しかし、この手法は少なくとも２つのタイプの測定誤差を免れない。第１に、絶縁されたファイバは全くの無歪ではなく、この結果、温度にかかわる測定誤差が生じる。第２に、２本のファイバの入力位置から測定位置までの長さの差の結果、異なる２つの位置で測定することになり、さらなる測定誤差を生じさせる。

【0006】

別の２ファイバ手法においては、ブリルアン特性が異なる２本のファイバが温度及び歪のいずれをも検知するために用いられる。したがって、２本のファイバのＢＦＳが測定される。２本のファイバの歪係数及び温度係数に基づいて温度及び歪のレベルが計算される。それにもかかわらず、この手法には、上述した第２のタイプにしたがう測定誤差、すなわち、２本のファイバの異なる位置における測定にともなう誤差が生じ得る。

【0007】

ＢＦＳ関連測定誤差に対処するため、１ファイバ利用手法も試みられている。詳しくは、複数のブリルアンピークをもつファイバがセンシングファイバとして用いられる。この手法では、温度と歪を弁別するため、ＢＦＳピークの異なる依存性が用いられる。しかし、ファイバの複数のピークの評価に依存するこの方法では、空間分解能が劣り、センシング確度が制限され、センシング距離が短くなる。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

したがって、空間分解能が改善された、温度及び歪の正確な同時測定が可能なブリルアンファイバセンサシステムが必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0009】

一実施形態にしたがえば、ブリルアン分布ファイバセンサが提供される。ファイバセンサは、第１のコア、第２のコア及びコアを囲むクラッド層を有する光ファイバを含む。それぞれのコアは他方のコアに対して少なくとも３０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトを生じるように構成される。

【0010】

別の実施形態にしたがえば、分布ファイバセンサシステムが提供される。ファイバセンサシステムは第１及び第２のコアを有する光ファイバを備える。それぞれのコアは他方のコアに対して３０ＭＨｚより大きいブリルアン周波数シフトを生じるように構成される。システムはさらに、光ファイバに検査光を打ち込むように構成された少なくとも１つのポンプレーザを備える。システムはさらに、それぞれのコアから検査光のブリルアン散乱成分を受け取り、受け取られた検査光に少なくともある程度基づいてそれぞれのコアのブリルアン周波数シフトを評価するように構成された受信器要素を備える。

【0011】

また別の実施形態にしたがえば、分布ファイバセンサシステムが提供される。ファイバセンサシステムは第１及び第２のコアを有する光ファイバを備える。それぞれのコアは他方のコアに対して少なくとも３０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトを生じるように構成される。システムはさらに、光ファイバにポンプ検査光を打ち込むように構成された少なくとも１つのポンプレーザ及び光ファイバにプローブ検査光を打ち込むように構成された少なくとも１つのプローブレーザを備える。システムはさらに、それぞれのコアからポンプ検査光及びプローブ検査光を受け取り、受け取られた検査光に少なくともある程度基づいてそれぞれのコアについてのブリルアン周波数シフトを評価するように構成された受信器要素を備える。

【0012】

さらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者には、その説明から容易に明らかであろうし、あるいは、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲を、また添付図面も、含む本明細書に説明されるように実施形態を実施することによって認められるであろう。

【0013】

上述の全般的説明及び以下の詳細な説明がいずれも例示に過ぎず、特許請求の範囲の本質及び特質の理解への概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面はさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み込まれて本明細書の一部をなす。図面は１つ以上の実施形態を示し、記述とともに、様々な実施形態の原理及び動作の説明に役立つ。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、一実施形態にしたがう、２コア光ファイバの断面を示す。

【図2A】図２Ａは、別の実施形態にしたがう、２コア光ファイバの一コアについてのステップ型屈折率プロファイルを示す。

【図2B】図２Ｂは、また別の実施形態にしたがう、２コア光ファイバの一コアについての分布屈折率プロファイルを示す。

【図3A】図３Ａは、別の実施形態にしたがう、２コアファイバを用いるブリルアン光時間ドメイン反射率測定（ＢＯＴＤＲ）ファイバセンサの略図を与える。

【図3B】図３Ｂは、また別の実施形態にしたがう、２コアファイバを用いるＢＯＴＤＲファイバセンサの略図を与える。

【図4A】図４Ａは、別の実施形態にしたがう、２コアファイバを用いるブリルアン光時間ドメイン解析（ＢＯＴＤＡ）ファイバセンサの略図を与える。

【図4B】図４Ｂは、また別の実施形態にしたがう、２コアファイバを用いるＢＯＴＤＡファイバセンサの略図を与える。

【図5】図５は、別の実施形態にしたがう、２コア光ファイバにおけるそれぞれのコアについての測定されたブリルアン周波数シフトのプロットを与える。

【発明を実施するための形態】

【0015】

それらの例が添付図面に示されている、現在好ましい実施形態をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、全図面を通して、同じ参照数字が同じかまたは同様の要素を指して用いられる。

【0016】

２コア光ファイバ利用手法は上述した問題及びＢＦＳ関連測定誤差を軽減するために開発された。ファイバプロファイルを適切に設計し、いくつかの材料組成を適切に選び、及び／または２つのファイバのドーピング濃度を適切に選ぶことにより、それぞれが非常に異なるブリルアン特性を有するコアを構成することができる。そのような改変により、コア間に少なくとも３０ＭＨｚのブリルアン周波数シフトを生じさせることができる。２つのファイバコア間で異なる温度係数及び歪係数の結果、２つのファイバコアのＢＦＳを測定することで温度及び歪の同時測定が可能になる。最終結果は、空間分解能及びセンシング確度が高い、歪及び温度の同時測定を可能にする手法である。

【0017】

以降の議論においては、以下の、技術上普通に用いられている定義及び術語が採用される。

【0018】

屈折率プロファイル：屈折率プロファイルは、ファイバの選ばれたセグメントにわたる相対屈折率パーセント（Δ％）と（光ファイバの中心線から測定されている）光ファイバ半径ｒの間の関係である。

【0019】

相対屈折率パーセントΔ（％）またはΔ：術語Δは式：Δ(％)＝１００×(ｎ_ｉ^２−ｎ_ｃ^２)/２ｎ_ｉ^２で定義される。ここで、ｎ_ｉはｉで指定される屈折率プロファイルセグメントの最大屈折率であり、ｎ_ｃは基準屈折率である。セグメント内の全ての点は、基準屈折率に対して測定された、付随する相対屈折率を有する。

【0020】

単一モードファイバにおいて、ファイバが受ける熱膨張及び変形の結果として、ＢＦＳ，ν_Ｂは温度及び歪に依存する。この結果、ＢＦＳ，ν_Ｂは温度及び歪により変化する。歪変化（Δε）及び温度変化（ΔＴ）の関数としてのＢＦＳの変化（Δν_Ｂ）は式(１)：

【0021】

【数1】

【0022】

と書くことができる。ここで、Ｋ_ε及びＫ_Ｔはそれぞれファイバの歪係数及び温度係数である。したがって、温度（または歪）が固定されれば、異なる位置における歪（または温度）を、対応する位置におけるＢＦＳの変化，Δν_Ｂを測定することで評価することができる。しかし、式(１)に示されるように、センシング位置において温度及び歪のいずれもが変化すれば、ＢＦＳから温度または歪を弁別することは不可能である。これは、ＢＦＳの変化，Δν_Ｂが歪及び温度のいずれにも依存するからである。

【0023】

一実施形態にしたがえば、２コア光ファイバ１０がブリルアン効果利用分布ファイバセンサのセンシングファイバとして用いられる。ファイバ１０内のそれぞれのファイバコア２０，３０はブリルアンセンサの動作波長において単一モードにあるように構成される。さらに、それぞれのコア２０，３０は単一のＢＳＦピークを有する。しかし、２つのファイバコア２０，３０は異なるブリルアン周波数シフトを有する。これらのシフトは２つのファイバコア２０，３０の、ファイバ屈折率プロファイル、材料組成及び／またはドーピング濃度を改変することで生じさせることができる。特に、それぞれのファイバコアの歪変化（Δε）及び温度変化（ΔＴ）に対する依存性はそれぞれ、式(２)：

【0024】

【数2】

【0025】

及び、式(３)：

【0026】

【数3】

【0027】

と書くことができる。ここで、Ｋ_ε^ｃ１及びＫ_Ｔ^ｃ１はそれぞれファイバコア１（例えばコア２０）の歪係数及び温度係数であり、Ｋ_ε^ｃ２及びＫ_Ｔ^ｃ２はそれぞれファイバコア２（例えばコア３０）の歪係数及び温度係数である。

【0028】

式(２)及び(３)を解くことにより、歪変化及び温度変化は下式(４)：

【0029】

【数4】

【0030】

で与えられる。

【0031】

一実施形態にしたがえば、２コアファイバ（例えばファイバ１０）は、

【0032】

とするように設計することができる。したがって、そのようなファイバでは行列方程式(４)について解が存在する。したがって、このファイバにより、２つのファイバコア（例えば、コア２０，３０）のＢＦＳをモニタすることによって歪及び温度の同時測定値を得ることが可能である。

【0033】

図１に示されるように、半径１４をもつ２コア光ファイバ１０の断面が与えられる。ファイバ１０は、コア２０及び３０の、２つのコア、及びコア２０及び３０を囲むクラッド層３６を有する。２つのコア２０及び３０は光ファイバ１０内において距離１６によって隔てられる。コア２０及び３０はそれぞれ、半径２８ａ及び３８ａを有する低屈折率リング２８及び３８によって囲むこともできる。さらに、コア２０及び３０は、それぞれのコアのブリルアン周波数シフトが他方のブリルアン周波数シフトと異なるように屈折率プロファイルを変えて設計される。２つのコア２０及び３０のブリルアン周波数シフト間の差の絶対値は少なくとも３０ＭＨｚであることが好ましい。この差は少なくとも８０ＭＨｚであることがさらに好ましい。差は１００ＭＨｚ以上であることがさらに一層好ましい。

【0034】

図２Ａ及び２Ｂは、２コア光ファイバ１０内のコア２０，３０について、相対屈折率パーセント，Δ対半径，ｒを示す。コア２０及び３０は単純なステップ型屈折率プロファイル（図２Ａを見よ）または分布屈折率プロファイル（図２Ｂを見よ）を有することができる。低屈折率リング２８，３８は、コア２０および３０のいずれかまたは両者における光閉じ込めを強めるため、クラッド層３６内に配置することもできる。コア２０，３０の最大屈折率はクラッド層３６の最大屈折率より大きい。クラッド層に対するコアの相対屈折率，Δ_１は０.２％より大きいことが好ましい。相対屈折率，Δ_１は０.３％より大きく、例えば、０.３％から２％の間であることがさらに好ましい。

【0035】

（コア２０及び３０についての）コア半径２４及び３４は３μｍから１０μｍの範囲で選ばれる。これにより、コア２０及び３０が動作波長、例えば１５５０ｎｍにおいて単一モードにあることが保証される。低屈折率リング２８，３８は、−０.７％から−０.１％の範囲にある相対屈折率，Δ_２、及び１μｍから６μｍの範囲にある幅２８ｗ、３８ｗを有する。この低屈折率「トレンチ」はコア２０及び／または３０の外直径から距離２８ｄ，３８ｄだけオフセットさせることができる。オフセットは０から５μｍの間であることが好ましい。

【0036】

２つのコア２０と３０の間の距離１６は、コア間のクロストークを最小限に抑えるため、２５μｍより大きい。距離２６は３０μｍより大きいことがさらに好ましい。距離１６は４０μｍをこえることがさらに一層好ましい。ファイバ１０の直径は１０００μｍ以下（すなわち、半径１４が５００μｍ以下）とすることができる。ファイバ１０の直径は２００μｍ以下（すなわち、半径１４が１００μｍ以下）であることが好ましい。ファイバ１０の直径は１５０μｍ以下であることがさらに好ましい。例えば、ファイバ１０の直径は１２５μｍに設定することができる。

【0037】

実用センシング用途に対し、良好なシステム性能を保証するため、２つの隣り合うコア（例えばコア２０及び３０）の間の低クロストークが保証されることが望ましい。クロストークは−２０ｄＢ/ｋｍ以下とすることができる。クロストークは−３０ｄＢ/ｋｍより小さいことが好ましい。クロストークは−３５ｄＢ/ｋｍより小さいことがさらに好ましい。クロストークは−４０ｄＢ/ｋｍより小さいことがさらに一層好ましい。

【0038】

一実施形態にしたがう２コアファイバ１０は２つのコア２０及び３０の光学特性及び音響特性を計算することで設計することができる。光学場及び縦音響場は同様のタイプのスカラー型波動方程式によって支配される。したがって、基本光学モード及び音響モードについて、方位角変化を含めずに、同じ形式で式(５)：

【0039】

【数5】

【0040】

及び、式(６)：

【0041】

【数6】

【0042】

を書くことができる。ここで、添字ｏは光学場を表し、添字ａは音響場を表し、ｒはファイバ１０の半径ｒに対応する。光学モードに対し、ｆ_ｏ(ｒ)は光学場分布であり、ｎ_ｏ(ｒ)は屈折率を径方向位置の関数として表し、ｋ_ｏは、２π/λによって光の波長λと連関する、光波の波数である。音響モードに対し、ｆ_ａ(ｒ)は光学場分布であり、ｎ_ａ(ｒ)は屈折率を径方向位置，ｒの関数として表し、ｋ_ａは音響波の波数である。さらに、ｎ_ｏｅｆｆ及びｎ_ａｅｆｆはそれぞれ、光学実効屈折率及び縦音響実効屈折率である。

【0043】

音響屈折率は式(７)：

【0044】

【数7】

【0045】

及び、式(８)：

【0046】

【数8】

【0047】

によって定められる。ここで、λ'は音響波長である。式(７)において、Ｖ_ｃｌａｄはクラッド層内の縦音響速度であり、Ｖ_Ｌ(ｒ)は縦音響速度を径方向位置，ｒの関数として表す。さらに、縦音響実効屈折率，ｎ_ａｅｆｆは下式(８ａ)：

【0048】

【数8a】

【0049】

により、実効縦速度Ｖ_ｅｆｆ及びクラッド層内の縦音響速度Ｖ_ｃｌａｄに関係付けられる。

【0050】

実際上（光学）屈折率プロファイル，ｎ_ｏ(ｒ)は光学デルタプロファイル（光学屈折率デルタプロファイル），Δ_ｏで表されることが多い。同様に、それぞれの光学屈折率プロファイル，ｎ_ｏ(ｒ)が、縦音響場の音響挙動を表す、対応する音響デルタプロファイル，ｎ_ａ(ｒ)とも関連付けられるように、音響屈折率に対してデルタ（相対屈折率），Δ_ａを定義することが可能である。光波及び音響波に対する屈折率定義を用いれば、光学デルタプロファイル，Δ_ｏ及び音響デルタプロファイル，Δ_ａはそれぞれ、式(９)：

【0051】

【数9】

【0052】

及び、式(１０)：

【0053】

【数10】

【0054】

を用いて表すことができる。ここで、添字ｏは光波を表し、添字ａは音響波を表し、添字ｃはクラッド層に対する屈折率を指す。

【0055】

Ｇｅ及びＦがドープされたシリカガラスの光学屈折率，ｎ_ｏ(ｗ_Ｇｅ,ｗ_Ｆ)は、Ｇｅ及びＦのドーピング濃度の関数として、式(１１)：

【0056】

【数11】

【0057】

で表される。ここで、ｗ_ＧｅはＧｅＯ_２ドーパントのモル％であり、ｗ_ＦはＦドーパントのモル％である。ＧｅＯ_２ドーパントは屈折率を純シリカより高めるに寄与し、Ｆドーパンとは屈折率を純シリカより低めるに寄与する。

【0058】

同様に、音響屈折率，ｎ_ａ(ｗ_Ｇｅ,ｗ_Ｆ)へのＧｅドーピング及びＦドーピングの役割は、式(１２)：

【0059】

【数12】

【0060】

で表すことができる。したがって、式(１１)及び(１２)はＧｅドーパントがファイバ１０のコア２０及び３０において光学屈折率及び音響屈折率のいずれも高めることを示す。例えば、この効果を生じさせるため、１〜１０モル％のＧｅＯ_２をコア２０及び３０にドープすることができる。他方で、Ｆドーパントは光学屈折率を低めるが、音響屈折率は高める。

【0061】

所与のドーパントプロファイルに対し、導波光学モードの実効屈折率ｎ_ｏｅｆｆ及び導波音響モードの実効縦速度Ｖ_ｅｆｆは式(５)から(８ａ)を解くことによって得ることができる。実効縦音響屈折率ｎ_ａｅｆｆと実効縦速度Ｖ_ｅｆｆの間の関係は先に説明してある。したがって、ブリルアン周波数シフト，ν_Ｂは式(１３)：

【0062】

【数13】

【0063】

によって計算される。

【0064】

５つの設計例における２コアファイバ１０についての様々なモデルパラメータの概略を下の表１に示してある。これらの２つの２コアファイバ設計例について、上で論じた式を用いてブリルアン周波数シフト値を計算し、表１に挙げてある。例１は、それぞれがステップ型屈折率（例えば、図２Ａを見よ）の２つのコアを有し、コア間隔が５０μｍである。２つのコア（コア１及び２）にはそれぞれ３.４１モル％及び４.６モル％のＧｅＯ_２がドープされている。いずれのコアも１５５０ｎｍにおいて単一モードである。コア１及び２に対するモードフィールド径（ＭＦＤ）はそれぞれ１０.３μｍ及び９.２μｍである。これらのコアに対するブリルアン周波数シフトの差は、７２.５ＭＨｚである。

【0065】

例２において、コア１は例１のコア１と同じである。しかし、例２のコア２はより高い５.５モル％のＧｅＯ_２ドーピングレベルを有する。この結果、これらのコアの間のブリルアン周波数シフトの差は１１１.８ＭＨｚであり、例１で評価された差より大きい。例２においてはコア間のコアデルタ差（すなわち、相対屈折率の差）が大きくなっているため、コアをより近づけて配置することができる。

【0066】

例３及び４においてシミュレートされている２コアファイバは分布屈折率プロファイル（例えば、図２を見よ）を有する。分布屈折率設計により、ＭＦＤは同じコアデルタレベルに対して大きくなっている。しかし、これらの２コアファイバ設計に対して、ブリルアン周波数シフトは小さくなっている。

【0067】

表１の例５に概略が示される２コアファイバは、例１で示されたファイバのコアと同等のステップ型屈折率プロファイルを有する。しかし、例５の２コアファイバはコアを被包する低屈折率リング２８，２８もクラッド層に有する。低屈折率リングは光閉じ込めを改善し、よって曲げ損失を低減する。さらに、コアをファイバ内でさらに近づけて配置することが可能になる。例５において、コア間隔は４０μｍまで短縮されている。最後に、全ての例においてコア間のブリルアン周波数シフトの差が少なくとも３０ＭＨｚであることに留意すべきである。

【0068】

【表1】

【0069】

上述した２コア光ファイバは、温度効果と歪効果の同時測定の目的のための様々なブリルアンファイバセンサシステムに用いることができる。図３Ａ，３Ｂ，４Ａ及び４Ｂに構成例が示されている。そのような実施形態の１つが、図３Ａに示されるような、ＢＯＴＤＲファイバセンサシステム１００ａである。システム１００ａは２つのコア１２０及び１３０を有する２コアファイバ１１０及びレーザ１１６（例えば、ポンプ光レーザ）を備える。レーザ１１６はポンプ光をビームスプリッタ１１４に打ち込み、よって入射光は２本のビームに分割される。２本の分割されたビームは次いでミラー１１２（例えば、マジックミラー）を通してファイバ１１０の一端に、さらに詳しくは、コア１２０内及び１３０内に、導かれる。コア１２０内及び１３０内からのブリルアン散乱光は入射光とは逆の方向からミラー１１２に入射し、次いで光検出器要素１１８（または、コア１２０及び１３０に付随する光検出器要素１１８の対）によって検出される。光検出器要素１１８はブリルアン散乱されたビームに信号処理を施し、解析して、コア１２０及び１３０にともなうブリルアン周波数シフトを決定する。

【0070】

別の実施形態において、図３Ｂは、図３Ａに示されるシステム１００ａと同様の態様で動作する、ＢＯＴＤＲファイバセンサシステム１００ｂを示す。図３Ｂに示されるように、レーザ１１６からのポンプ光はミラー１１２（例えば、マジックミラー）を通してファイバ１１０の一端からコア１２０に打ち込まれる。コア１２０と１３０はファイバ１１０の他端において別のミラー，ミラー１１２ａによって結合される。あるいは、ミラー１１２ａは既知の他のタイプの外部ループデバイスで置き換えることができる。したがって、レーザ１１６からの光はコア１２０を通って進み、次いでループして、コア１３０を通って進む。コア１２０及び１３０の両者内からのブリルアン散乱光はコア１２０を通って戻り、ミラー１１２に入射し、次いで光検出器要素１１８によって検出される。コア１３０を通って進む光はミラー１１２に入射しないことに注意されたい。光検出器要素１１８は次いでブリルアン散乱されたビームに信号処理を施し、解析して、コア１２０及び１３０にともなうブリルアン周波数シフトを決定する。

【0071】

別の実施形態において、図４ＡにＢＯＴＤＡファイバセンサシステム２００ａが示されている。ここでは、レーザ１１６ａからのプローブ光がミラー１１２（例えばマジックミラー）を通してファイバ１１０の一端からファイバコア及び１３０のいずれにも打ち込まれる。同時に、レーザ１１６ｂからのポンプ光がファイバ１０の他端からファイバコア１２０及び１３０のいずれにも打ち込まれる。図４Ａに示されるように、レーザ１１６ａ及び１１６ｂからの光はビームスプリッタ素子１１４によってコア１２０及び１３０に対応する２本のビームに分割される。これらの分割されたビームは次いでファイバ１１０の両端からコア１２０及び１３０に導き入れられる。コア１２０内及び１３０内を透過した光は次いでミラー１１２に当たって反射され、光検出器要素１１８（または、コア１２０及び１３０に対応する光検出器要素１１８の対）がビームを検出するために用いられる。

【0072】

また別の実施形態がＢＯＴＤＡファイバセンサシステム２００ｂについて図４Ｂに示される。レーザ１１６ａ及び１１６ｂからのプローブ光がそれぞれ、ミラー１１２（例えば、マジックミラー）を通して、ファイバ１１０の一端からファイバコア１２０及び１３０のいずれにも打ち込まれる。さらに詳しくは、レーザ１１６ａからコア１３０を通って送られたプローブ光はファイバ１１０の他端から出て、ミラー素子１１２ａによって反射され、コア１３０を通って戻る。同様に、レーザ１１６ｂからコア１３０を通って送られたポンプ光はファイバ１１０の他端から出て、反射されてコア１２０を通って戻る。コア１２０及び１３０内を送られた光はコア１２０を通って戻り、次いでミラー１１２に当たって反射されて、構成１００ａ，１００ｂ及び２００ａと同様に、光検出器要素１１８が反射されたビームを検出するために用いられる。この場合も、コア１３０を通って進んでいる光はミラー１１２に入射しないことに注意されたい。光検出器要素１１８はデータを解析して、コア１２０及び１３０にともなうブリルアン周波数シフトを決定する。

【0073】

以下で表２に概略が示されているように、それぞれの半径の測定値が４.６５μｍの２つのコアをもち、ファイバ直径が１２５μｍの、２コアファイバ１０を作製した。いずれのコアもステップ型屈折率プロファイル（例えば、図２Ａを見よ）を有し、コア間隔の測定値は５５.５μｍであった。２つのコア１及び２にはそれぞれ５.０モル％及び３.４モル％のＧｅＯ_２をドープした。これらのコアについてＭＦＤの計算値はそれぞれ９.３μｍ及び１０.４μｍであった。コア１及び２についてブリルアン周波数シフトの測定値はそれぞれ１０.７３ＧＨｚ及び１０.８５ＧＨｚであった。図５は、特に、これらの周波数シフトの源泉を示す、（表２に挙げられたような）ファイバ１０のそれぞれのコアについてのブリルアンスペクトルを示す。したがって、この２コアファイバについての測定されたＢＦＳの変化，Δν_Ｂは、１１８ＭＨｚである（図５も見よ）。さらに、ＢＦＳの変化，Δν_Ｂの測定された１１８ＭＨｚの変化は、同様の構造につくられた、例２及び例５のそれぞれについての計算値、１１１.８ＭＨｚ及び１１１.９ＭＨｚと同等である、

【0074】

【表2】

【0075】

すなわち、２コアファイバ手法は、ＢＯＴＤＡ方式及びＢＯＴＤＲ方式のいずれにおいても歪及び温度の同時測定の確度を改善するために用いることができる。利点のなかでもとりわけ、２コアファイバ手法では分布ブリルアンファイバセンサの設置費用の低減が期待される。さらに、当業者には、特許請求の範囲の精神及び範囲を逸脱することなく様々な改変及び変形がなされ得ることが明らかであろう。

【符号の説明】

【0076】

１０，１１０ ２コア光ファイバ
１４ 光ファイバ半径
１６ コア間距離
２０，３０，１２０，１３０ ファイバコア
２４，３４ コア半径
２８，３８ 低屈折率リング
２８ａ，３８ａ 低屈折率リング半径
２８ｄ．３８ｄ 低屈折率リングオフセット距離
２８ｗ，３８ｗ 低屈折率リング幅
３６ クラッド層
１００ａ，１００ｂ ＢＯＴＤＲファイバセンサシステム
２００ａ，２００ｂ ＢＯＴＤＡファイバセンサシステム
１１２，１１２ａ ミラー
１１４ ビームスプリッタ
１１６，１１６ａ，１１６ｂ レーザ
１１８ 光検出器要素

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【国際調査報告】