JP2012505410A - 検出システム及びそのようなシステムに用いるための光ファイバ - Google Patents

Abstract

(ｉ)(ａ)≧１ｋｍの長さＬ，(ｂ)１０ｍと１００ｍの間のビート長及び(ｃ)σ≦１０ｍの標準偏差σで特徴が表される長さＬ内のいずれの少なくとも１００ｍの距離にもわたるビート長一様性を有する、光ファイバ(１２)，(ii)ファイバに結合され、(ａ)ファイバにパルス光を供給する光源及び(ｂ)ファイバによって後方散乱されて戻る光を検出できる検出システムを備える、ＯＴＤＲ(１０)、及び(iii)ファイバと検出器の間に配置され、よって後方散乱光が検出器に届く前に通過する、少なくとも１つの偏光子(１８)、を備える検出システム(５)。

Description

関連出願の説明

本出願は２００８年１０月７日に出願された、名称を「検出システム及びそのようなシステムに用いるための光ファイバ(Detection System and Optical Fiber for Use in Such System)」とする、米国仮特許出願第６１/１９５４４３号の恩典と、その優先権を主張する。上記出願の明細書の内容はその全体が本明細書に参照として含まれる。

本発明は全般的にはファイバの長さに沿う擾乱を検出するための方法及びシステムに関し、特に、そのような擾乱を同定するための、偏光時間領域反射率測定法(ＰＯＴＤＲ)を利用する方法及びシステムに関する。

分布型光ファイバセンシングシステムは、建築構造物のモニタリング、温度及び圧力測定、及び侵入検出を必要とする用途に利用される。そのような用途には標準の単一モードファイバ及び多モードファイバが用いられることが多い。分布型光ファイバセンシングシステムは、ビルディング、石油パイプライン及び橋梁のような、重要なインフラストラクチャーを監視するために利用されている。

インフラストラクチャー監視において、分布型光ファイバセンシングシステムは、ファイバ歪の実質的及び／または異常な変化があると警報を発することができる、経路に沿う擾乱に関する情報を提供する。すなわち、分布型光ファイバセンシングシステムにはこれらの不可欠なインフラストラクチャーの劣化の確実な早期検出及び必要に応じた適時の修復において重要な用途がある。

セキュリティ用途において、分布型光ファイバセンシングシステムは、保護された区域または施設への侵入に関する情報を、特定周辺領域が侵されたときに提供する。保護される極めて重要な区域または施設は、政府または軍の施設／拠点、民間空港、水処理施設または発電プラントとすることができる。侵入検出に対する必要は肝要な機能を果たしている施設／拠点の保全に対する要求によって大きく高められ、近年、そのような必要は米国政府の対テロリズム行動計画によってさらに強調されている。

偏光効果を利用する分布型光ファイバセンシングシステムでは光ファイバの小さな変化を検知する必要がある。そのような変化は、例えば、応力、ファイバ曲りまたは圧力変化によって生じ得る。偏光状態はファイバ長に沿って光パルスが進行している間に変化し、ファイバの擾乱に敏感である。光ファイバの局所領域の近傍における擾乱の発生及び場所は、そのような擾乱は光ファイバの擾乱された領域から後方散乱される光の偏光状態を変化させるという認識に基づいて決定することができる。光ファイバ(センシングファイバ)内の偏光状態の変化は偏光感受型ＯＴＤＲ(ＰＯＴＤＲ)装置を利用する後方散乱光の検出によって、検出することができる。ＯＴＤＲ経路に偏光子のような偏光コンポーネントを挿入することにより、偏光変化は強度変化の形で表れることができる。

一般に、測定されたＯＴＤＲトレースから抽出され得る信号の対雑音比は低いから、ＰＯＴＤＲに基づくモニタ手法には、さらに高い信号対雑音比を得るために強力なフィルタリング及び平均化が必要になることが多い。

本発明のいくつかの実施形態にしたがえば、検出システムは、
(ｉ) 光ファイバであって、(ａ)≧１ｋｍの長さＬ，(ｂ)１０ｍと１００ｍの間のビート長、及び(ｃ)(１)|σ|≦１０ｍの標準偏差σで特徴が表されるファイバ長にわたるかまたは(２)|σ|≦１０ｍの標準偏差σで特徴が表されるファイバ長内の少なくとも１００ｍの距離にわたるビート長一様性を有する、光ファイバ、
(ii) ファイバに結合され、(ａ)ファイバにパルス光を供給する光源及び(ｂ)ファイバによって後方散乱される光を検出する検出器を備える、ＯＴＤＲシステム、及び
(iii) 光ファイバと検出器の間に配置され、よって後方散乱光が検出器に届く前に通過する、少なくとも１つの偏光子、
を備える。

別の実施形態において、ファイバの長さに沿う擾乱を検出するための方法は、
(ｉ) ある長さの光ファイバにパルス光を送り込む工程、ここで、光ファイバは、(ａ)≧１ｋｍの長さＬ，(ｂ)１０ｍと１００ｍの間のビート長、及び(ｃ)|σ|≦１０ｍの標準偏差σで特徴が表されるファイバ長内のいずれかの少なくとも１００ｍの距離にもわたるビート長一様性を有する、
(ii) ファイバによって後方散乱されて戻る光を測定する工程、及び
(iii) 光ファイバの長さに沿う特定の場所における測定された光の時間変化に関する情報を生成するために、測定された光の強度変動を解析する工程、
を含む。

本発明の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含み、添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。

上述した全般的説明及び以下の詳細な説明はいずれも本発明の実施形態を提示し、特許請求されるような本発明の本質及び特質を理解するため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。添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて本明細書の一部をなす。図面は本発明の様々な実施形態を示し、記述とともに本発明の原理及び動作の説明に役立つ。

図１は本発明の一実施形態にしたがうＰＯＴＤＲベース検出システムを簡略に示す。 図２は本発明の一実施形態にしたがう別のＰＯＴＤＲベース検出システムを簡略に示す。 図３は、図１または２の検出システムについて、擾乱があるＰＯＴＤＲ信号(プロットｂ)と擾乱がないＰＯＴＤＲ信号(プロットａ)及びＰＯＴＤＲ差信号(プロットｃ)を簡略に示す。 図４は複屈折が付加されるファイバプリフォームの作成工程を簡略に示す。 図５はプリフォームトリミング深さｄ_１の関数としてのファイバの複屈折のプロットである。 図６Ａは本発明のいくつかの実施形態にしたがうセンシングファイバの簡略な断面図を示す。 図６Ｂは本発明のいくつかの実施形態にしたがうセンシングファイバの簡略な断面図を示す。 図７は、センシングファイバの一例における、ファイバビート長Ｌ_Ｂと、ファイバコア中心と空孔中心の間隔Ｄ_空気の間の関係を示す。 図８は図６Ｂに示されるセンシングファイバの屈折率プロファイルの一例を示す。 図９は擾乱前に得られたＰＯＴＤＲトレースの一例を示す。 図１０は擾乱後に得られたＰＯＴＤＲトレースの一例を示す。 図１１は処理後ＰＯＴＤＲトレースの例を示す。 図１２は処理後ＰＯＴＤＲトレースの例を示す。 図１３は自己相関関数の例のプロットである。 図１４は擾乱前に得られたＰＯＴＤＲトレースの一例である。 図１５は擾乱後に得られたＰＯＴＤＲトレースの一例である 図１６は図１４及び１５に対応する自己相関関数の例のプロットである。

本発明は例証の目的のため、いくつかの実施形態だけに関して説明がなされる。しかし、本発明にしたがう図面の以下の説明によって本発明のその他の目的及び利点が明らかになるであろう。好ましい実施形態が開示されるが、限定は目的とされていない。むしろ、本明細書に述べられる全般的原理は本発明の範囲の例示に過ぎないと見なされ、さらに本発明の範囲を逸脱せずに数多くの変更がなされ得ることは当然である。

光ファイバ時間領域反射率計ベース検出システムにおいて、(一般に１０ナノ秒(ｎｓ)〜１０ミリ秒(ｍｓ)の)時間幅の光パルスが光ファイバ(センシングファイバ)に送り込まれる。このパルスがセンシングファイバを通って伝搬するにつれて、パルスのエネルギーのいくらかがレイリー散乱によって後方散乱される。後方散乱光の光学特性はファイバの物理的及び光学的な特性に依存する。センシングファイバが折られるか、曲げられるか、そうではなくとも擾乱を受けると、後方散乱光の性質が変化し、この変化は検出及び解析することができる。

センシングファイバの物理的及び光学的な特性に関する情報は、時間領域における後方散乱光の光学特性を解析することで、ファイバ長の関数として得ることができる。さらに、センシングファイバの局所特性が擾乱を受ければ、ファイバの長さＬに沿う擾乱の位置を特定するために後方散乱光の変化の解析を用いることができる。ファイバ長に沿う後方散乱光の強度を測定する光学機器は、例えば、光時間領域反射率計(ＯＴＤＲ)である。さらに詳しくは、ＯＴＤＲトレースは後方散乱光の強度に関する情報を提供する。偏光または光損失のような、その他の情報は、後方散乱光の信号強度に関する情報から導出及び解析することができる。

それらの例が添付図面に示される、本発明の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。本発明のファイバ長に沿う擾乱を検出するためのシステムの一実施形態が図１に示され、図面を通し、全体として参照数字５で指定される。

さらに詳しくは、図１に示されるように、(本明細書ではセンシングシステムとも称される)検出システム５は、光導波路ファイバ(センシングファイバ)にレーザ光パルスを送り出すことができる(本例においてはＰＯＴＤＲの)光時間領域反射率計ＯＴＤＲ１０を備える。すなわち、ＯＴＤＲは一連の光パルスをセンシングファイバに注入することができる。ＯＴＤＲは後方散乱された光を、センシングファイバの同じ末端から、抽出することもできる。戻りパルスの強度が測定され、時間の関数として積分されて、(ファイバの長さに沿う)ファイバの位置の関数としてプロットされる。ある時間幅の光パルスが光ファイバ(センシングファイバ)に射込まれる。パルス持続時間は、好ましくは２ｎｓ〜１μｓ，さらに好ましくは５０ｎｓ〜５００ｎｓである。例えば、パルス持続時間は６０ｎｓ，１００ｎｓ，１２５ｎｓ，１５０ｎｓ，２００ｎｓ，２５０ｎｓまたは３００ｎｓとすることができる。図１に示されるように、ＯＴＤＲ１０は、例えば侵入者によるかまたは構造劣化により、ファイバが擾乱を受け得る区域に、または区域を囲んで、配備されたセンシングファイバ１２にパルス光を射込む。図１に示される実施形態において、検出システムは２つの光サーキュレータ１４及び１６と２つの偏光子１８及び１９を用いる。光サーキュレータ１４及び１６は、ＯＴＤＲ１０からセンシングファイバ１２に送り込まれる初期光パルスをループさせるように構成される。レイリー散乱の結果、いくらかの光がファイバ１２によって後方に反射または散乱され、ファイバ１２を通してＯＴＤＲ１０に戻される。好ましい実施形態において、そのような後方散乱パルスは転流され、異なる経路を通してＯＴＤＲ１０に戻される。例えば、図１に示される実施形態において、後方散乱パルスは、後方散乱光がＯＴＤＲ内部の検出器に届く前に(単に偏光子とすることができる)検光子１８を通して導かれる(検光子１８によって、検出器が偏光感度を有することが可能になる)。別の実施形態(図示せず)において、検光子１８は少なくとも波長板(例えば、１/２波長板または１/４波長板)と偏光子の組合せからなる。図示される光サーキュレータ１４と１６においては、ポート２でしか光が出入りできないことに注意されたい。他の全てのポートにおける光の進行は単方向である。詳しくは、ポート１からポート２へ及びポート２からポート３への単方向の光の進行が可能になっている。いくつかの市販のＯＴＤＲの場合におけるように、ＯＴＤＲによって送り出される光パルスが既に偏光にされていれば、図１の構成によってＯＴＤＲ１０に戻る光を多くすることが可能になる。(ＰＯＴＤＲの場合におけるように)ＯＴＤＲから送り出される光が既に偏光にされていれば、光サーキュレータ１４のポート３と光サーキュレータ１６のポート１の間の偏光子１９が必要ではなく、したがってソース光の損失が排除され、これはＰＯＴＤＲに対してより大きなダイナミックレンジを稼ぐに役立つ。

図２は本発明にしたがって利用することができるＰＯＴＤＲの、図１に示される実施形態に利用されていた光サーキュレータをこの実施形態は用いていないから、簡易／低コスト版を示す。図２の実施形態において、ＯＴＤＲ１０は、センシングファイバ１２に射込まれる光の量を最大化するために用いられる、偏光コントローラ２０を通してパルス光を射出する。技術上既知の様々な偏光コントローラがある。偏光コントローラの目的は、センシングファイバ１２内の偏光の状態を揃えて偏光子１８に入射させることである。いくつかの簡易な偏光コントローラは、センシングファイバ１２の長さに沿う様々な場所においてファイバの外周上に、センシングファイバの１２のセグメントを動かして捻ることができるように、取り付けられた１つないしさらに多くのレバーを備え、よってセンシングファイバ１２内の偏光状態を適切に調節して、偏光子１８を通過する光の量を最大化することができる。パルス光が偏光コントローラ２０を通過した後に、パルス光は偏光子１８を通して導かれ、次いでセンシングファイバ１２に送り込まれる。

図１及び２のＰＯＴＤＲシステムに用いられる偏光子１８及び１９は２つの主要な目的のためにはたらく。第１に、(図１の)インライン偏光子１９及び(図２の)インライン偏光子１８により、センシングファイバ１２に入る光が偏光であることが保証される。ただしこれは(例えば、既に偏光された光を送り出すＯＴＤＲを用いることによって)インライン偏光子を用いなくとも達成できるであろう。さらに重要なことは、インライン偏光子１８(図１及び図２を見よ)センシングファイバ１２から後方散乱されてＯＴＤＲ１０に戻る光に対して検光子としてはたらき、この光がセンシングファイバ１２の偏光状態に関する情報を提供する。センシングファイバ１２からの後方散乱光を検光する偏光子が所定の位置になければ、ＯＴＤＲは光パルスの総強度しか検出しないであろう。しかし、偏光子１８を組み込むことにより、センシングファイバ１２に沿う偏光状態に関する情報も得ることができる。これは、幾何学的非対称性及び歪により、光導波路ファイバが複屈折を帯びるからである。この結果、センシングファイバ１２内を進行する光パルスの偏光状態は、前進伝搬方向及び光が後方反射されたときの後進伝搬方向のいずれにおいても連続的に変遷する。後方散乱光がＯＴＤＲ検出器によって奪取される前に後方散乱光の検光子としてはたらく、偏光子１８の挿入により、センシングファイバ１２の長さに沿う様々な場所からの偏光情報が捕捉されることが保証される。図２の偏光子１８は偏光コントローラ及び検光子の両者としてはたらく。

図３は図２に示される構成を用いてとられた、センシングファイバ１２に沿う(ｋｍを単位とする)距離に対する強度ＩをｄＢ単位の対数スケールで表した、簡易型ＰＯＴＤＲトレースを簡略に示す。図１に示される装置からも同様の結果を得ることができる。さらに詳しくは、プロットａは時刻Ｔ_１における後方散乱光信号の強度Ｉ_１を示す。プロットｂは時刻Ｔ_２＝Ｔ_１＋ΔＴにおける後方散乱光信号の強度Ｉ_２を示し、ファイバは時刻Ｔ_２において(例えば、侵入者により)擾乱を受けている。プロットｃは強度差，Ｉ_１−Ｉ_２のプロットである。プロットｃは、プロットａとプロットｂが元は同じであるが、ファイバに沿う、擾乱地点である、距離Ｄ_０において異なったことを明瞭に示す。プロットｃと同様のプロットを得るに、フィルタリングは全く必要とされず、好ましくは平均化も全く必要とされない。

さらに詳しくは、光ファイバの偏光状態は外部擾乱に非常に敏感である。特定の位置における擾乱により、偏光状態の擬周期的変調の局所位相が変化し、その後のＰＯＴＤＲ強度が修飾される。局所位相の変化は多くの様々な方法で検出することができる。例えば、擾乱前後のトレースの差を計算することができる。図３(プロットｃ)に示されるように、擾乱の場所及びそこから先で差に非ゼロの結果が生じるであろうから、モデル化された擾乱の場所を明瞭に見ることができる。

いくつかの実施形態において、擾乱の場所は、例えば、(例えば約１ｋｍ幅の)ウインドウにかけて差トレースの標準偏差を計算し、さらに計算中にそのようなウインドウをファイバの全長Ｌにわたってスライドさせることによって、差トレースをさらに処理することで、同定することができる。そのような解析法は本明細書において「スライディング標準偏差トレース」と称される。標準偏差が実質的にゼロより大きくなる位置が擾乱地点の位置である。スライディングウインドウの幅Ｗは５０ｍと２ｋｍの間(すなわち５０ｍ≦Ｗ≦２ｋｍ)であることが好ましい。例えば、幅Ｗは１００ｍ≦Ｗ≦２ｋｍ，または１００ｍ≦Ｗ≦１ｋｍとすることができる。

ファイバには複屈折のいかなる(方位及びレベル)非一様性問題も存在しない、理想的な場合に、偏光状態はファイバの長さに沿って周期的に変遷する。本発明の実施形態にしたがえば、図３のトレースの周期的性質はセンシングファイバ１２の線形複屈折によって生じる。検光子(偏光子)が用いられるから、ＯＴＤＲ信号はセンシングファイバ１２から後方散乱された光パルスの偏光状態の情報を伝える。本発明の実施形態にしたがえば、センシングファイバ１２は本質的に線形複屈折性であるから、偏光状態はセンシングファイバ１２に沿って周期的に変遷する。センシングファイバ１２を用いる検出システム５において、偏光サイクル周期は擾乱を受けず、したがって高い信号対雑音比が得られる。ピーク間隔Ｄはセンシングファイバのビート長の１/２である。ファイバのビート長は２つの異なる偏光モードのそれに沿って累積する遅延が一光波長になる、センシングファイバ１２の長さである。標準ＯＴＤＲ構成では光パルスがセンシングファイバ１２の同じ部分を２回通る。したがって一光波長の遅延を累積するにはビート長の１/２しか必要ではない。

本発明の実施形態にしたがうＰＯＴＤＲベース検出システムの挙動は、ジョーンズ行列モデルを用いて理解することができる。以下の方程式は撚りファイバの特性を表し、結合モード方程式と称される。以下の説明は撚りファイバに適用可能である。ファイバの撚り振幅がゼロに設定された場合(無撚りファイバの場合)にも、以下の説明が適用可能であることに注意されたい。撚りファイバの完全偏光特性を表す結合モード方程式は、式(１)：

の形をとる。ここで、Ａ_ｘ及びＡ_ｙはそれぞれの局所偏光モードの電場振幅であり、δβは、Ｌ_Ｂを無撚りファイバのビート長とし、α(ｘ)をファイバの撚りプロファイルとして、δβ＝２π/Ｌ_Ｂという簡単な形でファイバのビート長と関連付けられる、ファイバの複屈折である。

本発明の以下の実施形態のいくつかにおいて、ファイバの注目する撚りプロファイルは単一周期撚りプロファイル(２)：

であり、ここで、α_０は撚りの大きさであり、ηは空間変調の角周波数である。ηは撚り周期Λとη＝２π/Λの形で関連付けられ、ｚは、ファイバの入力端のような基準点に対する、ファイバ内の特定の位置である。

撚りファイバのジョーンズ行列は、初期条件，Ａ_ｘ(０)＝１及びＡ_ｙ(０)＝０に対して式(１)を解くことによって得ることができる。さらに式(１)からＡ_ｘ(ｚ)及びをＡ_ｙ(ｚ)を用いて、ジョーンズ行列Ｊ(ｚ)を式(３)：

として構成することができる。

ＰＯＴＤＲ構成において、光は前方に進んで、散乱されて戻り、復路を表すジョーンズ行列は単に転置行列，Ｔ(ｚ)である。したがって往復に関係付けられるジョーンズ行列はＭ＝Ｊ^Ｔ・Ｊであり、ここでＪ^Ｔは複素行列Ｊの転置行列である。

さらに、偏光パルスをファイバに射込むために偏光子をＯＴＤＲ光路に挿入することができ、検光子としてはたらかせるために別の偏光子を戻り光路に配置することができる。したがって、往復後に、検出器に入る規格化された電場は式(４)：

で表され、ここでＰ(φ_２)は、偏光角φ_２が式(５)：

の形で表される偏光子に対する、ジョーンズ行列である。

後方散乱光の規格化強度を計算することによって、空間周期のような、ＰＯＴＤＲトレースの重要な特徴を抽出することができる。後方散乱光のピーク値に関する規格化強度Ｉは：

である。ビート長がＬ_Ｂの線形複屈折光ファイバは、ＰＯＴＤＲトレースにＬ_Ｂ/２の空間周期ＳＰを示す(すなわちＳＰ＝Ｌ_Ｂ/２)であろう。

撚りファイバに対して、式(１)を用いることにより偏光状態の変遷及びファイバＰＭＤ(偏波モード分散)に影響する要因を調べることができる。発明者等は、ＰＯＴＤＲに観察される空間周期ＳＰを、撚りファイバに対するファイバ撚りパラメータ及びファイバ固有ビート長と関連付けるために肝要な方程式を同定した。ＰＯＴＤＲで観察されるような空間周期ＳＰは、式(６)：

で表すことができ、ここでＪ_０(ｚ)はゼロ次ベッセル関数であり、式：

は周期的撚りファイバ(例えば単一周期撚りファイバ)の実効ビート長である。すなわち、実効ビート長Ｌ_Ｂ'は偏光変遷における空間周期ＳＰの２倍に等しいと定義される(撚りの大きさ(振幅)が０であれば、Ｌ_Ｂ'＝Ｌ_Ｂであることに注意されたい)。すなわち、無撚りファイバに対し、実効ビート長はビート長と同じである。式(６)は撚りファイバパラメータ及びファイバ固有ビート長が観察される空間周期ＳＰにどのように影響するかを表す。

このモデルにおいて、発明者等は、全センシングファイバ１２をモード結合のない線形複屈折ファイバの一セグメントと見なした。発明者等は、空間周期とファイバビート長の間の連関を説明し、無撚りファイバに対してはＬ_Ｂ/２，撚りファイバに対してはＬ_Ｂ'/２の周期で信号が変調されることも説明した。

しかし、ほとんどのファイバは、様々なレベルの複屈折非一様性をファイバ長に沿っておこるモード結合とともに示す。したがって、複屈折非一様性にともなって変化するビート長を有するファイバは明瞭な周期的ＰＯＴＤＲトレースを示すことができない。例えば、ファイバを通って伝搬している光の周期的偏光変遷ＰＯＴＤＲトレースはファイバの複屈折軸及び／または複屈折レベルのランダムな変化により擾乱を受けることが多いため、「過雑音」になり得る。

通常のセンシングファイバを用いる分布型センシングシステムにおいては、ファイバビート長がＰＯＴＤＲの分解能以下に落ち込んでしまうこともあり得る。この場合、ファイバに沿う強度の変動は平均化されて消えてしまうであろう。これは、そのような強度変動は一ＯＴＤＲパルス幅内で有意に縮小し、この結果信号対雑音比が低下するであろうことから生じる。この場合、ファイバのビート長に基づいて、判断をしないか、または誤った判断がなされ得る。このことは、普通に用いられるファイバはセンサ用途に不十分であり得るか、あるいは信号対雑音比を向上させるために数多くの測定値が平均化及び／またはフィルタリングされるべきであることを示唆している。

しかし。発明者等は、ＰＯＴＤＲベースセンシングシステムにおいて、(ｉ)低複屈折で、(１０ｍ以上、好ましくは２０ｍ以上、例えば５０ｍ〜１００ｍ)の長いビート長、及び(ii)高いビート長一様性を有する、センシングファイバ１２を用いることによって、一層感度が高く及び／または一層正確な測定値が得られることを見いだした。すなわち、一様で小さい複屈折を有するセンシングファイバ１２を用いて、高感度及び／または高分解能を可能にするに十分に長い期間のＰＯＴＤＲトレースが得られる。十分な空間分解能を得るためには、好ましくはＯＴＤＲ(またはＰＯＴＤＲ)の実効パルス幅ＥＰＷを偏光変遷の空間周期ＳＰより短くすべきであることに注意されたい。好ましくはＥＰＷ＜ＳＰ，さらに好ましくはＥＰＷ≦０.８×ＳＰ，さらに一層好ましくは０.１×ＳＰ≦ＥＰＷ≦０.８×ＳＰであり、ここでＳＰはＬ_Ｂ/２または(撚りファイバに対する)Ｌ_Ｂ'/２である。ファイバ１２の偏波モード分散ＰＭＤは、好ましくはＰＭＤ≦０.０５ｐｓ/ｋｍ^１/２，さらに好ましくはＰＭＤ≦０.０３ｐｓ/ｋｍ^１/２，さらに一層好ましくはＰＭＤ≦０.０１ｐｓ/ｋｍ^１/２，例えばＰＭＤ≦０.００５ｐｓ/ｋｍ^１/２である。ファイバ１２のビート長一様性は、|σ|≦１０ｍ，好ましくは|σ|≦５ｍ，さらに好ましくは|σ|≦２ｍ，さらに一層好ましくは|σ|≦１ｍの標準偏差σで特徴が表されるファイバの長さ内のいずれの少なくとも１００ｍの距離にもわたることが好ましい。例えば、|σ|≦０.５ｍ，さらには|σ|≦０.０２５ｍとすることができる。ファイバ１２のビート長一様性は、好ましくは|σ|≦１０ｍの標準偏差σで特徴が表されるファイバの長さ内のいずれの少なくとも２００ｍの距離にわたることが好ましい。ファイバ１２のビート長一様性は、|σ|≦１０ｍ，好ましくは|σ|≦５ｍ，さらに好ましくは|σ|≦２ｍ，さらに一層好ましくは|σ|≦１ｍの標準偏差σで特徴が表されるファイバの長さにわたることが最も好ましい。例えば、|σ|≦０.５ｍ，さらには|σ|≦０.０２５ｍとすることができる。

複屈折が小さく、ビート長が長く(Ｌ_Ｂ'＞１０ｍ，好ましくはＬ_Ｂ'≧２０ｍ)、ビート長一様性が高い、センシングファイバ１２を、例えば、ファイバの固有複屈折を非一様バックグラウンド複屈折より高く上げ、次いで、例えば線引きプロセス中に双方向性または単周期性のファイバ撚りによって、複屈折レベルを一様にしたまま複屈折を小さくすることで、作成することができる。

複屈折が大きいプリフォーム(すなわち、例えば、１５５０ｎｍにおいて１.５ｍと２０ｍの間の一様なビート長Ｌ_Ｂを有する無撚りファイバを得ることができるプリフォーム)を初めに作成し、次いで、実効ビート長が例えば１０ｍと１００ｍの間であるように線引きプロセス中にファイバを撚って実効複屈折を下げることでファイバ１２を作成することによって、複屈折が小さく、一様なセンシングファイバ１２を作成することができる。撚りは、撚りの大きさが例えば１〜１０ターン/ｍで撚り周期が０.８ｍと３０ｍの間の、単周期性撚りとすることができる。Ｌ_Ｂ'＞Ｌ_Ｂ，例えばＬ_Ｂ'≧１.５Ｌ_Ｂであることに注意されたい。好ましくはＬ_Ｂ'≧２Ｌ_ＢまたはＬ_Ｂ'≧３Ｌ_Ｂであり、さらに一層好ましくはＬ_Ｂ'≧５Ｌ_ＢまたはＬ_Ｂ'≧１０Ｌ_Ｂである。

センシングファイバ１２は、例えば、例えばコアケーンの一部に機械加工を施すことによるか、またはプリフォーム作成プロセス中に非対称加熱を導入することによって、コアケーンに意図的に歪を入れることで作成することができる。

本発明は以下の実施例によってさらに明瞭になるであろう。

実施例１
発明者等は、ファイバプリフォームレベルにおいて制御された大きさの複屈折を導入するためにファイバコアケーンの側端を機械加工で除去した。これが図４に示される。第１の工程において、コアケーン５０の側端を、対向する２つの側端において小量のクラッド層を機械加工で切り取った(トリミング深さｄ)。コアケーン５０はコア領域５２及び薄いクラッド層５４Ａを有することに注意されたい。機械加工後、機械加工されたコアケーン５０'を追加のクラッド材料でオーバークラッドして、ファイバプリフォーム５０”を作成し、必要に応じて、プリフォーム全体を再線引きした。プリフォーム固化中に、プリフォームのコア領域は楕円形になる。プリフォームが溶融状態にある固化中に、コアケーンの表面における張力のため、プリフォームのコア領域は歪んで、有意な大きさの複屈折が導入される。次いで、光ファイバ１２をファイバプリフォーム５０”または再線引きしたファイバプリフォームから線引きした。例えば、いくつかの実施形態にしたがえば、ファイバコアの幅ｂに対する長さａの比は、１＜(ａ/ｂ)≦１.０２，好ましくは１≦(ａ/ｂ)≦１.０１である。トリミングの大きさは達成される複屈折またはビート長と相関する。例えば、発明者等は、３本のコアケーンから出発して、それぞれのコアケーンの両側端を機械加工で除去した。それぞれのファイバケーンを相異なる量でトリミングした。コアケーン５０は１％のコアΔ及び１４.４ｍｍの全外径を有し、コア径は２.０ｍｍであった。トリミングしたコアケーン５０'をさらに５７００ｇのシリカスート(クラッド材料)でオーバークラッドし、固化させた。得られたプリフォームから、それぞれ異なる大きさでトリミングされたコアケーンに対応する、３本の異なるファイバ１２を線引きし、１５５０ｎｍの波長でビート長を測定した。図５は、トリミング深さｄの関数としてのファイバの(Ｂ＝２π/Ｌ_Ｂとして定義される)複屈折のプロットである。傾向(すなわちＢとｄの間の関係)はほぼ線形であることがわかった。このプロットから、内挿または外挿を行うことで無撚りファイバのビート長をトリミング深さｄの関数として簡便に予測することができる。例えば、トリミング深さｄが０.４１ｍｍであれば、本例の無撚りファイバのビート長は２ｍであり、本例の単一周期撚りファイバ１２は一様で低い(０.０５ｐｓ/ｋｍ^１/２より小さい)ＰＭＤを有するであろう。すなわち、必要な固有複屈折レベルが与えられれば、このレベルの複屈折を与えるであろうトリミングの大きさを見いだすことができる。

実施例２
図６ａ及び６Ｂを参照して以下で論じられる別の方法によってもファイバ複屈折を導入することができる。さらに詳しくは、図６Ａは一例のセンシングファイバ１２の断面を示す。このセンシングファイバ１２は、クラッド層１２Ｂ内で、ファイバコア１２Ａの両側に配置された２本の空孔１３Ａを有する。図７に、一例のファイバ１２において、無撚りファイバビート長Ｌ_Ｂが１５５０ｎｍにおいて間隔Ｄ_空気(すなわち、ファイバコア中心と空孔中心の間隔)にしたがってどのように増減するかを示す。本例のファイバは、０.３４％のコアデルタ，Δ_コア、４.２μｍのコア半径，Ｒ_コア、及び６μｍの空孔半径，Ｒ_空孔を有する。しかし、別の例のファイバは異なるデルタ値、異なるコア半径、または異なる空孔半径を有することができる。しかし、ビート長と、ファイバコア中心と空孔中心の間隔の間の関係を決定するために、図７と同様のプロットを作成することができる。

図７は、ビート長に対する軸を対数目盛にすると、ビート長と間隔Ｄ_空気の間の関係がほとんど直線になることを示す。これにより、特定のビート長に必要なＤ_空気の予測が簡便になる。空孔中心に対するファイバコアの距離を適切に選ぶことにより、例えば１.５ｍと２０ｍの間のファイバビート長を達成することができる。例えば、１５５０ｎｍにおいて３ｍの目標ビート長に対し、Ｄ_空気はほぼ１７.２μｍとすべきである。すなわち、本発明のいくつかの実施形態にしたがえば、センシングファイバ１２は少なくとも１つの、半径が５μｍと１２μｍの間で、ファイバコアとの中心間隔が１２μｍと４０μｍの間の、空孔を有することが好ましい。複屈折があらかじめ設定されたプリフォームはさらに、偏光有感分布型センシングに適する、複屈折が一様で小さな、ファイバを作成するために、双方向性または単一周期の撚りを与えながら、線引きすることができる。図６Ｂに示されるような単空孔でも、適切な大きさの複屈折をファイバに導入することができる。

分布型センシングのローバスト性に対し、ビート長が長いほどよいとは限らないことにも注意すべきである。発明者等は侵入検出に対してＰＯＴＤＲによって観察される強度トレースの擬周期的変遷に依存している。ファイバ１２の実効ビート長Ｌ_Ｂ'は、１０ｍと２００ｍの間であることが好ましく、２０ｍと１００ｍの間であることがさらに好ましく、２０ｍと６０ｍの間であることがさらに一層好ましい。

敷設時にセンシングファイバ１２は局所的にきつく曲げられることがあり、よってセンシングファイバ１２は曲げに不感であることが好ましい。したがって、必要に応じて、センシングファイバ１２は小さい曲げ損失を有するように設計することができる。低曲げ損失は、例えば、低屈折率トレンチ１２Ｃを有するファイバによって達成される。低屈折率トレンチは、例えばフッ素ドープガラスで形成することができ、あるいは複数の空孔がランダムに分布するリングを有することができる。そのようなファイバの屈折率プロファイルの例が図８に示される。曲げ損失の低い光ファイバ１２を用いる利点の１つは、そのようなファイバ１２では、偏光信号によって誘起される信号強度変化の決定中のファイバ曲げ損失の干渉を防止できることである。また、低曲げ損失によりセンシングファイバ１２は苛酷な環境への配備に適するようになり、これは検出システム５の適用範囲を広くすることができる。

すなわち、本発明の一実施形態にしたがえば、検出システム１５は、(ａ)≧１ｋｍの長さＬ，(ｂ)１０ｍと１００ｍの間のビート長Ｌ_Ｂ'，及び(ｃ)|σ|≦１０ｍの標準偏差σで特徴が表されるファイバの長さにわたるビート長一様性、を特徴とする(本明細書ではセンシングファイバとも称される)光ファイバ１２を備える。ビート長Ｌ_Ｂ'は８０ｍより短いことが好ましく、６０ｍより短いことがさらに好ましく、２０ｍと５０ｍの間であることが最も好ましい。好ましくは|σ|≦５ｍ，さらに好ましくは|σ|≦２ｍ，さらに一層好ましくは|σ|≦１ｍ，最も好ましくは|σ|≦０.５ｍである。改善されたファイバ１２を検出システム５に用いる利点の１つは、標準光ファイバを利用するＯＴＤＲ検出システムによって得られる検出感度及び信号対雑音比よりも向上した高い検出感度及び高い信号対雑音比である。ファイバ長Ｌは２ｋｍ以上あるいは５ｋｍ以上とすることができ、１０ｋｍ以上とすることさえできる。

複屈折が小さく、一様なセンシングファイバ１２は、複屈折が大きいファイバプリフォーム(例えば、一様ビート長が１５５０ｎｍで測定して１.５ｍと２０ｍの間の無撚りファイバを得ることができるプリフォーム)を初めに作成し、次いで線引きプロセス中に実効ビート長が例えば１０ｍと２００ｍの間になるように、ファイバを撚って実効複屈折を小さくすることで作成することができる。撚りは、撚りの大きさが例えば約１ターン/ｍと１０ターン/ｍの間(例えば、１，１.５，２，３，４，５，８，９または１０ターン/ｍ)であり、撚り周期が約０.８ｍと５０ｍの間(例えば、０.８，０.９，１，２，５，１０，１５，２０，２５，３０または４０ｍ)の、単周期性撚りとすることができる。

実施例３
本例の実施形態は自己相関を用いることでどのように擾乱の場所を決定できるかを説明する。本実施形態のセンシングファイバは、直径が１０ｃｍよりやや大きいリールに巻き付けられた単一モードファイバである。センシングファイバはＯＴＤＲパルス幅より大きいビート長を有し、よってＰＯＴＤＲトレースにおける強度変動によって示されるような、ファイバの偏光変遷を観察することができる。

初めに、擾乱の前後のＰＯＴＤＲトレースが得られる。そのようなトレースの例が図９(擾乱前)及び図１０(擾乱後)に示される。これらの図に示されるトレースは互いに同様に見える。詳細な差はこれらの図では明瞭に示されない微細な詳細にある。したがって、擾乱の精確な場所を同定するため、以下の工程が実施される。図９及び１０に示されるように、偏光関連情報はファイバ減衰を示すバックグラウンドに埋め込まれている。ＰＯＴＤＲトレースの中心線は負の勾配を有することに注意されたい。偏光有感情報は局所擾乱に関係する情報を搬送するから、第１の工程において、ＰＯＴＤＲトレースから負勾配直線が減算されて、発明者等が処理後ＰＯＴＤＲトレースと呼び、図１１(擾乱前)及び図１２(擾乱後)に示される、局所情報に関係する情報だけが得られる。元のＯＴＤＲトレースは、擾乱前後のトレースについてそれぞれＰｂ(ｚ)及びＰａ(ｚ)と表示することができる。処理後ＰＯＴＤＲトレースが得られる傾斜直線の除去は方程式：

で表され、ここでｉ＝ｂまたはａであり、ｂ及びａはそれぞれ「前」及び「後」に得られたトレースを表し、またｃ_ｉ及びｄ_ｉはＰ_ｉ(ｚ)から取り去られる直線を一意的に決定する２つのパラメータであり、トレース全体の良好なフィッティングが得られる一次回帰によって決定される。

擾乱の場所は２つの処理後ＰＯＴＤＲトレースの自己相関関数を構築することで得ることができる。式：

にしたがって、自己相関が計算される。ここでｗは自己相関を計算するために用いたウインドウの幅である。ウインドウ幅ｗの選択は厳密ではない。幅ｗは、例えば、５０ｍと１０００ｍの間とすることができる。一例として、２００ｍのウインドウ幅を用いれば、図１３に示されるような自己相関関数が計算される。自己相関曲線がゼロレベルと交差する位置が擾乱の位置である。この例の場合、特定した擾乱の位置は３.５ｋｍにあり、これは発明者等が擾乱をかけるために設定した位置に一致する。

実施例４
本実施例において、本発明の一実施形態にしたがって作成されたファイバの結果を説明する。初めに、２４.９ｍｍ径コアケーンの両側ｄ＝０.８ｍｍをトリミングした。トリミング後のコアケーン５０'を追加のクラッド材料でオーバークラッドして、ファイバプリフォーム５０”を作成した。撚り効果の無いファイバビート長を測定するために、無撚りファイバを初めに線引きした。得られた無撚りファイバのビート長は、ほぼ１５５０ｎｍの波長で３ｍであった。(コアケーンの一部を機械加工で除去する)コアケーンのトリミングによって、大きな(ビート長で示されるような)無撚りファイバ複屈折が誘起されているから、無撚りファイバの全複屈折は比較的大きく、極めて一様である。

次に、線引き中のファイバに双方向性撚りをかけることにより、ファイバプリフォーム５０”から撚りファイバを線引きした。撚りファイバを初めに３０ｃｍ径のスプールに、張力をゼロにして、巻き付けた。この条件下では曲げ及び張力によって誘起される複屈折は僅少であった。例えば、スプールに撚りファイバを巻き付けることで誘起される複屈折は少なくとも３００ｍないしさらに長いビート長で特徴が表される。したがって、センシングファイバ１２の状態は、現場に、すなわち直線状態で、配備されたファイバの条件と実質的に同じである。

次いで、擾乱の効果を調べることができるであろうように、ファイバ長の中ほどに沿うどこか短い部分に擾乱をかけた。擾乱前後のＰＯＴＤＲトレースをとった。そのようなトレースの例が図１４及び１５に示される。さらに詳しくは、図１４は擾乱前にとったＰＯＴＤＲトレースを示す。ファイバに沿う偏光変遷による擬周期的変動をさらに明瞭に示すため、このトレースの一部を拡大して示す。図１５は擾乱後にとったＰＯＴＤＲトレースを示す。

図１４の拡大部分で示されるように、撚りファイバの実効ビート長は約６０ｍであり、これは同じプリフォームから作成した無撚りファイバの３ｍのビート長よりかなり長く、期待した通りであった(すなわち、複屈折は一様で小さい)。これらの図に示されるＰＯＴＤＲトレースは互いに同様に見える。詳細な差はこれらの図では明瞭に示されない微細な詳細にある。したがって、擾乱の精確な場所を同定するため、実施例３で行った工程と同様の工程をさらに実施した。傾斜直線分を差し引いて処理後ＰＯＴＤＲトレースを得た。一例として、２００ｍ幅のウインドウを用いて、図１６に示される自己相関関数を計算した。自己相関曲線が初めにゼロレベルと交差する位置(点Ａ)が擾乱の位置である。この場合、特定された擾乱の位置は(ＯＴＤＲ装置の出力ポートに対して)２.３５ｋｍの距離にある。

すなわち、本発明のいくつかの実施形態にしたがえば、検出システムは、
(ｉ) 光ファイバであって、(ａ)≧１ｋｍの長さＬ，(ｂ)１０ｍと１００ｍの間のビート長Ｌ_Ｂ、及び(ｃ)|σ|≦１０ｍの標準偏差σで特徴が表されるファイバ長内にあるいずれの少なくとも１００ｍの距離にもわたるビート長一様性を有する、光ファイバ(センシングファイバ)、
(ii) ファイバに結合され、(ａ)ファイバにパルス光を供給する光源及び(ｂ)ファイバによって後方散乱される光を検出する検出器を備える、ＯＴＤＲシステム、及び
(iii) 光ファイバと検出器の間に配置され、よって後方散乱光が検出器に届く前に通過する、少なくとも１つの偏光子、
を備える。

好ましくは|σ|≦１０ｍ，さらに好ましくは|σ|≦５ｍの標準偏差σで、ファイバ長内にある少なくとも２００ｍのいずれの距離にもわたるビート長一様性の特徴が表されることが好ましい。好ましくは|σ|≦１０ｍ，さらに好ましくは|σ|≦５ｍの標準偏差σで、ファイバの全長にわたるビート長一様性の特徴が表されることがさらに好ましい。

本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明の様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲内に本発明の改変及び変形が入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含するとされる。

１，２，３ 光サーキュレータポート
５ 検出システム
１０ ＯＴＤＲ(光時間領域反射率計)
１２ センシングファイバ
１４，１６ 光サーキュレータ
１８ 検光子
１９ 偏光子
２０ 偏光コントローラ

Claims (10)

1. 検出システムにおいて、
   (ｉ) 光ファイバであって、(ａ)≧１ｋｍの長さＬ，(ｂ)１０ｍと２００ｍの間の実効ビート長、及び(ｃ)|σ|≦１０ｍの標準偏差σで特徴が表される前記長さＬ内のいずれの少なくとも１００ｍの距離にもわたるビート長一様性を有する光ファイバ、
   (ii) 前記ファイバに結合され、(ａ)前記ファイバにパルス光を供給する光源、及び(ｂ)前記ファイバによって後方散乱されて戻る光を検出できる検出器を備えるＯＴＤＲ、及び
   (iii) 前記ファイバと前記検出器の間に配置され、よって前記後方散乱光が前記検出器に届く前に通過する、少なくとも１つの偏光子、
   を備えることを特徴とする検出システム。
2. |σ|≦５ｍであることを特徴とする請求項１に記載の検出システム。
3. 前記ファイバ長Ｌ内の少なくとも２００ｍのいずれの距離にもわたる前記ビート長一様性が|σ|≦１０ｍの標準偏差σで特徴が表されることを特徴とする請求項１に記載の検出システム。
4. ファイバビート長が２０ｍと１００ｍの間であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の検出システム。
5. 前記ファイバの偏波モード分散ＰＭＤが≦０.０５ｐｓ/ｋｍ^１/２であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の検出システム。
6. 前記ファイバが少なくとも１つの空孔を有し、前記ファイバのコアと前記少なくとも１つの空孔の中心間隔が１２μｍと４０μｍの間であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の検出システム。
7. 前記ファイバが、大きさが１ターン/ｍと１０ターン/ｍの間で、周期が０.８ｍと３０ｍの間の、撚りを有することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の検出システム。
8. (ｉ) 前記光ファイバが、(ａ)≧２ｋｍの長さＬ、(ｂ)２０ｍと１５０ｍの間の実効ビート長、(ｃ)|σ|≦５ｍの標準偏差σで特徴が表される前記長さＬ内のいずれの少なくとも１００ｍの距離にもわたるビート長一様性、及び(ｄ)≦０.０３ｐｓ/ｋｍ^１/２の偏波モード分散ＰＭＤを有する、及び／または
   (ii) 前記光ファイバが、≦０.０１ｐｓ/ｋｍ^１/２の偏波モード分散ＰＭＤ、３０ｍと１００ｍの間の実効ビート長、及び|σ|≦２ｍの標準偏差σで特徴が表される前記ファイバの長さにわたるビート長一様性を有し、前記ファイバが、撚り周期が５ｍ〜５０ｍの、撚りファイバである、
   ことを特徴とする請求項１に記載の検出システム。
9. (ｉ)前記光源からの前記パルス光及び前記後方散乱光のいずれもが前記偏光子を通過する、及び／または(ii)前記検出システムがさらに第２の偏光子を備えることを特徴とする請求項１から３または８のいずれかに記載の検出システム。
10. ファイバの長さに沿う擾乱を検出する方法において、
    (ｉ) ある長さの光ファイバにパルス光を送り込む工程であって、前記光ファイバは、(ａ)≧１ｋｍの長さ，(ｂ)１０ｍと１００ｍの間の実効ビート長、及び(ｃ)|σ|≦１０ｍの標準偏差σで特徴が表される前記長さＬ内のいずれの少なくとも１００ｍの距離にもわたるビート長一様性を有するものである工程、
    (ii) 前記光ファイバによって後方散乱されて戻る光を、偏光有感装置を用いて測定する工程、
    (iii) 前記光ファイバの前記長さに沿う特定の場所における前記測定された光の時間変化に関する情報を生成するために前記測定された光の強度変動を解析する工程、
    (iv) ファイバの擾乱前及び擾乱後の後方散乱光の強度を得る工程及び前記擾乱前後方散乱光強度と前記擾乱後後方散乱光強度の差を解析する工程、及び／または
    (ｖ) 好ましくはスライディング標準偏差トレースまたは自己相関関数を用いることにより、ファイバ擾乱の場所を同定する工程、ここで、前記トレースまたは自己相関関数は、５０ｍ≦Ｗ≦２００ｍの、ウインドウ幅Ｗを利用する、
    を含むことを特徴とする方法。

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