JP2014517269A - 少数モードセンシング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 - Google Patents

Abstract

分布ブリルアン光ファイバセンシングシステムのいくつかの実施形態は、２つ以上の（すなわち、少数の）導波モードをサポートするセンシング光ファイバを用いる。ブリルアンダイナミックグレーティング（ＢＤＧ）を形成するため、導波モードの内の１つでサポートされるポンプ光が用いられる。他の導波モードの内の少なくとも１つでサポートされるプローブ光が、受け取られ、解析されて、ブリルアン周波数シフト、プローブ光とポンプ光の間の位相整合波長及び反射場所を決定し、これに続いて、センシング光ファイバに沿う少なくとも１つの状態の測定の実施を可能にする、反射プローブ光をＢＤＧと相互作用して形成する。ポンプ光及びプローブ光を異なる導波モードでサポートする結果、温度及び歪を同時に測定することができ、ポンプ光とプローブ光が共通の導波モードを共有する光ファイバセンシングシステムより高い空間分解能を有する光ファイバセンシングシステムが得られる。

Description

関連出願の説明

本出願は２０１１年４月２９日に出願された米国特許出願第１３/０９７２０１号及び２０１２年１月５日に出願された米国特許出願第１３/３４４０６５号の優先権の恩典を主張する。本明細書は上記出願の明細書の内容に依存し、上記出願の明細書の内容はそれぞれの全体が本明細書に参照として含められる。

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、少数モードセンシング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。

ブリルアン散乱に基づく分布センサは、建物、橋梁、トンネル、ダム及びパイプラインの構造保全性を、また艦船及び航空機の構造保全性も、測定するために用いられる光ファイバセンシングシステムの形成に魅力的である。最も普及しているブリルアン光ファイバセンシングシステムはブリルアン光時間ドメイン反射測定（ＢＯＴＤＲ）である。この手法は、強いパルス光から後方散乱された自然ブリルアン光が時間の関数として記録される、レイリーベースＯＴＤＲに非常に類似している。それぞれの場所における歪または温度変化を決定するため、後方散乱信号の周波数分布がそれぞれの時間ステップに対して測定される。従来のＯＴＤＲと同様、ＢＯＴＤＲにはただ一方のファイバ末端へのアクセスしか必要はなく、これは多くの用途にとって便宜か良い。しかし、ＢＯＴＤＲの空間分解能は実用上１ｍに制限される。

別の光ファイバセンシングシステムはブリルアン光時間ドメイン解析（ＢＯＴＤＡ）である。この手法は、強いポンプ光パルスが伝搬中に弱い対向伝搬連続波（ＣＷ）プローブ光と局所的に相互作用する、ポンプ−プローブ法に基づく誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）を利用する。それぞれの場所でプローブ光が受ける利得は時間ドメインにおいてプローブ光振幅を記録することによって解析することができる。ポンプ光とプローブ光の間の周波数差がステップ毎にスキャンされ、与えられたポンプ光−プローブ光周波数差に対して局所振幅が回復される。次いで、与えられた場所における利得を周波数の関数として解析することによって局所利得スペクトルを再構成することができる。ＢＯＴＤＡでは、ポンプ光パルスとＣＷプローブ光がセンシングファイバ内を対向して伝搬しなければならないから、光ファイバの両方の末端へのアクセスが必要となり、これはいくつかの状況においては不利な条件である。ＢＯＴＤＡは、（１）空間分解能とセンシング感度の間のトレードオフ、並びに（２）パルス幅が音響緩和時間（〜１０ｎｓ）と同等の値まで減じられることによるブリルアン利得のかなりの広がり及び低下のため、ＢＯＴＤＲと同様の、すなわち約１ｍの、空間分解能制限を受ける。さらに、現場において従来のＢＯＴＤＲシステムまたはＢＯＴＤＡシステムにともなう一問題は、ブリルアン周波数シフトの歪及び温度の両者への感度である。この効果は、観測されるブリルアン周波数シフトが歪または温度のいずれによっておこされているかが分からないから、測定値に多義性を生じさせる。

空間分解能を向上させるため、偏波保存単一モード光ファイバに形成されたブリルアンダイナミックグレーティング（ＢＤＧ）の使用が提案されている。この手法においては、ポンプ光によって音響波が一つの偏波で発生され、ポンプ光とは異なる光周波数において直交偏波プローブを反射するために用いられる。１０５ｍの偏波保存単一モード光ファイバにおいて１０ｃｍの空間分解能で分布歪が測定されたという実験結果が報告されている。しかし、偏波保存単一モード光ファイバは一般に標準光ファイバよりも減衰が大きく、高価である。加えて、偏波保存単一モードファイバシステムに求められるセンシング方式には、センシングシステムにさらに費用及び複雑さを付加する、偏波保存コンポーネントが必要である。さらに、与えられた偏波を長い（すなわち数ｋｍ以上の）ファイバにわたって保存することは困難であり、このことがセンサシステム長を制限する。

したがって、向上した空間分解能を有し、温度と歪を同時に測定する、低費用光ファイバセンシングシステムが必要とされている。

本開示の一実施形態は分布ブリルアン光ファイバセンシングシステムである。本システムは基本導波モード及び少なくとも１つの高次導波モードをサポートするように構成されたセンシング光ファイバを備える。システムはポンプ光導波モードを定めるために導波モードの内の１つにポンプ光を導入するように構成されたポンプ光源を備える。ポンプ光はセンシング光ファイバ内にブリルアンダイナミックグレーティング（ＢＤＧ）を形成する。システムは、ＢＤＧからの反射プローブ光を生成するため、ポンプ光導波モードとは別の１つ以上の導波モードに入力プローブ光を導入するように構成された、プローブ光源も備える。反射プローブ光と入力プローブ光はブリルアン周波数シフトによって、互いに対して周波数がシフトする。受信器はブリルアン周波数シフト及び反射場所を決定するために反射プローブ光を検出するように構成され、一例において、光スペクトルアナライザであるかまたは光スペクトルアナライザを含む。

本開示の別の実施形態は分布ブリルアン光ファイバセンシングシステムである。本システムは少なくとも第１及び第２の導波モードをサポートするように構成されたセンシング光ファイバを有する。一例において、センシング光ファイバは偏波保存ファイバではない。システムはセンシング光ファイバに光結合された第１のポンプ光源も備える。第１のポンプ光源は、センシング光ファイバ内を第１の導波モードで進み、センシング光ファイバの局所ブリルアン周波数の情報を含むＢＤＧを形成する、第１のポンプ光を発生するように構成される。システムはセンシング光ファイバ内を第２の導波モードで進むパルスプローブ光を発生するように構成されたプローブ光源も備える。パルスプローブ光は、パルスプローブ光の少なくとも一部がブリルアンダイナミックグレーティングから反射され、局所ブリルアン周波数に関する情報を含むように、選ばれた波長を有する。システムはセンシング光ファイバに光結合され、反射プローブ光を受け取り、局所ブリルアン周波数及び反射場所、したがってセンシング光ファイバに沿う少なくとも１つの状態を決定するように構成された、受信器も備える。

本発明の別の実施形態はセンシング光ファイバに沿う少なくとも１つの状態を検知する方法である。本方法は、ＢＤＧを生成するため、センシング光ファイバによってサポートされる第１の導波モードだけで光ファイバにポンプ光を導入する工程を含む。方法は、ブリルアンダイナミックグレーティングからの反射プローブ光を得るため、センシング光ファイバによってサポートされる少なくとも第２の導波モードで光ファイバに第１の周波数のパルスプローブ光を導入する工程も含む。反射プローブ光は、周波数シフトにより第１の周波数に対してシフトされた第２の周波数を有し、反射場所を有する。方法はさらに、反射場所を決定するために反射プローブ光を、また少なくとも１つの状態を決定するために反射プローブ光のシフト周波数を、解析する工程を含む。一例において、少なくとも１つの条件は、センシング光ファイバに沿う場所（距離）の関数としての、温度及び歪の内の少なくとも１つである。

少なくともいくつかの実施形態にしたがえば、分布ブリルアン光ファイバ心シングシステムは、
（ａ）基本導波モード及び少なくとも１つの高次導波モードをサポートするように構成されたセンシング光ファイバ、
（ｂ）ポンプ光導波モードを定めるために導波モードの１つに、ブリルアンダイナミックグレーティング（ＢＤＧ）を形成するポンプ光を導入するように構成されたポンプ光源、
（ｃ）ＢＤＧからの反射プローブ光を生成するためにポンプ光導波モードとは別の１つ以上の導波モードに入力プローブ光を導入するように構成されたプローブ光源であって、反射プローブ光と入力プローブ光はブリルアン周波数シフトにより周波数がシフトされている、プローブ光源、
及び
（ｄ）センシング光ファイバに光結合され、反射プローブ光を検出して、ブリルアン周波数シフト、プローブ光の反射場所及びプローブ光とポンプ光の間の波長間隔を決定するように構成された受信器であって、センシング光ファイバに沿う距離の関数として、センシング光ファイバ内の温度及び歪を同時に決定するように構成される受信器、
を備える。

少なくともいくつかの実施形態にしたがえば、センシング光ファイバは、コア半径が４μｍ≦ｒ≦１０μｍであり、Ｆ因子（μｍ^２）が７６μｍ^２から３０６μｍ^２の、少数モードコアを有する。センシングファイバは、０.２５％と１％の間のコアΔを有し、コア半径ｒは４〜１０μｍであり、Ｆ因子は１００μｍ^２≦Ｆ因子≦２００μｍ^２であって、有効面積Ａ_有効が５０μｍ^２≦Ａ_有効≦１５０μｍ^２であることが好ましい。いくつかの実施形態において、コア半径は５μｍ≦ｒ≦７μｍであり、コアΔは０.４％から０.７％の間にある。

少なくともいくつかの実施形態において、分布ブリルアン光ファイバセンシングシステムは、
（ｉ）基本導波モード及び少なくとも１つの高次導波モードをサポートするように構成されたセンシング光ファイバであって、４μｍ≦ｒ≦１０μｍのコア半径及び７６μｍ^２から３０６μｍ^２のＦファクタを有するセンシング光ファイバ、
（ii）ポンプ光導波モードを定めるために導波モードの内の１つに、ブリルアンダイナミックグレーティング（ＢＤＧ）を形成するポンプ光を導入するように構成されたポンプ光源、
及び
（iii）ＢＤＧからの反射プローブ光を生成するためにポンプ光導波モードとは別の１つ以上の導波モードに入力プローブ光を導入するように構成されたプローブ光源であって、反射されたプローブ光と入力プローブ光はブリルアン波長シフトによって周波数がシフトされている、プローブ光源、
を備える。

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、また添付図面も含む、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。

上述の全般的説明及び以下の詳細な説明がいずれも特許請求の範囲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る実施形態を提示することは当然である。添付図面は本開示のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み込まれて本明細書の一部をなす。図面は様々な実施形態を示し、記述とともに原理及び動作の説明に役立つ。

図１Ａは本開示にしたがう分布ブリルアンセンシングシステムの一実施形態例の略図である。 図１Ｂは本開示にしたがう分布ブリルアンセンシングシステムの別の実施形態例の略図である。 図２Ａはポンプ光源の実施形態例を示す略図である。 図２Ｂはプローブ光源の実施形態例を示す略図である。 図３Ａは図１Ａ及び１Ｂのシステムのための受信器の一例の略図である。 図３Ｂは図１Ｂに示されるシステム構成のプローブ光源部及び受信器部の例の略図である。 図４Ａはセンシング光ファイバの入力／出力端の略図であり、ポンプ光、プローブ光、反射プローブ光及び、ポンプ光のＳＢＳによってセンシング光ファイバに形成されるＢＤＧに対する構成例を示す。 図４Ｂは、図４Ａと同様であり、センシング光ファイバ内を対向方向に進む第１及び第２のポンプ光が用いられる構成例をさらに示す。 図５Ａは、プローブ光に対する導波モードより低次の導波モードによってポンプ光がサポートされるセンシングプロセスにともなう相対周波数を示す周波数スペクトルである。 図５Ｂは、図５Ａと同様であり、プローブ光に対する導波モードより高次の導波モードによってポンプ光がサポートされるセンシングプロセスにともなう相対周波数を示す。 図６はセンシング光ファイバについての屈折率プロファイルの一例の略図である。 図７Ａは、ポンプ光及びプローブ光がそれぞれＬＰ_０１導波モード及びＬＰ_１１導波モードによってサポートされる第１の実験において受信器によって測定されるような、センシング光ファイバからの反射光の測定された光スペクトルを示す。 図７Ｂはポンプ光（ＬＰ_０１）とプローブ光（ＬＰ_１１）の間の波長関係を示す。 図８は、１５４８.７８ｎｍにある波長ピークがプローブＳＢＳからではなくポンプ光によって形成された反射から生じていることを確認するためのセンシングシステムの２つの異なる動作状態について受信器によって測定されるような、測定されたスペクトルをグラフで示す。 図９はプローブ光（ＬＰ_１１導波モード）に対する測定されたＢＤＧスペクトルをグラフで示す。 図１０はポンプ光パワーによる反射プローブ光の規格化パワーの変化をグラフで示す 図１１は、ポンプ光及びプローブ光がそれぞれＬＰ_０１導波モード及びＬＰ_１１導波モードによってサポートされる第２の実験において受信器によって測定されるような、センシング光ファイバからの反射光の測定された光スペクトルをグラフで示す。 図１２は第２の実験についてプローブ光（ＬＰ_１１導波モード）に対する測定されたＢＤＧスペクトルをグラフで示す。 図１３は、ポンプ光及びプローブ光がそれぞれＬＰ_０１導波モード及びＬＰ_１１導波モードによってサポートされる第３の実験について受信器によって測定されるような、センシング光ファイバからの反射光の測定された光スペクトルをグラフで示す。 図１４は、ポンプ光及びプローブ光がそれぞれＬＰ_０１導波モード及びＬＰ_１１導波モードによってサポートされる第４の実験において受信器によって測定されるような、２つの異なる動作状態に対するセンシング光ファイバからの反射光の測定された光スペクトルをグラフで示す。 図１５は少数モードファイバ（ＦＭＦ）の歪係数及び温度係数を測定するための干渉計の略図である。 図１６は、ＦＭＦの長さの変化による、図１５の干渉計で生成された透過スペクトルの変化を示す。 図１７は、図１６に示される左から４番目のピークに対応する、ＦＭＦの長さ変化ΔＬの関数としての測定されたピーク（強度最大）波長のグラフである。 図１８は温度による干渉計の透過スペクトルの変化を示す。 図１９は図１８に示される右側の透過ピーク（強度最大）の波長の、温度に対する、グラフである。 図２０は歪及び温度の変化によるＦＭＦのブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）の変化を測定するための実験システムを示す。 図２１は、図２０のＦＭＦにおいて測定されたＢＦＳデータの、歪の関数としてのプロット及び、このデータによる最良適合直線を示す。 図２２は、図２０のＦＭＦにおいて測定されたＢＦＳデータの、温度の関数としてのプロット及び、このデータによる最良適合直線を示す。

それらの例が添付図面に示される、本開示の実施形態をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、同様のコンポーネントまたはパーツを指して同様の参照数字が用いられる。いくつかの図には基準として直交座標が示される。

以下の議論及び特許請求の範囲において、「第１の導波モード」及び「第２の導波モード」への言及はそれぞれが最低次及び第１次の導波モートを指すとは限らず、むしろ、より一般的に、利用できる導波モードの相異なる１つを指すことが目的とされている。

同じく以下の議論においては、技術上普通に用いられている、以下の定義及び術語が用いられる。

屈折率プロファイル：屈折率プロファイルは、光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（光ファイバの中心から測定した）光ファイバ半径ｒの間の関係である。

相対屈折率パーセント（Δ％）またはΔ：語Δは式：Δ(％)＝１００×(ｎ_ｉ ^２−ｎ_ｃ ^２)/ｎ_ｉ ^２で定義される屈折率の相対尺度を表し、ここで、ｎ_ｉはｉとして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。

図１Ａは本開示にしたがう分布ブリルアンセンシングシステム（「システム」）１０の一実施形態例の略図である。システム１０は、波長λ_１（周波数ν_１）のポンプ光２２を発生するポンプ光源２０及び可変波長λ_２（可変周波数ν_２）のプローブ光３２を発生するプローブ光源３０を備える。システム１０は、少なくとも第１及び第２の導波モードをサポートする、「少数導波モード」センシング光ファイバ５０も備える。一例において、センシング光ファイバ５０は非偏波保存ファイバである。センシング光ファイバ５０は入力／出力端５２を有する。ポンプ光源２０及びプローブ光源３０は入力／出力端５２においてセンシング光ファイバ５０に光結合される。システム１０は、入力／出力端に光結合された受信器１００も備える。一例において、受信器１００は、５０：５０光結合器及び平衡光検出器で形成された平衡コヒーレント検出器に動作可能な態様で接続されたデジタル信号プロセッサを備える。一例の受信器１００が以下で詳細に論じられる。

一例において、ポンプ光源２０とプローブ光源３０及び受信器１００のセンシング光ファイバ入力／出力端５２への光結合は、相異なるセクションの、多モード光ファイバＦ及び多モード１×２ ５０：５０ファイバ−光結合器４０を用いて達成される。一実施形態において、多モード光ファイバＦ及び多モード結合器４０は、挿入損失を最小限に抑えるため、センシングファイバと同じ少数モードファイバ（ＦＭＦ）でつくられる。したがって、一実施形態において、ポンプ光源２０は第１の光ファイバセクションＦ１を介して第１の光結合器４０−１に光結合されるが、プローブ光源３０及び受信器１００はそれぞれ、それぞれの光ファイバセクションＦ２及びＦ３を介して、第２の光結合器４０−２に光結合される。第２の光結合器４０−２は第４の光ファイバセクションＦ４を介して第１の光結合器４０−１に光結合される。第１の光結合器４０−１はセンシング光ファイバ入力／出力端５２にも光結合される。

一例において、ポンプ光源２０は狭線幅レーザを有する。図２Ａは、適する構成の単一モードファイバ６０及び第１の光ファイバ増幅器２６を用いるファイバレーザ２４を有する、ポンプ光源２０の一実施形態例を示す略図である。ポンプ光２２の波長λ_１は５００から１６００ｎｍの範囲内にすることができる。様々な実施形態において、ポンプ光波長は８００ｎｍより長く、１０００ｎｍより長く、１３００ｎｍより長く、光ファイバ損失が一般に最小である、１５００ｎｍから１６００ｎｍの波長範囲にある。一例において、ポンプ光源２０はポンプ波長帯域外の自然放出光をフィルタリング除去するための波長可変フィルタ２７を備える。

図２Ａは単一モードファイバ６０が結合部材７０を用いて多モード光ファイバセクションＦ１に光結合されている例を示す。一例において、結合部材７０は、光ファイバＦ１に基本モードを励起するための、単純なスプライスである。別の実施形態において、結合部材７０は光ファイバセクションＦ１に特定のモードを入射させるように構成されたモード選択または「モードコンバータ」７１を含む。モードコンバータ７１には、位相板のような、自由空間ベース素子または、長周期ファイバグレーティング、例えば傾斜ファイバブラッググレーティングのような、ファイバベース素子を含めることができる。

図２Ａに示されるように、半導体レーザ及びファイバレーザを含む、異なるタイプのレーザをポンプ光源２０のためのポンプレーザとして用いることができる。一例において、ポンプ光源２０はＣＷ源を含む、すなわちＣＷポンプ光２２を発生する。別の実施形態において、ポンプ光源２０はパルスポンプ光２２を発生する。パルスポンプ光源２０が用いられる場合、様々な実施形態において、パルス幅は１０ｎｓより広く、１００ｎｓより広く、１０００ｎｓより広い。

一例において、プローブ光源３０は狭線幅波長可変レーザを有する。図２Ｂは図２Ａと同様であり、適する構成の単一モードファイバ６０及び第１の光ファイバ増幅器３６に基づく波長可変ファイバレーザ３４を有するプローブ光源３０の一実施形態例を示す。一例において、プローブ光源３０は自由空間光接続を用いて、例えば光結合光学系８０を介して、多モード光ファイバセクションＦ２に光結合される。この構成はプローブ光３２をサポートするためのセンシング光ファイバ５０の選ばれた導波モードの使用を可能にする。別の例において、長周期グレーティング（例えば傾斜ファイバブラッググレーティング）ベース光モードコンバータが基本モードを選ばれた高次モードに変換するために用いられる。プローブ光３２は、反射プローブ光３２Ｒと弁別するため、「入力プローブ光」と称することができる。

図１Ｂは図１Ａと同様であり、システム１０の別の実施形態例を示す。図１Ｂのシステム１０において、ポンプ光源２０及びプローブ光源３０はそれぞれ、ファイバセクションＦ１及びＦ２を介して光結合器４０に光結合される。光結合器４０は続いて、３つのポートＰ１，Ｐ２及びＰ３を有する光サーキュレータ４２のポートＰ１に光ファイバセクションＦ３を介して光結合される。光ファイバセクションＦ４がポートＰ２をセンシング光ファイバ５０の入力／出力端５２に光接続する。光ファイバセクションＦ５がポートＰ３を受信器１００に光接続する。システム１０のこの構成はポンプ光２２及びプローブ光３２を、光結合器４０において結合し、光ファイバセクションＦ３を介し、サーキュレータ４２及び光ファイバセクションＦ４を介してセンシング光ファイバ５０に向けることを可能にする。次いで反射プローブ光３２Ｒが、光ファイバセクションＦ４を介し、サーキュレータ４２及び光ファイバセクションＦ５を介してセンシング光ファイバ５０の入力／出力端５２から受信器１００に向けられる。

図１Ａ及び１Ｂを参照し、図３Ａも参照すれば、一実施形態例において、受信器１００は、プロセッサユニット（「プロセッサ」）１０４に動作可能な態様で結合された、多周波数（多波長）光検出器ユニット１０２を有する。受信器１００はメモリユニット（「メモリ」）１０６も有する。一実施形態例において、受信器１００は光スペクトルアナライザを含む。

図３Ｂはシステム１０の一例の受信器部及び一例のプローブ光源部の詳細図である。受信器１００はデジタル信号プロセッサとして構成されたプロセッサ１０４を有し、５０：５０光結合器４０及び平衡光検出器１１０で形成された平衡コヒーレント検出器１１２も有するとして示される。光結合器４０は、波長可変フィルタ２７を含む単一モード光ファイバセクション６０に光接続され、またプローブ光源３０内の波長可変レーザ３４に光結合された光ファイバセクションＦ６に光接続される。この構成は平衡コヒーレント検出器１１２に対する基準光（すなわちプローブ光３２の一部）を発生するための局部発振器を定める。

プローブ光源３０は、例として、光ファイバセクションＦ２に選ばれたモードを導入するためにはたらくモードコンバータ７１を介してプローブ光を光ファイバセクションＦ２に結合する前に、パルスプローブ光を発生するためにＣＷ波長可変レーザ３４からのＣＷプローブ光３２を光変調するためにはたらく（波長可変レーザ３４と、図２Ｂには示されていない、光増幅器の間に挿入された）光変調器を有して示される。

（多モード）光ファイバセクションＦ５と単一モード光ファイバセクション６０の間にあるモードコンバータ７１は、反射プローブ光３２Ｒがセンシング光ファイバ５０内でＬＰ_１１導波モードにあれば、反射プローブ光をＬＰ_１１導波モードからＬＰ_０１導波モードに変換するためにはたらく。このモードコンバータは、プローブ光がセンシング光ファイバ５０内で既にＬＰ_０１導波モードにあれば必要ではない。反射プローブ光３２Ｒだけを通し、他の反射光は全てフィルタリング除去するため、狭帯域フィルタ２７が用いられる。

図１Ａに示されるようなシステム１０の一般動作において、ポンプ光源２０で発生されたポンプ光２２は第１の光ファイバセクションＦ１を通って第１の光結合器４０−１に進み、入力／出力端５２においてセンシング光ファイバ５０に入る。次いでポンプ光３２がただ１つの導波路モードでセンシング光ファイバ６０内を進む。

次に図４Ａも参照すれば、ポンプ光２２のパワーが誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）閾に達すると、ブリルアンダイナミックグレーティング（ＢＤＧ）５４及びストークス（ＳＢＳ）波（図示せず）がセンシング光ファイバ５０内に生成される。ＳＢＳ波の周波数はポンプ光周波数ν_１から低周波数側にシフトされる。ポンプ光とＳＢＳ波の間の周波数差はブリルアン周波数シフトν_Ｂとよばれ、これはセンシング光ファイバ５０の特性並びに光学導波モード及び音響導波モードに依存する。

ポンプ光２２が導波モードｉでセンシング光ファイバ５０内を送られ、励起音響波が音響導波モードｍにあれば、ブリルアン周波数シフトは式（１）：

で与えられ、対応する波長シフトは式（１ａ）：

である。ここで、λ_ｉはポンプ光波長、ｎ_ｉは次数ｉの光学導波モードの実効屈折率、Ｖ_ｍは次数ｍの音響導波モードの実効音速である。周波数ν_２の短パルスプローブ光３２が導波モードｊ（すなわち、ポンプ光２２の導波モードとは異なる導波モード）で送られた場合、位相整合条件が満たされれば、すなわち、プローブ光とポンプ光の間の周波数変化が式（２）：

であり、対応する波長シフトが式（２ａ）：

であれば、周波数がν_２−ν_Ｂの信号がＢＤＧ５４によって反射される。ここで、Δｎ_ｉｊ＝ｎ_ｉ−ｎ_ｊは光学（導波）モードｉとｊの間の実効屈折率の差である。

図４Ｂは図４Ａと同様であり、図１Ａに隠れ線で示される第２のポンプ光源２０'を用いるシステム１０の別の実施形態を簡略に示す。この実施形態において、ポンプ光源２０からの周波数ν_１（波長λ_１）の狭線幅ポンプ光２２とポンプ光源２０'からの周波数ν'_１（波長λ'_１）の狭線幅ポンプ光２２'はセンシング光ファイバ５０内を対向方向に伝搬してＢＤＧ５４を生成する。ポンプ光波長は５００ｎｍから１６００ｎｍの範囲内とすることができる。様々な実施形態において、波長は８００ｎｍより長く、１０００ｎｍより長く、１３００ｎｍより長く、ファイバ損失が一般に最小である、１５００ｎｍから１６００ｎｍの波長範囲にある。

周波数差（ν_１−ν'_１）がブリルアン周波数シフトν_Ｂに一致すれば、ＢＤＧ５４がセンシング光ファイバ５０内に生成される。単一ポンプ光実施形態におけるように、ブリルアン周波数シフトν_Ｂはセンシング光ファイバ５０の特性並びに光学導波モード及び音響導波モードに依存する。ポンプ光２２及びポンプ光２２'が光学導波モードｉで送られ、励起音響波が音響導波モードｍにあれば、ブリルアン周波数シフトν_Ｂ及び対応する波長シフトは、上記の式（１）及び（１ａ）で与えられる。

周波数ν_２のプローブ光３２がポンプ光２２と同じ方向に伝搬する光学導波モードｊで送られた場合、位相整合条件が満たされれば、すなわち、プローブ光３２とポンプ光２２の間の周波数変化が式（２）を満たすか、またはプローブ光３２とポンプ光２２の間の波長変化が式（２ａ）を満たせば、ν_２−ν_Ｂの信号がＢＤＧ５４によって反射される。

いずれの実施形態においても、ナノ秒パルス幅を有し、ポンプ光２２とは別の導波モードでサポートされる、センシング光ファイバ５０に沿って局在化され、広帯域短パルスプローブ光３２により時間ドメインにおいてスキャンされ得る、安定なＢＤＧ５４が狭帯域ブリルアン利得によって形成され得る（狭帯域ＢＤＧとも称される）。

図１Ａ及び１Ｂに示されるようなシステム１０の実施形態は、システムの動作の概念的原理を示す例示実施形態であり、図示される実施形態と同じ機能を達成する他の実施形態が構成され得ることに注意されたい。

異なる導波モードでサポートされるポンプ光及びプローブ光
本開示の一実施形態は、ポンプ光２２がプローブ光３２とは異なる導波モードで進む実施形態である。一例において、ポンプ光２２はプローブ光３２の導波モードより低次の導波モードでサポートされ、この導波モードはポンプ光導波モードと称され得る。図５Ａは、プローブ光３２に対する導波モードより低次の導波モードでポンプ光２２がサポートされるときの、センシングプロセスにともなう相対周波数を示す周波数スペクトルである。

別の例において、ポンプ光２２はプローブ光３２の導波モードより高次の導波モードでサポートされる。図５Ｂは図５Ａと同様であり、プローブ光に対する導波モードより高次の導波モードによってポンプ光２２がサポートされるときの、センシングプロセスにともなう相対周波数を示す。

一例において、ポンプ光１２は単一導波モードでサポートされ、プローブ光３２はポンプ光導波モード以外の複数の他の導波モードでサポートされる。

歪及び温度の同時測定
ＢＤＧ５４は、センシング光ファイバ５０が受ける熱膨張及び変形の結果として、温度及び歪に依存する。すなわち、反射プローブ光３２Ｒのピーク周波数変化（またはブリルアン周波数シフトの変化）は温度変化量（δＴ）及び歪変化量（δε）により変化する。すなわち式（３）：

である。ここで、Ｋ_ν ^Ｔは温度係数、Ｔは℃単位の温度、Ｋ_ν ^εは歪係数、εは歪である。

少数モードファイバ（ＦＮＦ）の２つのファイバモードの間の実効屈折率差は歪及び温度によって変わり得るから、ポンプ光とプローブ光の間の波長差も歪及び温度に関わる。歪変化量（δε）及び温度変化量（δＴ）による（本明細書においてポンプ光とプローブ光の間の波長間隔とも称される）ポンプ光とプローブ光の間の波長差（Δλ＝λ_１−λ_２）の変化は
式（４）：

と表すことができる。ここで、Ｋ_λ ^ε及びＫ_λ ^Ｔはポンプ光とプローブ光の間の波長差に対する歪係数及び温度係数である。式（３）及び（４）を解けば、歪変動量及び温度変動量は式（４ａ）：

で与えられる。Ｋ_λ ^εＫ_ν ^Ｔ≠Ｋ_λ ^ＴＫ_ν ^εであれば、行列式（４ａ）に対する解が存在する。すなわち、同時分布歪／温度測定が達成され得る。

したがって、センシング光ファイバ５０に沿う異なる場所における温度及び歪は、プローブ光３２と反射プローブ光３２Ｒの間の周波数差を決定するか、またはプローブ光とポンプ光の間の波長間隔を測定することにより、ＢＤＧ５４を用いて評価することができる。センシング光ファイバ５０に沿う異なる場所における同時温度／歪測定は、プローブ光３２と反射プローブ光３２Ｒの間の周波数差を決定し、プローブ光とポンプ光の間の波長間隔を測定することによって、ＢＤＧ５４を用いて同時に評価することができる。ＢＤＧ５４の狭スペクトル帯域のため、光分解能センシングを達成することができる。一方では、プローブ光３２は比較的短いパルス幅を有することができるから、高空間分解能が得られる。

空間分解能
センシング光ファイバ５０の入力／出力端５２からプローブ光３２が反射される位置までの距離Ｚは式（５）：

で与えられる。ここで、ｔはプローブ光３２の入射と反射プローブ光３２Ｒの受信までの時間、ｎ_ｇはプローブ光３２が入射されるセンシング光ファイバ５０の導波モードの群屈折率、ｃは真空中の光速度である。

空間分解能ΔＺはプローブ光パルス幅τで決定され、式（６）：

で与えられる。τ＝１００ｎｓのプローブ光パルス幅はΔＺ＝１０ｍの空間分解能に対応する。１ｍより短い空間分解能を得るには、プローブ光パルス幅τを１０ｎｓより小さくすべきである。様々な実施形態において、プローブ光パルス幅τは５ｎｓより小さく、１ｎｓより小さい。様々な実施形態において、プローブ光パルス幅は０.１ｎｓと５ｎｓの間であり、０.１ｎｓと１ｎｓの間にある。

対向方向に伝搬するポンプ光２２及び２２'を用いる第２の実施形態において、２つのポンプ光ビームは、２つの対向方向に伝搬するポンプ光パルスが時間ドメインでオーバーラップする場所において広帯域ブリルアン利得（すなわち、広帯域ＢＤＧ５４）を有する安定なＢＤＧ５４を生成するために選ばれた、短いポンプ光パルスを有する。

センシング光ファイバ５０の入力／出力端５２からのこの場所の距離は式（７）：

で与えられる。ここで、Δｔはポンプ光パルス２２及び２２'の入射間の時間遅延である。空間分解能ΔＺは長い方のポンプパルスのパルス幅τ_Ｓで決定され、式（８）：

で表される。

異なる場所における温度及び歪を決定するため、スペクトル帯域が狭いプローブ光３２が用いられる。反射プローブ光３２Ｒの測定されるスペクトルはプローブ光スペクトルとＢＤＧ反射スペクトルの畳み込みである。これは、スペクトル幅が狭い、反射プローブ光３２Ｒの測定スペクトルを得るための狭線幅プローブ光３２の使用を可能にし、よって温度または歪の比較的高い測定感度レベルが可能になる。したがって、本明細書に開示されるシステム及び方法を用いて高空間分解能ΔＺ及び高測定感度レベルを同時に得ることができる。

実際上、空間分解能ΔＺはセンシング距離Ｚ（すなわち、センシング光ファイバ５０の入力／出力端５２からの距離）の関数である。下の表１にセンシング距離の例を、本明細書に開示されるシステム及び方法を用いて得ることができる、対応する空間分解能ΔＺとともに挙げてある。

プローブパワー及び反射プローブパワーの推移
非線形マクスウエル方程式を解くことにより、ポンプ光２２及び反射プローブ光３２Ｒの光パワーの推移を得ることができる。結果は、パワー変化が、式（９）：

で定義される、因子Ｆを介してセンシング光ファイバ５０の設計パラメータに関係付けられることを示す。ここで、Ｉ_ｕ ^ｐｐ及びＩ_ｕ ^ｓｓは式（１０）：

及び式（１０ａ）：

で定義される、重なり積分である。Ａ_有効 ^ｐｐ及びＡ_有効 ^ｓｓは、式（１１）：

及び式（１１ａ）：

で与えられる、ポンプ光及びプローブ光に対する光学的有効面積である。

上式において、Ｅ_０及びＥ_Ｓはそれぞれポンプ光２２及びプローブ光３２の電場であり、ρ_ｕはポンプ光によって発生される音場であり、記号＊は場の複素共役を表す。因子Ｆは、ファイバ設計がプローブ光３２及び反射プローブ光３２Ｒのパワー伝搬にどのように影響するかを示し、特定のセンシング用途にセンシング光ファイバ５０の設計を最適化するために用いることができる。一般的に言えば、Ｆの値が小さくなることはＢＤＧ５４，ポンプ光２２とプローブ光３２の間の相互作用の効率が益々高くなることを意味する。

センシング光ファイバに対する設計例
一例において、センシング光ファイバ５０は高次導波モードの遮断波長を長くすることによって２つ以上の導波モードをサポートするように構成される。図６は、センシング光ファイバ５０についての屈折率プロファイル例の略図である。センシング光ファイバ５０はコア５６及びクラッド層５８を有する。コア５６は、ステップインデックスプロファイルによるか、グレーデッドインデックスプロファイルによるか、他の一層複雑なプロファイルによって定めることができる。コアのΔ及び半径ｒに対して適切に選ばれた値により、所望の数の導波モードをコア５６によってサポートすることができる。図６はステップコアインデックスプロファイル（実線）及びグレーデッドインデックスコアプロファイル（破線）のいずれも示す。

下の表２から表４はセンシング光ファイバ５０に対する総数で８の設計実施例を示す。全ての実施例はステップインデックスプロファイルを有する。センシング光ファイバ５０のコアΔは０.２５％〜１％であることが好ましく（０.４％≦Δ≦０.７％であることがさらに好ましい）、コア半径ｒは４μｍ≦ｒ≦１０μｍであることが好ましい（５μｍ≦ｒ≦７μｍであることが好ましい）。センシング光ファイバ５０のＦ因子は７６μｍ^２≦Ｆ因子≦３１２μｍ^２であることが好ましく、例えば１００μｍ^２≦Ｆ因子≦２００μｍ^２である。センシング光ファイバ５０の有効面積Ａ_有効は５０μｍ^２≦Ａ_有効≦１５０μｍ^２であることが好ましく、例えば５０μｍ^２≦Ａ_有効≦１００μｍ^２である。

実施例１から５は２つの導波モード、ＬＰ_０１及びＬＰ_１１を有する。基本光学導波モードと基本音響モードの間のオーバーラップは約０.９９であり、ＬＰ_１１導波モードと基本音響モードの間のオーバーラップはこれら５つの実施例の全てについて約０.４である。しかし、コアΔを高くするほど、コア半径ｒを小さくすることが可能になる。この結果、ＬＰ_０１導波モード及びＬＰ_１１導波モードに対する有効面積は一層小さくなり、一層小さいＦ因子及び一層高いシステム効率が得られる。

実施例６〜８は４つないし５つの導波モードを有する。ポンプ光２２を導波するためにＬＰ_０１導波モードが用いられれば、プローブ光３２はＬＰ_１１，ＬＰ_０２またはＬＰ_２１の導波モード、あるいはこれらの組合せによって導波されることになろう。プローブ光３２を送るために高次導波モードの組合せが用いられれば、反射プローブ光３２Ｒは異なる波長の複数のピークを有するであろう。また実施例６及び８に示されるように、ポンプ光２２を送るために高次導波モード、例えばＬＰ_１１を用いることもできる。この場合、基本導波モードＬＰ_０１または別の高次導波モードをプローブ光３２を送るために用いることができる。実施例６〜８は、やはり、一層小さなＦ因子、したがって一層高いシステム効率を可能にする、より高いΔに対する値を示す。

実験結果
初めに図１のシステム１０について４つの実験を行った。線幅が１ｋＨｚより狭い単一周波数ファイバレーザ２４及び単一モードファイバ光増幅器２６を有する主発振器パワー増幅器（ＭＯＰＡ）として図２Ａに示されるようにポンプ光源２０を構成した。ファイバレーザ２４の波長は１５５０.１３４ｎｍであった。線幅が約７００ｋＨｚの波長可変半導体レーザ３４及び単一モードファイバ光増幅器３６を有するＭＯＰＡとして、図２Ｂに示されるようにプローブ光源３０を構成した。波長可変半導体レーザ３４は１５００ｎｍから１５８０ｎｍの間で同調可能であり、最微細同調ステップは０.００１ｎｍであった。ポンプ波長帯域外の自然放出光をフィルタリング除去するため、スペクトル帯域幅が１ｎｍの波長可変光フィルタを用いた（図２Ａを見よ）。

ポンプ光源２０及びプローブ光源３０を構成する２つのＭＯＰＡに用いた全ての光ファイバ６０は単導波モードであった。プローブ光源３０には１×２多モードファイバ結合器４０−２の入力ポートの１つへの自由空間光結合（例えば図２Ｂの光結合光学系８０を見よ）を用いた。

多モードセンシング光ファイバ５０によってサポートされる（１つまたは複数の）励起導波モードは、プローブＭＯＰＡの出力単一モードファイバピグテイルと多モード結合器４０−２の入力多モードファイバピグテイル（ファイバセクションＦ２）の間のオフセットの適切な設定によって選ばれ得ることに注意されたい。次いで、１×２多モードファイバ結合器４０−１が上述したようにプローブ光３２をポンプ光２２に結合する。結合されたポンプ光２２とプローブ光３２を、多モードファイバ光サーキュレータ４２を介して、センシング光ファイバ５０に入射させた。

結合器４０−１及び４０−２の結合比はいずれもほぼ５０：５０であった。ポンプＭＯＰＡの出力単一モードファイバピグテイル及び第２の結合器の入力多モードファイバピグテイルは、センシング光ファイバ５０に基本導波モードだけを励起するため、中心と中心を合わせてスプライスした。少数導波モードファイバからの反射光を光スペクトルアナライザの形態の受信器１００で計測した。

第１の実験
第１の実験において、センシング光ファイバ５０は長さ１６.１６ｋｍであり、基本導波モードＬＰ_０１及び１つの高次導波モードＬＰ_１１をサポートした。基本導波モードの導波モードフィールド径は１４.２μｍであり、１５５０ｎｍにおける損失は０.１８８ｄＢ/ｋｍであった。ポンプ光２２はＬＰ_０１導波モードだけで送った。また、ＭＯＰＡプローブ光源３０の出力単一モードファイバピグテイル（光ファイバ６０）と多モード結合器の入力多モードファイバピグテイル（ファイバセクションＦ２）の間のオフセットを適切に設定することによって、プローブ光３２をＬＰ_１１導波モードだけに励起した。

図７Ａは、プローブ光３２の波長λ_２をＬＰ_１１導波モードに対するＢＤＧ５４の波長に同調させた（ポンプ光とプローブ光が式（２ａ）を満たす波長関係にある）ときに受信器１００によって測定されるような、センシング光ファイバ５０からの反射光の測定された光スペクトルを示す。センシング光ファイバ５０に入射させたポンプ光及びプローブ光のパワーはそれぞれ約３７５ｍＷ及び約５.６ｍＷであった。

図７Ｂは、ポンプ光２２（ＬＰ_０１）、プローブ光３２（ＬＰ_１１）及びプローブ反射光３２Ｒの波長関係を示す。図７Ａに示されるように、右方の１５５０.２２４ｎｍにある最高ピークはポンプ光２２のＳＢＳであり、左隣の（１５５０.１３４ｎｍにある）第２のピークは少数導波モードファイバ内のポンプ光２２のレイリー散乱反射である。ＳＢＳの波長シフトはΔλ＝０.０９ｎｍであり、１１.２５ＧＨｚのブリルアン周波数シフトに対応する。１５４８.６９ｎｍにあるピークは少数導波モードファイバ内のプローブ光３２のレイリー散乱反射であり、１５４８.７８ｎｍにあるピークはＢＤＧ５４からの反射プローブ光３２Ｒである。反射プローブ光３２ＲはΔλ＝０.０９ｎｍ（１１.２５ＧＨｚ）の波長（周波数）シフトを有し、これはポンプ光２２のブリルアン周波数シフトと同じである。

ポンプ光２２とプローブ光３２の間の波長差Δλは、ＬＰ_０１導波モードとＬＰ_１１導波モードの間の屈折率差〜１.３２９×１０^−３に対応する、約１.４４４ｎｍである。プローブＳＢＳと反射プローブ光３２Ｒは同じ波長を有するから、１５４８.７８ｎｍにある波長ピークがプローブＳＢＳからではなく、ポンプ光２２によって形成されたＢＤＧ５４の反射から生じていることを確認すべきである。

そのような確認を実施するため、センシング光ファイバ５０からの反射光の光スペクトルを、システム１０の２つの異なる動作状態：
（１）ポンプ増幅器２６オン及びプローブ光源３０オン、及び
（２）ポンプ増幅器２６オフ及びプローブ光源３０オン、
について測定した。

これらの２つの動作状態について測定されたスペクトルが図８に示される。ポンプ増幅器２６が切られている（「ポンプオフ」状態にある）ときは、ポンプパワーの低下によるＢＤＧ５４の消滅（または感度の低下）のため「ポンプオン」曲線から、左から２番目のピークが消失する。このことも、左から２番目のピークがプローブ光３２のＳＢＳから生じているのではないことを確認する。

図９はプローブ光３２（ＬＰ_１１導波モード）について測定されたＢＤＧスペクトルをグラフで示す。３ｄＢ反射帯域幅Δνは約０.７５ＧＨｚであり、これはＳＢＳ利得スペクトルの一般的なスペクトル幅よりかなり広い。センシング光ファイバ５０に沿う非一様性がＢＤＧ５４の反射スペクトルの拡大を生じさせると考えられる。

図１０はポンプ光パワーによる反射プローブ光３２Ｒの規格化パワーの変化をグラフで示す。適合曲線は、反射プローブ光３２Ｒのパワーがポンプ光２２のパワーの増大にともなって指数関数的に大きくなっていることを示す。

第２の実験
第２の実験においては、５.５ｋｍ長のセンシング光ファイバ５０を用いた。センシング光ファイバ５０はコア５６とクラッド層５８の間の屈折率差Δが約０.３４％のステップインデックスプロファイルを有し、コア半径は約ｒ＝６.９μｍである。基本導波モードの導波モードフィールド径は〜１２.８μｍである。センシング光ファイバ５０は基本導波モード（ＬＰ_０１）及び１つの高次導波モード（ＬＰ_１１）だけをサポートするように構成した。

ポンプ光２２を、ポンプ光２２がＬＰ_０１導波モードでしか進まないように、センシング光ファイバ５０に導入した。ＭＯＰＡプローブ光源３０の出力単一モードファイバピグテイル（すなわち、単一モード光ファイバ６０）と多モード結合器の入力多モードファイバピグテイル（すなわち、ファイバセクションＦ２）の間のオフセットを適切に設定することによって、プローブ光３２がＬＰ_１１導波モードだけを励起するようにした。

図１１は、ポンプ光２２及びプローブ光３２がそれぞれＬＰ_０１導波モード及びＬＰ_１１導波モードで進むときに受信器１００によって測定されるような、センシング光ファイバ５０からの反射光の光スペクトルをグラフで示す。センシング光ファイバ５０に入射させたポンプ光及びプローブ光のパワーはそれぞれ約３７５ｍＷ及び約５.６ｍＷであった。ポンプ光２２及びプローブ光３２の波長はそれぞれλ_１＝１５５０.１３４ｎｍ及びλ_２＝１５４８.０１７ｎｍであった。

この実験の場合も、プローブ波長から０.０９ｎｍの増分シフト（ブリルアン波長シフトΔλ_Ｂ）を有する、プローブ光３２の反射ピークが明瞭に見られる。図１２はプローブ光（ＬＰ_１１導波モード）について測定されたＢＤＧスペクトルをグラフで示す。３ｄＢ反射帯域幅Δνは約４.３７５ＧＨｚであり、これは第１の実験のセンシング光ファイバ５０のΔνの約６倍の大きさである。第２の実験におけるセンシング光ファイバ５０の長さは第１の実験のセンシング光ファイバの長さの約１/３でしかないことを考慮すると、第２の実験のセンシング光ファイバのファイバ一様性は第１の実験のセンシング光ファイバよりかなり悪いはずである。このことは、短パルスの形態のプローブ光３２を用いればＢＤＧ５４の一様性を検出できることを示唆している。

第３の実験
上の２つの実験において、プローブ光導波モード（ＬＰ_１１）の次数はポンプ光導波モード（ＬＰ_０１）より高い。第３の実験においては、プローブ光３２に用いる導波モードをポンプ光２２に用いる導波モードより低次にした。

第３の実験において、実験構成は、プローブ光源３０に光結合される光ファイバセクションＦ２を、センシング光ファイバ５０にＬＰ_０１導波モードを励起するため、多モード光結合器４０の入力の１つに中心と中心を合わせてスプライスしたことを除いて、図１Ｂに示される構成と基本的に同じである。ポンプ光源３０に光結合される光ファイバセクションＦ１は、センシング光ファイバ５０にＬＰ_１１導波モードを励起するため、多モード光結合器４０の別の入力に自由空間結合した。

センシング光ファイバ５０は、長さ１０ｋｍであり、約１２μｍの導波路モードフィールド径を有し、基本導波モード（ＬＰ_０１）及び１つの高次導波路モード（ＬＰ_１１）だけをサポートした。コア５６とクラッド層５８の間の屈折率差は約０.４％であった。ポンプ光２２を、ＬＰ_１１導波モードで送られるように、センシング光ファイバ５０に与えた。プローブ光３２を、ＬＰ_０１導波モードでサポートされるように、センシング光ファイバ５０に与えた。図１３は、ポンプ光２２及びプローブ光３２がそれぞれＬＰ_１１導波路モード及びＬＰ_０１導波モードで進むときに測定されるような、受信器１００で測定されたセンシング光ファイバ５０からの反射光の光スペクトルをグラフで示す。センシング光ファイバ５０に入射させたポンプ光パワー及びプローブ光パワーはそれぞれ約５００ｍＷ及び約５.６ｍＷであった。ポンプ光及びプローブ光の波長はそれぞれλ_１＝１５５０.１３４ｎｍ及びλ_２＝１５５１.６５４ｎｍであった。この実験の場合も、プローブ波長λ_２から０.０９ｎｍの増分シフト（ブリルアン波長シフトΔλ_Ｂ）を有する、反射プローブ光３２Ｒの反射ピークが明瞭に見られる。

第４の実験
上の３つの実験において、プローブ光３２及びポンプ光２２はいずれもＣＷであった。第４の実験においては、プローブ光をパルス幅が１ｎｓのパルスとした。システム１０を図１Ｂに示される構成と基本的に同じ構成とし、プローブ光源３０は波長可変レーザ３４と光増幅器３６の間に挿入された光変調器（図示せず）を用いる１ｎｓパルスレーザ源を備えている（図３Ｂを見よ）。プローブ光３２は繰返し数が１００ｋＨｚの１ｎｓパルスを有していた。センシング光ファイバ５０は上述した第１の実験に用いたものと同じ１６ｋｍ光ファイバであった。ポンプ光２２をＬＰ_０１導波モードで送った。また、ＭＯＰＡプローブ光源３０の出力単一モードファイバピグテイルと多モード結合器の入力多モードファイバピグテイル（ファイバセクションＦ２）の間のオフセットを適切に設定することにより、プローブ光３２がセンシング光ファイバ２０にＬＰ_１１導波モードだけを励起するようにすることができた。

図１４は、ポンプ光２２とプローブ光３２の波長関係が式（２ａ）を満たすようにプローブ光３２の波長をＬＰ_１１導波モードに対してＢＤＧ５４の波長に同調させた場合に、光スペクトルアナライザの形態の受信器１００で測定されるような、センシング光ファイバ５０からの反射光の測定された光スペクトルを示す。図１４の曲線はポンプ光をオン／オフさせた場合に測定された光スペクトルである。センシング光ファイバ５０に入射させたポンプ光パワー及び平均プローブ光パワーはそれぞれ約３９０ｍＷ及び約１０ｍＷであった。

この実験の場合も、プローブ波長から０.０９ｎｍの増分シフト（ブリルアン波長シフトΔλ_Ｂ）を有する、プローブ光３２の反射ピークが明瞭に見られる。

第５の実験：歪／温度同時測定の実行可能性の実証−センシング光ファイバ５０（少数モードファイバ（ＦＭＦ））の歪係数Ｋ _λ ^ε 及び温度係数Ｋ _λ ^Ｔ の測定
図１５に示されるシステムを用いて実験を行った。図１５を参照すれば、センシング光ファイバ５０のＦＭＦ歪係数Ｋ_λ ^ε及び温度係数Ｋ_λ ^Ｔを測定するため、ＦＭＦ干渉計２００を用いられている。干渉計２００は、２本の標準単一モード（すなわち、１５５０ｎｍにおいて単一モード）ファイバ（ＳＭＦ）５５Ａ及び５５Ｂ及び１本の、第１の実験に用いたものと同様の、２３.３ｃｍ長ＦＭＦ（センシングファイバ５０）を備える。図１５に示されるように、ＦＭＦ（センシングファイバ５０）を２本のＳＭＦ５５Ａと５５Ｂの間にスプライスする。入力側において、ＦＭＦ内に基本モード（ＬＰ_０１）及び第１高次モード（ＬＰ_１１）のいずれも励起するため、センシングファイバ５０とＳＭＦ５５Ａを２本のファイバのコア軸の間を適切にオフセットさせてスプライスする。出力側において、センシングファイバ５０とＳＭＦ５５Ｂもオフセットさせる。ファイバピグテイル付広帯域（１５３５〜１５６１ｎｍ）光源２１０をＳＭＦ５５Ａの入力端に接続する。光スペクトルアナライザ２２０により、（ＳＭＦ５５Ｂの出力端における）干渉計からの出力光を計測する。ＬＰ_０１モードとＬＰ_１１モードの間の実効光路長差のため、出力光スペクトルに干渉縞が見られるであろう。出力端において、ＬＰ_０１モード光とＬＰ_１１モード光は、式（１２）：

が成り立つときに、同相である。ここで、Δｎ_実効はＬＰ_０１モードとＬＰ_１１モードの間の実効屈折率差であり、ＬはＦＭＦの長さであり、λは真空中の光の波長であり、ｍは整数である。歪が少数モードファイバ（センシングファイバ５０）に加えられると、第ｍ同相ピークの波長が歪（ｄε）によって生じるＦＭＦの長さ変化（ｄｌ）にともなって変化する。波長の変化は式（１３）：

と表すことができ、Ｂ_εは式（１３ａ）：

で与えられる。次いで、第ｍ同相ピークの波長と歪によるファイバ長変化の間の関係は式（１４）：

である。ここで、λ_０はＦＭＦに歪が加えられていないときの第ｍ同相ピークの波長であり、ΔＬは歪によるＦＭＦの長さ変化である。Ｂ_εΔＬ/Ｌ≪１であれば、式（１４）は式（１５）：

に簡約される。次いでポンプ光とプローブ光の間の波長差の歪係数Ｋ_λ ^εを式（１６）：

から得ることができる。ここで、ｎ_実効,ｐはポンプ光モードの実効屈折率であり、Δλ_０及びΔｎ_実効,０はそれぞれ、ファイバに歪が加えられていないときの、ポンプ光モードとプローブ光モードの間（すなわちＬＰ_０１モートとＬＰ_１１モードの間）の波長差及び実効屈折率差である。

温度変動による第ｍ同相ピークの波長変化は式（１７）：

と書くことができ、Ｂ_Ｔは式（１７ａ）：

で与えられる。次いで、第ｍ同相ピークの波長と温度変化の間の関係は式（１８）：

である。ここでλ_０は所期温度Ｔ_０における第ｍ同相ピークの波長である。Ｂ_Ｔ(Ｔ−Ｔ_０)＝Ｂ_ＴΔＴ≪１であれば、式（１８）は式（１９）：

に簡約される。したがって、ポンプ光とプローブ光の間の波長差に対する温度係数Ｋ_λ ^Ｔは、式（２０）：

から得ることができる。ここでΔλ_０及びΔｎ_実効,０はそれぞれ温度がＴ_０にあるときの、ポンプ光モードとプローブ光モードの間（すなわちＬＰ_０１モートとＬＰ_１１モードの間）の波長差及び実効屈折率差である。

歪係数を測定するため、ＦＭＦの一端がポストに固定され、他端がマイクロメータ並進ステージに取り付けられる。並進ステージを動かすことによって、ＦＭＦに歪が加えられて、ＥＭＦに長さ変化が生じる。発明者等はＦＭＦにおける長さ変化に対する透過スペクトルの変化を評価した。さらに詳しくは、図１６は干渉計２００の透過スペクトル（波長の関数としての強度）を示し、ＦＭＦの長さ変化ΔＬによる干渉計２００の透過スペクトルの変化も示す。透過スペクトルは［第２のＳＭＦの末端で測定された出力スペクトル］−［第１のＳＭＦへの入力端に与えられた入力スペクトル］である。図１６は、ΔＬ＝０μｍからΔＬ＝５００μｍまで１００μｍ増分で変えた異なるΔＬ値にそれぞれが対応する、６本の曲線を示す。歪が大きくなるとともに透過スペクトルが短波長側にシフトすることがグラフからはっきり分かる。さらに詳しくは、図１６は左から４番目の透過光強度ピーク（矢印を見よ）に対応するピーク波長が、約１５９０ｎｍ（ΔＬ＝０，点Ｂ）からΔＬ＝５００μｍのときの約１５８４ｎｍ（点Ａ）まで変化したことを示す。

図１７は測定された（図１６の第４ピークに対応する）波長対ＦＭＦの長さ変化を、また第４透過ピークに対するピーク波長対ΔＬの適合曲線も、グラフにして示す。グラフの左端は点Ｂ（ΔＬ＝０）に対応し、グラフの右端は点Ａ（ΔＬ＝５００μｍ）に対応する。適合曲線は式：
λ＝ａΔＬ＋ｂ，ａ＝-０.０１０６０ｎｍ/μｍ，ｂ＝１５８９.５０７３ｎｍ，
に対応する。この式を用いて計算すれば、Ｂ_ε＝-１.５５４４ｅ^−６/μεを得ることができる。測定されたパラメータ：
λ_ｐ＝１５５０ｎｍ，Δｎ_実効＝１.３８６×１０^−３，及びｎ_実効＝１.４７，
を考慮することで、ポンプ光とプローブ光の間の波長差に対するＦＭＦの歪係数Ｋ_λ ^εはＫ_λ ^ε＝-０.００２２６９ｐｍ/μεであることが分かる。

温度係数を測定するため、ＦＭＦを束縛せずに温度チャンバに入れた。次に、ＦＭＦに様々な温度をかけることにより、温度変化に対する透過スペクトルの変化を評価した。温度は９℃から８８℃まで変えた。さらに詳しくは、図１８は干渉計２００からの透過スペクトル（波長の関数としての強度）を示し、温度変化による干渉計２００の透過スペクトルの変化も示す。図１８は、Ｔ＝９℃に始まって８８℃の最終温度に至る様々な温度にそれぞれが対応する、６本の曲線を示す。温度が高くなるとともに透過スペクトルが短波長側にシフトすることがはっきり分かる。さらに詳しくは、図１８は左から２番目の透過光強度ピークに対応するピーク波長が（Ｔ＝９℃における）約１５７１.７ｎｍから（Ｔ＝８８℃における）約１５７０.５ｎｍまで変化したことを示す。図１９は透過スペクトルの変化、さらに詳しくは図１８の右側に示される同相ピークの温度による波長変化を示す。図１９はピーク波長対温度の最良適合曲線も示す。適合曲線は式：
λ＝ａΔＴ＋ｂ，ａ＝-０.０１７４２ｎｍ/℃，ｂ＝１５７１.９００４ｎｍ，
で表される。したがって、Ｂ_Ｔ＝-１.１０８３×１０^−５/℃が得られる。測定されたパラメータ：
λ_ｐ＝１５５０ｎｍ，Δｎ_実効＝１.３８６×１０^−３，及びｎ_実効＝１.４７，
を考慮することで、ポンプ光とプローブ光の間の波長差に対するＦＭＦの温度係数Ｋ_λ ^ＴはＫ_λ ^Ｔ＝-０.０１６１９７ｐｍ/℃であることが分かる。

ＦＭＦの歪係数Ｋ _ν ^ε 及び温度係数Ｋ _ν ^Ｔ の測定
図２０に示されるシステムを用いて実験を行った。図２０は、歪差または温度差がＦＭＦ（センシングファイバ５０）に与えられたときの、ブリルアン周波数シフト，ＢＦＳの変化を測定するための実験システム３００の例を示す。システム３００はサーキュレータ４２を介してセンシングファイバ５０に光を与えるＤＦＢレーザ源３０５を備える。入力光は光サーキュレータのポートＰ１に入り、サーキュレータのポートＰ２を介してセンシングファイバ５０の入力／出力端５２に入る。次いで、センシングファイバ５０からの光は入力／出力端５２を通ってサーキュレータ４２のポートＰ２に戻り、ポートＰ２から光サーキュレータのポートＰ３を介し、５０：５０光結合器３３０を通って光検出器１０２に向かうルートをとる。光検出器１０２の出力は次いでプロセッサ１０４（例えばスペクトルアナライザ３２０）によって解析される。さらに詳しくは、ＤＦＢレーザ３０５からの光は、例えば９０：１０光結合器３３０Ａによって、２つの部分に分けられる。一方の部分（例えば９０％）は１つ以上の増幅器（例えば、ＳＯＡ（半導体光増幅器）３１５Ａ及びＥｒドープファイバ増幅器３１５Ｂ）によって増幅されて、上述したように、センシングファイバ５０に向けて送られ、他方の部分（例えば１０％）は光結合器３３０に直接与えられる。したがって、光検出器１０２は、ＤＢＲレーザによって与えられる（センシングファイバ５０による改変を受けていない）入力光及びブリルアン周波数シフト，ＢＦＳの情報を含むセンシングファイバ５０によって与えられる光出力（ブリルアン散乱光）のいずれも、光結合器３３０から受け取る。２つの光部分の周波数差（すなわちブリルアン周波数シフト）は歪及び／または温度によって変化するであろう。図２１は、ＢＦＳ値（με）対歪のグラフであり、ＦＭＦ（センシングファイバ５０）におけるＢＦＳ対歪の最良適合直線のグラフも示す。適合関数（ν_Ｂ＝ａε＋ｂ，ａ＝０.０１４３ＭＨｚ/με，ｂ＝１０.９２６７ＧＨｚ）からＦＭＦの歪係数Ｋ_ν ^εがＫ_ν ^ε＝０.０１４３ＭＨｚ/μεであることが分かる。図２２はＢＦＳ値対温度の曲線及び対応する最良適合関数を示す。適合関数（ν_Ｂ＝ａＴ＋ｂ，ａ＝０.９００５ＭＨｚ/℃，ｂ＝１０.９１０５ＧＨｚ）から、ＦＭＦの温度係数Ｋ_ν ^ＴがＫ_ν ^Ｔ＝０.９００５ＭＨｚ/℃であることが分かる。測定されたＦＭＦの歪係数及び温度係数は、Ｋ_λ ^ε＝-０.００２２７ｐｍ/με，Ｋ_λ ^Ｔ＝-０.０１６１０ｐｍ/℃，Ｋ_ν ^ε＝０.０１４３ＭＨｚ/με，Ｋ_ν ^Ｔ＝０.９００５ＭＨｚ/℃であり、この結果、

が得られる。

したがって、ＢＦＳの変化（Δν_Ｂ）及び（本明細書ではプローブ光とポンプ光の間の波長間隔とも称される）プローブ光とポンプ光の間の波長差の変化（δ(Δλ)）を測定することにより、式（２１）：

を解くことで歪及び温度の変化量の同時測定を達成することができる。

本開示を実施形態及びそれらの特定の実施例を参照して本明細書に示し、説明したが、他の実施形態及び実施例による同様の機能の実施及び／または同様の結果の達成が可能であることが当業者には容易に明らかであろう。そのような等価の実施形態及び実施例は全て本開示の精神及び範囲内にあり、添付される特許請求の範囲に包含されるとされる。本開示の精神及び範囲を逸脱することなく本開示に様々な改変及び変形がなされ得る得ることも当業者には明らかであろう。したがって、本開示の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価形態の範囲内に入れば、本開示はそのような改変及び変形を包含するとされる。

１０ 分布ブリルアンセンシングシステム
２０，２０' ポンプ光源
２２，２２' ポンプ光
２４ ファイバレーザ
２６，３６ 光ファイバ増幅器
２７ 波長可変フィルタ
３０ プローブ光源
３２ プローブ光
３２Ｒ 反射プローブ光
３４ 波長可変ファイバレーザ
４０，４０-１，４０-２ ファイバ−光結合器
４２ 光サーキュレータ
５０ センシング光ファイバ
５２ センシング光ファイバ入力／出力端
５４ ブリルアンダイナミックグレーティング（ＢＤＧ）
６０ 単一モードファイバ
７０ 結合部材
７１ モードコンバータ
８０ 光結合光学素子
１００ 受信器
１０２ 多周波数（多波長）光検出器ユニット
１０４ プロセッサユニット
１０６ メモリユニット
１１０ 平衡光検出器
１１２ 平衡コヒーレント検出器

Claims (5)

1. 分布ブリルアン光ファイバセンシングシステムにおいて、
   基本導波モード及び少なくとも１つの高次導波モードをサポートするように構成されたセンシング光ファイバ、
   ポンプ光導波モードを定めるために前記導波モードの１つに、ブリルアンダイナミックグレーティング（ＢＤＧ）を形成するポンプ光を導入するように構成されたポンプ光源、
   前記ＢＤＧからの反射プローブ光を生成するために前記ポンプ光導波モードとは別の１つ以上の前記導波モードに入力プローブ光を導入するように構成されたプローブ光源であって、前記反射されたプローブ光と前記入力プローブ光はブリルアン波長シフトにより周波数がシフトされている、プローブ光源、
   及び
   前記センシング光ファイバに光結合され、前記反射プローブ光を検出して、ブリルアン周波数シフト及び前記プローブ光の反射場所を決定するように構成された受信器、
   を備えることを特徴とする分布プリルアン光ファイバセンシングシステム。
2. 分布プリルアン光ファイバセンシングシステムにおいて、
   少なくとも第１及び第２の導波モードをサポートするように構成されたセンシング光ファイバ、
   前記センシング光ファイバに光結合され、前記第１の導波モードで前記センシング光ファイバ内を進み、前記センシング光ファイバの局所ブリルアン周波数の情報を含むブリルアンダイナミックグレーティング（ＢＤＧ）を形成する、第１のポンプ光を発生するように構成された、第１のポンプ光源、
   前記センシング光ファイバに光結合され、前記第２の導波モードで前記センシング光ファイバ内を進むパルスプローブ光を発生するように構成された、プローブ光源であって、前記パルスプローブ光は、前記パルスプローブ光の少なくとも一部が前記ブリルアンダイナミックグレーティングから反射し、前記局所ブリルアン周波数及びプローブ光反射場所に関する情報を含むように選ばれた波長を有している、プローブ光源、
   及び
   前記センシング光ファイバに光結合され、前記反射プローブ光を受け取り、前記局所ブリルアン周波数、前記反射場所及び前記センシング光ファイバに沿う少なくとも１つの状態を決定するように構成された、受信器、
   を備えることを特徴とする分布プリルアン光ファイバセンシングシステム。
3. センシング光ファイバに沿う少なくとも１つの状態を検知する方法において、
   ブリルアンダイナミックグレーティングを形成するために前記センシング光ファイバによりサポートされる第１の導波モードだけで前記光ファイバにポンプ光を導入する工程、
   前記ブリルアンダイナミックグレーティングからの反射プローブ光を得るために前記センシング光ファイバによりサポートされる少なくとも第２の導波モードで前記光ファイバに第１の周波数のパルスプローブ光を導入する工程であって、前記反射プローブ光は周波数シフトにより前記第１の周波数に対してシフトされた第２の周波数を有し、反射場所を有するものである、工程、
   及び
   前記少なくとも１つの状態を決定するため、前記反射プローブ光シフト周波数及び前記反射場所を解析する工程、
   を含むことを特徴とする方法。
4. センシング光ファイバにおいて、コアΔが０.２５％から１％の間にあり、コア半径ｒが４μｍから１０μｍの間にあり、Ｆ因子が１００μｍ^２≦Ｆ因子≦２００μｍ^２であり、有効面積Ａ_有効が５０μｍ^２≦Ａ_有効≦１５０μｍ^２である、少数モードコアを有することを特徴とするセンシング光ファイバ。
5. 分布ブリルアン光ファイバセンシングシステムにおいて、
   基本導波モード及び少なくとも１つの高次導波モードをサポートするように構成されたセンシング光ファイバであって、４μｍ≦ｒ_０≦１０μｍのコア半径及び７６μｍ^２から３０６μｍ^２のＦ因子（μｍ^２）を有するセンシング光ファイバ、
   ポンプ光導波モードを定めるために前記導波モードの内の１つに、ブリルアンダイナミックグレーティング（ＢＤＧ）を形成するポンプ光を導入するように構成されたポンプ光源、
   及び
   前記ＢＤＧからの反射プローブ光を生成するために前記ポンプ光導波モードとは別の１つ以上の前記導波モードに入力プローブ光を導入するように構成されたプローブ光源であって、前記反射されたプローブ光と前記入力プローブ光はプリルアン波長シフトによって周波数がシフトされている、プローブ光源、
   を備えることを特徴とする分布ブリルアン光ファイバセンシングシステム。

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