JP2019060666A - 光ファイバセンシングシステム及び光ファイバセンシング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバセンシングシステム及び光ファイバセンシング方法において、ＳＮ比を改善する。【解決手段】プローブ光を生成する光送信部１０と、プローブ光により光ファイバ１００で発生する後方散乱光に含まれる、ストークス光及び反ストークス光を増幅する位相感応型増幅器を備える光増幅部４０と、ストークス光及び反ストークス光から、光ファイバにおける周波数シフト量の変化を位相差として検出する光受信部８０を備えて構成される。【選択図】図１

Description

この発明は、ブリルアン散乱光を用いた、光ファイバセンシングシステム及び光ファイバセンシング方法に関する。

光ファイバ通信の発展とともに、光ファイバ自体をセンシング媒体とする分布型光ファイバセンシングが盛んに研究されている。分布型光ファイバセンシングでは、光ファイバの片端から光パルスを入射し、光ファイバ中で後方散乱された光を時間に対して測定する時間領域リフレクトメトリ（ＯＴＤＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）が代表的である。光ファイバ中の後方散乱には、レイリー散乱、ブリルアン散乱及びラマン散乱がある。この中で自然ブリルアン散乱を測定するものはＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ＯＴＤＲ）と呼ばれる（例えば、特許文献１参照）。

ブリルアン散乱は、光ファイバに入射される光パルスの中心周波数に対して、低周波（ストークス）側及び高周波（アンチストークス）側に約１１ＧＨｚ程度周波数シフトした位置に観測される。以下の説明では、ブリルアン散乱により生じたストークス側の光を単にストークス光と称し、アンチストークス側に生じた光を単に反ストークス光と称する。

この周波数シフトは、光ファイバの歪みや温度に対して線形に変化する性質がある。このため、測定した周波数シフトの値から、歪みや温度を取得することができる。従って、測定対象となる大型の設備や建造物に光ファイバを適切に設置することにより、コンクリートのひび割れの検出システムや、広範囲をカバーする火災報知器としてのＢＯＴＤＲの利用が期待されている。

図５を参照して、従来の光ファイバセンサシステムを説明する。図５は、従来の光ファイバセンサシステムの構成例を示す概略図である。

光送信部１１０で生成されたプローブ光は、光サーキュレータ２０を経て、光ファイバ１００に入射される。光ファイバ１００からの後方散乱光は、光サーキュレータ２０を経て、光フィルタ１３０に送られる。後方散乱光には、レイリー散乱光、ストークス光及び反ストークス光が含まれる。光フィルタ１３０は、後方散乱光からストークス光を抽出して光増幅部１４０に送る。光増幅部１４０は、例えば、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ：Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）で構成される。光増幅部１４０で増幅されたストークス光は、光受信部８０に送られる。

光受信部８０は、自己遅延ヘテロダイン干渉計を備えて構成され、ストークス光から干渉光を得た後、干渉光を、電気信号に変換する。この電気信号は、信号処理部９０に送られる。

信号処理部９０は、光受信部８０から受け取る電気信号に基づいて、歪み・温度などの情報を取得する。

特開２０１６−１９１６５９号公報

ＢＯＴＤＲに限らず、ブリルアン散乱光を受信するすべてのファイバセンシングシステムにおいては、受信信号であるブリルアン散乱光の強度は非常に微弱であり、雑音の影響を受けやすい。

雑音の低減のため、多くのファイバセンシングシステムにおいては、複数回の測定データの平均化を行っている。このように、測定時間と、歪み・温度の測定誤差はトレードオフの関係にあり、これが技術上の問題点となっている。

測定誤差を悪化させずに、測定時間を短縮するには、低雑音の光・電子部品でシステムを構築しなければならない。特に、ブリルアン散乱光を増幅する光増幅器の雑音指数は、受信信号のＳＮ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ）比に大きな影響を及ぼす。

上述した従来例では、光増幅部にＥＤＦＡが用いられているが、現状、市販されているＥＤＦＡの雑音指数は、４．５ｄＢ程度であり、理論限界である３ｄＢに近い値が得られている。従って、光増幅部にＥＤＦＡが用いられる限り、ＳＮ比の改善は困難である。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、光増幅部に、位相感応型増幅器（ＰＳＡ：Ｐｈａｓｅ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を用いることで光ファイバセンシングシステム及び光ファイバセンシング方法でのＳＮ比を改善することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の光ファイバセンシングシステムは、プローブ光を生成する光送信部と、プローブ光により光ファイバで発生する後方散乱光に含まれる、ストークス光及び反ストークス光を増幅する位相感応型増幅器を備える光増幅部と、ストークス光及び反ストークス光のいずれか一方又は双方から、光ファイバにおける周波数シフト量の変化を位相差として検出する光受信部を備えて構成される。

また、この発明の光ファイバセンシング方法は、プローブ光を生成する過程と、位相感応型増幅器を用いて、プローブ光により光ファイバで発生する後方散乱光に含まれる、ストークス光及び反ストークス光を増幅する過程と、ストークス光及び反ストークス光のいずれか一方又は双方から、光ファイバにおける周波数シフト量の変化を位相差として検出する過程を備える。

この光ファイバセンシングシステム及び光ファイバセンシング方法の実施に当たり、好ましくは、さらに、ポンプ光生成部を備え、光送信部は、連続（ＣＷ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）光を生成する光源を備え、位相感応型増幅器は、非線形光学素子を備え、ポンプ光生成部は、ＣＷ光から分岐されたポンプ光の周波数及び位相を、非線形光学素子において、ポンプ光、ストークス光及び反ストークス光が周波数条件及び位相条件を満たすように制御する。

この発明の、光ファイバセンシングシステム及び光ファイバセンシング方法は、位相感応型増幅器を備える光増幅部でストークス光及び反ストークス光を増幅するので、ＥＤＦＡを用いる場合に比べて、ＳＮ比が改善される。

この発明の光ファイバセンサシステムの概略図である。 第１センシングシステムの概略構成図である。 送信側光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ：Ｂａｎｄ−Ｐｓｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）から出力される光パルス波形を示す図である。 第２センシングシステムの概略構成図である。 従来の光ファイバセンサシステムの概略図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（概略）
図１を参照して、この発明の光ファイバセンシングシステム及び光ファイバセンシング方法の概略を説明する。図１は、この発明の光ファイバセンサシステムの概略図である。

光ファイバセンシングシステムは、光送信部１０、光サーキュレータ２０、光フィルタ３０、光増幅部４０、光受信部８０、信号処理部９０、及び、ポンプ光生成部５０を備えて構成される。

光送信部１０は、プローブ光を生成する。光送信部１０で生成されたプローブ光は、光サーキュレータ２０を経て、光ファイバ１００に入射される。

光ファイバ１００からの後方散乱光は、光サーキュレータ２０を経て、光フィルタ３０に送られる。後方散乱光には、レイリー散乱光、ストークス光及び反ストークス光が含まれる。光フィルタ３０は、後方散乱光からストークス光及び反ストークス光を抽出して光増幅部４０に送る。光増幅部４０は、ＰＳＡを備えて構成される。以下の説明では、ＰＳＡを備えて構成される光増幅部をＰＳＡ増幅部とも称する。ＰＳＡ増幅部４０で増幅されたストークス光及び反ストークス光のいずれか一方又は双方は、信号光として光受信部８０に送られる。

光受信部８０は、自己遅延ヘテロダイン干渉計を備えて構成され、信号光から干渉光を得た後、干渉光を、電気信号に変換する。光受信部８０は、この電気信号から、周波数シフト量の変化を位相差として検出する。この結果は信号処理部９０に送られる。

信号処理部９０は、光受信部８０から受け取る情報に基づいて、歪み・温度などの情報を取得する。

ポンプ光生成部５０は、光送信部１０が生成するＣＷ光の一部からポンプ光を生成する。このポンプ光は、ＰＳＡ増幅部４０に送られる。

ここで、ＰＳＡは、利得が光の位相に依存する増幅器である。シグナル光、アイドラー光、及び、ポンプ光の３波の間で、周波数条件及び位相条件を満たしたときに、ＰＳＡの出力光のＳＮ比は、既存のＥＤＦＡに比べて６ｄＢ改善できることが知られている。

ここでは、光フィルタ３０で抽出されるストークス光及び反ストークス光をそれぞれ、ＰＳＡにおけるシグナル光及びアイドラー光として利用する。これにより、従来のＥＤＦＡを用いるシステムと比較して、光増幅後のＳＮ比が改善され、測定誤差を悪化させずに、測定時間を短縮することができる。

（第１実施形態）
図２を参照して、この発明の第１実施形態に係る光ファイバセンシングシステム（以下、第１センシングシステムとも称する。）を説明する。図２は、第１センシングシステムの概略構成図である。

光送信部１０は、ＣＷ光源１２、光デバイダ１４、光パルス発生器１６及びタイミング調整器１８を備えて構成される。

ＣＷ光源１２は、単一の線スペクトルを示すＣＷ光を生成し、光デバイダ１４に送る。ＢＯＴＤＲでは、遅延検波やコヒーレント検波による復調器を光受信部内に備える。このため、ＣＷ光源１２の周波数揺らぎ及び周波数スペクトル線幅（以下、単に線幅とも称する。）は、ブリルアンシフトよりも十分に小さくなければならない。そこで、ＣＷ光源１２として、例えば、周波数揺らぎ及び線幅が１０ｋＨｚ程度若しくはそれ以下の狭線幅レーザが用いられる。また、ＣＷ光源１２は、光ファイバ１００内でシングルモード伝送できる波長帯で発振する。

光デバイダ１４は、ＣＷ光を２分岐して、一方を、光パルス発生器１６に送り、他方をポンプ光生成部５０に送る。この光デバイダ１４での分岐比は、ＰＳＡ増幅部４０から出力される信号光のＳＮ比が十分に確保できるように設定されていればよい。

光パルス発生器１６は、タイミング調整器１８で生成された電気パルスに応じて、ＣＷ光から光パルスを生成する。この光パルスの繰返し周期とパルス幅は、既存のＯＴＤＲと同様に、それぞれ最大測定距離と位置分解能に応じて決定される。光パルス発生器１６が生成した光パルスは、プローブ光として、光サーキュレータ２０を経て、光ファイバ１００に入射される。

タイミング調整器１８は、光パルス発生器１６において光パルスを生成するための電気パルスを生成するとともに、信号処理部９０で平均化処理を行うためのタイミング制御に用いられる。

送信部１０から出力されたプローブ光は、光サーキュレータ２０を経て、光ファイバ１００に入射される。なお、光サーキュレータ２０に換えて、光カプラとアイソレータを組み合わせて用いても良い。

測定対象となる光ファイバ１００は、センシング媒体であり、測定対象物に適切に設置される。光ファイバ１００の一端は、光サーキュレータ２０に接続され、他端は、端面反射を抑制するように終端される。光ファイバ１００として、ＣＷ光源１２の発振周波数帯において、シングルモード伝送が可能であり、低損失であり、及び、非線形散乱現象を観測できる程度の非線形光学定数を有するものが用いられる。この光ファイバとして、例えば、光通信で用いられる標準型シングルモードファイバ（ＳＳＭＦ：Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）が用いられる。

光ファイバ１００からの後方散乱光は、光サーキュレータ２０を経て、光フィルタ３０に送られる。光フィルタ３０は、ＣＷ光源１２が生成するＣＷ光の波長と同一の波長帯に現れるレイリー散乱光を除去し、ストークス光と反ストークス光を抽出する周波数特性を有する。光フィルタ３０が抽出した、ストークス光と反ストークス光は、ＰＳＡ増幅部４０に送られる。

ＰＳＡ増幅部４０は、ＷＤＭ多重器４２、非線形光学素子４４、及び、光分岐部４６を備えて構成される。ＷＤＭ多重器４２は、ポンプ光生成部５０で生成されたポンプ光と、ストークス光及び反ストークス光を合波する。ＷＤＭ多重器４２で合波された合波光は、非線形光学素子４４に送られる。

非線形光学素子４４として、ＣＷ光及びブリルアン散乱光の波長帯域において、非線形光学定数が大きく、位相整合条件を満たすものが用いられる。３次の非線形光学素子としては高非線形ファイバ、２次の非線形光学素子としては、ＰＰＬＮ（Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）導波路が用いられることが多い。

なお、ここでは、説明を省略するが、偏波変動への対策は、従来公知の方法によりなされているものとする。

非線形光学素子４４が、３次の非線形光学素子である場合は、４光波混合により、また、２次の非線形光学素子の場合は、２次高調波発生／差周波発生のカスケード変換により、ストークス光及び反ストークス光の増幅が行われる。

ストークス光及び反ストークス光は、光ファイバ１００に入力されたプローブ光が、光ファイバ１００中の粗密波（音響フォノン）により散乱されることで発生する。このような非線形散乱現象においては、ストークス光及び反ストークス光の複素振幅は、プローブ光と音響フォノンの複素振幅を乗算した結果に比例することが知られている。

ストークス光、反ストークス光及びプローブ光の周波数、並びに、音響フォノンの固有振動数を、それぞれ、ｆ_ｓ、ｆ_ａ、ｆ_ｉ、ｆ_ｆとすると、以下の式（１）及び（２）が得られる。

ｆ_ｓ＝ｆ_ｉ−ｆ_ｆ （１）
ｆ_ａ＝ｆ_ｉ＋ｆ_ｆ （２）
上式（１）及び（２）を加算すると、以下の式（３）が得られる。

ｆ_ｓ＋ｆ_ａ＝２ｆ_ｉ （３）
これは、ポンプ光の周波数が、プローブ光の周波数ｆ_ｉに等しくなるように制御されていれば、ストークス光及び反ストークス光が、それぞれ、ＰＳＡにおけるシグナル光及びアイドラー光としての周波数条件を満たすことを示している。

ストークス光、反ストークス光、及び、ポンプ光の間では、位相に関しても同様の関係が成り立つ。異なる経路を伝播したことによる相対位相の揺らぎを補償するように、ポンプ光が制御されていれば、ストークス光及び反ストークス光が、それぞれ、ＰＳＡにおけるシグナル光及びアイドラー光としての位相条件を満たすことを示している。

従って、周波数条件及び位相条件を満たす場合には、従来のＥＤＦＡでは実現できない３ｄＢ未満の雑音指数を達成することができ、低雑音増幅が可能となる。

非線形光学素子４４の出力である、ストークス光、反ストークス光及びポンプ光は、光分岐部４６に送られる。

光分岐部４６は、ポンプ光を除去する。また、光分岐部４６は、ストークス光及び反ストークス光の一部を信号光として光受信部８０に送り、残りをモニタ光としてポンプ光生成部５０に送る。

光受信部８０で、ストークス光及び反ストークス光の両者が用いられる場合は、光分岐部４６は、例えば、光フィルタと光デバイダを備えて構成される。光フィルタが、ポンプ光を除去し、光デバイダが、ストークス光及び反ストークス光を強度分岐する。光デバイダとして、例えば、分岐比が９９：１のパワーデバイダが用いられる。強度分岐された光のうち、高分岐側の光は、信号光として光受信部に送られ、低分岐側の光は、モニタ光としてポンプ光生成部に送られる。

一方、光受信部８０で、ストークス光及び反ストークス光の一方のみが用いられる場合は、光分岐部４６は、例えば、ＷＤＭフィルタを備えて構成される。ＷＤＭフィルタは、ポンプ光を除去するとともに、ストークス光と反ストークス光を周波数分離する。ストークス光は信号光として光受信部８０に送られ、反ストークス光はモニタ光としてポンプ光生成部５０に送られる。

光受信部８０は、例えば、自己遅延ヘテロダイン干渉計を備えて構成される。光受信部８０は、信号光の周波数シフト量を強度変化に変換した後、電気信号に変換する。光受信部８０は、この電気信号から、周波数シフト量の変化を位相差として検出する。この結果は信号処理部９０に送られる。

信号処理部９０は、タイミング調整器１８が生成するトリガー信号に応じて、平均化処理を行い、歪み・温度変化の解析を行う。

なお、光受信部８０及び信号処理部９０は、特許文献１と同様に構成することができるので、ここでは、詳細な説明を省略する。

ポンプ光生成部５０は、ＰＳＡ増幅部４０から入力されたモニタ光から、ＰＳＡ増幅部４０の利得を最大にするために、ポンプ光の周波数・位相のフィードバック制御を行う。ポンプ光生成部５０は、第１光周波数シフタ５２、第１発振器５４、第２光周波数シフタ５６、電圧制御発振器５８、光位相変調器６０、第２発振器６２、光増幅器６４、光フィルタ６６、フォトダイオード６８、増幅器７０、誤差信号抽出器７２、及び、ループフィルタ７４を備えて構成される。ポンプ光生成部５０は、位相同期ループ（ＰＬＬ：Ｐｈａｓｅ−Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）として機能する。

第１発振器５４は、正弦波の電気信号を発生させる素子である。この正弦波の電気信号は、第１光周波数シフタ５２に入力される。

また、光送信部１０から送られるＣＷ光も、第１光周波数シフタ５２に入力される。第１光周波数シフタ５２は、音響光学素子、又は、振幅変調器や位相変調器などの変調器と、その変調器の出力光の１つの側帯波を抽出する帯域通過フィルタを備えて構成される。第１光周波数シフタ５２は、ＣＷ光の周波数を、第１発振器５４が生成する正弦波の周波数だけシフトさせる。第１光周波数シフタ５２で周波数シフトされたＣＷ光は、第２光周波数シフタ５６に入力される。

電圧制御発振器５８は、正弦波の電気信号を発生させる素子であり、その周波数を電気的に制御できる機能を有する。この正弦波の電気信号は、第２光周波数シフタ５６に入力される。

第２光周波数シフタ５６は、第１光周波数シフタ５２と同様に構成され、入力されるＣＷ光の周波数を、電圧制御発振器５８が生成する正弦波の周波数だけシフトさせる。第２光周波数シフタ５６で周波数シフトされたＣＷ光は、光位相変調器６０に入力される。

ここで、第１光周波数シフタ５２と第２光周波数シフタ５６は、一方が入力されるＣＷ光を高周波側へ、他方が低周波側に周波数シフトさせる。すなわち、第１光周波数シフタ５２と第２光周波数シフタ５６では、周波数シフトの符号は逆であり、フィードバック制御がロックした状態では、絶対値が互いに等しくなる。

光位相変調器６０は、第２発振器６２で発生した正弦波で駆動されて、ＣＷ光に位相変調を施す。この位相変調は、誤差信号を抽出するために必要となる微小な位相ディザリングである。第２発振器６２で発生する正弦波の振幅は、後述する誤差信号抽出器７２で誤差信号が得られる範囲において最小の値にするのが望ましい。例えば、光位相変調器６０の半波長電圧の１％程度に設定される。

光位相変調器６０で、位相変調を受けたＣＷ光は、光増幅器６４に送られる。光増幅器６４は、ＣＷ光を増幅し、光フィルタ６６に送る。光増幅器６４として、例えば、数Ｗの出力強度のＥＤＦＡが用いられる。

光フィルタ６６は、ＣＷ光の波長帯域に透過帯域を有する。光フィルタ６６は、ポンプ光の帯域外の、自然放出光によるＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）雑音を除去する。このＡＳＥ雑音が除去されたＣＷ光は、ポンプ光として、ＰＳＡ増幅部４０に送られ、ＰＳＡ増幅部４０のＷＤＭ多重器４２に入力される。

ＰＳＡ増幅部４０で生成されるモニタ光は、フォトダイオード６８に入力される。フォトダイオード６８は、モニタ光を光／電気変換して電気信号を生成する。この電気信号は、増幅器７０に送られる。

増幅器７０は、電気信号を増幅し、誤差信号抽出器７２に送る。モニタ信号には、光位相変調器６０で付与した位相ディザリングの位相変調が付与されている。

フォトダイオード６８及び増幅器７０として、ＰＳＡ増幅部４０が生成するモニタ光を受信するのに十分な感度を備えるものが用いられる。

誤差信号抽出器７２は、第２発振器６２の発振周波数と同一の周波数を検出する素子であり、例えば、ロックインアンプが用いられる。いわゆるマッハツェンダ干渉計の位相制御と同様に、誤差信号抽出器７２は、第２発振器６２が生成した正弦波を参照信号としてこの周波数成分を検出することで、誤差信号を得ることができる。誤差信号はループフィルタ７４に送られる。

ループフィルタ７４は、誤差信号に所定の演算を施し、制御信号を生成する。制御信号は、電圧制御発振器７４に送られる。

フィードバック制御がロックした状態では、ポンプ光生成部５０が生成するポンプ光と、ストークス光及び反ストークス光が、周波数条件及び位相条件を満たし、従来のＥＤＦＡでは実現できない３ｄＢ未満の雑音指数を達成することができ、低雑音増幅が可能となる。

（第２実施形態）
上述した第１実施形態では、ストークス光と反ストークス光の中間に１つのポンプ光が配置されている。この場合、図３（Ａ）に示すように、ストークス光とポンプ光、ポンプ光と反ストークス光の周波数間隔は、それぞれ１１ＧＨｚ程度である。

ここで、ポンプ光生成部５０が備える光増幅器６４で生じるＡＳＥ雑音が光フィルタ６６で除去しきれずに残る場合がある。第１センシングシステムでは、ポンプ光と、ストークス光及び反ストークス光との周波数差が小さいため、ストークス光及び反ストークス光がポンプ光周辺に残留する雑音に埋もれてしまう恐れがある。

そこで、第２実施形態のセンシングシステムでは、図３（Ｂ）に示すように、ストークス光及び反ストークス光から、十分に離れた周波数帯にポンプ光を配置する。この２つのポンプ光の周波数の和が、式（３）のｆ_ｉの２倍に等しくなるように制御されているなら、ＰＳＡ動作の周波数条件を満たす。また、第１センシングシステムと同様に、ポンプ光生成部５０でのフィードバック制御により、位相条件を満たす。

プローブ光及び２つのポンプ光は、例えば、図３（Ｃ）に示すように、周波数間隔が等しく互いに位相同期したＮ（Ｎは３以上の整数）の線スペクトルを示すＣＷ光から、中央の周波数の線スペクトルをプローブ光として用い、その両側であり、ＡＳＥ雑音が、ストークス光及び反ストークス光と分離可能な周波数の線スペクトルをポンプ光とすればよい。

図４を参照して、第２実施形態に係る光センシングシステム（以下、第２センシングシステムとも称する。）を説明する。図４は、第２センシングシステムの模式図である。

第２センシングシステムでは、光送信部１１が、コム光源１３、ＷＤＭ分波器１５、光パルス発生器１６及びタイミング調整器１８を備えて構成される。

コム光源１３は、周波数軸上に、周波数間隔Δｆで等間隔に配置された、Ｎ（Ｎは３以上の整数）本の線スペクトルを生成する。以下の説明では、低周波数側から数えてｈ（ｈは０以上Ｎ−１以下の整数）番目の線スペクトルをＣ_ｈとする。

ＷＤＭ分波器１５は、ｊ番目の線スペクトルＣ_ｊを光パルス発生器１６に送る。線スペクトルＣ_ｊのＣＷ光が、光パルス発生器１６で光パルスとなり、この光パルスがプローブ光として光ファイバ１００に入力される。

また、ＷＤＭ分波器１５は、ｊ−ｋ番目及びｊ＋ｋ番目の線スペクトルＣ_ｊ−ｋ及びＣ_ｊ＋ｋをポンプ光生成部５０に送る。ここで、ｊ及びｋは整数であり、ｊ−ｋ≧０、ｊ＋ｋ≦Ｎ−１を満たす。

線スペクトルＣ_ｊ−ｋ及びＣ_ｊ＋ｋの周波数は、光増幅器６４で生じるＡＳＥ雑音にストークス光及び反ストークス光が埋もれない程度に、Ｃ_ｊから離れて設定される。線スペクトルＣ_ｊ−ｋに対応する第１ポンプ光と、線スペクトルＣ_ｊ＋ｋに対応する第２ポンプ光は、ＰＳＡ増幅部４０に送られる。

２つのポンプ光の周波数の和が、式（３）のｆ_ｉの２倍に等しくなるように制御されているなら、ＰＳＡ動作の周波数条件を満たす。また、ポンプ光生成部５０でのフィードバック制御により、位相条件を満たす。この場合、ストークス光及び反ストークス光がポンプ光周辺に残留する雑音に埋もれなくなるので、ＳＮ比がさらに改善されることが期待される。

ここで、２つのポンプ光の周波数間隔を８００ＧＨｚ程度にすると、光フィルタ６６として、市販の薄膜フィルタを用いることができる。

１０、１１、１１０ 光送信部
１２ ＣＷ光源
１３ コム光源
１４ 光デバイダ
１５ ＷＤＭ分波器
１６ 光パルス発生器
１８ タイミング調整器
２０ 光サーキュレータ
３０、１３０ 光フィルタ
４０ ＰＳＡ増幅部
４２ ＷＤＭ多重器
４４ 非線形光学素子
４６ 光分岐部
５０ ポンプ光生成部
５２ 第１光周波数シフタ
５４ 第１発振器
５６ 第２光周波数シフタ
５８ 電圧制御発振器
６０ 光位相変調器
６２ 第２発振器
６４ 光増幅器
６６ 光フィルタ
６８ フォトダイオード
７０ 増幅器
７２ 誤差信号抽出器
７４ ループフィルタ
８０ 光受信部
９０ 信号処理部
１００ 光ファイバ

Claims (8)

1. プローブ光を生成する光送信部と、
   前記プローブ光により光ファイバで発生する後方散乱光に含まれる、ストークス光及び反ストークス光を増幅する位相感応型増幅器を備える光増幅部と、
   前記ストークス光及び反ストークス光のいずれか一方又は双方から、前記光ファイバにおける周波数シフト量の変化を位相差として検出する光受信部と、
   を備えることを特徴とする光ファイバセンシングシステム。
2. さらに、ポンプ光生成部を備え、
   前記光送信部は、連続光を生成する光源を備え、
   前記光増幅部は、非線形光学素子を備え、
   前記ポンプ光生成部は、前記連続光から分岐されたポンプ光の周波数及び位相を、前記非線形光学素子において、前記ポンプ光、前記ストークス光及び反ストークス光が周波数条件及び位相条件を満たすように制御する
   をことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンシングシステム。
3. 前記光送信部は、前記連続光源、光デバイダ及び光パルス発生器を備え、
   前記連続光源は、単一の線スペクトルを示す連続光を生成するＣＷ光源であり、
   前記光デバイダは、前記連続光を２分岐して、一方を、前記光パルス発生器に送り、他方を前記ポンプ光生成部に送り、
   前記光パルス発生器は、入力される連続光からプローブ光として光パルスを生成する
   ことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバセンシングシステム。
4. 前記光送信部は、前記連続光源、ＷＤＭ分波器及び光パルス発生器を備え、
   前記連続光源は、周波数間隔が等しく互いに位相同期したＮ（Ｎは３以上の整数）の線スペクトルを示す連続光を生成するコム光源であり、
   前記ＷＤＭ分波器は、前記連続光を２分岐して、一方を、前記光パルス発生器に送り、他方を前記ポンプ光生成部に送り、
   前記光パルス発生器は、入力される連続光からプローブ光として光パルスを生成する
   ことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバセンシングシステム。
5. プローブ光を生成する過程と、
   位相感応型増幅器を用いて、前記プローブ光により光ファイバで発生する後方散乱光に含まれる、ストークス光及び反ストークス光を増幅する過程と、
   前記ストークス光及び反ストークス光のいずれか一方又は双方から、前記光ファイバにおける周波数シフト量の変化を位相差として検出する過程と
   を備えることを特徴とする光ファイバセンシング方法。
6. 前記位相感応型増幅器は、非線形光学素子を備えて構成され、
   ポンプ光の周波数及び位相を、前記非線形光学素子において、前記ポンプ光、前記ストークス光及び反ストークス光が周波数条件及び位相条件を満たすように制御する
   をことを特徴とする請求項５に記載の光ファイバセンシング方法。
7. 前記ポンプ光及び前記プローブ光は、単一の線スペクトルを示す連続光から生成される
   ことを特徴とする請求項６に記載の光ファイバセンシング方法。
8. 前記ポンプ光及び前記プローブ光は、周波数間隔が等しく互いに位相同期したＮ（Ｎは３以上の整数）の線スペクトルを示す連続光から生成される
   ことを特徴とする請求項６に記載の光ファイバセンシング方法。

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