JP2022170651A - 光ファイバ振動センシング装置及び光ファイバ振動センシング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、振動が付加された光ファイバの位置を特定することが可能な、光ファイバ干渉計を用いた光ファイバ振動センシングを実現する光ファイバ振動センシング装置及び光ファイバ振動センシング方法を提供する。【解決手段】光ファイバ振動センシング装置は、複数の光伝送路を有する光伝送媒体に対して、それぞれ反対方向からマッハツェンダ干渉計で干渉信号を測定し、振動が発生した位置に応じた到着時間差を検出することによって、振動が付加された位置を特定する。【選択図】図１

Description

本開示は、光ファイバ干渉計を用いた光ファイバ振動センシング技術に関するものである。

これまでの光ファイバ干渉計を用いた光ファイバ振動センシング技術としては、複数の光ファイバリング干渉計を構成し、光ファイバリング干渉系単位で振動を検知することにより侵入等の異常を検知する方法が提案され製品化されている（例えば、非特許文献１参照。）。

光ファイバ干渉系によって振動発生位置を特定する方法としては、光ファイバリング干渉計にサブループを付加した手法が提案されている。サブループを複数回通過することで見かけ上複数の光路が同一光ファイバリング内に構成され、それぞれの経路を通過した光による干渉光出力を比較することにより位置を同定することができる（例えば、非特許文献２参照。）。

株式会社フジクラエンジニアリング、"光ファイバ侵入検知システム"、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｆｅｎ．ｆｕｊｉｋｕｒａ．ｊｐ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｐｒｏ０１／ｔｅｌ－ｃｏ－ｐｄｆ０２．ｐｄｆ （Ａｃｃｅｓｓｅｄ ２０２１．１．７） 大森達也、荻原弘晃、 橋本研也、 山口正恆、"光ファイバリング干渉計型振動センサにおける振動位置同定法"、電子情報通信学会論文誌Ｂ、Ｖｏｌ．Ｊ８９－Ｂ、Ｎｏ.４、ｐｐ．５９４－６０１、２００６ Ｎｏｂｕｔｏｍｏ Ｈａｎｚａｗａ、Ｋｕｉｍａｓａ Ｓａｉｔｏｈ、Ｔａｉｊｉ Ｓａｋａｍｏｔｏ、Ｔａｋａｓｈｉ Ｍａｔｓｕｉ、Ｋｙｏｚｏ Ｔｓｕｊｉｋａｗａ、Ｍａｓａｎｏｒｉ Ｋｏｓｈｉｂａ、ａｎｄ Ｆｕｍｉｈｉｋｏ Ｙａｍａｍｏｔｏ、"Ｔｗｏ－ｍｏｄｅ ＰＬＣ－ｂａｓｅｄ ｍｏｄｅ ｍｕｌｔｉ／ｄｅｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ ｆｏｒ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ"、２１ Ｏｃｔ ２０１３（Ｃ） ２０１３ ＯＳＡ ４ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１３ ｜ Ｖｏｌ． ２１， Ｎｏ． ２２ ｜ ＤＯＩ：１０．１３６４／ＯＥ．２１．０２５７５２ ｜ ＯＰＴＩＣＳ ＥＸＰＲＥＳＳ ２５７５２

しかしながら、非特許文献１で実用化されている装置では検出区間ごとに、分岐結合器と呼ばれる折り返し装置を取り付ける必要がある。分布的に振動検出するためには、分岐結合器を必要数取り付ける必要があるので、施工面での大きな課題となる。

また、非特許文献２では、振動位置を同定することが可能ではある。しかしながら、光ファイバリング干渉計の１カ所への振動付与を前提としているため、光ファイバリング干渉計全体をリング形態でない一つの光ファイバケーブル内へ実装すると、２カ所に振動が発生することから、適用が難しいという課題がある。

本開示は、上記事情に着目してなされたもので、簡易な構成で、振動が付加された位置を特定することが可能な光ファイバ振動センシングを実現することを目的とする。

複数の光伝送路を有する光伝送媒体に対して、それぞれ反対方向からマッハツェンダ干渉計で干渉信号を測定し、振動が発生した位置に応じた到着時間差を検出することによって、振動が付加された位置を特定することした。

具体的には、本開示の光ファイバ振動センシング装置は、
複数の光伝送路を有する光伝送媒体と、
前記光伝送媒体の一端で、基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、光伝送路に入力し、前記光伝送媒体の他端で、前記光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合して受信する順方向マッハツェンダ干渉計と、
前記光伝送媒体の他端で、基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、他の光伝送路に入力し、前記光伝送媒体の一端で、前記他の光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合して受信する逆方向マッハツェンダ干渉計と、
を備える。

具体的には、本開示の光ファイバ振動センシング装置は、
前記光伝送媒体は、第１の光伝送路及び第２の光伝送路を備え、
前記順方向マッハツェンダ干渉計は、
前記光伝送媒体の一端に、
光を送出する順方向計測用光源と、
前記順方向計測用光源からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、前記第１の光伝送路に入力する第１の光モードカプラと、を備え、
前記光伝送媒体の他端に、
前記第１の光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合する第２の光モードカプラと、
前記第２の光モードカプラからの光を受光する順方向計測用受光器と、を備え、
前記逆方向マッハツェンダ干渉計は、
前記光伝送媒体の他端に、
光を送出する逆方向計測用光源と、
前記逆方向計測用光源からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、前記第２の光伝送路に入力する第３の光モードカプラと、を備え、
前記光伝送媒体の一端に、
前記第２の光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合する第４の光モードカプラと、
前記第４の光モードカプラからの光を受光する逆方向計測用受光器と、
を備えることを特徴とする。

具体的には、本開示の光ファイバ振動センシング装置は、
前記光伝送媒体は、第１の光伝送路、第２の光伝送路、第３の光伝送路及び第４の光伝送路を備え、
前記順方向マッハツェンダ干渉計は、
前記光伝送媒体の一端に、
光を送出する順方向計測用光源と、
前記順方向計測用光源からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、前記第１の光伝送路に入力する第１の光モードカプラと、
前記第３の光伝送路からの光を受光する順方向計測用受光器と、を備え、
前記光伝送媒体の他端に、
前記第１の光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、前記第３の光伝送路に出力する第２の光モードカプラを備え、
前記逆方向マッハツェンダ干渉計は、
前記光伝送媒体の一端に、
前記第４の光伝送路に光を送出する逆方向計測用光源と、
前記第２の光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合する第４の光モードカプラと、
前記第４の光モードカプラからの光を受光する逆方向計測用受光器と、を備え、
前記光伝送媒体の他端に、
前記第４の光伝送路からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、前記第２の光伝送路に入力する第３の光モードカプラを備える
ことを特徴とする。

具体的には、本開示の光ファイバ振動センシング装置は、
前記第１の光モードカプラ又は前記第３の光モードカプラとして、２本の光ファイバのコアの中心がずれて接続されている軸ずれ接続部である
ことを特徴とする。

具体的には、本開示の光ファイバ振動センシング装置は、
前記第１の光モードカプラとしての前記軸ずれ接続部の前記順方向計測用光源の側又は前記第３の光モードカプラとしての前記軸ずれ接続部の前記逆方向計測用光源の側の光ファイバが基本モードの光のみを伝搬する
ことを特徴とする。

具体的には、本開示の光ファイバ振動センシング装置は、
前記第２の光モードカプラ又は前記第４の光モードカプラとして、２本の光ファイバのコアの中心がずれて接続されている軸ずれ接続部であり、前記第２の光モードカプラとしての前記軸ずれ接続部の前記順方向計測用受光器の側又は前記第４の光モードカプラとしての前記軸ずれ接続部の前記逆方向計測用受光器の側の光ファイバが基本モードの光のみを伝搬する
ことを特徴とする。

具体的には、本開示の光ファイバ振動センシング装置は、
前記光伝送媒体は、光伝送路を備え、
前記順方向マッハツェンダ干渉計及び前記逆方向マッハツェンダ干渉計は、光を合分岐する第５の光モードカプラを前記光伝送媒体の一端に共用して備え、光を合分岐する第６の光モードカプラを前記光伝送媒体の他端に共用して備え、
前記順方向マッハツェンダ干渉計は、
前記光伝送媒体の一端に、
光を送出する順方向計測用光源を備え、
前記第５の光モードカプラで前記順方向計測用光源からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、前記光伝送路に入力し、
前記光伝送媒体の他端に、
光を受光する順方向計測用受光器を備え、
前記第６の光モードカプラで前記光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、前記順方向計測用受光器に出力し、
前記逆方向マッハツェンダ干渉計は、
前記光伝送媒体の他端に、
前記順方向計測用光源と異なる波長の光を送出する逆方向計測用光源を備え、
前記第６の光モードカプラで前記逆方向計測用光源からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、前記光伝送路に入力し、
前記光伝送媒体の一端に、
前記第５の光モードカプラからの光を受光する逆方向計測用受光器を備え、
前記第５の光モードカプラで前記光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、前記逆方向計測用受光器に出力する
ことを特徴とする。

具体的には、本開示の光ファイバ振動センシング装置は、
前記光伝送媒体は、第１の光伝送路、第３の光伝送路及び第４の光伝送路を備え、
前記順方向マッハツェンダ干渉計及び前記逆方向マッハツェンダ干渉計は、光を合分岐する第５の光モードカプラを前記光伝送媒体の一端に共用して備え、光を合分岐する第６の光モードカプラを前記光伝送媒体の他端に共用して備え、
前記順方向マッハツェンダ干渉計は、
前記光伝送媒体の一端に、
光を送出する順方向計測用光源と、
前記第３の光伝送路からの光を受光する順方向計測用受光器と、を備え、
前記第５の光モードカプラで前記順方向計測用光源からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、前記第１の光伝送路に入力し、
前記光伝送媒体の他端で、
前記第６の光モードカプラで前記第１の光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、前記第３の光伝送路に出力し、
前記逆方向マッハツェンダ干渉計は、
前記光伝送媒体の一端に、
前記順方向計測用光源と異なる波長の光を前記第４の光伝送路に送出する逆方向計測用光源と、
前記第５の光モードカプラからの光を受光する逆方向計測用受光器と、を備え、
前記第５の光モードカプラで前記第１の光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、前記逆方向計測用光源に出力し、
前記光伝送媒体の他端で、
前記第６の光モードカプラで前記第４の光伝送路からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、前記第１の光伝送路に入力する
ことを特徴とする。

具体的には、本開示の光ファイバ振動センシング装置は、
前記順方向マッハツェンダ干渉計からの電気信号をＡＤ変換する第１のＡＤ変換器と、
前記逆方向マッハツェンダ干渉計からの電気信号をＡＤ変換する第２のＡＤ変換器と、
前記第１のＡＤ変換器からの信号及び前記第２のＡＤ変換器からの信号を用いて、振動の発生場所を特定する解析装置と、
をさらに備えることを特徴とする。

具体的には、本開示の光ファイバ振動センシング装置は、
前記順方向計測用受光器からの電気信号をＡＤ変換する第１のＡＤ変換器と、
前記逆方向計測用受光器からの電気信号をＡＤ変換する第２のＡＤ変換器と、
前記第１のＡＤ変換器からの信号及び前記第２のＡＤ変換器からの信号を用いて、振動の発生場所を特定する解析装置と、
をさらに備えることを特徴とする。

具体的には、本開示の光ファイバ振動センシング方法は、
順方向マッハツェンダ干渉計及び光の進行方向を順方向マッハツェンダ干渉計と逆にした逆方向マッハツェンダ干渉計から、それぞれ干渉波信号ｗ１（ｔ）、ｗ２（ｔ）を取得する一定時間データ取得工程と、
式（８）におけるτを変化させ、相関値（ｗ１＊ｗ２）（τ）が最大になる時のτをΔＴとして求める相互相関計算工程と、
（ｗ１＊ｗ２）（τ） ＝ Σ ｗ１（ｔ）×ｗ２（τ－ｔ） （８）
光伝送路の他端から振動が付加される地点までの距離Ｌｖを式（４）で求める振動発生位置計算工程と、
Ｌｖ ＝ （Ｌ－ｃ２×ΔＴ）ｃ１／（ｃ１＋ｃ２） （４）
ただし、Ｌは複数の光伝送路を有する光伝送媒体の全長
ｃ１は順方向マッハツェンダ干渉計の光伝送路中の光速
ｃ２は逆方向マッハツェンダ干渉計の光伝送路中の光速
を備える。

本開示の光ファイバ振動センシング装置及び光ファイバ振動センシング方法は、簡易な構成で、振動が付加された位置を特定することが可能な光ファイバ振動センシングを実現することができる。

本開示の光ファイバ振動センシング装置の構成の一例を示す図である。 本開示の光ファイバ振動センシング装置の構成の一例を示す図である。 本開示の光ファイバ振動センシング装置の構成の一例を示す図である。 本開示の光ファイバ振動センシング装置の構成の一例を示す図である。 本開示の光ファイバ振動センシング装置の構成の一例を示す図である。 本開示の光ファイバ振動センシング方法の処理の一例を示す図である。 本開示の光モードカプラの構成の一例を示す図である。 本開示の光モードカプラの構成の一例を示す図である。 本開示の光モードカプラの構成の一例を示す図である。 本開示の光モードカプラの構成の一例を示す図である。 本開示の光モードカプラの構成の一例を示す図である。 本開示の光モードカプラの構成の一例を示す図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（基本構成の実施形態）
本実施形態の光ファイバ振動センシング装置の構成を図１に示す。図１において、１は複数の光伝送路を有する光伝送媒体、１０は順方向マッハツェンダ干渉計、１１は逆方向マッハツェンダ干渉計である。

複数の光伝送路として複数の光ファイバで、光伝送媒体として複数の光ファイバを有する多芯光ファイバケーブル又はリボン型光ファイバケーブルや、複数の光伝送路として複数のコアを有するマルチコア光ファイバのコアで、光伝送媒体としてマルチコア光ファイバ又はマルチコア光ファイバケーブルが例示できる。

順方向マッハツェンダ干渉計１０では、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端で、基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、光伝送路に入力し、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端で、光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合して受信する。逆方向マッハツェンダ干渉計１１では、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端で、基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、他の光伝送路に入力し、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端で、他の光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合して受信する。順方向マッハツェンダ干渉計１０と逆方向マッハツェンダ干渉計１１では光の進行方向を逆に設定する。

上記各光伝送路は、順方向マッハツェンダ干渉計１０と逆方向マッハツェンダ干渉計１１の利用する光の波長において、高次モードの光が伝搬可能な伝搬定数を有する。

図１において、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１に振動が付加されると、これに応じた振動が順方向マッハツェンダ干渉計１０を構成する光伝送路及び逆方向マッハツェンダ干渉計１１を構成する光伝送路にも付加される。振動によって、基本モードの光の電界分布は不変であるが、高次モードの光の電界分布は変化する。電界分布が変化すると、光伝送路を伝搬してきた光のうち高次モードの光を基本モードに変換する際の変換効率が変化する。基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合する際にビートが生じる。

このことから、順方向マッハツェンダ干渉計では、振動が付加される地点Ｐｖに応じたビートのある干渉波を観測することができる。同様に、逆方向マッハツェンダ干渉計でも、振動が付加される地点Ｐｖに応じたビートのある干渉波を観測することができる。

本実施形態の光ファイバ振動センシング装置は、順方向マッハツェンダ干渉計からの電気信号をＡＤ変換する第１のＡＤ変換器と、逆方向マッハツェンダ干渉計からの電気信号をＡＤ変換する第２のＡＤ変換器と、第１のＡＤ変換器からの信号及び第２のＡＤ変換器からの信号を用いて、振動の発生場所を特定する解析装置と、をさらに備えてもよい。順方向マッハツェンダ干渉計及び逆方向マッハツェンダ干渉計で観測されたビートのある干渉波はそれぞれ第１のＡＤ変換器、第２のＡＤ変換器を経て解析装置に取り込まれ、解析装置は振動の発生場所を特定する。

（応用実施形態１）
本実施形態の光ファイバ振動センシング装置の構成を図２に示す。図２において、１は複数の光伝送路を有する光伝送媒体、２０は第１の光伝送路、２１は第２の光伝送路、１００は順方向計測用光源、１０１は逆方向計測用光源、２００は順方向計測用受光器、２０１は逆方向計測用受光器、３００は第１の光モードカプラ、３１０は第２の光モードカプラ、３０１は第３の光モードカプラ、３１１は第４の光モードカプラ、４００は第１のＡＤ変換器、４０１は第２のＡＤ変換器、５００は解析装置である。

光ファイバ振動センシング装置は、それぞれの光の進行方向を逆に設定した順方向マッハツェンダ干渉計と逆方向マッハツェンダ干渉計を備える。

順方向マッハツェンダ干渉計として、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端に、光を送出する順方向計測用光源１００と、順方向計測用光源１００からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、第１の光伝送路２０に入力する第１の光モードカプラ３００と、を備える。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端に、第１の光伝送路２０を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合する第２の光モードカプラ３１０と、第２の光モードカプラ３１０からの光を受光する順方向計測用受光器２００と、を備える。

順方向マッハツェンダ干渉計では、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端にある順方向計測用光源１００が光を送出し、第１の光モードカプラ３００が順方向計測用光源１００からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、第１の光伝送路２０に入力する。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端にある第２の光モードカプラ３１０が第１の光伝送路２０を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、順方向計測用受光器２００が第２の光モードカプラ３１０からの光を受光する。

逆方向マッハツェンダ干渉計として、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端に、光を送出する逆方向計測用光源１０１と、逆方向計測用光源１０１からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、第２の光伝送路２１に入力する第３の光モードカプラ３０１と、を備える。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端に、第２の光伝送路２１を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合する第４の光モードカプラ３１１と、第４の光モードカプラ３１１からの光を受光する逆方向計測用受光器２０１と、を備える。

逆方向マッハツェンダ干渉計では、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端にある逆方向計測用光源１０１が光を送出し、第３の光モードカプラ３０１が逆方向計測用光源１０１からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、第２の光伝送路２１に入力する。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端にある第４の光モードカプラ３１１が第２の光伝送路２１を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、逆方向計測用受光器２０１が第４の光モードカプラ３１１からの光を受光する。

第１の光モードカプラ３００の構成の一例を図７に示す。図７において、第１の光モードカプラ３００は、光分岐結合カプラ３００－１及び光モード変換カプラ３００－２で構成される。光分岐結合カプラ３００－１は、１つの入力端子に入力された基本モードの光を２つの基本モードの光に分岐する。光モード変換カプラ３００－２は、１つの入力端子に入力された基本モードの光を基本モードのままとし、他の入力端子に入力された基本モードの光を高次モードの光に変換し、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波して出力する。光モード変換カプラとしては、非特許文献３に詳しい。第３の光モードカプラ３０１についても同様の構成が例示できる。以下の応用実施形態でも同様である。

第１の光モードカプラ３００の構成の他の例を図１１に示す。図１１において、３００－３は軸ずれ接続部である。軸ずれ接続部３００－３は、２本の光ファイバをコアの中心がずれて接続されている。軸ずれ接続部３００－３は、２本の光ファイバのコアの中心をずらせて溶着してもよいし、コネクタ接続して作製してもよい。２本の光ファイバのコアの軸方向の不連続性により、基本モードで伝搬してきた光が基本モードと高次モードの導波モードに結合する。この構成で、安価な光モードカプラとすることができる。軸ずれ接続部３００－３の順方向計測用光源１００の側の光ファイバは、基本モードのみを伝搬する光ファイバであることが望ましい。高精度な光ファイバ振動センシング装置とすることができる。第３の光モードカプラ３０１についても同様の構成が例示できる。以下の応用実施形態でも同様である。

第２の光モードカプラ３１０の構成の一例を図８に示す。図８において、第２の光モードカプラ３１０は、光モード変換カプラ３００－２及び光分岐結合カプラ３００－１で構成される。ここでの光モード変換カプラ３００－２は、第１の光モードカプラ３００での光モード変換カプラ３００－２の入出力関係を逆にしたものである。即ち、光モード変換カプラ３００－２は、１つの入力端子に入力された光のうち、基本モードの光は基本モードのままとして１つの出力端子に出力し、高次モードの光は基本モードに変換して他の出力端子に出力する。ここでの光分岐結合カプラ３００－１は、第１の光モードカプラ３００での光分岐結合カプラ３００－１の入出力関係を逆にしたものである。即ち、光分岐結合カプラ３００－１は、１の入力端子に入力された基本モードの光と他の入力端子に入力された基本モードの光とを結合して、基本モードの光を出力端子に出力する。光モード変換カプラとしては、非特許文献３に詳しい。第４の光モードカプラ３１１についても同様の構成が例示できる。以下の応用実施形態でも同様である。

第２の光モードカプラ３１０の構成の他の例を図１２に示す。図１２において、３００－３は軸ずれ接続部、３００－４は単一モード光ファイバである。軸ずれ接続部３００－３は、２本の光ファイバをコアの中心がずれて接続されている。軸ずれ接続部３００－３は、２本の光ファイバのコアの中心をずらせて溶着してもよいし、コネクタ接続して作製してもよい。単一モード光ファイバ３００－４は順方向計測用光源１００の送出する光の波長で基本モードのみを伝搬する光ファイバである。２本の光ファイバのコアの軸方向の不連続性により、基本モードで伝搬してきた光が基本モードと高次モードの導波モードに結合し、高次モードで伝搬してきた光が基本モードと高次モードの導波モードに結合する。そのうち、単一モード光ファイバ３００－４は基本モードのみを選択して伝搬する。即ち、図１２の光モードカプラは、入力端子に入力された光のうち、基本モードの光のうち一部を基本モードのままとし、高次モードの光のうち一部を基本モードに変換して出力する。この構成で、安価な光モードカプラとすることができる。第４の光モードカプラ３１１についても同様の構成が例示できる。以下の応用実施形態でも同様である。

第１の光伝送路２０は、順方向計測用光源１００の送出する光の波長において、高次モードの光が伝搬可能な伝搬定数を有する。第２の光伝送路２１は、逆方向計測用光源１０１の送出する光の波長において、高次モードの光が伝搬可能な伝搬定数を有する。

本開示の光ファイバ振動センシング装置は、簡易な構成で、振動が付加された位置を特定することが可能な光ファイバ振動センシングを実現することができる。

（応用実施形態２）
本実施形態の光ファイバ振動センシング装置の構成を図３に示す。図３において、１は複数の光伝送路を有する光伝送媒体、２０は第１の光伝送路、２１は第２の光伝送路、４０は第３の光伝送路、４１は第４の光伝送路、１００は順方向計測用光源、１０１は逆方向計測用光源、２００は順方向計測用受光器、２０１は逆方向計測用受光器、３００は第１の光モードカプラ、３１０は第２の光モードカプラ、３０１は第３の光モードカプラ、３１１は第４の光モードカプラ、４００は第１のＡＤ変換器、４０１は第２のＡＤ変換器、５００は解析装置である。

光ファイバ振動センシング装置は、それぞれの光の進行方向を逆に設定した順方向マッハツェンダ干渉計と逆方向マッハツェンダ干渉計を備える。基本的な動作原理は、応用実施形態１と同様であるが、順方向マッハツェンダ干渉計の順方向計測用受光器２００及び逆方向マッハツェンダ干渉計の逆方向計測用光源１０１を複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端に配置している点が応用実施形態１と異なる。

順方向マッハツェンダ干渉計として、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端に、光を送出する順方向計測用光源１００と、順方向計測用光源１００からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、第１の光伝送路２０に入力する第１の光モードカプラ３００と、第３の光伝送路４０からの光を受光する順方向計測用受光器２００と、を備える。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端に、第１の光伝送路２０を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、第３の光伝送路４０に出力する第２の光モードカプラ３１０と、を備える。

順方向マッハツェンダ干渉計では、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端にある順方向計測用光源１００が光を送出し、第１の光モードカプラ３００が順方向計測用光源１００からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、第１の光伝送路２０に入力する。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端にある第２の光モードカプラ３１０が第１の光伝送路２０を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、第３の光伝送路４０に出力する。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端にある順方向計測用受光器２００が第３の光伝送路４０からの光を受光する。

逆方向マッハツェンダ干渉計として、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端に、第４の光伝送路４１に光を送出する逆方向計測用光源１０１と、第２の光伝送路２１を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合する第４の光モードカプラ３１１と、第４の光モードカプラ３１１からの光を受光する逆方向計測用受光器２０１と、を備える。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端に、第４の光伝送路４１からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、第２の光伝送路２１に入力する第３の光モードカプラ３０１を備える。

逆方向マッハツェンダ干渉計では、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端にある逆方向計測用光源１０１が第４の光伝送路４１に光を送出する。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端にある第３の光モードカプラ３０１が第４の光伝送路４１を伝搬してきた基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、第２の光伝送路２１に入力する。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端にある第４の光モードカプラ３１１が第２の光伝送路２１を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、逆方向計測用受光器２０１が第４の光モードカプラ３１１からの光を受光する。

第１の光伝送路２０は、順方向計測用光源１００の送出する光の波長において、高次モードの光が伝搬可能な伝搬定数を有する。第３の光伝送路４０は、順方向計測用光源１００の送出する光の波長において、基本モードの光だけ又は高次モードの光も伝搬可能な伝搬定数を有する。第２の光伝送路２１は、逆方向計測用光源１０１の送出する光の波長において、高次モードの光が伝搬可能な伝搬定数を有する。第４の光伝送路４１は、逆方向計測用光源１０１の送出する光の波長において、基本モードの光だけ又は高次モードの光も伝搬可能な伝搬定数を有する。

本開示の光ファイバ振動センシング装置は、簡易な構成で、振動が付加された位置を特定することが可能な光ファイバ振動センシングを実現することができる。また、本開示の光ファイバ振動センシング装置は、能動装置である順方向計測用光源１００、逆方向計測用光源１０１、順方向計測用受光器２００及び逆方向計測用受光器２０１を同じ側（複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端）に配置することができる。

（応用実施形態３）
本実施形態の光ファイバ振動センシング装置の構成を図４に示す。図４において、１は複数の光伝送路を有する光伝送媒体、２０は第１の光伝送路、２１は第２の光伝送路、１００は順方向計測用光源、１０１は逆方向計測用光源、２００は順方向計測用受光器、２０１は逆方向計測用受光器、３２０は第５の光モードカプラ、３３０は第６の光モードカプラ、４００は第１のＡＤ変換器、４０１は第２のＡＤ変換器、５００は解析装置である。本応用実施形態では、１本の光ファイバに対して、波長分割多重技術により、順方向マッハツェンダ干渉計と逆方向マッハツェンダ干渉計では異なる光伝送路を確保している。

光ファイバ振動センシング装置は、それぞれの光の進行方向を逆に設定した順方向マッハツェンダ干渉計と逆方向マッハツェンダ干渉計を備える。基本的な動作原理は、応用実施形態１と同様であるが、順方向マッハツェンダ干渉計の順方向計測用光源１００と逆方向マッハツェンダ干渉計の逆方向計測用光源１０１に異なる波長を用いることで、順方向マッハツェンダ干渉計と逆方向マッハツェンダ干渉計とで同一の光ファイバを共用する点が応用実施形態１と異なる。

順方向マッハツェンダ干渉計及び逆方向マッハツェンダ干渉計は、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端に、第１の光伝送路２０及び第２の光伝送路２１に接続され、光を合分岐する第５の光モードカプラ３２０を共用して備え、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端に、第１の光伝送路２０及び第２の光伝送路２１に接続され、光を合分岐する第６の光モードカプラ３３０を共用して備える。

順方向マッハツェンダ干渉計として、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端に、光を送出する順方向計測用光源１００と、順方向計測用光源１００からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、第１の光伝送路２０に入力する第５の光モードカプラ３２０と、を備える。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端に、第１の光伝送路２０を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、順方向計測用受光器２００に出力する第６の光モードカプラ３３０と、第６の光モードカプラ３３０からの光を受光する順方向計測用受光器２００と、を備える。

順方向マッハツェンダ干渉計では、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端にある順方向計測用光源１００が光を送出し、第５の光モードカプラ３２０が順方向計測用光源１００からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、第１の光伝送路２０に入力する。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端にある第６の光モードカプラ３３０が第１の光伝送路２０を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、順方向計測用受光器２００に出力する。順方向計測用受光器２００が第６の光モードカプラ３３０からの光を受光する。

逆方向マッハツェンダ干渉計として、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端に、順方向計測用光源１００と異なる波長の光を送出する逆方向計測用光源１０１と、逆方向計測用光源１０１からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、第２の光伝送路２１に入力する第６の光モードカプラ３３０と、を備える。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端に、第２の光伝送路２１を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、逆方向計測用受光器２０１に出力する第５の光モードカプラ３２０と、第５の光モードカプラ３２０からの光を受光する逆方向計測用受光器２０１と、を備える。

逆方向マッハツェンダ干渉計では、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端にある逆方向計測用光源１０１が光を送出し、第６の光モードカプラ３３０が逆方向計測用光源１０１からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、第２の光伝送路２１に入力する。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端にある第５の光モードカプラ３２０が第２の光伝送路２１を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、逆方向計測用受光器２０１に出力する。逆方向計測用受光器２０１が第５の光モードカプラ３２０からの光を受光する。

第５の光モードカプラ３２０の構成の一例を図９に示す。図９において、第５の光モードカプラ３２０は、光分岐結合カプラ３２０－１及び光モード変換カプラ３２０－２で構成される。光分岐結合カプラ３２０－１は、図面で左側の１つの入力端子に入力された基本モードの光を２つの基本モードの光に分岐し、図面で左側の他の入力端子に入力された基本モードの光を２つの基本モードの光に分岐し、図面で右側の各出力端子には、１つの入力端子に入力された基本モードの光と他の入力端子に入力された基本モードの光とを合波して出力する。図面で右側からの光に対しては逆の動作をする。即ち、光分岐結合カプラ３２０－１は、図面で右側の１つの入力端子に入力された基本モードの光を２つの基本モードの光に分岐し、図面で右側の他の入力端子に入力された基本モードの光を２つの基本モードの光に分岐し、図面で左側の各出力端子には、１つの入力端子に入力された基本モードの光と他の入力端子に入力された基本モードの光とを合波して出力する。光モード変換カプラ３００－２は、図面で左側の１つの入力端子に入力された基本モードの光を基本モードのままとし、図面で左側の他の入力端子に入力された基本モードの光を高次モードの光に変換し、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波して図面で右側の出力端子に出力する。図面で右側からの光に対しては逆の動作をする。光モード変換カプラ３００－２は、図面で右側の１つの入力端子に入力された基本モードの光は基本モードのままとし、図面で左側の１つの出力端子に出力する。図面で右側の１つの入力端子に入力された高次モードの光は基本モードの光に変換し、図面で左側の他の出力端子に出力する。光モード変換カプラとしては、非特許文献３に詳しい。以下の応用実施形態でも同様である。

第６の光モードカプラ３３０の構成の一例を図１０に示す。図１０に示す第６の光モードカプラは第５の光モードカプラ３２０と同様の動作をする。図面上、左右反対の構成となっているだけである。光モード変換カプラとしては、非特許文献３に詳しい。以下の応用実施形態でも同様である。

第１の光伝送路２０は、順方向計測用光源１００の送出する光の波長において、高次モードの光が伝搬可能な伝搬定数を有する。第２の光伝送路２１は、逆方向計測用光源１０１の送出する光の波長において、高次モードの光が伝搬可能な伝搬定数を有する。

本開示の光ファイバ振動センシング装置は、簡易な構成で、振動が付加された位置を特定することが可能な光ファイバ振動センシングを実現することができる。また、本開示の光ファイバ振動センシング装置は、順方向マッハツェンダ干渉計と逆方向マッハツェンダ干渉計に異なる波長を用いることで、同一の光ファイバを共用することができる。

（応用実施形態４）
本実施形態の光ファイバ振動センシング装置の構成を図５に示す。図５において、１は複数の光伝送路を有する光伝送媒体、２０は第１の光伝送路、２１は第２の光伝送路、４０は第３の光伝送路、４１は第４の光伝送路、１００は順方向計測用光源、１０１は逆方向計測用光源、２００は順方向計測用受光器、２０１は逆方向計測用受光器、３２０は第５の光モードカプラ、３３０は第６の光モードカプラ、４００は第１のＡＤ変換器、４０１は第２のＡＤ変換器、５００は解析装置である。本応用実施形態では、１本の光ファイバに対して、波長分割多重技術により、順方向マッハツェンダ干渉計と逆方向マッハツェンダ干渉計では異なる光伝送路を確保している。

光ファイバ振動センシング装置は、それぞれの光の進行方向を逆に設定した順方向マッハツェンダ干渉計と逆方向マッハツェンダ干渉計を備える。基本的な動作原理は、応用実施形態１と同様であるが、順方向マッハツェンダ干渉計の順方向計測用受光器２００及び逆方向マッハツェンダ干渉計の逆方向計測用光源１０１を複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端に配置している点が応用実施形態１と異なる。また、順方向マッハツェンダ干渉計の順方向計測用光源１００と逆方向マッハツェンダ干渉計の逆方向計測用光源１０１に異なる波長を用いることで、順方向マッハツェンダ干渉計と逆方向マッハツェンダ干渉計とで同一の光ファイバを共用する点が応用実施形態１と異なる。

順方向マッハツェンダ干渉計及び逆方向マッハツェンダ干渉計は、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端に、第１の光伝送路２０及び第２の光伝送路２１に接続され、光を合分岐する第５の光モードカプラ３２０を共用して備え、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端に、第１の光伝送路２０及び第２の光伝送路２１に接続され、光を合分岐する第６の光モードカプラ３３０を共用して備える。

順方向マッハツェンダ干渉計として、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端に、光を送出する順方向計測用光源１００と、順方向計測用光源１００からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、第１の光伝送路２０に入力する第５の光モードカプラ３２０と、第３の光伝送路４０からの光を受光する順方向計測用受光器２００と、を備える。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端に、第１の光伝送路２０を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、第３の光伝送路４０に出力する第６の光モードカプラ３３０と、を備える。

順方向マッハツェンダ干渉計では、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端にある順方向計測用光源１００が光を送出し、第５の光モードカプラ３２０が順方向計測用光源１００からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、第１の光伝送路２０に入力する。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端にある第６の光モードカプラ３３０が第１の光伝送路２０を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、第３の光伝送路４０に出力する。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端にある順方向計測用受光器２００が第３の光伝送路４０からの光を受光する。

逆方向マッハツェンダ干渉計として、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端に、順方向計測用光源１００と異なる波長の光を第４の光伝送路４１に送出する逆方向計測用光源１０１と、第２の光伝送路２１を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、逆方向計測用受光器２０１に出力する第５の光モードカプラ３２０と、第５の光モードカプラ３２０からの光を受光する逆方向計測用受光器２０１と、を備える。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端に、第４の光伝送路４１からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、第２の光伝送路２１に入力する第６の光モードカプラ３３０を備える。

逆方向マッハツェンダ干渉計では、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端にある逆方向計測用光源１０１が第４の光伝送路４１に光を送出する。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の他端にある第６の光モードカプラ３３０が第４の光伝送路４１を伝搬してきた基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、第２の光伝送路２１に入力する。複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端にある第５の光モードカプラ３２０が第２の光伝送路２１を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、逆方向計測用受光器２０１に出力する。逆方向計測用受光器２０１が第５の光モードカプラ３２０からの光を受光する。

第１の光伝送路２０は、順方向計測用光源１００の送出する光の波長において、高次モードの光が伝搬可能な伝搬定数を有する。第３の光伝送路４０は、順方向計測用光源１００の送出する光の波長において、基本モードの光だけ又は高次モードの光も伝搬可能な伝搬定数を有する。第２の光伝送路２１は、逆方向計測用光源１０１の送出する光の波長において、高次モードの光が伝搬可能な伝搬定数を有する。第４の光伝送路４１は、逆方向計測用光源１０１の送出する光の波長において、基本モードの光だけ又は高次モードの光も伝搬可能な伝搬定数を有する。

本開示の光ファイバ振動センシング装置は、簡易な構成で、振動が付加された位置を特定することが可能な光ファイバ振動センシングを実現することができる。また、本開示の光ファイバ振動センシング装置は、能動装置である順方向計測用光源１００、逆方向計測用光源１０１、順方向計測用受光器２００及び逆方向計測用受光器２０１を同じ側（複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の一端）に配置することができる。さらに、本開示の光ファイバ振動センシング装置は、順方向マッハツェンダ干渉計と逆方向マッハツェンダ干渉計に異なる波長を用いることで、同一の光ファイバを共用することができる。

（応用実施形態５）
基本構成の実施形態及び応用実施形態１から４において、光ファイバ振動センシング装置は、さらに、順方向マッハツェンダ干渉計（応用実施形態１から４においては、順方向計測用受光器２００）からの電気信号をＡＤ変換する第１のＡＤ変換器４００と、逆方向マッハツェンダ干渉計（応用実施形態１から４においては、逆方向計測用受光器２０１）からの電気信号をＡＤ変換する第２のＡＤ変換器４０１と、第１のＡＤ変換器４００からの信号及び第２のＡＤ変換器４０１からの信号を用いて、振動の発生場所を特定する解析装置５００と、を備えてもよい。

図１において、複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の全長をＬ、光伝送路の他端から振動が付加される地点Ｐｖまでの距離をＬｖとすると、地点Ｐｖにおいて付加された振動に起因するビートのある干渉波が順方向マッハツェンダ干渉計の光伝送路の他端に到達するまでの時間Ｔ１は、
Ｔ１ ＝ Ｌｖ／ｃ１ （１）
となる。ただし、ｃ１は順方向マッハツェンダ干渉計の光伝送路中の光速である。

また、地点Ｐｖにおいて付加された振動に起因するビートのある干渉波が逆方向マッハツェンダ干渉計の光伝送路の一端に到達するまでの時間Ｔ２は、
Ｔ２ ＝ （Ｌ－Ｌｖ）／ｃ２ （２）
となる。ただし，ｃ２は逆方向マッハツェンダ干渉計の光伝送路中の光速である。

この結果、地点Ｐｖにおいて付加された振動に起因するビートのある干渉波が順方向マッハツェンダ干渉計の光伝送路の他端に到達してから逆方向マッハツェンダ干渉計の光伝送路の一端に到達するまでの時間差ΔＴは、
ΔＴ ＝ Ｔ２－Ｔ１
＝ （Ｌ－Ｌｖ）／ｃ２－Ｌｖ／ｃ１ （３）
で得られる。これより、光伝送路の他端から振動が付加される地点Ｐｖまでの距離Ｌｖは、式（４）で求まる。
Ｌｖ ＝ （Ｌ－ｃ２×ΔＴ）ｃ１／（ｃ１＋ｃ２） （４）

ここで、順方向マッハツェンダ干渉計と逆方向マッハツェンダ干渉計の光伝送路中の光速が共にｃであるとすると、式（４）は
Ｌｖ ＝ （Ｌ－ｃ×ΔＴ）／２ （５）
となる。例えば、振動を付加する地点Ｐｖが複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の中間地点にある場合は、
ΔＴ ＝ ０ （６）
である。式（５）は、
Ｌｖ ＝ Ｌ／２ （７）
となる。（７）式より、振動を付加する地点Ｐｖが複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の半分の位置であることから、式（４）の妥当性が示される。

このように、地点Ｐｖで付加された振動によるビートのある干渉波が順方向マッハツェンダ干渉計の光伝送路の他端に到達してから逆方向マッハツェンダ干渉計の光伝送路の一端に到達するまでの時間差ΔＴを計測することで、順方向マッハツェンダ干渉計の光伝送路の他端から振動が付加される地点Ｐｖまでの距離Ｌｖを得ることができる。なお、２つの光を結合したときに初めてビートのある干渉波が発生するが、ここでは、便宜上、振動を付加した地点からビートのある干渉波が伝搬するように説明している。

同時刻に順方向計測用受光器２００と逆方向計測用受光器２０１で観測される２つの干渉波信号をｗ１（ｔ）、ｗ２（ｔ）とする。ΔＴはこれらｗ１（ｔ）とｗ２（ｔ）の相互相関値が最大値をとる時のシフト量と等しい。すなわち、次式におけるτを変化させ、相関値（ｗ１＊ｗ２）（τ）が最大になる時のτをΔＴとすることで求めることができる。
（ｗ１＊ｗ２）（τ） ＝ Σ ｗ１（ｔ）×ｗ２（τ－ｔ） （８）

第１のＡＤ変換器４００及び第２のＡＤ変換器４０１を通じて、解析装置５００が干渉波信号を取り込み、一定時間ごとに相互相関を計算し、ΔＴを求めることで、振動発生位置Ｐｖまでの距離Ｌｖを特定することが可能となる。よって、振動が付加された地点を逐次得ることができる。

なお、解析装置５００は、光伝送路の他端から順方向計測用受光器２００までの光信号の遅延時間、及び順方向計測用受光器２００から第１のＡＤ変換器４００を経由して解析装置５００に至るまでの電気信号の遅延時間、と光伝送路の一端から逆方向計測用受光器２０１までの光信号の遅延時間、逆方向計測用受光器２０１から第２のＡＤ変換器４０１を経由して解析装置５００に至るまでの電気信号の遅延時間を考慮して、振動の発生場所を特定する。

解析装置５００の実行する光ファイバ位置センシング方法のフローチャートを図６に示す。一定時間データ取得工程６００では、順方向マッハツェンダ干渉計（応用実施形態１から４では順方向計測用受光器２００）及び光の進行方向を順方向マッハツェンダ干渉計と逆にした逆方向マッハツェンダ干渉計（応用実施形態１から４では逆方向計測用受光器２０１）からそれぞれ干渉波信号ｗ１（ｔ）、ｗ２（ｔ）を取得する。

相互相関計算工程６０１では、式（８）におけるτを変化させ、相関値（ｗ１＊ｗ２）（τ）が最大になる時のτをΔＴとして求める。
（ｗ１＊ｗ２）（τ） ＝ Σ ｗ１（ｔ）×ｗ２（τ－ｔ） （８）

振動発生位置計算工程６０３では、光伝送路の他端から振動が付加される地点までの距離Ｌｖを式（４）で求める。
Ｌｖ ＝ （Ｌ－ｃ２×ΔＴ）ｃ１／（ｃ１＋ｃ２） （４）
ただし、Ｌは複数の光伝送路を有する光伝送媒体の全長、ｃ１は準方向マッハツェンダ干渉計の光伝送路中の光速、ｃ２は逆方向マッハツェンダ干渉計の光伝送路中の光速である。

なお、相互相関計算工程６０１と振動発生位置計算工程６０３との間に、有効時間差計算工程６０２を備えてもよい。順方向計測用受光器２００および逆方向計測用受光器２０１で受信する干渉信号は、干渉状態によっては信号雑音比（ＳＮＲ）が悪く有効な時間差ΔＴでない場合が考えられる。そこで，有効時間差計算工程６０２では，複数の光伝送路を有する光伝送媒体１の最長距離Ｌから想定される最大時間差ΔＴｍａｘとΔＴの絶対値を比較し、
｜ΔＴ｜ ≦ ΔＴｍａｘ （９）
でなければ、再度、一定時間データ取得工程６００に戻り、データの取得からやり直す。ここで、ΔＴｍａｘは，次式で得られる。
ΔＴｍａｘ ＝ ｍａｘ｛Ｌ／ｃ１，Ｌ／ｃ２｝ （１０）
式（９）を満たす場合は、振動発生位置計算工程６０３に進む。

以上説明したように、本開示の光ファイバ振動センシング装置及び光ファイバ振動センシング方法は、簡易な構成で、振動が付加された位置を特定することが可能な光ファイバ振動センシングを実現することができる。

本発明の解析装置はコンピュータとプログラムによっても実現できる。そのプログラムを記録媒体に記録することも、通信ネットワークを通して提供することも可能である。

本開示は情報通信産業に適用することができる。

１：複数の光伝送路を有する光伝送媒体
１０：順方向マッハツェンダ干渉計
１１：逆方向マッハツェンダ干渉計
２０：第１の光伝送路
２１：第２の光伝送路
４０：第３の光伝送路
４１：第４の光伝送路
１００：順方向計測用光源
１０１：逆方向計測用光源
２００：順方向計測用受光器
２０１：逆方向計測用受光器
３００：第１の光モードカプラ
３００－１：光分岐結合カプラ
３００－２：光モード変換カプラ
３００－３：軸ずれ接続部
３００－４：単一モード光ファイバ
３１０：第２の光モードカプラ
３０１：第３の光モードカプラ
３１１：第４の光モードカプラ
３２０：第５の光モードカプラ
３２０－１：光分岐結合カプラ
３２０－２：光モード変換カプラ
３３０：第６の光モードカプラ
４００：第１のＡＤ変換器
４０１：第２のＡＤ変換器
５００：解析装置

Claims (11)

1. 複数の光伝送路を有する光伝送媒体と、
   前記光伝送媒体の一端で、基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、光伝送路に入力し、前記光伝送媒体の他端で、前記光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合して受信する順方向マッハツェンダ干渉計と、
   前記光伝送媒体の他端で、基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、他の光伝送路に入力し、前記光伝送媒体の一端で、前記他の光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合して受信する逆方向マッハツェンダ干渉計と、
   を備える光ファイバ振動センシング装置。
2. 前記光伝送媒体は、第１の光伝送路及び第２の光伝送路を備え、
   前記順方向マッハツェンダ干渉計は、
   前記光伝送媒体の一端に、
   光を送出する順方向計測用光源と、
   前記順方向計測用光源からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、前記第１の光伝送路に入力する第１の光モードカプラと、を備え、
   前記光伝送媒体の他端に、
   前記第１の光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合する第２の光モードカプラと、
   前記第２の光モードカプラからの光を受光する順方向計測用受光器と、を備え、
   前記逆方向マッハツェンダ干渉計は、
   前記光伝送媒体の他端に、
   光を送出する逆方向計測用光源と、
   前記逆方向計測用光源からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、前記第２の光伝送路に入力する第３の光モードカプラと、を備え、
   前記光伝送媒体の一端に、
   前記第２の光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合する第４の光モードカプラと、
   前記第４の光モードカプラからの光を受光する逆方向計測用受光器と、を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ振動センシング装置。
3. 前記光伝送媒体は、第１の光伝送路、第２の光伝送路、第３の光伝送路及び第４の光伝送路を備え、
   前記順方向マッハツェンダ干渉計は、
   前記光伝送媒体の一端に、
   光を送出する順方向計測用光源と、
   前記順方向計測用光源からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、前記第１の光伝送路に入力する第１の光モードカプラと、
   前記第３の光伝送路からの光を受光する順方向計測用受光器と、を備え、
   前記光伝送媒体の他端に、
   前記第１の光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、前記第３の光伝送路に出力する第２の光モードカプラを備え、
   前記逆方向マッハツェンダ干渉計は、
   前記光伝送媒体の一端に、
   前記第４の光伝送路に光を送出する逆方向計測用光源と、
   前記第２の光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合する第４の光モードカプラと、
   前記第４の光モードカプラからの光を受光する逆方向計測用受光器と、を備え、
   前記光伝送媒体の他端に、
   前記第４の光伝送路からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、前記第２の光伝送路に入力する第３の光モードカプラを備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ振動センシング装置。
4. 前記第１の光モードカプラ又は前記第３の光モードカプラとして、２本の光ファイバのコアの中心がずれて接続されている軸ずれ接続部である
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の光ファイバ振動センシング装置。
5. 前記第１の光モードカプラとしての前記軸ずれ接続部の前記順方向計測用光源の側又は前記第３の光モードカプラとしての前記軸ずれ接続部の前記逆方向計測用光源の側の光ファイバが基本モードの光のみを伝搬する
   ことを特徴とする請求項４に記載の光ファイバ振動センシング装置。
6. 前記第２の光モードカプラ又は前記第４の光モードカプラとして、２本の光ファイバのコアの中心がずれて接続されている軸ずれ接続部であり、前記第２の光モードカプラとしての前記軸ずれ接続部の前記順方向計測用受光器の側又は前記第４の光モードカプラとしての前記軸ずれ接続部の前記逆方向計測用受光器の側の光ファイバが基本モードの光のみを伝搬する
   ことを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載の光ファイバ振動センシング装置。
7. 前記光伝送媒体は、光伝送路を備え、
   前記順方向マッハツェンダ干渉計及び前記逆方向マッハツェンダ干渉計は、光を合分岐する第５の光モードカプラを前記光伝送媒体の一端に共用して備え、光を合分岐する第６の光モードカプラを前記光伝送媒体の他端に共用して備え、
   前記順方向マッハツェンダ干渉計は、
   前記光伝送媒体の一端に、
   光を送出する順方向計測用光源を備え、
   前記第５の光モードカプラで前記順方向計測用光源からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、前記光伝送路に入力し、
   前記光伝送媒体の他端に、
   光を受光する順方向計測用受光器を備え、
   前記第６の光モードカプラで前記光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、前記順方向計測用受光器に出力し、
   前記逆方向マッハツェンダ干渉計は、
   前記光伝送媒体の他端に、
   前記順方向計測用光源と異なる波長の光を送出する逆方向計測用光源を備え、
   前記第６の光モードカプラで前記逆方向計測用光源からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、前記光伝送路に入力し、
   前記光伝送媒体の一端に、
   前記第５の光モードカプラからの光を受光する逆方向計測用受光器を備え、
   前記第５の光モードカプラで前記光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、前記逆方向計測用受光器に出力する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ振動センシング装置。
8. 前記光伝送媒体は、第１の光伝送路、第３の光伝送路及び第４の光伝送路を備え、
   前記順方向マッハツェンダ干渉計及び前記逆方向マッハツェンダ干渉計は、光を合分岐する第５の光モードカプラを前記光伝送媒体の一端に共用して備え、光を合分岐する第６の光モードカプラを前記光伝送媒体の他端に共用して備え、
   前記順方向マッハツェンダ干渉計は、
   前記光伝送媒体の一端に、
   光を送出する順方向計測用光源と、
   前記第３の光伝送路からの光を受光する順方向計測用受光器と、を備え、
   前記第５の光モードカプラで前記順方向計測用光源からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、前記第１の光伝送路に入力し、
   前記光伝送媒体の他端で、
   前記第６の光モードカプラで前記第１の光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、前記第３の光伝送路に出力し、
   前記逆方向マッハツェンダ干渉計は、
   前記光伝送媒体の一端に、
   前記順方向計測用光源と異なる波長の光を前記第４の光伝送路に送出する逆方向計測用光源と、
   前記第５の光モードカプラからの光を受光する逆方向計測用受光器と、を備え、
   前記第５の光モードカプラで前記第１の光伝送路を伝搬してきた光のうち、基本モードの光は基本モードのままとし、高次モードの光は基本モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した基本モードの光とを結合し、前記逆方向計測用光源に出力し、
   前記光伝送媒体の他端で、
   前記第６の光モードカプラで前記第４の光伝送路からの基本モードの光の一部を基本モードのままとし、残りを高次モードに変換して、基本モードのままとした光と変換した高次モードの光とを合波し、前記第１の光伝送路に入力する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ振動センシング装置。
9. 前記順方向マッハツェンダ干渉計からの電気信号をＡＤ変換する第１のＡＤ変換器と、
   前記逆方向マッハツェンダ干渉計からの電気信号をＡＤ変換する第２のＡＤ変換器と、
   前記第１のＡＤ変換器からの信号及び前記第２のＡＤ変換器からの信号を用いて、振動の発生場所を特定する解析装置と、
   をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ振動センシング装置。
10. 前記順方向計測用受光器からの電気信号をＡＤ変換する第１のＡＤ変換器と、
    前記逆方向計測用受光器からの電気信号をＡＤ変換する第２のＡＤ変換器と、
    前記第１のＡＤ変換器からの信号及び前記第２のＡＤ変換器からの信号を用いて、振動の発生場所を特定する解析装置と、
    をさらに備えることを特徴とする請求項２から８のいずれかに記載の光ファイバ振動センシング装置。
11. 順方向マッハツェンダ干渉計及び光の進行方向を順方向マッハツェンダ干渉計と逆にした逆方向マッハツェンダ干渉計から、それぞれ干渉波信号ｗ１（ｔ）、ｗ２（ｔ）を取得する一定時間データ取得工程と、
    式（８）におけるτを変化させ、相関値（ｗ１＊ｗ２）（τ）が最大になる時のτをΔＴとして求める相互相関計算工程と、
    （ｗ１＊ｗ２）（τ） ＝ Σ ｗ１（ｔ）×ｗ２（τ－ｔ） （８）
    光伝送路の他端から振動が付加される地点までの距離Ｌｖを式（４）で求める振動発生位置計算工程と、
    Ｌｖ ＝ （Ｌ－ｃ２×ΔＴ）ｃ１／（ｃ１＋ｃ２） （４）
    ただし、Ｌは複数の光伝送路を有する光伝送媒体の全長
    ｃ１は順方向マッハツェンダ干渉計の光伝送路中の光速
    ｃ２は逆方向マッハツェンダ干渉計の光伝送路中の光速
    を備える光ファイバ振動センシング方法。
    
    
    

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