JP2022515184A

JP2022515184A - 光ファイバセンシングシステム、方法、構造及び用途

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Publication number: JP2022515184A
Application number: JP2021536001A
Authority: JP
Inventors: ミン－ファンホワン、; ユエ－カイホワン、; エズライプ、; ティンワン、
Original assignee: NEC Laboratories America Inc
Current assignee: NEC Laboratories America Inc
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2022-02-17
Also published as: US20200200592A1; US10917168B2; DE112019006332T5; WO2020132169A1; DE112019006332B4

Abstract

本開示の態様は、光ファイバセンシングのシステム、方法、および構造、ならびに用途を記載する。重要なことに、本開示の態様によるシステム、方法、および構造は、侵入検出、道路交通監視、およびインフラストラクチャの状態監視を含む重要な社会的用途を見出すことができる光ファイバセンシングの一部として、既存の光ファイバケーブルを再使用および／または改造／アップグレードすることができる。このような光ファイバセンシングと人工知能（ＡＩ）を組み合わせることにより、(より)低コストで強力な応用が可能になる。

Description

本開示は、一般に、光ファイバセンシングに関し、特に、分布型温度センシング(DTS)、分布型振動センシング（ＤＶＳ）、分布型音響センシング（ＤＡＳ）、およびブリルアン光時間領域反射率測定（ＢＯＴＤＲ）を含む分布型光ファイバセンシング（ＤＦＯＳ）に関し、これらは、特に、受動光通信ネットワーク上に有利にオーバレイされる。

分布型光センシングは、パイプライン漏洩および侵入検出を含む重要な商業的および社会的重要性の種々の応用において大きな有用性を見出した。典型的には、このような用途では、通信に使用される任意の光ファイバとは別の専用光ファイバが、このようなセンシングを提供するために使用される。容易に理解されるように、このような専用の光センシングファイバは、かなりの展開およびメンテナンスコストを必要とする。

分布型光ファイバセンシングシステム、方法、構造、およびその用途を対象とする本開示の態様に従って、当技術分野の進歩がなされる。

先行技術とは全く対照的に、本開示の態様による分布型光ファイバセンシングシステム、方法、および構造は、商用通信光ファイバネットワークを有利に使用し、それによって、そのような通信ネットワーク上にセンシングオーバーレイを提供する。

以下に示すように、本開示の態様による分布型光ファイバセンシングシステム、方法、および構造は、有利には、受動光ネットワーク（ＰＯＮ）を含む波長分割多重化（ＷＤＭ）ネットワーク上にオーバーレイすることができ、その結果、通信チャネルおよび光ファイバセンシング信号は、例えば、光回線端末（ＯＬＴ）から光ネットワークユニット（ＯＮＵ）まで延在することができる同じ物理ファイバ上に共存する。更なる利点として、光ファイバが、温度（ＤＴＳ）、振動（ＤＶＳ）、および音響（ＤＡＳ）の検出のための、別々の動的センシング要素を提供し得る、ファイバの束を備える場合である。

本開示のより完全な理解は、添付の図面を参照することによって実現され得る。

図１は、本開示の態様による、ＯＮＵからのループバックを備えたＷＤＭ－ＰＯＮ上の分布型光ファイバセンシング（ＤＯＦＳ）のための例示的なアーキテクチャ／配置の概略図を示す。

図２は、本開示の態様による、波長可変ＤＯＦＳインテグレータを備えたＷＤＭ－ＰＯＮ上の分布型光ファイバセンシング（ＤＯＦＳ）のための例示的なアーキテクチャ／配置の概略図を示す。

図３は、本開示の態様による、遠隔ノード（ＲＮ）内の光スイッチを備えたＷＤＭ－ＰＯＮ上の分布型光ファイバセンシング（ＤＯＦＳ）のための例示的なアーキテクチャ／配置の概略図を示す。

図４は、本開示の態様による、光回線端末（ＯＬＴ）内の光スイッチを備えたＷＤＭ－ＰＯＮ上の分布型光ファイバセンシング（ＤＯＦＳ）のための例示的なアーキテクチャ／配置の概略図を示す。

図５は、本開示の態様による、遠隔ノード（ＲＮ）内のサイクリングアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を備えたＷＤＭ－ＰＯＮ上の分布型光ファイバセンシング（ＤＯＦＳ）のための例示的なアーキテクチャ／配置の概略図を示す。

図６は、本開示の態様による、ＯＬＴからＯＮＵへの一般的なファイバレイアウトを示す、分布型光ファイバセンシング（ＤＯＦＳ）のための例示的なアーキテクチャ／構成の概略図を示す。

図７は、本開示の態様による、波長マルチプレクサ／デマルチプレクサが、アップストリーム（ＵＳ）およびダウンストリーム（ＤＳ）及びセンシングチャネルを組み合わせ、各ＯＮＵにおける反射型ＳＯＡが、各個々の分布ファイバ上のＤＯＦＳを可能にする、分布型光ファイバセンシング（ＤＯＦＳ）対応のＰＯＮのための、例示的な、実験的なアーキテクチャ／配置の概略図を示す。

図８（Ａ）は、図７の構成に関する実験結果に関連する一連のプロットを示すものであって、本開示の態様による、6-Gbaud PAM-4信号に対するＢＥＲ対受信電力のプロットである。図８（Ｂ）は、図７の構成に関する実験結果に関連する一連のプロットを示すものであって、本開示の態様による、分布ファイバ♯１および♯２のＳＯＡが連続的にスイッチオンされたときにセンシングチャネルによって捕捉されたＯＴＤＲトレースのプロットである。図８（Ｃ）は、図７の構成に関する実験結果に関連する一連のプロットを示すものであって、本開示の態様による、位相対位相進化の時間のプロットである。図８（Ｄ）は、図７の構成に関する実験結果に関連する一連のプロットを示すものであって、本開示の態様による、ファイバ♯１および♯２で測定されたスペクトルの振幅対周波数のプロットである。図８（Ｅ）は、図７の構成に関する実験結果に関連する一連のプロットを示すものであって、本開示の態様による、測定された位相振幅対印加された圧電電圧の位相対電圧のプロットである。

図９（Ａ）は、一連のウォーターフォールプロットを示すものであって、歩行であり、本開示の態様による、振動源の速度がスロープによって推測され得る振動によって衝突された、ファイバ位置におけるそれぞれのサンプル振幅トレースを有するレイリー後方散乱のコヒーレント検出に基づくＤＡＳを使用している。図９（Ｂ）は、一連のウォーターフォールプロットを示すものであって、運転であり、本開示の態様による、振動源の速度がスロープによって推測され得る振動によって衝突された、ファイバ位置におけるそれぞれのサンプル振幅トレースを有するレイリー後方散乱のコヒーレント検出に基づくＤＡＳを使用している。図９（Ｃ）は、一連のウォーターフォールプロットを示すものであって、運転であり、本開示の態様による、振動源の速度がスロープによって推測され得る振動によって衝突された、ファイバ位置におけるそれぞれのサンプル振幅トレースを有するレイリー後方散乱のコヒーレント検出に基づくＤＡＳを使用している。

図１０は、本開示の態様による、通信およびセンシングアプリケーションが異なる波長上に共存し、センシングパルスおよび通信チャネルが光ファイバ内の異なる方向に伝播して、任意の非線形干渉を緩和する、双方向デュアル使用ファイバセンシングのための例示的な実験的アーキテクチャ／構成の概略図を示す。

図１１（Ａ）はフェンスに取り付けられた例示的なＤＦＯＳシステムを示す。図１１（Ｂ）は、本開示の態様に従って機械学習によって分類され得る異なる振動イベントについて記録されたウォーターフォールプロットを示す。

図１２（Ａ）は車両交通パターンを示すウォーターフォールプロットを示す。図９（Ｂ）は車両方向及び平均速度を決定するための機械学習概略配置を示す。、図９（Ｃ）は本開示の態様によるＤＯＦＳシステムに対して対向伝播（counter-propagating）するＰＳ－１４４ＱＡＭチャネルのコンスタレーション図を示す。

図１３（Ａ）は、ＤＯＦＳを用いた橋梁構造の状態（health）監視を示す。図１３（Ｂ）は、本開示の態様による、改修の前後の「異常スコア」の分布を示す橋梁の状態のＡＩ分類を示す。

例示的な実施形態は、図面および詳細な説明によってより完全に説明される。しかしながら、本開示による実施形態は、様々な形態で具現化されてもよく、図面および詳細な説明に記載された特定のまたは例示的な実施形態に限定されない。

以下は、単に本開示の原理を例示するものである。したがって、当業者は、本明細書では明示的に説明または図示されていないが、本開示の原理を具体化し、その精神および範囲内に含まれる様々な構成を考案することができることが理解されよう。

さらに、本明細書に列挙されたすべての実施例および条件付き用語は、読者が本開示の原理および本技術を促進するために本発明者によって寄与された概念を理解するのを助けるための教育目的のためだけのものであることが意図され、そのような具体的に列挙された実施例および条件に限定されないものとして解釈されるべきである。

さらに、本開示の原理、態様、および実施形態、ならびにその特定の例を列挙する本明細書のすべてのステートメントは、その構造的および機能的同等物の両方を包含することが意図される。さらに、そのような均等物は、現在知られている均等物と、将来開発される均等物、すなわち、構造にかかわらず、同じ機能を実行する開発された任意の要素との両方を含むことが意図される。

したがって、たとえば、本明細書の任意のブロック図が、本開示の原理を実施する例示的な回路の概念図を表すことが、当業者には理解されよう。

本明細書で特に明記しない限り、図面を構成する図面は、縮尺通りには描かれておらず、可能であれば、図面全体にわたって共通の参照番号が使用される。
動作概要

図１は、本開示の態様による、ＯＮＵからのループバックを備えたＷＤＭ－ＰＯＮ上の分布型光ファイバセンシング（ＤＯＦＳ）のための例示的なアーキテクチャの概略図を示す。

図１から観察され得るように、光回線端末（ＯＬＴ）（１．１）は、データ伝送のためのトランスポンダ（１０１）およびセンシングのためのＤＦＯＳインテグレータ（１０２）を含む。当業者には理解され、認識されるように、そのようなセンシングは、使用される特定の構成に応じて、例えば、ＤＴＳ、ＤＶＳ、ＤＡＳ、および／またはＢＯＴＤＲを含むことができる。例示的に図示したアーキテクチャでは、センシング素子は、ネットワーク性能(ファイバ経路損失)を評価するのに有用であるばかりでなく、ファイバ経路全体に沿った振動、温度、音響などの環境条件を評価して、例えば、構造(建物)の状態（health）、防火および音響(銃撃)検出などを判定するのにも有利に使用することができる。

典型的には、既存の伝送光ファイバケーブル（２．１）は、複数の個々のファイバ束を含む。現代のＷＤＭ－ＰＯＮシステムでは、ファイバの１つをデータ信号を伝送するためのデータファイバ（２０１）として使用することができ、他のファイバ(すなわち、「ダークファイバ」)は使用しなくてもよい。本開示の態様によれば、１つまたは複数のダークファイバをセンシングファイバ（２０２）として使用して、ＯＬＴ（１．１）から遠隔ノード（３．１）にセンシング信号を送信する。

ＲＮでは、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）（３０１）の規則的な２つの入力ポートが、データ信号を分割し、それらをフィーダファイバ（４０１）を介してＯＮＵに送出するために使用される。伝送ファイバケーブル（２．１）と同様に、フィーダファイバケーブル（４．１）も複数の個々のファイバを含むことができる。本開示の態様によれば、フィーダファイバケーブル（４．１）を含む２つ以上のダークファイバが、センシングフィーダファイバ（４０２）として使用される。

ループバックセンシングシステムを実現するために、２つのセンシングフィーダファイバ（４０２）は、個々のＯＮＵをＲＮ（３．１）に接続するために使用される。このように、センシング信号は、各ＯＮＵを介して伝達することができ、それによって、通信ファイバ束をセンシングファイバとして使用することを達成する。したがって、伝送ファイバケーブル（２．１）及びフィーダファイバケーブル（４．１）が地中に埋設されている場合、例えば、道路状況、舗装の損傷及び／又は道路交通のセンシングを監視することができる。一方、火災防止、銃声検知、および構造物の状態（health）監視は、ファイバケーブルがポール、橋、通信塔、ＯＮＵなどを通過する場合に実現できる。

図２は、本開示の態様による、波長可変レーザ（ＴＬ－ＤＯＦＳ）インテグレータ（１０３）を備えたＷＤＭ－ＰＯＮ上の分布型光ファイバセンシング（ＤＯＦＳ）のための例示的なアーキテクチャ／配置の概略図を示す。

図２を参照すると、観察され得、上述のように、ＴＬ－ＤＯＦＳインテグレータは、固定波長レーザの代わりに波長可変レーザ（ＴＬ）を含むことが分かる。動作的には、パルス周波数のサイクルごとに、ＴＬ－ＤＯＦＳインテグレータは、ＲＮ（３．１）内の同じポートのＡＷＧ（３０１）を通過し、続いて同じＯＮＵに同時に指向するために、データ信号に一致するように波長を変更する。

単なる例示として、ＯＬＴからＯＮＵまでの全距離は～１０００Ｈｚに対応する３０ｋｍである。したがって、１０００Ｈｚの周波数で、ＴＬ－ＤＯＦＳインテグレータは、λ_D1～λ_DNと同じＩＴＵグリッド内に位置するλ_S1～λ_SNまでのレーザ周波数を同調させる。この例示的なアーキテクチャでは、フィーダファイバケーブル（４．１）と共に含まれる１つのダークファイバのみが、センシングフィーダファイバ（４０２）として使用される。

図３は、本開示の態様による、遠隔ノード（ＲＮ）内に配置された光スイッチを備えたＷＤＭ－ＰＯＮ上の分布型光ファイバセンシング（ＤＯＦＳ)のための追加の例示的アーキテクチャ／配置の概略図を示す。この図から分かるように、パッシブＲＮの代わりに、ＡＷＧ（３０１）および光スイッチ（ＳＷ）（３０２）を含むアクティブＲＮ（３．２）が、この例示的なアーキテクチャ構成で使用される。伝送ファイバケーブル（２．１）内に含まれるデータファイバ（２０１）は、ＡＷＧ（３０１）と光通信しており、「通常の」ＷＤＭ-ＰＯＮ構成として構成される。一方、ＲＮ（３．２）内の光ＳＷ（３０２）は、センシング信号を切り替えるために使用される。このような光ＳＷは、センシングファイバ（２０２）及びセンシングフィーダファイバ（４０２）を接続する。様々なアプリケーションおよび／または顧客からの要求に基づいて、異なるセンシング要素を一度に異なるＯＮＵに提供することができる。例えば、システムは、ＯＮＵ－１に温度センシングを提供し、ＯＮＵ－２に音響センシングを提供することができ、有利には、それらを同時に使用し、問い合わせすることができる。

図４は、本開示の態様による、光回線端末（ＯＬＴ）内に配置された光スイッチを備えたＷＤＭ－ＰＯＮ上の分布型光ファイバセンシング（ＤＯＦＳ）のためのさらに別の例示的なアーキテクチャ／配置の概略図を示す。その図から観察され得るように、例示的な配置は、ＯＮＵにセンシング信号を送達するための光スイッチ（３０２）を含む。さらに観察されるように、この例示的な構成におけるスイッチは、ＯＬＴ内に位置し、前述の構成におけるようにＲＮ内には位置しない。この例示的な構成において、遠隔ノードは、有利には、能動的ではなく受動的であり得、それによって、示される他の構成と比較して、動作上の複雑さおよびコストをさらに低減することに留意されたい。

図５は、本開示の態様による、遠隔ノード（ＲＮ）内にサイクリングアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）を備えたＷＤＭ－ＰＯＮ上の分布型光ファイバセンシング（ＤＯＦＳ）のためのさらに別の例示的なアーキテクチャ／配置の概略図を示す。この図から分かるように、１つのＡＷＧ（３０１）および１つのサイクリングＡＷＧ（ＣＡＷＧ）（３０３）は、ＲＮ（３．２）内にある。全体の伝送ファイバケーブル束（２．１）の内側／部品として位置するデータファイバ（２０１）は、センシングファイバ（２０２）がＣＡＷＧ（３０３）の入力ポートにリンクされている間、ＡＷＧ（３０１）に光学的に接続される。ＣＡＷＧ（３０３）の他の入力は、ＡＷＧ（３０１）の出力に接続され、出力はフィーダファイバケーブルに接続される。センシング信号は、異なる遅延を有するＣＡＷＧを通して異なるセンシングフィーダファイバに送られ、したがって、センシング素子の位置を発見することができる。

図６は、本開示のさらなる態様による、ＯＬＴからＯＮＵへの一般的なファイバレイアウトを示す分布型光ファイバセンシング（ＤＯＦＳ）のためのさらに別の例示的なアーキテクチャ／構成の概略図を示す。その図から観察され得るように、例示的な光ファイバセンサ配置は、データ通信およびファイバセンサの両方を含む、ＯＬＴからＯＮＵへのファイバレイアウトを含み、それは、輸送施設(すなわち、マンホール（ＭＨ）、道路、橋など)、搬送施設(ポール、タワーなど)および建物を例示的に通過する.。そのように配置されると、ファイバルート全体は、施設状態監視、スマートシティアプリケーション用のスマートトラフィック管理のために使用することができるセンシング媒体としての機能を果たす。さらに、センシングファイバが建物内に入るように設置される場合、例えば、建物内に配置されたファイバがそのように利用される場合に、建物内のソーシャルセンシングを提供することができる。図に示されているルート全体に沿って示されているセンシング用途を表１に示す。

例示的なネットワークのファイバルート全体に沿ったセンシングアプリケーションの概要。
例示的な実施例

ここで、全ての分布ファイバ上の分布型光ファイバセンシング（ＤＯＦＳ）と同時にデータ伝送を有利に可能にするために、各光ネットワークユニット（ＯＮＵ）に反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）を使用する例示的な受動光ネットワーク（ＰＯＮ）を開示する。

当業者の関心事の中で、ＯＮＵで低コストの反射型半導体光増幅器（ＲＳＯＡ）を追加することにより、既存のＰＯＮをＤＦＯＳと更に互換性を持たせる。動作的に、発明者らは、各個々の分布ファイバ上のＤＯＦＳを可能にするために、各ＯＮＵにおいて外部制御がＲＳＯＡをオン／オフする時間領域多重化（ＴＤＭ）方式を採用した。発明者らは、異なる分布ファイバ上に２つの圧電振動源を配置し、干渉なしでそれらを同時に測定した場合、１ｍの分解能でＤＡＳを成功裏に実施したので、発明者らの実験結果は、１×３２のスプリッタのラウンドトリップ損失を克服することができたことを示す。また、道路横の埋設ケーブルについても、同様のシステムを用いて、歩行者及び車両交通からの振動を検知することができた。ＤＡＳシステムは、フロントホールアクセスに使用できる双方向ＰＡＭ４ベースの１０Ｇｂ／ｓ通信リンクと共存した。

ハイブリッドデータ伝送／センシングＰＯＮアーキテクチャ

例示的な実施例のハイブリッド伝送／センシングＰＯＮのアーキテクチャ／配置が、図７に概略的に示されている。観察され得るように、図７は、本開示の態様による、波長マルチプレクサ／デマルチプレクサが、アップストリーム（ＵＳ）およびダウンストリーム（ＤＳ）及びセンシングチャネルを組み合わせ、各ＯＮＵにおける反射型ＳＯＡが、各個々の分布ファイバ上のＤＯＦＳを可能にする、分布型光ファイバセンシング（ＤＯＦＳ）対応のＰＯＮのための、例示的な、実験的なアーキテクチャ／配置の概略図を示す。

光回線端末（ＯＬＴ）では、センシングチャネル（１５５０ｎｍ）と、１０Ｇｂ/ｓアップストリーム（１５６１ｎｍ）およびダウンストリーム（１５４６ｎｍ）のチャネルが、波長マルチプレクサを用いて結合されている。ＰＯＮは、４．４ｋｍのスプールフィーダファイバ、続いて１×３２の受動スプリッタ、続いて１．６ｋｍ長の分布ファイバから構成される。光ネットワークユニット（ＯＮＵ）は波長デマルチプレクサで構成され、アップストリーム（ＵＳ）とダウンストリーム（ＤＳ）のポートはそれぞれ、ＰＡＭ４の受信器（Ｒｘ）と送信機（Ｔｘ）に接続され、センシングポートはＲＳＯＡによって終端される。ＲＳＯＡが１つの特定のＯＮＵでオンされると、順方向伝搬センシングパルスは増幅され反射され、それ自身の光時間領域反射率測定（ＯＴＤＲ）信号を生成する逆方向伝搬センシングパルスになる。この二次ＯＴＤＲ信号は、最初、順方向伝搬し、ＲＳＯＡに衝突すると増幅され、ＯＬＴに向かって反射される。

ＯＬＴで測定したＯＴＤＲトレースのサンプルを図８（Ｂ）に示す。オンにされている１つのＯＮＵのＲＳＯＡに対応する各「フレーム」において、トレースの初期部分（Ａ）は、フィーダファイバのレイリー後方散乱である。次いで、１．６ｋｍの分布ファイバ（Ｂ）の弱い後方散乱（１×３２のスプリッタによる)が続く。逆方向伝搬センシングパルスによって作られた分布ファイバの増幅された二次後方散乱は、（Ｃ）に従う。

図７に示されたアーキテクチャ／配置を用いて、そのＯＮＵ内のＲＳＯＡをオン／オフすることにより、各分布ファイバを選択的に問い合わせることができる。ＯＬＴのマスタコントローラを使用してＲＳＯＡをオン／オフすることができることに留意されたい。当業者には理解されるように、特定の分布ファイバが問い合わせられるとき、他のすべてのＯＮＵにおけるＲＳＯＡは、それらが所望の分布ファイバのＯＴＤＲと干渉しないようにオフにされなければならない。３１本の他の分布ファイバの各々は、順方向伝搬センシングパルスからのレイリー後方散乱に寄与するので、これらの合計は、図８（Ｂ）の（Ｂ）と重複する干渉である。この干渉がＤＡＳに使用される所望の部分（Ｃ）に広がらないことを保証するために、全ての分布ファイバが同じ長さであることを保証することが必要である。

実験結果

発明者らの配置を評価するために、発明者らは図７に示すハイブリッドＰＯＮ／ＤＡＳアーキテクチャ上で６－ＧｂａｕｄＰＡＭ４の伝送を行った。図８（Ａ）は、センシング信号が存在する場合と存在しない場合の、バックツーバック（back-to-back）、アップストリームおよびダウンストリームの伝送のためのＢＥＲ対受信電力を示す。低い累積波長分散（ＣＤ）のために、観察可能な伝送ペナルティはない。加えて、センシングパルス列の存在は、性能上、無視できるほどの影響であり、発明者らの方式におけるデータ伝送のセンシングとの適合性を証明した。２０１８年１月、第３世代パートナーシッププロジェクト（３ＧＰＰ）は、５Ｇフロントホールに使用されるイーサネット(登録商標)共通公衆無線インタフェース（ｅＣＰＲＩ）に関する仕様の第１版を発表した。２５ＧｅＣＰＲＩは、ほぼ確実に、５Ｇフロントホールインタフェースとして指定されている。２５Ｇシングルチャネルインタフェースは、５Ｇフロントホールの主流インタフェースとなる。

ＤＯＰＳ関数の正しい動作を検証するために、レイリー後方散乱のＯＴＤＲをコヒーレントに検出することによって、分布音響センシング（ＤＡＳ）を行った（図８（Ｂ））。２つの圧電ファイバストレッチャが、図７に示すように、２本の分布ファイバの入力に挿入される。各ファイバストレッチャの駆動信号は、振幅５Ｖ、周波数１００Ｈｚ、１３３Ｈｚにそれぞれ設定されている。１００ｎｓ持続時間(空間分解能～１ｍ)のセンシングパルスを１０ｋＨｚの繰返し率でＰＯＮに発射した。２本の分布ファイバの端部のＲＳＯＡは、１パルスおきに連続的にオンになり、その結果、各ファイバで５ｋＨｚの音響サンプリングレートが得られる。

音響信号により発生した光位相変化は、コヒーレントＯＴＤＲのオフラインのデジタル信号処理（ＤＳＰ）によって測定される。フロントエンドＤＳＰ動作は、２ｍの差分長を有する干渉計の再サンプリング、フィルタリング、およびＤＳＰエミュレーションを含む。そして、各距離における差動ビート信号のパワーを正規化し、続いて帯域通過フィルタリングを行って、異なるファイバ位置に対する時間における振動振幅の進展を示す「ウォーターフォールプロット」を生成する。５ｋＨｚのフレームレートは、２．５ｋＨｚまでの音響周波数を測定できることを意味する。

図８（Ｃ）は、各分布ファイバ（振幅～４．３ｒａｄ）について圧電ストレッチャーの位置で測定された音響位相を示す。図２（Ｄ）は、同じ位置における音響スペクトルを示す。ノイズフロアは、～０．３５

の歪みレベルに対応する。分布ファイバの１つで駆動信号の振幅を掃引し、音響位相の振幅を測定し、その結果を図２（Ｅ）に示す。

最後に、ＤＯＰＳを使用して、１×３２のスプリッタの出力と分布ファイバのうちの１つとの間に４００ｍ長の埋め込み光ファイバケーブルを接続することによって、現実世界の振動を測定した（図７）。ケーブルは、約５０ｃｍの深さに埋設されている。（ａ）歩行する、及び（ｂ）～１ｍの距離で埋設ケーブルのそばをゆっくりサイクリングする、並びに（ｃ）～５ｍの距離でケーブルのそばを運転することによって発生した振動を測定した。図９（Ａ）－図９（Ｃ）は、ＤＯＰＳによって記録された「ウォーターフォール」プロットと、示された位置における実数／虚数波形とを示す。ウォーターフォールプロットの勾配は、振動源の速度を推測するために使用できる。急勾配／浅勾配は、それぞれ低速／高速の動きに対応する。歩行、サイクリングおよび運転の推定速度は、それぞれ～０．５ｍ／ｓ、２．５ｍ／ｓおよび１０ｍ／ｓであった。

この時点で、当業者は、１０Ｇｂ／ｓでの同時５Ｇモバイルバックホール伝送および各分布ファイバの分布型光ファイバセンシングを可能にする新しいＰＯＮアーキテクチャを実証したことを認識し、理解するであろう。可能にする技術は、各ＯＮＵに配置されたＲＳＯＡであり、これを選択的にオンにして、各分布ファイバに問い合わせることができる逆方向伝搬センシングパルスを生成することができる。アップストリームおよびダウンストリームのデータチャネル、ならびにセンシングチャネルは、３つの別個の波長上に共存する。このアーキテクチャを用いたコヒーレントＯＴＤＲに基づく分布型音響センシング（ＤＡＳ）の実証に成功した。

双方向デュアル使用ファイバアーキテクチャ／配置およびその適用

前述したように、当業者には容易に理解されるように、本開示による光データ通信／センシングのアーキテクチャ／構成は、例えば、通信およびセンシング信号が共存する双方向デュアルバンドアーキテクチャを使用して、分布センシングを提供する既存の光ケーブルの再使用を可能にする。

図１０は、データ通信チャネルおよびＤＦＯＳが同じ光ファイバ上に共存する双方向デュアル使用システムのための、本開示の態様による例示的なアーキテクチャ／構成を示す。このシステムは、２つのノード間の双方向通信をサポートするファイバ対を含み、この２つのノードは、例示的には、２つのデータセンタ内にあってもよいし、アドドロップ／リピータサイトにあってもよい。示されるように、通信チャネルおよびセンシングパルスは、各ファイバ内で反対方向に移動して相互の非線形干渉を低減し、両システムが低損失でＣバンドで動作することを可能にする。有利には、通信信号およびセンシング信号を多重化／逆多重化するために、ダイプレクサを使用することができる。当業者によって理解されるように、これは、図に示されるように、ブースタ増幅器からの帯域外増幅自然放出（ＡＳＥ）ノイズが、実質的に低い電力で通信チャネルと共伝搬するＤＦＯＳシステムの弱いレイリー逆反射を「スワンピング（swamping）」するのを防止する。有利には、１つのファイバセンシングインタロゲータのみが通常必要とされる。

光ファイバーセン用途－侵入検知

本開示の態様による光ファイバセンサの重要な用途は、重要な施設における不正侵入の検出である。ペリメータフェンス上に光ファイバケーブルを敷設することにより(図１１（Ａ）)、従来の防犯カメラの配備に比べ、低コストで広域にわたる振動を検出することができる。

侵入検出における1つの課題は、自然環境(風、雨など)の摂動ならびに小動物の動きによって引き起こされる誤警報を抑制することである。有利なことに、本開示の態様によるシステム、方法、および構造は、パワー人工知能（ＡＩ）を活用して、異なるイベントを分類することができる。図１１（Ｂ）は、レイリーベースの分布型振動センサ（ＤＶＳ）によって測定された「ウォーターフォールプロット」上に見られる異なる振動パターンの実施例を示す。光ファイバセンサは生データを生成し、生データはトレーニングやイベント分類のためにＡＩに供給される。

光ファイバセンサ用途－道路交通監視

本開示の態様による光ファイバセンサのさらなる適用は、車両交通の監視である。この用途は、多くの光ケーブルが主要幹線道路の近くに配備されるので、特に魅力的である。車両交通は、時間とともに位置が変化する振動を作り出す。図１２（Ａ）は、ダラス大都市圏の５５ｋｍファイバケーブルにレイリーベースのＤＶＳを用いて記録した「ウォーターフォールプロット」を示す。横軸と縦軸はそれぞれファイバの位置と時間を示す。したがって、車両の速度は、振動の特徴の勾配から推測することができる。すなわち、急な勾配は、より遅い交通（渋滞）を示し、浅い勾配は、より速い交通（スムーズな流れ）を示す。正および負の勾配は、異なる進行方向を示す。侵入検出の場合と同様に、図１２（Ａ）のような「ウォーターフォールプロット」はＡＩのトレーニングデータとして使用することができ、平均車両速度を高精度で監視することができる。このフィールドトライアルでは、ＤＦＯＳ適用は、９２×４８Ｇｂａｕｄチャネルの各々がネットデータレート≧４００Ｇｂ／ｓおよび８．３ｂ／／Ｈｚの平均スペクトル効率（ＳＥ）でＰＳ１４４ＱＡＭを搬送する高密度ＷＤＭ（ＤＷＤＭ）トラフィックの全Ｃ帯域３８－Ｔｂ／ｓ伝送と共存した。同時ＤＯＦＳを可能にするために、３つの５０ＧＨｚチャネルのスペクトルホールをリザーブした。発明者らの実験において、センシングパルスの発射パワーが通信とＤＯＦＳシステムの両方の最適動作のために調整されたことに注目した。センシングパルスの存在は、伝送チャネルの信号品質に知覚可能な差を生じなかった。エラーフリー動作(pre-FEC BAR<2.2×10^-2)が達成され、本発明の態様によるシステム、方法、および構造の実現可能性を実証した。図１２（Ｂ）は、車両方向および平均速度を決定するために使用され得る機械学習構成を概略的に示す一方、図１２（Ｃ）は、実験的に決定されたＤＯＦＳシステムに対して対向伝播（counter-propagating）するＰＳ－１４４ＱＡＭチャネルのコンスタレーション図を示す。

光ファイバセンサ用途－インフラストラクチャヘルスモニタリング
本開示の態様によるシステム、方法、および構造のさらに別の用途は、橋梁などの主要インフラストラクチャの「状態（health）」を監視することを含む。構造物の固有振動数は、各振動数に伴う減衰特性と同様に、物理的劣化に伴って変化するからである。したがって、振動特性のこれらの変化のリアルタイムモニタリングにＤＯＦＳを使用することが可能である。まず、人間の検査の助けを借りて、基準構造の劣化の異なる状態に対するトレーニングデータセットが生成される。ＡＩが生データ上でトレーニングされると、単一の光ケーブルによって横断されるときに、多数の類似の構造を低コストで監視することが可能である。図１３（Ａ）－図１３（Ｂ）において、図１３（Ａ）は、ＤＯＦＳを用いた橋梁構造状態監視を示し、図１３（Ｂ）は、本開示の態様による、改修の前後の「異常スコア」の分布を示す橋梁の状態のＡＩ分類を示す。

図から分かるように、この図は、鉄道橋について記録されたフィールドデータのタイプを示している。修理前後の「異常スコア」の分布について明らかな差が観察され、ＲＡＰＩＤ機械学習を用いて構造状態の１クラス分類を可能にする。

この時点で、いくつかの特定の例を使用して本開示を提示したが、当業者は、本教示がそのように限定されないことを認識するであろう。実質的に、光ファイバ上で行われ得る任意のタイプのセンシングが、本開示の態様によるシステム、方法、および構造に有利に含まれ得る。したがって、この開示は、本明細書に添付される特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

Claims

光回線端末（ＯＬＴ）、遠隔ノード（ＲＮ）、および光ネットワークユニット（ＯＮＵ）を含む光ネットワーク（ＯＮ）構成であって、前記ＯＬＴ、ＲＮ、およびＯＮＵは、マルチファイバ光ケーブルの１つまたは複数のセグメントによって互いに光学的に相互接続され、前記ＯＬＴは、前記マルチファイバ光ケーブルのマルチファイバのうちの１つまたは複数を介して光データ信号を送受信するトランスポンダを含み、前記構成が、
前記マルチファイバ光ケーブルの前記マルチファイバの異なるものと光通信する分布型光ファイバセンシングシステム（ＤＯＦＳ）インテグレータを含み、前記ＤＯＦＳが、光パルス問合せによって前記マルチファイバ光ケーブルの前記マルチファイバの前記異なるものの変化および該変化の位置を検出することを特徴とする光ネットワーク（ＯＮ）構成。
前記マルチファイバ光ケーブルの前記マルチファイバの前記異なるものが、ダークファイバであることをさらに特徴とする請求項１記載のＯＮ構成。
前記ＤＯＦＳインテグレータは、分布型温度センシング（ＤＴＳ）、分布型振動センシング（ＤＶＳ）、分布型音響センシング（ＤＡＳ）、およびブリルアン光時間領域反射率測定（ＢＯＴＤＲ）からなるグループから選択された少なくとも１つを感知することをさらに特徴とする請求項１記載のＯＮ構成。
前記ＤＯＦＳインテグレータは、ＯＬＴからＯＮＵへの光ファイバルート全体に沿って変化を感知し、前記ＲＮはＯＬＴとＯＮＵの間に介在することをさらに特徴とする請求項１記載のＯＮ構成。
前記ＯＮＵの各々からの光ファイバループバックをさらに特徴とする請求項１記載のＯＮ構成。
前記ＯＮＵの各々からの前記光ファイバループバックが、前記光ファイバの単一のものを含むことをさらに特徴とする請求項６記載のＯＮ構成。
前記ＤＯＦＳインテグレータは、固定波長レーザの代わりに波長可変レーザ（ＴＬ）を含む波長可変ＤＯＦＳインテグレータ（ＴＬ－ＤＯＦＳ）であり、パルス周波数の各サイクルにおいて、前記ＴＬ－ＤＯＦＳは、前記ＲＮ内に配置されたアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）の同じポートを通過するようにデータ信号を整合するように波長を変化させることをさらに特徴とする請求項１記載のＯＮ構成。
前記ＲＮ内に配置された光スイッチを有し、前記光スイッチが、前記ＤＯＦＳインテグレータ、前記ＲＮ、および１つまたは複数のＯＮＵの間でセンシング信号の切替を提供することをさらに特徴とする請求項１記載のＯＮ構成。
前記ＯＬＴ内に配置された光スイッチを有し、前記光スイッチが前記ＤＯＦＳインテグレータ、前記ＲＮ、および１つまたは複数のＯＮＵの間でセンシング信号の切替を提供することをさらに特徴とする請求項１記載のＯＮ構成。
前記ＲＮ内に配置された、ＡＷＧとサイクリングＡＷＧを有することをさらに特徴とする請求項１記載のＯＮ構成。
既存の光ネットワーク（ＯＮ）構成をアップグレードする方法であって、前記既存の構成は、光回線端末（ＯＬＴ）、遠隔ノード（ＲＮ）、および光ネットワークユニット（ＯＮＵ）を含み、前記ＯＬＴ、ＲＮ、およびＯＮＵは、マルチファイバ光ケーブルの１つまたは複数のセグメントによって互いに光学的に相互接続され、前記ＯＬＴは、前記マルチファイバ光ケーブルのマルチファイバのうちの１つまたは複数を介して光データ信号を送受信するトランスポンダを含み、前記方法は、
前記マルチファイバ光ケーブルの前記マルチファイバのうちの異なるものと光通信する分布型光ファイバセンシングシステム（ＤＯＦＳ）インテグレータを提供することを含み、前記ＤＯＦＳが、光パルス問い合わせによってマルチファイバ光ケーブルの複数のファイバのうちの異なる1つの変化および変化の位置を検出するように構成されることを特徴とする方法。