JP2023524480A

JP2023524480A - 分散型ファイバ感知装置のための集積コヒーレント受信器

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Publication number: JP2023524480A
Application number: JP2022566273A
Authority: JP
Inventors: ヨッフェ、ギデオン
Original assignee: ファイバーセンスリミテッド
Priority date: 2020-04-28
Filing date: 2021-04-28
Publication date: 2023-06-12
Also published as: WO2021220203A1; EP4143517A4; US20210336695A1; US20230421255A1; US11552702B2; EP4143517A1; CA3177163A1; AU2021265331A1

Abstract

分散型ファイバ感知システムは、集積コヒーレント受信器を使用することができる。集積コヒーレント受信器は、様々な光学構成要素を含む平面光波回路を含むことができる。

Description

本発明は一般に、分散型ファイバ感知に関し、より詳細には、分散型音響感知（ＤＡＳ）システムのための集積型光受信器に関する。

光分散ファイバセンシング（ＤＦＳ）システムはファイバ故障の位置を特定するため、または温度、歪み、または振動を測定するために、数十年間使用されてきた。ＤＦＳシステムは、ファイバ自体がセンサのアレイを形成するという点で、ディスクリートセンサを使用するシステムとは区別される。このシステムは、ガラス不均一性（レイリー）、音波（ブリルアン）または光フォノン（ラマン）に起因し得る、ファイバ内の光散乱に依存する。典型的なシステムでは、光パルスがファイバの一端から発射され、反射された後方散乱が発射端で受信される。飛行時間測定値がファイバ内のどこで特定の散乱事象が発生したかを決定するために使用され、受信信号の分析は測定値を評価するために使用される。

レイリー後方散乱の検出は、分散型音響感知（ＤＡＳ）として知られることが多い分散型振動感知（ＤＶＳ）に一般に使用される。光ファイバに沿った点における歪みの変化は、光路長の変化、したがって後方散乱光の位相の変化を引き起こす。

ヘテロダインコヒーレント受信器を有する典型的な位相感応ＤＡＳシステムの概略図を図１に示す。光源レーザーとして機能し、典型的には１５５０ｎｍ付近の電気通信帯域で動作する連続波（ＣＷ）レーザー１１１からの光は、例えばスプリッタ１１３によって２つの経路に分割される。第１の経路は光アイソレータ１１７を通過し、音響光学変調器（ＡＯＭ）１１９によって、典型的には１０～１００ｎｓの長さの光パルスに形成される。ＡＯＭはまた、光の光周波数を、典型的には８０～３００ＭＨｚだけシフトさせる。パルスは、エルビウムドープファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）１２１によって増幅され、光サーキュレータ１２３を介して被試験ファイバ１２５に発射される。試験中のファイバからの後方散乱光は、サーキュレータによってコヒーレント受信器の信号入力に向けられる。ＣＷレーザーからの第２の経路１１５は、コヒーレント受信器への局部発振器（ＬＯ）入力を形成する。第２の経路の光は、光アイソレータ１５１および可変光減衰器１５３を通過する。後方散乱光信号の偏光は被試験ファイバの長さが数十ｋｍであり、したがって、偏光ダイバーシティが受信器において一般に必要とされるので、透過光の偏光とは十分に異なり得る。信号およびＬＯ光は、それぞれ偏光ビームスプリッタ１２９および１５５によって２つの偏光の経路に分割され、３ｄＢ光カプラ１３１ａ，ｂで混合される。カプラの出力は可変光減衰器１３３ａ～ｄを通過し、平衡光検出器１３５ａ、ｂに取り込まれる。光検出器の電気出力は、トランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）１３７ａ、ｂによって増幅され、アナログ－デジタル変換器（ＡＤＣ）１３９ａ、ｂによってデジタル信号に変換され、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）１４１によって分析される。信号およびＬＯの光周波数は、ＡＯＭ周波数によって異なる。対象となる振動周波数は０～数十ｋＨｚの範囲であり、したがって、信号の全位相情報を電気的に測定することができる。

ＤＡＳシステムは、典型的には入力および出力のためのコネクタ化された光ファイバを有するパッケージ化されたバルク光コンポーネントを使用して、１９インチラック計器に組み込まれる。そのようなシステムは例えば、少数のユニットを必要とし、高いユニットコストを許容することができる、地震事象およびオイルパイプラインおよび境界への侵入または侵入を監視するために配備されてきた。

光通信トランシーバのいくつかの製造業者は、集積コヒーレントレシーバ（ＩＣＲ）を供給する。合意された一般的な実装の概略図を図２に示す。図２の受信器はイントラダインまたはホモダインであり、局部発振器は、名目上、信号と同じ波長にある。デュアル偏光は、２つの偏光上で送信される別個のデータを用いて、意図的に使用される。イントラダイン受信器の全位相情報を抽出するために、９０度ハイブリッドミキサ２３３、２３５が各偏光に使用され、チャネルごとに４つのフォトダイオード２３７が必要とされ、受信器は４つのＡＤＣ２４１を必要とする。

これらの統合受信器はＣＭＯＳ互換シリコン上に完全に統合されたものから、シリコン上のハイブリッドアセンブリまで、様々なプラットフォームで利用可能である。

これらの光通信受信器の特性のいくつかは理想的ではない。ＤＦＳシステム、特にＤＡＳは光通信システムと比較して非常に低い周波数で、広いダイナミックレンジを示し、比較的狭い周波数帯域をカバーする非常に小さな信号で動作する。したがって、以下の設計上の選択肢は異なり得る：
ｉ）光損失はＤＡＳにとって主要な関心事であり、完全に集積化されたシリコンベースのＩＣＲは、一般に十分に良好ではない；
ｉｉ）ＴＩＡは、広帯域動作ではなく、サブＧＨｚ周波数における低雑音のために最適化されるべきである；
ｉｉｉ）受信されたＤＡＳ信号のダイナミックレンジが広いので、ＡＤＣは、好ましくは高分解能および低雑音を有する。これらの構成要素は高価であるため、イントラダイン受信器において４つのＡＤＣおよび関連する信号処理を必要とすることは明らかな欠点である。

いくつかの実施形態は、ＤＡＳシステムおよび／またはいくつかの実施形態における他の感知システムのための統合ヘテロダインコヒーレント光受信器を提供する。イントラダインテレコム集積受信器に対する１つの潜在的な利点は、信号処理の低減に関連して、４つではなく２つの高価なＡＤＣが使用されることである。いくつかの実施形態は例えば、電流注入による自由キャリア吸収に依存するデバイスと比較してノイズを低減するために、シリコンプラットフォームにおける可変光減衰器（ＶＯＡ）としてマッハツェンダ（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ）干渉計の熱光学チューニングを利用する。いくつかの実施形態では、マッハツェンダ干渉計が設計された不均衡を含み、その結果、１つの熱位相シフタのみが使用されるか、または必要とされ、電気接続の数および最大電力消費の両方を低減することができる。これは、様々な実施形態における位相シフタの他の形態にも当てはまる。いくつかの実施形態では、被試験ファイバからの信号の偏光分割が２つの異なる信号のためのＰＬＣ上の別個の光信号入力を用いて、外部光コンポーネントによって実行される。いくつかの実施形態では、ＰＬＣ上の導波路に結合された外部偏光スプリッタおよび局部発振器からの光信号が同じ偏光状態にある。

いくつかの実施形態は分散型ファイバ感知システムのためのコヒーレント受信器を提供し、ここで、連続波レーザーはサーキュレータによってコヒーレント受信器に提供される後方散乱光を用いて、ファイバを下る伝搬のための光を生成し、コヒーレント受信器は、被試験ファイバからの後方散乱光信号を第１の偏光入力信号および第２の偏光入力信号に分割するための第１の偏光ビームスプリッタと、局部発振器（ＬＯ）信号の振幅を制御するための第１の可変光減衰器であって、第１の可変光減衰器が平面光波回路（ＰＬＣ）上にある第１の可変光減衰器と、制御振幅局部発振器信号を第１の偏光ＬＯ信号および第２の偏光ＬＯ信号に分割するための第２の偏光ビームスプリッタであって、第２の偏光ビームスプリッタがＰＬＣ上にある第２の偏光ビームスプリッタと、第１の偏光入力信号および第１の偏光ＬＯ信号を混合するための第１のミキサであって、第１のミキサがＰＬＣ上にある第１のミキサと、第２の偏光入力信号および第２の偏光ＬＯ信号を混合するための第２のミキサであって（ＶＯＡ）は第１のミキサからの信号を均等化（ｅｑｕａｌｉｚｉｎｇ）するためのものであり、第１の対のＶＯＡはＰＬＣ上にあり、第２の対のＶＯＡは第２のミキサからの信号を均等化するためのものであり、第２の対のＶＯＡはＰＬＣ上にあり、第１の対のＶＯＡからの光を第１の電気信号に変換するための第１の対の平衡フォトダイオードと、第２の対のＶＯＡからの光を第２の電気信号に変換するための第２の対の平衡フォトダイオードとを含む。

いくつかの実施形態では、平衡フォトダイオードの第１の対および平衡フォトダイオードの第２の対がＰＬＣに取り付けられる。

いくつかの実施形態では、第１の偏光ビームスプリッタはＰＬＣ上にある。

いくつかの実施形態では、第１の偏光ビームスプリッタはＰＬＣの外部にある。

いくつかの実施形態では、ＶＯＡの第１の対およびＶＯＡの第２の対のそれぞれのＶＯＡが少なくとも１つの位相シフタを有するマッハツェンダ干渉計を備える。いくつかのそのような実施形態では、位相シフタが熱位相シフタを備える。いくつかのそのような実施形態では、各マッハツェンダ干渉計の各アームが位相シフタを含む。いくつかのそのような実施形態では、各マッハツェンダ干渉計の１つのアームのみが位相シフタを含む。いくつかのそのような実施形態では各マッハツェンダ干渉計が第１のアームおよび第２のアームを含み、第１のアームおよび第２のアームは等しくない長さである。いくつかのそのような実施形態では、第１のミキサおよび第２のミキサがマッハツェンダ干渉計の一部である。

いくつかの実施形態では、第１のミキサおよび第２のミキサが３ｄＢカプラを備える。

いくつかの実施形態は連続波レーザーからの光を生成することと、連続波レーザーからの光を使用して光パルスを形成することと、光パルスを被試験ファイバに提供することと、後方散乱光を被試験ファイバから受信することと、後方散乱光を信号入力としてコヒーレントレシーバに提供することと、連続波レーザーからの光を局部発振器入力としてコヒーレントレシーバに提供することと、コヒーレントレシーバは信号入力と局部発振器入力とに別個に動作するための光信号経路を有する平面光波回路（ＰＬＣ）を含み、動作は信号入力と局部発振器信号とを第１の偏光状態で混合することと、信号入力と局部発振器信号とを第２の偏光状態で混合することと、混合された信号を均等化することとを含む、分散ファイバセンシングを実行する方法を提供する。

いくつかの実施形態では、コヒーレント受信器に入力される信号がＰＬＣの外部の偏光ビームスプリッタを通過した後方散乱光である。いくつかのそのような実施形態では、コヒーレント受信器への信号入力およびコヒーレント受信器への局部発振器入力が同じ偏光状態にある。

いくつかの実施形態では、混合信号を均等化する動作が位相シフタを有するマッハツェンダ干渉計を使用して実行される。いくつかのそのような実施形態では、位相シフタは熱位相シフタである。いくつかのそのような実施形態では、マッハツェンダ干渉計が不等長のアームを備える。

いくつかの実施形態は分散型ファイバ感知システムのためのコヒーレント受信器を提供し、ここで、連続波レーザーはサーキュレータによって前記コヒーレント受信器に提供される後方散乱光を用いて、ファイバを下る伝搬のための光を生成し、前記コヒーレント受信器は、被試験ファイバからの後方散乱光信号を第１の偏光入力信号および第２の偏光入力信号に分割するための第１の偏光ビームスプリッタと、局部発振器（ＬＯ）信号を第１のＬＯ信号および第２のＬＯ信号に分割するためのビームスプリッタと、ＰＬＣ上にある第１の混合された第２の対の光を第２の電気信号に変換する。

いくつかの実施形態は第１のミキサからの第１の対の信号を均等化するための第１の対の可変光減衰器（ＶＯＡ）と、第１のミキサからの第１の対の信号の光路において第１のミキサと第１の対の平衡フォトダイオードとの間にある第１の対のＶＯＡと、第２のミキサからの第２の対の信号を均等化するための第２の対のＶＯＡとをさらに備え、第２の対のＶＯＡはＰＬＣ上にあり、第２の対のＶＯＡは、第２のミキサからの第２の対の信号の光路において第２のミキサと第２の対の平衡フォトダイオードとの間にある。いくつかの実施形態では、ＶＯＡの第１の対およびＶＯＡの第２の対のそれぞれのＶＯＡが少なくとも１つの位相シフタを有するマッハツェンダ干渉計を備える。いくつかのそのような実施形態では、位相シフタが熱位相シフタを備える。いくつかのそのような実施形態では、各マッハツェンダ干渉計の各アームが位相シフタを含む。いくつかのそのような実施形態では、各マッハツェンダ干渉計の１つのアームのみが位相シフタを含む。いくつかのそのような実施形態では各マッハツェンダ干渉計が第１のアームおよび第２のアームを含み、第１のアームおよび第２のアームは等しくない長さである。いくつかのそのような実施形態では、第１のミキサおよび第２のミキサがマッハツェンダ干渉計の一部である。

いくつかの実施形態はスプリッタへの提示のために局部発振器（ＬＯ）信号の振幅を減衰させるための第１の光減衰器をさらに備え、第１の光減衰器は平面光波回路（ＰＬＣ）上にある。いくつかのそのような実施形態では、第１の光減衰器が可変光減衰器を備える。いくつかのそのような実施形態では、第１の光減衰器が固定光減衰器を備える。

いくつかの実施形態では、ビームスプリッタは偏光ビームスプリッタである。

本発明のこれらおよび他の態様は本開示を検討することにより、より完全に理解される。

図１は、ヘテロダインコヒーレント受信器を有する典型的な位相感応ＤＡＳシステムの概略図である。図２は、光通信集積コヒーレント受信器の合意された一般的な実装の概略図である。図３は、本発明の態様による、分散ファイバ感知システムのための例示的な統合コヒーレント受信器の半概略図である。図４は、熱光学位相シフタを有するマッハツェンダ干渉計に基づく可変光減衰器の半概略図である。図５は、本発明の態様による、代替混合段を有するさらなる例示的な統合コヒーレント受信器の半概略図である。図６は、本発明の態様による、外部偏光スプリッタを有する集積コヒーレント受信器の半概略図である。

本開示は、いくつかの実施形態において、ＤＦＳシステム、ＤＡＳシステムのための統合ヘテロダイン光受信器を論じる。いくつかの実施形態では、光受信器が分散型ファイバ感知システムに現在組み込まれている光受信器と同じまたは同様の機能を提供する。例示的な光受信器の概略図を図３に示す。一般的な機能は、概して、図１に関して説明したものと同じである。

いくつかの実施形態では光学システムが平面光波回路（ＰＬＣ）プラットフォーム上に構築され、これはシリコン、シリコン、窒化シリコン、およびリン化インジウムを含むいくつかの異なる材料で製造することができる。この回路は、３ｄＢカプラや偏光ビームスプリッタなどの機能素子と、相互接続としての光導波路とを含む。

試験中のファイバからの後方散乱光から形成される入力源信号は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３１１ａによって２つの偏光経路に分割され、２つの３ｄＢカプラ３１５ａ、ｂに導かれる。いくつかの実施形態ではＰＢＳがＰＢＳ／回転子であってもよく、ＰＢＳ／回転子は偏光のうちの少なくとも１つの回転も実行する。偏光の回転は同じ偏光を有する偏光経路上の光信号、例えば、ＰＬＣによって画定される平面内の電界を有するＴＥ偏光をもたらし得る。

いくつかの実施形態では（例えば、図１に関して説明したように）光源レーザーからタップされた局部発振器（ＬＯ）信号はまず、可変光減衰器（ＶＯＡ）３１３によって振幅が制御され、次いで、３ｄＢカプラによって偏光された光源信号と混合するために、ＰＢＳ３１１ｂによって２つの偏光経路に分割される。いくつかの実施形態ではＶＯＡは任意であり、いくつかの実施形態では例えば、ＬＯ信号がそこから引き出され得る、図１のスプリッタ１１３の品質に応じて、省略され得る。いくつかの実施形態では例えば、ＰＢＳ／回転子が入力ソース信号のために使用される実施形態ではＰＢＳ３１１ｂが代わりに、光スプリッタであってもよい。いくつかの実施形態ではＬＯ信号が同様の量の光が２つの偏光状態に結合されるように受信器に結合される偏光維持ファイバ（ＰＭＦ）を使用して受信器にもたらされ、例えば、いくつかの実施形態ではＰＬＣの平面に対して４５度のＰＭＦ偏光軸を有する。いくつかの実装形態では、ＥＤＦＡまたは半導体光増幅器（ＳＯＡ）のいずれかである光増幅器がＶＯＡの代わりに、またはＶＯＡに加えて、ＬＯ経路に挿入される。

ミキサとして使用される２つの３ｄＢカプラの出力は、平衡構成でフォトダイオード３１９ａ、ｂに取り出される。ＶＯＡ３１７は局部発振器単独の自己混合に起因する出力電流の成分を最小化するために、各経路上の２つの光検出器上の信号を均等化するために使用され、３ｄＢカプラにおける等しい分割からのわずかな偏差を補償する。この手順、すなわちＶＯＡ３１７の使用は、平衡受信器のための標準である。いくつかの実施形態では、たとえば、ＬＯ信号の自己混合による出力電流の成分が十分に重要でない場合、ＶＯＡは省略され得る。フォトダイオードの電気出力は、いくつかの実施形態では別個のチップであるＴＩＡ３２１ａ、ｂに送られる。

いくつかのプラットフォーム、例えば、シリコンおよびリン化インジウムでは、すべての構成要素をモノリシックに統合することができる。他の実施形態では例えば、シリコンおよび窒化シリコンでは構成要素の一部、特にフォトダイオードは一般に、別々に作製される。これらの構成要素はＰＬＣに組み込まれた適切な光結合機能を用いてＰＬＣに直接取り付けられることがあり、または、自由空間またはレンズを介して結合された光を用いてＰＬＣの近くに取り付けることができる。

ＶＯＡ機能性は、様々な実施形態において様々な方法で達成することができる。

シリコンでは、ＶＯＡが典型的には光路内にｐ－ｎダイオード接合を含む導波路である。ダイオードの順方向バイアスは接合部への電子および正孔の注入を引き起こし、自由キャリア吸収による光損失を増加させる。逆バイアスは電子および正孔を接合から除去し、吸収損失を減少させる。

窒化ケイ素またはシリカなどの受動プラットフォームでは、ＶＯＡが典型的には分岐のうちの少なくとも１つに熱光学位相シフタを有するマッハツェンダ干渉計として製造される。熱光学位相シフタを有するマッハツェンダ干渉計の半概略図を図４に示す。図４において、３ｄＢカプラ４１１は入力光信号を第１のアームおよび第２のアームに分割し、第２の３ｄＢカプラ４１５はアームの端部を結合し、２つの出力を提供する。図４の第１のアームである１つのアーム内の一体型電気ヒータ４１３は、熱光学効果を介して可変位相シフトを提供する。可変位相シフトは、各出力に結合する光の割合を変化させる。一方の出力のみが望まれる場合、他方の出力は、逆反射を回避するように終端される。便宜上、いくつかの実施形態では、ヒータを干渉計の両アームに設けることができる。このようにして、所望の同調を達成するために、より小さい位相シフトを必要とするアームを選択することによって、必要とされる熱出力を最小化することができる。

例えば、マッハツェンダ干渉計を有する実施形態において、１つの位相シフタのみを組み込むことが望ましい場合、いくつかの実施形態において、３ｄＢカプラの一方または両方の分割比は５０：５０以外のものであるように設計することができ、またはいくつかの実施形態において、干渉計アームはわずかに不均等な光学長で作製することができる。このように、１つのアームが可能な製造ばらつきにもかかわらず、所望の光損失範囲を達成するために、小さい正の位相シフトを必要とし、次いで、そのアームのみが位相シフタを必要とすることが、デザインによって決定され得る。このようにして、ＰＬＣへの電気接続の数は、最大電力要件を最小化すると同時に低減され得る。

シリコンにおいてさえ、ＤＡＳ受信器において電流注入装置ではなく熱ＶＯＡ装置を使用することが好ましい場合がある。電流注入は本質的にノイズの多いプロセスであり、減衰は、受信信号を劣化させる望ましくない位相雑音を伴う。逆バイアス動作モードは順方向バイアスよりも効率が低いが、より少ないノイズを生成するという利点を与える。

いくつかの実施形態では、電気的または熱的チューニングの代替が導波路材料の物理的長さおよび屈折率の変化の組み合わせを通して光学的位相シフトを提供することができる電気機械的チューニング要素、例えば圧電要素を使用することである。

受信器の例示的な代替混合段階を図５に示す。図５では、入力信号およびＬＯ信号が図３に関して説明したように、３ｄＢカプラに供給される。例えば、試験中のファイバからの後方散乱光から形成される入力信号は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）５１１ａによって２つの偏光経路に分割され、２つの３ｄＢカプラ５１５ａ、ｂに導かれ得る。同様に、ＬＯは、まず、可変光減衰器（ＶＯＡ）５１３によって振幅が制御され、次いで、ＰＢＳ５１１ｂによって２つの偏光経路に分割され、３ｄＢカプラによって偏光源信号と混合されてもよい。しかしながら、３ｄＢカプラは、３ｄＢカプラ５１５ａ、ｂ、可変位相シフタ５１７、および第２の３ｄＢカプラ５１９ａ、ｂからなるマッハツェンダ干渉計の一部である。混合および平衡機能はマッハツェンダ干渉計に統合され、可変位相シフタ５１７は各マッハツェンダ干渉計のアームのうちの少なくとも１つにある。前述のように、この位相シフタは、熱的、電気的、または電気機械的要素を使用して、位相を調整することができる。このデザインは、別個のＶＯＡの使用と比較して、多くの利点を有し得る。
ｉ．特にマッハツェンダ干渉計がＶＯＡとして使用される場合、よりコンパクトである。
ｉｉ．この構成は自己混合生成物、ＬＯ＊ＬＯおよびｓｉｇｎａｌ＊信号の両方のバランスを同時に達成し、これは、一般に、別個のＶＯＡを使用しては不可能である。
ｉｉｉ．バランスは、減衰ではなく位相シフトを使用して達成され、したがって、出力段を通る光損失は最小限に抑えられる。
ｉｖ．図５は、干渉計の両アームに位相シフタを組み込んだ場合を示している。いくつかの実施形態では、１つのアームのみにチューナブル位相シフタを有することで十分である。多くの場合、例えば、最適な信号バランスを達成するために、一方のアームでは小さな位相シフトが実行されるが、一方向の位相シフトしか利用できないので、他方のアームではより大きなシフトが実行される。例えば、ヒータは一般に、屈折率の正の変化、したがって正の位相シフトのみを引き起こすことができる。位相シフトは一般に、製造時に生じるわずかな不均衡を補正するために使用されるので、どのアームが正の位相シフトを必要とするかを予測することは困難であり、したがって、両方のアームに位相シフタを組み込むことが好都合である。
ｖ．上記ｉｖ．で説明したように、１つの位相シフタのみを組み込むことが望ましい場合、３ｄＢカプラの一方または両方の分割比は５０：５０以外のものであるように設計することができ、または干渉計アームは、わずかに不均等な光学長で作製することができる。このように、いくつかの実施形態では両方のアームに位相シフタを設けることができるが、１つのアームが可能な製造ばらつきにもかかわらず、正の位相シフトを必要とし、次いで、そのアームのみが位相シフタを有することをデザインによって決定することができる。このようにして、ＰＬＣへの電気接続の数は、最大電力要件を最小化すると同時に低減され得る。

いくつかの実施形態では、一体型受信器ＰＬＣの外部にある別個の光学構成要素を使用して偏光分割機能を実行することが好ましい。このようにして、偏光分割及び光損失に関してより良好な性能を得ることができる場合がある。そのような構成の一例が図６に示されており、これは、外部偏光スプリッタ６０９を有する集積コヒーレント受信器の半概略図である。しかしながら、図３の一般的な受信器レイアウトは、外部ＰＢＳ６０９によって分割され、ＰＬＣに入力される入力信号と共に使用される。ＰＬＣ上では、分割入力信号が２つの３ｄＢカプラ３１５ａ、ｂに向けられる。ＬＯ信号はＰＬＣに入力され、いくつかの実施形態では、任意選択の可変光減衰器（ＶＯＡ）３１３によって振幅が制御され、次いで、３ｄＢカプラによって偏光源信号と混合するために、スプリッタ６１１によって２つの経路に分割される。図３の実施形態のように、ミキサとして使用される２つの３ｄＢカプラの出力は、いくつかの実施形態では任意選択であるＶＯＡ３１７を用いて、各経路上の２つの光検出器上の信号を均等化する平衡構成でフォトダイオード３１９ａ、ｂに取り込まれる。フォトダイオードの電気出力は、ＴＩＡ３２１ａ、ｂに送られる。いくつかの実施形態では、図５に関して説明した代替的なレイアウトを代わりに使用することができ、代替的な混合段階が実施される。

外部偏光スプリッタは信号を２つの偏光状態に分離し、これらの偏光状態は、ＰＬＣ上の別個の入力導波路に結合される。ＬＯ信号は、１つの単一導波路上に結合される。２つの信号入力およびＬＯが、各入力上の偏光保持光ファイバを使用して、同じ偏光状態でＰＬＣ上に結合されるように構成することが最も便利である。このようにして、ＬＯ信号は、偏光回転を必要とすることなく、２つのチャネル間で分割され得る。また、ＬＯ信号は偏光保持光ファイバによって搬送され、被試験ファイバからの信号によって経験される程度まで信号劣化を経験しないので、多くの実施形態では、外部ＰＢＳまたは内部ＰＢＳの使用とは対照的に、内部ビームスプリッタの使用で十分である。しかしながら、いくつかの実施形態では、外部ＰＢＳまたは内部（ＰＬＣに）ＰＢＳを使用することができる。

本発明は様々な実施形態に関して議論されてきたが、本発明は本開示によって支持される新規かつ非自明の特許請求の範囲を含むことを認識されたい。

Claims

分散型ファイバ感知システムのためのコヒーレント受信器であって、前記分散型ファイバ感知システムでは連続波レーザーがサーキュレータによってコヒーレント受信器に提供される後方散乱光を用いてファイバを下る伝搬のための光を生成し、前記コヒーレント受信器が、
被試験ファイバからの後方散乱光信号を第１の偏光入力信号および第２の偏光入力信号に分割するための第１の偏光ビームスプリッタと、
局部発振器（ＬＯ）信号を第１のＬＯ信号および第２のＬＯ信号に分割するためのビームスプリッタであって、ＰＬＣ上にあるビームスプリッタと、
前記第１の偏光入力信号と前記第１のＬＯ信号とを混合して第１の対の混合信号を生成するための第１のミキサであって、前記ＰＬＣ上にある第１のミキサと、
前記第２の偏光入力信号と前記第２のＬＯ信号とを混合して第２の対の混合信号を生成するための第２のミキサであって、前記ＰＬＣ上にある第２のミキサと、
前記第１の対の混合信号の光を第１の電気信号に変換するための第１の対の平衡フォトダイオードと、
前記第２の対の混合信号の光を第２の電気信号に変換するための第２の対の平衡フォトダイオードとを含む、
コヒーレント受信器。
前記第１の対の平衡フォトダイオードおよび前記第２の対の平衡フォトダイオードは、前記ＰＬＣに取り付けられる、請求項１に記載のコヒーレント受信器。
前記第１の偏光ビームスプリッタが前記ＰＬＣ上にある、請求項１に記載のコヒーレント受信器。
前記第１の偏光ビームスプリッタは、前記ＰＬＣの外部にある、請求項１に記載のコヒーレント受信器。
前記第１のミキサからの前記第１の対の信号を均等化するための、第１の対の可変光学減衰器（ＶＯＡ）であって、前記第１の対のＶＯＡは前記ＰＬＣ上にあり、前記第１の対のＶＯＡは前記第１のミキサと、前記第１のミキサからの前記第１の対の信号の光路上における前記第１の対の平衡フォトダイオードとの間にある、第１の対の可変光学減衰器（ＶＯＡ）と、
前記第２のミキサからの前記第２の対の信号を均等化するための、第２の対のＶＯＡであって、前記第２の対のＶＯＡは前記ＰＬＣ上にあり、
前記第２の対のＶＯＡは前記第２のミキサと、前記第２のミキサからの前記第２の対の信号の光路上における前記第２の対の平衡フォトダイオードとの間にある、第２の対のＶＯＡと、
をさらに備える、請求項１に記載のコヒーレント受信器。
前記第１の対のＶＯＡおよび前記第２の対のＶＯＡの各ＶＯＡは、少なくとも１つの位相シフタを有するマッハツェンダ干渉計を備える、請求項５に記載のコヒーレント受信器。
前記位相シフタは、熱位相シフタを含む、請求項６に記載のコヒーレント受信器。
各マッハツェンダ干渉計の各アームが位相シフタを含む、請求項７に記載のコヒーレント受信器。
各マッハツェンダ干渉計の１つのアームのみが位相シフタを含む、請求項７に記載のコヒーレント受信器。
各マッハツェンダ干渉計は第１のアームおよび第２のアームを含み、前記第１のアームおよび前記第２のアームは、等しくない長さである、請求項９に記載のコヒーレント受信器。
前記第１のミキサおよび前記第２のミキサは、前記マッハツェンダ干渉計の一部である、請求項６に記載のコヒーレント受信器。
前記第１のミキサおよび前記第２のミキサが３ｄＢカプラを備える、請求項１に記載のコヒーレント受信器。
前記スプリッタへの提示のために、前記局部発振器（ＬＯ）信号の振幅を減衰させるための第１の光減衰器をさらに備え、前記第１の光減衰器は、前記平面光波回路（ＰＬＣ）上にある、請求項１に記載のコヒーレント受信器。
前記第１の光減衰器が可変光減衰器を備える、請求項１３に記載のコヒーレント受信器。
前記第１の光減衰器が固定光減衰器を備える、請求項１３に記載のコヒーレント受信器。
前記ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタである、請求項１に記載のコヒーレント受信器。
分散型ファイバセンシングを実行する方法であって、
連続波レーザーから光を発生すること、
前記連続波レーザーからの光を用いて光パルスを形成すること、
被試験ファイバへ前記光パルスを供給すること、
前記被試験ファイバからの後方散乱光を受信すること、
コヒーレント受信器への信号入力として後方散乱光を提供すること、及び、
前記コヒーレント受信器への局部発振器入力として連続波レーザーからの光を提供すること、
を含み、
前記コヒーレント受信器が
第１の偏光状態および第２の偏光状態で前記信号入力および前記局部発振器入力に対して別々に動作するための光信号経路を有する平面光波回路（ＰＬＣ）を含み、
前記動作には前記第１の偏光状態で前記信号入力および前記局部発振器信号を混合することと、前記第２の偏光状態で前記信号入力および前記局部発振器信号を混合することと、混合された信号を均等化することとを含む、
方法。
前記コヒーレント受信器への前記信号入力は、前記ＰＬＣの外部の偏光ビームスプリッタを通過した前記後方散乱光である、請求項１７に記載の方法。
前記コヒーレント受信器への前記信号入力と、前記コヒーレント受信器への前記局部発振器入力とは、同じ偏光状態にある、請求項１８に記載の方法。
前記混合された信号を均等化する前記動作は、位相シフタを有するマッハツェンダ干渉計を使用して実行される、請求項１７に記載の方法。