JP6211542B2 - センシングシステム及びそのようなシステムに用いるための少数モード光ファイバ - Google Patents

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関連出願の説明

本出願は２０１２年２月２１日に出願された米国特許出願第１３/４０１２３９号の優先権の恩典を主張する。本明細書は上記特許出願の明細書の内容に依存し、上記特許出願明細書の内容は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に関し、特に分布ブリルアンセンシングシステム及びそのようなシステムに用いるための少数モードセンシング光ファイバに関する。

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、また船舶及び航空機の、構造完全性を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にとって魅力がある。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率測定（ＢＯＴＤＲ）である。この手法は、高強度パルスから散乱される自然ブリルアン光が時間の関数として記録される、レイリー散乱利用ＯＴＤＲによく似ている。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、散乱信号の周波数分布がそれぞれの時間ステップについて測定される。従来のＯＴＤＲと同様に、ＢＯＴＤＲでは単ファイバ端へのアクセスしか必要ではなく、これは多くの用途に対して便宜が良い。しかし、ＢＯＴＤＲの空間分解能は実用上１ｍに制限される。

ブリルアン光時間ドメイン解析（ＢＯＴＤＡ）を利用する別の光ファイバセンシングシステムがある。この手法は、高強度ポンプパルス光が伝搬中に弱い対向伝搬連続波（ＣＷ）プローブ光と相互作用する、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。時間ドメインにおいてプローブ振幅を記録することによって、それぞれの場所においてプローブ光が受ける利得を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−プローブ周波数に対して局所振幅を検索することができる。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り、局所利得スペクトルを再構成することができる。ＢＯＴＤＡでは、センシングファイバ内でポンプパルス光とＣＷプローブ光を対向伝搬させなければならないから、光ファイバの両端へのアクセスが必要であり、これはいくつかの状況では不利である。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及び（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にともなうブリルアン利得スペクトル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。

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る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、ポンプ光によってある偏波で音響波が発生され、ポンプ光とは異なる光周波数にある直交偏波プローブ光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分布歪が１０ｃｍの空間分解能で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減衰が大きく、高価である。加えて、偏波保存単一モード光ファイバシステムに必要なセンシング方式には偏波保存コンポーネントが必要であり、これはセンシングシステムのコスト及び複雑さをさらに高める。さらに、長い（すなわち、数ｋｍ以上の）ファイバにわたって与えられた偏波を維持することは困難であり、これはセンシングシステム長を制限する。

したがって、空間分解能が改善された低コスト光ファイバセンシングシステム及びそのようなシステムとともに用いるためのファイバが必要とされている。

本開示の一実施形態は少数モード多セグメントコア及びコアを囲む少なくとも１つのクラッド層を有するセンシング光ファイバである。コアは１００μｍ^２から３５０μｍ^２のＦ因子を有し、（ｉ）０.７より大きい基本光学導波モードと基本音響導波モードの間の重なり積分及び（ii）少なくとも０.４５のＬＰ１１光学導波モードと基本音響導波モードの間の重なり積分を提供すように構成される。コア半径は４μｍから２０μｍであることが好ましく、ＬＰ１１光学導波モードとＬ０１基本音響導波モードの間の重なり積分は少なくとも０.４５であることが好ましく、少なくとも０.５であることがさらに好ましい。いくつかの実施形態例において、ＬＰ１１光学導波モードと基本音響導波モードの間の重なり積分は少なくとも０.６である。

いくつかの実施形態において、センシングファイバのＬＰ０１光学モードに対する光学実効面積Ａ_実効は、１５５０ｎｍにおいて、少なくとも１００μｍ^２、いくつかの実施形態において少なくとも１２０μｍ^２、いくつかの実施形態において１５０μｍ^２以上である。いくつかの実施形態において、センシングファイバは少なくとも２つのコアセグメントを有し、２つのコアセグメントの屈折率デルタの間の差は、Δ_１−Δ_２＞０.０５％である。いくつかの実施形態において、２つのコアセグメントの屈折率デルタの間の差は少なくとも０.１５％である。いくつかの実施形態において、ＬＰ１１光学導波モードとＬ０１音響モードの間の重なり積分は０.７より大きく、０.８より大きいことが好ましい。

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。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る。センシングファイバは、（ｉ）０.７より大きい基本光学導波モードと基本音響導波モードの間の重なり積分及び（ii）少なくとも０.４５のＬＰ１１光学導波モードと基本音響導波モードの間の重なり積分を有するように構成される。システムは、ポンプ光導波モードを定めるためにポンプ光を導波モードの１つに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にポンプ光導波モードとは異なる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り相互に周波数がシフトされる。システムはセンシング光ファイバに光結合された受信器も備える。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有する。

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。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備える。センシングファイバは、（ｉ）０.７より大きい基本光学導波モードと基本音響導波モードの間の重なり積分及び（ii）少なくとも０.４５のＬＰ１１光学導波モードと基本音響導波モードの間の重なり積分を有するように構成される。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のポンプ光源は第１の導波モードでセンシング光ファイバ内を進み、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に光結合されたプローブ光源も備える。プローブ光源は第２の導波モードで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し、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結合され、反射プローブ光を受け取って局所ブリルアン周波数及び反射場所を、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。

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添付される特許請求の範囲を、また添付図面も、含む本明細書に説明されるようにこれ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は、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てい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、本明細書に組み入れら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のシステムのための一例の受信器の略図である。 図３Ｂは図１Ｂに示されるシステム構成のプローブ光源及び受信器の部分の例の略図である。 図４Ａは、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内に形成された、ＢＤＧについての一構成例を示す、センシング光ファイバの入力／出力端の略図である。 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法に進む第１及び第２のポンプ光が用いられている一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場合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。 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場合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。 図６Ａは対照センシング光ファイバの簡略な屈折率プロファイルである。 図６Ｂはセンシング光ファイバの実施形態に対する２つの屈折率プロファイル例を簡略に示す。

それらの例が添付図面に示される、本開示の実施形態がここで詳細に参照される。可能であれば必ず、同様の参照数字が同様のコンポーネントまたはパーツを指して用いられる。図面のいくつかには参照としてデカルト座標（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」への言及は必ずしも最低次導波モード及び第一次導波モードを指しておらず、むしろ、より一般には利用できる導波モードの内の相異なるモードのそれぞれを指すとされる。

同じく以下の議論において、技術上普通に用いられるような、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（Δ％）と（光ファイバの中心線から測られた）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：術語Δは式：
Δ(％)＝１００×(ｎ_ｍ ^２−ｎ_ｒ ^２)/２ｎ_ｉ ^２
で定められる屈折率の相対尺度である。ここで、ｎ_ｍはｍと表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_ｒは基準（例えばクラッド層の）屈折率である。このセグメント内の全ての点は、随伴する、基準屈折率に対して測定された相対屈折率を有する。

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５２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光カプラ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有する。受信器１００の一例が以下でかなり詳細に論じられる、
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への光結合は多モード光ファイバＦの異なる区間及び多モード１×２−５０：５０光ファイバカプラ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及び多モードカプラ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でつくられる。すなわち、一実施形態において、ポンプ光源２０は第１の光ファイバ区間Ｆ１を介して第１の光カプラ４０-１に光結合され、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区間Ｆ２及びＦ３を介して、第２の光カプラ４０-２に光結合される。第２の光カプラ４０-２は第４の光ファイバ区間Ｆ４を介して第１の光カプラ４０-１に光結合される。第１の光ファイバカプラ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を用いるファイバレーザ２４及び光ファイバ増幅器２６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。ポンプ光の波長λ_１は５００〜１６００ｎｍの範囲とすることができる。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、ポンプ波長帯域の外側の自然放出光をフィルタリングするため、波長可変フィルタ２７を有する。

図２Ａは、単一モードファイバ６０がカプリング部材７０を用いて多モード光ファイバ区間Ｆ１に光結合されている例を示す。一例において、カプリング部材７１は光ファイバＦ１に基本モードを励起するための単なる接合である。別の例において、カプリング部材７０は光ファイバ区間Ｆ１に特定のモードを入射す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は、位相板のような自由空間利用素子または長周期ファイバグレーティング、例えば傾斜型ブラッググレーティング、のようなファイバ利用素子を有することができる。

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、様々な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源を有する、すなわちＣＷポンプ光２２を発生する。別の例において、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はレーザ、例えば狭線幅波長可変レーザ３４を有する。図２Ｂは図２Ａと同様であり、適するように構成された単一モード光ファイバ６０に基づく波長可変ファイバレーザ３４及び光ファイバ増幅器３６を有する。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区間Ｆ２に光結合される。この構成により、センシング光ファイバ５０の選ばれた導波モードを用いてプローブ光３２をサポートすることが可能になる。別の例において、長周期グレーティング（例えば、傾斜型ファイバブラッググレーティング）利用光学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、ファイバ区間Ｆ１及びＦ２を介して光カプラ４０に光結合される。光カプラ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に光ファイバ区間Ｆ３を介して光結合される。光ファイバ区間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。光ファイバ区間Ｆ５がポートＰ３を受信器１００に光接続する。システム１０のこの構成によって、ポンプ光２２及びプローブ光３２を光カプラ４０において結合し、光ファイバ区間Ｆ３，サーキュレータ４２及び光ファイバ区間Ｆ４を介して、センシング光ファイバ５０に導くことが可能になる。次いで、反射プローブ光３２Ｒがセンシング光ファイバ５０の入力／出力端５２から、光ファイバ区間Ｆ４，サーキュレータ４２及び光ファイバ区間Ｆ５を介して、受信器１００に導かれる。

図１Ａ及び１Ｂを、また図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接続された多周波数（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有する。

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拡大図である。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を有するとして示され、５０：５０光カプラ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。光カプラ４０は。波長可変フィルタ２７を有する単一モード光ファイバ区間６０に光接続され、プローブ光源３０の波長可変レーザ３４に光結合された光ファイバ区間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に対する参照光（すなわちプローブ光３２の一部）を発生するための局所発振器を定める。

例として、光ファイバ区間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を介して光ファイバ区間Ｆ２にプローブ光が結合される前に、ＣＷ波長可変レーザ３４からのＣＷプローブ光３２を光変調してパルスプローブ光を発生するためにはたらく光変調器３６を有する、プローブ光源３０が示される。

（多モード）光ファイバ区間Ｆ５と単一モード光ファイバ区間６０の間にあるモードコンバータ７１は、反射プローブ光がセンシング光ファイバ５０内でＬＰ１１導波モードにあれば、反射プローブ光３２ＲをＬＰ１１導波モードからＬＰ０１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ＬＰ０１導波モードにあれば、必要ではない。反射プローブ光３２Ｒだけを通過させ、他の反射光は全てフィルタリングするため、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の一般的動作において、ポンプ光源２０によって発生されたポンプ光２２はファイ１の光ファイバ区間Ｆ１を通って第１の光カブラ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。ポンプ光２２は次いで１つの導波モードだけでセンシング光ファイバ５０内を進む。

次に図４Ａも参照すれば、この実施形態において、ポンプ光２２のパワーが誘導ブリルアン散乱（ＳＢＳ）閾値に達するとセンシング光ファイバ５０内に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）が発生される。ＳＢＳ波の周波数はポンプ光周波数ν_１から減シフトされる。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と呼ばれ、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）：

で与えられる。ここで、λ_１はポンプの光波長であり、ｎ_ｉは次数ｉの光学導波モードの実効屈折率であり、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の単パルスプローブ光２１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）で送られると、位相整合条件が満たされていれば、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、ＢＤＧ５４により周波数ν_２−ν_Ｂの信号が反射される。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に点線で囲んで示される、第２のポンプ光源２０’を用いる別の実施形態のシステム１０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_Ｉ（波長λ_Ｉ）の狭線幅ポンプ光２２とポンプ光源２０’からの周波数ν’_Ｉ（波長λ’_Ｉ）の狭線幅ポンプ光２２’はセンシング光ファイバ５０内を対向伝搬してＢＤＧ５４を発生する。ポンプ光波長は５００ｎｍから１６００ｎｍの範囲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の、１５００ｎｍから１６００ｎｍの波長範囲にある。

周波数差(ν_Ｉ−ν’_Ｉ)がブリルアン周波数シフトν_Ｂに一致すると、ＢＤＧ５４がセンシング光ファイバ５０内に発生する。単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の光ファイバ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とポンプ光２２’が光学導波モードｉで送られて、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モードｊで送られると、位相整合条件が満たされていれば、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）を満たしているか、あるいはプローブ光３２とポンプ光２２の間の波長変化が式（２ａ）を満たしていれば、ν_２−ν_Ｂの信号がＢＤＧ５４で反射される。

いずれの実施形態においても、局在化されて、ナノ秒パルス幅を有し、ポンプ光２２とは異なる導波モードでサポートされる、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センシング光ファイバ５０に沿って走査される、安定なＢＤＧ５４を狭帯域ブリルアン利得によって（狭帯域ＢＤＧも）形成することができる。

図１Ａ及び図１Ｂに示されるようなシステム１０の実施形態がシステムの動作の全般的原理を説明する実施形態例であること、及び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。

異なる導波モードによって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では、プローブ上３２とは異なる導波モードでポンプ光２２が進む。一例において、ポンプ光２２はプローブ光３２の導波モードよりも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呼ぶことができる。図５Ａは、ポンプ光２２がプローブ光３２に対する導波モードよりも低い次数を有する導波モードでサポートされてい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の導波モードよりも高次の導波モードでサポートされる。図５Ｂは次５Ａと同様であり、ポンプ光２２がプローブ光に対する導波モードよりも高い次数を有する導波モードでサポートされてい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。

一例において、ポンプ光２２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だけでなく複数の他の導波モードでサポートされる。

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。したがって、反射プローブ光３２Ｒのピーク周波数は温度及び歪にともなって変化する。すなわち、式（３）：

及び式（４）：

にしたがう。ここで、Ｃ_ＴはＭＨｚ/℃を単位とする温度係数、Ｔは℃を単位とする温度、ν_Ｂ０は基準ブリルアン周波数、Ｃ_εはＭＨｚ/μεを単位とする歪係数、εは歪である。

したがって、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ことにより、ＢＤＧ５４を用い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を評価することができる。ＢＤＧの狭いスペクトル帯域幅のため、高分解能センシングを達成することができる。その上、プローブ光３２は比較的短いパルス幅を有し得るから、高い空間分解能が得られる。

歪と温度の同時測定
上述したように、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。したがって、反射プローブ光３２Ｒのピーク周波数変化（またはｍブリルアン周波数シフトの変化）の温度変動（δＴ）及び歪変動（δε）にともなう変化も式（３Ａ）：

で表すことができる。ここで、Ｋ_ν ^Ｔは温度係数、Ｔは℃を単位とする温度、Ｋ_ν ^εは歪係数、εは歪である。

少数モードファイバ（ＦＭＦ）の２つのファイバモード間の実効屈折率差は歪及び温度にともな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相関する。ポンプ光とプローブ光の間の波長差（本明細書においてはポンプ光とプローブ光の間の波長離隔とも称される）の、歪変動（δε）及び温度変動（δＴ）にともなう変化(Δλ＝λ_１−λ_２)は式（４Ａ）：

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（３Ａ）及び（４Ａ）を解くことにより、歪変動及び温度変動が式（４Ｂ）：

で与えられる。ここで：

であれば、行列方程式（４Ｂ）について解が存在する。すなわち、分布する歪及び温度の同時測定を達成することができる。

したがって、プローブ光３２と反射光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離隔を測定することにより、ＢＤＧ５４を用いて、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みを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温度及び歪の同時測定は、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離隔を測定することにより、ＢＤＧ５４を用いて同時評価することができる。その上、プローブ光３２は比較的短いパルス幅を有し得るから、高い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の入射から反射プローブ光３２Ｒの受光までの時間、ｎ_ｇはプローブ光３２が入射す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）：

と表される。τ＝１００ｎｓのプローブ光パルス幅はΔＺ＝１０ｍの空間分解能に相当する。１ｍより短い空間分解能を得るためには、プローブ光パルス幅τを１０ｎｓより短くすべきである。様々な実施形態において、プローブ光パルス幅は、０.１ｎｓから５ｎｓの間及び０.１ｎｓから１ｎｓの間である。

対向伝搬するポンプ光２２及び２２’を用いる第２の実施形態において、２本のポンプ光ビームは、２つの短い対向伝搬パルスが時間ドメイン内で重なる場所において広帯域ブリルアン利得を有する安定なＢＤＧ５４（すなわち、広帯域ＢＤＧ５４）を発生するように選ばれた、短いポンプ光パルスを有する。

この場所のセンシング光ファイバ５０の入力／出力端５２殻の距離は式（７）：

で与えられる。ここでΔｔはポンプ光パルス２２と２２’の入射間の時間遅延である。空間分解能ΔＺは長いポンプパルスのパルス幅τ_ｓによって決定され、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、スペクトル帯域幅が狭いポンプ光３２を用いることができる。測定された反射プローブ光３２Ｒの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。これにより、狭線幅プローブ光３２を用いて反射プローブ光３２Ｒのスペクトル幅が狭い測定スペクトルを得ることが可能になり、この結果、比較的高い感度の温度及び歪の測定が可能になる。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い空間分解能ΔＺ及び高い測定感度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Ｚ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。

ポンプパワー及び反射プローブパワーの時間的変化
ポンプ光２２及び反射プローブ光３２Ｒの光パワーの時間的変化は非線形マクスウエル方程式を解くことによって得ることができる。この結果は、パワー変化が因子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。因子Ｆは、ポンプ光、プローブ光及び音響波の間の相互作用の効率に関係付けられ、式（９）：

で定められる。ここで、I_u ^pp及びI_u ^ssはそれぞれ、式（１０）：

及び式（１０ａ）：

で定められる、（それぞれ、音響場とのポンプ光及び音響場とプローブ光との）重なり積分であり、Ａ_実効 ^pp及びＡ_実効 ^ssはそれぞれ、式（１１）：

及び式（１１ａ）：

で定められる、ポンプ光及びプローブ光に対する光学実効面積である。

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た音響場であり、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のパワー伝搬にどれだけ大きな影響を与えるかを示し、センシング光ファイバ５０の設計を特定のセンシング用途に最適化するために用いることができる。一般的に言って、Ｆの値が小さくなることは、ＢＤＧ５４，ポンプ光２２及びプローブ光３２の間の相互作用の効率が高くなることを意味する。

Ｆ因子を改善するため、ポンプ光及びプローブ光の実効面積を減じるかまたは重なり積分を大きくすることができる。しかし、出願人等は、プローブ光の実効面積が小さすぎると、用いられ得るプローブ光パワーの大きさを制限し得る自己位相変調の非線形効果が重要になることを見いだした。出願人等は、プローブ光の実効面積を大きくし、同時にＬＰ０１と基本音響モードＬ０１の間の重なり積分を大きくすることが可能である（また望ましい）ことを見いだした。出願人等は、意外にも、ＬＰ１１光学モードと基本音響モードＬ０１の間の重なり積分が（例えば、０.５以上に）大きくなると、ＢＯＴＤＲ応用に対するファイバ性能が大きく改善されることも見いだした。したがって、ＬＰ１１モードと基本音響モードの間の重なりを改善するようにセンシング光ファイバ５０のファイバコアを設計することが好ましい。例えば、少数モード「環形」（少数モードコアの外側部分が内側コア部分より大きな屈折率を有する）コアプロファイルをもつセンシング光ファイバ５０の一実施形態は、（図６Ａに示されるプロファイルのような）ステップ型屈折率プロファイルを有する少数モードコアをもつファイバよりかなり高い性能を有する。センシング光ファイバのＦ因子は１００〜３５０μｍ^２，例えば、１５０μｍ^２≦Ｆ≦３５０μｍ^２であることが好ましい。

さらに詳しくは、図６Ａに示される単純なステップ型コアプロファイルをもつ少数モードファイバは、基本光学モードＬＰ０１と基本音響モードの間に大きな重なりを有する。しかし、ＬＰ１１光学モードと基本音響モード（Ｌ０１）の間の重なり積分は約０.４に制限される。意外にも、ＬＰ１１光学導波モードと基本音響導波モードの間の）重なり積分が０.４５以上の少数モードファイバは、ＬＰ１１光学（プローブ）モードと基本音響モードの間の重なりが小さいファイバよりもかなり高い性能を有する。例えば、出願人等はＬＰ１１光学モードとＬ０１音響モードの間の重なり積分が０.５のセンシング光ファイバ５０は、ステップ型屈折率設計の同様のファイバより約２０％から約３０％性能が高く、ＬＰ０１プローブ光モードとＬ０１音響モードの間の重なり積分が０.６以上であると、ステップ型屈折率プロファイル多モード（ＭＭ）ファイバ設計の性能に対して約５０％以上の性能改善が得られることを見いだした。ＬＰ１１光学モードとＬ０１音響モードの間のそのような大きい重なり積分の結果、さらに高いＤＢＧ効率、したがってさらに高いＢＯＴＤＲシステム効率が得られる。

センシング光ファイバの設計例
一例において、センシング光ファイバ５０は、高次導波モードのカットオフ波長を大き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。そのような実施形態において、センシング光ファイバ５０はＬＰ１１モードとＬ０１音響モードの間の重なり積分を最大化するように構成される。例えば、図６Ｂに示される屈折率プロファイルをもつファイバ５０において、ＬＰ１１モードとＬ０１音響モードの間の重なり積分は０.５より大きく、好ましくは０.６より大きく、この結果、高いＤＢＧ効率が得られる。これらの実施形態において、ＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードのいずれの実効面積も１５５０ｎｍにおいて１２０μｍ^２より大きいことが好ましい。さらに、以下の実施形態において、センシング光ファイバ５０の基本光学モードＬＰ０１と基本音響モードＬ０１の間の重なり積分は少なくとも０.７であり、０.７５以上であることが好ましく、０.８以上であることが最も好ましい。出願人等は、ポンプ光及びプローブ光のモードと音響モードの間で大きな重なり積分を達成することが、ＢＯＴＤＲ効率を向上させるから、有利であることを見いだした。さらに、基本モード（ＬＰ０１）及びＬＰ１１モードの１５５０ｎｍにおける大きな実効面積Ａ_実効が望ましくない非線形効果の低減に役立つ。

図６Ｂはセンシング光ファイバ５０のため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はセグメントコアであり、少なくとも２つのセグメント５６Ａ及び５６Ｂを有する。さらに詳しくは、図６Ｂに示される実施形態において、内部コアセグメント５６Ａは最大屈折率デルタΔ_１及び外半径ｒ_１を有し、外部コアセグメント５６Ｂは最大屈折率デルタΔ_２及び外半径ｒ_２を有し、Δ_１＜Δ_２である。Δ_１は、クラッド層５８に対して、０〜０.４％の間であることが好ましく、０〜０.３％の間であることがさらに好ましい。外部コアセグメント５６Ｂの相対屈折率デルタ（Δ_２）は、クラッド層５８に対して、０.２〜１％（例えば、０.２％≦Δ_２≦０.６％）であり、さらに好ましくは０.３〜０.５％（すなわち、０.３％≦Δ_２≦０.５％）である。外部コア半径ｒ_２は４から２０μｍの間であることが好ましく、５から１０μｍの間であることが一層好ましく、６から９μｍの間であることがさらに好ましく、６.５から８.７μｍの間であることがさらに一層好ましく、内部コア半径ｒ_１は、例えば０.３から６μｍであり、例えば０.３から３μｍである。センシング光ファイバ５０において、コアの２つのセグメントの間の屈折率デルタの間の差はΔ_２−Δ_１＞０.０５％、例えば、０.０５％≦Δ_２−Δ_１≦１.０％であることが好ましい。以下の実施形態例においては、Δ_２−Δ_１＞０.１５％、例えば、０.１５％≦Δ_２−Δ_１≦０.５５％である。３μｍ≦ｒ_２−ｒ_１≦９μｍであることが好ましい。

コア５６はＧｅドープとすることができる。コアのΔ_１及びΔ_２並びに半径ｒ_１及びｒ_２に対する値を適切に選ぶことにより、望ましい数の光学導波モードをサポートすることができる。下の表２は８つの設計例を示す。これらの実施形態において、基本光学モードと音響Ｌ０１モードの間の重なり積分は０.７より大きく、光学ＬＰ１１モードと音響Ｌ０１モードの間の重なり積分は０.５より大きい（これらの実施形態例において、ＬＰ１１光学モードはプローブ光に対応し、ＬＰ０１光学モードはポンプ光に対応する。しかし、プローブ光の伝搬にＬＰ０１光学モードを用いることができ、ポンプ光の伝搬にＬＰ１１光学モードを用いることもできる）。ＬＰ０１光学モード及びＬＰ１１光学モードのいずれの実効面積も１２０μｍ^２より大きいことが好ましい。表２のセンシング光ファイバ５０のＦ因子は１５０μｍ^２と３００μｍ^２の間にある。表２のセンシング光ファイバ５０の実施形態においては、０.１５％≦Δ_２−Δ_１≦０.５５％及び３.５μｍ≦ｒ_２−ｒ_１≦８.５μｍである。

さらに詳しくは、下の表２はセンシング光ファイバ５０に対する８つの設計例の総括を示す。内部コアΔは０.０％〜０.３％の範囲にあり、外部コアΔは０.３３％〜０.５１％の間にある。これらの実施形態において、コアの外半径（ｒ_２）は７.５〜８.５μｍの間にある。設計例１及び２は３つの導波モードを有し、設計例３〜８は2つの導波モード，ＬＰ０１及びＬＰ１１を有する。表２の全ての設計例について、基本光学導波モードＬＰ０１と基本音響導波モードＬ０１の間の重なり積分は０.７４と０.９６の間であり、光学導波モードＬＰ１１と基本音響導波モードＬ０１の間の重なり積分は約０.５と０.６５の間である。これらの設計例においては、ポンプ光２２の導波に光学導波モードＬＰ０１が用いられて、プローブ光３２は光学導波モードＬＰ１１で導波される（しかし、光学導波モードＬＰ０２及び／またはＬＰ２１で導波されることもできる）。あるいは、プローブ光の導波に光学導波モードＬＰ０１が用いられて、ポンプ光は光学導波モードＬＰ１１で導波されることができる（しかし、光学導波モードＬＰ０２及び／またはＬＰ２１で導波されることもできる）。プローブ光３２を送るために光次導波モードの組合せが用いられる場合、反射プローブ光３２は異なる波長に複数のピークを有するであろう。

本開示を実施形態及びそれらの特定の例を参照して本明細書に示し、説明したが、他の実施形態及び例が同様の機能を果たし、及び／または同様の結果を達成できることが、同業者には容易に明らかであろう。そのような等価な実施形態及び例は全て、本開示の精神及び範囲の内にあり、また添付される特許請求の範囲によって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
２４，３４ 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
３６ 光変調器
４０，４０-１，４０-２ 多モード光ファイバカプラ
４２ 光サーキュレータ
５０ センシング光ファイバ
５２ 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）
５６ コア
５８ クラッド層
６０ 単一モードファイバ
７０ カプリング部材
７１ モードコンバータ
８０ 光結合光学系
１００ 受信器
１０２ 光検出器ユニット
１０４ プロセッサユニット（プロセッサ）
１０６ メモリユニット（メモリ）
１１０ 平衡光検出器
１１２ 平衡コヒーレント検出器
Ｆ 多モード光ファイバ
Ｆ１，Ｆ２，Ｆ３，Ｆ４，Ｆ５，Ｆ６ 光ファイバ区間
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３ （光サーキュレータの）ポート

Claims (10)

1. センシング光ファイバにおいて、
   一方のコアセグメントが他方のコアセグメントに囲まれている、少数モード多セグメントコア、及び
   前記コアを囲む少なくともとも１つのクラッド層、
   を有し、
   前記コアが、１００μｍ^２から３５０μｍ^２のＦ因子（μｍ^２）を有し、
   （ｉ）０.７より大きい基本光学導波モードと基本音響導波モードの間の重なり積分、及び
   （ii）少なくとも０.４５のＬＰ１１光学導波モードと基本音響導波モードの間の重なり積分、
   を与えるように構成されていている、
   ことを特徴とするセンシング光ファイバ。
2. センシング光ファイバにおいて、
   第１のコアセグメントが別のコアセグメントで囲まれている、少数モード多セグメントコア、及び
   前記コアを囲む少なくともとも１つのクラッド層、
   を有し、
   前記第１のコアセグメントの屈折率デルタが前記別のコアセグメントの屈折率デルタより小さく、
   前記コアが、４μｍ≦ｒ≦２０μｍのコア半径及び１００μｍ^２から３５０μｍ^２のＦ因子（μｍ^２）を有し、
   （ｉ）０.７より大きい基本光学導波モードと基本音響導波モードの間の重なり積分、及び
   （ii）少なくとも０.４５のＬＰ１１光学導波モードと基本音響導波モードの間の重なり積分、
   を与えるように構成されている、
   ことを特徴とするセンシング光ファイバ。
3. ＬＰ１１光学導波モードと基本音響導波モードの間の前記重なり積分が少なくとも０.６であることを特徴とする請求項２に記載のセンシング光ファイバ。
4. ＬＰ０１光学モードに対する１５５０ｎｍにおける実効面積Ａ_実効が≧１００μｍ^２であることを特徴とする請求項２または３に記載のセンシング光ファイバ。
5. 前記コア半径が４μｍから１０μｍであり、前記コアセグメントの屈折率デルタ間の差がΔ_２−Δ_１＞０.０５％であることを特徴とする請求項２に記載のセンシング光ファイバ。
6. （ｉ） Δ_１＜Δ_２、
   （ii） 前記クラッド層に対して、Δ_１が０から０.５％の間にある、及び
   （iii）Δ_２が０.２から１％の間にある、
   ような、最大屈折率デルタΔ_１を前記第１のコアセグメントが有し、最大屈折率デルタΔ_２を前記別のコアセグメントが有することを特徴とする請求項２に記載のセンシング光ファイバ。
7. 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、
   請求項１、２、または５に記載の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、
   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以外の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、
   を備え、前記反射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って周波数がシフトされることを特徴とする光ファイバセンシングシステム。
8. 前記センシング光ファイバ内の温度及び歪の内の少なくとも１つを前記センシング光ファイバに沿う距離の関数として決定するように構成されている受信器をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の光ファイバセンシングシステム。
9. 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、
   少なくとも第１の導波モード及び第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であって、
   （ｉ）０.７より大きい基本光学導波モードと基本音響導波モードの間の重なり積分、及び
   （ii）少なくとも０.４５のＬＰ１１光学導波モードと基本音響導波モードの間の重なり積分、
   を与えるように構成されたコアを有する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であって、そ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、波長を有する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、及び
   前記センシング光ファイバに光結合され、前記ブリルアンダイナミックグレーティング（ＢＤＧ）から反射されたパルス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、
   前記少なくとも１つの状態は温度及び歪の内の少なくとも１つを前記センシング光ファイバの入力／出力端からの距離の関数として含む、
   ことを特徴とする光ファイバセンシングシステム。
10. （ｉ）前記第１の導波モードが前記センシング光ファイバの基本導波モードであり、前記第２の導波モードが前記センシング光ファイバの高次導波モードである、及び／または
    （ii）１ｃｍ≦ΔＺ≦１ｍの範囲にある空間分解能ΔＺで、前記少なくとも１つの状態をセンシングする、
    ことをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の光ファイバセンシングシステム。

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