JP7247446B2 - マルチコア光ファイバセンシングシステム - Google Patents

Description

本発明は、マルチコア光ファイバセンシングシステムに関する。

光ファイバの曲げの量と方向を同時に測定する手法として、マルチコア光ファイバを利用した手法が提案されている。その一例として、例えば、マルチコア光ファイバに分布型ブリルアン計測を適用した手法が開示されている（特許文献１参照）。光ファイバに曲げが加わると各コアで異なる歪みが加わることから、ブリルアン散乱光の周波数の変化に違いが生じる。この周波数の違いから、曲げの方向と量を算出している。

特開２０１６－１０２６９１号公報

しかしながら、上記した従来例のように、マルチコア光ファイバとブリルアン散乱を利用する手法では、一般にブリルアン散乱を利用した計測の空間分解能が数m程度であることから、測定分解能が制限される。更に、高空間分解能を得るためには、極めて複雑な制御機構が必要となる。

また、曲げが加わっていないときの反射波長が同じ回折格子を使う場合、従来手法では、光源とマルチコア光ファイバの各コアとを結ぶ光路を光スイッチ等の使用で切替えることにより、各回折格子を識別していたが、スイッチの利用はシステム構成を複雑にする。

曲げが加わっていないときの反射波長が異なる回折格子を使う場合は、広帯域な光源を利用すると共に、マルチコア光ファイバにかきこまれた全ての回折格子からの反射光スペクトルを一括測定することが可能であり、切替のスイッチは不要になるが、マルチコア光ファイバの各コアに異なる回折格子を作製するのは、各コアで同じ回折格子を作製するのに比べて難しい。

本発明は、曲げが加わっていないときに同じ反射波長をもつ回折格子が作製されたマルチコア光ファイバを用いた構成において、スイッチ等のデバイスを用いることなく、簡単に曲げの方向と曲げの量を測定できるようにすることを目的とする。

第１の態様に係るマルチコア光ファイバセンシングシステムは、複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、各々の前記コアに作製され、前記マルチコア光ファイバに曲げが加わっていないときに互いに同じ反射波長を持つ回折格子と、変調信号により強度変調された光を発生する光源と、前記光源からの光を各々の前記コアに分岐させると共に、前記回折格子で反射されて戻ってきた光を合波する分岐・合波素子と、前記光源からの光を前記分岐・合波素子に通すと共に、前記回折格子で反射された前記分岐・合波素子からの戻り光を別のポートに通すサーキュレータと、前記サーキュレータから出てきた戻り光を変調する強度変調器と、前記光源の変調周波数を制御すると共に前記強度変調器の変調周波数を制御する信号発生器と、前記強度変調器通過後の戻り光を受光し、強度相関信号を出力する光検出器と、前記信号発生器の制御、及び前記光検出器からの信号処理を行う制御部と、を有し、前記光源から各々の前記コアまでの光路長が互いに異なる。

第２の態様に係るマルチコア光ファイバセンシングシステムは、複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、各々の前記コアに作製され、前記マルチコア光ファイバに曲げが加わっていないときに互いに同じ反射波長を持つ回折格子と、互いに異なる波長の光であって変調信号により互いに同一の周波数で強度変調された光を発生する第１光源及び第２光源と、前記第１光源及び前記第２光源の変調周波数を制御する信号発生器と、前記第１光源からの光を各々の前記コアに分岐させると共に、前記回折格子で反射されて戻ってきた光を合波する分岐・合波素子と、前記第１光源からの光を前記分岐・合波素子に通すと共に、前記分岐・合波素子からの戻り光を別のポートに通すサーキュレータと、前記回折格子で反射され前記サーキュレータから出てきた戻り光と、前記第２光源からの光を合波する合波器と、前記合波器からの光を受光し、二光子吸収応答により強度相関信号を出力する光検出器と、前記信号発生器の制御及び前記光検出器からの信号処理を行う制御部と、を有し、前記第１光源から各々の前記コアまでの光路長が互いに異なる。

第１の態様及び第２の態様に係るマルチコア光ファイバセンシングシステムでは、変調周波数を一定の周波数間隔で離散的に掃引する。一連の変調周波数と検出信号のデータペア一式に対し、フーリエ変換を用いた信号処理を行うと、各コアにかかれた回折格子に対応したフーリエスペクトルのピークが得られる。このピークの位置の違いは、分岐・合波素子での伝搬光路長の違いによるものであり、これによって異なる回折格子からの反射光を識別できる。この操作をファイバ回折格子に入射する光の波長を変えて繰返し行うことにより、各回折格子からの反射スペクトルを計測できる。

また、内視鏡等の比較的小さなものでも、また橋梁等の大型構造物でも、マルチコア光ファイバを貼り付けたり、埋め込んだりすることで、曲げの量と方向を観測可能にする。

第３の態様は、第１の態様又は第２の態様において、光速をｃとし、屈折率をｎとし、光源から前記回折格子までの往復距離をＬとし、前記変調周波数を掃引したときに得られる強度相関信号の前記変調周波数についての周期をＦ_ｒとしたとき、次式と、前記変調周波数を掃引して得られた周期Ｆ _ｒ とにより、前記光源から前記回折格子までの往復距離Ｌを算出し、

前記周期Ｆ_ｒの１／２よりも広い周波数間隔Ｆ_ｓ と、前記周波数間隔Ｆ _ｓ で前記変調信号の前記変調周波数を掃引したときに得られる強度相関信号の前記変調周波数についての周期Ｆ_ｇ とに基づいて、次式

により、測定対象の前記回折格子までの往復距離Ｌを算出する。

但し、ｍは、Ｆ_ｒ／２＜Ｆ_ｓ＜ｍＦ_ｒ又はｍＦ_ｒ＜Ｆ_ｓを満たし、且つ、｜１／Ｆ_ｒ－ｍ／Ｆ_ｓ｜を最小値とする自然数である。

このマルチコア光ファイバセンシングシステムでは、変調周波数を掃引する際に、周波数間隔を細かくすることなく、広い周波数間隔Ｆ_ｓで変調周波数を掃引したときの強度相関信号の周期Ｆ_ｇから測定対象までの距離を測定することができるため、測定時間を短縮することができる。

第４の態様は、第１～第３の態様の何れか１態様に係るマルチコア光ファイバセンシングシステムにおいて、前記光検出器の高域カットオフ周波数が、前記変調信号の前記変調周波数よりも低い。

このマルチコア光ファイバセンシングシステムでは、光検出器の出力信号に別途信号処理を施すことを要せず、簡素な構成で強度相関信号を検出することができる。

本発明に係るマルチコア光ファイバセンシングシステムによれば、曲げが加わっていないときに同じ反射波長をもつ回折格子が作製されたマルチコア光ファイバを用いた構成において、スイッチ等のデバイスを用いることなく、簡単に曲げの方向と曲げの量を測定できる。

（Ａ）は、第１実施形態に係るマルチコア光ファイバセンシングシステムの構成を模式的に示す図である。（Ｂ）は、マルチコア光ファイバに作製された回折格子を模式的に示す図である。 第２実施形態に係るマルチコア光ファイバセンシングシステムの構成を模式的に示す図である。 （Ａ）は、マルチコア光ファイバにおける回折格子の部分に曲げが加わっていないときの状態を模式的に示す図である。（Ｂ）は、回折格子で反射された戻り光のスペクトルを示す線図である。 （Ａ）は、マルチコア光ファイバにおける回折格子の部分に曲げが加わっているときの状態を模式的に示す図である。（Ｂ）は、回折格子で反射された戻り光のスペクトルを示す線図である。 第３実施形態に係るマルチコア光ファイバセンシングシステムの構成を模式的に示す図である。 十分に小さな周波数間隔で変調周波数を掃引したときに周期的に変化する強度相関信号を示す図である。 マルチコア光ファイバの内部構造の一例を示す断面図である。 マルチコア光ファイバに曲げが加わっていないときの反射スペクトルの計測結果を示す線図である。 マルチコア光ファイバに左方向（反時計回り）に曲げ半径３ｃｍの曲げが加わっているときの反射スペクトルを示す線図である。 マルチコア光ファイバに右方向（時計回り）に曲げ半径３ｃｍの曲げが加わっているときの反射スペクトルを示す線図である。 マルチコア光ファイバにおける回折格子の反射スペクトルと曲げ半径の逆数との関係を示す線図である。

以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。

［第１実施形態］
図１において、本実施形態に係るマルチコア光ファイバセンシングシステム１０は、マルチコア光ファイバ１２と、回折格子１４と、光源の一例としてのレーザ光源１６と、分岐・合波素子１８と、サーキュレータ２２と、強度変調器２４と、信号発生器２６と、光検出器２８と、制御部３２と、を有する。

マルチコア光ファイバ１２は、１つのクラッド３４の中に複数のコア３６を有する光ファイバであり（図１（Ｂ））、分岐・合波素子１８のレーザ光源１６より遠い側に接続されている。１つのクラッド３４におけるコア３６の数は、例えば２～７本である。

図１（Ｂ）において、回折格子１４は、各々のコア３６に作製され、マルチコア光ファイバ１２に曲げが加わっていないときに互いに同じ反射波長を持つ光ファイバ回折格子（ＦＢＧ：Fiber Bragg Grating）である。この回折格子１４は、１つのコア３６に複数作製されており、分岐・合波素子１８側から順に反射点Ｒ_１，Ｒ_２，・・・，Ｒ_Ｎを構成する。

レーザ光源１６は、変調信号により強度変調された光、例えばレーザ光を発生する装置である。レーザ光源１６には、例えばレーザダイオードが用いられている。

分岐・合波素子１８は、レーザ光源１６からの光を各々のコア３６に分岐させると共に、回折格子１４で反射されて戻ってきた光を合波する光デバイスである。分岐・合波素子１８は、各々のコア３６に接続される複数の光路４６を有している。

サーキュレータ２２は、レーザ光源１６からの光を分岐・合波素子１８に通すと共に、回折格子１４で反射された分岐・合波素子１８からの戻り光を別のポートに通す光デバイスである。サーキュレータ２２の第１ポートとレーザ光源１６とは、光ファイバ４１により接続されている。サーキュレータ２２の第２ポートと分岐・合波素子１８とは、光ファイバ４２により接続されている。サーキュレータ２２の第３ポートと強度変調器２４とは、光ファイバ４３により接続されている。

これにより、レーザ光源１６からの光は、光ファイバ４１を通じて第１ポートからサーキュレータ２２に入り、第２ポートから光ファイバ４２を通じて分岐・合波素子１８へ進む。また、分岐・合波素子１８からの戻り光は、第２ポートからサーキュレータ２２に入り、第３ポートから光ファイバ４３を通じて強度変調器２４へ進む。

強度変調器２４は、サーキュレータ２２から出てきた戻り光を変調する光デバイスである。信号発生器２６は、レーザ光源１６の変調周波数を制御すると共に、強度変調器２４の変調周波数を制御するデバイスである。

光検出器２８は、強度変調器２４通過後の戻り光を受光し、強度相関信号を出力するデバイスである。光検出器２８の高域カットオフ周波数は、変調信号の変調周波数よりも低く設定されている。光検出器２８の具体例については、後述する第３実施形態で説明する。強度変調されたレーザ光は、マルチコア光ファイバ１２の回折格子１４で反射して戻ってきた後、強度変調器２４により最初の強度変調と同じ周波数で再度強度変調され、それが、高域カットオフ周波数が変調周波数よりも低く設定された光検出器２８で受光される。このため、光検出器２８が強度相関信号を出力することができる。ここで、「強度相関信号」は、強度変調器２４での強度変調信号と、戻ってきた光信号との間の強度相関に比例した信号をいう。

制御部３２は、信号発生器２６の制御、及び光検出器２８からの信号処理を行う、例えばパソコンである。

レーザ光源１６から各々のコア３６までの光路長は、互いに異なっている。光路長とは、レーザ光源１６から、分岐・合波素子１８における光路４６と各コア３６との接続点までの長さであり、光が伝搬する媒質の長さと媒質の屈折率との積である。光路長を変化させる構成の具体例については、後述する第３実施形態で説明する。

ここで、本実施形態では、同じ反射波長の回折格子１４が作製されたマルチコア光ファイバ１２からの反射光（戻り光）に対して、参照光との強度相関測定を利用することにより、反射スペクトルを測定し、曲げの量と方向を算出する。

同じ反射波長の回折格子１４が作製されたマルチコア光ファイバ１２からの各コア３６１，３６２，３６３の反射スペクトルは、図３（Ａ），（Ｂ）に示されるように、光ファイバに曲げがない場合は重なっている。図４（Ａ），（Ｂ）に示されるように、光ファイバに曲げが加わると、曲げの内側のコア３６１の回折格子１４からの反射波長は短波長側に、曲げの外側のコア３６３の回折格子１４からの反射波長は長波長側にシフトする。波長シフトはいずれの場合も、曲げ半径の逆数に比例し、その比例係数は、曲げ半径の中心からコア３６までの距離によって決まる。

重なった反射スペクトルを分離するために、本実施形態は、レーザ光源１６から各コア３６までの光路長が異なるような構成としている。これにより、強度相関測定において、異なる位置からの反射光によるフーリエスペクトルが異なる位置に現れるようにする。光ファイバに曲げが加わっているときだけでなく、曲げが加わっていないときでも、フーリエスペクトルが異なる位置に現れるようにする。これにより、各スペクトルを分離して測定可能となっている。

［第２実施形態］
図５において、本実施形態に係るマルチコア光ファイバセンシングシステム２０は、マルチコア光ファイバ１２と、回折格子１４と、第１光源の一例としての第１レーザ光源５１及び第２光源の一例としての第２レーザ光源５２と、信号発生器２６と、分岐・合波素子１８と、サーキュレータ２２と、合波器５４と、信号発生器２６と、光検出器５８と、制御部３２と、を有する。

第１レーザ光源５１及び第２レーザ光源５２は、互いに異なる波長の光であって互いに同一の周波数で強度変調された光を発生する。第１レーザ光源５１から発生するレーザ光はプローブ光であり、第２レーザ光源５２から発生するレーザ光は参照光である。第１レーザ光源５１及び第２レーザ光源５２には、それぞれ例えばレーザダイオードが用いられている。信号発生器２６は、第１レーザ光源５１及び第２レーザ光源５２の変調周波数を制御するデバイスである。

合波器５４は、回折格子１４で反射されサーキュレータ２２から出てきた戻り光と、第２レーザ光源５２からの光を合波する光デバイスである。サーキュレータ２２の第３ポートと合波器５４とは、光ファイバ４３により接続されている。第２レーザ光源５２と合波器５４とは、光ファイバ５３により接続されている。

光検出器５８は、合波器５４からの光を受光し、二光子吸収応答により強度相関信号を出力する光デバイスである。合波器５４と光検出器５８とは、光ファイバ４４により接続されている。光検出器５８の具体例については、後述する第３実施形態で説明する。

制御部３２は、信号発生器２６の制御及び光検出器５８からの信号処理を行う、例えばパソコンである。

他の部分については、第１実施形態と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

［第３実施形態］
図４において、本実施形態に係るマルチコア光ファイバセンシングシステム３０は、第２実施形態の具体例であり、第１レーザ光源５１及び第２レーザ光源５２を変調するための強度変調器６１，６２を有している。強度変調器６１，６２には、信号発生器２６から変調周波数ｆ_ｍが入力される。

第１レーザ光源５１及び第２レーザ光源５２は、互いに異なる波長の光であって互いに同一の周波数（例えば１．５μｍ帯）で強度変調された光を発生する。

強度変調器６１とサーキュレータ２２との間には、光ファイバ増幅器７１（ＩＭ：Intensity Moduration）が設けられている。また、合波器５４と光検出器５８の間には、光ファイバ増幅器７２が設けられている。光ファイバ増幅器７１，７２は、ＥＤＦＡ（エルビウムドープ光ファイバ増幅器）である。

光ファイバ増幅器７２と光検出器５８の間には、レンズ５６が設けられている。光検出器５８と制御部３２の間には、ロックインアンプ６０が設けられている。ロックインアンプ６０には、信号発生器６４によりロックイン周波数ｆ_ｌが入力されるようになっている。第１レーザ光源５１にも信号発生器６４からの信号が入力され、第１レーザ光源５１から発生するレーザ光（プローブ光）が同期検波用に変調信号のロックイン周波数ｆ_ｌで強度変調されるようになっている。

光検出器５８は、例えばＳｉ－ＡＰＤ（Ｓｉアバランシェフォトディテクタ）であり、第１実施形態及び第２実施形態における光検出器２８に相当する。光検出器５８の高域カットオフ周波数は、信号発生器２６から強度変調器６１，６２に入力される変調信号の変調周波数ｆ_ｍよりも低く設定されている。本実施形態では、光検出器５８のカットオフ周波数に比べ、変調周波数ｆ_ｍを十分高くする一方、ロックイン周波数ｆ_ｌを十分低くする。

本実施形態では、マルチコア光ファイバ１２が７本のコア３６を有している。これに対応して、分岐・合波素子１８における光路４６も、７本の光路４６Ａ～４８Ｇを有している。光路４６Ａ～４８Ｇの長さ（伝搬長）は、例えば順に１ｍずつ長く設定されており、光路４８Ｇは光路４６Ａより６ｍ長い。

第１レーザ光源５１から出力され、回折格子１４で反射されたプローブ光は、合波器５４で第２レーザ光源５２からの参照光と合波され、光ファイバ増幅器７２で増幅された後、レンズ５６により光検出器５８に集光される。

ここで、ｊ（ｊ＝１～Ｎ）番目の反射点Ｒ_ｊで反射するプローブ光の伝搬距離をＬ_ｐ，ｊ、当該プローブ光の光検出器５８の受光面における実電界振幅をＥ_ｐ，ｊ、参照光の伝搬距離をＬ_ｒ、参照光の光検出器５８の受光面における実電界振幅をＥ_ｒとすると、光検出器５８の受光面におけるプローブ光の電界ｅ_ｐは、以下の式（１）で表され、光検出器５８の受光面における参照光の電界ｅ_ｒは、式（２）で表される。

ここで、νは光周波数であり、ｆは変調周波数であり、φは変調度であり、ｔは時間であり、ｎは光が伝搬する媒質の屈折率であり、ｃは光速であり、θは位相であり、Ｎは反射点Ｒの個数である。また、添え字付き記号の添え字のｐはプローブ光を示し、ｒは参照光を示し、ｌはロックインアンプ６０に入力される変調信号（参照信号）を示し、ｍは強度変調器６１，６２に入力される変調信号を示す。
光検出器５８から出力される二光子吸収電流ｉは、入射光強度の２乗平均に比例し、以下の式（３）で表される。

ここで、Ａは比例定数である。Ｉは、Ｉ＝Ｅ^２で与えられ、光強度に比例する。ｉｄは暗電流である。また、ΔＬ_ｊはｊ番目の反射点Ｒ_ｊで反射するプローブ光の伝搬距離Ｌ_ｐ，ｊと参照光の伝搬距離Ｌ_ｒの差（Ｌ_ｐ，ｊ－Ｌ_ｒ）、すなわち、反射点Ｒ_ｊまでの往復距離である。

光検出器５８の高域カットオフ周波数は変調周波数ｆ_ｍよりも低いため、式（３）において、光検出器５８の高域カットオフ周波数よりも高い変調周波数ｆ_ｍで振動する項は時間平均が０となる。また、ｎ（Ｌ_ｐ，Ｎ－Ｌ_ｐ，１）／ｃが十分に小さければ、異なる反射点Ｒで反射したプローブ光に対する同期検波用の変調信号の位相２πｆ_ｌｎＬ_ｐ，ｊ／ｃの違いの影響は無視できる。このとき、二光子吸収電流信号をロックイン周波数ｆ_ｌでロックイン検出すると、出力信号の電流ｉ（ｆ_ｍ，λ）は、以下の式（４）で表される。

式（４）から、変調周波数ｆ_ｍを掃引すると、各反射点Ｒからの反射光による信号（強度相関信号）がそれぞれ正弦波（余弦波）状に（周期的に）変化することが分かる。

ここで、ｊ番目の反射点Ｒで反射したプローブ光による強度相関信号の周期ｆ_{ｐｅｒｉｏｄ，ｊ}は、離散的に掃引する変調周波数ｆ_ｍの周波数掃引ステップ（周波数間隔）が十分に小さければ、以下の式（５）で表され、距離差ΔＬ_ｊに反比例する。

このとき、出力信号をフーリエ変換して、出力信号に含まれる各強度相関信号（各周波成分）の周期ｆ_{ｐｅｒｉｏｄ，ｊ}を算出することで、各反射点Ｒの距離差ΔＬ_ｊを同時に求めることができる。すなわち、出力信号をフーリエ変換して得られるスペクトルにおける各ピーク位置が各反射点Ｒの距離差ΔＬ_ｊに対応する。

本実施形態では、各コア３６における回折格子１４までの光路長が異なるため、出力信号のフーリエ変換により各回折格子１４での反射によるフーリエスペクトルのピークは、異なる位置に現れる。ここまでの操作を、マルチコア光ファイバ１２の回折格子１４に入射するレーザ光の波長を変えて繰り返し行うことにより、各回折格子１４からの反射スペクトルを計測できる。

ここで、距離差ΔＬ_ｊ自体を正確に求めようとすると、式（５）から、長距離の反射点の距離差を求めるには、非常に小さな周波数間隔で周波数掃引を行わなければならないことが分かる。一方で、短距離の反射点の距離差を同時に求める場合には、周波数の掃引範囲を広くとらなければならない。従って、短距離の反射点と長距離の反射点が混在する場合には、非常に小さな周波数間隔で広範囲の周波数掃引を行う必要があり、測定時間が長くなる。

図６は、十分に小さな周波数間隔で変調周波数ｆ_ｍを掃引したときに周期的に変化する強度相関信号を示す図である。図６に示すグラフの横軸は変調周波数ｆ_ｍを示し、縦軸は強度相関信号の強度を示す。また、図６に示すグラフにおいて黒丸点間の間隔は、周波数掃引ステップを示す。図６に示す強度相関信号は、強度相関信号の周期ｆ_{ｐｅｒｉｏｄ，ｊ}の１／２以下（強度相関信号のナイキスト間隔以下）の周波数間隔で変調周波数ｆ_ｍを掃引した場合に得られる。

周波数掃引ステップが十分に小さいとき、ｊ番目の反射点Ｒ_ｊからの反射光によって生じる強度相関信号が周期Ｆ_ｒで周期的に変化するとすると、反射点Ｒ_ｊで反射するプローブ光の伝搬距離と参照光の伝搬距離との距離差ΔＬは、以下の式（６）で表される。また、周期Ｆ_ｒの１／２よりも広い周波数間隔Ｆ_ｓ（Ｆ_ｓ＞Ｆ_ｒ／２）で変調周波数ｆ_ｍを掃引したときに得られる強度相関信号の周期をＦ_ｇとすると、当該強度相関信号から算出される見掛けの距離差ΔＬ_ｇは、以下の式（７）で表される。

ここで、周期Ｆ_ｇは、以下の式（８）で表される。

ここで、ｍは、Ｆ_ｒ／２＜Ｆ_ｓ＜ｍＦ_ｒ又はｍＦ_ｒ＜Ｆ_ｓを満たし、且つ、｜１／Ｆ_ｒ－ｍ／Ｆ_ｓ｜を最小値とする自然数である。周波数間隔Ｆ_ｓが周期Ｆ_ｒよりも小さいか大きいかによって周期Ｆ_ｇの値は異なるが、いずれの場合もΔＬ＞ΔＬ_ｇとなる。式（６）、式（８）より、距離差ΔＬは、周波数間隔Ｆ_ｓと周期Ｆ_ｇを用いて以下の式（９）で表される。

本実施形態では、制御部３２は、式（６）を満たす周期Ｆ_ｒの１／２よりも広い周波数間隔Ｆ_ｓで変調周波数ｆ_ｍを掃引しながら取得した変調周波数ｆ_ｍ毎の出力信号をフーリエ変換して、出力信号に含まれる各強度相関信号（各反射点Ｒからの反射光によって生じる各強度相関信号）の周期Ｆ_ｇを算出し、算出した周期Ｆ_ｇと周波数間隔Ｆ_ｓとを式（９）に代入して距離差ΔＬ（反射点Ｒ_ｊまでの往復距離Ｌ_ｊ）を算出する。これにより、測定対象に長距離の反射点が含まれる場合であっても、周波数掃引ステップを細かくすることなく、広い周波数間隔Ｆ_ｓで変調周波数ｆ_ｍを掃引して各反射点までの距離（変位）を測定することができるため、測定で取得するデータ数が少なくなり、測定時間を短縮することができる。

反射点までの凡その往復距離（周波数掃引ステップが、式（６）を満たす周期Ｆ_ｒの１／２以下であるか、周期Ｆ_ｒの１／２よりも大きいか、周期ｍＦ_ｒよりも大きいか）が分かっている場合、周波数掃引ステップが周期Ｆ_ｒの１／２以下となる反射点については算出した周期を式（６）に代入して距離差ΔＬを算出し、周波数掃引ステップが周期Ｆ_ｒの１／２よりも大きく周期ｍＦ_ｒよりも小さくなる（Ｆ_ｒ／２＜Ｆ_ｓ＜ｍＦ_ｒ）反射点については算出した周期と周波数掃引ステップ（周波数間隔）とを式（９）の上段に代入して距離差ΔＬを算出し、周波数掃引ステップが周期ｍＦ_ｒよりも大きくなる（ｍＦ_ｒ＜Ｆ_ｓ）反射点については算出した周期と周波数掃引ステップとを式（９）の下段に代入して距離差ΔＬを算出する。

一方、反射点までの凡その往復距離が分かっていない場合には、周波数掃引ステップを変えて測定を複数回行う。例えば、２回目の測定では周波数掃引ステップを１回目の測定での周波数掃引ステップの２倍の値とする。そして、１回目の測定で得られた強度相関信号の周期と、２回目の測定で得られた強度相関信号の周期が同一である場合（１回目の測定でも２回目の測定でも周波数掃引ステップが周期Ｆ_ｒの１／２以下となる場合）には、当該得られた周期を式（６）に代入して算出される距離差ΔＬを測定結果とする。

また、１回目の測定で得られた強度相関信号の周期を式（６）に代入して算出される距離差ΔＬと、２回目の測定で得られた強度相関信号の周期及び２回目の測定での周波数掃引ステップを式（９）の上段でｍ＝１とした式に代入して算出される距離差ΔＬとが同一となる場合（１回目の測定では周波数掃引ステップが周期Ｆ_ｒの１／２以下となり、２回目の測定では周波数掃引ステップが周期Ｆ_ｒの１／２よりも大きく周期Ｆ_ｒよりも小さくなる場合）には、当該距離差ΔＬを測定結果とする。

また、Ｆ_ｓを２倍にすると、｜１／Ｆ_ｒ－ｍ／Ｆ_ｓ｜を最小値とする自然数ｍも２倍の値になる。このことに注目して、１回目の測定で得られた強度相関信号の周期及び１回目の測定での周波数掃引ステップを式（９）の上段と下段のそれぞれに代入して得られる式と、２回目の測定で得られた強度相関信号の周期及び２回目の測定での周波数掃引ステップを式（９）の上段と下段のそれぞれに代入して得られる式とを比較する。後者の２式では、ｍを２ｍに置き換える。前者の２式のうちいずれか１つと後者の２式のうちいずれか１つとが同じ値になるような自然数ｍがあるときは、そのｍを用いて得られた距離差ΔＬを測定結果とする。

本実施形態の手法では、余弦波信号（異なる周期の余弦波信号の重ね合わせ）を一定間隔でサンプリングする。簡単のため、単一の余弦波信号で考える。余弦波信号ｆ（ｔ）は、以下の式（１０）で表される。なお、ｔは、時間に限られず、本実施形態では変調周波数である。

余弦波信号のフーリエ変換Ｆ（ω）は、デルタ関数を用いて、

となり、ω軸上で±ω_０に線スペクトルをもつことが分かる。サンプリング間隔Ｔ_ｓが１／２ｆｏ（ナイキスト間隔）以下であれば、信号スペクトルのうち最小の｜ω｜をもつ成分は±ω_０であり、これをとりだすことで元の波形を再現できる。一方、サンプリング間隔Ｔ_ｓが、

であると、信号スペクトルのうち最小の｜ω｜をもつ成分は、｜ω_０－ｍω_ｓ｜の最小値で与えられる｜ω｜をもつ線スペクトルの成分である。但し、ｍは、｜ω_０－ｍω_ｓ｜を最小値とする自然数である。また、ω_ｓ＝２π／Ｔ_ｓである。
ここで、特に、サンプリング間隔Ｔ_ｓが、

であれば、信号スペクトルのうち最小の｜ω｜をもつ成分は、ω_０－ω_ｓ及び－ω_０＋ω_ｓの線スペクトルとなる。反射点Ｒの凡その位置が予め分かっていれば、サンプリング間隔Ｔ_ｓを式（１３）の条件が満たされるように適切に選ぶことができる。また、より一般的に式（１２）の場合であっても、反射点Ｒの凡その位置が予め分かっていれば、｜ω_０－ｍω_ｓ｜を最小値とする自然数ｍは分かるため、ω_０を求めることは可能である。

（作用）
マルチコア光ファイバセンシングシステム１０，２０，３０では、変調周波数を一定の周波数間隔で離散的に掃引する。一連の変調周波数と検出信号のデータペア一式に対し、フーリエ変換を用いた信号処理を行うと、各コア３６にかかれた回折格子１４に対応したフーリエスペクトルのピークが得られる。このピークの位置の違いは、分岐・合波素子１８での伝搬光路長の違いによるものであり、これによって異なる回折格子１４からの反射光を識別できる。この操作を回折格子１４に入射する光の波長を変えて繰返し行うことにより、各回折格子１４からの反射スペクトルを計測できる。

また、内視鏡等の比較的小さなものでも、また橋梁等の大型構造物でも、マルチコア光ファイバ１２を貼り付けたり、埋め込んだりすることで、曲げの量と方向を観測可能にする。更に、すべてのコア３６に同じ回折格子１４を作製するため、該回折格子１４を有するマルチコア光ファイバ１２の製造が容易である。

また、マルチコア光ファイバセンシングシステム１０，２０，３０では、変調周波数を掃引する際に、周波数間隔を細かくすることなく、広い周波数間隔Ｆ_ｓで変調周波数を掃引したときの強度相関信号の周期Ｆ_ｇから測定対象までの距離を測定することができるため、測定時間を短縮することができる。

更に、光検出器２８，５８の高域カットオフ周波数は、変調信号の変調周波数ｆ_ｍよりも低いので、光検出器２８，５８の出力信号に別途信号処理を施すことを要せず、簡素な構成で強度相関信号を検出することができる。

このように、マルチコア光ファイバセンシングシステム１０，２０，３０によれば、曲げが加わっていないときに同じ反射波長をもつ回折格子１４が作製されたマルチコア光ファイバ１２を用いた構成において、スイッチ等のデバイスを用いることなく、簡単に曲げの方向と曲げの量を測定できる。

（試験例）
図７には、マルチコア光ファイバ１２の内部構造の一例が示されている。このマルチコア光ファイバ１２は、クラッド３４内に７本のコア３６を有している。コア３６に付された数字は、図８から図１０における線の符号に対応している。コア３６の直径は５．３μｍ、クラッド３４の直径は１２５．９μｍである。また、互いに隣接するコア３６のピッチは、３５．４μｍである。マルチコア光ファイバ１２における回折格子１４の範囲は、約３ｃｍである。

図８には、マルチコア光ファイバに曲げが加わっていないときの反射スペクトルの計測結果を示す線図が示されている。この図からわかるように、マルチコア光ファイバ１２に曲げが加わっていないときでも、各々コア３６に対応する反射スペクトルは、互いに異なる位置に現れている。

図９には、マルチコア光ファイバ１２に曲げ半径３ｃｍで左方向（反時計回り）の曲げが加わっているときの反射スペクトルの計測結果を示す線図が示されている。また、図１０には、マルチコア光ファイバ１２に曲げ半径３ｃｍで右方向（時計回り）の曲げが加わっているときの反射スペクトルの計測結果を示す線図が示されている。図９、図１０を比較すると、反射スペクトルの変化の方向が、両者で反対方向になっていると同時に、変化量の絶対値は等しい。このことから、マルチコア光ファイバ１２の曲げの大きさが同じで、向きが反対になっていることがわかる。

図１１には、マルチコア光ファイバ１２の回折格子１４の反射スペクトルと、曲げ半径の逆数との関係が示されている。この関係を用いることにより、マルチコア光ファイバ１２の曲げ半径の大きさを知ることができる。

産業上の利用可能性の１つとして、マルチコア光ファイバをチューブタイプの内視鏡に設置して、チューブの曲がり具合を観測することへの応用が考えられる。現在、このタイプの内視鏡を人体に挿入する場合、人体に無理がかかることが一般的である。内視鏡の曲がり具合を観測できるようになれば、曲げを能動的に制御する機構を用いつつ、効率的に内視鏡を体内に挿入できるようになる。

利用可能性のもう１つとしては、マルチコア光ファイバを橋梁やガスパイプ等に設置して、形状の歪み観測への使用が考えられる。従来の光ファイバ回折格子によるセンシングでは、歪みの大きさのみが観測されてきたが、歪みの向きも含めて観測が可能になれば、事故につながる異常をより詳細に早い段階で察知することができる。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態の一例について説明したが、本発明の実施形態は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

光源が発生する光をレーザ光として説明したが、これ以外に近赤外線等も使用可能である。近赤外線を使用する場合、光源も近赤外線を発生できるものが用いられる。

１０ マルチコア光ファイバセンシングシステム
１２ マルチコア光ファイバ
１４ 回折格子
１６ レーザ光源（光源）
１８ 分岐・合波素子
２０ マルチコア光ファイバセンシングシステム
２２ サーキュレータ
２４ 強度変調器
２６ 信号発生器
２８ 光検出器
３０ マルチコア光ファイバセンシングシステム
３２ 制御部
３６ コア
４６ 光路
４６Ａ～４６Ｇ 光路
５１ 第１レーザ光源（光源）
５２ 第２レーザ光源（光源）
５４ 合波器
５８ 光検出器
６１ 強度変調器
６２ 強度変調器
６４ 信号発生器

Claims (4)

1. 複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、
   各々の前記コアに作製され、前記マルチコア光ファイバに曲げが加わっていないときに互いに同じ反射波長を持つ回折格子と、
   変調信号により強度変調された光を発生する光源と、
   前記光源からの光を各々の前記コアに分岐させると共に、前記回折格子で反射されて戻ってきた光を合波する分岐・合波素子と、
   前記光源からの光を前記分岐・合波素子に通すと共に、前記回折格子で反射された前記分岐・合波素子からの戻り光を別のポートに通すサーキュレータと、
   前記サーキュレータから出てきた戻り光を変調する強度変調器と、
   前記光源の変調周波数を制御すると共に前記強度変調器の変調周波数を制御する信号発生器と、
   前記強度変調器通過後の戻り光を受光し、強度相関信号を出力する光検出器と、
   前記信号発生器の制御、及び前記光検出器からの信号処理を行う制御部と、を有し、
   前記光源から各々の前記コアまでの光路長が互いに異なるマルチコア光ファイバセンシングシステム。
2. 複数のコアを有するマルチコア光ファイバと、
   各々の前記コアに作製され、前記マルチコア光ファイバに曲げが加わっていないときに互いに同じ反射波長を持つ回折格子と、
   互いに異なる波長の光であって変調信号により互いに同一の周波数で強度変調された光を発生する第１光源及び第２光源と、
   前記第１光源及び前記第２光源の変調周波数を制御する信号発生器と、
   前記第１光源からの光を各々の前記コアに分岐させると共に、前記回折格子で反射されて戻ってきた光を合波する分岐・合波素子と、
   前記第１光源からの光を前記分岐・合波素子に通すと共に、前記分岐・合波素子からの戻り光を別のポートに通すサーキュレータと、
   前記回折格子で反射され前記サーキュレータから出てきた戻り光と、前記第２光源からの光を合波する合波器と、
   前記合波器からの光を受光し、二光子吸収応答により強度相関信号を出力する光検出器と、
   前記信号発生器の制御及び前記光検出器からの信号処理を行う制御部と、を有し、
   前記第１光源から各々の前記コアまでの光路長が互いに異なるマルチコア光ファイバセンシングシステム。
3. 光速をｃとし、屈折率をｎとし、光源から前記回折格子までの往復距離をＬとし、前記変調周波数を掃引したときに得られる強度相関信号の前記変調周波数についての周期をＦ_ｒとしたとき、
   次式と、前記変調周波数を掃引して得られた周期Ｆ _ｒ とにより、前記光源から前記回折格子までの往復距離Ｌを算出し、
   

   

   
   
   
   前記周期Ｆ_ｒの１／２よりも広い周波数間隔Ｆ_ｓ と、前記周波数間隔Ｆ _ｓ で前記変調信号の前記変調周波数を掃引したときに得られる強度相関信号の前記変調周波数についての周期Ｆ_ｇ とに基づいて、次式
   

   

   
   
   により、測定対象の前記回折格子までの往復距離Ｌを算出する、請求項１又は請求項２に記載のマルチコア光ファイバセンシングシステム。
   但し、ｍは、Ｆ_ｒ／２＜Ｆ_ｓ＜ｍＦ_ｒ又はｍＦ_ｒ＜Ｆ_ｓを満たし、且つ、｜１／Ｆ_ｒ－ｍ／Ｆ_ｓ｜を最小値とする自然数である。
4. 前記光検出器の高域カットオフ周波数は、前記変調信号の前記変調周波数よりも低い請求項１～請求項３の何れか１項に記載のマルチコア光ファイバセンシングシステム。

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