JPWO2016080415A1 - 測定装置およびセンサシステム - Google Patents

Abstract

誘導ブリルアン散乱光利用した測定装置において、周波数の線形掃引を必要としない。被測定対象における誘導ブリルアン散乱光の利得スペクトルを測定する測定装置であって、第１のコム光を生成して被測定対象の一端に入力する第１のコム光発生器と、第１のコム光に対して、基準周波数が被測定対象のブリルアンシフト周波数だけシフトしており、且つ、周波数間隔が異なる第２のコム光を生成して被測定対象の他端に入力する第２のコム光発生器と、被測定対象から出力される誘導ブリルアン散乱光のスペクトルを測定する測定器とを備える測定装置を提供する。

Description

本発明は、測定装置およびセンサシステムに関する。

図２０は、従来のセンサシステムを示す図である。半導体レーザは、単一の周波数の光を連続的に出射する。半導体レーザから出射された光は、分波用カプラでプローブ光とポンプ光とに分岐する。周波数シフタは、プローブ光の周波数をポンプ光の周波数に対してずらす。パルス変調器は、ポンプ光をパルス状の光に変調する。周波数シフトされたプローブ光とパルス状に変調されたポンプ光とは、対向して光ファイバに入射する。光ファイバの材料および構造によって決まる特定の周波数だけ互いに周波数がずれた光が対向して入射した場合、誘導ブリルアン散乱光が発生することが知られている。

特に、プローブ光の周波数とポンプ光の周波数とがブリルアンシフト周波数ν_Ｂだけ異なる場合に、誘導ブリルアン散乱光は最大のブリルアン利得を得る。ν_Ｂは、光ファイバの材料にも依るが、例えば約１１ＧＨｚである。誘導ブリルアン散乱光は、光電変換素子で電気信号に変換され、信号処理部でブリルアン利得スペクトルが算出される。なお、プローブ光はパルス状であるので、プローブ光が光ファイバ中のどの位置で散乱されたかを特定することができる（例えば、特許文献１参照）。

ブリルアンシフト周波数ν_Ｂは、光ファイバの歪みおよび温度変化に起因して変化することが知られている。それゆえ、トンネル、橋、ガス管および下水道等の大型かつ長尺の構造物に沿って光ファイバを敷設して、光ファイバの歪みまたは温度変化から上記構造物の歪みまたは温度を検知することができる。

図２１は、ブリルアン散乱を利用した光ファイバセンサの従来例である。コム光発生器から出力されるコム光の間隔をブリルアン周波数シフト量の２倍とすることにより、１００ｋｍのシングルモードファイバに渡ってブリルアン散乱光を取得できることが報告されている（非特許文献１参照）。なお、ＳＳＢ変調器は、図２０の例の周波数シフタとして機能する。オシレータおよびコンピュータは、図２０の例の信号処理部として機能する。

図２０の従来のセンサシステムでは、プローブ光の周波数をブリルアンシフト周波数ν_Ｂに相当する約１１ＧＨｚからさらに１００ＭＨｚ程度の範囲、例えば時間に対して精密に線形掃引する必要がある。図２１のブリルアン散乱を利用した光ファイバセンサの従来例においても、プローブ光の周波数を掃引する必要がある。周波数掃引の線形性は、測定精度に影響する。線形掃引を実現するためには、複雑かつ精密な制御系が必要となる。それゆえ、装置コストが高くなる。また、周波数掃引は非線形になりがちであるので、これを補償するために、信号処理部および周波数シフタにおける複雑な信号処理が必要となる。

トンネル、橋、ガス管および下水道等の大型かつ長尺の構造物に沿って光ファイバを敷設して、光ファイバの歪みまたは温度変化から上記構造物の歪みまたは温度を検知する光ファイバセンサが知られている。当該光ファイバは長手方向において、複数のファイバー・ブラッグ・グレーティング（以下、ＦＢＧと略記する）を有する。

図２２の従来技術に示す様に、複数のＦＢＧを有する光ファイバに広帯域スペクトルを有する光源の光を入射させて、各ＦＢＧからの反射光スペクトルを光スペクトル解析装置で直接観測する、多点型光ファイバセンサが知られている。また、図２３の従来技術に示す様に、単一周波数を有する光源の周波数を周波数軸上で掃引するとともに、複数のＦＢＧを有する光ファイバに当該光源の光を入射させて、各ＦＢＧからの反射光の光パワーを測定する、多点型光ファイバセンサが知られている（例えば、特許文献２参照）。

図２４は、多点型ＦＢＧセンシングシステムの従来例である。この例では５つのＦＢＧを用いている。この例では、１つのコム光発生器から出力されるコム光の周波数間隔を変化させることにより、コヒーレンスピークを掃引して、各ＦＢＧの位置を特定している（非特許文献２参照）。

図２２の従来技術では、波長当たりの光パワーが小さいので、各ＦＢＧからの反射光の光パワーが小さくなるという問題がある。また、図２３の従来技術では、時間に対して光周波数の線形掃引が困難であるので、これを補正するべく反射光の測定後に複雑な信号処理が受信側において必要となる。加えて、広範囲にわたって光周波数を掃引する場合、周波数の不連続な変化が必ず生じるので、光源側においても複雑な補正処理が必要となる。図２４の例では、１つのコム光発生器から出力されるコム光をＦＢＧに入射するコム光とＦＢＧに入射しないコム光とに分離させ、かつ、当該１つのコム光発生器から出力されるコム光の周波数間隔を変更しているに過ぎない。
［先行技術文献］
［特許文献］
［特許文献１］ 特許第２５８９３４５号明細書
［特許文献２］ 特開２００８−０１４９３４号公報
［非特許文献］
［非特許文献１］ 光周波数コムを光源としたブリルアンセンサ長距離化の検討 第６０回応用物理学会春季学術講演会 講演予稿集（２０１３年春）、２７ａ‐Ａ２‐５、東京農工大学、澤口 光 ｅｔ．ａｌ
［非特許文献２］ 周波数間隔可変コム光源を用いた多点型ＦＢＧセンシングシステム、２０１１年電子情報通信学会エレクトロニクスソサエティ大会、エレクトロニクス講演論文集１、第１９４頁、２０１１年９月１３日〜１６日、何 祖源 ｅｔ．ａｌ

本明細書においては、コム光を利用するに当たり、周波数掃引の必要が無い新規な測定装置およびセンサシステムを提供する。

本発明の第１の態様においては、被測定対象に周波数間隔の異なる２つのコム光を入射するコム光源と、被測定対象から出力される光を測定する測定部とを備える測定装置を提供する。

本発明の第２の態様においては、第１の態様の測定装置と被測定対象とを備えるセンサシステムを提供する。

本発明の第３の態様においては、互いに同期し、かつ、周波数間隔が異なる第１のコム光および第２のコム光を生成するデュアルコム光源部と、周囲環境によって分光特性が変化する２以上の反射点を有し、第１のコム光が入射する光ファイバと、２以上の反射点から反射または透過された第１のコム光と、非偏光状態の第２のコム光とのビート信号を測定する測定器とを備え、多点型光ファイバセンサとして機能する測定装置を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

第１の実施形態における被測定対象５０と測定装置１００とを備えるセンサシステム２００を示す図である。 第１のコム光発生器２２、第２のコム光発生器３２および第３のコム光発生器４２の詳細を示す図である。 第１のコム光の中心周波数、第２のコム光の中心周波数および誘導ブリルアン散乱光の関係を示す図である。 （ａ）第１のコム光、（ｂ）第２のコム光、（ｃ）誘導ブリルアン散乱光スペクトル、（ｄ）第３のコム光および（ｅ）ビート信号を示す図である。 第１のコム光の２以上のパルス群間の周期τ_１と第２のコム光の２以上のパルス群間の周期τ_２との関係を示す図である。 第２の実施形態における被測定対象５０と測定装置１１０とを備えるセンサシステム２１０を示す図である。 第３の実施形態における被測定対象５０と測定装置１２０とを備えるセンサシステム２２０を示す図である。 被測定対象５０として、光ファイバ１５０を用いる例を示す図である。 被測定対象５０として、光ファイバ１５０を用いる他の例を示す図である。 第４の実施形態における多点型光ファイバセンサ４００を示す図である。 第１のコム光、光ファイバ３６０および各ＦＢＧから反射された第１のコム光の反射スペクトルを示す図である。 第１のコム光と第２のコム光との関係を示す図である。 ＦＢＧ＃１から反射された第１のコム光の反射スペクトルと、ＦＢＧ＃１から反射された第２のコム光の反射スペクトルと、第１のコム光と第２のコム光とのビート信号との関係を示す図である。 第５の実施形態における多点型光ファイバセンサ５００を示す図である。 第６の実施形態における多点型光ファイバセンサ６００を示す図である。 第７の実施形態における多点型光ファイバセンサ７００を示す図である。 第８の実施形態における多点型光ファイバセンサ５００を示す図である。 ＦＢＧ＃１を透過した第１のコム光の透過スペクトルと、ＦＢＧ＃１を透過した第２のコム光の透過スペクトルと、第１のコム光と第２のコム光とのビート信号との関係を示す図である。 第９の実施形態における多点型光ファイバセンサ６００を示す図である。 従来のセンサシステムを示す図である。 ブリルアン散乱を利用した光ファイバセンサの従来例を示す図である。 広帯域スペクトルの光源を用いた、従来の多点型光ファイバセンサを示す図である。 周波数掃引光源を用いた、従来の多点型光ファイバセンサを示す図である。 多点型ＦＢＧセンシングシステムの従来例を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、第１の実施形態における被測定対象５０と測定装置１００とを備えるセンサシステム２００を示す図である。測定装置１００は、被測定対象５０における誘導ブリルアン散乱光の利得スペクトルを測定する。被測定対象５０は、本例では光ファイバである。ただし被測定対象５０は、光ファイバ以外であってもよい。被測定対象５０は、誘導ブリルアン散乱光を用いたセンシングの対象となる固体、液体および気体の少なくとも１以上を含んだ物体でもよい。なお、センサシステム２００において、被測定対象５０と測定装置１００とは分離可能である。

測定装置１００は、種光源１０、第１の分波用カプラ１２、第２の分波用カプラ１４、制御部１５を有する。また測定装置１００は、第１のコム光発生器２２、第１のパルス変調器２９、周波数シフタ３１、第２のコム光発生器３２、光バンドパスフィルタ３０（以下、光ＢＰＦ３０）、第２のパルス変調器３９、第３のコム光発生器４２を有する。さらに測定装置１００は、サーキュレータ６０、合波用カプラ７０、測定器９０を有する。

種光源１０は、単一波長λ_０のレーザ光を出射する。本例では、λ_０＝１．５５μｍ（対応する周波数ν_０＝約１．９４×１０^２ＴＨｚ）であってよい。種光源１０から出射された光は、第１の分波用カプラ１２で分岐して周波数シフタ３１と第２の分波用カプラ１４とにそれぞれ入射する。

第２の分波用カプラ１４で分岐した光の一方は、第１のコム光発生器２２に入射する。第１のコム光発生器２２は、制御部１５により制御されて、種光源１０から生成される単一波長のレーザ光を変調する。第１のコム光発生器２２は、種光源１０から生成される単一波長のレーザ光を元に、第１のコム光を生成する。コム光とは、周波数軸上において等間隔に並んだ複数の光周波数モード（複数の周波数ピーク）を有する光である。本明細書においては一貫してコム光と称するが、一般的には光コムまたは光周波数コムとも称される場合がある。

第１のコム光は、いわゆるプローブ光である。第１のコム光は、中心周波数ν_０であり、周波数間隔ｆであるコム光である。すなわち、周波数ν_０を中心に低周波数側および高周波数側に周波数間隔ｆで複数の周波数のピークを有する。本例において、周波数間隔ｆは２５．００００ＧＨｚである。第１のコム光発生器２２は、第１のコム光を第１のパルス変調器２９に入射させる。

第１のコム光は時間軸における波形がパルス状である。第１のパルス変調器２９は、第１のコム光の２以上のパルスをそれぞれ含む２以上のパルス群間の周期を調整する。第１のコム光は周波数ピークの間隔が２５．００００ＧＨｚであるので、時間軸において４０ｐｓのパルス周期を有する。第１のパルス変調器２９は、第１のコム光の周波数間隔よりも遅い周波数で第１のコム光を変調することにより、２以上のパルスを含むパルス群同士の間隔を調整する。例えば、第１のパルス変調器２９は、第１のコム光を１００ｋＨｚで変調することにより、第１のコム光のパルス周期を１０μｓとしてよい。また、第１のパルス変調器２９は、第１のコム光のパルス群の形状を調節してもよい。変調されたパルス光の周期は、１つのパルス光が被測定対象５０を伝搬するのに必要な時間としてよい。第１のパルス変調器２９は、サーキュレータ６０を介して変調した第１のコム光を被測定対象５０の一端５２に入力する。

第１の分波用カプラ１２で分岐した光の他方は、周波数シフタ３１に入射する。周波数シフタ３１は、レーザ光の周波数を被測定対象５０のブリルアンシフト周波数ν_Ｂだけずらす。本例の周波数シフタ３１は、レーザ光の周波数をブリルアンシフト周波数ν_Ｂだけ高周波側にずらす。

第２のコム光発生器３２には、ブリルアンシフト周波数ν_Ｂだけ高周波側にずれた光が周波数シフタ３１から入射する。周波数シフタ３１から第２のコム光発生器３２に入射する光は種光源１０で生成された光である。第２のコム光発生器３２は、種光源１０から生成される単一波長のレーザ光を元に、第２のコム光を生成する。

第２のコム光は、いわゆるポンプ光である。第２のコム光は第１のコム光に対して、基準周波数が被測定対象５０のブリルアンシフト周波数だけシフトしており、且つ、第２のコム光は第１のコム光に対して、周波数間隔が異なる。本例の基準周波数は、第１のコム光の１つの周波数ピークに対してブリルアンシフト周波数ν_Ｂだけ高周波数側にシフトした第２のコム光の１つの周波数ピークの周波数である。本例の第２のコム光は、中心周波数ν_０＋ν_Ｂ＋Δν_Ｂおよび周波数間隔ｆ−Δｆ_１のコム光である。本例では、ｆは２５．００００ＧＨｚであり、Δｆ_１は０．０１１５ＧＨｚ（＝１１．５ＭＨｚ）であり、周波数間隔ｆ−Δｆ_１は２４．９８８５ＧＨｚである。なお、Δν_Ｂについては後述する。第２のコム光発生器３２は、第２のコム光を光ＢＰＦ３０に出射する。

光ＢＰＦ３０は、予め定められた周波数帯域の光のみを通過させるフィルタである。光ＢＰＦ３０は、第２のコム光の複数の周波数ピークを通過させる。本例の光ＢＰＦ３０は、第２のコム光の基準周波数を含む複数の周波数ピークを透過させる。また、本例の光ＢＰＦ３０は、最低周波数ν_０＋ν_Ｂ＋Δν_Ｂから最高周波数ν_０＋ν_Ｂ＋Δν_Ｂ＋１５０ＧＨｚまでの幅の第２のコム光を通過させる。ここで、第２のコム光の基準周波数は、当該最低周波数と最高周波数との間に位置する。第２のコム光の基準周波数は、本例ではν_０＋ν_Ｂ＋Δν_Ｂ＋３（ｆ−Δｆ_１）である。なお、本例の光ＢＰＦ３０は１５０ＧＨｚ（＝２５ＧＨｚ×６）の帯域幅のみを通過させるとしたが、光ＢＰＦ３０の通過帯域幅は、測定に用いる第２のコム光の周波数ピークの数に応じて適宜定めてよい。また、光ＢＰＦ３０の通過帯域幅の最低周波数もまた、第１のコム光の中心周波数との相対的関係から適宜定めてよい。光ＢＰＦ３０を通過した第２のコム光は、第２のパルス変調器３９に出射する。

第２のコム光は、時間軸における波形がパルス状である。第２のパルス変調器３９は、第２のコム光の２以上のパルスをそれぞれ含む２以上のパルス群間の周期を調整する。第２のパルス変調器３９は、第１のパルス変調器２９と同様に、第２のコム光の周波数間隔よりも遅い周波数で第２のコム光を変調することにより、２以上のパルスを含むパルス群同士の間隔を調整する。また、第２のパルス変調器３９は、第２のコム光のパルス群の形状を調節してよい。第２のパルス変調器３９は、変調した第２のコム光を被測定対象５０の他端５４に入力する。

プローブ光としての第１のコム光が一端５２から被測定対象５０に入射され、ポンプ光としての第２のコム光が他端５４から被測定対象５０に入射される。第１のコム光に対して第２のコム光の基準周波数は丁度ν_Ｂだけずれており、かつ第１のコム光と光ＢＰＦ３０を透過した基準周波数以外の第２のコム光とは約ν_Ｂだけずれているので、比較的強度の高い誘導ブリルアン散乱光が発生する。

誘導ブリルアン散乱光は、第１のコム光の各周波数において、ブリルアン利得スペクトルの強度に比例する。つまり、誘導ブリルアン散乱光は、第１のコム光と同様に、中心周波数ν_０および周波数間隔ｆのコム光である。誘導ブリルアン散乱光は、サーキュレータ６０を経て、合波用カプラ７０に入射する。

第２の分波用カプラ１４で分岐した光の他方は、第３のコム光発生器４２に入射する。第３のコム光発生器４２は、種光源１０から生成される単一波長のレーザ光を元に、第３のコム光を生成する。

第３のコム光発生器４２は、第１のコム光と基準周波数としての中心周波数ν_０が同一であり、且つ、周波数間隔が異なる第３のコム光を生成する。本例の第３のコム光は、中心周波数ν_０および周波数間隔ｆ＋Δｆ_２のコム光である。Δｆ_２は、非ゼロであればよく、本例では０．００１ＧＨｚ（＝１ＭＨｚ）である。Δｆ_２は、誘導ブリルアン散乱光と第３のコム光とが干渉した結果であるビート信号の周波数間隔となる。Δｆ_２は、測定器９０で検出可能な周波数であればよく、１ＭＨｚの値でなく任意に定めてもよい。第３のコム光は、いわゆるローカル光である。第３のコム光発生器４２は、第３のコム光を合波用カプラ７０に出射する。

合波用カプラ７０は、誘導ブリルアン散乱光と第３のコム光とを測定器９０に出射する。誘導ブリルアン散乱光および第３のコム光における周波数間隔の相違に起因して、ビート信号が発生する。

測定器９０は、誘導ブリルアン散乱光と第３のコム光とのビート信号を測定する。測定器９０は、ビート信号の測定結果に基づいて、間接的に被測定対象５０から出力される誘導ブリルアン散乱光のスペクトルを測定することができる。誘導ブリルアン散乱光のスペクトルとビート信号の測定結果との関係については、図３の説明において詳しく述べる。

測定器９０は、光電変換素子８０およびスペクトル解析器８２を有する。光電変換素子８０はビート信号を光電変換する。つまり、光電変換素子８０は受信するビート信号の強度に応じた電気信号を生成する。例えば光電変換素子８０は、ビート信号の強度が大きい場合には大きい信号値の電気信号を生成する。なお、光電変換素子８０は、イメージセンサであってもよい。本件出願時点の技術において、イメージセンサにおける１回の測定時間は最速で３０ｍｓである。

スペクトル解析器８２は、光電変換素子８０が生成した各時間における電気信号を高速フーリエ変換する。これによりスペクトル解析器８２は、ビート信号の周波数成分毎の信号強度を算出する。本例では、ビート信号の周波数は、最大でもΔｆ_２と２５００（＝ν_０以上の第１のコム光の周波数ピークの数）との積の値程度としてよい。つまり、ビート信号の周波数は、最大でも１ＭＨｚ×２５００＝２．５ＧＨｚとしてよい。この場合、ビート信号は、種光源１０の周波数である約１．９４×１０^２ＴＨｚに比べて格段に小さい。従って、ビート信号の測定は、誘導ブリルアン散乱光を直接測定するために用いる光スペクトル解析装置ではなく、高速フーリエ変換等の信号処理が可能な電子回路を実装したスペクトル解析器８２により実行できる。

図２は、第１のコム光発生器２２、第２のコム光発生器３２および第３のコム光発生器４２の詳細を示す図である。第１のコム光発生器２２は、第１の位相変調器２３、第１の強度変調器２４、増幅器２５、信号発生器２６、分散補償用ファイバ２７、高非線形ファイバ２８を有する。本例の信号発生器２６は、変調周波数ｆ＝２５．００００ＧＨｚの変調信号を発生する。

変調信号は、増幅器２５を介して第１の位相変調器２３および第１の強度変調器２４に伝達される。第１の位相変調器２３および第１の強度変調器２４は、変調周波数ｆ＝２５．００００ＧＨｚでもって単一波長λ_０のレーザ光の位相を変調する。これにより、単一波長λ_０のレーザ光は、変調周波数ｆ＝２５．００００ＧＨｚに等しい周波数間隔を有する種コム光に変調される。第１の位相変調器２３および第１の強度変調器２４は、例えばＬｉＮｂＯ_３の結晶を用いたＬＮ光変調器であってよい。

なお、本例の第１のコム光発生器２２は、第１の位相変調器２３および第１の強度変調器２４を有するが、第１のコム光発生器２２は、第１の位相変調器２３および第１の強度変調器２４のいずれかだけを有してもよい。第１のコム光発生器２２は、少なくとも第１の位相変調器２３および第１の強度変調器２４のいずれかを有してよい。

種コム光は、周波数軸において複数の周波数ピークを有する。種コム光は、周波数ν_０を中心に２５．００００ＧＨｚだけ離れた複数の周波数ピークを有する。ただし、周波数軸における種コム光の周波数ピークの数は、第１のコム光の周波数ピークの数よりも少ない。

種コム光は、時間軸において相対的に長い光パルスを有する。分散補償用ファイバ（Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｆｉｂｅｒ：ＤＣＦ）２７は、種コム光の波長分散特性を補償する。これにより、分散補償用ファイバ２７は、種コム光の光パルス幅を分散補償用ファイバ２７に入射する前よりも短い光パルス幅に変える。分散補償用ファイバ２７から出射された種コム光は、高非線形ファイバ２８に入射する。

高非線形ファイバ２８は、種コム光の周波数帯域を拡大する。高非線形ファイバ２８は、種コム光の周波数ピークよりも多い周波数ピークを有する第１のコム光を生成する。第１のコム光は、周波数ν_０を中心に周波数間隔２５．００００ＧＨｚの複数の周波数ピークを有する。高非線形ファイバ２８は、ＨＮＬＦ（Ｈｉｇｈｌｙ−Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｆｉｂｅｒ）とも称される。高非線形ファイバ２８は、ＧｅＯ_２等を添加した石英系光ファイバ、または、断面内に空孔が周期配列して存在するフォトニッククリスタルファイバであってよい。

第２のコム光発生器３２は、第２の位相変調器３３、第２の強度変調器３４、増幅器３５、信号発生器３６、分散補償用ファイバ３７、高非線形ファイバ３８を有する。各部材の機能および構成は、基本的に第１のコム光発生器２２と同様である。ただし、信号発生器３６は、変調周波数ｆ−Δｆ_１（＝２５．００００−０．０１１５ＧＨｚ＝２４．９８８５ＧＨｚ）の変調信号を発生する点が異なる。第２のコム光発生器３２もまた、少なくとも第２の位相変調器３３および第２の強度変調器３４のいずれかを有してよい。

第３のコム光発生器４２は、第３の位相変調器４３、第３の強度変調器４４、増幅器４５、信号発生器４６、分散補償用ファイバ４７、高非線形ファイバ４８を有する。各部材の機能および構成は、第１のコム光発生器２２と同様である。ただし、信号発生器４６は、変調周波数ｆ＋Δｆ_２（＝２５．００００＋０．００１ＧＨｚ＝２５．００１ＧＨｚ）の変調信号を発生する点が異なる。第３のコム光発生器４２もまた、少なくとも第３の位相変調器４３および第３の強度変調器４４のいずれかを有してよい。

制御部１５は、信号発生器２６と、信号発生器３６と、信号発生器４６とを同期して動作させる。これにより、第１の位相変調器２３と、第２の位相変調器３３と、第３の位相変調器４３とは互いに同期制御される。したがって、第１のコム光と第２のコム光と第３のコム光とは、互いに同期する。

図３は、第１のコム光の中心周波数、第２のコム光の中心周波数および誘導ブリルアン散乱光の関係を示す図である。横軸は周波数であり、縦軸は強度を示す。なお、ブリルアン利得スペクトルを破線にて示す。

第１のコム光の中心周波数ν_０である。第２のコム光の中心周波数ν_０＋ν_Ｂ＋Δν_Ｂである。なお、本例ではΔν_Ｂ＝３４．５ＭＨｚである。ブリルアン利得スペクトルの強度のピークを与える周波数はν_０＋Δν_Ｂであり、第２のコム光の中心周波数ν_０＋ν_Ｂ＋Δν_Ｂよりもν_Ｂだけ小さい。

ブリルアン利得スペクトルは、ローレンツ型の関数と相似である。つまり、ブリルアン利得スペクトルは、周波数ｘに対して強度ｆ（ｘ）＝ｃ／｛１＋ａ（ｘ−ｂ）^２｝と相似である。ここで、ａ，ｂおよびｃはそれぞれ正の実数である。ｆ（ｘ）の最大値ｆ_ｍａｘは、ｘ＝ｂにおけるｆ_ｍａｘ（ｂ）＝ｃである。ｆ（ｘ）は、ｘ＝ｂ±ａ^‐１／２において、ｆ_ｍａｘ／２となる。また、ｆ（ｘ）は、ｘ＝ｂ±３ａ^‐１／２において、ｆ_ｍａｘ／１０となる。

本例では、ブリルアン利得スペクトルの半値幅は２３ＭＨｚである。つまり、ブリルアン利得スペクトルは、ν_０＋Δν_Ｂを中心に１１．５×２ＭＨｚの幅を有する。また、ブリルアン利得スペクトルの最大値の１／１０となる周波数は、ν_０＋Δν_Ｂを中心に１１．５×３×２（＝６９ＭＨｚ）の幅を有する。

本例では、ブリルアン利得スペクトルの最大値の１／１０となる２つの周波数のうち低周波数側の周波数を、第１のコム光の中心周波数ν_０と一致させるようにする。つまり、周波数シフタ３１は、第２のコム光の中心周波数を、ν_０からν_０＋ν_Ｂ＋３４．５ＭＨｚにずらす。それゆえ、本例では、Δν_Ｂ＝３４．５ＭＨｚとする。

図４は、（ａ）第１のコム光、（ｂ）第２のコム光、（ｃ）被測定対象５０からの誘導ブリルアン散乱光、（ｄ）第３のコム光および（ｅ）ビート信号を示す図である。（ａ）から（ｅ）において、横軸は周波数であり、縦軸は強度を示す。

（ａ）は、第１のコム光を示す。特に、第１のコム光の中心周波数ν_０以上における、中心周波数ν_０を含む７つの周波数ピークを示す。上述の様に、第１のコム光は中心周波数ν_０であり、周波数間隔が２５．００００ＧＨｚである。

（ｂ）は、第２のコム光を示す。上述の様に、第２のコム光は中心周波数ν_０＋ν_Ｂ＋Δν_Ｂであり、周波数間隔がｆ−Δｆ_１＝２４．９８８５ＧＨｚである。上述の様に、第２のコム光の基準周波数（左から４番目の周波数ピーク）は、第１のコム光の左から４番目のピークに対してν_Ｂだけずれている。上述の様に、本例の第２のコム光の基準周波数は、ν_０＋ν_Ｂ＋Δν_Ｂ＋３（ｆ−Δｆ_１）である。なお、説明の便宜上、（ｂ）にはブリルアン利得スペクトルを破線にて付記した。ただし、ブリルアン利得スペクトルは、第２のコム光そのものではない。

ブリルアン利得スペクトルの半値幅は、２３ＭＨｚ（＝０．０２３ＧＨｚ）である。また、ブリルアン利得スペクトルの最大値の１／１０となる周波数の幅は、３４．５×２＝６９ＭＨｚ（＝０．０６９ＧＨｚ）である。それゆえ、ブリルアン利得スペクトルの幅は、第２のコム光の周波数間隔２４．９８８５ＧＨｚに比べて十分に小さい。説明の便宜上、（ｂ）ではブリルアン利得スペクトルの幅は故意に拡大されて描かれており、ブリルアン利得スペクトルの幅と第２のコム光の周波数間隔との相対的なスケールは、図面上は正確ではないことに留意されたい。

（ｃ）は、誘導ブリルアン散乱光スペクトルを示す。ブリルアン散乱光スペクトルは、第１のコム光と同じ周波数間隔を有する。第１のコム光および第２のコム光の周波数間隔の差であるΔｆ_１は、被測定対象５０のブリルアン利得スペクトルの幅よりも小さい。第１のコム光と第２のコム光との周波数間隔差はΔｆ_１であるので、誘導ブリルアン散乱光は、ブリルアン利得スペクトルをΔｆ_１だけずれた複数の周波数でサンプリングすることができる。本例では、誘導ブリルアン散乱光は、ブリルアン利得スペクトルの最大値の１／１０となる周波数の幅６９ＭＨｚにおいて、ブリルアン利得スペクトルをΔｆ_１（＝１１．５ＭＨｚ）の間隔で７点だけサンプリングする。

第１のコム光および第２のコム光の周波数間隔は、いずれも被測定対象５０のブリルアン利得スペクトルの幅の２倍よりも大きい。本例では、第１のコム光および第２のコム光の周波数間隔はそれぞれｆ＝２５．００００ＧＨｚおよびｆ−Δｆ_１＝２４．９８８５ＧＨｚであり、ブリルアン利得スペクトルの幅は半値幅が２３ＭＨｚである。よって、第１のコム光および第２のコム光の周波数間隔は、ブリルアン利得スペクトルの半値幅の約１０００倍である。なお、ν_Ｂは１１ＧＨｚであるので、ブリルアン利得スペクトルの最大値は、第２のコムの各周波数ピークの低周波数側近傍に位置する。

（ｄ）は、第３のコム光を示す。第３のコム光の中心周波数はν_０で第１のコム光の中心周波数と一致する。ただし、第３のコム光の周波数間隔はｆ＋Δｆ_２であり、誘導ブリルアン散乱光の周波数間隔ｆとはΔｆ_２だけ異なる。

（ｅ）は、（ｃ）誘導ブリルアン散乱光スペクトルと（ｄ）第３のコム光とのビート信号を示す。ここで、ビート信号の周波数は周波数ν_０に比べて格段に小さく、かつ、ビート信号の形状はブリルアン利得スペクトルの形状と相似である。それゆえ、ビート信号の強度に応じた電気信号を測定することにより、ブリルアン利得スペクトルを間接的に測定することができる。本例では０Ｈｚから６・Δｆ_２（＝６ＭＨｚ）までの各ビート信号により、ブリルアン利得スペクトルを間接的に再現できる。これにより、被測定対象５０の任意の各点における歪みまたは温度変化に応じたブリルアンシフト周波数ν_Ｂの変化を検知することができる。

本例の測定装置１００は、ポンプ光の周波数を時間に対して精密に線形掃引する必要がない。それゆえ、線形掃引を実現するための、複雑かつ精密な制御系が不要である。また、周波数掃引の非線形性を補償するために、従来のように信号処理部および周波数シフタにおいて複雑な信号処理をする必要もない。また、１回の測定が１秒以内に行われるので、被測定対象５０に加わった歪みまたは温度の高精度な測定を少なくとも１秒ごとに行うことができる。

上述の例では、ブリルアン利得スペクトルの最大値の１／１０となる周波数の幅６９ＭＨｚを、１１．５ＭＨｚ間隔で７点サンプリングする例を示した。変形例として、周波数の幅６９ＭＨｚを１ＭＨｚ間隔で６９点サンプリングしてもよい。この場合第２のコム光は、Δｆ_１＝１ＭＨｚとする。加えて、第２のコム光において、周波数ν_０＋ν_Ｂ＋Δν_Ｂから高周波側に位置する６９個の周波数ピークを用いればよい。また、半値幅２３ＭＨｚを７点でサンプリングしてもよい。この場合、第２のコム光は、Δｆ_１＝３．８７ＭＨｚとしてよい。加えて、周波数ν_０＋ν_Ｂ＋Δν_Ｂ以上の高周波側に位置する第２のコム光の７個の周波数ピークを用いればよい。ブリルアン利得スペクトルをサンプリングする間隔Δｆ_１は、サンプリング数に応じて任意に定めてもよい。

図５は、第１のコム光の２以上のパルス群間の周期τ_１と第２のコム光の２以上のパルス群間の周期τ_２との関係を示す図である。上述の様に、第１のパルス変調器２９は、第１のコム光のパルス群間の周期τ_１を調節する。また、第２のパルス変調器３９は、第２のコム光のパルス群間の周期τ_２を調節する。本例の測定装置１００において、第１のパルス変調器２９および第２のパルス変調器３９は、第１のコム光の２以上のパルス群間の周期τ_１と第２のコム光の２以上のパルス群間の周期τ_２とを異ならせることができる。それゆえ、被測定対象５０において第１のコム光のパルス群と第２のコム光のパルス群とが重なる位置を順次変化させることができる。

なお、第１のコム光発生器２２と被測定対象５０の一端５２との間に制御ゲート５６を設け、かつ、第２のコム光発生器３２と被測定対象５０の他端５４との間に制御ゲート５８を設けてもよい。本例では、第１のパルス変調器２９と被測定対象５０の一端５２との間に制御ゲート５６を設け、第２のパルス変調器３９と被測定対象５０の他端５４との間に制御ゲート５８を設ける。

コム光は、時間軸上ではパルス光である。例えば、２．５ＴＨｚの帯域のコム光は、１ｐｓの短パルス光となる。制御ゲート５６および制御ゲート５８は、パルス光が出力されるタイミングを制御することができる。これにより、被測定対象５０中におけるパルス光の衝突位置を制御することができる。それゆえ、パルス群間の周期は固定して、制御ゲート５６および制御ゲート５８により、被測定対象５０中におけるパルス光の衝突位置を制御してもよい。

例えば、パルス光の繰り返し周波数が２５ＧＨｚである場合、時間軸上においてパルス光の間隔（すなわち、パルス周期）は０．０４ｎｓとなる。０．０４ｎｓ周期でパルス光を出力するためには、２５ＧＨＺよりも高い周波数で動作する機器を用いて、制御ゲート５６および制御ゲート５８を実現すればよい。例えば、４０ＧＨｚ帯域で動作するＬＮ強度変調器により制御ゲート５６および制御ゲート５８を実現することができる。

本例の第１のパルス変調器２９は、第１のコム光のパルス群間の周期を、１つのパルス光が被測定対象５０を伝搬するのに必要な時間とすることができる。被測定対象５０（一例として、光ファイバ）の長さが２ｋｍであり、かつ、当該光ファイバ内での光速が２×１０^８ｍ／ｓである場合、第１のコム光のパルス群間のパルス周期を１０μｓとしてよい。つまり、２ｋｍ＝１０μｓ×２×１０^８ｍ／ｓを満たすように、第１のコム光のパルス群間の周期τ_１を調節してよい。なお、屈折率ｎの媒質中での光速ｃ'は、ｃ'＝ｃ／ｎとなる。また、周期τ_１を固定して、周期τ_２を周期τ_１よりも大きいまたは小さい値で固定することにより、第１のコム光のパルス群と第２のコム光のパルス群との衝突位置を被測定対象５０の異なる任意の位置とすることができる。なお、変調後のパルス群の持続時間が１０ｎｓである場合、空間分解能は２ｍ（＝１０ｎｓ×２×１０^８ｍ／ｓ）であってよい。

光ファイバの長さＬが２ｋｍであり、空間分解能ΔＬが２ｍであり、イメージセンサを用いた一回の測定時間τが３０ｍｓ（＝３０×１０^−３ｓ）である場合を想定する。この場合、光ファイバの全長を測定するために要する全測定時間Ｔは、Ｔ＝（Ｌ／ΔＬ）τ＝３０ｓとなる。

測定器９０は、被測定対象５０の各位置における誘導ブリルアン散乱光のスペクトルの分布を測定してよい。これにより、被測定対象５０の異なる任意の位置において、ブリルアンシフト周波数ν_Ｂの変化を測定することができる。なお、周期τ_１と周期τ_２とを等しくして、被測定対象５０の同一位置だけのブリルアンシフト周波数ν_Ｂを測定してもよい。

なお、本例では、Δｆ_１およびΔｆ_２を相対的に小さくしても、１回の測定時間は変わらない。上述の様に、本例の１回の測定は１秒以内に行なわれる。これに対して、周波数を掃引する例は数分程度の時間が必要となる。また、周波数掃引の例では、周波数間隔を小さくするほど、測定時間が長くなる。このように本例の手法では、周波数を掃引する例よりも測定時間を短くすることができる。また、それゆえに本例では、周波数を掃引する例では困難であった数Ｈｚ程度の振動をも検知することができる。

図６は、第２の実施形態における被測定対象５０と測定装置１１０とを備えるセンサシステム２１０を示す図である。本例では、第１のパルス変調器２９とサーキュレータ６０との間にデポラライザ６５を備え、第３のコム光発生器４２と合波用カプラ７０との間にもデポラライザ６５を備える。測定装置１１０の光経路が、伝搬特性に偏波依存性が無いシングルモードファイバである場合に、デポラライザ６５が必要となる。それゆえ、測定装置１１０の光経路を偏波保持光ファイバで構成し、かつ、種光源１０から出射された光を偏波コントローラにより、偏波保持光ファイバ内で偏波が保持される直線偏波にしておけば、デポラライザ６５は不要である。勿論、第１の実施形態の測定装置１００は、偏波保持光ファイバおよび偏波コントローラを備えてもよい。第２の実施形態の測定装置１１０は、シングルモードファイバおよびデポラライザ６５を備える点において第１の実施形態と異なる。他の点は、第１の実施形態と同様である。

デポラライザ６５は、第１のコム光および第３のコム光の偏波状態をランダムにする。つまり、デポラライザ６５は、第１のコム光および第３のコム光を非偏波状態にする。測定器９０は、誘導ブリルアン散乱光と非偏波状態の第３のコム光とのビート信号を測定する。

本例では、誘導ブリルアン散乱光と第３のコム光とは、合波されるまでの過程において光路長が異なり得る。それゆえ、デポラライザ６５が無い場合には、誘導ブリルアン散乱光と第３のコム光とは、偏波状態が異なる場合がある。誘導ブリルアン散乱光と第３のコム光との偏波状態が異なる場合には、十分なビート信号の強度が得られない可能性がある。本例においては、第３のコム光はデポラライザ６５により非偏波状態にされている。つまり、第３のコム光はあらゆる状態の偏波を均等に含んだ光であるので、ブリルアン利得スペクトルの偏波状態と一致する偏波を必ず含む。それゆえ、シングルモードファイバを用いた場合であっても、ビート信号の強度は最低限度担保される。

なお本例では、第１のパルス変調器２９とサーキュレータ６０との間にデポラライザ６５を備えるとしたが、これに代えて、第２のパルス変調器３９と被測定対象５０の他端５４との間にデポラライザ６５を備えてもよい。これによっても同様の効果が得られる。

図７は、第３の実施形態における被測定対象５０と測定装置１２０とを備えるセンサシステム２２０を示す図である。本例では、第２の分波用カプラ１４と第１のコム光発生器２２との間に周波数シフタ２１を設け、第２の分波用カプラ１４と第３のコム光発生器４２との間に周波数シフタ４１を設ける。周波数シフタ２１および周波数シフタ４１は、レーザ光の中心周波数ν_０をν_Ｂ＋Δν_Ｂだけ低周波数側にずらす。これにより、第１のコム光および第３のコム光の中心周波数は、ν_０−（ν_Ｂ＋Δν_Ｂ）となる。当該構成によっても、第１の実施形態と同様の測定を行うことができる。

図８は、被測定対象５０として、光ファイバ１５０を用いる例を示す図である。なお、相対位置を説明することを目的として、光ファイバ１５０の長手方向はＺ方向であるとし、光ファイバ１５０の長手方向に垂直な断面はＸ‐Ｙ平面であるとする。本例の光ファイバ１５０は、クラッド１５４内に、光ファイバコア１５３と、Ｘ‐Ｙ平面において当該光ファイバコア１５３を挟む２つの応力付与部１５６とを有する。なお、光ファイバ１５０は、クラッド１５４の外側に被覆部をさらに有してもよい。

本例の光ファイバ１５０は、ＰＡＮＤＡ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ‐ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ ＡＮＤ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ‐ｒｅｄｕｃｉｎｇ）ファイバである。ＰＡＮＤＡファイバにおいては、非軸対象な応力が予め付与されている。それゆえ、ＰＡＮＤＡファイバにおいては、光の偏光が、光ファイバ中でのランダムな複屈折に起因して変化しない。本例において、応力付与部１５６‐１は光ファイバコア１５３に−Ｙ方向の応力を付与し、応力付与部１５６‐２は＋Ｙ方向の応力を付与する。これにより、光ファイバコア１５３のＸ方向とＹ方向とで偏波状態を異ならせることができる。

ブリルアン利得スペクトルは、光ファイバ１５０の温度に起因して変化し、光ファイバ１５０が受ける歪みに起因しても変化する。それゆえ、ブリルアン利得スペクトルを測定しても、周波数が温度に起因して変化しているのか、歪みに起因して変化しているのか判別することが困難である場合がある。

本例の光ファイバ１５０はＰＡＮＤＡファイバであるので、互いに独立なＸ方向の偏波とＹ方向の偏波とが光ファイバ１５０中を伝搬すると見なすことができる。すなわち、１本の光ファイバ１５０でありながら、２つの異なる光が光ファイバ１５０中を伝搬すると見なすことができる。

Ｘ方向の偏波をν_１とし、Ｙ方向の偏波をν_２とし、被測定対象５０の特定位置における温度をＴとし、被測定対象５０の特定位置における歪みをεとする。ν_１のブリルアンシフト周波数の変化であるδν_Ｂ１およびν_２のブリルアンシフト周波数の変化であるδν_Ｂ２は、下記の数式１および数式２で表される。
［数１］
δν_Ｂ１＝Ａ・δＴ＋Ｂ・δε
［数２］
δν_Ｂ２＝Ｃ・δＴ＋Ｄ・δε

上述のブリルアン利得スペクトルを測定することにより、δν_Ｂ１およびδν_Ｂ２を特定することができる。また、Ａ、Ｂ、ＣおよびＤは、各光ファイバ１５０に固有の値である。それゆえ、温度Ｔの変化量であるδＴと、歪みεの変化量であるδεとは、数式１および数式２の連立方程式から算出することができる。これにより、光ファイバ１５０における温度および歪みの変化量を得ることができる。

なお、本例の光ファイバ１５０は、母材作成工程およびその後の紡糸工程により形成することができる。一例であるが、光ファイバコア１５３はＧｅＯ_２およびＳｉＯ_２を有してよく、クラッド１５４はＳｉＯ_２を有してよく、応力付与部１５６はＢ_２Ｏ_３およびＳｉＯ_２を有してよい。

図９は、被測定対象５０として、光ファイバ１５０を用いる他の例を示す図である。本例の光ファイバ１５０は、第１の光ファイバ１５１および第２の光ファイバ１５２の２つの光ファイバを有する。この２つの光ファイバは、光ファイバ１５０の歪み変化および温度変化を測定するために用いられる。上述の様に、２つの光ファイバのブリルアンシフト周波数の変化を測定し、数式１および数式２からδＴおよびδεを算出する。

図９（ａ）の例において、光ファイバ１５０‐１は、同じ直径を有するが屈折率の温度依存性が異なる、第１の光ファイバ１５１と第２の光ファイバ１５２とを有する。屈折率の温度依存性が異なる２つの光ファイバは、異なる元素からなる材料を有してよく、同じ元素であるが組成比が異なる材料を有してもよい。第１の光ファイバ１５１と第２の光ファイバ１５２とは、同じ直径を有するが屈折率の歪み依存性が異なってもよい。

図９（ｂ）の例において、光ファイバ１５０‐２は、外側に被覆部１５５を有する第１の光ファイバ１５１と被覆部１５５を有しない第２の光ファイバ１５２とを有する。これにより、第１の光ファイバ１５１と第２の光ファイバ１５２とにおける屈折率の温度依存性を異ならせてよい。したがって、図９（ｂ）の例では、２つの光ファイバ屈折率の温度依存性が同じであってもよい。

図９（ｃ）の例では、光ファイバ１５０‐２は、直径が異なる２つの光ファイバを有する。本例では、第１の光ファイバ１５１の直径が第２の光ファイバ１５２よりも大きい。なお、第２の光ファイバ１５２の直径が第１の光ファイバ１５１よりも大きくてもよい。これにより、２つの光ファイバにおける屈折率の温度依存性を異ならせることができる。

図１０は、第４の実施形態における多点型光ファイバセンサ４００を示す図である。多点型光ファイバセンサ４００は、デュアルコム光源部３４０と、サーキュレータ３５０と、光ファイバ３６０と、測定器３９０とを有する。

デュアルコム光源部３４０は、種光源３１０、分波用カプラ３１２、制御部３１５、第１のコム光発生器３２０、および、第２のコム光発生器３３０を有する。種光源３１０は、単一波長λ_０のレーザ光を出射する。本例では、λ_０＝１．５５μｍ（対応する周波数ν_０＝約１．９４×１０^２ＴＨｚ）である。種光源３１０から出射された光は、分波用カプラ３１２で分岐して第１のコム光発生器３２０と第２のコム光発生器３３０とにそれぞれ入射する。

第１のコム光発生器３２０は種光源３１０のレーザ光から第１のコム光を生成し、第２のコム光発生器３３０は種光源３１０のレーザ光から第２のコム光を生成する。コム光とは、周波数軸上において等間隔に並んだ複数の光周波数モード（複数の周波数ピーク）を有する光である。

第１のコム光発生器３２０は、第１の位相変調器３２２および第１の強度変調器３２３、増幅器３２４、信号発生器３２６、分散補償用ファイバ３２８、高非線形ファイバ３２９を有する。本例の信号発生器３２６は、変調周波数ｆ＝２．５００ＧＨｚの変調信号を発生する。変調信号は、信号発生器３２６から増幅器３２４を介して第１の位相変調器３２２および第１の強度変調器３２３に伝達される。第１の位相変調器３２２および第１の強度変調器３２３は、変調周波数ｆ＝２．５００ＧＨｚで単一波長λ_０のレーザ光の位相を変調する。これにより、単一波長λ_０のレーザ光は、変調周波数ｆ＝２．５００ＧＨｚに等しい周波数間隔を有する種コム光に変調する。第１の位相変調器３２２および第１の強度変調器３２３は、例えばＬｉＮｂＯ_３の結晶を用いたＬＮ光変調器であってよい。

種コム光は、周波数軸において複数の周波数ピークを有する。種コム光は、周波数ν_０を中心に２．５００ＧＨｚだけ離れた複数の周波数ピークを有する。ただし、周波数軸における種コム光の周波数ピークの数は、第１のコム光および第２のコム光の周波数ピークの数よりも少ない。

種コム光は、時間軸において相対的に長い光パルスを有する。分散補償用ファイバ（Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ Ｆｉｂｅｒ：ＤＣＦ）３２８は、種コム光の波長分散特性を補償する。これにより、分散補償用ファイバ３２８は、種コム光の光パルス幅を分散補償用ファイバ３２８に入射する前よりも短い光パルス幅に変える。分散補償用ファイバ３２８から出射された種コム光は、高非線形ファイバ３２９に入射する。

高非線形ファイバ３２９は、種コム光の周波数帯域を拡大する。高非線形ファイバ３２９は、種コム光の周波数ピークよりも多い周波数ピークを有する第１のコム光を生成する。第１のコム光は、周波数ν_０を中心に周波数間隔２．５００ＧＨｚの複数の周波数ピークを有する。高非線形ファイバ３２９は、ＨＮＬＦ（Ｈｉｇｈｌｙ−Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｆｉｂｅｒ）とも称される。高非線形ファイバ３２９は、ＧｅＯ_２等を添加した石英系光ファイバ、または、断面内に空孔が周期配列して存在するフォトニッククリスタルファイバであってよい。高非線形ファイバ３２９において生成された第１のコム光は、サーキュレータ３５０を介して光ファイバ３６０に入射する。

第２のコム光発生器３３０は、第２の位相変調器３３２および第２の強度変調器３３３、増幅器３３４、信号発生器３３６、分散補償用ファイバ３３８、高非線形ファイバ３３９を有する。各構成の機能は、第１のコム光発生器３２０の対応する構成とほぼ同様であるので、説明を省略する。ただし、本例の信号発生器３３６は、変調周波数ｆ＝２．５０１ＧＨｚの変調信号を発生する。これにより、第２のコム光発生器３３０は、周波数ν_０を中心に周波数間隔２．５０１ＧＨｚの複数の周波数ピークを有する第２のコム光を生成する。

第１のコム光の周波数間隔は２．５００ＧＨｚであり第２のコム光の周波数間隔は２．５０１ＧＨｚであるので、第１のコム光と第２のコム光とは周波数間隔が異なる。第１のコム光および第２のコム光は、サーキュレータ３５０を介して光ファイバ３６０に入射する。

制御部３１５は、第１のコム光発生器３２０中の信号発生器３２６と、第２のコム光発生器３３０中の信号発生器３３６とを同期して動作させる。これにより、第１の位相変調器３２２および第１の強度変調器３２３と第２の位相変調器３３２および第２の強度変調器３３３とは同期制御される。したがって、第１のコム光と第２のコム光とは、互いに同期する。なお、本例では、第１の位相変調器３２２および第１の強度変調器３２３を有する例を説明したが、第１のコム光発生器３２０は、少なくとも第１の位相変調器および第１の強度変調器のいずれかを有してもよい。同様に、第２のコム光発生器３３０は、少なくとも第２の位相変調器および第２の強度変調器のいずれかを有してよい。この場合、少なくとも第１の位相変調器および第１の強度変調器のいずれかと、少なくとも第２の位相変調器および第２の強度変調器のいずれかとが同期制御されればよい。

光ファイバ３６０は、周囲環境によって分光特性が変化する１以上の反射点を含む。本明細書における周囲環境とは、分光特性が変化する反射点に接した領域における、温度、歪み、圧力、化学物質濃度、湿度および放射線等の少なくとも１以上の状態を指す。本明細書において分光特性が変化するとは、反射スペクトルまたは透過スペクトルが変化することを意味する。本明細書においては、反射スペクトルまたは透過スペクトルの形状は保ったままで中心周波数が変化する、分光特性の変化の例を説明する。ただし、分光特性の変化は、これに限定されず、反射スペクトルまたは透過スペクトルの形状が変化してもよい。または、分光特性の変化は、反射スペクトルまたは透過スペクトルの中心周波数は変わらず、反射率または透過率が一様に変化してもよい。

周囲環境により分光特性が変化する反射点は、光ファイバ３６０内部に設けられ、かつ、特定の周波数または特定の波長の光を反射する反射体からなる。また、この分光特性が変化する反射点は、当該「特定の周波数または特定の波長」以外の光を透過させる。それゆえ、分光特性が変化する反射点における反射光および透過光を利用したスペクトル測定が可能である。本明細書において、分光特性が変化する反射点とは、光ファイバ３６０の長手方向に設けられた、反射スペクトルまたは透過スペクトルが変化する光学フィルタとしての機能を有する部分であればよい。反射体を構成する反射点は、光ファイバ３６０内部に設けられた固体、液体または気体であってよい。

本例において、分光特性を有する１以上の反射点は、１以上のＦＢＧである。図１０においてＦＢＧ＃１、ＦＢＧ＃２‥と図示するように、光ファイバ３６０は、Ｎ個のＦＢＧを有する。Ｎは１以上の自然数であり、一例においてＮ＝１００である。ただし、光ファイバ３６０の長さに応じてＮの値は適宜定めてよい。光ファイバ３６０が長いほど、Ｎの値は大きくしてよい。

本明細書において１つのＦＢＧは、光ファイバ３６０のコアにおいて周期的な屈折率の変化を設けた１つの領域を指す。周期的な屈折率の変化が設けられた１つの領域が、１つの光学フィルタに対応するとしてよい。この周期的な屈折率変化の周期をグレーティング周期と称する。例えば、ゲルマニウムを添加した光ファイバに周期的開口を有するマスクを介して紫外線を照射することにより、ＦＢＧを形成することができる。

光ファイバ３６０は、入射した光のうちグレーティング周期に対応する特定の周波数の光を主に反射する。各ＦＢＧは、それぞれ異なるグレーティング周期を有する。本例において、ＦＢＧ＃１は周波数ν_１の光を主に反射し、ＦＢＧ＃２は周波数ν_２の光を主に反射し、同様に、ＦＢＧ＃Ｎは周波数ν_Ｎの光を主に反射する。反射する様子を折り返し矢印にて模式的に示す。

本明細書において、各ＦＢＧが主に反射する光の周波数ν_１、ν_２…ν_Ｎを、各ＦＢＧの中心周波数と称する。各ＦＢＧはそれぞれ異なるグレーティング周期を有するので、各ＦＢＧにおいて反射光の周波数スペクトルの中心周波数は互いに異なる。各ＦＢＧの中心周波数ν_１、ν_２…ν_Ｎの値は光ファイバ３６０の製造時に予め定めることができる。

本例における１以上のＦＢＧは、第１のコム光が入射する位置から離れるに従い中心周波数が大きくなるように光ファイバ３６０中に配置される。つまり、各ＦＢＧの中心周波数はν_１＜ν_２＜‥＜ν_Ｎであり、サーキュレータ３５０に近い順にν_１、ν_２、‥ν_Ｎとなるように配置する。

光ファイバ３６０には、サーキュレータ３５０を介して第１のコム光および第２のコム光が入射する。光ファイバ３６０は、入射した第１のコム光および第２のコム光のうち各ＦＢＧの中心周波数に応じた光を主に反射する。反射された第１のコム光および第２のコム光は、サーキュレータ３５０を介して測定器３９０に入射する。

第２のコム光は、第１のコム光とはΔｆだけ周波数間隔が異なる。本例において、第２のコム光は第１のコム光よりもΔｆだけ周波数間隔が大きい。本例のΔｆは、０．００１ＧＨｚ（＝１ＭＨｚ）である。他の例においては、Δｆは第１のコム光の周波数間隔の０．１％であってもよい。

各ＦＢＧの中心周波数の大小関係はν_１＜ν_２＜‥＜ν_Ｎであるので、ＦＢＧ＃ＮのＮが大きいほど、第１のコム光の反射スペクトルと第２コム光との周波数差ＮΔｆは大きくなる。１つのＦＢＧが第１および第２のコム光の各１０本の周波数ピークを反射し、かつ、Ｎ＝２５０である場合、Δｆ＝０．００１ＧＨｚであるから、１０・Ｎ・Δｆ＝２．５ＧＨｚとなる。２．５ＧＨｚは第１のコム光の周波数間隔に一致する。そこで、第１のコム光の周波数ピークが５０００本である場合には、コム光の周波数軸の中心における周波数ν_０を含む２５００本程度を反射スペクトルの測定に用いてよい。本例では、周波数ν_０以上の周波数帯における２５００本程度の周波数ピークを反射スペクトルの測定に用いる。

光ファイバ３６０における１以上のＦＢＧから反射された第１のコム光および第２のコム光は、合波されてビート信号となる。ビート信号は、第１のコム光と第２のコム光との周波数差を有する。測定器３９０は、当該ビート信号を測定する。

測定器３９０は、光電変換素子３８０とスペクトル解析装置３８５とを有する。光電変換素子３８０はビート信号を光電変換する。つまり、光電変換素子３８０は受信するビート信号の強度に応じた電気信号を生成する。例えば光電変換素子３８０は、ビート信号の強度が大きい場合には大きい信号値の電気信号を生成する。

スペクトル解析装置３８５は、光電変換素子３８０が生成した各時間における電気信号を高速フーリエ変換する。これによりスペクトル解析装置３８５は、ビート信号の周波数成分毎の信号強度を算出する。本例では、ビート信号の周波数成分は、１０・Ｎ・Δｆ程度である。つまり、ビート信号は最大でも、種光源３１０のν_０周波数である約１．９４×１０^２ＴＨｚに比べて格段に小さい１ＧＨｚ（＝１０・１００・１ＭＨｚ）である。これにより、ビート信号の測定は、光スペクトル解析装置ではなく高速フーリエ変換等の信号処理が可能な電子回路を実装したスペクトル解析装置３８５により実行できる。

図１１は、第１のコム光、光ファイバ３６０および各ＦＢＧから反射された第１のコム光の反射スペクトルを示す図である。上段の第１のコム光は、横軸が周波数であり縦軸が光の強度である。上述の様に、第１のコム光の中心の周波数はν_０であり、周波数間隔は２．５００ＧＨｚである。本例において、第１のコム光は１．３ＴＨｚ程度の広がりを有してよい。

中段の光ファイバ３６０は、横軸が光ファイバ３６０の長手方向に沿った長さである。縦軸は特定の物理量を示すものではなく、複数のＦＢＧが光ファイバ３６０に設けられることを模式的に示す。

下段の各ＦＢＧから反射された第１のコム光の反射スペクトルは、横軸が周波数であり縦軸が光の強度である。各ＦＢＧは各中心周波数の光を主に反射するので、反射された第１のコム光は、各中心周波数ν_１、ν_２、‥ν_Ｎを中心に一定の広がりを有する複数の反射スペクトルを構成する。

各ＦＢＧから反射された第１のコム光の複数の反射スペクトルは、周波数軸上において複数の同じ反射帯域幅を有する。なお、第１のコム光を各ＦＢＧに入射した場合、各ＦＢＧのスペクトルが連続的に検出される訳ではないので、反射スペクトルを破線で示した。

本例において、ＦＢＧの各々の反射帯域幅は、半値幅２６ＧＨｚ（波長換算で０．２ｎｍ）を有する。当該反射帯域幅は、第１のコム光の複数の周波数ピークが収まる幅である。本例では、第１のコム光の周波数間隔が２．５００ＧＨｚであるので、１つのＦＢＧの半値幅２６ＧＨｚの範囲内に第１のコム光の周波数ピークが少なくとも１０本は収まる。

上述の様に、各ＦＢＧの中心周波数は異なる。本例において、各ＦＢＧの中心周波数は、１３０ＧＨｚ（波長換算で１ｎｍ）だけ離れている。第１のコム光および第２のコム光は、ＦＢＧ＃１で反射する周波数ピークと、ＦＢＧ＃１とは異なるＦＢＧ＃２で反射する周波数ピークとを少なくとも有する。本例の第１のコム光は、全てのＦＢＧ（ＦＢＧ＃１〜ＦＢＧ＃Ｎ）で反射する周波数ピークを有する。したがって、第１のコム光は、光ファイバ３６０の全てのＦＢＧからの反射光を得ることができる。

図１２は、第１のコム光と第２のコム光との関係を示す図である。第１のコム光も第２のコム光も、横軸は周波数であり、縦軸は強度である。第１のコム光および第２のコム光は、種光源３１０を元に同期して生成されたので、周波数軸上において中心の周波数ν_０は一致する。ただし上述の様に、第１のコム光の周波数間隔は２．５００ＧＨｚであり、第２のコム光の周波数間隔は２．５０１ＧＨｚである。それゆえ、周波数ν_０よりも大きい周波数領域においては、２つのコム光は周波数が徐々にずれる。なお、周波数ν_０よりも小さい周波数領域においても２つのコム光は周波数が徐々にずれるが、図面では省略してある。

本例では、周波数ν_０を基準にして１つ目の周波数ピークにおいて、第２のコム光は第１のコム光よりもΔｆ（０．００１ＧＨｚ＝１ＭＨｚ）だけ周波数が大きい。さらに、周波数ν_０を基準にして２つ目の周波数ピークにおいて、第２のコム光は第１のコム光よりも２Δｆだけ周波数が大きい。同様に、周波数ν_０を基準にして３つ目および４つ目の周波数ピークにおいて、第２のコム光は第１のコム光よりも３Δｆだけおよび４Δｆだけそれぞれ周波数間隔が大きい。このように、周波数ν_０を基準にしてＭ番目の周波数ピークにおいて、第２のコム光は第１のコム光よりもＭΔｆだけ周波数間隔が大きい。なお、Ｍは１以上の自然数であり、本例ではＭ＝２５００である。

図１３は、ＦＢＧ＃１から反射された第１のコム光の反射スペクトルと、ＦＢＧ＃１から反射された第２のコム光の反射スペクトルと、第１のコム光と第２のコム光とのビート信号との関係を示す図である。上段の第１のコム光は、横軸が周波数であり縦軸が光の強度である。ＦＢＧ＃１の反射スペクトルは、第１のコム光の複数の周波数ピークを反映したスペクトルを有する。本例のＦＢＧ＃１の反射スペクトルは、第１のコム光の１０本の周波数ピークを含む。本例において、ＦＢＧ＃１の反射スペクトルの最も低周波が、種コム光の周波数ν_０となるようにＦＢＧ＃１を設定した。ただし、周波数ν_０がどのＦＢＧの反射スペクトルに含まれるかは任意に設定してよく、上述の例に限定した設定としなくともよい。なお本例では、周波数ν_０を１つ目として５つ目と６つ目との間にＦＢＧ＃１の中心周波数ν_１が位置している。

中段の第２のコム光は、横軸が周波数であり縦軸が光の強度である。上述したように、第２のコム光の周波数ピークの１つは周波数ν_０であり、第１のコム光の周波数ピークと一致する。また、第２のコム光の周波数ピークは周波数ν_０から離れるにつれて第１のコム光の周波数ピークとの差が大きくなる。

下段の第１のコム光と第２のコム光とのビート信号は、横軸が周波数であり縦軸が光の強度である。ここで、ビート信号の周波数は周波数ν_０に比べて格段に小さく、かつ、ビート信号の形状はＦＢＧ＃１の反射スペクトルと相似形状である。それゆえ、ビート信号の強度に応じた電気信号を測定することにより、ＦＢＧ＃１の反射スペクトルを間接的に測定することができる。例えば、０Ｈｚのビート信号は、ＦＢＧ＃１からの反射スペクトルにおける、第１のコム光の周波数ν_０と第２のコム光の周波数ν_０とのビート信号である。さらに、Δｆのビート信号は、ＦＢＧ＃１からの反射スペクトルにおける、第１のコム光の周波数ν_０の次に高い周波数ピークと第２のコム光の周波数ν_０の次に高い周波数ピークとのビート信号である。

各ビート信号を用いて、測定時の周囲環境における各ＦＢＧからの反射スペクトルおよび中心周波数を再現できる。各ＦＢＧの中心周波数は周囲環境に応じて変化する。例えば、光ファイバの歪みに応じて１ｐｍ／μεだけ変化し、光ファイバの温度変化に応じて１０ｐｍ／℃だけ変化する。これは、周波数換算で１３０ＭＨｚ／μεおよび１．３ＧＨｚ／℃にそれぞれ相当する。各ＦＢＧにおける既知の中心周波数と測定時の周囲環境における中心周波数の変化により、光ファイバ３６０の歪みおよび温度変化等の周囲環境の変化を知ることができる。

本例においては、従来例（図２２）の広帯域スペクトルを有する光源を使用しない。つまり、本例では、広帯域スペクトルを有する光源と比較してＳＮ比が非常に高いので、使用する光ファイバ３６０の長さを広帯域スペクトル光源の場合よりも長くすることができる。加えて、本例においては、従来例（図２３）とは異なり、時間に対して光周波数の線形掃引を行わない。よって、反射光の測定後に測定装置において複雑な信号処理が不要である。加えて、線形掃引に伴う周波数の不連続な変化も生じない。よって、光源側において複雑な補正処理が不要となる。さらに、本例では２つのコム光発生器を用いるのに対して、従来例（図２４）ではコム光発生器を１つしか用いない。また、従来例（図２４）は、コム光の周波数間隔を掃引することにより各ＦＢＧの位置を特定して、その上で、各ＦＢＧに加えられた歪みに起因するブラッグ波長シフトを測定する。それゆえ、従来例（図２４）においてもブラッグ波長シフトを測定するには、別途、周波数掃引が必要となるか、光ファイバからの反射光をカプラから取り出して測定するための光スペクトル解析装置（光スペクトラムアナライザ）が必要となると考えられる。光スペクトル解析装置は、ＦＢＧの中心周波数シフトに対して十分な周波数分解能を有さないので、温度測定分解能および歪み測定分解能が制限される。

一般的に、異なる波長の光が異なる光路長を伝搬すると、光の偏光状態は互いに異なることとなる。偏光状態が完全に異なる２つのコム光を干渉させても、十分な強度のビート信号は得られない。例えば、各ＦＢＧから反射された第１のコム光と、光ファイバ３６０に入射させていない第２のコム光とを干渉させることを考える。この場合、各ＦＢＧから反射された第１のコム光は、各々異なる光路長を伝搬した各々異なる偏光状態の光を有する。これに対して、第２のコム光はそもそも光ファイバ３６０に入射させていないので、第１のコム光とは異なる光路長を伝播する。それゆえ、各ＦＢＧから反射された第１のコム光と、ＦＢＧから反射されていない第２のコム光とを干渉させても十分な強度のビート信号は得られない。

また、各ＦＢＧから反射された第１のコム光の偏光状態を各々全て制御して、第２のコム光の偏光状態に合わせることは原理的に困難である。第２のコム光の偏光状態を制御して、各ＦＢＧから反射された第１のコム光の偏光状態の各々と合わせることもまた原理的に困難である。それゆえ、各ＦＢＧから反射された第１のコム光とＦＢＧから反射されていない第２のコム光とを干渉させて、十分な強度のビート信号を得ることは原理的に困難である。

これに対して本例では、第１のコム光および第２のコム光を共に、１以上のＦＢＧを有する光ファイバ３６０へ入射させる。つまり、第１のコム光および第２のコム光は、同じ光路を伝搬する。また、第１のコム光および第２のコム光は、各ＦＢＧからの反射スペクトルの周波数範囲においては、ほぼ等しい波長の光であると見なすことができる。したがって、第１のコム光および第２のコム光は同じ偏光状態であると見なすことができる。

なお、変形例として、種光源３１０として周波数が可変である光源を採用してもよい。これにより、種光源３１０のレーザ光の周波数ν_０を変化させてよい。ただし、周波数を掃引しながら各ＦＢＧの反射スペクトルを測定するのではなく、例えば、周波数ν_０（＝１．９４×１０^２ＴＨｚ）を数百ＭＨｚから１ＧＨｚ程度変化させた上で、上述の反射スペクトルの測定を行う。これにより、周波数ν_０のコム光が入射するＦＢＧを、デュアルコム光源部３４０側において適宜調整することができる。

図１４は、第５の実施形態における多点型光ファイバセンサ５００を示す図である。本例では、光ファイバ３６０におけるＦＢＧの配置が第１の実施形態と異なる。本例では、サーキュレータ３５０に近い順に中心周波数がν_Ｎ、ν_Ｎ−１、‥ν_１となるように複数のＦＢＧを配置する。他の点は第１の実施形態と同様である。例えば、第１の実施形態と同様に、１以上のＦＢＧの各々において反射光の周波数スペクトルの中心周波数は互いに異なり、大小関係はν_１＜ν_２＜‥＜ν_Ｎである。

第４の実施形態の図１０のように、第１のコム光および第２コム光の反射スペクトルの周波数がν_０の近傍であるＦＢＧにおいては、第１のコム光の反射スペクトルと第２コム光の反射スペクトルとはほぼ等しいスペクトルとみなすことができる。それゆえ、ビート信号のスペクトルは、第１のコム光のスペクトルをほぼ正確に反映すると考えられる。

これに対して、ＦＢＧ＃ＮのＮが大きいほど、第１のコム光の反射スペクトルと第２コム光の反射スペクトルとの周波数差（１０・Ｎ・Δｆ）は大きくなる。当該周波数差が大きくなるにつれて、第１のコム光および第２コム光の反射スペクトルの周波数差は大きくなる。周波数差が大きいほど、ビート信号は第１のコム光の反射スペクトルを正確には反映しなくなると考えられる。従って、光ファイバ３６０の歪みまたは温度変化の測定精度は、ν_Ｎよりもν_１の方が高いと考えられる。

そこで、本例においては、第１のコム光が入射する位置から離れるに従い中心周波数が小さくなるように、１以上のＦＢＧを光ファイバ３６０中に配置する。つまり本例では、サーキュレータ３５０に近い順に、中心周波数がν_Ｎ、ν_Ｎ−１、ν_Ｎ−２‥ν_１となるように複数のＦＢＧを配置する。測定精度の高いＦＢＧほどサーキュレータ３５０から遠くに配置するので、サーキュレータ３５０から遠くの位置の光ファイバ３６０の歪みまたは温度変化ほど高精度に測定することができる。

図１５は、第６の実施形態における多点型光ファイバセンサ６００を示す図である。本例では、光ファイバ３６０におけるＦＢＧの配置が第１の実施形態と異なる。本例では、サーキュレータ３５０に近い順に中心周波数がν_１、ν_Ｎ、ν_２、ν_Ｎ−１、ν_３‥となるように複数のＦＢＧを配置する。他の点は第１の実施形態と同様である。例えば、第１の実施形態と同様に、１以上のＦＢＧの各々において反射光の周波数スペクトルの中心周波数は互いに異なり、ν_１＜ν_２＜‥＜ν_Ｎである。

第５の実施形態の説明で述べたように、周波数差が大きいほど、ビート信号は第１のコム光の反射スペクトルを正確には反映しなくなると考えられる。そこで本例では、第１のコム光が入射する位置から離れるに従い中心周波数が常に小さくまたは常に大きくならないように、１以上のＦＢＧを光ファイバ３６０中に配置する。本例では、サーキュレータ３５０に近い順に、中心周波数がν_１、ν_Ｎ、ν_２、ν_Ｎ−１、ν_３‥となるように複数のＦＢＧを配置する。測定精度の高いＦＢＧを光ファイバ３６０中に分散して配置するので、光ファイバ３６０の歪みまたは温度変化を全体に渡って高精度に測定することができる。なお、中心周波数の配置は本例のν_１、ν_Ｎ、ν_２、ν_Ｎ−１、ν_３‥の配置に限定されず、任意に定めてもよい。

図１６は、第７の実施形態における多点型光ファイバセンサ７００を示す図である。本例では、第１のコム光および第２のコム光を共に光ファイバ３６０に入射させず、第１のコム光のみを光ファイバ３６０に入射させる。また、光ファイバ３６０は、周囲環境によって分光特性が変化する２以上の反射点を有する。さらに、本例の多点型光ファイバセンサ７００は、第２のコム光発生器３３０と測定器３９０との間にデポラライザ３６５および合波用カプラ３７０を有する。この点において、上述の第１から第６の実施形態と異なる。他の点においては第４の実施形態と同様である。

第１のコム光は、光ファイバ３６０の各ＦＢＧから反射されて、光サーキュレータ３５０を介して合波用カプラ３７０に入射する。デポラライザ３６５は、第２のコム光の偏光状態をランダムにする。つまり、デポラライザ３６５は、第２のコム光を非偏光状態にする。各ＦＢＧから反射された第１のコム光と非偏光状態の第２のコム光とは、合波用カプラ３７０で合波される。測定器３９０は合波されたビート信号を測定する。

本例では、第１のコム光と第２のコム光とは、合波されるまでの過程において光路長が異なる。ただし本例においては、第２のコム光はデポラライザ３６５により非偏光状態にされている。つまり、第２のコム光はあらゆる状態の偏光を均等に含んだ光であるので、第１のコム光の偏光状態と一致する偏光を必ず含む。それゆえ、第１のコム光と第２のコム光との偏光状態が完全に異なり、十分なビート信号の強度が得られないという事態を回避することができる。なお、本例においても、第２および第３の実施形態におけるＦＢＧの配置を適用することができる。

図１７は、第８の実施形態における多点型光ファイバセンサ５００を示す図である。本例は、第４の実施形態の変形例である。本例では、反射スペクトルではなく透過スペクトルを測定する。本例では、光ファイバ３６０における１以上のＦＢＧから透過された第１のコム光および第２のコム光は、合波されてビート信号となる。これを実現する為に、光サーキュレータ３５０に代えて、光ファイバ３６０の一端とデュアルコム光源部３４０との間に合波用カプラ３７０および光アイソレータ３９５を設ける。また、光ファイバ３６０の他端に測定器３９０を設ける。その他デュアルコム光源部３４０等の構成は、第４の実施形態における多点型光ファイバセンサ４００と同じである。

第１のコム光および第２のコム光は、光アイソレータ３９５から測定器３９０へ進む。各ＦＢＧは、各中心周波数に対応する光を主に反射する。光アイソレータ３９５は、各ＦＢＧから反射された光を遮断する。光アイソレータ３９５は、各ＦＢＧから反射された光をデュアルコム光源部３４０に再度入射させず、かつ、各ＦＢＧから反射された光を測定器３９０へ再度反射しない。したがって、第１のコム光および第２のコム光のうち、各ＦＢＧで反射されなかったスペクトルが測定器３９０において測定される。

図１８は、ＦＢＧ＃１を透過した第１のコム光の透過スペクトルと、ＦＢＧ＃１を透過した第２のコム光の透過スペクトルと、第１のコム光と第２のコム光とのビート信号との関係を示す図である。上段の第１のコム光は、横軸が周波数であり縦軸が光の強度である。ＦＢＧ＃１の透過スペクトルは、第１のコム光で反射された複数の周波数ピーク以外の周波数ピークを反映したスペクトルを有する。本例において、ＦＢＧ＃１の透過スペクトルの最も低周波が、種コム光の周波数ν_０となるようにＦＢＧ＃１を設定した。ただし、周波数ν_０がどのＦＢＧの透過スペクトルに含まれるかは任意に設定してよく、上述の例に限定した設定としなくともよい。なお本例では、周波数ν_０を１つ目にして８つ目と９つ目との間にＦＢＧ＃１の中心周波数ν_１が位置している。

中段の第２のコム光は、横軸が周波数であり縦軸が光の強度である。第２のコム光の周波数ピークの１つは周波数ν_０で第１のコム光の周波数ピークと一致する。また、第２のコム光の周波数ピークは周波数ν_０から離れるにつれて第１のコム光の周波数ピークとの差が大きくなる。

下段の第１のコム光と第２のコム光とのビート信号は、横軸が周波数であり縦軸が光の強度である。ビート信号の周波数は周波数ν_０に比べて格段に小さく、かつ、ビート信号の形状はＦＢＧ＃１の透過スペクトルと相似形状である。それゆえ、ビート信号の強度に応じた電気信号を測定することにより、ＦＢＧ＃１の透過スペクトルを間接的に測定することができる。透過光と反射光とは表裏の関係にある。したがって、光ファイバ３６０の歪みおよび温度変化等の周囲環境に応じた反射スペクトルの中心周波数の周波数変化を知ることができる。

本例においても、従来例（図２２）の広帯域スペクトルを有する光源を使用しない。つまり、本例においても、広帯域スペクトル光源と比較してＳＮ比が非常に高いので、使用する光ファイバ３６０の長さを広帯域スペクトル光源の場合よりも長くすることができる。加えて、本例においても、従来例（図２３）とは異なり、時間に対して光周波数の線形掃引を行わない。よって、反射光の測定後に測定装置において複雑な信号処理が不要である。加えて、線形掃引に伴う周波数の不連続な変化も生じない。よって、光源側において複雑な補正処理が不要となる。さらに、本例では２つのコム光発生器を用いるのに対して、従来例（図２４）ではコム光発生器を１つしか用いない。また、従来例（図２４）は、コム光の周波数間隔を掃引することにより各ＦＢＧの位置を特定して、その上で、各ＦＢＧに加えられた歪みに起因するブラッグ波長シフトを測定する。それゆえ、従来例（図２４）においてもブラッグ波長シフトを測定するには、別途、周波数掃引が必要となるか、光ファイバからの反射光をカプラから取り出して測定するための光スペクトル解析装置（光スペクトラムアナライザ）が必要となると考えられる。光スペクトル解析装置は、ＦＢＧの中心周波数シフトに対して十分な周波数分解能を有さないので、温度測定分解能および歪み測定分解能が制限される。

なお本例では、第１のコム光および第２のコム光における各１６個の周波数ピークを用いた。しかしながら、用いる周波数ピークの数は１６個に限定されない。半値幅である２６ＧＨｚの範囲に位置する、周波数ν_０を１つ目として４つ目から１３番目の周波数ピークを用いてもよい。また、透過スペクトルの強度が相対的に大きいので、周波数ν_０を１つ目として１つ目から３つ目および１４番目から１６番目の周波数ピークを用いてもよい。

透過スペクトルを測定する第８の実施形態においても、第５実施形態および第６実施形態におけるＦＢＧの配置を適用してよい。また、種光源３１０のレーザ光の周波数ν_０を変化させる構成、ならびに、第１のコム光発生器３２０が少なくとも第１の位相変調器３２２および第１の強度変調器３２３のいずれかを含む構成等、第４の実施形態の構成を適用してもよい。

図１９は、第９の実施形態における多点型光ファイバセンサ６００を示す図である。本例は、第７の実施形態の変形例である。本例では、反射スペクトルではなく透過スペクトルを測定する。本例では、第１のコム光および第２のコム光を共に光ファイバ３６０に入射させず、第１のコム光のみを光ファイバ３６０に入射させる。また、光ファイバ３６０は、周囲環境によって分光特性が変化する２以上の反射点を有する。本例の多点型光ファイバセンサ６００は、第２のコム光発生器３３０と測定器３９０との間にデポラライザ３６５および合波用カプラ３７０を有する。

第１のコム光のうち各ＦＢＧを透過したコム光は、合波用カプラ３７０に入射する。第２のコム光は、デポラライザ３６５に入射する。デポラライザ３６５の機能は、第７の実施形態で上述した通りである。各ＦＢＧから透過された第１のコム光と非偏光状態の第２のコム光とは、合波用カプラ３７０で合波される。測定器３９０は合波されたビート信号を測定する。

第７の実施形態と同様に本例においても、第１のコム光と第２のコム光との偏光状態が完全に異なり、十分なビート信号の強度が得られないという事態を回避することができる。また、第９の実施形態においても、第５実施形態および第６実施形態におけるＦＢＧの配置を適用してよい。種光源３１０のレーザ光の周波数ν_０を変化させる構成、ならびに、第１のコム光発生器３２０が少なくとも第１の位相変調器３２２および第１の強度変調器３２３のいずれかを含む構成等、第４の実施形態における特徴を適用してもよい。

なお、上述した全ての実施形態では、第２のコム光の周波数間隔が第１のコム光の周波数間隔よりもΔｆだけ大きい例を説明した。しかしながら、第１のコム光の周波数間隔を第２のコム光の周波数間隔よりもΔｆだけ大きいとしてもよい。当該変更によっても、本明細書に記載の発明の原理は何ら変更されるものではない。当該変更も、本明細書に記載の発明の範囲に含まれることは自明である。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。

請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ 種光源、１２ 第１の分波用カプラ、１４ 第２の分波用カプラ、１５ 制御部、２１ 周波数シフタ、２２ 第１のコム光発生器、２３ 第１の位相変調器、２４ 第１の強度変調器、２５ 増幅器、２６ 信号発生器、２７ 分散補償用ファイバ、２８ 高非線形ファイバ、２９ 第１のパルス変調器、３０ 光ＢＰＦ、３１ 周波数シフタ、３２ 第２のコム光発生器、３３ 第２の位相変調器、３４ 第２の強度変調器、３５ 増幅器、３６ 信号発生器、３７ 分散補償用ファイバ、３８ 高非線形ファイバ、３９ 第２のパルス変調器、４１ 周波数シフタ、４２ 第３のコム光発生器、４３ 第３の位相変調器、４４ 第３の強度変調器、４５ 増幅器、４６ 信号発生器、４７ 分散補償用ファイバ、４８ 高非線形ファイバ、５０ 被測定対象、５２ 一端、５４ 他端、５６ 制御ゲート、５８ 制御ゲート、６０ サーキュレータ、６５ デポラライザ、７０ 合波用カプラ、８０ 光電変換素子、８２ スペクトル解析器、９０ 測定器、１００ 測定装置、１１０ 測定装置、１２０ 測定装置、１５０ 光ファイバ、１５１ 第１の光ファイバ、１５２ 第２の光ファイバ、１５３ 光ファイバコア、１５４ クラッド、１５５ 被覆部、１５６ 応力付与部、２００ センサシステム、２１０ センサシステム、２２０ センサシステム、３１０ 種光源、３１２ 分波用カプラ、３１５ 制御部、３２０ 第１のコム光発生器、３２２ 第１の位相変調器、３２３ 第１の強度変調器、３２４ 増幅器、３２６ 信号発生器、３２８ 分散補償用ファイバ、３２９ 高非線形ファイバ、３３０ 第２のコム光発生器、３３２ 第２の位相変調器、３３３ 第２の強度変調器、３３４ 増幅器、３３６ 信号発生器、３３８ 分散補償用ファイバ、３３９ 高非線形ファイバ、３４０ デュアルコム光源部、３５０ サーキュレータ、３６０ 光ファイバ、３６５ デポラライザ、３７０ 合波用カプラ、３８０ 光電変換素子、３８５ スペクトル解析装置、３９０ 測定器、３９５ 光アイソレータ、４００ 多点型光ファイバセンサ、５００ 多点型光ファイバセンサ、６００ 多点型光ファイバセンサ、７００ 多点型光ファイバセンサ

Claims (22)

1. 被測定対象に周波数間隔の異なる２つのコム光を入射するコム光源と、
   前記被測定対象から出力される光を測定する測定部と
   を備える
   測定装置。
2. 前記被測定対象における誘導ブリルアン散乱光の利得スペクトルを測定する測定装置であって、
   前記コム光源は、
   第１のコム光を生成して前記被測定対象の一端に入力する第１のコム光発生器と、
   前記第１のコム光に対して、基準周波数が前記被測定対象のブリルアンシフト周波数だけシフトしており、且つ、周波数間隔が異なる第２のコム光を生成して前記被測定対象の他端に入力する第２のコム光発生器と
   を有し、
   前記測定部は、
   前記被測定対象から出力される誘導ブリルアン散乱光のスペクトルを測定する測定器である
   請求項１に記載の測定装置。
3. 前記第１のコム光と基準周波数が同一であり、且つ、周波数間隔が異なる第３のコム光を生成する第３のコム光発生器を更に備え、
   前記測定器は、前記誘導ブリルアン散乱光と前記第３のコム光とのビート信号を測定する
   請求項２に記載の測定装置。
4. 前記第１のコム光発生器、前記第２のコム光発生器および前記第３のコム光発生器は、同一の種光源から生成される単一波長のレーザ光を元に、それぞれ前記第１のコム光、前記第２のコム光および前記第３のコム光を生成する
   請求項３に記載の測定装置。
5. 前記第１のコム光発生器は、時間軸における波形がパルス状の前記第１のコム光を生成し、前記第２のコム光発生器は、時間軸における波形がパルス状の前記第２のコム光を生成する
   請求項２から４のいずれか一項に記載の測定装置。
6. 前記第１のコム光の２以上のパルスをそれぞれ含む２以上のパルス群間の周期を調整する第１のパルス変調器と、
   前記第２のコム光の２以上のパルスをそれぞれ含む２以上のパルス群間の周期を調整する第２のパルス変調器と
   を更に備える請求項５に記載の測定装置。
7. 前記第１のパルス変調器および前記第２のパルス変調器は、前記第１のコム光の前記２以上のパルス群間の周期と前記第２のコム光の前記２以上のパルス群間の周期とを異ならせて、前記第１のコム光のパルス群と前記第２のコム光のパルス群とが重なる前記被測定対象における位置を順次変化させ、
   前記測定器は、前記被測定対象の各位置における前記誘導ブリルアン散乱光のスペクトルの分布を測定する
   請求項６に記載の測定装置。
8. 前記第１のコム光および前記第２のコム光の周波数間隔の差は、前記被測定対象のブリルアン利得スペクトルの幅よりも小さい
   請求項２から７のいずれか一項に記載の測定装置。
9. 前記第１のコム光および前記第２のコム光の周波数間隔は、いずれも前記被測定対象のブリルアン利得スペクトルの幅の２倍よりも大きい
   請求項２から８のいずれか一項に記載の測定装置。
10. 前記被測定対象は、前記被測定対象の歪み変化および温度変化を測定するために用いられる第１の光ファイバと第２の光ファイバとを有する
    請求項１から９のいずれか一項に記載の測定装置。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の測定装置と、
    前記被測定対象と
    を備えるセンサシステム。
12. 前記コム光源は、互いに同期し、かつ、周波数間隔が異なる第１のコム光および第２のコム光を生成するデュアルコム光源部を有し、
    前記被測定対象は、周囲環境によって分光特性が変化する１以上の反射点を有し、前記第１のコム光および前記第２のコム光が入射する光ファイバであり、
    前記測定部は、前記１以上の反射点から反射または透過された前記第１のコム光および前記第２のコム光のビート信号を測定する測定器であり、
    前記測定装置は、多点型光ファイバセンサとして機能する
    請求項１に記載の測定装置。
13. 前記１以上の反射点は、１以上のファイバー・ブラッグ・グレーティングである、請求項１２に記載の測定装置。
14. 前記１以上のファイバー・ブラッグ・グレーティングの各々の反射帯域幅は、前記第１のコム光の複数の周波数ピークが収まる幅を有する、請求項１３に記載の測定装置。
15. 前記第１のコム光および前記第２のコム光は、
    第１のファイバー・ブラッグ・グレーティングで反射する周波数ピークと、
    前記第１のファイバー・ブラッグ・グレーティングとは異なる第２のファイバー・ブラッグ・グレーティングで反射する周波数ピークと
    を有する、請求項１３または１４に記載の測定装置。
16. 前記１以上のファイバー・ブラッグ・グレーティングの各々において、反射光の周波数スペクトルの中心周波数は互いに異なり、
    前記１以上のファイバー・ブラッグ・グレーティングは、前記第１のコム光が入射する位置から離れるに従い前記中心周波数が大きくなるように前記光ファイバ中に配置される、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の測定装置。
17. 前記１以上のファイバー・ブラッグ・グレーティングの各々において、反射光の周波数スペクトルの中心周波数は互いに異なり、
    前記１以上のファイバー・ブラッグ・グレーティングは、前記第１のコム光が入射する位置から離れるに従い前記中心周波数が小さくなるように前記光ファイバ中に配置される、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の測定装置。
18. 前記１以上のファイバー・ブラッグ・グレーティングの各々において、反射光の周波数スペクトルの中心周波数は互いに異なり、
    前記１以上のファイバー・ブラッグ・グレーティングは、前記第１のコム光が入射する位置から離れるに従い前記中心周波数が常に小さくまたは常に大きくならないように前記光ファイバ中に配置される、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の測定装置。
19. 互いに同期し、かつ、周波数間隔が異なる第１のコム光および第２のコム光を生成するデュアルコム光源部と、
    周囲環境によって分光特性が変化する２以上の反射点を有し、前記第１のコム光が入射する光ファイバと、
    前記２以上の反射点から反射または透過された前記第１のコム光と、非偏光状態の前記第２のコム光とのビート信号を測定する測定器と
    を備え、
    多点型光ファイバセンサとして機能する測定装置。
20. 前記デュアルコム光源部は、
    単一波長のレーザ光を出射する種光源と、
    前記種光源の前記レーザ光から前記第１のコム光を生成する第１のコム光発生器と、
    前記種光源の前記レーザ光から前記第２のコム光を生成する第２のコム光発生器と
    を有する、
    請求項１２から１９のいずれか一項に記載の測定装置。
21. 前記種光源の前記レーザ光の周波数を変化させる、請求項２０に記載の測定装置。
22. 前記第１のコム光発生器は、少なくとも第１の位相変調器および第１の強度変調器のいずれかを有し、
    前記第２のコム光発生器は、少なくとも第２の位相変調器および第２の強度変調器のいずれかを有し、
    少なくとも前記第１の位相変調器および前記第１の強度変調器のいずれかと、少なくとも前記第２の位相変調器および前記第２の強度変調器のいずれかとは同期制御される、請求項２０または２１に記載の測定装置。

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