光ファイバセンサおよび光ファイバセンシング方法
【課題】測定精度を向上させた光ファイバセンサおよび光ファイバセンシング方法を提供すること。
【解決手段】パルス状のポンプ光を出力する光源と、前記ポンプ光が入力され、該ポンプ光によってブリユアン散乱光を発生するセンサ用光ファイバと、前記センサ用光ファイバから出力された前記ブリユアン散乱光を受光する受光器と、を備え、入力される前記ポンプ光のパルスの長さの１／２をΔｚ(ｍ)、ピーク光強度をＩｐ(ｍＷ)とすると、前記センサ用光ファイバは、長さをｚ（ｍ）、伝送損失をａ（ｄＢ／ｋｍ）、ブリユアン利得係数ｇＢと有効コア断面積Ａｅｆｆとの比をｇＢ／Ａｅｆｆ（ｍ−１Ｗ−１）とした場合に、所定の式を満たすように長さｚが設定されている。
【解決手段】パルス状のポンプ光を出力する光源と、前記ポンプ光が入力され、該ポンプ光によってブリユアン散乱光を発生するセンサ用光ファイバと、前記センサ用光ファイバから出力された前記ブリユアン散乱光を受光する受光器と、を備え、入力される前記ポンプ光のパルスの長さの１／２をΔｚ(ｍ)、ピーク光強度をＩｐ(ｍＷ)とすると、前記センサ用光ファイバは、長さをｚ（ｍ）、伝送損失をａ（ｄＢ／ｋｍ）、ブリユアン利得係数ｇＢと有効コア断面積Ａｅｆｆとの比をｇＢ／Ａｅｆｆ（ｍ−１Ｗ−１）とした場合に、所定の式を満たすように長さｚが設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバセンサおよび光ファイバセンシング方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを用いて電気的な接触無く被測定物の温度や歪みを測定する光ファイバセンサが開示されている。光ファイバセンサの方式には様々なものがあるが、たとえば、ブリユアン散乱光を用いる方式がある。この方式では、たとえば被測定物に沿って配置した光ファイバにポンプ光を入力し、光ファイバ中の熱エネルギーにより発生している縦波音響波とポンプ光の光波との相互作用によってブリユアン散乱光を発生させ、このブリユアン散乱光の周波数シフト量を測定する。そして、光ファイバの長手方向の各地点からのブリユアン散乱光の周波数シフト量を測定することにより、各地点での被測定物の温度や歪み、および温度や歪みの分布状態を求めることができる。このようなブリユアン散乱光を用いる測定方法（光ファイバセンシング方法）として、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）、ＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis），ＢＯＣＤＡ（Brillouin Optical Correlation-Domain Analysis）などがある（非特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】C.C.Lee, P.W.Chiang and S.Chi “Utilization of a Dispersion-Shifted Fiber for Simultaneous Measurement of Distributed Strain and Temperature Through Brillouin Frequency Shift” IEEE Photonics Technology Letters, Vol.13, No.10, p.1094, 2001
【非特許文献２】Y.Mizuno, Z.He, K.Hotate “One-End -Access High-Speed Distributed Strain Measurement with 13-mm Spatial Resolution based on Brillouin Optical Correlation-Domain Reflectometry” IEEE Photonics Technology Letters, Vol.21, No.7, P.474, 2009
【非特許文献３】T.Horiguchi, K.Shimizu, T.Kurashima and Y.Koyamada “Advances in distributed sensing techniques using Brillouin scattering,” Proc. SPIE 2507, 1995, pp.126-137
【非特許文献４】R.W.Boyd, Nonlinear Optics, Academic Press, New York, 1992, pp.325-364.
【非特許文献５】R.W.TKACH, A.R.CHRAPLYVY, R.M.DEROSIER, “Spontanenous Brillouin Scattering For Single-Mode Optical-Fibre Characterisation” Electron. Lett., Vol.22, No.19,pp.1011-1013, 1986.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光ファイバセンサに対しては、よりいっそう測定精度を向上させることが強く要求されている。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、測定精度を向上させた光ファイバセンサおよび光ファイバセンシング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光ファイバセンサは、パルス状のポンプ光を出力する光源と、前記ポンプ光が入力され、該ポンプ光によってブリユアン散乱光を発生するセンサ用光ファイバと、前記センサ用光ファイバから出力された前記ブリユアン散乱光を受光する受光器と、を備え、入力される前記ポンプ光のパルスの長さの１／２をΔｚ(ｍ)、ピーク光強度をＩｐ(ｍＷ)とすると、前記センサ用光ファイバは、長さをｚ（ｍ）、伝送損失をａ（ｄＢ／ｋｍ）、ブリユアン利得係数ｇＢと有効コア断面積Ａｅｆｆとの比をｇＢ／Ａｅｆｆ（ｍ−１Ｗ−１）とした場合に、以下の式を満たすように長さｚが設定されていることを特徴とする。
【数１】
【０００７】
また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記の発明において、前記センサ用光ファイバは、以下の式を満たすように長さｚが設定されていることを特徴とする。
【数２】
【０００８】
また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記の発明において、前記センサ用光ファイバは、前記ポンプ光の波長における有効コア断面積Ａｅｆｆが１５μｍ２以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記の発明において、前記センサ用光ファイバは、前記ポンプ光の波長における比ｇＢ／Ａｅｆｆが０．６ｍ−１Ｗ−１以上であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記の発明において、前記センサ用光ファイバは、１０ｍｍの曲げ半径で一周回曲げた状態での前記ポンプ光の波長における曲げ損失が０．１ｄＢ以下であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記の発明において、前記ポンプ光の波長は１５５０ｎｍであることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記の発明において、複数の前記センサ用光ファイバと、前記複数のセンサ用光ファイバの間に介挿された、前記複数のセンサ用光ファイバよりも伝送損失が小さい接続用光ファイバとを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る光ファイバセンシング方法は、上記の発明のいずれか一つに記載の光ファイバセンサによって測定対象の温度または歪みを測定することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る光ファイバセンシング方法は、上記の発明において、前記センサ用光ファイバの少なくとも一箇所を１０ｍｍ以上の曲げ半径で曲げた状態で前記測定対象に設置することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、センサ用光ファイバで発生するブリユアン散乱光の強度を高くすることができるので、測定精度を向上させた光ファイバセンサおよび光ファイバセンシング方法を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、実施の形態１に係る光ファイバセンサの構成図である。
【図２】図２は、ブリユアン散乱光の発生について説明する図である。
【図３】図３は、比較例、実施例１〜３の光ファイバセンサに使用される光ファイバの特性を示す図である。
【図４】図４は、比較例、実施例１〜３の光ファイバセンサに使用される光ファイバの特性を示す図である。
【図５】図５は、ポンプ光のパルス時間幅が１００ｎｓの場合の、式（１a）にて等号が成り立つ光ファイバの長さｚとｇＢ／Ａｅｆｆとの関係を示す図である。
【図６】図６は、ポンプ光のパルス時間幅が１００ｎｓの場合の光ファイバの長さとブリユアン散乱光の受光強度との関係を示す図である。
【図７】図７は、ポンプ光のパルス時間幅が１０ｎｓの場合の、式（１ｂ）にて等号が成り立つ光ファイバの長さｚとｇＢ／Ａｅｆｆとの関係を示す図である。
【図８】図８は、ポンプ光のパルス時間幅が１０ｎｓの場合の光ファイバの長さとブリユアン散乱光の受光強度との関係を示す図である。
【図９】図９は、比較例における光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトル強度分布を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例１における光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトル強度分布を示す図である。
【図１１】図１１は、比較例における光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトルピーク周波数分布を示す図である。
【図１２】図１２は、実施例１における光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトルピーク周波数分布を示す図である。
【図１３】図１３は、比較例における光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトルピーク周波数分布を示す図である。
【図１４】図１４は、実施の形態２に係る光ファイバセンサの構成図である。
【図１５】図１５は、実施の形態３に係る光ファイバセンサの構成図である。
【図１６】図１６は、実施の形態４に係る光ファイバセンサの構成図である。
【図１７】図１７は、実施の形態５に係る光ファイバセンサの構成図である。
【図１８】図１８は、実施の形態６に係る光ファイバセンサの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバセンサおよび光ファイバセンシング方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、本明細書で特に定義しない用語については、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合） Ｇ．６５０．１における定義、測定方法に従うものとする。
【００１８】
（実施の形態）
図１は、実施の形態１に係る光ファイバセンサの構成図である。図１に示すように、この光ファイバセンサ１００は、ＢＯＴＤＲ装置１０と、ＢＯＴＤＲ装置１０に接続したセンサ用の光ファイバ２０とを備えている。
【００１９】
ＢＯＴＤＲ装置１０は、光源１１と、光サーキュレータ１２と、受光器１３と、信号発生器１４と、合波器１５と、電気増幅器１６と、時間波形測定器１７とを備えている。
【００２０】
光ファイバセンサ１００の動作を説明する。光ファイバセンサ１００を使用する際は、まず、温度や歪みを測定したい測定対象に沿って光ファイバ２０を設置する。
【００２１】
光源１１は、パルス状のポンプ光を出力する。出力されたポンプ光は、光サーキュレータ１２を通過して光ファイバ２０に入力される。光ファイバ２０では、ポンプ光が伝搬中にブリユアン散乱が発生する。光ファイバ２０の長手方向の各地点で発生したブリユアン散乱光（ストークス光）は後方散乱し、ＢＯＴＤＲ装置１０側に伝搬する。光サーキュレータ１２は光ファイバ２０から伝搬してきたブリユアン散乱光を受光器１３に導く。受光器１３はブリユアン散乱光を受光してこれを電気信号に変換して出力する。信号発生器１４は正弦波電気信号を出力する。合波器１５は、受光器１３が出力した電気信号と信号発生器１４が出力した正弦波電気信号とを合波して出力する。
【００２２】
電気増幅器１６は合波された電気信号を増幅して時間波形測定器１７に出力する。時間波形測定器１７では、増幅された電気信号の波形の時間依存性を測定することができる。このとき、信号発生器１４が出力する正弦波電気信号の周波数を変化させ、それぞれの周波数に対する増幅された電気信号の波形の時間依存性を時間波形測定器１７で測定することにより、光ファイバ２０の長手方向各地点におけるブリユアン散乱光の分布を求めることができる。このブリユアン散乱光の分布を求めることによって、光ファイバ２０を設置した測定対象の温度や歪みを、光ファイバ２０の長手方向にわたって分布的に測定することができる。
【００２３】
ＢＯＴＤＲ装置１０としては、各構成機器を組み合わせて構成したものを用いてもよい。また、市販のＢＯＴＤＲ装置（たとえば、横河電機製ＢＯＴＤＲ装置ＡＱ８６０３）を用いてもよい。
【００２４】
ここで、光ファイバ２０は、入力されるポンプ光のパルスの長さの１／２をΔｚ(ｍ)、ピーク光強度をＩｐ(ｍＷ)、長さをｚ（ｍ）、伝送損失をａ（ｄＢ／ｍ）、ブリユアン利得係数ｇＢと有効コア断面積Ａｅｆｆとの比をｇＢ／Ａｅｆｆ（ｍ−１Ｗ−１）とした場合に、以下の式（１ａ）、より好ましくは（１ｂ）を満たすように長さｚが設定されている。これによって、光ファイバ２０中で発生するブリユアン散乱光の強度を高くすることができるので、ＢＯＴＤＲ装置１０の受光器１３で受光するブリユアン散乱光の強度も高くなる。その結果、時間波形測定器１７で測定する電気信号の波形の強度も高くなるので、光ファイバセンサ１００の温度等の測定精度を向上させることができる。
【００２５】
【数３】
【００２６】
以下、具体的に説明する。図２は、ブリユアン散乱光の発生について説明する図である。長さがＬの光ファイバ２０の長手方向に沿ってｚ座標を定義し、ポンプ光Ｓ１が入力される一方の端部のｚ座標をｚ＝０とし、もう一方の端部のＺ座標をｚ＝Ｌとする。この光ファイバ２０に、パルスの長さがΔLpのポンプ光Ｓ１を入力した場合に、位置ｚ＝ｌで発生するブリユアン散乱光を考える。ここで、パルスの長さとは、パルスの時間幅での光ファイバ中の伝送距離を意味する。
【００２７】
このとき入力するポンプ光Ｓ１は、位置ｚ＝ｌに到達するまでに、光ファイバ２０の伝送損失によって強度が減衰する。そして、位置ｚ＝ｌでは、減衰した光強度のポンプ光Ｓ１にてブリユアン散乱効果が発生する。ブリユアン散乱で発生したブリユアン散乱光Ｂ１（ストークス光）は後方散乱し、光ファイバ２０の伝送損失によって強度が減衰しながら、位置ｚ＝０に到達する。パルス光であるポンプ光Ｓ１入力端（位置ｚ＝０）において、後方散乱したブリユアン散乱光を受光する場合、入力端（位置ｚ＝０）から入射するポンプ光Ｓ１は有限のパルスの長さΔLpを持っているために、受光部１３で任意の時間ｔに受光した光に含まれる散乱は、光ファイバ２０中のΔLp／２の長さの光ファイバからの散乱が含まれている。このΔLp／２を作用長と呼び、Δｚとする。
【００２８】
光ファイバ２０中でポンプ光Ｓ１と逆方向に伝搬しているブリユアン散乱光の強度Ｉｓと入力されたポンプ光の強度Ｉｐとの関係は一般に以下の式（２ａ）、（２ｂ）で表される。
【００２９】
【数４】
ここで、αは光ファイバ２０の損失係数、ｇＢはブリユアン利得係数、Ａｅｆｆは有効断面積を示す。α、ｇＢ、Ａｅｆｆはポンプ光Ｓ１の波長における値である。なお、ポンプ光Ｓ１の波長は特に限定されないが、以下では例示として１５５０ｎｍとする。また、ブリユアン散乱光の波長はポンプ光Ｓ１の波長よりもブリユアンシフト量だけ長波長側にシフトしている。
【００３０】
光ファイバ２０の長さの単位をｋｍで考えた場合に、損失係数αは、光ファイバについて一般的に使用されているパラメータである伝送損失ａ（ｄＢ／ｋｍ）とは以下の式（３ａ）、（３ｂ）で示される関係にある。
【００３１】
【数５】
【００３２】
ここで、上述したように、ブリユアン散乱効果が作用するのはポンプ光Ｓ１のパルス時間幅相当の長さである。通常のポンプ光Ｓ１のパルス時間幅は１００ｎｓ程度であり、このパルス時間幅でのポンプ光Ｓ１の伝搬距離の１/２に相当する長さΔｚ（作用長）は１０ｍである。この短い長さでは伝送損失が極めて小さい。そこで、この作用長での伝送損失の影響を無視し、式（２ａ）、（２ｂ）での損失係数αの項を削除して、光ファイバ２０中の任意の位置ｚ＝ｌからｚ＝ｌ+Δｚの間での強度Ｉｓについて求めると、式（４）のようになる。
【００３３】
【数６】
【００３４】
式（４）の強度Ｉｓ(Δz)は、光ファイバ２０の位置ｚ＝ｌに入力される、ブリユアン散乱光（ストークス光）の強度を示す。
【００３５】
なお、ＢＯＴＤＲ方式では、ポンプ光の入力側とは反対の端面から入力する光は存在せず、自然放出ブリユアン散乱によって発生するストークス光が種光となる。このような場合、Ｉｓ(Δz)は、一般にポンプ光の入力時の強度Ｉｐ(ｚ＝０)に対して微小な値（たとえば、Ｉｐ(０)／Ｉｓ(Δｚ)＝１０１２をみたすようなＩｓ(Δz)の値）として計算される（たとえば、非特許文献４参照）。また、ＢＯＴＤＡ方式の場合は、Ｉｓ(Δｚ)は、ポンプ光とは反対端から入射するプローブ光となる。
【００３６】
つぎに、式（４）において位置ｚ＝０からｚ＝ｌまでの往復の伝送損失を考慮すると、ｚ＝０でのブリユアン散乱光Ｂ１の強度Ｉｓ(０)は以下に式（５）で表される。
【００３７】
【数７】
【００３８】
式（５）より、測定対象となるブリユアン散乱光Ｂ１の強度Ｉｓ(０)を高くするためには、ｇＢ／Ａｅｆｆが大きく、損失係数αが小さいことが好ましい。
【００３９】
従来の光ファイバセンサでは、センサ用の光ファイバとして、たとえばＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５２に準拠する通信用の標準シングルモード光ファイバ（以下、ＳＭＦ（Single Mode optical Fiber）とする）が用いられていた。これに対して、光ファイバセンサ１００では、センサ用の光ファイバ２０として、上記式（１ａ）、好ましくは式（１ｂ）を満たすｇＢ／Ａｅｆｆ、ａ、および長さｚを有する光ファイバを用いている。その結果、式（５）における強度Ｉｓ(０)が、同じ長さのＳＭＦを用いた場合よりも高くなる。これによって、受光器１３において受光されるブリユアン散乱光Ｂ１の強度も高くなる。その結果、光ファイバセンサ１００は測定精度が向上したものになる。
【００４０】
たとえば、ＳＭＦのｇＢ／ＡｅｆｆをｇＢ／Ａｅｆｆ−Ｓとし、損失係数αをαＳとする。また、本実施の形態１に係る光ファイバ２０のｇＢ／ＡｅｆｆをｇＢ／Ａｅｆｆ−Ｆとし、損失係数αをαＦとする。ＳＭＦと光ファイバ２０との長さをＬとして、２つの光ファイバに対して同じ強度のＩｐ(０)およびＩｓ(Δｚ)を仮定した場合に、式（５）より、以下の式（６）が成立すれば、光ファイバ２０を用いた場合に、ＳＭＦを用いた場合よりもＩｓ(０)が大きくなる。
【００４１】
【数８】
【００４２】
ここで、公知のＳＭＦについては、たとえばコアが純シリカからなる純シリカ光ファイバの場合にｇＢが最も大きいと考えられる。純シリカ光ファイバの理論値のｇＢは２．８×１０−１１ｍ・Ｗ−１である。したがって、通常のＳＭＦであれば、ｇＢは２．８×１０−１１ｍ・Ｗ−１以下であると考えられる。また、ＳＭＦの典型的なＡｅｆｆ−Ｓは約８０μｍ２である。したがって、典型的なＳＭＦであれば、ｇＢ／Ａｅｆｆ−Ｓは０．３５ｍ−１Ｗ−１以下であると考えられる。また、伝送損失ａについては、純シリカ光ファイバの場合が最も低いと考えられる。公知の純シリカ光ファイバの場合のａは０．１４８ｄＢ／ｋｍである。したがって、通常のＳＭＦであれば、ａは０．１４８ｄＢ／ｋｍ以上であると考えられる。
【００４３】
ｇＢ／Ａｅｆｆ−Ｓ＝０．３５ｍ−１Ｗ−１、ａ＝０．１４８ｄＢ／ｋｍを用いると、式（３ａ）より、以下の式が成り立つ。ただし、ｚの単位はｋｍである。
【００４４】
【数９】
【００４５】
式（６）においてＬをｚに置き換えて、この式を式（６）に代入し、長さｚの単位をｍに換算すると、式（６）が成り立つｇＢ／Ａｅｆｆ−Ｆの条件は、以下の式（７ａ）となる。なお、Ｉｐ(０)＝Ｉｐとし、単位をｍＷとする。式（７ａ）においてｇＢ／Ａｅｆｆ−ＦをｇＢ／Ａｅｆｆとすると式（１ｂ）となる。
【００４６】
【数１０】
【００４７】
また、公知のＳＭＦの典型的な値として、ｇＢ／Ａｅｆｆ−Ｓ＝０．１６２ｍ−１Ｗ−１、伝送損失ａ＝０．２０ｄＢ／ｋｍを用いると、式（６）が成り立つｇＢ／Ａｅｆｆ−Ｆの条件は、以下の式（７ｂ）となる。式（７ｂ）においてｇＢ／Ａｅｆｆ−ＦをｇＢ／Ａｅｆｆとすると式（１ａ）となる。
【００４８】
【数１１】
【００４９】
すなわち、式（７ｂ）、より好ましくは式（７ａ）が成り立つように、センサ用の光ファイバ２０の長さｚを設定することによって、光ファイバセンサ１００は測定精度が向上する。
【００５０】
なお、ｇＢ／Ａｅｆｆについては、ポンプ光の波長、たとえば波長１５５０ｎｍにおけるｇＢ／Ａｅｆｆが０．６ｍ−１Ｗ−１以上であれは、公知のＳＭＦよりも十分にＩｓ(０)が大きくなるので好ましい。このようなｇＢ／Ａｅｆｆが０．６ｍ−１Ｗ−１以上となる光ファイバとしては、たとえば高非線形光ファイバと呼ばれる、光ファイバ中の光学非線形性を利用して各種光増幅や信号処理などを行うための光ファイバを用いることができる。
【００５１】
ここで、典型的なＢＯＴＤＲ装置では、ポンプ光のパルス時間幅は１０ｎｓ〜２００ｎｓであり、平均光強度は−５ｄＢｍであり、測定距離レンジは１ｋｍ〜８０ｋｍである。
【００５２】
測定距離レンジを１０ｋｍとし、ポンプ光の平均光強度を−５ｄＢｍとし、パルス時間幅を１０ｎｓすなわち作用長Δｚを１ｍとすると、ピーク光強度はＩｐは３１６０ｍＷになる。したがって、式（７ｂ）にΔｚ＝１、Ｉｐ＝３１６０ｍＷを代入すると、式（８）となる。
【数１２】
【００５３】
つぎに、実施例１〜３、比較例の光ファイバを用いて、実施の形態１における好ましい光ファイバ２０の長さについて説明する。図３、４は、比較例、実施例１〜３の光ファイバセンサに使用される光ファイバの特性を示す図である。比較例の光ファイバはＳＭＦである。なお、図４において、ｄＢ／ターンとは、光ファイバを所定の曲げ半径で一周回曲げた状態での一周回あたりの光損失をｄＢで表した単位である。また、図３、４における伝送損失、Ａｅｆｆ、ｇＢ、ｇＢ／Ａｅｆｆ、曲げ損失はポンプ光の波長である１５５０ｎｍの値である。
【００５４】
なお、ブリユアン散乱を用いた光ファイバセンサは、構造物の温度や歪を測定する場合に好適に使用される。この場合、測定対象である構造物のサイズに応じて使用する光ファイバの長さを設定することが好ましい。
【００５５】
また、市販のＢＯＴＤＲ装置においては、ポンプ光のパルス時間幅は最小で１０ｎｓ程度である。そこで、以下では、パルス時間幅が１００ｎｓ（Δｚは約１０ｍ）および１０ｎｓ（Δｚは約１ｍ）の２つの場合について説明する。また、ポンプ光のピーク強度Ｉｐは１０００ｍＷとする。
【００５６】
はじめに、パルス時間幅が１００ｎｓの場合について説明する。図５は、ポンプ光のパルス時間幅が１００ｎｓの場合の、式（１ａ）にて等号が成り立つ光ファイバの長さｚとｇＢ／Ａｅｆｆとの関係を、様々の伝送損失に対して示す図である。図５は、構造物のサイズ等に応じて使用する光ファイバの長さｚが定められた場合に、その光ファイバの伝送損失に対応する実線よりも大きいｇＢ／Ａｅｆｆにすれば、式（１ａ）が成立することを示している。
【００５７】
図５から、たとえば、使用する光ファイバの長さｚが３０００ｍと定められた場合に、伝送損失を１．３９ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．５８ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。また、伝送損失を０．９６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．３７ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。さらに、伝送損失を０．３６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．１９ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。
【００５８】
図３からわかるように、実施例１〜３の光ファイバはいずれも上記の伝送損失とｇＢ／Ａｅｆｆとの関係を満たすので、長さｚが３０００ｍの場合に、式（１ａ）を満たすような測定精度が向上した光ファイバセンサ１００の光ファイバ２０として使用できるものである。
【００５９】
また、たとえば、使用する光ファイバの長さｚが５０００ｍと定められた場合に、伝送損失を１．３９ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが１．３１ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。また、伝送損失を０．９６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．６５ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。さらに、伝送損失を０．３６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．２２ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。
【００６０】
図３からわかるように、実施例１、２の光ファイバはいずれも上記の伝送損失とｇＢ／Ａｅｆｆとの関係を満たすので、長さｚが５０００ｍの場合に、式（１ａ）を満たすような測定精度が向上した光ファイバセンサ１００の光ファイバ２０として使用できるものである。
【００６１】
また、たとえば、使用する光ファイバの長さｚが１００００ｍと定められた場合に、伝送損失を０．９６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが２．５２ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。さらに、伝送損失を０．３６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．３１ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。
【００６２】
図３からわかるように、実施例１の光ファイバは上記の伝送損失とｇＢ／Ａｅｆｆとの関係を満たすので、長さｚが１００００ｍの場合に、式（１ａ）を満たすような測定精度が向上した光ファイバセンサ１００の光ファイバ２０として使用できるものである。このように、必要な光ファイバの長さｚに応じて、式（１ａ）を用いることによって、測定精度を向上させることができる光ファイバを選択することができる。なお、上記では式（１ａ）を用いて光ファイバを選択しているが、式（１ｂ）を用いてもよい。
【００６３】
図６は、ポンプ光のパルス時間幅が１００ｎｓの場合の光ファイバの長さとブリユアン散乱光の受光強度との関係を示す図である。なお、図６において、横軸の光ファイバの長さｚは、式（５）におけるｌをｚに置き換えたものであり、受光強度は、式（５）における強度Ｉｓ(０)である。
【００６４】
図６に示すように、実施例１〜３の光ファイバの場合は、少なくとも長さ３０００ｍまでは比較例の光ファイバの場合よりも大幅に受光強度が高い。また、長さが６１９ｍより短い場合は実施例３の光ファイバの場合が受光感度が高く、６１９ｍより長く１３６０ｍより短い場合は実施例２の光ファイバの場合が受光感度が高く、１３６０ｍより長い場合は実施例１の光ファイバの場合が受光感度が高い。このように、必要な光ファイバの長さに応じて、測定精度を向上させることができる光ファイバを選択することができる。または、使用する光ファイバに対して、測定精度を向上させることができるように光ファイバの長さｚを設定することができる。
【００６５】
つぎに、パルス時間幅が１０ｎｓの場合について説明する。図７は、ポンプ光のパルス時間幅が１０ｎｓの場合の、式（１ａ）にて等号が成り立つ光ファイバの長さｚとｇＢ／Ａｅｆｆとの関係を、様々の伝送損失に対して示す図である。
【００６６】
図７から、たとえば、使用する光ファイバの長さｚが１０００ｍと定められた場合に、伝送損失を１．３９ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．５９ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。また、伝送損失を０．９６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．４１ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。さらに、伝送損失を０．３６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．２１ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。
【００６７】
図３からわかるように、実施例１〜３の光ファイバはいずれも上記の伝送損失とｇＢ／Ａｅｆｆとの関係を満たすので、長さｚが１０００ｍの場合に、式（１ａ）を満たすような測定精度が向上した光ファイバセンサ１００の光ファイバ２０として使用できるものである。
【００６８】
また、たとえば、使用する光ファイバの長さｚが３０００ｍと定められた場合に、伝送損失を１．３９ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが２．５１ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。また、伝送損失を０．９６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが１．２９ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。さらに、伝送損失を０．３６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．３２ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。
【００６９】
図３からわかるように、実施例１の光ファイバは上記の伝送損失とｇＢ／Ａｅｆｆとの関係を満たすので、長さｚが５０００ｍの場合に、式（１ａ）を満たすような測定精度が向上した光ファイバセンサ１００の光ファイバ２０として使用できるものである。また、実施例１の光ファイバを使用する場合は、６５５０ｍより短ければ、式（１ａ）を満たすので、測定精度を向上させることができる。
【００７０】
図８は、ポンプ光のパルス時間幅が１０ｎｓの場合の光ファイバの長さとブリユアン散乱光の受光強度との関係を示す図である。
【００７１】
図８に示すように、実施例１〜３の光ファイバの場合は、少なくとも長さ１０００ｍまでは比較例の光ファイバの場合よりも受光強度が高い。また、長さが３０３ｍより短い場合は実施例３の光ファイバの場合が受光感度が高く、３０３ｍより長く６２２ｍより短い場合は実施例２の光ファイバの場合が受光感度が高く、６２２ｍより長い場合では実施例１の光ファイバの場合が受光感度が高い。このように、必要な光ファイバの長さに応じて、測定精度を向上させることができる光ファイバを選択することができる。または、使用する光ファイバに対して、測定精度を向上させることができるように光ファイバの長さｚを設定することができる。
【００７２】
なお、上記では式（１ａ）を用いて光ファイバを選択しているが、式（１ｂ）を用いて光ファイバを選択してもよい。
【００７３】
つぎに、実施例１および比較例の光ファイバを用いて図１に示すような光ファイバセンサを構成し、光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトル強度分布を測定した。なお、光ファイバへ入力するポンプ光の平均光強度は３０ｍＷ、パルス時間幅は１００ｎｓとした。また、得られたデータは時間平均した。平均化時間幅は３０秒とした。なお、実施例１および比較例の光ファイバの長さはいずれも３０００ｍとした。
【００７４】
図９は、比較例の光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトル強度分布を示す図である。図１０は、実施例１の光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトル強度分布を示す図である。図９、１０において、位置はパルス光の入力側を０とした位置である。また、光強度の単位は光電気変換した電気信号を測定しているため電圧Ｖ（ボルト）である。また、周波数は、ブリユアンシフト量を示すものである。図９、１０の比較から解るように、図１０の実施例１の光ファイバを用いた場合の方がピークの光強度が高く、かつスペクトル分布のばらつきが少なかった。
【００７５】
つぎに、図９、１０のデータから、光ファイバの長手方向におけるブリユアンスペクトルのピーク周波数の分布を求めた。図１１は、比較例における光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトルピーク周波数分布を示す図である。図１２は、実施例１における光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトルピーク周波数分布を示す図である。図１１に示すように、比較例の光ファイバを用いた図９の場合は、全長でのブリユアンスペクトルのピーク周波数に関して、平均値は１０．８５ＧＨｚであり、ばらつきについては分散（σ）が０．０１７８であった。
【００７６】
これに対して、図１２に示すように、実施例１の光ファイバを用いた図１０の場合は、全長でのブリユアンスペクトルのピーク周波数に関して、平均値は９．２６６ＧＨｚであった。また、ばらつきについては分散（σ）が０．０００９６であり、比較例の場合よりもきわめて小さかった。また、実施例１の光ファイバの全長のブリユアンスペクトルのピーク周波数を、非特許文献５に開示された別の方法によって測定したところ、９．２７０ＧＨｚであり、上記のＢＯＴＤＲ装置を用いた測定値と略一致していた。
【００７７】
ブリユアン散乱光を用いた光ファイバセンサでは、測定対象物の温度や歪を測定する場合には、ブリユアンスペクトルのピーク周波数の変化から温度や歪みの変化を算出し、これをもとに温度や歪みを測定する。したがって、ブリユアンスペクトルのピーク周波数のばらつきが小さい実施例１の光ファイバを用いた光ファイバセンサは、比較例１の光ファイバを用いた場合よりも測定精度が高い。
【００７８】
つぎに、比較例１の光ファイバを用いた光ファイバセンサにおいて、平均化時間幅を３００秒とした。図１３は、平均化時間幅を３００秒とした場合の、比較例における光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトルのピーク周波数分布を示す図である。この場合、全長でのブリユアンスペクトルのピーク周波数に関して、平均値は１０．８５ＧＨｚであった。また、ばらつきについては分散（σ）が０．００１０６であり、実施例１の光ファイバを用いた場合と同程度の分散（σ）となった。しかし、この場合は、実施例１の光ファイバを用いた場合よりも測定時間は１０倍必要となる。すなわち、同程度の測定精度を実現しようとする場合、実施例１の場合は、比較例１の場合よりも、測定時間が約１／１０に短縮されることになる。
【００７９】
以上説明したように、本実施の形態１に係る光ファイバセンサ１００は、測定精度が向上したものとなる。
【００８０】
（実施の形態２）
図１４は、実施の形態２に係る光ファイバセンサの構成図である。図１４に示すように、この光ファイバセンサ２００は、実施の形態１に係る光ファイバセンサ１００と同じＢＯＴＤＲ装置１０と光ファイバ２０とを備えている。ただし、この光ファイバセンサ２００では、光ファイバ２０の一部はシート３０上に渦巻き状に巻かれた状態で布線されている（以下、シート３０に光ファイバ２０が布線されたものをファイバシートとする）。ここで、シート３０としては、たとえば可とう性を有する樹脂等のシートや、金属、プラスチック等の可とう性を有さないシートを用いることができる。また、光ファイバ２０としては、たとえば実施例１〜３の光ファイバを、内径Ｄ１を６．０ｃｍ、外径Ｄ２を１４ｃｍとして長さ５０ｍだけ渦巻き状に巻いたものを使用することができる。
【００８１】
光ファイバセンサ２００は、たとえばファイバシートを測定対象物に付着等によって取り付け、その測定対象物の温度変化を測定する際に使用することができる。また、ファイバシートを構成することによって、より長い光ファイバ２０を特定の測定対象箇所に集中的に配置することができる。これによって、測定対象箇所の温度を、より長い光ファイバで測定することができるので、測定感度および測定精度がより向上する。この場合、よりコンパクトにより長い光ファイバ２０をシート３０上に布線することが、測定感度および測定精度の向上に有効である。
【００８２】
（実施の形態３）
図１５は、実施の形態３に係る光ファイバセンサの構成図である。図１５に示すように、この光ファイバセンサ３００は、光ファイバセンサ２００において、光ファイバ２０の一部をシート３０上に布線した複数の光ファイバシートを直列に接続したものである。この光ファイバセンサ３００は、複数の測定対象箇所に対して各光ファイバシートを取り付けて使用することができる。これによって、各測定対象箇所の温度変化を、より高い測定感度および測定精度で測定することができる。
【００８３】
（実施の形態４）
図１６は、実施の形態４に係る光ファイバセンサの構成図である。図１６に示すように、この光ファイバセンサ４００は、実施の形態１に係る光ファイバセンサ１００において、光ファイバ２０が１箇所以上の曲げ部２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを有する。最も曲率半径が小さい曲げ部２０ｂでは、曲げ半径Ｒが１０ｍｍである。
【００８４】
ここで、比較例の光ファイバのようなＳＭＦをセンサ用光ファイバとして用いた場合、曲げ部における曲げ損失によってブリユアン散乱光の強度が低下するので、ＢＯＴＤＲ装置１０における受光感度が低下する。これに対して、光ファイバセンサ４００では、光ファイバ２０として、図４の実施例１〜３のような、曲げ半径が１０ｍｍの場合の曲げ損失が０．１ｄＢ／ターンより小さい光ファイバを用いている。その結果、曲げ部２０ｂのように曲げ半径が１０ｍｍの部分があったとしても受光感度の低下が抑制されるので、向上した測定精度が維持される。なお、光ファイバ２０として使用する光ファイバの曲げ半径が１０ｍｍの場合の曲げ損失については、０．１ｄＢ／ターン以下であれば好ましい。
【００８５】
なお、このように光ファイバ２０に曲げ半径が１０ｍｍの曲げ部を形成することができる場合、たとえば形状が複雑な測定対象物であっても、それに沿った形状に光ファイバ２０を布設して光ファイバセンシングを行うことができるので好ましい。また、光ファイバ２０を測定対象物の内部空間に配置する場合に、その内部空間が狭い場合にも、それに沿った形状に光ファイバ２０を布設することができるので好ましい。
【００８６】
（実施の形態５）
図１７は、実施の形態５に係る光ファイバセンサの構成図である。図１７に示すように、この光ファイバセンサ５００は、ＢＯＴＤＲ装置１０と、３本の光ファイバ２０とを備えている。ＢＯＴＤＲ装置１０と、光ファイバ２０との間、および光ファイバ２０同士は光ファイバ４０を介して接続している。また、光ファイバ２０と光ファイバ４０とは光コネクタ５０によって接続している。光ファイバ４０としては、たとえば伝送損失が小さいＳＭＦを用いることができる。
【００８７】
光ファイバセンサ５００は、たとえば測定対象物が３つあり、各測定対象物間の距離が離れている場合に好適に使用することができる。すなわち、光ファイバセンサ５００を使用する際に、センサ用の光ファイバ２０は測定対象物に設置する。一方、光ファイバセンシングを行わなくてよい各測定対象物間では、比較的に伝送損失が低い光ファイバ４０で光ファイバ２０同士を接続する。これによって、光ファイバ４０中では伝送損失が小さいために受光感度の低下が抑制されるので、測定精度の低下が抑制される。なお、使用する光ファイバ２０の数は、３本に限らず、測定対象物の数に応じて適宜２以上の値とすることができる。
【００８８】
（実施の形態６）
図１８は、実施の形態６に係る光ファイバセンサの構成図である。図１８に示すように、この光ファイバセンサ６００は、ＢＯＴＤＡ装置６０と、ＢＯＴＤＡ装置６０に接続したセンサ用の光ファイバ２０とを備えている。ＢＯＴＤＡ装置６０は、図１に示すＢＯＴＤＲ装置１０と同様に構成された光源１１、光サーキュレータ１２、受光器１３、信号発生器１４、合波器１５、電気増幅器１６、および時間波形測定器１７とを備えている。
【００８９】
さらに、ＢＯＴＤＡ装置６０は、光ファイバ２０の光サーキュレータ１２と接続された側とは反対側の端部に接続したプローブ連続光源６８を備えている。プローブ連続光源６８はプローブ光を出力するものである。このプローブ光は、光ファイバ２０で発生するブリユアン散乱光と同じ波長を有し、かつ連続光である。
【００９０】
このようなＢＯＴＤＡ装置６０を用いた光ファイバセンサ６００においても、光ファイバ２０が、以下の式（１ａ）、より好ましくは（１ｂ）を満たすように長さｚが設定されているので、光ファイバセンサ１００と同様に、温度等の測定精度を向上させることができる。
【００９１】
なお、上記実施の形態において、ＢＯＴＤＲ装置１０およびＢＯＴＤＡ装置６０の光源１１と光ファイバ２０との間に、光源１１から出力されるポンプ光を増幅するための光増幅器を設けてもよい。また、ラマン増幅用の励起光を発生する励起光源を光ファイバセンサのいずれかの箇所に設けてもよい。そして、光ファイバ２０自体をラマン増幅用光ファイバとし、ブリユアン散乱光をラマン増幅するように構成してもよい。これらの光増幅器やラマン増幅用励起光源を設けることによって、ブリユアン散乱光の受光強度を高めることができるので、さらに測定精度を向上させることができる。
【００９２】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上記各実施形態の各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、実施の形態５における光ファイバ２０を実施の形態２のようにファイバシート状にしてもよい。その他、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００９３】
１０ ＢＯＴＤＲ装置
１１ 光源
１２ 光サーキュレータ
１３ 受光器
１４ 信号発生器
１５ 合波器
１６ 電気増幅器
１７ 時間波形測定器
２０、４０ 光ファイバ
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ 曲げ部
３０ シート
５０ 光コネクタ
６０ ＢＯＴＤＡ装置
６８ プローブ連続光源
１００〜６００ 光ファイバセンサ
Ｂ１ ブリユアン散乱光
Ｄ１ 内径
Ｄ２ 外径
Ｒ 半径
Ｓ１ ポンプ光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバセンサおよび光ファイバセンシング方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバを用いて電気的な接触無く被測定物の温度や歪みを測定する光ファイバセンサが開示されている。光ファイバセンサの方式には様々なものがあるが、たとえば、ブリユアン散乱光を用いる方式がある。この方式では、たとえば被測定物に沿って配置した光ファイバにポンプ光を入力し、光ファイバ中の熱エネルギーにより発生している縦波音響波とポンプ光の光波との相互作用によってブリユアン散乱光を発生させ、このブリユアン散乱光の周波数シフト量を測定する。そして、光ファイバの長手方向の各地点からのブリユアン散乱光の周波数シフト量を測定することにより、各地点での被測定物の温度や歪み、および温度や歪みの分布状態を求めることができる。このようなブリユアン散乱光を用いる測定方法（光ファイバセンシング方法）として、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer）、ＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis），ＢＯＣＤＡ（Brillouin Optical Correlation-Domain Analysis）などがある（非特許文献１〜３参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】C.C.Lee, P.W.Chiang and S.Chi “Utilization of a Dispersion-Shifted Fiber for Simultaneous Measurement of Distributed Strain and Temperature Through Brillouin Frequency Shift” IEEE Photonics Technology Letters, Vol.13, No.10, p.1094, 2001
【非特許文献２】Y.Mizuno, Z.He, K.Hotate “One-End -Access High-Speed Distributed Strain Measurement with 13-mm Spatial Resolution based on Brillouin Optical Correlation-Domain Reflectometry” IEEE Photonics Technology Letters, Vol.21, No.7, P.474, 2009
【非特許文献３】T.Horiguchi, K.Shimizu, T.Kurashima and Y.Koyamada “Advances in distributed sensing techniques using Brillouin scattering,” Proc. SPIE 2507, 1995, pp.126-137
【非特許文献４】R.W.Boyd, Nonlinear Optics, Academic Press, New York, 1992, pp.325-364.
【非特許文献５】R.W.TKACH, A.R.CHRAPLYVY, R.M.DEROSIER, “Spontanenous Brillouin Scattering For Single-Mode Optical-Fibre Characterisation” Electron. Lett., Vol.22, No.19,pp.1011-1013, 1986.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光ファイバセンサに対しては、よりいっそう測定精度を向上させることが強く要求されている。
【０００５】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、測定精度を向上させた光ファイバセンサおよび光ファイバセンシング方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光ファイバセンサは、パルス状のポンプ光を出力する光源と、前記ポンプ光が入力され、該ポンプ光によってブリユアン散乱光を発生するセンサ用光ファイバと、前記センサ用光ファイバから出力された前記ブリユアン散乱光を受光する受光器と、を備え、入力される前記ポンプ光のパルスの長さの１／２をΔｚ(ｍ)、ピーク光強度をＩｐ(ｍＷ)とすると、前記センサ用光ファイバは、長さをｚ（ｍ）、伝送損失をａ（ｄＢ／ｋｍ）、ブリユアン利得係数ｇＢと有効コア断面積Ａｅｆｆとの比をｇＢ／Ａｅｆｆ（ｍ−１Ｗ−１）とした場合に、以下の式を満たすように長さｚが設定されていることを特徴とする。
【数１】
【０００７】
また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記の発明において、前記センサ用光ファイバは、以下の式を満たすように長さｚが設定されていることを特徴とする。
【数２】
【０００８】
また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記の発明において、前記センサ用光ファイバは、前記ポンプ光の波長における有効コア断面積Ａｅｆｆが１５μｍ２以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記の発明において、前記センサ用光ファイバは、前記ポンプ光の波長における比ｇＢ／Ａｅｆｆが０．６ｍ−１Ｗ−１以上であることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記の発明において、前記センサ用光ファイバは、１０ｍｍの曲げ半径で一周回曲げた状態での前記ポンプ光の波長における曲げ損失が０．１ｄＢ以下であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記の発明において、前記ポンプ光の波長は１５５０ｎｍであることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る光ファイバセンサは、上記の発明において、複数の前記センサ用光ファイバと、前記複数のセンサ用光ファイバの間に介挿された、前記複数のセンサ用光ファイバよりも伝送損失が小さい接続用光ファイバとを備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る光ファイバセンシング方法は、上記の発明のいずれか一つに記載の光ファイバセンサによって測定対象の温度または歪みを測定することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る光ファイバセンシング方法は、上記の発明において、前記センサ用光ファイバの少なくとも一箇所を１０ｍｍ以上の曲げ半径で曲げた状態で前記測定対象に設置することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、センサ用光ファイバで発生するブリユアン散乱光の強度を高くすることができるので、測定精度を向上させた光ファイバセンサおよび光ファイバセンシング方法を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、実施の形態１に係る光ファイバセンサの構成図である。
【図２】図２は、ブリユアン散乱光の発生について説明する図である。
【図３】図３は、比較例、実施例１〜３の光ファイバセンサに使用される光ファイバの特性を示す図である。
【図４】図４は、比較例、実施例１〜３の光ファイバセンサに使用される光ファイバの特性を示す図である。
【図５】図５は、ポンプ光のパルス時間幅が１００ｎｓの場合の、式（１a）にて等号が成り立つ光ファイバの長さｚとｇＢ／Ａｅｆｆとの関係を示す図である。
【図６】図６は、ポンプ光のパルス時間幅が１００ｎｓの場合の光ファイバの長さとブリユアン散乱光の受光強度との関係を示す図である。
【図７】図７は、ポンプ光のパルス時間幅が１０ｎｓの場合の、式（１ｂ）にて等号が成り立つ光ファイバの長さｚとｇＢ／Ａｅｆｆとの関係を示す図である。
【図８】図８は、ポンプ光のパルス時間幅が１０ｎｓの場合の光ファイバの長さとブリユアン散乱光の受光強度との関係を示す図である。
【図９】図９は、比較例における光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトル強度分布を示す図である。
【図１０】図１０は、実施例１における光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトル強度分布を示す図である。
【図１１】図１１は、比較例における光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトルピーク周波数分布を示す図である。
【図１２】図１２は、実施例１における光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトルピーク周波数分布を示す図である。
【図１３】図１３は、比較例における光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトルピーク周波数分布を示す図である。
【図１４】図１４は、実施の形態２に係る光ファイバセンサの構成図である。
【図１５】図１５は、実施の形態３に係る光ファイバセンサの構成図である。
【図１６】図１６は、実施の形態４に係る光ファイバセンサの構成図である。
【図１７】図１７は、実施の形態５に係る光ファイバセンサの構成図である。
【図１８】図１８は、実施の形態６に係る光ファイバセンサの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバセンサおよび光ファイバセンシング方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、本明細書で特に定義しない用語については、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合） Ｇ．６５０．１における定義、測定方法に従うものとする。
【００１８】
（実施の形態）
図１は、実施の形態１に係る光ファイバセンサの構成図である。図１に示すように、この光ファイバセンサ１００は、ＢＯＴＤＲ装置１０と、ＢＯＴＤＲ装置１０に接続したセンサ用の光ファイバ２０とを備えている。
【００１９】
ＢＯＴＤＲ装置１０は、光源１１と、光サーキュレータ１２と、受光器１３と、信号発生器１４と、合波器１５と、電気増幅器１６と、時間波形測定器１７とを備えている。
【００２０】
光ファイバセンサ１００の動作を説明する。光ファイバセンサ１００を使用する際は、まず、温度や歪みを測定したい測定対象に沿って光ファイバ２０を設置する。
【００２１】
光源１１は、パルス状のポンプ光を出力する。出力されたポンプ光は、光サーキュレータ１２を通過して光ファイバ２０に入力される。光ファイバ２０では、ポンプ光が伝搬中にブリユアン散乱が発生する。光ファイバ２０の長手方向の各地点で発生したブリユアン散乱光（ストークス光）は後方散乱し、ＢＯＴＤＲ装置１０側に伝搬する。光サーキュレータ１２は光ファイバ２０から伝搬してきたブリユアン散乱光を受光器１３に導く。受光器１３はブリユアン散乱光を受光してこれを電気信号に変換して出力する。信号発生器１４は正弦波電気信号を出力する。合波器１５は、受光器１３が出力した電気信号と信号発生器１４が出力した正弦波電気信号とを合波して出力する。
【００２２】
電気増幅器１６は合波された電気信号を増幅して時間波形測定器１７に出力する。時間波形測定器１７では、増幅された電気信号の波形の時間依存性を測定することができる。このとき、信号発生器１４が出力する正弦波電気信号の周波数を変化させ、それぞれの周波数に対する増幅された電気信号の波形の時間依存性を時間波形測定器１７で測定することにより、光ファイバ２０の長手方向各地点におけるブリユアン散乱光の分布を求めることができる。このブリユアン散乱光の分布を求めることによって、光ファイバ２０を設置した測定対象の温度や歪みを、光ファイバ２０の長手方向にわたって分布的に測定することができる。
【００２３】
ＢＯＴＤＲ装置１０としては、各構成機器を組み合わせて構成したものを用いてもよい。また、市販のＢＯＴＤＲ装置（たとえば、横河電機製ＢＯＴＤＲ装置ＡＱ８６０３）を用いてもよい。
【００２４】
ここで、光ファイバ２０は、入力されるポンプ光のパルスの長さの１／２をΔｚ(ｍ)、ピーク光強度をＩｐ(ｍＷ)、長さをｚ（ｍ）、伝送損失をａ（ｄＢ／ｍ）、ブリユアン利得係数ｇＢと有効コア断面積Ａｅｆｆとの比をｇＢ／Ａｅｆｆ（ｍ−１Ｗ−１）とした場合に、以下の式（１ａ）、より好ましくは（１ｂ）を満たすように長さｚが設定されている。これによって、光ファイバ２０中で発生するブリユアン散乱光の強度を高くすることができるので、ＢＯＴＤＲ装置１０の受光器１３で受光するブリユアン散乱光の強度も高くなる。その結果、時間波形測定器１７で測定する電気信号の波形の強度も高くなるので、光ファイバセンサ１００の温度等の測定精度を向上させることができる。
【００２５】
【数３】
【００２６】
以下、具体的に説明する。図２は、ブリユアン散乱光の発生について説明する図である。長さがＬの光ファイバ２０の長手方向に沿ってｚ座標を定義し、ポンプ光Ｓ１が入力される一方の端部のｚ座標をｚ＝０とし、もう一方の端部のＺ座標をｚ＝Ｌとする。この光ファイバ２０に、パルスの長さがΔLpのポンプ光Ｓ１を入力した場合に、位置ｚ＝ｌで発生するブリユアン散乱光を考える。ここで、パルスの長さとは、パルスの時間幅での光ファイバ中の伝送距離を意味する。
【００２７】
このとき入力するポンプ光Ｓ１は、位置ｚ＝ｌに到達するまでに、光ファイバ２０の伝送損失によって強度が減衰する。そして、位置ｚ＝ｌでは、減衰した光強度のポンプ光Ｓ１にてブリユアン散乱効果が発生する。ブリユアン散乱で発生したブリユアン散乱光Ｂ１（ストークス光）は後方散乱し、光ファイバ２０の伝送損失によって強度が減衰しながら、位置ｚ＝０に到達する。パルス光であるポンプ光Ｓ１入力端（位置ｚ＝０）において、後方散乱したブリユアン散乱光を受光する場合、入力端（位置ｚ＝０）から入射するポンプ光Ｓ１は有限のパルスの長さΔLpを持っているために、受光部１３で任意の時間ｔに受光した光に含まれる散乱は、光ファイバ２０中のΔLp／２の長さの光ファイバからの散乱が含まれている。このΔLp／２を作用長と呼び、Δｚとする。
【００２８】
光ファイバ２０中でポンプ光Ｓ１と逆方向に伝搬しているブリユアン散乱光の強度Ｉｓと入力されたポンプ光の強度Ｉｐとの関係は一般に以下の式（２ａ）、（２ｂ）で表される。
【００２９】
【数４】
ここで、αは光ファイバ２０の損失係数、ｇＢはブリユアン利得係数、Ａｅｆｆは有効断面積を示す。α、ｇＢ、Ａｅｆｆはポンプ光Ｓ１の波長における値である。なお、ポンプ光Ｓ１の波長は特に限定されないが、以下では例示として１５５０ｎｍとする。また、ブリユアン散乱光の波長はポンプ光Ｓ１の波長よりもブリユアンシフト量だけ長波長側にシフトしている。
【００３０】
光ファイバ２０の長さの単位をｋｍで考えた場合に、損失係数αは、光ファイバについて一般的に使用されているパラメータである伝送損失ａ（ｄＢ／ｋｍ）とは以下の式（３ａ）、（３ｂ）で示される関係にある。
【００３１】
【数５】
【００３２】
ここで、上述したように、ブリユアン散乱効果が作用するのはポンプ光Ｓ１のパルス時間幅相当の長さである。通常のポンプ光Ｓ１のパルス時間幅は１００ｎｓ程度であり、このパルス時間幅でのポンプ光Ｓ１の伝搬距離の１/２に相当する長さΔｚ（作用長）は１０ｍである。この短い長さでは伝送損失が極めて小さい。そこで、この作用長での伝送損失の影響を無視し、式（２ａ）、（２ｂ）での損失係数αの項を削除して、光ファイバ２０中の任意の位置ｚ＝ｌからｚ＝ｌ+Δｚの間での強度Ｉｓについて求めると、式（４）のようになる。
【００３３】
【数６】
【００３４】
式（４）の強度Ｉｓ(Δz)は、光ファイバ２０の位置ｚ＝ｌに入力される、ブリユアン散乱光（ストークス光）の強度を示す。
【００３５】
なお、ＢＯＴＤＲ方式では、ポンプ光の入力側とは反対の端面から入力する光は存在せず、自然放出ブリユアン散乱によって発生するストークス光が種光となる。このような場合、Ｉｓ(Δz)は、一般にポンプ光の入力時の強度Ｉｐ(ｚ＝０)に対して微小な値（たとえば、Ｉｐ(０)／Ｉｓ(Δｚ)＝１０１２をみたすようなＩｓ(Δz)の値）として計算される（たとえば、非特許文献４参照）。また、ＢＯＴＤＡ方式の場合は、Ｉｓ(Δｚ)は、ポンプ光とは反対端から入射するプローブ光となる。
【００３６】
つぎに、式（４）において位置ｚ＝０からｚ＝ｌまでの往復の伝送損失を考慮すると、ｚ＝０でのブリユアン散乱光Ｂ１の強度Ｉｓ(０)は以下に式（５）で表される。
【００３７】
【数７】
【００３８】
式（５）より、測定対象となるブリユアン散乱光Ｂ１の強度Ｉｓ(０)を高くするためには、ｇＢ／Ａｅｆｆが大きく、損失係数αが小さいことが好ましい。
【００３９】
従来の光ファイバセンサでは、センサ用の光ファイバとして、たとえばＩＴＵ−Ｔ Ｇ．６５２に準拠する通信用の標準シングルモード光ファイバ（以下、ＳＭＦ（Single Mode optical Fiber）とする）が用いられていた。これに対して、光ファイバセンサ１００では、センサ用の光ファイバ２０として、上記式（１ａ）、好ましくは式（１ｂ）を満たすｇＢ／Ａｅｆｆ、ａ、および長さｚを有する光ファイバを用いている。その結果、式（５）における強度Ｉｓ(０)が、同じ長さのＳＭＦを用いた場合よりも高くなる。これによって、受光器１３において受光されるブリユアン散乱光Ｂ１の強度も高くなる。その結果、光ファイバセンサ１００は測定精度が向上したものになる。
【００４０】
たとえば、ＳＭＦのｇＢ／ＡｅｆｆをｇＢ／Ａｅｆｆ−Ｓとし、損失係数αをαＳとする。また、本実施の形態１に係る光ファイバ２０のｇＢ／ＡｅｆｆをｇＢ／Ａｅｆｆ−Ｆとし、損失係数αをαＦとする。ＳＭＦと光ファイバ２０との長さをＬとして、２つの光ファイバに対して同じ強度のＩｐ(０)およびＩｓ(Δｚ)を仮定した場合に、式（５）より、以下の式（６）が成立すれば、光ファイバ２０を用いた場合に、ＳＭＦを用いた場合よりもＩｓ(０)が大きくなる。
【００４１】
【数８】
【００４２】
ここで、公知のＳＭＦについては、たとえばコアが純シリカからなる純シリカ光ファイバの場合にｇＢが最も大きいと考えられる。純シリカ光ファイバの理論値のｇＢは２．８×１０−１１ｍ・Ｗ−１である。したがって、通常のＳＭＦであれば、ｇＢは２．８×１０−１１ｍ・Ｗ−１以下であると考えられる。また、ＳＭＦの典型的なＡｅｆｆ−Ｓは約８０μｍ２である。したがって、典型的なＳＭＦであれば、ｇＢ／Ａｅｆｆ−Ｓは０．３５ｍ−１Ｗ−１以下であると考えられる。また、伝送損失ａについては、純シリカ光ファイバの場合が最も低いと考えられる。公知の純シリカ光ファイバの場合のａは０．１４８ｄＢ／ｋｍである。したがって、通常のＳＭＦであれば、ａは０．１４８ｄＢ／ｋｍ以上であると考えられる。
【００４３】
ｇＢ／Ａｅｆｆ−Ｓ＝０．３５ｍ−１Ｗ−１、ａ＝０．１４８ｄＢ／ｋｍを用いると、式（３ａ）より、以下の式が成り立つ。ただし、ｚの単位はｋｍである。
【００４４】
【数９】
【００４５】
式（６）においてＬをｚに置き換えて、この式を式（６）に代入し、長さｚの単位をｍに換算すると、式（６）が成り立つｇＢ／Ａｅｆｆ−Ｆの条件は、以下の式（７ａ）となる。なお、Ｉｐ(０)＝Ｉｐとし、単位をｍＷとする。式（７ａ）においてｇＢ／Ａｅｆｆ−ＦをｇＢ／Ａｅｆｆとすると式（１ｂ）となる。
【００４６】
【数１０】
【００４７】
また、公知のＳＭＦの典型的な値として、ｇＢ／Ａｅｆｆ−Ｓ＝０．１６２ｍ−１Ｗ−１、伝送損失ａ＝０．２０ｄＢ／ｋｍを用いると、式（６）が成り立つｇＢ／Ａｅｆｆ−Ｆの条件は、以下の式（７ｂ）となる。式（７ｂ）においてｇＢ／Ａｅｆｆ−ＦをｇＢ／Ａｅｆｆとすると式（１ａ）となる。
【００４８】
【数１１】
【００４９】
すなわち、式（７ｂ）、より好ましくは式（７ａ）が成り立つように、センサ用の光ファイバ２０の長さｚを設定することによって、光ファイバセンサ１００は測定精度が向上する。
【００５０】
なお、ｇＢ／Ａｅｆｆについては、ポンプ光の波長、たとえば波長１５５０ｎｍにおけるｇＢ／Ａｅｆｆが０．６ｍ−１Ｗ−１以上であれは、公知のＳＭＦよりも十分にＩｓ(０)が大きくなるので好ましい。このようなｇＢ／Ａｅｆｆが０．６ｍ−１Ｗ−１以上となる光ファイバとしては、たとえば高非線形光ファイバと呼ばれる、光ファイバ中の光学非線形性を利用して各種光増幅や信号処理などを行うための光ファイバを用いることができる。
【００５１】
ここで、典型的なＢＯＴＤＲ装置では、ポンプ光のパルス時間幅は１０ｎｓ〜２００ｎｓであり、平均光強度は−５ｄＢｍであり、測定距離レンジは１ｋｍ〜８０ｋｍである。
【００５２】
測定距離レンジを１０ｋｍとし、ポンプ光の平均光強度を−５ｄＢｍとし、パルス時間幅を１０ｎｓすなわち作用長Δｚを１ｍとすると、ピーク光強度はＩｐは３１６０ｍＷになる。したがって、式（７ｂ）にΔｚ＝１、Ｉｐ＝３１６０ｍＷを代入すると、式（８）となる。
【数１２】
【００５３】
つぎに、実施例１〜３、比較例の光ファイバを用いて、実施の形態１における好ましい光ファイバ２０の長さについて説明する。図３、４は、比較例、実施例１〜３の光ファイバセンサに使用される光ファイバの特性を示す図である。比較例の光ファイバはＳＭＦである。なお、図４において、ｄＢ／ターンとは、光ファイバを所定の曲げ半径で一周回曲げた状態での一周回あたりの光損失をｄＢで表した単位である。また、図３、４における伝送損失、Ａｅｆｆ、ｇＢ、ｇＢ／Ａｅｆｆ、曲げ損失はポンプ光の波長である１５５０ｎｍの値である。
【００５４】
なお、ブリユアン散乱を用いた光ファイバセンサは、構造物の温度や歪を測定する場合に好適に使用される。この場合、測定対象である構造物のサイズに応じて使用する光ファイバの長さを設定することが好ましい。
【００５５】
また、市販のＢＯＴＤＲ装置においては、ポンプ光のパルス時間幅は最小で１０ｎｓ程度である。そこで、以下では、パルス時間幅が１００ｎｓ（Δｚは約１０ｍ）および１０ｎｓ（Δｚは約１ｍ）の２つの場合について説明する。また、ポンプ光のピーク強度Ｉｐは１０００ｍＷとする。
【００５６】
はじめに、パルス時間幅が１００ｎｓの場合について説明する。図５は、ポンプ光のパルス時間幅が１００ｎｓの場合の、式（１ａ）にて等号が成り立つ光ファイバの長さｚとｇＢ／Ａｅｆｆとの関係を、様々の伝送損失に対して示す図である。図５は、構造物のサイズ等に応じて使用する光ファイバの長さｚが定められた場合に、その光ファイバの伝送損失に対応する実線よりも大きいｇＢ／Ａｅｆｆにすれば、式（１ａ）が成立することを示している。
【００５７】
図５から、たとえば、使用する光ファイバの長さｚが３０００ｍと定められた場合に、伝送損失を１．３９ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．５８ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。また、伝送損失を０．９６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．３７ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。さらに、伝送損失を０．３６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．１９ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。
【００５８】
図３からわかるように、実施例１〜３の光ファイバはいずれも上記の伝送損失とｇＢ／Ａｅｆｆとの関係を満たすので、長さｚが３０００ｍの場合に、式（１ａ）を満たすような測定精度が向上した光ファイバセンサ１００の光ファイバ２０として使用できるものである。
【００５９】
また、たとえば、使用する光ファイバの長さｚが５０００ｍと定められた場合に、伝送損失を１．３９ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが１．３１ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。また、伝送損失を０．９６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．６５ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。さらに、伝送損失を０．３６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．２２ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。
【００６０】
図３からわかるように、実施例１、２の光ファイバはいずれも上記の伝送損失とｇＢ／Ａｅｆｆとの関係を満たすので、長さｚが５０００ｍの場合に、式（１ａ）を満たすような測定精度が向上した光ファイバセンサ１００の光ファイバ２０として使用できるものである。
【００６１】
また、たとえば、使用する光ファイバの長さｚが１００００ｍと定められた場合に、伝送損失を０．９６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが２．５２ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。さらに、伝送損失を０．３６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．３１ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。
【００６２】
図３からわかるように、実施例１の光ファイバは上記の伝送損失とｇＢ／Ａｅｆｆとの関係を満たすので、長さｚが１００００ｍの場合に、式（１ａ）を満たすような測定精度が向上した光ファイバセンサ１００の光ファイバ２０として使用できるものである。このように、必要な光ファイバの長さｚに応じて、式（１ａ）を用いることによって、測定精度を向上させることができる光ファイバを選択することができる。なお、上記では式（１ａ）を用いて光ファイバを選択しているが、式（１ｂ）を用いてもよい。
【００６３】
図６は、ポンプ光のパルス時間幅が１００ｎｓの場合の光ファイバの長さとブリユアン散乱光の受光強度との関係を示す図である。なお、図６において、横軸の光ファイバの長さｚは、式（５）におけるｌをｚに置き換えたものであり、受光強度は、式（５）における強度Ｉｓ(０)である。
【００６４】
図６に示すように、実施例１〜３の光ファイバの場合は、少なくとも長さ３０００ｍまでは比較例の光ファイバの場合よりも大幅に受光強度が高い。また、長さが６１９ｍより短い場合は実施例３の光ファイバの場合が受光感度が高く、６１９ｍより長く１３６０ｍより短い場合は実施例２の光ファイバの場合が受光感度が高く、１３６０ｍより長い場合は実施例１の光ファイバの場合が受光感度が高い。このように、必要な光ファイバの長さに応じて、測定精度を向上させることができる光ファイバを選択することができる。または、使用する光ファイバに対して、測定精度を向上させることができるように光ファイバの長さｚを設定することができる。
【００６５】
つぎに、パルス時間幅が１０ｎｓの場合について説明する。図７は、ポンプ光のパルス時間幅が１０ｎｓの場合の、式（１ａ）にて等号が成り立つ光ファイバの長さｚとｇＢ／Ａｅｆｆとの関係を、様々の伝送損失に対して示す図である。
【００６６】
図７から、たとえば、使用する光ファイバの長さｚが１０００ｍと定められた場合に、伝送損失を１．３９ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．５９ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。また、伝送損失を０．９６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．４１ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。さらに、伝送損失を０．３６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．２１ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。
【００６７】
図３からわかるように、実施例１〜３の光ファイバはいずれも上記の伝送損失とｇＢ／Ａｅｆｆとの関係を満たすので、長さｚが１０００ｍの場合に、式（１ａ）を満たすような測定精度が向上した光ファイバセンサ１００の光ファイバ２０として使用できるものである。
【００６８】
また、たとえば、使用する光ファイバの長さｚが３０００ｍと定められた場合に、伝送損失を１．３９ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが２．５１ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。また、伝送損失を０．９６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが１．２９ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。さらに、伝送損失を０．３６ｄＢ／ｋｍとすると、ｇＢ／Ａｅｆｆが０．３２ｍ−１Ｗ−１以上の光ファイバを用いればよい。
【００６９】
図３からわかるように、実施例１の光ファイバは上記の伝送損失とｇＢ／Ａｅｆｆとの関係を満たすので、長さｚが５０００ｍの場合に、式（１ａ）を満たすような測定精度が向上した光ファイバセンサ１００の光ファイバ２０として使用できるものである。また、実施例１の光ファイバを使用する場合は、６５５０ｍより短ければ、式（１ａ）を満たすので、測定精度を向上させることができる。
【００７０】
図８は、ポンプ光のパルス時間幅が１０ｎｓの場合の光ファイバの長さとブリユアン散乱光の受光強度との関係を示す図である。
【００７１】
図８に示すように、実施例１〜３の光ファイバの場合は、少なくとも長さ１０００ｍまでは比較例の光ファイバの場合よりも受光強度が高い。また、長さが３０３ｍより短い場合は実施例３の光ファイバの場合が受光感度が高く、３０３ｍより長く６２２ｍより短い場合は実施例２の光ファイバの場合が受光感度が高く、６２２ｍより長い場合では実施例１の光ファイバの場合が受光感度が高い。このように、必要な光ファイバの長さに応じて、測定精度を向上させることができる光ファイバを選択することができる。または、使用する光ファイバに対して、測定精度を向上させることができるように光ファイバの長さｚを設定することができる。
【００７２】
なお、上記では式（１ａ）を用いて光ファイバを選択しているが、式（１ｂ）を用いて光ファイバを選択してもよい。
【００７３】
つぎに、実施例１および比較例の光ファイバを用いて図１に示すような光ファイバセンサを構成し、光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトル強度分布を測定した。なお、光ファイバへ入力するポンプ光の平均光強度は３０ｍＷ、パルス時間幅は１００ｎｓとした。また、得られたデータは時間平均した。平均化時間幅は３０秒とした。なお、実施例１および比較例の光ファイバの長さはいずれも３０００ｍとした。
【００７４】
図９は、比較例の光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトル強度分布を示す図である。図１０は、実施例１の光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトル強度分布を示す図である。図９、１０において、位置はパルス光の入力側を０とした位置である。また、光強度の単位は光電気変換した電気信号を測定しているため電圧Ｖ（ボルト）である。また、周波数は、ブリユアンシフト量を示すものである。図９、１０の比較から解るように、図１０の実施例１の光ファイバを用いた場合の方がピークの光強度が高く、かつスペクトル分布のばらつきが少なかった。
【００７５】
つぎに、図９、１０のデータから、光ファイバの長手方向におけるブリユアンスペクトルのピーク周波数の分布を求めた。図１１は、比較例における光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトルピーク周波数分布を示す図である。図１２は、実施例１における光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトルピーク周波数分布を示す図である。図１１に示すように、比較例の光ファイバを用いた図９の場合は、全長でのブリユアンスペクトルのピーク周波数に関して、平均値は１０．８５ＧＨｚであり、ばらつきについては分散（σ）が０．０１７８であった。
【００７６】
これに対して、図１２に示すように、実施例１の光ファイバを用いた図１０の場合は、全長でのブリユアンスペクトルのピーク周波数に関して、平均値は９．２６６ＧＨｚであった。また、ばらつきについては分散（σ）が０．０００９６であり、比較例の場合よりもきわめて小さかった。また、実施例１の光ファイバの全長のブリユアンスペクトルのピーク周波数を、非特許文献５に開示された別の方法によって測定したところ、９．２７０ＧＨｚであり、上記のＢＯＴＤＲ装置を用いた測定値と略一致していた。
【００７７】
ブリユアン散乱光を用いた光ファイバセンサでは、測定対象物の温度や歪を測定する場合には、ブリユアンスペクトルのピーク周波数の変化から温度や歪みの変化を算出し、これをもとに温度や歪みを測定する。したがって、ブリユアンスペクトルのピーク周波数のばらつきが小さい実施例１の光ファイバを用いた光ファイバセンサは、比較例１の光ファイバを用いた場合よりも測定精度が高い。
【００７８】
つぎに、比較例１の光ファイバを用いた光ファイバセンサにおいて、平均化時間幅を３００秒とした。図１３は、平均化時間幅を３００秒とした場合の、比較例における光ファイバの長手方向でのブリユアンスペクトルのピーク周波数分布を示す図である。この場合、全長でのブリユアンスペクトルのピーク周波数に関して、平均値は１０．８５ＧＨｚであった。また、ばらつきについては分散（σ）が０．００１０６であり、実施例１の光ファイバを用いた場合と同程度の分散（σ）となった。しかし、この場合は、実施例１の光ファイバを用いた場合よりも測定時間は１０倍必要となる。すなわち、同程度の測定精度を実現しようとする場合、実施例１の場合は、比較例１の場合よりも、測定時間が約１／１０に短縮されることになる。
【００７９】
以上説明したように、本実施の形態１に係る光ファイバセンサ１００は、測定精度が向上したものとなる。
【００８０】
（実施の形態２）
図１４は、実施の形態２に係る光ファイバセンサの構成図である。図１４に示すように、この光ファイバセンサ２００は、実施の形態１に係る光ファイバセンサ１００と同じＢＯＴＤＲ装置１０と光ファイバ２０とを備えている。ただし、この光ファイバセンサ２００では、光ファイバ２０の一部はシート３０上に渦巻き状に巻かれた状態で布線されている（以下、シート３０に光ファイバ２０が布線されたものをファイバシートとする）。ここで、シート３０としては、たとえば可とう性を有する樹脂等のシートや、金属、プラスチック等の可とう性を有さないシートを用いることができる。また、光ファイバ２０としては、たとえば実施例１〜３の光ファイバを、内径Ｄ１を６．０ｃｍ、外径Ｄ２を１４ｃｍとして長さ５０ｍだけ渦巻き状に巻いたものを使用することができる。
【００８１】
光ファイバセンサ２００は、たとえばファイバシートを測定対象物に付着等によって取り付け、その測定対象物の温度変化を測定する際に使用することができる。また、ファイバシートを構成することによって、より長い光ファイバ２０を特定の測定対象箇所に集中的に配置することができる。これによって、測定対象箇所の温度を、より長い光ファイバで測定することができるので、測定感度および測定精度がより向上する。この場合、よりコンパクトにより長い光ファイバ２０をシート３０上に布線することが、測定感度および測定精度の向上に有効である。
【００８２】
（実施の形態３）
図１５は、実施の形態３に係る光ファイバセンサの構成図である。図１５に示すように、この光ファイバセンサ３００は、光ファイバセンサ２００において、光ファイバ２０の一部をシート３０上に布線した複数の光ファイバシートを直列に接続したものである。この光ファイバセンサ３００は、複数の測定対象箇所に対して各光ファイバシートを取り付けて使用することができる。これによって、各測定対象箇所の温度変化を、より高い測定感度および測定精度で測定することができる。
【００８３】
（実施の形態４）
図１６は、実施の形態４に係る光ファイバセンサの構成図である。図１６に示すように、この光ファイバセンサ４００は、実施の形態１に係る光ファイバセンサ１００において、光ファイバ２０が１箇所以上の曲げ部２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを有する。最も曲率半径が小さい曲げ部２０ｂでは、曲げ半径Ｒが１０ｍｍである。
【００８４】
ここで、比較例の光ファイバのようなＳＭＦをセンサ用光ファイバとして用いた場合、曲げ部における曲げ損失によってブリユアン散乱光の強度が低下するので、ＢＯＴＤＲ装置１０における受光感度が低下する。これに対して、光ファイバセンサ４００では、光ファイバ２０として、図４の実施例１〜３のような、曲げ半径が１０ｍｍの場合の曲げ損失が０．１ｄＢ／ターンより小さい光ファイバを用いている。その結果、曲げ部２０ｂのように曲げ半径が１０ｍｍの部分があったとしても受光感度の低下が抑制されるので、向上した測定精度が維持される。なお、光ファイバ２０として使用する光ファイバの曲げ半径が１０ｍｍの場合の曲げ損失については、０．１ｄＢ／ターン以下であれば好ましい。
【００８５】
なお、このように光ファイバ２０に曲げ半径が１０ｍｍの曲げ部を形成することができる場合、たとえば形状が複雑な測定対象物であっても、それに沿った形状に光ファイバ２０を布設して光ファイバセンシングを行うことができるので好ましい。また、光ファイバ２０を測定対象物の内部空間に配置する場合に、その内部空間が狭い場合にも、それに沿った形状に光ファイバ２０を布設することができるので好ましい。
【００８６】
（実施の形態５）
図１７は、実施の形態５に係る光ファイバセンサの構成図である。図１７に示すように、この光ファイバセンサ５００は、ＢＯＴＤＲ装置１０と、３本の光ファイバ２０とを備えている。ＢＯＴＤＲ装置１０と、光ファイバ２０との間、および光ファイバ２０同士は光ファイバ４０を介して接続している。また、光ファイバ２０と光ファイバ４０とは光コネクタ５０によって接続している。光ファイバ４０としては、たとえば伝送損失が小さいＳＭＦを用いることができる。
【００８７】
光ファイバセンサ５００は、たとえば測定対象物が３つあり、各測定対象物間の距離が離れている場合に好適に使用することができる。すなわち、光ファイバセンサ５００を使用する際に、センサ用の光ファイバ２０は測定対象物に設置する。一方、光ファイバセンシングを行わなくてよい各測定対象物間では、比較的に伝送損失が低い光ファイバ４０で光ファイバ２０同士を接続する。これによって、光ファイバ４０中では伝送損失が小さいために受光感度の低下が抑制されるので、測定精度の低下が抑制される。なお、使用する光ファイバ２０の数は、３本に限らず、測定対象物の数に応じて適宜２以上の値とすることができる。
【００８８】
（実施の形態６）
図１８は、実施の形態６に係る光ファイバセンサの構成図である。図１８に示すように、この光ファイバセンサ６００は、ＢＯＴＤＡ装置６０と、ＢＯＴＤＡ装置６０に接続したセンサ用の光ファイバ２０とを備えている。ＢＯＴＤＡ装置６０は、図１に示すＢＯＴＤＲ装置１０と同様に構成された光源１１、光サーキュレータ１２、受光器１３、信号発生器１４、合波器１５、電気増幅器１６、および時間波形測定器１７とを備えている。
【００８９】
さらに、ＢＯＴＤＡ装置６０は、光ファイバ２０の光サーキュレータ１２と接続された側とは反対側の端部に接続したプローブ連続光源６８を備えている。プローブ連続光源６８はプローブ光を出力するものである。このプローブ光は、光ファイバ２０で発生するブリユアン散乱光と同じ波長を有し、かつ連続光である。
【００９０】
このようなＢＯＴＤＡ装置６０を用いた光ファイバセンサ６００においても、光ファイバ２０が、以下の式（１ａ）、より好ましくは（１ｂ）を満たすように長さｚが設定されているので、光ファイバセンサ１００と同様に、温度等の測定精度を向上させることができる。
【００９１】
なお、上記実施の形態において、ＢＯＴＤＲ装置１０およびＢＯＴＤＡ装置６０の光源１１と光ファイバ２０との間に、光源１１から出力されるポンプ光を増幅するための光増幅器を設けてもよい。また、ラマン増幅用の励起光を発生する励起光源を光ファイバセンサのいずれかの箇所に設けてもよい。そして、光ファイバ２０自体をラマン増幅用光ファイバとし、ブリユアン散乱光をラマン増幅するように構成してもよい。これらの光増幅器やラマン増幅用励起光源を設けることによって、ブリユアン散乱光の受光強度を高めることができるので、さらに測定精度を向上させることができる。
【００９２】
また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上記各実施形態の各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。たとえば、実施の形態５における光ファイバ２０を実施の形態２のようにファイバシート状にしてもよい。その他、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００９３】
１０ ＢＯＴＤＲ装置
１１ 光源
１２ 光サーキュレータ
１３ 受光器
１４ 信号発生器
１５ 合波器
１６ 電気増幅器
１７ 時間波形測定器
２０、４０ 光ファイバ
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ 曲げ部
３０ シート
５０ 光コネクタ
６０ ＢＯＴＤＡ装置
６８ プローブ連続光源
１００〜６００ 光ファイバセンサ
Ｂ１ ブリユアン散乱光
Ｄ１ 内径
Ｄ２ 外径
Ｒ 半径
Ｓ１ ポンプ光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス状のポンプ光を出力する光源と、
前記ポンプ光が入力され、該ポンプ光によってブリユアン散乱光を発生するセンサ用光ファイバと、
前記センサ用光ファイバから出力された前記ブリユアン散乱光を受光する受光器と、
を備え、入力される前記ポンプ光のパルスの長さの１／２をΔｚ(ｍ)、ピーク光強度をＩｐ(ｍＷ)とすると、前記センサ用光ファイバは、長さをｚ（ｍ）、伝送損失をａ（ｄＢ／ｋｍ）、ブリユアン利得係数ｇＢと有効コア断面積Ａｅｆｆとの比をｇＢ／Ａｅｆｆ（ｍ−１Ｗ−１）とした場合に、以下の式を満たすように長さｚが設定されていることを特徴とする光ファイバセンサ。
【数１】
【請求項２】
前記センサ用光ファイバは、以下の式を満たすように長さｚが設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
【数２】
【請求項３】
前記センサ用光ファイバは、前記ポンプ光の波長における有効コア断面積Ａｅｆｆが１５μｍ２以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバセンサ。
【請求項４】
前記センサ用光ファイバは、前記ポンプ光の波長における比ｇＢ／Ａｅｆｆが０．６ｍ−１Ｗ−１以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光ファイバセンサ。
【請求項５】
前記センサ用光ファイバは、１０ｍｍの曲げ半径で一周回曲げた状態での前記ポンプ光の波長における曲げ損失が０．１ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光ファイバセンサ。
【請求項６】
前記ポンプ光の波長は１５５０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光ファイバセンサ。
【請求項７】
複数の前記センサ用光ファイバと、前記複数のセンサ用光ファイバの間に介挿された、前記複数のセンサ用光ファイバよりも伝送損失が小さい接続用光ファイバとを備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の光ファイバセンサ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一つに記載の光ファイバセンサによって測定対象の温度または歪みを測定することを特徴とする光ファイバセンシング方法。
【請求項９】
前記センサ用光ファイバの少なくとも一箇所を１０ｍｍ以上の曲げ半径で曲げた状態で前記測定対象に設置することを特徴とする請求項８に記載の光ファイバセンシング方法。
【請求項１】
パルス状のポンプ光を出力する光源と、
前記ポンプ光が入力され、該ポンプ光によってブリユアン散乱光を発生するセンサ用光ファイバと、
前記センサ用光ファイバから出力された前記ブリユアン散乱光を受光する受光器と、
を備え、入力される前記ポンプ光のパルスの長さの１／２をΔｚ(ｍ)、ピーク光強度をＩｐ(ｍＷ)とすると、前記センサ用光ファイバは、長さをｚ（ｍ）、伝送損失をａ（ｄＢ／ｋｍ）、ブリユアン利得係数ｇＢと有効コア断面積Ａｅｆｆとの比をｇＢ／Ａｅｆｆ（ｍ−１Ｗ−１）とした場合に、以下の式を満たすように長さｚが設定されていることを特徴とする光ファイバセンサ。
【数１】
【請求項２】
前記センサ用光ファイバは、以下の式を満たすように長さｚが設定されていることを特徴とする請求項１に記載の光ファイバセンサ。
【数２】
【請求項３】
前記センサ用光ファイバは、前記ポンプ光の波長における有効コア断面積Ａｅｆｆが１５μｍ２以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバセンサ。
【請求項４】
前記センサ用光ファイバは、前記ポンプ光の波長における比ｇＢ／Ａｅｆｆが０．６ｍ−１Ｗ−１以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光ファイバセンサ。
【請求項５】
前記センサ用光ファイバは、１０ｍｍの曲げ半径で一周回曲げた状態での前記ポンプ光の波長における曲げ損失が０．１ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の光ファイバセンサ。
【請求項６】
前記ポンプ光の波長は１５５０ｎｍであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の光ファイバセンサ。
【請求項７】
複数の前記センサ用光ファイバと、前記複数のセンサ用光ファイバの間に介挿された、前記複数のセンサ用光ファイバよりも伝送損失が小さい接続用光ファイバとを備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載の光ファイバセンサ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一つに記載の光ファイバセンサによって測定対象の温度または歪みを測定することを特徴とする光ファイバセンシング方法。
【請求項９】
前記センサ用光ファイバの少なくとも一箇所を１０ｍｍ以上の曲げ半径で曲げた状態で前記測定対象に設置することを特徴とする請求項８に記載の光ファイバセンシング方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−４４６１４（Ｐ２０１３−４４６１４Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８１９７５（Ｐ２０１１−１８１９７５）
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２３日（２０１１．８．２３）
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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