(57)【要約】光ファイバ内を伝播する第１の光を発生する第１の発生手段と、第１の光とは逆方向に伝播し第１の光より周波数の低い第２の光を発生する第２の発生手段と、第２の光と同方向に伝播する第３の光を発生する第３の発生手段と、第３の光の散乱光の計測を行う計測手段とを備えたことを特徴とする。これにより、高い位置分解能、高い測定精度、短い測定時間および低いコストを満たす光ファイバセンサが実現する。
2014091754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ内を伝播する第１の光を発生する第１の発生手段と、
前記光ファイバ内を前記第１の光とは逆方向に伝播し前記第１の光より周波数の低い第２の光を発生する第２の発生手段と、
前記光ファイバ内を前記第２の光と同方向に伝播する第３の光を発生する第３の発生手段と、
前記第３の光の散乱光の計測を行う計測手段と、
を備えた、光ファイバセンサ。
【請求項２】
前記第３の光が変調光であり、前記第１の光と前記第２の光とが、前記第３の光に比べて変調速度が遅い変調光もしくは非変調光である、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
【請求項３】
前記第３の光の周波数が、前記第２の光の周波数よりも低い、請求項１または２に記載の光ファイバセンサ。
【請求項４】
前記第１の光の周波数と、前記第２および第３の光の周波数との差を変化させ、前記差ごとに前記第３の光の前記散乱光を計測する、請求項１から３の内の１項記載の光ファイバセンサ。
【請求項５】
前記第１の光の周波数と前記第３の光の周波数との差が、前記第１の光の周波数と前記第２の光の周波数との差の略２．５倍である、請求項１から４の内の１項記載の光ファイバセンサ。
【請求項６】
前記第３の光がパルス光、あるいは、正弦波で強度変調された光である、請求項１から５の内の１項記載の光ファイバセンサ。
【請求項７】
前記正弦波で強度変調された前記第３の光の変調周波数を変化させ、前記変調周波数ごとに前記第３の光とその前記散乱光との比較を行う、請求項６に記載の光ファイバセンサ。
【請求項８】
光ファイバ内を伝播する第１の光と、前記光ファイバ内を前記第１の光とは逆方向に伝播し前記第１の光より周波数の低い第２の光と、前記光ファイバ内を前記第２の光と同方向に伝播する第３の光とを有し、前記第３の光の散乱光を計測する、光ファイバセンサのセンス方法。
【請求項９】
前記第３の光が変調光であり、前記第１の光と前記第２の光とが、前記第３の光に比べて変調速度が遅い変調光もしくは非変調光である、請求項８記載の光ファイバセンサのセンス方法。
【請求項１０】
前記第１の光の周波数と前記第３の光の周波数との差が、前記第１の光の周波数と前記第２の光の周波数との差の略２．５倍である、請求項８または９に記載の光ファイバセンサのセンス方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバの長手方向における温度分布や歪分布などを測定する光ファイバセンサおよびそのセンス方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバセンサは、連続光またはパルス光を光ファイバに入射させ、光ファイバ内において生ずる散乱光または反射光を受光することにより、光ファイバの長手方向における温度や歪の分布などの特性を測定するものである。【０００３】
ＢＯＴＤＡ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）はそのようなファイバセンシング方式の１種である。これは、光ファイバの一方の端から光パルス、他方の端から連続光を入射し、この２つの光により誘導ブリルアン散乱を生じさせ、それによって生じる散乱光を測定するものである。この方式では位置分解能を向上させるためには、パルス幅を狭くする必要がある。【０００４】
一方、パルス幅を狭くするとパルスの周波数スペクトルが広くなり、測定されるブリルアンゲインスペクトルもそれに伴って広くなる。このためピーク位置の検出精度が低下し、結果として温度や歪の測定精度が低下する。すなわち、本方式では、位置分解能と、温度や歪の測定精度との間にトレードオフの関係がある。【０００５】
特許文献１には、光強度と幅が異なる２種類のパルスを組み合わせることによって、上記のトレードオフを解消する方法が開示されている。【０００６】
また、非特許文献１では、次のような測定方法が示されている。すなわち、この方法では偏光保持ファイバの一方の端から連続光１を入射し、他方の端から連続光１よりもブリルアンシフト分だけ周波数の低い連続光２を入射して、この両者間で誘導ブリルアン散乱を生じさせる。さらに連続光１と同じ方向からパルス光を入射し、その反射光を測定するものである。パルス光は、連続光１と２の誘導ブリルアン散乱によって生じた音響フォノンによって散乱される。ここで、連続光１と２は同じ偏光方向の直線偏光であり、パルス光はそれと直交する直線偏光としている。直交する偏光間では、誘導ブリルアン散乱が生じないため、パルス光と連続光間では誘導ブリルアン散乱が生じない。このためパルス幅を狭くし、パルス光のスペクトル幅が広くなった場合でも、測定されるブリルアンスペクトルには影響せず、ピーク位置の検出精度は低下しない。したがって、高い位置分解能と、温度や歪の高い測定精度とを両立させることが可能である。【０００７】
光ファイバセンシングの他の方式として、ＢＯＦＤＡ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｏｍａｉｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）がある。これは光ファイバの一方の端から連続光、他方の端から正弦波により強度変調された変調光を入射し、誘導ブリルアン散乱で生じる変調光の散乱光を測定するものである。本方式では位置分解能を高くするには、変調波の変調周波数を高くする必要があるが、その場合にはブリルアンゲインスペクトルの形状に影響が生じる。この結果、ピーク位置の検出精度が低下し、温度や歪の測定精度が低下する。  【０００８】
この問題の解決方法として、非特許文献２には、測定されたブリルアンゲインスペクトルと理論計算によって得られるスペクトルを比較、フィッティングすることによりピーク位置を高精度で検出する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３９３００２３号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｋ．Ｙ．Ｓｏｎｇ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｉｍｅ  ｄｏｍａｉｎ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  ｄｙｎａｍｉｃ  ｇｒａｔｉｎｇ”，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．３５，ｎｏ．１，ｐ．５２（２０１０）．
【非特許文献２】Ａ．Ｍｉｎａｒｄｏ  ｅｔ  ａｌ．，“Ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｉｎ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｅｘｃｉｔｅｄ  ｂｙ  ａｎ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ−  ａｎｄ  Ｐｈａｓｅ−Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ  Ｐｕｍｐ”，Ｊ．ｏｆ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈ．，ｖｏｌ．２８，ｎｏ．２，ｐ．１９３（２０１０）．
【非特許文献３】Ｓ．Ｓｈｉｍｏｔｓｕ  ｅｔ  ａｌ．，“ＬｉＮｂＯ３  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｉｎｇｌｅ−ｓｉｄｅｂａｎｄ  ｍｏｄｕｌａｔｏｒ”，ＯＦＣ２０００，ＰＤ−１６．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に記載の方法は、測定対象である光ファイバが短い場合には有効であるが、比較的長い光ファイバに対しては光スイッチからの漏れ光の影響が顕著となり、測定の精度が低下する。【００１２】
非特許文献１に記載の方法は、偏光保持ファイバを用いているが、偏光保持ファイバは通常の光ファイバと比べて価格が高い。また、無歪、一定温度の条件下でのブリルアンシフト量の長手方向の均一性が通常の光ファイバと比べて低い。これらのことから、長い距離のセンシングには不向きである。また、同方法では先述のように連続光とパルス光の偏光方向を直交させる必要があるが、偏光保持ファイバには複屈折性があり、２つの直交する直線偏光に対する屈折率が異なる。連続光１の偏光をＸ、パルス光のＹとし、それぞれの屈折率をｎｘ，ｎｙ、周波数をｆｘ，ｆｙとすれば、ｎｘ・ｆｘ＝ｎｙ・ｆｙを満たすように、周波数を調整する必要がある。ｎｘとｎｙの比は個々の偏光保持ファイバによって異なり、また歪や温度によっても異なるため、測定時にパルス光の周波数ｆｙを掃引する必要が生じる。これにより測定器が複雑化しコストが増加するとともに、測定時間が増加する。【００１３】
偏光保持ファイバの代わりに通常の光ファイバを用いれば、上記の点は解消される。すなわち、長距離のセンシングも問題なく、またパルス光の波長は連続光１と同じで良いため、測定器の構造の簡略化、低コスト化が可能となる。ただしこの場合、各光の偏光状態が維持されないため、パルス光と連続光２の偏光方向の直交性が保たれない。このため連続光２とパルス光の間で誘導ブリルアン散乱が生じ得ることとなる。その場合、ブリルアンゲインスペクトル形状に影響が生じ、温度や歪の分解能を低下させることとなる。【００１４】
一方、非特許文献２に記載の方法では、ブリルアンゲインスペクトルの測定値と理論値のフィッティングに時間がかかるため、測定時間が長くなる。このため比較的短い時間での歪や温度などの変化を捉えることができない。【００１５】
以上のように、既知の光ファイバセンサおよびそのセンス方法では、高い位置分解能、高い測定精度、短い測定時間および低いコストを同時に満たす光ファイバセンシングは不可能であった。【００１６】
本発明は上記の課題に鑑みなされたものであり、その目的は、高い位置分解能、高い測定精度、短い測定時間、および、低いコストを同時に満たすことが可能な、光ファイバセンサおよびそのセンス方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明の光ファイバセンサは、光ファイバ内を伝播する第１の光を発生する第１の発生手段と、前記光ファイバ内を前記第１の光とは逆方向に伝播し前記第１の光より周波数の低い第２の光を発生する第２の発生手段と、前記光ファイバ内を前記第２の光と同方向に伝播する第３の光を発生する第３の発生手段と、前記第３の光の散乱光の計測を行う計測手段と、を備えている。【００１８】
本発明の光ファイバセンサのセンス方法は、光ファイバ内を伝播する第１の光と、前記光ファイバ内を前記第１の光とは逆方向に伝播し前記第１の光より周波数の低い第２の光と、前記光ファイバ内を前記第２の光と同方向に伝播する第３の光とを有し、前記第３の光の散乱光を計測する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、高い位置分解能、高い測定精度、短い測定時間、および、低いコストを同時に満たすことが可能な、光ファイバセンサおよびそのセンス方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態における光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第２の実施形態における光ファイバセンサの構成を示す図である。
【図３】本発明の第３の実施形態における光ファイバセンサの構成を示す図である。
【図４】本発明の第４の実施形態における光ファイバセンサの構成を示す図である。
【図５】本発明の第５の実施形態における光ファイバセンサの構成を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、図を参照しながら、本発明の最良の実施形態を詳細に説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい限定がされているが、発明の範囲を以下に限定するものではない。
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について図１を参照して説明する。図１は、本実施形態の光ファイバセンサの構成を示すブロック図である。本実施形態の光ファイバセンサは、光ファイバ１４内を伝播する第１の光を発生する第１の発生手段１０と、前記光ファイバ１４内を前記第１の光とは逆方向に伝播し前記第１の光より周波数の低い第２の光を発生する第２の発生手段１１とを備える。さらに、前記光ファイバ１４内を前記第２の光と同方向に伝播する第３の光を発生する第３の発生手段１２と、前記第３の光の散乱光の計測を行う計測手段１３とを備える。【００２２】
本実施形態によれば、高い位置分解能、高い測定精度、短い測定時間、および、低いコストを同時に満たすことが可能な、光ファイバセンサを提供することができる。
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。第２の実施形態では、本発明をＢＯＴＤＡ法に適用する。図２に本実施形態の光ファイバセンサの構成を示す。【００２３】
本実施形態の光ファイバセンサは、以下の手段を備える。すなわち、光ファイバ１１２内を伝播する第１の光を発生する第１の発生手段１０と、光ファイバ１１２内を第１の光とは逆方向に伝播し第１の光より周波数の低い第２の光を発生する第２の発生手段１１とを備える。さらに、光ファイバ１１２内を第２の光と同方向に伝播する第３の光を発生する第３の発生手段１２と、第３の光の散乱光の計測を行う計測手段１３とを備える。【００２４】
第１の発生手段１０は、第１の光を次のように発生する。光源１０１から出た光は、光分岐器１０２によって分岐される。分岐した光の一方は光変調器１０３によって周波数がシフトされた後、エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）１０４によって増幅され、第１の光となる。ここで、光変調器１０３はマイクロ波発生器１０３ａとＳＳＢ（Ｓｉｎｇｌｅ  Ｓｉｄｅ  Ｂａｎｄ  ：単側波帯）変調器１０３ｂからなり、入射光の周波数に対し、マイクロ波発生器１０３ａで発生したマイクロ波の周波数分に等しい周波数差を有する単側波帯波を発生させる。これを出力光とすることにより、光の周波数をシフトすることができる。【００２５】
第２の発生手段１１は、第２の光を次のように発生する。光源１０１から出て光分岐器１０２によって分岐されたもう一方の光は、さらに光分岐器１０５によって２分岐される。その一方の光はＥＤＦＡ１０６により増幅され、第２の光となる。【００２６】
第３の発生手段１２は、第３の光を次のように発生する。光分岐器１０５によって２分岐されたもう一方の光は、光変調器１０７により周波数がシフトされた後、ＥＤＦＡ１０８によって増幅され、その後、光パルス発生器１０９によってパルスを発生し、第３の光となる。ここで光変調器１０７はマイクロ波発生器１０７ａとＳＳＢ変調器１０７ｂからなり、光変調器１０３と同様に動作する。【００２７】
ＥＤＦＡ１０６を出た第２の光と、光パルス発生器１０９を出た第３の光は、光合波器１１０によって合波された後、光サーキュレータ１１１を通って、センサ部となる光ファイバ１１２に入射される。一方、ファイバ１１２のもう一端からは、ＥＤＦＡ１０４から出た第１の光が入射される。ここで、第１の光、第２の光、第３の光の周波数をそれぞれｆ１、ｆ２、ｆ３とすると、ｆ１＞ｆ２＞ｆ３となるように周波数をシフトさせている。【００２８】
周波数ｆ１の第１の光と周波数ｆ２の第２の光は連続光であり、この両者によって形成される音響フォノンにより、周波数ｆ３のパルス光である第３の光が反射される。反射された第３の光は光サーキュレータ１１１を通り、計測手段１３である受光器１１３に到達する。受光器１１３で受光された第３の光は電気信号となり、それをアナログ−デジタル変換した後にデータとして取り込む（図２に記載なし）。このデータからファイバ１１２内での反射光強度分布が得られる。Δｆ（＝ｆ１−ｆ２）を変えて上記の測定を繰り返すことにより、ブリルアンゲインスペクトル分布が得られ、それよりファイバ１２内の歪や温度の分布を得ることができる。【００２９】
本実施形態では、周波数ｆ１、ｆ２の２つの連続光によって音響フォノンが形成され、その音響フォノンによって中心周波数ｆ３のパルス光が反射されることになる。発明者は、ｆ１−ｆ２＝Δｆ＞０である周波数ｆ１、ｆ２の光で形成された音響フォノンによって、ｆ２と同じ方向に進むｆ３の光が反射されるためには、ｆ１−ｆ３がほぼ２．５Δｆに等しいことが必要となることを計算により見出した。このため、ｆ１−ｆ２＝Δｆに対し、ｆ１−ｆ３＝２．５Δｆとなるようにマイクロ波発生器１０３ａ、１０７ａの出力周波数を調整している。【００３０】
以上、本実施形態によれば、第１と第２の光の間で誘導ブリルアン散乱が生じ、それによって生成される音響フォノンによって第３の光が散乱される。第１の光と第２の光の周波数差を掃引することによって、ファイバ内の歪または温度分布を短時間で測定することとなり、その周波数掃引の範囲は測定する温度や歪の範囲によって決まる。第３の光の周波数は第２の光の周波数と大きく離れているので、仮に石英製の光ファイバが破断もしくは軟化するほどの歪や温度範囲まで測定範囲を広げたとしても、第１と第３の光の周波数差は誘導ブリルアン散乱を生じる範囲には入らない。このため、第３の光およびそれと対向する第１の光では、両者の偏光状態に関わらず誘導ブリルアン散乱が発生しない。したがって通常の光ファイバを用い、パルス光の幅を狭くしても、変調光である第３の光が誘導ブリルアン散乱に寄与することはなくなる。したがって、高い位置分解能と高い測定精度を両立することが可能となる。【００３１】
以上のように、本実施形態によれば、高い位置分解能、高い測定精度、短い測定時間、および、低いコストを同時に満たすことが可能となる。
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態について図面を参照して説明する。第３の実施形態では、第２の実施形態と同様に本発明をＢＯＴＤＡ法に適用する。図３に本実施形態の光ファイバセンサの構成を示す。【００３２】
光源２０１から出た光は、光分岐器２０２によって分岐される。分岐した光の一方はＥＤＦＡ２０３によって増幅され、第２の光となる。もう一方はＳＳＢ変調器２０４に入射する。ここでＳＳＢ変調器２０４は２つの出力ポートを有し、入射した光から高周波側にシフトした光と、低周波側にシフトした光の両者をそれぞれ出射する。周波数シフト量の絶対値は高周波側と低周波側で同じである。このようなＳＳＢ変調器は、例えば非特許文献３に記述がある構造において、最終段の２つの導波路を合波させず、それぞれ別の出力ポートとした構造にすることによって得ることができる。【００３３】
２つの出力光のうち、高周波側にシフトした光はＥＤＦＡ２０５で増幅され、第１の光となる。一方、低周波側にシフトした光は、さらに別のＳＳＢ変調器２０６に入射し、さらに低周波にシフトされる。ＳＳＢ変調器２０６から出射された光は、ＥＤＦＡ２０７で増幅された後、パルス発生器２０８によりパルス光となり、第３の光となる。【００３４】
ＳＳＢ変調器２０４および２０６には入出力光間の周波数シフトと一致する周波数を有するマイクロ波が入力されている。マイクロ波発生器２０９から出たマイクロ波は分波器２１０により分波される。分波したマイクロ波の片方はＳＳＢ変調器２０６に入射する。もう一方は周波数逓倍器２１１に入力され、２倍の周波数のマイクロ波が出力される。【００３５】
光源２０１から出射される光の周波数をｆ２（第２の光の周波数）、マイクロ波発生器２０９から出射するマイクロ波の周波数を０．５Δｆ、ＳＳＢ変調器２０４から出射される高周波側の光の周波数をｆ１（第１の光の周波数）とすると、ｆ１−ｆ２＝Δｆとなる。この時ＳＳＢ変調器２０６に入射する光の周波数はｆ２−Δｆとなり、ＳＳＢ変調器２０６の出射光の周波数はｆ２−１．５Δｆとなる。これがパルス光の中心周波数となる。この周波数をｆ３（第３の光の周波数）とすれば、ｆ１−ｆ２＝Δｆに対し、ｆ３＝ｆ２−１．５Δｆ＝ｆ１−２．５Δｆとなり、先に述べた第１の実施形態と同じ関係となっている。【００３６】
周波数ｆ１、ｆ２、ｆ３の光は光合波器２１２によって合波された後、光サーキュレータ２１３を通って光ファイバ２１４へ入射する。光ファイバ２１４の端にはＦＢＧ２１５（Ｆｉｂｅｒ  Ｂｒａｇｇ  Ｇｒａｔｉｎｇ）が接続されている。ＦＢＧ２１５は周波数ｆ１の第１の光を反射し、周波数ｆ２、ｆ３の第２の光、第３の光は透過する。ＦＢＧ２１５で反射された周波数ｆ１の第１の光は、光ファイバ２１４をサーキュレータ２１３の方向に向かって伝播する。すなわち、周波数ｆ１の第１の光が周波数ｆ２、ｆ３の第２の光、第３の光と対向して伝播することになる。対向する第１の光と第２の光によって生じる誘導ブリルアン散乱により音響フォノンが形成され、これによって第３の光が反射される。反射されたパルス光は光サーキュレータ２１３を通り、受光器２１６に到達する。【００３７】
先に述べた第１の実施形態では、ｆ１−ｆ３＝２．５Δｆの関係を保つために、２つのマイクロ波発生器を調整する必要があったが、本実施形態では自動的にこの関係が保たれることになる。また、第２の実施形態では光ファイバの両端から光を入射する必要があるため、測定系全体の光ファイバの長さは、センサ部となる光ファイバの２倍以上が必要となる。これに対し、本実施形態では、光ファイバの片端から光を入射することになるため、全体のファイバの長さを短くすることが可能である。【００３８】
以上、本実施形態によれば、第２の実施形態と同様に、第１と第２の光の間で誘導ブリルアン散乱が生じ、それによって生成される音響フォノンによって第３の光が散乱される。この時、第３の光およびそれと対向する第１の光では、両者の偏光状態に関わらず誘導ブリルアン散乱が発生しない。したがって通常の光ファイバを用い、パルス光の幅を狭くしても、変調光である第３の光が誘導ブリルアン散乱に寄与することはなくなる。したがって、高い位置分解能と高い測定精度を両立することが可能となる。【００３９】
以上のように、本実施形態によれば、高い位置分解能、高い測定精度、短い測定時間、および、低いコストを同時に満たすことが可能となる。
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態について図面を参照して説明する。第４の実施形態では、本発明をＢＯＦＤＡ法に適用する。図４に本実施形態の光ファイバセンサの構成を示す。本構成は第２の実施形態の構成図である図２と多くの部分で共通しているので、共通部分は図２で用いたものと同じ符号で表すものとする。【００４０】
光源１０１から出た周波数ｆ２の光を分岐し、ＳＳＢ変調器を用いて、周波数ｆ１、ｆ３の光を生成する。それぞれの光を、ＥＤＦＡ１０６により増幅して第２の光、ＥＤＦＡ１０４により増幅して第１の光、ＥＤＦＡ１０８により増幅して第３の光の元の光とする。以上は、第２の実施形態と同じである。ＥＤＦＡ１０８から出射された周波数ｆ３の光は、変調器３０１により、角周波数ωの正弦波によって強度変調される。変調された光は光分岐器３０２により分岐され、片方は受光器３０３に入射する。もう片方は第３の光として光合波器１１０により周波数ｆ２の第２の光と合波される。その後、光サーキュレータ１１１を通じて測定対象である光ファイバ１１２に入射する。また、光ファイバ１１２の逆の端からは周波数ｆ１の第１の光が入射される。【００４１】
第１の光と第２の光から生成される音響フォノンにより中心周波数ｆ３の変調光である第３の光が反射され、反射光は光サーキュレータ１１１を通り、受光器１１３に入射する。受光器３０３と受光器１１３からの出力はベクトルネットワークアナライザ（Ｖｅｃｔｏｒ  Ｎｅｔｗｏｒｋ  Ａｎａｌｙｚｅｒ  ：  ＶＮＡ）３０４に入射され、両者の比から、角周波数ωにおける伝達係数が得られる。変調器３０１の変調周波数を決める角周波数ωの電気信号はＶＮＡ３０４から供給されており、ωを変えて上記のデータ取得を繰り返すことにより、伝達関数Ｈ（ω）が得られる。この伝達関数Ｈ（ω）を逆フーリエ変換することにより、光ファイバ１１２内でのブリルアン散乱による光反射の位置情報を得ることができる。Δｆ＝ｆ１−ｆ２を変えて上記の測定を繰り返すことにより、光ファイバ内の歪や温度の分布情報を得ることが可能である。【００４２】
本実施形態のように、本発明をＢＯＦＤＡ法に適用する場合には、第３の光は正弦波により強度変調された変調光となるが、この場合も第２の実施形態と同じ理由により、第３の光は誘導ブリルアン散乱に寄与しない。このため、測定したブリルアンゲインスペクトルと理論値とのフィッティングを行わなくても、正しいピーク位置が検出できる。したがって高い位置分解能と高い測定精度を短い測定時間で実現することが可能となる。【００４３】
以上のように、本実施形態によれば、高い位置分解能、高い測定精度、短い測定時間、および、低いコストを同時に満たすことが可能となる。
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態について図面を参照して説明する。第５の実施形態では、本発明をＢＯＦＤＡ法に適用する。図５に本実施形態の光ファイバセンサの構成を示す。本構成は第４の実施形態の構成図である図４と多くの部分で共通しているので、共通部分は図４で用いたものと同じ符号で表すものとする。【００４４】
図５での図４の構成と異なる点は、変調器３０１に入力されている変調信号はＶＮＡから供給される正弦波ではなく、信号発生器４０１から供給される信号である。この信号は正弦波ではなく、方形波などの広い周波数スペクトルを有する信号である。したがって、受光器３０３および１１３で受信される信号も広い周波数スペクトルを有している。これらの受信信号をそれぞれアナログデジタルコンバータ（Ａｎａｌｏｇ−Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：ＡＤＣ）４０２、４０３を通じてコンピュータ４０４に取り込んだ後、フーリエ変換し、各周波数で比較することにより、中心周波数ｆ３の変調光の伝達関数Ｈ（ω）が得られる。Δｆ＝ｆ１−ｆ２を変えて上記の測定を繰り返すことにより、光ファイバ内の歪や温度の分布情報を得ることが可能である。【００４５】
本実施形態で第４の実施形態と異なる点は、角周波数ωを変えてデータ取得を繰り返す必要がないことである。したがって、測定時間を大幅に短縮できるという利点がある。【００４６】
本実施形態の場合も、第４の実施形態と同様に第３の光は誘導ブリルアン散乱に寄与しない。このため、測定したブリルアンゲインスペクトルと理論値とのフィッティングを行わなくても、正しいピーク位置が検出できる。したがって高い位置分解能と高い測定精度を短い測定時間で実現することが可能となる。【００４７】
以上のように、本実施形態によれば、高い位置分解能、高い測定精度、短い測定時間、および、低いコストを同時に満たすことが可能となる。【００４８】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の実施方法は上記した形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で各種の変形が可能である。例えば、第５の実施形態では、方形波を変調周波数として例に挙げたが、広い周波数スペクトルを有していれば波形は他のものでも良く、例えば三角波などであっても良い。【００４９】
また、以上の実施形態ではセンサ部分に通常の光ファイバを用いたが、偏光保持ファイバを用いることも可能である。この場合、コスト的なメリットはやや低下するが、第１の光と第２の光を常に同じ偏光状態に保つことができるため、両者の誘導ブリルアン散乱により発生する音響フォノンの強度を一定に保つことができ、測定の安定化を図ることができる。また、先述のように本発明では第３の光の偏光状態は散乱光のスペクトルに影響しないので、第３の光を第１、第２の光と同じ偏光状態として入力することが可能である。この場合、非特許文献１の構成と異なり、２つの直交する直線偏光に対する屈折率ｎｘ，ｎｙの比の影響を受けないため、装置は比較的簡易となり、この点でコスト的なメリットが保たれる。また、測定時間も短く抑えられる。【００５０】
一方、第３の光の偏光状態を第１と第２の光と直交させた場合には、非特許文献１と同様に第３の光の周波数を掃引する必要が生じるため、装置は複雑化し、コスト的なメリットは失われる。しかしこの場合でも、非特許文献１に比べて、以下のような利点がある。偏光保持ファイバであっても、ある程度の偏光クロストークは避けられない。このため、連続光から、変調光の散乱光と同じ方向に伝播し、同じ偏光状態を持つ光が生じる。これはノイズとなるため除去することが望ましいが、それは両者の波長差が大きいほど容易になる。本発明の方法を上記構成に適用した場合、両者の波長差を大きく取ることが可能となるため、前記ノイズの除去が容易になる。【００５１】
本発明は上記実施形態に限定されることなく、請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることはいうまでもない。【００５２】
また、上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。【００５３】
付記
（付記１）
光ファイバ内を伝播する第１の光を発生する第１の発生手段と、前記光ファイバ内を前記第１の光とは逆方向に伝播し前記第１の光より周波数の低い第２の光を発生する第２の発生手段と、前記光ファイバ内を前記第２の光と同方向に伝播する第３の光を発生する第３の発生手段と、前記第３の光の散乱光の計測を行う計測手段と、を備えた、光ファイバセンサ。
（付記２）
前記第３の光が変調光であり、前記第１の光と前記第２の光とが、前記第３の光に比べて変調速度が遅い変調光もしくは非変調光である、付記１に記載の光ファイバセンサ。
（付記３）
前記第３の光の周波数が、前記第２の光の周波数よりも低い、付記１または２に記載の光ファイバセンサ。
（付記４）
前記第１の光の周波数と、前記第２および第３の光の周波数との差を変化させ、前記差ごとに前記第３の光の前記散乱光を計測する、付記１から３の内の１項記載の光ファイバセンサ。
（付記５）
前記第１の光の周波数と前記第３の光の周波数との差が、前記第１の光の周波数と前記第２の光の周波数との差の略２．５倍である、付記１から４の内の１項記載の光ファイバセンサ。
（付記６）
前記第１の光と前記第２の光とで生じる誘導ブリルアン散乱によって発生する音響波によって、前記第３の光が散乱される、付記１から５の内の１項記載の光ファイバセンサ。
（付記７）
前記第３の光がパルス光、あるいは、正弦波で強度変調された光である、付記１から６の内の１項記載の光ファイバセンサ。
（付記８）
前記正弦波で強度変調された前記第３の光の変調周波数を変化させ、前記変調周波数ごとに前記第３の光とその前記散乱光との比較を行う、付記７に記載の光ファイバセンサ。
（付記９）
前記計測を行うことで、前記光ファイバの長手方向における温度や歪の分布情報を得る、付記１から８の内の１項記載の光ファイバセンサ。
（付記１０）
光ファイバ内を伝播する第１の光と、前記光ファイバ内を前記第１の光とは逆方向に伝播し前記第１の光より周波数の低い第２の光と、前記光ファイバ内を前記第２の光と同方向に伝播する第３の光とを有し、前記第３の光の散乱光を計測する、光ファイバセンサのセンス方法。
（付記１１）
前記第３の光が変調光であり、前記第１の光と前記第２の光とが、前記第３の光に比べて変調速度が遅い変調光もしくは非変調光である、付記１０記載の光ファイバセンサのセンス方法。
（付記１２）
前記第３の光の周波数が、前記第２の光の周波数よりも低い、付記１０または１１に記載の光ファイバセンサのセンス方法。
（付記１３）
前記第１の光の周波数と、前記第２および第３の光の周波数との差を変化させ、前記差ごとに前記第３の光の前記散乱光を計測する、付記１０から１２の内の１項記載の光ファイバセンサのセンス方法。
（付記１４）
前記第１の光の周波数と前記第３の光の周波数との差が、前記第１の光の周波数と前記第２の光の周波数との差の略２．５倍である、付記１０から１３の内の１項記載の光ファイバセンサのセンス方法。
（付記１５）
前記第１の光と前記第２の光とで生じる誘導ブリルアン散乱によって発生する音響波によって、前記第３の光が散乱される、付記１０から１４の内の１項記載の光ファイバセンサのセンス方法。
（付記１６）
前記第３の光がパルス光、あるいは、正弦波で強度変調された光である、付記１０から１５の内の１項記載の光ファイバセンサのセンス方法。
（付記１７）
前記正弦波で強度変調された第３の光の周波数を変化させ、前記周波数ごとに前記第３の光とその前記散乱光との比較を行う、付記１６に記載の光ファイバセンサのセンス方法。
（付記１８）
前記計測を行うことで、前記光ファイバの長手方向における温度や歪の分布情報を得る、付記１０から１７の内の１項記載の光ファイバセンサのセンス方法。【００５４】
この出願は、２０１２年１２月１２日に出願された日本出願特願２０１２−２７１４２３を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は、光ファイバの長手方向における温度分布や歪分布などを測定する光ファイバセンサおよびそのセンス方法に関し、光通信システムへの利用が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１０    第１の発生手段
１１    第２の発生手段
１２    第３の発生手段
１３    計測手段
１４    光ファイバ
１０１    光源
１０２    光分岐器
１０３    光変調器
１０３ａ    マイクロ波発生器
１０３ｂ    ＳＳＢ変調器
１０４    エルビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）
１０５    光分岐器
１０６    ＥＤＦＡ
１０７    光変調器
１０７ａ    マイクロ波発生器
１０７ｂ    ＳＳＢ変調器
１０８    ＥＤＦＡ
１０９    光パルス発生器
１１０    光合波器
１１１    光サーキュレータ
１１２    光ファイバ
１１３    受光器
２０１    光源
２０２    光分岐器
２０３    ＥＤＦＡ
２０４    ＳＳＢ変調器
２０５    ＥＤＦＡ
２０６    ＳＳＢ変調器
２０７    ＥＤＦＡ
２０８    パルス発生器
２０９    マイクロ波発生器
２１０    分波器
２１１    周波数逓倍器
２１２    光合波器
２１３    光サーキュレータ
２１４    光ファイバ
２１５    ファイバグレーティング（ＦＢＧ）
２１６    受光器
３０１    変調器
３０２    光分岐器
３０３    受光器
３０４    ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）
４０１    信号発生器
４０２    アナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）
４０３    ＡＤＣ
４０４    コンピュータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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