(57)【要約】  光ファイバに形成されたグレーティングの摂動を決定する方法は、光ビームを変調し、及び光ファイバを通して伝送することと、グレーティングに反射された光の変調における、少なくとも１つの位相シフトを測定することと、１つ又は複数の位相シフトに基づいて、グレーティングの摂動を決定することと、を含む。
2021529300.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバに形成されたグレーティングの摂動を決定する方法であって、光ビームを変調し、及び前記光ファイバを通して伝送することと、前記グレーティングに反射された光の変調における、少なくとも１つの位相シフトを測定することと、前記少なくとも１つの位相シフトに基づいて、前記グレーティングの前記摂動を決定することと、を含む方法。
【請求項２】
前記変調することが、前記伝送することの前に実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記変調することが、前記光ビームが前記グレーティングに反射された後に実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記変調することが、前記伝送することの前と、前記光ビームが前記グレーティングに反射された後とに実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記光ファイバが、複数のグレーティングを有して形成され、前記複数のグレーティングの少なくとも２つが、異なるブラッグ波長によって特徴付けられる、請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記少なくとも１つの位相シフトの前記測定に先立って、前記異なるブラッグ波長にそれぞれ対応する、少なくとも２つのチャネル内へと前記反射された光ビームを逆多重化することをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記変調することが、複数の変調周波数にわたり、前記変調の周波数を走査することを含み、前記方法が、変調周波数ごとに、前記少なくとも２つのグレーティングに反射された光の変調位相シフト及び変調の大きさを測定することと、前記測定された変調位相シフト及び前記測定された変調の大きさに基づいて、前記少なくとも２つのグレーティングのそれぞれに関する、個々の光波長シフト又は光周波数シフトを決定することと、を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つの位相シフトの前記測定に先立って、前記反射された光ビームを分散させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの位相シフトの前記測定に先立って、前記反射された光ビームを分散させることをさらに含む、請求項２〜７の何れか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記分散させることが、光ファイバに形成されたチャープグレーティングによるものである、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記分散させることが、光ファイバに形成されたチャープグレーティングによるものである、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記分散させることが、光ファイバスプールによるものである、請求項８に記載の方法。
【請求項１３】
前記分散させることが、光ファイバスプールによるものである、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの位相シフトの前記測定が、所定の位相分解能によって特徴付けられ、前記分散させることが、単位波長当たりのパルスの広がりを表す所定の分散パラメータによって特徴付けられ、前記変調することの周波数が、少なくとも、前記位相分解能と、前記分散パラメータに所定のスペクトル分解能閾値を乗算したものとの比である、請求項８に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの位相シフトの前記測定が、所定の位相分解能によって特徴付けられ、前記分散させることが、単位波長当たりのパルスの広がりを表す所定の分散パラメータによって特徴付けられ、前記変調することの周波数が、少なくとも、前記位相分解能と、前記分散パラメータに所定のスペクトル分解能閾値を乗算したものとの比である、請求項９〜１２の何れか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記所定のスペクトル分解能閾値が、１０ピコメートル未満である、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記所定のスペクトル分解能閾値が、１０ピコメートル未満である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記所定のスペクトル分解能閾値が、０．１ピコメートル未満であり、前記少なくとも１つの位相シフトの前記測定が、少なくとも１ｋＨｚのサンプリングレートにおけるものである、請求項１４に記載の方法。
【請求項１９】
前記所定のスペクトル分解能閾値が、０．１ピコメートル未満であり、前記少なくとも１つの位相シフトの前記測定が、少なくとも１ｋＨｚのサンプリングレートにおけるものである、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
前記分散させることが、分散係数によって特徴付けられ、前記方法が、複数の分散係数値にわたり、前記係数の値を変動させることと、前記分散係数の値ごとに、前記グレーティングに反射された光の変調位相シフト及び変調の大きさを測定することと、前記測定された変調位相シフト及び前記測定された変調の大きさに基づいて、前記少なくとも２つのグレーティングのそれぞれに関して、個々の光波長シフト又は光周波数シフトを決定することと、を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項２１】
前記分散させることが、分散係数によって特徴付けられ、前記方法が、複数の分散係数値にわたり、前記係数の値を変動させることと、前記分散係数の値ごとに、前記グレーティングに反射された光の変調位相シフト及び変調の大きさを測定することと、前記測定された変調位相シフト及び前記測定された変調の大きさに基づいて、前記少なくとも２つのグレーティングのそれぞれに関して、個々の光波長シフト又は光周波数シフトを決定することと、を含む、請求項９〜１９の何れか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記変調することが、無線周波数変調を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記変調することが、無線周波数変調を含む、請求項２〜２１の何れか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記変調することが、正弦波変調を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記変調することが、正弦波変調を含む、請求項２〜２２の何れか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記伝送に先立って、前記光ビームを増幅させることをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
前記伝送に先立って、前記光ビームを増幅させることをさらに含む、請求項２〜２４の何れか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記グレーティングの前記摂動の前記決定が、前記反射された光ビームの光パワーに関するものではない、請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
前記グレーティングの前記摂動の前記決定が、前記反射された光ビームの光パワーに関するものではない、請求項２〜２６の何れか一項に記載の方法。
【請求項３０】
前記反射された光ビームの光パワーを決定することなく実行される、請求項１に記載の方法。
【請求項３１】
前記反射された光ビームの光パワーを決定することなく実行される、請求項１〜２６の何れか一項に記載の方法。
【請求項３２】
前記グレーティングの前記摂動の前記決定が、前記グレーティングを特徴付けるブラッグ波長のシフトとして前記摂動を表現することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３３】
前記グレーティングの前記摂動の前記決定が、前記グレーティングを特徴付けるブラッグ波長のシフトとして前記摂動を表現することを含む、請求項２〜３０の何れか一項に記載の方法。
【請求項３４】
前記グレーティングの前記摂動を生じさせる少なくとも１つの物理量を計算するために、前記ブラッグ波長の前記シフトを使用することをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
前記グレーティングの前記摂動を生じさせる少なくとも１つの物理量を計算するために、前記ブラッグ波長の前記シフトを使用することをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３６】
前記グレーティングの前記摂動の前記決定が、前記グレーティングの前記摂動を生じさせる少なくとも１つの物理量として、前記摂動を表現することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３７】
前記グレーティングの前記摂動の前記決定が、前記グレーティングの前記摂動を生じさせる少なくとも１つの物理量として、前記摂動を表現することを含む、請求項２〜３０の何れか一項に記載の方法。
【請求項３８】
前記少なくとも１つの物理量が、周囲温度、前記ファイバに付与される圧力、前記ファイバのひずみ、及び前記ファイバの加速的運動から成る群から選択される、請求項３４〜３７の何れか一項に記載の方法。
【請求項３９】
光ファイバに形成されたグレーティングの摂動を決定するためのシステムであって、
光ビームを変調するための光変調システムと、
前記光ビームを前記光ファイバ内に結合させ、前記グレーティングに反射された光を受け取るための光結合器と、
前記グレーティングに反射された光の変調における、少なくとも１つの位相シフトを測定し、前記少なくとも１つの位相シフトに基づいて、前記グレーティングの前記摂動を決定するように構成された光学的及び電気的解析システムと、
を含む、システム。
【請求項４０】
光ビームを変調するための光変調システムと、
前記光ビームを光ファイバ内に結合させ、前記グレーティングに反射された光を受け取るための光結合器と、
前記グレーティングに反射された光の変調における、少なくとも１つの位相シフトを測定し、前記グレーティングの摂動を生じさせる少なくとも１つの物理量を決定するように構成された光学的及び電気的解析システムと、
を含む、センサシステム。
【請求項４１】
前記少なくとも１つの物理量が、周囲温度、前記ファイバに付与される圧力、前記ファイバのひずみ、及び前記ファイバの加速的運動から成る群から選択される、請求項４０に記載のシステム。
【請求項４２】
前記光変調システムが、前記伝送の前に、前記光ビームを変調するように構成される、請求項３９〜４１の何れか一項に記載のシステム。
【請求項４３】
前記光変調システムが、前記光ビームが前記グレーティングに反射された後に、前記光ビームを変調するように構成される、請求項３９〜４１の何れか一項に記載のシステム。
【請求項４４】
前記光変調システムが、前記伝送の前と、前記光ビームが前記グレーティングに反射された後とに、前記光ビームを変調するように構成される、請求項３９〜４１の何れか一項に記載のシステム。
【請求項４５】
前記光ファイバが、複数のグレーティングを有して形成され、前記複数のグレーティングの少なくとも２つが、異なるブラッグ波長によって特徴付けられる、請求項３９に記載のシステム。
【請求項４６】
前記光ファイバが、複数のグレーティングを有して形成され、前記複数のグレーティングの少なくとも２つが、異なるブラッグ波長によって特徴付けられる、請求項４０〜４４の何れか一項に記載のシステム。
【請求項４７】
前記解析システムが、前記少なくとも１つの位相シフトの前記測定に先立って、前記異なるブラッグ波長にそれぞれ対応する、少なくとも２つのチャネル内へと前記反射された光ビームを逆多重化するための光逆多重化システムを含む、請求項４５に記載のシステム。
【請求項４８】
前記解析システムが、前記少なくとも１つの位相シフトの前記測定に先立って、前記異なるブラッグ波長にそれぞれ対応する、少なくとも２つのチャネル内へと前記反射された光ビームを逆多重化するための光逆多重化システムを含む、請求項４６に記載のシステム。
【請求項４９】
前記解析システムが、前記少なくとも２つのチャネルのそれぞれに１つずつ、複数の光検出器を含む、請求項４５に記載のシステム。
【請求項５０】
前記解析システムが、前記少なくとも２つのチャネルのそれぞれに１つずつ、複数の光検出器を含む、請求項４６に記載のシステム。
【請求項５１】
前記光変調システムが、複数の変調周波数にわたり、前記変調の周波数を走査するように構成され、前記光学的及び電気的解析システムが、変調周波数ごとに、前記グレーティングに反射された光の変調位相シフト及び変調の大きさを測定し、並びに前記測定された変調位相シフト及び前記測定された変調の大きさに基づいて、前記少なくとも２つのグレーティングのそれぞれに関する、個々の光波長シフト又は光周波数シフトを決定するように構成される、請求項４５に記載のシステム。
【請求項５２】
前記光変調システムが、複数の変調周波数にわたり、前記変調の周波数を走査するように構成され、前記光学的及び電気的解析システムが、変調周波数ごとに、前記グレーティングに反射された光の変調位相シフト及び変調の大きさを測定し、並びに前記測定された変調位相シフト及び前記測定された変調の大きさに基づいて、前記少なくとも２つのグレーティングのそれぞれに関する、個々の光波長シフト又は光周波数シフトを決定するように構成される、請求項４６に記載のシステム。
【請求項５３】
前記解析システムが、単一の光検出器を含む、請求項５１に記載のシステム。
【請求項５４】
前記解析システムが、単一の光検出器を含む、請求項５２に記載のシステム。
【請求項５５】
前記解析システムが、前記少なくとも１つの位相シフトの前記測定に先立って、前記反射された光ビームを分散させるように構成された分散光学デバイスを含む、請求項３９に記載のシステム。
【請求項５６】
前記解析システムが、前記少なくとも１つの位相シフトの前記測定に先立って、前記反射された光ビームを分散させるように構成された分散光学デバイスを含む、請求項４０〜４９の何れか一項に記載のシステム。
【請求項５７】
前記分散光学デバイスが、光ファイバに形成されたチャープグレーティングを含む、請求項５５に記載のシステム。
【請求項５８】
前記分散光学デバイスが、光ファイバに形成されたチャープグレーティングを含む、請求項５６に記載のシステム。
【請求項５９】
前記分散光学デバイスが、光ファイバスプールを含む、請求項５５に記載のシステム。
【請求項６０】
前記分散光学デバイスが、光ファイバスプールを含む、請求項５６に記載のシステム。
【請求項６１】
前記解析システムが、所定の位相分解能で、前記少なくとも１つの位相シフトを測定するように構成された信号処理システムを含み、前記分散光学デバイスが、単位波長当たりのパルスの広がりを表す所定の分散パラメータに従って分散を生じさせるように構成され、前記光変調システムが、少なくとも、前記位相分解能と、前記分散パラメータに所定のスペクトル分解能閾値を乗算したものとの比である周波数で、前記光ビームを変調するように構成される、請求項５５に記載のシステム。
【請求項６２】
前記解析システムが、所定の位相分解能で、前記少なくとも１つの位相シフトを測定するように構成された信号処理システムを含み、前記分散光学デバイスが、単位波長当たりのパルスの広がりを表す所定の分散パラメータに従って分散を生じさせるように構成され、前記光変調システムが、少なくとも、前記位相分解能と、前記分散パラメータに所定のスペクトル分解能閾値を乗算したものとの比である周波数で、前記光ビームを変調するように構成される、請求項５６〜５９の何れか一項に記載のシステム。
【請求項６３】
前記所定のスペクトル分解能閾値が、１０ピコメートル未満である、請求項６１に記載のシステム。
【請求項６４】
前記所定のスペクトル分解能閾値が、１０ピコメートル未満である、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６５】
前記所定のスペクトル分解能閾値が、０．１ピコメートル未満であり、前記信号処理システムが、少なくとも１ｋＨｚのサンプリングレートで、前記少なくとも１つの位相シフトを測定するように構成される、請求項６１に記載のシステム。
【請求項６６】
前記所定のスペクトル分解能閾値が、０．１ピコメートル未満であり、前記信号処理システムが、少なくとも１ｋＨｚのサンプリングレートで、前記少なくとも１つの位相シフトを測定するように構成される、請求項６２に記載のシステム。
【請求項６７】
前記分散光学デバイスが、制御可能であり、前記システムが、前記分散光学デバイスを特徴付ける分散係数の値を変動させるように前記分散光学デバイスを制御するための分散コントローラを含み、前記光学的及び電気的解析システムが、前記分散係数の異なる値に関して、前記グレーティングに反射された光の変調位相シフト及び変調の大きさを測定し、並びに前記測定された変調位相シフト及び前記測定された変調の大きさに基づいて、前記少なくとも２つのグレーティングのそれぞれに関して、個々の光波長シフト又は光周波数シフトを決定するように構成される、請求項５５に記載のシステム。
【請求項６８】
前記分散光学デバイスが、制御可能であり、前記システムが、前記分散光学デバイスを特徴付ける分散係数の値を変動させるように前記分散光学デバイスを制御するための分散コントローラを含み、前記光学的及び電気的解析システムが、前記分散係数の異なる値に関して、前記グレーティングに反射された光の変調位相シフト及び変調の大きさを測定し、並びに前記測定された変調位相シフト及び前記測定された変調の大きさに基づいて、前記少なくとも２つのグレーティングのそれぞれに関して、個々の光波長シフト又は光周波数シフトを決定するように構成される、請求項５６〜６５の何れか一項に記載のシステム。
【請求項６９】
前記伝送に先立って、前記光ビームを増幅させるための光増幅器をさらに含む、請求項３９に記載のシステム。
【請求項７０】
前記伝送に先立って、前記光ビームを増幅させるための光増幅器をさらに含む、請求項４０〜６５の何れか一項に記載のシステム。
【請求項７１】
光ファイバに形成された複数のグレーティングの摂動を決定する方法であって、
光ビームを変調し、及び前記光ファイバを通して伝送することであって、前記変調することが、複数の変調周波数にわたり、前記変調の周波数を走査することを含むことと、
変調周波数ごとに、前記グレーティングに反射された光の変調位相シフト及び変調の大きさを測定することと、
前記測定された変調位相シフト及び前記測定された変調の大きさに基づいて、前記複数のグレーティングの少なくとも２つの摂動を決定することと、
を含む、方法。
【請求項７２】
制御可能な分散光学デバイスを用いて、前記グレーティングに反射された前記光を分散させることをさらに含み、前記分散させることが、前記分散光学デバイスを特徴付ける分散係数の値を変動させるように前記分散光学デバイスを制御することを含み、前記方法が、前記分散係数の異なる値に関しても、前記変調位相シフト及び前記変調の大きさを測定することを含む、請求項７１に記載の方法。
【請求項７３】
光ファイバに形成された複数のグレーティングの摂動を決定する方法であって、
光ビームを変調し、及び前記光ファイバを通して伝送することと、
制御可能な分散光学デバイスを用いて、前記グレーティングに反射された光を分散させることであって、前記分散させることが、前記分散光学デバイスを特徴付ける分散係数の値を変動させるように前記分散光学デバイスを制御することを含むことと、
前記分散係数の異なる値に関して、前記グレーティングに反射された光の変調位相シフト及び変調の大きさを測定することと、
前記測定された変調位相シフト及び前記測定された変調の大きさに基づいて、前記複数のグレーティングの少なくとも２つの摂動を決定することと、
を含む、方法。
【請求項７４】
前記変調することが、前記伝送することの前に実行される、請求項７１〜７３の何れか一項に記載の方法。
【請求項７５】
前記変調することが、前記光ビームが前記グレーティングに反射された後に実行される、請求項７１〜７３の何れか一項に記載の方法。
【請求項７６】
前記変調することが、前記伝送することの前と、前記光ビームが前記グレーティングに反射された後とに実行される、請求項７１〜７３の何れか一項に記載の方法。
【請求項７７】
前記摂動を前記決定することが、各グレーティングによって生じた光波長シフト又は光周波数シフトを計算することを含む、請求項７１〜７６の何れか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本出願は、その内容が全体として参照により本明細書に援用される、２０１８年７月４日に出願された、米国仮特許出願第６２／６９３，９４１号の優先権の便益を主張するものである。
【０００２】
本発明の分野及び背景
本発明は、その幾つかの実施形態において、センサシステムに関し、特に（但し、限定されない）、例えばファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）による変調光の反射による検知を行うための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
ＦＢＧは、光ファイバ検知及び光ファイバ通信の分野で使用される周知のコンポーネントであり、一般的に、感光性光ファイバに書き込まれた繰り返しパターンを含む。照明されると、ブラッググレーティングは、中心波長及び帯域幅がグレーティングの特性（例えば、ピッチ、屈折率、グレーティングの長さ）に依存する範囲内の波長で、光の成分を反射する。この範囲の中心波長及び帯域幅は、それぞれ、ブラッグ波長及びＦＢＧ帯域幅と呼ばれる。例えば、温度、圧力、ひずみ、振動などによるグレーティングの摂動は、ブラッグ波長のシフト（「ブラッグシフト」と呼ばれる）をもたらし、これは、反射スペクトルで検出され得る。次いで、このシフトは、摂動の範囲を決定するために、摂動を受けないブラッグ波長と比較され得る。
【０００４】
従って、ＦＢＧは、センサとして機能し得る。ＦＢＧセンサは、センサが、温度、圧力、ひずみ、振動などの即時評価に使用され得るスマート構造の埋込センサとして特に有用である。多くのグレーティングが、ある長さのファイバに書き込まれること、及び多重化技術を用いてアドレス指定されることが可能であるため、ＦＢＧセンサは、擬似分散検知能力を提供することができる。
【０００５】
従来、ブラッグ波長のシフトは、干渉計、波長可変光フィルタ、波長可変レーザ、又は回折素子などのスペクトル解析技術により測定される［Chen et al., “Review of fiber Bragg grating sensor technology”, Front. Optoelectron. China 4 204 (2011)］。
【０００６】
遠距離光通信の分野では、ファイバにおいて超短パルスを線形に分散させ、それらのスペクトルを時間領域にマッピングすることによって、光ファイバにおける分散を測定することが知られている。これは、分散されたパルスの時間プロファイルの２つのスパイク間の遅延を測定することにより分散をマッピングすることを可能にする［Tong et al., “Fibre dispersion or pulse spectrum measurement using a sampling oscilloscope”, Electronics Lett. 33(11) 983-985 (1997)］。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の概要
本発明の幾つかの実施形態のある態様によれば、光ファイバに形成されたグレーティングの摂動を決定する方法が提供される。この方法は、光ビームを変調し、及び光ファイバを通して伝送することと、グレーティングに反射された光の変調における、少なくとも１つの位相シフトを測定することと、１つ又は複数の位相シフトに基づいて、グレーティングの摂動を決定することと、を含む。
【０００８】
本発明の幾つかの実施形態によれば、変調は、伝送することの前に行われる。本発明の幾つかの実施形態によれば、変調は、光ビームがグレーティングに反射された後に行われる。本発明の幾つかの実施形態によれば、変調は、伝送することの前と、光ビームがグレーティングに反射された後とに行われる。
【０００９】
本発明の幾つかの実施形態によれば、光ファイバは、複数のグレーティングを有して形成され、複数のグレーティングの２つ以上が、異なるブラッグ波長によって特徴付けられる。
【００１０】
本発明の幾つかの実施形態によれば、本方法は、１つ又は複数の位相シフトの測定に先立って、異なるブラッグ波長にそれぞれ対応する、２つ以上のチャネル内へと反射された光ビームを逆多重化することを含む。
【００１１】
本発明の幾つかの実施形態によれば、本方法は、複数の変調周波数にわたり、変調の周波数を走査することを含み、本方法は、変調周波数ごとに、グレーティングに反射された光の変調位相シフト及び変調の大きさを測定することと、測定された変調位相シフト及び測定された変調の大きさに基づいて、２つ以上のグレーティングのそれぞれに関する、個々の光波長シフト又は光周波数シフトを決定することと、を含む。
【００１２】
本発明の幾つかの実施形態によれば、本方法は、１つ又は複数の位相シフトの測定に先立って、反射された光ビームを分散させることを含む。
【００１３】
本発明の幾つかの実施形態によれば、分散させることが、光ファイバに形成されたチャープグレーティングによって行われる。
【００１４】
本発明の幾つかの実施形態によれば、分散させることが、光ファイバスプールによって行われる。
【００１５】
本発明の幾つかの実施形態によれば、位相シフトの測定は、所定の位相分解能によって特徴付けられ、分散させることは、単位波長当たりのパルスの広がりを表す所定の分散パラメータによって特徴付けられ、変調の周波数は、少なくとも、位相分解能と、分散パラメータに所定のスペクトル分解能閾値を乗算したものとの比である。
【００１６】
本発明の幾つかの実施形態によれば、所定のスペクトル分解能閾値が、０．１ピコメートル未満であり、１つ又は複数の位相シフトの測定が、少なくとも１ｋＨｚのサンプリングレートにおけるものである。
【００１７】
本発明の幾つかの実施形態によれば、分散は、分散係数によって特徴付けられ、本方法は、複数の分散係数値にわたり、係数の値を変動させることと、分散係数の値ごとに、グレーティングに反射された光の変調位相シフト及び変調の大きさを測定することと、測定された変調位相シフト及び測定された変調の大きさに基づいて、２つ以上のグレーティングのそれぞれに関して、個々の光波長シフト又は光周波数シフトを決定することと、を含む。
【００１８】
本発明の幾つかの実施形態によれば、変調は、無線周波数変調を含む。本発明の幾つかの実施形態によれば、変調は、正弦波変調を含む。
【００１９】
本発明の幾つかの実施形態によれば、本方法は、伝送に先立って、光ビームを増幅させることを含む。
【００２０】
本発明の幾つかの実施形態によれば、グレーティングの摂動の決定は、反射された光ビームの光パワーに関するものではない。
【００２１】
本発明の幾つかの実施形態によれば、本方法は、反射された光ビームの光パワーを決定することなく実行される。
【００２２】
本発明の幾つかの実施形態によれば、グレーティングの摂動の決定は、グレーティングを特徴付けるブラッグ波長のシフトとして摂動を表現することを含む。
【００２３】
本発明の幾つかの実施形態によれば、本方法は、グレーティングの摂動を生じさせる、少なくとも１つの物理量を計算するために、ブラッグ波長のシフトを使用することを含む。
【００２４】
本発明の幾つかの実施形態によれば、グレーティングの摂動の決定は、グレーティングの摂動を生じさせる少なくとも１つの物理量として、摂動を表現することを含む。
【００２５】
本発明の幾つかの実施形態によれば、１つ又は複数の物理量は、周囲温度、ファイバに付与される圧力、ファイバのひずみ、及びファイバの加速的運動から成る群から選択される。
【００２６】
本発明の幾つかの実施形態のある態様によれば、光ファイバに形成されたグレーティングの摂動を決定するためのシステムが提供される。このシステムは、光ビームを変調するための光変調システムと、光ビームを光ファイバ内に結合させ、グレーティングに反射された光を受け取るための光結合器と、グレーティングに反射された光の変調における、少なくとも１つの位相シフトを測定し、１つ又は複数の位相シフトに基づいて、グレーティングの摂動を決定するように構成された光学的及び電気的解析システムと、を含む。
【００２７】
本発明の幾つかの実施形態のある態様によれば、センサシステムが提供される。このセンサシステムは、光ビームを変調するための光変調システムと、光ビームを光ファイバ内に結合させ、グレーティングに反射された光を受け取るための光結合器と、グレーティングに反射された光の変調における、少なくとも１つの位相シフトを測定し、グレーティングの摂動を生じさせる少なくとも１つの物理量を決定するように構成された光学的及び電気的解析システムと、を含む。
【００２８】
本発明の幾つかの実施形態によれば、１つ又は複数の物理量が、周囲温度、ファイバに付与される圧力、ファイバのひずみ、及びファイバの加速的運動から成る群から選択される。
【００２９】
本発明の幾つかの実施形態によれば、光変調システムは、伝送前に、光ビームを変調するように構成される。本発明の幾つかの実施形態によれば、光変調システムは、光ビームがグレーティングに反射された後に、光ビームを変調するように構成される。本発明の幾つかの実施形態によれば、光変調システムは、伝送することの前と、光ビームがグレーティングに反射された後とに、光ビームを変調するように構成される。
【００３０】
本発明の幾つかの実施形態によれば、光ファイバは、複数のグレーティングを有して形成され、複数のグレーティングの２つ以上は、異なるブラッグ波長によって特徴付けられる。
【００３１】
本発明の幾つかの実施形態によれば、解析システムは、１つ又は複数の位相シフトの測定に先立って、異なるブラッグ波長にそれぞれ対応する、２つ以上のチャネル内へと反射された光ビームを逆多重化するための光逆多重化システムを含む。
【００３２】
本発明の幾つかの実施形態によれば、解析システムは、各チャネルに１つずつ、複数の光検出器を含む。
【００３３】
本発明の幾つかの実施形態によれば、光変調システムは、複数の変調周波数にわたり、変調の周波数を走査するように構成され、光学的及び電気的解析システムは、変調周波数ごとに、グレーティングに反射された光の変調位相シフト及び変調の大きさを測定し、並びに測定された変調位相シフト及び測定された変調の大きさに基づいて、２つ以上のグレーティングのそれぞれに関する、個々の光波長シフト又は光周波数シフトを決定するように構成される。
【００３４】
本発明の幾つかの実施形態によれば、解析システムは、単一の光検出器を含む。
【００３５】
本発明の幾つかの実施形態によれば、解析システムは、１つ又は複数の位相シフトの測定に先立って、反射された光ビームを分散させるように構成された分散光学デバイスを含む。
【００３６】
本発明の幾つかの実施形態によれば、分散光学デバイスは、光ファイバに形成されたチャープグレーティングを含む。本発明の幾つかの実施形態によれば、分散光学デバイスは、光ファイバスプールを含む。
【００３７】
本発明の幾つかの実施形態によれば、解析システムは、所定の位相分解能で、１つ又は複数の位相シフトを測定するように構成された信号処理システムを含み、分散光学デバイスは、単位波長当たりのパルスの広がりを表す所定の分散パラメータに従って分散を生じさせるように構成され、光変調システムは、少なくとも、位相分解能と、分散パラメータに所定のスペクトル分解能閾値を乗算したものとの比である周波数で、光ビームを変調するように構成される。
【００３８】
本発明の幾つかの実施形態によれば、所定のスペクトル分解能閾値は、１０ピコメートル未満である。
【００３９】
本発明の幾つかの実施形態によれば、所定のスペクトル分解能閾値は、０．１ピコメートル未満であり、信号処理システムは、少なくとも１ｋＨｚのサンプリングレートで、１つ又は複数の位相シフトを測定するように構成される。
【００４０】
本発明の幾つかの実施形態によれば、分散光学デバイスは、制御可能であり、システムは、分散光学デバイスを特徴付ける分散係数の値を変動させるように分散光学デバイスを制御するための分散コントローラを含み、光学的及び電気的解析システムは、分散係数の異なる値に関して、グレーティングに反射された光の変調位相シフト及び変調の大きさを測定し、並びに測定された変調位相シフト及び測定された変調の大きさに基づいて、２つ以上のグレーティングのそれぞれに関して、個々の光波長シフト又は光周波数シフトを決定するように構成される。
【００４１】
本発明の幾つかの実施形態によれば、本方法は、伝送に先立って、光ビームを増幅させるための光増幅器を含む。
【００４２】
本発明の幾つかの実施形態のある局面によれば、光ファイバに形成された複数のグレーティングの摂動を決定する方法が提供される。この方法は、光ビームを変調し、及び光ファイバを通して伝送することであって、変調が、複数の変調周波数にわたり、変調の周波数を走査することを含むことと、変調周波数ごとに、グレーティングに反射された光の変調位相シフト及び変調の大きさを測定することと、測定された変調位相シフト及び測定された変調の大きさに基づいて、複数のグレーティングの２つ以上の摂動を決定することと、を含む。
【００４３】
本発明の幾つかの実施形態によれば、本方法は、制御可能な分散光学デバイスを用いて、グレーティングに反射された光を分散させることを含み、分散させることは、分散光学デバイスを特徴付ける分散係数の値を変動させるように分散光学デバイスを制御することを含み、本方法は、分散係数の異なる値に関しても、変調位相シフト及び変調の大きさを測定することを含む。
【００４４】
本発明の幾つかの実施形態のある態様によれば、光ファイバに形成された複数のグレーティングの摂動を決定する方法が提供される。この方法は、光ビームを変調し、及び光ファイバを通して伝送することと、制御可能な分散光学デバイスを用いて、グレーティングに反射された光を分散させることであって、分散させることが、分散光学デバイスを特徴付ける分散係数の値を変動させるように分散光学デバイスを制御することを含むことと、分散係数の異なる値に関して、グレーティングに反射された光の変調位相シフト及び変調の大きさを測定することと、測定された変調位相シフト及び測定された変調の大きさに基づいて、複数のグレーティングの２つ以上の摂動を決定することと、を含む。
【００４５】
本発明の幾つかの実施形態によれば、変調は、伝送することの前に実行される。
【００４６】
本発明の幾つかの実施形態によれば、変調は、光ビームがグレーティングに反射された後に実行される。
【００４７】
本発明の幾つかの実施形態によれば、変調は、伝送することの前と、光ビームがグレーティングに反射された後とに実行される。
【００４８】
本発明の幾つかの実施形態によれば、摂動を決定することは、各グレーティングによって生じた光波長シフト又は光周波数シフトを計算することを含む。
【００４９】
別段の定義のない限り、本明細書で使用される全ての技術的及び／又は科学的用語は、本発明が関連する分野の当業者によって通常理解されるのと同じ意味を持つ。本明細書に記載する方法及び材料に類似した、又は本明細書に記載する方法及び材料と同等の方法及び材料が、本発明の実施形態の実施又は試験において使用され得るが、例示的方法及び／又は材料を以下に記載する。矛盾が生じた場合は、定義を含む本特許明細書が支配する。加えて、材料、方法、及び例は、説明のためのものにすぎず、必ずしも限定であることが意図されるものではない。
【００５０】
本発明の実施形態の方法及び／又はシステムの実施は、手動で、自動的に、又はそれらの組み合わせで、選択されたタスクを行うこと、又は完了することを伴い得る。また、本発明の方法及び／又はシステムの実施形態の実際の器具類及び機器によれば、幾つかの選択されたタスクは、オペレーティングシステムを使用して、ハードウェアによって、ソフトウェアによって、又はファームウェアによって、又はそれらの組み合わせによって実施され得る。
【００５１】
例えば、本発明の実施形態による、選択されたタスクを行うためのハードウェアは、チップ又は回路として実施され得る。ソフトウェアとして、本発明の実施形態による、選択されたタスクは、任意の適宜のオペレーティングシステムを用いてコンピュータによって実行される複数のソフトウェア命令として実施され得る。本発明のある例示的実施形態では、本明細書に記載されるような方法及び／又はシステムの例示的実施形態による、１つ又は複数のタスクは、複数の命令を実行するためのコンピューティングプラットフォームなどのデータプロセッサによって行われる。任意選択的に、データプロセッサは、命令及び／又はデータを保存するための揮発性メモリ、及び／又は命令及び／又はデータを保存するための不揮発性ストレージ（例えば、磁気ハードディスク及び／又は可換型媒体）を含む。任意選択的に、ネットワーク接続も提供される。任意選択的に、ディスプレイ及び／又はキーボード若しくはマウスなどのユーザ入力デバイスも提供される。
【００５２】
図面の幾つかの表示の簡単な説明
本発明の幾つかの実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照してここに記載する。これより、図面を詳細に具体的に参照して、示される詳細は、例として、本発明の実施形態の説明のための議論を進めるためのものであることを強調する。この点で、図面と併せた説明は、どのように本発明の実施形態が実施され得るかを当業者に明らかにする。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の幾つかの実施形態による、光ファイバに形成されたグレーティングの摂動を決定するのに適した方法のフローチャート図である。
【図２】本発明の幾つかの実施形態による、光ファイバに形成されたグレーティングの摂動を決定するのに適したシステムの模式図である。
【図３】本発明の幾つかの実施形態に従って行われた実験に使用された実験機構の模式図である。
【図４】本発明の幾つかの実施形態に従って行われた実験で取得された、ＦＢＧに対する周期的なひずみによる、モニタリングされたブラッグ波長シフトを示す。
【図５】本発明の幾つかの実施形態に従って行われた実験で取得された、振動パワーの複数の異なる値に関する、水中の超音波のフーリエ解析を示す。
【図６】約２００ｋＨｚで振動する圧電ファイバストレッチャの周りに巻かれたＦＢＧから戻ってくる信号のフーリエ解析を示す。
【図７】本発明の幾つかの実施形態に従って行われた実験で取得された、速度の関数としての分解能を示す。
【図８】本発明の幾つかの実施形態による、位相シフトを増幅させることに適した方法のフローチャート図である。
【図９】本発明の幾つかの実施形態による、位相シフトを増幅させるためのシステムの模式的ブロック図の図示である。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
発明の具体的な実施形態の説明
本発明は、その幾つかの実施形態において、センサシステムに関し、特に（但し、限定されない）、例えばファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）による変調光の反射による検知を行うための方法及びシステムに関する。
【００５５】
本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明が、その適用例において、以下の説明に記載される、及び／又は図面及び／又は実施例に図示されるコンポーネント及び／又は方法の構造及び配置の詳細に必ずしも限定されないことが理解されるものとする。本発明は、他の実施形態が可能であり、又は様々なやり方で実施若しくは実行されることが可能である。
【００５６】
従来のＦＢＧセンサでは、ＦＢＧにおける摂動により生じるブラッグシフトは、一般的に、スペクトロメータ、干渉計、波長可変光フィルタ、波長可変レーザ、又は回折素子などのスペクトル解析技術により測定される。本発明者らは、これらの技術が複雑であり、十分な精度を得るためには高価な機器を必要とすることに気付いた。本発明者らは、レーザ周波数掃引を用いる必要性に依存する技術が、特に掃引が機械的に行われる場合に、測定の速度を制限することにも気付いた。他のシステムは、分散素子を通過するパルスの時間応答を測定する。本発明者らは、このタイプの技術も、超短パルスを変調することが可能な変調器、及び高速電子検出デバイスなどの高価なツールを必要とすることを発見した。本発明者らは、この技術が、周波数領域で時間的応答を分解する必要性（これは、スペクトル分解能を制限する）などのさらなる欠点を持つことも発見した。
【００５７】
上記の問題点を任意選択的に、且つ好ましくは、克服する技術、及び／又は任意選択的に、且つ好ましくは、より正確な、及び／又はより高速に実行可能な技術を求めて、本発明者らは、１つ又は複数のグレーティングに反射された光の変調から直接的に、１つ又は複数のグレーティングのインテロゲータデータを取得する方法及びシステムを考案した。本発明者らは、このような直接的取得が、多くの利点から恩恵を受けると同時に、上述の欠点の１つ又は複数を克服することを発見した。第１に、本技術は、スペクトル掃引を必要としないため、高ノイズ除去及び高速測定を享受する。第２に、本技術は、高速時間領域測定に必要とされる機器と比較して、比較的低コストの機器を用いて実行可能である。第３に、フェージング効果によって分解能が制限される、周波数領域において時間的応答を分解する従来の技術とは異なり、本発明の幾つかの実施形態による技術は、フェージング効果の周期性に応じて動作周波数を選択し、それによって分解能が向上する。
【００５８】
これより図面を参照し、図１は、本発明の幾つかの実施形態による、光ファイバに形成されたグレーティングの摂動を決定するのに適した方法のフローチャート図であり、図２は、本発明の幾つかの実施形態による、光ファイバに形成されたグレーティングの摂動を決定するのに適したシステム３０の模式図である。好適な実施形態では、システム３０は、本方法の動作の少なくとも数個を実行するために使用され得る。
【００５９】
別段の定義がなければ、以下に記載する動作は、実行の多数の組み合わせ又は順序で、同時に、又は順次実行され得ることが理解されるものとする。具体的には、フローチャート図の順序付けは、限定と見なされるべきものではない。例えば、以下の説明又はフローチャート図に特定の順序で出現する２つ以上の動作は、異なる順序（例えば、逆の順序）で、又は実質的に同時に実行されてもよい。さらに、下記の幾つかの動作は、任意選択のものであり、実行されなくてもよい。
【００６０】
本方法は、１０で開始され、任意選択的に、且つ好ましくは、光ビームが生成される１１、及び変調光ビーム３４を提供するために光ビームが変調される１２へと続く。光は、要望通りに、赤外光、可視光、又は紫外線光でもよい。好ましくは、光は、赤外光である。
【００６１】
生成１１及び変調１２は、光変調システム４０によって実行することができる。変調は、直接変調又は外部変調のどちらでもよく、当該技術分野で公知のどのようなタイプのものでもよい。直接変調が用いられる場合、光源３６は、コントローラ４２から変調信号を受信し、変調光ビーム３４を生成する。外部変調が用いられる場合、非変調光ビーム３２が、光源３６によって生成され、変調信号をコントローラ４２から受信する光変調器３８によって変調される。コントローラ４２は、変調信号を生成するための専用回路を含み得る。
【００６２】
変調は、限定されないが、無線周波数などの任意の周波数範囲のものでよい。無線周波数変調が用いられる場合、変調周波数は、任意選択的に、且つ好ましくは、約１ｋＨｚ〜約４０ＧＨｚである。本発明の様々な例示的実施形態では、変調は、正弦波変調であるが、幾つかの実施形態では、正弦波以外の変調波形も企図される。例えば、各々が異なる周波数の正弦波信号の和によって多周波変調が用いられる実施形態も企図される。変調は、光ビームの振幅、周波数、及び位相の何れかを変調する（振幅、周波数、及び位相の２つ以上の変調を含む）ために実行され得る。好適な実施形態では、少なくとも振幅変調が用いられ、より好適な実施形態では、振幅変調のみが用いられ、周波数及び位相は変調されない。
【００６３】
本実施形態は、複数の変調周波数にわたり、変調の周波数が走査される変調走査も企図する。これらの実施形態の利点を以下に説明する。但し、変調走査を用いることが必須ではないこと、及び変調が周波数走査を用いないときも、本発明の幾つかの実施形態による方法が実施され得ることが理解されるものとする。
【００６４】
本発明の幾つかの任意選択の実施形態では、本方法は、光ビーム３４が増幅される１３に進む。これは、任意選択的に、且つ好ましくは、限定されないが、エルビウム添加ファイバ増幅器（ＥＤＦＡ）、イッテルビウム添加ファイバ増幅器（ＹＤＦＡ、ラマン増幅器、ラマン／エルビウム添加ハイブリッド増幅器、ラマン／イッテルビウム添加ハイブリッド増幅器、エルビウム−イッテルビウム共添加ファイバ増幅器、ネオジム添加ファイバ増幅器、ツリウム添加ファイバ増幅器などの光増幅器５０によって達成することができる。
【００６５】
本方法は、変調光ビーム３４が、１つ又は複数のグレーティング４６が内部に形成された光ファイバ４４を通って伝送される１４、及び１つ又は複数のグレーティング４６に反射された光が、光ファイバ４４の外に結合される１５に進み得る。１つ又は複数のグレーティングは、コアの断面の全体、若しくは一部内に、又はファイバ４４のコア−クラッド界面に、又は当該技術分野で公知の他のファイバ部分に作製され得る。光ファイバ４４は、任意選択的に、且つ好ましくは、ＦＢＧセンサ又はＦＢＧセンサアレイを備えた光ファイバである。グレーティング４６は、ある特定のブラッグ波長を中心とする、ある特定のブラッグ帯域幅の範囲内の波長を有する光の成分を選択的に反射し、他の成分がファイバ４４内で伝搬し続けることを可能にするように構築される。光ファイバ４４が複数のグレーティングを備える場合、グレーティングの少なくとも２つの各々、より好ましくは、ファイバ４４に形成されたグレーティングの各々は、光の異なる成分を選択的に反射するように構築される。従って、ファイバ４４の各グレーティング４６は、ブラッグ波長（及び対応するブラッグ帯域幅）によって特徴付けられ、グレーティングの少なくとも２つは、異なるブラッグ波長によって特徴付けられる。図２に示すのは、λ１、λ２、…、λＮで示されるＮ個の異なるそれぞれのブラッグ波長のセットによって特徴付けられたＮ個のグレーティングを備えたファイバである。グレーティングは、それらのλ値に従って順序付けられる必要はない。
【００６６】
本発明の様々な例示的実施形態では、光ファイバ４４は、限定されないが、飛行機翼、フェンス、風力タービン翼、建物、橋、暗渠、トンネルの内張り、パイプライン、川、洪水調整池、井戸などの構造上に配備され、又はそのような構造内に埋め込まれる。
【００６７】
ファイバ４４内への、及びファイバ４４の外への光のインカップリング及びアウトカップリングは、任意選択的に、且つ好ましくは、システム４０とファイバ４４との間で、並びに任意選択的に、且つ好ましくは、ファイバ４４と、一般に５２で示される光学的及び電気的解析システムとの間においても、光結合を提供する１つ又は複数の光結合器４８を介する。限定と見なされるべきではない、図２に示される模式図では、光結合器４８は、より多くの入出力（Ｉ／Ｏ）ポートの内の３つを備えた（この例では、３つが示されている）光サーキュレータとして示され、少なくとも１つのポートが、システム４０と光通信しており、少なくとも１つのポートが、ファイバ４４と光通信している。図２では、光ビーム３４は、第１のポート（１）を通ってサーキュレータ４８に入射し、第２のポート（２）を通ってファイバ４４内へと出射する。１つ又は複数のグレーティング４６に反射された光は、ファイバ４４内で、後方へ伝搬し、第２のポート（２）を通ってサーキュレータ４８に入射し、第３のポート（３）を通って出射する。第３のポートから、反射光は、任意選択的に、且つ好ましくは、以下にさらに詳述するように、処理及び解析を行うためのシステム５２に入射する。
【００６８】
本発明の幾つかの任意選択の実施形態では、変調１２は、光がファイバ４４から出射した後に実行される。これらの実施形態では、光をファイバへと伝送する前に、変調１２を実行する必要はない。さらに、変調１２が２回以上（例えば、光がファイバ内に結合される前に、及び光がファイバから出射した後に）適用される実施形態も企図される。
【００６９】
本発明の幾つかの実施形態では、本方法は、反射された光ビームが分散される１６に進む。動作１６は、反射された光ビームの群速度分散（ＧＶＤ）を増加させるために実行される。好ましくは、動作１６に続いて、光ビームのＧＶＤの大きさは、システム５２の他の全てのコンポーネントの総有効ＧＶＤの大きさよりも大きい（例えば、２倍、又は４倍、又は８倍、又は１０倍大きい）。動作１６は、任意選択的に、且つ好ましくは、分散光学デバイス５４（これは、本発明の幾つかの実施形態では、システム５２の一コンポーネントである）によって行われる。代替的に、又は追加的に、動作１６は、ファイバ自体の１つ又は複数のグレーティングによっても行われ得る。
【００７０】
デバイス５４としての使用に適した分散光学デバイスの代表例には、限定されないが、光ファイバに形成されたチャープグレーティング（例えば、限定されないが、カナダのTeraxionが販売するチャープＦＢＧなどのチャープＦＢＧ）、分散補償ファイバ（ＤＣＦ）、及び光ファイバスプールが含まれる。
【００７１】
本出願から成熟した特許権の存続期間中に、光を分散させる多くの関連の光学デバイスが開発されることが予期され、分散光学デバイスという用語の範囲は、このような新しい全ての技術を先験的に含むことが意図される。
【００７２】
分散光学デバイス５４によって提供される分散は、一般的に、分散係数
【数１】
2021529300.tif 000003
によって特徴付けられる。
【数２】
2021529300.tif 000004
パラメータは、単位波長当たりの（一般的には、ｐｓ／ｎｍ単位）分散光学デバイス内を伝搬する光パルスの広がりの量を表す。本実施形態に適するのは、少なくとも１００ｐｓ／ｎｍ、又は少なくとも３００ｐｓ／ｎｍ、又は少なくとも１０００ｐｓ／ｎｍ、又は少なくとも１５００ｐｓ／ｎｍ、又は少なくとも２０００ｐｓ／ｎｍ、又は少なくとも２５００ｐｓ／ｎｍの絶対値を持つ正又は負の分散パラメータ
【数３】
2021529300.tif 000005
によって特徴付けられる分散を生じさせることが可能な分散光学デバイスである。
【００７３】
本発明の幾つかの実施形態では、分散光学デバイス５４は制御可能であり、分散係数
【数４】
2021529300.tif 000006
は、例えば、分散コントローラ５５により変動し得る。分散係数の変動は、例えば、デバイス５４にひずみを生じさせることによって（例えば、それに応力又は張力を付与することによって）、及び／又はそれの温度を変更することによって達成され得る。分散コントローラ５５は、好ましくは、デバイス４５に対して、応力及び／又は張力及び／又は温度を付与するように構成された構造である。本実施形態は、分散走査も企図し、分散係数
【数５】
2021529300.tif 000007
が、複数の分散係数にわたり走査される。これらの実施形態の利点を以下に説明する。但し、分散走査を用いることは必須ではないこと、及び本発明の幾つかの実施形態による方法は、分散光学デバイス５４が、分散係数の固定値によって特徴付けられる場合にも実施され得ることが理解されるものとする。
【００７４】
ファイバ４４が２つ以上のグレーティング４６を含む場合、本方法は、任意選択的に、及び好ましくは、反射された光ビームに逆多重化が適用される１７に進む。逆多重化１７は、好ましくは、２つ以上の空間的に分離した光チャネル（各々が、ファイバ４４の異なるグレーティングを特徴付けるブラッグ波長に対応する）を提供するために実行される。逆多重化１７は、システム５２の一コンポーネントでもよい、光逆多重化システム５６を使用して実行され得る。逆多重化システム５６は、限定されないが、アレイ導波路グレーティング、フォトニック結晶ファイバなどを含む任意のタイプのものでもよい。図２に示すのは、各々が上述のセットλ１、λ２、…、λＮの１つのブラッグ波長に対応する、Ｎ個のチャネルを生じさせる光逆多重化システムである。
【００７５】
ファイバ４４が複数のグレーティング４６を含む場合であっても、反射光を逆多重化することが必須ではないことが理解されるものとする。例えば、変調走査が用いられる場合、変調周波数の多重度は、以下にさらに説明するように、２つ以上のグレーティングの寄与に関する十分な情報を提供することができる。別の例は、分散走査が用いられる場合であり、この場合、分散係数の値の多重度が、以下にさらに説明するように、２つ以上のグレーティングの寄与に関する十分な情報を提供することができる。
【００７６】
１８では、光は、好ましくは、例えば光検出器（例えば、単一の光センサを備えたセレクタ）、又は光検出器のアレイ５８（光がチャネルに逆多重化される実施形態では、光チャネルごとに１つ）を使用して、電気信号に変換され、１９では、１つ又は複数のグレーティング４６から反射された光の変調における少なくとも位相シフトが、例えば、図２に示されるような信号処理システム６０によって測定される。本発明の幾つかの実施形態では、動作１９は、信号の大きさを測定することも含む。
【００７７】
本発明者らは、変調位相シフトが、グレーティングにおける摂動を表し、従って、信号の時間領域応答を決定する必要なしに、位相シフトが光の変調から直接決定されるため、検知を向上させることができることを発見した。
【００７８】
変調位相シフトは、当該技術分野で公知の任意の技術を使用して、処理システム６０によって決定することができる。位相シフトを決定する適宜の技術の代表例は、後続の実施例のセクション（実施例２を参照）で提供される。代替的に、又は追加的に、信号処理システム６０は、ネットワークアナライザ及び／又はスペクトルアナライザを含み得る。処理システム６０がネットワークアナライザを含む場合、それは、位相シフトを決定するために、検出器アレイ５８によって提供された電気信号を処理するため、且つ光源３６又は変調器３８によって受信される変調信号を生成するために機能し得る。従って、同じネットワークアナライザが、コントローラ４２として、且つ信号処理システム６０として機能し得る。
【００７９】
ファイバが複数のグレーティングを備え、変調走査が用いられる実施形態では、各グレーティングによって生じる個々の位相シフト、波長シフト、又は周波数シフトは、変調周波数の多重度によって提供される情報から決定することができる。これらの実施形態では、本方法は、好ましくは、変調周波数ごとに、反射された光の大域的位相シフト及び大域的大きさを測定する。これは、複数の大域的位相シフト及び複数の大域的大きさを提供する。各大域的位相シフト及び大域的大きさは、それぞれファイバ内の複数のグレーティングに対応する複数の部分波から形成される波を表す。従って、各大域的位相シフト及び大域的大きさは、ファイバ内のグレーティングによって生じる個々の位相シフト、波長シフト、又は周波数シフトに関する情報を運ぶ。本発明の幾つかの実施形態によれば、用いられる複数の異なる変調周波数の数は、大域的位相シフト及び大域的大きさから、個々の位相シフト、波長シフト、又は周波数シフト、及び任意選択的に個々の大きさも抽出するのに十分なものである。これは、例えば、未知数が個々の位相シフト、波長シフト、又は周波数シフトであり、係数及び既知項が、大域的位相シフト及び大域的大きさである、方程式のセットを解くことによって行うことができる。本発明者らによって、Ｎ個のグレーティングを備えたファイバの場合、Ｎ／２個の異なる変調周波数を用いれば十分であることが発見された。方程式のセット、及びこれらの方程式を自動的に解くための技術の代表例が、後続の実施例のセクション（実施例３を参照）で提供される。
【００８０】
ファイバが複数のグレーティングを備え、分散走査が用いられる実施形態では、各グレーティングによって生じる個々の位相シフト、波長シフト、又は周波数シフトは、分散係数値の多重度によって提供される情報から決定することができる。これらの実施形態では、本方法は、好ましくは、分散係数値ごとに、反射された光の大域的位相シフト及び大域的大きさを測定する。これは、上記でさらに詳述した通り、複数の大域的位相シフト及び複数の大域的大きさを提供する。本発明の幾つかの実施形態によれば、用いられる複数の異なる分散係数の数は、大域的位相シフト及び大域的大きさから、個々の位相シフト、波長シフト、又は周波数シフト、及び任意選択的に個々の大きさも抽出するのに十分なものである。これは、上記でさらに詳述した通り、及び以下に例示する通り、例えば、方程式のセットを解くことによって行うことができる。
【００８１】
本発明の幾つかの実施形態では、システム６０は、参照光検出器６２からの信号も受信する。参照光検出器６２は、１つ又は複数のグレーティングに反射されたが、さらなる分散及び／又は逆多重化を受けない光ビームを受け取ることができる。例えば、ビームスプリッタ５７が、上記でさらに詳述した通り、１つのビームが進み続け、参照ビームとして機能する別のビームが検出器６２に指向されるように、ファイバ４４を出射する光ビームの光路上に配置されてもよい。
【００８２】
１９から、本方法は、位相シフトに基づいて、グレーティングの摂動が決定される２０に進み得る。例えば、システム４０が、ｃｏｓ（Ωｔ）（Ωは、（例えば、無線周波数範囲内の）角度変調周波数である）に従って正弦波的に変調される光ビームを提供すると仮定する。分散光学デバイス５４は、各成分が別々に光逆多重化システム５６内に到着するように、光を分散させる。ファイバ４４が摂動を受けない場合に、ｉ番目のグレーティングから反射された光成分が、ｃｏｓ（Ωｔ＋φｉ）に従って変調されるように、全体的変調位相φｉを取得する分散光学デバイス５４を出射するとさらに仮定する。システム５６は、各成分を別個のチャネル内に指向させ、ｉ番目のグレーティングから反射された光成分は、ｉ番目の光チャネルに指向される。各光検出器は、ｉ番目の光チャネルを、次に、変調パラメータを決定するために信号処理システム６０によって処理される電気信号へと変換する。
【００８３】
ここで、ｉ番目のグレーティングが選択的に波長λｉ＋Δλｉの光成分を反射するように、摂動がｉ番目のグレーティングで生じると仮定する（λｉは、もしｉ番目のグレーティングが摂動を受けていなければ、ｉ番目のグレーティングから反射されたであろう光成分の（光領域内の）波長である）。分散光学デバイス５４による分散に続いて、ｉ番目の成分が、ｃｏｓ（Ωｔ＋φｉ＋Δφｉ）に従って変調されるように、変調位相φｉ＋Δφｉを取得する。従って、変調における光位相シフトΔφｉは、光波長シフトΔλｉ（又は、同等に、光周波数シフトΔｆｉ＝ｃΔλｉ  ／λｉ２（ｃは、光の速度である））のプロキシである。
【００８４】
逆多重化システム５６が用いられる場合、逆多重化システム５６は、この成分をｉ番目の光チャネル内に指向させ、各光検出器は、この成分を、信号処理システム６０によって受信される電気信号へと変換する。ｉ番目の検出器によって生成された信号の位相がシフトされたと信号処理システム６０が決定すると、本方法は、摂動がｉ番目のグレーティングで生じたと決定する。
【００８５】
代替的に、信号処理システム６０は、例えば、本明細書に記載するような変調走査を用いることによって、逆多重化なしに、且つ変調位相シフトのプロキシを測定することなく、光波長シフトΔλｉの値を決定することができる。Δλｉがゼロではないと信号処理システム６０が決定すると、本方法は、摂動がｉ番目のグレーティングで生じたと決定する。
【００８６】
従って、本方法及び本システムは、任意選択的に、且つ好ましくは、反射された光ビームの光パワーに依存することなく、位相シフトに基づいて摂動を上手く決定する。これは、摂動を決定するために、複雑な光パワー処理動作を必要とする従来の技術とは異なる。
【００８７】
２０で決定されるような摂動は、２つ以上のやり方で表現され得る。幾つかの実施形態では、摂動は、各ブラッグ波長のシフト（上記の例では、Δλｉ）として表現される。ブラッグシフトは、例えば、変調位相シフトΔφｉとブラッグシフトΔλｉとを関連付ける、経験的に生成されたルックアップテーブルを使用して決定することができる。ブラッグシフトの表現された値から、本方法は、例えば、ＦＢＧセンサの分野で知られているように、グレーティングの摂動を生じさせる物理量の値を決定することができる。
【００８８】
実際にブラッグシフトを決定することなく、摂動が物理量の値として表現される実施形態も企図される。物理量の値は、変調位相シフトと物理量の値とを関連付ける、経験的に生成されたルックアップテーブルを使用して決定することができる。
【００８９】
決定され得る物理量の代表例には、限定されないが、周囲温度、ファイバに付与される圧力、ファイバのひずみ、ファイバの加速的運動（例えば、振動）が含まれる。企図される別の物理量は、付与される圧力に基づいて決定され得る各グレーティングの深さである。
【００９０】
本発明者らは、ブラッグシフトの（従って、決定されるべき物理量の値も）検知の分解能が、変調の周波数及び／又は変調位相シフトの測定の分解能の賢明な選択によって向上され得ることを発見した。具体的には、変調位相シフトの測定の分解能をΔφｒｅｓによって示し、分散を特徴付ける分散パラメータを
【数６】
2021529300.tif 000008
によって示し、及び変調角周波数をΩによって示す場合、Ω、Δφｒｅｓ、及び
【数７】
2021529300.tif 000009
の少なくとも１つは、好ましくは、関係：
【数８】
2021529300.tif 000010
（式中、Δλｒｅｓは、所定のスペクトル分解能閾値である）を満たすように選択される。例えば、位相をΔφｒｅｓの分解能の位相で測定することが可能な信号処理システム６０、及び分散係数の分散パラメータ
【数９】
2021529300.tif 000011
によって特徴付けられる分散を生じさせることが可能な分散光学デバイス５４の場合、コントローラ４２は、少なくとも
【数１０】
2021529300.tif 000012
の角度変調周波数Ωによって特徴付けられる変調信号を生成するように構成され得る。
【００９１】
一般的に（但し、必ずではない）、Δλｒｅｓは、１０ピコメートル未満、又は１ピコメートル未満、又は０．１ピコメートル未満、又は０．０５ピコメートル未満（例えば、０．０１以下）である。
【００９２】
本発明者らは、スペクトル分解能Δλｒｅｓの向上（従って、物理量の値を決定する能力の向上も）が、測定の速度に関する小さな妥協なしに、又は測定の速度に関する小さな妥協と共に達成され得ることを発見した。測定の速度は、一般的に、変調位相シフトを決定する際に信号処理システム６０によって用いられるサンプリングレートによって表現される。本発明の幾つかの好適な実施形態によれば、Ω、Δφｒｅｓ、及び
【数１１】
2021529300.tif 000013
の少なくとも１つは、少なくとも１ｋＨｚ、又は少なくとも１０ｋＨｚ、又は少なくとも１００ｋＨｚ、又は少なくとも１ＭＨｚ、又は少なくとも１０ＭＨｚの信号処理システム６０のサンプリングレートで、０．１ピコメートル未満、又は０．０５ピコメートル未満（例えば、０．０１以下）のΔλｒｅｓのスペクトル分解能を提供するように選択される。
【００９３】
本方法は、２１で終了する。
【００９４】
本明細書において、「約」という用語は、±１０％を指す。
【００９５】
「例示的」という単語は、本明細書において、「例、具体例、又は実例として機能すること」を意味するために使用される。「例示的」と記載される何れの実施形態も、必ずしも、他の実施形態よりも好ましい、又は有利であると解釈されるものではなく、及び／又は他の実施形態からの特徴の取り込みを排除するものではない。
【００９６】
「任意選択的に」という単語は、本明細書において、「幾つかの実施形態では提供され、他の実施形態では提供されないこと」を意味するために使用される。本発明のどの特定の実施形態も、複数の「任意選択の」特徴を、これらの特徴同士が矛盾しなければ、含み得る。
【００９７】
「含む（comprises）」という用語、「含んだ（comprising）」という用語、「含む（includes）」という用語、「含んだ（including）」という用語、「備えた（having）」という用語、及びこれらの同根語は、「含むが、限定されないこと」を意味する。
【００９８】
「〜から成る（consisting of）」という用語は、「含み、且つ限定されること」を意味する。
【００９９】
「基本的に〜から成る（consisting essentially of）」という用語は、組成、方法、又は構造が、追加の構成要素、ステップ、及び／又は部分を、これらの追加の構成要素、ステップ、及び／又は部分が、請求される組成、方法、又は構造の基本的特性及び新規の特性を実質的に変えない場合にのみ、含み得ることを意味する。
【０１００】
本明細書において、単数形「a」、「an」、及び「the」は、文脈上明白に他の意味が規定されない限り、複数形の言及を含む。例えば、「１つの化合物（a compound）」又は「少なくとも１つの化合物（at least one compound）」という用語は、複数の化合物（これらの混合物を含む）を含み得る。
【０１０１】
本出願全体を通して、本発明の様々な実施形態が、範囲形式で提示される場合がある。範囲形式での記載は、単に、便宜上、且つ簡潔にするためのものであり、本発明の範囲に関する変更できない限定と解釈されるべきものではないことが理解されるものとする。従って、範囲の記載は、具体的に開示された全ての可能な部分範囲と、その範囲内の個々の数値を含むと見なされるものとする。例えば、１〜６などの範囲の記載は、１〜３、１〜４、１〜５、２〜４、２〜６、３〜６などの具体的に開示された部分範囲と、その範囲内の個々の数字（例えば、１、２、３、４、５、及び６）を含むと見なされるものとする。このことは、範囲の広がりにかかわらず当てはまる。
【０１０２】
本明細書において、数値範囲が示される場合はいつでも、その示された範囲内のあらゆる言及された数字（分数又は整数）を含むことが意図される。第１の示された数字と、第２の示された数字と「の間に及んでいる／及ぶ」というフレーズ、及び第１の示された数字「から」第２の示された数字「に」「及んでいる／及ぶ」というフレーズは、本明細書では、言い換え可能に使用され、第１の示された数字及び第２の示された数字、並びにそれらの間の全ての分数及び整数を含むことが意図される。
【０１０３】
明確にするために、別個の実施形態の文脈で記載された本発明の特定の特徴が、単一の実施形態で組み合わせて提供されてもよいことが認識される。逆に、簡潔にするために単一の実施形態の文脈で記載された、本発明の様々な特徴が、別々に、又は任意の適宜のサブコンビネーションで、又は本発明のその他の記載された実施形態において適宜に提供され得る。様々な実施形態の文脈で記載される特定の特徴は、実施形態がそれらの要素なしに動作不能でない限り、それらの実施形態の不可欠な特徴と見なされないものとする。
【０１０４】
上記で詳しく説明したような、及び下記の特許請求の範囲のセクションで請求されるような、本発明の様々な実施形態及び局面は、以下の実施例において、実験的確証を得た。
【実施例】
【０１０５】
実施例
これより、上記の説明と共に、非限定的に本発明の幾つかの実施形態を示す、以下の実施例を参照する。
【０１０６】
実施例１
実験的研究
本実施例は、無線周波数（ＲＦ）位相シフト測定に基づく、高速及び高感度ＦＢＧインテロゲータを実証する。正弦波的に変調された光源及び色分散素子を使用して、ブラッグ波長シフトが、直接ＲＦ位相シフトに変換される。１ｐｍ未満のスペクトル感度で、１ＭＨｚを超える問合せの速度、及び１００Ｈｚの速度で０．０１ｐｍ未満の感度の問合せの速度が実証される。優れた分解能−速度のトレードオフが、５桁の速度範囲にわたり実証される。全体的感度対０．３４ｆｍ／√Ｈｚ（これは、０．３ナノストレイン（nanostrain）／√Ｈｚに等しい）の速度依存性が実証される。本実施例は、ＦＢＧセンサの波長シフトの問合せの基礎として、直接ＲＦ位相シフト測定を用いる。優れた分解能−速度のトレードオフ（例えば、１ｐｍスペクトル分解能で１０ＭＨｚの速度）を達成するための本方法の固有の潜在能力が実証される。
【０１０７】
光源は、周波数ｆｍｏｄ＝Ω／２π及び変調指数ｍで、正弦波ＲＦ信号によって変調され、パワー：
Ｐ（ｔ）＝Ｐ０［１＋ｍｃｏｓ（Ωｔ）］＝Ｐ０＋ＰＡＣ（ｔ）      （１）
が与えられ、式中、Ｐ０及びＰＡＣ（ｔ）は、それぞれ、平均パワー及び信号エンベロープである。分散係数Ｄ［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］及び長さＬを含む分散媒体を通過した後に、信号は、ＡＣ項で追加の位相φとして表現され得る群遅延τｇを取得する：
【数１２】
2021529300.tif 000014
【０１０８】
群遅延は、搬送波波長に依存するため、中心波長の僅かなシフトΔλは、
【数１３】
2021529300.tif 000015
として近似的に表現することができるＲＦ位相Δφのシフトを生じさせる。
【０１０９】
Δφを測定することによって、Δλが決定される。最小検出可能位相シフトΔφｒｅｓは、信号に伴う位相ノイズによって制限される。従って、スペクトル分解能は、スペクトル分解能が、位相シフト分解能のより低い値、より高いＲＦ変調周波数、及びより高い分散に関して向上するように、
【数１４】
2021529300.tif 000016
と定義される。
【０１１０】
この実証で使用される実験機構が図３に示される。ｃ帯域の超放射発光ダイオード（ＳＬＥＤ）が、可変ＲＦフィルタを備えたベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）のＲＦ信号で直接変調された。本実施例では、変調周波数は、ｆｍｏｄ＝９２３ＭＨｚであった。変調された光は、ＥＤＦＡによって増幅され、サーキュレータを用いて、異なるブラッグ波長を持つ３つのＦＢＧを備えた検知チャネル内に指向された。反射された光は、（下記の最初の３つの実験に使用される）分散パラメータ
【数１５】
2021529300.tif 000017
を持つサーキュレータ及びチャープＦＢＧ（Teraxion DCML-C0100-160k）から成る分散補償モジュール（ＤＣＭ）、又は（下記の第４の実験の一部に使用される）ＤＬ＝−６８０ｐｓ／ｎｍの分散パラメータを持つ分散補償ファイバ（ＤＣＦ）のどちらかである分散コンポーネントに指向された。デマルチプレクサは、３つのＦＢＧのブラッグ波長に対応する３つのスペクトルレジームに光を分割し、検出された信号は、次に、ＲＦ位相シフト測定のために、ＶＮＡに戻るようにルーティングされた。平均検出光パワーは、約−１６ｄＢｍであった。
【０１１１】
第１の実験では、弱いひずみを持つシステムの性能が実証された。ＦＢＧの１つが、約１Ｈｚの周波数で、電動高精度メカニカルステージを用いて、周期的にひずませられ、信号が、１０Ｈｚのレートでサンプリングされた。ＦＢＧに対するピークツーピークひずみは、約０．０９μεであり、ブラッグ波長において約０．１ｐｍのスペクトルシフトが与えられた。出力信号は、図４に示され、良好なＳＮＲで弱いひずみ信号を取得する、本実施形態のシステムの能力を実証している。示された分解能能力は、０．１ｐｍ未満である。この実験では、ＶＮＡの中間周波数帯域幅（ＩＦＢＷ）は、ＩＦＢＷ＝１０Ｈｚに設定された（ＶＮＡのサンプリングレートは、ＩＦＢＷに比例するため、１秒当たり約１０サンプルの速度取得が可能となる）。
【０１１２】
第２の実験は、２０〜１００ｋＨｚの超音波領域のシステム応答を実証した。第２のＦＢＧが、２０ｋＨｚの一定振動を与える超音波プローブ（SonicsのVibra-Cell）と共に、水で満たされた容器に沈められた。３つの異なる値の超音波強度に関する、取得された信号の高速フーリエ変換（ＦＦＴ）が、図５に示される。図５では、緑色の線が、２０％の超音波パワーに対応し、赤色の線が、６０％の超音波パワーに対応し、黒色の線が、８０％の超音波パワーに対応する。赤色の線及び黒色の線は、明確にするためにオフセットされる。なお、強度が増すにつれて、４０ｋＨｚの第２高調波が出現し、より高い強度では、プローブの非線形性により、他の周波数が出現する。ｙ軸波長シフト値（Δλ）は、低強度レベルの実験（２０％）のみに言及し、その他は、同じスケールにあるが、明確にするためにシフトされている。速度取得は、より高い調和振動を記録するために、低レベル実験に関しては約７０ｋＨｚであり、より高いレベルに関しては約９６ｋＨｚであった。
【０１１３】
図６は、第３のＦＢＧが、２００ｋＨｚの正弦波信号によって駆動される圧電ファイバストレッチャ（Optiphase）の周りに巻かれた第３の実験の結果を示す。取得速度は、約１．４ＭＨｚに設定された。信号ＦＦＴのグラフは、２００ｋＨｚのピークを示し、これは、約７のＳＮＲを有するブラッグ波長の約３．５ｐｍのシフトに対応する。
【０１１４】
これらの実験全体を通して、複数の異なるＦＢＧ反射のＲＦ信号間でクロストークが観察されず、各ＦＢＧセンサのクリーンな検出が可能となる。
【０１１５】
４つの異なるランから構成される第４の実験では、ＩＦＢＷに対するシステム分解能の全体的依存性（これは、測定の速度を制限する）が、
【数１６】
2021529300.tif 000018
パラメータ及び／又は変調周波数ｆｍｏｄの異なる値に関して特徴付けられた。各実験ランにおいて、ＶＮＡのＩＦＢＷが徐々に増加され、第３の実験で使用したのと同じ第３のＦＢＧを使用して、最小（ＳＮＲ＝１）波長シフト分解能が測定された。それらの結果が、図７にプロットされる。第１のランでは、
【数１７】
2021529300.tif 000019
の標準分散補償ファイバ（ＤＣＦ）が使用された（図７の青色の点）。第２のランでは、ＤＣＦが、上記で使用したＤＣＭ（
【数１８】
2021529300.tif 000020
、図７の赤色の点）に置き換えられた。両ランに関して、ｆｍｏｄは、１３３ＭＨｚであった。第３及び第４のランでは、ＤＣＭのままで、変調周波数が、まず、９１３ＭＨｚに上げられ（図７の緑色の点）、次に、６３５ＭＨｚに下げられた（図７の黒色の点）。本実施例では、１７ｄＢ大きいＲＦパワーを与える、この後者の周波数が好ましかった。図７の実線は、速度の平方根に比例する分解能に対する適合である。
【０１１６】
図７で実証されるように、所与の分散パラメータ
【数１９】
2021529300.tif 000021
及び変調周波数に関して、速度及び感度間のトレードオフは、ＩＦＢＷにのみ依存する。例えば、ＤＣＦ（青色の線）をＤＣＭ（赤色の線）に置き換えることによって、分散係数を４倍増加させることにより方程式４によって予測されるように、同じ倍数だけ全般的性能が向上する。ｆｍｏｄを８倍増加させることにより（赤色の線から緑色の線へ）、５．３という、より低い倍数分、感度が向上した。これは、周波数の増加に伴う位相ノイズの増加と、システムの様々なコンポーネントの総ＲＦ依存性との組み合わせによると仮定される。これは、システムの全体的ＲＦ応答によりシステムの性能がピークに達した６３５ＭＨｚの最終ラン（黒色の線）から裏付けられる。これは、本実施例に記載される性能が、さらにもっと高められ得ることを示唆する。
【０１１７】
本実施例は、全体的感度対約
【数２０】
2021529300.tif 000022
（これは、ひずみ測定の観点から、
【数２１】
2021529300.tif 000023
に等しい）の速度依存性を実証する。これらの結果は、従来のＦＢＧインテロゲータよりも優れている。本実施形態の技術は、ロバストであり、動的測定と、コスト及び複雑さを増大させる追加の補償技術の必要性なしに、準静的モニタリングとに使用することができる。周波数領域測定及び電子的ＲＦ処理への依存により、本実施形態の技術は、従来の方法、特に、時間領域測定に依存する方法よりも柔軟性がある。本実施例は、ＲＦフィルタ帯域幅、又は他の同等の信号処理パラメータを調節することによって、超高感度と超高速との間の領域中のどこででも、動作点を選択できることを実証する。
【０１１８】
例示技術のスペクトルダイナミックレンジ（スペクトル帯域幅と分解能との比）は、２π位相アンビギュイティ制約内で、２ｍｒａｄの位相分解能に関して、約３５ｄＢである。測定可能な波長範囲に関しては、本実施形態の技術の柔軟性は、変調周波数を低下させることにより、波長シフト−位相シフト比が減少し（方程式３を参照）、大きな波長範囲測定が可能となるため、利点である。位相は、本発明の幾つかの実施形態では、サンプリングレートが、信号測定速度の少なくとも２倍速く、ダイナミックレンジの増加が可能となる場合に、デジタル信号処理によってアンラッピングすることができる。大きなスペクトルダイナミックレンジ及び柔軟な波長範囲測定は、高速及び高分解能の問合せを可能にする。例示技術の別の利点は、光源パワーの変動が測定に影響を与えない点である。この特徴は、広帯域スペクトルが、長い時間スケールにわたり安定して見えるが、ＲＦ時間スケールでは変動する、ＳＬＥＤなどの増幅自然放出光（ＡＳＥ）光源に特に有用である。
【０１１９】
本実施形態の技術のさらなる利点は、（例えば、デマルチプレクサを使用して）各ＦＢＧセンサの複数の異なるスペクトル領域を異なる検出器にルーティングすること、及び全ての位相シフトを並行して測定することによって、縦続接続されたＦＢＧセンサを同時に問合せする能力である。この能力は、ＭＨｚサンプリングレートでの機械状態モニタリングなどの用途に特に有用である。
【０１２０】
実施例２
例示の位相シフト測定
図８は、本発明の幾つかの実施形態による、参照信号に対する信号の位相シフトを増幅させることに適した方法のフローチャート図である。本方法は、位相シフト測定の分解能を向上させることに適する。位相シフトは、位相シフト検出器の検出分解能の範囲内の値へと、所定の倍数で増幅され得る。次いで、増幅された位相シフトは、当該技術分野で公知の位相シフト検出器によって測定することができ、測定の結果は、所定の倍数で割ることができ、それによって、増幅されていない位相シフトの決定が、その範囲が位相シフト検出器の利用可能な分解能未満であっても可能となる。
【０１２１】
本方法は、６００で開始され、信号Ｓが生成又は受信される６０１へ、及び参照信号Ｓｒｅｆが生成又は受信される６０２へと続く。例えば、信号の１つ（例えば、信号Ｓ）は、本実施形態のファイバ内の１つ又は複数のグレーティングに反射された信号でもよく、他の信号（例えば、信号Ｓｒｅｆ）は、それが１つ又は複数のグレーティングと相互作用することを許容しない経路を通って受信され得る。本方法は、これらの信号の少なくとも一方の変調が変動する６０３へと続く。この変動は、任意選択的に、且つ好ましくは、信号及び参照信号の変調振幅が、互いに十分に近くなるような、変調振幅に関するものである。好ましくは、信号の変調振幅と、参照信号の変調振幅との比は、約０．９〜約１．１、又は約０．９５〜約１．０５、又は約０．９９〜約１．０１、又は約０．９９５〜約１．００５、又は約０．９９９〜約１．００１、又は約０．９９９５〜約１．０００５、又は約０．９９９９〜約１．０００１である。変動は、任意選択的に、且つ好ましくは、参照信号の位相θ１と、信号の位相θ２との間の位相差θｉｎが、上記でさらに詳述した通り、十分に小さく、又はπラジアンに十分に近くなるように、変調位相にも関するものである。任意選択的に、信号Ｓ及びＳｒｅｆの一方は、位相差θｉｎが、十分に小さく、又はπラジアンに十分に近くなることを確実にするために、方法１００の選択された動作によって生成される。変調変動に用いられる１つ又は複数の振幅及び１つ又は複数の位相は、本方法によって選択することができ、又は変調を変動させる回路において保存若しくは符号化することができる。
【０１２２】
本方法は、好ましくは、信号の線形結合である出力信号Ｓｏｕｔが形成される６０４へと続く。これは、電気回路を用いて電子的に、又は光学アセンブリを用いて光学的に行うことができる。結合６０４は、例えば信号加算回路を用いて直接的に、又は例えば、上記でさらに詳述した通り、信号乗算に続いて、各信号に線形比例する信号成分の抽出によって間接的に行うことができる。
【０１２３】
線形結合は、一般に、Ｓｏｕｔ＝ｐ（Ｓ＋ｑＳｒｅｆ）（式中、ｐは、正規化パラメータであり、ｑは、線形結合係数であり、並びにＳ及びＳｒｅｆは、それぞれ、変調変動６０３後の信号及び参照信号である）と表すことができる。正規化パラメータｐは、任意の数、例えば１に設定することができる。線形結合係数は、２つの信号のウェイトレシオを反映し、任意選択的に、且つ好ましくは、ｃｏｓ（θｉｎ）（θｉｎは、これらの信号の変調位相間の位相差である）の符号に基づいて選択される。
【０１２４】
一般に、ｃｏｓ（θｉｎ）が負であるときには、ｑは、約１であり、ｃｏｓ（θｉｎ）が正であるときには、ｑは、約−１である。これは、数学的に、ｑ≒−ＮＩＮＴ（ｃｏｓ（θｉｎ））と表すことができ、式中、ＮＩＮＴは、最近隣数関数であり、「≒」の記号は、１０％以内と理解されるものとする。つまり、ｑは、任意選択的に、且つ好ましくは、ｓｉｇｎ（ｑ）＝−ｓｉｇｎ（ｃｏｓ（θｉｎ））及び０．９≦｜ｑ｜≦１．１という条件を満たす。
【０１２５】
参照に対する出力信号の位相差（θｏｕｔ−θ１）が位相差θｉｎに対して増幅されることを上記のプロシージャが確実にすることができることが、本発明者らによって発見された。増幅の範囲が、１／αの値に達し得る（αは、１と、信号の変調振幅間の比との差の絶対値である）ことが発見された。本発明の幾つかの実施形態によれば、θｏｕｔが、θｉｎよりも１０倍大きい、又は２０倍大きい、又は１００倍大きい、又は２００倍大きい、又は１０００倍大きい、又は２０００倍大きい、又は１００００倍大きくなり得るように（θｏｕｔは、Ｓｏｕｔの位相である）、αは、最大で０．１、又は最大で０．０５、又は最大で０．０１、又は最大で０．００５、又は最大で０．０００１以下となり得る。
【０１２６】
本発明の幾つかの実施形態では、本方法は、参照信号に対する出力信号の位相が測定される６０５へと続く。これは、当該技術分野で公知の任意の位相測定技術を用いて行うことができる。限定されないが、代表例は、米国のMini-Circuits（登録商標）、及び米国のOn Semiconductors（登録商標）から市販される位相検出器を含む。
【０１２７】
本発明の幾つかの実施形態では、本方法は、参照信号に対する出力信号の位相の経時的変化が測定される６０６へと続く。信号の位相の変化は、信号の位相自体が未知であっても測定可能であるため、出力信号の位相が既知であろうとなかろうと、動作６０６は、実行され得る。従って、幾つかの実施形態では、６０５が実行され、且つ６０６は実行されず、幾つかの実施形態では、６０５及び６０６が共に実行され、幾つかの実施形態では、６０５が実行されず、且つ６０６は実行され、幾つかの実施形態では、６０５及び６０６のいずれも実行されない。
【０１２８】
本方法は、６０７で終了する。
【０１２９】
位相の変化が測定されると、それは、増幅されていない位相シフトを決定するために、αで乗算され得る。
【０１３０】
図９は、本発明の幾つかの実施形態による、参照信号に対する信号の位相シフトを増幅させるためのシステム７００の模式的ブロック図の図示である。システム７００は、任意選択的に、且つ好ましくは、上記の方法６００の１つ又は複数の動作を実行するために構成される。システム７００は、上記でさらに詳述した通り、これらの信号の少なくとも一方の変調を変動させるように構成された変調回路７０２を含む。回路７０２によって行われる変調変動に用いられる１つ又は複数の振幅及び１つ又は複数の位相は、例えば振幅選択回路を使用して、システム７００によって選択されてもよく、又は回路７０２において、保存若しくは符号化されてもよい。
【０１３１】
システム７００は、上記でさらに詳述した通り、信号の線形結合である出力信号Ｓｏｕｔを形成するように構成された信号結合器７０４も含み得る。幾つかの実施形態では、結合器７０４は、信号加算器回路を含む。これらの実施形態は、線形結合係数が正（例えば、ｑ＝１）である場合に有用である。幾つかの実施形態では、結合器７０４は、信号減算器回路を含む。これらの実施形態は、線形結合係数が負（例えば、ｑ＝−１）である場合に有用である。幾つかの実施形態では、結合器７０４は、信号乗算器回路を含む。これらの実施形態は、上記でさらに詳述した通り、乗算の後に、線形成分の抽出が続くことによって、線形結合が得られる場合に有用である。
【０１３２】
ある実施形態では、結合器７０４は、当該技術分野で公知の２つの信号の線形結合を行うように構成された光学アセンブリである。
【０１３３】
本発明の幾つかの実施形態では、システム７００は、参照信号に対する出力信号の位相を測定するための位相検出器として、又は出力信号の位相の経時的変化を測定するための位相変化検出器として、又は位相及びその変化の両方を測定するための統合された位相検出器及び位相変化検出器として構成され得る検出器回路７０６を含む。
【０１３４】
実施例３
連立方程式を解くことによる位相シフトの計算
本実施例は、変調周波数を走査することによって、各グレーティングによって生じた波長シフトを数値的に計算するための技術を説明する。本技術の利点は、チャネル間を分離するために、物理的素子（デマルチプレクサなど）を必要としない点である。複数のグレーティングに反射された（及び任意選択的に、且つ好ましくは、分散光学デバイスを通過した）光は、複数の異なるグレーティングから戻ってくる複数の異なる信号の総和であるため、変調周波数Ωの合計の信号は、
【数２２】
2021529300.tif 000024
と表すことができ、式中、ａｉ及び
【数２３】
2021529300.tif 000025
は、それぞれ、ｉ番目のグレーティングに反射された大きさ及び位相シフトであり、ｂ及びξは、それぞれ、単一の光センサを備えた光検出器によって測定される合計の信号の大域的大きさ及び大域的位相シフトである。
【０１３５】
大きさａｉが、予備測定から既知であると仮定し、複数の異なる変調周波数Ωｊ（好ましくは、少なくともＮ／２個（Ｎは、ファイバ内のグレーティングの数））を走査することによって、Ｎ個の未知数（ブラッグ波長シフトΔλｉ）を持つ連立方程式（Ｎ個の方程式）を得ることができる。走査は、順次又は並列であってもよい。並列走査は、幾つかの周波数を用いてＲＦ信号を同時に変調し、例えば信号処理システムによって、例えばＲＦフィルタを使用して、各周波数を単独で同時に測定することによって、達成することができる。適宜の連立方程式（Ｎ個の方程式）は、
【数２４】
2021529300.tif 000026
と表すことができる。
【０１３６】
この連立方程式の解又は部分解は、Δλｉ（ｉ＝１，２，…Ｎ）の値を提供することができる。この連立方程式は、当該技術分野で公知の任意の技術を用いて、自動的に解くことができる。代表例には、限定されないが、「信頼区間（Trust-region）」方法［２６］及び「Levenberg-Marguardt」技術［２７、２８］が含まれる。
【０１３７】
本発明を、その具体的な実施形態と共に説明したが、多くの代替形態、変更形態、及び変形形態が当業者には明らかであることが明白である。従って、添付の請求項の精神及び広い範囲に入る、そのような全ての代替形態、変更形態、及び変形形態を包含することが意図される。
【０１３８】
本明細書で言及した全ての出版物、特許、及び特許出願は、個々の出版物、特許、又は特許出願のそれぞれが、具体的且つ個々に、参照により本明細書で援用されると示された場合と同じ程度に、その全体が参照により本明細書に援用される。加えて、本出願における、あらゆる参考文献の引用又は識別情報は、このような参考文献が、本発明に対する従来技術として利用可能であるとの承認として解釈されないものとする。セクションの見出しが使用される範囲内において、それは、必ずしも限定として解釈されないものとする。
【０１３９】
加えて、本出願のあらゆる１つ又は複数の優先権書類は、そ（れら）の全体が、参照により本明細書に援用される。
【０１４０】
参考文献
１．  J. Chen, B. Liu and H. Zhang, “Review of fiber Bragg grating sensor technology”, Front. Optoelectron. China 4 204 (2011).
２．  Y. C. Tong, L. Y. Chan and H. K. Tsang, “Fibre dispersion or pulse spectrum measurement using a sampling oscilloscope”, Electronics Lett. 33(11) 983-985 (1997).
３．  H. Chi and J. Yao, “Fiber chromatic dispersion measurement based on wavelength-to-time mapping using a femtosecond pulse laser and an optical comb filter,” Optics Communications 280(2) 337-342 (2007).
４．  Y. Wang, M. Han and A. Wang,”High-speed fiber-optic spectrometer for signal demodulation of inteferometric fiber-optic sensors,” Opt. Lett. 31 2408-10 (2006).
５．  H.Y. Fu, H.L. Liu, X. Dong, H.Y. Tam, P.K.A. Wai and C. Lu, “High-speed fibre Bragg grating sensor interrogation using dispersion compensation fiber,” Electrincs Lett. 44 (10) 618-619 (2008).
６．  J. Chou, B. Jalali and D. R. Solli, “Amplified wavelength-time transformation for real-time spectroscopy, ”Nature Photonics 2 (1) 48-51 (2008).
７．  P. V. Kelkar, F. Coppinger, A. S. Bhushan and B. Jalali, “Time-domain optical sensing,” Electronics Letters 35 (19) 1661-2 (1999).
８．  J. Chou, Y. Han and B. Jalali, “Time-wavelength spectroscopy for chemical sensing. IEEE Photonics Tech. Lett. 16 (4) 1140-2 (2004).
９．  G. Herink, B. Jalali, C. Ropers and D. R. Solli, “Resolving the build-up of femtosecond mode-locking with single-shot spectroscopy at 90MHz frame rate,” Nature Photonics 10 321-326 (2016).
１０．  J. Hervas, C. R. Fernandez-Pousa, D. Barrera, D. Pastor, S. Sales and J. Capmany, “An interrogation technique of FBG cascade sensors using wavelength to radio-frequency delay mapping,” J. Lightwave. Technol. 33 (11) 2222-7 (2015).
１１．  J. C. Bellido and C. R. Fernandez-Pousa, “Spectral Analysis Using a Dispersive Microwave Photonics Link Based on a Broadband Chirped Fiber Bragg Grating,” J. Lightwave. Technol. 33 (20) 4207-14 (2015).
１２．  J. Park, W.V. Sorin and K.Y. Lau, “Elimination of the fibre chromatic dispersion penalty on 1550nm millimeter-wave optical transmission,” Electronics Lett. 33 512-3 (1997).
１３．  B. Costa, D. Mazzoni, M. Puleo, and E. Vezzoni, “Phase shift technique for the measurement of chromatic dispersion in optical fibers using LED’s,’’ IEEE J. Quantum Electron. QE-18 (10) 1509-1515 (1982).
１４．  W. W. Morey, J. R. Dunphy and G. Meltz, “Multiplexing fiber Bragg grating sensors,” j. Fiber and Integrated Optics 10 351-360 (1992).
１５．  C. Wang and J. Yao, “Ultrafast and ultrahigh-resolution interrogation of a fiber Bragg grating sensor based on interferometric temporal spectroscopy,” J. Lightwave Technol. 29 (19), 2927-2933 (2011).
１６．  Lei, M., Zou, W., Li, X. & Chen, J. Ultrafast FBG interrogator based on time-stretch method. IEEE Photon. Technol. Lett. 28, 778-781 (2016).
１７．  A. Ikeda, T. Nomura, Y.H. Matsuda, S. Tani, Y. Kobayashi, H. Watanand, K. Sato, “High-speed 100 MHz strain monitor using fiber Bragg grating and optical filter for magnetostriction measurements under ultrahigh magnetic fields,” Rev. Sci. Instrum. 88 083906 (2017).
１８．  H. Fu, W. Zhang, C. Mou, X. Shu, L. Zhang, S. He and I. Bennion, “High-Frequency Fiber Bragg Grating Sensing Interrogation System Using Sagnac-Loop-Based Microwave Photonic Filtering,” IEEE Photonics tech. lett. 21 (8) 519 (2009).
１９．  J. Zhou, L. Xia, R. Chengy, Y. Wen and J. Rohollahnejad, “Radio-frequency unbalanced M-Z interferometer for wavelength interrogation of fiber Bragg grating sensors,” Opt. Lett. 41 (2) 313-316 (2016).
２０．  H. Xia, C. Wang, S. Blais, and J. Yao, “Ultrafast and Precise Interrogation of Fiber Bragg Grating Sensor Based on Wavelength-to-Time Mapping Incorporating Higher Order Dispersion,” J. Lightwave. Technol. 28 (3) 254-261 (2010).
２１．  A. D. Kersey, T. A. Berkoff and W. W. Morey, “High-resolution fiber-grating based strain sensor with interferometric wavelength-shift detection,” Electronics Lett. 28 (3) 236-238 (1992).
２２．  X Dong, LY Shao, HY Fu, HY Tam and C. Lu, “FBG sensor interrogation based on RF signal measurement,” Proc. of SPIE 7004 700423 (2008).
２３．  J. Frieden, J. Cugnoni, J. Botsis, T. Gmuer and D.Coric, “High-speed internal strain measurements in composite structures under dynamic load using embedded FBG sensors,” Compos. Struct. 92 1905-1912 (2010).
２４．  A. A. Giordana, E. E. Sicre and R. Duchowicz, “Simple wavelength-to-phase mapping FBG’s interrogation method,” Optics and Lasers in Engineering 55 221-225 (2014).
２５．  R. D. Sante,”Fibre Optic Sensors for Structural Health Monitoring of Aircraft Composite Structures: Recent Advances and Applications,” Sensors 15 18666-18713 (2015).
２６．  Y. Yuan, “Recent Advances in Trust Region Algorithms.” Math. Program. 151 249-281 (2015).
２７．  K. Levenberg, “A Method for the Solution of Certain Problems in Least Squares,” Quart. Appl. Math. 2 164-168 (1944).
２８．  D. Marquardt, “An Algorithm for Least-Squares Estimation of Nonlinear Parameters,” SIAM J. Appl. Math. 11 431-441 (1963).
【図１】
2021529300.tif 000027
【図２】
2021529300.tif 000028
【図３】
2021529300.tif 000029
【図４】
2021529300.tif 000030
【図５】
2021529300.tif 000031
【図６】
2021529300.tif 000032
【図７】
2021529300.tif 000033
【図８】
2021529300.tif 000034
【図９】
2021529300.tif 000035
【国際調査報告】
2021529300.tif 000036
2021529300.tif 000037
2021529300.tif 000038
2021529300.tif 000039
2021529300.tif 000040
2021529300.tif 000041