(57)【要約】  いくつかの実施形態によると、ファイバセンサは：  約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長で動作するよう構成され、更に伝送端部、別の端部、ファイバ外径、及びファイバ長によって画定された、光ファイバを備え、上記ファイバは：  （ａ）シングルモードコア部分及びマルチモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに  （ｂ）上記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッドを備える。
2020514724.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長で動作するよう構成され、更に伝送端部、別の端部、ファイバ外径、及びファイバ長によって画定された、光ファイバを備える、ファイバセンサであって、
前記ファイバは：
シングルモードコア部分及びマルチモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに
前記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッド
を備える、ファイバセンサ。
【請求項２】
前記シングルモードコア部分はＧｅＯ２を含み、
前記シングルモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、６重量％〜５０重量％である、請求項１に記載のファイバセンサ。
【請求項３】
前記マルチモードコア部分は、０〜４５重量％のＧｅＯ２を含み、
前記マルチモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、５．５重量％〜３５重量％であり、又は
前記マルチモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、５〜２０重量％である、請求項１又は２に記載のファイバセンサ。
【請求項４】
（ｉ）前記ファイバ長は約１０ｍ〜１００ｋｍであり；並びに／又は
（ｉｉ）前記ファイバの前記伝送端部の前記コアは、前記ファイバ内に、約１マイクロメートル〜約１００マイクロメートルのスポットサイズを有する単一の光源からの入射光を受信するよう配設及び構成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のファイバセンサ。
【請求項５】
前記シングルモードコア部分は、最大相対屈折率Δ３１を有し、
前記マルチモード差分コア部分は、最大相対屈折率Δ３２を有し、
０．２％≦Δ３１−Δ３２≦１％である、請求項１〜４のいずれか１項に記載のファイバセンサ。
【請求項６】
前記ファイバの前記伝送端部は、光源からの光が前記ファイバの前記伝送端部において前記コアに入射した後に、前記シングルモードコア部分及び前記マルチモードコア部分の両方から放出される、全後方散乱信号を発する、請求項１〜５のいずれか１項に記載のファイバセンサ。
【請求項７】
前記全後方散乱信号は、基準シングルモードコア光ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より大きなＳＮ比を有し、例えば：
（ｉ）前記全後方散乱信号は、基準シングルモードコア光ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より少なくとも２倍大きなＳＮ比を有するか；又は
（ｉｉ）前記全後方散乱信号は、ＳＭＦ‐２８（登録商標）ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より少なくとも２倍大きなＳＮ比を有する、請求項６に記載のセンサ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のファイバセンサシステムであって、
前記光ファイバは、約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長でのシングルモード動作又はいくつかのモードでの動作のために構成され、
前記ファイバセンサシステムは更に：
入射光のスポットを、前記ファイバの前記伝送端部において、前記コアの少なくとも一部分へと配向するよう構成された、光源；
前記入射光のスポットが、前記ファイバの前記伝送端部において、前記ハイブリッドコアに入射した後に、前記ハイブリッドコアから放出される全後方散乱信号を受信するよう構成された、レシーバ；並びに
前記後方散乱信号を処理して、前記ファイバに近接した又は接触した特徴部分に対応するセンサ測定値を得るよう構成された、信号問い合わせ要素
を備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載のファイバセンサシステム。
【請求項９】
（ｉ）シングルモードコア部分及びマルチモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに
（ｉｉ）前記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッド、
を備える、光ファイバであって、
前記マルチモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、５．５重量％〜３５重量％である、光ファイバ。
【請求項１０】
前記シングルモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、６重量％〜５０重量％であり、
前記シングルモードコア部分は最大相対屈折率Δ３１を有し、
前記マルチモード差分コア部分は最大相対屈折率Δ３２を有し、
０．２％≦Δ３１−Δ３２≦１％である、請求項９に記載の光ファイバ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に、分布型ファイバセンサ及びファイバセンサシステムに関する。より詳細には、本開示は、感知に関してレイリー散乱メカニズムに依存する、ハイブリッドマルチコアファイバを採用した上述のようなセンサ及びセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レイリー散乱に依存する分布型ファイバセンサ及びシステムは、構造ヘルスモニタリング（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｈｅａｌｔｈ  ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ：ＳＨＭ）、地盤工学、送電線、石油及びガス管路、並びに油田及びガス田を含むがこれらに限定されない多数の用途に採用されている。特にこれらのセンサ及びシステムは、レイリー散乱メカニズムを採用して、温度、圧力、歪み、音波、及び他のパラメータを、１ｍ未満の空間分解能で測定できる。
【０００３】
レイリー散乱に依存する従来のアプローチは、多くの場合、遠距離通信グレードの光ファイバを分布型ファイバセンサ及びシステム内に採用して、これらの測定値（例えば温度、圧力、歪み等）を得る。このような光ファイバに依存する分布型ファイバセンサ及びシステムは、様々な欠点を有する。例えば、入射した信号の光学的パワーは、ファイバ内での低閾値の非線形効果によって制限され得る。その結果、散乱信号は、特に伝送端部から離れたファイバの遠位端において、低くなることが多い。別の例として、これらの光ファイバ内での減衰によっても、特に数十キロメートルのファイバスパンに関して、ファイバの遠位端において散乱信号が制限され得る。更に、シングルモード動作のために構成された遠距離通信グレードのファイバ内での光学的パワーは、このようなファイバの開口数が少ないことにより、低くなる場合が多い。これら全ての影響により、遠距離通信グレードの光ファイバを採用した従来の分布型ファイバセンサ及びシステムに関連するＳＮ比が低下する傾向がある。
【０００４】
光ファイバ及びレイリー散乱メカニズムに依存する分布型ファイバセンサ及びシステムは、様々な用途（例えば地盤工学、送電線等）において採用され続けているため、これらのセンサ及びシステムの使用は、ますます長い距離におけるその有効性によって最終的に制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、光信号をより低い損失及びより高いＳＮ比で伝送できる光ファイバを採用した、分布型ファイバセンサ及びファイバセンサシステムに対する需要が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示のある態様によると、ファイバセンサは：約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長で動作するよう構成され、更に伝送端部、別の端部、ファイバ外径、及びファイバ長によって画定された、光ファイバを備え、上記ファイバは：
シングルモードコア部分及びマルチモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに
上記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッド
を備える。
【０００７】
本開示の更なる態様によると、上記シングルモードコア部分はＧｅＯ２を含み、上記シングルモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、６重量％〜５０重量％である。
【０００８】
いくつかの実施形態では、上記マルチモードコア部分は、０〜４５重量％のＧｅＯ２、例えば５〜４５重量％のＧｅＯ２、又は５．５〜４５重量％のＧｅＯ２を含む。いくつかの実施形態では、上記マルチモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、５．５重量％〜３５重量％である。いくつかの実施形態では、上記マルチモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、５〜２０重量％である。いくつかの実施形態では、上記マルチモードコア部分は、０〜４５重量％のＧｅＯ２、及び０．５〜３重量％のＣｌを含む。
【０００９】
これらのファイバセンサの態様の他の実装形態では、上記マルチコアファイバは、その長さが約１０ｍ〜約１００ｋｍとなるよう構成される。更に、上記ファイバ長は、特定の実装形態において、約１０ｍ、２０ｍ、３０ｍ、４０ｍ、５０ｍ、６０ｍ、７０ｍ、８０ｍ、９０ｍ、１００ｍ、１５０ｍ、２００ｍ、２５０ｍ、３００ｍ、３５０ｍ、４００ｍ、４５０ｍ、５００ｍ、５５０ｍ、６００ｍ、６５０ｍ、７００ｍ、７５０ｍ、８００ｍ、８５０ｍ、９００ｍ、９５０ｍ、１ｋｍ、５ｋｍ、１０ｋｍ、１５ｋｍ、２０ｋｍ、２５ｋｍ、３０ｋｍ、３５ｋｍ、４０ｋｍ、４５ｋｍ、５０ｋｍ、５５ｋｍ、６０ｋｍ、６５ｋｍ、７０ｋｍ、７５ｋｍ、８０ｋｍ、８５ｋｍ、９０ｋｍ、９５ｋｍ、１００ｋｍ、及びこれらの指定された長さの間のあらゆる長さの値に設定できる。
【００１０】
更なる実装形態では、上記シングルモードコア部分は、最大相対屈折率Δ３１を有し、上記マルチモード差分コア部分は、最大相対屈折率Δ３２を有し、０．２％≦Δ３１−Δ３２≦１％である。
【００１１】
上記ファイバの上記伝送端部の上記コア部分は、上記ファイバ内に、約５マイクロメートル〜約１００マイクロメートル（直径）のスポットサイズを有する単一の光源からの入射光を受信するよう配設及び構成される、請求項１に記載のセンサ。
【００１２】
更に、上記ファイバセンサのいくつかの実装形態は：約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長で動作するよう構成され、更に伝送端部、別の端部、ファイバ外径、及びファイバ長によって画定された、光ファイバを備え、上記ファイバは：
シングルモードコア部分及びマルチモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに
上記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッド
を備え、
更に、上記ファイバの上記伝送端部は、光源からの光が上記ファイバの上記伝送端部において上記コアに入射した後に、上記シングルモードコア部分及び上記マルチモードコア部分の両方から放出される、全後方散乱信号を発する。
【００１３】
いくつかの実施形態では、上記ハイブリッドコアから放出される上記全後方散乱信号は、基準シングルモードコア光ファイバから得られる後方散乱信号からのＳＮ比より高いＳＮ比を有し、またいくつかの実施形態では、上記ハイブリッドコアから放出される上記全後方散乱信号は、基準シングルモードコア光ファイバから放出される後方散乱信号からのＳＮ比より少なくとも２５％（例えば少なくとも３０％、少なくとも４０％、又は少なくとも５０％）高いＳＮ比を有する。いくつかの実施形態では、上記ハイブリッドコアから放出される上記全後方散乱信号は、ＳＭＦ‐２８（登録商標）ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より少なくとも２５％（例えば少なくとも３０％、少なくとも４０％、又は少なくとも５０％）高いＳＮ比を有する。
【００１４】
上記ハイブリッドコアファイバのいくつかの実施形態では、上記ハイブリッドコアから放出される上記全後方散乱信号は、基準シングルモードコア光ファイバからの後方散乱信号より、少なくとも１ｄＢだけ大きい（例えば少なくとも１．５ｄＢだけ大きい）。いくつかの実施形態では、上記ハイブリッドコアから放出される上記全後方散乱信号は、ＳＭＦ‐２８ファイバからの後方散乱信号より、少なくとも１ｄＢだけ（例えば少なくとも１．５ｄＢだけ）大きい。
【００１５】
いくつかの実施形態では、上記ハイブリッドコアから放出される上記全後方散乱信号は、基準シングルモードコア光ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より少なくとも１００％、少なくとも２００％、少なくとも２５０％、少なくとも３００％、少なくとも３５０％、又は４００％高いＳＮ比を有する。いくつかの実施形態では上記ハイブリッドコアから放出される上記全後方散乱信号は、ＳＭＦ‐２８ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より少なくとも１００％、少なくとも２００％、少なくとも２５０％、少なくとも３００％、少なくとも３５０％、又は４００％高いＳＮ比を有する。
【００１６】
これらのファイバセンサシステムの別の例示的実装形態は：
約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長でのシングルモード動作又はいくつかのモードでの動作のために構成され、更に伝送端部、別の端部、ファイバ外径、及びファイバ長によって画定された、光ファイバであって、上記ファイバは：
マルチモードコア部分及びシングルモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに
上記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッド
を備える、光ファイバ；
入射光のスポットを、上記ファイバの上記伝送端部において、上記コアの少なくとも一部分へと配向するよう構成された、光源；
上記入射光のスポットが、上記ファイバの上記伝送端部において、上記ハイブリッドコアに入射した後に、上記ハイブリッドコアから放出される全後方散乱信号を受信するよう構成された、レシーバ；並びに
上記後方散乱信号を処理して、上記ファイバに近接した又は接触した特徴部分に対応するセンサ測定値を得るよう構成された、信号問い合わせ要素
を備える。
【００１７】
いくつかの実施形態によると、上記センサ測定値は、温度、圧力、歪み、変位及び雑音からなる群からの１つ以上の特徴を含む。
【００１８】
上記ファイバセンサシステムの他の実施形態によると、本開示中で概説される上述のハイブリッドコアファイバ及びファイバセンサの構成のうちのいずれを、上記システムに採用できる。上記ファイバセンサシステムの特定の態様では、上記センサ測定値は、温度、圧力、歪み、変位及び雑音からなる群からの１つ以上の特徴を含むことができる。
【００１９】
上記ファイバセンサシステムの特定の実装形態では、上記システムは、構造体、送電線、石油ライン若しくはパイプ、ガスライン若しくはパイプ、配水ライン若しくはパイプ、基礎、道路、導管、水路、貯水池、井戸、又はその他の地盤工学的特徴部分の、状態、完全性、性能及び／又は特性の監視に使用するために構成される。
【００２０】
いくつかの実施形態によると、光ファイバは：
（ｉ）シングルモードコア部分及びマルチモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに
（ｉｉ）上記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッド
を備え、
上記マルチモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、５．５重量％〜３５重量％である。
【００２１】
いくつかの実施形態によると、上記シングルモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、６重量％〜５０重量％である。いくつかの実施形態によると、上記シングルモードコア部分は最大相対屈折率Δ３１を有し、上記マルチモード差分コア部分は最大相対屈折率Δ３２を有し、０．２％≦Δ３１−Δ３２≦１％である。
【００２２】
更なる特徴及び利点は、以下の「発明を実施するための形態」に記載され、またその一部は、当業者には、「発明を実施するための形態」の記載から容易に明らかとなるか、又は以下の「発明を実施するための形態」、請求項及び添付の図面を含む本明細書に記載される実施形態を実践することにより認識されるであろう。
【００２３】
以上の「発明の概要」及び以下の「発明を実施するための形態」はいずれも例示的なものにすぎず、請求項の本質及び特性を理解するための概観又は枠組みを提供することを意図したものであることを理解されたい。添付の図面は、更なる理解を提供するために含まれており、また本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成する。これらの図面は、１つ以上の実施形態を図示し、本記載と併せて、様々な実施形態の原理及び動作を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】本開示のある態様による、ハイブリッドコア光ファイバを採用したファイバセンサの軸方向断面概略図
【図１Ｂ】図１Ａに示すファイバのファイバセンサ部分の横断面概略図
【図１Ｃ−１Ｇ】図１Ａ及び１Ｂに示すファイバ５０のいくつかの実施形態の相対屈折率プロファイルの概略図
【図２】別のファイバセンサの軸方向断面概略図
【図３】図１Ａ及び１Ｂに示すファイバのある製造実施形態の相対屈折率（プロファイルＡ）
【図４】ＳＭＦ‐２８ファイバに接合された図３に示す屈折率プロファイルを有するハイブリッドコアファイバ５０の概略図
【図５】図４に示すような図３のハイブリッドコアファイバ５０（〜１ｋｍ）と共に配置されたＳＭＦ‐２８ファイバ（〜１ｋｍ）に関する、ＯＴＤＲトレースを示す。光はＳＭＦ‐２８ファイバ（ＯＴＤＲトレースの左側部分）へと入射した。
【図６】本開示のある態様によるハイブリッドコア光ファイバを採用したファイバセンサシステムの概略斜視図
【図７Ａ】光源から、図６に示すファイバセンサシステムの光ファイバ中のコアに配向された入射光の、拡大端部概略図
【図７Ｂ】光源から、図６に示すファイバセンサシステムの光ファイバ中のコアに配向された入射光の、拡大端部概略図
【図７Ｃ】光源から、図６に示すファイバセンサシステムの光ファイバ中のコアから放出された後方散乱光信号の、拡大端部概略図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本明細書中で説明される光ファイバと組み合わせて、以下の用語法を使用する：
本明細書中で使用される場合、用語「屈折率プロファイル」又は「相対屈折率プロファイル」は、屈折率又は相対屈折率とファイバの半径Ｒとの間の関係である。
【００２６】
本明細書中で使用される場合、用語「相対屈折率」は：
【００２７】
【数１】
2020514724.tif 000003
【００２８】
として定義され、ここでｎ（ｒ）は、特段の記載がない限り、光ファイバの半径ｒにおける屈折率であり、またｒ＝０は、ファイバの中心線に対応する。相対屈折率は、特段の記載がない限り、１５５０ｎｍにおいて定義される。本明細書に記載の実施形態では、基準屈折率ｎＲＥＦは、純（即ち非ドープ）シリカガラスの屈折率である。本明細書中で使用される場合、相対屈折率はΔで表され、その値は、特段の記載がない限り、「％」を単位として与えられる。ある領域の屈折率が基準屈折率ｎＲＥＦ未満である場合、相対屈折率のパーセントは負となり、抑制領域又は抑制屈折率を有すると表現され、最小相対屈折率は、特段の記載がない限り、相対屈折率が最も負となる点で計算される。ある領域の屈折率が基準屈折率ｎＲＥＦより大きい場合、相対屈折率のパーセントは正となり、上記領域は、上昇している、又は正の屈折率を有すると表現できる。
【００２９】
本明細書中で使用される場合、用語「アップドーパント」は、純非ドープＳｉＯ２に比べてガラスの屈折率を上昇させるドーパントを指す。本明細書中で使用される場合、「ダウンドーパント」は、純非ドープＳｉＯ２に比べてガラスの屈折率を低下させる傾向を有するドーパントを指す。アップドーパントは、アップドーパントではない１つ以上の他のドーパントを伴う場合、負の相対屈折率を有する光ファイバのある領域中に存在してよい。同様に、アップドーパントではない１つ以上の他のドーパントが、正の相対屈折率を有する光ファイバのある領域中に存在してよい。ダウンドーパントは、ダウンドーパントではない１つ以上の他のドーパントを伴う場合、正の相対屈折率を有する光ファイバのある領域中に存在してよい。同様に、ダウンドーパントではない１つ以上の他のドーパントが、負の相対屈折率を有する光ファイバのある領域中に存在してよい。
【００３０】
本明細書中で使用される場合、光ファイバの開口数（ＮＡ）は、ＩＥＣ‐６０７９３‐１‐４３（ＴＩＡ  ＳＰ３‐２８３９‐ＵＲＶ２  ＦＯＴＰ‐１７７）、名称「測定方法及び試験手順：開口数（Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ｔｅｓｔ  Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ：  Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ）」に記載されている方法を用いて測定された開口数を意味する。
【００３１】
用語「マイクロメートル」及び「μｍ」は、本明細書中では、相互交換可能なものとして使用される。用語「ナノメートル」及び「ｎｍ」は、本明細書中では、相互交換可能なものとして使用される。
【００３２】
これより、本発明の好ましい実施形態について詳細に言及する。その例は添付の図面に図示されている。可能な限り、図面全体を通して、同一又は類似の部分を指すために同一の参照番号を使用する。
【００３３】
本開示では、低い信号損失及び高いＳＮ比を特徴とする、感知に関してレイリー散乱メカニズムに依存する分布型ファイバセンサファイバセンサシステムについて、例示的に概説する。より詳細には、本開示は、ハイブリッドコアファイバを採用した分布型センサ及びセンサシステムについて詳述する。
【００３４】
図１Ａ、１Ｂ及び１Ｃを参照すると、本開示のある態様による、ファイバセンサ１００が概略図で示されている。ファイバセンサ１００は、光源１１０、光源１１０に連結された光ファイバ５０、及び光ファイバ５０が供給する後方散乱光を受信／検出するために光ファイバ５０に光学的に連結された、レシーバ１１０ａを含む。後方散乱光は、戻って光源に衝突しないように偏向され、光学部品１１２、例えばビームスプリッタ、ファイバカプラ、又はサーキュレータによってレシーバ１１０ａへと配向される。光ファイバ５０は、長さ５２、ファイバ外径５４、伝送端部１０ａ（上記ファイバの第１の端部）、別の端部（第２の端部）１０ｂ、及びハイブリッドコア３０によって画定される。図１、１Ａ及び１Ｂに例示的に示されているように、ファイバコア３０は、シングルモードコア部分３１（内側コア部分）及びマルチモードコア部分３２（外側コア部分）を内包する。光ファイバ５０はクラッド４０も含み、これはハイブリッドコア３０を取り囲み、また外側クラッド直径４４を有する。上記光ファイバは保護コーティング５１を含み、これは、クラッド４０の周りに配置された１つ以上のコーティング層を備える。コーティングされたファイバは、外径５４を有する。
【００３５】
ファイバセンサ１００のいくつかの実施形態では、光ファイバ５０は、約１０ｍ〜約１００ｋｍの長さ５２によって画定される。特定の実施形態では、ファイバ長５２は、約１０ｍ、２０ｍ、３０ｍ、４０ｍ、５０ｍ、６０ｍ、７０ｍ、８０ｍ、９０ｍ、１００ｍ、１５０ｍ、２００ｍ、２５０ｍ、３００ｍ、３５０ｍ、４００ｍ、４５０ｍ、５００ｍ、５５０ｍ、６００ｍ、６５０ｍ、７００ｍ、７５０ｍ、８００ｍ、８５０ｍ、９００ｍ、９５０ｍ、１ｋｍ、５ｋｍ、１０ｋｍ、１５ｋｍ、２０ｋｍ、２５ｋｍ、３０ｋｍ、３５ｋｍ、４０ｋｍ、４５ｋｍ、５０ｋｍ、５５ｋｍ、６０ｋｍ、６５ｋｍ、７０ｋｍ、７５ｋｍ、８０ｋｍ、８５ｋｍ、９０ｋｍ、９５ｋｍ、１００ｋｍ、及びこれらの指定された長さの間のあらゆる長さの値に設定できる。更に、本開示の他の態様は、１００ｋｍを超えるファイバ長５２を有する光ファイバ５０を含み、これは、ＳＮ比及び／又は空間分解能に関する要件が比較的厳しくない（例えば＞１ｍである）ファイバセンサ１００のいくつかの用途に関して実現可能である。
【００３６】
いくつかの態様では、本開示のファイバセンサ１００に採用される光ファイバ５０は、約５０マイクロメートル〜約５００マイクロメートルのクラッド直径４４を有してよい。更に、これらの態様で採用されるファイバ５０は、約５０マイクロメートル、７５マイクロメートル、１００マイクロメートル、１２５マイクロメートル、１５０マイクロメートル、２００マイクロメートル、３００マイクロメートル、４００マイクロメートル、５００マイクロメートル、及びこれらの指定された直径の間のあらゆる直径のクラッド直径４４を有するように構成できる。
【００３７】
いくつかの態様では、本開示のファイバセンサ１００に採用されるコーティング済み光ファイバ５０は、約１００マイクロメートル〜約１０００マイクロメートルの外側ファイバ直径５４を有する。更に、これらの態様で採用されるファイバ５０は、約１００マイクロメートル、１５０マイクロメートル、２００マイクロメートル、２５０マイクロメートル、３００マイクロメートル、４００マイクロメートル、５００マイクロメートル、７５０マイクロメートル、１０００マイクロメートル、及びこれらの指定された直径の間のあらゆる直径の外側ファイバ直径５４を有するように構成できる。
【００３８】
再び図１、１Ａ及び１Ｂを参照すると、光ファイバ５０、より詳細にはコア３０及びクラッド４０は、典型的にはシリカ組成物で製作される。更に、光ファイバ５０、より詳細にはコア３０のシングルモード部分３１及びマルチモード部分３２並びにクラッド４０は、好ましくは、約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長でのシングルモード及びマルチモード動作に十分な、ファイバ内の全体的な屈折率プロファイルを達成するために、様々なドーパントレベルを有するように構成される。特定の態様では、コア３０は、コア３０の屈折率を（純シリカに比べて）上昇させるための１つ以上のドーパント、例えばＧｅＯ２、Ｐ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３でドープされたシリカである。特定の実装形態では、クラッド４０は、クラッドの屈折率を低下させるための１つ以上のドーパント、例えばＦ、Ｂ２Ｏ３でドープされる。
【００３９】
例えば図１Ａ、１Ｂ及び１Ｃに示す実施形態において図示されているように、光ファイバ５０は、そのコア部分３１、３２が、本開示のファイバセンサ１００の実装形態によるファイバの中心軸８０の周りに対称に配設されるように、構成される。この実施形態では例えば、コア部分３１は、光軸に関してセンタリングされ、３００ｎｍ〜２０００ｎｍ、例えば１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長λ１に関してシングルモードとなっている。好ましくは、コア部分３１の外半径は、３〜６μｍである。コア部分３２は環状であり、コア部分３１を取り囲み、いくつかの実施形態（図１Ｃ〜１Ｆを参照）では、コア３１に直接隣接して配置される。いくつかの実施形態によると、コア部分３２の内半径及び外半径は、それぞれ３〜１０μｍ（例えば２〜６μｍ）及び１０〜１００μｍである。
【００４０】
いくつかの実施形態ではコア部分３２は、同一の波長λ１に関して（例えば３００ｎｍ〜２０００ｎｍに関して）マルチモードとなっている。いくつかの実施形態では、コア部分３２は、６００ｎｍ〜１６００ｎｍ、又は１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長に関してマルチモードとなっている。１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長は、シリカ系コアファイバに関する低損失（低減衰）ウィンドウ内に位置し、１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲内に位置する波長でファイバセンサ１００を動作させることにより、収集された後方散乱光の最大量がレシーバ１１０ａに供給され、従ってＳＮ比及びシステムの検出感受性が最大化される。従って、レシーバ１１０ａは好ましくは、１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長範囲内の後方散乱光を受信するように構成される。
【００４１】
いくつかの実施形態では、内側コア部分３１及び外側コア部分３２（例えば図１Ｇを参照）は、低屈折率層３３によって（即ち、コア部分３１、３２の最大屈折率より小さな最大屈折率を有する層３３によって）隔てられる。このように低屈折率層３３によって隔てられることにより、マルチモードコア３２への結合部分から、ファイバコア部分３１を通って（ファイバの伝送端部１０ａから端部１０ｂに向かって）伝播する光の量が最小化される。いくつかの実施形態では、コア部分３２の外半径は１０〜５０μｍであり、クラッド４０の外半径は５０〜７５μｍである（外径４４は約１００〜１５０μｍ、例えば１２５μｍである）。いくつかの実施形態では、コア部分３２の外半径は１０〜５０μｍ（例えば２０μｍ、２２μｍ、２５μｍ、３０μｍ、３５μｍ、４０μｍ、４５μｍ、５０μｍ、又はこれらの間のいずれの値）である。
【００４２】
図１Ｇに対応するある例示的実施形態では、ファイバは：（ｉ）最大約２５重量％のＧｅＯ２でドープされたシリカであり、約４μｍの外半径を有する、内側コア部分（シングルモードコア部分３１）；並びに（ｉｉ）最大約１８重量％のＧｅＯ２でドープされ、約２０μｍの内半径及び約５０μｍの外半径を有する、最外コア部分（マルチモードコア部分３２）を有する。この実施形態では、ファイバコア３０の低屈折率コア層３３（即ち、コア部分３１、３２の屈折率より小さな屈折率を有するコア層）は、（純（非ドープ）シリカガラスに対する）最大相対屈折率Δ３３を有し、１５重量％のＧｅＯ２でドープされ、コア部分３１とコア部分３２との間に挟まれている。確認できるように、この例示的なファイバのコア３０全体は、純シリカに対してドープされておらず、この場合、コアの各部分は、少なくとも１５重量％のＧｅＯ２を含む領域を有する。この例示的実施形態では、クラッド４０は純シリカであり、フッ素及びホウ素を含有しない。いくつかの実施形態では、クラッド４０は、フッ素及び／又はホウ素でダウンドープされている。
【００４３】
いくつかの実施形態では層３３は、１５重量％未満（例えば３重量％又はそれ以上）のＧｅＯ２でドープされたシリカであってよい。いくつかの例示的実施形態では、層３３は、５重量％のＧｅＯ２、１０重量％のＧｅＯ２、１５重量％のＧｅＯ２、又はこれらの間のいずれの量のＧｅＯ２でドープされたシリカである。いくつかの実施形態では、層３３は、その最大相対屈折率Δ３３がコア部分３２の最大相対屈折率Δ３２未満となる限り、１５重量％超のＧｅＯ２を含む。
【００４４】
図１Ｃにも示されているように、光ファイバ５０は、そのシングルモードコア部分３１が、波長６００〜１６００ｎｍ（例えば１２００〜１６００ｎｍ）において、マルチモードコア部分３２より有意に高い屈折率を有するように、構成される。いくつかの実施形態では、（純（非ドープ）シリカガラス）の最大相対屈折率に対する）コア部分３１の最大相対屈折率Δ３１は約０．４％〜３％である。更に、コア部分３１は、約０．４％、０．５％、０．６％、０．７％、０．８％、０．９％、１％、１．２％、１．５％、１．８％、２％、２．２％、２．５％、又は３％、及びこれらの指定された値の間のあらゆる範囲の相対屈折率Δ３１を有するように構成できる。対照的に、例えばＳＭＦ‐２８では、コアは（純シリカに対して）０．３４の最大相対屈折率を有する。
【００４５】
いくつかの実施形態では、（純（非ドープ）シリカガラス）の最大相対屈折率に対する）波長６００〜１６００ｎｍにおけるマルチモードコア部分３２の最大相対屈折率Δ３２は、純シリカに対して約０〜約２．７％、いくつかの実施形態では０．１％〜２．７％であってよい。更に、コア部分３２は、約０．１％、０．２％、０．３％、０．４％、０．５％、０．６％、０．７％、０．９％、１％、１．５％、２％、２．３％、２．５％、又は２．７％、及びこれらの指定された値の間のあらゆる範囲のΔ３２を有するように構成できる。本明細書に記載の実施形態では、Δ３１＞Δ３２である。
【００４６】
いくつかの実施形態では、Δ３１とΔ３２との間の差は、約０．３％〜約０．６％である。いくつかの実施形態では、０．３３％≦Δ３１−Δ３２≦０．５％である。例えば、Δ３１−Δ３２は、０．３％、０．３１％、０．３３％、０．３７％、０．４％、０．４３％、０．４６、０．５％、０．５５％、０．６％、及びこれらの指定された値の間のあらゆる範囲であってよい。
【００４７】
クラッドは、純シリカに対する最大相対屈折率Δ４０を有する。いくつかの例示的実施形態では、０％≦Δ４０≦−１％である。いくつかの例示的実施形態では、０．１％≦Δ４０≦−０．７％である。いくつかの例示的実施形態では、４％≧Δ３１−Δ４０≧０．４％である。いくつかの例示的実施形態では、３％≧Δ３１−Δ４０≧０．４％である。いくつかの例示的実施形態では、１．５％≧Δ３１−Δ４０≧０．３％である。いくつかの例示的実施形態では、１．５％≧Δ３１−Δ４０≧０．４％である。例えばΔ３１−Δ４０は、０．３％、０．４％、０．５％、０．６％、０．７％、０．８％、０．９％、１％、１．５％、２％、２．５％、３％、３．５％、４％、及びこれらの間のいずれの値であってよい。
【００４８】
いくつかの例示的実施形態では、２．７≧Δ３１−Δ４０≧０％である。いくつかの例示的実施形態では、１．５％≧Δ３２−Δ４０≧０．１％（例えば０．１％、０．１５％、０．２％、０．２５％、０．３％、０．４％、０．５％、０．６％、０．７％、０．８％、０．９％、１％、１．２５％、１．５％、及びこれらの間のいずれの値）である。
【００４９】
コア層３３を内包するいくつかの実施形態では、Δ３１＞Δ３２かつΔ３２＞Δ３３であり、Δ３２とΔ３３との間の差は約０．１％〜１％である。
【００５０】
本開示のいくつかの態様では、ファイバ５０のコア３０は、約２０マイクロメートル〜約１００マイクロメートルの外側コア直径３４を有するように構成される。他の態様では、ファイバ５０のコア３０は、好ましくは、約３０マイクロメートル〜約１００マイクロメートル、又は４０〜１００マイクロメートルの外側コア直径３４を有するように構成される。
【００５１】
レイリー散乱をベースとした分布型感知システム（例えば図２を参照）では、光ファイバ内の位置ｚで発生するレイリー散乱による、レシーバが検出する後方散乱光信号１５０ｄのパワーＰｓは：
【００５２】
【数２】
2020514724.tif 000004
【００５３】
であり、ここでＰ０は、位置ｚ＝０においてファイバに供給される入射光１５０ａのパワーであり、Ｃは、散乱光の捕捉係数であり、αｓはレイリー散乱係数（レイリー散乱による損失係数）であり、α０は、他の因子による損失に関する損失係数である。
【００５４】
光ファイバ内の後方散乱光の捕捉係数は：
【００５５】
【数３】
2020514724.tif 000005
【００５６】
として定義されるファイバの捕捉係数Ｃに関連（比例）し、ここでＮＡはコアの開口数であり、ｎ１はコアの屈折率であり、κはファイバコアのタイプに依存するパラメータである。階段状屈折率コアプロファイルを有する複数のシングルモードコアのみを備えた典型的なシングルモードファイバに関して、κは約０．３８であり、典型的な段階的屈折率プロファイルのシングルモードファイバに関して、κは約０．２５である。図２に示すファイバセンサ１００で利用されるハイブリッドコアファイバ５０に関して、κはここでも（コアプロファイルの形状に応じて）０．２５〜０．３８となるが、ファイバ５０の開口数ＮＡは、典型的なシングルモード伝送ファイバの開口数より大きくなる。
【００５７】
典型的な最新のシングルモード伝送ファイバ（例えばＳＭＦ‐２８ファイバ等）では、レイリー散乱係数が低い（ファイバコア材料の品質が高い）こと、及びファイバのＮＡが小さいことによって捕捉係数が小さくなることにより、レイリー後方散乱光のパワーは極めて小さくなる。典型的なシングルモード伝送ファイバは、約０．１１〜０．１２の開口数（ＮＡ）を有する（例えばＳＭＦ〜２８ファイバに関して０．１２である）。本明細書に記載のハイブリッドコアファイバ５０は、０．１５超、例えば約０．２〜０．４（例えば０．２〜０．３）の開口数を有する。ハイブリッドコア３０の開口数が大きくなるほど、基準シングルモードファイバによって提供されるものに対して、検出されるパワーＰｓが高くなる。（本明細書中で言及されるように、基準シングルモードコアファイバは、光ファイバ５０のシングルモードコア部分３１と同一のシングルモードコア直径及びコア組成、並びに光ファイバ５０と同一のファイバクラッド直径、クラッド組成及び長さを有する。）同様に、ハイブリッドコア３０の開口数が大きくなるほど、ＳＭＦ‐２８ファイバによって提供されるものに対して、検出されるパワーＰが高くなる。
【００５８】
理論によって束縛されるものではないが、光ファイバ５０のハイブリッドコア３０中で、ファイバセンサ１００のレシーバ１１０ａへと伝送される、後方散乱信号は、基準シングルモードファイバを利用するセンサシステムで伝送されるものに比べて、振幅が大きく、またより高いパワーＰｓを有する。これは：（ｉ）内側コア部分３１のドープレベルが高いこと；並びに（ｉｉ）シングルモード部分３１（内側コア部分）及びマルチモード外側コア部分３２の両方を通って伝播する後方散乱光がより効率的に捕捉されることによる。（本明細書に記載の少なくともいくつかの実施形態では、基準シングルモードファイバは、ニューヨーク州コーニングのＣｏｒｎｉｎｇ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄから入手可能なＳＭＦ‐２８ファイバである。）従って、ハイブリッドコア構成を有する光ファイバ５０を採用するセンサシステムは、シングルモード伝送ファイバ（例えばＳＭＦ‐２８ファイバ）を感知用ファイバとして使用する典型的なセンサシステムに比べて、低い信号損失、高いＳＮ比、及び／又は良好な空間分解能を得ることができる。
【００５９】
よって、本発明者らは、シングルモードコア部分３１に隣接して配置された（例えば図１Ｂ、１Ｃ〜１Ｇ、又は図３を参照）、開口数が大きく（例えばＮＡ＞０．１５、又は０．１５≦ＮＡ≦０．４、又は０．２≦ＮＡ≦０．４）、直径が大きなマルチモードコア部分３２を用いて、後方散乱光の捕捉効率を向上させることができることを発見した。
【００６０】
従って、一実施形態では、シングルモードコア部分３１はマルチモードコア部分３２に取り囲まれ、光源からの光が主に（例えば光学的パワーの＞８０％、好ましくは光の光学的パワーの＞９０％、又は＞９５％までもが）コア３０のシングルモードコア部分３１へと入射する。後方散乱光は、シングルモードコア３１及びマルチモードコア３２の両方によって収集され、光検出器（レシーバ１１０ａ）へと供給される。これにより、後方散乱光は、マルチモードコア部分３２を含むコア３０全体によって、感知システムの光検出器へと案内される。ハイブリッドコア光ファイバ５０によって検出器に供給される後方散乱光に関連する光信号のパワーは、典型的なシングルモード伝送ファイバによって供給されるものよりもはるかに大きい。よって、ハイブリッドコア光ファイバ５０の使用により、感知システム１００のＳＮ比が、基準シングルモードファイバを利用した同等のシステムに比べて、及び／又はＳＭＦ‐２８ファイバを用いた同等のシステムに比べて、改善される。
【００６１】
図１Ｃは、ハイブリッドコア光ファイバ５０の相対屈折率プロファイルを示す。このファイバは、階段状屈折率マルチモードコア部分３２によって取り囲まれた、階段状屈折率プロファイルを有するシングルモードコア部分３１を利用する。図１Ｄ〜１Ｆに示すように、ハイブリッドコア３０の他の設計も可能である。なお、光ファイバ５０において、階段状屈折率又は段階的屈折率シングルモードコア部分３１を、段階的屈折率又は階段状屈折率マルチモードコア部分３２で取り囲んでもよい。
【００６２】
別の例示的実施形態では、ファイバセンサ１００は、ハイブリッドコアの基本モードのみを用いて動作することにより、ハイブリッドコア光ファイバ５０を分布型ファイバセンサ１００内で利用する。即ち、光のパルスはファイバに、基本波（ＬＰ０１）のみで入射し、後方散乱光（信号）は、同様に基本モードで収集されてレシーバへと供給される。（これは例えば、シングルモードファイバの小さなセクションを、ハイブリッドコアファイバ５０の伝送端部１０ａに接合することによって実施でき、これにより、高次モードがレシーバに到達できなくなる。）よってこの実施形態では、シングルモードファイバの上述の小さなセクションを、光ファイバ５０に連結でき、また基本モードの信号光をファイバ５０に入射させるため、及び基本モードの後方散乱光を光ファイバ５０から受信するために利用できる。これらの実施形態のファイバ５０は、図１Ｃ〜１Ｆに示されているファイバの屈折率プロファイルと同様の屈折率プロファイルを有してよい。しかしながら他の実施形態では、高次モードも検出でき、このような高次モードからの後方散乱信号を必要に応じて利用してもよい。
【００６３】
シングルモードコア部分３１は、基準シングルモードファイバの相対屈折率より大きな相対屈折率を有するため、光ファイバ５０のコア３０は、より多くのレイリー後方散乱信号を生成し、光ファイバ５０の感知性能を改善する。コア部分３１中の高レベルのＧｅ（例えば６重量％超、８重量％超、例えば１０〜５０重量％、又は６０重量％）も、後方散乱を増大させる。最後に、コア３０（一方又は両方ノコア部分）をＦ（例えば２〜５重量％）でドープしても、後方散乱が増大し、ファイバの後方散乱光捕捉効率が改善され、従ってファイバセンサのファイバ５０の感知性能が改善される。
【００６４】
ある例示的実施形態によると、ある相対屈折率プロファイルを有する、製造済みのハイブリッドコアファイバ５０が、図３に図示されており（プロファイルＡ）、ここでΔ３１、Δ３２及びΔ３１は８５０ｎｍで測定された。この光ファイバ５０は、最大相対屈折率Δ３１が約１．２８％のシングルモードコア部分３１を有するコア３０を備える。このファイバはまた、最大相対屈折率Δ３２が約０．８８％のマルチモードコア部分３２を備える。
【００６５】
図３（プロファイルＡ）のファイバの、波長１５５０ｎｍにおけるＭＦＤ（モードフィールド直径）は、９．７μｍである。典型的なシングルモードファイバ、例えばＣｏｒｎｉｎｇ  ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄから入手可能なＳＭＦ‐２８ファイバは、１５５０ｎｍの波長において約１０μｍのＭＦＤを有する。よって、図３（プロファイルＡ）のファイバ５０のＭＦＤは、ＳＭＦ‐２８ファイバ等の典型的なシングルモードファイバと基本的に同等である。ＳＭＦ‐２８ファイバのコアのサイズ（コアの外径）もまた、図３（プロファイルＡ）に対応するハイブリッドコアファイバ５０のコア部分３１と同等である。図３のプロファイルＡに対応する光ファイバ５０は、約２３重量％のＧｅＯ２でドープされたシリカである内側コア部分（シングルモードコア部分３１）、及び約１６重量％のＧｅＯ２でドープされた外側コア部分（マルチモードコア部分３２）を有する。この実施形態（プロファイルＡ）では、クラッド４０は純シリカであり、フッ素及びホウ素を含有しない。よってクラッド４０は、０である最大相対屈折率Δ４０を有する。この実施形態では、Δ３１−Δ４０は約１．３％であり、Δ３２−Δ４０は約０．８％である。なお、ＳＭＦ‐２８ファイバでは、コアの最大相対屈折率とクラッドの最大相対屈折率との間の差は、０．３４である（ＳＭＦ‐２８ファイバのクラッドは純シリカクラッドである）。
【００６６】
他の実施形態では、クラッド４０は、フッ素及び／又はホウ素ドープシリカを含んでよい（図３のプロファイルＢ）。より具体的には、プロファイルＢのファイバはプロファイルＡのファイバと同様であるが、コア及びクラッド中にフッ素が存在することにより、ファイバプロファイル全体が、プロファイルＡのファイバに対して下方にシフトされている。
【００６７】
一実施形態によると、図４に示すように、およそ１ｋｍの、図３に示す屈折率プロファイルを有するハイブリッドコアファイバ５０（プロファイルＡのファイバ）を、約１ｋｍのＳＭＦ‐２８（基準ファイバ）に接合した。この図に示されているように、これら２つのファイバは、ＳＭＦ‐２８ファイバのコア部分がファイバ５０のシングルモードコア部分３１に接合されるように整列されている。これら２つのファイバの間の適切な整列を保証するために、１５５０ｎｍの波長を有する光源（光はＳＭＦ‐２８ファイバに入射させた）と、基本モードのみがシングルモードコア部分３１に入射することを保証するためにビーム形状を監視するための、光ファイバ５０の出力のビームプロファイラ（市販）とを用いて、接合前のファイバ間整列を実施した。この実施形態では、整列を実施することにより、高次モードの光をファイバ５０に入射させることなく、ハイブリッドコアファイバ５０において主に基本モードを励起した。接合の完了後、標準的なＯＴＤＲユニットを用いて、この２つのファイバのシステムを通る後方散乱光を監視した。図５は、後方散乱光が２つの接合されたファイバを通って伝播する際の、後方散乱光のパワー（ｄＢ）を示すＯＴＤＲトレースである。より具体的には、ＳＭＦ‐２８ファイバ（比較用ファイバ）を光パルス試験器（ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｉｍｅ  ｄｏｍａｉｎ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ：ＯＴＤＲ）に接続し、波長１３１０ｎｍ及び１５５０ｎｍでのＯＴＤＲトレース（パワー（ｄＢ）として測定される、後方散乱光の量）を測定した（図５）。確認できるように、ハイブリッドコアファイバ５０からの後方散乱信号は、典型的なシングルモードファイバ、例えばＳＭＦ‐２８ファイバからの後方散乱光より有意に大きい。ＳＭＦ‐２８ファイバのシングルモードコアと、図３（プロファイルＡ）のファイバに関するコアのシングルモード部分３１との間の、測定された後方散乱光の差は、約１．３ｄＢである。しかしながらこの実験では、本発明者らは、ファイバ５０のマルチモード部分３２を通って伝播する光の量を測定しなかった。ファイバ５０のマルチモードコア部分３２によって収集されるこの追加の光を計算することにより、収集された信号の合計に更なる４ｄＢの改善を提供した。この例示的実施形態では、ＳＭＦ‐２８ファイバ（基準ファイバ）の代わりに光ファイバ５０を用いた場合の全体的な改善は、約５．３ｄＢであると計算され、これは、例えばＳＭＦ‐２８ファイバ等の基準シングルモードコア光ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より約３．５倍（即ち約３５０％）高いＳＮ比に相当する。この光ファイバ５０のＮＡは、約０．２である。
【００６８】
ハイブリッドコアファイバ５０のいくつかの実施形態では、ＮＡは０．３であり、またいくつかの実施形態では０．４である。これらのファイバのＳＮ比の全体的な改善は、例えばＳＭＦ‐２８ファイバ等の基準シングルモードコア光ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比に対して（ＮＡが０．３である場合）約６倍、又は（ＮＡが０．４である場合）約１１倍である。
【００６９】
本開示のファイバセンサ１００に関して、光ファイバ５０のハイブリッドコアとしての特性は、典型的なシングルモードコアファイバからよりも多くの後方散乱光を収集するという点で、有利である。例えば、入射光は、ファイバ５０の伝送端部１０ａにおいてシングルモードコア部分３１に入射でき、そして、シングルモードファイバを通って伝播するのと全く同様に、ファイバの他方の端部に向かって、シングルモードコア部分３１を通って伝播する。しかしながら、光ファイバ５０はマルチモードコア部分３２も含んでいるため、後方散乱光は、はるかに大きなコア（コア３０全体）に収集されることになり、従ってより多くの光が捕捉されてレシーバに供給され、より良好な信号の収集が可能となる。これにより、ファイバセンサ１００のＳＮ比の改善（より高い感受性）が得られる。
【００７０】
コアのシングルモード部分からだけでなく、コア３０全体から（シングルモードコア部分３１から、及びマルチモードコア部分３２から）後方散乱信号を受信する検出器又はレシーバ１１０ａは、より高い振幅（より大きなパワー）の後方散乱光信号を受信する。その結果、光ファイバ５０のこの特性により、コア３０から放出された全後方散乱信号に関して、典型的なシングルモードファイバから受信されるものよりも良好なＳＮ比（Ｓ／Ｎ）がもたらされ、これは、分布型感知用途のためのファイバセンサ１００における、より高い空間分解能につながる。更に、本開示の分野における当業者であれば、ファイバセンサ１００と共に使用するために選択された光源１１０からのスポットサイズに適応できるよう、特定のサイズ及び相対屈折率のコア部分３１及び３２を有するように、光ファイバ５０を構成できる。例えばいくつかの実施形態では、単一の光源からの入射光は、約５マイクロメートル、１０マイクロメートル、１５マイクロメートル、２０マイクロメートルのスポットサイズ、及びこれらの指定されたスポットサイズの間のあらゆるスポットサイズを有してよく、その一方で光ファイバ５０は、これに適合した（即ち略同一の）直径のコア部分３１を有してよい。また例えばいくつかの実施形態では、単一の光源からの入射光は、直径２０マイクロメートル、３０マイクロメートル、４０マイクロメートル、５０マイクロメートル、６０マイクロメートル、７０マイクロメートル、８０マイクロメートル、９０マイクロメートル、１００マイクロメートルのスポットサイズ、及びこれらの指定されたスポットサイズの間のあらゆるスポットサイズを有してよく、その一方で光ファイバ５０は、これに適合した（即ち略同一の）直径のコア部分３２を有してよい。
【００７１】
よって、ファイバセンサ１００のある実装形態によると、光ファイバ５０は、ファイバ５０の伝送端部１０ａにおいてコア３０から放出される全後方散乱信号が、基準シングルモードコアファイバから得られる後方散乱信号のＳＮ比より高いＳＮ比を有するように、構成できる。更に、光ファイバ５０のハイブリッドコア３０から放出される全後方散乱信号のＳＮ比は、基準シングルモードファイバから得られる後方散乱信号に関連するＳＮ比より、少なくとも約１．５倍高くなり得る。特定の態様では、光ファイバ５０のコア３０から放出される全後方散乱信号のＳＮ比は、基準シングルモードファイバから得られる後方散乱信号に関連するＳＮ比より、少なくとも約１．５倍、２倍、２．５倍、３倍、３．５倍、４倍、５倍、５．５倍、６倍、６．５倍、７倍、７．５倍、８倍、８．５倍、９倍、９．５倍、１０倍、１１倍、又はこれらの指定された係数の間のあらゆる値だけ、高くなり得る。
【００７２】
ファイバセンサ１００のいくつかの実装形態によると、光ファイバ５０は、ファイバ５０の伝送端部１０ａにおいてコア３０から放出される全後方散乱信号が、ＳＭＦ‐２８ファイバから得られる後方散乱信号のＳＮ比より高いＳＮ比を有するように、構成できる。更に、光ファイバ５０のハイブリッドコア３０から放出される全後方散乱信号のＳＮ比は、ＳＭＦ‐２８ファイバから得られる後方散乱信号に関連するＳＮ比より、少なくとも約１．５倍高くなり得る。特定の態様では、光ファイバ５０のコア３０から放出される全後方散乱信号のＳＮ比は、ＳＭＦ‐２８ファイバから得られる後方散乱信号に関連するＳＮ比より、少なくとも約１．５倍、２倍、２．５倍、３倍、３．５倍、４倍、５倍、５．５倍、６倍、６．５倍、７倍、７．５倍、８倍、８．５倍、９倍、９．５倍、１０倍、１１倍、又はこれらの指定された係数の間のあらゆる値だけ、高くなり得る。
【００７３】
図６、７Ａ、７Ｂ及び７Ｃを参照すると、本開示の別の態様による、光ファイバ５０を採用したファイバセンサシステム２００が図示されている。センサシステム２００は、約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍ（例えば１２００ｎｍ〜２０００ｎｍ）の波長で動作するよう構成された光ファイバ５０を含む。更に、光ファイバ５０は、伝送端部１０ａ、別の（第２の）端部１０ｂ、及び長さ５２によって画定される。更に、センサシステム２００で採用される光ファイバ５０は、ハイブリッドコア３０と、このコア３０を取り囲むクラッド４０とを共に含む。コア３０は、マルチモードコア部分３２に取り囲まれたシングルモードコア部分３１を備える。特段の記載がない限り、図６、７Ａ及び７Ｂに示されている、関連要素（例えばクラッド４０）を伴うハイブリッドコア光ファイバ５０は、図１Ａ〜１Ｇ又は３に示されているファイバ５０と同一又は同様の特徴及び機能を有するように構成される。
【００７４】
図６、７Ａ及び７Ｃに示されているファイバセンサシステム２００は、入射光１５０ａの単一のスポット１６０を、ファイバ５０の伝送端部においてハイブリッドコア３０中へと配向するよう構成された、光源１１０も含む。図７Ａに示されているように、一実施形態によると、光源１１０は、ファイバ５０の伝送端部１０ａにおいてコア３０のシングルモード部分３１のみと重なることが好ましいスポットサイズ１６０を有する、光信号１５０ａ（光ビーム）を生成する。この実施形態では、スポット１６０は、ファイバ５０内のコア３０のシングルモード部分３１のみと重なり、従って、コアに注入された光信号が、ファイバ５０の長さにわたって伝送される際に、シングルモードにとどまることが保証される。ファイバセンサシステム２００での使用に好適な光源１１０としては、限定するものではないが：波長可変レーザ、ＬＥＤ光源、半導体レーザダイオード、及びＶＣＳＥＬ源が挙げられる。
【００７５】
図６、７Ｂ及び７Ｃに示されているファイバセンサシステム２００は、入射光１５０ａの単一のスポット１６０を、ファイバ５０の伝送端部においてハイブリッドコア３０中へと配向するよう構成された、光源１１０も含む。図７Ｂに示されているように、一実施形態によると、光源１１０は、伝送端部１０ａにおいてファイバ５０のコア３０全体と重なることが好ましいスポットサイズ１６０を有する、ガウスモードの光信号１５０ａを生成する。この実施形態では、スポット１６０は、のコアのシングルモード部分３１及びコアのマルチモード部分３２の両方と重なり、光は、コアの両方の部分を通ってファイバの端部１０ｂに向かってこのモードで伝播する際、マルチモードのままとどまる。ファイバセンサシステム２００での使用に好適な光源１１０としては、限定するものではないが：波長可変レーザ、ＬＥＤ光源、半導体レーザダイオード、及びＶＣＳＥＬ源が挙げられる。
【００７６】
再び図６、７Ａ、７Ｂ及び７Ｃを参照すると、ファイバセンサシステム２００は更に、単一のスポット１６０からの入射光１５０ａがファイバ５０の伝送端部１０ａにおいてコア３０中に注入された後に、コア部分３１及び３２から放出された全後方散乱信号１５０ｄを受信するよう構成された、レシーバ１１０ａを含む。図６、７Ａ、７Ｂ及び７Ｃに具体的に図示されているように、光源１１０及びレシーバ１１０ａは単一のユニットに内包され、信号１５０ａ及び１５０ｄは、本開示の分野の当業者には理解される手段によって、分離されている。本開示の分野の当業者であれば、光源１１０及びレシーバ１１０ａを、光信号１５０ａ及び全後方散乱信号１５０ｄをそれぞれ扱う、センサシステム２００内の別個のユニットとして構成できることも、理解できる。ファイバセンサシステム２００で使用するためのレシーバ１１０ａとしては、光検出器、例えばダイオード組立体、単一のフォトダイオード、又は本開示の分野の当業者には理解されるような、システム２００内でレシーバ１１０ａの目的の機能を実施するために好適な他のいずれのレシーバが挙げられる。
【００７７】
引き続き図６、７Ａ、７Ｂ及び７Ｃを参照すると、ファイバセンサシステム２００は、光源１１０及びレシーバ１１０ａに連結された信号問い合わせ要素１２０も含む。信号問い合わせ要素１２０は、後方散乱信号１５０ｄを処理して、ファイバ５０に近接した又は接触した特徴部分に対応するセンサ測定値を得るよう構成される。ファイバセンサシステム２００で使用するために好適な信号問い合わせ要素１２０としては、限定するものではないが、本開示の分野において理解されている、後方散乱信号１５０ｄに関連する信号振幅、信号相及び／又は信号周波数の検出又はその他の処理が可能なデバイス、要素及び組立体が挙げられる。
【００７８】
これもまた図６、７Ａ、７Ｂ及び７Ｃに示されているように、ファイバセンサシステム２００は、光ファイバ５０に近接した特徴部分、例えば足跡３００に対応するセンサ測定値（例えば圧力読み取り値）を得るよう、本開示のある態様に従って構成できる。より詳細には、システム２００内の光源１１０及び光ファイバ５０は、入射光１５０ａが、ファイバ５０の伝送端部１０ａにおいてコア３０に注入されるスポット１６０を生成するように、構成される（図１Ａを参照）。入射光１５０ａは、ファイバ５０のコア３０を通って（上述のように、コアのシングルモード部分を通って、又はコア全体を通って）、第２の端部１０ｂに向かって伝播する。入射光１５０ａは、（例えばファイバ内のマイクロメートル規模及び／又はナノメートル規模の欠陥による）レイリー散乱メカニズムによって、ファイバの長さ全体にわたって散乱し、入射光の一部分は、ファイバの伝送端部１０ａに向かって戻るように散乱し、この後方散乱光は、コア部分３１及び３２の両方を通って、ファイバの伝送端部１０ａに向かって伝播する。両コア部分３１、３２の収集効率は、コア部分３１のみの収集効率より高いため、より多くの後方散乱光がファイバの伝送端部１０ａに向かって伝播し、より強い後方散乱信号１５０ｄを生成する。
【００７９】
再び図６、７Ａ、７Ｂ及び７Ｃを参照すると、入射光１５０ａがファイバ５０のコア３０を通って伝播する際、後方散乱信号１５０ｄの強度は、図６に示されている場所３００ａ等の特定の位置ｚにおける、ファイバに近接した又は接触した特徴部分（例えば足跡３００）に関連するファイバの局所的変位、温度変化及び／又は変形に基づいて変動し得る。その結果、全後方散乱信号１５０ｄは、基準光強度に対する強度変化を有し得る。従って、コア３０の部分３１、３２両方から放出された後方散乱信号１５０ｄは、レシーバ１１０ａ及び／又は信号問い合わせ要素１２０によって、全後方散乱信号へとまとめることができ、これにより、入射光１５０ａと後方散乱信号１５０ｄとの間の波長のシフトと相関し得る、特徴部分３００に関連する特定のパラメータ、例えば圧力を算出できる。
【００８０】
ファイバセンサシステム２００はまた、全後方散乱信号１５０ｄを用いて、ファイバ５０に近接した又は接触した特徴部分３００に関連する、時間及び場所関連情報を推定するよう、構成することもできる。特に、光源１１０、レシーバ１１０ａ、及び信号問い合わせ要素１２０を、ファイバセンサシステム２００内において、レイリー散乱メカニズムによってファイバ５０を通って戻るように反射する光の割合を、光パルス試験器（ＯＴＤＲ）を用いて測定するよう、構成できる。特に、システム２００は、異なる複数の時点において、全後方散乱信号１５０ｄの光の量を入射光１５０ａと比較することによって、ファイバ５０に近接した又は接触した特徴部分３００に関連する場所３００ａを確認できる。
【００８１】
ファイバセンサ１００及びファイバセンサシステム２００を含む、本明細書に記載の分布型ファイバセンサ及びセンサシステムはそれぞれ、典型的なシングルモードコア光ファイバ（例えばＳＭＦ‐２８ファイバ等の、市販グレードかつ遠距離通信グレードの光ファイバ）を感知用ファイバとして採用した従来の分布型ファイバセンサ及びセンサシステムを上回る以下の利点のうちの１つ以上を実証する。本開示のファイバセンサ及びセンサシステムの１つの利点は、ハイブリッドコアファイバ５０からの後方散乱信号が、従来のシングルモードコアファイバからの後方散乱信号に比べて、少なくとも０．５ｄＢだけ（例えば１ｄＢ〜１０ｄＢだけ（０．４ＮＡのハイブリッドコアファイバに関して））大きいことである。その結果、本開示のファイバセンサ及びセンサシステムに関連する後方散乱信号のＳＮ比（Ｓ／Ｎ）を、従来のファイバセンサ及びシステムのＳＮ比に対して大幅に改善できる。別の利点は、非線形散乱効果を比較的受けにくい、パワーが小さな信号を、光ファイバ５０のハイブリッドコア３０に入射させることによって、（より強力な光源からの）パワーがはるかに高い信号Ｐｏを従来のシングルモードコアファイバへと伝送する際のシングルモードコアファイバの後方散乱信号強度と、略同一の後方散乱信号強度Ｐｓを達成できることである。
【００８２】
第１の態様（態様１）によると、ファイバセンサのある実施形態は：
約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長で動作するよう構成され、更に伝送端部、別の端部、ファイバ外径、及びファイバ長によって画定された、光ファイバ
を備え、上記ファイバは：
シングルモードコア部分及びマルチモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに
上記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッド
を備える。
【００８３】
第２の態様（態様２）によると、第１の態様に記載のファイバセンサは、ＧｅＯ２を含む上記シングルモードコア部分を備え、上記シングルモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、６重量％〜５０重量％である。
【００８４】
第３の態様によると、態様１及び２に記載のファイバセンサは、０〜４５重量％のＧｅＯ２、例えば５．５重量％〜３５重量％のＧｅＯ２、又は５〜２０重量％のＧｅＯ２を含むマルチモードコア部分を備える。
【００８５】
上述の態様のいずれによると、上記ファイバセンサは、最大相対屈折率Δ３１を有する上記シングルモードコア部分を有し、上記マルチモード差分コア部分は、最大相対屈折率Δ３２を有し、０．２％≦Δ３１−Δ３２≦１％である。
【００８６】
上述の態様のいずれによると、上記ファイバの上記伝送端部の上記コアは、上記ファイバ内に、約１マイクロメートル〜約１００マイクロメートルのスポットサイズを有する単一の光源からの入射光を受信するよう配設及び構成される。
【００８７】
上述の態様のいずれによると、上記ファイバの上記伝送端部は、光源からの光が上記ファイバの上記伝送端部において上記コアに入射した後に、上記シングルモードコア部分及び上記マルチモードコア部分の両方から放出される、全後方散乱信号を発する。いくつかの態様によると、上記全後方散乱信号は、基準シングルモードコア光ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より大きな、例えば基準シングルモードコア光ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より少なくとも２倍大きなＳＮ比を有し、上記全後方散乱信号は、ＳＭＦ‐２８ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より少なくとも２倍大きなＳＮ比を有する。
【００８８】
上述の態様のいずれによると、上記光ファイバは、約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長でのシングルモード動作又はいくつかのモードでの動作のために構成され、上記ファイバセンサシステムは更に：
入射光のスポットを、上記ファイバの上記伝送端部において、上記コアの少なくとも一部分へと配向するよう構成された、光源；
上記入射光のスポットが、上記ファイバの上記伝送端部において、上記ハイブリッドコアに入射した後に、上記ハイブリッドコアから放出される全後方散乱信号を受信するよう構成された、レシーバ；並びに
上記後方散乱信号を処理して、上記ファイバに近接した又は接触した特徴部分に対応するセンサ測定値を得るよう構成された、信号問い合わせ要素
を備える。いくつかの実施形態によると、上記センサ測定値は、温度、圧力、歪み、変位及び雑音からなる群からの１つ以上の特徴を含む。
【００８９】
上記ファイバセンサの上述の態様のいずれによると、上記光ファイバは、約６００ｎｍ〜１６００ｎｍ、例えば１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長での動作のために構成される。いくつかの例示的実施形態によると、上記光ファイバは、約１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長での動作のために構成され、上記ファイバセンサは更に、１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長の光を供給する光源、及び１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長範囲内にある全後方散乱信号を受信するよう構成されたレシーバを備える。
【００９０】
いくつかの実施形態によると、上記光ファイバは：
（ｉ）シングルモードコア部分及びマルチモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに
（ｉｉ）上記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッド、
を備え、
上記マルチモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、５．５重量％〜３５重量％である。
【００９１】
いくつかの実施形態によると、上記シングルモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、６重量％〜５０重量％である。これらの実施形態によると、上記シングルモードコア部分は最大相対屈折率Δ３１を有してよく、上記マルチモード差分コア部分は最大相対屈折率Δ３２を有し、０．２％≦Δ３１−Δ３２≦１％である。
【００９２】
更に、請求項の精神又は範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変更を実施できることは、当業者には明らかであろう。 
【００９３】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【００９４】
実施形態１
約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長で動作するよう構成され、更に伝送端部、別の端部、ファイバ外径、及びファイバ長によって画定された、光ファイバを備える、ファイバセンサであって、
上記ファイバは：
シングルモードコア部分及びマルチモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに
上記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッド
を備える、ファイバセンサ。
【００９５】
実施形態２
上記シングルモードコア部分はＧｅＯ２を含み、
上記シングルモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、６重量％〜５０重量％である、実施形態１に記載のファイバセンサ。
【００９６】
実施形態３
上記マルチモードコア部分は、０〜４５重量％のＧｅＯ２を含む、実施形態１又は２に記載のファイバセンサ。
【００９７】
実施形態４
上記マルチモードコア部分はＧｅＯ２を含み、上記マルチモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、５．５重量％〜３５重量％である、実施形態３に記載のファイバセンサ。
【００９８】
実施形態５
上記マルチモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、５〜２０重量％である、実施形態３に記載のファイバセンサ。
【００９９】
実施形態６
上記ファイバ長は約１０ｍ〜１００ｋｍである、実施形態１〜５のいずれか１つに記載のファイバセンサ。
【０１００】
実施形態７
上記シングルモードコア部分は、最大相対屈折率Δ３１を有し、
上記マルチモード差分コア部分は、最大相対屈折率Δ３２を有し、
０．２％≦Δ３１−Δ３２≦１％である、実施形態１〜６のいずれか１つに記載のファイバセンサ。
【０１０１】
実施形態８
上記ファイバの上記伝送端部の上記コアは、上記ファイバ内に、約１マイクロメートル〜約１００マイクロメートルのスポットサイズを有する単一の光源からの入射光を受信するよう配設及び構成される、実施形態１〜７のいずれか１つに記載のセンサ。
【０１０２】
実施形態９
上記ファイバの上記伝送端部は、光源からの光が上記ファイバの上記伝送端部において上記コアに入射した後に、上記シングルモードコア部分及び上記マルチモードコア部分の両方から放出される、全後方散乱信号を発する、実施形態１〜８のいずれか１つに記載のファイバセンサ。
【０１０３】
実施形態１０
上記全後方散乱信号は、基準シングルモードコア光ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より大きなＳＮ比を有する、実施形態９に記載のセンサ。
【０１０４】
実施形態１１
上記全後方散乱信号は、基準シングルモードコア光ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より少なくとも２倍大きなＳＮ比を有する、実施形態９に記載のセンサ。
【０１０５】
実施形態１２
上記全後方散乱信号は、ＳＭＦ‐２８（登録商標）ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より少なくとも２倍大きなＳＮ比を有する、実施形態９に記載のセンサ。
【０１０６】
実施形態１３
実施形態１〜１２のいずれか１つに記載のファイバセンサシステムであって、
上記光ファイバは、約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長でのシングルモード動作又はいくつかのモードでの動作のために構成され、
上記ファイバセンサシステムは更に：
入射光のスポットを、上記ファイバの上記伝送端部において、上記コアの少なくとも一部分へと配向するよう構成された、光源；
上記入射光のスポットが、上記ファイバの上記伝送端部において、上記ハイブリッドコアに入射した後に、上記ハイブリッドコアから放出される全後方散乱信号を受信するよう構成された、レシーバ；並びに
上記後方散乱信号を処理して、上記ファイバに近接した又は接触した特徴部分に対応するセンサ測定値を得るよう構成された、信号問い合わせ要素
を備える、実施形態１〜１２のいずれか１つに記載のファイバセンサシステム。
【０１０７】
実施形態１４
上記センサ測定値は、温度、圧力、歪み、変位及び雑音からなる群からの１つ以上の特徴を含む、実施形態１３に記載のシステム。
【０１０８】
実施形態１５
上記光ファイバは、約６００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長での動作のために構成される、実施形態１〜１４のいずれか１つに記載のファイバセンサ。
【０１０９】
実施形態１６
上記光ファイバは、約１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長での動作のために構成される、実施形態１〜１５のいずれか１つに記載のファイバセンサ。
【０１１０】
実施形態１７
上記光ファイバは、約１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長での動作のために構成され、
上記ファイバセンサは更に、１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長の光を供給する光源、及び１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長範囲内にある全後方散乱信号を受信するよう構成されたレシーバを備える、実施形態１〜８のいずれか１つに記載のファイバセンサ。
【０１１１】
実施形態１８
（ｉ）シングルモードコア部分及びマルチモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに
（ｉｉ）上記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッド、
を備える、光ファイバであって、
上記マルチモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、５．５重量％〜３５重量％である、光ファイバ。
【０１１２】
実施形態１９
上記シングルモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、６重量％〜５０重量％である、実施形態１８に記載の光ファイバ。
【０１１３】
実施形態２０
上記シングルモードコア部分は最大相対屈折率Δ３１を有し、
上記マルチモード差分コア部分は最大相対屈折率Δ３２を有し、
０．２％≦Δ３１−Δ３２≦１％である、実施形態１８又は１９に記載の光ファイバ。
【符号の説明】
【０１１４】
１０ａ    伝送端部
１０ｂ    別の端部
３０      ハイブリッドコア、ファイバコア
３１      シングルモードコア部分、シングルモード部分、ファイバコア部分、コア部分、内側コア部分
３２      マルチモードコア部分、マルチモード部分、コア部分
３３      低屈折率層、低屈折率コア層
４０      クラッド
４４      外側クラッド直径、外径
５０      ファイバ、光ファイバ、ハイブリッドコア光ファイバ、ハイブリッドコアファイバ
５１      保護コーティング
５２      長さ、ファイバ長
５４      ファイバ外径、外側ファイバ直径
８０      中心軸
１００    ファイバセンサ、感知システム
１１０    光源
１１０ａ  レシーバ
１１２    光学部品
１２０    信号問い合わせ要素
１５０ａ  入射光、光信号
１５０ｄ  全後方散乱信号
１６０    スポット、スポットサイズ
２００    ファイバセンサシステム、センサシステム
３００    足跡、特徴部分
３００ａ  場所
【図１Ａ】
2020514724.tif 000006
【図１Ｂ】
2020514724.tif 000007
【図１Ｃ】
2020514724.tif 000008
【図１Ｄ】
2020514724.tif 000009
【図１Ｅ】
2020514724.tif 000010
【図１Ｆ】
2020514724.tif 000011
【図１Ｇ】
2020514724.tif 000012
【図２】
2020514724.tif 000013
【図３】
2020514724.tif 000014
【図４】
2020514724.tif 000015
【図５】
2020514724.tif 000016
【図６】
2020514724.tif 000017
【図７Ａ】
2020514724.tif 000018
【図７Ｂ】
2020514724.tif 000019
【図７Ｃ】
2020514724.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】令和1年10月9日(2019.10.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【優先権】
【０００１】
本出願は、２０１７年１月１９日出願の米国仮特許出願第６２／４４８，０５３号に対する優先権の利益を主張するものであり、上記仮特許出願の内容は信頼できるものであり、その全体が参照により本出願に援用される。
【技術分野】
【０００２】
本開示は一般に、分布型ファイバセンサ及びファイバセンサシステムに関する。より詳細には、本開示は、感知に関してレイリー散乱メカニズムに依存する、ハイブリッドマルチコアファイバを採用した上述のようなセンサ及びセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
レイリー散乱に依存する分布型ファイバセンサ及びシステムは、構造ヘルスモニタリング（ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｈｅａｌｔｈ  ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ：ＳＨＭ）、地盤工学、送電線、石油及びガス管路、並びに油田及びガス田を含むがこれらに限定されない多数の用途に採用されている。特にこれらのセンサ及びシステムは、レイリー散乱メカニズムを採用して、温度、圧力、歪み、音波、及び他のパラメータを、１ｍ未満の空間分解能で測定できる。
【０００４】
レイリー散乱に依存する従来のアプローチは、多くの場合、遠距離通信グレードの光ファイバを分布型ファイバセンサ及びシステム内に採用して、これらの測定値（例えば温度、圧力、歪み等）を得る。このような光ファイバに依存する分布型ファイバセンサ及びシステムは、様々な欠点を有する。例えば、入射した信号の光学的パワーは、ファイバ内での低閾値の非線形効果によって制限され得る。その結果、散乱信号は、特に伝送端部から離れたファイバの遠位端において、低くなることが多い。別の例として、これらの光ファイバ内での減衰によっても、特に数十キロメートルのファイバスパンに関して、ファイバの遠位端において散乱信号が制限され得る。更に、シングルモード動作のために構成された遠距離通信グレードのファイバ内での光学的パワーは、このようなファイバの開口数が少ないことにより、低くなる場合が多い。これら全ての影響により、遠距離通信グレードの光ファイバを採用した従来の分布型ファイバセンサ及びシステムに関連するＳＮ比が低下する傾向がある。
【０００５】
光ファイバ及びレイリー散乱メカニズムに依存する分布型ファイバセンサ及びシステムは、様々な用途（例えば地盤工学、送電線等）において採用され続けているため、これらのセンサ及びシステムの使用は、ますます長い距離におけるその有効性によって最終的に制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、光信号をより低い損失及びより高いＳＮ比で伝送できる光ファイバを採用した、分布型ファイバセンサ及びファイバセンサシステムに対する需要が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示のある態様によると、ファイバセンサは：約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長で動作するよう構成され、更に伝送端部、別の端部、ファイバ外径、及びファイバ長によって画定された、光ファイバを備え、上記ファイバは：
シングルモードコア部分及びマルチモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに
上記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッド
を備える。
【０００８】
本開示の更なる態様によると、上記シングルモードコア部分はＧｅＯ２を含み、上記シングルモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、６重量％〜５０重量％である。
【０００９】
いくつかの実施形態では、上記マルチモードコア部分は、０〜４５重量％のＧｅＯ２、例えば５〜４５重量％のＧｅＯ２、又は５．５〜４５重量％のＧｅＯ２を含む。いくつかの実施形態では、上記マルチモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、５．５重量％〜３５重量％である。いくつかの実施形態では、上記マルチモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、５〜２０重量％である。いくつかの実施形態では、上記マルチモードコア部分は、０〜４５重量％のＧｅＯ２、及び０．５〜３重量％のＣｌを含む。
【００１０】
これらのファイバセンサの態様の他の実装形態では、上記マルチコアファイバは、その長さが約１０ｍ〜約１００ｋｍとなるよう構成される。更に、上記ファイバ長は、特定の実装形態において、約１０ｍ、２０ｍ、３０ｍ、４０ｍ、５０ｍ、６０ｍ、７０ｍ、８０ｍ、９０ｍ、１００ｍ、１５０ｍ、２００ｍ、２５０ｍ、３００ｍ、３５０ｍ、４００ｍ、４５０ｍ、５００ｍ、５５０ｍ、６００ｍ、６５０ｍ、７００ｍ、７５０ｍ、８００ｍ、８５０ｍ、９００ｍ、９５０ｍ、１ｋｍ、５ｋｍ、１０ｋｍ、１５ｋｍ、２０ｋｍ、２５ｋｍ、３０ｋｍ、３５ｋｍ、４０ｋｍ、４５ｋｍ、５０ｋｍ、５５ｋｍ、６０ｋｍ、６５ｋｍ、７０ｋｍ、７５ｋｍ、８０ｋｍ、８５ｋｍ、９０ｋｍ、９５ｋｍ、１００ｋｍ、及びこれらの指定された長さの間のあらゆる長さの値に設定できる。
【００１１】
更なる実装形態では、上記シングルモードコア部分は、最大相対屈折率Δ３１を有し、上記マルチモード差分コア部分は、最大相対屈折率Δ３２を有し、０．２％≦Δ３１−Δ３２≦１％である。
【００１２】
上記ファイバの上記伝送端部の上記コア部分は、上記ファイバ内に、約５マイクロメートル〜約１００マイクロメートル（直径）のスポットサイズを有する単一の光源からの入射光を受信するよう配設及び構成される、請求項１に記載のセンサ。
【００１３】
更に、上記ファイバセンサのいくつかの実装形態は：約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長で動作するよう構成され、更に伝送端部、別の端部、ファイバ外径、及びファイバ長によって画定された、光ファイバを備え、上記ファイバは：
シングルモードコア部分及びマルチモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに
上記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッド
を備え、
更に、上記ファイバの上記伝送端部は、光源からの光が上記ファイバの上記伝送端部において上記コアに入射した後に、上記シングルモードコア部分及び上記マルチモードコア部分の両方から放出される、全後方散乱信号を発する。
【００１４】
いくつかの実施形態では、上記ハイブリッドコアから放出される上記全後方散乱信号は、基準シングルモードコア光ファイバから得られる後方散乱信号からのＳＮ比より高いＳＮ比を有し、またいくつかの実施形態では、上記ハイブリッドコアから放出される上記全後方散乱信号は、基準シングルモードコア光ファイバから放出される後方散乱信号からのＳＮ比より少なくとも２５％（例えば少なくとも３０％、少なくとも４０％、又は少なくとも５０％）高いＳＮ比を有する。いくつかの実施形態では、上記ハイブリッドコアから放出される上記全後方散乱信号は、ＳＭＦ‐２８（登録商標）ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より少なくとも２５％（例えば少なくとも３０％、少なくとも４０％、又は少なくとも５０％）高いＳＮ比を有する。
【００１５】
上記ハイブリッドコアファイバのいくつかの実施形態では、上記ハイブリッドコアから放出される上記全後方散乱信号は、基準シングルモードコア光ファイバからの後方散乱信号より、少なくとも１ｄＢだけ大きい（例えば少なくとも１．５ｄＢだけ大きい）。いくつかの実施形態では、上記ハイブリッドコアから放出される上記全後方散乱信号は、ＳＭＦ‐２８ファイバからの後方散乱信号より、少なくとも１ｄＢだけ（例えば少なくとも１．５ｄＢだけ）大きい。
【００１６】
いくつかの実施形態では、上記ハイブリッドコアから放出される上記全後方散乱信号は、基準シングルモードコア光ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より少なくとも１００％、少なくとも２００％、少なくとも２５０％、少なくとも３００％、少なくとも３５０％、又は４００％高いＳＮ比を有する。いくつかの実施形態では上記ハイブリッドコアから放出される上記全後方散乱信号は、ＳＭＦ‐２８ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より少なくとも１００％、少なくとも２００％、少なくとも２５０％、少なくとも３００％、少なくとも３５０％、又は４００％高いＳＮ比を有する。
【００１７】
これらのファイバセンサシステムの別の例示的実装形態は：
約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長でのシングルモード動作又はいくつかのモードでの動作のために構成され、更に伝送端部、別の端部、ファイバ外径、及びファイバ長によって画定された、光ファイバであって、上記ファイバは：
マルチモードコア部分及びシングルモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに
上記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッド
を備える、光ファイバ；
入射光のスポットを、上記ファイバの上記伝送端部において、上記コアの少なくとも一部分へと配向するよう構成された、光源；
上記入射光のスポットが、上記ファイバの上記伝送端部において、上記ハイブリッドコアに入射した後に、上記ハイブリッドコアから放出される全後方散乱信号を受信するよう構成された、レシーバ；並びに
上記後方散乱信号を処理して、上記ファイバに近接した又は接触した特徴部分に対応するセンサ測定値を得るよう構成された、信号問い合わせ要素
を備える。
【００１８】
いくつかの実施形態によると、上記センサ測定値は、温度、圧力、歪み、変位及び雑音からなる群からの１つ以上の特徴を含む。
【００１９】
上記ファイバセンサシステムの他の実施形態によると、本開示中で概説される上述のハイブリッドコアファイバ及びファイバセンサの構成のうちのいずれを、上記システムに採用できる。上記ファイバセンサシステムの特定の態様では、上記センサ測定値は、温度、圧力、歪み、変位及び雑音からなる群からの１つ以上の特徴を含むことができる。
【００２０】
上記ファイバセンサシステムの特定の実装形態では、上記システムは、構造体、送電線、石油ライン若しくはパイプ、ガスライン若しくはパイプ、配水ライン若しくはパイプ、基礎、道路、導管、水路、貯水池、井戸、又はその他の地盤工学的特徴部分の、状態、完全性、性能及び／又は特性の監視に使用するために構成される。
【００２１】
いくつかの実施形態によると、光ファイバは：
（ｉ）シングルモードコア部分及びマルチモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに
（ｉｉ）上記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッド
を備え、
上記マルチモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、５．５重量％〜３５重量％である。
【００２２】
いくつかの実施形態によると、上記シングルモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、６重量％〜５０重量％である。いくつかの実施形態によると、上記シングルモードコア部分は最大相対屈折率Δ３１を有し、上記マルチモード差分コア部分は最大相対屈折率Δ３２を有し、０．２％≦Δ３１−Δ３２≦１％である。
【００２３】
更なる特徴及び利点は、以下の「発明を実施するための形態」に記載され、またその一部は、当業者には、「発明を実施するための形態」の記載から容易に明らかとなるか、又は以下の「発明を実施するための形態」、請求項及び添付の図面を含む本明細書に記載される実施形態を実践することにより認識されるであろう。
【００２４】
以上の「発明の概要」及び以下の「発明を実施するための形態」はいずれも例示的なものにすぎず、請求項の本質及び特性を理解するための概観又は枠組みを提供することを意図したものであることを理解されたい。添付の図面は、更なる理解を提供するために含まれており、また本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成する。これらの図面は、１つ以上の実施形態を図示し、本記載と併せて、様々な実施形態の原理及び動作を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】本開示のある態様による、ハイブリッドコア光ファイバを採用したファイバセンサの軸方向断面概略図
【図１Ｂ】図１Ａに示すファイバのファイバセンサ部分の横断面概略図
【図１Ｃ−１Ｇ】図１Ａ及び１Ｂに示すファイバ５０のいくつかの実施形態の相対屈折率プロファイルの概略図
【図２】別のファイバセンサの軸方向断面概略図
【図３】図１Ａ及び１Ｂに示すファイバのある製造実施形態の相対屈折率（プロファイルＡ）
【図４】ＳＭＦ‐２８ファイバに接合された図３に示す屈折率プロファイルを有するハイブリッドコアファイバ５０の概略図
【図５】図４に示すような図３のハイブリッドコアファイバ５０（〜１ｋｍ）と共に配置されたＳＭＦ‐２８ファイバ（〜１ｋｍ）に関する、ＯＴＤＲトレースを示す。光はＳＭＦ‐２８ファイバ（ＯＴＤＲトレースの左側部分）へと入射した。
【図６】本開示のある態様によるハイブリッドコア光ファイバを採用したファイバセンサシステムの概略斜視図
【図７Ａ】光源から、図６に示すファイバセンサシステムの光ファイバ中のコアに配向された入射光の、拡大端部概略図
【図７Ｂ】光源から、図６に示すファイバセンサシステムの光ファイバ中のコアに配向された入射光の、拡大端部概略図
【図７Ｃ】光源から、図６に示すファイバセンサシステムの光ファイバ中のコアから放出された後方散乱光信号の、拡大端部概略図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本明細書中で説明される光ファイバと組み合わせて、以下の用語法を使用する：
本明細書中で使用される場合、用語「屈折率プロファイル」又は「相対屈折率プロファイル」は、屈折率又は相対屈折率とファイバの半径Ｒとの間の関係である。
【００２７】
本明細書中で使用される場合、用語「相対屈折率」は：
【００２８】
【数１】
2020514724.tif 000021
【００２９】
として定義され、ここでｎ（ｒ）は、特段の記載がない限り、光ファイバの半径ｒにおける屈折率であり、またｒ＝０は、ファイバの中心線に対応する。相対屈折率は、特段の記載がない限り、１５５０ｎｍにおいて定義される。本明細書に記載の実施形態では、基準屈折率ｎＲＥＦは、純（即ち非ドープ）シリカガラスの屈折率である。本明細書中で使用される場合、相対屈折率はΔで表され、その値は、特段の記載がない限り、「％」を単位として与えられる。ある領域の屈折率が基準屈折率ｎＲＥＦ未満である場合、相対屈折率のパーセントは負となり、抑制領域又は抑制屈折率を有すると表現され、最小相対屈折率は、特段の記載がない限り、相対屈折率が最も負となる点で計算される。ある領域の屈折率が基準屈折率ｎＲＥＦより大きい場合、相対屈折率のパーセントは正となり、上記領域は、上昇している、又は正の屈折率を有すると表現できる。
【００３０】
本明細書中で使用される場合、用語「アップドーパント」は、純非ドープＳｉＯ２に比べてガラスの屈折率を上昇させるドーパントを指す。本明細書中で使用される場合、「ダウンドーパント」は、純非ドープＳｉＯ２に比べてガラスの屈折率を低下させる傾向を有するドーパントを指す。アップドーパントは、アップドーパントではない１つ以上の他のドーパントを伴う場合、負の相対屈折率を有する光ファイバのある領域中に存在してよい。同様に、アップドーパントではない１つ以上の他のドーパントが、正の相対屈折率を有する光ファイバのある領域中に存在してよい。ダウンドーパントは、ダウンドーパントではない１つ以上の他のドーパントを伴う場合、正の相対屈折率を有する光ファイバのある領域中に存在してよい。同様に、ダウンドーパントではない１つ以上の他のドーパントが、負の相対屈折率を有する光ファイバのある領域中に存在してよい。
【００３１】
本明細書中で使用される場合、光ファイバの開口数（ＮＡ）は、ＩＥＣ‐６０７９３‐１‐４３（ＴＩＡ  ＳＰ３‐２８３９‐ＵＲＶ２  ＦＯＴＰ‐１７７）、名称「測定方法及び試験手順：開口数（Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ａｎｄ  Ｔｅｓｔ  Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ：  Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ）」に記載されている方法を用いて測定された開口数を意味する。
【００３２】
用語「マイクロメートル」及び「μｍ」は、本明細書中では、相互交換可能なものとして使用される。用語「ナノメートル」及び「ｎｍ」は、本明細書中では、相互交換可能なものとして使用される。
【００３３】
これより、本発明の好ましい実施形態について詳細に言及する。その例は添付の図面に図示されている。可能な限り、図面全体を通して、同一又は類似の部分を指すために同一の参照番号を使用する。
【００３４】
本開示では、低い信号損失及び高いＳＮ比を特徴とする、感知に関してレイリー散乱メカニズムに依存する分布型ファイバセンサファイバセンサシステムについて、例示的に概説する。より詳細には、本開示は、ハイブリッドコアファイバを採用した分布型センサ及びセンサシステムについて詳述する。
【００３５】
図１Ａ、１Ｂ及び１Ｃを参照すると、本開示のある態様による、ファイバセンサ１００が概略図で示されている。ファイバセンサ１００は、光源１１０、光源１１０に連結された光ファイバ５０、及び光ファイバ５０が供給する後方散乱光を受信／検出するために光ファイバ５０に光学的に連結された、レシーバ１１０ａを含む。後方散乱光は、戻って光源に衝突しないように偏向され、光学部品１１２、例えばビームスプリッタ、ファイバカプラ、又はサーキュレータによってレシーバ１１０ａへと配向される。光ファイバ５０は、長さ５２、ファイバ外径５４、伝送端部１０ａ（上記ファイバの第１の端部）、別の端部（第２の端部）１０ｂ、及びハイブリッドコア３０によって画定される。図１、１Ａ及び１Ｂに例示的に示されているように、ファイバコア３０は、シングルモードコア部分３１（内側コア部分）及びマルチモードコア部分３２（外側コア部分）を内包する。光ファイバ５０はクラッド４０も含み、これはハイブリッドコア３０を取り囲み、また外側クラッド直径４４を有する。上記光ファイバは保護コーティング５１を含み、これは、クラッド４０の周りに配置された１つ以上のコーティング層を備える。コーティングされたファイバは、外径５４を有する。
【００３６】
ファイバセンサ１００のいくつかの実施形態では、光ファイバ５０は、約１０ｍ〜約１００ｋｍの長さ５２によって画定される。特定の実施形態では、ファイバ長５２は、約１０ｍ、２０ｍ、３０ｍ、４０ｍ、５０ｍ、６０ｍ、７０ｍ、８０ｍ、９０ｍ、１００ｍ、１５０ｍ、２００ｍ、２５０ｍ、３００ｍ、３５０ｍ、４００ｍ、４５０ｍ、５００ｍ、５５０ｍ、６００ｍ、６５０ｍ、７００ｍ、７５０ｍ、８００ｍ、８５０ｍ、９００ｍ、９５０ｍ、１ｋｍ、５ｋｍ、１０ｋｍ、１５ｋｍ、２０ｋｍ、２５ｋｍ、３０ｋｍ、３５ｋｍ、４０ｋｍ、４５ｋｍ、５０ｋｍ、５５ｋｍ、６０ｋｍ、６５ｋｍ、７０ｋｍ、７５ｋｍ、８０ｋｍ、８５ｋｍ、９０ｋｍ、９５ｋｍ、１００ｋｍ、及びこれらの指定された長さの間のあらゆる長さの値に設定できる。更に、本開示の他の態様は、１００ｋｍを超えるファイバ長５２を有する光ファイバ５０を含み、これは、ＳＮ比及び／又は空間分解能に関する要件が比較的厳しくない（例えば＞１ｍである）ファイバセンサ１００のいくつかの用途に関して実現可能である。
【００３７】
いくつかの態様では、本開示のファイバセンサ１００に採用される光ファイバ５０は、約５０マイクロメートル〜約５００マイクロメートルのクラッド直径４４を有してよい。更に、これらの態様で採用されるファイバ５０は、約５０マイクロメートル、７５マイクロメートル、１００マイクロメートル、１２５マイクロメートル、１５０マイクロメートル、２００マイクロメートル、３００マイクロメートル、４００マイクロメートル、５００マイクロメートル、及びこれらの指定された直径の間のあらゆる直径のクラッド直径４４を有するように構成できる。
【００３８】
いくつかの態様では、本開示のファイバセンサ１００に採用されるコーティング済み光ファイバ５０は、約１００マイクロメートル〜約１０００マイクロメートルの外側ファイバ直径５４を有する。更に、これらの態様で採用されるファイバ５０は、約１００マイクロメートル、１５０マイクロメートル、２００マイクロメートル、２５０マイクロメートル、３００マイクロメートル、４００マイクロメートル、５００マイクロメートル、７５０マイクロメートル、１０００マイクロメートル、及びこれらの指定された直径の間のあらゆる直径の外側ファイバ直径５４を有するように構成できる。
【００３９】
再び図１、１Ａ及び１Ｂを参照すると、光ファイバ５０、より詳細にはコア３０及びクラッド４０は、典型的にはシリカ組成物で製作される。更に、光ファイバ５０、より詳細にはコア３０のシングルモード部分３１及びマルチモード部分３２並びにクラッド４０は、好ましくは、約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長でのシングルモード及びマルチモード動作に十分な、ファイバ内の全体的な屈折率プロファイルを達成するために、様々なドーパントレベルを有するように構成される。特定の態様では、コア３０は、コア３０の屈折率を（純シリカに比べて）上昇させるための１つ以上のドーパント、例えばＧｅＯ２、Ｐ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３でドープされたシリカである。特定の実装形態では、クラッド４０は、クラッドの屈折率を低下させるための１つ以上のドーパント、例えばＦ、Ｂ２Ｏ３でドープされる。
【００４０】
例えば図１Ａ、１Ｂ及び１Ｃに示す実施形態において図示されているように、光ファイバ５０は、そのコア部分３１、３２が、本開示のファイバセンサ１００の実装形態によるファイバの中心軸８０の周りに対称に配設されるように、構成される。この実施形態では例えば、コア部分３１は、光軸に関してセンタリングされ、３００ｎｍ〜２０００ｎｍ、例えば１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長λ１に関してシングルモードとなっている。好ましくは、コア部分３１の外半径は、３〜６μｍである。コア部分３２は環状であり、コア部分３１を取り囲み、いくつかの実施形態（図１Ｃ〜１Ｆを参照）では、コア３１に直接隣接して配置される。いくつかの実施形態によると、コア部分３２の内半径及び外半径は、それぞれ３〜１０μｍ（例えば２〜６μｍ）及び１０〜１００μｍである。
【００４１】
いくつかの実施形態ではコア部分３２は、同一の波長λ１に関して（例えば３００ｎｍ〜２０００ｎｍに関して）マルチモードとなっている。いくつかの実施形態では、コア部分３２は、６００ｎｍ〜１６００ｎｍ、又は１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長に関してマルチモードとなっている。１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長は、シリカ系コアファイバに関する低損失（低減衰）ウィンドウ内に位置し、１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの範囲内に位置する波長でファイバセンサ１００を動作させることにより、収集された後方散乱光の最大量がレシーバ１１０ａに供給され、従ってＳＮ比及びシステムの検出感受性が最大化される。従って、レシーバ１１０ａは好ましくは、１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長範囲内の後方散乱光を受信するように構成される。
【００４２】
いくつかの実施形態では、内側コア部分３１及び外側コア部分３２（例えば図１Ｇを参照）は、低屈折率層３３によって（即ち、コア部分３１、３２の最大屈折率より小さな最大屈折率を有する層３３によって）隔てられる。このように低屈折率層３３によって隔てられることにより、マルチモードコア３２への結合部分から、ファイバコア部分３１を通って（ファイバの伝送端部１０ａから端部１０ｂに向かって）伝播する光の量が最小化される。いくつかの実施形態では、コア部分３２の外半径は１０〜５０μｍであり、クラッド４０の外半径は５０〜７５μｍである（外径４４は約１００〜１５０μｍ、例えば１２５μｍである）。いくつかの実施形態では、コア部分３２の外半径は１０〜５０μｍ（例えば２０μｍ、２２μｍ、２５μｍ、３０μｍ、３５μｍ、４０μｍ、４５μｍ、５０μｍ、又はこれらの間のいずれの値）である。
【００４３】
図１Ｇに対応するある例示的実施形態では、ファイバは：（ｉ）最大約２５重量％のＧｅＯ２でドープされたシリカであり、約４μｍの外半径を有する、内側コア部分（シングルモードコア部分３１）；並びに（ｉｉ）最大約１８重量％のＧｅＯ２でドープされ、約２０μｍの内半径及び約５０μｍの外半径を有する、最外コア部分（マルチモードコア部分３２）を有する。この実施形態では、ファイバコア３０の低屈折率コア層３３（即ち、コア部分３１、３２の屈折率より小さな屈折率を有するコア層）は、（純（非ドープ）シリカガラスに対する）最大相対屈折率Δ３３を有し、１５重量％のＧｅＯ２でドープされ、コア部分３１とコア部分３２との間に挟まれている。確認できるように、この例示的なファイバのコア３０全体は、純シリカに対してドープされておらず、この場合、コアの各部分は、少なくとも１５重量％のＧｅＯ２を含む領域を有する。この例示的実施形態では、クラッド４０は純シリカであり、フッ素及びホウ素を含有しない。いくつかの実施形態では、クラッド４０は、フッ素及び／又はホウ素でダウンドープされている。
【００４４】
いくつかの実施形態では層３３は、１５重量％未満（例えば３重量％又はそれ以上）のＧｅＯ２でドープされたシリカであってよい。いくつかの例示的実施形態では、層３３は、５重量％のＧｅＯ２、１０重量％のＧｅＯ２、１５重量％のＧｅＯ２、又はこれらの間のいずれの量のＧｅＯ２でドープされたシリカである。いくつかの実施形態では、層３３は、その最大相対屈折率Δ３３がコア部分３２の最大相対屈折率Δ３２未満となる限り、１５重量％超のＧｅＯ２を含む。
【００４５】
図１Ｃにも示されているように、光ファイバ５０は、そのシングルモードコア部分３１が、波長６００〜１６００ｎｍ（例えば１２００〜１６００ｎｍ）において、マルチモードコア部分３２より有意に高い屈折率を有するように、構成される。いくつかの実施形態では、（純（非ドープ）シリカガラス）の最大相対屈折率に対する）コア部分３１の最大相対屈折率Δ３１は約０．４％〜３％である。更に、コア部分３１は、約０．４％、０．５％、０．６％、０．７％、０．８％、０．９％、１％、１．２％、１．５％、１．８％、２％、２．２％、２．５％、又は３％、及びこれらの指定された値の間のあらゆる範囲の相対屈折率Δ３１を有するように構成できる。対照的に、例えばＳＭＦ‐２８では、コアは（純シリカに対して）０．３４の最大相対屈折率を有する。
【００４６】
いくつかの実施形態では、（純（非ドープ）シリカガラス）の最大相対屈折率に対する）波長６００〜１６００ｎｍにおけるマルチモードコア部分３２の最大相対屈折率Δ３２は、純シリカに対して約０〜約２．７％、いくつかの実施形態では０．１％〜２．７％であってよい。更に、コア部分３２は、約０．１％、０．２％、０．３％、０．４％、０．５％、０．６％、０．７％、０．９％、１％、１．５％、２％、２．３％、２．５％、又は２．７％、及びこれらの指定された値の間のあらゆる範囲のΔ３２を有するように構成できる。本明細書に記載の実施形態では、Δ３１＞Δ３２である。
【００４７】
いくつかの実施形態では、Δ３１とΔ３２との間の差は、約０．３％〜約０．６％である。いくつかの実施形態では、０．３３％≦Δ３１−Δ３２≦０．５％である。例えば、Δ３１−Δ３２は、０．３％、０．３１％、０．３３％、０．３７％、０．４％、０．４３％、０．４６、０．５％、０．５５％、０．６％、及びこれらの指定された値の間のあらゆる範囲であってよい。
【００４８】
クラッドは、純シリカに対する最大相対屈折率Δ４０を有する。いくつかの例示的実施形態では、０％≦Δ４０≦−１％である。いくつかの例示的実施形態では、０．１％≦Δ４０≦−０．７％である。いくつかの例示的実施形態では、４％≧Δ３１−Δ４０≧０．４％である。いくつかの例示的実施形態では、３％≧Δ３１−Δ４０≧０．４％である。いくつかの例示的実施形態では、１．５％≧Δ３１−Δ４０≧０．３％である。いくつかの例示的実施形態では、１．５％≧Δ３１−Δ４０≧０．４％である。例えばΔ３１−Δ４０は、０．３％、０．４％、０．５％、０．６％、０．７％、０．８％、０．９％、１％、１．５％、２％、２．５％、３％、３．５％、４％、及びこれらの間のいずれの値であってよい。
【００４９】
いくつかの例示的実施形態では、２．７≧Δ３１−Δ４０≧０％である。いくつかの例示的実施形態では、１．５％≧Δ３２−Δ４０≧０．１％（例えば０．１％、０．１５％、０．２％、０．２５％、０．３％、０．４％、０．５％、０．６％、０．７％、０．８％、０．９％、１％、１．２５％、１．５％、及びこれらの間のいずれの値）である。
【００５０】
コア層３３を内包するいくつかの実施形態では、Δ３１＞Δ３２かつΔ３２＞Δ３３であり、Δ３２とΔ３３との間の差は約０．１％〜１％である。
【００５１】
本開示のいくつかの態様では、ファイバ５０のコア３０は、約２０マイクロメートル〜約１００マイクロメートルの外側コア直径３４を有するように構成される。他の態様では、ファイバ５０のコア３０は、好ましくは、約３０マイクロメートル〜約１００マイクロメートル、又は４０〜１００マイクロメートルの外側コア直径３４を有するように構成される。
【００５２】
レイリー散乱をベースとした分布型感知システム（例えば図２を参照）では、光ファイバ内の位置ｚで発生するレイリー散乱による、レシーバが検出する後方散乱光信号１５０ｄのパワーＰｓは：
【００５３】
【数２】
2020514724.tif 000022
【００５４】
であり、ここでＰ０は、位置ｚ＝０においてファイバに供給される入射光１５０ａのパワーであり、Ｃは、散乱光の捕捉係数であり、αｓはレイリー散乱係数（レイリー散乱による損失係数）であり、α０は、他の因子による損失に関する損失係数である。
【００５５】
光ファイバ内の後方散乱光の捕捉係数は：
【００５６】
【数３】
2020514724.tif 000023
【００５７】
として定義されるファイバの捕捉係数Ｃに関連（比例）し、ここでＮＡはコアの開口数であり、ｎ１はコアの屈折率であり、κはファイバコアのタイプに依存するパラメータである。階段状屈折率コアプロファイルを有する複数のシングルモードコアのみを備えた典型的なシングルモードファイバに関して、κは約０．３８であり、典型的な段階的屈折率プロファイルのシングルモードファイバに関して、κは約０．２５である。図２に示すファイバセンサ１００で利用されるハイブリッドコアファイバ５０に関して、κはここでも（コアプロファイルの形状に応じて）０．２５〜０．３８となるが、ファイバ５０の開口数ＮＡは、典型的なシングルモード伝送ファイバの開口数より大きくなる。
【００５８】
典型的な最新のシングルモード伝送ファイバ（例えばＳＭＦ‐２８ファイバ等）では、レイリー散乱係数が低い（ファイバコア材料の品質が高い）こと、及びファイバのＮＡが小さいことによって捕捉係数が小さくなることにより、レイリー後方散乱光のパワーは極めて小さくなる。典型的なシングルモード伝送ファイバは、約０．１１〜０．１２の開口数（ＮＡ）を有する（例えばＳＭＦ〜２８ファイバに関して０．１２である）。本明細書に記載のハイブリッドコアファイバ５０は、０．１５超、例えば約０．２〜０．４（例えば０．２〜０．３）の開口数を有する。ハイブリッドコア３０の開口数が大きくなるほど、基準シングルモードファイバによって提供されるものに対して、検出されるパワーＰｓが高くなる。（本明細書中で言及されるように、基準シングルモードコアファイバは、光ファイバ５０のシングルモードコア部分３１と同一のシングルモードコア直径及びコア組成、並びに光ファイバ５０と同一のファイバクラッド直径、クラッド組成及び長さを有する。）同様に、ハイブリッドコア３０の開口数が大きくなるほど、ＳＭＦ‐２８ファイバによって提供されるものに対して、検出されるパワーＰが高くなる。
【００５９】
理論によって束縛されるものではないが、光ファイバ５０のハイブリッドコア３０中で、ファイバセンサ１００のレシーバ１１０ａへと伝送される、後方散乱信号は、基準シングルモードファイバを利用するセンサシステムで伝送されるものに比べて、振幅が大きく、またより高いパワーＰｓを有する。これは：（ｉ）内側コア部分３１のドープレベルが高いこと；並びに（ｉｉ）シングルモード部分３１（内側コア部分）及びマルチモード外側コア部分３２の両方を通って伝播する後方散乱光がより効率的に捕捉されることによる。（本明細書に記載の少なくともいくつかの実施形態では、基準シングルモードファイバは、ニューヨーク州コーニングのＣｏｒｎｉｎｇ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄから入手可能なＳＭＦ‐２８ファイバである。）従って、ハイブリッドコア構成を有する光ファイバ５０を採用するセンサシステムは、シングルモード伝送ファイバ（例えばＳＭＦ‐２８ファイバ）を感知用ファイバとして使用する典型的なセンサシステムに比べて、低い信号損失、高いＳＮ比、及び／又は良好な空間分解能を得ることができる。
【００６０】
よって、本発明者らは、シングルモードコア部分３１に隣接して配置された（例えば図１Ｂ、１Ｃ〜１Ｇ、又は図３を参照）、開口数が大きく（例えばＮＡ＞０．１５、又は０．１５≦ＮＡ≦０．４、又は０．２≦ＮＡ≦０．４）、直径が大きなマルチモードコア部分３２を用いて、後方散乱光の捕捉効率を向上させることができることを発見した。
【００６１】
従って、一実施形態では、シングルモードコア部分３１はマルチモードコア部分３２に取り囲まれ、光源からの光が主に（例えば光学的パワーの＞８０％、好ましくは光の光学的パワーの＞９０％、又は＞９５％までもが）コア３０のシングルモードコア部分３１へと入射する。後方散乱光は、シングルモードコア３１及びマルチモードコア３２の両方によって収集され、光検出器（レシーバ１１０ａ）へと供給される。これにより、後方散乱光は、マルチモードコア部分３２を含むコア３０全体によって、感知システムの光検出器へと案内される。ハイブリッドコア光ファイバ５０によって検出器に供給される後方散乱光に関連する光信号のパワーは、典型的なシングルモード伝送ファイバによって供給されるものよりもはるかに大きい。よって、ハイブリッドコア光ファイバ５０の使用により、感知システム１００のＳＮ比が、基準シングルモードファイバを利用した同等のシステムに比べて、及び／又はＳＭＦ‐２８ファイバを用いた同等のシステムに比べて、改善される。
【００６２】
図１Ｃは、ハイブリッドコア光ファイバ５０の相対屈折率プロファイルを示す。このファイバは、階段状屈折率マルチモードコア部分３２によって取り囲まれた、階段状屈折率プロファイルを有するシングルモードコア部分３１を利用する。図１Ｄ〜１Ｆに示すように、ハイブリッドコア３０の他の設計も可能である。なお、光ファイバ５０において、階段状屈折率又は段階的屈折率シングルモードコア部分３１を、段階的屈折率又は階段状屈折率マルチモードコア部分３２で取り囲んでもよい。
【００６３】
別の例示的実施形態では、ファイバセンサ１００は、ハイブリッドコアの基本モードのみを用いて動作することにより、ハイブリッドコア光ファイバ５０を分布型ファイバセンサ１００内で利用する。即ち、光のパルスはファイバに、基本波（ＬＰ０１）のみで入射し、後方散乱光（信号）は、同様に基本モードで収集されてレシーバへと供給される。（これは例えば、シングルモードファイバの小さなセクションを、ハイブリッドコアファイバ５０の伝送端部１０ａに接合することによって実施でき、これにより、高次モードがレシーバに到達できなくなる。）よってこの実施形態では、シングルモードファイバの上述の小さなセクションを、光ファイバ５０に連結でき、また基本モードの信号光をファイバ５０に入射させるため、及び基本モードの後方散乱光を光ファイバ５０から受信するために利用できる。これらの実施形態のファイバ５０は、図１Ｃ〜１Ｆに示されているファイバの屈折率プロファイルと同様の屈折率プロファイルを有してよい。しかしながら他の実施形態では、高次モードも検出でき、このような高次モードからの後方散乱信号を必要に応じて利用してもよい。
【００６４】
シングルモードコア部分３１は、基準シングルモードファイバの相対屈折率より大きな相対屈折率を有するため、光ファイバ５０のコア３０は、より多くのレイリー後方散乱信号を生成し、光ファイバ５０の感知性能を改善する。コア部分３１中の高レベルのＧｅ（例えば６重量％超、８重量％超、例えば１０〜５０重量％、又は６０重量％）も、後方散乱を増大させる。最後に、コア３０（一方又は両方ノコア部分）をＦ（例えば２〜５重量％）でドープしても、後方散乱が増大し、ファイバの後方散乱光捕捉効率が改善され、従ってファイバセンサのファイバ５０の感知性能が改善される。
【００６５】
ある例示的実施形態によると、ある相対屈折率プロファイルを有する、製造済みのハイブリッドコアファイバ５０が、図３に図示されており（プロファイルＡ）、ここでΔ３１、Δ３２及びΔ３１は８５０ｎｍで測定された。この光ファイバ５０は、最大相対屈折率Δ３１が約１．２８％のシングルモードコア部分３１を有するコア３０を備える。このファイバはまた、最大相対屈折率Δ３２が約０．８８％のマルチモードコア部分３２を備える。
【００６６】
図３（プロファイルＡ）のファイバの、波長１５５０ｎｍにおけるＭＦＤ（モードフィールド直径）は、９．７μｍである。典型的なシングルモードファイバ、例えばＣｏｒｎｉｎｇ  ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄから入手可能なＳＭＦ‐２８ファイバは、１５５０ｎｍの波長において約１０μｍのＭＦＤを有する。よって、図３（プロファイルＡ）のファイバ５０のＭＦＤは、ＳＭＦ‐２８ファイバ等の典型的なシングルモードファイバと基本的に同等である。ＳＭＦ‐２８ファイバのコアのサイズ（コアの外径）もまた、図３（プロファイルＡ）に対応するハイブリッドコアファイバ５０のコア部分３１と同等である。図３のプロファイルＡに対応する光ファイバ５０は、約２３重量％のＧｅＯ２でドープされたシリカである内側コア部分（シングルモードコア部分３１）、及び約１６重量％のＧｅＯ２でドープされた外側コア部分（マルチモードコア部分３２）を有する。この実施形態（プロファイルＡ）では、クラッド４０は純シリカであり、フッ素及びホウ素を含有しない。よってクラッド４０は、０である最大相対屈折率Δ４０を有する。この実施形態では、Δ３１−Δ４０は約１．３％であり、Δ３２−Δ４０は約０．８％である。なお、ＳＭＦ‐２８ファイバでは、コアの最大相対屈折率とクラッドの最大相対屈折率との間の差は、０．３４である（ＳＭＦ‐２８ファイバのクラッドは純シリカクラッドである）。
【００６７】
他の実施形態では、クラッド４０は、フッ素及び／又はホウ素ドープシリカを含んでよい（図３のプロファイルＢ）。より具体的には、プロファイルＢのファイバはプロファイルＡのファイバと同様であるが、コア及びクラッド中にフッ素が存在することにより、ファイバプロファイル全体が、プロファイルＡのファイバに対して下方にシフトされている。
【００６８】
一実施形態によると、図４に示すように、およそ１ｋｍの、図３に示す屈折率プロファイルを有するハイブリッドコアファイバ５０（プロファイルＡのファイバ）を、約１ｋｍのＳＭＦ‐２８（基準ファイバ）に接合した。この図に示されているように、これら２つのファイバは、ＳＭＦ‐２８ファイバのコア部分がファイバ５０のシングルモードコア部分３１に接合されるように整列されている。これら２つのファイバの間の適切な整列を保証するために、１５５０ｎｍの波長を有する光源（光はＳＭＦ‐２８ファイバに入射させた）と、基本モードのみがシングルモードコア部分３１に入射することを保証するためにビーム形状を監視するための、光ファイバ５０の出力のビームプロファイラ（市販）とを用いて、接合前のファイバ間整列を実施した。この実施形態では、整列を実施することにより、高次モードの光をファイバ５０に入射させることなく、ハイブリッドコアファイバ５０において主に基本モードを励起した。接合の完了後、標準的なＯＴＤＲユニットを用いて、この２つのファイバのシステムを通る後方散乱光を監視した。図５は、後方散乱光が２つの接合されたファイバを通って伝播する際の、後方散乱光のパワー（ｄＢ）を示すＯＴＤＲトレースである。より具体的には、ＳＭＦ‐２８ファイバ（比較用ファイバ）を光パルス試験器（ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｉｍｅ  ｄｏｍａｉｎ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ：ＯＴＤＲ）に接続し、波長１３１０ｎｍ及び１５５０ｎｍでのＯＴＤＲトレース（パワー（ｄＢ）として測定される、後方散乱光の量）を測定した（図５）。確認できるように、ハイブリッドコアファイバ５０からの後方散乱信号は、典型的なシングルモードファイバ、例えばＳＭＦ‐２８ファイバからの後方散乱光より有意に大きい。ＳＭＦ‐２８ファイバのシングルモードコアと、図３（プロファイルＡ）のファイバに関するコアのシングルモード部分３１との間の、測定された後方散乱光の差は、約１．３ｄＢである。しかしながらこの実験では、本発明者らは、ファイバ５０のマルチモード部分３２を通って伝播する光の量を測定しなかった。ファイバ５０のマルチモードコア部分３２によって収集されるこの追加の光を計算することにより、収集された信号の合計に更なる４ｄＢの改善を提供した。この例示的実施形態では、ＳＭＦ‐２８ファイバ（基準ファイバ）の代わりに光ファイバ５０を用いた場合の全体的な改善は、約５．３ｄＢであると計算され、これは、例えばＳＭＦ‐２８ファイバ等の基準シングルモードコア光ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より約３．５倍（即ち約３５０％）高いＳＮ比に相当する。この光ファイバ５０のＮＡは、約０．２である。
【００６９】
ハイブリッドコアファイバ５０のいくつかの実施形態では、ＮＡは０．３であり、またいくつかの実施形態では０．４である。これらのファイバのＳＮ比の全体的な改善は、例えばＳＭＦ‐２８ファイバ等の基準シングルモードコア光ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比に対して（ＮＡが０．３である場合）約６倍、又は（ＮＡが０．４である場合）約１１倍である。
【００７０】
本開示のファイバセンサ１００に関して、光ファイバ５０のハイブリッドコアとしての特性は、典型的なシングルモードコアファイバからよりも多くの後方散乱光を収集するという点で、有利である。例えば、入射光は、ファイバ５０の伝送端部１０ａにおいてシングルモードコア部分３１に入射でき、そして、シングルモードファイバを通って伝播するのと全く同様に、ファイバの他方の端部に向かって、シングルモードコア部分３１を通って伝播する。しかしながら、光ファイバ５０はマルチモードコア部分３２も含んでいるため、後方散乱光は、はるかに大きなコア（コア３０全体）に収集されることになり、従ってより多くの光が捕捉されてレシーバに供給され、より良好な信号の収集が可能となる。これにより、ファイバセンサ１００のＳＮ比の改善（より高い感受性）が得られる。
【００７１】
コアのシングルモード部分からだけでなく、コア３０全体から（シングルモードコア部分３１から、及びマルチモードコア部分３２から）後方散乱信号を受信する検出器又はレシーバ１１０ａは、より高い振幅（より大きなパワー）の後方散乱光信号を受信する。その結果、光ファイバ５０のこの特性により、コア３０から放出された全後方散乱信号に関して、典型的なシングルモードファイバから受信されるものよりも良好なＳＮ比（Ｓ／Ｎ）がもたらされ、これは、分布型感知用途のためのファイバセンサ１００における、より高い空間分解能につながる。更に、本開示の分野における当業者であれば、ファイバセンサ１００と共に使用するために選択された光源１１０からのスポットサイズに適応できるよう、特定のサイズ及び相対屈折率のコア部分３１及び３２を有するように、光ファイバ５０を構成できる。例えばいくつかの実施形態では、単一の光源からの入射光は、約５マイクロメートル、１０マイクロメートル、１５マイクロメートル、２０マイクロメートルのスポットサイズ、及びこれらの指定されたスポットサイズの間のあらゆるスポットサイズを有してよく、その一方で光ファイバ５０は、これに適合した（即ち略同一の）直径のコア部分３１を有してよい。また例えばいくつかの実施形態では、単一の光源からの入射光は、直径２０マイクロメートル、３０マイクロメートル、４０マイクロメートル、５０マイクロメートル、６０マイクロメートル、７０マイクロメートル、８０マイクロメートル、９０マイクロメートル、１００マイクロメートルのスポットサイズ、及びこれらの指定されたスポットサイズの間のあらゆるスポットサイズを有してよく、その一方で光ファイバ５０は、これに適合した（即ち略同一の）直径のコア部分３２を有してよい。
【００７２】
よって、ファイバセンサ１００のある実装形態によると、光ファイバ５０は、ファイバ５０の伝送端部１０ａにおいてコア３０から放出される全後方散乱信号が、基準シングルモードコアファイバから得られる後方散乱信号のＳＮ比より高いＳＮ比を有するように、構成できる。更に、光ファイバ５０のハイブリッドコア３０から放出される全後方散乱信号のＳＮ比は、基準シングルモードファイバから得られる後方散乱信号に関連するＳＮ比より、少なくとも約１．５倍高くなり得る。特定の態様では、光ファイバ５０のコア３０から放出される全後方散乱信号のＳＮ比は、基準シングルモードファイバから得られる後方散乱信号に関連するＳＮ比より、少なくとも約１．５倍、２倍、２．５倍、３倍、３．５倍、４倍、５倍、５．５倍、６倍、６．５倍、７倍、７．５倍、８倍、８．５倍、９倍、９．５倍、１０倍、１１倍、又はこれらの指定された係数の間のあらゆる値だけ、高くなり得る。
【００７３】
ファイバセンサ１００のいくつかの実装形態によると、光ファイバ５０は、ファイバ５０の伝送端部１０ａにおいてコア３０から放出される全後方散乱信号が、ＳＭＦ‐２８ファイバから得られる後方散乱信号のＳＮ比より高いＳＮ比を有するように、構成できる。更に、光ファイバ５０のハイブリッドコア３０から放出される全後方散乱信号のＳＮ比は、ＳＭＦ‐２８ファイバから得られる後方散乱信号に関連するＳＮ比より、少なくとも約１．５倍高くなり得る。特定の態様では、光ファイバ５０のコア３０から放出される全後方散乱信号のＳＮ比は、ＳＭＦ‐２８ファイバから得られる後方散乱信号に関連するＳＮ比より、少なくとも約１．５倍、２倍、２．５倍、３倍、３．５倍、４倍、５倍、５．５倍、６倍、６．５倍、７倍、７．５倍、８倍、８．５倍、９倍、９．５倍、１０倍、１１倍、又はこれらの指定された係数の間のあらゆる値だけ、高くなり得る。
【００７４】
図６、７Ａ、７Ｂ及び７Ｃを参照すると、本開示の別の態様による、光ファイバ５０を採用したファイバセンサシステム２００が図示されている。センサシステム２００は、約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍ（例えば１２００ｎｍ〜２０００ｎｍ）の波長で動作するよう構成された光ファイバ５０を含む。更に、光ファイバ５０は、伝送端部１０ａ、別の（第２の）端部１０ｂ、及び長さ５２によって画定される。更に、センサシステム２００で採用される光ファイバ５０は、ハイブリッドコア３０と、このコア３０を取り囲むクラッド４０とを共に含む。コア３０は、マルチモードコア部分３２に取り囲まれたシングルモードコア部分３１を備える。特段の記載がない限り、図６、７Ａ及び７Ｂに示されている、関連要素（例えばクラッド４０）を伴うハイブリッドコア光ファイバ５０は、図１Ａ〜１Ｇ又は３に示されているファイバ５０と同一又は同様の特徴及び機能を有するように構成される。
【００７５】
図６、７Ａ及び７Ｃに示されているファイバセンサシステム２００は、入射光１５０ａの単一のスポット１６０を、ファイバ５０の伝送端部においてハイブリッドコア３０中へと配向するよう構成された、光源１１０も含む。図７Ａに示されているように、一実施形態によると、光源１１０は、ファイバ５０の伝送端部１０ａにおいてコア３０のシングルモード部分３１のみと重なることが好ましいスポットサイズ１６０を有する、光信号１５０ａ（光ビーム）を生成する。この実施形態では、スポット１６０は、ファイバ５０内のコア３０のシングルモード部分３１のみと重なり、従って、コアに注入された光信号が、ファイバ５０の長さにわたって伝送される際に、シングルモードにとどまることが保証される。ファイバセンサシステム２００での使用に好適な光源１１０としては、限定するものではないが：波長可変レーザ、ＬＥＤ光源、半導体レーザダイオード、及びＶＣＳＥＬ源が挙げられる。
【００７６】
図６、７Ｂ及び７Ｃに示されているファイバセンサシステム２００は、入射光１５０ａの単一のスポット１６０を、ファイバ５０の伝送端部においてハイブリッドコア３０中へと配向するよう構成された、光源１１０も含む。図７Ｂに示されているように、一実施形態によると、光源１１０は、伝送端部１０ａにおいてファイバ５０のコア３０全体と重なることが好ましいスポットサイズ１６０を有する、ガウスモードの光信号１５０ａを生成する。この実施形態では、スポット１６０は、のコアのシングルモード部分３１及びコアのマルチモード部分３２の両方と重なり、光は、コアの両方の部分を通ってファイバの端部１０ｂに向かってこのモードで伝播する際、マルチモードのままとどまる。ファイバセンサシステム２００での使用に好適な光源１１０としては、限定するものではないが：波長可変レーザ、ＬＥＤ光源、半導体レーザダイオード、及びＶＣＳＥＬ源が挙げられる。
【００７７】
再び図６、７Ａ、７Ｂ及び７Ｃを参照すると、ファイバセンサシステム２００は更に、単一のスポット１６０からの入射光１５０ａがファイバ５０の伝送端部１０ａにおいてコア３０中に注入された後に、コア部分３１及び３２から放出された全後方散乱信号１５０ｄを受信するよう構成された、レシーバ１１０ａを含む。図６、７Ａ、７Ｂ及び７Ｃに具体的に図示されているように、光源１１０及びレシーバ１１０ａは単一のユニットに内包され、信号１５０ａ及び１５０ｄは、本開示の分野の当業者には理解される手段によって、分離されている。本開示の分野の当業者であれば、光源１１０及びレシーバ１１０ａを、光信号１５０ａ及び全後方散乱信号１５０ｄをそれぞれ扱う、センサシステム２００内の別個のユニットとして構成できることも、理解できる。ファイバセンサシステム２００で使用するためのレシーバ１１０ａとしては、光検出器、例えばダイオード組立体、単一のフォトダイオード、又は本開示の分野の当業者には理解されるような、システム２００内でレシーバ１１０ａの目的の機能を実施するために好適な他のいずれのレシーバが挙げられる。
【００７８】
引き続き図６、７Ａ、７Ｂ及び７Ｃを参照すると、ファイバセンサシステム２００は、光源１１０及びレシーバ１１０ａに連結された信号問い合わせ要素１２０も含む。信号問い合わせ要素１２０は、後方散乱信号１５０ｄを処理して、ファイバ５０に近接した又は接触した特徴部分に対応するセンサ測定値を得るよう構成される。ファイバセンサシステム２００で使用するために好適な信号問い合わせ要素１２０としては、限定するものではないが、本開示の分野において理解されている、後方散乱信号１５０ｄに関連する信号振幅、信号相及び／又は信号周波数の検出又はその他の処理が可能なデバイス、要素及び組立体が挙げられる。
【００７９】
これもまた図６、７Ａ、７Ｂ及び７Ｃに示されているように、ファイバセンサシステム２００は、光ファイバ５０に近接した特徴部分、例えば足跡３００に対応するセンサ測定値（例えば圧力読み取り値）を得るよう、本開示のある態様に従って構成できる。より詳細には、システム２００内の光源１１０及び光ファイバ５０は、入射光１５０ａが、ファイバ５０の伝送端部１０ａにおいてコア３０に注入されるスポット１６０を生成するように、構成される（図１Ａを参照）。入射光１５０ａは、ファイバ５０のコア３０を通って（上述のように、コアのシングルモード部分を通って、又はコア全体を通って）、第２の端部１０ｂに向かって伝播する。入射光１５０ａは、（例えばファイバ内のマイクロメートル規模及び／又はナノメートル規模の欠陥による）レイリー散乱メカニズムによって、ファイバの長さ全体にわたって散乱し、入射光の一部分は、ファイバの伝送端部１０ａに向かって戻るように散乱し、この後方散乱光は、コア部分３１及び３２の両方を通って、ファイバの伝送端部１０ａに向かって伝播する。両コア部分３１、３２の収集効率は、コア部分３１のみの収集効率より高いため、より多くの後方散乱光がファイバの伝送端部１０ａに向かって伝播し、より強い後方散乱信号１５０ｄを生成する。
【００８０】
再び図６、７Ａ、７Ｂ及び７Ｃを参照すると、入射光１５０ａがファイバ５０のコア３０を通って伝播する際、後方散乱信号１５０ｄの強度は、図６に示されている場所３００ａ等の特定の位置ｚにおける、ファイバに近接した又は接触した特徴部分（例えば足跡３００）に関連するファイバの局所的変位、温度変化及び／又は変形に基づいて変動し得る。その結果、全後方散乱信号１５０ｄは、基準光強度に対する強度変化を有し得る。従って、コア３０の部分３１、３２両方から放出された後方散乱信号１５０ｄは、レシーバ１１０ａ及び／又は信号問い合わせ要素１２０によって、全後方散乱信号へとまとめることができ、これにより、入射光１５０ａと後方散乱信号１５０ｄとの間の波長のシフトと相関し得る、特徴部分３００に関連する特定のパラメータ、例えば圧力を算出できる。
【００８１】
ファイバセンサシステム２００はまた、全後方散乱信号１５０ｄを用いて、ファイバ５０に近接した又は接触した特徴部分３００に関連する、時間及び場所関連情報を推定するよう、構成することもできる。特に、光源１１０、レシーバ１１０ａ、及び信号問い合わせ要素１２０を、ファイバセンサシステム２００内において、レイリー散乱メカニズムによってファイバ５０を通って戻るように反射する光の割合を、光パルス試験器（ＯＴＤＲ）を用いて測定するよう、構成できる。特に、システム２００は、異なる複数の時点において、全後方散乱信号１５０ｄの光の量を入射光１５０ａと比較することによって、ファイバ５０に近接した又は接触した特徴部分３００に関連する場所３００ａを確認できる。
【００８２】
ファイバセンサ１００及びファイバセンサシステム２００を含む、本明細書に記載の分布型ファイバセンサ及びセンサシステムはそれぞれ、典型的なシングルモードコア光ファイバ（例えばＳＭＦ‐２８ファイバ等の、市販グレードかつ遠距離通信グレードの光ファイバ）を感知用ファイバとして採用した従来の分布型ファイバセンサ及びセンサシステムを上回る以下の利点のうちの１つ以上を実証する。本開示のファイバセンサ及びセンサシステムの１つの利点は、ハイブリッドコアファイバ５０からの後方散乱信号が、従来のシングルモードコアファイバからの後方散乱信号に比べて、少なくとも０．５ｄＢだけ（例えば１ｄＢ〜１０ｄＢだけ（０．４ＮＡのハイブリッドコアファイバに関して））大きいことである。その結果、本開示のファイバセンサ及びセンサシステムに関連する後方散乱信号のＳＮ比（Ｓ／Ｎ）を、従来のファイバセンサ及びシステムのＳＮ比に対して大幅に改善できる。別の利点は、非線形散乱効果を比較的受けにくい、パワーが小さな信号を、光ファイバ５０のハイブリッドコア３０に入射させることによって、（より強力な光源からの）パワーがはるかに高い信号Ｐｏを従来のシングルモードコアファイバへと伝送する際のシングルモードコアファイバの後方散乱信号強度と、略同一の後方散乱信号強度Ｐｓを達成できることである。
【００８３】
第１の態様（態様１）によると、ファイバセンサのある実施形態は：
約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長で動作するよう構成され、更に伝送端部、別の端部、ファイバ外径、及びファイバ長によって画定された、光ファイバ
を備え、上記ファイバは：
シングルモードコア部分及びマルチモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに
上記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッド
を備える。
【００８４】
第２の態様（態様２）によると、第１の態様に記載のファイバセンサは、ＧｅＯ２を含む上記シングルモードコア部分を備え、上記シングルモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、６重量％〜５０重量％である。
【００８５】
第３の態様によると、態様１及び２に記載のファイバセンサは、０〜４５重量％のＧｅＯ２、例えば５．５重量％〜３５重量％のＧｅＯ２、又は５〜２０重量％のＧｅＯ２を含むマルチモードコア部分を備える。
【００８６】
上述の態様のいずれによると、上記ファイバセンサは、最大相対屈折率Δ３１を有する上記シングルモードコア部分を有し、上記マルチモード差分コア部分は、最大相対屈折率Δ３２を有し、０．２％≦Δ３１−Δ３２≦１％である。
【００８７】
上述の態様のいずれによると、上記ファイバの上記伝送端部の上記コアは、上記ファイバ内に、約１マイクロメートル〜約１００マイクロメートルのスポットサイズを有する単一の光源からの入射光を受信するよう配設及び構成される。
【００８８】
上述の態様のいずれによると、上記ファイバの上記伝送端部は、光源からの光が上記ファイバの上記伝送端部において上記コアに入射した後に、上記シングルモードコア部分及び上記マルチモードコア部分の両方から放出される、全後方散乱信号を発する。いくつかの態様によると、上記全後方散乱信号は、基準シングルモードコア光ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より大きな、例えば基準シングルモードコア光ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より少なくとも２倍大きなＳＮ比を有し、上記全後方散乱信号は、ＳＭＦ‐２８ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より少なくとも２倍大きなＳＮ比を有する。
【００８９】
上述の態様のいずれによると、上記光ファイバは、約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長でのシングルモード動作又はいくつかのモードでの動作のために構成され、上記ファイバセンサシステムは更に：
入射光のスポットを、上記ファイバの上記伝送端部において、上記コアの少なくとも一部分へと配向するよう構成された、光源；
上記入射光のスポットが、上記ファイバの上記伝送端部において、上記ハイブリッドコアに入射した後に、上記ハイブリッドコアから放出される全後方散乱信号を受信するよう構成された、レシーバ；並びに
上記後方散乱信号を処理して、上記ファイバに近接した又は接触した特徴部分に対応するセンサ測定値を得るよう構成された、信号問い合わせ要素
を備える。いくつかの実施形態によると、上記センサ測定値は、温度、圧力、歪み、変位及び雑音からなる群からの１つ以上の特徴を含む。
【００９０】
上記ファイバセンサの上述の態様のいずれによると、上記光ファイバは、約６００ｎｍ〜１６００ｎｍ、例えば１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長での動作のために構成される。いくつかの例示的実施形態によると、上記光ファイバは、約１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長での動作のために構成され、上記ファイバセンサは更に、１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長の光を供給する光源、及び１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長範囲内にある全後方散乱信号を受信するよう構成されたレシーバを備える。
【００９１】
いくつかの実施形態によると、上記光ファイバは：
（ｉ）シングルモードコア部分及びマルチモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに
（ｉｉ）上記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッド、
を備え、
上記マルチモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、５．５重量％〜３５重量％である。
【００９２】
いくつかの実施形態によると、上記シングルモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、６重量％〜５０重量％である。これらの実施形態によると、上記シングルモードコア部分は最大相対屈折率Δ３１を有してよく、上記マルチモード差分コア部分は最大相対屈折率Δ３２を有し、０．２％≦Δ３１−Δ３２≦１％である。
【００９３】
更に、請求項の精神又は範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変更を実施できることは、当業者には明らかであろう。 
【００９４】
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
【００９５】
実施形態１
約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長で動作するよう構成され、更に伝送端部、別の端部、ファイバ外径、及びファイバ長によって画定された、光ファイバを備える、ファイバセンサであって、
上記ファイバは：
シングルモードコア部分及びマルチモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに
上記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッド
を備える、ファイバセンサ。
【００９６】
実施形態２
上記シングルモードコア部分はＧｅＯ２を含み、
上記シングルモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、６重量％〜５０重量％である、実施形態１に記載のファイバセンサ。
【００９７】
実施形態３
上記マルチモードコア部分は、０〜４５重量％のＧｅＯ２を含む、実施形態１又は２に記載のファイバセンサ。
【００９８】
実施形態４
上記マルチモードコア部分はＧｅＯ２を含み、上記マルチモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、５．５重量％〜３５重量％である、実施形態３に記載のファイバセンサ。
【００９９】
実施形態５
上記マルチモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、５〜２０重量％である、実施形態３に記載のファイバセンサ。
【０１００】
実施形態６
上記ファイバ長は約１０ｍ〜１００ｋｍである、実施形態１〜５のいずれか１つに記載のファイバセンサ。
【０１０１】
実施形態７
上記シングルモードコア部分は、最大相対屈折率Δ３１を有し、
上記マルチモード差分コア部分は、最大相対屈折率Δ３２を有し、
０．２％≦Δ３１−Δ３２≦１％である、実施形態１〜６のいずれか１つに記載のファイバセンサ。
【０１０２】
実施形態８
上記ファイバの上記伝送端部の上記コアは、上記ファイバ内に、約１マイクロメートル〜約１００マイクロメートルのスポットサイズを有する単一の光源からの入射光を受信するよう配設及び構成される、実施形態１〜７のいずれか１つに記載のセンサ。
【０１０３】
実施形態９
上記ファイバの上記伝送端部は、光源からの光が上記ファイバの上記伝送端部において上記コアに入射した後に、上記シングルモードコア部分及び上記マルチモードコア部分の両方から放出される、全後方散乱信号を発する、実施形態１〜８のいずれか１つに記載のファイバセンサ。
【０１０４】
実施形態１０
上記全後方散乱信号は、基準シングルモードコア光ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より大きなＳＮ比を有する、実施形態９に記載のセンサ。
【０１０５】
実施形態１１
上記全後方散乱信号は、基準シングルモードコア光ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より少なくとも２倍大きなＳＮ比を有する、実施形態９に記載のセンサ。
【０１０６】
実施形態１２
上記全後方散乱信号は、ＳＭＦ‐２８（登録商標）ファイバからの後方散乱信号からのＳＮ比より少なくとも２倍大きなＳＮ比を有する、実施形態９に記載のセンサ。
【０１０７】
実施形態１３
実施形態１〜１２のいずれか１つに記載のファイバセンサシステムであって、
上記光ファイバは、約３００ｎｍ〜約２０００ｎｍの波長でのシングルモード動作又はいくつかのモードでの動作のために構成され、
上記ファイバセンサシステムは更に：
入射光のスポットを、上記ファイバの上記伝送端部において、上記コアの少なくとも一部分へと配向するよう構成された、光源；
上記入射光のスポットが、上記ファイバの上記伝送端部において、上記ハイブリッドコアに入射した後に、上記ハイブリッドコアから放出される全後方散乱信号を受信するよう構成された、レシーバ；並びに
上記後方散乱信号を処理して、上記ファイバに近接した又は接触した特徴部分に対応するセンサ測定値を得るよう構成された、信号問い合わせ要素
を備える、実施形態１〜１２のいずれか１つに記載のファイバセンサシステム。
【０１０８】
実施形態１４
上記センサ測定値は、温度、圧力、歪み、変位及び雑音からなる群からの１つ以上の特徴を含む、実施形態１３に記載のシステム。
【０１０９】
実施形態１５
上記光ファイバは、約６００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長での動作のために構成される、実施形態１〜１４のいずれか１つに記載のファイバセンサ。
【０１１０】
実施形態１６
上記光ファイバは、約１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長での動作のために構成される、実施形態１〜１５のいずれか１つに記載のファイバセンサ。
【０１１１】
実施形態１７
上記光ファイバは、約１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長での動作のために構成され、
上記ファイバセンサは更に、１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長の光を供給する光源、及び１２００ｎｍ〜１６００ｎｍの波長範囲内にある全後方散乱信号を受信するよう構成されたレシーバを備える、実施形態１〜８のいずれか１つに記載のファイバセンサ。
【０１１２】
実施形態１８
（ｉ）シングルモードコア部分及びマルチモードコア部分を備える、ハイブリッドコア；並びに
（ｉｉ）上記ハイブリッドコアを取り囲む、クラッド、
を備える、光ファイバであって、
上記マルチモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、５．５重量％〜３５重量％である、光ファイバ。
【０１１３】
実施形態１９
上記シングルモードコア部分中のＧｅＯ２の最大量は、６重量％〜５０重量％である、実施形態１８に記載の光ファイバ。
【０１１４】
実施形態２０
上記シングルモードコア部分は最大相対屈折率Δ３１を有し、
上記マルチモード差分コア部分は最大相対屈折率Δ３２を有し、
０．２％≦Δ３１−Δ３２≦１％である、実施形態１８又は１９に記載の光ファイバ。
【符号の説明】
【０１１５】
１０ａ    伝送端部
１０ｂ    別の端部
３０      ハイブリッドコア、ファイバコア
３１      シングルモードコア部分、シングルモード部分、ファイバコア部分、コア部分、内側コア部分
３２      マルチモードコア部分、マルチモード部分、コア部分
３３      低屈折率層、低屈折率コア層
４０      クラッド
４４      外側クラッド直径、外径
５０      ファイバ、光ファイバ、ハイブリッドコア光ファイバ、ハイブリッドコアファイバ
５１      保護コーティング
５２      長さ、ファイバ長
５４      ファイバ外径、外側ファイバ直径
８０      中心軸
１００    ファイバセンサ、感知システム
１１０    光源
１１０ａ  レシーバ
１１２    光学部品
１２０    信号問い合わせ要素
１５０ａ  入射光、光信号
１５０ｄ  全後方散乱信号
１６０    スポット、スポットサイズ
２００    ファイバセンサシステム、センサシステム
３００    足跡、特徴部分
３００ａ  場所
【国際調査報告】
2020514724.tif 000024
2020514724.tif 000025
2020514724.tif 000026