■光学ハイライト

分布型光ファイバーセンサーの最新展開と課題
水野洋輔・中村健太郎（東京工業大学）は じ め にな依存性を示さないため，歪みの分布測定に利用すること

ビルやトンネル内壁，橋梁やダム，パイプライン，さらは困難である．

には飛行機の翼や風車の羽根など，高度経済成長期に建設

本稿では，ブリユアン散乱を用いた分布型光ファイバーされたインフラなどの経年劣化や自然災害による損傷が大センサーについて，その基本から最新の展開や今後の課題

きな社会問題となっている．そこで，これらの構造物の歪までを紹介する．

み（ひずみ＝伸び）や温度，圧力，振動などの状態を監視するシステムとして，光ファイバーセンサーの重要性が高まっている．

1.

ブリユアン散乱とは
物質中には，熱振動によって常に密度のゆらぎが生じて光ファイバーセンサーは，大きく単点型・多点型・分布

おり，これは超音波（音響フォノン）となって伝搬する．

型の 3 種類に分類される．単点型は，光ファイバー端面なこれを光散乱法によって測定することで，広い周波数帯域

ど，光ファイバー上の 1 か所でのみセンシングができる方にわたる超音波の伝搬を測定することができる．この音響式である．多点型は，光ファイバーに沿った複数の箇所でフォノンによる光の散乱現象がブリユアン散乱である4）．

センシングができる方式であり，典型例として，複数の一般に，ブリユアン散乱測定は，人工的に音波を励振する

ファイバーブラッググレーティング（FBG）による計測がことが困難な高周波領域において特に重要な音波測定手段挙げられる．これらに対し，分布型は，光ファイバーにとなる．

沿った任意の位置でセンシングができる方式である．3 つブリユアン散乱光は伝搬するフォノンによって散乱されの方式はそれぞれ一長一短であり，どの方式が絶対的に優るためにドップラーシフトを受け，ちょうどフォノン周波れているというものではないが，本稿では，計測の「死数分だけ光の周波数がシフトする．この過程は，量子力学

角」がないという意味で大きな利点を有する分布型の光的にはフォノンの吸収・放出に伴う光（フォトン）エネル

1）

ファイバーセンサーに注目する ．

ギーの増加・減少と捉えることもできる．この周波数変化

分布型光ファイバーセンサーの動作原理となりうる光の量 fB をブリユアン周波数シフト（BFS）とよび，光ファイ

散乱現象としては，レイリー散乱やラマン散乱，そして，

バー中では，f B ＝ 2 n vA /l で与えられる．ここで，vA は媒

ブリユアン散乱が知られている．レイリー散乱を用いた分質中の音響フォノンの速度，すなわち音速である．光ファ布センサーは，人間の指紋のような散乱パターンが歪みやイバー中の BFS は一般に GHz オーダー（通信波長帯にお温度に比例して波長シフトすることを利用したものが多けるシリカ光ファイバーの BFS は 10.9 GHz 程度）であい．米国 Luna 社を中心に開発が進んでおり，mm オー

り，光の周波数（ ⬎100 THz ）に対してきわめて低い．周ダーの空間分解能，かつ，高い歪み・温度分解能での測定

波数が下がる成分をストークス成分，周波数が上がる成分2）が実証されている ．現状では，測定レンジが比較的短いをアンチストークス成分とよぶ．一般には，ストークス成こと（数 10 m 程度）と，装置がきわめて高価であること

分のほうがアンチストークス成分よりも支配的である．

が課題である．一方，ラマン散乱を用いた分布センサー

BFS は，光ファイバーに印加された歪みや温度変化に，は，その反射パワーが温度に依存することを利用するもの

ほぼ線形に依存する．例えば，シリカ光ファイバー中のが多い．多くの国内外の企業が開発を進めており，例え

BFS は，歪みに対しては＋580 MHz/％5），温度に対しては

ば横河電機は，測定レンジ数 10 km，空間分解能 1 m で，＋1.18 MHz/K 6）で変化する．これは，音速 vA を決定する

高い温度分解能を有するシステムを製品化している

ヤング率や密度，屈折率が歪みや温度に依存することに起3）（DTSX3000） ．しかし，ラマン散乱は歪みに対しては顕著
284（ 32 ）因する．この性質を用いれば，測定した BFS を光ファイ光学

バーに印加されている歪み・温度の情報に読み替えることする必要があるため，測定速度も比較的遅い．しかし，近ができる．これがブリユアン散乱を用いた歪み・温度セン

年の BOTDA の性能向上は著しく，cm オーダーの空間分

シングの基本原理である．散乱光のパワーが温度に依存す

解能やリアルタイム分布測定が実現されている（次章を参るラマン散乱に比べ，散乱光の周波数が歪みと温度に依存

照）．

するブリユアン散乱に基づくセンサーは，予期せぬ光損失

2. 3 光周波数領域法の影響を受けにくいという意味で，安定した動作が可能である．

光周波数領域法では，測定ファイバーに入射する連続光の周波数を掃引して周波数応答を計測し，その結果を逆フーリエ変換することで歪みや温度の分布を得る．測定ファ2.

ブリユアン散乱に基づく分布型センサー

イバーの片端のみから光を入射する構成をブリユアン光周
9）波数領域反射計（BOFDR），両端から光を入射する構成

2. 1 反射計と解析法
光ファイバー中のブリユアン散乱を用いた分布型セン10）をブリユアン光周波数領域解析法（BOFDA）とよぶ．

サーは，測定ファイバーの片端からのみ光を入射する「反これらのシステムは，ベクトルネットワークアナライ

射計」と，両端から光を入射する「解析法」の 2 種類に大ザーなどの高価な機器が必要となり，信号処理のため測定別される．解析法は，対向伝搬する光の相互作用に基づく

時間も長くなる傾向にある．しかし，空間分解能を高くし誘導散乱への遷移により，比較的大きなブリユアン散乱信ても BGS の線幅が広がらないという利点をもち，比較的号が得られるのが利点である．しかし，測定ファイバーが高い空間分解能が実現されている．

1 か所でも破断するだけで，その全体が測定不能になって

2. 4 光相関領域法

しまう．これに対し，反射計には，構造物への埋め込みが光相関領域法では，連続光の相関（コヒーレンス）を容易，かつ測定中にある部分が破断してもその箇所までは制御して位置分解を実現する．測定ファイバーの片端のみ

正しく測定を継続することができるという利点がある．しから光を入射する構成をブリユアン光相関領域反射計

かし，一般には誘導散乱を用いることは困難であり，微弱

11）（BOCDR），両端から光を入射する構成をブリユアン光なブリユアン散乱信号を用いる必要がある．このように，相関領域解析法（BOCDA）12）とよぶ．

反射計と解析法は一長一短であり，計測対象に応じて使い

光相関領域法では，レーザーの出力光の中心周波数に正分けられる．また，両者ともに，位置分解手法によってさ

弦波変調を施す．BOCDA の場合，レーザーの出力光をポらに細かく分類される．おもな方式は，光時間領域法，光ンプ光とプローブ光に分岐させ，両光を測定ファイバー中周波数領域法，そして，光相関領域法の 3 種類である．以で対向伝搬させる．プローブ光の中心周波数は，BFS 分だ

下，それぞれの方式について概説する．

け下げておく．すると，測定ファイバー中には，両光の周2. 2 光時間領域法

波数差が時間的に変動しない（両光の時間平均的な相関が光時間領域法は，光パルス法ともよばれる．一般に，光高い）箇所が生じる一方，それ以外の領域では両光の周波パルスをファイバーに入射すると，その各位置から異なる

数差は時間的に変動する（両光の時間平均的な相関が低時間でブリユアン散乱光が戻ってくる．よって，光パルスい）．ここで，相関が高い箇所を「相関ピーク」とよぶ．

を入射してから散乱光が戻ってくるまでの時間情報を距離

いま，光周波数は正弦波変調されているので，相関ピーク

情報に読み替えることができる．測定ファイバーの片端のは周期的に立ち並び，その間隔は変調周波数に反比例す

みから光を入射する構成をブリユアン光時間領域反射計

る．これを利用し，測定ファイバー中にただ 1 つだけ相関7）（ BOTDR） ，両端から光を入射する構成をブリユアン光

ピークが立つように調整すれば，相関ピークに対応した位8）置での誘導ブリユアン散乱信号のみが抽出できる．さらに

時間領域解析法（BOTDA） とよぶ．
光時間領域法では，空間分解能は入射する光パルスの幅

変調周波数を掃引することで，相関ピークを測定ファイに比例するため，基本的にはパルス幅を短くすることで高バーに沿って移動させ，BGS や BFS の分布情報を得るこい空間分解能を得ることができる．しかし，パルス幅が短とができる．BOCDR の場合も同様に，測定ファイバー中

すぎるとブリユアン散乱スペクトル（BGS）の線幅が広がの特定の位置の自然ブリユアン散乱信号のみを参照光とのり，BFS の検出が困難になる．その結果，温度や歪みの測

ビート信号として抽出することができる．

定精度が劣化するため，基本的な実験系ではパルス幅を光相関領域法は，mm オーダーのきわめて高い空間分解

10 ns 程度以下には短くすることができない．これは，空能を有する．また，光ファイバーの任意の位置で高速測定

間分解能 1 m 程度に相当する．また，散乱光を多数回積分が可能であり（ランダムアクセス性），その他の手法のよ48 巻 7 号（2019）285（ 33 ）より，10 kHz のサンプリングレートが報告された．その後，Zhou ら16）は，周波数アジャイル技術により生成した
光チャープチェーンプローブ光を用いることで，MHzオーダーのサンプリングレートを達成した．さらに，Sotoら17）は，BOTDA によって得られた BGS 分布を画像と見なし，画像処理分野で培われた雑音除去技術を適用することで，BFS 分布計測の信号対雑音比（SNR）を劇的に向上させた．加えて，BGS 分布の時間変化を動画と見なし，

図 1 光ファイバーの 3 か所に同時に印加した歪みをリアルタイムに検出している様子．公開中の動画も参照ください（https://youtu.be/0TKUivvYbH0）．

動画特有の雑音除去技術を適用する手法も提案した．
また，通常の単一モードシリカ光ファイバー以外の特殊光ファイバーを用いてブリユアンセンサーの性能向上を図うに，ある特定の箇所の歪みを知りたいときに，時間をかる取り組みも進んでいる．例えば，大容量通信分野で多用

けて全長にわたる歪み分布を取得する必要はない．さらされているマルチコア光ファイバーは，そのブリユアン散に，BOCDR は高額な光学変調器を必要としないため，比乱が初観測 18）されて以来，三次元形状計測や歪みと温度

較的低コストで実装可能である．しかし，光相関領域法のの同時分離計測への応用が精力的に研究されている19）．ま基本的な構成では，測定レンジが隣接する相関ピーク間のた，サファイア光ファイバーは，BFS が温度にほぼ依存せ距離に制限され，空間分解能と測定レンジがトレードオフ

ず，温度の補償をしなくても正しい歪み情報が得られるこの関係にあるという欠点をもつ．そのため，時間ゲート法とが報告された 20）．テルライト光ファイバーやカルコゲ

や二重変調法によって，この制限を緩和する取り組みが進

ナイド光ファイバーは，ブリユアン利得係数が高く，センんでいる．光相関領域法も近年の性能向上は著しく，従来サーの SNR 向上に役立つ可能性がある21）．また，最近注

大きな欠点とされてきた比較的遅い動作速度も克服され，目を集めているのがプラスチック光ファイバー（POF）ですでにリアルタイム分布測定が実現されている（次章を参ある．POF は通信波長帯での BFS が 2.8 GHz と低く22），そ照）．

の歪みや温度に対する依存性は，−122 MHz/％，−4.09
MHz/K であり，温度に対して高感度であると報告されている23）．POF 中のブリユアン散乱に基づく分布測定は，す

最新の展開

3.

まずは，各種方式のシステム面での進展について紹介すでに国内外の 3 つの研究グループにより実証されている．従来の BOCDR は，各測定位置において周波数を掃引る24―26）．また，あらかじめ引き延ばして細径化させた POFすることにより BGS を取得していたため，サンプリング

は，30％以上もの巨大な歪みに対しても，BFS と歪みが 1は，対 1 対応することも判明した 27）．通常のシリカガラス光

BOCDR において，周波数領域の信号である BGS を時間領ファイバーが 3％程度の歪みで破断することを考えると，域に変換し，位相検波を適用することで，サンプリング

ブリユアンセンサーの歪みダイナミックレンジの向上につレートを 100 kHz 以上にまで劇的に向上させた．これによながると期待される．

レートが 20 Hz 未満に制限されていた．Mizuno ら

13）

り，図 1 に示すように，片端光入射の構成で初めてリアル＊1

最後に，導波音響波型ブリユアン散乱（GAWBS）を用

タイム分布測定を実証した ．また，BOCDA は空間分いたセンサーについて紹介したい．これまで言及してきた解能と測定レンジがトレードオフの関係にあるのが大きブリユアン散乱は，すべて後方散乱である．これに対し，14）は，位相変調に基づく

GAWBS とは，光ファイバーの径方向に誘起される横波音

BOCDA に時間ゲート法を適用することで，その空間分解

響波と光波の相互作用により生じる前方散乱であり，前方能と測定レンジの比を 210 万まで向上させた．実験では，

ブリユアン散乱ともよばれる．GAWBS を用いたセンシン

17.5 km の光ファイバーの端面付近で 8.3 mm の歪み印加区

グでは，歪みや温度のみならず，通常のブリユアン散乱で間を検出することに成功した．一方，BOTDA の高速化のは検出困難な屈折率や音響インピーダンスなどの光ファイな課題であったが，Denisov ら

15）による周波数掃

バーの外側の物理量の情報が得られるのが最大の特長であ引プローブ光を用いて時間領域で BGS を取得する方式にる．また，GAWBS による位相変調周波数は数百 MHz 以研究も進んでおり，2017 年に，Kito ら＊1

動画を，https://youtu.be/0TKUivvYbH0 にて公開中．

286（ 34 ）光学

下の範囲なので，測定に際して高価な高周波装置を必要とも，加えてそれが小型化され可搬性が格段に向上しようとしないという利点もある．しかし，GAWBS は前方散乱でも，それを本当に現場に適用できるかは別問題である．例

あることから，分布測定は困難であるとされてきた 28）．

えば，光ファイバーセンサーを用いて橋梁の歪みを監視ししかし，最近，2 つのグループから GAWBS スペクトルをようと思ったとき，光ファイバーをどのように設置するの間接的ながらも分布的に取得する手法が提案された．すなが最善なのだろうか．内側に埋め込むのか，外側に貼り付

29）

はレイリー後方散けるのか．どのように固定するのか．光ファイバーの被覆はブリユアン後方散乱に乗せて，はどうするのか．構造物の変形と光ファイバーの変形は一それぞれ光時間領域法を用いて分布的に測定することに成致しているのか．昼夜や季節による温度変動はどう補償す功した．前者では測定レンジ 3 km と空間分解能 100 m，るのか．光ファイバーの敷設コストをどう考えるのか．ほ

後者では測定レンジ 730 m と空間分解能 15 m がそれぞれかにも泥臭い問題がたくさんある．これまでに，実構造物達成されている．また，光相関領域法による GAWBS 分布に光ファイバーセンサーを適用したという数多くの報告例

31）

はあるものの，一部を除いて，「とりあえずこの条件でわち，GAWBS の情報を，Bashan ら
30）

乱に乗せて，Chow らセンサーの研究も進んでおり ，今後の進展が期待される．

やってみたらこんな結果になった」というものが多く，ど

4.

今後の課題

のようにするのが本当に最適なのかを突き詰める状況には前章で述べたように，近年の分布型光ファイバーセン

達していないといえる．さらに多くの適用例を積み重ね，サーの性能進化は著しく，空間分解能や測定レンジ，動作測定で得られるものを使う側との議論を重ねる必要がある

速度，ダイナミックレンジなどが劇的に向上している．しだろう．何をどのくらいの精度で測定すればよいのかがあかし，このようなわかりやすい性能指標の陰に隠れ，ともまり明確になっていない分野もある．また，多くの道路，

すると軽視されがちなのが精度（precision）である．しか

橋梁，河川などは地方自治体が管理しており，コスト面のし，本技術の実用化・製品化を考えると，むしろ精度こそ要求も厳しい．しかし，あらゆる自然災害に見舞われる日

最重要な性能指標ともいえるのではないだろうか．お金を本だからこそ，このような減災技術に投資をして育て，世出して，正確に測れないセンサー，再現性のないセンサー

界に供給できるようになるべきではないだろうか．そのたを購入する物好きは少ないだろう．位置精度も重要である

めにも，より実質的な産学官連携が必要になっていると考が，ここでは歪みや温度の測定精度に注目したい．一般

えられる．

に，ブリユアン散乱を用いたセンサーの精度は，FBG センサーよりも 1 桁以上低いといわれている．しかし，そも

お わ り にそも分布型光ファイバーセンサーにおける精度の定義は確

本稿では，ブリユアン散乱を用いた分布型光ファイバー

定していない．歪みや温度をどのような条件でどのようにセンサーの基本から最新の展開および今後の課題までを紹測ったときの何の評価値を精度と定義するのか，現状では介した．本分野は，世界中の研究者間での競争が激しく，

論文ごとにまちまちである．また，当然のことながら，精今後も優れた新技術が速いペースで登場してくると期待さ

度は平均回数や信号処理の度合い（測定速度に直結）のみれる．また，そのような技術を現場で活用しようとする取ならず，空間分解能や測定位置などにも大きく依存する．

り組みについても，ますますの進展が期待される．これかあるシステムでは，歪み精度が歪みの大きさに依存するこらも業界全体を注視していきたい．

とも知られている．このように一筋縄ではいかない精度を最後に，この場をお借りして，光ファイバーセンサー国

どのように統一的に扱い，ユーザーから見えるようにして際会議（International Conference on Optical Fiber Sensors;

いくかが，大きな課題であるように感じる．また，精度とOFS）の紹介をさせていただく．OFS は，光ファイバーセ

並んで確度（accuracy）もよく知られた性能指標であるが，ンサーおよび関連技術を対象とした世界で最も権威ある国論文中で定量評価されることは少ない（precision と accu-

際会議であり，基礎理論から実応用まで幅広い分野に関す

racy を混同している論文は多い．分野によっては，用語をる最新の研究成果が報告，議論される．1983 年に初めて逆の意味で使うこともあるようだ）．確度は，計測値が真ロンドンで開催されて以来，1 年半ごとに米大陸，欧州，の値に近いことを示す指標である．ただ，確度が低くてもアジア・オセアニアを巡回して開催されている．本会議の精度が高ければ，補償するすべはいくらでもある気がす

大きな特徴は，参加者全員が全講演の聴講と議論に参加でる．やはり重要なのは精度（再現性）だろう．

きるように，シングルセッションを踏襲していることであまた，光ファイバーセンサーの性能がいかに高まろうと
48 巻 7 号（2019）

る．第 26 回 OFS（OFS-26）は 2018 年 9 月 24 日から 28 日
287（ 35 ）

にかけての 5 日間，スイス連邦工科大学ローザンヌ校にて開催された．学生 148 名を含む 600 名の参加者があり，371
件の論文が発表された．本稿で紹介した最新展開の一部
も，本会議で発表されたものである．
ここで OFS の紹介をさせていただいたのは，2021 年秋に開催される OFS-28 が日本（横浜）で開催されるためである．著者らを含む OFS 日本委員会メンバーが準備を進めており，日本からの参加者を増やすことで会議の活性化と本分野での日本のプレゼンス向上につなげたいと考えている．また，次回 OFS-27 は 2020 年 6 月 8 日から 12 日にかけて米国バージニア州のアレクサンドリアで開催される．2021 年の日本開催の成功につなげるため，まずは
OFS-27 へのご参加を検討いただければ幸いである．
文献1）A. H. Hartog: An Introduction to Distributed Optical Fibre
Sensors（CRC Press, Boca Raton, 2017）.
2）ODiSI at Luna: https://lunainc.com/product/odisi/
3）Fiber-optic temperature sensors at Yokogawa Electric:
https://www.yokogawa.co.jp/solutions/products-platforms/ﬁeldinstruments/ﬁber-optic-sensor-j/
4）G. P. Agrawal: Nonlinear Fiber Optics, 2nd ed.（Academic Press,
San Diego, 1995）.
5）T. Horiguchi, T. Kurashima and M. Tateda: IEEE Photonics
Technol. Lett., 1（1989）107―108.
6）T. Kurashima, T. Horiguchi and M. Tateda: Appl. Opt., 29（1990）2219―2222.
7）T. Kurashima, T. Horiguchi, H. Izumita, S. Furukawa and Y.
Koyamada: IEICE Trans. Commun., E76-B（1993）382―390.
8）T. Horiguchi and M. Tateda: J. Lightwave Technol., 7（1989）
1170―1176.
9）A. Minardo, R. Bernini, R. Ruiz-Lombera, J. Mirapeix, J. M.
Lopez-Higuera and L. Zeni: Opt. Express, 24（2016）29994―
30001.
10）D. Garus, K. Krebber, F. Schliep and T. Gogolla: Opt. Lett., 21（1996）1402―1404.

288（ 36 ）11）Y. Mizuno, W. Zou, Z. He and K. Hotate: Opt. Express, 16（2008）12148―12153.
12）K. Hotate and T. Hasegawa: IEICE Trans. Electron., E83-C（2000）405―412.
13）Y. Mizuno, N. Hayashi, H. Fukuda, K. Y. Song and K.
Nakamura: Light: Sci. Appl., 5（2016）e16184.
14）A. Denisov, M. A. Soto and L. Thévenaz: Light: Sci. Appl., 5（2016）e16074.
15）C. Kito, H. Takahashi, K. Toge and T. Manabe: J. Lightwave
Technol., 35（2017）1738―1743.
16）D. Zhou, Y. Dong, B. Wang, C. Pang, D. Ba, H. Zhang, Z. Lu,
H. Li and X. Bao: Light: Sci. Appl., 7（2018）32.
17）M. A. Soto, J. A. Ramírez and L. Thévenaz: Nat. Commun., 7（2016）10870.
18）Y. Mizuno, N. Hayashi, H. Tanaka, Y. Wada and K. Nakamura:Sci. Rep., 5（2015）11388.
19）Z. Zhao, M. A. Soto, M. Tang and L. Thévenaz: Opt. Express, 24（2016）25211―25223.
20）P. Dragic, T. Hawkins, P. Foy, S. Morris and J. Ballato: Nat.
Photonics, 6（2012）627―633.
21）Y. Mizuno, Z. He and K. Hotate: Opt. Commun., 283（2010）
2438―2441.
22）Y. Mizuno and K. Nakamura: Appl. Phys. Lett., 97（2010）
021103.
23）Y. Mizuno and K. Nakamura: Opt. Lett., 35（2010）3985―3987.
24）N. Hayashi, Y. Mizuno and K. Nakamura: J. Lightwave
Technol., 32（2014）3999―4003.
25）Y. Dong, P. Xu, H. Zhang, Z. Lu, L. Chen and X. Bao: Opt.
Express, 22（2014）26510―26516.
26）A. Minardo, R. Bernini and L. Zeni: IEEE Photonics Technol.
Lett., 26（2014）387―390.
27）Y. Mizuno, N. Matsutani, N. Hayashi, H. Lee, M. Tahara, H.
Hosoda and K. Nakamura: Opt. Express, 26（2018）28030―
28037.
28）Y. Tanaka, H. Yoshida and T. Kurokawa: Meas. Sci. Technol., 15（2004）1458―1461.
29）G. Bashan, H. H. Diamandi, Y. London, E. Preter and A. Zadok:
Nat. Commun., 9（2018）2991.
30）D. M. Chow, Z. Yang, M. A. Soto and L. Thévenaz: Nat.
Commun., 9（2018）2990.
31）N. Hayashi, Y. Mizuno, K. Nakamura, S. Y. Set and S.
Yamashita: Opt. Express, 25（2017）2239―2244.

光学