JP5600850B2 - 誘導ブリルアン散乱による自己参照型光ファイバセンサ - Google Patents

Description

本発明の分野は、物理量測定用光ファイバセンサの分野である。光ファイバをベースとするセンサは、ほぼ３０年にわたって研究されてきた。このテーマに関しては、たとえば、Ｃ．Ｍｅｎａｄｉｅｒ、Ｃ．Ｋｉｓｓｅｎｇｅｒ、Ｈ．Ａｄｋｉｎｓらによる出版物「Ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｎｉｃ ｓｅｎｓｏｒ」（Ｉｎｓｔｒｕｍ．ＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔ．Ｖｏｌ．４０，１１４（１９６７））を参照されたい。彼らが光ファイバの利点から受けた恩恵は、軽量、コンパクトサイズ、低コスト、および電磁干渉に対する不感受性に加えて、低損失であること、高帯域幅であること、多重化技術に好適であること、および増幅器またはセンサの分散使用に好適であることである。

光ファイバセンサの用途は多様であり、これについては、Ｂ．Ｃｕｌｓｈａｗによる出版物「Ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｏｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ： ｏｐｐｏｒｔｕｎｉｔｉｅｓ ａｎｄ − ｐｅｒｈａｐｓ − ｐｉｔｆａｌｌｓ」（Ｊ．Ｌｉｇｈｔ．Ｔｅｃｈ．Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１，３９（２００４））から挙げることができよう。用途として最も多いのは、歪み、温度、および圧力の検出に関するものであるが、電流／電圧、変位、ねじれ、加速、ガスなどを検出する分野にも用途がある。用いられる技術は非常に多様であるが、最も活発に研究されているのは、以下に関するものである。
・ 干渉型の方法（Ｐ．Ｎａｓｈの「Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」（ＩＥＥ Ｐｒｏｃ．Ｒａｄａｒ Ｓｏｎａｒ Ｎａｖｉｇ．Ｖｏｌ．１４３，Ｎｏ．３（１９９６）を参照）。具体的には、
○ ファイバジャイロ（このテーマに関しては、Ｖ．Ｖａｌｉ、Ｒ．Ｗ．Ｓｈｏｒｔｈｉｌｌらの「Ｆｉｂｅｒ ｒｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ」（Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．Ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．５，１０９９（１９７６））を参照）。
・ 後方散乱技術（ラマン散乱、ブリルアン散乱、またはレイリー散乱など）。具体的には、Ｌ．Ｔｈｅｖｅｎａｚらの「Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｌａｒｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｕｓｉｎｇ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｉｎｇ」（Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ １３ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｓｅｎｓｏｒｓ （ＯＦＳ−１３），Ｋｏｒｅａ，ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３７４６，３４５（１９９９））を参照されたい。

現在研究されているファイバセンサのほぼ半数は、ブラッググレーティングを用いている（Ｓ．Ｗ．Ｊａｍｅｓらの「Ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ ｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ａｎｄ ｓｔｒａｉｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｕｓｉｎｇ ｉｎ−ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇ ｓｅｎｓｏｒｓ」（Ｅｌｅｃｔ Ｌｅｔｔ．３２（１２）１１３３（１９９６）））。特に、ブラッググレーティングをベースとするレーザアクティブセンサの使用が広まっている。これらには、ＤＢＲ（分散ブラッグ反射器）レーザ（Ｄ．Ｋｅｒｓｅｙらの「Ｆｉｂｅｒ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒｓ」（Ｊ．Ｌｉｇｈｔ Ｔｅｃｈｎ．Ｖｏｌ．１５，Ｎｏ．８（１９９７））を参照）、またはＤＦＢ（分散フィードバック）レーザ（Ｊ．Ｈｉｌｌらの「ＤＦＢ ｆｉｂｅｒ−ｌａｓｅｒ ｓｅｎｓｏｒ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ」（ＯＦＳ−１７ Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．５８５５ ｐ．９０４）および米国特許第８８４４９２７号明細書「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ＦｅｅｄＢａｃｋ Ｌａｓｅｒ」（１９９８）を参照）が含まれる。これらのレーザは、スペクトル純度が高いため、パッシブブラッググレーティング素子の場合に比べて感度を大幅に上げることが可能である。

ファイバブラッググレーティングハイドロホンの場合、被測定量は、センサに加わる歪みである。要求される感度を達成するためには、使用するファイバグレーティングのタイプ（ＤＢＲ、ＤＦＢ、パッシブブラッグ）によらず、問合せシステムは複雑になる。これは、センサに加わる歪みが、センサ内を伝搬する光波の位相ずれを引き起こすためである。この位相ずれを測定するには、当該信号の位相を基準信号と比較することが必要である。基準波を得ることに関しては、使用されるいくつかの方法の中でも、２つの技術的ソリューションが傑出していると言ってよい。１つ目のソリューションは、第１のセンサと類似であって、干渉から隔離されている、第２のセンサから来る基準波を用いることである。この方法については、Ｃ．Ｓｕｎらによる記事「Ｓｅｒｉａｌｌｙ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｄｕａｌ−ｐｏｉｎｔ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｅｍｉｓｓｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ」（Ｊ．Ｌｉｇｈｔ Ｔｅｃｈｎ．Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．２（２００４））に記述されている。２つ目のソリューションは、当該信号を、光路が大きく異なる２つのアームに分割し、これら２つのアームを互いに干渉させることである。この場合、基準波は、当該信号波の遅延コピーである。この２つ目の方法の詳細については、Ｓ．Ａｂａｄらによる出版物「Ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ ｏｆ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｄ ｆｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｕｓｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ−ｔｏ−ｐｈａｓｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」（Ｊ．ｏｆ Ｌｉｇｈｔ．Ｔｅｃｈｎ．Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．１（２００３））を参照されたい。

周波数の異なる２つの光波を放射するアクティブセンサの使用は、干渉計のセットアップまたは追加センサをなしで済ますための、考えられる１つのソリューションである。横波であれ縦波であれ、２つの分極状態または２つの伝搬モードで発振するＤＦＢ−ＦＬ（分散フィードバックファイバレーザ）は、既に特許および出版物のテーマになっている。これについては、以下の特許、すなわち、米国特許第５８４４９２７号明細書「Ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ＤＦＢ ｌａｓｅｒ」（Ｏｐｔｏｐｌａｎ （Ｎｏｒｗａｙ） １９９８）、米国特許第６８８５７８４号明細書「Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ＤＦＢ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｓｅｎｓｏｒ」（Ｖｅｔｃｏ Ｇｒａｙ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ Ｌｔｄ （ＵＫ） ２００５）、および米国特許第６６３０６５８号明細書「Ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ」（ＡＢＢ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌｔｄ （Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ） ２００３）と、Ｋｕｍａｒらによる出版物「Ｓｔｕｄｉｅｓ ｏｎ ａ ｆｅｗ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ−ｏｐｔｉｃ ｓｔｒａｉｎ ｓｅｎｓｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＬＰ０１−ＬＰ０２ ｍｏｄｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ」（Ｊ．Ｌｉｇｈｔ．Ｔｅｃｈｎ．Ｖｏｌ．１９，Ｎｏ．３（２００１））とが挙げられる。

これらの原理を基に、様々なレーザＤＦＢファイバハイドロホンアーキテクチャが提案されている。これらの詳細については、Ｐ．Ｅ．Ｂａｇｎｏｌｉらによる「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｎ ｅｒｂｉｕｍ−ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｒｅ ｌａｓｅｒ ａｓ ａ ｄｅｅｐ−ｓｅａ ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ」（Ｊ．ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ Ａ：Ｐｕｒｅ Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．８（２００６））、Ｄ．Ｊ．Ｈｉｌｌらによる「Ａ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ ａｒｒａｙ」（ＳＰＩＥ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃ Ｓｅｎｓｏｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｖｏｌ．３８６０，５５（１９９９））、Ｓ．Ｆｏｓｔｅｒらによる「Ｕｌｔｒａ ｔｈｉｎ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｈｙｄｒｏｐｈｏｎｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｒｏｕｇｈ ｇｏｖｅｒｎｍｅｎｔ−ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎ」（ＯＦＳ ２００５−２００６）などの出版物を参照されたい。

現行のファイバレーザハイドロホンシステムの制限の１つが、レーザ動作に対する静圧の影響である。水圧の下では、キャビティは放射できなくなるか、キャビティの放射波長が、システムの動作を損なうレベルまで変更されてしまう。具体的には、水圧は、１０メートル深くなるごとに１バール前後ずつ増える。これらのシステムは、１００から４００メートル前後の深さの海底で使用することを意図されている。静圧は、レーザキャビティの長さを変更し、放射波長の数ナノメートル（４００メートルの深さで約３ナノメートル）のずれを引き起こす。たとえば、波長を多重化するアーキテクチャの場合、静圧は、２つの波長の間隔に対する直接的な制限となり、結果として、１つのファイバ上に連続して配置できるセンサの最大数を減らす。この問題を緩和するには、いくつかのソリューションがあり、静圧を測定して、これを考慮したデータ処理を行うか、静圧を補償することが可能である。前者の方法は、煩雑であり、システムの感度を制限する。後者の方法は、緻密な機械式かつ圧電性の素子を必要とする。提案されている各アーキテクチャは、それゆえに依然複雑である。

本発明の目的は、誘導ブリルアン散乱を通じて動作する、ブラッググレーティングを有する、いわゆる「自己参照型」アクティブファイバセンサを用いることである。「自己参照型」センサという用語は、被測定情報を搬送する２つの測定信号を発生させる任意のセンサを意味すると理解されたい。ここでの例では、信号は、異なる光周波数で放射された２つの光波である。この２つの信号の周波数の変動の示差測定値が、被測定情報を表す。したがって、被測定量は、これら２つの光波の間のうなりによって直接得られるため、干渉計も基準センサも不要になる。したがって、光ファイバセンサのアーキテクチャは、問合せセットアップに従来装備されていた干渉計モジュールが不要になって、かなり簡略化される。

本発明による素子は、光ファイバハイドロホンの製造に用いることが好ましいが、様々な技術分野における様々な物理量の測定に有利に用いることが可能である。特に、本素子は、航空分野で歪みセンサとして用いることが可能であり、その場合、本素子は、風速計の気圧センサとして働く。被測定量（たとえば、センサに加わる歪み）に関する情報は、センサから出力される２つの波のうなり周波数を介して得られる。

より正確には、本発明の１つのテーマは、物理量測定用光ファイバセンサであり、本センサは、１つ以上のブラッググレーティングを有する、１つ以上の測定用光ファイバと、
・ 上記ファイバに、第１の、「ポンプ」波を第１の光周波数で注入し、第２の、「プローブ」波を第２の光周波数で注入するように設計された光学的手段であって、第２の光周波数は、第１の光周波数と異なり、ブラッググレーティングは、第１および第２の光波を反射するように設計されており、第１の波の光パワーは、誘導ブリルアン散乱によって反射された第２の波との相互作用の後に、「ストークス」波を与えるのに十分であり、ストークス波の周波数は、被測定物理量を表す、光学的手段と、
・ ２つの光波、すなわち、「ポンプ」波および「ストークス」波の間の周波数差を分析する手段と、を備える。

有利なこととして、第１の波と第２の波との間の周波数差は、１０ＧＨｚ程度である。

上記ファイバは、カルコゲナイドベースのガラスから作られたファイバ、またはビスマスドープシリカから作られたファイバであることが好ましい。

好ましくは、上記センサは歪みセンサであり、被測定物理量は、上記ファイバに加わる機械的歪みであり、より具体的には、上記センサはハイドロホンであってよい。

本発明はまた、上記特徴のうちの１つ以上を有する光ファイバセンサのアレイに関する。これらのセンサはすべて、同一光ファイバ上に連続して配置され、アレイは、上記ファイバと上記分析手段との間に配置された波長多重化器を含む。

非限定的な例として与えられる以下の説明を添付図面と併せて読むことにより、本発明はよりよく理解され、本発明の他の利点が明らかになるであろう。

本発明による光ファイバセンサの一般的なセットアップを示す図である。 誘導ブリルアン散乱の原理を示す図である。 本発明による光ファイバセンサの一実施形態を示す図である。 センサの光ファイバの中を伝搬する光波の各種周波数を示す図である。 本発明による光ファイバセンサのアレイを示す図である。

本発明によるセンサを、図１に概略的に示す。本センサは、以下のものを含んでいる。
・ 測定１１用光ファイバ１０。光ファイバ１０の光学特性は、物理量εの影響を受けやすい。光ファイバ１０は、少なくとも１つのブラッググレーティング１２を有する。
・ ファイバに、第１の、「ポンプ」波１を、ν_Ｐ（ε）で示される第１の光周波数で注入し、第２の、「プローブ」波２を、ν_プローブ（ε）で示される第２の光周波数で注入するように設計された光学的手段２０。第２の光周波数は、第１の光周波数と異なる。ブラッググレーティングは、第１および第２の光波を反射するように設計されている。第１の波の光パワーは、誘導ブリルアン散乱によって反射された第２の波との相互作用の後に、「ストークス」波２′を与えるのに十分であり、ν_Ｓ（ε）で示されるストークス波２′の周波数は、被測定物理量を表す。
・ センサは、入射波１および２、ならびに反射波１′および２′を分割する手段３０と、（図１に示していない）光検出器で受信された２つの光波の間の周波数差を分析する手段４０と、を含んでいる。

本発明によるセンサのコアは、図２に示した注入ブリルアンファイバ増幅器である。光ファイバ１０に注入されたポンプ波１が、熱平衡中に存在する音響フォノンによって散乱される。すなわち、自然ブリルアン散乱である。注入ポンプ波の光パワーが（ファイバの長さ、組成、および使用光源に依存する）閾値より大きい場合は、ポンプ波と、ストークス波と呼ばれる後方散乱波２′との間のうなりが音響波を増幅する。すなわち、誘導ブリルアン散乱である。具体的には、これらの波のうなりは、媒体中に存在する全電界の強度を周期的に変動させる。電歪過程を介して、この電界強度の周期的変動と対応付けられるのが、グレーティング１３によって表される、媒体の屈折率の周期的変動である。２つの光波には異なる波長が割り当てられているため、これらが引き起こす干渉パターンが媒体中を移動する。したがって、媒体の屈折率の変動は、周期的かつ可動であり、物理的圧力波になぞらえることができる。この音響波は、これを誘起したポンプの波長と整合する可動ブラッグミラーと等価である。

したがって、誘導ブリルアン散乱によって、ファイバに沿って動的インデックスグレーティング１３が書き込まれる。動的インデックスグレーティング１３は、標準的なＵＶ技術によって光書き込みされるブラッググレーティングと異なり、センサの使用の環境条件の変動がいかにゆっくりであっても、これに適応する。したがって、センサは、本質的に、静的歪みの影響を受けない。さらに、このセンサからは、ポンプ波およびストークス波と呼ばれる、周波数の異なる２つの光波が出力される。被測定量（たとえば、センサに加わる歪み）に関する情報は、センサから出力される２つの波のうなり周波数の変動を介して得られる。この自己参照型素子を用いることにより、ハイドロホンシステムのアーキテクチャを簡略化することが可能であり、これは、たとえば、ハイドロホンシステムの問合せセットアップに従来装備されていた干渉計モジュールをなしで済ますことで可能である。このような素子は、たとえば、航空機の高度に起因する大きな静的変動を中心とする、たとえば、局所的干渉に起因して、航空機の翼が受ける圧力の微小変動を測定するマイクの製造にも好適である。光ファイバにおける誘導ブリルアン散乱は、周知の作用であり、データ送信システムにとって概して問題の多いものであるが、本例では、この散乱は、本発明によるセンサの製造に完全に適合している。

この素子を高感度センサとして使用するためには、センサから出力される光波のスペクトル純度が高くなければならない。そこで、スペクトルが非常に高純度であるストークス波を発生させるブリルアンレーザが、製造すべき理想的な素子となる。このテーマに関しては、Ｓ．Ｎｏｒｃｉａ、Ｓ．Ｔｏｎｄａ−Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ、Ｒ．Ｆｒｅｙ、Ｄ．Ｄｏｌｆｉ、Ｊ．−Ｐ．Ｈｕｉｇｎａｒｄらによる「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｆｏｒ ｌｏｗ ｎｏｉｓｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｃａｒｒｉｅｒ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｓｉｇｎａｌｓ」（Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．２８，Ｎｏ．２０（２００３））、Ｓ．Ｎｏｒｃｉａ、Ｒ．Ｆｒｅｙ、Ｓ．Ｔｏｎｄａ−Ｇｏｌｄｓｔｅｉｎ、Ｄ．Ｄｏｌｆｉ、Ｊ．−Ｐ． Ｈｕｉｇｎａｒｄらによる「Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ Ｈｉｇｈ−ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｓｉｎｇｌｅ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ａ ｔｕｎａｂｌｅ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ」（Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ １ Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ． ８（２００４））などの記事を参照されたい。

ブリルアン効果を利用する、可能な方法は、いくつかある。図３は、プローブを介して注入を行うブリルアン増幅器の、可能な一実施形態を示す。これを用いる理由は、単純な増幅器では、ファイバ内の音響フォノンの持続時間の逆数に対応して、１０ＭＨｚ程度のスペクトル幅を有する、ノイズのあるストークス波が発生するためである。これほどの幅は、上述の用途では容認されない。スペクトル幅を１ｋＨｚ程度にするために、この素子を注入する必要がある。

図３は、ポンプ波およびストークス波に対して、光書き込みされたブラッグミラー１２によって端部が閉じられた光ファイバの一部を示しており、ポンプ波およびストークス波は広帯域であってよい（したがって、静的歪みに対するブラッグ波長の変動は問題ではない）。このように形成されたコンポーネントは、１５５０ｎｍ前後のポンプ波１（ν_ｐ、＋方向）と、プローブ波２（ν_プローブ、＋方向）とを介して注入される。プローブ波２の波長は、ポンプ波に対して、ほぼ使用ファイバのドップラー周波数（すなわち、ν_Ｂが約１０ＧＨｚ）の分だけシフトされる。入射ポンプ波１（＋方向）と、ブラッグミラーに反射したプローブ波２_反射（−方向）との間の相互作用の結果、ファイバのコア内の誘導ブリルアン散乱によって、純ストークス波２′（−方向）が誘起される。このストークス波（−方向）とブラッグミラーに対するポンプ波の反射１_反射または１′（−方向）との間の、周波数ν_ｐ−ν_ｓにおけるうなりは、センサから出力される当該信号を構成する。ポンプ波の光周波数ν_ｐは、注入時の周波数から変わらない。項ν_Ｂは、うなり周波数を表しており、ν_ｐ−ν_ｓに等しい。

ストークス波の光周波数ν_ｓは、一次的には、使用ファイバの性質に依存し、二次的には、使用ファイバの動作条件に依存する。したがって、周波数ν_Ｂでのうなり信号のパワーを最大化するためには、素子を配置してからν_ｓを調整しなければならない。この周波数ν_Ｂは、ファイバのタイプごとに容易に測定可能な量であり、その大きさは既知である。すなわち、標準的なファイバの場合は１１ＧＨｚであり、カルコゲナイドガラスファイバの場合は８ＧＨｚである。この調整が完了したら、誘導ブリルアン散乱によって書き込まれたブラッググレーティングをセンサとして、たとえば、歪みセンサとして、使用することが可能になる。ν_ｓが歪みの関数であることは、既に実験で実証されている。図４は、センサの各種周波数を示す。すなわち、ν_Ｐは、ポンプ波の周波数であり、ν_ｓ０は、初期プローブ波の周波数であり、ν_Ｓは、ファイバのタイプに適合されたプローブ波の周波数であり、ν_Ｓｍｉｎおよびν_Ｓｍａｘは、ファイバが歪みの変動にさらされた場合のストークス波の変動の周波数である。このテーマについては、Ｍ．Ｎｉｃｋｌｅｓ、Ｌ．Ｔｈｅｖｅｎａｚ、Ｐｈ．Ｒｏｂｅｒｔらによる記事「Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｇａｉｎ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｉｌｉｃａ ｆｉｂｅｒｓ」（ＪＬＴ １５、ｐ．１８４２−１８５１（１９９７））を参照されたい。

本素子は、光周波数の異なる２つの波を出力することから、自己参照型素子である。２つの波は、ポンプ波の反射と（ドップラー周波数の長波長寄りにずれた）誘導ストークス波である。本素子にどのような静圧がかかっても、本素子の動作は保証される。これは、ここで作成されたブラッググレーティングが、非線形効果によりブラッググレーティングを書き込んだ光波に動的に適応するするためである。

より正確には、放射された２つの光周波数ν_Ｐ（ε）およびν_Ｓ（ε）は、周波数Δν（ε）＝ν_Ｐ（ε）−ν_Ｓ（ε）のうなりを光検出器に発生させる（この周波数は、Δν（ε）＝ν_Ｐ−ν_Ｓ＋δν（ε）と書いてもよい）この２つの光周波数ν_Ｐ（ε）およびν_Ｓ（ε）ならびに値Δν（ε）は、センサの光ファイバに発生する長手方向変形εの関数である。したがって、この変形によって、干渉信号の位相が変調される。具体的には、周波数ν_Ｐおよびν_Ｓにおける波の光場をＥ_１およびＥ_２とすると、検出器から出力される光電流は、次式で与えられる。

すなわち、

被処理信号は、周波数ν_Ｐ−ν_Ｓの搬送波を中心とする周波数変調として直接現れる。この２つの周波数の間隔ν_Ｐ−ν_Ｓは、典型的には、数ＧＨｚから数十ＧＨｚ程度であり、結果として、近赤外において、０．１６ｎｍ程度の波長差に対応する。位相変調δν（ε）を得るには、ヘテロダイン検出を行う。すなわち、ν_１−ν_２に近い周波数の局部発振器を用いて、信号が低い周波数寄りにずれることを可能にする。これらは、よりデジタル処理に向いている。局部発振器は、振幅が１ＭＨｚ程度となる信号δν（ε）の測定を制限しないよう、十分なスペクトル純度でなければならない。現在利用可能なシンセサイザの安定度は、ほぼ２×１０^−１０／日であり、これは、本タイプのセンサには十分である。

ここで投入されるセンサの感度は、たとえば、ハイドロホン用途において対象となる量、すなわち、ＤＳＳ０（深海状態ゼロ（ｄｅｅｐ ｓｅａ ｓｔａｔｅ ｚｅｒｏ））に相当するものでなければならない。したがって、センサで検出可能な最小信号は、１ｋＨｚで

程度の圧力ノイズスペクトル密度に相当するものでなければならない。光ファイバに加わる圧力

に相当する長手方向変形は、次式で与えられる。

ただし、Ｅはヤング率であり、

はポアソン比である。

シリカの場合は、Ｅ＝７２×１０^９Ｐａおよび

であり、これは、

に等しい長手方向変形に対応する。

本光ファイバセンサは、特定の機械的素子に挿入されて、キャビティの伸び率に関して音響波の最適転送を可能にし、伸び率を４０ｄＢ程度増加させる。これは、被検出圧力の最小値（１Ｐａ程度）と等価であり、したがって、長手方向歪み

と等価である。したがって、以下で述べるセンサに関しては、キャビティがこの典型的な長手方向歪み（すなわち、

）にさらされたときに放射されるレーザ波の周波数ずれを計算するのが適切である。

本素子は、光ファイバの中のブラッグレーティングであると見なしてよい。ブラッググレーティングセンサのブラッグ波長のずれδλ_Ｂは、典型的には、次式のとおりである。

ただし、
□ ε_ｚおよびε_ｒは、長手方向および半径方向の歪みであり（等方性の場合はε_ｚ＝ε_ｒ）、
□ ｎ_ｅは、ファイバの有効屈折率であり、
□ Λ＝λ_Ｂ／２ｎ_ｅは、グレーティングの周期であり、
□ ｐ_１１およびｐ_１２は、長手方向および横断方向の弾性光学係数であり、シリカの場合は、ｎ_ｅ＝１．４５６、ｐ_１１＝０．１２１、およびｐ_１２＝０．２６５である。

静的な長手方向歪みに起因する、ブラッググレーティングファイバセンサの周波数ずれは、この式Ｅ１から推定される。このずれは、

にほぼ等しい。上式は、実験的な裏付けが十分になされている。

この式が動的モードにおいても成り立つとすると、光周波数ν_１の波を放射し、深海状態ゼロに相当する圧力を受けるブラッググレーティングセンサから放射される光周波数のずれは、λは約１．５５μｍ、すなわち、

として、次のとおりである。

これは、機械的増幅が４０ｄＢ前後であること、すなわち、被測定長手方向動的歪みが

程度になるまでであることを考慮すると）、

に相当する。

センサに問合せを行うシステムは、レーザの微小な周波数ずれ（上述の例では、

程度のずれ）の測定が可能でなければならない。したがって、センサの有効な（たとえば、音響の）周波数帯でノイズが非常に小さい単一周波数レーザを有することが必要である。

本発明によるセンサには、いくつかの特定タイプのファイバが特に好適である。たとえば、カルコゲナイドファイバのブリルアン利得は、標準的なシリカファイバより２桁高く、弾性光学係数（歪み感度）は、シリカより２０倍高い。「カルコゲナイドファイバ」という用語は、酸素、硫黄、セレン、テルル、またはポロニウムなどのカルコゲナイドからなる化学化合物を含有するガラスから作られた光ファイバを意味するものと理解されたい。したがって、これらは、誘導ブリルアン散乱センサを製造するのに最適な候補である。ビスマスドープシリカファイバも良好なセンサになり、さらに低吸収である。

各種センサから来る信号を識別するための多重化は、様々な手法を用いて達成可能である。たとえば、時間的多重化およびスペクトル多重化が挙げられる。

図５に図示した素子の多重化は、波長多重化であり、これには、数ｎｍのセンサ間隔をおいて配置された、ブラッグ波長を有するブラッグミラーを用いる。問合せソースは、テレコムソースタイプの周波数コムであってよい。本発明による複数のセンサｉを多重化する場合には、図１の素子に、ポンプ波と同じ方向に伝搬するプローブレーザ２０を追加することも必要である。このプローブレーザは、キャビティ端部ミラーのブラッグ波長と整合する、１．５μｍ前後の広帯域ソースまたは１．５μｍ前後の同調可能ソースである。センサは、上述の実施形態に従って製造することが可能である。本例では、各センサｉは、周波数がν_ｉＰおよびν_ｉＳである２つの波１_ｉ′および２_ｉ′を放射するファイバ１０_ｉを含んでいる。

Claims (6)

1. 少なくとも１つのブラッググレーティング（１２）を有する、１つ以上の測定用光ファイバ（１０）を備える、物理量測定用光ファイバセンサであって、
   前記ファイバに、第１の、「ポンプ」波を第１の光周波数で注入し、第２の、「プローブ」波を第２の光周波数で注入するように設計された光学的手段（２０）であって、
   第２の光周波数は、前記第１の光周波数と異なり、前記ブラッググレーティングは、
   第１および第２の光波を反射するように設計されており、前記第１の波の光パワーは、誘導ブリルアン散乱によって反射された前記第２の光波との相互作用の後に、「ストークス」波を与えるのに十分であり、前記ストークス波の周波数は、被測定物理量を表す、前記光学的手段（２０）と、
   前記２つの光波、すなわち、「ポンプ」波および「ストークス」波の間の周波数差を分析する手段（４０）と、
   をさらに含むことを特徴とする、光ファイバセンサ。
2. 前記第１の光波と前記第２の光波との間の周波数差は、１０ＧＨｚであることを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
3. 前記光ファイバは、カルコゲナイドベースのガラスから作られたファイバ、またはビスマスドープシリカから作られた光ファイバであることを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバセンサ。
4. 前記センサは歪みセンサであり、前記被測定物理量は、前記ファイバに加わる機械的歪みであることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光ファイバセンサ。
5. 前記センサはハイドロホンであることを特徴とする、請求項４に記載の光ファイバセンサ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の光ファイバセンサのアレイであって、前記センサのすべてが同一光ファイバ上に連続して配置されることと、前記ファイバと前記分析手段との間に配置された波長多重化器を含むことと、を特徴とする、光ファイバセンサのアレイ。

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