JP7442683B2 - レーザ干渉法のためのレーザノイズ低減 - Google Patents

Description

本開示は、一般に、レーザ干渉法を用いた低周波振動の検出に関する。より詳細には、本発明は、ファイバ折り返しを使用することによって改善されたレーザ位相ノイズ耐性を示す低周波振動（すなわち、地震）検出のためのシステム、方法、および構造に関する。

知られているように、超安定レーザ干渉法を使用する低周波振動の検出は、部分的にはレーザ位相ノイズ、特に１／ｆのテクニカルノイズが原因で困難であり、そのノイズが、検出しようとしている低周波振動を圧倒する（のみこむ)可能性がある。従来の方法では、１Ｈｚ程度の線幅を有する超安定レーザを使用し、レーザチャンバを機械的および熱的に分離して１／ｆのテクニカルノイズを低減するように特別な注意を払っている。このような特性を示すレーザは、非常に高価であり、動作環境によっては機械的な分離が困難な場合がある。

当技術分野における進歩は、特に地震検出用途において優れたレーザ位相ノイズ耐性を示すレーザ干渉システム、方法、および構造に向けられた本開示の態様によってなされる。

従来技術とは著しく対照的に、本開示の態様による、システム、方法、および構造は、発信信号（outgoing signal）を生成する同じレーザが局部発振器と同じレーザを使用してコヒーレントに検出される新規な構成を提示することによって、レーザ要件を有利に緩和する。本開示のさらなる態様によれば、ファイバ折り返しの使用は、望ましくない機械的な振動のキャンセルおよび／または緩和を可能にする。

本開示のより完全な理解は、添付の図面を参照することによって実現され得る。

超安定レーザ干渉法を使用して光ケーブル上の機械的な振動を検出するための例示的な従来技術の構成の概略図を示す。

干渉位相を用いた振動検出における加算性白色ガウスノイズの影響を示すフェーザ図を示す。

レーザ位相ノイズ、加算性白色ガウスノイズ、および地震波の存在を検出する条件を示す周囲の機械的な振動のプロット／スペクトルを示す。

本開示の態様による、超安定レーザ干渉法を使用して地震振動を検出するための例示的な改善された構成であって、発信信号を生成する同じレーザが、低周波レーザ位相ノイズの緩和を可能にする局部発振器も提供する構成の概略図を示す。

従来技術の方法と本開示の態様による改善された方法とを使用して位相スペクトルを比較するシミュレーションデータのプロットを示す。

本開示の態様による超安定レーザ干渉法を使用する海底ファイバケーブル用途において、コモンモードの機械的な振動を除去するための例示的な改善された構成であって、ファイバ折り返しが、海底用途において、海岸をわずかに越えて配置され、海岸近くの望ましくない振動を軽減する構成の概略図を示す。

本開示の態様による超安定レーザ干渉法を使用する海底ファイバケーブル用途において、コモンモードの機械的振動を排除するための例示的な改善された構成であって、ファイバ折り返しが、海底用途において、海岸の直前に配置され、その遠隔端で望ましくない海岸近傍の振動を軽減する構成の概略図を示す。

例示的な実施形態は、図面および詳細な説明によってより完全に説明される。しかしながら、本開示による実施形態は、様々な形態で実施することができ、図面および詳細な説明に記載された特定のまたは例示的な実施形態に限定されない。

以下は、単に本開示の原理を例示するものである。したがって、当業者は、本明細書に明示的に記載または図示されていないが、本開示の原理を具現化し、その精神および範囲内に含まれる様々な構成を考案することができることが理解されよう。

さらに、本明細書に記載されているすべての実施例および条件付き用語は、本開示の原理および技術を促進するために発明者によって寄与された概念を読者が理解するのを助けるための教育目的のためだけのものであることを意図しており、そのような具体的に列挙された実施例および条件に限定されないと解釈されるべきである。

さらに、本開示の原理、態様、および実施形態を記載する本明細書のすべての記述、ならびにその具体例は、その構造的および機能的等価物の両方を包含することを意図している。さらに、そのような等価物は、現在知られている等価物と、将来開発される等価物、すなわち、構造に関係なく同じ機能を実行する開発された要素との両方を含むことが意図されている。

したがって、たとえば、本明細書の任意のブロック図が、本開示の原理を実施する例示的な回路の概念図を表すことは、当業者には理解されるであろう。

本明細書で特に明記しない限り、図面を構成する図は、縮尺通りに描かれていない。

図１は、超安定レーザ干渉法を使用して光ケーブル上の機械的な振動を検出するための例示的な従来技術の構成の概略図を示す。この図から分かるように、約１Ｈｚの線幅を有する連続波（ＣＷ）レーザは、海底ケーブル内に配置された光ファイバに発射されるレーザ光を生成する。海底ケーブルリンクは、複数のスパンにわたって延在することができ、そこでは、レーザ光信号がインライン光増幅器によって周期的に増幅される。受信器では、レーザ光出力信号が、局部発振器（ＬＯ）として第２のＣＷレーザを使用してコヒーレントに検出される。

当業者であれば、複素数値ベースバンド光電流が以下の式となることを理解するであろう。

ここで、

は受光器の感度であり、

および

は、それぞれ、コヒーレント受信器の入力における受信信号および

の電力である。両方のインタロゲータに含まれるレーザは、実質的に同じ波長

で動作し、光を出力すると仮定される。ここで、

および

は、それぞれ、左側（Ｌ）のインタロゲータ（送信器）および右側（Ｒ）のインタロゲータ（受信器－局所発振器）の位相ノイズであり、

は、システム内のすべてのノイズ源から発生する光電流であり、これには、すべてのインライン増幅器の自然放射増幅光（ＡＳＥ）や、ショットノイズ、コヒーレント受信器における熱ノイズが含まれる。

関心のある変数は、

であり、これはファイバに沿った累積歪みから生じる光位相であり、以下の式となる。

ここで、

は光ケーブルの長さであり、

は光ファイバケーブルに沿った位置

における引張歪みである。

を回復する通常の方法は、光電流のラップされていない位相をとることである。

ここで、

は、

に垂直なベクトルへの

の射影によって形成される角度である。

図２は、干渉位相を用いた振動検出における加算性白色ガウスノイズの影響を示すフェーザ図を示す。地震振動がない場合、位相ノイズとＡＷＧＮにより、

は、狭い範囲でしか変化しない。地震振動の存在下では、

は、

によって支配され、その偏位は、振動の強度に応じて、数百から数千ラジアンに達することがある。

信号伝播遅延のために、急速な位相変化の始まりは、時間

で受信器にのみ明らかである。ここで、

は、地震波が送信器から位置

（震源に最も近い点）で光ケーブルに最初に影響を与える段階である。

は、ファイバの実効屈折率である。

を決定するために、双方向リンクを実装することができ、図１に示すように、上記と同一のシステムが右側から左側に伝搬すると仮定する。

急速な位相変化が、

で、Ｌインタロゲータについて生じる。

が既知であるため、時間差

を使用して

を推測することができる。複数の海底ケーブルを双方向伝送することで、三角測量によって地震の震源を特定することができる。超安定レーザ干渉法は、（ｉ）超狭線幅レーザ、および（ｉｉ）全地球測位システム（ＧＰＳ）に関する同期によって達成される可能性があるすべてのインタロゲータのクロック同期に依存する。

急速な位相変化の始まりを決定するための１つの鍵は、

を累積ノイズ源

から区別することができることである。図３に示すように、周波数領域において性能を分析することができる。図３は、レーザ位相ノイズ、加算性白色ガウスノイズ、および地震波の存在を検出する条件を示す周囲の機械的な振動のプロット／スペクトルを示す。

レーザ周波数ノイズは、

の両側パワースペクトル密度（ＰＳＤ）としてモデル化できる。ここで、Δνは、レーザキャビティ内の自然放出から生じるローレンツ線幅（単位Ｈｚ）である。ただし、低周波では、レーザの周波数スペクトルは通常、１／ｆ「テクニカル」ノイズによって支配され、これはレーザの中心周波数のゆっくりとしたドリフトとして解釈することができる。フィッティングパラメータｆ₀は、テクニカルノイズによる周波数ノイズが自然放出と等しくなる周波数である。レーザ位相

が周波数ノイズの積分であるので、レーザ位相ノイズの両側ＰＳＤは、

である。一方、

の両側ＰＳＤは、

である。ここで、ηは、受信信号の信号対ノイズ（ＳＮＲ）比である。

図３から、振動

は、そのパワースペクトル密度がレーザ位相ノイズとＡＷＧＮとの和よりも高い周波数成分が存在する場合（

に関し、

）に検出できることが分かる。さらに、図３から、（ｉ）

のＰＳＤを大きくすること、（ｉｉ）

のＰＳＤを小さくすること、または

のＰＳＤを小さくすることのいずれかによって、振動検出ＳＮＲを向上させることができる。

ここで、本開示の態様によるシステム、方法、および構造が、超低線幅干渉法を使用する低周波（地震）検出におけるレーザ位相ノイズ耐性を改善するために、ファイバ折り返しを有利に使用することを示し、より詳細に説明する。

前述のように、従来技術の構成は、海底光ファイバリンクの両端に配置された送信器および受信器を含み、送信器のレーザおよび局部発振器レーザが２つの異なるレーザである。

対照的に、本開示の態様によるシステム、方法、および構造は、発信（送信）信号が海底光ファイバケーブルの同じ送信器側に戻されるように、海底光ファイバリンクの遠端にファイバ折り返しを組み込み、それによって、有利には、単一のレーザがコヒーレント干渉装置において送信器および局部発振器として機能することを可能にする。このような装置は、地震振動エネルギーが集中する低周波での位相ノイズを低減するのに役立ち、それによって、感度の向上、感知範囲の拡大、および／またはインタロゲータにおけるより安価なレーザの使用を可能にすることが、当業者には理解されよう。

海底ケーブルに組み込まれるファイバ折り返しの実施例を、図４、図６、および図７に示す。

図４は、本開示の態様による、超安定レーザ干渉法を使用して地震振動を検出するための例示的な改善された構成の概略図を示し、発信信号を生成する同じレーザは、低周波レーザ位相ノイズの緩和を可能にする局部発振器も提供する。

図４に示すように、海底光ケーブルの両端に配置された２つのインタロゲータがある。２つのインタロゲータ（ＬインタロゲータおよびＲインタロゲータ）の各々は、ＬインタロゲータおよびＲインタロゲータに対して特定の波長で動作するレーザ光源を含む。ＬインタロゲータおよびＲインタロゲータは、海底光ケーブルと光通信する。レーザとともに、インタロゲータの各々は、光ケーブルと光通信するコヒーレント受信器を含む。さらに示されるように、光ケーブルは、一方向がＬインタロゲータからＲインタロゲータへ、逆方向がＲインタロゲータからＬインタロゲータへと構成された少なくとも１対の別個の光ファイバを含む。

有利には、位相ノイズのスペクトル密度を低減する、図４に例示的に示されるようなシステムアーキテクチャを使用することによって、

を検出する性能を改善する。引き続きその図を参照すると、Ｒインタロゲータでは、Ｌ－Ｒ信号を単にコヒーレントに検出する代わりに、そのような信号が光ケーブルの遠端（Ｒ）に送信され、その信号の少なくとも一部が同じ光ケーブル内の別のファイバを介してＬインタロゲータに戻されることに留意されたい。返送されたＬ－Ｒ信号は、Ｌインタロゲータによってコヒーレントに検出され、これにより、発信信号の生成と局部発振器の両方に同じレーザを使用することができる。

したがって、受信信号の位相は、

であり、ここで、

は往復遅延であり、

である。それらのコヒーレントビート積は、

の位相を生成する。

ＳＥノイズによる寄与を無視すると、この位相は、フーリエ変換して

となる。

したがって、この方式における位相ノイズのＰＳＤは、

となる。

送信レーザおよびＬＯレーザが独立であるが、同じ位相ノイズ特性を有すると仮定して、

の位相ノイズＰＳＤを生成する元の方式と比較して、本開示の態様による現在の方式は、

の増倍率を有する。

の低周波で、位相ノイズが抑圧される。これは、往復（round-trip）の周波数

よりも低い変調周波数

では、戻り信号の位相

が発信信号の位相

とほぼ同一になることが直感的に理解できる。レーザの位相の低周波変調は、遅延干渉法によって打ち消される。

図５は、従来技術の方法と本開示の態様による改善された方法とを使用して位相スペクトルを比較するシミュレーションデータのプロットを示す。図５を参照すると、一方の線は送信器のレーザと受信器（ＬＯ）のレーザが異なるときの第１の方式を使用する

のスペクトルを示し、他方の線は本開示による方式を使用する

のスペクトルを示し、例示的に、ＬＯが、～１０００ｋｍのケーブル長に対応する、１０ｍｓだけ遅延された送信レーザ信号であるときのものである。このシミュレーションでは、すべてのレーザが１０Ｈｚのローレンツ線幅および１００Ｈｚのコーナー周波数ｆ₀を有するようにモデル化され、それ以下では、テクニカル１／ｆノイズが支配的になる。

以下の周波数で位相ノイズの抑制が見られる。１Ｈｚと１０Ｈｚで、位相ノイズ抑制比

は、それぞれ、－２４ｄＢと－４ｄＢである。地震振動は、そのエネルギーが主に１～１０Ｈｚに集中しているため、提案された方式では、レーザ位相ノイズ耐性が同じ大きさだけ改善される。

海岸付近で機械的な振動が最も強い海底リンクの陸揚げ局付近など、ファイバリターンを使用してコモンモードの機械的な振動を除去するという概念をさらに拡張することが可能である。当業者が理解するように、海底の地震振動を検出するためには、海岸付近の強い振動をキャンセルする必要があるかもしれない。

図６は、本開示の態様による超安定レーザ干渉法を使用する海底ファイバケーブル用途において、コモンモードの機械的な振動を除去するための例示的な改善された構成であって、ファイバ折り返しが、海底用途において、海岸をわずかに越えて配置され、海岸近くの望ましくない振動を軽減する構成の概略図を示す。

図６に示す構成では、２つの周波数トーンが同じシードレーザから生成されることに留意されたい。一方のトーンは、ケーブルの他方の端部に伝播し、同じケーブルの別のファイバを介して戻る。他方のトーンは、Ｌインタロゲータから距離Ｌ_Tにある陸揚げ局の直後の第１の光アンプの出力で方向転換される。

２つの周波数での機械的な歪みによる光位相は、

と

である。

は、送信器と海岸との間の累積的な機械的歪みによる望ましくない位相であることに留意されたい。

は、それらの波長の比λ₁／λ₂に等しい倍率を除けば、

の第１項と同じ形式である。両方のトーンをコヒーレントに検出し、それらの位相

と

を取り出すことが可能である。差分

は、望ましくない陸揚げ局の振動

を含まないことに留意されたい。この方法は、レーザ位相ノイズおよびＡＳＥノイズに起因する位相誤差の影響を潜在的に増大させるが、陸揚げ局付近の振動

が、図３の構成に示されるように、対象の地震周波数に対する干渉の支配的な原因である場合、この方法はその影響を低減させることになる。

２つのトーンが同じファイバコア（下り（outbound）方向と上り（inbound）方向の両方）を移動するため、海岸近くの振動の抑制が可能であり、したがって、同じ機械的歪みが発生することに留意されたい。さらに、遠隔端の陸揚げ局の直前で下り信号を方向転換すると、遠端の陸揚げ局の機械的なノイズも軽減することに留意されたい。

図７は、本開示の態様による超安定レーザ干渉法を使用する海底ファイバケーブル用途において、コモンモードの機械的な振動を排除するための例示的な改善された構成であって、ファイバ折り返しが、海底用途において、海岸の直前に配置され、その遠隔端で望ましくない海岸近傍の振動を軽減する構成の概略図を示す。

前述のように、このような構成により、インタロゲータは、発信信号を生成したレーザと同じレーザを使用してコヒーレント検出を実行することができる。別の方法として、２つの独立したレーザを使用するレーザ干渉法を遅延干渉法に変換する。式（７）に示すように、位相ノイズは、地震振動エネルギーが集中する低周波で抑制され、レーザの位相ノイズスペクトルに対する要件が緩和される。図６および図７におけるファイバ折り返しを使用すると、船舶、機械などによって引き起こされる望ましくない岸辺付近の機械的振動をキャンセル（および／または軽減)することもできる。

いくつかの特定の例を使用して本開示を提示したが、当業者は本教示がそのように限定されないことを認識するのであろう。したがって、本開示は、本明細書に添付される特許請求の範囲によってのみ限定されるべきである。

Claims (10)

1. 低周波振動を検出するための改良されたレーザ干渉装置であって、
   一対の光ファイバと、
   レーザ源と、コヒーレント受信器とを含む光ファイバセンシングインタロゲータであって、前記インタロゲータは前記ファイバの近端において前記光ファイバと光通信し、前記インタロゲータは入力ポートおよび出力ポートを有し、前記入力ポートは前記ファイバの一方に光学的に接続され、前記出力ポートは前記光ファイバのもう一方に接続される、インタロゲータと、
   前記ファイバの遠端付近で前記光ファイバ同士を光学的に接続するファイバ折り返しと、を有し、
   前記インタロゲータは、複数の光質問信号を生成し、該生成した光質問信号を、当該インタロゲータの前記出力ポートに光学的に接続されたファイバに出力し、出力された信号の一部が前記ファイバ折り返しを通過した後に当該インタロゲータの前記入力ポートで該出力された信号の一部を受信し、
   前記入力ポートで受信した信号は、前記コヒーレント受信器によって、局部発振器と同じレーザ源を使用してコヒーレントに検出される、装置。
2. 前記コヒーレント受信器は、ホモダイン電気出力を生成する、請求項１に記載の装置。
3. 前記ファイバ折り返しを越えた地点で前記光ファイバの前記遠端に配置された第２の光ファイバセンシングインタロゲータと、前記光ファイバの近端に配置された第２のファイバ折り返しと、をさらに備える、請求項２に記載の装置。
4. 前記２つのインタロゲータは、共通のクロックに同期している、請求項３に記載の装置。
5. 前記２つのインタロゲータは同時に動作するように構成されており、振動の位置が前記２つのインタロゲータによる振動測定の相対的な遅延によって決定される、請求項４に記載の装置。
6. 前記２つのインタロゲータは、同じファイバで異なる波長を使用する、請求項５に同様の装置。
7. 前記２つのインタロゲータは、異なる対のファイバで同じ波長を使用し、前記異なる対の各々は、共通の光ケーブルに含まれる、請求項４に記載の装置。
8. 前記インタロゲータは、２つの位相同期トーンを送信し、該トーンのうちの１つだけが前記ファイバ折り返しによって返される、請求項２に記載の装置。
9. 前記光ファイバが海底ケーブルに含まれる、請求項１に記載の装置。
10. 前記遠端部付近の前記ファイバ折り返しは、沖合の海底位置にある、請求項９に記載の装置。

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