JPWO2020261207A5 - - Google Patents

Description

本発明は、レイリー散乱に基づく分散測定用の光ファイバ測定システム、測定システム内への通信光ファイバの適合方法、及び光ファイバ測定通信システムに関する。

現時点における最先端技術は、実効屈折率又は光学距離の変化に基づいて温度、歪み、又は圧力を測定するのに使用される分散システムソリューションを含む。これらは、ＣＯＴＤＲ技法又はＯＦＤＲ技法に基づくシステムである。これらのソリューションは、マルチモード光ファイバからの信号の検出の困難さに起因して、シングルモードソリューションに基づいている。シングルモード光ファイバは、光ファイバ内を伝播される光電力の増加とともに増加する非線形効果に起因した電力制限を有する。

ＣＯＴＤＲ技法（コヒーレント光時間領域反射測定法：Coherent Optical Time Domain Reflectometry）は、ｆｉ－ＯＴＤＲ、ｐｈｉ－ＯＴＤＲ及びφ－ＯＴＤＲ（位相敏感光時間領域反射測定法：phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometry）とも呼ばれる。これらの全ての名称は、位相測定がコヒーレントパルスの送信と、反射されて戻った信号の時間領域における解析とに基づいている測定デバイスの単一のアーキテクチャを指す。ＣＯＴＤＲという名称は、測定信号のコヒーレント性を強調するものである。φ－ＯＴＤＲという名称は、光ファイバ内の位相変化の定量的測定を行うことができることに注目するものである。これらの双方の名称は区別なく使用される。これらの用語は、例えば、論文「Coherent Rayleigh time domain reflectometry: novel applications for optical fibre sensing」（Xin LU, EPFL 2016）（https://infoscience.epfl.ch/record/221427）と、P. Xu、Y. Dong、J. Zhang、D. Zhou、T. Jiang、J. Xu、H. Zhang、T. Zhu、Z. Lu、及びL. Chen著の「Bend-insensitive distributed sensing in singlemode-multimode-singlemode optical fiber structure by using Brillouin optical time-domain analysis」（9 (2015)）において区別なく使用されている。

実効屈折率を求めるために、光ファイバの長さの関数としての光学距離又は光周波数領域反射測定法も、光ファイバに沿って反射又は散乱された信号を解析するときに、現時点における最先端技術において使用される（非特許文献１）。

現在使用されているマルチモード光ファイバは、２００個以上のモードの伝送を可能にする。モード間の光伝播速度の差及びそれらの空間分布が、ＣＯＴＤＲ技法をその通常の形態で使用した分散光測定を、マルチモード光ファイバを使用して行うことを不可能にする主な要因である。

特許文献１は、マルチモード光ファイバからの後方散乱を測定するように構成される光時間領域反射測定（ＯＴＤＲ：Optical Time Domain Reflectometry）システムを開示している。このシステムは、マルチモード光ファイバ内に導入される光パルスに応答して生成される単一のレイリー後方散乱円（Rayleigh backscattering circle）を選択する単一の空間モードフィルタリングシステムを備える。選択された単一のスペックルを使用して、分散振動測定を行うことができる。

特許文献２は、検知光ファイバが個別の振動測定動作に使用される少なくとも第１の導波路及び第２の導波路を備える分散光ファイバシステムを開示している。この文献の内容によれば、検知光ファイバは、シングルモードコア及びマルチモード内部クラッディングを有するより直しの（twice-laid）光ファイバとすることができる。国際特許出願の特許文献３は、マルチモード検知光ファイバから反射されたレイリー後方散乱を検出するように構成される光時間領域反射測定（ＯＴＤＲ）システムを開示している。このシステムは、マルチモードファイバ内に発射された光パルスに応答して生成されるレイリー後方散乱の単一のスペックルを選択する単一の空間モードフィルタリングシステムを含む。検出された単一のスペックルは、分散擾乱（振動）検出に使用することができる。特許文献４は、光パルス源がマルチモード光ファイバ内に伝送される光パルスを生成する当該マルチモード光ファイバの特性を測定する機構を開示している。空間フィルタが、光パルスに応答したマルチモード光ファイバからのブリユアン後方散乱光の一部分を通過させる。光検出機器が、空間フィルタを通過したブリユアン後方散乱光の一部分を検出する。特許文献５は、マルチモードファイバにおける歪みの量の正確な測定の問題のソリューションを開示し、測定される光ファイバの歪みを測定する光ファイバの測定方法を提供する。この方法は、測定される光ファイバに試験光を基本モードの光として入力するステップと、測定される光ファイバ内において試験光に起因して生成される基本モードのブリユアン散乱光を測定するステップとを含む。好ましくは、ブリユアン散乱光Ｂｒの波長に対応する波長を有するプローブ光が、測定される光ファイバに入力される一方、試験光は、測定される光ファイバにポンプ光として入力される。

シングルモード光ファイバは、遠隔通信において、ほぼ数キロメートル、数十キロメートル、又は数百キロメートルの長距離信号伝送に使用される。そのようなシステムに使用される光ファイバは、信号損失及びクロストークを回避するように十分に絶縁及び保護される。これらの保護の結果、それらの光ファイバはセンサとしてうまく機能しない。

カナダ国特許発明第２７２５３５３号明細書 米国特許第８５２０１９７号明細書 国際公開第２００９／１４８８２４号 米国特許出願公開第２００９／０９７０１５号明細書 特開２０１６－０８０６００号公報

Ding, Zhenyang他著「Distributed Optical Fibre Sensors Based on Optical Frequency Domain Reflectometry: A review」（Sensors (Basel, Switzerland) 18 (2018): 104-127）

既知の光ファイバ測定システムは、一般に、小さなコア直径を有するシングルモード検知光ファイバを使用し、その使用には、光ファイバ構造内の非線形現象に起因して、光源（source）の最大電力を制限することが必要となる。その結果、最大測定距離は、非線形現象を引き起こさない最大電力によって制限される。加えて、シングルモード光ファイバに専用化された測定システムは、測定される信号の可視度（visibility）の減少に起因してマルチモード検知光ファイバとうまく機能しない。これは不便である。なぜならば、今日、マルチモード通信光ファイバは、建物及びインフラストラクチャの建設中に日常的に設置されるからである。

本発明の目的は、短距離遠隔通信ネットワーク、特に屋内オリンタ（orinter）建物ネットワークにおいて使用されるマルチモード光ファイバを測定光ファイバとして使用することによって物理量の測定を可能にする測定システム、遠隔通信ネットワークの適合方法及び測定通信システムを提供することである。

方向性デバイスを備えた光路を介して接続された制御される光生成システム及び受信システムを備え、加えて、光生成システムを制御するとともに受信システムからの信号を受信して処理する処理ユニットを有する、本発明による光ファイバ測定システムは、光ファイバ測定システムが、選択的モードデバイスを有し、選択的モードデバイスによって光ファイバ遠隔通信ネットワークに接続されるように適合され、処理ユニットが、光学距離の変化を測定するとともにそれらの変化を処理して１つ以上のパラメータ、特に温度及び／又は歪みにするＯＦＤＲ測定技法又はＣＯＴＤＲ測定技法を実施するように適合されることを特徴とする。選択的モードデバイスは、測定信号の十分な可視度を保証する。ＯＦＤＲ技法及びＣＯＴＤＲ技法は、温度、圧力、歪み等の物理量を測定光ファイバの長さの関数として測定することを可能にする。本発明による測定システムがマルチモード光ファイバ上の既存のネットワークに接続されることによって、マルチモード光ファイバを検知光ファイバとして使用することが可能になる。

好ましくは、選択的モードデバイスは、モードフィルタであり、特に、米国特許第１０５０２８９７号明細書に開示されているように、高次モードの損失を選択的に増加させるデバイスである。

好ましくは、選択的モードデバイスは、選択的モード励起システムである。そのようなシステムは、異なるモードを同時に使用して２つのパラメータの測定を容易にする。

選択的モードデバイスは、ホログラフィックプレート又は一続きのホログラフィックプレートであることが好ましい。そのようなソリューションは、光ファイバ内に入力される光の低損失を保証し、扱われるモードの数に関して或る程度の自由を保証する。数個から数十個のモードを独立に扱う既知のソリューションがある。或いは、選択的モードデバイスは非対称カプラシステムである。

好ましくは、処理ユニットは、光学距離変化の測定結果をフィルタリングする周波数フィルタリングモジュールを備える。そのようなソリューションは、システムが、振動等の急速に変化する変数によって引き起こされる光学距離変化を、温度等のゆっくりと変化する変数によって引き起こされる光学距離変化から分離することを可能にし、その結果、それらを同時に測定することを可能にする。

好ましくは、選択的モードデバイスは、処理ユニットに接続されて制御され、異なる次数のモードの連続する励起に適合されるとともに、処理ユニットは、異なる次数の少なくとも２つのモードによって測定において２つのパラメータ、特に温度及び歪みを求めることに適合される。

更により好ましくは、処理ユニットは、異なる次数の少なくとも３つのモードによって測定において２つのパラメータ、特に温度及び圧力を求めることに適合される。これによって、優決定の連立方程式が可能になり、誤差が低減される。

好ましくは、光ファイバ測定システムは、カプラと、カプラを遠隔通信ネットワークに接続する光ファイバのセクションとを備える。これによって、光ファイバの自由端が利用可能でない場合であっても、システムをネットワークにプラグ接続することが可能になる。

本発明による、２０μｍ以上のコア直径を有する遠隔通信光ファイバの測定システム内への適合方法は、遠隔通信光ファイバが、方向性デバイスによって接続された制御される光生成システム及び受信システムを有する測定システムの光路に選択的モードデバイスを介して接続されるという点で区別される。２０μｍ以上のコア直径を有する光ファイバを使用することによって、十分な測定最大距離を得ることが容易になるとともに、測定モードの励起が容易になる。

好ましくは、既存の光ファイバネットワーク内の光ファイバセクションが本発明による光ファイバ測定システムに接続され、遠隔通信ネットワークの光ファイバはカットされ、カプラに接続される。

好ましくは、データ伝送を行うとともに、特に物理量が温度及び歪みを含む群から選択されるときに物理量を表すパラメータを求める光ファイバ測定通信システムは、直径が２０μｍよりも大きなコアを有する光ファイバに接続された送信機及び受信機を備える遠隔通信ネットワークに取り付けられる本発明による少なくとも１つの光ファイバ測定システムを備え、送信機の波長は、光生成システムの波長と少なくとも１０ｎｍ異なる。

好ましくは、遠隔通信ネットワークの光ファイバは、４７μｍよりも大きなコア直径を有する。これによって、より大きなモード場が可能になるとともに、非線形現象を回避する一方でより多くの電力を扱うことが可能になる。

好ましくは、送信機は９００ｎｍ未満の波長で動作し、光生成システムは１０００ｎｍを越える波長で動作する。これによって、異なる波長感度関係を有する検出器の使用及び測定信号と通信信号とのより良好な分離が可能になる。

本発明によるセンサは、屈折率の変化、すなわち光学距離の変化の測定を分散形式で可能にする。光学距離の変化を測定することによって、上述した技法によってマルチモード光ファイバの温度又は歪みの変化を求めることが可能である。このソリューションは、既存の設置済みのマルチモード光ファイバに新たな機能を付加し、長距離データ伝送ラインにおいてフューモード光ファイバ及びマルチモード光ファイバの使用の増加をもたらすことができるＳＭＤＭ（空間モード分割多重化：Spatial Mode Division Multiplexing）技法の発展に関して重要である。

本発明を使用すると、異なるモード間の伝播定数の差を測定することができる。これによって、分散形式での光ファイバの品質の測定、すなわち、単に測定が行われるセクションの全長からの平均だけでなく、パラメータがその長さに沿って維持されているか否か及びどの程度維持されているかの評価が可能になる。

測定システム及び測定通信システムの構造は、そのような測定において発生する非線形現象の影響を制限する。この制限によって、システムの入力電力の増加が可能になり、その結果、測定システムの最大距離が増加する。例えば、シングルモード光ファイバの長さが５０ｋｍを越える場合には、伝送損失が過度に高く、雑音のために測定は可能でないとともに、入力電力を増加させることは、非線形現象の発生をもたらし、これも測定を不可能にする。提案されているシステムを使用することによって、非線形現象を発生させることなく電力の増加が可能になり、その結果、最大測定範囲の増加が可能になる。

好ましくは、光生成システムは、５ｄＢｍ以上の光電力及びより好ましくは２０ｄＢｍよりも大きな光電力を有し、これによって、建物内ネットワーク又は建物間ネットワークの全エリアにわたって十分な感度を達成することが可能になる。

本発明の対象は、図面に実施形態として記載されている。

本発明による光ファイバ測定システムの一実施形態のブロック図である。 本発明による光ファイバ測定システムの代替の実施形態のブロック図である。 試験測定システムの概略図である。 本発明による測定システムの代替の実施形態の概略図である。 ａ）ＳＭＦ、ｂ）Ｄｒａｋａ ＯＭ４、ｃ）Ｄｒａｋａ ６ＬＰ、ｄ）ＩｎＰｈｏＴｅｃｈ ４ＬＰの光ファイバについて、実線で示された測定信号と、点線で示された２ｍセクションのそれらの可視度とを示す図である。 ａ）Ｄｒａｋａ ＯＭ４、ｂ）Ｄｒａｋａ ６ＬＰ、ｃ）ＩｎＰｈｏＴｅｃｈ ４ＬＰの光ファイバについて、印加された歪み及び線形一致の関数としての周波数シフトの測定された値を示す図である。線形近似に基づく基本モードにおける測定感度の求められた値は、それぞれ１３８±１６ＭＨｚ／με、１３３±１７ＭＨｚ／με及び１５２±１６ＭＨｚ／μεである。 ａ）Ｄｒａｋａ ＯＭ４、ｂ）Ｄｒａｋａ ６ＬＰ、ｃ）ＩｎＰｈｏＴｅｃｈ ４ＬＰの光ファイバについて、印加される歪み及び線形一致の関数としての周波数シフトの測定された値を示す図である。 本発明の実施形態における通信ネットワーク検出器の波長λの関数としての感度Ｒを表す図である。 本発明の実施形態における測定システム検出器の波長λの関数としての感度Ｒを表す図である。

遠隔通信ネットワークソケットへの接続用に適合された実施形態による光ファイバ測定システムのブロック図が図１ａに示されている。図１ａに示すように、光ファイバ測定システムは、光路を介して接続された制御される光生成システム１及び受信システム２を備える。光路は、シングルモード光ファイバ３によって光源１及び受信システム２に接続されたサーキュレータである方向性デバイス４を備える。このサーキュレータの出力は、シングルモード光ファイバ３を介して選択的モードデバイス５に接続される。この選択的モードデバイスは、遠隔通信ネットワークソケット１２ｂに接続されたプラグ１２ａを備える。これらのプラグ及びソケットを接続することによって、本発明の実施形態による光ファイバ測定デバイスは遠隔通信ネットワークに接続される。マルチモード光ファイバを用いた既存のネットワークへの接続は、この光ファイバを検知光ファイバ７として使用することを可能にする。

このソリューションは、ネットワークの一部である光ファイバがアクセス可能な場所に敷設され、標準的な光ファイバコネクタ、例えばＦＣ、ＳＣ、Ｅ２００、ＬＣ又は別の標準的なコネクタを用いて終端されているときに特に便利である。

この場合に、選択的モードデバイスの出力は、ネットワークの一部である光ファイバの利用可能な端部又は既存のネットワークインフラストラクチャにおける適切なソケットに直接接続することができる。光ファイバ７がデータ伝送を行うために使用される場合には、ＷＤＭカプラを使用して、光生成システム１によって生成される測定信号と遠隔通信信号とを分離することができる。或いは、分離は、遠隔通信ネットワーク送信機の波長及び光生成システム１の波長が十分異なる限り、異なる特性を有する他の検出器を使用することによって行うことができる。波長が十分異なるということは、それらの波長の一方が明らかに１０００ｎｍよりも長く、他方が明らかに１０００ｎｍよりも短いことを意味する。

測定信号と通信信号との更なる分離は、モードマルチプレクサを用いてＯＭ４マルチモード光ファイバを扱うことによって、したがって、例えば、ＬＰ０１モード及びＬＰ１１モードへの独立したアクセスを可能にすることによって行うことができる。この場合に、モードマルチプレクサは、光ファイバの異なる端部に配置することができる。伝送システムは、ＬＰ０１モードに対応する適切なマルチプレクサ出力対に接続されるべきである。測定システムは、ＬＰ１１モードに対応する入力に接続されるべきである。モードＬＰ０１におけるデータ通信デバイスによる伝送と、本発明による測定システムによるモードＬＰ１１における測定とを同時に行うことができる。

遠隔通信ネットワーク７のマルチモード光ファイバは、光生成システム１からの光が散乱される測定光ファイバである。散乱結果は、光ファイバ測定システムに戻り、十分な可視度Ｗを提供する選択的モードデバイス５を通過し、受信システム２において干渉及び検出を受ける。

上述したように、本発明による光ファイバ測定デバイスを遠隔通信ネットワークに接続するとき、光ファイバコネクタの標準的なクリーニングと、ネットワークの状態の確認とが必要とされる。ネットワーク検査は、光反射率計によって行うことができる。そのような検査によって、損傷又は機能していないコネクタの検出が可能になる。加えて、任意のＣＯＴＤＲデバイス接続と同様に、光ファイバ内における非線形現象の出現を回避するように出力パワーレベルを調整することが必要となり得る。パワー調整は、光増幅器のパワー供給パラメータを変更すること又はシステムの他の部分の設定を変更することによって行うことができる。適切なパワーレベルは、時間の関数として受信システム２の検出器において記録される測定信号の可視度チェックに基づいて選択することができる。

測定システムは、光生成システム１を制御するとともに受信システム２からの信号を受信して処理する処理ユニット９を備える。処理ユニットを使用して、光学距離の変化を測定し、それらの変化を温度変化に変換するＣＯＴＤＲ測定技法は、Y. Koyamada、M. Imahama、K. Kubota、及びK. Hogari著の「Fiber-Optic Distributed Strain and Temperature Sensing With Very High Measurand Resolution Over Long Range Using Coherent OTDR」（J. Light. Technol. 27, 1142-1146）に記載されているように実施される。このソリューションは、特にサーバ室における温度測定に使用することができる。サーバ室はネットワークインフラストラクチャを備える。同時に、サーバ室における光ファイバインフラストラクチャ内の光学距離の変化は、圧力変化又は歪み変化等の変化を引き起こす他の環境曝露の僅かな存在に起因した温度変化によって主に引き起こされる。１度の精度を有する測定は、５００ＭＨｚ以下である光生成システム１を調節するときの波長ステップの使用を必要とする。このステップは、パルス周波数の最小適用変化であると理解されている。

本発明による光ファイバ測定システムは、マルチモード遠隔通信光ファイバが便利なコネクタを用いて終端されない状況では、遠隔通信ネットワークにプラグ接続することもできる。この場合に、光ファイバ測定システムは、選択的モードデバイス５の光ファイバ８のセクションを通じて取り付けられるカプラ６を備える。カプラ６は、図１ｂに示すように遠隔通信ネットワークの光ファイバ７にプラグ接続される。

本発明によれば、測定システム内への光ファイバ遠隔通信ネットワークのマルチモード光ファイバの適合方法が提供される。マルチモード動作を可能にするために、ネットワークは、測定通信システムごとに２０μｍ以上のコア直径を有する光ファイバを備えるべきである。この適合は、図１ａ、図１ｂ又は図１ｄに示す本発明の実施形態による光ファイバ測定システムを遠隔通信ネットワークの光ファイバ７に接続することにその本質がある。光ファイバ７は、その場合に、測定システムとともにセンサを形成する検知光ファイバである。特に、マッチングコネクタ（matching connector）を接続することができ、図１ａに示すように、本発明による光ファイバ測定システムが光ファイバ７の端部に取り付けられるソリューション、又は、カプラ６を光ファイバ７にプラグ接続することができ、したがって、図１ｂに示す構成が得られるソリューションを取得することができる。いずれの場合にも、遠隔通信ネットワークの光ファイバ７は検知光ファイバになる。測定光ファイバ７は、選択的モードデバイス５を介して、方向性デバイス４によって接続された制御される光生成システム１及び受信システム２を備える光ファイバ測定システムの光路に接続される。

通常のマルチモード遠隔通信光ファイバを用いて試験するために、本発明による光ファイバ測定システムが創作された。その概略図が図１ｃに示されている。光生成システム１は、パルス生成システム内のレーザ、偏光コントローラＰＣ、電気光学変調器ＥＯＭ、及び半導体光増幅器ＳＯＡと、光増幅器ＥＤＦＡとを備える。

受信システム２は、入力にスペクトルフィルタ及び光増幅器ＥＤＦＡを備えた検出器ＰＤを有するオシロスコープを備える。

光生成システム１及び受信システム２は、サーキュレータ４を介して接続され、サーキュレータの第３のポートには、シングルモード光ファイバ３を介して選択的モードデバイス５が接続される。選択的モードデバイス５は、検知光ファイバ７に接続され、該検知光ファイバ７には、２５ｍｍの調整範囲を有するマイクロメトリックテーブル（micrometric table）及びこのテーブルから３００ｍｍ離れたハンドルの形態の歪み印加システム１０が設けられている。検知光ファイバの端部には、１０ｍの長さの自由セクション１１が残っている。

光生成システム１は処理ユニット９によって制御される。このユニットは、オシロスコープからのデータを受信して処理するのにも使用される。

３つのフューモード光ファイバ及び１つのマルチモード光ファイバ上で行われる歪み測定の感度を確認するために、Y. Koyamada、M. Imahama、K. Kubota、及びK. Hogari著の「Fiber-Optic Distributed Strain and Temperature Sensing With Very High Measurand Resolution Over Long Range Using Coherent OTDR」（J. Light. Technol. 27, 1142-1146）に提示されているものと同様の高分解能φ－ＯＴＤＲシステムが構築された。

検知光ファイバ７として、４ｋｍのＯＭ４光ファイバ、１ｋｍのＤｒａｋａ ６ＬＰ光ファイバ、及び１００ｍのＩｎＰｈｏＴｅｃｈ ４ＬＰ光ファイバが試験された。

L. Chorchos、J. P. Turkiewicz、L. Szostkiewicz、M. Napierala、L. Ostrowski、B. Bienkowska、及びT. Nasilowski著の「Passive higher order mode filter for 850 nm multimode fiber transmission」（Microw. Opt. Technol. Lett. 59, 1959-1962 (2017)）の記載の通りに実行される高次モードフィルタ（ＨＯＭＦ：higher-order mode filter）の形態の選択的モードデバイス５を用いてシステムが更に拡張された。

光生成システム１では、１５５０ｎｍで動作するＤＦＢレーザが使用された。測定が開始される前に、電力供給電流を変化させることによるレーザの波長調整の特性が測定された。チューニング範囲は２９ＧＨｚであった。より高い分解能は、より広い範囲を使用して達成することができる。レーザチューニングに応じた光ファイバの各点の放射強度の変化を正確に測定するために、チューニング中の波長ステップは９２ＭＨｚであった。これは、温度又は歪みの正確な測定、スペクトルシフトのより高精度の特定にとって必要な十分な波長スキャンを提供してきており、その結果、より小さなステップを用いて測定値を取得することができる。しかしながら、より小さなレーザ長ステップを用いると、測定時間が増加する。例えば、９２ＭＨｚのステップは、０．２度の温度測定精度になる。２ｎｓの光パルスを得るために、電気光学変調器ＥＯＭが使用された。５ｋｍの長さの光ファイバ上で２０ｃｍの空間分解能を得ることを可能にする６０ｄＢの吸光係数を得るために、光シャッタ、すなわちパルス生成システムとして使用される半導体光増幅器ＳＯＡがＥＯＭと同期された。通常、パルスを生成するには、連続的な供給源と、ショート電気パルス生成器と、設定されたパルスに従って出力における光強度を変調する要素とが必要となる。そのような要素は、ＳＯＡ又はＥＯＭとすることもできるし、同時にそれらの双方とすることもできる。「クローズ」状態にあるＳＯＡ及びＥＯＭは、多少の光を通過させる。「クローズ」状態において伝送されるパワーに対する「オープン」状態において伝送されるパワーの比は吸光係数と呼ばれる。この値が大きいほど、パルスは雑音とより区別しやすくなる。ＳＯＡ変調器及びＥＯＭ変調器をシリアル接続することによって、その結果、それらのそれぞれが別々にある場合よりも高い吸光係数が得られる。これらのデバイスは、それらの一方によって放出されるパルスが他方によって抑制されないように同期されなければならない。パルスパワーを増加させるために、光増幅器ＥＤＦＡが使用された。

方向性デバイス４、すなわちサーキュレータと、選択的モードデバイス５とを介して光パルスが検知光ファイバ内に供給された。この実施形態において、選択的モードデバイス５はモードフィルタであった。モードフィルタがない場合には、マルチモード光ファイバ内を伝播するパルスは、全てのモードを励起する。そのような効果を回避するために、高次モードをフィルタリングし、基本モードのみを励起することを可能にする高次モードフィルタ（ＨＯＭＦ）が使用された。Ｍ^２試験が行われ、フィルタの適切な動作が確認された。光ファイバごとに１．１未満の値が取得された。光ファイバ構造内に強い擾乱がない場合には、光パワーは、選択されたモードにおいてのみ伝播され、基本モード及び高次モードの直交性に起因して、基本モードから高次モードへのパワー放散はない。レイリー散乱の結果として、光ファイバ内を伝播するパルスのパワーの一部は、各点から、測定される光ファイバ内を伝播する全てのモードに反射される。戻ってくる信号は、モードフィルタによって再びフィルタリングされ、この結果、より高い可視度Ｗが得られる。

戻り信号は、その後、信号対雑音比を高めるために第２の光増幅器によって増幅される。自然放出ＡＳＥの雑音をフィルタリング除去するために、１ｎｍのスペクトル幅を有するチューナブルフィルタがシステム内で使用された。信号は、１ＧＨｚのＤＣ検出器を備えるオシロスコープの形態で実施される受信システム２によって記録された。この検出器帯域幅は、測定の適切な空間分解能を維持することを可能にしていたが、より良い分解能は、より広い帯域の検出器を使用することによって達成することができる。一般に、０．５ＧＨｚよりも大きな帯域を有する検出器は、適切に機能していた。オシロスコープは、４ＧＨｚのサンプリングレートで動作した。

光ファイバに既知の歪みを印加するために、検知光ファイバ７がその自由端から約１０ｍ離れた箇所に接続されたマイクロメトリックテーブル１０に基づくシステムが構築された。モードフィルタに取り付けられた他方の端部は固定されていた。

光ファイバ歪みの測定は、２つのレーザスキャンからのデータを記録することにその本質があった。最初のスキャンは、歪みのない光ファイバに対して行われ、２回目のスキャンは、光ファイバが歪んだ後に行われた。光ファイバの各点について、波長と強度との間の相互相関値が計算された。最大相互相関値に基づいて、線形依存によって光ファイバの歪みに関係付けられるレーザ波長シフトが求められた。

試験は、３つの異なる光ファイバに対して行われた。最初の光ファイバは、３４個のＬＰモードグループが１５５０ｎｍの波長で伝播することができる市販のマルチモード光ファイバＯＭ４（Ｄｒａｋａ）であった。次の光ファイバは、Ｄｒａｋａによる６ＬＰグレーデッドインデックスであった。最後に試験された光ファイバは、２４μｍのコア直径を有するＩｎＰｈｏＴｅｃｈによって製造された４ＬＰ光ファイバであった。これらの全ての光ファイバは、屈折率の放物線状分布によって特徴付けられる。これらの光ファイバは、多くの場合に短距離遠隔通信ラインとして屋内通信用に使用されるフューモード光ファイバ及びマルチモード光ファイバの双方に対してシングルモード測定を試験するために選択されたものである。

本発明は、異なる直径の一連の光ファイバを検知光ファイバとして使用して試験された。最良の結果は、４５μｍ～５５μｍの範囲、特に５０μｍにおいて取得された。より大きな直径の光ファイバを使用すると、より大きなモード場に起因してより長い範囲を達成することができ、これによって、検知光ファイバ７の線形範囲において非線形現象をもたらすパワー値よりも低いパワーが可能になる。６２．５μｍコアを有する光ファイバの動作も試験された。単一の建物の内部での測定に十分な範囲は、２０μｍコアを有する光ファイバを用いて既に達成しておくことができる。

シングルモード光ファイバ上でのφ－ＯＴＤＲシステムを使用した正確な測定のために、予想される信号可視度は少なくとも０．７５であるべきである。信号の可視度は、以下のように定義される。

ここで、Ｉ_ｍａｘ及びＩ_ｍｉｎは、それぞれ最大信号強度及び最小信号強度である。システムを正確に特徴付けるために、可視度は、検知光ファイバの２ｍごとに計算された。見て取ることができるように、光ファイバの各セクションについて、可視度は、測定の正確さを証明する０．７５を上回る値に達している。図２は、測定された光ファイバのそれぞれについて、光ファイバ信号を実線として示すとともに、それらの可視度を、点線を用いて示している。フューモード光ファイバ及びマルチモード光ファイバの結果は、シングルモード光ファイバの結果と同様である。

図２は、ａ）ＳＭＦ、ｂ）Ｄｒａｋａ ＯＭ４、ｃ）Ｄｒａｋａ ６ＬＰ、ｄ）ＩｎＰｈｏＴｅｃｈ ４ＬＰの光ファイバについて、実線を用いて示された、検出器を使用して記録された測定信号と、点線を用いて示された、２ｍセクションのそれらの可視度とを示している。

フューモード光ファイバ及びマルチモード光ファイバについて取得された可視度は、シングルモード光ファイバについて取得された可視度と同様である。

測定の第３のステップは、光ファイバの試験されるセクションにおいて光ファイバの歪みを変化させることによって導入される周波数シフトの解析であった。各光ファイバについて、異なる歪みの３つの測定値が収集された。測定条件の不変性を検証するために与えられた各光ファイバ及び歪みについて、２つの測定が行われた。そのような測定の各ペアについて、光ファイバの各点の波長シフトは０ＧＨｚに近く、これは、測定の正確さ及び再現性を示している。図３は、光ファイバの長さ及び周波数シフトの関数としての相互相関値の図を示している。図３（ａ）に提示するプロットは、Ｄｒａｋａ ＯＭ４光ファイバ全体の測定データを示している。図３（ｂ）、図３（ｃ）及び図３（ｄ）は、それぞれＤｒａｋａ ＯＭ４、Ｄｒａｋａ ＬＰ及びＩｎＰｈｏＴｅｃｈ ４ＬＰにおいて歪みを受けたセクションからのみのデータを提示している。全ての光ファイバについて、歪みを受けたセクションの最大相互相関値のシフトは明らかに可視である。同時に、シフトは、歪みを受けたフラグメントにのみ関係し、光ファイバの他の部分には発生しないことを見て取ることができる。設定された応力の３つの異なる値の間の周波数のシフトを測定し、直線を取得された値に調整することによって、全ての試験された光ファイバの基本モードにおける測定の測定感度を求めることができた。測定誤差が、レーザ長調整ステップに起因して測定値において特定された。チューニングステップの２分の１よりも小さな変化を測定することは可能でない。取得された全ての値は、シングルモード光ファイバの感度（１５０ＭＨｚ／με）から測定誤差値よりも大きく異なることはない。

図４は、ａ）Ｄｒａｋａ ＯＭ４、ｂ）Ｄｒａｋａ ６ＬＰ、ｃ）ＩｎＰｈｏＴｅｃｈ ４ＬＰの光ファイバについて、印加された歪み及び線形一致の関数としての周波数シフトの測定された値を示している。線形近似に基づく基本モードにおける測定の感度の求められた値は、それぞれ１３８±１６ＭＨｚ／με、１３３±１７ＭＨｚ／με及び１５２±１６ＭＨｚ／μεである。

上記実施形態は、現時点における最先端技術において知られていないマルチモード光ファイバにおけるＣＯＴＤＲ技法を使用した分散歪み測定を示している。基本モードの選択的励起及びシングルモードからの戻り信号の検出は、既存のマルチモード遠隔通信ライン及び今後のマルチモード遠隔通信ラインにおいてφ－ＯＴＤＲ測定を行うことを可能にする。

上記で説明した構成は、受信システムに接続された処理ユニットによって制御される、チューナブル波長を有する光生成システムを含むセンサシステムを得ることを可能にする。処理ユニット、光生成システム、及び受信システムは、互いに接近して配置することができる一方、検知光ファイバ７は、より遠くに離れて配置される。これは、シングルモード光ファイバ３のより長いセクションの使用のみを必要とする。

これは、異なるロケーションに配置された複数のセンサ及び複数の検知光ファイバを使用してスケーラブルなシステムを得ることも可能にする。

本発明による光ファイバ測定システムにおいて遠隔通信ネットワークの波長と異なる波長を使用することによって、既存の遠隔通信ネットワーク内でセンサシステムの共存を確保することがより容易になる。これによって、遠隔通信ネットワーク内の伝送を中断することなく測定を行うことができる。

遠隔通信ネットワークを本発明による光ファイバ測定システムに接続することによる、本発明による遠隔通信ネットワークの適合の結果もたらされるものは、遠隔通信デバイスが測定中にオフに切り替えられる場合には、測定中に遠隔通信光ファイバを専ら検知光ファイバとして使用する測定システムである。

他方で、測定システム、遠隔通信ネットワークの送信機、及び受信機の間で共存が確保される場合には、データ伝送用、並びに、パラメータ、特に温度及び歪みの決定用の光ファイバ測定通信システムが創出される。ネットワークは、その場合に、複数のモード及びより高いパワーの使用を可能にする、直径が２０μｍを越えるコアを有する光ファイバに接続された少なくとも１つの動作可能な遠隔通信データ送信機及び受信機を有する。より大きなコア直径を有する光ファイバのより大きな開口数は、光ファイバ内への信号のより容易な入力を可能にし、これによって、伝送システムは簡素化される。同時に、より大きなモード場は、より多くのパワーの使用を可能にし、これによって、システムの最大測定距離が増加する。これは、高次モードを使用して２つ以上のパラメータを同時に測定することを可能にするので好ましい。これは、２５μｍ、更に良いのは４７μｍ以上の直径を有するコアを使用する場合に更に容易になる。

送信機の波長は、光生成システム１の波長と少なくとも１０ｎｍ異なる。

測定信号と通信信号との分離は、送信機が通常の送信機のように９００ｎｍ未満の波長で動作し、光生成システム１が１０００ｎｍよりも長い波長で動作するように設計されている場合に容易である。この構成は、通信ネットワークのかなりの割合に合致する。

波長λ１で動作する本発明による光ファイバ測定システムは、λ１とλ２との間の差が１０ｎｍよりも大きい場合に、波長λ２で動作する建物内及び建物間の遠隔通信ネットワークにおいて使用される既存のマルチモード光ファイバを使用することができる。測定システムをそのような光ファイバに接続することによって、通信光ファイバが検知光ファイバとしての役割を果たすセンサを得ることが可能になる。λ２が９００ｎｍよりも短い波長であり、λ１が１０００ｎｍよりも長い波長である場合には、異なる材料から作製された受信システムを使用する必要があることに起因して、測定信号は遠隔通信システムによって検出されず、遠隔通信信号はセンサシステムによって検出されない。λ１及びλ２が１０００ｎｍを越える場合には、測定信号と遠隔通信信号との分離は、異なる波長の信号を分離するために遠隔通信において使用されるＷＤＭカプラを使用して可能である。そのようなシステムに必要とされるλ１とλ２との最小差は１０ｎｍである。本発明によるセンサシステム及び通信システムの同時共存及び相互作用によって、測定通信システムが実現される。

例えば、波長λ２＝８５０ｎｍのＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ：Vertical Cavity Surface-emitting Laser）光源及びシリコン検出器を備えるマルチモード光ファイバにおけるデータ伝送ネットワークにおいて、１５５０ｎｍの波長を有するレーザを備える放射を生成するシステムを備えるマルチモード光ファイバ７を有するセンサが使用された。したがって、データネットワークのレーザ及び測定システムのレーザは、それぞれ９００ｎｍ未満の波長及び１０００ｎｍを越える波長を有する。データ伝送ネットワーク及び測定システムでは、それらのそれぞれの帯域の適切な検出器が使用され、この実施形態、すなわちデータ伝送ネットワークでは、８５０ｎｍのシリコン検出器及び１５５０ｎｍのＩｎＧａＡｓ、すなわちインジウムガリウムヒ素検出器が使用される。

通信ネットワーク検出器及び測定システム２のλ波長の関数としての感度Ｒのプロットが図５ａ及び図５ｂに示されている。シリコン検出器は、約４００ｎｍ～１１００ｎｍの動作範囲を有し、ＩｎＧａＡｓ検出器は、８００ｎｍ～１７００ｎｍの動作範囲を有する。検出器の動作範囲は部分的に重なるが、それらの応答の最大値は別個の波長値において検出される。その結果、８５０ｎｍで動作するデータ伝送ネットワークのソースは、受信システム２におけるＩｎＧａＡｓ検出器の応答に影響をほとんど与えず、光生成システム１は、遠隔通信ネットワークのシリコン検出器と干渉しない。その結果、センサ及びデータ伝送の擾乱のない同時動作を得ることが可能である。更なる雑音低減は、選択的モードデバイス５と直列の経路に接続される１３００ｎｍハイパスフィルタ（図示せず）をセンサにおいて使用することによって達成することができる。

代替の実施形態は、データ伝送ネットワークにおいて使用される波長λ２により近い光生成システム１の波長λ１を使用する。波長差Δλ＝｜λ１－λ２｜が少なくとも１０ｎｍ、好ましくは５０ｎｍであるときに、測定信号を伝送信号からフィルタリング除去することに成功した。

λ１及びλ２の双方が１０００ｎｍよりも大きい場合には、容易な区別を可能にする検出器を使用することは困難である。測定信号と遠隔通信信号との分離は、異なる波長の信号を分離するために遠隔通信において使用されるＷＤＭカプラを使用すると可能である。

この構成では、センサ及びデータ伝送デバイスの双方が、信号を別々のチャネルにフィルタリングするカプラ又はＷＤＭフィルタを介して検知光ファイバ７に接続される。センサの場合に、ＷＤＭカプラは、選択的モードデバイスと検知光ファイバ７との間に配置される。センサとデータ伝送システムとの間に必要とされる最小波長差は、Δλ≧１０ｎｍである。

例えば、波長λ２＝１３１０ｎｍのデータ伝送システムにおけるマルチモード光ファイバを、波長λ１＝１５５０ｎｍの放射を生成するシステム２を備えた本発明によるセンサの検知光ファイバ７として使用することができる。そのような波長について、伝送に使用される光源とセンサにおいて使用される光源との間の差は２４０ｎｍであり、ともに１０００ｎｍを越える範囲において動作する。そのような場合には、ＷＤＭフィルタが適切な動作のために必要とされる。そのようなフィルタは、使用される光ファイバの両端に適用されるべきである。指定された波長について、伝送デバイスがチャネル３１に接続され、センサがチャネル５５に接続されたときに良好な結果が得られた。チャネル指定は、ＩＴＵ－Ｔ Ｇ．６９４．２に従って採用された。この構成によって、データ通信ネットワークのセンサ及びデバイスは、中断なく動作することが可能になる。

マルチモードマルチコア光ファイバを使用し、センサ及び遠隔通信信号を個別のモード及び／又は個別のコアにおいて励起するハイブリッドシステムも構築することができる。

本発明によるソリューションは、マルチモードネットワークに適合し、光ファイバモードのうちの１つにおいてのみ動作するセンサとして使用することができる。

モードフィルタを使用して、高次モードの損失を選択的に増加させることができる。選択的モードデバイス５として、ホログラフィックプレート又は一続きのホログラフィックプレートも使用することができる。良好なモードフィルタの一実施形態は、米国特許第１０５０２８９７号明細書の対象でもある。

いくつかの状況では、検知光ファイバは、２つ以上のパラメータによる光学距離の変化に曝露される。これは、例えば、光ファイバが振動及び温度変化の双方に曝露されるときに該当する。これによって、測定はより困難になる。なぜならば、その場合に、２つの未知のパラメータを有する線形方程式を解く必要があり、それは代数学的に不可能であるからである。振動及び温度変化が同時に発生するケースは、周波数領域弁別を使用することによって解くことができる。機械振動は、温度変動によって引き起こされる変化よりもはるかに高速に光学距離の変化に関連する。時間の関数として光学距離の変化を表す信号のローパスフィルタによる周波数フィルタリングによって、温度に関連した変化を取得することが可能になり、ハイパスフィルタによる周波数フィルタリングによって、機械振動に関連した変化を取得することが可能になる。

建物内で通常見られる周波数範囲内の機械振動周波数を求めるのに十分な速度での測定は、１ｋＨｚ以上のパルス繰り返し速度を有するパルスモードにおいて動作する固定波長光生成システムを使用すると可能である。そのようなシステムでは、検出器における測定信号の挙動の経時的な変化は、連続するパルスによる連続する測定において検出される。時間に伴う所与の遅延に対応する検知光ファイバ７の点における振動周波数は、連続するパルスを用いた連続する測定の変化を解析することによって求められる。機械振動周波数の測定は、建物の近くで行われる建設作業の有害性を評価する際に重要である。そのような測定は、一般に良好な空間分解能を必要とせず、シングルメータ（single meters）で十分良好である。

この手法は、例えば、建物において歪みを測定するとき、常に可能であるとは限らない。その場合に、温度に関連した長さの変化及び歪みに関連した光学距離の変化の双方がゆっくりと変化していく。２つの未知のパラメータの１つの方程式を解くという問題は、その場合に、周波数フィルトレーションを使用して解くことができない。方程式の数を増やす必要がある。これは、測定において２つ以上のモードを使用して行うことができる。異なる伝播係数を有する異なる次数のモードの使用は、２つのパラメータの同時測定を可能にする。

２つのパラメータ、すなわち温度及び歪みの同時測定のために２つの異なるモードを用いて測定するとき、以下の連立方程式が得られる。

ここで、特定の量は以下の意味を有する。
Δｎｅｆｆ_ｊは、光学距離の変化を使用して測定される第ｊモードの実効屈折率の変化；
（ｄｎ／ｄＴ）_ｊは、温度による影響を受ける第ｊモードの実効屈折率の変化を表す、校正において求められる係数；
（ｄｎ／ｄε）_ｊは、歪みによる影響を受ける第ｊモードの実効屈折率の変化を表す、校正において求められる係数；
ΔＴは、温度変化；
Δεは、歪みを表す長さの相対変化である。

適切に校正された測定システムでは、この連立方程式は、２つの未知のパラメータを有する２つの方程式からなる連立方程式であり、行列式が０と異なる、すなわち、

であるときに解くことができる。

連立方程式の解は、２つの未知のパラメータを試験対象にすることを可能にする。

より多くのパラメータが設定され、より多くのモードが使用される実施形態、正確に言えば、Ｊ個のパラメータが使用され、異なる実効屈折率を有し、測定されるパラメータを表す環境因子（例えば、歪み、圧力、温度、放射）に対して異なって反応するＪ個のモードが使用される実施形態において、連立方程式を解く条件は、測定行列Ｍ_{ｐ［Ｊ×Ｊ］}の非ゼロの行列式である。

ここで、ｄｎ_ｊ／ｄｐ_ｋは、第ｋの物理量の影響を受ける第ｊのモードの実効屈折率の変化である。ただし、ｊ∈｛１．．．Ｊ｝及びｋ∈｛１．．．Ｊ｝である。

より多くのパラメータ（Ｋ個のパラメータ）が求められ、異なる実効屈折率を有し、測定されるパラメータを表す環境因子に対して異なって応答するより多くのモード（Ｊ個のモード）が使用される実施形態において、測定行列は正方行列ではない。システムの可解性の条件は、Ｊ≧Ｋと、測定行列とその転置行列との積Ｍ_{ｐ［Ｋ×Ｊ］}×Ｍ_{ｐ［Ｋ×Ｊ］} ^Ｔである行列の非ゼロの行列式

とである。ここで、ｄｎ_ｊ／ｄｐ_ｋは、第ｋの物理量の影響を受ける第ｊのモードの実効屈折率の変化である。ただし、ｊ∈｛１．．．Ｊ｝及びｋ∈｛１．．．Ｋ｝であり、Ｊ＞Ｋである。

測定光ファイバの品質の尺度は、要素ｄｎ_ｊ／ｄｐ_ｋが第ｋのパラメータの影響を受ける第ｊのモードの実効屈折率の変化である行列Ｍ_ｐ×Ｍ_ｐ ^Ｔの行列式の値である。提示された行列の行列式を最大にすると、個々のモードの実効屈折率の変化を求める測定誤差の数値伝播に起因して、個々のパラメータを区別する誤差が最小になる。

多くの測定モードを利用する測定は、制御される選択的モードデバイス５の使用を必要とする。

そのようなデバイスの一例は、モードマルチプレクサとすることができる。このデバイスは、フューモード光ファイバ又はマルチモード光ファイバによって実行される１つの出力を有する。加えて、このデバイスは、数個又は数十個ほどの入力を有する。入力の数は、このデバイスによって扱われるモードの数に依存する。入力光ファイバは、シングルモード光ファイバとすることができる。モードマルチプレクサの動作は、所与の入力からマルチモード光ファイバの適切なモードチャネル内に光を導入することにその本質がある。或る正確性をもって、チャネルが独立に扱われ、エネルギーが選択されたモード内にのみ導入されることを仮定することができる。デバイスは、他の方向にも同様に動作し、マルチモード光ファイバからの信号をフィルタリングし、信号を適切なモードに分割し、そのエネルギーは、それぞれの入力によって供給される。

図１ｄに示す実施形態において、選択的モードデバイス５は、処理ユニット９に接続されて制御され、異なる次数のモードの連続した励起に適合される。処理ユニットは、異なるモード次数の少なくとも２つのモード及び選択的モードデバイス５の制御を用いて、温度及び歪みを測定において求めることに適合される。プログラマブル処理ユニット９を使用することが好ましく、その場合に、測定信号及び校正データに基づいて測定量を制御して求めるタスクは、処理ユニット９上で動作するコンピュータプログラムによって解決することができる。

建物の遠隔通信ネットワークの光ファイバは、通常、建物の高い場所の重要な部分を通り、少なくともいくつかの箇所においてその構造に強固に結合される。したがって、遠隔通信ネットワークを測定ネットワークに適合させ、このネットワークを検知光ファイバ７として使用し、温度の影響を取り除くことによって、建物における歪みの尺度を得ることが可能になる。

光ファイバが最初から検知機能も実行するように設計されている場合には、更に良好な結果を達成することができる。光ファイバは、その場合に、好都合な設計点に取り付けることができ、それらの設計点の間の距離が縮小された（緩められた）ときであっても測定を可能にするために予め張力を印加することができる。

建物の幾何形状の変化の間、検知光ファイバは、構造とともにその長さを変化させ、これは、光ファイバ歪みの測定可能な変化に直接つながる。建物内の光ファイバの既知の分布と、光ファイバ歪みの変化のロケーション特定が可能であることとによって、分散測定は、データを適切に解釈し、建物の歪みをシミュレーションすることを可能にする。

この動作によって、デバイスをモードフィルタの代わりに使用することができる。この場合に、測定システムは、マルチプレクサの選択された入力（例えば、基本モードＬＰ０１に対応する入力）に接続され、検知光ファイバは、マルチプレクサ出力に接続される。この場合に、マルチプレクサは、モードフィルタのように動作し、正確な測定を可能にする。最初に選択されたモードにおいて測定を行った後、測定システムを、別のモード（高次モードのうちの１つ、例えばＬＰ１１）に対応する別の入力に再接続することが可能である。そのような構成変更の後、測定を再び行うことができる。

切り替えは、ユーザが手動で行うこともできるし、制御システムとともに自動光ファイバスイッチを使用することによって自動化することもできる。例えば、１×２構成（１入力、２出力）の標準的なＭＥＭＳベースのスイッチを使用することができる。この場合の測定システムは、スイッチ入力に接続され、２つの選択されたマルチプレクサ入力がこのスイッチの出力に接続される。スイッチの制御システムを使用して、スイッチを基本モード測定用の位置のうちの１つに設定することができ、その後、高次モード測定用の位置に切り替えることができる。システムは、測定デバイスのパルス生成処理システムと結合することができる。

モードマルチプレクサを使用することによって、２つの光ファイバモードの測定が可能になり、さらに、取得された結果の比較が可能になる。選択されたモードが異なるモードグループに属する場合に、それらの実効屈折率は異なる。温度感度及び応力感度の係数も異なる。２つの光ファイバモードにおいて同じ物理変化、すなわち温度又は歪みの変化を測定することによって、連立方程式を作成することが可能である。この連立方程式を解くことによって、上述した量のそれぞれを独立して求めることが可能である。

実施形態において記載されているシステムの別の用途は、例えば、光ファイバの特徴付けの間に使用することができるモードの実効屈折率の差を測定することである。

モードマルチプレクサのアイデアを技術的に実施する実施形態のうちの１つは、一続きのホログラフィックプレートを使用するものである。Prysmian group社によって製造されたＤｒａｋａ ４ＬＰマルチモード光ファイバの６つのモードへの独立したアクセスを可能にするモードマルチプレクサを作製することが可能である。モードマルチプレクサの重要なパラメータは、所与の入力によって扱われるモード以外のモード内に導入されるエネルギーのレベルである。ホログラフィックプレート技術の場合に、例えばＰＲＯＴＥＵＳ－Ｓでは、選択されたモードに導入されるパワーに対する他のモードに導入されるパワーの比として－１５ｄＢを得ることが可能である。実際には、これは、この技術を使用して作製されたマルチプレクサを使用すると、取り扱われるモードにおいて正確な測定が可能であることを意味する。

選択的モード励起の別の実施形態は、特にQ. Huang、Y. Wu、W. Jin及びK. S. Chiang著の「Mode Multiplexer With Cascaded Vertical Asymmetric Waveguide Directional Couplers」（Journal of Lightwave Technology, vol. 36, no. 14, pp. 2903-2911, 15 July15, 2018, doi: 10.1109/JLT.2018.2829143）に開示されているような非対称カプラを使用するものである。この場合に、デバイスは、モードの独立した励起を可能にするように作製された一続きの光ファイバカプラに基づいている。ただし、最も簡単な場合には、１つの光ファイバカプラで十分である。デバイスは、１つのシングルモード光ファイバ入力と、２つの独立したマルチモード光ファイバ出力とを有することができる。出力のそれぞれにおいて１つのモードが励起され、例えばKS PHOTONICS社からの例えばＬＰ０１基本モード及びＬＰ１１高次モードが励起される。このソリューションを使用するとき、測定システムは入力ポートに接続される。検知光ファイバは、出力ポートのうちの１つに接続されるべきである。選択されたモードの測定の後、検知光ファイバを第２のマルチプレクサ出力に切り替えなければならない。

このソリューションを使用する利点は、比較的単純なマルチプレクサを使用していくつかのモードにおいて測定を行うことができることである。

このソリューションの不利点として、ホログラフィックプレートを用いたこの例示のソリューションの場合にカップリング効率が９７％と比較して低い８０％であることと、測定の自動化に関してアクセスするのがはるかに困難であるマルチモードスイッチを使用する必要があることとが挙げられる。

用途に応じて、様々な測定技法の実施態様、及び測定システムの専用化された構成要素に適合された処理ユニット９が使用される。

ＣＯＴＤＲ技法は、測定のために中心波長をチューニングすることができる狭いスペクトル源を必要とする。完全な測定を行うには、温度又は歪みの必要とされる測定範囲に応じて、異なる中心波長を有する数個又は数十個のパルスを送信することが必要である。チューニングは、パルス生成間で行われ、連続して行う必要はない。

このソリューションの不利点は、測定速度が遅いことである。１つの測定は、最大１分間続く可能性がある。１回の測定の間に少なくとも数個の散乱パルスを収集しなければならないために、この技法は、振動又は数Ｋ／分の温度変化等の高速に変化する現象を監視することにはあまり便利ではない。

ＣＯＴＤＲ技法を使用した測定は、数キロメートル又は数十キロメートル程の距離においてほぼ１０ｃｍ、更にはほぼ１桁のｃｍの比較的高い空間分解能で行うことができる。

この技法を使用した測定は、測定を周期的に行うことができるように、基準測定を参照することを可能にする。建物の連続的な測定は、その歪みを求めるのに必要とされない。建物の歪み及びサーバ室内の温度を測定する場合、双方のパラメータの変化がかなり遅いために、この技法は最適な選択肢である。

チャープＯＴＤＲ技法は、ＣＯＴＤＲの特殊な場合である。測定は、中心波長が単一のパルスの放出中にチューニングされる光パルスを使用する。この技法の利点は、単一のショットにおいて、選択されたパラメータの定量的測定が可能であることである。不利点は、ＣＯＴＤＲが数メートルのより低い空間分解能を有することである。なぜならば、パルスは、波長チューニングプロセスを実行できるほど十分長く継続しなければならないことから、そこまで短くすることができないからである。パルスの期間中に光源の波長をチューニングするには、チューニングの同期、測定、及び直線性補正が必要とされるので、より複雑な光源レイアウトも必要となる。

ＯＦＤＲ技法は、周波数領域データ解析に基づいている。この技法は、線形チューナブルレーザを動作させる必要がある。実際には、追加の基準干渉計が、システムをより複雑にするとともに環境振動に対して脆弱にする軽微な光源チューニング非線形性を補償するために使用されるべきである。この技法の不利点は、測定の持続時間でもある。１つの測定の間、レーザは中心波長を調整しなければならず、これは限られた速度で行われる。これは、測定が最大数秒要する可能性があることを意味する。これによって、この技法は、振動も他の環境擾乱もない、ゆっくりと変化する現象を測定することにのみ適したものとなる。この技法の利点は、測定がほぼ数ミリメートルの非常に高い空間分解能を有することである。

本発明は、建物内で使用されるマルチモード光ファイバネットワークの機能をデータ伝送以外に拡張し、それらのネットワークをセンサとして使用することを可能にする。行われた試験の結果は、ＣＯＴＤＲ技法を使用して、特に、強い突風に起因した高い歪みに曝露される高層ビルにおいて建物の構造の歪みを測定すること、又はデータセンタにおいて温度を測定することを可能にする。

光ファイバ遠隔通信ネットワークは、このネットワークを通って伝送される光の変調の変化を使用して情報を伝送するのに使用することができる光ファイバインフラストラクチャを意味する。このグループは、特に、設備に永続的に設置される遠隔通信ケーブル及び光ファイバ、並びに、遠隔通信の用途に使用することができるか又は遠隔通信の用途に使用されることを目的としたケーブル及び光ファイバを含む。遠隔通信光ファイバは、信号を伝送するのに使用することができる任意の光ファイバを意味するものと理解される。

当業者であれば、本発明の範囲が、レイリー散乱に起因する光信号に基づいて測定を行うデバイスだけでなく、ブリユアン散乱又はラマン散乱を使用したソリューションも含むことに気付くであろう。

Claims (15)

1. 方向性デバイス（４）を備える光路を介して接続された制御される光生成システム（１）及び受信システム（２）を有し、
   前記受信システム（２）からの信号を受信して処理するとともに、光学距離の変化を測定し、それらの変化を処理して少なくとも１つのパラメータにするＯＦＤＲ測定技法及び／又はＣＯＴＤＲ測定技法を実施する処理ユニット（９）と、
   後方散乱光のシングルモード検出のための選択的モードデバイス（５）と、を更に有し、
   前記選択的モードデバイス（５）を介して光ファイバインフラストラクチャに接続されるように適合された光ファイバ測定システムであって、
   
   前記処理ユニット（９）は、前記光生成システム（１）を制御するように更に適合され、前記選択的モードデバイスは、遠隔通信ネットワークにおけるシングルモードの選択的励起に適合されることを特徴とする、光ファイバ測定システム。
2. 前記選択的モードデバイス（５）は、モードフィルタであることを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバ測定システム。
3. 前記選択的モードデバイス（５）は、異なるモードの連続的励起のための選択的モード励起システムであることを特徴とする、請求項１に記載の光ファイバ測定システム。
4. 前記選択的モードデバイス（５）は、高次モードの損失を選択的に増加させるデバイスによって構成されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の光ファイバ測定システム。
5. 前記選択的モードデバイス（５）は、ホログラフィックプレート又は一続きのホログラフィックプレートであることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の光ファイバ測定システム。
6. 前記選択的モードデバイス（５）は、非対称カプラのシステムであることを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の光ファイバ測定システム。
7. 前記処理ユニット（９）は、前記測定された光学距離をフィルタリングする周波数フィルタリングモジュールを有することを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の光ファイバ測定システム。
8. 前記選択的モードデバイス（５）は、前記処理ユニット（９）に接続されて制御され、異なる次数のモードの連続する励起に適合されるとともに、前記処理ユニット（９）は、異なる次数の少なくとも２つのモードによって前記測定において少なくとも２つのパラメータを求めることに適合されることを特徴とする、請求項１、３、５、６又は７のいずれか１項に記載の光ファイバ測定システム。
9. 前記処理ユニット（９）は、異なる次数の少なくとも３つのモードによって前記測定において２つのパラメータを求めることに適合されることを特徴とする、請求項８に記載の光ファイバ測定システム。
10. 前記光ファイバ測定システムは、遠隔通信ネットワークに接続するためのカプラ（６）及び光ファイバセクション（８）を更に有することを特徴とする、請求項１～９のいずれか１項に記載の光ファイバ測定システム。
11. ２０μｍ以上のコア直径を有する遠隔通信光ファイバ（７）の測定システム内への適合方法であって、
    前記遠隔通信光ファイバ（７）は、後方散乱光のシングルモード検出及びシングルモードの選択的励起のための選択的モードデバイス（５）を介して、方向性デバイス（４）によって接続された制御される光生成システム（１）及び受信システム（２）を有する前記測定システムの光路に接続されることを特徴とする、方法。
12. 前記遠隔通信光ファイバ（７）は、請求項１０に記載の光ファイバ測定システムに接続され、前記遠隔通信ネットワークの前記光ファイバ（７）は、カットされて前記カプラ（６）に接続されることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
13. データ伝送と、物理量を表すパラメータの特定とを行う光ファイバ測定通信システムであって、該光ファイバ測定通信システムは、直径が２０μｍ以上のコアを有する遠隔通信光ファイバ（７）に接続された送信機及び受信機を備える遠隔通信ネットワークに接続される、請求項１～１０のいずれか１項に記載の少なくとも１つの光ファイバ測定システムを備え、前記送信機の波長は、前記光生成システム（１）の前記波長と少なくとも１０ｎｍ異なることを特徴とする、光ファイバ測定通信システム。
14. 前記遠隔通信光ファイバ（７）は、４７μｍよりも大きなコア直径を有することを特徴とする、請求項１３に記載の光ファイバ測定通信システム。
15. 前記送信機は９００ｎｍよりも短い波長で動作し、前記光生成システム（１）は１０００ｎｍよりも長い波長で動作することを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の光ファイバ測定通信システム。