2018 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Fiber-Optic High-Speed Distributed Sensors Based on Brillouin Spectral Analysis
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17H04930
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
水野 洋輔 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (30630818)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 光ファイバセンサ / ブリルアン散乱 / 非線形光学 / 防災技術 / 分布計測 / プラスチック光ファイバ / 偏波 / 変調 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
30年度は、主な研究対象である分布型光ファイバセンシングシステム「傾斜利用ブリルアン光相関領域反射計」について、次の各方面から性能改善を推進した。すなわち、(1) 曲げ損失に依存しない動作の実現、(2) 遠方での動作の実証、(3) 偏波維持光ファイバを用いた安定性と感度の向上、(4) 外部変調方式の提案、(5) プラスチック光ファイバ（POF）中のブリルアン散乱特性の更なる解明、(6) POFを用いた高速分布計測の実証、などである。以下、それぞれについて詳述する。
(1) SA-BOCDRは、歪と温度に加えて損失も分布的に計測できる性質をもつ。29年度にはこれを積極的に活用した応用を示したが、損失の影響に左右されない動作も安定性の向上には重要である。そこで、曲げ損失に強いトレンチ型の屈折率分布を有する特殊シリカファイバを用いて、これを実現した。(2) 10 kmを超える遠方における動作を実証した。その際、参照光路中の遅延線の長さが、測定ファイバの4倍以上の長さが必要であることを明らかにした。(3) 偏波変動の影響を低減するために偏波維持光ファイバを用いたところ、安定性のみならず温度や歪の測定感度が向上することを明らかになった。(4) 従来はレーザの駆動電流に直接変調を施していたが、変調周波数と変調振幅が相互に依存するため、システムの空間分解能が測定位置に大きく依存していた。そこで、レーザの出力を外部変調器を用いて変調する方式を提案、実装し、この問題が改善されることを示した。(5) POF中のブリルアン周波数シフトの、細径化するほど巨大な歪に対する依存性を解明し、世界最高の歪ダイナミックレンジを達成し得ることを示した。(6) POFを用いた場合は、参照光の有無でのブリルアン散乱スペクトルの差分を用いることで大幅に雑音が低減できることを示した上で、高速分布測定を実証した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では、分布型光ファイバセンシングシステム「傾斜利用ブリルアン光相関領域反射計」の実用化が大きな柱である。本年度は、本システムの性能を多くの方面から向上させることができた。その中には、安定性を向上させるための方策が感度の向上にもつながるなど、期待以上の結果を得られたものもあった。これらの結果は多数の査読付き論文に掲載されるとともに、複数の招待論文の執筆にもつながった。国内外での招待講演の依頼も多数受けた。また、本研究内容に関して共同研究契約を締結した企業とも、本システムの実用化に向けた研究開発を促進している。加えて、ポルトガルやブラジルとの共同研究も実を結び、複数の論文が生まれている。以上の理由から、本研究の進捗状況は当初の計画以上である。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究の推進方策として、(1) 光周波数の任意波形変調によるBOCDRの性能向上、(2) 温度制御をしない光源の使用によるBOCDRの低コスト化・小型化、(3) 電気スペクトラムアナライザ（ESA）の撤廃による低コスト・小型化・高速動作の実証、(4) 機械学習に基づく測定データからのBFS分布の算出、などが挙げられる。以下、それぞれについて詳述する。
(1) 従来のBOCDRでは、光周波数の変調により位置分解を実現するために、光源の駆動電流を正弦波で直接変調していた。しかし、昨年度提案した外部変調方式では、変調周波数の帯域制限が撤廃され、任意波形での変調が可能となる。そこで、例えばチャープ変調を施すことにより、空間分解能を保ちつつ、測定レンジを延伸することができる。他にも種々の波形について、その利点を検証する。(2) BOCDRは自己ヘテロダイン検波に基づくため、光源の絶対周波数の変動による影響は小さいと考えらえる。そこで、温度制御機能を持たない安価なレーザを適用したときの分布測定の性能を評価する。(3) 従来、11 GHz程度に存在するブリルアン散乱スペクトル（BGS）を高精度に観測するため、ESAを用いていた。しかし、ESAは高価である上に、大型である。そこで、BGSを電気ヘテロダインによって数10 MHz以下にダウンシフトさせ、フィルタ機能を持つ比較的安価な受光器によってBGSを観測する。ESAの性能による律速がなくなり、高速動作も期待できる。(4) BOCDRで観測されるBGS分布は、実際のBGS分布とビートスペクトルの畳み込み積分で与えられる。観測データに雑音成分が多く含まれる場合、単純な逆畳み込み積分で実際のBGS分布を算出するのは困難であった。そこで、機械学習による実際のBGS算出を目指す。空間分解能の向上と同等の効果が得られると期待している。
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[Journal Article] Design and characterization of curvature sensor using fused polymer optical fibers2018
Author(s)
A. G. Leal-Junior, A. Frizera, H. Lee, Y. Mizuno, K. Nakamura, C. Leitao, M. F. Domingues, N. Alberto, P. Antunes, P. Andre, C. A. F. Marques, and M. J. Pontes
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Journal Title
Opt. Lett.
Volume: 43
Pages: 2539-2542
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Strain, temperature, moisture, and transverse force sensing using fused polymer optical fibers2018
Author(s)
A. G. Leal-Junior, A. Frizera, H. Lee, Y. Mizuno, K. Nakamura, T. Paixao, C. Leitao, M. F. Domingues, N. Alberto, P. Antunes, P. Andre, C. A. F. Marques, and M. J. Pontes
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Journal Title
Opt. Express
Volume: 26
Pages: 12939-12947
DOI
Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
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[Journal Article] Dynamic mechanical analysis on fused polymer optical fibers: towards sensor applications2018
Author(s)
A. G. Leal-Junior, A. Frizera, M. J. Pontes, P. Antunes, N. Alberto, M. F. Domingues, H. Lee, R. Ishikawa, Y. Mizuno, K. Nakamura, P. Andre, and C. A. F. Marques
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Journal Title
Opt. Lett.
Volume: 43
Pages: 1754-1757
DOI
Peer Reviewed / Int'l Joint Research
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[Presentation] Recycling of polymer optical fibers damaged by fuse effect: dynamic mechanical analysis for sensing applications2018
Author(s)
A. G. Leal-Junior, A. Frizera, M. J. Pontes, P. Antunes, N. Alberto, M. F. Domingues, H. Lee, R. Ishikawa, Y. Mizuno, K. Nakamura, P. Andre, and C. Marques
Organizer
7th Asia-Pacific Optical Sensors Conference (APOS 2018)
Int'l Joint Research
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[Presentation] Sensors applications of polymer optical fibers submitted to the fuse effect2018
Author(s)
A. G. Leal-Junior, A. Frizera, H. Lee, Y. Mizuno, C. Leitao, F. Domingues, P. Antunes, K. Nakamura, P. Andre, C. Marques, and M. J. Pontes
Organizer
7th Asia-Pacific Optical Sensors Conference (APOS 2018)
Int'l Joint Research
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