| Project/Area Number |
23K04616
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 30020:Optical engineering and photon science-related
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| Research Institution | Kochi University of Technology |
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Principal Investigator |
小林 弘和 高知工科大学, システム工学群, 教授 (60622446)
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| Project Period (FY) |
2023-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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| Keywords | ファイバーセンシング / マルチコアファイバ / 幾何学的位相 / 偏光干渉 / 多光束干渉 / ファイバセンシング / 光相関領域反射計測 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究ではクラッド内に複数のコアを有するマルチコアファイバにおいて、異なるコアにおける相対的な偏光状態の変化を干渉測定することにより、従来のシングルモードファイ バーを用いたファイバセンシングで観測が難しかったファイバの曲げ・ねじれの向きと大きさの両方を測定することを目的とする。偏光状態が測定用ファイバに沿った複屈折変動の情報を持っており、側圧などの外乱に敏感であることに加えて、三つの偏光状態の相対的な位置関係で規定される幾何学的位相が急峻に変化することを利用して、高感度な光ファイバーセンシングを目指す。さらに光相関領域反射計測 (OCDR) を利用した分布計測についても検証する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究ではクラッド内に複数のコアを有するマルチコアファイバにおいて、異なるコアにおける相対的な偏光状態の変化を光波の干渉測定における位相変化として観測することにより、従来のシングルモードファイバーを用いたファイバセンシングでは観測が難しかったファイバのねじれの向きと大きさという二次元的な物理量を測定することを目的とする。特に三つのコアの光波を干渉させると測定結果には三種類の干渉信号が含まれており、それぞれの干渉信号から三種類の相対的な偏光状態変化による位相を求めることができる。これを合算することで得られる幾何学的位相は偏光変動に対して非線形に変化するため、測定感度の向上が見込める。幾何学的位相は各コアに入射する光波を異なる周波数で位相変調して、干渉信号からうなり周波数をディジタルフィルタで抽出することで測定できる。
本年度はまず干渉信号に含まれる雑音の低減を目的として、三つのコアを通る経路のファイバ長の調整、各コアに入射する光波の変調周波数と位相変調波形（鋸波、正弦波、三角波など）の調整を行なった。これにより捩れ角の変化に対する幾何学的位相の変化がこれまでに比べてはるかに明瞭に観測することが可能となった。また、これまではオシロスコープによる観測で得られたデータを取得し、PCでうなり周波数を抽出する後処理を実施していたが、リアルタイムにうなり周波数を抽出して幾何学的位相の変化を観測するためにソフトウェア無線機器を導入した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
昨年度の実験結果で明らかとなった位相雑音に起因した干渉信号の雑音を除去するために三つのコアを通る経路のファイバ長の調整、各コアに入射する光波の変調周波数と位相変調波形（鋸波、正弦波、三角波など）の調整を行なった。ファイバ長を調整して同一の伝搬距離となるようにすることでレーザ光源の位相雑音の影響を最小化し、干渉信号の明瞭度がほぼ100%となるまで向上した。これによりステップ状の捩れ角の変化に対する幾何学的位相の変化がこれまでに比べてはるかに明瞭にステップ状に変化する様子を観測することが可能となった。また、鋸波で位相変調した際に位相の不連続性に起因するスパイク状の雑音が干渉信号に含まれることも判明したため、正弦波や三角波などの不連続性がない波形での変調を検討したところ、スパイク状の雑音は抑制できたものの干渉信号の明瞭度が秒オーダーの時間変化とともにゆっくりと低下する現象が見られたが、原因はまだ明らかになっていない。
さらにこれまではオシロスコープで干渉信号を観測して保存し、それをPCでディジタルフィルタをかけてうなり周波数を抽出していたが、センサーとしての利用を想定した場合にはリアルタイム処理が望ましい。また雑音の原因究明や今後の空間分布測定においてもリアルタイム処理が必要不可欠である。そこでフォトダイオードの出力信号に対して高速AD変換とディジタルフィルタ処理をリアルタイムで実装することができるソフトウェア無線受信機器として、RTL-SDR V4とSDRplay社のRSP1Bを導入した。実装可能なサンプリング周波数からディジタルフィルタの周波数を最適化している最中である。
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| Strategy for Future Research Activity |
ソフトウェア無線機器を用いたリアルタイム測定を完成させることで、変調波形による雑音形状の原因を探り、さらなる雑音低減を実装する予定である。また捻り角に対する幾何学的位相の測定精度や測定範囲を高精度に評価するための機械的な捻り機構を導入して定量的な評価を完了させる。さらに干渉信号の相対位相ではなく相対振幅を評価することによりファイバの曲げの大きさと方向を計測できる可能性があるため、原理検証実験を実施する。
また、光源の周波数を正弦波状に変調し、光ファイバ内のレイリー散乱やブリルアン散乱と入射光との干渉によって生じるうなりの周波数が一定となる位置(相関ピーク位置)の情報のみを取得する手法である光相関領域反射計測（OCDR）を利用して、捻りや曲げの空間分布を測定可能かどうかの理論的検討を並行して進める。実験で得られた幾何学的位相の雑音の大きさや捻りに対する測定感度から、空間分布を計測するために必要な光源の光パワーやOCDRの周波数変調の大きさや速度を導出して、実現可能性を検討する。
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