ブリルアン散乱スペクトルの形状解析に基づく光ファイバ型高速分布センサの機能進化

2018 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H04930
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 水野 洋輔 東京工業大学, 科学技術創成研究院, 助教 (30630818)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 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

研究実績の概要

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。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

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。

今後の研究の推進方策

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。

研究成果

• [国際共同研究] キプロス工科大学(キプロス)
  • 国名: キプロス
  • 外国機関名: キプロス工科大学
• [国際共同研究] エスピリトサント連邦大学(ブラジル)
  • 国名: ブラジル
  • 外国機関名: エスピリトサント連邦大学
• [国際共同研究] アヴェイロ大学/リスボン大学(ポルトガル)
  • 国名: ポルトガル
  • 外国機関名: アヴェイロ大学/リスボン大学
• [国際共同研究] デンマーク工科大学(デンマーク)
  • 国名: デンマーク
  • 外国機関名: デンマーク工科大学
• [雑誌論文] Enhanced stability and sensitivity of slope-assisted Brillouin optical correlation-domain reflectometry using polarization-maintaining fibers (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Lee, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: OSA Contin. 巻: 2 ページ: 874-880
  • DOI: 10.1364/OSAC.2.000874
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Lorentzian demodulation algorithm for multimode polymer optical fiber Bragg gratings (2019)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuno, T. Ma, R. Ishikawa, H. Lee, A. Theodosiou, K. Kalli, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 58 ページ: 028003
  • DOI: 10.7567/1347-4065/aaf897
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Distributed temperature sensing based on slope-assisted Brillouin optical correlation-domain reflectometry with over 10 km measurement range (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Lee, K. Noda, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Electron. Lett. 巻: 55 ページ: 276-278
  • DOI: 10.1049/el.2018.7998
  • 査読あり
• [雑誌論文] Proposal of external modulation scheme for fiber-optic correlation-domain distributed sensing (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Noda, G. Han, H. Lee, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 12 ページ: 022005
  • DOI: 10.7567/1882-0786/aaf416
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement in mechanical quality factors of poly phenylene sulfide under high-amplitude ultrasonic vibration through thermal annealing (2019)
  • 著者名/発表者名: J. Wu, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Ultrasonics 巻: 91 ページ: 52-61
  • DOI: 10.1016/j.ultras.2018.07.003
  • 査読あり
• [雑誌論文] Brillouin characterization of slimmed polymer optical fibers for strain sensing with extremely wide dynamic range (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuno, N. Matsutani, N. Hayashi, H. Lee, M. Tahara, H. Hosoda, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Opt. Express 巻: 26 ページ: 28030-28037
  • DOI: 10.1364/OE.26.028030
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Recent advances in Brillouin optical correlation-domain reflectometry (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuno, H. Lee, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Appl. Sci. 巻: 8 ページ: 1845
  • DOI: 10.3390/app8101845
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Ultrasonic motors with poly phenylene sulfide/alumina/PZT triple-layered vibrators (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Wu, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Sens. Actuat. A: Phys. 巻: 284 ページ: 158-167
  • DOI: 10.1016/j.sna.2018.09.069
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ultrasonic motor performance influenced by lubricant properties (2018)
  • 著者名/発表者名: W. Qiu, Y. Mizuno, K. Adachi, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Sens. Actuat. A: Phys. 巻: 282 ページ: 183-191
  • DOI: 10.1016/j.sna.2018.09.022
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vibration characteristics of polymer-based Langevin transducers (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Wu, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Smart Mater. Struct. 巻: 27 ページ: 095013
  • DOI: 10.1088/1361-665X/aad530
  • 査読あり
• [雑誌論文] Multimodal interference in perfluorinated polymer optical fibers: Application to ultrasensitive strain and temperature sensing (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuno, G. Numata, T. Kawa, H. Lee, N. Hayashi, and K. Nakamura
  • 雑誌名: IEICE Trans. Electron. 巻: E101-C ページ: 602-610
  • DOI: 10.1587/transele.E101.C.602
  • 査読あり
• [雑誌論文] Distributed strain measurement and possible breakage detection of optical-fiber-embedded composite structure using slope-assisted Brillouin optical correlation-domain reflectometry (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Lee, Y. Ochi, T. Matsui, Y. Matsumoto, Y. Tanaka, H. Nakamura, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 11 ページ: 072501
  • DOI: 10.7567/APEX.11.072501
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental observation of spontaneous depolarized guided acoustic-wave Brillouin scattering in side cores of a multi-core fiber (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Hayashi, Y. Mizuno, K. Nakamura, S. Y. Set, and S. Yamashita
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 11 ページ: 062502
  • DOI: 10.7567/APEX.11.062502
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bending-loss-independent operation of slope-assisted Brillouin optical correlation-domain reflectometry (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Lee, T. Ma, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Sci. Rep. 巻: 8 ページ: 7844
  • DOI: 10.1038/s41598-018-26153-6
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Design and characterization of curvature sensor using fused polymer optical fibers (2018)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Opt. Lett. 巻: 43 ページ: 2539-2542
  • DOI: 10.1364/OL.43.002539
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Phase-detected Brillouin optical correlation-domain reflectometry (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuno, N. Hayashi, H. Fukuda, and K. Nakamura
  • 雑誌名: Opt. Rev. 巻: 25 ページ: 473-485
  • DOI: 10.1007/s10043-018-0436-1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Strain, temperature, moisture, and transverse force sensing using fused polymer optical fibers (2018)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Opt. Express 巻: 26 ページ: 12939-12947
  • DOI: 10.1364/OE.26.012939
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Compact test set for sensitivity evaluation of photoacoustic contrast agent (2018)
  • 著者名/発表者名: X. Zeng, Y. Mizuno, K. Nakamura, S. Fuse, and H. Nakamura
  • 雑誌名: Acoust. Sci. Technol. 巻: 39 ページ: 259-262
  • DOI: 10.1250/ast.39.259
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dynamic mechanical analysis on fused polymer optical fibers: towards sensor applications (2018)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Opt. Lett. 巻: 43 ページ: 1754-1757
  • DOI: 10.1364/OL.43.001754
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] ブリルアン散乱を用いた高速分布型光ファイバセンサ (2019)
  • 著者名/発表者名: 水野洋輔、野田康平、李熙永、中村健太郎
  • 学会等名: 電子情報通信学会 2019年総合大会
  • 招待講演
• [学会発表] Fiber-optic forward Brillouin scattering properties: experimental investigation and sensing application (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Hayashi, Y. Mizuno, K. Nakamura, S. Y. Set, and S. Yamashita
  • 学会等名: Asia Communications and Photonics Conference 2018 (ACP 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Slope-assisted Brillouin optical correlation-domain reflectometry: from fundamentals to applications (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Lee, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: Asia Communications and Photonics Conference 2018 (ACP 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Enhanced strain dynamic range of slope-assisted Brillouin optical correlation-domain reflectometry (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Lee, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: Asia Communications and Photonics Conference 2018 (ACP 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Simple and accurate demodulation method for multimode polymer fiber Bragg gratings (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Ma, R. Ishikawa, H. Lee, A. Theodosiou, K. Kalli, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: Asia Communications and Photonics Conference 2018 (ACP 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] External modulation scheme for fiber-optic correlation-domain distributed sensing (2018)
  • 著者名/発表者名: K. Noda, G. Han, H. Lee, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: Asia Communications and Photonics Conference 2018 (ACP 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] High-power non-metal ultrasonic motor with an alumina vibrator (2018)
  • 著者名/発表者名: J. Wu, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: IEEE International Ultrasonics Symposium 2018 (IUS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Widest-ever dynamic range of Brillouin strain sensing using slimmed plastic optical fibers (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuno, N. Matsutani, H. Lee, and K. Nakamura
  • 学会等名: 26th International Conference on Optical Fibre Sensors (OFS-26)
  • 国際学会
• [学会発表] Recent advances of single-end-access high-speed distributed Brillouin sensing technology (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuno, H. Lee, and K. Nakamura
  • 学会等名: 10th International Conference on Information Optics and Photonics (CIOP 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Influence of thermal annealing on strain sensitivity of perfluorinated graded-index plastic optical fiber Bragg gratings (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Ma, R. Ishikawa, H. Lee, A. Theodosiou, K. Kalli, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 10th International Conference on Information Optics and Photonics (CIOP 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Slope-assisted Brillouin optical correlation-domain reflectometry with strain dynamic range limited by “Mt. Fuji” shaped noise floor (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Lee, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 10th International Conference on Information Optics and Photonics (CIOP 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Recent advances of single-end-access distributed Brillouin sensing (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuno, H. Lee, and K. Nakamura
  • 学会等名: 23rd OptoElectronics and Communications Conference (OECC 2018)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Highly sensitive slope-assisted BOCDR utilizing polarization-maintaining fiber (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Lee, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 23rd OptoElectronics and Communications Conference (OECC 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Modal-interference-based displacement sensing using partially strained plastic optical fibers (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Hagiwara, T. Kawa, H. Lee, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 23rd OptoElectronics and Communications Conference (OECC 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Fiber-optic cascaded forward Brillouin scattering seeded by backward SBS: conceptual proposal and experimental verifications (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Hayashi, Y. Mizuno, K. Nakamura, S. Y. Set, and S. Yamashita
  • 学会等名: 7th Asia-Pacific Optical Sensors Conference (APOS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Internal strain monitoring using FBG sensor for steel/CFRP hybrid structure (2018)
  • 著者名/発表者名: G. Mieda, H. Nakamura, Y. Mizuno, K. Nakamura, T. Matsui, Y. Ochi, and Y. Matsumoto
  • 学会等名: 7th Asia-Pacific Optical Sensors Conference (APOS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Health monitoring of composite structure based on slope-assisted Brillouin optical correlation-domain reflectometry (2018)
  • 著者名/発表者名: H. Lee, Y. Ochi, T. Matsui, Y. Matsumoto, Y. Tanaka, H. Nakamura, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 7th Asia-Pacific Optical Sensors Conference (APOS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Slope-assisted BOCDR using low-bending-loss fiber (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Ma, H. Lee, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 7th Asia-Pacific Optical Sensors Conference (APOS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Potential of strain-insensitive temperature sensing using Brillouin scattering in slimmed plastic optical fibers (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Matsutani, H. Lee, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 7th Asia-Pacific Optical Sensors Conference (APOS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Optical wavelength dependence of strain sensitivity of perfluorinated plastic optical fiber Bragg grating (2018)
  • 著者名/発表者名: R. Ishikawa, H. Lee, A. Lacraz, A. Theodosiou, K. Kalli, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 7th Asia-Pacific Optical Sensors Conference (APOS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Recycling of polymer optical fibers damaged by fuse effect: dynamic mechanical analysis for sensing applications (2018)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 7th Asia-Pacific Optical Sensors Conference (APOS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Sensors applications of polymer optical fibers submitted to the fuse effect (2018)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 学会等名: 7th Asia-Pacific Optical Sensors Conference (APOS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Multimodal-interference-based strain sensing using plastic optical fibers: Response to partially applied strain (2018)
  • 著者名/発表者名: S. Hagiwara, T. Kawa, H. Lee, Y. Mizuno, and K. Nakamura
  • 学会等名: 7th Asia-Pacific Optical Sensors Conference (APOS 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] Fiber-optic cascaded forward Brillouin scattering seeded by backward SBS (2018)
  • 著者名/発表者名: N. Hayashi, Y. Mizuno, K. Nakamura, S. Y. Set, and S. Yamashita
  • 学会等名: International Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO 2018)
  • 国際学会
• [学会発表] [国際会議報告] APOS2018報告 (2018)
  • 著者名/発表者名: 水野洋輔、李煕永、石川諒、萩原園子
  • 学会等名: 電子情報通信学会2018年度第3回光ファイバ応用技術研究会 (OFT)
  • 招待講演
• [学会発表] [国際会議報告] APOS2018報告 (2018)
  • 著者名/発表者名: 水野洋輔、李熙永、石川諒、萩原園子
  • 学会等名: 応用物理学会第61回光波センシング技術研究会 (LST-61)
  • 招待講演
• [学会発表] ブリルアン散乱を用いた分布型センシングの最近の進展 (2018)
  • 著者名/発表者名: 水野洋輔、李熙永、中村健太郎
  • 学会等名: 光ファイバ応用技術研究会（OFT）創立20周年記念シンポジウム
  • 招待講演
• [学会発表] [光設計賞受賞記念講演] 世界最高の空間分解能と動作速度を実現した分布型光ファイバセンサ (2018)
  • 著者名/発表者名: 水野洋輔、李煕永、林寧生、福田英幸、中村健太郎
  • 学会等名: 2018年日本光学会年次学術講演会 Optics & Photonics Japan (OPJ2018)
  • 招待講演
• [学会発表] 光ファイバ中のブリルアン散乱を用いた実時間分布センシング (2018)
  • 著者名/発表者名: 水野洋輔、李熙永、中村健太郎
  • 学会等名: 電子情報通信学会 2018年ソサイエティ大会
  • 招待講演
• [図書] Opto-Mechanical Fiber Optic Sensors: Research, Technology, and Applications in Mechanical Sensing (2018)
  • 著者名/発表者名: Y. Mizuno, N. Hayashi, and K. Nakamura
  • 総ページ数: 358
  • 出版者: Butterworth-Heinemann
  • ISBN: 978-0-12-803131-5
• [備考] Yosuke Mizuno's website
  • URL: http://www.nakamura.pi.titech.ac.jp/ymizuno/