１．はじめに

現代の通信サービスにとって、光ファイバは通信光をやり取りする伝送媒体として不可欠な存在である。低損失・高速に光を伝送でき、電磁ノイズの影響を基本受けず、軽量・細径でありながら、ケーブル化することで堅牢性や施工性に優れる。一方で、温度変化や荷重（伸び）、振動といった外乱が光ファイバに加わると、光ファイバを通る光の特性（強度、位相、偏波など）は変化する。この変化は、時として、通信サービスでは、通信品質の劣化につながり、補償・抑制の対象となる。一方で、光の特性変化を計測すれば、外乱を測定でき、光ファイバ周囲の状況をセンシングできる。このように光ファイバをセンサとして使用する技術が光ファイバセンシングである。光ファイバの利点をそのまま活かすことができる。
 光ファイバセンシングには様々な種類や形態がある。光ファイバの片端からセンシング光を入射し、もう片端から出た透過光を解析する構成が分かりやすいが、外乱がどの位置でどのような振る舞いをしたか位置分解して測定するのは容易でない。通常の光ファイバにFBG（Fiber Bragg Grating）など特別な構造を埋め込んだり、特殊な光ファイバを連結したりして、外乱を位置分解する、測定感度を向上させる、通常検知できないガスなどをモニタする構成もあるが、センサ媒体側に手を加える必要がある。一方で、通信用の通常の光ファイバをそのまま利用し、その中で生じる光の散乱現象を利用する手法もある。送信器から光ファイバにセンシング光を入射し、光ファイバ中で発生した散乱光を検出器で受光し解析する。散乱現象は光ファイバ上の各地点で生じるため、光ファイバが分布型の多点センサとして機能する。これは分布光ファイバ計測（Distributed Fiber Optic Sensing; DFOS）と呼ばれる。時間変化の緩やかな歪みや温度を測定するDFOSは、橋やトンネル、プラント、パイプラインなど社会インフラを支える構造物のモニタ方法として着目されてきた。一方で、散乱光の強度は通常小さく、測定のSN比を確保するのに複数回の測定結果を加算平均する処理が必要なため、時間的な変化、例えば振動の測定は困難であった。しかし、光・電気的なデバイスの発展と相まって、測定技術も最近進展した。これは分布振動(音響)計測（Distributed Acoustic Sensing; DAS）と呼ばれ、微弱な振動の分布を可視化できる。DASは、地震などの自然災害の検知や交通情報の取得、天候の観測など新たな応用が期待され、注目を集めている。
 DASをはじめとするDFOSであれば、新たにセンシング用に光ファイバを設置しなくても、通信用に敷設された光ファイバをセンサとして活用できる。面的に広がった広大な光ファイバ通信網がそのままセンサネットワークになる。これは、センシングの観点では、センサへの給電不要で、測定エリアのスケールも大きい方である。特に、通信用光ファイバは、地下の管路や電柱間の架空を通るルートがあり、地下（海底も含む）・地上の両方を同時にセンシングでき、特異的である。通信インフラの観点では、通信設備の遠隔点検に使用できるし、通信設備にセンサという新たな価値も付与できる。このように、通信用に敷設された光ファイバをセンサとして利活用し、DFOS（特にDAS）で光ファイバ周囲の様々な環境情報を取得する枠組みを、弊社では光ファイバ環境モニタリングと呼んでいる。図1に示すように得られた環境情報を多様な産業分野で利用してもらうことで、様々な社会課題の解決を目指している。
 本稿では、光ファイバ環境モニタリングの実現に向け、弊社が開発を進めている光周波数多重(Frequency Division Multiplexing; FDM)位相OTDRに基づく高感度DAS技術を紹介する。また、DASを用いて実際に通信用に敷設された光ファイバで振動を可視化した測定事例を紹介する。

図1: DASを利用した光ファイバ環境モニタリング

２．FDM位相OTDRに基づくDAS

DFOSで観測する散乱現象には主にレイリー、ブリルアン、ラマン散乱があり、それぞれセンシングできる物理量(外乱)が異なる。このうち、振動（歪みの時間変化ともいえる）の高感度測定にはレイリー散乱が適しており、多くのDASがレイリー散乱光計測に基づく。レイリー散乱は弾性散乱であり、光ファイバ製造時のガラス組織の不均一性や不純物により光ファイバの長手に沿って、センシング光と同じ周波数の散乱光が連続的に生じる。レイリー散乱を考えるのに、多数のレイリー散乱体が光ファイバに沿ってランダムに分布している1次元散乱モデルがよく使用される(図2(a))。各散乱体が光を散乱し、観測する散乱光はそれらの重ね合わせと考える。光ファイバに振動が加わると、光ファイバの伸縮に伴い、上記散乱体の位置も変化する。この位置変化をDASで測定する。
 具体的な測定方式は複数あるが、センシング光として光パルスを光ファイバに入射し、その後方散乱光を受光するOTDR(Optical Time-Domain Reflectometry)方式が最も一般的である。レーダやソナーと同じで、ToF(Time-of-Flight）の原理で、散乱光を受光するタイミングと光ファイバ上の位置とを対応させる(図2(b))。振動が生じて位置が変化した散乱体からの散乱光は受光タイミングが変化する。このタイミング変化は通常非常に小さいが、光の位相変化として観測可能である。したがって、後方散乱光の位相を測定することで各地点の振動波形を定量的に取得する。これが位相OTDRである。
 位相OTDRはサブnεの歪変化量を検出できる。単位εは伸縮率であり、1mのファイバが1nm伸びれば1 nεである。空間分解能はセンシング光のパルス幅で決まり、1m弱から数mに設定される。測定距離は数十kmと長い。長距離測定ができるため、位相OTDRは単純な構成ながら、敷設された通信用光ファイバを全長に渡って測定する際などに使える。しかし、位相測定の精度には注意が必要である。図2(b)は簡略化しているが、本来は光パルス幅内に多数の散乱体があるとモデリングするのが、より正確であり、それら散乱体からの散乱光の干渉が起きる。デストラクティブな干渉により散乱光強度が小さくなる地点では、位相測定の精度が悪くなる。つまり、平均的にはサブnεの測定精度があっても、振動測定が困難な地点が多数発生する。この現象は、無線通信などと同様に、フェーディングと呼ばれ、主要な問題である。
 フェーディング対策として、弊社はFDM位相OTDRの開発に取り組んできた[1,2]。図2(c)に概要を示す。センシング光として、複数の光周波数のパルスを並べて入射する。それぞれの光周波数パルスから散乱光が生じる。それら散乱光は重なりあって受光される。しかし、元々の各光周波数パルスの占有帯域が重ならないよう設計しておけば、各散乱光の占有帯域も異なる。したがって、デジタルフィルタで周波数分離できる。分離された各光周波数の散乱光の干渉パターンは異なるため、ある地点において一つの光周波数では散乱光強度が小さくても、別の光周波数では散乱光強度が大きくなり得る。これら複数の光周波数の位相を平均すれば、位相測定の精度が悪い地点を減らすことができる。
 ただし、位相の平均には様々な演算方法が考えうる。効率的な平均には、各光周波数の位相のオフセットの違いなどを考慮する必要がある。弊社は、位相オフセットの高精度な推定→位相オフセットの補正→複数の光周波数の位相の平均、を時間的に更新しながら行うことで、広い振動振幅の範囲で、出来るだけ忠実な振動波形を高精度に取得する演算方法を提案・実装している。
 図2(d)に、フェーディング対策をする前後で振動の可視化結果がどのように異なるか、waterfall図として示す。横軸はセンシング光を入射した片端からの距離、縦軸は時間、カラーバーは振動の振幅(歪量)、である。DASの振動可視化結果は、このようなwaterfall図として示されることが多い。測定対象は、約10kmの静置した光ファイバの先に、60mの光ファイバ伸縮器をつなげ、そこが均一に正弦振動（正弦波の波形で振動）するよう設定した。フェーディング対策により、位相測定ができない地点が低減されたことが確認できる。こういった対策が、未知の振動波形を取得する実際の応用では重要である。

図2：FDM位相OTDR．（a）レイリー散乱モデル．（b）位相ＯＴＤＲの簡略化した測定原理．
（c）FDM位相OTDRの構成．（d）正弦振動の測定結果．

次回に続く－

【著者紹介】
脇坂　佳史（わきさか　よしふみ）
日本電信電話株式会社　アクセスサービスシステム研究所　研究員

■略歴
2016年　東京大学大学院理学系研究科化学専攻　修士課程修了。2017年 日本電信電話株式会社 入社。アクセスサービスシステム研究所にて光ファイバセンシング技術の研究開発に従事。

1. はじめに

 小中学校の理科の教科書には，永久磁石やコイルに流れる電流から生じる磁場について，磁力線の図や方位磁石，砂鉄の模様などでそのイメージを表現している．このような磁界の空間分布を実際に可視化することは，電磁波をはじめとする交流磁界の信号やノイズ成分をパターン認識的に空間評価することが可能となるため，産業分野において大きな意義を有する．さらに，物質内部の見えない位置に存在する発生源の位置特定も，漏出した磁界分布から可能となる．例えば，磁気微粒子からの非線形磁化特性を利用した位置検出は，CTやMRIに匹敵する高精度な画像診断装置として注目されている．しかし，従来のコイルプローブによる電磁誘導を利用した測定の場合，空間分解能や機械走査によるノイズ，プローブ自身や信号線による測定対象磁界の歪みやノイズの混入が懸念される．そこで，光を用いて非侵襲な測定が可能な光学式磁界センサの開発が進んでおり，光ファイバの先端に磁気光学素子を取り付ける方式や光ファイバのファラデー効果を利用した方式などが製品化されている．また近年，生体磁気計測などの極低周波磁界の測定に威力を発揮する超高感度な光ポンピング磁気センサ(Optically pumped magnetometer: OPM)が，Qu-Spin社や浜松ホトニクス社から製品化されている ^1,2)．
 本研究で測定対象とする100 kHz前後の交流磁界は，電磁波の中でも長波（Low frequency: LF）に分類される．この周波数帯は近年普及が著しい無線給電やIHクッキングヒーターといった発生源付近の交流電磁界を利用したデバイスに用いられている．これらのデバイスにおいて発生磁界の空間分布を実際に取得することは，エネルギーの有効活用や人体への曝露評価に重要な評価要素となる．我々はOPMを用いて100 kHz前後の交流磁界の測定を実施し、10 mm四方の領域をサブミリメートルの空間分解能での可視化を実現した。

2. OPMによる交流磁界測定の原理

 OPMは，ガラスセル内部で蒸気化しているアルカリ金属原子をその共鳴光によって電子スピン偏極させる光ポンピング ³⁾を利用しており，測定対象となる磁場によってスピンの光学特性が変化する．つまり，センサの起動と信号の取得を光で行うため，従来のコイルプローブと比較すると測定範囲付近の金属量を格段に少なくできる．我々の用いる測定手法はMxタイプ ⁴⁾と呼ばれる1光軸系の測定システムであり，100 kHz程度の交流磁界が簡便に測定できる．また用いるアルカリ金属をセシウム133とすることで，室温でも測定に必要な蒸気密度を得る事ができる．図1にMxタイプの測定原理を示す．ガラスセル内のアルカリ金属原子に円偏光された共鳴光を照射すると，光ポンピングによって電子スピンは光軸と平行に偏極する．そこに静磁界B0を光軸に対して45°の方向に印加することで，偏極されたスピンはLarmor方程式

で定義される周波数fでB₀の方向を中心に歳差運動する．γは磁気回転比で用いるアルカリ金属種に固有の値となり，本研究で用いるセシウム133の場合はγ= 3.5 (Hz/nT)となる．例えば，測定対象となる交流磁界が静磁界に垂直な方向へf= 70 (kHz)で印加される場合，(1)式よりB₀= 20 (μT)とすることで磁気共鳴によってスピンの歳差運動は増大する．光ポンピングによって吸収される光強度はスピンの方向によって変化するため，ガラスセルを透過する光はセル内部における交流磁界の強度に応じた振幅で強度変調される．このため，透過光の変調振幅成分を測定することでセル内部の磁界が光を用いて測定できる．さらに，本センサは図１に示す静磁界に垂直なx方向とs方向の交流磁界対して感度を有しており，それぞれの磁界方向成分に対する歳差運動の位相は直交する．よって，透過光の強度変調も各方向成分によって直交した位相で出力される．

3. Digital Mirror Device (DMD)を用いた空間分解の原理

 光を空間分解して取得するにはCCDやCMOSといった撮像素子の使用が一般的であるが，100 kHz程度の変調振幅成分を取得できる撮像素子は価格や取得データ数といった点で適用が難しい．そこで608×684の画素構造を有するDigital Mirror Device (DMD, DLP LightCrafter™, Texas Instruments)を用いて空間分解を行なった(図2)．

DMDの各ミラーは図3のように制御信号によって反射方向を±12°の2方向に制御できる．本実験では，図4に示すように空間分解の画素要素となる領域のミラー群をラスタースキャンによって制御し，反射光をフォトディテクタで受光することでセル内部の磁界分布の空間分解を行なった．

次回に続く－

【著者紹介】
田上　周路（たうえ　しゅうじ）
高知工科大学システム工学群電子・光システム工学専攻　准教授

【 徳島大学・ポストLEDフォトニクス研究所 】

時実　悠南川　丈夫安井　武史

1. はじめに

 JIS（日本産業規格，旧・日本工業規格）の規格において，穴と軸等の加工物同士のはめあいに関する公差等級表を眺めると ¹⁾，機械加工技術の進展のおかげで，近年ではより厳しい（公差の小さい）等級が追加されており，このような場合は数百nmオーダーの公差での加工が求められている．加えて，その数百nmオーダーの公差等級が定められている対象物の形状サイズは最大で数十mmオーダーであることから，両者の比をダイナミックレンジとして捉えると10⁵となり，極めて広いダイナミックレンジを持つことがわかる．「計測は科学技術の母である」とよく言われるが，「科学技術」を「ものづくり」に置き換えた場合も同様である．すなわち，上述のようなスケール・許容寸法範囲のものづくりを担保し続ける上では，この精度を超える計測手段が求められることになる．
 光をプローブとして用いる形状の計測は，機械的な接触を必要とせず，高速かつ高精度で計測できることから，3次元的な構造をはじめとする複雑形状を定量的に計測する手段として有力である．光を用いる3次元表面形状の計測手法は各種存在するが，光の「強度（または振幅）」と「位相」を用いる方法に大きく分別できる．まず，光の強度を用いる方法としてレーザー走査型共焦点顕微鏡がある．この方法では，光源・対物レンズ焦点・光センサ直前のピンホールを光学的に共役な配置とすることで，3次元空間分解能を有する．焦点位置あるいは対象を機械的に3次元走査し，対象から反射した光強度を各点（各位置）で測定することにより，µmオーダーの空間分解能，また典型的には数十から数百µmオーダーの視野で3次元形状を計測できる．この際，一般的に空間分解能は回折限界（波長程度の大きさ）によって制限され，通常用いられる光源の波長は紫外から近赤外帯であることから上述の（厳しい）公差等級と空間分解能が同等となり，これを正しく測定することは困難となる．一方，光の位相は，光波の進み度合いを周期2π（= 1波長）の関数として表すものであるため，これを計測できれば波長以下の長さ情報を得られる．通常，位相情報を取得する際には光の干渉を利用するが，この際の分解能は干渉計の機械的な振動等（位相ノイズ）により典型的には波長の100分の1程度であり，数nmから数十nmの高い空間分解能での計測が可能となる．干渉を利用して位相情報を得る方法も様々であるが，デジタルホログラフィー法では，計測したい対象に照射した光（物体光）と，対象と相互作用せず光位相の基準となる光（参照光）との干渉縞パターン（ホログラム）をカメラ等の2次元光センサで記録し，コンピューターによる波面伝搬計算（回折計算）を行うことで，物体の振幅と位相の像を得られる．このような方法は干渉計測に基づくことから，可干渉性（コヒーレンス）の高い単一波長レーザー光源がよく用いられる．一方，この方法は高精度な計測が可能であるものの，波長を超える大きさの対象の計測が困難であるという問題がある．図1(a)に示すように，平坦な面が波長を超える傾きを持っている場合，位相の折り返しが起こり，最終的に得られる結果はノコギリ波状の分布となる．このような単純かつ一様な構造の場合，例えば折り返し回数に応じて1波長分だけ波形を持ち上げるような後処理を行うことにより，灰色の破線で示す実際の形状が得られるが，図1(b)のようなステップ状に急峻な段差構造がある対象に対しては，何波長分の変化が起こったのかが不定となる．
　最後に，光の強度と位相の両方を用いる手法として白色干渉計がある．この方法では，広帯域な白色光を用いた低コヒーレンス干渉に基づいており，市販品でも数nmの奥行き分解能で計測可能であるが，上述のような広いダイナミックレンジ持つ形状を計測する場合は，計測あるいは対象を機械的に掃引しながら計測結果を奥行き方向に繋いでいく必要があり，5桁のダイナミックレンジを計測するのは容易ではない．以上のことをまとめると，非接触かつ高精度に対象の3次元表面形状を計測可能な光学的方法は有用であるものの，近年の精密なものづくりに対応するためには，同一の計測装置で広い計測ダイナミックレンジを確保できる手法が望まれる．

図1　光位相（反射配置）から得られる高さ分布．(a) 斜面における計測，(b) 段差における計測．

2. 光コム・デジタルホログラフィーの原理

 図1の光位相を表面形状計測に用いる際の問題点を解決する方法の一つとして，2つの異なる波長で計測した結果を用いる合成波長・デジタルホログラフィーがある．ここで，合成波長Λおよびその位相φは，2つの波長λ₁，λ₂およびそれぞれの位相 φ_λ1，φ_λ2を用いて次式で表される．

 式(1)から，用いる2つの波長が近ければ合成波長は大きくなり，遠ければ合成波長は小さくなる．また，式(2)から，実際にはそれぞれの波長で再構成した位相画像同士の引き算から合成波長の位相画像が得られることがわかる．この方法は位相画像から得られる奥行き方向の長さを拡大する上で有用であるが，選択可能な波長範囲が使用可能なレーザー光源の種類によって制限されるため，典型的には数µmから10 µm程度の合成波長しか生成できない．また，合成波長Λを大きくしても，位相ノイズにより分解能は同様にΛ/100程度に制限されるため，ダイナミックレンジとしては同等となる．
 そこで，本研究では究極的光源として知られる光コム光源に着目した．図2(a)に示すように，光コムは周波数軸状において多数の周波数的に安定な発振モードが繰り返し周波数 f_rep間隔で櫛（comb:コム）の歯状のスペクトルを示す．したがって，これらのコムモードを順次抽出すれば，多数の合成波長の生成が可能となる．図2(b)に示すように，最長合成波長となるΛ₁₂を用いれば，最大高さが大きくなるものの，分解能としては短い波長での計測と比較して悪くなる．そこで，Λ₁₂の計測レンジ（黒矢印）と一部重なるような短い合成波長Λ₁₃を次に用意し，これを順次短い合成波長側に引き継いで行き，最終的に単一波長での結果に接続すれば，得られるダイナミックレンジ（赤矢印）を大幅に拡大可能となる．

図2　光コム・デジタルホログラフィーの概念図．(a) 光コムと単一波長抜き出しによる合成波長の生成，
(b) 複数の合成波長の利用による測定（高さ）ダイナミックレンジの拡大．

次回に続く－

【筆頭著者紹介】
長谷　栄治（はせ　えいじ）
徳島大学　ポストLEDフォトニクス研究所 特任助教
⟨ 略歴 ⟩
1989年生まれ．2017年，徳島大学・大学院先端技術科学教育部知的力学システム工学専攻博士後期課程修了，博士（工学）．2017年，高輝度光科学研究センター・利用研究促進部門，研究員．2019年，徳島大学・ポストLEDフォトニクス研究所，特任研究員を経て特任助教．現在に至る．

【著者紹介】
時実　悠，南川　丈夫，安井　武史
徳島大学　ポストLEDフォトニクス研究所