Owing to the advantageous correlation-domain continuous-wave-based technique, fiber optic nerve system of either Brillouin optical correlation-domain analysis (BOCDA) or reflectometry (BOCDR), rather than Brillouin optical time-domain analysis (BOTDA) and reflectometry BOTDR, has been theoretically investigated and experimentally realized to provide outstanding performances in diagnosis of fully-distributed strain or temperature disturbances with an extremely-high spatial resolution of from tens of centimeters to several millimeters along the whole fiber under test (FUT). Regardless the ability of how short segment can be diagnosed, either BOCDA/R or BOTDA/R via measurement of a single parameter (i.e., Brillouin frequency shift, BFS) is unable to distinguish the response to strain from the response to temperature.

The target of this dissertation is to study discriminative measurement and simultaneous sensing of strain and temperature in fiber optic nerve systems.

First of all, we have focused on investigating and clarifying the feasibility/possibility of discriminative sensing by utilizing different acoustic resonance peaks in a newly-proposed fiber structure, a w-shaped triple-layer optical fiber with high-delta core and F-doped inner cladding (F-HDF). For this purpose, we proposed a modal analysis based on two-dimensional (2-D) finite element method for evaluating the Brillouin gain spectra (BGS) in optical fibers with 2-D complicated geometry and/or 2-D arbitrary refractive-index profile. Our analyzed examples, a standard single-mode optical fiber (SMF) and a PANDA-type polarization-maintaining fiber (PANDA-PMF) drawn from the same design of the optical core, are in good agreement with the experimental results. The experimental arrangements for both SMF and PANDA-PMF were respectively modified from the traditional pump-probe scheme by taking use of a single-sideband modulator (SSBM), high-bit A/D data acquisition and rather-high probe power to improve the measurement accuracy within 0.05 MH~0.10 MHz. The merits of our proposed modal analysis and the improved experimental arrangement of BGS characterization has been manifested and validated by investigating optical fibers drawn from the same preform but under different tensions.

To study w-shaped triple-layer F-HDF optical fibers, a preliminary measurement and a systematic acoustic modal analysis were both undertaken. We found experimentally that multiple acoustic resonance peaks with wide neighboring frequency spacing have different dependences on strain and temperature, especially between the fundamental L01 mode and the highest L04 mode since they feel the largest difference of germanium dopants from fluorine dopants. This material difference is estimated to be useful to enhance discriminative performances because the fundamental L01 mode and the L03 mode can be separated into germanium core and the F-doped inner-cladding region while with comparable gain (~-5 dB) by using proper fiber designing.

Strain and temperature dependences of Brillouin resonance frequencies in GeO2-doped optical fibers and F-doped optical fibers have been respectively investigated to clarify the physical nature of the silica materials lying behind the discriminative measurement. Our results show that either strain dependence or temperature dependence is significantly originated from the nonlinearity of Young's modulus of silica materials, and that germanium dopants decrease the nonlinearity of Young's modulus while fluorine doponts increase the nonlinearity. Furthermore, we found that the fabrication conditions, such as draw tension, can increase the difference of strain and temperature dependences, which provides a more degree of freedom for fiber designing to enhance the discriminative measurement.

On the other hands, when analyzed the BGS in PANDA-PMF, it was proved that, in the process of stimulated Brillouin scattering in PANDA-PMF, the acoustic wave generated by the counter-propagating pump-probe light waves along each principal polarization has the same displacement distribution along the fiber's cross section. This fact indicates that the acoustic wave generated and intensified by x-polarized light waves can be used as an acoustic grating to diffract a y-polarized light wave if it has a birefringence-determined wavelength/frequency deviation from the x-polarized pump light. We have experimentally characterize the frequency deviation with a precision as high as ~4 MHz, which corresponds to a birefringence accuracy of 3*10(-8).

Strain and temperature disturbances influence linearly the birefringence but in a far different behavior from their influences to the BFS. For example, strain increases while temperature decreases the birefringence. We proposed to utilize the characteristics as a novel technique to discriminate the response to strain from that to temperature by use of the PANDA-PMF. Our experimental results show that simultaneous measurements of the BFS and the birefringence-induced frequency deviation can provide an extremely-high reproducible accuracy of 3~4με and 0.02~0.03 °C.

本論文は、Characterization of Stimulated Brillouin Scattering in Optical Fibers - Study on Discrimination of Strain and Temperature in Fiber Optic Nerve Systems(光ファイバ中の誘導ブリルアン散乱の特性評価-光ファイバ神経網における歪と温度の分離測定の検討-)と題し、英文で書かれた10章より構成されており、光ファイバ中の誘導ブリルアン散乱(SBS)を用いた分布型光ファイバセンシングシステムにおける歪と温度の分離測定を目的として、SBSを理論と実験の両面で深く検討し、複数のブリルアンスペクトルピークを利用した歪と温度の分離測定に最適化された光ファイバ構造を提案・検討するとともに、偏波維持光ファイバのSBS特性を利用した新たな分離測定手法も提案・実証している。

第1章は序論である。ここでは、まず光ファイバセンシング技術、特に分布型光ファイバセンシング技術を概観している。次に、SBSを用いた分布型光ファイバセンシング技術の現状を説明した後、歪と温度の分離測定における問題点を提起し、本研究の目的が述べられている。最後に本論文の構成を示して、各章の概略を説明している。

第2章では、光波と音響波の波動方程式から、光波と音響波の相互作用が解析され、2次元有限要素法(2D-FEM)を用いて、任意断面形状と任意断面屈折率分布を有する光ファイバのブリルアン利得スペクトル(BGS)を精密に解析できるモード解析法を提案している。この手法を用いて、シングルモードファイバ(SMF)と偏波維持ファイバ(PMF)のBGSを解析し、その結果と第3章で述べられた実験系を用いた測定結果が良く一致することから、この解析法の有効性と正確さを証明している。

第3章では、BGSおよびブリルアン周波数シフト(BFS)の歪と温度への依存性を精密に測定するシステムを構築し、シングルサイドバンド変調器(SSBM)の導入やプローブ強度の最適化などの工夫によって、0.05~0.10MHzのBFS測定精度を達成した結果が述べられている。

第4章では、第2章と第3章に述べた理論解析と測定手法を用いて、光ファイバ線引き工程において異なる張力を受けた光ファイバのBGSを検討し、光ファイバ中の残留弾性応力と歪および非弾性歪からBFSへの影響を示したのと同時に、前述のモード解析と実験的測定の有効性をさらに実証している。

第5章では、W型3層屈折率分布を有するF素添加光ファイバ(F-HDF)のBGSおよびBFSの歪と温度の依存性の実験的測定とモード解析を行い、ファイバコアに添加されたGeの影響を受ける基底音響波モードとF素添加層にあるF素の影響を受けた高次音響波モードを併用すれば、歪と温度の分離測定が期待できると予想した。この概念に基づいて、一つの高次音響波モードを、それによるSBSの強度を維持しながら、F素層に大きく入れるようなファイバ最適化構造を設計・提案している。

第6章と第7章では、Ge添加とF素添加それぞれによるBFSの歪と温度への依存性を検討している。BFSの歪と温度の依存性は主に石英材料のヤング率の非線形性によるというメカニズムを解明し、Ge添加はこの非線形性を減少し、F素添加はこの非線形性を増大することを理論と実験の両面で示し、第5章に提案された歪と温度の分離測定のための最適化光ファイバ構造の合理性を証明している。さらに、線引き張力もBFSの歪と温度の依存性の差に影響し、歪と温度の分離測定のための最適化ファイバ構造にもう1つの自由度として利用できることも示している。また、歪と温度の分離測定に直接関連していないものの、F素添加ファイバ中のSBSについて検討した結果から、光通信用ファイバにおいてF素添加を用いてSBSを抑えるという広く検討されている手法は無効であることを明らかにした。

第8章では、PMFにおいてポンプとプローブ光による誘導ブリルアン散乱発生時に形成されるダイナミック音響波グレーティングの検討と精密測定を行った。PMFの2つの偏波主軸のいずれかに沿った偏波を有するポンプとプローブにより発生した音響波は、直交する偏波で作られるそれと同一の分布を有することを、第2章の解析で示している。この事実により、x偏波のポンプとプローブで発生した音響波は、PMFの複屈折率で決められた周波数差を持つy偏波の光を回折するグレーティングとして作用することが分る。測定系の精密化によって、約3×10(-8)の複屈折率に相当する4MHzの光周波数差を測定できることが実証されている。

第9章では、第8章で検討したダイナミック音響波グレーティングに関して、y偏波回折光周波数とx偏波ポンプ光周波数差の歪と温度への依存性、ならびに第3-7章で検討したBFSの歪と温度への依存性を併用した新たな分離測定手法を提案している。直交偏波間の回折光周波数差を決めるPMFの複屈折率が示す歪と温度への依存性は、BFSのそれと大きく異なる挙動を示す。BFSは歪の増大でも温度の増大でも減少するのに対し、複屈折率は歪の増大では増加するものの、温度の増大では減少する。従って、新たに提案した手法により、高精度な分離測定が期待できる。実験では、3~4μεの歪精度と0.02~0.03°Cの温度精度を実証している。

第10章は結論であり、本研究の成果をまとめるとともに、今後の課題を展望している。

以上要するに、本論文は、光ファイバ中の誘導ブリルアン散乱(SBS)のモード解析法ならびに精密測定手法を提案・開発し、それらを用いて光ファイバの成分および構造とSBSの歪と温度への依存性の関係を明らかにした上で、複数の音響波モードを利用した歪と温度の分離測定に最適化した光ファイバの構造を提案した。さらに偏波維持ファイバにおけるブリルアン散乱特性を利用した新たな分離測定手法も提案・実証し、この手法によれば従来技術では不可能な高精度な分離測定が実現できることを示したものであって、電子工学、特にフォトニクスの発展に大きな貢献を果たしている。

よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。