光ファイバーセンシングとは？

光ファイバーセンシングは光ファイバー上を移動する光の物理的特性を利用して温度、歪み、振動（音響）などのパラメータの変化を検出します。光ファイバーセンシングは、ファイバーをセンサとして利用し、光ファイバーに数千もの連続センシングポイントを作成します。これは分布型光ファイバーセンシングと呼ばれ、ファイバー自体が分布型光ファイバーセンサとして機能します。

ファイバー自体を測定する装置は一般にインテロゲーターと呼ばれます。その目的は、ラマン、ブリルアン、コヒーレントレイリー後方散乱分布型光ファイバーセンシング技術を用いて、標準または特定のファイバーを使用し、光ファイバー上で温度、歪み、振動を測定することです。

たとえば、ファイバーセンシングインテロゲーターを使用すると、以下のようなことができます。

• 送電線上のホットスポットを検出し、位置を特定する。
• 光通信ケーブルの過度な歪みを検出し、位置を特定して、断線する前に対応する。
• パイプラインやデータセンターインターコネクト（DCI）上のサードパーティの干渉を検出する。

以下はファイバーセンシング適用事例です。

• 疲労監視
• 水漏れや流路の詰まり
• 貯水池監視
• 熱油回収

• 漏れ検出
• 地盤変動/地震監視

• ホットスポットの検出と位置特定
• 電流容量（リアルタイム熱定格...）
• スマートグリッド

• ひび割れ検出
• インフラの管理と設計
• ダム、堤防
• 震域

• 埋設光ファイバーケーブルの監視
• アンテナケーブル監視
• オーバーストレスファイバーの識別
• ファイバーエージング

光ファイバーケーブルはテストステーションと外部センサ間の通信路として機能できます。これは外部センシングとして知られています。一方、そのファイバー自体が光ファイバーセンシングシステムとして機能する場合、これは内部ファイバーセンシングとして知られています。

この種のファイバーセンシング技術の利点は、ファイバーと外部センサ間の個別のインターフェイスが必要ないことで、これにより複雑さとコストが低減されます。これを可能にするためには、温度、歪み、振動（音響波）などの外部刺激が、有用なデータを提供するために測定可能な方法でケーブル内に導かれる光に影響を与える必要があります。

光子がファイバー材料によってランダムに散乱される現象は、レイリー散乱と呼ばれます。この原理は、検出器に後方散乱された光の強度、波長、および位置によって光ファイバー内の減衰および反射イベントの大きさと位置を判定できるため、OTDR 光ファイバーテストなどのさまざまな光ファイバーテスト手法で有用であることが証明されています。

同様の方法で、ラマン散乱は、ストークス帯域で光源に戻る散乱光に温度による変化を生じさせます。ストークス帯域と反ストークス帯域における後方散乱光の強度の差を測定することにより、光ファイバー上の任意の位置の温度を正確に決定することができます。

ブリルアン散乱も、後方散乱光の波長が外部の温度や音響刺激によって予測可能な形で影響を受ける同様の現象です。このデータに同位置での温度の知識を加えて、ファイバーが受けた歪みを正確に決定し、ファイバーのどの領域（ゾーン）が影響を受けたかを判定できます。

レイリーコヒーレント散乱は、振動や音響波の検出に利用できます。光の位相シフトは、光ファイバーケーブルが経験する振動や音響波の影響を受けます。そうした位相シフトを分析することで、ファイバーの全長上の振動の位置と強度を正確に知ることができます。

分布型光ファイバーセンシング

分布型ファイバーセンシング（DFS）では、ラマン散乱、ブリルアン散乱、レイリー散乱が効果的に利用されます。ラマン散乱は分布型温度センシング（DTS）に、ブリルアン散乱は分布型温度と歪みセンシング（DTSS）に、レイリー散乱は分布型音響センシング（DAS）に利用されます。これらの測定を利用して、温度、歪み、振動を数十キロにわたって正確にモニターすることができます。

ここでの「分布型」とは、単に光ファイバーの全長を通して連続的に測定できるファイバーセンシング技術、すなわち分布型光ファイバーセンサを指します。基本的には、ファイバー自体がセンサです。これらのファイバーセンシング方法は完全に固有のものであるため、温度が 100˚C（212˚F）未満にとどまると予想され、ファイバーが過度の化学的または機械的な破壊にさらされない場合には、標準的な通信用ファイバーを媒体として使用できます。

ファイバーセンシングの進化

1970 年代に光ファイバーが通信方式として出現する前に、センシングアプリケーションにおける光ファイバーの可能性は明白に実現されつつありました。非接触振動測定に用いる外部ファイバーセンサであるフォトニックセンサは 1967 年に特許権が取得されています。1980 年代半ばまでには、光ファイバージャイロスコープ原理が確立されていました。ファイバー内に含まれるレーザー光源の位相変移を追跡することで、正確な循環データが得られます。

ファイバーセンシングインテロゲーターで対応できるアプリケーションを幾つか挙げてみましょう。

• 光ネットワークセンシング：光ファイバーネットワークの保護、検査、監視
• インフラ監視センシング：ファイバーをプローブとして使用し、インフラ監視を行うことができます。この事例では、ファイバーをブリッジ、パイプライン、安全なアクセスポイント/開口部、ダム壁など、クリティカルなインフラ上に配備し、ファイバーが急激な歪みや動きを示したり、ファイバーの温度によってインフラが損傷または故障の危険にさらされたりした場合にアラームを鳴らすことができます。これは保安ドアやマンホールカバーの開閉違反に警告を発することで安全を確保するために使用できます。 
• インフラ保護：音響センシングは、国境、鉄道、電気ケーブル、パイプラインなどのクリティカルな資産周辺の脅威（意図的なもの、非意図的なもの）を識別し、場所を特定してインフラを保護する目的に利用できます。

VIAVI ファイバーセンシングインテロゲーターを用いたインフラ監視アプリケーションが幾つか利用可能です。

• パイプライン上の地盤の動きと第三者による干渉の検出
• パイプラインの機械的変形の検出
• パイプライン、堤防、ダム等における漏れの検出と位置特定
• 光通信ネットワークにおけるあらゆる脅威やストレスポイントの検出と位置特定
• 送電線上の熱ホットスポットや近接警告の検出と位置特定

DTS または DTSS 機能を搭載した OneAdvisor プラットフォームのようなポータブル型計測器を使用すると、検査員はフィールドでファイバーの測定を行うことができます。あるいは、ONMSi および DTS、DTSS、または DAS 機能を備えたラックマウント型ファイバーテストヘッドを使用して、ファイバーを長期間にわたって監視し、変化やイベントが検出された場合にアラームを発生させることもできます。 

VIAVI DTSS の例を以下に示します。

• VIAVI DTSS インテロゲーターはブリルアン OTDR（BOTDR）です。光の短いパルスが光ファイバーセンサとして使用されているファイバー中に発せられます。前方への光の伝播によりブリルアン後方散乱光が 2 つの個別波長でファイバー上のすべての点に生成されます。

• ブリルアン後方散乱光の波長は前方入射光の波長と異なり、「ストークス」または「反ストークス」と名付けられています。ストークスと反ストークスブリルアンレベルおよび周波数の違いは、ファイバー上の温度および歪みのイメージです。

ファイバーテストはどのようにクリティカルなインフラまたはファイバーネットワークの修理時間（MTTR）を短縮できるか？

ファイバー監視は、変化が検出され次第、警告を発します。また、ファイバー上で検出された事象の位置をジオロケーションマップ上で特定します。これにより、組織はファイバーの検査または修理を行うために毎回正確な場所に作業者を派遣でき、ファイバー上の問題箇所を特定するのに長時間費やす必要がなくなります。ファイバーテストの詳細をご覧ください。

ダークファイバーをリースしている電気通信サービスプロバイダーやデータセンターの顧客は、ファイバーの断線によるサービス停止を報告しますが、断線が発生すると多くの場合、ケーブルは断線や損傷事象のいずれかの側で永続的な歪みが加えられています。バックホーがケーブルを掘り上げた例を見てみましょう。ケーブルは引かれ、強く引っ張られ、歪められました。 歪みの検査により、作業者はケーブルのどのセクションを交換する必要があるかを正確に決定し、ケーブル所有者は DTSS 光ファイバーセンシングの証拠によって損傷の責任を負う当事者に責任を負わせることができます。 空中ケーブル上に倒れた木の枝など気象状況や災害の残骸による損傷の場合も同様です。

ネットワークファイバーの最も一般的でありながら診断が困難な問題は、過剰な歪みがファイバーに掛けられた場合です。これによりファイバーが永続的に伸ばされ、弱められ、光伝送特性が変化する場合があります。下に、DTSS を用いた歪みテストで 3 つの歪みピークが示された結果を表示します。このファイバーのこれら 3 つの領域はすべて弱められていますが、従来型のレイリー OTDR ではこのような問題は検出されません。これらのピークはこのファイバーを交換しなければならないことを示します。

ファイバーセンシング技術は、電力会社がインフラの監視と保守を強化するための強力なソリューションになります。送電線に組み込まれた光ファイバーを利用することで、電力会社は主要なパラメータをリアルタイムで継続的に監視できるようになり、損傷を防止して費用のかかる修理を回避するためのプロアクティブな対策を実施できます。

送電線は、過熱や機械的な歪み、故障の可能性を引き起こすさまざまな環境や運用上のストレスにさらされています。送電線上に敷設されたファイバーは、温度、歪み、振動をリアルタイムで監視する目的に利用できます。例えば、ホットスポットを検出することで、絶縁が劣化している箇所や過負荷状態の箇所を明らかにすることができます。これらの問題を早期に発見することで、電力会社は、小さな問題が大きな故障に発展する前に、的を絞った保守を予定することができるため、停電を防ぎ、修理費用を削減することができます。

光ファイバーセンシングのもうひとつの大きな利点は、送電線上の問題箇所を正確に特定できることです。従来の問題検出方法は時間もコストもかかり、多くの場合、トラック、ヘリコプター、ドローンなどを使った手作業による大規模な点検が必要になります。光ファイバーセンシングは、物理的な損傷、環境要因、または操作上の異常によって引き起こされる障害を素早く識別し、場所を特定することができます。この迅速な問題箇所の特定機能により、電力会社は迅速に対応することができ、ダウンタイムを最小限に抑え、より信頼性の高い電力供給を保証することができます。

光ファイバーセンシングを通してすでに実現されている広範な利点を考慮すると、既存の製品の効用とコスト効率は今後開発される新アプリケーションにより向上され続けるとみなしてよいでしょう。FOSA は、「スマートシティ」における光ファーバーセンシングの利用、モノのインターネット（IoT）の統合、より困難な環境向けに特別設計された革新的な新しいファイバーの種類など、これらの可能性の多くを掘り下げ、探求してきました。

光ファイバー形状センシングは、長距離および複雑な幾何形状でのリアルタイムの正確なデータ位置づけを可能にする新プロセスです。関心の対象にファイバーを組み込むか接続することで、風力原動機、トンネル、高層ビル等の構造のフォームファクターを継続的に監視し、同時に温度、圧力、その他のパラメータを追跡できます。

これと同じ形状センシング機能は、新たな医療機器革新における人体の探求および診断にも使用できます。光ファイバーセンシングは、手術計測器の追跡、画像のサポート、さらには血管状態の診断にも使用できます。国境保安がますます重要視される今日、光ファイバーセンシング技術は面倒な物理柵なしで侵入を突き止められる光ファイバー「柵」にもつながる可能性があります。

光ファイバーを通して可能となった莫大なデータ伝送および通信革新は広く認識されていますが、これらの同じ基本コンポーネントによりサポートされている多岐に渡る分布型ファイバーセンシング機能はそれほど知られていません。社会がより繋がれるようになるにつれて、監視、保安、および対応時間の最小化への要求はますます強まっています。光ファイバーセンシングの独創的な使用により、これらの実現が可能になると思われます。

VIAVI はどのような種類の光ファイバーセンシングインテロゲーターを提供するか？

VIAVI ファイバーセンシングポートフォリオには以下が含まれます。

• ラマン OTDR 技術に基づく DTS (Distributed Temperature Sensing、温度分布測定)
• ブリルアン OTDR 技術に基づく DTSS (Distributed Temperature and Strain Sensing、温度・歪み分布測定)
• コヒーレントレイリー後方散乱技術に基づく DAS（分布型音響センシング）