JP4252506B2 - 光ファイバ歪み測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバに加わる外力により生ずる光ファイバの歪み位置を測定する光ファイバ歪み測定装置に関する。

近年、構造物の保守・管理を行うために光ファイバを用いた光ファイバセンシング技術の研究・開発が盛んに行われている。この技術は、例えば構造物の内部に光ファイバを張り巡らせて光ファイバ中を伝播する光の変化から構造物の劣化の有無を検出し、更には光ファイバの長手方向において歪みが生じている位置を検出することで構造物の劣化が生じている位置を予め把握する技術である。この技術を応用した光ファイバ歪み測定装置の一つとして、偏波維持光ファイバ中を伝播する光の変化を検出する光ファイバ歪み測定装置がある。

この光ファイバ歪み測定装置は、半導体レーザ等のレーザ光源から射出されたレーザ光を、その偏波方向を偏波維持光ファイバの一方の偏波軸（例えば、速軸）に合わせて入射させている。そして、偏波維持光ファイバの射出端から射出されるレーザ光を偏波状態に応じて分離し、分離した各々の成分を干渉させて光路差（時間差）を測定することにより偏波維持光ファイバの歪み位置を検出している。

この光ファイバ歪み測定装置の測定原理は以下の通りである。つまり、偏波維持光ファイバに外力が加わっていない状態ではレーザ光は偏波方法を維持したまま偏波維持光ファイバ中を伝播して射出端から射出されるため、射出端から射出されるレーザ光は一つの成分（例えば、偏波方向が速軸に沿う成分）のみである。これに対し、偏波維持光ファイバに外力が加わると、偏波維持光ファイバの外力が加わった位置において偏波結合が生じ、入射されたレーザ光の偏波方向に対して偏波方向が直交する成分が発生する。偏波結合により発生した成分は、偏波方向が偏波維持光ファイバの他方の偏波軸（例えば、遅軸）に沿う方向である。

偏波維持光ファイバは複屈折性を有しているため、偏波方向が速軸に沿う成分と遅軸に沿う成分とでは偏波維持光ファイバ中を伝播する速度が異なる。この速度差によって偏波維持光ファイバの射出端から射出される各々の成分の間には、偏波維持光ファイバ中において偏波結合が生じた位置、即ち偏波維持光ファイバに対して外力が加わた位置に応じた光路差（時間差）が生ずるため、成分間の光路差（時間差）を測定すれば偏波維持光ファイバの歪み位置が検出される。

上記の光路差（時間差）の測定は、偏波維持光ファイバに入射させるレーザ光の周波数を一定の周波数間隔で変調して時間平均的に見たレーザ光のパワースペクトルの形状を変化させることによりコヒーレンス関数を合成するとともに、レーザ光の変調に同期して偏波維持光ファイバの射出端から射出されるレーザ光の一方の成分（例えば、偏波方向が速軸に沿う成分）を位相変調してコヒーレンス関数の掃引を行うことにより行われる。

尚、偏波維持光ファイバの歪み位置を測定する従来の光ファイバ歪み測定装置の詳細については、例えば以下の非特許文献１〜３を参照されたい。
T. Saida and K. Hotate、"Distributed Fiber-Optic Stress Sensor by Synthesis of the Optical Coherence"、IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS、April 1997、Vol 9、No.4 保立和夫、他３名、"光波コヒーレンス関数合成法の精緻化とその応用"、Proceedings of 30th Meeting on Lightwave Sensing Technology、December 2000、LST 30-8、pp.49-55 保立和夫、他２名、"光波コヒーレンス関数の合成とそのセンシング応用"、精密工学会誌、1998、 Vol 64、 No.9、 pp.1279-1284

ところで、上述した通り、従来の光ファイバ歪み測定装置は、偏波維持光ファイバから射出されたレーザ光に含まれる各成分の光路差（時間差）を測定するために、偏波維持光ファイバに入射させるレーザ光の周波数を変調してレーザ光のスペクトルの形状を変化させている。尚、レーザ光のスペクトルをフーリエ変換したものが上記のコヒーレンス関数となる。半導体レーザは注入電流を変化させることで射出されるレーザ光の周波数が変化するため、半導体レーザを備える従来の光ファイバ歪み測定装置は、半導体レーザに対する注入電流の制御を行ってレーザ光のスペクトルを変化させていた。例えば、上記のコヒーレンス関数としてデルタ関数的なコヒーレンス関数を得るために、例えば周波数ｆ_０を中心としてｋ・Δｆ（ｋ＝０，１，２，…，Ｎ）の周波数間隔を有するＮ個のスペクトルを生成している。

しかしながら、半導体レーザから射出されるレーザ光の周波数は注入電流に比例して変化する訳ではなく、注入電流に対して非線形的に変化する。このため、半導体レーザの非線形性を補正するために注入電流量を補正しなければ上記の正確な周波数間隔を有するスペクトルを生成することができず、測定誤差が生じてしまうという問題がある。ここで、半導体レーザの非線形性には個体差があり、注入電流と変化周波数量との関係は個々の半導体レーザ毎に異なるため、各々の半導体レーザ毎に異なる補正を行う必要があり、極めて煩雑であるという問題がある。また、半導体レーザは変化させる周波数範囲によっても注入電流に対する周波数の変化量が変わるため、装置に要求される性能（測定範囲又は測定精度等）が変わると、半導体レーザの駆動回路の変更又は補正が必要になるという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、煩雑な補正を行うことなく正確な周波数間隔を有するレーザ光を得ることができ、その結果として高い測定精度を得ることができる光ファイバ歪み測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光ファイバ歪み測定装置は、被測定光ファイバ（ＦＢ）に入射させるレーザ光を射出する半導体レーザ（１２）と、前記被測定光ファイバから射出されるレーザ光に含まれる偏波状態の異なる成分間の光路差を測定する測定部（１０ｂ、３０ｂ）とを備える光ファイバ歪み測定装置（１０、３０）において、前記半導体レーザから射出されるレーザ光を共振させて前記被測定光ファイバに導く共振器（１３、４０）と、前記共振器が共振状態となる回数を計数する計数器（１５）と、前記計数器が予め設定された所定数を計数するまでの期間を単位期間として、前記半導体レーザに注入される電流が時間に比例して増大するように制御して前記半導体レーザから射出されるレーザ光の周波数変調を行う変調制御部（１１）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、計数器が予め設定された所定数を計数するまでの期間を単位期間として、半導体レーザに注入される電流が時間に比例して増大するように制御されて射出されるレーザ光の周波数変調が行われ、この周波数変調されたレーザ光が共振器に入射されると、共振器の共振条件に満たす周波数のレーザ光のみが共振器から被測定光ファイバに導かれる。
また、本発明の光ファイバ歪み測定装置は、前記測定部が、前記被測定光ファイバから射出されるレーザ光に含まれる偏波状態の異なる成分を分離する分離器（１６）と、前記分離器で分離された成分の一方を所定量だけ周波数シフトする周波数シフト器（１７）と、前記分離器で分離された成分の他方を前記半導体レーザから射出される前記レーザ光の周波数変調に同期して位相変調する位相変調器（１９）と、前記周波数シフト器及び前記位相変調器を介した成分の各々を合波する合波器（２１）と、前記合波器から射出される光を受光して電気信号に変換する受光器（２２）と、前記受光器から出力される電気信号を処理して前記被測定光ファイバの歪み位置を求める信号処理部（２５）とを含むことを特徴としている。
また、本発明の光ファイバ歪み測定装置は、前記測定部が、前記被測定光ファイバから射出されるレーザ光を分岐する分岐器（３１）と、前記分岐器で分岐された一方のレーザ光の偏波方向を９０°回転させる回転手段と、前記回転手段を介したレーザ光を所定量だけ周波数シフトする周波数シフト器（３３ｂ）と、前記分岐器で分岐された他方のレーザ光を前記半導体レーザから射出される前記レーザ光の周波数変調に同期して位相変調する位相変調器（３３ａ）と、前記周波数シフト器及び前記位相変調器を介したレーザ光の各々を合波する合波器（３３ｃ）と、前記合波器から射出される光を受光して電気信号に変換する受光器（２２）と、前記受光器から出力される電気信号を処理して前記被測定光ファイバの歪み位置を求める信号処理部（２５）とを含むことを特徴としている。
ここで、本発明の光ファイバ歪み測定装置は、前記周波数シフト器、前記位相変調器、及び前記合波器は、誘電体基板上に集積化されていることを特徴としている。

本発明によれば、半導体レーザからのレーザ光を共振器に入射させているため、半導体レーザの注入電流に対する周波数変化が非線形であったとしても、共振器から射出されるレーザ光の周波数間隔は共振器の共振条件を満たしたもののみとなり、煩雑な補正を行うことなく正確な周波数間隔を有するレーザ光を得ることができるという効果がある。その結果として、高い測定精度を得ることができるという効果がある。
また、本発明によれば、計数器に予め設定される所定数を変えることにより、半導体レーザから射出されるレーザ光の周波数変調期間を短縮し、又は長くすることができる。このため、光ファイバ歪み測定装置に要求される性能（測定範囲又は測定精度等）が変わった場合でも、半導体レーザの変調制御部の変更及び補正をすることなく容易に対応することができるという効果がある。
また、本発明によれば、周波数シフト器、位相変調器、合波器が誘電体基板上に集積化されているため、部品数が少なくなって光ファイバ歪み測定装置の構成を簡素化することができるという効果がある。これにより、光ファイバ歪み測定装置を小型化することもできるという効果がある。また、位相変調器と周波数シフト器とが集積化されているため、光ファイバ歪み測定装置のコストを低減することができるという効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による光ファイバ歪み測定装置について詳細に説明する。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による光ファイバ歪み測定装置の構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態の光ファイバ歪み測定装置１０は、被測定光ファイバＦＢにレーザ光を入射させる光源部１０ａと被測定光ファイバＦＢから射出されるレーザ光に基づいて、被測定光ファイバＦＢの歪み位置を測定する測定部１０ｂとを含んで構成される。尚、図１において、各ブロックが実線で接続されている場合には、それらのブロック間においては光信号が入出力されることを表しており、破線で接続されている場合には、それらのブロック間においては電気信号が入出力されることを表している。

被測定光ファイバＦＢは、複屈折性を有しており互いに直交する速軸と遅軸とを有する
波維持光ファイバであり、例えば水道管、ガス管、ビル、ダム、飛行機、その他の構造物に這わせて設けられており、又はその内部に埋設されている。また、例えば特定区域への侵入者の有無を検出するために、その特定区域の周囲又はその特定区域に通ずる道路中に埋め込まれている。

光源部１０ａは、光源制御回路１１、レーザ光源１２、リング共振器１３、受光器１４、及び計数器１５を含んで構成されている。レーザ光源１２は、注入電流の制御による周波数可変特性に優れた３電極構造ＤＦＢ−ＬＤ（Distributed Feed-Back Laser Diode）等の半導体レーザを含んで構成され、光源制御回路１１の制御の下で被測定光ファイバＦＢに入射させるレーザ光を射出する。このレーザ光源１２から射出されるレーザ光の波長は、１．５５μｍ程度であり、その偏波方向は被測定光ファイバの速軸方向に設定されている。

光源制御回路１１は、レーザ光源１２が備える半導体レーザに注入する電流を制御して、半導体レーザから射出されるレーザ光の周波数変調を行うものである。この光源制御回路１１は計数器１５の計数結果に基づいて半導体レーザに注入する電流を制御する。リング共振器１３は１つの入力ポートと２つの出力ポート（第１出力ポートＰ１及び第２出力ポートＰ２）を有しており、レーザ光源１０からのレーザ光が入力ポートに入力されている。また、第１出力ポートＰ１は受光器１４に接続され、第２出力ポートＰ２は被測定光ファイバＦＢの一端に接続されている。このリング共振器１３は、入力ポートから入力されるレーザ光の周波数が共振条件を満たす場合にのみ、その波長のレーザ光を第２出力ポートＰ２から射出する。

図２は、リング共振器１３の構成を示す図である。図２に示す通り、リング共振器１３は高分岐比カプラ１３ａ、周回ファイバ１３ｂ、及び高分岐比カプラ１３ｃを含んで構成される。高分岐比カプラ１３ａは、入力端及び出力端をそれぞれ２つづつ備えている。一方の入力端はレーザ光源１２に接続されており、他方の入力端には周回ファイバ１３ｂが接続されている。また、一方の出力端は第１出力ポートＰ１とされており、他方の出力ポートには周回ファイバ１３ｂが接続されている。

高分岐比カプラ１３ｃも高分岐比カプラ１３ａと同様に入力端及び出力端をそれぞれ２つづつ備えている。高分岐比カプラ１３ｃの一方の入力端には周回ファイバ１３ｂが接続されており、残りの入力端は不使用である。また、高分岐比カプラ１３ｃの一方の出力端は第２出力ポートＰ２とされており、他方の出力ポートには周回ファイバ１３ｂが接続されている。これら高分岐比カプラ１３ａ，１３ｃは、入力されるレーザ光の偏波状態を保持するとともに、入力されるレーザ光を高い分岐比（例えば、１：１０〜１：１００程度の範囲の分岐比）で分岐する。また、周回ファイバ１３ｂは偏波維持光ファイバである。

レーザ光源１２から射出されるレーザ光は、高分岐比カプラ１３ａに入射し所定の分岐比で分岐される。ここで、高分岐比カプラ１３ａの分岐比が高いため、高分岐比カプラ１３ａに入射したレーザ光の多くは第１出力ポートＰ１から射出され、残りのレーザ光が周回ファイバ１３ｂに入射して周回ファイバ１３ｂを周回する。周回ファイバ１３ｂを周回するレーザ光が高分岐比カプラ１３ｃに入射すると、高分岐比カプラ１３ｃの分岐比が高いため、高分岐比カプラ１３ａに入射したレーザ光の多くは周回ファイバ１３ｂを周回し、残りの僅かなレーザ光が第２出力ポートＰ２から射出される。

前述した通り、レーザ光源１２から射出されるレーザ光は周波数変調されているため、リング共振器１３に入射するレーザ光の周波数がリング共振器１３の共振条件を満たす周波数である場合には、リング共振器１３が共振状態となってレーザ光源１２から射出されるレーザ光のパワーとほぼ同一のパワーを有するレーザ光が第２出力ポートＰ２から射出される。

いま、周回ファイバ１３ｂの周回長をＬとすると、リング共振器の縦モードの共振周波数間隔（自由スペクトル域：Free Spectral Range）ＦＳＲは以下の（１）式で表される。
ＦＳＲ＝ｃ／（ｎ・Ｌ） ……（１）
上記（１）式において、ｃは真空中の光速であり、ｎは周回ファイバ１３ｂの屈折率である。

つまり、リング共振器１３は、レーザ光源１２から射出されるレーザ光の周波数が上記の（１）を満たす周波数である場合にのみ、第２出力ポートＰ２からレーザ光を射出する（レーザ光源１２からのレーザ光を第２出力ポートＰ２に透過させる）。従って、レーザ光源１２が備える半導体レーザから射出されるレーザ光の周波数変化が非線形的であっても、このレーザ光をリング共振器１３を通過させれば、上記（１）式を満たす正確な周波数間隔を有するレーザ光を得ることができ、所望のコヒーレンス関数を合成することができる。尚、リング共振器１３の共振条件が満たされる場合には、レーザ光源１２から射出されるレーザ光のパワーとほぼ同一のパワーを有するレーザ光が第２出力ポートＰ２から射出されるが、このときに第１出力ポートＰ１からのレーザ光は殆ど射出されなくなる。

図１に戻り、受光器１４は、リング共振器１３の第１出力ポートＰ１から射出されるレーザ光を受光して電気信号に変換する。計数器１５は、受光器１４から出力される電気信号のレベルが予め設定された閾値よりも小さくなる回数を計測することで、リング共振器１３が共振状態となる回数を計数する。リング共振器１３が共振状態にない場合には、レーザ光源１２から射出されるレーザ光のパワーとほぼ同一のパワーを有するレーザ光が第１出力ポートＰ１から射出されるが、リング共振器１３が共振状態になると、上述した通り、第１出力ポートＰ１からのレーザ光は殆ど射出されなくなる。従って、受光器１４から出力される電気信号のレベル変化によってリング共振器１３が共振状態となる回数を計数することができる。計数器１５の計数結果は光源制御回路１１に出力される。

図３は、レーザ光源１２が備える半導体レーザに注入する電流とリング共振器１３の出力との関係を示す図である。尚、図３中のグラフにおいては横軸に時間をとり、レーザ光源１２が備える半導体レーザに注入する電流及びリング共振器１３の出力強度の時間変化を示している。図３に示す通り、光源制御回路１１はレーザ光源１２が備える半導体レーザに対し時間に比例して注入電流を増大させる制御を行っている。

この電流注入制御が行われると、レーザ光源１２が備える半導体レーザから射出されるレーザ光の周波数が基本周波数から徐々に変化し、リング共振器１３の共振条件が満たされるとリング共振器１３の第２出力ポートＰ２からパルス状のレーザ光が射出される。光源制御回路１１が上記の電流注入制御を行っている間は、リング共振器１３の共振条件が満たされる度にリング共振器１３の第２出力ポートＰ２からパルス状のレーザ光が射出される。かかる電流注入制御が行われている間、計数器１５は受光器１４から出力される電気信号のレベル変化からリング共振器１３が共振状態となった回数を計数している。

計数器１５は、予め設定された回数（図３に示す例では「１０回」）の計数を行うと、計数値をリセットするとともに、計数を終えた旨を示す信号を光源制御回路１１に出力する。この信号が出力されると、光源制御回路１１は注入電流を瞬時に低下させて半導体レーザから基本周波数のレーザ光を射出させる。その後、光源制御回路１１は、再度レーザ光源１２が備える半導体レーザに注入する電流を時間に比例して増大させる電流注入制御を行う。以上の制御を行うことにより、上記（１）式を満たす正確な周波数間隔を有するレーザ光が得られる。尚、図３に示す注入電流制御を行って得られる時間平均的に見たレーザ光のパワースペクトルは、１０本の線スペクトルが上記（１）式で示される周波数間隔で離散的に配置されたものとなる。

図１に戻り、測定部１０ｂは、偏光ビームスプリッタ１６、周波数シフタ１７、駆動回路１８、位相変調器１９、駆動回路２０、カプラ２１、受光器２２、終端器２３、フィルタ回路２４、及び信号処理装置２５を含んで構成される。偏光ビームスプリッタ１６は、被測定光ファイバＦＢの他端に接続され、被測定光ファイバＦＢから射出されるレーザ光を偏波状態に応じて分離する。例えば、偏波方向が被測定光ファイバＦＢの遅軸に沿う成分を透過し、偏波方向が被測定光ファイバＦＢの速軸に沿う成分を反射することで分離する。

周波数シフタ１７は、直流分の影響を除去するために駆動回路１８の駆動の下で、偏光ビームスプリッタ１６によって分離された成分の一方（偏光ビームスプリッタ１６を透過した成分）の周波数を、レーザ光源１２から射出されるレーザ光の基本周波数から所定周波数分だけずらす。位相変調器１９は、駆動回路２０の駆動の下で、偏光ビームスプリッタ１６によって分離された成分の他方（偏光ビームスプリッタ１６を反射した成分）の位相変調を行う。このとき、駆動回路２０はレーザ光源１２から射出されるレーザ光の周波数変調に同期して位相変調器１９を駆動する。具体的には、光源制御回路１１が注入電流を瞬時に低下させるときに、位相変調器１９の位相バイアスを変化させる。位相変調器１９によって位相変調が行われることにより、コヒーレンス関数の掃引が行われる。

カプラ２１は、２つの入力端と２つの出力端とを備えており、２つの入力端は周波数シフタ１７及び位相変調器１９の出力端にそれぞれ接続されている。また出力端の一方は受光器２２に接続され、他方は終端器２３で終端されている。カプラ２１は、周波数シフタ１７を介した成分と位相変調器１９を介した成分とを合波して受光器２２に出力する。受光器２２はカプラ２１で合波された成分を受光して電気信号に変換する。フィルタ回路２４は受光器２２から出力される電気信号から不要な信号を除いて信号処理装置２５に出力する。信号処理装置２５は、フィルタ回路２４を介した電気信号に対して所定の信号処理を行い、被測定光ファイバＦＢ中において偏波結合が生じた位置、即ち外力により被測定光ファイバＦＢに歪みが生じた位置を求める

上記構成において光源部１０ａから被測定光ファイバＦＢに対して図３に示すパルス状のレーザ光が生成されると、このレーザ光は被測定光ファイバＦＢの一端から入射される。尚、光源部１０ａで生成されたレーザ光は時間平均的に見ると上記（１）式で示される周波数間隔を有しており、その偏波方向は被測定光ファイバＦＢの速軸に沿う方向である。被測定光ファイバＦＢにレーザ光が入射されると被測定光ファイバＦＢを伝播し、被測定光ファイバＦＢの他端から射出される。

被測定光ファイバＦＢに外力による歪みが生じていない場合には、被測定光ファイバＦＢ内において偏波結合が生じないため被測定光ファイバＦＢの他端から射出されるレーザ光は偏波方向が被測定光ファイバＦＢの速軸に沿ったもののみとなる。このレーザ光は偏光ビームスプリッタ１６で反射されて位相変調器１９で位相変調された後にカプラ２１に入射するが、偏光ビームスプリッタ１６及び周波数シフタ１７を介した成分がないため、干渉は生じない。

他方、被測定光ファイバＦＢに外力Ｆによる歪みが生じている場合には、被測定光ファイバＦＢ内において偏波結合が生じるため、偏波方向が被測定光ファイバＦＢの速軸に沿う成分及び遅軸に沿う成分が、所定の光路差（時間差）をもって被測定光ファイバＦＢの他端から射出される。偏波方向が被測定光ファイバＦＢの遅軸に沿う成分は偏光ビームスプリッタ１６を透過して周波数シフタ１７で周波数シフトされた後、カプラ２１に入射する。他方、偏波方向が被測定光ファイバＦＢの速軸に沿う成分は偏光ビームスプリッタ１６で反射して位相変調器１９で位相変調された後、カプラ２１に入射する。尚、各々の成分は偏波方向が調整された上でカプラ２１に入射する。

各々の成分がカプラ２１に入射すると干渉が生じ、その干渉光が受光器２２で受光される。受光器２２から出力される電気信号はフィルタ回路２４を介して信号処理回路２５に入力され、所定の信号処理が行われる。このようにして、コヒーレンス関数の合成・掃引により偏波方向が被測定光ファイバＦＢの速軸に沿う成分と遅軸に沿う成分との光路差（時間差）を測定することで、被測定光ファイバＦＢ中において偏波結合が生じた位置、即ち外力により被測定光ファイバＦＢに歪みが生じた位置が求められる。

以上説明した通り、本実施形態においては、レーザ光源１２からのレーザ光をリング共振器１３に入射させているため、レーザ光源１２が備える半導体レーザの注入電流に対する周波数変化が非線形であったとしても、リング共振器１３から射出されるレーザ光の周波数間隔はリング共振器１３に設けられる周回ファイバ１３ｂの周回長によって決定されるため正確な周波数間隔を有するレーザ光を得ることができる。また、計数器１５の計数回数を変更するだけでレーザ光の周波数を変化させる範囲を変えることができるため、光ファイバ歪み測定装置１０に要求される性能（測定範囲又は測定精度等）が変わった場合でも、半導体レーザの駆動回路の変更及び補正をすることなく容易に対応することができる。

〔第２実施形態〕
図４は、本発明の第２実施形態による光ファイバ歪み測定装置の構成を示すブロック図である。図４に示す通り、本実施形態の光ファイバ歪み測定装置３０は、光源部３０ａ及び測定部３０ｂを含んで構成されている。光源部３０ａは、上述した第１実施形態の光ファイバ歪み測定装置１０が備える光源部１０ａとほぼ同一であるが、測定部３０ｂは測定部１０ｂと異なる構成である。

本実施形態の光ファイバ歪み測定装置３０に設けられる測定部３０ｂは、カプラ３１、終端器３２、光集積回路３３、駆動回路３４、位相変調回路３５、及び駆動回路３６、並びに、受光器２２、フィルタ回路２４、信号処理装置２５を含んで構成される。カプラ３１は、２つの入力端と２つの出力端とを備えており、入力端の一方には被測定光ファイバＦＢの他端が接続されており、他方には終端器３２で終端されている。出力端の一方は光ファイバによって光集積回路３３の第１入力ポートＰ１１に接続され、他方は光ファイバによって光集積回路３３の第２入力ポートＰ１２に接続されている。カプラ３１の一方の出力端と光集積回路３３の第１入力ポートＰ１１とを接続する光ファイバは符号Ａで示す位置に置いて９０°捻り融着されている。これによって、回転手段が実現されこの光ファイバを通過するレーザ光の偏波方向が変換される。

光集積回路３３は、例えばニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂ０_３）等の誘電体基板を備えており、この誘電体上にプロトン交換法を用いてＹ字形状の導波路を形成するとともに、導波路に隣接した電極を導波路の一部に形成することで、誘電体基板上には位相変調器３３ａ、周波数シフタ３３ｂ、及びカプラ３３ｃが形成されている。駆動回路３４は位相変調回路３５の制御の下で位相変調器３３ａを駆動し、第１入力ポートＰ１１から入力されたレーザ光を周波数変調する。位相変調回路３５は、計数器１５の計数結果に基づいて、レーザ光源１２から射出されるレーザ光の周波数変調に同期して駆動回路３４を駆動する。位相変調器１９によって位相変調が行われることにより、コヒーレンス関数の掃引が行われる。

駆動回路３６は、第２入力ポートＰ１２から入力されたレーザ光に対して位相振幅が２ｎπ（ｎは整数）となる電圧で変調するセロダイン変調又は弱い位相変調を行う変調信号を周波数シフタ３３ｂに供給することで周波数シフタ３３ｂに上述した第１実施形態の周波数シフタ１７と同様の作用をさせるものである。

上記構成において光源部３０ａから被測定光ファイバＦＢに対して図３に示すパルス状のレーザ光が生成されると、このレーザ光は被測定光ファイバＦＢの一端から入射される。尚、本実施形態においても光源部３０ａで生成されたレーザ光は時間平均的に見ると上記（１）式で示される周波数間隔を有しており、その偏波方向は被測定光ファイバＦＢの速軸に沿う方向である。被測定光ファイバＦＢにレーザ光が入射されると被測定光ファイバＦＢを伝播し、被測定光ファイバＦＢの他端から射出される。

被測定光ファイバＦＢに外力による歪みが生じていない場合には、被測定光ファイバＦＢ内において偏波結合が生じないため被測定光ファイバＦＢの他端から射出されるレーザ光は偏波方向が被測定光ファイバＦＢの速軸に沿ったもののみとなる。このレーザ光はカプラ３１で分岐され、分岐された一方のレーザ光は符号Ａで示す位置において偏波方向が変換されて、第１入力ポートＰ１１から光集積回路３３に入射し、位相変調回路３３ａで位相変調される。分岐された他方のレーザ光は、第２入力ポートＰ１２から光集積回路３３に入射し、周波数シフタ３３ｂで周波数シフトされる。

ここで、光集積回路３３に設けられる誘電体基板に形成される導波路は、プロトン交換法を用いて形成されるため高い偏光消光比が得られ偏光子の役割を果たす。よって、第１入力ポートＰ１１から入射したレーザ光は導波路を伝播するにつれ被測定光ファイバＦＢ内において偏波結合により生じた成分のみが残り、第２入力ポートＰ１２から入射したレーザ光は導波路を伝播するにつれ偏波方向が光源部３０ａから射出されたレーザ光と同じ成分のみが残る。ここでは、偏波結合により生じた成分がないため、カプラ３３ｃで干渉は生じない。

他方、被測定光ファイバＦＢに外力Ｆによる歪みが生じている場合には、被測定光ファイバＦＢ内において偏波結合が生じるため、偏波方向が被測定光ファイバＦＢの速軸に沿う成分及び遅軸に沿う成分を含むレーザ光が被測定光ファイバＦＢの他端から射出され、カプラ３１で分岐される。分岐された一方のレーザ光は符号Ａで示す位置において偏波方向が変換されて、第１入力ポートＰ１１から光集積回路３３に入射し、位相変調回路３３ａで位相変調され、偏波結合により生じた成分のみがカプラ３３ｃに入射する。分岐された他方のレーザ光は、第２入力ポートＰ１２から光集積回路３３に入射し、周波数シフタ３３ｂで周波数シフトされ、偏波方向が光源部３０ａから射出されたレーザ光と同じ成分のみがカプラ３３ｃに入射する。

各々の成分がカプラ２１に入射すると干渉が生じ、その干渉光が受光器２２で受光される。受光器２２から出力される電気信号はフィルタ回路２４を介して信号処理回路２５に入力され、所定の信号処理が行われる。このようにして、コヒーレンス関数の合成・掃引により偏波方向が被測定光ファイバＦＢの速軸に沿う成分と遅軸に沿う成分との光路差（時間差）が測定されて、被測定光ファイバＦＢ中において偏波結合が生じた位置、即ち外力により被測定光ファイバＦＢに歪みが生じた位置が求められる。

以上説明した通り、本実施形態においては、光集積回路３３に位相変調器３３ａ、周波数シフタ３３ｂ、及びカプラ３３ｃを集積しているため、部品数が少なくなって光ファイバ歪み測定装置３０の構成を簡素化することができる。これにより、光ファイバ歪み測定装置３０を小型化することもできる。また、位相変調器３３ａと周波数シフタ３３ｂとが集積化された光集積回路３３を備えているため、光ファイバ歪み測定装置３０のコストを低減することができる。

上述した第１実施形態及び第２実施形態においては、光源部１０ａ，３０ａがリング共振器１３を備えていたが、このリング共振器１３に代えてファブリペロー共振器を設けても良い。図５は、ファブリペロー共振器の構成例を示す図である。図５に示す通り、ファブリペロー共振器４０は、アイソレータ４１、共振部４２、カプラ４３、及び終端器４４を含んで構成される。

光アイソレータ４１は、一端がレーザ光源１２に、他端が共振部４２にそれぞれ接続されており、レーザ光源１２から共振部４２へ向かうレーザ光を透過させ、逆向きのレーザ光を遮光する。共振部４２は、光ファイバと光ファイバの両端に付加された高反射率を有する反射膜４２ａ，４２ｂとから構成されている。反射膜４２ａから入射した光は光ファイバ中を伝播して反射膜４２ｂで反射され、反射膜４２ａと反射膜４２ｂとの間の共振条件を満たす波長のレーザ光が反射膜４２ｂから射出される。

カプラ４３は入力端及び出力端をそれぞれ２つづつ備えている。入力端の一方には共振部４２の高反射膜４２ｂが接続されており、入力端の他方には終端器４４が接続されている。また、カプラ４３の一方の出力端は第１出力ポートＰ１とされており、他方の出力端は第２出力ポートとされている。カプラ４３は、入力されるレーザ光の偏波状態を保持するとともに、入力されるレーザ光を分岐する。

レーザ光源１２から射出されるレーザ光は、高分岐比カプラ１３ａに入射し所定の分岐比で分岐される。ここで、高分岐比カプラ１３ａの分岐比が高いため、高分岐比カプラ１３ａに入射したレーザ光の多くは第１出力ポートＰ１から射出され、残りのレーザ光が周回ファイバ１３ｂに入射して周回ファイバ１３ｂを周回する。周回ファイバ１３ｂを周回するレーザ光が高分岐比カプラ１３ｃに入射すると、高分岐比カプラ１３ｃの分岐比が高いため、高分岐比カプラ１３ａに入射したレーザ光の多くは周回ファイバ１３ｂを周回し、残りの僅かなレーザ光が第２出力ポートＰ２から射出される。以上の構成のファブリペロー共振器４０を前述したリング共振器１３に代えて光源部１０ａ，３０ａに設けても、被測定光ファイバＦＢの歪み位置を求めることができる。

本発明の第１実施形態による光ファイバ歪み測定装置の構成を示すブロック図である。 リング共振器１３の構成を示す図である。 レーザ光源１２が備える半導体レーザに注入する電流とリング共振器１３の出力との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態による光ファイバ歪み測定装置の構成を示すブロック図である。 ファブリペロー共振器の構成例を示す図である。

符号の説明

１０ 光ファイバ歪み測定装置
１０ｂ 測定部
１１ 光源制御回路（変調制御部）
１２ レーザ光源（半導体レーザ）
１３ リング共振器（共振器）
１５ 計数器
１６ 偏光ビームスプリッタ（分離器）
１７ 周波数シフタ（周波数シフト器）
１９ 位相変調器
２１ カプラ（合波器）
２２ 受光器
２５ 信号処理装置（信号処理部）
３０ 光ファイバ歪み測定装置
３０ｂ 測定部
３１ カプラ（分岐器）
３３ａ 位相変調器
３３ｂ 周波数シフタ（周波数シフト器）
３３ｃ カプラ（合波器）
４０ ファブリペロー共振器（共振器）
ＦＢ 被測定光ファイバ

Claims (4)

1. 被測定光ファイバに入射させるレーザ光を射出する半導体レーザと、前記被測定光ファイバから射出されるレーザ光に含まれる偏波状態の異なる成分間の光路差を測定する測定部とを備える光ファイバ歪み測定装置において、
   前記半導体レーザから射出されるレーザ光を共振させて前記被測定光ファイバに導く共振器と、
   前記共振器が共振状態となる回数を計数する計数器と、
   前記計数器が予め設定された所定数を計数するまでの期間を単位期間として、前記半導体レーザに注入される電流が時間に比例して増大するように制御して前記半導体レーザから射出されるレーザ光の周波数変調を行う変調制御部と
   を備えることを特徴とする光ファイバ歪み測定装置。
2. 前記測定部は、前記被測定光ファイバから射出されるレーザ光に含まれる偏波状態の異なる成分を分離する分離器と、
   前記分離器で分離された成分の一方を所定量だけ周波数シフトする周波数シフト器と、
   前記分離器で分離された成分の他方を前記半導体レーザから射出される前記レーザ光の周波数変調に同期して位相変調する位相変調器と、
   前記周波数シフト器及び前記位相変調器を介した成分の各々を合波する合波器と、
   前記合波器から射出される光を受光して電気信号に変換する受光器と、
   前記受光器から出力される電気信号を処理して前記被測定光ファイバの歪み位置を求める信号処理部と
   を含むことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ歪み測定装置。
3. 前記測定部は、前記被測定光ファイバから射出されるレーザ光を分岐する分岐器と、
   前記分岐器で分岐された一方のレーザ光の偏波方向を９０°回転させる回転手段と、
   前記回転手段を介したレーザ光を所定量だけ周波数シフトする周波数シフト器と、
   前記分岐器で分岐された他方のレーザ光を前記半導体レーザから射出される前記レーザ光の周波数変調に同期して位相変調する位相変調器と、
   前記周波数シフト器及び前記位相変調器を介したレーザ光の各々を合波する合波器と、
   前記合波器から射出される光を受光して電気信号に変換する受光器と、
   前記受光器から出力される電気信号を処理して前記被測定光ファイバの歪み位置を求める信号処理部と
   を含むことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ歪み測定装置。
4. 前記周波数シフト器、前記位相変調器、及び前記合波器は、誘電体基板上に集積化されていることを特徴とする請求項３記載の光ファイバ歪み測定装置。

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