JP5105302B2

JP5105302B2 - 光ファイバ特性測定装置及び光ファイバ特性測定方法

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Publication number: JP5105302B2
Application number: JP2007316440A
Authority: JP
Inventors: 和夫保立; 祖源何; 洋輔水野
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2007-12-06
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2012-12-26
Anticipated expiration: 2027-12-06
Also published as: JP2009139241A

Description

本発明は、光ファイバ特性測定装置及び光ファイバ特性測定方法に関し、特に被測定対象としての光ファイバ内に生じるブリルアン散乱が示す歪み依存性を利用して、光ファイバに加わる歪みなどの分布状況をセンシングする光ファイバ特性測定装置及び光ファイバ特性測定方法に関する。

光ファイバ中で生じるブリルアン散乱は、光ファイバに加わる歪みによって変化する。こうした現象を利用して、光ファイバの長さ方向に沿う歪みを分布的に測定する技術が構築されてきた。この測定技術は、ブリルアン散乱光の周波数変化を測定することで、歪みの大きさを測定できると共に、ブリルアン散乱光が戻ってくるまでの時間を測定することで、光ファイバの歪み箇所を特定することが可能なため、橋梁・橋脚，ビル，ダムなどの構造物や、航空機の翼・燃料タンクなどの材料に光ファイバを張り巡らせることで、これらの構造物や材料に加わる歪みの分布を知ることができる。そして、こうした光ファイバ神経網によって、構造物や材料の劣化や経年変化が分かることから、防災や事故防止に役立つ技術として注目されている。

これまで知られていた歪み分布量の測定方法は、光パルスを光ファイバに入射し、後方に散乱されるブリルアン散乱光を時間分解で測定するものであった。しかし、このような光パルスによる時間領域の測定方法では、測定時間（数分から数十分掛かる）が長く、空間分解能（１ｍが限界）に制限があることから、様々な構造物を動的に管理するような用途には不十分である。そのため、空間分解能が高く、より短時間に歪みなどが生ずる箇所を特定できるブレークスルー技術がユーザーから求められていた。

こうした要求に応えるべく、本願発明者らは特許文献１や特許文献２において、従来の光パルスの時間分解測定方法とは異なり、連続光の干渉状態を制御することによって、光ファイバの長さ方向に沿うブリルアン散乱の分布測定技術を提案し、特許も取得した。この技術は、BOCDA（Brillouin Optical Correlation Domain Analysis：ブリルアン散乱光相関領域解析）法として知られており、１ｃｍの空間分解能と約60Ｈｚのサンプリング速度が達成され、注目されている。

図１２は、特許文献１に提案された光ファイバ特性測定装置の構成図である。同図において、101は所望の変調周波数で変調された光を出力する光源で、これは信号発生器102で発生した周期的信号により、半導体レーザ（LD）103の注入電流を変調することで、当該半導体レーザ103から周波数変調または位相変調された光を発生する構成となっている。半導体レーザ103の出力光は、第１の光分岐器104で二分され、その一方の光が光周波数変換器105に入力される。光周波数変換器105は、マイクロ波発生器107で発生するマイクロ波を光強度変調器108に入力し、振幅変調を印加することで、入力光の中心周波数に対してマイクロ波周波数に等しい周波数差を有する側帯波を低周波側に発生させ、被測定光ファイバFUTの一端からプローブ光として入射する。また、第１の光分岐器104で分岐した他方の光は、光遅延器110および第２の光分岐器111を順に通過後、被測定光ファイバFUTの他端からポンプ光として入射する。なお、光遅延器110は、ポンプ光とプローブ光との間に所定の遅延時間を設定するためのものである。被測定光ファイバFUTからの出射光は、第２の光分岐器111で分岐され、光波長フィルタ112で低周波側の側帯波のみが選択され、光検出器113でそのパワーが測定される。

ここで、ブリルアン散乱の原理について説明すると、一般的な光ファイバに光を入射した場合、光ファイバ材料の硝子分子が熱振動することにより発生する超音波のうち、波長が入射光波長の半分となる超音波が生じる。この超音波がもたらす硝子の周期的な屈折率の変化は、入射光に対してブラッグ回折格子として作用し、光を後方に反射する。これがブリルアン散乱現象である。反射光は超音波の速度に依存してドップラーシフトを受けるが、この周波数シフト量は光ファイバに加わる伸縮歪みで変化するので、当該シフト量を測定すれば、歪みを検知することができる。

そこでBOCDA法では、被測定光ファイバFUTの両側から、ブリルアン周波数シフトに相当する周波数差で、二つの周波数の異なる伝搬波、すなわち強いポンプ光と弱いプローブ光を入射し、これらの各光を被測定光ファイバFUT内で対向して伝搬させる。このとき、ポンプ光とプローブ光との間で特別な位相の適合状態が満足すると（ｆ_pump＝ｆ_probe＋ｆ_B：ｆ_pumpはポンプ光の中心周波数、ｆ_probeはプローブ光の中心周波数、ｆ_Bはブリルアン周波数である）、両光の周波数差に基づくビートにより熱振動を強めて、ポンプ光からプローブ光へ光子を散乱する音響フォノンが発生する。これは、誘導ブリルアン散乱として、プローブ光の増幅をもたらす。但し、ポンプ光とプローブ光の周波数差が大きく揺らぐと、誘導は抑圧される。

特許文献１などにも記述されているように、BOCDA法の基本的な原理は、対向して伝搬するポンプ光とプローブ光に対して同じ周波数変調を与えることにより、被測定光ファイバFUTに沿うある位置でのみ、強い誘導ブリルアン散乱を発生させることにある。そのためBOCDA法では、光源101からの光を連続発振光とし、その発振周波数を信号発生器102により正弦波状の繰り返し波形により変化させつつ、プローブ光の中心周波数ｆ_probeとポンプ光の中心周波数ｆ_pumpとの差が、ブリルアン周波数ｆ_Bの近傍になるように、光周波数変換器105がプローブ光の中心周波数ｆ_probeを変化させる。これにより、ポンプ光とプローブ光の周波数が非同期であり、両光の相関が低い殆どの位置では、誘導が抑圧されるが、ポンプ光とプローブ光の周波数が同期し、両光の相関が高い特別なcm程度の狭い領域（相関位置）では、誘導ブリルアン散乱が発生する。そして、この相関位置は変調周波数を変化させることで掃引でき、それによりブリルアン散乱による歪みの分布測定が可能になる。
特許第３６６７１３２号公報特許第３６０７９３０号公報

上述したBOCDA法では、被測定光ファイバ中に誘導ブリルアン散乱を発生させるために、当該被測定光ファイバの両側から異なる周波数の光をそれぞれ入射する必要がある。そのため、例えば光ファイバレーザなどの一端子デバイスや、光ファイバ神経網で内部に断線が生じた場合などには、正しい診断を行なうことができず、その利用範囲が限定されていた。

またBOCDA法では、ポンプ光に対してプローブ光の周波数を精度高く下げるために、単一側波帯光変調器（SSBM：SSB変調器）を用いている。しかし、ここでのSSBMは、プローブ光として不要な高域の周波数成分を抑制し、且つポンプ光を基準として安定した周波数差を維持できるように、装置を作動させる度にそのバイアス電圧を正確に調整する必要があった。

この点について、従来は被測定光ファイバの片側だけから光を入射する片端入射型の光ファイバ分布量測定方法として、「光ファイバブリルアン散乱光時間領域リフレクメトリ法（Brillouin Optical Time-Domain Reflectmetry：以下、BOTDR法という）」が知られている。これは、光パルスを被測定光ファイバの片側から入射して、当該被測定光ファイバ内で後方に散乱されるブリルアン散乱光を時間分解により測定するものである。このBOTDR法では、被測定光ファイバに入射する光パルスの幅によって、空間分解能が決定される。

しかし、光パルスの幅を空間分解能が１ｍに相当する10ｎＳ以下にすることは原理的に困難であり、高い空間分解能を実現することは不可能である。また、１発の光パルスに対する被測定光ファイバからの反射光が極めて小さいため、何発も光パルスを入射して反射光を積分する必要がある。そのため、測定時間が数分〜数十分かかってしまい、構造物や材料の安全性を監視するには不十分であった。

そこで、本発明は上記問題点に鑑み、作動の度に時間をかけて調整を行なうことなく、被測定光ファイバの片端から光を入射するだけで、当該被測定光ファイバの特性分布を高い空間分解能で且つ短時間に測定できる新規な光ファイバ特性測定装置及び光ファイバ特性測定方法を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成するために、本発明における光ファイバ特性測定装置は、周波数変調された連続光を出力する光源部と、前記光源部からの出力光を、被測定光ファイバの片端からポンプ光として入射させるポンプ光生成手段と、前記光源部からの出力光を、参照光として生成する参照光生成手段と、前記被測定光ファイバ内のブリルアン散乱により生じた反射光と前記参照光とを干渉させ、前記出力光の周波数変調を利用して、前記被測定光ファイバ内のある位置で発生した散乱による反射光を干渉出力として選択的に抽出する検出手段と、前記検出手段からの干渉出力により、前記位置でのブリルアン周波数シフトを測定し、前記被測定光ファイバの特性を測定する測定手段とを備えている。

この場合、前記反射光を増幅する第１の光増幅器と、前記第１の光増幅器により得られた増幅光から不要な光成分を除去し、これを前記検出手段で前記参照光と干渉させる第１のフィルタとを備えることが好ましい。

また、前記参照光生成手段は、前記光源部からの出力光を増幅する第２の光増幅器と、前記第２の光増幅器により得られた増幅光から不要な光成分を除去し、これを前記参照光として生成する第２のフィルタとを備えてもよい。

さらに、前記検出手段により電気信号に変換された前記干渉出力を増幅して、前記測定手段に出力する電気アンプを備えてもよい。

上記何れか一つの構成において、前記ポンプ光生成手段は、前記ポンプ光をパルス状にして前記被測定光ファイバの片端に出力する第１の時間ゲート手段を備えると共に、前記被測定光ファイバに設定された範囲内において、一つの位置で発生した散乱による反射光のみを干渉出力として抽出するタイミングで、前記干渉出力を前記測定手段に出力する第２の時間ゲート手段を備えてもよい。

代わりに、前記ポンプ光生成手段は、前記ポンプ光をパルス状にして前記被測定光ファイバの片端に出力する第１の時間ゲート手段を備えると共に、前記参照光生成手段は、前記被測定光ファイバに設定された範囲内において、一つの位置で発生した散乱による反射光のみを干渉出力として抽出するタイミングで、前記参照光を前記検出手段に出力する第２の時間ゲート手段を備えてもよい。

本発明における光ファイバ特性測定方法は、光源部から周波数変調された連続光を出力する第１のステップと、この光源部からの出力光を、被測定光ファイバの片端からポンプ光として入射させる第２のステップと、前記光源部からの出力光を、参照光として生成する第３のステップと、前記被測定光ファイバ内のブリルアン散乱により生じた反射光と前記参照光とを干渉させ、前記出力光の周波数変調を利用して、前記被測定光ファイバ内のある位置で発生した散乱による反射光を干渉出力として選択的に抽出する第４のステップと、前記干渉出力により測定手段が前記位置でのブリルアン周波数シフトを測定し、前記被測定光ファイバの特性を測定する第５のステップとを行なうことからなる。

この場合、前記反射光を第１の光増幅器で増幅し、この第１の光増幅器により得られた増幅光から、第１のフィルタにより不要な光成分を除去して、これを前記第４のステップで前記参照光と干渉させるのが好ましい。

また、前記第３のステップで、前記光源部からの出力光を第２の光増幅器で増幅し、この第２の光増幅器により得られた増幅光から、第２のフィルタにより不要な光成分を除去し、これを前記参照光として生成してもよい。

さらに、前記第４のステップで、電気信号に変換された前記干渉出力を電気アンプにより増幅し、これを前記測定手段に出力してもよい。

上記何れか一つの方法において、前記第２のステップで、第１の時間ゲート手段により、前記ポンプ光をパルス状にして前記被測定光ファイバの片端に出力し、第２の時間ゲート手段により、前記被測定光ファイバに設定された範囲内において、一つの位置で発生した散乱による反射光のみを干渉出力として抽出するタイミングで、前記干渉出力を前記測定手段に出力してもよい。

代わりに、前記第２のステップで、第１の時間ゲート手段により、前記ポンプ光をパルス状にして前記被測定光ファイバの片端に出力し、前記第３のステップで、第２の時間ゲート手段により、前記被測定光ファイバに設定された範囲内において、一つの位置で発生した散乱による反射光のみを干渉出力として抽出するタイミングで、前記参照光を出力してもよい。

本発明の請求項１における光ファイバ特性測定装置、および請求項７における光ファイバ特性測定方法によれば、光源からの出力光を周波数変調しつつ、被測定光ファイバの片端だけからポンプ光を入射して、被測定光ファイバ内のブリルアン散乱により生じた反射光と参照光とを干渉させることにより、被測定光ファイバ中の数ｃｍ程度の狭い領域でのブリルアン散乱による反射光を、ある位置に対応した干渉出力として選択的に抽出することができ、しかもその位置を移動させて、被測定光ファイバ中のブリルアン散乱による特性分布を測定できる。したがって、従来のBOTDR法よりも高い空間分解能が実現できる。また、光パルスではなく連続光を被測定光ファイバの片端に入射するため、被測定光ファイバからの反射光は比較的大きく、積分の必要もない。そのため、短時間で測定を行なうことができ、構造物や材料の動的監視にも適している。さらに、反射光と参照光との周波数差を利用して、特定のある位置で発生した散乱による反射光を干渉出力として取り出しているため、BOCDA法のようなSSBMは不要であり、装置を作動させる度に時間をかけて調整を行なう必要もない。

本発明の請求項２における光ファイバ特性測定装置、および請求項８における光ファイバ特性測定方法によれば、被測定光ファイバからの反射光を増幅しつつ、不要な光成分を除去することができるので、参照光と干渉させる反射光のＳ／Ｎ比を改善することができる。

本発明の請求項３における光ファイバ特性測定装置、および請求項９における光ファイバ特性測定方法によれば、光源部からの出力光を増幅しつつ、不要な光成分を除去したものを、参照光として利用することができるので、反射光と干渉させる参照光のＳ／Ｎ比を改善することができる。

本発明の請求項４における光ファイバ特性測定装置、および請求項１０における光ファイバ特性測定方法によれば、干渉出力をそのまま測定手段に送出するのではなく、電気アンプにより増幅してから測定手段に送出することで、干渉出力としてのＳ／Ｎ比を改善することができる。

本発明の請求項５における光ファイバ特性測定装置、および請求項１１における光ファイバ特性測定方法によれば、被測定光ファイバ内の複数の位置で相関ピークが現れる場合であっても、第１の時間ゲート手段と第２の時間ゲート手段を付加するだけで、被測定光ファイバ内で一つの位置だけからの相関ピークを取り出すことが可能になり、高い空間分解能を維持したまま、被測定光ファイバ内の特性分布を測定できる。

本発明の請求項６における光ファイバ特性測定装置、および請求項１２における光ファイバ特性測定方法によれば、被測定光ファイバ内の複数の位置で相関ピークが現れる場合であっても、第１の時間ゲート手段と第２の時間ゲート手段を付加するだけで、被測定光ファイバ内で一つの位置だけからの相関ピークを取り出すことが可能になり、高い空間分解能を維持したまま、被測定光ファイバ内の特性分布を測定できる。

以下、本発明における好ましい光ファイバ特性測定装置及び光ファイバ特性測定方法の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す各実施形態において、同一の箇所には同一の符号を付し、共通する箇所については可能な限り重複を避けて説明する。

図１は、本発明の第１実施形態による光ファイバ特性測定装置を示している。同図において、１は光源であり、これは信号発生器２と半導体レーザ３とにより構成される。半導体レーザ３は、例えば小型でスペクトル幅の狭いレーザ光を出射する分布帰還型レーザダイオード（DFB LD）が用いられる。信号発生器２は、半導体レーザ３から出射される中心周波数がｆ_ｏのレーザ連続光を、例えば正弦波状に繰り返して周波数変調（位相変調を含む）するために、ＤＣ（直流）電流にＡＣ（交流）電流を重畳させた所望の変調信号を、当該半導体レーザ３に注入電流として出力するものである。

４は、半導体レーザ３からのレーザ光を通過させるためのアイソレータである。ここでのアイソレータ４は、半導体レーザ３への不必要な戻り光により、当該半導体レーザ３の動作が不安定になるのを防止するために設けられる。

６は、前記半導体レーザ３からアイソレータ４を通過したレーザ光を、適当な強度比に二分する第１の光分岐器で、分岐された一方のレーザ光は、別な第２の光分岐器７を介して、被測定光ファイバFUTの一端からポンプ光として入射される。また、第１の光分岐器６で分岐された他方のレーザ光は、所定の長さの光ファイバからなる光遅延器８を通過し、光ヘテロダイン検波の参照光として後述する光カプラ11から光ヘテロダイン受信器12に出射される。なお、光遅延器８はポンプ光と参照光との間に所定の遅延時間を設定するためのもので、光ファイバ長を変えることで、遅延時間を適宜調整することができる。

前記被測定光ファイバFUTの一端からポンプ光を入射すると、光ファイバ材料の硝子分子が熱振動することにより発生する超音波のうち、波長が入射光（ポンプ光）波長の半分となる超音波が生じる。この超音波がもたらす硝子の周期的な屈折率の変化は、入射光に対してブラッグ回折格子として作用し、光を後方に反射する。この現象がいわゆる自然ブリルアン散乱であり、図１に示す装置では、被測定光ファイバFUT内のブリルアン散乱（基本的には自然ブリルアン散乱）により生じた反射光が、ストークス光として被測定光ファイバFUTの一端から出射される。このストークス光は、前記第２の光分岐器７と光カプラ11を介して、光ヘテロダイン受信器12に出射される。

前記ブリルアン散乱においては、それにより発生する音響フォノンが指数関数的に減衰することから、ブリルアンゲインスペクトル（BGS）として知られているブリルアン散乱による光スペクトルが、ローレンツ型関数の形状を呈する。また、超音波の速度に依存して、反射光であるストークス光はドップラーシフトを受けるので、前記スペクトルにおいて取得されるストークス光のピークパワーの周波数（中心周波数）は、入射光であるポンプ光の中心周波数ｆ_ｏに対して11ＧＨｚ程度ダウンシフトする。この周波数シフトの量は、ブリルアン周波数シフトｆ_Ｂと呼ばれるもので、被測定光ファイバFUTに加わる伸縮歪みや温度によって変動する。したがって、光ヘテロダイン受信器12が受信するストークス光の中心周波数は、ポンプ光ひいては半導体レーザ３からのレーザ光の中心周波数ｆ_ｏよりも、ブリルアン周波数シフトｆ_Ｂ分下がることになる（ｆ_ｏ−ｆ_Ｂ）。

参照光とストークス光をそれぞれ受ける光ヘテロダイン受信器12は、２個のバランスフォトダイオード（ＰＤ：以下、バランスＰＤという）14，15と、検波部16とからなる光ヘテロダイン方式の検出（検波）手段で構成される。ここでの参照光は、光ヘテロダイン受信器12に対する光学的な局部発振器からの発振信号と見なすことができ、光ヘテロダイン受信器12は、周波数の異なる参照光とストークス光とを重ね合わせ、両光の周波数差に等しい電気的なビート信号を生成する。とりわけ、参照光とストークス光の間では、ブリルアン周波数シフトｆ_Ｂに相当する周波数差が有る。

18は、光ヘテロダイン受信器12から出力する電気的なビート信号の周波数特性を観測する周波数分析手段としてのスペクトラムアナライザ（ESA：electrical spectrum analyzer）である。前述したように、被測定光ファイバFUTに伸縮歪みや温度変化が生じると、こうした歪みや温度変化に比例して、ブリルアン周波数シフトｆ_Ｂが変動する。スペクトラムアナライザ18は、こうしたブリルアン周波数シフトｆ_Ｂの変動を、光ヘテロダイン受信器12からのビート信号のピーク周波数変動として測定するものである。スペクトラムアナライザ18の測定結果は、観測データとして処理手段であるパーソナルコンピュータ（以下、ＰＣという）19に出力され、ここで種々のデータ処理が行なわれる。ＰＣ19は、スペクトラムアナライザ18から取得した観測データなどに基づいて、適切なＡＣ電流を信号発生器２に供給できるように、例えばＧＰＩＢ（General Purpose Interface Bus）の規格に準拠した接続手段を通して制御信号を出力する。

なお、上記構成において、第１の光分岐器６や第２の光分岐器７は、サーキュレータ，ビームスプリッタ，ハーフミラーなどを用いてもよい。さらに他の変形例として、光源部としての光源１は、参照光とポンプ光のそれぞれに独立して別なものが設けられていてもよく、その場合は各光源１からのレーザ光を同じ周波数で周波数変調させるのが好ましい。また測定手段として、スペクトラムアナライザ18にＰＣ19の機能が組み込まれていてもよい。

そして本実施形態では、アイソレータ４，第１の光分岐器６，第２の光分岐器７を含む光源１から被測定光ファイバFUTに至る光路が、光源１の出力光からポンプ光を生成して、このポンプ光を被測定光ファイバFUTの一端に導くポンプ光生成手段21を構成し、アイソレータ４，第１の光分岐器６，光遅延器８，カプラ11を含む光源１から光ヘテロダイン受信器12に至る光路が、光源１の出力光から参照光を生成して、この参照光を光ヘテロダイン受信器12に導く参照光生成手段22を構成している。また、第２の光分岐器７，カプラ11を含む被測定光ファイバFUTから光ヘテロダイン受信器12に至る光路23によって、被測定光ファイバFUTの全ての位置から発生するブリルアン散乱によるストークス光を、光ヘテロダイン受信器12に導くようになっている。

本発明で提案する「光ファイバブリルアン散乱光相関領域リフレクトメトリ法（Brillouin Optical Correlation Domain Reflectometry：以下、BOCDR法という）」は、従来のBOCDA法のように被測定光ファイバFUTの両側から光を入射するのではなく、被測定光ファイバFUTの片端から光を入射するだけで、被測定光ファイバFUTの診断を可能にする。これを実現するために、BOCDR法では、前記ポンプ光生成手段21によって光ファイバFUTの片端からのみポンプ光を入射し、光ファイバFUT内の全ての位置で発生するブリルアン散乱（基本的には自然ブリルアン散乱）を、ストークス光として光ヘテロダイン受信器12で受光する。ここで、ストークス光と参照光を干渉させると、両光の周波数差に相当するビート周波数としてブリルアン周波数シフトｆ_Ｂが分かる。このブリルアン周波数シフトｆ_Ｂがどの程度変化しているのかを、スペクトラムアナライザ18で観測すれば、被測定光ファイバFUT中の歪みや温度の変化を測定できる。

またBOCDR法は、BOCDA法と同様に、光源１からの連続発振光の周波数を繰り返し波形で変化させている。しかし、BOCDA法とは異なり、被測定光ファイバFUT内のある位置でのみ誘導ブリルアン散乱を発生させるのではない。BOCDR法では、光源１からの連続発振光の周波数を変調して、受光器であるバランスＰＤ14，15上でのストークス光と参照光との干渉状態を制御することで、被測定光ファイバFUT内の全ての位置で発生したブリルアン散乱の中から、ある位置で発生した散乱のみを光ヘテロダイン受信器12で抽出する。つまり、光源１からの出力光に周波数変調を施すことにより、前記ある位置を除く殆ど全ての位置から発生する自然ブリルアン散乱光と参照光との周波数差は変動するため、これをスペクトラムアナライザ18で観測すると、その信号強度は周波数軸上で拡がったものとなる。一方、特別なある位置からの散乱光は、参照光と同期して周波数が変化しており、両光の周波数差が一定となり、これがブリルアン周波数シフトｆ_Ｂを与える。そのため、この特別な位置からの散乱光による信号強度は、スペクトラムアナライザ18上でピーク状に現われ、このピーク周波数を観測することで、被測定光ファイバFUT内のある位置での特性情報を得ることができる。

さらにBOCDR法では、前記被測定光ファイバFUT内の特別なある位置が、出力光の変調周波数により決められる。したがって、この変調周波数を変化させることにより、被測定光ファイバFUT内の決められた位置のみではなく、被測定光ファイバFUT内に沿った様々な位置で発生したブリルアン散乱のピーク周波数を、観測データとしてスペクトラムアナライザ18からＰＣ19に出力できる。ＰＣ19は、どのような周波数で光源１からの出力光に対し周波数変調を施しているのかを把握しているので、取得した観測データが被測定光ファイバFUT内のどの位置に相当するものなのかを判断できる。そのため、被測定光ファイバFUT内のある範囲に渡る特性情報を、スペクトラムアナライザ18とＰＣ19とにより正確に処理解析できる。このように、BOCDR法による被測定光ファイバFUT内の分布測定原理は、BOCDA法のそれとは大きく異なる。

次に、上記図１に示す装置の動作を説明すると、信号発生器２からの注入電流により半導体レーザ３から周波数変調されたレーザ光が出射すると、このレーザ光はアイソレータ４を経て、第１の光分岐器６により所定の強度比に分岐され、一方の周波数変調光は別な第２の光分岐器７を通って、そのまま被測定光ファイバFUTの一端からポンプ光として入射される。また、第１の光分岐器６により分岐した他方の周波数変調光は、光遅延器８を通過して所定の遅延時間を与えられた後、光カプラ11から光ヘテロダイン受信器12に出射される。

こうして、被測定光ファイバFUT中にポンプ光が伝搬すると、被測定光ファイバFUT内の全ての位置で生じたブリルアン散乱による後方反射光が、ストークス光として被測定光ファイバFUTの一端から出射される。このストークス光は、前記第２の光分岐器７と光カプラ11を通して、光ヘテロダイン受信器12に出射される。また、当該ストークス光は、光ファイバ材料の硝子分子が熱振動することにより発生する超音波の速度に依存してドップラーシフトを受けているため、その中心周波数は、半導体レーザ３からのレーザ光の中心周波数ｆ_ｏからブリルアン周波数シフトｆ_Ｂ分を差し引いたものとなる（ｆ_ｏ−ｆ_Ｂ）。

光ヘテロダイン受信器12は、前記ストークス光と参照光とを干渉させ、両光のビート周波数による干渉出力をスペクトラムアナライザ18に送出する。ここで、光源１からの出力光は、中心周波数ｆ_ｏに対してその周波数を周期的に増減する周波数変調が施されており、被測定光ファイバFUT内における殆ど全ての位置から発生するブリルアン散乱光と参照光との周波数差は変動するため、その信号強度は周波数軸上で拡がる。しかし、特別なある位置からの散乱光は、参照光と同期して周波数が変化するので、両光の周波数差が一定となり、これがブリルアン周波数シフトｆ_Ｂを与える。そのため、この特別な位置からの散乱光による信号強度は、光ヘテロダイン受信器12からの干渉出力においてピーク状に現われる。こうして光ヘテロダイン受信器12は、光源１からの周波数変調された出力光により、受光する散乱光（ストークス光）と参照光との干渉状態が制御されることで、被測定光ファイバFUT内における全ての位置で発生したブリルアン散乱の中から、ある位置で発生した散乱のみを抽出し、これを干渉出力としてスペクトラムアナライザ18に送出することができる。

光ヘテロダイン受信器12からの干渉出力を受けたスペクトラムアナライザ18は、前記干渉出力におけるピーク周波数を観測表示し、ＰＣ19にデータ出力する。ＰＣ19は、ピーク周波数がどの程度シフトしているかによって、被測定光ファイバFUTの特別なある位置における歪みや温度の特性を取得することができる。また、光源１の変調周波数により前記特別なある位置が決められるので、この変調周波数を変化させることにより、被測定光ファイバFUT内のある範囲において、その被測定光ファイバFUTがどのような特性を有しているのかという特性分布を取得することができる。

ところでBOCDR法では、光源１に対して正弦波周波数変調が与えられると、被測定光ファイバFUT内における周波数ピークに対応した相関位置の間隔ｄ_ｍが、正弦波周波数変調の周波数ｆ_ｍに反比例する。したがって、被測定光ファイバFUTの測定範囲内において、一つの相関位置に対応した周波数ピーク（相関ピーク）だけが残るように、ＰＣ19が周波数変調の周波数ｆ_ｍを調整すれば、そのピークに対応した位置での反射光の情報を、唯一抽出することが可能になる。さらに、周波数変調の周波数ｆ_ｍを掃引することで、被測定光ファイバFUTに沿って相関ピークがスキャンされ、当該被測定光ファイバFUTにおける反射や散乱の分布情報を取得できる。

なお、BOCDR法における空間分解能Δｚと測定範囲（隣接する相関位置の間隔）ｄ_ｍは、次の数１と数２によってそれぞれ与えられる。これは、先に提案したBOCDA法と同じである。

上記各式において、Ｖ_ｇは被測定光ファイバFUT内における光の群速度であり、Δν_Bは被測定光ファイバFUTのブリルアンゲイン線幅（30〜50MHz）であり、Δｆは周波数変調の振幅である。上述したように、相関ピークが発生する位置（相関位置）を測定対象の範囲内で１つだけ存在させるために、数２の式を利用して測定範囲ｄ_mを調整する。この場合、光源１の周波数変調の速さである周波数変調周波数ｆ_ｍを下げて、その周波数変化を緩やかにすれば、０次〜ｎ次の隣接する相関位置の間隔ひいては測定範囲ｄ_ｍを広げることができる。但し、周波数変調周波数ｆ_ｍを可変するだけでは、プローブ光とポンプ光との光路差が零となる０次の相関位置は変化しない。そこで、高次の相関位置を利用するために、前記光遅延器８を挿入するのが好ましい。なお、光遅延器８を参照光にではなく、ポンプ光の光路中に挿入してもよい。こうして、光源１の周波数変調周波数ｆ_ｍを可変することにより、ピーク周波数が発生する相関位置を変化させることができる。

また、測定範囲ｄ_ｍを広げるために、周波数変調周波数ｆ_ｍを下げてしまうと、今度は数１からも明らかなように、空間分解能Δｚが劣化して大きな値となってしまう。そこで、測定範囲ｄ_ｍを広げつつ、空間分解能Δｚを高く維持するには、ＰＣ19が光源１の周波数変調の振幅（変調振幅）Δｆを、可能な限り大きく調整すればよい。

このように、本実施形態における光ファイバ特性測定装置は、周波数変調された連続光を出力する光源部としての光源１と、光源１からの出力光を、被測定光ファイバFUTの片端からポンプ光として入射させるポンプ光生成手段21と、光源１からの出力光を、参照光として生成する参照光生成手段22と、被測定光ファイバFUT内のブリルアン散乱により生じた反射光と参照光とを干渉させ、前記光源１からの出力光の周波数変調を利用して、被測定光ファイバFUT内のある位置で発生した散乱による反射光を干渉出力として選択的に抽出すると共に、前記位置を参照光の周波数変調により掃引してシフトさせる検出手段としての光ヘテロダイン受信器12と、光ヘテロダイン受信器12からの干渉出力により、前記位置でのブリルアン周波数シフトを測定し、被測定光ファイバFUTの特性を測定する測定手段としてのスペクトラムアナライザ18やＰＣ19と、を備えている。

これに対応して、本実施形態における光ファイバ特性測定方法は、光源部である光源１からの周波数変調された連続光を出力する第１のステップと、この光源１からの出力光を、被測定光ファイバFUTの片端からポンプ光として入射させる第２のステップと、光源１からの出力光を、参照光として生成する第３のステップと、被測定光ファイバFUT内のブリルアン散乱により生じた反射光と参照光とを干渉させ、前記光源１からの出力光の周波数変調を利用して、被測定光ファイバFUT内のある位置で発生した散乱による反射光を干渉出力として選択的に抽出すると共に、前記位置を参照光の周波数変調により掃引してシフトさせる第４のステップと、この干渉出力によって前記位置でのブリルアン周波数シフトをスペクトラムアナライザ18やＰＣ19で測定し、被測定光ファイバFUTの特性を測定する第５のステップと、からなる。

なお、ここでいう光源部とは、図１に示すように単独の光源１から参照光とポンプ光とを生成するものだけでなく、参照光とポンプ光のそれぞれに光源を設けたものなども含む。

上記装置や方法では、光源１からの出力光を周波数変調しつつ、被測定光ファイバFUTの片端だけからポンプ光を入射して、被測定光ファイバFUT内のブリルアン散乱により生じた反射光と参照光とを干渉させることにより、被測定光ファイバFUT中の数ｃｍ程度の狭い領域でのブリルアン散乱による反射光を、ある位置に対応した干渉出力として選択的に抽出することができ、しかもその位置を移動させて、被測定光ファイバFUT中のブリルアン散乱による歪などの特性分布を測定することができる。したがって、従来のBOTDR法のような例えば１ｍの原理的限界はなく、高い空間分解能が実現できる。また、光パルスではなく連続光を被測定光ファイバFUTの片端に入射するため、被測定光ファイバFUTからの反射光は比較的大きく、積分の必要もない。そのため、例えば１秒以下の短時間で測定を行なうことができ、構造物や材料の動的監視にも適している。さらに、光ヘテロダイン方式を採用し、反射光と参照光との周波数差を利用して、特定のある位置で発生した散乱による反射光を干渉出力として取り出しているため、BOCDA法のようなSSBMは不要であり、装置を作動させる度に時間をかけて調整を行なう必要もない。

そして、被測定光ファイバFUTの片端からポンプ光を入射するだけで、被測定光ファイバFUTの特性分布を測定できるので、一端子デバイスや内部に断線箇所がある場合でも測定が可能であることに加え、橋梁などの直線状巨大構造物に対して、より効果的な被測定光ファイバFUTの配線が可能になる。

図２は、本発明の第２実施形態による光ファイバ特性測定装置を示している。本実施形態では、第１実施形態におけるBOCDR法の基本システム構成に、光増幅器（Optical amplifier：以下、OAという）31，32，33と、光フィルタ34，35と、電気アンプ36とをそれぞれ組み込み、得られる信号のＳ／Ｎ比を改善させている。より具体的には、前記ストークス光の光路23中に、第１のOA31と第１の光フィルタ34が順に組み込まれ、参照光生成手段22における参照光の光路中に、第２のOA32と第２の光フィルタ35が順に組み込まれ、ポンプ光生成手段21におけるポンプ光の光路中に、このポンプ光を増幅するための第３のOA33が組み込まれる。また電気アンプ36は、光ヘテロダイン受信器12からスペクトラムアナライザ18に至る干渉出力の電気信号ライン中に組み込まれる。それ以外の構成および動作は、前記第１実施形態で説明したとおりである。

図１に示すBOCDR法の基本システムだけでは、被測定光ファイバFUT内のブリルアン散乱（基本的には自然ブリルアン散乱）による反射光（ストークス光）は極めて小さく、光ヘテロダイン受信器12によるヘテロダイン検波を施しても、Ｓ／Ｎ比は十分とはいえない場合もある。そこで本実施形態では、被測定光ファイバFUTからの反射光であるストークス光を第１のOA31で増幅する。一般に、OAによる光増幅には自然放出光（Amplified Spontaneous Emission：ASE）雑音が伴い、Ｓ／Ｎ比を劣化させる要因となるので、ここでは第１のOA31で増幅したストークス光のＳ／Ｎ比を改善するために、第１の光フィルタ34で不要なノイズ成分を除去する。その際、レイリー散乱による不要な反射光成分も、第１の光フィルタ34で同時に除去できる。また参照光についても、同様の手法により第２のOA32で増幅し、後段の第２の光フィルタ35で不要なノイズ成分を除去する。こうした信号処理により、ストークス光と参照光との干渉により得られるビート信号を増大させ、微弱なストークス光の検出を容易にできる。

さらに本実施形態では、バランスＰＤ14，15により電気信号に変換されたビート信号を、電気アンプ36により増幅してからスペクトラムアナライザ18で観測する。このような工夫を施し、図２に示すような改良されたBOCDR法のシステム構成を用いることで、大幅なＳ／Ｎ比の向上が達成できる。

このように、本実施形態の光ファイバ特性測定装置は、前記被測定光ファイバFUTからの反射光であるストークス光を増幅する第１のOA31と、第１のOA31により得られた増幅されたストークス光から不要な光成分を除去し、これを光ヘテロダイン受信器12で参照光と干渉させる第１のフィルタとしての第１の光フィルタ34と、を備えている。

これに対応して本実施形態では、ストークス光を第１のOA31で増幅し、この第１のOA31により得られた増幅されたストークス光から、第１の光フィルタ34により不要な光成分を除去して、これを前記第４のステップで参照光と干渉させる光ファイバ特性測定方法を採用している。

こうすると、被測定光ファイバFUTからのストークス光を増幅しつつ、不要な光成分を除去することができるので、参照光と干渉させるストークス光のＳ／Ｎ比を改善することができる。

また、本実施形態の光ファイバ特性測定装置は、光源１からの出力光を増幅する第２のOA32と、第２のOA32により得られた増幅光から不要な光成分を除去し、これを前記参照光として生成する第２のフィルタとしての第２の光フィルタ35とを、参照光生成手段22がさらに備えている。

これに対応して本実施形態では、前記第３のステップで、光源１からの出力光を第２のOA32で増幅し、この第２のOA32により得られた増幅光から、第２の光フィルタ35により不要な光成分を除去し、これを前記参照光として生成する光ファイバ特性測定方法を採用している。

こうすると、光源１からの出力光を増幅しつつ、不要な光成分を除去したものを、参照光として利用することができるので、ストークス光と干渉させる参照光のＳ／Ｎ比を改善することができる。

さらに、本実施形態における光ファイバ特性測定装置は、光ヘテロダイン受信器12により電気信号に変換された干渉出力を増幅して、これを測定手段であるスペクトラムアナライザ18に出力する電気アンプ36を備えている。

これに対応して本実施形態では、前記第４のステップで、電気信号に変換された干渉出力を電気アンプ36により増幅し、これをスペクトラムアナライザ18に出力する光ファイバ特性測定方法を採用している。

こうすると、前記干渉出力をそのままスペクトラムアナライザ18に送出するのではなく、電気アンプ36により増幅してからスペクトラムアナライザ18に送出することで、干渉出力としてのＳ／Ｎ比を改善することができる。

次に、図２に示したBOCDR法のシステム構成を利用した実験例と、その結果について説明する。この実験例では、光源１の半導体レーザ３として1552ｎｍの分布帰還型レーザダイオード（DFB LD）を利用し、試験用の被測定光ファイバFUT内で相関ピークを発生させるために、信号発生器２による正弦波周波数変調が与えられた。半導体レーザ３からの出力は、カプラである第１の分岐器６によって２つの光ビームに分割され、一方の光ビームは、周期的に発生する相関ピークの次数を制御するために、光遅延器８としての２ｋｍの遅延用ファイバを通過し、次にヘテロダイン方式でのビート信号を強めるために、第２のOA32（エルビウムドープ光ファイバ増幅器：EDFA）を通過し、さらに自然放出光増幅雑音を抑圧するために、約10ＧＨｚで３ｄｂの帯域幅を有するファイバブラッググレーティング（Fiber Bragg Grating：FBG）からなる第２の光フィルタ35を通過した後で、光ヘテロダイン検出の参照光として直接用いられた。また、他方の光ビームは、高出力EDFAである第３のOA33によって28ｄｂｍに増幅された後、ポンプ光として被測定光ファイバFUTに入射された。

前記被測定光ファイバFUTからの後方散乱による弱いストークス光は、（ｆ_ｏ−ｆ_Ｂ）の周波数を有しており、これが別な第１のOA31で再度増幅された。第１のOA31の後方には、第１の光フィルタ34が挿入されるが、これは被測定光ファイバFUT内における周波数ｆ_ｏでのレイリー散乱とフレネル反射を抑圧するためにある。

参照光とストークス光との光学的なビート信号が、バランスＰＤ14，15により検出され、電気信号に変換された。この電気信号は、電気プリアンプに相当する電気アンプによって15ｄｂ増幅され、その後当該信号がスペクトラムアナライザ18で観測された。

半導体レーザ３からの出力光の周波数変調周波数ｆ_ｍは、457.4〜458.4ｋＨｚとしており、これは前記数２によれば、228ｍの相関ピークの間隔すなわち測定範囲ｄ_ｍに対応する。周波数変調の振幅Δｆは5.4ＧＨｚであり、前記数１から測定の空間分解能Δｚは約40ｃｍと計算される。

被測定光ファイバFUTは、図３に示すように、100ｍの全長を有する一般的なファイバ（SMF：単一モード光ファイバ）で構成され、エポキシ系接着剤を用いて図示しないトランスレーションステージに固定することで、0.2％の歪みを長さ50ｃｍの歪み部分に付与した。被測定光ファイバFUTの一端は、サーキュレータである第２の光分岐器７に接続部41を介して接続され、また被測定光ファイバFUTの他端は、開放状態に保たれた。前記歪み部分の一端から被測定光ファイバFUTの一端までの長さは96.5ｍであり、また歪み部分の他端から被測定光ファイバFUTの他端までの長さは３ｍであった。単独の位置に対する測定の全サンプリングレートは、50Ｈｚである。

図４は、スペクトラムアナライザ18で観測された被測定光ファイバFUT中の３ヶ所の位置におけるブリルアンゲインスペクトル（BGS）を示している。ここで、図中に示してある「94.75ｍ」，「96.75ｍ」，「97.95ｍ」なる数字は、被測定光ファイバFUTの一端からの距離を示している。同図からも明らかなように、被測定光ファイバFUTの一端から96.75ｍ離れた位置で、ブリルアンゲインスペクトルのピーク周波数が、他の部位に対し約100ＭＨｚシフトしていることがわかる。このシフト量から、被測定光ファイバFUTの歪み部分でどの程度の歪みが生じているのかを測定できる。

図５は、被測定光ファイバFUTに沿ったブリルアンゲインスペクトルの分布測定結果を三次元的に示しており、位置に対応する数字は、被測定光ファイバFUTの一端からの距離を示している。この図では、歪み部分に相当する被測定光ファイバFUTの一端から96.5ｍ〜97ｍの部位で、ブリルアンゲインスペクトルのピーク周波数が他の部位と相違していることが分かる。よって、被測定光ファイバFUTにおける歪み部分を明確に特定できる。

図６は、被測定光ファイバFUTの位置に対するブリルアン周波数シフトの分布を二次元的に示しており、横軸の数字は、被測定光ファイバFUTの一端からの距離を示している。この図においても、歪み部分に相当する被測定光ファイバFUTの一端から96.5ｍ〜97ｍの部位で、ブリルアン周波数シフトの量が他の部位と明確に相違していることが分かる。

以上の実験例とその結果から、50ｃｍ以下の優れた空間分解能が達成された。ここでのブリルアン周波数シフトの違いは約100ＭＨｚであり、これは歪み部分に与えられた0.2％の歪みと良く一致している。また、単独の位置での測定精度は約±10ＭＨｚであり、これは±0.02％の歪みに対応する。

次に、図７〜図９を参照しながら、別な実験例について、その結果を説明する。この実験例で利用したシステムは、上記実験例と同じものであるが、ここでは半導体レーザ３からの出力光の周波数変調周波数ｆ_ｍを、13.4624〜13.4672ＭＨｚに設定しており、これは前記数２によれば、7.6ｍの測定範囲ｄ_ｍに対応する。また、周波数変調の振幅Δｆはこの実験例でも5.4ＧＨｚとなっており、前記数１から測定の空間分解能Δｚは約13ｍｍと計算される。実験に際しては、第128次の相関ピークを利用した。

図７は、被測定光ファイバFUTの構成を示すもので、ここでは５ｍの全長を有する一般的なファイバ（SMF）を用い、エポキシ系接着剤を用いて図示しないトランスレーションステージに固定することで、0.1％の歪みを長さ３ｃｍの歪み部分に付与した。被測定光ファイバFUTの一端は、サーキュレータである第２の光分岐器７に接続部41を介して接続され、また被測定光ファイバFUTの他端は、フレネル反射を抑圧するためにマイクロベント処理された。前記歪み部分の一端から被測定光ファイバFUTの一端までの長さは420ｃｍであり、また歪み部分の他端から被測定光ファイバFUTの他端までの長さは77ｃｍであった。単独の位置に対する測定の全サンプリングレートは、50Ｈｚである。なお、その他の実験条件は上述した実験例と共通している。

図８は、被測定光ファイバFUTに沿ったブリルアンゲインスペクトルの分布測定結果を三次元的に示しており、位置に対応する数字は、被測定光ファイバFUTの一端からの距離を示している。同図において、特に丸印で囲んだ部分に注目すると、歪み部分に相当する被測定光ファイバFUTの一端から420ｃｍ〜423ｃｍの部位で、ブリルアンゲインスペクトルのピーク周波数が他の部位と相違していることが分かる。これにより、被測定光ファイバFUTにおける歪み部分を明確に認識できる。

図９は、被測定光ファイバFUTの位置に対するブリルアン周波数シフトの分布を示しており、横軸の数字は、被測定光ファイバFUTの一端からの距離を示している。この図においても、歪み部分に相当する被測定光ファイバFUTの一端から420ｃｍ〜423ｃｍの部位で、ブリルアン周波数シフトの量が他の部位と明確に相違していることが分かる。以上の実験結果から、３ｃｍ以下の優れた空間分解能が達成された。ここでのブリルアン周波数シフトの違いは約50ＭＨｚであり、これは歪み部分に与えられた0.1％の歪みと良く一致している。また、単独の位置での測定精度は±10ＭＨｚ以上であり、これは±0.02％の歪みに対応する。

この実験例は、BOCDR法に基づく一端アクセスによる歪み分布の測定が、13ｍｍの空間分解能で行なえることを実証している。また、３ｃｍのファイバ部分におけるブリルアン周波数シフトが、50Ｈｚのサンプリングレートで上手く測定できている。このような高い分解能と高い測定スピードは、自然ブリルアン散乱に基づくリフレクトメトリによるシステムはもとより、誘導ブリルアン散乱を用いるBOTDA（Brillouin Optical Time Domain Analysis：ブリルアン散乱光時間領域解析）法によっても、今まで実現されることはなかった。ここで提案するBOCDR法は、実用的な分布センシング技術として、高い空間分解能と高い測定スピードを備えたより多くの可能性を有するものと期待される。

図１０は、本発明の第３実施形態による光ファイバ特性測定装置を示している。本実施形態と次の第４実施形態は、特に被測定光ファイバFUTがある程度の全長を有する場合を考慮してなされたものである。前述したように、被測定光ファイバFUT内で一つの位置だけからの相関ピークを取り出すためには、光源１からのレーザ光の周波数変調周波数ｆ_ｍを下げて、測定範囲ｄ_ｍを広げざるを得ない。しかし、測定範囲ｄ_ｍを広げようとすると、空間分解能Δｚが劣化するため、レーザ光の変調振幅Δｆも大きくする必要があるが、この変調振幅Δｆを無限に大きくすることはできない。したがって、こうした測定範囲ｄ_ｍや変調振幅Δｆなどを適正に調整しても、第１実施形態や第２実施形態のようなシステム構成では、測定できる被測定光ファイバFUTの長さに制限があった。

本実施形態では、そうした問題に対応するために、第１の時間ゲート手段に相当する強度変調器51と、第２の時間ゲート手段に相当する電気スイッチ52とを、第１実施形態の基本システムに付加している。強度変調器51は、ポンプ光生成手段21の光路中に挿入され、ＰＣ19から駆動信号が供給される間のみ、パルス状の前記ポンプ光を被測定光ファイバFUTの片端に出力するものである。また電気スイッチ52は、光ヘテロダイン受信器12からスペクトラムアナライザ18に至る干渉出力の信号ラインに挿入され、ＰＣ19からの駆動信号を受けて、被測定光ファイバFUTに設定された範囲内で、一つの位置で発生した散乱による反射光のみを干渉出力として抽出するタイミングで、前記干渉出力をスペクトラムアナライザ18に出力するものである。なお、それ以外の構成および動作は、前記第１実施形態で説明したとおりであるが、これらの強度変調器51や電気スイッチ52を第２実施形態におけるシステム構成に組み込んでもよい。

上記構成において、ＰＣ19から強度変調器51に駆動信号が与えられると、パルス状のポンプ光が被測定光ファイバFUTの片端に入射される。ポンプ光が被測定光ファイバFUT内を伝搬するに伴い、全ての位置で時系列的にブリルアン散乱が生じ、その後方反射光が被測定光ファイバFUTの片端からストークス光として出射される。ここで被測定光ファイバFUT内に複数の相関ピークが存在する場合、ＰＣ19は、パルス状のポンプ光が強度変調器51から各相関ピークに対応した位置に到達するまでの時間と、これらの各位置からの反射光によって、光ヘテロダイン受信器12からの干渉出力が電気スイッチ52に到達するまでの時間を把握しているので、これらの時間を考慮して、強度変調器51に同期して電気スイッチ52に所定のタイミングで駆動信号を供給することにより、被測定光ファイバFUT内の設定された範囲内における一つの位置で発生した相関ピークを選択して、この選択した相関ピークを含む干渉出力を、光ヘテロダイン受信器12から電気スイッチ52を通してスペクトラムアナライザ18に送出することができる。

以上のように、本実施形態における光ファイバ特性測定装置は、上記第１実施形態や第２実施形態の構成に加えて、前記ポンプ光をパルス状にして被測定光ファイバFUTの片端に出力する第１の時間ゲート手段としての強度変調器51を、ポンプ光生成手段21に備えると共に、被測定光ファイバFUTに設定された範囲内において、一つの位置で発生した散乱による反射光のみを干渉出力として抽出するタイミングで、この干渉出力をスペクトラムアナライザ18に出力する第２の時間ゲート手段としての電気スイッチ52を備えている。

これに対応して、本実施形態では、前記第２のステップで、強度変調器51によりポンプ光をパルス状にして被測定光ファイバFUTの片端に出力し、電気スイッチ52により、被測定光ファイバFUTに設定された範囲内において、一つの位置で発生した散乱による反射光のみを干渉出力として抽出するタイミングで、この干渉出力をスペクトラムアナライザ18に出力する光ファイバ特性測定方法を採用している。

こうすると、被測定光ファイバFUT内の複数の位置で周波数ピーク（相関ピーク）が現れる場合であっても、強度変調器51と電気スイッチ52を付加するだけで、被測定光ファイバFUT内で一つの位置だけからの周波数ピークを取り出すことが可能になり、高い空間分解能を維持したまま、被測定光ファイバFUT内の特性分布を測定できる。

図１１は、本発明の第４実施形態による光ファイバ特性測定装置を示している。本実施形態では、第１の時間ゲート手段に相当する強度変調器51と、第２の時間ゲート手段に相当する別な強度変調器53とを、第１実施形態の基本システムに付加している。強度変調器51は、ポンプ光生成手段21の光路中に挿入され、ＰＣ19から駆動信号が供給される間のみ、パルス状の前記ポンプ光を被測定光ファイバFUTの片端に出力するものである。また強度変調器53は、参照光生成手段22の光路中に挿入され、ＰＣ19からの駆動信号を受けて、被測定光ファイバFUTに設定された測定範囲内で、一つの位置で発生した散乱による反射光のみを干渉出力として抽出するタイミングで、前記参照光を光ヘテロダイン受信器12に出力するものである。なお、それ以外の構成および動作は、前記第１実施形態で説明したとおりであるが、これらの強度変調器51，53を第２実施形態におけるシステム構成に組み込んでもよい。

上記構成において、ＰＣ19から強度変調器51に駆動信号が与えられると、パルス状のポンプ光が被測定光ファイバFUTの片端に入射される。ポンプ光が被測定光ファイバFUT内を伝搬するに伴い、全ての位置で時系列的にブリルアン散乱が生じ、その後方反射光が被測定光ファイバFUTの片端からストークス光として出射される。ここで被測定光ファイバFUT内に複数の相関ピークが存在する場合、ＰＣ19は、パルス状のポンプ光が強度変調器51から各相関ピークに対応した位置に到達するまでの時間と、これらの各位置からの反射光が光ヘテロダイン受信器12に到達するまでの時間を把握しているので、これらの時間を考慮して、強度変調器51に同期して強度変調器53に所定のタイミングで駆動信号を供給することにより、被測定光ファイバFUT内の設定された範囲内における一つの位置で発生した相関ピークを選択して、この選択した相関ピークを含む干渉出力を、光ヘテロダイン受信器12からスペクトラムアナライザ18に送出することができる。

以上のように、本実施形態における光ファイバ特性測定装置は、上記第１実施形態や第２実施形態の構成に加えて、前記ポンプ光をパルス状にして被測定光ファイバFUTの片端に出力する第１の時間ゲート手段としての強度変調器51を、ポンプ光生成手段21に備えると共に、被測定光ファイバFUTに設定された範囲内において、一つの位置で発生した散乱による反射光のみを干渉出力として抽出するタイミングで、参照光を光ヘテロダイン受信器12に出力する第２の時間ゲート手段としての強度変調器53を備えている。

これに対応して、本実施形態では、前記第２のステップで、強度変調器51によりポンプ光をパルス状にして被測定光ファイバFUTの片端に出力し、電気スイッチ52により、被測定光ファイバFUTに設定された範囲内において、一つの位置で発生した散乱による反射光のみを干渉出力として抽出するタイミングで、参照光を光ヘテロダイン受信器12に出力する光ファイバ特性測定方法を採用している。

こうすると、被測定光ファイバFUT内の複数の位置で周波数ピークが現れる場合であっても、強度変調器51，53を付加するだけで、被測定光ファイバFUT内で一つの位置だけからの周波数ピークを取り出すことが可能になり、高い空間分解能を維持したまま、被測定光ファイバFUT内の特性分布を測定できる。

なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。例えば、発明の詳細な説明中にある周波数変調とは、位相変調の技術も含んでいる。また、光源として周波数変調された光を出力可能なものであれば、半導体レーザ以外の手法による光を利用してもよい。さらに、光源１に含まれる半導体レーザ（レーザダイオード）３は、その周波数変調における速度と振幅が制限されるので、より変調特性の良好な光源１を利用すれば、更なる改善が可能になる。

また、上記各実施形態に記載される光ファイバは、単に光ファイバそのものだけでなく、例えば光半導体素子の光路となる光導波路，硝子光導波路，シリコン光導波路なども含まれる。

本発明で提案したBOCDR法は、多様な測定対象に対応すべく、従来のBOCDA法をさらに発展させた新規な技術である。BOCDA法は、従来に比べて空間分解能の限界を100倍改善し、また測定速度も１万倍改善して、世界的にも注目を集めており、高い空間分解能，高速測定，測定位置へのランダムアクセス機能を併せ持つ世界唯一の技術である。そのため、土木・建設，航空・宇宙，原子力・エネルギー，交通・運輸などの幅広い分野で、痛みのわかる材料・構造のための神経網として本技術が注目されている。とりわけ本発明で提案したBOCDR法は、被測定光ファイバへの片端入射を実現し、応用範囲の拡大や、扱い難いデバイスからの解放など、BOCDA法に優る特徴を実現させることができ、ブリルアン散乱による被測定光ファイバの特性分布測定技術の実用化を、さらに加速するものと期待できる。

本発明の第１実施形態における光ファイバ特性測定装置の構成を示すブロック図である。本発明の第２実施形態における光ファイバ特性測定装置の構成を示すブロック図である。図２の装置の実験例として使用した被測定光ファイバFUTの構造を示す説明図である。図２の装置の実験例において、被測定光ファイバFUTの各位置におけるブリルアンゲインスペクトルを示すグラフである。図２の装置の実験例において、被測定光ファイバFUTに沿ったブリルアンゲインスペクトルの分布測定結果を示すグラフである。図２の装置の実験例において、被測定光ファイバFUTの位置に対するブリルアン周波数シフトの分布を示すグラフである。図２の装置の別な実験例として使用した被測定光ファイバFUTの構造を示す説明図である。図２の装置の別な実験例において、被測定光ファイバFUTに沿ったブリルアンゲインスペクトルの分布測定結果を示すグラフである。図２の装置の別な実験例において、被測定光ファイバFUTの位置に対するブリルアン周波数シフトの分布を示すグラフである。本発明の第３実施形態における光ファイバ特性測定装置の構成を示すブロック図である。本発明の第４実施形態における光ファイバ特性測定装置の構成を示すブロック図である。従来例における光ファイバ特性測定装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１光源（光源部）
12 光ヘテロダイン受信器（検出手段）
18 スペクトラムアナライザ（測定手段）
19 パーソナルコンピュータ（測定手段）
21 ポンプ光生成手段
22 参照光生成手段
31 第１の光増幅器
32 第２の光増幅器
34 第１の光フィルタ（第１のフィルタ）
35 第２の光フィルタ（第２のフィルタ）
36 電気アンプ
51 強度変調器（第１の時間ゲート手段）
52 電気スイッチ（第２の時間ゲート手段）
53 強度変調器（第２の時間ゲート手段）
FUT 被測定光ファイバ

Claims

周波数変調された連続光を出力する光源部と、
前記光源部からの出力光を、被測定光ファイバの片端からポンプ光として入射させるポンプ光生成手段と、
前記光源部からの出力光を、参照光として生成する参照光生成手段と、
前記被測定光ファイバ内のブリルアン散乱により生じた反射光と前記参照光とを干渉させ、前記出力光の周波数変調を利用して、前記被測定光ファイバ内のある位置で発生した散乱による反射光を干渉出力として選択的に抽出する検出手段と、
前記検出手段からの干渉出力により、前記位置でのブリルアン周波数シフトを測定し、前記被測定光ファイバの特性を測定する測定手段とを備えたことを特徴とする光ファイバ特性測定装置。
前記反射光を増幅する第１の光増幅器と、
前記第１の光増幅器により得られた増幅光から不要な光成分を除去し、これを前記検出手段で前記参照光と干渉させる第１のフィルタとを備えたことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ特性測定装置。
前記参照光生成手段は、
前記光源部からの出力光を増幅する第２の光増幅器と、
前記第２の光増幅器により得られた増幅光から不要な光成分を除去し、これを前記参照光として生成する第２のフィルタとを備えたことを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバ特性測定装置。
前記検出手段により電気信号に変換された前記干渉出力を増幅して、前記測定手段に出力する電気アンプを備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光ファイバ特性測定装置。
前記ポンプ光生成手段は、前記ポンプ光をパルス状にして前記被測定光ファイバの片端に出力する第１の時間ゲート手段を備えると共に、
前記被測定光ファイバに設定された範囲内において、一つの位置で発生した散乱による反射光のみを干渉出力として抽出するタイミングで、前記干渉出力を前記測定手段に出力する第２の時間ゲート手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載の光ファイバ特性測定装置。
前記ポンプ光生成手段は、前記ポンプ光をパルス状にして前記被測定光ファイバの片端に出力する第１の時間ゲート手段を備えると共に、
前記参照光生成手段は、前記被測定光ファイバに設定された範囲内において、一つの位置で発生した散乱による反射光のみを干渉出力として抽出するタイミングで、前記参照光を前記検出手段に出力する第２の時間ゲート手段を備えたことを特徴とする請求項１〜４の何れか一つに記載の光ファイバ特性測定装置。
光源部から周波数変調された連続光を出力する第１のステップと、
この光源部からの出力光を、被測定光ファイバの片端からポンプ光として入射させる第２のステップと、
前記光源部からの出力光を、参照光として生成する第３のステップと、
前記被測定光ファイバ内のブリルアン散乱により生じた反射光と前記参照光とを干渉させ、前記出力光の周波数変調を利用して、前記被測定光ファイバ内のある位置で発生した散乱による反射光を干渉出力として選択的に抽出する第４のステップと、
前記干渉出力により測定手段が前記位置でのブリルアン周波数シフトを測定し、前記被測定光ファイバの特性を測定する第５のステップとからなることを特徴とする光ファイバ特性測定方法。
前記反射光を第１の光増幅器で増幅し、
この第１の光増幅器により得られた増幅光から、第１のフィルタにより不要な光成分を除去して、これを前記第４のステップで前記参照光と干渉させることを特徴とする請求項７記載の光ファイバ特性測定方法。
前記第３のステップで、前記光源部からの出力光を第２の光増幅器で増幅し、
この第２の光増幅器により得られた増幅光から、第２のフィルタにより不要な光成分を除去し、これを前記参照光として生成することを特徴とする請求項７または８記載の光ファイバ特性測定方法。
前記第４のステップで、電気信号に変換された前記干渉出力を電気アンプにより増幅し、前記測定手段に出力することを特徴とする請求項７〜９のいずれか一つに記載の光ファイバ特性測定方法。
前記第２のステップで、第１の時間ゲート手段により、前記ポンプ光をパルス状にして前記被測定光ファイバの片端に出力し、
第２の時間ゲート手段により、前記被測定光ファイバに設定された範囲内において、一つの位置で発生した散乱による反射光のみを干渉出力として抽出するタイミングで、前記干渉出力を前記測定手段に出力することを特徴とする請求項７〜１０の何れか一つに記載の光ファイバ特性測定方法。
前記第２のステップで、第１の時間ゲート手段により、前記ポンプ光をパルス状にして前記被測定光ファイバの片端に出力し、
前記第３のステップで、第２の時間ゲート手段により、前記被測定光ファイバに設定された範囲内において、一つの位置で発生した散乱による反射光のみを干渉出力として抽出するタイミングで、前記参照光を出力することを特徴とする請求項７〜１０の何れか一つに記載の光ファイバ特性測定方法。