JP2008145398A - 光ファイバ特性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ブリルアン散乱現象を用いた測定方法にて、光ファイバの片側端部のみからの信号光入射にて高空間分解能を実現する。
【解決手段】第１パルス光と第２パルス光との時間間隔が音響波の寿命以下の時間間隔とされたパルス列３ａをコヒーレント光２ａから生成して光ファイバ７へ出射する光パルス生成手段３と、第１パルス光の後方ブリルアン散乱光とコヒーレント光とを合波することによって得られる光信号を電気信号に変換する検波手段８と、電気信号と該電気信号を第１パルス光と第２パルス光との時間間隔分遅延させた電気信号との和をとることによって干渉信号を生成し、該干渉信号に基づいて上記光ファイバの特性を求める信号処理手段１４と、上記電気信号よりブリルアンスペクトルを得るための電気的あるいは光学的な周波数可変手段１０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、コヒーレント光から生成するパルス光を光ファイバへ出射し、上記光ファイバからの後方ブリルアン散乱光と上記コヒーレント光とを合波することによって得られる光信号を電気信号に変換し、該電気信号に基づいて上記光ファイバの特性を求める光ファイバ特性測定装置に関するものである。

光ファイバ中にパルス光を入射することによって発生するブリルアン散乱光の中心周波数を測定することで、光ファイバが設置された環境における歪みや温度分布を測定する方法がある。この測定方法では、設置する光ファイバ自体を歪みまたは温度を検出する媒体として利用するため、多数の点型センサを配列する方法と比べて単純な構成で歪みや温度分布を測定することができる。
このような測定方法の中には、いわゆるＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry）方式とＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）方式とがある。
ＢＯＴＤＲ方式の測定方法は、歪みや温度に依存して速度が変化する音響波によって反射された自然ブリルアン散乱光（後方ブリルアン散乱光）の周波数シフト量を測定する方法であり、光ファイバの一端からパルス光を入射することによって光ファイバの同じ一端から出射される後方ブリルアン散乱光を検出する方法である（特許文献１，２参照）。
一方、ＢＯＴＤＡ方式の測定方法は、光ファイバの一端から所定の閾値以上の光強度の光パルス（ポンプ光）を入射し、光ファイバの他端からプローブ光を入射し、ポンプ光による誘導ブリルアン散乱現象によるプローブ光の変化成分を測定する方法である（特許文献３参照）。

ところで、ＢＯＴＤＲ方式の測定方法及びＢＯＴＤＡ方式の測定方法においては、光ファイバに入射させるパルス光のパルス幅を小さくすることによって空間分解能が向上することが知られているが、パルス幅を所定値以下にした場合にはブリルアン散乱光の中心周波数を精度良く測定できなくなるため、その空間分解能は２〜３ｍ程度とされていた。
このようなブリルアン散乱光を利用した測定方法における空間分解能を高めるために、非特許文献１には、音響波の過渡現象を考慮した分布型光ファイバセンサシステムが提案されている。この分布型光ファイバセンサシステムは、ブリルアン散乱を引き起こす音響波が機械的振動であるため、瞬時に振動を始めることができない過渡現象が存在することに着目したものである。具体的には、ポンプ光を第１ポンプ光及び第２ポンプ光とし、第１ポンプ光を光ファイバに伝搬させた後に、測定用のブリルアン散乱光を生じさせる第２ポンプ光を伝搬させることで、測定用のブリルアン散乱光に過渡現象が生じることを防止することで、１０ｃｍ程度の高空間分解能が実現できるとしている。
また、特許文献４には、時間領域計測とは全く異なる原理にて、ｃｍレベルの高空間分解能を実現可能な装置が提案されている。この装置は、周波数変換器を用いてプローブ光の中心周波数をポンプ光とプローブ光の中心周波数の周波数差がブリルアン周波数シフト近傍となるように変化させ、その上で、光源の発振周波数を変調することで、両光の位相が同期する位置において選択的にポンプ光からプローブ光へのパワーの移動が発生することに着目したものである。そして、光ファイバから出射されたプローブ光のパワーを光検出器で検出することによって、両光の位相が同期する位置におけるブリルアンスペクトルを測定するものである。このような装置によれば、１ｃｍ程度の高空間分解能が実現できるとしている。この方式は、ＢＯＣＤＡ（Brillouin Optical Correlation Domain Analysis）方式と呼ばれている。
特許第２５７５７９４号公報 特許第３４８１４９４号公報 特許第２５８９３４５号公報 特許第３６６７１３２号公報 李哲賢、津田勉、岸田欣増、電子情報通信学会技術研究報告 ＯＦＴ２００５−１６、 Ｐ．１−６（ＰＰＰ−ＢＯＴＤＡ測定技術を用いた１０ｃｍ分解能ブリルアン分布計測の実現）

しかしながら、非特許文献１及び特許文献４は、光ファイバの両端から測定光を入射する方式に対してなされたものであり、ＢＯＴＤＲ方式の測定方法に対して高空間分解能を実現可能な提案はなされていない。
ＢＯＴＤＡ方式あるいはＢＯＣＤＡ方式の測定方法では、光ファイバの両端から測定光（ポンプ光及びプローブ光）を入射する必要があり、装置構成が複雑化したり、装置コストが高くなることから、ＢＯＴＤＲ方式の測定方法にて高空間分解能を実現できる方法が要望されている。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ブリルアン散乱現象を用いた測定方法にて、光ファイバの片側端部のみからの信号光入射にて高空間分解能を実現することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、コヒーレント光から生成するパルス光を光ファイバへ出射し、上記光ファイバからの後方ブリルアン散乱光と上記コヒーレント光とを合波することによって得られる光信号を電気信号に変換し、該電気信号に基づいて上記光ファイバの特性を求める光ファイバ特性測定装置において、第１パルス光と第２パルス光との時間間隔が光ファイバ中の音響波の寿命以下の時間間隔とされたパルス列を上記コヒーレント光から生成して上記光ファイバへ出射する光パルス生成手段と、上記第１パルス光の後方ブリルアン散乱光及び上記第２パルス光の後方ブリルアン散乱光とを含む後方ブリルアン散乱光と、上記コヒーレント光とを合波することによって得られる光信号を電気信号に変換する検波手段と、上記電気信号と、該電気信号を上記第１パルス光と上記第２パルス光との時間間隔分遅延させた電気信号との和をとることによって干渉信号を生成し、該干渉信号に基づいて上記光ファイバの特性を求める信号処理手段と、上記電気信号よりブリルアンスペクトルを得るための電気的あるいは光学的な周波数可変手段とを備えることを特徴とする。

このような特徴を有する本発明によれば、第１パルス光と第２パルス光との間隔が光ファイバ中の音響波の寿命以下の時間間隔とされたパルス列が上記コヒーレント光から生成され、第１パルス光の後方ブリルアン散乱光及び第２パルス光の後方ブリルアン散乱光とを含む後方ブリルアン散乱光と、コヒーレント光とを合波することによって得られる光信号が電気信号に変換され、該電気信号と該電気信号を上記第１パルス光と上記第２パルス光との時間間隔分遅延させた電気信号との和をとることによって干渉信号が生成され、この干渉信号に基づいて上記光ファイバの特性が求められる。

また、本発明においては、上記コヒーレント光の偏波面、あるいは、上記第１パルス光の上記後方ブリルアン散乱光及び上記第２パルス光の上記後方ブリルアン散乱光の偏波面を変更可能な偏波面変更手段を備えるという構成を採用することができる。

また、本発明においては、上記光ファイバへ出射される上記パルス列に含まれる不要成分を除去する不要成分除去手段を備えるという構成を採用することができる。

また、本発明においては、上記後方ブリルアン散乱光の周波数シフト量に略一致する周波数を有する混合用信号を生成する信号発生手段と、上記混合用信号を上記電気信号に混合する混合手段とを備えるという構成を採用することができる。

また、本発明においては、前記音響波の寿命とは、前記音響波のエネルギがピークパワーから該ピークパワーの５％以下になるまでの時間であるという構成を採用することができる。

本発明によれば、第１パルス光と第２パルス光との間隔が光ファイバ中の音響波の寿命以下の時間間隔とされたパルス列が上記コヒーレント光から生成され、第１パルス光の後方ブリルアン散乱光及び第２パルス光の後方ブリルアン散乱光とを含む後方ブリルアン散乱光と、コヒーレント光とを合波することによって得られる光信号が電気信号に変換され、該電気信号と該電気信号を上記第１パルス光と上記第２パルス光との時間間隔分遅延させた電気信号との和をとることによって干渉信号が生成される。このようにして生成された干渉信号のブリルアンスペクトルは、第１パルス光の後方ブリルアン散乱光のブリルアンスペクトル及び第２パルス光の後方ブリルアン散乱光のブリルアンスペクトルと比較して急峻なブリルアンスペクトルを示す。よって、干渉信号に基づいて上記光ファイバの特性を求めることによって、ブリルアン周波数シフトの検出が極めて容易となり、実効的に空間分解能の向上が達成できる。
よって、本発明によれば、ブリルアン散乱現象を用いた測定方法にて、光ファイバの片側端部のみからの信号光入射にて高空間分解能を実現することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明に係る光ファイバ特性測定装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１は、本第１実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ１の機能構成を示すブロック図である。図１に示すように、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ１は、光源１、分岐カプラ２、光パルス発生回路３（光パルス生成手段）、光増幅器４、光方向性結合器５、光コネクタ６、被測定光ファイバ７、バランス受光回路８（検波手段）、第１増幅器９、信号発生部１０（信号発生手段）、ミキサ１１（混合手段）、ローパスフィルタ１２、第２増幅器１３及び信号処理部１４（信号処理手段）を備えている。

光源１は、狭線幅のコヒーレント光１ａを発光するものであり、例えば、１．５５μｍ帯のＭＱＷ−ＤＦＢ（多重量子井戸−分布帰還型）半導体レーザ等を用いることができる。なお、本実施形態において、光源１が発光するコヒーレント光１ａの周波数は、周波数ｆ_０として表すものとする。

分岐カプラ２は、入射ポート１つと出射ポート２つを有する１×２の光分岐結合器であって、入射ポートに入射したコヒーレント光１ａを２つの出射ポートに分割し、それぞれコヒーレント光２ａ，２ｂとして出射するものである。

光パルス発生回路３は、高速光スイッチ等であって、スイッチのオン／オフによってコヒーレント光２ａから、要求される空間分解能を達成しうるパルス幅数ｎ秒程度のパルス光を生成して被測定光ファイバ７に向けて出射するものである。そして、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ１においては、光パルス発生回路３によって、単一のパルス光ではなく、パルス幅数ｎ秒のパルス光が２つ連続されたパルス列３ａが生成される。

このパルス列３ａが有する２つのパルス光のうち、先に生成される第１パルス光３ａ１と、後に生成される第２パルス光３ａ２との時間間隔は、被測定光ファイバ７中の音響波の寿命以下の時間間隔とされ、好ましくは１０ｎ秒以下であることが望ましい。なお、ここで言う音響波の寿命とは、広義には、被測定光ファイバ７の内部に発生する音響波の寿命であり、所定の音響波が発生してから消滅するまでの時間を含むものである。しかしながら、後述する干渉信号をより確実に生成するためには、前記音響波のエネルギがピークパワーから該ピークパワーの５％以下になるまでの時間とすることが好ましい。例えば、音響波のエネルギが下式（１）に基づいて減衰するものとした場合には、ピークパワーが５％以下にまるまでの時間とは、（ｔ＞３Τａ）となるまでの時間と示すことができる。ただし、式（１）においてΤａは音響波の減衰時間である。
ｅｘｐ［−ｔ／Τａ］……（１）

また、パルス列３ａの発生周期は、被測定光ファイバ７の長さ（すなわち、距離レンジ）に依存しており、例えば１０ｋｍの距離レンジであれば、その発生周期は２００μ秒程度であり、１ｋｍの距離レンジであればその発生周期は２０μ秒である。

光増幅器４は、Ｅｒ（エルビウム）ドープファイバを用いた光ファイバ増幅器などであって、入射するパルス列３ａを所定のレベルにまで増幅して出射するものである。

光方向性結合器５は、光サーキュレータ等が用いられる。この光方向性結合器５は、入射ポート５１に入射したパルス列３ａを出射／入射ポート５２から出射するとともに、光コネクタ６を介して出射／入射ポート５２に入射される被測定光ファイバ７からの戻り光７ａを出射ポート５３から出射するものである。

光コネクタ６は、光方向性結合器５の出射／入射ポート５２と被測定光ファイバ７の片側端部とを接続するものであり、光方向性結合器５から入射するパルス列３ａを被測定光ファイバ７に向けて出射するとともに、被測定光ファイバ７からの戻り光７ａを光方向性結合器５に向けて出射する。

ここで、被測定光ファイバ７からの戻り光７ａに含まれる光信号のうち、自然ブリルアン散乱光（後方ブリルアン散乱光）は、被測定光ファイバに入射されたパルス列３ａの周波数すなわちコヒーレント光１ａの周波数ｆ_０に対して約９〜１２ＧＨｚ周波数がシフトしている。つまり、周波数シフトの周波数をｆｓとすれば、戻り光７ａの周波数ｆｂには“ｆ_０±ｆｓ”が含まれることとなる。一方、戻り光７ａに含まれる光信号のうち、レイリー散乱光やフレネル反射光に関しては周波数シフトｆｓが“０”であることから、戻り光７ａの周波数ｆｂには、“ｆ_０”が含まれることとなる。
なお、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ１においては、被測定光ファイバ７に入射されるパルス列３ａは、時間間隔が音響波の寿命以下の時間間隔とされた第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２とを有している。このため、被測定光ファイバ７からの戻り光７ａには、第１パルス光３ａ１の戻り光と第２パルス光３ａ２の戻り光とが重なって存在することとなる。すなわち、被測定光ファイバ７からの戻り光７ａは、第１パルス光３ａ１の戻り光と、第２パルス光３ａ２の戻り光とを含んでいる。

バランス受光回路８は、コヒーレント光２ｂと戻り光７ａとを合波することによって得られる光信号を電気信号に変換するものであり、合分岐カプラ８１と光−電気変換回路８２とを備える。
合分岐カプラ８１は、上記分岐カプラ２から出射された周波数ｆ_０のコヒーレント光２ｂと光方向性結合器５を介して出射された周波数ｆｂ（＝“ｆ_０±ｆｓ”、 “ｆ_０”）の戻り光７ａとを合波することによって光信号８１ａを得るものである。なお、光信号８１ａの周波数成分は、 “ｆ_０”と、“ｆ_０±ｆｓ”との３つの周波数成分となる。
光−電気変換回路８２は、光信号８１ａを電気信号８２ａに変換して直流と“ｆｓ”を出力するものである。
ここで、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ１においては、上述のように、被測定光ファイバ７からの戻り光７ａには、第１パルス光３ａ１の戻り光と第２パルス光３ａ２の戻り光の２種類が含まれている。このため、合分岐カプラ８１での合波によって生じる光信号８１ａ及びこの光信号８１ａから変換される電気信号８２ａについても、第１パルス光３ａ１の戻り光に属する成分と、第２パルス光３ａ２の戻り光に属する成分との２種類が含まれることとなる。そして、第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２とは、音響波の寿命以下の時間間隔を有しているため、バランス受光回路８から出力される電気信号８２ａには、第１パルス光３ａ１の戻り光に属する成分と第２パルス光３ａ２の戻り光に属する成分とが、第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２との時間間隔と同一の時間間隔に相当する遅延差をもって含まれている。

第１増幅器９は、ミキサ１１（後述）が処理するのに適したレベルまで電気信号８２ａを増幅して出力するものである。
なお、電気信号８２ａに含まれる周波数成分のうち、直流成分は電気回路を交流結合等することによって除去するものとする。

信号発生部１０は、正弦波のＲＦ（無線周波数）信号１０ａを混合用信号として発生させる信号発生回路１０１と、ＲＦ信号１０ａの周波数ｆｒを設定する制御回路１０２とによって構成されている。なお、本実施形態において、周波数ｆｒは、ブリルアン散乱光を検出するために戻り光の周波数シフトｆｓの近傍である約８〜１２ＧＨｚの範囲で可変される。このように、信号発生部１０において周波数ｆｒを可変することによって、電気信号８２ａのスペクトルが測定可能となる。すなわち、本実施形態において、信号発生部１０は、本発明の周波数可変手段としての機能も有している。

ミキサ１１は、バランス受光回路８から出力される電気信号８２ａと信号発生部１０から出力されるＲＦ信号１０ａを混合して、電気信号８２ａの周波数をＲＦ信号１０ａの周波数ｆｒだけ低下させた電気信号１１ａ（ベースバンド信号）を出力する。ここで、ＲＦ信号１０ａの周波数ｆｒは戻り光の周波数シフトｆｓの近傍に設定されているため、上述した２つの周波数成分のうち、周波数シフトｆｓの値を周波数ｆｒだけ低減させた周波数成分が直流成分（ベースバンド）に近づくことになる。したがって、この周波数成分は、ミキサ１１の後段に位置する電気回路（すなわち、ローパスフィルタ１２、第２増幅器１３、信号処理部１４）で容易に処理可能な周波数領域となる。
ここで、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ１においては、バランス受光回路８から、第１パルス光３ａ１の戻り光に属する成分と第２パルス光３ａ２の戻り光に属する成分とが、第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２との時間間隔と同一の時間間隔に相当する遅延差をもって含まれた電気信号８２ａが出力される。このため、ミキサ１１から出力される電気信号１１ａにも、第１パルス光３ａ１の戻り光に属する成分と第２パルス光３ａ２の戻り光に属する成分とが、第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２との時間間隔と同一の時間間隔に相当する遅延差をもって含まれている。
ここでは、所望の電気信号１１ａを得るためにミキサ回路１１、信号発生部１０を用いたが、合波に用いるコヒーレント光を光周波数変換して上記ブリルアン散乱光に略一致する光周波数を有するコヒーレント光を生成し、該コヒーレント光を合波することで同様な効果が得られる。あるいは送出パルス光３ａに対して後方散乱光の周波数シフト量に略一致する周波数だけシフトさせる光周波数変換器を用いても同様の効果が得られる。

ローパスフィルタ１２は、ミキサ１１から出力される電気信号１１ａに含まれるノイズ等の高周波成分を除去してＳ／Ｎ比（信号／ノイズ比）を向上させるための回路である。

第２増幅器１３は、ローパスフィルタ１２から出力される電気信号１１ａを信号処理部１４に適したレベルまで増幅するものである。

信号処理部１４は、電気信号１１ａと該電気信号１１ａを第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２との時間間隔分だけ遅延させた電気信号との和をとることによって干渉信号を生成する、すなわち電気信号１１ａに含まれる第１パルス光３ａ１の戻り光に属する成分（以下、第１パルス光成分と称する）と、第２パルス光３ａ２の戻り光に属する成分（以下、第２パルス光成分と称する）とを時間軸を合わせて和をとることによって干渉信号を生成し、この干渉信号から被測定光ファイバ７の特性を測定するものである。
この信号処理部１４の具体的な構成としては、例えば図２に示すように、第１パルス光成分及び第２パルス光成分を含むアナログ信号１１ａをデジタル信号１１ａ１に変換して並列に出力するＡ／Ｄコンバータ１４１と、一方のデジタル信号１１ａを、第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２との時間間隔分だけ遅延させてデジタル信号１１ａ２として出力する遅延器１４２と、デジタル信号１１ａ１とデジタル信号１１ａ２との和をとることによって干渉信号１１ａ３を生成する加算器１４３と、干渉信号１１ａ３を二乗検波処理する二乗検波処理部１４４とを備える構成が挙げられる。なお、この遅延器１４２の機能は、ソフトウェア上で行うことも可能である。
また、信号処理部１４の他の構成としては、例えば図３に示すように、分岐したアナログ信号１１ａの一方をデジタル信号１１ａ１に変換するＡ／Ｄコンバータ１４５と、分岐したアナログ信号１１ａの他方をデジタル信号１１ａ１に変換するＡ／Ｄコンバータ１４６と、該Ａ／Ｄコンバータ１４６から出力されるデジタル信号１１ａ１を、第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２との時間間隔分だけ遅延させてデジタル信号１１ａ２として出力する遅延器１４２と、加算器１４３と、二乗検波処理部１４４とを備える構成が挙げられる。
また、信号処理部１４の他の構成としては、例えば図４に示すように、分岐したアナログ信号１１ａの一方を、第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２との時間間隔分だけ遅延させてアナログ信号１１ａ４として出力する遅延器１４７と、アナログ信号１１ａと、遅延されたアナログ信号１１ａ４との和をアナログ信号のままとることによって干渉信号１１ａ５を生成する加算器１４８と、干渉信号１１ａ５をデジタル信号に変換して干渉信号１１ａ３として出力するＡ／Ｄコンバータ１４９と、二乗検波処理部１４４とを備える構成が挙げられる。
なお、二乗検波処理としてソフトウェアを用いた処理を想定しているため、いずれの構成も、Ａ／Ｄコンバータを備えているが、二乗検波処理としてハードウェアを用いた処理を行う場合には、信号処理部１４は、必ずしもＡ／Ｄコンバータを備える必要はない。
以後、ＲＦ信号１０ａの周波数ｆｒをブリルアン散乱光を検出するために周波数シフトｆｓの近傍で可変しながら上記処理を繰り返すことでブリルアンスペクトルが得られる。
そして、本実施形態の信号処理部１４は、被測定光ファイバ７の特性（歪みや損失）を測定するのみではなく、さらに時間軸上で戻り光７ａを検出して歪み特性や光損失特性の距離分布を求める。

なお、ブリルアン散乱光は、被測定光ファイバ７中の同一の音響波にパルス光が反射することによって生成されたブリルアン散乱光同士は干渉し、異なる音響波にパルス光が反射することによって生成されたブリルアン散乱光同士は干渉しないという特性を有している。音響波は速度を有しているものの、パルス光の速度に対して極めて遅いため、同一の音響波にパルス光が反射されることによって生成されたブリルアン散乱光同士は、被測定光ファイバ７中の同一箇所にて生成されたものと考えることができる。すなわち、ブリルアン散乱光同士が、被測定光ファイバ７中の同一箇所にて生成されたものであれば干渉するが、被測定光ファイバ７中の異なる箇所にて生成されたものであれば干渉しない。
ここで、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ１においては、第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２との時間間隔が、被測定光ファイバ７中の音響波の寿命以下とされている。このため、被測定光ファイバ７中の所定の音響波にて第１パルス光３ａ１が反射することによって後方ブリルアン散乱光が生成されると、同一の音響波によって第２パルス光３ａ２も反射され、戻り光７ａに干渉可能な後方ブリルアン散乱光が含まれることとなる。よって、信号処理部１４において両者を時間を合わせて和をとることにより干渉信号を生成することが可能となっている。
本実施形態では、干渉可能な後方ブリルアン散乱光を発生し得る第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２との最長時間間隔を音響波の寿命としている。このため、例えば、第１パルス光３ａ１が消滅寸前の音響波によって反射された場合には、第２パルス光３ａ２が到達する前にその音響波が消滅してしまうことで、第１パルス光３ａ１から生成されたブリルアン散乱光の干渉相手が存在しないような場合も考えられる。このような場合には信号処理部１４において干渉信号を生成することができなくなるが、第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２との時間間隔が、音響波の寿命以下とされていれば、全てのブリルアン散乱光に対して干渉相手が存在しないことは考えられない。そして、干渉信号が生成された場合に、当該干渉信号を用いて被測定光ファイバ７の特性を測定することによって、被測定光ファイバ７の全長に亘って十分な特性測定を行うことができる。

次に、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ１の動作について説明するが、以下の動作説明においては、第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２とが被測定光ファイバ７中において同一の音響波に到達することを前提とする。

光源１から周波数ｆ０のコヒーレント光１ａが出射されると、コヒーレント光１ａは、分岐カプラ２に入射し、分岐カプラ２によって光パルス発生回路３へ出射されるコヒーレント光２ａと、バランス受光回路８へ出射されるコヒーレント光２ｂとに分岐される。
コヒーレント光２ａが光パルス発生回路３に入射すると、光パルス発生回路３によって、コヒーレント光２ａから、被測定光ファイバ７中の音響波の寿命以下の時間間隔とされる第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２とからなるパルス列３ａが生成される。

パルス列３ａは、光増幅器４によって増幅された後、光方向性結合器５の入射ポート５１に入射する。その後、パルス列３ａは、光方向性結合器５の出射／入射ポート５２から出射され、光コネクタ６を介して被測定光ファイバ７の片側端部から入射する。

このように、被測定光ファイバ７の片側端部からパルス列３ａが入射すると、被測定光ファイバ７中において、第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２とが同一音響波に到達することによって、ブリルアン散乱光が発生する。このため、被測定光ファイバ７からの戻り光７ａには、第１パルス光３ａ１の後方ブリルアン散乱光成分と第２パルス光３ａ２の後方ブリルアン散乱光成分とが、第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２との時間間隔と同一間隔時間の遅延を有したまま重なって出射される。

なお、上述のように、戻り光７ａはブリルアン散乱現象に特有の周波数シフトｆｓを受けることから、戻り光７ａの周波数ｆｂには“ｆ_０±ｆｓ”が含まれることとなる。また、戻り光７ａには、レイリー散乱光及びフレネル反射光も含まれているため、周波数ｆｂには“ｆ_０”も含まれることなる。

このような戻り光７ａは光コネクタ６を介して光方向性結合器５の出射／入射ポート５２から入射された後、出射ポート５３から出射されてバランス受光回路８に入射する。
バランス受光回路８に入射した戻り光７ａは、合分岐カプラ８１によってコヒーレント光２ｂと合波される。これによって光信号８１ａが生成され、この光信号８１ａが光−電気変換回路８２によって電気信号８２ａに変換される。なお、上述のように、電気信号８２ａには、直流成分と、“ｆｓ”の２つの周波数成分が含まれる。

電気信号８２ａは、第１増幅器９によって増幅され、この際、自らが含む周波数成分のうち直流成分が除去される。そして、増幅された電気信号８２ａは、ミキサ１１に入力される。
一方、信号発生部１０では、制御回路１０２が信号発生回路１０１を制御することによって、周波数シフトｆｓの近傍に設定された周波数ｆｒのＲＦ信号１０ａが生成される。そして、このＲＦ信号１０ａもミキサ１１に入力される。
この結果、電気信号８２ａとＲＦ信号１０ａとが混合される。このように、電気信号８２ａとＲＦ信号１０ａとを混合して電気信号８２ａの周波数を周波数ｆｒだけ低下させると、周者数シフト“ｆｓ”の周波数成分が直流成分の近くまで低減され、その結果、第１パルス光３ａ１及び第２パルス光３ａ２によるブリルアン散乱光のベースバンド領域まで周波数ダウンした電気信号１１ａが得られる。すなわち、電気信号８２ａに含まれる３つの周波数成分の中から周波数“ｆｓ”の信号成分のみが検出され、後方ブリルアン散乱光に相当する電気信号だけを処理可能となる。
そして電気信号１１ａはローパスフィルタ１２にて高周波成分を除去され、第２増幅器１３で増幅された後に信号処理部１４に入力する。

ここで、信号処理部１４に入力される電気信号１１ａには、第１パルス光３ａ１の戻り光（後方ブリルアン散乱光）に属する成分と、第２パルス光３ａ２の戻り光（後方ブリルアン散乱光）に属する成分とを含むものである。そして、このアナログ信号１１ａは、信号処理部１４に入力される。この時、第１パルス光成分に基づくブリルアンスペクトルと第２パルス光成分に基づくブリルアンスペクトルとは、第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２との時間間隔に相当する位相差を有している。

第１パルス光成分に基づくブリルアンスペクトルは、従来測定方法のように、単一パルスのみを被測定光ファイバ７に入射した場合と同様に、図５に示すようなブロードなものとなる。また、第２パルス光成分に基づくブリルアンスペクトルも、第１パルス光成分に基づくブリルアンスペクトルと同様に、ブロードなものとなる。
そして、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ１においては、電気信号１１ａと、該電気信号１１ａを第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２との時間間隔分遅延させた電気信号との和をとる、すなわち第１パルス光成分と、第２パルス光成分とを時間軸を合わせて和をとることによって干渉信号１１ａ３を生成する。この干渉信号１１ａ３のブリルアンスペクトルは、第１パルス光成分に基づくブリルアンスペクトルと、第２パルス光成分に基づくブリルアンスペクトルとが第１パルスと第２パルスとの時間間隔に相当する位相差を有しているため、図６に示すように、狭窄化され急峻なものとなる。そして、信号処理部１４は、この狭窄化され急峻なブリルアンスペクトルを有する干渉信号１１ａ３を用いて被測定光ファイバ７の特性を測定する。このような狭窄化され急峻なブリルアンスペクトルを有する干渉信号１１ａ３を用いることによって、ブリルアン周波数シフトを高精度で検出することが可能となり、空間分解能が向上される。

このように本実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ１によれば、第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２との間隔が被測定光ファイバ７中の音響波の寿命以下の時間間隔とされたパルス列３ａがコヒーレント光２ａから生成され、第１パルス光３ａ１の戻り光（後方ブリルアン散乱光）と第２パルス光３ａ２の戻り光とを含む光信号が、コヒーレント光と合波された後に電気信号に変換され、第１パルス光成分と、第２パルス光成分との時間軸を合わせて和をとることにより干渉信号１１ａ３が生成される。このようにして生成された干渉信号１１ａ３は、第１パルス光成分に基づくブリルアンスペクトルと、第２パルス光成分に基づくブリルアンスペクトルと比較して狭窄化され急峻なブリルアンスペクトルを示す。よって、干渉信号１１ａ３に基づいて被測定光ファイバ７の特性を求めることによって、ブリルアン周波数シフトの検出が極めて容易となり、実効的に空間分解能の向上が達成できる。
よって、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ１によれば、ブリルアン散乱現象を用いた測定方法にて、光ファイバの片側端部のみからの信号光入射にて高空間分解能を実現することが可能となる。

図７は、第１パルス光３ａ１と第２パルス光３ａ２との間隔を５ｎｓｅｃとし、第１パルス光３ａ１及び第２パルス光３ａ２のパルス幅を２ｎｓｅｃとした場合の光ファイバ中の一点から戻るブリルアン散乱光の本発明による測定信号のシミュレーション結果を示すグラフである。この図において、−５ｎｓｅｃに示される波形が第１パルス光成分に基づくブリルアンスペクトルであり、＋５ｎｓｅｃに示される波形が第２パルス光成分に基づくブリルアンスペクトルである。そして、本シミュレーションでは、シミュレーション上にて、第１パルス光成分と第２パルス光成分との時間軸を合わせて和をとることによって干渉信号１１ａ３を生成した。この結果が、０ｎｓｅｃに示されるブリルアンスペクトルである。
このシミュレーションから、ブロードなブリルアンスペクトルを示す第１パルス光成分と第２パルス光成分の時間軸を合わせて和をとることによって、急峻なブリルアンスペクトルを有する干渉信号１１ａ３を生成できることが分かる。

また、図８は、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ１において、被測定光ファイバ７に歪み分布を意図的に形成した場合の測定結果を示すグラフである。また、図９は、従来の光ファイバ特性測定装置（単一パルス光を用いる測定方法）において、被測定光ファイバに同様の歪み分布を意図的に形成した場合の測定結果を示すグラフである。
これらの図を比較することから分かるように、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ１の測定結果は、従来の光ファイバ特性測定装置の測定結果と比較して、被測定光ファイバに形成された歪み分布と近いものとなっている。したがって、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ１によれば、実効的に空間分解能の向上が達成できる。
なお、図８に示す測定結果では、生データを信号処理部１４で演算処理することによって得られたものであり、ブリルアンスペクトルにノイズ除去フィルタを施したり、カーブフィッティングで近似処理することや、得られるブリルアンスペクトルが周期的に変動することを利用したフィルタ処理を施すことによって、より高精度な歪み分布測定が可能になる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図１０は、本第２実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ２の機能構成を示したブロック図である。
この図に示すように、本第２実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ２は、分岐カプラ２とバランス受光回路８との間に偏波制御装置２０（偏波制御手段）が設置されている。この偏波制御装置２０は、コヒーレント光２ｂの偏波面を高速に変化させることによってランダムに変更するものである。

上記第１実施形態においては、バランス受光回路８の合分岐カプラ８１に入力されるコヒーレント光２ｂと戻り光７ａとは、偏波状態の関係が一定であることを仮定している。しかしながら、このような条件が満足されるのは、偏波保持光ファイバのような特殊な光ファイバ、あるいは、偏波面がランダム化されてしまう多モード光ファイバだけである。つまり、一般的な光ファイバを被測定光ファイバ７として用いた場合には、上記条件が満足されない。
一方、バランス受光回路８での検波感度は、コヒーレント光２ｂの偏波方向と戻り光７ａの偏波方向とが一致する場合に最大値をとり、直交するときには零となる、偏波依存性を有する。

このため、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ２のように、偏波制御装置２０によって、コヒーレント光２ｂの偏波面を高速に変化させることによってランダムに変更することで、バランス受光回路８での検波感度を平均化することができる。これによって、バランス受光回路８の偏波依存性を打ち消すことができる。

なお、偏波制御装置２０によって、コヒーレント光２ｂの偏波面を所定の単位時間毎に９０°変化させ、複数の単位時間における測定結果の二乗和平均をとる方法によってもバランス受光回路８の偏波依存性を打ち消すことができる。

また、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ２においては、偏波制御装置２０を分岐カプラ２とバランス受光回路８との間に設置する構成を採用した。しかしながら、これに限られるものではなく、分岐カプラ２と光方向性結合器５との間や光方向性結合器５と被測定光ファイバ７との間に偏波制御装置を設置し、パルス列３ａあるいは戻り光７ａの偏波状態を変更しても同様の効果が得られる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態について説明する。なお、本第３実施形態の説明においても、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図１１は、本第３実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ３の機能構成を示したブロック図である。
この図に示すように、本第３実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ３は、ＡＳＥ光除去用光スイッチ３０（不要成分除去手段）が設置されている。このＡＳＥ光除去用光スイッチ３０は、光増幅器４にてパルス列３ａを増幅することによってパルス列３ａに乗ってくるノイズ成分（ＡＳＥ光）を除去するものである。

上記第１実施形態においては、光増幅器４で発生するノイズ成分（不要成分）は無視できると仮定していたが、実際には、パルス列３ａや戻り光７ａのＳ／Ｎ劣化を生じさせる虞があるため、除去することが好ましい。
したがって、本実施形態の光ファイバ特性測定装置Ｓ３のようにＡＳＥ光除去用光スイッチ３０を設置することによって、パルス列３ａや戻り光７ａのＳ／Ｎ劣化を抑制することが可能となる。

また、パルス列３ａに乗ってくるノイズ成分を除去するという同一の観点から、光パルス発生回路３のオフ時の漏れ光を除去する除去部を光パルス発生回路３の後段に設置しても良い。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る光ファイバ特性測定装置の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

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機能構成を示すブロック図である。 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が備える信号処理部の具体的な構成の一例を示すブロック図である。 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が備える信号処理部の具体的な構成の一例を示すブロック図である。 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が備える信号処理部の具体的な構成の一例を示すブロック図である。 第１パルス光電気信号のブリルアンスペクトルについて説明するための説明図である。 干渉信号のブリルアンスペクトルについて説明するための説明図である。 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シミュレーション結果を示すグラフである。 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測定結果を示すグラフである。 従来の光ファイバ特性測定装置の測定結果を示すグラフである。 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機能構成を示すブロック図である。 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機能構成を示すブロック図である。

符号の説明

Ｓ１〜Ｓ３……光ファイバ特性測定装置、１……光源、２……分岐カプラ、３……光パルス発生回路（光パルス発生手段）、４……光増幅器、５……光方向性結合器、６……光コネクタ、７……被測定光ファイバ（光ファイバ）、８……バランス受光回路（合波手段）、９……第１増幅器、１０……信号発生部（信号発生手段，可変手段）、１１……ミキサ（混合手段）、１２……ローパスフィルタ、１３……第２増幅器、１４……信号処理部（信号処理手段）、２０……偏波制御装置（偏波制御手段）、３０……ＡＳＥ光除去用光スイッチ（不要成分除去手段）、１ａ，２ａ，２ｂ……コヒーレント光、３ａ……パルス列、３ａ１……第１パルス光、３ａ２……第２パルス光、７ａ……戻り光（後方ブリルアン散乱光）、１０ａ……ＲＦ信号（混合用信号）、１１ａ３……干渉信号

Claims (5)

1. コヒーレント光から生成するパルス光を光ファイバへ出射し、前記光ファイバからの後方ブリルアン散乱光と前記コヒーレント光とを合波することによって得られる光信号を電気信号に変換し、該電気信号に基づいて前記光ファイバの特性を求める光ファイバ特性測定装置において、
   第１パルス光と第２パルス光との時間間隔が光ファイバ中の音響波の寿命以下の時間間隔とされたパルス列を前記コヒーレント光から生成して前記光ファイバへ出射する光パルス生成手段と、
   前記第１パルス光の後方ブリルアン散乱光及び前記第２パルス光の後方ブリルアン散乱光とを含む後方ブリルアン散乱光と、前記コヒーレント光とを合波することによって得られる光信号を電気信号に変換する検波手段と、
   前記電気信号と、該電気信号を前記第１パルス光と前記第２パルス光との時間間隔分遅延させた電気信号との和をとることによって干渉信号を生成し、該干渉信号に基づいて前記光ファイバの特性を求める信号処理手段と、
   前記電気信号よりブリルアンスペクトルを得るための電気的あるいは光学的な周波数可変手段と
   を備えることを特徴とする光ファイバ特性測定装置。
2. 前記コヒーレント光の偏波面、あるいは、前記第１パルス光の後方ブリルアン散乱光及び前記第２パルス光の後方ブリルアン散乱光を含む前記後方ブリルアン散乱光の偏波面を変更可能な偏波面変更手段を備える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。
3. 前記光ファイバへ出射される前記パルス列に含まれる不要成分を除去する不要成分除去手段を備える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。
4. 前記後方ブリルアン散乱光の周波数シフト量に略一致する周波数を有する混合用信号を生成する信号発生手段と、前記混合用信号を前記電気信号に混合する混合手段とを備えることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の光ファイバ特性測定装置。
5. 前記音響波の寿命とは、前記音響波のエネルギがピークパワーから該ピークパワーの５％以下になるまでの時間であることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の光ファイバ特性測定装置。
   

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