JP2009115509A - 光周波数領域反射測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定される任意の位置からの反射光強度を調節することができ、強反射点近傍においても高分解能な測定を行えるようにする。
【解決手段】コヒーレント光源１１から出力されるコヒーレント光の変調側波帯周波数をＤＳＢ−ＳＣ変調器１２を用いて掃引し、かつ信号光中の参照光の光路中の少なくとも一方に遅延時間を付加し（１７，１８）、その遅延時間を調節することで測定される強反射点の反射光強度を減衰させて、位相雑音レベルを低下させ、この状態で再度測定を実施する（２０，２１）。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光部品や光伝送路において、反射光や後方散乱光を高空間分解能で測定する光周波数領域反射測定方法とこの方法を用いた測定装置に関する。

高空間分解能にて光部品や光伝送路からの反射光および後方散乱光を測定することが可能な手法として、コヒーレント光を用いた光周波数領域反射測定（Ｃ−ＯＦＤＲ）法がある。この光周波数領域反射測定方法は、被測定物に周波数掃引されたコヒーレント光を入射し、被測定物からの反射光および後方散乱光と予め分岐された参照光とを合波（コヒーレント検波）し、これによって得られた干渉ビート信号を周波数解析することで、被測定物内の任意の位置での反射光および後方散乱光強度を得て、被測定物の損失分布や故障点の特定を可能にする技術である。

上記Ｃ−ＯＦＤＲ法を実現する従来技術として、非特許文献１、特許文献１に、コヒーレント光源の周波数掃引を外部変調器によって生じる１次変調側波帯を用いて行い、その際に生じる高次変調側波帯でのビート信号と１次変調側波帯によるビート信号とを遅延手段の挿入によって周波数軸上で分離する方法が示されている。

しかしながら、Ｃ−ＯＦＤＲ法においては、非特許文献２に示されるように、被測定物内にフレネル反射等の強反射点が存在する場合、その強反射点での位相雑音によって反射点近傍の情報が埋もれてしまい、その情報が得られないという問題があった。

辻、清水、堀口、小山田、信学技報OPE94-117、LQE94-96(1995-02)

S. Venkatesh and W. V. Sorin, J. Lightwave Techol., Vol. 11, No. 10, pp. 1694-1700, 1993

特開平０８−１４５８４６号公報（特許第３２４３７７４号）

以上述べたように、従来の光周波数領域反射測定方法では、被測定物内にフレネル反射等の強反射点が存在する場合、その強反射点での位相雑音によって反射点近傍の情報が埋もれてしまい、その情報が得られないという問題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、測定される任意の位置からの反射光強度を調節することができ、強反射点近傍においても高分解能な測定を行うことのできる光周波数領域反射測定方法および装置を提供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に係る光周波数領域反射測定方法は、以下のように構成される。
（１）コヒーレント光に光変調を施して変調側波帯を発生させ、この変調側波帯を時間に対して線形に周波数掃引した伝送光を２分岐して一方を参照光、他方を信号光とし、前記信号光を被測定物に入射し、当該被測定物内の任意の位置で反射または後方散乱された信号光と前記参照光を合波させて干渉ビート信号を生じさせ、これを受光して周波数解析することで、前記被測定物内の任意の位置における反射率、損失の少なくともいずれかを測定する光周波数領域測定方法において、前記光変調として両側波帯変調を施し、前記信号光及び参照光の少なくともいずれか一方の光路中で遅延時間を調節することを特徴とする。

（２）（１）において、前記遅延時間の調節は、前記両側波帯変調にて生じた＋Ｎ次と−Ｎ次変調側波帯（Ｎは自然数）のビート信号波形間の重ね合わせ状態を変化させることで、前記被測定物内の任意の位置からの反射光強度を変化させることを特徴とする。

また、この発明に係る光周波数領域反射測定装置は、以下のように構成される。
（３）コヒーレント光源と、前記コヒーレント光源から出力されるコヒーレント光を入射してその両側に変調側波帯を発生させる光変調手段と、前記光変調手段に対して前記両側変調側波帯を時間軸上で線形に周波数掃引する周波数掃引手段と、前記光変調手段の出力光を２分岐して一方を参照光、他方を信号光とする光分岐器と、前記信号光を被測定部に入射し当該被測定物の任意の位置で反射または後方散乱された信号光を被測定光として取り出す被測定光抽出手段と、前記被測定光と前記参照光を合波させて干渉ビート信号光を生じさせる光合波器と、前記光合波器で得られる干渉ビート信号光を受光して電気信号として出力する光受信器と、前記光受信器で得られる干渉ビート信号を周波数解析して前記被測定物内の任意の位置における反射率、損失の少なくともいずれかを測定する周波数解析装置と、前記参照光、信号光の少なくともいずれか一方の遅延時間を調整する可変遅延手段とを具備することを特徴とする。

（４）（３）において、前記可変遅延手段は、前記両側波帯変調にて生じた＋Ｎ次と−Ｎ次変調側波帯（Ｎは自然数）の前記光合成器における干渉ビート信号波形間の重ね合わせ状態を変化させることで、前記被測定物内の任意の位置からの反射光強度を変化させることを特徴とする。

（５）（３）において、前記光変調手段は、搬送波抑圧型の両側波帯変調器（ＤＳＢ−ＳＣ変調器）であることを特徴とする。
（６）（３）において、前記光変調手段は、前記コヒーレント光に両側波帯変調を施す両側波帯変調器（ＤＳＢ変調器）と、前記被測定物の直前に配置される遅延ファイバとを備えることを特徴とする。

すなわち、上記構成による光周波数領域反射測定方法及び装置では、コヒーレント光を用いて光周波数領域反射測定（Ｃ−ＯＦＤＲ）を行う場合に、搬送波抑圧型両側波帯（ＤＳＢ−ＳＣ）変調器を用いてコヒーレント光源からの出力光の周波数を掃引し、かつ信号光中の参照光の光路中の少なくとも一方に遅延時間を付加し、その遅延時間を調節することで測定される強反射点の反射光強度を減衰させて、位相雑音レベルを低下させ、この状態で再度測定を実施する。

要するに本発明によれば、測定される任意の位置からの反射光強度を調節することができ、強反射点近傍においても高分解能な測定を行うことのできる光周波数領域反射測定方法および装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明に係る光周波数領域反射測定方法に基づく測定装置の第１の実施形態を示すブロック構成図である。図１において、コヒーレント光源１１から出力されるコヒーレント光はＤＳＢ−ＳＣ（搬送波抑圧型両側波帯）変調器１２に入力される。このＤＳＢ−ＳＣ変調器１２は、図２に示すように、駆動回路１３から出力されるＲＦ信号によって、コヒーレント光の両側に＋Ｎ次と−Ｎ次変調側波帯（Ｎは自然数）を生じさせるもので、駆動回路１３においてＲＦ信号周波数を掃引することで、ＤＳＢ−ＳＣ変調器１２から出力される変調側波帯の光周波数が掃引される。

尚、上記ＤＳＢ−ＳＣ変調器１２は、Ｎ＝２以上の側波帯および搬送波を２０ｄＢ以上抑圧することができるため、ここでは無視することができる。
このＤＳＢ−ＳＣ変調器１２の出力光は第１の光方向性結合器１４によって２分岐され、一方は信号光として第２の光方向性結合器１５を介して被測定物１６に入射され、他方は参照光として出力される。上記被測定物１６内で反射または後方散乱された信号光は第２の光方向性結合器１５により取り出され、参照光と共にそれぞれ可変遅延器１７，１８を介して第３の光方向性結合器１９に送られ、ここで参照光と合波された後、光受信器２０によって受信検波される。

このように信号光と参照光とを合波すると、その干渉によってビート信号光が発生する。この干渉ビート信号光は光受信器２０で受信検波され、その検波出力の干渉ビート信号はローパスフィルタ２１で不要な周波数成分が除去された後、周波数解析装置２２によって周波数解析され、被測定物１６内の各位置からの反射光および後方散乱光強度分布が測定される。

この時、図３（ａ）に示すように、被測定物１６内の反射が弱い場合には、反射点からの反射光が信号光として取り出すことができるが、図３（ｂ）に示すように、被測定物１６内に強反射点が存在すると、その点の近傍における反射光は、強反射点からの反射光が持つ位相雑音によって覆い隠されてしまう。そこで、測定結果に強反射点が観測された場合は、参照光の光路または信号光の光路中に挿入された可変遅延器１７，１８によって参照光及び信号光間の遅延時間を調節して、測定される強反射点の反射光強度を減衰させて位相雑音レベルを低下させるようにして、再度測定を実施する。

ここからは、上記の反射光強度低減の原理について定量的に説明する。
ＤＳＢ−ＳＣ変調後の光源スペクトルを図４に示すようなモデルで考える。図４において、＋１次側波帯及び−１次側波帯の周波数ｆ₁(ｔ)、ｆ₂(ｔ)は以下のように表される。

ここで、ｆ₀はコヒーレント光源の中心周波数、ｆ_mは駆動回路１３の初期出力ＲＦ信号周波数、γは周波数掃引速度であり、周波数掃引ΔＦおよび周波数掃引時間Ｔ_swpを用いてγ＝ΔＦ／Ｔ_swpと表される。
（１）式を用いると、＋１次および−１次側波帯の電場Ｅ₁(ｔ)、Ｅ₂(ｔ)はそれぞれ以下のようになる。

ここで、Ｅ₀は電界振幅である。この電場に対して時間τだけ遅延した電場（これは、信号光の電場を意味する）は以下のように表される。

ＤＳＢ−ＳＣ変調においては、（２）式及び（３）式に表されるような電場が存在し、これらのビート信号によって生じる光電流は以下のように表される。

Ｅ₁(ｔ)及びＥ₂(ｔ−τ)間、Ｅ₂(ｔ)及びＥ₁(ｔ−τ)間で生じるビート信号は、その周波数が（４）式で生じるビート信号の周波数と比較してはるかに大きいため、ローパスフィルタ２１にて除去することができるので、ここでは考慮する必要はない。

ＤＳＢ−ＳＣ変調器１２を用いたＣ−ＯＦＤＲ測定では、このように＋１次および−１次側波帯に起因した２つの光電流が生じる。これらは同一の時間軸上で測定されるため、この２波の重ねあわせが最終的な出力光電流ｉとなる。直流成分を無視すると、出力光電流ｉによって得られるビート信号パワーＰは以下のように表される。

（５）式の振幅項cos²(２πｆ₀τ)から、ビート信号パワーの振幅は遅延時間τに対して周期ｆ₀で振動することがわかる。この時、強反射点からの信号の参照光に対する遅延時間をτ₀とし、信号光の光路中に挿入した可変遅延器１８によって新たに付与される遅延時間をτ₁とすると、（５）式は以下のように表される。

ここで、（６）式の振幅項cos²[２πｆ₀(τ₀＋τ₁)]が０となる条件は、Ｍを０を含まない自然数とすると、

となり、（７）式を満たすようにτ₁を決定することで、観測される強反射点からの信号パワーのみを０にすることができ、強反射点の位相雑音による影響を除去できる。
一方、参照光の光路中に挿入した可変遅延器１７によって新たに付与される遅延時間をτ₂とすると、同様にして、振幅項が０となる条件は、

であり、上記（８）式を満たすようにτ₂を決定することで、強反射点の位相雑音による影響を除去することができる。
信号光の光路及び参照光の光路の両方に挿入した可変遅延器１７，１８によって新たに付与される遅延時間をそれぞれτ₁，τ₂とすると、

を満たすようにτ₁，τ₂を設定すれば、強反射点の位相雑音による影響を除去することができる。
一例として、（５）式の振幅項についてｆ₀＝２００ＴＨzとした場合の計算結果を図５に示す。図５より、時間に依らず遅延時間τが０．２５×１０^-14秒変化する毎に振幅が０となる点が生じることがわかる。これは参照光の光路及び信号光の光路間に０．５μｍの光路長差が生じる毎に振幅が０となることを示している。

したがって、被測定物１６内に強い反射点が存在する場合、この条件では、意図的に光路長差を最大で０．５μｍだけ調整（遅延時間を０．２５×１０^-14秒調整するのと等価）することで、測定される反射光の位置を振幅が弱くなる地点まで移動させ、反射光強度を弱くすることが可能である。これにより位相雑音が低減し、強反射点近傍の情報を得ることができる。

尚、遅延時間を調節可能な機構としての可変遅延器１７，１８には、図６（ａ）に示すような光ファイバを圧電素子に巻きつける構造や、図６（ｂ）に示すような光ファイバの２点を固定し、片方ないしは両方の固定点を移動させる方法でも実現できる。あるいは、図６（ｃ）に示すように、稼動ミラー構造によって光路長を調整することも可能である。さらに、図６（ｄ）に示すような光位相変調器にて光波の位相を調節することでも同様の効果を得ることができる。尚、遅延時間を調節するための可変遅延器１７，１８は、参照光の光路中、信号光の光路中のどちらか一方または両方に設置すればよい。

上記の実施形態では、＋１次および−１次側波帯のみ生じている場合について述べたが、＋Ｎ次および−Ｎ次の側波帯のみ生じている場合においても同様に反射光強度の調整が可能である。
（第２の実施形態）
図７は、本発明に係る光周波数領域反射測定方法に基づく測定装置の第２の実施形態を示すブロック構成図である。但し、図７において、図１と同一部分には同一符号を付して示し、ここでは異なる部分を中心に説明する。

図７に測定装置では、外部変調器１２としてＤＳＢ変調器を用いる場合の構成を示すものである。このような構成であっても第１の実施形態と全く同様の原理で反射光強度の低減が可能である。但し、ＤＳＢ変調は、図８に示すように搬送波が抑圧されていないため、搬送波同士のビート信号によってＤＣ（直流成分）を中心として光源位相雑音スペクトルが生じる。そこで、被測定物１６の直前にダミーファイバ等の遅延素子２２を挿入し、位相雑音の影響を受けているＤＣ周辺の周波数領域と被測定対象からのビート信号が占める周波数領域とを分離するようにするとよい。

尚、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明に係る光周波数領域反射測定方法に基づく測定装置の第１の実施形態を示すブロック構成図。 図１の装置において、ＤＳＢ−ＳＣ変調後の光源スペクトルの概略を示す特性図。 図１の装置において、距離と反射率との関係で被測定部内の反射が弱い場合と強い場合とを比較して示す波形図。 図１の装置において、ＤＳＢ−ＳＣ変調後の光源スペクトルモデルを表す特性図。 図１の装置において、ビート信号パワーの遅延時間依存性を示す図。 図１の装置において、遅延時間を調節可能な具体的な機構を示す図。 本発明に係る光周波数領域反射測定方法に基づく測定装置の第２の実施形態を示すブロック構成図。 図７の装置において、ＤＳＢ−ＳＣ変調後の光源スペクトルの概略を示す特性図。

符号の説明

１１…コヒーレント光源、１２…ＤＳＢ−ＳＣ変調器、１３…駆動回路、１４，１５，１９…光方向性結合器、１６…被測定物、１７，１８…可変遅延器、２０…光受信器、２１…ローパスフィルタ、２２…周波数解析装置、２３…遅延素子。

Claims (6)

1. コヒーレント光に光変調を施して変調側波帯を発生させ、この変調側波帯を時間に対して線形に周波数掃引した伝送光を２分岐して一方を参照光、他方を信号光とし、前記信号光を被測定物に入射し、当該被測定物内の任意の位置で反射または後方散乱された信号光と前記参照光を合波させて干渉ビート信号を生じさせ、これを受光して周波数解析することで、前記被測定物内の任意の位置における反射率、損失の少なくともいずれかを測定する光周波数領域測定方法において、
   前記光変調として両側波帯変調を施し、前記信号光及び参照光の少なくともいずれか一方の光路中で遅延時間を調節することを特徴とする光周波数領域反射測定方法。
2. 前記遅延時間の調節は、前記両側波帯変調にて生じた＋Ｎ次と−Ｎ次変調側波帯（Ｎは自然数）のビート信号波形間の重ね合わせ状態を変化させることで、前記被測定物内の任意の位置からの反射光強度を変化させることを特徴とする請求項１記載の光周波数反射測定方法。
3. コヒーレント光源と、
   前記コヒーレント光源から出力されるコヒーレント光を入射してその両側に変調側波帯を発生させる光変調手段と、
   前記光変調手段に対して前記両側変調側波帯を時間軸上で線形に周波数掃引する周波数掃引手段と、
   前記光変調手段の出力光を２分岐して一方を参照光、他方を信号光とする光分岐器と、
   前記信号光を被測定部に入射し当該被測定物の任意の位置で反射または後方散乱された信号光を被測定光として取り出す被測定光抽出手段と、
   前記被測定光と前記参照光を合波させて干渉ビート信号光を生じさせる光合波器と、
   前記光合波器で得られる干渉ビート信号光を受光して電気信号として出力する光受信器と、
   前記光受信器で得られる干渉ビート信号を周波数解析して前記被測定物内の任意の位置における反射率、損失の少なくともいずれかを測定する周波数解析装置と、
   前記参照光、信号光の少なくともいずれか一方の遅延時間を調整する可変遅延手段と
   を具備することを特徴とする光周波数領域反射測定装置。
4. 前記可変遅延手段は、前記両側波帯変調にて生じた＋Ｎ次と−Ｎ次変調側波帯（Ｎは自然数）の前記光合成器における干渉ビート信号波形間の重ね合わせ状態を変化させることで、前記被測定物内の任意の位置からの反射光強度を変化させることを特徴とする請求項３記載の光周波数反射測定装置。
5. 前記光変調手段は、搬送波抑圧型の両側波帯変調器（ＤＳＢ−ＳＣ変調器）であることを特徴とする請求項３記載の光周波数領域反射測定装置。
6. 前記光変調手段は、前記コヒーレント光に両側波帯変調を施す両側波帯変調器（ＤＳＢ変調器）と、前記被測定物の直前に配置される遅延ファイバとを備えることを特徴とする請求項３記載の光周波数領域反射測定装置。

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