JP2010185842A - 光周波数領域反射測定方法及び装置 - Google Patents

光周波数領域反射測定方法及び装置 Download PDF

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Abstract

【課題】本発明の課題は、参照干渉計の遅延ファイバが受ける外乱による光波の位相揺らぎを抑庄して、測定距離の長い対象であっても高分解能な測定を行うことが可能な光周波数領域反射測定方法を提供することにある。
【解決手段】本発明は、参照干渉計１５では光源１１からの出力光と出力光を遅延ファイバ１９で遅延させた光とのモニタビート信号を検出し、測定干渉計１３では光源１１からの出力光と出力光を測定対象１４に入射させることにより得られる後方散乱光及び反射光との測定ビート信号を検出し、前記測定ビート信号を前記モニタビート信号に基づいて補正し、測定対象における光波伝播方向の反射率を測定する光周波数領域反射測定方法（ＯＦＤＲ）において、参照干渉計１５の遅延ファイバ１９が受ける外乱による光波の位相揺らぎを抑庄する防音機構２０を施すことを特徴とする。
【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ことができ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事が可能な手法として、非特許文献１に示すようなコヒーレント光を用いた光周波数領域反射測定方法（Ｃ−ＯＦＤＲ）がある。光周波数領域反射測定方法は、測定対象に周波数掃引されたコヒーレント光を入射し、測定対象からの反射光および後方散乱光と、あらかじめ分岐された参照光をコヒーレント検波し、得られた測定ビート信号を周波数解析することで、測定対象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、測定対象の損失分布や故障点の特定を可能にする技術である。
さらに、非特許文献２に示すように、参照干渉計を用いて光源のコヒーレンス特性をモニタして測定ビート信号を補正することで、レーザコヒーレンス長を越える領域においても、光源の位相揺らぎ（光源位相雑音）による反射スペクトルの広がりを補償し高精度な測定結果を得ることができるとされている。
W.Eickhoff and R.Ulrich，Applied physics Letters,vol.39,no9,pp.693-695,1981 X.Fan，Y.Koshikiya and F.Ito,Optics Letters,vol.32.no.22,pp.3227-3229,2007 "小型防音ボックス"、［online］、［２００８年１１月２８日検索］、インターネット＜URL:http://www.soundenvironment.jp/soundproof-box.htm＞ "遮音シート"、［online］、［２００８年１１月２８日検索］、インターネット＜URL:http://www.nittobo.co.jp/kw/juuken/syaon.html＞
しかし、既存の技術においては参照干渉計に音、振動、温度変化等の外乱が加わることで光源位相雑音とは別の位相揺らぎ（外乱による位相雑音）が重畳され、このような外乱が重畳されたモニタビート信号では測定ビート信号を正しく補正できないという問題があった。
特に参照干渉計に用いられる遅延長が長い場合は外乱を受ける区間が長くなるため、外乱による位相雑音が大きくなる。これにより測定ビート信号を十分補正できず反射スペクトルが広がり、高精度な測定が不可能となる。このように、外乱の影響によって参照干渉計による補正の効果が小さくなってしまうため、外乱による位相揺らぎは光周波数領域反射測定方法（ＯＦＤＲ）を測定距離の長い対象物へ適用する際の大きな障害となっていた。
前述した課題を解決するために本発明は、光周波数を時間に対して掃引する光源からの出力光を二分岐して参照干渉計及び測定干渉計にそれぞれ入射し、前記参照干渉計では前記光源からの出力光と該出力光を遅延ファイバで遅延させた光とのモニタビート信号を検出し、前記測定干渉計では前記光源からの出力光と該出力光を測定対象に入射させることにより得られる後方散乱光及び反射光との測定ビート信号を検出し、前記測定ビート信号を前記モニタビート信号に基づいて補正し、測定対象における光波伝播方向の反射率を測定する光周波数領域反射測定方法（ＯＦＤＲ）において、前記参照干渉計の遅延ファイバが受ける外乱による光波の位相揺らぎを抑庄する措置、例えば防音措置を施すことを特徴とする。
また本発明の光周波数領域反射測定装置は、光周波数を時間に対して掃引する光源と、前記光源からの出力光が入射され、入射された出力光と出力光を遅延ファイバで遅延させた光とのモニタビート信号を検出する参照干渉計と、前記光源からの出力光が入射され、入射された出力光と出力光を測定対象に入射させることにより得られる後方散乱光及び反射光との測定ビート信号を検出する測定干渉計と、前記モニタビート信号及び前記測定ビート信号を受信してサンプリングするサンプリング部と、前記サンプリング部でサンプリングされた測定ビート信号をモニタビート信号に基づいて補正し、測定対象における光波伝播方向の反射率を測定する解析部と、前記参照干渉計の遅延ファイバに設けられた外乱による光波の位相揺らぎを抑圧する機構、例えば防音機構とを具備することを特徴とするものである。
本発明の光周波数領域反射測定方法は、参照干渉計の遅延ファイバが受ける例えば音によって生じる光波の位相揺らぎ等の外乱による光波の位相揺らぎを抑庄することができ、測定距離の長い対象であっても高分解能な測定を行うことが可能となる。
本発明の実施形態に係る光周波数領域反射測定装置を示す構成説明図である。 本発明の実施形態に係る光周波数領域反射測定方法で測定された反射点のスペクトルを示す図で、（ａ）は参照干渉計の遅延ファイバを防音箱に入れない場合、（ｂ）は参照干渉計の遅延ファイバを防音箱に入れた場合である。
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１において、１１は周波数掃引光源、１２，１８，２１，２２，２３は光方向性結合器、１３は測定干渉計、１４は測定対象、１５は参照干渉計、１６はサンプリング部、１７は解析部、１９は遅延ファイバ、２０は防音機構、２４，２６は光受信器、２５，２７はサンプリング装置、２８はクロック発生器、２９は演算処理装置、３０は出力光、３１は測定光、３２はモニタリング光、３３は信号光、３４は局発光である。
本発明の実施形態に係る光周波数領域反射測定装置は、図１に示すように、光周波数を時間に対して掃引する周波数掃引光源１１から出力された出力光３０が光方向性結合器１２により分岐され、一方は測定光３１として測定干渉計１３および測定対象１４に入射し、他方は出力光３０のコヒーレンス特性をモニタするモニタリング光３２として参照干渉計１５に入射する。
参照干渉計１５は光方向性結合器１８，２１及び遅延ファイバ１９より構成され、入射されたモニタリング光３２（出力光３０）とモニタリング光３２を遅延ファイバ１９で遅延させた光とのモニタビート信号を検出する。参照干渉計１５の遅延ファイバ１９には外乱による光波の位相揺らぎを抑圧する機構、例えば音が外乱として作用することによって生じる光波の位相揺らぎを抑圧する防音機構２０が設けられる。
測定干渉計１３は光方向性結合器２２，２３より構成され、信号光３３（出力光３０，測定光３１）と測定光３１（出力光３０）を測定対象１４に入射させることにより得られる後方散乱光及び反射光の局発光３４との測定ビート信号を検出する。
参照干渉計１５で検出されたモニタビート信号はサンプリング部１６の光受信器２４で受信してサンプリング装置２５でサンプリングする。測定干渉計１３で検出された測定ビート信号はサンプリング部１６の光受信器２６で受信してサンプリング装置２７でサンプリングする。サンプリング装置２５，２７には解析部１７のクロック発生器２８からクロックパルスが入力される。
サンプリング装置２５でサンプリングされたモニタビート信号及びサンプリング装置２７でサンプリングされた測定ビート信号は解析部１７の演算処理装置２９に入力され、演算処理装置２９は演算処理によってサンプリングされた測定ビート信号をモニタビート信号のコヒーレンス特性に基づいて補正し、測定対象１４における反射光および後方散乱光の強度分布を得、測定対象１４における光波伝播方向の反射率を測定する。
サンプリング装置２５は光受信器２４から入力されるモニタビート信号をサンプリングし、サンプリングデータＸｎを内部メモリなどに記録する。演算処理装置２９は前記サンプリングデータＸｎの位相を求める上で、連続関数Ｘ（ｔ）を計算する。一方、サンプリング装置２７は、光受信器２６から入力される測定ビート信号を同じ間隔でサンプリングし、サンプリングデータＹｎを内部メモリなどに記録する。
さらに演算処理装置２９は、サンプリング装置２５から受け取った関数Ｘ（ｔ）とサンプリング装置２７から受け取ったデータＹｎとを利用して、サンプリング処理とＦＦＴ（高速フーリエ変換）処理とを含むデータ処理を、Ｎ回にわたり繰り返す。これにより得たデータＦＦＴＮは、記録される。そして演算処理装置２９は、データＦＦＴ１、ＦＦＴ２、…、ＦＦＴＮを利用して測定結果を計算する。
このように、光源１１のコヒーレンス特性をモニタする参照干渉計１５を設け、そのモニタの結果に基づいて測定干渉計１３における測定結果を補正するようにしている。参照干渉計１５において自己遅延ホモダイン検波により光源１１の出力光のモニタビート信号を生じさせ、そのビート信号の参照信号を作り出し、その作り出した参照信号に基づき測定干渉計１３のビート信号をサンプリングして、得られた数列にＦＦＴ処理を施して測定結果を得るようにしている。
すなわち、光周波数を時間に対して掃引する周波数掃引光源１１からの出力光を二分岐して参照干渉計１５及び測定干渉計１３にそれぞれ入射し、前記参照干渉計１５では前記光源１１からの出力光と該出力光を遅延ファイバで遅延させた光とのモニタビート信号を検出し、前記測定干渉計１３では前記光源１１からの出力光と該出力光を測定対象１４に入射させることにより得られる後方散乱光及び反射光との測定ビート信号を検出し、前記測定ビート信号を前記モニタビート信号に基づいて補正し、測定対象１４における光波伝播方向の反射率を測定する光周波数領域反射測定方法（ＯＦＤＲ）において、前記参照干渉計１５の遅延ファイバ１９が受ける外乱による光波の位相揺らぎを抑庄する措置、例えば防音措置を施すことを特徴とする。
参照干渉計１５の遅延ファイバ１９における防音機構２０としては、例えば非特許文献３に示すような小型防音ボックスや非特許文献４に示すような遮音シート等を貼り付けた密閉性の高い箱の内部に参照干渉計１５を設置することで実現可能である。
また、光波は測定装置において極めて長い光路長を有する遅延ファイバ１９中を伝播する際に最も外乱の影響を受けるため、防音を施す範囲は少なくとも参照干渉計１５に用いている遅延ファイバ１９部分でなければならない。従って、遅延ファイバ１９が防音機構２０の内部にあれば、その防音機構２０に収容する範囲は装置全体に及んでも同様の効果が得られる。但し、防音機構２０の内部に音源が存在してはならない。
図２は遮音シートを内部に貼り付けた木製の防音箱内に参照干渉計１５の遅延ファイバ（５ｋｍ）１９を収容した際に得られるモニタビート信号を用いて測定ビート信号を補正した場合（ｂ）と、遅延ファイバ１９を防音箱に収容しなかった際に得られるモニタビート信号を用いて測定ビート信号を補正した場合（ａ）に得られるＯＦＤＲ測定の結果（４０ｋｍ地点近傍の波形）を示している。
測定対象１４は長さ４０ｋｍのシングルモードファイバであり、遠端はＡｄＰＣ研磨されたＳＣコネクタの開放端とした。参照干渉計１５を防音箱に収容することによって、反射点におけるスペクトルの分解能である半値全幅が１１０ｃｍから１０ｃｍに狭窄化されており、分解能が向上していることが分かる。このように、参照干渉計１５に防音機構２０を施すことで音による光波の位相揺らぎを抑圧し、周波数掃引光源１１のコヒーレント特性を正確にモニタしたモニタビート信号を得ることができ、測定ビート信号を正しく補正できる。
上記は参照干渉計１５に加わる外乱が音の場合について述べたが、温度変化、振動が外乱として参照干渉計１５に作用し、光波の位相揺らぎを生じさせる場合においても、それぞれ温調機構および防振機構を参照干渉計１５に施すことで正確に光源コヒーレント特性をモニタすることができ、分解能向上が実現されることは明らかである。
以上のように、本発明の実施形態に係る光周波数領域反射測定方法を用いることにより、参照干渉計によって得られる光源コヒーレンシ特性のモニタが正しく行われるため、参照干渉計による測定ビート信号に対する最大の補正効果が得られ、反射スペクトルの広がりを抑えて高精度な光周波数領域反射測定方法を長距離に渡って提供することが可能になる。
なお、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み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
１１…周波数掃引光源、１２，１８，２１，２２，２３…光方向性結合器、１３…測定干渉計、１４…測定対象、１５…参照干渉計、１６…サンプリング部、１７…解析部、１９…遅延ファイバ、２０…防音機構、２４，２６…光受信器、２５，２７…サンプリング装置、２８…クロック発生器、２９…演算処理装置、３０…出力光、３１…測定光、３２…モニタリング光、３３…信号光、３４…局発光。

Claims (4)

  1. 光周波数を時間に対して掃引する光源からの出力光を二分岐して参照干渉計及び測定干渉計にそれぞれ入射し、前記参照干渉計では前記光源からの出力光と該出力光を遅延ファイバで遅延させた光とのモニタビート信号を検出し、前記測定干渉計では前記光源からの出力光と該出力光を測定対象に入射させることにより得られる後方散乱光及び反射光との測定ビート信号を検出し、前記測定ビート信号を前記モニタビート信号に基づいて補正し、測定対象における光波伝播方向の反射率を測定する光周波数領域反射測定方法において、
    前記参照干渉計の遅延ファイバが受ける外乱による光波の位相揺らぎを抑庄する措置を施すことを特徴とする光周波数領域反射測定方法。
  2. 外乱による光波の位相揺らぎを抑圧するために参照干渉計の遅延ファイバに防音措置を施すことを特徴とする請求項１に記載の光周波数領域反射測定方法。
  3. 光周波数を時間に対して掃引する光源と、
    前記光源からの出力光が入射され、入射された出力光と出力光を遅延ファイバで遅延させた光とのモニタビート信号を検出する参照干渉計と、
    前記光源からの出力光が入射され、入射された出力光と出力光を測定対象に入射させることにより得られる後方散乱光及び反射光との測定ビート信号を検出する測定干渉計と、
    前記モニタビート信号及び前記測定ビート信号を受信してサンプリングするサンプリング部と、
    前記サンプリング部でサンプリングされた測定ビート信号をモニタビート信号に基づいて補正し、測定対象における光波伝播方向の反射率を測定する解析部と、
    前記参照干渉計の遅延ファイバに設けられた外乱による光波の位相揺らぎを抑圧する機構と
    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. 前記参照干渉計の遅延ファイバに、音による光波の位相揺らぎを抑圧するために防音機構を設けることを特徴とする請求項３に記載の光周波数領域反射測定装置。
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