JP2011174760A - 光周波数領域反射測定方法及び光周波数領域反射測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 コヒーレント光源のコヒーレンシを維持したまま中心周波数を変化させた出力光を得る。
【解決手段】 高コヒーレント光源１１の出力光は光コム発生部１２にてその周波数を中心に一定間隔で配列する複数の光線スペクトルに分離され、光フィルタ１３で任意の光線スペクトルが切り出され、外部変調器１４にて一定幅に渡って周波数掃引される。その出力光は第１の光方向性結合器１５によって信号光と参照光に分岐され、信号光は測定対象１６に入射される。測定対象１６内で反射または後方散乱された信号光は第１の光方向性結合器１５により取り出され、第２の光方向性結合器１７により参照光と合波されて、光受信器１８で光受信検波される。この時、信号光と参照光の干渉によって生じる干渉ビート信号を周波数解析装置１９によって周波数解析することで測定対象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。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光部品や光伝送路からの反射光あるいは後方散乱光を高空間分解能で測定することが可能な光周波数領域反射測定方法及びこの方法を利用した光周波数領域反射測定装置に関する。

光部品や光伝送路からの反射光および後方散乱光を高空間分解能で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（C-OFDR：Coherent Optical Frequency Domain Reflectometry）測定法がある。このＣ−ＯＦＤＲ測定法は、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、予め分岐された参照光をコヒーレント検波し、これによって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。

一般的にＣ−ＯＦＤＲ測定法によって測定可能な距離は光源のコヒーレンス長によって制限される。また、空間分解能は周波数掃引幅によって制限される。高分解能測定を実現するためには広帯域な周波数掃引が必要なため、Ｃ−ＯＦＤＲ測定装置の光源には、広帯域な周波数（波長）掃引が可能な波長可変光源が用いられていた。

しかし、波長可変光源はコヒーレンス長が数百m程度であり、そのような光源を用いたＣ−ＯＦＤＲ測定装置は数kmにおよぶ光線路の測定には適用できなかった。そこで、非特許文献１にあるように、光源として高コヒーレンシを有する狭線幅ファイバレーザを用い、その出力光を外部変調器にて周波数掃引して数km以上の長距離光線路を測定する方法が提案されている。

Ｃ−ＯＦＤＲ測定法のようにコヒーレント検波を用いた測定においては、フェーディング雑音と呼ばれる雑音が測定波形上に現れる。フェーディング雑音は異なる位置で生じる後方散乱光電界の不均一によって生じ、後方散乱光強度の揺らぎとして測定波形に重畳される。これにより、Ｃ−ＯＦＤＲの測定精度は大きく劣化してしまう。

そこで、フェーディング雑音の低減のために、非特許文献２に示されるような周波数シフト平均法（FSAV：Frequency Shift Averaging Technique）が有効であることが知られている。ＦＳＡＶは測定毎に試験光の周波数を変化させ複数回の測定を実施し、各周波数の測定光にて得られた波形を加算平均することで、フェーディング雑音を低減する方法である。各測定において用いる試験光の周波数が異なるほどＦＳＡＶの効果は大きくなる。

ところが、Ｃ−ＯＦＤＲ測定装置にＦＳＡＶを用いる際には、掃引する周波数範囲が各測定で重複しないように、試験光の周波数を変えて測定する必要がある。したがって、Ｃ−ＯＦＤＲ測定装置においては、前述したように高分解能測定に広範囲な周波数掃引が必要であり、さらに、フェーディング雑音低減のためにそれ以上に試験光の周波数を変えて複数回の測定を実施する必要が生じる。このように、Ｃ−ＯＦＤＲ測定装置において高分解能、長距離かつフェーディング雑音を低減した測定を実現するには、光源に極めて広範囲な周波数可変特性および高いコヒーレンシが要求される。

しかしながら、非特許文献１にあるような高コヒーレンシを有する狭線幅ファイバレーザと外部変調器を組み合わせた周波数掃引光源を用いて長距離測定を行う場合、測定毎に狭線幅ファイバレーザの発振中心周波数を変えることでＦＳＡＶにてフェーディング雑音を低減する必要がある。しかし、狭線幅ファイバレーザの中心周波数可変範囲は数十GHz程度であるため、フェーディング雑音を十分低減するには不十分であるという課題があった。

Y. Koshikiya, X. Fan, and F. Ito, "Long range and cm-level spatial resolution measurement using coherent optical frequency domain reflectmetry with SSB-SC modulator and narrow linewidth fiber laser", IEEE/OSA J. Lightwave Technol. Vol. 26, No. 18, pp. 3287-3294 (2008). K. Shimizu, T. Horiguchi, and Y. Koyamada, "Characteristics and Reduction of Coherent Fading Noise in Rayleigh Backscattering Measurement for Optical Fibers and Components", IEEE/OSA J. Lightwave Technol. Vol. 10, No. 10, pp. 982-987 (1992) M. Doi, M. Sugiyama, K. Tanaka, and M. Kawai, "Advanced LiNbO3 Optical Modulators for Broadband Optical Communications", IEEE J. Sel. Top. Quantum Elec., Vol. 12, No. 4, pp. 745-750 (2006) T. Yamamoto, T. Komukai, K. Suzuki, and A. Takada, "Multicarrier Light Source with Flattened Spectrum Using Phase Modulators and Dispersion Medium", IEEE/OSA J. Lightwave Technol. Vol. 27, No. 19, pp. 4297-4305 (2009)

以上のように、従来のＣ−ＯＦＤＲ測定方法では、高分解能、長距離かつフェーディング雑音を低減した測定を実現するためには、光源に極めて広範囲な周波数可変特性および高いコヒーレンシを有するものが要求されるが、高コヒーレンシを有する狭線幅ファイバレーザと外部変調器を組み合わせた周波数掃引光源を用いて長距離測定を行う場合、測定毎に狭線幅ファイバレーザの発振中心周波数を変えることでＦＳＡＶにてフェーディング雑音を低減する必要がある。しかし、狭線幅ファイバレーザの中心周波数可変範囲は数十GHz程度であるため、フェーディング雑音を十分低減するには不十分であるという課題があった。

本発明は、上記の事情を鑑みてなされたもので、高コヒーレント光源のコヒーレンシを維持したまま、中心周波数を変化させた出力光を得ることができ、さらにはフェーディング雑音を低減した波形を得ることができる光周波数領域反射測定方法及びこの方法を用いた光周波数領域反射測定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な態様の構成とする。
（１）コヒーレント光源からの出力光に外部変調器に入射して光変調処理を施して変調側波帯を発生させ、発生させた変調側波帯を時間に対して線形に周波数掃引し、周波数掃引した外部変調処理の出力光を２分岐し、一方を参照光とし、他方を信号光として被測定物に入射し、前記被測定物の各地点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、前記被測定物内の各地点における反射率または損失を測定する光周波数領域測定方法であって、前記コヒーレント光源からの出力光を光コム化させ、前記光コム化された任意の光線スペクトルを光フィルタにて取り出して前記外部変調器に入射する態様とする。

（２）（１）の周波数領域反射測定方法において、前記光フィルタにて取り出す光線スペクトルを測定ごとに変え、それぞれの光線スペクトルを出力光として複数回の測定を実施し、得られた測定結果を加算平均し、前記被測定物の光伝播方向に対する反射光強度と後方散乱光強度の分布を測定する態様とする。

（３）（１）または（２）の光周波数領域反射測定方法において、前記光コムは前記コヒーレント光源の後段に強度変調器と位相変調器を直列に配置することで作り出す態様とする。
（４）（１）または（２）の光周波数領域反射測定方法において、前記光コムは前記コヒーレント光源の後段に分散媒体と位相変調器を直列に配置することで作り出す態様とする。

（５）（１）または（２）の光周波数領域反射測定方法において、前記光コムは前記コヒーレント光源の後段に光ループと光周波数シフタを配置することで作り出す態様とする。
また、本発明に係る光周波数領域反射測定装置は以下のような態様の構成とする。

（６）コヒーレント光源と、前記コヒーレント光源からの出力光を入射して光変調処理を施して変調側波帯を発生させ、発生させた変調側波帯を時間に対して線形に周波数掃引する外部変調器と、前記周波数掃引した外部変調処理の出力光を２分岐する光分岐して一方を参照光とし、他方を信号光として被測定物に入射し、前記被測定物の各地点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、これを受光して電気信号に変換する光学系装置と、前記干渉ビット信号を前記受光信号から取り出して周波数解析することで、前記被測定物内の各地点における反射率または損失を測定する解析装置と、前記コヒーレント光源からの出力光を光コム化する光コム発生手段と、前記光コム化された任意の光線スペクトルを取り出す光フィルタと、前記光フィルタにて取り出された光スペクトルを前記外部変調器に入射する光コム発生手段とを具備する態様とする。

（７）（６）の周波数領域反射測定装置において、前記光フィルタは、取り出す光線スペクトルを測定ごとに変え、前記解析装置は、前記測定ごとに換えられたそれぞれの光線スペクトルを出力光として複数回の測定を実施して得られた測定結果を加算平均し、前記被測定物の光伝搬方向に対する反射光強度と後方散乱光強度の分布を測定する態様とする。

（８）（６）または（７）の光周波数領域反射測定装置において、前記光コム発生手段は、前記コヒーレント光源の後段に強度変調器と位相変調器を直列に配置することで前記光コムを作り出す態様とする。
（９）（６）または（７）の光周波数領域反射測定装置において、前記光コム発生手段は、前記コヒーレント光源の後段に分散媒体と位相変調器を直列に配置することで前記光コムを作り出す態様とする。

（１０）（６）または（７）の光周波数領域反射測定装置において、前記光コム発生手段は、前記コヒーレント光源の後段に光ループと光周波数シフタを配置することで前記光コムを作り出す態様とする。

以上のように、本発明によれば、高コヒーレント光源のコヒーレンシを維持したまま、中心周波数を変化させた出力光を得ることができ、測定毎に周波数の異なる試験光にてＣ−ＯＦＤＲ波形を得て、それらを加算平均してフェーディング雑音を低減した波形を得ることができる光周波数領域反射測定方法及びこの方法を用いた光周波数領域反射測定装置を提供することができる。

本発明の光周波数領域反射測定方法を採用した測定装置の一実施形態を示すブロック構成図。 図１に示す実施形態の光コム発生部の動作を説明するための波形図。 図１に示す光コム発生部の第１の実施例を示すブロック構成図。 図１に示す光コム発生部の第２の実施例を示すブロック構成図。 図１に示す光コム発生部の第３の実施例を示すブロック構成図。

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。
図１は、本発明に係るＣ−ＯＦＤＲ法を採用した測定装置の一実施形態を示すブロック構成図である。図１において、高コヒーレント光源１１から出力されたコヒーレント光は光コム発生部１２に入射される。この光コム発生部１２は、入射されたコヒーレント光を、その周波数を中心に一定間隔で配列する複数の光線スペクトルに分離するもので、その出力光は光フィルタ１３で任意の光線スペクトルが切り出されて外部変調器１４に入射される。

上記外部変調器１４は入射された単一の光線スペクトルを一定幅に渡って周波数掃引するもので、その出力光は第１の光方向性結合器１５によって分岐され、一方は信号光として測定対象１６に入射され、他方は参照光として用いられる。測定対象１６内で反射または後方散乱された信号光は第１の光方向性結合器１５により取り出され、第２の光方向性結合器１７により参照光と合波されて光受信器１８に入射され、ここで光受信検波される。この時、信号光と参照光の干渉によって生じる干渉ビート信号を周波数解析装置１９によって周波数解析することで測定対象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。

上記構成による測定装置において、図２を参照してその動作を説明する。
まず、光コヒーレント光源１１から出力されるコヒーレント光は、図２（ａ）に示すような単一の光線スペクトル形状である。このコヒーレント光は光コム発生部１２に入射され、図２（ｂ）に示すような２Ｎ＋１個の光線スペクトル（中心周波数ｆ_-N〜ｆ_N ）となる（Ｎは０を含む自然数）。

その後、後段に設置された光フィルタ１３にて任意の光線スペクトルのみを切り出すことで、図２（ｃ）に示すような単一の光線スペクトルを有する出力光として外部変調器１４に入射される。この時、外部変調器１４での周波数掃引幅をΔｆmとすると、光線スペクトル間隔Δｆc をΔｆc ＝Δｆmとすることで、最も効率よくＦＳＡＶを適用できる。

外部変調器１４に入射された光波は周波数掃引され、その出力光は第１の光方向性結合器１５によって分岐され、一方は信号光として測定対象１６に入射され、他方は参照光として用いられる。測定対象１６内で反射または後方散乱された信号光は第１の光方向性結合器１５により取り出され、第２の光方向性結合器１７により参照光と合波されて、光受信器１８によって光受信され、検波される。この時、信号光と参照光の干渉によって生じる干渉ビート信号を周波数解析装置１９によって周波数解析することで測定対象１５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。

その後、光フィルタ１３にて切り出す光線スペクトルを測定毎に変えて上記と同様の測定を行い、切り出す光線スペクトルの重複がないように２Ｎ回繰り返し、得られた２Ｎ＋１個の反射光および後方散乱光強度分布波形を加算平均して最終的なＣ−ＯＦＤＲ波形を得る。

すなわち、上記構成による測定装置では、高コヒーレント光源１１を用いて光コム１２を発生させ、光コム１２の任意の光線スペクトルを光フィルタ１３にて取り出し、測定毎に取り出す光線スペクトルを変えることでコヒーレント光源１１からの出力光の中心周波数を測定毎に変化させることができる。

したがって、本発明の光周波数領域反射測定方法を用いることにより、高コヒーレント光源１１のコヒーレンシを維持したまま、中心周波数を変化させた出力光を得ることができ、測定毎に周波数の異なる試験光にてＣ−ＯＦＤＲ波形を得て、それらを加算平均してフェーディング雑音を低減した波形を得ることができる。

（第１の実施例）
図３は図１に示した光コム発生部１２の第１の実施例を示すブロック構成図である。図３において、図１と同一部分には同一符号を付して示し、ここではその部分の説明を省略する。
図３に示す光コム発生部１２は、非特許文献３にあるように強度変調器１２１および位相変調器１２２を用いる。強度変調器１２１および位相変調器１２２は、任意信号発生器１２３、電気アンプ１２４，１２５、位相シフタ１２６によって駆動される。任意信号発生器１２３は任意の変調周波数ｆs をもつ正弦波信号を駆動信号として出力するもので、これにより、駆動信号の変調周波数と同じ周波数間隔の光線スペクトルを有する光コムが生成される。つまり、ｆs ＝Δｆc となる。位相シフタ１２６は強度変調器１２１と位相変調器１２２の変調信号を同期させるために用いられる。

尚、図３に示す位相変調器１２２と光フィルタ１３の間にもう１台位相変調器（図示せず）を追加配置することで、生成できる光線スペクトルの数を増やすことができる。
（第２の実施例）
図４は図１に示した光コム発生部１２の第２の実施例を示すブロック構成図である。図４において、図１及び図３と同一部分には同一符号を付して示し、ここではその部分の説明を省略する。

本実施例の光コム発生部１２には、上記の他に、非特許文献４に示されるような、２台の位相変調器１２７，１２９と分散媒体（例えばチャープ型ファイバブラッググレーティング）１２８を用いることもできる。この場合、２台の位相変調器１２７，１２９に対して任意信号発生器１２３からの駆動信号を電気アンプ１２４，１２５を介して供給するものとし、位相シフタ１２６で位相調整器１２７，１２９の変調信号を同期させる。この構成によっても、第１の実施例と同様な効果が得られる。

（第３の実施例）
図５は図１に示した光コム発生部１２の第３の実施例を示すブロック構成図である。図５において、図１と同一部分には同一符号を付して示し、ここではその部分の説明を省略する。
本実施例の光コム発生部１２は、図５に示すように、光周波数シフタ１２ａ、光アンプ１２ｂ、アイソレータ１２ｃ、偏波コントローラ１２ｄ、第３の方向性結合器１２ｅにて光ループを構成し、任意信号発生器１２３で発生される駆動信号で光周波数シフタ１２ａの出力周波数を適宜シフトすることで同様の効果を得ることができる。

さらに、光コム型の多モードレーザを光源に利用することでも実現可能である。これらの方法で生成された各光線スペクトルは光源１１の高コヒーレンシを維持しており、Ｃ−ＯＦＤＲにおける長距離測定が可能である。
以上の光コム発生部１２により生成された光線スペクトルの一つを後段に設置された光フィルタ１３にて切り出し、外部変調器１４に入射して変調側波帯を発生させる。外部変調器１４に入力する変調ＲＦ信号の変調周波数を時間に対して掃引することで、外部変調器１４に入射した光波の光周波数を掃引する。外部変調器１４からの出力光は第１の光方向性結合器１５によって分岐され、一方は信号光として測定対象１６に入射され、他方は参照光として用いられる。測定対象１６内で反射または後方散乱された信号光は第１の光方向性結合器１５により取り出され、第２の光方向性結合器１７により参照光と合波されて、光受信器１８によって検波される。この時、信号光と参照光の干渉によって生じる干渉ビート信号を周波数解析装置１９によって周波数解析することで測定対象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。

その後、光フィルタ１３にて切り出す光線スペクトルを測定毎に変えて同様の測定を２Ｎ回繰り返し、得られた２Ｎ＋１個の反射光および後方散乱光強度分布波形を加算平均して最終的なＣ−ＯＦＤＲ波形を得る。これにより、フェーディング雑音を低減したＣ−ＯＦＤＲ波形を得ることができ、高精度なＣ−ＯＦＤＲ測定が実現される。

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できる。また、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良い。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１…高コヒーレント光源、１２…光コム発生部、１２１…強度変調器、１２２…位相変調器、１２３…任意信号発生器、１２４，１２５…電気アンプ、１２６…位相シフタ、１２７，１２９…位相変調器、１２８…分散媒体、１２ａ…光周波数シフタ、１２ｂ…光アンプ、１２ｃ…アイソレータ、１２ｄ…偏波コントローラ、１２ｅ…第３の方向性結合器、１３…光フィルタ、１４…外部変調器、１５…第１の光方向性結合器、１６…測定対象、１７…第２の光方向性結合器、１８…光受信器、１９…周波数解析装置。

Claims (10)

1. コヒーレント光源からの出力光に外部変調器に入射して光変調処理を施して変調側波帯を発生させ、発生させた変調側波帯を時間に対して線形に周波数掃引し、周波数掃引した外部変調処理の出力光を２分岐し、一方を参照光とし、他方を信号光として被測定物に入射し、前記被測定物の各地点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、前記被測定物内の各地点における反射率または損失を測定する光周波数領域測定方法であって、
   前記コヒーレント光源からの出力光を光コム化させ、
   前記光コム化された任意の光線スペクトルを光フィルタにて取り出して前記外部変調器に入射することを特徴とする光周波数領域反射測定方法。
2. 請求項１に記載の周波数領域反射測定方法において、
   前記光フィルタにて取り出す光線スペクトルを測定ごとに変え、
   それぞれの光線スペクトルを出力光として複数回の測定を実施し、
   得られた測定結果を加算平均し、
   前記被測定物の光伝播方向に対する反射光強度と後方散乱光強度の分布を測定することを特徴とする光周波数領域反射測定方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の光周波数領域反射測定方法において、
   前記光コムは前記コヒーレント光源の後段に強度変調器と位相変調器を直列に配置することで作り出すことを特徴とする光周波数領域反射測定方法。
4. 請求項１または請求項２に記載の光周波数領域反射測定方法において、
   前記光コムは前記コヒーレント光源の後段に分散媒体と位相変調器を直列に配置することで作り出すことを特徴とする光周波数領域反射測定方法。
5. 請求項１または請求項２に記載の光周波数領域反射測定方法において、
   前記光コムは前記コヒーレント光源の後段に光ループと光周波数シフタを配置することで作り出すことを特徴とする光周波数領域反射測定方法。
6. コヒーレント光源と、
   前記コヒーレント光源からの出力光を入射して光変調処理を施して変調側波帯を発生させ、発生させた変調側波帯を時間に対して線形に周波数掃引する外部変調器と、
   前記周波数掃引した外部変調処理の出力光を２分岐する光分岐して一方を参照光とし、他方を信号光として被測定物に入射し、前記被測定物の各地点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、これを受光して電気信号に変換する光学系装置と、
   前記干渉ビット信号を前記受光信号から取り出して周波数解析することで、前記被測定物内の各地点における反射率または損失を測定する解析装置と、
   前記コヒーレント光源からの出力光を光コム化する光コム発生手段と、
   前記光コム化された任意の光線スペクトルを取り出す光フィルタと、
   前記光フィルタにて取り出された光スペクトルを前記外部変調器に入射する光コム発生手段と
   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。
7. 請求項６に記載の周波数領域反射測定装置において、
   前記光フィルタは、取り出す光線スペクトルを測定ごとに変え、
   前記解析装置は、前記測定ごとに換えられたそれぞれの光線スペクトルを出力光として複数回の測定を実施して得られた測定結果を加算平均し、前記被測定物の光伝播方向に対する反射光強度と後方散乱光強度の分布を測定することを特徴とする光周波数領域反射測定装置。
8. 請求項６または請求項７に記載の光周波数領域反射測定装置において、
   前記光コム発生手段は、前記コヒーレント光源の後段に強度変調器と位相変調器を直列に配置することで前記光コムを作り出すことを特徴とする光周波数領域反射測定装置。
9. 請求項６または請求項７に記載の光周波数領域反射測定装置において、
   前記光コム発生手段は、前記コヒーレント光源の後段に分散媒体と位相変調器を直列に配置することで前記光コムを作り出すことを特徴とする光周波数領域反射測定装置。
10. 請求項６または請求項７に記載の光周波数領域反射測定装置において、
    前記光コム発生手段は、前記コヒーレント光源の後段に光ループと光周波数シフタを配置することで前記光コムを作り出すことを特徴とする光周波数領域反射測定装置。

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