JP2013195224A - ブリルアンゲインスペクトル測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、ＳＳＢ変調器のような高価な周波数シフタ及び遅延ファイバを必要としないブリルアンゲインスペクトル測定装置及び方法の提供を目的とする。
【解決手段】本願発明のブリルアンゲインスペクトル測定装置は、プローブ光を出力する第１の光源（１）と、ポンプ光を出力する第２の光源（２）と、プローブ光とポンプ光の位相差を変化させる位相差制御部（３）と、被測定光ファイバ（６）におけるブリルアン散乱光の含まれた光を受光する第１の光検出器（１７）と、プローブ光とポンプ光の合波光を受光する第２の光検出器（１５）と、プローブ光とポンプ光の中心周波数差Δνに等しい周波数で発振する発振器（７）と、第２の光検出器（１５）からの出力信号と発振器（７）からの基準信号との位相差を検出する位相比較器（８）と、を備え、位相比較器の検出した位相差が小さくなるように、プローブ光又はポンプ光の中心周波数を変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバのブリルアン散乱光を測定するブリルアンゲインスペクトル測定装置及び方法に関する。

光ファイバの温度や歪みの分布を測定するために、光ファイバのブリルアン散乱光を観測するＢＯＣＤＡ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ−Ｄｏｍａｉｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ）が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。ＢＯＣＤＡは、ブリルアン散乱現象が生じるような周波数差をもつポンプ光とプローブ光を光ファイバの両側から対向して入射し、光ファイバ中において発生したポンプ光とプローブ光のブリルアン散乱光を観測する。

特許文献１のＢＯＣＤＡでは、被測定光ファイバへ入射するポンプ光とプローブ光の中心周波数の間にブリルアン周波数シフト（略１０数ＧＨｚ）相当の周波数差を与え、その周波数差を数ＧＨｚ程度変化させることでブリルアンゲインスペクトルの測定をおこなう。このため、従来は、光源からの光を２つに分け、片方の光にＬＮ強度変調を行い、そのサイドバンド成分を光フィルタにより取り出すことで周波数シフトされた光を得ていた。
しかし、高速のＬＮ強度変調器は高価で挿入損失が大きく、場合によってはその減衰分を補うため光増幅器が必要となる問題があった。また、不要な周波数成分を抑圧して目的とする周波数シフト光成分のみを取り出すには狭線幅の光フィルタを用い、中心周波数差の変化に合わせた透過スペクトルの精密な制御が必要である。周波数シフト光成分のみを発生させることができるＳＳＢ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｓｉｄｅ Ｂａｎｄ）タイプのＬＮ変調器を用いることで光フィルタを不要とすることもできるが、そのような変調器はより高価であり、より挿入損失が大きく、更に専用の駆動回路が必要であるという問題があった。

また、特許文献１では被測定光ファイバ上においてブリルアン散乱光を観測する位置を掃引する際、高次（０次以外）の相関ピークを利用する。このため、従来は、遅延差を持たせるため、プローブ光とポンプ光のどちらか片方の光路にオフセット用の遅延ファイバを配置し、変調周波数を変化させることで観測位置を掃引していた。
しかし、被測定光ファイバの長さに合わせた十分な長さの遅延ファイバを用意する必要がある。この遅延ファイバは、被測定光ファイバ長に合わせて長くなるため、装置のサイズが制限される問題があった。

特許３６６７１３２号公報

前記課題を解決するために、本発明は、ＳＳＢ変調器などの高価な光周波数シフタ及び遅延ファイバを必要としないブリルアンゲインスペクトル測定装置及び方法の提供を目的とする。

本願発明のブリルアンゲインスペクトル測定装置は、所定の変調周波数で周波数変調された第１の連続発振光を出力する第１の光源（１）と、前記所定の変調周波数で周波数変調されかつ前記第１の連続発振光と所定の中心周波数差を有する第２の連続発振光を出力する第２の光源（２）と、前記第１の連続発振光と前記第２の連続発振光の位相差を変化させる位相差制御部（３）と、前記第１の連続発振光を分岐し、その一方を被測定光ファイバの一端へ入射する第１の光分岐部（１２）と、前記第２の連続発振光を分岐する第２の光分岐部（１３）と、前記第２の光分岐部で分岐された前記第２の連続発振光の一方を前記被測定光ファイバの他端に入射し、前記被測定光ファイバの前記他端から出力される前記第１の連続発振光及び前記第２の連続発振光の散乱光を導く第３の光分岐部（１６）と、前記第３の光分岐部で導かれた光を受光する第１の光検出器（１７）と、前記第１の光分岐部で分岐された前記第１の連続発振光の他方と前記第２の光分岐部で分岐された前記第２の連続発振光の他方を合波する光合波部（１４）と、前記光合波部からの合波光を受光する第２の光検出器（１５）と、設定された周波数で発振する発振器（７）と、前記第２の光検出器からの出力信号と前記発振器からの基準信号との位相差を検出する位相比較器（８）と、を備え、前記第１の光源又は前記第２の光源は、前記位相比較器の検出した位相差が小さくなるように、中心周波数を変化させる。

本願発明のブリルアンゲインスペクトル測定装置では、前記位相差制御部が変化させる前記第１の連続発振光と前記第２の連続発振光との位相差に応じて、前記発振器から出力する前記基準信号の信号波形を変化させる補正部（１０）をさらに備えてもよい。

本願発明のブリルアンゲインスペクトル測定方法は、所定の変調周波数で周波数変調された所定の中心周波数差をもつ第１の連続発振光と第２の連続発振光を、前記第１の連続発振光と前記第２の連続発振光の位相差を変化させながら出力する光出力手順と、前記第１の連続発振光を分岐した一方を被測定光ファイバ（６）の一端に入射し、前記第２の連続発振光を分岐した一方を前記被測定光ファイバの他端に入射し、前記被測定光ファイバの前記他端から出力される前記第１の連続発振光及び前記第２の連続発振光の散乱光を受光するとともに、前記第１の連続発振光を分岐した他方と前記第２の連続発振光を分岐した他方を合波した合波光を受光する受光手順と、前記合波光の受光信号と設定された周波数の基準信号との位相差を検出し、検出した当該位相差が小さくなるように、前記第１の連続発振光又は前記第２の連続発振光の中心周波数を変化させる制御手順と、を順に有する。

本願発明のブリルアンゲインスペクトル測定方法では、前記制御手順において、前記第１の連続発振光と前記第２の連続発振光との位相差に応じて、前記基準信号の信号波形を変化させてもよい。

本発明によれば、ＳＳＢ変調器などの高価な光周波数シフタ及び遅延ファイバを必要としないブリルアンゲインスペクトル測定装置及び方法を提供することができる

実施形態１に係るブリルアンゲインスペクトル測定装置の一例を示す。 プローブ光とポンプ光の一例を示す。 ブリルアン散乱現象の生じる相関ピークの位置の一例を示す。 位相差Δφに対する第２の光検出器からの出力信号例を示す。 位相差制御部から位相差Δφを取得する場合の実施形態１に係るブリルアンゲインスペクトル測定装置の一例を示す。 実施形態２に係るブリルアンゲインスペクトル測定装置の一例を示す。 位相差制御部から位相差Δφを取得する場合の実施形態２に係るブリルアンゲインスペクトル測定装置の一例を示す。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施の例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
図１に、本実施形態に係るブリルアンゲインスペクトル測定装置の一例を示す。本実施形態に係るブリルアンゲインスペクトル測定装置は、第１の光源１と、第２の光源２と、位相差制御部３と、第１の光分岐部１２と、第２の光分岐部１３と、第３の光分岐部１６と、第１の光検出器１７と、光源制御部１１と、光合波部１４と、第２の光検出器１５と、発振器７と、位相比較器８と、ＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）９と、補正部１０と、オフセット周波数設定部１９と、を備える。第１の光検出器１７及び第２の光検出器１５は、例えば、ＰＤ（Ｐｈｏｔｏ Ｄｉｏｄｅ）である。また、ブリルアンゲインスペクトル測定方法は、光出力手順と、受光手順と、制御手順と、を順に有する。

光出力手順では、第１の連続発振光と第２の連続発振光を、位相差を変化させながら出力する。具体的には、以下のように動作する。
第１の光源１は、所定の変調周波数で周波数変調された中心周波数ν１の第１の連続発振光（以下、プローブ光と記載する。）を出力する。第２の光源２は、所定の変調周波数で周波数変調された中心周波数ν２の第２の連続発振光（以下、ポンプ光と記載する。）を出力する。中心周波数ν１は中心周波数ν２よりも低く、これらの差はブリルアン周波数シフトに相当する。なお、周波数変調と位相変調は等価な技術であるので、ここでいう周波数変調とは位相変調の技術も含む。

本実施形態では、第１の光源１はＬＤ５１と発振器５２を備え、第２の光源２はＬＤ５３と発振器５４を備える。ＬＤ５１は、中心周波数ν１の連続発振光を発生する。発振器５２は、ＬＤ５１に周波数変調するための信号を与える。これにより、ＬＤ５１は、発振器５２からの信号に応じてν１を中心周波数とする周波数変調されたプローブ光を出力する。ＬＤ５３は、中心周波数ν２の連続発振光を発生する。発振器５４は、ＬＤ５３に周波数変調するための信号を与える。これにより、ＬＤ５３は、発振器５４からの信号に応じてν２を中心周波数とする周波数変調されたポンプ光を出力する。このように、本実施形態では、第１の光源１及び第２の光源２を直接変調することで、所望の中心周波数差を持った周波数変調光を得る。これにより、高価なＳＳＢ変調器とその専用ドライバを不要にすることができる。

図２に、プローブ光とポンプ光の一例を示す。中心周波数ν１と中心周波数ν２の差Δνは、ブリルアン散乱現象が生じる周波数差であり、例えば、１０数ＧＨｚである。発振器５２と発振器５４は、同じ周波数の信号を発生する。発振器５２からの信号と発振器５４からの信号は、位相差制御部３から指定された位相差Δφを有する。ポンプ光とプローブ光を被測定ファイバの一端と他端から対向して入射すると光ファイバ中で両光の位相が同期する位置で相関が高まり（相関ピーク）、周波数差Δνとその位置におけるブルリアンゲインスペクトルの重なりに応じてブリルアン散乱現象によってポンプ光からプローブ光へ光ファイバ中の音響波を介してパワーが移動する。ここで、位相差制御部３が位相差Δφを変化させることで、図３に示すように、ポンプ光とプローブ光の相関ピークの位置Ｌを、破線の位置から実線の位置へ移動することができる。位相を変化させるのは、発振器５２からの信号であってもよいし、発振器５４からの信号であってもよいし、これらの両方であってもよい。このように、本実施形態では、遅延ファイバを用いることなく相関ピークの位置Ｌを掃引するため、遅延ファイバが不要であり、これにより装置の小型化が可能になる。

受光手順では、プローブ光を分岐した一方を被測定光ファイバ６の一端に入射し、ポンプ光を分岐した一方を被測定光ファイバ６の他端に入射し、被測定光ファイバ６の他端から出力されるプローブ光及びポンプ光の散乱光を第１の光検出器１７を用いて受光するとともに、プローブ光を分岐した他方とポンプ光を分岐した他方を合波した合波光を第２の光検出器１５を用いて受光する。具体的には、以下のように動作する。

第１の光分岐部１２は、プローブ光を分岐する。プローブ光の一方は被測定光ファイバ６の一端に入射され、プローブ光の他方は光合波部１４に入射される。第２の光分岐部１３は、ポンプ光を分岐する。ポンプ光の一方は第３の光分岐部１６に入射され、ポンプ光の他方は光合波部１４に入射される。第３の光分岐部１６は、第２の光分岐部１３からのポンプ光を被測定光ファイバ６の他端に入射し、被測定光ファイバ６を通過したプローブ光と、プローブ光及びポンプ光の散乱光と、を第１の光検出器１７に出力する。第１の光検出器１７は、第３の光分岐部１６からの光を受光する。これによってプローブ光とポンプ光の相関ピークの位置においてブリルアン散乱現象によってポンプ光からプローブ光へ移動したパワーを観測することができる。プローブ光又はポンプ光の中心周波数を変化させ、中心周波数差Δνを少なくともブリルアン周波数シフトを含むようにブリルアンゲイン帯域内を変化させることで、ブリルアンゲインスペクトルを測定することができる。

光合波部１４は、プローブ光とポンプ光を合波する。第２の光検出器１５は、合波光を受光する。これにより、第２の光検出器１５から、プローブ光とポンプ光の合波によるビート信号を出力する。

制御手順では、プローブ光とポンプ光の合波により第２の光検出器１５から出力されるビート信号と設定された周波数の基準信号との位相差を検出し、検出した当該位相差が小さくなるように、プローブ光又はポンプ光の中心周波数を変化させる。具体的には、以下のように動作する。

オフセット周波数設定部１９は、ブリルアンゲインスペクトルを測定するに当たり、観測したい中心周波数差Δνに等しい周波数を設定する。発振器７は、オフセット周波数設定部１９から設定された周波数の基準信号を発生する。位相比較器８は、第２の光検出器１５からの出力信号と発振器７からの基準信号との位相差を検出する。これにより、位相比較器８からの出力信号を観測することで、出力されているプローブ光とポンプ光の中心周波数差Δνと所望の設定した中心周波数差Δνとのずれを検出することができる。

ＬＰＦ９は、位相比較器８からの出力信号を平滑化する。第２の光源２は、遮断周波数が周波数変調の変調周波数より低く設定されたＬＰＦ９からの出力信号を受け、当該出力信号が小さくなるように、中心周波数を変化させる。これにより、プローブ光とポンプ光の中心周波数差Δνを所望の周波数差に安定させ、ブリルアンゲインスペクトルの測定精度を高めることができる。なお、中心周波数を変化させる光源は、第２の光源２に限らず第１の光源１であってもよい。

ここで、本実施形態では、プローブ光とポンプ光の位相差Δφを位相差制御部１５により変化している。このとき、図４に示すように、位相差Δφによっては光検出器１５から出力されるビート信号の周波数は一定でなく時間的に変化し、その変化の仕方は位相差Δφにより異なる。そこで、制御手順において、プローブ光とポンプ光との位相差に応じて、基準信号の信号波形を変化させる。具体的には、以下のように動作する。

位相差Δφに対する光検出器１５からの出力信号波形を求めておく。これは光検出器１５から出力されるビート信号から実際に求めてもよいし、位相差を持った周波数変調光の合波として演算により求めてもよい。そして、補正部１０は、光源制御部１１から位相差Δφが入力されると、オフセット周波数設定部１９で設定された周波数を中心周波数にもち、位相差Δφのときに光検出器１５から出力される信号と同期して同じ周波数変化幅で周波数が変化する基準信号が発振器７から出力するように位相差Δφに応じて時間変化する信号波形を生成する。そして、発振器７は、補正部１０の生成した信号波形により光検出器１５からの出力信号の周波数変化と同期して周波数が変化する基準信号を発生する。これにより、プローブ光とポンプ光の位相差Δφを掃引した場合であっても、位相差Δφにより生じる光検出器１５から出力されるビート信号の中心周波数Δνからの時間的変化分は相殺されるためプローブ光とポンプ光の中心周波数差Δνと所望の設定した中心周波数差Δνとのずれを正しく検出することができる。

補正部１０は、プローブ光とポンプ光の位相差Δφを取得する必要がある。そこで、本実施形態では、光源制御部１１を備える。光源制御部１１は、ブリルアンゲインスペクトルを測定する被測定光ファイバ中の相関ピークの位置Ｌに合わせて位相差Δφを決定し、位相差制御部３及び補正部１０へ出力する。なお、補正部１０は、図５に示すように、位相差制御部３から位相差Δφを取得しても良い。

以上の手順を実行することで、中心周波数の周波数差Δνを所望の値に安定化することができ、ブリルアンゲインスペクトルのうち、中心周波数ν１と中心周波数ν２の差が特定の値のときの成分を観測することができる。オフセット周波数設定部１９は、設定周波数を少なくともブリルアン周波数シフトを含むようにブリルアンゲイン帯域内を掃引する。これによって、中心周波数ν２を掃引し、ブリルアンゲインスペクトルの測定が完了する。

以上説明したように、本実施形態に係るブリルアンゲインスペクトル測定装置は、発振器７の発振周波数を変化させることで周波数差Δνを変え、ブリルアンゲインスペクトルの測定を行う。また、変調信号の位相差Δφを変化させることで、測定位置Ｌの掃引を行う。また、変調信号の位相差により発生する周波数の変化分を予め発振器７に与えてから発振器７との位相比較を行い、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ−Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）による帰還制御を行うことで、中心周波数の周波数差Δνを安定化する。

なお、本実施形態では、中心周波数ν２にフィードバックすることで帰還制御を行ったが、中心周波数ν１にフィードバックすることで帰還制御を行ってもよい。

（実施形態２）
図６に、本実施形態に係るブリルアンゲインスペクトル測定装置の一例を示す。本実施形態に係るブリルアンゲインスペクトル測定装置は、実施形態１で説明した発振器５２及び発振器５４に代えて、発振器５２と移相器５５を備える。また、第２の光検出器１５と位相比較器８の間に、分周器１８を備える。

発振器５２は、ＬＤ５１とＬＤ５３の両方に周波数変調を加えるための信号を与える。移相器５５は、位相差制御部３から指定された位相差Δφが入力され、発振器５２からの信号の位相を位相差Δφに応じて変化させる。本構成を採用することにより、変調周波数のずれのないプローブ光とポンプ光を発生させることができる。

分周器１８は、第２の光検出器１５からの出力信号をＮ分周（Ｎは正数）する。オフセット周波数設定部１９は、観測したい中心周波数差Δνに相当する周波数を取得すると、当該周波数を１／Ｎした周波数を設定する。発振器７は、Δν／Ｎに相当する周波数の基準信号を発生する。位相比較器８は、分周器１８からの出力信号と発振器７からの基準信号との位相差を検出する。このように、本実施形態は、分周器１８を備えることで、発振器７の発振周波数を１／Ｎにすることができるため、発振器７の負荷を軽減することができる。

なお、本実施形態においても、補正部１０は、光源制御部１１から位相差Δφを取得するだけでなく、図７に示すように、位相差制御部３から位相差Δφを取得しても良い。

本発明は情報通信産業に適用することができる。

１：第１の光源
２：第２の光源
３：位相差制御部
４：オフセット周波数設定部
６：被測定光ファイバ
７：発振器
８：位相比較器
９：ＬＰＦ
１０：補正部
１２：第１の光分岐部
１３：第２の光分岐部
１４：光合波部
１５：第２の光検出部
１６：第３の光分岐部
１７：第１の光検出部
１８：分周器
５１、５３：ＬＤ
５２、５４：発振器
５５：移相器

Claims (4)

1. 所定の変調周波数で変調された第１の連続発振光を出力する第１の光源（１）と、
   前記所定の変調周波数で変調されかつ前記第１の連続発振光と所定の中心周波数差を有する第２の連続発振光を出力する第２の光源（２）と、
   前記第１の連続発振光と前記第２の連続発振光の位相差を変化させる位相差制御部（３）と、
   前記第１の連続発振光を分岐し、前記第１の連続発振光の一方を被測定ファイバの一端へ入射する第１の光分岐部（１２）と、
   前記第２の連続発振光を分岐する第２の光分岐部（１３）と、
   前記第２の光分岐部で分岐された前記第２の連続発振光の一方を前記被測定光ファイバの他端に入射し、前記被測定光ファイバの前記他端から出力される前記第１の連続発振光及び前記第２の連続発振光の散乱光を導く第３の光分岐部（１６）と、
   前記第３の光分岐部で導かれた光を受光する第１の光検出器（１７）と、
   前記第１の光分岐部で分岐された前記第１の連続発振光の他方と前記第２の光分岐部で分岐された前記第２の連続発振光の他方を合波する光合波部（１４）と、
   前記光合波部からの合波光を受光する第２の光検出器（１５）と、
   設定された周波数で発振する発振器（７）と、
   前記第２の光検出器からの出力信号と前記発振器からの基準信号との位相差を検出する位相比較器（８）と、を備え、
   前記第１の光源又は前記第２の光源は、前記位相比較器の検出した位相差が小さくなるように、中心周波数を変化させることを特徴とするブリルアンゲインスペクトル測定装置。
2. 前記位相差制御部が変化させる前記第１の連続発振光と前記第２の連続発振光との位相差に応じて、前記発振器から出力する前記基準信号の信号波形を変化させる補正部（１０）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のブリルアンゲインスペクトル測定装置。
3. 所定の変調周波数で周波数変調された所定の中心周波数差をもつ第１の連続発振光と第２の連続発振光を、前記第１の連続発振光と前記第２の連続発振光の位相差を変化させながら出力する光出力手順と、
   前記第１の連続発振光を分岐した一方を被測定光ファイバ（６）の一端に入射し、前記第２の連続発振光を分岐した一方を前記被測定光ファイバの他端に入射し、前記被測定光ファイバの前記他端から出力される前記第１の連続発振光及び前記第２の連続発振光の散乱光を受光するとともに、前記第１の連続発振光を分岐した他方と前記第２の連続発振光を分岐した他方を合波した合波光を受光する受光手順と、
   前記合波光の受光信号と設定された周波数の基準信号との位相差を検出し、検出した当該位相差が小さくなるように、前記第１の連続発振光又は前記第２の連続発振光の中心周波数を変化させる制御手順と、
   を順に有するブリルアンゲインスペクトル測定方法。
4. 前記制御手順において、前記第１の連続発振光と前記第２の連続発振光との位相差に応じて、前記基準信号の信号波形を変化させることを特徴とする請求項３に記載のブリルアンゲインスペクトル測定方法。

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