JP2017116423A - 光ファイバ特性測定装置および光ファイバ特性測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定光ファイバの長さが未知である場合、被測定光ファイバよりも短い遅延ファイバを用いる場合であっても、ブリルアン散乱光を用いた光ファイバ特性測定を行うことができる光ファイバ特性測定装置を提供する。【解決手段】光ファイバ特性測定装置は、周波数変調された連続光を出力する光源部と、連続光を、ポンプ光と、参照光とに分岐させる第１光分岐部と、第１光分岐部から出射されたポンプ光を被測定光ファイバの一端から入射させ、被測定光ファイバ内のポンプ光のブリルアン散乱により発生した後方散乱光を被測定光ファイバから受信する第２光分岐部と、後方散乱光と、参照光とを干渉させることにより、被測定光ファイバの特性を測定する演算部と、を備る。第１光分岐部から出射されたポンプ光が被測定光ファイバ内に入射して後方散乱光として演算部に至る第１光路の長さが、参照光が演算部に至る第２光路の長さよりも長い。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバ特性測定装置および光ファイバ特性測定方法に係り、特に、被測定対象である光ファイバ内におけるブリルアン散乱により生じた後方散乱光に基づいて光ファイバの特性を測定する光ファイバ特性測定装置および光ファイバ特性測定方法に関する。

光伝送媒体の１つである光ファイバ中に光を入射することによって発生するブリルアン散乱は、その光ファイバに加わる歪みや光ファイバの温度によって変化する。このブリルアン散乱に起因した光の周波数シフト量を測定することで、光ファイバの長さ方向の歪み分布や温度分布を測定する方法が知られている。例えば、橋、ビルなどの構造物に光ファイバを張り巡らせ、上記の方法に基づいてこの光ファイバの歪み箇所を特定することで、これらの構造物に生じた歪みを検知することができる。このような測定方法として、いわゆるＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry）方式およびＢＯＣＤＲ（Brillouin Optical Correlation Domain Reflectometry）方式などが知られている。

ＢＯＴＤＲ方式の測定方法は、被測定光ファイバの一端から光パルスを入射することによって得られるブリルアン散乱光を検出して、ブリルアン散乱光の入射光に対する周波数シフト量（以下、ブリルアン周波数シフト量と称する）およびブリルアン散乱光が戻ってくるまでの時間を測定する。このブリルアン散乱光は、被測定光ファイバの歪みや温度に依存して速度が変化する音響波によって散乱された後方散乱光である。上記のブリルアン周波数シフト量を測定することで、被測定光ファイバの歪みの大きさや温度を測定することができ、さらに、ブリルアン散乱光が戻ってくるまでの時間を測定することで、被測定光ファイバの長さ方向における位置を特定することができる。

一方、ＢＯＣＤＲ方式の測定方法は、被測定光ファイバの一端から周波数変調された連続光であるポンプ光を入射することによって得られるブリルアン散乱光を検出してブリルアン周波数シフト量を測定する。特許文献１に記載されているように、このＢＯＣＤＲ方式の測定方法においては、ブリルアン散乱光と参照光とを干渉させることにより、被測定光ファイバ中の、「相関ピーク」と呼ばれる特定の位置におけるブリルアン散乱光を選択的に抽出する。例えば、正弦波周波数変調が与えられた連続光を被測定光ファイバ内に入射する場合、被測定光ファイバ内における相関ピークの間隔は、正弦波周波数変調の変調周波数に反比例する。さらに、連続光の変調周波数を掃引することで、被測定光ファイバの長さ方向に沿って相関ピークを移動させることができる。相関ピークを移動しつつ各相関ピーク点におけるブリルアン周波数シフト量を求めることにより、被測定光ファイバの長さ方向における歪み分布や温度分布を測定することができる。

ＢＯＣＤＲ方式の測定方法において利用される相関ピークとは、被測定光ファイバに入射するポンプ光で生じるブリルアン散乱光と、光源から分岐した参照光との相関が高い位置を意味する。すなわち、相関ピークとは、ブリルアン散乱光と参照光との周波数差が時間的に変動しない位置を意味する。被測定光ファイバ上には複数の相関ピークが生じる可能性がある。この複数の相関ピークの中で、被測定光ファイバに入射するポンプ光の光路長と、参照光の光路長とが等しくなる位置を、「０次相関ピーク」と呼ぶ。また、０次相関ピークのとなりに生じるｎ番目（ｎは正の整数）の相関ピークを「ｎ次相関ピーク」と呼ぶ。このｎ次相関ピークは、被測定光ファイバに入射するポンプ光の変調周波数を掃引することでその位置が変化するが、０次相関ピークの位置は基本的には変調周波数によらず固定である。

一般的に、被測定光ファイバの長さ方向の歪み分布や温度分布を測定する方法としては、上記のｎ次相関ピークの掃引を利用する方法や、０次相関ピークの位置を位相シフタを用いて変化させる方法などがある。ｎ次相関ピークの掃引を利用する場合、被測定光ファイバ上にｎ次相関ピークが位置するように、０次相関ピークの位置を被測定光ファイバから離れた位置に設定する必要がある。従来技術においては、特許文献１（図１）に記載されているように、参照光の光路に遅延ファイバと呼ばれる光ファイバを設けることで、０次相関ピークの位置を被測定光ファイバから離れた位置に調節している。

参照光の光路に遅延ファイバを設けることにより、参照光の光路長が長くなるため、被測定光ファイバに入射するポンプ光の光路上における０次相関ピークの位置が光源から離れる方向に向かう遠方に移動する。このようにして、０次相関ピークが、被測定光ファイバが物理的に存在しない遠方に仮想的に位置するようにすれば、被測定光ファイバの歪み分布や温度分布をｎ次相関ピークを用いて測定することができる。正弦波周波数変調が与えられたポンプ光を被測定光ファイバ内に入射する場合、変調周波数を低減させることでｎ次相関ピークを被測定光ファイバの光源から近い端部に移動させ、変調周波数を増大させることでｎ次相関ピークを被測定光ファイバの光源から遠い端部に移動させることができる。

上記のＢＯＣＤＲ方式の測定方法は、被測定光ファイバ中の数ｃｍ程度の狭い領域でのブリルアン散乱光を、被測定光ファイバの長さ方向における特定の位置に対応した干渉出力として選択的に出力することができる。また、光パルスではなく連続光を被測定光ファイバに入射させるため、被測定光ファイバ内で生じる後方散乱光の信号強度が高く、測定値の積分処理が不要であるため、測定時間を短縮することができる。このＢＯＣＤＲ方式の測定方法における空間分解能および測定時間は、光パルスを被測定光ファイバに入射させるＢＯＴＤＲ方式の測定方法における空間分解能（通常１ｍ以上）や、測定時間（数分から数十分）よりも優れている。

しかしながら、被測定光ファイバが物理的に存在しない遠方に０次相関ピークを配置する、すなわち、被測定光ファイバの光源から遠い端部よりも遠方に０次相関ピークを配置するためには、被測定光ファイバよりも長い遅延ファイバを参照光の光路に設ける必要がある。このため、予め被測定光ファイバの長さを把握し、これに応じた遅延ファイバを準備しなければならない場合がある。また、橋、ビルなどの大きな構造物に被測定光ファイバを張り巡らせる場合などにおいては、非常に長い遅延ファイバを参照光の光路に設けることになりコストが増大してしまう場合がある。

特許第５１０５３０２号公報

丸山富士之介，"テンポラルゲート法とアポダイズ法を用いたブリルアン光相関領域リフレクトメトリ"，第５５回応用物理学会光波センシング研究会，２０１５年６月

本発明の一態様は、被測定光ファイバの長さが未知である場合、あるいは、被測定光ファイバよりも短い遅延ファイバを用いる場合であっても、ブリルアン散乱光を用いた光ファイバ特性測定を可能とする光ファイバ特性測定装置および光ファイバ特性測定方法を提供する。

本発明の一態様の光ファイバ特性測定装置は、周波数変調された連続光を出力する光源部と、前記連続光を、ポンプ光と、参照光とに分岐させる第１光分岐部と、前記第１光分岐部から出射された前記ポンプ光を被測定光ファイバの一端から入射させ、前記被測定光ファイバ内の前記ポンプ光のブリルアン散乱により発生した後方散乱光を前記被測定光ファイバから受信する第２光分岐部と、前記後方散乱光と、前記参照光とを干渉させることにより、前記被測定光ファイバの特性を測定する演算部と、を備えてよい。前記第１光分岐部から出射された前記ポンプ光が前記被測定光ファイバ内に入射して前記後方散乱光として前記演算部に至る第１光路の長さが、前記参照光が前記演算部に至る第２光路の長さよりも長くてよい。
上記の一態様の光ファイバ特性測定装置は、前記第１光路上に、前記ポンプ光に所定の遅延を生じさせる光遅延部をさらに備えてよい。
上記の一態様の光ファイバ特性測定装置において、前記光遅延部は、前記第１光路の長さを増大させるための光ファイバを備えてよい。
上記の一態様の光ファイバ特性測定装置において、前記光遅延部は、前記第１光分岐部と、前記第２光分岐部との間に配置されてよい。
上記の一態様の光ファイバ特性測定装置において、前記演算部は、前記後方散乱光と、前記参照光とを合波して合波光を生成する合波部と、前記合波部から入力された前記合波光に含まれる前記後方散乱光と、前記参照光とを干渉させることにより、前記後方散乱光と、前記参照光との周波数差分を示す干渉信号を検出する検出部と、前記検出部から入力された前記干渉信号に基づいて、ブリルアン散乱のスペクトルを取得する取得部と、前記取得部から入力された前記ブリルアン散乱のスペクトルから、ブリルアン周波数シフト量を演算する演算制御部と、を備えてよい。
上記の一態様の光ファイバ特性測定装置は、前記第１光分岐部と、前記第２光分岐部との間に配置され、前記第１光分岐部から入力された前記ポンプ光を前記第２光分岐部に通過または遮断するゲート部をさらに備えてよい。前記演算制御部は、前記第１光分岐部から出射された前記ポンプ光の前記第２光分岐部への通過または遮断を制御する第１制御信号を前記ゲート部に出力し、前記ブリルアン散乱のスペクトルの取得の開始および停止を制御する第２制御信号を前記取得部に出力してよい。
上記の一態様の光ファイバ特性測定装置において、前記演算制御部は、前記ブリルアン散乱のスペクトルが前記光源部から出力された前記周波数変調された連続光の一周期分のデータを含むように、前記ブリルアン散乱のスペクトルの取得の開始および停止を制御する前記第２制御信号を前記取得部に出力してよい。
本発明の一態様の光ファイバ特性測定方法は、周波数変調された連続光を出力することと、前記連続光を、ポンプ光と、参照光とに分岐させることと、前記参照光に対して、前記ポンプ光を遅延させることと、前記ポンプ光を被測定光ファイバの一端から入射させ、前記被測定光ファイバ内の前記ポンプ光のブリルアン散乱により発生した後方散乱光を前記被測定光ファイバから受信することと、前記後方散乱光と、前記参照光とを干渉させることにより、前記被測定光ファイバの特性を測定することと、を備えてよい。
上記の一態様の光ファイバ特性測定方法において、前記被測定光ファイバの特性を測定することは、前記後方散乱光と、前記参照光とを干渉させることにより、前記後方散乱光と、前記参照光との周波数差分を示す干渉信号を検出することと、前記干渉信号に基づいて、ブリルアン散乱のスペクトルを取得することと、前記ブリルアン散乱のスペクトルから、ブリルアン周波数シフト量を演算することと、を備えてよい。
上記の一態様の光ファイバ特性測定方法は、前記後方散乱光と前記参照光との周波数差が時間的に変動しない相関ピークが前記被測定光ファイバ内に複数存在する場合、前記ポンプ光の光路上に設けられたゲート部の開閉を制御することにより、前記ポンプ光をパルス化するとともに、前記被測定光ファイバから受信した前記後方散乱光のスペクトル取得を開始および停止することをさらに備えてよい。前記被測定光ファイバの一端から、前記複数の相関ピークのうち測定対象である相関ピーク（以下、第１相関ピークとする）までの距離に応じて、前記ゲート部を開いた時刻と、前記ブリルアン散乱のスペクトルの取得の開始した時刻との時間差、および、前記ゲート部を閉じた時刻と、前記ブリルアン散乱のスペクトルの取得を停止した時刻との時間差を制御することを備えてよい。

本発明の一態様の光ファイバ特性測定装置および光ファイバ特性測定方法は、被測定光ファイバの長さが未知である場合、あるいは、被測定光ファイバよりも短い遅延ファイバを用いる場合であっても、ブリルアン散乱光を用いた光ファイバ特性測定を行うことができる。

第１実施形態における光ファイバ特性測定装置の一例を示すブロック図である。 第１実施形態における、光ファイバ特性測定装置の処理の流れの一例を示すフローチャートである。 第２実施形態における光ファイバ特性測定装置の一例を示すブロック図である。 第２実施形態における、光ファイバ特性測定装置の処理の流れの一例を示すフローチャートである。

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いくつかの実施形態について説明する。

（第１実施形態）
図１は、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一例を示すブロック図である。図１に示すように、第１実施形態の光ファイバ特性測定装置１は、例えば、光源部１０と、第１光分岐部２０と、光遅延部３０と、光増幅部３５と、第２光分岐部４０と、光コネクタ５０と、演算部６０とを備える。演算部６０は、例えば、合波部７０と、検出部８０と、取得部９０と、演算制御部１００と、変調部１１０とを備える。

光源部１０は、周波数変調された連続光を出力する。光源部１０は、例えば、正弦波状に周波数変調された連続光を出力する。光源部１０は、例えば、分布帰還型レーザダイオードなどの半導体レーザを含む。光源部１０から出力される光を変調させるためには、例えば、変調部１１０から入力される変調信号を用いる。

第１光分岐部２０は、光源部１０から入力された連続光を、適当な強度比（例えば１対１）の２つの光に分岐させる。２つの光のうち、一方の光は、被測定光ファイバＦＵＴに入射されるポンプ光である。このポンプ光は、光遅延部３０と、光増幅部３５と、第２光分岐部４０と、光コネクタ５０とを通過し、被測定光ファイバＦＵＴの一端に入射される。２つの光の内、他方の光は、光ヘテロダイン検波を行う場合における参照光である。この参照光は、第２導光部４を通過し、合波部７０に入射される。

光遅延部３０は、第１光分岐部２０から入射されたポンプ光に所定の遅延を生じさせる。光遅延部３０は、例えば、所定の長さの光ファイバを含む。光ファイバの長さを変更することで、遅延時間を調節することができる。光ファイバは、例えば、数十ｍ以上の長さを有する。あるいは、光遅延部３０は、第１光分岐部２０から入射されたポンプ光が所定の遅延を生じるように位相調整を行う位相シフタを含んでもよい。光遅延部３０によって、第１光分岐部２０で分岐されたポンプ光と参照光との間に所定の遅延時間が生成されるため、被測定光ファイバＦＵＴからの戻り光（ブリルアン散乱の後方散乱光、またはストークス光ともいう）と参照光との間にも所定の遅延時間が生成される。この遅延時間は予め任意に設定することができる。第１実施形態においては、光遅延部３０を設けることで、第１光分岐部２０から出射されたポンプ光が被測定光ファイバＦＵＴに入射して、被測定光ファイバＦＵＴからの後方散乱光として第２光分岐部４０を介して合波部７０に入射するポンプ光の光路（第１光分岐部２０、光遅延部３０、光増幅部３５、第２光分岐部４０、光コネクタ５０、被測定光ファイバＦＵＴ、光コネクタ５０、第２光分岐部４０、第１導光部２、および合波部７０を順に通る光路。以下、「第１光路６」と称する。）の長さが、第１光分岐部２０で分岐された参照光が、第２導光部４を通って、合波部７０に入射する参照光の光路（以下、「第２光路８」と称する。）よりも長く設定されている。光遅延部３０は、第１光路６の長さを増大させる。

光増幅部３５は、光遅延部３０から入力されたポンプ光を増幅する。光増幅部３５は、第１光分岐部２０と、光遅延部３０との間に設けられてもよい。ポンプ光の増幅が不要であれば、光増幅部３５は設けなくてもよい。また、光遅延部３０の前後に、ポンプ光の光周波数を所定の量だけシフトする変調器（図示しない）を設けてもよい。変調器としては、例えば、ＳＳＢ（Single Side-Band Modulation）変調器などが用いられてよい。また、第２導光部４の光路上に、参照光を増幅するための光増幅器など（図示しない）を設けてもよい。また、第２導光部４の光路上に、参照光の光周波数を所定の量だけシフトする変調器（図示しない）を設けてもよい。

第２光分岐部４０は、第１ポートと、第２ポートと、第３ポートとを備える。第１ポートは、光増幅部３５と接続される。第２ポートは、光コネクタ５０を介して被測定光ファイバＦＵＴと接続される。第３ポートは、合波部７０と接続される。この構成に基づき、第２光分岐部４０は、第１ポートから入力されたポンプ光を第２ポートに出力する。また、第２ポートから入力された被測定光ファイバＦＵＴからの後方散乱光を第３ポートに出力する。第２光分岐部４０は、例えば、光サーキュレータなどを含む。

光コネクタ５０は、第２光分岐部４０の第２ポートから伸びる経路と被測定光ファイバＦＵＴとを結ぶコネクタである。第２光分岐部４０の第２ポートから出射されたポンプ光は、光コネクタ５０を介して、被測定光ファイバＦＵＴに入力される。また、被測定光ファイバＦＵＴからの後方散乱光は、光コネクタ５０を介して、第２光分岐部４０の第２ポートに入力される。

合波部７０は、第２光分岐部４０の第３ポートにより出力され、第１導光部２を通過して合波部７０に入力された測定光ファイバＦからの後方散乱光と、第１光分岐部２０により出力され、第２導光部４を通過して合波部７０に入力された参照光とを合波し、合波光を生成する。さらに、合波部７０は、合波した光を適当な強度比（例えば１対１）の２つの光に分岐し、検出部８０に出力する。例えば、分岐された２つの光の各々は、測定光ファイバＦからの後方散乱光の５０％と、参照光の５０％とを含む。

第１導光部２の光路上に、測定光ファイバＦからの後方散乱光を増幅するための光増幅器（図示しない）などが設けられてもよい。

検出部８０は、合波部７０から入力された合波光に含まれる後方散乱光と、参照光とを干渉させることによって光ヘテロダイン検波を行う。検出部８０は、例えば、２つのフォトダイオード（PD: Photodiode）８２および８４と、検波部８６とを備えるバランスド・フォトダイオードである。検出部８０は、合波部７０により出力された光を受光し、後方散乱光と参照光との周波数差分を示す信号を干渉信号（ビート信号）として取得部９０に出力する。ポンプ光または参照光を予め周波数シフトしている場合には、検出部８０は、光ホモダイン検波を行ってもよい。

取得部９０は、検出部８０から入力された電気的なビート信号の周波数特性を観測する。取得部９０は、例えば、スペクラムアナライザなどを含んでよい。あるいは、取得部９０は、オシロスコープなどの時間軸測定器で時間的に連続なデータを取得した後、別途、高速フーリエ変換などの技術を用いてスペクトルデータに変換してもよい。

演算制御部１００は、取得部９０で測定したスペクトルデータからブリルアン周波数シフト量を演算するとともに、被測定光ファイバＦＵＴ上の測定位置を制御する制御信号を変調部１１０に出力する。演算制御部１００は、例えば、パーソナルコンピュータのような演算装置などを含んでよい。また、演算制御部１００は、演算により得られたブリルアン周波数シフト量を、歪みや温度などの物理情報として表示する表示部を含んでよい。また、被測定光ファイバＦＵＴの歪みや温度などの情報を、その測定対象である物体の状態を意味する情報に解釈して表示部に表示してもよい。表示部は、例えば、液晶ディスプレイや有機ＥＬ（Electroluminescence）表示装置などである。

変調部１１０は、演算制御部１００から入力された制御信号に基づき、光源部１０から出射される光を変調させるための変調信号を光源部１０に出力する。変調部１１０は、例えば、任意波形発生器やファンクションジェネレータなどの信号発生器を含む。変調部１１０は、光源部１０から出力されるレーザ連続光を、例えば、正弦波状に周波数変調された連続光にする変調信号を光源部１０に注入する。変調信号としては、例えば、直流電流に交流電流を重畳させた信号が用いられる。

次に、第１実施形態の光ファイバ特性測定装置１の動作について説明する。図２は、第１実施形態における、光ファイバ特性測定装置１の処理の流れの一例を示すフローチャートである。

光源部１０は、周波数変調された連続光を第１光分岐部２０に出力する（ステップＳ１０１）。光源部１０は、例えば、正弦波状に周波数変調された連続光を第１光分岐部２０に出力する。

次に、第１光分岐部２０は、光源部１０から入力された連続光を、ポンプ光と参照光とに分岐させる（ステップＳ１０３）。第１光分岐部２０は、ポンプ光を光遅延部３０に出力する（ステップＳ１０５）。

次に、光遅延部３０は、第１光分岐部２０から入力されたポンプ光を、光増幅部３５に出力する。光増幅部３５は、ポンプ光の増幅処理を行った後、ポンプ光を第２光分岐部４０および光コネクタ５０を介して、被測定光ファイバＦＵＴに出力する（ステップＳ１０７）。周波数変調されたポンプ光が被測定光ファイバＦＵＴに入射されると、被測定光ファイバＦＵＴ内においてブリルアン散乱が生じる。ここで、ブリルアン散乱により発生する後方散乱光は、被測定光ファイバＦＵＴの歪みや温度に依存して速度が変化する音響波の影響を受け、その周波数がシフトしている。光源部１０の波長が約１．５５μｍでありかつ被測定光ファイバＦＵＴとして汎用の通信用シングルモードファイバを用いた場合、被測定光ファイバＦＵＴからの後方散乱光は、被測定光ファイバＦＵＴに入射された連続光の周波数に対して１０．８ＧＨｚ程度周波数がシフトしている。このブリルアン周波数シフト量は、被測定光ファイバＦＵＴに加わる歪みや温度によって変動する。

次に、第２光分岐部４０は、被測定光ファイバＦＵＴから後方散乱光を受け取って、第１導光部２に出力する（ステップＳ１０９）。次に、第１導光部２は、第２光分岐部４０から入力された後方散乱光を、合波部７０に出力する。

上記のステップＳ１０５、Ｓ１０７、およびＳ１０９と並行して、またはステップＳ１０５、Ｓ１０７、およびＳ１０９の前若しくは後において、第１光分岐部２０は、第１光分岐部２０で分岐された参照光を、第２導光部４に出力する（ステップＳ１１１）。次に、第２導光部４は、参照光を合波部７０に出力する。

次に、合波部７０は、第１導光部２から入力された後方散乱光と、第２導光部４から入力された参照光とを合波する。次に、合波部７０は、合波した光を適当な強度比（例えば１対１）の２つの光に分岐し、検出部８０に出力する。検出部８０は、合波部７０から入力された光を干渉させることによって光ヘテロダイン検波を行う。検出部８０は、例えば、２つのＰＤ８２および８４と、検波部８６とを用いて、合波部７０から入力される戻り光と参照光との周波数差分を示す干渉信号（ビート信号）を検出する。検出部８０は、検出した干渉信号、すなわちブリルアン散乱の信号に対して適当なレベル調整などを行った後、取得部９０に出力する（ステップＳ１１３）。

次に、取得部９０は、検出部８０から入力された干渉信号を測定し、ブリルアン散乱のスペクトルを測定する（ステップＳ１１５）。次に、取得部９０は、測定したブリルアン散乱のスペクトルを、スペクトルデータとして演算制御部１００に出力する。

ここで、第１実施形態においては、第１光分岐部２０で分岐されたポンプ光の光路（第１光路６）に光遅延部３０が設けられているため、第１光路６の長さが、参照光の光路である第２光路８よりも長い。このため、ポンプ光の光路長と、参照光との光路長が等しい位置である０次相関ピークの位置が、第１光分岐部２０と、被測定光ファイバＦＵＴとの間、すなわち、第１光路６内における被測定光ファイバＦＵＴの前段の位置に調節される。例えば、０次相関ピークの位置が、光遅延部３０内の光路上に発生する。この結果、被測定光ファイバＦＵＴ上には、０次相関ピークではなく、被測定光ファイバＦＵＴの特性測定に利用されるｎ次相関ピーク（ｎは正の整数）が発生する。

次に、演算制御部１００は、取得部９０から入力されたスペクトルデータからブリルアン周波数シフト量を演算することにより、被測定光ファイバＦＵＴの特性（被測定光ファイバＦＵＴの長さ方向における歪み分布、温度分布等）を測定する（ステップＳ１１７）。

次に、演算制御部１００は、被測定光ファイバＦＵＴ上の測定位置を制御する制御信号を変調部１１０に出力する。例えば、正弦波周波数変調が与えられた連続光を被測定光ファイバＦＵＴ内に入射する場合、変調周波数を小さくすることで、ｎ次相関ピークを被測定光ファイバＦＵＴの光源部１０から遠い側に移動させることができる。また、変調周波数を大きくすることで、ｎ次相関ピークを被測定光ファイバＦＵＴの光源部１０に近い側に移動させることができる。この第１実施形態におけるｎ次相関ピークの移動方向と変調周波数の関係は、参照光の光路上に遅延部を設ける従来技術、すなわち、０次相関ピークが光源からみて被測定光ファイバの遠方に位置する構成におけるｎ次相関ピークの移動方向と変調周波数の関係とは逆向きである。さらに、連続光の変調周波数を掃引することで、被測定光ファイバの長さ方向に沿って相関ピークを移動させることができる。相関ピークを移動しつつ各相関ピーク点におけるブリルアン周波数シフト量を求めることにより、被測定光ファイバの長さ方向における歪み分布や温度分布を測定することができる。

次に、変調部１１０は、演算制御部１００から入力された制御信号に基づき、光源部１０から出射される光を変調させるための変調信号を光源部１０に出力し、本フローチャートの処理を終了する。

以上説明した第１実施形態の光ファイバ特性測定装置１は、周波数変調された連続光を出力する光源部１０と、前記連続光を、ポンプ光と、参照光とに分岐させる第１光分岐部２０と、前記第１光分岐部２０から出射された前記ポンプ光を被測定光ファイバＦＵＴの一端から入射させ、前記被測定光ファイバＦＵＴ内の前記ポンプ光のブリルアン散乱により発生した後方散乱光を前記被測定光ファイバＦＵＴから受信する第２光分岐部４０と、前記後方散乱光と、前記参照光とを干渉させることにより、前記被測定光ファイバＦＵＴの特性を測定する演算部６０と、を備え、前記第１光分岐部２０から出射された前記ポンプ光が前記被測定光ファイバＦＵＴ内に入射して前記後方散乱光として前記演算部６０に至る第１光路の長さが、前記参照光が前記演算部６０に至る第２光路の長さよりも長い。すなわち、第１光分岐部２０で分岐されたポンプ光の光路（第１光路６）に光遅延部３０が設けられているため、第１光路６の長さが、参照光の光路である第２光路８よりも長い。このため、ポンプ光の光路長と、参照光との光路長が等しい位置である０次相関ピークの位置が、第１光分岐部２０と、被測定光ファイバＦＵＴとの間、すなわち、第１光路６内における被測定光ファイバＦＵＴの前段の位置に調節される。被測定光ファイバＦＵＴの長さに応じて光遅延部（例えば、光ファイバ）の長さを変更する必要がなくなるため、被測定光ファイバＦＵＴの長さが未知である場合であっても被測定光ファイバＦＵＴの特性を測定することができる。また、被測定光ファイバＦＵＴよりも短い遅延ファイバを用いた場合であっても、被測定光ファイバＦＵＴの特性を測定することができる。

上記の第１実施形態において、光遅延部３０は、第１光分岐部２０と第２光分岐部４０との間に配置されるものとして説明しているが、光遅延部３０は、第２光分岐部４０と合波部７０との間に配置されてもよい。光遅延部３０は、ポンプ光の第１光路６上の適当な位置に設けられてよい。この場合、光遅延部３０と合波部７０との間に、後方散乱光を増幅するための光増幅器などを設けてもよい。

また、光遅延部３０を設けずに、光増幅部３５内の光路を長くすることで、ポンプ光の光路である第１光路６の長さを参照光の光路である第２光路８よりも長くする構成を採用してもよい。

（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。第１実施形態と比較して、第２実施形態における光ファイバ特性測定装置は、ポンプ光の光路上にゲート部を設ける点、および検出部８０と演算制御部１００との間にゲート付き取得部９２を設ける点が異なる、このため、第２実施形態の説明において、上記の第１実施形態と同様の部分には同じ参照番号を付与し、その説明を省略あるいは簡略化する。

第１実施形態では、主に、被測定光ファイバＦＵＴにおいてｎ次相関ピークが一つのみ発生する例を対象に説明を行った。しかしながら、隣り合う二つの相関ピークの間隔は、光源の変調周波数によって変化するため、光源の変調周波数が高く、相関ピークの間隔が被測定光ファイバＦＵＴの長さよりも短い場合、被測定光ファイバＦＵＴ上に複数の相関ピークが発生する場合がある。この場合、取得部９０においてブリルアン散乱のスペクトルを測定する際、複数存在する相関ピークのうち、被測定光ファイバＦＵＴ上のどの地点で観測されたものであるかを判別する必要がある。

被測定光ファイバ上に存在する複数の相関ピークを判別するための方法として、特許文献１および非特許文献１に示すテンポラルゲート法などが知られている。この方法においては、被測定光ファイバ上に発生した複数の相関ピークのうち一つのみを取り出せるように、ポンプ光の光路上にゲート部が設けられる。このゲート部が開いている間のみ、ポンプ光はパルス状に送出されるため、その光パルスが通過している部位の被測定光ファイバからのみブリルアン散乱光（後方散乱光）が戻ることになる。光ファイバ特性測定装置内に設けられた演算部は、戻り光である後方散乱光を連続して受光することになるが、ある特定の部位（ポンプ光の光パルスが通過した位置）からの後方散乱光のみを選択的に受光するように、取得部に入力される受光信号に対してもゲート処理を行うことで、相関ピークを選択することができる。

このテンポラルゲート法は、光パルスを被測定光ファイバに入射させ、後方散乱光を連続してサンプリングすることで特定の部位における後方散乱光を判別するという点で、ＢＯＴＤＲ方式と類似する。しかしながら、ＢＯＴＤＲ方式における空間分解能の限界が１ｍ程度であるのに対して、テンポラルゲート法を用いたＢＯＣＤＲ方式における空間分解能は数ｃｍである。このため、テンポラルゲート法を用いたＢＯＣＤＲ方式は、ＢＯＴＤＲ方式と比較して、高い空間分解能を有している。

そこで、本発明の第２実施形態では、上記の第１実施形態の利点を維持しつつ、被測定光ファイバ上に発生した複数の相関ピークの中から特定の部位だけを観測することが可能な光ファイバ特性測定装置について説明する。

図３は、第２実施形態における光ファイバ特性測定装置の一例を示すブロック図である。図３に示す光ファイバ特性測定装置１Ａは、光増幅部３５と、第２光分岐部４０との間にゲート部１２０を含む。ゲート部１２０は、第１光分岐部２０と、光遅延部３０との間、または、光遅延部３０と、光増幅部３５との間に設けられてもよい。さらに、光ファイバ特性測定装置１Ａは、検出部８０と演算制御部１００との間にゲート付き取得部９２を含む。演算制御部１００は、ゲート部１２０の動作を制御するための第１ゲート信号Ｓ１（第１制御信号）をゲート部１２０に出力する。さらに、演算制御部１００は、ゲート付き取得部９２の動作を制御するための第２ゲート信号Ｓ２（第２制御信号）をゲート付き取得部９２に出力する。

ゲート部１２０は、光増幅部３５から入力されたポンプ光を第２光分岐部４０に通過させるか（開状態）、あるいは、ポンプ光を遮断する（閉状態）ゲート処理を行う。ゲート部１２０は、消光比の高い光スイッチや、強度変調器、半導体光アンプ（SOA: Semiconductor Optical Amplifier）などを含む。例えば、半導体光アンプは、ポンプ光を増幅する機能を兼ね備える。

ゲート部１２０の開閉状態は、演算制御部１００からの第１ゲート信号Ｓ１によって制御される。ゲート部１２０を開状態とすることを示す第１ゲート信号Ｓ１が演算制御部１００から入力された場合、ゲート部１２０は開状態となる。この場合、光増幅部３５から入力されたポンプ光は、ゲート部１２０を通過し、第２光分岐部４０に出力される。一方、ゲート部１２０を閉状態とすることを示す第１ゲート信号Ｓ１が演算制御部１００から入力された場合、ゲート部１２０は閉状態となる。この場合、光遅延部３０から入力されたポンプ光は、ゲート部１２０を通過せずに遮断され、ゲート部１２０からは何も出力されない。

ゲート付き取得部９２は、演算制御部１００からの第２ゲート信号Ｓ２に基づいて、検出部８０から入力された干渉信号の測定を開始、あるいは測定を停止する。ゲート付き取得部９２の測定開始および測定停止が制御される理由は、時系列に並んだ後方散乱光のうち、被測定光ファイバＦＵＴ上の特定の部位だけを測定するためである。所定の時間において測定を行うことは、被測定光ファイバＦＵＴ上の特定の位置（所定の距離）における測定を行うことを意味する。

次に、第２実施形態の光ファイバ特性測定装置１Ａの動作について説明する。図４は、第２実施形態における、光ファイバ特性測定装置１Ａの処理の流れの一例を示すフローチャートである。

光源部１０は、周波数変調された連続光を第１光分岐部２０に出力する（ステップＳ２０１）。

次に、第１光分岐部２０は、光源部１０から入力された連続光を、ポンプ光と参照光とに分岐させる（ステップＳ２０３）。第１光分岐部２０は、ポンプ光を光遅延部３０に出力する（ステップＳ２０５）。

次に、光遅延部３０は、第１光分岐部２０から入力されたポンプ光を、光増幅部３５に出力する。光増幅部３５は、ポンプ光の増幅処理を行った後、ポンプ光をゲート部１２０に出力する。演算制御部１００から入力される第１ゲート信号Ｓ１に基づいて、ゲート部１２０の開閉状態が制御される。これにより、ゲート部１２０は、パルス化されたポンプ光を、第２光分岐部４０に出力する。ゲート部１２０によってパルス状となった各光パルスには、元の変調された連続光の一周期分が含まれている必要がある。この一周期が、相関ピーク一つ分に相当する時間である。

次に、第２光分岐部４０は、ゲート部１２０から入力されたパルス化されたポンプ光を、光コネクタ５０を介して、被測定光ファイバＦＵＴに出力する（ステップＳ２０９）。パルス化されたポンプ光は、被測定光ファイバＦＵＴ中を伝播する。光パルスが通過した被測定光ファイバＦＵＴの各部位からは、後方散乱光が、光パルスの通過した順に時系列で戻ってくる。

次に、第２光分岐部４０は、被測定光ファイバＦＵＴから後方散乱光を受け取って、第１導光部２に出力する（ステップＳ２１１）。次に、第１導光部２は、第２光分岐部４０から入力された後方散乱光を、合波部７０に出力する。

上記のステップＳ２０５、Ｓ２０７、Ｓ２０９、およびＳ２１１と並行して、またはステップＳ２０５、Ｓ２０７、Ｓ２０９、およびＳ２１１の前若しくは後において、第１光分岐部２０は、第１光分岐部２０で分岐された参照光を、第２導光部４に出力する（ステップＳ２１３）。次に、第２導光部４は、参照光を合波部７０に出力する。

次に、合波部７０は、第１導光部２から入力された後方散乱光と、第２導光部４から入力された参照光とを合波する。次に、合波部７０は、合波した光を、検出部８０に出力する。検出部８０は、合波部７０から入力された光を干渉させることによって光ヘテロダイン検波を行う。検出部８０は、検出した干渉信号、すなわちブリルアン散乱の信号に対して適当なレベル調整などを行った後、ゲート付き取得部９２に出力する（ステップＳ２１５）。

次に、ゲート付き取得部９２は、検出部８０から入力された干渉信号を受信する。次に、演算制御部１００から入力される第２ゲート信号Ｓ２に基づいて、ゲート付き取得部９２の測定開始および測定停止が制御される。ゲート付き取得部９２は、第１ゲート信号Ｓ１に基づいてゲート部１２０が開状態となってから所定の時間だけ遅延した時刻にブリルアン散乱のスペクトルの測定を行う（ステップＳ２１７）。演算制御部１００は、第１ゲート信号Ｓ１および第２ゲート信号Ｓ２を用いて、ゲート部１２０の開閉処理と、ゲート付き取得部９２の開閉処理（測定開始および測定停止の制御）との遅延タイミングを制御することにより、被測定光ファイバＦＵＴの観測位置を掃引する。例えば、ゲート部１２０の開閉処理と、ゲート付き取得部９２の開閉処理との遅延タイミングを少しずつずらすことで、被測定光ファイバＦＵＴ上の観測位置を少しずつ変えながら掃引測定を行うことができる。

ここで、第１実施形態と同様に、第１光分岐部２０で分岐されたポンプ光の光路（第１光路６）に光遅延部３０が設けられているため、第１光路６の長さが、参照光の光路である第２光路８よりも長い。このため、ポンプ光の光路長と、参照光との光路長が等しい位置である０次相関ピークの位置が、第１光分岐部２０と、被測定光ファイバＦＵＴとの間、すなわち、第１光路６内における被測定光ファイバＦＵＴの前段の位置に調節される。この結果、被測定光ファイバＦＵＴ上には、０次相関ピークではなく、被測定光ファイバＦＵＴの特性測定に利用されるｎ次相関ピークが発生する。

次に、ゲート付き取得部９２は、測定したブリルアン散乱のスペクトルを、スペクトルデータとして演算制御部１００に出力する。演算制御部１００は、ゲート付き取得部９２から入力されたスペクトルデータからブリルアン周波数シフト量を演算することにより、被測定光ファイバＦＵＴの特性（被測定光ファイバＦＵＴの長さ方向における歪み分布、温度分布等）を測定する（ステップＳ２１９）。

次に、演算制御部１００は、被測定光ファイバＦＵＴ上の測定位置を制御する制御信号を変調部１１０に出力する。次に、変調部１１０は、演算制御部１００から入力された制御信号に基づき、光源部１０から出射される光を変調させるための変調信号を光源部１０に出力し、本フローチャートの処理を終了する。このように、光源部１０から出射される光を変調させるための変調信号を制御することで、被測定光ファイバＦＵＴ上の測定位置をより詳細に制御することができる。

以上説明した第２実施形態の光ファイバ特性測定装置１Ａによれば、第１光分岐部２０で分岐されたポンプ光の光路（第１光路６）に光遅延部３０が設けられているため、第１光路６の長さが、参照光の光路である第２光路８よりも長い。このため、ポンプ光の光路長と、参照光との光路長が等しい位置である０次相関ピークの位置が、第１光分岐部２０と、被測定光ファイバＦＵＴとの間、すなわち、第１光路６内における被測定光ファイバＦＵＴの前段の位置に調節される。被測定光ファイバＦＵＴの長さに応じて遅延部（例えば、光ファイバ）の長さを変更する必要がなくなるため、被測定光ファイバＦＵＴの長さが未知である場合であっても被測定光ファイバＦＵＴの特性を測定することができる。また、被測定光ファイバＦＵＴよりも短い遅延ファイバを用いた場合であっても、被測定光ファイバＦＵＴの特性を測定することができる。

また、第２実施形態の光ファイバ特性測定装置１Ａによれば、ＢＯＣＤＲ方式のテンポラルゲート法を組み入れることにより、例えば、光遅延部３０の長さが被測定光ファイバＦＵＴの長さよりも短い場合などに複数の相関ピークが被測定光ファイバＦＵＴ上に発生したとしても、複数の相関ピークの中から、観測対象の位置と対応する一つの相関ピークのみを選択的に測定することができる。すなわち、後方散乱光と参照光との周波数差が時間的に変動しない相関ピークが被測定光ファイバＦＵＴ内に複数存在する場合、ポンプ光の光路上に設けられたゲート部１２０の開閉を制御することにより、ポンプ光をパルス化する。さらに、被測定光ファイバＦＵＴの一端から、複数の相関ピークのうち測定対象である相関ピーク（第１相関ピーク）までの距離に応じて、ゲート部１２０を開いた時刻と、ブリルアン散乱のスペクトルの取得の開始した時刻との時間差、および、ゲート部１２０を閉じた時刻と、ブリルアン散乱のスペクトルの取得を停止した時刻との時間差を制御することで、複数の相関ピークの中から、測定対象の位置と対応する一つの相関ピークのみを選択的に測定することができる。

上記の第２実施形態において、光遅延部３０は、第１光分岐部２０と光増幅部３５との間に配置されるものとして説明しているが、光遅延部３０は、第２光分岐部４０と合波部７０との間に配置されてもよい。この場合、光遅延部３０と合波部７０との間に、後方散乱光を増幅するための光増幅器などを設けてもよい。

また、光遅延部３０を設けずに、光増幅部３５内の光路を長くすることで、ポンプ光の光路である第１光路６の長さを参照光の光路である第２光路８よりも長くする構成を採用してもよい。

以上、添付図面を参照しながら本発明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。

１，１Ａ……光ファイバ特性測定装置、２……第１導光部、４……第２導光部、６……第１光路、８……第２光路、１０……光源部、２０……第１光分岐部、３０……光遅延部、３５……光増幅部、４０……第２光分岐部、５０……光コネクタ、６０……演算部、７０……合波部、８０……検出部、８２，８４……フォトダイオード、８６……検波部、９０……取得部、９２……ゲート付き取得部、１００……演算制御部、１１０……変調部、１２０……ゲート部、ＦＵＴ……被測定光ファイバ

Claims (10)

1. 周波数変調された連続光を出力する光源部と、
   前記連続光を、ポンプ光と、参照光とに分岐させる第１光分岐部と、
   前記第１光分岐部から出射された前記ポンプ光を被測定光ファイバの一端から入射させ、前記被測定光ファイバ内の前記ポンプ光のブリルアン散乱により発生した後方散乱光を前記被測定光ファイバから受信する第２光分岐部と、
   前記後方散乱光と、前記参照光とを干渉させることにより、前記被測定光ファイバの特性を測定する演算部と、
   を備え、
   前記第１光分岐部から出射された前記ポンプ光が前記被測定光ファイバ内に入射して前記後方散乱光として前記演算部に至る第１光路の長さが、前記参照光が前記演算部に至る第２光路の長さよりも長い、
   光ファイバ特性測定装置。
2. 前記第１光路上に、前記ポンプ光に所定の遅延を生じさせる光遅延部をさらに備える、
   請求項１に記載の光ファイバ特性測定装置。
3. 前記光遅延部は、前記第１光路の長さを増大させるための光ファイバを備える、
   請求項２に記載の光ファイバ特性測定装置。
4. 前記光遅延部は、前記第１光分岐部と、前記第２光分岐部との間に配置される、
   請求項２または３に記載の光ファイバ特性測定装置。
5. 前記演算部は、
   前記後方散乱光と、前記参照光とを合波して合波光を生成する合波部と、
   前記合波部から入力された前記合波光に含まれる前記後方散乱光と、前記参照光とを干渉させることにより、前記後方散乱光と、前記参照光との周波数差分を示す干渉信号を検出する検出部と、
   前記検出部から入力された前記干渉信号に基づいて、ブリルアン散乱のスペクトルを取得する取得部と、
   前記取得部から入力された前記ブリルアン散乱のスペクトルから、ブリルアン周波数シフト量を演算する演算制御部と、
   を備える、
   請求項１から４の何れか一項に記載の光ファイバ特性測定装置。
6. 前記第１光分岐部と、前記第２光分岐部との間に配置され、前記第１光分岐部から入力された前記ポンプ光を前記第２光分岐部に通過または遮断するゲート部をさらに備え、
   前記演算制御部は、
   前記第１光分岐部から出射された前記ポンプ光の前記第２光分岐部への通過または遮断を制御する第１制御信号を前記ゲート部に出力し、
   前記ブリルアン散乱のスペクトルの取得の開始および停止を制御する第２制御信号を前記取得部に出力する、
   請求項５に記載の光ファイバ特性測定装置。
7. 前記演算制御部は、前記ブリルアン散乱のスペクトルが前記光源部から出力された前記周波数変調された連続光の一周期分のデータを含むように、前記ブリルアン散乱のスペクトルの取得の開始および停止を制御する前記第２制御信号を前記取得部に出力する、
   請求項６に記載の光ファイバ特性測定装置。
8. 周波数変調された連続光を出力することと、
   前記連続光を、ポンプ光と、参照光とに分岐させることと、
   前記参照光に対して、前記ポンプ光を遅延させることと、
   前記ポンプ光を被測定光ファイバの一端から入射させ、前記被測定光ファイバ内の前記ポンプ光のブリルアン散乱により発生した後方散乱光を前記被測定光ファイバから受信することと、
   前記後方散乱光と、前記参照光とを干渉させることにより、前記被測定光ファイバの特性を測定することと、
   を備える光ファイバ特性測定方法。
9. 前記被測定光ファイバの特性を測定することは、
   前記後方散乱光と、前記参照光とを干渉させることにより、前記後方散乱光と、前記参照光との周波数差分を示す干渉信号を検出することと、
   前記干渉信号に基づいて、ブリルアン散乱のスペクトルを取得することと、
   前記ブリルアン散乱のスペクトルから、ブリルアン周波数シフト量を演算することと、
   を備える
   請求項８に記載の光ファイバ特性測定方法。
10. 前記後方散乱光と前記参照光との周波数差が時間的に変動しない相関ピークが前記被測定光ファイバ内に複数存在する場合、前記ポンプ光を遅延させることと、前記後方散乱光を前記被測定光ファイバから受信することとの間に、前記ポンプ光の光路上に設けられたゲート部の開閉を制御することにより、前記ポンプ光をパルス化することをさらに備え、
    前記ブリルアン散乱のスペクトルを取得することは、前記被測定光ファイバの一端から、前記複数の相関ピークのうち測定対象である第１相関ピークの位置までの距離に応じて、前記ゲート部を開いた時刻と、前記ブリルアン散乱のスペクトルの取得の開始した時刻との時間差、および、前記ゲート部を閉じた時刻と、前記ブリルアン散乱のスペクトルの取得を停止した時刻との時間差を制御することを備える、
    請求項９に記載の光ファイバ特性測定方法。

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