JP2019203859A - Device and method for measuring brillouin frequency shift - Google Patents
Device and method for measuring brillouin frequency shift Download PDFInfo
- Publication number
- JP2019203859A JP2019203859A JP2018100917A JP2018100917A JP2019203859A JP 2019203859 A JP2019203859 A JP 2019203859A JP 2018100917 A JP2018100917 A JP 2018100917A JP 2018100917 A JP2018100917 A JP 2018100917A JP 2019203859 A JP2019203859 A JP 2019203859A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- brillouin
- light
- optical
- frequency
- frequency shift
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 97
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 60
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 34
- 230000001934 delay Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 15
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims description 12
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 claims description 9
- 230000005535 acoustic phonon Effects 0.000 claims description 6
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims description 6
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims description 6
- 210000001520 comb Anatomy 0.000 abstract description 4
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 12
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 229910013641 LiNbO 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
本発明は、ブリルアン周波数シフトを測定する装置及び方法に関する。 The present invention relates to an apparatus and method for measuring Brillouin frequency shift.
光ファイバや平面型光導波路(PLC)等に光が伝搬する際に生じる誘導ブリルアン散乱においては、プローブ光の周波数がポンプ光の周波数に対して、ブリルアン周波数シフトνBFSだけ小さい場合に最大のブリルアン利得が生じ、プローブ光が増幅される。ここで、ブリルアン周波数シフトνBFSは、光ファイバやPLC等への入射光の周波数と被験体中での誘導ブリルアン散乱により増幅したプローブ光の周波数との差であり、以下の(式1)で示される。 In stimulated Brillouin scattering that occurs when light propagates through an optical fiber, a planar optical waveguide (PLC), etc., the maximum Brillouin when the frequency of the probe light is smaller than the pump light frequency by the Brillouin frequency shift ν BFS Gain occurs and the probe light is amplified. Here, the Brillouin frequency shift ν BFS is the difference between the frequency of the incident light to the optical fiber, the PLC, etc. and the frequency of the probe light amplified by stimulated Brillouin scattering in the subject. Indicated.
ここで、neffは光ファイバやPLC等の被験体における実効屈折率であり、VAは被験体における音速であり、λは光の波長である。neff及びVAは、被験体に加わる歪や温度によって変化するためブリルアン周波数シフトνBFSを測定することによって被験体の歪や温度のセンシングが可能になる。 Here, n eff is an effective refractive index in a subject such as an optical fiber or PLC, VA is a sound velocity in the subject, and λ is a wavelength of light. Since n eff and V A change depending on strain and temperature applied to the subject, the strain and temperature of the subject can be sensed by measuring the Brillouin frequency shift ν BFS .
光ファイバや光デバイス等の被験体中を伝搬する光のブリルアン周波数シフトνBFSの分布をcm程度以下の空間分解能で測定する1つの従来技術として、ブリルアン光相関領域解析法(以下、BOCDAという)が知られている(例えば、非特許文献1参照)。BOCDAは、プローブ光と、プローブ光の周波数よりもブリルアン周波数シフトνBFSだけ大きな周波数を有するポンプ光の双方を周波数変調し、その変調位相が被験体中の特定の極めて小さい区間においてのみ一致し、その一致点においてプローブ光及びポンプ光の周波数相関が大きくなることを利用して、空間分解能に優れたブリルアン周波数シフトνBFSの測定を可能とする方法である。 As one conventional technique for measuring the Brillouin frequency shift ν BFS distribution of light propagating in a subject such as an optical fiber or an optical device with a spatial resolution of about cm or less, the Brillouin optical correlation region analysis method (hereinafter referred to as BOCDA) is used. Is known (see, for example, Non-Patent Document 1). BOCDA frequency modulates both the probe light and the pump light having a Brillouin frequency shift ν BFS greater than the frequency of the probe light, and the modulation phase coincides only in a specific very small section in the subject, This is a method that enables measurement of the Brillouin frequency shift ν BFS excellent in spatial resolution by utilizing the fact that the frequency correlation between the probe light and the pump light becomes large at the coincidence point.
しかしながら、BOCDAでは、プローブ光及びポンプ光の周波数相関は、被験体内の上記一致点などの測定したい場所以外でも完全にゼロではない。このために、BOCDAでは、ブリルアン周波数シフトνBFSを検出するための相関信号のほかに、測定したい場所以外で生じた信号が大きな割合で生じる。これを除外するため、プローブ光及びポンプ光に複雑な周波数変調を加える等の様々な手段が必要になる。この結果、BOCDAでは、装置構成が複雑になると同時に、測定時の装置の制御も複雑であり、装置価格の低廉化を妨げていた。 However, in BOCDA, the frequency correlation between the probe light and the pump light is not completely zero except at the place where the coincidence point in the subject is to be measured. For this reason, in BOCDA, in addition to the correlation signal for detecting the Brillouin frequency shift ν BFS , a signal generated at a place other than the place to be measured is generated in a large proportion. In order to exclude this, various means such as adding complex frequency modulation to the probe light and the pump light are required. As a result, in BOCDA, the apparatus configuration is complicated, and at the same time, the control of the apparatus at the time of measurement is complicated, which hinders the reduction of the apparatus price.
被験体中のブリルアン周波数シフトνBFSの分布をcm程度以下の空間分解能で測定するもう1つの従来技術として、被験体の音響フォノンの寿命よりも短い周期T=1/Δfを有する光パルス(光コム)をプローブ光及びポンプ光として用いる手法が知られている(例えば、特許文献1参照)。この方法の利点は、被験体中でのプローブ光及びポンプ光の2つの光パルスの衝突地点以外では誘導ブリルアン散乱が全く生じないため、BOCDAで必要となるプローブ光及びポンプ光に対する複雑な変調手段が不要となることである。 As another conventional technique for measuring the Brillouin frequency shift ν BFS distribution in a subject with a spatial resolution of about cm or less, an optical pulse having a period T = 1 / Δf shorter than the acoustic phonon lifetime of the subject (light Comb is used as probe light and pump light (see, for example, Patent Document 1). The advantage of this method is that the stimulated Brillouin scattering does not occur at all other than the collision point of the two light pulses of the probe light and the pump light in the subject, so that the complex modulation means for the probe light and the pump light required for BOCDA Is no longer necessary.
しかしながら、誘導ブリルアン散乱では、プローブ光及びポンプ光の輝線スペクトル成分の周波数差がブリルアン周波数シフトνBFSに一致したときに利得ピークが生じる。そのため、この方法では、誘導ブリルアン散乱によるブリルアン利得スペクトルもまた、Δfを周波数間隔とする利得の複数のピークが生じる。すなわち、被験体中を伝搬する光のブリルアン周波数シフトνBFSに対して、利得のピークが生じる周波数νpは、mを整数として、以下の(式2)で示される。
νp=νBFS+mΔf (式2)
However, in stimulated Brillouin scattering, a gain peak occurs when the frequency difference between the bright line spectral components of the probe light and the pump light matches the Brillouin frequency shift ν BFS . Therefore, in this method, the Brillouin gain spectrum due to stimulated Brillouin scattering also has a plurality of gain peaks with Δf as the frequency interval. That is, the frequency ν p at which the gain peak occurs with respect to the Brillouin frequency shift ν BFS of light propagating in the subject is expressed by the following (formula 2), where m is an integer.
ν p = ν BFS + mΔf (Formula 2)
上記(式2)に示すように、特許文献1に記載の手法では、ブリルアン利得スペクトルにΔfの間隔で複数のピークが生じるために、これらの利得ピークのうちのどれがブリルアン周波数シフトνBFSであるかが分からないことになる。このため、この技術の適用領域は、ブリルアン周波数シフトνBFSが被験体全体を通して光コムの周波数間隔Δf以下である場合にそのブリルアン周波数シフトνBFSを観測することに限られていた。
As shown in the above (Formula 2), in the method described in
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、ブリルアン周波数シフトνBFSが被験体全体を通して光コムの周波数間隔Δfより大きい場合であっても、ブリルアン周波数シフトνBFSの測定が可能な装置及び方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, even Brillouin frequency shift [nu BFS is a larger than the frequency interval Δf of the optical comb throughout a subject, measuring the Brillouin frequency shift [nu BFS It is an object of the present invention to provide an apparatus and method capable of performing the above.
本発明の一態様に係る装置は、被験体中において互いに反対方向に伝搬するプローブ光及びポンプ光による誘導ブリルアン散乱によって増幅されたプローブ光のブリルアン周波数シフトを測定する装置であって、被験体の音響フォノンの寿命よりも短い周期を有する光コムを発生する光コム発生部と、前記光コムをプローブ光及びポンプ光にそれぞれ分岐する分岐部と、前記プローブ光及び前記ポンプ光の少なくとも一方の光周波数をシフトする光周波数シフト部と、前記プローブ光及び前記ポンプ光の少なくとも一方の位相を遅延させる遅延部と、前記被験体において誘導ブリルアン散乱によって増幅されたプローブ光の強度を測定することによりブリルアン利得スペクトルを取得する受光部と、を備え、前記光コム発生部は、第1の周波数間隔の第1の光コムと、前記第1の周波数間隔とは異なる第2の周波数間隔の第2の光コムと、をそれぞれ発生可能に構成され、前記装置は、前記第1の光コムを用いて前記受光部において取得されたブリルアン利得スペクトルと、前記第2の光コムを用いて前記受光部において取得されたブリルアン利得スペクトルとの間で利得のピークが一致する周波数をブリルアン周波数シフトとして測定するブリルアン周波数シフト測定部をさらに備えたことを特徴とする。 An apparatus according to an aspect of the present invention is an apparatus for measuring a Brillouin frequency shift of probe light amplified by stimulated Brillouin scattering by probe light and pump light propagating in opposite directions in a subject. An optical comb generator that generates an optical comb having a period shorter than the lifetime of the acoustic phonon, a branching unit that branches the optical comb into probe light and pump light, and at least one of the probe light and pump light An optical frequency shift unit that shifts the frequency, a delay unit that delays the phase of at least one of the probe light and the pump light, and a Brillouin intensity by measuring the intensity of the probe light amplified by stimulated Brillouin scattering in the subject A light receiving unit that obtains a gain spectrum, and the optical comb generation unit includes a first frequency. A first optical comb having an interval and a second optical comb having a second frequency interval different from the first frequency interval can be generated, respectively, and the apparatus generates the first optical comb. Using the Brillouin gain spectrum acquired at the light receiving unit and the Brillouin gain spectrum acquired at the light receiving unit using the second optical comb as a Brillouin frequency shift And a Brillouin frequency shift measuring unit.
本発明の他の態様に係る装置は、入力したポンプ光を非偏光状態にする偏波スクランブラをさらに備えたことを特徴とする。 An apparatus according to another aspect of the present invention is further characterized by further comprising a polarization scrambler that makes the input pump light non-polarized.
本発明のさらに他の態様に係る装置は、前記プローブ光及び前記ポンプ光の少なくとも一方を増幅する光増幅部をさらに備えたことを特徴とする。 An apparatus according to still another aspect of the present invention further includes an optical amplifying unit that amplifies at least one of the probe light and the pump light.
本発明の一態様に係る方法は、光コムをプローブ光及びポンプ光として用い、被験体中において互いに反対方向に伝搬する前記プローブ光及び前記ポンプ光による誘導ブリルアン散乱によって増幅されたプローブ光のブリルアン周波数シフトを測定する方法であって、第1の周波数間隔の第1の光コムを用いて前記被験体中で発生した第1のブリルアン利得スペクトルを取得するステップと、前記第1の周波数間隔とは異なる第2の周波数間隔の第2の光コムを用いて前記被験体中で発生した第2のブリルアン利得スペクトルを取得するステップと、前記取得した第1のブリルアン利得スペクトルと、前記取得した第2のブリルアン利得スペクトルとの間で利得のピークが一致する周波数をブリルアン周波数シフトとして測定するステップと、を含むことを特徴とする。 The method according to one aspect of the present invention uses an optical comb as probe light and pump light, and the probe light that is amplified by stimulated Brillouin scattering by the probe light and the pump light propagating in opposite directions in the subject. A method of measuring a frequency shift, the method comprising: obtaining a first Brillouin gain spectrum generated in the subject using a first optical comb of a first frequency interval; and the first frequency interval; Acquiring a second Brillouin gain spectrum generated in the subject using a second optical comb of a different second frequency interval, the acquired first Brillouin gain spectrum, and the acquired first Measuring as a Brillouin frequency shift the frequency at which the gain peaks match between the two Brillouin gain spectra; Characterized in that it comprises a.
本発明の一態様によると、ブリルアン周波数シフトが光コムの周波数間隔Δfより大きい場合であっても、正確なブリルアン周波数シフトをcm程度以下の高い空間分解能で測定することが可能となる。 According to one aspect of the present invention, even when the Brillouin frequency shift is larger than the frequency interval Δf of the optical comb, an accurate Brillouin frequency shift can be measured with a high spatial resolution of about cm or less.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
<実施形態>
図1は、本発明の一実施形態に係るブリルアン周波数シフト測定装置の構成を例示する。図1には、光コム発生部10と、光分岐部20と、光周波数シフト部30と、遅延部40と、偏波スクランブラ50と、第1及び第2の光増幅部61及び62と、サーキュレータ70と、受光部80と、ブリルアン周波数シフト測定部90と、を含むブリルアン周波数シフト測定装置が示されている。
<Embodiment>
FIG. 1 illustrates the configuration of a Brillouin frequency shift measurement apparatus according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, an
図1に示されるように、第1の光増幅部61とサーキュレータ70との間には、例えば光ファイバやPLC等の被験体1が接続される。被験体1の一端にはプローブ光が結合し、被験体1の一端とは反対側の他端にはポンプ光が結合する。被験体中において互いに反対方向に伝搬するプローブ光及びポンプ光による誘導ブリルアン散乱によってプローブ光が増幅される。
As shown in FIG. 1, a
光コム発生部10は、一定の周波数間隔Δf(=1/T)で並んだ複数の輝線スペクトル成分を有する光コムを発生することができる。光コム発生部10が発生する光コムは、被験体1において誘導ブリルアン散乱をもたらす音響フォノン寿命よりも短い周期T=1/Δfを有する。光コム発生部10は、発生する光コムの周波数間隔Δfを変更可能に構成されている。
The
図1に示されるように、光コム発生部10は、レーザダイオードなどの連続光を発生する光源11と、LiNbO3変調器などの強度変調器12と、周期が可変のパルス信号を発生する周波数可変パルス発生器13と、を含むことができる。光コム発生部10では、周波数可変パルス発生器13で発生したパルス信号によって駆動された強度変調器12により光源11からの連続光を強度変調することにより光コムを発生することができる。周波数可変パルス発生器13で発生するパルス信号の周期を変更することにより、光コム発生部10で発生する光コムの周期Tを変更することができる。被験体1の長さをLとし、被験体1中での光コムの群速度をVgとすると、光コムの周期Tは、以下の(式3)を満たすように設定される。
VgT/2>L (式3)
As shown in FIG. 1, the
V g T / 2> L (Formula 3)
光分岐部20は、光コム発生部10から出力された光コムを2分岐することができる。光分岐部20の一方の分岐は被験体1の一端に結合し、光分岐部20の他方の分岐は被験体1の一端とは反対側に設けられた他端に結合する。
The
光周波数シフト部30は、入力した光の光周波数をシフトすることができる。光周波数シフト部30において入力した光の光周波数のシフト量を調整してプローブ光及びポンプ光の相対的な周波数を変更することにより、受光部80においてブリルアン利得スペクトルを取得することが可能となる。
The optical
図1に示されるように、光周波数シフト部30は、例えば、周波数が可変の正弦波信号を生成する周波数可変正弦波発生器31と、入射したプローブ光に対してブリルアン周波数シフトに相当する約11[GHz]程度のダウンシフトを与える単一側波帯変調器(SSB変調器)32と、を含むことができる。光周波数シフト部30では、周波数可変正弦波発生器31が発生する正弦波信号の周波数を調整することにより、SSB変調器32におけるダウンシフト量を調整することができる。図1に示す例では、光周波数シフト部30は、プローブ光の経路に配置されているが、プローブ光及びポンプ光の相対的な周波数を変更するものであるため、ポンプ光の経路に配置してもよく、両方の経路に配置しても構わない。
As shown in FIG. 1, the optical
遅延部40は、入力した光の位相に対して所定の遅延を与えることができる。遅延部40における光の遅延量を調整することによりプローブ光及びポンプ光の相対的な位相を調整することができるため、被験体1内におけるプローブ光及びポンプ光の光パルスが衝突して誘導ブリルアン散乱を生じる位置を調整することが可能となる。遅延部40における入射光の遅延量を操作して、被験体1全体にわたってプローブ光及びポンプ光の衝突位置を変更することにより、被験体100全体におけるブリルアン周波数シフトの分布測定が可能となる。そしてその趣旨からして、遅延部40は、プローブ光及びポンプ光のいずれ又は両方の経路に配置されても構わないことは明らかである。
The
偏波スクランブラ50は、入力した光の偏光状態をランダムにすることにより、入力した光を非偏光状態にする。すなわち、偏波スクランブラ50から出力された光は、あらゆる偏光状態を均等に含むため、プローブ光の偏光状態と一致する偏光を必ず含む。そのため、被験体1におけるプローブ光及びポンプ光による誘導ブリルアン散乱によって増幅されたプローブ光について、十分なビート信号強度を得ることが可能となる。
The
第1及び第2の光増幅部61及び62は、それぞれ、入力した光を増幅することにより、被験体1で発生するブリルアン利得の強度を制御することができる。そしてその趣旨からして、第1及び第2の光増幅部61及び62は、プローブ光及びポンプ光のいずれか一方の経路に配置されても構わないことは明らかである。
The first and second optical amplifying
サーキュレータ70は、入力したポンプ光を被験体1に出力するとともに、被験体1におけるプローブ光及びポンプ光の光パルスの衝突位置での誘導ブリルアン散乱によって増幅されたプローブ光を受光部80に出力する。
The
受光部80は、サーキュレータ70から出力された、被験体1におけるプローブ光及びポンプ光の光パルスの衝突位置での誘導ブリルアン散乱によって増幅されたプローブ光を受光し、その光強度を測定する。上述したように、光周波数シフト部30において入力した光の光周波数のシフト量を調整してプローブ光及びポンプ光の相対的な周波数を変更することにより、受光部80においてブリルアン利得スペクトルを取得することができる。
The
ブリルアン周波数シフト測定部90は、周波数間隔Δf1の第1の光コムを用いて得られたブリルアン利得スペクトルと周波数間隔Δf2の第2の光コムを用いて得られたブリルアン利得スペクトルとの間で利得のピークが一致する周波数をブリルアン周波数シフトとして測定する。
The Brillouin frequency
以下、図1に示す構成を例に、本発明の一実施形態に係るブリルアン周波数シフト測定装置における光信号処理を説明する。 Hereinafter, the optical signal processing in the Brillouin frequency shift measurement apparatus according to an embodiment of the present invention will be described using the configuration shown in FIG. 1 as an example.
光コム発生部10で発生した周波数間隔Δfの光コムは、光分岐部20において2分岐され、一方はプローブ光として光周波数シフト部30に入力され、他方はポンプ光として遅延部40に入力される。
The optical comb having the frequency interval Δf generated by the
光周波数シフト部30に入力されたプローブ光は、光周波数シフト部30において光周波数がブリルアン周波数シフトに相当する約11[GHz]程度ダウンシフトされて第1の光増幅部61に入力され、第1の光増幅部61において増幅されて被験体1の一端に入力される。
The probe light input to the optical
遅延部40に入力されたポンプ光は、遅延部40において所定の遅延が与えられて偏波スクランブラ50に入力される。偏波スクランブラ50に入力されたポンプ光は、偏波スクランブラ50において非偏光状態にされて第2の光増幅部62に入力され、第2の光増幅部62において増幅されて、サーキュレータ70を介して被験体1の他端に入力される。
The pump light input to the
被験体1の一端に入力されたプローブ光は、被験体1内で、被験体1の他端から入力されたポンプ光と衝突して誘導ブリルアン散乱によって増幅される。当該誘導ブリルアン散乱によって増幅されたプローブ光は、サーキュレータ70を介して受光部80に入力され、受光部80においてその光強度が測定される。
The probe light input to one end of the subject 1 collides with the pump light input from the other end of the subject 1 in the
図2は、本発明に係るブリルアン周波数シフト測定装置における測定原理を示す。図2(a)に示す第1の測定では、光コム発生部10で発生した周波数間隔Δf1(=1/T1)を有する光コムをプローブ光及びポンプ光として用いてブリルアン利得スペクトルの測定を行う。ブリルアン利得スペクトルもまた、周波数間隔Δf1(=1/T1)とする複数のピークを持つ。このとき、ブリルアン利得スペクトルにおいて利得のピークが生じる周波数は、mを任意の整数として、以下の(式4)で与えられる。
νp=νBFS+mΔf1 (式4)
FIG. 2 shows the measurement principle in the Brillouin frequency shift measuring apparatus according to the present invention. In the first measurement shown in FIG. 2A, the Brillouin gain spectrum is measured using the optical comb having the frequency interval Δf 1 (= 1 / T 1 ) generated by the
ν p = ν BFS + mΔf 1 (Formula 4)
本発明では、図2(b)に示すように、第1の測定において用いた周波数間隔Δf1(=1/T1)とは異なる周波数間隔Δf2(=1/T2)を有する光コムをプローブ光及びポンプ光として用いた第2の測定を行う。第1の測定と同様に、このとき得られるブリルアン利得スペクトルの利得ピークの周波数は、以下の(式5)で与えられる。
νp=νBFS+mΔf2 (式5)
In the present invention, as shown in FIG. 2B, an optical comb having a frequency interval Δf 2 (= 1 / T 2 ) different from the frequency interval Δf 1 (= 1 / T 1 ) used in the first measurement. Is used as the probe light and the pump light. Similar to the first measurement, the frequency of the gain peak of the Brillouin gain spectrum obtained at this time is given by the following (formula 5).
ν p = ν BFS + mΔf 2 (Formula 5)
上記(式4)及び(式5)から明らかなように、m=0のときにのみ両者の利得ピークは一致し、このときの周波数がブリルアン周波数シフトνBFSを与えることは明らかである。したがって、周波数間隔Δf1及びΔf2の光コムをそれぞれ用いて第1及び第2の測定を行うことによって各ブリルアン利得スペクトルを求め、両者で周波数が一致する利得ピークを見つけることによって、複数の利得ピークの周波数の中からブリルアン周波数シフトνBFSを見出すことができる。すなわち、受光部80で測定された2つのブリルアン利得スペクトルの各々における複数のピークのうち、2つのブリルアン利得スペクトル間でピークが一致する周波数をブリルアン周波数シフトνBFSとして測定する。
As is clear from the above (Formula 4) and (Formula 5), the gain peaks of both coincide only when m = 0, and it is clear that the frequency at this time gives the Brillouin frequency shift ν BFS . Therefore, each Brillouin gain spectrum is obtained by performing the first and second measurements using optical combs having frequency intervals Δf 1 and Δf 2 , respectively, and a plurality of gains are obtained by finding a gain peak having a frequency coincident with each other. From the peak frequency, the Brillouin frequency shift ν BFS can be found. That is, the frequency at which the peaks match between the two Brillouin gain spectra among the plurality of peaks in each of the two Brillouin gain spectra measured by the
このように、本発明によると、ブリルアン利得スペクトルにおける複数のピークの中からブリルアン周波数シフトνBFSを明確に見出すことが可能であるため、ブリルアン周波数シフトνBFSが被験体1全体を通して光コムの周波数間隔Δfより大きい場合であっても、ブリルアン周波数シフトνBFSの測定が可能となる。
As described above, according to the present invention, since the Brillouin frequency shift ν BFS can be clearly found from a plurality of peaks in the Brillouin gain spectrum, the Brillouin frequency shift ν BFS is transmitted through the
以下、被験体1として光ファイバを用いた場合を例に、本発明の一実施形態に係るブリルアン周波数シフトの測定方法を説明する。
Hereinafter, the method for measuring the Brillouin frequency shift according to an embodiment of the present invention will be described using an example in which an optical fiber is used as the
被験体1としての光ファイバ中での音響フォノン寿命はおおよそ20nsであるため、光コム発生部10で発生する光コムの周波数間隔Δfはおおむね50MHzよりも大きく設定する必要がある。光ファイバを伝搬するパルスの群速度Vgは約2×108m/sであるため、上記(式3)より被験体1としての光ファイバの長さLは2m程度以下に制限される。
Since the acoustic phonon lifetime in the optical fiber as the
図3は、第1及び第2の測定においてそれぞれ観測されるブリルアン利得スペクトルを例示する。2つのパルスの周波数Δf1=1/T1およびΔf2=1/T2を選択する際には、被験体1としての光ファイバ中を伝搬する光におけるブリルアン利得スペクトルの広がりΔνに注意する必要がある。すなわち、ブリルアン利得スペクトルの波形は、図3に示すようにΔνの広がりを持つが、Δνは被験体1としての光ファイバ中での音響フォノンの寿命の逆数によって決まり、典型的には30MHz程度である。第1及び第2の測定の間でどのピークが一致し、どのピークが不一致であるかを明瞭に区別するためには、Δf1とΔf2はおおむねΔν程度以上異なっている必要がある。以上の条件を考慮すると、被験体1として光ファイバを用いた場合の一例として、Δf1=50MHz、Δf2=80MHzはこれら諸条件をすべて満足するものである。
FIG. 3 illustrates the Brillouin gain spectrum observed in the first and second measurements, respectively. When selecting the two pulse frequencies Δf 1 = 1 / T 1 and Δf 2 = 1 / T 2 , it is necessary to pay attention to the Brillouin gain spectrum spread Δν in the light propagating through the optical fiber as the subject 1 There is. That is, the waveform of the Brillouin gain spectrum has a Δν spread as shown in FIG. 3, but Δν is determined by the reciprocal of the lifetime of the acoustic phonon in the optical fiber as the
本発明の趣旨は、上記のように2m程度の被験体1の長さの範囲においてcm程度以下という極めて高い空間分解能をもってブリルアン周波数シフトνBFSの分布を測定することにある。そのため、本発明によると、例えば光集積回路や精密機器など、比較的小さい寸法のデバイスや構造物におけるドーパントや歪などの分布を高分解能に測定できるなどのメリットをもたらす。本発明は、例えば構造物のヘルスモニタリング等に応用可能である。
The gist of the present invention is to measure the Brillouin frequency shift ν BFS distribution with a very high spatial resolution of about cm or less in the range of the length of the
Claims (4)
被験体の音響フォノンの寿命よりも短い周期を有する光コムを発生する光コム発生部と、
前記光コムをプローブ光及びポンプ光にそれぞれ分岐する分岐部と、
前記プローブ光及び前記ポンプ光の少なくとも一方の光周波数をシフトする光周波数シフト部と、
前記プローブ光及び前記ポンプ光の少なくとも一方の位相を遅延させる遅延部と、
前記被験体において誘導ブリルアン散乱によって増幅されたプローブ光の強度を測定することによりブリルアン利得スペクトルを取得する受光部と、を備え、
前記光コム発生部は、第1の周波数間隔の第1の光コムと、前記第1の周波数間隔とは異なる第2の周波数間隔の第2の光コムと、をそれぞれ発生可能に構成され、
前記装置は、
前記第1の光コムを用いて前記受光部において取得されたブリルアン利得スペクトルと、前記第2の光コムを用いて前記受光部において取得されたブリルアン利得スペクトルとの間で利得のピークが一致する周波数をブリルアン周波数シフトとして測定するブリルアン周波数シフト測定部をさらに備えたことを特徴とする装置。 An apparatus for measuring a Brillouin frequency shift of probe light amplified by stimulated Brillouin scattering by probe light and pump light propagating in opposite directions in a subject,
An optical comb generator that generates an optical comb having a period shorter than the lifetime of the acoustic phonon of the subject;
A branching portion for branching the optical comb into probe light and pump light, and
An optical frequency shift unit that shifts an optical frequency of at least one of the probe light and the pump light;
A delay unit that delays a phase of at least one of the probe light and the pump light;
A light receiving unit that obtains a Brillouin gain spectrum by measuring the intensity of probe light amplified by stimulated Brillouin scattering in the subject, and
The optical comb generator is configured to generate a first optical comb having a first frequency interval and a second optical comb having a second frequency interval different from the first frequency interval,
The device is
The gain peak matches between the Brillouin gain spectrum acquired in the light receiving unit using the first optical comb and the Brillouin gain spectrum acquired in the light receiving unit using the second optical comb. An apparatus further comprising a Brillouin frequency shift measurement unit for measuring a frequency as a Brillouin frequency shift.
第1の周波数間隔の第1の光コムを用いて前記被験体中で発生した第1のブリルアン利得スペクトルを取得するステップと、
前記第1の周波数間隔とは異なる第2の周波数間隔の第2の光コムを用いて前記被験体中で発生した第2のブリルアン利得スペクトルを取得するステップと、
前記取得した第1のブリルアン利得スペクトルと、前記取得した第2のブリルアン利得スペクトルとの間で利得のピークが一致する周波数をブリルアン周波数シフトとして測定するステップと、
を含むことを特徴とする方法。 A method for measuring a Brillouin frequency shift of probe light amplified by stimulated Brillouin scattering by the probe light and the pump light propagating in opposite directions in a subject using an optical comb as probe light and pump light,
Obtaining a first Brillouin gain spectrum generated in the subject using a first optical comb of a first frequency interval;
Obtaining a second Brillouin gain spectrum generated in the subject using a second optical comb of a second frequency interval different from the first frequency interval;
Measuring as a Brillouin frequency shift a frequency at which a gain peak coincides between the acquired first Brillouin gain spectrum and the acquired second Brillouin gain spectrum;
A method comprising the steps of:
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018100917A JP6868246B2 (en) | 2018-05-25 | 2018-05-25 | Equipment and methods for measuring Brillouin frequency shift |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2018100917A JP6868246B2 (en) | 2018-05-25 | 2018-05-25 | Equipment and methods for measuring Brillouin frequency shift |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2019203859A true JP2019203859A (en) | 2019-11-28 |
JP6868246B2 JP6868246B2 (en) | 2021-05-12 |
Family
ID=68726769
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2018100917A Active JP6868246B2 (en) | 2018-05-25 | 2018-05-25 | Equipment and methods for measuring Brillouin frequency shift |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6868246B2 (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN112129491A (en) * | 2020-10-23 | 2020-12-25 | 南京航空航天大学 | Optical fiber time delay measuring method and device based on single-optical-frequency comb interference |
CN112697179A (en) * | 2020-11-17 | 2021-04-23 | 浙江工业大学 | AdaBoost-based Brillouin frequency shift extraction method |
CN113742651A (en) * | 2021-08-27 | 2021-12-03 | 广东电网有限责任公司 | Distributed Brillouin frequency shift extraction method and device based on dictionary learning |
WO2021247771A1 (en) * | 2020-06-03 | 2021-12-09 | Nec Laboratories America, Inc. | Accurate measurement for guided acoustic-wave brillouin scattering |
JP7352962B2 (en) | 2020-02-17 | 2023-09-29 | 国立大学法人東京農工大学 | Brillouin frequency shift measurement device and Brillouin frequency shift measurement method |
Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000180265A (en) * | 1998-12-14 | 2000-06-30 | Anritsu Corp | Brillouin gain spectrum measuring method and device |
JP2004125520A (en) * | 2002-09-30 | 2004-04-22 | Ando Electric Co Ltd | Apparatus and method for measuring characteristics of optical fiber |
US20060285850A1 (en) * | 2005-03-29 | 2006-12-21 | Colpitts Bruce G | Dynamic strain distributed fiber optic sensor |
JP2007155409A (en) * | 2005-12-01 | 2007-06-21 | Univ Of Tokyo | Optical fiber characteristic measuring device and optical fiber characteristic measuring method |
JP2007212427A (en) * | 2006-01-16 | 2007-08-23 | Tokyo Univ Of Agriculture & Technology | Optical frequency detecting apparatus, optical spectrum analyzer and optical signal processor |
JP2012021921A (en) * | 2010-07-16 | 2012-02-02 | Sumitomo Osaka Cement Co Ltd | Light measurement system |
WO2015045266A1 (en) * | 2013-09-24 | 2015-04-02 | 国立大学法人東京農工大学 | Measurement device |
WO2016080415A1 (en) * | 2014-11-17 | 2016-05-26 | 国立大学法人東京農工大学 | Measurement device and sensor system |
JP2017116451A (en) * | 2015-12-25 | 2017-06-29 | 日本電信電話株式会社 | Brillouin frequency shift distribution measurement system and brillouin frequency shift distribution measurement method |
-
2018
- 2018-05-25 JP JP2018100917A patent/JP6868246B2/en active Active
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000180265A (en) * | 1998-12-14 | 2000-06-30 | Anritsu Corp | Brillouin gain spectrum measuring method and device |
JP2004125520A (en) * | 2002-09-30 | 2004-04-22 | Ando Electric Co Ltd | Apparatus and method for measuring characteristics of optical fiber |
US20060285850A1 (en) * | 2005-03-29 | 2006-12-21 | Colpitts Bruce G | Dynamic strain distributed fiber optic sensor |
JP2007155409A (en) * | 2005-12-01 | 2007-06-21 | Univ Of Tokyo | Optical fiber characteristic measuring device and optical fiber characteristic measuring method |
JP2007212427A (en) * | 2006-01-16 | 2007-08-23 | Tokyo Univ Of Agriculture & Technology | Optical frequency detecting apparatus, optical spectrum analyzer and optical signal processor |
JP2012021921A (en) * | 2010-07-16 | 2012-02-02 | Sumitomo Osaka Cement Co Ltd | Light measurement system |
WO2015045266A1 (en) * | 2013-09-24 | 2015-04-02 | 国立大学法人東京農工大学 | Measurement device |
WO2016080415A1 (en) * | 2014-11-17 | 2016-05-26 | 国立大学法人東京農工大学 | Measurement device and sensor system |
JP2017116451A (en) * | 2015-12-25 | 2017-06-29 | 日本電信電話株式会社 | Brillouin frequency shift distribution measurement system and brillouin frequency shift distribution measurement method |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
澤口 光 ほか: "光周波数コムを光源としたブリルアンセンサ長距離化の検討 Measurable distance elongation for Brillouin", <第60回>応用物理学関係連合講演会講演予稿集, vol. 27a-A2-5, JPN6021009990, 2013, pages 03 - 035, ISSN: 0004474574 * |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7352962B2 (en) | 2020-02-17 | 2023-09-29 | 国立大学法人東京農工大学 | Brillouin frequency shift measurement device and Brillouin frequency shift measurement method |
WO2021247771A1 (en) * | 2020-06-03 | 2021-12-09 | Nec Laboratories America, Inc. | Accurate measurement for guided acoustic-wave brillouin scattering |
CN112129491A (en) * | 2020-10-23 | 2020-12-25 | 南京航空航天大学 | Optical fiber time delay measuring method and device based on single-optical-frequency comb interference |
CN112697179A (en) * | 2020-11-17 | 2021-04-23 | 浙江工业大学 | AdaBoost-based Brillouin frequency shift extraction method |
CN112697179B (en) * | 2020-11-17 | 2023-06-20 | 浙江工业大学 | Brillouin frequency shift extraction method based on AdaBoost |
CN113742651A (en) * | 2021-08-27 | 2021-12-03 | 广东电网有限责任公司 | Distributed Brillouin frequency shift extraction method and device based on dictionary learning |
CN113742651B (en) * | 2021-08-27 | 2024-03-26 | 广东电网有限责任公司 | Dictionary learning-based distributed Brillouin frequency shift extraction method and device |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP6868246B2 (en) | 2021-05-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6868246B2 (en) | Equipment and methods for measuring Brillouin frequency shift | |
JP6552983B2 (en) | Brillouin scattering measurement method and Brillouin scattering measurement apparatus | |
JP6308160B2 (en) | Optical fiber strain measuring device and optical fiber strain measuring method | |
JP5105302B2 (en) | Optical fiber characteristic measuring apparatus and optical fiber characteristic measuring method | |
KR101182650B1 (en) | Distributed optical fiber sensor and sensing method using bbrillouin scattering | |
CN101517375A (en) | Measuring brillouin backscatter from an optical fibre using channelisation | |
JP5043714B2 (en) | Optical fiber characteristic measuring apparatus and method | |
JP2017116423A (en) | Optical fiber characteristic measurement device and optical fiber characteristic measurement method | |
JP6308183B2 (en) | Optical fiber strain measuring device and optical fiber strain measuring method | |
KR101889351B1 (en) | Spatially-selective brillouin distributed optical fiber sensor with increased effective sensing points and sensing method using brillouin scattering | |
JP6097712B2 (en) | Apparatus and method for measuring propagation constant of optical fiber | |
JP2017110953A (en) | Inter-propagation-mode group delay difference measurement method and inter-propagation-mode group delay difference measurement system | |
JP6539930B2 (en) | Brillouin frequency shift distribution measurement system and Brillouin frequency shift distribution measurement method | |
JP6868247B2 (en) | Equipment and methods for measuring the Brillouin gain spectrum | |
JP5827140B2 (en) | Laser light characteristic measuring method and measuring apparatus | |
JP7396382B2 (en) | Optical fiber sensor and Brillouin frequency shift measurement method | |
JP2020051941A (en) | Optical fiber strain and temperature measuring device, and optical fiber strain and temperature measuring method | |
WO2023131624A1 (en) | Optical measurement system | |
WO2020022921A1 (en) | Method and device for the distributed measurement of birefringence in polarization-maintaining fibres (embodiments) | |
JP7352962B2 (en) | Brillouin frequency shift measurement device and Brillouin frequency shift measurement method | |
JP3905780B2 (en) | Brillouin spectral distribution measuring method and apparatus | |
JP6342857B2 (en) | Light reflection measuring device and light reflection measuring method | |
Wu et al. | High performance distributed acoustic sensor based on ultra-weak FBG array | |
JP7246596B2 (en) | Brillouin frequency shift distribution measuring device and Brillouin frequency shift distribution measuring method | |
Ryu et al. | Enhanced measurement range of single end accessible Brillouin optical correlation domain analysis incorporating time-domain data processing |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20180530 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20200608 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20210312 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210330 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210402 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6868246 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |