JP3667132B2

JP3667132B2 - Brillouin gain spectrum measurement method and apparatus

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Publication number: JP3667132B2
Application number: JP37546598A
Authority: JP
Inventors: 和夫保立; 健美長谷川; 寛下田平
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1998-12-14
Filing date: 1998-12-14
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2018-12-14
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバのブリルアンゲインスペクトルを測定する技術に係り、特に、光ファイバにおいてブリルアン散乱現象が発生する位置の空間分解能を高める技術に関する。
【０００２】
この技術は、光ファイバを利用して、該光ファイバが設置されている環境における温度、歪み等の物理量分布を測定する光ファイバセンサ等に応用できる。光ファイバセンサは、例えば、(1) 光通信路の保守管理、(2) ダム、堤防等の大規模構造物の保守管理、(3) 欠陥、故障について自己診断機能を有する材料・構造物( スマートマテリアル・ストラクチャ) に利用される。本発明を利用した光ファイバセンサであれば、特に(2) 、および(3) において重要であると考えられる物理量分布測定の空間分解能を高めることができる。
【０００３】
【従来の技術】
光ファイバが設置されている環境における歪み、または温度を分布測定する技術として、光ファイバ中のブリルアン散乱現象に基づく方法がある。この方法では，設置する光ファイバ自体を歪み、または温度を検知する媒体として利用するため、多数の点型センサを配列する方法に比べて単純な構成で分布測定を実現することが可能になる。
【０００４】
ブリルアン散乱現象とは、光ファイバ中で、周波数の異なる２つの光波がすれ違うとき、高周波数の光から低周波数の光へと、光ファイバ中の音響波を介してパワーが移動する現象をいう。すれ違う２光波間の周波数差がνであるとき、移動するパワーは近似的に、式１で定義されるブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) に比例する。
【０００５】
【式１】

【０００６】
ここで、νB , ΔνB はブリルアンゲインスペクトルを特徴づけるパラメータであり、それぞれブリルアン周波数シフト、ブリルアンゲイン線幅（半値全幅）と呼ばれる。ブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) はブリルアン周波数シフトνB を中心とする周波数範囲ΔνB で1/2 以上の値を取る。つまり、光ファイバ中でブルリアン散乱現象を効率良く発生させるためには、光ファイバ中ですれ違う２光波間の周波数に対し、ブリルアン周波数シフトνB を中心としブリルアンゲイン線幅ΔνB の周波数範囲にある周波数差を付与する必要がある。
ブリルアン周波数シフトνB は、光ファイバ中の音速をｖa として式２により与えられる。
【０００７】
【式２】

【０００８】
ここで、ｎは光ファイバの屈折率、λは光ファイバに入射する光の波長である。音速ｖa が光ファイバ周辺の温度、光ファイバに付加された歪みに依存して変化する結果、ブリルアン周波数シフトνB の測定は式２を介し温度、歪みの検知手段を与える。ブリルアン周波数シフトνB の変化感度の数値例として、光波長１．３μｍにおいて、
歪みに対して
【０００９】
【式３】

【００１０】
温度に対して
【００１１】
【式４】

【００１２】
であることが以下の文献(1) で報告されている。
(1) M.Nikles et al., Journal of Lightwave Technology, vol.15, pp. 1842‐‐1851, (1997)
従って、ブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) を光ファイバに沿った位置の関数として測定し、ブリルアン周波数シフトνB を光ファイバに沿った位置の関数として求めることにより，歪み、または温度分布を測定することが可能になる。
【００１３】
前述のブリルアンゲインスペクトルを測定する従来技術として、周波数差が可変の、パルスポンプ光と連続波プローブ光とを、パルスポンプ光を被測定光ファイバの一端から、連続波プローブ光を被測定光ファイバの他端から、それぞれ入射し、ブリルアン散乱現象によるプローブ光の変化成分を時間の関数として測定し、ブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) の光ファイバに沿った分布を求める方法であるBOTDA （Brillouin Optical Time Domain Analysis）が用いられてきた。
【００１４】
また、BOTDA と等価な技術として、パルス光を被測定光ファイバの片端から入射し、自然ブリルアン散乱現象による散乱光のスペクトルを時間の関数として測定することにより、ブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) の光ファイバに沿った分布を求める方法であるBOTDR （Brillouin Optical Time Domain Reflectometry ）も用いられてきた。
BOTDA およびBOTDR は以下の文献(2) において発案者らにより解説されている。
(2)T.Horiguchi et al.,Journal of Lightwave Technology, vol.13, pp. 1296‐‐1302, (1995)
【００１５】
BOTDA 、およびBOTDR 両従来技術の空間分解能δz は、ポンプ光として光ファイバに入射する光パルス時間幅をＷ、光ファイバ中の光速をｖとすると、
【００１６】
【式５】

【００１７】
で与えられる。従って空間分解能δz を高める（狭める）には、光パルス時間幅Ｗを短くする必要がある。しかし、ブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) 、特にそれが最大値を取る周波数であるブリルアン周波数シフトνB を精度良く測定するためには、光パルス時間幅Ｗを以下に示す下限値以上に設定する必要があるために、空間分解能δz は2 〜3mよりも大きな値に制限される。
【００１８】
両従来技術において、ポンプ光として用いる光パルスは、プローブ光との周波数差νを有する連続光を、光スイッチ等を用いてパルス化して作り出される。すると、例えば前述のBOTDA についていうと、被測定光ファイバ中で、パルス時間幅Ｗのポンプ光と連続波プローブ光との干渉により発生するビート信号のスペクトルは、νを中心に２／Ｗ程度の周波数範囲で大きな値を持つ。ポンプ光からプローブ光へブリルアン散乱現象により移動するパワーは、ビート信号のスペクトルと、式１で与えられるブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) との重なり積分で与えられるから、パルス時間幅Ｗの光をポンプ光として用いる場合には、ｇB(ν) のνを中心とする２／Ｗ程度の周波数範囲における積分値が、移動したパワーとして測定されることになる。
【００１９】
測定の対象であり、式１で与えられるブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) は、ブリルアン周波数シフトνB を中心として、ブリルアンゲイン線幅（半値全幅）ΔνB の周波数範囲で1/2 以上の値を取る。従って、パルス時間幅Ｗのポンプ光を用いる結果として、積分範囲２／Ｗが半値全幅ΔνB の２倍よりも広くなると、周波数差νをブリルアン周波数シフトνB の近くで変化させても積分値はほとんど一定となるために、ブリルアンゲインスペクトルが最大値を取る周波数差を精度良く測定することが困難になる。
【００２０】
以上の理由により、ブリルアン周波数シフトνB を精度良く決定するためには、次式で与えられる下限値以上のパルス時間幅Ｗを持つ光パルスを用いる必要がある。
【００２１】
【式６】

【００２２】
ブリルアンゲイン線幅ΔνB の実験値30 MHzと、光ファイバ中の光速ｖ＝２×（１０の８乗）ｍ／ｓを用いると、式５で与えられる空間分解能δz は３ｍとなる。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術であるBOTDA およびBOTDR は、空間分解能が２〜３ｍよりも大きな値に制限されるために、発明の属する技術分野の欄において挙げた大規模構造物の保守管理や自己診断機能を有する材料・構造物において、近年必要とされつつある１ｍ以下の空間分解能を実現できなかった。
【００２４】
本発明の目的は、１ｍ以下の空間分解能でブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) を測定できる方法および装置を提供することである。また、１ｍ以下の空間分解能でブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) の光ファイバに沿った分布を測定できる方法および装置を提供することである。
前記方法および装置の提供は、従来技術では実現できなかった応用分野における歪み分布、および温度分布センサの実現に通ずる。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、本発明のブリルアンゲインスペクトル測定方法および装置は、ポンプ光もプローブ光も所定の変調周波数で変調された連続光を用いることとした。すなわち、
本発明の請求項１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第１の連続発振光と前記所定の変調周波数と等しい変調周波数で周波数変調された第２の連続発振光とを用いたブリルアンゲインスペクトル測定方法であって、前記第１の連続発振光を被測定光ファイバの一端面から入射させ、前記第２の連続発振光の中心周波数を周波数シフトし、該周波数シフトにより中心周波数のシフトした前記第２の連続発振光を被測定光ファイバの他端面から入射させ、前記第２の連続発振光の中心周波数の周波数シフト量を変化させて、被測定光ファイバの前記一端面または前記他端面から出射された光のパワーを測定することとし、被測定光ファイバにおいて前記第１の連続発振光の位相と第２の連続発振光の位相が同期し相関値が高まる位置におけるブリルアンゲインスペクトルを測定することを特徴とする。
【００２６】
本発明の請求項２のブリルアンゲインスペクトル測定方法は、請求項１に記載のブリルアンゲインスペクトル測定方法において、前記所定の変調周波数を変えることによって、被測定光ファイバ中のブリルアンゲインスペクトルを測定する位置を変えることを特徴とする。
【００２７】
本発明の請求項３のブリルアンゲインスペクトル測定方法は、所望の変調周波数で周波数変調された連続発振光を分岐し、該分岐により得られる第１の連続発振光と第２の連続発振光を用いたブリルアンゲインスペクトル測定方法であって、前記第１の連続発振光を遅延させ、該遅延した第１の連続発振光を被測定光ファイバの一端面から入射させ、前記第２の連続発振光の中心周波数を周波数シフトし、該周波数シフトにより中心周波数のシフトした前記第２の連続発振光を被測定光ファイバの他端面から入射させ、前記第２の連続発振光の中心周波数の周波数シフト量を変化させて、被測定光ファイバの前記一端面または前記他端面から出射された光のパワーを測定することで、被測定光ファイバにおいて前記第１の連続発振光の位相と第２の連続発振光の位相が同期し相関値が高まる位置におけるブリルアンゲインスペクトルを測定し、前記変調周波数を変化させることで、被測定光ファイバにおいて前記第１の連続発振光の位相と第２の連続発振光の位相が同期し相関値が高まる位置を変化させてブリルアンゲインスペクトルを測定することとし、被測定光ファイバにおけるブリルアンゲインスペクトルの分布を測定することを特徴とする。
【００２８】
本発明の請求項４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の光源と、前記所定の周波数と等しい周波数で周波数変調された第２の連続発振光を出力する第２の光源と、該第２の連続発振光の中心周波数に対し所望の周波数シフトを与える光周波数変換器と、前記第１の連続発振光を受けて被測定光ファイバの一端に入射するとともに、前記光周波数変換器により周波数シフトを受けた後、前記被測定光ファイバの他端に入射され該被測定光ファイバを伝搬して出射された前記第２の連続発振光の少なくとも一部を導く光学手段と、該光学手段で導かれた光のパワーを測定する光検出器とを備えている。そして、前記第１の連続発振光の位相と第２の連続発振光の位相が被測定光ファイバ中で同期する位置におけるブリルアンゲインスペクトルを測定することを特徴とする。
【００２９】
本発明の請求項５のブリルアンゲインスペクトル測定装置は、所望の変調周波数で周波数変調された連続発振光を出力する光源と、前記連続発振光を分岐し、第１の出力光および第２の出力光を出力する光分岐手段と、前記第１の出力光の中心周波数に対し所望の周波数シフトを与える光周波数変換器と、前記第２の出力光に所定の遅延時間を与える光遅延器と、該光遅延器で遅延された第２の出力光を受けて被測定光ファイバの一端に入射するとともに、前記光周波数変換器により周波数シフトを受けた後、前記被測定光ファイバの他端に入射され該被測定光ファイバを伝搬して出射された前記第１の出力光の少なくとも一部を導く光学手段と、該光学手段で導かれた光のパワーを測定する光検出器とを備えている。そして、前記所望の変調周波数を変化させることで被測定光ファイバの両端から入射された前記第１の出力光の位相と第２の出力光の位相が同期する位置を変化させ、被測定光ファイバにおけるブリルアンゲインスペクトルの分布測定を可能としたことを特徴とする。
【００３０】
【作用】
以下、周波数変調と位相変調は等価な技術であるので、空間分解能の理論式を導出する過程を簡単化するために位相変調を用いて作用を説明するが、周波数変調を用いても同様の説明が可能である。
【００３１】
先ず、被測定光ファイバの所定の位置におけるブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) を測定する手段を説明する。
所定の周波数で位相変調されたポンプ光とプローブ光とを、被測定光ファイバの一端と他端とからそれぞれ入射する。両光の中心周波数の周波数差をνとすると、被測定光ファイバ中で両光の位相が同期し相関値が高まる位置では単一周波数νのビート信号が生じ、一方、両光の位相が非同期であり相関値が低い位置では位相変調されたビート信号が生じる。
【００３２】
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するパワーは，従来技術で説明したように、両光のビート信号のスペクトルとブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) の重なり積分で与えられる。そこでビート信号のスペクトルに着目すると、両光の位相が同期する位置では単一周波数νのビート信号が生じ、そのスペクトルは鋭いピーク状であるのに対し、両光の位相が非同期の位置では位相変調されたビート信号が生じ、そのスペクトルはνを中心に広がりを持つ。両光の中心周波数の周波数差νを変化させると、ビート信号のスペクトル中心もシフトするが、この間、両光の位相が同期する位置においてポンプ光からプローブ光へ移動するパワーは、ビート信号のスペクトルが鋭いピーク状である結果、ブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) に従って変化する。一方、両光の位相が非同期の位置では、周波数差νを変化させても移動するパワーはほとんど変化しない。
【００３３】
なぜなら、非同期の位置ではビート信号のスペクトルが、νを中心として、最近接の位相が同期する位置との距離に応じて決まる周波数範囲で大きな値を持つ結果、ｇB(ν) をその周波数範囲で積分したパワーが移動するためである。従って、両光の中心周波数の周波数差νをブリルアン周波数シフトνB の近傍で変化させて、出射プローブ光のパワーの変化または出射ポンプ光のパワーの変化を測定することにより、被測定光ファイバ中でポンプ光の位相とプローブ光の位相が同期する位置におけるブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) が測定可能になる。
【００３４】
ポンプ光の位相とプローブ光の位相が同期する位置( 以下、同期点という。) は、位相変調の変調周波数に応じて決まる間隔で複数個存在するが、被測定ファイバ中に存在する同期点が1 点に限定されるように位相変調の変調周波数を設定することが可能である。さらに、位相変調の変調周波数を変化させることで、同期点を、すなわちブリルアンゲインスペクトルを測定する位置を変化することができるが、これらの実施手段については、以下に空間分解能の理論式を導出する過程で説明する。
【００３５】
次に、本発明において得られる空間分解能の理論式を導出し、後に実施例で述べる実験結果で用いた数値を理論式に代入することで、１ｍ以下の空間分解能が得られることを示す。
ポンプ光、プローブ光の中心周波数をそれぞれν1 ，ν2 とし、両光に変調指数ｍ、変調周波数νm の正弦波位相変調を印加する。ポンプ光、プローブ光の光電界の複素振幅をそれぞれＥ1 、Ｅ2 として，
【００３６】
【式７】

【００３７】
【式８】

【００３８】
と表わす。ここでｔは時間、ｚは位置、また、ｖは両光の群速度である。
両光のビート信号Ｅ1 ×（Ｅ2 の複素共役）は
【００３９】
【式９】

【００４０】
【式１０】

【００４１】
で与えられる。式１０より、ポンプ光とプローブ光の位相が同期する位置、すなわち同期点は
【００４２】
【式１１】

【００４３】
の条件が成り立ち、式１０において、変調周波数νm で時間的に振動する成分が消滅する位置、すなわち
【００４４】
【式１２】

【００４５】
が成り立つ位置として定義される。従って、被測定光ファイバ中に存在する同期点を一点に限定するには、変調周波数νm を、同期点の間隔ｖ／νm が被測定光ファイバ長よりも長くなるよう設定すればよい。さらに、光遅延器を用いてポンプ光、プローブ光の間に所定の遅延時間を付与し、非零整数倍（式１１においてＮ≠０）の同期点が被測定光ファイバ中に存在するよう設定することで、変調周波数νm を変化させて同期点位置を変化することで、被測定光ファイバ中のブリルアンゲインスペクトル分布を測定する手段が得られる。
【００４６】
従来の技術では、前述のように、ポンプ光としてパルス光を用いていたので、パルスポンプ光を出力してからブリルアンゲインを測定するまでの時間を変えることで、被測定光ファイバ中のブリルアンゲインの測定位置を変えることができた。本発明では、ポンプ光とプローブ光の同期点位置を変えなければならないが、遅延量可変の光遅延器による同期点位置の変化は、現状では僅かでしかなく、実用的でない。そこで、前述のような、非零整数倍の同期点位置を利用し、変調周波数νm を変えることで、同期点位置を変える方法をとる。
【００４７】
同期点におけるビート信号のスペクトルがν＝〔（ν1 −ν2 ）の絶対値〕の単一周波数であることから、ポンプ光とプローブ光の中心周波数の周波数差νを、ブリルアン周波数シフトνB の近傍で変化させ、被測定光ファイバから出射されたポンプ光またはプローブ光のパワーを測定することで、同期点におけるブリルアンゲインスペクトルが測定される。
ここで、空間分解能を求めるために、同期点の近傍でのビート信号を考え、ｚ＝ｖＮ／νm ＋εとおくと（ここで、εは同期点からの微小なずれを表す。）、ｚにおけるビート信号はε，ｔの関数として、
【００４８】
【式１３】

【００４９】
【式１４】

【００５０】
となる。複号はＮの偶奇に応じ、それぞれ＋、−をとる。式１４より、ビート信号の瞬時周波数ν（ｔ）は
【００５１】
【式１５】

【００５２】
となることから、同期点からε離れた位置におけるビート信号のスペクトルは
【００５３】
【式１６】

【００５４】
の周波数帯域を占めることになる。
従来技術において、ビート信号の占める周波数帯域（パルス時間幅Ｗより２／Ｗで与えられる。) が、ブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) のブリルアンゲイン線幅（半値全幅）ΔνB の２倍となる条件から空間分解能が決定されたように、本発明においても、式１６で与えられるビート信号の周波数帯域が半値全幅ΔνB の２倍となる条件から空間分解能δz を決定すると、
【００５５】
【式１７】

【００５６】
が得られる。式１７より、位相変調の変調周波数νm を高くすることで、空間分解能が向上することがわかる。ブリルアンゲイン線幅ΔνB の実験値30MHz と、ファイバ中の光速ｖ＝２×（１０の８乗）ｍ／ｓ、後に実施例において示す実験結果において用いた変調指数ｍ＝５０、位相変調の変調周波数νm ＝ 7.5MHz を式１７に代入して得られる空間分解能δz は35cmとなり、1m以下の空間分解能が実現される。
さらに、式１３のビート信号が第１種Bessel関数を用いて
【００５７】
【式１８】

【００５８】
【式１９】

【００５９】
と表される事実を用いると、位相変調の変調周波数νm について
【００６０】
【式２０】

【００６１】
なる条件下で、ビート信号の零次のスペクトル成分の振幅Ｊ0(y)のみを用いて空間分解能の理論式が得られる。なぜなら、条件式２０の下では、非零次のスペクトル成分はブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) が1/2 以上の大きな値をとる周波数帯域外に存在するからである。零次成分Ｊ0(y)が1/2 以下に抑圧される結果、ポンプ光からプローブ光へのパワー移動が抑圧される条件より空間分解能δz を求めると、Ｊ0(π／２) ≒０．５を用いて
【００６２】
【式２１】

【００６３】
が得られる。νm ＝ 50MHz＞ΔνB ／２＝ 15MHz、および変調指数ｍ＝２０の条件下で空間分解能δz ＝5cm を得る。
【００６４】
なお、これまでの説明で用いてきたポンプ光、プローブ光の位相が同期し、両光の相関値が高まるという記述における相関値とは、式１８で与えられるビート信号の、零次のスペクトル成分の振幅Ｊ0(y)を意味する。零次の第１種Bessel関数は、ｙ＝０で最大値を取るので、式１９で定義されるｙにおいてεが同期点からの微小なずれを意味することから、同期点においては相関値が最大値を取り、同期点からずれるにしたがって相関値は減少することが分かる。
【００６５】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の第１の実施の形態であるブリルアンゲインスペクトル測定装置を示す。
第１の実施の形態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ポンプ光を発生する第１の光源１、所定の変調周波数で周波数変調されたプローブ光を発生する第２の光源２、第２の光源２から出力されたプローブ光の中心周波数を所望の周波数、シフトさせるための光周波数変換器３、被測定光ファイバ６の片端からポンプ光を入射し、かつ、被測定光ファイバ６より出射したプローブ光の少なくとも一部を光検出器５に導くための光学手段としての光分岐器４、および光分岐器４で分岐されたプローブ光のパワーを検出するための光検出器５から構成されている。
【００６６】
所定の周波数で変調された光を発生する第１の光源１、および第２の光源２は、半導体レーザの注入電流を所定の変調周波数で変調することで、周波数変調された光を発生させる手段等により実現する。第２の光源２から出力されたプローブ光の中心周波数に、所望の周波数シフトを与えるための光周波数変換器３としては、電界効果型の光強度変調器等が用いられる。光強度変調器を用いて振幅変調を印加すると周波数シフト光が発生し、周波数シフト量は振幅変調の周波数に等しい。光学手段としては、被測定光ファイバ６から出射したプローブ光の少なくとも一部を光検出器５に導けばよいのであるから、光分岐器の他に、光サーキュレータ、ビームスプリッタ、ハーフミラー等を用いてもよい。
【００６７】
所定の変調周波数で周波数変調されたポンプ光とプローブ光を、被測定光ファイバ６の両端から入射する。周波数変換器３を用いてプローブ光の中心周波数を、プローブ光とポンプ光の中心周波数の周波数差がブリルアン周波数シフトνB の近傍となるよう変化させると、両光の位相が同期する位置、つまり両光の相関値が高まる位置において選択的に、ポンプ光からプローブ光へのパワーの移動が発生する。従って、被測定光ファイバ６から出射後、光分岐器４で分岐されたプローブ光のパワーを光検出器５で検出することにより、両光の位相が同期する位置におけるブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) が測定される。
【００６８】
図２に本発明の第２の実施の形態であるブリルアンゲインスペクトル測定装置を示す。
第２の実施の形態のブリルアンゲインスペクトル測定装置は、所望の変調周波数で周波数変調された光を発生する光源１、光源１の出力光を分岐するための光分岐手段としての第１の光分岐器７、分岐された一方であるプローブ光の中心周波数を所望の周波数、シフトさせるための光周波数変換器３、分岐された他方であるポンプ光と前記プローブ光の間に所定の遅延時間を与えるための光遅延器８、被測定光ファイバ６の片端からポンプ光を入射し、かつ、被測定光ファイバ６より出射したプローブ光の少なくとも一部を光検出器５に導くための光学手段としての第２の光分岐器４、および第２の光分岐器４で分岐されたプローブ光のパワーを検出するための光検出器５から構成されている。
【００６９】
所望の変調周波数で周波数変調された光を発生する光源１、プローブ光の中心周波数に所望の周波数シフトを与える光周波数変換器３、および第２の光分岐器４については、第１の実施の形態と同様である。第１の光分岐器７については、一つの出力光からポンプ光とプローブ光とを作り出すために、出力光を分岐できればよいのであるから、ビームスプリッタやハーフミラーを用いてもよい。プローブ光とポンプ光との間に所定の遅延時間を与える光遅延器８としては、光ファイバ等を利用する。
【００７０】
所望の変調周波数で周波数変調されたポンプ光とプローブ光を、光遅延器８を用いて両光の間に所定の遅延時間を与えた状態で、被測定光ファイバ６の両端から入射する。両光の位相が同期する位置、すなわち同期点は、変調周波数と被測定光ファイバ６中の光速を用いて式１１で与えられる。両光の間に与える遅延時間を、被測定光ファイバ６中に非零整数倍（式１１でＮ≠０）の同期点が存在するように設定する。プローブ光の中心周波数の周波数シフト量を変化させ、両光の位相が同期する位置におけるブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) を測定する点は、第１の実施の形態と同様である。さらに、前記変調周波数を変化させることで、両光の位相が被測定光ファイバ中で同期する位置を変化させることにより、ブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) の被測定光ファイバに沿った分布を測定する。
【００７１】
ここで、光周波数変換器３の挿入位置について付け加える。光周波数変換器３は前述のとおり、ポンプ光の中心周波数とプローブ光の中心周波数の間にブリルアン散乱現象が発生するような周波数差を持たせるため、そして、その周波数差をブリルアンゲインスペクトルを測定するために変化させるようにするためのものであるから、第１の実施の形態において、図１に示す被測定光ファイバ６と第２の光源２の間の代わりに、第１の光源１と光分岐器４の間に挿入してもよい。また、第２の実施の形態において、図２に示す第１の光分岐器７と被測定光ファイバ６の間の代わりに、第１の光分岐器７と光遅延器８の間や光遅延器８と第２の光分岐器４の間に挿入してもよい。
【００７２】
【実施例】
本発明の実施例を図３に示す。
実施例のブリルアンゲインスペクトル測定装置は、光源１を構成する半導体レーザ１１と信号発生器１２、第１の光分岐器７、光遅延器８、光周波数変換器３を構成する光強度変調器３１とマイクロ波発生器３２、第２の光分岐器４、光波長フィルタ９、および光検出器５で構成されている。
【００７３】
信号発生器１２で発生した周期的信号により、半導体レーザ( 以下、ＬＤという。) １１の注入電流を変調することで、ＬＤ１１から周波数変調された光が発生する。周波数変調されたＬＤ１１の出力光は、第１の光分岐器７で二分され、それぞれポンプ光、プローブ光となり、プローブ光は、光強度変調器３１に入力される。マイクロ波発生器３２で発生するマイクロ波を光強度変調器３１に入力し、振幅変調を印加することで、入力光の中心周波数に対してマイクロ波周波数に等しい周波数差を有する側帯波を発生させ、被測定光ファイバ６に入射する。ここでは、プローブ光として用いられるのは、低周波側の側帯波である。ポンプ光は光遅延器８、第２の光分岐器４を通過後、被測定光ファイバ６に入射する。光遅延器８により、ポンプ光、プローブ光の間には所定の遅延時間が設定される。被測定光ファイバ６から出射したプローブ光は、第２の光分岐器４で分岐され、光波長フィルタ９で低周波側の側帯波のみが選択され、光検出器５でパワーが測定される。
【００７４】
被測定光ファイバ６中に、ポンプ光、プローブ光の位相が同期する位置が一点だけ存在するように、ＬＤ１１の変調周波数を選択する。さらに、変調周波数で決まる同期点間隔の非零整数倍の同期点が、被測定光ファイバ６中に存在するよう光遅延器による遅延量を設定する。
【００７５】
光強度変調器３１に印加するマイクロ波周波数を、ブリルアン周波数シフトνB の近傍で掃引することで、被測定光ファイバ６中で、ポンプ光、プローブ光の位相が同期する位置におけるブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) が測定される。さらに、ＬＤ１１への注入電流の変調周波数を変化させることで、被測定光ファイバ６中で、ポンプ光、プローブ光の位相が同期する位置を変化させ、被測定光ファイバ６に沿ったブリルアンゲインスペクトルを測定する。
【００７６】
図４に、本発明の実施例を用いて測定した被測定光ファイバ６の構成を示す。被測定光ファイバ６はシングルモード光ファイバ６１、分散シフト光ファイバ６２、およびシングルモード光ファイバ６３で構成されている。シングルモード光ファイバ６１，６３、分散シフト光ファイバ６２のブリルアン周波数シフトνB はそれぞれ10.83GHz、10.56GHzである。
【００７７】
実験では、ＬＤ１１への注入電流の変調周波数を7 〜8MHzの間で掃引した。このとき同期点間隔は、式１１より25〜29m の間で変化する。光遅延器８には40m の光ファイバを用いたので、光分岐器等の光学部品による遅延量も考慮すると、被測定光ファイバ６中には、式１１におけるＮ＝２に相当する同期点のみが存在し、ＬＤ１１への注入電流の変調周波数の掃引により被測定光ファイバ６中でのポンプ光、プローブ光間の光路長差は50〜58m の範囲で変化する。
【００７８】
図５に、ブリルアンゲインスペクトル分布の測定結果を示す。
図５でｘ軸は測定位置、25〜27m の付近に分散シフト光ファイバが存在する。ｙ軸は周波数、ｚ軸は、ｚ＝ｚ(x,y) としたとき、測定位置ｘ、周波数ｙにおけるブリルアンゲインである。ここで、ｚ軸のブリルアンゲインには、被測定光ファイバを接続しない状態であらかじめ測定しておいたプローブ光のパワーを基準とするゲイン〔増幅率（％）〕をプロットした。
【００７９】
図６に、図５より得られるブリルアン周波数シフトνB の分布を示す。
図７に、図５より得られる、シングルモード光ファイバ６１，６３、分散シフト光ファイバ６２それぞれのブリルアン周波数シフトに沿ったブリルアンゲインの分布、すなわち、図５のｙ＝10.83 GHz のｚｘ面、および、ｙ＝10.56 GHz のｚｘ面による断面図として得られる結果を示す。
【００８０】
図７より空間分解能は、シングルモード光ファイバ６１，６３と、分散シフト光ファイバ６２の間にある遷移領域の長さの半分として40cmと見積もられる。
実験条件を理論式１７に代入して得られる空間分解能は38〜33cmであり、実験値40cmによく一致している。理論分解能の計算には、実験に用いたＬＤ１１から発生する光の周波数変調振幅360MHz、および、あらかじめ測定されたブリルアンゲイン線幅ΔνB ＝ 30MHzを用いた。なお、実験は周波数変調を用いて行ったので、位相変調を用いて導出した式１７において、ｍνm に周波数変調振幅360MHzを代入すればよい。
【００８１】
【発明の効果】
本発明のブリルアンゲインスペクトル測定方法および装置は、所定の変調周波数で周波数変調されたポンプ光とプローブ光を被測定光ファイバの両端から入射し、両光の位相が同期する位置におけるブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) を選択的に測定することとしたから、従来技術においては、ポンプ光パルスの時間幅に、ブリルアンゲインスペクトルｇB(ν) の周波数広がりΔνB により決定される下限値があるために、空間分解能が2 〜3m以上に制限されるという問題点を解決し、1m以下の空間分解能でブリルアンゲインスペクトルを測定できる方法および装置を実現できた。
【００８２】
また、光遅延器を用いて被測定光ファイバに入射するポンプ光とプローブ光との間に遅延を設定することで、両光を周波数変調する変調周波数を変化させることにより、被測定光ファイバ中で両光の位相が同期する位置、すなわちブリルアンゲインスペクトルを測定する位置を実用的な距離変化させることが可能になり、ブリルアンゲインスペクトルの光ファイバに沿った分布を測定できる方法および装置を実現できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図３】本発明の実施例を示す構成図である。
【図４】本発明の実施例により測定した光ファイバの構成を示す図である。
【図５】図４に示す光ファイバを測定して得られたブリルアンゲインスペクトル分布を示す図である。
【図６】図５より得られる、被測定光ファイバのブリルアン周波数シフト分布を示す図である。
【図７】図５より得られる、シングルモード光ファイバ、分散シフト光ファイバそれぞれのブリルアン周波数シフトに沿ったブリルアンゲインの分布を示す図である。
【符号の説明】
１第１の光源
２第２の光源
３光周波数変換器
４光学手段，光分岐器
５光検出器
６被測定光ファイバ
７光分岐手段，光分岐器
８光遅延器
９光波長フィルタ
１１半導体レーザ，ＬＤ
１２信号発生器
３１光強度変調器
３２マイクロ波発生器
６１シングルモード光ファイバ
６２分散シフト光ファイバ
６３シングルモード光ファイバ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a technique for measuring a Brillouin gain spectrum of an optical fiber, and more particularly to a technique for increasing the spatial resolution of a position where a Brillouin scattering phenomenon occurs in an optical fiber.
[0002]
This technique can be applied to an optical fiber sensor that uses an optical fiber to measure a physical quantity distribution such as temperature and strain in an environment in which the optical fiber is installed. Optical fiber sensors are, for example, (1) maintenance and management of optical communication paths, (2) maintenance and management of large-scale structures such as dams and dikes, and (3) materials and structures that have a self-diagnosis function for defects and failures ( Smart materials and structures) The optical fiber sensor using the present invention can increase the spatial resolution of physical quantity distribution measurement considered to be particularly important in (2) and (3).
[0003]
[Prior art]
There is a method based on the Brillouin scattering phenomenon in an optical fiber as a technique for measuring the strain or temperature in an environment where the optical fiber is installed. In this method, since the installed optical fiber itself is used as a medium for detecting distortion or temperature, distribution measurement can be realized with a simple configuration as compared with a method in which a large number of point sensors are arranged.
[0004]
The Brillouin scattering phenomenon is a phenomenon in which, when two light waves having different frequencies pass each other in an optical fiber, power moves from high-frequency light to low-frequency light via an acoustic wave in the optical fiber. When the frequency difference between two light waves passing is ν, the moving power is approximately proportional to the Brillouin gain spectrum gB (ν) defined by Equation 1.
[0005]
[Formula 1]

[0006]
Here, νB and ΔνB are parameters that characterize the Brillouin gain spectrum, and are called Brillouin frequency shift and Brillouin gain line width (full width at half maximum), respectively. The Brillouin gain spectrum gB (ν) takes a value of 1/2 or more in the frequency range ΔνB centered on the Brillouin frequency shift νB. In other words, in order to efficiently generate the Brillouin scattering phenomenon in the optical fiber, the frequency difference in the frequency range of the Brillouin gain line width ΔνB centered on the Brillouin frequency shift νB with respect to the frequency between the two light waves that pass in the optical fiber. Must be granted.
The Brillouin frequency shift νB is given by Equation 2 with the speed of sound in the optical fiber as va.
[0007]
[Formula 2]

[0008]
Here, n is the refractive index of the optical fiber, and λ is the wavelength of light incident on the optical fiber. As a result of the sound velocity va changing depending on the temperature around the optical fiber and the strain applied to the optical fiber, the measurement of the Brillouin frequency shift νB provides a temperature and strain detection means via equation (2). As a numerical example of the change sensitivity of Brillouin frequency shift νB, at an optical wavelength of 1.3 μm,
Against distortion
[0009]
[Formula 3]

[0010]
Against temperature
[0011]
[Formula 4]

[0012]
It is reported in the following document (1).
(1) M.Nikles et al., Journal of Lightwave Technology, vol.15, pp. 1842‐1851, (1997)
Accordingly, the strain or temperature distribution can be measured by measuring the Brillouin gain spectrum gB (ν) as a function of position along the optical fiber and determining the Brillouin frequency shift νB as a function of position along the optical fiber. It becomes possible.
[0013]
As a conventional technique for measuring the aforementioned Brillouin gain spectrum, pulse pump light and continuous wave probe light having a variable frequency difference, pulse pump light from one end of the optical fiber to be measured, and continuous wave probe light to the optical fiber to be measured BOTDA (Brillouin Optical Time) is a method for determining the distribution along the optical fiber of the Brillouin gain spectrum gB (ν) by measuring the change component of the probe light due to the Brillouin scattering phenomenon as a function of time. Domain Analysis) has been used.
[0014]
In addition, as a technique equivalent to BOTDA, pulse light is incident from one end of the optical fiber to be measured, and the spectrum of the scattered light due to the natural Brillouin scattering phenomenon is measured as a function of time, so that the light of the Brillouin gain spectrum gB (ν) BOTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometry), which is a method for obtaining the distribution along the fiber, has also been used.
BOTDA and BOTDR are explained by the authors in the following document (2).
(2) T. Horiguchi et al., Journal of Lightwave Technology, vol.13, pp. 1296‐1302, (1995)
[0015]
The spatial resolution δz of both the BOTDA and BOTDR prior arts is as follows: W is the optical pulse time width incident on the optical fiber as pump light, and v is the speed of light in the optical fiber.
[0016]
[Formula 5]

[0017]
Given in. Therefore, in order to increase (narrow) the spatial resolution δz, it is necessary to shorten the optical pulse time width W. However, in order to accurately measure the Brillouin gain spectrum gB (ν), particularly the Brillouin frequency shift νB, which is the maximum frequency, it is necessary to set the optical pulse time width W to the lower limit value or more shown below. For this reason, the spatial resolution δz is limited to a value larger than 2 to 3 m.
[0018]
In both conventional techniques, an optical pulse used as pump light is generated by pulsing continuous light having a frequency difference ν with respect to probe light using an optical switch or the like. Then, for example, regarding the BOTDA mentioned above, the spectrum of the beat signal generated by the interference between the pump light having the pulse time width W and the continuous wave probe light in the optical fiber to be measured is about 2 / W centering on ν. Has a large value in the frequency range. The power that moves from the pump light to the probe light due to the Brillouin scattering phenomenon is given by the overlap integral of the spectrum of the beat signal and the Brillouin gain spectrum gB (ν) given by Equation 1, so that light with a pulse time width W is pumped. When used as light, an integral value in a frequency range of about 2 / W centered on ν of gB (ν) is measured as the shifted power.
[0019]
The Brillouin gain spectrum gB (ν) to be measured and given by Equation 1 takes a value of 1/2 or more in the frequency range of the Brillouin gain line width (full width at half maximum) ΔνB around the Brillouin frequency shift νB. Therefore, as a result of using the pump light with the pulse time width W, if the integration range 2 / W becomes wider than twice the full width at half maximum ΔνB, the integrated value is almost constant even if the frequency difference ν is changed near the Brillouin frequency shift νB. Therefore, it becomes difficult to accurately measure the frequency difference at which the Brillouin gain spectrum takes the maximum value.
[0020]
For the above reasons, in order to accurately determine the Brillouin frequency shift νB, it is necessary to use an optical pulse having a pulse time width W equal to or greater than the lower limit given by the following equation.
[0021]
[Formula 6]

[0022]
Using the experimental value of 30 MHz for the Brillouin gain line width ΔνB and the speed of light in the optical fiber v = 2 × (10 8) m / s, the spatial resolution δz given by Equation 5 is 3 m.
[0023]
[Problems to be solved by the invention]
Since BOTDA and BOTDR, which are conventional technologies, are limited to a value larger than 2 to 3 m in spatial resolution, they are materials having maintenance and self-diagnosis functions for large-scale structures listed in the technical field to which the invention belongs. -In the structure, the spatial resolution of 1 m or less, which has been required in recent years, could not be realized.
[0024]
An object of the present invention is to provide a method and apparatus capable of measuring a Brillouin gain spectrum gB (ν) with a spatial resolution of 1 m or less. Another object of the present invention is to provide a method and apparatus capable of measuring the distribution along the optical fiber of the Brillouin gain spectrum gB (ν) with a spatial resolution of 1 m or less.
The provision of the method and apparatus leads to the realization of strain distribution and temperature distribution sensors in application fields that could not be realized by the prior art.
[0025]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the Brillouin gain spectrum measuring method and apparatus of the present invention uses continuous light in which both pump light and probe light are modulated at a predetermined modulation frequency. That is,
The Brillouin gain spectrum measuring method according to claim 1 of the present invention includes a first continuous wave light frequency-modulated at a predetermined modulation frequency and a second continuous wave light frequency-modulated at a modulation frequency equal to the predetermined modulation frequency. The Brillouin gain spectrum measurement method using the first continuous wave light is incident from one end face of the optical fiber to be measured, the center frequency of the second continuous wave light is frequency shifted, and the frequency shift is performed. The second continuous wave light whose center frequency is shifted by the incident light is made incident from the other end surface of the optical fiber to be measured, and the frequency shift amount of the center frequency of the second continuous wave light is changed to change the frequency of the optical fiber to be measured. The power of light emitted from one end face or the other end face is measured, and the phase of the first continuous wave light and the second continuous wave light are measured in the optical fiber to be measured. Phase and measuring the Brillouin gain spectrum at the position where the synchronization correlation value increases.
[0026]
The Brillouin gain spectrum measurement method according to claim 2 of the present invention is the Brillouin gain spectrum measurement method according to claim 1, wherein the Brillouin gain spectrum in the optical fiber to be measured is measured by changing the predetermined modulation frequency. It is characterized by changing.
[0027]
According to the third aspect of the present invention, the Brillouin gain spectrum measurement method branches the continuous wave light frequency-modulated at a desired modulation frequency, and uses the first continuous wave light and the second continuous wave light obtained by the branching. A method of measuring the Brillouin gain spectrum, wherein the first continuous wave light is delayed, the delayed first continuous wave light is incident from one end face of the optical fiber to be measured, and the second continuous wave light is The second continuous wave light whose center frequency is shifted by the frequency shift is made incident from the other end surface of the optical fiber to be measured, and the amount of frequency shift of the center frequency of the second continuous wave light is changed. And changing the phase of the first continuous wave light in the measured optical fiber by measuring the power of the light emitted from the one end surface or the other end surface of the measured optical fiber. The Brillouin gain spectrum is measured at a position where the phase of the continuous wave light of 2 is synchronized and the correlation value is increased, and the modulation frequency is changed, so that the phase of the first continuous wave light and the second phase of the first continuous wave light are measured. The Brillouin gain spectrum is measured by changing the position where the phase of the continuous wave light is synchronized and the correlation value is increased, and the distribution of the Brillouin gain spectrum in the optical fiber to be measured is measured.
[0028]
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a Brillouin gain spectrum measuring apparatus, wherein a first light source that outputs a first continuous wave light frequency-modulated at a predetermined modulation frequency, and frequency-modulated at a frequency equal to the predetermined frequency. A second light source that outputs a second continuous wave light; an optical frequency converter that provides a desired frequency shift with respect to the center frequency of the second continuous wave light; The second light beam that is incident on one end of the measurement optical fiber and that has undergone a frequency shift by the optical frequency converter, is incident on the other end of the optical fiber to be measured, propagates through the optical fiber to be measured, and is emitted. Optical means for guiding at least part of the continuous wave light and a photodetector for measuring the power of the light guided by the optical means are provided. The Brillouin gain spectrum is measured at a position where the phase of the first continuous wave light and the phase of the second continuous wave light are synchronized in the optical fiber to be measured.
[0029]
A Brillouin gain spectrum measuring apparatus according to a fifth aspect of the present invention includes a light source that outputs continuous wave light frequency-modulated at a desired modulation frequency, the continuous wave light that is branched, and a first output light and a second output light. An optical branching means for outputting light, an optical frequency converter for giving a desired frequency shift to a center frequency of the first output light, an optical delay for giving a predetermined delay time to the second output light, The second output light delayed by the optical delay device is received and incident on one end of the optical fiber to be measured, and after being frequency-shifted by the optical frequency converter, incident on the other end of the optical fiber to be measured And optical means for guiding at least a part of the first output light emitted through the optical fiber to be measured and a photodetector for measuring the power of the light guided by the optical means. . Then, by changing the desired modulation frequency, the position where the phase of the first output light and the phase of the second output light incident from both ends of the optical fiber to be measured are synchronized is changed, and the optical fiber to be measured It is possible to measure the distribution of Brillouin gain spectrum.
[0030]
[Action]
In the following, frequency modulation and phase modulation are equivalent techniques, so the operation will be described using phase modulation in order to simplify the process of deriving the theoretical formula of spatial resolution. Is possible.
[0031]
First, means for measuring the Brillouin gain spectrum gB (ν) at a predetermined position of the optical fiber to be measured will be described.
Pump light and probe light phase-modulated at a predetermined frequency are incident from one end and the other end of the optical fiber to be measured. If the frequency difference between the center frequencies of the two lights is ν, a beat signal having a single frequency ν is generated at a position where the phases of both lights are synchronized and the correlation value is increased in the optical fiber to be measured, while the phases of both lights are asynchronous. At a position where the correlation value is low, a phase-modulated beat signal is generated.
[0032]
The power moving from the pump light to the probe light due to the Brillouin scattering phenomenon is given by the overlap integral of the spectrum of the beat signal of both lights and the Brillouin gain spectrum gB (ν) as described in the prior art. Therefore, paying attention to the spectrum of the beat signal, a beat signal with a single frequency ν is generated at a position where the phases of both lights are synchronized, and the spectrum has a sharp peak, whereas the phase of both lights is out of phase at an asynchronous position. A modulated beat signal is produced, and its spectrum spreads around ν. When the frequency difference ν between the center frequencies of both lights is changed, the spectrum center of the beat signal is also shifted. During this time, the power that moves from the pump light to the probe light at the position where the phases of both lights are synchronized is the spectrum of the beat signal. As a result of the sharp peak shape, it changes according to the Brillouin gain spectrum gB (ν). On the other hand, at a position where the phases of the two lights are asynchronous, the moving power hardly changes even if the frequency difference ν is changed.
[0033]
This is because the spectrum of the beat signal at a non-synchronized position has a large value in the frequency range determined according to the distance from the position where the closest phase is synchronized with ν as the center, and gB (ν) This is because the integrated power moves. Therefore, by changing the frequency difference ν between the center frequencies of the two lights in the vicinity of the Brillouin frequency shift νB and measuring the change in the power of the outgoing probe light or the power of the outgoing pump light, The Brillouin gain spectrum gB (ν) at a position where the phase of the pump light and the phase of the probe light are synchronized can be measured.
[0034]
There are a plurality of positions where the phase of the pump light and the phase of the probe light are synchronized (hereinafter referred to as synchronization points) at intervals determined according to the modulation frequency of the phase modulation, but there are synchronization points existing in the measured fiber. It is possible to set the modulation frequency of the phase modulation so that it is limited to one point. Furthermore, by changing the modulation frequency of the phase modulation, the synchronization point, that is, the position where the Brillouin gain spectrum is measured can be changed. For these implementation means, a theoretical formula of spatial resolution is derived below. Explain in the process.
[0035]
Next, it is shown that a spatial resolution of 1 m or less can be obtained by deriving a theoretical formula of spatial resolution obtained in the present invention and substituting numerical values used in experimental results described later in the examples into the theoretical formula.
The center frequencies of the pump light and the probe light are ν1 and ν2, respectively, and sine wave phase modulation having a modulation index m and a modulation frequency νm is applied to both lights. Let E1 and E2 be the complex amplitudes of the optical fields of the pump light and probe light, respectively.
[0036]
[Formula 7]

[0037]
[Formula 8]

[0038]
It expresses. Here, t is time, z is position, and v is the group velocity of both lights.
The beat signal E1 × (complex conjugate of E2) of both lights is
[0039]
[Formula 9]

[0040]
[Formula 10]

[0041]
Given in. From Equation 10, the position where the phase of the pump light and the probe light is synchronized, that is, the synchronization point is
[0042]
[Formula 11]

[0043]
In the equation (10), the position where the component that temporally oscillates at the modulation frequency νm disappears, that is,
[0044]
[Formula 12]

[0045]
Is defined as the position where Therefore, in order to limit the synchronization point existing in the optical fiber to be measured to one point, the modulation frequency νm may be set so that the interval v / νm between the synchronization points is longer than the length of the optical fiber to be measured. Further, a predetermined delay time is given between the pump light and the probe light using an optical delay device, and a setting is made so that a non-zero integer multiple (N ≠ 0 in Equation 11) synchronization point exists in the optical fiber to be measured. Thus, means for measuring the Brillouin gain spectrum distribution in the optical fiber to be measured is obtained by changing the synchronization point position by changing the modulation frequency νm.
[0046]
In the prior art, as described above, pulse light is used as pump light. Therefore, by changing the time from when pulse pump light is output until Brillouin gain is measured, the Brillouin gain in the optical fiber to be measured is changed. It was possible to change the measurement position. In the present invention, it is necessary to change the synchronization point position of the pump light and the probe light. However, the change of the synchronization point position by the optical delay device having a variable delay amount is very small at present and is not practical. Therefore, a method of changing the synchronization point position by using the non-zero integer multiple synchronization point position and changing the modulation frequency νm as described above is adopted.
[0047]
Since the spectrum of the beat signal at the synchronization point is a single frequency of ν = [absolute value of (ν1 −ν2)], the frequency difference ν between the center frequencies of the pump light and the probe light is close to the Brillouin frequency shift νB. By changing the power of the pump light or the probe light emitted from the optical fiber to be measured, the Brillouin gain spectrum at the synchronization point is measured.
Here, in order to obtain the spatial resolution, a beat signal in the vicinity of the synchronization point is considered, and z = vN / νm + ε (where ε represents a slight deviation from the synchronization point). The beat signal is a function of ε, t
[0048]
[Formula 13]

[0049]
[Formula 14]

[0050]
It becomes. The double sign takes + and-, respectively, according to the even and odd of N. From Equation 14, the instantaneous frequency ν (t) of the beat signal is
[0051]
[Formula 15]

[0052]
Therefore, the beat signal spectrum at a position ε away from the synchronization point is
[0053]
[Formula 16]

[0054]
Will occupy the frequency band.
In the conventional technique, the frequency band occupied by the beat signal (given by 2 / W from the pulse time width W) is twice the Brillouin gain line width (full width at half maximum) ΔνB of the Brillouin gain spectrum gB (ν). As the spatial resolution is determined, also in the present invention, when the spatial resolution δz is determined from the condition that the frequency band of the beat signal given by Equation 16 is twice the full width at half maximum ΔνB,
[0055]
[Formula 17]

[0056]
Is obtained. From Equation 17, it can be seen that the spatial resolution is improved by increasing the modulation frequency νm of the phase modulation. Experimental value of Brillouin gain line width ΔνB 30 MHz, speed of light in the fiber v = 2 × (10 8) m / s, modulation index m = 50 used in the experimental results shown later in the embodiment, modulation frequency of phase modulation The spatial resolution δz obtained by substituting νm = 7.5 MHz into Equation 17 is 35 cm, and a spatial resolution of 1 m or less is realized.
Furthermore, the beat signal of Equation 13 is expressed using the first kind Bessel function.
[0057]
[Formula 18]

[0058]
[Formula 19]

[0059]
Using the fact expressed as follows, the modulation frequency νm of phase modulation
[0060]
[Formula 20]

[0061]
Under these conditions, a theoretical equation of spatial resolution can be obtained using only the amplitude J0 (y) of the zeroth-order spectral component of the beat signal. This is because, under the conditional expression 20, the non-zero order spectral component exists outside the frequency band where the Brillouin gain spectrum gB (ν) takes a large value of 1/2 or more. As a result of the suppression of the zero-order component J0 (y) to 1/2 or less, the spatial resolution δz is obtained from the condition that the power transfer from the pump light to the probe light is suppressed. J0 (π / 2) ≈0.5 Using
[0062]
[Formula 21]

[0063]
Is obtained. A spatial resolution δz = 5 cm is obtained under the conditions of νm = 50 MHz> ΔνB / 2 = 15 MHz and the modulation index m = 20.
[0064]
Note that the correlation value in the description that the phases of the pump light and the probe light used in the above description are synchronized and the correlation value of both lights increases is the zero-order spectral component of the beat signal given by Equation 18. Means the amplitude J0 (y). The first-order Bessel function of the zero order takes a maximum value when y = 0, and therefore, ε means a slight deviation from the synchronization point in y defined by Equation 19, so that the correlation value at the synchronization point is It can be seen that the correlation value decreases as the maximum value is taken and deviates from the synchronization point.
[0065]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a Brillouin gain spectrum measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
The Brillouin gain spectrum measuring apparatus according to the first embodiment includes a first light source 1 that generates pump light that is frequency-modulated at a predetermined modulation frequency, and a second light source that generates probe light that is frequency-modulated at a predetermined modulation frequency. The light source 2, the optical frequency converter 3 for shifting the center frequency of the probe light output from the second light source 2 to a desired frequency, pump light is incident from one end of the optical fiber 6 to be measured, and Optical branching device 4 as optical means for guiding at least part of the probe light emitted from the measurement optical fiber 6 to the optical detector 5, and light for detecting the power of the probe light branched by the optical branching device 4 It comprises a detector 5.
[0066]
The first light source 1 and the second light source 2 that generate light modulated at a predetermined frequency are means for generating frequency-modulated light by modulating the injection current of the semiconductor laser at a predetermined modulation frequency. Etc. As the optical frequency converter 3 for giving a desired frequency shift to the center frequency of the probe light output from the second light source 2, a field effect type light intensity modulator or the like is used. When amplitude modulation is applied using a light intensity modulator, frequency-shifted light is generated, and the amount of frequency shift is equal to the frequency of amplitude modulation. As the optical means, at least a part of the probe light emitted from the optical fiber 6 to be measured may be guided to the photodetector 5, so that an optical circulator, a beam splitter, a half mirror or the like is used in addition to the optical branching device. May be.
[0067]
Pump light and probe light frequency-modulated at a predetermined modulation frequency are incident from both ends of the optical fiber 6 to be measured. When the frequency converter 3 is used to change the center frequency of the probe light so that the frequency difference between the center frequencies of the probe light and the pump light is close to the Brillouin frequency shift νB, The power shift from the pump light to the probe light occurs selectively at the position where the correlation value of light increases. Accordingly, the Brillouin gain spectrum gB (ν) at the position where the phases of the two lights are synchronized by detecting the power of the probe light branched by the optical branching device 4 after being emitted from the optical fiber 6 to be measured. Is measured.
[0068]
FIG. 2 shows a Brillouin gain spectrum measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention.
The Brillouin gain spectrum measuring apparatus according to the second embodiment includes a light source 1 that generates light frequency-modulated at a desired modulation frequency, and a first optical branch as an optical branching unit for branching output light from the light source 1. 7. An optical frequency converter 3 for shifting the center frequency of one of the branched probe lights to a desired frequency, a predetermined delay time is provided between the other branched pump light and the probe light. Optical delay unit 8 for receiving the pump light from one end of the optical fiber 6 to be measured and optical means for guiding at least part of the probe light emitted from the optical fiber 6 to be measured to the photodetector 5 It comprises a second optical branching device 4 and a photodetector 5 for detecting the power of the probe light branched by the second optical branching device 4.
[0069]
The light source 1 that generates light modulated at a desired modulation frequency, the optical frequency converter 3 that gives a desired frequency shift to the center frequency of the probe light, and the second optical branching device 4 are the same as those in the first embodiment. It is the same as the form. As for the first optical branching unit 7, in order to produce pump light and probe light from one output light, it is only necessary to branch the output light. Therefore, a beam splitter or a half mirror may be used. An optical fiber or the like is used as the optical delay device 8 that gives a predetermined delay time between the probe light and the pump light.
[0070]
The pump light and the probe light that are frequency-modulated at a desired modulation frequency are incident from both ends of the optical fiber 6 to be measured in a state where a predetermined delay time is given between both lights using the optical delay device 8. The position where the phases of both lights are synchronized, that is, the synchronization point, is given by Equation 11 using the modulation frequency and the speed of light in the optical fiber 6 to be measured. The delay time given between the two lights is set so that there is a non-zero integer multiple (N ≠ 0 in Equation 11) in the optical fiber 6 to be measured. Similar to the first embodiment, the Brillouin gain spectrum gB (ν) is measured at a position where the phase shift of the center frequency of the probe light is changed and the phases of the two lights are synchronized. Further, the distribution of the Brillouin gain spectrum gB (ν) along the measured optical fiber is measured by changing the position at which the phases of the two lights are synchronized in the measured optical fiber by changing the modulation frequency. .
[0071]
Here, the insertion position of the optical frequency converter 3 is added. As described above, the optical frequency converter 3 has a frequency difference that causes a Brillouin scattering phenomenon between the center frequency of the pump light and the center frequency of the probe light, and measures the Brillouin gain spectrum for the frequency difference. In the first embodiment, the first light source 1 and the second light source 2 instead of the optical fiber to be measured 6 and the second light source 2 shown in FIG. You may insert between the optical branching devices 4. FIG. Further, in the second embodiment, instead of between the first optical branching device 7 and the optical fiber 6 to be measured shown in FIG. 2, between the first optical branching device 7 and the optical delay device 8 or an optical delay. It may be inserted between the optical device 8 and the second optical branching device 4.
[0072]
【Example】
An embodiment of the present invention is shown in FIG.
The Brillouin gain spectrum measuring apparatus of the embodiment includes a semiconductor laser 11 and a signal generator 12 constituting a light source 1, a first optical branching device 7, an optical delay device 8, and an optical intensity modulator 31 constituting an optical frequency converter 3. And a microwave generator 32, a second optical branching device 4, an optical wavelength filter 9, and a photodetector 5.
[0073]
The LD 11 generates frequency-modulated light by modulating the injection current of the semiconductor laser (hereinafter referred to as LD) 11 with the periodic signal generated by the signal generator 12. The frequency-modulated output light of the LD 11 is divided into two by the first optical branching unit 7 to be pump light and probe light, respectively, and the probe light is input to the light intensity modulator 31. A microwave generated by the microwave generator 32 is input to the light intensity modulator 31 and amplitude modulation is applied to generate a sideband having a frequency difference equal to the microwave frequency with respect to the center frequency of the input light. Then, it enters the optical fiber 6 to be measured. Here, the sideband wave on the low frequency side is used as the probe light. The pump light passes through the optical delay device 8 and the second optical branching device 4 and then enters the measured optical fiber 6. A predetermined delay time is set between the pump light and the probe light by the optical delay device 8. The probe light emitted from the optical fiber 6 to be measured is branched by the second optical splitter 4, only the low frequency sideband is selected by the optical wavelength filter 9, and the power is measured by the photodetector 5.
[0074]
The modulation frequency of the LD 11 is selected so that there is only one position in the measured optical fiber 6 where the phases of the pump light and the probe light are synchronized. Furthermore, the delay amount by the optical delay device is set so that a synchronization point that is a non-zero integer multiple of the synchronization point interval determined by the modulation frequency exists in the measured optical fiber 6.
[0075]
By sweeping the microwave frequency applied to the light intensity modulator 31 in the vicinity of the Brillouin frequency shift νB, the Brillouin gain spectrum gB (at the position where the phases of the pump light and the probe light are synchronized in the measured optical fiber 6. ν) is measured. Furthermore, the Brillouin gain spectrum along the measured optical fiber 6 is changed by changing the modulation frequency of the injection current to the LD 11 to change the position where the phases of the pump light and the probe light are synchronized in the measured optical fiber 6. Measure.
[0076]
FIG. 4 shows the configuration of the optical fiber 6 to be measured measured using the embodiment of the present invention. The measured optical fiber 6 includes a single mode optical fiber 61, a dispersion shifted optical fiber 62, and a single mode optical fiber 63. The Brillouin frequency shifts ν B of the single mode

optical fibers

61 and 63 and the dispersion shifted optical fiber 62 are 10.83 GHz and 10.56 GHz, respectively.
[0077]
In the experiment, the modulation frequency of the current injected into the LD 11 was swept between 7 and 8 MHz. At this time, the synchronization point interval varies between 25 and 29 m from Equation 11. Since a 40 m optical fiber is used for the optical delay device 8, only the synchronization point corresponding to N = 2 in the equation 11 is included in the measured optical fiber 6 in consideration of the delay amount due to optical components such as an optical branching device. And the optical path length difference between the pump light and the probe light in the measured optical fiber 6 changes in the range of 50 to 58 m by sweeping the modulation frequency of the injection current into the LD 11.
[0078]
FIG. 5 shows the measurement result of the Brillouin gain spectrum distribution.
In FIG. 5, the x-axis is the measurement position, and a dispersion-shifted optical fiber exists in the vicinity of 25 to 27 m. The y-axis is the frequency, and the z-axis is the Brillouin gain at the measurement position x and frequency y, where z = z (x, y). Here, the gain (amplification rate (%)) based on the power of the probe light measured in advance without connecting the optical fiber to be measured is plotted on the Brillouin gain on the z axis.
[0079]
FIG. 6 shows the distribution of the Brillouin frequency shift ν B obtained from FIG.
FIG. 7 shows the Brillouin gain distribution along the Brillouin frequency shift of each of the single mode

optical fibers

61 and 63 and the dispersion shifted optical fiber 62 obtained from FIG. 5, that is, the zx plane at y = 10.83 GHz in FIG. , Y = 10.56 GHz shows the result obtained as a cross-sectional view by the zx plane.
[0080]
From FIG. 7, the spatial resolution is estimated to be 40 cm as a half of the length of the transition region between the single mode

optical fibers

61 and 63 and the dispersion shifted optical fiber 62.
The spatial resolution obtained by substituting the experimental conditions into the theoretical formula 17 is 38 to 33 cm, which is in good agreement with the experimental value of 40 cm. For the calculation of the theoretical resolution, the frequency modulation amplitude of 360 MHz of light generated from the LD 11 used in the experiment and the Brillouin gain line width ΔνB = 30 MHz measured in advance were used. Since the experiment was performed using frequency modulation, the frequency modulation amplitude of 360 MHz may be substituted for mνm in Equation 17 derived using phase modulation.
[0081]
【The invention's effect】
The Brillouin gain spectrum measurement method and apparatus according to the present invention makes it possible to enter pump light and probe light, which are frequency-modulated at a predetermined modulation frequency, from both ends of the optical fiber to be measured, and the Brillouin gain spectrum gB at a position where the phases of both lights are synchronized. Since (ν) is selectively measured, in the prior art, the time width of the pump light pulse has a lower limit value determined by the frequency spread ΔνB of the Brillouin gain spectrum gB (ν). The problem that the resolution is limited to 2 to 3 m or more was solved, and a method and apparatus capable of measuring a Brillouin gain spectrum with a spatial resolution of 1 m or less could be realized.
[0082]
Also, by setting a delay between the pump light and the probe light incident on the optical fiber to be measured using an optical delay device, the modulation frequency for modulating the frequency of both lights is changed, so that The position where the phases of both lights are synchronized, that is, the position where the Brillouin gain spectrum is measured can be changed by a practical distance, and a method and apparatus capable of measuring the distribution of the Brillouin gain spectrum along the optical fiber can be realized. It was.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of an optical fiber measured according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing a Brillouin gain spectrum distribution obtained by measuring the optical fiber shown in FIG. 4. FIG.
6 is a diagram showing a Brillouin frequency shift distribution of the optical fiber to be measured, obtained from FIG. 5. FIG.
7 is a diagram showing the Brillouin gain distribution along the Brillouin frequency shift of each of the single-mode optical fiber and the dispersion-shifted optical fiber obtained from FIG. 5. FIG.
[Explanation of symbols]
1 First light source
2 Second light source
3 Optical frequency converter
4 Optical means, optical splitter
5 photodetectors
6 Optical fiber to be measured
7 Optical branching means, optical branching unit
8 Optical delay device
9 Optical wavelength filter
11 Semiconductor laser, LD
12 Signal generator
31 Light intensity modulator
32 microwave generator
61 Single mode optical fiber
62 Dispersion shifted optical fiber
63 Single mode optical fiber

Claims

A Brillouin gain spectrum measurement method using a first continuous wave light frequency-modulated with a predetermined modulation frequency and a second continuous wave light frequency-modulated with a modulation frequency equal to the predetermined modulation frequency,
The first continuous wave light is incident from one end face of the optical fiber to be measured,
The center frequency of the second continuous wave light is frequency-shifted, and the second continuous wave light whose center frequency is shifted by the frequency shift is incident from the other end surface of the optical fiber to be measured.
By changing the frequency shift amount of the center frequency of the second continuous wave light and measuring the power of light emitted from the one end surface or the other end surface of the optical fiber to be measured, A Brillouin gain spectrum measuring method, wherein a Brillouin gain spectrum is measured at a position where the phase of the first continuous wave light and the phase of the second continuous wave light are synchronized to increase the correlation value.

2. The Brillouin gain spectrum measurement method according to claim 1, wherein a position where the Brillouin gain spectrum is measured in the optical fiber to be measured is changed by changing the predetermined modulation frequency.

A method for measuring a Brillouin gain spectrum using a first continuous wave light and a second continuous wave light obtained by branching continuous wave light frequency-modulated at a desired modulation frequency,
Delaying the first continuous wave light, causing the delayed first continuous wave light to enter from one end face of the optical fiber to be measured;
The center frequency of the second continuous wave light is frequency-shifted, and the second continuous wave light whose center frequency is shifted by the frequency shift is incident from the other end surface of the optical fiber to be measured.
By changing the frequency shift amount of the center frequency of the second continuous wave light and measuring the power of light emitted from the one end surface or the other end surface of the optical fiber to be measured, Measuring the Brillouin gain spectrum at a position where the phase of the first continuous wave light and the phase of the second continuous wave light are synchronized to increase the correlation value;
By changing the modulation frequency, the Brillouin gain spectrum is measured by changing the position where the phase of the first continuous wave light and the phase of the second continuous wave light are synchronized and the correlation value is increased in the optical fiber to be measured. A Brillouin gain spectrum measurement method, comprising: measuring a Brillouin gain spectrum distribution in an optical fiber to be measured.

A first light source (1) for outputting a first continuous wave light frequency-modulated at a predetermined modulation frequency;
A second light source (2) for outputting a second continuous wave light frequency-modulated at a frequency equal to the predetermined frequency;
An optical frequency converter (3) for giving a desired frequency shift to the center frequency of the second continuous wave light;
The first continuous wave light is received and incident on one end of the optical fiber to be measured (6), and after being subjected to a frequency shift by the optical frequency converter, the optical fiber is incident on the other end of the optical fiber to be measured. Optical means (4) for guiding at least a part of the second continuous wave light emitted through the measurement optical fiber;
A photodetector (5) for measuring the power of the light guided by the optical means,
A Brillouin gain spectrum measuring apparatus for measuring a Brillouin gain spectrum at a position where the phase of the first continuous wave light and the phase of the second continuous wave light are synchronized in the optical fiber to be measured.

A light source (1) that outputs continuous wave light frequency-modulated at a desired modulation frequency;
Optical branching means (7) for branching the continuous wave light and outputting first output light and second output light;
An optical frequency converter (3) for providing a desired frequency shift with respect to the center frequency of the first output light;
An optical delay device (8) for giving a predetermined delay time to the second output light;
The second output light delayed by the optical delay device is received and incident on one end of the optical fiber to be measured, and after being frequency-shifted by the optical frequency converter, incident on the other end of the optical fiber to be measured An optical means (4) for guiding at least a part of the first output light emitted through the measured optical fiber;
A photodetector (5) for measuring the power of the light guided by the optical means,
By changing the desired modulation frequency, the position where the phase of the first output light and the phase of the second output light incident from both ends of the optical fiber to be measured are synchronized is changed, and the Brillouin in the optical fiber to be measured is changed. A Brillouin gain spectrum measuring apparatus characterized by enabling distribution measurement of a gain spectrum.