JP4916347B2

JP4916347B2 - 光ヘテロダイン型ｏｆｄｒ装置

Info

Publication number: JP4916347B2
Application number: JP2007062448A
Authority: JP
Inventors: 浩二川北; 寛下田平; 隆生谷本; 茂雄新井; 勝腰原
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2007-03-12
Publication date: 2012-04-11
Anticipated expiration: 2027-03-12
Also published as: JP2008224393A

Description

本発明は、光ヘテロダイン型ＯＦＤＲ装置において、外乱の影響を受けにくくして、正確な測定を行えるようにするための技術に関する。

光ファイバ等の光部品の内部の損失分布等を非破壊で把握する方法の一つとして、ＯＦＤＲ法（Optical Frequency Domain Reflectometer：光周波数領域反射光測定）が知られている。

ＯＦＤＲ法は、基本的に、測定光を２分岐してその一方を被測定物に入射し、その被測定物で反射あるいは散乱して戻って来る戻り光（信号光）と前記分岐した他方の光（参照光）とを合波干渉させ、その干渉光を光電変換する光学系を有し、測定光の周波数毎に得られた信号に対する演算処理を行うことで、被測定物の位置毎の損失を求めている。

しかし、上記のように合波される信号光と参照光の波長が等しい方式（ホモダイン型ＯＦＤＲと呼ばれる）では、干渉光を光電変換して得られた信号の直流成分から検波する必要があり、信号検出感度が悪い。

そこで、合波される信号光と参照光の間に所定周波数差を与え、光電変換により周波数その所定周波数のビート信号成分を得るようにして、高い信号検出感度が得られるようにした光ヘテロダイン型ＯＦＤＲが提案されている（例えば、特許文献１）。

特開平５−２０３４１２号公報

しかしながら、上記参考文献１の光ヘテロダイン型ＯＦＤＲ装置であっても、外乱等で信号光が変動すると、その影響を大きく受けてしまい、正しい測定が行えないという問題があった。

本発明は、この問題を解決して、外乱等による信号光変動の影響を受けにくい光ヘテロダイン型ＯＦＤＲ装置を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の光ヘテロダイン型ＯＦＤＲ装置は、
測定光（Ｐ）を出射する波長可変光源（２１）と、
前記測定光を２分岐する第１の光分波手段（２２）と、
固定波長の基準光（Ｐｒ）を出射する基準光源（２４）と、
前記第１の光分波手段から出射された一方の測定光（Ｐ１）と前記基準光とを合波する第１の光合波手段（２３ａ）と、
前記第１の光合波手段で合波された光（Ｐａ）を２分岐する第２の光分波手段（２３ｂ）と、
前記第２の光分波手段から出射された一方の光（Ｐａ１）を被測定物（１）に出射するとともに、該被測定物からの戻り光（Ｐｂ）を受けて出射する光カプラ（２５）と、
前記光カプラから出射された前記被測定物からの戻り光と、前記第２の光分波手段から出射された他方の光（Ｐａ２）との間に所定周波数の差を与える周波数差付与手段（２７、２８）と、
前記周波数差付与手段によって前記所定周波数の差が与えられた光を合波する第２の光合波手段（３０）と、
前記第２の光合波手段の出射光（Ｐｅ）から、前記測定光の成分で互いに前記所定周波数の差をもつ第１光成分（Ｐｆ）と、前記基準光の成分で互いに前記所定周波数の差をもつ第２光成分（Ｐｇ）とを分離する波長分波手段（３１）と、
前記波長分波手段によって分離された前記第１光成分を受けて、前記所定周波数の第１ビート信号（Ｅｆ）を出力する第１光電変換器（３２）と、
前記波長分波手段によって分離された前記第２光成分を受けて、前記所定周波数の第２ビート信号（Ｅｇ）を出力する第２光電変換器（３３）と、
前記第１ビート信号を前記２ビート信号により同期検波するロックインアンプ（３５）と、
前記第１の光分波手段から出射された他方の測定光（Ｐ２）を受けて、前記波長可変光源の出射光の波長を可変したときに一定の周波数間隔で光強度が周期的に変化するトリガ光（Ｐｔ）を出射するトリガ信号発生器（３６）と、
前記トリガ光を受けて、前記波長可変光源の出射光の波長を変化したときに一定の周波数間隔でトリガ信号（Ｅｔ）を出力する第３光電変換器（３７）と、
前記トリガ信号を受けて、該トリガ信号の発生タイミングに前記ロックインアンプの出力信号（Ｘ、Ｙ）に対するサンプリングを行い、デジタル値に変換するサンプリング部（３９）と、
前記波長可変光源の出射光の波長を可変したときに、前記トリガ信号の発生タイミングに対応して周波数毎に前記サンプリング部から得られたＸ、Ｙデータから所定数Ｎの第１の周波数応答データを求め（Ｓ１）、該第１の周波数応答データに対して離散的フーリエ変換を行いＮポイントの第１のインパルス応答データを求め（Ｓ２）、該第１のインパルス応答データのうち任意に選択された距離範囲のＭポイントのデータに対して逆フーリエ変換処理を行い、Ｍポイントの第２の周波数応答データを求め（Ｓ５）、該第２の周波数応答データに対してＰｒｏｎｙ法によりＭポイントの第２のインパルス応答を求める（Ｓ６）演算を行う演算処理部（４０）とを備えている。

このように、本発明の光ヘテロダイン型ＯＦＤＲ装置では、波長可変光源から出射された測定光の一部と基準光源から出射された基準光との合波光を２分岐し、その一方を被測定物に与え、その被測定物からの戻り光と、２分岐した他方の光ととの間に所定周波数の差を付与して合波し、その合波光から、測定光の成分で互いに前記所定周波数の差をもつ第１光成分（Ｐｆ）と、基準光の成分で互いに前記所定周波数の差をもつ第２光成分（Ｐｇ）とを分離してそれぞれ第１光電変換器と第２光電変換器に入射し、第１光電変換器からは、測定光の成分で、被測定物からの戻り光と、その戻り光に対して前記所定周波数の差のある光との干渉によって生じる前記所定周波数の第１ビート信号を出力させ、第２光電変換器からは、基準光の成分で、被測定物からの戻り光と、その戻り光に対して前記所定周波数の差のある光との干渉によって生じる前記所定周波数の第２ビート信号を出力させ、ロックインアンプにおいて第２ビート信号により第１ビート信号を同期検波（直交検波）して、演算に必要な直交成分Ｘ、Ｙを得ている。

したがって、被測定物側に外乱があった場合、その影響は被測定物からの戻り光に含まれる測定光成分と基準光成分とが共通に受けることになり、前記２つのビート信号は同等の変動を受けることになり、ロックインアンプで同期検波して得られる信号に大きな影響を与えずに済む。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した光ヘテロダイン型ＯＦＤＲ装置２０の構成を示している。

図１において、波長可変光源２１から出射された周波数ｆの測定光Ｐは光分波器２２に入射され、光分波器２２で分岐された光Ｐ１、Ｐ２の一方Ｐ１は、第１の光合分波器２３に入射される。

第１光合分波器２３は、光分波器２２から出射された光Ｐ１と、基準光源２４から出射された強度一定、所定周波数ｆｒの基準光Ｐｒとをこの実施形態の第１の光合波手段としての光合波部２３ａで合波し、その合波光Ｐａを光分波手段としての光分波部２３ｂでＰａ１、Ｐａ２に分けて出射する。

第１光合分波器２３から出射された光Ｐａ１は、光カプラ２５に入射される。光カプラ２５は、例えば光サーキュレータで構成され、入射光Ｐａ１を被測定物１に出射し、被測定物１の反射や散乱によって戻ってくる戻り光Ｐｂを出射する。

この戻り光Ｐｂには、測定光Ｐの成分で、周波数ｆの光Ｐａ１に対する戻り光成分Ｐｂ（ｆ）と、周波数ｆｒの基準光Ｐｒに対する戻り光成分Ｐｂ（ｆｒ）とが含まれている。

この実施形態では、信号発生器２７と音響光学結晶等により構成された周波数シフタ２８によって周波数差付与手段が構成されている。

信号発生器２７は所定周波数ｆｓ（例えば数１０ＭＨｚ）の電気信号Ｅｓを周波数シフタ２８に与える。周波数シフタ２８は、第１光合分波器２３から出射された光Ｐａ２と信号発生器２７の出力信号Ｅｓとを受け、入射した光Ｐａ２の周波数ｆより所定周波数ｆｓだけ高い周波数にシフトした光Ｐｃを出射する。

ここで、光Ｐａ２には周波数ｆの光Ｐ１の成分と周波数ｆｒの基準光Ｐｒの成分とが含まれており、周波数シフトにより得られる光Ｐｃには、光Ｐ１の周波数がｆｓだけ高くシフトされた成分Ｐｃ（ｆ＋ｆｓ）と、基準光Ｐｒの周波数がｆｓだけ高くシフトされた成分Ｐｃ（ｆｒ＋ｆｓ）とが含まれることになる。

遅延器２９は、第１光合分波器２３と後述の光合波器３０との間の２つの光路の長さを調整するためのものである。

光合波器３０は、この実施形態の第２の光合波手段を構成するものであり、光カプラ２５の出射光Ｐｂと遅延器２９の出射光Ｐｄとを合波し、その合波光Ｐｅを波長分波器３１に入射する。

波長分波器３１は、入射光Ｐｅのうち、測定光Ｐの成分で、互いに前記周波数差付与手段によって与えられた周波数差（この場合ｆｓ）を持つ２つの光からなる第１光成分Ｐｆと、基準光Ｐｒの成分で、互いに前記周波数差付与手段によって与えられた周波数差（この場合ｆｓ）を持つ２つの光からなる第２光成分Ｐｇとを分離して出射する。

第１光電変換器３２は、波長分波器３１から出射される第１光成分Ｐｆを受けて電気信号Ｅｆに変換し、第２光電変換器３３は、波長分波器３１から出射される第２光成分Ｐｇを受けて電気信号Ｅｇに変換する。

信号Ｅｆ、Ｅｇは、ロックインアンプ（同期検波器）３５に入力される。ロックインアンプ３５は、第１光電変換器３２の出力信号Ｅｆを第２光電変換器３３の出力信号Ｅｇにより同期検波して、直交信号成分Ｘ、Ｙを出力する。

ここで、第１光電変換器３２が出力する信号Ｅｆは、測定光Ｐの成分で、被測定物１からの戻り光に含まれる周波数ｆの光と、被測定物１を経由しない周波数（ｆ＋ｆｓ）の光との干渉によって生じる周波数ｆｓのビート信号となり、第２光電変換器３３が出力する信号Ｅｇは、基準光Ｐｒの成分で、被測定物１からの戻り光に含まれる周波数ｆｒの光と、被測定物１を経由しない周波数（ｆｒ＋ｆｓ）の光との干渉によって生じる周波数ｆｓのビート信号となる。

また、ロックインアンプ３５による同期検波は、入力信号Ｅｆに対して、信号Ｅｇとそれを９０°移相した信号Ｅｇ′とで乗算し、その乗算結果からベースバンドの成分Ｘ、Ｙを抽出するものである。

ここで、例えば、被測定物１側で位相を変動させる外乱があっても、被測定物１からの戻り光に含まれる測定光成分と基準光成分がその影響を共通に受け、２つのビート信号は同等に位相変動するので、同期検波して得られる信号にほとんど影響を与えずに済む。

一方、光分波器２２から出射された光Ｐ２は、トリガ信号発生器３６に入射される。トリガ信号発生器３６は、例えば、入射光を分岐して長さの異なる光路を経由して合波するマッハツェンダ干渉計からなり、光分波器２２から出射された光Ｐ２を受け、測定光Ｐの光周波数が一定速度で掃引されると、一定の光周波数間隔で光強度が周期的に変化するトリガ光Ｐｔを出射する。

このトリガ光Ｐｔは第３光電変換器３７に入射され、その出力信号は、トリガ信号Ｅｔとしてサンプリング部３９に入力される。

サンプリング部３９は、トリガ信号Ｅｔの発生タイミングにロックインアンプ３５の出力信号Ｘ、Ｙに対するサンプリングを行い、デジタル値に変換する。

演算処理部４０は、測定光Ｐの光周波数ｆを一定速度で可変させ、トリガ信号Ｅｔの発生タイミングに対応した周波数毎に得られたＸ、Ｙの値に対して所定演算を行い、被測定物１の損失分布等を求める。

この演算処理は、例えば図２のフローチャートにしたがって行われる。
即ち、始めに、測定光Ｐの光周波数ｆを掃引可変して、例えば図３の（ａ）のような、Ｎポイントの周波数応答データ（スペクトラムデータＸ、Ｙ）を得る（Ｓ１）。

次に、この得られたスペクトラムデータに対して離散フーリエ変換（ＤＦＴ）処理を行い、図３の（ｂ）のようなＮポイントのインパルス応答データ（時間応答データ）を求める（Ｓ２）。

上記処理により、被測定物１の位置毎の損失分布を得ることができるが、被測定物１の所望の範囲について、さらに詳細な解析を行う場合（Ｓ３）には、このＮポイントのインパルス応答データから、被測定物１に対して解析したい距離範囲に対応した時間領域（距離領域）を選択して（Ｓ４）、その範囲のＭポイントのインパルス応答データに対して、逆フーリエ変換処理を行い、図３の（ｃ）のようなＭポイントの周波数応答データを求める（Ｓ５）。

そして、最後に、このＭポイントの周波数応答データに対してＰｒｏｎｙ法等により、図３の（ｄ）のようなＭポイントのインパルス応答データを求める（Ｓ６）。

上記演算処理で得られたインパルス応答データは、被測定物１の距離毎の損失分布に対応しており、この演算結果を例えば図４のように図示しない表示器等にグラフ表示することで、被測定物の距離に対する損失変化を直感的に把握することができる。

また、上記離散フーリエ変換（ＤＦＴ）処理時に、通常よく行われるように窓関数用いた処理を行ってよい。

また、上記説明では、測定光Ｐの光周波数ｆを掃引することで、所定周波数間隔でトリガ光Ｐｔを生成し、そのトリガ光Ｐｔの発生タイミングにロックインアンプ３５の出力Ｘ、Ｙを取得していたが、これは本発明を限定するものではなく、光分波器２２、トリガ光発生器３６、第３光電変換器３７を削除して、波長可変光源２１の出射光Ｐの光周波数をステップ状に可変して各周波数毎の出力Ｘ、Ｙを取得してもよい。

また、上記実施形態では、被測定物１を経由しない方の光に対して周波数シフト処理していたが、図５のように、第１合分波器２３と光カプラ２５の間（あるいは被測定物１と光合波器３０との間）に周波数シフタ２８を挿入して、光合波器３０に入射される光の間に所定周波数差を付与してもよい。

さらに、図６のように、被測定物１を経由しない光路側だけでなく、被測定物１を経由する光路側にも、周波数シフタ４８を挿入し、その周波数シフタ４８に対して信号発生器４７から周波数ｆｓ′（ｆｓ≠ｆｓ′）を与えて、この光路側の光の周波数をｆｓ′だけシフトして、第１光電変換器３２および第２光電変換器３３から出力される信号Ｅｆ、Ｅｇのビート周波数を｜ｆｓ−ｆｓ′｜にすることもできる。

この場合、ロックインアンプ３５で同期検波を行う周波数を格段に低くすることができ、測定精度をさらに高くできる。

本発明の実施形態の構成図実施形態の要部の処理手順を示すフローチャート実施形態の処理方法を説明するための図実施形態の演算結果の表示例本発明の他の実施形態の構成図本発明の他の実施形態の構成図

符号の説明

１……被測定物、２０……光ヘテロダイン型ＯＦＤＲ装置、２１……波長可変光源、２２……光分波器、２３……第１光合分波器、２４……基準光源、２５……光カプラ、２７……信号発生器、２８……周波数シフタ、２９……遅延器、３０……光合波器、３１……波長分波器、３２……第１光電変換器、３３……第２光電変換器、３５……ロックインアンプ、３６……トリガ光発生器、３７……第３光電変換器、３８……サンプリング部、４０……演算処理部、４７……信号発生器、４８……周波数シフタ

Claims

測定光（Ｐ）を出射する波長可変光源（２１）と、
前記測定光を２分岐する第１の光分波手段（２２）と、
固定波長の基準光（Ｐｒ）を出射する基準光源（２４）と、
前記第１の光分波手段から出射された一方の測定光（Ｐ１）と前記基準光とを合波する第１の光合波手段（２３ａ）と、
前記第１の光合波手段で合波された光（Ｐａ）を２分岐する第２の光分波手段（２３ｂ）と、
前記第２の光分波手段から出射された一方の光（Ｐａ１）を被測定物（１）に出射するとともに、該被測定物からの戻り光（Ｐｂ）を受けて出射する光カプラ（２５）と、
前記光カプラから出射された前記被測定物からの戻り光と、前記第２の光分波手段から出射された他方の光（Ｐａ２）との間に所定周波数の差を与える周波数差付与手段（２７、２８）と、
前記周波数差付与手段によって前記所定周波数の差が与えられた光を合波する第２の光合波手段（３０）と、
前記第２の光合波手段の出射光（Ｐｅ）から、前記測定光の成分で互いに前記所定周波数の差をもつ第１光成分（Ｐｆ）と、前記基準光の成分で互いに前記所定周波数の差をもつ第２光成分（Ｐｇ）とを分離する波長分波手段（３１）と、
前記波長分波手段によって分離された前記第１光成分を受けて、前記所定周波数の第１ビート信号（Ｅｆ）を出力する第１光電変換器（３２）と、
前記波長分波手段によって分離された前記第２光成分を受けて、前記所定周波数の第２ビート信号（Ｅｇ）を出力する第２光電変換器（３３）と、
前記第１ビート信号を前記２ビート信号により同期検波するロックインアンプ（３５）と、
前記第１の光分波手段から出射された他方の測定光（Ｐ２）を受けて、前記波長可変光源の出射光の波長を可変したときに一定の周波数間隔で光強度が周期的に変化するトリガ光（Ｐｔ）を出射するトリガ信号発生器（３６）と、
前記トリガ光を受けて、前記波長可変光源の出射光の波長を変化したときに一定の周波数間隔でトリガ信号（Ｅｔ）を出力する第３光電変換器（３７）と、
前記トリガ信号を受けて、該トリガ信号の発生タイミングに前記ロックインアンプの出力信号（Ｘ、Ｙ）に対するサンプリングを行い、デジタル値に変換するサンプリング部（３９）と、
前記波長可変光源の出射光の波長を可変したときに、前記トリガ信号の発生タイミングに対応して周波数毎に前記サンプリング部から得られたＸ、Ｙデータから所定数Ｎの第１の周波数応答データを求め（Ｓ１）、該第１の周波数応答データに対して離散的フーリエ変換を行いＮポイントの第１のインパルス応答データを求め（Ｓ２）、該第１のインパルス応答データのうち任意に選択された距離範囲のＭポイントのデータに対して逆フーリエ変換処理を行い、Ｍポイントの第２の周波数応答データを求め（Ｓ５）、該第２の周波数応答データに対してＰｒｏｎｙ法によりＭポイントの第２のインパルス応答を求める（Ｓ６）演算を行う演算処理部（４０）とを備えた光ヘテロダイン型ＯＦＤＲ装置。