JP4933981B2 - 光ファイバ特性測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバの長さ方向における特性を測定する光ファイバ特性測定装置に関する。

近年、光ファイバにパルス光を入射させて得られるブリルアン散乱光を測定することで、光ファイバが設置された環境における歪み分布や温度分布を測定する光ファイバ特性測定装置の開発が盛んに行われている。この光ファイバ特性測定装置は、設置された光ファイバ自体を歪み又は温度を検出する媒体として利用するため、多数の点型センサを配列して測定する測定装置に比べて単純な構成で歪み分布や温度分布の測定を行うことができる。上記の光ファイバ特性測定装置の代表的なものとして、ＢＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometry）及びＢＯＴＤＡ（Brillouin Optical Time Domain Analysis）が挙げられる。

上記のＢＯＴＤＲは、光ファイバの一端からパルス光を入射させて光ファイバ中において自然ブリルアン散乱光（後方ブリルアン散乱光）を生じさせ、光ファイバの同じ一端から射出される後方ブリルアン散乱光の時間変化を測定することにより光ファイバに沿ったブリルアンスペクトルの分布を求め、これにより光ファイバの長さ方向における歪み分布や温度分布を測定する光ファイバ特性測定装置である。尚、ＢＯＴＤＲの詳細については、例えば以下の特許文献１，２を参照されたい。

また、上記のＢＯＴＤＡは、光ファイバの一端から周波数が可変であるパルス光（ポンプ光）を入射させるとともに光ファイバの他端から連続光であるプローブ光を入射させ、誘導ブリルアン散乱現象によるプローブ光の変化成分を順次測定することにより光ファイバに沿ったブリルアン（ゲイン）スペクトルの分布を求め、これにより光ファイバの長さ方向における歪み分布や温度分布を測定する光ファイバ特性測定装置である。尚、ＢＯＴＤＡの詳細については、以下の特許文献３を参照されたい。

ところで、上記のＢＯＴＤＲ及びＢＯＴＤＡにおいては、光ファイバに入射させるパルス光のパルス幅を小さくすることによって空間分解能が向上することが知られている。しかしながら、パルス幅を所定値以下にするとパルス光自体のスペクトル幅がブリルアン散乱光のスペクトル幅よりも広くなってブリルアン散乱光の中心周波数を精度良く測定できなくなる。このため、従来のＢＯＴＤＲ及びＢＯＴＤＡの空間分解能は２〜３ｍ程度であった。以下の特許文献４には、音響フォノンの過渡現象を考慮することで空間分解能を高めることが可能な分布型光ファイバセンサシステムが開示されている。

特許文献４に開示された分布型光ファイバセンサシステムは、ブリルアン散乱を引き起こす音響フォノンが機械的振動であるため、瞬時に振動を始めることができない過渡現象が存在することに着目したものである。具体的には、ポンプ光を周波数が互いに異なる第１ポンプ光及び第２ポンプ光とし、第１ポンプ光を光ファイバに伝搬させた後に、測定用のブリルアン散乱光を生じさせる第２ポンプ光を伝搬させることで、測定用のブリルアン散乱光に過渡現象が生じることを防止して１０ｃｍ程度の高空間分解能が実現可能であるとしている。

また、以下の特許文献５では、時間領域計測とは全く異なる原理にて、ｃｍ程度の高空間分解能を実現可能な装置が提案されている。この装置は、周波数変換器を用いてプローブ光の中心周波数をポンプ光とプローブ光との中心周波数の周波数差がブリルアン周波数シフト近傍となるように変化させ、その上で、光源の発振周波数を変調することで、両光の位相が同期す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ことに着目したものである。そして、光ファイバから射出されたプローブ光のパワーを光検出器で検出することによって、両光の位相が同期する位置におけるブリルアンスペクトルを測定するものである。かかる装置によれば、１ｃｍ程度の高空間分解能が実現できるとしている。この装置は、ＢＯＣＤＡ（Brillouin Optical Correlation Domain Analysis）と呼ばれている。
特許第２５７５７９４号公報 特許第３４８１４９４号公報 特許第２５８９３４５号公報 国際公開第０４／０４０２４１号パンフレット 特許第３６６７１３２号公報

ところで、上述した特許文献４に開示された分布型光ファイバセンサシステムや特許文献５に開示されたＢＯＣＤＡは、数ｃｍ程度の高分解能を実現可能であるものの、光ファイバの両端から測定光（ポンプ光及びプローブ光）を入射させる必要があり、装置構成が複雑化したり装置コストが高くなる。このため、ＢＯＴＤＲのような光ファイバの一端のみから測定光を入射させる装置で高空間分解能を実現することが要望されている。

また、光ファイバ中で生ずるブリルアン散乱光は極めて微弱である。このため、ブリルアン散乱光を利用して光ファイバの特性を測定する光ファイバ特性測定装置は、光ファイバに対してパルス光を複数回に亘って入射させ、パルス光の各々を入射させる度に得られる測定結果を平均化することによりＳ／Ｎ比（信号対雑音比）の向上を図っている。ここで、光ファイバ中に複数のパルス光が同時に存在すると、光ファイバで生じたブリルアン散乱光が何れのパルス光に起因して生じたものであるかを判別することができない。このため、通常は、光ファイバにパルス光を入射させる時間間隔を、光ファイバの一端から入射されたパルス光が他端に至るまでに要する時間と光ファイバの他端近傍で発生した後方ブリルアン散乱光が光ファイバの一端に至るまでに要する時間とを加算した時間以上にする必要があり、測定に時間を要するという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、光ファイバの一端のみから測定光を入射させる場合においても高空間分解能が得られ、且つ短時間で光ファイバの特性を測定することができる光ファイバ特性測定装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光ファイバ特性測定装置は、光ファイバ（１８）の一端から測定用パルス光を入射させ、当該光ファイバの一端から射出される後方ブリルアン散乱光を受光して得られる受光信号に基づいて前記光ファイバの特性を測定する光ファイバ特性測定装置（１〜３）において、パルス間隔が前記光ファイバ中の音響波の寿命以下にされた第１パルス光（Ｌ３１）と第２パルス光（Ｌ３２）からなるパルス列（Ｌ３）をコヒーレント光（Ｌ０）から生成するパルス光生成部（１３）と、前記パルス光生成部で生成されたパルス列をなす各々のパルス光に対して所定の符号変調を行って前記光ファイバに入射させる測定用パルス光（Ｌ４１、Ｌ４２）を生成する符号変調部（１４）と、前記光ファイバの一端から射出される後方ブリルアン散乱光（Ｌ５）と前記コヒーレント光との合波光（Ｌ６）を受光して受光信号（Ｓ１）を得る受光部（１９）と、前記受光部からの受光信号と、前記パルス光生成部で生成されるパルス列をなすパルス光のパルス間隔と前記符号変調部で行われる符号変調の種類とに応じた符号列（Ｌ４）との相関処理を行い、当該相関処理の処理結果に基づいて前記光ファイバの特性を求める信号処理部とを備えることを特徴としている。
この発明によると、パルス間隔が光ファイバ中の音響波の寿命以下にされた第１パルス光と第２パルス光からなるパルス列がコヒーレント光から生成されると、符号変調部においてパルス列をなす各々のパルス光に対して所定の符号変調が行われ、その後に符号変調されたパルス光が光ファイバに入射される。このパルス光が光ファイバの一端から入射することによって、光ファイバ中で後方ブリルアン散乱光が発生して同光ファイバの一端から射出される。この後方ブリルアン散乱光とコヒーレント光と合波されて光電変換されることにより、受光部からは受光信号が出力される。受光信号が得られると、信号処理部において、受光信号と、パルス光生成部で生成されるパルス列をなすパルス光のパルス間隔と符号変調部で行われる符号変調の種類とに応じた符号列との相関処理が行われ、この相関処理の処理結果に基づいて光ファイバの特性が求められる。
また、本発明の光ファイバ特性測定装置は、前記符号変調部が、前記パルス光生成部で生成されたパルス列をなす個々のパルス光を、バーカー符号を用いて符号変調することを特徴としている。
また、本発明の光ファイバ特性測定装置は、前記符号変調部が、前記パルス光生成部で生成されたパルス列をなす個々のパルス光を複数の部分に分割し、分割した部分の各々について符号に応じた位相変調を行うことにより前記所定の符号変調を行うことを特徴としている。
また、本発明の光ファイバ特性測定装置は、前記信号処理部が、前記受光信号を順次遅延させるとともに、遅延時間の異なる受光信号を取り出し可能なタップ付遅延線（３２）と、前記タップ付遅延線から取り出される信号と、前記パルス光生成部で生成されるパルス列をなすパルス光のパルス間隔と前記符号変調部で行われる符号変調の種類とに応じた符号列（Ｌ４）との相関処理を行う相関処理部（３３）とを備えることを特徴としている。
また、本発明の光ファイバ特性測定装置は、前記相関処理部で行われる相関処理の処理結果に対して、符号サイドローブの影響を低減するための補正処理を行う補正処理部（３７）を備えることを特徴としている。
また、本発明の光ファイバ特性測定装置は、前記受光信号に対する相関処理が前記信号処理部で行われる前に、前記受光信号の周波数帯を所定の周波数帯に変換する周波数変換部（２１、２２）を備えることを特徴としている。
また、本発明の光ファイバ特性測定装置は、前記コヒーレント光の偏波面及び前記後方ブリルアン散乱光の偏波面の少なくとも一方を変更可能な偏波面変更部（４１）を備えることを特徴としている。
また、本発明の光ファイバ特性測定装置は、前記光ファイバに入射される前記パルス列に含まれる不要成分を除去する不要成分除去部（４２）を備えることを特徴としている。
更に、本発明の光ファイバ特性測定装置は、前記音響波の寿命が、前記音響波のエネルギがピークパワーになった時点から当該ピークパワーの５％以下になるまでの時間であることを特徴としている。

本発明によれば、パルス間隔が光ファイバ中の音響波の寿命以下にされるとともに所定の符号変調がなされた２つのパルス光からなるパルス列を生成して光ファイバに入射させている。そして、このパルス列を光ファイバに入射させて得られる戻り光から受光信号を得て、受光信号と、上記のパルス列をなすパルス光のパルス間隔と符号変調部で行われる符号変調の種類とに応じた符号列との相関処理を行っている。
かかる相関処理を行うことによって得られる後方ブリルアン散乱光のブリルアンスペクトルは、光ファイバ内の同一地点、同一音響波からの後方散乱光が干渉することにより周波数軸上で周期的な変化を示すため、上記のパルス列をなすパルス光を単体で光ファイバに入射させた場合に得られるブリルアンスペクトルと比較して急峻である。よって、相関処理によって得られた信号に基づいて上記光ファイバの特性を求めることによって、ブリルアン周波数シフトの検出が極めて容易となり、実効的に空間分解能の向上が達成できる。
また、本発明では、上記のパルス列をなすパルス光に対して所定の符号変調を行うとともに上記の相関処理を行って後方ブリルアン散乱光の強度を示す信号に復調している。ここで、例えば、Ｎビットのバーカー符号を用いた符号変調を行った場合には、復調して得られる後方ブリルアン散乱光の強度を示す信号のＳ／Ｎ比は、パルス光のパワーをＮ倍したときと同様のＳ／Ｎ比となる。
以上から、本発明では、実効的に空間分解能の向上が短時間測定で達成できるという効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による光ファイバ特性測定装置について詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による光ファイバ特性測定装置の構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１は、光源１１、分岐カプラ１２、光パルス発生回路１３（パルス光生成部）、光位相変調器１４（符号変調部）、光増幅器１５、光方向性結合器１６、光コネクタ１７、被測定光ファイバ１８（光ファイバ）、バランス受光回路１９（受光部）、第１増幅器２０、信号発生部２１（周波数変換部）、ミキサ２２（周波数変換部）、ローパスフィルタ２３、第２増幅器２４、及び信号処理部２５を備える。

光源１１は、狭線幅のコヒーレント光Ｌ０を発光する光源であり、１．５５μｍ帯のレーザ光を射出するＭＱＷ−ＤＦＢ（多重量子井戸−分布帰還型）半導体レーザ等を用いることができる。尚、以下の説明では、光源１１が発光するコヒーレント光Ｌ０の周波数がｆ０であるとする。分岐カプラ１２は、１つの入射ポートと２つの射出ポートとを有する１×２の光分岐結合器であって、入射ポートに入射したコヒーレント光Ｌ０を２分岐して２つの射出ポートからコヒーレント光Ｌ１，Ｌ２としてそれぞれ射出する。

光パルス発生回路１３は、高速光スイッチ等であって、スイッチのオン／オフによってコヒーレント光Ｌ１から、パルス幅数ｎ秒程度のパルス光を生成する。この光パルス発生回路１３は、単一のパルス光ではなく、パルス幅が数ｎ秒である２つのパルス光Ｌ３１，Ｌ３２からなるパルス列Ｌ３を生成する。このパルス列Ｌ３をなす２つのパルス光のうち、先に生成されるパルス光（以下、第１パルス光という）Ｌ３１と、後に生成されるパルス光（以下、第２パルス光という）Ｌ３２との時間間隔は、被測定光ファイバ１８中の音響波の寿命以下の時間間隔とされ、望ましくは１０ｎ秒以下とされる。後述するように、パルス光Ｌ３１，Ｌ３２はＮ個（Ｎは２以上の整数）に分割されて光位相変調器１４で位相変調（符号化）される。パルス光Ｌ３１，Ｌ３２はそれぞれ単一パルスでなく分割された時間未満のパルス幅を有するＮ個のパルス列でも良い。

尚、上記の音響波の寿命とは、広義には被測定光ファイバ１８の内部で発生する音響波の寿命であって、所定の音響波が発生してから消滅するまでの時間を意味する。しかしながら、本明細書においては、後述する干渉信号をより確実に生成する観点から、音響波のエネルギがピークパワーとなった時点からからピークパワーの５％以下になるまでの時間を意味するものとする。例えば、音響波のエネルギが以下の（１）式に基づいて減衰するものとした場合には、ピークパワーが５％以下になるまでの時間とは、（ｔ＞３Τａ）となるまでの時間ということができる。但し、以下の（１）式中の変数Τａは音響波の減衰時間である。

また、光ファイバ特性測定装置１の空間分解能δｚは、パルス列Ｌ３をなす第１パルス光Ｌ３１及び第２パルス光Ｌ３２の各々のパルス幅のＮ分割された時間幅（１符号長（１ビット））或いはその時間幅未満のパルスを用いる場合はそのパルス幅Ｗによって決定される。被測定光ファイバ１８中におけるパルス列Ｌ３の速度をｖとすると、光ファイバ特性測定装置１の空間分解能δｚは以下の（２）式で表される。

ここで、上記（２）式を参照すると、パルス列Ｌ３をなす第１パルス光Ｌ３１及び第２パルス光Ｌ３２の各々のパルス幅のＮ分割された時間幅（１符号長（１ビット））或いはその時間幅未満のパルスを用いる場合はそのパルス幅Ｗを狭くする程、光ファイバ特性測定装置１の空間分解能δｚは向上することが分かる。しかしながら、パルス幅Ｗが所定値よりも狭くなると、自身のスペクトル幅がブリルアン散乱光のスペクトル幅よりも広くなってブリルアン散乱光の中心周波数を精度良く測定できなくなる。このため、従来の単一パルスによるＢＯＴＤＲではパルス幅Ｗは、以下の（３）式で示されるパルス幅Ｗ０以上に設定される必要がある。但し、以下の（３）式中の変数Δν_Ｂは、ブリルアン散乱光のスペクトル幅である。

また、パルス列Ｌ３の発生周期は、被測定光ファイバ１８の長さ（即ち、距離レンジ）に依存する。つまり、被測定光ファイバ１８の特性を測定する場合には、複数のパルス列Ｌ３が被測定光ファイバ１８中に同時に存在することが許されないため、パルス列Ｌ３の発生周期は、パルス列Ｌ３が被測定光ファイバ１８を往復するのに要する時間以上である必要がある。厳密にいうと、パルス列Ｌ３の発生周期は、パルス列Ｌ３が被測定光ファイバ１８の一端から他端に至るまでに要する時間と、被測定光ファイバ１８の他端で発生した後方ブリルアン散乱光が被測定光ファイバ１８の一端に至る迄に要する時間とを加算した時間以上の時間である。このため、例えば距離レンジが１０ｋｍである場合には、その発生周期は２００μ秒程度であり、１ｋｍの距離レンジであればその発生周期は２０μ秒程度である。

光位相変調器１４は、光パルス発生回路１３で生成されたパルス列Ｌ３をなす第１パルス光Ｌ３１及び第２パルス光Ｌ３２の各々に対して所定のＮビット符号変調を行って被測定光ファイバ１８に入射させる測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２及び無信号の区間からなる符号列Ｌ４を生成する。光位相変調器１４が行う符号変調方式としては、例えばバーカー符号やゴーレイ符号等を用いた「＋１」，「−１」の符号を有する２値符号変調方式を用いることができる。特に、第１パルス光Ｌ３１と第２パルス光Ｌ３２とのパルス間隔を音響波の寿命以下にする観点からは符号ビット長Ｎが小さく且つＳ／Ｎ改善度の大きいバーカー符号を用いた符号変調を行うのが望ましい。尚、以下の説明では、光位相変調器１４はバーカー符号を用いた２値変調方式により第１パルス光Ｌ３１及び第２パルス光Ｌ３２の符号変調を行うものであるとする。

具体的に、光位相変調器１４は、第１パルス光Ｌ３１及び第２パルス光Ｌ３２をそれぞれＮ個（ビット）の部分に分割し、分割した部分の各々（１ビット）について符号に応じた位相変調を行うことによって第１パルス光Ｌ３１及び第２パルス光Ｌ３２の各々に対する符号変調を行う。例えば、符号の値が「１」である場合には位相変調を行わないが、符号の値が「−１」である場合にはその部分の位相を１８０°反転する位相変調を行う。

図２は、光位相変調器１４で行われる符号変調の具体例を説明するための図であって、（ａ）は３ビット（Ｎ＝３）のバーカー符号を用いた符号変調を示す図であり、（ｂ）は５ビット（Ｎ＝５）のバーカー符号を用いた符号変調を示す図である。図２（ａ）に示す通り、バーカー符号が３ビットである場合には、光位相変調器１４は、パルス列Ｌ３をなす第１パルス光Ｌ３１を３つの部分ｄ１１〜ｄ１３に分割するとともに、第２パルス光Ｌ３２を３つの部分ｄ２１〜ｄ２３に分割する。

そして、光位相変調器１４は、３ビットのバーカー符号が「１」，「１」，「−１」であるため、第１パルス光Ｌ３１の部分ｄ１３及び第２パルス光Ｌ３２の部分ｄ２３に対しては位相を１８０°反転する位相変調を行い、残りの部分（第１パルス光Ｌ３１の部分ｄ１１，ｄ１２及び第２パルス光Ｌ３２の部分ｄ２１，ｄ２２）の位相変調は行わない。以上の処理によって、図２（ａ）に示す通り、符号変調された測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２が生成される。尚、図２では、測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２において位相が１８０°反転された部分を負の位相で表し、位相が反転されていない部分を正の位相で表している。また、第１パルス光Ｌ３１と第２パルス光Ｌ３２に挟まれた無信号の区間は符号的には「０」とみなされる。

また、図２（ｂ）に示す通り、バーカー符号が５ビットである場合には、光位相変調器１４は、パルス列Ｌ３をなす第１パルス光Ｌ３１を５つの部分ｄ３１〜ｄ３５に分割するとともに、第２パルス光Ｌ３２を５つの部分ｄ４１〜ｄ４５に分割する。そして、光位相変調器１４は、５ビットのバーカー符号が「１」，「１」，「１」，「−１」，「１」であるため、第１パルス光Ｌ３１の部分ｄ３４及び第２パルス光Ｌ３２の部分ｄ４４に対しては位相を１８０°反転する位相変調を行い、残りの部分（第１パルス光Ｌ３１の部分ｄ３１〜ｄ３３，ｄ３５及び第２パルス光Ｌ３２の部分ｄ４１〜ｄ４３，ｄ４５）の位相変調は行わない。以上の処理によって、図２（ｂ）に示す通り、符号変調された測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２が生成される。

尚、光位相変調器１４が、例えば１ｎ秒の時間間隔をもって第１パルス光Ｌ３１，第２パルス光Ｌ３２を分割するものである場合には、図２（ａ）に示す例では、第１パルス光Ｌ３１及び第２パルス光Ｌ３２のパルス幅は３ｎ秒に設定され、第１パルス光Ｌ３１と第２パルス光Ｌ３２との間隔は６ｎ秒に設定される。また、光位相変調器１４が、例えば０．５ｎ秒の時間間隔をもって第１パルス光Ｌ３１，第２パルス光Ｌ３２を分割するものである場合には、図２（ｂ）に示す例では、第１パルス光Ｌ３１及び第２パルス光Ｌ３２のパルス幅は２．５ｎ秒に設定され、第１パルス光Ｌ３１と第２パルス光Ｌ３２との間隔は５ｎ秒に設定される。

光増幅器１５は、光位相変調器１４から射出されるパルス列Ｌ３を所定のレベルにまで増幅して射出する。この光増幅器１５としては、例えばＥｒ（エルビウム）ドープファイバを利用した光ファイバ増幅器等を用いることができる。光方向性結合器１６は、入射ポートＰ１に入射した符号列Ｌ４を入射出ポートＰ２から射出するとともに、光コネクタ１７を介して入射出ポートＰ２に入射される被測定光ファイバ１８からの戻り光Ｌ５を射出ポートＰ３から射出するものである。この光方向性結合器１６としては、光サーキュレータ等を用いることができる。光コネクタ１７は、光方向性結合器１６の入射出ポートＰ２と被測定光ファイバ１８の片側端部（一端）とを接続する。

ここで、被測定光ファイバ１８からの戻り光Ｌ５には、自然ブリルアン散乱光（後方ブリルアン散乱光）、レイリー散乱光、及びフレネル反射光が含まれる。自然ブリルアン散乱光の周波数は、被測定光ファイバ１８に入射されたパルス列Ｌ３の周波数（即ち、コヒーレント光Ｌ０の周波数ｆ０）に対して約９〜１２ＧＨｚだけシフトしている。いま、この周波数シフトをｆｓとすると、自然ブリルアン散乱光の周波数は“ｆ０±ｆｓ”と表すことができる。これに対し、レイリー散乱光やフレネル反射光は、周波数のシフト量が０であるため、その周波数は“ｆ０”である。以上から、被測定光ファイバ１８からの戻り光Ｌ５の周波数ｆｂには“ｆ０±ｆｓ”，“ｆ０”が含まれる事になる。

尚、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１においては、被測定光ファイバ１８に入射される符号列Ｌ４は、時間間隔が音響波の寿命以下の時間間隔とされた第１パルス光Ｌ３１と第２パルス光Ｌ３２とをＮビット符号変調した測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２を含んでいる。このため、被測定光ファイバ１８からの戻り光Ｌ５には、測定用パルス光Ｌ４１に関する戻り光と測定用パルス光Ｌ４２に関する戻り光とが重なって存在することとなる。ここで、本実施形態では、図２を用いて説明した通り、測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２が複数の部分に分割されて符号変調されている。このため、測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２に関する戻り光の各々は、分割されたそれぞれの部分を個別のパルス光としてみた場合に得られる戻り光が重なったものと考えることができる。

バランス受光回路１９は、合分岐カプラ１９ａと光電変換回路１９ｂとを備えており、コヒーレント光Ｌ２と戻り光Ｌ５とを合波して得られる合波光Ｌ６を受光（光電変換）して受光信号（電気信号）Ｓ１に変換する。合分岐カプラ１９ａは、前述した分岐カプラ１２から射出された周波数ｆ０のコヒーレント光Ｌ２と、光方向性結合器１６を介して射出された周波数ｆｂ（＝“ｆ０±ｆｓ”，“ｆ０”）の戻り光Ｌ５とを合波することによって合波光Ｌ６を得る。尚、合波光Ｌ６の周波数成分は、直流成分及び“±ｆｓ”の３つの周波数成分となる。光電変換回路１９ｂは、合波光Ｌ６を受光信号Ｓ１に変換する。

ここで、上述した通り、被測定光ファイバ１８からの戻り光Ｌ５には、測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２の各々に関する戻り光が含まれている。このため、合分岐カプラ１９ａでの合波によって生じる合波光Ｌ６、及びこの合波光Ｌ６から変換される受光信号Ｓ１についても、測定用パルス光Ｌ４１に関する成分（以下、第１成分という）と測定用パルス光Ｌ４２に関する成分（以下、第２成分という）とが含まれることになる。そして、測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２は、音響波の寿命以下の時間間隔をもつ第１パルス光Ｌ３１と第２パルス光Ｌ３２からそれぞれ生成されているため、バランス受光回路１９から出力される受光信号Ｓ１には、第１成分及び第２成分が第１パルス光Ｌ３１と第２パルス光Ｌ３２との時間間隔と同一の時間間隔に相当する遅延差をもって含まれることになる。

第１増幅器２０は、ミキサ２２（後述）が処理するのに適したレベルまで受光信号Ｓ１を増幅する。尚、受光信号Ｓ１に含まれる直流成分は、例えば電気回路を交流結合することによって除去するものとする。信号発生部２１は、制御回路２１ｂの制御の下で動作し、所定の周波数ｆｒを有する正弦波のＲＦ（無線周波数）信号Ｓ２を出力する信号発生回路２１ａと、信号発生回路２１ａを制御してＲＦ信号Ｓ２の周波数を設定する制御回路２１ｂとを備える。尚、本実施形態において、上記のＲＦ信号Ｓ２の周波数ｆｒは、ブリルアン散乱光を検出するために、戻り光の周波数シフト（自然ブリルアン散乱光の周波数シフト）ｆｓの近傍である約８〜１２ＧＨｚの範囲に設定される。信号発生回路２１ａにおいて周波数ｆｒを可変しながら信号処理することで受光信号Ｓ１のスペクトルが測定できる。

ミキサ２２は、第１増幅器２０で増幅された受光信号Ｓ１と信号発生部２１から出力されるＲＦ信号Ｓ２とを混合して、受光信号Ｓ１の周波数をＲＦ信号Ｓ２の周波数ｆｒだけ低下させた電気信号Ｓ３（ベースバンド信号）を出力する。ここで、ＲＦ信号Ｓ２の周波数ｆｒは戻り光の周波数シフトｆｓの近傍に設定されるため、上述した２つの周波数成分のうち、周波数シフトｆｓの値を周波数ｆｒだけ低減させた周波数成分が直流成分（ベースバンド）に近づくことになる。従って、この周波数成分は、ミキサ２２の後段に位置する電気回路（ローパスフィルタ２３、第２増幅器２４、及び信号処理部２５）で容易に処理可能な周波数領域となる。

ここで、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１においては、バランス受光回路１９から、第１成分と第２成分とが、第１パルス光Ｌ３１と第２パルス光Ｌ３２との時間間隔と同一の時間間隔に相当する遅延差をもって含まれた電気信号Ｓ１が出力される。このため、ミキサ２２から出力される電気信号Ｓ３にも、第１成分と第２成分とが、第１パルス光Ｌ３１と第２パルス光Ｌ３２との時間間隔と同一の時間間隔に相当する遅延差をもって含まれている。また、電気信号Ｓ３と符号列Ｌ４の相関をとることにより、干渉信号を得ることができると同時に、Ｎビット符号分が重ね合わされてＮ倍の信号パワーが得られる。

尚、ここでは、上記の電気信号Ｓ３を得るために信号発生部２１及びミキサ回路２２を用いた。しかしながら、合波に用いるコヒーレント光Ｌ２を光周波数変換することによっって上記のブリルアン散乱光に略一致する光周波数を有するコヒーレント光を生成し、このコヒーレント光と被測定光ファイバ１８からの戻り光Ｌ５とを合波することで、上記の電気信号Ｓ３と同様の電気信号を得るようにしても良い。或いは、符号列Ｌ４に対して後方散乱光の周波数シフト量に略一致する周波数だけシフトさせる光周波数変換器を用いても同様の効果が得られる。

ローパスフィルタ２３は、ミキサ２２から出力される電気信号Ｓ３に含まれるノイズ等の高周波成分を除去することによってＳ／Ｎ比を向上させるための回路である。第２増幅器２４は、ローパスフィルタ２３から出力される電気信号Ｓ３を信号処理部２５に適したレベルまで増幅するものである。

信号処理部２５は、第２増幅器２４から出力される電気信号に対してＡ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換処理を施してディジタル信号に変換した後に、相関処理等の各種処理を行って被測定光ファイバ１８の長さ方向における特性を求める。図３は、信号処理部２５の内部構成の一例を示すブロック図である。図３に示す通り、信号処理部２５は、Ａ／Ｄ変換部３１、タップ付き遅延線３２、相関処理部３３、二乗検波処理部３５、平均化処理部３６、及び補正処理部３７を備える。

Ａ／Ｄ変換部３１は、第２増幅器２４から出力される電気信号に対してＡ／Ｄ変換処理を施し、そのディジタル信号を出力する。タップ付遅延線３２は、Ａ／Ｄ変換部３１から出力されるディジタル信号を順次遅延させるとともに、遅延時間の異なるディジタル信号が取り出し可能である。例えば、タップ付遅延線３２は、Ａ／Ｄ変換部３１から順次出力される９ビット分のディジタル信号を１ｎ秒ずつ順次遅延させることが可能であって、この９ビット分のディジタル信号のうちの個々のディジタル信号の取り出しが可能なものである。つまり、現時点で第２増幅器２４から出力される電気信号をＡ／Ｄ変換したディジタル信号をＤ_ｋとすると、タップ付遅延線３２からは８ビット前のディジタル信号Ｄ_ｋ−８から現時点のディジタル信号Ｄ_ｋの９ビット分の信号を取り出すことができる。

相関処理部３３は、タップ付遅延線３２から取り出される信号と符号列Ｌ４との相関処理を行う。これにより、第１成分と第２成分との干渉信号が生成される。二乗検波処理部３５は、相関処理部３３で行われた相関処理の処理結果を二乗することによって相関処理部３３から出力される信号を通常の後方散乱光の強度を示す信号に復調する。平均化処理部３６は、二乗検波処理部３５から出力される信号の平均化処理を行い、補正処理部３７はバーカー符号を用いた符号変調を行うことによって生ずる符号サイドローブを低減するための補正処理を行う。

具体的に、補正処理部３７は、光位相変調器１４において３ビットのバーカー符号が用いられる場合には以下の（４）式に示される補正処理を行い、５ビットのバーカー符号が用いられる場合には以下の（５）式に示される補正処理を行う。

但し、上記（４）式及び（５）式において、変数Ｚは被測定光ファイバ１８の長さ方向における位置を示しており、Ｐ_Ｂは補正前の信号パワー、Ｐ_Ａは補正後の信号パワーをそれぞれ示している。また、変数ΔＺは、測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２のパルス幅に相当する距離（１符号（ビット）長に相当する距離）を示している。尚、パルス幅が１ｎ秒である場合には変数ΔＺは１０ｃｍ程度である。

信号処理部２５は、補正処理部３７から出力される信号を用いて被測定光ファイバ１８の特性（歪みや損失）を測定する。ここで、ＲＦ信号Ｓ２の周波数ｆｒをブリルアン散乱光を検出するために周波数シフトｆｓの近傍で可変しながら上記処理を繰り返すことでブリルアンスペクトルが得られる。更には、時間軸上で戻り光Ｌ５を検出して被測定光ファイバ１８の長さ方向における歪み特性の分布や光損失特性の分布を求める。尚、図３に示す信号処理部２５の各ブロックの機能は、ソフトウェアで実現することも可能である。

尚、ブリルアン散乱光は、被測定光ファイバ１８中の同一の音響波にパルス光が反射することによって生成されたブリルアン散乱光同士は干渉し、異なる音響波にパルス光が反射することによって生成されたブリルアン散乱光同士は干渉しないという特性を有している。音響波は速度を有しているものの、パルス光の速度に対して極めて遅いため、同一の音響波にパルス光が反射されることによって生成されたブリルアン散乱光同士は、被測定光ファイバ１８中の同一箇所にて生成されたものと考えることができる。即ち、ブリルアン散乱光同士が、被測定光ファイバ１８中の同一箇所にて生成されたものであれば干渉するが、被測定光ファイバ１８中の異なる箇所にて生成されたものであれば干渉しない。

ここで、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１においては、測定用パルス光Ｌ４１と測定用パルス光Ｌ４２との時間間隔が、被測定光ファイバ１８中の音響波の寿命以下とされている。このため、被測定光ファイバ１８中の所定の音響波にて測定用パルス光Ｌ４１が反射することによって後方ブリルアン散乱光が生成されると、同一の音響波によって測定用パルス光Ｌ４２も反射され、戻り光Ｌ５に干渉可能な後方ブリルアン散乱光が含まれることとなる。よって、信号処理部２５において両者を時間を合わせて和をとることにより干渉信号を生成することが可能となっている。

また、本実施形態では、測定用パルス光Ｌ４１と測定用パルス光Ｌ４２とを複数に分割して符号変調を行っており、測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２の各々に関する戻り光は、分割されたそれぞれの部分を個別のパルス光としてみた場合に得られる戻り光が重なったものと考えることができる。よって、タップ付遅延線３２で遅延させた信号と符号列Ｌ４の相関処理は、分割された個別のパルス光に関する戻り光の各々の時間位置を合わせた上で加算する処理と等価であると考えることができる。つまり、Ｎビットのバーカー符号を用いた符号変調を行うことにより、Ｎ個のパルス光を被測定光ファイバ１８に入射させたと考えることができ、これによって測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２のパワーをＮ倍したのと同様のＳ／Ｎ比が得られる。

次に、本発明の第１実施形態による光ファイバ特性測定装置１の動作について説明する。尚、以下の説明においては、測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２が被測定光ファイバ１８中において同一の音響波に到達することを前提とする。また、以下の説明では、光位相変調器１４が３ビットのバーカー符号を用いた符号変調を行うものであるとする。このため、符号列Ｌ４は、前述した「１」，「１」，「−１」，「０」，「０」，「０」，「１」，「１」，「−１」の９ビットで構成されているとする。但し、「０」の数は一義的に定まるものではなく、測定用パルス光Ｌ４１と測定用パルス光Ｌ４２との時間間隔が被測定光ファイバ１８中の音響波の寿命以下になる範囲で設定される。

光源１１から周波数ｆ０のコヒーレント光Ｌ０が射出されると、このコヒーレント光Ｌ０は分岐カプラ１２に入射して光パルス発生回路１３に射出されるコヒーレント光Ｌ１と、バランス受光回路１９に射出されるコヒーレント光Ｌ２とに分岐される。分岐カプラ１２から射出されたコヒーレント光Ｌ１が光パルス発生回路１３に入射すると、被測定光ファイバ１８中の音響波の寿命以下の時間間隔とされる第１パルス光Ｌ３１と第２パルス光Ｌ３２とからなるパルス列Ｌ３が生成される。

光パルス発生回路１３で生成されたパルス列Ｌ３は光位相変調器１４に入射し、パルス列Ｌ３をなす第１パルス光Ｌ３１が図２（ａ）に示す３つの部分ｄ１１〜ｄ１３に分割され３ビットのバーカー符号を用いて符号変調されるとともに、パルス列Ｌ３をなす第２パルス光Ｌ３２が図２（ａ）に示す３つの部分ｄ２１〜ｄ２３に分割されて３ビットのバーカー符号を用いて符号変調される。これにより、被測定光ファイバ１８に入射させる測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２からなる符号列Ｌ４が生成される。

光位相変調器１４で生成された符号列Ｌ４は、光増幅器１５によって増幅された後に光方向性結合器１６の入射ポートＰ１に入射し、光方向性結合器１６の入射出ポートＰ２から射出され、その後光コネクタ１７を介して被測定光ファイバ１８の片側端部から入射する。被測定光ファイバ１８の片側端部から符号列Ｌ４が入射すると、被測定光ファイバ１８中において、測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２が同一音響波に到達することによって、干渉可能な第１成分のブリルアン散乱光と第２成分のブリルアン散乱光が発生する。

このため、被測定光ファイバ１８からの戻り光Ｌ５には、測定用パルス光Ｌ４１の後方ブリルアン散乱光成分と測定用パルス光Ｌ４２の後方ブリルアン散乱光成分とが、第１パルス光Ｌ３１と第２パルス光Ｌ３２との時間間隔の遅延を有したまま重なって射出される。ここで、上述のように、戻り光Ｌ５はブリルアン散乱現象に特有の周波数シフトｆｓを受けることから、戻り光Ｌ５の周波数ｆｂには周波数“ｆ０±ｆｓ”が含まれることとなる。また、戻り光Ｌ５には、レイリー散乱光及びフレネル反射光も含まれているため、周波数ｆｂには周波数“ｆ０”も含まれることなる。

このような戻り光Ｌ５は、光コネクタ１７を介して光方向性結合器１６の入射出ポートＰ２から入射した後に射出ポートＰ３から射出されてバランス受光回路１９に入射する。バランス受光回路１９に入射した戻り光Ｌ５は、合分岐カプラ１９ａによってコヒーレント光Ｌ２と合波される。これによって合波光Ｌ６が生成され、この合波光Ｌ６が光電変換回路１９ｂによって受光信号Ｓ１に変換される。尚、上述のように、受光信号Ｓ１には、直流成分と、“ｆｓ”の２つの周波数成分が含まれる。

受光信号Ｓ１は、第１増幅器２０によって所定のレベル増幅された後にミキサ２２に入力される。尚、受光信号Ｓ１が第１増幅器２０によって増幅されるときに、受光信号Ｓ１に含まれる直流成分が除去される。一方、信号発生部２１においては、制御回路２１ｂが信号発生回路２１ａを制御することによって、周波数シフトｆｓの近傍に設定された周波数ｆｒのＲＦ信号Ｓ２が生成され、このＲＦ信号Ｓ２がミキサ２２に入力される。ミキサ２２が第１増幅器２０からの受光信号Ｓ１と信号発生回路２１ａからのＲＦ信号Ｓ２とを混合することにより、受光信号Ｓ１の周波数が周波数ｆｒだけ低下した電気信号Ｓ３が得られる。即ち、受光信号Ｓ１に含まれる２つの周波数成分の中から周波数“ｆｓ”の信号成分のみが検出され、後方ブリルアン散乱光に相当する電気信号だけを処理可能となる。この電気信号Ｓ３はローパスフィルタ２３で高周波成分が除去され、第２増幅器２４で増幅された後に信号処理部２５に入力する。

信号処理部２５に入力された電気信号Ｓ３は、Ａ／Ｄ変換部３１でディジタル信号に変換される。変換されたディジタル信号はタップ付遅延線３２に入力し、光位相変調器１４における測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２の分割時間（例えば、１ｎ秒）を単位として順次遅延する。これにより、タップ付遅延線３２からは１ｎ秒ずつ順次遅延した９ビット分のディジタル信号Ｄ_ｋ−８〜Ｄ_ｋが相関処理部３３に出力される。相関処理部３３は、タップ付遅延線３２から出力されたディジタル信号と符号列Ｌ４との相関処理を行う。具体的には、９ビットのディジタル信号Ｄ_ｋ−８〜Ｄ_ｋと、「１」，「１」，「−１」，「０」，「０」，「０」，「１」，「１」，「−１」の９ビットからなる符号列との相関処理を行うこれにより、第１成分と第２成分との干渉信号が生成される。

相関処理部３３の処理結果は二乗検波処理部３５に出力され、二乗検波処理部３５において二乗されることにより通常の後方散乱光の強度を示す信号に復調される。この後方散乱光の強度を示す信号は、平均化処理部３６において平均化処理が施され、その後に補正処理部３７において前述した（４）式に示す補正処理が行われる。これにより、バーカー符号を用いた符号変調を行うことによって生ずる符号サイドローブによる影響が低減される。以上の処理が終了すると、信号処理部２５は、補正処理部３７から出力される信号を用いて被測定光ファイバ１８の特性（歪みや損失）を測定する。信号処理部２５において以上の処理がＲＦ信号Ｓ２の周波数ｆｒを可変しながら繰り返し行われ、測定光ファイバ１８の長さ方向における歪み特性の分布や光損失特性の分布が求められる。

ここで、信号処理部２５に入力される電気信号Ｓ３には、第１成分と第２成分とが含まれる。また、第１成分は、分割された測定用パルス光Ｌ４１のそれぞれの部分を個別のパルス光としてみた場合に得られる戻り光が重なったものと考えることができる。同様に、第２成分は、分割された測定用パルス光Ｌ４２のそれぞれの部分を個別のパルス光としてみた場合に得られる戻り光が重なったものと考えることができる。

上記のタップ付遅延線３２及び相関処理部３３における処理では、電気信号Ｓ３と、電気信号Ｓ３を測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２の時間間隔（６ｎ秒）分だけ遅延させた電気信号との和を求める処理が行われており、第１成分と第２成分との干渉信号が生成されている。この干渉信号のブリルアンスペクトルは、第１成分に基づくブリルアンスペクトルと、第２成分に基づくブリルアンスペクトルとが測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２の時間間隔に相当する位相差を有しているため、狭窄化され急峻なものとなる。そして、信号処理部２５は、この狭窄化され急峻なブリルアンスペクトルを有する干渉信号を用いて被測定光ファイバ１８の特性を測定しているため、ブリルアン周波数シフトを高精度で検出することが可能となり、空間分解能が向上される。

また、上記のタップ付遅延線３２及び相関処理部３３における処理では、測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２の各々に関して、分割されたそれぞれの部分を個別のパルス光としてみた場合に得られる戻り光の時間位置を合わせた上で加算する処理と同様の処理が行われている。このため、３ビットのバーカー符号を用いた符号変調を行うことによって３個のパルス光を被測定光ファイバ１８に入射させたと考えることができ、これにより測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２のパワーを３倍したのと同様のＳ／Ｎ比が得られる。この結果として、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１においては、被測定光ファイバ１８に符号列Ｌ４を入射させる回数を低減することができるため測定時間を短縮することができる。

図４は、３ビットのバーカー符号による符号変調がなされた測定用パルス光を用いた場合に、二乗検波処理部３５から出力される信号のシミュレーション結果を示す図である。図４（ａ）は被測定光ファイバ１８中の１点で発生する後方散乱光のパワー分布を示す図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）において後方散乱光のパワーが最大となる周波数におけるパワーと時間との関係を示す図である。尚、ここで用いる測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２は、パルス幅が３ｎ秒であって、パルス間隔が６ｎ秒である。また、

図４（ａ），（ｂ）を参照すると、時間が０ｎ秒及び±６ｎ秒のときにブリルアン散乱光のパワーが大きなピーク値（極大値）を取るのが分かる。−６ｎ秒のときのピークは第１成分に含まれるブリルアンスペクトルであり、＋６ｎ秒のときのピークは第２成分に含まれるブリルアンスペクトルである。０ｎ秒のときのピークは第１成分と第２成分との時間軸を合わせて和をとることによって得られる干渉信号に含まれるブリルアンスペクトルである。また、これら以外の±２ｎ秒のときのピークその他のピークは、バーカー符号に伴って生ずるサイドローブによるものである。また、図４（ａ）を参照すると、０ｎ秒のときのピークが周波数軸上で周期的な変化をしているのが分かる。これは、第１成分と第２成分とを干渉させたことに起因する。かかるブリルアンスペクトルの周期的な変動に着目し、周期的な変動に応じたフィルタ処理を施せば、より高精度な歪み分布測定が可能になる。

図５は、被測定光ファイバ１８に対して意図的に歪を加え、３ビットのバーカー符号による符号変調がなされた測定用パルス光を用いた場合に得られるシミュレーション結果を示す図である。尚、図５（ａ）は戻り光Ｌ５のパワー分布を示す図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に示されるパワー分布を歪み分布に変換した図である。ここでは、被測定光ファイバ１８の長さが２２０ｃｍであって、被測定光ファイバ１８の中央部における２０ｃｍの部分にブリルアン周波数シフトに換算して５０ＭＨｚに相当する歪みが加わっているとしている。尚、図５に示すシミュレーション結果は、パルス間隔が６ｎ秒であって３ビットのバーカー符号による符号変調がなされた測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２を被測定光ファイバ１８に入射させた場合に得られるものである。

図５（ｂ）を参照すると、距離が１００〜１２０ｃｍの間において周波数が２０〜４５ＭＨｚ程度と大きく変化していることが分かる。これは、被測定光ファイバ１８に加えられた歪によって生ずるブリルアン散乱光の周波数シフトによるものである。しかし、設定した歪み値（周波数シフト換算で５０ＭＨｚ）には到達しておらず（符号Ｑ３で指し示した区間）、これに加えて、距離が８０ｃｍ〜１００ｃｍ前後の区間（符号Ｑ１で指し示した区間）及び距離が１２０ｃｍ前後〜１４０ｃｍの区間（符号Ｑ２で指し示した区間）においては周波数が僅かながら変化していることが分かる。これは、バーカー符号を用いた符号変調を行うことによって生ずる符号サイドローブの影響であると考えられる。本実施形態では、信号処理部１５の補正処理部３７において、前述した（４）式に示す補正処理を行うことで、かかるサイドローブの影響を低減している。

図６は、図５に示すシミュレーション結果に対して、信号処理部１５の補正処理部３７で行われる補正処理を施した結果を示す図である。図６（ａ）と図５（ｂ）とを比較しても大きな違いはないように思われるが、図６（ｂ）と図５（ｂ）とを比較すると、符号Ｑ１，Ｑ２で指し示す区間における周波数の変化が低減されていることが分かる。また、符号Ｑ３で指し示す区間において、周波数が真値に近づいていることが分かる。これにより、バーカー符号を用いた符号変調を行うことによって生ずる符号サイドローブの影響が低減されて、より高精度な歪み分布測定が可能になる。

図７は、５ビットのバーカー符号による符号変調がなされた測定用パルス光を用いた場合に、二乗検波処理部３５から出力される信号のシミュレーション結果を示す図である。尚、ここでの測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２のパルス幅は２．５ｎ秒であり、光位相変調器１４が０．５ｎ秒の時間間隔をもって第１パルス光Ｌ３１，第２パルス光Ｌ３２を分割することにより測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２を生成する。図７（ａ）は図４（ａ）に相当する図であり、図７（ｂ）は図４（ｂ）に相当する図である。

図７（ａ），（ｂ）を参照すると、時間が０ｎ秒及び±５ｎ秒のときにブリルアン散乱光のパワーが大きなピーク値を取るのが分かる。−５ｎ秒のときのピークは第１成分に含まれるブリルアンスペクトルであり、＋５ｎ秒のときのピークは第２成分に含まれるブリルアンスペクトルであって、０ｎ秒のときのピークは第１成分と第２成分との時間軸を合わせて和をとることによって得られる干渉信号に含まれるブリルアンスペクトルである。また、これらのピーク以外に、細かなピークが現れているが、これらは、バーカー符号に伴って生ずるサイドローブによるものである。尚、図７（ａ）を参照すると、図４（ａ）と同様に、０ｎ秒のときのピークが周波数軸上で周期的な変化をしているのが分かる。よって、５ビットのバーカー符号による符号変調がなされた測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２を被測定光ファイバ１８に入射させた場合と同様に、この周期的な変動に応じたフィルタ処理を施せば、より高精度な歪み分布測定が可能になる。

図８は、被測定光ファイバ１８に対して意図的に歪を加え、５ビットのバーカー符号による符号変調がなされた測定用パルス光を用いた場合に得られるシミュレーション結果を示す図である。また、図９は、図８に示すシミュレーション結果に対して、信号処理部１５の補正処理部３７で行われる補正処理を施した結果を示す図である。尚、図８（ａ），（ｂ）はそれぞれ図５（ａ），（ｂ）と同様の図であり、図９（ａ），（ｂ）はそれぞれ図６（ａ），（ｂ）と同様の図である。また、図８，図９においては、図５，図６の場合と同様に、被測定光ファイバ１８の長さが２２０ｃｍであって、被測定光ファイバ１８の中央部における２０ｃｍの部分にブリルアン周波数シフトに換算して５０ＭＨｚに相当する歪みが加わっているとしている。

図８（ｂ）を参照すると、図５（ｂ）と同様に、距離が１００〜１２０ｃｍの間においては、被測定光ファイバ１８に加えられた歪によって生ずるブリルアン散乱光の周波数シフトによって、周波数が２０〜４５ＭＨｚ程度と大きく変化していることが分かる。しかし、設定した歪み値（周波数シフト換算で５０ＭＨｚ）には到達しておらず（符号Ｑ３で指し示した区間）、また、符号Ｑ１で指し示す距離が８０ｃｍ〜１００ｃｍ前後の区間、及び符号Ｑ２で指し示す距離が１２０ｃｍ前後〜１４０ｃｍの区間においては、バーカー符号を用いた符号変調を行うことによって生ずる符号サイドローブの影響により、周波数が僅かながら変化していることが分かる。

信号処理部１５の補正処理部３７において、前述した（５）式に示す補正処理を行うことで、図９（ｂ）に示す通り、符号サイドローブによる影響が低減される。つまり、図９（ｂ）を参照すると、図８（ｂ）に比べて符号Ｑ１，Ｑ２で指し示す区間における周波数の変化が低減されていることが分かる。また、符号Ｑ３で指し示す区間において、周波数が真値に近づいていることが分かる。これにより、バーカー符号を用いた符号変調を行うことによって生ずる符号サイドローブの影響が低減されて、より高精度な歪み分布測定が可能になる。このように、３ビットのバーカー符号を用いて符号変調を行った場合、及び５ビットのバーカー符号を用いて符号変調を行った場合の何れの場合においても、符号サイドローブの影響が低減されて高精度な歪み分布の測定が可能である。更には、Ｎビットのバーカー符号を用いた符号変調を行っても同様の高精度な歪み分布の測定が可能である。

以上説明した通り、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１によれば、所定のパルス幅を有し、Ｎビットのバーカー符号を用いた符号変調が行われた測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２からなる符号列Ｌ４を被測定光ファイバ１８の片側端部から入射し、戻ってきた後方ブリルアン散乱光を受光して受光信号を得て、その後に干渉信号を生成すると同時に符号化された信号を復号化している。この干渉信号は急峻なブリルアンスペクトルを示す。また、得られる信号はパルスパワーをＮ倍したと同様のＳ／Ｎの改善効果が得られる。これにより、ブリルアン周波数シフトの検出が極めて容易となり、実効的に空間分解能の向上が短時間測定で達成できる。また、ブリルアンスペクトルに対してノイズ除去フィルタを施したり、カーブフィッティングで近似したりすることにより、より高精度な歪み分布測定が期待出来る。また、バーカー符号列を用いた相関処理では原理的にサイドローブが発生して信号の劣化を引き起こすが、補正処理を行うことで改善が可能である。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態による光ファイバ特性測定装置について説明する。図１０は、本発明の第２実施形態による光ファイバ特性測定装置の構成を示すブロック図である。尚、図１０においては、図１に示したブロックと同一のブロックには同一の符号を付している。図１０に示す通り、本実施形態の光ファイバ特性測定装置２は、分岐カプラ１２とバランス受光回路１９との間に偏波制御装置４１（偏波面変更部）を備えている。この偏波制御装置４１は、コヒーレント光Ｌ２の偏波面を高速に変化させることによって、コヒーレント光Ｌ２の偏光状態をランダムにする。

前述した第１実施形態においては、バランス受光回路１９の合分岐カプラ１９ａに入力されるコヒーレント光Ｌ２及び戻り光Ｌ５は、偏波状態の関係が一定であることを仮定している。しかしながら、このような条件が満足されるのは、偏波保持光ファイバのような特殊な光ファイバ、或いは、偏波面がランダム化されてしまう多モード光ファイバを被測定光ファイバ１８として用いた場合である。つまり、一般的な光ファイバを被測定光ファイバ１８として用いた場合には、上記条件が満足されない。

一方、バランス受光回路１９での検波感度は、コヒーレント光Ｌ２の偏波方向と戻り光Ｌ５の偏波方向とが一致する場合に最大値になり、直交する場合に零になる偏波依存性を有する。このため、本実施形態では、偏波制御装置４１によってコヒーレント光Ｌ２の偏光状態をランダムにすることで、バランス受光回路１９での検波感度を平均化している。これによって、バランス受光回路１９の偏波依存性を打ち消すことができる。

尚、偏波制御装置４１によって、コヒーレント光Ｌ２の偏波面を所定の単位時間毎に９０°変化させ、複数の単位時間における測定結果の二乗和平均をとる方法によってもバランス受光回路１９の偏波依存性を打ち消すことができる。また、本実施形態の光ファイバ特性測定装置２においては、偏波制御装置４１を分岐カプラ１２とバランス受光回路１９との間に設置する構成を採用した。しかしながら、これに限られるものではなく、分岐カプラ１２と光方向性結合器１６との間や光方向性結合器１６と被測定光ファイバ１８との間に偏波制御装置を設けた構成にしてパルス列Ｌ３或いは戻り光Ｌ５の偏波状態を変更しても同様の効果が得られる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態による光ファイバ特性測定装置について説明する。図１１は、本発明の第３実施形態による光ファイバ特性測定装置の構成を示すブロック図である。尚、図１１においても、図１に示したブロックと同一のブロックには同一の符号を付している。図１１に示す通り、本実施形態の光ファイバ特性測定装置３は、光増幅器１５と方向性結合器１６との間にＡＳＥ光除去用光スイッチ４２（不要成分除去部）を備える。このＡＳＥ光除去用光スイッチ４２は、光増幅器１５にてパルス列Ｌ３を増幅することによってパルス列Ｌ３に重畳されるノイズ成分（ＡＳＥ光：Amplified Spontaneous Emission 光）を除去するものである。

前述した第１実施形態においては、光増幅器１５で発生するノイズ成分（不要成分）は無視できると仮定している。しかしながら。実際には、パルス列Ｌ３や戻り光Ｌ５のＳ／Ｎ劣化を生じさせる虞があるため、このようなノイズ成分は除去することが好ましい。従って、本実施形態の光ファイバ特性測定装置３のようにＡＳＥ光除去用光スイッチ４２を設けることにより、パルス列Ｌ３や戻り光Ｌ５のＳ／Ｎ劣化を抑制することが可能となる。また、パルス列Ｌ３に重畳されるノイズ成分を除去するという観点から、光パルス発生回路１３のオフ時の漏れ光を除去する除去部を光パルス発生回路１３の後段に設置しても良い。

以上、本発明の実施形態による光ファイバ特性測定装置について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されず、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、以上説明した実施形態では、バーカー符号やゴーレイ符号等を用いて２値符号変調を行う場合を例に挙げて説明したが、本発明は多値符号変調方式を用いる場合にも適用が可能である。また、上記実施形態では２つの測定用パルス光Ｌ４１，Ｌ４２からなる符号列Ｌ４を被測定光ファイバ１８に入射させていたが、本発明は３つ以上の測定用パルス光からなる符号列Ｌ４を被測定光ファイバ１８に入射させる場合にも適用可能である。

本発明の第１実施形態による光ファイバ特性測定装置の構成を示すブロック図である。 光位相変調器１４で行われる符号変調の具体例を説明するための図である。 信号処理部２５の内部構成の一例を示すブロック図である。 ３ビットのバーカー符号による符号変調がなされた測定用パルス光を用いた場合に、二乗検波処理部３５から出力される信号のシミュレーション結果を示す図である。 被測定光ファイバ１８に対して意図的に歪を加え、３ビットのバーカー符号による符号変調がなされた測定用パルス光を用いた場合に得られるシミュレーション結果を示す図である。 図５に示すシミュレーション結果に対して、信号処理部１５の補正処理部３７で行われる補正処理を施した結果を示す図である。 ５ビットのバーカー符号による符号変調がなされた測定用パルス光を用いた場合に、二乗検波処理部３５から出力される信号のシミュレーション結果を示す図である。 被測定光ファイバ１８に対して意図的に歪を加え、５ビットのバーカー符号による符号変調がなされた測定用パルス光を用いた場合に得られるシミュレーション結果を示す図である。 図８に示すシミュレーション結果に対して、信号処理部１５の補正処理部３７で行われる補正処理を施した結果を示す図である。 本発明の第２実施形態による光ファイバ特性測定装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態による光ファイバ特性測定装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１〜３ 光ファイバ特性測定装置
１３ 光パルス発生回路
１４ 光位相変調器
１８ 被測定光ファイバ
１９ バランス受光回路
２１ 信号発生回路
２２ ミキサ
２５ 信号処理部
３２ タップ付遅延線
３３ 相関処理部
３７ 補正処理部
４１ 偏波制御装置
４２ ＡＳＥ光除去用光スイッチ
Ｌ０ コヒーレント光
Ｌ３ パルス列
Ｌ４ 符号列
Ｌ５ 戻り光
Ｌ６ 合波光
Ｌ３１，Ｌ３２ パルス光
Ｌ４１，Ｌ４２ 測定用パルス光
Ｓ１ 受光信号

Claims (9)

1. 光ファイバの一端から測定用パルス光を入射させ、当該光ファイバの一端から射出される後方ブリルアン散乱光を受光して得られる受光信号に基づいて前記光ファイバの特性を測定する光ファイバ特性測定装置において、
   パルス間隔が前記光ファイバ中の音響波の寿命以下にされた第１パルス光と第２パルス光からなるパルス列をコヒーレント光から生成するパルス光生成部と、
   前記パルス光生成部で生成されたパルス列をなす各々のパルス光に対して所定の符号変調を行って前記光ファイバに入射させる測定用パルス光を生成する符号変調部と、
   前記光ファイバの一端から射出される後方ブリルアン散乱光と前記コヒーレント光との合波光を受光して受光信号を得る受光部と、
   前記受光部からの受光信号と、前記パルス光生成部で生成されるパルス列をなすパルス光のパルス間隔と前記符号変調部で行われる符号変調の種類とに応じた符号列との相関処理を行い、当該相関処理の処理結果に基づいて前記光ファイバの特性を求める信号処理部と
   を備えることを特徴とする光ファイバ特性測定装置。
2. 前記符号変調部は、前記パルス光生成部で生成されたパルス列をなす個々のパルス光を、バーカー符号を用いて符号変調することを特徴とする請求項１記載の光ファイバ特性測定装置。
3. 前記符号変調部は、前記パルス光生成部で生成されたパルス列をなす個々のパルス光を複数の部分に分割し、分割した部分の各々について符号に応じた位相変調を行うことにより前記所定の符号変調を行うことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の光ファイバ特性測定装置。
4. 前記信号処理部は、前記受光信号を順次遅延させるとともに、遅延時間の異なる受光信号を取り出し可能なタップ付遅延線と、
   前記タップ付遅延線から取り出される信号と、前記パルス光生成部で生成されるパルス列をなすパルス光のパルス間隔と前記符号変調部で行われる符号変調の種類とに応じた符号列との相関処理を行う相関処理部と
   を備えることを特徴とする請求項１から請求項３の何れか一項に記載の光ファイバ特性測定装置。
5. 前記相関処理部で行われる相関処理の処理結果に対して、符号サイドローブの影響を低減するための補正処理を行う補正処理部を備えることを特徴とする請求項４記載の光ファイバ特性測定装置。
6. 前記受光信号に対する相関処理が前記信号処理部で行われる前に、前記受光信号の周波数帯を所定の周波数帯に変換する周波数変換部を備えることを特徴とする請求項１から請求項５の何れか一項に記載の光ファイバ特性測定装置。
7. 前記コヒーレント光の偏波面及び前記後方ブリルアン散乱光の偏波面の少なくとも一方を変更可能な偏波面変更部を備えることを特徴とする請求項１から請求項６の何れか一項に記載の光ファイバ特性測定装置。
8. 前記光ファイバに入射される前記パルス列に含まれる不要成分を除去する不要成分除去部を備えることを特徴とする請求項１から請求項７の何れか一項に記載の光ファイバ特性測定装置。
9. 前記音響波の寿命は、前記音響波のエネルギがピークパワーになった時点から当該ピークパワーの５％以下になるまでの時間であることを特徴とする請求項１から請求項８の何れか一項に記載の光ファイバ特性測定装置。

Images