JP5207252B2

JP5207252B2 - 光周波数領域反射測定方法及び光周波数領域反射測定装置

Info

Publication number: JP5207252B2
Application number: JP2009122286A
Authority: JP
Inventors: 優介古敷谷; 文彦伊藤; ファン・シンユ−; 祖源何; 和夫保立; ケンジホドリーゴ山下
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Tokyo NUC
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp; University of Tokyo NUC
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2029-05-20
Also published as: JP2010271137A

Description

本発明は、光部品や光伝送路からの反射光および後方散乱光を測定することが可能な光周波数領域反射測定方法及びこの方法を利用した光周波数領域反射測定装置に関する。

光部品や光伝送路からの反射光および後方散乱光を測定することが可能な手法としては、非特許文献１に示されるようなコヒーレント光を用いた光周波数領域反射測定法（Ｃ−ＯＦＤＲ）がある。この光周波数領域反射測定方法は、測定対象に周波数掃引されたコヒーレント光を入射し、測定対象からの反射光および後方散乱光と、予め分岐された参照光をコヒーレント検波し、これによって得られた測定ビート信号を周波数解析することで、ビート信号のスペクトル、すなわち、測定対象内の任意の位置での反射光および後方散乱光強度（反射率分布）を得て、測定対象の損失分布や故障点の特定を可能にする技術である。

但し、Ｃ−ＯＦＤＲはコヒーレント光を用いるため、後方散乱光や反射光同士の干渉によってフェーディングノイズが生じ、測定にて得た反射光および後方散乱光強度が揺らいで反射率測定精度が劣化する。そこで、非特許文献２に示すような周波数平均法を用いてフェーディングノイズを低減させる方法が提案されている。この周波数平均法とは、掃引周波数幅の中心をシフトさせた複数回の測定を実施し、それぞれの測定から得られた複数のスペクトルを加算平均するものである。

ここで、上記周波数平均法においては、加算平均するスペクトル数ｎが大きいほどフェーディングノイズを低減することができる。しかしながら、ｎ個のスペクトルを得るためにはｎ回の周波数掃引と測定が必要であり、回数ｎの値が大きい場合、総測定時間が必然的に長くなってしまうという課題があった。実際の応用には、0.1dB程度の反射率測定精度が必要であるが、これを達成するためには、100回以上の周波数掃引と測定が必要となっている。結局、周波数平均法は、そのまま実用するには至っていない。また、周波数掃引光源にはレーザ光源が使用されるが、このレーザ光源の光周波数を実用的な短い時間内に多数回掃引させることも、レーザ光源にとっては非現実であり、実用化の障害となっている。

W. Eickhoff and R. Ulrich, Applied Physics Letters, vol. 39, no. 9, pp. 693-695, Nov. 1981. K. Shimizu, T. Horiguchi and Y. Koyamada, Journal of lightwave technology, vol. 10, no. 7, pp. 982-987, Jul. 1992.

以上のように、従来の光周波数領域反射測定方法では、実用的な反射率測定精度を得るため、周波数平均法を採用しているので、周波数掃引と測定回数を多くする必要があり、総測定時間が長いという課題があった。また、光源の光周波数を実用的な短い時間内に多数回掃引させることも、光源にとっては非現実であり、実用化の障害となっている。

本発明は、上記の事情を鑑みてなされたもので、測定回数を低減して総測定時間を短縮することができ、合わせて、光源の光周波数掃引速度を実現可能なレベルに減少させることのできる光周波数領域反射測定方法及びこの方法を用いた光周波数領域反射測定装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る光周波数領域反射測定方法は以下のような態様の構成とする。
（１）光周波数を時間に対して一定の割合で掃引される光波を二分岐し、一方の分岐光を測定対象に入射してその反射光及び後方散乱光を他方の分岐光による局発光と合波して干渉させ、その干渉波を光受信することでビート信号を測定し、前記光波の掃引期間に前記測定ビート信号をサンプリングしてデジタルデータを生成し、前記サンプリングされたビート信号の測定期間を一定時間幅で順次シフトした一定幅の複数の区分を設定し、前記サンプリングデータから前記複数の区分による複数のデータ群を構築し、前記複数のデータ群それぞれに対してフーリエ解析を施し、前記フーリエ解析によって得られた複数のスペクトルを加算平均することで測定対象における光波伝播方向の反射率分布を測定する構成とする。

（２）（１）の構成において、前記構築された複数のデータ群それぞれに対するフーリエ解析は並列的に施すものとする。
また、本発明に係る光周波数領域反射測定装置は以下のような態様の構成とする。
（３）光周波数を掃引する光源と、前記光源からの出力光を入射して二分岐し、一方の分岐光を測定対象に入射してその反射光及び後方散乱光を入射し、他方の分岐光を局発光として測定対象からの反射光及び後方散乱光と合波して干渉させ、その干渉波を光受信することでビート信号を測定する測定光干渉計と、前記光源を一定期間に渡って掃引させてその期間に前記光受信器で得られるビート信号をサンプリングしてデジタルデータを取得するサンプリング手段と、前記サンプリングされたビート信号の測定期間を一定時間幅で順次シフトした一定幅の複数の区分を設定し、前記サンプリングデータから前記複数の区分による複数のデータ群を構築し、前記複数のデータ群それぞれに対してフーリエ解析を施し、前記フーリエ解析によって得られた複数のスペクトルを加算平均することで測定対象における光波伝播方向の反射率分布を測定する演算処理装置とを具備する構成とする。

（４）（３）の構成において、前記演算処理装置は、前記構築された複数のデータ群それぞれに対してフーリエ解析を並列的に施す構成とする。
すなわち、本発明に係る光周波数領域反射測定方法および装置では、周波数解析の手法として、一定の掃引期間に発生する測定ビート信号をサンプリングするものとし、掃引測定期間を一定時間幅で順次シフトした一定幅の複数の区分を設定し、サンプリングデータから各区分による複数のデータ群を構築し、複数のデータ群それぞれに対してフーリエ解析を施し、これによって得られた複数のスペクトルを加算平均することで測定対象における光波伝播方向の反射率を測定するようにしている。このため、ただ一度の周波数掃引及び測定にて得られたデータから複数のデータ群を構築し、周波数平均法を適用して、フェーディングノイズを低減した測定結果を短時間で得ることが可能となる。この結果、複数回の周波数掃引と測定が必要であった従来技術と比較して測定回数が低減され総測定時間の短縮が実現される。また、光源の光周波数掃引速度を実現できるレベルに減少させることもできる。

以上のように、本発明によれば、ただ一度の周波数掃引及び測定で得られたデータに対して周波数平均法を適用することが可能となり、フェーディングノイズを低減した測定結果を短時間で得ることができる。したがって、測定回数を低減して総測定時間を短縮することができ、合わせて、レーザ光源の光周波数掃引速度を実現可能なレベルに減少させることのできる光周波数領域反射測定方法及びこの方法を用いた光周波数領域反射測定装置を提供することができる。

本発明の光周波数領域反射測定方法を採用した測定装置の一実施形態を示す構成図。上記実施形態で用いられる周波数掃引の詳細およびデータ群の再構築の概念を示す図。上記実施形態における周波数解析の処理の流れを示すフローチャート。上記実施形態で用いられる周波数送信と従来技術における周波数掃引との比較結果を示す図。上記実施形態において、フェーディングノイズが低減する様子を模式的に示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は本発明に係る光周波数領域反射測定方法の一実施形態である測定装置の構成を示すブロック図である。図１において、周波数掃引光源１１はコヒーレント光を任意の速度で周波数掃引して光伝送路に出力するレーザ光源である。この周波数掃引光源１１の出力光は、光伝送路上に配置された測定干渉計１２の光カプラ１２１により分岐され、一方は局部発振光（以下、局発光）として用いられ、他方は光部品、光伝送路等の測定対象１３に入射される。この測定対象１３の内部で生じた反射光及び後方散乱光は光カプラ１２１から測定干渉計１２に入射される。

上記測定干渉計１２では、光カプラ１２１によって入射された局発光と反射光及び後方散乱光は内部の光カプラ１２２によって合波された後、光受信器１２３にて光電変換され、局発光と反射光及び後方散乱光との干渉によって生じた測定ビート信号が得られる。この測定ビート信号はサンプリング装置１４で入力されてデジタル化された後、演算処理装置１６によってフーリエ解析が施されて、測定対象における反射光及び後方散乱光の強度分布を得る。

ここで、周波数掃引光源１１及びサンプリング装置１４は、トリガ発生器１５で発生されるトリガ信号に同期して出力光の光周波数をｔ₁秒間掃引し、測定ビート信号をサンプリングする。
上記構成において、以下に本発明の測定方法について説明する。

まず、周波数掃引光源１１は、図２に示すように、トリガ発生器１５で発生されるトリガ信号の発生周期で周波数がｆ₁からｆ₂まで一定の割合でｔ₁秒間掃引され、変調出力されるものとする。この状態で、測定干渉計１２から得られる測定ビート信号を掃引期間に同期してサンプリング装置１４で取り出し、演算処理装置１６によってフーリエ解析を施し、測定対象１３における反射光および後方散乱光の強度分布を得る。

すなわち、周波数掃引光源１１からの出力光は、周波数変調によりその周波数がｆ₁からｆ₂まで（全掃引幅Ｆ＝ｆ₁−ｆ₂）ｔ₁秒間連続的に掃引される。このとき、測定干渉計１２では、光カプラ１２１，１２２によって局発光（周波数掃引されたコヒーレント光）と測定対象１３の反射光及び後方散乱光とが合波され、これによって干渉光が発生している。この干渉光を光受信器１２３で受信することでビート信号が測定される。この測定ビート信号はサンプリング装置１４に入力され、トリガ発生器１５からのトリガ信号に同期して、ｔ₁秒間デジタルデータとしてサンプリングされて演算処理装置１６に入力される。

演算処理装置１６の処理手順について、図３に示すフローチャートを参照して説明する。
まず、予め一定時間ずつシフトされたΔｔ秒のｎ個の区分を設定しておく（ステップＳ１）。ｔ₁秒間サンプリングされた測定ビート信号が入力されると（ステップＳ２）、Δｔ秒ごとのｎ個の区分におけるデータ群（Data 1, Data 2, …, Data n）として再構築し（ステップＳ３）、それぞれのデータ群に対して並列的にフーリエ解析を施してｎ個のスペクトルを求める（ステップＳ４）。

ここで、測定時間幅Δｔ、周波数掃引幅Δｆによるｎ区分は一部重複させておき（Δｔ＞ｔ₁／ｎ、Δｆ＞Ｆ／ｎ）、ｔ₁秒間サンプリングされた信号全てが演算に供されるようにする。
このようにして得られたｎ個のスペクトルを前述の加算平均法を用いて加算平均し（ステップＳ５）、これによって得られた反射光および後方散乱光の強度分布波形から測定対象１３の損失分布算出や故障点の特定を求める（ステップＳ６）。すなわち、加算平均法を実用的に利用できるので、フェーディングノイズを低減した最終的な反射光および後方散乱光の強度分布波形が得られ、測定対象１３内の任意の位置での反射光および後方散乱光強度から、測定対象の損失分布や故障点の特定を精度よく求めることができる。

図４に従来の手法と本発明による手法の周波数掃引の仕方を比較して示す（但し、ｎ＝４の場合）。図４（ａ）は従来の手法（非特許文献２参照）の周波数掃引例、図４（ｂ）は本発明による手法の周波数掃引例を示している。従来の手法においてはｎ個のデータ群を得るのにｎ回の掃引及び測定が必要であるのに対し、本発明の手法ではただ一度の周波数掃引及び測定を実施して、得られたデータを再構築してｎ個のデータ群を得ればよい。ｎは任意であるが、図５に示すように、多いほうがフェーディングノイズを低減することができる。

したがって、上記実施形態の構成による測定装置によれば、総測定時間が大幅に短縮するという効果が得られ、周波数平均法を実用レベルに実現し、高精度のリフレクトメトリを達成することができる。また、光源の光周波数掃引を繰り返し実行する必要がなくなることから、その掃引速度も無理に速める必要がなくなり、実現できるレベルまで減少させることができる。

なお、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより種々の発明を形成することができる。例えば、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１…周波数掃引光源（レーザ光源）、１２…測定干渉計、１２１，１２２…光カプラ、１３…測定対象、１４…サンプリング装置、１５…トリガ発生器、１６…演算処理装置。

Claims

光周波数を時間に対して一定の割合で掃引される光波を二分岐し、
一方の分岐光を測定対象に入射してその反射光及び後方散乱光を他方の分岐光による局発光と合波して干渉させ、その干渉波を光受信することでビート信号を測定し、
前記光波の掃引期間に前記測定ビート信号をサンプリングしてデジタルデータを生成し、
前記サンプリングされたビート信号の測定期間を一定時間幅で順次シフトした一定幅の複数の区分を設定し、前記サンプリングデータから前記複数の区分による複数のデータ群を構築し、
前記複数のデータ群それぞれに対してフーリエ解析を施し、
前記フーリエ解析によって得られた複数のスペクトルを加算平均することで測定対象における光波伝播方向の反射率分布を測定することを特徴とする光周波数領域反射測定方法。
前記構築された複数のデータ群それぞれに対してフーリエ解析を並列的に施すことを特徴とした請求項１に記載の光周波数領域反射測定方法。
光周波数を掃引する光源と、
前記光源からの出力光を入射して二分岐し、一方の分岐光を測定対象に入射してその反射光及び後方散乱光を入射し、他方の分岐光を局発光として測定対象からの反射光及び後方散乱光と合波して干渉させ、その干渉波を光受信することでビート信号を測定する測定光干渉計と、
前記光源を一定期間に渡って掃引させてその期間に前記光受信器で得られるビート信号をサンプリングしてデジタルデータを取得するサンプリング手段と、
前記サンプリングされたビート信号の測定期間を一定時間幅で順次シフトした一定幅の複数の区分を設定し、前記サンプリングデータから前記複数の区分による複数のデータ群を構築し、前記複数のデータ群それぞれに対してフーリエ解析を施し、前記フーリエ解析によって得られた複数のスペクトルを加算平均することで測定対象における光波伝播方向の反射率分布を測定する演算処理装置と
を具備することを特徴とする光周波数領域反射測定装置。
前記演算処理装置は、前記構築された複数のデータ群それぞれに対してフーリエ解析を並列的に施すことを特徴とする請求項３に記載の光周波数領域反射測定装置。