JP5222514B2

JP5222514B2 - 光ファイバ測定方法、光ファイバ測定システムおよび光ファイバ測定装置

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Publication number: JP5222514B2
Application number: JP2007250213A
Authority: JP
Inventors: 大輔飯田; 隆松井; 文彦伊藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2007-09-26
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2027-09-26
Also published as: JP2009080050A

Description

この発明は、光ファイバなどの光ファイバの歪み分布、および温度分布を測定する技術に関する。

光ファイバ線路の歪みや温度の異常を検出する測定方法として、Ｂ−ＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectmetry）が知られている（例えば特許文献１を参照）。この方法はブリルアン周波数シフトを利用するものである。すなわち光パルスを被測定光ファイバに入射される試験光と、参照光とに分岐し、このうち試験光を光ファイバ線路に入射する。試験光の後方ブリルアン散乱光と参照光とを合波することで、ビート信号が発生する。ビート信号は１０ＧＨｚほどの参照光と散乱光の周波数の差の値の周波数を持ち、ブリルアン周波数シフトを示す量である。入射から受光（すなわち光入射端までの再帰）までの時間を計測することで、光ファイバ線路内の各点でのブリルアン周波数シフトを測定することができる。このブリルアン周波数シフトは歪み分布、および温度分布により変化するので、ブリルアン周波数シフトを測定することにより光ファイバ中の歪み、温度分布を測定できる。以上がＢ−ＯＴＤＲの基本原理である。

ところで、Ｂ−ＯＴＤＲにより光ファイバの温度分布、あるいは歪み分布を測定するにあたり、測定されたブリルアン周波数シフトの変化が温度変化によるものか、あるいは歪みによるものかは分からない。つまり既存技術では温度分布による影響と歪みによる影響とを分離することができない。従って、被測定光ファイバの温度分布が一定であるか、または歪みが無いという状態のいずれかを維持しない限り、歪み分布および温度分布を測定することができない。
特開平３−１２０４３７号公報

以上述べたように既存の技術では、温度分布および歪みがブリルアン周波数シフトに及ぼす影響を分離することができない。このため温度分布を測定するには被測定光ファイバを歪みの無い状態に保ち、逆に歪み分布を測定するには温度分布を一定に保たねばならず、両方を計測するには二度手間がかかっている。
この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、光ファイバの温度分布と歪み分布とを一度に測定可能な光ファイバ測定方法、光ファイバ測定システムおよび光ファイバ測定装置を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の一態様によれば、測定対象の光ファイバに入射された光の後方ブリルアン散乱光を観測し、前記光の入射から再帰までの時間を前記光ファイバの長手方向の位置に対応付けて前記光ファイバの特性の分布を測定する光ファイバ測定方法において、測定対象とする経路に沿って主光ファイバを設置し、この主光ファイバに対しブリルアン周波数シフトの温度依存性係数および歪み依存性係数の少なくともいずれかが異なる副光ファイバを、前記主光ファイバと並列に同じ環境下で設置し、光源の出力光を参照光と試験光とに分岐し、前記試験光をパルス変調して前記主光ファイバと前記副光ファイバとに入射し、前記主光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光および前記副光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光を前記参照光と合波してヘテロダイン検波し、このヘテロダイン検波により得られる周波数スペクトルから前記主光ファイバで生じるブリルアン周波数シフトΔｆ₁と前記副光ファイバで生じるブリルアン周波数シフトΔｆ₂とを算出し、前記主光ファイバと前記副光ファイバとの各位置における温度変化量をΔＴ、歪みをΔεとし、前記主光ファイバのブリルアン周波数シフトの温度依存性係数をＣ_T1、歪み依存性係数をＣ_ε1とし、前記副光ファイバのブリルアン周波数シフトの温度依存性係数をＣ_T2、歪み依存性係数をＣ_ε2としたとき、次式（１）をΔＴ，Δεについて解いて前記主光ファイバの温度分布および歪み分布を算出することを特徴とする光ファイバ測定方法が提供される。

このような手段を講じることにより、主光ファイバと副光ファイバとは、同じ温度分布と、同じ歪み分布を持つ。この両ファイバに対して同じ試験光に基づくＢ−ＯＴＤＲ測定を実施することで、それぞれの光ファイバごとにブリルアン周波数シフトを得ることができる。主光ファイバのブリルアン周波数シフトΔｆ₁は温度および歪みの影響を受け、各係数を用いてΔｆ₁＝Ｃ_T1・ΔＴ＋Ｃ_ε1・Δεなる関係式が成り立つ。

このままではこの式を解くことはできない。そこで発明者は、温度分布と歪み分布とを共通にするもう１本の光ファイバを設ければさらにもう１つの式を立てられることに着眼して、副光ファイバを主光ファイバと並列に設置するという手段を講じた。この副光ファイバについてはΔｆ2＝Ｃ_T2・ΔＴ＋Ｃ_ε2・Δεなる関係式が成り立つ。これらの式を連立させることでΔＴおよびΔεを算出することができ、主光ファイバ（副光ファイバ）の温度分布および歪み分布を測定することが可能になる。

ここまでの過程で、試験光の入射から測定に至るまでの手順は、ただの一度で済む。つまり２本の光ファイバに同時に試験光を入射してその戻り光を観測することで、温度と歪みとの双方の特性を得られる。従って光ファイバの温度分布と歪み分布とを一度に測定することが可能になる。

この発明によれば、光ファイバの温度分布と歪み分布とを一度に測定可能な光ファイバ測定方法、光ファイバ測定システムおよび光ファイバ測定装置を提供することができる。

図１は、この発明に関わる光ファイバ測定システムの実施の形態を示す図である。図１においてレーザ光源１の出力光は光分岐部３により２分岐され、一方は試験光として被測定系へ、他方は参照光としてデータ処理系にそれぞれ入射される。このうち試験光はパルス変調器８により外部変調され、パルス状の試験光が光合分波部４に入射される。

光合分波部４の出力端には２本の光ファイバ６，７が接続される。これらはいずれもＢ−ＯＴＤＲの測定対象となる被測定光ファイバであり、この実施形態の特徴は２本の光ファイバを並列に設置して両方のブリルアン後方散乱を観測する点にある。これらの光ファイバは並列に設置されるので同じ温度環境下にある。区別のため光ファイバ６を主光ファイバ６、光ファイバ７を副光ファイバ７と称する。両ファイバのいずれも実際の情報伝送の用途に用いることができる。

主光ファイバ６、副光ファイバ７の長さは同じであり、また両者とも互いに同じ環境下に置かれるものの、個別的には互いに異なる特性を持つ。具体的には、主光ファイバ６、副光ファイバ７はそのブリルアン周波数シフトに及ぼす温度依存性係数、歪み依存性係数が、互いに異なる。このような特性は、コアにドープされる元素の異なる光ファイバを用いることで容易に実現できる。例えば一方の光ファイバをＧｅドープ型とし、他方をＳｉドープ型とすればよい。要するにブリルアン周波数シフトの絶対値が異なる光ファイバを用いればよい。

図２に示すように、パルス変調器８からの試験光（図中実線矢印）は光合分波部４を介して主光ファイバ６および副光ファイバ７に入射される。そうすると両ファイバにおいて後方ブリルアン散乱光（図中点線矢印）が生じる。この後方ブリルアン散乱光は光合分波部４に再帰したのち光カプラ５に導かれて参照光と合波され、観測部２０に入射される。図３は、光合分波部４の一例を示すブロック図である。パルス変調器８からの試験光は光スプリッタ４１で２分岐されて光サーキュレータ４２，４３を介して主光ファイバ６、副光ファイバ７に入射される。逆に主光ファイバ６、副光ファイバ７からの後方ブリルアン散乱光はそれぞれ光サーキュレータ４２，４３を介して光カプラ４４で合波され、光カプラ５に導かれる。

すなわち図１の光カプラ５では、参照光と後方ブリルアン散乱光との周波数差（νＢ）に応じた干渉光が生じる。この干渉光は観測部２０の、フォトダイオードなどの受光部（ＰＤ）２により光／電気変換されてビート信号が取り出される。このビート信号は増幅器２２により増幅されたのちスペクトルアナライザ３０に入力され、ヘテロダイン検波される。

すなわちビート信号は、νＢに近い周波数信号を発生するローカルオシレータ（ＬＯ）２９の局部信号とミキサ２７により混合され、ベースバンド信号に変換される。このベースバンド信号からローパスフィルタ（ＬＰＦ）２８により不要波成分が除去され、これによりブリルアン周波数シフトνＢに基づくビート成分が抽出される。つまりブリルアン後方散乱光ν０±νＢと参照光ν０とを合波してヘテロダイン検波することにより、ブリルアン周波数シフトは周波数νＢのビート信号として検出される。このビート信号は各光ファイバ６，７で生じる後方ブリルアン散乱光の周波数スペクトル、すなわちブリルアン周波数シフトを反映する量である。得られたビート信号はＡ／Ｄ変換器３１によりディジタル変換され、制御部５０でのデータ処理に用いられる。

ところで制御部５０は、本実施形態に係わる処理機能としてシフト算出部５０ａと、特性算出部５０ｂとを備える。このうちシフト算出部５０ａは、各光ファイバ６，７に対応するビート信号からそれぞれの光ファイバ６，７で生じるブリルアン周波数シフトΔｆ_1，Δｆ₂を算出する。ブリルアン散乱光は、主光ファイバ６、副光ファイバ７のいずれにおいても温度分布と歪み分布との両方の影響を受ける。特性算出部５０ｂは、各位置のブリルアン周波数シフトから、主光ファイバ６、副光ファイバ７の温度分布と歪み分布とを算出する。以下に、その手順につき詳しく説明する。

図４は、この発明に関わる光ファイバ測定方法を示すフローチャートである。まず主光ファイバ６を所期の状態に設置し（ステップＳ１）、次にこの主光ファイバと並列に、副光ファイバ７を設置する（ステップＳ２）。この手順は逆順でももちろん良い。
次に、両方の光ファイバ６，７に試験光を入射してＢ−ＯＴＤＲ測定を行う（ステップＳ３）。このステップでは試験光のブリルアン散乱光スペクトルが、各光ファイバ６，７ごとにその長手方向の位置に対応付けて求められる。すなわちＢ−ＯＴＤＲ測定では、ブリルアン後方散乱光のスペクトル強度とともにその受信時間も観測される。試験光の入射から受信までにかかる時間は光信号の伝播経路の長さを反映するので、これを解析することで主光ファイバ６，副光ファイバ７で共通の測定位置を求めることができる。これらをもとにこのステップでは、ブリルアン周波数シフトΔｆ_1，Δｆ₂の分布が算出される。

次に、得られたΔｆ_1，Δｆ₂から、温度分布および歪み分布が算出される（ステップＳ４）。この演算にあたり、主光ファイバ６のブリルアン周波数シフトの温度依存性係数をＣ_T1とし、歪み依存性係数をＣ_ε1とする。また副光ファイバ７のブリルアン周波数シフトの温度依存性係数をＣ_T2とし、歪み依存性係数をＣ_ε2とする。

主光ファイバ６と副光ファイバ７とは並列に設置されているので、温度分布、および歪み分布は互いに同じである。従って各点における温度変化量をΔＴ、歪みをΔεとすると、ブリルアン周波数シフトは温度によるシフトと歪みによるシフトとの和で表される。つまり次の式が成り立つ。
Δｆ₁＝Ｃ_T1・ΔＴ＋Ｃ_ε1・Δε
Δｆ2＝Ｃ_T2・ΔＴ＋Ｃ_ε2・Δε
これらを連立させると次式（１）が成立する。

行列式（１）をΔＴ、Δεについて解くことにより、温度変化ΔＴと歪みΔεとを同時に求めることができる。各散乱位置でのスペクトルごとにこの計算を行うことで、温度分布と歪み分布とを一回の測定で同時に求めることが可能になる。
なお式（１）を解くにあたりＣ_T1≠Ｃ_T2またはＣ_ε1≠Ｃ_ε2であることが条件になる。つまり副ファイバ７は、温度依存性係数および歪み依存性係数の少なくともいずれかが主ファイバ６と異なる。

以上説明したようにこの実施形態では、２本の光ファイバ６，７を同じ環境下で並列に設置し、これらの光ファイバに同じ試験光を入射してＢ−ＯＴＤＲ測定を行い、各ファイバ６，７のブリルアン周波数シフトΔｆ₁，Δｆ₂を求める。各周波数シフトを、各光ファイバ６，７の温度依存性係数と温度変化との積、および歪み依存性係数と歪みとの積の代数和で表し、２つの式を立てて温度変化ΔＴおよび歪みΔεについて解くことにより、各ファイバ６，７の温度分布および歪み分布を算出することができる。

このようにしたので、ブリルアン周波数シフトの変化による温度・歪みの変化を一回のＢ−ＯＴＤＲ測定で測定することができるようになり、従ってブリルアン散乱光測定による温度測定・歪み測定をより簡易に行うことができる。また図１のシステムは、センサとして用いる光ファイバを２本にして並列に設置するだけで良いので簡易に構築することができ、従ってシステムの低コスト化を促せる。よってブリルアン散乱を用いた光ファイバセンサの実用性や、ひいては光ファイバを用いた温度分布や歪み分布の測定方法の実用性を広げるものとして応用が可能である。さらに、ブリルアン周波数シフトを用いた光ファイバ線路保守試験などの、その他のブリルアン散乱測定の応用に対しても利便性の向上を図ることができる。

なお、この発明は上記実施の形態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、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。

この発明に関わる光ファイバ測定システムの実施の形態を示す図。光合分波部４における光の伝播を示す模式図。光合分波部４の一例を示すブロック図。この発明に関わる光ファイバ測定方法を示すフローチャート。

符号の説明

１…レーザ光源、２…受光部、３…光分岐部、４…光合分波部、５…光カプラ、６…主光ファイバ、７…副光ファイバ、８…パルス変調器、４１…光スプリッタ、４２，４３…光サーキュレータ、４４…光カプラ、２０…観測部、２７…ミキサ、２８…ローパスフィルタ、２９…ローカルオシレータ、３０…スペクトラムアナライザ、３１…Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器

Claims

ブリルアン周波数シフトの温度依存性係数および歪み依存性係数を有する第１の光ファイバと、この第１の光ファイバに対し前記温度依存性係数および前記歪み依存性係数の少なくともいずれかが異なる第２の光ファイバとを、互いの端部が開放された状態で並列に同じ環境下で設置し、
前記第１および第２の光ファイバに同じ試験光を入射してＢ−ＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectmetry）測定を行い、
前記Ｂ−ＯＴＤＲ測定により、前記第１の光ファイバからの後方ブリルアン散乱光の周波数シフトと前記第２の光ファイバからの後方ブリルアン散乱光の周波数シフトとを求め、
前記第１の光ファイバの前記温度依存性係数および前記歪み依存性係数を係数とし各位置における温度変化と歪みとを変数とする、この第１の光ファイバのブリルアン周波数シフトを示す第１の式と、前記第２の光ファイバの前記温度依存性係数および前記歪み依存性係数を係数とし前記温度変化と前記歪みとを変数とする、この第２の光ファイバのブリルアン周波数シフトを示す第２の式とを前記温度変化と前記歪みとについて解いて、前記第１の光ファイバの温度分布および歪み分布を算出することを特徴とする光ファイバ測定方法。
測定対象の光ファイバに入射された光の後方ブリルアン散乱光を観測し、前記光の入射から再帰までの時間を前記光ファイバの長手方向の位置に対応付けて前記光ファイバの特性の分布を測定する光ファイバ測定方法において、
測定対象とする経路に沿って主光ファイバを設置し、
この主光ファイバに対しブリルアン周波数シフトの温度依存性係数および歪み依存性係数の少なくともいずれかが異なる副光ファイバを、前記主光ファイバと、互いの端部が開放された状態で並列に同じ環境下で設置し、
光源の出力光を参照光と試験光とに分岐し、
前記試験光をパルス変調して前記主光ファイバと前記副光ファイバとに入射し、
前記主光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光および前記副光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光を前記参照光と合波してヘテロダイン検波し、
このヘテロダイン検波により得られる周波数スペクトルから前記主光ファイバで生じるブリルアン周波数シフトΔｆ₁と前記副光ファイバで生じるブリルアン周波数シフトΔｆ₂とを算出し、
前記主光ファイバと前記副光ファイバとの各位置における温度変化量をΔＴ、歪みをΔεとし、前記主光ファイバのブリルアン周波数シフトの温度依存性係数をＣ_T1、歪み依存性係数をＣ_ε1とし、前記副光ファイバのブリルアン周波数シフトの温度依存性係数をＣ_T2、歪み依存性係数をＣ_ε2としたとき、次式（１）をΔＴ，Δεについて解いて前記主光ファイバの温度分布および歪み分布を算出することを特徴とする光ファイバ測定方法。
測定対象とする経路に沿って設置される主光ファイバと、
この主光ファイバと、互いの端部が開放された状態で並列に同じ環境下で設置され、当該主光ファイバに対しブリルアン周波数シフトの温度依存性係数および歪み依存性係数の少なくともいずれかが異なる副光ファイバと、
レーザ光源と、
このレーザ光源の出力光を分岐して試験光と参照光とを生成する光分岐部と、
前記試験光をパルス変調するパルス変調器と、
前記パルス変調された試験光を前記主光ファイバと前記副光ファイバとに入射し、前記主光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光と前記副光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光とを合波する光合分波部と、
この光合分波部で合波された光を前記参照光と合波する光カプラと、
この光カプラの出力光を光／電気変換してビート信号を出力する受光部と、
前記ビート信号から、前記主光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光の周波数スペクトルと前記副光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光の周波数スペクトルとを得る周波数解析部と、
前記主光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光の周波数スペクトルからこの主光ファイバで生じるブリルアン周波数シフトΔｆ₁を算出し、前記副光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光の周波数スペクトルからこの副光ファイバで生じるブリルアン周波数シフトΔｆ₂を算出するシフト算出部と、
前記主光ファイバと前記副光ファイバとの各位置における温度変化量をΔＴ、歪みをΔεとし、前記主光ファイバのブリルアン周波数シフトの温度依存性係数をＣ_T1、歪み依存性係数をＣ_ε1とし、前記副光ファイバのブリルアン周波数シフトの温度依存性係数をＣ_T2、歪み依存性係数をＣ_ε2としたとき、次式（１）をΔＴ，Δεについて解いて前記主光ファイバの温度分布および歪み分布を算出する特性算出部とを具備することを特徴とする光ファイバ測定システム。
測定対象とする経路に沿って設置される主光ファイバと、この主光ファイバと、互いの端部が開放された状態で並列に同じ環境下で設置され、当該主光ファイバに対しブリルアン周波数シフトの温度依存性係数および歪み依存性係数の少なくともいずれかが異なる副光ファイバとに接続して用いられる光ファイバ測定装置であって、
レーザ光源と、
このレーザ光源の出力光を分岐して試験光と参照光とを生成する光分岐部と、
前記試験光をパルス変調するパルス変調器と、
前記パルス変調された試験光を前記主光ファイバと前記副光ファイバとに入射し、前記主光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光と前記副光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光とを合波する光合分波部と、
この光合分波部で合波された光を前記参照光と合波する光カプラと、
この光カプラの出力光を光／電気変換してビート信号を出力する受光部と、
前記ビート信号から、前記主光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光の周波数スペクトルと前記副光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光の周波数スペクトルとを得る周波数解析部と、
前記主光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光の周波数スペクトルからこの主光ファイバで生じるブリルアン周波数シフトΔｆ₁を算出し、前記副光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光の周波数スペクトルからこの副光ファイバで生じるブリルアン周波数シフトΔｆ₂を算出するシフト算出部と、
前記主光ファイバと前記副光ファイバとの各位置における温度変化量をΔＴ、歪みをΔεとし、前記主光ファイバのブリルアン周波数シフトの温度依存性係数をＣ_T1、歪み依存性係数をＣ_ε1とし、前記副光ファイバのブリルアン周波数シフトの温度依存性係数をＣ_T2、歪み依存性係数をＣ_ε2としたとき、次式（１）をΔＴ，Δεについて解いて前記主光ファイバの温度分布および歪み分布を算出する特性算出部とを具備することを特徴とする光ファイバ測定装置。