JP5582473B2 - Optical frequency domain reflection measurement method and optical frequency domain reflection measurement apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、光部品や光伝送路からの反射光あるいは後方散乱光を高空間分解能で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。 The present invention relates to an optical frequency domain reflection measurement method capable of measuring reflected light or backscattered light from an optical component or an optical transmission line with high spatial resolution, and an optical frequency domain reflection measurement apparatus using this method.
光部品や光伝送路からの反射光および後方散乱光を高空間分解能で測定することが可能な手法として、非特許文献1に示すようなコヒーレント光を用いた光周波数領域反射(C−OFDR:Coherent Optical Frequency Domain Reflectometry)測定法がある。このC−OFDR測定法は、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、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。 As a technique capable of measuring reflected light and backscattered light from an optical component or an optical transmission line with high spatial resolution, optical frequency domain reflection (C-OFDR: using coherent light as shown in Non-Patent Document 1). Coherent Optical Frequency Domain Reflectometry). In this C-OFDR measurement method, coherent light frequency-swept is incident on a measurement object, reflected light and backscattered light from the measurement object, and pre-branched reference light are coherently detected, and measurement obtained thereby This is a technique that enables the identification of the loss distribution and the failure point of the measurement object by obtaining the reflected light and the backscattered light intensity at an arbitrary position in the measurement object by performing frequency analysis of the beat signal.
さらに、非特許文献2に示すように、参照干渉計を用いて光源のコヒーレンス特性をモニタしてそれをクロックとして測定ビート信号をリサンプリングすることで、レーザコヒーレンス長を越える領域においても、光源の位相揺らぎ(光源位相雑音)による反射スペクトルの広がりを補償し高精度な測定結果を得ることができるとされている。 Furthermore, as shown in Non-Patent Document 2, by monitoring the coherence characteristics of the light source using a reference interferometer and resampling the measurement beat signal using it as a clock, even in a region exceeding the laser coherence length, It is said that a highly accurate measurement result can be obtained by compensating for the spread of the reflection spectrum due to phase fluctuation (light source phase noise).
また、C−OFDRのようにコヒーレント検波を用いた測定においては、フェーディング雑音と呼ばれる雑音が測定波形上に現れる。フェーディング雑音は異なる位置での後方散乱光電界の不均一によって生じ、レイリー後方散乱光強度の揺らぎとして測定波形に重畳される。これにより、C−OFDRの測定精度は大きく劣化してしまう。 Further, in measurement using coherent detection like C-OFDR, noise called fading noise appears on the measurement waveform. Fading noise is caused by non-uniformity of the backscattered light electric field at different positions, and is superimposed on the measurement waveform as fluctuations in Rayleigh backscattered light intensity. Thereby, the measurement accuracy of C-OFDR is greatly deteriorated.
そこで、フェーディング雑音の低減のために、非特許文献3に示されるような周波数シフト平均法(FSAV:Frequency Shift Averaging Technique)が有効であることが知られている。このFSAVは測定毎に試験光の周波数(波長)を変化させて測定する処理を複数回実施し、測定毎に得られた波形を加算平均することで、フェーディング雑音を低減する方法である。 Therefore, it is known that a frequency shift averaging method (FSAV) as shown in Non-Patent Document 3 is effective for reducing fading noise. This FSAV is a method of reducing fading noise by performing a measurement process by changing the frequency (wavelength) of the test light a plurality of times for each measurement and averaging the waveforms obtained for each measurement.
各測定に用いる試験光の波長が異なるほどFSAVの効果は大きくなる。C−OFDRにおいてFSAVを効果的に用いるためには、単一のC−OFDR測定にて用いる周波数掃引範囲がFSAVのための各測定で重複しないように、試験光の波長を変えて測定する必要がある。したがって、C−OFDRにおいては、前述したように高分解能測定に広範囲な周波数掃引が必要であり、さらに、フェーディング雑音低減のためにそれ以上に試験光の周波数を変えて複数回の測定を実施する必要が生じる。このように、C−OFDRにおいて高分解能、長距離かつフェーディング雑音を低減した測定を実現するには、極めて広帯域な試験光を用いることになる。 The effect of FSAV increases as the wavelength of the test light used for each measurement is different. In order to use FSAV effectively in C-OFDR, it is necessary to change the wavelength of the test light so that the frequency sweep range used in a single C-OFDR measurement does not overlap in each measurement for FSAV. There is. Therefore, in C-OFDR, as described above, a wide frequency sweep is necessary for high-resolution measurement, and more than one measurement is performed by changing the frequency of the test light further to reduce fading noise. Need to do. Thus, in order to realize measurement with high resolution, long distance, and reduced fading noise in C-OFDR, extremely broadband test light is used.
しかし、既存の技術においてはこのような広帯域な試験光を用いた場合、測定対象が持つ波長分散(CD:Chromatic Dispersion)によって、各測定にて得られる反射点の位置がずれてしまい、それらを加算平均した際に波形広がりとなり、フェーディング雑音は低減するが分解能は劣化するという問題があった。 However, in the existing technology, when such a broadband test light is used, the position of the reflection point obtained in each measurement is shifted due to the chromatic dispersion (CD: Chromatic Dispersion) of the measurement object. When averaging is performed, the waveform becomes wider, fading noise is reduced, but the resolution is degraded.
以上のように、従来のC−OFDR測定方法では、高分解能、長距離かつフェーディング雑音を低減した測定を実現するためには、極めて広帯域な試験光を用いることになるが、既存の技術においてはこのような広帯域な試験光を用いた場合、測定対象が持つ波長分散によって、各測定にて得られる反射点の位置がずれてしまい、それらを加算平均した際に波形広がりとなり、フェーディング雑音は低減するが分解能は劣化してしまうという問題があった。 As described above, in the conventional C-OFDR measurement method, in order to realize measurement with high resolution, long distance, and fading noise reduction, an extremely wide band test light is used. When such a broadband test light is used, the position of the reflection point obtained by each measurement shifts due to the chromatic dispersion of the measurement object, and when they are added and averaged, the waveform spreads and fading noise occurs. However, there is a problem that the resolution is degraded.
本発明は、上記の事情を鑑みてなされたもので、広帯域な試験光を用いた際の波長分散による反射点のずれを補償することができ、低フェーディング雑音と高分解能性を両立した測定を行う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。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and can compensate for the deviation of the reflection point due to chromatic dispersion when using a wide-band test light, and achieves both low fading noise and high resolution. An object of the present invention is to provide an optical frequency domain reflection measurement method capable of performing the above and an optical frequency domain reflection measurement apparatus using this method.
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掃引する光源からの出力光を二分岐して参照干渉計及び測定干渉計にそれぞれ入射し、前記測定干渉計では前記光源からの出力光と該出力光を測定対象に入射させることにより得られる後方散乱光及び反射光との測定ビート信号を検出し、前記参照干渉計では前記光源からの出力光と該出力光を前記測定対象と同一の波長分散係数を持つ遅延手段で遅延させた光とのモニタビート信号を検出し、前記モニタビート信号の波形のサンプリングデータから、前記モニタビート信号の波形において0より大きくπ以下の範囲で任意に選定された一定の位相変化が生じる毎にその時間を求め、前記測定ビート信号の波形のサンプリングデータから前記測定ビート信号の前記一定の位相変化が生じる毎に求められた時間における値を数列として求め、当該数列に対してフーリエ変換を施し、測定対象における光波伝播方向の反射率を測定する。
In order to achieve the above object, the optical frequency domain reflection measurement method according to the present invention has the following configuration.
(1) The output light from the light source that sweeps the optical frequency with respect to time is bifurcated and is incident on the reference interferometer and the measurement interferometer, respectively. A measurement beat signal of backscattered light and reflected light obtained by being incident on a measurement object is detected, and the reference interferometer has the same wavelength dispersion coefficient as that of the measurement object for the output light from the light source and the output light. A monitor beat signal with the light delayed by the delay means is detected, and is selected from sampling data of the monitor beat signal waveform within a range of greater than 0 and less than or equal to π in the monitor beat signal waveform Each time a phase change occurs, the time is obtained, and from the sampling data of the waveform of the measurement beat signal, the time obtained every time the constant phase change of the measurement beat signal occurs Seeking takes values as sequence, Fourier-transform with respect to the sequence, measuring the reflectance of the light wave propagation direction in the measurement object.
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。
(2)光周波数を時間に対して掃引する光源と、前記光源からの出力光が入射され、入射された出力光と出力光を測定対象に入射させることにより得られる後方散乱光及び反射光との測定ビート信号を検出する測定干渉計と、前記光源からの出力光が入射され、入射された出力光と該出力光を前記測定対象と同一の波長分散係数を持つ遅延手段で遅延させた光とのモニタビート信号を検出する参照干渉計と、前記モニタビート信号及び前記測定ビート信号をそれぞれサンプリングするサンプリング手段と、前記サンプリング手段でサンプリングされたモニタビート信号の波形のサンプリングデータからこのモニタビート信号の波形において0より大きくπ以下の範囲で任意に選定された一定の位相変化が生じる毎にその時間を求め、前記測定ビート信号の波形のサンプリングデータからこのモニタビート信号の前記一定の位相変化が生じる毎に得られる時間における値を数列として求め、前記数列に対しフーリエ変換を施し、前記測定対象における光波伝播方向の反射率を測定する解析手段とを具備する。
Moreover, the optical frequency domain reflection measuring apparatus according to the present invention has the following configuration.
(2) A light source that sweeps the optical frequency with respect to time, backscattered light and reflected light obtained by making the output light from the light source incident, and making the incident output light and output light incident on the measurement object; A measurement interferometer for detecting the measurement beat signal, and an output light from the light source incident thereon, and the incident output light and the light delayed by the delay means having the same wavelength dispersion coefficient as the measurement object A reference interferometer for detecting the monitor beat signal, sampling means for sampling the monitor beat signal and the measurement beat signal, and the monitor beat signal from the sampling data of the waveform of the monitor beat signal sampled by the sampling means Each time a constant phase change arbitrarily selected in the range of greater than 0 and less than or equal to π occurs in the waveform of The value at the time obtained every time the constant phase change of the monitor beat signal occurs is obtained as a sequence from the sampling data of the waveform of the monitor signal, Fourier transform is applied to the sequence, and the light wave propagation direction in the measurement target is determined. Analyzing means for measuring the reflectance.
(3)前記遅延手段には、光ファイバを用いる。 (3) An optical fiber is used for the delay means.
以上のように、本発明は、C−OFDR測定において、広帯域な試験光を用いた際の波長分散による反射点のずれを補償するものである。具体的には、被測定対象(例えば光ファイバ)と同一の波長分散係数を有する遅延手段(例えば光ファイバ)からなる参照干渉計を用いて測定信号をリサンプリングすることで、波長分散による反射点位置のずれ(加算平均後の反射波形広がり)を補償するものである。これにより、低フェーディング雑音と高分解能を両立したC−OFDRを行うことが可能となる。 As described above, the present invention compensates for the deviation of the reflection point due to chromatic dispersion when using broadband test light in C-OFDR measurement. Specifically, the reflection point due to chromatic dispersion is obtained by resampling the measurement signal using a reference interferometer comprising a delay means (eg, optical fiber) having the same chromatic dispersion coefficient as the object to be measured (eg optical fiber) It compensates for the position shift (the reflection waveform spread after addition averaging). This makes it possible to perform C-OFDR that achieves both low fading noise and high resolution.
したがって、本発明によれば、広帯域な試験光を用いた際の波長分散による反射点のずれを補償することができ、低フェーディング雑音と高分解能性を両立した測定を行う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。 Therefore, according to the present invention, it is possible to compensate for the deviation of the reflection point due to the chromatic dispersion when using the broadband test light, and to perform the measurement that achieves both low fading noise and high resolution. A frequency domain reflection measurement method and an optical frequency domain reflection measurement apparatus using the method can be provided.
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C−OFDR測定法によるC−OFDR測定装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。図1において、波長可変光源11からの出力光は、初段の光方向性結合器12により2分岐される。一方の出力光は測定干渉計に入射される。この測定干渉計では、次段の光方向性結合器13により2分岐され、一方はローカル光として用いられ、他方は被測定対象14に試験光として入射される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a C-OFDR measurement apparatus using a C-OFDR measurement method according to the present invention. In FIG. 1, the output light from the wavelength
被測定対象14の内部で後方散乱された反射光は光方向性結合器13により取り出され、光方向性結合器15によりローカル光と合波された後、光受信器16により検波される。このとき、サンプリング装置17により、2光波の干渉により生じる干渉ビート信号をサンプリングし、測定したデータを光周波数解析装置18にて解析することにより、被測定対象14内の後方散乱光強度分布が測定される。
The reflected light backscattered inside the measurement object 14 is extracted by the optical
一方、初段の光方向性結合器12により分岐された出力光は、参照干渉計に入射される。この参照干渉計では、光方向性結合器19により2分岐される。このうち、一方の出力光は参照光として光方向性結合器20に送られ、他方の出力光は被測定対象14と同等のCD係数を持つ遅延ファイバ21に通され、光方向性結合器20により参照光と合波された後、光受信器22により検波される。このとき、上記サンプリング装置17により、2光波の干渉により生じる干渉ビート信号をサンプリングし、測定したデータを光周波数解析装置18にて解析し、被測定対象14内の後方散乱光強度分布の測定結果の比較対象とする。
On the other hand, the output light branched by the first-stage optical
上記実施形態において、まず、図2乃至図4を参照して、通常、波長の異なる試験光にて測定を実施した場合、同一地点からの反射光を観測しているにもかかわらず、CDによって反射波形の位置がずれることを説明する。
図2は図1に示す測定装置の測定干渉計、すなわち次段の光方向性結合器13以降の構成を示すもので、ここでは波長可変光源11からの出力光が試験光としてある一つの反射点を有する被測定対象14に入射されるものとし、異なる波長(λ1 およびλ2 )で2回の測定を実施する場合を考える。尚、図2において、aは測定波長λ1 でのCDによる遅延時間τCDFUTλ1、bは測定波長λ2 でのCDによる遅延時間τCDFUTλ2 、cは測定波長λ1 で得られるビート周波数fbλ1 、dは測定波長λ2 で得られるビート周波数fbλ2示している。
In the above embodiment, referring to FIG. 2 to FIG. 4, normally, when measurement is performed with test light having different wavelengths, the reflected light from the same point is observed with the CD. The fact that the position of the reflected waveform is shifted will be described.
FIG. 2 shows a configuration after the measurement interferometer of the measurement apparatus shown in FIG. 1, that is, the optical
C−OFDRでは、波長可変光源11において、出力光の光周波数を図3に示すように周波数掃引し、光方向性結合器13で、ローカル光と被測定対象14に入射する試験光に分岐し、被測定対象14内の後方散乱された反射光を光方向性結合器13で取り出し、光方向性結合器15でローカル光と反射光を合波して光受信器16で検波する。このとき、検波出力にはローカル光と反射光の合波によりビート信号が生じている。そのビート信号を時間方向にサンプリングして周波数解析した後、その周波数を測定距離に換算して反射率分布を得る。
In the C-OFDR, the wavelength
ここで、被測定対象14がCDを持つ場合、図4に示すように、測定波長λによって合波されまでの遅延時間が異なる。これは、同一地点からの反射光を観測していても測定波長λによって得られるビート周波数fbλ1,fbλ2が異なることを意味する。つまり、測定波長が異なる場合、同一反射点を観測しているにも関わらず、反射位置がずれてしまい、それを加算平均すると波形広がりになる。 Here, when the object 14 to be measured has a CD, as shown in FIG. 4, the delay time until it is multiplexed differs depending on the measurement wavelength λ. This means that even if the reflected light from the same point is observed, the beat frequencies f bλ1 and f bλ2 obtained by the measurement wavelength λ are different. That is, when the measurement wavelengths are different, the reflection position is shifted despite the same reflection point being observed, and the waveform is broadened by averaging the reflection positions.
上記の問題について、数式を用いて詳細に説明する。
C−OFDR測定において周波数掃引された光波の電界E(t)は以下のように表される。
The above problem will be described in detail using mathematical expressions.
The electric field E (t) of the light wave swept in the C-OFDR measurement is expressed as follows.
次に、FUT14内のある一点からの反射光とローカル光のビート信号について考える。この時、反射光はFUT14からの往復時間τFUTとは別に、FUT14のCDによる遅延τCDFUTを受けるとすると、ビート信号は以下の式で表される。 Next, let us consider a beat signal of reflected light and local light from a certain point in the FUT 14. At this time, if the reflected light receives the delay τ CDFUT due to the CD of the FUT 14 separately from the round-trip time τ FUT from the FUT 14 , the beat signal is expressed by the following equation.
以上、通常のC−OFDRにて、フェーディング雑音を低減するためにFSAVを用いた場合、CDによって反射波形が広がることを数式を用いて説明した。
次に、参照干渉計を用いてC−OFDR測定を実施した場合に、CDによるビート周波数のずれが補償されることを数式を用いて説明する。
As described above, in the normal C-OFDR, when the FSAV is used to reduce the fading noise, the reflection waveform is widened by the CD.
Next, it will be described using mathematical formulas that a beat frequency shift due to CD is compensated when C-OFDR measurement is performed using a reference interferometer.
図1に示すように、通常のC−OFDRに参照干渉計を追加した構成にてC−OFDR測定を実施することを考える。参照干渉計によって得られるビート信号は以下のように表される。 Consider performing C-OFDR measurement with a configuration in which a reference interferometer is added to normal C-OFDR as shown in FIG. The beat signal obtained by the reference interferometer is expressed as follows.
したがって、本実施形態によるC−OFDR測定装置によれば、広帯域な試験光を用いた際の波長分散による反射点のずれを補償することができ、低フェーディング雑音と高分解能性を両立した測定を行うことができる。
尚、上記実施形態では、参照干渉計の遅延手段および被測定対象として光ファイバを例に挙げたが、被測定対象と参照干渉計の遅延手段におけるCD係数が同一であれば、光ファイバに限らず、上記の効果が得られることは自明である。また、非特許文献2にあるような、光源位相雑音の補償手段として参照干渉計を用いる際においても、本手法を適用可能であることは自明である。
Therefore, according to the C-OFDR measurement apparatus according to the present embodiment, it is possible to compensate for the deviation of the reflection point due to chromatic dispersion when using a wide-band test light, and to achieve both low fading noise and high resolution. It can be performed.
In the above embodiment, the optical fiber is taken as an example of the delay means of the reference interferometer and the object to be measured. However, if the CD coefficients of the object to be measured and the delay means of the reference interferometer are the same, the optical fiber is limited. It is obvious that the above effect can be obtained. Further, it is obvious that this method can be applied even when the reference interferometer is used as the light source phase noise compensation means as described in Non-Patent Document 2.
その他、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合せにより種々の発明を形成できる。また、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良い。更に、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。 In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Moreover, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. In addition, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, you may combine the component covering different embodiment suitably.
11…波長可変光源、12…初段光方向性結合器、13…次段光方向性結合器、14…被測定対象(FUT)、15…光方向性結合器、16…光受信器、17…サンプリング装置、18…光周波数解析装置、19,20…光方向性結合器、21…遅延ファイバ、22…光受信器。
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記測定干渉計では前記光源からの出力光と該出力光を測定対象に入射させることにより得られる後方散乱光及び反射光との測定ビート信号を検出し、
前記参照干渉計では前記光源からの出力光と該出力光を前記測定対象と同一の波長分散係数を持つ遅延手段で遅延させた光とのモニタビート信号を検出し、
前記モニタビート信号の波形のサンプリングデータから、前記モニタビート信号の波形において0より大きくπ以下の範囲で任意に選定された一定の位相変化が生じる毎にその時間を求め、
前記測定ビート信号の波形のサンプリングデータから前記測定ビート信号の前記一定の位相変化が生じる毎に求められた時間における値を数列として求め、
当該数列に対してフーリエ変換を施し、測定対象における光波伝播方向の反射率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。 Bifurcate the output light from the light source that sweeps the optical frequency with respect to time, and enter the reference interferometer and the measurement interferometer, respectively.
The measurement interferometer detects a measurement beat signal of output light from the light source and backscattered light and reflected light obtained by making the output light incident on a measurement target,
The reference interferometer detects a monitor beat signal between the output light from the light source and the light obtained by delaying the output light by a delay unit having the same wavelength dispersion coefficient as the measurement target,
From the sampling data of the waveform of the monitor beat signal, the time is obtained each time a constant phase change arbitrarily selected in the range of greater than 0 and less than or equal to π occurs in the waveform of the monitor beat signal,
Obtain a value at a time determined every time the constant phase change of the measurement beat signal occurs from the sampling data of the waveform of the measurement beat signal as a sequence,
An optical frequency domain reflection measurement method comprising performing Fourier transform on the sequence and measuring a reflectance in a light wave propagation direction in a measurement target.
前記光源からの出力光が入射され、入射された出力光と出力光を測定対象に入射させることにより得られる後方散乱光及び反射光との測定ビート信号を検出する測定干渉計と、
前記光源からの出力光が入射され、入射された出力光と該出力光を前記測定対象と同一の波長分散係数を持つ遅延手段で遅延させた光とのモニタビート信号を検出する参照干渉計と、
前記モニタビート信号及び前記測定ビート信号をそれぞれサンプリングするサンプリング手段と、
前記サンプリング手段でサンプリングされたモニタビート信号の波形のサンプリングデータからこのモニタビート信号の波形において0より大きくπ以下の範囲で任意に選定された一定の位相変化が生じる毎にその時間を求め、前記測定ビート信号の波形のサンプリングデータからこのモニタビート信号の前記一定の位相変化が生じる毎に得られる時間における値を数列として求め、前記数列に対しフーリエ変換を施し、前記測定対象における光波伝播方向の反射率を測定する解析手段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。 A light source that sweeps the optical frequency over time;
A measurement interferometer for detecting a measurement beat signal of backscattered light and reflected light obtained by making the output light from the light source incident and making the incident output light and output light incident on a measurement object;
A reference interferometer for detecting a monitor beat signal of the output light from the light source and the incident output light and the light obtained by delaying the output light by a delay unit having the same wavelength dispersion coefficient as the measurement target; ,
Sampling means for sampling the monitor beat signal and the measurement beat signal,
From the sampling data of the waveform of the monitor beat signal sampled by the sampling means, every time a constant phase change arbitrarily selected in the range of greater than 0 and less than π occurs in the waveform of the monitor beat signal, the time is obtained, From the sampling data of the waveform of the measurement beat signal, a value at a time obtained each time the constant phase change of the monitor beat signal occurs is obtained as a number sequence, Fourier transform is performed on the number sequence, and the light wave propagation direction in the measurement target is calculated. An optical frequency domain reflection measuring apparatus comprising: an analyzing means for measuring reflectance.
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