JP6085573B2 - 分岐光線路の特性解析装置および分岐光線路の特性解析方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバを分岐する光スプリッタの下流側の光ファイバ（以下では分岐光線路と称する）の特性を、光スプリッタの上流側から解析する技術に関する。

光センシングは構造物の周辺の歪みや温度変化をモニタリングする技術である。非特許文献１に記載のブリルアンＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）や、非特許文献２に記載のＢＯＣＤＡ（Brillouin Optical Correlation - domain analysis）などが知られている。非特許文献３に記載の、ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）を配置する方法も提案されている。

ＦＴＴＨ（Fiber to the Home）を志向する光通信分野では、ＰＯＮ（Passive Optical Network）型ネットワークにおける分岐光線路の特性（損失など）を個別にモニタリングしたいというニーズがある。関連技術が非特許文献４に開示される。非特許文献４に示される技術は、光スプリッタの上流側の光ファイバにプローブ光パルスとポンプ光パルスとを入射し、両光パルスの衝突位置でのブリルアン利得を解析して分岐光線路の特性分布を個別に測定するという技術である。さらに、関連する技術が非特許文献５にも開示される。

H. Ohno, H. Naruse, M. Kihara, and A. Shimada, "Industrial Applications of the BOTDR Optical Fiber Strain Sensor," Optical Fiber Technology 7, 45-64,(2001). K. Hotate and T. Hasegawa, IEICE Trans. Electron. E83-C, 405, (2000). Y.J. Rao, "Recent progress in applications of in-fibre Bragg grating sensors," Optics and Lasers in Engineering 31, 297-324, (1999). H. Takahashi, F. Ito, C. Kito, and K. Toge, "Individual loss distribution measurement in 32-branched PON using pulsed pump-probe Brillouin Analysis," Optics Express, Vol.21, No.6, 6739, (2013). H. Takahashi, K. Toge, C. Kito, and F. Ito, "Individual PON Monitoring Using maintenance Band Pulsed Pump-Probe Brillouin Analysis," 2013 18th OECC, ThP1-4, (2013).

非特許文献４および５に示される技術では、被測定光ファイバに一対のプローブ光パルスとポンプ光パルス（以下、パルス対と称する）が入射された後は、このパルス対が被測定光ファイバから排出されるのを待たねばならない。つまり第１波のパルス対を被測定光ファイバに入射後このパルス対が被測定光ファイバから消滅するまで、第２波以降のパルス対を被測定光ファイバに入射することができない。これは、プローブ光とポンプ光とが光ファイバ内で多重に衝突するとブリルアン利得ピークから正確な特性分布情報を取得できなくなるからで、よって測定に時間のかかることがネックである。

しかも非特許文献４および５に示される技術では、ＳＮ比（信号対雑音比）を改善するために数万回のオーダで計測を繰り返して平均値を求めるようにしているので、必要な時間はますます長くなる。まして被測定線路が長いケースや分解能向上のため測定点を多点化したケースにおいては結果を得られるまでの時間はさらに長くなるので、抜本的な対処を求められている。

この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、分岐光線路の個別の特性分布を高速で測定することの可能な分岐光線路の特性解析装置および分岐光線路の特性解析方法を提供することにある。

本発明に係る分岐光線路の特性解析装置は、例えば以下のような態様とする。
（１） 特性解析装置は、光スプリッタに接続される複数の分岐光線路に入射される試験光パルスを発生する試験光パルス発生部と、入射された試験光パルスに由来する戻り光パルスを受光して電気信号を発生する受光部と、電気信号を処理する信号処理部とを具備する。試験光パルス発生部は、光周波数の等しいＸ個（Ｘは２以上の自然数）のプローブ光パルスを発生するプローブ光パルス発生部と、複数の分岐光線路の遠端でそれぞれ反射されたＸ個のプローブ光パルスに分岐光線路内で対向伝搬して衝突時にプローブ光パルスとインタラクションするポンプ光パルスを発生するポンプ光パルス発生部と、受光された戻り光パルス同士の干渉を防止すべくＸ個のプローブ光パルスのパルス間隔を制御する制御部とを備える。信号処理部は、電気信号を解析して得られる戻り光パルスのブリルアン（Brillouin）利得スペクトル分布に基づいて複数の分岐光線路の特性を個別に解析する。

（２） 特性解析装置は、（１）において、最長の分岐光線路と最短の分岐光線路との長さの差をΔＬ_ｍａｘとし、プローブ光パルスのパルス幅をτ_{ｐｒｏｂｅ}とし、光ファイバ中の光速をνとし、隣り合うプローブ光パルスの入射時間差をＴ_ｓとしたとき、制御部は、Ｔ_ｓ≧τ_{ｐｒｏｂｅ}＋２ΔＬ_ｍａｘ／νを満たすべくＸ個のプローブ光パルスのパルス間隔を制御する。

（３） 特性解析装置は、（１）において、ポンプ光パルスの光周波数をｆ_０とし、既定の設定ブリルアン周波数シフトをｆ_Ｂとしたとき、プローブ光パルス発生部は、光周波数（ｆ_０−ｆ_Ｂ）のプローブ光パルスを発生する。

（４） 特性解析装置は、（１）において、信号処理部が、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの光周波数差を変化させ、戻り光パルスの光強度から得られる距離毎のブリルアン利得スペクトルの最大値を取るブリルアン周波数シフト量に基づいて、当該ブリルアン周波数シフト量の変化に寄与する物理量の特性分布を複数の分岐光線路毎に取得する。

また、本発明に係る分岐光線路の特性解析方法は、例えば以下のような態様とする。
（５） 特性解析方法は、光スプリッタに接続される複数の分岐光線路に試験光パルスを入射し試験光パルスに由来する戻り光パルスを受光する、分岐光線路の特性解析方法において、光周波数の等しいＸ個（Ｘは２以上の自然数）のプローブ光パルスを発生することと、受光された戻り光パルス同士の干渉を防止すべくＸ個のプローブ光パルスのパルス間隔を制御することと、Ｘ個のプローブ光パルスを入射することと、複数の分岐光線路の遠端でそれぞれ反射されたＸ個のプローブ光パルスに分岐光線路内で対向伝搬し衝突時にプローブ光パルスとインタラクションするポンプ光パルスを発生することと、Ｘ個のプローブ光パルスが入射された後にポンプ光パルスを入射することと、受光された戻り光パルスを電気信号に変換することと、電気信号を解析して得られる戻り光パルスのブリルアン（Brillouin）利得スペクトル分布に基づいて複数の分岐光線路の特性を個別に解析することとを具備することを特徴とする。

（６） 特性解析方法は、（５）において、最長の分岐光線路と最短の分岐光線路との長さの差をΔＬ_ｍａｘとし、プローブ光パルスのパルス幅をτ_{ｐｒｏｂｅ}とし、光ファイバ中の光速をνとし、隣り合うプローブ光パルスの入射時間差をＴ_ｓとしたとき、制御することは、Ｔ_ｓ≧τ_{ｐｒｏｂｅ}＋２ΔＬ_ｍａｘ／νを満たすべくＸ個のプローブ光パルスのパルス間隔を制御する。

（７） 特性解析方法は、（５）において、ポンプ光パルスの光周波数をｆ_０とし、既定の設定ブリルアン周波数シフトをｆ_Ｂとしたとき、プローブ光パルスを発生することは、光周波数（ｆ_０−ｆ_Ｂ）のプローブ光パルスを発生する。

（８） 特性解析方法は、（５）において、解析することが、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの光周波数差を変化させ、戻り光パルスの光強度から得られる距離毎のブリルアン利得スペクトルの最大値を取るブリルアン周波数シフト量に基づいて、当該ブリルアン周波数シフト量の変化に寄与する物理量の特性分布を複数の分岐光線路毎に取得する。

本発明によれば、分岐光線路の個別の特性分布を高速で測定することの可能な分岐光線路の特性解析装置および分岐光線路の特性解析方法を提供することが可能になる。

図１は、実施形態に係る特性解析装置の一例を示すブロック図である。 図２は、実施形態に係る特性解析装置による測定手順の一例を示すフローチャートである。 図３は、実施形態における解析の手順の一例を示す模式図である。 図４は、分岐光線路毎のブリルアン利得スペクトル分布を示す図である。

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に示される実施の形態は一例であり、本発明は以下の実施の形態に制限されるものではない。
図１は、実施形態に係る特性解析装置の一例を示すブロック図である。図１に示される特性解析装置は、被測定光ファイバ２３に試験光を入射し、その戻り光を解析して被測定光ファイバ２３の光線路特性を解析することが可能である。光線路特性は、例えば、距離に対する光減衰量、曲げ障害の位置、曲げの程度、断線障害の位置、距離に対する温度変化量などである。試験光には２種類あり、一方はプローブ光と称される。他方はポンプ光と称され、プローブ光と対向伝搬してプローブ光にブリルアン利得を与える。

プローブ光をパルス化してプローブ光パルスが得られる。ポンプ光をパルス化してポンプ光パルスが得られる。分岐光線路の遠端で反射されポンプ光パルスによるブリルアン増幅を受けて戻るプローブ光パルスを、戻り光パルスと称する。

図１において、レーザ光源１１から出力される連続光は分岐素子１２で２分岐され、一方は光周波数シフタ１３および光パルス化装置１６を経てプローブ光パルス（第１試験光）となる。他方は光パルス化装置１８を経てポンプ光パルス（第２試験光）となる。

ＬｉＮｂＯ_３を用いた位相変調器、あるいはＳＳＢ（Single Side Band）変調器などを光周波数シフタ１３として用いることができる。この種の変調器にオシレータ１４から正弦波を与え、正弦波の周波数に応じて変調側波帯の周波数を変化させてプローブ光を外部変調し、周波数シフトを与えることができる。光周波数シフタ１３は、プローブ光の光周波数を既定の設定ブリルアン周波数シフトｆ_Ｂだけ変化させる。

周波数シフトを受けたプローブ光は、入射時間制御部１５の制御に基づいて光パルス化装置１６でパルス化される。実施形態では特に、光周波数の等しい複数のプローブ光パルスを発生させる。ポンプ光は、入射時間制御部１７の制御に基づいて光パルス化装置１８でパルス化される。光パルス化装置１６，１８は、例えば音響光学素子をパルス駆動する音響光学スイッチ、あるいはＬｉＮｂＯ_３を用いた電気光学素子をパルス駆動する導波路スイッチなどを用いることができる。つまり光デバイス（音響光学変調器やＬｉＮｂＯ_３変調器）を電気パルスで変調すれば光パルスを得られる。電気パルスで駆動された時間に応じて連続光がパルス化される。

入射時間制御部１５，１７は、複数の分岐光線路からの戻り光パルス同士が干渉することを防止するために、複数のプローブ光パルスのパルス間隔を制御する。つまり入射時間制御部１５，１７は、プローブ光パルスが被測定光ファイバ２３に入射される時間（タイミング）とポンプ光パルスが被測定光ファイバ２３に入射される時間（タイミング）とに、時間差を与える。

入射時間制御部１５，１７は、例えば光パルス化装置１６，１８を駆動する電気パルスの変調時間を変化させることで実施可能である。上記光デバイスを変調するタイミングを変化させることで光パルスの生成されるタイミングを制御することができる。光パルス化装置１６，１８の各出力光を合波素子２１で合波すれば、入射時間の異なるプローブ光パルス列（複数のプローブ光パルス）およびポンプ光パルスを生成することが可能となる。光パルス化装置１６，１８に与えられる電気パルスのうち一方の電圧をゼロにすれば、プローブ光パルスまたはポンプ光パルスの一方だけを入射することも可能となる。

光パルス化装置１６からのプローブ光パルスは光アンプ１９で測定に必要なレベルにまで増幅され、合波素子２１に入射される。光パルス化装置１８からのポンプ光パルスは光アンプ２０で測定に必要なレベルにまで増幅され、合波素子２１に入射される。プローブ光およびポンプ光は合波素子２１から光サーキュレータ２２を介して基幹光ファイバ２３０に入射され、さらに被測定光ファイバ２３に入射される。被測定光ファイバ２３は、光スプリッタ２３１と、光スプリッタ２３１の分岐下流側の分岐光線路２３２ｉ（ｉは１〜Ｎの自然数）とを備える。各分岐光線路２３２ｉはその終端に光反射フィルタ２３３ｉを有する。なお終端面が十分な反射率を有していれば光反射フィルタ２３３ｉを省略してもよい。

光反射フィルタ２３３ｉで反射された試験光（プローブ光、ポンプ光）、あるいはブリルアン後方散乱光などの戻り光は光サーキュレータ２２経由で光フィルタ２４に入射される。光フィルタ２４は解析に必要なプローブ光だけを通過させる特性を持ち、プローブ光だけが光受信機２６に達する。光受信機２６は受光したプローブ光を光／電変換し、プローブに基づく電気信号（出力電流）をＡ／Ｄ変換機２７に入力する。Ａ／Ｄ変換機２７は電気信号をＡ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換し、ディジタルデータを生成する。このディジタルデータはパーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの信号処理装置２８に入力される。次に、上記構成における作用を詳しく説明する。

先ず、実施形態において、以下に示される（条件１）〜（条件４）が満たされることが重要である。

（条件１） 光周波数シフタ１３による周波数シフトのレンジは、被測定光ファイバ２３で生じるブリルアン周波数シフトの距離方向の周波数変化量よりも広いこと。条件１は、被測定光ファイバ中の全ての距離（位置）でプローブ光パルスとポンプ光パルスとがインタラクション（相互作用）して誘導ブリルアン散乱を生じるために必要な条件である。

（条件２） プローブ光パルスのパルス幅τ_{ｐｒｏｂｅ}が、分岐光線路遠端（終端）からの戻り光の時間差２ｎΔＬ／ｃの最小値より狭いこと。なおΔＬは分岐光線路２３２ｉ（ｉは１〜Ｎの自然数）の長さの差の最小値である。また真空中の光速をｃとし、ｎは光ファイバの屈折率である。すなわちｃ／ｎは光ファイバ中の光速νとなる。

条件２は、分岐光線路毎の戻り光（誘導ブリルアン散乱光）が光受信機２６おいて重なること（干渉）を防ぐために必要な条件である。条件２が満たされなければ分岐光線路毎の戻り光（誘導ブリルアン散乱光）が光受信機２６において干渉し、各分岐光線路を時間的に切り分けることができなくなる。つまり各分岐光線路を区別できなくなる。

（条件３） 光受信機２６およびＡ／Ｄ変換機２７の帯域が、パルス幅τ_{ｐｒｏｂｅ}を受光可能な程度に広いこと。一般に、パルス幅τの光パルスを精確に測定するためには、光受信機２６およびＡ／Ｄ変換機２７の帯域が１／τより広い必要がある。

（条件４） 最長の分岐光線路と最短の分岐光線路との長さの差をΔＬ_ｍａｘとし、光ファイバ中の光速をνとし、隣り合うプローブ光パルスの入射時間差をＴ_ｓとしたとき、Ｔ_ｓ≧τ_{ｐｒｏｂｅ}＋２ΔＬ_ｍａｘ／νが満たされること。条件４も条件２と同様に、分岐光線路毎の戻り光パルスが光受信機２６おいて重なることを防ぐために必要な条件である。

なお、分岐光線路の長さの差のばらつきによっては、条件４の数式が測定速度に対して最適とならない場合もある。光受信機２６への到達時に戻り光パルス同士が干渉しない範囲で、Ｔ_ｓを自由に設定して良い。

実施形態では、分岐光線路の特性の解析に先立ちΔＬ_ｍａｘを測定する。ΔＬ_ｍａｘは例えば、プローブ光パルスを１波だけ入射して各分岐光線路からの戻り時間を測定し、最短の戻り時間と最長の戻り時間（いずれも往復時間）との差にνを乗算して２で割ることで求めることができる。次に、上記構成における作用を説明する。

図２は、実施形態に係る特性解析装置による測定手順の一例を示すフローチャートである。信号処理装置２８は、先ず、プローブ光パルスとポンプ光パルスの周波数差ｆ_Ｂを設定する（ステップＳ１）。つまりプローブ光パルスとポンプ光パルスとの設定周波数差ｆ＝ｆ_Ｂであり、各プローブ光パルスの光周波数は光周波数ｆ_０−ｆ_Ｂである。ここでｆ_０はポンプ光パルスの光周波数、ｆ_Ｂはブリルアン後方散乱による光周波数シフト量（Brillouin Frequency Shift：ＢＦＳ）である。

次に信号処理装置２８は、プローブ光パルス列に含まれる各プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，…，ｔ_Ｘを設定する（ステップＳ２）。
図３は、実施形態における解析の手順を示す模式図である。図３において、白抜き矢印が進行するプロー光ブパルス列を示し、黒塗り矢印は進行するポンプ光パルスを示す。図３の（Ｉ）に示されるように、パルス幅τ_{ｐｒｏｂｅ}で入射されるプローブ光パルスは、互いに条件４に基づく時間差Ｔ_ｓで入射される。すなわちプローブ光パルス列は、パルス間隔Ｔ_ｓで並ぶＸ個のプローブ光パルスを含む。以下の説明では、Ｘ個（Ｘ波）を含むプローブ光パルス列のｉ番目のプローブ光パルスとポンプ光パルスの入射時間差をｔ_ｉとする。この入射時間差によりプローブ光パルスとポンプ光パルスとの衝突位置が変化し、各分岐光線路における長手方向の測定位置が決定される。

図２に戻り、信号処理装置２８は、プローブ光パルス列を光ファイバに入射し、Ｘ個のプローブ光パルスの入射が完了した後にポンプ光パルスを光ファイバに入射する（ステップＳ３，Ｓ４）。上記したようにプローブ光パルス列に含まれるプローブ光パルスとポンプ光パルスはそれぞれｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，…，ｔ_Ｘの入射時間差を持つ。図３にはＸ＝３のケースが示される。

次に、信号処理装置２８は戻り光パルスの光受信機２６への到達時間（戻り時間）に基づいて、各戻り光パルスを反射した分岐光線路を個別に識別する（ステップＳ５）。つまりＡ／Ｄ変換機２７から出力されるディジタルデータがどの分岐光線路の情報を反映するのかが判断される。そして、得られたディジタルデータに基づいて、信号処理装置２８は誘導ブリルアン散乱光を解析する（ステップＳ６）
図３の（ＩＩ）に示されるように、光スプリッタ２３１でＮ分岐されたプローブ光パルス列とポンプ光パルスは分岐光線路中でインタラクションし、誘導ブリルアン散乱による後方散乱光が発生する。これによりプローブ光パルス列はポンプ光パルスからブリルアン利得を得る。プローブ光パルス列はＸ個のプローブ光パルスを含むので、ポンプ光パルスは異なる位置でＸ回のインタラクションを生じることになる。図３においては分岐光線路毎に３か所の衝突位置がある。

ブリルアン増幅を受けたＸ×Ｎ個のプローブ光パルスは、ポンプ光パルスを伴って光スプリッタ２３１で合波されたのち光サーキュレータ２２（図１）に戻り、光フィルタ２４に入射される。光フィルタ２４はポンプ光パルスを除去し、これによりブリルアン増幅を受けたＸ×Ｎ個のプローブ光パルスだけが光受信機２６で受光される。（条件４）が満たされているので、図３の（ＩＩＩ）に示されるように、光受信機２６において戻り光パルスが重なることはない。

光受信機２６からの電気信号はＡ／Ｄ変換機２７でディジタルデータに変換され、信号処理装置２８に入力される。信号処理装置２８は図２のステップＳ６の解析を行い、解析結果を出力する（ステップＳ７）。

最長の分岐光線路からポンプ光パルスが受光されると（ステップＳ８でＹｅｓ）１つの小シーケンスが終了する（ステップＳ２〜ステップＳ７）。この小シーケンスは入射時間差ｔ_１，ｔ_２，ｔ_３，…，ｔ_ＸをΔｔだけ増加させつつ（ステップＳ１０）、ｔ_ｉ＝ｔ_ｉ＋１となるまで繰り返される。

小シーケンスが完了すると、信号処理装置２８はプローブ光パルスとポンプ光パルスとの周波数差ｆをΔｆだけ変化させつつ（ステップＳ１２）、ステップＳ１〜ステップＳ９の大シーケンスを繰り返す。この大シーケンスはｆ＝Ｆ_Ｂになるまで繰り返される（ステップＳ１１でＹｅｓ）。ステップＳ１１までの手順が完了すると、既に得られたブリルアン利得スペクトル分布に基づいて距離ごとのブリルアン利得スペクトラムのピーク分布を解析することができる。次に、数式を用いて上記作用を詳しく説明する。

（ｉ）プローブ光パルス列とポンプ光パルスによる誘導ブリルアン散乱の測定について
プローブ光パルス列に含まれるプローブ光パルスとポンプ光パルスとがインタラクションすると誘導ブリルアン散乱が発生する。プローブ光パルス列とポンプ光パルスとの周波数差がｆ_Ｂのとき、プローブ光パルスは誘導ブリルアン散乱により式（１）に示される増幅を受ける。

式（１）のα_Ｂ（ｚ，ｆ）は入射端からｚの位置でインタラクションし、ブリルアン周波数差がｆのときの誘導ブリルアンによる利得を示す。ｇ_Ｂ（ｆ）はプローブ光パルスとポンプ光パルスの周波数差がｆであるときの誘導ブリルアン散乱係数を示す。ｚは分岐光線路入射端からプローブ光パルスとポンプ光パルスがインタラクションした位置までの距離を示す。Ｉ_ｐｕｍｐ（ｚ）は分岐光線路入射端から距離ｚだけ離れた位置におけるポンプ光パルスの強度を示す。

分岐光線路＃ｉ（図３ではｉは１〜４の自然数）の損失係数をα_ｉ、分岐光線路＃ｉを往復する光の全損失をＬ_ｔとする。そうすると分岐光線路に入射されたのち終端で反射され、入射端から距離ｚの位置でポンプ光パルスと衝突したプローブ光パルスの当該入射端における強度Ｉ_{ｐｒｏｂｅ}（２Ｌ_ｉ，ｚ）は、式（２）で表される。

式（２）に示されるように、分岐光線路入射端でのプローブ光パルスの強度Ｉ_{ｐｒｏｂｅ}（２Ｌ_ｉ，ｚ，ｆ）は、ｇ_Ｂ（ｆ）とＩ_ｐｕｍｐ（ｚ）の関数になる。Ｉ_ｐｕｍｐ（ｚ）は式（３）で表される。

また、プローブ光パルスだけを入射した場合の入射端に戻る反射プローブ光パルス強度Ｉ_ｒｅｆ（２Ｌ_ｉ）は、式（４）に示される。

従って式（２）を式（３）および式（４）を用いて変換すると式（５）が得られる。

ブリルアン散乱光の利得を解析することにより、式（５）に基づいてインタラクションした場所までの損失をポンプ光パルス幅で積分した値とブリルアン散乱係数との積を算出できる。従って、被測定光ファイバ２３における損失を加味したブリルアン利得強度を得ることができる。

なお実施形態では、ポンプ光パルスが複数のプローブ光パルスと衝突するので複数回のインタラクションによるポンプディプレッションを生じ、ブリルアン利得強度が式（５）よりも抑圧されることが考えられる。しかし実施形態の手法によればブリルアン利得強度の絶対値情報は必要無いので、ポンプディプレッションへの特段の配慮は必要ない。必要な情報は、ブリルアン利得強度がピーク値を取るブリルアン周波数シフト量であり、ブリルアン利得強度のピーク値をモニタ（ピークサーチ）できれば良いからである。測定距離ごとのブリルアン利得スペクトルは、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの周波数差ｆを変化させて測定を繰り返すことで取得される。

（ｉｉ）分岐光線路の距離に対するブリルアン散乱光分布の測定について
簡単のため、プローブ光パルス列のうち先頭のプローブ光パルスが、ポンプ光パルスに対して時間ｔ_１だけ先に入射する場合だけを説明する。プローブ光パルス列に含まれる他のプローブ光パルスについても、時間ｔ_１をｔ_２，ｔ_３，…，ｔ_Ｘとすれば同様の説明が成り立つ。

被測定光ファイバ２３の入射端から分岐光線路＃ａ（ａは１≦ａ≦Ｎの自然数）の終端までの長さをＬ_ａとする。プローブ光パルスは光反射フィルタにより反射される。分岐光線路終端からの距離をｌとし、光ファイバの屈折率をｎとし、真空中の光速をｃとすると、反射されたプローブ光パルスはｔ_１／２秒後にｌ＝ｃ／ｎ×ｔ_１／２だけ進むので、入射端からの距離をｌ_ｘ１とすると式（６）が得られる。

プローブ光パルスが入射されてから分岐光線路に進入し、光反射フィルタで反射してｌ_ｘ１に達するまでの時間ｔは、式（７）で表される。

プローブ光パルスが入射されてからｔ_１秒後にポンプ光パルスを入射するとする。ポンプ光パルスがｔ秒後に到達する入射端からの距離ｌ_ｘ２は、式（８）で表される。

ｌ_ｘ１＝ｌ_ｘ２の位置、つまり式（６）＝式（８）となる位置でポンプ光パルスはプローブ光パルスとインタラクションする。インタラクションのタイミングは光反射フィルタでプローブ光パルスが反射されてからｔ_１／２秒後である。つまり、プローブ光パルスとポンプ光パルスとを被測定光ファイバ２３に入射する時間差を変化させることで、プローブ光パルスとポンプ光パルスとがインタラクションする位置を制御できる。これにより、距離に対する誘導ブリルアン散乱の特性分布を求めることができる。

実施形態において、プローブ光パルス列とポンプ光パルスが被測定光ファイバを一往復する間にインタラクションする位置は、プローブ光パルス列に含まれるプローブ光パルスの数Ｘだけ存在する。つまり多点（Ｘ点）の測定点のブリルアン利得情報を一括して取得することができるので、プローブ光パルスとポンプ光パルスの入射時間差を変化させて測定する回数をＸ分の１に削減でき、測定時間をＸ分の１に削減することができる。

（ｉｉｉ）分岐光線路＃ａの誘導ブリルアン散乱光が光受信機２６に到達する時間の測定について
プローブ光パルスが光受信機２６に到達する時間をｔ_ｄａとする。プローブ光パルスは、分岐光線路終端の光フィルタで反射されて光受信機２６に入射される。プローブ光パルスの光受信機２６への到達時間ｔ_ｄａは式（９）で表される。

他の分岐光線路＃ｂ（１≦ｂ≦Ｎの整数）から戻るプローブ光パルスが光受信機２６に到達する時間ｔ_ｄｂは、式（１０）で表される。

よって、光受信機２６に戻る時間差は、式（１１）で表される。

Ｌ_ａ≠Ｌ_ｂであれば、光受信機２６に到達する時間が異なる。

（条件２）は、式（１２）で表される。

式（１２）および（条件４）が満たされていれば、各分岐光線路から戻ったプローブ光パルスは光スプリッタ２３１で合波された後も重ならない。よって光受信機２６への到達時間を測定することで、どの分岐光線路から戻ってきたプローブ光パルスであるかを特定できる。とまり各分岐光線路を時間的に切り分けることができる。

上記（ｉ）〜（ｉｉｉ）により、分岐光線路個別のブリルアン利得スペクトル分布を、既存の技術（特に非特許文献４）のＸ倍の速度で高速に測定することが可能になる。測定されたブリルアン利得ピークの分布から温度、歪み、ファイバ構造パラメータの違いの特性分布を算出することももちろん可能である。

以上述べたように実施形態では、信号処理装置２８は、或る設定ブリルアン周波数シフトｆ_Ｂでの測定が完了した後、設定ブリルアン周波数シフトを設定ブリルアン周波数シフト間隔変化させて測定を繰り返し、設定ブリルアン周波数全帯域幅Ｆ_Ｂになると測定を終了する。

得られた距離に対するブリルアン利得分布を周波数毎に並べることで、距離に対するブリルアン利得スペクトル分布を求める。このブリルアン利得スペクトル分布において、演算処理により、距離ごとにブリルアン利得スペクトルの強度ピークをとる周波数がブリルアン周波数シフト量であり、被測定光ファイバ長手方向のブリルアン周波数シフト量の測定結果を出力することで、距離に対する特性分布を求める。つまり温度や歪、ファイバ構造パラメータの違いなどの、ブリルアン周波数シフト量の変化をもたらす物理量の分岐光線路毎の距離方向の特性分布を算出することができる。

以上の測定において、実施形態によれば、既存の手法に比べて単位時間当たりＸ倍の速度で測定点の情報を得ることができる。従って測定時間をＸ分の１にすることが可能になる。

図４は、分岐光線路毎のブリルアン利得スペクトル分布を示す図である。図４においては＃１〜＃８の８つの分岐光線路が想定される。各グラフは直行する３つの軸に距離、光周波数シフト量（Brillouin Frequency Shift：ＢＦＳ）および損失をそれぞれプロットしたグラフである。なお分岐光線路＃１，＃７，＃８に、基幹光ファイバ２３０とファイバ構造パラメータの異なる光ファイバを用いることを仮定した。

グラフ上の段差から一見して分かるのは、９．５ｋｍの距離に光スプリッタ２３１があり、９．５ｋｍ以遠が分岐光線路であることである。また各グラフによれば、分岐光線路＃１、＃７、＃８のブリルアン周波数シフト量が基幹光ファイバ２３０と異なることが分かる。ブリルアン周波数シフト量は歪みや温度変化に対して線形な応答変化を示すので、実施形態によれば各分岐光線路を識別可能となり、かつ、歪みや温度変化を分岐光線路毎に測定することができる。

以上のように実施形態では、光スプリッタ２３１で複数に分岐された各分岐光線路の長さの差ΔＬを利用し、波長の異なる二種のパルス試験光を用意する。予め設定された入射時間差を持つＸ個の試験光パルス列（プローブ光パルス列）を先に入射する。この入射時間差は分岐光線路の長さの最大値に基づいて最適化されるので、光受信機２６でプローブ光パルスどうしが重なることはない。全てのプローブ光パルスの入射が完了したのち、ポンプ光パルスが入射される。

プローブ光パルス列は分岐光線路遠端、あるいは遠端に設置される反射フィルタで反射される。これによりポンプ光パルスが分岐光線路内の各位置（Ｘ箇所）で対向衝突し、誘導ブリルアン後方散乱光が生じる。この誘導ブリルアン後方散乱光を光受信機２６で受信し、光受信機２６の出力電流を２ｎΔＬ／ｃ（ｃは光速）よりも高い時間分解能で解析することで、分岐光線路２３２ｉ（１〜ｉ〜Ｎ）のどれから戻った誘導ブリルアン後方散乱光であるかを特定することが可能となる。

また、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの周波数差ｆ_Ｂを変化させながら測定を繰り返すことで分岐光線路毎のブリルアン利得スペクトル分布を取得する。そして、取得されたブリルアン利得スペクトル分布において、距離ごとにブリルアン利得スペクトルがピーク値を取るブリルアン周波数シフト量を取得（ピークサーチ）する。ブリルアン周波数シフト量は温度変化や歪み変化に対して線形な変化応答を示すので、ブリルアン周波数シフト量に寄与する物理量変化を分岐光線路毎に測定することができる。

要するに、或る設定ブリルアン周波数シフトｆ_Ｂでの距離方向のブリルアン利得スペクトルを得るのに、既存の技術ではＸ回（１０〜２０回：分岐光線路長とサンプリング距離間隔に依存）の測定を要していたのに対し、実施形態によれば１回の測定で足りる。すなわち、予めプローブ光パルスを１波だけ入射して（Ｎ分岐の被測定光ファイバからの戻り時間から）分岐光線路の最長と最短の差ΔＬ_ｍａｘを測定したうえで、周波数の等しいＸ個のプローブ光パルス（周波数ｆ_０−ｆ_Ｂ）をτ＋２ΔＬ_ｍａｘ／ν以上の時間差をもって入射するプローブ光パルス列と、プローブ光パルス列とは周波数の異なる１個のポンプ光パルス（周波数ｆ_０）を更に時間差をもって入射することで、プローブ光パルス列とポンプ光パルスとの対向伝搬によりブリルアン利得スペクトルを求める。

そして、或る設定ブリルアン周波数シフト（ｆ_Ｂ）での測定が完了した後、プローブ光パルス列とポンプ光パルスの周波数差を設定ブリルアンシフト間隔（Δｆ）ずつ変化させて設定ブリルアン周波数全帯域（Ｆ_Ｂ）まで測定を繰り返し、距離方向に対するブリルアン利得分布を得ることで、光線路の特性分布を求めることができる。

以上から実施形態によれば、分岐光線路の個別の特性を測定することができる。しかも分岐光線路毎にＸ個のデータを一気に取得できるので、試験光入射待機時間を大幅に削減でき、従って測定時間を大幅に短縮することができる。

これらのことから実施形態によれば、分岐光線路の個別の特性分布を高速で測定することの可能な分岐光線路の特性解析装置および分岐光線路の特性解析方法を提供することが可能となる。

なお、この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、上記各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せにより種々の発明を形成できる。例えば、各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。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

１１…レーザ光源、１２…分岐素子、１３…光周波数シフタ、１４…オシレータ、１５…入射時間制御部、１６…光パルス化装置、１７…入射時間制御部、１８…光パルス化装置、１９…光アンプ、２０…光アンプ、２１…合波素子、２２…光サーキュレータ、２３…被測定光ファイバ、２４…光フィルタ、２６…光受信機、２７…Ａ／Ｄ変換機、２８…信号処理装置、２３０…基幹光ファイバ、２３１…光スプリッタ、２３２ｉ…分岐光線路、２３３ｉ…光反射フィルタ

Claims (8)

1. 光スプリッタに接続される複数の分岐光線路に入射される試験光パルスを発生する試験光パルス発生部と、
   前記入射された試験光パルスに由来する戻り光パルスを受光して電気信号を発生する受光部と、
   前記電気信号を処理する信号処理部とを具備し、
   前記試験光パルス発生部は、
   光周波数の等しいＸ個（Ｘは２以上の自然数）のプローブ光パルスを発生するプローブ光パルス発生部と、
   前記複数の分岐光線路の遠端でそれぞれ反射された前記Ｘ個のプローブ光パルスに前記分岐光線路内で対向伝搬して衝突時にプローブ光パルスとインタラクションするポンプ光パルスを発生するポンプ光パルス発生部と、
   前記受光された戻り光パルス同士の干渉を防止すべく前記Ｘ個のプローブ光パルスのパルス間隔を制御する制御部とを備え、
   前記信号処理部は、
   前記電気信号を解析して得られる前記戻り光パルスのブリルアン（Brillouin）利得スペクトル分布に基づいて前記複数の分岐光線路の特性を個別に解析することを特徴とする、分岐光線路の特性解析装置。
2. 最長の分岐光線路と最短の分岐光線路との長さの差をΔＬ_ｍａｘとし、
   前記プローブ光パルスのパルス幅をτ_{ｐｒｏｂｅ}とし、
   光ファイバ中の光速をνとし、
   隣り合うプローブ光パルスの入射時間差をＴ_ｓとしたとき、
   前記制御部は、Ｔ_ｓ≧τ_{ｐｒｏｂｅ}＋２ΔＬ_ｍａｘ／νを満たすべく前記Ｘ個のプローブ光パルスのパルス間隔を制御する、請求項１に記載の分岐光線路の特性解析装置。
3. 前記ポンプ光パルスの光周波数をｆ_０とし、既定の設定ブリルアン周波数シフトをｆ_Ｂとしたとき、
   前記プローブ光パルス発生部は、光周波数（ｆ_０−ｆ_Ｂ）のプローブ光パルスを発生する、請求項１に記載の分岐光線路の特性解析装置。
4. 前記信号処理部は、
   前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの光周波数差を変化させ、
   前記戻り光パルスの光強度から得られる距離毎のブリルアン利得スペクトルの最大値を取るブリルアン周波数シフト量に基づいて、当該ブリルアン周波数シフト量の変化に寄与する物理量の特性分布を前記複数の分岐光線路毎に取得する、請求項１に記載の分岐光線路の特性解析装置。
5. 光スプリッタに接続される複数の分岐光線路に試験光パルスを入射し前記試験光パルスに由来する戻り光パルスを受光する、分岐光線路の特性解析方法において、
   光周波数の等しいＸ個（Ｘは２以上の自然数）のプローブ光パルスを発生することと、
   前記受光された戻り光パルス同士の干渉を防止すべく前記Ｘ個のプローブ光パルスのパルス間隔を制御することと、
   前記Ｘ個のプローブ光パルスを入射することと、
   前記複数の分岐光線路の遠端でそれぞれ反射された前記Ｘ個のプローブ光パルスに前記分岐光線路内で対向伝搬し衝突時にプローブ光パルスとインタラクションするポンプ光パルスを発生することと、
   前記Ｘ個のプローブ光パルスが入射された後に前記ポンプ光パルスを入射することと、
   前記受光された戻り光パルスを電気信号に変換することと、
   前記電気信号を解析して得られる前記戻り光パルスのブリルアン（Brillouin）利得スペクトル分布に基づいて前記複数の分岐光線路の特性を個別に解析することとを具備することを特徴とする、分岐光線路の特性解析方法。
6. 最長の分岐光線路と最短の分岐光線路との長さの差をΔＬ_ｍａｘとし、
   前記プローブ光パルスのパルス幅をτ_{ｐｒｏｂｅ}とし、
   光ファイバ中の光速をνとし、
   隣り合うプローブ光パルスの入射時間差をＴ_ｓとしたとき、
   前記制御することは、Ｔ_ｓ≧τ_{ｐｒｏｂｅ}＋２ΔＬ_ｍａｘ／νを満たすべく前記Ｘ個のプローブ光パルスのパルス間隔を制御する、請求項５に記載の分岐光線路の特性解析方法。
7. 前記ポンプ光パルスの光周波数をｆ_０とし、既定の設定ブリルアン周波数シフトをｆ_Ｂとしたとき、
   前記プローブ光パルスを発生することは、光周波数（ｆ_０−ｆ_Ｂ）のプローブ光パルスを発生する、請求項５に記載の分岐光線路の特性解析方法。
8. 前記解析することは、
   前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの光周波数差を変化させ、
   前記戻り光パルスの光強度から得られる距離毎のブリルアン利得スペクトルの最大値を取るブリルアン周波数シフト量に基づいて、当該ブリルアン周波数シフト量の変化に寄与する物理量の特性分布を前記複数の分岐光線路毎に取得する、請求項５に記載の分岐光線路の特性解析方法。