JP6539930B2 - ブリルアン周波数シフト分布測定システム及びブリルアン周波数シフト分布測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ブリルアン周波数シフト分布測定システム及びブリルアン周波数シフト分布測定方法に関する。

光ファイバや光デバイス中のブリルアン周波数シフトの分布をｍｍ程度以下の空間分解能で測定する技術として、ブリルアン光相関領域解析法（以下、関連技術という）が知られている（例えば、非特許文献１、参照。）。

関連技術では、プローブ光と、それよりもブリルアン周波数だけ大きな周波数を持つポンプ光の双方を周波数変調し、その変調位相が被測定光ファイバなどの特定の極めて小さい区間においてのみ一致し、その点のみにおいてポンプ光およびプローブ光の周波数相関がおおきくなることを利用して、空間分解能に優れたブリルアン周波数シフトの測定を可能とする方法である。

Ｋ． Ｙ． Ｓｏｎｇ， Ｚ． Ｈｅ， ａｎｄ Ｋ． Ｈｏｔａｔｅ， Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｔｒａｉｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｗｉｔｈ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−ｏｒｄｅｒ ｓｐａｔｉａｌ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｄｏｍａｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ， ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌ． ３１， Ｎｏ． １７ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １， ２００６

しかしながら関連技術では、ポンプ光およびプローブ光の周波数の相関は、光ファイバ内の測定したい場所以外でも完全にゼロではない。このために、関連技術では目的とするブリルアン周波数シフトを検出するための相関信号のほかに、測定したい場所以外で生じた信号が大きな割合で生じ、これを除外するための様々な手段が必要になる。この結果、測定器の構成は極めて複雑で、構成部品が多数必要であった。

前記課題を解決するために、本発明は、空間分解能に優れたブリルアン周波数シフトの分布測定を、非常に簡便な装置構成で実現する手段を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明では、光ファイバや光デバイス中のブリルアン周波数シフトの分布をｍｍ程度以下の空間分解能で測定する。主として光集積回路や精密機器など、比較的小さい寸法のデバイスや構造物におけるドーパントや歪などの分布を高分解能に測定する。

具体的には、本発明に係るブリルアン周波数シフト分布測定システムは、
被験体の音響フォノンの寿命よりも短い周期Ｔ＝１／Δｆ（Δｆ：光コムの周波数間隔）を有するコヒーレントの光コムを発生する光コム発生部と、
前記光コムをポンプ光及びプローブ光にそれぞれ分岐する分岐出力部と、
前記分岐出力部を介して入力された前記プローブ光又は前記ポンプ光のうち少なくとも一方の出力時間を遅延させる遅延制御部と、
前記遅延制御部の後段に配置され、前記プローブ光又は前記ポンプ光のうち少なくとも一方の光周波数を繰り返し変更する光周波数シフト部と、
前記光周波数の変更ごとにプローブ光のパワーを測定するパワー測定部と、を備える。

具体的には、本発明に係るブリルアン周波数シフト分布測定方法は、
被験体の音響フォノンの寿命よりも短い周期Ｔ＝１／Δｆ（Δｆ：光コムの周波数間隔）を有するコヒーレントの光コムを発生する光コム発生手順と、
分岐出力部が前記光コムをポンプ光及びプローブ光にそれぞれ分岐する分岐出力手順と、
前記分岐出力部を介して入力された前記プローブ光又は前記ポンプ光のうち少なくとも一方の出力時間を遅延制御部で遅延させる遅延制御手順と、
前記遅延制御部の後段に配置された光周波数シフト部が前記プローブ光又は前記ポンプ光のうち少なくとも一方の光周波数を繰り返し変更する光周波数シフト手順と、
前記光周波数の変更ごとにプローブ光のパワーを測定するパワー測定手順と、
を行う。

なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。

本発明によれば、空間分解能に優れたブリルアン周波数シフトの分布測定を、非常に簡便な装置構成で実現する手段を提供することができる。

本実施形態に係るブリルアン周波数シフト分布システムの構成図の一例を示す図である。 本実施形態に係る光周波数シフト部の構成図の一例を示す図である。 本実施形態に係る周波数シフトが０である場合の、プローブ光及びポンプ光のスペクトルの一例を示す図である。 本実施形態に係る周波数シフトがΔｆ／４である場合の、プローブ光及びポンプ光のスペクトルの一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
図１に本発明の実施形態を示す。１は光コム発生部、２は光周波数シフト部、３は遅延制御部、４はパワー測定部、５は光サーキュレータ、６は被測定光ファイバである。光コム発生部１は、文字通り光コムを発生する。光コムとは、一定の周波数間隔Δｆで並んだスペクトルを持つ光信号であり、時間領域では周期Ｔ＝１／Δｆのコヒーレントな光パルス列である。この周波数コムのパルス波形は多くの場合が薄型であり、その場合そのスペクトル幅をΔＦ、パルス幅をΔｔとすれば、以下の関係式が成立する。

光周波数コムは、例えばモードロックレーザによって発生させることができる。本発明で用いる光コムの周期または周波数間隔の逆数は、被測定光ファイバ６においてブリルアン散乱をもたらす音響フォノンの寿命よりも短くする必要がある。室温環境に置かれた光ファイバの音響フォノンの寿命は約２０ｎｓであるので、光コムの周波数間隔は５０ＭＨｚかまたはそれよりも大きい必要がある。

また、被測定光ファイバ６の長さは、光パルスが被測定光ファイバ６を通過するために要する時間が、光コムの周期よりも短くなければならないという制約のもとで選択される。すなわち、光ファイバを伝搬するパルスの速度は約２×１０^８ｍ／ｓであるので、光パルスは１ｍ進むのに５ｎｓを要する。光コムの周波数間隔が５０ＭＨｚであると仮定すると周期は２０ｎｓであるので、被測定光ファイバ６の長さは４ｍ以内でなければならない。

このように、本発明で測定される光ファイバの長さには制約があるが、後に述べるように本発明の趣旨は、この数ｍ程度の範囲をｍｍ程度以下という極めて高い空間分解能をもって測定することにあり、例えば光集積回路や精密機器など、比較的小さい寸法のデバイスや構造物におけるドーパントや歪などの分布を高分解能に測定できるなど、大きなメリットをもたらす。

また、本実施形態で用いる光コムの周期は、ある程度の範囲で可変であるとする。必要な可変範囲は、測定するブリルアン周波数シフトの量にもよるが、光コムの周期の高々１％以下であり、モードロックレーザの共振器長を調整するなどして実現することができる。

光コム発生部１からの光コムは、分岐出力部１１−１で２分岐され、被測定光ファイバ６の反対の両端から、それぞれポンプ光、プローブ光として入力される。プローブ光の経路には光周波数シフト部２が配置されるが、これはのちの説明により明らかになる通り、ポンプ光とプローブ光の相対的な周波数を変更するものであるので、ポンプ光の経路に置かれても構わない。

遅延制御部３は、ポンプ光とプローブ光の相対的な遅延を調整して、それら２つのパルスが被測定光ファイバ６内で衝突し、誘導ブリルアン散乱を生じる位置を調整するためのものであり、これを操作して衝突位置を光ファイバ全体に走査することにより、分布測定を実現する。

そしてその趣旨からして、ポンプ、プローブ光のどちらの経路に置かれても構わないことは当然である。パワー測定部４は、衝突位置での誘導ブリルアン散乱によって増幅されたプローブ光のパワーを測定するためのものである。

一例としてモードロックレーザによって、スペクトル幅５０ＧＨｚ、周期１０ｎｓ（周波数間隔１００ＭＨｚ）程度のガウス波形をもつ光コムを発生することは極めて容易である。光コムは、Δｆを間隔とする輝線スペクトル成分を持つので、この例では約５００本の輝線スペクトルが含まれていることになる。輝線１本あたりのパワーを１ｍＷとすると、信号の平均パワーは０．５Ｗである。（１）よりパルス幅は約９ｐｓである。

パルス列のデューティー比は１０００であるので、パルスのピークパワーは５００Ｗとなる。このピークパワーのパルスの標準的なシングルモード光ファイバでの非線形相互作用長は約２ｍであり、想定する被測定光ファイバ６とおよそ同程度である。従って、被測定光ファイバ６内でのブリルアン散乱以外の非線形効果によりによりそのスペクトルが劇的に変化することはない。

上記例において光パルス幅が９ｐｓであるすると、このパルスの光ファイバの中での空間的広がりは約２ｍｍである。ポンプ光とプローブ光が光ファイバ内で衝突した場合、誘導ブリルアン散乱が効率的に生じる範囲はこの半分の約１ｍｍの範囲であり、このことから上記例の光コムを使用すれば、約１ｍｍを空間分解能とするブリルアン周波数シフトの測定が可能になる。

このときに強調すべきは、周波数変調を用いる関連技術と異なり、本実施形態では消光比の大きい光パルスを用いるため、パルスの衝突点、すなわちブリルアン周波数シフトの測定点以外では、誘導ブリルアン散乱はまったく生じないことである。

したがってパワー測定部４において測定されるプローブ光のパワーは、そのまま光ファイバでの特定の点（この例では幅１ｍｍ程度の）での誘導ブリルアン散乱を反映することである。このことは、関連技術で必要であったいわゆる不要信号の除去手段が本実施形態では一切不要であることを意味し、図１の構成が極めて簡単で、構成部品が少ないことと大いに関係する。

光周波数シフト部２は例えば図２のような構成で実現される。７は光電変換部、８は低域濾過フィルタ、９は位相変調部、１０は可変減衰部である。光コムからのパルスは光電変換部７によって電気信号に変換され、低域濾過フィルタ８によって周波数Δｆの正弦波に成形され位相変調部９を駆動する。

図２に示すように、光パルスもしくは正弦波のいずれか一方の遅延を調整することによって、正弦波の傾斜が最も大きい部分が光パルスのタイミングと合致するように入力する。このようにして、光パルスは時間に比例する位相変調を受けることになるので、その周波数スペクトルは一様にシフトする。その周波数変化量は、以下の関係式（２）で与えられる。

ここでＶは、駆動電圧の振幅であり、Ｖ_πは位相変調部９がπなる位相変化を与えるために必要な電圧である。これより、可変減衰部１０によって駆動電圧Ｖの振幅を調整することにより、光パルスの周波数シフト量を任意に変更することが可能になる。

本実施形態の動作を説明するため、図３と図４には、それぞれ本実施形態においてプローブ光に与えられる周波数シフトが０である場合とΔｆ／４である場合の、プローブ光とポンプ光のスペクトルが示されている。

このとき、被測定光ファイバ６のブリルアン周波数をΔｆ_Ｂとすると、光コムの周波数Δｆは、Δｆ_ＢをΔｆで割った時の余りがおよそΔｆ／４程度であるように調整される。すなわち以下の関係式（３）が成立する。

ただしＮはΔｆ_ＢをΔｆで割った時の商を表し、

は余りである。このためには、光コム発生部１はパルスの周波数を変更する機能を持つことが必要であるが、この時必要な可変量はおよそ次式（４）で表される。

光ファイバ中のブリルアン周波数シフト量の典型値は約１０ＧＨｚであるので、光コムの周波数間隔を５０ＭＨｚと仮定すると、必要な可変量は２５０ｋＨｚとなり、この程度の周波数の可変性はモードロックレーザの共振器長の調整などにより十分に可能と考えられる。

このように光コムの周波数が設定されたときに、プローブ光とポンプ光の間の誘導ブリルアン散乱がどのように生じるかを図３、図４を使って説明する。図３に示すように、光周波数シフト部２によりプローブ光とポンプ光の周波数差が等しく設定された場合には、ポンプ光周波数からブリルアン周波数シフトΔｆ_Ｂを減じた位置にはプローブ光周波数は存在しない。

加えて、プローブ光周波数からブリルアン周波数シフトΔｆ_Ｂを減じた位置にポンプ光周波数は存在しない。この時重要なことは、光コムの周期は光ファイバ中の音響フォノンの寿命よりも短く設定されているために、誘導ブリルアン散乱の利得帯域幅は光コムのスペクトル間隔Δｆよりも小さいことであり、したがって図３のスペクトル配置においてはプローブ光とポンプ光の間で誘導ブリルアン散乱は生じない。

次に、図４に示すように、光周波数シフト部２によりプローブ光とポンプ光の周波数差がΔｆ／４に設定された場合には、ポンプ光周波数からブリルアン周波数シフトΔｆ_Ｂを減じた位置にプローブ光周波数が存在する。また、プローブ光周波数からブリルアン周波数シフトΔｆ_Ｂを減じた位置にはポンプ光周波数は存在しない。

この関係はすべての輝線スペクトル成分のペアに対して成立するので、プローブ光をストークス光とする誘導ブリルアン散乱がポンプ光との間で誘発され、スペクトルの全体でプローブ光の増幅が生じる。

同様にして、プローブ光とポンプ光の周波数差がΔｆ／２に設定された場合は、誘導ブリルアン散乱は生じない。また、３Δｆ／４に設定された場合は、プローブ光をアンチストークス光とする誘導ブリルアン散乱がポンプ光との間で誘発され、スペクトルの全体でプローブ光の減衰が生じる。

このように、プローブ光の光周波数を変更しながらプローブ光のパワーを観測すれば、そのパワーは光周波数の変更量の周期Δｆごとに変動を繰り返す。この極大もしくは極小を与える周波数シフト量がわかれば、Δｆを測定レンジとして、ブリルアン周波数シフトがどの位置にあるのかを測定することができる。

以上説明したように本発明によれば、光ファイバ中のブリルアン周波数シフト量を、Δｆを測定レンジとして、極めて高い位置分解能によって測定することができる。

本発明は情報通信産業に適用することができる。

１：光コム発生部
２：光周波数シフト部
３：遅延制御部
４：パワー測定部
５：光サーキュレータ
６：被測定光ファイバ
７：光電変換部
８：低域濾過フィルタ
９：位相変調部
１０：可変減衰部
１１−１、１１−２：分岐出力部

Claims (2)

1. 被験体の音響フォノンの寿命よりも短い周期Ｔ＝１／Δｆを有するコヒーレントの光コムを発生する光コム発生部と、
   前記光コムをポンプ光及びプローブ光にそれぞれ分岐する分岐出力部と、
   前記分岐出力部を介して入力された前記プローブ光又は前記ポンプ光のうち少なくとも一方の出力時間を遅延させる遅延制御部と、
   前記遅延制御部の後段に配置され、前記プローブ光又は前記ポンプ光のうち少なくとも一方の光周波数を繰り返し変更する光周波数シフト部と、
   前記光周波数の変更ごとにプローブ光のパワーを測定するパワー測定部と、
   を備えることを特徴とするブリルアン周波数シフト分布測定システム。
   ただし、Δｆ：光コムの周波数間隔
2. 被験体の音響フォノンの寿命よりも短い周期Ｔ＝１／Δｆを有するコヒーレントの光コムを発生する光コム発生手順と、
   分岐出力部が前記光コムをポンプ光及びプローブ光にそれぞれ分岐する分岐出力手順と、
   前記分岐出力部を介して入力された前記プローブ光又は前記ポンプ光のうち少なくとも一方の出力時間を遅延制御部で遅延させる遅延制御手順と、
   前記遅延制御部の後段に配置された光周波数シフト部が前記プローブ光又は前記ポンプ光のうち少なくとも一方の光周波数を繰り返し変更する光周波数シフト手順と、
   前記光周波数の変更ごとにプローブ光のパワーを測定するパワー測定手順と、
   を行うことを特徴とするブリルアン周波数シフト分布測定方法。
   ただし、Δｆ：光コムの周波数間隔

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