JP6539931B2 - ブリルアン周波数シフト分布測定システム、ブリルアン周波数シフト分布測定装置、ブリルアン周波数シフト分布測定方法及びブリルアン周波数シフト分布測定プログラム - Google Patents

Description

本発明は、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長距離にわたり高感度に測定するブリルアン周波数シフト分布測定システム、ブリルアン周波数シフト分布測定装置、ブリルアン周波数シフト分布測定方法及びブリルアン周波数シフト分布測定プログラムに関する。

光ファイバ中のブリルアン周波数シフトの分布を測定する技術として、ブリルアン時間領域解析法（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、ポンプ光をパルス変調し、それよりもブリルアン周波数だけ小さな周波数を持つ連続光をプローブ光として、互いに反対方向から光ファイバに入力し、この時に生じる誘導ブリルアン散乱の場所ごとの大きさを時間領域解析によって測定することで、ブリルアン周波数シフトの分布測定を可能とする方法である。

Ｔ． Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ ａｎｄ Ｍ． Ｔａｔｅｄａ， ＢＯＴＤＡ−Ｎｏｎｄｅｓｔｒａｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｕｓｉｎｇ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ： Ｔｈｅｏｒｙ， Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｖｏｌ． ７， Ｎｏ． ８， ｐｐ． １１７０−１１７６， １９８９．

上述した関連技術では、観測される誘導ブリルアン散乱は多くの場合小さく、特に観測する光ファイバが長尺で伝搬損失が大きい場合には、高いＳＮ比を得るためには測定を複数回繰り返し、その結果を平均する必要がある。

前記課題を解決するために、本発明は、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複数回測定し、それら観測された複素振幅のＮ回の平均を求めることによって、観測時の雑音を効率的に抑制し、測定のダイナミックレンジを拡大し、測定距離の長延化を図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、ブリルアン時間領域解析法において、プローブ光の複素振幅をコヒーレント検波手段によって複数Ｎ回測定し、該Ｎ個の複素振幅を平均する。

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、
レーザ光を生成するレーザ光生成部と、
前記レーザ光を第１のレーザ光及び第２のレーザ光に分岐する分岐部と、
前記第１のレーザ光をパルス変調し、ポンプ光を生成するポンプ光生成部と、
ブリルアン周波数シフトに応じて第２のレーザ光の光周波数を順次変更し、プローブ光を生成するプローブ光制御部と、
前記レーザ光生成部が生成した前記レーザ光をローカル光として用いて、前記ローカル光及び前記プローブ光をコヒーレント検波するコヒーレント検波部と、を備え、
前記ポンプ光及び前記プローブ光をそれぞれ互いに対向する方向から入射し、誘導ブリルアン散乱による前記プローブ光の増幅度を前記プローブ光制御部で測定するとともにブリルアン周波数シフトの分布を測定し、
前記プローブ光の複素振幅を前記コヒーレント検波部で受光し、前記複素振幅を複数回平均する。

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装置は、
予め数値化されたローカル光及びプローブ光のビート信号を、コヒーレンス時間よりも短い区間に分割する信号分割部と、
前記信号分割部で各区間に分割された前記ビート信号の周波数オフセット除去を行う周波数オフセット検出部と、
前記ビート信号の位相オフセット除去を行う位相オフセット検出部と、
前記位相オフセット検出部で位相オフセット除去したビート信号の位相オフセット除去信号を複数回の測定に対して平均する積算部と、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、
レーザ光を生成するレーザ光生成手順と、
前記レーザ光を第１のレーザ光及び第２のレーザ光に分岐する分岐手順と、
前記第１のレーザ光をパルス変調し、ポンプ光を生成するポンプ光生成手順と、
プローブ光制御部がブリルアン周波数シフトに応じて第２のレーザ光の光周波数を順次変更し、プローブ光を生成するプローブ光制御手順と、
前記レーザ光生成手順で生成した前記レーザ光をローカル光として用いて、前記ローカル光及び前記プローブ光をコヒーレント検波するコヒーレント検波部におけるコヒーレント検波手順と、を行い、
前記ポンプ光及び前記プローブ光をそれぞれ互いに対向する方向から入射し、誘導ブリルアン散乱による前記プローブ光の増幅度、を前記プローブ光制御部で測定するとともにブリルアン周波数シフトの分布を測定し、
前記プローブ光の複素振幅を前記コヒーレント検波部で受光し、前記複素振幅を複数回平均する。

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プログラムは、
予め数値化されたローカル光及びプローブ光のビート信号を、コヒーレンス時間よりも短い区間に分割する信号分割手順と、
前記信号分割手順で各区間に分割された前記ビート信号の周波数オフセット除去を行う周波数オフセット検出手順と、
前記ビート信号の位相オフセット除去を行う位相オフセット検出手順と、
前記位相オフセット検出手順で位相オフセット除去したビート信号の位相オフセット除去信号を複数回の測定に対して平均する積算手順と、をコンピュータに実行させる。

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、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複数回測定し、それら観測された複素振幅のＮ回の平均を求めることによって、観測時の雑音を効率的に抑制し、測定のダイナミックレンジを拡大し、測定距離の長延化を図ることができる。

本実施形態に係るブリルアン周波数シフト分布測定システムのブロック図の一例を示す。

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）
本実施形態に係るブリルアン周波数シフト分布測定システムは、レーザ光生成部と、分岐部と、ポンプ光生成部と、プローブ光制御部と、コヒーレント検波部と、を備える。具体的には、図１に示すように、ブリルアン周波数シフト分布測定システムは、レーザ光生成部として機能するＣＷレーザ１と、ポンプ光生成部として機能するパルス化部２と、被測定光ファイバ３と、サーキュレータ４と、プローブ光制御部として機能する可変光周波数変更部５及び固定光周波数変更部６と、コヒーレント検波部７と、数値化部８と、信号処理部１３と、を備える。ここで、信号処理部１３は、信号分割部９と、周波数オフセット検出部１０と、位相オフセット検出部１１と、積算部１２と、を有する。

ＣＷレーザ１は単一周波数のレーザ光を発振し、分岐部１４−１又は１４−２により分岐され、その一方はパルス化部２によりパルス化され、サーキュレータ４を通して被測定ファイバに入力される。これは、被測定光ファイバ３内で誘導ブリルアン散乱を誘発するポンプ光として機能する。

分岐のもう一方は、光周波数変更する可変光周波数変更部５によりその光周波数を変更し、さらに２分岐された後、一方はプローブ光として被測定光ファイバ３の反対側の端より入力される。すなわちポンプ光とプローブ光は光ファイバを逆向きに伝搬し、これらの周波数差がブリルアン周波数シフトに等しいときに誘導ブリルアン散乱を誘発する。分岐のもう一方は、固定光周波数変更部６によりさらに光周波数が変更され、のちに説明するコヒーレント検波部７のローカル光として用いられる。

ポンプ光のパルス幅をΔｔとすると、誘導ブリルアン散乱を介してポンプ光パルスは連続光であるプローブ光と光ファイバ中で衝突する際に、両者の周波数差がブリルアン周波数シフトに等しいときに限り誘導ブリルアン散乱を誘発し、プローブ光はその作用の大きさの度合いによって増幅を受ける。

関連技術では、可変光周波数変更部５によってプローブ光の周波数を変えながらこの増幅度をモニタすることにより、この増幅度が最大となるプローブ高周波数を探し、それを被測定光ファイバ３のブリルアン周波数シフトであると判断する。

また、ポンプ光が光ファイバを一度通過する間に衝突したプローブ光の区間を時間的に解析することにより、光ファイバ中のブリルアン周波数シフトの分布の測定を可能とする。そのために、ポンプ光パルスを入力しない場合のプローブ光のパワーと、ポンプ光パルスを入力した場合のプローブ光のパワーを測定し、両者の差を取ることでブリルアン散乱の強度を測定する。以上の点は、本発明も関連技術で開示された技術をそのまま利用する。

誘導ブリルアン散乱によって生じるプローブ光の増幅度は、特に被測定光ファイバ３が長いほど小さくなる。このときに増幅度を正確にモニタするためには、ポンプ光とプローブ光を繰り返し入力して同じ測定を行い、パワー測定値の平均を求めることによって測定のＳＮ比を向上する。このとき関連技術では、ポンプ光パルスを入力した場合としない場合の双方についてプローブ光のパワーの平均を求めることにより、求める測定値としている。

確率論によれば、ある確率分布を有する確率変数（ここでは、測定されるプローブ光のパワー）Ｐ_ｉについてその平均値をＰ(―)、分散をσ_Ｐ ^２とするとき、Ｎ回の測定を行いその和

を新たな確率変数とすると、この確率変数の平均と分散は以下の式（１）及び（２）の関係式が与えられる。

この信号の信号対雑音比（以下ＳＮ比という）を考える場合、信号の平均パワーは

であり、雑音パワーは振幅（パワーの平方根）の分散であるので、近似的には

に等しい。したがって、Ｎ回の和算によるＳＮ比の改善効果のファクターは√Ｎである。

これに対して本発明は、関連技術のように測定されたプローブ光のパワーを平均するのではなく、コヒーレント検波を用いてその複素振幅（振幅と位相）を検出し、信号処理によってその平均周波数と位相を検出したのち、コヒーレントに振幅を加算する、という新しい手法を採用する。

すなわち、プローブ光の複素振幅をＥとするとき、Ｎ回の測定ののちこれらを加算すると得られる信号の振幅の大きさは、

を新しい確率変数とすると、以下の式（３）の関係式で示される。これに対して雑音のパワーは、振幅Ｅの分散で与えられるから、σ_Ｅ ^２を単一測定時のＥの分散とすれば、以下の式（４）の関係式で示される。

したがって信号対雑音比は、以下の式（５）の関係式で示され、単一回の測定に対する改善ファクターはＮになる。これにより本発明によれば、Ｎ回の平均によるＳＮ比の改善効果が、関連技術に対して√Ｎ倍大きい。当然ながら、測定回数Ｎが大きい場合この効果は顕著である。

このようなコヒーレントな加算を実現するため、実施形態では、プローブ光とローカル光をコヒーレント検波部７に入力し、そこで両者のビート信号を得る。固定周波数変更部６は、ローカル光の周波数をプローブ光に対してΔｆだけ変更し、コヒーレント検波部７においてヘテロダイン検波を実現するためのものである。

ＣＷレーザ１が発振する単一周波数の光の複素振幅を以下の式（６）の関係式で示す。ただし、νは光の周波数であり、θはレーザの持つ位相雑音である。また、このレーザ光のコヒーレンス時間をτ_Ｃで表す。コヒーレンス時間は、レーザ光の位相が一定であるような時間であり、つまり式（６）のθ（ｔ）は時間τ_Ｃの間でほぼ一定であり、それ以上の時間が経過すると不規則に変動する。

可変光周波数変更部５は、レーザ光をブリルアン周波数（Δν_ＢＦＳ）だけシフトし、プローブ光を生成する。このプローブ光の複素振幅は以下の式（７）のように表すことができる。ただしＰ_ｒｏｂｅはプローブ光の振幅である。これに対して固定周波数変更部６によりΔｆだけ周波数が変更されたローカル光の振幅は、以下の式（８）の関係式で表される。

したがって、コヒーレント検波部７によって出力されるローカル光とプローブ光のビート信号は以下の式（９）のようになる。プローブ光は、ローカル光に対して被測定光ファイバ３の伝搬時間τだけ遅れて到着するので、これがレーザのコヒーレンス時間より大きければ、位相雑音の相関はなく、ビート信号の位相θ（ｔ）―θ（ｔ−τ）はランダムに揺らぐ。

上記ビート信号は数値化部８により数値化され、信号処理部１３に入力される。信号処理部１３は、プローブ光の強度を高いＳＮ比で測定するため、以下の振幅平均操作を行う。第１に信号分割部９より、上記ビート信号をコヒーレンス時間τ_ｃよりも短い区間に分割する。分割した区間がコヒーレンス時間よりも短ければ、その範囲でビート信号の周波数と位相はほぼ一定である。すなわち式（９）において、分割した区間内でθ（ｔ）―θ（ｔ−τ）はほぼ一定である。

第２に、上記で分割した各区間の信号に対して、周波数オフセット検出部１０によりビート信号の周波数オフセットの除去を行う。すなわち、数値処理によってビート信号の位相である以下の式（１０）を計算し、Θ（ｔ）／ｄｔの各区間での平均値を計算しこれをオフセット周波数ｆ_ｏｆｆとする。このオフセット周波数を使い、以下の式（１１）を求め、これを周波数オフセット除去信号とする。

第３に、各区間の信号に対して、位相オフセット検出部１１により位相オフセット除去を行う。ここでは周波数オフセット除去信号の位相の各区間における平均値を式（１２）により求め、これをオフセット位相Θ_ｏｆｆとする。これを用いて、式（１３）を位相オフセット除去信号とする。

上記で求めた位相オフセット除去信号をＮ回の測定に対して平均することにより、信号のＳＮ比をＮ倍のファクターで改善することができる。この測定は、ポンプ光を入力した場合と入力しない場合の両方について行われ、その差を計算することで光ファイバの各点における誘導ブリルアン散乱の利得が計算される。

このとき関連技術で採用されているパワーの平均を用いる手法に対して、本発明では√Ｎ倍だけＳＮ比の改善効果が大きいことは前述のとおりである。このことは、同じＳＮ比を得るための測定回数を１／√Ｎに短縮できることを意味する。

また、同じＳＮ比を得るためのプローブ光入力パワーを小さくすることも可能であり、そのため誘導ブリルアン散乱によるポンプ光の減衰率を小さくできるため、光ファイバの遠方での誘導ブリルアン散乱を測定できるようになり、結果として測定の距離レンジの拡大が可能になる。

本発明の構成の中で関連技術ではまったく考慮されていなかったパラメータは、光源となるＣＷレーザ１のコヒーレンス時間τ_Ｃである。本発明を効果的に実施するためには、τ_Ｃは大きいほどよく、これは周波数オフセットおよび位相オフセットを検出する際に、長い時間の信号を使えることを意味し、結果的に高精度に周波数／位相オフセットを計算できることになる。

本発明の主眼は、これら周波数／位相オフセットを単一回の測定によって精度よく計算することにあり、オフセットを計算する際に分割される信号長を十分に大きくすることによってこれを達成する。したがってこの信号分割区間は、ＣＷレーザ１のコヒーレンス長を限度として可能な限り長くすべきであり、当然ながら誘導ブリルアン散乱の時間解析の分解能（すなわちポンプ光のパルス幅）よりもはるかに大きくすべきである。

なお、光ファイバの散乱光の分布を測定するという意味で同類の技術として、自然ブリルアン散乱の分布をコヒーレント検波を用いて測定するブリルアン光領域反射計（ＢＯＴＤＲ）や、レイリー散乱の強度分布をコヒーレント検波を用いて測定するコヒーレント光時間領域反射計（Ｃ−ＯＴＤＲ）が知られている。

しかし、上記の点を踏まえれば、本発明で開示した振幅平均手段を、そのままの形でこれらの技術に適用することは不可能である。すなわちＢＯＴＤＲで観測される自然ブリルアン散乱光のコヒーレンス時間は２０ｎｓ程度であり、この信号長でビート信号の周波数／位相オフセットを正確に検出することは困難である。

また、Ｃ−ＯＴＤＲで測定されるレイリー散乱光は、光ファイバのわずかな温度や歪の変化によってその振幅と位相が大きく変化し、複数回の振幅の平均を算出する際に障害となる。この点で、本発明が採用する手法は、特に誘導ブリルアン散乱の分布測定においてその効果を大きく発揮する。

本実施形態に係る周波数シフト分布測定方法を実行することで、関連技術で採用されているパワーの平均を用いる手法が、測定のＳＮ比を√Ｎのファクターで改善するのに対して、本発明ではＮ倍のファクターで改善する。このため、同じＳＮ比を得るための測定回数を１／√Ｎに短縮できる。また、同じＳＮ比を得るためのプローブ光入力パワーを小さくすることも可能であり、そのため誘導ブリルアン散乱によるポンプ光の減衰率を小さくできるため、測定の距離レンジの拡大が可能になる。

なお、本実施形態に係る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装置に係る機能は、コンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。

本発明は情報通信産業に適用することができる。

１：ＣＷレーザ
２：パルス化部
３：被測定光ファイバ
４：サーキュレータ
５：可変光周波数変更部
６：固定光周波数変更部
７：コヒーレント検波部
８：数値化部
９：信号分割部
１０：周波数オフセット検出部
１１：位相オフセット検出部
１２：積算部
１３：信号処理部
１４−１、１４−２：分岐部

Claims (4)

1. レーザ光を生成するレーザ光生成部と、
   前記レーザ光を第１のレーザ光及び第２のレーザ光に分岐する分岐部と、
   前記第１のレーザ光をパルス変調し、ポンプ光を生成するポンプ光生成部と、
   ブリルアン周波数シフトに応じて第２のレーザ光の光周波数を順次変更し、プローブ光を生成するプローブ光制御部と、
   前記レーザ光生成部が生成した前記レーザ光をローカル光として用いて、前記ローカル光及び前記プローブ光をコヒーレント検波するコヒーレント検波部と、を備え、
   前記ポンプ光及び前記プローブ光をそれぞれ互いに対向する方向から入射し、誘導ブリルアン散乱による前記プローブ光の増幅度を前記プローブ光制御部で測定するとともにブリルアン周波数シフトの分布を測定し、
   前記プローブ光の複素振幅を前記コヒーレント検波部で受光し、前記複素振幅を複数回平均する
   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。
2. 予め数値化されたローカル光及びプローブ光のビート信号を、コヒーレンス時間よりも短い区間に分割する信号分割部と、
   前記信号分割部で各区間に分割された前記ビート信号の周波数オフセット除去を行う周波数オフセット検出部と、
   前記ビート信号の位相オフセット除去を行う位相オフセット検出部と、
   前記位相オフセット検出部で位相オフセット除去したビート信号の位相オフセット除去信号を複数回の測定に対して平均する積算部と、
   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装置。
3. レーザ光を生成するレーザ光生成手順と、
   前記レーザ光を第１のレーザ光及び第２のレーザ光に分岐する分岐手順と、
   前記第１のレーザ光をパルス変調し、ポンプ光を生成するポンプ光生成手順と、
   プローブ光制御部がブリルアン周波数シフトに応じて第２のレーザ光の光周波数を順次変更し、プローブ光を生成するプローブ光制御手順と、
   前記レーザ光生成手順で生成した前記レーザ光をローカル光として用いて、前記ローカル光及び前記プローブ光をコヒーレント検波するコヒーレント検波部におけるコヒーレント検波手順と、を行い、
   前記ポンプ光及び前記プローブ光をそれぞれ互いに対向する方向から入射し、誘導ブリルアン散乱による前記プローブ光の増幅度、を前記プローブ光制御部で測定するとともにブリルアン周波数シフトの分布を測定し、
   前記プローブ光の複素振幅を前記コヒーレント検波部で受光し、前記複素振幅を複数回平均する
   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。
4. 予め数値化されたローカル光及びプローブ光のビート信号を、コヒーレンス時間よりも短い区間に分割する信号分割手順と、
   前記信号分割手順で各区間に分割された前記ビート信号の周波数オフセット除去を行う周波数オフセット検出手順と、
   前記ビート信号の位相オフセット除去を行う位相オフセット検出手順と、
   前記位相オフセット検出手順で位相オフセット除去したビート信号の位相オフセット除去信号を複数回の測定に対して平均する積算手順と、
   をコンピュータに実行させることを特徴とするブリルアン周波数シフト分布測定プログラム。

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