JP6751378B2 - 光時間領域反射測定方法および光時間領域反射測定装置 - Google Patents

Description

本開示は、光部品や光伝送路において、反射光や後方散乱光の強度と位相を観測することで片側から測定対象の様態を測定することができる光時間領域反射測定方法および装置に関するものである。

光部品や光伝送路からの反射光および後方散乱光を測定する事が可能な手法として、コヒーレント検波技術を用いた光時間領域反射測定法（Ｃ−ＯＴＤＲ）がある。Ｃ−ＯＴＤＲは、光源から出力した連続光を二分岐して、一方をローカル光とし、他方をパルス化し、プローブパルスとして測定対象に入射することで測定対象からの反射光および後方散乱光を発生させ、それと局発光をコヒーレント検波して得られた干渉ビート信号の強度を時間軸上で観測することで、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。

近年では、非特許文献１にあるように、Ｃ−ＯＴＤＲに高コヒーレント光源を適用し、得られた後方散乱光の干渉ビート信号の強度だけでなく位相情報も観測することで、被測定対象物に加わる動的な歪み、すなわち振動を検知するための手法が検討されている。この方法では、被測定対象内部の各点からの後方散乱光を局発光と干渉させて生じたビート信号を受信し、その時間と散乱光の位相変化から振動を検知する。このような、高コヒーレント光源を適用したＣ−ＯＴＤＲを用いて散乱光の位相を測定する方法は位相ＯＴＤＲと呼ばれている。

Ｙ． Ｌｕ， ｅｔ ａｌ， "Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｓｅｎｓｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｈａｓｅ−ＯＴＤＲ"， ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ｖｏｌ． ２８， Ｎｏ． ２２， Ｎｏｖｅｍｂｅｒ， ２０１０

位相ＯＴＤＲでは、散乱光の位相変化を正しく測定するために、散乱光と局発光がコヒーレントな状態で干渉する必要がある。例えばプローブパルスが入射され散乱光として入射端に戻ってくるまでの時間、つまり往復伝搬時間が光源のコヒーレンス時間よりも長くなると、散乱光と局発光はもはやコヒーレントな状態ではなくなるため、受信した干渉ビート信号の位相は光源が持つ位相雑音によってランダムになり、プローブパルスが経験した位相情報の変化、すなわち振動を検知することは不可能になる。従って、振動を検知できる距離（往復伝搬時間に比例）は光源のコヒーレンス時間によって制限され、長距離にわたって測定を実施するには、光源位相雑音が非常に小さくスペクトル線幅が狭い高コヒーレントな光源を用いる必要がある。しかし、そのような高コヒーレントな光源であっても、コヒーレンス時間は有限であり、振動を測定可能な距離には限界が存在することになる。さらに、往復伝搬時間が光源のコヒーレンス時間以内であっても、光源の位相雑音による位相の揺らぎ自体は存在するため、詳細な位相変化の様子を解析する際にはその精度が劣化する。

つまり、位相ＯＴＤＲにて位相変化を測定しようとする場合、測定可能距離が光源のコヒーレンス時間、すなわち位相雑音の揺らぎの増大によって制限されるという課題があった。そこで、本発明は、位相ＯＴＤＲにおいて光源のコヒーレンシを越えた距離の測定においても位相状態を精度よく測定できる光時間領域反射測定方法および光時間領域反射測定装置を提供することを目的とする。

本発明は前述した課題を解決するために、測定に用いる干渉計とは別に光源の位相雑音を観測するためのモニタ干渉計を用意し、測定に用いたプローブパルスをモニタ干渉計内に設置したリング構成を通過させて疑似的な連続光とすることで光源位相雑音を観測し、測定干渉計で得た測定結果から差分を取ることで位相ＯＴＤＲにおける光源位相雑音の影響を除去することとした。

具体的には、本発明に係る光時間領域反射測定方法は、
光源からの光をパルス化した一方のパルス光をプローブパルスとして被測定ファイバに入射し、前記光源からの光を局発光として前記被測定ファイバからの戻り光と干渉させて測定側の干渉ビート信号を取得する測定干渉手順と、
前記光源からの光をパルス化した他方のパルス光を用い、前記他方のパルス光から分岐させた一部を遅延させて前記他方のパルス光のパルス間に配置することで連続光を生成し、前記光源からの光を局発光として前記連続光と干渉させて光源側の干渉ビート信号を取得するモニタ干渉手順と、
前記測定干渉手順で取得した前記測定側の干渉ビート信号の位相から前記モニタ干渉手順で取得した前記光源側の干渉ビート信号の位相を除去する解析手順と、
を行うことを特徴とする。

また、本発明に係る光時間領域反射測定装置は、
光源からの光をパルス化した一方のパルス光をプローブパルスとして被測定ファイバに入射し、前記光源からの光を局発光として前記被測定ファイバからの戻り光と干渉させて測定側の干渉ビート信号を取得する測定干渉計と、
前記光源からの光をパルス化した他方のパルス光を用い、前記他方のパルス光から分岐させた一部を遅延させて前記他方のパルス光のパルス間に配置することで連続光を生成し、前記光源からの光を局発光として前記連続光と干渉させて光源側の干渉ビート信号を取得するモニタ干渉計と、
前記測定干渉計が取得した前記測定側の干渉ビート信号の位相から前記モニタ干渉計が取得した前記光源側の干渉ビート信号の位相を除去する解析部と、
を備えることを特徴とする。

本発明では、被測定ファイバの測定に用いる干渉計とは別に光源の位相雑音を観測するためのモニタ干渉計を備え、被測定ファイバの測定結果から光源の位相雑音を除去することができる。従って、本発明は、位相ＯＴＤＲにおいて光源のコヒーレンシを越えた距離の測定においても位相状態を精度よく測定できる光時間領域反射測定方法および光時間領域反射測定装置を提供することができる。

本発明に係る光時間領域反射測定方法及び装置は、前記他方のパルス光から分岐させた一部を遅延させる遅延時間が前記他方のパルス光のパルス幅と等しいことが好ましい。完全な連続光とすることができる。

本発明に係る光時間領域反射測定方法及び装置は、前記他方のパルス光から分岐させた一部の光強度を調整することが好ましい。形成される連続光の平均光強度を調節できる。

本発明に係る光時間領域反射測定方法及び装置は、前記被測定ファイバの最遠端で反射して戻った前記プローブパルスが前記局発光と干渉するときから次の前記プローブパルスを前記被測定ファイバに入射するときまでの間、前記他方のパルス光から分岐させた一部の光強度を減衰することが好ましい。ＯＴＤＲ測定では、測定結果の加算平均や各測定間でのデータ比較により最終的な情報を得るため複数回の測定を必要とするため、測定毎に連続光を遮断する必要がある。遅延させるパルス光を減衰させることで、形成される連続光の平均光強度を下げ、連続光の遮断状態を形成することができる。

本発明は、位相ＯＴＤＲにおいて光源のコヒーレンシを越えた距離の測定においても位相状態を精度よく測定できる光時間領域反射測定方法および光時間領域反射測定装置を提供することができる。

本発明に係る光時間領域反射測定装置を説明する図である。 本発明に係る光時間領域反射測定装置において、プローブパルスと等しい位相を有する疑似的な連続光を作り出す構造を説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。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。

図１は、本実施形態の光時間領域反射測定装置３０１を説明する図である。光時間領域反射測定装置３０１は、
光源１０からの光をパルス化した一方のパルス光をプローブパルスとして被測定ファイバ５０に入射し、光源１０からの光を局発光として被測定ファイバ５０からの戻り光と干渉させて測定側の干渉ビート信号を取得する測定干渉計１０１と、
光源１０からの光をパルス化した他方のパルス光を用い、前記他方のパルス光から分岐させた一部を遅延させて前記他方のパルス光のパルス間に配置することで連続光を生成し、光源１０からの光を局発光として前記連続光と干渉させて光源側の干渉ビート信号を取得するモニタ干渉計１０２と、
測定干渉計１０１が取得した前記測定側の干渉ビート信号の位相からモニタ干渉計１０２が取得した前記光源側の干渉ビート信号の位相を除去する解析部１０３と、
を備える。

光源１０からの出力光を光カプラ１１で二分岐し、一方はパルス化部１２に入力してプローブパルスを作り出す。他方はカプラ１３でさらに二分岐され測定干渉計１０１と位相モニタ干渉計１０２それぞれでの局発光として用いられる。

パルス化部１２はプローブパルスの光周波数をｆ_ａだけシフトさせる機能も有する。このパルス化部１２は音響光学素子や、ＬＮ変調器にて実現することができる。また、パルス化部１２をセミコンダクタ光アンプ素子と周波数シフト部とで構成することも可能である。周波数シフト部は音響光学素子やＬＮ変調器で実現できる。また、この際は周波数シフト部を測定干渉計１０１およびモニタ干渉計１０２の両局発光経路上にそれぞれ設置する形態でもよい。

パルス化部１２で生成されたプローブパルスはカプラ１４で二分岐され、一方は測定干渉計１０１の光サーキュレータ１５を介して被測定ファイバ５０に入射する。被測定ファイバ５０内に入射したプローブパルスによって生じた反射光および散乱光は再度光サーキュレータ１５を通過した後、光カプラ１６で測定干渉計の局発光と合波され、光受信器１７で受信される。

上記を数式にて説明する。
光源１０からの出力光の電界は以下のように表される。

ここで、ωは光源１０の光周波数、θ（ｔ）はランダムな光の位相である。

この出力光を測定干渉計１０１にて局発光およびｆ_ａだけ周波数シフトさせたプローブパルスとして利用して干渉ビート信号を生じさせて光受信器１７にて受信すると、出力される電流値は以下のように表される。

θ_ＦＵＴ（ｔ）は振動などの被測定ファイバ５０に加わる現象によって生じた位相変化であり、本測定で得たい量である。ｔ_０は光源１０からの出力光がパルス化された時間である。またプローブパルスは有限の幅を持つため、パルスの先頭が後方散乱されパルス内の各地点における位相と重なった後に観測されることを考慮し、θ’（ｔ_０）はプローブパルス内の瞬時的な位相が重ね合わされたものとする。また、θ’（ｔ_０）−θ（ｔ）が光源１０位相雑音である。

この位相雑音の分散は位相雑音項の遅延時間差｜ｔ_０−ｔ｜に比例する。この遅延時間差が光源１０のコヒーレンス時間を越えて大きくなる、すなわち位相ＯＴＤＲではプローブパルスの往復伝搬時間が光源１０のコヒーレンス時間より長くなると、光源１０の位相雑音によって位相の揺らぎが増大するため、プローブパルスが経験した被測定ファイバ５０に加わる振動等の外乱による位相変化を解析することができない。これが、位相ＯＴＤＲにて測定可能距離が光源１０のコヒーレンスに制限されるということである。

カプラ１４で二分岐されたプローブパルスの他方はリング構造１８を有するモニタ干渉計１０２に入射される。リング構造１８は、図２のように光経路中に設置された光カプラ２１、光減衰器２２、光アンプ２３、及びバンドパスフィルタ２４から構成されている。リング構造１８を通過することで付与される光の伝搬遅延時間はプローブパルス幅と同じとするのが望ましい。図２に示すように、プローブパルスはリング構造１８に入射する成分としない成分に分かれる。そして、リング構造１８の伝搬遅延時間がプローブパルス幅と同じであることから、リング構造１８に入射しなかったプローブパルスの後方に、リング構造１８に入射したプローブパルスがリング構造１８を周回した後に連続的に並ぶことになる。これが繰り返されることで、プローブパルスと等しい位相θ’（ｔ_０）を有する疑似的な連続光を作り出すことができる。

なお、リング構造１８は、光アンプ２３とバンドパスフィルタ２４でプローブパルスを増幅することで、プローブパルスが周回する際に生じる損失を補償する。パルス連結で作られた連続光の平均光強度が減衰することを回避できる。

また、ＯＴＤＲ測定では、測定結果の加算平均や各測定間でのデータ比較により最終的な情報を得るため複数回の測定を必要とする。従って、次の測定に移る際に、一度パルス連結で作られた連続光を遮断し、次の測定に用いるプローブパルスにて新たにパルス連結で作られた連続光を作りだして測定する必要がある。リング構造１８は、経路上に配置した光減衰器２２で周回するプローブパルスを遮断することで、光受信器１９で光干渉を検出できない程度までパルス連結で作られた連続光の平均光強度を低減する。

リング構造１８がプローブパルスを遮断するタイミングは、被測定ファイバ５０の最遠端から反射して戻ったプローブパルスが第二の出力光と合波されてから次のプローブパルスが被測定ファイバ５０に入射されるまでの間であればよい。

なお、リング構造１８は一例であり、モニタ干渉計１０２ではプローブパルスの一部の成分を遅延させることができれば他の構造でもよい。

このパルス連結で作られた連続光はモニタ干渉計１０２の局発光と合波され光受信器１９で受信される。この時、光受信器１０９からの出力電流Ｉ_ｍｏｎ（ｔ）は以下のように表される。

ここでＷはパルス幅、Ｎはｔ／Ｗ以下の最大の整数である。θ（ｔ_０＋ｔ−ＮＷ）はパルス連結で作られた連続光の位相を表す。

このようにして得た測定干渉計１０１およびモニタ干渉計１０２の干渉ビート信号の測定データは解析部１０３にて位相を計算する。これは、例えば各々の測定データにヒルベルト変換を施しｓｉｎ成分を求めて、ｃｏｓ成分である元データとからｔａｎ成分を計算し、さらに逆ｔａｎ関数を適用することで計算できる。

測定干渉計１０１で得られた位相Φは以下のように表される。

同様にモニタ干渉計１０２で得られた位相Φ_ｍｏｎは以下のように表される。

ここで、式５と６の差を取ると以下のようになる。

従来位相ＯＴＤＲにおける位相雑音項の遅延時間差は｜ｔ_０−ｔ｜でありｔに依存する。一方、光時間領域反射測定装置３０１における位相雑音項の遅延時間差は式６のようにｔ−ＮＷ（＜Ｗ）であるため最大でもパルス幅Ｗとなり、従来位相ＯＴＤＲのようにｔの増加、すなわち測定距離にしたがって増大するようなことはない。また、光源１０がパルス幅程度のコヒーレンス時間を有することを考慮すると、位相雑音項の影響は無視できる程度である。以上により、光時間領域反射測定装置３０１は、位相雑音の影響を除去し、測定したい対象である被測定ファイバ５０に加わる位相変化θ_ＦＵＴ（ｔ）のみを得ることができる。

ここで、モニタ干渉計１０２に振動などの外乱、すなわち外乱による位相雑音が加わることを回避するために、防音処理を施した箱の中にモニタ干渉計１０２を設置することが有効である。

また、光源に要求されるコヒーレンス時間として従来位相ＯＴＤＲが測定対象の最遠端までのプローブパルスの往復伝搬時間以上程度を必要とするのに対し、光時間領域反射測定装置３０１では光源１０のコヒーレンス時間はパルス幅以上であればよい。従来位相ＯＴＤＲの測定では、往復伝搬時間とパルス幅の比は１０^２程度あり、光時間領域反射測定装置３０１は、それだけ光源に求められるコヒーレンスを緩和することができ経済的な光源１０を用いることが可能になる。

このように、リング構造１８構成を具備したモニタ干渉計１０２にプローブパルスを入射してその位相状態を観測し、測定干渉計１０１で得た干渉ビート信号の位相情報との差を取ることで、光源１０位相雑音の影響を除去でき、従来位相ＯＴＤＲにおいて光源のコヒーレンスによる測定可能距離制限を克服できる。

（発明の効果）
本発明に係る光時間領域反射測定方法及び装置は、位相ＯＴＤＲにおいて光源１０のコヒーレンシを越えた距離においても位相状態を精度よく測定できる。また、本発明に係る光時間領域反射測定方法及び装置は、高コヒーレントな光源１０を用いる必要がないため、経済的な装置構成が可能になる。

本発明は、上記実施形態例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、上記実施形態例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種の発明を形成できる。例えば、実施形態例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、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合わせても良い。

１０：光源
１１：カプラ
１２：パルス化部
１３：カプラ
１４：カプラ
１５：光サーキュレータ
１６：カプラ
１７：光受信器
１８：リング構造
１９：光受信器
２０：カプラ
２１：カプラ
２２：光減衰器
２３：光アンプ
２４：バンドパスフィルタ
５０：被測定ファイバ
１０１：測定干渉計
１０２：モニタ干渉計
１０３：解析部
３０１：光時間領域反射測定装置

Claims (8)

1. 光時間領域反射測定方法であって、
   光源からの光をパルス化した一方のパルス光をプローブパルスとして被測定ファイバに入射し、前記光源からの光を局発光として前記被測定ファイバからの戻り光と干渉させて測定側の干渉ビート信号を取得する測定干渉手順と、
   前記光源からの光をパルス化した他方のパルス光を用い、前記他方のパルス光から分岐させた一部を遅延させて前記他方のパルス光のパルス間に配置することで連続光を生成し、前記光源からの光を局発光として前記連続光と干渉させて光源側の干渉ビート信号を取得するモニタ干渉手順と、
   前記測定干渉手順で取得した前記測定側の干渉ビート信号の位相から前記モニタ干渉手順で取得した前記光源側の干渉ビート信号の位相を除去する解析手順と、
   を行うことを特徴とする光時間領域反射測定方法。
2. 前記モニタ干渉手順では、前記他方のパルス光から分岐させた一部を遅延させる遅延時間が前記他方のパルス光のパルス幅と等しいことを特徴とする請求項１に記載の光時間領域反射測定方法。
3. 前記モニタ干渉手順では、前記他方のパルス光から分岐させた一部の光強度を調整することを特徴とする請求項１又は２に記載の光時間領域反射測定方法。
4. 前記モニタ干渉手順では、
   前記測定干渉手順において、前記被測定ファイバの最遠端で反射して戻った前記プローブパルスが前記局発光と干渉するときから次の前記プローブパルスを前記被測定ファイバに入射するときまでの間、前記他方のパルス光から分岐させた一部の光強度を減衰することを特徴とする請求項３に記載の光時間領域反射測定方法。
5. 光時間領域反射測定装置であって、
   光源からの光をパルス化した一方のパルス光をプローブパルスとして被測定ファイバに入射し、前記光源からの光を局発光として前記被測定ファイバからの戻り光と干渉させて測定側の干渉ビート信号を取得する測定干渉計と、
   前記光源からの光をパルス化した他方のパルス光を用い、前記他方のパルス光から分岐させた一部を遅延させて前記他方のパルス光のパルス間に配置することで連続光を生成し、前記光源からの光を局発光として前記連続光と干渉させて光源側の干渉ビート信号を取得するモニタ干渉計と、
   前記測定干渉計が取得した前記測定側の干渉ビート信号の位相から前記モニタ干渉計が取得した前記光源側の干渉ビート信号の位相を除去する解析部と、
   を備えることを特徴とする光時間領域反射測定装置。
6. 前記モニタ干渉計は、前記他方のパルス光から分岐させた一部を遅延させる遅延時間が前記他方のパルス光のパルス幅と等しいことを特徴とする請求項５に記載の光時間領域反射測定装置。
7. 前記モニタ干渉計は、前記他方のパルス光から分岐させた一部の光強度を調整することを特徴とする請求項５又は６に記載の光時間領域反射測定装置。
8. 前記モニタ干渉計は、
   前記測定干渉計において、前記被測定ファイバの最遠端で反射して戻った前記プローブパルスが前記局発光と干渉するときから次の前記プローブパルスを前記被測定ファイバに入射するときまでの間、前記他方のパルス光から分岐させた一部の光強度を減衰することを特徴とする請求項７に記載の光時間領域反射測定装置。

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