JPH01142435A - 後方散乱光測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、光ファイバからの微弱な後方レーリー散乱光
を、ブリユアン光増幅することにより検出する測定装置
に関するものである。

［従来の技術］ 単一モード光ファイバの光損失分布や光ファイバ中の障
害点を検出する方法として、光ファイバ中で発生する後
方レーリー散乱光を検出する方法（たとえば、Ｍ、に、
Ｂａｒｎｏｓｋｉ、ｅｔ　ａｌ、、”０ｐｔｉｃａｌｔ
ｉｆｆｌｅ　ｄｏｍａｉｎ　ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅ
ｒ”、Ａｐｐｌ、Ｏｐｔ、、Ｖｏｌ、１６（１９７７）
、　ｐｐ、２３７５〜２３７参照）がある。しかしなが
ら、後方レーリー散乱光は極めて微弱なためその検出は
非常に困難である。そのため、これまでＹＡＧレーザ等
の大出力レーザの使用、あるいは光検出器の冷却による
検出感度の向上環の工夫がなされている。最近、被測定
光ファイバをブリユアン光増幅可能な状態にすることに
より、被測定光ファイバ中で発生した後方レーリー散乱
光を増幅させ、受光レベルを改善する測定装置が発明さ
れた（特願昭６１−２７５４４２号）。この発明は、微
弱な後方レーリー散乱光を４０ｄＢ以上も増幅可能なた
め、大幅な測定精度の向上が可能である。

［発明が解決しようとする問題点］ ブリユアン光増幅可能な状態を実現するためには、励起
用光源と探査光源の光の周波数差を、励起用光源により
光ファイバ中で発生した音響波の周波数と一致させる必
要がある。一方、その音響波の周波数は光ファイバの材
料、構造、被覆などに依存する。従って、上記発明によ
り、多数の光ファイバを接続して構成した光線路におい
てブリユアン光増幅を実現するためには、注目する光フ
ァイバごとに、それに固有の音響波の周波数に、励起用
光源と探査光源の周波数差を一致させるという大変面倒
な調整が必要である。また、ブリユアン光増幅を効率良
く起こさせるには、励起用光源により発生した音響波の
偏波方向と、後方レーリー散乱光の偏波方向を一致させ
る必要があるが、上記発明ではその調整が不可能なため
、安定な増幅率が得られないという欠点がある。さらに
上記発明では、ブリユアン光増幅された後方レーリー散
乱光の信号波形は、増幅前の信号波形とは大きく異なる
。これは、被測定光ファイバ中で散乱する位置により、
後方レーリー散乱光と、励起用光源からの出射光および
音響波との相互作用長が異なるため、増幅率が散乱位置
の関数となるからである。従って、上記発明により被測
定光ファイバの損失を求めるには、ブリユアン光増幅に
よる増幅率を考慮した後方散乱光信号波形の理論値を、
実際の測定値に最小自乗法等により近似するという操作
が必要がである。これは、ブリユアン光増幅せずに後方
レーリー散乱光を直接受信し、２点間の後方散乱光レベ
ルの比から被測定光ファイバの損失を算出する従来法に
比べると、非常に複雑である。また上記発明では、後方
レーリー散乱光をブリユアン光増幅可能な周波数帯域幅
を大きくとることができないため、後方散乱光測定装置
の距離分解能を高めるのは困難であった。

本発明の目的は、■多数の光ファイバが接続された光線
路においても、注目する光ファイバごとに、励起用光源
と探査光源の周波数差を調整する必要がなく、■安定な
ブリユアン光増幅の増幅率を得ることが可能であり、ま
た■光ファイバの損失が容易に測定可能であり、なおか
つ■距離分解能が高い、ブリユアン光増幅を応用した後
方散乱光測定装置を提供することにある。

［問題点を解決するための手段］ このような目的を達成するため本発明は被測定光ファイ
バ中に後方レーリー散乱光を発生させるための探査光源
と、後方レーリー散乱光をブリユアン光増幅するための
増幅用光ファイバと、後方レーリー散乱売を増幅用光フ
ァイバへ入射させる第１の光学手段と、増幅用光ファイ
バ中にブリユアン光増幅状態を発生させるための励起用
光源と、励起用光源から出射された光が増幅用光ファイ
バに入射するように導く第２の光学手段と、探査光源か
らの出射光を被測定光ファイバに入射するように導く第
３の光学手段と、励起用光源からの光と探査光源からの
光との周波数差が、励起用光源により増幅用光ファイバ
中に発生した音蓼波の周波数と一致するように探査光源
および励起用光源を調整する調整手段と、増幅用光ファ
イバ中で増幅された後方散乱光を検出する手段と、増幅
用光ファイバ中で増幅された、後方散乱光を検出する手
段に導く第４の光学手段とを具備したことを特徴とする
。

［作　用］ 本発明においてはブリユアン光増幅専用のための増幅用
光ファイバを、被測定光ファイバ以外に設け、その増幅
用光ファイバの中で、被測定光ファイバからの後方レー
リー散乱光の増幅を行う。

その増幅用光ファイバには偏波特性が安定な偏波保持光
ファイバを使用し、偏波保持光ファイバに入射する光の
偏波状態を調整する手段を有してもよい。あるいは、増
幅用光ファイバを伝搬する光あるいは音響波の偏波をス
クランブルする手段を有してもよく、さらに増幅用光フ
ァイバをパラメータの異なる複数の光ファイバにより構
成してもよい。

このように、本発明では、光増幅専用の光ファイバを用
意し、それをブリユアン光増幅状態とするゆえに、安定
でなおかつ広帯域な増幅特性を実現することができる。

［実施例］ 以下に図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図に、本発明の一実施例のブロック図を示す。図に
おいて１は増幅用光ファイバ６をブリユアン光増幅状態
とするための励起用光源であって、スペクトル線幅の狭
い光を出射する。光源１は、たとえばＣＷ全発振ＹＡＧ
レーザあるいはＤＦＢレーザ等の単一縦モード発振レー
ザで構成できる。

２は被測定光中に後方レーリー散乱光を発生させるため
の探査光源であって、スペクトル線幅の狭い光を出射す
る。光源２は光源１と同様に、たとえばＣＷ全発振ＹＡ
ＧレーザあるいはＩＩＦＢ　レーザ等の単一縦モード発
振レーザで構成できる。、３は励起用光源１と探査光源
２の光周波数差が、増幅用光ファイバ６中で発生する音
響波の周波数と一致するように光源１および２を調整す
るための装置であって、たとえば、ファブリベロー共振
器あるいは光ファイバリング共振器等を用いたＰＩＤ制
御による光周波数制御装置として構成される。４は、励
起用光源１から出射された光が増幅用光ファイバ６に入
射するように導く光学手段Ｂの一部をなす光方向性結合
器である。光方向性結合器４は、増幅用光ファイバ６に
より増幅された後方レーリー散乱光を光検出器１０に導
く役割も果たす。５は、光学手段Ｂおよび後述する光学
手段りの一部をなすものであり、励起用光源１の出射光
を、その偏波状態を制御して、増幅用光ファイバ６へ入
射するための偏波制御装置である。これは１７４波長板
、％波長板、偏光子等で構成できる。また光ファイバコ
イル等も使用できる。７は被測定光ファイバ９中で発生
した後方レーリー散乱光を増幅用光ファイバ６へ入射さ
せる光学手段Ａの一部をなすものであり、探査光源２に
より発生させられた後方レーリー散乱光は通過させ、後
方レーリー散乱光と逆方向に進む、励起用光源１から出
射した光は遮断する特性を有する周波数フィルタ、ある
いはアイソレータである。８は探査光源２の光を被測定
光ファイバ９へ入射し、その中で発生した後方レーリー
散乱光を増幅用光ファイバへ導くための光方向性結合器
である。本実施例では、探査光源２からの出射光を被測
定光ファイバ９に入射する光学手段Ｃは、第１図におい
て光方向性結合器８の破線で囲って示した先導波路によ
り実現されている。１１は光検出器１０により受光した
後方レーリー散乱光に対応する電気信号を処理する信号
処理装置である。なお、本実施例では、増幅用光ファイ
バ６の中で増幅された後方散乱光を光検出器ｌＯに導く
光学手段りは、第１図において、光方向性結合器４の破
線で囲って示した先導波路と偏波制御装置５により実現
されている。

次に本装置の動作を説明する。探査光源から出射した光
パルスは光方向性結合器８を通して被測定光ファイバ９
へ入射される。被測定光ファイバ９中で発生した後方レ
ーリー散風光は再び光方向性結合器８を通過して、増幅
用光ファイバ６へ導かれる。この時、増幅用光ファイバ
６には、先方同性結合器４を通じて励起用光源１からの
光が入射されているので、増幅用光ファイバ６はブリユ
アン光増幅状態にあり、被測定光ファイバからの後方レ
ーリー散乱光は増幅用光ファイバ６を通過することによ
り大幅に増幅される。増幅された後方レーリー散乱光は
光方向性結合器４を通過して光検出器１０により電気信
号に変換され、信号処理装置１１により所望の処理（平
均化処理によるＳＮ比改善、信号波形表示、光損失算出
等）が施される。

さて本発明では、第１図に示したように、被測定光ファ
イバとは別に、光増幅用の光ファイバ６を設けているの
で、ブリユアン光増幅状態を実現するためには、光源１
および２の光周波数差を増幅用光ファイバ６に固有の音
響波周波数と一致するよう、光周波数制御装置３を調整
すれば良い。

この調整は、従来装置のように、注目する被測定光ファ
イバごとに行うのではなく、−度実施するだけで良いた
め、本発明による測定装置は従来のものに較べ比べ大幅
に操作性が向上する。また、被測定光ファイバからの後
方レーリー散乱光が、増幅用光ファイバ内で、励起用光
源１からの光およびそれにより発生した音響波と相互作
用する長さは、一定（増幅用光ファイバの長さそのもの
）である。従って、本発明では、従来発明のように、散
乱位置により光増幅が生じるための相互作用長が異なり
、増幅率も変化するということはない。

ブリユアン光増幅により、後方レーリー散乱光に対して
一定でなおかつ最大の増幅率を得るためには、上記相互
作用長を一定にすること以外に、励起用光源により発生
した音響波の偏波方向と後方レーリー散乱光の偏波方向
を一致させる必要がある。なぜならば、両者の偏波方向
が一致したとき増幅率は最大となり、直交したときは最
低となるからである。しかしながら、被測定光ファイバ
は通常僅かな複屈折性を有するため、後方レーリー散乱
光の偏波状態はその散乱位置によって大きく異なる。よ
って、音響波の偏波方向を後方レーリー散乱光のそれに
一致させることは困難である。本発明では、この課題を
以下の２通りの方向で解決している。

その一つは、増幅用光ファイバ６に偏波保持光ファイバ
を使う方法である。偏波保持光ファイバの主軸（Ｘ軸、
Ｙ軸）と一致した偏光方向の光は、それを保持しつつ偏
波保持光ファイバを伝搬する。今、偏波保持光ファイバ
の主軸（Ｘ軸、Ｙ軸）方向の偏波をもつ光に対する、ブ
リユアン光増幅の増幅率をそれぞれ、ＧＸ（Ｐ）　、　
’Ｇ２（Ｐ）　とする。増幅率Ｇは、励起用光源の光パ
ワーＰの関数である。また一般には第２図に示すように
ＧＸ≠Ｇ。

である。そこで、偏波制御装置５により、増幅用光ファ
イバである偏波保持光ファイバに入射する、励起用光源
の偏波を制御することによりＧｘ　（Ｐｘ）　＝　Ｇｙ
　（Ｐｙ）　＝　Ｇ。

となるようにする（第２図参照）。ここでｐｘ、　ｐ。

はそれぞれ、偏波保持光ファイバのＸ軸、Ｙ軸に結合し
た励起用光源の光パワーである。このとき、増幅用光フ
ァイバ６である偏波保持光ファイバに入射する後方レー
リー散乱光の偏波がいかなる状態であろうとも、Ｇｘ＝
　Ｇ、であるため、後方レーリー散乱光に対して常に一
定の増幅率が得られる。

他の一つは、増幅用光ファイバ６を伝搬する励起用光源
からの光あるいは被測定光ファイバからの後方レーリー
散乱光の偏波をスクランブルする方法である。励起用光
源からの光の偏波をスクランブルすることにより、その
光により発生する音響波の偏波もスクランブルされる。

スクランブルされた光あるいは音響波の偏波は増幅用光
ファイバ６の全体にわたって平均すると全方向に一様に
分布する。従って、ブリユアン光増幅による一定の増幅
率が得られるようになる。偏波をスクランブルする速度
が遅いときには、光が増幅用光ファイバ６に入射してか
ら出射するまでの伝搬時間内には、その光の偏波の変化
は少なく、十分にスクランブルされない場合も生じる。

しかしその場合においても、繰り返し、信号を受信し、
信号処理装置１１により平均化処理を実行することによ
り、等価的に一定の増幅率を得ることができる。励起用
光源からの光をスクランブルするためには増幅用光ファ
イバの一端側６−１に偏波スクランブラ−を付ければ良
い。被測定光ファイバからの後方レーリー散乱光の偏波
をスクランブルするためには増幅用光ファイバの他端側
６−２に偏波スクランブラ−を付ければ良い８両者を一
遍にスクランブルするには、増幅用光ファイバの中途あ
るいは全体にわたって偏波スクランブラ−を付ければ良
い。

偏波をスクランブルするためには、光ファイバに曲げ、
引っ張り、側圧、振動等を与えれば良い。

偏波スクランブラ−の構成例を第３図〜第５図に示す。

第３図は束ねられた光ファイバ１２に対して繰り返し引
つ張りを与えるものである。第４図は光ファイバ１３を
電歪素子で作られたドラム１４に巻き付け、交流電源１
５によって電歪素子１４に電圧を加えることにより、光
ファイバに曲げおよび引っ張りを与えるものである。第
５図はスピーカ１７等の振動体の上に光ファイバ１６を
乗せ、光ファイバに振動を与えるものである。

さて、本発明では、探査光源により発生させられた後方
レーリー散乱光を通過させ、励起用光源から出射した光
は遮断する特性を有する周波数フィルタ７を使用する。

これにより、増幅用光ファイバ６を通過した、励起用光
源からの光がさらに被測定光ファイバ９に入射し、被測
定光ファイバがブリユアン光増幅状態になることをさけ
ることが可能である。勿論、励起用光源からの光が被測
定光ファイバに入射する時点で充分減衰している場合に
は、周波数フィルタ９は必要ない。周波数フィルタ９は
例えばマツハツエンダ型の干渉計により作製できる。そ
の構成を第６図に示す。またその周波数特性を第７図に
示す。励起用光源からの光（周波数ｆＰ）を阻止し、探
査光源からの光（周波数ｆｓ）により被測定光ファイバ
９中で発生した後方レーリー散乱光を通過させる特性を
持つ、マツハツエンダ形の干渉計のボー）−１７および
２０を、周波数フィルタ７として使えば良い。すなわち
ボート１７を増幅用光ファイバ６の他端側６−２に、ボ
ート２０を光方向性結合器８に接続すればよい。なお、
第６図および第７図については後に再び説明する。また
、励起用光源からの光と後方レーリー散乱光はお互いに
逆方向に進むので、周波数フィルタのかわりに、ＹＩＧ
結晶等で構成した光アイソレータを使うこともできる。

ところで、ブリユアン光増幅による増幅可能な光の周波
数帯域幅ΔｆＢは、媒質を伝搬する音響波の寿命で決ま
り、石英の場合は励起光の波長が１．３μｍのとき約２
０ＭＨｚである（第８図参照）。

後方散乱光測定装置の距離分解能は測定系の帯域により
制限され、帯域が２０ＭＨｚのときの距離分解能は５ｍ
に過ぎない。本発明はこの距離分解能を向上させるため
、増幅用光ファイバを、光ファイバの構造パラメータ、
材料、被覆構造、被覆材料が異なる光ファイバを複数本
接続することにより構成している。励起用光源からの光
により発生する音響波の周波数ｆ、および上記周波数帯
域幅Δｆ１１は、増幅用光ファイバの構造パラメータ、
材料、被覆構造、被覆材料に依存するため、これら諸元
を変えたものを組合わせることにより所望の帯域特性が
実現可能である０例えば、コアにＧｅｍ２を１ＩＩｌｏ
１％ドーピングすることにより石英光ファイバのｆＩｌ
ｌは波長０．８２μｍにおいて１２５　ＭＨｚシフトす
ることをわれわれは実験により確認している。従って、
Ｇｅｍ２のドーピング量を僅かづつ変えた光ファイバを
複数本接続することにより、単体では、第８図に示すよ
うに狭い周波数帯域幅しか持たないものを、第９図に示
すように広帯域な増幅用光ファイバにすることが可能で
ある。これにより従来不可能であった、ブリユアン光増
幅を応用した高分解能後方散乱光測定装置を実現できる
。

その他本発明は上記記載に限定されずにその要旨を逸脱
しない範囲で種々変形して実施できる。

例えば、第１図に示した本発明の実施例では、二つの光
方向性結合器４および８を使用しているがこれは以下に
示すように他のものに置き換え可能である。光方向性結
合器４は第６図に示したマツハツエンダ型の干渉計２１
に置き換えられる。例えば、マツハツエンダ型の干渉計
２１のボート１８を励起用光源に、ボート１７を光検出
器ｌＯに、ボート２０を増幅用光ファイバ６へ続く端子
につなぐとする。この時、干渉計の通過特性は第７図に
示したようになるため、励起用光源１からの光（周波数
ｆｐ）は干渉計の通過損失をうけずに増幅用光ファイバ
６に入射し、また増幅用光ファイバ６を出射した、被測
定光ファイバ９からの後方レーリー散乱光（周波数ｆ＋
）も干渉計の通過損失をうけずに光検出器１０に入射す
る。また、光方向性結合器８は第１０図に示した光スィ
ッチ２２に置き換え可能である。例えば光スィッチのボ
ート２３は増幅用光ファイバ６につながる端子に、ボー
ト２４は探査光源２に、ボート２５は被測定光ファイバ
９に接続する。光スィッチ２２をボート２４に閉じるこ
とにより、探査光源２からの光パルスを被測定光ファイ
バ９へ入射し、光スィッチ２２をボート２３に閉じるこ
とにより、被測定光ファイバからの後方レーリー散乱光
を増幅用光ファイバ６に入射すると、各光信号が光スィ
ッチを通過するときにうける損失は原理的に零とするこ
とができる。光スィッチとしては、超音波光偏向器、電
気光学的変調器、液晶光スイッチ、ＰＬＺＴ光スイッチ
等種々のものが使用できる。３ｄＢ分岐の光方向性結合
器を使用するときには、それを通過するごとに３ｄＢの
損失をうけるので、以上説明した置き換えは、後方散乱
光測定装置のダイナミックレンジを向上させる手段とし
て有効である。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明によれば、被測定光ファイ
バ以外に設けた増幅用光ファイバをブリユアン光増幅が
可能な光増幅状態にすることにより、被測定光ファイバ
からの後方レーリー散乱光を光増幅し、検出するため、
ブリユアン光増幅状態の実現に必要な励起用光源の周波
数と探査光源の周波数差を、媒質に固有の音響波の周波
数に一致させる°調整を一度行うだけで良く、従来技術
に較べて著しく操作性が向上する。また、増幅用光ファ
イバに偏波保持光ファイバを使うことにより、あるいは
増幅用光ファイバを伝搬する光、音響波の偏波をスクラ
ンブルすることにより、後方レーリー散乱光の偏波状態
に関係なく、また、後方レーリー散乱光の散乱位置に関
係なく、一定の増幅率が得られる。従って、信号波形を
歪ませることなく、後方レーリー散乱光を光増幅できる
ので、受信後方散乱光波形から容易に光ファイバの障害
箇所あるいは接続点などを判別することができる。また
光ファイバの損失も、２点間の後方レーリー散乱光のレ
ベル比より光ファイバの損失を簡単に算出可能である。

さらに、特殊の増幅用光ファイバを使用することにより
、ブリユアン光増幅可能な周波数帯域を広帯域化し、距
離の分解能を高めた後方散乱光測定装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構成を示すブロック図、 第２図は偏波保持光ファイバを増幅用光ファイバとして
使用したときの、励起用光源光パワーと増幅率の関係を
示す図、 第３図〜第５図はそれぞれ偏波スクランブラ−の構成を
示す図、 第６図はマツハツエンダ型干渉計の構成を示す図、 第７図はその透過特性を示す図、 第８図および第９図はそれぞれは増幅用光ファイバのパ
ラメータが−様なとき、および増幅用光ファイバをパラ
メータが異なる４本の光ファイバにより構成したときの
、ブリユアン光増幅可能な周波数帯域を示す図、 第１０図は光スィッチの構成を示す図である。 １・・・励起用光源、 ２・・・探査光源、 ３・・・光周波数制御装置、 ４・・・光方向性結合器、 ５・・・偏波制御装置、 ６・・・増幅用光ファイバ、 ７・・・光周波数フィルタまたは光アイソレータ、８・
・・光方向性結合器。 特許出願人　　日本電信電話株式会社

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）被測定光ファイバ中に後方レーリー散乱光を発生さ
   せるための探査光源と、 前記後方レーリー散乱光をブリュアン光増幅するための
   増幅用光ファイバと、 前記後方レーリー散乱光を前記増幅用光ファイバへ入射
   させる第１の光学手段と、 前記増幅用光ファイバ中にブリュアン光増幅状態を発生
   させるための励起用光源と、 該励起用光源から出射された光が前記増幅用光ファイバ
   に入射するように導く第２の光学手段と、 前記探査光源からの出射光を前記被測定光ファイバに入
   射するように導く第３の光学手段と、前記励起用光源か
   らの光と前記探査光源からの光との周波数差が、前記励
   起用光源により前記増幅用光ファイバ中に発生した音響
   波の周波数と一致するように前記探査光源および前記励
   起用光源を調整する調整手段と、 前記増幅用光ファイバ中で増幅された後方散乱光を検出
   する手段と、 前記増幅用光ファイバ中で増幅された後方散乱光を前記
   検出する手段に導く第４の光学手段とを具備したことを
   特徴とする後方散乱光測定装置。 ２）前記増幅用光ファイバは偏波保持光ファイバである
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の後方散乱
   光測定装置。 ３）前記第２の光学手段は、前記励起用光源の出射光を
   所要の偏波状態とするための調整手段を有することを特
   徴とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の後方
   散乱光測定装置。 ４）前記第１の光学手段は、探査光源により発生させら
   れた前記後方散乱光を通過させ、後方散乱光と逆方向に
   進む、励起用光源から出射した光は遮断する特性を有す
   る周波数フィルタ、あるいはアイソレータを含むことを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の後方散乱光測定
   装置。 ５）前記増幅用光ファイバを伝搬する光あるいは音響波
   の偏波をスクランブルする手段を有することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の後方散乱光測定装置。 ６）前記増幅用光ファイバは、光ファイバの構造パラメ
   ータ、材料、被覆構造、被覆材料が異なる光ファイバを
   複数本接続することにより構成されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の後方散乱光測定装置。