JPH071221B2 - 後方散乱光測定装置 - Google Patents

後方散乱光測定装置

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JPH071221B2
JPH071221B2 JP27544286A JP27544286A JPH071221B2 JP H071221 B2 JPH071221 B2 JP H071221B2 JP 27544286 A JP27544286 A JP 27544286A JP 27544286 A JP27544286 A JP 27544286A JP H071221 B2 JPH071221 B2 JP H071221B2
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宣 柴田
立田  光廣
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/30Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides
    • G01M11/31Testing of optical devices, constituted by fibre optics or optical waveguides with a light emitter and a light receiver being disposed at the same side of a fibre or waveguide end-face, e.g. reflectometers
    • G01M11/319Reflectometers using stimulated back-scatter, e.g. Raman or fibre amplifiers

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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、光ファイバ中をブリユアン(Brillouin)光
増幅状態となし、その状態で微弱な後方レイリー(Rayl
eigh)散乱光を検出するための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線路の光損失分布や光ファイバ中
の破断点を検出する方法として、光ファイバ中で発生す
る後方レイリー散乱光を検出する方法(たとえば、M.K.
Barnoski,et al.,“Optical timedomain reflectomete
r",Appl.Opt.,Vol.16(1977)PP,2379参照)がある。
この方法を用いて破断点検出を行う場合、破断点位置の
決定精度は光源から発せられるパルスの幅に依存し、高
分解能の判断点検出を行うためには、幅の狭い光パルス
を用いる必要がある。例えば、光パルス幅1nsおよび10n
sの光パルスを用いて破断点検出を行う場合の光ファイ
バ長手方向の距離分解能は、それぞれ、10cmおよび1mで
ある。
他方では、このように光パルス幅を狭くすると、光パル
スの尖頭値が一定の条件では受光可能な後方散乱光強度
はパルス幅に比例して小さくなるので、受光レベルの減
少を招き、S/N比も悪くなり、その結果として、良好な
信号検出が困難となる。
S/N比を改善する手段として、電気的な平均化処理を行
うことや、光検出器を冷却してS/N比を向上させること
が考えられる。しかし、平均化処理においては、多数の
後方レイリー散乱波形を取り込む必要があるため、時間
的制限があり、一方、受光器の冷却によるS/N比改善は3
dB程度の改善にとどまり、性能面からの制限がある。
多モード光ファイバ線路においては、光源と光ファイバ
との間の結合効率が良好であり、現在のところパルス幅
1nsの光パルス列を用いて10cmの距離分解能が達成され
ている。
しかし、単一モード光ファイバ線路では光源と光ファイ
バとの間の結合効率が悪く、更に加えて、後方レイリー
散乱光の発生領域がほぼコア断面積に比例する。したが
って、多モード光ファイバの場合と比べ、後方レイリー
散乱光が極めて微弱であるので、S/N比の良好な受光感
度が得られず、したがって、10cmの距離分解能を得るこ
とは極めてむずかしいと云う欠点があった。
[発明が解決しようとする問題点] そこで、本発明の目的は、従来法では検出が不可能な低
い受光感度レベルの光を受光S/N比の劣化をきたすこと
なく、高距離分解能の破断点検出ならびに高精度の光損
失測定を行うことのできる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に、本発明は、被測定光
ファイバ中に後方レイリー散乱光を発生させるための探
査光源と、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、探査光源および励起用光源
から出射された光が光ファイバへ入射するように導く光
学手段と、探査光源からの光と励起用光源からの光との
周波数差が光ファイバ中で発生するブリユアン光の周波
数シフト量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、光ファイバ中でブリユアン光増
幅された後方レイリー散乱光を検出する検出手段とを具
備したことを特徴とする。
[作用] 本発明では、被測定光ファイバをブリユアン光増幅が可
能な状態にすることにより、これまで光損失値のみで決
定されていた後方レイリー散乱光成分に増幅成分をもた
せ、以て受光レベルを改善することにより、高分解能の
破断点位置検出および高精度の光損失測定を行うことが
できる。このように、本発明は、光ファイバを光増幅率
の高いブリユアン増幅状態にして後方レイリー散乱光波
形を検出するので光増幅効果を付加せず、単に光パルス
のみを入射し、その後方レイリー散乱光波形を観測して
いる従来技術とは大きく相違する。
[実施例] 以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
単一縦モード発振でしかもその発振スペクトル線幅が狭
い光波を光ファイバに入射する場合、数mWの入射励起光
電力Ppumpで容易に後方ブリユアン散乱光を観測するこ
とができる(参照文献:D.Cotter,J.Opt.Commun.,Vol,1,
PP.10−19,1983)。その場合のブリユアン光増幅による
利得Gは、 G=exp[gZePpump/Aeff] (1) で表わされる。ただし、gはブリユアン利得係数、Aeff
は導波モードに対する実効的断面積、Zeは光ファイバ損
失値αを光ファイバの入射端からレイリー散乱が起きる
位置までの距離Zを用いて Ze=(1−e‐αz)/α で表わされる実効長さである。
ブリユアン光増幅領域νは励起光の光周波数に対し
て、屈折率n、波長λおよび音響フォノン速度Vaとし
て、 で表わされる。λ=0.8,1.3および1.55μmの各波長に
対して、ν=21,13および11GHzである。
一方、パルス幅Tの光パルスを光測定光ファイバに入
射した際に検出される後方レイリー散乱光の電力P
BSは、 と表わされる。ただし、Pinは光パルスの尖頭値、υ
は光ファイバ中の光の群速度、αはレイリー散乱係
数、Sは全レイリー散乱光量のうち後方へ散乱される光
量の割合である。
ブリユアン光増幅状態にある光ファイバ中からの後方散
乱光電力PBS,Brは、式(1)および(3)から、 となる。式(4)からPBS,Brの波形は単純な指数関数的
減衰を示さないことが分かる。
例えば、狭スペクトル線幅を有する単一縦モード発振レ
ーザを用いた場合、単位励起光電力あたりのブリユアン
利得はλ=1.55μm,Aeff=5×10-11m2,α=6.2×10-5
m-5,Z=37.5kmに対して3.7dB/mWとなる。よって、Ppump
=10mV入力に対し、約40dBに近いブリユアン利得が得ら
れる。これは、λ=1.55μmにおいて約200km長に相当
する光損失を相殺できることを意味している。
式(2)において、パルス幅Tを1ns(距離分解能10c
mに相当)とする。Ppump=10mW入力に対しては、約40dB
の利得が得られる。、このことにより、光増幅機能を有
しない従来法におけるT=10μsのパルス幅を用いた
測定と等価なレベルにまで受光レベルを改善できる。従
って、高分解能,高感度の破断点位置検出が可能であ
る。
次に、光損失値αの測定について述べる。式(4)の指
数関数の引数φを以下のように定義する。
ここで、後方散乱光電力の極値を与える位置を求めるた
めに、φの距離Zに対する微分をとると、 (dφ/dZ)=(gPpump/Aeff)e‐αz−2α=0
(6) 2つの異なる励起光電力レベルPpump,1およびPpump,2
対して、式(6)を満足する光ファイバ長手方向の位置
を、それぞれ、Z1およびZ1とすると、光損失値αは で表わされる。従って、式(7)より得られた後方散乱
波形から極値を与える位置のZ1およびZ2を求めることに
よって、既知の入射励起光電力値Ppump,1およびPpump,2
を用いて光損失値αを評価することができる。
あるいはまた、この評価方法の他に得られた波形を式
(4)を用いて最小二乗近似し、光損失値αを算出する
こともできる。
第1図は、上述した本発明の原理に基づいて構成した本
発明後方散乱光測定装置の一実施例を示す。
第1図において、1は被測定光ファイバ7中に後方レイ
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パルスを発生する。この光源1は、
たとえば、パルス幅の狭い光パルスを発生するDFBレー
ザなどの単一縦モード発振レーザで構成することができ
る。
2は被測定光ファイバ7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であって、スペクトル線幅の
狭い光パルスを発生する。この光源2は、たとえば連続
発振するDFBレーザなどの単一縦モード発振レーザで構
成することができる。
3は探査光源用レーザ1および励起用光源用レーザ2の
各出力光源の光周波数差が、光ファイバ7中で発生する
ブリユアン光の周波数シフト量と一致するようにこれら
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、ファブリペロー共振器あるいは光ファイバリング共
振器等を用いてPID制御による光周波数安定化装置とし
て構成される。その詳細は、例えばE−J.Bachus et a
l.,“Two−channel heterodyne-typetransmission expe
riment",Electron.Lett.,Vol.21,pp35〜36,1985に示さ
れている。
4は光源1および2からの光波を合波すめための光カプ
ラなどによる光合波器である。
5は励起用光源2の光電力をモニターするための光電力
計である。
6は光ファイバ7中で発生した後方レイリー散乱光が光
源1および2に戻ってこれら光源1および2の発振状態
に影響を与えないようにするための光アイソレータであ
る。
8は光ファイバ7中でブリユアン光増幅された後方レイ
リー散乱光を光検出器9へ導くための光カプラなどによ
る光結合器である。
10は光検出器9で受光して検出した後方レイリー散乱光
に対応する電気信号に対する信号処理装置である。な
お、信号処理装置10には信号処理して得られたレイリー
散乱波形から光損失値αを算出する機能を付加すること
もできる。
第2図は、波長λ=1.3μm,光損失α=0.5dB/km,光パル
ス幅T=10nsの場合に得られる後方レイリー散乱光波
形をPBS/PinあるいはPBS.Br/Pinで規格化して示す計
算値である。ここで、実線は励起入力Ppump=0に対す
る通常の系で得られる後方散乱波形である。破線,一点
鎖線および点線は本発明によるブリユアン光増幅を用い
て得られた後方散乱波形であり、それぞれ、Ppump=10m
W,15mWおよび20mWに対応する。第2図からわかるよう
に、本発明では、ブリユアン光増幅効果を利用している
ので、距離Zが増加しても、PBS,Br/Pinは、PBS/Pin
とは異なり、単純な指数関数的な減衰を示さない。一例
として、Ppump=15mWおよび20mWに対する後方レイリー
散乱光波形における極大値に対する距離差Z1−Z2は0.6k
mであり、この値を式(7)に入れることにより光損失
値αを0.5dB/kmと評価することができる。しかも、受光
後方散乱光の増大により受信系のS/N比を大幅に改善で
きることが分かる。
以上に説明したように、光源1から入射された信号光パ
ルスは、光源2からの光束によってブリユアン光増幅状
態になされた光ファイバ7中で光増幅されてから光検出
器9へと導かれる。その結果、光源1のみを用いる従来
技術と比べて、検出光量を大幅に増加させて、高分解能
で高感度の受信S/Nをもって後方散乱光を検出できる。
[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
バ線路をブリユアン光増幅が可能な励起状態にしておく
ことにより、短いパルス幅の光パルスを用いても、後方
レイリー散乱波形を高分解能かつ高感度で検出できる。
本発明では、ブリユアン光増幅された後方レイリー散乱
波形において入射励起光電力のレベルを調整することに
より、単一モード光ファイバ線路はもとより、多モード
光ファイバ線路の光損失分布を測定したり、破断点や接
続点の位置を検出することもできる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例り構成を示すブロック図、 第2図は種々の励起光入力レベルにおいて本発明で得ら
れる後方レイリー散乱光波形の光ファイバ入射端からの
距離に対する関係を従来例と対比して示す特性図であ
る。 1……短パルス発生を行う単一縦モード発振レーザ、2
……ブリユアン光増幅用の単一縦モード発振レーザ、 3……レーザ1および2の光周波数差がブリユアンシフ
ト周波数と一致するよう調整するための装置、4……光
合波器、5……励起光電力をモニターするための光電力
計、6……光アイソレータ、7……被測定光ファイバ、
8……光結合器、9……光検出器、10……信号処理装
置。
フロントページの続き (72)発明者 古川 真一 茨城県那珂郡東海村大字白方字白根162番 地 日本電信電話株式会社茨城電気通信研 究所内 (72)発明者 山下 克也 茨城県那珂郡東海村大字白方字白根162番 地 日本電信電話株式会社茨城電気通信研 究所内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被測定光ファイバ中に後方レイリー散乱光
    を発生させるための探査光源と、 前記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、 前記探査光源および前記励起用光源から出射された光が
    前記光ファイバへ入射するように導く光学手段と、 前記探査光源からの光と前記励起用光源からの光との周
    波数差が前記光ファイバ中で発生するブリユアン光の周
    波数シフト量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、 前記光ファイバ中でブリユアン光増幅された後方レイリ
    ー散乱光を検出する検出手段と を具備したことを特徴とする後方散乱光測定装置。
  2. 【請求項2】前記光学手段は、前記光ファイバ中で発生
    した後方レイリー散乱光が前記探査光源および前記励起
    用光源に戻るのを遮断する光遮断手段を含むことを特徴
    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。
  3. 【請求項3】前記光学手段は、前記探査光源からの光と
    前記励起用光源からの光とを合波する光合波手段を有す
    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
    に記載の後方散乱光測定装置。
  4. 【請求項4】前記検出手段は、前記光ファイバ中でブリ
    ユアン光増幅された後方レイリー散乱光を検出する光検
    出器と、前記光ファイバ中でブリユアン光増幅された後
    方レイリー散乱光を前記光検出器に導く光結合手段とを
    有することを特徴とする特許請求の範囲第1項ないし第
    3項のいずれかの項に記載の後方散乱光測定装置。
  5. 【請求項5】前記探査光源および前記励起用光源は、そ
    れぞれ、狭スペクトル線幅を有するパルス光および連続
    光を発生することを特徴とする特許請求の範囲第1項な
    いし第4項のいずれかの項に記載の後方散乱光測定装
    置。
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IT1196798B (it) * 1986-11-24 1988-11-25 Cselt Centro Studi Lab Telecom Sensore distribuito di temperatura utilizzante una fibra ottica come elemento sensibile
JP2589345B2 (ja) * 1988-06-24 1997-03-12 日本電信電話株式会社 光ファイバの特性評価方法および装置
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