WO2020179440A1 - 音響モード伝搬速度測定方法及び音響モード伝搬速度測定装置 - Google Patents

音響モード伝搬速度測定方法及び音響モード伝搬速度測定装置 Download PDF

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optical fiber
acoustic
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spectrum
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悠途 寒河江
松井　隆
恭三 辻川
中島　和秀
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    • G—PHYSICS
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    • G01M11/3109—Reflectometers detecting the back-scattered light in the time-domain, e.g. OTDR
    • G01M11/3145—Details of the optoelectronics or data analysis

Definitions

  • the present disclosure relates to a method and apparatus for measuring acoustic mode propagation characteristics that propagate in an optical fiber strand and an optical fiber in an installed cable.
  • a method for identifying the propagation speed of the acoustic mode that contributes to light scattering is (1) A method for empirically obtaining the core refractive index measured value of the optical fiber of Non-Patent Document 2. (2) There are two methods of irradiation with ultrasonic pulses introduced in Non-Patent Document 3.
  • Method (1) can be carried out by measuring the refractive index distribution of the optical fiber.
  • Method (2) is to install the optical fiber to be measured on the pedestal so that the optical fiber cross section faces the ultrasonic pulse emitting device, and to pass the ultrasonic pulse reflected by the pedestal through the measured optical fiber and the optical fiber. It can be implemented by calculating the reception time difference from the ultrasonic pulse reflected by the base.
  • the present invention provides an acoustic mode propagation velocity measuring method and an acoustic mode propagation velocity measuring device capable of measuring an acoustic mode propagation velocity without cutting or processing an optical fiber strand. With the goal.
  • an acoustic mode propagation velocity measuring method and an acoustic mode propagation velocity measuring device acoustic mode propagation by analyzing a backward Brillouin scattering spectrum generated in an optical fiber due to test light incidence. I decided to calculate the speed.
  • Non-Patent Document 2 it is reported that the propagation velocity of a longitudinal acoustic wave and the life of the acoustic wave are both proportional to the amount of impurities added to the propagation medium. Therefore, it is considered that the propagation speed of the acoustic mode of the longitudinal wave that propagates through the core of the optical fiber and contributes to the scattering of light has a correlation proportional to the lifetime. Also, considering that the half-width of the backward Brillouin scattering spectrum is determined by the lifetime of the acoustic mode, the propagation velocity of the acoustic mode of the longitudinal wave that contributes to light scattering has a correlation proportional to the half-width of the backward Brillouin scattering spectrum. Conceivable. Therefore, the propagation velocity of the acoustic mode that contributes to the scattering of light can be measured by analyzing the half width or the lifetime of the acoustic mode from the backward Brillouin scattering spectrum.
  • the first acoustic mode propagation velocity measuring method is Obtain the frequency shift spectrum of Brillouin scattered light generated in the optical fiber Gaussian fitting to the frequency shift spectrum,
  • the spectrum half width w is obtained from the curve fitted by the Gaussian function.
  • calculating the spectral half-width w and the propagation velocity V A of the acoustic mode by substituting the spectral half width w acquired on a linear function of the propagation velocity V A of the acoustic mode the optical fiber.
  • the first acoustic mode propagation velocity measuring device that performs the first acoustic mode propagation velocity measuring method is A receiver that acquires the frequency shift spectrum of Brillouin scattered light generated in the optical fiber, An analysis unit that fits the frequency shift spectrum with a Gaussian function and acquires the spectrum half width w from the curve fitted with the Gaussian function. A calculation unit for calculating a spectral half-width w and the propagation velocity V A of the acoustic mode of the acoustic mode propagation velocity V A and the primary function of the acquired spectral half width w the optical fiber by substituting the, Equipped with.
  • the linear function is the number C1. Is.
  • the second acoustic mode propagation velocity measuring method Obtain the frequency shift spectrum of Brillouin scattered light generated in the optical fiber Fitting the frequency shift spectrum with a function of the number C2, Obtaining the acoustic mode lifetime ⁇ from the curve fitted with the above function, And calculating the propagation velocity V A of the acoustic mode of the acoustic mode of life ⁇ and acoustic modes propagation velocity V A and the primary function of the acquired acoustic modes of life ⁇ the optical fiber by substituting the.
  • a second acoustic mode propagation velocity measuring device that performs the second acoustic mode propagation velocity measuring method, A receiver that acquires the frequency shift spectrum of Brillouin scattered light generated in the optical fiber, An analysis unit that fits the frequency shift spectrum with a function of the number C2, and acquires the life ⁇ of the acoustic mode from the curve fitted with the function, A calculation unit for calculating the propagation velocity V A of the acoustic mode of the acoustic mode of life ⁇ and acoustic modes propagation velocity V A and the primary function of the acquired acoustic modes of life ⁇ the optical fiber by substituting the, It is characterized by including.
  • the linear function is the number C3. Is.
  • the present invention can provide an acoustic mode propagation velocity measuring method and an acoustic mode propagation velocity measuring device that can measure an acoustic mode propagation velocity without cutting or processing an optical fiber strand.
  • the acoustic mode transmission speed measurement method of the present embodiment is an optical fiber one-end measurement by half-value width analysis of the rear Brillouin scattering spectrum. Obtain the frequency shift spectrum of Brillouin scattered light generated in the optical fiber Gaussian fitting to the frequency shift spectrum, The spectrum half width w is obtained from the curve fitted by the Gaussian function. And calculating the spectral half-width w and the propagation velocity V A of the acoustic mode by substituting the spectral half width w acquired on a linear function of the propagation velocity V A of the acoustic mode the optical fiber.
  • FIG. 1 shows the refractive index distribution in the radial direction of the optical fiber measured for a plurality of optical fibers having a Geo 2 addition core.
  • the optical fiber (a) is a general-purpose single-mode optical fiber (SMF), (b) is a dispersion-shifted optical fiber (DSF), and (c) is a high GeO 2- added core optical fiber (HGF) having a trench layer by adding fluorine. is there.
  • SMF general-purpose single-mode optical fiber
  • DSF dispersion-shifted optical fiber
  • HGF high GeO 2- added core optical fiber
  • the acoustic mode intensity distribution (right axis, broken line) calculated by the finite element method based on this acoustic wave velocity distribution is shown.
  • the effective acoustic mode propagation velocity VA in the optical fiber can be calculated by the overlap integral of the equation (1).
  • Each figure shows the VA obtained by Eq. (1) based on the acoustic wave velocity distribution of the optical fiber.
  • FIG. 3 shows the measured waveform of the backward Brillouin scattering spectrum measured with the optical fibers (a) to (c).
  • the incident light was continuous light having a wavelength of 1.55 ⁇ m.
  • Non-Patent Document 4 it is known that when the test light intensity is sufficiently high, the backward Brillouin scattering spectrum has a Gaussian type, and the solid line in FIG. 1 is a fitting curve by a Gaussian function. In the section where the spectrum intensity is -3 dB with respect to the peak intensity, the backward Brillouin scattering spectrum of any optical fiber can be well fitted. Therefore, it is possible to analyze the spectrum half width w from the fitting parameter of the Gaussian function.
  • the half width w of the rear Brillouin scattering spectrum analyzed in FIG. 2 on the optical fibers (a) to (c) is the horizontal axis, and the propagation velocity VA of the acoustic mode calculated by the equation (1) is vertical. It is a correlation diagram with an axis. It has been shown that the full width at half maximum w and the propagation velocity VA of the effective acoustic mode have a negative correlation. The full width at half maximum w fluctuates within the range of the error bar, and the solid line in the figure is an example of the fitting straight line [Equation 2].
  • V A -138.9w+7156 (2) It is expressed by the relational expression of.
  • Table 1 of FIG. 9 shows the propagation velocity of the acoustic mode calculated by the equation (1) in the optical fibers (a) to (c) and the propagation velocity of the acoustic mode obtained from the spectrum half width by the equation (2). ..
  • the difference between the two is less than 1.0%, and it is understood that the propagation velocity of the acoustic mode calculated by the equation (1) can be calculated accurately by the equation (2) from the spectrum half width.
  • Non-Patent Document 5 it is reported that the half width of the backward Brillouin scattering spectrum changes depending on the length of the optical fiber. However, since the change is saturated in an optical fiber of 10 km or more, an optical fiber of 10 km or more in length is saturated. Is preferably carried out.
  • the spectrum half-width can be obtained by backward Brillouin scattering spectrum analysis, and the effective propagation velocity of the acoustic mode that contributes to light scattering can be obtained.
  • FIG. 5 is a configuration example for explaining the acoustic mode propagation velocity measuring device 301 that realizes the above acoustic mode propagation velocity measuring method.
  • the acoustic mode propagation velocity measuring device 301 is A receiver 11 that acquires a frequency shift spectrum of Brillouin scattered light generated in an optical fiber, and An analysis unit 12 that fits the frequency shift spectrum with a Gaussian function and acquires the spectrum half width w from the curve fitted with the Gaussian function.
  • the test light from the laser light source having the intensity to generate the rear Brillouin scattering is branched into the excitation light and the reference light at the branching portion 21.
  • Backscattered light is generated when the excitation light is incident on the optical fiber FUT to be measured from the transmission unit 22.
  • the backscattered light passes through the optical circulator 24 and is combined with the reference light at the combine 23.
  • the receiving unit 11 receives the beat light and measures the spectrum (frequency shift spectrum of the Brillouin scattered light).
  • the analysis unit 12 analyzes the half width w of the frequency shift spectrum using a Gaussian function.
  • the acoustic mode transmission rate measurement method of the present embodiment is an optical fiber one-end measurement by acoustic mode lifetime analysis of the rear Brillouin scattering spectrum. Obtain the frequency shift spectrum of Brillouin scattered light generated in the optical fiber Fitting the frequency shift spectrum with the function of equation (4), The lifetime ⁇ of the acoustic mode is obtained from the curve fitted by the above function. And calculating the propagation velocity V A of the acoustic mode of the acoustic mode of life ⁇ and acoustic modes propagation velocity V A and the primary function of the acquired acoustic modes of life ⁇ the optical fiber by substituting the.
  • FIG. 6 shows a result obtained by fitting the backward Brillouin scattering spectrum measured by the optical fiber to be measured in FIG. 1 with the following function capable of analyzing the acoustic mode lifetime reported in Non-Patent Document 5.
  • S (f) is the spectral intensity for each frequency
  • a and G are fitting parameters
  • f is the frequency.
  • ⁇ indicates the attenuation rate of the acoustic mode
  • FIG. 7 is a correlation diagram in which the horizontal axis represents the lifetime ⁇ of the acoustic mode analyzed in FIG. 6 and the vertical axis represents the propagation velocity V A of the acoustic mode calculated by Expression (1). Both parameters have been shown to have a linear correlation, which is consistent with the correlation suggested by the empirical formula of Non-Patent Document 2.
  • the lifetime ⁇ of the acoustic mode fluctuates within the range of the error bar, and the solid line in the figure is an example of the fitting straight line [Equation 5].
  • VA 365.4 ⁇ + 3890 (5) It is expressed by the relational expression of.
  • Table 2 in FIG. 10 shows the propagation velocity of the acoustic mode calculated by the equation (1) in the optical fibers (a) to (c) and the propagation velocity of the acoustic mode obtained from the life of the acoustic wave mode by the equation (5). Indicated. The error between the two is less than 1.0%, and it can be seen that the propagation velocity of the acoustic mode calculated by the equation (5) can be accurately calculated by the equation (1) from the lifetime of the acoustic mode obtained by the backward Brillouin scattering spectrum analysis. Similar to the first embodiment, it is preferable that the measurement method of the present invention is performed using a long optical fiber of 10 km or more. As described above, the acoustic mode lifetime can be obtained by the backward Brillouin scattering spectrum analysis, and the propagation velocity of the acoustic mode that contributes to light scattering can be obtained.
  • the above-mentioned acoustic mode propagation velocity measuring method can be realized by the configuration of the acoustic mode propagation velocity measuring device 301 of FIG.
  • the acoustic mode propagation velocity measuring device 301 fits the frequency shift spectrum with the function of the equation (4) by the analysis unit 12, acquires the lifetime ⁇ of the acoustic mode from the curve fitted by the function, and calculates it.
  • the unit 13 calculates the propagation speed VA of the acoustic mode of the optical fiber.
  • the analysis unit 12 uses Equation (4) to calculate the acoustic mode life ⁇ from the spectrum of the beat light received by the reception unit 11 (frequency shift spectrum of Brillouin scattered light).
  • FIG. 8 is a configuration example for explaining the acoustic mode propagation velocity measuring device 301 that realizes the acoustic mode propagation velocity measuring method of the present embodiment.
  • the distribution measurement of the propagation velocity of the acoustic mode using BOTDA will be described.
  • the difference between the measurement system of this embodiment and the measurement systems of Embodiments 1 and 2 is that the measurement system of this embodiment includes a pulsing unit 25 that pulsates the excitation light.
  • the test light from the laser light source having the intensity to generate the backward Brillouin scattering is split into the excitation light and the reference light by the splitting part 21.
  • the excitation light is pulsed by the pulsing unit 25 and is incident on the optical fiber FUT to be measured from the transmitting unit 22.
  • the backscattered light due to the excitation light passes through the optical circulator 24 and is combined with the reference light in the combining unit 23.
  • the acoustic mode propagation velocity measuring device 301 performs the spectrum analysis described in the first or second embodiment. Since the excitation light is pulsed, the propagation velocity of the acoustic mode that contributes to light scattering can be obtained in a distributed manner with respect to the optical fiber to be measured.
  • the present invention can be used for evaluation of optical fiber characteristics and measurement technology using optical fibers. Further, the acoustic mode propagation velocity measuring apparatus according to the present invention can be realized by a computer and a program, and the program can be recorded in a recording medium or provided through a network.
  • receiver 12 analyzer 13: calculator 21: splitter 22: transmitter 23: multiplexer 24: optical circulator 25: pulser 301: acoustic mode propagation velocity measuring device

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Abstract

光ファイバ素線の切り出しや加工をすることなく音響モード伝搬速度を測定できる音響モード伝搬速度測定方法及び音響モード伝搬速度測定装置を提供することを目的とする。 本発明に係る音響モード伝搬速度測定方法は、光ファイバ中で発生するブリルアン散乱光の周波数シフトスペクトルを取得し、前記周波数シフトスペクトルに対してガウス関数でフィッティングし、前記ガウス関数でフィッティングした曲線からスペクトル半値幅ｗを取得し、スペクトル半値幅ｗと音響モードの伝搬速度ＶＡとの一次関数に取得した前記スペクトル半値幅ｗを代入して前記光ファイバの音響モードの伝搬速度ＶＡを計算することを特徴とする。

Description

音響モード伝搬速度測定方法及び音響モード伝搬速度測定装置
　本開示は、光ファイバ素線中および敷設済みケーブル内の光ファイバ中を伝搬する音響モード伝搬特性を測定する方法及び装置に関するものである。
　現在の光ネットワークでは伝送遅延時間の低減に対する要求が顕在化し、特に長距離通信線路では光ファイバによる伝搬遅延時間が支配的であるため、光ファイバの群遅延時間に対する注目が高まっている。従来の測定では光パルス送信機から入射された光を、光ファイバ通過後に受信機で検出し伝搬時間を計測することによって群遅延時間を求めるインパルス応答法が利用されていた。一方、最近では、後方ブリルアン散乱を用いた手法が提案されており、従来手法と異なり光ファイバの片端測定が可能であるため、敷設済みの光ファイバに対しても応用が期待されている（非特許文献１）。
　上記の後方ブリルアン散乱を用いた測定手法では光の散乱に寄与する縦波の音響モードについて光ファイバ中を伝搬する速度を特定する必要がある。光の散乱に寄与する音響モードの伝搬速度を特定する手法には、
（１）非特許文献２の光ファイバのコア屈折率測定値から経験的に求める方法、
（２）非特許文献３で紹介されている超音波パルスの照射による方法
の２つがある。
　手法（１）は光ファイバの屈折率分布を測定する事によって実施可能である。手法（２）は被測定光ファイバを超音波パルス発射装置に光ファイバ断面が向くように台座に設置し、被測定光ファイバを通過して台座で反射した超音波パルスと、光ファイバを通過せず台座で反射した超音波パルスとの受信時間差を計算することによって実施可能である。
寒河江、松井、辻川、中島"誘導ブリルアン散乱による光ファイバ群遅延時間測定法に関する検討，"電子情報通信学会ソサイエティ大会，　Ｂ－１３－１３，　９月，　２０１８ Ｙ．　Ｋｏｙａｍａｄａ，　Ｓ．　Ｓａｔｏ，　Ｓ．　Ｎａｋａｍｕｒａ，　Ｈ．　Ｓｏｔｏｂａｙａｓｈｉ　ａｎｄ　Ｗ．　Ｃｈｕｊｏ，　"Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ　ａｎｄ　Ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ　Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　Ｇａｉｎ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｉｎ　Ｓｉｎｇｌｅ－Ｍｏｄｅ　Ｆｉｂｅｒｓ，"　Ｊ．　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｏｌ．，　Ｖｏｌ．　２２，　Ｎｏ．　２，　ｐｐ．　６３１－６３９，　Ｆｅｂｒｕａｒｙ，　２００４． Ｎ．　Ｈａｙａｓｈｉ，　Ｙ．　Ｍｉｚｕｎｏ，　Ｄ．　Ｋｏｙａｍａ　ａｎｄ　Ｋ．　Ｎａｋａｍｕｒａ，　"Ｄｅｐｅｎｄｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｈｉｆｔ　ｏｎ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ａｎｄ　Ｓｔｒａｉｎ　ｉｎ　Ｐｏｌｙ（ｍｅｔｈｙｌ　ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）－Ｂａｓｅｄ　Ｐｏｌｙｍｅｒ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒｓ　Ｅｓｔｉｍａｔｅｄ　ｂｙ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｖｅｌｏｃｉｔｙ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，"　Ａｐｐｌ．　Ｐｈｙｓ．　Ｅｘｐ．　５，　０３２５０２，　Ｍａｒｃｈ，　２０１２． Ａ．　Ｙｅｎｉａｙ，　Ｊ－Ｍ．　Ｄｅｌａｖａｕｘ　ａｎｄ　Ｊ．　Ｔｏｕｌｏｕｓｅ，"Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　ａｎｄ　Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ　Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　Ｇａｉｎ　Ｓｐｅｃｔｒａ　ｉｎ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｉｂｅｒｓ，"　Ｊ．　Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　Ｔｅｃｈｎｏｌ．，　Ｖｏｌ．　２０，　Ｎｏ．　８，　ｐｐ．　１４２５－１４３２，　Ａｕｇｕｓｔ，　２００２． Ｈ．　Ａ．　Ａｌ－Ａｓａｄｉ，　Ｍ．　Ｈ．　Ａｌ－Ｍａｎｓｏｏｒｉ，　Ｓ．　Ｈｉｔａｍ，　Ｍ．　Ｉ．　Ｓａｒｉｐａｎ　ａｎｄ　Ｍ．　Ａ．　Ｍａｈｄｉｌ　"Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　Ｌｉｎｅｗｉｄｔｈ　Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ　ｉｎ　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｍｏｄｅ　Ｌａｒｇｅ　Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　Ａｒｅａ　Ｆｉｂｅｒ　ｔｈｒｏｕｇｈ　Ｃｏ－Ｐｕｍｐｅｄ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，"　ＩＪＥＣＣＴ　２０１０，　Ｖｏｌ．　１，　１，　ｐｐ．　１６－２０，　２０１０．
　上記手法（１）および（２）は、どちらも後方ブリルアン散乱測定の前または後に、音響モードの伝搬速度の測定のために光ファイバ素線の切出しや加工が必要となる。そのため、上記手法（１）および（２）には、敷設済みケーブル内の光ファイバなど、光ファイバ素線の切り出しや加工ができない被測定光ファイバに対して音響モード伝搬速度を測定することが困難という課題があった。そこで、本発明は、上記課題を解決するために、光ファイバ素線の切り出しや加工をすることなく音響モード伝搬速度を測定できる音響モード伝搬速度測定方法及び音響モード伝搬速度測定装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明に係る音響モード伝搬速度測定方法及び音響モード伝搬速度測定装置は、試験光入射によって光ファイバ中で発生する後方ブリルアン散乱スペクトルを解析することによって音響モードの伝搬速度を計算することとした。
　非特許文献２によると縦波音響波の伝搬速度と音響波の寿命は共に伝搬媒体への不純物添加量に比例することが報告されている。そのため、光ファイバのコアを伝搬する、光の散乱に寄与する縦波の音響モードの伝搬速度は寿命に比例する相関があると考えられる。また、後方ブリルアン散乱スペクトルの半値幅が音響モードの寿命によって決まることを考えると、光の散乱に寄与する縦波の音響モードの伝搬速度は後方ブリルアン散乱スペクトルの半値幅に比例する相関があると考えられる。よって、後方ブリルアン散乱スペクトルから半値幅、もしくは音響モードの寿命を解析することによって、光の散乱に寄与する音響モードの伝搬速度が測定可能である。
　具体的には、本発明に係る第１の音響モード伝搬速度測定方法は、
　光ファイバ中で発生するブリルアン散乱光の周波数シフトスペクトルを取得し、
　前記周波数シフトスペクトルに対してガウス関数でフィッティングし、
　前記ガウス関数でフィッティングした曲線からスペクトル半値幅ｗを取得し、
　スペクトル半値幅ｗと音響モードの伝搬速度ＶＡとの一次関数に取得した前記スペクトル半値幅ｗを代入して前記光ファイバの音響モードの伝搬速度ＶＡを計算すること
を特徴とする。
　また、第１の音響モード伝搬速度測定方法を行う第１の音響モード伝搬速度測定装置は、
　光ファイバ中で発生するブリルアン散乱光の周波数シフトスペクトルを取得する受信部と、
　前記周波数シフトスペクトルに対してガウス関数でフィッティングし、前記ガウス関数でフィッティングした曲線からスペクトル半値幅ｗを取得する解析部と、
　スペクトル半値幅ｗと音響モードの伝搬速度ＶＡとの一次関数に取得した前記スペクトル半値幅ｗを代入して前記光ファイバの音響モードの伝搬速度ＶＡを計算する計算部と、
を備える。
　このとき、前記一次関数が数Ｃ１であることを特徴とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 である。
　一方、本発明に係る第２の音響モード伝搬速度測定方法は、
　光ファイバ中で発生するブリルアン散乱光の周波数シフトスペクトルを取得し、
　前記周波数シフトスペクトルに対して数Ｃ２の関数でフィッティングし、
　前記関数でフィッティングした曲線から音響モードの寿命τを取得し、
　音響モードの寿命τと音響モードの伝搬速度ＶＡとの一次関数に取得した前記音響モードの寿命τを代入して前記光ファイバの音響モードの伝搬速度ＶＡを計算すること
を特徴とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 ここで、Ａ、Ｇはフィッティングパラメータであり、Ｓ（ｆ）はスペクトル強度、ｆは周波数、Γは音響モードの減衰率を示し、音響モードの寿命τはτ＝１／Γである。
　また、第２の音響モード伝搬速度測定方法を行う第２の音響モード伝搬速度測定装置は、
　光ファイバ中で発生するブリルアン散乱光の周波数シフトスペクトルを取得する受信部と、
　前記周波数シフトスペクトルに対して数Ｃ２の関数でフィッティングし、前記関数でフィッティングした曲線から音響モードの寿命τを取得する解析部と、
　音響モードの寿命τと音響モードの伝搬速度ＶＡとの一次関数に取得した前記音響モードの寿命τを代入して前記光ファイバの音響モードの伝搬速度ＶＡを計算する計算部と、
を備えることを特徴とする。
　このとき、前記一次関数が数Ｃ３であることを特徴とする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 である。
　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。
　本発明は、光ファイバ素線の切り出しや加工をすることなく音響モード伝搬速度を測定できる音響モード伝搬速度測定方法及び音響モード伝搬速度測定装置を提供することができる。
光ファイバ屈折率分布の測定結果を説明する図である。 光ファイバの音響波速度分布の計算結果と光の散乱に寄与する音響モードの強度分布の計算結果を説明する図である。 本発明に係る音響モード伝搬速度測定方法で取得される後方ブリルアン散乱スペクトルの取得例と解析例を説明する図である。 本発明に係る音響モード伝搬速度測定方法で計算された音響モードの伝搬速度と後方ブリルアン散乱スペクトル線幅との相関を説明する特性図である。 本発明に係る音響モード伝搬速度測定装置を説明する図である。 本発明に係る音響モード伝搬速度測定方法で取得される後方ブリルアン散乱スペクトルの取得例と解析例を説明する図である。 本発明に係る音響モード伝搬速度測定方法で計算された音響モードの伝搬速度と音響モードの寿命との相関を説明する特性図である。 本発明に係る音響モード伝搬速度測定装置を説明する図である。 本発明に係る音響モード伝搬速度測定方法で計算した音響モードの伝搬速度と公知の手法で計算した計算値とを比較する表である。 本発明に係る音響モード伝搬速度測定方法で計算した音響モードの伝搬速度と公知の手法で計算した計算値とを比較する表である。
　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。
（実施形態１）
　本実施形態の音響モード伝送速度測定方法は、後方ブリルアン散乱スペクトルの半値幅解析による光ファイバ片端測定であって、
　光ファイバ中で発生するブリルアン散乱光の周波数シフトスペクトルを取得し、
　前記周波数シフトスペクトルに対してガウス関数でフィッティングし、
　前記ガウス関数でフィッティングした曲線からスペクトル半値幅ｗを取得し、
　スペクトル半値幅ｗと音響モードの伝搬速度ＶＡとの一次関数に取得した前記スペクトル半値幅ｗを代入して前記光ファイバの音響モードの伝搬速度ＶＡを計算すること
を特徴とする。
　図１にＧｅＯ２添加コアを有する複数の光ファイバについて測定した光ファイバ径方向の屈折率分布を示す。光ファイバ（ａ）は汎用のシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）、（ｂ）は分散シフト光ファイバ（ＤＳＦ）、（ｃ）はフッ素添加によるトレンチ層を有する高ＧｅＯ２添加コア光ファイバ（ＨＧＦ）である。
　図２に非特許文献２によって示されている屈折率と音響波速度に関する経験式に基づいて計算した光ファイバ（ａ）～（ｃ）の光ファイバ径方向の音響波速度分布（左軸、実線）を示す。また、同時に本音響波速度分布に基づいて有限要素法で計算した音響モード強度分布（右軸、破線）で示した。以上の速度分布Ｖｌ（ｒ）と強度分布Ｉ（ｒ）を用いて式（１）の重なり積分により光ファイバ中の実効的な音響モードの伝搬速度ＶＡを計算することができる。各図に光ファイバの音響波速度分布をもとに式（１）で求めたＶＡを示した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　図３に上記光ファイバ（ａ）～（ｃ）にて測定した後方ブリルアン散乱スペクトルの測定波形を示す。ここで入射光は波長１．５５μｍの連続光とした。非特許文献４によると試験光強度が十分高強度な場合、後方ブリルアン散乱スペクトルはガウシアン型となることが知られており、図１中の実線はガウス関数によるフィッティング曲線である。スペクトル強度がピーク強度に対して－３ｄＢとなる区間ではいずれの光ファイバの後方ブリルアン散乱スペクトルについても良くフィッティングできる。よってガウス関数のフィッティングパラメータからスペクトル半値幅ｗを解析することが可能である。
　図４は、光ファイバ（ａ）～（ｃ）にて図２にて解析した後方ブリルアン散乱スペクトルの半値幅ｗを横軸とし、式（１）で計算した音響モードの伝搬速度ＶＡを縦軸とした相関図である。半値幅ｗと実効的な音響モードの伝搬速度ＶＡは負の相関を持つことが示されている。エラーバーの範囲内で半値幅ｗは変動し、図中の実線はフィッティング直線の一例であり
［数２］
ＶＡ＝－１３８．９ｗ＋７１５６　　　　　　　　　　　　　　（２）
の関係式で表される。半値幅ｗの変動を考慮すると、ＶＡとｗの関係式をＶＡ＝Ａ１ｗ＋Ｂ１とするとき
［数３］
－１５９．８≦Ａ１≦－１２４．６
６９９２≦Ｂ１≦７３９７　　　　　　　　　　　　　　　　　（３）
の範囲の値をとる。
　図９の表１に、光ファイバ（ａ）～（ｃ）にて式（１）で計算した音響モードの伝搬速度と式（２）によりスペクトル半値幅から求めた音響モードの伝搬速度を示した。両差の誤差は１．０％未満であり、式（１）で計算する音響モードの伝搬速度をスペクトル半値幅から式（２）で精度よく計算できることが分かる。非特許文献５によると後方ブリルアン散乱スペクトル半値幅は光ファイバ長に依って変化することが報告されているが、１０ｋｍ以上の光ファイバではその変化が飽和するため、１０ｋｍ以上の長尺の光ファイバでの実施が好ましい。以上の様に後方ブリルアン散乱スペクトル解析によってスペクトル半値幅を求め、光の散乱に寄与する実効的な音響モードの伝搬速度を求めることができる。
　図５は、上記の音響モード伝搬速度測定方法を実現する音響モード伝搬速度測定装置３０１を説明する構成例である。音響モード伝搬速度測定装置３０１は、
　光ファイバ中で発生するブリルアン散乱光の周波数シフトスペクトルを取得する受信部１１と、
　前記周波数シフトスペクトルに対してガウス関数でフィッティングし、前記ガウス関数でフィッティングした曲線からスペクトル半値幅ｗを取得する解析部１２と、
　スペクトル半値幅ｗと音響モードの伝搬速度ＶＡとの一次関数に取得した前記スペクトル半値幅ｗを代入して前記光ファイバの音響モードの伝搬速度ＶＡを計算する計算部１３と、
を備える。
　後方ブリルアン散乱を発生させる強度を持ったレーザ光源からの試験光が分岐部２１で励起光と参照光に分岐される。励起光が送信部２２から被測定光ファイバＦＵＴに入射されることで後方散乱光が発生する。後方散乱光が光サーキュレータ２４を経由し、合波部２３で参照光と合波される。受信部１１はビート光を受光し、そのスペクトル（ブリルアン散乱光の周波数シフトスペクトル）を測定する。解析部１２はガウス関数を用いて当該周波数シフトスペクトルの半値幅ｗを解析する。計算部１３は式（３）の係数を用いたＶＡとｗの関係式ＶＡ＝Ａ１ｗ＋Ｂ１により音響モード伝搬速度を計算する。
　本実施形態の測定手法により、音響モードの伝搬速度の測定のための光ファイバ切出しや加工が不要となり、光ファイバの非破壊検査を実現することができる。
（実施形態２）
　本実施形態の音響モード伝送速度測定方法は、後方ブリルアン散乱スペクトルの音響モード寿命解析による光ファイバ片端測定であって、
　光ファイバ中で発生するブリルアン散乱光の周波数シフトスペクトルを取得し、
　前記周波数シフトスペクトルに対して式（４）の関数でフィッティングし、
　前記関数でフィッティングした曲線から音響モードの寿命τを取得し、
　音響モードの寿命τと音響モードの伝搬速度ＶＡとの一次関数に取得した前記音響モードの寿命τを代入して前記光ファイバの音響モードの伝搬速度ＶＡを計算すること
を特徴とする。
　一般的にブリルアン散乱スペクトル線幅は光の散乱に寄与する音響モードの寿命に依存することが知られている。図６に図１の被測定光ファイバで測定した後方ブリルアン散乱スペクトルに対して、非特許文献５で報告されている音響モード寿命を解析可能な以下の関数でフィッティングした結果を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 ここで、Ｓ（ｆ）は周波数毎のスペクトル強度、Ａ、Ｇはフィッティングパラメータ、ｆは周波数である。Γは音響モードの減衰率を示し、音響モードの寿命τはτ＝１／Γとなる。図６より測定結果が式（４）によって表現できることがわかる。
　図７は、図６で解析した音響モードの寿命τを横軸とし、式（１）で計算した音響モードの伝搬速度ＶＡを縦軸としたの相関図である。両パラメータは直線的な相関を持つことが示されており、非特許文献２の経験式から示唆される相関と整合する。エラーバーの範囲で音響モードの寿命τは変動し、図中の実線はフィッティング直線の一例であり
［数５］
ＶＡ＝３６５．４τ＋３８９０　　　　　　　（５）
の関係式で表される。音響モードの寿命τの変動を考慮すると、ＶＡとτの関係式をＶＡ＝Ａ２τ＋Ｂ２とするとき
［数６］
３５４．５≦Ａ２≦３７６．９
３８４０≦Ｂ２≦３９３９　　　　　　　　　（６）
の範囲の値をとる。
　図１０の表２に、光ファイバ（ａ）～（ｃ）にて式（１）で計算した音響モードの伝搬速度と式（５）により音響波モードの寿命から求めた音響モードの伝搬速度を示した。両者の誤差は１．０％未満であり、式（５）で計算する音響モードの伝搬速度を後方ブリルアン散乱スペクトル解析によって得られる音響モードの寿命から式（１）で精度よく計算できることが分かる。実施形態１と同様に本発明の測定手法は１０ｋｍ以上の長尺の光ファイバでの実施が好ましい。以上の様に後方ブリルアン散乱スペクトル解析によって音響モード寿命を求め、光の散乱に寄与する音響モードの伝搬速度を求めることができる。
　図５の音響モード伝搬速度測定装置３０１の構成で上記の音響モード伝搬速度測定方法を実現することができる。この場合、音響モード伝搬速度測定装置３０１は、解析部１２が前記周波数シフトスペクトルに対して式（４）の関数でフィッティングし、前記関数でフィッティングした曲線から音響モードの寿命τを取得し、計算部１３が音響モードの寿命τと音響モードの伝搬速度ＶＡとの一次関数に取得した前記音響モードの寿命τを代入して前記光ファイバの音響モードの伝搬速度ＶＡを計算する。
　解析部１２は式（４）を用いて受信部１１が受光したビート光のスペクトル（ブリルアン散乱光の周波数シフトスペクトル）から音響モードの寿命τを計算する。計算部１３は式（６）の係数を用いたＶＡとτの関係式ＶＡ＝Ａ２τ＋Ｂ２により音響モード伝搬速度を計算する。
　本実施形態の測定手法により、音響モードの伝搬速度の測定のための光ファイバ切出しや加工が不要となり、光ファイバの非破壊検査を実現することができる。
（実施形態３）
　図８は、本実施形態の音響モード伝搬速度測定方法を実現する音響モード伝搬速度測定装置３０１を説明する構成例である。本実施形態では、ＢＯＴＤＡを用いた音響モードの伝搬速度の分布測定を説明する。本実施形態の測定系と実施形態１及び２の測定系との違いは、本実施形態の測定系が励起光をパルス化するパルス化部２５を備えていることである。
　後方ブリルアン散乱を発生させる強度を持ったレーザ光源からの試験光が分岐部２１で励起光と参照光に分岐される。励起光はパルス化部２５でパルス化され、送信部２２から被測定光ファイバＦＵＴに入射される。当該励起光による後方散乱光は、光サーキュレータ２４を経由し、合波部２３で参照光と合波される。音響モード伝搬速度測定装置３０１は、実施形態１または実施形態２で説明したスペクトル解析を行う。励起光がパルス化されているため、光の散乱に寄与する音響モードの伝搬速度を被測定光ファイバに対して分布的に求めることができる。
　本発明は、光ファイバの特性評価また光ファイバによる計測技術に用いることができる。
　また、本発明に係る音響モード伝搬速度測定装置は、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。
１１：受信部
１２：解析部
１３：計算部
２１：分岐部
２２：送信部
２３：合波部
２４：光サーキュレータ
２５：パルス化部
３０１：音響モード伝搬速度測定装置

Claims (8)

  1. 　光ファイバ中で発生するブリルアン散乱光の周波数シフトスペクトルを取得し、
    　前記周波数シフトスペクトルに対してガウス関数でフィッティングし、
    　前記ガウス関数でフィッティングした曲線からスペクトル半値幅ｗを取得し、
    　スペクトル半値幅ｗと音響モードの伝搬速度ＶＡとの一次関数に取得した前記スペクトル半値幅ｗを代入して前記光ファイバの音響モードの伝搬速度ＶＡを計算すること
    を特徴とする音響モード伝送速度測定方法。
  2. 　前記一次関数が数Ｃ１であることを特徴とする請求項１に記載の音響モード伝送速度測定方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     である。
  3. 　光ファイバ中で発生するブリルアン散乱光の周波数シフトスペクトルを取得し、
    　前記周波数シフトスペクトルに対して数Ｃ２の関数でフィッティングし、
    　前記関数でフィッティングした曲線から音響モードの寿命τを取得し、
    　音響モードの寿命τと音響モードの伝搬速度ＶＡとの一次関数に取得した前記音響モードの寿命τを代入して前記光ファイバの音響モードの伝搬速度ＶＡを計算すること
    を特徴とする音響モード伝送速度測定方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     ここで、Ａ、Ｇはフィッティングパラメータであり、Ｓ（ｆ）はスペクトル強度、ｆは周波数、Γは音響モードの減衰率を示し、音響モードの寿命τはτ＝１／Γである。
  4. 　前記一次関数が数Ｃ３であることを特徴とする請求項３に記載の音響モード伝送速度測定方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
     である。
  5. 　光ファイバ中で発生するブリルアン散乱光の周波数シフトスペクトルを取得する受信部と、
    　前記周波数シフトスペクトルに対してガウス関数でフィッティングし、前記ガウス関数でフィッティングした曲線からスペクトル半値幅ｗを取得する解析部と、
    　スペクトル半値幅ｗと音響モードの伝搬速度ＶＡとの一次関数に取得した前記スペクトル半値幅ｗを代入して前記光ファイバの音響モードの伝搬速度ＶＡを計算する計算部と、
    を備えることを特徴とする音響モード伝送速度測定装置。
  6. 　前記一次関数が数Ｃ１であることを特徴とする請求項５に記載の音響モード伝送速度測定装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
     である。
  7. 　光ファイバ中で発生するブリルアン散乱光の周波数シフトスペクトルを取得する受信部と、
    　前記周波数シフトスペクトルに対して数Ｃ２の関数でフィッティングし、前記関数でフィッティングした曲線から音響モードの寿命τを取得する解析部と、
    　音響モードの寿命τと音響モードの伝搬速度ＶＡとの一次関数に取得した前記音響モードの寿命τを代入して前記光ファイバの音響モードの伝搬速度ＶＡを計算する計算部と、
    を備えることを特徴とする音響モード伝送速度測定装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
     ここで、Ａ、Ｇはフィッティングパラメータであり、Ｓ（ｆ）はスペクトル強度、ｆは周波数、Γは音響モードの減衰率を示し、音響モードの寿命τはτ＝１／Γである。
  8. 　前記一次関数が数Ｃ３であることを特徴とする請求項７に記載の音響モード伝送速度測定装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
     である。
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