WO2022162718A1 - ブリルアン利得スペクトル分布測定方法および装置 - Google Patents

ブリルアン利得スペクトル分布測定方法および装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、線幅が通常よりも狭線幅化されたＢＧＳを被測定光ファイバの長手方向で分布的に測定できるブリルアン利得スペクトル分布測定方法およびその装置を提供することを目的とする。　本測定装置は、連続光にパルスが上乗せされたポンプ光およびポンプ光から周波数をシフトさせた連続光のプローブ光を用意し、ＦＵＴの一端にプローブ光、他端にポンプ光を入射し、ポンプ光によって増幅されたプローブ光強度のうち、ポンプ光パルスによって増幅された成分の時間波形を取得する。本測定装置は、ポンプ光とプローブ光の光周波数差を変え、光周波数差毎に時間波形を取得する。本測定装置は、これらの時間波形からＦＵＴのＢＧＳ分布を取得する。

Description

ブリルアン利得スペクトル分布測定方法および装置
　本開示は、光ファイバ長手方向のブリルアン利得スペクトル分布を狭線幅に取得できる測定方法及びその測定装置に関する。
　ブリルアン時間領域解析（ＢＯＴＤＡ）による温度センシングや歪みセンシングが提案されている（例えば、非特許文献１を参照。）。非特許文献１の測定法では、光ファイバにおけるブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）量が、温度・歪みによって変化する特性を利用する。また、このＢＦＳは、ファイバの長手方向で分布的に取得できるため、温度・歪みの分布センシングが可能となる。
　ＢＯＴＤＡでは、被測定光ファイバ一端にポンプ光、他端にポンプ光と周波数差を設定したプローブ光を入射し、ポンプ光とのブリルアン相互作用によって増幅されるプローブ光の増幅量（ブリルアン利得）を観測する。ここで、周波数差に対する増幅量がブリルアン利得スペクトル（ＢＧＳ）であり、このＢＧＳから増幅量が最大となる周波数であるＢＦＳを取得する。
　ＢＧＳから取得できるＢＦＳの精度は、一般にＢＧＳの線幅に依存することが知られている。波長１５５０ｎｍにおけるシングルモードファイバのＢＧＳは一般に３０～４０ＭＨｚの半値全幅（ＦＷＨＭ）を有し、この場合は１ＭＨｚ程度のＢＦＳの測定精度が得られる。ここで上述したように、ＢＦＳは温度や歪みに対応していることから、狭線幅なＢＧＳを取得できることは、温度及び歪みの測定精度を向上させる上で重要である。
　ＢＧＳの線幅はブリルアン作用長に依存することが知られており、４０ｋｍの純石英コアファイバでは３．５ＭＨｚまで狭線化できることが報告されている（例えば、非特許文献２を参照。）。
Ｔ．　Ｋｕｒａｓｈｉｍａ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｏｐｔ．　Ｌｅｔｔ．，　１５（１８），　１０３８－１０４０　（１９９０）． 飯田他、信学技報，　ｖｏｌ．　１０８，　ｎｏ．　２４５，　ＯＦＴ２００８－４３，　ｐｐ．　４５－５０，　２００８年１０月． Ａ．　Ｙｅｎｉａｙ　ｅｔ　ａｌ．，　Ｊ．　Ｌｉｇｈｔ．　Ｔｅｃｈｎｏｌ．，　２０（８），　１４２５－１４３２　（２００２）．
　しかし、非特許文献２のように連続光を入射して、被測定光ファイバの全区間でブリルアン作用を発生させると、ＢＧＳを長手方向で分布的に計測することができないという課題がある。そこで、本発明は、前記課題を解決するために、線幅が通常よりも狭線幅化されたＢＧＳを被測定光ファイバの長手方向で分布的に測定できるブリルアン利得スペクトル分布測定方法およびその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、本発明に係るブリルアン利得スペクトル分布測定方法及び装置は、連続光の一部にパルス成分を重畳させたポンプ光を用いてブリルアン時間領域解析（ＢＯＴＤＡ）を行うこととした。
　具体的には、本発明に係るブリルアン利得スペクトル分布測定方法は、
　被測定光ファイバの一端と他端から連続光のプローブ光と連続光のポンプ光をそれぞれ入射し、前記被測定光ファイバの全区間でブリルアン作用を発生させること、
　全区間での前記ブリルアン作用を維持した状態で、前記ポンプ光と光周波数が同じであるパルス状のパルスポンプ光を前記被測定光ファイバの他端から入射すること、
　前記被測定光ファイバの他端から出力する増幅された前記プローブ光のうち、前記パルスポンプ光による増幅成分を抽出すること、
　前記プローブ光と前記ポンプ光との光周波数差毎に前記増幅成分の時間波形を測定すること、及び
　前記光周波数差毎に測定した前記増幅成分の時間波形からブリルアン利得スペクトルを前記被測定光ファイバの長手方向で分布的に取得すること
を特徴とする。
　また、本発明に係るブリルアン利得スペクトル分布測定装置は、
　被測定光ファイバの一端と他端から連続光のプローブ光と連続光のポンプ光をそれぞれ入射し、前記被測定光ファイバの全区間でブリルアン作用を発生させるとともに、全区間での前記ブリルアン作用を維持した状態で、前記ポンプ光と光周波数が同じであるパルス状のパルスポンプ光を前記被測定光ファイバの他端から入射する光入射装置と、
　前記被測定光ファイバの他端から出力する増幅された前記プローブ光のうち、前記パルスポンプ光による増幅成分を抽出する受光器と、
　前記プローブ光と前記ポンプ光との光周波数差毎に前記増幅成分の時間波形を測定し、前記光周波数差毎に測定した前記増幅成分の時間波形からブリルアン利得スペクトルを前記被測定光ファイバの長手方向で分布的に取得する解析装置と、
を備える。
　連続したポンプ光にパルス状のパルスポンプ光を重畳することで、ＢＧＳ幅を狭くすることができる。従って、本発明は、線幅が通常よりも狭線幅化されたＢＧＳを被測定光ファイバの長手方向で分布的に測定できるブリルアン利得スペクトル分布測定方法およびその装置を提供することができる。
　本発明に係るブリルアン利得スペクトル分布測定方法及び装置は、前記ポンプ光の光強度を強めて前記パルスポンプ光とすることを特徴とする。
　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、線幅が通常よりも狭線幅化されたＢＧＳを被測定光ファイバの長手方向で分布的に測定できるブリルアン利得スペクトル分布測定方法およびその装置を提供することができる。
本発明に係るブリルアン利得スペクトル分布測定方法の測定概念を説明する図である。 本発明に係るブリルアン利得スペクトル分布測定方法において、増幅されたプローブ光の例を説明する図である。 本発明に係るブリルアン利得スペクトル分布測定装置を説明する図である。 本発明に係るブリルアン利得スペクトル分布測定方法を説明する図である。 本発明に係るブリルアン利得スペクトル分布測定方法及び装置の効果を説明する図である。（ａ）は通常のＢＯＴＤＲで測定したＢＧＳ、（ｂ）は本発明に係る測定方法で測定したＢＧＳ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。
［発明の概要］
　ブリルアン利得から得られるスペクトルＳ（ω）は、以下の式で表すことができる（例えば、非特許文献３を参照。）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 ここで、ωはプローブ光とポンプ光との光周波数差、ｈはプランク定数、ωｓはプローブ光の光周波数、Ｎは音響モード毎のフォノンの平均数である。また、ｎはコアの屈折率、ｃは真空中の光速、Ａは有効断面積、Γはフォノン減衰率、Ｇはブリルアン利得量である。
　式（１）より、ＢＧＳ形状はブリルアン利得量Ｇとフォノン減衰率Γによって決まる。ポンプ光がパルスの場合、ブリルアン作用長が短いため、利得量Ｇが小さくなる。この場合、式（１）はローレンツ分布となり、この時のＢＧＳのスペクトル幅Δωは
Δω＝Γ
となる。
　一方で、ポンプ光が連続光の場合、ブリルアン作用長が長いため、利得量Ｇが大きくなる。この場合、式（１）はガウス分布となり、この時のＢＧＳのスペクトル幅Δωは
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 となる。式（２）は利得量Ｇの増加に伴い、スペクトル幅が狭くなることを表している。式（２）より、狭線幅のＢＧＳを取得する上では、ファイバ全区間でブリルアン作用を発生させることが有効であることがわかる。
　本発明では、狭線幅のＢＧＳ分布を測定するため、測定構成として通常のＢＯＴＤＡの構成のうち、連続光の一部にあらかじめパルスが上乗せされたポンプ光を用いる。
　図１は、本発明のＢＧＳ測定の概念を説明する図である。本ＢＧＳ測定では、まず連続光のポンプ光Ｌｐｏ１を被測定光ファイバ（ＦＵＴ）５０に入射し、このポンプ光Ｌｐｏ１とプローブ光Ｌｐｂによってファイバ全区間でブリルアン作用を発生させる。この作用が維持された状態で、ポンプ光Ｌｐｏ１に上乗せされたパルス成分のパルスポンプ光Ｌｐｏ２をＦＵＴ５０に入射し、このパルスにより増幅されたプローブ光強度を測定する。
　図２は、ＦＵＴ５０出射後に観測されるプローブ光の強度波形を説明する図である。符号ＡはＦＵＴ５０通過後のプローブ光ＬＰｂの光強度、符号Ｂはポンプ光Ｌｐｏの連続光成分（ポンプ光Ｌｐｏ１）による増幅量、符号Ｃはポンプ光のパルス成分（パルスポンプ光Ｌｐｏ２）による増幅量を表わしている。
　図２に示すように、ポンプ光の連続光成分（ポンプ光Ｌｐｏ１）とポンプ光のパルス成分（パルスポンプ光Ｌｐｏ２）は、ＦＵＴ５０内のプローブ光Ｌｐｂを増幅する。ここで、ポンプ光Ｌｐｏ１は、プローブ光Ｌｐｂを常に一定量増幅する。一方、パルスポンプ光Ｌｐｏ２は、ＦＵＴ５０内のプローブ光Ｌｐｂとの衝突位置によって、プローブ光Ｌｐｂを増幅するタイミング（時間ｔ）が異なる。つまり、図２において、パルスポンプ光Ｌｐｏ２によるプローブ光Ｌｐｂの増幅タイミングは、ＦＵＴ５０の長さ方向に対応している。また、プローブ光Ｌｐｂの増幅量が徐々に小さくなっているのはＦＵＴ５０の損失による減衰のためである。
　この増幅タイミングの違いを利用して、プローブ光強度の時間波形を測定し、この波形からＦＵＴ５０通過後のプローブ光強度とポンプ光Ｌｐｏ１による増幅分を差し引くことで、ＦＵＴ５０の任意の位置におけるＢＧＳを取得できる。
［実施形態］
　図３は、本実施形態の測定装置を説明する図である。本測定装置は、
　被測定光ファイバ５０の一端５０ａと他端５０ｂから連続光のプローブ光Ｌｐｂと連続光のポンプ光Ｌｐｏ１をそれぞれ入射し、被測定光ファイバ５０の全区間でブリルアン作用を発生させるとともに、全区間での前記ブリルアン作用を維持した状態で、ポンプ光Ｌｐｏ１と光周波数が同じであるパルス状のパルスポンプ光Ｌｐｏ２を被測定光ファイバ５０の他端５０ｂから入射する光入射装置１０と、
　被測定光ファイバ５０の他端５０ｂから出力する増幅されたプローブ光Ｌｐｂのうち、パルスポンプ光Ｌｐｏ１による増幅成分を抽出する受光器２０と、
　プローブ光Ｌｐｂとポンプ光Ｌｐｏとの光周波数差毎に前記増幅成分の時間波形を測定し、前記光周波数差毎に測定した前記増幅成分の時間波形からブリルアン利得スペクトルを被測定光ファイバ５０の長手方向で分布的に取得する解析装置３０と、
を備える。
　光入射装置１０は、レーザ光発生手段１１、分岐素子１２、周波数制御手段１３、パルス生成手段１４、及び光増幅手段１５を有する。受光器２０は、プローブ光抽出手段２１及び光電変換手段２２を有する。解析装置３０は、Ａ／Ｄ変換手段３２及びＢＧＳ解析手段３３を有する。
　本測定装置は、ＦＵＴ５０の他端５０ｂから連続光の上にパルスが上乗せされたポンプ光Ｌｐｏ、一端５０ａからポンプ光Ｌｐｏと光周波数がシフトしたプローブ光Ｌｐｂを入射し、光の衝突によって発生したブリルアン利得からＢＧＳを測定する。
　光入射手段１０では、コヒーレントな光を発生させるレーザ光発生手段１１から出力された光を、分岐素子１２によって２分岐し、一方をプローブ光Ｌｐｂ、他方をポンプ光Ｌｐｏとする。
　光周波数制御手段１３は、レーザ光発生手段１１からの一方の光にブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）に相当する約１０～１１ＧＨｚ程度の周波数差を付与し、プローブ光ＬｐｂとしてＦＵＴ５０の一端５０ａに入射する。例えば、光周波数制御手段１３は、ＬｉＮｂ３で構成されたＳＳＢ変調器等の外部変調器である。なお、本実施形態では、１つのレーザ光発生手段１１からの光を２分岐するタイプを説明するが、周波数（波長）の異なるレーザを２台用い、ポンプ光とプローブ光の光源を別にして２台のレーザ間の光周波数差を制御してもよい。
　一方、パルス生成手段１４は、レーザ光発生手段１１からの他方の光をパルス化する。例えば、パルス生成手段１４としてＬＮ強度変調器等を用いることができる。この場合、消光比が２０ｄＢ程度であり連続光成分をわずかに含んだパルスが生成される。このパルスを光増幅手段１５で増幅することにより、ブリルアン作用を発生可能な光パワー且つ連続光のポンプ光Ｌｐｏ１、およびそれに上乗せされたパルスポンプ光Ｌｐｏ２を含むポンプ光Ｌｐｏが生成される。ポンプ光Ｌｐｏは他端５０ｂからＦＵＴ５０に入射される。なお、ポンプ光Ｌｐｏは連続光にパルスが上乗せされた形状であればよく、連続光とパルスを別々に用意し、合波して生成してもよい。
　ポンプ光Ｌｐｏおよびプローブ光ＬｐｂはＦＵＴ５０内で衝突し、ブリルアン作用によってプローブ光Ｌｐｂが増幅される。増幅されたプローブ光Ｌｐｂは、ＦＵＴ５０の他端５０ｂから出射し、光サーキュレータ４０を通過した後、プローブ光抽出手段２１に入射する。プローブ光抽出手段に２１は、ポンプ光Ｌｐｏの後方散乱光成分を除去しプローブ光Ｌｐｂのみを抽出する。プローブ光抽出手段２１は、光フィルタを用いてプローブ光の周波数のみ通過させる、もしくは同じＦＵＴ入射前のプローブ光をローカル光としてコヒーレント検波し、ビート周波数の違いを利用してプローブ光成分のみ抽出してもよい。
　光電変換手段２２は、プローブ光抽出手段２１からのプローブ光Ｌｐｂを電気信号に変換する。Ａ／Ｄ変換手段３２は当該電気信号をデジタルデータに変換し、ＢＧＳ解析手段３３は当該デジタルデータからＢＧＳ分布を解析する。
　ＢＧＳ解析手段３３は、まず取得したプローブ光強度波形（図２参照）から、プローブ光強度成分Ａと連続光のポンプ光によって増幅された成分Ｂを差し引くことで、パルスのポンプ光によって増幅された成分Ｃのみを取得する。この増幅成分Ｃを、ポンプ光とプローブ光の周波数差を変えて繰り返し測定することで、ＢＧＳ分布を取得する。
　図４は、図３のブリルアン利得スペクトル分布測定装置の測定方法を説明する図である。本測定方法は、
　ＦＵＴ５０の一端５０ａと他端５０ｂから連続光のプローブ光Ｌｐｂと連続光のポンプ光Ｌｐｏ１をそれぞれ入射し、ＦＵＴ５０の全区間でブリルアン作用を発生させること（ステップＳ０１）、
　全区間での前記ブリルアン作用を維持した状態で、ポンプ光Ｌｐｏ１と光周波数が同じであるパルス状のパルスポンプ光Ｌｐｏ２を所望のタイミングでＦＵＴ５０の他端５０ｂから入射すること（ステップＳ０２）、
　ＦＵＴ５０の他端５０ｂから出力する増幅されたプローブ光Ｌｐｂのうち、パルスポンプ光Ｌｐｏ２による増幅成分（図２の成分Ｃ）を抽出すること（ステップＳ０３）、
　プローブ光Ｌｐｂとポンプ光Ｌｐｏとの光周波数差毎に前記増幅成分の時間波形を測定すること（ステップＳ０５、Ｓ０６）、及び
　前記光周波数差毎に測定した前記増幅成分の時間波形からブリルアン利得スペクトルをＦＵＴ５０の長手方向で分布的に取得すること（ステップＳ０７）
を特徴とする。
　なお、前述のように、ステップＳ０２では、ポンプ光Ｌｐｏ１の光強度を強めてパルスポンプ光Ｌｐｏ２としてもよい。
［効果］
　図５は、４０ｋｍのＦＵＴ５０についてＢＧＳ測定した結果の一例を説明する図である。図５（ａ）は、通常のＢＯＴＤＡ（ポンプ光がパルス）においてパルス幅１００ｎｓで測定したＢＧＳ、図５（ｂ）は本発明の測定法（ポンプ光が連続光に上乗せされたパルス）において同じくパルス幅１００ｎｓで観測したＢＧＳである。図５（ａ）よりＢＧＳ形状はローレンツ分布であるのが確認でき、またこのＢＧＳのＦＷＨＭは約３０ＭＨｚであった。一方で、本発明で得られた結果である図５（ｂ）はガウス分布となっており、このＢＧＳのＦＷＨＭは約１１ＭＨｚであった。これらの結果より、本発明の測定法では通常のＢＯＴＤＡで得られるＢＧＳ幅よりも狭線幅化できることがわかる。
［他の実施形態］
　図３で説明したＢＧＳ解析手段３３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。
１０：光入射装置
１１：レーザ光発生手段
１２：分岐素子
１３：周波数制御手段
１４：パルス生成手段
１５：光増幅手段
２０：受光器
２１：プローブ光抽出手段
２２：光電変換手段
３０：解析装置
３２：Ａ／Ｄ変換手段
３３：ＢＧＳ解析手段
４０：光サーキュレータ
５０：被測定光ファイバ（ＦＵＴ）
５０ａ：一端
５０ｂ：他端

Claims (4)

  1. 　被測定光ファイバの一端と他端から連続光のプローブ光と連続光のポンプ光をそれぞれ入射し、前記被測定光ファイバの全区間でブリルアン作用を発生させること、
    　全区間での前記ブリルアン作用を維持した状態で、前記ポンプ光と光周波数が同じであるパルス状のパルスポンプ光を前記被測定光ファイバの他端から入射すること、
    　前記被測定光ファイバの他端から出力する増幅された前記プローブ光のうち、前記パルスポンプ光による増幅成分を抽出すること、
    　前記プローブ光と前記ポンプ光との光周波数差毎に前記増幅成分の時間波形を測定すること、及び
    　前記光周波数差毎に測定した前記増幅成分の時間波形からブリルアン利得スペクトルを前記被測定光ファイバの長手方向で分布的に取得すること
    を特徴とするブリルアン利得スペクトル分布測定方法。
  2. 　前記ポンプ光の光強度を強めて前記パルスポンプ光とすることを特徴とする請求項１記載のブリルアン利得スペクトル分布測定方法。
  3. 　被測定光ファイバの一端と他端から連続光のプローブ光と連続光のポンプ光をそれぞれ入射し、前記被測定光ファイバの全区間でブリルアン作用を発生させるとともに、全区間での前記ブリルアン作用を維持した状態で、前記ポンプ光と光周波数が同じであるパルス状のパルスポンプ光を前記被測定光ファイバの他端から入射する光入射装置と、
    　前記被測定光ファイバの他端から出力する増幅された前記プローブ光のうち、前記パルスポンプ光による増幅成分を抽出する受光器と、
    　前記プローブ光と前記ポンプ光との光周波数差毎に前記増幅成分の時間波形を測定し、前記光周波数差毎に測定した前記増幅成分の時間波形からブリルアン利得スペクトルを前記被測定光ファイバの長手方向で分布的に取得する解析装置と、
    を備えるブリルアン利得スペクトル分布測定装置。
  4. 　前記光入射装置は、前記ポンプ光の光強度を強めて前記パルスポンプ光とすることを特徴とする請求項３記載のブリルアン利得スペクトル分布測定装置。
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