WO2024028936A1 - 光線路試験装置及び光線路試験方法 - Google Patents

光線路試験装置及び光線路試験方法 Download PDF

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light
signal
optical fiber
frequency
probe
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央 高橋
佳史 脇坂
大輔 飯田
優介 古敷谷
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日本電信電話株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties

Definitions

  • the present invention relates to an optical line testing device and an optical line testing method.
  • Non-Patent Document 1 describes a distributed type that can measure physical vibrations around an optical fiber to be measured by detecting phase changes caused by minute changes in the optical fiber length due to vibrations transmitted to the optical fiber.
  • a method called Distributed Acoustic Sensing (DAS) has been disclosed.
  • Non-Patent Document 2 discloses that when using a method of observing temporal changes in the phase of scattered light from each point on an optical fiber, the phase changes linearly with changes in the optical path length of the optical fiber due to vibrations. has been done. In addition, it is disclosed that since the rate of change in phase can be assumed to be approximately the same at each point in the longitudinal direction of the optical fiber, it is possible to quantitatively measure vibrations, and it is possible to faithfully reproduce the vibration waveform applied to the optical fiber under test. has been done.
  • Non-Patent Document 3 and Patent Document 1 disclose that by calculating the phase based on the scattered light at each wavelength from an optical fiber (optical path) into which wavelength-multiplexed pulsed light is incident, the physical state transmitted to the optical fiber is calculated.
  • a technique for measuring vibrations is disclosed.
  • Frequency Division Multiplexing FDM is used to average scattered light vectors at different frequencies, targeting scattered light vectors representing scattered light at each frequency. to generate a frequency average vector. Then, the vibration transmitted to the optical fiber is measured based on the phase of the frequency average vector.
  • FDM suppresses deterioration in sensitivity due to interference between scattered lights within the pulse width (duration time of pulsed light), improving measurement accuracy of vibrations transmitted to the optical fiber.
  • Non-Patent Document 4 describes a technique for measuring optical fiber loss by combining Frequency Shift Averaging (FSAV), which averages scattered light by changing the frequency of pulsed light incident on the optical fiber. Disclosed. According to the technique in Non-Patent Document 4, fading noise caused by interference between scattered lights within a pulse width is suppressed by FSAV, and the measurement accuracy of optical fiber loss is improved.
  • FSAV Frequency Shift Averaging
  • Non-Patent Document 5 discloses that by using both sidebands generated by an optical modulator, the effect of FSAV is increased and the measurement time is reduced to about one-sixteenth (1-sixteenth in Non-Patent Document 5). The method has been disclosed.
  • the present invention has been made in view of the above problems.
  • the purpose is to provide an optical line testing device and an optical line testing method that can measure physical vibration transmitted to an optical fiber and measure optical fiber loss using the same light source. It is in.
  • an optical line testing device and an optical line testing method branch the output light from a laser light source into a probe optical path and a local optical path, and divide the input light of the probe optical path into The modulated light is converted into probe light including pulsed light.
  • a probe light is input into one end of an optical fiber
  • a beat signal is generated by interfering with the signal light emitted from one end and the input light of the local optical path, and a signal indicating the backscattered light in the optical fiber based on the beat signal. and analyze the loss distribution.
  • modulation is performed on the output light based on a frequency that changes from the start frequency to the end frequency during the duration of the pulsed light to generate modulated light.
  • Generate an analysis signal by averaging the backscattered light for each different frequency band included in the beat signal, and obtain the loss distribution by analyzing the intensity of the backscattered light included in the analysis signal. .
  • the present invention it is possible to measure the physical vibration transmitted to the optical fiber and the loss of the optical fiber using the same light source.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an optical line testing device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of frequency modulation by a modulator.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of an intensity signal included in a beat signal.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the processing of the optical line testing device according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing the hardware configuration of the controller.
  • the optical line testing device 1 includes a light source 10, a modulator 20, an interferometer 40, and a signal analysis section 60.
  • the optical line testing device 1 may include a coupler 15 (branching section), a signal generator 21, a pulse generator 23, and a circulator 30.
  • the light source 10 outputs output light (for example, a single wavelength continuous light having a frequency fR ).
  • the light source 10 is capable of changing the frequency of output light.
  • a general narrow line width fiber laser or the like is used, and the line width of the light source is about 1 kHz.
  • the light source 10 is not limited to the examples given here.
  • Output light from the light source 10 is split by a coupler 15.
  • One of the output lights branched by the coupler 15 is input to a modulator 20 which is a probe optical path.
  • the other output light branched by the coupler 15 is input to an interferometer 40, which is a local optical path.
  • the modulator 20 modulates the output light from the light source 10 to generate modulated light, and converts the modulated light into probe light including pulsed light.
  • the modulator 20 may perform frequency modulation on the output light based on a predetermined signal (modulation signal) generated by the signal generator 21 to generate modulated light. Further, the modulator 20 may convert the modulated light into probe light composed of a plurality of continuous pulsed lights with a predetermined period T based on the pulse signal generated by the pulse generator 23.
  • an SSB modulator single side-band modulator
  • an AO modulator acousto-optics modulator
  • a semiconductor optical amplifier or the like may be used.
  • the modulator 20 performs frequency-based modulation that varies from a starting frequency to an ending frequency during the duration of the pulsed light (i.e., the minimum amount of time that the light source 10 continues to output a single optical frequency within the linewidth). , on the output light to generate modulated light.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example of frequency modulation by the modulator 20. Due to the modulation by the modulator 20, the frequency of the modulated light is changed in a chirp-like manner from the start frequency f S to the end frequency f E during the duration D of the pulsed light. Then, the frequency of the modulated light is repeatedly changed at the period T of the pulsed light. FIG. 2 shows how the frequency of the modulated light changes from the start frequency f S to the end frequency f E in each duration D of the pulsed lights P1, P2, and P3.
  • the modulator 20 can modulate the frequency f R of the output light of the light source 10 from the frequency "f R -H” to the frequency "f R +H", then "f R -H ⁇ f S ⁇ f R +H” and “f R ⁇ H ⁇ f E ⁇ f R +H” are set.
  • the start frequency f S and the end frequency f E are determined based on the range of change in the frequency in which FSAV is performed. For example, when the range of change in frequency for performing FSAV is represented by ⁇ G, an appropriate natural number M is used to set it so that "
  • ⁇ G/M".
  • the natural number M is arbitrarily selected such that the start frequency f S and the end frequency f E are included in the range that can be modulated by the modulator 20 .
  • the circulator 30 inputs the probe light output from the modulator 20 into one end of the optical fiber 80 to be tested by the optical line testing device 1.
  • the probe light enters the optical fiber 80 via the circulator 30, the light scattered or reflected at each point in the longitudinal direction of the optical fiber 80 returns to the circulator 30 as signal light. Therefore, the circulator 30 makes the signal light emitted from the one end of the optical fiber 80 enter the interferometer 40 .
  • the signal light includes light scattered or reflected at each point in the longitudinal direction of the optical fiber 80, it includes information regarding the optical fiber 80. Therefore, by analyzing the signal light, information on the loss distribution in the optical fiber 80 and information on vibrations transmitted to the optical fiber 80 can be obtained.
  • Scattering by the optical fiber 80 includes, for example, Rayleigh scattering.
  • Rayleigh scattering is a phenomenon in which the traveling direction of light changes due to the interaction of light with fine particles that are sufficiently small compared to the wavelength of the light.
  • random density fluctuations glass density fluctuations, additive density fluctuations, etc. contained in the optical fiber 80 become fluctuations in the refractive index, causing Rayleigh scattering.
  • Rayleigh scattering results in loss in optical fiber 80.
  • the loss due to Rayleigh scattering is inversely proportional to the fourth power of the wavelength on the short wavelength side.
  • the interferometer 40 receives the signal light emitted from one end when the probe light is made incident on one end of the optical fiber, and generates a beat signal by interfering with the signal light and the output light.
  • the output light from the light source 10 is input to the coupler 41 of the interferometer 40.
  • the signal light from the optical fiber 80 is input to the coupler 43 of the interferometer 40 .
  • Coupler 41 and coupler 43 each have a branching ratio of 50:50.
  • One of the output lights branched by the coupler 41 has its phase shifted by ⁇ /2 by a phase shifter 45 and enters the coupler 47 .
  • the other of the output lights branched by coupler 41 is input to coupler 49 .
  • One of the signal lights branched by the coupler 43 is input to the coupler 47 .
  • the other signal light branched by coupler 43 is input to coupler 49 .
  • the coupler 47 outputs the output light whose phase has been shifted by ⁇ /2 and the signal light to the balance detector 51 (light receiving section).
  • the coupler 49 emits the output light and the signal light to the balance detector 53 (light receiving section).
  • the balance detector 51 Based on the output light whose phase has been shifted by ⁇ /2 and the signal light, the balance detector 51 outputs orthogonal components included in the signal light as electrical signals. Further, the balance detector 53 outputs an in-phase component included in the signal light as an electrical signal based on the output light and the signal light.
  • the outputs from the balance detector 51 and the balance detector 53 are output to the signal analysis section 60 as a beat signal.
  • the signal analysis unit 60 obtains the loss distribution in the optical fiber 80 based on the beat signal generated by the interferometer 40.
  • the orthogonal component of the beat signal is converted into a digital signal by the AD conversion element 65 and input to the controller 100.
  • the in-phase component of the beat signal is converted into a digital signal by the AD conversion element 67 and input to the controller 100.
  • a computer program is installed in the controller 100 to function as an analysis means for analyzing scattering by the optical fiber 80.
  • the controller 100 functions as a plurality of information processing circuits.
  • the computer program may be stored in a computer-readable/writable recording medium, or may be provided through a network.
  • the controller 100 analyzes the scattered light from the optical fiber 80 included in the signal light based on the beat signal, and obtains the loss distribution in the optical fiber 80. For example, by modulation by the modulator 20, scattered light by pulsed light having different frequencies can be obtained.
  • the controller 100 may acquire the loss distribution in the optical fiber 80 by combining FSAV. Fading noise caused by interference between scattered lights within the pulse width is suppressed by FSAV, and the accuracy of measuring the loss of the optical fiber 80 is improved.
  • the controller 100 may analyze vibrations transmitted to the optical fiber based on the beat signal. For example, the controller 100 can calculate a scattered light vector indicating scattered light at each frequency based on the beat signal, and uses a frequency division multiplexing method (FDM) to average the scattered light vectors at different frequencies. ) to generate a frequency average vector.
  • FDM frequency division multiplexing method
  • the vibration transmitted to the optical fiber may be analyzed based on the phase of the frequency average vector.
  • FDM suppresses deterioration in sensitivity due to interference between scattered lights within the pulse width (duration time of pulsed light), and improves measurement accuracy of vibrations transmitted to the optical fiber 80.
  • the controller 100 In order to realize FSAV and FDM, the controller 100 generates an analysis signal by averaging the intensity signals of different frequency bands included in the beat signal between the different frequency bands, and calculates the loss distribution based on the analysis signal. It may be something to be acquired. Note that the controller 100 may perform Fourier transform on the beat signal to obtain the intensity signal.
  • the method for acquiring the intensity signal is not limited to the above example, and for example, a digital filter may be used to acquire the intensity signal for each different frequency band.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of an intensity signal included in a beat signal.
  • FIG. 3 shows how, as a result of interference between the signal light and the output light, a peak occurs at a frequency position corresponding to the difference between the frequency of the light included in the signal light and the frequency of the output light.
  • the frequency fR of the output light is changed from the start frequency fS to the end frequency fE . Therefore, the beat signal includes an intensity signal having an intensity in the frequency range from "f S - f R " to "f E - f R ".
  • the signal analysis unit 60 applies Fourier transform or a digital filter to the beat signal to extract the signal intensity for each frequency band.
  • the natural number N is arbitrarily selected from 2 or more so that averaging can be performed using FSAV.
  • Frequency bands DF1, DF2, DF3, and DF4 are different frequency bands.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the processing of the optical line testing device 1 according to this embodiment.
  • step S101 the signal generator 21 generates a modulation signal. Additionally, the pulse generator 23 generates pulse signals.
  • step S103 the modulator 20 modulates the output light from the light source 10 to generate modulated light.
  • step S105 the modulator 20 converts the modulated light into probe light including pulsed light.
  • step S107 the interferometer 40 acquires the signal light emitted from one end of the optical fiber when the probe light is made incident on one end.
  • step S109 the interferometer 40 generates a beat signal by interfering the signal light and the output light.
  • step S111 the signal analysis unit 60 obtains the loss distribution in the optical fiber 80 based on the beat signal generated by the interferometer 40.
  • the optical line testing device and the optical line testing method branch the output light from the laser light source into the probe optical path and the local optical path, and modulate the input light of the probe optical path. Converts light into probe light including pulsed light.
  • a beat signal is generated by interfering with the signal light emitted from one end and the input light of the local optical path, and a signal indicating the backscattered light in the optical fiber based on the beat signal. and analyze the loss distribution.
  • modulation is performed on the output light based on a frequency that changes from the start frequency to the end frequency during the duration of the pulsed light to generate modulated light.
  • Generate an analysis signal by averaging the backscattered light for each different frequency band included in the beat signal, and obtain a loss distribution by analyzing the intensity of the backscattered light included in the analysis signal. .
  • the time required to acquire the intensity signal included in the beat signal for each frequency band can be shortened. For example, using a light source with a line width of 1 kHz and a duration of 100 ms, which is the minimum time the light source continues to output a single optical frequency within the line width, the change in frequency required to obtain sufficient accuracy is used.
  • the difference between the start frequency f S and the end frequency f E can be set to 1 GHz.
  • the frequency of the output light from the light source is changed, and the start frequency f S and end frequency f E are set again.
  • the optical line testing device and the optical line testing method according to the present embodiment may acquire the loss distribution by analyzing the scattered light caused by the optical fiber included in the signal light based on the beat signal.
  • the signal light used to generate the beat signal includes light scattered or reflected at each point in the longitudinal direction of the optical fiber being tested. Therefore, it is possible to analyze the light scattered by the optical fiber included in the signal light based on the beat signal. Furthermore, since the component resulting from scattered light (Rayleigh scattering) by the optical fiber occupies most of the signal light, it is possible to accurately obtain the loss distribution by analyzing the scattered light.
  • the optical line testing device and the optical line testing method according to the present embodiment generate an analysis signal by averaging the intensity signals of different frequency bands included in the beat signal between the different frequency bands.
  • the loss distribution may be obtained based on the following. As a result, fading noise caused by interference between scattered lights within the pulse width is suppressed, and the accuracy of measuring optical fiber loss can be improved.
  • the optical line testing device and optical line testing method according to the present embodiment may perform Fourier transformation on the beat signal to obtain the intensity signal. Thereby, intensity signals for each different frequency band included in the beat signal can be acquired with high accuracy.
  • the optical line testing device and optical line testing method may acquire vibrations transmitted to the optical fiber based on the beat signal.
  • the signal light used to generate the beat signal includes light scattered or reflected at each point in the longitudinal direction of the optical fiber being tested.
  • the signal light includes information regarding increase or decrease in length in the longitudinal direction, and vibrations transmitted to the optical fiber can be obtained based on changes in the phase of the beat signal.
  • the controller 100 described above is, for example, a general-purpose computer system including a CPU 901, a memory 902, a storage 903, a communication device 904, an input device 905, and an output device 906, as shown in FIG. This can be achieved using Memory 902 and storage 903 are storage devices.
  • each function of the controller 100 is realized by the CPU 901 executing a predetermined program loaded onto the memory 902.
  • the controller 100 may be implemented by one computer. Controller 100 may be implemented with multiple computers. Controller 100 may be a virtual machine implemented in a computer. A program for the controller 100 can be stored in a computer-readable recording medium such as an HDD, SSD, USB memory, CD, or DVD. The program for controller 100 can also be distributed via a communication network.
  • a computer-readable recording medium such as an HDD, SSD, USB memory, CD, or DVD.
  • the program for controller 100 can also be distributed via a communication network.
  • Processing circuits include programmed processors, electrical circuits, and other devices such as application specific integrated circuits (ASICs) and circuit components arranged to perform the described functions. Also included.
  • ASICs application specific integrated circuits
  • Optical line test device 10 Light source 15, 41, 43, 47, 49 Coupler 20 Modulator 21 Signal generator 23 Pulse generator 30 Circulator 40 Interferer 45 Phase shifter 51, 53 Balance detector 60 Signal analysis section 65, 67 AD Conversion element 80 Optical fiber 100 Controller

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Abstract

光線路試験装置及び光線路試験方法は、レーザ光源からの出力光をプローブ光路とローカル光路とに分岐し、プローブ光路の入力光を変調した変調光を、パルス光を含むプローブ光に変換する。プローブ光を光ファイバの一端に入射させた際に一端から出射される信号光とローカル光路の入力光を干渉させてビート信号を生成し、ビート信号に基づいて光ファイバにおける後方散乱光を示す信号を取得し、損失分布を解析する。ここで、パルス光の継続時間の間に開始周波数から終了周波数まで変化する周波数に基づく変調を、出力光に対して行って変調光を生成する。ビート信号に含まれる異なる周波数帯ごとの後方散乱光を、異なる周波数帯同士で平均化して解析用信号を生成し、解析用信号に含まれる後方散乱光の強度を解析して損失分布を取得する。

Description

光線路試験装置及び光線路試験方法
　本発明は、光線路試験装置及び光線路試験方法に関する。
　非特許文献１には、光ファイバに伝わった振動により光ファイバ長が微小に変化することで生じた位相変化を検出することで、被測定光ファイバの周辺の物理的振動を測定可能な分布型音波センシング（ＤＡＳ：Distributed Acoustic Sensing）と呼ばれる手法が開示されている。
　非特許文献２には、光ファイバの各地点からの散乱光における位相の時間変化を観測する手法を用いた際、振動による光ファイバの光路長変化に対して位相が線形に変化することが開示されている。また、位相の変化率が光ファイバ長手方向の各地点でおよそ同一とみなせるため、振動の定量的な測定が可能となり、被測定光ファイバに加わった振動波形を忠実に再現することができることが開示されている。
　非特許文献３及び特許文献１には、波長多重されたパルス光が入射された光ファイバ（光線路）からの各波長における散乱光に基づいて位相を計算することにより、光ファイバに伝わる物理的な振動を測定する技術が開示されている。非特許文献３及び特許文献１の技術によれば、各周波数における散乱光を示す散乱光ベクトルを対象として、異なる周波数における散乱光ベクトルを平均化する周波数分割多重化法（ＦＤＭ：Frequency Division Multiplexing）を行って周波数平均ベクトルを生成する。そして、周波数平均ベクトルの位相に基づいて、光ファイバに伝わる振動を測定する。パルス幅（パルス光の継続時間）内における散乱光同士の干渉に起因する感度の劣化がＦＤＭにより抑制され、光ファイバに伝わる振動の測定精度が向上する。
　非特許文献４には、光ファイバに入射するパルス光の周波数を変化させることで散乱光を平均化する周波数シフト平均法（ＦＳＡＶ：Frequency Shift Averaging）を組み合わせ、光ファイバの損失を測定する技術が開示されている。非特許文献４の技術によれば、パルス幅内における散乱光同士の干渉で生じるフェーディング雑音がＦＳＡＶにより抑制され、光ファイバの損失の測定精度が向上する。
　非特許文献５には、光変調器で生じる両側波帯を用いることで、ＦＳＡＶによる効果を増大させ、測定時間を数分の１程度（非特許文献５では１６分の１）に短縮化する手法が開示されている。
特開２０２０－１６９９０４号公報
Ali. Masoudi, T.P.Newson, "Contributed Review: Distributed optical fibre dynamic strain sensing" Review of Scientific Instruments, vol.87, p.011501（2016） 西口憲一、李哲賢、グジグアーター、横山光徳、岸田欣増「光ファイバによる分布型音波センサの試作とその信号処理」信学技報、115（202）、pp.29-34（2015） Yoshifumi Wakisaka, Daisuke Iida, Hiroyuki Oshida, and Nazuki Honda, "Fading Suppression of φ-OTDR With the New Signal Processing Methodology of Complex Vectors Across Time and Frequency Domains," J. Lightwave Technology, Vol.39, No.13, pp.4279-4293 (2021) K. Shimizu, T. Horiguchi, Y. Koyamada, "Characteristics and Reduction of Coherent Fading Noise in Rayleigh Backscattering Measurement for Optical Fibers and Components," J. Lightwave Technology, Vol.10, No.7, pp.982-987 (1992) Yuejiang Song, Lidong Lu, and Xuping Xhang, "A Novel Multi-frequency Coherent OTDR for Fast Fading Noise Reduction," OFC/NFOEC Technical Digest 2012, OTu1C.4 (2012)
　特許文献１に記載された技術によれば、散乱光の位相に基づいて振動を測定するため、パルス光を生成する光源の線幅（周波数幅）に依存する位相雑音により、光ファイバに伝わる振動を測定する際の精度が制限される。位相雑音を低減するためには、パルス光を生成する光源の線幅は狭い方が望ましい。一方、非特許文献４に記載された技術によれば、フェーディング雑音を抑えるために周波数を変化させる必要がある。大きな周波数の変化幅を得るためには、光源の線幅が広いほうが望ましい。
　このように、光ファイバに伝わる物理的な振動の測定のために光源に求められる要件と、光ファイバの損失の測定のために光源に求められる要件が異なる。そのため、光ファイバに伝わる物理的な振動の測定と光ファイバの損失の測定を、同じ光源を用いて実施することが困難という問題がある。
　本発明は、上記問題に鑑みてなされたものである。その目的とするところは、光ファイバに伝わる物理的な振動の測定と、光ファイバの損失の測定を、同じ光源を用いて実施することができる光線路試験装置及び光線路試験方法を提供することにある。
　上述した課題を解決するために、本発明の一態様に係る光線路試験装置及び光線路試験方法は、レーザ光源からの出力光をプローブ光路とローカル光路とに分岐し、プローブ光路の入力光を変調した変調光を、パルス光を含むプローブ光に変換する。プローブ光を光ファイバの一端に入射させた際に一端から出射される信号光とローカル光路の入力光を干渉させてビート信号を生成し、ビート信号に基づいて光ファイバにおける後方散乱光を示す信号を取得し、損失分布を解析する。ここで、パルス光の継続時間の間に開始周波数から終了周波数まで変化する周波数に基づく変調を、出力光に対して行って変調光を生成する。ビート信号に含まれる異なる周波数帯ごとの後方散乱光を、異なる周波数帯同士で平均化して解析用信号を生成し、解析用信号に含まれる後方散乱光の強度を解析して損失分布を取得する。
　本発明によれば、光ファイバに伝わる物理的な振動の測定と、光ファイバの損失の測定を、同じ光源を用いて実施することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係る光線路試験装置の構成を示すブロック図である。 図２は、変調器による周波数変調の一例を示す図である。 図３は、ビート信号に含まれる強度信号の一例を示す図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る光線路試験装置の処理を示すフローチャートである。 図５は、コントローラのハードウェア構成を示す図である。
　次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。説明において、同一のものには同一符号を付して重複説明を省略する。
　［光線路試験装置の構成］
　図１を参照して、本実施形態に係る光線路試験装置の構成例を説明する。図１に示すように、光線路試験装置１は、光源１０、変調器２０、干渉器４０、信号解析部６０を備える。その他、光線路試験装置１は、カプラ１５（分岐部）、信号発生器２１、パルス発生器２３、サーキュレータ３０を備えるものであってもよい。
　光源１０は、出力光（例えば、周波数がｆＲの単一波長の連続光）を出力する。なお、光源１０は、出力光の周波数を変更可能であるとする。例えば、光源１０として、一般的な狭線幅のファイバレーザなどを用い、光源の線幅が１ｋＨｚ程度のものを用いる。光源１０はここに挙げた例に限定されない。光源１０からの出力光は、カプラ１５により分岐される。カプラ１５によって分岐された出力光の一方は、プローブ光路である変調器２０に入射される。カプラ１５によって分岐された出力光の他方は、ローカル光路である干渉器４０に入射される。
　変調器２０は、光源１０からの出力光を変調して変調光を生成し、変調光を、パルス光を含むプローブ光に変換する。変調器２０は、信号発生器２１によって生成した所定の信号（変調信号）に基づいて出力光に対する周波数変調を行って、変調光を生成してもよい。また、変調器２０は、パルス発生器２３によって生成したパルス信号に基づいて、変調光を、所定の周期Ｔで連続する複数のパルス光で構成されるプローブ光に変換してもよい。
　例えば、変調器２０として、ＳＳＢ変調器（single side-band modulator）、ＡＯ変調器（Acousto-Optics modulator）などを用いてもよい。パルス光における消光比を大きくするため、半導体光増幅器などを用いてもよい。
　変調器２０は、パルス光の継続時間（すなわち、光源１０が線幅内の単一の光周波数を出力し続ける時間の最小値）の間に開始周波数から終了周波数まで変化する周波数に基づく変調を、出力光に対して行って変調光を生成する。
　図２は、変調器２０による周波数変調の一例を示す図である。変調器２０による変調により、パルス光の継続時間Ｄの間に、変調光の周波数は開始周波数ｆＳから終了周波数ｆＥまでチャープ状に変更される。そして、パルス光の周期Ｔで、変調光の周波数が繰り返し変更される。図２では、パルス光Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３のそれぞれの継続時間Ｄにおいて、変調光の周波数が開始周波数ｆＳから終了周波数ｆＥまで変化する様子が示されている。
　なお、変調器２０による変調可能範囲内で、変調光の周波数を開始周波数ｆＳから終了周波数ｆＥまで変更する必要がある。そのため、変調器２０による変調可能範囲内の周波数が、開始周波数ｆＳ、及び、終了周波数ｆＥとして設定される。
　例えば、光源１０の出力光の周波数ｆＲに対して、変調器２０による変調可能範囲が、周波数「ｆＲ－Ｈ」から周波数「ｆＲ＋Ｈ」までの範囲である場合、「ｆＲ－Ｈ＜ｆＳ＜ｆＲ＋Ｈ」かつ「ｆＲ－Ｈ＜ｆＥ＜ｆＲ＋Ｈ」を満たすよう設定される。
　また、開始周波数ｆＳ、及び、終了周波数ｆＥは、ＦＳＡＶを実施する周波数の変化幅に基づいて決定される。例えば、ＦＳＡＶを実施する周波数の変化幅がΔＧで示される場合、適当な自然数Ｍを用いて、「｜ｆＥ－ｆＳ｜＝ΔＧ／Ｍ」となるよう設定される。自然数Ｍは、開始周波数ｆＳ、及び、終了周波数ｆＥが変調器２０による変調可能範囲に含まれるよう、任意に選択される。
　サーキュレータ３０は、変調器２０から出力されるプローブ光を、光線路試験装置１による試験対象である光ファイバ８０の一端に入射する。サーキュレータ３０を介してプローブ光が光ファイバ８０に入射すると、光ファイバ８０の長手方向の各点で散乱又は反射された光が、信号光としてサーキュレータ３０に戻る。そこで、サーキュレータ３０は、光ファイバ８０の当該一端から出射される信号光を、干渉器４０に入射する。
　信号光は、光ファイバ８０の長手方向の各点で散乱又は反射された光を含んでいるため、光ファイバ８０に関する情報を含んでいる。したがって、信号光を解析することにより、光ファイバ８０における損失分布の情報、及び、光ファイバ８０に伝わる振動の情報を取得することができる。
　光ファイバ８０による散乱には、例えば、レイリー散乱が含まれる。レイリー散乱は、光がその光の波長に比べて十分小さい微粒子との相互作用により光の進行方向が変化する現象である。光が光ファイバ８０内を伝送する際には、光ファイバ８０に含まれるランダムな密度のゆらぎ（ガラスの密度揺らぎ、添加物の密度揺らぎなど）が屈折率のゆらぎとなってレイリー散乱が起こる。レイリー散乱の結果、光ファイバ８０の損失が生じる。レイリー散乱による損失は、短波長側では波長の４乗に反比例する。
　干渉器４０は、プローブ光を光ファイバの一端に入射させた際に一端から出射される信号光が入射され、信号光と出力光を干渉させてビート信号を生成する。
　例えば、光源１０からの出力光は、干渉器４０のカプラ４１に入射される。また、光ファイバ８０からの信号光は、干渉器４０のカプラ４３に入射される。カプラ４１およびカプラ４３は、それぞれ５０：５０の分岐比を有する。カプラ４１によって分岐された出力光の一方は、位相シフタ４５で位相をπ／２だけシフトされてカプラ４７に入射される。カプラ４１によって分岐された出力光の他方は、カプラ４９に入射される。カプラ４３によって分岐された信号光の一方は、カプラ４７に入射される。カプラ４３によって分岐された信号光の他方は、カプラ４９に入射される。
　カプラ４７は、位相をπ／２だけシフトされた出力光、および、信号光を、バランス検出器５１（光受信部）に出射する。カプラ４９は、出力光、および、信号光を、バランス検出器５３（光受信部）に出射する。
　なお、バランス検出器５１は、位相をπ／２だけシフトされた出力光、および、信号光に基づいて、信号光に含まれる直交成分を電気信号として出力する。また、バランス検出器５３は、出力光、および、信号光に基づいて、信号光に含まれる同相成分を電気信号として出力する。
　バランス検出器５１およびバランス検出器５３からの出力が、ビート信号として信号解析部６０に出力される。
　信号解析部６０は、干渉器４０によって生成したビート信号に基づいて光ファイバ８０における損失分布を取得する。
　例えば、ビート信号のうち直交成分は、ＡＤ変換素子６５によってデジタル信号に変換され、コントローラ１００に入力される。ビート信号のうち同相成分は、ＡＤ変換素子６７によってデジタル信号に変換され、コントローラ１００に入力される。
　コントローラ１００には、光ファイバ８０による散乱を解析する解析手段として機能するためのコンピュータプログラムがインストールされている。コンピュータプログラムを実行することにより、コントローラ１００は、複数の情報処理回路として機能する。なお、コンピュータプログラムは、コンピュータによって読み書き可能な記録媒体に格納されるものであってもよいし、ネットワークを通して提供されるものであってもよい。
　本実施形態では、ソフトウェアによって複数の情報処理回路を実現する例を示す。ただし、以下に示す各情報処理を実行するための専用のハードウェアを用意して、情報処理回路を構成することも可能である。また、複数の情報処理回路を個別のハードウェアにより構成してもよい。
　例えば、コントローラ１００は、ビート信号に基づいて信号光に含まれる光ファイバ８０による散乱光を解析して、光ファイバ８０における損失分布を取得する。例えば、変調器２０による変調により、異なる周波数を有するパルス光による散乱光を取得できる。コントローラ１００は、ＦＳＡＶを組み合わせて、光ファイバ８０における損失分布を取得するものであってもよい。パルス幅内における散乱光同士の干渉で生じるフェーディング雑音がＦＳＡＶにより抑制され、光ファイバ８０の損失の測定精度が向上する。
　また、コントローラ１００は、ビート信号に基づいて、光ファイバに伝わる振動を解析するものであってもよい。例えば、コントローラ１００は、ビート信号に基づいて、各周波数における散乱光を示す散乱光ベクトルを算出することができ、異なる周波数における散乱光ベクトルを平均化する周波数分割多重化法（ＦＤＭ：Frequency Division Multiplexing）を行って周波数平均ベクトルを生成する。そして、周波数平均ベクトルの位相に基づいて、光ファイバに伝わる振動を解析するものであってもよい。パルス幅（パルス光の継続時間）内における散乱光同士の干渉に起因する感度の劣化がＦＤＭにより抑制され、光ファイバ８０に伝わる振動の測定精度が向上する。
　ＦＳＡＶ、ＦＤＭを実現するため、コントローラ１００は、ビート信号に含まれる異なる周波数帯ごとの強度信号を、異なる周波数帯同士で平均化して解析用信号を生成し、解析用信号に基づいて損失分布を取得するものであってもよい。なお、コントローラ１００は、ビート信号に対してフーリエ変換を行って、強度信号を取得するものであってもよい。
　なお、強度信号を取得する方法は、上述の例に限定されず、例えば、デジタルフィルタを用いて異なる周波数帯ごとの強度信号を取得してもよい。
　図３は、ビート信号に含まれる強度信号の一例を示す図である。図３では、信号光と出力光を干渉させた結果、信号光に含まれる光の周波数と出力光の周波数の差分に相当する周波数の位置に、ピークが生じている様子が示されている。変調器２０による変調により、出力光の周波数ｆＲは、開始周波数ｆＳから終了周波数ｆＥまで変更される。そのため、ビート信号には、「ｆＳ－ｆＲ」から「ｆＥ－ｆＲ」までの周波数の範囲において強度を有する強度信号が含まれる。
　そこで、信号解析部６０は、強度信号を一定の周波数帯に分離して抽出するため、ビート信号に対してフーリエ変換又はデジタルフィルタを適用して、周波数帯ごとの信号の強度を抽出する。
　ここで、信号解析部６０によって抽出する周波数帯の幅ΔＦを、「ΔＦ＝｜ｆＥ－ｆＳ｜／Ｎ」によって定める。自然数Ｎは、ＦＳＡＶによる平均化を行うことができるよう、２以上で任意に選択される。図３では、Ｎ＝４として、周波数帯ＤＦ１、ＤＦ２、ＤＦ３、ＤＦ４が示されている。周波数帯ＤＦ１、ＤＦ２、ＤＦ３、ＤＦ４は、互いに異なる周波数帯である。
　［光線路試験装置の処理手順］
　次に、本実施形態に係る光線路試験装置１の処理手順を、図４のフローチャートを参照して説明する。図４は、本実施形態に係る光線路試験装置１の処理を示すフローチャートである。
　ステップＳ１０１にて、信号発生器２１は変調信号を生成する。その他、パルス発生器２３はパルス信号を生成する。
　ステップＳ１０３にて、変調器２０は、光源１０からの出力光を変調して変調光を生成する。
　ステップＳ１０５にて、変調器２０は、変調光を、パルス光を含むプローブ光に変換する。
　ステップＳ１０７にて、干渉器４０は、プローブ光を光ファイバの一端に入射させた際に一端から出射される信号光を取得する。
　ステップＳ１０９にて、干渉器４０は、信号光と出力光を干渉させてビート信号を生成する。
　ステップＳ１１１にて、信号解析部６０は、干渉器４０によって生成したビート信号に基づいて光ファイバ８０における損失分布を取得する。
　［実施形態の効果］
　以上詳細に説明したように、本実施形態に係る光線路試験装置及び光線路試験方法は、レーザ光源からの出力光をプローブ光路とローカル光路とに分岐し、プローブ光路の入力光を変調した変調光を、パルス光を含むプローブ光に変換する。プローブ光を光ファイバの一端に入射させた際に一端から出射される信号光とローカル光路の入力光を干渉させてビート信号を生成し、ビート信号に基づいて光ファイバにおける後方散乱光を示す信号を取得し、損失分布を解析する。ここで、パルス光の継続時間の間に開始周波数から終了周波数まで変化する周波数に基づく変調を、出力光に対して行って変調光を生成する。ビート信号に含まれる異なる周波数帯ごとの後方散乱光を、異なる周波数帯同士で平均化して解析用信号を生成し、解析用信号に含まれる後方散乱光の強度を解析して損失分布を取得する。
　これにより、光ファイバに伝わる物理的な振動の測定と、光ファイバの損失の測定を、同じ光源を用いて実施することができる。特に、光ファイバに伝わる振動の測定精度を向上させるためにパルス光を生成する光源の線幅を狭くしたとしても、光ファイバの損失の測定精度を向上させるために必要な大きな周波数の変化幅を得ることができる。つまり、光源の線幅が狭い場合でも、フェーディング雑音をＦＳＡＶにより抑制することができ、光ファイバに伝わる振動の測定精度の向上と光ファイバの損失の測定精度の向上を両立させることができる。
　また、大きな周波数の変化幅でＦＳＡＶを実施する際に、周波数帯ごとにビート信号に含まれる強度信号を取得するのに必要な時間を短縮することができる。例えば、線幅が１ｋＨｚ、光源が線幅内の単一の光周波数を出力し続ける時間の最小値である継続時間が１００ｍｓの光源を用いて、十分な精度を得るために必要な周波数の変化幅が１０ＧＨｚであるＦＳＡＶを実施する場合を考える。この場合、強度信号を取得する対象となる必要な周波数帯の数は、１０ＧＨｚ／１ｋＨｚ＝１０００万個となる。したがって、変調器２０による変調を行わない場合、全ての周波数帯について強度信号を取得するのに必要な時間は、継続時間と必要な周波数帯の数の積で決まり、１００ｍｓ×１０００万個＝１００万秒となる。
　一方、本実施形態で示したように、変調器２０による変調を行う場合、開始周波数ｆＳと終了周波数ｆＥの差分を大きくすることで、全ての周波数帯について強度信号を取得するのに必要な時間を短縮することができる。
　変調器２０による変調を行う場合として、開始周波数ｆＳと終了周波数ｆＥの差分を１ＧＨｚで設定できる場合を考える。この場合、光源の継続時間である１００ｍｓの間に、１ＧＨｚの範囲に含まれる周波数帯について、強度信号を取得することが可能となる。その後、光源の出力光の周波数を変更し、再度、開始周波数ｆＳと終了周波数ｆＥを設定する。そして、同様にその他の１ＧＨｚの範囲に含まれる周波数帯について、強度信号を取得することが可能となる。その結果、全ての周波数帯について強度信号を取得するのに必要な時間は、１００ｍｓ×１０ＧＨｚ／１ＧＨｚ＝１秒となる。すなわち、１００万倍の高速化を実現できる。このように、変調器２０による変調を行わない場合と比較して、変調器２０による変調を行う場合には、強度信号を取得するのに必要な時間を大幅に短縮することができる。
　また、本実施形態に係る光線路試験装置及び光線路試験方法は、ビート信号に基づいて信号光に含まれる光ファイバによる散乱光を解析して、損失分布を取得するものであってもよい。ビート信号を生成するために用いた信号光には、試験対象である光ファイバの長手方向の各点で散乱又は反射された光を含んでいる。そのため、ビート信号に基づいて信号光に含まれる光ファイバによる散乱光を解析することができる。さらに、光ファイバによる散乱光（レイリー散乱）に起因する成分が信号光の大部分を占めるため、散乱光を解析することで、損失分布を精度よく取得することができる。
　さらに、本実施形態に係る光線路試験装置及び光線路試験方法は、ビート信号に含まれる異なる周波数帯ごとの強度信号を、異なる周波数帯同士で平均化して解析用信号を生成し、解析用信号に基づいて損失分布を取得するものであってもよい。これにより、パルス幅内における散乱光同士の干渉で生じるフェーディング雑音が抑制され、光ファイバの損失の測定精度を向上させることができる。
　また、本実施形態に係る光線路試験装置及び光線路試験方法は、ビート信号に対してフーリエ変換を行って、強度信号を取得するものであってもよい。これにより、ビート信号に含まれる異なる周波数帯ごとの強度信号を精度よく取得できる。
　さらに、本実施形態に係る光線路試験装置及び光線路試験方法は、ビート信号に基づいて光ファイバに伝わる振動を取得するものであってもよい。ビート信号を生成するために用いた信号光には、試験対象である光ファイバの長手方向の各点で散乱又は反射された光を含んでいる。特に、信号光には長手方向の長さの増減に関する情報が含まれており、ビート信号の位相の変化に基づいて、光ファイバに伝わる振動を取得できる。
　［その他］
　上記説明したコントローラ１００は、例えば、図５に示すように、ＣＰＵ９０１と、メモリ９０２と、ストレージ９０３と、通信装置９０４と、入力装置９０５と、出力装置９０６と、を備えた汎用的なコンピュータシステムを用いて実現できる。メモリ９０２及びストレージ９０３は、記憶装置である。当該コンピュータシステムにおいて、ＣＰＵ９０１がメモリ９０２上にロードされた所定のプログラムを実行することにより、コントローラ１００の各機能が実現される。
　コントローラ１００は、１つのコンピュータで実装されてもよい。コントローラ１００は、複数のコンピュータで実装されてもよい。コントローラ１００は、コンピュータに実装される仮想マシンであってもよい。コントローラ１００用のプログラムは、ＨＤＤ、ＳＳＤ、ＵＳＢメモリ、ＣＤ、ＤＶＤ等のコンピュータ読取り可能な記録媒体に記憶できる。コントローラ１００用のプログラムは、通信ネットワークを介して配信することもできる。
　上述の実施形態で示した各機能は、１又は複数の処理回路によって実装されうる。処理回路には、プログラムされたプロセッサや、電気回路などが含まれ、さらには、特定用途向けの集積回路（ＡＳＩＣ）のような装置や、記載された機能を実行するよう配置された回路構成要素なども含まれる。
　以上、実施形態に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。この開示の一部をなす論述および図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
　本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
　１　　光線路試験装置
　１０　光源
　１５，４１，４３，４７，４９　カプラ
　２０　変調器
　２１　信号発生器
　２３　パルス発生器
　３０　サーキュレータ
　４０　干渉器
　４５　位相シフタ
　５１，５３　バランス検出器
　６０　信号解析部
　６５，６７　ＡＤ変換素子
　８０　光ファイバ
　１００　コントローラ

Claims (4)

  1. 　レーザ光源と、
    　前記レーザ光源からの出力光をプローブ光路とローカル光路とに分岐する分岐部と、
    　前記プローブ光路の入力光を変調して変調光を生成し、前記変調光を、パルス光を含むプローブ光に変換する変調器と、
    　前記プローブ光を光ファイバの一端に入射させた際に前記一端から出射される信号光が入射され、前記信号光と前記ローカル光路の入力光を干渉させてビート信号を生成する干渉器と、
    　前記ビート信号に基づいて前記光ファイバにおける後方散乱光を取得する光受信部と、
    　前記光受信部の信号に基づいて損失分布を解析する信号解析部と、
    を備える光線路試験装置であって、
    　前記変調器は、前記パルス光の継続時間の間に開始周波数から終了周波数まで変化する周波数に基づく変調を、前記出力光に対して行って前記変調光を生成し、
    　前記信号解析部は、
    　　前記ビート信号に含まれる異なる周波数帯ごとの前記後方散乱光を、異なる周波数帯同士で平均化して解析用信号を生成し、
    　　前記解析用信号に含まれる前記後方散乱光の強度を解析して前記損失分布を取得する、光線路試験装置。
  2. 　前記信号解析部は、前記ビート信号に対してフーリエ変換を行って、前記ビート信号に含まれる異なる周波数帯ごとの強度信号を取得する、請求項１に記載の光線路試験装置。
  3. 　前記信号解析部は、前記ビート信号に基づいて前記光ファイバに伝わる振動を取得する、請求項１又は２に記載の光線路試験装置。
  4. 　レーザ光源からの出力光をプローブ光路とローカル光路とに分岐し、
    　前記プローブ光路の入力光を変調して変調光を生成し、
    　前記変調光を、パルス光を含むプローブ光に変換し、
    　前記プローブ光を光ファイバの一端に入射させた際に前記一端から出射される信号光と、前記ローカル光路の入力光を干渉させてビート信号を生成し、
    　前記ビート信号に基づいて前記光ファイバにおける後方散乱光を示す信号を取得し、
    　前記信号に基づいて損失分布を解析する、光線路試験方法であって、
    　前記パルス光の継続時間の間に開始周波数から終了周波数まで変化する周波数に基づく変調を、前記出力光に対して行って前記変調光を生成し、
    　前記ビート信号に含まれる異なる周波数帯ごとの前記後方散乱光を、異なる周波数帯同士で平均化して解析用信号を生成し、
    　前記解析用信号に含まれる前記後方散乱光の強度を解析して前記損失分布を取得する、光線路試験方法。
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