WO2007086357A1 - 光ファイバ特性測定装置及び光ファイバ特性測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非相関位置からの不要な成分を積算したノイズレベルを効果的に抑制することで、測定精度の向上を図ると共に、測定範囲を伸ばす。 【解決手段】測定手段33は、ポンプ光とプローブ光との周波数差を掃引しながら、被測定光ファイバFUTから出射されるプローブ光のブリルアンゲインを検出し、被測定光ファイバFUTの歪みを分布測定する。光強度変調器４は、光源１に施される周波数変調に同期して、出力光に強度変調を施す。これにより、光源１からの光の周波数に対するスペクトル分布を任意に調整することができ、相関ピーク位置以外で生じる周波数軸上に広がった雑音スペクトル形状を調節して、相関ピーク位置で生じるローレンツ型スペクトルのピーク周波数を精度よく測定できる。また、測定範囲ｄｍを広げることができる。

Description

明 細 書

光ファイバ特性測定装置及び光ファイバ特性測定方法

技術分野

[0001] 本発明は、光ファイバ特性測定装置及び光ファイバ特性測定方法に関し、特に被 測定対象としての光ファイバ内に生ずる誘導ブリルアン散乱現象を利用して、光ファ ィバに加わる歪みなどを分布的にセンシングする光ファイバ特性測定装置及び光フ アイバ特性測定方法に関する。

背景技術

[0002] 光ファイバ中で生じるブリルアン散乱は、光ファイバに加わる歪みによって変化する 。こうした現象を利用して、光ファイバの長さ方向に沿う歪みを分布的に測定する技 術が構築されてきた。この測定技術は、ブリルアン散乱光の周波数変化を測定するこ とで、歪みの大きさを測定できると共に、ブリルアン散乱光が戻ってくるまでの時間を 測定することで、光ファイバの歪み箇所を特定することが可能なため、橋梁'橋脚，ビ ル，ダムなどの構造物や、航空機の翼'燃料タンクなどの材料に光ファイバを張り巡ら せることで、これらの構造物や材料に加わる歪みの分布を知ることができる。そして、 こうした歪みの分布から、構造物や材料の劣化や経年変化が分かり、防災や事故防 止に役立てることができる。

[0003] これまで知られていた歪み分布量の測定方法は、光ノ ルスを光ファイバに入射し、 後方に散乱されるブリルアン散乱光を時間分解で測定するものであった。しかし、こ のような光パルスによる時間領域の測定方法では、測定時間（数分から 10分掛かる） が長ぐ空間分解能（lmが限界）に制限があることから、様々な構造物を動的に管理 するような用途には不十分である。そのため、空間分解能が高ぐより短時間に歪み などが生ずる箇所を特定できるブレークスルー技術がユーザー力 求められていた。

[0004] こうした要求に応えるベぐ本願発明者らは特許文献 1や特許文献 2において、従 来の光パルスの時間分解測定方法とは異なり、連続光の干渉状態を制御することに よって、光ファイバの長さ方向に沿うブリルアン散乱の分布測定技術を提案し、特許 も取得した。この技術は、 BOCDA (Brillouin Optical Correlation Domain Analysis :ブ リルアン散乱光相関領域解析)法として知られており、 lcmの空間分解能と約 60Hz のサンプリング速度が達成され、注目されて 、る。

[0005] ここで、ブリルアン散乱の原理について説明すると、一般的な光ファイバに光を入 射した場合、光ファイバ材料の硝子分子が熱振動することにより発生する超音波のう ち、波長が入射光波長の半分となる超音波が生じる。この超音波力 Sもたらす硝子の 周期的な屈折率の変化は、入射光に対してブラッグ回折格子として作用し、光を後 方に反射する。これがブリルアン散乱現象である。反射光は超音波の速度に依存し てドップラーシフトを受ける力 この周波数シフト量は光ファイノ に加わる伸縮歪みで 変化するので、当該シフト量を測定すれば、歪みを検知することができる。

[0006] より具体的には、図 22の原理図に示すように、半導体レーザや信号発生器を含む 光源 101から、被測定光ファイバ FUT中に二つの周波数の異なる伝搬波、すなわち 強いポンプ光と弱いプローブ光とを対向して伝搬させる。このとき、ポンプ光とプロ一 ブ光との間で特別な位相 (周波数)の適合状態を満足すると (f = f + v : f pump probe B pump はポンプ光の中心周波数、 f はプローブ光の中心周波数、 V はブリルアン周波数 probe B

である）、両波の相互作用によりポンプ光力 プローブ光へ光子を散乱する音響フォ ノンが発生する。これは、誘導ブリルアン散乱として、プローブ光の増幅をもたらす。 但し、ポンプ光とプローブ光の周波数差が大きく揺らぐと、誘導は抑圧される。

[0007] 特許文献 1などにも記述されているように、 BOCDA法の基本的な原理は、対向して 伝搬するポンプ光とプローブ光に対して同じ周波数変調を与えることにより、被測定 光ファイバ FUTに沿って、位置に依存した強く先鋭な相関ピークを有する誘導ブリル アン散乱を周期的に発生させることにある。そのため BOCDA法では、光源 101から出 力する光を連続発振光とし、その発振周波数を正弦波状の繰り返し波形により変化 させつつ、プローブ光の中心周波数 f とポンプ光の中心周波数 f との差が、ブリ probe pump

ルアン周波数 V の近傍になるように、図示しない光周波数変換器によりプローブ光

B

の中心周波数 f を変化させる。これにより、ポンプ光とプローブ光の位相が非同期 probe

であり、両光の相関が低い殆どの位置では、散乱光を広い周波数範囲に渡って広げ て薄める一方で、ポンプ光とプローブ光の位相が同期し、両光の相関が高い特別な C m程度の狭 、領域 (相関位置)では、本来のピーク状スペクトルをなす誘導ブリルアン 散乱が発生する。そして、この相関位置を移動させることにより、誘導ブリルアン散乱 による歪みの分布測定が可能になる。

[0008] 図 22では、被測定光ファイバ FUTの各位置に生じる誘導ブリルアン散乱のスぺタト ル形状が示されている。ここで、 BGとはブリルアンゲインを意味し、 Δ Vはポンプ光と プローブ光との周波数差を意味する。光源 101からの周波数変調された光により、被 測定光ファイバ FUTの殆どの位置では、誘導散乱スペクトルが周波数軸上に広がつ て薄められる力 特別な位置 (相関位置)では、ポンプ光とプローブ光との相対的な 周波数差が一定となって、本来のローレンツ型スペクトルの誘導ブリルアン散乱が起 きる。

[0009] また、前述のように光源 101に対して正弦波周波数変調が与えられると、 BOCDA法 での空間分解能 Δ ζと測定範囲（隣接する相関位置の間隔) dは、次の数 1と数 2に m

よってそれぞれ与えられる。

[0010] [数 1]

[0011] [数 2]

[0012] ここで、 Vは被測定光ファイバ FUT内における光の速度であり、 Δ V は被測定光 g B

ファイバ FUTのブリルアンゲイン線幅（一般的なファイバでは〜 30MHz)であり、 f は 光源 101の周波数変調周波数であり、 Δ ίは周波数変調の振幅である。特許文献 1で 説明されているように、相関ピークが発生する位置湘関位置)を測定対象の範囲内 で 1つだけ存在させるために、数 2の式を利用して測定範囲 dを調整する。この場合 m

、測定範囲 dは周波数変調周波数 f に反比例することから、光源 101の周波数変調 m m

の速さである周波数変調周波数 f を下げて、その周波数変化を緩やかにすれば、 0 次〜 n次の隣接する相関位置の間隔ひいては測定範囲 dを広げることができる。伹 し、周波数変調周波数 f を可変するだけでは、プローブ光とポンプ光との光路差が 零となる 0次の相関位置は変化しない。そのため、測定範囲 dを保ったまま 0次〜 n 次の相関位置を全て変化させるには、プローブ光またはポンプ光のいずれか一方の 光路中に光遅延器を挿入すればよい。こうして、光源 101の周波数変調周波数 f を 可変することにより、ブリルアンゲインスペクトルを測定する相関位置を変化させること ができる。

[0013] また、測定範囲 dを広げるために、周波数変調周波数 f を下げてしまうと、今度は

m m

数 1からも明らかなように、空間分解能 Δ ζが劣化して大きな値となってしまう。そこで 、測定範囲 dを広げつつ、空間分解能 Δ ζを高く維持するには、プローブ光とポンプ 光の各スペクトルが重なリ合わない範囲内で、光源 101の周波数変調の振幅 (変調振 幅） Δ ίを大きくすればよい。

[0014] BOCDA法では、おおよそブリルアン周波数 V に相当するポンプ光とプローブ光と

Β

の周波数差（Δ V )付近を掃引しながら、被測定光ファイバ FUTの終端におけるプロ ーブ光のブリルアンゲイン BGを検出し記録する測定手段を備えて 、る。ここで被測 定光ファイバ FUTの端部力 得られるブリルアンゲインのスペクトル形状 (本測定法の 出力）は、相関位置で生じたローレンツ型スペクトル (実信号）と、その他の位置で生 じた広いスペクトルの積算値 (雑音）との和になる。すなわち、これを図 23で説明する と、この図 23では、相関位置に歪みを与えない場合（上段の図）と、相関位置に歪み を与えた場合（下段の図）において、各検出出力のスペクトル形状が示されており、 当該スペクトル形状は、相関ピークからの実信号 S1の成分と、相関位置以外の全て の各位置からのノイズ S2の成分とに分けることができる。そして、相関ピークの位置に 対して歪みや温度の変化が与えられると、図 23の下段の図に示すように、実信号 S1 だけがオリジナルの周波数差 Δ V力もシフトする。つまり、相関位置で生じたブリルァ ンゲインスペクトルのピークが、実信号 S 1としてその相関位置における歪みを表わす ことになり、光源 101の周波数変調の周波数 (f )を変化させて相関位置を掃引し、且 つそれぞれの相関位置でスペクトルのピーク周波数を特定すれば、被測定光フアイ ノ FUTに沿った歪みの分布測定が可能になる。

特許文献 1 :特許第 3667132号公報

特許文献 2：特許第 3607930号公報 発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0015] 上述した被測定光ファイバ FUTの歪みなどの特性を分布測定する装置や方法では 、測定対象となる被測定光ファイバ FUTが長くなるほど、その測定範囲 dを広げなけ ればならず、相関位置以外の各位置で薄められた不要な成分が積算されて、ノイズ S2が増大する。すなわち、測定手段で検出されるノイズ S2のレベルは、全ての非相 関位置からのブリルアンゲインスペクトルを合計したものであるため、実信号と雑音と の間のピーク ピーク比（SNR)は、一定の空間分解能 Δ zの下で測定範囲 dが広が るほど減少する。そのため、特に図 23の下段の図に示すように、歪みによる実信号 S 1のシフト周波数が大きい位置で、その信号ピークがノイズ S2のレベルよりも小さくな つて、歪みの分布計測が不可能になってくる。

[0016] このように、背景のノイズ S2の成分は、被測定光ファイバ FUTの特性を分布測定す る上での精度劣化をもたらすと同時に、測定範囲 dを制限する要因となっており、こ うした不要な成分であるノイズ S2を抑制することが求められていた。

[0017] 本発明は上記問題点に鑑み、非相関位置力 の不要な成分を積算したノイズレべ ルを効果的に抑制することで、測定精度の向上を図ると共に、測定範囲を伸ばすこと 力 Sできる新規な光ファイバ特性測定装置及び光ファイバ特性測定方法を提供するこ とを、その目的とする。

課題を解決するための手段

[0018] 上記目的を達成するために、本発明における光ファイバ特性測定装置は、周波数 変調された光を出力する光源部と、前記光源部からの出力光を周波数シフトさせ、被 測定光ファイバの一端力 プローブ光として入射させるプローブ光生成手段と、前記 光源部からの出力光を、前記被測定光ファイバの他端力もポンプ光として入射させる ポンプ光生成手段と、前記ポンプ光と前記プローブ光との周波数差を掃引しながら、 前記被測定光ファイバから出射される前記プローブ光のブリルアンゲインを検出し、 前記被測定光ファイバの特性を測定する測定手段とを備えた光ファイバ特性測定装 置において、前記光源部の周波数変調に同期して、前記出力光の強度を変調させ る強度変調手段を備えて 、る。 [0019] この場合、前記強度変調手段は、前記出力光の周波数が変動中心に近づくにした がって、その強度を最大値に近づけると共に、当該出力光の周波数が上限と下限に 近づくにしたがって、その強度を最小値に近づけるように構成するのが好ましぐさら には前記出力光の周波数が上限と下限に達するタイミングで、出力光の強度を最小 値よりも大きな値にするように構成するのが好ま 、。

[0020] また、上記各構成において、前記強度変調手段を光強度変調器により構成するの が好ましい。代わりに、前記強度変調手段を光学フィルタにより構成するのが好まし い。また代わりに、前記強度変調手段を、正弦波以外の繰り返し波形で前記光源部 力もの出力光を周波数変調する信号発生器により構成するのが好ましい。

[0021] 本発明における光ファイバ特性測定方法は、光源部で周波数変調された光を周波 数シフトさせ、被測定光ファイバの一端力もプローブ光として入射し、前記光源部で 周波数変調された光を、前記被測定光ファイバの他端力 ポンプ光として入射し、前 記ポンプ光と前記プローブ光との周波数差を掃引しながら、前記被測定光ファイバ 力 出射される前記プローブ光のブリルアンゲインを検出し、前記被測定光ファイバ の特性を測定する光ファイバ特性測定方法にぉ 、て、前記光源部の周波数変調に 同期して、前記出力光に強度変調を施すことを特徴とする。

[0022] この場合、前記出力光に施される強度変調は、前記出力光の周波数が変動中心 に近づくにしたがって、その強度を最大値に近づけると共に、当該出力光の周波数 が上限と下限に近づくにしたがって、その強度を最小値に近づけることが好ましぐさ らには前記出力光の周波数が上限と下限に達するタイミングで、出力光の強度を最 小値よりも大きな値にすることが好ましい。

[0023] また、上記各方法にぉ 、て、前記出力光に施される強度変調が、光強度変調器で 行なわれることが好ましい。代わりに、前記出力光に施される強度変調が、光学フィ ルタで行なわれることが好ましい。また代わりに、前記出力光に施される強度変調が 、正弦波以外の繰り返し波形で前記光源部からの出力光を周波数変調する信号発 生器で行なわれることが好ま 、。

発明の効果

[0024] 本発明の請求項 1における光ファイバ特性測定装置、および請求項 7における光フ アイバ特性測定方法によれば、光源力 の光に与えられる周波数変調に同期して、 強度変調手段により強度変調をも施しているので、出力光の強度を特定の周波数で 弱くしたり、または強くしたりすることも可能になり、当該出力光のスペクトル分布を適 切に調整できる。そのため、相関ピーク位置以外で生じる周波数軸上に広がった雑 音スペクトル形状を調節して、相関ピーク位置で生じるローレンツ型スペクトルのピー ク周波数を精度よく測定することが可能になると共に、測定範囲を広げることができる

[0025] 本発明の請求項 2における光ファイバ特性測定装置、および請求項 8における光フ アイバ特性測定方法によれば、光源力 の出力光の周波数が変動するのに伴い、そ の周波数の上端および下端付近で出力光の強度が集中して偏ることを改善できる。 そのため、ローレンツ型スペクトルのピークを背景スペクトルのピークより大きく維持で き、大きな歪が加わってもその値を正しく測定できる。

[0026] 本発明の請求項 3における光ファイバ特性測定装置、および請求項 9における光フ アイバ特性測定方法によれば、被測定光ファイバの歪量が無い場合や、少ない場合 であっても、ローレンツ型スペクトルのピークを背景スペクトルのピークよりも大きくする ことができ、被測定光ファイバ FUTへの歪量の大小に拘らず、正確な歪測定が可能 になる。

[0027] 本発明の請求項 4における光ファイバ特性測定装置、および請求項 10における光 ファイバ特性測定方法によれば、光源力もの同期信号を受けて、光強度変調器が光 源からの出力光に適切な強度変調を施すことが可能になる。

[0028] 本発明の請求項 5における光ファイバ特性測定装置、および請求項 11における光 ファイバ特性測定方法によれば、光学フィルタ自体のフィルタリング特性により、出力 光に対してその周波数に応じた強度の調整が可能になるため、光源からの同期信号 を必要とせず、極めて容易にノイズの低減と測定範囲の拡張を実現できる。

[0029] 本発明の請求項 6における光ファイバ特性測定装置、および請求項 12における光 ファイバ特性測定方法によれば、信号発生器を利用して出力光の周波数変調波形 を正弦波状以外のものに変えるだけで、出力光に対し強度変調を施したものと同様 に、出力光のスペクトル分布を適切に調整でき、ノイズの低減と測定範囲の拡張を実 現できる。

発明を実施するための最良の形態

[0030] 以下、本発明における好ま ヽ光ファイバ特性測定装置及び光ファイバ特性測定 方法の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

[0031] 図 1は、本発明の第 1実施形態による光ファイバ特性測定装置を示している。同図 において、 1は光源であり、これは信号発生器 2と半導体レーザ 3とにより構成される。 半導体レーザ 3は、例えば小型でスペクトル幅の狭 、レーザ光を出射する分布帰還 型レーザダイオード (DFB LD)が用いられる。信号発生器 2は、半導体レーザ 3から 出射されるレーザ連続光を正弦波状に繰り返して周波数変調 (位相変調を含む)す るために、所望の変調信号を当該半導体レーザ 3に注入電流として出力するもので ある。

[0032] 4は、前記半導体レーザ 3に対し施された周波数変調に同期して、この半導体レー ザ 3からの出力光を強度変調する強度変調手段としての光強度変調器 (IM)である。 ここでの光強度変調器 4は、入力信号に相当する信号発生器 2からの同期信号を受 けて、前記半導体レーザ 3からの出力光の強度を変調できる機能を有し、具体的に は電気光学変調器 (EOM)により実現される。本実施形態では、既存の BOCDA法に よる光ファイバ特性測定装置に、こうした光強度変調器 4を付加したことが注目される 力 強度変調手段の別な構成については、後程説明する。

[0033] 6は、前記光強度変調器 4により周波数と強度を共に変調されたレーザ光を、例え ば強度比 90Z10に二分する第 1の光分岐器で、分岐された一方のレーザ光は、エル ビゥム添カ卩光ファイバ増幅器（以下、 EDFAという） 7により増幅される。さらに、 EDFA7 で増幅した強度変調光は、単一側帯波変調器 (SSBM：以下 SSB変調器と ヽぅ） 8によ つて約 10GHz周波数が下げられ、プローブ光として被測定光ファイバ FUTの一端に 入射する。

[0034] 前記 SSB変調器 8は、 2つの一次側帯波の中で高域の周波数成分を抑制すると共 に、ポンプ光力 安定した周波数差 Δ Vを維持できるように、マイクロ波と正確な DC バイアス制御を利用しており、入力光に対しマイクロ波周波数に等しい周波数差 Δ V を有する低周波側の側帯波を、プローブ光として出力するようになっている。さらに、 SSB変調器 8の後段には、偏光ダイバーシティ法を適用するための偏光スィッチ (PS W) 9が挿入される。この偏光スィッチ 9は、ブリルアンゲインの偏光に依存した振れを 抑制するために設けられて 、る。

[0035] 一方、前記第 1の光分岐器 6で分岐された他方のレーザ光は、所定の長さの光ファ ィバからなる光遅延器 11を通過し、基準信号発生器 12を有する光強度変調器 13によ り強度変調された後、 EDFA14により増幅される。そして、この EDFA14で増幅した強 度変調光は、第 2の光分岐器 15を通過後、被測定光ファイバ FUTの他端力 ポンプ 光として入射し、被測定光ファイノ FUT内でプローブ光とポンプ光が向かい合って伝 搬するようになっている。なお、光遅延器 11は前述のように、ポンプ光とプローブ光と の間に所定の遅延時間を設定するためのもので、光ファイバ長を変えることで、遅延 時間を適宜調整することができる。

[0036] 前記被測定光ファイバ FUTの他端からの出射光は、第 2の光分岐器 15を介して光 検出器 20に取り込まれ、そのパワーが測定される。光検出器 20からの検出出力は、口 ックイン増幅器 21を通ることにより、ポンプ光の変調周波数で同期検波され、誘導プリ ルアン現象に伴うプローブ光のブリルアンゲイン力 例えばパーソナルコンピュータ で構成される測定手段としてのデータ処理器 23に、最終的なデータとして所定のサ ンプリング率で取り込まれる。

[0037] なお、ポンプ光の光路中に設けられた光強度変調器 13は、前記光強度変調器 4と 同じく例えば電気光学変調器で構成される。また、第 1の光分岐器 6や第 2の光分岐 器 15は、サーキユレータ，ビームスプリッタ，ハーフミラーなどを用いてもよい。さらに 他の変形例として、光源部としての光源 1は、プローブ光とポンプ光のそれぞれに独 立して別なものが設けられていてもよぐその場合は各光源 1の周波数変調に同期す る強度変調手段を、それぞれの光源 1毎に設ければよい。

[0038] そして本実施形態では、 EDFA7, SSB変調器 8,偏光スィッチ 9が、光源 1の出力光 力 プローブ光を生成するプローブ光生成手段 31を構成し、光遅延器 11,光強度変 調器 13, EDFA14,第 2の光分岐器 15力 光源 1の出力光力 ポンプ光を生成するポ ンプ光生成手段 32を構成し、光検出器 20,ロックイン増幅器 21,データ処理器 23が、 ポンプ光とプローブ光との周波数差を掃引しながら、被測定光ファイバ FUTの終端か ら出射されるプローブ光のブリルアンゲインを検出し、被測定光ファイバ FUTの特性 の一つである歪みを測定する測定手段 33を構成している。

[0039] 前述したように、図 1に示す装置も、 BOCDA法の基本的な原理に従い、光源 1から の光を連続発振光とし、その発振周波数を信号発生器 2により正弦波状の繰り返し 波形により変化させつつ、プローブ光の中心周波数 f

probeとポンプ光の中心周波数 f pum との差が、ブリルアン周波数 V の近傍になるように、 SSB変調器 8がプローブ光の中

P B

心周波数 f

probeを変化させている。これにより、ポンプ光とプローブ光の位相が非同期 であり、両光の相関が低い殆どの位置では、誘導が抑圧されるが、ポンプ光とプロ一 ブ光の位相が同期する相関位置では、誘導ブリルアン散乱が発生する。そして、この 相関位置を移動させることにより、ブリルアン散乱による歪みの分布測定が可能にな る。

[0040] 誘導ブリルアン散乱による相関位置は、プローブ光およびポンプ光への変調が周 期的であることから、アイソレータ 16とサーキユレータ（第 2の光分岐器） 15で挟まれた 被測定ファイバ FUTに沿って周期的に現れる。そのため、被測定ファイバ FUT内に相 関ピークが位置的に 1つだけ存在するように、光遅延器 11の遅延量や半導体レーザ 3に印加する周波数変調周波数 f を調整する。さらに、装置としての空間分解能 Δ ζ を高く維持したまま、その測定範囲を広げるために、プローブ光とポンプ光の各スぺ タトルが重なリ合わない範囲内で、半導体レーザ 3に対する周波数変調の振幅 Δ ίを 増やす必要がある。

[0041] 次に、上記図 1に示す装置の動作を説明すると、信号発生器 2からの注入電流によ り半導体レーザ 3から周波数変調されたレーザ光が出射すると共に、この信号発生器 2から光強度変調器 6に出力される同期信号により、光強度変調器 4を通過する前記 出力光がその周波数変調に同期して強度変調される。この周波数と強度を共に変調 されたレーザ光は、第 1の光分岐器 4で所定の強度比に分岐され、一方の光は EDF Α7によって増幅された後に、 SSB変調器 8に入力される。 SSB変調器 8は、当該変調 光を SSB変調して、この変調光の中心周波数に対してブリルアン周波数 V に近い周

Β

波数差 Δ V (約 10GHz)の側帯波を発生し、この側帯波が偏光スィッチ 9とアイソレー タ 16を通って、被測定光ファイノ FUTの一端にプローブ光として入射される。 [0042] 一方、第 1の光分岐器 6から分岐した他方の変調光は、光遅延器 11を通過して所 定の遅延時間を与えられた後、光強度変調器 13に入力され、ここで基準信号発生器 12から発生する基準信号の周波数に基づき強度変調される。この強度変調によりチ ョッビングされた変調レーザ光は、続く EDFA14によって増幅され、第 2の光分岐器 15 を経て、被測定光ファイバ FUTの他端にポンプ光として入射される。

[0043] こうして、被測定光ファイノ FUT中にプローブ光とポンプ光が互いに逆向きに伝搬 すると、反射や後方散乱を受けたポンプ光の一部が、被測定光ファイバ FUTから出 射されると共に、誘導ブリルアン散乱によるプローブ光の増加分が、連続したプロ一 ブ光に重畳して被測定光ファイバ FUTから出射される。これらの出射光を光検出器 2 0により検出し、ロックイン増幅器 21によりポンプ光の強度変調周波数で同期検波す ると、ポンプ光のチヨッビングに同期して発生するプローブ光の増加分だけが取り出 されて増幅出力され、それ以外の周波数成分は除去される。なお、この図 1には示し ていないが、被測定光ファイバ FUTからは、反射や後方散乱を受けたポンプ光の一 部も出射されるため、こうしたポンプ光を除去するために、光検出器 20の前段に光学 フィルタを介在させてもよい。データ処理器 23は、ロックイン増幅器 21からの出力信号 を受けて、相関ピーク位置における誘導ブリルアン散乱スペクトルのピークがどの周 波数にあるのかを判断して、被測定光ファイバ FUTにおける歪みの分布測定を行なう

[0044] ここで、従来のように光強度変調器 4を設けて 、な 、装置では、一定の空間分解能

Δ ζの下で測定範囲 dを広げようとすると、図 23に示す相関ピークによる実信号 S1と 、非相関位置力 の薄められた不要成分を累積したノイズ S2との間のピーク ピーク 比 (SNR)が小さくなつて、実信号 S1のピーク周波数を正しく計測できなくなる。これは 、光源 1からの出力光のスペクトル分布を、任意に調整できないことに起因する。

[0045] その点、本実施形態では、光源 1からの出力光に対し単に周波数変調を施すだけ でなぐ光強度変調器 4によりこの周波数変調に同期して強度変調をも施しているの で、例えば出力光の強度を特定の周波数で弱くしたり、または強くしたりすることも可 能になり、当該出力光のスペクトル分布を、特定の周波数領域にのみ強調されない ように適切に調整できる。そのため、相関ピークによる実信号 S1とノイズ S2との間の S NRを改善してノイズ S 2を低減し、実信号 SIのピーク周波数を正しく計測すると共に 、測定範囲 dを広げることが可能になる。

[0046] 次に、図 1における装置の実験例とその結果について説明する。この実験例では、 光源 1の半導体レーザ 3として 1552nmの分布帰還型レーザダイオード（DFB LD)を 利用し、試験用の被測定光ファイバ FUT内で相関ピークを発生させるために、信号 発生器 2による正弦波周波数変調が与えられた。半導体レーザ 3からの出力は、プリ ルアンポンプ光として直接利用され、相関ピークの次数を制御するために、光遅延器 11としての 3kmの遅延用ファイバを通過した後で、 EDFA14により増幅された。一方、 プローブ光は、 2つの一次側帯波の中で高い方の周波数成分を抑制し、ポンプ光に 対し安定した周波数差 Δ Vを得るために、マイクロ波と正確な DCバイアス制御を利 用した SSB変調器 8を通して生成された。この SSB変調器 8における他の周波数成分 との抑制比は、 25dB以上を確保した。ポンプ光にはロックイン検波のための強度変調 が施され、そのチヨッビング周波数は 3.8MHzであった。帯域が 125MHzのフォトダイォ 一ドが光検出器 20として利用され、最終的なデータがロックイン増幅器 21の後で取り 込まれた。

[0047] 半導体レーザ 3の周波数変調周波数 f は、被測定光ファイバ FUTの相関ピーク位 置に依存して 310〜330kHzとしており、これは前記数 2によれば、 310m以上の相関ピ ークの間隔すなわち測定範囲 d に対応する。周波数変調の振幅 Δ ίは 9.5GHzであり 、また数 1から、測定の空間分解能 Δ ζは約 30cmと計算される。

[0048] 被測定光ファイバ FUTは、図 5に示すように、連続した一般的なファイバ (SMF:単 一モード光ファイバ）と、 30cmの長さを有する 3つの分散シフト光ファイバ（DSF)とを 融着接続してなり、その全体長は約 305mである。また、被測定光ファイバ FUTの平 均的なブリルアンシフト量すなわちブリルアン周波数 V Bは、 DSF部では 10.5GHzで あり、また SMF部では 10.8GHzであった。これらの 2つのファイバ部におけるブリルァ ン周波数 V の違いは、分布感知の殆どの状況をカバーできる〜 6000 εの誘導歪

Β

みに相当する。

[0049] 本実験例では、従来の強度変調を施さず正弦波周波数変調だけを与えた場合と、 光強度変調器 4を利用して 3つの異なる強度変調を加えた場合のそれぞれについて 、図 6 (a)に示すような異なるパワースペクトルの変調光を生成した。同図において、「 No IM」は従来の正弦波周波数変調だけを与えた場合の変調光を、また「ΙΜ1」， ΓΙΜ 2j , 「IM3」は、光強度変調器 4による強度変調を施した変調光を意味しており、それ ぞれの変調光にっ 、て、光学スペクトルアナライザで測定した時間平均のパワース ベクトルが示されている。

[0050] ここでは、最初に従来の変調光 (No IM)によるパワースペクトルを補償することで、 光パワーが殆どの周波数領域に渡り平坦な上部を有する変調光 (IM1)のパワースぺ タトルを生成した。また、他の変調光（IM2, IM3)のパワースペクトルは、前記変調光（ IM1)のパワースペクトルを得る際に光強度変調器 4に施したオフセットと振幅を調整 することで生成した。すなわち、従来の光源 1から得られる変調光 (No IM)は、正弦 波状にその周波数が振られるため、周波数の最大変位部分に比較的長い時間留ま り、パワースペクトルは変調した周波数の上限と下限付近の両端で強度が大きくなる 。一方、変調光 (IM1)では、光強度変調を同期して施すことにより、その強度が全周 波数幅に渡りほぼ平坦となるように調整される。また、別な変調光 (IM2)では、その強 度が周波数幅のほぼ中心で最大となるように（つまり周波数に対して凸状の強度特 性を有するように)調整され、さらに変調光 (IM3)では、周波数幅の両端に強度が大 きくなる部分を残しつつ、周波数幅のほぼ中心でも強度が大きくなるように調整される 。なお、図 6 (b)では、従来の周波数変調波形 (実線)を示す変調電圧と、平坦な上 部を有する変調光 (IM1)のパワースペクトルを生成するのに与えられた光強度変調 器 4の透過率 (破線）とを示して 、る。

[0051] 各変調光（No IM, IM1, IM2, IM3)を用いて測定したブリルアンゲインスペクトルは 、それぞれ被測定光ファイバ FUTの各部で測定され、図 5における DSFの「2」の部分 と SMFの任意の位置にある部分力 測定点として選択された。ここでは、 SSB変調器 S SBMの周波数差 Δ Vを 10.2GHzから 11.2GHzに掃引し、 1つの地点に対する測定の 全体速度を 10Hzとした。

[0052] こうして生成した各変調光（No IM, IM1, IM2, IM3)を用い、測定手段 33により DSF 部および SMF部で測定されたブリルアンゲインスペクトルを、図 7にそれぞれ示す。同 図において、左上のグラフは従来の強度変調を施さない変調光 (No IM)による DSF 部および SMF部の各ブリルアンゲインスペクトルを示して!/、るが、特に DSF部にお!ヽ て、実信号の成分がノイズレベルよりも小さくなつており、ここでは実信号の状態を正 確に検出することができず、最終的なピーク周波数判定による歪み量の測定が不可 能となる。一方、右上，左下，右下の各グラフは、強度変調を施した各変調光 (IM1, I M2, IM3)による DSF部および SMF部の各ブリルアンゲインスペクトルをそれぞれ示し ており、強度変調を施した全ての場合において、実信号の振幅と比較してノイズピー クがかなり減少していることが DSF部で観測される。そのため、各変調光 (IM1, IM2, I M3)のいずれの場合も、 DSF部ではピーク周波数を正しく判定できる。また変調光 (I Ml, IM2)の場合には、背景のノイズレベルの中心で大きな窪みが観測され、これが S MF部のブリルアンゲインスペクトル BGSに示すような実信号の「吸収」作用をもたらし て、 SMF部の測定時にローレンツ型スペクトルを観測できない問題を発生させる。し かし、こうした窪みは、ブリルアンゲインスペクトル BGSの全体形状をほぼ維持しなが ら、強度変調のオフセットと振幅を制御すれば除去できる。変調光 IM3の観測結果は 、この点で最適な状況を示しており、ここでは SMF部および DSF部の何れについても 、ブリルアンゲインスペクトル BGSの背景ノイズレベル力 実信号に対して低く平坦に 残っており、信号ピークはノイズレベルに対して明確に区別されている。すなわち、こ こでの変調光 IM3は、実信号のピーク周波数をどの部分でも正しく判定できると!、う 点で、最も効果的な強度変調の一例であることがわ力る。

[0053] 同一の信号振幅の下で、強度変調を施さな ヽ場合 (No IM)と、最適な強度変調を 施した場合 (IM3)とを比較したブリルアンゲインススペクトルの測定結果力 図 8に示 されている。なお同図において、（a)は DSF部の測定結果を、また (b)は SMF部の測 定結果を示している。前記 SNRを、前記実信号と背景ノイズとの間のピーク ピーク 比として定義すると、 DSF部におけるブリルアンゲインスペクトルでは、 SNRが 0.82から 1.27になって、 45%の改善が算出された。達成された SNRを考えると、この実験装置 では、測定範囲 d をさらに拡大する余裕を持っていると思われる。

[0054] 最適な強度変調を施した変調光 (IM3)による効果を確認するために、同一の実験 装置を利用して、強度変調を施した場合と強度変調を施さない場合において、測定 光ファイノ FUT上で 10cm単位で分布測定を行なった結果を図 9に示す。ここでは、 前記図 5の「1」， 「2」， 「3」に対応して、 DSF部の各位置とブリルアン周波数 V との関

B

係が、 (a) , (b) , (c)にそれぞれ示されている。図 9で明確に示されているように、最 適な強度変調を施した変調光 (IM3)では、どの位置の DSF部であっても正確に検出 されており、これに対して強度変調を施さない場合 (NO IM)には、 DSF部としての位 置が失われている。なお、ここでのブリルアン周波数 V の測定誤差は、約 ± 3MHzで

B

めつに。

[0055] 以上のように、ここでは光源 1からの出力光に強度変調を施すことで、 BOCDA法の 性能を高める新規な装置と方法を実証した。この実験結果によれば、適切な強度変 調を施すことによって、ブリルアンゲインスペクトルにおける背景ノイズレベルの変更と 抑圧が可能になり、測定範囲を大幅に増大できる。また、 30cmの空間分解能と 300m の範囲にわたる分布測定が可能になり、通常の周波数変調だけでは正確に測定で きない場合でも、性能の向上が確認できた。結果的に、 SNRは 40%以上に改善され た。

[0056] 次に、変調波形をさらに最適化して得た別な実験例とその結果を説明する。使用し た実験装置は、前記図 1に示したものと同じである力 周波数変調の振幅 Δ ίを 32.5G Hzとし、また半導体レーザ 3の周波数変調周波数 f を 91〜101kHzとした。これは 101 0m以上の測定範囲 dと、 30cm未満の空間分解能 Δ ζに対応する。また、光遅延器 1 1として 10km以上の遅延用ファイバを使用した。

[0057] さらに、ここでの被測定光ファイバ FUTは、図 10に示すように、各々 100m, 400mお よび 500mの長さを有する 3つの一般的なファイバ（SMF)と、各々 30cmの長さを有す る 4つの分散シフト光ファイバ（DSF)とを連結してなり、その全体長は約 1010mである 。被測定光ファイバ FUTの平均的なブリルアン周波数 V Bは、 DSF部では 10.5GHzで あり、また SMF部では 10.8GHzであって、これは前記図 5に示すものと同じである。

[0058] この実験例では、従来の強度変調を施さず正弦波周波数変調だけを与えた場合 ( No IM)と、光強度変調器 4を利用して最適な強度変調を加えた場合 (with IM)のそ れぞれについて、図 11に示すような異なるパワースペクトルの変調光を生成した。こ の場合も、強度変調を施さずに得られた変調光 (No IM)のパワースペクトルは、変調 した周波数の上限と下限付近の両端で強度が大きくなり、また最適な変調光 (with I M)のパワースペクトルは、変調した周波数の両端に強度が大きくなる部分を残しつ つ、変調した周波数幅のほぼ中心でも強度が大きくなるように調整される。

[0059] 図 12は、上記従来の場合 (No IM)と、最適な強度変調を施した場合 (with IM)に測 定されたブリルアンゲインスペクトルの比較結果を示して 、る。図 12 (a)と図 12 (b)は 、 DSF部と SMF部のそれぞれにおいて、 SSB変調器 SSBMの周波数差 Δ vを 10.2GHz 力も 11.2GHzに掃引したときのブリルアンゲインの測定結果を示している。矢印として 示したブリルアン周波数 V のピークは、相関ピークからの局所ブリルアン信号 (前述

B

の実信号)であり、その振幅は同じスケールで正規ィ匕されている。残りの部分は、測 定光ファイバ FUTの残りの全部分からの累積した背景ノイズである。測定光ファイバ F UTの DSF部および SMF部の何れにおいても、最適な強度変調を施した場合 (with IM )には、従来の強度変調を施さない場合 (No IM)よりも、背景ノイズの振幅が比較す ると大幅に低減していることが明確に示されている。特に図 12 (a)における DSF部の 測定結果において、最適な強度変調を施した場合 (with IM)には、ノイズレベルがブ リルアン信号よりも低く抑制されており、簡単なピーク検索による局部ブリルアン周波 数の正確な検出が可能になる。

[0060] 図 13は、最適な強度変調を施した場合 (with IM)において、測定光ファイバ FUT上 で 10cm単位で分布測定を行なった結果を示している。ここでは、前記図 10の「1」， 「 2J , 「3」， 「4」に対応して、 DSF部の各位置とブリルアン周波数 V との関係が、（a) ,

B

(b) , (c) , (d)にそれぞれ示されている。図 13の結果力もも明らかなように、 lkmもの 長さの測定光ファイノ FUTにわたつて、 30cmの DSF部が正しく検出されている。なお 、ここでのブリルアン周波数 V の測定誤差は、約 ± 3MHzであった。

B

[0061] 以上のように、この実験例では、図 11に示すようなスペクトル形状の光が出射される ように、光強度変調器 4により光源 1からの出力光に対し適切な強度変調を施すこと で、 BOCDA法の性能をさらに高めることが可能になる。この実験結果によれば、適切 な強度変調を施すことによって、ブリルアンゲインスペクトルにおける背景ノイズレべ ルをさらに抑圧でき、 30cmの空間分解能で lkmの範囲にわたる分布測定が可能にな る。

[0062] このように、第 1の実施形態における光ファイバ特性測定装置は、周波数変調され た光を出力する光源部としての光源 1と、光源 1からの出力光の一部を周波数シフト 手段である SSB変調器 8で周波数シフトさせ、被測定光ファイバ FUTの一端力もプロ ーブ光として入射させるプローブ光生成手段 31と、光源 1からの出力光の一部の残り を、被測定光ファイバ FUTの他端力 ポンプ光として入射させるポンプ光生成手段 32 と、ポンプ光とプローブ光との周波数差 Δ Vを掃引しながら、被測定光ファイバ FUT 力 出射されるプローブ光のブリルアンゲインを検出し、被測定光ファイバ FUTの特 性を測定する測定手段 33とを備えた装置において、光源 1からの光の周波数に対す るスペクトル分布を任意に調整するスペクトル分布調整手段として、光源 1に施される 周波数変調に同期して、出力光の強度を変調させる強度変調手段としての光強度 変調器 4を備えている。

[0063] これに対応して、第 1の実施形態における光ファイバ特性測定方法は、光源部であ る光源 1からの周波数変調された光を例えば SSB変調器 8などで周波数シフトさせ、 被測定光ファイバ FUTの一端力 プローブ光として入射する一方で、同じまたは別な 光源 1で同様に周波数変調された光を、被測定光ファイバ FUTの他端力 ポンプ光 として入射し、ポンプ光とプローブ光との周波数差 Δ Vを掃引しながら、被測定光フ アイバ FUTから出射されるプローブ光のブリルアンゲインを検出し、被測定光ファイバ FUTの特性を測定する方法において、光源 1からの光の周波数に対するスペクトル 分布を任意に調整するために、光源部の周波数変調に同期して、出力光に強度変 調を施すようにしている。

[0064] なお、ここでいう光源部とは、図 1に示すように単独の光源 1からプローブ光とポンプ 光とを生成するものだけでなぐプローブ光とポンプ光のそれぞれに光源を設けたも のなども含む。

[0065] 上記装置や方法では、光源 1からの光に与えられる周波数変調に同期して、強度 変調手段により強度変調をも施しているので、出力光の強度を特定の周波数で弱く したり、または強くしたりすることも可能になり、当該出力光のスペクトル分布を適切に 調整できる。そのため、相関ピーク位置以外で生じる周波数軸上に広がった雑音ス ベクトル形状を調節して、相関ピーク位置で生じるローレンツ型スペクトルのピーク周 波数を精度よく測定することが可能になると共に、測定範囲 d を広げることができる。 つまり、非相関位置力 の不要な成分を積算したノイズレベルを効果的に抑制するこ とで、測定精度の向上を図ると共に、測定範囲 dを伸ばすことができる新規な光ファ ィバ特性測定装置及び光ファイバ特性測定方法を提供できる。

[0066] また、本実施形態における光ファイバ特性測定装置は、前記強度変調手段を光強 度変調器 4により構成している。これに対応して、本実施形態における光ファイバ特 性測定方法は、出力光に施される強度変調が、光強度変調器 4で行なわれている。

[0067] この場合、光源 1からの同期信号を受けて、光強度変調器 4が光源 1からの出力光 に適切な強度変調を施すことが可能になる。

[0068] 次に、上記第 1実施形態に代わる別な装置や方法について、好ましい実施形態を 幾つか説明する。なお、第 1実施形態と共通の部分には共通の符号を付し、同一箇 所の説明は重複を避けるため極力省略する。

[0069] 図 2は本発明の第 2実施形態の装置を示しているが、ここでは前記光強度変調器 4 に代わって、適切な透過スペクトル特性を有する光学フィルタ 41を、光源 1からの出 力光の光路中に配置している。この場合も、光源 1からの出力光の周波数変調に同 期して、強度変調手段としての光学フィルタ 41が実質的に強度変調を施こすことにな り、出力光のスペクトル分布を適切に調整できる。また、光学フィルタ 41を用いた場合 は、光学フィルタ 41自体のフィルタリング特性により、出力光に対してその周波数に 応じた強度の調整が可能になるため、信号発生器 2からの同期信号を必要とせず、 極めて容易にノイズ S2の低減と測定範囲 d の拡張を実現できる。

[0070] さらに、別な強度変調手段の構成として、第 1実施形態における外部変調方式の光 強度変調器 4に代わり、正弦波以外の繰り返し波形で光源 1からの出力光を周波数 変調する直接変調方式の信号発生器 51を利用してもよい。図 3は、その一例を第 3 実施形態として示したもので、ここでの信号発生器 51は、例えば三角波状の繰り返し 波形により半導体レーザ 3からの出力光を周波数変調する機能を有する。

[0071] 図 14は、従来の正弦波状の繰り返し波形で出力光を周波数変調した場合と、正弦 波以外の繰り返し波形で出力光を周波数変調した場合の、周波数変調波形と、そこ 力も計算される時間平均スペクトル形状をそれぞれ示している。同図 (a)では、上段 に正弦波状に光源 1の出力光の周波数を変化させた従来の周波数変調波形 (便宜 上、ここでは余弦波になっている力 実質上は等価である）が示されている力 この場 合は変動する周波数の最大変位部分に比較的長く留まるので、下段のスペクトル形 状の波形に示すように、周波数の上限および下限付近の両端で、スペクトラム強度（ ノ ヮ一）が大きく偏ってしまう。一方、図 14 (b)の上段に示す三角波形状で光源 1の 出力光の周波数を変化させた場合には、どの周波数にも同じ時間だけ留まるので、 同図（b)の下段に示すように、スペクトラム強度が均一になる。さらに図 14 (c)の上段 に示す繰り返し波形で光源 1の出力光の周波数を変化させた場合には、同図（c)の 下段に示すように、スペクトラム強度がガウス分布状になる。

[0072] 図 15は、前記図 14に示す各周波数変調波形を有する出力光を用いて、被測定光 ファイノ FUTの DSF部を測定した場合に、ブリルアンゲインスペクトル形状がどのよう になるのかをシミュレーションした結果をあらわしている。同図において、 W1は前記 図 14 (a)の条件に合致し、 W2は図 14 (b)の条件に合致し、 W3は図 14 (c)の条件 に合致している。また、ここでの被測定光ファイノ FUTは、全体の 1000分の 1だけが D SF部で、それ以外の残りは SMF部であることを想定している。図 15 (a)は正規化され たブリルアンゲインスペクトル形状を示し、図 15 (b)は絶対値のブリルアンゲインスぺ タトル形状を示している力 特に三角波の繰り返し波形で光源 1の出力光を周波数変 調させた場合には、 DSF部のピーク周波数が判定し易くなつていることがわかる。この ように、周波数変調波形を工夫するだけで、光源 1の出力光に対し等価的に強度変 調を施すことができ、ノイズの低減と測定範囲 d の拡大がある程度は可能になる。

[0073] 第 3実施形態では、前述の強度変調手段を、正弦波以外の繰り返し波形で光源 1 力もの出力光を周波数変調する信号発生器 51により構成している。また、ここでは、 出力光に施される強度変調が、正弦波以外の繰り返し波形で光源 1からの出力光を 周波数変調する信号発生器 51で行なわれている。このように、信号発生器 51を利用 して出力光の周波数変調波形を正弦波状以外のものに変えるだけで、出力光に対 し強度変調を施したものと同様に、出力光のスペクトル分布を適切に調整でき、ノィ ズの低減と測定範囲の拡張を実現できる。

[0074] 図 4は、本発明における第 4実施形態の装置を示している。この実施形態は、本願 発明者らが先に特願 2005— 348482で提案した「ダブルロックイン法」を、第 1実施 形態の装置構成に組み込んだものである。なお、図 4では強度変調手段として光強 度変調器 4を用いているが、第 2実施形態における光学フィルタ 41や、第 3実施形態 における信号発生器 51を代わりに用いてもよい。ここでは、ポンプ光とは異なる周波 数で、プローブ光にも第 2の基準信号発生器 61を有する第 2の光強度変調器 62によ り強度変調を施すとともに、光検出器 20力もの検出出力は、直列接続された第 1の口 ックイン増幅器 21と第 2のロックイン増幅器 22を通ることにより、ポンプ光の変調周波 数とプローブ光の変調周波数でそれぞれ同期検波され、誘導ブリルアン現象に伴う プローブ光の増加分だけが、データ処理器 23に最終的なデータとして所定のサンプ リング率で取り込まれるようになって!/、る。

[0075] そして被測定光ファイバ FUT中を伝搬するプローブ光とポンプ光は、それぞれ第 2 の光強度変調器 62と第 1の光強度変調器 13によって、異なる周波数でチヨッビングさ れる。このような両光を被測定光ファイバ FUT中で対向して伝搬させると、チヨッピン グされたプローブ光に重畳して、誘導ブリルアン散乱によるプローブ光の増加分が、 ポンプ光の強度変調周波数によりチヨッビングされた状態で、被測定光ファイバ FUT 力 出射される。この出射光を光検出器 20で検出し、第 1のロックイン増幅器 21により ポンプ光の強度変調周波数で同期検波すると、同じ強度変調周波数成分を含む前 記ポンプ光の一部とプローブ光の増加分だけが取り出されて増幅出力され、それ以 外の周波数成分は除去される。第 1のロックイン増幅器 21で検波されたポンプ光の一 部は、プローブ光の強度変調周波数の影響を受けていないが、同じく第 1のロックィ ン増幅器 21で検波された誘導ブリルアン散乱によるプローブ光の増加分は、元のプ ローブ光の強度変調周波数に同期している。そのため、後段の第 2のロックイン増幅 器 22によりプローブ光の強度変調周波数で同期検波すると、プローブ光の増加分だ けが取り出されて増幅出力され、それ以外のポンプ光の一部を含む他の雑音成分が ここで完全に除去される。

[0076] つまり、図 4に示す装置では、元のプローブ光にもポンプ光とは異なる周波数で強 度変調が施されているので、第 1のロックイン増幅器 21でポンプ光の一部とプローブ 光の増加分を同期検波した後も、歪み測定に必要なプローブ光の増加分だけが、元 のプローブ光の強度変調周波数に同期している。このことを利用すれば、光検出器 2 0の前段に光波長フィルタを配置することなぐ第 2のロックイン増幅器 22によって、プ ローブ光の増加分を他の成分から完全に分離することができる。し力も、装置として 空間分解能 Δ ζを高く維持したまま測定範囲 d を拡大させることを目的として、光源 1 の周波数変調の振幅 Δ ίをある程度広げた場合でも、ポンプ光とプローブ光の周波 数差 Δ Vを利用して、プローブ光の増加分を検出してはいないので、この振幅 Δ ίの 影響を受けることなぐ必要なプローブ光の増加分だけを正しく検出できる。

[0077] こうして、上記第 1〜第 3実施形態で説明した強度変調と、この第 4実施形態で説明 した「ダブルロックイン法」とを組み合わせることで、相乗的に測定範囲 d の拡大を実 現できる。勿論、「ダブルロックイン法」以外の各種 BOCDA法において、上記第 1〜 第 3実施形態で説明した強度変調の概念を組み込んでも、測定精度の向上を図れる と共に、測定範囲 d を拡大できることは言うまでもない。

[0078] 次に、従来例と本実施形態における BOCDAシステムの各シミュレーション結果を、 図 16〜図 21に基づき説明する。

[0079] 図 16は、光源 1からの出力光に対して周波数変調のみを施した場合における、 BO CDAシステムの各部シミュレーション波形を示している。ここでは、図 16 (a)上段の波 形によって、出力光に対し正弦波状の周波数変調を行ない、被測定光ファイバ FUT に沿って誘導ブリルアン散乱が生じる位置を局在化させる。一方、図 16 (a)下段は 出力光の強度変調波形であり、ここでは強度変調を行って 、な 、ことを表して 、る。 このとき、光源 1の出力光の時間平均スペクトルは、図 16 (b)のようになるが、これは 前記図 14 (a)下段の波形に等 、。

[0080] この場合、誘導ブリルアン散乱を局在発生させた位置 (測定点)ではローレンツ型 のスペクトルが生じる。一方で、局在化位置以外では周波数軸上に広がったスぺタト ルとなり、その被測定光ファイバ FUTに沿う積分が本測定システムの出力スペクトル 中に現れる。そのスペクトル形状は、中心の周波数で僅かな窪みを生じ、そこから周 波数が高くまたは低くなるに従って湾曲状に減少する勾配部を有するいわゆる富士 山型である。被測定光ファイバ FUTに沿って 1箇所にのみ歪があるとき得られる BOC DAシステムの出力スペクトルを、図 16 (c)に示す。ここでは、歪の大きさが変わると、 富士山型の背景スペクトル上をローレンツ型スペクトルがすべり落ちるように変化する [0081] 従来は、空間分解能 Δ zに比して被測定レンジすなわち測定範囲 d が長くなると、 この背景スペクトルが相対的に大きくなつて測定精度が落ちる。さらに重要なことは、 従来は歪量が大きくなると、ローレンツ型スペクトルの先端より富士山型の背景スぺク トルの頂点の方が高くなり、歪の検出が不可能となることである。

[0082] 図 16 (d)は、歪量の関数として、測定点のスペクトルと富士山型スペクトルの高さの 比をプロットしたものである。この SNRの値が 1以下となると、歪測定が不可能となる。 このシミュレーションでは、図 16 (d)で示すように、ブリルアン周波数 V のシフト量とし

B

て、 230MHzが歪測定の限界であることを示しており、これは 0.46% (4,600 ε )の歪 量に対応する。

[0083] 続いて、出力光に周波数変調と強度変調を併用して施した場合について説明する 。上記各実施形態のように、光源 1として半導体レーザ 3を用い、周波数変調をその 直接周波数変調特性を活用して実行した場合には、半導体レーザ 3への注入電流 の変化による周波数変調に付随して強度変調も生じる。この影響をシミュレーションし たのが、図 17である。

[0084] ここでは、半導体レーザ 3の注入電流に比例して、周波数も強度も共に変化するも のと考えられる。この様子を示すのが、図 17 (a)の上段における出力光の周波数変 調波形と、図 17 (a)の下段における出力光の強度変調波形である。出力光に対する 強度変調が大きくなるに従い、図 17 (b)に示す時間平均スペクトルが非対称になる。 例えば、強度変調の度合いを示す変調率が、 30%, 60%, 90%と次第に大きくなつ た場合をシミュレーションすると、時間平均スペクトルの非対称性は増加する。このよ うな非対称性が増加するのに伴い、図 17 (c)に示したように、富士山型の背景スぺク トルの勾配がきつく急になる。つまり、歪量の検出限界がより小さくなる。なお、図 17 ( c)における「No IM」は、従来の強度変調を施さない場合のスペクトル形状である。

[0085] 図 17 (d)は、歪量の関数として、測定点のスペクトルと富士山型スペクトルの高さの 比をプロットしたものである。ここでは、時間平均スペクトルの非対称性が増大するほ ど、つまり強度変調が大きくなるほど、歪量の検出限界が小さくなることが明示されて いる。一例として、変調率 60%の強度変調では、ブリルアン周波数 V のシフト量とし て、約 200MHzが歪測定の限界となっている。

[0086] つまり、半導体レーザ 3の直接周波数変調特性を活用する際、これに伴って生じる 強度変調の影響を補償することが望まれる。

[0087] 図 18は、こうした強度変調による影響を補償すベぐ正弦波状に変化する周波数 変調に同期して、強度変調を施した場合のシミュレーション結果を示している。光源 1 力もの出力光に対して正弦波で周波数変調を行った場合は、時間平均スペクトルの 両サイドで強度が大きくなる。これを補償するように、上記第 1実施形態〜第 4実施形 態のいずれかを選択して、周波数変調に同期した強度変調を施すことを考える。

[0088] 図 18 (a)上段は、正弦波状に変化する出力光の周波数変調波形であるが、変動 する周波数の上限と下限に同期して、出力光の強度が最小になるように強度変調を 施す。図 18 (a)下段は、そうした強度変調の例を示しているが、「Full」は時間平均ス ベクトルが全周波数に亘つてフラットになるようにした強度変調を表している。この場 合の時間平均スペクトルを、図 18 (b)の「Full」に示す。また、図 18 (&)下段の「!¾」 は、強度変調の最小値を最大値の半分である 0.5とした場合で、時間平均スペクトル の両サイドの値は減少させられているがフラットではない。図 18 (b)には、このときの 時間平均スペクトルも示されて 、る（図中、「Half」の部分の波形を参照)。

[0089] このときの BOCDAシステムの出力スペクトルは、図 18 (c)のようになる。図 18 (c)上 段に示す「Half」の場合には、富士山型の背景スペクトルの高さが低くなり、さらに図 1 8 (c)下段に示す「Full」の場合には、背景スペクトルがフラットになっている。但し、背 景スペクトルの中央では、「Half」および「Full」のいずれの場合も窪みができる。この 結果、「Half」において、歪が無い（光ファイバ全長にわたり均一のブリルアン周波数 シフト量となる）場合には、測定点でのローレンツ型スペクトルが窪みに落ち込んで低 くなる。さらに、「Full」の場合には、ローレンツ型スペクトルが窪みに完全に落ち込ん でしまい、歪測定が不可能となる。

[0090] 図 18 (d)は、歪量の関数として、測定点のスペクトルと富士山型スペクトルの高さの 比をプロットしたものを示している。測定点で周囲に比べて歪が少ない（あるいは無い )場合には、測定が難しくなることが分かる。しかし、一方で、歪が大きくなつても背景 スペクトルに隠れることはなぐこの点では図 16や図 17に示す測定システムよりも歪 測定の限界が改善されていることが分力る。

[0091] 図 18では、出力光の周波数が変動中心に近づくにしたがって、その強度を最大値 に近づけると共に、当該出力光の周波数が上限と下限に近づくにしたがって、その 最小値が例えば 0.5以下となるような「Half」 「Full」の強度変調を施す。こうすると、 光源 1からの出力光の周波数が変動するのに伴い、その周波数の上端および下端 付近で出力光の強度が集中して偏ることを改善できる。そのため、被測定光ファイバ FUTへの歪が大きくなつても、測定点におけるローレンツ型スペクトルのピークを富士 山型の背景スペクトルのピークより大きく維持でき、大きな歪が加わってもその値を正 しく測定できる。但し、歪量が少ない (あるいは無い)位置の測定は困難ないしは不可 會 になる。

[0092] この問題を解決する有効な手段は、時間平均スペクトルの両サイドにもう少し多くの 強度を残すことであることをシミュレーションにより明らかにする。

[0093] このようにするための強度変調と時間との関係を示した波形を、図 19の左下に示す 。右図の四角で囲んだ波形は、出力光スペクトルの両サイド部分に対応する強度変 調の様子を示している。ここでの強度変調手段は、正弦波状に変化する出力光の周 波数が変動中心に近づくにしたがって、その強度を最大値に近づけると共に、この出 力光の周波数が上限と下限に近づくにしたがって、その強度を最大値に対して 0.5以 下の最小値に近づけるような、オリジナルの「Half」 「Full」の強度変調に加えて、当 該出力光の周波数が上限と下限に達するタイミングで、出力光の強度を最小値よりも 瞬間的に大きな値にする最適化の機能を有する。このような強度変調手段は、上記 第 1実施形態〜第 4実施形態のいずれかに組み入れることが可能である。

[0094] 図 20は、図 19に示すような最適化した強度変調を採用した場合における、 BOCD Aシステムの出力ブリルアンスペクトルのシミュレーション結果である。図 20 (a)は、歪 が零の部分を測定点とした場合における、オリジナルの「Half」強度変調と、図 19に 示す最適化した「Half」強度変調の出力スペクトルをそれぞれ示して 、る。最適化した 強度変調では、 「Full」の場合も「Half」の場合も、測定点に対応したローレンツ型スぺ タトルが明確に確認できる。一方、図 20 (b)は、歪が加わっている場所を測定点とし た場合のスペクトルであり、最適化した「Full」若しくは「Half」の強度変調では、歪が大 きくなつても、ローレンツ型スペクトルが富士山型の背景スペクトルに埋もれることがな い様子がわかる。つまり、最適化した強度変調では、被測定光ファイバの歪量が無い 場合や、少ない場合であっても、ローレンツ型スペクトルのピークを背景スペクトルの ピークよりも大きくすることができ、被測定光ファイバ FUTへの歪量の大小に拘らず、 正確な歪測定が可能になる。

[0095] さらに図 21は、図 19に示すような最適化した強度変調を採用した場合における、 測定点のスペクトルと富士山型スペクトルの高さの比をプロットしたシミュレーション結 果である。図 21 (&)は、ォリジナルの「1¾11"」強度変調と、図 19に示す最適化した「Hal fj強度変調とをそれぞれ示して 、るが、歪量が少な 、 (ある 、は無 、)位置に対応す るブリルアン周波数 V のシフト量で、最適化した「Half」強度変調の SNRが改善して

B

いることがわかる。また、それ以外の歪量が大きい位置に対応するブリルアン周波数 V のシフト量でも、最適化した「Half」強度変調の SNRは 1以上を確保して、正確な測

B

定が可能になる。

[0096] 同様に、図 21 (b)は、オリジナルの「Full」強度変調と、図 19に示す最適化した「Ful 1」強度変調とをそれぞれ示している力 最適化した「Full」強度変調では、ブリルアン 周波数 V のシフト量の大小に拘らず、 1より十分大きな SNRを維持しており、小さな

B

歪から大きな歪に至るまで、その位置を正確に測定することができる。こうして、「Half 」または「Full」強度変調波形に図 19のような調整を施した波形が、現実的に優れた 強度変調波形であることが分かる。

[0097] なお、本発明は、上記実施例に限定されるものではなぐ本発明の趣旨を逸脱しな い範囲で変更可能である。例えば、発明の詳細な説明中にある周波数変調とは、位 相変調の技術も含んでいる。また、光源として周波数変調された光を出力可能なもの であれば、半導体レーザ以外の手法による光を利用してもよい。さらに、光源 1に含ま れる半導体レーザ (レーザダイオード） 3は、その周波数変調における速度と振幅が 制限されるので、より変調特性の良好な光源 1を利用すれば、更なる改善が可能に なる。

産業上の利用可能性

[0098] 本発明における BOCDA法は、従来に比べて空間分解能の限界を 100倍改善し、ま た測定速度も 1万倍改善して、世界的にも注目を集めており、高い空間分解能，高 速測定，測定位置へのランダムアクセス機能を併せ持つ世界唯一の技術である。そ のため、土木'建設，航空'宇宙，原子力'エネルギー，交通'運輸などの幅広い分野 で、痛みのわ力る材料'構造のための神経網として本技術が注目されている。本発明 により、一層の性能向上が図られ、実用化が加速されるものと期待できる。

図面の簡単な説明

[図 1]本発明の第 1実施形態における光ファイバ特性測定装置の構成を示すブロック 図である。

[図 2]本発明の第 2実施形態における光ファイバ特性測定装置の構成を示すブロック 図である。

[図 3]本発明の第 3実施形態における光ファイバ特性測定装置の構成を示すブロック 図である。

[図 4]本発明の第 4実施形態における光ファイバ特性測定装置の構成を示すブロック 図である。

[図 5]図 1の装置の実験例として使用した被測定光ファイバ FUTの構造を示す説明図 である。

[図 6]図 1の装置の実験例において、 (a)は各変調光におけるパワースペクトルを示 す測定結果のグラフで、また (b)は、従来の周波数変調波形を示す変調電圧と、変 調光 (IM1)のパワースペクトルに対応した光強度変調器の透過率とを示すグラフであ る。

[図 7]図 1の装置の実験例において、各変調光（No IM, IM1, IM2, IM3)を用い、 DSF 部および SMF部で測定されたブリルアンゲインスペクトルのグラフである。

[図 8]図 1の装置の実験例において、強度変調を施さない場合 (No IM)と、最適な強 度変調を施した場合 (IM3)における、 DSF部および SMF部で測定されたブリルアンゲ インスペクトルのグラフである。

[図 9]図 1の装置の実験例において、強度変調を施さない場合 (No IM)と、最適な強 度変調を施した場合 (IM3)における、各 DSF部で測定されたブリルアン周波数のダラ フである。 圆 10]図 1の装置の別な実験例で使用した被測定光ファイバ FUTの構造を示す説明 図である。

[図 11]図 1の装置の別な実験例において、従来の強度変調を施さない場合 (No IM) と、最適な強度変調を施した場合 (with IM)のパワースペクトルを示すグラフである。

[図 12]図 1の装置の別な実験例において、従来の強度変調を施さない場合 (No IM) と、最適な強度変調を施した場合 (with IM)を用い、 DSF部および SMF部で測定され たブリルアンゲインスペクトルのグラフである。

[図 13]図 1の装置の別な実験例において、最適な強度変調を施した場合 (with IM) にお 、て、各 DSF部で測定されたブリルアン周波数のグラフである。

[図 14]正弦波状の繰り返し波形で出力光を周波数変調した場合と、正弦波以外の繰 り返し波形で出力光を周波数変調した場合の、周波数変調波形とスペクトル形状を それぞれ示すグラフである。

[図 15]正弦波状の繰り返し波形で出力光を周波数変調した場合と、正弦波以外の繰 り返し波形で出力光を周波数変調した場合において、（a)は正規化されたブリルアン ゲインスペクトル形状を示すグラフであり、また (b)は絶対値ブリルアンゲインスぺタト ル形状を示すグラフである。

[図 16]周波数変調のみを行なった場合の BOCDAシステムのシミュレーション結果で あって、 (a)は光源出力光の周波数変調波形と強度変調波形をそれぞれ示すグラフ であり、（b)は光源出力光の時間平均スペクトル形状を示すグラフであり、（c)は出力 スペクトル形状を示すグラフであり、 (d)はブリルアン周波数シフト量と SNRとの関係を 示すグラフである。

[図 17]周波数変調に伴なう強度変調があった場合の BOCDAシステムのシミュレーシ ヨン結果であって、 (a)は光源出力光の周波数変調波形と強度変調波形をそれぞれ 示すグラフであり、 (b)は光源出力光の時間平均スペクトル形状を示すグラフであり、 (c)は出力スペクトル形状を示すグラフであり、 (d)はブリルアン周波数シフト量と SNR との関係を示すグラフである。

[図 18]周波数変調に同期して強度変調を施した場合の BOCDAシステムのシミュレ一 シヨン結果であって、 (a)は光源出力光の周波数変調波形と強度変調波形をそれぞ れ示すグラフであり、 (b)は光源出力光の時間平均スペクトル形状を示すグラフであ り、（c)は出力スペクトル形状を示すグラフであり、（d)はブリルアン周波数シフト量と S NRとの関係を示すグラフである。

[図 19]時間平均スペクトルの両サイドにある程度強度を残すように、周波数変調に同 期して強度変調を施した場合の BOCDAシステムのシミュレーション結果であって、光 源出力光の周波数変調波形と強度変調波形をそれぞれ示すグラフである。

[図 20]図 18におけるオリジナルの強度変調と、図 19に示す最適化した強度変調の それぞれにおける、出力スペクトル形状を示すグラフである。

[図 21]図 18におけるオリジナルの強度変調と、図 19に示す最適化した強度変調の それぞれにおける、ブリルアン周波数シフト量と SNRとの関係を示すグラフである。

[図 22]従来例における被測定光ファイバ内における相関ピークを模式的に示した概 略説明図である。

[図 23]相関位置に歪みを与えない場合と、相関位置に歪みを与えた場合におけるブ リルアンスペクトル形状を原理的に示したグラフである。

符号の説明

1 光源 (光源部）

4 光強度変調器 (強度変調手段）

31 プローブ光生成手段

32 ポンプ光生成手段

33 測定手段

41 光学フィルタ (強度変調手段）

51 信号発生器 (強度変調手段）

FUT 被測定光ファイバ

Claims

請求の範囲

[1] 周波数変調された光を出力する光源部と、

前記光源部力 の出力光を周波数シフトさせ、被測定光ファイバの一端力 プロ一 ブ光として入射させるプローブ光生成手段と、

前記光源部からの出力光を、前記被測定光ファイバの他端からポンプ光として入射 させるポンプ光生成手段と、

前記ポンプ光と前記プローブ光との周波数差を掃引しながら、前記被測定光フアイ ノから出射される前記プローブ光のブリルアンゲインを検出し、前記被測定光フアイ バの特性を測定する測定手段とを備えた光ファイバ特性測定装置において、 前記光源部の周波数変調に同期して、前記出力光の強度を変調させる強度変調 手段を備えたことを特徴とする光ファイバ特性測定装置。

[2] 前記強度変調手段は、前記出力光の周波数が変動中心に近づくにしたがって、そ の強度を最大値に近づけると共に、当該出力光の周波数が上限と下限に近づくにし たがって、その強度を最小値に近づけるものであることを特徴とする請求項 1記載の 光ファイバ特性測定装置。

[3] 前記強度変調手段は、前記出力光の周波数が上限と下限に達するタイミングで、 出力光の強度を最小値よりも大きな値にするものであることを特徴とする請求項 2記 載の光ファイバ特性測定装置。

[4] 前記強度変調手段を光強度変調器により構成したことを特徴とする請求項 1〜3の いずれか一つに記載の光ファイバ特性測定装置。

[5] 前記強度変調手段を光学フィルタにより構成したことを特徴とする請求項 1〜3のい ずれか一つに記載の光ファイバ特性測定装置。

[6] 前記強度変調手段を、正弦波以外の繰り返し波形で前記光源部からの出力光を 周波数変調する信号発生器により構成したことを特徴とする請求項 1〜3のいずれか 一つに記載の光ファイバ特性測定装置。

[7] 光源部で周波数変調された光を周波数シフトさせ、被測定光ファイバの一端力 プ ローブ光として入射し、

前記光源部で周波数変調された光を、前記被測定光ファイバの他端からポンプ光 として入射し、

前記ポンプ光と前記プローブ光との周波数差を掃引しながら、前記被測定光フアイ ノから出射される前記プローブ光のブリルアンゲインを検出し、前記被測定光フアイ バの特性を測定する光ファイバ特性測定方法において、

前記光源部の周波数変調に同期して、前記出力光に強度変調を施すことを特徴と する光ファイバ特性測定方法。

[8] 前記出力光に施される強度変調は、前記出力光の周波数が変動中心に近づくに したがって、その強度を最大値に近づけると共に、当該出力光の周波数が上限と下 限に近づくにしたがって、その強度を最小値に近づけることであることを特徴とする請 求項 7記載の光ファイバ特性測定方法。

[9] 前記出力光に施される強度変調は、前記出力光の周波数が上限と下限に達するタ イミングで、出力光の強度を最小値よりも大きな値にすることであることを特徴とする 請求項 8記載の光ファイバ特性測定方法。

[10] 前記出力光に施される強度変調が、光強度変調器で行なわれることを特徴とする 請求項 7〜9のいずれか一つに記載の光ファイバ特性測定方法。

[11] 前記出力光に施される強度変調が、光学フィルタで行なわれることを特徴とする請 求項 7〜9のいずれか一つに記載の光ファイバ特性測定方法。

[12] 前記出力光に施される強度変調が、正弦波以外の繰り返し波形で前記光源部から の出力光を周波数変調する信号発生器で行なわれることを特徴とする請求項 7〜9 の!、ずれか一つに記載の光ファイバ特性測定方法。