JP2017003339A - ブリルアン散乱測定装置及びブリルアン散乱測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、被測定光ファイバの片端のみを用いて高感度にブリルアン散乱が測定可能な光ファイバのブリルアン散乱測定装置及びその方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、プローブ光発生用パルスＰ１の後にポンプパルスＰ２が続くパルス列を生成する光パルス発生部と、パルス列を被測定光ファイバ２へと入射するとともに、被測定光ファイバ２におけるパルス列の後方散乱光を分離する光サーキュレータ１４と、光サーキュレータ１４で分離された後方散乱光の波形を用いて、被測定光ファイバ２におけるブリルアン散乱を測定する演算処理部１８と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバのブリルアン散乱を測定する測定装置及びその測定方法に関する。

光ファイバの長手方向にわたる歪み分布や損失分布の測定・評価手段として、Ｂ−ＯＴＤＡ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ）やＢ−ＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｒｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）が開発されている（例えば、非特許文献１及び２参照。）。これらは光ファイバ中で発生するブリルアン散乱現象を測定原理としている。

非特許文献１記載のＢ−ＯＴＤＡは、被測定光ファイバの両端にポンプパルス用光源とプローブ（連続光）用光源を配置し、両光源からの出射光を被測定光ファイバ中に対向して伝搬させる構成となる。このとき、ポンプパルスからプローブ光への光電変換過程により、プローブ光は被測定光ファイバ中でブリルアン増幅される。例えば、ブリルアン増幅の周波数シフト量の変化をモニターすることで被測定光ファイバ中に加わった歪み量を評価することができ、またプローブ光が光検出器に到達する時間差から、歪みの位置を特定することができる。このような方式は、効率よくブリルアン増幅を発生することができるためダイナミックレンジに優れているが、被測定ファイバの両端に装置を接続する必要がある。

一方、非特許文献２記載のＢ−ＯＴＤＲは、被測定光ファイバの片端からパルス光を入射し、被測定光ファイバで発生した自然ブリルアン散乱の後方散乱光を同じく入射端側より検出する構成となる。このような方式は、片端のみを用いた測定により歪み量等の評価とその位置特定を行うことができるが、自然ブリルアン散乱を用いるため後方散乱光が少なく、ダイナミックレンジが小さいという課題がある。

Ｔ． Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ ａｎｄ Ｍ． Ｔａｔｅｄａ， "ＢＯＴＤＡ−Ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｕｓｉｎｇ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ： Ｔｈｅｏｒｙ，" Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ． ７， ｎｏ． ８， ｐｐ． １１７０−１１７６， １９８９． Ｔ． Ｈｏｒｉｇｕｃｈｉ， Ｋ． Ｓｈｉｍｉｚｕ， Ｔ． Ｋｕｒａｓｈｉｍａ， Ｍ． Ｔａｔｅｄａ， ａｎｄ Ｙ． Ｋｏｙａｍａｄａ， "Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｓｅｎｓｉｎｇ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｕｓｉｎｇ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，" Ｊ． Ｌｉｇｈｔｗ． Ｔｅｃｈｎｏｌ．， ｖｏｌ． １３， ｎｏ．７， ｐｐ． １２９６−１３０２． １９９５．

本発明では、上記問題を鑑み、被測定光ファイバの片端のみを用いて高感度にブリルアン散乱が測定可能な光ファイバのブリルアン散乱測定装置及びその方法を提供することを目的とする。

本発明に係るブリルアン散乱測定装置は、
被測定光ファイバで後方散乱光を発生させる第１の光パルスの後に、前記被測定光ファイバにおける前記第１の光パルスのブリルアン後方散乱光をブリルアン増幅するための第２の光パルスが続く光パルス列を生成する光パルス発生部と、
前記光パルス列を前記被測定光ファイバへと入射するとともに、前記被測定光ファイバにおける前記光パルス列の後方散乱光を分離する光サーキュレータと、
前記光サーキュレータで分離された後方散乱光の波形を用いて、前記被測定光ファイバにおけるブリルアン散乱を測定する演算処理部と、
を備える。

本発明に係るブリルアン散乱測定装置では、
前記光パルス発生部は、前記第１の光パルスのみを生成し、
前記光サーキュレータは、前記第１の光パルスのみを前記被測定光ファイバへと入射するとともに、前記被測定光ファイバにおける前記第１の光パルスのみの後方散乱光を分離し、
前記演算処理部は、前記光パルス列の後方散乱光から得られる第１の波形と前記第１の光パルスのみの後方散乱光から得られる第２の波形との差分を用いて、前記被測定光ファイバにおけるブリルアン散乱を測定してもよい。

本発明に係るブリルアン散乱測定方法は、
被測定光ファイバで後方散乱光を発生させる第１の光パルスの後に、前記被測定光ファイバにおける前記第１の光パルスのブリルアン後方散乱光をブリルアン増幅するための第２の光パルスが続く光パルス列を生成し、前記光パルス列を前記被測定光ファイバへと入射し、前記被測定光ファイバにおける前記光パルス列の後方散乱光の波形を測定する波形測定手順と、
前記光パルス列の後方散乱光の波形を用いて、前記被測定光ファイバにおけるブリルアン散乱を測定するブリルアン散乱測定手順と、
を順に有する。

本発明に係るブリルアン散乱測定方法では、
前記波形測定手順において、さらに、前記第１の光パルスのみを生成し、前記第１の光パルスのみを前記被測定光ファイバへと入射し、前記被測定光ファイバにおける前記第１の光パルスのみの後方散乱光の波形を測定し、
前記ブリルアン散乱測定手順において、前記光パルス列の後方散乱光から得られる第１の波形と前記第１の光パルスのみの後方散乱光から得られる第２の波形との差分を用いて、前記被測定光ファイバにおけるブリルアン散乱を測定してもよい。

本発明によれば、被測定光ファイバの片端のみを用いて高感度にブリルアン散乱が測定可能な光ファイバのブリルアン散乱測定装置及びその方法を提供することができる。

本実施形態に係るブリルアン散乱測定装置の構成例を示す。 本実施形態におけるブリルアン散乱光の発生原理の一例を示す。 本実施形態における波長配置の一例であり、（ａ）はプローブ光発生用パルスＰ１及びその後方散乱光であるプローブ光Ｒ１を示し、（ｂ）はポンプパルスＰ２及びそのブリルアン利得スペクトルＲ２を示し、（ｃ）はブリルアン利得スペクトルＲ２３及びブリルアン増幅されたプローブ光Ｒ１３を示す。 本実施形態において得られる波形の一例であり、（ａ）は第１のプローブ光波形Ｆ^Ｒ（ｚ）を示し、（ｂ）は第２のプローブ光波形Ｆ^Ｐ（ｚ）を示し、（ｃ）はブリルアン利得波形の一例を示す。 被測定光ファイバ２の長手方向にわたるブリルアン利得スペクトルのイメージを示す。 本実施形態における波形解析手順の一例を説明するフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。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。

図１に、本実施形態に係るブリルアン散乱測定装置の構成例を示す。本実施形態に係るブリルアン散乱測定装置は、光源１１と、光パルス化部１２と、電気パルス発生部１３と、光サーキュレータ１４と、光バンドパスフィルタ１５と、光検出部１６と、Ａ／Ｄ変換部１７と、演算処理部１８と、光周波数変調部１９と、周波数信号発生部２０と、を備える。光源１１、光周波数変調部１９、周波数信号発生部２０、光パルス化部１２及び電気パルス発生部１３は、光パルス発生部として機能する。

光源１１は光周波数ν１を有する連続光を発振する。周波数信号発生部２０は、周波数ν１の電気信号と、周波数ν１＋Δνの電気信号と、を発生する。光周波数変調部１９は、光源１１から出射された連続光を周波数ν１で変調し、光源１１から出射された連続光を周波数ν１＋Δνで変調する。光パルス化部１２は、周波数変調された光周波数変調部１９からの連続光を強度変調し、第１の光パルス（プローブ光発生用パルスＰ１）および第２の光パルス（ポンプパルスＰ２）を生成する。これにより、プローブ光発生用パルスＰ１の後にポンプパルスＰ２が続く光パルス列を生成する。電気パルス発生部１３は、光パルス化部１２にて変調を行うための電気パルスを生成する。

光サーキュレータ１４は、被測定光ファイバ２の入射端に接続される。光サーキュレータ１４は、光パルス化部１２で発生した光パルス列を被測定光ファイバ２に入射する。プローブ光発生用パルスＰ１は被測定光ファイバ２で後方散乱され、その後方散乱光が光サーキュレータ１４に入射される。光サーキュレータ１４は、被測定光ファイバ２から入射端側に戻ってくる後方散乱光を分離して光バンドパスフィルタ１５に出力する。光バンドパスフィルタ１５は、後方散乱光の中から第１の光パルス（プローブ光発生用パルスＰ１）の後方散乱光（プローブ光Ｒ１）を抽出する。

以下、図１の構成により被測定光ファイバ２のブリルアン利得波形が測定できることを理論的に説明する。

光源１１から発振された光周波数νを有する連続光は、周波数信号発生部２０により制御された光周波数変調部１９によって周波数変調される。時間的に先に生成され周波数ν１をもつ第１の光信号をプローブ光発生用に用い、次に生成される周波数ν１＋Δνをもつ第２の光信号をポンプ光に用いるとする。

上記ポンプ光ならびにプローブ光は、電気パルス発生部１３からの電気信号により光パルス化部１２にて変調されパルス化される。このとき、時間的に先に生成される周波数ν１をもつ光パルスを第１の光パルス（プローブ光発生用パルスＰ１）とし、次に生成される周波数ν１＋Δνをもつ第２の光パルスをポンプパルスＰ２とする。このようにして生成された１組の光パルス列を被測定光ファイバ２の一端より入力する。

光周波数変調部１９は、ポンプパルスＰ２の周波数をプローブパルスＰ１の周波数に対してΔνだけ変更することが目的であり、この目的を達成する限りにおいて具体的な構成法は限定されない。また、光パルス化部１２は、ポンプ光並びにプローブ光を一定のパルス幅に切りだすためのものであり、そのパルス幅の設定方法については後述する。

被測定光ファイバ２に上記光パルス列を入射すると、まず、先に入射されたプローブ光発生用パルスＰ１により後方ブリルアン散乱光が発生する。このプローブ光発生用パルスＰ１によって生じた後方ブリルアン散乱光をプローブ光Ｒ１と呼ぶ。

続いて、プローブ光発生用パルスＰ１を追いかける形でポンプパルスＰ２が被測定ファイバ２に入力される。ポンプパルスＰ２とプローブ光Ｒ１が出会ったとき、ポンプパルスＰ２からプローブ光Ｒ１への光電力変換過程（誘導ブリルアン散乱）によりプローブ光Ｒ１はブリルアン増幅される。

増幅され被測定光ファイバ２の入射端へと戻ってきたプローブ光Ｒ１は、光バンドパルスフィルタ１５を通過した後、光検出部１６で電気信号に変換され、Ａ／Ｄ変換部１７で数値化され、演算処理部１８で解析される。光バンドパスフィルタ１５の中心周波数は、プローブ光Ｒ１（プローブ光発生用パルス）の光周波数ν_１に一致させる。これにより、光バンドパスフィルタ１５は、プローブ光発生用パルスＰ１およびポンプパルスＰ２により発生する後方レイリー散乱光を分離・除去する。

被測定光ファイバ２の入力端をｚ＝０としたとき、被測定光ファイバ２の入力端からの距離がｚである地点において第１の光パルス（プローブ光発生用パルスＰ１）により発生する後方ブリルアン散乱光（プローブ光Ｒ１）のパワーＰ（ｚ）は次式で表される。

ここで、Ｐ_０はプローブ光発生用パルスＰ１のピークパワー、αは被測定光ファイバ２の伝送損失であるＲ_ＢＲは後方ブリルアン散乱発生効率であり、またプローブ光発生用パルスＰ１のパルス幅ΔＴ_{ｐｒｏｂｅ}と以下のような比例関係にある。

このように、プローブ光Ｒ１のパワーはプローブ光発生用パルスＰ１のパルス幅ΔＴ_{ｐｒｏｂｅ}に依存し、一方で距離分解能は後述するようにポンプパルスＰ２のパルス幅ΔＴ_ｐｕｍｐによって決定される。したがって、本測定では、できるだけ時間的に長いパルス幅のプローブ光発生用パルスＰ１を使用することが望ましい。

本装置の受信部（ｚ＝０）で観測されるプローブ光パワーＰ_{ｐｒｏｂｅ}は、以下のように表される。

ここで、Ｐ_ｂ（ｚ，Δν）がブリルアン利得成分であり、演算処理部１８が最終的に解析したい信号である。

図２は、被測定光ファイバ２中において第１の光パルス（プローブ光発生用パルスＰ１）に生じる後方ブリルアン散乱光（プローブ光Ｒ１）と第２の光パルス（ポンプパルスＰ２）の相互作用を示すイメージ図である。

被測定光ファイバ２に時間的に先に入射される第１の光パルス（プローブ光発生用パルスＰ１）の後方ブリルアン散乱光がプローブ光Ｒ１となる。このプローブ光Ｒ１が、続いて入射される第２の光パルス（ポンプパルスＰ２）と出会った際、相互作用によりブリルアン増幅されてＲ１３となり、被測定光ファイバ２の入射端側へと戻ってくる。

図３に、プローブ光発生用パルスＰ１、ポンプパルスＰ２およびプローブ光Ｒ１，Ｒ１３の光周波数の配置関係を模式的に示す。プローブ光発生用パルスＰ１によって生じる後方ブリルアン散乱光、すなわちプローブ光Ｒ１は、被測定光ファイバ２のブリルアン周波数シフトν_ｂだけダウンシフトした光周波数ν_１−ν_ｂを有す。同様に、光周波数ν_１＋Δνを有すポンプパルスＰ２のブリルアン利得スペクトルも、被測定光ファイバ２のブリルアン周波数シフトν_ｂだけダウンシフトしたν_１−ν_ｂ＋Δνを中心とした概ね数十ＭＨｚ程度の利得幅を持つ。したがって、光周波数ν_１−ν_ｂを有すプローブ光Ｒ１とポンプパルスＰ２が衝突した際、プローブ光Ｒ１は被測定光ファイバ２中でブリルアン増幅され、プローブ光Ｒ１３のようになる。本実施形態に係る発明は、解析信号として、このプローブ光Ｒ１３を用いる。なお、図では、理解が容易になるよう、Δν＝０の場合を示している。

周波数差Δνを変化させると、ブリルアン利得スペクトルＲ２はＲ２３のように変化する。被測定光ファイバ２のブリルアン利得スペクトルを得るために、周波数差Δνの変化幅は、被測定光ファイバ２のブリルアン利得スペクトルの周波数幅以上であることが好ましい。例えば、被測定光ファイバ２のブリルアン利得スペクトルの周波数幅は略数十ＭＨｚである場合、周波数差Δνの変化幅は、略数十ＭＨｚ以上であることが好ましい。

図４に、本装置で観測されるプローブ光の時間波形を模式的に示す。（ａ）に示すＬ４１は、ポンプパルスＰ２を入力していない状態で取得されたプローブ光Ｒ１の波形Ｆ^Ｒ（ｚ）である。これがリファレンス波形となる。（ｂ）に示すＬ４２は、ポンプパルスＰ２を入力しプローブ光Ｒ１がブリルアン増幅された状態で取得されたプローブ光Ｒ１３の波形Ｆ^Ｐ（ｚ）である。（ｃ）に示すＬ４３は、波形Ｆ^Ｐ（ｚ）からＦ^Ｒ（ｚ）を差し引くことで算出されるブリルアン利得波形Ｆ^Ｇ（ｚ）である。

波形Ｆ^Ｇ（ｚ）、すなわち上記式（３）におけるＰ_ｂ（ｚ，Δν）は以下のように表される。

式（４）により特定の光周波数におけるブリルアン利得の長手方向にわたる分布を知ることができる。

光周波数変調部１９によりΔνを変化させながら、ブリルアン利得を逐次測定することで、以下のように被測定光ファイバの長手方向にわたるブリルアン利得スペクトルを得ることができる。

図５に、本実施形態に係るブリルアン利得スペクトルの一例を示す。図６に示すブリルアン利得スペクトルは、プローブ光発生用パルスＰ１とポンプパルスＰ２の時間間隔ΔＴを一定にし、Δνを変化させた場合に得られたブリルアン利得スペクトルである。Ｌ６１〜Ｌ６４は、それぞれ、図４に示す距離ｚ１，ｚ２、ｚ３及びｚ４の各地点におけるブリルアン利得スペクトルを示す。

なお、プローブ光発生用パルスＰ１とポンプパルスＰ２の時間間隔をΔＴとしたとき、プローブ光Ｒ１がポンプパルスＰ２によってブリルアン増幅される距離ｚ１は次式で求められる。

ここで、ν_{ｐｒｏｂｅ}は被測定光ファイバ２中におけるプローブ光発生用パルスＰ１およびプローブ光Ｒ１の群速度を表す。このように、プローブ光発生用パルスＰ１とポンプパルスＰ２の時間間隔ΔＴを制御することで任意の距離からプローブ光Ｒ１の増幅が可能となる。

図６は、演算処理部１８における波形解析手順を説明するフローチャートである。本実施形態に係るブリルアン散乱測定方法は、波形測定手順と、ブリルアン散乱測定手順と、を順に有する。
波形測定手順では、本実施形態に係るブリルアン散乱測定装置が、ステップＳ１０１〜Ｓ１０２を実行する。
ブリルアン散乱測定手順では、本実施形態に係るブリルアン散乱測定装置が、ステップＳ１０３を実行する。

まず初めに、ポンプパルスＰ２を入力しない状態でプローブ用発生パルスＰ１のみを生成し、プローブ用発生パルスＰ１のみを被測定光ファイバ２へと入射し、プローブ用発生パルスＰ１の後方ブリルアン散乱光（プローブ光Ｒ１）の波形Ｆ^Ｒ（ｚ）を取得する（Ｓ１０１）。
次に、ポンプパルスＰ２を入力しプローブ光Ｒ１がブリルアン増幅された状態でプローブ光Ｒ１３の波形Ｆ^Ｐ（ｚ）を取得する（Ｓ１０２）。
最後に、これらの波形の差分をとることで、ブリルアン利得波形Ｆ^Ｇ（ｚ）を取得する（Ｓ１０３）。これにより、被測定光ファイバ２におけるブリルアン増幅の大きさ（利得）を算出することができる。

Δνを変更しながら、すなわちポンプパルスＰ２の周波数を変更しながら、ステップＳ１０２及びＳ１０３を繰り返すことで、被測定光ファイバ２におけるブリルアン散乱の利得スペクトラムを測定することができる。このため、本実施形態に係る発明は、被測定光ファイバ２におけるブリルアン散乱を解析することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る発明は、被測定光ファイバ２に対し、光周波数ν１のプローブ光発生用パルスＰ１を入射し、続いて光周波数ν１＋ΔνのポンプパルスＰ２を入射し、プローブ光発生用パルスＰ１の後方ブリルアン散乱光（プローブ光Ｒ１）とポンプパルスＰ２との相互作用によって発生する誘導ブリルアン散乱のΔνに対する変化を観測することにより、被測定光ファイバ２の長さ方向ｚにわたるブリルアン利得スペクトルの分布を取得することができる。

精確に波形Ｆ^Ｇ（ｚ）を算出するために、波形Ｆ^Ｒ（ｚ）から波形Ｆ^Ｐ（ｚ）を測定する間は、ブリルアン散乱が安定であることが好ましく、例えば被測定光ファイバ２に加わっている歪み等が変化しないことが好ましい。

なお、本手法の距離分解能Δｚは、ポンプパルスのパルス幅ΔＴ_ｐｕｍｐに応じて以下のように決定される。

ここで、ν_ｐｕｍｐは被測定光ファイバ２中におけるポンプパルスＰ２の群速度を表す。

本発明は情報通信産業に適用することができる。

１１：光源
１２：光パルス化部
１３：電気パルス発生部
１４：光サーキュレータ
１５：光バンドパルフィルタ
１６：光検出部
１７：Ａ／Ｄ変換部
１８：演算処理部
１９：光周波数変調部
２０：周波数信号発生部

Claims (4)

1. 被測定光ファイバで後方散乱光を発生させる第１の光パルスの後に、前記被測定光ファイバにおける前記第１の光パルスのブリルアン後方散乱光をブリルアン増幅するための第２の光パルスが続く光パルス列を生成する光パルス発生部と、
   前記光パルス列を前記被測定光ファイバへと入射するとともに、前記被測定光ファイバにおける前記光パルス列の後方散乱光を分離する光サーキュレータと、
   前記光サーキュレータで分離された後方散乱光の波形を用いて、前記被測定光ファイバにおけるブリルアン散乱を測定する演算処理部と、
   を備えるブリルアン散乱測定装置。
2. 前記光パルス発生部は、前記第１の光パルスのみを生成し、
   前記光サーキュレータは、前記第１の光パルスのみを前記被測定光ファイバへと入射するとともに、前記被測定光ファイバにおける前記第１の光パルスのみの後方散乱光を分離し、
   前記演算処理部は、前記光パルス列の後方散乱光から得られる第１の波形と前記第１の光パルスのみの後方散乱光から得られる第２の波形との差分を用いて、前記被測定光ファイバにおけるブリルアン散乱を測定する、
   請求項１に記載のブリルアン散乱測定装置。
3. 被測定光ファイバで後方散乱光を発生させる第１の光パルスの後に、前記被測定光ファイバにおける前記第１の光パルスのブリルアン後方散乱光をブリルアン増幅するための第２の光パルスが続く光パルス列を生成し、前記光パルス列を前記被測定光ファイバへと入射し、前記被測定光ファイバにおける前記光パルス列の後方散乱光の波形を測定する波形測定手順と、
   前記光パルス列の後方散乱光の波形を用いて、前記被測定光ファイバにおけるブリルアン散乱を測定するブリルアン散乱測定手順と、
   を順に有するブリルアン散乱測定方法。
4. 前記波形測定手順において、さらに、前記第１の光パルスのみを生成し、前記第１の光パルスのみを前記被測定光ファイバへと入射し、前記被測定光ファイバにおける前記第１の光パルスのみの後方散乱光の波形を測定し、
   前記ブリルアン散乱測定手順において、前記光パルス列の後方散乱光から得られる第１の波形と前記第１の光パルスのみの後方散乱光から得られる第２の波形との差分を用いて、前記被測定光ファイバにおけるブリルアン散乱を測定する、
   請求項３に記載のブリルアン散乱測定方法。

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