JP2015197384A - 分岐光線路特性解析システム、分岐光線路とその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】分岐光線路に対する測定を複数回繰り返し実行する際に、測定精度を維持しつつ測定間隔を短縮して測定の高速化を図る。
【解決手段】分岐光ファイバセンサヘッド２において、分岐上部光ファイバＦ₀ と各分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N との間で、ブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）の量の差を、ブリルアン利得帯域より大きな値となるように設定している。また、プローブ光パルスのパルス幅τ_probeは、各分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N の長さの差の最小値をΔＬ、真空中の高速をｃ、第２の光ファイバの屈折率をｎとしたとき、各分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N の終端からの戻り光の時間差２ｎΔＬ／ｃの最小値より小さな値に設定している。さらに、光受信器２３及びＡ／Ｄ変換器２４の動作帯域を、プローブ光パルスのパルス幅τ_probeを受光可能な帯域よりも広く設定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えばＰＯＮ（Passive Optical Network）型の光線路において、分岐された複数の光分岐線路の特性を個別に測定する分岐光線路特性解析システム、分岐光線路とその製造方法に関する。

構造物の周辺の歪みや温度変化をモニタリングする技術として、光ファイバを用いた光センシングシステムが種々提案されている。例えば、非特許文献１に記載されたブリルアンＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectometer）や、引用文献２に記載されたＢＯＣＤＡ（Brillouin Optical Correlation - domain analysis）がそれである。また、その他の技術として、非特許文献３に記載されたＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）を配置する手法も提案されている。

ＦＴＴＨ（Fiber to the Home）を志向する光通信分野では、ＰＯＮ（Passive Optical Network）型ネットワークにおける分岐光線路の特性（損失分布など）を個別にモニタリングしたいというニーズがある。しかしながら、非特許文献１及び２の技術では分岐線路の個別特性分布測定は実現されていない。また、非特許文献３の技術では線路長手方向の特性分布を得ることができない。

一方、上流側の光ファイバと下流側の光ファイバとを光スプリッタにより接続した分岐光線路において、上流側の光ファイバにプローブ光パルスとポンプ光パルスを入射し、両光パルスの衝突位置でのブリルアン利得を解析して分岐光線路の特性分布を個別に測定する技術がある（例えば非特許文献又は非特許文献５を参照）。これらの、被測定線路形態に分岐を有する分布型光ファイバセンシング技術は、一筆書きの光ファイバセンシング技術と比較して、センサヘッドのロバスト性や柔軟なトポロジを構成できる点において優位である。

H. Ohno, H. Naruse, M. Kihara, and A. Shimada, "Industrial Applications of the BOTDR Optical Fiber Strain Sensor," Optical Fiber Technology 7, 45-64,(2001). K. Hotate and T. Hasegawa, "Measurement of Brillouin gain spectrum distribution along an optical fiber using a correlation-based technique - Proposal, experiment and simulation -," IEICE Trans. Electron. E83-C, 405, (2000). Y.J. Rao, "Recent progress in applications of in-fibre Bragg grating sensors," Optics and Lasers in Engineering 31, 297-324, (1999). H. Takahashi, F. Ito, C. Kito, and K. Toge, "Individual loss distribution measurement in 32-branched PON using pulsed pump-probe Brillouin Analysis," Optics Express, Vol.21, No.6, 6739, (2013). H. Takahashi, K. Toge, C. Kito, and F. Ito, "Individual PON Monitoring Using maintenance Band Pulsed Pump-Probe Brillouin Analysis," 2013 18th OECC, ThP1-4, (2013).

ところが、非特許文献４及び非特許文献５に示される技術では、被測定光ファイバに一対のプローブ光パルスとポンプ光パルス（以下、パルス対と称する）が入射された後は、このパルス対が被測定光ファイバから排出されるのを待たねばならない。つまり第１波のパルス対を被測定光ファイバに入射後このパルス対が被測定光ファイバから消滅するまで、第２波以降のパルス対を被測定光ファイバに入射することができない。これは、プローブ光とポンプ光とが光ファイバ内で多重に衝突すると、ブリルアン利得ピークから正確な特性分布情報を取得できなくなるからである。そのため、１回の測定に多くの時間がかかる。

しかも、非特許文献４および非特許文献５に示される技術では、ＳＮ比（信号対雑音比）を改善するために数万回のオーダで計測を繰り返して平均値を求めるようにしているので、測定に要する時間は益々長くなる。まして、被測定線路が長いケースや分解能向上のため測定点を多点化したケースにおいては、測定結果が得られるまでに要する時間はさらに長くなるので、抜本的な対策が求められている。

この発明は上記事情に着目してなされたもので、その目的とするところは、分岐光線路に対する測定を複数回繰り返し実行する際に、測定精度を維持しつつ、測定間隔を短縮して測定の高速化を図った分岐光線路特性解析システム、分岐光線路とその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するためにこの発明の第１の観点は、第１の光ファイバと複数の第２の光ファイバとの間を光分岐器により接続した分岐光線路と、前記分岐光線路に対しその第１の光ファイバから所定の周波数差を有するプローブ光パルス及びポンプ光パルスを入射して、前記複数の第２の光ファイバ内で前記プローブ光パルスとポンプ光パルスとの相互作用による誘導ブリルアン散乱を生じさせ、その戻り光を前記第１の光ファイバを介して受光してブリルアン利得のスペクトル分布を求め、このブリルアン利得のスペクトル分布に基づいて前記複数の第２の光ファイバの特性を個別に解析する解析装置とを具備する分岐光線路特性解析システムにあって、前記分岐光線路において、第１の光ファイバ及び第２の光ファイバが、ブリルアン周波数シフト量の差が前記ブリルアン利得の帯域より大きい値になるように構成されたものである。

また、この発明の第１の観点は以下のような態様を備えることを特徴とする。
第１の態様は、前記第１の光ファイバ及び第２の光ファイバが、ファイバ断面の屈折率プロファイル及び当該ファイバのコアに対する添加物ドープ率の少なくとも一方を制御することで、前記ブリルアン周波数シフト量の差が前記ブリルアン利得の帯域より大きい値となるように構成されたものである。

第２の態様は、前記解析装置において、前記プローブ光パルスのパルス幅を、前記複数の第２の光ファイバの長さの差の最小値をΔＬ、真空中の高速をｃ、第２の光ファイバの屈折率をｎとしたとき、前記複数の第２の光ファイバからの戻り光の時間差２ｎΔＬ／ｃの最小値より小さな値に設定するようにしたものである。

第３の態様は、前記解析装置において、前記プローブ光パルスのパルス幅をτ_probeとするとき、前記戻り光を受光する受信系の帯域を、１／τ_probeより広く設定するようにしたものである。

この発明の第１の観点によれば、分岐光線路において第１の光ファイバ及び第２の光ファイバのブリルアン周波数シフト量の差が前記ブリルアン利得の帯域より大きい値に設定される。このため、第１の光ファイバ内で、今回の測定で使用するプローブ光及びポンプ光が、第２の光ファイバにより反射された前回の測定のポンプ光及びプローブ光と衝突したとしても、第１の光ファイバでブリルアン増幅が発生することはない。このため、各測定における特性情報の測定精度を損なうことなく測定間隔を短縮することが可能となり、これにより測定精度を維持しつつ測定の高速化を図ることが可能となる。

第１の態様によれば、第１の光ファイバ及び第２の光ファイバのブリルアン周波数シフト量の差は、ファイバ断面の屈折率プロファイルと、ファイバのコアに対する添加物ドープ率のうちの少なくとも一方を制御することで、ブリルアン利得の帯域より大きい値となるように設定される。このため、既存の製造技術を応用するだけで簡単に実現することができる。

第２の態様によれば、解析装置において、プローブ光パルスのパルス幅が、複数の第２の光ファイバの長さの差の最小値をΔＬ、真空中の高速をｃ、第２の光ファイバの屈折率をｎとしたとき、上記複数の第２の光ファイバからの戻り光の時間差２ｎΔＬ／ｃの最小値より小さな値に設定される。このため、第２の光ファイバそれぞれの戻り光（誘導ブリルアン散乱光）が解析装置において重なること、つまり干渉を起こすことを防止することができ、これにより第２の光ファイバを時間的に確実に切り分けて測定することが可能となる。

第３の態様によれば、プローブ光パルスのパルス幅をτ_probeとするとき、前記戻り光を受光する受信系の帯域が、１／τ_probeより広く設定される。このため、解析装置において受信系に十分なダイナミックレンジが確保され、これにより戻り光を正確に解析処理することが可能となる。

すなわち、この発明によれば、分岐光線路に対する測定を複数回繰り返し実行する際に、測定精度を維持しつつ、測定間隔を短縮して測定の高速化を図った分岐光線路特性解析システム、分岐光線路及びその製造方法を提供することができる。

この発明の一実施形態に係る分岐光線路特性解析システムの構成を示すブロック図。 第１回目の測定において送信されたプローブ光パルス及びポンプ光パルスと、第２回目の測定において送信されたプローブ光パルス及びポンプ光パルスとの時間間隔と、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの間隔を説明するための図。 第１回目の測定において送信されたプローブ光パルス及びポンプ光パルスの戻り光と、第２回目の測定において送信されたプローブ光パルス及びポンプ光パルスの、分岐下部光ファイバにおける時間位置を示す図。

以下、図面を参照してこの発明に係わる実施形態を説明する。
［一実施形態］
図１は、この発明の一実施形態に係る分岐光線路特性解析システムの構成を示すブロック図である。
この実施形態の分岐光線路特性解析システムは、解析装置１と、測定対象となる分岐光線路としての分岐光ファイバセンサヘッド２とを具備する。そして、解析装置１から分岐光ファイバセンサヘッド２に対し試験光を入射し、その戻り光を解析装置１で解析することにより分岐光ファイバセンサヘッド２の光線路特性を解析する。分岐光ファイバセンサヘッド２で測定可能な光線路特性は、例えば距離に対する光減衰量、曲げ障害の位置、曲げの程度、断線障害の位置、及び距離に対する温度変化量である。

分岐光ファイバセンサヘッド２は、第１の光ファイバとしての分岐上部光ファイバＦ₀ と、第２の光ファイバとしての複数の分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N とを、光分岐器としての光スプリッタＳＰを介して接続したものである。分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N のそれぞれは線路長が異なり、終端には光反射フィルタＲ₁ 〜Ｒ_N が配置されている。なお、終端面が十分な反射率を有していれば光反射フィルタを省略してもよい。

一方、解析装置１は試験光を生成する機能を有する。試験光には２種類あり、一方はプローブ光と称され、他方はポンプ光と称される。プローブ光とポンプ光の周波数差は、上記分岐光ファイバセンサヘッド２の各分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N のＢＦＳの量ｆ_Bと一致するように設定される。

プローブ光及びポンプ光はそれぞれパルス化されて、上記分岐光ファイバセンサヘッド２の分岐上部光ファイバＦ₀ に入射される。上記パルス化されたプローブ光は、各分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N の終端で反射されて戻る過程で、分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N 内で上記パルス化されたポンプ光と衝突してブリルアン増幅され、分岐上部光ファイバＦを介して観測装置１に戻る。このブリルアン増幅されたプローブ光パルスを戻り光パルスと称する。

以下に解析装置１の構成を詳しく説明する。
１１は光周波数ｆ₀ の連続光を発生するレーザ光源であり、このレーザ光源１１から出力された連続光は分岐素子１２により二系統に分岐される。分岐された連続光の一方は光周波数制御器１３に入射され、光周波数ｆ₀ が上記分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N のブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）の量ｆ_B だけシフトされる。光周波数制御器１３には、正弦波発生器１４で発生される正弦波の信号周波数に応じて変調側波帯の周波数を変化させる機能を持つ外部変調器を用いることができる。より具体的には、ＬｉＮｂＯ_３を用いた位相変調器、振幅変調器、或いはＳＳＢ（Single Side Band）変調器などの光周波数シフタを用いることができる。

上記周波数がシフトされたプローブ光、及びポンプ光は、それぞれ光パルス化器１５，１６に入射され、２ｎΔＬ／ｃ以下のパルス幅でパルス化される。ここで、ΔＬは分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N の長さの差の最小値、ｃは真空中の光伝送速度（光速）、ｎは被測定光ファイバの屈折率をそれぞれ示している。光パルス化器１５，１６は、例えば音響光学素子をパルス駆動するようにした音響光学スイッチを用いた音響光学変調器、またはＬｉＮｂＯ_３を用いた電気光学素子をパルス駆動するようにした導波路スイッチを用いたＬｉＮｂＯ_３変調器により構成される。

また、光パルス化器１５，１６では、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの間に時間差が与えられる。これは、入射時間制御部１７，１８の制御の下で、光パルス化器１５，１６を駆動する電気パルスの変調時間を変化させることで実現できる。具体的には、音響光学変調器またはＬｉＮｂＯ_３変調器による光デバイスを電気パルスで変調し、この電気パルスで変調するタイミングを変化させることで、光パルスになるタイミングを制御する。なお、光パルス化器１５，１６に与えられる電気パルスのうち一方の電圧をゼロにすれば、プローブ光パルス又はポンプ光パルスの一方だけを分岐光ファイバセンサヘッド２に入射させることも可能である。

上記光パルス化器１５，１６から出射されたプローブ光パルス及びポンプ光パルスは、それぞれ光増幅器２０_pr，２０_puにより測定に必要なレベルにまで増幅され、合波素子１９に入射される。そして、合波素子１９により合波されたのち、光サーキュレータ２１を介して上記分岐光ファイバセンサヘッド２の分岐上部光ファイバＦ₀ に入射される。かくして、分岐光ファイバセンサヘッド２には、パルス幅及び時間差が制御されたプローブ光パルス及びポンプ光パルスが、試験光として入射される。

上記プローブ光パルス及びポンプ光パルスが入射されると分岐光ファイバセンサヘッド２では、上記プローブ光パルス及びポンプ光パルスが光スプリッタＳＰにより分岐されて分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N にそれぞれ入射される。そして、この入射されたプローブ光パルスは、分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N の終端位置で光反射フィルタＲ₁ 〜Ｒ_N によりそれぞれ反射され、戻る過程で分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N 内においてポンプ光パルスと衝突し、これによりブリルアン増幅される。そして、このブリルアン増幅されたプローブ光パルスは、分岐上部光ファイバＦ₀ を介して戻り光として解析装置１に入射される。

解析装置１では、上記戻り光が光サーキュレータ２１を経て光フィルタ２２に入射される。光フィルタ２２は、解析に必要なプローブ光パルスだけを通過させる特性を有し、プローブ光パルスだけを光受信器２３に入射する。光受信器２３は、受光したプローブ光パルスを光電変換し、当該プローブ光パルスに応じた電気信号をＡ／Ｄ変換器２４に入力する。Ａ／Ｄ変換器２３は、上記電気信号をアナログ／ディジタル変換し、ディジタルデータを生成する。このディジタルデータは信号処理装置２５に入力される。信号処理装置２５は、例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）からなり、上記入力された戻り光のディジタルデータに基づいて、分岐光ファイバセンサヘッド２の光線路特性、例えば距離に対する光減衰量、曲げ障害の位置、曲げの程度、断線障害の位置、及び距離に対する温度変化量を解析する。

ところで、本実施形態に係る分岐光線路特性解析システムを実現する上で必要な条件として、次の３つが挙げられる。
（１）条件１
分岐光ファイバセンサヘッド２において、分岐上部光ファイバＦ₀ 及び各分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N は、そのブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）の量ｆ_B′，ｆ_Bの差（ｆ_B′−ｆ_B）が、ブリルアン利得帯域Δｆ_B より大きな値となるように設定されている。これは、分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N 内でのみブリルアン増幅を発生させ、分岐上部光ファイバＦ₀ 内ではプローブ光パルスとポンプ光パルスとが衝突してもブリルアン増幅を起こさないようにするための条件である。

上記ブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）の量ｆ_B′，ｆ_Bの差（ｆ_B′−ｆ_B）は、例えば光ファイバ断面の屈折率プロファイルやコアのＧｅドープ率を変化させることで制御することが可能である。なお、ＢＦＳの具体的な制御手法については、高橋 央、戸毛 邦弘、伊藤 文彦、鬼頭 千尋、“遠端反射のパルス光ブリルアン利得解析による分岐モニタリング技術,” Proc. 51th Meeting on Lightwave Sensing Technol., LST51-18, (2013).に詳しく記載されている。

（２）条件２
光パルス化器１５，１６において、プローブ光パルスのパルス幅τ_probeは、各分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N の長さの差の最小値をΔＬ、真空中の高速をｃ、第２の光ファイバの屈折率をｎとしたとき、各分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N の終端からの戻り光の時間差２ｎΔＬ／ｃの最小値より小さな値に設定される。なお、ｃ／ｎは光ファイバ中の光速νとなる。

この条件２は、分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N 毎の戻り光（誘導ブリルアン散乱光）が光受信器２３おいて重なること、つまり干渉することを防ぐために必要である。もし、条件２が満たされなければ、各分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N からの戻り光（誘導ブリルアン散乱光）が光受信器２３において干渉し、各分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N を時間的に切り分けることができなくなる。つまり、各分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N を区別できなくなる。

（３）条件３
光受信器２３及びＡ／Ｄ変換器２４の動作帯域は、プローブ光パルスのパルス幅τ_probeを受光可能な帯域よりも広く設定される。一般に、パルス幅τ_probeの光パルスを正確に測定するためには、光受信器２３およびＡ／Ｄ変換器２４の帯域が１／τより広い必要がある。

次に、試験光待機時間、つまり第ｎ波目のプローブ光を送出してから第ｎ＋１波目のプローブ光を送出するまでのインターバル時間について述べる。本実施形態のシステムでは、条件３において述べたように、分岐光ファイバセンサヘッド２において、分岐上部光ファイバＦ₀ と各分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N との間のブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）の量ｆ_B′，ｆ_Bの差（ｆ_B′−ｆ_B）が、ブリルアン利得帯域Δｆ_B より大きな値となるように設定されている。

したがって、分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N 内に同時に複数の試験光が存在しさえしなければ、分岐上部光ファイバＦ₀ 内において複数の試験光が同時に存在して衝突が発生してもブリルアン増幅は発生しない。このため、第ｎ回の試験光の入射後、第ｎ＋１回目の試験光を入射できるため、試験光待機時間Ｔは
Ｔ＝４Ｌ_b／ν
となる。なお、Ｌ_bは分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N のうち最長のファイバ長、νは光ファイバ中の光速を示す。

因みに、従来の分岐光ファイバセンサヘッドでは、分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N 内は勿論のこと、分岐上部光ファイバＦ₀ 内においても、ファイバ内に同時に複数の試験光が存在することが許されないため、第ｎ回目の試験光入射後、第ｎ＋１回目の試験光を入射するまでの試験光待機時間は
Ｔ_c ＝２（Ｌ_a ＋２Ｌ_b ）／ν
に設定せざるを得なかった。

すなわち、本実施形態によれば、
Ｔ＝２Ｌ_a／ν
だけ、一回平均あたりの試験光待機時間を削減することができる。言い換えれば、１回の測定に要する平均的な積算時間を（Ｌ_a ＋２Ｌ_b ）／２Ｌ_b分の１に短縮することができる。ここで、Ｌ_a は分岐上部光ファイバ長、Ｌ_b は最長の分岐下部光ファイバ長、νは光ファイバ中の光速を示す。

通常では、１万回以上の測定結果を平均するため、平均化回数に比例して測定時間の削減効果は非常に大きくなる。また、待機時間が分岐上部光ファイバ長Ｌ_a に依存しないため、解析装置１から分岐光ファイバセンサヘッド２の分岐点までの距離が長いほど従来技術と比較して優位性が増す。

図２及び図３に、本実施形態に係る分岐光ファイバセンサヘッド２に対するプローブ光パルスとポンプ光パルスの入射タイミングの一例を示す。同図では、簡単のため第ｎ回目と第ｎ＋１回目の試験光のみを示しているが、実際には後続の試験光が送出されている。図２において、Δｌは分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N 内でのプローブ光パルスとポンプ光パルスの衝突位置を制御するための入射時間差Δtを距離相当に換算した量を示し、０＜Δｌ＜２Ｌ_bである。

すなわち、第１回目のプローブ光パルス(1) を送出してから第２回目のプローブ光パルス(2) を送出するまでの時間を４Ｌ_bとすることで、図３に示すように分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N 中に第１回目の試験光と第２回目の試験光が同時に存在することはなくなる。

一方、分岐上部光ファイバＦ₀ においては、先に述べたように分岐上部光ファイバＦ₀ と各分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N との間のブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）の量ｆ_B′，ｆ_Bの差（ｆ_B′−ｆ_B）が、ブリルアン利得帯域Δｆ_B より大きな値となるように設定されているため、第１回目のプローブ光（ポンプ光）と第２回目のポンプ光（プローブ光）が衝突してもブリルアン増幅を生じることはない。

次に、解析装置１の演算処理装置２５による、分岐光ファイバセンサヘッド２の特性解析処理について説明する。
（ｉ）プローブ光パルス列とポンプ光パルスによる誘導ブリルアン散乱の測定
プローブ光パルス列に含まれるプローブ光パルスとポンプ光パルスとが、分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N 中で衝突すると、インタラクションにより誘導ブリルアン散乱が発生する。プローブ光パルス列とポンプ光パルスとの周波数差がｆ_B のとき、プローブ光パルスは誘導ブリルアン散乱により

で表される増幅を受ける。

ここで、式（１）のα_B (ｚ，ｆ_B)は、入射端からｚの位置で衝突し、ブリルアン周波数差がｆ_Bのときの誘導ブリルアンによる利得を示す。ｇ_B (ｆ_B)はプローブ光パルスとポンプ光パルスの周波数差がｆ_Bであるときの誘導ブリルアン散乱係数を示す。ｚは、分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N の入射端からプローブ光パルスとポンプ光パルスが衝突した位置までの距離を示す。Ｉ_pump（ｚ）は分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N の入射端から距離ｚだけ離れた位置におけるポンプ光パルスの強度を示す。τ_pumpはポンプ光パルスのパルス幅を示す。

いま、例えば分岐下部光ファイバ＃ｉの損失係数をα_i 、当該分岐下部光ファイバ＃ｉを往復する光パルスの全損失をＬ_t とする。そうすると、分岐下部光ファイバ＃ｉに入射されたのち終端で反射され、入射端から距離ｚの位置でポンプ光パルスと衝突したプローブ光パルスの当該入射端における強度Ｉ_pump（２Ｌ_i ，ｚ）は、

で表される。

式（２）に示されるように、分岐下部光ファイバ＃ｉの入射端でのプローブ光パルスの強度Ｉ_pump（２Ｌ_i ，ｚ，ｆ_B）は、ｇ_B（ｆ_B）とＩ_pump（ｚ）の関数になる。但し、Ｉ_pump（ｚ）は

で表される。

また、プローブ光パルスだけを入射した場合の入射端に戻る反射プローブ光パルス強度Ｉ_ref（２Ｌ_i）は、

で示される。

従って、式（２）を式（３）および式（４）を用いて変換すると、

のように表される。

ブリルアン散乱光の利得を解析することにより、式（５）に基づいて、プローブ光パルスとポンプ光パルスが衝突した場所までの損失をポンプ光パルス幅τ_pumpで積分した値とブリルアン散乱係数との積を算出できる。従って、分岐光ファイバセンサヘッドにおける損失を加味したブリルアン利得強度を得ることができる。

（ｉｉ）分岐下部光ファイバの距離に対するブリルアン散乱光分布の測定
簡単のため、プローブ光パルス列のうち先頭のプローブ光パルスが、ポンプ光パルスに対して時間ｔ₁ だけ先に入射する場合だけを説明する。プローブ光パルス列に含まれる他のプローブ光パルスについても、時間ｔ₁をｔ₂，ｔ₃，…，ｔ_xとすれば同様の説明が成り立つ。

分岐光ファイバセンサヘッド２の入射端から分岐下部光ファイバ＃ａ（ａは１≦ａ≦Ｎの自然数）の終端までの長さをＬ_a とする。プローブ光パルスは当該分岐下部光ファイバ＃ａの終端で光反射フィルタにより反射される。いま、分岐下部光ファイバの終端からの距離をｌとし、光ファイバの屈折率をｎとし、真空中の光速をｃとすると、反射されたプローブ光パルスはｔ₁／２秒後にｌ＝ｃ／ｎ×ｔ₁／２だけ進むので、入射端からの距離をｌ_x1とすると、

が得られる。

プローブ光パルスが入射されてから分岐下部光ファイバ＃ａに進入し、光反射フィルタで反射してｌ_x1に達するまでの時間ｔは、

で表される。

プローブ光パルスが入射されてからｔ₁ 秒後にポンプ光パルスを入射するとする。ポンプ光パルスがｔ秒後に到達する入射端からの距離ｌ_x2は、

で表される。

ｌ_x1＝ｌ_x2の位置、つまり式（6）＝式（8）となる位置で、ポンプ光パルスはプローブ光パルスと衝突（インタラクション）する。インタラクションのタイミングは光反射フィルタでプローブ光パルスが反射されてからｔ₁ ／２秒後である。つまり、プローブ光パルスとポンプ光パルスとを被測定光ファイバに入射する時間差Δｔを変化させることで、プローブ光パルスとポンプ光パルスとがインタラクションする位置を制御できる。これにより、距離に対する誘導ブリルアン散乱の特性分布を求めることができる。

上記（ｉ）及び（ｉｉ）により、分岐下部光ファイバのそれぞれについて、個別のブリルアン利得スペクトル分布を、既存の技術（特に非特許文献４）の
（Ｌ_a ＋２Ｌ_b ）／２Ｌ_b分の１
に待機時間を短縮することが可能になる。また、非特許文献６に開示される技術によって測定されたブリルアン利得ピークの分布から温度、歪み、ファイバ構造パラメータの違いの特性分布を算出することももちろん可能である。

以上詳述したように一実施形態では、分岐光ファイバセンサヘッド２において、分岐上部光ファイバＦ₀ と各分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N との間で、ブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）の量ｆ_B′，ｆ_Bの差（ｆ_B′−ｆ_B）を、ブリルアン利得帯域Δｆ_B より大きな値となるように設定している。また、プローブ光パルスのパルス幅τ_probeは、各分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N の長さの差の最小値をΔＬ、真空中の高速をｃ、第２の光ファイバの屈折率をｎとしたとき、各分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N の終端からの戻り光の時間差２ｎΔＬ／ｃの最小値より小さな値に設定している。さらに、光受信器２３及びＡ／Ｄ変換器２４の動作帯域を、プローブ光パルスのパルス幅τ_probeを受光可能な帯域よりも広く設定している。

したがって、分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N 内でのみブリルアン増幅を発生させ、分岐上部光ファイバＦ₀ 内ではプローブ光パルスとポンプ光パルスとが衝突してもブリルアン増幅を起こさないようにすることができる。
また、分岐下部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_N 毎の戻り光（誘導ブリルアン散乱光）が光受信器２３おいて干渉しないようにすることができ、これにより第２の光ファイバを時間的に確実に切り分けて測定することが可能となる。
さらに、解析装置１において受信系に十分なダイナミックレンジが確保され、これにより戻り光を正確に解析処理することが可能となる。

本実施形態は、分岐上部ファイバ長が長くなる場合に特に効果を発揮する。例えば分岐ひずみセンサをトンネルなどの構造物モニタリングに用いる場合、測定器のコストを鑑みると測定器はモニタリング対象物から離れた場所に設置し、複数系統の分岐センサヘッドに適宜接続してモニタリングすることが考えられる。このとき、分岐上部ファイバは測定器設置位置からモニタリング対象物付近までとなり、１０km超の長さとなることも想定される。従来型の単一ＢＦＳの光ファイバから成るセンサヘッドでは、待機時間が膨大になるのに対し、本実施形態に係る分岐光ファイバセンサヘッド２によれば、測定時間が分岐上部光ファイバＦ₁ 〜Ｆ_Nの長さに依存することなく、測定時間に占める試験光待機時間を大幅に削減することができる。

［他の実施形態］
尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成を削除してもよい。さらに、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１…光源、１２…分岐素子、１３…光周波数制御器、１４…正弦波発生器、１５，１６…光パルス化器、１７，１８…入射時間制御器、１９…合波素子、２０ａ，２０ｂ…光増幅器、２１…光サーキュレータ、２２…光フィルタ、２３…光受信器、２４…Ａ／Ｄ変換器、２５…演算処理装置、Ｆ₀…分岐上部光ファイバ、ＳＰ…光スプリッタ、Ｆ₁〜Ｆ_N…分岐下部光ファイバ、Ｒ₁〜Ｒ_N…光反射フィルタ。

Claims (7)

1. 第１の光ファイバと複数の第２の光ファイバとの間を光分岐器により接続した分岐光線路と、
   前記分岐光線路に対しその第１の光ファイバから所定の周波数差を有するプローブ光パルス及びポンプ光パルスを入射して、前記複数の第２の光ファイバ内で前記プローブ光パルスとポンプ光パルスとの相互作用による誘導ブリルアン散乱を生じさせ、その戻り光を前記第１の光ファイバを介して受光してブリルアン利得のスペクトル分布を求め、このブリルアン利得のスペクトル分布に基づいて前記複数の第２の光ファイバの特性を個別に解析する解析装置と
   を具備し、
   前記第１の光ファイバ及び第２の光ファイバは、ブリルアン周波数シフト量の差が前記ブリルアン利得の帯域より大きい値に設定されている
   ことを特徴とする分岐光線路特性解析システム。
2. 前記第１の光ファイバ及び第２の光ファイバは、ファイバ断面の屈折率プロファイル及び当該ファイバのコアに対する添加物ドープ率の少なくとも一方を制御することで、前記ブリルアン周波数シフト量の差が前記ブリルアン利得の帯域より大きい値に設定されることを特徴とする請求項１記載の分岐光線路特性解析システム。
3. 前記解析装置は、前記プローブ光パルスのパルス幅を、前記複数の第２の光ファイバの長さの差の最小値をΔＬ、真空中の高速をｃ、第２の光ファイバの屈折率をｎとしたとき、前記複数の第２の光ファイバからの戻り光の時間差２ｎΔＬ／ｃの最小値より小さな値に設定することを特徴とする請求項１又は２記載の分岐光線路特性解析システム。
4. 前記解析装置は、前記プローブ光パルスのパルス幅をτ_probeとするとき、前記戻り光を受光する受信系の帯域を、１／τ_probeより広く設定してなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の分岐光線路特性解析システム。
5. 第１の光ファイバと複数の第２の光ファイバとの間を光分岐器により接続した分岐光線路と、前記分岐光線路に対しその第１の光ファイバから所定の周波数差を有するプローブ光パルス及びポンプ光パルスを入射して、前記複数の第２の光ファイバ内で前記プローブ光パルスとポンプ光パルスとの相互作用による誘導ブリルアン散乱を生じさせ、その戻り光を前記第１の光ファイバを介して受光してブリルアン利得のスペクトル分布を求め、このブリルアン利得のスペクトル分布に基づいて前記複数の第２の光ファイバの特性を個別に解析する解析装置とを具備する分岐光線路特性解析システムで使用される前記分岐光線路であって、
   前記第１の光ファイバ及び第２の光ファイバのブリルアン周波数シフト量の差が、前記ブリルアン利得の帯域より大きい値に設定されていることを特徴とする分岐光線路。
6. 前記第１の光ファイバ及び第２の光ファイバは、ファイバ断面の屈折率プロファイル及び当該ファイバのコアに対する添加物ドープ率の少なくとも一方を制御することで、前記ブリルアン周波数シフト量の差が前記ブリルアン利得の帯域より大きい値に設定されることを特徴とする請求項５記載の分岐光線路。
7. 第１の光ファイバと複数の第２の光ファイバとの間を光分岐器により接続した分岐光線路と、前記分岐光線路に対しその第１の光ファイバから所定の周波数差を有するプローブ光パルス及びポンプ光パルスを入射して、前記複数の第２の光ファイバ内で前記プローブ光パルスとポンプ光パルスとの相互作用による誘導ブリルアン散乱を生じさせ、その戻り光を前記第１の光ファイバを介して受光してブリルアン利得のスペクトル分布を求め、このブリルアン利得のスペクトル分布に基づいて前記複数の第２の光ファイバの特性を個別に解析する解析装置とを具備する分岐光線路特性解析システムで使用される前記分岐光線路の製造方法であって、
   前記分岐光線路の第１の光ファイバ及び第２の光ファイバのブリルアン周波数シフト量の差を、ファイバ断面の屈折率プロファイル及び当該ファイバのコアに対する添加物ドープ率の少なくとも一方を制御することで、前記ブリルアン利得の帯域より大きい値に設定することを特徴とする分岐光線路の製造方法。

Images