JP3152314B2 - 後方散乱光の測定方法およびその装置 - Google Patents
後方散乱光の測定方法およびその装置Info
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Description
出力される後方散乱光、特に、後方レーリー散乱光およ
び後方ブリルアン散乱光を測定する後方散乱光の測定方
法およびその装置に関する。
me Domain Reflectometer(OTDR)は、光ファイバ
の障害位置の探索、あるいは、光損失分布の測定に広く
用いられている。このOTDRは、被測定光ファイバに
パルス光を入射し、光ファイバ中の散乱点で生じた後方
散乱光のパワーを、入射点と各散乱点との距離に対応し
た時間の関数として測定するものである。したがって、
後方散乱光の時間的変化をOTDRを用いて測定するこ
とにより、被測定光ファイバの障害点の探索、あるい
は、損失分布の測定が可能となる。
乱光の主なものは、後方レーリー散乱光、後方ブリルア
ン散乱光および後方ラマン散乱光の3つである。後方ブ
リルアン散乱光および後方ラマン散乱光のパワーは、後
方レーリー散乱光のパワーに比べ、2〜3桁低いため、
通常、OTDRでは、後方レーリー散乱光を測定する。
しかし、後方レーリー散乱光のパワーそのものも、被測
定光ファイバに入射される光パルスのピークパワーに比
べ、5桁程度低いため、OTDRでは、非常に高感度な
光検出技術が必要とされる。
レント検波であり、OTDRにおけるその有効性はすで
に実証されている。コヒーレント検波では、コヒーレン
シ、すなわち、干渉性が優れた光源を使用し、信号光で
ある後方散乱光と局発光とを合波して両者の干渉光であ
るビート光のパワーを測定する。このビート光のパワー
は、局発光のパワーに比例して増大するため、光が本質
的に有している量子的なゆらぎによるいわゆるショット
雑音と電力的に等価な微弱な光のパワーまでコヒーレン
ト検波により測定可能である。
いたときには、新たに、フェージング雑音という問題が
生じることが知られている。このフェージング雑音は、
分布した多数の散乱体によって後方散乱された光波間の
干渉によって引き起こされるものであり、後方散乱され
た光波間の位相関係が、被測定光ファイバの長さ方向の
位置によってランダムに変化するため、測定される後方
散乱光のパワーもその散乱位置に応じて時間的に変化す
る。この後方散乱光のパワーの変動は、被測定光ファイ
バの障害位置探索および損失分布測定精度を大幅に劣化
させてしまう。
は、光源として、被測定光ファイバから出力される後方
レーリー散乱光をフィードバックした半導体レーザを使
用することが有効であるといわれている。この場合、半
導体レーザは、その発振スペクトル幅が100kHz以
下に狭さく化されてコヒーレント検波に適した光源とな
るとともに、半導体レーザの発振周波数は、ある時間一
定に保たれた後、次に他の周波数に変化して一定となる
ということを繰り返す、いわゆる、周波数ホッピングが
起きる。そして、半導体レーザの発振周波数が変化する
と、上述した後方散乱された光波間の位相関係も変化す
る。したがって、多数の異なる周波数に対してそれぞれ
後方散乱光を測定し、それらの平均をとることによっ
て、散乱位置による光波間の位相関係の違い、すなわ
ち、フェージング雑音の低減が図られるわけである。な
お、この種の技術の詳細については、例えば、J.P.
King等が著した"Development of a Coherent OTDR
Instrument"(J.Lightwave Technol. vol.LT-5 no.4 pp.
616-624 1987)を参照されたい。
測定するOTDR以外に、後方ブリルアン散乱光を測定
するOTDR(以下、これをBOTDRと呼び、上述し
た後方レーリー散乱光を測定するOTDRは、単に、O
TDRと呼ぶこととする)が提案されている。上述した
後方レーリー散乱光の中心周波数は、被測定光ファイバ
への入射光の周波数と同一であるが、後方ブリルアン散
乱光の中心周波数は、入射光の周波数からシフトしてお
り、また、そのスペクトルは、ある有限の幅を有してい
る。これら後方ブリルアン散乱光の周波数シフト量およ
びスペクトル幅は、それぞれブリルアンシフトおよびブ
リルアン線幅と呼ばれている。被測定光ファイバが、た
とえば、石英系光ファイバの場合、後方ブリルアン散乱
光のブリルアンシフトおよびブリルアン線幅は、入射光
の波長が1.3μmのとき、それぞれ約13GHzおよ
び約30MHzであり、また、それぞれ入射光の波長の
1乗および2乗に反比例することが報告されている。
ファイバの構成材料や被測定光ファイバに発生した歪お
よび温度差等に依存して変化するため、BOTDRによ
り、被測定光ファイバの長さ方向における構成材料、歪
および温度のそれぞれの分布が測定可能である。
リルアン散乱光のパワーは、後方レーリー散乱光のパワ
ーよりも2〜3桁低いため、その測定には、最も高感度
なコヒーレント検波を使用することが望ましい。後方ブ
リルアン散乱光は、入射光と熱的に誘起された音波との
非線形相互作用によって発生するため、後方ブリルアン
散乱光の位相は、音波の位相の変化とともにランダムに
変化する。したがって、後方レーリー散乱光の測定のよ
うに、入射光の周波数を変化させなくても、後方ブリル
アン散乱光を多数回測定してその平均をとることによ
り、フェージング雑音は低減可能である。
来の後方散乱光の測定方法およびその装置においては、
以下に示す欠点があった。まず、後方レーリー散乱光を
コヒーレント検波により測定するOTDRにおいては、
上述した半導体レーザにおける周波数ホッピングは、熱
あるいは被測定光ファイバの伸びなどの外乱が原因で、
半導体レーザに取り付けられたフィードバック用光ファ
イバから出力される後方散乱光のスペクトルが変化する
ことによって引き起こされるため、周波数ホッピングを
正確に制御することはできないという問題があった。
ホッピングの起きる時間間隔が、光信号が被測定光ファ
イバを往復する時間よりも短い場合には、被測定光ファ
イバの終端付近から出力される後方散乱光の周波数と局
発光の周波数とが大幅に異なり、後方散乱光と局発光と
が合波したビート光の周波数は、光受信器の受信帯域か
ら外れるため、後方散乱光を検出できなくなる。また、
上述の場合とは逆に、半導体レーザにおいて周波数ホッ
ピングの起きる時間間隔が非常に長い場合には、一定の
測定時間内に多数の異なる周波数に対して後方散乱光を
測定することができなくなるため、フェージング雑音を
充分に低減できなくなる。また、一般に、半導体レーザ
を含めたレーザの発振周波数は、その温度を変えること
により変化させられるが、温度を速やかに制御すること
ができないため、測定に時間がかかるという問題があっ
た。
レント検波により測定するBOTDRにおいては、光源
の出射光を2分岐し、一方を被測定光ファイバに入射す
るプローブ光として使用し、他方を局発光として使用し
ているが、上述したように、被測定光ファイバが石英系
光ファイバであって入射光の波長が1.3μmのとき、
後方ブリルアン散乱光のブリルアンシフトは、約13G
Hzと大きい。したがって、光受信器では、約13GH
zの信号を受信しなければならない。しかしながら、約
13GHzもの高周波信号を低雑音でコヒーレント検波
する光検出器および電気回路を作製することは、非常に
難しい。
法として、プローブ光や局発光を出射する光源としてそ
れぞれ1台ずつ狭線幅な光源を使用し、これらの光源の
周波数差をブリルアンシフトにほぼ等しい値に制御する
ことが考えられる。この場合、プローブ光による後方ブ
リルアン散乱光と局発光との周波数差は小さいため、高
感度なコヒーレント検波が可能となる。
化された光源は一般に高価であり、それを2台使用する
ことは経済的でない。もっとも、OTDRのところで説
明した、半導体レーザに外部共振器としてフィードバッ
ク用光ファイバを取り付けた光源は、比較的安価で狭線
幅な光源であるが、すでに説明したように、半導体レー
ザの発振周波数は、時間的にランダムにホッピングする
ため、この周波数ホッピングを正確に制御することがで
きないような2台の光源の周波数差を一定に制御するこ
とは困難である。
ンシフトは、光ファイバ毎に異なるため、BOTDRで
は、プローブ光と局発光との周波数差を、予想されるブ
リルアンシフト付近で多数回変化させて測定する必要が
ある。しかしながら、OTDRの場合と同様、半導体レ
ーザを含めたレーザの発振周波数は、その温度を変える
ことにより変化させられるが、温度を速やかに制御する
ことができないため、測定に時間がかかるという問題が
あった。
ものであり、後方レーリー散乱光の測定において、フェ
ージング雑音を充分に低減することができる後方散乱光
の測定方法およびその装置を提供することを目的とす
る。
スペクトル幅の狭い連続発振光源を使用し、該連続発振
光源からの出射光を変調周波数pで光変調し、該光変調
により変調された光を被測定光ファイバに入射させ、該
被測定光ファイバにおいて後方に散乱されて入射方向に
伝搬する後方レーリー散乱光を、前記変調された光の一
部を局発光としてコヒーレント受信することにより、前
記後方レーリー散乱光のパワーを測定し、前記変調周波
数pの異なる前記測定を複数回行い、該複数回の前記測
定の結果得られる複数の測定値の平均値から、前記後方
レーリー散乱光のパワーを求めることを特徴としてい
る。
い連続発振光源と、該連続発振光源からの出射光の一部
を分離して局発光とするための第1の光学的手段と、前
記出射光をパルス光に変調する光パルス変調器と、前記
パルス光を被測定光ファイバに入射させる第2の光学的
手段と、前記被測定光ファイバからの後方散乱光と前記
局発光とを合波するための第3の光学的手段と、前記合
波された光を受光し、前記後方散乱光と前記局発光との
ビート電気信号を受信するための光受信器と、前記ビー
ト電気信号の振幅またはパワーを検出する検波回路と、
前記検波回路により検波された信号を処理する信号処理
装置とを具備した後方散乱光の測定装置において、前記
第1の光学的手段に入力される前の前記連続発振光源か
らの出射光を変調するための光変調器と、該光変調器に
入力する変調電気信号を供給する周波数可変の変調信号
源とを具備することを特徴としている。
側帯波が被測定光ファイバで後方に散乱された後方レー
リー散乱光を変調周波数を変化させて多数回測定するの
で、後方レーリー散乱光の測定におけるフェージング雑
音が低減される。
いて説明する。 「第1の実施例」図1は本発明の第1の実施例による後
方散乱光(後方レーリー散乱光)の測定装置の構成を示
すブロック図であり、この図において、1は発振スペク
トル幅が狭く、干渉性(コヒーレンシ)に優れた連続発
振光源であり、具体的には、DFB半導体レーザ、DB
R半導体レーザ、光ファイバからの後方散乱光をフィー
ドバックすることにより線幅を狭めた半導体レーザ、単
一モード発振の固体レーザ(YAGレーザ、Erレーザ
等)、気体レーザ(He−Neレーザ、Arレーザ、K
rレーザ等)、Er,Nd,Pr等の元素を添加した光
ファイバを用いたファイバレーザ等である。
光を変調信号源3から出力される電気変調信号SM(例
えば、正弦波信号)により光変調する。光変調器2によ
り光変調された光は、光ファイバカプラ7により分岐さ
れ、その一方は被測定光ファイバ5に入射されるプロー
ブ光として使われ、他方はコヒーレント受信のための局
発光として使われる。光ファイバカプラ7から出射され
たプローブ光は、光パルス変調器4によりパルス光に変
調されて、光ファイバカプラ8を介して被測定光ファイ
バ5に入射される。そして、光ファイバ5で後方に散乱
された後方レーリー散乱光は、光ファイバカプラ8を通
過し、先に分離しておいた局発光と光ファイバカプラ9
により合波され、その合波光が光受信器10においてコ
ヒーレント受信される。なお、光受信器10において、
10aはFET増幅器、10bはフォトダイオードであ
る。
光変調器を使用した場合には、プローブパルス光の周波
数は、光パルス変調器4の入射光の周波数から音響光学
変調器中を伝搬させた音波の周波数fAOだけシフトする
ため、合波光の受信信号は、周波数fAOのビート電気信
号となる。そこで、ミキサ11、局発電気信号源12お
よび電気フィルタ13により、このビート電気信号の周
波数をダウンシフトさせ、検波回路14により2乗検波
または包絡線検波することにより、ビート電気信号のパ
ワーまたは振幅を測定する。このビート電気信号のパワ
ーは後方レーリー散乱光のパワーに対応している。
より、高感度に後方レーリー散乱光を測定するわけであ
るが、既に説明したように、後方レーリー散乱光のパワ
ーは非常に微弱であるため、コヒーレント受信したにも
かかわらず、通常はS/Nは低い。そこで、光パルス変
調器4によって得られたプローブパルス光を多数回、被
測定光ファイバ5に入射し、その時測定されるそれぞれ
の後方レーリー散乱信号を信号処理装置15により平均
化処理し、S/Nを改善する。このときの光パルス変調
器4および信号処理装置15へのタイミング信号S
TMは、タイミング制御器6が与える。
は、光変調器2による変調により発生した側帯波が被測
定光ファイバ5で散乱された後方レーリー散乱光を測定
することにある。したがって、タイミング制御器6から
のタイミング信号STMにより、光パルス変調器4に同期
させて、光変調器2の変調周波数を変化させると、周波
数が異なるプローブ光に対する後方レーリー散乱光を多
数回測定し、その平均値を求めることが可能となる。こ
のとき、既に説明したように、プローブ光の周波数が変
化すると、後方散乱された光波間の位相関係も変化する
ため、コヒーレント受信特有のフェージング雑音は大幅
に低減される。
3やKTP結晶からなる光変調器を用いた場合、原理的
には、100GHz程度までの変調が可能である。した
がって、周波数確度および安定度<±1MHzの変調信
号源3を用いて、変調周波数を1MHzステップで、0
から100GHzまで変化させたとすると、105回以
上、周波数を変化させながら後方レーリー散乱光の測定
ができることになり、フェージング雑音は充分に低減さ
れる。また、光変調器2として、多重量子井戸構造の光
変調器を用いた場合、さらに高周波まで変調可能であ
り、より一層のフェージング雑音の低減が図られる。
明したように、電気信号によりプローブ光の周波数を変
化させるので、確実に、なおかつ迅速に周波数変更でき
る。よって、これまでのように、周波数変更のために無
駄な時間を使うことなく、非常に効率良く測定が可能と
なる。
法には、強度変調および位相変調の2通りがある。な
お、周波数変調は、位相変調と等価なため、その説明を
省略する。以下、順を追って強度変調および位相変調に
ついて説明する。 (1)強度変調 今、光変調器2において、周波数pの正弦波信号で光源
1からの出射光を強度変調すると、その変調された光の
振幅は、 e(t)=EC{1+mcos(2πpt)}×sin(2πfCt)・・・ と表わすことができる。ここで、ECおよびfCは、それ
ぞれ光変調器2への入射光の振幅および周波数を表わ
す。また、mは変調度、tは時間を示す。今、式を展
開すると、 e(t)=ECsin(2πfCt) +(m/2)ECsin{2π(fC−p)t} +(m/2)ECsin{2π(fC+p)t}・・・ となる。式の右辺の第1項は、光源1からの出射光そ
のものであり、搬送波に相当する。式の右辺の第2項
と第3項とは、変調によって生じた側帯波であり、その
周波数は、周波数pだけシフトしている。
においては、光受信器10で受信される搬送波による後
方レーリー散乱光と局発光とのビート周波数は、側帯波
と局発光とのビート周波数と一致してしまう。したがっ
て、側帯波による後方レーリー散乱光だけを分離して測
定はできない。また、式からわかるように、搬送波の
光の周波数は、光変調器2による変調によっても変化し
ないため、搬送波による後方レーリー散乱光のフェージ
ング雑音は、低減しない。
待できる側帯波による後方レーリー散乱光パワーと、フ
ェージング雑音の低減が期待できない搬送波による後方
レーリー散乱光パワーとの比は、2×(m/2)2 =m
2 /2であり、変調度mの値を最大値の1としても、
0.5になるに過ぎない。つまり、光変調器2に強度変
調器を使用した場合には、フェージング雑音の低減度は
比較的小さい。
射光を位相変調すると、その変調された光の振幅は、 e(t)=ECsin{2πfCt+Δφcos(2πpt)}・・・ と表わすことができる。ここで、Δφは位相偏移を示
す。式を展開すると、 e(t)=EC{J0(Δφ)sin(2πfCt) +J1(Δφ)cos〔2π(fC+p)t〕 +J1(Δφ)cos〔2π(fC−p)t〕 +J2(Δφ)cos〔2π(fC+2p)t〕 +J2(Δφ)cos〔2π(fC−2p)t〕 +J3(Δφ)cos〔2π(fC+3p)t〕 +J3(Δφ)cos〔2π(fC−3p)t〕 +・・・・・・}・・・ となる。式の右辺の第1項は、光位相変調器への入射
光と同じ周波数を持つ搬送波であり、第2項以下の偶数
項は、上側側帯波、奇数項は、下側側帯波である。Jn
は、n次の第1種ベッセル関数を示す。ここで、図2に
第1種ベッセル関数を示す。図2から、位相偏移Δφ
を、J0(x)のm番目の零点(j0.m;j0. 1=2.4
05,j0.2=5.520,j0.3=8.654,・・・
・)に選ぶと、搬送波のパワーを零にすることが可能で
あることがわかる。すなわち、光変調器2に、位相変調
器を使用することにより、上述した強度変調の場合と異
なり、側帯波による後方レーリー散乱光のみを測定する
ことが可能となり、その結果、フェージング雑音が大幅
に低減される。
施例について説明する。図3は本発明の第2の実施例に
よる後方散乱光(後方ブリルアン散乱光)の測定装置の
構成を示すブロック図であり、この図において、図1の
各部に対応する部分には同一の符号を付け、その説明を
省略する。図3に示す測定装置が図1のものと異なる点
は、光受信器10に入力する局発光を、光変調器2によ
り変調された光ではなく、光源1の出力光の一部から供
給している点である。
に、光変調器2による変調が強度変調の場合と位相変調
の場合について説明する。 (1)強度変調 強度変調された光のスペクトルは、上述した式からわ
かるように、搬送波(周波数fC)の両側に側帯波(周
波数fC±p)が発生したものであり、図4(a)に示
した通りである。この変調された光が、光パルス変調器
4によりパルス光に変換されたとき、パルス光のスペク
トルは、図4(b)に示すものとなる。この図によれ
ば、パルス光のスペクトル線幅は、パルス化により、2
/W(Wは光パルス幅)だけ広がっている。
に散乱された後方散乱光は、後方レーリー散乱光と後方
ブリルアン散乱光からなる。後方レーリー散乱光は、周
波数シフトが伴わないので、そのスペクトルは入射光と
同じであり、図4(b)に示したままのものである。い
っぽう、後方ブリルアン散乱光は、周波数がfBだけダ
ウンシフトするストークス光と、周波数がfBだけアッ
プシフトする反ストークス光とからなり、そのスペクト
ルはそれぞれ図4(c)および(d)に示すものとな
る。また、後方ブリルアン散乱光のスペクトル線幅は、
ブリルアン線幅ΔfBだけさらに広がっている。
(図4(e)参照)と、光ファイバカプラ9により合波
し、コヒーレント検波する。このとき、光受信器10で
受信されるビート電気信号スペクトルは、図5(a)に
示す通りである。図5(a)において、信号aは後方レ
ーリー散乱光、信号bおよびdは側帯波による後方ブリ
ルアン散乱光、信号cは搬送波による後方ブリルアン散
乱光にそれぞれ対応する受信信号である。
B(〜13GHz)以上の高周波信号であり、この信号
を光受信器10で高感度に受信することは難しい。しか
し、変調周波数pを周波数fBに近い値に選ぶことによ
り、信号bは、周波数|p−fB|の低周波信号とな
り、光受信器10で高感度に受信可能となる。さらに、
光受信器10の低域遮断周波数fLCおよび高域遮断周波
数fUCを式および式で示すように選ぶと、強大な後
方レーリー散乱光を遮断し、後方ブリルアン散乱光に対
応した信号bのみが受信可能となる。 1/W≦fLC≦|p−fB|−{1/W+(ΔfB/2)}・・・ |p−fB|+{1/W+(ΔfB/2)}≦fUC・・・
力してもよいが、検波回路14またはその後の信号処理
装置15においてディジタル信号処理を行なうことを考
慮すると、この信号bをベースバンド信号に変換するこ
とが望ましい。そこで、この信号bをさらに局発電気信
号源12からの周波数fL=|p−fB|の電気信号とミ
キサ11によりミキシングし、帯域幅B〔1/W+(Δ
fB/2)≦B≦fL+|p−fB|−{1/W+(ΔfB
/2)}〕のローパスフィルタを通すことにより、ベー
スバンド信号b1を得る(図5(b)参照)。
測定光ファイバ5のブリルアンシフトfBは、受信信号
のパワーが最大となるときの変調周波数pと、局発電気
信号源12の周波数fLとを用いて、 fB=p−fL(p−fB>0のとき) fB=p+fL(p−fB<0のとき) で与えられる。
5(a)に示す信号bは、ストークス光と反ストークス
光が電気信号の周波数スペクトル上で重なった信号であ
る。したがって、上述した第2の実施例は、後方ブリル
アン散乱光の信号強度を高めたい場合に適している。し
かし、一方で、ストークス光と反ストークス光とを分離
して測定したい場合(たとえば、ストークス光と反スト
ークス光の散乱計数の温度依存性の差異を応用した温度
計測の場合等)もある。このようなときには、信号光あ
るいは局発光の周波数をシフトさせてやればよい。たと
えば、光パルス変調器4に音響光学光変調器を使用する
と、変調されたパルス光の周波数は、音響光学光変調器
を伝わる音波の周波数fAOだけシフトする。このとき、
後方レーリ散乱光、後方ブリルアン散乱光のストークス
光および反ストークス光のスペクトルは、図4(b)〜
(d)において、周波数fAOだけシフトしたもので与え
られる。今、周波数fAOまたはpを式を満足するよう
に選んだときに、光受信器10で受信されるビート電気
信号のスペクトルを図6に示す。 fAO=|p−fB|・・・ この時、ベースバンド信号として受信される信号b′
は、p−fB>0のとき、反ストークス光に、p−fB<
0のとき、ストークス光に、それぞれ対応する。したが
って、信号光、後方散乱光、あるいは、局発光の周波数
をシフトさせることにより、後方ブリルアン散乱光のス
トークス光と反ストークス光とを分離して測定すること
ができる。
測定光ファイバ5のブリルアンシフトfBは、受信信号
のパワーが最大となるときの変調周波数pと、音響光学
光変調器の周波数シフトfAOを用いて、 fB=p−fAO(p−fB>0のとき) fB=p+fAO(p−fB<0のとき) で与えられる。
た場合について説明する。位相変調された光は、式か
らもわかるように、周波数fOの搬送波成分と、周波数
(fO±p)の1次の側帯波以外に、周波数(fO±2
p),(fO±3p),・・・の高次の側帯波も含む。
しかし、これらの高次の側帯波と、周波数fOの局発光
とのビート電気信号の周波数は、(p〜fB)のとき、
(〜2fB),(〜3fB),・・・と非常に高周波とな
るため、実質、これらの高次の側帯波による後方散乱光
信号は光受信器10では受信されない。
変調したとき、光受信器10で受信された電気信号のス
ペクトルは、強度変調した場合と同じとなり、図5
(a)で与えられる。ただし、位相変調の場合には、位
相偏移Δφを、j0.m(第1種ベッセル関数の根)に選
ぶことにより、変調された光の搬送波成分を零にするこ
とが可能なため、図5(a)における強大な後方レーリ
ー散乱光に対応した信号aを消滅させることができる。
したがって、位相変調を採用することにより、光受信器
10における低域遮断周波数特性に要求される条件を大
幅に緩和することが可能となる。
光と反ストークス光とを分離して測定するため、プロー
ブ光、後方散乱光、または、局発光の周波数をシフトさ
せた場合においても、図6からわかるように、後方レー
リー散乱光信号を遮断するために、光受信器10の周波
数特性に要求される条件を大幅に緩和することが可能で
ある。
次のような利点も有する。すなわち、位相偏移Δφを適
当な値に選ぶことにより、図2からもわかるように、搬
送波に比べ、測定信号である側帯波のパワーを大きくす
ることができる。これは、後方散乱光の測定系のダイナ
ミックレンジを高めるため、プローブ光を光増幅する場
合、特に有利に働く。なぜならば、光増幅により得るこ
とが可能な光パワー、あるいは、被測定光ファイバに入
力可能な光パワーには、それぞれ上限があるため、側帯
波のパワーが搬送波のパワーにくらべて大きいとき、最
大の側帯波パワーを光増幅によって得、かつ、被測定光
ファイバ5に入射可能となるからである。
施例について説明する。図7は本発明の第3の実施例に
よる後方散乱光(後方ブリルアン散乱光)の測定装置の
構成を示すブロック図であり、この図において、図3の
各部に対応する部分には同一の符号を付け、その説明を
省略する。図7に示す測定装置が図3のものと異なる点
は、被測定光ファイバ5に入射するプローブ光ではな
く、被測定光ファイバ5からの後方散乱光を光変調器2
により光変調し、その変調された後方ブリルアン散乱光
の側帯波をコヒーレント検波する点である。なお、光フ
ァイバカプラ9により局発光と合波される後方散乱光の
スペクトルは、上述した第2の実施例の場合(図4
(b)〜(d)参照)と全く同一である。したがって、
本実施例においても、第2の実施例の場合と同様、後方
ブリルアン散乱光を高感度で測定することが可能であ
る。
施例について説明する。図8は本発明の第4の実施例に
よる後方散乱光(後方ブリルアン散乱光)の測定装置の
構成を示すブロック図であり、この図において、図3の
各部に対応する部分には同一の符号を付け、その説明を
省略する。図8に示す測定装置が図3のものと異なる点
は、被測定光ファイバ5に入射するプローブ光、あるい
は、被測定光ファイバ5からの後方散乱光ではなく、局
発光を光変調器2により光変調し、その変調された局発
光の側帯波を用いて、後方ブリルアン散乱光をコヒーレ
ント検波する点にある。
号のスペクトルを図9および図10に示す。図9(a)
〜(e)は、それぞれ、光源出射光、後方レーリー散乱
光、後方ブリルアン散乱光のストークス光、後方ブリル
アン散乱光の反ストークス光および周波数pで強度変調
された局発光のスペクトルを示す。また、光受信器10
で受信されるビート電気信号のスペクトルを図10に示
す。このスペクトルは、後方レーリー散乱光に対応する
周波数pの信号eを除くと、図5(a)に示した第2の
実施例および第3の実施例のときのスペクトルと同じで
ある。
パルス変調器4に音響光学変調器を使用して、プローブ
光の周波数をfAOだけシフトしたとき、光受信器10で
受信される電気信号のスペクトルは、第2の実施例およ
び第3の実施例ときのスペクトル(図6参照)に周波数
(p±fAO)の信号を加えたものに過ぎない。したがっ
て、本実施例においても、第2の実施例および第3の実
施例と同様、高感度で後方ブリルアン散乱光を測定する
ことが可能である。なお、強度変調の代わりに、位相変
調を使用した場合においても、同様に後方ブリルアン散
乱光を測定可能なことは、これまでの実施例の場合と全
く同じである。
施例について説明する。上述した第1ないし第4の実施
例の説明からわかるように、本発明においては、後方レ
ーリー散乱光の測定系も、後方ブリルアン散乱光の測定
系も、同一の部品を使用しているが、その構成は異な
る。そこで、第5の実施例は、光スイッチを使用するこ
とにより、両測定系を簡単に切り替えて測定可能とする
ものである。図11〜図13は本発明の第5の実施例に
よる後方散乱光の測定装置の構成を示すブロック図であ
り、これらの図において、図1の各部に対応する部分に
は同一の符号を付け、その説明を省略する。図11〜図
13においては、入出力端子x1、x2およびy1〜y3を
有する光スイッチ16と、入出力端子x1′、x2′およ
びy1′〜y3′を有する光スイッチ17と、端子y1と
y1′を結ぶ光ファイバ18と、端子y3とy3′を結ぶ
光ファイバ19が新たに設けられている。
1参照)と、第2の実施例の構成(図3参照)とが切替
可能な構成である。図11においては、光パルス変調器
4を光スイッチ17の端子x1′と光ファイバカプラ8
との間の光路に配置しているが、これは、光ファイバカ
プラ7と光スイッチ16の端子x1の間に配置してもよ
い。図11に示す測定装置の動作は以下の通りである。
図1に示した第1の実施例の系を構成するには、光スイ
ッチ16においては、図11において実線で示したよう
に、端子x1とy1とを、また、端子x2とy2とを接続状
態とする。同時に、光スイッチ17においても、図11
において実線で示したように、端子x1′とy1′とを、
また、端子x2′とy2′とを接続状態とする。
成するには、光スイッチ16においては、図11におい
て破線で示したように、端子x1とy2とが、また、端子
x2とy3とが接続状態となるように切り替える。同時
に、光スイッチ17においても、図11において破線で
示したように、端子x1′とy2′とが、また、端子
x2′とy3′とが接続状態となるように切り替える。
照)と、第3の実施例の構成(図7参照)とが切替可能
な構成であり、図13は、第1の実施例の構成(図1参
照)と、第4の実施例の構成(図8参照)とが切替可能
な構成である。なお、これらの装置の動作は、上述した
図11の装置とほぼ同様であるので、その説明を省略す
る。
チ16あるいは17は、機械式、熱効果型、電気光学効
果型、音響光学型等、種々のものが使用可能であるが、
本発明においては、切替時間の高速性はそれほど要求さ
れないため、経済的で、挿入損が少なく、かつ、クロス
トークに優れる機械式のものが適する。その一例とし
て、スライド式光スイッチの構成を図14に示す。この
光スイッチは、図14に示すように、複数の光導波路ま
たは光ファイバ20を、等間隔に整列させたもの(Uと
V)を2個対向させた構造となっている。図14からわ
かるように、UまたはVを整列方向にスライドさせるこ
とにより、切替ができる。また、図15に光スイッチ1
6および17を一体化したスライド式光スイッチの構成
を示す。図15(a)および(b)のどちらの光スイッ
チも、整列間隔分だけスライドさせることにより、上述
した切替が可能となる。
いては、全て光パルス変調器4を使用した例を示した
が、これは、被測定光ファイバ5の各位置からの後方散
乱光を、時間的に分離して測定し、その被測定光ファイ
バ5の長さ方向の分布を得るためである。したがって、
被測定光ファイバ5全体からの後方散乱光の全パワーを
測定する場合には、光パルス変調器4は必要ではない。
よび第5の実施例の最初の構成(図3、図7、図8およ
び図11参照)において、光源1からの出射光は、ま
ず、光変調器2により変調された後、光パルス変調器4
によりパルス変調された例を示したが、これらの順番は
逆であってもよいことはいうまでもない。さらに、本発
明においては、通常、光出力の小さい、コヒーレント光
源を光源1に使用するため、光ファイバ増幅器、また
は、半導体レーザ増幅器等の光増幅器を併せて使用する
ことは、本発明の測定ダイナミックレンジを向上させる
上で非常に効果的である。この光増幅器の挿入位置は、
上述した図1、図3、図7、図8および図11〜図13
において、光源1と光ファイバカプラ7との間、光ファ
イバカプラ7と光ファイバカプラ8との間、光ファイバ
カプラ8と被測定光ファイバ5との間、光ファイバカプ
ラ8と光ファイバカプラと9の間および光ファイバカプ
ラ7と光ファイバカプラ9との間のいずれの位置でもよ
い。
においては、局発光には光源1の出射光の一部を使用す
る場合のみについて説明したが、注入同期等の手段によ
り、光源1と同一の周波数で発振する他の光源からの出
射光を局発光に使用してもよい。このときは、光源を多
く使用するというデメリットがあるものの、周波数制御
の高速性という特長を損なわずに、かつ、コヒーレント
受信に必要とされる局発光パワーを充分に得ることが可
能というメリットが生じる。
被測定光ファイバからの後方レーリー散乱光を測定する
に当たって、光変調により発生させた側帯波をプローブ
光および局発光として使用するので、プローブ光の周波
数を迅速にかつ正確に、しかも、広い周波数範囲にわた
り変化させてコヒーレント検波による後方レーリー散乱
光の測定ができ、高速にフェージング雑音を大幅に低減
した測定が可能となる。
装置の構成を示すブロック図である。
装置の構成を示すブロック図である。
トルの一例を示す図である。
クトルの一例を示す図である。
器4に音響光学光変調器を使用した場合に、光受信器1
0で受信される電気信号のスペクトルの一例を示す図で
ある。
装置の構成を示すブロック図である。
装置の構成を示すブロック図である。
トルの一例を示す図である。
ペクトルの一例を示す図である。
定装置の第1の構成を示すブロック図である。
定装置の第2の構成を示すブロック図である。
定装置の第3の構成を示すブロック図である。
る図である。
る。
Claims (2)
- 【請求項1】 スペクトル幅の狭い連続発振光源を使用
し、該連続発振光源からの出射光を変調周波数pで光変
調し、該光変調により変調された光を被測定光ファイバ
に入射させ、該被測定光ファイバにおいて後方に散乱さ
れて入射方向に伝搬する後方レーリー散乱光を、前記変
調された光の一部を局発光としてコヒーレント受信する
ことにより、前記後方レーリー散乱光のパワーを測定
し、前記変調周波数pの異なる前記測定を複数回行い、
該複数回の前記測定の結果得られる複数の測定値の平均
値から、前記後方レーリー散乱光のパワーを求めること
を特徴とする後方散乱光の測定方法。 - 【請求項2】 スペクトル幅の狭い連続発振光源と、 該連続発振光源からの出射光の一部を分離して局発光と
するための第1の光学的手段と、 前記出射光をパルス光に変調する光パルス変調器と、 前記パルス光を被測定光ファイバに入射させる第2の光
学的手段と、 前記被測定光ファイバからの後方散乱光と前記局発光と
を合波するための第3の光学的手段と、 前記合波された光を受光し、前記後方散乱光と前記局発
光とのビート電気信号を受信するための光受信器と、 前記ビート電気信号の振幅またはパワーを検出する検波
回路と、 前記検波回路により検波された信号を処理する信号処理
装置とを具備した後方散乱光の測定装置において、 前記第1の光学的手段に入力される前の前記連続発振光
源からの出射光を変調するための光変調器と、 該光変調器に入力する変調電気信号を供給する周波数可
変の変調信号源とを具備することを特徴とする後方散乱
光の測定装置。
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---|---|---|---|
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- 1992-02-24 JP JP03675192A patent/JP3152314B2/ja not_active Expired - Lifetime
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