JP3408789B2

JP3408789B2 - 後方散乱光の測定方法およびその装置

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Publication number: JP3408789B2
Application number: JP2000331457A
Authority: JP
Inventors: 常雄堀口; 弥平小山田; 利雄倉嶋; 薫清水
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-10-30
Filing date: 2000-10-30
Publication date: 2003-05-19
Anticipated expiration: 2018-05-19
Also published as: JP2001165808A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定光ファイバ
から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。

【０００２】

【従来の技術】光パルス試験器、あるいは、Optical Ti
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。

【０００３】被測定光ファイバにおいて発生する後方散
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。

【０００４】現在、最も高感度な光検出方法は、コヒー
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。

【０００５】しかし、コヒーレント検波をＯＴＤＲに用
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。

【０００６】そこで、このフェージング雑音に対して
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。

【０００７】ところで、上述した後方レーリー散乱光を
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。

【０００８】このうち、ブリルアンシフトは、被測定光
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。

【０００９】ところで、すでに説明したように、後方ブ
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。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
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。

【００１１】したがって、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、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。

【００１２】一方、後方ブリルアン散乱光をコヒーレン
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１３ＧＨｚ
と大きい。したがって、光受信器では、約１３ＧＨｚの
信号を受信しなければならない。しかしながら、約１３
ＧＨｚ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。

【００１３】そこで、上述した問題を解決する１つの手
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。

【００１４】しかしながら、狭線幅で発振周波数が安定
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。

【００１５】また、被測定光ファイバにおけるブリルア
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。

【００１６】本発明は、このような背景の下になされた
ものであり、後方ブリルアン散乱光の測定において、経
済的で高速かつ高性能な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。

【００１７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
スペクトル幅の狭い光源を使用し、該光源からの出射光
を光変調することにより、該出射光のスペクトルから分
離されたスペクトルを有する側帯波を発生させ、該変調
された光を被測定光ファイバに入射させ、前記側帯波が
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
に伝搬する後方ブリルアン散乱光をコヒーレント受信す
ることにより、前記後方ブリルアン散乱光のパワーを求
めることを特徴としている。請求項２記載の発明は、ス
ペクトル幅の狭い光源を使用し、該光源からの出射光を
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散乱光を
光変調し、該光変調により発生した後方ブリルアン散乱
光の側帯波をコヒーレント受信することにより、前記後
方ブリルアン散乱光のパワーを求めることを特徴として
いる。請求項３記載の発明は、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ブリルアン散
乱光を、前記連続発振光源の出射光の一部を、あるい
は、他の光源の出射光を、光変調した光の側帯波を局発
光としてコヒーレント受信することにより、前記後方ブ
リルアン散乱光のパワーを求めることを特徴としてい
る。請求項４記載の発明は、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、前記局発光と
分離された前記連続発振光源からの出射光を変調するた
めの、または、前記パルス光を変調するための、また
は、前記後方散乱光を変調するための、または、前記局
発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。

【００１８】本発明によれば、プローブ光を、または、
被測定光ファイバで後方に散乱された後方ブリルアン散
乱光を、または、局発光を光変調して、後方ブリルアン
錯乱光をコヒーレント検波し、後方ブリルアン散乱光と
局発光とのビート周波数を低周波とするので、経済的で
高速かつ高精度な後方ブリルアン散乱光の測定が可能と
なる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施例について説明する。「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、ＤＢＲ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、Ｋｒレーザ等）、Ｅｒ，Ｎ
ｄ，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。

【００２０】また、２は光変調器であり、光源１の出射
光を変調信号源３から出力される電気変調信号Ｓ_M（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、
１０_aはＦＥＴ増幅器、１０_bはフォトダイオードであ
る。

【００２１】この時、光パルス変調器４として音響光学
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ｆ_AOだけシフトする
ため、合波光の受信信号は、周波数ｆ_AO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。

【００２２】以上説明したように、コヒーレント受信に
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。

【００２３】さて、本発明の第１の実施例の最大の特徴
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Ｓ_TM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。

【００２４】光変調器２として、たとえば、ＬｉＮｂＯ
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。

【００２５】本発明の第１の実施例においては、以上説
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。

【００２６】さて、上述した光変調器２による光変調方
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）＝Ｅ_C｛１＋ｍｃｏｓ（２πｐｔ）｝×ｓｉｎ（２πｆ_Cｔ）・・・と表わすことができる。ここで、Ｅ_Cおよびｆ_C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）＝Ｅ_Cｓｉｎ（２πｆ_Cｔ）＋（ｍ／２）Ｅ_Cｓｉｎ｛２π（ｆ_C−ｐ）ｔ｝＋（ｍ／２）Ｅ_Cｓｉｎ｛２π（ｆ_C＋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。

【００２７】しかし、図１に示した第１の実施例の構成
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。

【００２８】したがって、フェージング雑音の低減が期
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。

【００２９】（２）位相変調今、光変調器２において、正弦波信号で光源１からの出
射光を位相変調すると、その変調された光の振幅は、ｅ（ｔ）＝Ｅ_Cｓｉｎ｛２πｆ_Cｔ＋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）＝Ｅ_C｛Ｊ₀（Δφ）ｓｉｎ（２πｆ_Cｔ）＋Ｊ₁（Δφ）ｃｏｓ〔２π（ｆ_C＋ｐ）ｔ〕＋Ｊ₁（Δφ）ｃｏｓ〔２π（ｆ_C−ｐ）ｔ〕＋Ｊ₂（Δφ）ｃｏｓ〔２π（ｆ_C＋２ｐ）ｔ〕＋Ｊ₂（Δφ）ｃｏｓ〔２π（ｆ_C−２ｐ）ｔ〕＋Ｊ₃（Δφ）ｃｏｓ〔２π（ｆ_C＋３ｐ）ｔ〕＋Ｊ₃（Δφ）ｃｏｓ〔２π（ｆ_C−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。Ｊ_n
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（ｊ_0.m；ｊ_0. ₁＝２．４
０５，ｊ_0.2＝５．５２０，ｊ_0.3＝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。

【００３０】「第２の実施例」次に、本発明の第２の実
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。

【００３１】以下、上述した第１の実施例の場合と同様
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ｆ_C）の両側に側帯波（周
波数ｆ_C±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。

【００３２】このパルス光が被測定光ファイバ５で後方
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。一
方、後方ブリルアン散乱光は、周波数がｆ_Bだけダウン
シフトするストークス光と、周波数がｆ_B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Δｆ_Bだけさらに広がっている。

【００３３】これらの後方散乱光を周波数ｆ_Cの局発光
（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。

【００３４】このうち、信号ｃおよびｄは、周波数がｆ
_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ｆ_Bに近い値に選ぶことによ
り、信号ｂは、周波数｜ｐ−ｆ_B｜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ｆ_LCおよび高域遮断周波
数ｆ_UC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≦ｆ_LC≦｜ｐ−ｆ_B｜−｛１／Ｗ＋（Δｆ_B／２）｝・・・｜ｐ−ｆ_B｜＋｛１／Ｗ＋（Δｆ_B／２）｝≦ｆ_UC・・・

【００３５】この信号ｂをそのまま、検波回路１４に入
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ｆ_L＝｜ｐ−ｆ_B｜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
ｆ_B／２）≦Ｂ≦ｆ_L＋｜ｐ−ｆ_B｜−｛１／Ｗ＋（Δｆ_B
／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）。

【００３６】なお、上述した説明からわかるように、被
測定光ファイバ５のブリルアンシフトｆ_B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ｆ_Lとを用いて、ｆ_B＝ｐ−ｆ_L（ｐ−ｆ_B＞０のとき）ｆ_B＝ｐ＋ｆ_L（ｐ−ｆ_B＜０のとき）で与えられる。

【００３７】さて、上述した説明からわかるように、図
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ｆ_AO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ｆ_AOだけシフトしたもので与え
られる。今、周波数ｆ_AO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。ｆ_AO＝｜ｐ−ｆ_B｜・・・この時、ベースバンド信号として受信される信号ｂ′
は、ｐ−ｆ_B＞０のとき、反ストークス光に、ｐ−ｆ_B＜
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。

【００３８】なお、上述した説明からわかるように、被
測定光ファイバ５のブリルアンシフトｆ_B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ｆ_AOを用いて、ｆ_B＝ｐ−ｆ_AO（ｐ−ｆ_B＞０のとき）ｆ_B＝ｐ＋ｆ_AO（ｐ−ｆ_B＜０のとき）で与えられる。

【００３９】（２）位相変調図３の構成において、光変調器２に位相変調器を使用し
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ｆ_Oの搬送波成分と、周波数
（ｆ_O±ｐ）の１次の側帯波以外に、周波数（ｆ_O±２
ｐ），（ｆ_O±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ｆ_Oの局発光
とのビート電気信号の周波数は、（ｐ〜ｆ_B）のとき、
（〜２ｆ_B），（〜３ｆ_B），・・・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。

【００４０】したがって、（ｐ〜ｆ_B）の周波数で位相
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、ｊ_0.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。

【００４１】また、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。

【００４２】さらに、位相変調は、強度変調に比べて、
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。

【００４３】「第３の実施例」次に、本発明の第３の実
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。

【００４４】「第４の実施例」次に、本発明の第４の実
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。

【００４５】ここで、本実施例における各光波と電気信
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。

【００４６】さらに、第２の実施例のときと同様に、光
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ｆ_AO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±ｆ_AO）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。

【００４７】「第５の実施例」次に、本発明の第５の実
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。

【００４８】図１１は上述した第１の実施例の構成（図
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。

【００４９】次に、図３に示した第２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
ｘ ₂′とｙ₃′とが接続状態となるように切り替える。

【００５０】図１２は、第１の実施例の構成（図１参
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。

【００５１】なお、図１１〜図１３において、光スイッ
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。

【００５２】以上説明した第１ないし第５の実施例にお
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。

【００５３】また、上述した第２ないし第４の実施例お
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。

【００５４】加えて、上述した第２ないし第４の実施例
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。

【００５５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
以下に示す効果がある。（イ）被測定光ファイバからの後方ブリルアン散乱光を
測定するに当たって、プローブ光を光変調した側帯波に
よる被測定光ファイバからの後方ブリルアン散乱光をコ
ヒーレント受信するので、光受信器における受信電気信
号の周波数を低くでき、高感度な測定が可能である。ま
た、プローブ光の周波数を電気的に迅速に変化できるた
め、高速な測定が可能となる。

【００５６】（ロ）被測定光ファイバからの後方ブリル
アン散乱光を測定するに当たって、被測定光ファイバか
らの後方ブリルアン散乱光を光変調した側帯波をコヒー
レント受信するので、光受信器における受信電気信号の
周波数を低くでき、高感度な測定が可能である。また、
後方散乱光の周波数を電気的に迅速に変化できるため、
高速な測定が可能となる。

【００５７】（ハ）被測定光ファイバからの後方ブリル
アン散乱光を測定するに当たって、局発光を光変調した
側帯波と、被測定光ファイバからの後方ブリルアン散乱
光とのビート信号を受信するので、光受信器における受
信電気信号の周波数を低くでき、高感度な測定が可能で
ある。また、局発光の周波数を電気的に迅速に変化でき
るため、高速な測定が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１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る。

【図２】第１種のベッセル関数の一例を示す図であ
る。

【図３】本発明の第２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る。

【図４】本発明の第２の実施例における各光波のスペ
クトルの一例を示す図である。

【図５】本発明の第２の実施例における電気信号のス
ペクトルの一例を示す図である。

【図６】本発明の第２の実施例において、光パルス変
調器４に音響光学光変調器を使用した場合に、光受信器
１０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。

【図７】本発明の第３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る。

【図８】本発明の第４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る。

【図９】本発明の第４の実施例における各光波のスペ
クトルの一例を示す図である。

【図１０】本発明の第４の実施例における電気信号の
スペクトルの一例を示す図である。

【図１１】本発明の第５の実施例による後方散乱光の
測定装置の第１の構成を示すブロック図である。

【図１２】本発明の第５の実施例による後方散乱光の
測定装置の第２の構成を示すブロック図である。

【図１３】本発明の第５の実施例による後方散乱光の
測定装置の第３の構成を示すブロック図である。

【図１４】スライド式光スイッチの動作と構成を説明
する図である。

【図１５】スライド式光スイッチの構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１光源２光変調器３変調信号源４光パルス変調器５被測定光ファイバ６タイミング制御器７，８，９光ファイバカプラ１０光受信器１０_a ＦＥＴ増幅器１０_b フォトダイオード１１ミキサ１２局発電気信号源１３電気フィルタ１４検波回路１５信号処理装置１６，１７光スイッチ１８，１９光ファイバ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者清水薫東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内 (56)参考文献特開昭61−201133（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−217135（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−123327（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01M 11/00 - 11/08

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】スペクトル幅の狭い光源を使用し、該光
源からの出射光を光変調することにより、該出射光のス
ペクトルから分離されたスペクトルを有する側帯波を発
生させ、該変調された光を被測定光ファイバに入射さ
せ、前記側帯波が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ブリルアン散乱光をコ
ヒーレント受信することにより、前記後方ブリルアン散
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光源を使用し、該光
源からの出射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
する後方散乱光を光変調し、該光変調により発生した後
方ブリルアン散乱光の側帯波をコヒーレント受信するこ
とにより、前記後方ブリルアン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３】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ブリルアン散乱光を、前記連
続発振光源の出射光の一部を、あるいは、他の光源の出
射光を、光変調した光の側帯波を局発光としてコヒーレ
ント受信することにより、前記後方ブリルアン散乱光の
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４】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、前記局発光と分離された前記連続発振光源からの出射光
を変調するための、または、前記パルス光を変調するための、または、前記後方散乱光を変調するための、または、前記局発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。