JP4769668B2 - 光リフレクトメトリ測定方法および装置 - Google Patents

Description

この発明は、光回路などの被測定回路における、反射率の伝播方向に対する分布を測定するリフレクトメトリ測定方法と、この方法を実施する装置に関する。

光回路などの伝送損失の測定や故障箇所の診断に用いられる光反射測定方法の一つとして、コヒーレント光周波数領域リフレクトメトリ測定方法（Ｃ−ＯＦＤＲ）が知られている（例えば非特許文献１を参照）。この方法は、周波数掃引コヒーレント光源からの出力光を２分岐し、測定対象からの反射光と一方の分岐光との干渉により生じる干渉ビート信号を解析することにより、測定対象における後方散乱光強度の光伝播方向に対する分布を測定するものである。

すなわちＣ−ＯＦＤＲは、光周波数を掃引されたコヒーレント光源からの出力光を２分岐し、そのうちの一方を測定光として被測定光回路に入射し、他方を局発光として後方散乱光（測定光が被測定光回路の伝搬距離に応じた各位置で反射されて発生する反射光）と合波させる。これにより生じる干渉ビート信号を検出し、そのスペクトラムを分析して、被測定光回路の伝搬距離に応じた各位置の反射率をスペクトラムの周波数成分の強度として測定するものである。
「Optical frequency domain reflectometry in single-mode fiber」, W.Eickhoff and R.Ulrich, Applied Physics Letters 39(9), pp.693-695.

しかしながら既存の技術においては、周波数掃引コヒーレント光源の出力光の光周波数を、良好な直線性で掃引することが困難である。この周波数掃引速度の非直線性により干渉ビート信号のスペクトル幅が広がることから、既知のＣ−ＯＦＤＲにおいては高い距離分解能による測定が難しいという課題がある。
この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、Ｃ−ＯＦＤＲによる測定を高い距離分解能で実施することの可能な光リフレクトメトリ測定方法および光リフレクトメトリ測定装置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一態様によれば、測定対象における反射率の伝播方向に対する分布をコヒーレント光周波数領域リフレクトメトリ測定方法（Ｃ−ＯＦＤＲ）により測定する光リフレクトメトリ測定装置において、光周波数を掃引されるコヒーレント光源と、このコヒーレント光源の出力光の特性をモニタするモニタ部と、前記出力光と前記測定対象からの後方散乱光との干渉ビート信号を検出する測定部と、前記光周波数掃引の非直線性を前記モニタした特性に基づき補正して前記干渉ビート信号に基づく測定結果を得る解析部とを具備することを特徴とする光リフレクトメトリ測定装置が提供される。
このような手段を講じることにより、コヒーレント光源の光周波数掃引の非直線性を補正した測定結果が得られる。従ってＣ−ＯＦＤＲによる測定を高い距離分解能で実施することが可能になる。

この発明によれば、Ｃ−ＯＦＤＲによる測定を高い距離分解能で実施することの可能な光リフレクトメトリ測定方法および光リフレクトメトリ測定装置を提供することができる。

以下、図面を参照して詳しい説明を行う。まず、この発明の実施の形態の説明の前に、既存の技術につき詳しく述べる。
図１は、Ｃ−ＯＦＤＲによる光リフレクトメトリ測定装置の基本構成の一例を示す図である。図１において、周波数掃引コヒーレント光源１からの出力光は光方向性結合器Ａにより分岐され、一方は参照光３として用いられ、他方は光被測定光回路４に入射される。被測定光回路４の内部で後方散乱された信号光５は光方向性結合器Ａにより取り出され、光方向性結合器Ｂにより参照光３と合波されたのち受信器６により検波される。このとき、２光波の干渉により生じる干渉ビート信号をサンプリング装置７によりサンプリングし、測定したデータを周波数解析装置８にて解析することにより、被測定光回路４内の各位置からの後方散乱光強度分布が測定される。

ここで、周波数掃引コヒーレント光源１からの出力光２の周波数を時間Ｔ、最大光周波数掃引幅ΔＦで時間に対して直線的に掃引するとき、被測定光回路４内のある点Ｘで後方散乱された信号光により生じるビート信号の周波数Ｆｂは、参照光と点Ｘで後方散乱された信号光との光路長差ΔＬ、光周波数掃引速度γ、光の屈折率ｎ、および光速Ｃを用いて次式（１）により与えられる。

ただし、γ＝ΔＦ／Ｔである。また、距離分解能Δｚは受信ビート信号のスペクトル幅ΔＡを用いて式（２）により与えられる。

ただし以上の条件は理想的な場合であり、現状のＣ−ＯＦＤＲにおいては光周波数を良好な直線性で掃引することが困難である。

図２は、周波数掃引コヒーレント光源１の光周波数の非直線性を示す図である。一定値Ｆ［Ｈｚ］を基準変調周波数として、光周波数は時間ＴのときにＦ＋γＴ［Ｈｚ］なる値に掃引される。ここで、非直線性のある周波数掃引速度はγで表される。この周波数掃引速度の非直線性により干渉ビート信号のスペクトル幅は広がり、距離分解能の精度が低下する。

図３は、この発明に係わる光リフレクトメトリ測定装置の実施の形態を示す機能ブロック図である。この光リフレクトメトリ測定装置は、被測定回路における反射率の伝播方向に対する分布をＣ−ＯＦＤＲ測定する。図３において、光周波数掃引されたコヒーレント光源１からの出力光９は光方向性結合器Ｃにより分岐され、一方は測定光２として測定部１１に入射し、他方はモニタリング光１０としてモニタリング部１２に入射する。測定部１１による測定の結果とモニタリング部１２によるモニタの結果とを解析部１３に入力し、演算処理により被測定回路（測定手段１１内）における後方散乱光強度分布を得る。

測定部１１はコヒーレント光源１の出力光と被測定回路からの後方散乱光との干渉ビート信号を検出する。モニタリング部１２は例えば自己遅延ホモダイン検波により出力光の特性をモニタする。そのモニタ結果に基づいて解析部１３は、コヒーレント光源１の光周波数掃引の非直線性を補正して干渉ビート信号に基づく測定結果を得る。

図４は、図３の光リフレクトメトリ測定装置をより詳細に示す機能ブロック図である。モニタリング部１２に入射されたモニタリング光は方向性結合器Ｄにより２分岐され、一方の光のみが遅延部１４により遅延されたのち互いに方向性結合器Ｅで合波される。合波された光は受信器１５により検波され、モニタリングビート信号が生成されてサンプリング装置１６に入力される。サンプリング装置１６は、解析部１３に備わるクロック１７のクロックに同期するタイミングでモニタリングビート信号の波形をサンプリングし、サンプリングデータを解析部１３の周波数解析装置８に入力する。

測定部１１に入射された測定光１１は図１と同様の処理を施され、干渉ビート信号がサンプリング装置７に入力される。サンプリング装置７はクロック１７のクロックに同期するタイミングで、すなわちサンプリング装置１６と互いに同期する間隔で干渉ビート信号の波形をサンプリングする。これにより得られたサンプリングデータは周波数解析装置８に入力される。

次に数式を用いて定量的に説明する。コヒーレント光源１の出力光の光周波数を、一定値Ｆ［Ｈｚ］を基準変調周波数として時間ＴのときにＦ＋γＴ［Ｈｚ］に掃引されるとする。周波数掃引速度の非直線性はγをパラメータとして表される。図４の遅延部１４を長さ２Ｌの光ファイバとすると、方向性結合器Ｅにて合波された両光波の周波数差は２ｎＬγ／ｃとなる。よって受信器１５により検波されるモニタリングビート信号は次式（３）で与えられる。

このモニタリングビート信号の最大周波数Ｗは、Ｗ＝２ｎＬγｍａｘ／ｃとなる。ただしγｍａｘは、コヒーレント光源１の最大周波数掃引速度である。

標本化定理によれば、Ｒ（ｔ）を時間ｔの関数であるとし、これが０〜Ｗの範囲の周波数成分を持ち、Ｗ以上の周波数成分を含まないとすると、関数全体が一つに決まる。すなわちＲ（ｔ）は次式（４）で与えられる。

ただし、Ｒｎは１／（２Ｗ）秒間隔でサンプリングしたデータである。

図５は、受信器１５からの出力Ｒ（ｔ）を１／（２Ｗ）秒間隔でサンプリングしたデータＲｎと、そのゼロクロス点ＺＮとを示す図である。図５（ａ）に示されるようには、
離散的なデータＲｎに式（４）を用いて連続関数Ｒ（ｔ）を決める。図５（ｂ）に示すＲ（ｔ）のゼロクロス点ＺＮは次式（５）で与えられる。

ただしＮは整数である。

次に、図４においてコヒーレント光源１から反射点までの距離をｌ１、ｌ２、…、ｌｍ（ｌ１、ｌ２、…、ｌｍ≦Ｌ）とし、各点での反射率をｒ１、ｒ２、…、ｒｍとする。ここで被測定光回路４の長さはＬより短くなくてはならない。そうすると受信器６で検波される信号は次式（６）で与えられる。

すなわち、受信器１５からのモニタリングビート信号と同じように最大周波数ＷはＷ＝２ｎＬγｍａx／Ｃとなる。

図６は、受信器６からの出力（干渉ビート信号）Ｘ（ｔ）を１／（２Ｗ）秒間隔でサンプリングしたデータＸｎと、ｔ＝ＺＮにおけるＸ（ｔ）の値とを示す図である。干渉ビート信号Ｘ（ｔ）はＷ以上の周波数成分を含まないので、連続関数Ｘ（ｔ）は図６（ａ）のＸｎを用いて次式（７）で与えられる。

図６（ｂ）はｔ＝ＺＮ（ゼロクロス点）におけるＸ（ｔ）の値を示す図である。ｔ＝ＺＮでのＸ（ｔ）は、式（６）のｔを式（５）のＺＮで置き換えて次式（８）となる。

式（８）から明らかなようにＳｉｎの引数からγが消え、この式は正弦波を等間隔にサンプリングしたデータと同じ格好になる。従って、距離ｌｍからのビート信号が周波数ｌｍ／Ｌのスペクトル成分に対応することになり、このことを用いてコヒーレント光源１のレーザ光周波数掃引の非直線性を補正することができる。

式（８）の離散点（数列）を用いて高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を行うことで、伝搬距離ｌｍとこの伝搬距離に応じた各位置の反射率ｒｍを簡単に算出できる。上述のように式（８）の離散点は正弦波を等間隔にサンプリングしたデータと同じであるので、ＦＦＴのスペクトルの広がりを避けることができ、これにより掃引非直線性の影響なく高い距離分解能を実現できる。

図７は、図４の光リフレクトメトリ測定装置における処理手順を示すフローチャートである。ステップＳ２０でコヒーレント光源１の光周波数は掃引される。モニタリング部１２は、受信器１５から出力されるモニタリングビート信号を１／（２Ｗ）秒間隔でサンプリングし、サンプリングデータＲｎを内部メモリ（図示せず）などに記録する（ステップＳ２３）。周波数解析装置８はこのサンプリングデータＲｎに式（４）を用いることにより連続関数Ｒ（ｔ）を求め（ステップＳ２５）、その値に０を代入してＲ（ｔ）のゼロクロス点ｔ＝ＺＮを求める（ステップＳ２７）。

一方、測定部１１は、受信器６から出力される干渉ビート信号を１／（２Ｗ）秒間隔でサンプリングし、サンプリングデータＸｎを内部メモリ（図示せず）などに記録する（ステップＳ２４）。周波数解析装置８はこのサンプリングデータＸｎに式（７）を用いることにより連続関数Ｘ（ｔ）を求める（ステップＳ２５）。

さらに周波数解析装置８は、モニタリング部１２から受け取ったゼロクロス点のｔの値を連続関数Ｘ（ｔ）に代入し、Ｘ（ＺＮ）を数列として求める（ステップＳ２８）。そして周波数解析装置８は、Ｘ（ＺＮ）に対して高速フーリエ変換（ＦＦＴ）処理を行って、伝播距離に応じた各位置（反射点）の反射率ｒｍを算出する（ステップＳ２９）。

以上説明したようにこの実施形態では、コヒーレント光源１の周波数掃引の非直線性をモニタするモニタリング部１２を設け、そのモニタの結果に基づいて測定部１１における測定結果を補正するようにしている。すなわち、モニタリング部１２において自己遅延ホモダイン検波により光源出力光のモニタリングビート信号を生じさせ、サンプリング部１６によりその波形をサンプリングする。その波形を示す連続関数Ｒ（ｔ）を解析し、ゼロクロス点を求める。また測定部１１における干渉ビート信号をサンプリングして得た連続関数にＲ（ｔ）のゼロクロス点を代入し、得られた数列にＦＦＴ処理を施して測定結果を得るようにしている。

このようにすることで、コヒーレント光源１の光周波数掃引に非直線性がある場合でもＦＦＴのスペクトルの広がりを防ぐことができる。従って光周波数掃引の非直線性に制限されることなく、Ｃ−ＯＦＤＲによる測定を高い距離分解能で実施することの可能な光リフレクトメトリ測定方法および光リフレクトメトリ測定装置を提供することが可能となる。

なお、この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要素を削除してもよい。

Ｃ−ＯＦＤＲによる光リフレクトメトリ測定装置の基本構成の一例を示す図。 周波数掃引コヒーレント光源１の光周波数の非直線性を示す図。 この発明に係わる光リフレクトメトリ測定装置の実施の形態を示す機能ブロック図。 図３の光リフレクトメトリ測定装置をより詳細に示す機能ブロック図。 受信器１５からの出力Ｒ（ｔ）を１／（２Ｗ）秒間隔でサンプリングしたデータＲｎと、そのゼロクロス点ＺＮとを示す図。 受信器６からの出力Ｘ（ｔ）を１／（２Ｗ）秒間隔でサンプリングしたデータＸｎと、ｔ＝ＺＮにおけるＸ（ｔ）の値とを示す図。 図４の光リフレクトメトリ測定装置における処理手順を示すフローチャート。

符号の説明

１…周波数掃引コヒーレント光源、２…測定光、３…参照光、４…被測定光回路、５…信号光、６…受信器、７…サンプリング装置、８…周波数解析装置、９…光源からの出力光、１０…モニタリング光、１１…測定部、１２…モニタリング部、１３…解析部、１４…遅延部、１５…受信器、１６…サンプリング装置、１７…クロック、Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ…光方向性結合器

Claims (2)

1. 光周波数を掃引されるコヒーレント光源からの出力光を測定対象に入射してこの測定対象における反射率の伝播方向に対する分布を測定するコヒーレント光周波数領域リフレクトメトリ測定方法（Ｃ−ＯＦＤＲ）である光リフレクトメトリ測定方法において、
   前記出力光の特性をモニタする第１工程と、
   前記出力光と前記測定対象からの後方散乱光との干渉ビート信号を検出する第２工程と、
   前記干渉ビート信号に基づく測定結果を前記モニタした特性に基づき補正して、当該測定結果から前記コヒーレント光源の光周波数掃引の非直線性の影響を除去する第３工程とを具備し、
   前記第１工程では、
   前記出力光を分岐して得たモニタリング光を自己遅延ホモダイン検波してモニタリングビート信号を生成し、このモニタリングビート信号により前記出力光の特性をモニタし、
   前記第３工程では、
   前記モニタリングビート信号の波形と前記干渉ビート信号の波形とを互いに同期する間隔でサンプリングし、
   前記モニタリングビート信号の波形のサンプリングデータからこのモニタリングビート信号の波形のゼロクロス点を求め、
   前記干渉ビート信号の波形のサンプリングデータからこの干渉ビート信号の前記ゼロクロス点における値を数列として求め、
   前記数列に対するフーリエ変換処理により前記補正された測定結果を得ることを特徴とする光リフレクトメトリ測定方法。
2. 測定対象における反射率の伝播方向に対する分布をコヒーレント光周波数領域リフレクトメトリ測定方法（Ｃ−ＯＦＤＲ）により測定する光リフレクトメトリ測定装置において、
   光周波数を掃引されるコヒーレント光源と、
   このコヒーレント光源の出力光の特性をモニタするモニタ部と、
   前記出力光と前記測定対象からの後方散乱光との干渉ビート信号を検出する測定部と、
   前記干渉ビート信号に基づく測定結果を前記モニタした特性に基づき補正して、当該測定結果から前記コヒーレント光源の光周波数掃引の非直線性の影響を除去する解析部と、
   前記出力光を２分岐して一方をモニタリング光として前記モニタ部に入射する分岐手段とを具備し、
   前記モニタ部は、
   前記モニタリング光を２分岐する分配部と、
   この分配手段により分岐された一方の光を遅延する遅延部と、
   前記分配手段により分岐された他方の光と前記遅延手段により遅延された光とを合波してモニタリングビート信号を生成する方向性結合器と、
   前記モニタリングビート信号の波形をサンプリングしたサンプリングデータを前記解析部に入力するサンプリング手段とを備え、
   前記測定部は、
   前記干渉ビート信号の波形を前記サンプリング手段と互いに同期する間隔でサンプリングするサンプル手段を備え、
   前記解析部は、
   前記モニタリングビート信号の波形のサンプリングデータからこのモニタリングビート信号の波形のゼロクロス点を求め、
   前記干渉ビート信号の波形のサンプリングデータからこの干渉ビート信号の前記ゼロクロス点における値を数列として求め、
   前記数列に対するフーリエ変換処理により前記補正された測定結果を得ることを特徴とする光リフレクトメトリ測定装置。

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