JP5043714B2 - 光ファイバ特性測定装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバそのものをセンサとして用い、光ファイバの長手方向における温度分布、歪み分布、その他の特性を測定する光ファイバ特性測定装置及び方法に関する。

光ファイバ特性測定装置は、周知の通り、連続光又はパルス光を光ファイバに入射させ、光ファイバ内において生ずる散乱光又は反射光を受光することにより、光ファイバそのものをセンサとして用いる測定装置であり、現在までに種々の方式のものが案出されている。尚、光ファイバ特性測定装置が光ファイバの特性を測定するために受光する散乱光としては、レイリー散乱光、ブリルアン散乱光、若しくはラマン散乱光等があり、反射光としてはフレネル反射光等がある。

以下の特許文献１には、周波数変調した連続光（ポンプ光及びプローブ光）を光ファイバの両端からそれぞれ入射させてポンプ光とプローブ光との周期的な相関ピークを光ファイバに沿って形成し、相関ピークの位置のみで誘導ブリルアン散乱現象によりプローブ光が増幅される性質を利用して光ファイバの特性を測定する光ファイバ特性測定装置が開示されている。尚、この光ファイバ特性測定装置は、光ファイバ内における相関ピークの位置を可変させつつ各位置で増幅されたプローブ光を受光することで、光ファイバの長手方向における特性が測定される。

また、以下の特許文献２には、周波数変調した連続光（プローブ光）及びパルス光（ポンプ光）を光ファイバの一端及び他端からそれぞれ入射させて光ファイバ内を伝播するポンプ光の位置に応じて相関ピークを順次発生させ、光ファイバから射出される光のうちの測定点近傍からの光（誘導ブリルアン散乱光）のみを得ることにより、その測定点での光ファイバの特性を測定する光ファイバ特性測定装置が開示されている。尚、この光ファイバ特性測定装置は、プローブ光及びポンプ光の変調周波数と光ファイバから射出される光の受光タイミングとを調整して測定点を移動させることで、光ファイバの長手方向における任意の位置の特性を測定することができる。

また、この特許文献２に開示された光ファイバ特性測定装置では、ポンプ光とプローブ光との光周波数差を掃引しながら、相関ピーク位置で発生する誘導ブリルアン散乱光の光パワーを測定し、そのピーク周波数を検出することで、その位置での歪みの大きさや温度を測定することができる。
特許第３６６７１３２号公報 特許第３６０７９３０号公報

ところで、上述した特許文献１，２に開示された光ファイバ特性測定装置においては、何れも光ファイバ内で生ずる誘導ブリルアン散乱光を利用して光ファイバの長手方向における特性を測定しているが、誘導ブリルアン散乱光は極めて微弱であってノイズが重畳されるため、受光信号をそのまま用いたのでは高精度な測定を行うことは困難である。このような不要なノイズは、例えばロックインアンプ等の同期検波器を用いれば除去することが可能である。

しかしながら、同期検波器を用いたとしても光ファイバ特性測定装置の空間分解能を高くするとＳ／Ｎ比（信号対雑音比）が悪化するという問題がある。図７は、従来の光ファイバ特性測定装置で得られる受光信号の一例を示す図である。空間分解能をさほど高く設定しない場合には、図７（ａ）に示す通り、ノイズのレベルに比べて信号レベルが十分大きくなるため誘導ブリルアン散乱光のピーク周波数ＦＰ１０１を容易に検出することができる。これに対し、空間分解能を高めることは、上述した特許文献２に開示された光ファイバ特性測定装置では、測定に用いる測定点近傍からの光を、より測定点に近い部分の光に限定することを意味する。このため、空間分解能を高めると、図７（ｂ）に示す通り、信号レベルが低下してノイズのレベル程度に近くなり、信号に重畳されたノイズによってＳ／Ｎ比が悪化して誘導ブリルアン散乱光のピーク周波数ＦＰ１０２の検出も困難になる。

また、同期検波器を用いてノイズ除去を行おうとすると、不要な信号ゆらぎ成分が発生して測定精度が悪化するという問題もある。図８は、従来の同期検波器の基本構成及び同期検波器から出力される信号の例を示す図である。図８（ａ）に示す通り、同期検波器１００は、受光信号等の被測定信号（周波数をｆとする）と所定の同期信号（周波数をｆ_０とする）とを乗算する乗算器１０１と、乗算器１０１によって乗算された信号の高周波成分を除去するローパスフィルタ１０２とを備えており、乗算器１０１で乗算された信号のうちのローパスフィルタ１０２を通過した周波数成分を有する信号を出力する。

ここで、図８（ｂ）に示す通り、同期検波器１００は、同期信号の周波数ｆ_０と同一周波数で同期信号に同期した被測定信号が入力された場合（ｆ＝ｆ_０の場合）には直流信号を出力し、同期信号の周波数ｆ_０とは全く異なる周波数の被測定信号が入力された場合（ｆ≠ｆ_０の場合）には信号を出力しない。また、同期信号の周波数ｆ_０に近い周波数の被測定信号が入力された場合（ｆ≒ｆ_０の場合）にはその周波数の差分を周波数とする交流信号を出力する。上述した特許文献１，２に開示された光ファイバ特性測定装置では、ポンプ光及びプローブ光の双方を周波数変調しているため、プローブ光等の変調周波数が同期検波器１００で用いられる同期信号の周波数ｆ_０に近い場合には、その周波数の差分が上述した信号ゆらぎ成分になって現れて測定精度を悪化させてしまう。

更に、同期検波器１００は一般的に上記の同期信号としてデューティ比が５０％である矩形信号を用いており、この同期信号には周波数ｆ_０の奇数倍の高調波成分が含まれる。このため、仮に同期検波器１００に入力される被測定信号がこの高調波成分と同じ周波数成分、又は近い周波数成分を有している場合には、図８（ｂ）を用いて説明した通り、その成分が直流成分又は交流成分に変換されて誤差又は信号ゆらぎ成分が発生し、測定精度が悪化するという問題もある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、同期検波器を用いる場合であってもノイズや信号ゆらぎ成分が抑えられて高い測定精度を実現することができる光ファイバ特性測定装置及び方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光ファイバ特性測定装置は、所定の変調周波数で変調したレーザ光を射出する光源（１１）と、当該光源からのレーザ光を連続光及びパルス光として光ファイバ（１６）の一端及び他端からそれぞれ入射させる入射手段（１２〜１５、１７、１８）と、前記光ファイバから射出される光を所定のタイミングで通過させるタイミング調整器（１９）と、当該タイミング調整器を通過した光を検出する光検出器（２０）とを備え、当該光検出器の検出結果を用いて前記光ファイバの特性を測定する光ファイバ特性測定装置（１）において、所定の周波数を有する同期信号を用いて前記光検出器の検出結果を同期検波する同期検波器（２１）と、前記光源における変調周波数が前記同期信号の周波数の整数倍である場合に、前記同期信号の周波数を変更する周波数設定部（２４ａ）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、光源における変調周波数が同期検波器で用いられる同期信号の周波数の整数倍である場合に、同期信号の周波数が周波数設定部によって変更され、この変更された周波数を有する同期信号を用いて光検出器の検出結果が同期検波される。
また、本発明の光ファイバ特性測定装置は、前記同期検波器の検出信号に対してフーリエ変換を施して所定の周波数成分を除去し、当該所定の周波数成分が除去された検出信号に対して逆フーリエ変換を施すことにより前記検出信号からノイズを除去するノイズ除去部（２４ｂ）を備えることを特徴としている。
また、本発明の光ファイバ特性測定装置は、前記ノイズ除去部によってノイズが除去された検出信号を所定の近似式を用いて近似する波形近似部（２４ｃ）を備えることを特徴としている。
また、本発明の光ファイバ特性測定装置は、前記波形近似部によって近似された検出信号からピーク周波数を検出して前記光ファイバの特性を求めるピーク周波数算出部（２４ｄ）を備えることを特徴としている。
更に、本発明の光ファイバ特性測定装置は、前記光源における変調周波数が、前記光ファイバ内における測定点の位置に応じて異なる値に設定され、前記周波数設定部は、前記光源で設定される変調周波数の各々が、前記同期信号の周波数の整数倍とならないように前記同期信号の周波数を変更することを特徴としている。
本発明の光ファイバ特性測定方法は、所定の変調周波数で変調したレーザ光を連続光及びパルス光として光ファイバ（１６）の一端及び他端からそれぞれ入射させ、前記光ファイバから射出される光を所定のタイミングで通過させて検出し、当該検出結果を用いて前記光ファイバの特性を測定する光ファイバ特性測定方法において、所定の同期信号を用いて前記光検出器の検出結果を同期検波するステップ（Ｓ３、Ｓ２４）と、前記光源における変調周波数が前記同期信号の周波数の整数倍である場合に、前記同期信号の周波数を変更するステップ（Ｓ２、Ｓ１７〜Ｓ２３）とを含むことを特徴としている。

本発明によれば、光源における変調周波数が同期検波器で用いられる同期信号の周波数の整数倍である場合に、同期信号の周波数を変更し、この変更された周波数を有する同期信号を用いて光検出器の検出結果を同期検波しているため、同期検波器を用いる場合であってもノイズや信号ゆらぎ成分が抑えられて高い測定精度を実現することができるという効果がある。
また、本発明によれば、検出信号に対してフーリエ変換及び逆フーリエ変換を施してノイズを除去し、最小二乗近似により近似関数を求めた上でピーク周波数を求めているため、ピーク周波数の検出精度を更に向上させることができるという効果がある。

以下、図面を参照して本発明の一実施形態による光ファイバ特性測定装置及び方法について詳細に説明する。図１は、本発明の一実施形態による光ファイバ特性測定装置の要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態の光ファイバ特性測定装置１は、光源１１、光分岐器１２、光変調器１３、光遅延器１４、光アイソレータ１５、光ファイバ１６、パルス変調器１７、方向性結合器１８、タイミング調整器１９、光検出器２０、同期検波器２１、信号発生器２２、Ａ／Ｄ変換器２３、及びコンピュータ２４を備える。

光源１１は、半導体レーザ１１ａ及び信号発生器１１ｂを備えており、所定の変調周波数ｆ_ｍで変調したレーザ光を射出する。ここで、半導体レーザ１１ａは、例えば、小型であり、且つ、スペクトル幅の狭いレーザ光を射出するＭＱＷ・ＤＦＢ・ＬＤ（Multi-Quantum Well・Distributed Feed-Back・Laser Diode）等を用いることができる。信号発生器１１ｂは、コンピュータ２４の制御の下で、半導体レーザ１１ａから射出されるレーザ光を変調周波数ｆ_ｍで周波数変調する正弦波信号（変調信号）を半導体レーザ１１ａに出力する。光分岐器１２は、光源１１から射出されたレーザ光を、例えば１対１の強度比で２分岐する。

光変調器１３は、マイクロ波発生器１３ａとＳＳＢ（Single Side Band：単側波帯）変調器１３ｂとを備えており、光分岐器１２で分岐された一方のレーザ光を変調して（光周波数シフトさせて）、レーザ光の中心周波数に対する側波帯（単側波帯）を発生させる。尚、本実施形態では、低周波側の単側帯波が光変調器１３から出力されるとする。マイクロ波発生器１３ａは、コンピュータ２４の制御の下で、光分岐器１２で分岐された一方のレーザ光に与える周波数シフト分の周波数を有するマイクロ波を出力する。ＳＳＢ変調器１３ｂは、入力光の中心周波数に対してマイクロ波発生器１３ａから出力されるマイクロ波の周波数に等しい周波数差を有する単側帯波を発生させる。尚、マイクロ波発生器１３ａから出力されるマイクロ波の周波数は可変である。

光遅延器１４は、光ファイバ１６内に形成される相関ピークの位置を調整するために、光変調器１３から射出される単側波帯を所定時間だけ遅延させる。具体的には、０次の相関ピークが現れる位置（後述するプローブ光Ｌ１とポンプ光Ｌ２との光路差が零となる位置）が光ファイバ１６外の所定位置に配置されるように光変調器１３から射出される単側波帯を遅延させる。尚、光遅延器１４は、例えば所定長の光ファイバ（図示省略）を通過させることで光変調器１３から射出される単側波帯を遅延させる。光アイソレータ１５は、光遅延器１４から光ファイバ１６に向かう光を通過させ、光ファイバ１６から光遅延器１４に向かう光を遮断する。尚、光遅延器１４から光アイソレータ１５を通過して光ファイバ１６に向かう光は、プローブ光Ｌ１として光ファイバ１６の一端から光ファイバ１６内に入射する。

パルス変調器１７は、信号発生器１７ａ及び光強度変調器１７ｂを備えており、光分岐器１２で分岐された他方のレーザ光（連続光）をパルス化する。信号発生器１７ａは、コンピュータ２４の制御の下で、レーザ光をパルス化するタイミングを規定するタイミング信号を出力する。光強度変調器１７ｂは、例えばＥＯ（Electro-Optic：電気光学）スイッチであり、信号発生器１７ｂから出力されるタイミング信号で規定されるタイミングで光分岐器１２からのレーザ光をパルス化する。

方向性結合器１８は、パルス変調器１７から出力されるパルス化されたレーザ光をポンプ光Ｌ２として光ファイバ１６の他端から光ファイバ１６内に入射させるとともに、光ファイバ１６を伝播して光ファイバ１６の他端から射出されたプローブ光Ｌ１を含む光をタイミング調整器１９に向けて射出する。尚、プローブ光Ｌ１の光周波数帯域の光の強度は、光ファイバ１６内で生ずる誘導ブリルアン散乱現象による影響を受けたものとなる。

タイミング調整器１９は、信号発生器２２から出力されるタイミング信号に基づいて開状態又は閉状態になり、光ファイバ１６内に設定した測定点（特性を測定しようとする点）及びその近傍で発生した誘導ブリルアン散乱光のみを通過させるものである。具体的には、信号発生器２２からのタイミング信号に基づいて、測定点及びその近傍で発生した誘導ブリルアン散乱光が光分岐器１８を介してタイミング調整器１９に到達するタイミングで開状態になり、その誘導ブリルアン散乱光がタイミング調整器１９を通過したタイミングで閉状態になる。

光検出器２０は、例えばアバランシェ・フォト・ダイオード等の高感度の受光素子を備えており、タイミング調整器１９を通過した光を検出して検出信号（受光信号）を出力する。尚、図１においては、図示を簡略化しているが、光検出器２０は、上記の受光素子に加えて光波長フィルタ（図示省略）を備えており、タイミング調整器１９を通過した光からプローブ光Ｌ１に関する低周波側の側波帯のみを選択してそのパワーを検出する。尚、本実施形態ではＳＳＢ変調器１３ｂを用いているため、上記の光波長フィルタを省略することもできる。但し、光波長フィルタを設けることでコスト高にはなるが不要な周波数成分を抑圧できるため、測定精度をより向上させることができる。

同期検波器２１は、信号発生器２２から出力される所定の周波数ｆ_０を有する同期信号を用いて光検出器２０から出力される検出信号を同期検波する。この同期検波器２１として、例えば図８（ａ）に示した基本構成のロックインアンプを用いることができる。信号発生器２２は、コンピュータ２４の制御の下で、タイミング調整器１９に出力するタイミング信号を生成するとともに、同期検波器２１で用いられる同期信号を生成する。尚、信号発生器２２からタイミング調整器１９に出力されるタイミング信号の周波数、信号発生器２２から同期検波器２１に出力される同期信号の周波数ｆ_０、及びパルス変調器１７の信号発生器１７ａから光強度変調域１７ｂに出力されるタイミング信号の周波数は同じである。Ａ／Ｄ変換器２３は、同期検波器２１で同期検波された信号をディジタル信号に変換して検出データとしてコンピュータ２４に出力する。

コンピュータ２４は、周波数設定部２４ａ、ノイズ除去部２４ｂ、波形近似部２４ｃ、及びピーク周波数算出部２４ｄを備えており、コンピュータ２４は、光ファイバ特性測定装置１の動作を統括して制御するとともに、Ａ／Ｄ変換器２３から出力されるディジタル信号（検出データ）に対して光ファイバ１６の特性を求めるための各種処理を行う。周波数設定部２４ａは、半導体レーザ１１ａから射出されるレーザ光の変調周波数ｆ_ｍ（信号発生器１１ｂから出力される正弦波信号の周波数）の設定を行うとともに、同期検波器２１で用いられる同期信号（信号発生器２２から出力される同期信号）の周波数ｆ_０の設定及び変更等を行う。ここで、周波数設定部２４ａは、半導体レーザ１１ａから射出されるレーザ光の変調周波数ｆ_ｍが同期信号の周波数ｆ_０の整数倍である場合に、同期信号の周波数ｆ_０を変更する。

ノイズ除去部２４ｂは、Ａ／Ｄ変換器２３から出力される検出データに対してフーリエ変換を施して所定の周波数成分（ノイズの周波数成分）を除去し、この周波数成分が除去された検出データに対して逆フーリエ変換を施す。かかる処理により、ノイズ除去部２４ｂは、Ａ／Ｄ変換器２３から出力されるた検出データからノイズを除去する。

波形近似部２４ｃは、ノイズ除去部２４ｂによってノイズが除去された検出データを所定の近似式を用いて近似する。例えば、波形近似部２４ｃは、ノイズが除去された検出データを最小二乗法近似により近似する。尚、本実施形態では、最小二乗法により近似する場合を例に挙げるが、ノイズが除去された検出データの近似は、任意の近似法を用いることができる。ピーク周波数算出部２４ｄは、波形近似部２４ｃによって近似された検出データからピーク周波数を検出して設定された測定点における光ファイバの特性（例えば、歪みの大きさや温度）を求める。

尚、上記のコンピュータ２４に設けられた周波数設定部２４ａ、ノイズ除去部２４ｂ、波形近似部２４ｃ、及びピーク周波数算出部２４ｄは、ハードウェアで実現してもよく、ソフトウェアにより実現しても良い。ソフトウェアにより実現する場合には、上記の各部の機能を実現するプログラムをコンピュータに実行させることによって実現される。

次に、以上の構成を有する光ファイバ特性測定装置１の動作、即ち本発明の一実施形態による光ファイバ特性測定方法について説明する。図２は、本発明の一実施形態による光ファイバ特性測定方法を示すフローチャートである。図２に示す通り、本実施形態の光ファイバ特性測定方法は、測定条件を設定する第１ステップＳ１、同期信号の周波数ｆ_０を決定する第２ステップＳ２、光ファイバ１６に対する測定を実行する第３ステップＳ３、測定結果のノイズ除去を行う第４ステップＳ４、測定結果の波形近似を行う第５ステップＳ５、及び光ファイバ１６内で発生した誘導ブリルアン散乱光のピーク周波数を検出する第６ステップＳ６に大別される。

処理が開始されると、測定条件を設定する第１ステップＳ１が行われる。この第１ステップＳ１では、まず第２ステップＳ２において同期信号の周波数ｆ_０を決定する際に用いられる変数Ａ，Ｉの値を設定する処理がコンピュータ２４の周波数設定部２４ａで行われる（ステップＳ１１）。変数Ａは、周波数設定部２４ａが同期信号ｆ_０を決定する際に処理が無限ループになるのを防止するために用いられる変数であり、ここではユーザによって値が「５」に設定されたとする。また、変数Ｉは、レーザ光の変調周波数ｆ_ｍが同期信号の周波数ｆ_０の整数倍である場合に、周波数設定部２４ａが算出する同期信号の周波数ｆ_０の範囲を規定するための変数であり、ここではユーザによって値が「３」に設定されたとする。

次に、光ファイバ１６の長さＬを設定する処理が周波数設定部２４ａで行われる（ステップＳ１２）。ここでは、ユーザによって光ファイバ１６の長さＬが５００［ｍ］に設定されたとする。設定が完了すると、ポンプ光Ｌ２の繰り返し周波数及び同期信号の周波数ｆ_０を算出する処理が周波数設定部２４ａで行われる（ステップＳ１３）。ここで、光ファイバ１６内の異なる位置に複数の相関ピークが存在する場合には、光ファイバ１６内に複数の光パルス（ポンプ光Ｌ２）が存在すると正常な測定を行うことができない。このため、光ファイバ１６内に一時に１つのパルス（ポンプ光Ｌ２）のみを存在させるためのポンプ光Ｌ２の繰り返し周波数を求める処理が行われる。

尚、前述した通り、パルス変調器１７の信号発生器１７ａから光強度変調域１７ｂに出力されるタイミング信号の周波数（ポンプ光Ｌ２の繰り返し周波数）と、信号発生器２２から同期検波器２１に出力される同期信号の周波数ｆ_０とは同じである。このため、ポンプ光Ｌ２の繰り返し周波数が算出されることにより、同期信号の周波数ｆ_０も算出されることになる。具体的に、真空中の光速をｃ、光ファイバ１６の屈折率をｎとすると、ポンプ光Ｌ２の繰り返し周波数及び同期信号の周波数ｆ_０は以下の（１）式で算出される。
ｆ_０＝（ｃ／ｎ）／（２×Ｌ） …（１）
ここで、例えば光ファイバの屈折率ｎを１．５、真空中の光速ｃを３×１０^８［ｍ／ｓｅｃ］とすると、上記（１）式から長さＬが５００［ｍ］である光ファイバ１６についての同期信号の周波数ｆ_０は２００［ｋＨｚ］になる。

次に、光ファイバ１６内の測定点Ｄ１を設定する処理が周波数設定部２４ａで行われる（ステップＳ１４）。ここでは、ユーザによって光ファイバ１６の測定点Ｄ１が、光ファイバ１６の一端（プローブ光Ｌ１が入射する端部）から１００［ｍ］の位置に設定されたとする。設定が完了すると、光源１１におけるレーザ光の変調周波数ｆ_ｍを算出する処理が周波数設定部２４ａで行われる（ステップＳ１５）。具体的に、光ファイバ１６の一端から光ファイバ１６外における０次相関ピークまでの距離をｄとし、光ファイバ１６内に形成される相関ピークの次数をαとすると、光源１１におけるレーザ光の変調周波数ｆ_ｍは以下の（２）式で算出される。
ｆ_ｍ＝α×（ｃ／ｎ）／（２×（ｄ＋Ｄ１）） …（２）
ここで、例えば相関ピークの次数αを「１０」とすると、上記（２）式から光ファイバ１６の他端から１００［ｍ］の位置に設定された測定点Ｄ１における変調周波数ｆ_ｍは１０［ＭＨｚ］になる。以上の処理で、測定条件を設定する第１ステップＳ１が終了する。

第１ステップＳ１が終了すると、同期信号の周波数ｆ_０を決定する第２ステップＳ２が行われる。この第２ステップＳ２では、まず同期信号の周波数ｆ_０を決定するために用いる変数ａ，ｉを初期化する処理が周波数設定部２４ａで行われる（ステップＳ１６）。具体的には、変数ａ，ｉの値が共に「１」に設定される。次に、周波数設定部２４ａは、ステップＳ１５で算出した変調周波数ｆ_ｍが、ステップＳ１３で算出した同期信号の周波数ｆ_０の整数倍であるか否かを判断する（ステップＳ１７）。具体的には、以下の（３）式に示した変数ｍの値を求め、この変数ｍの値が整数であるか否かを判断する。
ｍ＝ｆ_ｍ／（ｉ×ｆ_０） …（３）

ここで、上記のステップＳ１３で算出された同期信号の周波数ｆ_０が２００［ｋＨｚ］であって、上記のステップＳ１５で算出された変調周波数ｆ_ｍが１０［ＭＨｚ］である場合には、上記（３）式で表される変数ｍの値は「５０」になる。このため、ステップＳ１７の判断結果は「ＹＥＳ」になり、同期信号の周波数ｆ_０を変更する処理が周波数設定部２４ａで行われる。

具体的には、まず変数ａの値がステップＳ１１で設定された変数Ａに等しいか否かが判断される（ステップＳ１８）。ここでは、変数ａの値が「１」であり、変数Ａの値が「５」であるため判断結果は「ＮＯ」になる。次に、同期信号の周波数ｆ_０が所定量だけ変更される（ステップＳ１９）。同期信号の周波数ｆ_０の変更量は、例えばポンプ光Ｌ２の繰り返し周波数を規定する信号発生器１７ａの分解能に応じた周波数に設定される。ここでは、信号発生器１７ａの分解能が２０［ｋＨｚ］であるとし、同期信号の周波数ｆ_０が１８０［ｋＨｚ］に変更されるとする。同期信号の周波数ｆ_０が変更されると、変数ａの値がインクリメントされる（ステップＳ２０）。

同期信号の周波数ｆ_０の変更処理を終えると、周波数設定部２４ａは再度上記の（３）式に示した変数ｍの値を求めて、この変数ｍの値が整数であるか否かを判断する（ステップＳ１７）。同期信号の周波数ｆ_０が１８０［ｋＨｚ］に変更されると、上記（３）式で表される変数ｍの値は「５５．５５」になるため、ステップＳ１７における周波数設定部２４ａの判断結果は「ＮＯ」になる。すると、周波数設定部２４ａは変数ｉの値がステップＳ１１で設定された変数Ｉの値に等しいか否かを判断する（ステップＳ２１）。ここでは、変数ｉの値が「１」であり、変数Ｉの値が「３」であるため判断結果は「ＮＯ」になり、周波数設定部２４ａが変数ｉの値をインクリメントし（ステップＳ２２）、三度ステップＳ１７の処理に戻る。

ステップＳ１７で求められる変数ｍの値が整数ではなく、且つ変数ｉの値が変数Ｉの値と等しくない場合には、ステップＳ１７，Ｓ２１，Ｓ２２の処理が繰り返され、変数ｉの値を変えつつ上記（３）式から変数ｍの値が算出される。具体的に、変数ｉの値が「２」の場合には変数ｍの値は「２７．７７」になり、変数ｉの値が「３」の場合には変数ｍの値は「１８．１５」になる。変数ｉの値がステップＳ１１で設定された変数Ａの値「３」と等しくなると、ステップＳ２１の判断結果が「ＹＥＳ」となり、同期信号の周波数ｆ_０を決定する処理が周波数設定部２４ａで行われる（ステップＳ２３）。尚、ここでは、変数ｉを用いて同期信号の周波数ｆ_０の偶数倍の周波数及び奇数倍の周波数と変調周波数ｆ_ｍとの比を示す変数ｍをそれぞれ求めているが、同期信号の周波数ｆ_０の奇数倍の周波数と変調周波数ｆ_ｍとの比を示す変数ｍのみを求めても良い。

具体的には、同期信号の周波数ｆ_０が１８０［ｋＨｚ］の場合には、前述した（３）式中の変数ｉの値を変更しても整数とはならないため、周波数設定部２４ａは、同期信号の周波数ｆ_０（ポンプ光Ｌ２の繰り返し周波数）を１８０［ｋＨｚ］に決定する。以上の処理で、同期信号の周波数ｆ_０を決定する第２ステップＳ２が終了する。尚、上述したステップＳ１７の判断結果が「ＹＥＳ」の間は、ステップＳ１８〜Ｓ２０の処理が繰り返されるが、これらの処理が繰り返されている間に変数ａの値がステップＳ１１で設定された変数Ａに等しくなると、ステップＳ１８における判断結果は「ＹＥＳ」になる。すると、周波数設定部２４ａは、測定不可として一連の処理を終了する。

第２ステップＳ２が終了すると、光ファイバ１６に対する測定を実行する第３ステップＳ３が行われる。この第３ステップＳ３では、光源１１におけるレーザ光の変調周波数ｆ_ｍをステップＳ１５で算出した変調周波数（例えば、１０［ＭＨｚ］）に設定するとともに、同期検波器２１で用いられる同期信号の周波数ｆ_０及びポンプ光Ｌ２の繰り返し周波数（更には、タイミング調整器１９の動作周波数）をステップＳ２３で決定された周波数（例えば、１８０［ｋＨｚ］）に設定する処理が行われる。かかる設定は、周波数設定部２４ａから光源１１の信号発生器１１ｂ、パルス変調器１７の信号発生器１７ａ、及び信号発生器２２にそれぞれ制御信号が出力されることにより行われる。

以上の設定が終了すると、ステップＳ１５で算出された変調周波数ｆ_ｍを有するレーザ光が光源１１から射出されて光分岐器１２で分岐される。光分岐器１２で分岐された一方のレーザ光は光変調器１３へ入射してＳＳＢ変調器１３ｂで変調されることにより、レーザ光の中心周波数に対する単側波帯が生成される。光変調器１３から射出された単側波帯を有するレーザ光（連続光）は、光遅延器１４で所定量だけ遅延された後に、光アイソレータ１５を介してプローブ光Ｌ１として光ファイバ１６の一端から光ファイバ１６内に入射する。一方、光分岐器１２で分岐された他方のレーザ光は、パルス変調器１７に入射してパルス化され、ステップＳ２３で決定された繰り返し周波数を有するパルス光に変換される。このパルス光は、方向性結合器１８を介してポンプ光Ｌ２として光ファイバ１６の他端から光ファイバ１６内に入射する。

変調周波数ｆ_ｍで周波数変調された連続光のプローブ光Ｌ１とパルス化されたポンプ光Ｌ２とが光ファイバ１６内に入射すると、図３に示す通り、ポンプ光Ｌ２は光ファイバ１６内を伝播するに伴って、光ファイバ１６中の異なる位置で相関ピークＰ０〜ＰＮ（Ｎは正の整数）が発生する。図３は、ポンプ光の進行に伴って光ファイバ１６内で相関ピークが発生する様子を示す図である。図３に示した例では、光パルスが相関ピークＰ２付近を通過している様子を示している。尚、破線で示した相関ピークＰ０，Ｐ１は過去に通過した相関ピークであり、相関ピークＰ３，ＰＮはポンプ光Ｌ２の進行に伴ってこれから通過する相関ピークである。

尚、図３に示す相関ピークの間隔はｄ_ｍであり、以下の（４）式で表される。
ｄ_ｍ＝（ｃ／ｎ）／（２×ｆ_ｍ） …（４）
つまり、光源１１における変調周波数ｆ_ｍを変えれば、相関ピークの間隔ｄ_ｍを変化させることができ、相関ピークＰ１〜Ｐｎの発生位置を移動させることができる。但し、プローブ光Ｌ１とポンプ光Ｌ２との光路差が０となる位置に発生する０次の相関ピークＰ０の発生位置は変調周波数ｆ_ｍを変化させても移動させることができない。このため、図３に示す通り、０次の相関ピークＰ０の発生位置が光ファイバ１６の外部になるよう、光遅延器１４（図１参照）の遅延量が設定される。

各相関ピークＰ０〜Ｐ３の位置において、プローブ光Ｌ１は、ポンプ光Ｌ２によって誘導ブリルアン増幅による利得（ゲイン）を得る。相関ピークの位置で、図４に示す通り、ポンプ光Ｌ２を基準としてポンプ光Ｌ２とプローブ光Ｌ１との周波数差を可変すると、ブリルアン周波数シフトν_Ｂを中心周波数とするローレンツ関数の形状をしたブリルアン・ゲイン・スペクトル（ＢＧＳ）と呼ばれるスペクトルＬ１１が得られる。図４は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルの一例を示す図である。ブリルアン周波数シフトν_Ｂは、光ファイバ１６の材質、温度、歪み等に依存して変化し、特に歪みに対して線形的に変化することが知られている。このため、図４に示すブリルアン・ゲイン・スペクトルＬ１１のピーク周波数を検出することで、光ファイバ１６の歪み量を求めることができる。

光ファイバ１６を介したプローブ光Ｌ１及び光ファイバ１６内で発生した誘導ブリルアン散乱光は光ファイバ１６の他端から射出された後、方向性結合器１８に入射する。方向性結合器１８から射出されたプローブ光Ｌ１はタイミング調整器１９に入射するが、タイミング調整器１９で規定されたタイミングで入射したプローブ光Ｌ１及び誘導ブリルアン散乱光のみがタイミング調整器１９を透過する。つまり、タイミング調整器１９のタイミングを調整することで、設定された測定点又はその近傍で発生した誘導ブリルアン散乱光を得ることができる。

図５は、タイミング調整器１９の動作を説明するための図である。図５に示す通り、ポンプ光Ｌ２が光ファイバ１６内を伝播することにより、図示の位置に間隔ｄ_ｍの相関ピークＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３が発生するとする。また、ポンプ光Ｌ２が光ファイバ１６の他端Ｘから相関ピークＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３の発生位置に達するのに要する時間をそれぞれＴ１１，Ｔ１２，Ｔ１３とし、また相関ピークＰ１１，Ｐ１２，Ｐ１３の各々の位置で発生した誘導ブリルアン散乱光がタイミング調整器１９に達するのに要する時間をそれぞれＴ２１，Ｔ２２，Ｔ２３とする。

相関ピークＰ１１の発生位置に測定点を設定した場合には、ポンプ光Ｌ２が光ファイバ１６の他端Ｘに入射した時刻から時間Ｔ１１＋Ｔ２１が経過した時点でタイミング調整器１９を開状態にすれば、相関ピークＰ１１の位置で発生した誘導ブリルアン散乱光が得られる。同様に、相関ピークＰ１２の位置で発生した誘導ブリルアン散乱光を得たい場合にはポンプ光Ｌ２の他端Ｘへの入射時刻から時間Ｔ１２＋Ｔ２２が経過した時点でタイミング調整器１９を開状態にし、相関ピークＰ１３の位置で発生した誘導ブリルアン散乱光を得たい場合にはポンプ光Ｌ２の他端Ｘへの入射時刻から時間Ｔ１３＋Ｔ２３が経過した時点でタイミング調整器１９を開状態にすればよい。

タイミング調整器１９を通過したプローブ光Ｌ１及び誘導ブリルアン散乱光は、光検出器２０に入射し、光検出器２０が備える不図示の光波長フィルタで低周波側の側波帯の光が選択されてその強度が検出される。そして、光検出器２０からはその検出結果を示す検出信号が出力される。この検出信号は、同期検波器２１に入力されて同期検波され、ノイズが除去される。

ここで、同期検波器２１で用いられる同期信号の周波数ｆ_０は、光源１１で用いられる変調数波数ｆ_ｍが周波数ｆ_０の整数倍にならない周波数（換言すると、同期信号の周波数ｆ_０が光源１１で用いられる変調数波数ｆ_ｍの整数分の１にならない周波数）に設定されている。これにより、デューティ比が５０％であって周波数ｆ_０の奇数倍の高調波成分が含まれる矩形信号を同期信号として用いても、同期検波器２１に入力される検出信号の周波数と同期信号の高調波成分との周波数差を大きくすることができる。この結果として、図８を用いて説明した被測定信号ｆ（検出信号）と同期信号の高調波成分との周波数差が小さい場合における誤差又は信号ゆらぎ成分の発生を防止することができ、測定精度を向上させることができる。同期検波器２１でノイズが除去された検出信号は、Ａ／Ｄ変換器２３に入力されてディジタル信号に変換されて検出データとしてコンピュータ２４に入力される。

以上説明した処理が、ポンプ光Ｌ２とプローブ光Ｌ１との周波数差を可変しつつ繰り返し行われることにより、コンピュータ２４には、図４に示すブリルアン・ゲイン・スペクトルＬ１１を示す検出データが蓄積される。以上の処理で、光ファイバ１６に対する測定を実行する第３ステップＳ３が終了する。第３ステップＳ３が終了すると、コンピュータ２４において、測定結果のノイズ除去を行う第４ステップＳ４、測定結果の波形近似を行う第５ステップＳ５、及び光ファイバ１６内で発生した誘導ブリルアン散乱光（ブリルアン・ゲイン・スペクトル）のピーク周波数を検出する第６ステップＳ６が順次行われる。

図６は、第３ステップＳ３〜第６ステップＳ６で行われる処理を説明するための図である。まず、第４ステップＳ４では、ノイズ除去部２４が第３ステップＳ３で蓄積された検出データに対してフーリエ変換を施す（ステップＳ２５）。かかる変換を施すことで、検出データ（図６（ａ）に示すノイズＮが重畳されたブリルアン・ゲイン・スペクトルＳＰ１）を、図６（ｂ）に示す周波数成分に分離することができる。

次に、ノイズ除去部２４ｂは、フーリエ変換によって分離された周波数成分のうちの不要な周波数成分を除去する（ステップＳ２６）。例えば、ブリルアンゲインスペクトル（ＢＧＳ）波形とは異なる周波数であって信号レベルが所定レベルよりも低い周波数成分をノイズＮの周波数成分であるとして除去する。図６（ｂ）に示す例では、符号ｆ１を付した周波数成分以外を除去している。次いで、ノイズ除去部２４ｂは、不要な周波数成分を除去した検出データに対して逆フーリエ変換を施す（ステップＳ２７）。以上の処理により、図６（ｃ）に示す通り、図６（ａ）に示したノイズＮが除去されたブリルアン・ゲイン・スペクトルＳＰ１を得ることができる。以上により、測定結果のノイズ除去を行う第４ステップＳ４が終了する。

第４ステップＳ４が終了すると、測定結果の波形近似を行う第５ステップＳ５が行われる。この第５ステップＳ５では、波形近似部２４ｃが、ノイズ除去部２４ｂによってノイズＮが除去されたブリルアン・ゲイン・スペクトルＳＰ１を最小二乗法近似により近似し、図６（ｄ）に示す近似関数ＦＭを求める（ステップＳ２８）。ここで、最小二乗近似とは、ある測定結果を特定の関数を用いて近似するときに、測定結果と関数との残差の二乗和を最小とするような係数を決定する方法（最小二乗法）によって近似を行うことをいう。かかる処理は、ブリルアン・ゲイン・スペクトルＳＰ１のピーク周波数を検出する際の検出誤差を最小にするために行われる。以上により、測定結果の波形近似を行う第５ステップＳ５が終了する。

第５ステップＳ５が終了すると、光ファイバ１６内で発生した誘導ブリルアン散乱光（ブリルアン・ゲイン・スペクトル）のピーク周波数を検出する第６ステップＳ６が行われる。この第６ステップＳ６では、ピーク周波数算出部２４ｄが第５ステップＳ５で求められた近似関数ＦＭの最大値を求め、この最大値が得られる周波数をピーク周波数ＦＰ１として算出する（ステップＳ２９）。以上により、ピーク周波数を検出する第６ステップＳ６が終了する。尚、光ファイバ１６の長さ方向における特性を測定するためには、光ファイバ１６内に設定する測定点の位置を変えつつ上述した第１ステップＳ１〜第６ステップＳ６の処理を繰り返せばよい。

以上説明した通り、本実施形態では、光検出器２０からの検出信号を同期検波器２１で同期検波しているため、光ファイバ特性測定装置１の空間分解能を高くした場合であってもＳ／Ｎ比の悪化を防止することができる。ここで、本実施形態では、光源１１における変調周波数ｆ_ｍが同期信号の周波数ｆ_０の整数倍である場合に同期信号の周波数ｆ_０を変更しているため、光検出器２０から出力される検出信号の周波数と同期検波器２１で用いられる同期信号又はその高調波との周波数差を大きくすることができる。この結果として、高調波成分が含まれる矩形信号を同期信号として用いても、誤差又は信号ゆらぎ成分の発生を防止することができ、測定精度を向上させることができる。

更に、本実施形態では、同期検波されてディジタル信号に変換された検出信号（検出データ）に対してフーリエ変換及び逆フーリエ変換を施してノイズを除去し、最小二乗近似により近似関数を求めた上でピーク周波数を求めているため、従来よりも格段にピーク周波数の検出精度を向上させることができる。この結果として、光ファイバ特性測定装置１の空間分解能を数ｃｍ程度まで高めることができる。

以上、本発明の一実施形態による光ファイバ特性測定装置及び方法について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では、図２に示すステップＳ１７〜Ｓ２３の処理において、所定回数整数にならない変数ｍが得られた周波数ｆ_０を、同期信号の周波数ｆ_０に決定する処理を行っていた。しかしながら、ステップＳ１７で算出される変数ｍの値そのものに基づいて同期信号の周波数ｆ_０を決定しても良い。例えば、ある周波数ｆ_０を代入して求められる変数ｍを整数で除算して得られる余りを求め、この余りが０．１〜０．９の範囲内である場合に、同期信号の周波数ｆ_０に決定してもよい。つまり、余りが０．１よりも小さい場合又は０．９よりも大きい場合には整数に近いと判断し、その変数ｍが得られた周波数ｆ_０を同期信号の周波数ｆ_０としては用いないのが望ましい。

本発明の一実施形態による光ファイバ特性測定装置の要部構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態による光ファイバ特性測定方法を示すフローチャートである。 ポンプ光の進行に伴って光ファイバ１６内で相関ピークが発生する様子を示す図である。 ブリルアン・ゲイン・スペクトルの一例を示す図である。 タイミング調整器１９の動作を説明するための図である。 第３ステップＳ３〜第６ステップＳ６で行われる処理を説明するための図である。 従来の光ファイバ特性測定装置で得られる受光信号の一例を示す図である。 従来の同期検波器の基本構成及び同期検波器から出力される信号の例を示す図である。

符号の説明

１ 光ファイバ特性測定装置
１１ 光源
１２ 光分岐器
１３ 光変調器
１４ 光遅延器
１５ 光アイソレータ
１６ 光ファイバ
１７ パルス変調器
１８ 方向性結合器
１９ タイミング調整器
２０ 光検出器
２１ 同期検波器
２４ａ 周波数設定部
２４ｂ ノイズ除去部
２４ｃ 波形近似部
２４ｄ ピーク周波数算出部

Claims (6)

1. 所定の変調周波数で変調したレーザ光を射出する光源と、当該光源からのレーザ光を連続光及びパルス光として光ファイバの一端及び他端からそれぞれ入射させる入射手段と、前記光ファイバから射出される光を所定のタイミングで通過させるタイミング調整器と、当該タイミング調整器を通過した光を検出する光検出器とを備え、当該光検出器の検出結果を用いて前記光ファイバの特性を測定する光ファイバ特性測定装置において、
   所定の周波数を有する同期信号を用いて前記光検出器の検出結果を同期検波する同期検波器と、
   前記光源における変調周波数が前記同期信号の周波数の整数倍である場合に、前記同期信号の周波数を変更する周波数設定部と
   を備えることを特徴とする光ファイバ特性測定装置。
2. 前記同期検波器の検出信号に対してフーリエ変換を施して所定の周波数成分を除去し、当該所定の周波数成分が除去された検出信号に対して逆フーリエ変換を施すことにより前記検出信号からノイズを除去するノイズ除去部を備えることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ特性測定装置。
3. 前記ノイズ除去部によってノイズが除去された検出信号を所定の近似式を用いて近似する波形近似部を備えることを特徴とする請求項２記載の光ファイバ特性測定装置。
4. 前記波形近似部によって近似された検出信号からピーク周波数を検出して前記光ファイバの特性を求めるピーク周波数算出部を備えることを特徴とする請求項３記載の光ファイバ特性測定装置。
5. 前記光源における変調周波数は、前記光ファイバ内における測定点の位置に応じて異なる値に設定され、
   前記周波数設定部は、前記光源で設定される変調周波数の各々が、前記同期信号の周波数の整数倍とならないように前記同期信号の周波数を変更することを特徴とする請求項１から請求項４の何れか一項に記載の光ファイバ特性測定装置。
6. 所定の変調周波数で変調したレーザ光を連続光及びパルス光として光ファイバの一端及び他端からそれぞれ入射させ、前記光ファイバから射出される光を所定のタイミングで通過させて検出し、当該検出結果を用いて前記光ファイバの特性を測定する光ファイバ特性測定方法において、
   所定の同期信号を用いて前記光検出器の検出結果を同期検波するステップと、
   前記光源における変調周波数が前記同期信号の周波数の整数倍である場合に、前記同期信号の周波数を変更するステップと
   を含むことを特徴とする光ファイバ特性測定方法。

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