JP6308183B2 - 光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法 - Google Patents

Description

この発明は、ブリルアン散乱光を用いた、光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法に関する。

光ファイバ通信の発展とともに、光ファイバ自体をセンシング媒体とする分布型光ファイバセンシングが盛んに研究されている。分布型光ファイバセンシングでは、光ファイバの片端から光パルスを入射し、光ファイバ中で後方散乱された光を時間に対して測定する時間領域リフレクトメトリ（ＯＴＤＲ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）が代表的である。光ファイバ中の後方散乱には、レイリー散乱、ブリルアン散乱及びラマン散乱がある。この中で自然ブリルアン散乱を測定するものはＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ＯＴＤＲ）と呼ばれる（例えば、非特許文献１参照）。

ブリルアン散乱は、光ファイバに入射される光パルスの中心周波数に対して、ストークス側及び反ストークス側にＧＨｚ程度周波数シフトした位置に観測され、そのスペクトルはブリルアン利得スペクトルと呼ばれる。ブリルアン利得スペクトルの周波数シフト量及びスペクトル線幅は、それぞれブリルアンシフト及びブリルアン線幅と呼ばれ、光ファイバの材質及び光ファイバに入射される光パルスの波長によって異なる。例えば、石英系のシングルモード光ファイバに波長１．５５μｍの光パルスを入射した場合、ブリルアンシフトが約１１ＧＨｚとなり、ブリルアン線幅が約３０ＭＨｚとなることが報告されている。

ブリルアンシフトは、光ファイバの歪みに対して５００ＭＨｚ／％程度の割合で線形に変化することが知られている。これを引っ張り歪み及び温度に換算すると、それぞれ、０．０５８ＭＨｚ／με、１．１８ＭＨｚ／℃に対応する。

このように、ＢＯＴＤＲでは、光ファイバの長手方向に対する歪みや温度分布を測定することが可能である。このため、ＢＯＴＤＲは、橋梁やトンネルなど大型建造物のモニタリング技術として注目されている。

ＢＯＴＤＲは、光ファイバ中で発生する自然ブリルアン散乱光のスペクトル波形を測定するため、別途用意した参照光とのヘテロダイン検波を行うのが一般的である。自然ブリルアン散乱光の強度はレイリー散乱光の強度に比べて２〜３桁小さい。このため、ヘテロダイン検波は最小受光感度を向上させる上でも有用となる。

図９を参照して、従来のＢＯＴＤＲについて説明する（例えば、特許文献１参照）。図９は、従来の光ファイバ歪み測定装置の模式的なブロック図である。

光源１１２から出射された連続光は、光カプラ１４２によって、２分岐される。２分岐された一方は、参照光として用いられ、他方は、光周波数シフタ１４３によってブリルアン周波数に相当する周波数シフトを受けた後、光パルス発生器１１４により、パルス状のプローブ光となる。

このプローブ光は、光カプラ１２０を経て測定対象となる光ファイバ（被測定光ファイバ）１００に入射される。被測定光ファイバ１００からの後方ブリルアン散乱光は、光カプラ１５０において参照光と合波された後、バランス型フォトダイオード（ＰＤ）１６２及びＦＥＴ増幅器１６４からなるレシーバ１６０によってヘテロダイン検波される。

ここで、プローブ光は、光周波数シフタ１４３によってブリルアン周波数程度の周波数シフトが施されているため、ヘテロダイン検波されて生成されるビート信号の周波数は低くなる。ビート信号をミキサー１７０、電気フィルタ１７８により周波数をダウンシフトさせた後、検波回路１７２により２乗検波もしくは包絡線検波することにより得られるＩＦ（Ｉｎｔｅｒｍｅｄｉａｔｅ Ｆｒｅｑｕｅｃｙ）信号のパワーや振幅を測定する。この結果は、信号処理装置１７４に送られる。

ここで、ＢＯＴＤＲは、光ファイバの長手方向に対する周波数スペクトル分布の情報を扱うため、時間、振幅及び周波数の３次元の情報を取得する必要がある。図１０を参照してＢＯＴＤＲにおいて、時間、振幅及び周波数の３次元の情報の取得方法について説明する。図１０は、従来の光ファイバ歪み測定装置における時間、振幅及び周波数の３次元の情報の取得方法を説明するための模式図である。上述の特許文献１に開示の技術では、ブリルアン周波数スペクトル全体を測定するには、時間ｔ及び振幅Ｉの２次元情報を、局発電気信号源１８３の周波数ｆを掃引して取得する。

特開２００１−１６５８０８号公報

Ｔ．Ｋｕｒａｓｈｉｍａ ｅｔ ａｌ．，"Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ−ｆｉｂｅｒ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ"，ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓ． Ｃｏｍｍｕｎ．， ｖｏｌ．Ｅ７６−Ｂ， ｎｏ．４， ｐｐ．３８２−３９０ （１９９３）

ここで、自然ブリルアン散乱光は非常に微弱なため、ヘテロダイン検波を適用しても十分な信号雑音比（Ｓ／Ｎ）を確保できない。その結果、Ｓ／Ｎ改善のための平均化処理が必要となる。この平均化処理と上述の３次元情報の取得のため、従来の光歪み測定装置では、測定時間の短縮が難しい。

この発明の発明者は、上述の問題点に鑑みて、光の周波数変化をコヒーレント検波により与えられるビート信号の位相差として測定することにより、時間及び位相の２次元の情報を取得する、自然ブリルアン散乱光を用いた、光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法を検討し、その検討結果の一部を特許出願（特願２０１５−０７２５４６号：以後、「先の出願」という。）している。

この先の出願の光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法によれば、光の周波数変化をコヒーレント検波により与えられるビート信号の位相差として測定することにより、時間及び位相の２次元の情報を取得する。このため、３次元の情報の取得が必要な従来技術に比べて、測定時間が短縮される。

しかし、非常に微弱なブリルアン散乱光同士を用いてヘテロダイン検波するため、受信後のＳ／Ｎが悪くなる可能性もある。その場合、十分な測定確度を保証するために一定数の平均化処理が必要となるので、測定時間の短縮が十分になされないことも考えられる。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、ヘテロダイン検波された信号に対して、別途用意した局発光とのヘテロダイン検波を行うことで、信号強度を増大させ、それにより、測定時間の短縮を可能とする、光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の光ファイバ歪み測定装置は、光源部と、分岐部と、光周波数シフタ部と、遅延部と、第１光カプラと、第２光カプラと、コヒーレント検波部と、電気信号生成部と、ミキサー部とを備えて構成される。

光源部は、プローブ光を生成する。プローブ光は、測定対象となる光ファイバ（被測定光ファイバ）に入射される。分岐部は、プローブ光により被測定光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、第１光路及び第２光路に２分岐する。光周波数シフタ部は、第１光路及び第２光路のいずれか一方に設けられていて、ビート周波数の周波数シフトを与える。遅延部は、第１光路及び第２光路のいずれか一方に設けられており、第１光路及び第２光路を伝播する光の間に遅延時間差を与える。第１光カプラは、第１光路及び第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する。第２光カプラは、合波光と局発光を合波して再合波光を生成する。コヒーレント検波部は、再合波光をヘテロダイン検波して差周波を第１電気信号として出力する。電気信号生成部は、第１電気信号と同じ周波数を持つ第２電気信号を生成する。ミキサー部は、第１電気信号と第２電気信号を、ホモダイン検波して、差周波を位相差信号として出力する。この第１電気信号は、いわゆるビート信号である。

また、光ファイバ歪み測定装置の他の好適実施形態によれば、光周波数シフタ部に換えて、第１光周波数シフタ部と、第２光周波数シフタ部を備えて構成される。

第１光周波数シフタ部は、第１光路に設けられ、第１周波数の周波数シフトを与える。第２光周波数シフタ部は、第２光路に設けられ、第２周波数の周波数シフトを与える。この場合、第２電気信号は、第１周波数と第２周波数の差周波として生成されるので、いわゆるビート信号となる。

また、この発明の光ファイバ歪み測定方法は、以下の過程を備えて構成される。

先ず、プローブ光を生成する。プローブ光は、被測定光ファイバに入射される。次に、プローブ光により被測定光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、第１光路及び第２光路に２分岐する。第１光路及び第２光路のいずれか一方を伝播する光に対して、ビート周波数の周波数シフトを与える。次に、第１光路及び第２光路を伝播する光の間に遅延時間差を与える。次に、第１光路及び第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する。次に、合波光と局発光を合波して再合波光を生成する。次に、再合波光をヘテロダイン検波して第１電気信号を生成する。次に、第１電気信号と同じ周波数を持つ第２電気信号を生成する。次に、第１電気信号と第２電気信号を、ホモダイン検波して、差周波を位相差信号として出力する。

また、光ファイバ歪み測定方法の他の好適実施形態によれば、第１光路を伝播する光に対して、第１周波数の周波数シフトを与え、及び、第２光路を伝播する光に対して、第２周波数の周波数シフトを与える。

この発明の光ファイバ歪み測定装置及び光ファイバ歪み測定方法によれば、光の周波数変化をコヒーレント検波により与えられるビート信号の位相差として測定することにより、時間及び位相の２次元の情報を取得する。このため、３次元の情報の取得が必要な従来技術に比べて、測定時間が短縮される。さらに、ヘテロダイン検波された信号に対して、別途用意した局発光とのヘテロダイン検波を行うことで、信号強度を増大させ、それにより、測定時間の短縮が可能となる。

光ファイバ歪み測定装置の基本構成の模式的なブロック図である。 ブリルアンシフトとビート信号の位相変化を示す模式図である。 第１光ファイバ歪み測定装置の模式的なブロック図である。 ビート信号の強度を示す模式図である。 第１光ファイバ歪み測定装置によるＳ／Ｎ改善度の計算結果を示す図である。 第２光ファイバ歪み測定装置の模式的なブロック図である。 第３光ファイバ歪み測定装置の模式的なブロック図である。 第１光ファイバ歪み測定装置の変形例の模式的なブロック図である。 従来の光ファイバ歪み測定装置の模式的なブロック図である。 従来の光ファイバ歪み測定装置における時間、振幅及び周波数の３次元の情報の取得方法を説明するための模式図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。また、各構成要素については、以下説明する機能を実現する任意好適な公知の素子等を用いることができる。

（基本構成）
この発明の理解に資するため、図１を参照して、光の周波数変化をコヒーレント検波により与えられるビート信号の位相差として測定する、光ファイバ歪み測定装置の基本構成について説明する。図１は、この光ファイバ歪み測定装置の模式的なブロック図である。

光ファイバ歪み測定装置は、光源部１０、サーキュレータ２０、光増幅器３０、光バンドパスフィルタ３２、自己遅延ヘテロダイン干渉計４１及びタイミング制御器９０を備えて構成される。

光源部１０は、プローブ光を生成する。光源部１０は、連続光を生成する光源１２と、連続光から光パルスを生成する光パルス発生器１４を備えて構成される。

ここで、光ファイバ歪み測定装置は、周波数変化に応じた位相差を測定する。このため、光源１２の周波数揺らぎ及び周波数スペクトル線幅（以下、単に線幅とも称する。）は、ブリルアンシフトよりも十分に小さくなければならない。そこで、光源１２として周波数安定化狭線幅光源が用いられる。例えば、測定対象となる光ファイバ（以下、被測定光ファイバとも称する。）１００の歪みを０．００８％としたとき、ブリルアンシフトは４ＭＨｚに相当する。このため、０．００８％程度の歪みを測定するには、光源１２の周波数揺らぎ及び線幅は４ＭＨｚより十分に小さく、数１０ｋＨｚ以下であることが望ましい。なお、周波数揺らぎ及び線幅が１０ｋＨｚ程度若しくはそれ以下の狭線幅レーザが、既製品として一般に入手可能である。

光パルス発生器１４は、任意好適な従来周知の、音響光学（ＡＯ：Ａｃｏｕｓｔ Ｏｐｔｉｃａｌ）変調器又は電気光学（ＥＯ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｏｐｔｉｃａｌ）変調器を用いて構成される。光パルス発生器１４は、タイミング制御器９０で生成された電気パルスに応じて、連続光から光パルスを生成する。この光パルスの繰り返し周期は、被測定光ファイバ１００を光パルスが往復するのに要する時間よりも長く設定される。この光パルスが、プローブ光として、光源部１０から出力される。

この光源部１０から出力されたプローブ光は、サーキュレータ２０を経て、被測定光ファイバ１００に入射される。なお、サーキュレータ２０に換えて、光カプラを用いても良い。

被測定光ファイバ１００からの後方散乱光は、サーキュレータ２０を経て、光増幅器３０に送られる。光増幅器３０で増幅された後方散乱光は、光バンドパスフィルタ３２に送られる。光バンドパスフィルタ３２は、１０ＧＨｚ程度の透過帯域を有しており、自然ブリルアン散乱光のみを透過する。この自然ブリルアン散乱光は、自己遅延ヘテロダイン干渉計４１に送られる。この光バンドパスフィルタ３２から出射される自然ブリルアン散乱光の時刻ｔにおける信号Ｅ_０（ｔ）は、以下の式（１）で表される。

Ｅ_０（ｔ）＝Ａ_０ｅｘｐ｛ｊ（２πｆ_Ｂ（ｔ）ｔ＋φ_０）｝ （１）
ここで、Ａ_０は振幅、ｆ_Ｂ（ｔ）は自然ブリルアン散乱光の光周波数、φ_０は初期位相を示している。

自己遅延ヘテロダイン干渉計４１は、分岐部４２、光周波数シフタ部４３、遅延部４８、合波部５０、コヒーレント検波部６０、電気信号生成部８０及び信号処理装置７４を備えて構成される。

電気信号生成部８０の局発電気信号源８３は、周波数ｆ_ＡＯＭの電気信号を生成する。

分岐部４２は、プローブ光により被測定光ファイバ１００で発生する後方ブリルアン散乱光を、光バンドパスフィルタ３２を経て受け取り、第１光路及び第２光路に２分岐する。

光周波数シフタ部４３は、第１光路に設けられている。光周波数シフタ部４３は、電気信号生成部８０で生成された周波数ｆ_ＡＯＭの電気信号を用いて、第１光路を伝播する光に対して、周波数ｆ_ＡＯＭの周波数シフトを与える。

従来の例えば特許文献１に開示されている測定装置では、ブリルアンシフトに対応する数十ＧＨｚ程度の周波数シフトを与える。これに対し、この光ファイバ歪み測定装置では、周波数ｆ_ＡＯＭは、数十ＭＨｚ程度である。このため、従来の測定装置に比べて周波数シフタとして小型でかつ安価なものを用いることができる。

また、この構成例では、第２光路に遅延部４８が設けられている。遅延部４８は、第２光路を伝播する光に時間τの遅延を与える。

合波部５０は、第１光路及び第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する。合波部５０に入射される、第１光路を伝播する光信号Ｅ_１（ｔ）、第２光路を伝播する光信号Ｅ_２（ｔ−τ）は、それぞれ、以下の式（２）（３）で表される。

Ｅ_１（ｔ）＝Ａ_１ｅｘｐ｛ｊ（２πｆ_Ｂ（ｔ）ｔ＋２πｆ_ＡＯＭｔ＋φ₁）｝ （２）
Ｅ_２（ｔ−τ）＝Ａ_２ｅｘｐ［ｊ｛２πｆ_Ｂ（ｔ）（ｔ−τ）＋φ₂｝］（３）
ここで、Ａ_１及びＡ_２は、それぞれＥ_１（ｔ）及びＥ_２（ｔ−τ）の振幅であり、φ_１及びφ_２は、それぞれＥ_１（ｔ）及びＥ_２（ｔ−τ）の初期位相である。

コヒーレント検波部６０は、合波光をヘテロダイン検波してビート信号を生成する。コヒーレント検波部６０は、例えば、バランス型フォトダイオード（ＰＤ）６２とＦＥＴ増幅器６４を備えて構成される。ヘテロダイン検波により与えられるビート信号Ｉ_１２は、以下の式（４）で表される。

Ｉ_１２＝２Ａ_１Ａ_２ｃｏｓ｛２π（ｆ_ＡＯＭｔ＋ｆ_Ｂ（ｔ）τ）＋φ₁−φ₂｝ （４）
コヒーレント検波部６０で生成されたビート信号は第１電気信号として信号処理装置７４に送られる。また、電気信号生成部８０で生成された電気信号は第２電気信号として信号処理装置７４に送られる。

信号処理装置７４は、ミキサー部７０と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）７２を備える。ミキサー部７０は、第１電気信号と、第２電気信号とをホモダイン検波して、ホモダイン信号を生成する。局発電気信号源８３で生成された第２電気信号Ｉ_ＡＯＭを以下の式（５）で表す。

Ｉ_ＡＯＭ＝Ａ_ＡＯＭｃｏｓ２π（ｆ_ＡＯＭｔ＋φ_ＡＯＭ） （５）
ここで、Ａ_ＡＯＭ及びφ_ＡＯＭは、それぞれ、第２電気信号の振幅及び初期位相である。

ミキサー部７０で生成されたホモダイン信号は、式(４)及び式（５）を乗算して得られる、以下の式（６）で表される。

Ｉ_１２×Ｉ_ＡＯＭ＝Ａ_１Ａ_２Ａ_ＡＯＭｃｏｓ｛２π（ｆ_ＡＯＭｔ＋ｆ_Ｂ（ｔ）τ）＋φ₁−φ₂＋φ_ＡＯＭ｝＋Ａ_１Ａ_２Ａ_ＡＯＭｃｏｓ｛２πｆ_Ｂ（ｔ）τ＋φ₁−φ₂−φ_ＡＯＭ｝（６）
式（６）中の和周波成分をＬＰＦ７２で除去すると、最終的に出力される信号は、以下の式（７）となる。

Ｉ_１２×Ｉ_ＡＯＭ＝Ａ_１Ａ_２Ａ_ＡＯＭｃｏｓ｛２πｆ_Ｂ（ｔ）τ＋φ₁−φ₂−φ_ＡＯＭ｝（７）
式（７）のφ₁−φ₂−φ_ＡＯＭと、遅延時間τは一定であるため、ブリルアン周波数の変化ｆ_Ｂ（ｔ）のみが出力強度の差として出力される。

ブリルアン周波数ｆ_Ｂ（ｔ）は、光源の発振周波数の揺らぎと被測定光ファイバ１００の歪みの２つの要因によって変化する。しかし、光源として周波数安定化狭線幅光源１２を用いることで、被測定光ファイバ１００の歪みによる影響が支配的となる。

図２（Ａ）及び（Ｂ）は、ブリルアンシフトとビート信号の位相変化を示す模式図である。図２（Ａ）は、横軸に時間ｔを取って示し、縦軸に周波数を取って示している。また、図２（Ｂ）は、横軸に時間ｔを取って示し、縦軸に、電圧を取って示している。

この横軸の時間は、ブリルアン散乱が起こった場所を示している。すなわち、プローブ光が出射された時間に対して、時間ｔ経過後に後方ブリルアン散乱光が入射された場合、被測定光ファイバ内の光の伝播速度をｖとすると、被測定光ファイバの入射端からｖｔ／２の位置で後方ブリルアン散乱が生じたことになる。

図２（Ａ）及び（Ｂ）では、時刻ｔ_１からｔ_２までの時間Ｔに対応する区間において、周波数シフトが生じた例を示している。このとき、自己遅延ヘテロダイン干渉計で遅延時間τが与えられているため、位相変化はｔ_１からｔ_１＋τまでの間に変化し、時刻ｔ_２からｔ_２＋τまでの間に元の状態に戻る。すなわち、光ファイバ歪み測定装置で位相差を測定するには、Ｔ≧τの関係を満たす必要があり、測定可能な時間分解能（すなわち、空間分解能）がτによって定まる。さらに測定可能な周波数変化もτの大きさで定まる。すなわち、τが大きくなると、測定可能な周波数範囲が小さくなるが、空間分解能は大きくなる。一方、τが小さくなると、空間分解能は小さくなるが、測定可能な周波数範囲が大きくなる。このように、遅延時間と測定可能な周波数の間にトレードオフの関係がある。

（第１実施形態）
図３を参照して、第１実施形態の光ファイバ歪み測定装置（以下、第１光ファイバ歪み測定装置とも称する。）について説明する。図３は、第１光ファイバ歪み測定装置の模式的なブロック図である。なお、以下の説明において、図１を参照して説明した光ファイバ歪み測定装置の基本構成と重複する説明を省略することがある。

第１光ファイバ歪み測定装置は、自己遅延ヘテロダイン干渉計４０が、合波部として機能する第１光カプラ５４と、コヒーレント検波部６０の間に第２光カプラ５６を備え、局発光源５２として局発光用周波数安定化狭線幅光源を備える点が、光ファイバ歪み測定装置の基本構成と異なっている。

第１光ファイバ歪み測定装置では、第１光カプラ５４から出力される自己ヘテロダイン干渉後のブリルアン散乱光が、第２光カプラ５６に入力され、局発光源５２の出力である局発光と、再度ヘテロダイン検波された後、コヒーレント検波部６０に送られる。

局発光の電界Ｅ_ＬＯは、以下の式（８）で表される。

Ｅ_ＬＯ＝Ａ_ＬＯｅｘｐ｛ｊ（２πｆ_ＬＯｔ＋φ_ＬＯ）｝ （８）
ここで、Ａ_ＬＯ及びφ_ＬＯは、それぞれＥ_ＬＯの振幅及び初期位相であり、ｆ_ＬＯは、局発光の周波数である。この局発光の周波数ｆ_ＬＯは、ブリルアン周波数近傍に設定される。

第１光路を伝播する光信号Ｅ_１（ｔ）、第２光路を伝播する光信号Ｅ_２（ｔ−τ）が第１光カプラ５４で合波された後、第２光カプラ５６で局発光と合波されて、ヘテロダイン検波される。このため、第２光カプラ５６の出力には、以下の式（９）〜（１１）で表される３つの周波数成分によるビート信号が観測される。

Ｉ_１２＝Ａ_１Ａ_２ｃｏｓ｛２π（ｆ_ＡＯＭｔ＋ｆ_Ｂ（ｔ）τ）＋φ₁-φ₂｝ （９）
Ｉ_１ＬＯ＝２／√２・Ａ_１Ａ_ＬＯｃｏｓ｛２π（ｆ_Ｂ（ｔ）＋ｆ_ＡＯＭ−ｆ_ＬＯ）ｔ＋φ₁-φ_ＬＯ｝ （１０）
Ｉ_２ＬＯ＝２／√２・Ａ_１Ａ_２ｃｏｓ｛２π（ｆ_Ｂ（ｔ）−ｆ_ＬＯ）ｔ−２πｆ_Ｂ（ｔ）τ）＋φ_２-φ_ＬＯ｝ （１１）
図４は、ビート信号の強度を示す模式図である。図４では、横軸に周波数を取り、縦軸に信号強度を取って示している。

ここで、式（９）は、上記の式（４）と同じく、第１光路を伝播する光信号Ｅ_１（ｔ）、第２光路を伝播する光信号Ｅ_２（ｔ−τ）とのビート信号である。しかし、第１光ファイバ歪み測定装置では、第１光カプラ５４及び第２光カプラ５６の２台の３ｄＢカプラを通過する。このため、１台の３ｄＢカプラを通過する光ファイバ歪み測定装置の基本構成でのビート信号を示す式（４）と比較すると、振幅が１／２である。

式（１０）及び式（１１）は、それぞれ 第１光路を伝播する光信号Ｅ_１（ｔ）、及び第２光路を伝播する光信号Ｅ_２（ｔ−τ）と局発光とのビート信号を表している。

信号処理装置７４では、Ｉ_１ＬＯ成分と、Ｉ_２ＬＯ成分をバンドパスフィルタでそれぞれ抽出する。このＩ_１ＬＯ成分とＩ_２ＬＯ成分の２つの信号を乗算する。Ｉ_１ＬＯ成分とＩ_２ＬＯ成分を乗算すると、以下の式（１２）が得られる。

Ｉ_１ＬＯ×Ｉ_２ＬＯ＝Ａ_１Ａ_２Ａ_ＬＯ ^２ｃｏｓ｛２π（２ｆ_Ｂ（ｔ）＋ｆ_ＡＯＭ−ｆＬＯ）ｔ−２ｆ_Ｂ（ｔ）τ＋φ₁＋φ_２−φ_ＬＯ｝＋Ａ_１Ａ_２Ａ_ＬＯ ^２ｃｏｓ｛２π（ｆ_ＡＯＭｔ＋ｆ_Ｂ（ｔ）τ）＋φ₁−φ_２｝ （１２）
上の式（１２）に示されるように、Ｉ_１ＬＯ成分とＩ_２ＬＯ成分を乗算すると、和周波成分と差周波成分とが得られる。

式（１２）の第２項は、式（４）のＡ_ＬＯ ^２／２倍になっている。この式（１２）の第２項をフィルタで抽出し、局発電気信号源８３で生成された電気信号と再度乗算する。その結果は、以下の式（１３）で与えられる。

１／２・Ａ_１Ａ_２Ａ_ＬＯ ^２Ａ_ＡＯＭｃｏｓ｛２πｆ_Ｂ（ｔ）τ＋φ₁−φ_２−φ_ＡＯＭ｝ （１３）
この結果、光ファイバ歪み測定装置の基本構成に比べて、Ａ_ＬＯ ^２／２の高感度化、すなわち、測定時間の短縮が実現されることが分かる。

図５を参照して、第１光ファイバ歪み測定装置によるＳ／Ｎ改善度を説明する。図５は、第１光ファイバ歪み測定装置によるＳ／Ｎ改善度の計算結果を示す図である。図５では、横軸に、局発光のパワーＰ_ＬＯ（単位：ｄＢｍ）を取り、縦軸に、光ファイバ歪み測定装置の基本構成からのＳ／Ｎ改善度（単位：ｄＢ）を取って示している。

ここでは、ブリルアン散乱光のパワーをＰ_１＝Ｐ_２＝１０ｄＢ，としている。図５に示されるように、局発光のパワーＰ_ＬＯを増大させると、Ｓ／Ｎ改善度が増し、Ｐ_ＬＯ＝１０ｄＢｍのとき、７ｄＢのＳ／Ｎ改善度が実現されることがわかる。

（第２実施形態）
図６を参照して、第２実施形態の光ファイバ歪み測定装置（以下、第２光ファイバ歪み測定装置とも称する。）について説明する。図６は、第２光ファイバ歪み測定装置の模式的なブロック図である。なお、以下の説明において、第１光ファイバ歪み測定装置と重複する説明を省略することがある。

第２光ファイバ歪み測定装置は、光源部１０の光源１２と、光パルス発生器１４の間に光カプラ１６を備えている。また、光源部１０の光カプラ１６と、第２光カプラ５６の間に局発光用光周波数シフタ部５７を備えている。

光源１２の出力は光カプラ１６で２分岐され、一方が光パルス発生器１４に送られ、他方が局発光用光周波数シフタ部５７に送られる。

局発光用光周波数シフタ部５７は、光源部１０の出力に対し、ブリルアン周波数シフトと同程度の、約１０ＧＨｚ程度の周波数シフトを与える。この周波数シフトされた連続光は、局発光として第２光カプラ５６に送られる。局発光用光周波数シフタ部５７として、例えばＳＳＢ変調器を用いることが望ましい。また、局発光用光周波数シフタ部５７を駆動させるために、局発電気信号源５８が設けられる。

第１光ファイバ歪み測定装置では、局発光を生成するために、光源部が備える周波数安定化狭線幅光源とは別に、局発光用の周波数安定化狭線幅光源を備えている。これに対し、第２光ファイバ歪み測定装置では、局発光を、光源部が備える周波数安定化狭線幅光源の出力を周波数シフトすることで生成している。この局発光の生成以外の構成については、第１光ファイバ歪み測定装置と同様である。

第１光ファイバ歪み測定装置では、２台の周波数安定化狭線幅光源の周波数揺らぎを同じにするために、例えばＰＬＬによる周波数制御が必要になる。これに対し、第２光ファイバ歪み測定装置では、１台の周波数安定化狭線幅光源を用いるため、ＰＬＬなどによる周波数制御が不要となるなど、制御が簡単になる。ただし、１０ＧＨｚ程度の光周波数シフタと局発電気信号源が必要となるため、大型化、高コスト化の傾向がある。

（第３実施形態）
図７を参照して、第３実施形態の光ファイバ歪み測定装置（以下、第３光ファイバ歪み測定装置とも称する。）について説明する。図７は、第３光ファイバ歪み測定装置の模式的なブロック図である。なお、以下の説明において、第１及び第２光ファイバ歪み測定装置と重複する説明を省略することがある。

第３光ファイバ歪み測定装置は、光源部１０が２波長周波数安定化狭線幅光源（以下、２波長光源）１３を備え、２波長光源１３と、光パルス発生器１４の間に光カプラ１６とバンドパスフィルタ１８を備えている。また、光源部１０の光カプラ１６と、第２光カプラ５６の間に局発光用バンドパスフィルタ１９を備えている。

２波長光源１３は、周波数間隔が１０ＧＨｚ程度離れた２つの波長の連続光を出力する。２波長光源１３の出力は光カプラ１６で２分岐され、一方がバンドパスフィルタ１８を経て光パルス発生器１４に送られ、他方が局発光用バンドパスフィルタ１９に送られる。光源部１０が備えるバンドパスフィルタ１８が、２波長光源１３が出力する２波長の一方を抽出して参照光とし、局発光用バンドパスフィルタ１９が、２波長光源が出力する２波長の他方を抽出して局発光とする。

第３光ファイバ歪み測定装置では、局発光を、光源部が備える周波数安定化狭線幅光源の出力を周波数シフトすることで生成している。これに対し、第３光ファイバ歪み測定装置では、光源で２波長を生成し、一方を参照光、他方を局発光として用いるので、第２光ファイバ歪み測定装置が備える局発光用光周波数シフタが不要となる。このため、コンパクト化、低コスト化が得られる。

（変形例）
上述した第１〜第３光ファイバ歪み測定装置では、第１光路に光周波数シフタ部が設けられ、第２光路に遅延部４８が設けられている例を説明したが、この発明はこれに限定されない。

図８を参照して、第１光ファイバ歪み測定装置の変形例について説明する。この変形例では、第１光路に第１光周波数シフタ部４４が設けられている。また、第２光路に第２光周波数シフタ部４６と遅延部４８が設けられている。なお、遅延部４８は、第１光路及び第２光路のいずれか一方に設ければよい。

自己遅延ヘテロダイン干渉計４０ａの電気信号生成部８１は第１局発電気信号源８２、第２局発電気信号源８４、ミキサー部８６及びローパスフィルタ（ＬＰＦ）８８を備えて構成される。なお、第１局発電気信号源８２、第２局発電気信号源８４は電気信号生成部８１の外部に在っても良い。第１局発電気信号源８２は、第１周波数ｆ_１の電気信号を生成する。第２局発電気信号源８４は、第２周波数ｆ_２の電気信号を生成する。ミキサー部８６は、第１周波数ｆ_１の電気信号と、第２周波数ｆ_２の電気信号から、第１周波数ｆ_１及び第２周波数ｆ_２の和周波成分と差周波成分を生成する。ＬＰＦ８８はミキサー部８６で生成される信号から差周波成分ｆ_ＡＯＭ（＝ｆ_１−ｆ_２）のビート信号を出力する。

第１光周波数シフタ部４４は、第１光路に設けられている。第１光周波数シフタ部４４は、第１局発電気信号源８２で生成された第１周波数ｆ_１の電気信号を用いて、第１光路を伝播する光に対して、第１周波数ｆ_１の周波数シフトを与える。

第２光周波数シフタ部４６は、第２光路に設けられている。第２光周波数シフタ部４６は、第２局発電気信号源８４で生成された第２周波数ｆ_２の電気信号を用いて、第２光路を伝播する光に対して、第２周波数ｆ_２の周波数シフトを与える。

なお、この変形例は、第１光ファイバ歪み測定装置だけでなく、第２及び第３光ファイバ歪み測定装置にも適用可能である。

１０ 光源部
１２ 周波数安定化狭線幅光源
１３ ２波長光源
１４ 光パルス発生器
１６ 光カプラ
１８ バンドパスフィルタ
１９ 局発光用バンドパスフィルタ
２０ サーキュレータ
３０ 光増幅器
３２ 光バンドパスフィルタ
４０、４１ 自己遅延ヘテロダイン干渉計
４２ 分岐部
４３ 光周波数シフタ部
４４ 第１光周波数シフタ部
４６ 第２光周波数シフタ部
４８ 遅延部
５０ 合波部
５２ 局発光源
５４ 第１光カプラ
５６ 第２光カプラ
５７ 局発光用光周波数シフタ部
５８、８３ 局発電気信号源
６０ コヒーレント検波部
６２ バランス型ＰＤ
６４ ＦＥＴ増幅器
７０、８６ ミキサー部
７２、８８ ローパスフィルタ（ＬＰＦ）
７４ 信号処理装置
８０、８１ 電気信号生成部
８２ 第１局発電気信号源
８４ 第２局発電気信号源
９０ タイミング制御器

Claims (7)

1. プローブ光を生成する光源部と、
   前記プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、第１光路及び第２光路に２分岐する分岐部と、
   前記第１光路及び前記第２光路のいずれか一方に設けられた、ビート周波数の周波数シフトを与える光周波数シフタ部と、
   前記第１光路及び前記第２光路のいずれか一方に設けられた遅延部と、
   前記第１光路及び前記第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する第１光カプラと、
   前記合波光を局発光と合波して再合波光を生成する第２光カプラと、
   前記再合波光をヘテロダイン検波して差周波を第１電気信号として出力するコヒーレント検波部と、
   前記第１電気信号と同じ周波数を持つ第２電気信号を生成する電気信号生成部と、
   前記第１電気信号と前記第２電気信号とをホモダイン検波して、差周波を位相差信号として出力するミキサー部と
   を備えることを特徴とする光ファイバ歪み測定装置。
2. プローブ光を生成する光源部と、
   前記プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、第１光路及び第２光路に２分岐する分岐部と、
   前記第１光路に設けられた、第１周波数の周波数シフトを与える第１光周波数シフタ部と、
   前記第２光路に設けられた、第２周波数の周波数シフトを与える第２光周波数シフタ部と、
   前記第１光路及び前記第２光路のいずれか一方に設けられた遅延部と、
   前記第１光路及び前記第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する第１光カプラと、
   前記合波光を局発光と合波して再合波光を生成する第２光カプラと、
   前記再合波光をヘテロダイン検波して差周波を第１電気信号として出力するコヒーレント検波部と、
   前記第１電気信号と同じ周波数を持つ第２電気信号を生成する電気信号生成部と、
   前記第１電気信号と前記第２電気信号とをホモダイン検波して、差周波を位相差信号として出力するミキサー部と
   を備えることを特徴とする光ファイバ歪み測定装置。
3. 前記局発光を生成する周波数安定化狭線幅光源を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ歪み測定装置。
4. さらに、局発光用光周波数シフタ部を備え、
   前記光源部が、連続光を生成する周波数安定化狭線幅光源と、
   前記連続光を２分岐する光カプラと、
   前記連続光が２分岐された一方を変調して前記プローブ光として用いられる光パルスを生成する光パルス発生器を備え、
   前記局発光用光周波数シフタ部は、前記光カプラで２分岐された他方を周波数シフトして前記局発光を生成する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ歪み測定装置。
5. さらに、局発光用光バンドパスフィルタ部を備え、
   前記光源部が、２波長の連続光を生成する２波長周波数安定化狭線幅光源と、
   前記連続光を２分岐する光カプラと、
   前記連続光が２分岐された一方に対して、２波長の一方を抽出するバンドパスフィルタと、
   前記抽出された２波長の一方を変調して前記プローブ光として用いられる光パルスを生成する光パルス発生器を備え、
   前記局発光用光バンドパスフィルタは、前記光カプラで２分岐された他方に対して、２波長の他方を抽出する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光ファイバ歪み測定装置。
6. プローブ光を生成する過程と、
   前記プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、第１光路及び第２光路に２分岐する過程と、
   前記第１光路及び前記第２光路のいずれか一方を伝播する光に、ビート周波数の周波数シフトを与える過程と、
   前記第１光路及び前記第２光路のいずれか一方に遅延を与える過程と、
   前記第１光路及び前記第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する過程と、
   前記合波光を局発光と合波して再合波光を生成する過程と、
   前記再合波光をヘテロダイン検波して差周波を第１電気信号として出力する過程と、
   前記第１電気信号と同じ周波数を持つ第２電気信号を生成する過程と、
   前記第１電気信号と前記第２電気信号とをホモダイン検波して、差周波を位相差信号として出力する過程と
   を備えることを特徴とする光ファイバ歪み測定方法。
7. プローブ光を生成する過程と、
   前記プローブ光により測定対象となる光ファイバで発生する後方ブリルアン散乱光を、第１光路及び第２光路に２分岐する過程と、
   前記第１光路を伝播する光に、第１周波数の周波数シフトを与える過程と、
   前記第２光路を伝播する光に、第２周波数の周波数シフトを与える過程と、
   前記第１光路及び前記第２光路のいずれか一方に遅延を与える過程と、
   前記第１光路及び前記第２光路を伝播する光を合波して合波光を生成する過程と、
   前記合波光を局発光と合波して再合波光を生成する過程と、
   前記再合波光をヘテロダイン検波して差周波を第１電気信号として出力する過程と、
   前記第１電気信号と同じ周波数を持つ第２電気信号を生成する過程と、
   前記第１電気信号と前記第２電気信号とをホモダイン検波して、差周波を位相差信号として出力する過程と
   を備えることを特徴とする光ファイバ歪み測定方法。

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