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
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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。
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。
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。
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E0(t)は、以下の式(1)で表される。
E0(t)=A0exp{j(2πfB(t)t+φ0)} (1)
ここで、A0は振幅、fB(t)は自然ブリルアン散乱光の光周波数、φ0は初期位相を示している。
ここで、A0は振幅、fB(t)は自然ブリルアン散乱光の光周波数、φ0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fAOM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fAOM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fAOM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fAOM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E1(t)、第2光路を伝播する光信号E2(t−τ)は、それぞれ、以下の式(2)(3)で表される。
E1(t)=A1exp{j(2πfB(t)t+2πfAOMt+φ1)} (2)
E2(t−τ)=A2exp[j{2πfB(t)(t−τ)+φ2}](3)
ここで、A1及びA2は、それぞれE1(t)及びE2(t−τ)の振幅であり、φ1及びφ2は、それぞれE1(t)及びE2(t−τ)の初期位相である。
E2(t−τ)=A2exp[j{2πfB(t)(t−τ)+φ2}](3)
ここで、A1及びA2は、それぞれE1(t)及びE2(t−τ)の振幅であり、φ1及びφ2は、それぞれE1(t)及びE2(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I12は、以下の式(4)で表される。
I12=2A1A2cos{2π(fAOMt+fB(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。
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IAOMを以下の式(5)で表す。
IAOM=AAOMcos2π(fAOMt+φAOM) (5)
ここで、AAOM及びφAOMは、それぞれ、第2電気信号の振幅及び初期位相である。
ここで、AAOM及びφAOM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。
I12×IAOM=A1A2AAOMcos{2π(fAOMt+fB(t)τ)+φ1−φ2+φAOM}+A1A2AAOMcos{2πfB(t)τ+φ1−φ2−φAOM}(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。
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。
I12×IAOM=A1A2AAOMcos{2πfB(t)τ+φ1−φ2−φAOM}(7)
式(7)のφ1−φ2−φAOM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fB(t)のみが出力強度の差として出力される。
式(7)のφ1−φ2−φAOM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fB(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fB(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t1からt2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t1からt1+τまでの間に変化し、時刻t2からt2+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。
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ELOは、以下の式(8)で表される。
ELO=ALOexp{j(2πfLOt+φLO)} (8)
ここで、ALO及びφLOは、それぞれELOの振幅及び初期位相であり、fLOは、局発光の周波数である。この局発光の周波数fLOは、ブリルアン周波数近傍に設定される。
ここで、ALO及びφLOは、それぞれELOの振幅及び初期位相であり、fLOは、局発光の周波数である。この局発光の周波数fLO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E1(t)、第2光路を伝播する光信号E2(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。
I12=A1A2cos{2π(fAOMt+fB(t)τ)+φ1-φ2} (9)
I1LO=2/√2・A1ALOcos{2π(fB(t)+fAOM−fLO)t+φ1-φLO} (10)
I2LO=2/√2・A1A2cos{2π(fB(t)−fLO)t−2πfB(t)τ)+φ2-φLO} (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。
I1LO=2/√2・A1ALOcos{2π(fB(t)+fAOM−fLO)t+φ1-φLO} (10)
I2LO=2/√2・A1A2cos{2π(fB(t)−fLO)t−2πfB(t)τ)+φ2-φLO} (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E1(t)、第2光路を伝播する光信号E2(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E1(t)、及び第2光路を伝播する光信号E2(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、I1LO成分と、I2LO成分をバンドパスフィルタでそれぞれ抽出する。このI1LO成分とI2LO成分の2つの信号を乗算する。I1LO成分とI2LO成分を乗算すると、以下の式(12)が得られる。
I1LO×I2LO=A1A2ALO 2cos{2π(2fB(t)+fAOM−fLO)t−2fB(t)τ+φ1+φ2−φLO}+A1A2ALO 2cos{2π(fAOMt+fB(t)τ)+φ1−φ2} (12)
上の式(12)に示されるように、I1LO成分とI2LO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。
上の式(12)に示されるように、I1LO成分とI2LO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ALO 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・A1A2ALO 2AAOMcos{2πfB(t)τ+φ1−φ2−φAOM} (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、ALO 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。
この結果、光ファイバ歪み測定装置の基本構成に比べて、ALO 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PLO(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P1=P2=10dB,としている。図5に示されるように、局発光のパワーPLOを増大させると、S/N改善度が増し、PLO=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。
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。
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。
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f1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f2の電気信号を生成する。ミキサー部86は、第1周波数f1の電気信号と、第2周波数f2の電気信号から、第1周波数f1及び第2周波数f2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fAOM(=f1−f2)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f1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f1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f2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f2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
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。 - 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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