JP6411306B2 - 光線路特性解析装置及び光線路特性解析方法 - Google Patents
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Description
前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの光周波数差を時間に対して線形に変動する光周波数差掃引手段と、
前記被測定光線路への前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの入射時間差を設定する入射時間差設定手段と、
前記光周波数差掃引手段で変動させる前記光周波数差及び前記入射時間差設定手段で設定した前記入射時間差をもって前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスを発生し、前記被測定光線路に入射する試験光入射手段と、
前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの相互作用でブリルアン増幅を受けた前記プローブ光パルスを受光し、ブリルアン増幅を受けた前記プローブ光パルスの強度を時間的に取得する信号取得手段と、
前記試験光入射手段に対し、所定時間をおいて再度前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスを前記被測定光線路に複数回入射させ、前記信号取得手段が取得したブリルアン増幅を受けた2つの前記プローブ光パルスのピーク強度の時間差から前記入射時間差設定手段が設定した前記入射時間差におけるブリルアン周波数シフトを算出する演算制御手段と、
を備えることを特徴とする。
前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの光周波数差を時間に対して線形に変動する周波数掃引速度、及び前記ポンプ光パルスのパルス幅を設定するパルス設定手順と、
前記被測定光線路への前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの入射時間差を設定する入射時間差設定手順と、
前記パルス設定手順で設定した前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスを前記入射時間差設定手順で設定した前記入射時間差をもって前記被測定光線路に入射し、前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの相互作用でブリルアン増幅を受けた前記プローブ光パルスを受光し、ブリルアン増幅を受けた前記プローブ光パルスの強度を時間的に取得することを複数回行う信号取得手順と、
前記信号取得手順で取得したブリルアン増幅を受けた2つの前記プローブ光パルスのピーク強度の時間差から前記入射時間差設定手順が設定した前記入射時間差におけるブリルアン周波数シフトを算出する演算制御手順と、
を行うことを特徴とする。
図1は、本実施形態の光線路特性解析装置301の構成を示すブロック図である。光線路特性解析装置301は、被測定光線路23でブリルアン散乱を発生させるポンプ光パルスと、被測定光線路23で前記ポンプ光パルスと相互作用させるプローブ光パルスと、を被測定光線路23に伝搬させ、被測定光線路23の特性を解析する光線路特性解析装置であって、
前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの光周波数差を時間に対して線形に変動する光周波数差掃引手段と、
前記被測定光線路への前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの入射時間差を設定する入射時間差設定手段と、
前記光周波数差掃引手段で変動させる前記光周波数差及び前記入射時間差設定手段で設定した前記入射時間差をもって前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスを発生し、前記被測定光線路に入射する試験光入射手段と、
前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの相互作用でブリルアン増幅を受けた前記プローブ光パルスを受光し、ブリルアン増幅を受けた前記プローブ光パルスの強度を時間的に取得する信号取得手段と、
前記試験光入射手段に対し、所定時間をおいて再度前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスを前記被測定光線路に複数回入射させ、前記信号取得手段が取得したブリルアン増幅を受けた2つの前記プローブ光パルスのピーク強度の時間差から前記入射時間差設定手段が設定した前記入射時間差におけるブリルアン周波数シフトを算出する演算制御手段と、
を備えることを特徴とする。
次に、光線路特性解析装置301の解析条件について説明する。
(条件1) プローブ光、またはポンプ光、またはプローブ光とポンプ光の両方の変調周波数帯域幅は、測定すべき物理量変化に対応するBFS変化量と同等、またはそれ以上であること。
(条件2) 光周波数の線形掃引速度はプローブ光とポンプ光で一致しないこと。
(条件3) 光受信手段26の帯域及びA/D変換器27のサンプリングレートは、所望のBFS分解能に対応する時間分解能を持つこと。
上記の解析条件を満足する光線路特性解析装置301の光線路特性解析方法を説明する。
プローブ光とポンプ光との周波数差がブリルアン周波数シフトfBと一致する場合、プローブ光パルスとポンプ光パルスとがインタラクションすると、インタラクションした位置にてプローブ光パルスはブリルアン増幅される。線形掃引したポンプ光を用い、ポンプ光の周波数帯域幅が測定すべき物理量変化に対応するBFS変化の帯域より広い場合、プローブ光とポンプ光の周波数差がおよそfBとなるブリルアン相関範囲を生じる。ポンプ光周波数が時間的に掃引されていることで、ブリルアン利得を得た受信プローブ光強度はローレンツ関数形状の時間変化を伴い、そのピーク値の受光時間を測定し、ポンプ光の周波数掃引速度γp[Hz/s]を用いてBFSに変換する。以下、本発明におけるBFS変化の解析方法を述べる。
(b−1)感度
ポンプ光のみが線形掃引される場合において、掃引速度γpが小さい場合、ブリルアン利得のピーク近傍を長い時間測定することになり、得られるブリルアン利得は大きくなる。掃引速度γpが大きい場合には、ブリルアン利得帯域幅を短い時間しか測定されないため、得られるブリルアン利得は小さくなる。つまり、掃引速度γpは小さいほど測定感度は良くなる。プローブ光のみが掃引速度γrで掃引される場合にも、上記と同様である。また、ポンプ光とプローブ光の両方が掃引される場合には、
ポンプ光のみが線形掃引される場合において、プローブ光とポンプ光の周波数差がブリルアン周波数シフトfB近傍でのみブリルアン利得を得るため、空間分解能はBOTDAやBOTDR、BOCDAと異なり、ポンプ光のパルス幅ではなく、ポンプ光の周波数変調の掃引速度γpと測定すべき物理量変化に対応するBFS変化量で決まる。そのため、ポンプ光パルス幅は空間分解能に相当する時間幅と同等かそれ以上でよい。BFS変化が生じていない領域における空間分解能は、ブリルアン利得帯域の半値半幅DfBとすると、光ファイバ中の光速νを用いて、
プローブ光パルスとポンプ光パルスの入射時間差を変更することで、被測定光ファイバ中でプローブ光がポンプ光とインタラクションする位置を変更することが可能であり、すなわち、これを繰り返し測定することで分布測定が可能である。
また、ここでは1回目のプローブ光パルスとポンプ光パルスで基準BFSを測定し、2回目のプローブ光パルスとポンプ光パルスでBFS変化を測定する説明をしたが、プローブ光パルスとポンプ光パルスを所定間隔で複数回被試験光ファイバ23に送出すれば、測定対象の物理変化量だけでなく、変動速度や振動周波数も測定することができる。
図5は、光線路特性解析装置301が行う測定手順を説明するフローチャートである。
本光線路特性解析方法は、被測定光線路でブリルアン散乱を発生させるポンプ光パルスと、前記被測定光線路で前記ポンプ光パルスと相互作用させるプローブ光パルスと、を前記被測定光線路に伝搬させ、前記被測定光線路の特性を解析する光線路特性解析方法であって、
前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの光周波数差を時間に対して線形に変動する周波数掃引速度、及び前記ポンプ光パルスのパルス幅を設定するパルス設定手順と、
前記被測定光線路への前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの入射時間差を設定する入射時間差設定手順と、
前記パルス設定手順で設定した前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスを前記入射時間差設定手順で設定した前記入射時間差をもって前記被測定光線路に入射し、前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの相互作用でブリルアン増幅を受けた前記プローブ光パルスを受光し、ブリルアン増幅を受けた前記プローブ光パルスの強度を時間的に取得することを複数回行う信号取得手順と、
前記信号取得手順で取得したブリルアン増幅を受けた2つの前記プローブ光パルスのピーク強度の時間差から前記入射時間差設定手順が設定した前記入射時間差におけるブリルアン周波数シフトを算出する演算制御手順と、
を行うことを特徴とする。
まず、演算制御手段は、ポンプ光パルスの掃引速度γpとパルス幅τを設定する(ステップS1)。次に、演算制御手段は、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差t1を入射時間制御手段(15,16)に設定する(ステップS2)。そして、ある時刻にプローブ光パルス及びポンプ光パルスが入射時間差t1をもって、測定すべき物理量が基準状態にある被測定光ファイバ23に入力される(ステップS3)。演算処理装置28は、受光したプローブ光パルスから誘導ブリルアン散乱光の時間変化を求め、基準状態における誘導ブリルアン散乱光の最大値を取る時間τ0を解析する(ステップS4)。
手順1:ポンプ光パルスの周波数掃引速度γpとパルス幅τを設定。
手順2:プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差t1を設定。
手順3:基準状態でのプローブ光パルスのブリルアン散乱光強度の時間変化から、誘導ブリルアン利得ピークを取る時間τ0を記録。
手順4:測定すべき物理量に変化のある状態でのプローブ光パルスのブリルアン散乱光強度の時間変化から、誘導ブリルアン利得ピークを取る時間τ1を記録し、τ0との時間差と掃引速度から、BFS変化量に換算。
手順5:プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差t1を変化させて上記手順2から手順4を繰り返し、t=nL/cで終了。
以下は、本実施形態の光線路特性解析装置を説明したものである。
(目的)
ブリルアン散乱を利用した光線路の温度、静的歪、動的歪の変化量と動的歪の振動数に対する測定において、高速に被測定光ファイバのBFSの変化量を検出可能な光線路特性解析装置とその解析方法を提供することにある。
被測定光線路の特性を解析する光線路特性解析装置であって、
波長の異なる第1及び第2の試験パルス光を生成する手段と、
前記第1及び第2の試験パルス光の周波数を時間的に変調する周波数制御手段と、
前記第1及び第2のパルスが発生される時間差を制御するタイミング制御手段と、
前記ブリルアン利得を得た前記第1試験パルス光の強度を時間的に取得する信号取得手段とを具備し、
2回の測定において得られる、前記第1試験パルス光が得たブリルアン利得強度のピーク時刻の差からブリルアン周波数シフトを算出することを特徴とする前記光線路の特性解析装置。
前記周波数制御手段は、前記第1及び第2の試験パルス光のいずれかまたは両方を時間に対して線形に変調し、かつ前記第1及び第2の試験パルス光の掃引速度が一致していないことを特徴とする上記(1)記載の光線路特性解析装置。
前記周波数制御手段は、半導体レーザの注入電流を強度変調することで行われることを特徴とする前記(2)記載の光線路特性解析装置。
前記特性分布の特性は、温度、静的歪量、動的歪量、動的歪の振動数のいずれかであることを特徴とする上記(1)〜(3)に記載の光線路特性解析装置。
本発明は、波長の異なる二種の試験光を用意し、パルス化した後に二種のパルス試験光に入射時間差を与えて被測定光線路に入射することで、先に入射したパルス試験光(プローブ光)の反射光と、後に入射したパルス試験光(ポンプ光)が対向伝搬することにより発生した誘導ブリルアン後方散乱光を光受信器で受信し、プローブ光またはポンプ光、あるいはプローブ光およびポンプ光の両方の光周波数を線形に変調し、変調帯域幅を測定すべき物理量変化に対応するBFS変化の範囲と同等またはそれ以上に設定し、受信信号の時間軸上でのブリルアン利得の変化を解析し、測定毎にブリルアン利得ピークを取る時間の変化をBFS変化に換算し、BFS変化を測定すべき物理量変化に解析することで、高速な測定が可能となる。
10−1:第1試験光出力手段
10−2:第2試験光出力手段
12:光周波数変更手段
13、14:光パルス化手段
15、16:入射時間制御手段
21:サーキュレータ
23:被測定光ファイバ
26:光受信手段
27:A/D変換器
28:演算処理装置
Claims (8)
- 被測定光線路でブリルアン(Brillouin)散乱を発生させるポンプ光パルスと、前記被測定光線路で前記ポンプ光パルスと相互作用させるプローブ光パルスと、を前記被測定光線路に伝搬させ、前記被測定光線路の特性を解析する光線路特性解析装置であって、
前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの光周波数差を時間に対して線形に変動する光周波数差掃引手段と、
前記被測定光線路への前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの入射時間差を設定する入射時間差設定手段と、
前記光周波数差掃引手段で変動させる前記光周波数差及び前記入射時間差設定手段で設定した前記入射時間差をもって前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスを発生し、前記被測定光線路に入射する試験光入射手段と、
前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの相互作用でブリルアン増幅を受けた前記プローブ光パルスを受光し、ブリルアン増幅を受けた前記プローブ光パルスの強度を時間的に取得する信号取得手段と、
前記試験光入射手段に対し、所定時間をおいて再度前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスを前記被測定光線路に複数回入射させ、前記信号取得手段が取得したブリルアン増幅を受けた2つの前記プローブ光パルスのピーク強度の時間差から前記入射時間差設定手段が設定した前記入射時間差におけるブリルアン周波数シフトを算出する演算制御手段と、
を備えることを特徴とする光線路特性解析装置。 - 前記光周波数差掃引手段は、前記光周波数差を線形に変動させる線形変動範囲が、前記被測定光線路において測定対象とするブリルアン周波数シフト分布幅に相当する測定対象周波数範囲以上であることを特徴とする請求項1に記載の光線路特性解析装置。
- 前記光周波数差掃引手段は、前記ポンプ光パルス、前記プローブ光パルス、あるいは前記ポンプ光パルスと前記プローブ光パルスの双方の光周波数を変動し、前記光周波数差を時間に対して線形に変動することを特徴とする請求項1又は2に記載の光線路特性解析装置。
- 前記光周波数差掃引手段は、半導体レーザの注入電流を強度変調することで前記光周波数を変動することを特徴とする請求項3に記載の光線路特性解析装置。
- 前記試験光入射手段は、前記被測定光線路の一端から前記ポンプ光パルス及び前記プローブ光パルスを入射することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の光線路特性解析装置。
- 前記試験光入射手段は、前記被測定光線路の一端から前記プローブ光パルスを入射し、前記被測定光線路の他端から前記ポンプ光パルスを入射することを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の光線路特性解析装置。
- 被測定光線路でブリルアン(Brillouin)散乱を発生させるポンプ光パルスと、前記被測定光線路で前記ポンプ光パルスと相互作用させるプローブ光パルスと、を前記被測定光線路に伝搬させ、前記被測定光線路の特性を解析する光線路特性解析方法であって、
前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの光周波数差を時間に対して線形に変動する周波数掃引速度、及び前記ポンプ光パルスのパルス幅を設定するパルス設定手順と、
前記被測定光線路への前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの入射時間差を設定する入射時間差設定手順と、
前記パルス設定手順で設定した前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスを前記入射時間差設定手順で設定した前記入射時間差をもって前記被測定光線路に入射し、前記プローブ光パルスと前記ポンプ光パルスとの相互作用でブリルアン増幅を受けた前記プローブ光パルスを受光し、ブリルアン増幅を受けた前記プローブ光パルスの強度を時間的に取得することを複数回行う信号取得手順と、
前記信号取得手順で取得したブリルアン増幅を受けた2つの前記プローブ光パルスのピーク強度の時間差から前記入射時間差設定手順が設定した前記入射時間差におけるブリルアン周波数シフトを算出する演算制御手順と、
を行うことを特徴とする光線路特性解析方法。 - 前記入射時間差設定手順で設定する前記入射時間差を変化させ、前記入射時間差がnL/cと等しくなるまで前記信号取得手順と前記演算制御手順を繰り返すことを特徴とする請求項7に記載の光線路特性解析方法。
ただし、nは前記被測定光線路の屈折率、Lは被測定光線路長、cは真空中の光速である。
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