WO2012105429A1 - 光ファイバ特性測定装置及び方法 - Google Patents

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detection
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眞人 岸
和夫 保立
孝志 鎗
芳宏 熊谷
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
University of Tokyo NUC
Yokogawa Electric Corp
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
University of Tokyo NUC
Yokogawa Electric Corp
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    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G01D5/35338—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre using other arrangements than interferometer arrangements
    • G01D5/35341—Sensor working in transmission
    • G01D5/35348—Sensor working in transmission using stimulated emission to detect the measured quantity

Definitions

  • the present invention relates to an optical fiber characteristic measuring apparatus and method. This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2011-018951 filed on January 31, 2011, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • an optical fiber characteristic measuring device is designed to make continuous light or pulsed light incident on an optical fiber, and to receive scattered light or reflected light generated in the optical fiber, thereby causing temperature distribution, strain distribution, etc. in the longitudinal direction of the optical fiber. It is a device that measures the characteristics of.
  • the scattered light or the reflected light that is received changes in accordance with a physical quantity (for example, temperature or stress) that affects the optical fiber, so the optical fiber itself is used as a sensor.
  • Patent Document 1 frequency-modulated continuous light (pump light and probe light) is incident from both ends of the optical fiber to form a periodic correlation peak between the pump light and the probe light along the optical fiber.
  • An optical fiber characteristic measuring apparatus that measures the characteristic of an optical fiber by utilizing the property that the probe light is amplified by the stimulated Brillouin scattering phenomenon only at the position of the correlation peak is disclosed.
  • This optical fiber characteristic measuring apparatus can measure the characteristic in the longitudinal direction of the optical fiber by receiving the probe light amplified at each position while changing the position of the correlation peak in the optical fiber.
  • frequency-modulated continuous light (probe light) and pulsed light (pump light) are incident from one end and the other end of the optical fiber, respectively, to the position of the pump light propagating through the optical fiber. Correlation peaks are sequentially generated accordingly, and only light from the vicinity of the measurement point (stimulated Brillouin scattered light) of the light emitted from the optical fiber is obtained to measure the characteristics of the optical fiber at the measurement point.
  • An apparatus for measuring fiber characteristics is disclosed. This optical fiber characteristic measuring device adjusts the modulation frequency of the probe light and the pump light and the light reception timing of the light emitted from the optical fiber, and moves the measurement point, so that an arbitrary position in the longitudinal direction of the optical fiber can be moved. Characteristics can be measured.
  • the optical fiber characteristic measuring device disclosed in Patent Document 2 includes a timing adjuster in front of a photodetector that receives light emitted from the optical fiber, and the light emitted from the optical fiber is measured. By cutting out with the timing adjuster, only the light from the vicinity of the measurement point is received by the photodetector.
  • a timing adjuster is realized by, for example, an optical switch using an LN (Lithium-Niobate) modulator using an electro-optic effect (Pockels effect).
  • the optical switch can switch between an on state (a state in which light is transmitted) and an off state (a state in which light is blocked) at high speed. For example, light emitted from an optical fiber can be emitted for several nsec. It is also possible to cut out at intervals. Therefore, if such an optical switch is used as a timing adjuster, an optical fiber characteristic measuring apparatus having a high spatial resolution of about 1 cm can be realized.
  • the above optical switch has a large insertion loss, has polarization dependency, and is expensive. For this reason, in the future, there is a possibility that the following problems will occur when the spatial resolution of the optical fiber characteristic measuring device is improved and the cost is reduced.
  • the above optical switch has polarization dependency in which the intensity of transmitted light varies according to the polarization direction of incident light. It is also a characteristic that the insertion loss of the optical switch varies depending on the wave direction. For this reason, when said optical switch tries to improve the spatial resolution of an optical fiber characteristic measuring apparatus, while being a factor which worsens measurement accuracy, it will become a factor which worsens measurement stability and reproducibility. There's a problem.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and an optical fiber characteristic measuring apparatus capable of improving spatial resolution and reducing costs without deteriorating measurement accuracy and stability / reproducibility, and It aims to provide a method.
  • an optical fiber characteristic measuring apparatus of the present invention includes a light source (11) that emits laser light modulated at a predetermined modulation frequency, and continuous light (L1) and pulse light from the light source.
  • the optical fiber characteristic measuring device (1, 2) for measuring the characteristic of the optical fiber using the detection result of the photodetector among the detection signals (D1) output from the photodetector, The detection signal obtained by detecting the light near the measurement point set in the optical fiber is cut out, and the detection signal cut out using the synchronous signals (SY, SY1) having a predetermined period is synchronously detected.
  • Sync It is characterized in that it comprises a wave device (18, 30).
  • the detection signal obtained by detecting the light in the vicinity of the measurement point set in the optical fiber is cut out, and the synchronization signal having a predetermined cycle is obtained.
  • the detection signal cut out by using is detected synchronously.
  • the optical fiber characteristic measuring device of the present invention is obtained by the synchronous detector detecting light in the vicinity of the measurement point set in the optical fiber, out of detection signals output from the photodetector.
  • the operation period of the timing adjuster is a half of the period of the synchronization signal.
  • the optical fiber characteristic measuring apparatus according to the present invention includes an inverter (21b) that outputs an inverted signal obtained by inverting the polarity of the detection signal output from the photodetector, and the photodetector A non-inverter (21a) that outputs a non-inverted signal that does not invert the polarity of the output detection signal, an inverted signal output from the inverter, and a non-inverted signal output from the non-inverter From the switch unit (31) for performing the cut-out by alternately outputting detection signals obtained by detecting light in the vicinity of the measurement point set on the fiber at the timing of output from the photodetector, and from the switch unit And a low-pass filter (24) for filtering the output signal (S1).
  • the period in which the pulsed light is incident on the other end of the optical fiber is such that at least the pulsed light reciprocates between one end and the other end of the optical fiber.
  • the period is set to twice the time required, and the period of the synchronization signal is the same as the period in which the pulsed light is incident on the other end of the optical fiber.
  • laser light modulated at a predetermined modulation frequency is made incident as continuous light (L1) and pulsed light (L2) from one end and the other end of the optical fiber (14), respectively.
  • the detection signal output from the photodetector is set in the optical fiber.
  • the detection signal obtained by detecting the light in the vicinity of the measurement point is cut out, and the detection signal cut out using the synchronous signal having a predetermined period is synchronously detected.
  • the detection signal obtained by detecting the light in the vicinity of the measurement point set in the optical fiber is cut out, and the synchronization signal having a predetermined period Since the detection signal that has been cut out using the signal is synchronously detected, the spatial resolution can be improved and the cost can be reduced without deteriorating the measurement accuracy and stability / reproducibility. There is.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a main configuration of the optical fiber characteristic measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • the optical fiber characteristic measuring apparatus 1 of this embodiment includes a light source 11, an optical splitter 12 (incident means), an optical modulator 13 (incident means), an optical fiber 14, and a pulse modulator 15 (incident means). ), A directional coupler 16 (incident means), a photodetector 17, and a synchronous detector 18, and measures the characteristics of the optical fiber 14 in the longitudinal direction (for example, temperature distribution and strain distribution).
  • Light source 11 includes a semiconductor laser 11a and the signal generator 11b, and emits a laser beam modulated with a predetermined modulation frequency f m.
  • the semiconductor laser 11a for example, an MQW / DFB / LD (Multi-Quantum Well / Distributed Feed-Back / Laser Diode) that emits laser light having a small spectral width and a narrow spectral width can be used.
  • Signal generator 11b outputs a sine wave signal for frequency modulation (the modulation signal) to the semiconductor laser 11a with semiconductor modulates the laser beam emitted from the laser 11a frequency f m.
  • the optical splitter 12 splits the laser light emitted from the light source 11 into two branches with an intensity ratio of 1: 1, for example.
  • the optical modulator 13 includes a microwave generator 13a and an SSB (Single Side Band) optical modulator 13b, and modulates one laser beam branched by the optical branching unit 12 (
  • the sideband (single sideband) with respect to the center frequency of the laser beam is generated by shifting the optical frequency.
  • the microwave generator 13a outputs a microwave having a frequency equivalent to a frequency shift given to one laser beam branched by the optical branching device 12.
  • the SSB optical modulator 13b generates a single sideband having a frequency difference equal to the frequency of the microwave output from the microwave generator 13a with respect to the center frequency of the input light.
  • the frequency of the microwave output from the microwave generator 13a is variable.
  • the light modulated by the optical modulator 13 enters the optical fiber 14 from one end of the optical fiber 14 as probe light L1 (continuous light).
  • the pulse modulator 15 includes a signal generator 15a and a light intensity modulator 15b, and pulsates the other laser beam branched by the optical branching device 12 to generate pulsed light.
  • the signal generator 15a outputs a timing signal that defines the timing for pulsing the laser beam.
  • the light intensity modulator 15b is, for example, an EO (Electro-Optic) switch, and pulses the laser light from the optical branching device 12 at a timing defined by a timing signal output from the signal generator 15a.
  • the pulse modulator 15 generates pulsed light having a pulse width tpw represented by the following equation (2) at a period T represented by the following equation (1).
  • L in the following formulas (1) and (2) is the length of the optical fiber 14 (length from one end to the other end)
  • n is the refractive index of the optical fiber 14
  • c is the speed of light.
  • d m is the spacing of the correlation peaks which is formed in the optical fiber 14
  • f m is the modulation frequency of the laser light emitted from the light source 11.
  • the period T at which the pulse modulator 15 generates the pulsed light is at least twice the time required for the pulsed light to reciprocate between one end and the other end of the optical fiber 14.
  • the directional coupler 16 causes the pulsed laser light output from the pulse modulator 15 to enter the optical fiber 14 from the other end of the optical fiber 14 as pump light L2 (pulse light), and the optical fiber 14 is allowed to enter.
  • Light (detection light L11) including the probe light L1 that has been propagated and emitted from the other end of the optical fiber 14 is emitted toward the photodetector 17. Note that the intensity of the detection light L11 is influenced by the stimulated Brillouin scattering phenomenon that occurs in the optical fiber 14.
  • the photodetector 17 includes a highly sensitive light receiving element such as an avalanche photo diode, for example, and the detection light L11 (light emitted from the other end of the optical fiber 14 and transmitted through the directional coupler 16). Is detected (received) and a detection signal D1 is output.
  • the photodetector 17 includes an optical wavelength filter in addition to the light receiving element described above, and a low-frequency side wave from the detection light L11 to the probe light L1. Select only the band and detect its power.
  • the SSB optical modulator 13b since the SSB optical modulator 13b is used, the above optical wavelength filter can be omitted.
  • the cost is increased by providing the optical wavelength filter, unnecessary frequency components can be suppressed, so that the measurement accuracy can be further improved.
  • the synchronous detector 18 includes a timing adjuster 18a and a lock-in amplifier 18b (synchronous detector), and performs synchronous detection of the detection signal D1 output from the photodetector 17.
  • the synchronous detector 18 includes a measurement point set in the optical fiber 14 (a point where characteristics are to be measured) in the detection signal D1 output from the photodetector 17 and a guided Brillouin generated in the vicinity thereof.
  • a detection signal obtained by detecting light including scattered light is cut out, and the detection signal D2 cut out using a synchronous signal SY (see FIGS. 2 and 4) having a predetermined period is synchronously detected.
  • the timing adjuster 18a is realized by, for example, an electrical switch (high-speed analog switch) that can switch between an ON state (a state in which the detection signal D1 is passed) and an OFF state (a state in which the detection signal D1 is blocked) at high speed.
  • the This timing adjuster 18a is obtained by detecting light including stimulated Brillouin scattered light generated at and near the measurement point set in the optical fiber 14 from the detection signal D1 output from the photodetector 17. The detection signal is cut out by passing the detection signal.
  • the operation cycle of the timing adjuster 18a is set to a cycle that is half the cycle of the synchronization signal SY.
  • the timing adjuster 18a can cut out the detection signal D1 at a time interval of about several nsec and has a low loss (for example, 1 dB or less). If the detection signal can be cut out at a time interval of about several nsec, a high spatial resolution of 1 cm or less can be realized, and if the loss is low, the S / N ratio does not drop significantly, so that the measurement accuracy Can be improved. Further, by using an electrical switch as the timing adjuster 18a, it is possible to reduce the size and cost, and since it does not have polarization dependency like an optical switch, it may cause deterioration in stability and reproducibility. Furthermore, it is possible to measure in a wide temperature range of about ⁇ 40 to + 80 ° C.
  • the lock-in amplifier 18b synchronously detects the detection signal D2 (detection signal cut out by the timing adjuster 18a) that has passed through the timing adjuster 18a using the synchronization signal SY described above.
  • the cycle of the synchronization signal SY is the same as the cycle in which the pump light L2 is incident on the other end of the optical fiber 14 (at least the pulsed light reciprocates between one end and the other end of the optical fiber 14). Is set to be twice the time required for the
  • FIG. 2 is a block diagram showing a main configuration of a lock-in amplifier provided in the optical fiber characteristic measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention.
  • the lock-in amplifier 18b includes a non-inverter 21a, an inverter 21b, a switch unit 22, a phase shifter 23, a low-pass filter 24, and a DC voltmeter 25, and is input to the synchronization signal input terminal Q2.
  • the detection signal D2 input to the signal input terminal Q1 is synchronously detected using the synchronization signal SY.
  • the non-inverter 21a outputs the detection signal D2 input to the signal input terminal Q1 as it is without inverting the polarity.
  • the inverter 21b inverts the polarity of the detection signal D2 input to the signal input terminal Q1. Output. That is, the non-inverter 21a outputs a non-inverted signal that does not invert the polarity of the detection signal D2, and the inverter 21b outputs an inverted signal in which the polarity of the detection signal D2 is inverted.
  • the switch unit 22 includes an input terminal a1 to which the output terminal of the non-inverter 21a is connected, an input terminal a2 to which the output terminal of the inverter 21b is connected, and an output terminal b1 to which the low-pass filter 24 is connected. Based on the synchronization signal SY via the phase shifter 23, the connection between the input terminals a1 and a2 and the output terminal b1 is switched.
  • the phase shifter 23 adjusts the phase by changing the phase of the synchronization signal SY input to the synchronization signal input terminal Q2.
  • the low-pass filter 24 performs filtering of the output signal S1 output from the output terminal b1 of the switch unit 22. Specifically, the low frequency component (frequency component lower than the cut-off frequency) of the output signal S1 is allowed to pass, and the high frequency component equal to or higher than the cut-off frequency is cut off.
  • the DC voltmeter 25 measures the voltage value (DC voltage value) of the signal output from the low-pass filter 24.
  • the laser light frequency-modulated at a modulation frequency f m is emitted from the light source 11 in the optical splitter 12.
  • One laser beam branched by the optical splitter 12 enters the optical modulator 13 and is modulated by the SSB optical modulator 13b, thereby generating a single sideband with respect to the center frequency of the laser light.
  • Laser light (continuous light) having a single sideband emitted from the optical modulator 13 enters the optical fiber 14 from one end of the optical fiber 14 as probe light L1.
  • the other laser beam branched by the optical branching device 12 enters the pulse modulator 15 and is pulsed by being intensity-modulated by the light intensity modulator 15b.
  • the pulsed light having the pulse width shown in the above-described equation (2) is generated with the period T shown in the above-described (1).
  • This pulsed light enters the optical fiber 14 from the other end of the optical fiber 14 through the directional coupler 16 as pump light L2.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which a correlation peak occurs in the optical fiber with the progress of the pump light.
  • FIG. 3 only five correlation peaks P0 to P4 are shown in order to avoid complication of illustration.
  • the pump light L2 is shown passing through the vicinity of the correlation peak P2.
  • correlation peaks P0 and P1 indicated by broken lines are correlation peaks that have passed in the past, and correlation peaks P3 and P4 are correlation peaks that will pass from now on as the pump light L2 advances.
  • the distance of the correlation peaks d m is expressed by the following equation (3).
  • d m (c / n) / (2 ⁇ f m ) (3)
  • the generation position of the zero-order correlation peak P0 generated in the optical path difference becomes zero position of the probe light L1 and the pump light L2 can not be moved even by changing the modulation frequency f m.
  • the generation position of the zeroth-order correlation peak P ⁇ b> 0 is set to be outside the optical fiber 14.
  • the probe light L1 obtains a gain (gain) due to stimulated Brillouin amplification by the pump light L2.
  • a Brillouin gain spectrum having the shape of a Lorentz function having a Brillouin frequency shift ⁇ B as the center frequency ( A spectrum called BGS) is obtained. It is known that this Brillouin frequency shift ⁇ B changes depending on the material, temperature, strain, and the like of the optical fiber 14 and particularly changes linearly with respect to the strain. For this reason, the distortion amount of the optical fiber 14 can be obtained by detecting the peak frequency of the Brillouin gain spectrum.
  • the probe light L1 through the optical fiber 14 and the stimulated Brillouin scattered light generated in the optical fiber 14 are emitted from the other end of the optical fiber 14 and then detected as the detection light L11 through the directional coupler 16. Is incident on.
  • the light of the sideband on the low frequency side is selected by an optical wavelength filter (not shown) provided in the photodetector 17 and its intensity is detected, and a detection signal D1 indicating the detection result is output from the photodetector 17.
  • the detection signal D1 output from the photodetector 17 is input to the synchronous detector 18 and is synchronously detected.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining processing performed by the synchronous detection device in the first embodiment of the present invention.
  • the period T (the period of the synchronization signal SY) at which the pump light L2 is incident on the other end of the optical fiber 14 is the difference between the one end and the other end of the optical fiber 14. It is assumed that the time is set to twice the time required to go back and forth between the two. When such a setting is made, the time required for the pump light L2 incident from the other end of the optical fiber 14 to reach one end of the optical fiber 14 and the stimulated Brillouin scattered light generated at one end of the fiber 14 are reduced. The time required to reach the other end of the optical fiber 14 is both T / 4.
  • the detection light L11 including the probe light L1 via the optical fiber 14 and the stimulated Brillouin scattered light generated in the optical fiber 14 is incident on the photodetector 17. .
  • the detection signal D ⁇ b> 1 affected by the stimulated Brillouin scattered light is output from the photodetector 17.
  • the portion affected by the stimulated Brillouin scattered light is represented by a black belt, and the portions denoted by reference symbols P1 to P4 are generated at the positions of the correlation peaks P1 to P4 in FIG. This indicates that the portion is affected by the stimulated Brillouin scattered light.
  • the detection light L11 that includes the probe light L1 through the optical fiber 14 but does not include the stimulated Brillouin scattered light is incident on the photodetector 17. .
  • a detection signal D ⁇ b> 1 that is not affected by the stimulated Brillouin scattered light (without a black band) is output from the photodetector 17. Since the pump light L2 is repeatedly incident at the period T, the detection signal D1 affected by the stimulated Brillouin scattered light and the detection signal D2 not received are alternately output every T / 2.
  • the timing adjuster 18a has its operation cycle set to T / 2, and in each cycle, the guided Brillouin generated at and near the measurement point set in the optical fiber 14. An operation of passing a detection signal obtained by detecting light including scattered light is performed.
  • the measurement point is set at the position of the correlation peak P1 shown in FIG. 3, and the timing adjuster 18a includes the position of the correlation peak P1 in the detection signal D1 output from the photodetector 17. And the on-state and the off-state are switched so as to pass the part affected by the stimulated Brillouin scattered light generated in the vicinity thereof.
  • the detection signal D2 shown in FIG. 4 cut out by the timing adjuster 18a is input to the lock-in amplifier 18b.
  • the detection signal D2 When the detection signal D2 is input to the lock-in amplifier 18b, the detection signal D2 whose polarity is not inverted is output as a non-inversion signal from the non-inverter 21a, and the detection signal D2 whose polarity is inverted is an inverted signal. Is output from the inverter 21b.
  • a synchronization signal SY having a period of T is input to the synchronization signal input terminal Q2 of the lock-in amplifier 18b, and the connection between the input terminals a1 and a2 and the output terminal b1 of the switch unit 22 is T / 2. It is switched every time. For this reason, as shown in FIG. 4, the output signal S1 of the switch unit 22 has the polarity of the portion of the detection signal D2 that is not affected by the stimulated Brillouin scattered light inverted.
  • the low-pass filter 24 When such an output signal S1 is input to the low-pass filter 24, a signal d11 corresponding to a detection signal obtained by detecting only the probe light L1 in the first half portion T1 and only the probe light L1 in the second half portion T2 are detected.
  • the signal d12 corresponding to the detection signal obtained in this way is canceled out.
  • the measured value V1 of the DC voltmeter 25 indicates the level of stimulated Brillouin scattered light as shown in FIG.
  • the characteristics in the length direction of the optical fiber 14 can be measured by repeating the above-described operation while changing the position of the measurement point set in the optical fiber 14 by changing the cutting timing of the timing adjuster 18a. it can.
  • the detection light L11 including the probe light L1 via the optical fiber 14 and the stimulated Brillouin scattering light generated in the optical fiber 14 is detected by the photodetector 17, and the photodetector 17 is detected.
  • the detection signal obtained by detecting the light in the vicinity of the measurement point set in the optical fiber 14 is cut out by the timing adjuster 18a from the detection signal D1 output from the optical fiber 14, and the cut-out detection signal is connected to the lock-in amplifier 18b. Synchronous detection at. For this reason, the spatial resolution can be improved and the cost can be reduced without causing deterioration in measurement accuracy and deterioration in stability and reproducibility as in the case of using a conventional optical switch.
  • the insertion loss when a conventional optical switch is used is about 3 to 5 dB. If this can be reduced to about 1 dB, the characteristics of the optical fiber 14 can be improved even if the spatial resolution is improved. It can be measured well. For example, if the insertion loss is reduced from 3 dB to 1 dB, accurate measurement is possible even if the spatial resolution is improved to about 1.5 times, and if the insertion loss is reduced from 5 dB to 1 dB, the spatial resolution is about twice. Even if it is improved, accurate measurement is possible.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a main configuration of an optical fiber characteristic measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • the optical fiber characteristic measuring device 2 of the present embodiment is different from the synchronous detector 18 in that a lock-in amplifier 30 (synchronous detector) is provided. Is different.
  • the optical fiber characteristic measuring apparatus 1 according to the first embodiment is configured to include the timing adjuster 18a and the lock-in amplifier 18b as separate units.
  • the optical fiber characteristic measuring apparatus 2 according to the present embodiment is a timing adjuster.
  • This configuration includes a lock-in amplifier 30 in which a lock 18a and a lock-in amplifier 18b are integrated.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a main configuration of a lock-in amplifier provided in the optical fiber characteristic measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • the lock-in amplifier 30 has a configuration in which the switch unit 22 included in the lock-in amplifier 18 b illustrated in FIG.
  • a synchronization signal SY1 is used instead of the synchronization signal SY shown in FIGS. Details of the synchronization signal SY1 will be described later.
  • the switch unit 31 includes an input terminal a1 to which the output terminal of the non-inverter 21a is connected, an input terminal a2 to which the output terminal of the inverter 21b is connected, and an output terminal b1 to which the low-pass filter 24 is connected,
  • the input end a3 that is electrically isolated from the ends a1 and a2 is provided, and the connection between the input ends a1, a2, and a3 and the output end b1 is switched based on the synchronization signal SY1 via the phase shifter 23.
  • the input end a3 may be opened as long as it is electrically insulated from the input ends a1 and a2, may be short-circuited to the ground, or may be terminated.
  • the thing similar to the electrical switch (high-speed analog switch) used as the timing adjuster 18a shown in FIG. 1, for example can be used.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining processing performed by a lock-in amplifier as a synchronous detection device in the second embodiment of the present invention.
  • the period T at which the pump light L2 is incident on the other end of the optical fiber 14 reciprocates between the one end and the other end of the optical fiber 14. It is assumed that the time is set to twice the time required for the above.
  • the cycle of the synchronization signal SY1 is the same cycle as the synchronization signal SY, and is the above-described cycle T here.
  • the detection signal D1 output from the photodetector 17 is affected by the stimulated Brillouin scattered light in the first half portion T1, but is not affected by the stimulated Brillouin scattered light in the second half portion T2. Become. Such a detection signal D1 is input to the lock-in amplifier 30.
  • the detection signal D1 When the detection signal D1 is input to the lock-in amplifier 30, the detection signal D1 whose polarity is not inverted is output from the non-inverter 21a as a non-inversion signal, and the detection signal D1 whose polarity is inverted is output from the inverter 21b. Is output as an inverted signal.
  • the non-inverted signal output from the non-inverter 21a is input to the input terminal a1 of the switch unit 31, and the inverted signal output from the inverter 21b is input to the input terminal a2 of the switch unit 31.
  • the synchronization signal SY1 used in the lock-in amplifier 30 is a signal having the same period T as the synchronization signal SY shown in FIG.
  • the synchronization signal SY1 connects the input terminal a3 and the output terminal b1 of the switch part 31 in most of one cycle T, and the input terminal a1 and the output terminal b1 of the switch part 31 only at a specific timing of the first half part T1.
  • the input terminal a2 and the output terminal b1 of the switch unit 31 are connected only at a specific timing in the latter half portion T2.
  • the synchronization signal SY1 is a detection signal D1 obtained by detecting light including stimulated Brillouin scattered light generated at and near a measurement point set in the optical fiber 14 in the first half T1 of one cycle T. Is connected to the input terminal a1 and the output terminal b1 of the switch unit 31 at the timing when the signal is output from the photodetector 17 (more precisely, the timing when the non-inverted signal of the detection signal D1 is output from the non-inverter 21a). .
  • the input end a2 and the output end b1 of the switch unit 31 are connected only at the same timing as the timing in the first half portion T1.
  • the switch unit 31 When the switch unit 31 is switched by such a synchronization signal SY1, the non-inverted signal input to the input terminal a1 and the inverted signal input to the input terminal a2 are cut out by the switch unit 31. As a result, as shown in FIG. 7, the output signal S1 similar to the output signal S1 shown in FIG.
  • this output signal S1 is input to the low-pass filter 24, as in the first embodiment, the signal d11 corresponding to the detection signal obtained by detecting only the probe light L1 in the first half portion T1, and the second half portion T2
  • the signal d12 corresponding to the detection signal obtained by detecting only the probe light L1 is canceled out, and the measured value V1 of the DC voltmeter 25 indicates the level of the stimulated Brillouin scattered light.
  • the switching timing of the switch unit 31 is changed by the synchronization signal SY1.
  • the first operation is performed by changing the position of the measurement point set in the optical fiber 14 by changing the switching timing of the switch unit 31 by the synchronization signal SY1 and repeating the operation described above. Similar to the configuration, the characteristics of the optical fiber 14 in the length direction can be measured.
  • the cut-out performed by the timing adjuster 18a of the first embodiment and the synchronous detection performed by the lock-in amplifier 18b are realized by the lock-in amplifier 30.
  • the spatial resolution can be improved and the cost can be reduced without deteriorating the measurement accuracy and the stability / reproducibility.
  • the function of the timing adjuster 18a and the function of the lock-in amplifier 18b are integrated in the lock-in amplifier 30, which is advantageous for downsizing and cost reduction.
  • the optical fiber characteristic measuring apparatus and method by embodiment of this invention were demonstrated, this invention is not restrict
  • an optical delay device and an optical isolator be provided between the optical modulator 13 and one end of the optical fiber 14.
  • the position of the correlation peak formed in the optical fiber 14 can be adjusted.
  • the generation position of the zeroth-order correlation peak P0 is determined by the optical fiber. 14 can be easily set outside.
  • light for example, pump light L2 traveling from the optical fiber 14 toward the optical modulator 13 can be blocked, so that noise can be reduced. That is, the present invention is not limited by the above-described embodiments, but is limited by the scope of the following claims.
  • optical fiber characteristic measuring apparatus and the optical fiber characteristic measuring method of the present invention there is no need to use a relatively expensive optical switch as a timing adjuster as in the prior art, and a low-cost electric switch is used. Similar strain (temperature) measurement is possible.

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Abstract

　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、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検出する光検出器とを備え、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、前記光検出器から出力される検出信号のうち、前記光ファイバに設定された測定点近傍の光を検出して得られた検出信号の切り出しを行い、所定の周期を有する同期信号を用いて切り出しを行った検出信号を同期検波する同期検波装置を備えることを特徴とする光ファイバ特性測定装置。

Description

光ファイバ特性測定装置及び方法
　本発明は、光ファイバ特性測定装置及び方法に関する。
　本願は、２０１１年１月３１日に出願された日本国特許出願第２０１１－０１８９５１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　特許、特許出願、特許公報、科学文献等を以下で引用し明らかにするが、本発明の従来技術をより十分に説明するため、それらの内容をここに援用する。
　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して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装置である。この光ファイバ特性測定装置では、受光される散乱光又は反射光が光ファイバに影響を及ぼす物理量（例えば、温度や応力）に応じて変化するため、光ファイバそのものがセンサとして用いられる。
　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、プローブ光が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。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変化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を測定することができる。
　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。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。
特許第３６６７１３２号公報 特許第３６０７９３０号公報
　ところで、上記の特許文献２に開示された光ファイバ特性測定装置は、光ファイバから射出される光を受光する光検出器の前段にタイミング調整器を備えており、光ファイバから射出された光をタイミング調整器で切り出すことによって測定点近傍からの光のみを光検出器で受光するようにしている。このようなタイミング調整器は、例えば電気光学効果（ポッケルス効果）を利用したＬＮ（Lithium Niobate：ニオブ酸リチウム）変調器を応用した光スイッチで実現される。
　上記の光スイッチは、オン状態（光を透過させる状態）とオフ状態（光を遮断する状態）との切り替えを高速に行うことができ、例えば光ファイバから射出される光を数ｎｓｅｃ程度の時間間隔で切り出すことも可能である。従って、このような光スイッチをタイミング調整器として用いれば、１ｃｍ程度の高い空間分解能有する光ファイバ特性測定装置を実現することが可能である。しかしながら、上記の光スイッチは、挿入損失が大きく、偏波依存性があり、高価である。このため、今後、光ファイバ特性測定装置の空間分解能の向上及びコストの低減を図る上で、以下の問題が生ずる可能性が考えられる。
（１）測定精度の悪化
　光ファイバ特性測定装置で得られる信号のレベル（受光信号の強度）は、空間分解能を高くするにつれて低下するため、空間分解能を高くすれば必然的にＳ／Ｎ比（信号対雑音比）も低下する。上記の光スイッチは、挿入損失が３～５ｄＢ程度と大きく、Ｓ／Ｎ比を更に低下させるため、光ファイバ特性測定装置の空間分解能を向上させようとした場合に、測定精度を悪化させる要因になるという問題がある。
（２）安定性・再現性の悪化
　上記の光スイッチは、入射する光の偏波方向に応じて透過する光の強度が変動する偏波依存性を有するが、かかる特性は入射する光の偏波方向に応じて光スイッチの挿入損失が変動する特性でもある。このため、上記の光スイッチは、光ファイバ特性測定装置の空間分解能を向上させようとした場合に、測定精度を悪化させる要因になるとともに、測定の安定性及び再現性を悪化させる要因になるという問題がある。
（３）その他
　上記の光スイッチは、動作特性が温度変化や経時変化するのを防止するためにバイアス電圧をフィードバック制御する制御装置を備えるものが多いが、構成が複雑化するとともに、フィードバック制御のための制御信号が光ファイバから射出される光に重畳されてしまい、Ｓ／Ｎ比を低下させる要因になるという問題がある。また、上記の光スイッチは、それ自体が高額であるため、光ファイバ特性測定装置のコスト低減を図る上で不利であるという問題がある。
　本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、測定精度の悪化や安定性・再現性の悪化を招くことなく、空間分解能の向上及びコストの低減を図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、該光源からのレーザ光を連続光（Ｌ１）及びパルス光（Ｌ２）として光ファイバ（１４）の一端及び他端からそれぞれ入射させる入射手段（１２、１３、１５、１６）と、前記光ファイバから射出される光を検出する光検出器（１７）とを備え、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、２）において、前記光検出器から出力される検出信号（Ｄ１）のうち、前記光ファイバに設定された測定点近傍の光を検出して得られた検出信号の切り出しを行い、所定の周期を有する同期信号（ＳＹ、ＳＹ１）を用いて切り出しを行った検出信号を同期検波する同期検波装置（１８、３０）を備えることを特徴としている。
　この発明によると、光検出器から出力された検出信号のうち、光ファイバに設定された測定点近傍の光を検出して得られた検出信号の切り出しが行われ、所定の周期を有する同期信号を用いて切り出しが行われた検出信号が同期検波される。
　また、本発明の光ファイバ特性測定装置は、前記同期検波装置が、前記光検出器から出力される検出信号のうち、前記光ファイバに設定された測定点近傍の光を検出して得られた検出信号を通過させることによって前記切り出しを行うタイミング調整器（１８ａ）と、前記同期信号を用いて前記タイミング調整器を通過した検出信号を同期検波する同期検波器（１８ｂ）と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、前記タイミング調整器の動作周期が、前記同期信号の周期の半分の周期であ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、前記同期検波装置が、前記光検出器から出力される検出信号の極性を反転した反転信号を出力する反転器（２１ｂ）と、前記光検出器から出力される検出信号の極性を反転しない非反転信号を出力する非反転器（２１ａ）と、前記反転器から出力される反転信号と前記非反転器から出力される非反転信号とを、前記光ファイバに設定された測定点近傍の光を検出して得られる検出信号が前記光検出器から出力されるタイミングで交互に出力することにより前記切り出しを行うスイッチ部（３１）と、前記スイッチ部から出力される信号（Ｓ１）のフィルタリングを行うローパスフィルタ（２４）と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、前記パルス光が前記光ファイバの他端に入射される周期が、少なくとも前記パルス光が前記光ファイバの一端と他端との間を往復するのに要する時間の２倍の時間に設定されており、前記同期信号の周期が、前記パルス光が前記光ファイバの他端に入射される周期と同じ周期であ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（Ｌ１）及びパルス光（Ｌ２）として光ファイバ（１４）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光検出器（１７）で検出し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、前記光検出器から出力される検出信号のうち、前記光ファイバに設定された測定点近傍の光を検出して得られた検出信号の切り出しを行い、所定の周期を有する同期信号を用いて切り出しを行った検出信号を同期検波することを特徴としている。
　本発明によれば、光検出器から出力された検出信号のうち、光ファイバに設定された測定点近傍の光を検出して得られた検出信号の切り出しを行い、所定の周期を有する同期信号を用いて切り出しがを行った検出信号を同期検波しているため、測定精度の悪化や安定性・再現性の悪化を招くことなく、空間分解能の向上及びコストの低減を図ることができるという効果がある。
本発明の第１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。 本発明の第１実施形態よる光ファイバ特性測定装置が備えるロックインアンプの要部構成を示すブロック図である。 ポンプ光の進行に伴って光ファイバ内で相関ピークが発生する様子を示す図である。 本発明の第１実施形態において、同期検波装置で行われる処理を説明するための図である。 本発明の第２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。 本発明の第２実施形態よる光ファイバ特性測定装置が備えるロックインアンプの要部構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態において、同期検波装置としてのロックインアンプで行われる処理を説明するための図である。
　以下、図面を参照して本発明の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。本発明の実施形態の以下の説明は、添付のクレームで規定される発明及びその均等物を単に具体的に説明するものであって、それらを限定することを目的としていないことは、本開示内容に基づき当業者にとって明らかである。
〔第１実施形態〕
　図１は、本発明の第１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（入射手段）、光変調器１３（入射手段）、光ファイバ１４、パルス変調器１５（入射手段）、方向性結合器１６（入射手段）、光検出器１７、及び同期検波装置１８を備えており、光ファイバ１４の長手方向における特性（例えば温度分布や歪み分布等）を測定する。
　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ｆｍ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、半導体レーザ１１ａから射出されるレーザ光を変調周波数ｆｍ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）光変調器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、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光変調器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。光変調器１３で変調された光は、プローブ光Ｌ１（連続光）として光ファイバ１４の一端から光ファイバ１４内に入射する。
　パルス変調器１５は、信号発生器１５ａと光強度変調器１５ｂとを備えており、光分岐器１２で分岐された他方のレーザ光をパルス化してパルス光を生成する。信号発生器１５ａは、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１５ｂは、例えばＥＯ（Electro-Optic：電気光学）スイッチであり、信号発生器１５ａ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。
　ここで、パルス変調器１５は、以下の（１）式で示される周期Ｔで、以下の（２）式で示されるパルス幅ｔｐｗを有するパルス光を生成する。但し、以下の（１），（２）式中のＬは光ファイバ１４の長さ（一端から他端までの長さ）であり、ｎは光ファイバ１４の屈折率であり、ｃは光速であり、ｄｍは光ファイバ１４中で形成される相関ピークの間隔であり、ｆｍは光源１１から射出されるレーザ光の変調周波数である。
　　Ｔ≧２×（２×Ｌ）／（ｃ／ｎ）　…（１）
　　ｔｐｗ＝（２×ｄｍ）／（ｃ／ｎ）＝１／ｆｍ　…（２）
　つまり、上記（１）式から、パルス変調器１５がパルス光を生成する周期Ｔは、少なくとも、パルス光が光ファイバ１４の一端と他端との間を往復するのに要する時間の２倍の時間に設定されている。
　方向性結合器１６は、パルス変調器１５から出力されるパルス化されたレーザ光をポンプ光Ｌ２（パルス光）として光ファイバ１４の他端から光ファイバ１４内に入射させるとともに、光ファイバ１４を伝播して光ファイバ１４の他端から射出されたプローブ光Ｌ１を含む光（検出光Ｌ１１）を光検出器１７に向けて射出する。尚、検出光Ｌ１１の強度は、光ファイバ１４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。
　光検出器１７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、上記の検出光Ｌ１１（光ファイバ１４の他端から射出されて方向性結合器１６を介した光）を検出（受光）して検出信号Ｄ１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１７は、上記の受光素子に加えて光波長フィルタを備えており、検出光Ｌ１１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光変調器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。
　同期検波装置１８は、タイミング調整器１８ａ及びロックインアンプ１８ｂ（同期検波器）を備えており、光検出器１７から出力される検出信号Ｄ１の同期検波を行う。具体的に、同期検波装置１８は、光検出器１７から出力される検出信号Ｄ１のうち、光ファイバ１４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を含む光を検出して得られた検出信号の切り出しを行い、所定の周期を有する同期信号ＳＹ（図２，図４参照）を用いて切り出しを行った検出信号Ｄ２を同期検波する。
　タイミング調整器１８ａは、例えばオン状態（検出信号Ｄ１を通過させる状態）とオフ状態（検出信号Ｄ１を遮断する状態）との切り替えを高速に行うことができる電気スイッチ（高速アナログスイッチ）で実現される。このタイミング調整器１８ａは、光検出器１７から出力される検出信号Ｄ１のうち、光ファイバ１４内に設定した測定点及びその近傍で発生した誘導ブリルアン散乱光を含む光を検出して得られた検出信号を通過させることによって検出信号の切り出しを行う。尚、タイミング調整器１８ａの動作周期は、上記同期信号ＳＹの周期の半分の周期に設定される。
　ここで、タイミング調整器１８ａは、数ｎｓｅｃ程度の時間間隔で検出信号Ｄ１を切り出すことが可能であり、低損失（例えば、１ｄＢ以下）であるものが望ましい。数ｎｓｅｃ程度の時間間隔での検出信号の切り出しが可能であれば１ｃｍ以下の高い空間分解能を実現することができ、低損失であればＳ／Ｎ比が大幅に低下することがないため測定精度を向上させることができる。また、タイミング調整器１８ａとして電気スイッチを用いることにより、小型化及びコスト低減が可能であり、且つ、光スイッチのような偏波依存性を有しないため安定性や再現性の悪化を招くことがなく、更には－４０～＋８０℃程度の広い温度範囲での測定が可能になる。
　ロックインアンプ１８ｂは、上述した同期信号ＳＹを用いて、タイミング調整器１８ａを通過した検出信号Ｄ２（タイミング調整器１８ａで切り出しが行われた検出信号）を同期検波する。ここで、上記の同期信号ＳＹの周期は、ポンプ光Ｌ２が光ファイバ１４の他端に入射される周期と同じ周期（少なくとも、パルス光が光ファイバ１４の一端と他端との間を往復するのに要する時間の２倍の時間）に設定されている。
　図２は、本発明の第１実施形態よる光ファイバ特性測定装置が備えるロックインアンプの要部構成を示すブロック図である。図２に示す通り、ロックインアンプ１８ｂは、非反転器２１ａ、反転器２１ｂ、スイッチ部２２、移相器２３、ローパスフィルタ２４、及び直流電圧計２５を備えており、同期信号入力端Ｑ２に入力される同期信号ＳＹを用いて、信号入力端Ｑ１に入力される検出信号Ｄ２を同期検波する。
　非反転器２１ａは、信号入力端Ｑ１に入力される検出信号Ｄ２の極性を反転せずにそのまま出力し、反転器２１ｂは、信号入力端Ｑ１に入力される検出信号Ｄ２の極性を反転して出力する。つまり、非反転器２１ａは、検出信号Ｄ２の極性を反転しない非反転信号を出力し、反転器２１ｂは、検出信号Ｄ２の極性を反転した反転信号を出力する。スイッチ部２２は、非反転器２１ａの出力端が接続される入力端ａ１、反転器２１ｂの出力端が接続される入力端ａ２、及びローパスフィルタ２４が接続される出力端ｂ１を備えており、移相器２３を介した同期信号ＳＹに基づいて、入力端ａ１，ａ２と出力端ｂ１との接続を切り替える。
　移相器２３は、同期信号入力端Ｑ２に入力される同期信号ＳＹの位相を変化させて位相調整を行う。ローパスフィルタ２４は、スイッチ部２２の出力端ｂ１から出力される出力信号Ｓ１のフィルタリングを行う。具体的には、出力信号Ｓ１の低周波数成分（カットオフ周波数よりも低い周波数成分）を通過させ、カットオフ周波数以上の高周波数成分を遮断する。直流電圧計２５は、ローパスフィルタ２４から出力される信号の電圧値（直流電圧値）を測定する。
　上記構成において、変調周波数ｆｍで周波数変調されたレーザ光が光源１１から射出されると光分岐器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光変調器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、プローブ光Ｌ１として光ファイバ１４の一端から光ファイバ１４内に入射する。
　これに対し、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１５に入射して光強度変調器１５ｂで強度変調されることによりパルス化される。具体的には、前述した（２）式に示したパルス幅を有するパルス光が、前述した（１）に示す周期Ｔで生成される。このパルス光は、方向性結合器１６を介してポンプ光Ｌ２として光ファイバ１４の他端から光ファイバ１４内に入射する。
　変調周波数ｆｍで周波数変調された連続光としてのプローブ光Ｌ１とパルス光としてのポンプ光Ｌ２とが光ファイバ１４内に入射すると、図３に示す通り、ポンプ光Ｌ２が光ファイバ１４内を伝播するに伴って、光ファイバ１４中の異なる位置で相関ピークＰ０～Ｐ４が発生する。図３は、ポンプ光の進行に伴って光ファイバ内で相関ピークが発生する様子を示す図である。尚、図３においては、図示の複雑化を避けるため５つの相関ピークＰ０～Ｐ４のみを図示している。また、図３に示す例では、ポンプ光Ｌ２が相関ピークＰ２付近を通過している様子を示している。図３において、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，Ｐ４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、相関ピークの間隔はｄｍは、以下の（３）式で表される。
　　ｄｍ＝（ｃ／ｎ）／（２×ｆｍ）　…（３）
　つまり、光源１１における変調周波数ｆｍを変えれば、相関ピークの間隔ｄｍ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ｆｍ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の発生位置は光ファイバ１４の外部になるように設定されている。
　各相関ピークＰ１～Ｐ４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、ポンプ光Ｌ２を基準としてポンプ光Ｌ２とプローブ光Ｌ１との周波数差を変化させると、ブリルアン周波数シフトνＢ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が得られる。このブリルアン周波数シフトνＢは、光ファイバ１４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、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ことで、光ファイバ１４の歪み量を求めることができる。
　光ファイバ１４を介したプローブ光Ｌ１及び光ファイバ１４内で発生した誘導ブリルアン散乱光は、光ファイバ１４の他端から射出された後に方向性結合器１６を介して検出光Ｌ１１として光検出器１７に入射する。そして、光検出器１７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、その検出結果を示す検出信号Ｄ１が光検出器１７から出力される。光検出器１７から出力された検出信号Ｄ１は、同期検波装置１８に入力して同期検波される。
　図４は、本発明の第１実施形態において、同期検波装置で行われる処理を説明するための図である。尚、以下では説明を簡単にするため、ポンプ光Ｌ２が光ファイバ１４の他端に入射される周期Ｔ（同期信号ＳＹの周期）は、ポンプ光Ｌ２が光ファイバ１４の一端と他端との間を往復するのに要する時間の２倍の時間に設定されているものとする。かかる設定がなされている場合には、光ファイバ１４の他端から入射されたポンプ光Ｌ２が光ファイバ１４の一端に至るのに要する時間、及び、ファイバ１４の一端で発生した誘導ブリルアン散乱光が光ファイバ１４の他端に至るのに要する時間は共にＴ／４である。
　同期信号ＳＹの１周期Ｔの前半部分Ｔ１においては、光ファイバ１４を介したプローブ光Ｌ１と光ファイバ１４内で発生した誘導ブリルアン散乱光とが含まれる検出光Ｌ１１が光検出器１７に入射する。このため、図４に示す通り、光検出器１７からは誘導ブリルアン散乱光の影響を受けた検出信号Ｄ１が出力される。尚、図４においては、誘導ブリルアン散乱光の影響を受けた部分を黒帯で表現しており、符号Ｐ１～Ｐ４を付した部分は、図３中の相関ピークＰ１～Ｐ４の位置で発生した誘導ブリルアン散乱光の影響を受けた部分であることをそれぞれ示している。
　これに対し、同期信号ＳＹの１周期Ｔの後半部分Ｔ２においては、光ファイバ１４を介したプローブ光Ｌ１は含まれるが誘導ブリルアン散乱光が含まれない検出光Ｌ１１が光検出器１７に入射する。このため、図４に示す通り、光検出器１７からは誘導ブリルアン散乱光の影響を受けていない（黒帯が付されていない）検出信号Ｄ１が出力される。尚、ポンプ光Ｌ２は、周期Ｔで繰り返し入射されるため、誘導ブリルアン散乱光の影響を受けた検出信号Ｄ１と受けていない検出信号Ｄ２とがＴ／２毎に交互に出力される。
　ここで、図４に示す通り、タイミング調整器１８ａは、その動作周期がＴ／２に設定されており、各々の周期において、光ファイバ１４内に設定した測定点及びその近傍で発生した誘導ブリルアン散乱光を含む光を検出して得られた検出信号を通過させる動作を行う。図４に示す例では、図３に示す相関ピークＰ１の位置に測定点が設定されており、タイミング調整器１８ａは、光検出器１７から出力される検出信号Ｄ１のうち、相関ピークＰ１の位置及びその近傍で発生した誘導ブリルアン散乱光の影響を受けた部分を通過させるようにオン状態・オフ状態が切り替えられる。これにより、ロックインアンプ１８ｂには、タイミング調整器１８ａによって切り出しが行われた図４に示す検出信号Ｄ２が入力される。
　この検出信号Ｄ２がロックインアンプ１８ｂに入力されると、極性が反転されていない検出信号Ｄ２が非反転信号として非反転器２１ａから出力されるとともに、極性が反転された検出信号Ｄ２が反転信号として反転器２１ｂから出力される。ここで、ロックインアンプ１８ｂの同期信号入力端Ｑ２には、周期がＴである同期信号ＳＹが入力されており、スイッチ部２２の入力端ａ１，ａ２と出力端ｂ１との接続がＴ／２毎に切り替えられている。このため、図４に示す通り、スイッチ部２２の出力信号Ｓ１は、検出信号Ｄ２のうちの誘導ブリルアン散乱光の影響を受けていない部分の極性が反転されたものとなる。
　このような出力信号Ｓ１がローパスフィルタ２４に入力されると、前半部分Ｔ１においてプローブ光Ｌ１のみを検出して得られた検出信号に相当する信号ｄ１１と、後半部分Ｔ２においてプローブ光Ｌ１のみを検出して得られた検出信号に相当する信号ｄ１２とが相殺される。これら信号ｄ１１，ｄ１２が複数周期に亘って相殺されると、直流電圧計２５の測定値Ｖ１は、図４に示す通り、誘導ブリルアン散乱光のレベルを示すものとなる。タイミング調整器１８ａの切り出しタイミングを変更することによって光ファイバ１４内に設定する測定点の位置を変えつつ、以上説明した動作を繰り返すことにより、光ファイバ１４の長さ方向における特性を測定することができる。
　以上説明した通り、本実施形態では、光ファイバ１４を介したプローブ光Ｌ１や光ファイバ１４内で発生した誘導ブリルアン散乱光が含まれる検出光Ｌ１１を光検出器１７で検出し、光検出器１７から出力される検出信号Ｄ１のうち、光ファイバ１４に設定された測定点近傍の光を検出して得られた検出信号をタイミング調整器１８ａで切り出し、切り出した検出信号をＤ２をロックインアンプ１８ｂで同期検波している。このため、従来のような光スイッチを用いた場合のように測定精度の悪化や安定性・再現性の悪化を招くことなく、空間分解能の向上及びコストの低減を図ることができる。
　具体的に、従来の光スイッチを用いた場合の挿入損失は３～５ｄＢ程度であったが、これを１ｄＢ程度に低減することができれば、空間分解能を向上させても光ファイバ１４の特性を精度良く測定することができる。例えば、挿入損失が３ｄＢから１ｄＢに低減すれば空間分解能を１．５倍程度に向上させても精度の良い測定が可能であり、挿入損失が５ｄＢから１ｄＢに低減すれば空間分解能を２倍程度に向上させても精度の良い測定が可能である。
〔第２実施形態〕
　図５は、本発明の第２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５に示す通り、本実施形態の光ファイバ特性測定装置２は、同期検波装置１８に代えてロックインアンプ３０（同期検波装置）を備える点が第１実施形態の光ファイバ特性測定装置１と相違する。第１実施形態の光ファイバ特性測定装置１は、タイミング調整器１８ａとロックインアンプ１８ｂとを別体で備える構成であったが、本実形態の光ファイバ特性測定装置２は、いわばタイミング調整器１８ａとロックインアンプ１８ｂとが一体化されたロックインアンプ３０を備える構成である。
　図６は、本発明の第２実施形態よる光ファイバ特性測定装置が備えるロックインアンプの要部構成を示すブロック図である。図６に示す通り、ロックインアンプ３０は、図２に示すロックインアンプ１８ｂが備えるスイッチ部２２をスイッチ部３１に代えた構成である。また、このロックインアンプ３０では、図２，図４に示す同期信号ＳＹに代えて同期信号ＳＹ１が用いられる。尚、同期信号ＳＹ１の詳細については後述する。
　スイッチ部３１は、非反転器２１ａの出力端が接続される入力端ａ１、反転器２１ｂの出力端が接続される入力端ａ２、及びローパスフィルタ２４が接続される出力端ｂ１に加えて、入力端ａ１，ａ２とは電気的に絶縁された入力端ａ３を備えており、移相器２３を介した同期信号ＳＹ１に基づいて、入力端ａ１，ａ２，ａ３と出力端ｂ１との接続を切り替える。尚、入力端ａ３は、入力端ａ１，ａ２と電気的に絶縁されていれば、開放されていても良く、グランド等に短絡されていても良く、終端されていても良い。このスイッチ部３１としては、例えば図１に示すタイミング調整器１８ａとして用いられる電気スイッチ（高速アナログスイッチ）と同様のものを用いることができる。
　図７は、本発明の第２実施形態において、同期検波装置としてのロックインアンプで行われる処理を説明するための図である。尚、本実施形態でも、説明を簡単にするため、ポンプ光Ｌ２が光ファイバ１４の他端に入射される周期Ｔは、ポンプ光Ｌ２が光ファイバ１４の一端と他端との間を往復するのに要する時間の２倍の時間に設定されているものとする。尚、同期信号ＳＹ１の周期は、同期信号ＳＹと同じ周期であり、ここでは上記の周期Ｔである。
　本実施形態においても、第１実施形態と同様に、同期信号ＳＹ１の１周期Ｔの前半部分Ｔ１では、光ファイバ１４を介したプローブ光Ｌ１と光ファイバ１４内で発生した誘導ブリルアン散乱光とが含まれる検出光Ｌ１１が光検出器１７に入射する。また、同期信号ＳＹ１の１周期Ｔの後半部分Ｔ２では、光ファイバ１４を介したプローブ光Ｌ１は含まれるが誘導ブリルアン散乱光が含まれない検出光Ｌ１１が光検出器１７に入射する。このため、光検出器１７から出力される検出信号Ｄ１は、前半部分Ｔ１では誘導ブリルアン散乱光の影響を受けたものになるが、後半部分Ｔ２では誘導ブリルアン散乱光の影響を受けていないものになる。このような検出信号Ｄ１がロックインアンプ３０に入力される。
　検出信号Ｄ１がロックインアンプ３０に入力されると、非反転器２１ａからは極性が反転されていない検出信号Ｄ１が非反転信号として出力され、反転器２１ｂからは極性が反転された検出信号Ｄ１が反転信号として出力される。非反転器２１ａから出力された非反転信号はスイッチ部３１の入力端ａ１に入力され、反転器２１ｂから出力された反転信号はスイッチ部３１の入力端ａ２に入力される。
　ここで、図７に示す通り、ロックインアンプ３０で用いられる同期信号ＳＹ１は、図４に示す同期信号ＳＹと同じ周期Ｔを有する信号である。しかしながら、同期信号ＳＹ１は、１周期Ｔの殆どにおいて、スイッチ部３１の入力端ａ３と出力端ｂ１とを接続させ、前半部分Ｔ１の特定のタイミングのみでスイッチ部３１の入力端ａ１と出力端ｂ１とを接続させるとともに、後半部分Ｔ２の特定のタイミングのみでスイッチ部３１の入力端ａ２と出力端ｂ１とを接続させる信号である。
　具体的に、同期信号ＳＹ１は、１周期Ｔの前半部分Ｔ１では、光ファイバ１４内に設定した測定点及びその近傍で発生した誘導ブリルアン散乱光を含む光を検出して得られた検出信号Ｄ１が光検出器１７から出力されるタイミング（正確には、その検出信号Ｄ１の非反転信号が非反転器２１ａから出力されるタイミング）でスイッチ部３１の入力端ａ１と出力端ｂ１とを接続させる。また、１周期Ｔの後半部分Ｔ２では、前半部分Ｔ１内におけるタイミングと同様のタイミングのみでスイッチ部３１の入力端ａ２と出力端ｂ１とを接続させる。
　このような同期信号ＳＹ１によってスイッチ部３１の切り替えが行われると、入力端ａ１に入力される非反転信号及び入力端ａ２に入力される反転信号がスイッチ部３１によって切り出される。これにより、図７に示す通り、スイッチ部３１からは図４に示す出力信号Ｓ１と同様の出力信号Ｓ１が出力されることになる。この出力信号Ｓ１がローパスフィルタ２４に入力されると、第１実施形態と同様に、前半部分Ｔ１においてプローブ光Ｌ１のみを検出して得られた検出信号に相当する信号ｄ１１と、後半部分Ｔ２においてプローブ光Ｌ１のみを検出して得られた検出信号に相当する信号ｄ１２とが相殺され、直流電圧計２５の測定値Ｖ１は誘導ブリルアン散乱光のレベルを示すものとなる。
　ここで、スイッチ部３１の切り替えタイミングは、同期信号ＳＹ１によって変更される。このため、本実施形態では、同期信号ＳＹ１によってスイッチ部３１の切り替えタイミングを変更することによって光ファイバ１４内に設定する測定点の位置を変えつつ、以上説明した動作を繰り返すことにより、第１実施形態と同様に、光ファイバ１４の長さ方向における特性を測定することができる。
　以上説明した通り、本実施形態においては、第１実施形態のタイミング調整器１８ａで行われる切り出しとロックインアンプ１８ｂで行われる同期検波とをロックインアンプ３０で実現している。このため、第１実施形態と同様に、測定精度の悪化や安定性・再現性の悪化を招くことなく、空間分解能の向上及びコストの低減を図ることができる。また、本実施形態では、タイミング調整器１８ａの機能とロックインアンプ１８ｂの機能とがロックインアンプ３０に集約されているため、小型化及びコストの低減を図る上で有利である。
　以上、本発明の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、光変調器１３と光ファイバ１４の一端との間に光遅延器と光アイソレータとを備える構成にするのが望ましい。光遅延器を設けることによって、光ファイバ１４内に形成される相関ピークの位置を調整することが可能になり、図３を用いて説明した通り、０次の相関ピークＰ０の発生位置を光ファイバ１４の外部に設定することが容易になる。また、光アイソレータを設けることにより、光ファイバ１４から光変調器１３に向かう光（例えば、ポンプ光Ｌ２）を遮断することができるため、ノイズの低減等を図ることができる。
　即ち、本発明は前述した実施形態により限定されるものではなく、以下のクレームの範囲により限定されるものである。
　本発明の光ファイバ特性測定装置および光ファイバ特性測定方法により、従来技術のようにタイミング調整器として比較的高価な光スイッチを使用する必要がなく、低価格な電気スイッチを用いて、従来技術と同様のひずみ（温度）測定が可能である。
　１　光ファイバ特性測定装置
　２　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　光ファイバ
　１５　パルス変調器
　１６　方向性結合器
　１７　光検出器
　１８　同期検波装置
　１８ａ　タイミング調整器
　１８ｂ　ロックインアンプ
　２１ａ　非反転器
　２１ｂ　反転器
　２４　ローパスフィルタ
　３０　ロックインアンプ
　３１　スイッチ部
　Ｄ１　検出信号
　Ｌ１　プローブ光
　Ｌ２　ポンプ光
　Ｓ１　出力信号
　ＳＹ　同期信号
　ＳＹ１　同期信号

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、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検出する光検出器とを備え、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、
    　前記光検出器から出力される検出信号のうち、前記光ファイバに設定された測定点近傍の光を検出して得られた検出信号の切り出しを行い、所定の周期を有する同期信号を用いて切り出しを行った検出信号を同期検波する同期検波装置を備えることを特徴とする光ファイバ特性測定装置。
  2. 　前記同期検波装置は、前記光検出器から出力される検出信号のうち、前記光ファイバに設定された測定点近傍の光を検出して得られた検出信号を通過させることによって前記切り出しを行うタイミング調整器と、
    　前記同期信号を用いて前記タイミング調整器を通過した検出信号を同期検波する同期検波器と
    　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. 　前記タイミング調整器の動作周期は、前記同期信号の周期の半分の周期であ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. 　前記同期検波装置は、前記光検出器から出力される検出信号の極性を反転した反転信号を出力する反転器と、
    　前記光検出器から出力される検出信号の極性を反転しない非反転信号を出力する非反転器と、
    　前記反転器から出力される反転信号と前記非反転器から出力される非反転信号とを、前記光ファイバに設定された測定点近傍の光を検出して得られる検出信号が前記光検出器から出力されるタイミングで交互に出力することにより前記切り出しを行うスイッチ部と、
    　前記スイッチ部から出力される信号のフィルタリングを行うローパスフィルタと
    　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。
  5. 　前記パルス光が前記光ファイバの他端に入射される周期は、少なくとも前記パルス光が前記光ファイバの一端と他端との間を往復するのに要する時間の２倍の時間に設定されており、
    　前記同期信号の周期は、前記パルス光が前記光ファイバの他端に入射される周期と同じ周期である
    　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光検出器で検出し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、
    　前記光検出器から出力される検出信号のうち、前記光ファイバに設定された測定点近傍の光を検出して得られた検出信号の切り出しを行い、所定の周期を有する同期信号を用いて切り出しを行った検出信号を同期検波することを特徴とする光ファイバ特性測定方法。
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