(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の変調周波数で光パルスを発生するレーザ光源と、
レーザ光源からの自然放出光の強度を検出するための光検出器と、
レーザ光源からの光パルスと同期した被測定光パルスをレーザ光源へ注入するための光カプラと、
光パルスと被測定光パルスとの間の時間差を調整するための時間遅延調整手段とを備えることを特徴とする時間ゲート付き光検出装置。
【請求項２】
所定の変調周波数で光パルスを発生するレーザ光源と、
レーザ光源からの自然放出光の強度を検出するための光検出器と、
レーザ光源からの光パルスを分岐し、分岐した光パルスを再びレーザ光源へ注入するための光カプラと、
光パルスと分岐光パルスとの間の時間差を調整するための時間遅延調整手段とを備えることを特徴とする時間ゲート付き光検出装置。
【請求項３】
所定の変調周波数で光パルスを発生するレーザ光源と、
レーザ光源からの自然放出光の強度を検出するための光検出器と、
レーザ光源からの光パルスと同期または、ほぼ同期した被測定光パルスをレーザ光源へ注入するための光カプラと、
レーザ光源の変調周波数を掃引するための掃引回路とを備えることを特徴とする時間ゲート付き光検出装置。
【請求項４】
レーザ光源は、半導体レーザ素子であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の時間ゲート付き光検出装置。
【請求項５】
レーザ光源へ注入する光パルスの強度を調整するための可変減衰器をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の時間ゲート付き光検出装置。
【請求項６】
光パルスと被測定光パルスの偏光状態を揃えるための偏波コントローラを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の時間ゲート付き光検出装置。
【請求項７】
光検出器からの電気信号の周波数成分を分析するための周波数分析器をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の時間ゲート付き光検出装置。
【請求項８】
光検出器からの電気信号の時間変化を測定するための電子計測器をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の時間ゲート付き光検出装置。
【請求項９】
時間遅延調整手段は、光軸方向に変位可能な可動ミラーを含むことを特徴とする請求項１または２記載の時間ゲート付き光検出装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の時間ゲート付き光検出装置を備え、
レーザ光源の注入光として、複数の計測点で反射した複数の光パルスを用いることを特徴とする多点計測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微弱な超短光パルスを計測するための時間ゲート付き光検出装置に関する。また本発明は、時間ゲート付き光検出装置を用いた時間分割多重方式による多点計測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、フェムト秒やピコ秒の時間幅を有するパルスレーザが市販され、レーザ加工、テラヘルツ技術、バイオフォトニクスをはじめとする多くの分野で利用されている。それらの応用の中で、光パルスの時間位置や波形情報を知ることは重要であるが、フェムト秒やピコ秒の光パルス幅は、周波数に換算するとテラヘルツ以上と非常に広帯域であるため、直接測定することは難しい。高速なストリークカメラを利用すれば、２００フェムト秒程度以上の光パルスの直接測定が可能である。しかし、装置が特殊で高価であり、入射光量の調整を誤ると装置を破壊してしまうなど、使用上の難点もある。従って、光パルスの検出には間接法が用いられ、一般的には自己相関測定が行われている。
【０００３】
図１４は、従来の光パルスの計測装置の一例を示す構成図である。この装置は、マイケルソン干渉計を利用しており、パルスレーザ光源ＬＡと、ビームスプリッタＢＳと、２つのコーナーキューブプリズムＰ１，Ｐ２と、光学レンズＬＳと、光検出器ＰＤなどを備える。
【０００４】
パルスレーザ光源ＬＡからの被測定光パルスは、ビームスプリッタＢＳで分岐され、プリズムＰ１，Ｐ２までの距離を往復する間に２つの光パルスに遅延差が付与され、再びビームスプリッタＢＳで干渉合成した光の強度が光検出器ＰＤで測定される。参照アームを掃引し、信号の強度を遅延差の関数として表示すると、光パルスの強度スペクトルを反映した自己相関波形が描かれる。
【０００５】
一方、光計測の分野においても光パルスの時間位置を知ることは、距離情報を得る上で重要である。利得変調した小型半導体レーザから発生する光パルスの時間幅は数１０ピコ秒であり、直接測定するには高速光検出器と高速サンプリングオシロスコープを用いても、時間分解能は必ずしも十分ではない。また、こうした高速な計測機器は、一般に非常に高価である。
【０００６】
大型レーザとは異なり、半導体レーザの出力強度は極端に低いため（例えば、平均強度で数１０マイクロワットから数ミリワット、ピーク強度で数１０ミリワット以下）、光パルス計測には光増幅器を用いて波形に歪みが生じない程度に増幅する必要がある。
【０００７】
従って、非常に低い強度の光パルスに対して、光増幅器を利用することなく、光パルスを検出することのできる簡易な間接測定法の開発が望まれている。
【０００８】
一方、安全・安心に対する社会的意識の高まりから、大型構造物における温度、歪み、振動等を多点計測する需要があり、構造物の寿命に匹敵する長期間計測に耐えうるシステムであることが要求されている。また、放射線や電磁波の被爆の恐れや水中での観測など、計測環境が過酷な条件下にあることも想定される。そのような条件の下で動作可能なセンシングデバイスは、物理的・化学的に安定で経年変化の少ない光ファイバであり、全光ファイバシステムによる多点計測システムの構築が望まれている。
【０００９】
多点計測システムにおける各計測点では、ファイバブラッググレーティングや光ファイバ干渉計、あるいは光ファイバ自体をセンサ素子として、反射・透過光の強度や周波数の変動から対象の物理量を読み出す。また、一対の光源と受光器で多点計測を実現するために、センサ素子に波長依存性を持たせた波長分割多重方式や、各センサ素子からの信号光パルスを時間的に分離計測する時間分割多重方式、または、干渉計方式を採用し、信号光や参照光の発振周波数を変調することにより測定点を特定する手法が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平６−２４１９２９号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】K. Y. Song, Z. He, K. Hotate, "Distributed strain measurement with millimeter-order spatial resolution based on Brillouin optical correlation domain analysis", Optics Letters, Vol. 31, No. 17, pp 2526-2528 (2006)
【非特許文献２】Y. Mizuno, W. Zou, Z. He, K. Hotate, "Proposal of Brillouin optical correlation-domain reflectometry (BOCDR)", Optics Express, Vol. 16, No. 16, pp. 12148-12153 (2008)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
光干渉計測では、光パルスの時間位置情報を得るためには、参照アームを用意する必要がある。したがって、信号アーム長が長い場合、同等の長さの参照アームを用意しなければならない。
【００１３】
光パルス当たりのエネルギーが１フェムトジュール（ｆＪ）の入射光パルスを観測可能にする光学素子は、変換効率が高い部類である。この入射光パルスは、例えば半導体レーザからの利得変調パルスに対応させると、以下のようになる。
【００１４】
光パルス幅：２０  ｐｓ          繰り返し周波数：１  ＧＨｚ
平均出力：２００  μＷ          ピーク強度：１０  ｍＷ
【００１５】
これは半導体レーザから出力される全光エネルギーに相当するため、一部の光エネルギーだけ取りだして光パルス計測を行うことは困難であり、少なくとも光増幅器が必要となることを示している。
【００１６】
また、全光ファイバ構成による多点計測を実現するためには，波長分割多重方式により、センサ素子に波長依存性を持たせ、センサからの反射信号光を波長分離することによって測定位置（測定点）を特定する手法が想定される。しかし、測定点を分離するために必要なセンサ素子間の波長分離幅は、光増幅器の利用帯域幅に対して十分に小さく設定することは困難なため、計測点数の上限が制限される。また、センサ素子に特注品が必要となり、安定供給・安定動作が必ずしも保証されないことが問題となる。
【００１７】
一方、光パルスを利用する時間分割多重方式では、各センサ素子からの信号光パルスを時間的に分離計測することにより、測定点おける変動情報が得られる。ただし、数ｃｍ以下の高い空間分解能で測定点を特定するためには、光パルスの時間幅を２００ｐｓ程度以下に設定しなければならない。この場合、光パルスの検出には高速受光器が必要となり、その結果として測定感度の低下を招いてしまう。
【００１８】
光ファイバ中の後方レイリー散乱、後方ブリルアン散乱、後方ラマン散乱をセンシング原理とする手法では、一般的には、パルス光源を用いて、時間分割多重方式と同様に、測定点までの光パルスの往復時間からその位置を特定する。したがって、高速受光器を必要する低感度な計測となる。また、後方散乱信号は極めて微弱な信号であり、その出力強度は入射光強度に強く依存することから、安定した計測を実現するためには受光システムへの負担が大きくなる。
【００１９】
また、干渉計方式では、簡便な低コヒーレンス光源や高感度な低速受光器が利用可能であるが、参照信号用の光ファイバを別に用意しなければならないことや、干渉測定の信号処理が複雑化することが問題となる。
【００２０】
本発明の目的は、１パルス当たりの光エネルギーが低い微弱な光パルスであっても、光増幅器を使用することなく、また、長い参照アームを用意することなく、高い時間分解能で光パルスを測定できる時間ゲート付き光検出装置を提供することである。
【００２１】
また本発明の目的は、多点計測システムを実現する手法の一つである時間分割多重方式において、時間ゲート付き光検出装置を適用することにより、高空間分解能および高感度特性を有する簡易な構成の多点計測システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
上記目的を達成するために、本発明に係る時間ゲート付き光検出装置は、
所定の変調周波数で光パルスを発生するレーザ光源と、
レーザ光源からの自然放出光の強度を検出するための光検出器と、
レーザ光源からの光パルスと同期した被測定光パルスをレーザ光源へ注入するための光カプラと、
光パルスと被測定光パルスとの間の時間差を調整するための時間遅延調整手段とを備えることを特徴とする。
【００２３】
また、本発明に係る時間ゲート付き光検出装置は、
所定の変調周波数で光パルスを発生するレーザ光源と、
レーザ光源からの自然放出光の強度を検出するための光検出器と、
レーザ光源からの光パルスを分岐し、分岐した光パルスを再びレーザ光源へ注入するための光カプラと、
光パルスと分岐光パルスとの間の時間差を調整するための時間遅延調整手段とを備えることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明に係る時間ゲート付き光検出装置は、
所定の変調周波数で光パルスを発生するレーザ光源と、
レーザ光源からの自然放出光の強度を検出するための光検出器と、
レーザ光源からの光パルスと同期または、ほぼ同期した被測定光パルスをレーザ光源へ注入するための光カプラと、
レーザ光源の変調周波数を掃引するための掃引回路とを備えることを特徴とする。
【００２５】
本発明において、レーザ光源は、半導体レーザ素子であることが好ましい。
【００２６】
本発明において、レーザ光源へ注入する光パルスの強度を調整するための可変減衰器をさらに備えることが好ましい。
【００２７】
本発明において、光パルスと被測定光パルスの偏光状態を揃えるための偏波コントローラをさらに備えることが好ましい。
【００２８】
本発明において、光検出器からの電気信号の周波数成分を分析するための周波数分析器をさらに備えることが好ましい。
【００２９】
本発明において、光検出器からの電気信号の時間変化を測定するための電子計測器をさらに備えることが好ましい。
【００３０】
本発明において、時間遅延調整手段は、光軸方向に変位可能な可動ミラーを含むことが好ましい。
【００３１】
また、本発明に係る多点計測システムは、上記の時間ゲート付き光検出装置を備え、
レーザ光源の注入光として、複数の計測点で反射した複数の光パルスを用いることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、レーザ光源が光パルスを周期的に発生する場合、レーザ光源のレーザ媒質が損失から利得に転じる際に、特定の時間帯だけ注入光に敏感に応答する一種の時間ゲートが生じる。この時間ゲート関数は、レーザ光源から発生する光パルス波形にほぼ一致する。注入光の注入タイミングを時間ゲート付近で変化させると、時間ゲート幅内で感じるパルス強度に応じて出力雑音レベルが敏感に変化する。そのため、出力雑音レベルの変化を測定することによって、注入光の波形情報が相互相関波形として得られる。その結果、微弱な注入光パルスであっても、高い時間分解能でその光パルスを検出することができる。
【００３３】
また本発明によれば、レーザ光源が一定の周期で光パルスを発生する場合、出力の一部をレーザ光源中に注入すると、光パルス間の遅延差がゼロ付近となる条件のとき、注入光パルスの強度に応じて出力雑音レベルが感度良く上昇する。したがって、異なる空間位置で発生した同じ周期の多数の光パルスを、複数の光カプラを介して一本の光ファイバ中に導入し、多点計測の信号光パルス列として形成した場合、時間遅延を走査することにより、空間位置ごとの光情報を分離計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の第１実施形態を示す構成図である。
【図２】戻り光入射時の自然放出光のノイズ強度を示すグラフである。
【図３】光パルススペクトル、戻り光パルスの時間遅延とノイズ強度との相関関係（生データ）、および信号処理した相関関係をそれぞれ示すグラフである。
【図４】第１実施形態の原理を示す説明図である。
【図５】本発明の第２実施形態を示す構成図である。
【図６】第２実施形態の原理を示す説明図である。
【図７】光パルススペクトル、外部光パルスの時間遅延とノイズ強度との相関関係（生データ）、および信号処理した相関関係をそれぞれ示すグラフである。
【図８】２つのレーザ光源の間のスペクトル離調の影響を示す説明図である。
【図９】時間ゲートの強度スペクトルの測定結果の一例を示すグラフである。
【図１０】本発明の第３実施形態を示す構成図である。
【図１１】本発明の第４実施形態を示す構成図である。
【図１２】２つの光パルスを合成した外部注入光パルスの時間遅延とノイズ強度との相関関係（生データ）を示すグラフである。
【図１３】本発明の第５実施形態を示す構成図である。
【図１４】従来の光パルス幅の計測装置の一例を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態を示す構成図である。時間ゲート付き光検出装置は、レーザ光源ＬＡと、アイソレータＩＳ、光カプラＣＰ１，ＣＰ２と、光ファイバＦＢと、光検出器ＰＤと、可変減衰器ＡＴＴと、コリメートレンズＣＬと、可動ミラーＭＲなどを備える。
【００３６】
レーザ光源ＬＡは、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子などで構成され、所定の変調周波数で光パルスを発生するものであり、本実施形態では、発振波長１５５０ｎｍ、変調周波数１ＧＨｚで、光パルスを発生している。こうしたレーザ光源ＬＡの変調周波数および変調波形は、駆動回路ＤＲによって任意に設定可能である。レーザ光源ＬＡから出射した光は、光ファイバを通過して光カプラＣＰ１に入射する。
【００３７】
光カプラＣＰ１，ＣＰ２は、一方向から入射する光を複数の方向に分岐したり、複数の方向から入射する光を一方向に合成する機能を有する。光カプラＣＰ１は、レーザ光源ＬＡからの光を所定の分岐比で２つの方向に分岐しており、本実施形態では、９９：１の分岐比を有するものを使用している。分岐比９９／１００で分岐した光は、アイソレータＩＳと光ファイバＦＢを通過して第２の光カプラＣＰ２に入射する。一方、分岐比１／１００で分岐した光は、別の光ファイバＦＢを通過して可変減衰器ＡＴＴに入射する。
【００３８】
アイソレータＩＳは、偏光素子やファラデー回転子などで構成され、レーザ光源ＬＡへの戻り光を減衰させる機能を有し、本実施形態では、５０ｄＢ（＝１／１０００００）の減衰率を有するものを使用している。
【００３９】
光カプラＣＰ２は、アイソレータＩＳからの光を所定の分岐比で２つの方向に分岐しており、本実施形態では、５０：５０の分岐比を有するものを使用している。一方の分岐光は、光ファイバを通過して光検出器ＰＤに入射し、他方の分岐光は、別の光ファイバＦＢを通過して外部へ供給され、利用される。
【００４０】
光検出器ＰＤは、フォトダイオードなどで構成され、レーザ光源ＬＡからの自然放出光の強度を検出する機能を有し、本実施形態では、１ＧＨｚの変調周波数と比べて格段に低速応答のもの、例えば、周波数帯域が１０ＭＨｚのものを使用している。そのためレーザ光源ＬＡからの光パルス波形を忠実に検出できず、通常、光パルスを直接測定することは不可能である。しかしながら、本発明の手法によれば、こうした低速応答の光検出器であっても高い時間分解能で光パルスを検出することが可能になる。
【００４１】
可変減衰器ＡＴＴは、光の強度を所定の減衰率で減衰させる機能を有し、本実施形態では、１．５〜５０ｄＢの範囲で減衰率を調整できるものを使用している。可変減衰器ＡＴＴから出射した光は、光ファイバを通過してコリメートレンズＣＬに入射する。
【００４２】
コリメートレンズＣＬは、入射した光を平行光に変換する機能を有する。コリメートレンズＣＬからの平行光は、空気中を通過して可動ミラーＭＲに入射する。
【００４３】
可動ミラーＭＲは、光軸方向に変位可能な移動ステージに搭載された平面ミラーなどで構成され、光パルスが伝搬する光路長を調整する機能を有する。例えば、可動ミラーＭＲを１５ｃｍだけ後方に移動した場合、往復で３０ｃｍだけ光路長が増加し、光パルスの時間位置を１ｎｓだけ遅延させることができる。可動ミラーＭＲに入射した光は、そのまま正反射して再びコリメートレンズＣＬに入射し、可変減衰器ＡＴＴ→光カプラＣＰ１を通過して、レーザ光源ＬＡに戻り光として入射する。本実施形態では、可変減衰器ＡＴＴを７ｄＢの減衰率に設定したことにより、レーザ光源ＬＡ出力から５４ｄＢ減衰した極めて弱い強度の光パルスを戻り光として利用した。
【００４４】
光検出器ＰＤからの電気信号は、電気スペクトラムアナライザＥＳＡを用いて周波数分析が行われる。なお、電気スペクトラムアナライザＥＳＡの代わりに、オシロスコープを使用してもよい。
【００４５】
また、光パルスが通過する光路の途中に光カプラを追加し、分岐した光の波長または光周波数を監視するための光スペクトラムアナライザを設けてもよい。
【００４６】
図２は、戻り光入射時の自然放出光のノイズ強度を示すグラフである。縦軸は強度（ｄＢｍ）であり、横軸は周波数（ＭＨｚ）である。下側のグラフは、戻り光がない場合を示す。上側のグラフは、戻り光がある場合を示す。なお、両方のグラフとも実際にはスパイク状の形状をもつが、理解容易のため、上側のグラフについては上包絡線を示している。
【００４７】
可動ミラーＭＲの位置を光軸に沿って走査すると、特定の位置近傍で自然放出光雑音の増幅（ＡＳＥ: Amplified Spontaneous Emission）が観測される。この現象は、戻り光がレーザ光源ＬＡの誘導放出と相互作用するタイミングで入射した際に、上側のグラフに示すように、自然放出光のノイズ強度が増大することに起因している。一方、戻り光がレーザ光源ＬＡに入射していない場合や、レーザ光源ＬＡの誘導放出と相互作用しないタイミングで入射した場合には、下側のグラフに示すように、ノイズフロアのみが観測される。
【００４８】
そこで、電気スペクトラムアナライザＥＳＡの測定周波数を４．５ＭＨｚに固定した状態で、可動ミラーＭＲの位置を掃引し、戻り光パルスの時間遅延を変化させながら、自然放出光のノイズ強度の変化を調べる。
【００４９】
図３は、光パルススペクトル、戻り光パルスの時間遅延とノイズ強度との相関関係（生データ）、および観察しやすく信号処理した相関関係をそれぞれ示すグラフである。下側のグラフほど、レーザ光源ＬＡを駆動する電流の変調振幅が大きくなる。図３（ａ）〜（ｃ）において、縦軸は光強度（リニア、任意単位）、横軸は波長（μｍ）である。また図３（ｄ）〜（ｉ）において、縦軸はノイズ強度（ｄＢｍ）、横軸は時間遅延量（ｐｓ）である。
【００５０】
まず、図３（ａ）〜（ｃ）を見ると、変調振幅が小さい場合は、レーザ光源ＬＡからの光パルスのスペクトル幅は比較的狭いが、変調振幅が大きくなるほど、光パルスのスペクトル幅は広くなることが判る。
【００５１】
次に、図３（ｄ）（ｇ）を見ると、可動ミラーＭＲの位置を変化させて戻り光パルスの時間遅延を変化させた場合、特定の位置でノイズ強度がピークになる波形（半値全幅４８．４ｐｓ）が観測されることが判る。このとき可動ミラーＭＲの変位０．１５ｍｍが、戻り光パルスの時間遅延１ｐｓに対応する。
【００５２】
また、図３（ｅ）（ｈ）では、ノイズ変化の波形（半値全幅３４．７ｐｓ）がより急峻になり、図３（ｆ）（ｉ）では、ノイズ変化の波形（半値全幅２８．４ｐｓ）がさらに急峻になることが判る。
【００５３】
従って、光パルスのスペクトルと光パルスの時間波形とは、互いにフーリエ変換の関係にあることから、こうしたノイズ変化の波形は、光パルスの波形と相関関係があることを示唆している。
【００５４】
図４は、本実施形態の原理を示す説明図である。レーザ光源ＬＡは所定の周期（変調周波数の逆数）で光パルスを発生している。このときレーザ光源ＬＡのレーザ媒質の内部では、注入電流の正弦波変調によってキャリア密度が時間変動している。レーザ媒質が励起されていない場合、レーザ媒質は吸収媒質であるが、励起が始まると利得媒質に変化し、誘導放出が開始する。この際に、変調周波数をレーザ光源ＬＡの緩和振動周波数近傍に設定すると、定常状態のしきい値キャリア密度を超えて、ある程度キャリア密度が蓄積した後にレーザ発振が始まる。その結果、強い誘導放出が生じ、蓄積したキャリア密度は短時間のうちに消滅する。これに伴い、レーザ媒質の利得が減少するため、誘導放出は停止する。この動作は、利得変調パルスの発生として外部で観測される。また、発生する光パルスの時間幅が、レーザ光源ＬＡを駆動する注入電流の変調周期より速いことから、この現象は非線形過程に基づくことが判る。
【００５５】
従って、光パルスが発生する期間において、外部光パルスがレーザ媒質に入射すると、自然放出光は効率良く増幅され、その結果、自然放出光のノイズ強度が増大すると考えられる。
【００５６】
このように自然放出光の増幅が可能な光パルス発生期間を時間ゲートとして利用することによって、極めて短い光パルスを高い時間分解能で検出することが可能になる。
【００５７】
時間ゲート幅内で感じる光パルス成分の平均強度、即ち、時間ゲート関数と戻り光パルス波形の相関（ＡＳＥ雑音の発生）を遅延掃引して測定することにより、自己相関波形が描かれる。
【００５８】
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態を示す構成図である。本実施形態では、被測定デバイスであるレーザ光源ＤＵＴが発生する光パルスを測定する。レーザ光源ＤＵＴは、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子などで構成され、例えば、光通信用の光源として常時動作している。レーザ光源ＤＵＴは、駆動回路ＤＲ２によって駆動されて光パルスを発生し、発生した光パルスは、アイソレータＩＳ２、光カプラＣＰ３、光ファイバＦＢを通過して、外部へ供給される。
【００５９】
アイソレータＩＳ２は、偏光素子やファラデー回転子などで構成され、レーザ光源ＤＵＴへの戻り光を減衰させる機能を有し、本実施形態では、５０ｄＢ（＝１／１０００００）の減衰率を有するものを使用している。光カプラＣＰ３は、アイソレータＩＳ２からの光を所定の分岐比で２つの方向に分岐しており、本実施形態では、９９：１の分岐比を有するものを使用している。分岐比９９／１００で分岐した光は、光ファイバＦＢを通過して外部へ供給され、例えば、光通信などに利用される。一方、分岐比１／１００で分岐した光は、本発明に係る光パルス検出に用いられ、別の光ファイバを通過して、光サーキュレータＣＣに入射する。
【００６０】
本実施形態に係る時間ゲート付き光検出装置は、レーザ光源ＬＡと、光カプラＣＰ１，ＣＰ２と、アイソレータＩＳ１と、光ファイバＦＢと、光検出器ＰＤと、可変減衰器ＡＴＴと、偏波コントローラＰＣと、上述の光サーキュレータＣＣと、コリメートレンズＣＬと、可動ミラーＭＲなどを備える。
【００６１】
レーザ光源ＬＡは、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子などで構成され、所定の変調周波数で光パルスを発生するものであり、レーザ光源ＤＵＴとほぼ同じ発振波長を有するものが選択される。レーザ光源ＤＵＴを駆動する駆動回路ＤＲ２は、外部用の光パルスと同期した同期信号ＳＹＮＣを出力しており、この同期信号ＳＹＮＣと同期して駆動回路ＤＲ１がレーザ光源ＬＡを駆動する。本実施形態では、レーザ光源ＬＡは、発振波長１５５０ｎｍ、変調周波数１ＧＨｚで、光パルスを発生している。レーザ光源ＬＡから出射した光は、光ファイバを通過して光カプラＣＰ１に入射する。
【００６２】
光カプラＣＰ１は、レーザ光源ＬＡからの光を所定の分岐比で２つの方向に分岐しており、本実施形態では、５０：５０の分岐比を有するものを使用している。一方の分岐光は、アイソレータＩＳ１および別の光ファイバＦＢを通過して第２の光カプラＣＰ２に入射し、他方の分岐光は、偏波コントローラＰＣおよび可変減衰器ＡＴＴを通過して光サーキュレータＣＣに入射する。光サーキュレータＣＣに入射した分岐光は、右回りと左回り成分に分かれるが、光サーキュレータＣＣおよび光カプラＣＰ３を通過する際にいずれも大きく減衰するため、レーザ光源ＤＵＴに対する注入光量は無視できるほど小さくなり、影響を与えない。
【００６３】
光カプラＣＰ２は、光カプラＣＰ１からの光を所定の分岐比で２つの方向に分岐しており、本実施形態では、５０：５０の分岐比を有するものを使用している。一方の分岐光は、光ファイバを通過して光検出器ＰＤに入射し、他方の分岐光は、別の光ファイバＦＢを通過して、光の波長または光周波数を監視するための光スペクトラムアナライザＯＳＡに入射する。
【００６４】
光検出器ＰＤは、フォトダイオードなどで構成され、レーザ光源ＬＡからの自然放出光の強度を検出する機能を有し、本実施形態では、１ＧＨｚの変調周波数と比べて格段に低速応答のもの、例えば、周波数帯域が１０ＭＨｚのものを使用している。
【００６５】
光検出器ＰＤからの電気信号は、電気スペクトラムアナライザＥＳＡを用いて周波数分析が行われる。なお、電気スペクトラムアナライザＥＳＡの代わりに、オシロスコープを使用してもよい。
【００６６】
一方、光サーキュレータＣＣは、あるポートから入射した光を他のポートへ出射する機能を有する。レーザ光源ＤＵＴからの光は、光サーキュレータＣＣを通過してコリメートレンズＣＬに入射する。
【００６７】
コリメートレンズＣＬは、入射した光を平行光に変換する機能を有する。コリメートレンズＣＬからの平行光は、空気中を通過して可動ミラーＭＲに入射する。
【００６８】
可動ミラーＭＲは、光軸方向に変位可能な移動ステージに搭載された平面ミラーなどで構成され、光パルスが伝搬する光路長を調整する機能を有する。可動ミラーＭＲに入射した光は、そのまま正反射して再びコリメートレンズＣＬに入射し、光サーキュレータＣＣを通過して可変減衰器ＡＴＴに入射する。
【００６９】
可変減衰器ＡＴＴは、光の強度を所定の減衰率で減衰させる機能を有し、本実施形態では、１．５〜５０ｄＢの範囲で減衰率を調整できるものを使用している。可変減衰器ＡＴＴから出射した光は、偏波コントローラＰＣ、光ファイバおよび光カプラＣＰ１を通過してレーザ光源ＬＡに外部注入光として入射する。偏波コントローラＰＣは、レーザ光源ＬＡ内で、被測定光パルスが感度良く相互作用するように、偏光を調整する機能を有する。こうした外部光は、途中で大きく減衰されるため、極めて弱い強度の光パルスとなる。例えば、本実施形態では、光カプラＣＰ３で２０ｄＢ、可変減衰器ＡＴＴで３５ｄＢの計５５ｄＢの減衰率を与えている。
【００７０】
図６は、本実施形態の原理を示す説明図である。図４と同様に、レーザ光源ＬＡは所定の周期（変調周波数の逆数）で光パルスを発生している。このときレーザ光源ＬＡのレーザ媒質の内部では、注入電流の正弦波変調によってキャリア密度が時間変動している。
【００７１】
レーザ媒質が利得媒質に変化し、利得変調パルスが発生する期間において、外部光パルスがレーザ媒質に入射すると、自然放出光は効率良く増幅され、その結果、自然放出光のノイズ強度が増大すると考えられる。
【００７２】
このように自然放出光の増幅が可能な光パルス発生期間を時間ゲートとして利用することによって、極めて短い光パルスを高い時間分解能で検出することが可能になる。
【００７３】
時間ゲート幅内で感じる光パルス成分の平均強度、即ち、時間ゲート関数と外部光パルス波形の相互相関（ＡＳＥ雑音の発生）を遅延掃引して測定することにより、相互相関波形が描かれる。
【００７４】
図７は、光パルススペクトル、外部光パルスの時間遅延とノイズ強度との相関関係（生データ）、および観察しやすく信号処理した相関関係をそれぞれ示すグラフである。下側のグラフほど、レーザ光源ＬＡを駆動する電流の変調振幅が大きくなる。図７（ａ）〜（ｃ）において、縦軸は光強度（リニア、任意単位）、横軸は波長（μｍ）である。また図７（ｄ）〜（ｆ）において、縦軸はノイズ強度（ｄＢｍ）、横軸は時間遅延量（ｐｓ）である。また図７（ｇ）〜（ｉ）において、縦軸はノイズ強度（リニア、ｎＷ）、横軸は時間遅延量（ｐｓ）である。
【００７５】
まず、図７（ａ）〜（ｃ）を見ると、変調振幅が小さい場合は、被測定レーザ光源ＬＡからの光パルスのスペクトル幅は比較的狭いが、変調振幅が大きくなるほど、光パルスのスペクトル幅は広くなることが判る。
【００７６】
次に、図７（ｄ）（ｇ）を見ると、可動ミラーＭＲの位置を変化させて外部光パルスの時間遅延を変化させた場合、特定の位置でノイズ強度がピークになる波形（半値全幅６８．４ｐｓ）が観測されることが判る。
【００７７】
また、図７（ｅ）（ｈ）では、ノイズ変化の波形（半値全幅５６．３ｐｓ）がより急峻になり、図７（ｆ）（ｉ）では、ノイズ変化の波形（半値全幅４０．６ｐｓ）がさらに急峻になることが判る。
【００７８】
図８は、２つのレーザ光源ＤＵＴ，ＬＡの間のスペクトル離調の影響を示す説明図である。レーザ光源ＤＵＴ，ＬＡは、ペルチェ素子などを用いて独立に温度制御されており、設定温度に応じて発振スペクトルを変化させることができる。図８（ａ）に示すように、レーザ光源ＤＵＴとレーザ光源ＬＡの出力スペクトルのピーク波長位置は異なっており、温度制御によって両者の間隔を任意に設定できる。
【００７９】
図８（ｂ）は、スペクトル離調によるノイズ強度の変化を示すグラフである。縦軸は、ノイズ強度（任意単位）、横軸はピーク波長の差（ｎｍ）である。両者のピーク波長が一致した時点でノイズ強度が最大となり、ピーク波長の差が大きくなると、ノイズ強度が減少していることが判る。このグラフから、レーザ光源ＬＡは狭帯域な受光器として動作することが判る。
【００８０】
また、図９は、レーザ光源ＤＵＴを狭線幅レーザとして用いて同様な測定を行い、正確な時間ゲートの強度スペクトルを得た結果であり、時間ゲートの帯域幅は約０．３ｎｍと見積もられる。時間ゲートの強度スペクトルが、レーザ光源ＬＡからの光パルススペクトルにほぼ一致することから、時間ゲート関数は、レーザ光源ＬＡからの光パルス波形と同じであることが確認される。
【００８１】
本実施形態において、レーザ光源ＬＡで発生する光パルスが内部の周波数チャープをほとんど持たないフーリエ変換限界パルスであり、かつ、その強度スペクトル幅が被測定レーザ光源ＤＵＴの発する光パルスの強度スペクトル幅と同等か，あるいは、これより広い場合、実験より得られる相互相関波形をデコンボリューション処理することにより、レーザ光源ＤＵＴからの光パルスの時間幅を推定することが可能である。
【００８２】
（第３実施形態）
図１０は、本発明の第３実施形態を示す構成図である。本実施形態においても、被測定デバイスであるレーザ光源ＤＵＴが発生する光パルスを測定する。レーザ光源ＤＵＴは、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子などで構成され、例えば、光通信用の光源として常時動作している。レーザ光源ＤＵＴは、駆動回路ＤＲ２によって駆動されて光パルスを発生し、発生した光パルスは、アイソレータＩＳ２、光カプラＣＰ２、光ファイバＦＢを通過して、外部へ供給される。
【００８３】
光カプラＣＰ２は、アイソレータＩＳからの光を所定の分岐比で２つの方向に分岐しており、本実施形態では、９９：１の分岐比を有するものを使用している。分岐比９９／１００で分岐した光は、光ファイバＦＢを通過して外部へ供給され、例えば、光通信などに利用される。分岐比１／１００で分岐した光は、本発明に係る光パルス検出に用いられ、別の光ファイバＦＢと、可変減衰器ＡＴＴと、別の光ファイバＦＢと、偏波コントローラＰＣと、光カプラＣＰ１を通過して、レーザ光源ＬＡに入射する。
【００８４】
本実施形態におけるレーザ光源ＤＵＴからの入射光強度は、光カプラＣＰ２で２０ｄＢ、可変減衰器ＡＴＴおよび光カプラＣＰ１で３５ｄＢの計５５ｄＢだけ減衰され、極めて弱い強度の外部光パルスとしてレーザ光源ＬＡに入射している。また，偏波コントローラＰＣは、レーザ光源ＬＡ内で、被測定光パルスが感度良く相互作用するように、偏光を調整する機能を有する。
【００８５】
本実施形態に係る時間ゲート付き光検出装置は、レーザ光源ＬＡと、光カプラＣＰ１と、偏波コントローラＰＣと、可変減衰器ＡＴＴと、光ファイバＦＢと、アイソレータＩＳ１と、光検出器ＰＤなどを備える。
【００８６】
レーザ光源ＬＡは、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子などで構成され、所定の変調周波数で光パルスを発生するものであり、レーザ光源ＤＵＴとほぼ同じ発振波長を有するものが選択される。レーザ光源ＬＡは、駆動回路ＤＲ１によって駆動され、変調周波数は掃引回路ＳＣによって制御される。本実施形態では、レーザ光源ＬＡは、発振波長１５５０ｎｍ、中心変調周波数０．９〜１．１ＧＨｚの範囲で掃引し、ピコ秒の時間幅を有する光パルスを発生している。レーザ光源ＬＡから出射した光は、光ファイバを通過して、光カプラＣＰ１に入射する。
【００８７】
光カプラＣＰ１は、レーザ光源ＬＡからの光を所定の分岐比で２つの方向に分岐しており、本実施形態では、５０：５０の分岐比を有するものを使用している。一方の分岐光は、アイソレータＩＳ１を通過して光検出器ＰＤに入射する。また、他方の分岐光は、可変減衰器ＡＴＴおよび光カプラＣＰ２を通過することにより、被測定光源ＤＵＴへの注入光量が十分に無視できるほど減衰される。
【００８８】
光検出器ＰＤは、フォトダイオードなどで構成され、レーザ光源ＬＡからの自然放出光の強度を検出する機能を有し、本実施形態では、１ＧＨｚの変調周波数と比べて格段に低速応答のもの、例えば、周波数帯域が１０ＭＨｚのものを使用している。
【００８９】
光検出器ＰＤからの電気信号は、オシロスコープＯＳＣを用いて、ノイズ強度の時間変化として観測される。なお、オシロスコープＯＳＣの代わりに、電気スペクトラムアナライザを使用してもよい。
【００９０】
第１および第２実施形態では、戻り光パルスまたは外部光パルスの時間差を調整するために可動ミラーＭＲを使用したが、本実施形態では、レーザ光源ＬＡの変調周波数を掃引することによって、遅延時間調整と同様な機能を実現している。こうした電気的掃引を行う構成によれば、可動ミラーＭＲなどの移動機構が不要になるため、装置の小型化、簡便化が図られる。
【００９１】
以上説明したように、本明細書で開示した実験では、入射光に関して、以下の条件で光パルスを検出することに成功している。
【００９２】
光パルス幅：３５  ｐｓ        繰り返し周波数：１  ＧＨｚ
平均出力：０．１  ｎＷ          ピーク強度：５  ｎＷ
【００９３】
この結果は、光パルスに対する従来の直接計測法に比べて、少なくとも３０ｄＢほど測定感度が改善されることを意味する。従って、光パルスエネルギーのごく一部を利用するだけで、光パルスの検出が可能になる。
【００９４】
（第４実施形態）
図１１は、本発明の第４実施形態を示す構成図である。ここでは、時間ゲート付き光検出装置を用いた多点計測システムについて説明する。レーザ光源ＬＡ１は、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子などで構成される。レーザ光源ＬＡ１は、駆動回路ＤＲ１によって駆動されて光パルスを発生する。本実施形態では、駆動回路ＤＲ１は、レーザ光源ＬＡ１のしきい値電流に一致する直流電流９．８ｍＡに変調周波数１ＧＨｚの正弦波電流を重畳した変調電流を供給しており、発生した光パルスは、中心波長１５５０ｎｍで時間幅３５ｐｓである。光パルスは、アイソレータＩＳ１を通過して、縦列接続した光カプラＣＰ１、光カプラＣＰ２へ供給される。
【００９５】
光カプラＣＰ１は、アイソレータＩＳ１からの光を所定の分岐比で２つの方向に分岐しており、本実施形態では、５０：５０の分岐比を有するものを使用している。一方の分岐光は、光カプラＣＰ２に供給され、再び５０：５０の分岐比で分岐される。このうち一方は、さらに縦列接続する光カプラへ供給されることを想定しているが、本実施形態では、外部へ解放している。
【００９６】
光カプラＣＰ１，ＣＰ２のもう一方の分岐光は、コリメートレンズＣＬ１，ＣＬ２にそれぞれ入射する。コリメートレンズＣＬ１，ＣＬ２は、入射した光を平行光に変換する機能を有する。コリメートレンズＣＬ１，ＣＬ２からの平行光は、空気中を通過して固定ミラーＭＲ１，ＭＲ２でそれぞれ反射され、再びコリメートレンズＣＬ１，ＣＬ２を通過して光ファイバ内に導入される。
【００９７】
本実施形態では、固定ミラーＭＲ１，ＭＲ２からの反射光を、異なる空間位置から反射帰還する光ファイバセンサ信号とみなして処理している。即ち、光カプラＣＰ１，ＣＰ２および固定ミラーＭＲ１，ＭＲ２の代替として、光ファイバ干渉計やファイバブラッググレーティング等を用いた光ファイバセンサが使用可能であり、これにより多数の空間位置から反射する光を同時に計測できる。
【００９８】
異なる空間位置からの反射光は、それぞれ再び光カプラＣＰ１，ＣＰ２を通過し、光カプラＣＰ１で分岐され、アイソレータＩＳ２およびサーキュレータＣＣを通過してコリメートレンズＣＬ３に入射する。コリメートレンズＣＬ３からの平行光は、空気中で可変減衰器ＡＴＴを通過して可動ミラーＭＲ３に入射する。
【００９９】
可動ミラーＭＲ３からの反射光は、再び空気中で可変減衰器ＡＴＴを通過してコリメートレンズＣＬ３により光ファイバ内に導入される。その後、反射光は、サーキュレータＣＣと、偏波コントローラＰＣと、５０：５０の分岐比を有する光カプラＣＰ３を通過して、レーザ光源ＬＡ２に入射する。
【０１００】
本実施形態において、レーザ光源ＬＡ１からの入射光の平均強度は、アイソレータＩＳ１の直後で１１３μＷであり、レーザ光源ＬＡ２への注入光の平均強度は、可変減衰器ＡＴＴの調整により約１μＷである。
【０１０１】
本実施形態に係る時間ゲート付き光検出装置は、レーザ光源ＬＡ２と、光カプラＣＰ３と、偏波コントローラＰＣと、可変減衰器ＡＴＴと、アイソレータＩＳ３と、光検出器ＰＤなどを備える。偏波コントローラＰＣは、レーザ光源ＬＡ２内で、被測定光パルスが感度良く相互作用するように、偏光を調整する機能を有する。
【０１０２】
レーザ光源ＬＡ２は、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子などで構成され、所定の変調周波数で光パルスを発生するものであり、レーザ光源ＬＡ１とほぼ同じ発振波長を有するものが選択される。レーザ光源ＬＡ２は、駆動回路ＤＲ２によって駆動され、駆動回路ＤＲ１に同期した変調周波数が供給される。本実施形態では、レーザ光源ＬＡ２は、変調周波数１ＧＨｚで掃引し、中心波長１５５０ｎｍで時間幅３５ｐｓを有する光パルスを発生している。レーザ光源ＬＡ２から出射した光は、光ファイバを通過して、光カプラＣＰ３に入射する。
【０１０３】
光カプラＣＰ３は、レーザ光源ＬＡ２からの光を所定の分岐比で２つの方向に分岐しており、本実施形態では、５０：５０の分岐比を有するものを使用している。一方の分岐光は、アイソレータＩＳ３を通過して光検出器ＰＤに入射する。また、他方の分岐光は、サーキュレータＣＣおよびアイソレータＩＳ２を通過することにより、レーザ光源ＬＡ１，２への戻り光量が十分に無視できるほど減衰される。
【０１０４】
光検出器ＰＤは、フォトダイオードなどで構成され、レーザ光源ＬＡ２からの自然放出光の強度を検出する機能を有し、本実施形態では、１ＧＨｚの変調周波数と比べて格段に低速応答のもの、例えば、周波数帯域が１０ＭＨｚのものを使用している。
【０１０５】
光検出器ＰＤからの電気信号は、電気スペクトラムアナライザＥＳＡを用いて周波数分析が行われる。なお、電気スペクトラムアナライザの代わりにオシロスコープを使用してもよい。
【０１０６】
図１２は、電気スペクトラムアナライザの測定周波数を３ＭＨｚに固定し、注入光パルスの時間遅延とノイズ強度との相関関係（生データ）を示すグラフである。縦軸はノイズ強度（ｄＢｍ）、横軸は時間遅延量（ｐｓ）である。
【０１０７】
可動ミラーＭＲ３の位置を変化させて注入光パルスの時間遅延を変化させた場合、特定の位置でノイズ強度がピークになる波形が観測されることが判る。本実施形態では、２個の山形波形が観測されている。
【０１０８】
固定ミラーＭＲ１，ＭＲ２からの反射光を片方ずつ遮断することにより、２個の山形波形のうち一方ずつ消失するようになる。このことから、図の左側の山形波形は固定ミラーＭＲ１からの反射光に、右側の山形波形は固定ミラーＭＲ２からの反射光に起因することが判る。
【０１０９】
グラフにおいて、山形波形のピーク位置の時間間隔ΔＴは約２００ｐｓであり、光学距離に換算して６ｃｍ離れていることに相当する。例えば、変調周波数１ＧＨｚで行った本実施形態におけるピーク位置の距離間隔ΔＬは、次の式に従う。
【０１１０】
ΔＬ＝Ｗ１２−Ｗ１１−３０ｃｍ×ｍ（整数）
【０１１１】
ここで、Ｗ１２は、光カプラＣＰ１から固定ミラーＭＲ２までの往復光学距離、Ｗ１１は、光カプラＣＰ１から固定ミラーＭＲ１までの往復光学距離である。また、整数ｍは、ピーク位置の距離間隔が０から３０ｃｍまでの値になるように与えられる。また、３０ｃｍは、変調周期１ｎｓに相当する光学距離である。
【０１１２】
このように、本方式では、光パルスの時間位置を検出する際に光のコヒーレンスを利用しないため、干渉計方式における長い参照アームを用意する必要がない。他のレーザ光源が発する光パルスに対しても、変調周波数と発振波長が一致していれば、変調周期に相当する光学距離３０ｃｍ以内で時間遅延を調整することにより、レーザ光源ＬＡ２の時間ゲート幅内で増幅された雑音信号として、注入光パルスが感度良く検出される。
【０１１３】
本実施形態では、２個の固定ミラーＭＲ１，ＭＲ２を光ファイバセンサの反射点とみなして２点計測の実用性を実証している。したがって、光カプラＣＰ２の後段に、多数の光カプラを多段接続し、それぞれ固定ミラーを設置することにより、所望の多点計測システムが実現できる。
【０１１４】
その際、各光カプラの分岐比は一定ではなく、例えば、９０：１０あるいは９９：１など、それぞれ異なるように設定してもよく、レーザ光源ＬＡ１に近い光カプラほど分岐比が小さくなるように構成することによって、各光ファイバセンサからの反射信号光の強度差は小さくなり、図１２の出力信号における山形波形のピーク値間のコントラストを低く抑制できる。
【０１１５】
分岐比が小さいためにレーザ光源ＬＡ２への注入光強度が低くなり、出力信号の信号対雑音比が低下する場合には、入射光側のアイソレータＩＳ１の直後か、あるいは、受光器側の偏波コントローラＰＣの直後に光増幅器を挿入し、適切な注入光強度になるように調整することができる。
【０１１６】
本実施形態では、変調周期１ｎｓに対して、１個の固定ミラーからの反射信号は、山形波形の裾まで考慮すると、約１００ｐｓの相関幅を有している。したがって、各計測点までを接続する光ファイバの長さを調整することにより、遅延軸上に反射信号を等間隔に配置し、少なくとも１０箇所の異なる空間位置の計測が可能となることが判る。
【０１１７】
１個のレーザ光源ＬＡ１と１組の時間ゲート付き光検出装置（ＬＡ２，ＰＤ）で可能な計測点数の上限は、変調周期と、レーザ光源の緩和振動周波数と、レーザ光源を駆動する励起条件に依存し、遅延距離が長くなる低い変調周期において、計測点数を増大することができる。
【０１１８】
以上説明したように、本明細書で開示した実験では、異なる２点から反射した注入光パルスに関して、以下の条件で分離検出することに成功している。
【０１１９】
光パルス幅：３５ｐｓ        繰り返し周波数：１ＧＨｚ
受光用レーザ光源への注入光の平均出力：１μＷ    相関幅：６０ｐｓ（１８ｍｍ）
【０１２０】
この結果は、ピコ秒域の時間幅を持つ高速な光パルスの計測において、光パルスエネルギーのごく一部を利用するだけで、複数の光パルスが分離計測できることを示している。
【０１２１】
さらに、各計測点までの光学距離は、レーザ光源ＬＡ１を駆動する変調周波数の値を４から５点変化させ、そのたびにピーク位置を検出し、遅延距離の変化を計測することにより求めることができる。
【０１２２】
例えば、光カプラＣＰ１から固定ミラーＭＲ１までの距離をＤ１とし、測定対象の距離とする。ただし、簡単のため、コリメートレンズＣＬ１と固定ミラーＭＲ１の間の空隙は光ファイバで接続されているとする。また、ノイズピークのコントラスト等から、固定ミラーＭＲ１からの反射光によるノイズピークが特定できる条件にあるとする。ここで、レーザ光源ＬＡ１から光カプラＣＰ１までの距離をＤ０とし、光カプラＣＰ１からサーキュレータＣＣを経由してコリメートレンズＣＬ３までの距離をＤ２とし、コリメートレンズＣＬ３から可動ミラーＭＲ３までの距離をＤ３とし、コリメートレンズＣＬ３から偏波コントローラＰＣと光カプラＣＰ３を経由してレーザ光源ＬＡ２までの距離をＤ４とする。
【０１２３】
レーザ光源ＬＡ１，ＬＡ２をともに変調周波数ｆ１で駆動し、可動ミラーＭＲ３の遅延位置を調整することにより、ノイズピークが観測される位置Ｄ３(1)を決定する。このとき、変調周波数ｆ１に対応する変調周期Ｔ１を用いて次の関係式が成り立つ。
ｎ×（Ｄ０＋２×Ｄ１＋Ｄ２＋Ｄ４）＋２×Ｄ３(1)＝ｍ１×ｃ×Ｔ１  …（１）
【０１２４】
ただし、ｃは光速、ｎは光ファイバの屈折率、ｍ１は未知の整数である。距離Ｄ０，Ｄ２，Ｄ４を既知とし、上式を測定対象の距離Ｄ１についてまとめると次式となる。
ｎ×Ｄ１＝ｍ１×ｃ×Ｔ１／２−Ｄ３(1)−ｎ×（Ｄ０＋Ｄ２＋Ｄ４）／２  …（２）
【０１２５】
次に変調周波数をｆ２に変化させ同様の実験を行うと、対応する変調周期Ｔ２を用いて、次の関係式が得られる。
ｎ×Ｄ１＝ｍ２×ｃ×Ｔ２／２−Ｄ３(2)−ｎ×（Ｄ０＋Ｄ２＋Ｄ４）／２  …（３）
【０１２６】
ただし、ｍ２は未知の整数、Ｄ３(2)は変調周波数ｆ２においてノイズピークが観測される可動ミラーＭＲ３の位置である。
【０１２７】
上式（２），（３）式の右辺は等しいことから、次式が成り立つ。
ｃ×（ｍ１×Ｔ１−ｍ２×Ｔ２）＝２×（Ｄ３(1)−Ｄ３(2)）        …（４）
【０１２８】
整数ｍ１，ｍ２の値は一意には決定されないが、各変調周期に対応する光学距離（光速×変調周期：ｃ×Ｔ１，ｃ×Ｔ２）の最小公倍数に相当する距離以内では、上式（４）を満たす唯一の整数の組（ｍ１，ｍ２）が存在する。
【０１２９】
同様に変調周波数をｆ３（対応する変調周期Ｔ３）に変化させた実験を行うと、次の関係式が得られる。
ｃ×（ｍ１×Ｔ１−ｍ３×Ｔ３）＝２×（Ｄ３(1)−Ｄ３(3)）        …（５）
【０１３０】
ただし、ｍ３は未知の整数、Ｄ３(3)は変調周波数ｆ３においてノイズピークが観測される可動ミラーＭＲ３の位置である。上式（４），（５）を満たす整数の組（ｍ１，ｍ２，ｍ３）は、各変調周期に対応する光学距離（光速×変調周期：ｃ×Ｔ１，ｃ×Ｔ２，ｃ×Ｔ３）の最小公倍数に相当する距離以内に、唯一の解として存在する。
【０１３１】
したがって、変調周波数の値を変えて行う実験結果を追加することにより、条件を満足する整数の組は、より長距離の測定対象に対する唯一の解となり、各整数の値は実質的に一意に決定される。こうして、得られた整数ｍ１の値を，式（２）に代入することにより、測定対象の距離Ｄ１を求めることができる。
【０１３２】
例えば、次の４つの変調周波数（光速×変調周期）のもとで上述の実験を行うことにより、６．０６８ｋｍ（＝３１×２９×２７×２５ｃｍ）を上限とする範囲で、測定点までの距離を特定することができる。
０．９６８ＧＨｚ（３１ｃｍ），    １．０３４ＧＨｚ（２９ｃｍ）
１．１１１ＧＨｚ（２７ｃｍ），    １．２００ＧＨｚ（２５ｃｍ）
【０１３３】
さらに、変調周波数（光速×変調周期）が１．３０４ＧＨｚ（２３ｃｍ）のもとで行う実験結果を追加することにより、測定点までの距離を特定するための範囲の上限は、１３９．５７ｋｍまで拡大する。
【０１３４】
以上の変調周波数を変化させて測定点までの距離を特定する手法は、本実施形態の多点計測システムに限らず、光ファイバを接続する一般的なシステムにおいて、破断点までの距離を計測することに適用できる。この場合は、破断点で生じるフレネル反射に基づく反射光を検出することになる。
【０１３５】
（第５実施形態）
図１３は、本発明の第５実施形態を示す構成図である。多点計測システムの全体構成および動作原理は、第４実施形態と同様であるが、１）使用するレーザ光源の数が２台から１台になる点、２）レーザ光源ＬＡ１とアイソレータＩＳ１の間に光カプラＣＰ０を挿入している点で相違する。
【０１３６】
第４実施形態と同様に駆動されたレーザ光源ＬＡ１からの光パルスは、光カプラＣＰ０を通過することにより分岐される。光カプラＣＰ０の分岐比は５０：５０を想定している。一方の分岐光は、後続のアイソレータＩＳ１を通過して光カプラＣＰ１に入射し、第４実施形態と同じ過程を経て、光カプラＣＰ３へ信号光パルスが帰還される。
【０１３７】
光カプラＣＰ３は光カプラＣＰ０と接続され、信号光パルスがレーザ光源ＬＡ１へ注入される。また、レーザ光源ＬＡ１からの出力のうち、もう一方の分岐光は、光カプラＣＰ３とアイソレータＩＳ３を通過して、光検出器ＰＤで検出される。
【０１３８】
第４実施形態と同様に、可動ミラーＭＲ３の位置を調整し、レーザ光源ＬＡ１の時間ゲート幅（光パルスの発生時間帯）に一致するように、信号光パルスを帰還注入することにより、増幅された雑音信号として、注入光パルスが感度良く検出される。
【０１３９】
したがって、異なる空間位置で発生した多数の反射光パルスを、複数の光カプラを介して一本の光ファイバ中に導入し、多点計測の信号光パルス列として形成した場合、第４実施形態と同様に、時間遅延を走査することにより、空間位置ごとの光情報を分離計測することができる。
【０１４０】
また、第４実施形態と同様に、レーザ光源ＬＡ１の変調周波数を変化させた一連の実験を行うことにより、測定点までの距離や光ファイバの破断点までの距離を特定することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４１】
本発明によれば、微弱な光パルスを高い時間分解能で検出することができる点、高空間分解能および高感度特性を有する多点計測システムを実現できる点で産業上極めて有用である。
【符号の説明】
【０１４２】
ＬＡ，ＤＵＴ，ＬＡ１，ＬＡ２    レーザ光源
ＩＳ，ＩＳ１，ＩＳ２，ＩＳ３    アイソレータ
ＣＣ    光サーキュレータ
ＣＰ０，ＣＰ１，ＣＰ２，ＣＰ３    光カプラ
ＦＢ    光ファイバ
ＰＣ    偏波コントローラ
ＡＴＴ    可変減衰器
ＣＬ，ＣＬ１，ＣＬ２，ＣＬ３    コリメートレンズ
ＭＲ１，ＭＲ２    固定ミラー
ＭＲ，ＭＲ３    可動ミラー
ＤＲ，ＤＲ１，ＤＲ２    駆動回路
ＳＣ    掃引回路
ＰＤ    光検出器
ＥＳＡ    電気スペクトラムアナライザ
ＯＳＡ    光スペクトラムアナライザ
ＯＳＣ    オシロスコープ
【図１】
0005521178.tif 000002
【図２】
0005521178.tif 000003
【図３】
0005521178.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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