(57)【要約】【課題】従来よりも空間分解能を向上し得る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を提案する。【解決手段】本発明では、x偏波光に与えられる周波数変調に同期して、強度変調手段により当該x偏波光に対し強度変調をも施すことで、x偏波光の強度を特定の周波数で弱くしたり、または強くしたりすることも可能になり、これによりx偏波光によって形成されるブリルアンダイナミックグレーティングの実効長を調整できる。この結果、ブリルアンダイナミックグレーティングにより反射されて得られるy偏波光の反射スペクトルの形状も最適に調節し得、かくしてy偏波光における空間分解能を向上させることができる。【選択図】図１
2014044129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数変調された光を出力する光源と、
前記光源からの第1偏波光を周波数シフトさせ、偏波保持特性を有した被測定光ファイバの一端からプローブ光として入射させるプローブ光生成手段と、
前記光源からの第1偏波光を、前記被測定光ファイバの他端からポンプ光として入射させるポンプ光生成手段と、
前記光源からの第2偏波光を、前記被測定光ファイバの他端からリード光として入射させるリード光生成手段と、
前記ポンプ光と前記プローブ光とにより前記被測定光ファイバ内に形成されたブリルアンダイナミックグレーティングによって反射される前記リード光の反射スペクトルを検出し、前記被測定光ファイバの特性を測定する測定手段とを備えた光ファイバ特性測定装置であって、
前記第1偏波光に対する周波数変調に同期して、該第1偏波光に強度変調を施す強度変調手段を備える
ことを特徴とする光ファイバ特性測定装置。
【請求項２】
前記ポンプ光と前記プローブ光との周波数差を掃引しながら、前記被測定光ファイバから出射される前記プローブ光のブリルアンゲインを検出し、前記被測定光ファイバの特性を測定するブリルアンゲイン測定手段を備える
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。
【請求項３】
前記強度変調手段は、前記光源からの出力光の周波数が変動中心に近づくにしたがって、その強度を最大値に近づけると共に、当該出力光の周波数が上限と下限に近づくにしたがって、その強度を最小値に近づけるものである
ことを特徴とする請求項１または２記載の光ファイバ特性測定装置。
【請求項４】
前記強度変調手段を光強度変調器により構成した
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光ファイバ特性測定装置。
【請求項５】
前記強度変調手段を光学フィルタにより構成した
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光ファイバ特性測定装置。
【請求項６】
前記強度変調手段を、正弦波以外の繰り返し波形で前記光源からの出力光を周波数変調する信号発生器により構成した
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の光ファイバ特性測定装置。
【請求項７】
周波数変調された光源からの第1偏波光を周波数シフトさせ、偏波保持特性を有した被測定光ファイバの一端からプローブ光として入射し、
前記光源からの第1偏波光を、前記被測定光ファイバの他端からポンプ光として入射し、
周波数変調された前記光源からの第2偏波光を、前記被測定光ファイバの他端からリード光として入射し、
前記ポンプ光と前記プローブ光とにより前記被測定光ファイバ内に形成されたブリルアンダイナミックグレーティングによって前記被測定光ファイバから出射される前記リード光の反射スペクトルを、測定手段によって検出して前記被測定光ファイバの特性を測定する光ファイバ特性測定方法であって、
前記第1偏波光の周波数変調に同期して、強度変調手段により該第1偏波光に強度変調を施す
ことを特徴とする光ファイバ特性測定方法。
【請求項８】
ブリルアンゲイン測定手段によって、前記ポンプ光と前記プローブ光との周波数差を掃引しながら、前記被測定光ファイバから出射される前記プローブ光のブリルアンゲインを検出し、前記被測定光ファイバの特性を測定する
ことを特徴とする請求項７記載の光ファイバ特性測定方法。
【請求項９】
前記光源からの出力光に施される強度変調は、前記出力光の周波数が変動中心に近づくにしたがって、その強度を最大値に近づけると共に、当該出力光の周波数が上限と下限に近づくにしたがって、その強度を最小値に近づけることである
ことを特徴とする請求項７または８記載の光ファイバ特性測定方法。
【請求項１０】
前記光源からの出力光に施される強度変調が、光強度変調器で行なわれる
ことを特徴とする請求項７〜９のいずれか一つに記載の光ファイバ特性測定方法。
【請求項１１】
前記光源からの出力光に施される強度変調が、光学フィルタで行なわれる
ことを特徴とする請求項７〜９のいずれか一つに記載の光ファイバ特性測定方法。
【請求項１２】
前記光源からの出力光に施される強度変調が、正弦波以外の繰り返し波形で前記光源部からの出力光を周波数変調する信号発生器で行なわれる
ことを特徴とする請求項７〜９のいずれか一つに記載の光ファイバ特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバ特性測定装置及び光ファイバ特性測定方法に関し、特に被測定対象としての偏波保持型の被測定光ファイバ内に生ずる誘導ブリルアン散乱現象およびブリルアンダイナミックグレーティング現象を利用して、被測定光ファイバに加わる歪や温度を分布的にセンシングする光ファイバ特性測定装置及び光ファイバ特性測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ中のブリルアン散乱は光ファイバに加わる歪によって変化する。従来、この現象を活用して光ファイバに沿う歪を分布的に測定する技術が考案されてきた。この測定技術は、ブリルアン散乱光の周波数変化を測定することで、歪の大きさを測定できると共に、ブリルアン散乱光が戻ってくるまでの時間を測定することで、光ファイバの歪箇所を特定することが可能なため、橋梁・橋脚、ビル、ダム、等の構造物や、航空機の翼・燃料タンク等の材料に光ファイバを張り巡らせることによって、これら構造物や材料に加わる歪の分布を知ることができる。こうした歪の分布から、材料や構造の劣化や経年変化が分かり、防災や事故防止に役立つ技術として注目されている（例えば、特許文献1、特許文献2参照）。
【０００３】
ここで、ブリルアン散乱の原理について説明すると、一般的な光ファイバに光を入射した場合、光ファイバ材料の硝子分子が熱振動することにより発生する超音波のうち、波長が入射光波長の半分となる超音波が生じる。この超音波がもたらす硝子の周期的な屈折率の変化は、入射光に対してブラッグ回折格子として作用し、光を後方に反射する。これがブリルアン散乱現象である。反射光は超音波の速度に依存してドップラーシフトを受けるが、この周波数シフト量は光ファイバに加わる伸縮歪で変化するので、当該シフト量を測定すれば、歪を検知することができる。
【０００４】
このような光ファイバの長さ方向に沿うブリルアン散乱の分布測定技術の代表的なものとしては、特許文献１などにも記述されているように、BOCDA（Brillouin Optical Correlation Domain Analysis：ブリルアン散乱光相関領域解析）法が知られている。
【０００５】
しかしながら、光ファイバ中のブリルアン散乱は、歪だけでなく、温度にも依存しており、温度変化の伴う測定現場においては正確な測定が不可能になる。そこで、このような問題点を解決するために、上述したBOCDA法を、偏波保持特性を有した被測定光ファイバに適用し、ブリルアン散乱に関連した現象であるブリルアンダイナミックグレーティングによる反射光のスペクトルを同時に測定することによって、この２つの測定結果から温度と歪の変化量を各々正確に測定できる光ファイバ特性測定装置が提案されている（例えば、非特許文献1参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３６６７１３２号公報
【特許文献２】特許第４７６１２５８号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「Demonstration of Brillouin Distributed Discrimination of Strain andTemperature Using a Polarization-Maintaining Optical Fiber」, Weiwen Zou, Member, IEEE, Zuyuan He, Member, IEEE, and KazuoHotate, Fellow, IEEE, IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL.22,NO.8,APRIL15,2010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、かかる構成でなる従来の光ファイバ特性測定装置では、測定結果から温度と歪の変化量を各々正確に測定できるものの、空間分解能に制限があり、構造物や材料に加わる歪の分布や温度の分布を診断するには十分ではないという問題があった。
【０００９】
また、光ファイバが有する複屈折率自体を、ブリルアンダイナミックグレーティングで測定する際にも、上述した従来の光ファイバ特性測定装置では、空間分解能に制限があり、空間分解能が不十分であるという問題があった。
【００１０】
そこで、本発明は以上の点を考慮してなされたもので、従来よりも空間分解能を向上し得る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を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
かかる課題を解決するため本発明の請求項１および７は、周波数変調された第1偏波光を周波数シフトさせ、偏波保持特性を有した被測定光ファイバの一端からプローブ光として入射し、前記第1偏波光を、前記被測定光ファイバの他端からポンプ光として入射し、周波数変調された第2偏波光を、前記被測定光ファイバの他端からリード光として入射し、前記ポンプ光と前記プローブ光とにより前記被測定光ファイバ内に形成されたブリルアンダイナミックグレーティングによって前記被測定光ファイバから出射される前記リード光の反射スペクトルを検出し、前記被測定光ファイバの特性を測定する測定手段を備えており、前記第1偏波光の周波数変調に同期して、強度変調手段により該第1偏波光に強度変調を施すことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、第1偏波光に与えられる周波数変調に同期して、強度変調手段により強度変調をも施すことで、第1偏波光の強度を特定の周波数で弱くしたり、または強くしたりすることも可能になり、これにより第1偏波光によって形成されるブリルアンダイナミックグレーティングの実効長を調整できる。この結果、ブリルアンダイナミックグレーティングにより反射されて得られる反射スペクトルの形状も最適に調節し得、かくして空間分解能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態における光ファイバ特性測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】偏波保持型被測定光ファイバへのx-ポンプ光、x-プローブ光およびy-リード光の入射の様子と、偏波保持型被測定光ファイバからの増幅されたx-プローブ光およびy-反射光の出射の様子を示す概略図である。
【図３】正弦波状の繰り返し波形で出力光を周波数変調したときの光周波数の時間変化と、当該出力光に対応した光強度変調器の光透過率を示すグラフである。
【図４】従来の強度変調を施さない場合と、強度変調を施した場合との時間平均スペクトルおよびブリルアンゲインの光ファイバ長さ方向の分布（ビートパワースペクトルの光ファイバ長さ方向の分布）を示すグラフと、ブリルアンダイナミックグレーティングの長さを示す概略図である。
【図５】図１に示す光ファイバ特性測定装置において、強度変調前後の時間平均スペクトルを示すグラフである。
【図６】x偏波光に強度変調を施した前後のブリルアンダイナミックグレーティングスペクトルについて、浸漬ファイバ長毎の測定した結果を示すグラフである。
【図７】冷却水温度および室温に対応した観測ピークと、浸漬ファイバ長との関係を示すグラフである。
【図８】本発明の第２実施形態における光ファイバ特性測定装置の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第３実施形態における光ファイバ特性測定装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】正弦波状の繰り返し波形で出力光を周波数変調した場合と、正弦波以外の繰り返し波形で出力光を周波数変調した場合の、周波数変調波形と時間平均スペクトル形状をそれぞれ示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下図面に基づいて本発明の実施の形態を詳述する。
【００１５】
図１において、1は本発明による第1実施形態による光ファイバ特性測定装置を示し、被測定光ファイバ28等が偏波保持光ファイバ(Polarization Maintaining Fiber:PMF)にて構成されている。ここで、2は光源であり、これは信号発生器3と半導体レーザ4とにより構成される。半導体レーザ4は、例えば小型でスペクトル幅の狭いレーザ光を出射する分布帰還型レーザダイオード（DFB-LD）が用いられる。信号発生器3は、半導体レーザ4から出射されるレーザ連続光を正弦波状に繰り返して周波数変調（位相変調を含む）するために、所望の変調信号を当該半導体レーザ4に注入電流として出力するものである。
【００１６】
5は、半導体レーザ4からの出力光を強度変調して、例えば±20数[GHz]の周波数成分を加えたレーザ光を生成する光強度変調器（IM1）である。光強度変調器5は、強度変調したレーザ光を波長選択反射器10に光分岐器8を介して出力する。波長選択反射器10は、光ファイバのコアの屈折率に周期的な屈折率変化が形成されているファイバーブラッググレーティング(Fiber Bragg Grating:FBG)である。波長選択反射器10は、周期的な屈折率変化が作るブラッグ反射条件を満たしたマイナス側の周波数成分のレーザ光のみをx偏波光として反射させ、これをプローブ光・ポンプ光生成光路へと送出し、一方、プラス側の周波数成分のレーザ光のみをy偏波光としてそのまま透過させ、これをリード光生成光路へと送出し得る。
【００１７】
なお、ここで、第1偏波光としてのx偏波光、および第2偏波光としてのy偏波光とは、光の進行方向に垂直な面内で、互いに直角方向（x軸方向、y軸方向）に振動する2つの直線偏光成分をいう。9は、プローブ光・ポンプ光生成光路に設けられた可変帯域フィルタ（TBF）であり、波長選択反射器10から反射されたx偏波光のみを後段の光強度変調器（IM2）13に入射し得るように余分な光を除去し得る。
【００１８】
13は、前記半導体レーザ4に対し施された周波数変調に同期して、波長選択反射器10にて反射されたx偏波光を強度変調する強度変調手段としての光強度変調器（IM2）である。ここでの光強度変調器13は、入力信号に相当する信号発生器3からの同期信号を受けて、前記半導体レーザ4から波長選択反射器10を経由して入力されるx偏波光の強度を変調できる機能を有し、具体的には電気光学変調器（EOM）により実現される。本実施形態では、BOCDA法による光ファイバ特性測定装置に、x偏波光に対し強度調整を施す光強度変調器13を付加したことが特徴的構成の1つとなっているが、強度変調手段の別な構成については、後程説明する。
【００１９】
プローブ光・ポンプ光生成光路では、光強度変調器13によって周波数と強度を共に変調されたx偏波光をエルビウム添加光ファイバ増幅器（以下、EDFAという）15により増幅した後、例えば強度比50／50に二分する光分岐器16で分岐する。分岐された一方のx偏波光は、光遅延器17を通過し、単一側帯波変調器（SSBM：以下SSB変調器という）18によって約11[GHz]周波数が下げられ、これをx-プローブ光として、EDFA20およびアイソレータ21を介して偏波保持特性を有した被測定光ファイバ（以下、偏波保持型被測定光ファイバと呼ぶ（PMF FUT））28の一端に入射する。なお、光遅延器17は、x-プローブ光とx-ポンプ光（後述する）との間に所定の遅延時間を設定するためのもので、光ファイバ長を変えることで、遅延時間を適宜調整することができる。
【００２０】
SSB変調器18は、２つの一次側帯波の中で高域の周波数成分を抑制すると共に、x-ポンプ光から安定した周波数差Δνを維持できるように、マイクロ波と正確なDCバイアス制御を利用しており、入力光に対しマイクロ波周波数に等しい周波数差Δνを有する低周波側の側帯波を、x-プローブ光として出力するようになっている。
【００２１】
一方、前記光分岐器16で分岐された他方のx偏波光は、基準信号発生器23を有する光強度変調器24により強度変調された後、EDFA25により増幅される。そして、このEDFA25で増幅されたx偏波の強度変調光は、光分岐器26および偏光ビームスプリッタ（Polarization Beam Splitter:PBS）29を通過後、偏波保持型被測定光ファイバ28の他端からx-ポンプ光として入射し、図２Ａに示すように、偏波保持型被測定光ファイバ28内でx-プローブ光とx-ポンプ光が向かい合って伝搬するようになっている。
【００２２】
その結果得られた偏波保持型被測定光ファイバ28の他端からのx偏波光の出射光は、図１に示すように、偏光ビームスプリッタ29、光分岐器26および可変帯域フィルタ（TBF）33aを介して光検出器（PD1）34aに取り込まれ、そのパワーが測定される。光検出器34aからの検出出力は、ロックイン増幅器35aを通ることにより、x-ポンプ光の変調周波数で同期検波され、誘導ブリルアン現象に伴うプローブ光のブリルアンゲインが、例えばパーソナルコンピュータで構成されるブリルアンゲイン測定手段としてのデータ処理器37に、最終的なデータとして所定のサンプリング率で取り込まれる。
【００２３】
因みに、図１では、偏波保持型被測定光ファイバ28から反射や後方散乱を受けたx-ポンプ光の一部も出射されるため、こうしたx-ポンプ光を除去するために光検出器34aの前段に可変帯域フィルタ33aが設けられている。
【００２４】
これに加えて、波長選択反射器10を通過したy偏波光は、光遅延器30を通過し、EDFA31により増幅される。そして、このEDFA31で増幅されたy偏波光は、光分岐器32および偏光ビームスプリッタ29を通過後、偏波保持型被測定光ファイバ28の他端からy-リード光として入射する。このとき、図２Ｂに示すように、偏波保持型被測定光ファイバ28内では、x-プローブ光とx-ポンプ光とが最適な条件で向かい合って伝搬していることで音響波が形成されている。本発明では、このような音響波によって形成された屈折率の周期構造をブリルアンダイナミックグレーティングと呼び、x偏波面に入射されたx-プローブ光およびx-ポンプ光で励振された音響波がy偏波面に入射されたy-リード光を反射させ、偏波保持型被測定光ファイバ28の他端から出射するy-反射光を生成し得るようになされている。
【００２５】
偏波保持型被測定光ファイバ28の他端から出射したy-反射光は、図１に示すように、偏光ビームスプリッタ29、光分岐器32および可変帯域フィルタ（TBF）33bを介して光検出器（PD2）34bに取り込まれ、その反射スペクトル（ブリルアンダイナミックグレーティングスペクトルとも呼ぶ）が測定される。光検出器34bからの検出出力は、ロックイン増幅器35bを通ることにより、ポンプ光の変調周波数で同期検波され、ブリルアンダイナミックグレーティング現象に伴うy-反射光の反射スペクトルが、測定手段としてのデータ処理器37に、最終的なデータとして所定のサンプリング率で取り込まれる。因みに、図１では、y-反射光以外の光を除去するために光検出器34bの前段に可変帯域フィルタ33bが設けられている。
【００２６】
なお、x-ポンプ光の光路中に設けられた光強度変調器24は、前記光強度変調器13と同じく例えば電気光学変調器で構成される。また、光分岐器8,26,32は、サーキュレータ，ビームスプリッタ，ハーフミラーなどを用いてもよい。さらに他の変形例として、光源部としての光源2は、x-プローブ光およびx-ポンプ光と、y-リード光とに対してそれぞれ独立に出力光を出射するようにしてもよく、例えば別々の光源を設けた場合には、各光源の周波数変調に同期する光強度変調器5などを、それぞれの光源毎に設ければよい。
【００２７】
そして本実施形態では、光遅延器17，SSB変調器18，EDFA20,アイソレータ21が、光源2の出力光からx-プローブ光を生成するプローブ光生成手段を構成し、一方、光強度変調器24，EDFA25，光分岐器26が、光源2の出力光からx-ポンプ光を生成するポンプ光生成手段を構成し、波長選択反射器10,光遅延器30,EDFA31,光分岐器32が、光源2の出力光からy-リード光を生成するリード光生成手段を構成する。
【００２８】
また、本実施形態では、可変帯域フィルタ33a,光検出器34a，ロックイン増幅器35a，データ処理器37が、x-ポンプ光とx-プローブ光との周波数差を掃引しながら、偏波保持型被測定光ファイバ28の他端から出射されるx-プローブ光のブリルアンゲインを検出し、これとは別に、可変帯域フィルタ33b,光検出器34b，ロックイン増幅器35b，データ処理器37が、偏波保持型被測定光ファイバ28の他端から出射されるy-反射光の反射スペクトルを検出する。
【００２９】
本実施形態では、これら偏波保持型被測定光ファイバ28の他端から出射されるx-プローブ光のブリルアンゲインと、偏波保持型被測定光ファイバ28の他端から出射されるy-反射光の反射スペクトルとが、温度および歪に対しそれぞれ独立に依存していることから、温度および歪の変化分をこれら2つの測定結果から正確に計算することができる。
【００３０】
なお、このような温度と歪に対して異なる依存性を持った2つの物理量の測定結果からの計算手法については、従来技術にて提示した非特許文献1において詳細に記載されていることから、ここではその説明を省略する。
【００３１】
本発明による光ファイバ特性測定装置1も、BOCDA法の基本的な原理に従い、光源2からの光を連続発振光とし、その発振周波数を信号発生器3により正弦波状の繰り返し波形により変化させつつ、x-プローブ光の中心周波数ｆprobeとx-ポンプ光の中心周波数ｆpumpとの差が、ブリルアン周波数νBの近傍になるように、SSB変調器18がx-プローブ光の中心周波数ｆprobeを変化させている。殆どの位置では、x-ポンプ光とx-プローブ光の周波数変調が非同期であり、誘導が抑圧されるが、x-ポンプ光とx-プローブ光の周波数変調が同期する相関位置では、誘導ブリルアン散乱が発生する。そして、この相関位置を移動させることにより、誘導ブリルアン散乱による歪および温度の分布測定が可能になる。
【００３２】
また、この誘導ブリルアン散乱の発生時には、入射光の約半分の波長の音響波が偏波保持型被測定光ファイバ28内に比較的強く励振し、当該音響波によってブリルアンダイナミックグレーティングが偏波保持型被測定光ファイバ28内に形成される。x偏波光によって形成されたブリルアンダイナミックグレーティング（音響波が形成する屈折率の周期構造）は、x偏波光と直交するy偏波光にとっても回折格子として作用する。すなわち偏波保持型被測定光ファイバ28では、x-ポンプ光とx-プローブ光の周波数差をブリルアン周波数シフトに保ったまま、これらx偏波光に直交するy偏波光たるy-リード光が入射されると、特定の周波数にピークをもった反射スペクトル（ブリルアンダイナミックグレーティングスペクトル）のy-反射光を観測できる。
【００３３】
ここで、本発明では、x-ポンプ光およびx-プローブ光の生成に関わるx偏波光に対し、光強度変調器13によって光源2の周波数変調に同期した強度変調を施すことで、x偏波光のスペクトルを変化させ、これにより実効的なブリルアンダイナミックグレーティングの長さを縮め、y-反射光のスペクトル取得の空間分解能を向上させている点に特徴を有している。
【００３４】
因みに、誘導ブリルアン散乱による相関位置は、x-プローブ光およびy-ポンプ光への変調が周期的であることから、アイソレータ21と偏光ビームスプリッタ29とで挟まれた偏波保持型被測定光ファイバ28に沿って周期的に現れる。そのため、偏波保持型被測定光ファイバ28内に相関ピークが位置的に１つだけ存在するように、光遅延器17の遅延量や半導体レーザ4に印加する周波数変調周波数ｆｍを調整する。さらに、x偏波光での空間分解能Δｚを高く維持したまま、その測定範囲を広げるために、x-プローブ光とx-ポンプ光の各スペクトルが重なリ合わない範囲内で、半導体レーザ4に対する周波数変調の振幅Δｆを増やす必要がある。
【００３５】
次に、上記図１に示す装置の動作を説明すると、信号発生器3からの注入電流により半導体レーザ4から周波数変調されたレーザ光が出射すると、波長選択反射器10にてx-ポンプ光およびx-プローブ光となるx偏波光が反射され、信号発生器3から光強度変調器13に出力される同期信号により、光強度変調器13にて当該x偏波光がその周波数変調に同期して強度変調される。
【００３６】
この周波数と強度を共に変調されたx偏波光は、光分岐器16で所定の強度比に分岐され、一方の光はSSB変調器18に入力される。SSB変調器18は、変調したx偏波光をSSB変調して、この変調光の中心周波数に対してブリルアン周波数νBに近い周波数差Δν（約11GHz）の側帯波を発生させ、この側帯波がEDFA20,アイソレータ21を通って、偏波保持型被測定光ファイバ28の一端にx-プローブ光として入射される。
【００３７】
一方、光分岐器16から分岐した他方の変調x偏波光は、光強度変調器24に入力され、ここで基準信号発生器23から発生する基準信号の周波数に基づき強度変調される。この強度変調によりチョッピングされた変調x偏波は、続くEDFA25によって増幅され、光分岐器26および偏光ビームスプリッタ29を経て、偏波保持型被測定光ファイバ28の他端にx-ポンプ光として入射される。
【００３８】
こうして、偏波保持型被測定光ファイバ28中にx-プローブ光とx-ポンプ光が互いに逆向きに伝搬すると、反射や後方散乱を受けたx-ポンプ光の一部が、偏波保持型被測定光ファイバ28から出射されると共に、誘導ブリルアン散乱によるx-プローブ光の増加分が、連続したx-プローブ光に重畳して偏波保持型被測定光ファイバ28から出射される。これらの出射光を光検出器34aにより検出し、ロックイン増幅器35aによりx-ポンプ光の強度変調周波数で同期検波すると、x-ポンプ光のチョッピングに同期して発生するx-プローブ光の増加分だけが取り出されて増幅出力され、それ以外の周波数成分は除去される。
【００３９】
データ処理器37は、ロックイン増幅器35aからの出力信号を受けて、相関ピーク位置における誘導ブリルアン散乱スペクトルのピークがどの周波数にあるのかを判断する。
【００４０】
これに加えて、このとき波長選択反射器10を通過したy偏波光は、光遅延器30,EDFA31,光分岐器32,偏光ビームスプリッタ29を経て、偏波保持型被測定光ファイバ28の他端にy-リード光として入射される。こうして、誘導ブリルアン散乱が発生している偏波保持型被測定光ファイバ28中にy-リード光が入射されると、誘導ブリルアン散乱によって形成されたブリルアンダイナミックグレーティングによってy-リード光が反射されてy-反射光として偏波保持型被測定光ファイバ28の他端から出射される。この出射光を光検出器34bにより検出し、ロックイン増幅器35bによりx-ポンプ光の強度変調周波数で同期検波すると、x-ポンプ光のチョッピングに同期して発生するy-反射光の増加分だけが取り出されて増幅出力され、それ以外の周波数成分は除去される。
【００４１】
データ処理器37は、ロックイン増幅器35bからの出力信号を受けて、ブリルアンダイナミックグレーティングスペクトルのピークがどの周波数にあるのかを判断し、当該ブリルアンダイナミックグレーティングスペクトルのピーク周波数と光源2の本来の周波数との差（ピークのシフト量）fxyを求める。最終的にデータ処理器37は、誘導ブリルアン散乱スペクトルのピークのシフト量と、ブリルアンダイナミックグレーティングスペクトルのピークのシフト量fxyとを基に、偏波保持型被測定光ファイバ28における温度および歪の分布測定結果を得る（非特許文献1参照）。
【００４２】
ここで、ある位置にてブリルアン散乱の起きる強さを表すのが、x-ポンプ光とx-プローブ光のビートパワースペクトルある。BOCDA法では、x-ポンプ光とx-プローブ光に適切な周波数変調を与え、ビートパワースペクトルが特定の位置に相関ピークを示すようにし、その位置に誘導ブリルアン現象を局所的に発生させる。また、変調のパラメータを変化させることにより、相関ピークの位置をずらし、分布測定を行っている。
【００４３】
BOCDA法を使ってブリルアンゲインスペクトル（BGS）を取得するときの空間分解能は、理論的にも実験的にも確認されており、1.6mmの高い分解能も実現されている。しかしながら、y-リード光でブリルアンダイナミックグレーティング（BDG）スペクトルを取得する際の空間分解能がブリルアンゲインスペクトルの空間分解能の理論と一致せず、それよりも空間分解能が低いことが実験的に分かっていた。その理由を探るべくシミュレーションを行った結果、ブリルアンゲインスペクトルを取得するときの空間分解能よりも広い領域に、ブリルアンダイナミックグレーティングが広がっていることが理論的に分かった。
【００４４】
この点について、図３Ａと図４Ａを用いて説明する。図３Ａは、光源2から得られる変調光の光周波数の時間変化であり、正弦波状に周波数変調されたものである。この場合、正弦波状にその周波数が振られるため、周波数の山部および谷部である最大変位部分に比較的長い時間留まることから、その部分に対応する周波数の時間平均パワースペクトル強度が大きくなる。図４Ａの左側は、このような図３Ａに示す波形を時間平均スペクトルで表した模式図であり、上述したように周波数の山部および谷部に対応した周波数の時間平均パワースペクトル強度が大きくなっており、頂上部両端にある肩部分が大きく立ち上がっている。
【００４５】
このような時間平均パワースペクトルをもつx偏波光を基に形成されるx-ポンプ光およびx-プローブ光によるビートパワースペクトルは、図４Ａの右側に示すように、光ファイバの長さ方向において、メインピークP1の両サイドに比較的高いサイドローブS1が形成されている。このようなビートパワースペクトルによって形成されるブリルアンダイナミックグレーティング（BDG）は、ブリルアンゲインスペクトル（BGS）を取得するときの空間分解能よりも広い領域に広がっており（図４Ａ中、「Long BDG」と表記）、その結果、ブリルアンダイナミックグレーティングを基に得られるy-反射光のブリルアンダイナミックグレーティングスペクトル取得の空間分解能が低いものとなってしまう。
【００４６】
そこで、本発明では、図４Ｂの左側に示すように、x偏波光に対し光強度変調器13により強度変調を施すことで、時間平均パワースペクトル強度が高かった肩部分をなだらかな凸状の強度特性となるように調整し、頂上両端にあった時間平均パワースペクトル強度を抑制するようにした。これにより、本発明では、図４Ｂの右側に示すように、ビートパワースペクトルを示すコヒーレンス関数のサイドローブS1（図４Ａ）を抑制することができ、その結果、相関ピーク以外で生じるブリルアンダイナミックグレーティングを抑制して実効的なブリルアンダイナミックグレーティングの長さを縮めることができ（図４Ｂ中、「Shot BDG」と表記）、ブリルアンダイナミックグレーティングを基に得られるy-反射光のブリルアンダイナミックグレーティングスペクトル取得の空間分解能を改善することができた。
【００４７】
因みに、図４Ａでは、正弦波形による光源2の直接周波数変調によって時間平均パワースペクトル強度が頂上両端の肩部分に集中してしまっていることが分かり易いように模式的に記載したが、この光ファイバ特性測定装置1では、図１のエリアER1に示すような波形となっている。この場合、時間平均スペクトルは、エリアER1を拡大した図５Ａに示すように、頂上部両端の肩部分がともに大きく立ち上がってはいないが、角部分を有するように膨らんだ形状となっている。
【００４８】
光強度変調器13は、このような時間平均スペクトルをもつx偏波光に対し、単に周波数変調を施すだけでなく、この周波数変調に同期して強度変調をも施すことで、図１のエリアER2を拡大した図５Ｂに示すように、頂上両端における肩部分の時間平均パワースペクトル強度を抑制してなだらかにしている。このような強度変調をx偏波光に施すことで、偏波保持型被測定光ファイバ28内に形成されるブリルアンダイナミックグレーティングの実効長を短くでき、ブリルアンダイナミックグレーティングを基に得られるy-反射光のスペクトル取得の空間分解能を向上し得る。
【００４９】
ここで、図３Ｂは、光強度変調器13における光透過率を示す波形である。光強度変調器13は、図３Ａに示す変調光に対し、その周波数の山部および谷部である最大変位部分に、図３Ｂに示す光透過率の最小透過率を合わせた強度変調を施し、図５Ｂに示すような時間平均スペクトルを生成し得る。その結果、光ファイバ特性測定装置1では、ビートパワースペクトルのサイドローブS1（図３Ｂ）を抑制することができ、その結果、実効的なブリルアンダイナミックグレーティングの長さを縮めることができ、ブリルアンダイナミックグレーティングを基に得られるy-反射光のブリルアンダイナミックグレーティングスペクトル取得の空間分解能を向上し得る。
【００５０】
以上のように、本発明では、x偏波光に与えられる周波数変調に同期して、光強度変調器13により当該x偏波光に対し強度変調をも施すことで、x偏波光の強度を特定の周波数で弱くしたり、または強くしたりすることも可能になり、これによりx偏波光によって形成されるブリルアンダイナミックグレーティングの実効長を調整できる。この結果、ブリルアンダイナミックグレーティングにより反射されて得られるy偏波光の反射スペクトルの形状も最適に調節し得、かくしてy偏波光における空間分解能を向上させることができる。
【００５１】
また、図３Ａに示すような出力光の周波数において、当該周波数が変動中心に近づくにしたがって、その強度を最大値に近づけると共に、当該出力光の周波数が上限と下限に近づくにしたがって、その強度を最小値に近づけるようにしたことで、光源2からの出力光の周波数が変動するのに伴い、その周波数の上端および下端付近で出力光の強度が集中して偏ることを改善でき、ビートパワースペクトルのサイドロープを抑制し、ブリルアンダイナミックグレーティングの実効長を短くできる。
【００５２】
次に、上述した構成を有した光ファイバ特性測定装置1を用いて、光強度変調器13によって、光源2の周波数変調に同期してx偏波光に強度変調を施すことでどのような影響を与えるか調べた。この実験例では、偏波保持型被測定光ファイバ28の一部を冷却した水中に入れ、その中央に相関ピークを設定し、水に入っているファイバの長さ（以下、浸漬ファイバ長と呼ぶ）を10[cm],40[cm],70[cm],100[cm]として、それぞれ得られるブリルアンダイナミックグレーティングスペクトルを調べた。
【００５３】
この際、光強度変調器13によって、光源2の周波数変調に同期してx偏波光に強度変調を施す前のブリルアンダイナミックグレーティングスペクトルを調べた結果、図６Ａのような結果が得られた。また、光強度変調器13によって、光源2の周波数変調に同期してx偏波光に強度変調を施した後のブリルアンダイナミックグレーティングスペクトルを調べた結果、図６Ｂに示すような結果が得られた。
【００５４】
図６Ａに示すように、光源2の周波数変調に同期してx偏波光に強度変調を施す前は、浸漬ファイバ長が10[cm]と短いと、ほぼ室温（「Room temperature」と表記）に対応したピークしか観測できず、空間分解能が不十分であることが確認できた。また、この光源2の周波数変調に同期してx偏波光に強度変調を施す前は、浸漬ファイバ長を徐々に長くしてゆき100[cm]としても、冷却水温度（「5℃ water」と表記）および室温の両方に対応したピークが観測され、空間分解能が不十分であることが確認できた。
【００５５】
一方、光強度変調器13によって、光源2の周波数変調に同期してx偏波光に強度変調を施した後では、図６Ｂに示すように、浸漬ファイバ長が10[cm]のとき、冷却水温度および室温の両方に対応したピークが観測され、空間分解能が不十分であったが、浸漬ファイバ長を長くすると冷却水に対応したピークが観測され、空間分解能が十分あることが確認できた。
【００５６】
次に、冷却水温度および室温に対応した観測ピークと、浸漬ファイバ長との関係を纏めたところ、図７Ａおよび図７Ｂに示すような結果が得られた。ここで、冷却水温度および室温に対応した観測ピークが同じ強度になった浸漬ファイバ長を空間分解能と見積もった。その結果、光源2の周波数変調に同期してx偏波光に強度変調を施す前は、図７Ａに示すように、空間分解能が75[cm]となった。これに対して、光源2の周波数変調に同期してx偏波光に強度変調を施した後は、図７Ｂに示すように、空間分解能が17[cm]まで改善されることが確認できた。
【００５７】
図８は本発明の第2実施形態の光ファイバ特性測定装置41を示しているが、ここでは前記光強度変調器13に代わって、適切な透過スペクトル特性を有する光学フィルタ42を、光源2からの出力光のプローブ光・ポンプ光生成光路中に配置している。この場合も、光源2からの出力光の周波数変調に同期して、強度変調手段としての光学フィルタ42が実質的に強度変調を施こすことになり、出力光のスペクトル分布を適切に調整できる。また、光学フィルタ42を用いた場合は、光学フィルタ42自体のフィルタリング特性により、出力光に対してその周波数に応じた強度の調整が可能になるため、信号発生器3からの同期信号を必要とせず、相関ピーク以外で生じるブリルアンダイナミックグレーティンングを極めて容易に抑制し、ブリルアンダイナミックグレーティングスペクトルを取得する際における空間分解能を向上し得る。
【００５８】
さらに、別の強度変調手段の構成として、図９に示すように、第1実施形態における外部変調方式の光強度変調器13に代わり、正弦波以外の繰り返し波形で光源46からの出力光を周波数変調する直接変調方式の信号発生器47を利用した光ファイバ特性測定装置45を適用してもよい。この第３実施形態として示した光ファイバ特性測定装置45における信号発生器47は、例えば三角波状の繰り返し波形により半導体レーザ4からの出力光を周波数変調する機能を有する。
【００５９】
ここで、図１０Ａ〜図１０Ｄは、正弦波状の繰り返し波形で出力光を周波数変調した場合と、正弦波以外の繰り返し波形で出力光を周波数変調した場合の、周波数変調波形と、そこから計算される時間平均スペクトル形状をそれぞれ示している。図１０Ａでは、正弦波状に光源2の出力光の周波数を変化させた周波数変調波形が示されているが、この場合は変動する周波数の最大変位部分に比較的長く留まるので、図１０Ｂに示すように、周波数の上限および下限付近の両端で、スペクトラム強度（パワー）が大きく偏ってしまう。
【００６０】
一方、図１０Ｃに示す三角波形状で光源46の出力光の周波数を変化させた場合には、どの周波数にも同じ時間だけ留まるので、図１０Ｄに示すように、スペクトラム強度が均一になる。第３実施形態では、前述の強度変調手段を、正弦波以外の繰り返し波形で光源46からの出力光を周波数変調する信号発生器47により構成している。また、ここでは、出力光に施される強度変調が、正弦波以外の繰り返し波形で光源46からの出力光を周波数変調する信号発生器47で行なわれている。このように、信号発生器47を利用して出力光の周波数変調波形を正弦波状以外のものに変えるだけで、出力光に対し強度変調を施したものと同様に、相関ピーク以外で生じるブリルアンダイナミックグレーティングを極めて容易に抑制し、ブリルアンダイナミックグレーティングスペクトルを取得する際における空間分解能を向上し得る。
【００６１】
なお、上述した実施の形態においては、ブリルアンゲインスペクトルとy-反射光の反射スペクトルを測定し、温度と歪の分布測定を行う光ファイバ特性測定装置について適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、偏波保持型被測定光ファイバ28の複屈折率を測定する光ファイバ特性測定装置に適用してもよい。この場合、光ファイバ特性測定装置では、偏波保持型被測定光ファイバ28内にx偏波光にて誘導ブリルアン散乱を発生させるものの、これにより得られるブリルアンゲインスペクトルを測定することなく、ブリルアンダイナミックグレーティングスペクトルだけを測定し、その結果から偏波保持型被測定光ファイバ28の複屈折率を測定できる。このような光ファイバ特性測定装置でも、偏波保持型被測定光ファイバ28の複屈折率を測定する際における空間分解能を向上し得る。
【００６２】
なお、上述した実施の形態において偏波保持型被測定光ファイバなど偏波保持特性を有した光ファイバとしては、種々の構成のものを適用してもよく、例えばx偏波面とy偏波面とで物理的応力が異なる物質を設けた一般的な偏波保持光ファイバの他、複屈折率の小さい鉛硝子光ファイバ等でもよく、その他、通常の光ファイバであっても、第1偏波光と第2偏波光とが交わらない条件下で使用することで、偏波保持特性をもたせた光ファイバを適用するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６３】
1,41,45  光ファイバ特性測定装置
2,46  光源
13  光強度変調器（強度変調手段）
28  偏波保持型被測定光ファイバ（被測定光ファイバ）
37  データ処理器（測定手段、ブリルアンゲイン測定手段）
42  光学フィルタ（強度変調手段）
47  信号発生器（強度変調手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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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