(57)【要約】【課題】本開示は、ブリルアン散乱を利用した光線路の特性の解析において、線形周波数掃引光を生成する際に光パワーが変化する光源を用いた場合であっても、測定可能な光線路の特性の変化範囲が狭くならないようにすることを目的とする。【解決手段】本開示は、プローブ光パルスのみ、またはプローブ光パルス及びポンプ光パルスの両方の周波数を周波数掃引する周波数制御部１１と、被測定光ファイバ３１に入射されたプローブ光パルス及びポンプ光パルスによって得られるブリルアン利得強度を用いて、被測定光ファイバ３１の特性を解析する演算処理部２３と、周波数掃引されたプローブ光パルスの最大と最小の光強度差がプローブ光パルス及びポンプ光パルスによって得られるブリルアン利得強度よりも小さくなるように調整する強度調整部１９と、を備える光線路特性解析装置である。【選択図】図１
2018132510.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長の異なる第１試験光パルス及び第２試験光パルスを生成する試験光パルス生成部と、
前記試験光パルス生成部が生成する第１試験光パルスのみ、または前記試験光パルス生成部が生成する第１試験光パルス及び第２試験光パルスの両方の周波数を時間的に変化させる周波数制御部と、
被測定光線路に入射された前記第１試験光パルス及び前記第２試験光パルスによって得られる前記被測定光線路におけるブリルアン利得強度を前記被測定光線路の状態が異なる第１の状態及び第２の状態で取得し、前記第１の状態及び前記第２の状態における前記ブリルアン利得強度を用いて、前記被測定光線路の特性を解析する演算処理部と、
前記被測定光線路に入射される前記第１試験光パルスの最大と最小の光強度差が前記第１の状態及び前記第２の状態の両方における前記ブリルアン利得強度よりも小さくなるように、前記第１試験光パルスの光強度を調整する強度調整部と、
を備える光線路特性解析装置。
【請求項２】
前記強度調整部は、前記第１試験光パルスの光強度を一定にする、光増幅器又は光強度変調器である、
請求項１に記載の光線路特性解析装置。
【請求項３】
前記光増幅器は、飽和利得媒体であり、飽和時の利得を用いて、前記第１試験光パルスの光強度を一定にする、
請求項２に記載の光線路特性解析装置。
【請求項４】
前記周波数制御部における周波数の変化が時間に対して線形である、
請求項１から３のいずれかに記載の光線路特性解析装置。
【請求項５】
前記周波数制御部は、前記試験光パルス生成部が生成する第１試験光パルスのみ、または前記試験光パルス生成部が生成する第１試験光パルス及び前記第２試験光パルスの周波数を変化させ、
前記第１試験光パルスと前記第２試験光パルスとで、前記周波数制御部における周波数の掃引速度が異なる、
請求項４に記載の光線路特性解析装置。
【請求項６】
前記第１試験光パルス及び前記第２試験光パルスのうちの前記周波数制御部によって周波数を変化させる試験光パルスを生成する試験光パルス生成部は半導体レーザであり、
前記周波数制御部は、前記半導体レーザの注入電流を変化させることで、試験光パルスの周波数を時間的に変化させる、
請求項１から５のいずれかに記載の光線路特性解析装置。
【請求項７】
波長の異なる第１試験光パルス及び第２試験光パルスを生成し、前記生成された第１試験光パルスのみ、または前記生成された第１試験光パルス及び第２試験光パルスの両方の周波数を時間的に変化させながら、前記第１試験光パルス及び前記第２試験光パルスを被測定光線路に入射させる試験光パルス入射手順と、
前記被測定光線路に入射された前記第１試験光パルス及び前記第２試験光パルスによって得られる前記被測定光線路におけるブリルアン利得強度を前記被測定光線路の状態が異なる第１の状態及び第２の状態で取得し、前記第１の状態及び前記第２の状態における前記ブリルアン利得強度を用いて、前記被測定光線路の特性を解析する演算処理手順と、
を光線路特性解析装置が実行する光線路特性解析方法であって、
前記試験光パルス入射手順において、前記被測定光線路に入射される前記第１試験光パルスの最大と最小の光強度差が前記第１の状態及び前記第２の状態の両方における前記ブリルアン利得強度よりも小さくなるように、前記第１試験光パルスの光強度を調整する、
光線路特性解析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光線路の特性を解析するための光線路特性解析装置及び光線路特性解析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光センシングは、光線路の特性を解析することで、構造物の周辺の歪みや振動、温度変化をモニタリングする技術である。非特許文献１に記載のＢＯＴＤＡ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）や、非特許文献２に記載のＢＯＣＤＡ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ  −  Ｄｏｍａｉｎ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）などが知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Ｘｉａｏｙｉ  Ｂａｏ，  Ｌｉａｎｇ  Ｃｈｅｎ，  “Ｈｉｇｈ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ＢＯＴＤＡ  ｆｏｒ  ｌｏｎｇ  ｒａｎｇｅ  ｓｅｎｓｉｎｇ，”  Ｐｒｏｃ．  ｏｆ  ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．  ７９８２，７９８２０６，（２０１１）．
【非特許文献２】Ｋ．  Ｈｏｔａｔｅ  ａｎｄ  Ｔ．  Ｈａｓｅｇａｗａ，  ＩＥＩＣＥ  Ｔｒａｎｓ．  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．  Ｅ８３−Ｃ，  ４０５，  （２０００）．
【非特許文献３】Ｈ．  Ｏｈｎｏ，  Ｈ．  Ｎａｒｕｓｅ，  Ｍ．  Ｋｉｈａｒａ，  ａｎｄ  Ａ．  Ｓｈｉｍａｄａ，  “Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ＢＯＴＤＲ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｓｔｒａｉｎ  Ｓｅｎｓｏｒ，”  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｆｉｂｅｒ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ７，  ４５−６４，（２００１）．
【非特許文献４】Ｃ．  Ｋｉｔｏ，  Ｈ．  Ｔａｋａｈａｓｈｉ，  Ｋ．  Ｔｏｇｅ，  Ｔ．  Ｍａｎａｂｅ，  “Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ  Ｄｙｎａｍｉｃ  Ｓｔｒａｉｎ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ−ｓｗｅｐｔ  Ｐｕｌｓｅｄ  ＢＯＴＤＡ，”  ＥＣＯＣ２０１６，  Ｔｈ．２．Ｐ２．ＳＣ１．３，  （２０１６）．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
非特許文献１および非特許文献２に記載のブリルアン散乱を用いて光センシングを実施する場合、センシング光ファイバのブリルアン周波数シフト（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｓｈｉｆｔ：  ＢＦＳ）の変化量を検出するためには、ポンプ光とプローブ光の相対周波数差を順次変更しながらブリルアン利得スペクトルを算出するために複数回測定する必要があり、その分だけ測定時間が長くなる。
【０００５】
また、振動測定においては、上記理由により測定可能な振動周波数帯域が低周波に限定される。非特許文献３に開示されるＢＯＴＤＲ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）は、入射したポンプ光が発生する自然ブリルアン散乱のスペクトルを使用することで、ポンプ光とプローブ光の相対周波数差を変更することなくＢＦＳを検出可能だが、電気段またはソフトウェア上での周波数解析に時間を要するだけでなく、ＢＯＴＤＲはＢＯＴＤＡやＢＯＣＤＡに対して測定感度が原理的に著しく劣化するため、平均化に時間を要し、やはり振動測定においては、上記理由により測定可能な振動周波数帯域が低周波帯に限定される。
【０００６】
以上の課題に対し、平均化を必要とせず、一回の試験光送出によってＢＦＳを測定可能な手段が非特許文献４に開示されている。非特許文献４によれば、プローブ光パルスのみ、またはポンプ光パルスとプローブ光パルスの両方の試験光周波数を線形掃引することにより、ポンプ光とプローブ光の衝突時に上に凸のブリルアン利得をプローブ光上に得ることができる。
【０００７】
ＢＦＳが変化した場合には、上に凸のブリルアン利得のピーク受光時間が変化する。ピーク受光時間の変化量はプローブ光パルスの掃引速度、またはポンプ光とプローブ光の相対掃引速度を利用してＢＦＳ変化量に換算することができる。この時、周波数の掃引速度はペタヘルツ毎秒程度の極めて高速な掃引速度が必要なため、その実現手段として、試験光を発生するＤＦＢレーザの注入電流を線形変調することで周波数を線形に変化させた線形周波数掃引光を生成している。
【０００８】
しかしながら、一般にＤＦＢレーザは注入電流に対して光パワーが線形に変化する出力特性がある。そのため、上記手段により周波数を線形掃引されたプローブ光は時間的に強度勾配を持つ。このベースラインの強度勾配より、上に凸のブリルアン利得の受光ピーク時間が変化した場合に、ピークであることを認識するできる変化の範囲が狭くなるという課題があった。特に、長距離測定を試みる場合、上に凸のブリルアン利得はプローブ光パルスのベースライン上に僅か程度観測されるため、ベースラインの強度勾配によってＢＦＳがわずかに変化しただけでも観測することができなくなる。
【０００９】
本開示は上記事情によりなされたもので、その目的は、ブリルアン散乱を利用した光線路の特性の解析において、線形周波数掃引光を生成する際に光パワーが変化する光源を用いた場合であっても、測定可能な光線路の特性の変化範囲が狭くならないような光線路特性解析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本開示の光線路特性解析装置は、
波長の異なる第１試験光パルス及び第２試験光パルスを生成する試験光パルス生成部と、
前記試験光パルス生成部が生成する第１試験光パルスのみ、または前記試験光パルス生成部が生成する第１試験光パルス及び第２試験光パルスの両方の周波数を時間的に変化させる周波数制御部と、
被測定光線路に入射された前記第１試験光パルス及び前記第２試験光パルスによって得られる前記被測定光線路におけるブリルアン利得強度を前記被測定光線路の状態が異なる第１の状態及び第２の状態で取得し、前記第１の状態及び前記第２の状態における前記ブリルアン利得強度を用いて、前記被測定光線路の特性を解析する演算処理部と、
前記被測定光線路に入射される前記第１試験光パルスの最大と最小の光強度差が前記第１の状態及び前記第２の状態の両方における前記ブリルアン利得強度よりも小さくなるように、前記第１試験光パルスの光強度を調整する強度調整部と、
を備える。
【００１１】
前記強度調整部は、前記第１試験光パルスの光強度を一定にする、光増幅器又は光強度変調器としてもよい。ここで、前記光増幅器は、飽和利得媒体であり、飽和時の利得を用いて、前記第１試験光パルスの光強度を一定にしてもよい。
【００１２】
本開示の光線路特性解析装置では、前記周波数制御部における周波数の時間的な変化が時間に対して線形であってもよい。ここで、前記周波数制御部は、前記試験光パルス生成部が生成する第１試験光パルスのみ、または前記試験光パルス生成部が生成する第１試験光パルス及び第２試験光パルスの周波数を変化させ、前記第１試験光パルスと前記第２試験光パルスとで、前記周波数制御部における周波数の掃引速度が異なっていなければならない。
【００１３】
本開示の光線路特性解析装置では、前記第１試験光パルス及び前記第２試験光パルスのうちの周波数を変化させる試験光パルスを生成する試験光パルス生成部は半導体レーザであり、前記周波数制御部は、前記半導体レーザの注入電流を変化させることで、試験光パルスの周波数を時間的に変化させてもよい。
【００１４】
本開示の光線路特性解析方法は、
波長の異なる第１試験光パルス及び第２試験光パルスを生成し、前記生成された第１試験光パルスのみ、または前記生成された第１試験光パルス及び第２試験光パルスの両方の周波数を時間的に変化させながら、前記第１試験光パルス及び前記第２試験光パルスを被測定光線路に入射させる試験光パルス入射手順と、
前記被測定光線路に入射された前記第１試験光パルス及び前記第２試験光パルスによって得られる前記被測定光線路におけるブリルアン利得強度を前記被測定光線路の状態が異なる第１の状態及び第２の状態で取得し、前記第１の状態及び前記第２の状態における前記ブリルアン利得強度を用いて、前記被測定光線路の特性を解析する演算処理手順と、
を光線路特性解析装置が実行する光線路特性解析方法であって、
前記試験光パルス入射手順において、前記被測定光線路に入射される前記第１試験光パルスの最大と最小の光強度差が前記第１の状態及び前記第２の状態の両方における前記ブリルアン利得強度よりも小さくなるように、前記第１試験光パルスの光強度を調整する。
【００１５】
なお、上記各開示は、可能な限り組み合わせることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本開示によれば、線形周波数掃引光を生成する際に光パワーが変化する光源を用いた場合であっても、測定可能な光線路の特性の変化範囲が狭くならないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本開示に係る光線路特性解析装置の構成例である。
【図２】第１試験光出力部の構成例及び半導体レーザへの注入電流と出力光強度の関係の一例である。
【図３】受信光強度の時間変化の一例である。
【図４】本実施形態に係る線形掃引プローブ光による特性測定の概念図の第１例である。
【図５】本実施形態に係る線形掃引プローブ光による特性測定の概念図の第２例である。
【図６】ブリルアン利得ピークの受光時間を認識できる場合のＢＦＳ変化の１例である。
【図７】ブリルアン利得ピークの受光時間を認識できなくなる場合のＢＦＳ変化の１例である。
【図８】本実施形態に係る光線路特性解析方法の手順の第１のフローチャートである。
【図９】本実施形態に係る光線路特性解析方法の手順の第２のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００１９】
以下、図面を参照して本実施形態を説明する。
図１は、本開示の一実施形態に係る光線路特性解析装置の構成を示すブロック図である。図１に示される光線路特性解析装置は、第１試験光出力部１２及び第２試験光出力部１５、周波数制御部１１、入射時間制御部１３、１６、パルス化部１４、１７、強度調整部１９、サーキュレータ１８、光受信部２１、Ａ／Ｄ変換器２２及び演算処理部２３を具備する。
【００２０】
第１試験光出力部１２、パルス化部１４、第２試験光出力部１５及びパルス化部１７は、試験光パルス生成部として機能する。第１試験光出力部１２が連続光の第１試験光を生成し、第２試験光出力部１５が連続光の第２試験光を生成する。第１試験光出力部１２及び第２試験光出力部１５は、例えば、ＤＦＢレーザなどの半導体レーザである。パルス化部１４が第１試験光をパルス化し、パルス化部１７が第２試験光をパルス化する。これにより、第１試験光パルス及び第２試験光パルスが生成される。第１試験光パルス及び第２試験光パルスが被測定光線路である被測定光ファイバ３１に入射される。
【００２１】
第１試験光出力部１２および第２試験光出力部１５は、例えば、図２に示す構成により実現される。第１試験光出力部１２および第２試験光出力部１５は連続光を出力する。第１試験光出力部１２から出力される第１試験光を以下ではプローブ光、第２試験光出力部１５から出力される第２試験光を以下ではポンプ光とする。プローブ光とポンプ光は、ＢＦＳ程度異なる光周波数を出力する。
【００２２】
本実施形態では、第１試験光出力部１２は、周波数を時間的に線形に変化させた線形周波数掃引光を生成する。プローブ光は、周波数制御部１１により、時間に対して光周波数を線形に変調し、変調幅は測定すべき物理量変化に対応するＢＦＳ変化量より広い帯域幅に設定される。ただし、ポンプ光の周波数は線形変調されていても、線形変調されていなくても本開示は実施可能である。
【００２３】
また、ポンプ光とプローブ光の両方の周波数を異なる変調速度で変調しても実施可能である。なお、以下の本実施形態ではプローブ光周波数のみを線形変調した場合について説明している。図２に示されるように、第１試験光出力部１２は、半導体レーザに注入する電流に変調を加えることで出力光の光周波数を変調する方法が簡易かつ安価な手段として考えられる。第２試験光出力部１５も、第１試験光出力部１２と同様の構成としてもよい。ただし、第２試験光の周波数掃引速度は第１試験光と一致してはならない。
【００２４】
図２に、半導体レーザの出力光周波数と出力光強度の関係の一例を示す。半導体レーザの出力光周波数は、注入電流の増加に従い高周波にシフトすることが一般的である。この時、半導体レーザの出力パワー特性は、注入電流の増加に比例して出力光強度が増加することが一般的である。よって、周波数が線形変調された半導体レーザから出力される光強度は時間的に線形増幅されることになる。
【００２５】
パルス化部１４はプローブ光をパルス化し、パルス化部１７はポンプ光をパルス化する。パルス化する手段は任意である。例えば、パルス化部１４、１７は、音響光学素子をパルス駆動する音響光学スイッチを備える。なお、パルス化部１４、１７は、電気光学素子ＬｉＮｂＯ３を用いてパルス駆動する導波路スイッチを備えるようにしてもよい。パルス化部１４、１７は、入射時間制御部１３、１６からの電気パルスにより駆動される時間で、プローブ光、ポンプ光をパルス化する。また、パルス化部１４、１７は、図２の半導体レーザを用いる場合、半導体レーザに注入する電流をパルス化することで代用しても構わない。
【００２６】
パルス化後のプローブ光パルスは半導体レーザへの注入電流変調により、出力光強度に勾配を持つ。強度調整部１９は、プローブ光パルスの光強度の最大と最小の差（出力勾配）が小さくなるように調整する。プローブ光を強度調整部１９に入力することで、強度調整部１９を通過後のプローブ光の光強度は時間的に一定値となるか、出力強度の勾配を小さくすることができる。なお、強度調整部１９としては、光増幅器や光強度変調器などが使用可能である。光増幅器は、希土類添加光ファイバや希土類添加光増幅器、半導体光増幅器、などの飽和利得媒体であることが好ましい。これにより、飽和時の一定光強度にすることができる。
【００２７】
なお、図１の形態例では、パルス化部１４と被測定光ファイバ３１の間に強度調整部１９を挿入する例を示したが、第１試験光出力部１２とパルス化部１４の間に強度調整部１９を挿入してもよい。
【００２８】
また、図１の形態例では、ポンプ光が出力勾配を持たないため、ポンプ光に強度調整部を挿入していない。しかし、本開示はポンプ光の周波数を掃引することでポンプ光が出力勾配を持つ場合にも実施可能であり、その場合はポンプ光に強度調整部を挿入してもよい。
【００２９】
入射時間制御部１３、１６は、パルス化部１４、１７において、駆動用の電気パルスの変調時間を変化させることができる機能を有する。入射時間制御部１３、１６は、パルス化部１４、１７がパルスを変調するタイミングを変化させることで、プローブ光パルス及びポンプ光パルスが生成されるタイミングを制御する。より具体的には、入射時間制御部１３、１６は、被測定光ファイバ３１内の所望の位置でプローブ光パルスとポンプ光パルスとが衝突するよう、プローブ光パルス及びポンプ光パルスが被測定光ファイバ３１に入射する入射時間差ｔを調整する。
【００３０】
プローブ光パルスは、被測定光ファイバ３１の一端に入射される。ポンプ光パルスは、サーキュレータ１８を通過して、被測定光ファイバ３１の他端に入射される。入射時間制御部１３、１６を用いてプローブ光パルスとポンプ光パルスの被測定光ファイバ３１への入射時間を変更することにより、プローブ光パルスとポンプ光パルスとが被測定光ファイバ３１内で衝突する位置、すなわち被測定光ファイバ３１における測定する位置を変更することが可能となる。
【００３１】
プローブ光パルスとポンプ光パルスとは、被測定光ファイバ３１中でインタラクションする。プローブ光パルスとポンプ光パルスとのインタラクションにより、プローブ光パルスはブリルアン増幅を受ける。ブリルアン増幅を受けたプローブ光パルスは、サーキュレータ１８を通過して光受信部２１へ導出される。
【００３２】
光受信部２１は、被測定光ファイバ３１中でブリルアン増幅を受けたプローブ光パルスをサーキュレータ１８の導出光として受信する。光受信部２１は、受信した導出光を電流信号へ変換する。
【００３３】
Ａ／Ｄ変換器２２は、光受信部２１から出力される電流信号をデジタル信号に変換する。Ａ／Ｄ変換器２２は、変換したデジタル信号を演算処理部２３へ出力する。ブリルアン増幅の時間変化を測定できる手段であれば、光受信部２１の後段ではアナログ信号のまま演算処理部２３へ出力することも可能である。
【００３４】
演算処理部２３は、導出光から得られるブリルアン利得強度を用いて、被測定光ファイバ３１の特性を解析する。演算処理部２３は、周波数制御部１１に入力された電流値に対して下記に説明するような演算処理を行い、一組のプローブ光とポンプ光の送出によって被測定光ファイバ３１の１地点のブリルアン利得強度を測定し、プローブ光とポンプ光の送出を繰り返すことで被測定光ファイバ３１の距離に対する特性分布を求める。
【００３５】
図３に、光受信部２１の受信光強度の時間変化の一例を示す。プローブ光パルスとポンプ光パルスとの両方を被測定光ファイバ３１へ入射した場合の光受信部２１の受信光強度の時間変化ＳＭ０及びＳＭ１は、図３に示すように、入射したプローブ光パルスＰＲ０及びＰＲ１の上に凸形のブリルアン利得が重ね合された形状となる。
【００３６】
このブリルアン利得のピーク値をとる時間τ０及びτ１の変化を、プローブ光の変調周波数速度（掃引速度γｒ）を用いて周波数変化量に変換することでＢＦＳ変化を測定することが可能である。例えば、図４に示すように、プローブ光の周波数ｆｐｒｏｂｅを線形に変化させた場合、プローブ光の周波数ｆｐｒｏｂｅをポンプ光の周波数ｆｐｕｍｐとの周波数差Δｆが時間に対して線形に変化する。そのため、測定したＢＦＳの変化量を測定することで被測定光ファイバ３１の特性の相対変化量として測定することが可能である。これは、ＢＦＳの変化量が被測定光ファイバ３１の温度変化、歪変化量に対して線形に増減することを利用するものである。
【００３７】
さらに、ＢＦＳの時間変化の軌跡を測定することで動的歪の振動周波数を測定することもできる。これは、ＢＦＳの変化量と歪変化量が線形に変化するため、ＢＦＳの時間変化の振動数が直接的に動的に変動する歪変化の振動数に変換可能であるからである。光受信部２１の受信信号の時間軸上に現れるブリルアン利得のピーク値は、例えばローレンツ関数によるフィッティング解析やピーク値に対しての半値以上をとる区間に対して２次関数フィッティング解析をすることで容易に求めることができる。
【００３８】
次に、上述したように構成される本実施形態の光線路特性解析装置の動作について説明する。
まず、プローブ光およびポンプ光の出力光周波数及び周波数帯域幅、周波数掃引速度、光受信部２１、及びＡ／Ｄ変換器２２は次の条件を満足する必要がある。
【００３９】
（条件１）プローブ光の変調周波数帯域幅、またはプローブ光とポンプ光の変調周波数差の帯域幅は、測定すべき物理量変化に対応するＢＦＳ変化量と同等、またはそれ以上であること。
（条件２）周波数の線形掃引速度はプローブ光とポンプ光で一致しないこと。
条件１、２は次のような意味を持つ。
【００４０】
条件１は、プローブ光パルスとポンプ光パルスとが誘導ブリルアン散乱を、被測定光ファイバ３１中の全ての位置で起こすために必要となる条件である。図４及び図５に、線形掃引プローブ光による特性測定の概念図の第１例及び第２例を示す。ポンプ光は周波数変調せず、プローブ光のみ線形に周波数変調した場合、ポンプ光とプローブ光の周波数差Δｆは図５の破線で囲んで示したように、被測定ファイバ３１の長手方向のブリルアン相関範囲内で異なるポンプ光―プローブ光周波数差Δｆにてブリルアン利得を取得することになる。
【００４１】
このとき、得られたブリルアン利得は時間的に上に凸形の形状となり、当該ブリルアン相関範囲から受光するブリルアン利得ピーク値の受光時間は、プローブ光の掃引速度γｒを用いてＢＦＳに変換できる（詳細は後述）。
【００４２】
ただし、本実施形態において、プローブ光のみを周波数掃引した場合を示したが、本原理においては、ポンプ光とプローブ光の周波数差Δｆが空間分解能に相当する距離に対して時間的に変化していればよく、ポンプ光とプローブ光の両方を周波数掃引しても構わない。
【００４３】
条件２は、ブリルアン利得強度変化が受信信号の時間軸上にローレンツ関数形状で現れるための条件である。もし、プローブ光とポンプ光の周波数掃引速度を一致させてしまうと、ブリルアン利得はプローブ光パルス上に一様に乗るため、時間軸上にブリルアン利得のピークが現れず、本開示を実施できない。このため、プローブ光パルスとポンプ光パルスとで、周波数制御部１１における周波数の掃引速度が異なる。
【００４４】
上記の条件を満足する場合の本開示を用いた光線路特性解析方法を説明する。
第１試験光出力部１２及び第２試験光出力部１５は、波長の異なる二つの試験光（第１試験光、第２試験光）を出力する。第１試験光はプローブ光であり、第２試験光はポンプ光である。
【００４５】
まず、パルス化部１４は、プローブ光パルスを被測定光ファイバ３１へ入射させる。そして、パルス化部１７は、プローブ光パルスを入射してｔ秒後に、ポンプ光パルスを被測定光ファイバ３１へ入射する。
【００４６】
（ａ）線形掃引したポローブ光によるブリルアン利得
プローブ光とポンプ光との周波数差Δｆがブリルアン周波数シフトｆＢと一致する場合、プローブ光パルスとポンプ光パルスとがインタラクションすると、インタラクションした位置にてプローブ光パルスはブリルアン増幅される。線形掃引したプローブ光を用い、プローブ光の周波数帯域幅が測定すべき物理量変化に対応するＢＦＳ変化の帯域より広い場合、プローブ光とポンプ光の周波数差ΔｆがおよそｆＢとなるブリルアン相関範囲を生じる。
【００４７】
周波数制御部１１がプローブ光周波数を時間的に掃引することで、ブリルアン利得を得たプローブ光強度はローレンツ関数形状の時間変化を伴い、そのピーク値の受光時間を測定し、プローブ光の周波数掃引速度γｒ［Ｈｚ／ｓ］を用いてＢＦＳに変換する。以下、本開示におけるＢＦＳ変化の解析方法を述べる。
【００４８】
まず、時間τ０を特定するための第１の測定を行う。測定すべき物理量変化の無い状態（基準状態）でのＢＦＳ（基準ＢＦＳ）に対応するブリルアン利得の時間変化のピーク時間（基準時間）を測定する。すなわち、物理量に変化のない状態で測定したブリルアン利得の時間変化に対し、ピーク値から半値を取る帯域に２次関数フィッティングを施した結果得られるピーク値を取る時間を基準時間すなわち時間τ０とする。
【００４９】
次に、時間τ１を特定するための第２の測定を行う。測定すべき物理量に変化を生じる状態で、ブリルアン利得の時間変化のピーク値が得られる時間τ１を同様にして測定する。この時、ＢＦＳ変化量ΔｆＢＦＳは
【数１】
2018132510.tif 000003
で表される。このΔｆＢＦＳを測定すべき物理量変化に換算することで所望の測定を実施可能である。
【００５０】
ＢＦＳ変化量の物理量への換算は、例えば、温度の場合、約１ＭＨｚ／℃、歪の場合、約０．０５ＭＨｚ／μεをそれぞれ使用可能である。なお、ポンプ光の周波数掃引速度γｐ［Ｈｚ／ｓ］のとき、ＢＦＳ変化量ΔｆＢＦＳは
【数２】
2018132510.tif 000004
となる。すなわち、本開示においてＢＦＳ変化量は光受信部２１の受信信号の時間に対する強度変化を解析することで測定可能であり、光受信部２１での受信信号の周波数解析などの煩雑かつ時間を要する処理は演算処理部２３において必要ない。
【００５１】
（ｂ）プローブ光強度の均一化による測定可能なＢＦＳ変化幅の拡大効果
以下では、本開示に関わる、プローブ光の光強度調整による効果を説明する。本開示に用いる半導体レーザの注入電流変調により、第１試験光出力部１２の出力パワーが変調されることは、一般に以下の（３）式によって表される。
【数３】
2018132510.tif 000005
ここで、ηは微分量子効率、ｈνは光子エネルギー、Ｉは注入電流、Ｉｔｈはレーザの閾値電流、ｅは電荷素量である。
【００５２】
上式より、電流値Ｉ−Ｉｔｈに比例して出力光強度が増加することがわかる。例えば、仮に電流値Ｉ−Ｉｔｈを２倍にした場合、出力光強度が２倍になり、プローブ光パルスのベースラインが大きな傾きを持つ。一方で、本開示によるＢＦＳ変化の解析にはプローブ光パルス上に得られる凸型ブリルアン利得の受光ピーク時間を認識できる必要がある。
【００５３】
図６及び図７には、第１の測定と第２の測定において、ＢＦＳの変化により凸型ブリルアン利得のピーク受光時間が変化する様子を示している。図６及び図７において、破線は第１の測定を示し、実線は第２の測定を示す。また図６及び図７において、ｐ０は第１の測定で得られた時間τ０におけるブリルアン利得強度がピークになる光強度を示し、ｐ１は第２の測定で得られた時間τ１におけるブリルアン利得強度がピークになる光強度を示し、ｐｍａｘはプローブ光パルスの最大の光強度を示し、ｐｍｉｎはプローブ光パルスの最小の光強度を示し、ΔＰはプローブ光パルスの最大と最小の光強度差（ｐｍａｘ−ｐｍｉｎ）を示す。
【００５４】
図６では、光強度ｐ０及びｐ１が光強度ｐｍａｘ以上であるため、ＢＦＳ変化した場合にも第２の測定のブリルアン利得ピークにおける光強度ｐ１を検出できる。一方、図７では、凸型ブリルアン利得Δｐ０及び凸型ブリルアン利得Δｐ１に対してＢＦＳが大きく変化したことにより、プローブ光パルスの最大の光強度ｐｍａｘが第２の測定のブリルアン利得ピークの光強度ｐ１よりも受光パワーが大きくなる。この場合、プローブ光パルス幅に関わらず、プローブ光の強度勾配により、測定可能なＢＦＳ変化の帯域が制限されてしまう。具体的には、式（３）により、強度勾配が２倍になると測定可能なＢＦＳの変化範囲が半分になる。
【００５５】
この課題を解決するために、本開示は、光強度ｐ０及びｐ１が光強度ｐｍａｘ以上になるように、強度勾配を調整する。例えば、プローブ光パルスの光強度差ΔＰが時間τ０における凸型ブリルアン利得Δｐ０及び時間τ１における凸型ブリルアン利得Δｐ１の両方よりも小さくなるように、プローブ光パルスの光強度を調整する。さらには、プローブ光の強度勾配を可能な限り小さくすることが好ましい。さらには、強度調整部１９は、周波数制御部１１によって周波数の変化されたプローブ光パルスの光強度を一定にすることが好ましい。前述の利得飽和媒体や強度変調器を強度調整部１９として用いることにより、プローブ光パルスのベースラインを完全に平坦化できれば、測定可能なＢＦＳ変化の帯域は線形周波数掃引されたプローブ光パルス幅に内包される周波数帯域によって決定される。
【００５６】
前述の利得飽和媒体や強度変調器を強度調整部１９で用いることにより、プローブ光パルスのベースラインを完全に平坦化できない場合にも、勾配を半分にすることができれば、同じブリルアン利得にて２倍のＢＦＳ変化の帯域に対応することができるようになる。
【００５７】
上述の通り、本開示に係る光線路特性解析装置は、プローブ光のみ、又はプローブ光とポンプ光の両方を周波数掃引し、周波数掃引による光強度変化の勾配を小さくし、基準ＢＦＳに対するＢＦＳ変化を一度の試験光送出で、高速に測定可能であり、かつＢＦＳ変化に対応する測定帯域を拡大することができる。
【００５８】
図８及び図９は、本実施形態の光線路特性解析方法を示すフローチャートである。ここでは、プローブ光パルスのみを掃引する場合を例に説明する。本実施形態に係る光線路特性解析方法は、光線路特性解析装置が、試験光パルス入射手順と、演算処理手順を順に実行する。試験光パルス入射手順ではステップＳ１０１〜Ｓ１０３、Ｓ１０７、Ｓ１０８を実行し、演算処理手順ではステップＳ１０４〜Ｓ１０６、Ｓ１０９〜Ｓ１１３を実行する。
【００５９】
まず、光線路特性解析装置は、プローブ光パルスの掃引速度γｒとパルス幅τを設定する（ステップＳ１０１）。次に、光線路特性解析装置は、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差ｔを初期値ｔ１に設定する（ステップＳ１０２）。そして、光線路特性解析装置が第１の測定を実行する（Ｓ１０３〜Ｓ１０５）。
【００６０】
光線路特性解析装置は、プローブ光パルス及びポンプ光パルスを測定すべき物理量が基準状態（状態０）にある被測定光ファイバ３１へ入力する（ステップＳ１０３）。
【００６１】
演算処理部２３は、光受信部２１の受信信号から誘導ブリルアン散乱光の時間変化を求め、誘導ブリルアン散乱光の最大値ｐ０を取る時間τ０を解析し、入射時間差ｔと対応付けて記憶する（ステップＳ１０４）。
【００６２】
続いて、演算処理部２３は、入射時間差ｔがｎＬ／ｃ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１０５）。ここで、ｎは被測定光ファイバ３１の屈折率、Ｌは被測定光ファイバ３１のファイバ長、ｃは真空中の光速である。入射時間差ｔがｎＬ／ｃ未満である場合（ステップＳ１０５のＮｏ）、演算処理部２３は、入射時間差ｔをｔ＝ｔ＋Δｔと設定して（ステップＳ１０６）、ステップＳ１０３の処理から解析処理を繰り返し行う。ステップＳ１０５で入射時間差ｔがｎＬ／ｃ以上である場合（ステップＳ１０５のＹｅｓ）、以下のステップＳ１０７以降の処理を実行する。
【００６３】
ステップＳ１０７では、光線路特性解析装置は、プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差ｔを再び初期値ｔ１に設定する。そして、光線路特性解析装置が第２の測定を実行する（Ｓ１０８〜Ｓ１１２）。
【００６４】
光線路特性解析装置は、プローブ光パルス及びポンプ光パルスを測定すべき物理量に変化が生じている状態（状態１）にある被測定光ファイバ３１へ入力する（ステップＳ１０８）。演算処理部２３は、光受信部２１の受信信号から誘導ブリルアン散乱光の時間変化を求め、誘導ブリルアン散乱光の最大値ｐ１を取る時間τ１を解析し、入射時間差ｔと対応付けて記憶する（ステップＳ１０９）。演算処理部２３は、掃引速度γｒから基準状態における入射時間差ｔでのＢＦＳ（基準ＢＦＳ）に対するＢＦＳ変化量を解析する（ステップＳ１１０）。演算処理部２３は、解析結果を後段へ出力する（ステップＳ１１１）。
【００６５】
続いて、演算処理部２３は、入射時間差ｔがｎＬ／ｃ以上であるか否かを判断する（ステップＳ１１２）。入射時間差ｔがｎＬ／ｃ未満である場合（ステップＳ１１２のＮｏ）、演算処理部２３は、入射時間差ｔをｔ＝ｔ＋Δｔと設定して（ステップＳ１１３）、ステップＳ１０８の処理から解析処理を繰り返し行う。
【００６６】
ステップＳ１１２で入射時間差ｔがｎＬ／ｃ以上である場合（ステップＳ１１２のＹｅｓ）、演算処理部２３は、一連の測定作業を終了する。
【００６７】
以上の処理をまとめると、本実施形態に係る解析方法は、以下のような処理手順となる。
手順１：プローブ光パルスの周波数掃引速度γｒとパルス幅τを設定。
手順２：プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差ｔを初期値に設定。
手順３：基準状態（状態０）でのプローブ光パルスのブリルアン散乱光強度の時間変化から、誘導ブリルアン利得ピークを取る時間τ０を入射時間差ｔと対応付けて記録。
【００６８】
手順４：プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差ｔを変化させて上記手順３を繰り返し、ｔ≧ｎＬ／ｃで以下の手順５以降を実行。
手順５：プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差ｔを初期値に設定。
【００６９】
手順６：測定すべき物理量に変化のある状態（状態１）でのプローブ光パルスのブリルアン散乱光強度の時間変化から、誘導ブリルアン利得ピークを取る時間τ１を入射時間差ｔと対応付けて記録し、同じ入射時間差ｔでの時間τ１と時間τ０との時間差及び掃引速度から第１の測定と第２の測定との周波数差を求め、ＢＦＳ変化量に換算する。
手順７：プローブ光パルスとポンプ光パルスとの入射時間差ｔを変化させて上記手順６を繰り返し、ｔ≧ｎＬ／ｃで終了する。
【００７０】
このように、本実施形態では、光線路特性解析装置は、プローブ光の変調周波数帯域幅、またはプローブ光とポンプ光の変調周波数差の帯域幅が被測定光ファイバ３１において測定すべき物理量に対応するＢＦＳ変化量より大きく、周波数差がＢＦＳと同程度のプローブ光とポンプ光とを用意する。
【００７１】
光線路特性解析装置は、プローブ光とポンプ光をパルス化する。光線路特性解析装置は、プローブ光の出力強度を均一化する。光線路特性解析装置は、プローブ光パルス及びポンプ光パルスに入射時間差ｔを与えて被測定光ファイバ３１へ入射する。そして、光線路特性解析装置は、入射時間差ｔで定められる被測定光ファイバ３１上のある任意の位置に対して、１度のプローブ光パルス及びポンプ光パルスの被測定光ファイバ３１への入射により、プローブ光パルス及びポンプ光パルスのインタラクションにより発生する誘導ブリルアン後方散乱光がピークを取る時間τ０又はτ１を強度波形から解析し、ピークを取る時間変化｜τ０−τ１｜をプローブ光パルス及びポンプ光パルスのうちの周波数掃引する試験光の周波数掃引速度を用いてＢＦＳ変化量に換算することを特徴とする。
【００７２】
この特徴は、ポンプ光とプローブ光の周波数差を変えながら複数回の測定を行う非特許文献１に記載の方法と明らかに異なる。また、非特許文献２は、本実施形態と同様にポンプ光及びプローブ光の周波数を変調しているが、ＢＦＳを測定するために両試験光の相対周波数差を順次変更する必要があるという点で明らかに異なる。
【００７３】
さらに、プローブ光パルス及びポンプ光パルスを被測定光ファイバ３１へ入射する入射時間差ｔを変えながら繰り返し測定することにより、光線路特性解析装置は、被測定光ファイバ３１のどの地点においても、基準状態（状態０）にある被測定光ファイバ３１のＢＦＳ（基準ＢＦＳ）に対するＢＦＳ変化を一組のポンプ光とプローブ光の送出にて測定することができる。
【００７４】
上記の測定において、演算処理部２３では受信光強度の時間変化からＢＦＳを解析可能であるため、周波数解析の必要がない。このため、光線路特性解析装置は、高速に被測定光ファイバ３１の特性分布を求めることができる。さらに、周波数掃引されているプローブ試験光の出力勾配が均一化されているため、ＢＦＳ変化に対してブリルアン利得のピーク受光時間を認識できるＢＦＳ変化範囲を拡大することができる。
【００７５】
なお、上記実施形態では、光線路特性解析装置がサーキュレータ１８を備える場合を例に説明した。しかしながら、これに限定されない。光線路特性解析装置は、例えば、サーキュレータ１８の代わりにカプラを備えていても構わない。受光部ではＡ／Ｄ変換器２２によりデジタル信号とした上でブリルアン利得のピーク値を解析する例を説明したが、アナログ信号のままブリルアン利得がピーク値を取る時間の変化を解析することも可能である。
【００７６】
また、上記実施形態では、被測定光ファイバ３１の両端からポンプ光およびプローブ光それぞれを入射している構成であるが、被測定光ファイバ３１の遠端から反射したブローブ光を解析に用いる構成であっても適用することができる。
【００７７】
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【００７８】
また、本開示における光線路特性解析装置の演算処理部は、コンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
【００７９】
（発明の効果）
以上のように、本開示は、波長の異なる二種の試験光を用意し、パルス化した後に二種のパルス試験光に入射時間差ｔを与えて被測定光線路に入射することで、先に入射したパルス試験光（第１試験光）の反射光と、後に入射したパルス試験光（第２試験光）が対向伝搬することにより発生した誘導ブリルアン後方散乱光を光受信部で受信し、第１試験光のみ、あるいは第１試験光および第２試験光の両方の光周波数を生じさせるＤＦＢレーザの注入電流を線形に変調する。これにより、本開示は、出力周波数を時間的に線形に変調し、変調帯域幅を測定すべき物理量変化に対応するＢＦＳ変化の範囲と同等またはそれ以上に設定し、受信信号の時間軸上でのブリルアン利得ピークの変化を解析し、測定毎にブリルアン利得ピークを取る時間の変化をＢＦＳ変化に換算し、ＢＦＳ変化を測定すべき物理量変化に解析することを可能にする。
【００８０】
ここで、本開示は、高速な測定が可能となる光線路特性解析装置において、ＤＦＢレーザの注入電流を線形に変調することによって出力パワーも線形に変調されてしまう試験光に対して、強度調整部を通過させることでブリルアン利得がない状態でのベースラインの強度勾配を小さくすることで、受信信号の時間軸上でのブリルアン利得ピークの変化を解析可能なＢＦＳ変化の範囲を拡大することが可能である。
【００８１】
したがって、本開示によれば、受光部で受信信号の周波数解析をすることなく、受信信号の強度解析によりＢＦＳ変化を測定し、光線路の特性分布（温度、静的歪および動的歪の振動周波数と歪量）を高速に測定することのできる光線路特性測定装置が測定可能な光線路の特性の変化範囲を拡大させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本開示は情報通信産業に適用することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１１：周波数制御部
１２：第１試験光出力部
１３、１６：入射時間制御部
１４、１７：パルス化部
１５：第２試験光出力部
１８：サーキュレータ
１９：強度調整部
２１：光受信部
２２：Ａ／Ｄ変換器
２３：演算処理部
３１：被測定光ファイバ
【図１】
2018132510.tif 000006
【図２】
2018132510.tif 000007
【図３】
2018132510.tif 000008
【図４】
2018132510.tif 000009
【図５】
2018132510.tif 000010
【図６】
2018132510.tif 000011
【図７】
2018132510.tif 000012
【図８】
2018132510.tif 000013
【図９】
2018132510.tif 000014