(57)【要約】      （修正有）【課題】偏波調整が不要で、構成を簡素化し、低コストに構成の位置または形状を測定する装置を提供する。【解決手段】波長掃引される光を測定光Ｐmesとしてファイバブラッグ回折格子を有する被測定光ファイバ３７に与え、測定光と同様に波長掃引され、互いに偏波が直交する第１の基準光と第２の基準光が、ファイバブラッグ回折格子を光が往復する時間より短い所定の時間差をもって合波された偏波多重基準光Ｐｒを偏波多重部１０で生成し、これを被測定光ファイバ３７からの反射光とともに合波手段４１に入力して干渉させる。信号処理部１０１は、１回の波長掃引で得られるディジタル信号Ｄに対するフーリエ変換処理を、被測定光ファイバからの反射光と第１、第２の基準光との干渉によってそれぞれ生じるビート周波数が重ならない複数の期間に分割して行ない、そのフーリエ変換結果を距離軸上で合成して反射光の互いに直交した偏波成分の測定結果を得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が所定範囲連続的に掃引される波長掃引光から、該波長掃引光と波長掃引特性が同一の測定光と基準光を生成し、前記測定光を、格子間隔がチャープしたファイバブラッグ回折格子を有する被測定光ファイバ（３７）に出力する段階と、
前記測定光に対する前記被測定光ファイバからの反射光を受け入れ、該反射光と、前記基準光とを合波して受光器に入力し、前記反射光と前記基準光の干渉によって生じるビートを電気信号として出力させる段階と、
前記電気信号をディジタル信号に変換してフーリエ変換処理を行なう段階とを含む光周波数領域反射測定方法において、
前記基準光として、互いに偏波が直交する第１の基準光と第２の基準光とが、前記ファイバブラッグ回折格子を光が往復する時間より短い所定の時間差をもって合波された偏波多重基準光を用い、
前記反射光と前記偏波多重基準光との合波によって得られる前記ディジタル信号に対するフーリエ変換処理を、前記反射光と前記偏波多重基準光に含まれる前記第１の基準光との干渉によって生じるビート周波数と、前記反射光と前記偏波多重基準光に含まれる前記第２の基準光との干渉によって生じるビート周波数とが重ならない複数の期間に分割して行ない、
前記複数の期間について得られたフーリエ変換結果を距離軸上で合成することで、前記反射光の互いに直交した２つの偏波成分の測定結果を得ることを特徴とする光周波数領域反射測定方法。
【請求項２】
前記測定光として、互いに偏波が直交する第１の測定光と第２の測定光とを、波長掃引毎に交互に切り替えて前記被測定光ファイバに与え、
前記第１の測定光および前記第２の測定光に対してそれぞれ前記被測定光ファイバから反射された反射光と前記偏波多重基準光との合波によって得られる前記ディジタル信号に対するフーリエ変換処理を、前記複数の期間に分割して行ない、
前記第１の測定光と前記第２の測定光に対してそれぞれ前記被測定光ファイバからの反射光の互いに直交した２つの偏波成分の測定結果を得ることを特徴とする請求項１記載の光周波数領域反射測定方法。
【請求項３】
波長が所定範囲連続的に掃引される波長掃引光を出力する波長掃引光源（１）と、
前記波長掃引光を第１光路で受けて分岐する分岐手段（３）と、
前記分岐手段で分岐されて第２光路に出力された第１分岐光を測定光として受け、格子間隔がチャープしたファイバブラッグ回折格子を有する被測定光ファイバ（３７）に出力すると共に、該測定光に対する前記被測定光ファイバからの反射光を受け入れる方向性光結合手段（３１）と、
前記分岐手段で分岐されて第３光路に出力された第２分岐光を基準光として受け、該基準光と前記方向性光結合手段から出力される前記被測定光ファイバからの反射光とを合波する合波手段（４１）と、
前記合波手段の出力光を受けて前記反射光と前記基準光の干渉によって生じるビートを電気信号として出力する受光器（５５、５７）と、
前記電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（６５）と、
前記ディジタル信号に対するフーリエ変換処理を行なう信号処理部（１０１〜１０３）とを有する光周波数領域反射測定装置において、
前記第２光路に挿入され、前記第２分岐光を受け、前記波長掃引光と同一の波長掃引特性を有し、互いに偏波が直交する第１の基準光と第２の基準光とが、前記ファイバブラッグ回折格子を光が往復する時間より短い所定の時間差をもって合波された偏波多重基準光を出力させる偏波多重部（１０）を有し、
前記信号処理部は、
前記反射光と前記偏波多重基準光との合波によって得られるディジタル信号に対するフーリエ変換処理を、前記反射光と前記偏波多重基準光に含まれる前記第１の基準光との干渉によって生じるビート周波数と、前記反射光と前記偏波多重基準光に含まれる前記第２の基準光との干渉によって生じるビート周波数とが重ならない複数の期間に分割して行ない、該複数の期間について得られたフーリエ変換結果を距離軸上で合成することで、前記反射光の互いに直交した２つの偏波成分の測定結果を得るように構成されていることを特徴とする光周波数領域反射測定装置。
【請求項４】
前記第１光路または第２光路のいずれかに挿入され、前記波長掃引光または前記第１分岐光を受け、前記波長掃引光と同一の波長掃引特性を有し、互いに偏波が直交する第１の測定光と第２の測定光を、波長掃引毎に切り替えて出力する偏波切替手段（１５、１６）を有し、
前記信号処理部は、
前記第１の測定光および前記第２の測定光に対してそれぞれ前記被測定光ファイバからの反射光と前記偏波多重基準光との合波によって得られるディジタル信号に対するフーリエ変換処理を、前記複数の期間に分割して行ない、
前記第１の測定光と前記第２の測定光に対してそれぞれ前記被測定光ファイバからの反射光の互いに直交した２つの偏波成分の測定結果を得るように構成されていることを特徴とする請求項３記載の光周波数領域反射測定装置。
【請求項５】
前記被測定光ファイバが、長手方向に複数の領域に分割され、該複数の領域はそれぞれの格子間隔がチャープしたファイバブラッグ回折格子を有しており、
前記信号処理部は、前記測定光の波長が１回掃引されたときに得られる前記ディジタル信号に対するフーリエ変換処理を、前記測定光に対する前記被測定光ファイバの前記複数の領域からの反射光と前記偏波多重基準光に含まれる前記第１の基準光との干渉によって生じるビート周波数と、前記測定光に対する前記被測定光ファイバの前記複数の領域からの反射光と前記偏波多重基準光に含まれる前記第２の基準光との干渉によって生じるビート周波数とが重ならない複数の期間に分割して行なうことを特徴する請求項３または請求項４記載の光周波数領域反射測定装置。
【請求項６】
前記偏波多重部の所定の時間差が、前記被測定光ファイバの前記領域のいずれかを光が往復する時間より短く設定されていることを特徴とする請求項５に記載の光周波数領域反射測定装置。
【請求項７】
前記被測定光ファイバの複数の領域の反射波長範囲の一部が重複するように形成されており、
前記波長掃引光源の波長掃引範囲が、前記被測定光ファイバの前記波長掃引範囲の重複する部分に達していることを特徴とする請求項５または請求項６記載の光周波数領域反射測定装置。
【請求項８】
前記被測定光ファイバが、複数Ｍ以上のコアを有するマルチコアファイバ（３６）であって、
前記測定光を前記マルチコアファイバのコアのうちの複数Ｍのコアに与え、該複数Ｍのコアからの反射光と前記偏波多重基準光との干渉で得られるビート信号を得るために、前記方向性結合手段、前記合波手段、前記受光器および前記Ａ／Ｄ変換器の組を前記複数Ｍ組設けたことを特徴する請求項３〜７のいずれかに記載の光周波数領域反射測定装置。
【請求項９】
前記被測定光ファイバが、複数Ｍ以上のコアを有するマルチコアファイバ（３６）であって、
前記測定光を前記マルチコアファイバのコアのうちの複数Ｍのコアに与え、該測定光に対する前記複数Ｍのコアからの反射光をそれぞれ受け入れるために前記方向性結合手段が前記複数Ｍ組設けられ、
前記複数Ｍのコアからの反射光を、前記方向性結合手段を介して合波する反射光合波手段（４８）と、
前記反射光合波手段において前記複数Ｍのコアからの反射光が前記コア毎に異なる遅延時間をもって合波されるように遅延時間差を付与する手段（５１Ａ〜５１Ｄ）とを有し、
前記反射光合波手段の出力に対する処理を、１組の前記合波手段、前記受光器および前記Ａ／Ｄ変換器で行なうことを特徴する請求項３〜７のいずれかに記載の光周波数領域反射測定装置。
【請求項１０】
前記複数Ｍが４であることを特徴とする請求項８または請求項９記載の光周波数領域反射測定装置。
【請求項１１】
前記請求項３〜１０のいずれかに記載の光周波数領域反射測定装置を用いて、前記被測定光ファイバが固定された被測定物の位置または形状を測定することを特徴する位置または形状を測定する装置。
【請求項１２】
前記被測定物が、医療用カテーテル、医療用検査プローブ、医療用センサ、建築物検査センサ、海底センサ、または地質センサであることを特徴する請求項１１記載の位置または形状を測定する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定光ファイバの歪み分布を測定する技術に関し、特に波長が掃引される光を測定光として被測定光ファイバに入力し、その測定光に対する被測定光ファイバからの反射光の２つの直交した偏波成分を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から光周波数領域反射測定法（Optical Frequency Domain Reflectometry; OFDR）を用いた光ファイバの歪み測定が行なわれている。
【０００３】
光周波数領域反射測定装置（以下、単に測定装置と記す）２００の基本構成を図１８に示す。図１８において、波長掃引光源１は、半導体レーザを含み、時間に対して光の周波数が直線的に変化する波長掃引光Ｐ０を出力する。
【０００４】
波長掃引光Ｐ０は、光カプラ等からなる分岐手段３に入力されて２分岐され、その一方の分岐光Ｐ１が測定光Ｐmes として光サーキュレータ等からなる方向性結合手段３１を介して被測定光ファイバ３８の一端側に導かれる。
【０００５】
被測定光ファイバ３８の内部で反射して一端側に戻る反射光Ｐret は、方向性結合手段３１を介して光カプラ等からなる合波手段４１に入力される。合波手段４１には、分岐手段３で分岐された他方の光Ｐ２（＝基準光Ｐｒ）も入力され、反射光Ｐret と基準光Ｐｒが干渉する。
【０００６】
合波手段４１から出力される２つの光Ｐsum(+)、Ｐsum(-)は、干渉する光の位相が互いに逆位相となる。合波手段４１から出力される２つの光Ｐsum(+)、Ｐsum(-)をバランス受光器５５に入力して被測定光ファイバ３８からの反射光Ｐret と基準光Ｐｒの干渉によるビート信号を検出する。
【０００７】
バランス受光器５５から出力されるアナログの電気信号ＡはＡ／Ｄ変換器６５によりディジタル信号Ｄに変換され、信号処理部９０にてフーリエ変換処理等が行なわれる。
【０００８】
ここで、図１９の（ａ）に示すように、被測定光ファイバ３８にａ点、ｂ点、ｃ点の３つの反射点を想定し、被測定光ファイバ３８の近端ｏ点からの距離をＬａ、Ｌｂ、Ｌｃとする。
【０００９】
また、分岐手段３から被測定光ファイバ３８の近端ｏ点で折り返して合波手段４１に至る光路長と、基準光Ｐｒが伝搬する分岐手段３から合波手段４１までの光路長を等しくすると、被測定光ファイバ３８のａ点で反射した光Ｐretaは基準光Ｐｒに比べてｔａ＝２ｎＬａ／ｃだけ時間が遅れて合波手段４１で合波される。ここで、ｎは被測定光ファイバ３８の屈折率、ｃは光速である。同様にｂ点、ｃ点で反射した光Ｐretb、Ｐretcは、ｔｂ＝２ｎＬｂ／ｃ、ｔｃ＝２ｎＬｃ／ｃだけ時間が遅れる。
【００１０】
したがって、基準光Ｐｒの光周波数νｒ、ａ点からの反射光の光周波数νａ、ｂ点からの反射光の光周波数νｂ、ｃ点からの反射光の光周波数νｃは、図１９の（ｂ）のように、基準光Ｐｒの時間に対する光周波数の変化特性（この場合傾き一定の直線とする）が、上記した各時間ｔａ〜ｔｃ遅れて現れることになる。
【００１１】
波長掃引光Ｐ０の単位時間当たりの光周波数変化量をＳとすると、ａ点からの反射光Ｐretaと基準光Ｐｒの干渉によるビート周波数は、
ｆａ＝｜νａ−νｒ｜＝Ｓ・ｔａ＝（２ｎＳ／ｃ）Ｌａ      ……（１）
となる。同様にｂ点およびｃ点からの反射光と基準光の干渉によるビート周波数は、
ｆｂ＝｜νｂ−νｒ｜＝Ｓ・ｔｂ＝（２ｎＳ／ｃ）Ｌｂ      ……（２）
ｆｃ＝｜νｃ−νｒ｜＝Ｓ・ｔｃ＝（２ｎＳ／ｃ）Ｌｃ      ……（３）
となる。
【００１２】
よって、信号処理部９０において、ディジタル信号Ｄをフーリエ変換すると、図１９の（ｃ）のように、被測定光ファイバ３８の一端からそれぞれの反射点までの距離Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃに比例した周波数ｆａ、ｆｂ、ｆｃのビート信号が観測される。なお、各点での反射率は十分小さいと仮定し、多重反射は無視している。
【００１３】
以上のように、光周波数領域反射測定法によって、被測定光ファイバからの反射の長手方向の分布を測定することが出来る。
【００１４】
また、被測定光ファイバのレイリー散乱によって長手方向に連続的に光が反射するとともに、被測定光ファイバの長手方向に歪みが加わると、レイリー散乱による反射光の位相が変化する。
【００１５】
このため、上記光周波数領域反射測定法によって得られたビート信号の位相を観測することにより、被測定光ファイバの微小な歪みの長手方向の分布を測定することが出来る。
【００１６】
なお、特許文献１には、上記光周波数領域反射測定方法を、複数のコアを持ったマルチコアファイバに適用し、同ファイバの位置または形状を測定する方法が示されている。
【００１７】
上記した図１８の構成例では、光の偏波について考慮していないが、通常の単一モードファイバでは光の偏波が保持されずファイバの曲げによって偏波が変化するため、被測定光ファイバからの反射光と基準光の偏波が直交すると干渉によるビート信号が得られなくなる問題がある。また、光ファイバが曲げられた場合、光の偏波状態によって屈折率が異なる複屈折が発生し、光周波数領域反射測定法による位相測定に影響を及ぼす。
【００１８】
これらの問題を解決するために、２つの直交した偏波状態の光を掃引毎に切り替えて光ファイバに入射すると共に、それぞれの偏波状態について、光ファイバからの反射光の２つの直交した偏波成分に分離して測定する偏波ダイバーシティ方式が用いられる。
【００１９】
図２０は、従来の偏波ダイバーシティ方式を用いた測定装置２１０の構成例を示している。この測定装置２１０では、前記図１８に示した測定装置２００と同様に、波長掃引光源１から出力された波長掃引光Ｐ０を分岐手段３によって２分岐するが、その一方の分岐光Ｐ１を偏波コントローラ１５に入力する。偏波コントローラ１５は、出射光の偏波状態を第１の偏波状態と、それに直交する第２の偏波状態に切り替えるためのものであり、制御器１６によって波長掃引光源１で１回の波長掃引が行なわれる毎にこの２つの偏波状態を切り替えている。
【００２０】
偏波コントローラ１５の出力光Ｐ１′は、測定光Ｐmes として前記同様に方向性結合手段３１を介して被測定光ファイバ３８に入力され、その測定光Ｐmes に対する被測定光ファイバ３８からの反射光Ｐret が、方向性結合手段３１を介して合波手段４１に入力される。
【００２１】
分岐手段３で分岐された光の他方Ｐ２は、偏波コントローラ２５に入力される。この偏波コントローラ２５は、後述の偏波分離手段４５、４６で２つに分岐される基準光の強度がほぼ等しくなるように調整するためのものであり、予め波長掃引光Ｐ０の偏波状態が偏波分離手段４５、４６で２つに分岐される基準光の強度がほぼ等しくなるように設定されている場合には不要である。
【００２２】
偏波コントローラ２５から出力されたＰ２′は基準光Ｐｒとして、被測定光ファイバ３８からの反射光Ｐret ともに合波手段４１に入力されて合波され、反射光Ｐret と基準光Ｐｒが干渉する。前記したように合波手段４１から出力される２つの光Ｐsum(+)、Ｐsum(-)は、干渉する光の位相が互いに逆位相となり、その一方の光Ｐsum(+)は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）等からなる偏波分離手段４５に入力され、２つの直交した偏波成分ｓ(+)およびｐ(+)に分岐される。また、他方の光Ｐsum(-)も、ＰＢＳ等からなる偏波分離手段４６に入力され、２つの直交した偏波成分ｓ(-)およびｐ(-)に分岐される。
【００２３】
分離された偏波成分ｓ(+)、ｓ(-)がバランス受光器５５に入力され、その偏波成分ｓ(+)、ｓ(-)の光強度の差に比例する電気信号Ａｓが出力され、Ａ／Ｄ変換器６５によってディジタル信号Ｄｓに変換される。同様に、分離された偏波成分ｐ(+)、ｐ(-)がバランス受光器５６に入力され、そのｐ(+)、ｐ(-)の光強度の差に比例する電気信号Ａｐが出力され、Ａ／Ｄ変換器６６でディジタル信号Ｄｐに変換される。
【００２４】
これらのディジタル信号Ｄｓ、Ｄｐは、ＣＰＵ等からなる信号処理部９１に入力され、それぞれフーリエ変換処理を受ける。
【００２５】
特許文献１には、上記構成の測定装置２１０において、偏波コントローラ１５を第１の偏波状態に設定して波長掃引した時に得られるディジタル信号Ｄｓ、Ｄｐのフーリエ変換結果をそれぞれａ、ｂ、偏波コントローラ１５を第２の偏波状態に設定して波長掃引した時に得られるディジタル信号Ｄｓ、Ｄｐのフーリエ変換結果をそれぞれｃ、ｄとし、これら４種類のフーリエ変換結果ａ、ｂ、ｃ、ｄから、被測定光ファイバ３８の複屈折を補正する技術が開示されている。
【００２６】
なお、被測定光ファイバ３８の複屈折を補正しない場合でも、通常の単一モードファイバでは光の偏波が保持されずファイバの曲げによって偏波が変化するため、被測定光ファイバからの反射光と基準光の偏波が直交すると干渉によるビート信号が得られなくなる問題を解決するためには、偏波コントローラ２５、偏波分離手段、２組の受光器とＡ／Ｄ変換器が必要であり、偏波分離手段で２つに分岐される基準光の強度がほぼ等しくなるように偏波コントローラ２５を調整する必要がある。
【００２７】
図２１は、従来の偏波ダイバーシティ方式を用いた別の測定装置２２０の構成例を示している。この測定装置２２０では、波長掃引光源１からの出力光Ｐ０を、分岐手段３で分岐する前に偏波コントローラ１５に与え、波長掃引毎に出力光の偏波状態を第１の偏波状態とそれに直交する第２の偏波状態に切り替えている。
【００２８】
そして、被測定光ファイバ３８からの反射光Ｐret と基準光Ｐｒを合波手段４１で合波し、その合波光Ｐsumを偏波コントローラ２５に入力している。この偏波コントローラ２５は前記同様に、後続の偏波分離手段４５で２つに分岐される基準光の強度がほぼ等しくなるように調整されている。
【００２９】
偏波コントローラ２５の出力光Ｐsum′は、偏波分離手段４５で偏波状態ｓ、ｐの光に分離される。
【００３０】
図２１では図２０のバランス受光器５５、５６の代わりにシングルエンドの受光器５７、５８を用いている。偏波状態ｓの光からディジタル信号Ｄｓが得られ、偏波状態ｐの光からディジタル信号Ｄｐが得られ、図２０で説明したように、偏波コントローラ１５の出力光の偏波状態を第１の偏波状態にして波長掃引したときに得られるフーリエ変換結果ａ、ｂと、偏波コントローラ１５の出力光の偏波状態を第２の偏波状態にして波長掃引したときに得られるフーリエ変換結果ｃ、ｄとから、特許文献１に記載の方法にて被測定光ファイバ３８の複屈折を補正することが出来る。
【００３１】
図２２は、図２１を基本構成として、マルチコアファイバ３９を使用して３次元の位置または形状を測定する測定装置２３０の構成を示している。
【００３２】
この測定装置２３０では、波長掃引光源１からの出力光Ｐ０は、分岐手段２で分岐され、その一方の分岐光Ｐ１は前記同様に偏波コントローラ１５に入力され、他方の分岐光Ｐ２は、監視部７０に入力される。
【００３３】
監視部７０は、図２３に示しているように、入力光Ｐ２を分岐手段７１で２分岐し、その一方をシアン化水素(hydrogen cyanide; HCN) のガスセル７２に与え、ガスセル７２を通過した光のパワーを受光器７３とＡ／Ｄ変換器７４で測定し、信号処理部９２へ出力する。信号処理部９２はガスの吸収波長に従って波長掃引光源１の絶対波長を校正する。
【００３４】
また、分岐手段７１で分岐された他方の光は、光カプラ８１、 遅延ファイバ８２、ファラデー回転子型のミラー８３、８４からなる遅延干渉計に与えられる。この遅延干渉計の出力を受光器８５、Ａ／Ｄ変換器８６で測定する。この遅延干渉計の出力から、波長掃引光源１の光周波数変化に応じたビート周波数の正弦波が得られる。実際の波長掃引光源１は時間に対する光周波数変化が完全に直線でないことが多いため、信号処理部９２では、上記遅延干渉計の出力を用いて波長掃引の非直線性に対する補正処理を行なう。
【００３５】
一方、偏波コントローラ１５からは前記同様に掃引掃引毎に偏波状態が切り替えられた光Ｐ１′が出力され、分岐手段３０で４分岐される。４分岐されたそれぞれの光Ｐ３〜Ｐ６は、それぞれ分岐手段３Ａ〜３Ｄに入力され、測定光Ｐmes1〜Ｐmes4と、基準光Ｐr1〜Ｐr4に分岐され、４つの測定光Ｐmes1〜Ｐmes4は、方向性結合手段３１Ａ〜３１Ｄをそれぞれ介して、マルチコアファイバ用ファンアウト３５に入力され、１本の被測定マルチコアファイバ３９の各コアに入力される。
【００３６】
被測定マルチコアファイバ３９の各コアからの反射光Ｐret1〜Ｐret4は、マルチコアファイバ用ファンアウト３５および方向性結合手段３１Ａ〜３１Ｄを介してそれぞれ合波手段４１Ａ〜４１Ｄに入力される。
【００３７】
これら合波手段４１Ａ〜４１Ｄには、それぞれ基準光Ｐr1〜Ｐr4も入力しており、図２１の構成と同様に、被測定マルチコアファイバ３９の各コアからの反射光と基準光とが合波され、その出力を受けた偏波分離手段４５Ａ〜４５Ｄによりそれぞれ２つの偏波成分（ｓ１、ｐ１）〜（ｓ４、ｐ４）に分離され、それぞれ受光器５７Ａ〜５７Ｄ、５８Ａ〜５８Ｄで電気信号に変換され、Ａ／Ｄ変換器６５Ａ〜６５Ｄ、６６Ａ〜６６Ｄでディジタル信号（Ｄs1、Ｄp1）〜（Ｄs4、Ｄp4）に変換され、信号処理部９２に入力される。偏波コントローラ２５Ａ〜２５Ｄは、前記同様に、それぞれ後続の偏波分離手段４５Ａ〜４５Ｄで２つに分岐される基準光の強度がほぼ等しくなるように調整されている。
【００３８】
この構成によって、図２１と同様に複屈折を補正して被測定マルチコアファイバ３９の各コアの歪み分布を測定することが出来る。また、各コアの歪み分布から、被測定マルチコアファイバ３９の位置または形状を算出することが可能である。
【００３９】
なお、特許文献２には、被測定光ファイバとしてファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧ）を用いる方法が示されている。ＦＢＧの反射率はレイリー散乱の反射率よりも高いため、被測定光ファイバの終端や光コネクタ、方向性結合手段（光サーキュレータ）等における反射、および被測定マルチコアファイバやファンアウトのクロストークの影響を低減できる特長を持つ。また、反射波長がチャープしたＦＢＧを用いることにより、広い波長掃引範囲にわたって反射光が得られ、受光器のダイナミックレンジを抑えることが出来る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４０】
【特許文献１】特表２０１３−５０５４４１
【特許文献２】国際公開ＷＯ−２０１３１３６２４７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００４１】
上記の従来の偏波ダイバーシティ方式を用いた光周波数領域反射測定では、２つの直交した偏波成分の光を検出するために、１コアあたり受光器とＡ／Ｄ変換器がそれぞれ２個必要ずつ必要となり、偏波分離手段で２つに分岐される基準光の強度がほぼ等しくなるように偏波コントローラ２５を調整する必要があるという問題があった。また、前記したようにマルチコアファイバを被測定光ファイバとする装置では、コアの数の増加により、装置が大規模となり高コストになってしまうという問題もあった。
【００４２】
本発明は、上記問題を解決し、１組の受光器とＡ／Ｄ変換器で被測定光ファイバからの反射光の２つの直交した偏波成分を検出でき、偏波分離のための偏波調整が不要で、マルチコアファイバを被測定光ファイバとする場合でも、その規模が小さく済み、低コストに構成できる光周波数領域反射測定法、光周波数領域反射測定装置およびそれを用いた位置または形状を測定する装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００４３】
前記目的を達成するために、本発明の請求項１の光周波数領域反射測定方法は、
波長が所定範囲連続的に掃引される波長掃引光から、該波長掃引光と波長掃引特性が同一の測定光と基準光を生成し、前記測定光を、格子間隔がチャープしたファイバブラッグ回折格子を有する被測定光ファイバ（３７）に出力する段階と、
前記測定光に対する前記被測定光ファイバからの反射光を受け入れ、該反射光と、前記基準光とを合波して受光器に入力し、前記反射光と前記基準光の干渉によって生じるビートを電気信号として出力させる段階と、
前記電気信号をディジタル信号に変換してフーリエ変換処理を行なう段階とを含む光周波数領域反射測定方法において、
前記基準光として、互いに偏波が直交する第１の基準光と第２の基準光とが、前記ファイバブラッグ回折格子を光が往復する時間より短い所定の時間差をもって合波された偏波多重基準光を用い、
前記反射光と前記偏波多重基準光との合波によって得られる前記ディジタル信号に対するフーリエ変換処理を、前記反射光と前記偏波多重基準光に含まれる前記第１の基準光との干渉によって生じるビート周波数と、前記反射光と前記偏波多重基準光に含まれる前記第２の基準光との干渉によって生じるビート周波数とが重ならない複数の期間に分割して行ない、
前記複数の期間について得られたフーリエ変換結果を距離軸上で合成することで、前記反射光の互いに直交した２つの偏波成分の測定結果を得ることを特徴とする。
【００４４】
また、本発明の請求項２の光周波数領域反射測定方法は、請求項１記載の光周波数領域反射測定方法において、
前記測定光として、互いに偏波が直交する第１の測定光と第２の測定光とを、波長掃引毎に交互に切り替えて前記被測定光ファイバに与え、
前記第１の測定光および前記第２の測定光に対してそれぞれ前記被測定光ファイバから反射された反射光と前記偏波多重基準光との合波によって得られる前記ディジタル信号に対するフーリエ変換処理を、前記複数の期間に分割して行ない、
前記第１の測定光と前記第２の測定光に対してそれぞれ前記被測定光ファイバからの反射光の互いに直交した２つの偏波成分の測定結果を得ることを特徴とする。
【００４５】
また、本発明の請求項３の光周波数領域反射測定装置は、
波長が所定範囲連続的に掃引される波長掃引光を出力する波長掃引光源（１）と、
前記波長掃引光を第１光路で受けて分岐する分岐手段（３）と、
前記分岐手段で分岐されて第２光路に出力された第１分岐光を測定光として受け、格子間隔がチャープしたファイバブラッグ回折格子を有する被測定光ファイバ（３７）に出力すると共に、該測定光に対する前記被測定光ファイバからの反射光を受け入れる方向性光結合手段（３１）と、
前記分岐手段で分岐されて第３光路に出力された第２分岐光を基準光として受け、該基準光と前記方向性光結合手段から出力される前記被測定光ファイバからの反射光とを合波する合波手段（４１）と、
前記合波手段の出力光を受けて前記反射光と前記基準光の干渉によって生じるビートを電気信号として出力する受光器（５５、５７）と、
前記電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（６５）と、
前記ディジタル信号に対するフーリエ変換処理を行なう信号処理部（１０１〜１０３）とを有する光周波数領域反射測定装置において、
前記第２光路に挿入され、前記第２分岐光を受け、前記波長掃引光と同一の波長掃引特性を有し、互いに偏波が直交する第１の基準光と第２の基準光とが、前記ファイバブラッグ回折格子を光が往復する時間より短い所定の時間差をもって合波された偏波多重基準光を出力させる偏波多重部（１０）を有し、
前記信号処理部は、
前記反射光と前記偏波多重基準光との合波によって得られるディジタル信号に対するフーリエ変換処理を、前記反射光と前記偏波多重基準光に含まれる前記第１の基準光との干渉によって生じるビート周波数と、前記反射光と前記偏波多重基準光に含まれる前記第２の基準光との干渉によって生じるビート周波数とが重ならない複数の期間に分割して行ない、該複数の期間について得られたフーリエ変換結果を距離軸上で合成することで、前記反射光の互いに直交した２つの偏波成分の測定結果を得るように構成されていることを特徴とする。
【００４６】
また、本発明の請求項４の光周波数領域反射測定装置は、請求項３記載の光周波数領域反射測定装置において、
前記第１光路または第２光路のいずれかに挿入され、前記波長掃引光または前記第１分岐光を受け、前記波長掃引光と同一の波長掃引特性を有し、互いに偏波が直交する第１の測定光と第２の測定光を、波長掃引毎に切り替えて出力する偏波切替手段（１５、１６）を有し、
前記信号処理部は、
前記第１の測定光および前記第２の測定光に対してそれぞれ前記被測定光ファイバからの反射光と前記偏波多重基準光との合波によって得られるディジタル信号に対するフーリエ変換処理を、前記複数の期間に分割して行ない、
前記第１の測定光と前記第２の測定光に対してそれぞれ前記被測定光ファイバからの反射光の互いに直交した２つの偏波成分の測定結果を得るように構成されていることを特徴とする。
【００４７】
また、本発明の請求項５の光周波数領域反射測定装置は、請求項３または請求項４記載の光周波数領域反射測定装置において、
前記被測定光ファイバが、長手方向に複数の領域に分割され、該複数の領域はそれぞれの格子間隔がチャープしたファイバブラッグ回折格子を有しており、
前記信号処理部は、前記測定光の波長が１回掃引されたときに得られる前記ディジタル信号に対するフーリエ変換処理を、前記測定光に対する前記被測定光ファイバの前記複数の領域からの反射光と前記偏波多重基準光に含まれる前記第１の基準光との干渉によって生じるビート周波数と、前記測定光に対する前記被測定光ファイバの前記複数の領域からの反射光と前記偏波多重基準光に含まれる前記第２の基準光との干渉によって生じるビート周波数とが重ならない複数の期間に分割して行なうことを特徴する。
【００４８】
また、本発明の請求項６の光周波数領域反射測定装置は、請求項５記載の光周波数領域反射測定装置において、
前記偏波多重部の所定の時間差が、前記被測定光ファイバの前記領域のいずれかを光が往復する時間より短く設定されていることを特徴とする。
【００４９】
また、本発明の請求項７の光周波数領域反射測定装置は、請求項５または請求項６記載の光周波数領域反射測定装置において、
前記被測定光ファイバの複数の領域の反射波長範囲の一部が重複するように形成されており、
前記波長掃引光源の波長掃引範囲が、前記被測定光ファイバの前記波長掃引範囲の重複する部分に達していることを特徴とする。
【００５０】
また、本発明の請求項８の光周波数領域反射測定装置は、請求項３〜７のいずれかに記載の光周波数領域反射測定装置において、
前記被測定光ファイバが、複数Ｍ以上のコアを有するマルチコアファイバ（３６）であって、
前記測定光を前記マルチコアファイバのコアのうちの複数Ｍのコアに与え、該複数Ｍのコアからの反射光と前記偏波多重基準光との干渉で得られるビート信号を得るために、前記方向性結合手段、前記合波手段、前記受光器および前記Ａ／Ｄ変換器の組を前記複数Ｍ組設けたことを特徴する。
【００５１】
また、本発明の請求項９の光周波数領域反射測定装置は、請求項３〜７のいずれかに記載の光周波数領域反射測定装置において、
前記被測定光ファイバが、複数Ｍ以上のコアを有するマルチコアファイバ（３６）であって、
前記測定光を前記マルチコアファイバのコアのうちの複数Ｍのコアに与え、該測定光に対する前記複数Ｍのコアからの反射光をそれぞれ受け入れるために前記方向性結合手段が前記複数Ｍ組設けられ、
前記複数Ｍのコアからの反射光を、前記方向性結合手段を介して合波する反射光合波手段（４８）と、
前記反射光合波手段において前記複数Ｍのコアからの反射光が前記コア毎に異なる遅延時間をもって合波されるように遅延時間差を付与する手段（５１Ａ〜５１Ｄ）とを有し、
前記反射光合波手段の出力に対する処理を、１組の前記合波手段、前記受光器および前記Ａ／Ｄ変換器で行なうことを特徴する。
【００５２】
また、本発明の請求項１０の光周波数領域反射測定装置は、請求項８または請求項９記載の光周波数領域反射測定装置において、
前記複数Ｍが４であることを特徴とする。
【００５３】
また、本発明の請求項１１の位置または形状を測定する装置は、
前記請求項３〜１０のいずれかに記載の光周波数領域反射測定装置を用いて、前記被測定光ファイバが固定された被測定物の位置または形状を測定することを特徴する。
【００５４】
また、本発明の請求項１２の位置または形状を測定する装置は、請求項１１記載の位置または形状を測定する装置において、
前記被測定物が、医療用カテーテル、医療用検査プローブ、医療用センサ、建築物検査センサ、海底センサ、または地質センサであることを特徴する。
【発明の効果】
【００５５】
上記したように、本発明では、波長掃引光源が出力する波長掃引光を測定光として被測定光ファイバに与え、基準光としては、互いに偏波が直交する第１の基準光と第２の基準光が、被測定光ファイバのファイバブラッグ回折格子を光が往復する時間より短い所定の時間差をもって合波された偏波多重基準光を用い、被測定光ファイバからの反射光と偏波多重基準光に含まれる第１の基準光との干渉によって生じるビート周波数と、被測定光ファイバからの反射光と偏波多重基準光に含まれる第２の基準光との干渉によって生じるビート周波数とが重ならない複数の期間に分割してフーリエ変換処理を行ない、その複数の期間について得られたフーリエ変換結果を距離軸上で合成することで、反射光の互いに直交した２つの偏波成分の測定結果を得るようにしている。
【００５６】
つまり、測定光を受けた被測定光ファイバから得られる反射光に対し、互いに偏波が直交する第１の基準光と第２の基準光で所定の時間差をもって干渉させてビートを得て、そのビート周波数が重複しないように期間を分割してフーリエ変換処理を行なうことで、反射光の直交する２つの偏波成分を演算で分離して得ることができ、従来装置のような光学的な偏波分離処理およびそのための偏波調整処理が不要となり、被測定光ファイバの１コア当り、１組の受光器、Ａ／Ｄ変換器という簡単な構成で実現できる。
【００５７】
また、上記のように、コア当り受光器とＡ／Ｄ変換器が１組で済むから、被測定光ファイバがマルチコアファイバの場合でも、装置を簡単に低コストに構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施形態の構成図
【図２】本発明の実施形態の要部の構成例を示す図
【図３】本発明の実施形態の要部を自由空間光学系で構成した例を示す図
【図４】被測定光ファイバの構造例を示す図
【図５】被測定光ファイバの反射波長特性と掃引波長との関係を示す図
【図６】本発明の実施形態の信号処理部の構成例を示す図
【図７】本発明の実施形態のフーリエ変換を２期間に分けて行なう場合の動作説明図
【図８】本発明の実施形態のフーリエ変換を３期間に分けて行なう場合の動作説明図
【図９】本発明の実施形態のフーリエ変換を窓関数処理後に行なう場合の動作説明図
【図１０】本発明の実施形態の別の構成図
【図１１】本発明の実施形態の要部を自由空間光学系で構成した例を示す図
【図１２】本発明の実施形態の合波手段と受光器をシングルエンドにした構成例
【図１３】チャープ領域が重複する光ファイバの反射波長特性と掃引波長との関係を示す図
【図１４】チャープ領域が重複する光ファイバの反射波長特性と掃引波長との関係を示す図
【図１５】マルチコアファイバに対応する実施形態の構成図
【図１６】マルチコアファイバの構造例を示す図
【図１７】マルチコアファイバに対応する実施形態の別の構成図
【図１８】従来装置の基本構成図
【図１９】光周波数領域反射測定法の基本原理を説明するための図
【図２０】偏波を考慮した従来装置の構成図
【図２１】偏波を考慮した従来装置の別の構成図
【図２２】マルチコアファイバに対応した従来装置の別の構成図
【図２３】図２２の要部の構成例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００５９】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明を適用した光周波数領域反射測定装置（以下、単に測定装置と記す）１００の構成例を示している。なお、以下の構成例において、前記した従来装置の構成要素と同等の要素には同一符号を付して説明する。
【００６０】
図１において、測定装置１００の波長掃引光源１は、規定された波長範囲および掃引速度で出力光Ｐ０の波長を掃引する。波長掃引光源１は、例えば、回折格子を用いた外部共振器レーザにおいて、回折格子またはミラーの角度を変えて共振波長を変えることにより発振波長を掃引する構成で実現できる。
【００６１】
なお、一般に光周波数領域反射測定では、時間に対して光の周波数が直線的に変化する掃引が理想であるが、それに限られるものではなく、時間に対して光の波長が直線的に変化する掃引や、光の波長が正弦波的に変化する掃引でも良い。また、中心波長に対して波長掃引幅が十分小さい場合、波長が直線的に変化する掃引は、光周波数がほぼ直線的に変化することになる。正弦波的な掃引の場合は、正弦波のうちの比較的直線に近い領域のみを使用することにより、直線に近い掃引とみなすことが出来る。また、後述するように遅延干渉計を用いて掃引の非直線性を補正することも出来る。
【００６２】
波長掃引光源１の出力光Ｐ０は、所定光路（第１光路）を介して光カプラ等からなる分岐手段３に入力されて２分岐され、その一方の分岐光Ｐ１は、分岐手段３から方向性結合手段３１に至る光路（第２光路）の間に挿入された偏波コントローラ１５に入力され、他方の分岐光Ｐ２は、合波手段４１との間の光路（第３光路）に挿入された偏波多重部１０に入力される。
【００６３】
ここで、波長掃引光は単一偏波であり、直線偏波、円偏波、楕円偏波のいずれでも良い。
【００６４】
偏波コントローラ１５は、制御器１６とともに本実施例の偏波切替手段を構成するものである。分岐光Ｐ１を受け、分岐光Ｐ１の偏波を制御することにより、互いに偏波が直交する第１の測定光と第２の測定光とを、波長長掃引光源１で波長掃引が行なわれる毎に、交互に切り替えて出力する。
【００６５】
偏波コントローラ１５は、波長掃引光の波長掃引毎に交互に２つの直交した偏波状態を出力するように制御器１６によって制御されるが、波長掃引の往復を測定に使用し、往路と復路で偏波状態を切替えてもよく、波長掃引の往路のみを測定に使用し偶数回目の往路と奇数回目の往路とで偏波状態を変えるようにしても良い。
【００６６】
一方、偏波多重部１０は、分岐手段３で分岐された分岐光Ｐ２を受け、波長掃引光Ｐ０と波長掃引特性が同一で、互いの偏波が直交する第１の基準光と第２の基準光とが、所定の時間差ΔＴもって合波された光を偏波多重基準光として出力するものであり、基本的には、分岐手段１１によって２分岐された光Ｐ２ａ、Ｐ２ｂの間に、偏波直交性付与手段１２によって互いの偏波が直交する偏波直交性を付与するとともに、遅延時間差付与手段１３によって偏波が直交した２つの光に所定の時間差ΔＴ１を付与して合波出力する。なお、この時間差ΔＴ１は、後述するファイバブラッグ回折格子を光が往復する時間または被測定光ファイバの１つの領域を光が往復する時間より短いものとする。偏波直交性付与手段１２と遅延時間差付与手段１３は、逆の順序であっても良い。
【００６７】
ここで、直交する偏波とは、ジョーンズベクトルで表した第１の偏波状態Ｅ１と第２の偏波状態Ｅ２がＥ１・Ｅ２＊＝０の関係になる（ここで、記号・は内積、記号＊ は複素共役を表す）、もしくは、ポアンカレ球上で第１の偏波状態を表す点に対して、第２の偏波状態はポアンカレ球の中心に対して対称な点になるものである。
【００６８】
例えば、一方の光の偏波が直線偏波の場合は、その直線偏波と角度が９０度異なる直線偏波を他方の光として生成し、両者に所定時間差を付与して合波する。また、一方の光の偏波が円偏波の場合は、その回転方向が逆の円偏波を他方の光として生成し、両者に所定時間差を付与して合波する。さらに、一方の光の偏波が楕円偏波の場合は、楕円の長軸の角度が９０度異なり、楕円率が同じで回転方向が逆の楕円偏波を他方の光として生成し、所定時間差を付与して合波する。
【００６９】
図２は、この偏波多重部１０のより具体的な構成例を示すものであり、図２の（ａ）では、分岐手段１１で分岐された光の一方Ｐ２ａを偏波直交変換手段１２に入力して、その偏波が入力光に対して直交する光Ｐ２ａ′（第１の基準光）を生成する。偏波直交変換手段１２は、例えばファイバを円形に所定の回数巻いた偏波コントローラや、１／２波長板や１／４波長板を組み合わせた偏波コントローラで構成することが出来る。また分岐手段１１で分岐された他方の光Ｐ２ｂを遅延ファイバのような遅延手段１３で所定時間ΔＴだけ遅延させ、その遅延した光Ｐ２ｂ′（第２の基準光）と偏波が直交変換された光Ｐ２ａ′とを合波手段１４で合波する。なお、図２では入力光の偏波が直線偏波の例を示している。
【００７０】
遅延手段１３として、屈折率ｎ、長さΔＬ１の光ファイバを用いた場合、時間差ΔＴ１はｎΔＬ１／ｃとなる。ここでｃは光速である。
【００７１】
実際には、分岐手段１１の出力光路の他方を偏波保持ではないファイバで構成すると、分岐手段１１からの出力光路の他方の光の偏波が変化するため、光カプラからなる合波手段１４で２つの光を合波する際に、２つの光の偏波状態が互いに直交する（ジョーンズベクトルがＥ１・Ｅ２＊＝０の関係になる、もしくはポアンカレ球上で中心に対して対称な点になる）ように、偏波直交変換手段１２として、偏波状態の調整可能な偏波コントローラを用いることが望ましい。
【００７２】
また、偏波コントローラ等の偏波直交変換手段１２にも一定の遅延時間が存在するため、合波手段１４で２つの光を合波する際に２つの光の遅延時間差がΔＴ１になるように遅延手段１３の遅延時間（ファイバ長等）を設定する。
【００７３】
図２の（ａ）では、分岐手段１１の出力の一方に偏波直交変換手段１２、他方に遅延手段１３を配置したが、図２の（ｂ）のように分岐手段１１の出力の一方に偏波直交変換手段１２と遅延手段１３の両方を配置しても良く、偏波直交変換手段１２と遅延手段１３の順序は逆でも良い。つまり、合波手段１４で２つの光を合波する際に、互いに直交した偏波で時間差が所定値ΔＴ１であれば良く、２つの光のうちどちらの遅延時間が大きくても良い。
【００７４】
偏波多重部１０は、偏波が互いに直交し遅延時間差を持つ２つの光を多重すれば良いため、（ａ）、（ｂ）以外の構成も可能である。例えば、図２の（ｃ）のように合波手段１４として偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いても良い。この場合、２つの光の偏波をＰＢＳに合わせる必要があり、偏波直交性付与手段として、偏波コントローラ等からなる２つの偏波調整手段１２ａ、１２ｂが必要となるが、光カプラからなる合波手段で合波する際の３ｄＢ損失が無いため、低損失になる特長を持つ。
【００７５】
また、図２の（ｄ）のように２つの偏波調整手段１２ａ、１２ｂのうちのどちらか一方は分岐手段１１の前に配置することも出来る。
【００７６】
また、偏波多重部１０は、図３のように自由空間光学系で構成することもできる。図３の（ａ）は、分岐手段および合波手段としてハーフミラー１１、１４、遅延手段として２つのミラー１３ａ、１３ｂ、直交変換手段として、回転角度が調整可能な１／２波長板１２を用いた例であり、図３の（ｂ）は、遅延手段に直交可動ミラー１３ｃを含めて遅延時間差を調整出来るようにした例である。また、図３の（ｃ）は、分岐手段および合波手段として偏光ビームスプリッタ１１、１４を用い、直交変換手段としてファイバ型の偏波調整手段１２ｂと自由空間の１／２波長板１２ａを組み合わせた例であり、その他、ファイバ型と自由空間型の素子は任意に組み合わせることが出来る。
【００７７】
偏波コントローラ１５から波長掃引毎に第１の測定光と第２の測定光に切替られて出力される測定光Ｐmesは、光サーキュレータ等からなる方向性結合手段３１を介して被測定光ファイバ３７に入力される。なお、第１の測定光と第２の測定光に対する本実施例装置の処理は同一なので、以下の説明では、両者を区別せずに単に測定光と言う。
【００７８】
ここで、被測定光ファイバ３７は、図４に示しているように、コア３７ａ内の回折格子３７ｃの間隔Λがチャープ（長手方向に変化）したファイバブラッグ回折格子（ＦＢＧ）を含む光ファイバであり、ＦＢＧの反射波長λは、λ＝２ｎΛで表される。ｎはコアの屈折率である。
【００７９】
よってチャープＦＢＧの反射波長は、図５の（ａ）に示すように、距離によって変化する。距離に対して反射光周波数が直線的に変化するのが望ましいが、必ずしも直線である必要はなく、距離に対して反射波長が直線的に変化するものでも良い。
【００８０】
図４、図５では、３つの領域を模式的に図示しているが、領域の数は１つでも複数でも良い。領域長がセンチメートル程度のチャープＦＢＧは容易に作製可能であるので、全長がメートル程度の被測定光ファイバでは、１００程度の領域に分割しても良い。
【００８１】
図４、図５では回折格子間隔の変化が誇張して書かれているが、実際のチャープＦＢＧでは、例えば反射波長の中心が１５５０ｎｍに対して、反射波長の変化幅は数１０ｎｍ程度の場合がある。また、図５の（ａ）では、同図の左側から見て長波長から短波長にチャープする例を示しているが、逆に短波長から長波長にチャープするようにしても良い。
【００８２】
このような反射波長特性を有する被測定光ファイバ３７に対して、図５の（ｂ）に示すように波長掃引される光を入力した場合、時間によってＦＢＧで反射する位置が変化する。ＦＢＧの反射率が小さい場合、複数の領域のＦＢＧによる多重反射は無視でき、ＦＢＧの領域毎に光が反射して被測定光ファイバ３７から戻ってくる。
【００８３】
上記光周波数領域反射測定法では、被測定光ファイバ３７からの反射光Ｐret と基準光Ｐｒが干渉してビートが発生するが、そのビート周波数は被測定光ファイバの距離に対応しているので、波長掃引された光に対し、図５の（ｃ）のようにＦＢＧの領域の数だけビートスペクトルのピークが発生し、時間によってそのピーク周波数が変化する。ここで被測定光ファイバの長手方向に連続した測定結果を得るためには、ＦＢＧの各領域を隙間無く配置し、波長掃引範囲λ１〜λ２は、ＦＢＧの反射波長範囲以上にする必要がある（図５は、波長掃引範囲λ１〜λ２とＦＢＧの反射波長範囲が一致している例を示す）。
【００８４】
なお、図５は、チャープＦＢＧに対して一つの波長掃引光を入射し、その反射光と一つの基準光との干渉で得られるビートスペクトルの例であり、実際には、実施形態の測定装置１００では、互いに偏波が直交する２つの基準光が所定の時間差で多重化された偏波多重基準光が入力されることになるが、その動作については後述する。
【００８５】
上記したチャープＦＢＧ型の被測定光ファイバ３７からの反射光Ｐret は、方向性結合手段３１を介して合波手段４１に入力される。方向性結合手段３１は、光サーキュレータの他に、光ファイバカプラあるいはハーフミラーで構成することもできる。また、合波手段４１としては、光ファイバカプラまたはハーフミラーで構成することができ、受光器としてバランス型を用いることを考慮して、合波される光の位相関係が反転した２系統の合波光を出力できるものが望ましいが、後述するように１系統出力のものでも使用できる。
【００８６】
合波手段４１からは、反射光Ｐret と基準光Ｐｒとの合波で得られる２系統の光Ｐsum(+)、Ｐsum(-)が出力される。これら２系統の光は、干渉する光の位相が互いに逆位相となり、２つの光の干渉によるビートの位相が互いに逆位相となる。
【００８７】
合波光Ｐsum(+)、Ｐsum(-)はバランス受光器５５に入力され、そのバランス受光器５５から入力光Ｐsum(+)、Ｐsum(-)の光強度の差に比例する電気信号Ａが出力され、Ａ／Ｄ変換器６５でディジタル信号Ｄに変換される。なお、バランス受光器は、入力光をそれぞれ独立に受ける二つの受光素子（例えばフォトダイオード）を直列接続し、その接続点から信号を取り出す構造のもの、または二つの受光素子と差動増幅器で構成されたものである。
【００８８】
前記したように、Ｐsum(+)、Ｐsum(-)はそれぞれビートの位相が逆位相となっているため、バランス受光器に入力することで、得られるビート信号の振幅が２倍になる。そして、波長掃引光源１の強度変動による雑音は打ち消され、ランダムな雑音は振幅が√２倍になるため、信号対雑音比が改善する。
【００８９】
Ａ／Ｄ変換器６５の出力Ｄは信号処理部１０１に入力される。信号処理部１０１は、例えば図６に示すように、ディジタル信号を一時記憶するバッファメモリ１０１ａ、一時記憶されたディジタル信号に対するフーリエ変換を行なうフーリエ変換部１０１ｂ、フーリエ変換で周波数軸上に得られた結果を、被測定光ファイバの距離の情報に換算する距離換算部１０１ｃ、複屈折の補正処理などを行なう補正部１０１ｄおよびこれらを制御する制御部１０１ｅによって構成されている。
【００９０】
制御部１０１ｅは、波長掃引光源１との掃引同期をとりながら、その掃引波長範囲等の波長掃引情報、偏波多重部における多重時間差（ΔＴ１）の情報および被測定ファイバ３７に関する情報を受け、各部に対して必要なパラメータの設定、制御を行なうが、特に１回の波長掃引で得られるディジタル信号の時間領域を、偏波多重光を基準光として用いることで生じるビート周波数の重複が起きない複数の期間に分割し、これをフーリエ変換部１０１ｂに対して指定する。
【００９１】
フーリエ変換部１０１ｂは、制御部１０１ｄによって指定された期間に分けてディジタル信号に対するフーリエ変換を行なう。なお、補正部１０１ｄによる演算処理については、前記特許文献１に記載の処理と同等であるので、ここでは詳述しない。
【００９２】
（測定原理の説明）
次に、被測定光ファイバ３７からの反射光から互いに直交した偏波成分を分離して検出できる原理を説明する。
【００９３】
被測定光ファイバ３７は、図４と同様のチャープＦＢＧを持つ光ファイバである。チャープＦＢＧを光周波数領域反射測定法で測定すると、チャープの周期の数だけビートスペクトルのピークが発生し、時間によって周波数が一定割合で変化する。例えば、近端側より遠端側の格子間隔が短いチャープで、チャープ周期が３周期で、光源の掃引が時間的に光の周波数が増加する方向で、分岐手段３から合波手段４１までの基準光の光路長を分岐手段３から被測定光ファイバ３７の近端で反射して合波手段４１までの光路長よりも短くした場合、図７の（ａ）の実線のように、時間的に周波数が増加する３つのビートスペクトルのピークが得られる。
【００９４】
そして、この実施例の測定装置１００では、第１の基準光（例えばｓ偏波状態とする）と第２の基準光（例えばｐ偏波状態で、第１の基準光よりも時間ΔＴ１だけ遅れているとする）が多重化された偏波多重基準光を用いている。したがって、被測定光ファイバ３７からの反射光と偏波多重基準光とが合波手段４１で合波されると、被測定光ファイバ３７からの反射光のｓ偏波成分と第１の基準光とが干渉してビートが発生し、被測定光ファイバ３７からの反射光のｐ偏波成分と第２の基準光とが干渉してビートが発生する。
【００９５】
ここで、第２の基準光は、第１の基準光に比べて時間ΔＴ１だけ遅れているため、反射光のｐ偏波成分に対応するビートスペクトルのピークは、反射光のｓ偏波成分に対応するビートスペクトルのピークよりも周波数が低くなる。
【００９６】
例えば、偏波多重部１０の光路長差ΔＬ１をＦＢＧのチャープ周期の往復分の光路長の１／２に設定すると、図７の（ａ）の一点鎖線のように、反射光のｓ偏波成分に対応するビートスペクトルのピークＢ１ｓ〜Ｂ３ｓに対し、その各ピーク間隔の１／２ずつ低い周波数方向にずれた周波数位置に反射光のｐ偏波成分に対応するビートスペクトルのピークＢ１ｐ〜Ｂ３ｐが発生する。
【００９７】
ここで、波長掃引される時間範囲ｔ１〜ｔ２全体でみると、実線で表すピークが取る周波数範囲とその隣の一点鎖線で表すピークがとる周波数範囲はその周波数範囲のほぼ半分が重複しており、その周波数が重複した範囲を含めてフーリエ変換しても被測定光ファイバ３７の長手方向の歪の分布を正しく求める事ができない。
【００９８】
そこで、実施形態の測定装置１００では、図７の（ｂ）のように各ピークの周波数範囲が重複しないように時間領域を複数（この例では２つ）の期間に分割し、その分割した各期間についてフーリエ変換(例えばＣＰＵやＦＰＧＡを用いた高速フーリエ変換（ＦＦＴ）)を行なう。
【００９９】
図７の（ｃ）は、２つの期間について行なわれたフーリエ変換処理の結果を示しており、期間毎のフーリエ変換処理で、反射光のｓ偏波成分に対応するフーリエ変換結果（Ｂ１ｓＬ）〜（Ｂ３ｓＬ）、（Ｂ１ｓＨ）〜（Ｂ３ｓＨ）と、反射光のｐ偏波成分に対応するフーリエ変換結果（Ｂ１ｐＬ）〜（Ｂ３ｐＬ）、（Ｂ１ｐＨ）〜（Ｂ３ｐＨ）とが分離して得られる。
【０１００】
図７の（ｃ）で得られた結果を、横軸を被測定光ファイバ３７上の距離に換算すると、反射光のｐ偏波成分に対応するフーリエ変換結果（Ｂ１ｐＬ）〜（Ｂ３ｐＬ）、（Ｂ１ｐＨ）〜（Ｂ３ｐＨ）は偏波多重部１０の光路長差ΔＬ１の１／２だけ遠端側へ補正され、図７の（ｄ）のように全ての距離範囲にわたって反射光のｓ偏波成分に対応する結果と反射光のｐ偏波成分に対応する結果の両方が得られる。
【０１０１】
このように、全測定時間内では反射光のｓ偏波成分に対応するビートスペクトルと反射光のｐ偏波成分に対応するビートスペクトルを重複させることにより、反射光のｓ偏波成分に対応するビートスペクトルのみを測定する場合と比較して受光器やＡ／Ｄ変換器の帯域およびＡ／Ｄ変換器以降のサンプリング周波数を大幅に増加することなく、全測定時間を複数の領域に分割してフーリエ変換することにより、１組の受光器とＡ／Ｄ変換器で反射光のｓ偏波成分に対応するビートスペクトルと反射光のｐ偏波成分に対応するビート
スペクトルの両方を分離して得ることができる。
【０１０２】
なお、被測定光ファイバ３７に部分的に大きな歪みが加わると、歪みによってＦＢＧの格子間隔が変化し、図７の（ａ）のビートスペクトルのピークが直線からずれる。光路長差ΔＬ１の誤差により図７の（ａ）の一点鎖線は実線の中間からずれる場合がある。また、被測定光ファイバ３７の長手方向に欠損が無く連続的に歪みを測定することが望まれるが、チャープＦＢＧを完全に隙間無く配置することは困難なため、チャープＦＢＧを一部オーバラップさせて配置することが望ましい（その構造については後述する）。そして、ビートスペクトルのピークが完全に隙間無く並ぶように波長掃引範囲を設定することは難しいため、ビートスペクトルのピークの一部がオーバラップするように波長掃引範囲を設定することが望ましい。
【０１０３】
これらの事情から、上記した２分割のフーリエ変換では、ｓ偏波成分とｐ偏波成分が重複し分離できなくなる。この場合、時間軸上の分割数を増やすことにより重複を回避することが出来る。
【０１０４】
図８の（ａ）は、ビートスペクトルのピークＢ２ｐ、Ｂ２ｓが直線ではなく、前記光路長差ΔＬ１に誤差があり、ビートスペクトルのピークのオーバラップがある場合の例を示す。
【０１０５】
この場合、図８の（ｂ）のように時間軸上で期間１〜３に３分割することにより、ビート周波数の重複を回避し、図８の（ｃ）のように、期間１〜３におけるｓ偏波成分のフーリエ変換結果（Ｂ１ｓＬ）〜（Ｂ３ｓＬ）、（Ｂ１ｓＭ）〜（Ｂ３ｓＭ）、（Ｂ１ｓＨ）〜（Ｂ３ｓＨ）、期間１〜３におけるｐ偏波成分のフーリエ変換結果（Ｂ１ｐＬ）〜（Ｂ３ｐＬ）、（Ｂ１ｐＭ）〜（Ｂ３ｐＭ）、（Ｂ１ｐＨ）〜（Ｂ３ｐＨ）を分離して求め、横軸を被測定光ファイバ３７上の距離に換算すると図８の（ｄ）のように全距離範囲にわたってｓ偏波成分とｐ偏波成分に対応する結果を分離して得ることが出来る。
【０１０６】
なお、図８の（ｃ）のフーリエ変換結果のように、各期間におけるビート周波数の変化幅が異なる場合があるが、フーリエ変換結果の振幅（強度）によって周波数の両端を検出することが出来る。
【０１０７】
また、フーリエ変換時のスペクトルのサイドローブを低減するために、窓関数をかけた後フーリエ変換を行なうことも可能である。ただし、図７の（ｂ）のように時間領域を２分割して窓関数をかけると、窓関数の両端部に対応する位置のビートスペクトルが得られない問題が発生する。この場合、図９の（ａ）のようにチャープＦＢＧを一部オーバラップ（つまり実線部同士、一点鎖線部同士をオーバラップ）させ、図９の（ｂ）のように窓関数を一部オーバラップさせて３分割のフーリエ変換を行なうと、図９の（ｃ）のようにｓ偏波成分のビートスペクトルとｐ偏波成分のビートスペクトルの両端が一部重複するものの、図９の（ｄ）のように光路長差ΔＬ１を補正し、ビートスペクトルの両端の一部重複部分を使用しないことで、領域１〜３に示すように全距離範囲にわたってｐ偏波成分とｓ偏波成分に対応する結果を分離して得ることが出来る。
【０１０８】
なお、チャープの方向、チャープ周期の数、光源の掃引方向、偏波多重部の光路長差は、これに限られるものではない。他の条件においても、ビートスペクトルのピークの数、時間的な傾斜の方向、フーリエ変換分割数が異なるものの同様の効果を得ることが出来る。
【０１０９】
このように、図１の構成の測定装置１００は、多重化された２つの基準光で反射光の偏波成分を区別しているので、１組の受光器５５とＡ／Ｄ変換器６５で反射光のｐ偏波成分とｓ偏波性分を分離して測定することができ、光学的な偏波分離手段および２組の受光器とＡ／Ｄ変換器を使用する必要が無く、装置構成を簡単化できる。
【０１１０】
また、前記したように光学的な偏波分離手段が不要となるので、従来のように偏波分離手段で２つに分岐される基準光の強度が等しくなるように調整するための偏波コントローラも不要となる。
【０１１１】
なお、上記実施例の測定装置１００では、上記処理を前記した第１の測定光に対する反射光と、第２の測定光に対する反射光について行い、第１の測定光の偏波に対するディジタル信号と第２の測定光の偏波に対するディジタル信号を得ることになる。
【０１１２】
そして、第１の測定光に対する反射光のｓ偏波成分ａとｐ偏波成分ｂ、第２の測定光に対する反射光のｓ偏波成分ｃとｐ偏波成分ｄを求め、これら４つの信号ａ、ｂ、ｃ、ｄから、前記特許文献１に記載の方法にて被測定光ファイバ３７の複屈折を補正する。
【０１１３】
被測定光ファイバ３７の複屈折の補正を行わない場合は、測定装置１００から偏波コントローラ１５と制御器１６を省略することができる。通常の単一モードファイバでは光の偏波が保持されずファイバの曲げによって偏波が変化するため、被測定光ファイバ３７からの反射光の偏波は不定であるが、前述のように時間軸上で複数の期間に分割してフーリエ変換することにより、反射光のｓ偏波成分とｐ偏波成分を分離して得ることが出来る。これにより、例えば反射光のｓ偏波成分とｐ偏波成分の自乗和を求めると、反射光の偏波によらずに反射光の強度の分布を得ることが出来る。
【０１１４】
前記実施例の測定装置１００では、偏波切替手段を構成する偏波コントローラ１５が分岐手段３と方向性結合手段３１の間の光路に挿入されていたが、図１０に示す測定装置１１０のように、偏波コントローラ１５を波長掃引光源１と分岐手段３の間の光路に挿入してもよい。
【０１１５】
この場合、偏波コントローラ１５によって被測定光ファイバへ入力する測定光と共に基準光の偏波も波長掃引毎に切り替わる。このため、第１の測定光に対するディジタル信号と第２の測定光に対するディジタル信号のどちらか一方について、反射光のｐ偏波成分に対応する結果と反射光のｓ偏波成分に対応する結果を入れ替える、または反射光のｐ偏波成分に対応する結果と反射光のｓ偏波成分に対応する結果のどちらか一方を逆位相にすることにより、同一偏波状態の基準光の場合に変換することが出来る。
【０１１６】
合波手段４１は図１１に示すハーフミラーを用いた自由空間光学系で構成することも可能である。
【０１１７】
また、図１２に示すように、合波手段４１から１系統で出力される合波光Ｐsumをシングルエンドの受光器５７で受光する構成でもよい。この場合も、合波手段４１を光ファイバ光学系と自由空間光学系のどちらで構成してもよい。
【０１１８】
次に、被測定光ファイバ３７の長手方向に隣接したチャープＦＢＧの領域が一部重複している場合の例について図１３を用いて説明する。前記したように、複数の領域のＦＢＧを完全に隙間無く配置することは難しいので、このように各領域１〜３の一部が重複するようにしても良い。重複した部分には、格子間隔の異なる２つの回折格子が存在し、２つの波長で反射することになる。このため図１３の（ｂ）に示すように、距離と反射波長の関係も重複した部分が存在する。なお、重複部分を多くして、３つ以上の領域が重複するようにしても良い。図１３の（ｂ）の特性に対して、図１３の（ｃ）のような制限された波長掃引を行なうことで、図１３の（ｄ）に示すように、ビートスペクトルのピークが重複しないようにできる。
【０１１９】
また、図１４に、チャープＦＢＧの領域が重複し、ビートスペクトルのピークも重複している場合の例を示す。図１４の（ｂ）の特性に対して、波長掃引範囲を図１４の（ｃ）のようにチャープＦＢＧの反射波長範囲よりも若干狭く設定し、図１４の（ｄ）のようにビート周波数の重複を発生させている。波長掃引光源１の波長掃引範囲はチャープＦＢＧの反射波長範囲と等しいまたは広く設定しても良い。このように、チャープＦＢＧの領域を重複させることによりチャープＦＢＧを配置する位置精度が緩和され、ビートスペクトルのピークを重複させることにより、波長掃引光源１の波長掃引範囲の設定精度が緩和され、実施が容易になる。
【０１２０】
前記各実施形態では、被測定光ファイバ３７がシングルコアの例を説明したが、図１５に、被測定光ファイバをマルチコアファイバとする測定装置１２０の構成例を示す。
【０１２１】
この測定装置１２０は、図１に示した構成の測定装置１００を４コアの被測定マルチコアファイバ３６を測定するために拡張した構成となっている。
【０１２２】
即ち、波長掃引光源１から出力された光Ｐ０を分岐手段２により２分岐し、その一方Ｐ１を分岐手段３に与え、その分岐光Ｐ３を偏波コントローラ１５に入力し、別の分岐光Ｐ４を偏波多重部１０に与える。
【０１２３】
そして、偏波コントローラ１５の出力光Ｐ３′を分岐手段３０Ａで４分岐し、４系統の測定光Ｐmes1〜Ｐmes4を各方向性結合手段３１Ａ〜３１Ｄに出力する。また、偏波多重部１０からの出力光Ｐ４′を分岐手段３０Ｂで４分岐し、４系統の偏波多重基準光Ｐr1〜Ｐr4を各合波手段４１Ａ〜４１Ｄに出力する。
【０１２４】
各測定光Ｐmes1〜Ｐmes4は、各方向性結合手段３１Ａ〜３１Ｄおよびマルチコアファイバ用ファンアウト３５を介して１本の被測定マルチコアファイバ３６の各コアに導かれる。各コアからの反射光Ｐret1〜Ｐret4は、マルチコアファイバ用ファンアウト３５および各方向性結合手段３１Ａ〜３１Ｄを介して各合波手段４１Ａ〜４１Ｄに導かれ、各偏波多重基準光Ｐr1〜Ｐr4と合波される。
【０１２５】
被測定マルチコアファイバ３６は、空間多重光ファイバ伝送に用いられ、１つのクラッドの中に複数のコアを持つ。
【０１２６】
図１６の（ａ）は、チャープＦＢＧを有するマルチコアファイバの例であり、中心のコア３６ａの周囲に３つのコア３６ｂ〜３６ｄが配置され、各コア３６ａ〜３６ｄにチャープＦＢＧが形成されている。
【０１２７】
被測定光ファイバの３次元の位置または形状を測定するためには、ファイバの２方向の曲げとねじれの３次元の歪みを測定する必要がある。さらに、被測定光ファイバの温度補償を行なう必要があり、合計４本のコアが必要となる。もし２次元の位置または形状を測定する場合は３本のコアでよく、１次元の位置または形状を測定する場合は２本のコアでよい。図１６の（ａ）では全てのコア３６ａ〜３６ｄを直線状に描いているが、被測定光ファイバのねじれを測定するためには、被測定光ファイバに力を加えない状態において図１６の（ｂ）のように中心のコアの周りに他のコアが螺旋状にねじれている必要がある。また、空間多重光ファイバ伝送用途において、図１６の（ｃ）のように中心のコア１の周囲に６つのコア２〜７が配置された７コアファイバが用いられており、この７コアファイバの中心のコア１と周囲の３つのコアのみを３次元の位置または形状測定に使用することも出来る。
【０１２８】
合波手段４１Ａ〜４１Ｄ以降の構成は、図１に示した構成の測定装置１００の構成を４組分設けたものであり、各合波手段４１Ａ〜４１Ｄの出力をそれぞれバランス受光器５５Ａ〜５５Ｄに入力し、その出力Ａ１〜Ａ４をＡ／Ｄ変換器６５Ａ〜６５Ｄでディジタル信号Ｄ１〜Ｄ４に変換して信号処理部１０２に与えている。
【０１２９】
また、分岐手段２で分岐された他方の光Ｐ２は、監視部７０に入力される。監視部７０の構成および機能は、図２３に示したものと同じである。
【０１３０】
この構成の測定装置１２０では、被測定マルチコアファイバ３６の各コアについて前記同様の測定を行なうことができ、それら複数のコアの状態から、被測定マルチコアファイバ３６の各コアの歪みを正確に測定することができ、特許文献１に記載の方法にて被測定マルチコアファイバ３６の位置または形状を測定することが出来る。
【０１３１】
図１７の測定装置１３０は、図１５に示した測定装置１２０をさらに簡単化したものであり、図１５の測定装置１２０の各コアからの反射光Ｐret1〜Ｐrte4に対して、遅延ファイバ等からなる遅延手段５１Ａ〜５１Ｄによりそれぞれ異なる遅延時間を与えて、反射光合波手段４８で合波している。図１７では、遅延手段５１Ａ〜５１Ｄを方向性結合手段３１Ａ〜３１Ｄから反射光合波手段４８の間に挿入しているが、分岐手段３０から方向性結合手段３１Ａ〜３１Ｄの間や、方向性結合手段３１Ａ〜３１Ｄからマルチコアファイバ用ファンアウト３５の間に遅延手段５１Ａ〜５１Ｄを設けてもよい。
【０１３２】
反射光合波手段４８からの出力光と偏波多重部１０からの出力光（偏波多重基準光）Ｐｒを合波手段４１に与え、その出力光Ｐsum(+)、Ｐsum(-)をバランス受光器５５に入力し、その出力信号ＡをＡ／Ｄ変換器６５でディジタル信号Ｄに変換して信号処理部１０３に与える。この場合、バランス受光器５５の代わりにシングルエンドの受光器も使用できる。
【０１３３】
この測定装置１３０の場合、被測定マルチコアファイバ３６の４つのコアからの反射光の遅延時間と、偏波多重部１０の遅延時間を、例えば０、１、２、３、４の比率に設定し、時間軸上で８以上の領域に分割してフーリエ変換を行なうことにより、一方の偏波状態の測定光について、図１５と同様にして被測定マルチコアファイバ３６の４つのコアそれぞれの反射光のｓ偏波成分に対応するフーリエ変換結果とｐ偏波成分に対応するフーリエ変換結果の８個の信号を分離することができ、２回の波長掃引で２つの偏波状態の測定光についてのフーリエ変換結果の１６個の信号を得ることができる。
【符号の説明】
【０１３４】
１……波長掃引光源、２、３、３０Ａ、３０Ｂ……分岐手段、１０……偏波多重部、３１、３１Ａ〜３１Ｄ……方向性結合手段、４１、４１Ａ〜４１Ｄ……合波手段、５５、５５Ａ〜５５Ｄ……バランス受光器、６５、６５Ａ〜６５Ｄ……Ａ／Ｄ変換器、７０……監視部、１００、１１０、１２０、１３０……光周波数領域反射測定装置、１０１〜１０３……信号処理部
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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