(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の光周波数掃引速度で波長掃引された光を出力する光源（１１）と、
所定の反射波長の光を反射するファイバブラッグ回折格子（１０１〜１０５）を含む被測定光ファイバ（１００）と、
前記光源からの出力光を反射する反射面（１４ａ〜１４ｃ）を有する反射用光ファイバ（１４）と、
前記被測定光ファイバ及び前記反射用光ファイバに前記光源からの出力光を分岐して入力するとともに、前記被測定光ファイバからの反射光と前記反射用光ファイバからの反射光を合波する光合分波部（１２，２１〜２４，３０）と、
前記光合分波部によって合波された合波光を電気信号に変換する受光器（１５）、及び、前記電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（１６）を有し、前記ディジタル信号を離散フーリエ変換してスペクトログラムを算出し、当該スペクトログラムのピーク波長を検出することにより、前記ファイバブラッグ回折格子の各位置ｚにおける反射波長を検出する反射波長検出部（１３）と、備え、前記被測定光ファイバの歪み分布又は温度分布を測定するＯＦＤＲ装置において、
反射波長が互いに異なる複数の前記ファイバブラッグ回折格子が前記被測定光ファイバの長手方向に沿って、連続的に又は所定間隔を開けて直列に配置されており、
前記反射用光ファイバの前記反射面は、隣り合う２つの前記ファイバブラッグ回折格子の境界又は間隙に対応する位置のうちの少なくとも１つに配置され、
前記反射波長検出部による離散フーリエ変換で得られたフーリエ周波数ｆ（ｚ）が、各前記ファイバブラッグ回折格子において異なる位置ｚで同一の値にならないように、前記反射面を配置したことを特徴とするＯＦＤＲ装置。
【請求項２】
前記被測定光ファイバの長手方向に沿った前記複数のファイバブラッグ回折格子の配置順序は、反射波長に関して昇順又は降順であることを特徴とする請求項１に記載のＯＦＤＲ装置。
【請求項３】
前記被測定光ファイバに配置された前記複数のファイバブラッグ回折格子に歪みが掛かっていない状態において、前記複数のファイバブラッグ回折格子の長さが全て等しいとともに、隣り合う２つのファイバブラッグ回折格子の中心間距離も全て等しいことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のＯＦＤＲ装置。
【請求項４】
前記中心間距離をＬ、前記被測定光ファイバの屈折率をｎ、前記光源の光周波数掃引速度をＶ、光速をｃとしたときに、前記反射波長検出部の検出周波数の上限がＶ×２ｎＬ／ｃ以上であることを特徴とする請求項３に記載のＯＦＤＲ装置。
【請求項５】
前記反射用光ファイバに前記光源からの出力光を入力するとともに、前記光合分波部に前記反射用光ファイバからの反射光を入力する光カプラ（３０）を更に備え、
前記反射用光ファイバは、前記反射面がそれぞれ形成された複数の光ファイバ（３１〜３３）からなり、当該複数の光ファイバが前記光カプラにそれぞれ接続されることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のＯＦＤＲ装置。
【請求項６】
前記受光器は、前記合波光をバランスド受光するバランスドレシーバ（２５）であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のＯＦＤＲ装置。
【請求項７】
所定の光周波数掃引速度で波長掃引された光を出力する光源（１１）と、
所定の反射波長の光を反射するファイバブラッグ回折格子（１０１〜１０５）を含む被測定光ファイバ（１００）と、
前記光源からの出力光を反射する反射面（１４ａ〜１４ｃ）を有する反射用光ファイバ（１４）と、
前記被測定光ファイバ及び前記反射用光ファイバに前記光源からの出力光を分岐して入力するとともに、前記被測定光ファイバからの反射光と前記反射用光ファイバからの反射光を合波する光合分波部（１２，２１〜２４，３０）と、
前記光合分波部によって合波された合波光を電気信号に変換する受光器（１５）、及び、前記電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（１６）を有し、前記ディジタル信号を離散フーリエ変換してスペクトログラムを算出し、当該スペクトログラムのピーク波長を検出することにより、前記ファイバブラッグ回折格子の各位置における反射波長を検出する反射波長検出部（１３）と、備え、前記被測定光ファイバの歪み分布又は温度分布を測定するＯＦＤＲ装置において、
反射波長が互いに異なる複数の前記ファイバブラッグ回折格子が前記被測定光ファイバの長手方向に沿って、連続的に又は所定間隔を開けて直列に配置されており、
前記反射用光ファイバの前記反射面は、隣り合う２つの前記ファイバブラッグ回折格子の境界又は間隙に対応する位置のうちの少なくとも１つに配置され、
前記反射用光ファイバの前記反射面は、前記被測定光ファイバに配置された前記複数のファイバブラッグ回折格子のうち、前記光合分波部に近い側から数えて奇数番目のファイバブラッグ回折格子の出射端に対応する位置に配置されることを特徴とするＯＦＤＲ装置。
【請求項８】
所定の光周波数掃引速度で波長掃引された光を出力する光源（１１）と、
所定の反射波長の光を反射するファイバブラッグ回折格子（１０１〜１０５）を含む被測定光ファイバ（１００）と、
前記光源からの出力光を反射する反射面（１４ａ〜１４ｃ）を有する反射用光ファイバ（１４）と、
前記被測定光ファイバ及び前記反射用光ファイバに前記光源からの出力光を分岐して入力するとともに、前記被測定光ファイバからの反射光と前記反射用光ファイバからの反射光を合波する光合分波部（１２，２１〜２４，３０）と、
前記光合分波部によって合波された合波光を電気信号に変換する受光器（１５）、及び、前記電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器（１６）を有し、前記ディジタル信号を離散フーリエ変換してスペクトログラムを算出し、当該スペクトログラムのピーク波長を検出することにより、前記ファイバブラッグ回折格子の各位置における反射波長を検出する反射波長検出部（１３）と、備え、前記被測定光ファイバの歪み分布又は温度分布を測定するＯＦＤＲ装置において、
反射波長が互いに異なる複数の前記ファイバブラッグ回折格子が前記被測定光ファイバの長手方向に沿って、連続的に又は所定間隔を開けて直列に配置されており、
前記反射用光ファイバの前記反射面は、隣り合う２つの前記ファイバブラッグ回折格子の境界又は間隙に対応する位置のうちの少なくとも１つに配置され、
前記反射用光ファイバの前記反射面は、前記被測定光ファイバに配置された前記複数のファイバブラッグ回折格子のうち、前記光合分波部に近い側から数えて奇数番目のファイバブラッグ回折格子の入射端に対応する位置に配置されることを特徴とするＯＦＤＲ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＯＦＤＲ装置に関し、特に所定の波長範囲を掃引する光源を用いてファイバブラッグ回折格子（Fiber Bragg Grating：ＦＢＧ）を有する被測定光ファイバの歪み分布又は温度分布を測定するＯＦＤＲ装置に関する。
【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）を用いて、光ファイバの歪み分布又は温度分布を測定するＯＦＤＲ装置が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。光ファイバの歪み分布と温度分布は同じ手法で測定可能であるため、以下では歪み測定を例に挙げてＯＦＤＲ装置の構成及び動作を説明する。
【０００３】
図１２に、従来のＯＦＤＲ装置の基本構成を示す。掃引光源４１は、時間に対して光の周波数が直線的に変化するように出力光の波長を掃引する。光カプラ４２は掃引光源４１の出力光を２つに分岐する。光カプラ４２で分岐された光の一方は被測定光ファイバ４３に入射し、他方は反射用光ファイバ４４に入射する。被測定光ファイバ４３は、所定の長さのファイバブラッグ回折格子（Fiber Bragg Grating：ＦＢＧ）４５を備える。ＦＢＧ４５はその格子間隔に応じた特定の波長の光を反射するものであり、被測定光ファイバ４３の長手方向に歪みが加わると反射する光の波長が変化する。
【０００４】
反射用光ファイバ４４の先端には全ての波長の光を反射する反射膜（反射面）４４ａが付いている。被測定光ファイバ４３のＦＢＧ４５で反射した光と反射用光ファイバ４４の反射膜４４ａで反射した光（基準光）は光カプラ４２で合波され、被測定光ファイバ４３からの反射光と基準光が干渉する。受光器４６は、この干渉光の光強度を電気信号（ビート信号）に変換して出力する。
【０００５】
ビート信号の周波数ｆは、被測定光ファイバ４３からの反射光と基準光の光周波数の差δｖである。図１３に示すように、光カプラ４２からＦＢＧ４５の入射端までの被測定光ファイバ４３のファイバ長をＬＳ、光カプラ４２から反射膜４４ａまでのファイバ長をＬＲとし、掃引光源４１の光周波数掃引速度をＶ［Ｈｚ／ｓ］、被測定光ファイバ４３の屈折率をｎ、光速をｃとすると、ＦＢＧ４５の入射端から距離ｚの位置で反射した光に関するビート信号の周波数ｆ（ｚ）は、下記の式（１）で表すことができる。
ｆ（ｚ）＝Ｖ×２ｎ（ｚ＋ＬＳ−ＬＲ）／ｃ  ・・・（１）
【０００６】
式（１）は、ＬＳ＝ＬＲとなるように光学系を配置すれば、次式のようになる。
ｆ（ｚ）＝Ｖ×２ｎｚ／ｃ  ・・・（２）
【０００７】
ＦＢＧ４５の至る所で光の反射が起こるため、受光器４６には、ＦＢＧ４５で発生した全ての反射光が重畳されて受光される。受光器４６から出力された電気信号（ビート信号）はＡ／Ｄ変換器４７でディジタル信号に変換される。よって、このディジタル信号を離散フーリエ変換して周波数ｆ＝ｆ（ｚ）の信号強度を求めれば、その信号強度は位置ｚからの反射光の強度となる。
【０００８】
スペクトログラム算出部４８では、上記のディジタル信号に対して微小波長区間ごとに離散フーリエ変換を行ない、スペクトログラムを算出する。ピーク波長検出部４９は、算出されたスペクトログラムの微小周波数区間ごとに波長軸方向のピークを検出する。さらに、ピーク波長検出部４９は、得られたピークとＦＢＧ４５に歪みが掛かっていない状態での反射波長との差Δλに基づいて、被測定光ファイバ４３の位置ごとの歪みを出力する。
【０００９】
反射波長の変化Δλが微小であれば、図１４に示すようにΔλは歪みεに比例し、Δλ＝ａ×εとなる。ここで、歪みεの単位は１μストレインであり、これは１ｍの物体が１μｍ伸縮したときの歪み量を表す。例えば、ｎ＝１．４５であり、歪みがない場合の反射波長が１５５０ｎｍの場合には、ａは１．２×１０−６程度の値となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−１４７９００号公報
【特許文献２】特開２００４−２０５３６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の式（１），（２）から分かるように、特許文献１，２に開示されたような従来のＯＦＤＲ装置においては、測定距離範囲、すなわち距離ｚが長くなると、ビート信号の周波数ｆ（ｚ）が高くなる。しかしながら、検出できるビート信号の最大周波数ｆＬＩＭＩＴは受光器やＡ／Ｄ変換器の帯域で決まり、例えばＬＳ＝ＬＲである式（２）の場合には、測定できる最大の距離ｚＬＩＭＩＴはｚＬＩＭＩＴ＝ｃ／（２ｎＶ）×ｆＬＩＭＩＴに制限される。つまり、ｚＬＩＭＩＴを拡大して長距離にわたって歪み分布又は温度分布の測定を行うためには、高速の受光器及びＡ／Ｄ変換器が必要となり、コストが高くなるという問題があった。
【００１２】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、ＦＢＧに対する歪み分布又は温度分布の測定において、受光器及びＡ／Ｄ変換器の測定帯域を拡大させることなく、測定可能なＦＢＧの距離範囲を拡大させることが可能なＯＦＤＲ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１のＯＦＤＲ装置は、所定の光周波数掃引速度で波長掃引された光を出力する光源と、所定の反射波長の光を反射するファイバブラッグ回折格子を含む被測定光ファイバと、前記光源からの出力光を反射する反射面を有する反射用光ファイバと、前記被測定光ファイバ及び前記反射用光ファイバに前記光源からの出力光を分岐して入力するとともに、前記被測定光ファイバからの反射光と前記反射用光ファイバからの反射光を合波する光合分波部と、前記光合分波部によって合波された合波光を電気信号に変換する受光器、及び、前記電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を有し、前記ディジタル信号を離散フーリエ変換してスペクトログラムを算出し、当該スペクトログラムのピーク波長を検出することにより、前記ファイバブラッグ回折格子の各位置における反射波長を検出する反射波長検出部と、備え、前記被測定光ファイバの歪み分布又は温度分布を測定するＯＦＤＲ装置において、反射波長が互いに異なる複数の前記ファイバブラッグ回折格子が前記被測定光ファイバの長手方向に沿って、連続的に又は所定間隔を開けて直列に配置されており、前記反射用光ファイバの前記反射面は、隣り合う２つの前記ファイバブラッグ回折格子の境界又は間隙に対応する位置のうちの少なくとも１つに配置され、前記反射波長検出部による離散フーリエ変換で得られたフーリエ周波数ｆ（ｚ）が、各前記ファイバブラッグ回折格子において異なる位置ｚで同一の値にならないように、前記反射面を配置したことを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の請求項２のＯＦＤＲ装置においては、前記被測定光ファイバの長手方向に沿った前記複数のファイバブラッグ回折格子の配置順序は、反射波長に関して昇順又は降順であることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の請求項３のＯＦＤＲ装置においては、前記被測定光ファイバに配置された前記複数のファイバブラッグ回折格子に歪みが掛かっていない状態において、前記複数のファイバブラッグ回折格子の長さが全て等しいとともに、隣り合う２つのファイバブラッグ回折格子の中心間距離も全て等しいことを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の請求項４のＯＦＤＲ装置においては、前記中心間距離をＬ、前記被測定光ファイバの屈折率をｎ、前記光源の光周波数掃引速度をＶ、光速をｃとしたときに、前記反射波長検出部の検出周波数の上限がＶ×２ｎＬ／ｃ以上であることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の請求項７のＯＦＤＲ装置は、所定の光周波数掃引速度で波長掃引された光を出力する光源と、所定の反射波長の光を反射するファイバブラッグ回折格子を含む被測定光ファイバと、前記光源からの出力光を反射する反射面を有する反射用光ファイバと、前記被測定光ファイバ及び前記反射用光ファイバに前記光源からの出力光を分岐して入力するとともに、前記被測定光ファイバからの反射光と前記反射用光ファイバからの反射光を合波する光合分波部と、前記光合分波部によって合波された合波光を電気信号に変換する受光器、及び、前記電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を有し、前記ディジタル信号を離散フーリエ変換してスペクトログラムを算出し、当該スペクトログラムのピーク波長を検出することにより、前記ファイバブラッグ回折格子の各位置における反射波長を検出する反射波長検出部と、備え、前記被測定光ファイバの歪み分布又は温度分布を測定するＯＦＤＲ装置において、反射波長が互いに異なる複数の前記ファイバブラッグ回折格子が前記被測定光ファイバの長手方向に沿って、連続的に又は所定間隔を開けて直列に配置されており、前記反射用光ファイバの前記反射面は、隣り合う２つの前記ファイバブラッグ回折格子の境界又は間隙に対応する位置のうちの少なくとも１つに配置され、前記反射用光ファイバの前記反射面は、前記被測定光ファイバに配置された前記複数のファイバブラッグ回折格子のうち、前記光合分波部に近い側から数えて奇数番目のファイバブラッグ回折格子の出射端に対応する位置に配置されることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の請求項８のＯＦＤＲ装置は、所定の光周波数掃引速度で波長掃引された光を出力する光源と、所定の反射波長の光を反射するファイバブラッグ回折格子を含む被測定光ファイバと、前記光源からの出力光を反射する反射面を有する反射用光ファイバと、前記被測定光ファイバ及び前記反射用光ファイバに前記光源からの出力光を分岐して入力するとともに、前記被測定光ファイバからの反射光と前記反射用光ファイバからの反射光を合波する光合分波部と、前記光合分波部によって合波された合波光を電気信号に変換する受光器、及び、前記電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器を有し、前記ディジタル信号を離散フーリエ変換してスペクトログラムを算出し、当該スペクトログラムのピーク波長を検出することにより、前記ファイバブラッグ回折格子の各位置における反射波長を検出する反射波長検出部と、備え、前記被測定光ファイバの歪み分布又は温度分布を測定するＯＦＤＲ装置において、反射波長が互いに異なる複数の前記ファイバブラッグ回折格子が前記被測定光ファイバの長手方向に沿って、連続的に又は所定間隔を開けて直列に配置されており、前記反射用光ファイバの前記反射面は、隣り合う２つの前記ファイバブラッグ回折格子の境界又は間隙に対応する位置のうちの少なくとも１つに配置され、前記反射用光ファイバの前記反射面は、前記被測定光ファイバに配置された前記複数のファイバブラッグ回折格子のうち、前記光合分波部に近い側から数えて奇数番目のファイバブラッグ回折格子の入射端に対応する位置に配置されることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の請求項５のＯＦＤＲ装置においては、前記反射用光ファイバに前記光源からの出力光を入力するとともに、前記光合分波部に前記反射用光ファイバからの反射光を入力する光カプラを更に備え、前記反射用光ファイバは、前記反射面がそれぞれ形成された複数の光ファイバからなり、当該複数の光ファイバが前記光カプラにそれぞれ接続されることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の請求項６のＯＦＤＲ装置においては、前記受光器は、前記合波光をバランスド受光するバランスドレシーバであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明は、ＦＢＧに対する歪み分布又は温度分布の測定において、受光器及びＡ／Ｄ変換器の測定帯域を拡大させることなく、測定可能なＦＢＧの距離範囲を拡大させることが可能なＯＦＤＲ装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ＦＢＧの反射特性を示すグラフである。
【図２】ＦＢＧの反射特性の測定方法を示す説明図である。
【図３】位置ｚにおけるＦＢＧ反射波長を示すグラフである。
【図４】歪みがある場合のＦＢＧの反射特性を示す説明図である。
【図５】歪みがある場合のＦＢＧのスペクトログラムを示すグラフである。
【図６】本発明の第１の実施形態としてのＯＦＤＲ装置の構成を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施形態としてのＯＦＤＲ装置の検出周波数の上限と、ＦＢＧの測定距離範囲との関係を示す説明図である。
【図８】本発明の第１の実施形態としてのＯＦＤＲ装置が備える掃引光源の波長掃引の様子を示すグラフである。
【図９】ＯＦＤＲ装置の検出周波数の上限と、ＦＢＧの測定距離範囲との関係を示す説明図（比較例）である。
【図１０】本発明の第２の実施形態としてのＯＦＤＲ装置の構成を示す図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態としてのＯＦＤＲ装置の構成を示す図である。
【図１２】従来のＯＦＤＲ装置の構成を示す図である。
【図１３】被測定光ファイバからの反射光と基準光の光路差を示す図である。
【図１４】被測定光ファイバの歪みとＦＢＧ反射波長の変化量との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係るＯＦＤＲ装置の実施形態について、図面を用いて説明する。ＯＦＤＲでは光ファイバの歪み分布又は温度分布を測定することができるが、光ファイバの歪み分布と温度分布は同じ手法で測定可能であるため、以降は歪み測定を例に挙げてＯＦＤＲ装置の測定原理を説明する。
【００２４】
ＦＢＧ（ファイバブラッグ回折格子）は、ＦＢＧ反射波長λＦＢＧに一致する波長の光を高い反射率で反射させ、ＦＢＧ反射波長λＦＢＧから遠い波長の光ほど低い反射率で反射させる。したがって、ＦＢＧへの入射光の波長を掃引しながらＦＢＧからの反射光を測定すれば、図１に示すようなλＦＢＧにピークを持つ反射特性が得られる。
【００２５】
図２（ａ）〜（ｅ）のグラフは、図１２に示した構成において、掃引波長λＡ，λＢ，λＣ，λＤ，λＥ付近の微小波長区間におけるビート信号のディジタルデータ（以下、「ビート信号データ」ともいう）を離散フーリエ変換した結果をそれぞれ模式的に示している。各グラフの縦軸はＦＢＧからの反射光の強度を表しており、横軸はフーリエ周波数、すなわちＦＢＧの入射端からの距離ｚを表している。
【００２６】
図２（ｆ）の下段は、ビート信号データにおける掃引波長λＤ付近の微小波長区間のデータを概念的に示している。また、図２（ｆ）の上段は、図２（ａ）〜（ｅ）に示したフーリエ周波数ｆ（位置ｚ）におけるＦＢＧからの反射光の強度を、横軸を掃引波長としてプロットしたグラフである。ここで、式（１）より、ｚ＝ｆ×ｃ／（２ｎＶ）−（ＬＳ−ＬＲ）である。
【００２７】
このように、波長掃引をしながら、微小波長区間の局所的なビート信号データのみに離散フーリエ変換を行ってＦＢＧからの反射光の強度を求めることにより、ＦＢＧの反射特性を得ることができる。
【００２８】
さらに、このようにして得られた位置ｚでのＦＢＧの反射特性からピーク波長を検出することにより、図３に示すように、位置ｚにおけるＦＢＧ反射波長λＦＢＧを求めることができる。
【００２９】
図４（ａ）〜（ｅ）のグラフは、ＦＢＧの位置ｚＡからｚＡ＋δｚの領域にのみ張力が加わり、その部分のみが伸びた場合において、掃引波長λＡ，λＢ，λＣ，λＤ，λＥ付近の微小波長区間におけるビート信号データを離散フーリエ変換した結果をそれぞれ模式的に示すものである。
【００３０】
また、図４（ｆ）は、図４（ａ）〜（ｅ）に示したフーリエ周波数ｆ（位置ｚ）におけるＦＢＧからの反射光の強度（実線）と、歪みがない場合のＦＢＧからの反射光の強度（破線）とを、横軸を掃引波長として示すグラフである。図４（ｆ）に示すように、ＦＢＧの位置ｚＡからｚＡ＋δｚの領域に伸長歪みが加わったことにより、ＦＢＧの反射特性のピーク波長は歪み量に比例して長波長側にシフトする（図１４参照）。
【００３１】
図４（ｇ）は、位置ｚにおけるＦＢＧ反射波長λＦＢＧを示すグラフであり、伸長歪みが加わった位置ｚＡからｚＡ＋δｚの領域にのみ波長シフトが起こっている様子を示している。また、この波長シフト量Δλから上記の領域の歪み量が分かる（図１４参照）。
【００３２】
このようにして、ＦＢＧ内のあらゆる位置ｚでの反射特性を算出することにより、スペクトログラムを得ることができる。図５は、位置ｚＡからｚＡ＋δｚの領域に伸長歪みが加わったＦＢＧのスペクトログラムを３次元的に示したものである。
【００３３】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態としてのＯＦＤＲ装置１の構成について説明する。図６に示すように、本実施形態のＯＦＤＲ装置１は、被測定光ファイバ１００に光を出力する掃引光源１１と、光合分波部としての光カプラ１２と、反射波長検出部１３と、反射用光ファイバ１４と、を備え、被測定光ファイバ１００の歪み分布又は温度分布を測定するものである。
【００３４】
掃引光源１１は、規定された掃引波長範囲及び光周波数掃引速度（あるいは波長掃引速度）で波長掃引されたレーザ光を出力するようになっている。発振波長の掃引は、例えば、回折格子を用いた外部共振器レーザにおいて、回折格子やミラー等の角度を変えて共振波長を変えることにより実行される。
【００３５】
一般にＯＦＤＲ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。波長掃引範囲がその中心波長に対して十分小さい場合、波長が直線的に変化する掃引は、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できる。
【００３６】
また、掃引光源１１は、出力したレーザ光の掃引波長と、そのレーザ光を出力した時刻とを掃引波長情報として反射波長検出部１３に出力するようになっている。
【００３７】
光カプラ１２は掃引光源１１の出力光を２つに分岐する。光カプラ１２で分岐された光の一方は被測定光ファイバ１００に入力され、他方は反射用光ファイバ１４に入力される。さらに、光カプラ１２は、被測定光ファイバ１００からの反射光と、反射用光ファイバ１４で反射された掃引光源１１からの出力光の一部を合波する。これにより、光カプラ１２からは、被測定光ファイバ１００の位置ｚに応じた周波数成分を有する合波光（干渉光）が出力される。
【００３８】
被測定光ファイバ１００は、その長手方向に沿って直列に配置された所定の長さの複数のＦＢＧを有する。複数のＦＢＧは、互いに所定間隔を開けずに連続的に被測定光ファイバ１００内に形成されてもよく、隣り合うＦＢＧが所定間隔を開けて被測定光ファイバ１００内に形成されてもよい。あるいは、独立した個別のＦＢＧが光ファイバで接続された構成を被測定光ファイバ１００としてもよい。
【００３９】
反射用光ファイバ１４は、全ての波長の光を反射する少なくとも１つの反射膜を有する。この反射用光ファイバ１４は、例えば複数の光ファイバを用意し、各光ファイバの端面に反射膜を形成した後に、全ての光ファイバを透光性の接着剤などによる接着、又は、融着によって一体の光ファイバとすることによって製造される。反射用光ファイバ１４の反射膜は、隣り合う２つのＦＢＧの境界又は間隙に対応する位置のうちの少なくとも１つに形成されている。
【００４０】
図６は、一例として、被測定光ファイバ１００が５つのＦＢＧ１０１〜１０５を有し、反射用光ファイバ１４が、３つの反射膜１４ａ〜１４ｃを有する場合を示している。
【００４１】
ここで、各ＦＢＧ１０１〜１０５のＦＢＧ反射波長をそれぞれλ１〜λ５とすると、λ１〜λ５は互いに異なっている。それらの大小関係は、λ１＜λ２＜λ３＜λ４＜λ５、又は、λ１＞λ２＞λ３＞λ４＞λ５となっている。すなわち、被測定光ファイバ１００の長手方向に沿った複数のＦＢＧ１０１〜１０５の配置順序は、それらのＦＢＧ反射波長λ１〜λ５に関して昇順又は降順となっている。
【００４２】
ＦＢＧがＦＢＧ反射波長に関して昇順に配置されている場合には、光カプラ１２を介して被測定光ファイバ１００及び反射用光ファイバ１４に入力される光は、短波長から長波長に向かって波長掃引されるようになっている。
【００４３】
被測定光ファイバ１００の各ＦＢＧは、それぞれの反射波長に一致する光のみを反射するため、例えば掃引光源１１から出射した掃引波長λ１のレーザ光は、ＦＢＧ１０１で反射され、ＦＢＧ１０２〜ＦＢＧ１０５には到達しない。また、掃引光源１１から出射した掃引波長λ２のレーザ光は、ＦＢＧ１０１を通過してＦＢＧ１０２で反射され、ＦＢＧ１０３〜ＦＢＧ１０５には到達しない。
【００４４】
なお、ＦＢＧがＦＢＧ反射波長に関して降順に配置されている場合には、光カプラ１２を介して被測定光ファイバ１００及び反射用光ファイバ１４に入力される光は、長波長から短波長に向かって波長掃引されるとよい。
【００４５】
図６の構成において、反射膜１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、被測定光ファイバ１００に配置された複数のＦＢＧのうち、光カプラ１２に近い側から数えて奇数番目のＦＢＧ１０１，１０３，１０５の出射端（偶数番目のＦＢＧ１０２，１０４の入射端）に対応する位置にそれぞれ配置されている。具体的には、光カプラ１２から反射膜１４ａまでの光路長と、光カプラ１２からＦＢＧ１０１の出射端位置までの光路長は等しい。同様に、光カプラ１２から反射膜１４ｂ，１４ｃまでの光路長と、光カプラ１２からＦＢＧ１０３，１０５の出射端位置までの光路長はそれぞれ等しい。
【００４６】
あるいは、反射膜１４ａ，１４ｂ，１４ｃは、被測定光ファイバ１００に配置された複数のＦＢＧのうち、光カプラ１２に近い側から数えて奇数番目のＦＢＧ１０１，１０３，１０５の入射端に対応する位置にそれぞれ配置されてもよい。具体的には、光カプラ１２から反射膜１４ａ，１４ｂ，１４ｃまでの光路長と、光カプラ１２からＦＢＧ１０１，１０３，１０５の入射端位置までの光路長はそれぞれ等しい。
【００４７】
以下では、説明を単純化するために、複数のＦＢＧに歪みが掛かっていない状態において、全てのＦＢＧの長さが等しく、隣り合うＦＢＧ間に隙間がないものとする。ここで、各ＦＢＧの長さをＬＦＢＧとする。ＦＢＧ１０１の入射端位置をｚ＝０とし、光カプラ１２から反射膜１４ａまでの距離が光カプラ１２からＦＢＧ１０１の出射端位置までの距離に等しいとすれば、図６の構成における反射膜１４ａ〜１４ｃの位置はそれぞれ、被測定光ファイバ１００のｚ＝ＬＦＢＧ，３ＬＦＢＧ，５ＬＦＢＧと光路長が等しい位置となる。
【００４８】
被測定光ファイバ１００で反射した光と反射用光ファイバ１４の反射膜１４ａ〜１４ｃで反射した光（基準光）は光カプラ１２で合波されて干渉する。各ファイバが通常の単一モードファイバの場合には光の偏波状態が不定となるので、被測定光ファイバ１００からの反射光と反射用光ファイバ１４からの基準光の偏波が直交して干渉信号が得られなくなることがある。
【００４９】
この事態を避けるためには、被測定光ファイバ１００側又は反射用光ファイバ１４側の少なくとも一方に偏波コントローラを挿入して偏波を調整してもよい。若しくは、被測定光ファイバ１００からの反射光の互いに直交する２つの偏波成分をそれぞれ検出する偏波ダイバーシティ受信を用いてもよい。あるいは、全て若しくは一部のファイバを偏波保持ファイバとしてもよい。
【００５０】
また、反射膜１４ａ〜１４ｃ及び被測定光ファイバ１００で反射した光が光カプラ１２を介して掃引光源１１に戻ることによる悪影響を防ぐため、必要に応じて掃引光源１１と光カプラ１２の間に光アイソレータを挿入してもよい。
【００５１】
反射波長検出部１３は、受光器１５、Ａ／Ｄ変換器１６、スペクトログラム算出部１７、及びピーク波長検出部１８を有する。
【００５２】
受光器１５は、入力光の強度に比例した電気信号を出力するフォトダイオード（ＰＤ）からなる。具体的には、受光器１５は、光カプラ１２で合波された被測定光ファイバ１００からの反射光と基準光の干渉光が入力され、この干渉光の光強度を電気信号（ビート信号）に変換して出力するようになっている。
【００５３】
Ａ／Ｄ変換器１６は、受光器１５から出力されたアナログの電気信号（ビート信号）をディジタル信号に変換するようになっている。
【００５４】
スペクトログラム算出部１７は、掃引光源１１から出力された掃引波長情報に基づいて、Ａ／Ｄ変換器１６から出力されたディジタル信号（ビート信号データ）と掃引波長との対応付けを行う。既に述べたように、被測定光ファイバ１００の各ＦＢＧはそれぞれの反射波長に対応する光のみを反射するため、受光器１５は２つ以上のＦＢＧからの反射光を同時に検出することがない。このため、掃引光源１１からの掃引波長情報に基づいて、その時点で検出された干渉光のビート信号データが、どのＦＢＧから発生した反射光によるものであるかを特定することができる。
【００５５】
さらに、スペクトログラム算出部１７は、ビート信号データに対して微小波長区間ごとに離散フーリエ変換を行ない、スペクトログラムを算出するようになっている。
【００５６】
ピーク波長検出部１８は、スペクトログラム算出部１７によって算出されたスペクトログラムから、微小周波数区間ごとにピーク波長、すなわち位置ｚでの反射波長のピーク（ＦＢＧ反射波長）を検出するようになっている。
【００５７】
さらに、ピーク波長検出部１８は、検出したＦＢＧ反射波長とＦＢＧに歪みが掛かっていない状態でのＦＢＧ反射波長との差Δλに基づいて被測定光ファイバ１００の位置ｚにおける歪みを算出する。被測定光ファイバ１００の歪みεと反射波長の変化Δλとの関係は、Δλが微小であればΔλ∝εとなる。
【００５８】
以下、反射波長検出部１３の検出周波数の上限について図７等を参照しながら説明する。ここでは、図６の構成において、λ１＜λ２＜λ３＜λ４＜λ５であり、掃引光源１１が波長λ１から波長λ５までを含む波長範囲で短波長側から長波長側まで波長掃引するものとする。
【００５９】
まず、掃引光源１１は、ＦＢＧ１０１の入射端で反射される波長λ１の反射光と、反射膜１４ａで反射される基準光との光路差に相当する掃引波長の変化分以上、λ１よりも短波長側から波長掃引を開始する。ここで、上記の光路差に相当するフーリエ周波数ｆ、すなわちｚ＝０の位置におけるフーリエ周波数はＶ×２ｎＬＦＢＧ／ｃとなる。
【００６０】
一方、ＦＢＧ１０１の出射端で反射される波長λ１の反射光は、反射膜１４ａで反射される基準光との光路差がゼロとなるため、このときのｚ＝ＬＦＢＧにおけるフーリエ周波数ｆはゼロとなる。図７の領域Ｉにおける実線は、掃引波長λ１の光が反射膜１４ａで反射された場合の位置ｚとフーリエ周波数ｆ（ｚ）との関係を示している。
【００６１】
同様に、掃引波長λ１の光は、反射膜１４ｂや反射膜１４ｃでも反射される。図７の領域Ｉの破線及び一点鎖線はそれぞれ、掃引波長λ１の光が反射膜１４ｂ及び１４ｃで反射された場合の位置ｚとフーリエ周波数ｆ（ｚ）との関係を示している。
【００６２】
次に、掃引波長λ２の光がＦＢＧ１０２の入射端で反射された場合には、反射膜１４ａで反射される基準光との光路差がゼロとなるため、このときのｚ＝ＬＦＢＧにおけるフーリエ周波数ｆ（ｚ）はゼロとなる。
【００６３】
掃引波長λ２の光がＦＢＧ１０２の出射端で反射された場合には、反射膜１４ａ及び反射膜１４ｂで反射される基準光との光路差がＬＦＢＧとなるため、このときのｚ＝２ＬＦＢＧにおけるフーリエ周波数ｆ（ｚ）はＶ×２ｎＬＦＢＧ／ｃとなる。図７の領域ＩＩにおける実線、破線、及び一点鎖線はそれぞれ、掃引波長λ２の光が反射膜１４ａ，１４ｂ，１４ｃで反射された場合の位置ｚとフーリエ周波数ｆ（ｚ）との関係を示している。
【００６４】
以下同様に、領域ＩＩＩ，ＩＶ，Ｖにおける実線、破線、及び一点鎖線は、掃引波長λ３〜λ５の光が反射膜１４ａ〜１４ｃでそれぞれ反射された場合の位置ｚとフーリエ周波数ｆ（ｚ）との関係を示している。
【００６５】
このように、位置ｚに対応するフーリエ周波数は、反射膜の数だけ存在する（この例では３点）。ただし、受光器１５及びＡ／Ｄ変換器１６の少なくとも一方の検出周波数の上限ｆＬＩＭＩＴよりも高域にある成分は、受光器１５又はＡ／Ｄ変換器１６から見て信号強度が弱いために検出されない。
【００６６】
つまり、図７の例では、例えば検出周波数の上限ｆＬＩＭＩＴがＶ×２ｎＬＦＢＧ／ｃに等しければ、被測定光ファイバ１００の測定可能な長さは５ＬＦＢＧとなる。仮に、ＦＢＧ反射波長がλ６（＞λ５）で長さがＬＦＢＧのＦＢＧがＦＢＧ１０５の出射端に連続して形成されていれば、被測定光ファイバ１００の測定可能な長さは６ＬＦＢＧとなる。
【００６７】
これに対して、ＦＢＧ反射波長が１つであり、反射膜が１つであった従来方法では、検出周波数の上限ｆＬＩＭＩＴがＶ×２ｎＬＦＢＧ／ｃであるとすると、測定可能な長さはＬＦＢＧとなり、本実施形態における図７の例の１／５程度の狭さであった。
【００６８】
以下、被測定光ファイバ１００の測定可能な長さの具体例について図８を参照しながら説明する。掃引光源１１は、波長λ０を中心に、振幅Ａ、周波数ｆＳで発振波長を正弦波的に掃引するものであるとすると、その発振波長は次式で表すことができる。
λ（ｔ）＝λ０＋Ａｓｉｎ（２πｆＳｔ）  ・・・（３）
【００６９】
このとき波長掃引速度Ｖλは次式で表される。
Ｖλ＝２πｆＡｃｏｓ（２πｆＳｔ）  ・・・（４）
【００７０】
図８の太線で示した領域では、発振波長は直線的に波長掃引されており、この領域でＯＦＤＲが実施される。この領域での波長掃引速度Ｖλは、近似的にＶλ＝２πｆＡとなる。ここで、Ａ＝２５ｎｍ、ｆＳ＝１５０Ｈｚであるとすると、Ｖλ＝２．４×１０４［ｎｍ／ｓ］となる。これを周波数に換算すれば、λ０が１５５０ｎｍの場合には、Ｖ＝３×１０１５［Ｈｚ／ｓ］となる。
【００７１】
一般的な受光器の帯域の上限が１ＧＨｚ程度であるのに対して、Ａ／Ｄ変換器の帯域の上限は、広帯域なものでも２５０ＭＨｚ程度である。したがって、ＯＦＤＲ装置としての検出周波数の帯域はＡ／Ｄ変換器で制限される。
【００７２】
Ａ／Ｄ変換器の帯域の上限を２５０ＭＨｚとすると、ナイキスト周波数は１２５ＭＨｚとなる。よって、測定可能な最大の測定ファイバ長Ｌｍａｘは、式（２）より、Ｌｍａｘ＝１２５ＭＨｚ×ｃ／（２ｎＶ）＝１２５×１０６×３×１０８／（２×１．５×３×１０１５）＝４．２ｍとなる。
【００７３】
よって、本実施形態の図７に示した構成であれば、４．２ｍの５倍の２１ｍまで測定範囲を拡大することが可能である。
【００７４】
図９には比較例として、図７の構成に加えて、ＦＢＧ１０２の出射端に対応する位置にも反射膜１４ｄが配置された場合の位置ｚとフーリエ周波数ｆ（ｚ）との関係を示す。しかしながら、この例では、ＦＢＧ１０２，１０３の領域ＩＩ，ＩＩＩにおいて、フーリエ周波数ｆ（ｚ）が、異なる位置ｚで同一の値を取ることになる。このような場合には、検出された干渉光がＦＢＧ１０２，１０３内のどの位置から発生した反射光によるものであるのかを特定できなくなる。
【００７５】
したがって、ＦＢＧが形成された各領域の位置ｚにおける複数のフーリエ周波数ｆ（ｚ）のうち、低周波数側の値が検出周波数の上限ｆＬＩＭＩＴ以下に全て含まれるとともに、上記各領域において、フーリエ周波数ｆ（ｚ）が、異なる位置ｚで同一の値を取らないことが重要であることが分かる。
【００７６】
なお、隣り合うＦＢＧが所定間隔を開けて被測定光ファイバ１００内に形成されている場合には、複数のＦＢＧに歪みが掛かっていない状態において、複数のＦＢＧの長さが全て等しいとともに、隣り合う２つのＦＢＧの中心間距離Ｌが全て等しい構成であってもよい。この場合には、検出周波数の上限はＶ×２ｎＬ／ｃ以上であればよい。
【００７７】
以上説明したように、本実施形態のＯＦＤＲ装置１は、ＦＢＧ反射波長λＦＢＧが互いに異なる複数のＦＢＧが被測定光ファイバ１００の長手方向に沿って、連続的に又は所定間隔を開けて直列に配置されている。反射用光ファイバ１４の反射膜は、隣り合う２つのＦＢＧの境界又は間隙に対応する位置のうちの少なくとも１つに配置される。特に、複数の反射膜がある場合には、掃引光源１１から遠い位置にあるＦＢＧからの反射光は、遠い位置にある反射膜からの反射光と干渉させる。
【００７８】
これにより、ＦＢＧに対する歪み分布又は温度分布の測定において、受光器及びＡ／Ｄ変換器の測定帯域を拡大させることなく、測定可能なＦＢＧの距離範囲を拡大させることができる。
【００７９】
また、本実施形態のＯＦＤＲ装置１においては、被測定光ファイバ１００の長手方向に沿った複数のＦＢＧの配置順序は、ＦＢＧ反射波長λＦＢＧに関して昇順又は降順である。これにより、反射波長検出部１３に入射した干渉光が、どのＦＢＧから発生した反射光によるものであるかは発振波長とＦＢＧ反射波長λＦＢＧの関係から特定することができる。
【００８０】
また、本実施形態のＯＦＤＲ装置１においては、被測定光ファイバ１００に配置された複数のＦＢＧに歪みが掛かっていない状態において、複数のＦＢＧの長さが全て等しいとともに、隣り合う２つのＦＢＧの中心間距離Ｌも全て等しい。これにより、反射波長検出部１３に入射した干渉光が、各ＦＢＧのどの位置から発生した反射光によるものであるかを特定することが容易になる。
【００８１】
また、本実施形態のＯＦＤＲ装置１においては、中心間距離をＬ、被測定光ファイバ１００の屈折率をｎ、掃引光源１１の光周波数掃引速度をＶ、光速をｃとしたときに、反射波長検出部１３の検出周波数の上限がＶ×２ｎＬ／ｃ以上である。
【００８２】
これにより、受光器及びＡ／Ｄ変換器の測定帯域が狭い場合であっても、中心間距離Ｌを短くするとともに、ＦＢＧの個数を増やすことにより、測定可能なＦＢＧの距離範囲を拡大させることができる。
【００８３】
また、本実施形態のＯＦＤＲ装置１においては、反射用光ファイバ１４の反射膜は、被測定光ファイバ１００に配置された複数のＦＢＧのうち、光カプラ１２に近い側から数えて奇数番目のＦＢＧの出射端（あるいは、入射端）に対応する位置に配置される。
【００８４】
これにより、反射波長検出部１３に入射した干渉光が、各ＦＢＧのどの位置から発生した反射光によるものであるかを特定することが容易になる。
【００８５】
（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態としてのＯＦＤＲ装置２について図面を参照しながら説明する。なお、第１の実施形態と同様の構成及び動作については適宜説明を省略する。
【００８６】
図１０に示すように、本実施形態のＯＦＤＲ装置２の光合分波部は、第１の光カプラ２１と、光サーキュレータ２２，２３と、第２の光カプラ２４と、からなっている。また、受光器はバランスドレシーバ２５で構成されている。
【００８７】
掃引光源１１の出力光は第１の光カプラ２１で２つに分岐され、一方は光サーキュレータ２２の第１端子に入力され、光サーキュレータ２２の第２端子から出力され、被測定光ファイバ１００に導かれる。被測定光ファイバ１００からの反射光は、光サーキュレータ２２の第２端子に入力され、光サーキュレータ２２の第３端子から出力される。
【００８８】
一方、第１の光カプラ２１で分岐された光の他方（基準光）は、光サーキュレータ２３の第１端子に入力され、光サーキュレータ２３の第２端子から出力され、反射用光ファイバ１４に導かれる。反射用光ファイバ１４からの反射光は、光サーキュレータ２３の第２端子に入力され、光サーキュレータ２３の第３端子から出力される。
【００８９】
そして、被測定光ファイバ１００からの反射光と反射用光ファイバ１４からの反射光が第２の光カプラ２４において合波され干渉する。ここで、第２の光カプラ２４の２つの出力ポートからそれぞれ出力される合波光の位相は、互いに逆位相となる。これら２つの合波光はバランスドレシーバ２５に入力される。
【００９０】
バランスドレシーバ２５は、例えば２つのＰＤ及び減算器を有しており、第２の光カプラ２４からの２つの合波光を２つのＰＤでそれぞれ受けて電気信号に変換し、それらの電気信号を減算器で減算して、被測定光ファイバ１００からの反射光と基準光の干渉によるビート信号を出力するようになっている。
【００９１】
このようなバランス受信によって、干渉によるビート信号は振幅が２倍になり、２つの合波光に含まれる同相の雑音はキャンセルされ、ランダムな雑音は振幅が√２倍になるので、信号対雑音比を改善することができる。
【００９２】
Ａ／Ｄ変換器１６よりも後段の構成は第１の実施形態と同様である。本実施形態の構成においても、ビート信号のスペクトログラムを算出した後、被測定光ファイバ１００において歪みが発生した箇所を特定することができる。
【００９３】
以上説明したように、本実施形態のＯＦＤＲ装置２においては、受光器は、合波光をバランスド受光するバランスドレシーバ２５で構成される。これにより、歪み分布又は温度分布の測定精度を向上させることができる。
【００９４】
また、光合分波部が光サーキュレータを用いて構成されることにより、掃引光源１１に光が戻ることがないため、第１の実施形態と比較して光を有効に利用することができる。
【００９５】
（第３の実施形態）
続いて、本発明の第３の実施形態としてのＯＦＤＲ装置３について図面を参照しながら説明する。なお、第１及び第２の実施形態と同様の構成及び動作については適宜説明を省略する。
【００９６】
図１１に示すように、本実施形態のＯＦＤＲ装置３は、反射用光ファイバ１４に掃引光源１１からの出力光を入力するとともに、光カプラ１２に反射用光ファイバ１４からの反射光を入力する光カプラ３０を備える。光カプラ３０は、掃引光源１１の出力光を複数に分岐するようになっている。
【００９７】
本実施形態における反射用光ファイバ１４は、反射膜１４ａ〜１４ｃがそれぞれ形成された複数の光ファイバ３１〜３３からなる。複数の光ファイバ３１〜３３は、光カプラ３０にそれぞれ接続されている。つまり、図１１の構成では、光カプラ３０で３つに分岐された掃引光源１１の出力光が、それぞれ光ファイバ３１〜３３に入力される。
【００９８】
上記のように構成された本実施形態のＯＦＤＲ装置３は、各光ファイバ３１〜３３を光カプラ３０から取り外すことができるため、各反射膜１４ａ〜１４ｃの位置を容易に独立に調整することが可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１，２，３  ＯＦＤＲ装置
１１  掃引光源
１２，３０  光カプラ（光合分波部）
１３  反射波長検出部
１４  反射用光ファイバ
１４ａ〜１４ｃ  反射膜（反射面）
１４ｄ  反射膜
１５  受光器
１６  Ａ／Ｄ変換器
１７  スペクトログラム算出部
１８  ピーク波長検出部
２１  第１の光カプラ（光合分波部）
２２，２３  光サーキュレータ（光合分波部）
２４  第２の光カプラ（光合分波部）
２５  バランスドレシーバ
３１〜３３  光ファイバ
１００  被測定光ファイバ
１０１〜１０５  ＦＢＧ（ファイバブラッグ回折格子）
【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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