(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
歪み分布を持つ通信用の第１の光ファイバに並列に、この第１の光ファイバとブリルアン周波数シフトに関して同じ温度依存性係数をもつ第２の光ファイバをテンションフリーで同じ温度環境下で設置し、
前記第１および第２の光ファイバに同じ試験光を入射してＢ−ＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectmetry）測定を行い、
前記Ｂ−ＯＴＤＲ測定により得られた前記第１および第２の光ファイバのそれぞれからの後方ブリルアン散乱光の周波数シフトのうち、値の小さい周波数シフトを前記温度依存性係数で除算して前記第２の光ファイバの温度分布を求め、
前記第１および第２の光ファイバのそれぞれからの後方ブリルアン散乱光の周波数シフトの差を、前記第１の光ファイバのブリルアン周波数シフトに関する歪み依存性係数で除算してこの第１の光ファイバの歪み分布を求めることを特徴とする光ファイバ測定方法。
【請求項２】
測定対象の光ファイバに入射された光の後方ブリルアン散乱光を観測し、前記光の入射から再帰までの時間を前記光ファイバの長手方向の位置に対応付けて前記光ファイバの特性の分布を測定する光ファイバ測定方法において、
測定対象とする経路に沿って通信用の主光ファイバを設置し、
ブリルアン周波数シフトの温度依存性係数ＣTが前記主光ファイバと等しい副光ファイバを前記主光ファイバと同じ経路に沿って同じ温度環境下でテンションフリーに設置し、
光源の出力光を参照光と試験光とに分岐し、
前記試験光をパルス変調して前記主光ファイバと前記副光ファイバとに入射し、
前記主光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光および前記副光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光を前記参照光と合波してヘテロダイン検波し、
このヘテロダイン検波により得られる周波数スペクトルから前記主光ファイバで生じるブリルアン周波数シフトΔｆ1と前記副光ファイバで生じるブリルアン周波数シフトΔｆ2とを算出し、
ΔＴ＝Δｆ2／ＣTにより温度変化ΔＴを算出して前記副光ファイバの温度分布を算出し、
Δｆ1の歪み依存性係数をＣεとしたとき、Δε＝（Δｆ1−Δｆ2）／Ｃεにより歪みΔεを算出して前記主光ファイバの歪み分布を算出することを特徴とする光ファイバ測定方法。
【請求項３】
測定対象とする経路に沿って設置される通信用の主光ファイバと、
この主光ファイバと同じ経路に沿って同じ温度環境下でテンションフリーに設置され、ブリルアン周波数シフトの温度依存性係数ＣTが前記主光ファイバと等しい副光ファイバと、
レーザ光源と、
このレーザ光源の出力光を分岐して試験光と参照光とを生成する光分岐部と、
前記試験光をパルス変調するパルス変調器と、
前記パルス変調された試験光を前記主光ファイバと前記副光ファイバとに入射し、前記主光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光と前記副光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光とを合波する光合分波部と、
この光合分波部で合波された光を前記参照光と合波する光カプラと、
この光カプラの出力光を光／電気変換してビート信号を出力する受光部と、
前記ビート信号から、前記主光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光の周波数スペクトルと前記副光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光の周波数スペクトルとを得る周波数解析部と、
前記主光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光の周波数スペクトルからこの主光ファイバで生じるブリルアン周波数シフトΔｆ1を算出し、前記副光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光の周波数スペクトルからこの副光ファイバで生じるブリルアン周波数シフトΔｆ2を算出するシフト算出部と、
ΔＴ＝Δｆ2／ＣTにより温度変化ΔＴを算出して前記副光ファイバの温度分布を算出し、Δｆ1の歪み依存性係数をＣεとしたとき、Δε＝（Δｆ1−Δｆ2）／Ｃεにより歪みΔεを算出して前記主光ファイバの歪み分布を算出する特性算出部とを具備することを特徴とする光ファイバ測定システム。
【請求項４】
測定対象とする経路に沿って設置される通信用の主光ファイバと、この主光ファイバと同じ経路に沿って同じ温度環境下でテンションフリーに設置され、ブリルアン周波数シフトの温度依存性係数ＣTが前記主光ファイバと等しい副光ファイバとに接続して用いられる光ファイバ測定装置であって、
レーザ光源と、
このレーザ光源の出力光を分岐して試験光と参照光とを生成する光分岐部と、
前記試験光をパルス変調するパルス変調器と、
前記パルス変調された試験光を前記主光ファイバと前記副光ファイバとに入射し、前記主光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光と前記副光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光とを合波する光合分波部と、
この光合分波部で合波された光を前記参照光と合波する光カプラと、
この光カプラの出力光を光／電気変換してビート信号を出力する受光部と、
前記ビート信号から、前記主光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光の周波数スペクトルと前記副光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光の周波数スペクトルとを得る周波数解析部と、
前記主光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光の周波数スペクトルからこの主光ファイバで生じるブリルアン周波数シフトΔｆ1を算出し、前記副光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光の周波数スペクトルからこの副光ファイバで生じるブリルアン周波数シフトΔｆ2を算出するシフト算出部と、
ΔＴ＝Δｆ2／ＣTにより温度変化ΔＴを算出して前記副光ファイバの温度分布を算出し、Δｆ1の歪み依存性係数をＣεとしたとき、Δε＝（Δｆ1−Δｆ2）／Ｃεにより歪みΔεを算出して前記主光ファイバの歪み分布を算出する特性算出部とを具備することを特徴とする光ファイバ測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光ファイバなどの光ファイバの歪み分布、および温度分布を測定する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバ線路の歪みや温度の異常を検出する測定方法として、Ｂ−ＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectmetry）が知られている（例えば特許文献１を参照）。この方法はブリルアン周波数シフトを利用するものである。すなわち光パルスを被測定光ファイバに入射される試験光と、参照光とに分岐し、このうち試験光を光ファイバ線路に入射する。試験光の後方ブリルアン散乱光と参照光とを合波することで、ビート信号が発生する。ビート信号は１０ＧＨｚほどの参照光と散乱光の周波数の差の値の周波数を持ち、ブリルアン周波数シフトを示す量である。入射から受光（すなわち光入射端までの再帰）までの時間を計測することで、光ファイバ線路内の各点でのブリルアン周波数シフトを測定することができる。このブリルアン周波数シフトは歪み分布、および温度分布により変化するので、ブリルアン周波数シフトを測定することにより光ファイバ中の歪み、温度分布を測定できる。以上がＢ−ＯＴＤＲの基本原理である。
【０００３】
ところで、Ｂ−ＯＴＤＲにより光ファイバの温度分布、あるいは歪み分布を測定するにあたり、測定されたブリルアン周波数シフトの変化が温度変化によるものか、あるいは歪みによるものかは分からない。つまり既存技術では温度分布による影響と歪みによる影響とを分離することができない。従って、被測定光ファイバの温度分布が一定であるか、または歪みが無いという状態のいずれかを維持しない限り、歪み分布および温度分布を測定することができない。
【特許文献１】特開平３−１２０４３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上述べたように既存の技術では、温度分布および歪みがブリルアン周波数シフトに及ぼす影響を分離することができない。このため温度分布を測定するには被測定光ファイバを歪みの無い状態に保ち、逆に歪み分布を測定するには温度分布を一定に保たねばならず、両方を計測するには二度手間がかかっている。  
この発明は上記事情によりなされたもので、その目的は、光ファイバの温度分布と歪み分布とを一度に測定可能な光ファイバ測定方法、光ファイバ測定システムおよび光ファイバ測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するためにこの発明の一態様によれば、測定対象の光ファイバに入射された光の後方ブリルアン散乱光を観測し、前記光の入射から再帰までの時間を前記光ファイバの長手方向の位置に対応付けて前記光ファイバの特性の分布を測定する光ファイバ測定方法において、測定対象とする経路に沿って主光ファイバを設置し、ブリルアン周波数シフトの温度依存性係数ＣTが前記主光ファイバと等しい副光ファイバを前記主光ファイバと同じ温度環境下でテンションフリーに設置し、光源の出力光を参照光と試験光とに分岐し、前記試験光をパルス変調して前記主光ファイバと前記副光ファイバとに入射し、前記主光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光および前記副光ファイバで生じる後方ブリルアン散乱光を前記参照光と合波してヘテロダイン検波し、このヘテロダイン検波により得られる周波数スペクトルから前記主光ファイバで生じるブリルアン周波数シフトΔｆ1と前記副光ファイバで生じるブリルアン周波数シフトΔｆ2とを算出し、ΔＴ＝Δｆ2／ＣTにより温度変化ΔＴを算出して前記副光ファイバの温度分布を算出し、Δｆ1の歪み依存性係数をＣεとしたとき、Δε＝（Δｆ1−Δｆ2）／Ｃεにより歪みΔεを算出して前記主光ファイバの歪み分布を算出することを特徴とする光ファイバ測定方法が提供される。なおテンションフリーに設置する、とは、その歪みを無視できる程度に、内部応力の無い状態で設置することを意味する。
【０００６】
このような手段を講じることにより、副光ファイバは主光ファイバと同じ温度分布を持ちながら、歪み分布は無いものと看做せる。この両ファイバに対して同じ試験光に基づくＢ−ＯＴＤＲ測定を実施することで、それぞれの光ファイバごとにブリルアン周波数シフトを得ることができる。このうち副光ファイバのブリルアン周波数シフトΔｆ2は温度による影響だけを受ける形になるので、Δｆ2＝ＣT×ΔＴなる比例式が成り立つ。これをΔＴについて解けば、まず副ファイバの温度変化が求まる。
【０００７】
主光ファイバは歪み分布を持ちながら、副光ファイバと同じ温度分布を持つ。従って主光ファイバにおけるブリルアン周波数シフトΔｆ1は、歪みΔεによる成分Ｃε×Δεと、副ファイバと同じ温度分布Δｆ2による成分との和として表すことができ、すなわちΔｆ1＝Ｃε×Δε＋Δｆ2が成立する。これをΔεについて解くことで主光ファイバの歪み変化も求めることができる。
【０００８】
ここまでの過程で、試験光の入射から測定に至るまでの手順は、ただの一度で済む。つまり２本の光ファイバに同時に試験光を入射してその戻り光を観測することで、温度と歪みとの双方の特性を得られる。従って光ファイバの温度分布と歪み分布とを一度に測定することが可能になる。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、光ファイバの温度分布と歪み分布とを一度に測定可能な光ファイバ測定方法、光ファイバ測定システムおよび光ファイバ測定装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は、この発明に関わる光ファイバ測定システムの実施の形態を示す図である。図１においてレーザ光源１の出力光は光分岐部３により２分岐され、一方は試験光として被測定系へ、他方は参照光としてデータ処理系にそれぞれ入射される。このうち試験光はパルス変調器８により外部変調され、パルス状の試験光が光合分波部４に入射される。
【００１１】
光合分波部４の出力端には２本の光ファイバ６，７が接続される。これらはいずれもＢ−ＯＴＤＲの測定対象となる被測定光ファイバであり、このうち光ファイバ６は支持部９などにより架設され、場所ごとに異なる歪みを持つ。この実施形態の特徴は２本の光ファイバを並列に設置して両方のブリルアン後方散乱を観測する点にある。これらの光ファイバは並列に設置されるので、従って同じ温度環境下にある。区別のため光ファイバ６を主光ファイバ６、光ファイバ７を副光ファイバ７と称する。両ファイバのいずれも実際の情報伝送の用途に用いることができる。
【００１２】
主光ファイバ６、副光ファイバ７の長さは同じであり、ブリルアン周波数シフトに対する温度依存性係数も同じであり、また両者とも互いに同じ環境下に置かれるものの、次の点において違いを持つ。すなわち主光ファイバ６は、歪み分布を測定したい領域（例えば光ファイバを架設しようとする空中の経路など）と同じ条件で設置され、従って長手方向に対する歪み分布を持つ。これに対して副光ファイバ７はその歪みを無視できる程度に、内部応力の無い、テンションフリーな状態で設置される。要するに弛ませた状態で設置すればよい。
【００１３】
図２に示すように、パルス変調器８からの試験光（図中実線矢印）は光合分波部４を介して主光ファイバ６および副光ファイバ７に入射される。そうすると両ファイバにおいて後方ブリルアン散乱光（図中点線矢印）が生じる。この後方ブリルアン散乱光は光合分波部４に再帰したのち光カプラ５に導かれて参照光と合波され、観測部２０に入射される。  図３は、光合分波部４の一例を示すブロック図である。パルス変調器８からの試験光は光スプリッタ４１で２分岐されて光サーキュレータ４２，４３を介して主光ファイバ６、副光ファイバ７に入射される。逆に主光ファイバ６、副光ファイバ７からの後方ブリルアン散乱光はそれぞれ光サーキュレータ４２，４３を介して光カプラ４４で合波され、光カプラ５に導かれる。
【００１４】
すなわち図１の光カプラ５では、参照光と後方ブリルアン散乱光との周波数差（νＢ）に応じた干渉光が生じる。この干渉光は観測部２０の、フォトダイオードなどの受光部（ＰＤ）２により光／電気変換されてビート信号が取り出される。このビート信号は増幅器２２により増幅されたのちスペクトルアナライザ３０に入力され、ヘテロダイン検波される。
【００１５】
すなわちビート信号は、νＢに近い周波数信号を発生するローカルオシレータ（ＬＯ）２９の局部信号とミキサ２７により混合され、ベースバンド信号に変換される。このベースバンド信号からローパスフィルタ（ＬＰＦ）２８により不要波成分が除去され、これによりブリルアン周波数シフトνＢに基づくビート成分が抽出される。つまりブリルアン後方散乱光ν０±νＢと参照光ν０とを合波してヘテロダイン検波することにより、ブリルアン周波数シフトは周波数νＢのビート信号として検出される。このビート信号は各光ファイバ６，７で生じる後方ブリルアン散乱光の周波数スペクトル、すなわちブリルアン周波数シフトを反映する量である。得られたビート信号はＡ／Ｄ変換器３１によりディジタル変換され、制御部５０でのデータ処理に用いられる。
【００１６】
ところで制御部５０は、本実施形態に係わる処理機能としてシフト算出部５０ａと、特性算出部５０ｂとを備える。このうちシフト算出部５０ａは、各光ファイバ６，７に対応するビート信号からそれぞれの光ファイバ６，７で生じるブリルアン周波数シフトΔｆ1，Δｆ2を算出する。ブリルアン散乱光は、主光ファイバ６においては温度分布と歪み分布との両方の影響を受け、副光ファイバ７においては温度分布の影響だけしか受けない。従ってΔｆ1＞Δｆ2として両者を区別することができる。特性算出部５０ｂは、各位置のブリルアン周波数シフトから、副光ファイバ７の温度分布、および主光ファイバ６の温度分布と歪み分布とを算出する。以下に、その手順につき詳しく説明する。
【００１７】
図４は、この発明に関わる光ファイバ測定方法を示すフローチャートである。まず主光ファイバ６を所期の状態に設置し（ステップＳ１）、次にこの主光ファイバと並列に、副光ファイバ７をフリーな状態で設置する（ステップＳ２）。この手順は逆順でももちろん良い。
【００１８】
次に、両方の光ファイバ６，７に試験光を入射してＢ−ＯＴＤＲ測定を行う（ステップＳ３）。このステップでは試験光のブリルアン散乱光スペクトルが、各光ファイバ６，７ごとにその長手方向の位置に対応付けて求められる。すなわちＢ−ＯＴＤＲ測定では、ブリルアン後方散乱光のスペクトル強度とともにその受信時間も観測される。試験光の入射から受信までにかかる時間は光信号の伝播経路の長さを反映するので、これを解析することで主光ファイバ６，副光ファイバ７で共通の測定位置を求めることができる。これらをもとにこのステップでは、ブリルアン周波数シフトΔｆ1，Δｆ2の分布が算出される。
【００１９】
次に、得られたΔｆ1，Δｆ2から、温度分布および歪み分布が算出される（ステップＳ４）。この演算にあたり、主光ファイバ６、副光ファイバ７のブリルアン周波数シフトの温度依存性係数をＣTとし、主光ファイバ６の歪み依存性係数をＣεとする。歪みは主光ファイバ６だけに加わっており、両光ファイバ６，７は共通の温度分布を持つ。従って、求めたい温度変化量、歪みをΔＴ、Δεとすると次式（１）、（２）が成立する。  
【数１】
0005222513.tif 000002
【００２０】
式（１），（２）を連立させてΔＴ、Δεについて解くことにより、温度変化ΔＴと歪みΔεとを同時に求めることができる。各散乱位置でのスペクトルごとにこの計算を行うことで、温度分布と歪み分布とを一回の測定で同時に求めることが可能になる。
【００２１】
以上説明したようにこの実施形態では、２本の光ファイバ６，７を同じ温度環境下で並列に設置し、このうち一方の光ファイバ６だけに歪み分布が与えられるように、他方の光ファイバ７をフリーな状態で設置する。そして２本の光ファイバにＢ−ＯＴＤＲ測定を行って各ファイバ６，７のブリルアン周波数シフトΔｆ1，Δｆ2を求める。得られた２つのブリルアン周波数シフトのうち値の小さいほう（Δｆ2）を温度依存性係数ＣTで割ることで温度分布を算出し、２つのブリルアン周波数シフトの差（Δｆ1−Δｆ2）を歪み依存性係数Ｃεで割ることで歪み分布を算出するようにしている。  
すなわちΔＴ＝Δｆ2／ＣTにより温度変化ΔＴを算出し、その長手方向の分布から温度分布を算出し、Δε＝（Δｆ1−Δｆ2）／Ｃεにより歪みΔεを算出してその長手方向の分布から歪み分布を算出することができる。
【００２２】
このようにしたので、ブリルアン周波数シフトの変化による温度・歪みの変化を一回のＢ−ＯＴＤＲ測定で測定することができるようになり、従ってブリルアン散乱光測定による温度測定・歪み測定をより簡易に行うことができる。また図１のシステムは、センサとして用いる光ファイバを２本にして並列に設置するだけで良いので簡易に構築することができ、従ってシステムの低コスト化を促せる。よってブリルアン散乱を用いた光ファイバセンサの実用性や、ひいては光ファイバを用いた温度分布や歪み分布の測定方法の実用性を広げるものとして応用が可能である。さらに、ブリルアン周波数シフトを用いた光ファイバ線路保守試験などの、その他のブリルアン散乱測定の応用に対しても利便性の向上を図ることができる。
【００２３】
なお、この発明は上記実施の形態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わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】この発明に関わる光ファイバ測定システムの実施の形態を示す図。
【図２】光合分波部４における光の伝播を示す模式図。
【図３】光合分波部４の一例を示すブロック図。
【図４】この発明に関わる光ファイバ測定方法を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００２５】
１…レーザ光源、２…受光部、３…光分岐部、４…光合分波部、５…光カプラ、６…主光ファイバ、７…副光ファイバ、８…パルス変調器、９…支持部、４１…光スプリッタ、４２，４３…光サーキュレータ、４４…光カプラ、２０…観測部、２７…ミキサ、２８…ローパスフィルタ、２９…ローカルオシレータ、３０…スペクトラムアナライザ、３１…Ａ／Ｄ（アナログ／ディジタル）変換器
【図１】
0005222513.tif 000003
【図２】
0005222513.tif 000004
【図３】
0005222513.tif 000005
【図４】
0005222513.tif 000006