(57)【要約】【課題】  光周波数領域反射測定において、外部環境の影響に対しても空間分解能が劣化しないようにする。【解決手段】  被測定光回路１３内からの後方散乱光と参照光を合波した受信信号の周波数をＭセクションに分け、それぞれについて、バンドパスフィルタ２０１〜２０Ｍ−１を通した後、ミキサ２２１〜２２Ｍ−１と正弦波信号発生器２１を用いて受信系が対応できる帯域に周波数を落として、サンプリング装置１６にてデータを取得し、光周波数解析装置１７にて、取得したセクション数の回数分であるＭ個のデータを結合し、光周波数領域全体の反射測定波形を得る。【選択図】      図１
2012117886.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光周波数を時間に対して一定の割合で掃引される光波を発生し、
前記光波を二分岐し、
前記二分岐された分岐光の一方の分岐光を測定対象に入射してその反射光及び後方散乱光を参照光として取り出し、
前記二分岐された他方の分岐光を局発光として前記参照光に合波することで干渉波を生じさせ、
前記干渉波を光受信することでビート信号を取得し、
前記ビート信号に基づいて前記測定対象における反射率の伝播方向に対する分布を測定する光周波数領域反射測定方法であって、
前記ビート信号をＭ（Ｍは２以上の自然数）セクションに分け、
前記Ｍセクションそれぞれのビート信号を受信系が対応できる帯域幅に変換し、
前記Ｍセクションのビート信号を順次選択してＭ回に分けてデータを取得し、
前記測定対象における反射率の伝播方向に対する分布の測定をＭ回実施した後、Ｍ個のデータを結合して光周波数領域全体の反射測定波形とす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】
光周波数を時間に対して一定の割合で掃引される光波を発生する光波発生手段と、
前記光波を二分岐する分岐手段と、
前記二分岐された分岐光の一方の分岐光を測定対象に入射してその反射光及び後方散乱光を参照光として取り出す参照光取得手段と、
前記二分岐された他方の分岐光を局発光として前記参照光に合波することで干渉波を生じさせる合波手段と、
前記干渉波を光受信することでビート信号を得る光受信手段と、
前記ビート信号に基づいて前記測定対象における反射率の伝播方向に対する分布を測定する分布測定手段とを備える光周波数領域反射測定装置であって、
前記ビート信号を周波数領域でＭセクションに分配する分配手段と、
前記Ｍセクションのビート信号をそれぞれ受信系が対応できる帯域幅に制限する帯域幅制限手段と、
前記帯域幅が制限されたＭセクションそれぞれのビート信号を受信系が対応できる周波数帯域に変換する帯域変換手段と、
前記Ｍセクションを順次選択する経路によりＭ回に分けてデータを取得し、前記のデータ処理をＭ回実施した後、Ｍ個のデータを結合して光周波数領域全体の反射波形を測定するデータ処理手段と
を具備することを特徴とする光周波数領域反射測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光部品や光伝送路からの反射光および後方散乱光を高空間分解能にて測定することが可能な光周波数領域反射測定方法及びこの方法を利用した光周波数領域反射測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高い空間分解能にて光部品や光伝送路からの反射光および後方散乱光を測定することが可能な手法として、非特許文献１に示されるようなコヒーレント光を用いた光周波数領域反射（リフレクトメトリ）測定法（Ｃ−ＯＦＤＲ法）がある。Ｃ−ＯＦＤＲ法は、測定対象となる光ファイバの測定回路に対して、周波数掃引されたコヒーレント光を入射し、測定対象からの反射光および後方散乱光と、予め分岐された参照光とをコヒーレント検波し、これによって得られた測定ビート信号を周波数解析することで、測定対象内の任意の位置での反射光および後方散乱光強度を得て、測定対象の損失分布や故障点の特定を可能にする技術である。
【０００３】
ただし、Ｃ−ＯＦＤＲ法は、外部環境の影響を受けやすいという問題点がある。一般的に、光はドップラ効果を受けるため、外部環境の攪乱信号があると、光の周波数が変わってしまう。要するに、光周波数というものは外部環境からの影響を受けやすい。
上記Ｃ−ＯＦＤＲ法において、具体的には、測定対象が外部環境から音響波などの雑音を受けると、ドップラ効果により光の周波数が変化してしまう。そのため、光のビートによる生じる「ビート周波数」も変わってしまい、変化する周波数が広いスペクトルを持つため、「ビート周波数」が広がってしまう。これにより、結果として空間分解能が劣化することになり、測定精度の低下が生じることとなる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Optical frequency domain reflectometry in single-mode fiber,  W. Eickhoff and R. Ulrich, Applied Physics Letters 39(9), pp. 693-695.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
以上のように、従来の光周波数領域反射測定方法では、外部環境からの音響波などの雑音を受けるとドップラ効果により光の周波数が変化することから、光のビート周波数が変化し広がってしまう。その結果、空間分解能が劣化し測定精度が低下するという問題点があった。
【０００６】
本発明は、上記の事情に着目してなされたもので、外部環境の影響に対しても空間分解能が劣化しない光周波数領域反射測定方法及び光周波数領域反射測定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】
【０００７】
本発明に係る光周波数領域反射測定方法は以下のような態様の構成とする。
（１）光周波数を時間に対して一定の割合で掃引される光波を発生し、前記光波を二分岐し、前記二分岐された分岐光の一方の分岐光を測定対象に入射してその反射光及び後方散乱光を参照光として取り出し、前記二分岐された他方の分岐光を局発光として前記参照光に合波することで干渉波を生じさせ、前記干渉波を光受信することでビート信号を取得し、前記ビート信号に基づいて前記測定対象における反射率の伝播方向に対する分布を測定する光周波数領域反射測定方法であって、前記ビート信号をＭ（Ｍは２以上の自然数）セクションに分け、前記Ｍセクションそれぞれのビート信号を受信系が対応できる帯域幅に変換し、前記Ｍセクションのビート信号を順次選択してＭ回に分けてデータを取得し、前記測定対象における反射率の伝播方向に対する分布の測定をＭ回実施した後、Ｍ個のデータを結合して光周波数領域全体の反射測定波形とする態様とする。
【０００８】
本発明に係る光周波数領域反射測定装置は以下のような態様の構成とする。
（２）光周波数を時間に対して一定の割合で掃引される光波を発生する光波発生手段と、前記光波を二分岐する分岐手段と、前記二分岐された分岐光の一方の分岐光を測定対象に入射してその反射光及び後方散乱光を参照光として取り出す参照光取得手段と、前記二分岐された他方の分岐光を局発光として前記参照光に合波することで干渉波を生じさせる合波手段と、前記干渉波を光受信することでビート信号を得る光受信手段と、前記ビート信号に基づいて前記測定対象における反射率の伝播方向に対する分布を測定する分布測定手段とを備える光周波数領域反射測定装置であって、前記ビート信号を周波数領域でＭセクションに分配する分配手段と、前記Ｍセクションのビート信号をそれぞれ受信系が対応できる帯域幅に制限する帯域幅制限手段と、前記帯域幅が制限されたＭセクションそれぞれのビート信号を受信系が対応できる周波数帯域に変換する帯域変換手段と、前記Ｍセクションを順次選択する経路によりＭ回に分けてデータを取得し、前記のデータ処理をＭ回実施した後、Ｍ個のデータを結合して光周波数領域全体の反射波形を測定するデータ処理手段とを具備する態様とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上のように、本発明では、光周波数の掃引速度を線形的かつ超高速に行うことによりビート信号の周波数を大きくし、外部環境の影響を小さくする方法を提供する。具体的には、被測定光回路内からの後方散乱光と参照光を合波した受信信号の周波数をＭセクションに分け、それぞれについて、バンドパスフィルタを通した後、ミキサと正弦波信号発生器を用いて受信系が対応できる帯域に周波数を落としてデータを取得する。取得したセクション数の回数分であるＭ個のデータを結合し、光周波数領域全体の反射測定波形を得る。これにより、長距離の測定対象に強い外乱が存在しても、高い空間分解能を維持する光周波数領域反射測定が可能となる。
【００１０】
したがって本発明の構成によれば、外部環境の影響に対しても空間分解能が劣化しない光周波数領域反射測定方法及び光周波数領域反射測定装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る光周波数領域反射測定装置の一実施形態の構成を示すブロック図。
【図２】図１に示す実施形態において、光源の光周波数をＲＦ信号によって掃引するための構成を示すブロック図。
【図３】図１に示す実施形態において、波形発生器（もしくはＲＦシンセサイザ）で発生されるＲＦ信号の超高速掃引を実現するための構成を示すブロック図。
【図４】図１に示す実施形態において、ビート周波数をＭセクションに分けた様子を示す概念図。
【図５】本発明に係る光周波数領域反射測定装置（Ｃ−ＯＦＤＲ）の具体的な実施例を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
まず、本発明の基本となるＣ−ＯＦＤＲ法について簡単に説明する。
Ｃ−ＯＦＤＲ法では、式(1) 使ってビート周波数fを距離zに変換する。  
z = (c・f)/(2n・γ)      …(1)  
ここで、cは光速であり、nは測定対象の複屈折率であり、γは光周波数の掃引速度である。外部環境の影響による周波数の不安定さΔfは、式(2)に示すように距離Lで表される。
【００１３】
L = (c・Δf)/(2n・γ)      …(2)  
光周波数の掃引速度γを大きく設定し、距離Lを空間分解能Δzより小さくすれば、外部環境の影響を軽減することができる。したがって、光周波数の掃引速度を線形的かつ超高速的に掃引し、ビート信号の周波数を大きくすることにより、外部環境の影響を小さくすることが可能となる。よって、測定対象に強い外乱が存在しても空間分解能に影響することを回避することが可能となる。
【００１４】
外部環境雑音（例えば、音響波）の帯域が約Ａキロヘルツであり、所望の空間分解能がΔzメートルであるとき、光周波数の掃引速度γ＞1011A/Δzヘルツ/秒をすることにより、長距離において測定対象に強い外乱が存在しても高い空間分解能を維持できる。
【００１５】
干渉信号のビート周波数FBは、式(3)により決まる。  
FB = γ・z・2n/c      …(3)  
ここで、zは測定対象の距離である。
超高速掃引した結果、干渉信号のビート周波数が高くなる。例えば、10THz/sの掃引速度で、40kmの測定対象の場合、ビート周波数は約4GHzとなる。市販サンプリング装置を含めた受信系を用いた場合は、高周波サンプリング装置が入手困難であるため、GHzオーダの信号データを得ることは困難である。
【００１６】
そこで、この問題を解決するために、以下の処理を行うことにより解決する。受信信号の周波数をMセクションに分けて、それぞれを受信系が対応できる帯域幅を持つバンドパスフィルタに通過した後、ミキサと正弦波信号発生器を用いて受信系に対応できる帯域に周波数を落とし、スイッチによって前記Mセクションに分けられた経路を選択しデータを取得する。このデータ取得をセクション数の回数（M回）行い、M回のデータを処理した後、データを結合し全体の光周波数領域反射測定波形を得る。
【００１７】
このような手段を講じることにより、長距離においても光部品や光伝送路からの反射光および後方散乱光を高い空間分解能に測定することが可能になる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、Ｃ−ＯＦＤＲ法による光リフレクトメトリ測定装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。図１において、周波数掃引光源１１からの出力光は光方向性結合器１２により分岐され、一方は参照光として用いられ、他方は被測定光回路１３に入射される。被測定光回路１３の内部で後方散乱された信号光は光方向性結合器１２により取り出され、光方向性結合器１４により参照光と合波されたのち光受信器１５により検波される。このとき、サンプリング装置１６により、２光波の干渉により生じる干渉ビート信号をサンプリングし、測定したデータを光周波数解析装置１７にて解析することにより、被測定光回路１３内の各位置からの後方散乱光強度分布が測定される。
【００１８】
測定対象に強い外乱（外部環境の影響）が存在しても高い空間分解能を維持するために、周波数掃引光源１１の光周波数の掃引速度を線形的かつ超高速的に掃引することが非常に重要である一般的な波長可変光源は光周波数を掃引することができるものの、掃引中に掃引速度が変わってしまう。すなわち、掃引線形性が悪い。そのため、長距離かつ高空間分解能の光反射測定に使用できない。
【００１９】
そこで、掃引速度を常に一定にするため、図２に示すように、光源１１１からの出力をシングルサイドバンド変調器（ＳＳＢ変調器）１１２に入力し、またＳＳＢ変調器１１２にＲＦ掃引信号発生器１１３で発生されるＲＦ掃引信号も入力する。ここで、ＲＦ掃引信号は線形的に掃引することで、出力の光周波数も線形に掃引される。このため、ＲＦ掃引信号を超高速的に掃引することが非常に重要である。
【００２０】
任意の波形発生器から周波数を線形的に掃引されるＲＦ信号を作ることは可能であるが、光周波数の掃引できる範囲（掃引幅）は広くても数百MHzオーダに留まるため不十分である。空間分解能の理論値は掃引幅と反比例しているため、掃引幅が数百MHz程度での場合の空間分解能の限界は数十cm程度である。一般に、数cm程度の空間分解能を実現するために、数GHz程度の掃引幅が必要である。
【００２１】
図３は、ＲＦ信号を超高速に掃引するための信号処理回路の例である。波形発生器（波形は任意とする）１１ａから出力された周波数F1〜F2の信号に掃引速度γで線形的に掃引されたＲＦ信号が作られ、この信号に電気ダブラ１１ｂにより信号の周波数を２倍にした周波数2F1〜2F2に掃引されたＲＦ信号を作成する。これにより、掃引速度も2倍となり、2γとなる。
【００２２】
しかしながら、実際に電気ダブラを用いて得られる信号には、元の信号周波数（F1〜F2）も残り、またハーモニックス（3F1〜3F2、4F1〜4F2、…）も生成されてしまう。そのため、目的とする周波数2F1〜2F2のみを得るためには、周波数2F1〜2F2のみが通過できるバンドパスフィルタ１１ｃを経由させる必要である。よって、バンドパスフィルタ１１ｃについては、元の信号やハーモニックスは2F1〜2F2の区間に重ならないように、式(4)のように設計する必要がある。
【００２３】
F1 ＜F2 ＜1.5F1
このような電気ダブラ１１ｂとバンドパスフィルタ１１ｃの組み合わせをN個直列に並べることにより、周波数（F1〜F2）の信号を、周波数（2NF1〜2NF2）にすることが可能となり、掃引幅および掃引速度がそれぞれ2N倍になる。周波数（2NF1〜2NF2）は高い周波数であることから、ＳＳＢ変調器１１２の帯域Bを超えてしまう場合、ミキサを使用して周波数を低く抑える必要がある。この場合、正弦波信号発生器１１ｅにて適切な正弦波信号（周波数FM）を作って、ミキサ１１ｄでＲＦ信号と合波することにより、（2NF1-FM〜2NF2-FM）の信号になる。なお、掃引幅の限界はＳＳＢ変調器１１２の帯域B（通常20GHz弱）になる。
【００２４】
また、波形発生器１１ａに換えて、市販ＲＦシンセサイザ１１ａを用いても周波数を線形的に掃引されるＲＦ信号を作ることができる。しかしながら、この場合も、波形発生器１１ａを用いた場合と同様に、掃引速度は数百GHz/s程度に留まっているため、外部環境雑音の影響により空間分解能がメートル程度まで劣化する。そこで、市販ＲＦシンセサイザを用いた場合においても図３のようにすれば、掃引速度が2N倍になるので、数THz/s〜数十THz/sのＲＦ信号を作ることが可能となり、よって、外部環境の影響をcm程度まで抑えることが可能となる。
【００２５】
式(3)について説明したように、超高速掃引を行った結果の干渉信号のビート周波数は高くなる。例えば、10THz/sの掃引速度で、40kmの測定対象の場合、ビート周波数は約4GHzとなる。市販サンプリング装置を含めた受信系を用いた場合は、高周波サンプリング装置が入手困難であるため、GHzオーダの信号データを得ることは困難である。
【００２６】
そこで、この問題を解決するために、高い周波数を低い周波数まで落とせるミキサは非常に役立つ。周波数（FH1〜FH2）の信号と正弦波信号FSinを同時にミキサ１１ｄとすることによって周波数［（FH1-FSin）〜(FH2-FSin）]信号になる。
【００２７】
このような高周波数信号をミキサと正弦波信号発生器１１ｅを用いて低周波数まで落とせば受信系にデータを得ることができる。例えば、市販されているサンプリング装置のサンプリングレートはSサンプル/秒とすると、ナイキスト定理により、対応できる周波数帯域はS/2ヘルツである。ビート周波数は図４のようにMセクションに分ければ、いずれか一区間を取り、その後それぞれを正弦波発生器１１ｅとミキサ１１ｄにより0〜S/2ヘルツまで落ちれば、全ての信号が測定可能となる。
【００２８】
図５は本発明に係る光周波数領域反射測定装置（Ｃ−ＯＦＤＲ）の具体的な実施例を示すブロック図である。図１に示した周波数掃引光源１１を、図２において示した光源１１１、ＳＳＢ変調器１１２、およびＲＦ掃引信号発生器１１３とで構成する。図５において、出力光は光方向性結合器１２により二分岐され、一方は参照光として用いられ、他方は光被測定光回路１３に入射される。被測定光回路１３の内部で後方散乱された信号光は光方向性結合器１２により取り出され、光方向性結合器１４により参照光と合波され、その後、光受信器１５により合波によって干渉を生じたビート信号が検波される。
【００２９】
光受信器１５からのビート信号を、スイッチ１８とスイッチ２４により、１〜Ｍ番目の経路を経た信号の内のいずれか一つを選択する。１番目の経路は、帯域０〜S/2ヘルツのローパスフィルタ１９のみで構成される。２番目の経路は、帯域S/2〜2S/2ヘルツのバンドパスフィルタ２０１を有し、図４に示した２番目のブロックの信号のみを透過させる。これと同時に、正弦波信号発生器２１から周波数S/2ヘルツの信号を発生させ、ミキサ２２１にて周波数（S/2〜2S/2）の信号を周波数（0〜S/2）にダウンコンバートする。正弦波信号発生器２１では、スイッチ１８を選択する信号と同期してその都度最適な周波数の信号を送出する必要がある。そこで、同期装置２３により、その同期処理を実現する。同様に、２番目以降の経路も同じように信号を周波数（0〜S/2）にダウンコンバートする。つまり、Ｍ番目（Ｍ＞１）の経路は、帯域(M-1)S/2〜MS/2ヘルツのバンドパスフィルタ１９’を有し、図４に示したＭ番目のブロックの信号のみを透過させる。これと同時に、正弦波信号発生器２１から周波数(M-1)S/2ヘルツの信号を発生させ、ミキサ２２M-1にて周波数[(M-1)S/2〜MS/2]の信号を（0〜S/2）にダウンコンバートする。
【００３０】
スイッチ１７,２２は同期装置２３により動作が同期され、１〜Ｍ番目の経路の全てについて各一回選択し、Ｍ回に分けてサンプリング装置１６にてデータを取得する。Ｍ回のデータを周波数解析装置１７にて処理した後、合併すれば全体の光周波数領域反射測定波形を得ることができる。
【００３１】
このようにすることで、長距離の測定対象に強い外乱が存在しても、光周波数の掃引速度を高速化にし、ビート信号を高周波化することによって、高い空間分解能を維持することができる。
以上、実施形態に記載の構成によれば、測定対象に強い外乱が存在しても高い空間分解能を維持しながら、光部品や光伝送路からの反射光および後方散乱光を測定することができる。
【００３２】
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。例えば、ほかの光周波数を線形的かつ超高速に掃引する方法でもよい。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。
【符号の説明】
【００３３】
１１…光周波数掃引コヒーレント光源、１１１…光源、１１２…ＳＳＢ変調器、１１３…ＲＦ掃引信号発生器、１１ａ…波形発生器（ＲＦシンセサイザ）、１１ｂ１〜１１ｂＮ…電気ダブラ、１１ｃ１〜１１ｃＮ…バンドパスフィルタ、１１ｄ…ミキサ、１１ｅ…正弦波信号発生器、１２…光方向性結合器、１３…被測定光回路、１４…光方向性結合器、１５…光受信器、１６…サンプリング装置、１７…光周波数解析装置、１８…スイッチ、１９…ローパスフィルタ、２０１〜２０Ｍ−１…バンドパスフィルタ、２１…正弦波信号発生器、２２１〜２２Ｍ−１…ミキサ、２３…同期装置、２４…スイッチ。
【図１】
2012117886.tif 000003
【図２】
2012117886.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2012117886.tif 000007