JP5582473B2 - 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 - Google Patents

Description

本発明は、光部品や光伝送路からの反射光あるいは後方散乱光を高空間分解能で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。

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で測定することが可能な手法として、非特許文献１に示すようなコヒーレント光を用いた光周波数領域反射（Ｃ−ＯＦＤＲ：Coherent Optical Frequency Domain Reflectometry）測定法がある。このＣ−ＯＦＤＲ測定法は、測定対象に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。

さらに、非特許文献２に示すように、参照干渉計を用いて光源のコヒーレンス特性をモニタしてそれをクロックとして測定ビート信号をリサンプリングすることで、レーザコヒーレンス長を越える領域においても、光源の位相揺らぎ（光源位相雑音）による反射スペクトルの広がりを補償し高精度な測定結果を得ることができるとされている。

また、Ｃ−ＯＦＤＲのようにコヒーレント検波を用いた測定においては、フェーディング雑音と呼ばれる雑音が測定波形上に現れる。フェーディング雑音は異なる位置での後方散乱光電界の不均一によって生じ、レイリー後方散乱光強度の揺らぎとして測定波形に重畳される。これにより、Ｃ−ＯＦＤＲの測定精度は大きく劣化してしまう。

そこで、フェーディング雑音の低減のために、非特許文献３に示されるような周波数シフト平均法（ＦＳＡＶ：Frequency Shift Averaging Technique）が有効であることが知られている。このＦＳＡＶは測定毎に試験光の周波数（波長）を変化させて測定する処理を複数回実施し、測定毎に得られた波形を加算平均することで、フェーディング雑音を低減する方法である。

各測定に用いる試験光の波長が異なるほどＦＳＡＶの効果は大きくなる。Ｃ−ＯＦＤＲにおいてＦＳＡＶを効果的に用いるためには、単一のＣ−ＯＦＤＲ測定にて用いる周波数掃引範囲がＦＳＡＶのための各測定で重複しないように、試験光の波長を変えて測定する必要がある。したがって、Ｃ−ＯＦＤＲにおいては、前述したように高分解能測定に広範囲な周波数掃引が必要であり、さらに、フェーディング雑音低減のためにそれ以上に試験光の周波数を変えて複数回の測定を実施する必要が生じる。このように、Ｃ−ＯＦＤＲにおいて高分解能、長距離かつフェーディング雑音を低減した測定を実現するには、極めて広帯域な試験光を用いることになる。

しかし、既存の技術においてはこのような広帯域な試験光を用いた場合、測定対象が持つ波長分散（ＣＤ：Chromatic Dispersion）によって、各測定にて得られる反射点の位置がずれてしまい、それらを加算平均した際に波形広がりとなり、フェーディング雑音は低減するが分解能は劣化するという問題があった。

W.Eickhoff and R.Ulrich，Applied physics Letters,vol.39,no9,pp.693-695,1981. X.Fan，Y.Koshikiya and F.Ito,Optics Letters,vol.32.no.22,pp.3227-3229,2007 K. Shimizu, T. Horiguchi, and Y. Koyamada, IEEE/OSA J. Lightwave Technol. Vol. 10, No. 10, pp. 982-987, 1992

以上のように、従来のＣ−ＯＦＤＲ測定方法では、高分解能、長距離かつフェーディング雑音を低減した測定を実現するためには、極めて広帯域な試験光を用いることになるが、既存の技術においてはこのような広帯域な試験光を用いた場合、測定対象が持つ波長分散によって、各測定にて得られる反射点の位置がずれてしまい、それらを加算平均した際に波形広がりとなり、フェーディング雑音は低減するが分解能は劣化してしまうという問題があった。

本発明は、上記の事情を鑑みてなされたもので、広帯域な試験光を用いた際の波長分散による反射点のずれを補償することができ、低フェーディング雑音と高分解能性を両立した測定を行う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用いた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。

上記目的を達成するために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掃引する光源からの出力光を二分岐して参照干渉計及び測定干渉計にそれぞれ入射し、前記測定干渉計では前記光源からの出力光と該出力光を測定対象に入射させることにより得られる後方散乱光及び反射光との測定ビート信号を検出し、前記参照干渉計では前記光源からの出力光と該出力光を前記測定対象と同一の波長分散係数を持つ遅延手段で遅延させた光とのモニタビート信号を検出し、前記モニタビート信号の波形のサンプリングデータから、前記モニタビート信号の波形において０より大きくπ以下の範囲で任意に選定された一定の位相変化が生じる毎にその時間を求め、前記測定ビート信号の波形のサンプリングデータから前記測定ビート信号の前記一定の位相変化が生じる毎に求められた時間における値を数列として求め、当該数列に対してフーリエ変換を施し、測定対象における光波伝播方向の反射率を測定する。

また、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掃引する光源と、前記光源からの出力光が入射され、入射された出力光と出力光を測定対象に入射させることにより得られる後方散乱光及び反射光との測定ビート信号を検出する測定干渉計と、前記光源からの出力光が入射され、入射された出力光と該出力光を前記測定対象と同一の波長分散係数を持つ遅延手段で遅延させた光とのモニタビート信号を検出する参照干渉計と、前記モニタビート信号及び前記測定ビート信号をそれぞれサンプリングするサンプリング手段と、前記サンプリング手段でサンプリングされたモニタビート信号の波形のサンプリングデータからこのモニタビート信号の波形において０より大きくπ以下の範囲で任意に選定された一定の位相変化が生じる毎にその時間を求め、前記測定ビート信号の波形のサンプリングデータからこのモニタビート信号の前記一定の位相変化が生じる毎に得られる時間における値を数列として求め、前記数列に対しフーリエ変換を施し、前記測定対象における光波伝播方向の反射率を測定する解析手段とを具備する。

（３）前記遅延手段には、光ファイバを用いる。

以上のように、本発明は、Ｃ−ＯＦＤＲ測定において、広帯域な試験光を用いた際の波長分散による反射点のずれを補償するものである。具体的には、被測定対象（例えば光ファイバ）と同一の波長分散係数を有する遅延手段（例えば光ファイバ）からなる参照干渉計を用いて測定信号をリサンプリングすることで、波長分散による反射点位置のずれ（加算平均後の反射波形広がり）を補償するものである。これにより、低フェーディング雑音と高分解能を両立したＣ−ＯＦＤＲを行うことが可能となる。

したがって、本発明によれば、広帯域な試験光を用いた際の波長分散による反射点のずれを補償することができ、低フェーディング雑音と高分解能性を両立した測定を行う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用いた光周波数領域反射測定装置を提供することができる。

本発明の光周波数領域反射測定方法を採用した測定装置の一実施形態を示すブロック図。 図１に示す測定装置において、通常のＣ−ＯＦＤＲ測定部分の構成を示すブロック図。 ＣＤをもつ被測定対象を異なる波長で測定した場合に得られる反射スペクトルの位置の違いを示す概略図。 本発明の光周波数領域反射測定方法において、波長分散を考慮する際の遅延時間とビート周波数の関係を示す図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
図１は、本発明に係るＣ−ＯＦＤＲ測定法によるＣ−ＯＦＤＲ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、波長可変光源１１からの出力光は、初段の光方向性結合器１２により２分岐される。一方の出力光は測定干渉計に入射される。この測定干渉計では、次段の光方向性結合器１３により２分岐され、一方はローカル光として用いられ、他方は被測定対象１４に試験光として入射される。

被測定対象１４の内部で後方散乱された反射光は光方向性結合器１３により取り出され、光方向性結合器１５によりローカル光と合波された後、光受信器１６により検波される。このとき、サンプリング装置１７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１８にて解析することにより、被測定対象１４内の後方散乱光強度分布が測定される。

一方、初段の光方向性結合器１２により分岐された出力光は、参照干渉計に入射される。この参照干渉計では、光方向性結合器１９により２分岐される。このうち、一方の出力光は参照光として光方向性結合器２０に送られ、他方の出力光は被測定対象１４と同等のＣＤ係数を持つ遅延ファイバ２１に通され、光方向性結合器２０により参照光と合波された後、光受信器２２により検波される。このとき、上記サンプリング装置１７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１８にて解析し、被測定対象１４内の後方散乱光強度分布の測定結果の比較対象とする。

上記実施形態において、まず、図２乃至図４を参照して、通常、波長の異なる試験光にて測定を実施した場合、同一地点からの反射光を観測しているにもかかわらず、ＣＤによって反射波形の位置がずれることを説明する。
図２は図１に示す測定装置の測定干渉計、すなわち次段の光方向性結合器１３以降の構成を示すもので、ここでは波長可変光源１１からの出力光が試験光としてある一つの反射点を有する被測定対象１４に入射されるものとし、異なる波長（λ₁ およびλ₂ ）で２回の測定を実施する場合を考える。尚、図２において、ａは測定波長λ₁ でのＣＤによる遅延時間τCDFUTλ1、ｂは測定波長λ₂ でのＣＤによる遅延時間τ_CDFUTλ2 、ｃは測定波長λ₁ で得られるビート周波数ｆ_bλ1 、ｄは測定波長λ₂ で得られるビート周波数ｆ_bλ2示している。

Ｃ−ＯＦＤＲでは、波長可変光源１１において、出力光の光周波数を図３に示すように周波数掃引し、光方向性結合器１３で、ローカル光と被測定対象１４に入射する試験光に分岐し、被測定対象１４内の後方散乱された反射光を光方向性結合器１３で取り出し、光方向性結合器１５でローカル光と反射光を合波して光受信器１６で検波する。このとき、検波出力にはローカル光と反射光の合波によりビート信号が生じている。そのビート信号を時間方向にサンプリングして周波数解析した後、その周波数を測定距離に換算して反射率分布を得る。

ここで、被測定対象１４がＣＤを持つ場合、図４に示すように、測定波長λによって合波されまでの遅延時間が異なる。これは、同一地点からの反射光を観測していても測定波長λによって得られるビート周波数ｆ_bλ1，ｆ_bλ2が異なることを意味する。つまり、測定波長が異なる場合、同一反射点を観測しているにも関わらず、反射位置がずれてしまい、それを加算平均すると波形広がりになる。

上記の問題について、数式を用いて詳細に説明する。
Ｃ−ＯＦＤＲ測定において周波数掃引された光波の電界Ｅ(ｔ)は以下のように表される。

ここで、Ｅ₀は光波の電界複素振幅、ω₀は初期角周波数、γは光周波数掃引率、θ(ｔ)時刻ｔにおける光波のランダムな位相である。この光波は二分岐されたローカル光及び被測定対象（ここでは被測定光ファイバ(Fiber under test)を想定する。以下、ＦＵＴ）１４に入射する試験光となる。

次に、ＦＵＴ１４内のある一点からの反射光とローカル光のビート信号について考える。この時、反射光はＦＵＴ１４からの往復時間τ_FUTとは別に、ＦＵＴ１４のＣＤによる遅延τ_CDFUTを受けるとすると、ビート信号は以下の式で表される。

ここで、Ｒは反射率、Ｃ_FUTは定数である。また、ＦＵＴ１４のＣＤ係数Ｄ_FUTはスロープ（Ｄ_FUTの波長依存性）を持たず、かつ、一度のＣ−ＯＦＤＲ測定中においてはτ_CDFUTが一定であると仮定すると、τ_CDFUTは以下のように表される。

ここで、Δλは試験光の波長差、ｖ_gは群速度である。式(2)、(3)より、得られるビート周波数ｆ_bFUTは以下のように表される。

式(4)よりビート周波数はΔλに依存することは明らかである。これは、フェーディング雑音低減のために異なる波長で複数回の測定を実施した際に、同一地点からの反射光を観測したにも関わらず、得られるビート信号周波数が異なってしまうことを意味する。従って、Ｃ−ＯＦＤＲでは、ビート周波数が距離に対応するため、反射点の位置がずれて測定され、それらを加算平均すると波形の広がりとなり、分解能の劣化を引き起こす。

以上、通常のＣ−ＯＦＤＲにて、フェーディング雑音を低減するためにＦＳＡＶを用いた場合、ＣＤによって反射波形が広がることを数式を用いて説明した。
次に、参照干渉計を用いてＣ−ＯＦＤＲ測定を実施した場合に、ＣＤによるビート周波数のずれが補償されることを数式を用いて説明する。

図１に示すように、通常のＣ−ＯＦＤＲに参照干渉計を追加した構成にてＣ−ＯＦＤＲ測定を実施することを考える。参照干渉計によって得られるビート信号は以下のように表される。

ここで、τ_AUXは参照干渉計での遅延ファイバによる遅延時間、τ_CDAUXは遅延ファイバのＣＤによる遅延時間であり、以下の式で表される。

式(5)において、Ｍを自然数とし、例えば位相がπ（ただし、０より大きくπ以下であれば任意に選択してよい）変化する毎の時間ｔ_Mを考えると、以下のようになる。

上記の時間ｔ_Mにて式(2)に示したビート信号をリサンプリングすると、得られる信号波形Ｉ_FUT(ｔ_M)は以下のように表される。

ここで、Φ(ｔ_M)はランダムな位相の揺らぎであるため、Φ(ｔ)と同等であり、以下の式で表される。

また、得られるビート周波数ｆ_bFUTは以下の式で表される。

ここで、式(10)に式(3)、(6)を代入すると、得られるビート周波数ｆ_bFUTは以下の式で表される。

式(11)において、Ｄ_FUT＝Ｄ_AUXのとき、Δλに依存する項は消失し、同一地点からの反射光におけるビート周波数は測定波長に依存せず一定となる。つまり、ＦＵＴと同等のＣＤ係数を有する遅延ファイバ２１を備える参照干渉計の測定信号をリサンプリングすることで、ＦＳＡＶを適用するために異なる波長での測定を実施した場合においても、ＣＤによる反射点位置のずれ（加算平均後の反射波形広がり）を補償することが可能となり、分解能を維持したままフェーディング雑音を低減することが可能となる。

したがって、本実施形態によるＣ−ＯＦＤＲ測定装置によれば、広帯域な試験光を用いた際の波長分散による反射点のずれを補償することができ、低フェーディング雑音と高分解能性を両立した測定を行うことができる。
尚、上記実施形態では、参照干渉計の遅延手段および被測定対象として光ファイバを例に挙げたが、被測定対象と参照干渉計の遅延手段におけるＣＤ係数が同一であれば、光ファイバに限らず、上記の効果が得られることは自明である。また、非特許文献２にあるような、光源位相雑音の補償手段として参照干渉計を用いる際においても、本手法を適用可能であることは自明である。

その他、本発明は、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合せにより種々の発明を形成できる。また、実施形態に示される全構成要素からいくつかの構成要素を削除しても良い。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１１…波長可変光源、１２…初段光方向性結合器、１３…次段光方向性結合器、１４…被測定対象（ＦＵＴ）、１５…光方向性結合器、１６…光受信器、１７…サンプリング装置、１８…光周波数解析装置、１９，２０…光方向性結合器、２１…遅延ファイバ、２２…光受信器。

Claims (3)

1. 光周波数を時間に対して掃引する光源からの出力光を二分岐して参照干渉計及び測定干渉計にそれぞれ入射し、
   前記測定干渉計では前記光源からの出力光と該出力光を測定対象に入射させることにより得られる後方散乱光及び反射光との測定ビート信号を検出し、
   前記参照干渉計では前記光源からの出力光と該出力光を前記測定対象と同一の波長分散係数を持つ遅延手段で遅延させた光とのモニタビート信号を検出し、
   前記モニタビート信号の波形のサンプリングデータから、前記モニタビート信号の波形において０より大きくπ以下の範囲で任意に選定された一定の位相変化が生じる毎にその時間を求め、
   前記測定ビート信号の波形のサンプリングデータから前記測定ビート信号の前記一定の位相変化が生じる毎に求められた時間における値を数列として求め、
   当該数列に対してフーリエ変換を施し、測定対象における光波伝播方向の反射率を測定することを特徴とする光周波数領域反射測定方法。
2. 光周波数を時間に対して掃引する光源と、
   前記光源からの出力光が入射され、入射された出力光と出力光を測定対象に入射させることにより得られる後方散乱光及び反射光との測定ビート信号を検出する測定干渉計と、
   前記光源からの出力光が入射され、入射された出力光と該出力光を前記測定対象と同一の波長分散係数を持つ遅延手段で遅延させた光とのモニタビート信号を検出する参照干渉計と、
   前記モニタビート信号及び前記測定ビート信号をそれぞれサンプリングするサンプリング手段と、
   前記サンプリング手段でサンプリングされたモニタビート信号の波形のサンプリングデータからこのモニタビート信号の波形において０より大きくπ以下の範囲で任意に選定された一定の位相変化が生じる毎にその時間を求め、前記測定ビート信号の波形のサンプリングデータからこのモニタビート信号の前記一定の位相変化が生じる毎に得られる時間における値を数列として求め、前記数列に対しフーリエ変換を施し、前記測定対象における光波伝播方向の反射率を測定する解析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。
3. 前記遅延手段には、光ファイバを用いることを特徴とする請求項２記載の光周波数領域反射測定装置。

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