JP6306922B2 - 光周波数領域反射測定方法、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 - Google Patents

Description

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２つの直交した偏波状態の光を被測定光ファイバに入力し、それぞれにおけ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し、複屈折の補正を行なう技術に関する。

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。

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２４に示す。図２４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。

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。

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。

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。

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。

ここで、図２５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。

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。

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２５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。

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。

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２５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。

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。

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。

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。

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。

上記した図２４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。

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。

図２６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２５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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図２７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。

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。

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。

図２７では図２６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２６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。

図２８は、図２７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。

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。

監視部７０は、図２９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。

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。

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。

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。

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２４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。

この構成によって、図２７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。

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。

特表２０１３−５０５４４１ 国際公開ＷＯ−２０１３１３６２４７

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装置では、偏波コントローラ１５を第１の偏波状態に設定した場合と第２の偏波状態に設定した場合の２回の波長掃引が必要であるため、２回の掃引分の測定時間を要し、１回目の掃引と２回目の掃引の間に被測定光ファイバの歪みが変化すると誤差が発生するという問題があった。

本発明は、上記問題を解決し、１回の波長掃引で２つの直交した偏波状態の光を被測定光ファイバに入力でき、短時間に歪み変化の検出が可能な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。

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を複数に分岐して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、
前記測定光として、前記波長掃引光と同じ波長掃引特性を有し、互いに偏波が直交する第１の偏波状態の光と第２の偏波状態の光が、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光を用いるとともに、
前記波長掃引光が１回波長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、前記第１の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光と前記基準光との干渉によって生じるビート周波数と、前記第２の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光と前記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、前記第１の偏波状態の光と前記第２の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバの反射光のそれぞれの測定結果を得ることを特徴とする。

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、
前記ビートを電気信号として出力させる段階は、前記反射光と前記基準光を互いに直交するｓ偏波成分とｐ偏波成分に分離し、前記反射光と前記基準光の該ｓ偏波成分を受光器に入力して電気信号Ａｓを出力させる段階と、前記反射光と前記基準光の該ｐ偏波成分を受光器に入力して電気信号Ａｐを出力させる段階とを含み、
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は、前記電気信号Ａｓをディジタル信号Ｄｓに変換し、前記第１の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光のｓ偏波成分と前記基準光のｓ偏波成分との干渉によって生じるビート周波数と、前記第２の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光のｓ偏波成分と前記基準光のｓ偏波成分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う段階と、前記電気信号Ａｐをディジタル信号Ｄｐに変換し、前記第１の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光のｐ偏波成分と前記基準光のｐ偏波成分との干渉によって生じるビート周波数と、前記第２の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光のｐ偏波成分と前記基準光のｐ偏波成分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う段階とを含み、
前記第１の偏波状態の光と前記第２の偏波状態の光のそれぞれに対する前記被測定光ファイバの反射光の前記ｓ偏波成分と前記ｐ偏波成分のそれぞれの測定結果を得ることを特徴とする。

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光路を介して受けて複数に分岐する分岐手段（３）と、
前記分岐手段から第２光路を介して出力される第１の分岐光を受け、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）に測定光として出力すると共に、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結合手段（３１）と、
前記分岐手段から第３光路を介して出力される第２の分岐光を基準光として受け、前記方向性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、５６、５７、５８）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、６６）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（１０１〜１０４）とを有する光周波数領域反射測定装置において、
前記第１光路、または前記第２光路、または該第２光路と前記第３光路の両方の光路のいずれかに挿入され、入力される波長掃引光またはその分岐光を、互いに偏波が直交する第１の偏波状態の光と第２の偏波状態の光に分け、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付与して合波し、該合波した光を偏波多重光として出力する偏波多重部（１０、１０Ａ、１０Ｂ）を有し、該偏波多重光を少なくとも前記被測定光ファイバに対する前記測定光として用い、
前記信号処理部は、前記波長掃引光源が１回の波長掃引を行なったことで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、前記第１の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光と前記基準光との干渉によって生じるビート周波数と、前記第２の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光と前記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、前記第１の偏波状態の光と前記第２の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバの反射光のそれぞれの測定結果を得ることを特徴とする。

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、
前記反射光と前記基準光を互いに直交するｓ偏波成分とｐ偏波成分に分離する偏波分離手段（４５、４６）と、
前記反射光と前記基準光の該ｓ偏波成分を受けて干渉によって生じるビートを電気信号Ａｓとして出力する受光器（５５、５７）と、
前記反射光と前記基準光の該ｐ偏波成分を受けて干渉によって生じるビートを電気信号Ａｐとして出力する受光器（５６、５８）と、
前記電気信号Ａｓをディジタル信号Ｄｓに変換するＡ／Ｄ変換器（６５）と、前記電気信号Ａｐをディジタル信号Ｄｐに変換するＡ／Ｄ変換器（６６）とを有し、
前記信号処理部は、
前記波長掃引光源が１回の波長掃引を行なったことで得られる前記ディジタル信号Ｄｓに対するフーリエ変換処理を、前記第１の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光のｓ偏波成分と前記基準光のｓ偏波成分との干渉によって生じるビート周波数と、前記第２の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光のｓ偏波成分と前記基準光のｓ偏波成分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前記ディジタル信号Ｄｓに対するフーリエ変換結果を距離軸上で合成し、前記波長掃引光源が１回の波長掃引を行なったことで得られる前記ディジタル信号Ｄｐに対するフーリエ変換処理を、前記第１の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光のｐ偏波成分と前記基準光のｐ偏波成分との干渉によって生じるビート周波数と、前記第２の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光のｐ偏波成分と前記基準光のｐ偏波成分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前記ディジタル信号Ｄｐに対するフーリエ変換結果を距離軸上で合成することで、前記第１の偏波状態の光と前記第２の偏波状態の光のそれぞれに対する前記被測定光ファイバの反射光の前記ｓ偏波成分と前記ｐ偏波成分のそれぞれの測定結果を得ることを特徴とする。

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、
前記偏波多重部が前記第２光路にのみ挿入されていることを特徴とする。

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、
前記偏波多重部が前記第１光路に挿入され、該偏波多重部から出力される偏波多重光が、分岐されて前記測定光と前記基準光として出力されることを特徴とする。

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３記載の光周波数領域反射測定装置において、
前記偏波多重部は、前記第２光路に挿入された第１の偏波多重部（１０Ａ）と前記第３光路に挿入された第２の偏波多重部（１０Ｂ）からなり、
前記第１の偏波多重部において偏波多重光に付与される第１の所定の時間差と、前記第２の偏波多重部において偏波多重光に付与される第２の所定の時間差とが、異なる値に設定されていることを特徴とする。

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、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、前記波長掃引光源が１回の波長掃引を行なっ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、前記第１の偏波状態の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基準光との干渉によって生じるビート周波数と、前記第２の偏波状態の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、前記第１の偏波状態の光と前記第２の偏波状態の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のそれぞれの測定結果を得ることを特徴とする。

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８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。

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。

また、本発明の請求項１１の光周波数領域反射測定装置は、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、
前記マルチコアファイバのコアのうちの複数Ｍのコアに前記測定光を与え、該複数Ｍのコアからの反射光と前記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変換器の組を複数Ｍ組設けたことを特徴する。

また、本発明の請求項１２の光周波数領域反射測定装置は、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。

また、本発明の請求項１３の光周波数領域反射測定装置は、請求項１１または請求項１２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。

また、本発明の請求項１４の位置または形状を測定する装置は、
前記請求項３〜１３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。

また、本発明の請求項１５の位置または形状を測定する装置は、請求項１４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。

上記したように、本発明では、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に与える波長掃引された測定光として、互いに偏波が直交する第１の偏波状態の光と第２の偏波状態の光が、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光を用いるとともに、波長掃引光が１回波長掃引されたときに得られるディジタル信号に対するフーリエ変換処理を、第１の偏波状態の光に対する被測定光ファイバからの反射光と基準光との干渉によって生じるビート周波数と、第２の偏波状態の光に対する被測定光ファイバからの反射光と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、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、第１の偏波状態の光と第２の偏波状態の光に対する被測定光ファイバの反射光のそれぞれの測定結果を得ている。

したがって、従来装置のように、波長掃引毎に測定光の偏波を切り替えて測定する必要がなく、１回の波長掃引で、第１の偏波状態の光と第２の偏波状態の光に対する被測定光ファイバの反射光の特性が得られ、測定を短時間に行なうことができ、被測定光ファイバに加わる歪みの変化が段時間に発生する場合でも、それを見逃すことなく測定できる。

また、請求項６のように、偏波多重部が第１光路に挿入され、その偏波多重部から出力される偏波多重光が、分岐されて測定光と基準光として出力される構成の場合、合波手段において、基準光の２つの直交する偏波成分と反射光の２つの直交する偏波成分同士が合波されることになり、基準光に対する反射光の直交する偏波成分を単一の偏波分離手段で分離でき、合波手段以降の構成を簡素化でき、マルチコアファイバを測定対象とする場合に装置の構成が簡単化される。

また、請求項７のように、多重時間差が異なる２つの偏波多重部を第２光路と第３光路に挿入した場合、合波手段において、基準光の２つの直交する偏波成分と反射光の２つの直交する偏波成分同士が、それぞれの多重時間差の差分だけずれた状態で合波されることになり、反射光の２つの直交する偏波成分が合成されて出力されることになり、偏波分離手段を介することなく単一の受光器へ入力でき、合波手段以降の構成をさらに簡素化でき、マルチコアファイバを測定対象とする場合に装置の構成がさらに簡単化される。

偏波多重光を測定光にのみ用いた実施形態の構成図 本発明の実施形態の要部の構成例を示す図 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 被測定光ファイバの構造例を示す図 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 本発明の実施形態の信号処理部の構成例を示す図 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 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 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 本発明の実施形態の別の構成図 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 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 本発明の実施形態の別の構成図 偏波多重光を分岐して測定光と基準光に用いた実施形態の構成図 図１４に示した構成装置の動作説明図 多重時間差が異なる二つの偏波多重部の出力をそれぞれ測定光と基準光に用いた実施形態の構成図 図１６に示した構成装置の動作説明図 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 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 マルチコアファイバに対応する実施形態の構成図 マルチコアファイバの構造例を示す図 マルチコアファイバに対応する実施形態の別の構成図 マルチコアファイバに対応する実施形態の別の構成図 従来装置の基本構成図 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 偏波を考慮した従来装置の構成図 偏波を考慮した従来装置の別の構成図 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２８の要部の構成例を示す図

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

（第１の構成）
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。

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波長掃引された光（波長掃引光）Ｐ０を出力する。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。

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。

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多重部１０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）に挿入された基準光の偏波調整のための偏波コントローラ２５に入力される。

ここで、偏波多重部１０に入力される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。

偏波多重部１０は、入力される波長掃引光を、互いに偏波が直交する第１の偏波状態の光と第２の偏波状態の光に分け、その二つの光を所定の時間差（多重時間差）ΔＴ１をもって合波し、これを偏波多重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Ｐ１ａ、Ｐ１ｂ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。

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。

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。

ここで、偏波多重部１０で所定の時間差をもって合波された２種類の光の一方を第１の偏波状態の光、他方を第２の偏波状態の光と呼ぶ。

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Ｐ１ａ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Ｐ１ａ′（第１の偏波状態の光）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Ｐ１ｂを遅延ファイバのような遅延手段１３で所定時間ΔＴ１だけ遅延させ、その遅延した光Ｐ１ｂ′（第２の偏波状態の光）と偏波が直交変換された光Ｐ１ａ′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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

偏波多重部１０の出力光（偏波多重光）は、測定光Ｐmesとして方向性結合手段３１を介して被測定光ファイバ３７に入力される。

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。

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。

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。

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。

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。

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が干渉してビート信号が発生するが、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）。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た場合の例であり、実際には、互いに偏波が直交する２つの波長掃引光が所定の時間差ΔＴ１で多重化された偏波多重光が測定光として入力されることになるが、その動作については後述する。

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、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。

一方、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、入力光Ｐ２に対して、後述の偏波分離手段４５、４６でそれぞれ２つに分岐される基準光成分の強度がほぼ等しくなるように、出力光Ｐ２′（＝基準光Ｐｒ）の偏波状態を調整するためのものであり、前記したように予め波長掃引光源１の出力光の偏波状態が、偏波分離手段４５、４６で２つに分岐される基準光成分の強度がほぼ等しくなるように設定されていれば省略できる。

通常、被測定光ファイバ３７からの反射光Ｐret の強度は、基準光Ｐｒの強度より小さいため、偏波分離手段４５、４６で２つに分岐される全ての光の強度がほぼ等しくなるように偏波コントローラ２５を調整しておいても良い。

合波手段４１から出力される一方の光Ｐsum(+)は、ＰＢＳのような偏波分離手段４５に入力され、２つの直交した偏波状態の光ｓ(+)、ｐ(＋)に分岐され、他方の光Ｐsum(-)も、ＰＢＳのような偏波分離手段４６に入力され、２つの直交した偏波状態の光ｓ(-)、ｐ(-)に分岐される。

光ｓ(+)、ｓ(-)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でディジタル信号Ｄｓ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。

同様に、光ｐ(+)、ｐ(-)はバランス受光器５６に入力され、そのバランス受光器５６から入力光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。

前記したように、光ｓ(+)、ｓ(-)および光ｐ(+)、ｐ(-)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。

Ａ／Ｄ変換器６５、６６から出力されるディジタル信号Ｄｓ、Ｄｐ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。

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（ΔＴ）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、偏波多重光を測定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。

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。

（測定原理の説明）
次に、上記構成の測定装置１００により、互いに直交した偏波の光を被測定光ファイバ３７に入射した時の応答を分離して検出できる原理を説明する。

前記したように、ＦＢＧは、回折格子の間隔の２倍がファイバ中での光の波長の整数倍に等しい時に高い効率で光を反射する。これは各回折格子で反射した光が同相になり互いに強め合うためである。また、チャープＦＢＧは、光ファイバの長手方向の位置によって回折格子間隔が変化しているため、光の波長によって反射する長手方向の位置が異なる。光ファイバの長手方向に所定の周期で複数のチャープが存在する場合、光ファイバの長手方向の複数の位置で光が反射する。

また、光周波数領域反射測定法は、光の周波数が時間的に一定割合で変化する掃引光源の光を被測定光ファイバに入射し、被測定光ファイバからの反射光と基準光との干渉によるビートを測定するものである。この場合、光の周波数は時間的にほぼ一定割合で変化しているため、反射光と基準光は両者の遅延時間差に比例した光周波数の違いが発生し、反射光と基準光の干渉によって両者の光周波数差に応じた周波数のビートが発生する。被測定光ファイバで光が反射する位置によって反射光の遅延時間が異なるため、反射位置によってビートの周波数が異なる。

したがって、図５に示したように、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、時間によってピーク周波数が一定割合で変化する。

被測定光ファイバ３７が、図４に示したように、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（領域）が３周期で、図５に示したように、光源の掃引が時間的に光の周波数が増加する方向の場合において、分岐手段３から合波手段４１までの基準光Ｐｒ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に至る光路長よりも短くした場合、偏波多重部１０から出力される測定光に含まれる第１の偏波状態の光と基準光との干渉で得られるビート信号については、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Ｂ１ａ〜Ｂ３ａが得られる。

また、偏波多重部１０から出力される測定光に含まれる第２の偏波状態の光は、第１の偏波状態の光に比べて時間ΔＴ１だけ遅れているため、第２の偏波状態の光と基準光の干渉で得られるビート信号については、そのビートスペクトルのピークが第１の偏波状態の光に対応するビートスペクトルのピークよりも周波数が高くなる。

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）の破線のように第１の偏波状態の光に対応するビートスペクトルのピークの中間に第２の偏波状態の光に対応するビートスペクトルのピークＢ１ｂ〜Ｂ３ｂが発生する。

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破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。

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。

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１におけるフーリエ変換処理で、各ピークＢ１ａ〜Ｂ３ａ、Ｂ１ｂ〜Ｂ３ｂの期間１のフーリエ変換結果（Ｂ１ａＬ）〜（Ｂ３ａＬ）、（Ｂ１ｂＬ）〜（Ｂ３ｂＬ）が分離して求められ、期間２におけるフーリエ変換処理で、各ピークＢ１ａ〜Ｂ３ａ、Ｂ１ｂ〜Ｂ３ｂの期間２のフーリエ変換結果（Ｂ１ａＨ）〜（Ｂ３ａＨ）、（Ｂ１ｂＨ）〜（Ｂ３ｂＨ）が分離して求められる。

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、第２の入射偏波状態に対応する換算結果［Ｂ１ｂＬ］〜［Ｂ３ｂＬ］、［Ｂ１ｂＨ］〜［Ｂ３ｂＨ］は偏波多重部１０の光路長差ΔＬ１の１／２だけ近端側へ補正され、図７の（ｄ）のように全ての距離範囲にわたって第１の入射偏波状態に対応する結果［Ｂ１ａＬ］〜［Ｂ３ａＬ］、［Ｂ１ａＨ］〜［Ｂ３ａＨ］と第２の入射偏波状態に対応する結果［Ｂ１ｂＬ］〜［Ｂ３ｂＬ］、［Ｂ１ｂＨ］〜［Ｂ３ｂＨ］とを分離して、かつＦＢＧの全距離範囲にわたる分布が得られる。

このように、全測定時間内では第１の偏波状態に対応するビートスペクトルと第２の偏波状態に対応するビートスペクトルを重複させることにより、第１の偏波状態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させることなく、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回の波長掃引で第１の偏波状態に対応するビートスペクトルと第２の偏波状態に対応するビートスペクトルの両方を分離して得られる。

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）の破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。

これらの事情から、上記した２分割のフーリエ変換では、第１の入射偏波状態の光に対するビート信号と第２の入射偏波状態の光に対するビート信号の周波数が重複し、完全な分離ができなくなる恐れがある。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。

図８の（ａ）は、ビートスペクトルのピークＢ２ａ、Ｂ２ｂ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。

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における第１の入射偏波状態のフーリエ変換結果（Ｂ１ａＬ）〜（Ｂ３ａＬ）、（Ｂ１ａＭ）〜（Ｂ３ａＭ）、（Ｂ１ａＨ）〜（Ｂ３ａＨ）、期間１〜３における第２の入射偏波状態のフーリエ変換結果（Ｂ１ｂＬ）〜（Ｂ３ｂＬ）、（Ｂ１ｂＭ）〜（Ｂ３ｂＭ）、（Ｂ１ｂＨ）〜（Ｂ３ｂＨ）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第１の入射偏波状態と第２の入射偏波状態に対応する結果を分離して得ることが出来る。

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。

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、破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）のように第１の入射偏波状態のビートスペクトルと第２の入射偏波状態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第１の入射偏波状態と第２の入射偏波状態に対応する結果を分離して得ることが出来る。

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、上記例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。

従って、図１に示した構成の測定装置１００により、１回の波長掃引で第１の入射偏波状態に対応する結果と第２の入射偏波状態に対応する結果の両方が得られ、掃引毎に偏波コントローラ１５の偏波を切替える必要が無い。

前述したように、信号処理部１０１では、一回の波長掃引で得られたディジタル信号Ｄｓ、Ｄｐに対して、それぞれ上記したような期間毎のフーリエ変換処理を行ない、第１の入射偏波状態に対応する結果と第２の入射偏波状態に対応する結果を得る。これより、第１の偏波状態に対応するディジタル信号Ｄｓ、Ｄｐのフーリエ変換結果ａ、ｂ、第２の偏波状態に対応するディジタル信号Ｄｓ、Ｄｐのフーリエ変換結果ｃ、ｄが得られ、４つのフーリエ変換結果ａ、ｂ、ｃ，ｄから、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ことが出来る。

なお、図１の測定装置１００の構成は一例であり、種々の変形が可能である。例えば、図１０の測定装置１１０のように、偏波分離手段４５に対する基準光の偏波状態を調整するための偏波コントローラ２５を分岐手段３の前に配置することもできる。この場合も、図１の測定装置１００と同様に偏波分離手段４５、４６で２つに分岐される基準光成分または全ての光の強度がほぼ等しくなるように偏波コントローラ２５を調整しておく。

また、合波手段４１として、通常のシングルモードファイバを使用した光ファイバカプラを用いた場合、偏波分離手段４５に入力される光Ｐsum(+)と、偏波分離手段４６に入力される光Ｐsum(-)の偏波が異なる場合がある。その場合には、少なくとも一方の偏波分離手段の前に偏波コントローラを挿入して偏波を調整するか、あるいは、図１１に示すように、合波手段４１としてハーフミラーを用い、偏波分離手段４５、４６としてＰＢＳを用いた自由空間光学系とすることが望ましい。

また、図１２に示すように、反射光Ｐret と基準光Ｐｒを、それぞれＰＢＳからなる偏波分離手段４５′、４６′によって偏波分離した後に、合波手段としての２つのハーフミラー４１、４１′により反射光と基準光のそれぞれの偏波分離成分を合波しても良い。

また、図１３に示す測定装置１２０のように、合波手段４１、ＰＢＳのような偏波分離手段４５、受光器５７、５８を用いてシングルエンドの受光にすることも可能である。この構成では、偏波コントローラ２５を合波手段４１の後に配置することができる（前記した理由により省略することも可能である）。また、この構成の場合、２つの偏波分離手段に入力される光の偏波が異なる問題は生じないため、光ファイバ光学系と自由空間光学系のどちらで構成することもできる。

通常、被測定光ファイバ３７からの反射光Ｐret の強度は、基準光Ｐｒの強度より小さいため、偏波分離手段４５で２つに分岐される全ての光の強度がほぼ等しくなるように、すなわち受光器５７の出力の直流成分と受光器５８の出力の直流成分とが等しくなるように偏波コントローラ２５を自動的に調整するようにしても良い。

さらに、図１４に示す測定装置１３０のように、偏波多重部１０を波長掃引光源１から分岐手段３に至る光路（第１光路）に挿入する構成も可能である。この場合、偏波コントローラ２５の位置は、波長掃引光源１と偏波多重部１０の間、偏波多重部１０と分岐手段３の間、分岐手段３と合波手段４１の間の基準光の経路、合波手段４１と偏波分離手段４５の間のいずれでも良い。この構成では、基準光も偏波多重された光になるため、基準光の経路の複屈折も含めて補正することが出来る特長を持つ。

図１４の構成では、偏波多重部１０において第１の偏波状態の光と第２の偏波状態の光が多重化され、偏波多重部１０からの出力光Ｐ０′が２分岐されて、その一方Ｐ１が測定光Ｐmes として被測定光ファイバ３７に入射され、他方Ｐ２が基準光Ｐｒとなる。

このため、第１の偏波状態の光が被測定光ファイバ３７に入射されて反射した光Pret1と第１の偏波状態の基準光Ｐr1が干渉して生じるビート信号Ｂａと、第２の偏波状態の光が被測定光ファイバ３７に入射されて反射した光Pret2と第２の偏波状態の基準光Ｐr2が干渉して生じるビート信号Ｂｂと、第２の偏波状態の光が被測定光ファイバに入射されて反射した光と第１の偏波状態の基準光Ｐr1が干渉して生じるビート信号Ｂｃと、第１の偏波態の光が被測定光ファイバに入射されて反射した光と第２の偏波状態の基準光Ｐr2が干渉して生じるビート信号Ｂｄが発生する。

前２者Ｂａ、Ｂｂは、被測定光ファイバ３７からの反射光と基準光の遅延時間の関係が等しいため同一のビート周波数となる。第３者Ｂｃは、被測定光ファイバ３７からの反射光が時間ΔＴ１だけ遅れているため、前２者Ｂａ、Ｂｂよりもビート周波数が高くなる。第４者Ｂｄは、基準光が時間ΔＴ１だけ遅れているため、前２者Ｂａ、Ｂｂよりもビート周波数が低くなる。

したがって、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１／３に設定すると、図１５の（ａ）のような３種類のビートスペクトルＢｎ＋、Ｂｎｃ、Ｂｎｄが３周期分等間隔に現れる（ｎはＦＢＧの周期値、Ｂｎ＋は同一周波数のＢａ、Ｂｂのビートスペクトル）。

これを図１５の（ｂ）のように、ビート周波数が重複しないように、時間軸方向に３つの期間１〜３に等分割してフーリエ変換を行なうことで、図１５の（ｃ）のように前２者Ｂａ、Ｂｂに対応するフーリエ変換結果（Ｂ１＋Ｌ）〜（Ｂ３＋Ｌ）、（Ｂ１＋Ｍ）〜（Ｂ３＋Ｍ）、（Ｂ１＋Ｈ）〜（Ｂ３＋Ｈ）、第３者Ｂｃに対応するフーリエ変換結果（Ｂ１ｃＬ）〜（Ｂ３ｃＬ）、（Ｂ１ｃＭ）〜（Ｂ３ｃＭ）、（Ｂ１ｃＨ）〜（Ｂ３ｃＨ）および第４者Ｂｄに対応するフーリエ変換結果（Ｂ１ｄＬ）〜（Ｂ３ｄＬ）、（Ｂ１ｄＭ）〜（Ｂ３ｄＭ）、（Ｂ１ｄＨ）〜（Ｂ３ｄＨ）が分離して得られる。

そして、図１５の（ｃ）の横軸を被測定光ファイバ３７上の距離に変換すると、第３者は偏波多重部１０の光路差ΔＬ１の１／２だけ近端側へ補正され、第４者は偏波多重部１０の光路長差ΔＬ１の１／２だけ遠端側へ補正され、図１５の（ｄ）のように、第３者Ｂｃと第４者Ｂｄから全ての距離範囲にわたって第１の入射偏波状態に対応する結果と第２の入射偏波状態に対応する結果の両方が得られる。なお、第３者Ｂｃと第４者Ｂｄは基準光の偏波状態が異なるが、それらの基準光の偏波状態は互いに直交しているため、第３者Ｂｃと第４者Ｂｄのどちらか一方について偏波分離手段４５で分離して得られたディジタル信号Ｄｓ、Ｄｐを入れ替える、またはディジタル信号Ｄｓ、Ｄｐ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。

この測定装置１３０の場合においても、被測定光ファイバ３７の歪みによってビートスペクトルのピークが直線からずれる場合や、光路長差ΔＬ１の誤差によりビートスペクトルのピークの間隔がずれる場合や、チャープＦＢＧがオーバラップしている場合、時間軸上の分割数を３分割より増やすことによりビートスペクトルの重複を回避することが出来る。また、前記同様に窓関数をかけた後にフーリエ変換を行なう場合は、時間軸上の分割数を３分割より増やすと共に窓関数の一部をオーバラップさせることにより、重複部分を使用せずに全距離範囲にわたって結果を得ることが出来る。

図１６は本発明を適用した測定装置１４０の別の変形例を示している。この測定装置１４０では、二つの偏波多重部１０Ａ、１０Ｂを用いており、分岐手段３から方向性結合手段３１に至る光路（第２光路）に偏波多重部１０Ａを挿入して一方の分岐光Ｐ１を与え、その出力を測定光Ｐmes として被測定光ファイバ３７に与え、被測定光ファイバ３７の反射光Ｐret を合波手段４１に入力し、分岐手段３から合波手段４１に至る光路（第３光路）に挿入された偏波多重部１０Ｂに他方の分岐光Ｐ２を与え、その出力を基準光Ｐｒとして合波手段４１に入力している。

２つの偏波多重部１０Ａ、１０Ｂの構成は前記偏波多重部１０と同一であるが、多重する光の時間差ΔＴ１、ΔＴ２は異なる値に設定されている。

合波手段４１から出力される２つの光Ｐsum(+)は、Ｐsum(-)は、バランス受光器５５に入力されて電気信号Ａに変換され、Ａ／Ｄ変換器６１によってディジタル信号Ｄに変換される。なお、バランス受光器５５の代わりにシングルエンドの受光器を用いてもよい。

この測定装置１４０において、前記同様に、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周期の被測定光ファイバ３７に対し、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が、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に至る光路長よりも短い場合を考える。

上記構成の測定装置１４０の場合、測定光Ｐmes には、第１の偏波状態の光と第２の偏波状態の光が多重化され、基準光Ｐｒには、ｓ偏波状態の基準光Ｐrsとｐ偏波状態の基準光Ｐrpが多重化されている。

このため、被測定光ファイバ３７からの反射光Ｐret と基準光Ｐｒとが合波手段４１で合波されると、第１の入射偏波状態に対する反射光のｓ偏波成分Ｐretsとｓ偏波状態の基準光Ｐrsとが干渉してビート信号Ｂasが発生し、第１の入射偏波状態に対する反射光のｐ偏波成分Ｐretpとｐ偏波状態の基準光Ｐrpが干渉してビート信号Ｂapが発生し、第２の入射偏波状態に対する反射光のｓ偏波成分Ｐrets′とｓ偏波状態の基準光Ｐrsが干渉してビート信号Ｂbsが発生し、第２の入射偏波状態に対する反射光のｐ偏波成分Ｐretp′とｐ偏波状態の基準光Ｐrpが干渉してビート信号Ｂbpが発生する。

ここで、第２の入射偏波状態の光は、第１の入射偏波状態の光に比べて時間ΔＴ１だけ遅れているため、第２の入射偏波状態に対応するビートスペクトルのピークは第１の入射偏波状態に対応するビートスペクトルのピークよりも周波数が高くなる。また、ｐ偏波状態の基準光Ｐrpは、ｓ偏波状態の基準光Ｐrsに比べて時間ΔＴ２だけ遅れているため、反射光のｐ偏波成分Ｐretp、Ｐretp′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Ｐrets、Ｐrets′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。

例えば、偏波多重部１０Ａ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に設定し、偏波多重部１０Ｂの光路長差ΔＬ２をＦＢＧのチャープ周期の往復分の光路長の１／４に設定すると、図１７の（ａ）のように第１の入射偏波状態に対する反射光のｓ偏波成分のビートスペクトルのピーク（実線）Ｂas1、Ｂas2、Ｂas3の中間に第２の入射偏波状態に対する反射光のｓ偏波成分のビートスペクトルのピーク(破線) Ｂbs1、Ｂbs2、Ｂbs3 が発生し、破線と実線の中間に第１の入射偏波状態に対する反射光のｐ偏波成分のビートスペクトルのピーク（一点鎖線）Ｂap1、Ｂap2、Ｂap3が発生し、実線と破線の中間に第２の入射偏波状態に対する反射光のｐ偏波成分のビートスペクトルのピーク（二点鎖線）Ｂbp1、Ｂbp2、Ｂbp3が発生する。

逆に、偏波多重部１０Ａの光路長差ΔＬ１をＦＢＧのチャープ周期の往復分の光路長の１／４に設定し、偏波多重部１０Ｂの光路長差ΔＬ２をＦＢＧのチャープ周期の往復分の光路長の１／２に設定しても同様の結果が得られる。

図１７の（ｂ）のように時間軸方向に４つの期間１〜４に等分割してフーリエ変換(例えばＣＰＵやＦＰＧＡを用いた高速フーリエ変換（ＦＦＴ）)を行なうと、図１７の（ｃ）のように、各期間についての第１の入射偏波状態に対する反射光のｓ偏波成分に対応するフーリエ変換結果（Ｂas11）〜（Ｂas31）、（Ｂas12）〜（Ｂas32）、（Ｂas13）〜（Ｂas33）、（Ｂas14）〜（Ｂas34）、各期間についての第１の入射偏波状態に対する反射光のｐ偏波成分に対応するフーリエ変換結果（Ｂap11）〜（Ｂap31）、（Ｂap12）〜（Ｂap32）、（Ｂap13）〜（Ｂap33）、（Ｂap14）〜（Ｂap34）、各期間についての第２の入射偏波状態に対する反射光のｓ偏波成分に対応するフーリエ変換結果（Ｂbs11）〜（Ｂbs31）、（Ｂbs12）〜（Ｂbs32）、（Ｂbs13）〜（Ｂbs33）、（Ｂbs14）〜（Ｂbs34）、各期間についての第２の入射偏波状態に対する反射光のｐ偏波成分に対応するフーリエ変換結果（Ｂbp11）〜（Ｂbp31）、（Ｂbp12）〜（Ｂbp32）、（Ｂbp13）〜（Ｂbp33）、（Ｂbp14）〜（Ｂbp34）が分離して得られる。

前記同様に、図１７の（ｃ）の横軸を被測定光ファイバ３７上の距離に変換すると、第２の入射偏波状態に対応するフーリエ変換結果は、偏波多重部１０Ａの光路長差ΔＬ１の１／２だけ近端側へ補正され、反射光のｐ偏波成分に対応するフーリエ変換結果は偏波多重部１０Ｂの光路長差ΔＬ２の１／２だけ遠端側へ補正され、図１７の（ｄ）のように全ての距離範囲にわたって第１の入射偏波状態に対する反射光のｓ偏波成分に対応する結果と第２の入射偏波状態に対する反射光のｓ偏波成分に対応する結果と第１の入射偏波状態に対する反射光のｐ偏波成分に対応する結果と第２の入射偏波状態に対する反射光のｐ偏波成分に対応する結果とが得られる。なお、図１７では、フーリエ変換結果を下線で、距離換算した結果を上線で区別している。

このように、全測定時間内では第１の入射偏波状態に対する反射光のｓ偏波成分に対応するビートスペクトルと第１の入射偏波状態に対する反射光のｓ偏波成分に対応するビートスペクトルと第２の入射偏波状態に対する反射光のｐ偏波成分に対応するビートスクトルと第２の入射偏波状態に対する反射光のｐ偏波成分に対応するビートスペクトルとを重複させることにより、第１の入射偏波状態に対する反射光の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４以上の領域に分割してフーリエ変換することにより、１回の掃引で、且つ１組の受光器とＡ／Ｄ変換器で第１の入射偏波状態に対する反射光のｓ偏波成分に対応するビートスペクトルと第２の入射偏波状態に対する反射光のｓ偏波成分に対応するビートスペクトルと第１の入射偏波状態に対する反射光のｐ偏波成分に対応するビートスペクトルと第２の入射偏波状態に対する反射光のｐ偏波成分に対応するビートスペクトルの全てを分離して得ることができる。

なお、この実施形態の場合においても、ビートスペクトルのピークが完全な直線からずれた場合、光路長差ΔＬ１、ΔＬ２の誤差がある場合、およびチャープＦＢＧがオーバラップしビートスペクトルのピークの一部がオーバラップしている場合は、４分割のフーリエ変換では各成分が重複し分離できなくなる。その場合には、前記したように、時間軸上の分割数を増やすことにより重複を回避し、全距離範囲にわたって４つの結果を分離して得ることが出来る。

また、窓関数をかけてフーリエ変換を行なう場合も、図９で説明したように、チャープＦＢＧを一部オーバラップさせ、時間軸上の分割数を増やして窓関数を一部オーバラップさせることにより、全距離範囲にわたって４つの結果を分離して得ることが出来る。

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、上記例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。

従って、図１６の構成の測定装置１４０により、１回の波長掃引かつ１組の受光器とＡ／Ｄ変換器で４つの結果が得られ、従来のように掃引毎に偏波コントローラ１５の偏波を切り替えたり、２組の受光器とＡ／Ｄ変換器を使用する必要が無く、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偏波を調整する必要も無いという利点がある。

また、この測定装置１４０においても、信号処理部１０２においてフーリエ変換処理を前記同様に期間毎に行い、得られた４つの結果ａ、ｂ、ｃ、ｄから、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ことが出来るが、この構成では、基準光も偏波多重された光になるため、基準光の経路の複屈折も含めて補正することが出来る利点がある。

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１８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１８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１８の（ｂ）の特性に対して、図１８の（ｃ）のような制限された波長掃引を行なうことで、図１８の（ｄ）に示すように、ビートスペクトルのピークが重複せず、隙間なく並ぶようにできる。

また、図１９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１９の（ｂ）の特性に対して、波長掃引範囲を図１９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１９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。

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２０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１５０の構成例を示す。

この測定装置１５０は、図１４に示した構成の測定装置１３０を４コアの被測定光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。

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を偏波多重部１０に与え、その出力光Ｐ１′を分岐手段３０で４分岐して、その分岐光Ｐ３〜Ｐ６を分岐手段３Ａ〜３Ｄに与える。分岐手段２と分岐手段３Ａ〜３Ｄは８分岐の分岐手段１個で構成することも出来る。また、２分岐の分岐手段１個と、それに続く４分岐の分岐手段２個で構成することも出来る。

各分岐手段３Ａ〜３Ｄで分岐された一方の光は測定光Ｐmes1〜Ｐmes4として、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。

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。

図２１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。

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２１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２１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２１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。

分岐手段３Ａ〜３Ｄ以降の構成は、図１４に示した構成の測定装置１３０の構成を４組分設けたものであり、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により各コアへの測定光Ｐmes1〜Ｐmes4を与えるとともに、各コアからの反射光Ｐret1〜Ｐret4を合波手段４１Ａ〜４１Ｄにそれぞれ入力させ、分岐手段３Ａ〜３Ｄで分岐された基準光Ｐr1〜Ｐr4と合波させる。また、各合波手段４１Ａ〜４１Ｄの出力を偏波コントローラ２５Ａ〜２５Ｄにそれぞれ与え、基準光の偏波を調整して偏波分離手段４５Ａ〜４５Ｄに入力させ、偏波分離された光ｓ１〜ｓ４、ｐ１〜ｐ４をそれぞれ受光器５７Ａ〜５７Ｄ、５８Ａ〜５８Ｄに入力し、その出力をＡ／Ｄ変換器６５Ａ〜６５Ｄ、６６Ａ〜６６Ｄでディジタル信号Ｄｓ１〜Ｄｓ４、Ｄｐ１〜Ｄｐ４に変換して信号処理部１０３に与えている。

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２９に示したものと同じである。

この構成の測定装置１５０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。

図２２は、マルチコアファイバの測定をより簡素な構成で実現する測定装置１６０を示している。この測定装置１６０は、図１６に示した測定装置１４０をマルチコアファイバ３６に対応させるために拡張したものであり、分岐手段３で分岐された光Ｐ３、Ｐ４を偏波多重部１０Ａ、１０Ｂに入力し、偏波多重部１０Ａの出力を分岐手段３０Ａで４分岐して、それぞれを測定光Ｐmes1〜Ｐmes4として方向性結合手段３１Ａ〜３１Ｄおよびマルチコアファイバ用ファンアウト３５を介して被測定マルチコアファイバ３６の各コアに入力する。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および方向性結合手段３１Ａ〜３１Ｄを介して合波手段４１Ａ〜４１Ｄに与えられる。

また、偏波多重部１０Ｂの出力を分岐手段３０Ｂで４分岐し、それぞれを基準光Ｐr1〜Ｐr4として、合波手段４１Ａ〜４１Ｄに与える。

各合波手段４１Ａ〜４１Ｄの出力は、バランス受光器５５Ａ〜５５Ｄに入力され、その出力がＡ／Ｄ変換器６５Ａ〜６５Ｄによってディジタル信号に変換されて信号処理部１０３に与えられる。

この測定装置１６０の場合も、各コアについての動作は前記図１６に示した測定装置１４０の場合と同じであり、極めて簡単な構成で、各コアについての測定が行なえる。

なお、この構成でバランス受光器５５Ａ〜５５Ｄの代わりにシングルエンドの受光器を用いてもよい。

これにより、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。

図２３は、さらに簡素化した測定装置１７０構成例を示している。この測定装置１７０は、図２２の測定装置１６０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、合波手段４８で合波している。図２３では、遅延手段５１Ａ〜５１Ｄを方向性結合手段３１Ａ〜３１Ｄから合波手段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。

合波手段４８からの出力光と偏波多重部１０Ｂからの出力光（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１０４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。

この測定装置１７０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１０Ａおよび偏波多重部１０Ｂの遅延時間を、例えば０、１、２、３、４、８の比率に設定し、時間軸上で１６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、図１７で示したのと同様にして、被測定マルチコアファイバ３６の４つのコアそれぞれの第１の入射偏波状態に対する反射光のｓ偏波成分に対応するフーリエ変換結果と第２の入射偏波状態に対する反射光のｓ偏波成分に対応するフーリエ変換結果と第１の入射偏波状態に対する反射光のｐ偏波成分に対応するフーリエ変換結果と第２の入射偏波状態に対する反射光のｐ偏波成分に対応するフーリエ変換結果の１６個の信号を分離することが出来る。

なお、マルチコアファイバ３６を測定する場合の構成としては、上記構成例だけでなく、図１の測定装置１００、図１０の測定装置１１０、図１３の測定装置１２０を、コア数分拡張した構成も実現できる。

また、前記実施形態で示した信号処理部１０２〜１０４の構成は、入力されるディジタル信号の系列数が異なるが、基本的な構成および動作は図６に示した信号処理部１０１と同等である。

以上、本発明の光周波数領域反射測定装置の実施形態について説明したが、上記実施形態でも述べたが、上記実施例装置により得られた光ファイバの情報から、その光ファイバが固定されている物体を被測定物とし、その各位置または形状を測定する装置に適用することができる。

その場合の具体例としては、光ファイバを固定する被測定物として、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、または地質センサが実現可能である。

１……波長掃引光源、２、３、３０Ａ、３０Ｂ……分岐手段、１０、１０Ａ、１０Ｂ……偏波多重部、２５……偏波コントローラ、３１、３１Ａ〜３１Ｄ……方向性結合手段、４１、４１Ａ〜４１Ｄ……合波手段、４５、４６……偏波分離手段、５５、５５Ａ〜５５Ｄ、５６、５６Ａ〜５６Ｄ……バランス受光器、６５、６５Ａ〜６５Ｄ、６６、６６Ａ〜６６Ｄ……Ａ／Ｄ変換器、７０……監視部、１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０……光周波数領域反射測定装置、１０１〜１０４……信号処理部

Claims (15)

1. 波長が所定範囲連続的に掃引される波長掃引光を複数に分岐して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、
   前記測定光として、前記波長掃引光と同じ波長掃引特性を有し、互いに偏波が直交する第１の偏波状態の光と第２の偏波状態の光が、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光を用いるとともに、
   前記波長掃引光が１回波長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、前記第１の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光と前記基準光との干渉によって生じるビート周波数と、前記第２の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光と前記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、前記第１の偏波状態の光と前記第２の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバの反射光のそれぞれ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。
2. 前記ビートを電気信号として出力させる段階は、前記反射光と前記基準光を互いに直交するｓ偏波成分とｐ偏波成分に分離し、前記反射光と前記基準光の該ｓ偏波成分を受光器に入力して電気信号Ａｓを出力させる段階と、前記反射光と前記基準光の該ｐ偏波成分を受光器に入力して電気信号Ａｐを出力させる段階とを含み、
   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は、前記電気信号Ａｓをディジタル信号Ｄｓに変換し、前記第１の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光のｓ偏波成分と前記基準光のｓ偏波成分との干渉によって生じるビート周波数と、前記第２の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光のｓ偏波成分と前記基準光のｓ偏波成分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う段階と、前記電気信号Ａｐをディジタル信号Ｄｐに変換し、前記第１の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光のｐ偏波成分と前記基準光のｐ偏波成分との干渉によって生じるビート周波数と、前記第２の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光のｐ偏波成分と前記基準光のｐ偏波成分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う段階とを含み、
   前記第１の偏波状態の光と前記第２の偏波状態の光のそれぞれに対する前記被測定光ファイバの反射光の前記ｓ偏波成分と前記ｐ偏波成分のそれぞれ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。
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光路を介して受けて複数に分岐する分岐手段（３）と、
   前記分岐手段から第２光路を介して出力される第１の分岐光を受け、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）に測定光として出力すると共に、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結合手段（３１）と、
   前記分岐手段から第３光路を介して出力される第２の分岐光を基準光として受け、前記方向性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、５６、５７、５８）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、６６）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（１０１〜１０４）とを有する光周波数領域反射測定装置において、
   前記第１光路、または前記第２光路、または該第２光路と前記第３光路の両方の光路のいずれかに挿入され、入力される波長掃引光またはその分岐光を、互いに偏波が直交する第１の偏波状態の光と第２の偏波状態の光に分け、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付与して合波し、該合波した光を偏波多重光として出力する偏波多重部（１０、１０Ａ、１０Ｂ）を有し、該偏波多重光を少なくとも前記被測定光ファイバに対する前記測定光として用い、
   前記信号処理部は、前記波長掃引光源が１回の波長掃引を行なったことで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、前記第１の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光と前記基準光との干渉によって生じるビート周波数と、前記第２の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光と前記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、前記第１の偏波状態の光と前記第２の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバの反射光のそれぞれ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装置。
4. 前記反射光と前記基準光を互いに直交するｓ偏波成分とｐ偏波成分に分離する偏波分離手段（４５、４６）と、
   前記反射光と前記基準光の該ｓ偏波成分を受けて干渉によって生じるビートを電気信号Ａｓとして出力する受光器（５５、５７）と、
   前記反射光と前記基準光の該ｐ偏波成分を受けて干渉によって生じるビートを電気信号Ａｐとして出力する受光器（５６、５８）と、
   前記電気信号Ａｓをディジタル信号Ｄｓに変換するＡ／Ｄ変換器（６５）と、前記電気信号Ａｐをディジタル信号Ｄｐに変換するＡ／Ｄ変換器（６６）とを有し、
   前記信号処理部は、
   前記波長掃引光源が１回の波長掃引を行なったことで得られる前記ディジタル信号Ｄｓに対するフーリエ変換処理を、前記第１の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光のｓ偏波成分と前記基準光のｓ偏波成分との干渉によって生じるビート周波数と、前記第２の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光のｓ偏波成分と前記基準光のｓ偏波成分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前記ディジタル信号Ｄｓに対するフーリエ変換結果を距離軸上で合成し、前記波長掃引光源が１回の波長掃引を行なったことで得られる前記ディジタル信号Ｄｐに対するフーリエ変換処理を、前記第１の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光のｐ偏波成分と前記基準光のｐ偏波成分との干渉によって生じるビート周波数と、前記第２の偏波状態の光に対する前記被測定光ファイバからの反射光のｐ偏波成分と前記基準光のｐ偏波成分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前記ディジタル信号Ｄｐに対するフーリエ変換結果を距離軸上で合成することで、前記第１の偏波状態の光と前記第２の偏波状態の光のそれぞれに対する前記被測定光ファイバの反射光の前記ｓ偏波成分と前記ｐ偏波成分のそれぞれの測定結果を得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。
5. 前記偏波多重部が前記第２光路にのみ挿入されていることを特徴とする請求項３または請求項４記載の光周波数領域反射測定装置。
6. 前記偏波多重部が前記第１光路に挿入され、該偏波多重部から出力される偏波多重光が、分岐されて前記測定光と前記基準光として出力されることを特徴とする請求項３または請求項４記載の光周波数領域反射測定装置。
7. 前記偏波多重部は、前記第２光路に挿入された第１の偏波多重部（１０Ａ）と前記第３光路に挿入された第２の偏波多重部（１０Ｂ）からなり、
   前記第１の偏波多重部において偏波多重光に付与される第１の所定の時間差と、前記第２の偏波多重部において偏波多重光に付与される第２の所定の時間差とが、異なる値に設定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。
8. 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、前記波長掃引光源が１回の波長掃引を行なっ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、前記第１の偏波状態の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基準光との干渉によって生じるビート周波数と、前記第２の偏波状態の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、前記第１の偏波状態の光と前記第２の偏波状態の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のそれぞれの測定結果を得ることを特徴とする請求項３〜７のいずれかに記載の光周波数領域反射測定装置。
9. 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８記載の光周波数領域反射測定装置。
10. 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８または請求項９記載の光周波数領域反射測定装置。
11. 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、
    前記マルチコアファイバのコアのうちの複数Ｍのコアに前記測定光を与え、該複数Ｍのコアからの反射光と前記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変換器の組を複数Ｍ組設けたことを特徴する請求項３〜１０のいずれかに記載の光周波数領域反射測定装置。
12. 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３〜１０のいずれかに記載の光周波数領域反射測定装置。
13. 前記複数Ｍが４であることを特徴とする請求項１１または請求項１２記載の光周波数領域反射測定装置。
14. 前記請求項３〜１３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。
15. 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１４記載の位置または形状を測定する装置。

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