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WO2023248437A1 - ブリルアン利得解析装置及びブリルアン利得解析方法 - Google Patents

ブリルアン利得解析装置及びブリルアン利得解析方法 Download PDF

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WO2023248437A1
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brillouin gain
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貴大 石丸
央 高橋
佳史 脇坂
大輔 飯田
優介 古敷谷
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/353—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells influencing the transmission properties of an optical fibre
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M11/00—Testing of optical apparatus; Testing structures by optical methods not otherwise provided for
    • G01M11/02—Testing optical properties

Definitions

  • the frequency of the probe light Lpr is fixed, so in order to measure the entire BGS, the frequency of the probe light Lpr is changed and pulsed. It is necessary to input the pump light Lpn multiple times.
  • BOTDA Brillouin scattered light of an arbitrary frequency as shown by the broken line 22 in FIG. 2 is obtained for the entire length of the fiber in one measurement.
  • Non-Patent Document 1 discloses a measurement method that avoids changing the frequency of probe light and injecting pulsed pump light multiple times.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating BOTDA disclosed in Non-Patent Document 1.
  • the measurement target of BOTDA disclosed in Non-Patent Document 1 is a network NW where optical fibers branch.
  • a reflection device Mr that reflects light is installed at the far end of the optical fiber after branching (the end face opposite to the input end).
  • BOTDA disclosed in Non-Patent Document 1 is a device configuration that measures the loss of each optical fiber after branching from the input end.
  • BOTDA disclosed in Non-Patent Document 1 performs BOTDA measurement using a probe light reflected by a reflection device Mr and a pump light incident with a delayed timing relative to the probe light.
  • BOTDA in Non-Patent Document 1 uses ASE (Amplified Spontaneous Emission), which includes a broadband frequency component, as a probe light, extracts the intensity of Brillouin gain without depending on variations in BFS (Brillouin Frequency Shift), and connects an optical fiber. The loss is measured.
  • BOTDA of Non-Patent Document 1 is aimed at measuring a branched optical fiber in a network NW, and since both the pump light and the probe light are pulsed, it is difficult to measure the distribution of the entire optical fiber. I can't.
  • BOTDA of Non-Patent Document 1 can measure the loss of an optical fiber at high speed, it has a problem that it is difficult to measure the high-speed strain change of the optical fiber in a distributed manner.
  • BOTDA uses ASE of broadband continuous light instead of pulsed probe light, and acquires Brillouin scattering by optical heterodyne detection.
  • the Brillouin gain analysis device includes: A laser that outputs continuous light of a single frequency, an ASE (Amplified Spontaneous Emission) light source that generates continuous light having a frequency component broader than the frequency of the continuous light outputted by the laser and enters one end of an optical fiber to be measured; a pulse generator that pulses the continuous light from the laser and enters the other end of the optical fiber; a modulator that generates local light in which the frequency of the continuous light from the laser is shifted by an arbitrary frequency; a detector that heterodyne-detects the Brillouin scattered light generated in the optical fiber and the local light; Equipped with.
  • a laser that outputs continuous light of a single frequency
  • an ASE (Amplified Spontaneous Emission) light source that generates continuous light having a frequency component broader than the frequency of the continuous light outputted by the laser and enters one end of an optical fiber to be measured
  • a pulse generator that pulses the continuous light from the laser and enters
  • the Brillouin gain analysis method includes: Injecting ASE (Amplified Spontaneous Emission) continuous light having a frequency component broader than that of a single frequency laser beam into one end of an optical fiber to be measured as a probe light; pulsing the laser light and inputting it to the other end of the optical fiber as pump light;
  • the present invention is characterized in that local light is generated by shifting the frequency of the laser light by an arbitrary frequency, and that the Brillouin scattered light generated in the optical fiber and the local light are subjected to heterodyne detection.
  • the present invention can provide a Brillouin gain analysis device and a Brillouin gain analysis method that can measure distributionally high-speed strain changes in an optical fiber.
  • the Brillouin gain analysis device detects a Brillouin gain spectrum (BGS) by Fourier-transforming the signal heterodyne-detected by the detector, and detects the vibration distribution of the optical fiber from the time-series change of the peak of the BGS.
  • BGS Brillouin gain spectrum
  • the present invention is characterized in that it further includes a signal processing unit that acquires the signal.
  • the Brillouin gain analysis method includes: The method further includes performing Fourier transform on the heterodyne-detected signal to detect a Brillouin gain spectrum (BGS), and obtaining a vibration distribution of the optical fiber from a time-series change in the peak of the BGS.
  • BGS Brillouin gain spectrum
  • the acquired Brillouin scattered light includes multiple frequency components. Therefore, the BGS is calculated by setting a window function for the Brillouin scattered light and performing processing to obtain frequency components such as Fourier transform. By converting the Brillouin scattered light into a spectrum, it is possible to obtain the vibrations applied to the optical fiber.
  • the Brillouin gain analysis device of the present invention can also be realized by a computer and a program, and the program can be recorded on a recording medium or provided through a network.
  • the present invention can provide a Brillouin gain analysis device and a Brillouin gain analysis method that can measure distributionally high-speed strain changes in an optical fiber.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an application example of BOTDA.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a Brillouin gain analysis device according to the present invention. It is a figure explaining comparison of probe light.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the configuration of a detector.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the measurement principle of the Brillouin gain analysis device according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a Brillouin gain analysis method according to the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an experimental system for acquiring Brillouin scattered light using ASE light.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating the results of an experiment in which Brillouin scattered light is obtained using ASE light.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the Brillouin gain analysis device 301 of this embodiment.
  • the Brillouin gain analysis device 301 is a laser 11 that outputs continuous light of a single frequency; an ASE (Amplified Spontaneous Emission) light source 13 that generates continuous light having a frequency component broader than the frequency of the continuous light outputted by the laser 11 and enters one end of the optical fiber 50 to be measured; a pulse generator 12 that pulses the continuous light from the laser 11 and enters the other end of the optical fiber 50; a modulator 14 that generates local light in which the frequency of the continuous light from the laser 11 is shifted by an arbitrary frequency; a detector 15 that heterodyne-detects the Brillouin scattered light generated in the optical fiber and the local light; Equipped with.
  • ASE Ampton-Emission
  • the Brillouin gain analysis device 301 includes a scattered light generation section 41 and a scattered light acquisition section 42.
  • the scattered light generation unit 41 generates two lights, a pump light Lpn and a probe light Lpr, and causes them to propagate in opposite directions in the optical fiber 50 under test.
  • the pump light Lpn is generated by pulse-forming continuous light of a single frequency outputted by the laser 11 by intensity modulation in the AOM of the pulse generator 12 .
  • the power of the pump light Lpn is amplified by the EDFA 61.
  • the probe light Lpr is generated by amplifying broadband light generated using the ASE light source 13 using the EDFA 62.
  • the scattered light acquisition section 42 converts the light sent from the scattered light generation section 41 into an electrical signal.
  • the Rayleigh scattered light component is removed from the light by the BPF 64, and the signal light Lsig is made up of only Brillouin scattered light.
  • continuous light of a single frequency branched from the laser 11 is also sent to the scattered light acquisition unit 42 .
  • the SSB modulator 14 modulates the continuous light to around a Brillouin frequency shift (BFS) and outputs it as local light Lo.
  • the detector 15 performs heterodyne detection using the signal light Lsig and the local light Lo.
  • FIG. 6 is a diagram comparing the detector of the Brillouin gain analyzer 300 (FIG.
  • the detector of the Brillouin gain analyzer 300 is a photodiode
  • the detector 15 of the Brillouin gain analyzer 301 includes a 50:50 coupler 15a and a balanced photodetector (BPD) 15b.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating the operation of the Brillouin gain analysis device 301 including the signal processing section 43.
  • This Brillouin gain analysis method is Injecting ASE (Amplified Spontaneous Emission) continuous light having a frequency component broader than a single frequency laser beam into one end of the optical fiber 50 to be measured as probe light Lpr (Step S01); pulsing the laser light and inputting the pump light Lpn into the other end of the optical fiber 50 (step S02); Shifting the frequency of the laser beam by an arbitrary frequency to generate local light Lo (step S03); and heterodyne detection of the Brillouin scattered light Lsig generated in the optical fiber 50 and the local light Lo (step S04). It is characterized by ASE (Amplified Spontaneous Emission) continuous light having a frequency component broader than a single frequency laser beam into one end of the optical fiber 50 to be measured as probe light Lpr (Step S01); pulsing the laser light and in
  • step S01 light from the ASE light source 13 within a range that takes into account the BFS of BGS is continuously input into one end of the optical fiber 50 as probe light Lpr.
  • step S02 pump light Lpn having a single frequency is input to the other end of the optical fiber 50, and the probe light Lpr and the pump light Lpn are made to interact with each other within the optical fiber 50 to generate Brillouin scattered light.
  • step S03 the frequency of the light branched from the pump light source is shifted by an arbitrary frequency to generate local light Lo having a frequency near the BFS.
  • step S04 the Brillouin scattered light Lsig and the local light Lo are subjected to heterodyne detection.
  • the pump light is a pulse
  • the probe light is a continuous light
  • one injection of the pump light corresponds to one measurement of the entire optical fiber 50. Then, this pulsed pump light is incident for a desired period of time to measure vibration.
  • a mirror Mr is installed at the other end of the optical fiber 50, and the probe light Lpr is input temporally earlier than the pump light Lpn.
  • the pump light Lpn that enters later interacts with the probe light Lpr reflected by the mirror Mr at the other end, causing Brillouin scattering.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating the result (waveform RL2) of heterodyne detection of the return light including the Brillouin scattered light from the optical fiber 50 by the detector 15 in the experimental system of FIG. It can be seen that the return light when only the pump light Lpn is incident on the optical fiber 50 and the probe light Lpr of the ASE light is not incident on the optical fiber 50 has a waveform RL1, and no Brillouin scattering occurs.
  • Non-Patent Document 1 pulsed ASE light is used as probe light to obtain BGS of a branched optical fiber.
  • the probe light is a continuous ASE light
  • the acquired signal is converted to BGS using a method such as Fourier transform. This method makes it possible to obtain distributed BGS with a single pulsed pump light.
  • a feature of the present invention is that, in order to shorten the measurement time required for vibration measurement, continuous ASE light is used as the probe light, and the acquired signal is converted into BGS using a frequency analysis method.

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Abstract

光ファイバの高速な歪み変化を分布的に計測することができるブリルアン利得解析装置及びブリルアン利得解析方法を提供することを目的とする。　本発明に係るブリルアン利得解析装置３０１は、単一周波数の連続光を出力するレーザ１１と、前記レーザからの前記連続光をパルス化して測定対象の光ファイバ５０の一端に入射するパルス生成器１２と、レーザ１１が出力する連続光の周波数より広帯域な周波数成分を持つ連続光を発生し、光ファイバ５０の他端に入射するＡＳＥ光源１３と、レーザ１１からの前記連続光の周波数を任意の周波数だけシフトしたローカル光を生成する変調器１４と、前記光ファイバで発生したブリルアン散乱光と前記ローカル光とをヘテロダイン検波する検波器１５と、を備える。

Description

ブリルアン利得解析装置及びブリルアン利得解析方法
　本開示は、光ファイバに入射した光の散乱光を計測することでセンシングを行う、反射計測に関する。
　光ファイバセンシング技術として、図１のようなＢＯＴＤＡ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｔｉｍｅ　Ｄｏｍａｉｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ）という測定手法が存在する。この手法は、光ファイバ５０の歪みや温度を測定するために図２のようなブリルアンゲインスペクトラム（ＢＧＳ；Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　Ｇａｉｎ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ）を取得する。ＢＧＳのピークの変化２１で光ファイバの歪みや温度を分布的に取得することができる。ＢＧＳのピークの変化２１のずれ量であるブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ；Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｈｉｆｔ）を捉えるためにプローブ光Ｌｐｒの周波数掃引を行う必要がある。１回のパルス化したポンプ光Ｌｐｎを光ファイバ５０に入射する時は、プローブ光Ｌｐｒの周波数を固定するため、ＢＧＳ全体を計測するためには、プローブ光Ｌｐｒの周波数を変更し、パルス化したポンプ光Ｌｐｎを複数回の入射する必要がある。
高橋央、鬼頭千尋、戸毛邦弘、真鍋哲也、「広帯域プローブ光によるブリルアン損失測定法」、電子情報通信学会２０１４年ソサイエティ大会講演論文集、　Ｂ－１３－２１、２０１４ Ｋｉｋｕｃｈｉ，　Ｋａｚｕｒｏ．　"Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ　ｏｆ　ｃｏｈｅｒｅｎｔ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｆｉｂｅｒ　ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ"，　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔｗａｖｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　ｖｏｌ．　３４，　Ｉｓｓｕｅｓ．　１，　ｐｐ．　１５７－１７９，　２０１５．
　ＢＯＴＤＡでは、１回の測定でファイバの長さ方向全体に対して、図２の破線２２のような任意周波数のブリルアン散乱光を取得する。ＢＧＳの範囲すべての周波数における光情報を得るためには、プローブ光の周波数の掃引範囲２３をＢＧＳの範囲とする必要があり測定に時間がかかる。このため、ＢＯＴＤＡは、光ファイバの高速な歪み変化を計測することが困難という課題があった。
　光ファイバの高速な歪み変化を計測するために、例えば、非特許文献１では、プローブ光の周波数を変更すること、及びパルス化したポンプ光を複数回入射することを回避する測定方法を開示する。図３は、非特許文献１が開示するＢＯＴＤＡを説明する図である。非特許文献１が開示するＢＯＴＤＡの測定対象は光ファイバが分岐するネットワークＮＷである。分岐後の光ファイバの遠端（入射端とは逆の端面）には、光を反射する反射装置Ｍｒを設置する。非特許文献１が開示するＢＯＴＤＡは、分岐後のそれぞれの光ファイバの損失を入射端から測定する装置構成である。非特許文献１が開示するＢＯＴＤＡは、反射装置Ｍｒで反射したプローブ光と、プローブ光に対してタイミングを遅らせて入射したポンプ光でＢＯＴＤＡの計測を行う。
　非特許文献１のＢＯＴＤＡは、広帯域の周波数成分を含む、ＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）をプローブ光として用い、ＢＦＳ（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｈｉｆｔ）のばらつきに依存せずにブリルアン利得の強度を抽出し、光ファイバの損失を測定している。しかし、非特許文献１のＢＯＴＤＡは、ネットワークＮＷ内の分岐した光ファイバを計測することを目的としており、ポンプ光とプローブ光の双方をパルス化しているため、光ファイバ全体の分布測定を行うことができない。つまり、非特許文献１のＢＯＴＤＡは、光ファイバの損失を高速に計測することはできるが、光ファイバの高速な歪み変化を分布的に計測することが困難という課題があった。
　そこで、本発明は、上記課題を解決するために、光ファイバの高速な歪み変化を分布的に計測することができるブリルアン利得解析装置及びブリルアン利得解析方法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ＢＯＴＤＡは、プローブ光をパルスではなく広帯域な連続光のＡＳＥを利用し、ブリルアン散乱を光ヘテロダイン検波により取得することとした。
　具体的には、本発明に係るブリルアン利得解析装置は、
　単一周波数の連続光を出力するレーザと、
　前記レーザが出力する連続光の周波数より広帯域な周波数成分を持つ連続光を発生し、測定対象の光ファイバの一端に入射するＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源と、
　前記レーザからの前記連続光をパルス化して前記光ファイバの他端に入射するパルス生成器と、
　前記レーザからの前記連続光の周波数を任意の周波数だけシフトしたローカル光を生成する変調器と、
　前記光ファイバで発生したブリルアン散乱光と前記ローカル光とをヘテロダイン検波する検波器と、
を備える。
　また、本発明に係るブリルアン利得解析方法は、
　単一周波数のレーザ光より広帯域な周波数成分を持つＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ）連続光を測定対象の光ファイバの一端にプローブ光として入射すること、
　前記レーザ光をパルス化して前記光ファイバの他端にポンプ光として入射すること、
　前記レーザ光の周波数を任意の周波数だけシフトしてローカル光を生成すること、及び
　前記光ファイバで発生したブリルアン散乱光と前記ローカル光とをヘテロダイン検波すること
を特徴とする。
　ＢＯＴＤＡにおいて、プローブ光を広帯域化し、光ヘテロダイン検波を用いることで、パルス化した１つのポンプ光で光ファイバ上のブリルアン散乱光を分布的に取得することができる。このため、プローブ光の周波数掃引やポンプ光を複数回入射する必要がない。従って、本発明は、光ファイバの高速な歪み変化を分布的に計測することができるブリルアン利得解析装置及びブリルアン利得解析方法を提供することができる。
　本発明に係るブリルアン利得解析装置は、前記検波器でヘテロダイン検波された信号をフーリエ変換してブリルアンゲインスペクトラム（ＢＧＳ）を検出し、前記ＢＧＳのピークの時系列変化から前記光ファイバの振動分布を取得する信号処理部をさらに備えることを特徴とする。
　また、本発明に係るブリルアン利得解析方法は、
　前記ヘテロダイン検波された信号をフーリエ変換してブリルアンゲインスペクトラム（ＢＧＳ）を検出すること、及び
　前記ＢＧＳのピークの時系列変化から前記光ファイバの振動分布を取得すること
をさらに行う。
　取得したブリルアン散乱光は複数の周波数成分を含む。そこで、ブリルアン散乱光に対し、窓関数を設定してフーリエ変換などの周波数成分を求める処理を行うことでＢＧＳを計算する。ブリルアン散乱光をスペクトル化することで光ファイバに加わる振動を取得することができる。
　本発明のブリルアン利得解析装置は、コンピュータとプログラムによっても実現でき、プログラムを記録媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
　なお、上記各発明は、可能な限り組み合わせることができる。
　本発明は、光ファイバの高速な歪み変化を分布的に計測することができるブリルアン利得解析装置及びブリルアン利得解析方法を提供することができる。
ＢＯＴＤＡを説明する図である。 ＢＯＴＤＡの測定原理を説明する図である。 ＢＯＴＤＡの応用例を説明する図である。 本発明に係るブリルアン利得解析装置を説明する図である。 プローブ光の比較を説明する図である。 検波器の構成を説明する図である。 本発明に係るブリルアン利得解析装置の測定原理を説明する図である。 本発明に係るブリルアン利得解析方法を説明する図である。 ＡＳＥ光によりブリルアン散乱光を取得する実験系を説明する図である。 ＡＳＥ光によりブリルアン散乱光を取得する実験結果を説明する図である。
　添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
　図４は、本実施形態のブリルアン利得解析装置３０１を説明する図である。ブリルアン利得解析装置３０１は、
　単一周波数の連続光を出力するレーザ１１と、
　レーザ１１が出力する連続光の周波数より広帯域な周波数成分を持つ連続光を発生し、測定対象の光ファイバ５０の一端に入射するＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源１３と、
　レーザ１１からの前記連続光をパルス化して光ファイバ５０の他端に入射するパルス生成器１２と、
　レーザ１１からの前記連続光の周波数を任意の周波数だけシフトしたローカル光を生成する変調器１４と、
　前記光ファイバで発生したブリルアン散乱光と前記ローカル光とをヘテロダイン検波する検波器１５と、
を備える。
　ブリルアン利得解析装置３０１は、散乱光生成部４１と散乱光取得部４２を備える。
　散乱光生成部４１は、ポンプ光Ｌｐｎとプローブ光Ｌｐｒの２つの光を生成し、被試験光ファイバ５０にて対向伝搬させる。
　ポンプ光Ｌｐｎは、レーザ１１が出力した単一周波数の連続光をパルス生成器１２のＡＯＭでの強度変調でパルス化されて生成される。ポンプ光Ｌｐｎは、ＥＤＦＡ６１でパワーが増幅される。一方、プローブ光Ｌｐｒは、ＡＳＥ光源１３を用いて発生させた広帯域な光をＥＤＦＡ６２で増幅させて生成する。図５は、ブリルアン利得解析装置３００のプローブ光Ｌｐｒ（図５（Ａ））とブリルアン利得解析装置３０１のプローブ光Ｌｐｒ（図５（Ｂ））とを比較した図である。
　ポンプ光Ｌｐｎとプローブ光Ｌｐｒは、被試験光ファイバ５０内で、相互作用を起こす。当該相互作用により、プローブ光Ｌｐｒにポンプ光Ｌｐｎによるブリルアン散乱光が重畳した光が、サーキュレータ６３により散乱光取得部４２に送られる。
　散乱光取得部４２は、散乱光生成部４１から送られてくる光を電気信号に変換する。当該光は、まず、ＢＰＦ６４でレイリー散乱光の成分が除かれ、ブリルアン散乱光のみの信号光Ｌｓｉｇとなる。
　また、散乱光取得部４２には、レーザ１１レーザから分岐された単一周波数の連続光も送られてくる。ＳＳＢ変調器１４は当該連続光をブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ；Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｈｉｆｔ）付近に変調し、ローカル光Ｌｏとして出力する。
　検波器１５は、信号光Ｌｓｉｇとローカル光Ｌｏとを用いてヘテロダイン検波を行う。図６は、ブリルアン利得解析装置３００の検波器（図６（Ａ））とブリルアン利得解析装置３０１の検波器１５（図５（Ｂ））とを比較した図である。ブリルアン利得解析装置３００の検波器はフォトダイオードであるが、ブリルアン利得解析装置３０１の検波器１５は５０：５０カプラ１５ａとバランス型フォトダイオード（ＢＰＤ；Ｂａｌａｎｃｅｄ　Ｐｈｏｔｏ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）１５ｂを備える。
　図７は、ブリルアン利得解析装置３０１の測定原理を説明する図である。図２の従来のＢＯＴＤＡと比較すると、プローブ光Ｌｐｒが広帯域となっており、ＢＧＳの周波数範囲２３を十分カバーできている。このため、従来のＢＯＴＤＡではプローブ光Ｌｐｒの周波数を変化させて測定を複数回行わなければならなかったところ、ブリルアン利得解析装置３０１では１回の測定でＢＧＳを取得できる。
　ブリルアン利得解析装置３０１は、検波器１５でヘテロダイン検波された信号をフーリエ変換してブリルアンゲインスペクトラム（ＢＧＳ）を検出し、前記ＢＧＳのピークの時系列変化から光ファイバ５０の振動分布を取得する信号処理部４３をさらに備える。
　図８は、信号処理部４３を含めたブリルアン利得解析装置３０１の動作を説明するフローチャートである。本ブリルアン利得解析方法は、
　単一周波数のレーザ光より広帯域な周波数成分を持つＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ）連続光を測定対象の光ファイバ５０の一端にプローブ光Ｌｐｒとして入射すること（ステップＳ０１）、
　前記レーザ光をパルス化して光ファイバ５０の他端にポンプ光Ｌｐｎ入射すること（ステップＳ０２）、
　前記レーザ光の周波数を任意の周波数だけシフトしてローカル光Ｌｏを生成すること（ステップＳ０３）、及び
　光ファイバ５０で発生したブリルアン散乱光Ｌｓｉｇとローカル光Ｌｏとをヘテロダイン検波すること（ステップＳ０４）
を特徴とする。
　そして、信号処理部４３において、
　前記ヘテロダイン検波された信号をフーリエ変換してブリルアンゲインスペクトラム（ＢＧＳ）を検出すること（ステップＳ０５）、及び
　前記ＢＧＳのピークの時系列変化から光ファイバ５０の振動分布を取得すること（ステップＳ０６）
をさらに行う。
　まず、ステップＳ０１で、ＢＧＳのＢＦＳを考慮した範囲のＡＳＥ光源１３の光をプローブ光Ｌｐｒとして連続に光ファイバ５０の一端に入射する。
　次に、ステップＳ０２で、光ファイバ５０の他端に単一周波数からなるポンプ光Ｌｐｎを入射し、光ファイバ５０内でプローブ光Ｌｐｒとポンプ光Ｌｐｎとを相互作用させてブリルアン散乱光を発生させる。
　ステップＳ０３で、ポンプ光の光源より分岐させた光の周波数を任意の周波数だけシフトしてＢＦＳ付近の周波数のローカル光Ｌｏを生成する。
　ステップＳ０４で、ブリルアン散乱光Ｌｓｉｇとローカル光Ｌｏとをヘテロダイン検波する。ここまでで、１回のポンプ光パルスで分布的にＢＧＳを形成するために必要な信号が受信できる。
　振動を検出したい時間だけステップＳ０２からステップＳ０４を繰り返す。
　当該時間を経過した後、ステップＳ０５で、取得した信号にフーリエ変換を行い、ＢＧＳを形成する。
　最後に、ステップＳ０６で、ＢＧＳのピークの時系列変化を見ることで振動を取得する。
　つまり、ポンプ光はパルスで、プローブ光は連続光であり、ポンプ光１回の入射が、光ファイバ５０全体の１回の測定に対応する。そして、このパルスのポンプ光を計測したい時間だけ入射し、振動測定を行う。
（実施例）
　本実施例では、ＡＳＥ光によりブリルアン散乱光を取得する実験結果を説明する。
　図９は、本実施例での実験系を説明する図である。本実験系の被試験光ファイバ５０はシングルモード光ファイバＳＳＭＦと低曲げ損失光ファイバＢＩＦを直列に接続したものである。実施形態のブリルアン利得解析装置３０１は、光ファイバ５０の一端にプローブ光Ｌｐｒ、他端にポンプ光Ｌｐｎを入射したが、本実験系では、光ファイバ５０の一端にＡＳＥ光であるプローブ光Ｌｐｒと、単一周波数からなるパルス光であるポンプ光Ｌｐｎを入射する。ブリルアン利得解析装置３０１と同じ状態を形成するために光ファイバ５０の他端にはミラーＭｒを設置し、ポンプ光Ｌｐｎに対し、プローブ光Ｌｐｒを時間的に先に入射する。後に入射するポンプ光Ｌｐｎは、他端のミラーＭｒで反射したプローブ光Ｌｐｒと相互作用し、ブリルアン散乱が起こる。
　図１０は、図９の実験系において、光ファイバ５０からのブリルアン散乱光を含む戻り光を検波器１５でヘテロダイン検波した結果（波形ＲＬ２）を説明する図である。
　ポンプ光Ｌｐｎだけ光ファイバ５０に入射し、ＡＳＥ光のプローブ光Ｌｐｒを光ファイバ５０に入射しない場合の戻り光は波形ＲＬ１であり、ブリルアン散乱が発生していないことがわかる。
　２種類の特性の異なる光ファイバを被試験光ファイバ５０として用いているため、波形ＲＬ２にはブリルアン散乱のピークが２つ観察できる。図１０では、ＡＳＥ光でブリルアン散乱が取得できるか確認するため、光ファイバ５０全体の情報を一つの図で表している。波形ＲＬ２を時間的に区切り周波数スペクトルへ変換すれば、光ファイバ５０の振動を分布的に取得できる。つまり、本実験系より、プローブ光を広帯域化し、光ヘテロダイン検波を用いることで、パルス化した１つのポンプ光で光ファイバ上のブリルアン散乱光を分布的に取得できることがわかる。
（効果）
　従来技術（非特許文献１）では、分岐された光ファイバのＢＧＳを取得するため、プローブ光としてパルスのＡＳＥ光を使用していた。本発明では、分岐のない光ファイバでの高速な測定のため、プローブ光を連続光のＡＳＥ光とし、取得した信号をフーリエ変換等の手法を用いてＢＧＳに変換する。この手法により、１回のパルス化したポンプ光で、分布的なＢＧＳの取得を可能にする。本発明の特徴は、振動計測に必要な測定時間短縮のため、プローブ光としてＡＳＥ光の連続光を用い、取得した信号を周波数解析手法によりＢＧＳに変換する点である。
（定義）
　本明細書及び図面で使用している略語は次の通りである。
ＡＳＥ　：　Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ
ＰＤ　：　Ｐｈｏｔｏ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ
ＡＯＭ　：　Ａｃｏｕｓｔｏ　ｏｐｔｉｃ　ｍｏｄｕｌａｔｏｒ
ＥＤＦＡ　：　Ｅｒｂｉｕｍ　ｄｏｐｅｄ　ｆｉｂｅｒ　ａｍｐｌｉｆｉｅｒ
Ａ／Ｄ　：　Ａｎａｌｏｇ　Ｄｉｇｉｔａｌ
ＢＧＳ　：　Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　Ｇａｉｎ　Ｓｐｅｃｔｒｕｍ
ＢＦＳ　：　Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　Ｓｈｉｆｔ
ＢＰＤ　：　Ｂａｌａｎｃｅｄ　Ｐｈｏｔｏ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ
ＳＳＢ　：　Ｓｉｎｇｌｅ　Ｓｉｄｅ　Ｂａｎｄ
１１：レーザ
１２：パルス生成器
１３：ＡＳＥ光源
１４：変調器
１５：検波器
１５ａ：５０：５０カプラ
１５ｂ：バランス型フォトダイオード
２１：ＢＧＳのピークの変化
２２：任意周波数
２３：掃引範囲
４１：散乱光生成部
４２：散乱光取得部
５０：被試験光ファイバ
６１、６２：光増幅器
６３：光サーキュレータ
７３：プローブ光の周波数範囲
９１：光合波器
３００、３０１：ブリルアン利得解析装置

Claims (4)

  1. 　単一周波数の連続光を出力するレーザと、
    　前記レーザが出力する連続光の周波数より広帯域な周波数成分を持つ連続光を発生し、測定対象の光ファイバの一端に入射するＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源と、
    　前記レーザからの前記連続光をパルス化して前記光ファイバの他端に入射するパルス生成器と、
    　前記レーザからの前記連続光の周波数を任意の周波数だけシフトしたローカル光を生成する変調器と、
    　前記光ファイバで発生したブリルアン散乱光と前記ローカル光とをヘテロダイン検波する検波器と、
    を備えるブリルアン利得解析装置。
  2. 　前記検波器でヘテロダイン検波された信号をフーリエ変換してブリルアンゲインスペクトラム（ＢＧＳ）を検出し、前記ＢＧＳのピークの時系列変化から前記光ファイバの振動分布を取得する信号処理部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のブリルアン利得解析装置。
  3. 　単一周波数のレーザ光より広帯域な周波数成分を持つＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ　ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ）連続光を測定対象の光ファイバの一端にプローブ光として入射すること、
    　前記レーザ光をパルス化して前記光ファイバの他端にポンプ光として入射すること、
    　前記レーザ光の周波数を任意の周波数だけシフトしてローカル光を生成すること、及び
    　前記光ファイバで発生したブリルアン散乱光と前記ローカル光とをヘテロダイン検波すること
    を特徴とするブリルアン利得解析方法。
  4. 　前記ヘテロダイン検波された信号をフーリエ変換してブリルアンゲインスペクトラム（ＢＧＳ）を検出すること、及び
    　前記ＢＧＳのピークの時系列変化から前記光ファイバの振動分布を取得すること
    をさらに行うことを特徴とする請求項３に記載のブリルアン利得解析方法。
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