JP2010271135A - 光リフレクトメトリ測定方法及び光リフレクトメトリ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高いダイナミックレンジを持つコヒーレンスピークを、測定対象上に長手方向に対して迅速に掃引させる。
【解決手段】光源１２の出力光をカプラ１１で２分岐し、一方の分岐光を被測定対象１８に入射してその反射光を取り込み、この反射光と他方の分岐光とをカプラ１９で合波してその干渉波を光検出器２０で検出することで干渉信号を測定するようにし、光源１２を外部変調することによって、被測定対象１８上においてデルタ関数形状のコヒーレンスピークを立て、コヒーレンスピークを測定対象１８上に長手方向に対して掃引させ、被測定対象１８における反射光と後方散乱光強度の光伝播方向に対する分布を測定する。ここで、光源１１として光コム光源を用い、光コムの間隔を距離調整装置１３で制御することで被測定対象１８上のコヒーレンスピークを掃引する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、光回路などの被測定回路における、反射率の伝播方向に対する分布を測定するリフレクトメトリ測定方法と、この方法を実施する光リフレクトメトリ測定装置に関する。

光回路などの伝送損失の測定や故障箇所の診断に用いられる光反射測定方法の一つとして、光コヒーレンス領域リフレクトメトリ測定方法（ＯＣＤＲ：Optical Coherence Domain Reflectometry）が知られている（例えば非特許文献１を参照）。

このＯＣＤＲは、光源の注入電流に変調をかけることで出力光の光周波数を制御可能であることを利用し、一定時間内に光源のスペクトルを制御し、制御した光を２分岐する。そして、一方の分岐光を測定対象に入射してその反射光を取り込み、この反射光と他方の分岐光とを合波して干渉信号を得る。

ここで、光源を外部変調すると、測定対象上において、その光波のコヒーレンス関数にデルタ関数形状のピークを立てることができる。コヒーレンスピーク内の地点からの反射光と分岐光は非常に強く干渉するが、それ以外の点からの反射光は分岐光とあまり干渉しない。そこで、この干渉光強度を測定すれば、反射の位置と反射強度がわかる。ＯＣＤＲではこのコヒーレンスピークを測定対象において光波の伝搬方向に沿って掃引しながら干渉光強度を測定し、測定対象内の反射位置、反射強度を求め、その損失特性等を求める。

「Optical coherence domain reflectometry by synthesis of coherence function」, K. Hotate and O. Kamatani, OSA/IEEE Journal of Lightwave Technology, 11 (10), pp. 1701-1709.

ところで、上記コヒーレンスピークを作る制御法は光波コヒーレンス関数の合成（ＳＯＣＦ）と呼ばれている。そして、コヒーレンスピークを測定対象上に長手方向に対して掃引することで、測定対象における反射光と後方散乱光強度の光伝播方向に対する分布を測定することになる。

光波コヒーレンス関数の合成及び合成したピークの掃引を実現する光源スペクトル変調技術には、階段型変調と正弦波変調の二つの方式がある。階段型変調には、ピークを動かすために複雑な位相変調が必要となり、掃引時間がかかるというデメリットがあるが、合成されたコヒーレンスピークのダイナミックレンジが高い。一方、正弦波変調には、高速なピーク掃引速度ができるが、ダイナミックレンジが低いというデメリットがある。しかし、実際に応用するにあたって、高いダイナミックレンジを持つコヒーレンスピークを、測定対象上に長手方向に対して迅速に掃引する技術が求められている。

本発明は、上記の事情を鑑みてなされたもので、高いダイナミックレンジを持つコヒーレンスピークを、測定対象上に長手方向に対して迅速に掃引可能な光リフレクトメトリ測定方法およびこの方法を用いた光リフレクトメトリ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リフレクトメトリ測定方法は以下のような態様の構成とする。
（１）光源の出力光を２分岐し、一方の分岐光を測定対象に入射してその反射光を取り込み、この反射光と他方の分岐光とを合波して光検出することで干渉信号を測定するようにし、前記光源を外部変調することによって、前記測定対象上においてデルタ関数形状のコヒーレンスピークを立て、コヒーレンスピークを測定対象上に長手方向に対して掃引することで、測定対象における後方散乱光強度の光伝播方向に対する分布を測定する光リフレクトメトリ測定方法において、前記光源で光コムを形成し、光コムの間隔を制御して前記コヒーレンスピークを掃引し、その掃引期間の測定対象における後方散乱光強度の光伝播方向に対する分布を測定する態様の構成とする。

（２）（１）の光リフレクトメトリ測定方法において、前記光コムは、光ファイバリングにより広帯域光源のスペクトルをスライスして作り出し、前記光コムの間隔制御は、前記光ファイバリングの長さ調整により行なう態様の構成とする。
（３）（１）の光リフレクトメトリ測定方法において、前記光コムは、光ループと光周波数シフタにより作り出し、前記光コムの間隔制御は、前記周波数シフタの周波数調整により行なう態様の構成とする。

（４）（１）の光リフレクトメトリ測定方法において、前記光コムは、コム形のスペクトルを有する多モードレーザを使用し、前記光コムの間隔制御は、前記レーザに対する共振器の長さを調整することにより行なう態様の構成とする。
また、本発明に係る光リフレクトメトリ測定装置は以下のような態様の構成とする。

（５）光源の出力光を２分岐し、一方の分岐光を測定対象に入射してその反射光を取り込み、この反射光と他方の分岐光とを合波して光検出することで干渉信号を測定するようにし、前記光源を外部変調することによって、前記測定対象上においてデルタ関数形状のコヒーレンスピークを立て、コヒーレンスピークを測定対象上に長手方向に対して掃引することで、測定対象における反射光と後方散乱光強度の光伝播方向に対する分布を測定する光リフレクトメトリ測定装置において、前記光源として用いられ、外部変調により光周波数の間隔が変化する光コムを形成する光コム光源と、前記光コムの間隔を制御することで前記コヒーレンスピークを掃引するコヒーレンスピーク掃引手段とを具備する態様の構成とする。

（６）（５）の光リフレクトメトリ測定装置において、前記光コム光源は、広帯域光源のスペクトルをスライスして前記光コムを作り出す光ファイバリングを備え、前記コヒーレンスピーク掃引手段は、前記ファイバリングの長さを調整することで前記コヒーレンスピークを掃引する態様の構成とする。

（７）（５）の光リフレクトメトリ測定装置において、前記光コム光源は、前記光コムを作り出す光ループと光周波数シフタとを備え、前記コヒーレンスピーク掃引手段は、前記周波数シフタの周波数を調整することで前記コヒーレンスピークを掃引する態様の構成とする。

（８）（５）の光リフレクトメトリ測定装置において、前記光コム光源は、共振器長に応じて間隔が変化するコム形のスペクトルを有する多モードレーザであり、前記コヒーレンスピーク掃引手段は、前記共振器の長さを調整することで前記コヒーレンスピークを掃引する態様の構成とする。

すなわち、本発明に係る光リフレクトメトリ測定方法および装置では、光コヒーレンス領域リフレクトメトリ測定において、光源として光コムを用い、光コムの周波数間隔を変化させることによって、コヒーレンスピークを掃引するようにし、これによって高いダイナミックレンジと高速性を両立させる。

以上のように、本発明によれば、高いダイナミックレンジを持つコヒーレンスピークを、測定対象上に長手方向に対して迅速に掃引可能な光リフレクトメトリ測定方法およびこの方法を用いた光リフレクトメトリ測定装置を提供することができる。

本発明に係る光リフレクトメトリ測定方法の一実施形態を説明するための階段型変調を示すイメージ図で、（ａ）は時間領域における光周波数の制御パターン；（ｂ）は光パワースペクトラム；（ｃ）はコヒーレンス関数；（ｄ）は位相掃引；（ｅ）コヒーレンスピーク掃引をそれぞれ示す図。 上記光リフレクトメトリ測定方法の一実施形態を説明するための正弦波変調を示すイメージ図で、（ａ）は時間領域における光周波数の制御パターン；（ｂ）は光パワースペクトラム；（ｃ）はコヒーレンス関数をそれぞれ示す図。 上記光リフレクトメトリ測定方法の一実施形態で用いられる、光コムにより合成されたコヒーレンスピークの掃引の様子を示すイメージ図。 上記光リフレクトメトリ測定方法を採用した測定装置の第１の実施例を示す構成図。 上記光リフレクトメトリ測定方法を採用した測定装置の第２の実施例を示す構成図。 上記光リフレクトメトリ測定方法を採用した測定装置の第３の実施例を示す構成図。 上記第３の実施例において、共振器の長さ調整方法の例として、（ａ）は円筒型ピエゾ素子を使用する例；（ｂ）は反射鏡とステップモータを使用する例を示す構成図。

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。
まず、本発明に係る光リフレクトメトリ測定方法の一実施形態について説明する。
前述のように、光波コヒーレンス関数の合成及び合成したピークの掃引を実現する光源のスペクトル変調技術には、階段型変調と正弦波変調の二つの方式がある。

階段型変調には、ピークを動かすために複雑な位相変調が必要となり、掃引時間がかかるというデメリットがあるが、コヒーレンスピークのダイナミックレンジが高い。一方、正弦波変調には、高速なピーク掃引速度ができるが、ダイナミックレンジが低いというデメリットがある。しかし、実際に応用するにあたって、高いダイナミックレンジを持つコヒーレンスピークを、測定対象上に長手方向に対して迅速に掃引する技術が求めている。

ここで、半導体光源の注入電流によって出力光の光周波数が違う現象を利用することで、光源のスペクトルを変調できることが知られている。既存のコヒーレンスピークの合成及び掃引する光源スペクトル変調技術は、階段型変調と正弦波変調の二つがある。

階段型変調は光源への注入電流を階段のように変調することである。図１（ａ）は階段型変調をする際に、時間領域における光周波数を制御するイメージ図である。ここの光周波数ステップはｆ_sとなり、ステップの回数が（２Ｎ＋１）となり、変調された総周波数Δｆが２Ｎｆ_sとなる。長い時間スパンで見た変調効果として、図１（ｂ）に示すように、光周波数が周波数間隔ｆ_sを持つ櫛のような波形になる。コヒーレンス関数γ(τ)は次式（１）のようになる。

合成したコヒーレンスピークは図１（ｃ）に示すようになる。
コヒーレンスピークを掃引するためには、位相変調器が必要となる。この位相変調器があれば、位相変調信号によってコヒーレンスピークの位置を調整することができる。図１（ｄ）は位相変調を示すイメージ図である。Ａの時の位相信号とＢの時の位相信号が異なっている。そして、図１（ｅ）に示すように、コヒーレンスピークが違う位置に現す。

そして、位相信号を変動することで、ピークの掃引が実現できる。ただ、位相信号のパターンが少し複雑であるため、パソコンなどの制御機器に予め入力し、制御機器との通信を行いながらピーク掃引を実施する。このような制御をすることによって、掃引の速度が遅くなる問題点がある。

一方、正弦波変調は光源への注入電流を正弦波変調することである。図２（ａ）は正弦波変調をする際に、時間領域における光周波数を制御するイメージ図である。ここの変調された総周波数が２ｆ₁となり、変調速度の逆数がｆ₂となり、変調された周波数は次式（２）に示すようになる。

このように正弦波変調の長い時間スパンで見た変調効果として、図２（ｂ）に示すような光パワースペクトラムが得られる。この光パワースペクトラムによって合成されたコヒーレンス関数は図２（ｃ）に示すようになる。
ここで、コヒーレンスピークの距離がｆ₂によって決まるものであるので、ｆ₂を掃引することによってピークの掃引を実現できる。パラメータｆ₂の掃引は高速に実現できるので、この方法のメリットは高速である。ただ、正弦波変調による合成されたコヒーレンス関数のダイナミックレンジが低いという問題点がある。

そこで、本発明による光リフレクトメトリ測定方法では、高いダイナミックレンジを持つコヒーレンスピークを、測定対象上に長手方向に対して迅速に掃引し、高速且つ高いダイナミックレンジを持てるように、光コムを使用することで櫛型の光スペクトラムを発生し、光コムの周波数間隔を変動することでコヒーレンスピークの位置を掃引する。

具体的には、図３（ａ）に示すように、ある周波数間隔ｆ_sの光コム光源からの光を測定対象に入射すると、幾つかのコヒーレンスピークが周期的に立つ。次に、光コムの周波数間隔を３ｆ_s／２に調整すると、コヒーレンスピークの位置が変化し、さらに光コムの周波数間隔を２ｆ_sまで変化させると、ピークＰ１が元あった場所に、隣のピークＰ２が重なっている。つまり、点線で囲った範囲（測定距離Ｚ）が測定できる範囲で、ピークＰ１を動かすために、光コムの周波数間隔を制御すればよい。

このような手段を講じることにより、階段型変調と類似のスペクトラムを得られるので、高ダイナミックレンジを実現できると同時に、正弦波変調と同じコヒーレンスピークの掃引法であるため、高速測定も可能になる。したがって、光リフレクトメトリ測定方法の高速測定且つ高いダイナミックレンジ特性が実現することが可能になる。

以下、上記光リフレクトメトリ測定方法を採用した光リフレクトメトリ測定装置について説明する。
まず、光コムの周波数間隔をｆ_sとし、周波数櫛の数をＮとすると、コヒーレンスピークの空間分解能ΔＺ（図３参照）は次式（３）に示すようになる。

ここｃは光速度であり、ｎは測定対象の屈折率である。この場合、測定距離Ｚ（図３参照）は次式（４）で表わされる。

測定距離の例として、ｆ_sが100MHｚで1m、100kHzで1km、10kHzで10kmとなる。このため、キロメートルレベルの測定対象には、光コムの周波数間隔がkHzオーダとなるため、kHzオーダの周波数間隔を持つ光コムと、この周波数間隔を可変にする技術が必要となる。以下にその周波数間隔の可変制御を実現する実施例を説明する。

（第１の実施例）
図４は本発明に係る光リフレクトメトリ測定装置の第１の実施例の構成を示すもので、カプラ１１、広帯域光源１２、距離調整装置１３、アイソレータ１４、偏波コントローラ１５がリング状に光接続されている。すなわち、狭間隔光コムを実現するために、広帯域光源１２のスペクトルをスライスして光コムを作る。スライスを行なうために、カプラ１１とアイソレータ１４を利用してリング長Ｌのファイバリングを作り、このリングをフィルタとして用いる。また、リング内の偏波状態を合わせるために、リング内に偏波コントローラ１５も設置する。このリング内に広帯域光源１２が周回するいくつもの周波数のうち、丁度リング長にあった周波数のみが増幅され、リング長に合わない周波数は、出力端においての位相がばらばらのため弱め合い、光コムになる。このときのコムの間隔は次式（５）に示すようになる。

そして、距離調整装置１３によって式（５）のリング長Ｌを調整することで、コムの周波数間隔ｆ_sを調整することができる。
上記カプラ１１の出力光Ｓ１は光コムとなり、カプラ１６によって参照光Ｓ２と測定光Ｓ３に分岐される。測定光Ｓ３はサーキュレータ１７に通して被測定対象１８に入射された後、その被測定対象１８の反射や散乱による戻り光Ｓ４が参照光Ｓ２とカプラ１９によって合波され、光検出器２０にて検波し測定結果を得る。

このようにすることで、高いダイナミックレンジを持つコヒーレンスピークを、測定対象１８上に長手方向に対して迅速に掃引させることが可能となり、これによって高速且つ高いダイナミックレンジを持つことの可能な光リフレクトメトリ測定が可能となる。

（第２の実施例）
図５は本発明に係る光リフレクトメトリ測定装置の第２の実施例の構成を示すもので、光源２１からの出力光をアイソレータ２２とカプラ２３によって一部の光がループに入るようになされている。ループ内には、周波数シフタ２４、光アンプ２５、アイソレータ２６、偏波コントローラ２７が配置される。

周波数シフタ２４は波形発生器２８から発生される正弦波によって光周波数をシフトできる、例えば音響光学変調素子で構成される。光アンプ２５は、光を減衰させないため、アイソレータ２６は光の回す方向を決めるため、偏波コントローラ２７は偏波状態を合わせるために用いられる。

カプラ２３で入力した光を上記ループで一周回した結果、光の周波数をシフトさせた光が発生する。何回も回した結果、ループの出力光Ｓ１’が光コムとなる。光コムの周波数間隔は、波形発生器２８の正弦波の周波数の設定による周波数シフタ２４の光周波数のシフトによって調整される。

ループの出力光Ｓ１’は、光コムとなり、カプラ２９によって参照光０２’と測定光Ｓ３’に分岐される。測定光Ｓ３’はサーキュレータ３０を通って被測定対象３１に入射され、これによって被測定対象３１で発生される反射や散乱による戻り光Ｓ４’はサーキュレータ３０を介してカプラ３２に送られ、ここで参照光Ｓ２’と合波される。このときに生じる干渉光を光検出器３３にて検波することで測定結果を得る。

このようにすることで、高いダイナミックレンジを持つコヒーレンスピークを、測定対象３１上に長手方向に対して迅速に掃引し、高速且つ高いダイナミックレンジを持つことが可能となる。
（第３の実施例）
図６は本発明に係る光リフレクトメトリ測定装置の第３の実施例の構成を示すもので、この実施例では、コム形の多モードファイバレーザ４１を光コムとし、共振器長さ調整器４２によってレーザ４１に対する共振器長を調整することで光コムの周波数間隔を調整する。レーザ４１の出力光Ｓ１’’はカプラ４３によって参照光Ｓ２’’と測定光Ｓ３’’に分岐される。測定光Ｓ３’’はサーキュレータ４４を通って被測定対象４５に入射され、これによって被測定対象４５で発生される反射や散乱による戻り光Ｓ４’’はサーキュレータ４４を介してカプラ４６に送られ、ここで参照光Ｓ２’’と合波される。このときに生じる干渉光を光検出器４７にて検波することで測定結果を得る。

上記多モードファイバレーザ４１はモード同期されたタイプでもよいし（この場合、信号雑音比が最も良い）、モード同期されなくても成り立つ。図７に、共振器４９、偏波コントローラ５８、光アンプ５６、アイソレータ５７とカプラ４８を用いて構成される多モードファイバレーザを示す。ここで、共振器長さ調整器４２は、いろいろあるが、図７では二つの例を示す。
図７（ａ）は、円筒型ビエゾ素子を使用する例である。ここでは、ループ共振器４９には、円筒型ピエゾ素子５０を備え、この円筒型ピエゾ素子５０にループの光ファイバを数十や数百周回し、ピエゾ素子５０をドライバ５１で駆動することによってループ光ファイバの長さを調整するので、共振器長の調整になる。

図７（ｂ）は、反射鏡とステップモータを使用する例である。この場合の光ファイバから出力される光はコリメータ５２によって空間ビームになり、反射鏡５３によって反射され、コリメータ５４によりループの光ファイバに戻る。ここの反射鏡５３の位置をステップモータ５５によって調整することで、共振器長の調整になる。

上記のようにすることで、高いダイナミックレンジを持つコヒーレンスピークを、測定対象上に長手方向に対して迅速に掃引し、高速且つ高いダイナミックレンジを持つことが可能となる。
なお、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を削除してもよい。さらに、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…カプラ、１２…広帯域光源、１３…距離調整装置、１４…アイソレータ、１５…偏波コントローラ、２１…光源、２２…アイソレータ、２３…カプラ、２４…周波数シフタ、２５…光アンプ、２６…アイソレータ、２７…偏波コントローラ、２８…任意波形発生器、２９…カプラ、３０…サーキュレータ、３１…被測定対象、３２…カプラ、３３…光検出器、４１…多モードファイバレーザ、４２…共振器長さ調整器、４３…カプラ、４４…サーキュレータ、４５…被測定対象、４６…カプラ、４７…光検出器、４８…カプラ、４９…共振器、５０…円筒型ビエゾ素子、５１…ピエゾ素子ドライバ、５２…コリメータ、５３…反射鏡、５４…コリメータ、５５…ステップモータ、５６…光アンプ、５７…アイソレータ、５８…偏波コントローラ。

Claims (8)

1. 光源の出力光を２分岐し、一方の分岐光を測定対象に入射してその反射光を取り込み、この反射光と他方の分岐光とを合波して光検出することで干渉信号を測定するようにし、前記光源を外部変調することによって、前記測定対象上においてデルタ関数形状のコヒーレンスピークを立て、コヒーレンスピークを測定対象上に長手方向に対して掃引することで、測定対象における反射光と後方散乱光強度の光伝播方向に対する分布を測定する光リフレクトメトリ測定方法において、
   前記光源で光コムを形成し、光コムの間隔を制御して前記コヒーレンスピークを掃引し、その掃引期間の測定対象における反射光と後方散乱光強度の光伝播方向に対する分布を測定することを特徴とする光リフレクトメトリ測定方法。
2. 請求項１の光リフレクトメトリ測定方法において、
   前記光コムは、光ファイバリングにより広帯域光源のスペクトルをスライスして作り出し、
   前記光コムの間隔制御は、前記光ファイバリングの距離調整により行なうことを特徴とする光リフレクトメトリ測定方法。
3. 請求項１の光リフレクトメトリ測定方法において、
   前記光コムは、光ループと光周波数シフタにより作り出し、
   前記光コムの間隔制御は、前記周波数シフタの周波数調整により行なうことを特徴とする光リフレクトメトリ測定方法。
4. 請求項１の光リフレクトメトリ測定方法において、
   前記光コムは、コム形のスペクトルを有する多モードレーザを使用し、
   前記光コムの間隔制御は、前記レーザに対する共振器の長さを調整することにより行なうことを特徴とする光リフレクトメトリ測定方法。
5. 光源の出力光を２分岐し、一方の分岐光を測定対象に入射してその反射光を取り込み、この反射光と他方の分岐光とを合波して光検出することで干渉信号を測定するようにし、前記光源を外部変調することによって、前記測定対象上においてデルタ関数形状のコヒーレンスピークを立て、コヒーレンスピークを測定対象上に長手方向に対して掃引することで、測定対象における反射光と後方散乱光強度の光伝播方向に対する分布を測定する光リフレクトメトリ測定装置において、
   前記光源として用いられ、外部変調により光周波数の間隔が変化する光コムを形成する光コム光源と、
   前記光コムの間隔を制御することで前記コヒーレンスピークを掃引するコヒーレンスピーク掃引手段と
   を具備することを特徴とする光リフレクトメトリ測定装置。
6. 請求項５の光リフレクトメトリ測定装置において、
   前記光コム光源は、広帯域光源のスペクトルをスライスして前記光コムを作り出す光ファイバリングを備え、
   前記コヒーレンスピーク掃引手段は、前記ファイバリングの距離を調整することで前記コヒーレンスピークを掃引することを特徴とする光リフレクトメトリ測定装置。
7. 請求項５の光リフレクトメトリ測定装置において、
   前記光コム光源は、前記光コムを作り出す光ループと光周波数シフタとを備え、
   前記コヒーレンスピーク掃引手段は、前記周波数シフタの周波数を調整することで前記コヒーレンスピークを掃引することを特徴とする光リフレクトメトリ測定装置。
8. 請求項５の光リフレクトメトリ測定装置において、
   前記光コム光源は、ファイバ共振器長に応じて間隔が変化するコム形のスペクトルを有する多モードレーザであり、
   前記コヒーレンスピーク掃引手段は、前記ファイバ共振器の長さを調整することで前記コヒーレンスピークを掃引することを特徴とする光リフレクトメトリ測定装置。

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