JP7352962B2

JP7352962B2 - ブリルアン周波数シフト測定装置及びブリルアン周波数シフト測定方法

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Publication number: JP7352962B2
Application number: JP2020024536A
Authority: JP
Inventors: 洋介田中; 貴大長谷川
Original assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Current assignee: Tokyo University of Agriculture and Technology NUC
Priority date: 2020-02-17
Filing date: 2020-02-17
Publication date: 2023-09-29
Anticipated expiration: 2040-02-17
Also published as: JP2021128131A

Description

本発明は、ブリルアン周波数シフト測定装置及びブリルアン周波数シフト測定方法に関する。

従来から、光ファイバ内のブリルアン散乱を利用した分布型センサの研究が数多くなされている。初期の研究としては、単一モード光源を用いるものが提案されている（非特許文献１）。また、これまでの研究は、非特許文献２にまとめられている。最近、光周波数コムを利用した手法が、周波数掃引なしでブリルアン利得スペクトルを検出できる手法として提案されている（非特許文献３～６）。一方、単一モード光源を用いた手法であるが、ブリルアン利得スペクトルの変化が線形とみなせる領域を利用して、散乱光の強度変化から、温度や歪みを測定する手法が提案されている（非特許文献７）。また、単一モードのポンプ光に変調をかけることで多モードとし、各モードに対応するブリルアン利得スペクトルが重なるようにすることでブリルアン利得スペクトルを整形し、ブリルアン利得スペクトルの線形とみなせる領域を広くするものが提案されている（非特許文献８、９）。

T. Horiguchi, K. Shimizu, T. Kurashima, M. Tateda, and Y. Koyamada, "Development of a distributed sensing technique using Brillouin scattering," J. Lightwave Technol. 13, 1296-1302 (1995). K. Y. Song, K. Hotate, W. Zou, and Z. He, "Applications of Brillouin dynamic grating to distributed fiber sensors," J. Lightwave Technol. 35, 3268-3280 (2017). A. Voskoboinik, J.Wang, B. Shamee, S. R. Nuccio, L. Zhang, M Chitgarha, A. E. Willner, and M. Tur, "SBS-based fiber optical sensing using frequency-domain simultaneous tone interrogation," J. Lightwave Technol. 29, 1729-1735 (2011). C. Jin, L. Wang, Y. Chen, N. Guo, W. Chung, H. Au, Z. Li, H-Y. Tam, and C. Lu, "Single-measurement digital optical frequency comb based phase-detection Brillouin optical time domain analyzer," Opt. Exp. 25, 9213-9224 (2017). Y. Tanaka and Y. Ozaki, "Brillouin frequency shift measurement with virtually controlled sensitivity," Appl. Phys. Exp. 10, 062504 (2017). Y. Tanaka, Y. Ozaki, and Y. So, "Scanless Brillouin gain spectrum measurement based on multi-heterodyne detection," in Tech. Digest of International Conf. on Optical Fiber Sensors 2018, TuE88 (2018). H. Lee, N. Hayashi, Y. Mizuno, and K. Nakamura, "Slope-assisted Brillouin optical correlation-domain reflectometry: proof of concept," Photon. Jour. 8, 6802807 (2016). Guangyao Yang, Xinyu Fan, Bin Wang, and Zuyuan He, "Enhancing strain dynamic range of slope-assisted BOTDA by manipulating Brillouin gain spectrum shape," Opt. Express 26, 32599-32607 (2018) J. Marinelarena, J. Urricelqui, and A. Loayssa, IEEE Photonics J. 9,6802710 (2017).

従来の単一モード光源を利用する手法において、プローブ光の周波数掃引を用いる手法では、本質的に測定時間がかかり、また、光源の周波数掃引には複雑な制御が必要となる。また、散乱光とポンプ光（基準となる光）との周波数差を検出する場合、散乱光が微弱で周波数にも揺らぎがある。そのため、大量のデータをとって平均化を行う必要があり、やはり測定時間を要する。

光周波数コムを用いてブリルアン利得スペクトルの一括検出を行う従来の手法では、周波数掃引が不要となるものの、スペクトルを再現する際の信号処理が複雑になる。

単一モード光源を使用し、光源の変調等によって変形したブリルアン利得スペクトルについて、その変化が周波数軸上で線形とみなせる領域を利用する手法は、測定の短時間化には有効であるが、強度変化と温度・歪み等の変化とを対応付ける事前のキャリブレーションが複雑になる。また、ポンプ光の各モードが作るブリルアン利得スペクトルを重ねることによってブリルアン利得スペクトルを整形する手法は、測定の短時間化には有効であるが、変調の調整は複雑になる。

本発明は、以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、測定時間を短縮化しつつ信号処理を簡便化することが可能なブリルアン周波数シフト測定装置等を提供することにある。

（１）本発明は、レーザー光源からの光を２つに分岐する分岐部と、分岐された２つの光のいずれかの光の周波数をシフトする光周波数シフト部と、分岐された一方の光から第１の光周波数コムを発生する第１光周波数コム発生部と、分岐された他方の光から、前記第１の光周波数コムと周波数間隔が異なる第２の光周波数コムを発生する第２光周波数コム発生部と、前記第１の光周波数コム及び／又は前記第２の光周波数コムのスペクトル強度を整形するスペクトル整形部と、前記第１の光周波数コムをパルス化してプローブ光を生成する第１光変調部と、前記第２の光周波数コムをパルス化してポンプ光を生成する第２光変調部と、測定対象である光ファイバの一端側から前記プローブ光を入射し前記光ファイバの他端側から前記ポンプ光を入射したときに前記光ファイバの他端側から出射される光を検出する光検出部と、前記光検出部で検出された光強度に基づいて、前記光ファイバ中のブリルアン周波数シフトを求める制御部とを含むブリルアン周波数シフト測定装置に関する。

また本発明は、レーザー光源からの光を２つに分岐する分岐ステップと、分岐された２つの光のいずれかの光の周波数をシフトする光周波数シフトステップと、分岐された一方の光から第１の光周波数コムを発生する第１光周波数コム発生ステップと、分岐された他方の光から、前記第１の光周波数コムと周波数間隔が異なる第２の光周波数コムを発生する第２光周波数コム発生ステップと、前記第１の光周波数コム及び／又は前記第２の光周波数コムのスペクトル強度を整形するスペクトル整形ステップと、前記第１の光周波数コムをパルス化してプローブ光を生成する第１光変調ステップと、前記第２の光周波数コムをパルス化してポンプ光を生成する第２光変調ステップと、測定対象である光ファイバの一端側から前記プローブ光を入射し前記光ファイバの他端側から前記ポンプ光を入射したときに前記光ファイバの他端側から出射される光を検出する光検出ステップと、前記光検出ステップで検出された光強度に基づいて、前記光ファイバ中のブリルアン周波数シフトを求める制御ステップとを含むブリルアン周波数シフト測定方法に関する。

本発明によれば、光周波数コムを用いることで、測定精度を劣化させずに測定時間を短縮化することができる。また、本発明では、光ファイバからの出射光から周波数情報を取
り出すのではなく、出射光の強度からブリルアン周波数シフトを求めるため、信号処理を簡便化することができる。

（２）また本発明に係るブリルアン周波数シフト測定装置及びブリルアン周波数シフト測定方法では、前記スペクトル整形部は（前記スペクトル整形ステップでは）、前記ブリルアン周波数シフトと前記光検出部で検出される光強度との関係が所定の関数に当てはまるように、前記第１の光周波数コム及び／又は前記第２の光周波数コムのスペクトル強度を整形してもよい。

本実施形態に係るブリルアン周波数シフト測定装置の構成を示す図。プローブ光、ポンプ光、ブリルアン利得スペクトル及び増幅されたプローブ光の一例を示す図。ブリルアン周波数シフトと増幅されたプローブ光の強度との関係を示す図。合成利得係数が一定の周波数範囲で定数になるときの例を示す図。任意の関数を直線とした場合のブリルアン周波数シフトと増幅されたプローブ光の強度との関係をシミュレーションにより求めた結果を示す図。本実施形態の手法による効果を確認する確認実験の実験系を示す図。３０ｍの被測定ファイバの端５ｍの部分を暖めたときの、被測定ファイバにおける温度分布の変化を観測した結果を示す図。ポンプ光とプローブ光との相対周波数差を変化させ、増幅されたプローブ光の強度を測定した結果を示す図。

以下、本実施形態について説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また本実施形態で説明される構成の全てが、本発明の必須構成要件であるとは限らない。

図１は、本発明の実施形態に係る測定装置（ブリルアン周波数シフト測定装置）の構成を示す図である。測定装置１は、光ファイバ２のセンシング領域ＳＡ（測定対象）でのブリルアン周波数シフトを測定する装置であり、単一波長のレーザー光源１０と、光分岐器１１（分岐部）と、光周波数シフタ２０（光周波数シフト部）と、光周波数コム発生器３０,３１（第１光周波数コム発生部、第２光周波数コム発生部）と、波長フィルタ４０,４１（スペクトル整形部）と、光変調器５０,５１（第１光変調部、第２光変調部）と、信号発生器５２と、光サーキュレータ６０と、光検出器７０（光検出部）と、制御装置８０（制御部）とを含む。

光分岐器１１は、レーザー光源１０からの光（周波数ν_０）を、所定の分岐比（例えば、１対１）となるように２つに分岐する。

光周波数シフタ２０は、光分岐器１１で分岐された２つの光のいずれかの光の周波数をシフトする。図１に示す例では、分岐された２つの光のうち光周波数コム発生器３１に入射する光の周波数をシフトしている。光周波数シフタ２０による周波数シフト量をν_ｓとする。

光周波数コム発生器３０は、分岐された一方の光から光周波数コム（第１の光周波数コム）を発生する。光周波数コムは、周波数軸上に等間隔に並んだ成分（モード）からなる櫛形のスペクトルを持つ光である。光周波数コム発生器３１は、分岐された他方の光（光周波数シフタ２０から入射する光）から、第１の光周波数コムと周波数間隔（スペクトルにおいて隣り合うモードの周波数間隔）が僅かに異なる光周波数コム（第２の光周波数コ
ム）を発生する。

波長フィルタ４０は、第１の光周波数コムのスペクトル強度（各モードの強度）を整形する。波長フィルタ４１は、第２の光周波数コムのスペクトル強度を整形する。図１に示す例では、波長フィルタ４０は、第１の光周波数コムのスペクトルにおける各モードの強度が互いに異なるように第１の光周波数コムのスペクトル強度を整形し、波長フィルタ４１は、第２の光周波数コムのスペクトルにおける各モードの強度が等しくなるように第２の光周波数コムのスペクトル強度を整形している。

光変調器５０は、整形された第１の光周波数コムに一定のタイミングで時間ゲートをかけて（周期的なゲートパルスによる強度変調をかけて）パルス化してプローブ光Ｐｒを生成する。プローブ光Ｐｒは、光ファイバ２のセンシング領域ＳＡの一端側から入射する。光変調器５１は、整形された第２の光周波数コムに一定のタイミングで時間ゲートをかけてパルス化してポンプ光Ｐｍを生成する。信号発生器５２は、光変調器５０,５１を駆動するための信号（強度変調信号）を発生する。

光サーキュレータ６０は、第１のポートに入力するポンプ光Ｐｍを、第２のポートから出力してセンシング領域ＳＡの他端側に導くとともに、センシング領域ＳＡの他端側から出射され第２のポートに入力する光（増幅されたプローブ光ＡＰ）を、第３のポートから出力して光検出器７０に導く。光検出器７０は、増幅されたプローブ光ＡＰを検出し、検出した光強度を電気信号として出力する。

制御装置８０は、プロセッサ（ＣＰＵ等）と記憶部（ＲＡＭ、ハードディスク等）とを備えた情報処理装置（例えば、パーソナルコンピュータ）であり、光検出器７０からの信号の強度（光検出器７０で検出された光強度）に基づいて、光ファイバ２中（センシング領域ＳＡ）のブリルアン周波数シフト（ブリルアン利得スペクトルの周波数シフト）を算出する。また、制御装置８０は、信号発生器５２に制御信号を出力して信号発生器５２を制御する。

光ファイバ２中では、熱的に誘起された音響波により屈折率分布（動く回折格子）が生じる。光ファイバ２（センシング領域ＳＡ）の他端側に入射したポンプ光Ｐｍがこれにより反射され、周波数がダウンシフトしたストローク光が発生し後方に（光ファイバの他端側に）伝搬する。更に、ストローク光とポンプ光Ｐｍのビートにより電歪が生じ、屈折率分布が生じる。この一連の過程が繰り返され、ブリルアン利得スペクトル（ＢＧＳ：Brillouin Gain Spectrum）が生じる。プローブ光Ｐｒがポンプ光Ｐｍと対向して（光ファイバの一端側に）入射すると、ブリルアン利得スペクトルによりプローブ光Ｐｒが増幅され、光ファイバの他端側から増幅されたプローブ光ＡＰが出射される。

図２に、プローブ光Ｐｒ、ポンプ光Ｐｍ、ブリルアン利得スペクトル（ＢＧＳ）及び増幅されたプローブ光ＡＰの一例を示す。図中の上向き矢印は、光周波数コムの各モードを示している。また、図中のＢＧＳ_ｎ（ｎ＝１～４）は、ポンプ光Ｐｍのｎ番目のモードにより発生したブリルアン利得スペクトルを示している。

本実施形態の測定装置１では、プローブ光Ｐｒである光周波数コムの周波数間隔Δν_{ｐｒｏｂｅ}とポンプ光Ｐｍである光周波数コムの周波数間隔Δν_ｐｕｍｐとが、僅かに異なるようにする。光周波数コムのモード数が多いほど、周波数間隔Δν_{ｐｒｏｂｅ}と周波数間隔Δν_ｐｕｍｐとの差が小さくなるようにする。また、ポンプ光Ｐｍの周波数をプローブ光Ｐｒの周波数に対してシフトする。光ファイバ２中では、ポンプ光Ｐｍの光強度が一定以上のとき、ポンプ光Ｐｍの周波数よりも低い一定の周波数範囲にブリルアン利得スペクトルが生じ、その周波数範囲において、ポンプ光Ｐｍと対向伝搬する光（プローブ光Ｐ
ｒ）を増幅する。例えば、ポンプ光Ｐｍの周波数が波長１．５μｍのとき、約１１ＧＨｚ低い周波数にブリルアン利得スペクトルが生じる。ポンプ光Ｐｍの１つのモードの周波数（スペクトルピークの中心周波数）と、当該モードによって発生したブリルアン利得スペクトルの中心周波数との周波数差を、ブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ：Brillouin Frequency Shift）と呼ぶ。図２に示すように、プローブ光Ｐｒの各モードは、ポンプ光Ｐｍの各モードの周波数よりも低い周波数に生じた各ブリルアン利得スペクトル（ＢＧＳ_１～ＢＧＳ_４）により増幅されている。なお、光周波数コムの周波数間隔Δν_ｐｕｍｐ,Δν_{ｐｒｏｂｅ}は、ブリルアン周波数シフトよりも広くなるようにしている。

ブリルアン利得スペクトルの中心周波数は、光ファイバ２に加わる熱や歪みに比例してシフトする。従って、ブリルアン周波数シフトを求めることで、光ファイバ２の温度や歪みを測定することができる。本実施形態の測定装置１では、増幅されたプローブ光ＡＰの強度（全パワー）を光検出器７０で検出する。プローブ光Ｐｒとなる光周波数コムとポンプ光Ｐｍとなる光周波数コムのスペクトル強度を予め適切に設定してスペクトル整形部（波長フィルタ４０,４１）により整形することで、例えば図３に示すように、広い周波数範囲にわたって、ブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）に対して増幅されたプローブ光ＡＰの検出強度が比例するようになる。すなわち、スペクトル整形部（波長フィルタ４０,４１）は、ブリルアン周波数シフトと光検出器７０で検出される光強度との関係が、所定の関数に当てはまる（例えば、単調増加や単調減少の関係となる）ように、光周波数コムのスペクトル強度を整形する。これにより、光検出器７０で検出された光強度から簡単な計算で一意にブリルアン周波数シフトを求めることができる。

また、プローブ光Ｐｒの増幅は、ポンプ光Ｐｍとプローブ光Ｐｒが衝突する点においてのみ起こる。そして、パルス光であるポンプ光Ｐｍとプローブ光Ｐｒの衝突点は、光変調器５０,５１によるゲートのタイミング（パルスの出射タイミング）で制御することができる。従って、信号発生器５２を制御して、センシング領域ＳＡにおける任意の位置に衝突点を設定することで、任意の位置での増幅されたプローブ光ＡＰの強度を取得することができる。そして、センシング領域ＳＡにおいて複数の位置に衝突点を設定し、設定した衝突点ごとの増幅されたプローブ光ＡＰの強度を取得し、設定した衝突点ごとのブリルアン周波数シフトを求めることで、センシング領域ＳＡにおける熱や歪みの分布を測定することができる。

次に、光周波数コムのスペクトル強度の整形手法の一例について説明する。Ｎ本のモードからなるポンプ光Ｐｍについては、波長フィルタ４１により各モードの強度を等しくする。また、プローブ光ＰｒもＮ本のモードからなるとして、プローブ光Ｐｒの周波数の低い方からｋ番目のモードの強度をｐ_ｋとする。ここで、ブリルアン利得スペクトルにより増幅されたプローブ光ＡＰの強度Ｐ_ａｐ（ν_ＢＦＳ）は、以下の式（１）により表される。

ここで、Ｇ_０（ν_ＢＦＳ,νｋ）は、ｋ番目のモードに対する利得係数であり、ブリルアン周波数シフトν_ＢＦＳと、ｋ番目のモードの強度ｐ_ｋの関数となっている。ここで、合成利得係数Ｇ_Ｓ（ν_ＢＦＳ）を、以下の式（２）で定義する。

合成利得係数Ｇ_Ｓ（ν_ＢＦＳ）は、増幅されたプローブ光ＡＰの強度Ｐ_ａｐ（ν_ＢＦＳ）のブリルアン周波数シフトν_ＢＦＳに対する比である。ｋ番目のモードに対する利得係数Ｇ_０（ν_ＢＦＳ,νｋ）が予め測定されており、且つプローブ光Ｐｒの強度が大きくなくプローブ光Ｐｒの影響を受けないとすれば、合成利得係数Ｇ_Ｓ（ν_ＢＦＳ）が一定の周波数範囲で定数になる（すなわち、ν_ＢＦＳとＰ_ａｐ（ν_ＢＦＳ）との関係が一定の周波数範囲で比例関係となる）ような各モードの強度Ｐ_ｋは、数値計算で容易に求めることができる。図４は、合成利得係数Ｇ_Ｓ（ν_ＢＦＳ）が一定の周波数範囲で定数になるときの例であり、図中点線の各曲線は、増幅されたプローブ光ＡＰの各モードの強度とブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ）との関係を示し、図中実線の直線は、増幅されたプローブ光ＡＰの強度（全パワー）とブリルアン周波数シフトとの関係を示している。

Ｎ本のモードからなるポンプ光Ｐｍによって生じた各ブリルアン利得スペクトルは、例えばローレンツ関数で与えられる。そのとき、ブリルアン利得スペクトル全体Ｇ_ＢＦＳ（ν）は、以下の式（３）により表される。

ここで、ｇ_ｋは、ポンプ光Ｐｍのｋ番目のモードによって生成したブリルアン利得スペクトルの最大値を決める定数であり、特に、ポンプ光Ｐｍの各モードの強度が等しいとき、ｇ_ｋ＝ｇ_０（一定）である。また、ν_{ｐｕｍｐ,ｋ}は、ポンプ光Ｐｍのｋ番目のモードの周波数であり、Δν_ｐｕｍｐは、ポンプ光Ｐｍのスペクトル間隔（隣り合うモードの周波数間隔）であり、Δνは、定数である。

また、プローブ光ＰｒのスペクトルＰ_{ｐｒｏｂｅ}（ν）は、以下の式（４）により表される。

ここで、ν_{ｐｒｏｂｅ,ｋ}は、プローブ光Ｐｒのｋ番目のモードの周波数であり、Δν_{ｐｒｏｂｅ}は、プローブ光Ｐｒのスペクトル間隔である。また、ｆは、プローブ光Ｐｒの各モードのスペクトル形状を与える関数であり、ｆ（ν_{ｐｒｏｂｅ},ｋ）＝１とみなしてよい。

ここでは、ポンプ光Ｐｍの各モードの強度が等しいとする。また、ポンプ光Ｐｍ、プローブ光Ｐｒのスペクトル線幅は十分に狭いものとする（数学的には、近似的にデルタ関数列と考える）。ブリルアン利得スペクトルにより増幅されるプローブ光ＡＰの各モードの強度は、ｐ_ｋＧ_ＢＦＳ（ν_{ｐｒｏｂｅ,ｋ}）に比例する。従って、ブリルアン利得スペク
トルにより増幅されるプローブ光ＡＰの強度Ｐ_ａｐ（ν_ＢＦＳ）は、以下の式（５）で与えられる。

ここで、Ａは、比例係数である。Ｐ_ａｐ（ν_ＢＦＳ）は、ブリルアン周波数シフトν_ＢＦＳの関数となっており、プローブ光Ｐｒの各モードの強度ｐ_ｋを適切に設定することで、任意の関数に近似した関数を合成する（ν_ＢＦＳとＰ_ａｐ（ν_ＢＦＳ）との関係が所定の関数に当てはまるようにする）ことができる。なお、比例係数Ａは、事前に一定のポンプ光（単一波長）に対して、プローブ光（単一波長）の強度とブリルアン利得スペクトルにより増幅されるプローブ光の強度との関係を測定しておくことで求めることができる。

例えば、任意の関数として直線を合成すれば、ブリルアン利得スペクトルにより増幅されるプローブ光の強度Ｐ_ａｐ（ν_ＢＦＳ）が、光ファイバの温度や歪みによるブリルアン周波数シフトν_ＢＦＳの変化に比例した出力となるようにすることができる。任意の関数を直線とする場合、所望の直線（Ｐ_ａｐ（ν_ＢＦＳ）＝ａν_ＢＦＳ＋ｂ）に対して、誤差関数ｅ（ν_ＢＦＳ）を以下の式（６）で定義する。

そして、ｅ（ν_ＢＦＳ）＝０とおき、この関数に対して最小二乗法によりプローブ光Ｐｒの各モードの強度ｐ_ｋを決定する。図５に、任意の関数を直線とした場合のブリルアン周波数シフトν_ＢＦＳと増幅されるプローブ光の強度Ｐ_ａｐ（ν_ＢＦＳ）との関係をシミュレーションにより求めた結果を示す。

図６は、本実施形態の手法による効果を確認する確認実験の実験系を示す図である。図６において、ＬＤは、単一波長レーザー光源であり、ＳＳは、スペクトル整形器であり、ＩＭは、光強度変調器であり、ＰＳは、偏波スクランブラであり、ＢＰＦは、光バンドパスフィルタであり、ＰＤは、光検出器であり、ＬＩＡは、ロックインアンプであり、ＦＵＴは、被測定ファイバ（Fiber Under Test、センシング領域ＳＡに相当）である。

単一波長レーザー光源ＬＤの波長は、１５５３ｎｍとした。実験系の上側の光路は、プローブ光Ｐｒを生成する光路であり、光源からの光に、光強度変調器ＩＭにより１２．０２ＧＨｚで深い変調をかけ、周波数間隔（Δν_{ｐｒｏｂｅ}）が１２．０２ＧＨｚの５モードからなる光周波数コム（第１の光周波数コム）を生成した。すなわち、この光強度変調器ＩＭは、第１光周波数コム発生部として機能する。

実験系の下側の光路は、ポンプ光Ｐｍを生成する光路であり、光源からの光に、最初の光強度変調器ＩＭにより１０．８６ＧＨｚで浅い変調をかけ、周波数軸上で元の光周波数スペクトルの両側に生じる側波帯のうち、高周波側のスペクトルを光バンドパスフィルタＢＰＦで切り出した。これに２番目の光強度変調器ＩＭにより１２．００ＧＨｚで深い変調をかけ、周波数間隔（Δν_ｐｕｍｐ）が１２．００ＧＨｚの５モードからなる光周波数
コム（第２の光周波数コム）を生成した。すなわち、最初の光強度変調器ＩＭ、光バンドパスフィルタＢＰＦ及び２番目の光強度変調器ＩＭは、光周波数シフト部及び第２光周波数コム発生部として機能する。

また、実験系の上側の光路及び下側の光路のそれぞれにおいて、スペクトル整形器ＳＳにより、増幅されるプローブ光ＡＰの強度がブリルアン周波数シフトに比例するように光周波数コムを整形した。ここでは、スペクトル整形器ＳＳとして、入射光を分光して、異なる波長の光を空間上に並べ、それぞれの光の強度を可変減衰器で調整したのち、再び合波するもの（例えば、導波路型のスペクトル整形器）を使用した。なお、スペクトル整形器ＳＳとして、空間型液晶光変調器を用いたものを使用することもできる。また、光強度変調器ＩＭによって、周期的なゲートパルスによりそれぞれの光周波数コムに強度変調をかけてパルス化して、プローブ光Ｐｒ、ポンプ光Ｐｍを生成した。このゲートパルスは、空間に変換すると幅３ｍ（１５ｎｓ）、周期３０ｍ（１５０ｎｓ）であり、空間分解能３ｍ、測定レンジ３０ｍを与える。

３０ｍの被測定ファイバＦＵＴの端５ｍの部分（図中（ｂ）で示す部分）を暖め、被測定ファイバＦＵＴの各測定点（パルスの衝突点）での増幅されたプローブ光ＡＰの強度を時系列で取得して各測定点でのブリルアン周波数シフトの変化を測定し、被測定ファイバＦＵＴにおける温度分布の変化を観測した。結果を図７に示す。図７のグラフは、被測定ファイバＦＵＴの端から３ｍずつ温度（ブリルアン周波数シフト（ＢＦＳ））の変化を測定した結果であり、上から、０～３ｍ区間の結果、３～６ｍ区間の結果、６～３０ｍ区間の結果を示す。被測定ファイバＦＵＴの暖めた部分に近い区間ほどブリルアン周波数シフトが大きく変化しており、暖めた部分から遠い区間ではブリルアン周波数シフトが変化していない。この結果から、光ファイバの温度分布の変化を精度良く測定できることが確認された。

また、本実験系において、ポンプ光Ｐｍとプローブ光Ｐｒとの相対周波数差（ブリルアン周波数シフトと等価）を変化させ、増幅されたプローブ光ＡＰの強度を測定した。結果を図８に示す（図中黒塗り点）。この結果から、１００ＭＨｚ（１００度の温度変化に相当）の広い周波数範囲にわたり、相対周波数差の変化に対して増幅されたプローブ光ＡＰの強度が線形に変化していることが確認された。

本実施形態のブリルアン周波数シフト測定装置によれば、光周波数コムを用いることで、測定精度を劣化させずに測定時間を短縮化することができる。また、光ファイバからの出射光から周波数情報を取り出すのではなく、出射光の強度からブリルアン周波数シフトを求めるため、信号処理を簡便化することができる。また、光周波数コムのスペクトル強度（各モードの強度）を予め設計したフィルタで整形すればよいため、キャリブレーションが容易である。

なお、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

例えば、上記実施形態では、プローブ光となる光周波数コムのスペクトル強度と、ポンプ光となる光周波数コムのスペクトル強度とを整形する場合について説明したが、プローブ光となる光周波数コムのスペクトル強度のみを整形するようにしてもよいし、ポンプ光
となる光周波数コムのスペクトル強度のみを整形するようにしてもよい。

１…測定装置（ブリルアン周波数シフト測定装置）、２…光ファイバ、１０…レーザー光源、１１…光分岐器、２０…光周波数シフタ、３０,３１…光周波数コム発生器、４０,４１…波長フィルタ、５０,５１…光変調器、５２…信号発生器、６０…光サーキュレータ、７０…光検出器、８０…制御装置

Claims

レーザー光源からの光を２つに分岐する分岐部と、
分岐された２つの光のいずれかの光の周波数をシフトする光周波数シフト部と、
分岐された一方の光から第１の光周波数コムを発生する第１光周波数コム発生部と、
分岐された他方の光から、前記第１の光周波数コムと周波数間隔が異なる第２の光周波数コムを発生する第２光周波数コム発生部と、
前記第１の光周波数コム及び／又は前記第２の光周波数コムのスペクトル強度を整形するスペクトル整形部と、
前記第１の光周波数コムをパルス化してプローブ光を生成する第１光変調部と、
前記第２の光周波数コムをパルス化してポンプ光を生成する第２光変調部と、
測定対象である光ファイバの一端側から前記プローブ光を入射し前記光ファイバの他端側から前記ポンプ光を入射したときに前記光ファイバの他端側から出射される光を検出する光検出部と、
前記光検出部で検出された光強度に基づいて、前記光ファイバ中のブリルアン周波数シフトを求める制御部とを含み、
前記スペクトル整形部は、
前記ブリルアン周波数シフトと前記光検出部で検出される光強度との関係が所定の関数に当てはまるように、前記第１の光周波数コム及び／又は前記第２の光周波数コムのスペクトル強度を整形する、ブリルアン周波数シフト測定装置。
レーザー光源からの光を２つに分岐する分岐ステップと、
分岐された２つの光のいずれかの光の周波数をシフトする光周波数シフトステップと、
分岐された一方の光から第１の光周波数コムを発生する第１光周波数コム発生ステップと、
分岐された他方の光から、前記第１の光周波数コムと周波数間隔が異なる第２の光周波数コムを発生する第２光周波数コム発生ステップと、
前記第１の光周波数コム及び／又は前記第２の光周波数コムのスペクトル強度を整形するスペクトル整形ステップと、
前記第１の光周波数コムをパルス化してプローブ光を生成する第１光変調ステップと、
前記第２の光周波数コムをパルス化してポンプ光を生成する第２光変調ステップと、
測定対象である光ファイバの一端側から前記プローブ光を入射し前記光ファイバの他端側から前記ポンプ光を入射したときに前記光ファイバの他端側から出射される光を検出する光検出ステップと、
前記光検出ステップで検出された光強度に基づいて、前記光ファイバ中のブリルアン周波数シフトを求める制御ステップとを含み、
前記スペクトル整形ステップでは、
前記ブリルアン周波数シフトと前記光検出ステップで検出される光強度との関係が所定の関数に当てはまるように、前記第１の光周波数コム及び／又は前記第２の光周波数コムのスペクトル強度を整形する、ブリルアン周波数シフト測定方法。