特許 6586186 波長掃引光源、それを用いたＯＦＤＲ装置及び測定方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6586186

(24)【登録日】2019年9月13日

(45)【発行日】2019年10月2日

(54)【発明の名称】波長掃引光源、それを用いたＯＦＤＲ装置及び測定方法

(51)【国際特許分類】

   G02F 1/09 20060101AFI20190919BHJP

   G01B 11/00 20060101ALI20190919BHJP

【ＦＩ】

   G02F1/09 505

   G01B11/00 G

【請求項の数】8

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2018-64467(P2018-64467)

(22)【出願日】2018年3月29日

【審査請求日】2018年8月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000572

【氏名又は名称】アンリツ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100072604

【弁理士】

【氏名又は名称】有我 軍一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100140501

【弁理士】

【氏名又は名称】有我 栄一郎

(72)【発明者】

【氏名】斉藤 崇記

【審査官】 廣崎 拓登

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−１９０９１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−３５３８５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０２−２５１９３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭６２−２００３１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−２２２３１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０２５８８３９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−２７６０８１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｍ １１／００−１１／０８

Ｇ０２Ｆ １／００− １／１２５

１／２１− ７／００

Ｈ０１Ｓ ５／００− ５／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体レーザ（１１）と、前記半導体レーザから出射される光の波長を所定の掃引周期で繰り返し変化させる波長掃引手段（１２〜１５）と、を備える波長掃引光源（１０）において、
前記半導体レーザから出射され空中伝搬した光を受け、印加された磁場の強度に応じた旋光角で旋光させるファラデー素子（１８）と、
前記ファラデー素子により旋光された光を出力光として外部に伝送する出力側光ファイバ（２１）と、
前記ファラデー素子に磁場を印加する磁場印加手段（１９）と、
前記磁場印加手段により前記ファラデー素子に印加される磁場の強度を変化させて、前記所定の掃引周期に同期して前記旋光角を第１角度と第２角度とに交互に切り替える制御を行う旋光角制御部（２０）と、を備え、
前記第１角度と前記第２角度との差が９０度であることを特徴とする波長掃引光源。

【請求項2】

前記磁場印加手段は電磁石（１９）であり、
前記旋光角制御部は、前記旋光角を前記第１角度又は前記第２角度にする磁場を発生させるための駆動電流を前記磁場印加手段に供給する可変電流源（２０ａ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の波長掃引光源。

【請求項3】

前記ファラデー素子は、その飽和磁場よりも絶対値の大きい第１方向の磁場を前記磁場印加手段から印加されることにより前記第１角度が４５度となり、かつ、前記飽和磁場よりも絶対値の大きい前記第１方向と逆向きの第２方向の磁場を前記磁場印加手段から印加されることにより前記第２角度が−４５度となるものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の波長掃引光源。

【請求項4】

前記ファラデー素子の法線が、前記半導体レーザから出射された光の光路に対して０度以外の角度を成すことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の波長掃引光源。

【請求項5】

前記ファラデー素子は、その保磁力よりも絶対値の小さい磁場で、４５度の前記第１角度、又は、−４５度の前記第２角度を維持することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の波長掃引光源。

【請求項6】

前記半導体レーザは、２つの光出射端面（１１ａ，１１ｂ）のうちの一方の端面（１１ａ）が他方の端面（１１ｂ）に比べて低反射率面であり、
前記波長掃引手段は、
前記半導体レーザの前記一方の端面から出射された光をその波長に応じた角度で回折させる回折格子（１３）と、
前記回折格子により回折された光を反射して前記回折格子に戻す回動ミラー（１４）と、
前記回動ミラーから前記回折格子に戻された光が再び回折格子で回折されて、前記半導体レーザの前記一方の端面に入射されるように、前記回動ミラーの前記回折格子に対する角度を所定の掃引周期で変化させる掃引駆動部（１５）と、を備え、
前記回動ミラーの前記角度の変化に応じて、前記半導体レーザの前記他方の端面から前記回折格子を経て前記回動ミラーに至る共振器長が変化することにより、前記他方の端面から前記ファラデー素子に出射される光の波長を前記所定の掃引周期で繰り返し変化させることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の波長掃引光源。

【請求項7】

請求項１から請求項６のいずれかに記載の波長掃引光源と、
前記波長掃引光源からの前記出力光を測定光と参照光とに分岐して被測定光ファイバ（１００）に前記測定光を入力する光分岐手段（３６，３７）と、
前記光分岐手段により分岐された前記参照光の偏波状態を変化させる偏波コントローラ（３８）と、
前記偏波コントローラにより偏波状態が変化された前記参照光の所定の偏光方向の成分を透過させる偏光子（３９）と、
前記偏光子を透過した前記参照光と、前記測定光が入力された前記被測定光ファイバからの反射光とを合波することで干渉光を出力する光合波手段（３７，４０）と、
前記干渉光を電気信号に変換する受光器（３２）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（３３）と、
前記ディジタル信号に基づいて、前記被測定光ファイバの各位置における前記反射光の強度を測定する反射測定部（３４）と、を備え、
前記偏波コントローラは、前記旋光角が前記第１角度である場合と前記第２角度である場合とで、前記偏光子を透過する前記参照光の光量が同量となるように、前記参照光の偏波状態を変化させるものであり、
前記反射測定部は、
前記ディジタル信号をフーリエ変換して、前記干渉光のスペクトラムを算出するフーリエ変換部（４１）と、
前記旋光角が前記第１角度のときに前記フーリエ変換部により算出された前記干渉光のスペクトラムと、前記旋光角が前記第２角度のときに前記フーリエ変換部により算出された前記干渉光のスペクトラムと、を加算する加算処理部（４２）と、を含むことを特徴とするＯＦＤＲ装置。

【請求項8】

光分岐手段により、請求項１から請求項６のいずれかに記載の波長掃引光源からの前記出力光を測定光と参照光とに分岐して被測定光ファイバ（１００）に前記測定光を入力するステップ（Ｓ２）と、
前記光分岐手段により分岐された前記参照光の偏波状態を偏波コントローラ（３８）により変化させる偏波状態変化ステップ（Ｓ３）と、
前記偏波状態変化ステップにより偏波状態が変化された前記参照光の所定の偏光方向の成分を偏光子（３９）により透過させるステップ（Ｓ４）と、
前記偏光子を透過した前記参照光と、前記測定光が入力された前記被測定光ファイバからの反射光とを合波することで干渉光を出力するステップ（Ｓ５）と、
前記干渉光を電気信号に変換するステップ（Ｓ６）と、
前記電気信号をディジタル信号に変換するステップ（Ｓ７）と、
前記ディジタル信号に基づいて、前記被測定光ファイバの各位置における前記反射光の強度を測定する反射測定ステップ（Ｓ８，Ｓ１１）と、を含み、
前記偏波状態変化ステップは、前記旋光角が前記第１角度である場合と前記第２角度である場合とで、前記偏光子を透過する前記参照光の光量が同量となるように、前記参照光の偏波状態を変化させるものであり、
前記反射測定ステップは、
前記ディジタル信号をフーリエ変換して、前記干渉光のスペクトラムを算出するフーリエ変換ステップ（Ｓ８）と、
前記旋光角が前記第１角度のときに前記フーリエ変換ステップにより算出された前記干渉光のスペクトラムと、前記旋光角が前記第２角度のときに前記フーリエ変換ステップにより算出された前記干渉光のスペクトラムと、を加算するステップ（Ｓ１１）と、を含むことを特徴とする測定方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、波長掃引光源、それを用いたＯＦＤＲ装置及び測定方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来から、光周波数領域反射測定法（Optical Frequency Domain Reflectometry：ＯＦＤＲ）を用いて、センサ用ファイバの歪み分布又は温度分布を測定するＯＦＤＲ装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。ＯＦＤＲ装置では、参照光とセンサ用ファイバからの反射光を、光ファイバやファイバカプラを利用して干渉させている。

【0003】

図１１に示すように、従来のＯＦＤＲ装置は、波長掃引光源５０からの出力光を測定光と参照光とに分岐してセンサ用ファイバ１００に測定光を入力するファイバカプラ５１及びサーキュレータ５２と、測定光が入力されたセンサ用ファイバ１００からの反射光と参照光とを合波することで干渉光を出力するファイバカプラ５３と、を含む測定干渉計５４と、測定干渉計５４から出力された干渉光を電気信号としての干渉信号に変換する受光器５５と、を備える。

【0004】

高いＳ／Ｎで上記の干渉信号を取得するためには、偏波補償が必須である。偏波補償の方法として、図１１の構成において、センサ用ファイバ１００を含めて、測定干渉計５４を構成する全ての光ファイバに偏波保持ファイバを利用する方法があるが、偏波消光比が測定干渉計５４の感度に与える影響は大きい。市販の偏波保持ファイバカプラの偏波消光比は２０ｄＢ程度であるため、偏波保持ファイバの進相軸を通った光のみを干渉させたつもりであっても、干渉信号には、進相軸と遅相軸を伝搬した光による干渉信号も重畳されることとなる。したがって、進相軸同士の干渉信号の側方に、−２０ｄＢ程度の強度の側帯波が発生してしまう。また、偏波保持ファイバや偏波保持ファイバカプラは非常に高価である。

【0005】

この側帯波を避けるために、センサ用ファイバ１００及び測定干渉計５４を構成する光ファイバとしてシングルモードファイバを使用する場合には、例えば図１２及び図１３に示す２通りの方法を利用することができる。図１２に示した方法は、センサ用ファイバ１００からの反射光を偏波分離器５６で直交する２つの偏波に分け、それぞれを偏波コントローラ５７ａ，５７ｂにより偏波状態が調整された参照光と干渉させて、それぞれの干渉信号を合成することにより、偏波補償する方法である。しかしながら、図１２の構成では２台の受光器５５ａ，５５ｂが必要になるため、コストが掛かるという問題がある。

【0006】

一方、図１３に示した方法は、波長掃引光源５０とセンサ用ファイバ１００の間に旋光器５８を入れて、センサ用ファイバ１００に入射させる光の偏波状態を時間軸上で切り替え、それぞれの時間軸上の干渉信号を合成することにより偏波補償する方法である。この旋光器５８は、入射した光の偏波状態をポアンカレ球上でＳ_３軸を中心に１８０度回転（９０度旋光）した位置関係にある２つの偏波状態のいずれかに切り替えるものである。

【0007】

例えば図１４（ａ）に示すように、旋光器５８に入射する光が直線偏光であれば、ポアンカレ球上の対極の位置に相当する２つの偏波状態、すなわち偏波状態が互いに直交する２つの直線偏光の光を時間軸上で切り替えて旋光器５８から出射させることが可能になる。旋光器５８としてはファラデー素子を利用した安価なものを利用できる。図１３の方法は、受光器５５が１つで済むため安価に実現できる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特許第４１０２２９１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、図１３の構成において、波長掃引光源５０の出射用ファイバや旋光器５８の入射用ファイバ、ファイバカプラ５１，５３等は、それぞれ数十ｃｍ以上あり、それらのファイバをリール等に巻けば応力等によって偏波が回転してしまう。このため、たとえ波長掃引光源５０が直線偏光の光を発光させたとしても、その光は旋光器５８に到達するまでに、楕円偏光となっている可能性がある。図１４（ｂ）に示すように、楕円偏光の光は９０度旋光させてもポアンカレ球上の対極の位置に偏波状態を変化させることはできないため、偏波状態が互いに直交する光を時間軸上で切り替えて旋光器５８から出射させることができない。このため、図１３に示した波長掃引光源５０とセンサ用ファイバ１００の間に旋光器５８を入れる構成では、正確な偏波補償ができないという問題があった。

【0010】

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、ＯＦＤＲ装置において偏波補償を低コストで正確に実現できる波長掃引光源、それを用いたＯＦＤＲ装置及び測定方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0011】

上記課題を解決するために、本発明に係る波長掃引光源は、半導体レーザと、前記半導体レーザから出射される光の波長を所定の掃引周期で繰り返し変化させる波長掃引手段と、を備える波長掃引光源において、前記半導体レーザから出射され空中伝搬した光を受け、印加された磁場の強度に応じた旋光角で旋光させるファラデー素子と、前記ファラデー素子により旋光された光を出力光として外部に伝送する出力側光ファイバと、前記ファラデー素子に磁場を印加する磁場印加手段と、前記磁場印加手段により前記ファラデー素子に印加される磁場の強度を変化させて、前記所定の掃引周期に同期して前記旋光角を第１角度と第２角度とに交互に切り替える制御を行う旋光角制御部と、を備え、前記第１角度と前記第２角度との差が９０度である構成である。

【0012】

この構成により、本発明に係る波長掃引光源は、光ファイバの応力の影響を受ける前に半導体レーザから出射された直線偏光の光の角度を９０度切り替えることができるため、ＯＦＤＲ装置の波長掃引光源として用いられた場合に、ＯＦＤＲ装置において低コストで正確な偏波補償を実現できる。

【0013】

また、本発明に係る波長掃引光源においては、前記磁場印加手段は電磁石であり、前記旋光角制御部は、前記旋光角を前記第１角度又は前記第２角度にする磁場を発生させるための駆動電流を前記磁場印加手段に供給する可変電流源を含む構成であってもよい。

【0014】

この構成により、本発明に係る波長掃引光源は、旋光角制御部により電磁石の駆動電流を制御することにより、ファラデー素子の旋光角を第１角度又は第２角度に切り替えることができる。

【0015】

また、本発明に係る波長掃引光源においては、前記ファラデー素子は、その飽和磁場よりも絶対値の大きい第１方向の磁場を前記磁場印加手段から印加されることにより前記第１角度が４５度となり、かつ、前記飽和磁場よりも絶対値の大きい前記第１方向と逆向きの第２方向の磁場を前記磁場印加手段から印加されることにより前記第２角度が−４５度となるものであってもよい。

【0016】

この構成により、本発明に係る波長掃引光源は、半導体レーザから出射された光を４５度又は−４５度で旋光させることができる。

【0017】

また、本発明に係る波長掃引光源においては、前記ファラデー素子の法線が、前記半導体レーザから出射された光の光路に対して０度以外の角度を成す構成であってもよい。

【0018】

この構成により、本発明に係る波長掃引光源は、ファラデー素子の表面で反射した半導体レーザからの光が半導体レーザ側に戻ることを抑制できる。

【0019】

また、本発明に係る波長掃引光源においては、前記ファラデー素子は、その保磁力よりも絶対値の小さい磁場で、４５度の前記第１角度、又は、−４５度の前記第２角度を維持する構成であってもよい。

【0020】

この構成により、本発明に係る波長掃引光源は、電磁石に供給する駆動電流の供給時間を短縮できるため、電磁石の発熱を抑えて旋光角の温度による変動を抑制することができる。

【0021】

また、本発明に係る波長掃引光源においては、前記半導体レーザは、２つの光出射端面のうちの一方の端面が他方の端面に比べて低反射率面であり、前記波長掃引手段は、前記半導体レーザの前記一方の端面から出射された光をその波長に応じた角度で回折させる回折格子と、前記回折格子により回折された光を反射して前記回折格子に戻す回動ミラーと、前記回動ミラーから前記回折格子に戻された光が再び回折格子で回折されて、前記半導体レーザの前記一方の端面に入射されるように、前記回動ミラーの前記回折格子に対する角度を所定の掃引周期で変化させる掃引駆動部と、を備え、前記回動ミラーの前記角度の変化に応じて、前記半導体レーザの前記他方の端面から前記回折格子を経て前記回動ミラーに至る共振器長が変化することにより、前記他方の端面から前記ファラデー素子に出射される光の波長を前記所定の掃引周期で繰り返し変化させる構成であってもよい。

【0022】

この構成により、本発明に係る波長掃引光源は、半導体レーザからファラデー素子に出射される光の波長を所定の掃引周期で繰り返し変化させることができる。

【0023】

また、本発明に係るＯＦＤＲ装置は、上記のいずれかに記載の波長掃引光源と、前記波長掃引光源からの前記出力光を測定光と参照光とに分岐して被測定光ファイバに前記測定光を入力する光分岐手段と、前記光分岐手段により分岐された前記参照光の偏波状態を変化させる偏波コントローラと、前記偏波コントローラにより偏波状態が変化された前記参照光の所定の偏光方向の成分を透過させる偏光子と、前記偏光子を透過した前記参照光と、前記測定光が入力された前記被測定光ファイバからの反射光とを合波することで干渉光を出力する光合波手段と、前記干渉光を電気信号に変換する受光器と、前記電気信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、前記ディジタル信号に基づいて、前記被測定光ファイバの各位置における前記反射光の強度を測定する反射測定部と、を備え、前記偏波コントローラは、前記旋光角が前記第１角度である場合と前記第２角度である場合とで、前記偏光子を透過する前記参照光の光量が同量となるように、前記参照光の偏波状態を変化させるものであり、前記反射測定部は、前記ディジタル信号をフーリエ変換して、前記干渉光のスペクトラムを算出するフーリエ変換部と、前記旋光角が前記第１角度のときに前記フーリエ変換部により算出された前記干渉光のスペクトラムと、前記旋光角が前記第２角度のときに前記フーリエ変換部により算出された前記干渉光のスペクトラムと、を加算する加算処理部と、を含む構成である。

【0024】

この構成により、本発明に係るＯＦＤＲ装置は、低コストで正確な偏波補償を行うことができる。

【0025】

また、本発明に係る測定方法は、光分岐手段により、上記のいずれかに記載の波長掃引光源からの前記出力光を測定光と参照光とに分岐して被測定光ファイバに前記測定光を入力するステップと、前記光分岐手段により分岐された前記参照光の偏波状態を偏波コントローラにより変化させる偏波状態変化ステップと、前記偏波状態変化ステップにより偏波状態が変化された前記参照光の所定の偏光方向の成分を偏光子により透過させるステップと、前記偏光子を透過した前記参照光と、前記測定光が入力された前記被測定光ファイバからの反射光とを合波することで干渉光を出力するステップと、前記干渉光を電気信号に変換するステップと、前記電気信号をディジタル信号に変換するステップと、前記ディジタル信号に基づいて、前記被測定光ファイバの各位置における前記反射光の強度を測定する反射測定ステップと、を含み、前記偏波状態変化ステップは、前記旋光角が前記第１角度である場合と前記第２角度である場合とで、前記偏光子を透過する前記参照光の光量が同量となるように、前記参照光の偏波状態を変化させるものであり、前記反射測定ステップは、前記ディジタル信号をフーリエ変換して、前記干渉光のスペクトラムを算出するフーリエ変換ステップと、前記旋光角が前記第１角度のときに前記フーリエ変換ステップにより算出された前記干渉光のスペクトラムと、前記旋光角が前記第２角度のときに前記フーリエ変換ステップにより算出された前記干渉光のスペクトラムと、を加算するステップと、を含む。

【0026】

この構成により、本発明に係る測定方法は、低コストで正確な偏波補償を行うことができる。

【発明の効果】

【0027】

本発明は、ＯＦＤＲ装置において偏波補償を低コストで正確に実現できる波長掃引光源、それを用いたＯＦＤＲ装置及び測定方法を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

【0028】

【図1】本発明の実施形態に係る波長掃引光源の構成図である。

【図2】本発明の実施形態に係る波長掃引光源におけるファラデー素子への印加磁場と旋光角との関係を示すグラフである。

【図3】本発明の実施形態に係る波長掃引光源の出力光の偏波状態の変化を説明するためのポアンカレ球を示す図である。

【図4】本発明の実施形態に係る波長掃引光源の掃引周期のタイミングと、ファラデー素子の旋光角の切り替えのタイミングの関係を示すグラフである。

【図5】本発明の実施形態に係る波長掃引光源を備えるＯＦＤＲ装置の構成図である。

【図6】本発明の実施形態に係る波長掃引光源を備えるＯＦＤＲ装置の偏波コントローラの調整を説明するためのグラフである。

【図7】本発明の実施形態に係る波長掃引光源を備えるＯＦＤＲ装置におけるサンプリングタイミングを説明するためのグラフである。

【図8】本発明の実施形態に係る波長掃引光源を備えるＯＦＤＲ装置により得られる偏波補償前の干渉光のパワーを示すグラフである。

【図9】本発明の実施形態に係る波長掃引光源を備えるＯＦＤＲ装置により得られる偏波補償後の干渉光のパワーを示すグラフである。

【図10】本発明の実施形態に係る波長掃引光源を用いる測定方法の処理を示すフローチャートである。

【図11】従来のＯＦＤＲ装置の構成図（その１）である。

【図12】従来のＯＦＤＲ装置の構成図（その２）である。

【図13】従来のＯＦＤＲ装置の構成図（その３）である。

【図14】従来のＯＦＤＲ装置における波長掃引光源の出力光の偏波状態の変化を説明するためのポアンカレ球を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0029】

以下、本発明に係る波長掃引光源、それを用いたＯＦＤＲ装置及び測定方法の実施形態について図面を用いて説明する。

【0030】

図１に示すように、本実施形態に係る波長掃引光源１０は、例えばリトマン型の外部共振器型光源の構成を含んでおり、半導体レーザ１１と、コリメートレンズ１２と、回折格子１３と、回動ミラー１４と、掃引駆動部１５と、集光レンズ１６と、アイソレータ１７と、ファラデー素子１８と、磁場印加手段としての電磁石１９と、旋光角制御部２０と、出力側光ファイバ２１と、を主に備える。波長掃引光源１０は、コリメートレンズ１２、回折格子１３、回動ミラー１４、及び掃引駆動部１５からなる波長掃引手段により、半導体レーザ１１から出射される直線偏光の光の波長を所定の掃引周期で繰り返し変化させるようになっている。

【0031】

半導体レーザ１１は、直線偏光のレーザ光を２つの光出射端面１１ａ，１１ｂから出射するものであり、２つの光出射端面１１ａ，１１ｂのうちの一方の端面１１ａが他方の端面１１ｂに比べて低反射率面となっている。一方の端面１１ａは、例えばＡＲコートされることにより低反射率面となっている。

【0032】

コリメートレンズ１２は、半導体レーザ１１の一方の端面１１ａから出射された光をコリメートするレンズである。回折格子１３は、コリメートレンズ１２によりコリメートされた半導体レーザ１１からの光をその波長に応じた角度で回折させるようになっている。回動ミラー１４は、回折格子１３により回折された光を反射して回折格子１３に戻すようになっている。

【0033】

掃引駆動部１５は、回動ミラー１４から回折格子１３に戻された光が再び回折格子１３で回折されて、コリメートレンズ１２を介して半導体レーザ１１の一方の端面１１ａに入射されるように、回動ミラー１４の回折格子１３に対する角度を所定の掃引周期で変化させるようになっている。また、掃引駆動部１５は、掃引周期のタイミングの情報を含む掃引信号ａを旋光角制御部２０と後述する反射測定部３４に出力するようになっている。

【0034】

回動ミラー１４の角度の変化に応じて半導体レーザ１１の他方の端面１１ｂから回折格子１３を経て回動ミラー１４に至る共振器長が変化することにより、図４の上段に示すように、他方の端面１１ｂからファラデー素子１８に出射される光の波長が所定の掃引周期Ｔで正弦波的に繰り返し変化することになる。

【0035】

なお、波長掃引光源１０は、上記のリトマン型に限定されず、リトロー型、ファブリーペロー型、リングレーザ型、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）型などの任意の構成であってもよい。

【0036】

ファラデー素子１８は、ビスマス置換希土類鉄ガーネット単結晶などの磁気光学結晶からなり、印加された磁場の強度に応じた旋光角で、半導体レーザ１１の他方の端面１１ｂから出射された光を旋光させるようになっている。

【0037】

電磁石１９は、ファラデー素子１８に磁場を印加するものであり、例えば、ファラデー素子１８を透過する半導体レーザ１１からの光の進行方向に平行な成分を有する磁場を印加するように配置される。なお、ファラデー素子１８に印加される磁場の方向が逆向きに変わると、旋光角の変化の方向も変わる。以降では、半導体レーザ１１からファラデー素子１８に向かう方向の磁場を「第１方向の磁場」、ファラデー素子１８から半導体レーザ１１に向かう方向の磁場を「第２方向の磁場」とも称する。

【0038】

旋光角制御部２０は、掃引信号ａに応じて電磁石１９によりファラデー素子１８に印加される磁場の強度を変化させて、所定の掃引周期に同期して旋光角を第１角度と第２角度とに交互に切り替える制御を行うようになっている。旋光角制御部２０は、旋光角を第１角度又は第２角度にする磁場を発生させるための駆動電流を電磁石１９に供給する可変電流源２０ａを含んでいる。ここで、第１角度と第２角度との差は９０度である。また、旋光角制御部２０は、旋光角の切り替えのタイミングの情報を含む制御信号を後述する反射測定部３４に出力するようになっている。

【0039】

なお、ファラデー素子１８として、例えば、飽和磁場よりも絶対値の大きい第１方向の磁場を電磁石１９から印加されることにより第１角度が４５度となり、かつ、飽和磁場よりも絶対値の大きい第１方向と逆向きの第２方向の磁場を電磁石１９から印加されることにより第２角度が−４５度となるものを用いるのが便利である。

【0040】

さらに、ファラデー素子１８として、その保磁力よりも絶対値の小さい磁場で、４５度の第１角度、又は、−４５度の第２角度を維持するものを利用することも可能である。このようなファラデー素子１８に対しては、例えば、図２に示すようなデューティー比が５０％未満（例えば５％程度）のパルス状の磁場を印加すればよく、電磁石１９への駆動電流の供給時間を短縮できるため、電磁石１９の発熱を抑えて旋光角の温度による変動を抑制することができる。

【0041】

なお、半導体レーザ１１の他方の端面１１ｂとファラデー素子１８の間には、半導体レーザ１１の他方の端面１１ｂから出射された光を出力側光ファイバ２１に向けて集光する集光レンズ１６と、集光レンズ１６を透過した半導体レーザ１１からの光が半導体レーザ１１側に戻ることを防ぐアイソレータ１７と、が配置されている。

【0042】

上記の構成によれば、半導体レーザ１１からの光は空中伝搬している間に旋光されるため、光ファイバの応力の影響を受ける前に半導体レーザ１１からの光の偏波状態を、ポアンカレ球上の対極の位置に相当する２つの偏波状態のいずれかに切り替えることが可能になる。例えば、図３のポアンカレ球の赤道上のＡ点（旋光角０度）に相当する半導体レーザ１１からの光の偏波状態は、赤道上のＢ点（旋光角４５度）又はＣ点に相当する偏波状態（旋光角−４５度）のいずれかに切り替わることになる。

【0043】

図４は、掃引周期のタイミングと旋光角の切り替えのタイミングの一例を示すグラフである。この例では、掃引周期Ｔごとに旋光角が切り替わっており、第１角度を４５度とし、第２角度を−４５度としている。なお、旋光角の切り替えのタイミングは上記に限定されず、例えば掃引周期Ｔの１／２ごとなどの任意のタイミングであってもよい。また、以降では、ファラデー素子１８により４５度の旋光角で旋光された光の偏波状態を「Ｐ偏光」、ファラデー素子１８により−４５度の旋光角で旋光された光の偏波状態を「Ｓ偏光」とする。

【0044】

出力側光ファイバ２１は、ファラデー素子１８により旋光された光を波長掃引光源１０の出力光として外部に伝送するシングルモードファイバである。出力側光ファイバ２１は円筒状のフェルール２２のファイバ孔２２ａに挿通されている。出力側光ファイバ２１は、例えばファイバ孔２２ａ内に設けた接着剤による接着固定や、ファイバ孔２２ａへの圧入による固定などにより、フェルール２２に固定される。

【0045】

フェルール２２の端面２２ｂには、例えば、ファイバ孔２２ａの軸線に垂直な仮想垂直面に対して７〜９度程度傾斜する傾斜面を形成するＡＰＣ（Angled Physical Contact）研磨等の斜め研磨が施されていてもよい。なお、出力側光ファイバ２１のフェルール２２に固定されている部分の先端面は、フェルール２２の端面２２ｂに揃えられている。このように斜め研磨が施された端面２２ｂにファラデー素子１８を張り付けて固定することにより、ファラデー素子１８の法線が、半導体レーザ１１の他方の端面１１ｂから出射された光の光路に対して７〜９度程度の０度以外の角度を成すことになる。これにより、ファラデー素子１８の表面で反射した半導体レーザ１１からの光が半導体レーザ１１側に戻ることを抑制できる。

【0046】

図５は、被測定光ファイバとしてのセンサ用ファイバ１００が被試験対象（Device Under Test：ＤＵＴ）１１０に張り付けられた状態で、センサ用ファイバ１００からの光信号を観測することにより、ＤＵＴ１１０の歪や温度を測定するＯＦＤＲ装置３０の構成例を示す図である。

【0047】

ＯＦＤＲ装置３０は、本実施形態に係る波長掃引光源１０と、測定干渉計３１と、受光器３２と、Ａ／Ｄ変換器３３と、反射測定部３４と、表示部３５と、を備える。

【0048】

測定干渉計３１は、波長掃引光源１０の出力側光ファイバ２１から伝送された出力光を測定光と参照光とに分岐してセンサ用ファイバ１００に測定光を入力する光分岐手段としてのファイバカプラ３６及びサーキュレータ３７と、ファイバカプラ３６により分岐された参照光の偏波状態を変化させる偏波コントローラ３８と、偏波コントローラ３８により偏波状態が変化された参照光の所定の偏光方向の成分を透過させる偏光子３９と、を含む。

【0049】

偏波コントローラ３８は、ファラデー素子１８の旋光角が第１角度である場合と第２角度である場合とで、偏光子３９を透過する参照光の光量が同量となるように、参照光の偏波状態を変化させるようにあらかじめ調整されたものである。例えば、この調整は、偏波コントローラ３８からの出力の直線偏光の方向が、偏光子３９の偏光軸に対して４５度傾いた状態になるように行われる。したがって、偏光子３９から出射される光は、ファラデー素子１８の旋光角が第１角度又は第２角度のいずれであるかにかかわらず、常に偏光子３９の偏光軸に一致した直線偏光となり、その光量は一定となる。

【0050】

例えば、図６（ａ）に示すタイミングでファイバカプラ３６により分岐された参照光のＰ偏光とＳ偏光とが切り替えられる状況において、偏波コントローラ３８を調整する前の偏光子３９の出力光量が図６（ｂ）に示されたようなものである場合、図６（ｃ）のように偏光子３９の出力光量が旋光角の切り替えのタイミングにかかわらず一定となるように偏波コントローラ３８は調整されている。

【0051】

さらに、測定干渉計３１は、測定光が入力されたセンサ用ファイバ１００からの反射光と、偏光子３９を透過した参照光と、を合波することで干渉光を出力する光合波手段としてのサーキュレータ３７及びファイバカプラ４０を含む。

【0052】

すなわち、ファイバカプラ３６により出力光は測定光と参照光とに２分岐され、測定光はサーキュレータ３７を透過後、センサ用ファイバ１００を伝搬する。センサ用ファイバ１００内を伝搬する測定光はセンサ用ファイバ１００の各点で反射される。この反射光は、再びセンサ用ファイバ１００を伝搬し、サーキュレータ３７を透過してファイバカプラ４０に入射される。一方、ファイバカプラ３６により分岐された参照光は、偏波コントローラ３８と偏光子３９を透過してファイバカプラ４０に入射される。

【0053】

なお、センサ用ファイバ１００はシングルモードファイバである。また、ファイバカプラ３６からファイバカプラ４０に至る測定光、反射光、及び参照光の光路上の各光学部品も、シングルモードファイバで接続されている。このため、波長掃引光源１０から出射される光の旋光角が第１角度のときと第２角度のときにおいて、ファイバカプラ４０に入力されるセンサ用ファイバ１００からの反射光の偏波状態は、ポアンカレ球上で対極の位置に相当するものとなる。

【0054】

受光器３２は、入力光の強度に比例した電気信号を出力するフォトダイオード（ＰＤ）からなり、測定干渉計３１から出力された干渉光を電気信号（以下、「干渉信号」とも称する）に変換するようになっている。干渉信号の周波数ｆは、センサ用ファイバ１００からの反射光と、偏光子３９を透過した参照光との光周波数の差である。

【0055】

Ａ／Ｄ変換器３３は、後述する反射測定部３４からの指示信号ｃに応じて、受光器３２から出力されたアナログの干渉信号をディジタル信号に変換するようになっている。図７に示すように、干渉信号は掃引周期に同期してＡ／Ｄ変換器３３によりサンプリングされる。図７は、短波長から長波長への掃引時にサンプリングが行われる例を示しているが、本発明はこれに限定されず、サンプリングのタイミングは任意である。例えば、長波長から短波長への掃引時にサンプリングが行われてもよく、あるいは、短波長から長波長への掃引時と、長波長から短波長への掃引時の両方でサンプリングが行われてもよい。

【0056】

反射測定部３４は、Ａ／Ｄ変換器３３から出力されたディジタル信号に基づいて、センサ用ファイバ１００の各位置における反射光の強度を測定するようになっており、フーリエ変換部４１と、記憶部４２と、加算処理部４３と、を含む。また、反射測定部３４は、掃引駆動部１５からの掃引信号ａと、旋光角制御部２０からの制御信号ｂとに基づいて、サンプリングのタイミングを指示するための指示信号ｃをＡ／Ｄ変換器３３に出力するようになっている。

【0057】

フーリエ変換部４１は、Ａ／Ｄ変換器３３から出力されたディジタル信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して、干渉光のスペクトラムを算出するようになっている。

【0058】

例えば、ファイバカプラ３６→サーキュレータ３７→センサ用ファイバ１００の入射端→サーキュレータ３７→ファイバカプラ４０の光路長と、ファイバカプラ３６→偏波コントローラ３８→偏光子３９→ファイバカプラ４０の光路長が一致するように測定干渉計３１のファイバ長が調整されているとすれば、干渉光のスペクトラムの周波数０での信号強度は、センサ用ファイバ１００の入射端からの反射光の強度に比例する。

【0059】

また、波長掃引光源１０の光周波数掃引速度をＶ［Ｈｚ／ｓ］、光速をｃ［ｍ／ｓ］、センサ用ファイバ１００の屈折率をｎ、センサ用ファイバ１００の入射端からセンサ用ファイバ１００内の各点までの距離をＺ［ｍ］とすれば、干渉光のスペクトラムの周波数ｆ［Ｈｚ］は、下記の式（１）で表すことができる。式（１）によれば、光周波数掃引速度Ｖが一定であると仮定すれば、干渉光のスペクトラムの周波数ｆはセンサ用ファイバ１００内の位置Ｚに比例することが分かる。
ｆ（Ｚ）＝Ｖ×２ｎＺ／ｃ ・・・（１）

【0060】

しかしながら、実際の波長掃引光源１０から出力される光の周波数は、非直線的に掃引されたり、変調が重畳されていたりする。これにより、干渉光のスペクトラムはぼやけたり、側帯波を持ったりすることになり、高精度な測定の妨げとなる。

【0061】

そこで、Ａ／Ｄ変換器３３から出力されたディジタル信号に対して、公知のリサンプリング処理を行うことにより、波長掃引光源１０による波長掃引の非線形性の影響を除去することが望ましい。この場合、フーリエ変換部４１は、リサンプリング処理されたＡ／Ｄ変換器３３からのディジタル信号をフーリエ変換して、干渉光のスペクトラムを算出することになる。

【0062】

式（１）に従って、干渉光のスペクトラムの周波数をセンサ用ファイバ１００内の位置Ｚに換算した干渉光のパワーを図８に示す。図８の上段に示すように、波長掃引光源１０から出射される光がＰ偏光のとき（以下、「Ｐ偏光時」とも称する）に信号強度が低下している領域では、センサ用ファイバ１００からの反射光の偏波状態が、偏光子３９を透過した参照光の偏波状態と直交している。一方、図８の下段に示すように、波長掃引光源１０から出射される光がＳ偏光のとき（以下、「Ｓ偏光時」とも称する）には、センサ用ファイバ１００からの反射光の偏波状態が、偏光子３９を透過した参照光の偏波状態と直交しなくなるため、図８の上段と同じ領域において逆に干渉光のパワーが強くなる。

【0063】

記憶部４２は、旋光角制御部２０からの制御信号ｂに基づいて、フーリエ変換部４１により算出された干渉光のスペクトラムのデータを、旋光角に対応付けて記憶するようになっている。

【0064】

加算処理部４３は、旋光角が第１角度のときにフーリエ変換部４１により算出された干渉光のスペクトラムと、旋光角が第２角度のときにフーリエ変換部４１により算出された干渉光のスペクトラムと、を記憶部４２から読み出して、これらを加算するようになっている。図９は、加算処理部４３により、フーリエ変換部４１で得られたＰ偏光時の干渉光のパワーとＳ偏光時の干渉光のパワーを加算することにより偏波補償を行った結果の一例を示すグラフである。図９に示すように、加算処理部４３による加算処理後の干渉光のパワーは、位置Ｚに依存せずにほぼ一定となる。

【0065】

表示部３５は、例えばＬＣＤやＣＲＴなどの表示機器で構成され、加算処理部４３により得られた加算処理後の干渉光のパワーなどを表示するようになっている。

【0066】

以下、本実施形態に係る波長掃引光源１０を用いる測定方法について、図１０のフローチャートを参照しながらその処理の一例を説明する。

【0067】

まず、旋光角制御部２０は、掃引信号ａに応じてファラデー素子１８の旋光角を第１角度に設定する（ステップＳ１）。

【0068】

次に、光分岐手段としてのファイバカプラ３６及びサーキュレータ３７は、波長掃引光源１０からの出力光を測定光と参照光とに分岐してセンサ用ファイバ１００に測定光を入力する（ステップＳ２）。

【0069】

次に、偏波コントローラ３８は、ファイバカプラ３６により分岐された参照光の偏波状態を変化させる（偏波状態変化ステップＳ３）。

【0070】

次に、偏光子３９は、偏波状態変化ステップＳ３により偏波状態が変化された参照光の所定の偏光方向の成分を透過させる（ステップＳ４）。なお、上記の偏波状態変化ステップＳ３は、旋光角が第１角度である場合と第２角度である場合とで、偏光子３９を透過する参照光の光量が同量となるように、参照光の偏波状態を変化させるものである。

【0071】

次に、光合波手段としてのサーキュレータ３７及びファイバカプラ４０は、偏光子３９を透過した参照光と、測定光が入力されたセンサ用ファイバ１００からの反射光とを合波することで干渉光を出力する（ステップＳ５）。

【0072】

次に、受光器３２は、干渉光を電気信号に変換する（ステップＳ６）。

【0073】

次に、Ａ／Ｄ変換器３３は、電気信号をディジタル信号に変換する（ステップＳ７）。

【0074】

次に、フーリエ変換部４１は、ディジタル信号をフーリエ変換して、干渉光のスペクトラムを算出する（フーリエ変換ステップＳ８）。

【0075】

次に、反射測定部３４は、旋光角が第２角度のときの干渉光のスペクトラムがフーリエ変換ステップＳ８で算出されたか否かを判定する（ステップＳ９）。否定判定の場合にはステップＳ１０に進み、肯定判定の場合にはステップＳ１１に進む。

【0076】

ステップＳ１０において旋光角制御部２０は、掃引信号ａに応じてファラデー素子１８の旋光角を第２角度に設定して、ステップＳ２に戻る。

【0077】

ステップＳ１１において加算処理部４３は、旋光角が第１角度のときにフーリエ変換ステップＳ８により算出された干渉光のスペクトラムと、旋光角が第２角度のときにフーリエ変換ステップＳ８により算出された干渉光のスペクトラムと、を加算する。

【0078】

ステップＳ８とステップＳ１１とは、ディジタル信号に基づいて、センサ用ファイバ１００の各位置における反射光の強度を測定する反射測定ステップを構成する。

【0079】

以上説明したように、本実施形態に係る波長掃引光源１０は、光ファイバの応力の影響を受ける前に半導体レーザ１１から出射された直線偏光の光の角度を９０度切り替えることができるため、ＯＦＤＲ装置の波長掃引光源として用いられた場合に、ＯＦＤＲ装置において低コストで正確な偏波補償を実現できる。

【0080】

また、本実施形態に係る波長掃引光源１０は、旋光角制御部２０により電磁石１９の駆動電流を制御することにより、ファラデー素子１８の旋光角を第１角度又は第２角度に切り替えることができる。

【0081】

また、本実施形態に係る波長掃引光源１０は、半導体レーザ１１から出射された光を４５度又は−４５度で旋光させることができる。

【0082】

また、本実施形態に係る波長掃引光源１０は、ファラデー素子１８の法線が、半導体レーザ１１から出射された光の光路に対して０度以外の角度を成しているため、ファラデー素子１８の表面で反射した半導体レーザ１１からの光が半導体レーザ１１側に戻ることを抑制できる。

【0083】

また、本実施形態に係る波長掃引光源１０は、ファラデー素子１８が、その保磁力よりも絶対値の小さい磁場で、４５度の旋光角、又は、−４５度の旋光角を維持できるものである場合には、電磁石１９に供給する駆動電流の供給時間を短縮できるため、電磁石１９の発熱を抑えて旋光角の温度による変動を抑制することができる。

【0084】

また、本実施形態に係る波長掃引光源１０は、半導体レーザ１１からファラデー素子１８に出射される光の波長を所定の掃引周期で繰り返し変化させることができる。

【0085】

また、本実施形態に係るＯＦＤＲ装置３０は、本実施形態に係る波長掃引光源１０を備えているため、低コストで正確な偏波補償を行うことができる。

【0086】

なお、本実施形態においては、波長掃引光源１０がＯＦＤＲ用の波長掃引光源として用いられる場合の構成例を主に説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、ポアンカレ球上の対極の位置に相当する２つの偏波状態の光を切り替えて出射させる任意の用途に対して、本実施形態の波長掃引光源１０を用いることができる。

【符号の説明】

【0087】

１０ 波長掃引光源
１１ 半導体レーザ
１１ａ，１１ｂ 光出射端面（端面）
１２ コリメートレンズ
１３ 回折格子
１４ 回動ミラー
１５ 掃引駆動部
１８ ファラデー素子
１９ 電磁石
２０ 旋光角制御部
２０ａ 可変電流源
２１ 出力側光ファイバ
３０ ＯＦＤＲ装置
３１ 測定干渉計
３２ 受光器
３３ Ａ／Ｄ変換器
３４ 反射測定部
３６ ファイバカプラ
３７ サーキュレータ
３８ 偏波コントローラ
３９ 偏光子
４０ ファイバカプラ
４１ フーリエ変換部
４３ 加算処理部
１００ センサ用ファイバ
１１０ ＤＵＴ

【要約】

【課題】ＯＦＤＲ装置において偏波補償を低コストで正確に実現できる波長掃引光源、それを用いたＯＦＤＲ装置及び測定方法を提供する。
【解決手段】半導体レーザ１１から出射される光の波長を所定の掃引周期で繰り返し変化させる波長掃引光源１０において、印加された磁場の強度に応じた旋光角で、半導体レーザ１１から出射された光を旋光させるファラデー素子１８と、ファラデー素子１８により旋光された光を出力光として外部に伝送する出力側光ファイバ２１と、ファラデー素子１８に磁場を印加する電磁石１９と、電磁石１９によりファラデー素子１８に印加される磁場の強度を変化させて、所定の掃引周期に同期して旋光角を第１角度と第２角度とに交互に切り替える制御を行う旋光角制御部２０と、を備え、第１角度と第２角度との差が９０度である。
【選択図】図１

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】