JP2006170629A - 光ファイバの特性評価方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 全ての測定装置を被測定光ファイバの一方の端末側に設置することで、利便性が高い光ファイバの特性評価方法および装置を提供する。
【解決手段】 第１光源１と、第１光源からの光パルスと波長が異なり、かつ前記パルス光に対して時間遅延を設けた光パルスを送出する第２光源２と、第１及び第２光カプラ４−１，４−２と、光波長フィルタ５または分光器と、光検出器６と、信号処理装置７とを被測定光ファイバ３の一端側に配置した構成であって、第１光源からのパルス光と第２光源からのパルス光とを第１光カプラにて合波し、入射端末８−１から被測定光ファイバに入射させ、第１光源からのパルス光の後方散乱光と第２光源からのパルス光との間の相互作用によりラマン光増幅を生じさせ、第２光カプラと光波長フィルタまたは分光器とを介して、ラマン光増幅された第１光源からのパルス光の後方散乱光を検出する前記光検出器および前記信号処理装置を配置した構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ラマン光増幅という光ファイバのもつ非線形効果により生じた信号光の時間的波形変化を解析し、光ファイバの長手方向にわたるラマン光増幅特性等の分布を評価する方法および、そのための装置に関するものである。

ブロードバンドサービスの増加による伝送容量拡大の需要に伴い、ラマン光増幅効果を用いて信号品質の劣化を抑制し、光信号を長距離伝送するシステムが検討されている。ラマン光増幅は励起する光の波長を変化させることで、増幅する波長帯を自由に選択することができるため、複数の波長を用いて光信号を伝送するＷＤＭ（波長多重）システムにこの増幅効果を適用することが検討されている。これをＷＤＭシステムに適用するためには光線路の波長に対する光ファイバのラマン利得特性を評価することが重要となる。このラマン光増幅による利得特性を測定する方法として、下記の特許文献１「光ファイバの特性評価方法および装置」および特許文献２「光ファイバの特性評価方法および装置」にて、波長に対してラマン利得特性の光ファイバ長手方向にわたる分布を測定する方法および装置が示されている。

特許文献１および特許文献２に述べられている特性評価装置の構成を図５に、測定波形の模式図を図６に示す。この特性評価装置では、第１光源１からのパルス光を被測定光ファイバ３の第１端末８−１から被測定光ファイバ３へ入射させ、被測定光ファイバ３のもう一端である第２端末８−２から第２光源２からのＣＷ光（連続光）を入射させて、前記被測定光ファイバ中で前記ＣＷ光を前記パルス光と対向させることにより、ラマン光増幅を生じさせる。そして、前記ラマン光増幅を受けた第２光源２からのＣＷ光は光カプラ４を介して光検出器５にて電気信号に変換され、この電気信号が信号処理装置７で信号処理される。このラマン光増幅された第２光源２からのＣＷ光パワーの時間的波形変化は図６のようになり、これを解析することにより被測定光ファイバ３の持つラマン利得特性の分布が測定できる。

なお、特許文献１と特許文献２の違いは、特許文献１では図６に示す増幅成分および直流成分と被測定光ファイバ３に入射したパルス光のパワー、さらに被測定光ファイバ３の損失分布の個々の測定項目を測定し、ラマン利得特性の分布を測定する方法であるのに対して、特許文献２ではラマン利得特性が既知である参照光ファイバを被測定光ファイバ３と接続し、参照光ファイバと被測定光ファイバ３のラマン利得特性の比率から被測定光ファイバ３のラマン利得特性の分布を算出することで、増幅成分のみを測定すれば良く、上記の測定項目を削減し、簡易化された点にある。

特開２００３−１５６４１０号公報 特開２００３−２７９４４７号公報

しかし、特許文献１および特許文献２に述べられている測定方法および装置構成では被測定光ファイバ３の両端にそれぞれ第１光源１、第２光源２を設置する必要があり、測定作業が煩雑になり、かつ多くの労力を必要とするという課題がある。

そこで本発明の目的は、光源、光カプラ、光波長フィルタまたは分光器、光検出器および信号処理装置の全ての装置を被測定光ファイバの一方の端末側に設置することで、前記課題を解決し、利便性が高い測定方法および装置構成を提供することにある。

本発明は前記課題を解決するために、第１光源からのパルス光と、前記第１光源からのパルス光に対して時間遅延を設けた第２光源からのパルス光とを用いて、被測定光ファイバ中で前記第１光源からのパルス光の後方散乱光とそれと対向する前記第２光源からのパルス光の相互作用によってラマン光増幅した第１光源からのパルス光の後方散乱光を検出し、この検出信号を信号処理した波形の時間的変化を解析することで被測定光ファイバのラマン利得特性の分布測定を可能とする方法および装置である。

即ち、第１発明の光ファイバの特性評価方法は、第１光源からのパルス光と、前記第１光源からのパルス光と波長が異なり、かつ前記第１光源からのパルス光に対して時間遅延を設けた第２光源からのパルス光とを、第１光カプラにて合波し、被測定光ファイバの一端から前記被測定光ファイバへ入射させ、前記被測定光ファイバ中で前記第１光源からのパルス光の後方散乱光と前記第２光源からのパルス光との間の相互作用によりラマン光増幅を生じさせ、第２光カプラと、前記被測定光ファイバ中で前記第２光源からのパルス光により発生する後方散乱光を除去し前記第１光源からのパルス光の後方散乱光のみを透過させる光波長フィルタとを介して、前記ラマン光増幅された前記第１光源からのパルス光の後方散乱光のパワーを光検出器にて検出し、この検出信号を信号処理して波形を解析することにより、前記被測定光ファイバの長さ方向のラマン利得特性を測定することを特徴とする。

また、第２発明の光ファイバの特性評価方法は、第１発明の方法において、前記被測定光ファイバの代わりに、ラマン利得特性について既知の光ファイバを参照光ファイバとして一本または複数本の被測定光ファイバと接続させた光ファイバを用いて波形を測定し、参照光ファイバのラマン利得特性と被測定光ファイバのラマン利得特性の比率を求めることにより、被測定光ファイバの長さ方向のラマン利得特性を算出することを特徴とする。

また、第３発明の光ファイバの特性評価装置は、光パルスを送出する第１光源と、前記第１光源からの光パルスと波長が異なり、かつ前記第１光源からのパルス光に対して時間遅延を設けた光パルスを送出する第２光源と、第１光カプラ及び第２光カプラと、光波長フィルタまたは分光器と、光検出器と、信号処理装置とを被測定光ファイバの一端側に配置した構成であって、前記第１光源からのパルス光と前記第２光源からのパルス光とを前記第１光カプラにて合波し、前記被測定光ファイバの一端から前記被測定光ファイバに入射させ、前記被測定光ファイバ中で前記第１光源からのパルス光の後方散乱光と前記第２光源からのパルス光との間の相互作用により、ラマン光増幅を生じさせ、前記第２光カプラと、前記被測定光ファイバ中で第２光源からのパルス光により発生する後方散乱光を遮断するための光波長フィルタまたは分光器とを介して、前記ラマン光増幅された前記第１光源からのパルス光の後方散乱光を検出する前記光検出器および前記信号処理装置を配置したことを特徴とする。

また、第４発明の光ファイバの特性評価装置は、第３発明の装置において、前記被測定光ファイバの代わりに、ラマン利得特性について既知の光ファイバを参照光ファイバとして一本または複数本の被測定光ファイバと接続させた光ファイバを用いたことを特徴とする。

本発明による測定方法および測定装置を用いることで、被測定光ファイバの片端側に全ての測定装置を設置することができ、被測定光ファイバの長さ方向にわたるラマン利得特性を測定する上で、測定稼動を削減し、利便性を向上させることができる。特に被測定光ファイバが敷設された長距離の光ファイバ伝送路の場合、光ファイバ伝送路の両側に測定装置を設置する必要が無く、簡単にラマン利得特性を測定できるため、より一層の利便性の向上を図ることができ、有効である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施例を詳細に説明する。

［実施例］
図１には本発明の実施例に係る光ファイバの特性評価装置の構成を示す。図１に示すように、本特性評価装置は、光パルスを送出する第１光源１と、第１光源１からの光パルスと波長が異なり、かつ第１光源１からのパルス光に対して時間遅延を設け光パルスを送出する第２光源２と、第１光カプラ４−１及び第２光カプラ４−２と、光波長フィルタ５と、光検出器６と、表示装置を備えた平均化処理装置７とを被測定光ファイバの一端側（片端側）に配置している。即ち、特性評価を行うための（特性評価装置を構成するための）全て測定装置が、被測定光ファイバ３の片端側にのみ配置されている。

第１光源１と第２光源２は第１光カプラ４−１の入力側に接続され、第１光カプラ４−１の出力側と被測定光ファイバ３の入射端末８−１との間には第２光カプラ４−２が介設され、第２光カプラ４−２の出力側に波長フィルタ５と光検出器６と平均化処理装置７とが順に接続されている。そして、第１光源１からのパルス光と第２光源２からのパルス光とを第１光カプラ４−２にて合波し、被測定光ファイバ３の一端の入射端末８−１から被測定光ファイバ３に入射させ、被測定光ファイバ３で第１光源１からのパルス光の後方散乱光と第２光源２からのパルス光との間の相互作用により、ラマン光増幅を生じさせ、第２光カプラ４−２と、被測定光ファイバ３で第２光源２からのパルス光により発生する後方散乱光を遮断するための光波長フィルタ６とを介して、前記ラマン光増幅された第１光源１からのパルス光の後方散乱光を光検出器６で検出し、この検出信号を信号処理装置７で信号処理して波形を解析することにより、被測定光ファイバ３の長さ方向のラマン利得特性を測定する。また、信号処理装置７で得られたゲイン分布の波形などは信号処理装置７に備えた表示装置に表示される。

なお、第２光源からのパルス光の後方散乱光を遮断する手段としては光波長フィルタ６に限定するものではなく、分光器を用いてもよい。この場合には分光器によって第１光源１からのパルス光の後方散乱光と第２光源２からのパルス光の後方散乱光とを分光して（即ち第２光源からのパルス光の後方散乱光を遮断して）、第１光源からの後方散乱光のみを光検出器６へ送出する。

また、信号処理装置７では平均化処理も行う。即ち、第１光源１及び第２光源２から送出される１回のパルス光に基づいて光検出器６で得られる検出信号の波形は変動の多い（ギザギザとした）ものであり、これでは精度のよい特性評価を行うことができない。そこで、第１光源１及び第２光源２からはパルス光を所定の周期で複数回送出し、信号処理装置７では、これら複数回のパルス光に基づいて光検出器６で得られる複数の検出信号を平均化処理（加算平均）して得た波形を解析することにより、精度のよい被測定光ファイバ３の長さ方向のラマン利得特性の測定を行う。

ここで本評価装置（評価方法）について更に詳述すると、第１光源１からのパルス光と、第１光源１からのパルス光と波長が異なり、かつ第１光源１からのパルス光に対して時間遅延を設けた第２光源２からのパルス光は、第１光カプラ４−１にて合波され、入射端末８−１から被測定光ファイバ３に入射し、被測定光ファイバ３中を同一方向に伝搬する。第１光源１と第２光源２からそれぞれ出射するパルス光に時間遅延を設けるためには、（１）第１光源１および第２光源２に時間遅延を設けたパルス駆動電流を加える電気段（電気的手段）による方法と、（２）第１光源１または第２光源２の出射端に任意の長さの光ファイバを接続して光路長を変化させる（即ち第１光源１から第１光カプラ４−１までの光路長と第２光源２から第１光カプラ４−１までの光路長とに差を設ける）光段（光学的手段）による方法がある。

ここで被測定光ファイバ３の入射端末８−１から出射端末８−２にむけてｚ軸座標とする。ｖを被測定光ファイバ３中の光の伝搬速度、ｔを第１光源１からのパルス光が入射端末８−１から被測定光ファイバ３に入射した時から第２光源２からのパルス光が入射する時までの遅延時間とすると、被測定光ファイバ３の任意の位置ｚで発生した第１光源１から出射されたパルス光の後方散乱光は、遅れて出射した第２光源２からのパルス光と対向して被測定光ファイバ３中を伝搬し、被測定光ファイバ３の位置ｚ−ｖｔ／２において第２光源２からのパルス光との間の相互作用によりラマン光増幅される。このラマン光増幅された第１光源１から出射されたパルス光の後方散乱光が、第２光カプラ４−２および第２光源２からのパルス光の後方散乱光を除去するための光波長フィルタ５または分光器を介して、光検出器６にて検出される時の光パワーＰ_s（ｚ）は以下の式（１）で表される。

ここで、Ｐ_s（０） は入射端末８−１における第１光源１から出射されたパルス光のパワー、Ｒ（ｚ） は後方散乱係数、Ｗ_sは第１光源１から出射されたパルス光のパルス幅、α_s（ｚ）は第１光源１から出射されたパルス光の波長に対するファイバ損失分布、Ｃは第２光カプラ４−２および光波長フィルタ５の透過率、Ｇ（ｚ） はラマン光増幅によるゲイン分布を示す。一方、第２光源２からのパルス光が無い時、式（１）は以下の式（２）のように与えられる。

すなわち、Ｇ（ｚ） は式（１）と式（２）の比、すなわち、第２光源２からのパルス光がある時とない時における光検出器６にて検出されるパワーの比で与えられる。ｖｔ／２≦ｚ≦Ｌの場合、Ｇ（ｚ） は以下の式（３）で表される。

ここで、ｋは位置ｚに依存しない定数、γ（ｚ＋ｖｔ／２）およびＰ_p（ｚ＋ｖｔ／２）は、それぞれ位置ｚ＋ｖｔ／２における被測定光ファイバ３のラマン利得率および第２光源２からのパルス光のパワーを示す。図２は本実施例におけるＧ（ｚ）の測定波形の模式図を示す。本発明では、第１光源１からのパルス光と第２光源２のパルス光の間には、被測定光ファイバ３に入射する時間差が設けられているため、ラマン光増幅は第１光源１からのパルス光と第２光源２からのパルス光の間の位置で生じる。したがって、図２に示すように、位置ｚからｖｔ／２だけずれた位置の被測定光ファイバ３のラマン利得率および第２光源２からのパルス光のパワーを反映したゲイン分布Ｇ（ｚ）が、信号処理装置７の表示装置に表示される。ここで式（３）をｚ軸上でｖｔ／２だけ平行移動すると、０≦ｚ≦Ｌ−ｖｔ／２の範囲において以下の式（４）のようになる。

ここで、α_p（ｚ） は第２光源２から出射されたパルス光の波長に対するファイバ損失分布を示す。したがって、位置ｚにおける被測定光ファイバ３のラマン利得率は以下の式（５）で与えられる。式（５）において、ゲイン分布Ｇ（ｚ）は前述のように第２光源２からのパルス光がある時とない時における光検出器７にて検出される第１光源１からのパルス光の後方散乱光パワーの比で与えられる。第２光源２からのパルス光の波長に対する損失分布α_p（ｚ）は第２光源２と同じ波長のパルス光源を持つＯＴＤＲ（optical time domain reflectmeter）を用いて容易に測定することができる。また、入射端末８−１（ｚ＝０）における第２光源２からのパルス光のパワーＰ_p（０）は、出射端末８−２における第２光源２からのパルス光のパワーＰ_p（Ｌ）（このパワーはパワーメータで容易に測定することができる）と、第２光源２からのパルス光の波長に対する損失分布α_p（ｚ）とに基づいて下式（６）から求めることができる。

更に、ここで０≦ｚ≦Ｌ−ｖｔ／２の範囲において、任意の一点ｚ＝ｚ_oにおけるラマン利得率γ（ｚ_o）が既知であると仮定し、γ（ｚ_o）で式（５）を正規化すると、以下の式（７）で与えられる。

ここで、ｍは位置ｚに依存しない定数である。式（７）より、正規化されたラマン利得率は、Ｇ（ｚ） とα_p（ｚ）、すなわちラマン光増幅によるゲイン分布と第２光源２からのパルス光の波長に対する損失分布で与えられる。前述のように、ゲイン分布Ｇ（ｚ）は第２光源２からのパルス光がある時とない時における光検出器７にて検出される第１光源１からのパルス光の後方散乱光パワーの比で与えられる。また、第２光源２からのパルス光の波長に対する損失分布α_p（ｚ）は第２光源２と同じ波長のパルス光源を持つＯＴＤＲを用いて容易に測定することができる。そして得られた正規化されたラマン利得率より、任意の一点ｚ_oにおけるラマン利得率γ（ｚ_o）が既知であるので、その他の位置ｚにおけるラマン利得率を算出することが可能である。

図３はラマン利得率が既知である参照光ファイバ９を用いた特性評価装置の構成を示す。このような構成において、少なくとも任意の一点においてラマン利得率が既知である参照光ファイバ９と接続された一本または複数本（直列接続）の被測定光ファイバ３のラマン利得率の分布を測定することが可能である。

以下では本発明の実施例として、１ｋｍの分散シフト光ファイバ（ＤＳＦ）を参照光ファイバ９として被測定光ファイバ３としての２ｋｍの分散補償ファイバ（ＤＣＦ）と接続した、２本の光ファイバにより構成される合計３ｋｍの長さを持つ被測定対象の分布特性評価を行った例を示す。ここでは、第１光源１からのパルス光の波長およびパルス幅を１．５５μｍ、４×１０^-6秒とし、第２光源２からのパルス光の波長およびパルス幅を１．４５μｍ、２×１０^-6秒とした。また、第１光源１からのパルス光が前記被測定対象の入射端末８−１から前記被測定対象に入射した時から第２光源２からのパルス光が入射する時までの遅延時間を５×１０^-6秒と設定した。

図４にその測定結果を示す。図４に示すように被測定光ファイバ３であるＤＣＦは、参照光ファイバ９であるＤＳＦに対して約２．８倍のラマン利得率を持ち、光ファイバ内でほぼ一定に分布していることが分かる。この結果は、従来技術である特許文献２に示す方法を用いて、同じ被測定対象の測定を行った結果と良い一致を示していた。しかも、本実施例の特性評価装置では被測定光ファイバの片端側に全ての測定装置を設置することができるため、測定作業が簡単で利便性が向上し、特に長距離伝送光ファイバの測定を行う場合においては利便性が飛躍的に向上する。なお、前述のように、ラマン利得率の分布は０≦ｚ≦Ｌ−ｖｔ／２の範囲において得られるため、図４中に示されるように位置Ｌ−ｖｔ／２＝２．５ｋｍ以上（光ファイバ中の光速を２×１０⁸ｍ／ｓと仮定）がデッドゾーンになっていることが分かる。これについては、第１光源１からのパルス光のパルス幅、また第１光源１からのパルス光が入射端末８−１から被測定対象に入射した時から第２光源２からのパルス光が入射する時までの遅延時間を小さく設定することでデッドゾーンを小さくすることが可能である。

本発明の実施例に係る光ファイバの特性評価装置の構成図である。 前記特性評価装置で得られるゲイン分布の測定波形の模式図である。 本発明の実施例に係る光ファイバの特性評価装置であって参照光ファイバを用いた場合の特性評価装置の構成図である。 前記特性評価装置における測定結果である。 特許文献１および特許文献２に記載されている従来の光ファイバの特性評価装置の構成図である。 前記特性評価装置の測定波形の模式図である。

符号の説明

１ 第１光源
２ 第２光源
３ 被測定光ファイバ
４−１ 第１光カプラ
４−２ 第２光カプラ
５ 波長フィルタ
６ 光検出器
７ 信号処理装置（表示装置）
８−１ 入射端末
８−２ 出射端末
９ 参照光ファイバ

Claims (4)

1. 第１光源からのパルス光と、前記第１光源からのパルス光と波長が異なり、かつ前記第１光源からのパルス光に対して時間遅延を設けた第２光源からのパルス光とを、第１光カプラにて合波し、被測定光ファイバの一端から前記被測定光ファイバへ入射させ、前記被測定光ファイバ中で前記第１光源からのパルス光の後方散乱光と前記第２光源からのパルス光との間の相互作用によりラマン光増幅を生じさせ、第２光カプラと、前記被測定光ファイバ中で前記第２光源からのパルス光により発生する後方散乱光を除去し前記第１光源からのパルス光の後方散乱光のみを透過させる光波長フィルタまたは分光器とを介して、前記ラマン光増幅された前記第１光源からのパルス光の後方散乱光のパワーを光検出器にて検出し、この検出信号を信号処理して波形を解析することにより、前記被測定光ファイバの長さ方向のラマン利得特性を測定することを特徴とする光ファイバの特性評価方法。
2. 請求項１記載の方法において、前記被測定光ファイバの代わりに、ラマン利得特性について既知の光ファイバを参照光ファイバとして一本または複数本の被測定光ファイバと接続させた光ファイバを用いて波形を測定し、参照光ファイバのラマン利得特性と被測定光ファイバのラマン利得特性の比率を求めることにより、被測定光ファイバの長さ方向のラマン利得特性を算出することを特徴とする光ファイバの特性評価方法。
3. 光パルスを送出する第１光源と、前記第１光源からの光パルスと波長が異なり、かつ前記第１光源からのパルス光に対して時間遅延を設けた光パルスを送出する第２光源と、第１光カプラ及び第２光カプラと、光波長フィルタまたは分光器と、光検出器と、信号処理装置とを被測定光ファイバの一端側に配置した構成であって、前記第１光源からのパルス光と前記第２光源からのパルス光とを前記第１光カプラにて合波し、前記被測定光ファイバの一端から前記被測定光ファイバに入射させ、前記被測定光ファイバ中で前記第１光源からのパルス光の後方散乱光と前記第２光源からのパルス光との間の相互作用により、ラマン光増幅を生じさせ、前記第２光カプラと、前記被測定光ファイバ中で第２光源からのパルス光により発生する後方散乱光を遮断するための光波長フィルタまたは分光器とを介して、前記ラマン光増幅された前記第１光源からのパルス光の後方散乱光を検出する前記光検出器および前記信号処理装置を配置したことを特徴とする光ファイバの特性評価装置。
4. 請求項３記載の装置において、前記被測定光ファイバの代わりに、ラマン利得特性について既知の光ファイバを参照光ファイバとして一本または複数本の被測定光ファイバと接続させた光ファイバを用いたことを特徴とする光ファイバの特性評価装置。

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