JP2006242634A

JP2006242634A - 光伝送媒体の分散測定方法及び装置

Info

Publication number: JP2006242634A
Application number: JP2005056245A
Authority: JP
Inventors: Fumihiko Ito; 文彦伊藤
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-03-01
Filing date: 2005-03-01
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】本発明の課題は、非破壊で光伝送媒体の分散の長さ方向に対する分布の測定を行い、高出力な光源は必要とせず、かつ距離分解能が格段に優れた光伝送媒体の分散測定方法を提供することにある。
【解決手段】本発明は、一定の広がりを持ち予め既知であるようなスペクトル分布を有する光パルスを光伝送媒体５に入力し、光伝送媒体５内で生じたレイリー散乱光と、前記光パルスとのコヒーレント相関強度を検出し、前記コヒーレント相関強度を予め測定された光伝送媒体５の損失の情報に参照し、前記参照されたコヒーレント相関強度と光パルスのスペクトル分布とから、特定区間における光伝送媒体５の分散を求めることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光ファイバや光導波路等の光伝送媒体における分散を測定する光伝送媒体の分散測定方法及び装置に関するものである。

光ファイバや光導波路を用いた光通信システムにおいて、光ファイバの分散は伝播時の信号波形のひずみを招くなど光通信システムの特性に大きな影響を与えるため、測定によって光ファイバ等の分散を知ることは通信システム設計上欠かせない事項である。特に、実際のシステム運用や試験時においては、光ケーブルを設置した状態で、光ファイバの分散の長さ方向に対する分布の測定を行うことが必要になるケースが多い。このように、非破壊で光ファイバの分散の長さ方向に対する分布の測定を行う手法としては、従来例えば非特許文献１において記載されている、光ファイバ中の４光波混合を利用した方法がある。しかしながら、この従来の手法は、［１］光ファイバ内の非線形光学効果を利用する必要があることから、大きな強度のレーザ光を必要とすること（非特許文献１では１Ｗ程度のレーザ光により測定系が構築されている）、［２］達成可能な距離分解能に限界がある（非特許文献１では「kmの分割（fraction of km）」が達成されているに過ぎない。）などの欠点を有していた。

L.F.Mollenauer et al."Method for facile and accurate measurement of optical fiber dispersion maps,"OPTICS LETTERS,VOL.21,NO.21,pp.1724-1726(November 1996) W.A.Hamilton,et al.,"Longitudian coherence and interferometry in dispersivemedia,"Phys.Rev.Lett.Vol.28,No.5,pp.3149-3152(1983) N.Shibata,et al.,"Temporal coherence properties of a dispersively propagating beam in a fiber-optic interferometer,"J. Opt.Soc.Am.A Vol.4,No.3,pp.494-497(1987)

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、非破壊で光伝送媒体の分散の長さ方向に対する分布の測定を行い、高出力な光源は必要とせず、かつ距離分解能が格段に優れた光伝送媒体の分散測定方法及び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は、光伝送媒体において分散の長さ方向に対する分布の測定を行う分散測定方法であって、一定の広がりを持ち予め既知であるようなスペクトル分布を有する光パルスを光伝送媒体に入力する第１のステップと、前記光伝送媒体内で生じたレイリー散乱光と、前記光パルスを分岐して得られた局発光パルスとのコヒーレント相関強度を検出する第２のステップと、前記コヒーレント相関強度を予め測定された光伝送媒体の損失の情報に参照し、前記参照されたコヒーレント相関強度と光パルスのスペクトル分布とから、特定区間における光伝送媒体の分散を求める第３のステップとよりなることを特徴とする。

また本発明は、光伝送媒体において分散の長さ方向に対する分布の測定を行う分散測定方法であって、一定の広がりを持ち予め既知であるようなスペクトル分布を有する低コヒーレンス光を光伝送媒体に入力し、光伝送媒体の各位置における散乱光と入力光とのコヒーレント相関Ｉを観測する第１のステップと、光伝送媒体の各位置における損失αを観測する第２のステップと、前記低コヒーレンス光のスペクトル分布関数Ｓ（ω）を観測する第３のステップと、前記コヒーレント相関Ｉ、前記損失α、及び前記スペクトル分布関数Ｓ（ω）より、光伝送媒体の各位置までの累積分散を求める第４のステップとよりなることを特徴とする。

また本発明は、光伝送媒体において分散の長さ方向に対する分布の測定を行う分散測定装置であって、一定の広がりを持ち予め既知であるようなスペクトル分布を有する光パルスを光伝送媒体に入力する第１の手段と、前記光伝送媒体内で生じたレイリー散乱光と、前記光パルスを分岐して得られた局発光パルスとのコヒーレント相関強度を検出する第２の手段と、前記コヒーレント相関強度を予め測定された光伝送媒体の損失の情報に参照し、前記参照されたコヒーレント相関強度と光パルスのスペクトル分布とから、特定区間における光伝送媒体の分散を求める第３の手段とを具備することを特徴とするものである。

また本発明は、光伝送媒体において分散の長さ方向に対する分布の測定を行う分散測定装置であって、一定の広がりを持ち予め既知であるようなスペクトル分布を有する光パルス列を発生する光源と、前記光源によって発生された光パルス列から所定の１つの光パルスを抜き出す強度変調器と、前記強度変調器で抜き出された光パルスが光伝送媒体に導かれ、該光伝送媒体で反射されたレイリー散乱光と、前記強度変調器で抜き出された光パルスとのコヒーレント相関強度を検出し、前記コヒーレント相関強度を予め測定された光伝送媒体の損失の情報に参照し、前記参照されたコヒーレント相関強度と光パルスのスペクトル分布とから、特定区間における光伝送媒体の分散を求めるコヒーレント検波系とを具備することを特徴とするものである。

また本発明は、前記コヒーレント検波系が、バランス型フォトディテクタ、ＲＦアンプ、ＡＤコンバータ及び数値解析装置によって構成されることを特徴とするものである。

本発明は、公知の技術であるコヒーレントＯＴＤＲ（Optical Time Domain Refrectmetry）技術をベースとする。即ち、光パルスを光ファイバや光導波路などの光伝送媒体に入力し、光伝送媒体で生じるレイリー散乱光（反射光）をコヒーレント検波する。このとき、一定のスペクトル広がりを有する光の可干渉性（コヒーレンス度）が分散量に依存することを利用して、光伝送媒体内での分散の長さ方向の分布を計測することを特徴とする。なお、「一定のスペクトル広がりを有する光パルスを用い、分散媒体を通過したスペクトル広がりを有する光の可干渉性（コヒーレンス度）が分散量に依存する」という事実は、例えば非特許文献２及び非特許文献３などで開示されているが、この事実を利用した光ファイバの分散の長さ方向に対する分布の測定を行う方法及び装置については本発明が始めて開示するものである。

本発明によれば、非破壊で光伝送媒体の分散の長さ方向に対する分布の測定を行う手法を新たに提供することができる。従来の技術のように非線形光学効果を利用する手法と異なり、ｍＷクラスの光源による動作も十分に期待できる。高出力な光源は必要としないため、コスト性に優れた分散測定方法及び装置を提供することも可能になる。また、分散分布識別できる区間は、１ｍ程度でも十分に可能であり、従来の方法では実現困難であった距離分解能を実現できる。

以下図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
図１は本発明の実施形態例に係る光伝送媒体の分散測定装置を示す構成説明図である。１は光源であり、一定のスペクトル広がりを有し、そのスペクトル分布関数が既知であるような光パルス列を発生する。２０１，２０２は強度変調器であり、光源１によって発生された光パルス列から所定の１つの光パルスを抜き出し、それぞれ光伝送媒体５及びコヒーレント検波系１１へと導かれる。９はどの光パルスを選別するかを制御するためのタイミング回路である。コヒーレント検波系１１は、バランス型フォトディテクタ６、ＲＦ（高周波）アンプ７、ＡＤ（アナログ・デジタル）コンバータ及び数値解析装置８によって構成される。前記数値解析装置８には、光伝送媒体５の各位置における損失αの情報、及び光源１の低コヒーレント光のスペクトル分布関数Ｓ（ω）の情報が保持されている。３０１，３０２は１：１の分岐比を持つ光スプリッタである。１０は偏波スクランブラであり、コヒーレント検波における偏波揺らぎ雑音を低減するためのもので、コヒーレントＯＴＤＲにおいて公知の技術である。４はサーキュレータであり、光伝送媒体５で反射されたレイリー散乱光をコヒーレント検波系１１に導く。

すなわち、光伝送媒体５において分散の長さ方向に対する分布の測定を行う分散測定装置であって、光源１は一定の広がりを持ち予め既知であるようなスペクトル分布を有する光パルス列を発生する。前記光源１によって発生された光パルス列は光スプリッタ３０１で分岐されてそれぞれ対応した強度変調器２０１，２０２に入力され、前記強度変調器２０１，２０２はそれぞれ対応して光パルス列から所定の１つの光パルスを抜き出す。前記強度変調器２０１で抜き出された光パルスは偏波スクランブラ１０及びサーキュレータ４を介して光ファイバ等の光伝送媒体５に導かれる。前記強度変調器２０２で抜き出された光パルスは光スプリッタ３０２を介してコヒーレント検波系１１のバランス型フォトディテクタ６に入力される。前記光伝送媒体５で反射されたレイリー散乱光はサーキュレータ４及び光スプリッタ３０２を介してバランス型フォトディテクタ６に入力される。前記バランス型フォトディテクタ６は光伝送媒体５で反射されたレイリー散乱光と、強度変調器２０２で抜き出された光パルスとのコヒーレント相関強度を検出する。前記バランス型フォトディテクタ６で検出されたコヒーレント相関強度はＲＦアンプ７を介してＡＤコンバータ及び数値解析装置８に入力される。ＡＤコンバータ及び数値解析装置８は入力されたコヒーレント相関強度を予め測定された光伝送媒体５の損失の情報に参照し、前記参照されたコヒーレント相関強度と光パルスのスペクトル分布とから、特定区間における光伝送媒体５の分散を算出する。

次に、本実施形態例の動作について説明する。光源１が発生する光パルスの電磁場をΨ（ｔ，ｚ）とする。ここでｚは光伝送媒体５の入射点を起点とした伝播方向に向けて所定の距離での位置、ｔは時間を表す。光伝送媒体５を光パルスが伝播する際には、レイリー散乱によって反射光が生じる。この反射光は、非測定媒体のあらゆる場所で生じるので、非測定媒体の入射端（ｚ＝０）で観測される反射光の電磁場Ψ_Ｒは各地点で生じた反射電磁波が、入射端から反射地点までの往復時間分だけ遅れて積算されることとなり、光伝送媒体５の分散が零である場合は以下のように書ける。

ここでｒ（ｚ）は、光伝送媒体５の位置ｚにおけるレイリー散乱光の反射率であり、ｚに対してランダムに変化する。αは光伝送媒体５の損失係数、ｃは光伝送媒体５中における光速である。

次に、非測定媒体の分散を考慮した場合に観測されるΨ_Ｒについて考察する。Ψ（ｔ，ｚ）をフーリエ積分表示すると、

と書ける。ここで、Ａ（ω）は光源のスペクトル分布関数Ｓ（ω）と次の関係にある。

ωは光の角周波数、βは非測定媒体における伝搬定数である。フーリエ積分表示を用いて式（１）を書き直すと、

となる。これよりΨ_Ｒ（ｔ）のフーリエ変換をＡ_Ｒ（ω）とすると、

Ｓ（ω）の中心周波数ω_０として、伝搬定数β（ω）をω_０の近傍でテイラー展開し、２次の項まで考慮すると、

ここで、ν_ｐ及びν_ｇは、それぞれ光伝送媒体５中での光の位相速度と群速度である。また、

は分散の由来となる項であり、分散Ｄは、

で与えられる。式（４−１）に式（５）を代入することで以下を得る。

一方、光スプリッタ３０１によって分岐された光パルス（局発光）は、非測定媒体５の地点ｚ_０において反射されたレイリー散乱光と重なるように、２ｚ_０／ｃなる時間だけ遅く発生したパルスが抜き取られ、コヒーレント検波系１１へ入射される。この局発光の電磁場Ψ_ｌ（ｔ，ｚ）は、

と表される。従って、Ψ_Ｌ（ｔ）のフーリエ変換Ａ_Ｌ（ω）は、

このときバランス型フォトディテクタ６に生じる電流Ｉは、ηをフォトディテクタの変換効率として、

である。ただし＊は位相共役を表す。これに式（７）及び式（９）を代入すると、

ここで式を見やすくするため

とおくと式（１１）は以下のようになる。

ｒ（ｚ）は、光ファイバなどアモルファス物質構造をもつ光伝送媒体５においては、統計的な揺らぎを持ち、そのため式（１３）のフェーザ

に対する積分は有限な値を持つ。電流Ｉを多数回観測した場合の平均Ｉ⁻は、平均的な反射率ｒ_０に帰着すると考えてよく、

Ｑ（ｚ）を元に戻すと、

ため、有限値を持つのはｚ_０の近傍のみであり、式（１５）は近似的に以下のように書ける。

は光伝送媒体５の損失に対して規格化された電流値であるが、これを用いて（１７）は

光源１のスペクトル分布関数Ｓ（ω）が既知であり、かつｚ_０までの累積損失ｅｘｐ（−２αｚ_０）が既知である場合には、規格化された電流Ｉ⁻ _ｎｏｒｍを用いてこれを解くことにより、

を算出することが出来る。すなわち、ｚ_０までの累積分散を知ることが出来る。なお、ｚ_０までの累積損失ｅｘｐ（−２αｚ_０）については通常のＯＴＤＲ技術によって容易に求めることが出来る。更に、局発光パルスのタイミングを変更し、任意のｚからの反射光にタイミングを一致させて同様の観側及び計算を行うことにより、任意のｚまでの累積分散

を求めることが出来る。

具体的な例として、光源１のスペクトル分布関数Ｓ（ω）がガウス波形

で近似できる場合は式（１７）は更に簡単に

とおいた。ここでΔωは、光源のスペクトル広がりの角周波数幅であり、Δλ広がりの波長幅である。この場合は

により求めることが出来る。光パルス光源１としては、モードロックレーザや半導体レーザのゲインスイッチなどの技術が利用できるが、いずれもスペクトル分布はガウス形で近似できる場合が多く、式（２０）は有用である。またそのスペクトル分布がいかなる形状であっても、式（１７−１）まで立ち戻ることにより分散を求めることが出来る点は前述のとおりである。

光源１のスペクトル広がりとして採用すべき設計値について考察する。式（１９）において、電流Ｉ⁻ _ｎｏｒｍへの分散の影響が最も感度よく検出できるのは、

が成立するときである。測定したい区間の長さをＬとして、これをｚ_０に代入すると、この時のスペクトル幅は、

である。数値例として、λ_０＝１．５５μｍ、Ｄ＝１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、Ｌ＝１０ｍとすると、Δλ＝３．６ｎｍである。これは、例えばモードロックやゲインスイッチを使って発生されるパルス幅３ｐｓ程度のフーリエ変換限界のパルスにより実現できる。もうひとつの数値例として、λ_０＝１．５５μｍ、Ｄ＝１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、Ｌ＝１ｍとすると、Δλ＝１１ｎｍであるが、これは、例えばモードロックやゲインスイッチを使って発生されるパルス幅１ｐｓ程度のフーリエ変換限界のパルスにより実現できる。こうした光源を用いることで、１ｍ程度の短い区間における光伝送媒体の分散分布を測定できることが本発明の効果であり、また本発明の構成では非線形光学効果を用いていないので、高出力な光源が不要という効果がある。

図２は本発明の実施形態例に係る分散測定方法を示す説明図である。すなわち、光伝送媒体において分散の長さ方向に対する分布の測定を行う分散測定方法であって、ステップＳ１において、一定の広がりを持ち予め既知であるようなスペクトル分布を有する低コヒーレンス光を光伝送媒体に入力し、光伝送媒体の各位置ｚにおける散乱光と入力光とのコヒーレント相関Ｉを観測する。またステップＳ２において、光伝送媒体の各位置における損失αを観測する。またステップＳ３において、光源１の低コヒーレンス光のスペクトル分布関数Ｓ（ω）を観測する。またステップＳ４において、前記式（１７）により、前記コヒーレント相関Ｉ、前記損失α、及び前記スペクトル分布関数Ｓ（ω）より、光伝送媒体の各位置ｚまでの累積分散を計算する。

なお、本発明は、上記実施形態例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、上記実施形態例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

本発明の実施形態例に係る光伝送媒体の分散測定装置を示す構成説明図である。本発明の実施形態例に係る分散測定方法を示す説明図である。

符号の説明

１…光源、２０１，２０２…強度変調器、３０１，３０２…光スプリッタ、４…サーキュレータ、５…光伝送媒体、６…バランス型フォトディテクタ、７…ＲＦアンプ、８…ＡＤコンバータ及び数値解析装置、９…タイミング回路、１０…偏波スクランブラ、１１…コヒーレント検波系。

Claims

光伝送媒体において分散の長さ方向に対する分布の測定を行う分散測定方法であって、
一定の広がりを持ち予め既知であるようなスペクトル分布を有する光パルスを光伝送媒体に入力する第１のステップと、
前記光伝送媒体内で生じたレイリー散乱光と、前記光パルスを分岐して得られた局発光パルスとのコヒーレント相関強度を検出する第２のステップと、
前記コヒーレント相関強度を予め測定された光伝送媒体の損失の情報に参照し、前記参照されたコヒーレント相関強度と光パルスのスペクトル分布とから、特定区間における光伝送媒体の分散を求める第３のステップとよりなることを特徴とする分散測定方法。
光伝送媒体において分散の長さ方向に対する分布の測定を行う分散測定方法であって、
一定の広がりを持ち予め既知であるようなスペクトル分布を有する低コヒーレンス光を光伝送媒体に入力し、光伝送媒体の各位置における散乱光と入力光とのコヒーレント相関Ｉを観測する第１のステップと、
光伝送媒体の各位置における損失αを観測する第２のステップと、
前記低コヒーレンス光のスペクトル分布関数Ｓ（ω）を観測する第３のステップと、
前記コヒーレント相関Ｉ、前記損失α、及び前記スペクトル分布関数Ｓ（ω）より、光伝送媒体の各位置までの累積分散を求める第４のステップとよりなることを特徴とする分散測定方法。
光伝送媒体において分散の長さ方向に対する分布の測定を行う分散測定装置であって、
一定の広がりを持ち予め既知であるようなスペクトル分布を有する光パルスを光伝送媒体に入力する第１の手段と、
前記光伝送媒体内で生じたレイリー散乱光と、前記光パルスを分岐して得られた局発光パルスとのコヒーレント相関強度を検出する第２の手段と、
前記コヒーレント相関強度を予め測定された光伝送媒体の損失の情報に参照し、前記参照されたコヒーレント相関強度と光パルスのスペクトル分布とから、特定区間における光伝送媒体の分散を求める第３の手段とを具備することを特徴とする分散測定装置。
光伝送媒体において分散の長さ方向に対する分布の測定を行う分散測定装置であって、
一定の広がりを持ち予め既知であるようなスペクトル分布を有する光パルス列を発生する光源と、
前記光源によって発生された光パルス列から所定の１つの光パルスを抜き出す強度変調器と、
前記強度変調器で抜き出された光パルスが光伝送媒体に導かれ、該光伝送媒体で反射されたレイリー散乱光と、前記強度変調器で抜き出された光パルスとのコヒーレント相関強度を検出し、前記コヒーレント相関強度を予め測定された光伝送媒体の損失の情報に参照し、前記参照されたコヒーレント相関強度と光パルスのスペクトル分布とから、特定区間における光伝送媒体の分散を求めるコヒーレント検波系とを具備することを特徴とする分散測定装置。
コヒーレント検波系が、バランス型フォトディテクタ、ＲＦアンプ、ＡＤコンバータ及び数値解析装置によって構成されることを特徴とする請求項４に記載の分散測定装置。